JP4835652B2

JP4835652B2 - 気化装置

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Publication number: JP4835652B2
Application number: JP2008156553A
Authority: JP
Inventors: 康成椛澤; 大介今中; 馨斉藤
Original assignee: Casio Computer Co Ltd
Current assignee: Casio Computer Co Ltd
Priority date: 2008-06-16
Filing date: 2008-06-16
Publication date: 2011-12-14
Anticipated expiration: 2025-03-29
Also published as: JP2008247738A

Description

本発明は、液体を気化させる気化装置に関する。

近年では、高いエネルギー利用効率を実現できる燃料電池についての研究・開発が盛んにおこなわれている。燃料電池は、燃料と大気中の酸素とを電気化学的に反応させて化学エネルギーから電気エネルギーを直接取り出すものであり、将来性に富む有望な電源であると位置付けられている。燃料電池に用いる燃料としては水素が挙げられるが、常温で気体であることによる取り扱い・貯蔵に問題がある。そこで、アルコール類及びガソリンといった液体燃料を用いれば液体燃料を貯蔵するためのシステムが比較的小型になるが、燃料と水蒸気を高温に加熱して反応させることによって発電に必要な水素を生成する必要がある。

液体燃料と水から水素を生成するためには、蒸発器により液体燃料と水を気化させた後、蒸発器から供給された燃料と水の混合気を改質器により水素に改質する（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００４−１８３５７号公報

気化器は、小型にすればするほど安定して或いは定量的に液体を気化することが困難であった。

そこで、本発明は、上記のような問題点を解決しようとしてなされたものであり、気化装置において安定して液体を気化することを目的とする。

以上の課題を解決するために、本発明の気化装置は、毛細管現象により一端から他端に液体を移動させる吸液部と、前記吸液部の他端側を加熱して液体を気化する加熱手段と、前記吸液部の他端の端面に設けられ、液体を透過せずに気体を透過する気体透過性膜と、前記吸液部に向けて前記液体を送るポンプと、前記吸液部に供給する液体の圧力を測定する第１圧力センサと、前記吸液部から排出される気体の圧力を測定する第２圧力センサと、前記第１および第２圧力センサにより測定された圧力信号がフィードバックされ、前記ポンプによる液体の送液量を制御する制御回路と、を備え、前記制御回路は、前記第１および第２圧力センサにより測定された圧力信号に基づき、前記ポンプによって送られる液体の圧力が、前記気体透過性膜から排出される気体の圧力と等しくなるように調整することを特徴とする。
また、本発明の気化装置は、毛細管現象により一端から他端に液体を移動させる吸液部と、前記吸液部の他端側を加熱して液体を気化する加熱手段と、前記吸液部の他端の端面に設けられ、液体を透過せずに気体を透過する気体透過性膜と、前記吸液部に供給する液体の送液量を調整する制御バルブと、前記吸液部に供給する液体の圧力を測定する第１圧力センサと、前記吸液部から排出される気体の圧力を測定する第２圧力センサと、前記第１および第２圧力センサにより測定された圧力信号がフィードバックされ、前記ポンプによる液体の送液量を制御する制御回路と、を備え、前記制御回路は、前記第１および第２圧力センサにより測定された圧力信号に基づき、前記制御バルブによって送られる液体の圧力が、前記気体透過性膜から排出される気体の圧力と等しくなるように調整することを特徴とする。
前記吸液部に向けて前記液体が送られる導入孔と、前記導入孔と前記吸液部との間に形成された内部空間と、をさらに備え、前記導入孔の径が前記内部空間の径よりも小さく且つ前記吸液部の径よりも小さく、前記吸液部の一端面に平行な前記内部空間の断面積が前記導入孔の断面積よりも大きいことが好ましい。
前記吸液部は柱状であり、前記気体透過性膜は、前記吸液部の他端の端面を覆うように成膜されていることが好ましい。
前記気体透過性膜は、表面に疎水性を有するとともに内部に微小空孔を有することが好ましい。
前記気体透過性膜がポリテトラフルオロエチレン又はポリフッ化ビニリデンからなる膜であることが好ましい。

本発明によれば、吸液部の他端の端面に気体透過性膜が成膜されているので、毛細管現象により吸液部の一端から他端に移動した液体を、加熱手段により加熱したときに、吸液部から気体性透過膜よりも外側へ液体が滲み出ず、例えば、突沸による液体の飛散を防止することができる。

