JP3603274B2 - 燃料蒸発器 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システムに好適に使用され、液体原燃料を加熱し、蒸発させるための燃料蒸発器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、地球環境への汚染がより少ない動力発生装置として、燃料電池システム（ＦＣＳ）が注目されている。
この燃料電池システムとは、水素などの燃料ガスと、酸素を含有する酸化ガスを燃料電池に供給して、燃料ガスと酸素の化学反応から、電気エネルギーを取り出すものである。
【０００３】
しかし、水素ガスまたは液体水素は貯蔵や取り扱いが容易ではない。このため、燃料ガスとして、メタノールなどの液体原燃料を蒸発器で蒸発させた後に、改質器で改質して、水素を主成分とする改質ガスを使用することが多い。
【０００４】
そこで、本願の出願人は、特願平１１−１２５３６６号において液体原燃料を蒸発させ、原燃料ガスを生成する蒸発器を開示している。以下、この燃料蒸発器について、図６に基づいて説明する。
蒸発器１００は、図示しない燃焼器で生成された燃焼ガスＨＧの熱により、液体原燃料ＦＬを蒸発させるための蒸発室１１１と、蒸気室１１１の後段に配置され、蒸発室１１１で蒸発した原燃料ガスＦＧを過熱するための過熱室１３０とを有する。また、蒸発室１１１の下部には、蒸発室１１１の底面１１１ｂに沿って燃焼ガス通路１１３が設けられている。燃焼ガス通路１１３は、蒸発室１１１を通過した燃焼ガスＨＧを過熱室１３０へ導入できるように蒸発室１１１と過熱室１３０とに連通して形成されている。過熱室１３０に導入された燃焼ガスＨＧは過熱室１３０内の原燃料ガスＦＧを過熱する。
【０００５】
蒸発室１１１は、図示しない燃焼器からの高温の燃焼ガスＨＧが供給される複数の熱媒チューブ１１２、１１２・・と、熱媒チューブ１１２、１１２・・から所定距離だけ離して配置され、液体原燃料ＦＬを熱媒チューブ１１２、１１２・・に向けて拡散噴射する原燃料噴射装置１４０を有する。
【０００６】
熱媒チューブ１１２、１１２・・は略Ｕ字形状を有するとともに、各々の熱媒チューブ１１２、１１２・・は蒸発室１１１の上下および幅方向において、互いに位置をずらすように格子状に配置されている。なお、熱媒チューブ１１２、１１２・・が略Ｕ字形状を有するため、熱媒チューブ１１２、１１２・・の燃焼ガスＨＧの入口部１１２Ａと出口部１１２Ｂはともに蒸発室１１１の壁面１１０Ｂに設けられている。
【０００７】
過熱室１３０は、蒸発室１１１で生成された原燃料ガスＦＧが通過するための複数の蒸気チューブ１３１、１３１・・が設けられている。
また、燃焼ガス通路１１３により過熱室１３０の下部に導入された燃焼ガスＨＧは、蒸気チューブ１３１、１３１・・をその表面から加熱しつつ、上部の排出口から排出される。
【０００８】
この蒸発器１００を用いて液体原燃料ＦＬを蒸発させる場合は、まず、液体原燃料ＦＬを原燃料噴射装置１４０から、熱媒チューブ１１２、１１２・・に向けて噴射する。噴射された液体原燃料ＦＬは熱媒チューブ１１２、１１２・・および底面１１１ｂで蒸発し、原燃料ガスＦＧとなり、過熱室１３０へと導入される。原燃料ガスＦＧは、過熱室１３０内で、燃焼ガスＨＧにより過熱された後、図示しない、改質器へと導かれる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、かかる構成では、熱媒チューブ１１２、１１２・・から離間して配置された原燃料噴射装置１４０の噴射口から、液体原燃料ＦＬを拡散噴射するので、蒸発室１１１内に液体原燃料ＦＬを均一に噴射することが困難であった。また、蒸発室１１１内で熱が集中する部分に効率良く液体原燃料ＦＬを噴射することも困難であった。
【００１０】
このような場合は、液体原燃料の蒸発効率が悪くなるので、系全体の効率が低下するたけでなく、燃料電池システムの負荷増加時等に出力不足を生じることがある。
また、熱集中部からはずれて噴出された液体源燃料が蒸発しきれずに蒸発室の側面および底面に液体状態で付着し、液溜まりが発生することがある。液が溜まって液膜状態になると、液滴状態に比べて外部から熱を受ける受熱面積が小さくなるため、蒸発しにくくなる。このような場合、燃料電池システムの負荷減少時に、液体原燃料の供給量を減少させても、この液溜まりから徐々に蒸発する余分な原燃料ガスが、燃料電池システムに供給されてしまう。このように、原燃料ガスの供給量の制御が適切に行えないと、燃料電池システムの出力変化の応答性が悪くなる。
また、蒸発室の後段に過熱室を設ける構成のため、燃焼ガスの通流経路等の装置構成が複雑になってしまう。また、燃焼ガス流路が複雑になるぶん、熱が器外に奪われ、燃焼ガスの熱利用効率が低くなる。
【００１１】
本発明は、蒸発室内での液体原燃料の噴射特性を改善することで、液体原燃料の蒸発を効率良く、速やかに行える燃料蒸発器を提供することを目的とする。 また、簡単な構成で、燃焼ガスの熱利用効率の高い燃料蒸発器を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
前記の課題を解決するために本発明は、液体原燃料を高温熱媒体により蒸発させて原燃料ガスとする蒸発室と、前記液体原燃料を前記蒸発室に供給する原燃料噴射手段と、前記蒸発室を貫通するとともに、前記高温熱媒体が通流するための複数の熱媒チューブと、前記原燃料ガスを排出するための排出口とを有する燃料蒸発器であって、
前記蒸発室内に、蒸発した前記原燃料ガスを前記高温熱媒体で過熱する過熱部を備え、
前記原燃料噴射手段は前記蒸発室の側面に設けられるとともに、前記原燃料噴射手段には、複数の噴射穴が穿設された原燃料噴射管が前記蒸発室内に伸長して連結されている構成とした。この構成により、蒸発室内に伸長した原燃料噴射管の複数の噴射穴から、蒸発室内に均一に液体原燃料を噴射できるので、液体原燃料を効率良く、速やかに蒸発できる。
【００１３】
前記構成において、蒸発室内に過熱部を有し、しかも、過熱部に熱媒チューブを用いる。このように構成することで、装置構成を簡単にすることができ、高温熱媒体の熱利用効率を高くできるので、液体原燃料を効率良く、速やかに蒸発できる。過熱部は、蒸発室の上部に設ける構成とすることもできる。
【００１４】
