JP3507658B2 - リン酸型燃料電池発電装置及びリン酸型燃料電池における排熱回収方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池による発
電を行うと同時に、排ガスからの排熱回収を行うリン酸
型燃料電池発電装置及びリン酸型燃料電池における排熱
回収方法の改良に関するもので、特に、廉価かつコンパ
クトでありながら、優れた効率で排熱回収を行うように
改良したものである。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池発電装置は、水素生成装置によ
り生成された水素ガスと、空気中の酸素の結合エネルギ
ーを直接電気エネルギーに変換するものであり、化学反
応による発電のため発電効率が高く、しかも大気汚染物
質の排出が少なく、騒音も小さいという環境性に優れた
発電システムとして評価されている。

【０００３】一般に、燃料電池発電装置では、都市ガス
等の炭化水素系燃料と水蒸気を、改質器で水素を主成分
とするガスに改質して燃料電池本体の燃料極へ供給し、
一方、空気を燃料電池本体の空気極へ供給する。そし
て、これら燃料極の水素と空気極の酸素が燃料電池本体
で電解質を介して化学反応を起こすことで直流電流を得
る。また、燃料電池発電装置は、発電に伴って生じる熱
や、化学反応の結果生じる水を回収し有効に利用するこ
とで、系全体として資源利用効率を高めた発電プラント
である。このうち、上記電解質としてリン酸を使用した
ものがリン酸型燃料電池発電装置である。

【０００４】図８は、従来のリン酸型燃料電池発電装置
の一例を示す図である。図８において燃料電池本体１
は、電解質としてのリン酸を浸透したマトリックス１ａ
を、燃料ガスが供給される燃料極１ｂと空気が供給され
る空気極１ｃとで挟むことによって単位セルを形成し、
これを多数枚積層して構成したものである。燃料電池本
体１では、燃料ガスと空気との電気化学反応により直接
発電が行われる。

【０００５】この例では、都市ガス等の炭化水素系燃料
Ｆは、気水分離器２から供給される改質用水蒸気３と混
合され、改質器４の反応部４ａへ導かれ、水蒸気改質反
応により水素リッチの改質ガス５が生成される。この改
質ガス５は主成分として水素を含んでおり、さらに一酸
化炭素変成器６において精製された後、燃料ガスとして
燃料極１ｂへ導かれる。

【０００６】一方、反応用空気７は、ブロワー等の空気
供給装置８により燃料電池本体１の空気極１ｃへ供給さ
れる。この時、燃料電池本体１で改質ガス５中の水素と
反応用空気７の酸素とが反応し発電される。燃料電池本
体１では発電と同時に反応熱を生じるため、燃料電池本
体の温度を１９０℃程度に保つことを目的として冷却板
１ｄを設置し、この冷却板１ｄを電池冷却水９により冷
却する。

【０００７】ところで、燃料電池本体１の燃料極１ｂで
反応を終えた改質ガス５中には未反応分の水素が残って
いる。このため、反応後の改質ガス５は、改質器４のバ
ーナ４ｂにおいて燃焼用空気１０と共に燃焼することに
よって、改質器４の反応部４ａの加熱源とされた後、燃
焼排ガス１１として改質器４より排出される。また、燃
料電池本体１の空気極１ｃで反応を終えた反応用空気７
は電気化学反応により生成した水分を保有したまま排空
気１２として排出され、前記燃焼排ガス１１と合流して
排ガス１３となり、プラント系内の熱エネルギーと水を
有効利用するために、排ガス凝縮熱交換器１４へ導かれ
る。

【０００８】この排ガス凝縮熱交換器１４は、排ガスに
対して排熱回収及び蒸気の凝縮による水回収を行うため
の熱交換器であり、一般に、シェルアンドチューブ型熱
交換器が使用されている。シェルアンドチューブ型熱交
換器は、容器の中に複数の伝熱管を設置した隔壁型の熱
交換器である。この熱交換器１４では、低温側流路であ
る伝熱管内に冷却媒体として二次冷却水１５を通流す
る。伝熱管周囲の空間は高温側流路であり、この空間に
排ガス１３が通流がされる。排ガス１３の有する排熱は
伝熱管壁を伝導して二次冷却水１５に回収され、加熱さ
れた二次冷却水１５やその蒸気が排熱利用熱交換器１６
を介して外部の温水利用設備１７へ供給される。温水利
用設備１７としては、例えば、冷暖房設備、大規模浴場
などが考えられる。

