JP4313464B2 - 燃料改質装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池本体に発電燃料として供給される水素リッチな改質ガスを生成する燃料改質装置に係わり、特に、改質反応に供される原燃料蒸気を生成する蒸発器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、固体電解質型の燃料電池システムは、固体高分子電解質膜をアノード及びカソードで挟持したセルを積層させて構成したスタックセルを具備してなる燃料電池本体に、燃料改質装置で生成された水素リッチな改質ガスとエア（酸素）を供給することにより、電気化学反応を起こして発電するシステムであり、近年、自動車の駆動用電源に用いられてきている。
【０００３】
この燃料改質装置は、炭化水素（例えば、メタノール）および水を含む液体原燃料を蒸発させる蒸発器と、蒸発器で生成された原燃料蒸気を改質触媒層に通して水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、改質器で生成された改質ガスを選択酸化触媒層に通して改質ガス中の一酸化炭素を選択的に除去するＣＯ除去器とを主たる構成要素としている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、蒸気の発生に関しては一般的にボイラが知られており、また、一般的な熱交換器として知られている積層プレート式やシェル＆チューブ式等の熱交換器によっても蒸気を発生させることができる。
従って、単に蒸気を生成して定常蒸気量の供給を主とするのであれば、ボイラや熱交換器の蒸気生成機構を燃料改質装置の蒸発器に適用することもできる。
【０００５】
しかしながら、従来のボイラや熱交換器は、蒸気発生運転開始までの暖機に長時間を要するという問題があり、良好な始動性の確保に支障がある。
また、ボイラは、蒸気の必要量に見合う能力を有し、かつ常に一定量の蒸気を蒸気室に溜めておくものであるから、必要時に必要相当の蒸気を供給できる一方で、不要時にはバルブを閉じなければならない。
このため、ボイラは、蒸気室をバルブ閉塞時の内圧上昇に耐えるだけの耐圧構造としておく必要上、大型化を避けられず、車載用としては不向きである。
【０００６】
他方、プレート式熱交換器は、熱交換効率が高いというメリットを有するが、熱源である燃焼ガスの通路を十分に確保しておかないと通路圧損が大きくなって燃焼ガスが流れなくなり、結局、大型化を招いてしまう。
しかも、熱交換器内部に液相部を有した状態で順次蒸発させる仕組みであるから、定常蒸発では問題を生じないが、蒸気が不要となった時には蒸気を止めることができない。ここで、出口にバルブを設けて蒸気不要時にバルブを閉じる構成とした場合には、耐圧構造を要するため、大型化を避けられない。
【０００７】
シェル＆チューブ式熱交換器は、熱源となる燃焼ガスを低圧損で流すことができるというメリットを有するが、蒸気発生のための熱交換効率を向上させる必要がある。
また、発生蒸気温度が負荷により大きく変動（低負荷では高温、高負荷では低温となる。）するため、蒸気温度の安定化も必要である。
【０００８】
さらに、シェル内に配列されたチューブ内に燃焼ガスを通し、チューブ外面に燃料を噴射して瞬時蒸発させる仕組みであるから、燃料噴射時の飛散等により燃料がシェル底面に液滴状態で落下すると、その部分に時間とともに液溜まりができてしまい、蒸気不要時の蒸気切れが悪化する。
しかも、燃料をチューブに直接吹き付けるから、燃焼ガスと液体燃料のサーマルサイクルによる熱応力が厳しい。
【０００９】
このように、従来のボイラや熱交換器では、車載用燃料電池システムの蒸発器に要求される特性、すなわち、小型化，蒸発レスポンスの向上（瞬時蒸発による蒸発残りの防止），及び高効率化を満足することができない。
さらに、この種の蒸発器には、熱応力を緩和し得る構造とすることによる耐久性の向上も望まれる。
【００１０】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、装置の小型化，噴射液体原燃料の瞬時蒸発，負荷変動に対する蒸気温度の安定化，及び熱応力緩和による耐久性向上を実現することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は、液体原燃料を蒸発器で蒸発させて原燃料蒸気とし、この原燃料蒸気を改質器で改質して燃料電池本体に発電燃料として供給される水素リッチな改質ガスを生成する燃料改質装置であって、前記蒸発器は、燃焼ガスを熱媒チューブに通すとともに、この熱媒チューブに向けて液体原燃料を噴霧することにより、原燃料蒸気を生成する蒸発室と、この原燃料蒸気を蒸気チューブに通すとともに、この蒸気チューブの周囲に前記熱媒チューブを出た燃焼ガスを通すことにより、原燃料蒸気を加熱する加熱室とを備え、前記熱媒チューブはＵ字管とされ、並列配置された複数の前記Ｕ字管が複数段にわたって千鳥状に配置されていることを特徴とするものである。
また、並列配置された複数の前記Ｕ字管が複数段にわたって入れ子状に配置されていることが望ましい。
一方、液体原燃料を蒸発器で蒸発させて原燃料蒸気とし、この原燃料蒸気を改質器で改質して燃料電池本体に発電燃料として供給される水素リッチな改質ガスを生成する燃料改質装置であって、前記蒸発器は、燃焼ガスを熱媒チューブに通すとともに、この熱媒チューブに向けて液体原燃料を噴霧することにより、原燃料蒸気を生成する蒸発室と、この原燃料蒸気を蒸気チューブに通すとともに、この蒸気チューブの周囲に前記熱媒チューブを出た燃焼ガスを通すことにより、原燃料蒸気を加熱する加熱室とを備え、前記熱媒チューブは３パス式熱媒チューブとされ、並列配置された複数の前記３パス式熱媒チューブが複数段にわたって千鳥状に配置されていることを特徴とするものである。
また、前記蒸発室には、飛散した液体原燃料を前記熱媒チューブに案内するリターンプレートが設けられていることが望ましい。
【００１２】
蒸発室では、液体原燃料が燃焼ガスの通る熱媒チューブに噴霧されて瞬時蒸発するため、蒸発残りをほとんどなくすことができる。
よって、必要量の供給液体原燃料に対し、必要量の原燃料蒸気を瞬時に生成できるだけでなく、蒸気不要時には、蒸気カットを有効に行えるようになる。
さらに、蒸発残りが順次蒸発することによる内圧上昇のおそれも回避できるから、耐圧構造も不要となる。
【００１３】
加熱室では、蒸発室で生成された原燃料蒸気が、燃焼ガス雰囲気中に配された蒸気チューブを通りながら加熱されるため、、原燃料蒸気を燃焼ガスの通る熱媒チューブの周囲に送る場合とは異なり、均一温度雰囲気下での加熱が行え、原燃料蒸気の加熱温度をより安定化させることが可能となる。
よって、負荷変動に対応して原燃料蒸気の生成量が変動しても、改質に適した温度の原燃料蒸気を改質器へ送ることが可能となる。