熱媒チューブが、表面積の増加したベローズ形状を有するチューブの構成とした場合は、ベローズの垂直面に対しても液体原燃料が接触するので、熱媒チューブの表面積が有効に利用でき、液体原燃料を速やかに蒸発できる。また、熱媒チューブにストレート管を使用する場合に比べて、高温の燃焼ガスが流通することによる熱媒チューブの熱変形を吸収し易い。また、ベローズ形状による、熱媒チューブ内部の凹凸で、ここを通流する燃焼ガスの層流状の流れが乱れるので、燃焼ガスの温度が均一化される。
【００１５】
また、原燃料噴射管は、熱媒チューブと直交して配されている構成とすることができる。これにより、液体原燃料が、各々の熱媒チューブの温度がほぼ等しい領域に噴射されることになるので、熱の利用効率が良くなり、液体原燃料を速やかに蒸気できる。
なお、前記構成において、噴射穴の穴径、および／または、穴数は、蒸発室の側面付近よりも、蒸発室の中央部の方が、大きく、および／または、多く穿設される構成とすることが好ましい。このような構成にすることで、蒸発室内の熱が集中する部分に、より多くの液体原燃料を噴射できるので、液体原燃料を効率良く、速やかに蒸発できる。
【００１６】
さらに、前記構成において、蒸発室の下部に高温熱媒体を生成するための触媒燃焼器を設けても良い。
触媒燃焼器を蒸発室の下部に配置することで、通常は周囲に捨てられていた触媒燃焼器から発する熱を、蒸発室の加熱源として利用できるので、熱利用効率が良くなるとともに、液体原燃料を効率良く、速やかに蒸発できる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明の燃料蒸発器が用いられる燃料電池システムの概略構成図、図２は本発明の燃料蒸発器の断面図、図３は図２のＡ−Ａ線断面図である。
【００１８】
燃料電池システムＦＣＳは図１に示すように、貯蔵タンクＴから移送ポンプを介して移送される水とメタノールの混合物である、液体原燃料を蒸発させるための燃料蒸発器１と、燃料蒸発器１で液体原燃料を蒸発させた原燃料ガスを固体触媒上で反応させて改質ガスにする改質器２と、改質器２から排出される改質ガス中の一酸化炭素（ＣＯ）を除去するために設けられ、Ｎｏ．１、Ｎｏ．２の二段構成を有するＣＯ除去器３と、ＣＯ除去器３から排出される水素を含有する高温熱媒体である燃料ガスと、空気圧縮機４により圧縮された酸素を含有する酸化ガスである空気とが供給されて、発電を行う燃料電池５とを含む。さらに、燃料電池５の水素極のオフガスから、水分を除去する気液分離装置６と、水分除去後のオフガスを燃焼させて、燃料電池システムＦＣＳの起動時などに対処する燃焼バーナ７とを有する。なお、液体原燃料は水とメタノールの混合物を用いることができるが、メタノールの代わりにエタノール等のアルコール系液体または灯油などを用いてもよい。
【００１９】
さらに、燃料蒸発器１は、液体原燃料ＦＬを蒸発させるための蒸発器本体１０と、蒸発器本体１０に液体原燃料ＦＬを供給するための原燃料噴射手段である原燃料噴射装置４０と、燃焼ガスＨＧを触媒燃焼させ、さらに高温にするための触媒燃焼器２０を有する。
【００２０】
本発明の特徴的な構成を有する蒸発器本体１０は、図２および図３に示すように、触媒燃焼器２０で生成された高温の燃焼ガスＨＧを導入するための入口流路１３と、液体原燃料ＦＬを蒸発させた後の燃焼ガスＨＧを排出するための出口流路１４とを有する。入口流路１３と出口流路１４の中間部には隔壁１５、１５と、側面１６、１６および底面１７で仕切られた蒸発室１１が形成されている。隔壁１５、１５には、燃焼ガスＨＧを通流させるための熱媒チューブ１２、１２・・が前記蒸発室１１を貫通して複数支持されている。また、図３に示すように、蒸発室１１の側面１６、１６および底面１７に沿って、燃焼ガスＨＧを通流させるための外側流路１８が設けられている。なお、図３において、仮想線で示した１５ｈ、１５ｈ、１５ｈは、燃焼ガスＨＧを外側流路１８に通流させるために隔壁１５、１５に形成された連通穴である。また、蒸発室１１には、蒸発室１１の側面１６、１６に設けられた原燃料噴出装置４０に連結されるとともに、蒸発室１１内に伸長し、燃料噴射用の多数の噴射穴４２、４２・・を備えた燃料噴射管４１、４１が二本設けられている。燃料噴射管４１、４１は、端部を蒸発室１１の側面１６、１６に支持されるとともに、熱媒チューブ１２、１２・・と直交するように設けられている。また、蒸発室１１の上部には、液体原燃料ＦＬが蒸発した後の原燃料ガスＦＧを改質器２へと排出するための排出口である排出ダクト２２を有する。なお、排気ダクト２２はいずれかの側面１６に設けられても良い。これにより、蒸発器本体１０の高さを抑制することができる。
【００２１】
熱媒チューブ１２、１２・・は、図３に示すように、蒸発室１１の上下および幅方向において、互いに位置をずらすように格子状に配置されている。なお、以降、燃料噴射管４１、４１の上部および下部に位置する熱媒チューブを、それぞれ、上部熱媒チューブ１２Ｕ、１２Ｕ・・および下部熱媒チューブ１２Ｌ、１２Ｌ・・とする。
【００２２】
図３に示すように、上部熱媒チューブ１２Ｕ、１２Ｕ・・により、蒸発室１１の上部に過熱部１１Ｕが形成されている。この過熱部１１Ｕにより、排出ダクト２２から出る直前の原燃料ガスＦＧが過熱され、蒸発室１１の上部および排出ダクト２２で原燃料ガスＦＧが凝縮し、再度液化することを防止する。これは、従来技術で述べた過熱室１２０と同じ働きを有する。しかし、本実施の形態においては、過熱室を別途設けないので、装置の構成を簡単にできる。これにより、燃焼ガス流路を短くできるので、燃焼ガスＨＧの熱利用効率を高くできる。
【００２３】
下部熱媒チューブ１２Ｌ、１２Ｌ・・は、燃料噴出管４１から噴射された液体原燃料ＦＬを下部熱媒チューブ１２Ｌ、１２Ｌ・・を通流する燃焼ガスＨＧの熱により蒸発させ、原燃料ガスを生成するために設けられている。
下部熱媒チューブ１２Ｌ、１２Ｌ・・の配置は、蒸発室１１の側面１６、１６および底面１７に液体原燃料ＦＬが液滴として付着、滞溜することを最小限にとどめるために、蒸発室１１の側面１６、１６および底面１７を覆い隠すように配置されている。また、これにより、蒸発室１１の中央付近に熱集中部が形成される。
【００２４】
蒸発した原燃料ガスＦＧの温度は、噴射する液体原燃料ＦＬの組成および、燃焼ガスＨＧの温度により異なるが、燃料噴射管４１、４１の下方において、１２０℃から１５０℃程度になる。この原燃料ガスＦＧは、上部熱媒チューブ１２Ｕ、１２Ｕ・・により過熱されることで１８０℃から２５０℃程度となる。このように過熱されることにより、原燃料ガスＦＧは再度液化することなく、改質器２に導入される。
【００２５】