【０００９】また、熱交換器１４による熱交換で排ガス
１３の温度を低下させることによって、排ガス１３に含
まれる水蒸気を凝縮させて凝縮水１９とし、水処理装置
１８に回収している。回収された凝縮回収水１９は、水
処理装置１８でイオン交換樹脂等により精製され、再び
プラント系内へ戻され改質用水蒸気３や電池冷却水９と
して再利用され、プラントを循環する。この結果、プラ
ント運転中におけるプラント外部からの水補給を行わず
に水自立運転が達成される、これによって、水資源の節
約に貢献するのみならず、排水の減少によって水質悪化
を防止し、環境保護にも寄与することができる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
リン酸型燃料電池発電装置では、排ガス凝縮熱交換器と
しては一般に、隔壁型の熱交換器が用いられていた。こ
の隔壁型の熱交換器は、全領域にわたって金属製の伝熱
管あるいは伝熱壁を設けて排ガス１３と二次冷却水１５
とを仕切り、間接的熱伝導によって排熱回収を行うもの
である。このように熱伝導が間接的にのみ行われる場合
は、排ガス１３の冷却に必要な伝熱特性と排ガス中の水
蒸気分を凝縮させるための凝縮性能の向上が困難という
問題点が生ずる。また、隔壁型の熱交換器は、金属製の
伝熱管あるいは伝熱壁を全体に使用する必要があるた
め、価格低減にも限界があった。

【００１１】また、まれには、直接接触型の熱交換器が
用いられる場合もあった。この直接接触型の熱交換器
は、二次冷却水を排ガス中に直接注入し、排ガスと二次
冷却水とを直接接触させることによって水分と熱の回収
を行うものである。しかし、この直接接触型の熱交換器
には、水質悪化という問題点が存在した。すなわち、前
述の隔壁型の熱交換器では、空気極排ガス中に存在する
酸化リンが、金属表面にリン酸生成物として凝縮付着す
るので、これを適時除去すればよく、凝縮水の水質悪化
は少ない。一方、直接接触型の熱交換器では、空気極排
ガス中の酸化リンが、凝縮水中にほぼ全量溶け込むた
め、凝縮回収水１９の水質が悪化していた。このように
水質が悪化した凝縮回収水１９については、溶け込んだ
酸化リンを除去しなければならないため、特に高性能な
水処理装置１８が必要であり、また、水処理装置１８の
イオン交換樹脂の寿命を縮めるため、運転コストの増加
を招くという問題が存在した。

【００１２】本発明は、上記のような従来技術の問題点
を解決するために提案されたもので、その目的は、排ガ
スからの熱回収及び水分回収を効果的に行い、小型かつ
低コストなリン酸型燃料電池発電装置及びリン酸型燃料
電池における排熱回収方法を提供することである。

【００１３】より具体的には、本発明の目的は、排ガス
凝縮熱交換器に隔壁型と直接接触型の二つの熱交換部を
設け、リン酸による水質悪化を低減するとともに、高い
伝熱・凝縮特性を得ることである（請求項１，９）。ま
た、本発明の他の目的は、改質器及び空気極からの排ガ
スの排熱を回収することによって、効果的な排熱回収を
図ることである（請求項２）。

【００１４】また、本発明の他の目的は、排ガス凝縮熱
交換器で再循環させる冷却水からも排熱回収を効果的に
行うことである（請求項５，１０）。また、本発明の他
の目的は、再循環ポンプへの空気混入を防止することに
よって、ポンプの破損を未然に防止することである（請
求項６）。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１のリン酸型燃料電池発電装置は、燃料電池
より排出される排ガスが有する排熱を冷却水に回収する
ための熱交換器を備え、前記熱交換器は、排ガスと冷却
水とを仕切って間接的熱伝導を行う第１の熱交換部と、
前記第１の熱交換部に対して排ガスの下流側に設けら
れ、排ガスと冷却水との直接接触によって排熱を回収す
るための第２の熱交換部と、を有することを特徴とす
る。また、請求項９のリン酸型燃料電池における排熱回
収方法は、請求項１の発明を方法の観点から把握したも
のであって、燃料電池より排出される排ガスが有する排
熱を冷却水に回収するための熱交換プロセスを含み、前
記熱交換プロセスは、排ガスと冷却水とを仕切った間接
的熱伝導によって排熱を回収するための第１のプロセス
と、前記第１の処理に続いて行われ、排ガスと冷却水と
の直接接触によって排熱を回収するための第２のプロセ
スと、を含むことを特徴とする。請求項１，９の発明で
は、まず、排ガスの上流側において、間接的な熱伝導に
よる排熱回収が行われる。このとき、排ガス中の酸化リ
ンの大部分が冷却によってガス中の水蒸気と合体してリ
ン酸生成物となり、リン酸生成物は、排ガスと冷却水を
仕切る伝熱管や伝熱壁の表面に付着する。このため、運
転中に冷却水や凝縮水に溶け込んで水質を悪化させる程
度が少ない。続いて、下流側では、冷却水が直接排ガス
と接触するため、上流側に比較して高い伝熱・凝縮特性
が得られ、熱交換器の小型化を実現できる。また、その
接触部分に伝熱管や伝熱壁などを使用する必要がないた
め、排熱回収のコストを低減することができる。

