JP2008059770A - Heat exchanger for exhaust heat recovery, and fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池の排ガスから熱の回収を効果的に行う排熱回収用熱交換器および排熱回収用熱交換器を具備する燃料電池システム関する。 The present invention relates to a heat exchanger for exhaust heat recovery that effectively recovers heat from exhaust gas of a fuel cell and a fuel cell system including a heat exchanger for exhaust heat recovery.
近年、次世代エネルギーとして、燃料電池により発電を行なう燃料電池システムが種々提案されている。 In recent years, various fuel cell systems that generate power using fuel cells have been proposed as next-generation energy.
この燃料電池システムにおいては、燃料電池の発電により生じた排ガスの排熱を効果的に回収し、回収した熱を例えば水道水等の被加熱源と熱交換し、水道水に熱を与えて温水にして、その温水を例えば給湯に利用することが提案されている。 In this fuel cell system, the exhaust heat of the exhaust gas generated by the power generation of the fuel cell is effectively recovered, the recovered heat is exchanged with a heated source such as tap water, and the tap water is heated to Thus, it has been proposed to use the warm water for hot water supply, for example.
あわせて、燃料電池の発電により生じた排ガスの排熱を効果的に回収するための熱交換器が開示されており(例えば、特許文献1参照)、さらにより効果的に排熱を回収すべく、水が流通する配管の外壁に複数のフィンを設けてなり、排ガスの流れと水の流れを対向流とする熱交換器が提案されている(例えば、特許文献2参照)。
ところで、固体電解質形燃料電池の運転温度が一般に800〜1000℃の高温となるため、燃料電池の発電により生じる排ガスの排熱温度も高くなる。それゆえ、従来、熱交換ユニットを収納するための収納容器は、耐熱性が高い材質により作製されており、そのような材質として、銅、アルミニウム、ステンレス等の金属類が用いられていた。 By the way, since the operating temperature of the solid oxide fuel cell is generally a high temperature of 800 to 1000 ° C., the exhaust heat temperature of the exhaust gas generated by the power generation of the fuel cell is also increased. Therefore, conventionally, the storage container for storing the heat exchange unit is made of a material having high heat resistance, and such a material has been made of metals such as copper, aluminum, and stainless steel.
しかしながら、これら金属類により収納容器を作製した場合には、金属類ならではの問題が多々あった。 However, when the storage container is made of these metals, there are many problems unique to the metals.
例えば、金属類は熱伝導率が高いため、排ガスの排熱が収納容器の外部に熱拡散しやすく、熱交換器の熱交換率が低くなるという問題があった。熱交換器の熱交換率が低い場合には、効率よく燃料電池の発電を行なうことができない。それゆえ、熱交換率の向上を目的に、収納容器の周囲に断熱材を貼り付けたり、巻きつけたりする必要があり、熱交換器の組み立てにおいて、断熱材の組み立ての工程数が多いという問題があった。 For example, since metals have high thermal conductivity, there is a problem that exhaust heat of exhaust gas is likely to be thermally diffused outside the storage container, resulting in a low heat exchange rate of the heat exchanger. When the heat exchange rate of the heat exchanger is low, the fuel cell cannot efficiently generate power. Therefore, for the purpose of improving the heat exchange rate, it is necessary to affix or wrap the insulation around the storage container, and in the assembly of the heat exchanger, there is a problem that the number of steps of assembling the insulation is large. there were.
また、排ガスの排熱を熱交換することにより排ガス中の水蒸気が液化して凝縮水が生じるが、燃料電池の運転温度が非常に高温の場合には、凝縮水にはNOx等の不純物が含まれることとなり、凝縮水が酸性となる場合がある。したがって、この酸性の凝縮水により、収納容器が腐食するという問題があった。 Also, heat exchange of the exhaust heat of the exhaust gas causes the water vapor in the exhaust gas to liquefy and produce condensed water. When the operating temperature of the fuel cell is very high, the condensed water contains impurities such as NOx. Condensed water may become acidic. Therefore, there is a problem that the storage container is corroded by the acidic condensed water.
さらには、収納容器を金属類で作製した場合には、排熱回収用熱交換器の重量が重くなるという問題もあった。 Further, when the storage container is made of metal, there is a problem that the weight of the heat exchanger for exhaust heat recovery becomes heavy.
したがって、本発明の目的は、熱交換率が向上するとともに、金属類により収納容器を作製した場合に生じる問題を解決可能な、排熱回収用熱交換器および燃料電池システムを提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a heat exchanger for recovering exhaust heat and a fuel cell system that can improve the heat exchange rate and solve the problems that occur when a storage container is made of metals. .
