JP4231172B2

JP4231172B2 - 燃料蒸発器

Info

Publication number: JP4231172B2
Application number: JP31600099A
Authority: JP
Inventors: 隆宏立原; 貢次宮野; 雅人中村; 直行安部
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 1999-11-05
Filing date: 1999-11-05
Publication date: 2009-02-25
Anticipated expiration: 2019-11-05
Also published as: JP2001135335A

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おける液体原燃料の燃料蒸発器に関し、さらに詳しくは、蒸発室内における蒸発性能を向上することができる配管構造を有する燃料蒸発器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池システムは、水素を燃料ガスとして燃料電池の水素極（陰極）に供給するとともに、酸素を含有する酸化ガスを燃料電池の酸素極（陽極）に供給して発電を行う燃料電池を中核とした発電システムである。この燃料電池システムは、化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換するものであり、高い発電効率を有することや有害物質の排出量が極めて少ないこと等から最近注目されている。
【０００３】
従来の燃料電池システムで使用される燃料蒸発器は、例えば特願平１１―１２５３６６号に記載されている。この燃料蒸発器１００は、図８に示すように、触媒燃焼器の中で、被燃焼体を触媒反応で燃焼させることにより発生させた高温熱媒体である燃焼ガスＨＧを、蒸発器本体１１０に導入するための入口部１１４と、前記燃焼ガスＨＧをＵ字形の熱媒チューブ１１２の入口１１２ａから出口１１２ｂまでの内側に通流して、原燃料噴射装置１４０から前記熱媒チューブ１１２の外表面に噴射される液体原燃料ＦＬを前記燃焼ガスＨＧから得られる熱により蒸発させる蒸発室１１１と、蒸発室１１１で前記液体原燃料ＦＬの蒸発を行った後の燃焼ガスＨＧが通流する蒸発室１１１の下面１１０Ａに設けられた燃焼ガス通路１１３と、前記蒸発室１１１で蒸発した原燃料ガスＦＧを、前記燃焼ガス通路１１３を経由した燃焼ガスＨＧにより過熱するための過熱室１３２と蒸気チューブ１３１とから形成される過熱部１３０とから主要部が構成される。
【０００４】
以上から構成される従来の燃料蒸発器１００の作用について述べる。
触媒燃焼器で被燃焼体を燃焼させて生成した高温熱媒体である燃焼ガスＨＧは、蒸発器本体１１０の入口部１１４に導入される。入口部１１４に導入された燃焼ガスＨＧは、蒸発室１１１内のＵ字形をした熱媒チューブ１１２内の入口１１２ａから１１２ｂまでを上から下に通過し、蒸発室１１１内で前記熱媒チューブ１１２の外表面に原燃料噴射装置１４０により噴射される液体原燃料ＦＬを蒸発させる。次に、液体原燃料ＦＬを蒸発させた後の燃焼ガスＨＧは、燃焼ガス通路１１３を経由して過熱部１３０の過熱室１３２へと導かれ、前記蒸発室１１１内で蒸発した原燃料ガスＦＧをさらに過熱する。過熱された原燃料ガスＦＧは図示しない改質器へと導入され、原燃料ガスＦＧを過熱した燃焼ガスＨＧは排ガスとして系外に排出される。
【０００５】
しかしながら、従来の燃料電池システムにおける燃料蒸発器１００の蒸発室１１１内の配管構造は、図８に示すように、熱媒チューブ１１２がＵ字形をしており、曲管部Ｒ′を挟んで上下の配管が水平配管のため、蒸発室１１１内で原燃料噴射装置１４０により熱媒チューブ１１２の外表面に噴射された液体原燃料ＦＬは、熱媒チューブ１１２上に液滴として滞留し、水平移動しながら大きな液滴として成長する。