【００１６】請求項２の発明は、請求項１記載のリン酸
型燃料電池発電装置において、燃料極と空気極とを有す
る燃料電池本体と、燃料ガスを改質した改質ガスを前記
燃料極に供給するための改質器と、燃料極からの排出ガ
スを燃焼させることによって前記改質器に改質反応用の
エネルギーを供給するバーナと、を有し、前記熱交換器
は、前記空気極から排出される空気極排ガス及び前記バ
ーナから排出される燃焼排ガスから排熱を回収するよう
に構成されたことを特徴とする。燃料電池より発生する
排熱のほとんどは、空気極からの空気極排ガス及びバー
ナからの燃焼排ガスとに含まれる。このため、請求項２
の発明では、空気極排ガス及び燃焼排ガスから排熱を回
収することによって、排熱が効果的に再利用できる。具
体的には、まず、燃料極からの排ガスは発電による排熱
を有するが、さらに改質器のバーナで残存水素を燃焼さ
せることによって、燃焼による排熱も併せ持った燃焼排
ガスとなる。この燃焼排ガスから排熱を回収すれば、発
電による排熱と燃焼による排熱の双方を効果的に再利用
することができる。また、発電による排熱の他の部分は
空気極からの排ガスに含まれるので、空気極からの排ガ
スからも排熱を回収すれば、発電による排熱が全て効果
的に再利用することができる。

【００１７】請求項３の発明は、請求項１記載のリン酸
型燃料電池発電装置において、前記第２の熱交換部は、
排ガスと冷却水との接触面積を拡大させるための接触面
積拡大部材を有することを特徴とする。請求項３の発明
では、接触面積拡大部材によって、直接接触による単位
容積あたりの熱交換性能を一段と高めることが可能とな
り、排熱回収のための熱交換器や熱交換のプロセスをよ
り一層小規模化・低廉化することができる。

【００１８】請求項４の発明は、請求項１記載のリン酸
型燃料電池発電装置において、前記第２の熱交換部は、
冷却水を排ガス中に分散させるための冷却水分散用部材
を有することを特徴とする。請求項４の発明では、多孔
板等の冷却水分散用部材により、排ガスと冷却水との気
液接触面積が増大するため、直接接触による単位容積あ
たりの熱交換性能を一段と高めることが可能となる。こ
のため、排熱回収に必要な熱交換器や熱交換のプロセス
をより一層小規模化・低廉化することができる。

【００１９】請求項５の発明は、請求項１記載のリン酸
型燃料電池発電装置において、前記熱交換器から冷却水
を取り出すための排出口と、取り出した冷却水を循環さ
せることによって、前記第２の熱交換部に冷却水として
注入するための再循環ポンプと、前記注入の前に、前記
取り出した冷却水の排熱を前記第１の熱交換部の冷却水
に回収することによって、前記取り出した冷却水を冷却
するための第２の熱交換器と、を有することを特徴とす
る。また、請求項１０の発明は、請求項５の発明を方法
の観点から把握したものであって、請求項９記載のリン
酸型燃料電池における排熱回収方法において、前記熱交
換プロセスから冷却水を取り出すためのプロセスと、取
り出した冷却水を循環させることによって、前記第２の
プロセスに投入するための加圧プロセスと、前記投入の
前に、前記取り出した冷却水の排熱を前記第１のプロセ
スで用いる冷却水に回収することによって、前記取り出
した冷却水を冷却するための第２の熱交換プロセスと、
を含むことを特徴とする。請求項５，１０の発明におい
て、下流側の直接接触に用いられた冷却水を取り出す
と、この冷却水には、排ガスに含まれていた排熱の他
に、排ガス中の蒸気が凝縮された凝縮水が含まれてい
る。このため、取り出された冷却水を循環して再利用す
ることによって、冷却水の再利用率が向上する。また、
取り出された冷却水が有する排熱は、上流側の間接的熱
伝導で用いる冷却水に移転される。このため、全ての排
熱を間接的熱伝導の冷却水に集中することによって、温
水利用設備などで一括利用することが可能となる。この
ため、排熱回収のための熱交換器や熱交換のプロセスを
より小規模化・低コスト化しながら、排熱の効果的な利
用が可能となる。

【００２０】請求項６の発明は、請求項５記載のリン酸
型燃料電池発電装置において、前記排出口に、前記再循
環ポンプへの空気侵入を防止するための液溜め部と、前
記液溜め部における液面のレベルを検知するための検知
装置と、を備えたことを特徴とする。請求項６の発明で
は、取り出された冷却水に気泡が含まれていても、上方
凸型などの液溜め部を設けているので、気泡は冷却水と
の比重差によって液溜め部へ収集される。このため、再
循環ポンプへの空気混入によるキャビテーションとそれ
に続くポンプの破損を未然に防止することが可能とな
る。さらに、液溜め部の空気量が一定限度を超えた場合
も、検知装置で液面のレベルを検知し、異常なレベルに
なっていれば警報を発するなどの対処が可能となる。特
に、検知装置を発電装置の制御系などと連動しておけ
ば、液溜め部に溜まった空気がポンプに流入する前に発
電装置を自動停止し、安全な運転を確保することができ
る。