【００１４】
案内通路を介して、熱媒チューブを出た燃焼ガスを蒸発室の床面に沿わせながら加熱室へ送る構成では、仮に、燃料噴霧時の飛散等により液体原燃料が瞬時蒸発されずに蒸発室の床面に液滴状態で落下しても、案内通路を通る燃焼ガスで床面が加熱されるから液溜まりを防止でき、蒸気不要時の蒸気カットをより有効に行うことが可能となる。
【００１５】
蒸発器を出た燃焼ガスを熱媒にして原燃料蒸気を生成する補助蒸発器を備えた構成では、負荷の急増に対応して原燃料蒸気の必要量が急増しても、蒸発器で生成し得る原燃料蒸気の不足分をタイミング良く補給し得て、応答性が良好となる。
しかも、補助蒸発器で原燃料蒸気を生成するための熱源に、蒸発器を出た燃焼ガスを利用するため、蒸気生成のために新たなエネルギーを要しない。
【００１６】
さらに、補助蒸発器で生成された原燃料蒸気を蒸発室へ導き、加熱室を経由させて改質器へ送る構成では、蒸発室で生成された原燃料蒸気と同様に、補助蒸発器で生成された原燃料蒸気も加熱室で加熱されるため、負荷急増時であっても、補給分を含む必要量の原燃料蒸気を改質に適した蒸気温度にしたうえで、改質器へ送ることが可能となる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて、本発明の実施の形態について説明する。
まず、本実施形態に係る燃料改質装置を具備した燃料電池システムの全体構成について、図６を参照しつつ説明する。
同図において、符号１０は燃料電池本体、２０は燃料改質装置、３０はモータを示している。
【００１８】
燃料改質装置２０は、メタノールと水の混合液（液体原燃料）を気化して原燃料蒸気を生成する蒸発器２１と、該蒸発器２１の暖機および液体原燃料の気化に利用される燃焼ガスを生成する燃焼器２２と、前記原燃料蒸気を改質触媒層に通して水素リッチな改質ガスを生成する改質器２３と、前記改質ガスを選択酸化触媒層に通して改質ガス中の一酸化炭素を選択的に酸化し除去するＣＯ除去器２４と、前記改質器２３およびＣＯ除去器２４の暖機に利用される燃焼ガスを生成する始動燃焼器２５とを主たる構成要素としている。
【００１９】
燃焼器２２には、燃焼状態を持続させるための燃焼用触媒４１と、着火源である電気ヒータ４２とが収納されていると共に、器内に始動用燃料（例えば、メタノール）及び空気を供給するためのノズル４３が取り付けられている（図３）。
また、燃焼器２２には、始動から定常運転に至るまでの間に生成された改質ガス，及び定常運転時に燃料電池本体１０から排出された未反応水素を含むガス（以下、これらをオフガスという。）を燃焼用燃料として器内に戻すためのオフガス管４４が接続されている。
【００２０】
始動燃焼器２５は、燃焼器２２と略同様の構成を有している。
すなわち、器内に燃焼状態を持続させるための燃焼用触媒と、着火源であるグロープラグとが収納されているとともに、始動用燃料（例えば、メタノール）および空気を供給するためのノズルが取り付けられてなる。
【００２１】
蒸発器２１は、図１および図３に示すように、燃焼器２２で生成された燃焼ガス（図１の矢印）により液体原燃料を蒸発させて原燃料蒸気（図１の白抜矢印）を生成する蒸発室５０と、この蒸発室５０で生成された原燃料蒸気を蒸発室５０を出た燃焼ガスにより加熱する加熱室６０と、蒸発室５０を出た燃焼ガスを蒸発室５０の床面５０Ａに沿わせながら加熱室６０へ送る案内通路７０とを備えている。
【００２２】
すなわち、蒸発室５０には、燃焼器２２から供給された燃焼ガスを流通させる複数の熱媒チューブ５１と、この熱媒チューブ５１に向けて液体原燃料を噴霧させるノズル５２とが設けられている。
これら熱媒チューブ５１は、いずれもＵ字管とされ、断面矩形をなす蒸発室の高さ方向には入れ子状となるように３段配置され（図１参照）、また、幅方向には互いが近接するように多数並列配置されている（図２（ａ），（ｂ）参照）。
【００２３】
また、熱媒チューブ５１は、各段毎に千鳥状をなすように配列され、最外段の熱媒チューブ５１ａは、蒸発室５０の床面５０Ａに近接するように位置決めされている。
さらに、熱媒チューブ５１は、図２（ｂ）に示すように、傾き角αをもって１段毎に逆相となるように傾斜配置されている。
なお、同図中の符号５３は、飛散した液体原燃料を熱媒チューブ５１側へ戻すためのリターンプレートである。
【００２４】
他方、加熱室６０には、蒸発室５０で生成された原燃料蒸気を流通させる複数の蒸気チューブ６１が設けられている。
これら蒸気チューブ６１は、いずれも直状管とされ、その一端は蒸気室５０に連通し、他端は改質器２３側と連通している。
また、蒸気チューブ６１は、加熱室６０の高さ方向および幅方向に複数段並列配置され、最下段の蒸気チューブ６１ａの入口は、蒸発室５０の床面５０Ａよりも高位に位置決めされている。
【００２５】
案内通路７０は、熱媒チューブ５１を出て蒸発室５０の外側に排出された燃焼ガスを蒸発室５０の床面５０Ａに沿わせながら加熱室６０側へ送り、この燃焼ガスを加熱室６０の床面上流側から再流入させるものである。
加熱室６０に流入した燃焼ガスは、室内を上昇しながら蒸気チューブ６１の周囲を通り、その過程で蒸気チューブ６１を通る原燃料蒸気の加熱に供した後、加熱室６０の上部下流側から排出される。
【００２６】
改質器２３には、ハニカム構造体の表面にＮi，Ｒu，Ｒh，Ｃu−Ｚn系等の触媒がコーティングされてなる改質触媒層が設けられている。
【００２７】
この改質器２３に蒸発器２１を出た原燃料蒸気が供給されると、以下のオートサーマル改質反応により、水素リッチな改質ガスが生成される。
ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ→３Ｈ２ ＋ＣＯ２ …（１）
ＣＨ３ＯＨ＋２Ｏ２→２Ｈ２Ｏ＋ＣＯ２ …（２）
【００２８】
反応式（１）は、メタノールと水による改質反応であり、この反応により目的物たる水素が生成される。
また、反応式（２）は、メタノールの酸化反応であり、吸熱反応である反応式（１）に必要な熱量は、この酸化反応時の酸化熱により補給される。
【００２９】
なお、改質器２３では、反応式（１），（２）の他に、不可避的に起こる以下のメタノール分解反応により、微量ではあるが一酸化炭素が生成される。
ＣＨ３ＯＨ →２Ｈ２ ＋ＣＯ …（３）
この一酸化炭素は、燃料電池本体１０内のＰt触媒を被毒して、発電効率を低下させるとともに電池寿命を短くするため、下流に配置されたＣＯ除去器２４で除去される。
【００３０】
改質器２３とＣＯ除去器２４の間には、改質器２３から出た改質ガスを冷却し、ＣＯ除去器２４内の選択酸化触媒を熱破損から保護する目的で、熱交換器２６が設けられている。
【００３１】
ＣＯ除去器２４には、ハニカム構造体の表面にＰt，Ｒu系等の触媒がコーティングされてなる酸化選択触媒層が設けられている。
【００３２】