その結果、液滴の容積当りの表面積（受熱面積）が小さくなるので、熱媒チューブ１１２からの伝熱が悪くなり、液滴の蒸発が悪くなる。従って、燃料蒸発器１００に供給した液体原燃料ＦＬの量から得られるはずの原燃料ガスＦＧの量が得られないという問題があった。
また、前記熱媒チューブ１１２内の燃焼ガスＨＧは、層流で流れるため、せっかく高温の燃焼ガスＨＧを発生しても、熱媒チューブ１１２の内壁側と中心部とで温度分布を生じてしまい、燃焼ガスＨＧの保有熱量が、原燃料噴射装置１４０により噴射される液体原燃料ＦＬの蒸発に有効に利用されていないという問題があった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、前記課題を解決するためになされたものであって、蒸発室内で液体原燃料を速やかに蒸発でき、かつ、高温熱媒体の保有熱を液体原燃料の蒸発に有効に利用できる配管構造を備えた燃料蒸発器を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために請求項１に記載された発明の要旨とするところは、蒸発室内に設けた熱媒チューブと、前記蒸発室の上部に設けられて前記熱媒チューブの外周に液体原燃料を噴射する原燃料噴射装置とを備え、前記熱媒チューブに触媒燃焼器で燃焼した燃焼ガスを高温熱媒体として通流しながら前記熱媒チューブに液体原燃料を噴射し、該液体原燃料を前記蒸発室内で蒸発させる燃料蒸発器において、前記蒸発室は、前記触媒燃焼器と隣接して蒸発器本体内に配置されるとともに、前記熱媒チューブを保持し、前記触媒燃焼器からの熱を前記熱媒チューブに伝える受熱部を有するチューブ保持部が備えられ、前記熱媒チューブの少なくとも一部には、水平状態から前記チューブ保持部側に向かって下降する傾斜部が設けられたことを特徴とするものである。
【０００８】
このように構成することにより、熱媒チューブの外表面に噴射された液体原燃料の液滴が傾斜部で一定方向に移動させられることにより、熱媒チューブの上で水平移動しながら大きく成長するのを防げる。それに加え、触媒燃焼器の触媒層出口の略真上に設けられ受熱部を備えたチューブ保持部が高温となっているので、チューブ保持部まで熱媒チューブの傾斜部を伝わってきた液滴は、高温のチューブ保持部で加熱されながら蒸発室底部に落下するため速やかに液滴を蒸発させることができる。
【０００９】
前記課題を解決するために請求項２に記載された発明の要旨とするところは、前記熱媒チューブは、前記液体原燃料の通流方向を反転させるべくＵ字状に形成されるとともに、その両端の入口部と出口部が前記チューブ保持部によって保持され、前記傾斜部が出口部側のチューブ保持部に向かって降下するように形成されていることを特徴とするものである。
【００１０】
前記課題を解決するために請求項３に記載された発明の要旨とするところは、前記熱媒チューブ内には前記燃焼ガスの流れを乱す乱流生成部が設けられたことを特徴とするものである。
このように、熱媒チューブ内に乱流生成部を設けることにより、高温熱媒体が熱媒チューブ内を通過する際に、流れが層流から乱流となってチューブ内の半径方向の温度分布が均一となる。