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JP6215744B2 - 熱交換器、及び、燃料電池システム - Google Patents

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Description

本発明は、熱交換器、及び、それを備える燃料電池システムに関する。
燃料電池システムは、一般に、コジェネレーションシステムとして、発電ユニットと給湯ユニットとを含んで構成される。
発電ユニットは、燃料を水蒸気改質反応により改質して水素を含有する改質ガスを生成する改質器と、改質器からの改質ガス中の水素と、酸化剤ガス中の酸素との電気化学反応により発電する燃料電池と、燃料電池から排出されるオフガスを燃焼させるオフガス燃焼部と、オフガス燃焼部にて生成された排ガスの熱を、それより低温の水（冷水）によって回収するように構成された熱交換器とを備える。
給湯ユニットは、発電ユニット側の熱交換器にて加熱された水（温水）を貯留すると共にこの温水を給湯負荷に対して供給可能に構成された貯湯槽を備える。
また、燃料電池システムでは、発電電力が需要電力を上回って、余剰電力が発生した場合に、商用電力系統への逆潮流防止のため、余剰電力を消費する必要がある。この点、特許文献１は、燃料電池システムにおいて、熱交換器から貯湯槽へ向かって温水が流れる通路に余剰電力消費用の電気ヒータを設けることを開示している。
一方、特許文献２は、燃料電池システムにおいて、貯湯槽から熱交換器へ向かって冷水が流れる通路に凍結防止用の電気ヒータを設けることを開示している。
特開２０１２−２３８４２４号公報 特開２０１３−０７２５８８号公報
ところで、燃料電池システムにおいて、排ガスの熱を回収する水の流量を、熱交換器の出口での水温が所定の温度となるように制御する場合には、特許文献１に開示のように、熱交換器から貯湯槽へ向かって温水が流れる通路に電気ヒータを設けると、熱交換器にて加熱された後の温水が電気ヒータにて更に加熱されるので、電気ヒータ設置箇所にて水温が前述の所定の温度より高くなり、ひいては、温水が過加熱になる（例えば沸騰する）おそれがある。
また、特許文献２に開示のように、貯湯槽から熱交換器へ向かって冷水が流れる通路に電気ヒータを設ける場合には、冷水が電気ヒータで加熱されて熱交換器に供給されるので、熱交換器にて排ガスの熱を水が十分に回収できないおそれがある。
本発明は、このような実状に鑑み、熱交換器にて、排ガス等の第１の流体の熱を、水等の第２の流体によって効率良く回収すること、及び、電気ヒータ設置箇所での第２の流体の過加熱を抑制することを目的とする。
そのため本発明の一態様では、熱交換器は、第１の流体の入口及び出口を備えて内部を前記第１の流体が流れる高温流体通路と、前記第１の流体より低温である第２の流体の入口及び出口を備えて内部を前記第２の流体が流れる低温流体通路と、前記高温流体通路内を流れる前記第１の流体の熱を、前記低温流体通路内を流れる前記第２の流体に伝える伝熱部と、前記第２の流体の加熱に用いられる電気ヒータと、を備え、前記第１の流体は、水蒸気を含むガスであり、前記第２の流体は、循環して低温流体流路に流れており、前記電気ヒータは、前記低温流体通路の入口側より前記低温流体通路の出口側に寄って、前記低温流体通路に設けられる。
本発明の別の態様では、燃料電池システムは、前述の熱交換器と、燃料を水蒸気改質反応により改質して水素を含有する改質ガスを生成する改質器と、酸化剤ガス中の酸素と、改質器からの改質ガス中の水素とを反応させて発電する燃料電池と、燃料電池から排出されるオフガスを燃焼させるオフガス燃焼部と、を含んで構成される。第１の流体は、オフガス燃焼部にて生成された排ガスである。
本発明によれば、熱交換器は電気ヒータを備え、この電気ヒータは第２の流体の加熱に用いられる。これにより、電気ヒータによる第２の流体の加熱が、熱交換器にて行われるので、比較的低温の第２の流体が熱交換器に流入することができ、ひいては、熱交換器にて第１の流体の熱を効率良く回収することができる。また、燃料電池システムにおいて、第１の流体の熱を回収する第２の流体の流量を、熱交換器の出口での第２の流体の温度が所定の温度となるように制御する場合には、電気ヒータ設置箇所での第２の流体の温度が、前述の所定の温度以下となり得るので、電気ヒータ設置箇所での第２の流体の過加熱を抑制することができる。
本発明の第１実施形態における燃料電池システムの概略構成を示す図 同上実施形態における燃料電池装置の概略構成を示す図 同上実施形態における熱交換器の斜視図 同上実施形態における熱交換器の断面図 同上実施形態における電気ヒータ及びシート状部材の低温流体通路への固定方法を示す図 本発明の第２実施形態における熱交換器の斜視図及び上面図 本発明の第３実施形態における熱交換器の斜視図及び上面図
以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の第１実施形態における燃料電池システムの概略構成を示す。尚、図１示す破線は電力供給ラインを示す。図２は、本実施形態における燃料電池装置の概略構成を示す。
尚、本実施形態では、コジェネレーションシステムとして燃料電池システムを用いて説明するが、コジェネレーションシステムはこれに限らない。ここで、コジェネレーションシステムとは、ガスタービン、ディーゼルエンジン、又は燃料電池等による発電を行う際に発生する排熱（廃熱）を回収して動力源や熱源として再利用するシステムを意味する。
