JP2012089514A

JP2012089514A - 固体酸化物形燃料電池における排熱回収システム

Info

Publication number: JP2012089514A
Application number: JP2011279237A
Authority: JP
Inventors: Eizo Matsui; 栄造松井; Narikado Takahashi; 成門高橋
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2011-12-21
Filing date: 2011-12-21
Publication date: 2012-05-10
Anticipated expiration: 2026-02-28
Also published as: JP5336573B2

Abstract

【課題】固体酸化物形燃料電池の排熱回収システムにおいて、発電モジュールからの放散熱を排熱回収用熱交換器に取り込む。排ガスの円滑な流通を確保する。
【解決手段】固体酸化物形燃料電池における排熱回収システムにおいて、固体酸化物形燃料電池セル11を発電室13内に収納してなる発電モジュール10と、発電室から排出された排ガスを内部に流通させるとともに内部に水を流通させる排熱回収用熱交換器1とを有し、排熱回収用熱交換器は、排ガスを排出するための排ガスダクトと、熱交換により生じる凝縮水を排出するための凝縮水の出口とが異なる部位に設けられていることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体酸化物形燃料電池の発電モジュールから排出される排ガスから排熱回収並びに凝縮水回収を行うシステムに関する。

図５は、従来の固体酸化物形燃料電池における排熱回収システムを概略的に示した構成図である。発電モジュール１１０の発電室１１３内に燃料電池セル１１１及び改質器１１２等が配置され、被改質ガス及び酸素含有ガスが外部から供給されて発電反応が行われる。改質器１１２には、改質に必要な純水が水貯留タンク１３０から配管１３３により供給される（白実線矢印）。発電反応は６００〜１０００℃で行われるため、周囲への熱放散を防止するべく発電室１１３の周囲は断熱材１１４により囲包されている。断熱材１１４の外周面は金属製の外装材１１５（一部のみ図示）により全体的に覆われている。発電反応後、残余の反応ガスまたはこれを燃焼した燃焼ガスが排ガスとして発電室１１３から排出される。排ガスには発電反応により生じた水分も含まれる。

排ガスは、配管１０９を通って発電モジュール１１０の外部に設置された排熱回収用熱交換器１０１に流入する（黒実線矢印）。排熱回収用熱交換器１０１は、その内部空間１０４内に循環水配管１２２が挿通しており、貯湯タンク１２０との間で水を循環させている。従って、上方から下方に流れる排ガス（高温側）と循環水配管１２２内を流れる循環水（低温側）との間で熱交換が行われる。熱交換により排ガスが冷却され、排ガス中の水分が凝縮水１５０となる。凝縮水は内壁に沿って流れ落ちて、出口配管１０６から排出される（白破線矢印）。一方、排ガスもまた出口配管１０６から排出される（黒破線矢印）。図示しないが、排熱回収用熱交換器１０１の周囲も外部への熱放散を防止するために通常断熱材で囲包されている。

このように、発電モジュールの外部に排熱回収用熱交換器を設けた固体電解質形燃料電池システムは、特許文献１等に開示されている。

特開２００２−２９８８８８号公報

図５に示した従来の排熱回収システムでは、次のような問題点がある。
・発電モジュール１１０は断熱材１１４で囲包されているが、稼働中は断熱材１１４の表面温度がその周囲の温度に比べて数十度高い状態となるため、周囲に熱が放散される（波形矢印ａ参照）。放散された熱は有効利用できずロスとなる。

・排熱回収用熱交換器１０１が発電モジュール１１０の外部に設置され、配管１０９で接続しているため、比較的距離の長くなる配管１０９で圧損が生じる上、配管１０９からも外部への熱放散が生じる。