その結果、流れが層流のときよりもチューブ外表面に充分な熱量を与えることができるので、高温熱媒体の保有熱量が液体原燃料の蒸発に有効に利用できる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明に係る燃料蒸発器の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明に係る燃料電池システムの全体系統図、図２は、本発明に係る燃料蒸発器の平面部分断面図、図３は、図２のＡ−Ａ′断面図、図４（ａ）〜（ｄ）は、本発明に係る蒸発室の高さ方向に入れ子状に配列されるＵ字管の外形図、図５（ａ）は、本発明に係る熱媒チューブの第一実施形態を示す要部断面図、図５（ｂ）は、本発明に係る熱媒チューブの第二実施形態を示す要部断面図、図６は、本発明に係る熱媒チューブの内側に乱流生成部を設けた他の実施形態である燃料蒸発器の正面断面図、図７（ａ）は、本発明に係る熱媒チューブ内に設けられる捻れフィンの第一実施形態を示す外形図、図７（ｂ）は、本発明に係る熱媒チューブ内に設けられる捻れフィンの第二実施形態を示す外形図である。
【００１２】
以下、本発明に係る燃料電池システム全体について図1を参照して説明する。車両に搭載される燃料電池システムＦＣＳは、図１に示すように、液体原燃料ＦＬを蒸発させるための燃料蒸発器１と、燃料蒸発器１で前記液体原燃料ＦＬを蒸発させた原燃料ガスＦＧを固体触媒上で反応させて燃料ガスにする改質器２と、改質器２で生成される前記燃料ガス中の一酸化炭素を除去するＣＯ除去器３と、前記ＣＯ除去器３から供給される燃料ガス中の水素と、酸化剤供給手段である空気圧縮機４により圧縮された空気中の酸素とを反応させて発電を行う燃料電池５と、燃料電池５の水素極のオフガスＯＧから水分を分離・除去する気液分離装置６と、気液分離装置６から供給されるオフガスＯＧや補助燃料を燃焼して起動時等で燃料蒸発器１の加熱源となる高温熱媒体である燃焼ガスＨＧを発生する補助燃料（例えばメタノール）の供給ラインを有する燃焼バーナ７とを含んで構成される。
【００１３】
次に、前記のように構成される燃料電池システムＦＣＳの作用について説明する。
液体原燃料ＦＬ（例えばメタノールと水の混合燃料）が、ポンプにより、貯蔵タンクＴから燃料蒸発器１へ所定の量だけ供給される。前記燃料蒸発器１の蒸発器本体１０に供給された液体原燃料ＦＬは、原燃料噴射装置４０により熱媒チューブ１２（図２から図８参照）の外表面に噴射されて原燃料ガスＦＧとして蒸発される。蒸発器本体１０の加熱源としては、運転時は、燃料電池５の水素極のオフガスＯＧを燃料蒸発器１の触媒燃焼器２０で触媒燃焼することにより発生する高温熱媒体である燃焼ガスＨＧを使用するが、起動時等で加熱源がない場合は、燃焼バーナ７で補助燃料（例えばメタノール）を燃焼して必要熱量を確保できるようになっている。
【００１４】
前記燃料蒸発器１を構成する蒸発室１１で蒸発した原燃料ガスＦＧは、改質器２に導入され、固体触媒（例えばＣｕ−Ｚｎ系の触媒）上で反応させられて水素リッチな燃料ガスを製造する。さらに、前記改質器２で生成された水素リッチな燃料ガスは、ガス中の一酸化炭素をＣＯ除去器３で除去された後、前記ＣＯ除去器３から供給される燃料ガス中の水素と、酸化剤供給手段である空気圧縮機４により圧縮された空気中の酸素とを反応させて発電を行う燃料電池５に導入される。この燃料電池５で反応した後の水素極のオフガスＯＧは、気液分離装置６で水分を分離・除去された後、再び触媒燃焼器２０で燃焼され蒸発室１１の加熱源となる。
【００１５】
次に、本発明に係る燃料蒸発器１の構成について図３を参照して説明する。
燃料蒸発器１は、以下に説明するように構成されている。
すなわち、蒸発室１１の底部に隣接して設けられ、被燃焼体である燃料電池５の水素極のオフガスＯＧを導入する入口部２１と、前記オフガスＯＧを燃焼反応により燃焼させる触媒層２２と、オフガスＯＧを燃焼させることにより発生した高温熱媒体である燃焼ガスＨＧが流れ方向を１８０度変えられるようにした隔壁板２４を有する出口部２３とから触媒燃焼器２０が構成されている。