【００２１】請求項７の発明は、請求項５記載のリン酸
型燃料電池発電装置において、前記排出口の下流側に、
固形不純物を除去するための除去手段を設置したことを
特徴とする。請求項７の発明では、沈殿槽あるいはフィ
ルタなどの除去手段が、熱交換器に流入するゴミ、スケ
ール等の異物や、熱交換器内で生成するリン酸生成物な
どの固形不純物を冷却水から除去する。このため、固形
不純物が再循環ポンプに流入することが防止され、ポン
プの故障や磨耗などの障害が阻止されるので、リン酸型
燃料電池発電装置の運転信頼性を向上させることができ
る。

【００２２】請求項８の発明は、請求項５記載のリン酸
型燃料電池発電装置において、前記第２の熱交換器で冷
却された冷却水を、前記第１の熱交換部に散布して洗浄
するための散布手段を有することを特徴とする。請求項
８の発明では、取り出した冷却水を仕切弁などで制御
し、所望のタイミングで、第１の熱交換部の伝熱管や伝
熱壁などに噴射したり、あるいは上部から振り掛けるな
どして散布することができる。これによって、発電装置
の停止中あるいは運転中などに、第１の熱交換部の伝熱
管表面などを洗浄することができ、付着しているリン酸
生成物を除去することによって、伝熱特性の低下を抑制
することが可能となる。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の複数の実施の形態
について、図面を参照して詳細に説明する。

【００２４】〔１．第１の実施の形態〕 （１）構成 第１の実施の形態は、請求項１，２，９に対応するもの
で、図１は、第１の実施の形態であるリン酸型燃料電池
発電装置を示す図である。なお図中、図８と同一の部材
については同一符号を付し、説明は省略する。

【００２５】第１の実施の形態におけるリン酸型燃料電
池発電装置は、図８に示した従来例と略同様の構成を有
するが、図１に示すように、排ガス凝縮熱交換器２０
は、伝熱管あるいは伝熱壁を内蔵した隔壁型熱交換部２
０ａと、隔壁型熱交換部の排ガス下流側に配設された冷
却水注入方式の直接接触熱交換部２０ｂとを有してい
る。

【００２６】このうち、排ガス凝縮熱交換器２０は請求
項１にいう熱交換器に相当するもので、請求項９にいう
熱交換プロセスを実現する。隔壁型熱交換部２０ａは、
排ガスと冷却水を仕切り、間接的熱伝導によって排熱回
収を行う部分である。なお、排ガスと冷却水を仕切る伝
熱部材としては、伝熱管・伝熱壁など所望の形式のもの
を、自由に組み合わせて用いることができる。例えば、
排ガス１３を通流する容器内全体に、細い伝熱管がつづ
ら折状に設けられ、この伝熱管内を二次冷却水１５が通
流する。この隔壁型熱交換部２０ａは、請求項１にいう
第１の熱交換部に相当するもので、請求項９にいう第１
のプロセスを実現する。

【００２７】さらに、直接接触熱交換部２０ｂは、排ガ
スと冷却水の直接接触によって排熱を回収するものであ
る。直接接触の態様は、噴霧、滴下、流下など所望の形
式を自由に組み合わせることができる。直接接触熱交換
部２０ｂは、請求項１にいう第２の熱交換部に相当する
もので、請求項９にいう第２のプロセスを実現する。

【００２８】（２）作用及び効果 上記のような構成を有する第１の実施の形態は、次のよ
うな作用を有する。すなわち、改質器４によって燃料ガ
スを改質することによって得られた改質ガスは、燃料極
１ｂに供給され、発電の結果、燃料極からの排出ガスと
なる。この排出ガスは、バーナ４ｂで残存水素を燃焼さ
せることによって改質器４に改質反応用のエネルギーを
供給し燃焼排ガス１１として排出される。なお、空気極
１ｃに提供される反応用の空気も、発電の結果、空気極
排ガス１２（排空気）として排出される。

【００２９】燃料電池本体１の空気極１ｃからの空気極
排ガス１２と、改質器４からの燃焼排ガス１１は、合流
して排ガス１３となり、排ガス凝縮熱交換器２０に流入
する。そして、流入した排ガス１３は、内部を二次冷却
水１５が通流する伝熱管が配設された隔壁型熱交換部２
０ａ、及び、冷却水２１が注入される直接接触型熱交換
部２０ｂの順に流れる。この間に、排ガス１３は二次冷
却水１５及び冷却水２１によって冷却され、水蒸気分を
凝縮回収された排ガスに余剰分があれば、必要な浄化を
施されたうえ、排ガス凝縮熱交換器からプラント外部の
大気中へ放出される。一方、直接接触型熱交換部２０ｂ
において排ガスと熱交換を終えた冷却水２２は排ガス凝
縮熱交換器２０の下部から外部に取り出され、冷却後再
度、冷却水２１として熱交換器２０に供給される。