・排熱回収用熱交換器１０１では、排ガスと凝縮水とが同じ出口配管１０６から排出されるため、この部分で配管接続等を行う必要があり断面積を絞る構造となっている。このため、凝縮水による閉塞が生じやすく排ガスの円滑な流れが妨げられ、圧損が非常に大きくなる。この結果、発電モジュール１１０における排ガスの滞留や逆流が発生しやすい状況となる。滞留や逆流が起きると発電モジュールの内圧が上昇し、破損や故障等のおそれがあるため、発電モジュールの特に高温部（５００℃以上となる箇所）のシール構造を強固にする必要がある。実際には、高温部のシール構造を強固にすることは熱応力歪の関係で困難である。結果的に、発電モジュールから排出される排ガスを全て排熱回収用熱交換器へ流すことができず、排熱回収量が低下する。

以上の問題点に鑑み本発明は、固体酸化物形燃料電池の排熱回収システムにおいて、発電モジュールからの放散熱を排熱回収用熱交換器に取り込み、その熱エネルギーを回収することを目的とする。さらに、排熱回収用熱交換器における排ガスの圧損を低減し、円滑な流れを確保してより多くの熱エネルギーを回収することを目的とする。

上記の目的を達成するべく、本発明は以下の構成を提供する。
（１）請求項１に係る固体酸化物形燃料電池における排熱回収システムは、固体酸化物形燃料電池セルを発電室内に収納してなる発電モジュールと、前記発電室から排出された排ガスを内部に流通させるとともに前記内部に水を流通させる排熱回収用熱交換器とを有し、前記排熱回収用熱交換器は、排ガスを排出するための排ガスダクトと、熱交換により生じる凝縮水を排出するための凝縮水の出口とが異なる部位に設けられていることを特徴とする。
（２）請求項２に係る排熱回収システムは、請求項１において、前記排ガスダクトが、前記排熱回収用熱交換器の外側面から側方に突出して延びているとともに、前記凝縮水の出口が、前記排熱回収用熱交換器の下面に設けられていることを特徴とする。
（３）請求項３に係る排熱回収システムは、請求項２において、前記凝縮水の出口の直下に水貯留タンクが配置されていることを特徴とする。
（４）請求項４に係る排熱回収システムは、請求項２または３において、前記排ガスダクトの下面が、下流側よりも上流側において低くなるように傾斜していることを特徴とする。
（５）請求項５に係る排熱回収システムは、請求項２〜４のいずれかにおいて、前記排熱回収用熱交換器と前記排ガスダクトとの間の連通口において、上縁から垂下する凝縮水ガイド壁が設けられているとを特徴とする。
（６）請求項６に係る排熱回収システムは、請求項１〜５のいずれかにおいて、前記発電モジュールが、前記固体酸化物形燃料電池セルが配置される発電室の周囲を断熱材で囲包されているとともに、前記排熱回収用熱交換器が、上面及び外側面の少なくとも上半分が前記断熱材により囲包されるように前記断熱材内に配置されており、かつ、前記排熱回収用熱交換器を配置した側の前記断熱材の外側面を覆う外装材が設けられているとともに、前記排ガスダクトが前記外装材を貫通して突出していることを特徴とする。
（７）請求項７に係る排熱回収システムは、請求項６において、前記排ガスダクトの下流側において前記外装材の外面を内壁の一部として上方に延在する煙突が設けられていることを特徴とする。
（８）請求項８に係る排熱回収システムは、請求項１〜７のいずれかにおいて、前記排熱回収用熱交換器の内部空間において、前記排ガスを上方から下方へと流通させると共に、前記水を下方から上方へと流通させることを特徴とする。

請求項１に係る固体酸化物形燃料電池の排熱回収システムでは、凝縮水の出口と排ガスの出口を分離することができ、凝縮水によって排ガスの出口が閉塞することが解消され、排ガスの円滑な流れが確保される。これにより排熱回収効率も向上する。また、従来の凝縮水と排ガスを分離するミストセパレータが不要となる。

さらに、排ガスの流れが円滑となることで、発電室内における排ガスの滞留や逆流もなくなり、反応ガスの濃度勾配の大きい状態が維持されるため発電効率も向上する。発電室内の内圧も低減されるため、発電室内で使用する空気供給用ブロアの圧力を低減できる。