前記触媒燃焼器２０で発生した高温熱媒体である燃焼ガスＨＧをその内側に通流し、かつ、図４（ａ）に示すような上方の配管Ａの少なくとも一部がチューブ保持部１２ｃに向かって下降傾斜した傾斜部１２ｄを有して形成されたＵ字形をした熱媒チューブ１２と、前記熱媒チューブ１２の両端部を保持し、触媒燃焼器２０からの熱を熱伝導により伝えられる受熱部１２ｃｂを備えたチューブ保持部１２ｃと、これらを囲んだ部屋である前記蒸発室１１の上部に設けられ、蒸発室１１内で前記熱媒チューブ１２の外表面に液体原燃料ＦＬを噴射する原燃料噴射装置４０とから蒸発器本体１０が構成されている。
前記蒸発室１１から出た燃焼ガスＨＧを通流する前記蒸発室１１の周囲に設けた燃焼ガス通路１３と、前記蒸発室１１で蒸発した原燃料ガスＦＧを前記燃焼ガス通路１３を通ってきた燃焼ガスＨＧで過熱する図示しない過熱部３０（図２参照）と、前記触媒燃焼器２０と、前記蒸発器本体１０とから燃料蒸発器１の主要部が構成される。
【００１６】
前記触媒燃焼器２０は、蒸発器本体１０の蒸発室１１の直下に隣接して設けられ、被燃焼体である燃料電池５の水素極のオフガスＯＧ、すなわち、水素と酸素の混合ガスを触媒燃焼して高温熱媒体である燃焼ガスＨＧを発生させる燃焼器である。前記触媒層２２の断面形状は矩形であり、その中にはハニカム形状の触媒が充填されている。触媒の材質としてはＰｔ系の触媒が用いられる。担体としてはシリカ系やアルミナ系の担体が多く用いられている。
触媒層２２の前後にはオフガスＯＧを触媒燃焼器２０に導入するためのフランジを有する入口部２１と、触媒層２２で発生した高温の燃焼ガスＨＧが下流側に流れるときに、燃焼ガスＨＧの流れ方向を１８０度変えられるように燃焼ガス通路１３内を区画した、半円状の隔壁板２４からなる出口部２３とを備えている。
【００１７】
前記蒸発器本体１０は、前記触媒燃焼器２０で発生した高温の燃焼ガスＨＧをそのチューブ内に通流し、かつ、図４（ａ）に示す曲管部Ｒを挟んだ上下の配管Ａ，Ｂのうち、上方の配管Ａに少なくとも一部がチューブ保持部１２ｃに向かって下降傾斜した傾斜部１２ｄを有して形成されたＵ字形をした熱媒チューブ１２と、前記熱媒チューブ１２の両端部を保持するチューブ保持部１２ｃと、これらを囲んだ部屋である蒸発室１１の上部に設けられ、前記熱媒チューブ１２の外表面に液体原燃料ＦＬを熱媒チューブ１２の入口部１２ａ側の方向に噴射するようにした原燃料噴射装置４０とから構成される。また、前記蒸発室１１の周りには、蒸発室１１の保温と加熱を兼ねて、蒸発室１１から出た燃焼ガスＨＧを通流させる燃焼ガス通路１３が設けられている。
【００１８】
前記過熱部３０は、図２に示すように、シェル＆チューブ式の熱交換器であり、胴側に前記燃焼ガス通路１３を通ってきた燃焼ガスＨＧを、蒸発室１１で蒸発した原燃料ガスＦＧを管側に流して、原燃料ガスＦＧが凝縮しないように、原燃料ガスＦＧを飽和温度以上に過熱するためのものである。
【００１９】
前記原燃料噴射装置４０は、１流体ノズルの噴射装置であり、液体原燃料ＦＬを噴射して液滴にするためのものである。前記原燃料噴射装置４０は、蒸発室１１の上部に取り付けられ、高温の燃焼ガスＨＧの保有熱量を有効に利用するため、液体原燃料ＦＬの噴射方向は蒸発室１１の入口側（熱媒チューブの入口１２ａ側）に向いている。液体原燃料ＦＬの噴射量は、ノズル背圧（噴射量は背圧の平方根に比例）で制御しても、噴射時間で制御してもよい。
【００２０】
以上説明したように構成される燃料蒸発器１の作用について図２および図３を参照して説明する。
