JP4278416B2 - 原燃料改質用水蒸気生成装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、伝熱板の一側面側に、供給される水を蒸発させて排出する蒸発室が前記伝熱板の厚さ方向に薄い扁平状に設けられ、前記伝熱板の他側面側に、加熱用流体が通流して前記蒸発室を加熱する加熱室が設けられた原燃料改質用水蒸気生成装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
かかる原燃料改質用水蒸気生成装置は、炭化水素系の原燃料を水蒸気にて水素含有ガスに改質する改質装置に改質用として供給する水蒸気を生成するものであり、図８に示すように、加熱室１１に燃焼排ガス等の加熱用流体を通流させて、通流する加熱用流体にて伝熱板４０を介して蒸発室２を加熱することにより、蒸発室２に供給される水を蒸発させ、蒸発させた水蒸気を蒸発室２から排出して、改質装置（図示省略）に供給するようになっている。
そして、この原燃料改質用水蒸気生成装置は、蒸発室２を伝熱板４０の厚さ方向の厚さが薄い扁平状に設けて、伝熱板４０の板面方向が上下方向に向く縦姿勢で設置して、伝熱板４０を介して蒸発室２内の水を効率良く加熱して、効率良く水蒸気を生成するようになっている。
【０００３】
このような原燃料改質用水蒸気生成装置では、従来、図８に示すように、蒸発室２を伝熱板４０の厚さ方向に薄い扁平状にしながらも、その蒸発室２の扁平の程度が小さかった。又、蒸発室２に伝熱促進用の充填材Ｆとしてステンレスウール４７を充填していた。（例えば、特許文献１参照。）。
蒸発室２の扁平の程度を小さくするに当たっては、例えば、伝熱板厚さ方向視での蒸発室２内の縦方向及び横方向の寸法をそれぞれ２００ｍｍ程度とすると、蒸発室２内の奥行き方向の寸法は１０ｍｍ程度に設定していた。
又、蒸発室２に伝熱促進用の充填材Ｆとしてステンレスウール４６を充填するに当たっては、その充填率（蒸発室の容積に対する充填材Ｆの体積の比率）は、例えば、０．０３〜０．２％程度に小さく設定していた。図８中の４７は、加熱室１１に充填したステンレスウールである。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００‐１７８００３号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来では、蒸発室内において水の突沸が起こり易く、水蒸気を安定して生成することができないという問題があった。
蒸発室内において水の突沸が起こり易い原因は、蒸発室を伝熱板厚さ方向の厚さが薄い扁平状にしながらも、その蒸発室の伝熱板厚さ方向での厚さを比較的厚くしていて、蒸発室における保有水量が多くなっていたため、水が沸点よりも高い温度に加熱されても沸騰しにくい状態が起こり易く、水位が変化して水が伝熱板における温度の高い場所に接触すると突発的に沸騰して、突沸が起こるものと考えられる。
蒸発室には充填材としてステンレスウールを充填しているが、その充填率が小さいため、突沸を抑制することが可能になる程度にまで保有水量を低減するには至っていないものと考えられる。
【０００６】
本発明は、かかる実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、水蒸気の生成を安定化し得る原燃料改質用水蒸気生成装置を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
〔請求項１記載の発明〕
請求項１に記載の原燃料改質用水蒸気生成装置は、伝熱板の一側面側に、供給される水を蒸発させて排出する蒸発室が前記伝熱板の厚さ方向に薄い扁平状に設けられ、前記伝熱板の他側面側に、加熱用流体が通流して前記蒸発室を加熱する加熱室が設けられ、前記蒸発室にて生成された水蒸気を原燃料ガスに混合させるように構成されたものであって、
前記蒸発室の背圧を、水の突沸を抑制する突沸抑制用圧力として、５〜６０ｋPaの範囲に維持する背圧維持手段が設けられている点を特徴構成とする。
即ち、背圧維持手段により蒸発室の背圧が水の突沸を抑制する突沸抑制用圧力に維持されているので、蒸発室において、水は突沸が抑制されながら蒸発して、その蒸発した水蒸気が蒸発室から排出される。
つまり、蒸発室内における水の蒸発量が増加する傾向になっても、背圧維持手段により蒸発室の背圧が突沸抑制用圧力に維持されていて、水の蒸発が規制されるので、突沸が抑制される。
従って、水蒸気の生成を安定化し得る原燃料改質用水蒸気生成装置を提供することができるようになった。
【００１４】
【発明の実施の形態】
〔第１実施形態〕
以下、図面に基づいて、本発明の第１実施形態を説明する。
図１及び図２に示すように、原燃料改質用水蒸気生成装置Ｓは、伝熱板４０の一側面側に、供給される水を蒸発させて排出する蒸発室２を伝熱板４０の厚さ方向に薄い扁平状に設け、伝熱板４０の他側面側に、加熱用流体が通流して蒸発室２を加熱する加熱室１１を同じく伝熱板４０の厚さ方向に薄い扁平状に設けて構成してある。
そして、原燃料改質用水蒸気生成装置Ｓは、伝熱板４０の板面方向が上下方向に向く縦姿勢で設置するようになっている。
【００１５】
説明を加えると、原燃料改質用水蒸気生成装置Ｓは、矩形の伝熱板４０にて仕切られた二つの矩形板状の扁平な室を備えるように形成した矩形板状の扁平な双室具備容器Ｂｄを用いて構成し、二室のうちの一方を蒸発室２として用い、他方を加熱室１１として用いている
双室具備容器Ｂｄは、矩形平板状の伝熱板４０の両側に一対の皿状容器形成部材４１を振分け配置した状態で、周縁部をシーム溶接にて接続して、内部に二つの扁平な室を区画形成するように形成する。
更に、各皿状容器形成部材４１の上部及び下部のそれぞれには、流体供給用あるいは排出用のノズル４４を室内に連通する状態で接続してある。
【００１６】
前記伝熱板４０は、ステンレス等の耐熱金属を用いて形成し、一対の皿状容器形成部材４１は、周縁部を接続代として中央部が膨出する皿状に、ステンレス等の耐熱金属製の板材をプレス成形して形成してあるが、蒸発室２を形成する方の皿状容器形成部材４１は、皿の底部分は上下の両端部を残してその間の部分を前記接続代とする周縁部側に膨出させた上げ底状になるようにプレス成形してある。
【００１７】