本実施形態における燃料電池システム１１は、その主要部をなす燃料電池装置１と、燃料電池装置１より排出される排ガスの熱をそれより低温の水（冷水）によって回収するように構成された熱交換器２と、熱交換器２にて冷水を加熱することにより得られた温水を貯留する貯湯槽３と、燃料電池装置１（特に後述するセルスタック１３）の発電電力を取り出すパワーコンディショナー（以下、「ＰＣＳ」という）４と、制御部５とを含んで構成される。尚、燃料電池装置１、熱交換器２、ＰＣＳ４、及び制御部５は、図１に一点鎖線で囲んで示すように発電ユニットとして１つの筐体内に収納される。貯湯槽３は図示しない貯湯ユニットとして別の筐体内に収納される。
ここで、燃料電池装置１が、本発明の「コジェネレーションシステムを構成する発電部」に対応する。また、燃料電池装置１から排出される排ガスが、本発明の「第１の流体」に対応する。また、熱交換器２にて排ガスの熱を回収する水（前述の冷水及び温水）が、本発明の「第２の流体」に対応する。尚、この「第２の流体」は水に限らず、例えば、不凍液であってもよい。
尚、本実施形態では、熱交換器２にて排ガスの熱を回収する水（第２の流体）を、以下、「熱回収媒体」を称して説明する。
燃料電池装置１は、筐体１０内に、改質器１２と、セルスタック１３（複数の燃料電池セル１４の組立体）と、オフガス燃焼部１５とを配置して構成される。ここで、セルスタック１３及び燃料電池セル１４は、本発明の燃料電池に対応するものである。ここでは、燃料電池の一例として固体酸化物形燃料電池を用いて説明する。
燃料電池システム１１には、筐体１０の外部から筐体１０の壁面を貫通して改質器１２へ、原燃料の供給通路２１が設けられている。原燃料の供給通路２１には、適宜の供給量制御手段としてのポンプ２２が筐体１０外に設けられている。この供給通路２１を原燃料が流通する。ここで、原燃料は例えば炭化水素系燃料である。炭化水素系燃料は、分子中に炭素と水素とを含む化合物（酸素など、他の元素を含んでいてもよい）若しくはそれらの混合物である。
原燃料の供給通路２１におけるポンプ２２と改質器１２との間には、図示しない改質用空気の供給通路が接続されている。この改質用空気の供給通路には、適宜の供給量制御手段としてのブロワ（図示せず）が筐体１０外に設けられている。
燃料電池システム１１には、筐体１０の外部から筐体１０の壁面を貫通して改質器１２へ、改質用水の供給通路２７が接続されている。改質用水の供給通路２７は、筐体１０外の水タンク２８から筐体１０の壁面を貫通して筐体１０内の改質器１２へ延びている。改質用水の供給通路２７には、適宜の供給量制御手段としてのポンプ２９が筐体１０外に設けられている。
燃料電池システム１１には、筐体１０の外部から筐体１０の壁面を貫通してセルスタック１３のカソード側に向かって延びるように、酸化剤ガス（空気等）の供給通路３１が設けられている。酸化剤ガスの供給通路３１には、適宜の供給量制御手段としてのブロワ３２が筐体１０外に設けられている。
改質器１２には、原燃料の供給通路２１の下流側端部と改質用水の供給通路２７の下流側端部とが接続されている。改質器１２は、改質用水の供給通路２７からの水を蒸発させて生成した水蒸気の存在下で、原燃料を水蒸気改質反応により改質し、水素リッチな燃料ガス（改質ガス）を生成する。換言すれば、改質器１２は、原燃料を水蒸気改質反応により改質して、水素を含有する改質ガスを生成する。尚、改質器１２では、水蒸気改質反応により改質するに替えて、改質用空気を用いて部分酸化反応により改質してもよい。又は、改質用水と改質用空気とを併用して自己熱改質反応により改質してもよい。更にはこれらの改質反応の組み合わせなど、水素発生手法として公知な手法によって改質ガスを生成してもよい。
尚、本実施形態では、図示しない改質用空気の供給通路の端部が、原燃料の供給通路２１の途中に接続されているが、これに代えて、改質器１２に接続されてもよい。
また、図２では、原燃料の供給通路２１及び改質用水の供給通路２７を個別に図示しているが、これらを予め合流させてから改質器１２に接続させてもよい。このようにすることで、筐体１０を貫通する配管数を減らすことができる。また、改質器１２に充填する改質触媒の種類に応じて、改質器１２に接続させる配管の種類を変更してもよい。具体的には、酸化反応による改質を行わない場合は、図示しない改質用空気の供給通路と、改質用空気の供給量制御手段であるブロワ（図示せず）とを省略することができる。
セルスタック１３は、複数の固体酸化物形燃料電池セル１４を電気的に直列及び／又は並列に接続してなる組立体であり、各セル１４は、固体酸化物電解質の両面にアノード（燃料極）とカソード（酸化剤極）を積層してなり、アノードには改質器１２出口からの改質ガスの供給通路３３によって改質ガスが供給され、カソードには、酸化剤ガスの供給通路３１により空気などの酸化剤ガスが供給される。
電解質は、高温下で酸化物イオンを伝導する。アノードは、酸化物イオンと改質ガス中の水素とを反応させて、電子及び水を発生させる。カソードは、酸化剤ガス中の酸素と電子とを反応させて、酸化物イオンを発生させる。
従って、燃料電池セル１４の各々において、カソードにて、下記（１）式の電極反応が生起され、アノードにて、下記（２）式の電極反応が生起されて、発電がなされる。
カソード： １／２Ｏ２＋２ｅ−→Ｏ２−（電解質） ・・・（１）
アノード： Ｏ２−（電解質）＋Ｈ２→Ｈ２Ｏ＋２ｅ− ・・・（２）
オフガス燃焼部１５は、筐体１０内に設けられ、セルスタック１３での余剰の改質ガス（換言すれば、セルスタック１３から排出されるオフガス）を余剰の酸化剤ガスの存在下で燃焼させ、その燃焼熱により改質器１２及びセルスタック１３を高温状態に維持する。従って、筐体１０内は、セルスタック１３での発電及び余剰改質ガスの燃焼に起因して高温になる。
燃料電池システム１１には、筐体１０内のオフガス燃焼部１５から筐体１０の壁面を貫通して筐体１０外の熱交換器２へ、排ガス通路４１が設けられている。
尚、排ガス通路４１の途中には、オフガス燃焼部１５からの排ガスを浄化する排ガス処理部（図示せず）が設けられている。この排ガス処理部では、排ガス中に含まれる一酸化炭素や水素などの成分が浄化処理される。また、排ガス処理部で処理された後の排ガスは水蒸気を含有する。