【００３０】ところで、排ガス凝縮熱交換器２０に流入
する排ガス１３中には、燃料電池本体１の電解質から気
散した酸化リンが含まれている。排ガス凝縮熱交換器２
０の上流部に位置する隔壁型熱交換部２０ａでは、排ガ
ス１３が二次冷却水１５で冷却されることにより排ガス
１３中の酸化リンがガス中の水蒸気と合体し、リン酸と
して隔壁型熱交換部の伝熱壁や伝熱管表面に付着し、ス
テンレス鋼など伝熱管の材料と一部反応してリン酸生成
物を生成する。そのリン酸生成物は大部分伝熱管の表面
に付着した状態である。このため、排ガス中の蒸気を直
接接触型熱交換部２０ｂで凝縮した凝縮水１９中の不純
物も低減するので水質を悪化させる程度が減少する。な
お、伝熱管表面に付着したリン酸生成物は発電装置の定
期点検時などに洗浄除去すればよい。これにより、水処
理装置の負荷が減少し特別に高性能な大型の水処理装置
は不要となる。また、不純物の減少によってイオン交換
樹脂の寿命低下を抑制することが可能になるので、設備
や運転のコストが低減される。また、簡易で小型な水処
理装置で足りる分、設備全体の小型化も可能となる。

【００３１】また、隔壁型熱交換部２０ａの排ガス下流
側に位置する直接接触型熱交換部２０ｂにおいては、熱
交換器内部に注入される冷却水２１が直接排ガス１３と
接触するため、隔壁型熱交換部に比較して高い伝熱・凝
縮特性が得られ、熱交換器の小型化を実現できる。ま
た、直接接触型熱交換部２０ｂには伝熱管などを使用す
る必要がないため、安価な排ガス凝縮熱交換器を実現で
きる。そして、回収された排熱は、冷却水１５の蒸気な
どの形で排熱利用熱交換器１６に送られ、利用目的に応
じた温度の温水や蒸気などに変換され、温水利用設備１
７で利用される。

【００３２】以上説明したように、第１の実施の形態に
よれば、隔壁型熱交換部２０ａと直接接触型熱交換部２
０ｂの双方を用いることによって、設備コスト・運転コ
ストの削減、システム全体の小型化、効率的な排熱回収
が可能となる。

【００３３】また、燃料電池より発生する排熱のほとん
どは、バーナからの燃焼排ガスと空気極排ガスに含まれ
る。このため、第１の実施の形態では、燃焼排ガスと空
気極排ガスの双方から排熱を回収することによって、排
熱が効果的に再利用できる。具体的には、まず、燃料極
からの排ガスは発電による排熱を有するが、さらに改質
器のバーナで残存水素を燃焼させることによって、燃焼
による排熱も併せ持った燃焼排ガスとなる。第１の実施
の形態では、この燃焼排ガスから排熱を回収するので、
発電による排熱と燃焼による排熱の双方を効果的に再利
用することができる。また、発電による排熱の他の部分
は空気極からの排ガスに含まれるが、第１の実施の形態
では、空気極から出る排ガスからも排熱を回収するの
で、発電による排熱が全て効果的に再利用することがで
きる。なお、本出願において排ガスや排熱について「燃
料電池より排出される」というときは、燃料電池本体か
ら直接排出される排ガスや排熱のみならず、バーナなど
の付属装置から排出される排ガスや排熱を含む広い概念
である。

【００３４】〔２．第２の実施の形態〕次に、本発明の
第２の実施の形態について、その構成を図２に示す。第
２の実施の形態は、請求項３に対応するもので、図２
中、図１と同一の部材については同一符号を付し、説明
は省略する。

【００３５】この第２の実施の形態の特徴は、第１の実
施の形態で示した構成に加えて、排ガス凝縮熱交換器２
０の直接接触型熱交換部２０ｂの内部に、冷却水２１と
排ガス１３との気液接触面積を増加させるための接触面
積拡大部材２３が充填設置されていることである。接触
面積拡大部材２３は、冷却水を表面に伝わらせるための
桟状や柵状の部材を多重に配設するなど、所望の構造に
することができる。また、散水や滴下など冷却水の注入
形式と自由に組み合わせ、また、排ガスの通路をつづら
折状にして長距離化するなどの構造と併用することもで
きる。

