JP2001153305A - 蒸発過熱器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 蒸発部の熱的負担を軽減しつつ、排気ガス中
の熱量の回収効率を上げて、追加する燃料の使用量を低
減可能な蒸発過熱器を提供する。 【解決手段】 蒸発部１は、流入した液体５を１００℃
程度の気体６に生成する。過熱部２は、気体６を過熱し
て２５０℃程度まで昇温する。蒸発部１では、酸素を含
むガス３と燃料４とを混合したものを流入し、気化の熱
源にする。過熱部２では、排気ガスに燃料７を混合し、
過熱の熱源にする。蒸発部１と過熱部２との間に分配管
１１を配設し、大気放出側に絞り弁８を設ける。これに
より、蒸発部１からの排気ガスは一部が大気に放出され
（排気ガス９）、残りが過熱部２へ流入した後に大気に
放出される（排気ガス１０）。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば燃料ガスを
用いて水等の液体を蒸発気化した後に過熱する蒸発過熱
器に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来では、図２に示すように、燃料ガス
の発熱を用いた蒸発過熱器は、蒸発部と過熱部とが一体
化していて、排気ガスの熱量では不足する場合には蒸発
部の手前で燃料を混入していた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、過熱部
で必要とする熱量を蒸発部における燃焼により発生させ
ていたので、蒸発部における機器の熱的負担が大きかっ
た。また、蒸発部と過熱部の熱交換量は、原理的に１０
対１程度の比率等で、蒸発部の方がはるかに高い。この
ため、蒸発部と同流量の排気ガスを過熱部に流入させる
と、過熱部の熱交換性能が低いことも相俟って、排出さ
れるガスのエンタルピーが大きい。すなわち、過熱部を
通過した後に廃棄する燃焼排気ガスに含まれる未回収熱
量が大きくなり、その分だけ燃料が多く必要であった。
本発明は、かかる状況に鑑みてなされたものであり、蒸
発部の熱的負担を軽減しつつ、排気ガス中の熱量の回収
効率を上げて、追加する燃料の使用量を低減可能な蒸発
過熱器を提供することを目的とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明は、かかる課題を
解決するためになされたものであり、酸素を含むガスに
燃料を混合して燃焼させ液体を蒸発過熱する蒸発過熱器
において、蒸発部内を通過した酸素を含む排気ガスに更
に燃料を混入して過熱部に流入させることを特徴とす
る。すなわち、排気ガスの廃棄熱又は排気ガス中の残燃
料の燃焼熱を用いて、水等の液体を蒸発過熱する蒸発過
熱器において、蒸発部と過熱部とを分離し、その間に不
足熱量を補うための燃料を追加できるシステムをもつも
のである。

【０００５】上記蒸発部から流出した酸素を含む排気ガ
スの流量を任意に調整して上記過熱部に流入可能に構成
するのが好ましい。すなわち、上記過熱部に流入する排
気ガスの流量を任意に調整する手段を設けるように構成
するのが好ましい。

【０００６】上記調整した排気ガスの分流において、上
記過熱部中の排気ガス圧損と一定比率の層流抵抗体を持
たせて、自動的に蒸発部を通過した排気ガスの一定比率
分を過熱部に流入できるように構成するのが好適であ
る。ここにいう抵抗体とは、流量を変えることに伴う負
荷変動に対応するためのものであり、例えば配管（チュ
ーブ）内にハニカム構造を配設したもの等である。

【０００７】本発明の最も好適なものは以下のような構
成である。 蒸発部と過熱部とを分離した構造を持つこと。 酸素を含むガスへの燃料流入は、蒸発部の前に加えて
過熱部の前でも可能な構造とすること。 蒸発部を通過した排気ガス量の一部を過熱部に流入
し、一部を廃棄する構造を持つこと。 排気ガスを過熱部の前で分岐するときに、排出管側に
絞り弁等を設け、過熱部に流入する排気ガス流量を調整
する構造、又は、過熱部の排気ガス圧損と一定比率の固
定抵抗体を設け、常に一定比率の排気ガスのみ過熱部に
流入させる構造を持つこと。