熱交換器２は、前述の排ガス処理部で処理された後の排ガスの熱を、それより低温の熱回収媒体によって回収するように構成されている。すなわち、熱交換器２では、高温の排ガスにより、それより低温の熱回収媒体が加熱される。尚、熱交換器２は、熱回収媒体の加熱に用いられる電気ヒータ７０を含んで構成される。この詳細については後述する。
貯湯槽３は、熱交換器２にて加熱された熱回収媒体を貯留する。また、貯湯槽３は、貯留された熱回収媒体を給湯負荷に対して供給可能に構成され得る。
熱交換器２は、一次側通路である高温流体通路５１と、二次側通路である低温流体通路５２との間で熱交換をする。
高温流体通路５１の上部に形成された入口５１ａは、前述の排ガス通路４１の下流側端部に接続されている。高温流体通路５１の下部に形成された出口５１ｂは、後述する排ガス通路４２の上流側端部に接続されている。
低温流体通路５２には、貯湯槽３の底部から引き出されて貯湯槽３の上部へ戻る循環通路６１ａ、６１ｂが接続されている。詳しくは、循環通路６１ａは、貯湯槽３の底部から、低温流体通路５２の下部に形成された入口５２ａまで延びている。また、循環通路６１ｂは、低温流体通路５２の上部に形成された出口５２ｂから貯湯槽３の上部まで延びている。循環通路６１ｂの途中には、適宜の供給量制御手段としての循環用のポンプ６２が設けられている。
循環通路６１ｂのうち、低温流体通路５２の出口５２ｂと循環用のポンプ６２との間の部分には、熱交換器２の出口での熱回収媒体の温度Ｔを検出するための温度センサ５３が設けられている。この温度センサ５３からの温度検出信号（温度Ｔに対応する信号）は、図示しない信号線を介して、制御部５に伝達される。
従って、循環用のポンプ６２を駆動すると、貯湯槽３の底部付近に存在する比較的低温の熱回収媒体が循環通路６１ａにより熱交換器２に供給され、熱交換器２にて燃料電池装置１からの排ガスとの間で熱交換がなされる。これにより、熱回収媒体が加熱される。また、この熱交換と並行して、熱回収媒体が、熱交換器２にて電気ヒータ７０により加熱され得る。このようにして加熱された熱回収媒体が、循環通路６１ｂにより、貯湯槽３の上部へ戻される。このような循環が繰り返されて、貯湯槽３に熱回収媒体が貯留される。
燃料電池システム１１では、熱交換器２の高温流体通路５１の出口５１ｂと発電ユニットの筐体（図１に示す一点鎖線）の外部とを連通するように、排ガス通路４２が設けられている。排ガス通路４２内は、熱交換器２を通過した排ガスが流通する。
凝縮水の回収通路４３は、排ガス通路４２の途中（分岐部４４）にて下方に向かって分岐して、水タンク２８まで延びている。
熱交換器２の高温流体通路５１では、低温流体通路５２との熱交換により排ガス中の水分（水蒸気）が凝縮する。この凝縮水は、熱交換器２の高温流体通路５１の出口５１ｂから排ガス通路４２に排出され、排ガス通路４２の分岐部４４を経て、凝縮水の回収通路４３を通って、水タンク２８に貯留される。ここで、熱交換器２の高温流体通路５１の出口５１ｂは、本発明の「水排出口」として機能するものであり、高温流体通路５１の出口側の部分に形成されて、排ガス中の水蒸気が凝縮した水を排出する。
水タンク２８に貯留された水は、前述のポンプ２９により吸引され、改質用水の供給通路２７を通って、改質器１２に導入される。
ＰＣＳ４は、燃料電池装置１のセルスタック１３で発生した直流電力を取り出すものであり、また、インバータを備え、直流電力を交流電力に変換して、電力負荷８１（電気機器）に供給する。尚、セルスタック１３の発電電力が電力負荷８１の需要電力に満たない場合は、不足分として、系統電源８２からの系統電力が電力負荷８１に供給される。
制御部５は、セルスタック１３の発電電力や熱回収に用いる熱回収媒体を循環させるためのポンプ６２の運転などを制御するもので、マイクロコンピュータを含んで構成され、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、及び入出力インターフェイスなどを備えている。
制御部５による発電電力の制御は、ポンプ２２、２９、及び改質用空気の供給用のブロワ（図示せず）を介して改質器１２への原燃料、改質用水、改質用空気の供給量を制御して、セルスタック１３への改質ガスの供給量を制御し、また、ブロワ３２を介してセルスタック１３への酸化剤ガスの供給量を制御することによって、行う。
従って、制御部５は、電力負荷８１の需要電力に応じて、定格最大発電電力の範囲内で、セルスタック１３の発電電力目標値を設定し、これに従って（発電電力目標値を得るように）、燃料、水、及び空気の供給量を制御することにより、セルスタック１３の発電電力を制御する。
また、制御部５はＰＣＳ４を制御する。具体的には、セルスタック１３の発電電力目標値に基づいて、セルスタック１３から取り出す電流を設定・制御する。
また、制御部５は、温度センサ５３により検出される熱回収媒体の温度Ｔが所定の温度Ｔｓとなるように、循環用のポンプ６２の運転を制御して、循環通路６１ａ、６１ｂを流れる熱回収媒体の流量を制御する。ここで、所定の温度Ｔｓとは、貯湯槽３に貯留される直前の熱回収媒体の目標温度であり、予め設定されている。
また、制御部５は、系統電源８２の停電時又は非停電時に、セルスタック１３の発電電力が電力負荷８１の需要電力を上回って、余剰電力が発生した場合に、系統電源８２への逆潮流防止のため、余剰電力を電気ヒータ７０に供給して当該余剰電力を消費するように、電気ヒータ７０の通電制御を行う。
次に、本実施形態における熱交換器２の詳細について、図３及び図４を用いて説明する。
図３は熱交換器２の斜視図である。図４は熱交換器２の断面図である。尚、図３及び図４に示すように、便宜上、上下・前後・左右を規定して、以下説明する。