このＣＯ除去器２４に、熱交換器２６を通して冷却された改質ガスと空気の混合気が供給されると、以下のＣＯ選択酸化反応により、改質ガスに含まれていた一酸化炭素が除去される。
２ＣＯ＋Ｏ２→２ＣＯ２ …（４）
【００３３】
ＣＯ除去器２４と燃料電池本体１０間には、熱交換器２７が設置されている。
この熱交換器２７は、改質器２３とＣＯ除去器２４間に設置された熱交換器２６と同様に、ＣＯ除去器２４から出た改質ガスを冷却し、燃料電池本体１０内のＰt触媒を熱破損から保護する目的で設置されたものである。
【００３４】
次に、本実施形態に係る燃料改質装置２０の動作例について説明する。
まず、冷機始動時には、蒸発器２１，改質器２３，及びＣＯ除去器２４の暖機を必要とするため、燃焼器２２にメタノールを噴霧するとともに酸素リッチな空気を供給してメタノールを燃焼させ、これにより発生した燃焼ガスを蒸発器２１へ送り、蒸発器２１を暖機する。
同様に、始動燃焼器２５にもメタノールおよび空気を供給し、発生した燃焼ガスを改質器２３へ送り、改質器２３およびその下流に配備されたＣＯ除去器２４を暖機する。
【００３５】
そして、蒸発器２１が液体原燃料を蒸発させ得る温度に達し、かつ改質器２３およびＣＯ除去器２４内の改質触媒層３２および選択酸化触媒層４２が活性化温度に達したところで、始動燃焼器２５へのメタノール噴霧を止めるとともに、液体原燃料をノズル５２により蒸発器２１に供給する。
すると、蒸発室５０では、液体原燃料が熱媒チューブ５１に噴霧されるが、この熱媒チューブ５１には、燃焼器２２で生成された燃焼ガスが流通しているため、噴霧された液体原燃料は蒸発して原燃料蒸気となる。
【００３６】
このとき、噴霧された液体原燃料は、高温の燃焼ガスが通る熱媒チューブ５１の外面に直接吹き付けられ、瞬時に蒸発するため、蒸発残りは殆どない。
さらに、各段の熱媒チューブ５１が千鳥配置されているため、上段の熱媒チューブ５１間を通過した液体原燃料は、必ず下段の熱媒チューブ５１上に吹きかかり、また、側面方向へ飛散した液体原燃料は、リターンプレート５３により熱媒チューブ５１側に戻されるため、床面５０Ａへの燃料落下は有効に防止される。
【００３７】
よって、必要量の供給液体原燃料に対して必要量の原燃料蒸気を改質器２３へ送ることが可能になるとともに、蒸気不要時（例えば、本燃料電池システムを車載した場合の減速時）における蒸気カットを有効に行うことが可能となる。
また、蒸発残りが順次蒸発することによる内圧上昇のおそれも回避できるから、耐圧構造が不要となり、蒸発器２１の小型化も可能となる。
【００３８】
このようにして蒸発室５０で生成された原燃料蒸気は、後段の加熱室６０内に設置された蒸気チューブ６１へ導入される。
このとき、熱媒チューブ５１を出た燃焼ガスは、案内通路７０を通って加熱室６０に供給されているため、蒸気チューブ６１に導入された原燃料蒸気は、蒸気チューブ６１の周囲を通る燃焼ガスとの熱交換により、加熱される。
【００３９】
ここで、蒸発室５０を出た燃焼ガスは、蒸発室５０の床面５０Ａに沿って流れるとともに、最下段の熱媒チューブ５１ａが床面５０Ａに近接して配置されているため、燃料噴霧時の飛散等により液体原燃料が瞬時蒸発されずに床面５０Ａに液滴状態で落下することがあっても、液溜まりを有効に防止することができる。
また、仮に液溜まりを生じることがあっても、最下段の蒸気チューブ６１ａの入口が床面５０Ａよりも高位置にあるから、蒸気チューブ６１への流入のおそれはなく、蒸気温度の安定化は阻害されない。
【００４０】
そして、加熱室６０では、原燃料蒸気が燃焼ガス雰囲気中に配された蒸気チューブ６１を流通しながら加熱されるため、これとは逆に、燃焼ガスの流通する熱媒チューブ５１の周囲に原燃料蒸気を送る場合とは異なり、均一温度雰囲気下で原燃料蒸気を加熱することができ、蒸気温度の安定化が可能となる。
よって、負荷変動に対応して原燃料蒸気の生成量が変動しても、改質に適した温度の原燃料蒸気を改質器２３へ送ることが可能となる。
【００４１】
改質器２３では、原燃料蒸気を改質触媒層に通すことにより、反応式（１），（２）による水素リッチな改質ガスの生成が行われる。
改質器２３で生成された改質ガスは、約３００℃と高温であるため、熱交換器２６を通して約１００℃に冷却したうえで、ＣＯ除去器２４へ送られる。
ＣＯ除去器２４では、冷却された改質ガスを選択酸化触媒層に通すことにより、反応式（４）による改質ガスからの一酸化炭素の選択除去が行われる。
【００４２】
ＣＯ除去器２４でＣＯ除去された改質ガスは、熱交換器２７を通して約１８０℃から約８０℃に冷却された後、燃料電池本体１０へ送られて発電に供され、その発電出力によりモータ３０が駆動される。
なお、燃料電池本体１０から排出された未反応水素を含むオフガスは、オフガス管を通って燃焼器２２へ戻され、燃焼用燃料として再利用される。
【００４３】
以上説明したように、本実施形態に係る蒸発器２１は、液体原燃料の瞬時蒸発および負荷変動に対する蒸気温度の安定化を可能にするものであり、また、熱媒チューブ５１にＵ字管を使用してサーマルサイクルに対する熱応力の緩和を図って耐久性向上を可能にするとともに、矩形断面の箱型シェル＆チューブ式による熱交換形態とすることによる低圧損で高効率な原燃料蒸気の生成をコンパクトなパッケージングで可能にしたから、車載用の燃料電池システムに好適である。
【００４４】
すなわち、車載用の燃料電池システムでは、モータ３０の要求出力によって燃料電池本体１０の発電出力が決まるため、燃料改質装置２０には、燃料電池本体１０での発電出力に必要な量の水素を含む改質ガスを応答性良く生成することが要求されるが、上述したように、本実施形態の燃料改質装置２０は、従来のボイラや熱交換器とは異なる出力応答型の蒸発器２１を備えるから、かかる要求を満たすことができる。
【００４５】
なお、本実施形態では、蒸発器２１の蒸気室５０に、Ｕ字管からなる熱媒チューブ５１を設置した構成例について説明したが、これに代えて、図４に示すような３パス式の熱媒チューブ８１を有する構成としてもよい。
また、熱媒チューブ５１，８１の段数を４段以上に設定してもよい。
これらの場合には、蒸発室５０でより多くの原燃料蒸気を生成することができるから、大きな出力を要求される燃料電池システムに好適である。
【００４６】
さらに、図５に示すように、蒸発器２１とは別に、蒸発室５０で生成される原燃料蒸気の不足を補給する補助蒸発器９０を付設してもよい。
この補助蒸発器９０は、蒸発器２１と同様に液体原燃料を内部で蒸発させて原燃料蒸気を生成するものであり、蒸気生成用の熱媒には、蒸発器２１の加熱室６０を出た燃焼ガスが利用される。
【００４７】
また、補助蒸発器９０は、負荷の急増に対応して原燃料蒸気の必要量が急増した場合の補給を目的とするから、順次蒸発で足り、例えばプレート式熱交換器と同様に構成されている。
