JP2006327835A - 蒸発装置及び蒸気生成方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】第1及び第2被加熱流体を互いに気相状態で撹拌及び混合することができ、均一な混合気体を確実に生成することを可能にする。
【解決手段】蒸発装置20は、外筒部材88と内筒部材90との間に配設される二重管92を備える。二重管92は、水を流すための内管94bと原燃料を流すための外管94aとを有するとともに、前記内管94bには、前記外管94a内に連通し、該内管94b内の水を加圧状態に保持し且つ該水を液相状態から気相状態に相変化させて前記外管94a内に噴出し、前記外管94a内の気相状態の原燃料と混合させるための複数の細孔100が形成される。
【選択図】図6

Description

本発明は、加熱流体通路を流れる加熱流体と、前記加熱流体通路に配設される伝熱用二重管部材内を流れる第1及び第2被加熱流体との間で熱交換を行って蒸気を生成する蒸発装置及び蒸気生成方法に関する。
通常、固体電解質型燃料電池(SOFC)は、電解質に酸化物イオン導電体、例えば、安定化ジルコニアを用いており、この電解質の両側にアノード電極及びカソード電極を配設した電解質・電極接合体(単セル)を、セパレータ(バイポーラ板)によって挟持している。この燃料電池は、通常、単セルとセパレータとが所定数だけ積層された燃料電池スタックとして使用されている。
この場合、上記の燃料電池に供給される燃料ガスは、通常、改質装置によって炭化水素系の原燃料から生成される水素ガスが使用されている。改質装置では、一般的に、メタンやLNG等の化石燃料等の炭化水素系の原燃料に水蒸気改質や部分酸化改質、又はオートサーマル改質等を施すことにより、改質ガス(燃料ガス)が生成されている。
例えば、水蒸気改質を行う改質装置では、原燃料に水蒸気を混合して混合蒸気を生成するために、蒸発器が用いられている。例えば、特許文献1に開示されている蒸発器は、図11に示すように、外管1及び内管2を有する二重管3を備えている。外管1の外周部には、複数の伝熱フィン1aが取付られるとともに、この外管1の内周部には、螺旋溝1bが形成されている。外管1の端部には、液供給管1cが取り付けられている。
外管1と内管2との間には、焼結金属管4が挟持されており、この焼結金属管4と前記内管2の外周面との間には、蒸気用通路5が形成されている。内管2内には、熱媒体通路6が形成されている。
このような構成において、二重管3の外方から高温ガス7aが供給されるため、伝熱フィン1aを介して焼結金属管4が加熱されるとともに、熱媒体通路6に熱媒体7bが供給されている。一方、液供給管1cには、被蒸発液(メタノール又は水、あるいはその混合液)8aが供給されている。従って、被蒸発液8aは、螺旋溝1bに沿って供給される際、焼結金属管4に浸透して前記焼結金属管4内で蒸発することにより、蒸気8bが蒸気用通路5に供給されている。
特開2000−16801号公報(図2)
ところで、固体電解質型燃料電池において水蒸気改質を行うために、上記の特許文献1の蒸発器を使用する場合、前記燃料電池から排出される高温の排ガスを、高温ガス7aとして利用することが望ましい。排ガスの温度が相当に高温(700℃程度)になっており、この排ガスの熱を回収することによって熱利用率が向上するからである。
しかしながら、排ガスは、燃料電池の運転状況等によって温度条件や流量条件が変動し易い。このため、被蒸発液8aとして原燃料(気体)と水の気液混合流体又は水が、螺旋溝1bに供給されると、水の蒸発不良や沸騰が発生し、蒸発と凝縮とが繰り返されるおそれがある。従って、生成される水蒸気量が変動し、原燃料と水蒸気とが均一に混合された混合蒸気を確実に得ることができず、しかも混合蒸気に圧力変動(脈動)が惹起され易い。これにより、混合蒸気を改質して改質ガスを生成する際、改質反応が一定にならず、燃料電池の発電量が変動するとともに、一時的な水の供給不足によってコーキングが発生するという問題がある。
本発明はこの種の問題を解決するものであり、第1及び第2被加熱流体を、互いに気相状態で撹拌及び混合することができ、均一な混合流体を確実に生成することが可能な蒸発装置及び蒸気生成方法を提供することを目的とする。
本発明は、加熱流体通路を流れる加熱流体と、前記加熱流体通路に配設される伝熱用二重管部材内を流れる第1及び第2被加熱流体との間で熱交換を行って蒸気を生成する蒸発装置及び蒸気生成方法である。