熱媒チューブ１２、１２・・の形状は、図２に示すようなベローズ形状を有している。ストレート管を使用する場合に比べて、高温の燃焼ガスＨＧが流通することによる熱媒チューブ１２、１２・・の熱変形を吸収し易いためである。また、ベローズ形状による、熱媒チューブ１２、１２・・内部の凹凸で、ここを通流する燃焼ガスＨＧの層流状の流れが乱れるので、燃焼ガスＨＧの温度が均一化される。また、ベローズの垂直面により、熱媒チューブ１２、１２・・の表面積が増えるので、液体原燃料ＦＬとの接触面積の増加による液体原燃料ＦＬの蒸発を速やかに行えるという効果も有する。
【００２６】
熱媒チューブ１２、１２、・・の材質は、熱媒チューブ１２、１２・・自体が高温となり、かつ、その表面に水とメタノールの混合物が噴射されることから、ステンレス（例えば、ＳＵＳ３１６）など、耐食性を有する材料で形成されることが望ましい。
【００２７】
外側流路１８は、蒸発室１１の側面１６、１６と底面１７を加熱することで、蒸発室１１の側面１６、１６と底面１７に到達した液体原燃料ＦＬの液滴を速やかに蒸発させるために設けられている。
【００２８】
下部熱媒チューブ１２Ｌ、１２Ｌ・・の内径の面積の総和と外側流路１８の断面積との比は、６：４から８：２であることが好ましい。下部熱媒チューブ１２Ｌ、１２Ｌの内径の面積の総和の割合がこれより小さいと、蒸発室１１の側面１６、１６および底面１７における液溜まりが多くなり、原燃料ガスの供給量の制御性が悪くなるためである。また、下部熱媒チューブ１２Ｌ、１２Ｌの内径の面積の総和の割合がこれより大きいと、両者の調和が取れず、蒸発を効率的に行うことができない。
【００２９】
図３および図４（ａ）に示すように、燃料噴射管４１、４１は燃料噴射装置４０に連結され、図示しない制御部からの信号を受けて、適時、適量の液体原燃料ＦＬを蒸発室１１に噴射させるもので、等間隔に、同径の噴射穴４２、４２・・が多数穿設されている。
【００３０】
また、燃料噴射管４１、４１は、図２に示すように、下部熱媒チューブ１２Ｌ、１２Ｌ・・に沿って、直交するように二本設けられている。
燃焼ガスＨＧの温度は出口流路１４側よりも入口流路１３側の方が高いので、下部熱媒チューブ１２Ｌ、１２Ｌ・・の温度も、入口流路１３側と出口流路１４側では温度分布を有する。従って、燃料噴射管４１、４１が下部熱媒チューブ１２Ｌ、１２Ｌと直交することで、各下部熱媒チューブ１２Ｌの長手方向において同じ領域、つまり、同じ温度領域に液体原燃料ＦＧを均一に噴射することができるので、液体原燃料ＦＬを速やかに蒸発できる。
【００３１】
さらに、燃料噴射管４１、４１のそれぞれの噴射穴４２、４２・・は、各々の燃料噴射管４１、４１を基準として、下方かつ入口流路１３側に向けて穿設されている。
燃焼ガスＨＧの温度は出口流路１４側よりも入口流路１３側の方が高いので、下部熱媒チューブ１２Ｌ、１２Ｌ・・の温度の高い部分に向けて液体原燃料ＦＬを噴出することで、液体原燃料ＦＬの蒸発が速やかにできる。
【００３２】
次に、燃料蒸発器１を用いて液体原燃料を蒸発させる手順の説明する。
まず、準備段階として、触媒燃焼器２０に空気とメタノールの混合体を供給し、触媒燃焼させる。これにより発生する燃焼熱および燃焼ガスＨＧにより、燃料蒸発器１の暖機を行う。
【００３３】
暖機が終了したら、燃料噴射装置４０の図示しない制御弁が開き、燃料噴射管４１、４１に流れ込んだ液体原燃料ＦＬが、燃料噴射管４１、４１の多数の噴射穴４２、４２・・から、図３の破線で示すように、下部熱媒チューブ１２Ｌ、１２Ｌ・・の入口流路１３側方向を中心として噴射される。
【００３４】
噴射された液体原燃料ＦＬの一部は、蒸発室１１内の雰囲気温度で蒸発するが、大部分は、下部熱媒チューブ１２Ｌ、１２Ｌ・・の表面部分において蒸発する。蒸発しきれず、下部熱媒チューブ１２Ｌ、１２Ｌ・・の表面部分から垂れ落ちた液体原燃料ＦＬは、下方に位置をずらして配置されている別の下部熱媒チューブ１２Ｌ、１２Ｌ・・の表面部分において蒸発する。同様にして、蒸発の際に飛び散った液体原燃料ＦＬも、周囲に配置された他の下部熱媒チューブ１２Ｌ、１２Ｌ・・により蒸発する。
【００３５】
下部熱媒チューブ１２Ｌ、１２Ｌ・・により蒸発した原燃料ガスＦＧは、蒸発室１１内を上昇し、蒸発室１１の上部に設けられた上部熱媒チューブ１２Ｕ、１２Ｕ・・により過熱され、排出ダクト２２から排出され、図示しない改質器２へと導入される。
【００３６】
ここで、燃料噴射管４１、４１は、図３および図４（ａ）で示すように、蒸発室１１の幅方向に伸長し、かつ、多数の噴射穴４２、４２・・を有するので、蒸発室１１内の熱集中部に直接、適量の液体原燃料ＦＬを噴射することができる。従来技術で述べた、熱集中部より離れた位置から液体原燃料ＦＬが拡散噴射される場合と異なり、蒸発室１１内の熱集中部に直接、適量の液体原燃料ＦＬを噴射することができるので、効率良く、速やかに液体原燃料ＦＬを蒸発できる。
【００３７】
なお、図４（ａ）において噴射穴４２、４２・・は１１個穿設されているが、任意の噴射穴を穿設することが可能である。
また、噴射穴の向きは、少なくとも一つを上部熱媒チューブに向けて穿設してもよい。このような場合を図５に基づいて説明する。なお、図２と同じ構成要素には同一の符号を付し説明を省略する。
燃料蒸発器本体５０の蒸発室５１には、液体原燃料ＦＬを蒸発させ、かつ、原燃料ガスＦＧを過熱するための上部熱媒チューブ１２Ｕと、液体原燃料ＦＬを蒸発させるための下部熱媒チューブ１２Ｌが隔壁５５、５５に支持されている。燃料噴射管６１は複数の噴射穴６２、６２・・を有しており、噴射穴６２、６２・・の一部は下部熱媒チューブ１２Ｌに向けて、残りは上部熱媒チューブ１２Ｕに向けて穿設されている。上部熱媒チューブ１２Ｕの熱を原燃料ガスＦＧの過熱だけでなく、液体原燃料ＦＬの蒸発にも利用できるので、熱効率が良くなる。なお、燃料噴射管６１の長手方向において、上向きの噴射穴６２と下向きの噴射穴６２を交互に穿設することもできる。
【００３８】
また、燃料噴射管４１、４１に穿設した複数の噴射穴４２、４２・・の配置および穴径を最適化させることで、蒸発室１１内の熱集中部に直接、適量の液体原燃料ＦＬを噴射することができるので、液体原燃料ＦＬの蒸発をより、効率良く、速やかに行うことができる。
【００３９】
例えば、図４（ｂ）に示すように、穴径は同一であるが、蒸発室１１の中央付近に多数の噴射穴４２、４２を設け、蒸発室１１の側面１６、１６付近の噴射穴４２、４２の数を減らすことで、熱集中部により多くの液体原燃料ＦＬを噴射させることが可能となる。また、図４（ｃ）において、噴射穴の配置は等間隔であるが、蒸発室１１の中央付近に穴径の大きい噴射穴４２ａが配置され、蒸発室１１の側面１６、１６付近に穴径の小さい噴射穴４２ｂが配置されている。熱集中部により多くの液体原燃料ＦＬを噴射させることが可能となる。