請求項２では、排熱回収用熱交換器の下面に凝縮水の出口を設けたことにより、凝縮水の出口と排ガスの出口を分離することができると共に、凝縮水を自重で排出させ回収することができる。

請求項３では、排熱回収用熱交換器の下面に設けた凝縮水の出口の直下に水貯留タンクを配置したことにより、凝縮水がその自重で水貯留タンクに移動するため、ポンプが不要となる。

請求項４では、排ガスダクトの下面が、下流側よりも上流側において低くなるように傾斜していることにより、排ガスダクト内で凝縮した水分はその自重により排ガスダクトの下面に沿って排熱回収用熱交換器の方へ流下していき、排熱回収用熱交換器の下面から回収される。従って、排ガスダクト内に凝縮水が貯留せず、凝縮水の回収量を増すことができる。

請求項５では、排熱回収用熱交換器と排ガスダクトとの間の連通口において、上縁から垂下する凝縮水ガイド壁を設けたことにより、排熱回収用熱交換器の内壁を伝って流下してきた凝縮水が排ガスダクトの方へ流れ込むことなく、凝縮水ガイド壁に沿って下方へと誘導される。

請求項６では、排熱回収用熱交換器を発電モジュール周囲の断熱材内に配置したことにより、発電モジュールから断熱材に放散した熱を排熱回収用熱交換器の内部に取り込み回収することができる。また、発電モジュールと排熱回収用熱交換器との距離が近くなるので、排ガスを移送する配管が短くなり圧損が少なくかつ配管からの熱の放散が低減できる。この結果、より多くの排熱を回収することが可能となる。また、発電モジュール用の断熱材と排熱回収用熱交換器用の断熱材を共有できるので断熱材を減量できる。

また、排熱回収用熱交換器の下方部分は断熱材から露出されているため、この部分において比較的温かい排ガスが空冷されることで排ガス中の水分の凝縮が促進される。すなわち、排ガスを排ガスダクトへ送る前に排熱回収用熱交換器内で十分に水分濃度を低減させておくことができ、排ガスダクト中で凝縮する水分量を低減し、閉塞や漏れ出しを防止できる。

排熱回収用熱交換器を配置した側の断熱材の外側面を覆う外装材を貫通して排ガスダクトを突出させたことにより、排ガスが外装材と断熱材の間に入り込むことが避けられる。

請求項７では、排ガスダクトの下流側において外装材の外面を内壁の一部として上方に延在する煙突を設けたことにより、外装材からの放散熱により排ガスをさらに乾燥させ、煙突内で凝縮した水を回収でき、凝縮水の回収量をさらに増すことができる。また外装材の表面は放散熱により乾燥させられる。

請求項８では、排熱回収用熱交換器の内部空間において排ガスを上方から下方へと流通させると共に、循環水配管を下方から上方へと挿通させたことにより、いわゆる並流構造により効率的に排熱回収できる。

本発明の固体酸化物形燃料電池における排熱回収システムの一実施形態を概略的に示した構成図である。本発明の排熱回収システムの別の実施形態を示す概略的な部分構成図である。本発明の排熱回収システムのさらに別の実施形態を示す概略的な部分構成図である。本発明の排熱回収システムのさらに別の実施形態を示す概略的な部分構成図である。従来の固体酸化物形燃料電池における排熱回収システムを概略的に示した構成図である。