先ず、二重管部材を構成する内管に、第1被加熱流体が液相状態で加圧保持される一方、前記二重管部材を構成する外管内に第2被加熱流体が流される。そして、第1被加熱流体は、内管に設けられた細孔から気相状態に相変化して外管内に噴出され、気相状態の前記第1被加熱流体と第2被加熱流体とを混合させて、混合流体が生成される。
また、加熱流体の流れと第1及び第2被加熱流体の流れとは、対向流をなすことが好ましい。なお、ここで、対向流とは、蒸発装置内に一方から流入する加熱流体(例えば、排ガス)と、他方から流入する第1及び第2被加熱流体(例えば、原燃料及び水)とが、互いに対向流をなすことを意味するだけでなく、前記第1及び第2被加熱流体が伝熱用二重管部材内を移動する際に、一時的に前記加熱流体と直交流をなす状態にあることも意味する。
さらに、外管内を流れる第2被加熱流体は、気相状態であることが好ましい。さらにまた、細孔は、第2被加熱流体の流れ方向に対して直交する方向に貫通形成されることが好ましい。
また、外管内の温度は、内管内の温度よりも高温である一方、前記外管内の圧力は、前記内管内の圧力よりも低圧であることが好ましい。
さらに、加熱流体通路を形成する外筒部材及び内筒部材を備え、前記外筒部材と前記内筒部材との間に、二重管部材が配設されることが好ましい。さらにまた、二重管部材は、外筒部材と内筒部材との間で螺旋状に構成されることが好ましい。
本発明によれば、二重管部材を構成する内管内には、第1被加熱流体が液相状態で加圧保持される。このため、第1被加熱流体は、加熱流体からの伝熱により温度が上昇する際に沸騰することが阻止され、内管の細孔から外管内に蒸気が円滑に供給される。従って、外管内では、第2被加熱流体と蒸気化した第1被加熱流体とが相変化による急激な体積変化を利用することで良好に撹拌及び混合することができ、均一な混合蒸気を確実に生成することが可能になる。
図1は、本発明の第1の実施形態に係る蒸発装置を組み込む燃料電池システム10の一部断面説明図であり、図2は、前記燃料電池システム10の要部断面図である。
燃料電池システム10は、設置用の他、車載用等の種々の用途に用いられている。燃料電池システム10は、図1に示すように、燃料電池スタック12と、前記燃料電池スタック12の一方の側に配置される流体部14と、前記燃料電池スタック12及び前記流体部14を収容する筐体16とを備える。
図1及び図2に示すように、流体部14は、酸化剤ガスを燃料電池スタック12に供給する前に加熱する熱交換器18と、炭化水素を主体とする原燃料(例えば、都市ガス)と水蒸気との混合燃料(混合流体)を生成するために、水を蒸発させる第1の実施形態に係る蒸発装置20と、前記混合燃料を改質して燃料ガスを生成する改質器22とを備える。
改質器22は、都市ガス中に含まれるエタン(C26)、プロパン(C36)及びブタン(C410)等の高炭素(C2+)炭化水素を、主としてメタン(CH4)を含む燃料ガスに水蒸気改質するための予備改質器であり、300℃〜400℃の作動温度に設定される。
筐体16内では、燃料電池スタック12の他方の側に、前記燃料電池スタック12を構成する複数の燃料電池26の積層方向(矢印A方向)に締め付け荷重を付与する荷重付与機構24が配設される(図1及び図3参照)。流体部14及び荷重付与機構24は、燃料電池スタック12の中心軸に対して軸対称に配設される。
燃料電池26は、固体電解質型燃料電池である。この燃料電池26は、図4及び図5に示すように、例えば、安定化ジルコニア等の酸化物イオン導電体で構成される電解質(電解質板)30の両面に、カソード電極32及びアノード電極34が設けられた電解質・電極接合体36を備える。
燃料電池26は、作動温度が700℃以上と高温であり、電解質・電極接合体36では、燃料ガス中のメタンが改質されて水素が得られ、この水素がアノード電極34に供給される。
燃料電池26は、一対のセパレータ38間に複数、例えば、8個の電解質・電極接合体36を挟んで構成される。セパレータ38間には、このセパレータ38の中心部である燃料ガス供給連通孔40と同心円上に8個の電解質・電極接合体36が配列される。燃料ガス供給連通孔40の周囲には、酸化剤ガス供給部41が気密に設けられる。
