JP4295061B2 - 蒸発器 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池発電装置、または水素製造装置等の化学プロセス用として適用できる蒸発器に関し、さらに詳しくは、炭化水素燃料の蒸気改質プロセスに使用することができ、小型軽量化が可能であり、かつ耐熱損傷性およびメンテナンス性に優れた蒸発器に関するものである。

ここで、耐熱損傷性とは、熱応力による熱交換器コアでの変形または損傷を防止できる特性をいう。また、メンテナンス性は、補修の容易性、さらに熱的損傷の拡張を防ぐことができる損傷箇所の限定性を示している。

燃料電池装置では、燃料として水素が使用され、酸化剤として酸素または空気が用いられる。燃料電池内で使用される水素は、炭化水素燃料（例えば、メタノール）の改質によって供給することができる。例えば、燃料電池の蒸気改質プロセスでは、炭化水素燃料（例えば、メタノール）および蒸気を触媒反応器内で理想的に反応させることによって、水素リッチの改質ガスを生成することができる。

このように、蒸気改質プロセスではメタノールと水を蒸発させて水素改質したり、天然ガスを蒸気と熱で改質して水素化することから、燃料電池装置に用いられるプロセスにおいて、流体の蒸発技術が重要な開発要素となり、燃料電池の発電効率にも大きな影響を及ぼすことになる。

さらに、自動車用の燃料電池装置を開発するため、蒸気改質プロセスに用いられる蒸発器を車両等で搬送、移動が可能に設計する場合には、原燃料等の液体は燃焼排ガスを用いて熱交換することが前提となる。この場合には、蒸発器そのものの小型化、軽量化を推進する必要がある。一般的には、蒸発器の小型化、軽量化には、プレートフィン型の熱交換器コアを設けるのが有効である。

図１は、プレートフィン型の熱交換器コアの基本構成を説明する図である。熱交換器コア４は、低温流体通路と高温流体通路を仕切る板状のチューブプレート１と、伝熱促進用のフィン２が交互に積層され、また、チューブプレート１、１の間隔を保ち、流路を密封するためのスペーサーバー３が両側面に並べられるのが基本構造である。

低温流体と高温流体の熱交換器コア４内の流れ方によって、種々の構成がある。図１（ａ）に示す流れは、低温流体（白抜き矢印）と高温流体（黒抜き矢印）とが直交流するクロスフロータイプであり、同（ｂ）に示す流れは、両流体が向流するカウンターフロータイプである。通常、流れが直交流するクロスフロータイプを採用することによって、伝熱効率を確保しつつ、蒸発器の構造を簡素に設計できる。

図１に示すように、プレートフィン型の熱交換器コア４では、低温流体と高温流体とが流路を仕切っているチューブプレート（仕切板）を介して熱交換を行なうようになっている。このため、同じ熱交換能力のシェルアンドチューブ方式の熱交換器に比べて、伝熱面積が確保でき、小型化が可能になる。

燃料電池の蒸気改質プロセスに用いられる蒸発器では、未気化のままの流体が蒸発器から取り出され、次工程の触媒反応器内へ供給されると、反応器内で気化熱が奪われ、温度低下を生じ、理想的に改質反応を行うことができない。このため、蒸気改質プロセスの蒸発効率を向上させると同時に、安定性を確保する必要がある。

前述の通り、自動車用の燃料電池装置として、原燃料等の熱交換に燃焼排ガスを用いる場合には、高温流体の温度は５００℃以上になる。このような高温流体を扱う蒸発器では、熱交換器コアでの高温流体通路の入口付近では、大きな温度差を生じる。特に、起動時等の昇温時には、過渡的にさらに大きな温度差を生じる。この温度差に起因して熱応力が発生し、熱交換器コアに著しい変形を生じるとともに、損傷発生の要因となる。

一方、自動車で可搬（移動）される燃料電池に用いられる蒸発器では、小型化、軽量化か要請されることから、プレートフィン型の熱交換器コアが採用される。しかし、車両等への搭載にともなって、熱交換器コアに走行中の振動や衝撃が加わり、前記熱応力との相乗作用により、熱交換器コアに損傷を発生し易くなる。このため、熱交換器コアに損傷が生じた場合でも、損傷箇所を最小限に限定することができ、迅速な補修が可能となる、優れたメンテナンス性が要求される。