本発明の排熱回収用熱交換器は、燃料電池より排出される排ガスの熱を回収するための熱交換ユニットと、該熱交換ユニットを収納するための収納容器とを具備する排熱回収用熱交換器であって、前記収納容器は、内部を排ガスが通過する耐熱性樹脂にて形成された筒状容器と、該筒状容器の両側の開口部に配置され、該開口部を閉塞する蓋状部材とを具備して構成され、前記筒状容器は、内壁および外壁からなり、前記内壁により形成される前記熱交換ユニットを収納する収納部と、前記内壁および前記外壁により形成される中空部とからなる二重構造であることを特徴とする。 The heat exchanger for exhaust heat recovery of the present invention is for exhaust heat recovery comprising a heat exchange unit for recovering heat of exhaust gas discharged from a fuel cell, and a storage container for storing the heat exchange unit. A heat exchanger, wherein the storage container is disposed in a cylindrical container formed of a heat-resistant resin through which exhaust gas passes and an opening on both sides of the cylindrical container, and closes the opening. The cylindrical container is composed of an inner wall and an outer wall, and a hollow portion formed by the inner wall and the outer wall that houses the heat exchange unit formed by the inner wall. It is characterized by a double structure consisting of parts.
このような排熱回収用熱交換器では、収納容器を構成する筒状容器が、収納部と中空部からなる二重構造であることから、排ガスの排熱が収納容器の外部に熱拡散することを抑制することができる。すなわち、排ガスの排熱が、収納部より熱拡散した場合であっても、中空部や外壁により、収納容器の外部に熱拡散することを抑制することができる。したがって、燃料電池より排出される排ガスの排熱を効率よく熱交換ユニットと接触させることができ、熱交換ユニットによる排熱回収を効率よく行なうことができる。 In such a heat exchanger for exhaust heat recovery, since the cylindrical container constituting the storage container has a double structure consisting of a storage part and a hollow part, the exhaust heat of the exhaust gas is thermally diffused outside the storage container. This can be suppressed. That is, even if the exhaust heat of the exhaust gas is thermally diffused from the storage part, it is possible to suppress the thermal diffusion to the outside of the storage container by the hollow part or the outer wall. Therefore, the exhaust heat of the exhaust gas discharged from the fuel cell can be brought into contact with the heat exchange unit efficiently, and the exhaust heat recovery by the heat exchange unit can be performed efficiently.
また、筒状容器が耐熱性樹脂にて形成されていることから、排ガスの熱交換後に生じる凝縮水により筒状容器が腐食することを有効に防止できるとともに、排熱回収用熱交換器の重量を軽くすることができる。 In addition, since the cylindrical container is formed of a heat resistant resin, it is possible to effectively prevent the cylindrical container from being corroded by condensed water generated after heat exchange of the exhaust gas, and the weight of the heat exchanger for recovering exhaust heat. Can be lightened.
また本発明の排熱回収用熱交換器は、前記蓋状部材のうち、排ガスが流入する側の前記蓋状部材の外縁が前記収納部に取り付けられるとともに、前記中空部に断熱材が収納されていることが好ましい。 In the heat exchanger for exhaust heat recovery according to the present invention, an outer edge of the lid member on the exhaust gas inflow side of the lid member is attached to the housing part, and a heat insulating material is housed in the hollow part. It is preferable.
このような排熱回収用熱交換器では、収納部が蓋状部材で閉塞されるように、蓋状部材のうち、排ガスが流入する側の蓋状部材の外縁が前記収納部に取り付けられるとともに、中空部に断熱材が収納されることから、排ガスの排熱が収納容器の外部に熱拡散することをさらに抑制することができる。したがって、燃料電池より排出される排ガスの排熱をより効率よく熱交換ユニットと接触させることができ、熱交換ユニットによる排熱回収を効率よく行なうことができる。 In such a heat exchanger for exhaust heat recovery, the outer edge of the lid-like member on the side into which the exhaust gas flows out of the lid-like member is attached to the accommodating portion so that the accommodating portion is closed by the lid-like member. Since the heat insulating material is stored in the hollow portion, it is possible to further suppress the exhaust heat of the exhaust gas from being thermally diffused to the outside of the storage container. Therefore, exhaust heat of the exhaust gas discharged from the fuel cell can be brought into contact with the heat exchange unit more efficiently, and exhaust heat recovery by the heat exchange unit can be performed efficiently.
ここで、中空部に収納される断熱材は、中空部の形状に合わせた断熱材を形成し、形成された断熱材を中空部に挿入するだけで、熱交換ユニットを収納する収納部の周囲を断熱材にて包囲することができる。 Here, the heat insulating material accommodated in the hollow part forms a heat insulating material that matches the shape of the hollow part, and the heat insulating unit is accommodated only by inserting the formed heat insulating material into the hollow part. Can be surrounded by a heat insulating material.
それにより、例えば、排熱回収用熱交換器の外壁に断熱材を貼り付けたり、まきつけたりするといった工程が必要なくなるため、断熱材の組み立ての工程数を減らすことができ、排熱回収用熱交換器を容易に作製することができる。 As a result, for example, the process of affixing or attaching a heat insulating material to the outer wall of the heat exchanger for exhaust heat recovery is not necessary, so the number of processes for assembling the heat insulating material can be reduced, and the heat for heat recovery An exchanger can be easily manufactured.
また本発明の排熱回収用熱交換器は、前記中空部が、前記蓋状部材により閉塞されていることが好ましい。 In the heat exchanger for exhaust heat recovery according to the present invention, the hollow portion is preferably closed by the lid-like member.