そして、蒸発室２を形成する方の皿状容器形成部材４１を伝熱板４０に溶接するときは、伝熱板４０と皿状容器形成部材４１との間における皿状容器形成部材４１の上げ底部分の下端縁に沿わせて多孔状の受け板４５を配置し、その受け板４５の上部側になる部分には伝熱促進用の充填材Ｆとして多数の球状体４６を充填した状態で溶接し、加熱室１１を形成する方の皿状容器形成部材４１を伝熱板４０に溶接するときは、伝熱板４０と皿状容器形成部材４１との間の下部側に多孔状の受け板４５を配置し、その受け板４５の上部側になる部分には伝熱促進用のステンレスウール４７を充填した状態で溶接する。
【００１８】
伝熱板４０の厚さ方向視での蒸発室２及び加熱室１１それぞれの室内の縦方向及び横方向の寸法をそれぞれ２００ｍｍとすると、蒸発室２内の奥行き方向の寸法、即ち、伝熱板４０と皿状容器形成部材４１の上げ底状部分との間隔は２ｍｍに設定し、加熱室１１内の奥行き方向の寸法、即ち、伝熱板４０と皿状容器形成部材４１の底部との間隔は１０ｍｍに設定してある。
そして、蒸発室２内における伝熱板４０と皿状容器形成部材４１の上げ底状部分との間における受け板４５の上部には、直径が２ｍｍの多数の球状体４６を、互いに接触させ且つ伝熱板４０及び皿状容器形成部材４１に接触させて、伝熱板４０の板面に沿って並ぶ状態で充填してある。球状体４６は、伝熱性に優れたセラミック（アルミナ等）又は、ステンレス等にて形成する。
【００１９】
蒸発室２の下部のノズル４４には、水蒸気生成用の原料水を供給する原料水供給路２５を接続し、上部のノズル４４には、蒸発室２内にて生成された水蒸気を排出させる水蒸気路２６を接続し、一方、加熱室１１の上部のノズル４４には、加熱用流体として、後述する改質処理室３（図３参照）を加熱する燃焼部４（図３参照）から排出された燃焼ガスを通流させる燃焼ガス路２７の上流側を接続し、下部のノズル４４には前記燃焼ガス路２７の下流側を接続してある。
水蒸気路２６には、蒸発室２の背圧をその蒸発室２内での水の突沸を抑制する突沸抑制用圧力に維持する背圧維持手段としてオリフィス４８を設けてある。
そして、加熱室１１内を上部から下部に向けて燃焼ガスを通流させて、そのように通流する燃焼ガスにより伝熱板４０を介して蒸発室２を加熱して、原料水供給路２５を通じて蒸発室内２にその下部から供給される水を加熱して蒸発させて、その蒸発した水蒸気を上部から水蒸気路２６を通じて排出させるようになっている。
【００２０】
本願発明の発明者らは、蒸発室２内における水の突沸を抑制すべく鋭意研究し、伝熱板４０の厚さ方向視での蒸発室２内の縦方向及び横方向の寸法をそれぞれ２００ｍｍとした場合に、蒸発室２内の奥行き方向の寸法を２ｍｍに設定し、蒸発室２内の略全域にわたって、直径が２ｍｍの多数の球状体４６を充填すると、蒸発室２内における水の突沸を抑制することができることを見出した。
つまり、上述のように蒸発室２における伝熱板４０の厚さ方向の寸法を設定し且つ蒸発室２に球状体４６を充填すると、球状体４６の充填率が蒸発室２の保有水量が水の突沸を抑制する水量になるように規制する充填率となり、しかも、蒸発室２内に水の突沸を抑制する多数の細い突沸抑制用流路４９が形成されて、その多数の細い突沸抑制用流路４９を通じて水を流動させて水を蒸発させることになり、水の突沸を抑制することができるのである。前記突沸抑制用流路４９は、球状体４６同士の間、伝熱板４０と球状体４６との間、皿状容器形成部材４１と球状体４６との間等の隙間により形成される。
更に、蒸発室２内における水の蒸発量が増加する傾向になっても、オリフィス４８により、蒸発室２の背圧がその蒸発室２内での水の突沸を抑制する突沸抑制用圧力に維持されていて、水の蒸発が抑制されるので、突沸が抑制される。ちなみに、突沸抑制用圧力としては、例えば、５〜６０ｋＰａの範囲に設定する。
【００２１】
つまり、伝熱板４０の厚さ方向視での蒸発室２内の縦方向及び横方向の寸法をそれぞれ２００ｍｍとした場合に、蒸発室２内の奥行き方向の寸法を２ｍｍに設定し、蒸発室２内の略全域にわたって、直径が２ｍｍの多数の球状体４６を充填することにより、蒸発室２が、保有水量が水の突沸を抑制する水量になるように構成されることになる。
又、同様に、伝熱板４０の厚さ方向視での蒸発室２内の縦方向及び横方向の寸法をそれぞれ２００ｍｍとした場合に、蒸発室２内の奥行き方向の寸法を２ｍｍに設定し、蒸発室２内の略全域にわたって、直径が２ｍｍの多数の球状体４６を充填することにより、蒸発室２が、水の突沸を抑制する多数の細い突沸抑制用流路４９にて水を流動させるように構成さることになる。
又、同様に、伝熱板４０の厚さ方向視での蒸発室２内の縦方向及び横方向の寸法をそれぞれ２００ｍｍとした場合に、蒸発室２内の奥行き方向の寸法を２ｍｍに設定し、蒸発室２内の略全域にわたって、直径が２ｍｍの多数の球状体４６を充填することにより、蒸発室２に対する充填材Ｆの充填率が水の突沸を抑制する充填率に設定されて、充填材Ｆが水の突沸を抑制するように蒸発室２に充填されることになる。水の突沸を抑制することが可能となる蒸発室２に対する充填材Ｆの充填率としては、３０〜８０％の範囲が好ましく、５０〜７０％の範囲が更に好ましい。
【００２３】
次に、上述の原燃料改質用水蒸気生成装置Ｓを備えた水素含有ガス生成装置について説明する。
図３に示すように、水素含有ガス生成装置は、原燃料改質用水蒸気生成装置Ｓに加えて、天然ガス等の炭化水素系の原燃料ガスを脱硫処理する脱硫部１と、その脱硫部１にて脱硫された原燃料ガスを原燃料改質用水蒸気生成装置Ｓにて生成された水蒸気にて水素ガスと一酸化炭素ガスを含むガスに改質処理する改質処理室３と、その改質処理室３を改質処理可能なように加熱する燃焼室４と、改質処理室３から供給される改質処理ガス中の一酸化炭素ガスを水蒸気を用いて二酸化炭素ガスに変成処理する変成部５と、その変成部５から供給される変成処理ガス中の一酸化炭素ガスを選択酸化する選択酸化部６とを備えて、一酸化炭素ガス濃度の低い（例えば１０ｐｐｍ以下）水素リッチな水素含有ガスを生成するように構成してある。そして、この水素含有ガス生成装置にて生成された水素含有ガスは、例えば、各種の燃料電池Ｇにて発電用として用いられる。ちなみに、改質処理室３とその改質処理室３を改質処理可能なように加熱する燃焼室４とにより、改質装置が構成される。
【００２４】
更に、水素含有ガス生成装置には、改質処理室３から排出された高温の改質処理ガスを通流させて、改質処理室３を保温する保温用通流部７と、脱硫部１からの脱硫原燃料ガスと改質処理室３からの高温の改質処理ガスとを熱交換させて、改質処理室３に供給される脱硫原燃料ガスを予熱する脱硫原燃料ガス用熱交換器Ｅｐと、改質処理室３からの高温の改質処理ガスと脱硫部１に供給される原燃料ガスとを熱交換させて原燃料ガスを予熱する原燃料ガス用熱交換器Ｅａと、変成部５を冷却するために冷却用流体を通流させる変成部冷却用通流部８と、同じく、変成部６を冷却するために冷却用流体を通流させる変成部冷却用通流部９と、変成部５及び選択酸化部６を冷却する冷却用ファン１０とを設けてある。
