JP4130555B2 - ガス加湿装置 - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、溶融炭酸塩型燃料電池（ＭＣＦＣ）における燃料の加湿などに使用されるガス加湿装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
溶融炭酸塩型燃料電池では、天然ガスなどの燃料ガスを蒸気で加湿した後、改質用触媒と反応させ、しかる後に電池セルへ供給する。ここにおける加湿は、従来は常温の燃料ガスと、ボイラーで発生させた蒸気とを、ボイラーとは別のユニットで混合することにより行われていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
このような従来の加湿プロセスによると、ボイラーと混合器の２ユニットが必要になり、設備の大型化が避けられない。これを避けるために、蒸気発生プロセスと、発生した蒸気と燃料ガスを混合するプロセスとを１ユニットで行うガス加湿装置の開発が待たれている。
【０００４】
本発明の目的は、蒸気発生とその蒸気による加湿を１ユニットで実行できる小型で効率的なガス加湿装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明のガス加湿装置は、複数枚の縦型チューブプレートを厚み方向に所定間隔で積層して、水平方向に並列する複数の空間を形成し、それら空間の一つおきに加熱用の高温流体を下部から上部へ流通させ、他の空間に加湿すべきガスを上部から下部へ流通させる縦型で対向流形式のプレートフィン型の熱交換器コアと、前記ガスが上部から下部へ流通する前記他の空間のそれぞれに蒸気源である液体を散布するべく、前記他の空間のそれぞれの上部に両側のチューブプレートに沿って挿入されたインジェクションチューブと、インジェクションチューブに前記液体を供給するために、前記熱交換器コアから離れて該チューブに接続されたヘッダ管とを具備している。
【０００６】
本発明のガス加湿装置においては、縦型で対向流形式の熱交換器コア内に形成された２種類の空間の一方に加熱用の高温流体が下部から上部へ流通し、他方に加湿すべきガスを上部から下部へ流通すると共に、他方の空間の上部においてインジェクションチューブ、より詳しくは、前記縦型の熱交換器コアの横から空間内へ両側のチューブプレートに沿ってほぼ水平に挿入されたインジェクションチューブにより、蒸気源である液体が供給される。これにより、その液体が蒸発し、蒸気となって加湿すべきガスに混じり、そのガスが加湿される。そして、インジェクションチューブに、蒸気源である液体を供給するヘッダ管が熱交換器コアから離れているので、ベーパーロックなどが効果的に防止され、その液体の安定供給が可能になる。
【０００７】
より好ましくは、前記空間の上部に導入された加湿すべきガスの一部が熱交換器コアの外に流出し、その外に配置されたヘッダ管に接触するように構成する。この構成により、ヘッダ管が前記ガスを利用して冷却され、前記液体のより安定な供給が可能になる。
【０００８】
熱交換器コアからヘッダ管までの離間距離は１００〜３００ｍｍが好ましい。これが小さすぎるとベーパーロックなどを十分に防止できない。逆に大きすぎる場合はコンパクト性が損なわれる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明の一実施形態を示すガス加湿装置の側面図、図２は同ガス加湿装置の平面図、図３は同ガス加湿装置の底面図、図４は同ガス加湿装置における熱交換器コアの縦断側面図、図５は同熱交換器コアの横断平面図である。
【００１０】
本実施形態のガス加湿装置は、溶融炭酸塩型燃料電池（ＭＣＦＣ）における燃料の加湿プロセスに使用される。このガス加湿器は、プレートフィン型熱交換器を基本構造とする熱交換器コア１００と、熱交換器コア１００内に蒸気源としてのの水Ｃを供給する給水機構２００とを備えている。
【００１１】