熱交換器２は、直方体状で中空の本体部５４と、この本体部内を２つの室（後側の室５５及び前側の室５６）に仕切る仕切壁５７と、を含んで構成される金属製の箱状部材により形成されている。すなわち、後側の室５５は、本体部５４の後側部分と仕切壁５７とにより区画形成されており、前側の室５６は、本体部５４の前側部分と仕切壁５７とにより区画形成されている。また、後側の室５５及び前側の室５６は箱状である。
後側の室５５は、上部に排ガス通路４１からの排ガスの入口５１ａを備え、下部に排ガスの出口５１ｂを備えて、排ガスが流れる高温流体通路５１をなす。ゆえに、高温流体通路５１の入口５１ａと出口５１ｂとは、それぞれ、高温流体通路５１の上部と下部とに形成されており、排ガスは、高温流体通路５１の内部を上から下へ流れる。また、高温流体通路５１は箱状である。
前側の室５６は、下部に循環通路６１ａからの熱回収媒体の入口５２ａを備え、上部に熱回収媒体の出口５２ｂを備えて、熱回収媒体が流れる低温流体通路５２をなす。ゆえに、低温流体通路５２の入口５２ａと出口５２ｂとは、それぞれ、低温流体通路５２の下部と上部とに形成されており、熱回収媒体は、低温流体通路５２の内部を下から上へ流れる。また、低温流体通路５２は箱状である。
仕切壁５７は、本発明の「伝熱部」として機能して、後側の室５５（高温流体通路５１）内を流れる排ガスの熱を、前側の室５６（低温流体通路５２）内を流れる熱回収媒体に伝える。
従って、熱交換器２は、仕切壁５７を介して排ガスと熱回収媒体とが熱交換を行う向流式の熱交換器である。
電気ヒータ７０は、シーズヒータを金属材（例えばアルミ材）の内部に鋳込んでなる平板状の鋳込みヒータである。それゆえ電気ヒータ７０は平面部を有する。ここで、シーズヒータとは、例えば、抵抗発熱体（電熱線）を金属パイプ内に挿入し、金属パイプ内に絶縁体を充填して形成される。
電気ヒータ７０は、前側の室５６の前面（外面）に設けられている。換言すれば、電気ヒータ７０は、低温流体通路５２の前面５２ｓ（外面）に設けられている。尚、本実施形態では、低温流体通路５２の前面５２ｓのうち電気ヒータ７０が設けられる部分は平面状である。
電気ヒータ７０は、低温流体通路５２のうち高温流体通路５１の出口５１ｂ側に隣接する部分を避けるように、低温流体通路５２に設けられている。また、電気ヒータ７０は、低温流体通路５２の入口５２ａ側の部分を避けるように、低温流体通路５２に設けられている。
尚、本実施形態では、低温流体通路５２の前面５２ｓのうち上部から上下方向中央部に至る部分が、電気ヒータ７０の接触部となっている。また、低温流体通路５２の前面５２ｓの下部が、ヒータ非接触の露出部となっている。
低温流体通路５２の前面５２ｓと電気ヒータ７０との間にはシート状部材７１が介装されている。すなわち、熱交換器２は、シート状部材７１を更に含んで構成されている。ゆえに、低温流体通路５２の前面５２ｓにはシート状部材７１が配置され、シート状部材７１の前面には電気ヒータ７０が設けられている。従って、シート状部材７１では、その一方の面に低温流体通路５２の前面５２ｓが接触し、他方の面（一方の面と反対側の面）に電気ヒータ７０が接触する。
シート状部材７１は熱伝導性及び柔軟性を有する。シート状部材７１は、熱交換器２の本体部５４及び電気ヒータ７０よりも、硬度が低い。また、シート状部材７１は弾性を有し得る。シート状部材７１は、カーボンシートであることが好ましい。ここで、カーボンシートは、例えば、カーボン結晶を積層させて形成される。また、シート状部材７１は、シリコーンゴムシートであってもよい。
電気ヒータ７０については、シート状部材７１に接触する側（すなわち後側）にて熱が奪われる。それゆえ、電気ヒータ７０では、その前面の温度が、後面の温度よりも相対的に高くなる。電気ヒータ７０の仕様にもよるが、電気ヒータ７０の前面の温度は、後面の温度よりも、例えば、１０〜２０℃程度高くなる。従って、電気ヒータ７０の前面を断熱材で覆うことにより、当該前面からの放熱を抑制することができ、ひいては、電気ヒータ７０からの熱をシート状部材７１及び低温流体通路５２を介して熱回収媒体に効率良く伝えることができる。
図５は、電気ヒータ７０及びシート状部材７１の低温流体通路５２への固定方法を示す図である。詳しくは、図５（Ａ）は、電気ヒータ７０及びシート状部材７１を低温流体通路５２に固定する直前の状態を示す図であり、図５（Ｂ）は、電気ヒータ７０及びシート状部材７１を低温流体通路５２に固定した後の状態を示す図である。ここで、図５（Ａ）及び図５（Ｂ）は、電気ヒータ７０の上部及びシート状部材７１の上部の、低温流体通路５２の上部への固定方法を示している。
電気ヒータ７０及びシート状部材７１を低温流体通路５２の前面５２ｓに取り付ける取付装置９０は、取付部材９１、９２と、複数の取付ボルト９３とにより構成される。
取付部材９１は、金属板を折り曲げて形成される。取付部材９１は、低温流体通路５２の前面５２ｓに溶接固定されて左右方向に延在する基部９１ａと、基部９１ａの下端部から前方に張り出す張り出し部９１ｂと、張り出し部９１ｂの前端部から下方に張り出すフランジ部９１ｃとにより構成される。
張り出し部９１ｂの前後方向の長さは、シート状部材７１の厚さ（前後方向の長さ）よりも大きい。
フランジ部９１ｃには、取付ボルト９３の雄ねじ部９３ａが螺合する雌ねじ部９１ｄが複数形成されている。
取付部材９２は、金属板を折り曲げて形成される。取付部材９２は、後面が取付部材９１のフランジ部９１ｃの前面に面接触して左右方向に延在する基部９２ａと、基部９２ａの下端部から前方に張り出す張り出し部９２ｂと、張り出し部９２ｂの前端部から下方に張り出すフランジ部９２ｃとにより構成される。
基部９２ａには、取付ボルト９３の雄ねじ部９３ａを挿通可能な貫通孔９２ｄが複数形成されている。
