JP4088945B2 - Fuel cell evaporator - Google Patents
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Description
【0001】
【産業上の利用分野】
本発明は、固体高分子型燃料電池の燃料改質系統に用いるメタノール及び水の蒸発器に関する。
【0002】
【従来の技術】
固体高分子型燃料電池(Polymer Electrolyte Fuel Cell:PEFC)は、図4の原理図に示すように、電解質にプロトン(H+ )導電性を有する高分子膜1を用い、この膜の両側に薄い多孔質Pt触媒電極2(アノードとカソード)を付けた構造を有する。それぞれの電極にH2 およびO2 を供給し、室温〜100℃前後で動作させると、H2 はH2 極(アノード)でH+ に酸化され、H+ は膜内を移動してO2 極(カソード)に到達する。一方e- は外部回路を通って電気的な仕事をしたのち、O2 極に到達する。O2 極ではO2 が到達したH+ およびe- と反応してH2 Oに還元される。
【0003】
PEFCの構造例を図5に示す。PEFCは、セパレータ5の間に膜/電解質接合体4を挟んで1つのセルが構成される。膜/電解質接合体4は、イオン交換膜1の両面に、Pt黒又はPt担持カーボンからなる多孔質電極2と、カーボンペーパあるいはカーボン布からなる支持集電体3を配置したものである。また、セパレータ5は、両面にガスを流す溝を有し、かつ内部に冷却水を流す溝を有する導電性の板である。なお図5の例では内部の冷却溝は2枚のセパレータを接合して構成されている。
【0004】
セパレータ5と膜/電解質接合体4を交互に複数積層することによりスタック(積層電池)が構成される。ガスや冷却水のシールは、ゴムシートやテフロンシートを間に挟んで行うことが多いが、イオン交換膜の弾性を利用して、膜自身でシールする場合もある。また、スタックの両端には金属の集電板(図示せず)を配置して外部電流取出し端子とし、さらに絶縁板を介して締付板を配置し、全体をボルト等で締め付けて一体化する。
上述した固体高分子型燃料電池(PEFC)は、100℃以下の低温作動であるために、放熱損失が少なく、システムがコンパクト化できるメリットがあり、電気自動車等への可搬型電源として各国で精力的に研究されている。
【0005】
図6は、メタノールを燃料とし、メタノール改質器とPEFCとを組み合わせた可搬電源の構成図である。この図において、メタノール改質器では、メタノールと水から、CH3 OH+H2 O→3H2 +CO2 の反応により、水素と二酸化炭素が生成される。この反応温度は約300℃前後であり、水とメタノールの蒸発及び改質反応に必要な熱は、燃料電池の未利用の水素を含む燃料排ガスおよび空気を燃焼させて供給される。かかる小型可搬電源は、例えば、電気自動車等の車両用電源として用いることができる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
電気自動車等の車両用電源は、特に小型化と起動特性が要求される。すなわち、図6に示したPEFC電源において、蒸発器は改質反応よりも大量の熱量を必要とするため大型になりやすくPEFC電源自体の小型化を阻害する要因となっていた。また、車両用電源は短時間に起動/停止する必要があり、蒸発器の起動/停止時間の短縮化が要望されていた。
従来の蒸発器として、例えば、「メタノールリホーマーの蒸発器」(特公平2−42762号)が開示されている。この蒸発器は、蒸発管内にメタノール水溶液を流し、外部からバーナで加熱するものである。この他に、同様に伝熱管内に被蒸発液を流し、その外側から電気ヒータ、燃焼ガスで加熱するのもの、容器内の被蒸発液内に電気ヒータ、燃焼ガスで加熱する加熱管を入れ、この加熱管により加熱するもの、等が知られている。
【0007】
しかし、これら従来の蒸発器では、特に液体側の伝熱面積及び熱伝達率が小さく小型化が困難である問題点があった。また、従来の蒸発器では、熱容量が大きいため起動に時間がかかり、かつ停止後に余分な蒸気が大量に残存する問題点があった。更に、従来の蒸発器では、圧力制御及び流量制御が複雑である問題点があった。
【0008】
