JPH10334934A - Phosphate-type fuel cell power plant and exhaust heat recover method in phosphate-type fuel cell - Google Patents
Phosphate-type fuel cell power plant and exhaust heat recover method in phosphate-type fuel cellInfo
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- JPH10334934A JPH10334934A JP9141729A JP14172997A JPH10334934A JP H10334934 A JPH10334934 A JP H10334934A JP 9141729 A JP9141729 A JP 9141729A JP 14172997 A JP14172997 A JP 14172997A JP H10334934 A JPH10334934 A JP H10334934A
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Abstract
Description
【0001】[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。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a phosphoric acid type fuel cell power generation apparatus for performing power generation by a fuel cell and recovering exhaust heat from exhaust gas, and to an improvement in a method for recovering exhaust heat in a phosphoric acid type fuel cell. In particular, the present invention has been improved so as to recover waste heat with excellent efficiency while being inexpensive and compact.
【0002】[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。2. Description of the Related Art A fuel cell power generator converts the binding energy of hydrogen gas generated by a hydrogen generator and oxygen in the air directly into electric energy. In addition, it is evaluated as an environmentally friendly power generation system with low emission of air pollutants and low noise.
【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。In general, in a fuel cell power generator, a hydrocarbon-based fuel such as city gas and water vapor are reformed into a gas containing hydrogen as a main component by a reformer and supplied to a fuel electrode of a fuel cell body.
On the other hand, air is supplied to the air electrode of the fuel cell body. Then, a direct current is obtained by causing a chemical reaction between the hydrogen of the fuel electrode and the oxygen of the air electrode via the electrolyte in the fuel cell body. Further, the fuel cell power generation device is a power generation plant in which resource utilization efficiency is improved as a whole system by collecting and effectively utilizing heat generated as a result of power generation and water generated as a result of a chemical reaction. Among these, a phosphoric acid type fuel cell power generator uses phosphoric acid as the electrolyte.
【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。FIG. 8 is a diagram showing an example of a conventional phosphoric acid fuel cell power generator. In FIG. 8, the fuel cell body 1
Is a matrix 1a impregnated with phosphoric acid as an electrolyte.
Is sandwiched between a fuel electrode 1b to which fuel gas is supplied and an air electrode 1c to which air is supplied to form a unit cell,
It is configured by laminating a large number of these. In the fuel cell main body 1, power is directly generated by an electrochemical reaction between fuel gas and air.
【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。In this example, a hydrocarbon-based fuel F such as city gas is mixed with reforming steam 3 supplied from a steam separator 2, guided to a reaction section 4 a of a reformer 4, and subjected to steam reforming. The hydrogen-rich reformed gas 5 is generated by the hydrogen reaction. The reformed gas 5 contains hydrogen as a main component, and is further purified in the carbon monoxide converter 6, and then guided to the fuel electrode 1b as a fuel gas.
【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。On the other hand, the reaction air 7 is supplied to the air electrode 1c of the fuel cell main body 1 by an air supply device 8 such as a blower. At this time, the hydrogen in the reformed gas 5 reacts with the oxygen in the reaction air 7 in the fuel cell body 1 to generate power. In the fuel cell main body 1, reaction heat is generated at the same time as power generation. Therefore, a cooling plate 1 d is provided for the purpose of maintaining the temperature of the fuel cell main body at about 190 ° C., and the cooling plate 1 d is cooled by the battery cooling water 9.
【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。By the way, unreacted hydrogen remains in the reformed gas 5 which has been reacted at the fuel electrode 1b of the fuel cell body 1. For this reason, the reformed gas 5 after the reaction is burned together with the combustion air 10 in the burner 4 b of the reformer 4, and is used as a heating source of the reaction section 4 a of the reformer 4. It is discharged from the reformer 4. Further, the reaction air 7 which has completed the reaction at the air electrode 1c of the fuel cell body 1
Is discharged as exhaust air 12 while retaining moisture generated by the electrochemical reaction, and merges with the combustion exhaust gas 11 to form an exhaust gas 13. In order to make effective use of heat energy and water in the plant system, exhaust gas condensation heat exchange is performed. To the vessel 14.
【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。The exhaust gas condensing heat exchanger 14 is a heat exchanger for collecting exhaust heat and recovering water by condensing steam with respect to the exhaust gas. Generally, a shell-and-tube heat exchanger is used. . The shell and tube type heat exchanger is a partition type heat exchanger in which a plurality of heat transfer tubes are installed in a container. In the heat exchanger 14, secondary cooling water 15 flows as a cooling medium into a heat transfer tube that is a low-temperature side flow path. The space around the heat transfer tube is a high-temperature side flow passage, and the exhaust gas 13 flows through this space. Exhaust heat of the exhaust gas 13 is transmitted to the wall of the heat transfer tube and collected in the secondary cooling water 15, and the heated secondary cooling water 15 and its steam are converted into the exhaust heat utilizing heat exchanger 16.
