JP3011590B2 - 燃料改質装置用気化器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は燃料改質装置用気化器に
関し、特に燃料管路の改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】燃料改質装置は、天然ガス、メタノー
ル、ナフサなどの液体燃料を改質して、水素リッチな改
質燃料を得る装置であり、得られた改質燃料は燃料電池
の燃料として利用される。燃料改質装置の構成は、燃料
の種類や処理する規模によって異なるが、メタノール燃
料を使用する燃料電池用改質装置の場合は、一般的に図
３に示すように断熱性の外容器１０２内において、空気
加熱用のバーナー１０４、加熱空気によって液体燃料を
加熱気化させる気化器１１０が収納され、その周りに触
媒層を有する複数の改質器１３０…が配置されている。

【０００３】このような燃料改質装置において、液体燃
料が改質されるメカニズムは、まず含水メタノール等の
液体燃料が気化器１１０内に導かれる一方、バーナー１
０４で加熱された加熱空気が、気化器１１０の断熱円筒
１１１内を通過し、上記液体燃料に熱を供給する。液体
燃料は、受けた熱により気化して気化燃料となり、気化
器１１０から排出された後、分岐管１４０を通って改質
器１３０…に送り込まれ、改質器１３０内の触媒層を通
過する。一方、気化器１１０の周囲を通過した加熱空気
は、改質器１３０…の周囲を通過しながら、余熱によっ
て改質器１３０を加熱する。改質器１３０内において
は、気化燃料が化学反応（改質反応）を起こし、水素リ
ッチな燃料ガスが生成される。

【０００４】このような従来の気化器１１０内におい
て、主に熱交換が行われるところは、気化円筒管１２１
であって、加熱空気は、その内側面１２７の内側及び外
側面１２６と断熱円筒１１１の間を通過し、液体燃料
は、外側面１２６と内側面１２７に挟まれた円筒管路１
２８を下るようになっている。この円筒管路１２８の中
には、熱交換の効率を良くするために、銅などからなる
リング状あるいはスパイラル状（図においてはリング
状）の金属伝熱体１２９が入れられており、円筒管路１
２８内で液体燃料はこの金属伝熱体１２９を伝って流れ
流れながら熱を受けるようになっている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来の気化器１１０
は、上記のように、熱交換の効率をよくするための工夫
がなされてはいるが、加熱空気が上記の外側面１２６と
断熱円筒１１１との間隙、及び内側面１２７によって囲
まれる管路を直線的に通過してしまうので、通過する加
熱空気の一部は外側面１２６又は内側面１２７と接触せ
ずに通り過ぎてしまう他、加熱空気から断熱円筒１１１
への熱の損失もあり、加熱空気の熱が十分に液体燃料の
気化に利用されないまま気化器１１０から放出されると
いう問題があった。

【０００６】また、改質反応がよくなされるためには、
改質器１３０に入る気化燃料の温度がある程度高温でな
ければならないので、上記のように気化器における熱損
失が大きい場合、それを補うためバーナーでの燃焼を大
きくしなくてはならず、結果的に燃料のロスが大きくな
っていた。例えば、このような燃料改質装置を燃料電池
に使用する場合、通常、改質燃料を燃料電池で使用した
残りの排ガスをバーナーの燃料として使うが、メタノー
ル水溶液を改質して生じた改質燃料の内、４０％程度し
か燃料電池に利用できず、残りはバーナーでの燃焼に使
用されるという結果を招いていた。

【０００７】また、上記のように、燃料改質装置用気化
器内にリング状の金属伝熱体を使用する場合、このリン
グ状の金属伝熱体が多数積み重ねられているため、装置
を繰り返して使用するうちに、割れが生じやすいという
問題、即ち燃料改質装置用気化器の劣化の問題もあっ
た。本発明は上記課題に鑑みて、加熱空気と液体燃料の
熱交換の効率がよく、合わせて耐久性の優れた燃料改質
装置用気化器を提供し、燃料改質装置の改質効率を向上
させることを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は上記課題を解決
するため、加熱空気がその中を通過する外筒の中に、液
体燃料が通過する燃料管路が設置された燃料改質装置用
気化器において、燃料管路は、隣合う燃料管路同志が近
接するコイル状であり、かつ全体が前記外筒の内壁に沿
った筒体を形成する燃料管路であって、筒体の加熱空気
入口側の端近傍には、外筒の内壁に沿って、筒体と外筒
との間隙を塞ぐ形状の第１の仕切り板を備え、筒体の加
熱空気出口側の端近傍には、筒体の口を塞ぐ形状の第２
の仕切り板を備えることを特徴とする。

