JP2011156485A - 気化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】導入する液体の気化時における突沸発生を防止する気化装置を提供する。
【解決手段】水は、予熱層６内においてヒータ９からの加熱により昇温するが、容器２内面と予熱層６側面の間に空隙６ｃが存在するため、ヒータ９から直接ではなく、熱伝導率の比較的小さい原料ガスを介して間接的な加熱される。このため、予熱層６内で、水は７０−１００℃程度の昇温に止まり沸騰することがなく、開口部４ｃ近傍での突沸も発生しない。予熱層６を出て気化促進層７に導かれる水と原料ガスは、気化促進層７においてヒータにより１００℃以上に加熱される。これにより気化促進層７内で水は気化して水蒸気となり、原料ガスと混合しながら下方の混合促進層８に導かれる。混合促進層８は外側のヒータ９により加熱されて高温になっており、水蒸気と原料ガスとは、より加熱され、さらに混合が促進される。
【選択図】図１

Description

本発明は気化装置に係り、特に、装置に導入する液体の気化時における突沸発生を防止する気化装置に関する。

従来、例えば燃料電池技術分野では、原料ガスの水蒸気改質用として供給する水を水蒸気にするために気化装置が用いられている。他の分野においても、液体原料を気化して目的用途に供するために気化装置が広く用いられている。この場合、気化工程における突沸による圧力変動が問題となるため、突沸防止に関する技術が種々提案されている。このうち、特許文献１の気化装置１００は、図６に示すように円筒形状の容器１０１内に、気化部１０２の充填材として通気抵抗が低く、かつ、熱伝導性の高い、例えば扁平な連続テープ状の金属体をコイル状に構成した線状体１０２ａを用いている。そして、容器上端の導入口１０３から液体原料とキャリアガスを導入部１０４に導入して気化部１０２を通し、外側からヒータ１０７で加熱して液体原料を気化させ、導出部１０５から外部に吐出させている。

特開２００１−２３９１５１号公報

上記文献１の技術によれば、充填材として線状体を用いることにより沸騰が抑制され、安定供給可能としている。しかしながら後述するように、導入する液体の量によっては、上記技術を採用したとしても導出部１０５近傍で突沸が生じる場合があり、脈動発生を回避できないという問題がある。

本発明は、上記課題を解決するためのものであって、供給流量に関わらず装置内で突沸を生じさせることなく、安定供給を可能とする気化装置を提供するものである。
本発明は、以下の内容を要旨とする。すなわち、本発明に係る気化装置は、
（１）液体原料を含む原料を加熱して、液体原料を気化させる気化装置であって、筒形状の容器内中央に多孔質充填体から成るガス生成部と、容器の一端側に原料導入部と、他端側に生成ガス導出部と、容器外側に加熱部と、を備えて成り、該ガス生成部は、予熱層と、予熱層の下流側に加熱気化層と、を備え、該予熱層は、上流側端部が容器内面から離隔した錐体状に構成され、て成ることを特徴とする。

予熱層が錐体状に構成されているため、下流側端部から上流側端部に向かい漸次的な温度分布が形成され、これにより急激な温度上昇もないため、突沸の発生を防止することができる。
なお、本発明において「錐体状」とは、必ずしも断面形状が直線状である必要はなく、下流側端部から上流側端部に向かって徐々に容器内側面から離れる構成であれば足りる。
本発明において、「多孔質充填体」材料としては、容器に充填したときに通過抵抗の少ない材質を用いることが望ましい。例えば、金属の線状体や、金属繊維、金属フェルト、多孔質セラミックス等を用いることができる
また、本発明の気化装置に供給する「原料」としては、単一液体材料、複数の液体材料、気化すべき液体材料及びこれと混合する気体材料、等、種々の組み合わせがあり得る。

（２）上記各発明において、前記加熱部は、前記予熱層を加熱する第一加熱部と、前記加熱気化層を加熱する第二加熱部と、を備えて成り、該第一加熱部と該第二加熱部とは、それぞれ独立に加熱制御可能に構成したことを特徴とする。
（３）上記各発明において、前記液体原料を、前記予熱層内部に導入可能に構成したことを特徴とする
（４）上記各発明において、前記加熱気化層は、気化促進層と、気化促進層の下流側の混合促進層と、を備えて成ることを特徴とする。
（５）上記発明において、前記予熱層及び前記気化促進層の材料として、多孔質金属フェルトを用いたことを特徴とする。

本発明によれば、液体原料が吐出される予熱層は、常に気化温度以下に維持されるため、流量に関わらず突沸が生ずることがなく、気化ガスの安定供給が可能となる。
また、予熱層とこれ以外の層の加熱部を独立して設けた発明にあっては、予熱層部分の温度を個別に制御できるため、さらに突沸防止制御が容易となるという効果がある。

