JP2007506060A - 改質装置式燃料電池システムのための燃料気化装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、特に改質装置式の燃料電池システムでの使用に適した、大きな熱応力を防ぎ、燃料充填を減少させることが可能な気化装置を提供する。本発明の気化装置は燃料／水セル（６８）を画定する交互になった燃料／水流路、及び高温ガス流路セル（６９）を含む構造を有する。本発明の気化装置は燃料／水流路セル（６８）に隣接した高温ガス流路構造（６９）の液体燃料／水の加熱される領域、及び燃料／水混合物が液相と気相の二相で存在する、燃料／水が気化される領域のみに、やり状かつオフセット状のフィン（１２０）を備え、燃料／水流路構造（６８）の気化された燃料／水混合物の過熱が起こる領域にフィン（１２０）を備えないことを特徴とする。

Description

本発明は気化装置、特に、高熱交換流体を、完全に過熱蒸気に気化される液体との熱伝達関係にもたらすタイプの気化装置に関する。

多様な種類の気化装置の用途が存在する。概略的に述べると、気化装置は液体を気体、または液体と気体の２つの相の混合状態に変換するか、または、液体と気体の２つの相の混合状態を完全に単一相の気体に変換する。いくつかの例において、気化装置は気体、または液体と気体の２つの相の混合状態を与えるために、固相を中間物としての液相に変換することを含んでもよい。

いくつかの気化装置において、気化される材料は例えば、電気式加熱要素、または加熱表面に衝突する放射線等の、非流体の媒体によって加熱される高温表面と接触させられる。しかしながら、他の多くの例においては、蒸発は気化される材料を熱伝導性の分離器の片側に配置し、高熱交換流体を分離プレートの反対側に配置することによって達成される。熱交換流体は化学反応によって生成された加熱気体であってもよいし、または反応や加熱要素等によって事前に加熱された液体または気体であってもよい。いくつかの例において、熱交換流体は比較的静的なものであってもよい。しかしながら、多くの場合においては、熱交換流体は乱流を誘発し、熱交換率を向上させるために移動させられることが望まれる。一般に、熱交換流体は熱伝導効率を最大にするために、気化される液体に対して逆流で移動させられることが望まれる。

後者のタイプの気化装置の１つの用途は燃料電池システムの特定のタイプで使用されるものである。周知のように、燃料電池システムは自動車の牽引力を与えるための、効果的で無公害の手段として注目を集めている。燃料電池システムには、燃料源として純粋な水素を使用するものと、水素を豊富に含む燃料流を使用するものとがある。後者の燃料電池タイプの多くは改質装置式燃料電池システムと呼ばれるものであり、それらには水素を豊富に含む燃料流が供給される。改質装置式燃料電池システムに供給された燃料は水素がより豊富な燃料流に改質された後、システムの燃料電池に供給される。燃料はメタノール、エタノール、ガソリン、及びそれらの類似物を含む。

このようなシステムにおいて、燃料はシステムの改質装置に供給される前に、水素が豊富な気体に改質するために気化されなければならない水素を含む液体である。改質装置式燃料電池システムでの使用に適した燃料気化装置の１つの例は２００２年５月１４日に出願され、本出願人に譲渡された特許文献１等に開示されており、その内容は本願にも参照として組み込まれる。

米国特許第６９５３００９号明細書

改質装置式燃料電池システムが自動車の用途に使用される場合、システムが負荷の変化に応答するために必要な時間を最小にするために、気化装置の燃料充填（または、燃料装荷）は可能な限り小さくされるべきであることが判っている。周知のように、内燃機関によって駆動される自動車の運転手は、例えば、他の自動車を追い抜くとき等に、彼らがアクセルを踏んだとき、または加速のために燃料を供給したときに、自動車の素早い応答を予期している。燃料電池システムによって駆動される自動車において、運転手が内燃機関の自動車のアクセルペダルに相当するペダルを踏んだときに、同様の応答が起こることが望まれる。しかしながら、燃料気化装置の燃料充填が大きいほど、運転手の要求に対する燃料電池システムの応答は緩慢なものとなってしまう。またその一方で、燃料はシステムの改質装置に供給される前に完全に気化されていなければならない。気化装置の効率を上げるための１つの方法はコアの長さ、すなわち、熱交換される燃料の流路及び加熱された流体媒体の流路を収納する熱交換器の部品の長さを増大させることである。しかしながら、この長さが増大すると、長さの増大に伴う容量の増大の結果として、気化装置中の燃料充填が増大するので、燃料電池システムの応答時間も増大してしまう。

この結果、このようなシステムで使用するための気化装置の改善した効率を達成するためには、気化装置内の熱伝導率を増大させるために比較的高い温度差を利用し、液体燃料の気化率を増大させることも考えられている。しかしながら、この構成は気化装置の熱疲労の影響を増大させてしまう。熱疲労は気化装置の寿命を減少させるので、特に、燃料電池システムが自動車等に利用される場合、システムの応答時間を増大させずに、熱疲労を排除するまたは最小にすることが望まれている。