このような排熱回収用熱交換器では、中空部が蓋状部材により封止されていることから、中空部に充填された空気と収納容器の外部の空気が対流することがなく、中空部の空気により、効果的に断熱効果を得ることができる。したがって、熱交換ユニットによる排熱回収をより効果的に行うことができる。 In such a heat exchanger for exhaust heat recovery, since the hollow portion is sealed by the lid-like member, the air filled in the hollow portion and the air outside the storage container are not convected, and the hollow portion The heat insulation effect can be effectively obtained by the air. Therefore, exhaust heat recovery by the heat exchange unit can be performed more effectively.
さらに、蓋状部材は中空部を閉塞すればよいため、排ガスを筒状容器内に流入させるためのガス流通孔の大きさを大きくすることができる。それにより、収納容器に流入される排ガスの圧力損失を少なくすることができる。 Furthermore, since the lid-like member only needs to close the hollow portion, the size of the gas circulation hole for allowing the exhaust gas to flow into the cylindrical container can be increased. Thereby, the pressure loss of the exhaust gas flowing into the storage container can be reduced.
また、本発明の排熱回収用熱交換器は、前記中空部に、断熱材が設けられていることが好ましい。 Moreover, it is preferable that the heat exchanger for waste heat recovery of this invention is provided with the heat insulating material in the said hollow part.
このような排熱回収用熱交換器では、中空部に断熱材が収納されることから、排ガスの排熱が収納容器の外部に熱拡散することをさらに抑制することができる。したがって、燃料電池より排出される排ガスの排熱をより効率よく熱交換ユニットと接触させることができ、熱交換ユニットによる排熱回収を効率よく行なうことができる。 In such a heat exchanger for exhaust heat recovery, since the heat insulating material is stored in the hollow portion, it is possible to further suppress the heat diffusion of the exhaust heat of the exhaust gas to the outside of the storage container. Therefore, exhaust heat of the exhaust gas discharged from the fuel cell can be brought into contact with the heat exchange unit more efficiently, and exhaust heat recovery by the heat exchange unit can be performed efficiently.
ここで、中空部に収納される断熱材は、中空部の形状に合わせた断熱材を形成し、形成された断熱材を中空部に挿入するだけで、熱交換ユニットを収納する収納部の周囲を断熱材にて包囲することができる。 Here, the heat insulating material accommodated in the hollow part forms a heat insulating material that matches the shape of the hollow part, and the heat insulating unit is accommodated only by inserting the formed heat insulating material into the hollow part. Can be surrounded by a heat insulating material.
それにより、例えば、排熱回収用熱交換器の外壁に断熱材を貼り付けたり、まきつけたりするといった工程が必要なくなるため、断熱材の組み立ての工程数を減らすことができ、排熱回収用熱交換器を容易に作製することができる。 As a result, for example, the process of affixing or attaching a heat insulating material to the outer wall of the heat exchanger for exhaust heat recovery is not necessary, so the number of processes for assembling the heat insulating material can be reduced, and the heat for heat recovery An exchanger can be easily manufactured.
また、本発明の排熱回収用熱交換器は、前記筒状容器が、内部を排ガスが上から下に流れるように配置され、前記筒状容器の下側の前記開口部を閉塞する前記蓋状部材が、熱交換により生じる凝縮水を排水する排水口と、熱交換後の排ガスを排気する排気口とを具備してなることが好ましい。 Further, in the heat exchanger for exhaust heat recovery according to the present invention, the cylindrical container is arranged so that the exhaust gas flows from the top to the bottom inside the lid, and closes the opening on the lower side of the cylindrical container It is preferable that the shaped member includes a drain port for draining condensed water generated by heat exchange and an exhaust port for exhausting exhaust gas after heat exchange.
このような排熱回収用熱交換器では、排ガスが筒状容器の内部を上から下に流れるように配置されていることから、排ガスが直線状に流れることとなり、排ガスの圧力損失を減少することができる。したがって、燃料電池より排出される排ガスの排熱を効率よく回収することができる。 In such a heat exchanger for exhaust heat recovery, since the exhaust gas is arranged so as to flow from the top to the bottom of the cylindrical container, the exhaust gas flows in a straight line, reducing the pressure loss of the exhaust gas. be able to. Therefore, the exhaust heat of the exhaust gas discharged from the fuel cell can be efficiently recovered.
ここで、燃料電池の発電により排出される排ガスを、熱交換器にて熱交換した場合、熱交換により生じる凝縮水と熱交換後の排ガスが生じる。 Here, when the exhaust gas discharged by the power generation of the fuel cell is heat-exchanged by the heat exchanger, the condensed water generated by the heat exchange and the exhaust gas after the heat exchange are generated.
そして、熱交換後に生じた凝縮水は、この凝縮水を回収し、例えば燃料電池に燃料ガスを供給するための水蒸気改質を行う改質器や水タンク等に供給することにより、より効率的に燃料電池の発電を行うことができる。 The condensed water generated after the heat exchange is collected more efficiently, for example, by supplying it to a reformer or a water tank that performs steam reforming to supply fuel gas to the fuel cell. In addition, the fuel cell can generate power.