電気ヒータ７０の上部及びシート状部材７１の上部を低温流体通路５２の前面５２ｓの上部に取り付けるときには、まず、低温流体通路５２の前面５２ｓと取付部材９１のフランジ部９１ｃとの間にシート状部材７１の上縁部が位置するようにシート状部材７１を低温流体通路５２の前面５２ｓに配置する。次に、シート状部材７１の前面に電気ヒータ７０の後面を接触させた状態で、取付ボルト９３により、取付部材９２を取付部材９１に着脱可能に固定する。このときに、取付部材９２のフランジ部９２ｃの後面は、電気ヒータ７０の上縁部の前面に接触する。また、取付ボルト９３の雄ねじ部９３ａの先端部はシート状部材７１の上縁部に接触してシート状部材７１の上縁部を後方に押圧する。このようにして、電気ヒータ７０の上部及びシート状部材７１の上部の、低温流体通路５２の上部への固定が行われる。
本実施形態では、前述の電気ヒータ７０の上部及びシート状部材７１の上部の、低温流体通路５２の上部への固定方法と同様の固定方法を、電気ヒータ７０の下部及びシート状部材７１の下部の、低温流体通路５２の上下方向中央部への固定に用いている。それゆえ、電気ヒータ７０が、その上部及び下部にて、取付装置９０を介して、低温流体通路５２に固定される。
尚、本実施形態では、電気ヒータ７０が、その上部及び下部にて、取付装置９０を介して、低温流体通路５２に固定されているが、電気ヒータ７０の低温流体通路５２への固定手法はこれに限らず、例えば、電気ヒータ７０が、その左側部及び右側部にて、取付装置９０を介して、低温流体通路５２に固定されてもよい。
ところで、低温流体通路５２に電気ヒータ７０及びシート状部材７１を固定する工程を含む組立工程では、電気ヒータ７０を通電させた状態で、低温流体通路５２の前面５２ｓ（外面）の温度を測定することにより、電気ヒータ７０がシート状部材７１を介して低温流体通路５２に伝熱可能に固定されているか否かを検査することができる。この検査において、電気ヒータ７０がシート状部材７１に接触している場合には、電気ヒータ７０がシート状部材７１に接触していない場合に比べて、低温流体通路５２の前面５２ｓの温度が高い。それゆえ、前記検査では、低温流体通路５２の前面５２ｓの測定温度に基づいて、電気ヒータ７０の脱落等を検知することが可能である。
また、本実施形態のように、着脱可能な取付部材９２を含む取付装置９０を用いて、電気ヒータ７０及びシート状部材７１を低温流体通路５２に固定することにより、前述の組立工程時にシート状部材７１の付け忘れが発生していることを前述の検査時に検知しても、取付部材９２を取付部材９１から容易に離脱し、電気ヒータ７０及びシート状部材７１を低温流体通路５２の前面５２ｓに付け直して、取付部材９２を取付部材９１に容易に装着することができるので、前述の検査後の作業を効率良く行うことができる。
本実施形態によれば、熱交換器２は、排ガス（第１の流体）の熱をそれより低温の熱回収媒体（第２の流体）によって回収するように構成されている。また、熱交換器２は、熱回収媒体の加熱に用いられる電気ヒータ７０を備える。これにより、電気ヒータ７０による熱回収媒体の加熱が、熱交換器２にて行われるので、比較的低温の熱回収媒体が熱交換器２に流入することができ、ひいては、熱交換器２にて排ガスの熱を効率良く回収することができる。また、燃料電池システム１１において、排ガスの熱を回収する熱回収媒体の流量を、熱交換器２の出口での熱回収媒体の温度Ｔが所定の温度Ｔｓとなるように制御する場合には、電気ヒータ７０の設置箇所での熱回収媒体の温度が、前述の所定の温度Ｔｓ以下となり得るので、電気ヒータ７０の設置箇所での熱回収媒体の過加熱（例えば沸騰）を抑制することができる。
また本実施形態によれば、熱交換器２は、排ガス（第１の流体）の入口５１ａ及び出口５１ｂを備えて内部を排ガスが流れる高温流体通路５１と、熱回収媒体（第２の流体）の入口５２ａ及び出口５２ｂを備えて内部を熱回収媒体が流れる低温流体通路５２と、高温流体通路５１内を流れる排ガスの熱を、低温流体通路５２内を流れる熱回収媒体に伝える仕切壁５７（伝熱部）と、を含んで構成される。電気ヒータ７０は低温流体通路５２に設けられる。これにより、低温流体通路５２を流れる熱回収媒体は、高温流体通路５１を流れる排ガスの熱を仕切壁５７を介して回収すると共に、電気ヒータ７０から受熱することができるので、低温流体通路５２にて熱回収媒体を迅速に昇温することができる。それゆえ、温度センサ５３により検出される熱回収媒体の温度Ｔが所定の温度Ｔｓとなるように、循環用のポンプ６２の運転を制御して、循環通路６１ａ、６１ｂを流れる熱回収媒体の流量を制御するときには、電気ヒータ７０が循環通路６１ａ、６１ｂに設けられる場合に比べて熱回収媒体の流量を増加させることができるので、電気ヒータ７０の近傍等での局所的な熱回収媒体の過加熱（例えば沸騰）を抑制することができる。
また本実施形態によれば、電気ヒータ７０は、低温流体通路５２のうち高温流体通路５１の出口５１ｂ側に隣接する部分を避けるように、低温流体通路５２に設けられる。これにより、高温流体通路５１の出口５１ｂ付近が電気ヒータ７０からの熱を受けることを抑制できるので、高温流体通路５１の出口５１ｂ付近にて、排ガス中の水分の良好に凝縮させることができる。
また本実施形態によれば、電気ヒータ７０は、低温流体通路５２の入口５２ａ側の部分を避けるように、低温流体通路５２に設けられる。これにより、低温流体通路５２の入口５２ａ側の部分に隣接する高温流体通路５１の出口５１ｂ側の部分が、電気ヒータ７０からの熱を受けることを抑制できるので、高温流体通路５１の出口５１ｂ側の部分にて、排ガス中の水分を良好に凝縮させることができる。
また本実施形態によれば、電気ヒータ７０は、低温流体通路５２の前面５２ｓ（外面）に設けられる。これにより、電気ヒータ７０を低温流体通路５２に容易に取り付けることができる。