本発明は上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、液体側の伝熱面積及び熱伝達率が大きく小型化が可能であり、短時間で起動ができ、かつ停止後の残存蒸気量が少なく、更に圧力制御及び流量制御が容易な燃料電池用蒸発器を提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、内管(11)と外管(12)とからなる二重管(13)と、内管及び外管に接しその間に挟持された円筒形の焼結金属管(14)とからなり、内管及び/又は外管を加熱し、焼結金属管に被蒸発液を浸透させて蒸発させ、前記焼結金属管(14)の外面に螺旋状に被蒸発液を供給するように、外管(12)の内面に螺旋溝(12a)が設けられ、かつ内管(11)の外面に軸方向の延びる蒸気用の流路(11a)が設けられている、ことを特徴とする燃料電池用蒸発器が提供される。
【0010】
上記本発明の構成により、外管(12)の内面の螺旋溝(12a)から焼結金属管(14)の外面に螺旋状に被蒸発液を供給し、焼結金属管に被蒸発液を浸透させ、これを加熱された内管及び/又は外管からの伝熱により焼結金属管内で蒸発させ、内管(11)の外面に設けられた蒸気用の流路(11a)を介して、燃料電池用の改質器等に供給することができる。
焼結金属管は、中実の金属材料に近い熱伝導率を有し、かつ比表面積が大きくことから、見掛けの容積が小さいにもかかわらず実質的な伝熱面積が大きい。また、被蒸発液(メタノール又は水、或いはその混合液)を表面張力で内部に浸透させて保有することができ、かつ内部で蒸発させて排出することができるので、高い熱伝達率を有する。従って、液体側の伝熱面積及び熱伝達率が大きく小型化が可能となる。
更に、内管及び/又は外管を加熱して焼結金属管を加熱することができるので、起動時には熱媒体を用いて内面から加熱し、定常時には燃焼ガスを用いて外面から加熱することができ、或いは一方又は両方を併用することができる。
また、焼結金属管を予熱した状態で保持し、被蒸発液を必要量だけ供給することにより、短時間で起動ができ、かつ停止後の残存蒸気量を少なくできる。
【0011】
また、前記外管(12)はその外周部に複数の伝熱フィン(12b)を有し、更に、前記二重管(13)を囲む中空円筒形のシェル(16)と、シェル内を複数の空間に仕切りかつそれぞれ貫通穴(17a)を有するバッフル(17)とを備え、シェル内に高温ガスが供給される。更に、前記内管(11)の内側に加熱した熱媒体が供給される。
この構成により、バッフル(17)の貫通穴(17a)を通して、高温ガス(例えば燃焼ガス)を順次外管(12)のまわりの伝熱フィン(12b)に接触させることができ、外管(12)を介して焼結金属管を効率的に加熱することができる。また、内管(11)に加熱した熱媒体を供給することにより、内管を介しても焼結金属管を加熱することができ、起動時や定常時にその一方を使用して、或いは両方を併用することができる。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付して使用する。
図1は、本発明による燃料電池用蒸発器の全体構成図である。この図に示すように、本発明の燃料電池用蒸発器10は、二重管13を囲む中空円筒形のシェル16と、シェル16内を複数の空間に仕切りかつそれぞれ貫通穴17aを有するバッフル17とを備える。二重管13を構成する外管12の外周部には複数の伝熱フィン12bが取り付けられている。シェル16の両端部は平板又は鏡板で閉じられており、この平板又は鏡板を二重管13が貫通している。また、バッフル17はシェル16の軸線に垂直な仕切り板であり、シェル16内をほぼ均等な複数(この図で5つ)の空間に仕切っている。バッフル17の貫通穴17aは、仕切られた各空間の幅方向端部に交互に設けられている。また、シェル16の両端部に位置する空間に高温ガス7を供給し排出する供給/排出口16a,16bがそれぞれ設けられている。なお、この図で9aは、被蒸発液(メタノール又は水、或いはその混合液)であり、メタノール又は水を単独に蒸発させてもよく、或いは水・メタノールの混合液を蒸発させてもよい。また、9bは被蒸発液が蒸発した蒸気である。
【0013】
この構成により、シェル16内に高温ガス7を供給することにより、図に破線の矢印で示すように、バッフル17の貫通穴17aを通して、高温ガス7(例えば燃焼ガス)を順次外管12のまわりの伝熱フィン12bに接触させることができ、外管12を介してその内部(後述する焼結金属管)を効率的に加熱することができる。
更に、図1に示すように、この実施形態では、二重管13を構成する内管11の内側に加熱した熱媒体8を供給するようになっている。この構成により、内管11を介しても二重管13の内部(後述する焼結金属管)を加熱することができ、起動時や定常時にその一方を使用して、或いは両方を併用することができる。
【0014】