第一の実施形態に係る気化装置１の構成を示す図である。 第二の実施形態に係る気化装置２０の構成を示す図である。 第三の実施形態に係る気化装置３０の構成を示す図である。 実施例の試験装置の概要を示す図である。 本発明による気化装置を用いたときの電池電圧等の時間推移を示す図である。 従来技術による気化装置を用いたときの電池電圧等の時間推移を示す図である。 従来の気化装置１００の構成を示す図である。

以下、本発明に係る気化装置の実施形態について、図１〜３を参照してさらに詳細に説明する。重複説明を回避するため、各図において同一構成には同一符号を用いて示している。なお、本発明の範囲は特許請求の範囲記載のものであって、以下の実施形態に限定されないことはいうまでもない。
＜第一の実施形態＞

図１を参照して、第一の実施形態に係る気化装置１は、円筒形状の容器２内部中央に混合ガス生成部３と、混合ガス生成部３の上側に原料導入部４と、下側に混合ガス導出部５と、容器２の外周にヒータ９と、を備えている。混合ガス生成部３は、上段の予熱層６と、中段の気化促進層７と、下段の混合促進層８と、の３層構造に構成されている。
予熱層６及び気化促進層７の充填材としては、多孔質メタルファイバーの一種である高熱伝導性のＮｉフェルト材料が用いられている。また、混合促進層８の充填材料としては、小径（２−３ｍｍφ）のアルミナボールが用いられている。
予熱層６及び気化促進層７は、一体のＮｉフェルト材料をロール状に巻き、上流側端部をワイヤー等で結束して狭めて構成されている。これにより、予熱層６の上流側端部６ａが下流側端部６ｂより径の小さな円錐体形状に形成され、容器２の内面と予熱層６表面の間には隙間６ｃが形成されている。気化促進層７表面及び予熱層６下流側端部６ｂは、容器内面に密着している。

原料導入部４の上流側端部には、気化対象である水を導入する水導入口４ａと、原料ガス（ＣＨ４を主成分とする都市ガス）を容器内に導入する原料ガス導入口４ｂと、が設けられている。また、混合ガス導出部５の下流側端部には、混合ガスの導出口５ａが設けられている。
水導入口４ａの先端開口部４ｃは、供給水が予熱層６内中央近傍に吐出されるように、予熱層６の中心軸に沿って内部に挿入されている。
容器２の外側には、加熱源であるバンドヒータ９が巻かれている。ヒータ９は不図示の制御部に接続しており、ＰＩＤ制御により混合ガス生成部３を後述する温度に制御可能に構成されている。

気化装置１は以上のように構成されており、次に気化装置１における水の気化工程及び水蒸気混合ガスの生成工程について説明する。
供給水は水導入口４ａを介して予熱層６の内部中央に導入され、多孔質Ｎｉフェルトの毛管作用と重力作用により、外表面に向かって拡散しつつ気化促進層７に降下していく。一方、原料ガスは導入口４ｂを介して原料導入部４空間に導入され、予熱層６内に拡散していき、水との混合が行われる。

水は、予熱層６内においてヒータ９からの加熱により昇温するが、容器２内面と予熱層６側面の間に空隙６ｃが存在するため、ヒータ９から直接ではなく、熱伝導率の比較的小さい原料ガス、または気化促進層７のＮｉフェルトを介して間接的に加熱される。このため、予熱層６内で、水は７０−１００℃程度の昇温に止まり沸騰することがなく、開口部４ｃ近傍での突沸も発生しない。
予熱層６を出て気化促進層７に導かれる水と原料ガスは、気化促進層７においてヒータにより１００℃以上に加熱される。これにより気化促進層７内で水は気化して水蒸気となり、原料ガスと混合しながら下方の混合促進層８に導かれる。
混合促進層８は外側のヒータ９により加熱されて高温になっており、水蒸気と原料ガスは、さらに加熱・混合が促進される。
十分加熱された混合ガスは導出部５に集められ、さらに導出口５を出て改質装置（図示せず）に供給される。

＜第二の実施形態＞
次に、本発明の他の実施形態について説明する。図２を参照して、本実施形態に係る気化装置２０が、上述の実施形態に係る気化装置１と異なる点は、加熱部の構成である。すなわち、気化装置２０の加熱部２１は、予熱層６を加熱するヒータ２１ａと、気化促進層７及び混合促進層８を加熱するヒータ２１ｂと、を別個に備えている。また、各ヒータには、温度センサ２２ａ，２２ｂが配設されている。制御部２２は、温度センサ２２ａ，２２ｂの検出温度に基づいて、ヒータ２１ａとヒータ２１ｂに対して、それぞれ独立の温度制御を行うように構成されている。その他の構成については気化装置１と同様であるので、重複説明を省略する。