また本実施形態によれば、熱交換器２は、低温流体通路５２の前面５２ｓ（外面）と電気ヒータ７０との間に介装されて熱伝導性及び柔軟性を有するシート状部材７１を更に含んで構成される。これにより、低温流体通路５２の前面５２ｓと電気ヒータ７０との接触状態が向上して伝熱性が向上するので、電気ヒータ７０の発熱を熱回収媒体で回収する効率（換言すれば、ヒータ発熱の熱回収効率）を向上させることができる。
また本実施形態によれば、高温流体通路５１の入口５１ａと出口５１ｂとは、それぞれ、高温流体通路５１の上部と下部とに形成され、排ガス（第１の流体）は、高温流体通路５１の内部を上から下へ流れる。また、低温流体通路５２の入口５２ａと出口５２ｂとは、それぞれ、低温流体通路５２の下部と上部とに形成され、熱回収媒体（第２の流体）は、低温流体通路５２の内部を下から上へ流れる。これにより、熱交換器２を向流式として、高温流体通路５１の下部（出口５１ｂ側の部分）にて、排ガス中の水分を凝縮させることができる。
また本実施形態によれば、排ガス（第１の流体）は、水蒸気を含有するガスである。また、高温流体通路５１の出口５１ｂ側の部分には、水蒸気が凝縮した水を排出する水排出口（出口５１ｂ）が形成されている。これにより、高温流体通路５１の出口５１ｂ側の部分にて生成された凝縮水を高温流体通路５１から凝縮水の回収通路４３側に排出することができる。
尚、本実施形態では、高温流体通路５１の出口５１ｂ側の部分にて生成された凝縮水が、高温流体通路５１の出口５１ｂから排ガス通路４２を経て凝縮水の回収通路４３に排出されるが、この他、高温流体通路５１の出口５１ｂ側の部分に凝縮水用の水排出口を別途設けて、凝縮水がこの水排出口から凝縮水の回収通路４３に直接的に排出されてもよい。
また本実施形態によれば、熱回収媒体（第２の流体）は水である。これにより、排ガスの熱を回収して温水を得ることができる。
また本実施形態によれば、熱交換器２の高温流体通路５１を流れる排ガス（第１の流体）は、コジェネレーションシステムである燃料電池システム１１を構成する燃料電池装置１（発電部）からの排ガスである。これにより、コジェネレーションシステムにおける排熱（廃熱）を熱交換器２にて良好に回収することができる。
また本実施形態によれば、燃料電池システム１１は、熱交換器２と、燃料を水蒸気改質反応により改質して水素を含有する改質ガスを生成する改質器１２と、酸化剤ガス中の酸素と、改質器１２からの改質ガス中の水素とを反応させて発電する燃料電池スタック１３（燃料電池）と、燃料電池スタック１３から排出されるオフガスを燃焼させるオフガス燃焼部１５と、を含んで構成される。また、熱交換器２の高温流体通路５１を流れる排ガス（第１の流体）は、オフガス燃焼部１５にて生成された排ガスである。これにより、オフガス燃焼部１５からの排ガスの熱を熱交換器２にて良好に回収することができる。
また本実施形態によれば、熱交換器２は箱状部材を含んで構成される。高温流体通路５１及び低温流体通路５２はこの箱状部材に形成される。この箱状部材は、中空の本体部５４と、本体部５４内を２つの室５５、５６に仕切る仕切壁５７とを含んで構成される。前側の室（一方の室）５６は、熱回収媒体の入口５２ａ及び出口５２ｂを備えて低温流体通路５２をなす。後側の室（他方の室）５５は、排ガスの入口５１ａ及び出口５１ｂを備えて高温流体通路５１をなす。仕切壁５７は、高温流体通路５１内を流れる排ガスの熱を、低温流体通路５２内を流れる熱回収媒体に伝える伝熱部をなす。電気ヒータ７０は、低温流体通路５２の前面５２ｓ（前側の室５６の外面）に設けられ、シート状部材７１は、低温流体通路５２の前面５２ｓと電気ヒータ７０との間に介装される。これにより、低温流体通路５２の前面５２ｓと電気ヒータ７０との接触状態が向上して伝熱性が向上するので、電気ヒータ７０の発熱を熱回収媒体で回収する効率（換言すれば、ヒータ発熱の熱回収効率）を向上させることができる。
また本実施形態によれば、電気ヒータ７０は、シーズヒータを金属材の内部に鋳込んでなる平板状の鋳込みヒータである。これにより、電気ヒータ７０は、それがシーズヒータのみで構成される場合に比べて、シート状部材７１との接触面積を増やすことができるので、電気ヒータ７０から低温流体通路５２の前面５２ｓへの伝熱性を向上させることができる。
また本実施形態によれば、電気ヒータ７０（鋳込みヒータ）は平面部を有し、低温流体通路５２の前面５２ｓ（前側の室５６の外面）のうち電気ヒータ７０が設けられる部分は平面状である。これにより、電気ヒータ７０の発熱を、電気ヒータ７０の平面部からシート状部材７１を介して低温流体通路５２の前面５２ｓに良好に伝熱することができる。
また本実施形態において、シート状部材７１をカーボンシートとすることにより、既製のカーボンシートを用いて、簡素な構成で、電気ヒータ７０と低温流体通路５２の前面５２ｓ（前側の室５６の外面）との接触状態を向上させることができる。
図６（Ａ）は、本発明の第２実施形態における熱交換器２’の斜視図である。図６（Ｂ）は、熱交換器２’の上面図である。
図１〜図５に示した第１実施形態と異なる点について説明する。
本実施形態では、燃料電池システム１１は、熱交換器２の代わりとして、熱交換器２’を備える。
熱交換器２’は、軸方向に延在して上面及び下面が閉口した筒状の本体部５４’と、本体部５４’を上下に貫通する管５８と、を含んで構成される。本体部５４’及び管５８は金属製である。ここで、管５８が、本体部５４’内を内外２つの室５９、６０に仕切る仕切壁として機能する。内側の室５９は、管５８内の空間を有しており、外側の室６０は、本体部５４’と管２８との間の空間を有している。
内側の室５９は、上部に排ガス通路４１からの排ガスの入口５１ａ’を備え、下部に排ガスの出口５１ｂ’を備えて、排ガスが流れる高温流体通路５１’をなす。ゆえに、高温流体通路５１’の入口５１ａ’と出口５１ｂ’とは、それぞれ、高温流体通路５１の上部と下部とに形成されており、排ガスは、高温流体通路５１’の内部を上から下へ流れる。