図2は、図1のA部の拡大断面図であり、図3は、図2のB−B線における断面図である。図1及び図2に示すように、本発明の燃料電池用蒸発器10は、内管11と外管12とからなる二重管13と、内管11及び外管12に密着してその間に挟持された円筒形の焼結金属管14とからなる。内管11と外管12とは、図2に示すように、その端部で溶接等により気密に接合されている。また、前述のように、外管12の外周部には複数の伝熱フィン12bが十分小さいピッチで取り付けられている。
【0015】
焼結金属管14は、金属粒子を充填して所望の形状(この場合、円筒形)に成形し、更に高温で焼結して粒子間を部分的にシンタリングさせたものである。本発明に用いる焼結金属管14は、熱伝導率の高い金属粒子を用い、かつその粒子間の隙間に被蒸発液を表面張力で浸透させることができ、かつ表面張力で内部に保持することができるように平均の隙間が設定されている。
【0016】
図1及び図2に示すように、本発明の燃料電池用蒸発器10では、更に、焼結金属管14の外面に螺旋状に被蒸発液9aを供給するように、外管12の内面に螺旋溝12aが設けられている。この螺旋溝12aには外管12の端部に取り付けられた液供給管12cから、被蒸発液9aが供給される。
更に、内管11の外面に軸方向の延びる蒸気用の流路11aが設けられている。この構成により、内管11及び/又は外管12を加熱し、焼結金属管14に被蒸発液9aを浸透させて蒸発させることができる。
【0017】
上述した本発明の構成により、外管12の内面の螺旋溝12aから焼結金属管14の外面に螺旋状に被蒸発液9aを供給し、焼結金属管14に被蒸発液9aを表面張力(毛細管現象)により浸透させ、これを加熱された内管11及び/又は外管12からの伝熱により焼結金属管14内で蒸発させ、内管11の外面に設けられた蒸気用の流路11aを介して、蒸気9bを燃料電池用の改質器等に供給することができる。
焼結金属管14は、中実の金属材料に近い熱伝導率を有し、かつ比表面積が大きくことから、見掛けの容積が小さいにもかかわらず実質的な伝熱面積が大きい。また、被蒸発液9a(メタノール又は水、或いはその混合液)を表面張力で内部に浸透させて保有することができ、かつ内部で蒸発させて排出することができるので、高い熱伝達率を有する。従って、液体側の伝熱面積及び熱伝達率が大きく小型化が可能となる。
【0018】
更に、内管11及び/又は外管12を加熱して焼結金属管14を加熱することができるので、起動時には熱媒体8を用いて内面から加熱し、定常時には燃焼ガス7を用いて外面から加熱することができ、或いは一方又は両方を併用することができる。
また、焼結金属管14を予熱した状態で保持し、被蒸発液9aを必要量だけ供給することにより、短時間で起動ができ、かつ停止後の残存蒸気量を少なくできる。更に、供給した被蒸発液9aの全量がそのまま蒸発するので、圧力制御及び流量制御を容易に行うことができる。
【0019】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。
【0020】
【発明の効果】
上述したように、本発明の燃料電池用蒸発器は、液体側の伝熱面積及び熱伝達率が大きく小型化が可能であり、短時間で起動ができ、かつ停止後の残存蒸気量が少なく、更に圧力制御及び流量制御が容易である、等の優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による燃料電池用蒸発器の全体構成図である。
【図2】図1のA部の拡大断面図である。
【図3】図2のB−B線における断面図である。
【図4】固体高分子型燃料電池の原理図である。
【図5】固体高分子型燃料電池の構造図である。
【図6】従来のメタノール改質器とPEFCとを組み合わせた可搬電源の構成図である。
【符号の説明】
1 イオン交換膜(高分子膜)
2 電極
3 支持集電体
4 膜/電解質接合体
5 セパレータ
7 高温ガス
8 熱媒体
9a 被蒸発液(メタノール又は水、或いはその混合液)
9b 蒸気
11 内管
11a 蒸気流路
12 外管
12a 螺旋溝
12b 伝熱フィン
12c 液供給管
13 二重管
14 焼結金属管
16 シェル
17 バッフル
17a 貫通穴[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to an evaporator of methanol and water used for a fuel reforming system of a polymer electrolyte fuel cell.