【００２５】
脱硫原燃料ガス用熱交換器Ｅｐは、保温用通流部７から排出された改質処理ガスを通流させる上流側改質処理ガス通流部１２と、改質処理室３に供給する脱硫原燃料ガスを通流させる脱硫原燃料ガス通流部１３とを熱交換自在に設けて構成し、原燃料ガス用熱交換器Ｅａは、上流側改質処理ガス通流部１２から排出された改質処理ガスを通流させる下流側改質処理ガス通流部１５と、脱硫部１に供給する原燃料ガスを通流させる原燃料ガス通流部１６とを熱交換自在に設けて構成してある。
【００２６】
水素含有ガス生成装置は、矩形板状の扁平な容器Ｂの複数を板状形状の厚さ方向に並べて設けて、各容器Ｂを用いて、原燃料改質用水蒸気生成装置Ｓ、脱硫部１、改質処理室３、燃焼室４、変成部５、選択酸化部６、各通流部等をそれぞれ構成してある。
複数の容器Ｂのうちの一部は、一つの扁平な室を備えるように形成した単室具備容器Ｂｍにて構成し、残りは、上述した原燃料改質用水蒸気生成装置Ｓを構成するのと同様の双室具備容器Ｂｄにて構成してある。
【００２７】
本実施形態においては、９個の双室具備容器Ｂｄと、１個の単室具備容器Ｂｍを、側面視において左端から３個目に単室具備容器Ｂｍを位置させた状態で、横方向に厚さ方向に並べて設けて、コンパクトに形成してある。尚、９個の双室具備容器Ｂｄと１個の単室具備容器Ｂｍとを並べるに当たっては、伝熱させる必要のあるもの同士は密着させた状態で、且つ、伝熱量を調節する必要のあるもの同士の間には伝熱量調節用の断熱材１９を介在させた状態で並べてある。
９個の双室具備容器Ｂｄの区別が明確になるように、便宜上、双室具備容器を示す符号Ｂｄの後に、左からの並び順を示す符号１，２，３……………９を付す。
【００２８】
左端の双室具備容器Ｂｄ１を用いて、上述のように原燃料改質用水蒸気生成装置Ｓを構成してある。
左から２個目の双室具備容器Ｂｄ２の左側の室を備えた部分を用いて、燃焼室４を構成し、右側の室を備えた部分を用いて、改質処理室３を構成してある。
単室具備容器Ｂｍを用いて、保温用通流部７を構成してある。
左から３個目の双室具備容器Ｂｄ３の左側の室を備えた部分を用いて、上流側改質処理ガス通流部１２を構成し、右側の室を備えた部分を用いて、脱硫原燃料ガス通流部１３を構成してある。
左から４個目の双室具備容器Ｂｄ４を用いて、脱硫部１を構成し、左から５個目の双室具備容器Ｂｄ５の左側の室を備えた部分を用いて、脱硫部１を構成し、右側の室を備えた部分を用いて、原燃料ガス通流部１６を構成してある。
左から６個目の双室具備容器Ｂｄ６の左側の室を備えた部分を用いて、下流側改質処理ガス通流部１５を構成し、右側の室を備えた部分を用いて、変成部５を構成してある。
左から７個目の双室具備容器Ｂｄ７の左側の室を備えた部分を用いて、変成部５を構成し、右側の室を備えた部分を用いて変成部冷却用通流部８を構成してある。
左から８個目の双室具備容器Ｂｄ８を用いて、変成部５を構成し、左から９個目（右端）の双室具備容器Ｂｄ９の左側の室を備えた部分を用いて、変成部冷却用通流部９を構成し、右側の室を備えた部分を用いて選択酸化部６を構成してある。
【００２９】
つまり、最も高温となる燃焼室４及び改質処理室３を構成する双室具備容器Ｂｄ２の一方側に、その双室具備容器Ｂｄ２の側から、保温用通流部７を構成する単室具備容器Ｂｍ、断熱材１９、脱硫原燃料ガス用熱交換器Ｅｐを構成する双室具備容器Ｂｄ３、断熱材１９、脱硫部１を構成する双室具備容器Ｂｄ４、脱硫部１及び原燃料ガス通流部１６を構成する双室具備容器Ｂｄ５、下流側改質処理ガス通流部１５及び変成部５を構成する双室具備容器Ｂｄ６、変成部５及び変成部冷却用通流部８を構成する双室具備容器Ｂｄ７、変成部５を構成する双室具備容器Ｂｄ８、変成部冷却用通流部９及び選択酸化部６を構成する双室具備容器Ｂｄ９を記載順に並ぶように互いに密接配置して設け、双室具備容器Ｂｄ２の他方側に、その双室具備容器Ｂｄ２の側から、断熱材１９、原燃料改質用水蒸気生成装置Ｓを構成する双室具備容器Ｂｄ１を記載順に並ぶように密接配置して設けてある。
【００３０】
図３において、白抜き矢印にて示すように、原燃料ガス供給路２１を原燃料ガス用熱交換器Ｅａの原燃料ガス通流部１６に接続し、並びに、原燃料ガス通流部１６、脱硫部１、脱硫原燃料ガス用熱交換器Ｅｐの脱硫原燃料ガス通流部１３、改質処理室３、保温用通流部７、脱硫原燃料ガス用熱交換器Ｅｐの上流側改質処理ガス通流部１２、原燃料ガス用熱交換器Ｅａの下流側改質処理ガス通流部１５、変成部５、選択酸化部６の順に流れるガス処理経路を形成するように、それらをガス処理用流路２２にて接続してある。
【００３１】
選択酸化部６から排出された選択酸化処理ガスを燃料ガスとして燃料電池Ｇに供給するように、選択酸化部６と燃料電池Ｇとを燃料ガス路２３にて接続し、燃料電池Ｇから排出された排燃料ガスをガス燃料として燃焼室４のガスバーナ４ｂに供給すべく、燃料電池Ｇとガスバーナ４ｂとを燃料供給路２４にて接続してある。
【００３２】
図３において、実線矢印にて示すように、原料水ポンプ１４から水蒸気生成用の原料水が送られる原料水供給路２５を原燃料改質用水蒸気生成装置Ｓの蒸発室２に接続し、蒸発室２にて生成された水蒸気を送出する水蒸気路２６を、脱硫部１と被改質ガス通流部１３とを接続するガス処理用流路２２に接続して、ガス処理用流路２２を通流する脱硫原燃料ガスに改質用の水蒸気を混合させるように構成してある。上述したように、水蒸気路２６には、蒸発室２の背圧をその蒸発室２内での水の突沸を抑制する突沸抑制用圧力に維持するオリフィス４８を設けてある。
【００３３】
図３において、破線矢印にて示すように、燃焼室４から排出された燃焼ガスを、原燃料改質用水蒸気生成装置Ｓの加熱室１１、変成部冷却用通流部８の順に流すように、それら燃焼室４、加熱室１１、変成部冷却用通流部８を燃焼ガス路２７にて接続して、加熱室１１においては、燃焼ガスによって蒸発室２を加熱し、変成部冷却用通流部８においては、燃焼ガスによって、発熱反応である変成反応が行われる変成部５を冷却するように構成してある。
【００３４】
図３において、一点鎖線矢印にて示すように、ブロア２８からの空気を燃焼用空気として、ガスバーナ４ｂに供給するように、ブロア２８とガスバーナ４ｂとを燃焼用空気路２９にて接続してある。尚、図示は省略するが、ブロア２８からの空気を変成部冷却用通流部９を通流させてからガスバーナ４ｂに供給する変成部冷却用空気路も設けてあり、変成部５の冷却能力が不足するとき、例えば、夏期の高気温時には、その変成部冷却用空気路を通じて、燃焼用空気をガスバーナ４ｂに供給するように切り換え可能なように構成してある。