以下に、本発明を実施するための最良の形態について図面を用いて説明する。但し、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい種々の限定が付されているが、発明の範囲を以下の実施形態及び図示例に限定するものではない。

図１は、気化装置１の斜視図であり、図２は、気化装置１の中心線に沿った面の縦断面図である。

図１及び図２に示すように、この気化装置１は、液体を内部に吸い込む性質を有する吸液部２と、吸液部２の側面の一部を覆う内チューブ３と、内チューブ３の側面を覆う外チューブ４と、吸液部２に向けて液体が入ってくるインレットニップル５と、吸液部２に取り込まれた液体が気化した状態で出て行くアウトレットニップル６と、略管状のインレットケース７と、略管状のアウトレットケース８と、アウトレットニップル６とアウトレットケース８との間の隙間を封止するオーリング９と、透湿性の気体透過膜１０及び吸液部２が吸い込んだ液体を気化する程度に加熱するための発熱コイル１１とを備える。

吸液部２は棒状の具体的には円柱状の芯材である。この吸液部２が内チューブ３に挿入されて、吸液部２の外周面が内チューブ３に密接している。吸液部２の長さは内チューブ３の長さよりも長く、吸液部２の一方の端面が内チューブ３の一端に揃っているか又はその一端よりも外側にあり、吸液部２の他方の端面は内チューブ３の他端よりも内チューブ３の外側にある。吸液部２の他方の端面には、気体透過膜１０が成膜されている。チューブ３は、吸液部２を取り扱う際に吸液部２がバラバラにならないように保持し、また吸液部２が汚れないように保護するためのものである。

吸液部２は内チューブ３を介在した状態で外チューブ４に挿入され、外チューブ４が内チューブ３に密接している。吸液部２の一方の端面は外チューブ４の一端よりも外チューブ４の内側にあり、吸液部２の他方の端面は外チューブ４の他端よりも外チューブ４の外側にある。

外チューブ４の一端部には、管状のインレットニップル５の一部が嵌め込まれているが、インレットニップル５が吸液部２から離れており、インレットニップル５と吸液部２との間に内部空間１２が形成されている。インレットニップル５のうち外チューブ４に嵌められた部分の外径は、吸液部２と内チューブ３を合わせた外径にほぼ等しく、内部空間１２の径（外チューブ４の内径）にもほぼ等しい。吸液部２及び内チューブ３のうちの一方又は両方は弾性を有していると、外チューブ４内に挿入されやすい。また、内部空間１２の径が内チューブ３のぶんだけ吸液部２の径よりもやや大きく、吸液部２の一端面に平行な内部空間１２の断面の面積が吸液部２の一端面よりも大きい。吸液部２は、液体を吸い込むと側面が外側に膨潤し、内チューブ３と外チューブ４との間の隙間をなくすことができるため、位置ずれを防止し内部空間１２が吸液部２の位置ずれによって消失することがない。

インレットニップル５にはその中心線に沿うように導入孔１５が形成され、その導入孔１５がインレットニップル５の先端からその反対面にかけて貫通している。導入孔１５の径が内部空間１２の径よりも小さく且つ吸液部２の径よりも小さく、吸液部２の一端面に平行な内部空間１２の断面の面積が導入孔１５の断面積よりも大きい。

気体透過膜１０が成膜された側の吸液部２の端部が、管状のアウトレットニップル６に嵌め込まれている。内チューブ３の一端もアウトレットニップル６に挿入され、その部分がアウトレットニップル６と吸液部２との間に挟まれている。また、アウトレットニップル６の導入側の一部が外チューブ４の他端部に挿入されている。そのため、外チューブ４は吸液部２を介してアウトレットニップル６とインレットニップル５を連結している。

アウトレットニップル６にはその中心線に沿うように排出孔１６が形成され、その排出孔１６がアウトレットニップル６の先端から吸液部２が挿入された中空にまで通じている。

アウトレットニップル６の吸液部２が嵌め込まれた部分には、発熱コイル１１が巻かれている。また、アウトレットニップル６の吸液部２が嵌め込まれた部分は、フランジ状に形成されている。

外チューブ４、内チューブ３、吸液部２及びインレットニップル５が円筒状のインレットケース７の中空に嵌入され、インレットケース７とインレットニップル５との間に外チューブ４の一部が挟まれ、インレットケース７と吸液部２との間に外チューブ４及び内チューブ３の一部が挟まれている。インレットケース７の端面には中空に通じる小孔が形成され、インレットニップル５の先端部分がその小孔を貫通し、インレットケース７の端面から外に突出している。