熱交換器コア１００は、基本的に、縦型で対向流形式のプレートフィン型熱交換器からなる直方体状のコア本体１１０と、コア本体１１０の上面に取り付けられた加熱用ガスＡの導出ヘッダ１２０と、コア本体１１０の下面に取り付けられた加熱用ガスＡの導入ヘッダ１３０と、コア本体１１０の上部正面に取り付けられた燃料ガスＢの導入ヘッダ１４０と、コア本体１１０の下部背面に取り付けられた燃料ガスＢの導出ヘッダ１５０とで構成されている。導出ヘッダ１２０及び導入ヘッダ１３０はドーム形、導入ヘッダ１４０及び導出ヘッダ１４０は蒲鉾形であり、いずれもコア本体１１０に直付けされている。
【００１２】
コア本体１１０は、水平方向に所定の間隔で並列配置された多数枚の垂直なチューブプレート１１１，１１１・・と、隣接するチューブプレート１１１，１１１の間に縦向きの流体流通空間を形成するために、この間に配置された前後一対のスペーサバー１１２，１１２とを有している。
【００１３】
前記流体流通空間は、水Ｃを蒸発させるための高温の加熱用ガスＡが下から上へ流通する垂直な第１空間１１３Ａと、加湿すべき燃料ガスＢが加湿用の蒸気と共に上から下へ流通する垂直な第２空間１１３Ｂとを、チューブプレート１１１，１１１・・の配列方向に交互に積層した構成になっている。
【００１４】
第１空間１１３Ａには、水平方向に凹凸が繰り返された垂直方向のコルゲートフィン１１４が全高にわたって配置されている。これにより、第１空間１１３Ａは導出ヘッダ１２０及び導入ヘッダ１３０と連通している。第２空間１１３Ｂには、垂直方向のコルゲートフィン１１５が、上部及び下部、並びにその他の一部分を除いて配置されている。第２空間１１３Ｂの上部及び下部には、導入ヘッダ１４０及び導出ヘッダ１５０に連通するように、水平方向のコルゲートフィン１１６が配置されている。コルゲートフィン１１５の上部には、当該フィンを除去して形成された空きスペース１１８が設けられており、この空きスペース１１８には、後述するインジェクションチューブが挿入されている。
【００１５】
熱交換器コア１００内に蒸気発生用の水Ｃを供給する給水機構２００は、縦型で対向流形式のプレートフィン型熱交換器からなるコア本体１１０の背面側、すなわち縦型コアの横から複数の第２空間１１３Ｂ，１１３Ｂ・・内の各空きスペース１１８に水平に挿入された複数本のインジェクションチューブ２１０，２１０・・と、インジェクションチューブ２１０，２１０・・に直角に接続された水平なヘッダ管２２０とを有している。各インジェクションチューブ２１０は、空きスペース１１８にほぼ全長にわたって挿入されており、その挿入部の下面側には複数のノズル孔が所定間隔で設けられている。
【００１６】
各インジェクションチューブ２１０の後部は、スペーサバー１１２に設けられた貫通孔を通ってコア本体１１０の背面側に突出しており、その突出部は、コア本体１１０の背面側にコア本体１１０から離れて配置された円管状のヘッダ管２２０に接続されている。そして、各突出部は、コア本体１１０の背面とヘッダ管２２０との間に設けられた横長のケース２３０内に収容されている。ここで、インジェクションチューブ２１０が貫通する貫通孔の内径は、インジェクションチューブ２１０の外径より十分に大きく設定されている。これにより、ケース２３０内は、インジェクションチューブ２１０の周囲に形成された環状の隙間を通して前記空きスペース１１８に連通している。
【００１７】
次に、本実施形態のガス加湿装置の機能について説明する。
【００１８】
熱交換器コア１００のコア本体１１０においては、高温の加熱用ガスＡが複数の垂直な第１空間１１３Ａ，１１３Ａ・・に下部から導入され、これらを下から上へ流通する。また、加湿すべき常温の燃料ガスＢが、複数の垂直な第２空間１１３Ｂ，１１３Ｂ・・に上部から導入され、これらを上から下へ流通する。そして、第２空間１１３Ｂ，１１３Ｂ・・の各上部においては、インジェクションチューブ２１０から水Ｃが散布される。
【００１９】
ここで、複数の垂直な第２空間１１３Ｂ，１１３Ｂ・・は、内部に配置されたコルゲートフィン１１５，１１６と共に高温に加熱されている。このため、インジェクションチューブ２１０から第２空間１１３Ｂの上部内に散布された水Ｃは直ちに蒸発し、高温の蒸気となる。これにより、第２空間１１３Ｂ，１１３Ｂ・・を上から下へ流通する燃料ガスＢが高温の蒸気と混じる。かくして、加湿された燃料ガスＢが生成され、導出ヘッダ１５０から排出される。