前記触媒燃焼器２０の入口部２１からオフガスＯＧを導入し、触媒層２２でオフガスＯＧを燃焼させて生成した高温熱媒体である燃焼ガスＨＧは、触媒燃焼器２０の出口部２３で流れ方向を１８０度変えて蒸発室１１内に設けられたＵ字形の熱媒チューブ１２の入口部１２ａに導入される。燃焼ガスＨＧは、蒸発室１１内に設けられたＵ字形をした熱媒チューブ１２の入口部１２ａから出口部１２ｂまでを下から上に通過するときに、蒸発室１１内で原燃料噴射装置４０により前記熱媒チューブ１２の外表面へ噴射される液体原燃料ＦＬを燃焼ガスＨＧの保有熱で蒸発させる。次に、液体原燃料ＦＬを蒸発させた後の燃焼ガスＨＧは、図２に示すように、燃焼ガス通路１３を経由して過熱部３０の加熱室３２へと導かれ、蒸気チューブ３１内を通流する蒸発室１１内で蒸発した原燃料ガスＦＧをさらに過熱する。（但し、蒸発させた原燃料ガスＦＧが充分に凝縮しない状態であれば、過熱部３０を通さずに、直接改質器２に導入してもよい）。過熱された原燃料ガスＦＧは図示しない改質器２へと導入され、原燃料ガスＦＧを過熱した燃焼ガスＨＧは排ガスダクト３３を通って排ガスとして系外に排出される。
【００２１】
次に、本発明に係る燃料蒸発器１の蒸発室１１内の配管構造について図４乃至図７を参照して説明する。
図４（ａ）〜（ｄ）に示すように、熱媒チューブ１２として使用されるＵ字管は、例えば、図４（ａ）の曲管部Ｒを挟んで上下に設けた配管Ａ，Ｂのうちの上方の配管Ａの少なくとも一部に、チューブ保持部１２ｃの方向に水平方向よりも下降するように傾斜部１２ｄを設けた配管としたことを特徴とするものである。すなわち、熱媒チューブ１２の曲管部Ｒは１８０度を超えて曲げられ、その両端部はチューブ保持部１２ｃである管板に固定されている構造をしている。
なお、熱媒チューブ１２は、チューブ保持部１２ｃに（ｄ）〜（ａ）の順番に入れ子状に配列され固定される。
また、熱媒チューブ１２は、ここではＵ字管により構成しているが、直管により構成して、その一部に傾斜部１２ｄが設けられるようにしても良い。
【００２２】
熱媒チューブをこのように形成することにより、熱媒チューブ１２の外表面に噴射された液体原燃料ＦＬの液滴が、水平管の上で水平移動しながら大きく成長するのを防げる。
また、触媒燃焼器２０の触媒層２２出口の略真上に設けられた受熱部１２ｃｂから触媒燃焼器２０の熱を熱伝導により伝えられた前記チューブ保持部１２ｃが高温となっている。従って、チューブ保持部１２ｃまで熱媒チューブ１２を伝わってきた液滴は、高温のチューブ保持部１２ｃで加熱されながら蒸発室１１の底部に落下するので速やかに液滴を蒸発させることができる。
【００２３】
次に、請求項２に係る発明である蒸発室１１内の熱媒チューブ１２内に乱流生成部を設けた燃料蒸発器について図５乃至図７を参照して説明する。
【００２４】
図５（ａ）は、本発明に係る蒸発室１１内に設けられる熱媒チューブ１２の乱流生成部の第一の実施の形態を示す要部外形図である。
前記乱流生成部は、熱媒チューブ１２を適宜間隔でリング状または間欠リング状に絞り込んで配管の外周面から内周面側へ複数個のくびれ部ＷＰを形成したものである。このようにくびれ部ＷＰを形成することにより、熱媒チューブ１２₁内の高温熱媒体である燃焼ガスＨＧが、熱媒チューブ１２₁内を通過する際にくびれ部ＷＰで流れを乱されて、流れが層流から乱流となる。その結果、熱媒チューブ１２₁の内面側の境膜伝熱係数が大きくなり、かつ、熱媒チューブ１２₁内の半径方向の温度分布が均一となるので、層流流れのときよりも熱媒チューブ１２₁の外表面に充分な熱量を与えることができるので、燃焼ガスＨＧの保有熱量が液体原燃料ＦＬの蒸発に有効に利用できる。
【００２５】
また、図５（ｂ）は、本発明に係る蒸発室１１内に設けられる熱媒チューブ１２の乱流生成部の第二の実施の形態を示す要部外形図である。