【０００９】

【作用】上記構成の燃料改質装置用気化器であれば、液
体燃料が通過する燃料管路は、全体が外筒の内壁に沿っ
た筒体を形成するので、外筒を通過する加熱空気は、こ
の筒体を通り抜ける方向に流れる。筒体の加熱空気入口
側の端近傍に備えられた第一の仕切り板は、外筒の内壁
に沿って、筒体と外筒との間隙を塞ぐ形状であるので、
加熱空気は、第１の仕切り板によって、流れが規制さ
れ、筒体の内側に入り込むように流れる。また、筒体の
加熱空気出口側の端近傍に備えられた第２の仕切り板
は、筒体の口を塞ぐ形状であるので、筒体の内側に入り
込んだ加熱空気は、そのまま筒体の内側を抜け出ること
はできない。

【００１０】ここで、燃料管路は、コイル状であるの
で、上記の筒体の内側に入り込んだ加熱空気は、燃料管
路と燃料管路の隙間を通って、筒体の外側へ抜けでるこ
とになる。そして、隣合う燃料管路同志は近接している
ので、加熱空気が燃料管路と燃料管路の隙間を通過する
とき、燃料管路と接触する。従って、加熱空気が筒体を
通過する間において、必ず燃料管路と接触し、熱交換が
有効に行われる。また、加熱空気が筒体を通過する間に
おいて、この隙間を通過する前には、外筒に接触するこ
とはないので、外筒への熱の損失を防ぐことができる。

【００１１】また、燃料管路は、コイル形状の管路であ
るため、一本の管を巻くことにより形成することがで
き、耐久性に問題のあるリング状あるいはスパイラル状
の金属伝熱体を用いる必要がない。

【００１２】

【実施例】

（実施例）図１は、本発明の一実施例に係わる燃料改質
装置の斜視図（一部断面）である。この燃料改質装置１
は、外部の燃料電池（不図示）に改質燃料を供給するも
のである。

【００１３】燃料改質装置１は、断熱材からなる円筒型
状の外容器２の中に、装置本体が収納されており、大き
さは、例えば高さ６００ｍｍ、直径３００ｍｍである。
装置本体は、空気を加熱する円筒形のバーナー４が外容
器２の底面３上の中央部に設置され、加熱空気によって
液体燃料を気化させる円筒形の気化器１０がバーナー４
の上に設置され、気化燃料を改質する４本の円筒状の改
質器３０…が気化器１０の周囲に設置され、気化器１０
から出た気化燃料を改質器３０…に分岐する分岐管４０
が気化器１０の上方に設置されて構成されている。

【００１４】バーナー４は、定常運転時においては、燃
料改質装置１から出た水素リッチな改質燃料を外部の燃
料電池で使用した残りの燃料排ガスを燃焼させることに
よって、底面３を下から上へ貫通してバーナー４に連通
する燃焼空気用配管５からバーナー４内に吹き込まれる
空気を加熱し、上方に加熱空気を吹き出すようになって
いる。また、初期運転時においては、燃焼量を増やすた
めに液体燃料の一部を補助的に燃焼させることができる
ようになっている。このようにしてバーナー４で加熱さ
れた加熱空気は、円筒形の気化器１０に吹き入れられ
る。

【００１５】気化器１０は、バーナー４から送られた加
熱空気の上方への通路を形成する円筒状の断熱円筒１１
が、バーナー４の上に設置されており、その断熱円筒１
１の中に、液体燃料が通過するコイル状の燃料管路２０
が設置されて構成されている。この燃料管路２０は、断
熱円筒１１の内壁に沿った円筒管状の主コイル部２１
と、この主コイル部２１とバーナー４との間に形成され
たスパイラル部２２と、主コイル部２１の中央を上下に
通る直管２３とが、連続して形成されており、気化器１
０の上方から燃料管路２０に入れられた液体燃料は、主
コイル部２１を下りながら加熱空気によって加熱されて
気化し、さらにスパイラル部２２を通過し直管２３を上
昇する間に加熱され、高温の気化燃料として気化器１０
の上部から排出される。