Is supplied to the external hot water utilization equipment 17 via the. As the hot water utilization facility 17, for example, a cooling / heating facility, a large-scale bath, and the like can be considered.
【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。Further, by lowering the temperature of the exhaust gas 13 by heat exchange by the heat exchanger 14, the water vapor contained in the exhaust gas 13 is condensed into condensed water 19 and collected in the water treatment device 18. The collected condensed and recovered water 19 is purified by an ion exchange resin or the like in the water treatment device 18, returned to the plant system again, reused as the reforming steam 3 and the battery cooling water 9, and circulated through the plant. As a result, water self-sustaining operation is achieved without replenishing water from outside the plant during the operation of the plant. This not only contributes to saving of water resources, but also prevents deterioration of water quality by reducing wastewater, It can also contribute to protection.
【0010】[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。However, in the conventional phosphoric acid type fuel cell power generator, a partition wall type heat exchanger is generally used as an exhaust gas condensing heat exchanger. This heat exchanger of the partition type is provided with a metal heat transfer tube or a heat transfer wall over the entire area to provide exhaust gas 13 and secondary cooling water 15.
And exhaust heat recovery by indirect heat conduction. When heat conduction is performed only indirectly as described above, there is a problem that it is difficult to improve heat transfer characteristics required for cooling the exhaust gas 13 and condensation performance for condensing water vapor in the exhaust gas. In addition, since the partition-type heat exchanger needs to use a metal heat transfer tube or heat transfer wall as a whole, there is a limit to the cost reduction.
【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。In some rare cases, a direct contact type heat exchanger is used. This direct-contact type heat exchanger recovers moisture and heat by directly injecting secondary cooling water into exhaust gas and bringing the exhaust gas into direct contact with the secondary cooling water. However, this direct contact heat exchanger has a problem that water quality is deteriorated. That is, in the above-described partition type heat exchanger, phosphorus oxide present in the air electrode exhaust gas is condensed and attached as a phosphoric acid product on the metal surface. Few. On the other hand, in the direct contact type heat exchanger, almost all the phosphorus oxide in the air electrode exhaust gas is dissolved in the condensed water, so that the water quality of the condensed and recovered water 19 is deteriorated. As for the condensed and recovered water 19 whose water quality has deteriorated in this way, it is necessary to remove the dissolved phosphorus oxide. Therefore, a particularly high-performance water treatment device 18 is required. There is a problem that the operating cost is increased to shorten the life.
【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。The present invention has been proposed to solve the problems of the prior art as described above, and its object is to effectively recover heat and moisture from exhaust gas, and to reduce the size and cost. An object of the present invention is to provide a phosphoric acid fuel cell power generator and a method for recovering exhaust heat in a phosphoric acid fuel cell.
【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)。More specifically, an object of the present invention is to provide a heat exchanger for condensing exhaust gas with two heat exchangers, a partition type and a direct contact type, to reduce deterioration of water quality due to phosphoric acid and to achieve high heat transfer. It is to obtain a condensation characteristic (claims 1 and 9). Another object of the present invention is to achieve effective exhaust heat recovery by recovering exhaust heat of exhaust gas from a reformer and an air electrode (claim 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)。It is another object of the present invention to effectively recover waste heat from cooling water recirculated in an exhaust gas condensing heat exchanger. Another object of the present invention is to prevent damage to the recirculation pump by preventing air from being mixed into the recirculation pump (claim 6).
【0015】[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。According to a first aspect of the present invention, there is provided a phosphoric acid type fuel cell power generator for recovering exhaust heat of exhaust gas discharged from a fuel cell into cooling water. A first heat exchange section comprising an exchanger, wherein the heat exchanger partitions exhaust gas and cooling water to perform indirect heat conduction;
A second heat exchange unit provided on the downstream side of the exhaust gas with respect to the first heat exchange unit and for collecting exhaust heat by direct contact between the exhaust gas and the cooling water. Further, the exhaust heat recovery method for a phosphoric acid type fuel cell according to claim 9 is based on the invention of claim 1 from the viewpoint of the method, and the exhaust heat of exhaust gas discharged from the fuel cell is converted into cooling water. A heat exchange process for recovering, the heat exchange process comprising: a first process for recovering waste heat by indirect heat conduction separating exhaust gas and cooling water; and a heat treatment process subsequent to the first treatment. And a second process for recovering exhaust heat by direct contact between the exhaust gas and the cooling water. According to the first and ninth aspects of the present invention, first, exhaust heat recovery by indirect heat conduction is performed on the upstream side of the exhaust gas. At this time, most of the phosphorus oxide in the exhaust gas is combined with the water vapor in the gas by cooling to form a phosphoric acid product, and the phosphoric acid product adheres to the surfaces of heat transfer tubes and heat transfer walls that separate the exhaust gas and the cooling water. I do. Therefore, the degree of dissolution in cooling water or condensed water during operation to deteriorate the water quality is small. Subsequently, on the downstream side, since the cooling water comes into direct contact with the exhaust gas, higher heat transfer / condensation characteristics are obtained than on the upstream side, and the heat exchanger can be downsized. Further, since it is not necessary to use a heat transfer tube, a heat transfer wall, or the like in the contact portion, the cost of exhaust heat recovery can be reduced.