前記乱流生成部は、熱媒チューブ１２₂を外側から挟むようにして配管を潰し、次に、前記潰した面から適宜離れた位置で、前記潰した面に対して９０度の方向から、再度熱媒チューブ１２₂を挟んで潰すという操作を繰り返すことにより外周面側から内周面側に複数個の窪みＧＰを形成したものである。
熱媒チューブ１２₂内の高温熱媒体である燃焼ガスＨＧが、熱媒チューブ１２₂内を通過する際に窪みＧＰで流れを乱されて、流れが層流から乱流となる。その結果、熱媒チューブ１２₂の内面側の境膜伝熱係数が大きくなり、かつ、熱媒チューブ１２₂内の半径方向の温度分布が均一となるので、層流流れのときよりも熱媒チューブ１２₂の外表面に充分な熱量を与えることができるので、燃焼ガスＨＧの保有熱量が液体原燃料ＦＬの蒸発に有効に利用できる。
【００２６】
なお、図５（ａ）または図５（ｂ）に示す熱媒チューブ１２₁，１２₂は、液体原燃料ＦＬが噴射される直下に配置するのが好ましい。この場合、最も多くの液体原燃料ＦＬが噴射される上部の熱媒チューブ１２に至るまで高温の燃焼ガスＨＧが維持されて送りこまれ、熱媒チューブ１２の外表面に充分な熱量を伝えることができるので、乱流生成部がない場合よりも瞬時に液体原燃料ＦＬを蒸発できる。また、図５（ａ）または図５（ｂ）に示す熱媒チューブ１２₁，１２₂は、熱媒チューブ１２内の燃焼ガスＨＧの入口部１２ａ側または熱媒チューブ１２内の燃焼ガスＨＧの出口部１２ｂ側に設けても良い。
【００２７】
次に、前記触媒燃焼器２０で発生した高温熱媒体である燃焼ガスＨＧをチューブ内に通流し、かつ、曲管部Ｒを挟んだ上方のチューブＡ（図４の（ａ）参照）の少なくとも１部に、チューブ保持部１２ｃ側に向かって下降傾斜となるような傾斜部１２ｄをその外側に形成したＵ字形をした熱媒チューブ１２の内側に、図７に示すような捻れフィンＳＭを有する乱流生成部を配置した熱媒チューブ１２₃を用いた他の実施形態である燃料蒸発器１′を図６に示す。
この燃料蒸発器１′は、後述する捻れフィンＳＭ₁，ＳＭ₂を除いては図３と同じ構成なのでその説明は省略する。なお、図６には図３と同じ部材に付いては同じ符号で示してある。
【００２８】
このように、熱媒チューブ１２₃の内側に捻れフィンＳＭ₁，ＳＭ₂を有する乱流生成部を配置することにより、熱媒チューブ１２₃内の流れを乱流化することができる。その結果、前記乱流生成部を設けない場合と比較して、熱媒チューブ１２₃の内面側の境膜伝熱係数がさらに大きくなり、かつ、熱媒チューブ１２₃内の半径方向の温度分布がより均一となる。その結果、熱媒チューブ１２₃の外表面に充分な熱量を与えることができるので、燃焼ガスＨＧの保有熱量が液体原燃料ＦＬの蒸発にさらに有効に利用できる。
【００２９】
以下、本発明に係る熱媒チューブ１２内に設けられる乱流生成部で使用される捻れフィンの実施形態について図７を参照して説明する。
図７（ａ）は、本発明に係る熱媒チューブ１２₃内に設けられる乱流生成用の捻れフィンの第一の実施の形態を示す外形図である。
捻れフィンＳＭ₁は、矩形の１枚の板材を３６０度右捻じり、または左捻じりとし、一定のピッチで適宜長さに波形に成形したものである。熱媒チューブ１２₃内を層流で流れる高温熱媒体である燃焼ガスＨＧが、熱媒チューブ１２₃に装填された捻れフィンＳＭ₁のところに流れてくると、捻れフィンＳＭ₁に衝突し、熱媒チューブ１２₃の中心側の高温の燃焼ガスＨＧは前記捻れフィンＳＭ₁の面に沿って熱媒チューブ１２₃の中心側から内面側に攪拌され、さらに、内面と衝突したガスは熱媒チューブ１２₃の内面側から中心側に戻されて流れが乱れるように作用する。その結果、熱媒チューブ１２₃の内面側の境膜伝熱係数が大きくなり、かつ、熱媒チューブ１２₃内の半径方向の温度分布が均一となるので、層流流れのときよりも熱媒チューブ１２₃の外表面に充分な熱量を与えることができるので、燃焼ガスＨＧの保有熱量が液体原燃料ＦＬの蒸発に有効に利用できる。