【００２０】
また、複数本のインジェクションチューブ２１０，２１０・・に水Ｃを供給するヘッダ管２２０は、コア本体１１０の背面から離れている。コア本体１１０は高温であるため、他のヘッダのようにヘッダ管２２０がコア本体１１０に直接接触していると、ベーパーロックなどが生じやすい。燃料ガスＢへの水Ｃの添加量は燃料ガスＢの流量に応じて調節される。燃料ガスＢの流量は、例えば１０〜１００％というような非常に広い範囲で変更される。ベーパーロックは、燃料ガスＢの流量を少なくし、これに応じて水Ｃの添加量を極端に減らしたときに特に発生しやすい。
【００２１】
しかしながら、本実施形態のガス加湿装置においては、ヘッダ管２２０をコア本体１１０の背面から離しているため、水Ｃの添加量を減らしたときもベーパーロックが効果的に防止され、水Ｃの安定添加、ひいては蒸気の安定な混合、安定加湿が可能になる。
【００２２】
しかも、本実施形態においては、インジェクションチューブ２１０が貫通する貫通孔の内径が、インジェクションチューブ２１０の外径より十分に大きく設定され、両者の間に環状の隙間が形成されている。このため、第２空間１１３Ｂの上部に導入された比較的低温の燃料ガスＢが、前記隙間を通してケース２３０内に流入し、インジェクションチューブ２１０の後部からヘッダ管２２０にかけての部分が強制的に冷却される。従って、ベーパーロックがより一層効果的に防止される。
【００２３】
【発明の効果】
以上に説明したとおり、本発明のガス加湿装置は、プレートフィン型熱交換器からなるコアの、加湿すべきガスが上部から下部へ流通する空間に、その上部からインジェクションチューブにより、蒸気源である液体を供給すると共に、インジェクションチューブに液体を供給するヘッダ管を前記コアから離しているので、単に、蒸気発生とその蒸気による加湿を１ユニットで実施できるだけでなく、加湿すべきガスの流量を絞り、蒸気源である液体の供給量を減らしたときにも、安定な加湿を可能にし、これにより広範囲の流量変更を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示すガス加湿装置の側面図である。
【図２】同ガス加湿装置の平面図である。
【図３】同ガス加湿装置の底面図である。
【図４】同ガス加湿装置における熱交換器コアの縦断側面図である。
【図５】同熱交換器コアの横断平面図である。
【符号の説明】
１００ 熱交換器コア
１１０ コア本体
１１１ チューブプレート
１１２ スペーサバー
１１３Ａ，１１３Ｂ 空間
１１４，１１５，１１６，１１７ コルゲートフィン
１１８ 空きスペース
１２０，１３０，１４０，１５０ ヘッダ
２００ 給水機構
２１０ インジェクションチューブ
２２０ ヘッダ管
２３０ ケース

Claims (3)

  1. 複数枚の縦型チューブプレートを厚み方向に所定間隔で積層して、水平方向に並列する複数の空間を形成し、それら空間の一つおきに加熱用の高温流体を下部から上部へ流通させ、他の空間に加湿すべきガスを上部から下部へ流通させる縦型で対向流形式のプレートフィン型の熱交換器コアと、前記ガスが上部から下部へ流通する前記他の空間のそれぞれに蒸気源である液体を散布するべく、前記他の空間のそれぞれの上部に両側のチューブプレートに沿って挿入されたインジェクションチューブと、インジェクションチューブに前記液体を供給するために、前記熱交換器コアから離れて該チューブに接続されたヘッダ管とを具備することを特徴とするガス加湿装置。
  2. 前記他の空間の上部に導入された加湿すべきガスの一部が熱交換器コアの外に流出し、その外に配置されたヘッダ管に接触するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載のガス加湿装置。
  3. 前記インジェクションチューブは、前記熱交換器コアの横から前記他の空間に両側のチューブプレートに沿って挿入されている請求項１に記載のガス加湿装置。
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