【００３６】このように、排ガス１３と冷却水２１との
直接接触の面積を増大させれば、接触面積に比例して、
単位容積あたりの熱伝導量は増大するので、直接接触に
よる熱交換性能を一段と高めることが可能となり、排ガ
ス凝縮熱交換器のより一層の小型化を実現することがで
きる。

【００３７】〔３．第３の実施の形態〕次に、本発明の
第３の実施の形態について、その構成を図３に示す。第
３の実施の形態は請求項４に対応するもので、図３中、
図１と同一部の部材については同の一符号を付し、説明
は省略する。

【００３８】この第３の実施の形態の特徴は、第１の実
施の形態で示した構成に加え、排ガス凝縮熱交換器２０
の直接接触型熱交換部２０ｂの容器内に、冷却水分散用
部材２４が設置されていることである。冷却水分散用部
材２４の具体的な構造は自由であるが、例えば、容器内
側の天井面を多孔板で覆い、各孔から水滴を滴下させた
り、スプリンクラー形式の散水装置を設けたり、流下す
る冷却水を回転体で飛散させるなど、自由に定めること
ができる。また、冷却水分散用部材２４については、容
器内上部に設けることが望ましいが、上部のみならず、
例えばスプリンクラー形式として容器側壁に設けるなど
してもよい。第３の実施の形態では、冷却水が分散する
ことによって、排ガス１３と冷却水２１との単位容積あ
たりの気液接触面積が増大することになるので、第２の
実施の形態と同様に、直接接触による熱交換性能を一段
と高めることが可能となり、排ガス凝縮熱交換器のより
一層の小型化を実現することができる。

【００３９】〔４．第４の実施の形態〕次に、本発明の
第４の実施の形態について、その構成を図４に示す。第
４の実施の形態は請求項５，１０に対応するもので、図
４中、図１及び図８と同一の部材については同一符号を
付し、説明は省略する。

【００４０】すなわち、第４の実施の形態では、排ガス
凝縮熱交換器２０に、冷却水２２を取り出すための再循
環水排出口２５を設ける。この排出口は、排ガス出口側
にあたる容器下部などに設ければよい。また、取り出し
た冷却水２２を循環させることによって、直接接触型熱
交換部２０ｂに冷却水２１として注入するための再循環
ポンプ２６を設ける。この再循環ポンプ２６は、請求項
１０にいう加圧プロセスを実現するものである。

【００４１】再循環ポンプ２６の先には冷却用熱交換器
２７を設ける。この冷却用熱交換器２７は、排ガス凝縮
熱交換器２０より取り出した冷却水２２の排熱を、燃料
電池発電装置の二次冷却水１５に回収することによっ
て、冷却水２２を冷却するための熱交換器である。な
お、この冷却用熱交換器２７は、請求項５にいう第２の
熱交換器に相当するもので、請求項１０にいう第２の熱
交換プロセスを実現するものである。

【００４２】このような構成を有する第４の実施の形態
は、次のような作用を有する。すなわち、直接接触型熱
交換部２０ｂでの直接接触に用いられた後、取り出され
た冷却水２２には、排ガス１３に含まれていた排熱の他
に、排ガス１３中の蒸気が凝縮された凝縮水が含まれて
いる。このため、取り出された冷却水２２を循環させて
再利用することによって、冷却水の再利用率が向上す
る。また、取り出された冷却水２２が有する排熱は、上
流側の隔壁型熱交換部２０ａにおける間接的熱伝導で用
いる二次冷却水１５に伝達される。このように、排ガス
１３から回収した排熱は全て二次冷却水１５や二次冷却
水１５から発生した蒸気に集中するので、温水利用設備
１７などで一括利用することが可能となる。このため、
排熱回収のための熱交換器や熱交換のプロセスをより小
規模化・低コスト化しながら、排熱の効果的な利用が可
能となる。

【００４３】〔５．第５の実施の形態〕次に、本発明の
第５の実施の形態について、その構成を図５に示す。第
５の実施の形態は、請求項６に対応するもので、図５
中、図４及び図８と同一の部材については同一の符号を
付し、説明は省略する。

【００４４】この第５の実施の形態においては、第４の
実施の形態で示した構成に加え、再循環ポンプ２６への
空気混入を防止するために、排ガス凝縮熱交換器２０の
再循環水排出用の排出口２５に液溜め部２８を設け、そ
の液面のレベルを検知するための検知装置２９が装備さ
れている。なお、液溜め部２８は、配管の一部に膨大部
を設けたり、上方凸型の窪みを形成したり、水平の配管
から上方へ延びる垂直の配管を設けるなどして設置する
ことができる。また、液溜め部２８には、溜まった空気
を抜くための弁などを設けてもよい。