この補助蒸発器９０で生成された原燃料蒸気は、導入管９２を通って蒸発器２１の蒸発室５０へ導入されるが、その導入量は、モータ３０の要求出力に基づき開閉されるＯＮ／ＯＦＦ弁９３により調節される。
【００４８】
次に、この補助蒸発器９０の動作について説明する。
補助蒸発器９０には、外部から供給された液体原燃料が液相状態となって貯留されているとともに、蒸発器２１の加熱室６０を出た燃焼ガスが供給されているため、液体原燃料が順次蒸発して原燃料蒸気が生成されている。
ただし、通常運転時には、ＯＮ／ＯＦＦ弁９３が閉じているため、液相と気相が一定圧力下で平衡している。
【００４９】
この状態から、モータ３０の要求出力が急激に増大した場合（例えば、アイドリングからの急発進や低速からの急加速）、蒸発器２１の蒸発室５０では必要量の原燃料蒸気を瞬時に生成できないため、加速信号に基づきＯＮ／ＯＦＦ弁９３が開き、補助蒸発器９０で生成された原燃料蒸気が蒸気室５０へ補給される。
補給された原燃料蒸気は、蒸気室５０で生成された原燃料蒸気とともに蒸気チューブ６１を流通しながら加熱室６０で加熱され、要求出力に見合う量の原燃料蒸気が改質に適した蒸気温度で改質器２４へ送られることとなる。
【００５０】
このように、蒸発器２１とは別に補助蒸発器９０を備えた構成では、負荷の急増に対応して原燃料蒸気の必要量が急増しても、蒸発器２１で瞬時生成可能な原燃料蒸気の不足分をタイミング良く補給することができるため、良好な応答性能の実現が可能となる。
しかも、上述の構成では、補助蒸発器９０で原燃料蒸気を生成するための熱源に、蒸発器２１を出た燃焼ガスを利用するため、蒸気生成のために新たなエネルギーを必要とせず、システム全体のエネルギー発生効率を向上させることが可能となる。
【００５１】
さらに、補助蒸発器９０で生成された原燃料蒸気を蒸気室５０に導入し、蒸発室５０で生成される原燃料蒸気とともに蒸気チューブ６１に通して加熱室６０で加熱する構成としているから、原燃料蒸気を蒸発器２１の後段で補給する場合のように、単に必要量の原燃料蒸気を確保できるだけのものにとどまらず、負荷急増時に、補給分を含む必要量の原燃料蒸気を改質に適した蒸気温度にしたうえで、改質器２３へ送ることが可能となり、要求出力の急増に対する応答性の更なる向上が可能となる。
【００５２】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、以下の効果を得ることができる。
（ａ）液体原燃料を燃焼ガスの通る熱媒チューブに噴霧して瞬時蒸発させ、蒸発残りをほとんどなくしたことにより、必要量の供給液体原燃料に対して必要量の原燃料蒸気を的確に生成することが可能となるだけでなく、蒸気不要時における蒸気カットも有効に行うことが可能となる。
また、蒸発残りが順次蒸発することによる内圧上昇のおそれを回避して耐圧構造を不要としたことにより、蒸発器の小型化ひいては燃料改質装置の小型化の実現が可能となる。
【００５３】
（ｂ）さらに、蒸発室で生成した原燃料蒸気を燃焼ガス雰囲気中に配された蒸気チューブに通して加熱することにより、均一温度雰囲気下での加熱が行えるから、液体原燃料の供給量が種々変動した場合であっても、原燃料蒸気の加熱温度をより安定化させることができる。
よって、負荷変動に対応して原燃料蒸気の生成量が変動しても、改質に適した温度の原燃料蒸気を改質器へ送ることが可能となる。
【００５４】
（ｃ）熱媒チューブを出た燃焼ガスを蒸発室の床面に沿わせながら加熱室へ送るようにしたことにより、仮に燃料噴霧時の飛散等により液体原燃料が瞬時蒸発されずに蒸発室の床面に液滴状態で落下することがあっても、燃焼ガスによって床面が加熱されるから液溜まりを防止でき、蒸気不要時の蒸気カットをより有効に行うことが可能となる。
【００５５】
（ｄ）蒸発器を出た燃焼ガスを熱媒にして原燃料蒸気を生成する補助蒸発器を備えることにより、負荷の急増に対応して原燃料蒸気の必要量が急増した場合であっても、蒸発器で生成可能な原燃料蒸気の不足分をタイミング良く補給し得て、良好な応答性の実現が可能となる。
しかも、補助蒸発器で原燃料蒸気を生成するための熱源に、蒸発器を出た燃焼ガスを利用するため、蒸気生成のために新たなエネルギーを要せず、システム全体のエネルギー発生効率の向上が可能となる。
【００５６】
（ｅ）補助蒸発器で生成された原燃料蒸気を蒸発室へ導き、加熱室を経由させて改質器へ送ることにより、蒸発室で生成された原燃料蒸気と同様に、補助蒸発器で生成された原燃料蒸気も加熱室で加熱することができるため、負荷急増時に、単に必要量の原燃料蒸気を確保できるだけのものにとどまらず、補給分を含む必要量の原燃料蒸気を改質に適した蒸気温度にしたうえで、改質器へ送ることが可能となり、要求出力の急増に対する応答性の更なる向上が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施の形態に係る蒸発器の縦断面図である。
【図２】 （ａ）は図１に示す蒸発器のＡ−Ａ線断面図、（ｂ）はＢ−Ｂ線断面矢視図である。
【図３】 図１に示す蒸発器とその前段に連結された燃焼器を示す縦断面図である。
【図４】 蒸発器の他の構成例を示す縦断面図である。
【図５】 図１に示す蒸発器に補助蒸発器を付設した構成を示す平面図である。
【図６】 本発明に係る燃料改質装置と燃料電池本体とにより構成される燃料電池システムを示す全体構成図である。
【符号の説明】
２１ 蒸発器
２３ 改質器
５０ 蒸発室
５０Ａ 床面
５１、５１ａ 熱媒チューブ
６０ 加熱室
６１、６１ａ 蒸気チューブ
７０ 案内通路
９０ 補助蒸発器
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池本体に発電燃料として供給される水素リッチな改質ガスを生成する燃料改質装置に係わり、特に、改質反応に供される原燃料蒸気を生成する蒸発器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、固体電解質型の燃料電池システムは、固体高分子電解質膜をアノード及びカソードで挟持したセルを積層させて構成したスタックセルを具備してなる燃料電池本体に、燃料改質装置で生成された水素リッチな改質ガスとエア（酸素）を供給することにより、電気化学反応を起こして発電するシステムであり、近年、自動車の駆動用電源に用いられてきている。
【０００３】
この燃料改質装置は、炭化水素（例えば、メタノール）および水を含む液体原燃料を蒸発させる蒸発器と、蒸発器で生成された原燃料蒸気を改質触媒層に通して水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、改質器で生成された改質ガスを選択酸化触媒層に通して改質ガス中の一酸化炭素を選択的に除去するＣＯ除去器とを主たる構成要素としている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、蒸気の発生に関しては一般的にボイラが知られており、また、一般的な熱交換器として知られている積層プレート式やシェル＆チューブ式等の熱交換器によっても蒸気を発生させることができる。