外側の室６０は、下部に循環通路６１ａからの熱回収媒体の入口５２ａ’を備え、上部に熱回収媒体の出口５２ｂ’を備えて、熱回収媒体が流れる低温流体通路５２’をなす。ゆえに、低温流体通路５２’の入口５２ａ’と出口５２ｂ’とは、それぞれ、低温流体通路５２’の下部と上部とに形成されており、熱回収媒体は、低温流体通路５２’の内部を下から上へ流れる。
管５８は、本発明の「伝熱部」として機能して、内側の室５９（高温流体通路５１’）内を流れる排ガスの熱を、外側の室６０（低温流体通路５２’）内を流れる熱回収媒体に伝える。
従って、熱交換器２’は、管５８を介して排ガスと熱回収媒体とが熱交換を行う向流式の熱交換器である。
本実施形態では、熱交換器２’は、電気ヒータ７０’を含んで構成される。電気ヒータ７０’は、柔軟性を有するシート状の電気ヒータである。
電気ヒータ７０’は、外側の室６０の外周面に設けられている。換言すれば、電気ヒータ７０’は、低温流体通路５２’の外周面５２ｓ’に設けられている。
本実施形態では、低温流体通路５２’の外周面５２ｓ’のうち上部から上下方向中央部に至る部分を覆うように、電気ヒータ７０’が設けられている。
電気ヒータ７０’は、低温流体通路５２’のうち高温流体通路５１’の出口５１ｂ’側に隣接する部分を避けるように、低温流体通路５２’に設けられている。また、電気ヒータ７０’は、低温流体通路５２’の入口５２ａ’側の部分を避けるように、低温流体通路５２’に設けられている。
尚、本実施形態では、低温流体通路５２’の外周面５２ｓ’のうち上部から上下方向中央部に至る部分が、電気ヒータ７０’の接触部となっている。また、低温流体通路５２’の外周面５２ｓ’の下部が、ヒータ非接触の露出部となっている。
低温流体通路５２’の外周面５２ｓ’と電気ヒータ７０’との間にはシート状部材７１が介装されている。すなわち、熱交換器２’は、シート状部材７１を更に含んで構成されている。シート状部材７１では、その一方の面に低温流体通路５２’の外周面５２ｓ’が接触し、他方の面（一方の面と反対側の面）に電気ヒータ７０’が接触する。シート状部材７１の構成については第１実施形態と同様であるので、その説明を省略する。
電気ヒータ７０’については、その外面を断熱材で覆うことにより、当該外面からの放熱を抑制することができ、ひいては、電気ヒータ７０’からの熱をシート状部材７１及び低温流体通路５２’を介して熱回収媒体に効率良く伝えることができる。
本実施形態では、電気ヒータ７０’の両端部に、外方に向かって張り出す張り出し部７３を予め設け、互いに対向する張り出し部７３同士を近づけるように締め付け手段７４により締め付けることにより、電気ヒータ７０’及びシート状部材７１を低温流体通路５２’に着脱可能に固定することができる。
尚、本実施形態では、電気ヒータ７０’として、シート状の電気ヒータを用いて説明したが、電気ヒータ７０’の構成はこれに限らず、例えば、ワイヤー状の電気ヒータをシート状部材７１の外面に巻き付けて前述の電気ヒータ７０’としてもよい。
図７（Ａ）は、本発明の第３実施形態における熱交換器２”の斜視図である。図７（Ｂ）は、熱交換器２”の上面図である。
図６に示した第２実施形態と異なる点について説明する。
本実施形態では、熱交換器２’の代わりとして熱交換器２”を備える。熱交換器２”は、複数（図では８個の）電気ヒータ７０”とシート状部材７１とを含んで構成される。ここで、電気ヒータ７０”は例えば棒状のシーズヒータである。
低温流体通路５２’の外周面５２ｓ’のうち上部から上下方向中央部に至る部分を覆うように設けられたシート状部材７１の外面には、上下方向に延びる複数（図では８個）の溝部７６が、互いに周方向に間隔を空けて形成されている。各溝部７６には、それぞれ、電気ヒータ７０”が装着される。このようにして、低温流体通路５２’の外周面５２ｓ’と電気ヒータ７０”との間にシート状部材７１が介装される。ここで、シート状部材７１では、その一方の面に低温流体通路５２’の外周面５２ｓ’が接触し、他方の面（一方の面と反対側の面）の溝部７６に電気ヒータ７０”が接触する。
従って、電気ヒータ７０”は、外側の室６０の外周面に設けられている。換言すれば、電気ヒータ７０”は、低温流体通路５２’の外周面５２ｓ’に設けられている。
電気ヒータ７０”は、低温流体通路５２’のうち高温流体通路５１’の出口５１ｂ’側に隣接する部分を避けるように、低温流体通路５２’に設けられている。また、電気ヒータ７０”は、低温流体通路５２’の入口５２ａ’側の部分を避けるように、低温流体通路５２’に設けられている。
尚、本実施形態では、低温流体通路５２’の外周面５２ｓ’のうち上部から上下方向中央部に至る部分が、電気ヒータ７０”の接触部となっている。また、低温流体通路５２’の外周面５２ｓ’の下部が、ヒータ非接触の露出部となっている。
電気ヒータ７０”及びシート状部材７１については、その外面を断熱材で覆うことにより、当該外面からの放熱を抑制することができ、ひいては、電気ヒータ７０”からの熱をシート状部材７１及び低温流体通路５２’を介して熱回収媒体に効率良く伝えることができる。
尚、本実施形態では、図示しないバンド等の固縛手段により、電気ヒータ７０”及びシート状部材７１を低温流体通路５２’に着脱可能に固定することができる。
また、前述の第２及び第３実施形態において、図６（Ａ）及び図７（Ａ）では、管５８を直線形状で示しているが、管５８の形状はこれに限らず、例えば、コイル形状又はサーペンタイン形状であってもよい。