本発明は、上述した燃料電池装置等の化学プロセス用途に用いられる蒸発器に要求される諸特性に鑑みてなされたものであり、過酷な使用状況が想定される場合であっても、安定した蒸発効率を発揮し、小型化、軽量化が可能であると同時に、耐熱損傷性およびメンテナンス性に優れる蒸発器を提供することを目的にしている。

本発明者らは、上述の課題を解決するため、蒸発器の小型化、軽量化に有利なプレートフィン型の熱交換器コアを前提として、安定した蒸発効率を発揮し、耐熱損傷性およびメンテナンス性に優れる蒸発器の構造について詳細な検討を行った。

前述の通り、プレートフイン型の熱交換器コアは、装置の小型化、軽量化に対する優位性はあるが、前記図１に示すように、緻密で剛な構造体で構成される。このため、局所的な熱応力に起因する熱変形や熱歪みの発生を抑制したり、場合によっては、低温流体と高温流体との温度差を制限する必要がある。

例えば、熱交換媒体として燃焼排ガスを用いる場合には、高温流体の温度は５００℃以上になるため、熱交換器コア本体はかなりの高温状態になる。この状態で低温流体流路に低温流体を流下させると、流下させた熱交換器コア部には、熱応力に起因する大きな熱歪みが生じ、破断損傷に至るおそれがある。

そこで、破断損傷のおそれがある熱交換器コア、具体的には、低温流体用の入側熱交換器コアを装着可能にすれば、蒸発器のメンテナンス性が著しく向上することに着目した。すなわち、破断損傷が発生したときには、入側熱交換器コアを着脱交換することによって、容易、かつ迅速な補修が可能になる。

この着脱交換するためには、例えば、カートリッジ方式で着脱交換できるように、熱交換器コアの機能を有する熱交換器パネルを別個製作すると同時に、低温流体通路の入側に、この熱交換器パネルを装着できる矩形流路を設ける必要がある。

このように、低温流体通路の入側に熱交換器パネルを装着する構成にすれば、破断損傷が発生し易い熱交換器コアに損傷が生じた場合でも、損傷箇所をこの熱交換器パネル内に限定することができ、損傷の拡大を防止することができる。

さらに、低温流体通路の入側に熱交換器パネル装着用の矩形流路を設けるため、流路を介する仕切板が二重構造となり、熱応力を低減することが可能になる。これにより、熱交換器パネルそのものに発生する変形を抑えるとともに、損傷発生を抑制できる。しかも、矩形流路の仕切板、または熱交換器パネルの仕切板のいずれかが破損した場合であっても、流体の漏洩には至らない安全な構造になる。

すなわち、種々の検討の結果、多数積層したプレートフィン型の熱交換器コアを設けた蒸発器の構造を採用することによって、小型化、軽量化が可能であると同時に、安定した蒸発効率を確保することができる。この場合に、最も損傷が予測される低温流体通路の入側に、着脱可能な熱交換器コアを装着できる通路を設けて、別個製作した熱交換器パネルを着脱可能にすることによって、上述の耐熱損傷性およびメンテナンス性に関する課題も達成できることを知見した。

本発明は、上記の知見に基づいて完成されたものであり、下記（１）、（２）に記載される、第１、および第２の蒸発器を要旨としている。
（１）仕切板を介して低温流体通路と高温流体通路とを交互に隣接して多数積層したプレートフィン型の熱交換器コアを設け、前記低温流体通路の上方から液状の低温流体を流下させるとともに、前記高温流体通路にはガス状の高温流体を導入させ、両流体を前記仕切板を介して熱交換させることにより、前記低温流体を蒸発気化する蒸発器において、前記低温流体通路の入側に、コルゲートフィンをろう付け加工で収納し上下面が平板で構成された熱交換器パネルを、上下両面のチューブプレートと接触して装着できる通路を設けて、前記熱交換器パネルを着脱可能にしたことを特徴とする蒸発器である（以下、「第１の蒸発器」という）。
（２）上記（１）の蒸発器において、前記低温流体通路の入側に低温流体の蒸発部を設けるとともに、この蒸発部に連続して前記低温流体通路の出側にろう付け加工で過熱部を設け、前記蒸発部をコルゲートフィンをろう付け加工で収納し上下面が平板で構成された熱交換器パネルを、上下両面のチューブプレートと接触して装着できる構造としたことを特徴とする蒸発器である（以下、「第２の蒸発器」という）。