【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。According to a second aspect of the present invention, there is provided the phosphoric acid type fuel cell power generator according to the first aspect, wherein a fuel cell main body having a fuel electrode and an air electrode; And a burner that supplies energy for a reforming reaction to the reformer by burning exhaust gas from a fuel electrode, and the heat exchanger includes the air. It is characterized in that exhaust heat is recovered from air electrode exhaust gas discharged from the pole and combustion exhaust gas discharged from the burner. Most of the exhaust heat generated from the fuel cell is contained in the cathode exhaust gas from the cathode and the combustion exhaust gas from the burner. Therefore, claim 2
According to the invention, the exhaust heat can be effectively reused by recovering the exhaust heat from the cathode exhaust gas and the combustion exhaust gas. Specifically, first, the exhaust gas from the fuel electrode has exhaust heat generated by power generation, and further burns residual hydrogen with the burner of the reformer to be a combustion exhaust gas having exhaust heat also generated by combustion. If the exhaust heat is recovered from the combustion exhaust gas, both the exhaust heat from the power generation and the exhaust heat from the combustion can be effectively reused. Further, since the other part of the exhaust heat generated by the power generation is included in the exhaust gas from the air electrode, if the exhaust heat is also recovered from the exhaust gas from the air electrode, all the exhaust heat generated by the power generation can be effectively reused. .
【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。According to a third aspect of the present invention, in the phosphoric acid fuel cell power generator according to the first aspect, the second heat exchanging part is
It has a contact area enlarging member for enlarging the contact area between the exhaust gas and the cooling water. According to the third aspect of the invention, the heat exchange performance per unit volume by the direct contact can be further enhanced by the contact area expanding member, and the heat exchanger for heat recovery and the heat exchange process can be further reduced in scale. And cost reduction.
【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。According to a fourth aspect of the present invention, in the phosphoric acid fuel cell power generator according to the first aspect, the second heat exchange section is
A cooling water dispersing member for dispersing cooling water in exhaust gas is provided. In the invention of claim 4, since the gas-liquid contact area between the exhaust gas and the cooling water is increased by the cooling water dispersing member such as a perforated plate, the heat exchange performance per unit volume by direct contact can be further improved. Become. For this reason, the heat exchanger and the heat exchange process required for exhaust heat recovery can be further reduced in scale and cost.
【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。According to a fifth aspect of the present invention, in the phosphoric acid fuel cell power generator according to the first aspect, the discharge port for taking out cooling water from the heat exchanger and the taken-out cooling water are circulated, whereby the cooling water is circulated. A recirculation pump for injecting as cooling water into the second heat exchange section, and by collecting exhaust heat of the taken out cooling water into the cooling water of the first heat exchange section before the injection, A second heat exchanger for cooling the cooling water taken out. According to a tenth aspect of the present invention, the invention of the fifth aspect is grasped from the viewpoint of a method. In the exhaust heat recovery method for a phosphoric acid type fuel cell according to the ninth aspect, the cooling water is supplied from the heat exchange process. A process for taking out the cooling water, circulating the taken-out cooling water, and a pressurizing process for feeding into the second process; and, prior to the feeding, discharging heat of the taken-out cooling water to the first process. A second heat exchange process for cooling the taken-out cooling water by collecting it in the cooling water used in the process of
It is characterized by including. According to the fifth and tenth aspects of the present invention, when the cooling water used for the direct contact on the downstream side is taken out, steam in the exhaust gas is condensed in the cooling water in addition to the exhaust heat contained in the exhaust gas. Contains condensed water. For this reason, by circulating and reusing the taken-out cooling water, the reuse rate of the cooling water is improved. Also,
Waste heat of the extracted cooling water is transferred to the cooling water used for indirect heat conduction on the upstream side. For this reason, by concentrating all the exhaust heat on the cooling water for indirect heat conduction, it becomes possible to collectively use the hot water using facilities or the like. Therefore, it is possible to effectively use the exhaust heat while reducing the size and cost of the heat exchanger and the heat exchange process for recovering the exhaust heat.