従って、単に蒸気を生成して定常蒸気量の供給を主とするのであれば、ボイラや熱交換器の蒸気生成機構を燃料改質装置の蒸発器に適用することもできる。
【０００５】
しかしながら、従来のボイラや熱交換器は、蒸気発生運転開始までの暖機に長時間を要するという問題があり、良好な始動性の確保に支障がある。
また、ボイラは、蒸気の必要量に見合う能力を有し、かつ常に一定量の蒸気を蒸気室に溜めておくものであるから、必要時に必要相当の蒸気を供給できる一方で、不要時にはバルブを閉じなければならない。
このため、ボイラは、蒸気室をバルブ閉塞時の内圧上昇に耐えるだけの耐圧構造としておく必要上、大型化を避けられず、車載用としては不向きである。
【０００６】
他方、プレート式熱交換器は、熱交換効率が高いというメリットを有するが、熱源である燃焼ガスの通路を十分に確保しておかないと通路圧損が大きくなって燃焼ガスが流れなくなり、結局、大型化を招いてしまう。
しかも、熱交換器内部に液相部を有した状態で順次蒸発させる仕組みであるから、定常蒸発では問題を生じないが、蒸気が不要となった時には蒸気を止めることができない。ここで、出口にバルブを設けて蒸気不要時にバルブを閉じる構成とした場合には、耐圧構造を要するため、大型化を避けられない。
【０００７】
シェル＆チューブ式熱交換器は、熱源となる燃焼ガスを低圧損で流すことができるというメリットを有するが、蒸気発生のための熱交換効率を向上させる必要がある。
また、発生蒸気温度が負荷により大きく変動（低負荷では高温、高負荷では低温となる。）するため、蒸気温度の安定化も必要である。
【０００８】
さらに、シェル内に配列されたチューブ内に燃焼ガスを通し、チューブ外面に燃料を噴射して瞬時蒸発させる仕組みであるから、燃料噴射時の飛散等により燃料がシェル底面に液滴状態で落下すると、その部分に時間とともに液溜まりができてしまい、蒸気不要時の蒸気切れが悪化する。
しかも、燃料をチューブに直接吹き付けるから、燃焼ガスと液体燃料のサーマルサイクルによる熱応力が厳しい。
【０００９】
このように、従来のボイラや熱交換器では、車載用燃料電池システムの蒸発器に要求される特性、すなわち、小型化，蒸発レスポンスの向上（瞬時蒸発による蒸発残りの防止），及び高効率化を満足することができない。
さらに、この種の蒸発器には、熱応力を緩和し得る構造とすることによる耐久性の向上も望まれる。
【００１０】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、装置の小型化，噴射液体原燃料の瞬時蒸発，負荷変動に対する蒸気温度の安定化，及び熱応力緩和による耐久性向上を実現することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は、液体原燃料を蒸発器で蒸発させて原燃料蒸気とし、この原燃料蒸気を改質器で改質して燃料電池本体に発電燃料として供給される水素リッチな改質ガスを生成する燃料改質装置であって、前記蒸発器は、燃焼ガスを熱媒チューブに通すとともに、この熱媒チューブに向けて液体原燃料を噴霧することにより、原燃料蒸気を生成する蒸発室と、この原燃料蒸気を蒸気チューブに通すとともに、この蒸気チューブの周囲に前記熱媒チューブを出た燃焼ガスを通すことにより、原燃料蒸気を加熱する加熱室とを備え、前記熱媒チューブはＵ字管とされ、並列配置された複数の前記Ｕ字管が複数段にわたって千鳥状に配置されていることを特徴とするものである。
また、並列配置された複数の前記Ｕ字管が複数段にわたって入れ子状に配置されていることが望ましい。
一方、液体原燃料を蒸発器で蒸発させて原燃料蒸気とし、この原燃料蒸気を改質器で改質して燃料電池本体に発電燃料として供給される水素リッチな改質ガスを生成する燃料改質装置であって、前記蒸発器は、燃焼ガスを熱媒チューブに通すとともに、この熱媒チューブに向けて液体原燃料を噴霧することにより、原燃料蒸気を生成する蒸発室と、この原燃料蒸気を蒸気チューブに通すとともに、この蒸気チューブの周囲に前記熱媒チューブを出た燃焼ガスを通すことにより、原燃料蒸気を加熱する加熱室とを備え、前記熱媒チューブは３パス式熱媒チューブとされ、並列配置された複数の前記３パス式熱媒チューブが複数段にわたって千鳥状に配置されていることを特徴とするものである。
また、前記蒸発室には、飛散した液体原燃料を前記熱媒チューブに案内するリターンプレートが設けられていることが望ましい。
【００１２】
蒸発室では、液体原燃料が燃焼ガスの通る熱媒チューブに噴霧されて瞬時蒸発するため、蒸発残りをほとんどなくすことができる。
よって、必要量の供給液体原燃料に対し、必要量の原燃料蒸気を瞬時に生成できるだけでなく、蒸気不要時には、蒸気カットを有効に行えるようになる。
さらに、蒸発残りが順次蒸発することによる内圧上昇のおそれも回避できるから、耐圧構造も不要となる。
【００１３】
加熱室では、蒸発室で生成された原燃料蒸気が、燃焼ガス雰囲気中に配された蒸気チューブを通りながら加熱されるため、、原燃料蒸気を燃焼ガスの通る熱媒チューブの周囲に送る場合とは異なり、均一温度雰囲気下での加熱が行え、原燃料蒸気の加熱温度をより安定化させることが可能となる。
よって、負荷変動に対応して原燃料蒸気の生成量が変動しても、改質に適した温度の原燃料蒸気を改質器へ送ることが可能となる。
【００１４】
案内通路を介して、熱媒チューブを出た燃焼ガスを蒸発室の床面に沿わせながら加熱室へ送る構成では、仮に、燃料噴霧時の飛散等により液体原燃料が瞬時蒸発されずに蒸発室の床面に液滴状態で落下しても、案内通路を通る燃焼ガスで床面が加熱されるから液溜まりを防止でき、蒸気不要時の蒸気カットをより有効に行うことが可能となる。
【００１５】
蒸発器を出た燃焼ガスを熱媒にして原燃料蒸気を生成する補助蒸発器を備えた構成では、負荷の急増に対応して原燃料蒸気の必要量が急増しても、蒸発器で生成し得る原燃料蒸気の不足分をタイミング良く補給し得て、応答性が良好となる。
しかも、補助蒸発器で原燃料蒸気を生成するための熱源に、蒸発器を出た燃焼ガスを利用するため、蒸気生成のために新たなエネルギーを要しない。
【００１６】
さらに、補助蒸発器で生成された原燃料蒸気を蒸発室へ導き、加熱室を経由させて改質器へ送る構成では、蒸発室で生成された原燃料蒸気と同様に、補助蒸発器で生成された原燃料蒸気も加熱室で加熱されるため、負荷急増時であっても、補給分を含む必要量の原燃料蒸気を改質に適した蒸気温度にしたうえで、改質器へ送ることが可能となる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて、本発明の実施の形態について説明する。