本発明はこれらの目的を達成するためのものである。

本発明の主要な目的は燃料気化装置のコアのサイズを気化装置の効率を必要以上に減少させるようなところまで減少させることなく、改質装置式の燃料電池システムの応答時間を改善させることである。本発明のもう１つの主要な目的は上述の目的を達成するとともに、同時に、気化装置の熱応力を減少させ、それによって気化装置の寿命を改善することである。

本発明の例としての実施例は気化される燃料のための細長い燃料流路、及び、一方の端部に液体燃料入口及びもう一方の端部に気体燃料出口を有する両側の端部を有する、少なくとも１つの第１セルを備える、燃料電池システムで使用される液体燃料を蒸発させるための気化装置によって上述の目的を達成する。本発明の実施例はまた、前記第１セルと熱交換関係にあり、入口端及び反対側の出口端を備える細長い高温流体流路を有する、少なくとも１つ第２高温流体セルを含む。燃料と高温流体との間の逆流が達成されるように第２高温流体セルの入口端は気体燃料出口に隣接しており、出口端は液体燃料入口に隣接して配置される。燃料流路は高温流体流路に隣接しており、液体燃料入口に隣接して配置された液体燃料を加熱するための第１加熱領域、蒸発させられた燃料を過熱するための気体燃料出口に隣接した第２加熱領域、及び燃料が液相燃料から気相燃料に変化する、第１加熱領域と第２加熱領域との間の第３加熱領域に分割される。熱伝導増大要素は高温流体流路内で第１領域及び第３領域に隣接して配置される。気化装置はさらに、高温流体流路内の第２領域に隣接した部分に熱伝導増大要素を実質的に有さないことを特徴としている。

高温流体流路の第２領域に隣接した部分の熱伝導増大要素の欠如は、気化装置の内部が、第２領域内の燃料の過熱状態により、低温の流体、すなわち燃料によって実質的に冷却されてない高温流体の最高温度の影響を受ける領域の熱応力を最小にする。高温流体流路の第２領域に隣接した部分の熱伝導増大要素の欠如はまた、熱伝導効率の減少及び（または）圧力降下の増大を伴わずに気化装置を備えた燃料電池システムの応答時間を改善することを可能にするために、第１領域及び（または）第３領域に付加的な熱伝導増大要素を配置することによって気化装置のコアサイズが実質的に減少することができるようなところまで第１領域及び（または）第３領域の熱伝導効率を改善させることを可能にする。

本発明の１つの実施例において、第２セルは高温流体流路を画定する間隔の開けられた壁を有し、さらに、壁の間の分離を維持するために間隔の開けられた壁の間に拡張するスペーサーを有する。スペーサーは高温流体流路の第２領域に隣接した部分に配置される。

１つの実施例において、第１領域及び第３領域に隣接する熱伝導増大要素は攪拌器を備える。好まれるものとして、攪拌器は間隔の開けられた壁の両方に結合される。

１つの実施例において、攪拌器はフィンであり、好まれるものとして、やり状かつオフセット状のフィン等の、高効率フィンである。

より好まれる実施例において、蒸発器は第１セル及び第２セルの対応する入口及び出口を接続するヘッダーとともに交互になった様式で積み重ねられた複数の第１セル及び第２セルを含む。

これらの実施例において、セルは好まれるものとして互いに隣接し、両方の流路に共通な壁を画定する、それらの接合部の熱伝導性の分離シートを含む。

本発明はまた、各々が気化される液体のための内部流路、一方の端部に液体入口及びもう一方の端部に気体出口を有する両側の端部、及び前記端部の間に拡張する流体流のための内部迷路を有する複数の第１セルを含む汎用的な気化装置を提供する。気化装置はまた、各々が間隔の開けられた壁によって画定された高温流体のための内部流路、及び両端部を有する複数の第２セルを含む。高温流体流路の一方の端部には高温流体入口が配置され、高温流体流路のもう一方の端部には高温流体出口が配置される。

第１セル及び第２セルは、液体入口を有する第１セルの端部が高温流体出口を有する第２セルの端部に隣接する状態で交互になった様式で配置され、前記セルに隣接するセルと熱交換関係を有する。蒸気出口を有する第１セルの端部は逆流を達成するために高温流体入口を有する第２セルの端部に隣接する。各々のセルの高温流体流路にはセルの間に拡張し、セルの間隔の開けられた壁に結合する攪拌器が配置される。攪拌器は高温流体出口を有する対応する第２セルの端部に隣接するとことから拡張し、高温流体入口を有する端部の十分に手前で終端する長さを有し、それにより、高温流体流路は高温流体入口の付近の特定の長さの部分に攪拌器が欠如しているという特徴を有する。