【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。According to a sixth aspect of the present invention, in the phosphoric acid type fuel cell power generator according to the fifth aspect, a liquid reservoir for preventing air from entering the recirculation pump is provided at the outlet. A detecting device for detecting a liquid level in the section. According to the sixth aspect of the present invention, even if the taken out cooling water contains bubbles, the liquid reservoir is provided with an upward convex shape, so that the bubbles are collected in the liquid reservoir due to a difference in specific gravity from the cooling water. You. For this reason, it is possible to prevent cavitation due to air mixing in the recirculation pump and subsequent damage to the pump. Further, even when the amount of air in the liquid reservoir exceeds a certain limit, it is possible to take measures such as detecting the level of the liquid level with a detection device and issuing an alarm if the level is abnormal. In particular, if the detection device is linked with the control system of the power generation device, the power generation device can be automatically stopped before the air accumulated in the liquid reservoir flows into the pump, and safe operation can be ensured.
【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。According to a seventh aspect of the present invention, in the phosphoric acid type fuel cell power generator according to the fifth aspect, downstream of the discharge port,
It is characterized in that a removing means for removing solid impurities is provided. According to the seventh aspect of the present invention, the removing means such as the sedimentation tank or the filter removes foreign matters such as dust and scale flowing into the heat exchanger and solid impurities such as phosphoric acid products generated in the heat exchanger from the cooling water. Remove. For this reason, solid impurities are prevented from flowing into the recirculation pump, and troubles such as failure and wear of the pump are prevented, so that the operating reliability of the phosphoric acid fuel cell power generator can be improved.
【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。According to an eighth aspect of the present invention, in the phosphoric acid type fuel cell power generator according to the fifth aspect, the cooling water cooled by the second heat exchanger is sprayed to the first heat exchanger. It is characterized by having spraying means for washing. In the invention of claim 8, the taken-out cooling water is controlled by a gate valve or the like, and is sprayed at a desired timing onto a heat transfer tube or a heat transfer wall of the first heat exchange section, or sprinkled from above. Can be sprayed. As a result, the surface of the heat transfer tube of the first heat exchange section can be washed while the power generator is stopped or operating, and by removing the phosphoric acid product attached, the heat transfer characteristics can be improved. It is possible to suppress the decrease.
【0023】[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。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, a plurality of embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
【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。[1. 1. First Embodiment (1) Configuration The first embodiment corresponds to claims 1, 2, and 9, and FIG. 1 shows a phosphoric acid fuel cell power generation according to the first embodiment. It is a figure showing an apparatus. In the drawing, the same members as those in FIG. 8 are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted.
【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。The phosphoric acid type fuel cell power generator according to the first embodiment has substantially the same configuration as the conventional example shown in FIG. 8, but as shown in FIG.
Is a partition type heat exchange unit 2 having a built-in heat transfer tube or heat transfer wall.
0a, and a cooling water injection type direct contact heat exchange unit 20b disposed downstream of the exhaust gas from the partition type heat exchange unit.
【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。Among them, the exhaust gas condensing heat exchanger 20 corresponds to the heat exchanger of claim 1 and realizes the heat exchange process of claim 9. The partition type heat exchange unit 20a
It is a part that separates exhaust gas and cooling water and recovers exhaust heat by indirect heat conduction. In addition, as a heat transfer member for partitioning the exhaust gas and the cooling water, a desired type such as a heat transfer tube and a heat transfer wall can be freely combined and used. For example,
A thin heat transfer tube is provided in a zigzag manner throughout the container through which the exhaust gas 13 flows, and the secondary cooling water 15 flows through the heat transfer tube. The partition type heat exchange section 20a corresponds to the first heat exchange section described in claim 1 and the first heat exchange section described in claim 9.
Realize the process.
【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。Further, the direct contact heat exchange section 20b recovers exhaust heat by direct contact of the exhaust gas with the cooling water. In the form of direct contact, desired forms such as spraying, dripping, and flowing can be freely combined. The direct contact heat exchange section 20b corresponds to the second heat exchange section described in claim 1 and realizes the second process described in claim 9.
【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。(2) Function and Effect The first embodiment having the above configuration has the following function. That is, the reformed gas obtained by reforming the fuel gas by the reformer 4 is supplied to the fuel electrode 1b, and as a result of power generation, becomes exhaust gas from the fuel electrode. This exhaust gas is supplied with energy for a reforming reaction to the reformer 4 by burning the residual hydrogen by the burner 4b, and is discharged as a combustion exhaust gas 11. The reaction air provided to the air electrode 1c is also discharged as the air electrode exhaust gas 12 (exhausted air) as a result of the power generation.
【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。The exhaust gas 12 from the cathode 1c of the fuel cell body 1 and the exhaust gas 11 from the reformer 4 merge into the exhaust gas 13 and flow into the exhaust gas condensing heat exchanger 20. The inflowing exhaust gas 13 is supplied to the partition type heat exchange unit 2 provided with a heat transfer tube through which the secondary cooling water 15 flows.
