JP2000016801A

JP2000016801A - 燃料電池用蒸発器

Info

Publication number: JP2000016801A
Application number: JP10188466A
Authority: JP
Inventors: Sakae Chijiiwa; 榮千々岩; Minoru Mizusawa; 実水澤; Takenori Watabe; 武憲渡部
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 1998-07-03
Filing date: 1998-07-03
Publication date: 2000-01-18
Anticipated expiration: 2018-07-03
Also published as: JP4088945B2

Abstract

(57)【要約】【課題】液体側の伝熱面積及び熱伝達率が大きく小型
化が可能であり、短時間で起動ができ、かつ停止後の残
存蒸気量が少なく、更に圧力制御及び流量制御が容易な
燃料電池用蒸発器を提供する。【解決手段】内管１１と外管１２とからなる二重管１
３と、内管及び外管に密着しその間に挟持された円筒形
の焼結金属管１４とからなり、焼結金属管１４の外面に
螺旋状に被蒸発液を供給するように、外管１２の内面に
螺旋溝１２ａが設けられ、かつ内管１１の外面に軸方向
の延びる蒸気用の流路１１ａが設けられている。内管及
び／又は外管を加熱し、焼結金属管に被蒸発液９ａを浸
透させて蒸発させ、流路１１ａを介して蒸気９ｂを燃料
電池用の改質器等に供給する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、固体高分子型燃料電池
の燃料改質系統に用いるメタノール及び水の蒸発器に関
する。

【０００２】

【従来の技術】固体高分子型燃料電池（Polymer Electr
olyte Fuel Cell:ＰＥＦＣ）は、図４の原理図に示すよ
うに、電解質にプロトン（Ｈ⁺）導電性を有する高分子
膜１を用い、この膜の両側に薄い多孔質Ｐｔ触媒電極２
（アノードとカソード）を付けた構造を有する。それぞ
れの電極にＨ₂およびＯ₂を供給し、室温〜１００℃前
後で動作させると、Ｈ₂はＨ₂極（アノード）でＨ⁺に
酸化され、Ｈ⁺は膜内を移動してＯ₂極（カソード）に
到達する。一方ｅ^-は外部回路を通って電気的な仕事を
したのち、Ｏ₂極に到達する。Ｏ₂極ではＯ₂が到達し
たＨ⁺およびｅ^-と反応してＨ₂Ｏに還元される。

【０００３】ＰＥＦＣの構造例を図５に示す。ＰＥＦＣ
は、セパレータ５の間に膜／電解質接合体４を挟んで１
つのセルが構成される。膜／電解質接合体４は、イオン
交換膜１の両面に、Ｐｔ黒又はＰｔ担持カーボンからな
る多孔質電極２と、カーボンペーパあるいはカーボン布
からなる支持集電体３を配置したものである。また、セ
パレータ５は、両面にガスを流す溝を有し、かつ内部に
冷却水を流す溝を有する導電性の板である。なお図５の
例では内部の冷却溝は２枚のセパレータを接合して構成
されている。

【０００４】セパレータ５と膜／電解質接合体４を交互
に複数積層することによりスタック（積層電池）が構成
される。ガスや冷却水のシールは、ゴムシートやテフロ
ンシートを間に挟んで行うことが多いが、イオン交換膜
の弾性を利用して、膜自身でシールする場合もある。ま
た、スタックの両端には金属の集電板（図示せず）を配
置して外部電流取出し端子とし、さらに絶縁板を介して
締付板を配置し、全体をボルト等で締め付けて一体化す
る。上述した固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）は、１
００℃以下の低温作動であるために、放熱損失が少な
く、システムがコンパクト化できるメリットがあり、電
気自動車等への可搬型電源として各国で精力的に研究さ
れている。

