JP5292667B2 - 蒸発ガスの発生装置及びそれを用いた燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、蒸発ガスの発生装置に関するものであり、特に小型燃料電池において改質原料ガスを改質する際に好適に用いられる水蒸気発生装置に関するものである。

従前より、燃料電池において、都市ガスとして供給されるメタンガス等を燃料ガスの原料として用いる場合には、当該原料ガスを改質して水素を取り出すための改質器が用いられている。
この改質器は、水蒸気の発生部から供給される水蒸気と上記改質原料ガスとを混合させるとともに、さらに約３５０℃以上の高温雰囲気下において両者を反応させることにより水素を生成させるものである。

すなわち、上記改質器においては、まず改質原料ガスであるメタン等の炭化水素と水蒸気とが反応して水素と一酸化炭素とが発生し、次いでこの一酸化炭素と水蒸気とが反応することにより、二酸化酸素とともに水素が発生する。
メタンを例として反応式で示せば、以下の通りである。
ＣＨ₄＋Ｈ₂Ｏ（ｇ）→３Ｈ₂＋ＣＯ
ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ（ｇ）→Ｈ₂＋ＣＯ₂

ところで、近年においては、燃料電池の開発の進展に伴って、その小型化の要請が強くなっている。そして、当該燃料電池の小型化を図るに際しては、燃料ガスとして微量の水素ガスを安定的に供給する必要が生じる。

他方、一般に従来の改質器としては、例えば特許文献１に見られるように、水蒸気発生器を一体化したものが多様されている。
この改質器は、図２に示すように、図中左方から右方に向けて、内部に改質触媒８ａが充填された改質部８と、燃焼触媒９ａが充填された燃料部９と、蒸気発生部１０とが順次対向配置されている。

そして、上部構成からなる改質器においては、燃料部９に燃料を供給し、燃料の一部を燃焼触媒９ａによって燃焼させることにより得られた燃焼熱を利用して、蒸気発生部１０に供給される水を蒸発させて水蒸気を得るとともに、この水蒸気と原料ガスとを混合させつつ改質部８に供給して上述したように燃料ガスとなる水素を生成させるものである。

しかしながら、上記従来の改質器においては、先ず、水から水蒸気を発生させ、得られた水蒸気と原料ガスとを混合して改質部８に供給しているために、燃料や水の供給量が絶対的又は相対的に変化すると、水蒸気の発生量が変動し易いという問題がある。そして、この水蒸気発生量や原料ガス供給量の変動は、改質部８に供給する混合ガスの混合比にも変動を来たし、微量の水素ガスの安定供給が難しくなるとという問題点がある。

さらに、発生した水蒸気と原料ガスとを混合しつつ改質部８に供給しているために、両者の流量が大きい場合には問題ないものの、水蒸気と原料ガスとの供給流量が少なくなった場合には、両者の混合に偏りが生じて、一定量の水素ガスを円滑かつ確実に発生させることが難しいという問題点もある。

特開２００３−６３８０３号公報

このため本発明は、簡易な構造を備え、かつ、一定量の蒸気ガスを安定して供給する蒸発ガスの発生装置の提供を目的とする。

上記請求項１に記載の発明は、容器本体と、当該容器本体の下部に開口して、内部に液体を供給する供給管と、上記容器本体の内部に供給された上記液体中にキャリアーガスを導入するガス供給管と、上記容器本体又はその外方に配設され、上記液体を蒸発させるとともに中央部を境にその上部および下部が独立して放熱量を制御可能な加熱手段と、上記キャリアーガス及び蒸発ガスを排出する排出管と、上記容器本体内の下部から少なくとも液体と蒸発ガスとの界面上方位置まで充填されるとともに、間に上記液体の流路が形成される多数の伝熱部材と、上記容器本体の上部及び下部に配設された温度センサーおよび当該温度センサーが測定した上記容器本体側面上部が沸点温度（１００℃）以上の設定温度及び上記容器本体１側面下部が沸点温度（１００℃）以下の設定温度の範囲内になるように上記加熱手段の上記上部および下部の放熱量を別々に制御する放熱量制御手段を有し、上記容器本体内における上記液体と蒸発ガスとの界面を一定の範囲内に保持するレベル制御手段とを備えていることを特徴とする蒸発ガスの発生装置である。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の蒸発ガスの発生装置において、上記液体が水であり、かつ、上記キャリアーガスが改質原料ガスであることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の蒸発ガスの発生装置を設けたことを特徴とする燃料電池である。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の燃料電池において、各々が直列に接続された多段構成の改質器を備え、かつ、少なくとも最前段の改質器は、発電セルを多数積層してなる燃料電池スタックから、最後段の改質器よりも離間して配設されていることを特徴とする。