１つの実施例において、迷路は互いに流体の伝達が可能な十字型のスロットまたは溝によって形成される。好まれるものとして、十字型のスロットまたは溝は第１セルが形成するプレートの少なくともいくつかに配置される。

本発明はさらに、燃料を蒸発させるための方法であって：（ａ）両側を有する熱伝導性の細長い壁を与えること；（ｂ）前記壁の一方の側に沿って概略延長方向に沿って高温流体を流すこと；及び、（ｃ）最初に液相である液体燃料を最初に前記壁に沿った第１領域で加熱し、次に前記壁の第２領域に沿って液相から気相に変換し、そして、気相を前記壁の第３領域に沿って過熱された状態の気相に過熱するために、前記壁のもう一方の側に沿って前記高温流体流と逆流関係で燃料流を流すことのステップを含む方法を提供する。本発明の方法はさらに、（ｄ）ステップ（ｂ）及び（ｃ）の実施の前に、前記壁の前記一方の側の前記第１領域及び第２領域の反対側にのみ熱伝導増大要素を備えることを含む。

好まれるものとして壁は金属シートから形成される。より好まれるものとして、熱伝導増大要素は前記シートに冶金学的に結合された金属フィンである。フィンはやり状かつオフセット状のフィン等の、高効率フィンであってもよい。

本発明の他の目的及び長所は付随する図面とともに以下の詳細な説明を参照することによって明白になるだろう。

本発明は改質装置式の燃料電池システムにおける使用との関連で以下に説明される。しかしながら、本発明の気化装置はこれらのシステムまたは燃料の気化に限定されるものではない。本発明の気化装置は気化される材料が過熱される気化装置の領域の熱応力を最小にするためのものであり、比較的高い温度差で動作しかつ気化される材料を過熱するいかなる気化装置に対して使用することもできる。すなわち、本発明は付随する請求の範囲によって規定されるものであり、以下に説明される燃料電池または燃料を気化することに限定されるものではない。

図１を参照すると、本発明に従った改質装置を使用する燃料電池システムの１つのタイプが図示されている。このシステムは自動車で使用することを目的としたものであるが、他の用途で使用されてもよい。

システムはライン１２にアノードガス入口流への供給を備えた燃料電池１０を含む。アノードガスは通常、水素、二酸化炭素、及び水蒸気であるだろう。

燃料電池はまた、燃料電池のカソード側に接続する入口ライン１４を含み、そこから酸素の豊富な流体が受容される。通常、この流体は空気である。

燃料電池はまた、周知なように、概略敵に数値１６で示されている冷却ループを含む。

カソード排気はライン１８から排出され、水タンクまたは水槽２０に導かれる。すなわち、燃料電池１０内の化学反応の生成物である水は、後に改質処理で再使用するために水タンク２０に供給される。

水タンク２０に加え、システムは、示されているシステムにおいて、メタノールを含む燃料タンク２４を含む。スタートアップ中、バッテリー電力によって、また、動作中、燃料電池１０によって発生する電気によって電気的に駆動されるポンプ２６は本発明に従って作製された燃料気化装置２８の共通の入口または別個の入口に水及びメタノールを所望の比率で計量しながら供給する。（ここでは好まれるものとして共通入口が説明されているが、本発明は別個の入口の使用も含む。）水／メタノールの混合物は気化され、ライン３０から改質装置及び触媒燃焼器３２の入口に排出される。改質装置及び触媒燃焼器３２は次に、改質物（水素、水、一酸化炭素、及び二酸化炭素）をライン３４からガス精製反応器３６に排出し、そして、ガス精製反応器においてガスの一酸化炭素の含有量は燃料電池１０の作用を損なわせることがないところまで減少させられる。ガス精製反応器３６は生成されたガスを入口ライン１２から燃料電池１０のアノードに排出する。

改質装置及び触媒燃焼器３２で生成されたテールガス（tail gas）と呼ばれる高温ガスは気化装置２８にてメタノール及び水を蒸発させるための加熱源として利用するためにライン３７から気化装置２８に排出される。

システムはまた排気ガスを排出するための排気ライン３８を含む。排気ガスは圧縮器／膨張器４４を介して膨張され、排気として排出される。システムはまた、高温ガスのための再循環ライン４６を含む。

動作中、燃料電池１０によって生成された電力はシステムによって駆動される負荷のための電力を与えるとともに、システム内でポンプ及びモーター等を駆動するためにも利用される。しかしながら、スタートアップのためにはバッテリー電力が使用されてもよい。自動車の推力のためのシステムの場合、負荷は通常、自動車の牽引システムに接続された電気モーターである。