次に、気化装置２０における水の気化及び原料ガスとの混合に関しては、上述の気化装置１の挙動と同一であるが、制御部２２において以下の温度制御が行われる点が異なる。すなわち、各層温度が上述の実施形態で示した温度範囲となるように、ヒータ２１ａとヒータ２１ｂをそれぞれ独立にＰＩＤ制御する。このように、本実施形態では、予熱層部分を個別に温度制御できるため、予熱層内温度を常に所定の閾値（例えば９０℃）以下となるように管理することができ、突沸防止制御がさらに容易となる。

＜第三の実施形態＞
さらに、本発明の他の実施形態について説明する。図３を参照して、本実施形態に係る気化装置３０が、上述の実施形態に係る気化装置２０と異なる点は、気化促進層と混合促進層とが一体の加熱気化層３１として構成されていることである。加熱気化層３１の充填材としては、Ｎｉフェルト材料が用いられている。また、ヒータ２１ａに配設される温度センサ３２を用いて制御するように構成されている。その他の構成については、加熱部、制御部の構成を含め、気化装置２０と同様であるので重複説明を省略する。
次に、予熱層６における温度制御については、温度センサ２２ａの検出値に基づいて、予熱層内温度を個別に温度制御する点については、気化装置２０と同様である。さらに、加熱気化層３１における水の気化工程及び原料ガスとの混合工程に関しても、上述の実施形態の気化促進層及び混合促進層における工程と同様であるので重複説明を省略する。
なお、本実施形態では原料導入部４に液体原料と原料ガスとを導入する例を示したが、気化対象の液体のみを導入する形態とすることもできる。

本発明の効果を確認するため、本発明による気化装置を用いて混合ガスを生成し、改質装置で水素を主成分とするガスに改質した後、ＳＯＦＣ燃料電池スタックに供給して発電性能を評価した。比較のため、従来技術（文献１）の気化装置を用いた評価も併せて行った。
図４に試験装置の概要を示す。また、各部寸法と水及び原料ガス（都市ガス）の供給量を表１に示す。

（測定結果）
図５、６に、それぞれ本発明又は従来技術の気化装置を用いたときの、（ａ）気化装置導入部圧力、（ｂ）スタック電圧、（ｃ）電池排気温度の経時変化を示す。
図５を参照して、本発明の気化装置ではスタック電圧の最大変動幅（ΔＶ）＝６ｍＶ（１４Ｖ中）、導入部圧力の最大変動幅（ΔＰ）＝0.022ｋＰａであり、３日間の連続運転を続けても脈動は発生せず、安定して水蒸気混合ガスの供給が可能であった。
これに対して従来気化装置を用いたときは、図６を参照して、スタック電圧の最大変動幅（ΔＶ）＝22.13ｍＶ（１４Ｖ中）、導入部圧力の最大変動幅（ΔＰ）＝5.33ｋＰａであり、1時間の運転中に脈動が発生していることを示している。
以上の結果から、本発明による気化装置の供給安定性の高さが実証された。

本発明は、燃料電池用の気化装置としてのみならず、例えば灯油ストーブの気化装置や、半導体製造装置に用いるガスの気化装置等、凡そ液体原料を気化して供給する用に広く適用可能である。

１、２０、３０・・・・気化装置
２・・・・容器
３・・・・混合ガス生成部
４・・・・原料導入部
５・・・・混合ガス導出部
６・・・・予熱層
７・・・・気化促進層
８・・・・混合促進層
９、２１ａ、２１ｂ・・・・ヒータ
２１・・・加熱部
２２・・・制御部
３１・・・加熱気化層
３２・・・温度センサ

Claims (5)

1. 液体原料を含む原料を加熱して、液体原料を気化させる気化装置であって、
   筒形状の容器内中央に多孔質充填体から成るガス生成部と、
   容器の一端側に原料導入部と、他端側に生成ガス導出部と、
   容器外側に加熱部と、を備えて成り、
   該ガス生成部は、予熱層と、予熱層の下流側に加熱気化層と、を備え、
   該予熱層は、上流側端部が容器内側面から離隔した錐体状に構成した、
   ことを特徴とする気化装置。
2. 前記加熱部は、前記予熱層を加熱する第一加熱部と、前記加熱気化層を加熱する第二加熱部と、を備えて成り、
   該第一加熱部と該第二加熱部とは、それぞれ独立に加熱制御可能に構成したことを特徴とする請求項１に記載の気化装置。
3. 前記液体原料を、前記予熱層内部に導入可能に構成したことを特徴とする請求項１又は２に記載の気化装置。
4. 前記加熱気化層は、気化促進層と、気化促進層の下流側の混合促進層と、を備えて成ることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の気化装置。
5. 前記予熱層及び前記気化促進層の材料として、多孔質金属フェルトを用いたことを特徴とする請求項３に記載の気化装置。
   

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