また、熱交換後の排ガスは、その排ガスの温度が低温(常温程度)となっているため、低温の排ガスが収納容器の収納部内に滞留した場合には、収納容器内の温度が低下し、熱交換率が低下する。それゆえ、熱交換後の排ガスは収納容器の外部に排気することが好ましい。 In addition, since the exhaust gas after heat exchange has a low temperature (about room temperature), when the low temperature exhaust gas stays in the storage part of the storage container, the temperature in the storage container decreases, The heat exchange rate decreases. Therefore, the exhaust gas after heat exchange is preferably exhausted to the outside of the storage container.
ここで、収納容器の下面を覆う蓋状部材に、熱交換により生じる凝縮水を排水する排水口と、熱交換後の排ガスを排気する排気口を具備したことから、熱交換により生じた凝縮水を効率よく回収できるとともに、熱交換後の排ガスを収納容器の外部に排気することができる。 Here, the lid-like member that covers the lower surface of the storage container has a drain port for draining condensed water generated by heat exchange and an exhaust port for exhausting exhaust gas after heat exchange. The exhaust gas after heat exchange can be exhausted outside the storage container.
そして、筒状容器が、内部を排ガスが上から下に流れるように配置されることから、熱交換により生じる凝縮水は、効果的に筒状容器の下方へと流れる。ここで、筒状容器の下面を覆う蓋状部材に、熱交換により生じる凝縮水を排水する排水口が設けられていることから、熱交換により生じた凝縮水を効率よく回収することができる。 And since a cylindrical container is arrange | positioned so that waste gas may flow inside from the top to the bottom, the condensed water which arises by heat exchange flows effectively below a cylindrical container. Here, since the drainage port which drains the condensed water which arises by heat exchange is provided in the lid-shaped member which covers the lower surface of a cylindrical container, the condensed water produced by heat exchange can be collect | recovered efficiently.
また、本発明の燃料電池システムは、燃料電池と、該燃料電池より排出される排ガスの熱を回収するための上記のうちいずれかに記載の排熱回収用熱交換器と、該排熱回収用熱交換器により生じる湯水を貯湯する貯湯タンクとを具備してなることを特徴とする。 The fuel cell system according to the present invention includes a fuel cell, the heat exchanger for exhaust heat recovery according to any one of the above for recovering heat of exhaust gas discharged from the fuel cell, and the exhaust heat recovery. And a hot water storage tank for storing hot water generated by the heat exchanger.
本発明の排熱回収用熱交換器を、燃料電池や貯湯タンクを具備する燃料電池システムに組み込むことにより、燃料電池より排出される排ガスの排熱を効率よく回収することができる。それゆえ、より効率の良い燃料電池システムとすることができる。 By incorporating the heat exchanger for exhaust heat recovery of the present invention into a fuel cell system including a fuel cell and a hot water storage tank, exhaust heat of exhaust gas discharged from the fuel cell can be efficiently recovered. Therefore, a more efficient fuel cell system can be obtained.
さらに、本発明の排熱回収用熱交換器により回収された凝縮水を、燃料電池に燃料ガスを供給するための水蒸気改質を行う改質器や、改質器に水(水蒸気)を供給するための水タンク等に供給することにより、効率よく燃料電池の発電を行うことができる。したがって、より効率の良い燃料電池システムとすることができる。 Further, the condensed water recovered by the heat exchanger for exhaust heat recovery of the present invention is subjected to steam reforming for supplying fuel gas to the fuel cell, and water (steam) is supplied to the reformer. By supplying it to a water tank or the like, it is possible to efficiently generate power from the fuel cell. Therefore, a more efficient fuel cell system can be obtained.
本発明の排熱回収用熱交換器は、耐熱性樹脂により形成され、内壁と外壁からなる二重構造の筒状容器と、筒状容器の両側の開口部に配置され、該開口部を閉塞する蓋状部材とを具備する収納容器の内部に、燃料電池より排出される排ガスの熱を回収するための熱交換ユニットを収納することから、燃料電池より排出される排ガスの熱を効率よく回収することができる。また熱交換ユニットを収納する筒状容器を耐熱性樹脂にて形成したことから、排ガスの熱をより効率よく回収できるとともに、排ガスの熱交換後に生じる凝縮水による筒状容器の腐食が生ずることがない。また、筒状容器を耐熱性樹脂にて形成したことから、熱交換器の重量を軽量化できる。 The heat exchanger for exhaust heat recovery of the present invention is formed of a heat-resistant resin, and is disposed in a double-structured cylindrical container composed of an inner wall and an outer wall, and openings on both sides of the cylindrical container, and the openings are closed. Since the heat exchange unit for recovering the heat of the exhaust gas discharged from the fuel cell is stored inside the storage container having the lid-like member to be recovered, the heat of the exhaust gas discharged from the fuel cell is efficiently recovered can do. In addition, since the cylindrical container that houses the heat exchange unit is made of heat-resistant resin, the heat of the exhaust gas can be recovered more efficiently, and the cylindrical container may be corroded by the condensed water generated after the heat exchange of the exhaust gas. Absent. Moreover, since the cylindrical container is formed of a heat resistant resin, the weight of the heat exchanger can be reduced.