まず、本実施形態に係る燃料改質装置を具備した燃料電池システムの全体構成について、図６を参照しつつ説明する。
同図において、符号１０は燃料電池本体、２０は燃料改質装置、３０はモータを示している。
【００１８】
燃料改質装置２０は、メタノールと水の混合液（液体原燃料）を気化して原燃料蒸気を生成する蒸発器２１と、該蒸発器２１の暖機および液体原燃料の気化に利用される燃焼ガスを生成する燃焼器２２と、前記原燃料蒸気を改質触媒層に通して水素リッチな改質ガスを生成する改質器２３と、前記改質ガスを選択酸化触媒層に通して改質ガス中の一酸化炭素を選択的に酸化し除去するＣＯ除去器２４と、前記改質器２３およびＣＯ除去器２４の暖機に利用される燃焼ガスを生成する始動燃焼器２５とを主たる構成要素としている。
【００１９】
燃焼器２２には、燃焼状態を持続させるための燃焼用触媒４１と、着火源である電気ヒータ４２とが収納されていると共に、器内に始動用燃料（例えば、メタノール）及び空気を供給するためのノズル４３が取り付けられている（図３）。
また、燃焼器２２には、始動から定常運転に至るまでの間に生成された改質ガス，及び定常運転時に燃料電池本体１０から排出された未反応水素を含むガス（以下、これらをオフガスという。）を燃焼用燃料として器内に戻すためのオフガス管４４が接続されている。
【００２０】
始動燃焼器２５は、燃焼器２２と略同様の構成を有している。
すなわち、器内に燃焼状態を持続させるための燃焼用触媒と、着火源であるグロープラグとが収納されているとともに、始動用燃料（例えば、メタノール）および空気を供給するためのノズルが取り付けられてなる。
【００２１】
蒸発器２１は、図１および図３に示すように、燃焼器２２で生成された燃焼ガス（図１の矢印）により液体原燃料を蒸発させて原燃料蒸気（図１の白抜矢印）を生成する蒸発室５０と、この蒸発室５０で生成された原燃料蒸気を蒸発室５０を出た燃焼ガスにより加熱する加熱室６０と、蒸発室５０を出た燃焼ガスを蒸発室５０の床面５０Ａに沿わせながら加熱室６０へ送る案内通路７０とを備えている。
【００２２】
すなわち、蒸発室５０には、燃焼器２２から供給された燃焼ガスを流通させる複数の熱媒チューブ５１と、この熱媒チューブ５１に向けて液体原燃料を噴霧させるノズル５２とが設けられている。
これら熱媒チューブ５１は、いずれもＵ字管とされ、断面矩形をなす蒸発室の高さ方向には入れ子状となるように３段配置され（図１参照）、また、幅方向には互いが近接するように多数並列配置されている（図２（ａ），（ｂ）参照）。
【００２３】
また、熱媒チューブ５１は、各段毎に千鳥状をなすように配列され、最外段の熱媒チューブ５１ａは、蒸発室５０の床面５０Ａに近接するように位置決めされている。
さらに、熱媒チューブ５１は、図２（ｂ）に示すように、傾き角αをもって１段毎に逆相となるように傾斜配置されている。
なお、同図中の符号５３は、飛散した液体原燃料を熱媒チューブ５１側へ戻すためのリターンプレートである。
【００２４】
他方、加熱室６０には、蒸発室５０で生成された原燃料蒸気を流通させる複数の蒸気チューブ６１が設けられている。
これら蒸気チューブ６１は、いずれも直状管とされ、その一端は蒸気室５０に連通し、他端は改質器２３側と連通している。
また、蒸気チューブ６１は、加熱室６０の高さ方向および幅方向に複数段並列配置され、最下段の蒸気チューブ６１ａの入口は、蒸発室５０の床面５０Ａよりも高位に位置決めされている。
【００２５】
案内通路７０は、熱媒チューブ５１を出て蒸発室５０の外側に排出された燃焼ガスを蒸発室５０の床面５０Ａに沿わせながら加熱室６０側へ送り、この燃焼ガスを加熱室６０の床面上流側から再流入させるものである。
加熱室６０に流入した燃焼ガスは、室内を上昇しながら蒸気チューブ６１の周囲を通り、その過程で蒸気チューブ６１を通る原燃料蒸気の加熱に供した後、加熱室６０の上部下流側から排出される。
【００２６】
改質器２３には、ハニカム構造体の表面にＮi，Ｒu，Ｒh，Ｃu−Ｚn系等の触媒がコーティングされてなる改質触媒層が設けられている。
【００２７】
この改質器２３に蒸発器２１を出た原燃料蒸気が供給されると、以下のオートサーマル改質反応により、水素リッチな改質ガスが生成される。
ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ→３Ｈ２ ＋ＣＯ２ …（１）
ＣＨ３ＯＨ＋２Ｏ２→２Ｈ２Ｏ＋ＣＯ２ …（２）
【００２８】
反応式（１）は、メタノールと水による改質反応であり、この反応により目的物たる水素が生成される。
また、反応式（２）は、メタノールの酸化反応であり、吸熱反応である反応式（１）に必要な熱量は、この酸化反応時の酸化熱により補給される。
【００２９】
なお、改質器２３では、反応式（１），（２）の他に、不可避的に起こる以下のメタノール分解反応により、微量ではあるが一酸化炭素が生成される。
ＣＨ３ＯＨ →２Ｈ２ ＋ＣＯ …（３）
この一酸化炭素は、燃料電池本体１０内のＰt触媒を被毒して、発電効率を低下させるとともに電池寿命を短くするため、下流に配置されたＣＯ除去器２４で除去される。
【００３０】
改質器２３とＣＯ除去器２４の間には、改質器２３から出た改質ガスを冷却し、ＣＯ除去器２４内の選択酸化触媒を熱破損から保護する目的で、熱交換器２６が設けられている。
【００３１】
ＣＯ除去器２４には、ハニカム構造体の表面にＰt，Ｒu系等の触媒がコーティングされてなる酸化選択触媒層が設けられている。
【００３２】
このＣＯ除去器２４に、熱交換器２６を通して冷却された改質ガスと空気の混合気が供給されると、以下のＣＯ選択酸化反応により、改質ガスに含まれていた一酸化炭素が除去される。
２ＣＯ＋Ｏ２→２ＣＯ２ …（４）
【００３３】
ＣＯ除去器２４と燃料電池本体１０間には、熱交換器２７が設置されている。
この熱交換器２７は、改質器２３とＣＯ除去器２４間に設置された熱交換器２６と同様に、ＣＯ除去器２４から出た改質ガスを冷却し、燃料電池本体１０内のＰt触媒を熱破損から保護する目的で設置されたものである。
【００３４】
次に、本実施形態に係る燃料改質装置２０の動作例について説明する。
まず、冷機始動時には、蒸発器２１，改質器２３，及びＣＯ除去器２４の暖機を必要とするため、燃焼器２２にメタノールを噴霧するとともに酸素リッチな空気を供給してメタノールを燃焼させ、これにより発生した燃焼ガスを蒸発器２１へ送り、蒸発器２１を暖機する。
同様に、始動燃焼器２５にもメタノールおよび空気を供給し、発生した燃焼ガスを改質器２３へ送り、改質器２３およびその下流に配備されたＣＯ除去器２４を暖機する。
【００３５】
そして、蒸発器２１が液体原燃料を蒸発させ得る温度に達し、かつ改質器２３およびＣＯ除去器２４内の改質触媒層３２および選択酸化触媒層４２が活性化温度に達したところで、始動燃焼器２５へのメタノール噴霧を止めるとともに、液体原燃料をノズル５２により蒸発器２１に供給する。