図２を参照すると、本発明に従って作製された、好まれる形式の燃料気化装置２８が図示されている。図２の気化装置は一連のプレート、プレートの周囲のバー／フランジ、スペーサー、及びフィンから作製されるコア５０を含む。これらの部材は気化装置を通る燃料／水流路、及び加熱された熱交換媒体の流路を画定する。加熱された熱交換媒体は通常、テールガス等の高温ガスであるが、加熱された液体が加熱された熱交換媒体として利用されてもよい。燃料／水流路への液体燃料及び水の入口はヘッダー５４及び比較的小さい直径を有する管５６によって与えられる。同様のヘッダー５７は気化された燃料出口として利用される大きな直径の管５８を支持する。管５６と管５８のサイズの差は、管５６から入る燃料及び水の混合物が液体であり、出口管５８から出る蒸気の形態より比較的大きな密度を有するという事実によるものである。（通常、気化装置に入る液体の密度は気化装置から出る燃料及び水の蒸気の密度の２００倍程度である。）したがって、出口管５８における、大きな容量の流量による大きな圧力効果を避けるために、出口管５８は大きめの断面を有する。

コア５０は両端６０及び６２を有する。端部６０は加熱される媒体の入口端であり、入口ヘッダー６４を含む。高温ガス入口管６５はヘッダー６４まで拡張する。端部６２は加熱された媒体の出口端であり、出口ヘッダー６６を含む。高温ガス出口管６７は出口ヘッダー６６から拡張する。ヘッダー６４は改質装置及び触媒燃焼器３２（図１）から高温テールガスを受容するために接続され、複数の経路の形式である燃料／水流路と熱交換関係にある高温ガス流体流路を介して高温テールガスを伝達する。

コア５０は交互になった燃料／水流路構造６８及び高温ガス流路構造６９を画定する、上述した部材のスタック（または、積み重ね）である。ここで、高温ガスのための入口及び出口ヘッダー６４，６６は選択的に、頂点部の円形の開口、及びコア５０内の高温ガス流体流路と流体の伝達が可能な反対側の開いたベース部を有するピラミッド型の筐体または外装（図示せず）であってもよいことは理解されなければならない。

図３を参照すると、構造６８を画定するメタノール／水流路を構成する典型的な燃料側下位組立品、及び構造６９を画定する高温ガス流路を構成する典型的な高温ガス側下位組立品が分解図で示されている。燃料側下位組立は互いに重なり合った２つのプレート７０，７２を含む。プレート７０は上流端７４及び下流端７６を含む。

プレート７０は端部７４及び７６の間に特定の角度で配置された複数の細長いスロット７８を含む。端部７４の付近には、説明のために概略的に数字８２に示されている、迷路の部分８０を画定する一連のスロットが配置されている。反対側の端部７６の付近には拡張開口８４が配置されている。さらに、端部７４，７６の外側には付加的な拡張開口８６，８８が配置されている。プレート７０はまた、それの周囲全体の中実部分または境界９０、並びに、拡張開口８６を迷路８２から分離する中実部分９２、及び拡張開口８８を拡張開口８４から分離する中実部分９４を含む。

プレート７２もまた、特定の角度で配置された細長いスロット９６、迷路８２の一部を画定する一連のスロット９８、拡張開口１００、及び拡張開口１００及び迷路８２によって画定されるプレート７２の端部の外側に配置された付加的な拡張開口１０２，１０４を含む。プレート７２はまた、中実境界９０、及び中実部分９２及び９４を含む。これらの配置は、プレート７０及び７２がそれらの境界９０及び中実部分９２，９４で互いに重ね合わせられ、互いに接触した状態で整列されることができるように構成されている。これによって、これらの配置は拡張開口８８を拡張開口１０４と整列させ、拡張開口８６を拡張開口１０２と整列させる。さらに、特定の角度で配置されたスロット７８，９６は互いに十字型を形成するだろう。また、スロット８０，９８が迷路を構成するとともに、他の拡張開口８４，１００もまた互いに整列する。他の実施例においては、（十字型のスロットではなく）十字型の溝をプレート７０及び７２の中間面に形成するために、スロットが排除されてもよい。

図３はまた、他の２つの分離プレート１０６，１０８を図示している。プレート１０６は下方に曲げられた周囲のフランジ１１０を含み、分離プレート１０８は上方に曲げられた周囲のフランジ１１２を含む。周囲のフランジ１１２はフランジ１１０に隣接し、例えば、鑞付け等の適当な結合手段によってフランジ１１０に封止されるように構成される。しかしながら、所望であれば、溶接やハンダ付け等の、他の冶金学な流体に対して気密性の結合が使用されてもよい。

プレート１０６及び１０８はまた、それらの両端に拡張開口１１４及び１１６を含む。拡張開口１１４及び１１６はそれぞれ、拡張開口８６，１０２及び８８，１０４と整列する。分離プレート１０６のフランジ１１０の方向に対して反対側の境界１１８は上述したような適当な冶金学的結合によってプレート７２の境界９０に結合及び封止され、分離プレート１０８の境界（図示せず）はスタックの次の下側に配置されたプレート７０（図示せず）の境界９０に結合及び封止される。