図１は、本発明の固体酸化物形燃料電池における排熱回収システムの一実施形態を概略的に示した構成図である。発電モジュール１０の発電室１３内に燃料電池セル１１及び改質器１２等が配置され、被改質ガス及び酸素含有ガスが外部から供給されて発電反応が行われる。改質器１２には、改質に必要な純水が、水貯留タンク３０からポンプ３２を用いて配管３１を通して供給される（白実線矢印）。改質器１２に対して改質用純水と被改質ガス（例えば炭化水素ガス）が供給され、改質器１２において水素リッチな燃料ガスに改質され、燃料電池セル１１の燃料極に供給される。一方、燃料電池セル１１の酸素極には酸素含有ガス（例えば空気）が供給され、次の発電反応が行われる。
酸素極：１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｏ^２−（固体電解質）
燃料極：Ｏ^２−（固体電解質）＋Ｈ_２→Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻

発電反応は６００〜１０００℃で行われるため、周囲への熱放散を防止するべく発電室１３の周囲は断熱材１４により囲包されている。断熱材１４の外周面は金属製の外装材１５（一部のみ図示）により全体的に覆われている。上記の発電反応後、残余の反応ガスまたはこれらを燃焼した燃焼ガスが排ガスとして発電室１３から排出される。排ガスには発電反応により生じた水分も含まれる。

発電室１３から排出された排ガスは、配管９を通り、排熱回収用熱交換器１の上面に設けた入口２からその内部空間４内に流入する（黒実線矢印参照）。なお、排ガスの入口２の位置は、排熱回収用熱交換器１の上端近傍であれば上面でなくともよく、側面でもよい。本発明では、排熱回収用熱交換器１の少なくとも上半分が、発電室１３を囲包する断熱材１４の内部に埋設されている。例えば図１のように、発電室１３の一側面を覆う断熱材１４の厚さを排熱回収用熱交換器１を埋設できる程度に増すことによりこれを設置している。排熱回収用熱交換器１は金属製の筐体を具備しており、その上面と外側面の少なくとも上半分が断熱材１４で囲包されることになる。これにより、発電室１３から断熱材１４に伝達した熱を排熱回収用熱交換器１内に取り込み回収することができ（波形矢印参照）、外部への放散熱を低減することができる。

なお、排熱回収用熱交換器１による放散熱の取り込み量が多すぎると、発電室１３の温度低下を生じて発電量を下げる要因となるため、発電室１３と排熱回収用熱交換器１の間に介在する断熱材１４の厚さと材質を適宜設定する必要がある。好適には、排熱回収用熱交換器１からみて発電室１３側の断熱材１４との接触面Ｂの温度が、発電時において２００℃以下、好適には１８０℃以下となるようにする。

排熱回収用熱交換器１の内部空間４には、循環水配管２２が挿通されている。循環水配管２２は、排熱回収用熱交換器１の下面近傍の側面に接続される流入配管２１と、上面近傍の側面に接続される流出配管２３との間に連結されている。好適には、図示のように蛇行させて距離を長くすることにより、排ガスとの間でより多くの熱交換を行えるようにする。循環水配管２２内を流れる循環水は、貯湯タンク２０との間で循環し、ポンプ２４により下方の流入配管２１側から送り込まれ、上方の流出配管２３から貯湯タンク２０へ戻される。一方、入口２から流入した排ガスは、循環水配管２２の周囲を上方から下方へと流れる。この並行構造により効率的に熱交換が行われる。

また、排熱回収用熱交換器１の下半分の一部、特に下面近傍は、断熱材１４から露出しているため、この部分まで流下した排ガスは空冷される状態となり、排ガス中の水分の凝縮が促進される。これにより、飽和状態であった排ガスの水分濃度が低減する。凝縮水５０は排熱回収用熱交換器１の内壁に付着し、これを伝って流下し下面に設けた出口３に到達する。

さらに、本発明の排熱回収用熱交換器１では、その側面の下半分の一部から側方に突出する排ガスダクト５が設けられている。よって、水分濃度が低減した状態の排ガスが排ガスダクト５へ流出することになり、排ガスダクト５の中で大量の水分凝縮が生じることはなく、閉塞や漏れ出しのおそれがない。排ガスダクト５の先端は、外装材１５を貫通してさらに適宜の距離ｄだけ側方に突出することが好適である。距離ｄは例えば１０mm程度でよい。これにより、排ガスダクト５から排出された排ガスが、外装材と排ガスダクトの隙間から外装材内面側に浸入すること防止する。