【００３５】
又、変成部冷却用通流部８から燃焼ガス路２７を通じて排出された燃焼ガスと、燃焼用空気路２９を通じて燃焼室４に供給する燃焼用空気及び燃料供給路２４を通じてガスバーナ４ｂに供給するオフガスとを熱交換させて、燃焼用空気及びオフガスを予熱する排熱回収用熱交換器３１を設けてある。
又、原料水供給路２５を流れる原料水を変成処理ガスにて予熱する原料水予熱用熱交換器１７を設けると共に、変成処理ガスから凝縮水を除去するドレントラップ３０を、その原料水予熱用熱交換器１７よりも下流側の箇所に設けて、変成処理ガスと原料水とを熱交換させて、原料水を予熱すると共に、変成処理ガスを冷却するようにしてある。
【００３６】
次に、本願発明の原燃料改質用水蒸気生成装置により突沸を抑制できる点を検証した結果を説明する。
先ず、蒸発器２内の圧力の変動を計測した結果を説明する。
図４は、上記の第１実施形態の原燃料改質用水蒸気生成装置をオリフィス４８を取り外した状態で運転したときの蒸発室２内の圧力の時間経過に伴う変動を示し、図５は、図８に示す従来構成の原燃料改質用水蒸気生成装置を運転したときの蒸発室２内の圧力の時間経過に伴う変動を示す。
図５に示すように、従来構成の原燃料改質用水蒸気生成装置では、蒸発室２内の圧力の変動範囲が３．５ｋＰａ程度の範囲になるのに対して、図４に示すように、第１実施形態の原燃料改質用水蒸気生成装置によれば、オリフィス４８を取り外した状態で運転しても、蒸発室２内の圧力の変動範囲が１ｋＰａ程度の範囲内に止まり、突沸を抑制することが可能になることが分かる。ちなみに、図５において特異的に圧力が高くなっているときに突沸が起こっている。
【００３７】
次に、改質処理室３から排出される改質ガス中のメタンガス濃度を測定して、突沸の発生状態を検証した結果を説明する。つまり、蒸発室２において突沸が発生すると、改質処理室３への水蒸気の供給が異常になって改質ガス中のメタンガス濃度が高くなるので、突沸の発生状態を検証することができる。
図６において、太線は、第１実施形態の原燃料改質用水蒸気生成装置にて水蒸気を供給するとき、細線は、図８に示す従来構成の原燃料改質用水蒸気生成装置にて水蒸気を供給するときそれぞれの改質ガス中のメタンガス濃度の時間経過に伴う変動を示す。
【００３８】
従来構成の原燃料改質用水蒸気生成装置にて水蒸気を供給する場合は、突発的に改質ガス中のメタンガス濃度が異常に高くなって、メタンガス濃度の変動範囲が大きいのに対して、第１実施形態の原燃料改質用水蒸気生成装置にて水蒸気を供給する場合は、突発的なメタンガス濃度の異常上昇がなくて、メタンガス濃度の変動範囲が小さく、突発が防止されて改質ガスの生成が安定していることが分かる。ちなみに、従来構成の原燃料改質用水蒸気生成装置にて水蒸気を供給する場合は、突発的にメタンガス濃度が異常上昇している直前で、蒸発室２内において突沸が起こっていると考えられる。
【００３９】
尚、図６において、メタンガス濃度のレベルが、第１実施形態の原燃料改質用水蒸気生成装置にて水蒸気を供給する場合と、従来構成の原燃料改質用水蒸気生成装置にて水蒸気を供給する場合で異なるのは、従来構成の原燃料改質用水蒸気生成装置にて水蒸気を供給する場合は、上述の如く突発的にメタンガス濃度が異常上昇して燃料電池の運転に支障を来たすので、改質処理室３内の温度を高くして改質反応量を多くして、メタンガス濃度のレベルを低くしているためである。
【００４０】
〔第２実施形態〕
以下、図７に基づいて、第２実施形態を説明する。第２実施形態においては、蒸発室２内に、伝熱促進用の充填材Ｆとして、第１実施形態における多数の球状体４６に代えてステンレスウール４７を充填した点で異なる以外は、第１実施形態と同様に構成してあり、第１実施形態と同じ構成要素や同じ作用を有する構成要素については、同じ符号を付してある。
【００４１】
つまり、第２実施形態では、第１実施形態と同様に、伝熱板４０の厚さ方向視での蒸発室２内の縦方向及び横方向の寸法をそれぞれ２００ｍｍとし、奥行き方向の寸法を２ｍｍに設定してあるが、その蒸発室２１内に充填する充填材Ｆの充填率は、第１実施形態におけるよりも小さくて、水の突沸を抑制する充填率には設定されておらず、蒸発室２は、保有水量が水の突沸を抑制する水量になるように構成されておらず、又、蒸発室２は、水の突沸を抑制する多数の細い突沸抑制用流路にて水を流動させるようにも構成されていない。
つまり、オリフィス４８により、蒸発室２の背圧をその蒸発室２内での水の突沸を抑制する突沸抑制用圧力に維持することにより、蒸発室２内での水の突沸を抑制している。
【００４３】
上述のように構成した第２実施形態の原燃料改質用水蒸気生成装置Ｓは、上述の第１実施形態の原燃料改質用水蒸気生成装置Ｓと同様に水素含有ガス生成装置に組み付けられるので、その説明及び図示は省略する。
【００４４】
〔別実施形態〕
次に別実施形態を説明する。
【００４８】
（イ） 上記の第２実施形態のように、蒸発室２の背圧を水の突沸を抑制する突沸抑制用圧力に維持する背圧維持手段を設ける場合において、蒸発室２の寸法は、上記の第２実施形態において例示した寸法に限定されるものではない。
【００４９】
（ロ） 蒸発室２の背圧を水の突沸を抑制する突沸抑制用圧力に維持する背圧維持手段の具体構成は、上記の実施形態において例示したオリフィス４８に限定されるものではなく、例えば、開度を任意に調節可能な弁でも良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態に係る原燃料改質用水蒸気生成装置の斜視図
【図２】第１実施形態に係る原燃料改質用水蒸気生成装置の縦断側面図
【図３】原燃料改質用水蒸気生成装置を設けた水素含有ガス生成装置の縦断側面図
【図４】時間経過に伴う蒸発室内の圧力の変動を示す図
【図５】時間経過に伴う蒸発室内の圧力の変動を示す図
【図６】改質ガス中のメタンガス濃度の時間経過に伴う変動を示す図
【図７】第２実施形態に係る原燃料改質用水蒸気生成装置の縦断側面図
【図８】従来の原燃料改質用水蒸気生成装置の縦断側面図
【符号の説明】
２ 蒸発室
１１ 加熱室
４０ 伝熱板
４６ 球状体
４８ 背圧維持手段
４９ 突沸抑制用流路
Ｆ 充填材
【発明の属する技術分野】
本発明は、伝熱板の一側面側に、供給される水を蒸発させて排出する蒸発室が前記伝熱板の厚さ方向に薄い扁平状に設けられ、前記伝熱板の他側面側に、加熱用流体が通流して前記蒸発室を加熱する加熱室が設けられた原燃料改質用水蒸気生成装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