【０００８】本発明は、燃焼によって得られる熱を利用
して、水等の液体を蒸発し、更に過熱する装置に適用で
きる。

【０００９】

【発明の実施の形態】次に、本発明に係る蒸発過熱器の
実施の形態について図面に基づいて説明する。本発明の
一実施形態に係る蒸発過熱器を燃料電池（図示省略）に
組込んだ場合について説明する。なお、本発明は、燃料
電池に組込む場合に限らず、その他の装置にも用いるこ
とができる。

【００１０】図１に示すように、本実施形態に係る蒸発
過熱器は、蒸発部１（上流側）と過熱部２（下流側）と
を分離して構成している。この蒸発部１には、例えばメ
タノール（液体状態）や水等の液体５が流入する。この
液体５は、酸素を含むガス３の廃棄熱と廃棄ガス中の残
燃料の燃焼熱により、燃料電池に必要なメタノール（気
体状態）や水蒸気などの気体６となる。この気体６は、
過熱部２に流入し、過熱される。液体５が水（例えば２
５℃）であれば、蒸発部１で１００℃乃至１２０℃ぐら
いの水蒸気になり、過熱部２で２５０℃まで昇温され
る。なお、昇温された水蒸気は、改質器（図示省略）に
送られる。

【００１１】燃料電池（図示省略）からは、１００℃以
下、例えば６０℃程度の空気を多く含むガスが、酸素を
含むガス３として排出される。この酸素を含むガス３が
蒸発部１に流入する。その際に、燃料電池で回収しきれ
なかった燃料（水素）４が、酸素を含むガス３に混合さ
れる。燃料４を燃やすと１０００℃乃至２０００℃とな
ってしまうが、酸素を含むガス３を多量流入させること
で、９００℃以下の温度に抑えられる。蒸発部１では液
体５と熱交換するので、蒸発部１から排出される排気ガ
スは１５０℃程度の低温となる。なお、この燃料４の混
合は、常に行うとは限らず、必要に応じて適宜行えば良
い。

【００１２】蒸発部１からの低温の排気ガスは、過熱部
２で燃焼熱によって４００℃乃至５００℃に昇温され
る。過熱部２で高温になった排気ガスは、熱交換により
１００℃乃至１２０℃の気体６を２５０℃まで過熱す
る。

【００１３】図１に示すように、蒸発部１から排出され
た排気ガスは、分岐管１１によりその一部が過熱部２に
流入し、残りの排気ガス９が大気に放出される（分流
側）。このように蒸発部１と過熱部２とでは排気ガスの
流量が異なり、過熱部２の方が少ない。このように構成
するのは以下の理由による。例えば、蒸発部１での熱交
換量が３０ｋｗ（キロワット）ぐらいである一方で、過
熱部２での熱交換量は４ｋｗ（キロワット）ぐらいで、
蒸発部１のほぼ１０分の１ぐらいである。このため、過
熱部２では、排気ガスや燃料７を蒸発部１と同じにして
供給熱量を増やしても、気体６の過熱に利用されないま
まに過熱部２から排気ガス１０として排出され、大気中
に捨てられてしまう。したがって、過熱部２では、燃料
７の混合に際し、気体６を過熱するのに必要な分だけの
熱量を供給して、排気ガスを４００℃乃至５００℃に昇
温すれば、供給熱量のほとんどは気体６の過熱に利用さ
れることになり、過熱部２への不要な熱量供給を避ける
ことができる。なお、燃料７も、燃料４と同様に燃料電
池で回収しきれなかった水素を用いる。