上記の請求項１に記載の発明によれば、容器本体の下部に開口した供給管から液体、この液体中にガス供給管からキャリアーガスが各々供給され、加熱手段により、伝熱部材が充填された容器本体内において上記液体を蒸発させて、この蒸発ガスを、キャリアーガスとともに排出管から排出する。

その際、下部から少なくとも液体と蒸気ガスとの界面上方位置まで多数の伝熱部材が充填された容器本体内において液体を蒸発させているため、効率的に蒸発ガスを得ることができる。さらに、液体中にキャリアーガスを導入しているので、伝熱部材間の流路を経る過程において、上記液体の蒸発と並行してキャリアーガスを容易に液体中及び蒸発ガス中に均一に混合させることができる。

また、蒸発ガスとキャリアーガスとの界面を一定の範囲に保持するレベル制御手段を備えているため、排出管からの液体の供給量と排出管からの蒸発ガスの排出量とを一致させて、常時、一定量の蒸発ガスを安定して供給することができる。特に、予め液体及びキャリアーガスの供給量を、当該液体とキャリアーガスとの所望の混合比に対応した値に設定しておくのみで、これら液体及びキャリアーガスの供給流量を別途調整することなく、確実に所定の混合比の蒸発ガスを供給することが可能になる。
この結果、簡易な構造によって、キャリアーガスとともに、微量の蒸発ガスを安定的に供給することができる。

この際に、容器本体の内部又は側面の温度を計測する温度センサーが、供給管からの液体の供給量と排出管の蒸発ガスの排出量とが一致する温度である設定温度より低い温度を感知した場合には、液体と蒸発ガスとの界面が段々と上昇し、同様に温度センサーが設定温度より高い温度を感知した場合には、液体と蒸発ガスとの界面が段々と降下する。
このため、上記界面が直接把握できない場合においても、温度センサーにより測定した容器本体の内部又は側面の温度を、既定値温度を中心にした一定の範囲内になるように調整することにより、間接的に液体と蒸発ガスとの界面を一定の範囲内に保持することが可能になる。

上述の伝熱部材としては、広い伝熱面積が得られとともに、その間が相互に連通して、液体又は蒸発ガスとキャリアーガスとが上下方向及び左右方向に蛇行して混合されるに適した流路を形成するため、セラミックビーズが好適である。

また、上述の蒸発ガスの発生装置は、小型の燃料電池用の改質器用の水蒸気発生装置に好適である。このため、請求項２に記載の発明のように前記液体として水、前記キャリアーガスとして改質原料ガスが各々用いられる。この場合には、水蒸気とキャリアーガスとが均一に混合して排出されるため、別途、温度や改質触媒の配置といった条件を設定すれば、この水蒸気発生器を容易に改質器に改変させることが可能であり、改質器を小型化して、微量の水素ガスを安定して供給することができる。

このように蒸発ガスの発生装置を燃料電池用の水蒸気発生装置に用いた場合には、最前段の改質器が燃料電池スタックから最後段の改質器よりも離間して配設される多段構成の改質器と組み合わせることにより、改質器の吸熱作用により燃料電池スタックを冷却して、発電性能を低下させる不都合を回避することができるとともに、燃料電池スタックの排熱を利用する水蒸気発生装置に対しては、常に高温度の排ガスを導入することができるため、安定した量の水蒸気を発生させることができる。

以下、本発明の蒸発ガス発生装置の一実施形態である燃料電池用の水蒸気発生装置について、図１を用いて説明する。
本実施形態における水蒸気発生装置は、容器本体１と、この容器本体１の下部に開口を有するように接続された水（液体）を供給する供給管２及び改質原料ガス（キャリアーガス）を供給するガス供給管３と、水を蒸発させる加熱手段５と、改質原料ガス及び水蒸気を排出する排出管４と、水と水蒸気との界面Ｉを一定の範囲に保持するレベル制御手段とから概略構成されている。