【００１６】４方向に分岐する分岐管４０は、気化器１
０の上部から排出された気化燃料を均等に分岐して、４
つの改質器３０…に導く。４本の円筒状の改質器３０
は、断熱円筒１１と外容器２の側面に挟まれた空間に、
断熱円筒１１を取り囲むように配置されている。この改
質器３０は、金属の円筒容器の中に、改質用触媒（例え
ば、市販の銅／亜鉛系メタノール改質用触媒）が詰めら
れて触媒層３１が形成されているものである。改質器３
０…の下部は、底面３を貫通して合流管３２と連通し、
合流管３２は外部の燃料電池と連通している。従って、
分岐管４０から改質器３０…の上部に入った気化燃料
は、触媒層３１…を下降しながら改質反応を起こして改
質燃料となり、合流管３２で集められて、外部の燃料電
池に送られる。

【００１７】図２は、気化器１０の要部断面図である。
上記気化器１０において、燃料管路２０は、一本のステ
ンレス管（外径９．５ｍｍ）で形成されており、主コイ
ル部２１は、図２に示すように外径１００ｍｍ、高さ１
９０ｍｍの円筒管状であって、コイル全長約５ｍ、コイ
ル巻数１８巻、隣合う管と管の間隔が１ｍｍである。ま
た、主コイル部２１の上端には、この円筒管状の主コイ
ル部２１上面を覆う円板状の上仕切板１２が設置され、
主コイル部２１の下端には、主コイル部２１と断熱円筒
１１との間の間隙を覆うドーナツ状の下仕切板１３が設
置されている。

【００１８】図１及び図２中において、矢印Ｘは加熱空
気の流れを示し、矢印Ｙは、液体燃料または気化燃料ま
たは改質燃料の流れを示している。図に示されるよう
に、上記のような気化器１０の構造により、断熱円筒１
１内を上昇する加熱空気は、主コイル部２１の下端にお
いて、下仕切板１３により、主コイル部２１と断熱円筒
１１との間の外側空間２４へ直接流れ込むことができな
いよう規制されているため、下仕切板１３の内側を通っ
て主コイル部２１の内側空間２５に流れ込む。一方、主
コイル部２１の上端において、上仕切板１２により内側
空間２５から直接上へ抜けでることができないよう規制
されているので、主コイル部２１の内側空間２５に流れ
込んだ上記加熱空気は、主コイル部２１の隣合うステン
レス管の間隙２６…を通って、外側空間２４に抜け出
し、上仕切板１２と断熱円筒１１の間を通って上方へ抜
ける。従って、気化器１０を通過する加熱空気は、必
ず、液体燃料が中を流れる管と管に挟まれた間隙２６…
を通過することとなる。この間隙２６…は１ｍｍしかな
いので、加熱空気が間隙２６…を通過するときに、燃料
管路２０と接触し、加熱空気と液体燃料との効率的な熱
交換がなされる。

【００１９】（比較例）図３は、従来の燃料改質装置の
一例を示す概略斜視図（一部断面）である。この燃料改
質装置１０１は、実施例の円筒型外容器２と同様の外容
器１０２内に、装置本体が収納されており、装置本体
は、外容器１０２の上面１０３の下に設置された空気加
熱用のバーナー１０４と、このバーナー１０４の下に設
置された円筒形の気化器１１０と、気化器１１０の周囲
に設置された改質器１３０…と、気化器１１０の下方に
設置された分岐管１４０とにより構成されている。

【００２０】バーナー１０４は、実施例のバーナー４と
同様の機能を持つものであるが、空気を上方の燃焼空気
用配管１０５から取入れ、加熱空気を下方へ吹き出す。
気化器１１０は、加熱空気の通路を形成する断熱円筒１
１１の中に、液体燃料が通過する気化円筒管１２１と、
スパイラル部１２２と、気化円筒管１２１の中央を上下
に通る直管１２３・１２４とが連通して形成されてお
り、気化器１１０の上部パイプ１２５から気化円筒管１
２１に入れられた液体燃料は、気化円筒管１２１内を下
った後、直管１２４を上昇してスパイラル部１２２を通
過し、直管１２３を降下する間に加熱空気によって加熱
され気化燃料となり、気化器１１０の下方へ排出され
る。

【００２１】分岐管１４０、改質器１３０…、集合管１
３２は、それぞれ上記実施例の分岐管１４０、改質器１
３０…、集合管１３２と同様の機能を有し、気化器１１
０から出た気化燃料は、分岐管１４０から改質器１３０
…のに入った気化燃料は、改質反応を起こして改質燃料
となり、合流管１３２で集められて、外部の燃料電池に
送られる。