分離プレート１０６及び１０８の結合するフランジ１１０，１１２の存在は、開口１１４，１１６の間に高温ガスまたは加熱された流体媒体の流路として利用される空間が拡張することを可能にする。優れた熱交換を促進するために、開口１１４，１１６の間には攪拌器またはフィン１２０が配置される。フィン１２０は高効率フィンであり、好まれるものとして図４に示されているような、典型的なやり状かつオフセット状のフィンである。フィンは１つまたは複数の区分から形成され、それらの区分はその間に小さい空間を含んでもよいし、含まなくてもよい。

本発明に従うと、フィン１２０は高温媒体が開口１１４，１１６の間の高温媒体流路を通過するときに、高温媒体に対する熱伝導増大要素として利用される。この点において、図２及び３の比較から明らかなように、開口１１６は高温流体流路の入口端を画定し、開口１１４は出口端を画定する。図３から明らかなように、フィン１２０は開口１１４及び１１６の間の流路の全長にわたって拡張するものではない。より正確に言うと、フィンは開口１１４に隣接して配置され、通常、開口１１４から開口１１６に向かって概略半分位の長さまで拡張する。

上述したように、また、図２及び３に示されているように、気化装置の内部では３つの事象が起こる。第１に、液体燃料及び水が入口管５６を通り、開口１２８を介して迷路を構成している各セルの燃料流路に供給される。通常、燃料は燃料及び水の混合物の沸点以下であり、その後に、迷路８２内でほぼ完全に沸点まで加熱される。この領域は図２の「液体加熱領域」及び図３の「液体」によってそれぞれ、図２及び３に示されている。

液体が液体加熱領域を出ると、それは蒸発が起こる領域に入り、そこで、燃料／水の混合物は液相及び気相の２つの相で存在する。燃料／水混合物の液相の比率は燃料及び水の混合物が開口８４，１００及びそれに接続された出口マニホールド５８の方向に進むにしたがって次第に減少していき、コアの全長の概略半分位のところで燃料／水混合物の全てが気化する。燃料／水混合物が気化装置を通ってさらに進むと、それらはさらに加熱され、図２及び３でそれぞれ「過熱領域」及び「過熱」と示されている第３領域において実質的な過熱が与えられる。

本発明に従うと、フィン１２０は過熱領域の開始点を超えて拡張することはない。すなわち、高温流体流路の熱伝導増大要素は燃料／水混合物流路の、液体加熱領域及び二相領域に隣接した領域のみに存在する。好まれるものとして、燃料／水混合物の過熱が熱伝導増大要素を含む領域で起こらないことを確実にするために、熱伝導増大要素は二相領域の終端部の前で終端する。

燃料／水流路の過熱領域に隣接した領域において、分離プレート１０６，１０８の分離を維持するためにスペーサーが利用される。図示された実施例において、図３に示されているように、プレート１０６は下方に向いたくぼみ１２２を有し、プレート１０８は上方に向いたくぼみ１２４を有する。くぼみ１２２及び１２４は過熱領域において分離プレート１０６，１０８の間の所望の間隔を維持するために互いに接触し、冶金学的に結合される。一方、液体領域及び二相領域の所望の間隔はやり状かつオフセット状のフィン１２０によって維持される。

ここで、くぼみ１２２及び１２４以外の形式のスペーサーが使用されてもよいことは理解されなければならない。例えば、やり状かつオフセット状のフィン１２０より実質的に低い密度のフィンを有する方形波フィン等の、非効率なフィンが使用されてもよい。

ここで、くぼみまたは低い密度のフィンのスペーサーとしての利用が過熱領域内の熱伝導をいくらか増大させることは当業者にとって明白であるだろう。しかしながら、後の説明から明らかな理由により、この領域の望まれない高い熱応力を避けることが望まれる。したがって、これらのスペーサーは構造上の保全性の目的のみで使用されるものであり、熱伝導の増大を与えるためのものではない。すなわち、プレート１０６，１０８の間の高温流体流路の過熱領域は熱伝導増大要素の実質的な欠如によって特徴付けられる。（ただし、実際には、この領域の熱伝導はスペーサーの存在によっていくらか増大される。）この点において、高温流体と燃料の間の熱伝導の全体的な抵抗は、高温流体のかさ（または、容積）と、高温流体と燃料を分離している壁との間の第１対流抵抗Ｒ₁、第１対流抵抗Ｒ₁に直列に接続した、壁の厚さ全体に対する第２伝導抵抗Ｒ₂、第２伝導抵抗Ｒ₂に直列に接続した、壁と燃料のかさ（または、容積）との間の第３対流抵抗Ｒ₃、及び全抵抗Ｒ_Tを構成するこれら３つの抵抗の合計として数学的に表される。通常、第２抵抗Ｒ₂の大きさは第１及び第３抵抗Ｒ₁及びＲ₃に比べて無視できる程度であり、それゆえ、高温流体と燃料の間の熱伝導の全抵抗Ｒ_Tは、高温流体と燃料を分離している壁の厚さ全体に対する無視できる程度の温度勾配とともに、第１及び第３抵抗Ｒ₁及びＲ₃の合計（Ｒ_T＝Ｒ₁＋Ｒ₃）として表される。そして、高温流体と燃料を分離している壁の温度は第１対流抵抗Ｒ₁の全抵抗Ｒ_Tに対する代数的な比として決定される。