図１に示すように、排ガスダクト５の下面５ａは、下流側よりも上流側において低くなるように傾斜している。すなわち排熱回収用熱交換器１側が低くなっている。従って、排ガスダクト５内で凝縮した凝縮水５０は、下面５ａの傾斜に沿って流下して排熱回収用熱交換器１の内部空間４へ流れ込む。そして、排ガスダクト５を通過した排ガスはさらに水分濃度が低減されて排出される（黒破線矢印）。排出された排ガスは乾燥しているため、外装材１５の表面に凝縮水が付着することはほぼなくなる。なお、排ガスダクト５の上面５ｂは、図示のように水平でもよく、また下面５ａと同じ向きに傾斜させてもよい。

一方、内部空間４内で凝縮した凝縮水５０及び排ガスダクト５から流れ込んだ凝縮水５０は、排熱回収用熱交換器１の下面に設けられた出口３から排出される。このように、本発明の排熱回収用熱交換器１では、排ガスと凝縮水とを別々の出口から排出させている。これにより、排ガスの出口が凝縮水により閉塞したり配管接続による圧損を生じたりすることがなく、排ガスの円滑な流れが確保でき、発電量を低下させることがない。排ガスダクト５は、排ガス専用の排出口であるので断面積を大きくとる構造とすることができ、圧損を低減できる。一例であるが、目安として、排ガス流速が０．８ｍ／ｓ以下となるように排ガスダクト５を排熱回収用熱交換器１に接続する。

なお、排熱回収用熱交換器１の出口３から排出された凝縮水は純水であるので、改質用の水として利用可能であるため水貯留タンク３０へ移送される。好適には、排熱回収用熱交換器１の出口３の直下に配管６を介して水貯留タンク３０を配置する。これにより、凝縮水５０がその自重により水貯留タンク３０へ移動するのでポンプが不要となる。

また、改質器１２への純水として、水貯留タンク３０の水を使用する以外に水道水を純化する装置を設置し、この装置から改質器１２に純水を供給するようにしてもよい。

図２は、本発明の排熱回収システムの別の実施形態を示す概略的な部分構成図である。図１の実施形態と相違する点は、排熱回収用熱交換器１と排ガスダクト５との間の連通口において、上縁から垂下する凝縮水ガイド壁７を設けたことである。凝縮水ガイド壁７は、排熱回収用熱交換器１の内壁を伝って上方から流下してきた凝縮水が排ガスダクト５の方へ流れ込むことを防止し、凝縮水を下方へと誘導するものである。凝縮水ガイド壁７の大きさと形状は、排ガスの排ガスダクト５への流れを阻害しないように設計する。例えば、排ガスダクト５の断面の幅方向全体に亘って上縁から中央付近まで鉛直方向に延びる壁とする。変形形態として、凝縮水ガイド壁７の下端がやや内部空間４の方へ入り込むように傾斜させてもよい。あるいは、排ガスの通気性を確保するように凝縮水ガイド壁７にスリットを設けてもよい。

図３は、本発明の排熱回収システムのさらに別の実施形態を示す概略的な部分構成図である。図１の実施形態を相違する点は、排ガスダクト５の出口の下流側において上方に延びる煙突８を設けた点である。この煙突８は、外装材１５の外面を内壁の一部として利用し、それ以外の壁（側壁、上壁及び底壁等）は適宜の金属材料で形成する。図示の例では、側壁の上端近傍に出口開口８ｃを設けている。排ガスダクト５から煙突８内に入った排ガスは、外装材１５の表面から煙突内部空間８ｂに放散される熱（波形矢印参照）により乾燥される一方、外気と接触する側壁により冷却されて水分が凝縮し、凝縮水５０が生じる。図示の例では、煙突８の底壁８ａが、排ガスダクト５の下面５ａの傾斜に連続する傾斜をもって形成されており、煙突８内の凝縮水５０は底壁８ａから排ガスダクト５の下面５ａを伝って排熱回収用熱交換器１内へ流れ込む。こうして、最終的に十分乾燥した排ガスが出口開口８ｃから排出される。