0a and the direct contact heat exchange section 20b into which the cooling water 21 is injected. During this time, the exhaust gas 13 is cooled by the secondary cooling water 15 and the cooling water 21, and if there is any excess in the exhaust gas from which water vapor has been condensed and recovered, the exhaust gas 13 is subjected to necessary purification, and then is discharged from the exhaust gas condensing heat exchanger to the plant. Released into the outside atmosphere. On the other hand, the direct contact heat exchange unit 20b
The cooling water 22 that has completed the heat exchange with the exhaust gas is taken out from the lower part of the exhaust gas condensing heat exchanger 20, cooled, and supplied to the heat exchanger 20 again as the cooling water 21.
【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。Incidentally, the exhaust gas 13 flowing into the exhaust gas condensing heat exchanger 20 contains phosphorus oxides diffused from the electrolyte of the fuel cell main body 1. Exhaust gas condensation heat exchanger 2
In the partition type heat exchange unit 20a located upstream of the exhaust gas 13, the exhaust gas 13 is cooled by the secondary cooling water 15, so that the phosphorus oxide in the exhaust gas 13 is combined with the water vapor in the gas to form phosphoric acid as phosphoric acid. It adheres to the heat transfer wall and the surface of the heat transfer tube in the exchange section and partially reacts with the material of the heat transfer tube such as stainless steel to generate a phosphoric acid product. The phosphoric acid product is mostly attached to the surface of the heat transfer tube. For this reason, the impurities in the condensed water 19 obtained by condensing the steam in the exhaust gas in the direct contact heat exchange section 20b are also reduced, so that the degree of deterioration of the water quality is reduced. The phosphoric acid product adhering to the heat transfer tube surface may be washed and removed at the time of periodic inspection of the power generator. As a result, the load on the water treatment apparatus is reduced, and a large-sized water treatment apparatus having a particularly high performance is not required. In addition, the reduction in the life of the ion exchange resin can be suppressed by the reduction in impurities, so that the cost of equipment and operation is reduced. In addition, since a simple and small water treatment device is sufficient, the size of the entire equipment can be reduced.
【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。In the direct contact heat exchange section 20b located on the downstream side of the exhaust gas from the partition type heat exchange section 20a, the cooling water 21 injected into the heat exchanger directly contacts the exhaust gas 13, so Higher heat transfer / condensation characteristics can be obtained as compared with the heat exchange section, and the heat exchanger can be downsized. Further, since it is not necessary to use a heat transfer tube or the like for the direct contact heat exchange section 20b, an inexpensive exhaust gas condensation heat exchanger can be realized. The recovered waste heat is sent to the waste heat utilizing heat exchanger 16 in the form of steam of the cooling water 15 and is converted into hot water or steam having a temperature according to the purpose of use.
Used in 7
【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。As described above, according to the first embodiment, the partition type heat exchange unit 20a and the direct contact type heat exchange unit 2
By using both Ob, it is possible to reduce equipment costs and operating costs, to reduce the size of the entire system, and to efficiently recover exhaust heat.
【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。Most of the exhaust heat generated by the fuel cell is contained in the combustion exhaust gas from the burner and the air exhaust gas. Therefore, in the first embodiment, the exhaust heat can be effectively reused by recovering the exhaust heat from both the combustion exhaust gas and the air electrode exhaust gas. Specifically, first, the exhaust gas from the fuel electrode has exhaust heat generated by power generation, and further burns residual hydrogen with the burner of the reformer to be a combustion exhaust gas having exhaust heat also generated by combustion. In the first embodiment, since the exhaust heat is recovered from the flue gas,
Both waste heat from power generation and waste heat from combustion can be effectively reused. Further, the other part of the exhaust heat generated by the power generation is included in the exhaust gas from the air electrode. However, in the first embodiment, the exhaust heat is also recovered from the exhaust gas discharged from the air electrode. It can be reused in many ways. In the present application, the term “exhaust from the fuel cell” regarding the exhaust gas and exhaust heat means not only the exhaust gas and exhaust heat directly discharged from the fuel cell body, but also the exhaust gas and exhaust heat exhausted from attached devices such as burners. It is a broad concept that includes heat.
【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。[2. Second Embodiment] FIG. 2 shows the configuration of a second embodiment of the present invention. The second embodiment corresponds to claim 3 and is similar to FIG.
Here, the same members as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted.
【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。The feature of the second embodiment is that, in addition to the configuration shown in the first embodiment, an exhaust gas condensing heat exchanger 2
The contact area enlarging member 23 for increasing the gas-liquid contact area between the cooling water 21 and the exhaust gas 13 is provided inside the direct contact heat exchange unit 20b. The contact area enlarging member 23 can have a desired structure such as arranging multiple bar-shaped or fence-shaped members for transmitting cooling water to the surface. Further, it can be freely combined with a cooling water injection method such as water spraying or dripping, or can be used in combination with a structure in which the exhaust gas passage is formed in a folded shape to extend the distance.