セパレータ38は、図4に示すように、例えば、ステンレス合金等の板金で構成される1枚の金属プレートやカーボンプレート等で構成される。セパレータ38は、中央部に燃料ガス供給連通孔40を形成するとともに、複数の円板部42を設ける。各円板部42のアノード電極34に接触する面には、前記アノード電極34の電極面に沿って燃料ガスを供給するための燃料ガス通路46を形成する第1突起部48が設けられる。
各円板部42のカソード電極32に接触する面には、前記カソード電極32の電極面に沿って酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス通路50を形成する第2突起部52が設けられる。図4及び図5に示すように、円板部42には、燃料ガス通路46に燃料ガスを供給するための燃料ガス導入口54が形成される。
セパレータ38のカソード電極32に対向する面には、通路部材56が、例えば、ろう付けやレーザ溶接等により固着される。通路部材56は、中央部に燃料ガス供給連通孔40を形成するとともに、前記燃料ガス供給連通孔40から燃料ガス通路46に連通する燃料ガス供給通路58が形成される。セパレータ38の外周には、使用済みの反応ガスである排ガスを排出するための排ガス排出路59が設けられる。
図1及び図3に示すように、燃料電池スタック12は、複数の燃料電池26の積層方向両端にエンドプレート60a、60bを配置する。エンドプレート60aには、孔部61を中心にして同一仮想円周上に孔部62とねじ孔64とが、交互に且つ所定の角度間隔ずつ離間して設けられる。孔部62は、後述する空気通路84に連通する。
筐体16は、図1に示すように、荷重付与機構24を収容する第1筐体部66aと、燃料電池スタック12を収容する第2筐体部66bとを備える。第1及び第2筐体部66a、66b間は、エンドプレート60b及び前記エンドプレート60bの第2筐体部66b側に絶縁材(図示せず)を介装してねじ68及びナット70により締め付けられる。
第2筐体部66bには、流体部14を構成する円筒状第3筐体部72の一端部が接合されるとともに、前記第3筐体部72の他端部には、ヘッド板74が固着される。第3筐体部72内には、発電に使用されて燃料電池スタック12の排ガス排出路59から排出される排ガスを流体部14に流すための排ガス通路76が設けられる。
図2に示すように、排ガス通路76は、混合燃料を改質するための熱源として、排ガスを改質器22に供給する第1通路部78と、酸化剤ガスを加熱するための熱源として、前記排ガスを熱交換器18に供給する第2通路部80と、前記第2通路部80の下流に連通し、水を蒸発させるための熱源として、前記排ガスを蒸発装置20に供給する加熱流体通路82とを有する。第1通路部78は、壁部81に形成された複数の孔部81aを介して主流路である第2通路部80から分岐するとともに、整流孔83を介して改質器22側に開放される。
改質器22と蒸発装置20とは、燃料電池スタック12から離間する方向(矢印A1方向)に沿って順次配設されるとともに、熱交換器18は、前記改質器22の外側に配設される。熱交換器18及び改質器22は、燃料電池スタック12に可及的に近接しており、この燃料電池スタック12の排ガス排出路59には、排ガス通路76を構成する第2通路部80が直接連通する。
この第2通路部80は、熱交換器18内に設けられる一方、前記熱交換器18内には、被加熱流体である空気を排ガスと対向流に流すための空気通路84が、前記第2通路部80に近接して設けられる。この空気通路84は、ヘッド板74に接続される空気供給管86に連通する。
蒸発装置20は、互いに同軸上に配設される外筒部材88と内筒部材90とを備えるとともに、前記外筒部材88と前記内筒部材90との間には、二重管92が螺旋状に配設される。図2及び図6に示すように、二重管92は、外管94aと内管94bとを備え、前記外管94aと外筒部材88及び内筒部材90との間には、加熱流体通路82が形成される。
外管94aと内管94bとの間には、ガス状の原燃料(第2被加熱流体)を流す原燃料通路96が形成される一方、前記内管94b内には、水(第1被加熱流体)を流す水通路98が形成される。内管94bには、蒸発装置20の下流側に位置して複数の細孔100が形成される。
細孔100は、外管94a内に連通し、内管94b内の水を加圧状態に保持し且つ前記水を液相状態から気相状態に相変化させて前記外管94a内に噴出させ、前記外管94a内の原燃料と混合させる機能を有する。細孔100は、例えば、直径が10μm〜100μmに設定されるとともに、外管94aに対して原燃料の流れ方向に直交する方向に貫通形成される。