【００１４】このように、本発明では、蒸発部１と過熱
部２との熱交換に関して異なる扱いをしている。蒸発部
１から排出された低温の排気ガスの一部を大気放出し
（排気ガス９）、必要な量の排気ガスを過熱部２に流入
させることで（排気ガス１０）、効率を向上させてい
る。また、蒸発部１０１と過熱部１０２とが一体形成さ
れた従来の場合（図２参照）と異なり、過熱部２のため
に蒸発部１で余剰な燃料を予め全部燃やす必要がないの
で、蒸発部１において温度が上がりすぎてしまうことに
よる機器の熱的負担を軽減することができる。

【００１５】上述したように、蒸発部１を通過した排気
ガスの全流量が過熱部２に流入するのではなく、場面状
況に応じた所定流量が過熱部２に流入する。この過熱部
２への所定流量は、負荷変動に応じて適宜調整されるも
のであり、そのために大気放出側に絞り弁８を設けてい
る。これにより、流量が変動しても、分配管１１におけ
る分配を所期どおりに行うことができる。

【００１６】この絞り弁８の代わりに、抵抗体８’を設
けても良い。この抵抗体８’は、チューブ内にハニカム
構造を配置したもの（図示省略）であり、大気放出側と
熱交換器側との圧損のバランスの違いを予め見越して、
負荷変動に対しても所期の分配量となるように設計され
たものである。絞り弁８を用いると、フィードバック制
御するために検知部、制御部及び駆動部等の制御手段
（図示省略）が必要となるが、この抵抗体８’を用れ
ば、なりゆきで分配が行われて自然と分配量が定まるの
で、制御手段が不要となる。なお、分配量の精度は、理
想値から一定の幅をもたせることができ、例えば±１０
％（パーセント）以内におさまるように設計すれば良
い。

【００１７】

【発明の効果】本発明に係る蒸発過熱器は、燃料ガスと
酸素を含むガスとを混合し燃焼させて、その燃焼熱を用
いて水素の液体を蒸発過熱させる蒸発過熱器において、
蒸発部と過熱部とを分離構造とし、更に、該蒸発部内を
通過した酸素がまだ残留している燃焼排ガスを分配し、
一部を排気するとともに、残りの排ガスに燃料ガスを混
入させ燃焼させて、その発熱量で蒸気の過熱を行うこと
を特徴とするので、過熱部で必要な熱量に相当する燃料
を蒸発部に流入させる必要がなく、蒸発部における機器
の熱的負担を抑えることができる。

【００１８】上記分配した排ガスの分流側に、上記過熱
部中の排ガス圧損と一定比率の抵抗体を設け、上記蒸発
部を通過した排ガスの一定比率分が上記過熱部に流入す
るように構成すると、過熱部に流入する排気ガス流量を
負荷変動に応じて適正化することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に係る蒸発過熱器の概略構
成図である。

【図２】従来の蒸発過熱器の概略構成図である。

【符号の説明】

１ 蒸発部 ２ 過熱部 ３ 酸素を含むガス ４、７ 燃料 ５ 液体 ６ 気体 ８ 絞り弁 ８’ 抵抗体 ３、９、１０ 排気ガス １１ 分配管

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃料ガスと酸素を含むガスとを混合し燃
   焼させて、その燃焼熱を用いて水素の液体を蒸発過熱さ
   せる蒸発過熱器において、蒸発部と過熱部とを分離構造
   とし、更に、該蒸発部内を通過した酸素がまだ残留して
   いる燃焼排ガスを分配し、一部を排気するとともに、残
   りの排ガスに燃料ガスを混入させ燃焼させて、その発熱
   量で蒸気の過熱を行うことを特徴とする蒸発過熱器。
2. 【請求項２】 上記分配した排ガスの分流側に、上記過
   熱部中の排ガス圧損と一定比率の抵抗体を設け、上記蒸
   発部を通過した排ガスの一定比率分が上記過熱部に流入
   するように構成したことを特徴とする請求項１に記載の
   蒸発過熱器。