【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。As described above, if the area of the direct contact between the exhaust gas 13 and the cooling water 21 is increased, in proportion to the contact area,
Since the amount of heat conduction per unit volume increases, the heat exchange performance by direct contact can be further enhanced, and the exhaust gas condensation heat exchanger can be further downsized.
【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。[3. Third Embodiment] FIG. 3 shows the configuration of a third embodiment of the present invention. The third embodiment corresponds to claim 4, and in FIG.
The same members as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
【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。The feature of the third embodiment is that, in addition to the configuration shown in the first embodiment, the exhaust gas condensing heat exchanger 20
The cooling water dispersing member 24 is installed in the container of the direct contact heat exchange unit 20b. Although the specific structure of the cooling water dispersing member 24 is free, for example, the ceiling surface inside the container is covered with a perforated plate, and water droplets are dropped from each hole, or a sprinkler type watering device is provided or flows down. The cooling water can be freely determined, for example, by scattering the cooling water with a rotating body. In addition, the cooling water dispersing member 24 is desirably provided at an upper portion in the container, but not only at the upper portion,
For example, a sprinkler type may be provided on the side wall of the container. In the third embodiment, since the cooling water is dispersed, the gas-liquid contact area per unit volume between the exhaust gas 13 and the cooling water 21 increases, and thus, as in the second embodiment, The heat exchange performance by direct contact can be further enhanced, and the exhaust gas condensation heat exchanger can be further reduced in size.
【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。[4. Fourth Embodiment] FIG. 4 shows the configuration of a fourth embodiment of the present invention. The fourth embodiment corresponds to claims 5 and 10, and in FIG. 4, the same members as those in FIGS. 1 and 8 are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted.
【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。That is, in the fourth embodiment, the exhaust gas condensation heat exchanger 20 is provided with the recirculating water discharge port 25 for taking out the cooling water 22. This discharge port may be provided at the lower part of the container on the exhaust gas outlet side or the like. Further, a recirculation pump 26 for circulating the cooling water 22 taken out and injecting it as the cooling water 21 into the direct contact heat exchange unit 20b is provided. This recirculation pump 26 realizes the pressurizing process described in claim 10.
【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。At the end of the recirculation pump 26, a cooling heat exchanger 27 is provided. The cooling heat exchanger 27 is used to cool the cooling water 22 by recovering waste heat of the cooling water 22 taken out from the exhaust gas condensing heat exchanger 20 into the secondary cooling water 15 of the fuel cell power generator. It is a heat exchanger. The cooling heat exchanger 27 corresponds to the second heat exchanger according to the fifth aspect, and realizes the second heat exchange process according to the tenth aspect.
【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。The fourth embodiment having such a configuration has the following operation. That is, after being used for direct contact in the direct contact heat exchange unit 20b, in the taken-out cooling water 22, in addition to the exhaust heat contained in the exhaust gas 13, the steam in the exhaust gas 13 is condensed. Contains condensed water. Therefore, by circulating and reusing the taken out cooling water 22, the cooling water reuse rate is improved. The exhaust heat of the taken-out cooling water 22 is transmitted to the secondary cooling water 15 used for indirect heat conduction in the upstream-side partition-type heat exchange unit 20a. As described above, all the exhaust heat recovered from the exhaust gas 13 is concentrated in the secondary cooling water 15 and the steam generated from the secondary cooling water 15, and thus can be collectively used in the hot water utilization equipment 17 and the like. For this reason,
Effective utilization of exhaust heat is possible while reducing the size and cost of the heat exchanger and heat exchange process for exhaust heat recovery.
【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。[5. Fifth Embodiment] FIG. 5 shows the configuration of a fifth embodiment of the present invention. The fifth embodiment corresponds to claim 6 and is similar to FIG.
The same members as those in FIGS. 4 and 8 are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted.
【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。In the fifth embodiment, in addition to the configuration shown in the fourth embodiment, in order to prevent air from entering the recirculation pump 26, the recirculated water of the exhaust gas condensing heat exchanger 20 is used. A liquid reservoir 28 is provided at the discharge port 25 for discharge, and a detecting device 29 for detecting the level of the liquid level is provided. In addition, the liquid storage part 28 can be installed by providing an enlarged part in a part of the pipe, forming an upwardly convex dent, or providing a vertical pipe extending upward from a horizontal pipe. Further, the reservoir 28 may be provided with a valve or the like for releasing the accumulated air.