【０００５】図６は、メタノールを燃料とし、メタノー
ル改質器とＰＥＦＣとを組み合わせた可搬電源の構成図
である。この図において、メタノール改質器では、メタ
ノールと水から、ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ→３Ｈ₂＋ＣＯ₂
の反応により、水素と二酸化炭素が生成される。この反
応温度は約３００℃前後であり、水とメタノールの蒸発
及び改質反応に必要な熱は、燃料電池の未利用の水素を
含む燃料排ガスおよび空気を燃焼させて供給される。か
かる小型可搬電源は、例えば、電気自動車等の車両用電
源として用いることができる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】電気自動車等の車両用
電源は、特に小型化と起動特性が要求される。すなわ
ち、図６に示したＰＥＦＣ電源において、蒸発器は改質
反応よりも大量の熱量を必要とするため大型になりやす
くＰＥＦＣ電源自体の小型化を阻害する要因となってい
た。また、車両用電源は短時間に起動／停止する必要が
あり、蒸発器の起動／停止時間の短縮化が要望されてい
た。従来の蒸発器として、例えば、「メタノールリホー
マーの蒸発器」（特公平２−４２７６２号）が開示され
ている。この蒸発器は、蒸発管内にメタノール水溶液を
流し、外部からバーナで加熱するものである。この他
に、同様に伝熱管内に被蒸発液を流し、その外側から電
気ヒータ、燃焼ガスで加熱するのもの、容器内の被蒸発
液内に電気ヒータ、燃焼ガスで加熱する加熱管を入れ、
この加熱管により加熱するもの、等が知られている。

【０００７】しかし、これら従来の蒸発器では、特に液
体側の伝熱面積及び熱伝達率が小さく小型化が困難であ
る問題点があった。また、従来の蒸発器では、熱容量が
大きいため起動に時間がかかり、かつ停止後に余分な蒸
気が大量に残存する問題点があった。更に、従来の蒸発
器では、圧力制御及び流量制御が複雑である問題点があ
った。

【０００８】本発明は上述した問題点を解決するために
創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、液
体側の伝熱面積及び熱伝達率が大きく小型化が可能であ
り、短時間で起動ができ、かつ停止後の残存蒸気量が少
なく、更に圧力制御及び流量制御が容易な燃料電池用蒸
発器を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、内管
（１１）と外管（１２）とからなる二重管（１３）と、
内管及び外管に密着しその間に挟持された円筒形の焼結
金属管（１４）とからなり、内管及び／又は外管を加熱
し、焼結金属管に被蒸発液を浸透させて蒸発させる、こ
とを特徴とする燃料電池用蒸発器が提供される。本発明
の好ましい実施形態によれば、前記焼結金属管（１４）
の外面に螺旋状に被蒸発液を供給するように、外管（１
２）の内面に螺旋溝（１２ａ）が設けられ、かつ内管
（１１）の外面に軸方向の延びる蒸気用の流路（１１
ａ）が設けられている。

【００１０】上記本発明の構成により、外管（１２）の
内面の螺旋溝（１２ａ）から焼結金属管（１４）の外面
に螺旋状に被蒸発液を供給し、焼結金属管に被蒸発液を
浸透させ、これを加熱された内管及び／又は外管からの
伝熱により焼結金属管内で蒸発させ、内管（１１）の外
面に設けられた蒸気用の流路（１１ａ）を介して、燃料
電池用の改質器等に供給することができる。焼結金属管
は、中実の金属材料に近い熱伝導率を有し、かつ比表面
積が大きくことから、見掛けの容積が小さいにもかかわ
らず実質的な伝熱面積が大きい。また、被蒸発液（メタ
ノール又は水、或いはその混合液）を表面張力で内部に
浸透させて保有することができ、かつ内部で蒸発させて
排出することができるので、高い熱伝達率を有する。従
って、液体側の伝熱面積及び熱伝達率が大きく小型化が
可能となる。更に、内管及び／又は外管を加熱して焼結
金属管を加熱することができるので、起動時には熱媒体
を用いて内面から加熱し、定常時には燃焼ガスを用いて
外面から加熱することができ、或いは一方又は両方を併
用することができる。また、焼結金属管を予熱した状態
で保持し、被蒸発液を必要量だけ供給することにより、
短時間で起動ができ、かつ停止後の残存蒸気量を少なく
できる。