加熱流体通路82を流れる排ガスからの伝熱によって外管94a内の温度は、内管94b内の温度よりも高温である一方、細孔100を設けることによって前記内管94b内の圧力は、前記外管94a内の圧力よりも高圧に設定される。加熱流体である排ガスの流れは、水及び原燃料の流れと対向流(流れ方向が逆方向及び直交する方向を含む)をなす。
二重管92の上流側端部は、ヘッド板74を貫通して外部に延在するとともに、前記二重管92の下流側端部は、内管94bが終端して外管94aのみが矢印A2方向に延在する。この外管94aには、混合燃料供給管101の一端が接続され、前記混合燃料供給管101の他端は、改質器22の入口部102に連結される(図2参照)。混合燃料供給管101は、燃料電池スタック12側に延在して入口部102に連結されるとともに、この入口部102は、排ガス通路76から分岐する第1通路部78に連通する整流孔83に近接して配置される。
図7に示すように、改質器22は、入口部102が形成される蓋108を備え、この蓋108を端部にして第1受け部材110と第2受け部材112とが交互に接続される。図7及び図8に示すように、第1及び第2受け部材110、112は、略プレート状に形成されており、前記第1受け部材110の中央部には、孔部114が形成される。第2受け部材112の外周縁部には、同一円周上に複数の孔部116が形成される。
第1及び第2受け部材110、112間には、複数の改質用触媒ペレット118が挟持される。触媒ペレット118は、円柱状に形成され、例えば、セラミックス化合物の基台にニッケル系触媒が設けられて構成される。
改質器22内には、第1受け部材110の孔部114と第2受け部材112の孔部116とを通って蛇行しながら矢印A方向に延在する改質用通路120が形成される。改質器22の下流側(矢印A1方向端部側)には、出口部122が設けられ、この出口部122に改質ガス供給路124の一端が接続される(図7参照)。改質ガス供給路124は、図2に示すように、改質器22の軸方向に沿って延在し、エンドプレート60aの孔部61に嵌合されて燃料ガス供給連通孔40に連通する。
ヘッド板74には、蒸発装置20の加熱流体通路82に連通する主排気管126と、前記蒸発装置20の中央部に位置して改質器22の外周に沿って矢印A1方向に移動する排ガスを排出するための排気管128とが接続される。
蒸発装置20を構成する外筒部材88の外周には、筒状カバー129が配設される。この筒状カバー129と外筒部材88との間には、閉塞された断熱層129aが形成されるとともに、前記断熱層129aには、第2通路部80に連通して排ガスの一部が充填される。
図1に示すように、荷重付与機構24は、燃料ガス供給連通孔40の近傍に対して第1締め付け荷重T1を付与する第1締め付け部130aと、電解質・電極接合体36に対して前記第1締め付け荷重よりも小さな第2締め付け荷重を付与する第2締め付け部130bとを備える。
第1締め付け部130aは、図1及び図3に示すように、エンドプレート60aの一方の対角位置に設けられるねじ孔64、64に螺合する短尺な第1締め付けボルト132a、132aを備える。第1締め付けボルト132a、132aは、燃料電池26の積層方向に延在するとともに、第1押圧プレート134aに係合する。第1押圧プレート134aは、幅狭な板状を有しており、燃料ガス供給連通孔40を覆ってセパレータ38の中央部に係合する。
第2締め付け部130bは、長尺な第2締め付けボルト132b、132bを備え、前記第2締め付けボルト132b、132bは、エンドプレート60aの他方の対角位置に設けられるねじ孔64、64に螺合する。第2締め付けボルト132b、132bの端部は、外周湾曲形状の第2押圧プレート134bを貫通し、この端部にナット136が螺合する。前記第2押圧プレート134bの各円弧状部には、燃料電池26の円板部42に配置される各電解質・電極接合体36に対応してスプリング138及び台座140が配設される。スプリング138は、例えば、セラミックススプリングにより構成される。
このように構成される燃料電池システム10の動作について、以下に説明する。