すると、蒸発室５０では、液体原燃料が熱媒チューブ５１に噴霧されるが、この熱媒チューブ５１には、燃焼器２２で生成された燃焼ガスが流通しているため、噴霧された液体原燃料は蒸発して原燃料蒸気となる。
【００３６】
このとき、噴霧された液体原燃料は、高温の燃焼ガスが通る熱媒チューブ５１の外面に直接吹き付けられ、瞬時に蒸発するため、蒸発残りは殆どない。
さらに、各段の熱媒チューブ５１が千鳥配置されているため、上段の熱媒チューブ５１間を通過した液体原燃料は、必ず下段の熱媒チューブ５１上に吹きかかり、また、側面方向へ飛散した液体原燃料は、リターンプレート５３により熱媒チューブ５１側に戻されるため、床面５０Ａへの燃料落下は有効に防止される。
【００３７】
よって、必要量の供給液体原燃料に対して必要量の原燃料蒸気を改質器２３へ送ることが可能になるとともに、蒸気不要時（例えば、本燃料電池システムを車載した場合の減速時）における蒸気カットを有効に行うことが可能となる。
また、蒸発残りが順次蒸発することによる内圧上昇のおそれも回避できるから、耐圧構造が不要となり、蒸発器２１の小型化も可能となる。
【００３８】
このようにして蒸発室５０で生成された原燃料蒸気は、後段の加熱室６０内に設置された蒸気チューブ６１へ導入される。
このとき、熱媒チューブ５１を出た燃焼ガスは、案内通路７０を通って加熱室６０に供給されているため、蒸気チューブ６１に導入された原燃料蒸気は、蒸気チューブ６１の周囲を通る燃焼ガスとの熱交換により、加熱される。
【００３９】
ここで、蒸発室５０を出た燃焼ガスは、蒸発室５０の床面５０Ａに沿って流れるとともに、最下段の熱媒チューブ５１ａが床面５０Ａに近接して配置されているため、燃料噴霧時の飛散等により液体原燃料が瞬時蒸発されずに床面５０Ａに液滴状態で落下することがあっても、液溜まりを有効に防止することができる。
また、仮に液溜まりを生じることがあっても、最下段の蒸気チューブ６１ａの入口が床面５０Ａよりも高位置にあるから、蒸気チューブ６１への流入のおそれはなく、蒸気温度の安定化は阻害されない。
【００４０】
そして、加熱室６０では、原燃料蒸気が燃焼ガス雰囲気中に配された蒸気チューブ６１を流通しながら加熱されるため、これとは逆に、燃焼ガスの流通する熱媒チューブ５１の周囲に原燃料蒸気を送る場合とは異なり、均一温度雰囲気下で原燃料蒸気を加熱することができ、蒸気温度の安定化が可能となる。
よって、負荷変動に対応して原燃料蒸気の生成量が変動しても、改質に適した温度の原燃料蒸気を改質器２３へ送ることが可能となる。
【００４１】
改質器２３では、原燃料蒸気を改質触媒層に通すことにより、反応式（１），（２）による水素リッチな改質ガスの生成が行われる。
改質器２３で生成された改質ガスは、約３００℃と高温であるため、熱交換器２６を通して約１００℃に冷却したうえで、ＣＯ除去器２４へ送られる。
ＣＯ除去器２４では、冷却された改質ガスを選択酸化触媒層に通すことにより、反応式（４）による改質ガスからの一酸化炭素の選択除去が行われる。
【００４２】
ＣＯ除去器２４でＣＯ除去された改質ガスは、熱交換器２７を通して約１８０℃から約８０℃に冷却された後、燃料電池本体１０へ送られて発電に供され、その発電出力によりモータ３０が駆動される。
なお、燃料電池本体１０から排出された未反応水素を含むオフガスは、オフガス管を通って燃焼器２２へ戻され、燃焼用燃料として再利用される。
【００４３】
以上説明したように、本実施形態に係る蒸発器２１は、液体原燃料の瞬時蒸発および負荷変動に対する蒸気温度の安定化を可能にするものであり、また、熱媒チューブ５１にＵ字管を使用してサーマルサイクルに対する熱応力の緩和を図って耐久性向上を可能にするとともに、矩形断面の箱型シェル＆チューブ式による熱交換形態とすることによる低圧損で高効率な原燃料蒸気の生成をコンパクトなパッケージングで可能にしたから、車載用の燃料電池システムに好適である。
【００４４】
すなわち、車載用の燃料電池システムでは、モータ３０の要求出力によって燃料電池本体１０の発電出力が決まるため、燃料改質装置２０には、燃料電池本体１０での発電出力に必要な量の水素を含む改質ガスを応答性良く生成することが要求されるが、上述したように、本実施形態の燃料改質装置２０は、従来のボイラや熱交換器とは異なる出力応答型の蒸発器２１を備えるから、かかる要求を満たすことができる。
【００４５】
なお、本実施形態では、蒸発器２１の蒸気室５０に、Ｕ字管からなる熱媒チューブ５１を設置した構成例について説明したが、これに代えて、図４に示すような３パス式の熱媒チューブ８１を有する構成としてもよい。
また、熱媒チューブ５１，８１の段数を４段以上に設定してもよい。
これらの場合には、蒸発室５０でより多くの原燃料蒸気を生成することができるから、大きな出力を要求される燃料電池システムに好適である。
【００４６】
さらに、図５に示すように、蒸発器２１とは別に、蒸発室５０で生成される原燃料蒸気の不足を補給する補助蒸発器９０を付設してもよい。
この補助蒸発器９０は、蒸発器２１と同様に液体原燃料を内部で蒸発させて原燃料蒸気を生成するものであり、蒸気生成用の熱媒には、蒸発器２１の加熱室６０を出た燃焼ガスが利用される。
【００４７】
また、補助蒸発器９０は、負荷の急増に対応して原燃料蒸気の必要量が急増した場合の補給を目的とするから、順次蒸発で足り、例えばプレート式熱交換器と同様に構成されている。
この補助蒸発器９０で生成された原燃料蒸気は、導入管９２を通って蒸発器２１の蒸発室５０へ導入されるが、その導入量は、モータ３０の要求出力に基づき開閉されるＯＮ／ＯＦＦ弁９３により調節される。
【００４８】
次に、この補助蒸発器９０の動作について説明する。
補助蒸発器９０には、外部から供給された液体原燃料が液相状態となって貯留されているとともに、蒸発器２１の加熱室６０を出た燃焼ガスが供給されているため、液体原燃料が順次蒸発して原燃料蒸気が生成されている。
ただし、通常運転時には、ＯＮ／ＯＦＦ弁９３が閉じているため、液相と気相が一定圧力下で平衡している。
【００４９】
この状態から、モータ３０の要求出力が急激に増大した場合（例えば、アイドリングからの急発進や低速からの急加速）、蒸発器２１の蒸発室５０では必要量の原燃料蒸気を瞬時に生成できないため、加速信号に基づきＯＮ／ＯＦＦ弁９３が開き、補助蒸発器９０で生成された原燃料蒸気が蒸気室５０へ補給される。
補給された原燃料蒸気は、蒸気室５０で生成された原燃料蒸気とともに蒸気チューブ６１を流通しながら加熱室６０で加熱され、要求出力に見合う量の原燃料蒸気が改質に適した蒸気温度で改質器２４へ送られることとなる。
【００５０】