【００３０】
図７（ｂ）は、本発明に係る熱媒チューブ１２内に設けられる乱流生成用の捻れフィンの第二の実施の形態を示す外形図である。
捻れフィンＳＭ₂は、第一の実施の形態の捻れフィンＳＭ₁の正面からみた各面中心部に孔を開けたものである。このように孔を開けることにより、さらに、乱流化が促進され最適な乱流が得られる。また、捻れフィンＳＭ₂に孔を開けることにより、熱媒チューブ１２₃内へ多量の燃焼ガスが通過する時に、捻れフィンＳＭ₂を装填した熱媒チューブ１２₃が共振を起こさないようにすることができるので、騒音の少ない燃料蒸発器１を提供できる。
【００３１】
なお、図７（ａ）または図７（ｂ）に示す捻れフィンＳＭ₁，ＳＭ₂は、液体原燃料ＦＬが噴射される直下に配置するのが好ましい。この場合、最も多くの液体原燃料ＦＬが噴射される上部の熱媒チューブ１２₃に至るまで高温の燃焼ガスＨＧが維持されて送りこまれ、熱媒チューブ１２₃の外表面に充分な熱量を伝えることができるので、捻れフィンＳＭ₁（またはＳＭ₂）がない場合よりも瞬時に液体原燃料ＦＬを蒸発できる。また、図７（ａ）または図７（ｂ）に示す捻れフィンＳＭ₁，ＳＭ₂は、熱媒チューブ１２₃の燃焼ガスＨＧの入口部１２ａ側または熱媒チューブ１２₃の燃焼ガスの出口部１２ｂ側に装填しても良い。
【００３２】
さらに、図５（ａ）または図５（ｂ）の形状をした熱媒チューブ１２₁，１２₂の配管中に図７（ａ）または図７（ｂ）の捻れフィンＳＭ₁，ＳＭ₂を装填すれば相乗効果によりさらに乱流化が促進でき、熱媒チューブ１２₁，１２₂の外表面に速やかに充分な熱量を与えることが可能である。
【００３３】
なお、図示しないが、捻れフィンの第三の実施の形態として、矩形の板を１８０度右捻じりにしたエレメントと、１８０度左捻じりにしたエレメントとの端部を軸方向で９０度に交差させるように連結した捻れフィンを用いれば、ガス流れがそれぞれのエレメントで反転するので、さらに乱流化を促進でき、熱媒チューブ１２の外表面に速やかに充分な熱量を与えることが可能である。
【００３４】
次に、捻れフィンＳＭ₁，ＳＭ₂の熱媒チューブ１２内の固定方法について説明する。
捻れフィンの熱媒チューブ１２₃内における固定方法は、熱媒チューブ１２₃内に捻れフィンＳＭ₁（または、ＳＭ₂）を挿入後、熱媒チューブ１２₃を外から一部潰して、潰した面を捻れフィンＳＭ₁（または、ＳＭ₂）に当接して固定する方法と熱媒チューブ１２₃内に捻れフィンＳＭ₁（または、ＳＭ₂）を挿入後、点付け溶接して固定する方法とがある。
【００３５】
以上説明した構成と作用により、蒸発室１１で好適に蒸発された液体原燃料ＦＬは、原燃料ガスＦＧとなり改質器２へと導入される。一方、液体原燃料ＦＬを蒸発させた燃焼ガスＨＧは、蒸発室１１の周囲に設けた燃焼ガス通路１３を経由して、前記蒸発室１１で蒸発した原燃料ガスＦＧを過熱するために過熱部３０へと導入される。
【００３６】
以上説明したように、触媒燃焼器２０で発生した高温熱媒体である燃焼ガスＨＧをその内側に通流し、かつ、曲管部Ｒを挟んだ上方のチューブＡ（図４の（ａ）参照）の少なくとも１部に、チューブ保持部１２ｃ側に向かって下降傾斜となるような傾斜部１２ｄをその外側に形成したＵ字形をした熱媒チューブ１２を蒸発室１１内に設けることにより、蒸発室１１内で噴射された液体原燃料ＦＬを速やかに蒸発でき、かつ、高温熱媒体である燃焼ガスＨＧの保有熱量を液体原燃料ＦＬの蒸発に有効に利用できる蒸発室１１内の配管構造を備えた燃料蒸発器１を提供できる。
【００３７】
また、熱媒チューブ１２の外側または内側のいずれか一方、または両側に乱流生成部を設けることにより、蒸発室１１内で噴射された液体原燃料ＦＬを速やかに蒸発でき、かつ高温熱媒体である燃焼ガスＨＧの保有熱量を液体原燃料ＦＬの蒸発に有効に利用できる蒸発室１１内の配管構造を備えた燃料蒸発器１を提供できる。