また、前述の第１〜第３実施形態において、制御部５は、系統電源８２の停電時又は非停電時に、セルスタック１３の発電電力が電力負荷８１の需要電力を上回って、余剰電力が発生した場合に、系統電源８２への逆潮流防止のため、余剰電力を電気ヒータ７０、７０’、７０”に供給して当該余剰電力を消費するように、電気ヒータ７０、７０’、７０”の通電制御を行うが、これに加えて、又は、これに代えて、制御部５は、循環通路６１ａ、６１ｂにて熱回収媒体が凍結することを防止するため、温度センサ５３にて検出される熱回収媒体の温度Ｔに基づいて、電気ヒータ７０、７０’、７０”の通電制御と、ポンプ６２の運転制御とを行ってもよい。この場合においても、低温流体通路５２、５２’を流れる熱回収媒体は、高温流体通路５１、５１’を流れる排ガスの熱を仕切壁５７又は管５８を介して回収すると共に、電気ヒータ７０、７０’、７０”から受熱することができるので、低温流体通路５２、５２’にて熱回収媒体を迅速に昇温することができる。それゆえ、循環通路６１ａ、６１ｂを流れる熱回収媒体の流量を増加させることができるので、循環通路６１ａ、６１ｂでの熱回収媒体の凍結を良好に抑制することができる。
また、前述の第１〜第３実施形態では、燃料電池システムを構成する燃料電池が固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）であるが、燃料電池システムを構成する燃料電池の種類はこれに限らず、例えば固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）であってもよい。
また、前述の第１〜第３実施形態では、熱交換器２の高温流体通路５１、５１’を流れる排ガスが、燃料電池装置１（発電部）からの排ガスであるが、高温流体通路５１、５１’を流れる排ガスはこれに限らず、例えば、ガスタービンやディーゼルエンジン等を含んでコジェネレーションシステムを構成する発電部からの排ガスであってもよい。
また、前述の第１〜第３実施形態では、熱交換器２、２’、２”の高温流体通路５１、５１’を流れる第１の流体が排ガスであるが、当該第１の流体は、熱交換器２、２’、２”の低温流体通路５２、５２’を流れる熱回収媒体より高温であればよく、例えば湯水であってもよい。
また、図示の実施形態はあくまで本発明を例示するものであり、本発明は、説明した実施形態により直接的に示されるものに加え、特許請求の範囲内で当業者によりなされる各種の改良・変更を包含するものであることは言うまでもない。
１ 燃料電池装置
２、２’、２” 熱交換器
３ 貯湯槽
４ パワーコンディショナー（ＰＣＳ）
５ 制御部
１０ 筐体
１１ 燃料電池システム
１２ 改質器
１３ セルスタック
１４ 燃料電池セル
１５ オフガス燃焼部
２１ 原燃料の供給通路
２２ ポンプ
２７ 改質用水の供給通路
２８ 水タンク
２９ ポンプ
３１ 酸化剤ガスの供給通路
３２ ブロワ
３３ 改質ガスの供給通路
４１、４２ 排ガス通路
４３ 凝縮水の回収通路
４４ 分岐部
５１、５１’ 高温流体通路
５１ａ、５１ａ’ 入口
５１ｂ、５１ｂ’ 出口
５２、５２’ 低温流体通路
５２ａ、５２ａ’ 入口
５２ｂ、５２ｂ’ 出口
５２ｓ 前面（外面）
５２ｓ’ 外周面
５３ 温度センサ
５４、５４’ 本体部
５５、５６ 室
５７ 仕切壁
５８ 管
５９、６０ 室
６１ａ、６１ｂ 循環通路
６２ ポンプ
７０、７０’、７０” 電気ヒータ
７１ シート状部材
７３ 張り出し部
７４ 締め付け手段
７６ 溝部
８１ 電力負荷
８２ 系統電源
９０ 取付装置
９１、９２ 取付部材
９１ａ、９２ａ 基部
９１ｂ、９２ｂ 張り出し部
９１ｃ、９２ｃ フランジ部
９１ｄ 雌ねじ部
９２ｄ 貫通孔
９３ 取付ボルト
９３ａ 雄ねじ部

Claims (8)

  1. 第１の流体の入口及び出口を備えて内部を前記第１の流体が流れる高温流体通路と、
    前記第１の流体より低温である第２の流体の入口及び出口を備えて内部を前記第２の流体が流れる低温流体通路と、
    前記高温流体通路内を流れる前記第１の流体の熱を、前記低温流体通路内を流れる前記第２の流体に伝える伝熱部と、
    前記第２の流体の加熱に用いられる電気ヒータと、を備え、
    前記第１の流体は、水蒸気を含むガスであり、
    前記第２の流体は、循環して低温流体流路に流れており、
    前記電気ヒータは、前記低温流体通路の入口側より前記低温流体通路の出口側に寄って、前記低温流体通路に設けられる熱交換器。
  2. 前記電気ヒータは、前記高温流体通路の出口側より前記高温流体通路の入口側に寄って、前記低温流体通路に設けられている請求項１に記載の熱交換器。
  3. 前記電気ヒータは、前記低温流体通路の外面に設けられる、請求項１又は請求項２に記載の熱交換器。
  4. 前記低温流体通路の外面と前記電気ヒータとの間に介装されて熱伝導性及び柔軟性を有するシート状部材を更に含んで構成される、請求項３に記載の熱交換器。
  5. 前記高温流体通路の入口と出口とは、それぞれ、前記高温流体通路の上部と下部とに形成され、前記第１の流体は、前記高温流体通路の内部を上から下へ流れ、
    前記低温流体通路の入口と出口とは、それぞれ、前記低温流体通路の下部と上部とに形成され、前記第２の流体は、前記低温流体通路の内部を下から上へ流れる、請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載の熱交換器。
  6. 前記高温流体通路の出口側の部分には、前記水蒸気が凝縮した水を排出する水排出口が形成されている、請求項１〜請求項５のいずれか１つに記載の熱交換器。
  7. 前記第２の流体は水である、請求項１〜請求項６のいずれか１つに記載の熱交換器。
  8. 請求項１〜請求項７のいずれか１つに記載の熱交換器と、
    燃料を水蒸気改質反応により改質して水素を含有する改質ガスを生成する改質器と、
    酸化剤ガス中の酸素と、前記改質器からの改質ガス中の水素とを反応させて発電する燃料電池と、
    該燃料電池から排出されるオフガスを燃焼させるオフガス燃焼部と、
    を含んで構成され、
    前記第１の流体は、前記オフガス燃焼部にて生成された排ガスである、燃料電池システム。
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