外チューブ４、内チューブ３、吸液部２、発熱コイル１１及びインレットケース７が円筒状のアウトレットケース８の中空に嵌入している。アウトレットケース８の端面には中空に通じる小孔が形成され、アウトレットニップル６の先端部分がその小孔を貫通し、アウトレットケース８の端面から外に突出している。アウトレットニップル６の外に突出した部分がオーリング９に挿入され、そのオーリング９がアウトレットケース８の端面においてシーリングしている。

アウトレットケース８の外周部には取付部１８が設けられ、その取付部１８にネジ止め用の穴１９が形成されている。

次に、吸液部２、内チューブ３、外チューブ４、インレットニップル５、アウトレットニップル６、インレットケース７、アウトレットケース８、オーリング９、気体透過膜１０及び発熱コイル１１の材料、材質等について説明する。

吸液部２は、内部に微小空孔が形成されたものであり、液体を吸収し得るものである。吸液部２としては、少なくとも吸液部２で取り込まれる液体の沸点までの温度に対して耐熱性を有するものであって、フェルト芯、セラミック多孔質芯、繊維芯等が挙げられる。フェルト芯として、化学繊維フェルト、耐熱繊維フェルト、ニードルフェルト、樹脂加工フェルト、成型フェルト、羊毛フェルト等が適用できる。繊維芯は、無機繊維（例えば、グラスファイバー、石綿）又は有機繊維（例えば、有機樹脂を繊維状にしたもの）を含む。セラミック多孔質芯は、無機粉末（例えば、アルミ化合物、珪素化合物）を焼結して多孔質化したものや、無機粉末を結合材で固めたものがある。吸液部２は、燃料となる液体、例えば水及びエタノールに対して親和性のあるものが好ましい。

発熱コイル１１は電熱材からなり、電気により発熱するものである。例えば、酸化被膜処理を施したニッケル−コバルト線を発熱コイル１１として用いることができる。

吸液部２の排出側の端部が発熱コイル１１によって加熱されるが、吸液部２の全体が温まらず、その加熱された部分が局所的に温まることが好ましい。このため、放熱しにくい構造であることが好ましく具体的には、吸液部２の素材自体（バルク材）の熱伝導率が０．５Ｗ／ｍ・Ｋ以下であるのが好ましい。

内チューブ３は好ましくはゴム弾性を有し、熱収縮性を有してもよい。また、内チューブ３に吸液部２が挿入されていない自然状態では内チューブ３の内径が吸液部２の径よりも小さく、吸液部２が挿入されることで内チューブ３が拡径することが好ましい。内チューブ３は、電子線架橋軟質ポリオレフィン樹脂（スミチューブＡ住友電工）、ポリオレフィン（ＨＳＴＴパンドウィット）、フッ素樹脂（コルベックＴＦＥ−２Ｘ、コルベックＴＦＥ−２ＸＳＰＳＷ１９、コルベックＴＦＥ−２ＸＳＰＳＷ１３ハギテック製）のもの等がある。

外チューブ４はゴム弾性を有するものである。なお、吸液部２が内チューブ３を介して外チューブ４に挿入されているが、内チューブ３を用いずに直接外チューブ４に挿入されていても良いが、この場合には、外チューブ４が熱収縮性を有することが好ましい。

インレットニップル５は、樹脂製であっても良いし、金属製であっても良いし、セラミック製であっても良い。

アウトレットニップル６は、発熱コイル１１の熱を吸液部２に伝導しやすくするために、熱伝導率１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上の金属製が好ましい。アウトレットニップル６の材料としては、例えば、銅（純銅の場合、熱伝導率３８０Ｗ／ｍ・Ｋ）、銅合金（黄銅の場合、１４６Ｗ／ｍ・Ｋ）、アルミ合金（アルミニウムの場合、熱伝導率２３０Ｗ／ｍ・Ｋ）等が挙げられる。アウトレットニップル６の表面にニッケルメッキ処理を施しても良い。

インレットケース７及びアウトレットケース８は、発熱コイル１１で発した熱が外部へ放熱することを抑えるために、低熱伝導率及び耐熱性を有することが好ましく、熱伝導率が０．５Ｗ／ｍ・Ｋ以下であるのが更に好ましい。例えば、インレットケース７及びアウトレットケース８の材料としては、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、ＰＥＥＫ（ポリエーテルケトン）、ＰＥＳ（ポリエーテルサルフォン）、ＰＢＩ（ポリベンゾイミダゾール）等が挙げられる。ＰＰＳ、ＰＥＥＫ、ＰＥＳ、ＰＢＩの耐熱温度（荷重たわみ温度１．８２ＭＰａ）、熱伝導率を表１に示す。