図1は、本発明の排熱回収用熱交換器1を示した分解斜視図であり、熱交換ユニットを収納するための収納容器2を示している。なお、図1において熱交換ユニットは省略している。なお、同一の部材については同一の番号を付するものとし、以下同様とする。
FIG. 1 is an exploded perspective view showing a
収納容器2は、内部を排ガスが通過する筒状容器3と、筒状容器3の両側の開口部に配置され、該開口部を閉塞する蓋状部材4、5とから構成されており、筒状容器3は耐熱性樹脂にて形成されている。
The
筒状部材3は、内壁6および外壁7からなる二重構造であるとともに、熱交換ユニット12を収納する収納部8と、内壁6と外壁7により形成される中空部9からなる二重構造より形成されている。
The
したがって、筒状容器3が、収納部8と中空部9からなる二重構造であることから、排ガスの熱が、収納部8より熱拡散した場合であっても、外壁7や中空部9により、収納容器の外部に熱拡散することを抑制することができ、排ガスの排熱が収納容器2の外部に熱拡散することを抑制することができる。それにより、燃料電池より排出される排ガスの排熱を効率よく熱交換ユニットと接触させることができ、熱交換ユニットによる排熱回収を効率よく行なうことができる。
Therefore, since the
また、収納容器2(筒状容器3)に流入する燃料電池の発電により生じた排ガスの温度としては、250℃以下であるのが好ましく、さらには200℃以下であるのがより好ましい。この温度域であれば、ボイラーと定義されるものではないため、本発明の排熱回収用熱交換器1を燃料電池システムに組み入れた場合に、安全な燃料電池システムとなる。
In addition, the temperature of the exhaust gas generated by the power generation of the fuel cell flowing into the storage container 2 (tubular container 3) is preferably 250 ° C. or less, and more preferably 200 ° C. or less. If it is in this temperature range, it is not defined as a boiler. Therefore, when the
それゆえ、筒状部材3を形成する耐熱性樹脂としては、排ガスの温度に対して耐熱性を有している材質のものを用いることができ、例えばポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトン、ポリフェニレンサルファイド、ポリカーボネート、ABS等の一般的に知られている耐熱性樹脂を用いることができ、より好ましくは、ポリエーテルエーテルケトン、ポリフェニレンサルファイドを用いることができる。
Therefore, as the heat resistant resin forming the
また、筒状部材3は、上記の耐熱性樹脂にて形成されることから、排ガスの熱交換後に生じる凝縮水により筒状容器3が腐食することを抑制できるとともに、排熱回収用熱交換器1の重量を軽くすることができる。
In addition, since the
また、図1において、筒状部材3の収納部8に、排ガスが流入する側の蓋状部材4の外縁が取り付けられており、蓋状部材4は、筒状部材3の収納部8を閉塞し、中空部9は開口するよう配置されている。なお、図1中の点線は、蓋状部材4の外縁が収納部8の外縁と重なり合うこと、すなわち筒状部材3の収納部に蓋状部材4の外縁が取り付けられていることを示している。
In FIG. 1, the outer edge of the lid-
また、蓋状部材4は、筒状容器3に排ガスを流入するための、ガスの出入り口であるガス流通孔11を有している。
The lid-
ここで、筒状部材3が、内部を排ガスが上から下に流れるように配置される場合において、筒状部材の上側の開口部を閉塞する蓋状部材4は、排ガスの温度が高いことから、筒状部材3と同様に耐熱性樹脂にて形成されることが好ましいが、筒状部材3の上部においては、排ガスの温度が高く、凝縮水による腐食が生じにくいことから、蓋状部材4は、上述した耐熱性樹脂のほか、銅、アルミニウム、ステンレス等の金属類を用いることもできる。
Here, in the case where the
また、筒状部材3が、内部を排ガスが上から下に流れるように配置される場合において、筒状部材の下側の開口部を閉塞する蓋状部材5は、凝縮水による腐食を抑制するため、樹脂にて形成されることが好ましく、また熱交換後の排ガスは、温度が低温(常温程度)となっていることから、上述した耐熱性樹脂のほか、一般に用いられる樹脂を用いることもできる。
Further, when the
そして、図示はしていないが、このような排熱回収用熱交換器1では、中空部9に断熱材を収納することができる。
Although not shown, in such a
それにより、収納部8が蓋状部材4、5で閉塞され、蓋状部材4はその外縁が収納部8に取り付けられるとともに、中空部9に断熱材が収納されることから、燃料電池の発電により排出される排ガスの排熱が、収納容器2の外部に熱拡散することを有効に抑制することができる。
Accordingly, the
この場合において、断熱材は中空部9の形状に合わせて作製し、作製した断熱材を中空部9に挿入することで、熱交換ユニット12を収納する収納部8の周囲を断熱材にて包囲することができる。それゆえ、従来のように、筒状容器3の外壁7の外側に断熱材を貼り付けたり、まきつけたりするといった必要がなく、断熱材の組み立てが非常に容易となり、排熱回収用交換器1の製造が非常に容易となる。