かかる原燃料改質用水蒸気生成装置は、炭化水素系の原燃料を水蒸気にて水素含有ガスに改質する改質装置に改質用として供給する水蒸気を生成するものであり、図８に示すように、加熱室１１に燃焼排ガス等の加熱用流体を通流させて、通流する加熱用流体にて伝熱板４０を介して蒸発室２を加熱することにより、蒸発室２に供給される水を蒸発させ、蒸発させた水蒸気を蒸発室２から排出して、改質装置（図示省略）に供給するようになっている。
そして、この原燃料改質用水蒸気生成装置は、蒸発室２を伝熱板４０の厚さ方向の厚さが薄い扁平状に設けて、伝熱板４０の板面方向が上下方向に向く縦姿勢で設置して、伝熱板４０を介して蒸発室２内の水を効率良く加熱して、効率良く水蒸気を生成するようになっている。
【０００３】
このような原燃料改質用水蒸気生成装置では、従来、図８に示すように、蒸発室２を伝熱板４０の厚さ方向に薄い扁平状にしながらも、その蒸発室２の扁平の程度が小さかった。又、蒸発室２に伝熱促進用の充填材Ｆとしてステンレスウール４７を充填していた。（例えば、特許文献１参照。）。
蒸発室２の扁平の程度を小さくするに当たっては、例えば、伝熱板厚さ方向視での蒸発室２内の縦方向及び横方向の寸法をそれぞれ２００ｍｍ程度とすると、蒸発室２内の奥行き方向の寸法は１０ｍｍ程度に設定していた。
又、蒸発室２に伝熱促進用の充填材Ｆとしてステンレスウール４６を充填するに当たっては、その充填率（蒸発室の容積に対する充填材Ｆの体積の比率）は、例えば、０．０３〜０．２％程度に小さく設定していた。図８中の４７は、加熱室１１に充填したステンレスウールである。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００‐１７８００３号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来では、蒸発室内において水の突沸が起こり易く、水蒸気を安定して生成することができないという問題があった。
蒸発室内において水の突沸が起こり易い原因は、蒸発室を伝熱板厚さ方向の厚さが薄い扁平状にしながらも、その蒸発室の伝熱板厚さ方向での厚さを比較的厚くしていて、蒸発室における保有水量が多くなっていたため、水が沸点よりも高い温度に加熱されても沸騰しにくい状態が起こり易く、水位が変化して水が伝熱板における温度の高い場所に接触すると突発的に沸騰して、突沸が起こるものと考えられる。
蒸発室には充填材としてステンレスウールを充填しているが、その充填率が小さいため、突沸を抑制することが可能になる程度にまで保有水量を低減するには至っていないものと考えられる。
【０００６】
本発明は、かかる実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、水蒸気の生成を安定化し得る原燃料改質用水蒸気生成装置を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
〔請求項１記載の発明〕
請求項１に記載の原燃料改質用水蒸気生成装置は、伝熱板の一側面側に、供給される水を蒸発させて排出する蒸発室が前記伝熱板の厚さ方向に薄い扁平状に設けられ、前記伝熱板の他側面側に、加熱用流体が通流して前記蒸発室を加熱する加熱室が設けられ、前記蒸発室にて生成された水蒸気を原燃料ガスに混合させるように構成されたものであって、
前記蒸発室の背圧を、水の突沸を抑制する突沸抑制用圧力として、５〜６０ｋPaの範囲に維持する背圧維持手段が設けられている点を特徴構成とする。
即ち、背圧維持手段により蒸発室の背圧が水の突沸を抑制する突沸抑制用圧力に維持されているので、蒸発室において、水は突沸が抑制されながら蒸発して、その蒸発した水蒸気が蒸発室から排出される。
つまり、蒸発室内における水の蒸発量が増加する傾向になっても、背圧維持手段により蒸発室の背圧が突沸抑制用圧力に維持されていて、水の蒸発が規制されるので、突沸が抑制される。
従って、水蒸気の生成を安定化し得る原燃料改質用水蒸気生成装置を提供することができるようになった。
【００１４】
【発明の実施の形態】
〔第１実施形態〕
以下、図面に基づいて、本発明の第１実施形態を説明する。
図１及び図２に示すように、原燃料改質用水蒸気生成装置Ｓは、伝熱板４０の一側面側に、供給される水を蒸発させて排出する蒸発室２を伝熱板４０の厚さ方向に薄い扁平状に設け、伝熱板４０の他側面側に、加熱用流体が通流して蒸発室２を加熱する加熱室１１を同じく伝熱板４０の厚さ方向に薄い扁平状に設けて構成してある。
そして、原燃料改質用水蒸気生成装置Ｓは、伝熱板４０の板面方向が上下方向に向く縦姿勢で設置するようになっている。
【００１５】
説明を加えると、原燃料改質用水蒸気生成装置Ｓは、矩形の伝熱板４０にて仕切られた二つの矩形板状の扁平な室を備えるように形成した矩形板状の扁平な双室具備容器Ｂｄを用いて構成し、二室のうちの一方を蒸発室２として用い、他方を加熱室１１として用いている
双室具備容器Ｂｄは、矩形平板状の伝熱板４０の両側に一対の皿状容器形成部材４１を振分け配置した状態で、周縁部をシーム溶接にて接続して、内部に二つの扁平な室を区画形成するように形成する。
更に、各皿状容器形成部材４１の上部及び下部のそれぞれには、流体供給用あるいは排出用のノズル４４を室内に連通する状態で接続してある。
【００１６】
前記伝熱板４０は、ステンレス等の耐熱金属を用いて形成し、一対の皿状容器形成部材４１は、周縁部を接続代として中央部が膨出する皿状に、ステンレス等の耐熱金属製の板材をプレス成形して形成してあるが、蒸発室２を形成する方の皿状容器形成部材４１は、皿の底部分は上下の両端部を残してその間の部分を前記接続代とする周縁部側に膨出させた上げ底状になるようにプレス成形してある。
【００１７】
そして、蒸発室２を形成する方の皿状容器形成部材４１を伝熱板４０に溶接するときは、伝熱板４０と皿状容器形成部材４１との間における皿状容器形成部材４１の上げ底部分の下端縁に沿わせて多孔状の受け板４５を配置し、その受け板４５の上部側になる部分には伝熱促進用の充填材Ｆとして多数の球状体４６を充填した状態で溶接し、加熱室１１を形成する方の皿状容器形成部材４１を伝熱板４０に溶接するときは、伝熱板４０と皿状容器形成部材４１との間の下部側に多孔状の受け板４５を配置し、その受け板４５の上部側になる部分には伝熱促進用のステンレスウール４７を充填した状態で溶接する。
【００１８】