【００１１】また、前記外管（１２）はその外周部に複
数の伝熱フィン（１２ｂ）を有し、更に、前記二重管
（１３）を囲む中空円筒形のシェル（１６）と、シェル
内を複数の空間に仕切りかつそれぞれ貫通穴（１７ａ）
を有するバッフル（１７）とを備え、シェル内に高温ガ
スが供給される。更に、前記内管（１１）の内側に加熱
した熱媒体が供給される。この構成により、バッフル
（１７）の貫通穴（１７ａ）を通して、高温ガス（例え
ば燃焼ガス）を順次外管（１２）のまわりの伝熱フィン
（１２ｂ）に接触させることができ、外管（１２）を介
して焼結金属管を効率的に加熱することができる。ま
た、内管（１１）に加熱した熱媒体を供給することによ
り、内管を介しても焼結金属管を加熱することができ、
起動時や定常時にその一方を使用して、或いは両方を併
用することができる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好ましい実施形態
を図面を参照して説明する。なお、各図において、共通
する部分には同一の符号を付して使用する。図１は、本
発明による燃料電池用蒸発器の全体構成図である。この
図に示すように、本発明の燃料電池用蒸発器１０は、二
重管１３を囲む中空円筒形のシェル１６と、シェル１６
内を複数の空間に仕切りかつそれぞれ貫通穴１７ａを有
するバッフル１７とを備える。二重管１３を構成する外
管１２の外周部には複数の伝熱フィン１２ｂが取り付け
られている。シェル１６の両端部は平板又は鏡板で閉じ
られており、この平板又は鏡板を二重管１３が貫通して
いる。また、バッフル１７はシェル１６の軸線に垂直な
仕切り板であり、シェル１６内をほぼ均等な複数（この
図で５つ）の空間に仕切っている。バッフル１７の貫通
穴１７ａは、仕切られた各空間の幅方向端部に交互に設
けられている。また、シェル１６の両端部に位置する空
間に高温ガス７を供給し排出する供給／排出口１６ａ，
１６ｂがそれぞれ設けられている。なお、この図で９ａ
は、被蒸発液（メタノール又は水、或いはその混合液）
であり、メタノール又は水を単独に蒸発させてもよく、
或いは水・メタノールの混合液を蒸発させてもよい。ま
た、９ｂは被蒸発液が蒸発した蒸気である。

【００１３】この構成により、シェル１６内に高温ガス
７を供給することにより、図に破線の矢印で示すよう
に、バッフル１７の貫通穴１７ａを通して、高温ガス７
（例えば燃焼ガス）を順次外管１２のまわりの伝熱フィ
ン１２ｂに接触させることができ、外管１２を介してそ
の内部（後述する焼結金属管）を効率的に加熱すること
ができる。更に、図１に示すように、この実施形態で
は、二重管１３を構成する内管１１の内側に加熱した熱
媒体８を供給するようになっている。この構成により、
内管１１を介しても二重管１３の内部（後述する焼結金
属管）を加熱することができ、起動時や定常時にその一
方を使用して、或いは両方を併用することができる。

【００１４】図２は、図１のＡ部の拡大断面図であり、
図３は、図２のＢ−Ｂ線における断面図である。図１及
び図２に示すように、本発明の燃料電池用蒸発器１０
は、内管１１と外管１２とからなる二重管１３と、内管
１１及び外管１２に密着してその間に挟持された円筒形
の焼結金属管１４とからなる。内管１１と外管１２と
は、図２に示すように、その端部で溶接等により気密に
接合されている。また、前述のように、外管１２の外周
部には複数の伝熱フィン１２ｂが十分小さいピッチで取
り付けられている。

【００１５】焼結金属管１４は、金属粒子を充填して所
望の形状（この場合、円筒形）に成形し、更に高温で焼
結して粒子間を部分的にシンタリングさせたものであ
る。本発明に用いる焼結金属管１４は、熱伝導率の高い
金属粒子を用い、かつその粒子間の隙間に被蒸発液を表
面張力で浸透させることができ、かつ表面張力で内部に
保持することができるように平均の隙間が設定されてい
る。

【００１６】図１及び図２に示すように、本発明の燃料
電池用蒸発器１０では、更に、焼結金属管１４の外面に
螺旋状に被蒸発液９ａを供給するように、外管１２の内
面に螺旋溝１２ａが設けられている。この螺旋溝１２ａ
には外管１２の端部に取り付けられた液供給管１２ｃか
ら、被蒸発液９ａが供給される。更に、内管１１の外面
に軸方向の延びる蒸気用の流路１１ａが設けられてい
る。この構成により、内管１１及び／又は外管１２を加
熱し、焼結金属管１４に被蒸発液９ａを浸透させて蒸発
させることができる。