【００４０】
なお、本発明は本実施の形態に限定されるものではなく、例えば、燃料噴射管４１、４１の設置本数は二本としたが、これは、図５に示したように一本でも良いし、三本以上としても良い。また、二本の燃料噴射管４１、４１を、下部熱媒チューブ１２Ｌ、１２Ｌ・・に沿って、かつ、下部熱媒チューブ１２Ｌ、１２Ｌ・・に直交するように設けたが、設置位置を上下方向にずらして設けても良い。異なる領域に液体原燃料ＦＬを噴射できるので、熱の利用効率が向上する。さらに、燃料噴射管は蒸発室の側面から熱媒チューブと直交するように伸長していたが、蒸発室１１の上方や下方から伸長するように設けても良く、熱媒チューブと平行や、交差するように伸長しても良い。熱媒チューブが後述するように螺旋溝やスプライン軸を有する場合は、それらに沿って燃料噴射管を伸長させることで、熱媒チューブの螺旋溝やスプライン軸に液体原燃料を噴射できるので、液体原燃料と熱媒チューブの接触面積を増大でき、液体原燃料の蒸発を速やかに行える。
【００４１】
また、燃料噴射管４１を二本以上設ける場合は、各燃料噴射管４１毎に穿設される噴射穴の穴径および配置を設定しても良い。例えば、入口流路１３側に設けられた燃料噴射管４１からは、大量の液体原燃料ＦＬを噴射し、出口流路１４側に設けられた燃料噴射管４１からは、少量の液体原燃料ＦＬを噴射する。下部熱媒チューブ１２Ｌ、１２Ｌ・・の表面温度の高低にあわせて噴射量を設定することで、下部熱媒チューブ１２Ｌ、１２Ｌ・・の出口流路側で表面温度が低い場合の未蒸発を抑制できる。
【００４２】
また、熱媒ガスチューブ１２、１２・・の形状をベローズ形状としたが、単管の一部に絞り加工や、ねじり加工を施したり、螺旋溝やスプライン軸を形成したり、任意の凹凸形状を有しても良い。
また、熱媒チューブ１２、１２・・の表面にセラミックス系のコーティング処理を施してもよい。これにより、熱媒チューブ１２、１２・・表面の熱容量の増加および表面の保護が可能となる。
【００４３】
また、熱媒チューブ１２、１２・・は、隔壁１５、１５で支持され、ベローズ形状を有する単管を用いたが、従来技術のように略Ｕ字形状としても良い。この場合は、従来技術で述べたように入口流路側に出口流路を設けることになり、系の設計、配置上の自由度が得られる。
【００４４】
さらに、上部熱媒チューブ１２Ｕ、１２Ｕ・・の燃焼ガスＨＧの入口付近や、上部熱媒チューブ１２Ｕ、１２Ｕ・・の内壁に触媒を設ける等して、上部熱媒チューブ１２Ｕ、１２Ｕ・・の表面温度を、下部熱媒チューブ１２Ｌ、１２Ｌ・・の表面温度よりも高くしても良い。過熱温度を上昇させることで原燃料ガスＦＧをさらに安定した状態で改質器２に導入することができる。また、外側流路１８の入口付近や、外側通路１８の内部に触媒を設けて、蒸発室１１の側面１６、１６および底面１７の温度を、下部熱媒チューブ１２Ｌ、１２Ｌ・・の表面温度よりも高くしても良い。この場合には、蒸発室１１の側面１６、１６および底面１７における液溜まりを減少させることができる。
【００４５】
そして、外側流路１８の下面に直接、燃焼ガスを生成するための触媒燃焼器２０を配置しても良い。また、外側流路１８を側面１６、１６のみに形成し、蒸発室１１の底面１７に直接、燃焼ガスＨＧを生成するための触媒燃焼器２０を配置しても良い。これらによれば、燃焼ガスＨＧを生成の際に発生する熱を、外側流路１８の下面または蒸発器１１の底面１７の加熱に使用できるので、蒸発室１１の側面１６、１６および底面１７における液溜まりを減少させることができる。また、高温媒体として水素を含有する燃焼ガスを用いているが、液体ナトリウム等を液体を用いてもよい。
【００４６】
【発明の効果】
以上のように本発明は、蒸発室内に伸長する原燃料噴射管の複数の噴射穴から、蒸発室内に均一に液体原燃料を噴射することを可能とするので、液体原燃料を効率良く、速やかに蒸発できる。
【００４７】
また、原燃料噴射管が、熱媒チューブと直交するように連結されているため、液体原燃料が、各々の熱媒チューブの温度がほぼ等しい領域に噴射されることになるので、熱の利用効率が良くなり、液体原燃料を速やかに蒸気できる。熱媒チューブが、ベローズ形状を有する場合は、熱媒チューブの表面積が有効に利用でき、液体原燃料を速やかに蒸発できる。
【００４８】
また、噴射穴の穴径、および／または、穴数を蒸発室内の熱が集中する部分にあわせて穿設することで、蒸発室内の熱が集中する部分に、直接液体原燃料を噴射できるので、液体原燃料を効率良く、速やかに蒸発できる。
【００４９】
さらに、蒸発室内に過熱部を有し、しかも、過熱部に熱媒チューブを用いることで、装置の構成を簡単にすることができ、燃焼ガスの熱利用効率の高くできるので、液体原燃料を効率良く、速やかに蒸発できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料蒸発器が用いられる燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】本発明の燃料蒸発器の断面図である。
【図３】図１のＡ−Ａ線断面図である。
【図４】（ａ）は実施の形態における燃料噴射管の拡大断面図である。（ｂ）および（ｃ）は燃料噴射管の別の実施形態を示す拡大断面図である。
【図５】本発明における燃料噴射管の別形態を示す断面図である。
【図６】従来の燃料蒸発器の断面図である。
【符号の説明】
１ 燃料蒸発器
１０ 蒸発器本体
１１ 蒸発室
１１Ｕ 過熱部
１２ 熱媒チューブ
１２Ｌ 下部熱媒チューブ
１２Ｕ 上部熱媒チューブ
１６ 側面
２２ 排出ダクト （排出口）
４０ 原燃料噴射装置 （原燃料噴射手段）
４１ 燃料噴射管
４２、４２ａ、４２ｂ 噴射穴
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システムに好適に使用され、液体原燃料を加熱し、蒸発させるための燃料蒸発器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、地球環境への汚染がより少ない動力発生装置として、燃料電池システム（ＦＣＳ）が注目されている。
この燃料電池システムとは、水素などの燃料ガスと、酸素を含有する酸化ガスを燃料電池に供給して、燃料ガスと酸素の化学反応から、電気エネルギーを取り出すものである。
【０００３】
しかし、水素ガスまたは液体水素は貯蔵や取り扱いが容易ではない。このため、燃料ガスとして、メタノールなどの液体原燃料を蒸発器で蒸発させた後に、改質器で改質して、水素を主成分とする改質ガスを使用することが多い。