伝熱板４０の厚さ方向視での蒸発室２及び加熱室１１それぞれの室内の縦方向及び横方向の寸法をそれぞれ２００ｍｍとすると、蒸発室２内の奥行き方向の寸法、即ち、伝熱板４０と皿状容器形成部材４１の上げ底状部分との間隔は２ｍｍに設定し、加熱室１１内の奥行き方向の寸法、即ち、伝熱板４０と皿状容器形成部材４１の底部との間隔は１０ｍｍに設定してある。
そして、蒸発室２内における伝熱板４０と皿状容器形成部材４１の上げ底状部分との間における受け板４５の上部には、直径が２ｍｍの多数の球状体４６を、互いに接触させ且つ伝熱板４０及び皿状容器形成部材４１に接触させて、伝熱板４０の板面に沿って並ぶ状態で充填してある。球状体４６は、伝熱性に優れたセラミック（アルミナ等）又は、ステンレス等にて形成する。
【００１９】
蒸発室２の下部のノズル４４には、水蒸気生成用の原料水を供給する原料水供給路２５を接続し、上部のノズル４４には、蒸発室２内にて生成された水蒸気を排出させる水蒸気路２６を接続し、一方、加熱室１１の上部のノズル４４には、加熱用流体として、後述する改質処理室３（図３参照）を加熱する燃焼部４（図３参照）から排出された燃焼ガスを通流させる燃焼ガス路２７の上流側を接続し、下部のノズル４４には前記燃焼ガス路２７の下流側を接続してある。
水蒸気路２６には、蒸発室２の背圧をその蒸発室２内での水の突沸を抑制する突沸抑制用圧力に維持する背圧維持手段としてオリフィス４８を設けてある。
そして、加熱室１１内を上部から下部に向けて燃焼ガスを通流させて、そのように通流する燃焼ガスにより伝熱板４０を介して蒸発室２を加熱して、原料水供給路２５を通じて蒸発室内２にその下部から供給される水を加熱して蒸発させて、その蒸発した水蒸気を上部から水蒸気路２６を通じて排出させるようになっている。
【００２０】
本願発明の発明者らは、蒸発室２内における水の突沸を抑制すべく鋭意研究し、伝熱板４０の厚さ方向視での蒸発室２内の縦方向及び横方向の寸法をそれぞれ２００ｍｍとした場合に、蒸発室２内の奥行き方向の寸法を２ｍｍに設定し、蒸発室２内の略全域にわたって、直径が２ｍｍの多数の球状体４６を充填すると、蒸発室２内における水の突沸を抑制することができることを見出した。
つまり、上述のように蒸発室２における伝熱板４０の厚さ方向の寸法を設定し且つ蒸発室２に球状体４６を充填すると、球状体４６の充填率が蒸発室２の保有水量が水の突沸を抑制する水量になるように規制する充填率となり、しかも、蒸発室２内に水の突沸を抑制する多数の細い突沸抑制用流路４９が形成されて、その多数の細い突沸抑制用流路４９を通じて水を流動させて水を蒸発させることになり、水の突沸を抑制することができるのである。前記突沸抑制用流路４９は、球状体４６同士の間、伝熱板４０と球状体４６との間、皿状容器形成部材４１と球状体４６との間等の隙間により形成される。
更に、蒸発室２内における水の蒸発量が増加する傾向になっても、オリフィス４８により、蒸発室２の背圧がその蒸発室２内での水の突沸を抑制する突沸抑制用圧力に維持されていて、水の蒸発が抑制されるので、突沸が抑制される。ちなみに、突沸抑制用圧力としては、例えば、５〜６０ｋＰａの範囲に設定する。
【００２１】
つまり、伝熱板４０の厚さ方向視での蒸発室２内の縦方向及び横方向の寸法をそれぞれ２００ｍｍとした場合に、蒸発室２内の奥行き方向の寸法を２ｍｍに設定し、蒸発室２内の略全域にわたって、直径が２ｍｍの多数の球状体４６を充填することにより、蒸発室２が、保有水量が水の突沸を抑制する水量になるように構成されることになる。
又、同様に、伝熱板４０の厚さ方向視での蒸発室２内の縦方向及び横方向の寸法をそれぞれ２００ｍｍとした場合に、蒸発室２内の奥行き方向の寸法を２ｍｍに設定し、蒸発室２内の略全域にわたって、直径が２ｍｍの多数の球状体４６を充填することにより、蒸発室２が、水の突沸を抑制する多数の細い突沸抑制用流路４９にて水を流動させるように構成さることになる。
又、同様に、伝熱板４０の厚さ方向視での蒸発室２内の縦方向及び横方向の寸法をそれぞれ２００ｍｍとした場合に、蒸発室２内の奥行き方向の寸法を２ｍｍに設定し、蒸発室２内の略全域にわたって、直径が２ｍｍの多数の球状体４６を充填することにより、蒸発室２に対する充填材Ｆの充填率が水の突沸を抑制する充填率に設定されて、充填材Ｆが水の突沸を抑制するように蒸発室２に充填されることになる。水の突沸を抑制することが可能となる蒸発室２に対する充填材Ｆの充填率としては、３０〜８０％の範囲が好ましく、５０〜７０％の範囲が更に好ましい。
【００２３】
次に、上述の原燃料改質用水蒸気生成装置Ｓを備えた水素含有ガス生成装置について説明する。
図３に示すように、水素含有ガス生成装置は、原燃料改質用水蒸気生成装置Ｓに加えて、天然ガス等の炭化水素系の原燃料ガスを脱硫処理する脱硫部１と、その脱硫部１にて脱硫された原燃料ガスを原燃料改質用水蒸気生成装置Ｓにて生成された水蒸気にて水素ガスと一酸化炭素ガスを含むガスに改質処理する改質処理室３と、その改質処理室３を改質処理可能なように加熱する燃焼室４と、改質処理室３から供給される改質処理ガス中の一酸化炭素ガスを水蒸気を用いて二酸化炭素ガスに変成処理する変成部５と、その変成部５から供給される変成処理ガス中の一酸化炭素ガスを選択酸化する選択酸化部６とを備えて、一酸化炭素ガス濃度の低い（例えば１０ｐｐｍ以下）水素リッチな水素含有ガスを生成するように構成してある。そして、この水素含有ガス生成装置にて生成された水素含有ガスは、例えば、各種の燃料電池Ｇにて発電用として用いられる。ちなみに、改質処理室３とその改質処理室３を改質処理可能なように加熱する燃焼室４とにより、改質装置が構成される。
【００２４】
更に、水素含有ガス生成装置には、改質処理室３から排出された高温の改質処理ガスを通流させて、改質処理室３を保温する保温用通流部７と、脱硫部１からの脱硫原燃料ガスと改質処理室３からの高温の改質処理ガスとを熱交換させて、改質処理室３に供給される脱硫原燃料ガスを予熱する脱硫原燃料ガス用熱交換器Ｅｐと、改質処理室３からの高温の改質処理ガスと脱硫部１に供給される原燃料ガスとを熱交換させて原燃料ガスを予熱する原燃料ガス用熱交換器Ｅａと、変成部５を冷却するために冷却用流体を通流させる変成部冷却用通流部８と、同じく、変成部６を冷却するために冷却用流体を通流させる変成部冷却用通流部９と、変成部５及び選択酸化部６を冷却する冷却用ファン１０とを設けてある。
【００２５】