図2及び図6に示すように、蒸発装置20を構成する二重管92の原燃料通路96には、例えば、都市ガス(CH4、C26、C38、C410を含む)等の原燃料が供給されるとともに、前記二重管92の水通路98には、水が供給される。さらに、空気供給管86には、酸化剤ガスである、例えば、空気が供給される。
蒸発装置20では、原燃料が二重管92内の原燃料通路96に沿って螺旋状に移動するとともに、水が水通路98に沿って螺旋状に移動する一方、加熱流体通路82には、後述する排ガスが前記原燃料及び前記水と対向流をなして流通している。このため、水通路98を移動する水が、内管94bの下流側に形成されている複数の細孔100から原燃料通路96に水蒸気化されて噴出される。
この場合、第1の実施形態では、二重管92を構成する内管94bには、例えば、直径が10μm〜100mμに設定された複数の細孔100が形成されている。従って、内管94b内に供給される水は、この内管94b内に液相状態で加圧保持される一方、二重管92を構成する外管94a内に原燃料(気相状態)が流されている。さらに、二重管92が配設される加熱流体通路82には、水及び原燃料の流れ方向に対して対向流をなす高温の排ガスが流されている(図6及び図9参照)。
このため、水は、排ガスからの伝熱によって温度上昇する際に、沸騰することが阻止され、細孔100から外管94a内に蒸気が円滑に供給されている。これにより、外管94a内では、気相状態の原燃料と相変化することで蒸気化した水、すなわち、水蒸気とが相変化による急激な体積変化を利用することで良好に撹拌及び混合し、均一な混合燃料(混合流体)を確実に生成することができ、さらに、外管94a内の原燃料の温度は、排ガスにより水蒸気の凝縮が起こらないほど十分に高温に保持されているため、水蒸気の再凝縮を防ぎ、発生した水蒸気が脈動しないという効果が得られる。
また、図9に示すように、細孔100は、原燃料の流れ方向に対して直交する方向に貫通形成されており、気相状態の前記原燃料と水蒸気とは、互いに直交して混合する。従って、気体同士である原燃料と水蒸気同士が、互いに直交して混合するため、均一な混合燃料を良好に得ることが可能になる。
さらにまた、水の温度T1は、原燃料の温度T2よりも低温(T1<T2)である一方、この水の圧力P1は、前記原燃料の圧力P2よりも高圧(P1>P2)に設定されている。これにより、加圧状態の水は、細孔100から相対的に圧力が低い外管94a内に噴射する際に、この水が良好に膨張し、原燃料と水蒸気とが一層円滑且つ確実に混合するという利点がある。
さらに、加熱流体通路82は、外筒部材88と内筒部材90とにより形成されるとともに、前記外筒部材88と前記内筒部材90との間には、二重管92が配設されている。このため、加熱流体通路82に流れる高温の排ガスから二重管92に対して確実に伝熱することができ、熱効率の向上を図ることが可能になる。
また、二重管92は、外筒部材88と内筒部材90との間で螺旋状に構成されている。従って、二重管92の装着密度を高めることができ、熱効率が一層向上するとともに、蒸発装置20全体のコンパクト化を容易に図ることが可能になる。
次いで、蒸発装置20内で生成された混合燃料は、外管94aに連結された混合燃料供給管101を介して改質器22の入口部102に供給される。図7に示すように、入口部102から改質器22内に供給される混合燃料は、第1受け部材110の孔部114を通って第1及び第2受け部材110、112間に挟持されている複数の触媒ペレット118によって改質される。さらに、この混合燃料は、第2受け部材112の外周縁部に形成された孔部116から次なる触媒ペレット118に供給される。
これにより、混合燃料は、改質器22内を蛇行する改質用通路120に沿って移動しながら水蒸気改質され、C2+の炭化水素が除去(改質)されてメタンを主成分とする燃料ガス(改質ガス)が得られる。この燃料ガスは、改質器22の出口部122に連通する改質ガス供給路124を通って燃料電池スタック12の燃料ガス供給連通孔40に供給される。
図4及び図5に示すように、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔40から燃料ガス供給通路58に沿って移動し、円板部42の燃料ガス導入口54から燃料ガス通路46に導入される。燃料ガス導入口54は、各電解質・電極接合体36のアノード電極34の略中央位置に設定されている。このため、燃料ガスは、燃料ガス導入口54からアノード電極34の略中央に供給され、前記燃料ガス中のメタンが改質されて水素ガスが得られ、この水素ガスを主成分とする該燃料ガスは、燃料ガス通路46に沿って前記アノード電極34の外周部に向かって移動する。