【０００４】
そこで、本願の出願人は、特願平１１−１２５３６６号において液体原燃料を蒸発させ、原燃料ガスを生成する蒸発器を開示している。以下、この燃料蒸発器について、図６に基づいて説明する。
蒸発器１００は、図示しない燃焼器で生成された燃焼ガスＨＧの熱により、液体原燃料ＦＬを蒸発させるための蒸発室１１１と、蒸気室１１１の後段に配置され、蒸発室１１１で蒸発した原燃料ガスＦＧを過熱するための過熱室１３０とを有する。また、蒸発室１１１の下部には、蒸発室１１１の底面１１１ｂに沿って燃焼ガス通路１１３が設けられている。燃焼ガス通路１１３は、蒸発室１１１を通過した燃焼ガスＨＧを過熱室１３０へ導入できるように蒸発室１１１と過熱室１３０とに連通して形成されている。過熱室１３０に導入された燃焼ガスＨＧは過熱室１３０内の原燃料ガスＦＧを過熱する。
【０００５】
蒸発室１１１は、図示しない燃焼器からの高温の燃焼ガスＨＧが供給される複数の熱媒チューブ１１２、１１２・・と、熱媒チューブ１１２、１１２・・から所定距離だけ離して配置され、液体原燃料ＦＬを熱媒チューブ１１２、１１２・・に向けて拡散噴射する原燃料噴射装置１４０を有する。
【０００６】
熱媒チューブ１１２、１１２・・は略Ｕ字形状を有するとともに、各々の熱媒チューブ１１２、１１２・・は蒸発室１１１の上下および幅方向において、互いに位置をずらすように格子状に配置されている。なお、熱媒チューブ１１２、１１２・・が略Ｕ字形状を有するため、熱媒チューブ１１２、１１２・・の燃焼ガスＨＧの入口部１１２Ａと出口部１１２Ｂはともに蒸発室１１１の壁面１１０Ｂに設けられている。
【０００７】
過熱室１３０は、蒸発室１１１で生成された原燃料ガスＦＧが通過するための複数の蒸気チューブ１３１、１３１・・が設けられている。
また、燃焼ガス通路１１３により過熱室１３０の下部に導入された燃焼ガスＨＧは、蒸気チューブ１３１、１３１・・をその表面から加熱しつつ、上部の排出口から排出される。
【０００８】
この蒸発器１００を用いて液体原燃料ＦＬを蒸発させる場合は、まず、液体原燃料ＦＬを原燃料噴射装置１４０から、熱媒チューブ１１２、１１２・・に向けて噴射する。噴射された液体原燃料ＦＬは熱媒チューブ１１２、１１２・・および底面１１１ｂで蒸発し、原燃料ガスＦＧとなり、過熱室１３０へと導入される。原燃料ガスＦＧは、過熱室１３０内で、燃焼ガスＨＧにより過熱された後、図示しない、改質器へと導かれる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、かかる構成では、熱媒チューブ１１２、１１２・・から離間して配置された原燃料噴射装置１４０の噴射口から、液体原燃料ＦＬを拡散噴射するので、蒸発室１１１内に液体原燃料ＦＬを均一に噴射することが困難であった。また、蒸発室１１１内で熱が集中する部分に効率良く液体原燃料ＦＬを噴射することも困難であった。
【００１０】
このような場合は、液体原燃料の蒸発効率が悪くなるので、系全体の効率が低下するたけでなく、燃料電池システムの負荷増加時等に出力不足を生じることがある。
また、熱集中部からはずれて噴出された液体源燃料が蒸発しきれずに蒸発室の側面および底面に液体状態で付着し、液溜まりが発生することがある。液が溜まって液膜状態になると、液滴状態に比べて外部から熱を受ける受熱面積が小さくなるため、蒸発しにくくなる。このような場合、燃料電池システムの負荷減少時に、液体原燃料の供給量を減少させても、この液溜まりから徐々に蒸発する余分な原燃料ガスが、燃料電池システムに供給されてしまう。このように、原燃料ガスの供給量の制御が適切に行えないと、燃料電池システムの出力変化の応答性が悪くなる。
また、蒸発室の後段に過熱室を設ける構成のため、燃焼ガスの通流経路等の装置構成が複雑になってしまう。また、燃焼ガス流路が複雑になるぶん、熱が器外に奪われ、燃焼ガスの熱利用効率が低くなる。
【００１１】
本発明は、蒸発室内での液体原燃料の噴射特性を改善することで、液体原燃料の蒸発を効率良く、速やかに行える燃料蒸発器を提供することを目的とする。 また、簡単な構成で、燃焼ガスの熱利用効率の高い燃料蒸発器を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
前記の課題を解決するために本発明は、液体原燃料を高温熱媒体により蒸発させて原燃料ガスとする蒸発室と、前記液体原燃料を前記蒸発室に供給する原燃料噴射手段と、前記蒸発室を貫通するとともに、前記高温熱媒体が通流するための複数の熱媒チューブと、前記原燃料ガスを排出するための排出口とを有する燃料蒸発器であって、
前記蒸発室内に、蒸発した前記原燃料ガスを前記高温熱媒体で過熱する過熱部を備え、
前記原燃料噴射手段は前記蒸発室の側面に設けられるとともに、前記原燃料噴射手段には、複数の噴射穴が穿設された原燃料噴射管が前記蒸発室内に伸長して連結されている構成とした。この構成により、蒸発室内に伸長した原燃料噴射管の複数の噴射穴から、蒸発室内に均一に液体原燃料を噴射できるので、液体原燃料を効率良く、速やかに蒸発できる。
【００１３】
前記構成において、蒸発室内に過熱部を有し、しかも、過熱部に熱媒チューブを用いる。このように構成することで、装置構成を簡単にすることができ、高温熱媒体の熱利用効率を高くできるので、液体原燃料を効率良く、速やかに蒸発できる。過熱部は、蒸発室の上部に設ける構成とすることもできる。
【００１４】
熱媒チューブが、表面積の増加したベローズ形状を有するチューブの構成とした場合は、ベローズの垂直面に対しても液体原燃料が接触するので、熱媒チューブの表面積が有効に利用でき、液体原燃料を速やかに蒸発できる。また、熱媒チューブにストレート管を使用する場合に比べて、高温の燃焼ガスが流通することによる熱媒チューブの熱変形を吸収し易い。また、ベローズ形状による、熱媒チューブ内部の凹凸で、ここを通流する燃焼ガスの層流状の流れが乱れるので、燃焼ガスの温度が均一化される。
【００１５】
また、原燃料噴射管は、熱媒チューブと直交して配されている構成とすることができる。これにより、液体原燃料が、各々の熱媒チューブの温度がほぼ等しい領域に噴射されることになるので、熱の利用効率が良くなり、液体原燃料を速やかに蒸気できる。
なお、前記構成において、噴射穴の穴径、および／または、穴数は、蒸発室の側面付近よりも、蒸発室の中央部の方が、大きく、および／または、多く穿設される構成とすることが好ましい。このような構成にすることで、蒸発室内の熱が集中する部分に、より多くの液体原燃料を噴射できるので、液体原燃料を効率良く、速やかに蒸発できる。