【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。In the fifth embodiment, even if the taken out cooling water 22 contains bubbles, the liquid reservoir 2
Since the air bubbles 8 are provided, bubbles are collected in the liquid reservoir 28 by a difference in specific gravity from the cooling water 22. For this reason, it is possible to prevent cavitation due to air mixing into the recirculation pump 26 and subsequent damage to the pump 26. Further, even when the amount of air in the liquid reservoir 28 exceeds a certain limit, it is possible to take measures such as detecting an abnormal decrease in the liquid level with the detecting device 29 and issuing an alarm. In particular, if the detection device 29 is linked with the control system of the power generation device,
Before the air accumulated in the liquid reservoir 28 flows into the pump 26, the power generator is automatically stopped, and safe operation can be ensured.
【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。[6. Sixth Embodiment] FIG. 6 shows the configuration of a sixth embodiment of the present invention. The sixth embodiment corresponds to claim 7, and in FIG.
4 and 8 are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted.
【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。In the sixth embodiment, in addition to the structure shown in the fourth embodiment, the exhaust gas condensing heat exchanger 2
A removing means 30 such as a settling tank or a filter for removing solid impurities such as scale is provided downstream of the discharge port 25 for discharging the recirculated water. Accordingly, it is possible to prevent foreign matters such as dust and scale flowing into the exhaust gas condensing heat exchanger and phosphoric acid products generated in the exhaust gas condensing heat exchanger from flowing into the recirculation pump 26. Because of this, failures such as pump failure and wear are prevented,
The operation reliability of the phosphoric acid fuel cell power generator can be improved. The removing means is not limited to a precipitation layer or a filter, as long as it can remove solid impurities. Depending on the type of the solid impurities, a means based on another principle such as electromagnetic induction may be used.
【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。[7. Seventh Embodiment] FIG. 7 shows the configuration of a seventh embodiment of the present invention. The seventh embodiment corresponds to claim 8, and in FIG.
4 and 8 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.
【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。In the seventh embodiment, in addition to the configuration shown in the fourth embodiment, the cooling water 21 cooled by the secondary cooling water 15 in the cooling heat exchanger 27 is divided into a partition type heat exchange. A spraying means 32 for spraying the partition-type heat exchange section 20a through the gate valve 31 by spraying or sprinkling from above is provided for cleaning the section 20a. As the spraying means 32, any desired type such as a water faucet and a water discharge nozzle may be freely combined and used.
【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。This makes it possible to clean the surfaces of the heat transfer tubes and the heat transfer walls of the partition type heat exchange section 20a of the exhaust gas condensing heat exchanger while the power generator is stopped or operating, and the phosphoric acid generation It is possible to remove the matter and to suppress a decrease in the heat transfer characteristics. In addition, since the cooled cooling water 21 can be sprayed, it can be used for temperature control when the partition-type heat exchange unit 20a is heated.
【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。[8. Other Embodiments] The present invention is not limited to the above embodiments, but also includes other embodiments as exemplified below. For example, the configuration diagrams shown in FIGS. 1 to 7 are conceptual, and the specific arrangement of each device and the piping structure can be freely determined. Also, a contact area enlarging member 23 (FIG. 2), a cooling water dispersing member 24 (FIG. 3), a pipe including a recirculation pump 26 (FIG. 4) and a liquid reservoir 28 (FIG. 5), means for removing solid impurities 30 (FIG. 6) and means (FIG. 7) for sprinkling cooling water for cleaning are not limited in specific type, structure, type, and the like, and any desired one may be used. Also, a configuration including a recirculation pump 26 (FIG. 4) and a liquid reservoir 28 (FIG. 5) can be used simultaneously with the contact area enlarging member 23 (FIG. 2) or the cooling water dispersing member 24 (FIG. 3). It is. At the same time, means 30 (FIG. 6) for removing solid impurities,
A means for spraying cooling water for cleaning (FIG. 7) may be applied.
【0052】[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。As described above, according to the present invention,
Provided is a phosphoric acid fuel cell power generation device and a method for recovering waste heat in a phosphoric acid fuel cell, which are compact and low-cost and have excellent energy efficiency, because the load on the water treatment facility can be reduced and the effective exhaust heat recovery can be achieved at the same time. Can be.
【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FIG. 1 is a configuration diagram of a phosphoric acid fuel cell power generator according to a first embodiment of the present invention.
【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FIG. 2 is a configuration diagram of an exhaust gas condensing heat exchanger used in a phosphoric acid fuel cell power generator according to a second embodiment of the present invention.
【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FIG. 3 is a configuration diagram of an exhaust gas condensing heat exchanger used in a phosphoric acid fuel cell power generator according to a third embodiment of the present invention.
【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FIG. 4 is a configuration diagram of a phosphoric acid fuel cell power generator according to a fourth embodiment of the present invention.
【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FIG. 5 is a configuration diagram of a phosphoric acid fuel cell power generator according to a fifth embodiment of the present invention.
【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FIG. 6 is a configuration diagram of a phosphoric acid fuel cell power generator according to a sixth embodiment of the present invention.
【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FIG. 7 is a configuration diagram of a phosphoric acid fuel cell power generator according to a seventh embodiment of the present invention.