一方、図2に示すように、空気供給管86から熱交換器18に供給される空気は、この熱交換器18の空気通路84に沿って移動する際、第2通路部80に沿って移動する後述する燃焼排ガスとの間で熱交換が行われ、所望の温度に予め加温されている。熱交換器18で加温された空気は、図4及び図5に示すように、燃料電池スタック12の酸化剤ガス供給部41に供給され、電解質・電極接合体36の内側周端部と円板部42の内側周端部との間から矢印B方向に流入する。従って、空気は、酸化剤ガス通路50に沿って電解質・電極接合体36のカソード電極32の内側周端部から外側周端部に向かって流動する。
これにより、電解質・電極接合体36では、アノード電極34に沿って燃料ガスが供給されるとともに、カソード電極32に沿って空気が供給され、電気化学反応により発電が行われる。各電解質・電極接合体36の外周部に排出される排ガスは、排ガス排出路59を介して積層方向に移動し、排ガス通路76に導入される。
排ガス通路76に導入された高温(700℃前後)の排ガスは、図2に示すように、一部が孔部81aを介して第1通路部78に分岐され、壁部81の整流孔83から改質器22の入口部102に供給される。改質器22の入口部102を集中的に加熱した排ガスは、蒸発装置20の内側を通って排気管128から外部に排出される。
その際、改質器22では、水蒸気改質が行われており、特に、入口部102の近傍で温度低下が惹起し易い。このため、入口部102を高温の排ガスにより集中して加熱することによって、改質器22の温度低下を抑制することができる。これにより、改質器22の温度を安定させることができ、S/C(スチーム/カーボン)比を一定に維持することが可能になるという効果がある。
一方、排ガス通路76の第2通路部80に供給された排ガスは、熱交換器18内を通って空気と熱交換を行い、この空気を所望の温度に加温して温度低下が惹起される。この排ガスは、一部が断熱層129aに充填されるとともに、残余の部分が第2通路部80に連通する加熱流体通路82に導入される。この加熱流体通路82は、蒸発装置20を構成する二重管92と外筒部材88及び内筒部材90との間に形成されており、排ガスは前記二重管92の水通路98を通過する水を蒸発させる。従って、原燃料通路96には、原燃料に水蒸気が混合された混合燃料を確実に生成することができる。なお、蒸発装置20を通過した排ガスは、主排気管126を介して外部に排出される。
図10は、本発明の第2の実施形態に係る燃料電池システムを構成する流体部150の概略構成説明図である。なお、第1の実施形態に係る燃料電池システム10と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
流体部150は、熱交換器18と改質器22と蒸発装置152とを備える。この流体部150は、燃料電池スタック12の一方の側に配置されるとともに、前記燃料電池スタック12の中心軸に対して軸対称に配置される。流体部150では、改質器22の外側に蒸発装置152が配設されるとともに、この蒸発装置152の外側に熱交換器18が配設される。
このように構成される第2の実施形態では、熱交換器18の内側に蒸発装置152及び改質器22が配設されており、この改質器22を前記熱交換器18からの輻射熱で温めることができるとともに、前記蒸発装置152の断熱性が有効に向上し、水蒸気を発生し易くなるという効果が得られる。しかも、流体部150は矢印A方向の寸法が有効に短尺化され、燃料電池システム全体の小型化が容易に図られる。
本発明の第1の実施の形態に係る蒸発装置を組み込む燃料電池システムの一部断面説明図である。 前記燃料電池システムを構成する流体部の要部断面説明図である。 前記燃料電池システムを構成する燃料電池スタックの概略斜視説明図である。 前記燃料電池スタックを構成する燃料電池の分解斜視説明図である。 前記燃料電池のガス流れ状態を示す一部分解斜視説明図である。 前記蒸発装置の要部斜視説明図である。 前記燃料電池システムを構成する改質器の一部断面説明図である。 前記改質器の要部分解斜視図である。 前記蒸発装置の動作を示す概略説明図である。 本発明の第2の実施の形態に係る燃料電池システムを構成する流体部の要部断面説明図である。 特許文献1の蒸発器の断面説明図である。