【００１６】
さらに、前記構成において、蒸発室の下部に高温熱媒体を生成するための触媒燃焼器を設けても良い。
触媒燃焼器を蒸発室の下部に配置することで、通常は周囲に捨てられていた触媒燃焼器から発する熱を、蒸発室の加熱源として利用できるので、熱利用効率が良くなるとともに、液体原燃料を効率良く、速やかに蒸発できる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明の燃料蒸発器が用いられる燃料電池システムの概略構成図、図２は本発明の燃料蒸発器の断面図、図３は図２のＡ−Ａ線断面図である。
【００１８】
燃料電池システムＦＣＳは図１に示すように、貯蔵タンクＴから移送ポンプを介して移送される水とメタノールの混合物である、液体原燃料を蒸発させるための燃料蒸発器１と、燃料蒸発器１で液体原燃料を蒸発させた原燃料ガスを固体触媒上で反応させて改質ガスにする改質器２と、改質器２から排出される改質ガス中の一酸化炭素（ＣＯ）を除去するために設けられ、Ｎｏ．１、Ｎｏ．２の二段構成を有するＣＯ除去器３と、ＣＯ除去器３から排出される水素を含有する高温熱媒体である燃料ガスと、空気圧縮機４により圧縮された酸素を含有する酸化ガスである空気とが供給されて、発電を行う燃料電池５とを含む。さらに、燃料電池５の水素極のオフガスから、水分を除去する気液分離装置６と、水分除去後のオフガスを燃焼させて、燃料電池システムＦＣＳの起動時などに対処する燃焼バーナ７とを有する。なお、液体原燃料は水とメタノールの混合物を用いることができるが、メタノールの代わりにエタノール等のアルコール系液体または灯油などを用いてもよい。
【００１９】
さらに、燃料蒸発器１は、液体原燃料ＦＬを蒸発させるための蒸発器本体１０と、蒸発器本体１０に液体原燃料ＦＬを供給するための原燃料噴射手段である原燃料噴射装置４０と、燃焼ガスＨＧを触媒燃焼させ、さらに高温にするための触媒燃焼器２０を有する。
【００２０】
本発明の特徴的な構成を有する蒸発器本体１０は、図２および図３に示すように、触媒燃焼器２０で生成された高温の燃焼ガスＨＧを導入するための入口流路１３と、液体原燃料ＦＬを蒸発させた後の燃焼ガスＨＧを排出するための出口流路１４とを有する。入口流路１３と出口流路１４の中間部には隔壁１５、１５と、側面１６、１６および底面１７で仕切られた蒸発室１１が形成されている。隔壁１５、１５には、燃焼ガスＨＧを通流させるための熱媒チューブ１２、１２・・が前記蒸発室１１を貫通して複数支持されている。また、図３に示すように、蒸発室１１の側面１６、１６および底面１７に沿って、燃焼ガスＨＧを通流させるための外側流路１８が設けられている。なお、図３において、仮想線で示した１５ｈ、１５ｈ、１５ｈは、燃焼ガスＨＧを外側流路１８に通流させるために隔壁１５、１５に形成された連通穴である。また、蒸発室１１には、蒸発室１１の側面１６、１６に設けられた原燃料噴出装置４０に連結されるとともに、蒸発室１１内に伸長し、燃料噴射用の多数の噴射穴４２、４２・・を備えた燃料噴射管４１、４１が二本設けられている。燃料噴射管４１、４１は、端部を蒸発室１１の側面１６、１６に支持されるとともに、熱媒チューブ１２、１２・・と直交するように設けられている。また、蒸発室１１の上部には、液体原燃料ＦＬが蒸発した後の原燃料ガスＦＧを改質器２へと排出するための排出口である排出ダクト２２を有する。なお、排気ダクト２２はいずれかの側面１６に設けられても良い。これにより、蒸発器本体１０の高さを抑制することができる。
【００２１】
熱媒チューブ１２、１２・・は、図３に示すように、蒸発室１１の上下および幅方向において、互いに位置をずらすように格子状に配置されている。なお、以降、燃料噴射管４１、４１の上部および下部に位置する熱媒チューブを、それぞれ、上部熱媒チューブ１２Ｕ、１２Ｕ・・および下部熱媒チューブ１２Ｌ、１２Ｌ・・とする。
【００２２】
図３に示すように、上部熱媒チューブ１２Ｕ、１２Ｕ・・により、蒸発室１１の上部に過熱部１１Ｕが形成されている。この過熱部１１Ｕにより、排出ダクト２２から出る直前の原燃料ガスＦＧが過熱され、蒸発室１１の上部および排出ダクト２２で原燃料ガスＦＧが凝縮し、再度液化することを防止する。これは、従来技術で述べた過熱室１２０と同じ働きを有する。しかし、本実施の形態においては、過熱室を別途設けないので、装置の構成を簡単にできる。これにより、燃焼ガス流路を短くできるので、燃焼ガスＨＧの熱利用効率を高くできる。
【００２３】
下部熱媒チューブ１２Ｌ、１２Ｌ・・は、燃料噴出管４１から噴射された液体原燃料ＦＬを下部熱媒チューブ１２Ｌ、１２Ｌ・・を通流する燃焼ガスＨＧの熱により蒸発させ、原燃料ガスを生成するために設けられている。
下部熱媒チューブ１２Ｌ、１２Ｌ・・の配置は、蒸発室１１の側面１６、１６および底面１７に液体原燃料ＦＬが液滴として付着、滞溜することを最小限にとどめるために、蒸発室１１の側面１６、１６および底面１７を覆い隠すように配置されている。また、これにより、蒸発室１１の中央付近に熱集中部が形成される。
【００２４】
蒸発した原燃料ガスＦＧの温度は、噴射する液体原燃料ＦＬの組成および、燃焼ガスＨＧの温度により異なるが、燃料噴射管４１、４１の下方において、１２０℃から１５０℃程度になる。この原燃料ガスＦＧは、上部熱媒チューブ１２Ｕ、１２Ｕ・・により過熱されることで１８０℃から２５０℃程度となる。このように過熱されることにより、原燃料ガスＦＧは再度液化することなく、改質器２に導入される。
【００２５】
熱媒チューブ１２、１２・・の形状は、図２に示すようなベローズ形状を有している。ストレート管を使用する場合に比べて、高温の燃焼ガスＨＧが流通することによる熱媒チューブ１２、１２・・の熱変形を吸収し易いためである。また、ベローズ形状による、熱媒チューブ１２、１２・・内部の凹凸で、ここを通流する燃焼ガスＨＧの層流状の流れが乱れるので、燃焼ガスＨＧの温度が均一化される。また、ベローズの垂直面により、熱媒チューブ１２、１２・・の表面積が増えるので、液体原燃料ＦＬとの接触面積の増加による液体原燃料ＦＬの蒸発を速やかに行えるという効果も有する。
【００２６】
熱媒チューブ１２、１２、・・の材質は、熱媒チューブ１２、１２・・自体が高温となり、かつ、その表面に水とメタノールの混合物が噴射されることから、ステンレス（例えば、ＳＵＳ３１６）など、耐食性を有する材料で形成されることが望ましい。
【００２７】
外側流路１８は、蒸発室１１の側面１６、１６と底面１７を加熱することで、蒸発室１１の側面１６、１６と底面１７に到達した液体原燃料ＦＬの液滴を速やかに蒸発させるために設けられている。