【００３８】
【発明の効果】
以上の構成と作用から明らかなように、本発明によれば、
（１）熱媒チューブの少なくとも一部に、チューブ保持部に向かって下降傾斜となるように傾斜部を設けることにより、熱媒チューブの外表面に噴射された液体原燃料の液滴が、水平管の上で水平移動しながら大きく成長するのを防げるだけでなく、触媒燃焼器の触媒層出口の略真上に設けられ受熱する前記チューブ保持部が高温となっているので、チューブ保持部まで熱媒チューブの傾斜部を伝わって集まってきた液滴は、高温のチューブ保持部で加熱されながら蒸発室底部に落下し、速やかに蒸発させることができる。
（２）熱媒チューブ内に乱流生成部を設けることにより、熱媒チューブ内の高温熱媒体が熱媒チューブ内を通過する際に、層流が乱流となってチューブ内の半径方向の温度分布が均一となる。その結果、層流流れのときよりもチューブ外表面に充分な熱量を与えることができるので、高温熱媒体の全体保有熱量が液体原燃料の蒸発に有効に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの全体系統図である。
【図２】本発明に係る燃料蒸発器の平面部分断面図である。
【図３】図２のＡ−Ａ′断面図である。
【図４】本発明に係る蒸発室の高さ方向に入れ子状に配列されるＵ字管の外形図である。
【図５】（ａ）本発明に係る熱媒チューブの乱流生成部の第一実施形態を示す要部断面図である。
（ｂ）本発明に係る熱媒チューブの乱流生成部の第二実施形態を示す要部断面図である。
【図６】本発明に係る熱媒チューブの内側に乱流生成部を設けた他の実施形態である燃料蒸発器の正面断面図である。
【図７】（ａ）本発明に係る熱媒チューブ内に設けられる捻れフィンの第一実施形態を示す外形図である。
（ｂ）は、本発明に係る熱媒チューブ内に設けられる捻れフィンの第二実施形態を示す外形図である。
【図８】従来の蒸発器の正面断面図である。
【符号の説明】
１，１′ 燃料蒸発器
１０蒸発器本体
１１蒸発室
１２熱媒チューブ
１２₁，１２₂，１２₃ 熱媒チューブ
１２ａ入口部
１２ｂ出口部
１２ｃチューブ保持部
１２ｃｂ受熱部
１２ｄ傾斜部
１３燃焼ガス通路
２０触媒燃焼器
３０過熱部
４０原燃料噴射装置
Ｒ曲管部
Ａ，Ｂ配管
ＨＧ燃焼ガス（高温熱媒体）
ＷＰくびれ部
ＧＰ窪み
ＳＭ₁，ＳＭ₂ 捻れフィン

Claims

蒸発室内に設けた熱媒チューブと、前記蒸発室の上部に設けられて前記熱媒チューブの外周に液体原燃料を噴射する原燃料噴射装置とを備え、前記熱媒チューブに触媒燃焼器で燃焼した燃焼ガスを高温熱媒体として通流しながら前記熱媒チューブに液体原燃料を噴射し、該液体原燃料を前記蒸発室内で蒸発させる燃料蒸発器において、
前記蒸発室は、前記触媒燃焼器と隣接して蒸発器本体内に配置されるとともに、前記熱媒チューブを保持し、前記触媒燃焼器からの熱を前記熱媒チューブに伝える受熱部を有するチューブ保持部が備えられ、
前記熱媒チューブの少なくとも一部には、水平状態から前記チューブ保持部側に向かって下降する傾斜部が設けられたことを特徴とする燃料蒸発器。
前記熱媒チューブは、前記液体原燃料の通流方向を反転させるべくＵ字状に形成されるとともに、その両端の入口部と出口部が前記チューブ保持部によって保持され、前記傾斜部が出口部側のチューブ保持部に向かって降下するよう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。
前記熱媒チューブ内には前記燃焼ガスの流れを乱す乱流生成部が設けられた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。