この比（Ｒ₁／Ｒ_T）は高温流体のかさの温度と壁の温度の間の差の、高温流体のかさの温度と燃料のかさの温度との差に対する代数的な比と同じである。第２領域において、この比（Ｒ₁／Ｒ_T）は、この領域の燃料側に存在する流体沸騰熱伝導機構に本質的な非常に低い熱抵抗の理由によりほぼ１である。気化装置の第２領域に隣接した高温流体流路のこの領域における熱伝導増大要素の「実質的な欠如」は定量化することができ、そこにおいて、それは気化装置の第２領域のこの比（Ｒ₁／Ｒ_T）₂と第３領域のこの比（Ｒ₁／Ｒ_T）₃との間の差を減少させる。好まれるものとして、第２領域から第３領域へのこの比の減少の量は０.５未満（（Ｒ₁／Ｒ_T）₂−（Ｒ₁／Ｒ_T）₃＜０.５）であり、より好まれるものとして、０.２５未満である（（Ｒ₁／Ｒ_T）₂−（Ｒ₁／Ｒ_T）₃＜０.２５）。すなわち、本発明における「実質的な欠如」はプレート１０６，１０８の間の間隔を維持するために必要なスペーサーに対する分を除いて、いかなる構成及び表面処理も存在しないことを意味する。したがって、スペーサーはスペーサーとして利用されるという主要な目的を有し、等式（（Ｒ₁／Ｒ_T）₂−（Ｒ₁／Ｒ_T）₃＜０.５）が満足されるように、熱伝導増大要素を許可するためのものではない。

図５は２つの燃料気化装置、すなわち本発明に従って作製された気化装置（実線）、及び液体領域及び二相領域のみではなく、過熱領域も含めた気化装置全体にわたって拡張するフィン１２０を備える気化装置（点線）の予想される特性を示している、コンピューターによって作成されたグラフである。各気化装置に対し、燃料／水入口から燃料／水出口に向かう距離（ミリメートル）に対する温度（℃）がプロットされている。ラベル「高温流体」はプレート１０６，１０８の間を流れる高温流体の温度のプロットを示しており、「１０６，１０８」は流路に沿った多様な位置におけるプレート１０６，１０８自体の温度のプロットを示している。そして、ラベル「燃料／水」は燃料／水入口からの多様な距離における燃料／水混合物の温度を示している。図５から明らかなように、本発明に従って作製された気化装置に対する実線は、本発明の気化装置のプレート１０６，１０８が従来技術の気化装置（すなわち、全体にわたって拡張するフィンを備えた気化装置）のプレート１０６，１０８に比べかなり低い温度であることを示している。同時に、両方の気化装置に対し、２００ミリメートルの位置において、燃料／水の温度はほぼ同じであり、本発明に従って作製された気化装置の熱伝導効率がやや優れていることが示されている。

興味深いことに、本発明に従って作製された気化装置における燃料／水混合物の加熱が沸点に達する点（図５のＡ）は従来技術の気化装置に対する対応する点（図５のＢ）に比べ気化装置の入口に近いところに存在する。同様に、本発明に従って作製された気化装置における燃料／水混合物の過熱の点Ｃは、従来技術の気化装置における過熱の点Ｄに比べ気化装置の入口に大幅に近いところに存在する。

両方の気化装置の燃料流路の容量が同じであることを考慮すると、これらの差異は重要であることが判る。すなわち、本発明に従って作製された気化装置において、燃料が液相で存在する流路の長さは、従来技術の気化装置に比べ短い。液相の燃料は二相または気相の燃料に比べ非常に密度が高いので、本発明に従って作製された気化装置の燃料／水充填（または、燃料／水装荷）が、従来技術の気化装置に比べて少ないことは明らかであるだろう。次に、点Ａ及びＢをもう一度比較すると、本発明のこの長所は、本発明に従って作製された気化装置において過熱が従来技術の気化装置に比べ入口に近いところで起こるという事実によって強調される。本発明に従って作製された気化装置における燃料充填（または、燃料装荷）は従来技術の気化装置に比べ２５−３０％小さく、それによって燃料電池システムの応答時間が改善される。