【００２８】
下部熱媒チューブ１２Ｌ、１２Ｌ・・の内径の面積の総和と外側流路１８の断面積との比は、６：４から８：２であることが好ましい。下部熱媒チューブ１２Ｌ、１２Ｌの内径の面積の総和の割合がこれより小さいと、蒸発室１１の側面１６、１６および底面１７における液溜まりが多くなり、原燃料ガスの供給量の制御性が悪くなるためである。また、下部熱媒チューブ１２Ｌ、１２Ｌの内径の面積の総和の割合がこれより大きいと、両者の調和が取れず、蒸発を効率的に行うことができない。
【００２９】
図３および図４（ａ）に示すように、燃料噴射管４１、４１は燃料噴射装置４０に連結され、図示しない制御部からの信号を受けて、適時、適量の液体原燃料ＦＬを蒸発室１１に噴射させるもので、等間隔に、同径の噴射穴４２、４２・・が多数穿設されている。
【００３０】
また、燃料噴射管４１、４１は、図２に示すように、下部熱媒チューブ１２Ｌ、１２Ｌ・・に沿って、直交するように二本設けられている。
燃焼ガスＨＧの温度は出口流路１４側よりも入口流路１３側の方が高いので、下部熱媒チューブ１２Ｌ、１２Ｌ・・の温度も、入口流路１３側と出口流路１４側では温度分布を有する。従って、燃料噴射管４１、４１が下部熱媒チューブ１２Ｌ、１２Ｌと直交することで、各下部熱媒チューブ１２Ｌの長手方向において同じ領域、つまり、同じ温度領域に液体原燃料ＦＧを均一に噴射することができるので、液体原燃料ＦＬを速やかに蒸発できる。
【００３１】
さらに、燃料噴射管４１、４１のそれぞれの噴射穴４２、４２・・は、各々の燃料噴射管４１、４１を基準として、下方かつ入口流路１３側に向けて穿設されている。
燃焼ガスＨＧの温度は出口流路１４側よりも入口流路１３側の方が高いので、下部熱媒チューブ１２Ｌ、１２Ｌ・・の温度の高い部分に向けて液体原燃料ＦＬを噴出することで、液体原燃料ＦＬの蒸発が速やかにできる。
【００３２】
次に、燃料蒸発器１を用いて液体原燃料を蒸発させる手順の説明する。
まず、準備段階として、触媒燃焼器２０に空気とメタノールの混合体を供給し、触媒燃焼させる。これにより発生する燃焼熱および燃焼ガスＨＧにより、燃料蒸発器１の暖機を行う。
【００３３】
暖機が終了したら、燃料噴射装置４０の図示しない制御弁が開き、燃料噴射管４１、４１に流れ込んだ液体原燃料ＦＬが、燃料噴射管４１、４１の多数の噴射穴４２、４２・・から、図３の破線で示すように、下部熱媒チューブ１２Ｌ、１２Ｌ・・の入口流路１３側方向を中心として噴射される。
【００３４】
噴射された液体原燃料ＦＬの一部は、蒸発室１１内の雰囲気温度で蒸発するが、大部分は、下部熱媒チューブ１２Ｌ、１２Ｌ・・の表面部分において蒸発する。蒸発しきれず、下部熱媒チューブ１２Ｌ、１２Ｌ・・の表面部分から垂れ落ちた液体原燃料ＦＬは、下方に位置をずらして配置されている別の下部熱媒チューブ１２Ｌ、１２Ｌ・・の表面部分において蒸発する。同様にして、蒸発の際に飛び散った液体原燃料ＦＬも、周囲に配置された他の下部熱媒チューブ１２Ｌ、１２Ｌ・・により蒸発する。
【００３５】
下部熱媒チューブ１２Ｌ、１２Ｌ・・により蒸発した原燃料ガスＦＧは、蒸発室１１内を上昇し、蒸発室１１の上部に設けられた上部熱媒チューブ１２Ｕ、１２Ｕ・・により過熱され、排出ダクト２２から排出され、図示しない改質器２へと導入される。
【００３６】
ここで、燃料噴射管４１、４１は、図３および図４（ａ）で示すように、蒸発室１１の幅方向に伸長し、かつ、多数の噴射穴４２、４２・・を有するので、蒸発室１１内の熱集中部に直接、適量の液体原燃料ＦＬを噴射することができる。従来技術で述べた、熱集中部より離れた位置から液体原燃料ＦＬが拡散噴射される場合と異なり、蒸発室１１内の熱集中部に直接、適量の液体原燃料ＦＬを噴射することができるので、効率良く、速やかに液体原燃料ＦＬを蒸発できる。
【００３７】
なお、図４（ａ）において噴射穴４２、４２・・は１１個穿設されているが、任意の噴射穴を穿設することが可能である。
また、噴射穴の向きは、少なくとも一つを上部熱媒チューブに向けて穿設してもよい。このような場合を図５に基づいて説明する。なお、図２と同じ構成要素には同一の符号を付し説明を省略する。
燃料蒸発器本体５０の蒸発室５１には、液体原燃料ＦＬを蒸発させ、かつ、原燃料ガスＦＧを過熱するための上部熱媒チューブ１２Ｕと、液体原燃料ＦＬを蒸発させるための下部熱媒チューブ１２Ｌが隔壁５５、５５に支持されている。燃料噴射管６１は複数の噴射穴６２、６２・・を有しており、噴射穴６２、６２・・の一部は下部熱媒チューブ１２Ｌに向けて、残りは上部熱媒チューブ１２Ｕに向けて穿設されている。上部熱媒チューブ１２Ｕの熱を原燃料ガスＦＧの過熱だけでなく、液体原燃料ＦＬの蒸発にも利用できるので、熱効率が良くなる。なお、燃料噴射管６１の長手方向において、上向きの噴射穴６２と下向きの噴射穴６２を交互に穿設することもできる。
【００３８】
また、燃料噴射管４１、４１に穿設した複数の噴射穴４２、４２・・の配置および穴径を最適化させることで、蒸発室１１内の熱集中部に直接、適量の液体原燃料ＦＬを噴射することができるので、液体原燃料ＦＬの蒸発をより、効率良く、速やかに行うことができる。
【００３９】
例えば、図４（ｂ）に示すように、穴径は同一であるが、蒸発室１１の中央付近に多数の噴射穴４２、４２を設け、蒸発室１１の側面１６、１６付近の噴射穴４２、４２の数を減らすことで、熱集中部により多くの液体原燃料ＦＬを噴射させることが可能となる。また、図４（ｃ）において、噴射穴の配置は等間隔であるが、蒸発室１１の中央付近に穴径の大きい噴射穴４２ａが配置され、蒸発室１１の側面１６、１６付近に穴径の小さい噴射穴４２ｂが配置されている。熱集中部により多くの液体原燃料ＦＬを噴射させることが可能となる。
【００４０】
なお、本発明は本実施の形態に限定されるものではなく、例えば、燃料噴射管４１、４１の設置本数は二本としたが、これは、図５に示したように一本でも良いし、三本以上としても良い。また、二本の燃料噴射管４１、４１を、下部熱媒チューブ１２Ｌ、１２Ｌ・・に沿って、かつ、下部熱媒チューブ１２Ｌ、１２Ｌ・・に直交するように設けたが、設置位置を上下方向にずらして設けても良い。異なる領域に液体原燃料ＦＬを噴射できるので、熱の利用効率が向上する。さらに、燃料噴射管は蒸発室の側面から熱媒チューブと直交するように伸長していたが、蒸発室１１の上方や下方から伸長するように設けても良く、熱媒チューブと平行や、交差するように伸長しても良い。熱媒チューブが後述するように螺旋溝やスプライン軸を有する場合は、それらに沿って燃料噴射管を伸長させることで、熱媒チューブの螺旋溝やスプライン軸に液体原燃料を噴射できるので、液体原燃料と熱媒チューブの接触面積を増大でき、液体原燃料の蒸発を速やかに行える。