脱硫原燃料ガス用熱交換器Ｅｐは、保温用通流部７から排出された改質処理ガスを通流させる上流側改質処理ガス通流部１２と、改質処理室３に供給する脱硫原燃料ガスを通流させる脱硫原燃料ガス通流部１３とを熱交換自在に設けて構成し、原燃料ガス用熱交換器Ｅａは、上流側改質処理ガス通流部１２から排出された改質処理ガスを通流させる下流側改質処理ガス通流部１５と、脱硫部１に供給する原燃料ガスを通流させる原燃料ガス通流部１６とを熱交換自在に設けて構成してある。
【００２６】
水素含有ガス生成装置は、矩形板状の扁平な容器Ｂの複数を板状形状の厚さ方向に並べて設けて、各容器Ｂを用いて、原燃料改質用水蒸気生成装置Ｓ、脱硫部１、改質処理室３、燃焼室４、変成部５、選択酸化部６、各通流部等をそれぞれ構成してある。
複数の容器Ｂのうちの一部は、一つの扁平な室を備えるように形成した単室具備容器Ｂｍにて構成し、残りは、上述した原燃料改質用水蒸気生成装置Ｓを構成するのと同様の双室具備容器Ｂｄにて構成してある。
【００２７】
本実施形態においては、９個の双室具備容器Ｂｄと、１個の単室具備容器Ｂｍを、側面視において左端から３個目に単室具備容器Ｂｍを位置させた状態で、横方向に厚さ方向に並べて設けて、コンパクトに形成してある。尚、９個の双室具備容器Ｂｄと１個の単室具備容器Ｂｍとを並べるに当たっては、伝熱させる必要のあるもの同士は密着させた状態で、且つ、伝熱量を調節する必要のあるもの同士の間には伝熱量調節用の断熱材１９を介在させた状態で並べてある。
９個の双室具備容器Ｂｄの区別が明確になるように、便宜上、双室具備容器を示す符号Ｂｄの後に、左からの並び順を示す符号１，２，３……………９を付す。
【００２８】
左端の双室具備容器Ｂｄ１を用いて、上述のように原燃料改質用水蒸気生成装置Ｓを構成してある。
左から２個目の双室具備容器Ｂｄ２の左側の室を備えた部分を用いて、燃焼室４を構成し、右側の室を備えた部分を用いて、改質処理室３を構成してある。
単室具備容器Ｂｍを用いて、保温用通流部７を構成してある。
左から３個目の双室具備容器Ｂｄ３の左側の室を備えた部分を用いて、上流側改質処理ガス通流部１２を構成し、右側の室を備えた部分を用いて、脱硫原燃料ガス通流部１３を構成してある。
左から４個目の双室具備容器Ｂｄ４を用いて、脱硫部１を構成し、左から５個目の双室具備容器Ｂｄ５の左側の室を備えた部分を用いて、脱硫部１を構成し、右側の室を備えた部分を用いて、原燃料ガス通流部１６を構成してある。
左から６個目の双室具備容器Ｂｄ６の左側の室を備えた部分を用いて、下流側改質処理ガス通流部１５を構成し、右側の室を備えた部分を用いて、変成部５を構成してある。
左から７個目の双室具備容器Ｂｄ７の左側の室を備えた部分を用いて、変成部５を構成し、右側の室を備えた部分を用いて変成部冷却用通流部８を構成してある。
左から８個目の双室具備容器Ｂｄ８を用いて、変成部５を構成し、左から９個目（右端）の双室具備容器Ｂｄ９の左側の室を備えた部分を用いて、変成部冷却用通流部９を構成し、右側の室を備えた部分を用いて選択酸化部６を構成してある。
【００２９】
つまり、最も高温となる燃焼室４及び改質処理室３を構成する双室具備容器Ｂｄ２の一方側に、その双室具備容器Ｂｄ２の側から、保温用通流部７を構成する単室具備容器Ｂｍ、断熱材１９、脱硫原燃料ガス用熱交換器Ｅｐを構成する双室具備容器Ｂｄ３、断熱材１９、脱硫部１を構成する双室具備容器Ｂｄ４、脱硫部１及び原燃料ガス通流部１６を構成する双室具備容器Ｂｄ５、下流側改質処理ガス通流部１５及び変成部５を構成する双室具備容器Ｂｄ６、変成部５及び変成部冷却用通流部８を構成する双室具備容器Ｂｄ７、変成部５を構成する双室具備容器Ｂｄ８、変成部冷却用通流部９及び選択酸化部６を構成する双室具備容器Ｂｄ９を記載順に並ぶように互いに密接配置して設け、双室具備容器Ｂｄ２の他方側に、その双室具備容器Ｂｄ２の側から、断熱材１９、原燃料改質用水蒸気生成装置Ｓを構成する双室具備容器Ｂｄ１を記載順に並ぶように密接配置して設けてある。
【００３０】
図３において、白抜き矢印にて示すように、原燃料ガス供給路２１を原燃料ガス用熱交換器Ｅａの原燃料ガス通流部１６に接続し、並びに、原燃料ガス通流部１６、脱硫部１、脱硫原燃料ガス用熱交換器Ｅｐの脱硫原燃料ガス通流部１３、改質処理室３、保温用通流部７、脱硫原燃料ガス用熱交換器Ｅｐの上流側改質処理ガス通流部１２、原燃料ガス用熱交換器Ｅａの下流側改質処理ガス通流部１５、変成部５、選択酸化部６の順に流れるガス処理経路を形成するように、それらをガス処理用流路２２にて接続してある。
【００３１】
選択酸化部６から排出された選択酸化処理ガスを燃料ガスとして燃料電池Ｇに供給するように、選択酸化部６と燃料電池Ｇとを燃料ガス路２３にて接続し、燃料電池Ｇから排出された排燃料ガスをガス燃料として燃焼室４のガスバーナ４ｂに供給すべく、燃料電池Ｇとガスバーナ４ｂとを燃料供給路２４にて接続してある。
【００３２】
図３において、実線矢印にて示すように、原料水ポンプ１４から水蒸気生成用の原料水が送られる原料水供給路２５を原燃料改質用水蒸気生成装置Ｓの蒸発室２に接続し、蒸発室２にて生成された水蒸気を送出する水蒸気路２６を、脱硫部１と被改質ガス通流部１３とを接続するガス処理用流路２２に接続して、ガス処理用流路２２を通流する脱硫原燃料ガスに改質用の水蒸気を混合させるように構成してある。上述したように、水蒸気路２６には、蒸発室２の背圧をその蒸発室２内での水の突沸を抑制する突沸抑制用圧力に維持するオリフィス４８を設けてある。
【００３３】
図３において、破線矢印にて示すように、燃焼室４から排出された燃焼ガスを、原燃料改質用水蒸気生成装置Ｓの加熱室１１、変成部冷却用通流部８の順に流すように、それら燃焼室４、加熱室１１、変成部冷却用通流部８を燃焼ガス路２７にて接続して、加熱室１１においては、燃焼ガスによって蒸発室２を加熱し、変成部冷却用通流部８においては、燃焼ガスによって、発熱反応である変成反応が行われる変成部５を冷却するように構成してある。
【００３４】
図３において、一点鎖線矢印にて示すように、ブロア２８からの空気を燃焼用空気として、ガスバーナ４ｂに供給するように、ブロア２８とガスバーナ４ｂとを燃焼用空気路２９にて接続してある。尚、図示は省略するが、ブロア２８からの空気を変成部冷却用通流部９を通流させてからガスバーナ４ｂに供給する変成部冷却用空気路も設けてあり、変成部５の冷却能力が不足するとき、例えば、夏期の高気温時には、その変成部冷却用空気路を通じて、燃焼用空気をガスバーナ４ｂに供給するように切り換え可能なように構成してある。
【００３５】
又、変成部冷却用通流部８から燃焼ガス路２７を通じて排出された燃焼ガスと、燃焼用空気路２９を通じて燃焼室４に供給する燃焼用空気及び燃料供給路２４を通じてガスバーナ４ｂに供給するオフガスとを熱交換させて、燃焼用空気及びオフガスを予熱する排熱回収用熱交換器３１を設けてある。