気体透過膜１０は、表面に疎水性を有するとともに内部に微小空孔を有するものであり、これにより液体を透過せずに気体を透過する性質を持っている。例えば、気体透過膜１０の材料としては、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）が挙げられる。なお、気体透過膜１０がＰＴＦＥの場合、厚さ２００μｍ、ポア径５μｍとしたら、気体（蒸気）を透過することが実験によりわかった。一方、厚さ１３５μｍ、ポア径１．２μｍのＰＴＦＥ薄膜は気体を透過せず、厚さ１７２μｍ、ポア径３μｍのＰＴＦＥ薄膜も気体を透過しない。このため、気体透過膜１０はポア径が５μｍ以上の方が好ましい。

次に、この気化装置１の動作について説明する。
発熱コイル１１に電圧を印加すると、発熱コイル１１が発熱する。この状態で導入孔１５に液体を流し込むと、液体が内部空間１２に貯まり、吸液部２の端面において液体が吸液部２に吸収される。吸収された液体は毛細管現象により反対側の端面まで吸い上げられるが、発熱コイル１１の熱によって気化する。吸液部２の排出側の端部で気化した気体は気体透過膜１０を透過し、排出孔１６を通って外部に排出される。ここで、供給する液体の圧力と排出する気体の圧力を等しくすると、単位時間当たりの液体の気化量が多くなり、更に液体の圧力や排出する気体の圧力が変化しても単位時間当たりの気化量が殆ど変化しない。そのため、排出される気体の圧力及び供給する液体の圧力を測定しながら、測定値に基づきポンプ、バルブ等の流量制御部によって排出する気体と供給する液体の圧力を調整することによって、排出する気体と供給する液体の圧力を等しくすると良い。

導入孔１５から供給される液体には気泡が混じっていることがあるが、導入孔１５と吸液部２の端面との間に形成された内部空間１２の断面積が吸液部２の一端面の面積よりも大きいから、気泡が内部空間１２に広がる。そのため、吸液部２の一端面全体が気泡によって覆われない。従って、吸液部２への液体の吸収が妨げられることもない。

内部空間１２に貯まった気泡は液体ほど速くは吸液部２に吸収されないので内部空間１２ではじけるか、或いは徐々に吸液部２に吸い上げられ、反対側の排出孔１６に排出される。内部空間１２は気泡を一時的に貯めるバッファとなるが、導入孔１５の断面積が内部空間１２の断面積よりも小さいので、内部空間１２に気泡が貯まる速さが、吸液部１２の一端面に気泡が吸収される速さよりも遅い。そのため、吸液部２の一端面全体が気泡によって覆われず、気泡が一端面で吸い上げられたとしても吸液部２への液体の吸収が妨げられることもない。したがって、吸液部２は燃料の気化が停止してしまうことを防止できる。

また、微小空孔が形成された吸液部２の内部で液体が気化するので、液体の突沸を抑えることができる。特に、吸液部２の排出側の端部が発熱コイル１１によって加熱され、吸液部２の熱伝導率が低いので、液体が吸液部２の中央部や導入側の端部では気化せず、吸液部２の排出側の端部で気化する。吸液部２の中央部や導入側の端部で気体が発生するとその圧力によって毛細管現象による吸液部２の吸収性が低下するが、そのようなことを防止することができる。

また、発熱コイル１１が直接吸液部２に接しているのではなく、発熱コイル１１と吸液部２との間にはアウトレットニップル６が介在する。そのため、吸液部２が局所的に加熱されず、吸液部２が局所的に熱損傷することもない。

吸液部２が内チューブ３に嵌入され、更に内チューブ３が吸液部２に密着しているので、吸液部２の内部で発生した気体が吸液部２の外周面から吹き出ない。そのため、気体が吸液部２の外周面の隙間を通じて吸液部２の一端面へ吹き出ることを防止することができる。