[0002]
[Prior art]
A polymer electrolyte fuel cell (PEFC) uses a polymer membrane 1 having proton (H + ) conductivity as an electrolyte and is thin on both sides of the membrane as shown in the principle diagram of FIG. It has a structure with a porous Pt catalyst electrode 2 (anode and cathode). Supplying H 2 and O 2 to the respective electrodes, operating at around room temperature to 100 ° C., H 2 is oxidized to H + with H 2-pole (anode), H + is moved to the film O 2 Reach the pole (cathode). On the other hand, e − reaches the O 2 pole after performing electrical work through an external circuit. At the O 2 electrode, O 2 reacts with the reached H + and e − and is reduced to H 2 O.
[0003]
A structural example of PEFC is shown in FIG. In PEFC, one cell is configured with a membrane /
[0004]
A stack (laminated battery) is formed by alternately laminating a plurality of
Since the polymer electrolyte fuel cell (PEFC) described above operates at a low temperature of 100 ° C. or less, it has the advantage of reducing heat dissipation and making the system compact, and it is vigorous in various countries as a portable power source for electric vehicles. Has been studied.
[0005]
FIG. 6 is a configuration diagram of a portable power source using methanol as a fuel and combining a methanol reformer and a PEFC. In this figure, in a methanol reformer, hydrogen and carbon dioxide are produced from methanol and water by a reaction of CH 3 OH + H 2 O → 3H 2 + CO 2 . The reaction temperature is about 300 ° C., and the heat required for the evaporation and reforming reaction of water and methanol is supplied by burning fuel exhaust gas containing unused hydrogen of the fuel cell and air. Such a small portable power source can be used as a power source for a vehicle such as an electric vehicle.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
A power source for a vehicle such as an electric vehicle is particularly required to have a small size and start-up characteristics. That is, in the PEFC power source shown in FIG. 6, the evaporator requires a larger amount of heat than the reforming reaction, so that the evaporator tends to be large and hinders the miniaturization of the PEFC power source itself. In addition, it is necessary to start / stop the vehicle power supply in a short time, and there has been a demand for shortening the start / stop time of the evaporator.
As a conventional evaporator, for example, “Methanol reformer evaporator” (Japanese Patent Publication No. 2-42762) is disclosed. In this evaporator, a methanol aqueous solution is flowed into an evaporation tube and heated by a burner from the outside. In addition, similarly, the liquid to be evaporated is caused to flow in the heat transfer tube, and an electric heater and one heated by the combustion gas from the outside thereof, and an electric heater and a heating tube heated by the combustion gas are placed in the liquid to be evaporated in the container. What is heated by this heating tube is known.
[0007]
However, these conventional evaporators have a problem that the heat transfer area and the heat transfer coefficient on the liquid side are particularly small and it is difficult to reduce the size. Further, the conventional evaporator has a problem that it takes a long time to start up due to its large heat capacity, and a large amount of excess steam remains after it stops. Furthermore, the conventional evaporator has a problem that pressure control and flow rate control are complicated.
[0008]
The present invention has been developed to solve the above-described problems. That is, the object of the present invention is that the heat transfer area and heat transfer coefficient on the liquid side are large and can be reduced in size, can be started up in a short time, and the amount of residual steam after stopping is small, and pressure control and flow control It is an object of the present invention to provide a fuel cell evaporator that is easy to achieve.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
According to the present invention, the inner tube (11) and outer tube (12) and the double tube consisting of a (13), the inner tube and to contact the outer tube sintered metal tube clamped a cylindrical therebetween (14 The inner tube and / or the outer tube are heated, the liquid to be evaporated is permeated into the sintered metal tube and evaporated, and the liquid to be evaporated is supplied spirally to the outer surface of the sintered metal tube (14). As described above, a spiral groove (12a) is provided on the inner surface of the outer tube (12), and a steam flow path (11a) extending in the axial direction is provided on the outer surface of the inner tube (11). A fuel cell evaporator is provided.
[0010]
According to the configuration of the present invention, the liquid to be evaporated is spirally supplied from the spiral groove (12a) on the inner surface of the outer pipe (12) to the outer surface of the sintered metal pipe (14), and the liquid to be evaporated is supplied to the sintered metal pipe. This is permeated and evaporated in the sintered metal tube by heat transfer from the heated inner tube and / or outer tube, and through a steam channel (11a) provided on the outer surface of the inner tube (11). , And can be supplied to a reformer for a fuel cell.