In this case, the heat insulating material is produced in accordance with the shape of the
なお、収納容器3には熱交換ユニットの配管を挿通するための孔部10が設けられている。
The
図2は、本発明の筒状容器3の収納部8に、熱交換ユニット12を収納することを示す分解斜視図である。なお、図2において蓋状部材4、5は省略している。
FIG. 2 is an exploded perspective view showing that the
熱交換ユニット12は、燃料電池より排出される排ガスの流れ方向を軸として蛇行形状に水が流通する配管13と、排ガス流れ方向に平行に配管13の外壁に接して複数のフィン14が設けられている。なお、図2においては、排熱回収用熱交換器1(筒状容器3)の上部から下部に向かって排ガスが流れ、逆に下部から上部に向かって水が流れる、いわゆる対向流となっている。
The
また図2においては、いわゆるフィンチューブ式熱交換器を筒状容器3に収納する場合を示しているが、たとえば、伝熱面積が大きく、形状をコンパクトにできるプレート式熱交換器を筒状容器3に収納することもできる。
FIG. 2 shows a case where a so-called finned tube heat exchanger is accommodated in the
配管13は、熱交換の効率を向上するため、筒状容器3内に密に収納されているのが好ましく、例えば、蛇行形状、螺旋形状、波型形状等の形状にて作製することができるが、熱交換器1の形状をコンパクトにする上で、蛇行形状であるのが好ましい。なお、配管13の材質として、排ガスの熱を効率的に回収するため、銅、アルミニウム、ステンレス等の金属類を用いることができる。
The
さらに、排ガスから配管13の内側を流れる水への伝熱面積を増加させるために、配管13の外壁に接してフィン14が設けられることが好ましく、より効率的に伝熱面積を増加すべく複数のフィン14が設けられることが好ましい。
Furthermore, in order to increase the heat transfer area from the exhaust gas to the water flowing inside the
また、フィン14は、排ガスの圧力損失を少なくするよう、配管13の屈曲部位には設けられずに、排ガス流れ方向に垂直な方向の直線部位に、排ガス流れ方向に平行に配置されている。
Further, the
複数のフィン14が設けられる場合には、排ガスの圧力損失を防止すべく、これらフィン14は所定の間隔で配置されることが好ましい。また、この間隔が狭すぎる場合には、排ガス中の水蒸気が液化して生じる凝縮水がフィンの間隙に溜まり、熱交換率が低下するおそれがあり、一方間隔が広すぎる場合には、排熱の回収効率が悪く、熱交換率が低下するおそれがある。したがって、フィン14の間隔は、1〜数mm程度とするのが好ましい。
When a plurality of
また、フィン14の形状としては、熱交換ユニット12全体で均等に熱交換が行なわれるよう設計すればよく、例えば、正方形状、長方形状、円盤状等のフィンを適宜選択して使用することができる。さらに、フィン14の材質としては、銅、アルミニウム、ステンレス等の金属類を用いることができる。
Further, the shape of the
また、熱交換ユニット12の配管13を流れる水の流量としては、熱交換後に得られる湯水の温度が予め設定された温度範囲となるよう適宜設定されるが、0.2リットル/分以下とするのが好ましい。
The flow rate of the water flowing through the
例えば、1KW級の固体電解質形燃料電池の排ガス熱量は、例えば筒状容器3に流入する排ガス温度が212℃の場合、66.1KJ/minと計算される。この場合、筒状容器3の中で排ガスと熱交換ユニット12の配管13を流れる水との対向流で十分な温度差が確保でき、排ガスから高温の湯水を得ることができる。具体的には、熱交換ユニット12の配管13を流れる水の流量を0.2リットル/分以下とすることにより、熱交換器出口での水温を80℃〜90℃とすることができる。
For example, the calorific value of the exhaust gas of a 1 KW class solid oxide fuel cell is calculated as 66.1 KJ / min when the exhaust gas temperature flowing into the
図3は、本発明の排熱回収用熱交換器15を示した分解斜視図であり、熱交換ユニット12を収納するための収納容器16を示している。なお、図3において熱交換ユニット12は省略しているが、上述した熱交換ユニットを用いることができる。
FIG. 3 is an exploded perspective view showing the
収納容器16は、図1に示す収納容器2とほぼ同じ形状であり、蓋状部材4’により中空部9が閉塞されていることを特徴とする。
The
ここで、蓋状部材4’は中空部9を閉塞すればよいため、蓋状部材4’のガス流通孔11’の孔径を収納部8の孔径と同じ大きさとすることができる。それにより、収納容器2に流入される排ガスの圧力損失を少なくすることができる。なお、図3中の点線は、蓋状部材4’のガス流通孔11’の孔径と収納部8の孔径が同じ大きさであり、ガス流通孔11’と収納部8とを重ねあわせて連結することを示している。
Here, since the lid-