この供給管２は、流量調整弁２１を介装して容器本体１の底部に接続されており、容器本体１内の開口部に多孔板２２が設けられている。また、ガス供給管３は、流量調整弁３１を介装して容器本体１の底部から上方に突出して設けられ、容器本体１内の開口部に多孔板３２が設けられている。なお、多孔板２２，３２としては、水又は原料改質ガスの供給に影響を与えないメッシュを具備したものが好適である。

また、加熱手段５は、電気ヒータ（例えば、１００Ｗ）が好適であり、容器本体１の側面外周を取り囲むようにして設けられている。この電気ヒータ５は、容器本体１の上端部から下端部を覆うようにして設けられており、中央部において分断され、上部及び下部の電気ヒータ５が各々独立して制御されるようになっている。
なお、電気ヒータ５は、上述のように上部及び下部の２部に分けて設けられているものに限らず、別々に放熱量を制御できるものであればよい。

上記容器本体１は、水蒸気供給量を担保するための容量を備えており、供給管２から供給された水が、下部に一定量貯留されるとともに加熱手段により加熱されることにより蒸発して、上部に水蒸気が充満するようになっている。また、下部から上部まで、粒径０．５ｍｍ〜３ｍｍの多数のセラミックビーズ（伝熱部材）１１が充填されており、セラミックビーズ１１の間に水と改質原料ガスとの流路が形成されるようになっている。

このセラミックビーズ１１は、電気ヒータ５からの熱を吸収して、水、水蒸気及び改質原料に対して、熱伝達機能を果たすとともに、水と改質原料との混合及び水蒸気と改質原料との混合を促進させるためのものである。それ故、このセラミックビーズ１１として、ジルコニア、アルミナ、マグネシア、ムライト及び窒化アルミニウムを用いることができるが、熱伝導率の観点からマグネシア、ムライト及び窒化アルミニウムが、強度の観点からジルコニア、アルミナが各々好適に用いられる。

他方、排出管４は、反応容器１の天井部に接続されている。
この排出管４及びガス供給管３の径は、例えば、排出管４の内径が４ｍｍ、外径が６ｍｍであるときに、ガス供給管３の内径が２ｍｍ、外径が４ｍｍである。

上述のレベル制御手段として、上記容器本体１側面の上部及び下部に配設された温度センサー６ａ、６ｂと、この温度センサー６ａからの検出温度により上記容器本体１側面上部が沸点温度（１００℃）以上の設定温度（例えば２００℃）及び温度センサー６ｂからの検出温度により上記容器本体１側面下部が沸点温度（１００℃）以下の設定温度（例えば８０℃）となるよう前記電気ヒータ５の放熱量を調整する放熱量制御手段７とが設けられている。なお、この温度センサー６ａ、６ｂは、容器本体１側面の上部及び下部に換えて、容器本体１内部の上部及び下部に配設することもできるが、この場合には、水蒸気及び改質原料ガスがリークしないように、容器本体１の温度センサー導入口にシール部材等を設ける。

さらに、排出管４の後段に改質器及び発電セルを多数積層して構成される燃料電池スタックを順次接続することにより、燃料電池とすることも可能である。この場合、改質器は、各々が直列に接続された多段構成とし、最前段の改質器が、燃料電池スタックから最後段の改質器より離間した場所（例えば、排気管）に配設されていることが好ましい。これにより、改質器の吸熱作用により燃料電池スタックを冷却して、発電性能を低下させる不都合を回避することができるとともに、燃料電池スタックの排熱を利用する水蒸気発生装置に対しては、常に高温度の排ガスを導入することができるため、安定した量の水蒸気を発生させることにも大いに寄与する。

次に、以上の構成からなる水蒸気発生装置の作用について、図１を用いて以下に説明する。
まず、流量調整弁２１を開口して、供給管２から水を容器本体１内に供給する。これと併行して、電気ヒータ５の電源を入れて、容器本体１を温めると同時に、流量調整弁３１を開口して、ガス供給管３から改質原料ガスを容器本体１に供給する。
すると、改質原料ガスは、気泡になって液相Ｌに充填されたセラミックビーズ１１の隙間を上下方向及び左右方向に蛇行しながら上昇する。