The sintered metal tube has a thermal conductivity close to that of a solid metal material and has a large specific surface area. Therefore, the sintered metal tube has a large substantial heat transfer area even though the apparent volume is small. In addition, the liquid to be evaporated (methanol or water, or a mixture thereof) can be held inside by surface tension and can be evaporated and discharged inside, so that it has a high heat transfer coefficient. Therefore, the heat transfer area and the heat transfer coefficient on the liquid side are large and downsizing is possible.
Further, since the sintered metal tube can be heated by heating the inner tube and / or the outer tube, it is possible to heat from the inner surface using a heat medium at the start-up, and from the outer surface using a combustion gas in a steady state. Or one or both can be used together.
Further, by holding the sintered metal tube in a preheated state and supplying the required amount of liquid to be evaporated, it is possible to start up in a short time and to reduce the amount of remaining steam after stopping.
[0011]
The outer pipe (12) has a plurality of heat transfer fins (12b) on the outer periphery thereof, and further includes a hollow cylindrical shell (16) surrounding the double pipe (13), and a plurality of insides of the shell. And baffles (17) each having a through hole (17a), and hot gas is supplied into the shell. Further, a heated heat medium is supplied to the inside of the inner pipe (11).
With this configuration, high-temperature gas (for example, combustion gas) can be sequentially brought into contact with the heat transfer fins (12b) around the outer pipe (12) through the through hole (17a) of the baffle (17). ) Through which the sintered metal tube can be efficiently heated. In addition, by supplying a heated heat medium to the inner tube (11), the sintered metal tube can be heated through the inner tube, and one of them can be used at the time of start-up or steady operation, or both. Can be used together.
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In each drawing, common parts are denoted by the same reference numerals.
FIG. 1 is an overall configuration diagram of a fuel cell evaporator according to the present invention. As shown in this figure, a
[0013]
With this configuration, by supplying the
Further, as shown in FIG. 1, in this embodiment, the
[0014]
2 is an enlarged cross-sectional view of a portion A in FIG. 1, and FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line BB in FIG. As shown in FIGS. 1 and 2, the
[0015]
The
[0016]
As shown in FIGS. 1 and 2, in the
Further, a
[0017]
According to the configuration of the present invention described above, the evaporating liquid 9a is supplied spirally from the
The
[0018]
Further, since the
In addition, by holding the
[0019]
In addition, this invention is not limited to embodiment mentioned above, Of course, it can change variously in the range which does not deviate from the summary of this invention.
[0020]
【The invention's effect】
As described above, the fuel cell evaporator of the present invention has a large heat transfer area and heat transfer coefficient on the liquid side, can be downsized, can be started up in a short time, and has a small amount of remaining steam after being stopped. Further, it has excellent effects such as easy pressure control and flow rate control.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an overall configuration diagram of a fuel cell evaporator according to the present invention.
FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view of a portion A in FIG.
3 is a cross-sectional view taken along line BB in FIG.
FIG. 4 is a principle diagram of a polymer electrolyte fuel cell.
FIG. 5 is a structural diagram of a polymer electrolyte fuel cell.
FIG. 6 is a configuration diagram of a portable power source combining a conventional methanol reformer and PEFC.
[Explanation of symbols]
1 Ion exchange membrane (polymer membrane)
2 Electrode 3 Support
Claims (3)
前記焼結金属管(14)の外面に螺旋状に被蒸発液を供給するように、外管(12)の内面に螺旋溝(12a)が設けられ、かつ内管(11)の外面に軸方向の延びる蒸気用の流路(11a)が設けられている、ことを特徴とする燃料電池用蒸発器。It from the inner tube (11) outer tube (12) from become double pipe (13), contact and sintered metal tube a cylindrical sandwiched therebetween on the inner tube and the outer tube (14), the inner The tube and / or the outer tube is heated, the liquid to be evaporated is permeated into the sintered metal tube and evaporated ;
A spiral groove (12a) is provided on the inner surface of the outer tube (12) so as to supply the liquid to be evaporated spirally to the outer surface of the sintered metal tube (14), and a shaft is formed on the outer surface of the inner tube (11). An evaporator for a fuel cell, characterized in that a steam flow path (11a) extending in a direction is provided .
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