【００２２】上記気化器１１０において、気化円筒管１
２１は、外側面１２６と内側面１２７を有し、その外側
面１２６と断熱円筒１１１との間隙、及び内側面１２７
によって囲まれる管路を加熱空気が上から下へ通過す
る。一方、パイプ１２４から気化円筒管に入った液体燃
料は、外側面１２６と内側面１２７に挟まれた円筒管路
１２８内を降下しながら、加熱空気から熱を受ける。こ
こで、円筒管路１２８の中には熱交換の効率を良くする
ために、銅などからなるリング状あるいはスパイラル状
（図においてはリング状）の金属伝熱体１２９が積み重
ねて入れられている。円筒管路１２８内を下降するメタ
ノール燃料は、この金属伝熱体１２９を上から順に伝っ
て流れ落ちるので、加熱空気から熱を受けやすくなって
いる。

【００２３】［実験］上記実施例の燃料改質装置１と比
較例の燃料改質装置１０１を用いて、所定の条件でメタ
ノール水溶液の改質を行い、実施例の気化器１０と比較
例の気化器１１０の受熱効率を比較するテストを行っ
た。燃料改質装置の運転条件は、気化器１０及び気化器
１１０に供給されるメタノールの供給速度を８０ml／mi
nとし、また、バーナー４及びバーナー１０４の燃焼熱
量を４４．３kcal／minとした。そのテスト結果を表１
に示す。

【００２４】

【表１】

【００２５】表１からわかるように、燃料改質装置１は
燃料改質装置１０１と比べて、液体燃料の受熱効率、即
ちバーナーの燃焼熱量に対する液体燃料の受熱量が大き
く向上している。これは、気化器１０が気化器１１０と
比べて、熱交換の効率が向上したためであると考えられ
る。また、このように熱交換の効率が向上した主な理由
は、上述したように気化器１０を通過する加熱空気が、
必ず狭い間隙２６…を通過し、そのとき液体燃料が中を
流れる管と接触するためであると考えられる。

【００２６】なお、上記実施例の燃料改質装置１は、バ
ーナー４が下部に設置されているが、上部に設置されて
いる場合であっても、気化器１０の受熱効率に関しては
同様の効果が得られる。また、上記実施例においては、
気化器１０は円筒形であり、主コイル部２１は円筒管状
であるが、角型の気化器及び角筒形の主コイル部であっ
ても同様に実施することができる。また、上記実施例で
は、液体燃料としてメタノールを用いる例を示したが、
天然ガス、ナフサ等においても同様の効果を得ることが
できる。

【００２７】

【発明の効果】以上の本発明によれば、加熱空気と液体
燃料の熱交換の効率がよく、合わせて耐久性の優れた燃
料改質装置用気化器を提供することができる。この燃料
改質装置用気化器は、燃料改質装置の改質効率を向上す
るので、燃料電池等に用いると液体燃料を節減でき経済
的である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係わる燃料改質装置の斜視
図（一部断面）である。

【図２】気化器１０の要部断面図である。

【図３】従来の燃料改質装置の一例を示す概略斜視図
（一部断面）である。

【符号の説明】

１０ 気化器 １１ 断熱円筒 １２ 上仕切板 １３ 下仕切板 ２０ 燃料管路 ２１ 主コイル部

フロントページの続き (72)発明者 上田 雅敏 守口市京阪本通２丁目５番５号 三洋電 機株式会社内 (56)参考文献 特開 平３−265501（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−120204（ＪＰ，Ａ) 実開 昭62−186939（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C01B 3/32 H01M 8/06

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 加熱空気がその中を通過する外筒の中
   に、液体燃料が通過する燃料管路が設置された燃料改質
   装置用気化器において、 前記燃料管路は、隣合う燃料管路同志が近接するコイル
   状であり、かつ全体が前記外筒の内壁に沿った筒体を形
   成する燃料管路であり、 前記筒体の加熱空気入口側の端近傍には、前記外筒の内
   壁に沿って、前記筒体と外筒との間隙を塞ぐ形状の第１
   の仕切り板を備え、 前記筒体の加熱空気出口側の端近傍には、前記筒体の口
   を塞ぐ形状の第２の仕切り板を備えることを特徴とする
   燃料改質装置用気化器。