【００４５】このような第５の実施の形態では、取り出
された冷却水２２に気泡が含まれていても、液溜め部２
８を設けているので、気泡は冷却水２２との比重差によ
って液溜め部２８へ収集される。このため、再循環ポン
プ２６への空気混入によるキャビテーションとそれに続
くポンプ２６の破損を未然に防止することが可能とな
る。さらに、液溜め部２８の空気量が一定限度を超えた
場合も、検知装置２９で液面のレベルの異常な低下を検
知し、警報を発するなどの対処が可能となる。特に、検
知装置２９を発電装置の制御系などと連動しておけば、
液溜め部２８に溜まった空気がポンプ２６に流入する前
に発電装置を自動停止し、安全な運転を確保することが
できる。

【００４６】〔６．第６の実施の形態〕次に、本発明の
第６の実施の形態について、その構成を図６に示す。第
６の実施の形態は請求項７に対応するもので、図６中、
図４及び図８と同一の部材については同一の符号を付
し、説明は省略する。

【００４７】この第６の実施の形態においては、第４の
実施の形態で示した構成に加え、排ガス凝縮熱交換器２
０の再循環水排出用の排出口２５下流側にスケール等の
固形不純物を除去するための沈殿槽あるいはフィルタな
どの除去手段３０が設置されている。これによって、排
ガス凝縮熱交換器に流入するゴミ、スケール等の異物
や、排ガス凝縮熱交換器内で生成するリン酸生成物が再
循環ポンプ２６に流入することを防止できる。このた
め、ポンプの故障や磨耗などの障害が阻止されるので、
リン酸型燃料電池発電装置の運転信頼性を向上させるこ
とができる。なお、除去手段は、固形不純物が除去でき
ればよいので、沈殿層やフィルタには限定されず、固形
不純物の種類によっては、電磁誘導のような他の原理に
基づくものを用いてもよい。

【００４８】〔７．第７の実施の形態〕次に、本発明の
第７の実施の形態について、その構成を図７に示す。第
７の実施の形態は請求項８に対応するもので、図７中、
図４及び図８と同一部分については同一符号を付しその
詳細な説明は省略する。

【００４９】この第７の実施の形態においては、第４の
実施の形態で示した構成に加え、冷却用熱交換器２７で
二次冷却水１５により冷却した冷却水２１を、隔壁型熱
交換部２０ａの洗浄用として、仕切弁３１を介して隔壁
型熱交換部２０ａに噴射や上部からの振り掛けなどによ
って散布する散布手段３２が設けられている。散布手段
３２としては、散水栓、放水ノズルなど所望の形式のも
のを自由に組み合わせて用いればよい。

【００５０】これによって、発電装置の停止中あるいは
運転中に排ガス凝縮熱交換器の隔壁型熱交換部２０ａの
伝熱管や伝熱壁の表面を洗浄することができ、付着して
いるリン酸生成物を除去し、伝熱特性の低下を抑制する
ことが可能となる。また、冷却された冷却水２１を散布
できるので、隔壁型熱交換部２０ａが加熱した場合の温
度制御に用いることもできる。

【００５１】〔８．他の実施の形態〕なお、本発明は上
記各実施の形態に限定されるものではなく、次に例示す
るような他の実施の形態をも包含するものである。例え
ば、図１〜図７に示した構成図は概念的なもので、具体
的な各機器の配置や配管構造は自由に決定することがで
きる。また、接触面積拡大部材２３（図２）、冷却水分
散用部材２４（図３）、再循環ポンプ２６（図４）や液
溜め部２８を含む配管（図５）、固形不純物を除去する
手段３０（図６）及び冷却水を洗浄用に散水する手段
（図７）の具体的な種類、構造、型式などは自由であ
り、所望のものを用いればよい。また、接触面積拡大部
材２３（図２）又は冷却水分散用部材２４（図３）と同
時に、再循環ポンプ２６（図４）や液溜め部２８を含む
構成（図５）を用いることも可能である。また、これら
と同時に、固形不純物を除去する手段３０（図６）や、
冷却水を洗浄用に散水する手段（図７）を適用してもよ
い。

【００５２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
水処理設備の負荷減少と効果的な排熱回収が両立できる
ので、小型・低コストながらエネルギー効率の優れたリ
ン酸型燃料電池発電装置及びリン酸型燃料電池における
排熱回収方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態におけるリン酸型燃
料電池発電装置の構成図