このように、蒸発器２１とは別に補助蒸発器９０を備えた構成では、負荷の急増に対応して原燃料蒸気の必要量が急増しても、蒸発器２１で瞬時生成可能な原燃料蒸気の不足分をタイミング良く補給することができるため、良好な応答性能の実現が可能となる。
しかも、上述の構成では、補助蒸発器９０で原燃料蒸気を生成するための熱源に、蒸発器２１を出た燃焼ガスを利用するため、蒸気生成のために新たなエネルギーを必要とせず、システム全体のエネルギー発生効率を向上させることが可能となる。
【００５１】
さらに、補助蒸発器９０で生成された原燃料蒸気を蒸気室５０に導入し、蒸発室５０で生成される原燃料蒸気とともに蒸気チューブ６１に通して加熱室６０で加熱する構成としているから、原燃料蒸気を蒸発器２１の後段で補給する場合のように、単に必要量の原燃料蒸気を確保できるだけのものにとどまらず、負荷急増時に、補給分を含む必要量の原燃料蒸気を改質に適した蒸気温度にしたうえで、改質器２３へ送ることが可能となり、要求出力の急増に対する応答性の更なる向上が可能となる。
【００５２】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、以下の効果を得ることができる。
（ａ）液体原燃料を燃焼ガスの通る熱媒チューブに噴霧して瞬時蒸発させ、蒸発残りをほとんどなくしたことにより、必要量の供給液体原燃料に対して必要量の原燃料蒸気を的確に生成することが可能となるだけでなく、蒸気不要時における蒸気カットも有効に行うことが可能となる。
また、蒸発残りが順次蒸発することによる内圧上昇のおそれを回避して耐圧構造を不要としたことにより、蒸発器の小型化ひいては燃料改質装置の小型化の実現が可能となる。
【００５３】
（ｂ）さらに、蒸発室で生成した原燃料蒸気を燃焼ガス雰囲気中に配された蒸気チューブに通して加熱することにより、均一温度雰囲気下での加熱が行えるから、液体原燃料の供給量が種々変動した場合であっても、原燃料蒸気の加熱温度をより安定化させることができる。
よって、負荷変動に対応して原燃料蒸気の生成量が変動しても、改質に適した温度の原燃料蒸気を改質器へ送ることが可能となる。
【００５４】
（ｃ）熱媒チューブを出た燃焼ガスを蒸発室の床面に沿わせながら加熱室へ送るようにしたことにより、仮に燃料噴霧時の飛散等により液体原燃料が瞬時蒸発されずに蒸発室の床面に液滴状態で落下することがあっても、燃焼ガスによって床面が加熱されるから液溜まりを防止でき、蒸気不要時の蒸気カットをより有効に行うことが可能となる。
【００５５】
（ｄ）蒸発器を出た燃焼ガスを熱媒にして原燃料蒸気を生成する補助蒸発器を備えることにより、負荷の急増に対応して原燃料蒸気の必要量が急増した場合であっても、蒸発器で生成可能な原燃料蒸気の不足分をタイミング良く補給し得て、良好な応答性の実現が可能となる。
しかも、補助蒸発器で原燃料蒸気を生成するための熱源に、蒸発器を出た燃焼ガスを利用するため、蒸気生成のために新たなエネルギーを要せず、システム全体のエネルギー発生効率の向上が可能となる。
【００５６】
（ｅ）補助蒸発器で生成された原燃料蒸気を蒸発室へ導き、加熱室を経由させて改質器へ送ることにより、蒸発室で生成された原燃料蒸気と同様に、補助蒸発器で生成された原燃料蒸気も加熱室で加熱することができるため、負荷急増時に、単に必要量の原燃料蒸気を確保できるだけのものにとどまらず、補給分を含む必要量の原燃料蒸気を改質に適した蒸気温度にしたうえで、改質器へ送ることが可能となり、要求出力の急増に対する応答性の更なる向上が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施の形態に係る蒸発器の縦断面図である。
【図２】 （ａ）は図１に示す蒸発器のＡ−Ａ線断面図、（ｂ）はＢ−Ｂ線断面矢視図である。
【図３】 図１に示す蒸発器とその前段に連結された燃焼器を示す縦断面図である。
【図４】 蒸発器の他の構成例を示す縦断面図である。
【図５】 図１に示す蒸発器に補助蒸発器を付設した構成を示す平面図である。
【図６】 本発明に係る燃料改質装置と燃料電池本体とにより構成される燃料電池システムを示す全体構成図である。
【符号の説明】
２１ 蒸発器
２３ 改質器
５０ 蒸発室
５０Ａ 床面
５１、５１ａ 熱媒チューブ
６０ 加熱室
６１、６１ａ 蒸気チューブ
７０ 案内通路
９０ 補助蒸発器
Claims (7)
- 液体原燃料を蒸発器で蒸発させて原燃料蒸気とし、この原燃料蒸気を改質器で改質して燃料電池本体に発電燃料として供給される水素リッチな改質ガスを生成する燃料改質装置であって、前記蒸発器は、燃焼ガスを熱媒チューブに通すとともに、この熱媒チューブに向けて液体原燃料を噴霧することにより、原燃料蒸気を生成する蒸発室と、この原燃料蒸気を蒸気チューブに通すとともに、この蒸気チューブの周囲に前記熱媒チューブを出た燃焼ガスを通すことにより、原燃料蒸気を加熱する加熱室とを備え、
前記熱媒チューブはＵ字管とされ、並列配置された複数の前記Ｕ字管が複数段にわたって千鳥状に配置されていることを特徴とする燃料改質装置。 - 並列配置された複数の前記Ｕ字管が複数段にわたって入れ子状に配置されていることを特徴とする請求項１記載の燃料改質装置。
- 液体原燃料を蒸発器で蒸発させて原燃料蒸気とし、この原燃料蒸気を改質器で改質して燃料電池本体に発電燃料として供給される水素リッチな改質ガスを生成する燃料改質装置であって、前記蒸発器は、燃焼ガスを熱媒チューブに通すとともに、この熱媒チューブに向けて液体原燃料を噴霧することにより、原燃料蒸気を生成する蒸発室と、この原燃料蒸気を蒸気チューブに通すとともに、この蒸気チューブの周囲に前記熱媒チューブを出た燃焼ガスを通すことにより、原燃料蒸気を加熱する加熱室とを備え、
前記熱媒チューブは３パス式熱媒チューブとされ、並列配置された複数の前記３パス式熱媒チューブが複数段にわたって千鳥状に配置されていることを特徴とする燃料改質装置。 - 前記蒸発室には、飛散した液体原燃料を前記熱媒チューブに案内するリターンプレートが設けられていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の燃料改質装置。
- 前記蒸発器は、前記熱媒チューブを出た燃焼ガスを前記蒸発室の床面に沿わせながら前記加熱室へ送る案内通路を備えることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の燃料改質装置。
- 前記蒸発器を出た燃焼ガスを熱媒にして原燃料蒸気を生成する補助蒸発器を備えることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の燃料改質装置。
- 前記補助蒸発器で生成された原燃料蒸気は、前記蒸発室に導かれ、前記加熱室を経由して前記改質器へ送られることを特徴とする請求項６記載の燃料改質装置。
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