また、吸液部２が内チューブ３に嵌入されているから、液体が直接、吸液部２に接することができるのが吸液部２の後端面のみとなるので、吸液部２の後端面における液体の吸収性が高くなる。さらに、吸液部２の排出（排出孔１６）側の端部で発生した気体が導入（導入孔１５）側へ回りこむことも防止できる。これは、内チューブ３が吸液部２の両端部を露出するとともに吸液部２の側面を密着して覆うことで、気体が吸液部２の側面及び内チューブ３の間には毛管力の生じない程度の隙間がないので、吸液部２内の気体が吸液部２の側面に移動して隙間から導入側に逆流したり、隙間に停滞したりすることを防止でき、吸液部２内の気体は毛管力によって移動する液体のために導入側から排出側に押し出される。特に、内チューブ３が熱収縮性を有するため、発熱コイル１１の熱により内チューブ３と吸液部２の密着力が高くなり、その効果が顕著に現れる。

また、外チューブ４がインレットケース７と吸液部２との間に挟まれているから、外チューブ４によってインレットケース７の気密性・水密性が保たれている。外チューブ４の両端部にインレットニップル５及びアウトレットニップル６がそれぞれ挿入されているので、インレットケース７及びアウトレットケース８がなくとも、導入孔１５に供給した液体を気化させて、気体を排出孔１６から排出させることができるが、インレットケース７及びアウトレットケース８があるほうが気密性・水密性が高く、更に熱損失も小さい。特に、インレットケース７及びアウトレットケース８の熱伝導率の低い耐熱性のものとしたから、熱損失を抑えることができる。

また、吸液部２の排出側の端面に気体透過膜１０が成膜されているから、吸液部２から排出孔１６へ液体が滲み出ず、特に突沸による液体の飛散を防止することができる。

図３、図４を用いて気化装置１の使用例について説明する。
図３は気化装置１を用いた発電装置５０のブロック図であり、図４は気化装置１、マイクロリアクタ５２及び燃料電池５３の概略図である。

この発電装置５０は、気化装置１のほかに、燃料貯留装置５１と、マイクロリアクタ５２と、燃料電池５３と、流体用装置６０とを備える。

マイクロリアクタ５２には、改質器５４、一酸化炭素除去器５５及び燃焼器５６が内蔵されている。気化装置１をマイクロリアクタ５２に装着すると、アウトレットニップル６が改質器５４に到達するようになっている。

燃料貯留装置５１には、水と液体燃料（例えば、メタノールやエタノール等のアルコール類、ガソリン）と水が別々に貯留されている。また、燃料貯留装置５１には、エアフィルタ８１が設けられている。なお、以下の説明では、燃料がメタノールであるものとして説明を行う。

流体用装置６０は、ポンプ６１，６４，６８と、ＯＮ−ＯＦＦバルブ６２，６５と、制御バルブ６９，７１と、流量センサ６３，６６，７０，７２，７３とを有する。また流体用装置６０は、燃料貯留装置５１の水排出口と連結する取り込み管７４及び燃料貯留装置５１の燃料排出口と連結する取り込み管７５が設けられている。

ポンプ６１が燃料貯留装置５１から水を吸引して気化装置１へ送り、水の流れの停止・開始がＯＮ−ＯＦＦバルブ６２によって行われ、水の流量が流量センサ６３によって測定される。ポンプ６４が燃料貯留装置５１から液体燃料を吸引して気化装置１へ送り、液体燃料の流れの停止・開始がＯＮ−ＯＦＦバルブ６５によって行われ、水の流量が流量センサ６６によって測定される。気化装置１には、水と液体燃料が混合した状態で供給される。

ポンプ６８は、エアフィルタ８１を介して外部から空気を吸引して、燃焼器５６、一酸化炭素除去器５５、燃料電池５３の空気極５８へ送るものである。燃焼器５６に送る空気の流量は、流量センサ７０によって測定されながら制御バルブ６９によって制御される。一酸化炭素除去器５５に送る空気の流量は、流量センサ７２によって測定されながら制御バルブ７１によって制御される。燃料電池５３に送られる空気の流量は流量センサ７３によって測定される。

ＯＮ−ＯＦＦバルブ６７は、燃焼器５６の排出物の流れの停止・開始を行うものである。

気化装置１には、液体燃料と水の混合液が供給されるが、その混合液が気化装置１の吸液部２で気化する。気化した燃料と水の混合気が改質器５４に供給される。高熱伝導率のアウトレットニップル６が発熱コイル１１によって加熱され、そのアウトレットニップル６が改質器５４に到達しているので、気化した液体と水の混合気が改質器５４に送られる前に液体に戻ることを防止することができる。なお、インレットニップル５が改質器５４にまで到達し、改質器５４の熱がインレットニップル５に伝導することによって吸液部２の排出側の端部が加熱されるから、発熱コイル１１が無くても良い。