符号の説明
10…燃料電池システム 12…燃料電池スタック
14、150…流体部 16…筐体
18…熱交換器 20、152…蒸発装置
22…改質器 24…荷重付与機構
26…燃料電池 30…電解質
32…カソード電極 34…アノード電極
36…電解質・電極接合体 38…セパレータ
59…排ガス排出路 60a、60b…エンドプレート
66a、66b、72…筐体部 76…排ガス通路
78、80…通路部 82…加熱流体通路
83…整流孔 84…空気通路
86…空気供給管 88…外筒部材
90…内筒部材 92…二重管
94a…外管 94b…内管
96…原燃料通路 98…水通路
100…細孔 101…混合燃料供給管
102…入口部 110、112…受け部材
118…触媒ペレット 120…改質用通路
122…出口部 124…改質ガス供給路
126…主排気管 128…排気管
129…筒状カバー 129a…断熱層

Claims (12)

  1. 加熱流体通路を流れる加熱流体と、前記加熱流体通路に配設される伝熱用二重管部材内を流れる第1及び第2被加熱流体との間で熱交換を行って蒸気を生成する蒸発装置であって、
    前記二重管部材は、前記第1被加熱流体を流す内管と、
    前記第2被加熱流体を流す外管と、
    を有するとともに、
    前記内管には、前記外管内に連通し、前記内管内の前記第1被加熱流体を加圧状態に保持し且つ前記第1被加熱流体を液相状態から気相状態に相変化させて前記外管内に噴出させ、前記外筒内の前記第2被加熱流体と混合させるための複数の細孔が形成されることを特徴とする蒸発装置。
  2. 請求項1記載の蒸発装置において、前記加熱流体の流れと前記第1及び第2被加熱流体の流れとは、対向流をなすことを特徴とする蒸発装置。
  3. 請求項1又は2記載の蒸発装置において、前記外管内を流れる前記第2被加熱流体は、気相状態であることを特徴とする蒸発装置。
  4. 請求項1記載の蒸発装置において、前記細孔は、前記第2被加熱流体の流れ方向に対して直交する方向に貫通形成されることを特徴とする蒸発装置。
  5. 請求項1乃至4のいずれか1項に記載の蒸発装置において、前記外管内の温度は、前記内管内の温度よりも高温である一方、
    前記外管内の圧力は、前記内管内の圧力よりも低圧であることを特徴とする蒸発装置。
  6. 請求項1乃至5のいずれか1項に記載の蒸発装置において、前記加熱流体通路を形成する外筒部材及び内筒部材を備え、
    前記外筒部材と前記内筒部材との間に、前記二重管部材が配設されることを特徴とする蒸発装置。
  7. 請求項6記載の蒸発装置において、前記二重管部材は、前記外筒部材と前記内筒部材との間で螺旋状に構成されることを特徴とする蒸発装置。
  8. 加熱流体通路を流れる加熱流体と、前記加熱流体通路に配設される二重管部材内を流れる第1及び第2被加熱流体との間で熱交換を行って蒸気を生成する蒸気生成方法であって、
    前記二重管部材を構成する内管に、前記第1被加熱流体を液相状態で加圧保持する一方、前記二重管部材を構成する外管に前記第2被加熱流体を流す工程と、
    前記第1被加熱流体を、前記内管に設けられた細孔から気相状態に相変化させて前記外管内に噴出させ、気相状態の前記第1被加熱流体と前記第2被加熱流体とを混合させて混合流体を生成する工程と、
    を有することを特徴とする蒸気生成方法。
  9. 請求項8記載の蒸気生成方法において、前記加熱流体の流れと前記第1及び第2被加熱流体の流れとは、対向流をなすことを特徴とする蒸気生成方法。
  10. 請求項8又は9記載の蒸気生成方法において、前記外管内を流れる前記第2被加熱流体は、気体状態であることを特徴とする蒸気生成方法。
  11. 請求項8記載の蒸気生成方法において、前記細孔は、前記第2被加熱流体の流れ方向に対して直交する方向に貫通することを特徴とする蒸気生成方法。
  12. 請求項8乃至11のいずれか1項に記載の蒸気生成方法において、前記外管内の温度は、前記内管内の温度よりも高温である一方、
    前記外管内の圧力は、前記内管内の圧力よりも低圧であることを特徴とする蒸気生成方法。
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