【００１７】上述した本発明の構成により、外管１２の
内面の螺旋溝１２ａから焼結金属管１４の外面に螺旋状
に被蒸発液９ａを供給し、焼結金属管１４に被蒸発液９
ａを表面張力（毛細管現象）により浸透させ、これを加
熱された内管１１及び／又は外管１２からの伝熱により
焼結金属管１４内で蒸発させ、内管１１の外面に設けら
れた蒸気用の流路１１ａを介して、蒸気９ｂを燃料電池
用の改質器等に供給することができる。焼結金属管１４
は、中実の金属材料に近い熱伝導率を有し、かつ比表面
積が大きくことから、見掛けの容積が小さいにもかかわ
らず実質的な伝熱面積が大きい。また、被蒸発液９ａ
（メタノール又は水、或いはその混合液）を表面張力で
内部に浸透させて保有することができ、かつ内部で蒸発
させて排出することができるので、高い熱伝達率を有す
る。従って、液体側の伝熱面積及び熱伝達率が大きく小
型化が可能となる。

【００１８】更に、内管１１及び／又は外管１２を加熱
して焼結金属管１４を加熱することができるので、起動
時には熱媒体８を用いて内面から加熱し、定常時には燃
焼ガス７を用いて外面から加熱することができ、或いは
一方又は両方を併用することができる。また、焼結金属
管１４を予熱した状態で保持し、被蒸発液９ａを必要量
だけ供給することにより、短時間で起動ができ、かつ停
止後の残存蒸気量を少なくできる。更に、供給した被蒸
発液９ａの全量がそのまま蒸発するので、圧力制御及び
流量制御を容易に行うことができる。

【００１９】なお、本発明は上述した実施形態に限定さ
れず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できる
ことは勿論である。

【００２０】

【発明の効果】上述したように、本発明の燃料電池用蒸
発器は、液体側の伝熱面積及び熱伝達率が大きく小型化
が可能であり、短時間で起動ができ、かつ停止後の残存
蒸気量が少なく、更に圧力制御及び流量制御が容易であ
る、等の優れた効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による燃料電池用蒸発器の全体構成図で
ある。

【図２】図１のＡ部の拡大断面図である。

【図３】図２のＢ−Ｂ線における断面図である。

【図４】固体高分子型燃料電池の原理図である。

【図５】固体高分子型燃料電池の構造図である。

【図６】従来のメタノール改質器とＰＥＦＣとを組み合
わせた可搬電源の構成図である。

【符号の説明】

１イオン交換膜（高分子膜）２電極３支持集電体４膜／電解質接合体５セパレータ７高温ガス８熱媒体９ａ被蒸発液（メタノール又は水、或いはその混合
液）９ｂ蒸気１１内管１１ａ蒸気流路１２外管１２ａ螺旋溝１２ｂ伝熱フィン１２ｃ液供給管１３二重管１４焼結金属管１６シェル１７バッフル１７ａ貫通穴

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者渡部武憲東京都江東区豊洲３丁目１番15号石川島播磨重工業株式会社東二テクニカルセンター内Ｆターム(参考） 4G040 EA02 EA06 EB03 EB14 EB46 5H027 AA06 BA01 CC06

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】内管（１１）と外管（１２）とからなる
二重管（１３）と、内管及び外管に密着しその間に挟持
された円筒形の焼結金属管（１４）とからなり、内管及
び／又は外管を加熱し、焼結金属管に被蒸発液を浸透さ
せて蒸発させる、ことを特徴とする燃料電池用蒸発器。
【請求項２】前記焼結金属管（１４）の外面に螺旋状
に被蒸発液を供給するように、外管（１２）の内面に螺
旋溝（１２ａ）が設けられ、かつ内管（１１）の外面に
軸方向の延びる蒸気用の流路（１１ａ）が設けられてい
る、ことを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池用蒸
発器。
【請求項３】前記外管（１２）はその外周部に複数の
伝熱フィン（１２ｂ）を有し、更に、前記二重管（１
３）を囲む中空円筒形のシェル（１６）と、シェル内を
複数の空間に仕切りかつそれぞれ貫通穴（１７ａ）を有
するバッフル（１７）とを備え、シェル内に高温ガスが
供給される、ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電
池用蒸発器。
【請求項４】前記内管（１１）の内側に加熱した熱媒
体が供給されることを特徴とする、請求項１に記載の燃
料電池用蒸発器。