【図8】従来例を示すリン酸型燃料電池発電装置の構成
図FIG. 8 is a configuration diagram of a phosphoric acid fuel cell power generation device showing a conventional example.
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 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Fuel cell main body 1a ... Matrix 1b ... Fuel electrode 1c ... Air electrode 1d ... Cooling plate 2 ... Steam separator 3 ... Reforming steam 4 ... Reformer 4a ... Reaction part 5 ... Reformed gas 6 ... Monoxide Carbon converter 7 ... Reaction air 8 ... Air supply device 9 ... Battery cooling water 10 ... Combustion air 11 ... Combustion exhaust gas 12 ... Exhaust air 13 ... Exhaust gas 14 ... Exhaust gas condensing heat exchanger 15 ... Secondary cooling water 16 ... Exhaust Heat utilization heat exchanger 17 Hot water utilization equipment 18 Water treatment device 19 Condensed and recovered water 20 Exhaust gas condensation heat exchanger 20a Partition wall heat exchange unit 20b Direct contact heat exchange unit 21 Cooling water 22 Discharge cooling Drainage 23 ... Contact area enlarging member 24 ... Cooling water dispersing member 25 ... Recirculating water outlet 26 ... Recirculating pump 27 ... Cooling heat exchanger 28 ... Liquid reservoir 29 ... Liquid level detecting device 30 ... Removal means 31 ... Gate valve 32 ... watering means
Claims (10)
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。1. A heat exchanger for collecting exhaust heat of exhaust gas discharged from a fuel cell into cooling water, wherein the heat exchanger partitions the exhaust gas and the cooling water to perform indirect heat conduction. A first heat exchange unit, a second heat exchange unit provided downstream of the exhaust gas with respect to the first heat exchange unit, and for collecting exhaust heat by direct contact between the exhaust gas and the cooling water; A phosphoric acid fuel cell power generator comprising:
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。2. A fuel cell body having a fuel electrode and an air electrode, a reformer for supplying a reformed gas obtained by reforming a fuel gas to the fuel electrode, and burning exhaust gas from the fuel electrode. And a burner for supplying energy for a reforming reaction to the reformer, wherein the heat exchanger is configured to discharge air exhaust gas discharged from the air electrode and combustion exhaust gas discharged from the burner. 2. The phosphoric acid fuel cell power generator according to claim 1, wherein the power is recovered.
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。3. The phosphoric acid fuel cell power generator according to claim 1, wherein the second heat exchange unit has a contact area enlarging member for enlarging a contact area between the exhaust gas and the cooling water. .
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。4. The phosphoric acid type fuel cell power generator according to claim 1, wherein the second heat exchange section has a cooling water dispersing member for dispersing the cooling water in the exhaust gas.
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。5. An exhaust port for taking out cooling water from the heat exchanger, and circulating the taken out cooling water, thereby forming the second cooling water.
A recirculation pump for injecting as cooling water into the heat exchange section; and collecting the exhaust heat of the taken out cooling water into the cooling water of the first heat exchange section before the injection, The phosphoric acid fuel cell power generator according to claim 1, further comprising: a second heat exchanger for cooling the cooling water.
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。6. A liquid reservoir for preventing air from entering the recirculation pump, and a detecting device for detecting a liquid level in the liquid reservoir at the discharge port. The phosphoric acid type fuel cell power generator according to claim 5, characterized in that:
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。7. The phosphoric acid fuel cell power generator according to claim 5, wherein a removing means for removing solid impurities is provided downstream of the outlet.
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。8. The phosphorus according to claim 5, further comprising a spraying unit for spraying the cooling water cooled by the second heat exchanger to the first heat exchange unit for washing. Acid fuel cell power generator.
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。9. A heat exchange process for collecting exhaust heat of exhaust gas discharged from the fuel cell into cooling water, wherein the heat exchange process is performed by indirect heat conduction that separates the exhaust gas and the cooling water. Exhaust heat recovery in a phosphoric acid fuel cell, comprising: a first process for recovering heat; and a second process for recovering exhaust heat by direct contact between exhaust gas and cooling water. Method.
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。10. A process for removing cooling water from the heat exchange process, and circulating the removed cooling water to form the second cooling water.
A pressurizing process for feeding into the process, and before the feeding, by collecting the exhaust heat of the cooling water taken out into the cooling water used in the first process,
The method according to claim 9, further comprising: a second heat exchange process for cooling the taken-out cooling water.
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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WO2008041528A1 (en) * | 2006-09-26 | 2008-04-10 | Panasonic Corporation | Fuel cell system |
JP2008130477A (en) * | 2006-11-24 | 2008-06-05 | Denso Corp | Fuel cell system |
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JPWO2008041528A1 (en) * | 2006-09-26 | 2010-02-04 | パナソニック株式会社 | Fuel cell system |
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