本発明の蒸発器によれば、多数積層したプレートフィン型の熱交換器コアを設けた構造を前提として、最も損傷が予測される低温流体通路の入側を、別個製作した熱交換器パネルを着脱可能にすることにより、小型化、軽量化が可能であると同時に、安定した蒸発効率を確保することができる。さらに、熱交換媒体として高温の燃焼排ガスを用いる場合であっても、優れた熱損傷性およびメンテナンス性を発揮することができる。

本発明の蒸発器は、例えば、燃料電池装置等の化学プロセス用として要求される、小型化、軽量化と同時に、安定した蒸発効率を達成するため、低温流体通路と高温流体通路との熱交換部に多数積層したプレートフィン型の熱交換器コアを採用している。

そこで、「第１の蒸発器」では、熱交換媒体として燃焼排ガスを用いる場合に、熱交換器コア本体の温度がかなり高温になることから、低温流体用の入側熱交換器コアの破断損傷が予測される。このため、低温流体通路の入側を別個製作した熱交換器パネルによって着脱可能に構成している。

「第１の蒸発器」で着脱する熱交換器パネルは、単に低温流体通路の入側を規定するものであり、蒸発・気化プロセスにおける蒸発過程のみならず、過熱過程で用いられるものであってもよく、特に、蒸発・気化プロセスにおける処理過程を限定するものではない。

通常、流体の蒸発・気化プロセスは、蒸発過程と過熱過程とに区分されるが、熱交換器コアでの損傷は、過熱過程に比べ、蒸発過程での損傷が顕著となる。このため、「第２の蒸発器」では、低温流体通路の入側に低温流体の蒸発部を設けるとともに、この蒸発部に連続して前記低温流体通路の出側に過熱部を設けることを明確にして、蒸発部だけを熱交換器パネルを装着できる構造とし、蒸発部での熱交換器パネルの着脱を可能にした。

「第２の蒸発器」の構成により、一層、損傷が予測される熱交換器コア部位を限定することができ、より優れた耐熱損傷性およびメンテナンス性を達成することができる。

本発明の蒸発器では、低温流体と高温流体のコア部内での流れ方向は特に限定するものではないが、両流体が直交流するクロスフロータイプにするのが望ましい。後述する実施例で示すように、低温流体通路および高温流体通路に設けるヘッダータンクの配置構造を簡易なものにすることができる。

さらに、本発明の蒸発器では、例えば、車両に搭載される燃料電池用として採用されることを想定して、小型かつ軽量の構成で、自動車等の振動や傾きが生じた場合でも、低温流体が安定して、効率よく流下できるように、低温流体を均一に分配して低温流体通路に導入する分散板を設けるのが望ましい。

また、本発明の蒸発器では、低温流体通路の入側に発生する熱応力を低減させるために、低温流体通路の入側部分を熱交換器コア部から突出させた構造にして、低温流体通路に低温流体の予熱帯を設けるようにするのが望ましい。このとき、低温流体通路をステンレス鋼で構成する場合には、予熱帯の入口から熱交換器コアまでの距離（突出長さ）を２０〜３０ｍｍ程度にするのが有効である。

本発明の蒸発器では、低温流体用のコルゲートフィンとしてセレート型を用いるのが望ましい。セレート型フィンは、液案内や液分配機能が良好であることから、伝熱特性に優れるとともに、製作時のろう付け加工での施工性にも優れることによる。

本発明の蒸発器の具体的な構成について、図面に基づいて説明する。

図２は、本発明の蒸発器の全体構造を説明する図である。本発明の蒸発器では、上下方向に低温流体通路が配置され、低温流体Ｌi、Ｌoが上方から下方に流下する構造である。この低温流体が流下する方向に直交する左右方向に、高温流体通路が配置され、高温流体Ｈi、Ｈoが流通する。そして、蒸発器の中心部には、仕切板を介して低温流体通路と高温流体通路とが交互に隣接し積層配置されて、熱交換器コア４が構成される。