改質器５４では、気化装置１から供給された燃料と水の混合気が化学反応式（１）、（２）に示すように触媒によって水素に改質される。改質器５４で生成された生成物の混合気が一酸化炭素除去器５５に供給され、更にポンプ６８から空気が一酸化炭素除去器５５に供給される。一酸化炭素除去器５５では、混合気中の一酸化炭素が化学反応式（３）に示すように触媒によって選択的に酸化される。なお、マイクロリアクタ５２には電熱材からなる薄膜ヒータ８２が設けられ、薄膜ヒータ８２によって改質器５４及び一酸化炭素除去器５５が加熱される。
ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ→３Ｈ₂＋ＣＯ₂ …（１）
２ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ→５Ｈ₂＋ＣＯ＋ＣＯ₂ …（２）
２ＣＯ＋Ｏ₂→２ＣＯ₂ …（３）

燃料電池５３は、触媒微粒子を担持した燃料極５７と、触媒微粒子を担持した空気極５８と、燃料極５７と空気極５８との間に介在された固体高分子電解質膜５９と、を備える。燃料極５７には、一酸化炭素除去器５５から混合気が供給され、空気極５８には、ポンプ６８から空気が供給される。燃料極５７においては、電気化学反応式（４）に示すように、混合気中の水素が燃料極５７の触媒微粒子の作用を受けて水素イオンと電子とに分離する。水素イオンは固体高分子電解質膜５９を通じて酸素極５８に伝導し、電子は燃料極５７により取り出される。酸素極５８においては、電気化学反応式（５）に示すように、電子と、酸素と、水素イオンとが反応して水が生成される。これにより、燃料電池５３において電気エネルギーが生成される。なお、水がポンプ６１から燃料極５７及び酸素極５８に供給されても良い。
Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^- …（４）
２Ｈ⁺＋１／２Ｏ₂＋２ｅ^-→Ｈ₂Ｏ …（５）

燃料極５７において未反応であった水素を含むオフガスが燃焼器５６に供給される。燃焼器５６においては、ポンプ６８によって供給された空気中の酸素と未反応の水素とが触媒により反応し、燃焼熱が発生する。燃焼熱は、改質器５４及び一酸化炭素除去器５５の反応に用いられる。また、燃焼器５６の排ガスはＯＮ−ＯＦＦバルブ６７を通じて外部に排出される。

図５は、発電装置５０Ａのブロック図である。図３に示された発電装置５０と図５に示された発電装置５０Ａとの間で、同一の構成要素に同一の符号を付す。

この発電装置５０Ａにおいては、気化装置１のインレットニップル５に供給される混合液の圧力を測定する圧力センサ９１がインレットニップル５に接続され、燃焼器５６から排出される排出ガスの圧力を測定する圧力センサ９２が燃焼器５６とＯＮ−ＯＦＦバルブ６７との間に設けられている。ここで、気化装置１のアウトレットニップル６と圧力センサ９２は、燃焼器５６、燃料電池５３の燃料極５７、一酸化炭素除去器５５、改質器５４を介して気化装置１のアウトレットニップル６に通じているから、圧力センサ９２は気化装置１のアウトレットニップル６から排出される混合気の圧力を実質的に測定するものである。

圧力センサ９１及び圧力センサ９２は、自身の内部に形成されたダイヤフラムの変位を圧電素子又は静電容量により電気信号に変換することによって圧力を検出するものである。

この発電装置５０Ａには、ポンプ６１，６４を制御する制御回路が設けられている。ポンプ６１，６４は、制御回路によって制御されることによって水や液体燃料の送液量を調整し、これにより気化装置１に送る混合液の圧力を調整する。なお、制御回路は気化装置の制御回路も兼ねており、ポンプ６１，６４が気化装置１の供給手段となり、圧力センサ９２が気化装置１の測定手段となる。

また、制御回路には、圧力センサ９１及び圧力センサ９２により測定された圧力信号がフィードバックされている。制御回路はフィードバックされた圧力信号に基づきポンプ６１，６４による混合液の圧力を調整するが、気化装置１に供給される混合液の圧力が気化装置１から改質器５４に供給される混合気の圧力と等しくなるように制御を行う。具体的には、制御回路は、圧力センサ９１によって測定された圧力が圧力センサ９２によって測定された圧力より大ききすぎる場合あるいは大きくなった場合にはポンプ６１，６４の送液量を減らすよう制御し、圧力センサ９１によって測定された圧力が圧力センサ９２によって測定された圧力より小さくなった場合にはポンプ６１，６４の送液量を増やすよう制御する。