また、中空部9は、筒状容器3の上面を覆う蓋状部材4’と筒状容器3の下面を覆う蓋状部材5により閉塞される。それゆえ、中空部9に空気が充填される場合、充填された空気は収納容器16の外部の空気と対流することがない。したがって、中空部9に充填された空気により、効果的に断熱効果を有することとなる。それにより、収納部8に流入される排ガスの排熱が、収納容器16の外部に熱拡散することをより有効に防止することができ、熱交換ユニット12による排熱回収を効率よく行なうことができる。
The
なお、蓋状部材4’、5はそれぞれ中空部9を閉塞する形状であれば良いが、下面を覆う蓋状部材5は、排ガスを排気する排気口や後述する凝縮水を排水する排水口を設けていることが好ましい。
The lid-
また、さらに発電効率を高めるにあたっては、中空部9に断熱材を収納することができる。断熱材は中空部9の形状に合わせて作製し、作製した断熱材を中空部9に挿入することで、熱交換ユニット12を収納する収納部8の周囲を断熱材にて包囲することができる。それゆえ、従来のように、筒状容器3の外壁7の外側に断熱材を貼り付けたり、まきつけたりするといった工程が必要なく、断熱材の組み立てが非常に容易となり、排熱回収用交換器15の製造が非常に容易となる。
In order to further increase the power generation efficiency, a heat insulating material can be stored in the
本発明の排熱回収用熱交換器17の他の実施の形態を図4に示す。筒状容器18の収納部8に熱交換ユニット12を装着した分解斜視図であり、蓋状部材4’、5’により中空部9を覆っている。なお、筒状容器18の上面を覆う蓋状部材4’のガス流通孔11’の孔径は、収納部8の孔径と同じ大きさである。さらに、筒状容器18の下面を覆う蓋状部材5’には、凝縮水を排水する排水口20と排ガスを排気する排気口21が設けられている。さらに、排気口21には、吹き出しダクト22が設けられており、また筒状容器18には孔部10をふさぐ蓋23が設けられている。なお、図5は図4の各構成部材を連結した排熱回収用熱交換器17の縦断面図を示している。
Another embodiment of the
筒状容器18は、筒状容器18の内壁6と外壁7を連結する補強リブ19を設けることができ、図5においては補強リブ19を設けた場合を示している。筒状容器18に補強リブ18を設けることにより、筒状容器18の強度を高めることができ、外力からの衝撃による破損を防止することができる。
The
筒状容器18の収納部8に流入される排ガスの排熱を、熱交換ユニット12にて熱交換した場合、排ガスの温度低下に伴い、排ガス中に含まれている水が、凝縮水として生成される。そして、この凝縮水を回収し、例えば燃料電池に燃料ガスを供給するための水蒸気改質を行う改質器や水タンク等に供給することにより、より効率よく燃料電池の発電を行うことができる。
When exhaust heat of the exhaust gas flowing into the
ここで、凝縮水を改質器等に供給するにあたっては、凝縮水にNOxやSOx等の不純物が含まれていないことが好ましい。したがって、固体電解質型燃料電池の運転温度は1000℃未満であることが好ましく、より好ましくは800℃以下であることが好ましい。燃料電池の運転温度が1000℃以上の場合においては、燃料電池の排ガスの排熱を回収する際に生じる凝縮水が、NOxやSOx等の不純物を含有して酸性となる場合がある。それゆえ、これら不純物を含む凝縮水は、中和剤により中和したでなければ再利用できず、凝縮水の再利用の効率が悪くなる。 Here, when supplying condensed water to a reformer etc., it is preferable that impurities, such as NOx and SOx, are not contained in condensed water. Therefore, the operating temperature of the solid oxide fuel cell is preferably less than 1000 ° C, more preferably 800 ° C or less. When the operating temperature of the fuel cell is 1000 ° C. or higher, the condensed water generated when the exhaust heat of the exhaust gas from the fuel cell is recovered may be acidic with impurities such as NOx and SOx. Therefore, the condensed water containing these impurities cannot be reused unless it is neutralized with a neutralizing agent, and the efficiency of reuse of the condensed water is deteriorated.
一方、固体電解質の運転温度を1000℃以下、好ましくは800℃以下とした場合には、凝縮水にNOxやSOx等の不純物がほとんど含まれないため、改質器や水タンク等に供給することにより、凝縮水を効率的に再利用することができる。 On the other hand, when the operating temperature of the solid electrolyte is 1000 ° C. or lower, preferably 800 ° C. or lower, the condensed water contains almost no impurities such as NOx and SOx. Thus, the condensed water can be reused efficiently.