このタイプの気化装置において、気化装置を通して高温流体媒体を駆動するために利用可能な圧力はシステムのコスト、サイズ、及び重量制限によって制限されるので、気化装置の設計に対する１つの制約は容認可能な高温流体媒体の圧力降下である。ここで、上述の説明により、本発明の気化装置の過熱領域が最適化された高温流体フィンを必要としないことは明らかであるだろう。これは、特に液体加熱領域において、極度に最適化されたフィンが要求されることと対照的である。プレート１０６，１０８の燃料側には実質的に表面増強（熱伝導増大要素）が存在しないので、プレート１０６，１０８の燃料蒸気が接している側の対流熱伝導に対する抵抗は高温流体媒体が接している表面の熱伝導に対する抵抗に比べて非常に大きい。これは、高温流体側の高い熱伝導率が分離プレート１０６，１０８の燃料側の表面増強の不足を補い、かつそれ以上の作用を及ぼす、液体領域及び二相領域の状態に対して対照的である。燃料が完全に気体状態に達した後に、燃料が分離プレート１０６，１０８から熱を十分に吸収することに対する能力の不足は高温流体媒体入口端における大きな熱応力を生じていると考えられる。フィンの排除は分離プレート１０６，１０８の温度を高温流体媒体の温度よりも（比較的温度の低い）燃料／水蒸気の温度に近い値に維持するので、この最も非効率な領域からフィン１２０を排除することにより、この領域で発生する大きな熱応力が大幅に減少される。

結果として生ずる、熱伝導に対する増大した抵抗は、図５の点Ｃ及びＤによって示されているように、燃料／水蒸気を所望の温度まで上昇させるために必要な過熱の領域の長さの増大をもたらす。しかしながら、フィン１２０を通る流れの長さの減少は高温ガス媒体の圧力降下の減少の結果となり、それは（液体領域及び二相領域の熱伝導増大部の密度の増大を可能にし）液体領域及び二相領域の熱伝導の増大を可能にする。すなわち、図５は、液体領域及び二相領域を十分に短くし、それによって気化装置の全長を一定に保つことが可能であることを示している。したがって、燃料の過熱が起こる領域に隣接した高温流体媒体流路の領域からフィンを除去した、本発明に従って作製された気化装置は気化装置のサイズ、効率、または圧力降下を変更することなく、燃料充填を減少させること、及び熱応力を減少させることの２つの長所を有する。

すなわち、本発明に従って作製された気化装置は上述した本発明の目的を達成する。

本発明に従って作製された燃料気化装置を使用する改質装置式の燃料電池システムのブロック図である。 本発明の気化装置の１つの実施例の斜視図である。 燃料流路及び高温流体媒体流路を画定する部材の分解図である。 高温流体流路で使用される熱伝導増大要素の好まれる形式の部分的な斜視図である。 従来技術に従って作製された燃料気化装置と本発明に従って作製された燃料気化装置の予想される特性を比較しているグラフである。

符号の説明

１０ 燃料電池
２０ 水タンク
２４ 燃料タンク
２６ ポンプ
２８ 気化装置
３２ 改質装置及び触媒燃焼器
３６ ガス精製反応器
４４ 圧縮器／膨張器
５０ 気化装置のコア
５４ ヘッダー
５６ 入口管
５７ ヘッダー
５８ 出口管
６０，６２ 端部
６４ ヘッダー
６５ 高温ガス入口管
６６ ヘッダー
６７ 高温ガス出口管
６８ 燃料／水流路セル
６９ 高温ガス流路セル
７０，７２ プレート
７４ 上流端
７６ 下流端
７８，８０ スロット
８２ 迷路
８４−８８ 拡張開口
９０ 中実境界
９２，９４ 中実部分
９６，９８ スロット
１００−１０４ 拡張開口
１０６，１０８ プレート
１１０，１１２ 周囲のフランジ
１１４，１１６ 拡張開口
１１８ 境界
１２０ フィン
１２８ 開口

Claims (19)