図６は、発電装置５０Ｂのブロック図である。図５に示された発電装置５０Ａと図６に示された発電装置５０Ｂとの間で、同一の構成要素に同一の符号を付す。

この発電装置５０Ｂにおいては、ＯＮ−ＯＦバルブ６２，６５の代わりに制御バルブ６２Ｂ，６５Ｂが設けられている。

また、ポンプ６１，６４が設けられていないかわりに、ポンプ６８から背圧管７６を介して燃料貯留装置５１の水貯蔵部及び燃料貯蔵部に空気が送られ、この送出される空気量を制御することにより水が燃料貯留装置５１から制御バルブ６２Ｂを介して気化装置１に供給されるとともに、液体燃料が燃料貯留装置５１から制御バルブ６５Ｂを介して気化装置１に供給して、圧力センサ９１での圧力を制御する。制御バルブ６２Ｂは、気化装置１に送られる水の送液量を調整するものであり、制御バルブ６５Ｂは、気化装置１に送られる液体燃料の送液量を調整するものである。

この発電装置５０Ｂの制御回路は、圧力センサ９１及び圧力センサ９２からフィードバックされた圧力信号に基づき制御バルブ６２Ｂ，６５Ｂを制御する。ここで、制御回路は、気化装置１に供給される混合液の圧力が気化装置１から改質器５４に供給される混合気の圧力と等しくする或いは一定にするように制御を行う。なお、圧力センサ９２が、気化装置１と改質器５４との間、改質器５４と一酸化炭素除去器５５との間、又は、一酸化炭素除去器５５と燃焼器５６との間に設けられていても良い。

このような圧力差が生じないように制御をしないと、圧力センサ９１での圧力及び圧力センサ９２での圧力の少なくともいずれかが変化した場合に、この変化による圧力差によって吸液部２内の液体の押し出し力が変わって、吸液部２での気化量が不安定になってしまっていた。また、吸液部２内の毛細管現象による液体の引っ張り力の方向と逆の方向の負荷力が燃料貯留装置５１で働いて、毛細管現象による液体の引っ張り力を抑制し、吸液部２での気化量が不安定になってしまった。

本実施形態では、圧力センサ９１での圧力及び圧力センサ９２での圧力のいずれか一方が上昇しようと、下降しようと、燃料貯留装置５１での負荷力が働こうと、それらを相殺するように吸液部２の導入側の圧力と排出側の圧力を一定にしているので、毛細管現象による液体の引っ張り力によって気化量は一定になる。なお、気化装置１の導入側の圧力と排出側圧力を等しくしなくても一定にすれば、気化量を一定にすることができる。

気化装置１の排出側の圧力と気化量の関係を実験により求めた。図７は、比較例として圧力差が生じるように実験装置を示した概略図である。図７に示すように、燃料容器１０１とマスフローメータ１０２とをチューブによって接続し、マスフローメータ１０２と気化装置１のインレットニップル５をチューブによって接続し、気化装置１のアウトレットニップル６をフラスコ１０３に接続した。また、フラスコ１０３にバルブ１０４を介してインジェクター１０５を接続し、更にフラスコ１０３に圧力計１０６を接続した。６０ｗｔ％のメタノール水溶液を容器１０１に注ぎ、気化装置１の吸液部２による毛管力によってメタノール水溶液が吸収されるようにした。容器１０１を開放することで、容器１０１が大気圧に保たれ、気化の進行に応じて気化装置１の排出側の圧力と導入側の圧力との差が変化するようにした。

この実験装置において、インジェクター１０５によって気化装置１の排出側の圧力を調整し、圧力を圧力計１０６によって測定するとともに、マスフローメータ１０２によってメタノール水溶液の流量を測定した。その結果を図８に示す。図８から明らかなように、気化装置１の排出側の圧力が高くなるにつれて、つまり、気化の進行に応じて気化装置１の排出側の圧力が導入側の圧力よりも大きくなるにしたがってメタノール水溶液の流量が減り、メタノール水溶液の単位時間当たりの気化量が減ることがわかる。