熱交換器コア４の上方には低温流体通路の入口ヘッダータンク５が設けられ、入口ヘッダータンク５から分配された低温流体Ｌiが、低温流体通路を流通する。この場合に、熱交換器コア４は、低温流体Ｌiの蒸発気化プロセスに合わせて、蒸発部４ａと過熱部４ｂとからなる。

蒸発部４ａは、入口ヘッダータンク５の下方であって、低温流体通路の入側に設けられており、低温流体Ｌiを昇温して蒸発させる。一方、過熱部４ｂは、この蒸発部４ａに連続して低温流体通路の出側に設けられており、蒸発した低温流体をさらに過熱処理（スーパーヒート）する。

さらに、熱交換器コア４の右側には高温流体用の入口ヘッダータンク７が設けられ、熱交換器コア４の左側には高温流体用の出口ヘッダータンク８が設けられる。図２中の矢印で示すように、燃焼ガス等の高温流体Ｈiは、入口ヘッダータンク７内で分配されたのち熱交換器コア４内の高温流路内を流通し、出口ヘッダータンク８内で集合され、燃焼ガス等の高温流体Ｈoとして系外に搬出される。

上記構成によって、入口ヘッダータンク５に導入される低温流体Ｌi、例えば、原燃料であるメタノールと水蒸気改質用の水は、低温流体通路の入側に分配される。このとき、上ヘッダータンク５内に分散板９を設けて、原燃料等の低温流体Ｌiを均一に分配して低温流体通路に導入するのが望ましい。

原燃料等の低温流体Ｌiは、低温流体通路に分配されたのち熱交換器コア４に導入されて、蒸発部４ａで蒸発気化され、次いで過熱部４ｂで過熱処理される。その後、過熱蒸気の状態になったメタノールと水の混合ガスからなる流体Ｌoは、出口ヘッダータンク６で集合されて、次段の改質器へと供給される。

このときの各流体の温度条件は、低温流体Ｌは入口ヘッダータンク５で常温（０〜２０℃）で分配された後、出口ヘッダータンク６で４００℃程度の過熱蒸気となる。これに対し、高温流体Ｈは入口ヘッダータンク７で５００〜６００℃であったのが、熱交換器コア４を通過後、出口ヘッダータンク８で２００〜３００℃程度で回収される。

上述した各流体の温度条件では、図２に示すＸ部位の熱応力が最も大きなものとなる。これを緩和するには、低温流体通路の入側を熱交換器コア４から突出させて、低温流体通路に予熱帯１０を設けるのが望ましい。予熱帯１０の入口から熱交換器コア４までの距離Ｄ（突出長さ）は、低温流体通路を構成する材料に依存し、低温流体通路をステンレス鋼で構成する場合には、距離Ｄは２０〜３０ｍｍにする必要がある。

本発明の蒸発器で、低温流体通路および熱交換器コアの耐熱性を改善させるため、それらの素材としてステンレス鋼を使用する場合には、ＳＵＳ３０４、３０４Ｌ、３１６、３１６Ｌ、３２１および３１０Ｓを採用することができる。

図３は、コルゲートフィンを収納した熱交換器パネルの製作方法を説明する図である。収納するコルゲートフィン２の寸法に合わせて収納用パネル１１ａ作成し、パネル内にコルゲートフィン２を収納し、ろう付け加工で熱交換器パネル１１を組み立てる。図３に示すコルゲートフィン２は、セレート型を採用して、伝熱特性を改善するとともに、熱交換器パネル１１の製作時におけるろう付け強度を確保している。

図４は、入側の低温流体通路を熱交換器パネルに装着する組立方法を説明する図であり、同（ａ）は入側の低温流体通路の組立に必要な部品構成を示し、（ｂ）は組立後の入側低温流体通路の外観を示し、（ｃ）は熱交換器パネルを装着した入側低温流体通路の外観を示している。

図４（ａ）に示すように、入側の低温流体通路の組立には、低温流体通路の仕切板となるチューブプレート１と、このチューブプレート１、１の間隔を保ち、流路を密封するためのスペーサーバー３とが必要である。さらに、前記「第２の蒸発器」を構成する場合には、低温流体通路で過熱部を構成する部分には、過熱処理用のコルゲートフィン２ａが配置される。