又、原料水供給路２５を流れる原料水を変成処理ガスにて予熱する原料水予熱用熱交換器１７を設けると共に、変成処理ガスから凝縮水を除去するドレントラップ３０を、その原料水予熱用熱交換器１７よりも下流側の箇所に設けて、変成処理ガスと原料水とを熱交換させて、原料水を予熱すると共に、変成処理ガスを冷却するようにしてある。
【００３６】
次に、本願発明の原燃料改質用水蒸気生成装置により突沸を抑制できる点を検証した結果を説明する。
先ず、蒸発器２内の圧力の変動を計測した結果を説明する。
図４は、上記の第１実施形態の原燃料改質用水蒸気生成装置をオリフィス４８を取り外した状態で運転したときの蒸発室２内の圧力の時間経過に伴う変動を示し、図５は、図８に示す従来構成の原燃料改質用水蒸気生成装置を運転したときの蒸発室２内の圧力の時間経過に伴う変動を示す。
図５に示すように、従来構成の原燃料改質用水蒸気生成装置では、蒸発室２内の圧力の変動範囲が３．５ｋＰａ程度の範囲になるのに対して、図４に示すように、第１実施形態の原燃料改質用水蒸気生成装置によれば、オリフィス４８を取り外した状態で運転しても、蒸発室２内の圧力の変動範囲が１ｋＰａ程度の範囲内に止まり、突沸を抑制することが可能になることが分かる。ちなみに、図５において特異的に圧力が高くなっているときに突沸が起こっている。
【００３７】
次に、改質処理室３から排出される改質ガス中のメタンガス濃度を測定して、突沸の発生状態を検証した結果を説明する。つまり、蒸発室２において突沸が発生すると、改質処理室３への水蒸気の供給が異常になって改質ガス中のメタンガス濃度が高くなるので、突沸の発生状態を検証することができる。
図６において、太線は、第１実施形態の原燃料改質用水蒸気生成装置にて水蒸気を供給するとき、細線は、図８に示す従来構成の原燃料改質用水蒸気生成装置にて水蒸気を供給するときそれぞれの改質ガス中のメタンガス濃度の時間経過に伴う変動を示す。
【００３８】
従来構成の原燃料改質用水蒸気生成装置にて水蒸気を供給する場合は、突発的に改質ガス中のメタンガス濃度が異常に高くなって、メタンガス濃度の変動範囲が大きいのに対して、第１実施形態の原燃料改質用水蒸気生成装置にて水蒸気を供給する場合は、突発的なメタンガス濃度の異常上昇がなくて、メタンガス濃度の変動範囲が小さく、突発が防止されて改質ガスの生成が安定していることが分かる。ちなみに、従来構成の原燃料改質用水蒸気生成装置にて水蒸気を供給する場合は、突発的にメタンガス濃度が異常上昇している直前で、蒸発室２内において突沸が起こっていると考えられる。
【００３９】
尚、図６において、メタンガス濃度のレベルが、第１実施形態の原燃料改質用水蒸気生成装置にて水蒸気を供給する場合と、従来構成の原燃料改質用水蒸気生成装置にて水蒸気を供給する場合で異なるのは、従来構成の原燃料改質用水蒸気生成装置にて水蒸気を供給する場合は、上述の如く突発的にメタンガス濃度が異常上昇して燃料電池の運転に支障を来たすので、改質処理室３内の温度を高くして改質反応量を多くして、メタンガス濃度のレベルを低くしているためである。
【００４０】
〔第２実施形態〕
以下、図７に基づいて、第２実施形態を説明する。第２実施形態においては、蒸発室２内に、伝熱促進用の充填材Ｆとして、第１実施形態における多数の球状体４６に代えてステンレスウール４７を充填した点で異なる以外は、第１実施形態と同様に構成してあり、第１実施形態と同じ構成要素や同じ作用を有する構成要素については、同じ符号を付してある。
【００４１】
つまり、第２実施形態では、第１実施形態と同様に、伝熱板４０の厚さ方向視での蒸発室２内の縦方向及び横方向の寸法をそれぞれ２００ｍｍとし、奥行き方向の寸法を２ｍｍに設定してあるが、その蒸発室２１内に充填する充填材Ｆの充填率は、第１実施形態におけるよりも小さくて、水の突沸を抑制する充填率には設定されておらず、蒸発室２は、保有水量が水の突沸を抑制する水量になるように構成されておらず、又、蒸発室２は、水の突沸を抑制する多数の細い突沸抑制用流路にて水を流動させるようにも構成されていない。
つまり、オリフィス４８により、蒸発室２の背圧をその蒸発室２内での水の突沸を抑制する突沸抑制用圧力に維持することにより、蒸発室２内での水の突沸を抑制している。
【００４３】
上述のように構成した第２実施形態の原燃料改質用水蒸気生成装置Ｓは、上述の第１実施形態の原燃料改質用水蒸気生成装置Ｓと同様に水素含有ガス生成装置に組み付けられるので、その説明及び図示は省略する。
【００４４】
〔別実施形態〕
次に別実施形態を説明する。
【００４８】
（イ） 上記の第２実施形態のように、蒸発室２の背圧を水の突沸を抑制する突沸抑制用圧力に維持する背圧維持手段を設ける場合において、蒸発室２の寸法は、上記の第２実施形態において例示した寸法に限定されるものではない。
【００４９】
（ロ） 蒸発室２の背圧を水の突沸を抑制する突沸抑制用圧力に維持する背圧維持手段の具体構成は、上記の実施形態において例示したオリフィス４８に限定されるものではなく、例えば、開度を任意に調節可能な弁でも良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態に係る原燃料改質用水蒸気生成装置の斜視図
【図２】第１実施形態に係る原燃料改質用水蒸気生成装置の縦断側面図
【図３】原燃料改質用水蒸気生成装置を設けた水素含有ガス生成装置の縦断側面図
【図４】時間経過に伴う蒸発室内の圧力の変動を示す図
【図５】時間経過に伴う蒸発室内の圧力の変動を示す図
【図６】改質ガス中のメタンガス濃度の時間経過に伴う変動を示す図
【図７】第２実施形態に係る原燃料改質用水蒸気生成装置の縦断側面図
【図８】従来の原燃料改質用水蒸気生成装置の縦断側面図
【符号の説明】
２ 蒸発室
１１ 加熱室
４０ 伝熱板
４６ 球状体
４８ 背圧維持手段
４９ 突沸抑制用流路
Ｆ 充填材
Claims (1)
- 伝熱板の一側面側に、供給される水を蒸発させて排出する蒸発室が前記伝熱板の厚さ方向に薄い扁平状に設けられ、前記伝熱板の他側面側に、加熱用流体が通流して前記蒸発室を加熱する加熱室が設けられ、前記蒸発室にて生成された水蒸気を原燃料ガスに混合させるように構成された原燃料改質用水蒸気生成装置であって、
前記蒸発室の背圧を、水の突沸を抑制する突沸抑制用圧力として、５〜６０ｋPaの範囲に維持する背圧維持手段が設けられている原燃料改質用水蒸気生成装置。
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