1. 各々が気化される液体のための内部流路、一方の端部に液体入口及びもう一方の端部に気体出口を有する両側の端部、及び前記端部の間に拡張する流体流のための内部迷路を有する複数の第１セル；
   各々が間隔の開けられた壁によって画定された高温流体のための内部流路、及び一方の端部に高温流体入口及びもう一方の端部に高温流体出口を有する両側の端部を有する複数の第２セル；
   前記第１及び第２セルは気化装置内で前記気化される液体と前記高温流体との逆流を与えるために、前記液体入口を有する前記第１セルの端部が前記第２セルの前記高温流体出口を有する端部に隣接し、前記蒸気出口を有する前記第１セルの端部が前記第２セルの前記高温流体入口を有する端部に隣接した状態で、交互になった様式で積み重ねられ、前記セルに隣接するセルと熱交換関係にあり；及び、
   前記第２セルの各々の間隔の開けられた壁の間に拡張し、該壁に結合する前記高温流体流路に配置された攪拌器であって、前記攪拌器は前記高温流体出口を有する対応する前記第２セルの端部に隣接するところから拡張し、前記高温流体入口を有する端部の十分に手前で終端する長さを有し、それにより、前記高温流体流路が前記高温流体入口の付近の特定の長さの部分で攪拌器が欠如していることを特徴とする攪拌器を備える気化装置。
2. 前記第１セル及び第２セルの壁がプレートによって形成されている、請求項１に記載の気化装置。
3. 前記迷路が互いに流体の伝達が可能な十字型のスロットまたは溝によって形成されている、請求項２に記載の気化装置。
4. 前記十字型のスロットまたは溝が前記第１セルを形成する前記プレートの少なくともいくつかに配置されている、請求項３に記載の気化装置。
5. 前記第２セルの壁の、前記高温流体入口の付近の前記特定の長さの部分の間に配置され、前記第２セルの各々の壁を間隔の開けられた関係に維持するスペーサーをさらに含む、請求項１に記載の気化装置。
6. 前記スペーサーが前記高温流体入口の付近の前記特定の長さの部分に熱伝導増大要素の実質的な欠如を可能にする、請求項５に記載の気化装置。
7. 燃料電池システムに使用するための液体燃料を蒸発させるための気化装置であって：
   気化される燃料のための細長い燃料流路、及び一方の端部に液体燃料入口を備え、もう一方の端部に気体燃料出口を備える両側の端部を有する少なくとも１つの第１セル；
   前記第１セルと熱交換関係にある少なくとも１つの第２セルであって、入口端及び出口端を備えた細長い高温流体流路を有し、燃料と高温流体との間に逆流が達成されるように前記入口端が前記気体燃料出口に隣接して配置され、前記出口端が前記液体燃料入口に隣接して配置されている第２セル；
   前記燃料流路は前記高温流体流路に隣接しており、前記液体入口に隣接して配置され液体燃料を加熱するための第１加熱領域、前記気体燃料出口に隣接して配置され気化された燃料を過熱するための第２加熱領域、及び前記第１領域と第２領域との間に配置され燃料が液相燃料から気相燃料に変化する第３領域に分割され；及び、
   前記高温流体流路内の前記第１領域及び第３領域に隣接して配置された熱伝導増大要素を備え、
   前記高温流体流路の前記第２領域の部分に熱伝導増大要素が実質的に欠如している気化装置。
8. 前記第２セルが前記高温流体流路を画定する間隔の開けられた壁を有し、さらに前記間隔の開けられた壁の間の間隔を維持するために前記間隔の開けられた壁の間に拡張し、前記第２領域に隣接する前記高温流体流路の部分に配置されたスペーサーを含む、請求項７に記載の気化装置。
9. 前記第１領域及び第３領域に隣接した前記熱伝導増大要素が攪拌器を備える、請求項８に記載の気化装置。
10. 前記攪拌器が前記間隔の開けられた壁に結合されている、請求項９に記載の気化装置。
11. 前記攪拌器がフィンである、請求項１０に記載の気化装置。
12. 前記フィンがやり状かつオフセット状のフィンである、請求項１１に記載の気化装置。
13. スタック状に交互になった様式で配置された複数の前記第１セル及び第２セル、及び前記スタックの前記第１セル及び第２セルの対応する入口及び出口を接続するヘッダーをさらに備える、請求項７に記載の気化装置。
14. 前記セルが互いに隣接し、両方の流路に共通な壁を画定する接続部に熱伝導性のシートを含む、請求項７に記載の気化装置。
15. 高温流体と、隣接する燃料流路と高温流体流路との間の構造物との間の第１対流抵抗Ｒ₁、前記構造物と燃料との間の第３対流抵抗Ｒ₃、Ｒ₁＋Ｒ₃に等しい全対流抵抗Ｒ_T、前記第３領域の第３対流抵抗比（Ｒ₁／Ｒ_T）₃、及び前記第２領域の第２対流抵抗比（Ｒ₁／Ｒ_T）₂を有し、前記第２対流抵抗比と第３対流抵抗比との間の差が０.２５未満である、請求項７に記載の気化装置。
16. 燃料を蒸発させるための方法であって：
    （ａ）両側を有する熱伝導性の細長い壁を与えること；
    （ｂ）前記壁の一方の側に沿って前記壁の概略延長方向に沿って高温流体を流すこと；
    （ｃ）最初に液相である液体燃料を最初に前記壁に沿った第１領域で加熱し、次に前記壁の第２領域に沿って液相から気相に変換し、そして、気相を前記壁の第３領域に沿って過熱された状態の気相に過熱するために、前記壁のもう一方の側に沿って前記高温流体流と逆流関係で燃料流を流すことのステップを含み、さらに、
    （ｄ）ステップ（ｂ）及び（ｃ）の実施の前に、前記壁の前記第３領域の前記一方の側に熱伝導増大要素が実質的に欠如するように、前記壁の前記一方の側の前記第１領域及び第２領域の反対側にのみ熱伝導増大要素を備えることを含む方法。
17. 前記壁が金属シートから形成される、請求項１６に記載の方法。
18. 前記熱伝導増大要素が前記シートに冶金学的に結合された金属フィンである、請求項１７に記載の方法。
19. 前記フィンがやり状かつオフセット状のフィン等の、高効率フィンである、請求項１８に記載の方法。
    
    

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