チューブプレート１、スペーサーバー３および過熱処理用のコルゲートフィン２ａが、図示するように、ろう付け加工で組み立てられることにより、低温流体通路内に空間Ｙを有する矩形通路が構成される。図示される空間Ｙが、前記図３に示す熱交換器パネル１１を収容する部位となる。

図４（ｂ）では、低温流体通路の入側に熱交換器パネルを装着するために、空間Ｙを有する矩形通路が形成された外観を示しており、図４（ｃ）では、入側の低温流体通路に熱交換器パネル１１を装着した外観と低温流体Ｌi、Ｌoの流通状態を示している。

図４に示すように、低温流体通路を構成することによって、熱交換器パネル１１自体に発生する熱応力を低減でき、これに起因する熱交換器パネル１１の変形を抑え、損傷発生を防止できる。仮に、熱交換器パネル１１に損傷が発生しても、損傷箇所を熱交換器パネル１１内に限定することができ、損傷拡大を阻止することができる。さらに、損傷を発生した熱交換器コアの補修も、別個製作した熱交換器パネルとの交換によって行われるので、迅速な補修が可能になる。

図５は、低温流体通路の入側に設けられた分散板の平面構成を示す図である。分散板９には、低温流体を均一に分配して低温流体通路に導入する細孔９ａが配置されている。本発明の蒸発器では、図５に示す分散板９を低温流体通路の入側に設けることによって、自動車等の振動や傾きが生じた場合でも、低温流体を均一に分配して効率よく流下でき、安定して蒸発効率を確保することができる。

実施例においては、本発明の蒸発器を燃料電池装置等の化学プロセスに用いる場合を例示しながら説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、各種の用途であって、プレートフィン型の熱交換器コアを設けた蒸発器に適用することができる。

本発明の蒸発器によれば、多数積層したプレートフィン型の熱交換器コアを設けた構造において、最も損傷が予測される低温流体通路の入側熱交換器コアを着脱可能にしたものである。これにより、小型化、軽量化が可能であると同時に、安定した蒸発効率を確保することができる。さらに、高温の熱交換媒体を用いる場合であっても、優れた熱損傷性およびメンテナンス性を発揮することができるので、広い分野での産業用装置として利用することができる。

プレートフィン型の熱交換器コアの基本構成を説明する図である。 本発明の蒸発器の全体構造を説明する図である。 コルゲートフィンを収納した熱交換器パネルの製作方法を説明する図である。 入側の低温流体通路を熱交換器パネルに装着する組立方法を説明する図であり、同（ａ）は入側の低温流体通路の組立に必要な部品構成を示し、（ｂ）は組立後の入側低温流体通路の外観を示し、（ｃ）は熱交換器パネルを装着した入側低温流体通路の外観を示している。 低温流体通路の入側に設けられた分散板の平面構成を示す図である。

Claims (6)

1. 仕切板を介して低温流体通路と高温流体通路とを交互に隣接して多数積層したプレートフィン型の熱交換器コアを設け、前記低温流体通路の上方から液状の低温流体を流下させるとともに、前記高温流体通路にはガス状の高温流体を導入させ、両流体を前記仕切板を介して熱交換させることにより、前記低温流体を蒸発気化する蒸発器において、
   前記低温流体通路の入側に、コルゲートフィンをろう付け加工で収納し上下面が平板で構成された熱交換器パネルを、上下両面のチューブプレートと接触して装着できる通路を設けて、前記熱交換器パネルを着脱可能にしたことを特徴とする蒸発器。
2. 前記低温流体通路の入側に低温流体の蒸発部を設けるとともに、この蒸発部に連続して前記低温流体通路の出側にろう付け加工で過熱部を設けることを特徴とする請求項１に記載の蒸発器。
3. 前記低温流体通路の入側を熱交換器コアから突出させ、前記低温流体通路に低温流体の予熱帯を設けたことを特徴とする請求項１または２に記載の蒸発器。
4. 前記低温流体通路をステンレス鋼で構成した場合に、前記予熱帯の入口から熱交換器コアまでの突出距離が２０〜３０ｍｍであることを特徴にする請求項３に記載の蒸発器。
5. 低温流体用のコルゲートフィンとしてセレート型を用いたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の蒸発器。
6. 前記コルゲートフィンが波形で構成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の蒸発器。

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