【００４１】
また、燃料噴射管４１を二本以上設ける場合は、各燃料噴射管４１毎に穿設される噴射穴の穴径および配置を設定しても良い。例えば、入口流路１３側に設けられた燃料噴射管４１からは、大量の液体原燃料ＦＬを噴射し、出口流路１４側に設けられた燃料噴射管４１からは、少量の液体原燃料ＦＬを噴射する。下部熱媒チューブ１２Ｌ、１２Ｌ・・の表面温度の高低にあわせて噴射量を設定することで、下部熱媒チューブ１２Ｌ、１２Ｌ・・の出口流路側で表面温度が低い場合の未蒸発を抑制できる。
【００４２】
また、熱媒ガスチューブ１２、１２・・の形状をベローズ形状としたが、単管の一部に絞り加工や、ねじり加工を施したり、螺旋溝やスプライン軸を形成したり、任意の凹凸形状を有しても良い。
また、熱媒チューブ１２、１２・・の表面にセラミックス系のコーティング処理を施してもよい。これにより、熱媒チューブ１２、１２・・表面の熱容量の増加および表面の保護が可能となる。
【００４３】
また、熱媒チューブ１２、１２・・は、隔壁１５、１５で支持され、ベローズ形状を有する単管を用いたが、従来技術のように略Ｕ字形状としても良い。この場合は、従来技術で述べたように入口流路側に出口流路を設けることになり、系の設計、配置上の自由度が得られる。
【００４４】
さらに、上部熱媒チューブ１２Ｕ、１２Ｕ・・の燃焼ガスＨＧの入口付近や、上部熱媒チューブ１２Ｕ、１２Ｕ・・の内壁に触媒を設ける等して、上部熱媒チューブ１２Ｕ、１２Ｕ・・の表面温度を、下部熱媒チューブ１２Ｌ、１２Ｌ・・の表面温度よりも高くしても良い。過熱温度を上昇させることで原燃料ガスＦＧをさらに安定した状態で改質器２に導入することができる。また、外側流路１８の入口付近や、外側通路１８の内部に触媒を設けて、蒸発室１１の側面１６、１６および底面１７の温度を、下部熱媒チューブ１２Ｌ、１２Ｌ・・の表面温度よりも高くしても良い。この場合には、蒸発室１１の側面１６、１６および底面１７における液溜まりを減少させることができる。
【００４５】
そして、外側流路１８の下面に直接、燃焼ガスを生成するための触媒燃焼器２０を配置しても良い。また、外側流路１８を側面１６、１６のみに形成し、蒸発室１１の底面１７に直接、燃焼ガスＨＧを生成するための触媒燃焼器２０を配置しても良い。これらによれば、燃焼ガスＨＧを生成の際に発生する熱を、外側流路１８の下面または蒸発器１１の底面１７の加熱に使用できるので、蒸発室１１の側面１６、１６および底面１７における液溜まりを減少させることができる。また、高温媒体として水素を含有する燃焼ガスを用いているが、液体ナトリウム等を液体を用いてもよい。
【００４６】
【発明の効果】
以上のように本発明は、蒸発室内に伸長する原燃料噴射管の複数の噴射穴から、蒸発室内に均一に液体原燃料を噴射することを可能とするので、液体原燃料を効率良く、速やかに蒸発できる。
【００４７】
また、原燃料噴射管が、熱媒チューブと直交するように連結されているため、液体原燃料が、各々の熱媒チューブの温度がほぼ等しい領域に噴射されることになるので、熱の利用効率が良くなり、液体原燃料を速やかに蒸気できる。熱媒チューブが、ベローズ形状を有する場合は、熱媒チューブの表面積が有効に利用でき、液体原燃料を速やかに蒸発できる。
【００４８】
また、噴射穴の穴径、および／または、穴数を蒸発室内の熱が集中する部分にあわせて穿設することで、蒸発室内の熱が集中する部分に、直接液体原燃料を噴射できるので、液体原燃料を効率良く、速やかに蒸発できる。
【００４９】
さらに、蒸発室内に過熱部を有し、しかも、過熱部に熱媒チューブを用いることで、装置の構成を簡単にすることができ、燃焼ガスの熱利用効率の高くできるので、液体原燃料を効率良く、速やかに蒸発できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料蒸発器が用いられる燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】本発明の燃料蒸発器の断面図である。
【図３】図１のＡ−Ａ線断面図である。
【図４】（ａ）は実施の形態における燃料噴射管の拡大断面図である。（ｂ）および（ｃ）は燃料噴射管の別の実施形態を示す拡大断面図である。
【図５】本発明における燃料噴射管の別形態を示す断面図である。
【図６】従来の燃料蒸発器の断面図である。
【符号の説明】
１ 燃料蒸発器
１０ 蒸発器本体
１１ 蒸発室
１１Ｕ 過熱部
１２ 熱媒チューブ
１２Ｌ 下部熱媒チューブ
１２Ｕ 上部熱媒チューブ
１６ 側面
２２ 排出ダクト （排出口）
４０ 原燃料噴射装置 （原燃料噴射手段）
４１ 燃料噴射管
４２、４２ａ、４２ｂ 噴射穴
Claims (5)
- 液体原燃料を高温熱媒体により蒸発させて原燃料ガスとする蒸発室と、前記液体原燃料を前記蒸発室に供給する原燃料噴射手段と、前記蒸発室を貫通するとともに、前記高温熱媒体が通流するための複数の熱媒チューブと、前記原燃料ガスを排出するための排出口とを有する燃料蒸発器であって、
前記蒸発室内に、蒸発した前記原燃料ガスを前記高温熱媒体で過熱する、前記排出口に面した過熱部を備え、
前記原燃料噴射手段は前記蒸発室の側面に設けられるとともに、前記原燃料噴射手段には、複数の噴射穴が穿設された原燃料噴射管が前記蒸発室内に伸長して連結されていることを特徴とする燃料蒸発器。 - 前記熱媒チューブは、ベローズ形状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料蒸発器。
- 前記過熱部が前記蒸発室内の上部に設けられていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料蒸発器。
- 前記原燃料噴射管は、前記熱媒チューブと直交して配されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか 1 項に記載の燃料蒸発器。
- 前記蒸発室の縁部側において前記原燃料噴射管に穿設された噴射穴に比して、
前記蒸発室の中央部側において前記原燃料噴射管に穿設された噴射穴は、その穴径と穿設密度の少なくとも一方が大なることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか 1 項に記載の燃料蒸発器。
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