図４は、本発明の排熱回収システムのさらに別の実施形態を示す概略的な部分構成図である。改質器における改質反応では一酸化炭素も生成されるため、その一部が排ガスにも含まれることになる。従来の一酸化炭素の排出抑制については、燃焼触媒による方法や活性炭に吸着させる方法があるが、燃焼触媒による方法は構造的にコスト高となる。また活性炭に吸着させる方法では交換が必要であり、やはりコスト高となる。図４では、排ガスダクト５の出口近傍に希釈用空気流入口４２を設け、配管４１から希釈用空気を排ガスダクト５内に導入し、排ガスと混合させた後に出口から排出させている。これにより、排ガス中の一酸化炭素濃度が希釈される。なお、ＣＯセンサ及び／または可燃ガスセンサ４３を近傍に設置し、排ガス中の一酸化炭素濃度に応じて希釈用空気の流量を調節することが好ましい。例えば、一定濃度以上を検知した場合に送風を開始する。

図４の一酸化炭素希釈方法では、希釈用空気の流入を排熱回収用熱交換器１より下流側の最終排出段階で行うことにより、低温の希釈用空気の流入による排熱回収効率への影響が避けられる。また、最終排出段階の部分はほぼ常温であるので設計の自由度も高い。よって、簡便確実に一酸化炭素濃度を相対的に低減し、排気することができる。

１排熱回収用熱交換器
４内部空間
５排ガスダクト
１０発電モジュール
１３発電室
１４断熱材
１５外装材
２２循環水配管
３０水貯留タンク

Claims

固体酸化物形燃料電池セルを発電室内に収納してなる発電モジュールと、前記発電室から排出された排ガスを内部に流通させるとともに前記内部に水を流通させる排熱回収用熱交換器とを有し、
前記排熱回収用熱交換器は、排ガスを排出するための排ガスダクトと、熱交換により生じる凝縮水を排出するための凝縮水の出口とが異なる部位に設けられていることを特徴とする固体酸化物形燃料電池における排熱回収システム。
前記排ガスダクトが、前記排熱回収用熱交換器の外側面から側方に突出して延びているとともに、前記凝縮水の出口が、前記排熱回収用熱交換器の下面に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池における排熱回収システム。
前記凝縮水の出口の直下に水貯留タンクが配置されていることを特徴とする請求項２に記載の固体酸化物形燃料電池における排熱回収システム。
前記排ガスダクトの下面が、下流側よりも上流側において低くなるように傾斜していることを特徴とする請求項２または３に記載の固体酸化物形燃料電池における排熱回収システム。
前記排熱回収用熱交換器と前記排ガスダクトとの間の連通口において、上縁から垂下する凝縮水ガイド壁が設けられているとを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池における排熱回収システム。
前記発電モジュールが、前記固体酸化物形燃料電池セルが配置される発電室の周囲を断熱材で囲包されているとともに、前記排熱回収用熱交換器が、上面及び外側面の少なくとも上半分が前記断熱材により囲包されるように前記断熱材内に配置されており、かつ、
前記排熱回収用熱交換器を配置した側の前記断熱材の外側面を覆う外装材が設けられているとともに、前記排ガスダクトが前記外装材を貫通して突出していることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池における排熱回収システム。
前記排ガスダクトの下流側において前記外装材の外面を内壁の一部として上方に延在する煙突が設けられていることを特徴とする請求項６に記載の固体酸化物形燃料電池における排熱回収システム。
前記排熱回収用熱交換器の内部空間において、前記排ガスを上方から下方へと流通させると共に、前記水を下方から上方へと流通させることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池における排熱回収システム。