収納容器18の下面を覆う蓋状部材5’に設けられる排水口20は、蓋状部材5’の下面側(筒状容器18と連結する面と反対側)に設けることが好ましい。それにより、例えば収納部8の側面を伝って蓋状部材5’の下面側に集まる凝縮水をより効率的に回収することができる。なお、さらに効率よく凝縮水を回収するため、排水口20の形状を、先細り形状のような斜め形状とすることもできる。
The
また、熱交換を行なった後の排ガスは、常温程度にまで温度が下がっている。それゆえ、低温の排ガスが収納部8の内部に滞留した場合に、収納部8内の温度が低下し、熱交換率が低下するため、熱交換を行なった後の排ガスは、収納容器18の外部に排気することが好ましい。
In addition, the temperature of the exhaust gas after heat exchange has dropped to about room temperature. Therefore, when the low-temperature exhaust gas stays inside the
本発明の排熱回収用熱交換器17においては、収納容器18の下面を覆う蓋状部材に排気口21を設けることにより、熱交換を行なった後の排ガスは、排気口21より収納容器18の外部に排気される。
In the
なお、凝縮水を排水口20より、排ガスを排気口21より排気する気液分離を行なうにあたっては、排水口20の口径を、排気口21よりも小さくすることが好ましい。それにより、熱交換後の排ガスは、排水口20より排気されずに、排気口21から排気されることとなり、気液分離を行なうことができる。
In performing the gas-liquid separation in which the condensed water is exhausted from the
さらに、熱交換を行なった後の排ガスを筒状容器18の外部に排気するため、排気口21に連結して吹き出しダクト22を設けることもできる。ここで、図4および図5において、吹き出しダクト22は排ガスを筒状容器18に対して側面方向に排気した後、下方に向けて排気する場合の形状を示しているが、排熱回収用熱交換器17の形状や、燃料電池システムの構成等により、吹き出しダクト22は適宜形状を変更することができる。そのような形状としては、例えば、排気口21より排気される熱交換を行なった後の排ガスを、排熱回収用熱交換器17の上方側に排気するような形状があげられる。
Further, in order to exhaust the exhaust gas after heat exchange to the outside of the
また、本発明の燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池より排出される排ガスの熱を回収するための排熱回収用熱交換器と、排熱回収用熱交換器により生じる湯水を貯湯する貯湯タンクとを具備してなることを特徴とし、その構成の一例を図6に示す。 The fuel cell system of the present invention stores hot water generated by a fuel cell, a heat exchanger for recovering exhaust heat for recovering heat of exhaust gas discharged from the fuel cell, and a heat exchanger for recovering exhaust heat. A hot water storage tank is provided, and an example of the configuration is shown in FIG.
図6における燃料電池システムは、燃料電池24、天然ガス等の燃料ガスを供給する燃料供給装置25、酸素含有ガスを燃料電池24に供給するための酸素含有ガス供給装置26、被改質ガスと水蒸気により水蒸気改質を行なう改質器27、給水管28より供給された水を精製する水処理装置29と、水処理装置29により精製された水を貯水するための水タンク30、水タンク30に貯水された水を改質器27に供給するための水ポンプ31、燃料電池の発電による排ガスを供給するための排ガス供給管32、排ガス供給管32より供給された排ガスを湯水に熱交換する排熱回収用熱交換器33、熱交換により生じた湯水を貯水するための貯湯タンク34、湯水を循環するための循環配管35、および循環ポンプ36、により構成されている。なお、図6中の矢印は、水や燃料ガス、酸素含有ガスの流れを示している。
The fuel cell system in FIG. 6 includes a
この燃料電池システムにおいては、燃料電池24より排出された排ガスの熱を、本発明の排熱回収用熱交換器33により熱交換し、循環配管35より供給される水を湯水として、貯湯タンク34に貯水される。
In this fuel cell system, the heat of the exhaust gas discharged from the
ここで、燃料電池24より排出された排ガスの排熱を、本発明の排熱回収用熱交換器33により熱交換することから、燃料電池24より排出される排ガスの排熱を、効率よく回収することができ、より効率の良い燃料電池システムとすることができる。
Here, the exhaust heat of the exhaust gas discharged from the
また、排熱回収用熱交換器33により回収される凝縮水を、燃料電池24に燃料ガスを供給するための水蒸気改質を行なう改質器27に供給することで、効率よく燃料電池24の発電を行なうことができ、より効率の良い燃料電池システムとすることができる。
Further, the condensed water recovered by the
なお、図6においては、排熱回収用熱交換器33により回収される凝縮水を改質器27に供給する場合を示しているが、例えば凝縮水を水タンク30に供給するよう燃料電池システムを設計してもよく、さらには、本発明の排熱回収用熱交換器33を、燃料電池24の発電により生じる排ガスの排熱を利用するほか、例えば改質器27により生じる排熱を回収するよう、燃料電池システムを設計することもできる。
6 shows the case where the condensed water recovered by the
1、15、17、33:排熱回収用熱交換器
2、16:収納容器
3、18:筒状容器
4、4’、5、5’:蓋状部材
6:内壁
7:外壁
8:収納部
9:中空部
11、11’:ガス流通孔
12:熱交換ユニット
13:配管
14:フィン
19:補強リブ
20:排水口
21:排気口
24:燃料電池
34:貯湯タンク
1, 15, 17, 33:
34: Hot water storage tank
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