【図２】本発明の第２の実施の形態におけるリン酸型燃
料電池発電装置に使用される排ガス凝縮熱交換器の構成
図

【図３】本発明の第３の実施の形態におけるリン酸型燃
料電池発電装置に使用される排ガス凝縮熱交換器の構成
図

【図４】本発明の第４の実施の形態におけるリン酸型燃
料電池発電装置の構成図

【図５】本発明の第５の実施の形態におけるリン酸型燃
料電池発電装置の構成図

【図６】本発明の第６の実施の形態におけるリン酸型燃
料電池発電装置の構成図

【図７】本発明の第７の実施の形態におけるリン酸型燃
料電池発電装置の構成図

【図８】従来例を示すリン酸型燃料電池発電装置の構成
図

【符号の説明】

１…燃料電池本体 １ａ…マトリックス １ｂ…燃料極 １ｃ…空気極 １ｄ…冷却板 ２…気水分離器 ３…改質用水蒸気 ４…改質器 ４ａ…反応部 ５…改質ガス ６…一酸化炭素変成器 ７…反応用空気 ８…空気供給装置 ９…電池冷却水 １０…燃焼用空気 １１…燃焼排ガス １２…排空気 １３…排ガス １４…排ガス凝縮熱交換器 １５…二次冷却水 １６…排熱利用熱交換器 １７…温水利用設備 １８…水処理装置 １９…凝縮回収水 ２０…排ガス凝縮熱交換器 ２０ａ…隔壁型熱交換部 ２０ｂ…直接接触型熱交換部 ２１…冷却水 ２２…排出冷排水 ２３…接触面積拡大部材 ２４…冷却水分散用部材 ２５…再循環水排出口 ２６…再循環ポンプ ２７…冷却用熱交換器 ２８…液溜め部 ２９…液面検知装置 ３０…除去手段 ３１…仕切弁 ３２…散水手段

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01M 8/04 H01M 8/06 F28C 1/14

Claims (10)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃料電池より排出される排ガスが有する
   排熱を冷却水に回収するための熱交換器を備え、 前記熱交換器は、 排ガスと冷却水とを仕切って間接的熱伝導を行う第１の
   熱交換部と、 前記第１の熱交換部に対して排ガスの下流側に設けら
   れ、排ガスと冷却水との直接接触によって排熱を回収す
   るための第２の熱交換部と、 を有することを特徴とするリン酸型燃料電池発電装置。
2. 【請求項２】 燃料極と空気極とを有する燃料電池本体
   と、 燃料ガスを改質した改質ガスを前記燃料極に供給するた
   めの改質器と、 燃料極からの排出ガスを燃焼させることによって前記改
   質器に改質反応用のエネルギーを供給するバーナと、を
   有し、 前記熱交換器は、前記空気極から排出される空気極排ガ
   ス及び前記バーナから排出される燃焼排ガスから排熱を
   回収するように構成されたことを特徴とする請求項１記
   載のリン酸型燃料電池発電装置。
3. 【請求項３】 前記第２の熱交換部は、排ガスと冷却水
   との接触面積を拡大させるための接触面積拡大部材を有
   することを特徴とする請求項１記載のリン酸型燃料電池
   発電装置。
4. 【請求項４】 前記第２の熱交換部は、冷却水を排ガス
   中に分散させるための冷却水分散用部材を有することを
   特徴とする請求項１記載のリン酸型燃料電池発電装置。
5. 【請求項５】 前記熱交換器から冷却水を取り出すため
   の排出口と、 取り出した冷却水を循環させることによって、前記第２
   の熱交換部に冷却水として注入するための再循環ポンプ
   と、 前記注入の前に、前記取り出した冷却水の排熱を前記第
   １の熱交換部の冷却水に回収することによって、前記取
   り出した冷却水を冷却するための第２の熱交換器と、 を有することを特徴とする請求項１記載のリン酸型燃料
   電池発電装置。
6. 【請求項６】 前記排出口に、 前記再循環ポンプへの空気侵入を防止するための液溜め
   部と、 前記液溜め部における液面のレベルを検知するための検
   知装置と、 を備えたことを特徴とする請求項５記載のリン酸型燃料
   電池発電装置。
7. 【請求項７】 前記排出口の下流側に、固形不純物を除
   去するための除去手段を設置したことを特徴とする請求
   項５記載のリン酸型燃料電池発電装置。
8. 【請求項８】 前記第２の熱交換器で冷却された冷却水
   を、前記第１の熱交換部に散布して洗浄するための散布
   手段を有することを特徴とする請求項５記載のリン酸型
   燃料電池発電装置。
9. 【請求項９】 燃料電池より排出される排ガスが有する
   排熱を冷却水に回収するための熱交換プロセスを含み、 前記熱交換プロセスは、 排ガスと冷却水とを仕切った間接的熱伝導によって排熱
   を回収するための第１のプロセスと、 排ガスと冷却水との直接接触によって排熱を回収するた
   めの第２のプロセスと、 を含むことを特徴とするリン酸型燃料電池における排熱
   回収方法。
10. 【請求項１０】 前記熱交換プロセスから冷却水を取り
    出すためのプロセスと、 取り出した冷却水を循環させることによって、前記第２
    のプロセスに投入するための加圧プロセスと、 前記投入の前に、前記取り出した冷却水の排熱を前記第
    １のプロセスで用いる冷却水に回収することによって、
    前記取り出した冷却水を冷却するための第２の熱交換プ
    ロセスと、 を含むことを特徴とする請求項９記載のリン酸型燃料電
    池における排熱回収方法。