一方、図９に示すように、容器１０１を密閉し、容器１０１とフラスコ１０３をチューブにより接続し、気化装置１の排出側の圧力と導入側の圧力が等しくなるようにした。この実験装置において、インジェクター１０５によって気化装置１の排出側の圧力を調整し、圧力を圧力計１０６によって測定するとともに、マスフローメータ１０２によってメタノール水溶液の流量を測定した。その結果を図１０に示す。図１０から明らかなように、気化装置１の排出側の圧力が変化しても、導入側の圧力が排出側の圧力と等しいのでメタノール水溶液の流量が変化せず、メタノール水溶液の単位時間当たりの気化量が高い状態で一定に保たれることがわかる。

なお、上記の何れの実験においても、発熱コイル１１の熱量は同じである。

気化装置１の斜視図である。気化装置１の断面図である。気化装置１を用いた発電装置５０のブロック図である。気化装置１、マイクロリアクタ５２及び燃料電池５３の概略図である。気化装置１を用いた発電装置５０Ａのブロック図である。気化装置１を用いた発電装置５０Ｂのブロック図である。気化装置１の排出側の圧力と気化量との関係を調べるための実験装置の概略図である。図７の実験装置を用いた実験結果を示したグラフである。気化装置１の排出側の圧力と気化量との関係を調べるための実験システムの概略図である。図９の実験装置を用いた実験結果を示したグラフである。

符号の説明

１気化装置
２吸液部
３内チューブ
４外チューブ
５インレットニップル
６アウトレットニップル
７インレットケース
８アウトレットケース
１０気体透過膜
１１発熱コイル
１５導入孔
１６排出孔

Claims

毛細管現象により一端から他端に液体を移動させる吸液部と、
前記吸液部の他端側を加熱して液体を気化する加熱手段と、
前記吸液部の他端の端面に設けられ、液体を透過せずに気体を透過する気体透過性膜と、
前記吸液部に向けて前記液体を送るポンプと、
前記吸液部に供給する液体の圧力を測定する第１圧力センサと、
前記吸液部から排出される気体の圧力を測定する第２圧力センサと、
前記第１および第２圧力センサにより測定された圧力信号がフィードバックされ、前記ポンプによる液体の送液量を制御する制御回路と、
を備え、
前記制御回路は、前記第１および第２圧力センサにより測定された圧力信号に基づき、前記ポンプによって送られる液体の圧力を調整することを特徴とする気化装置。
前記制御回路は、前記第１および第２圧力センサにより測定された圧力信号に基づき、前記ポンプによって送られる液体の圧力と前記気体透過性膜から排出される気体の圧力とが等しくなるように、前記ポンプによって送られる液体の圧力を調整することを特徴とする請求項１に記載の気化装置。
毛細管現象により一端から他端に液体を移動させる吸液部と、
前記吸液部の他端側を加熱して液体を気化する加熱手段と、
前記吸液部の他端の端面に設けられ、液体を透過せずに気体を透過する気体透過性膜と、
前記吸液部に供給する液体の送液量を調整する制御バルブと、
前記吸液部に供給する液体の圧力を測定する第１圧力センサと、
前記吸液部から排出される気体の圧力を測定する第２圧力センサと、
前記第１および第２圧力センサにより測定された圧力信号がフィードバックされ、前記ポンプによる液体の送液量を制御する制御回路と、
を備え、
前記制御回路は、前記第１および第２圧力センサにより測定された圧力信号に基づき、前記制御バルブによって送られる液体の圧力を調整することを特徴とする気化装置。
前記制御回路は、前記第１および第２圧力センサにより測定された圧力信号に基づき、前記制御バルブによって送られる液体の圧力と前記気体透過性膜から排出される気体の圧力とが等しくなるように、前記制御バルブによって送られる液体の圧力を調整することを特徴とする請求項３に記載の気化装置。
前記吸液部に向けて前記液体が送られる導入孔と、
前記導入孔と前記吸液部との間に形成された内部空間と、
をさらに備え、
前記導入孔の径が前記内部空間の径よりも小さく且つ前記吸液部の径よりも小さく、前記吸液部の一端面に平行な前記内部空間の断面積が前記導入孔の断面積よりも大きいことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の気化装置。
前記吸液部は柱状であり、
前記気体透過性膜は、前記吸液部の他端の端面を覆うように成膜されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の気化装置。
前記気体透過性膜は、表面に疎水性を有するとともに内部に微小空孔を有することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の気化装置。
前記気体透過性膜がポリテトラフルオロエチレン又はポリフッ化ビニリデンからなる膜であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の気化装置。