次いで、流量調整弁２１、３１を、所望の水蒸気供給量及び水蒸気と改質原料ガスとの混合比率とから予め設定しておいた開口度に調整する。それと伴に、放熱量制御手段７を用いて、温度センサー６が水供給量及び水蒸気排出量の一致する設定温度（例えば上部２００℃、下部８０℃）を示すように電気ヒータ５の放熱量を調整する。

具体的には、容器本体１側面における上部又は下部の温度センサー６が設定温度より高い温度を感知した場合には、水と水蒸気との界面Ｉが降下しているため、放熱量制御手段７を用いて電気ヒータ５の放熱量を減少させる。他方、同上部又は下部の温度センサー６が設定温度より低い温度を感知した場合には、水と水蒸気との界面Ｉが上昇しているため、放熱量制御手段７を用いて電気ヒータ５の放熱量を増加させる。

これにより、容器本体１側面における上部又は下部の温度を一定の範囲内に保持して、間接的に水と水蒸気との界面Ｉを一定の範囲内に調整する。
特に、容器本体１内に充填されたセラミックビーズ１１により水位差が存在して、直接水と水蒸気との界面Ｉを測定できない場合にも、容器本体１側面における上部又は下部の温度を一定の範囲内に保持することにより、水と水蒸気との界面Ｉを間接的に一定の範囲内に調整する。

すると、容器本体１内に供給された水は、改質原料ガスとともにセラミックビーズ１１の隙間を上下方向及び左右方向に蛇行して、均一に混合されながら上昇するとともに、電気ヒータ５及びそれにより温められたセラミックビーズ１１により加温されて、蒸発する。これにより、容器本体１の上部には水蒸気及び改質原料ガスが充満して、これらがセラミックビーズ１１により均一に混合されるため、排出管４から常に微量であっても所望される一定量の水蒸気が改質原料ガスとともに排出される。それ故、後工程となる改質器において、別途、水蒸気と改質原料ガスとを混合させる必要がない。

以上のようにして、微量であっても常に一定量の水蒸気を後段の工程へと供給することができる。
その際、流量調整弁２１及び流量調整弁３１の開口度を調整して、水と改質原料ガスとの混合比を制御することができる。また、これと併せて、上述の電気ヒータ５の設定温度を変動させることにより、排出管４から排出される水蒸気量を増減させることができる。

特に、上部における設定温度を改質に適した温度に設定して、別途、改質触媒を配置することにより、この水蒸気発生器を用いて微量の水素ガスを安定して供給することができ、この水蒸気発生器を容易に小型の改質器に改変させることが可能である。

なお、本発明は、上述の水蒸気発生装置に限定されるものではなく、例えば、液体と蒸発ガスとの界面Ｉを一定の範囲に保持する手段として、温度センサー６の代わりに液体と蒸発ガスとの界面Ｉを測定する界面センサーや界面観察窓が設けられていてもよい。また、加熱手段５は、電気ヒータに限られるものではなく、例えば燃料電池から排出される排ガスであってもよい。

本発明の一実施形態として示した水蒸気発生装置の断面模式図である。 従来技術として示した水蒸気発生装置の断面模式図である。

符号の説明

１・・・容器本体
２・・・供給管
３・・・ガス供給管
４・・・排出管
５・・・加熱手段（電気ヒータ）
６・・・温度センサー
７・・・放熱量制御手段
１１・・・伝熱部材（セラミックビーズ）
Ｉ・・・界面

Claims (4)

1. 容器本体と、当該容器本体の下部に開口して、内部に液体を供給する供給管と、上記容器本体の内部に供給された上記液体中にキャリアーガスを導入するガス供給管と、上記容器本体又はその外方に配設され、上記液体を蒸発させるとともに中央部を境にその上部および下部が独立して放熱量を制御可能な加熱手段と、上記キャリアーガス及び蒸発ガスを排出する排出管と、上記容器本体内の下部から少なくとも液体と蒸発ガスとの界面上方位置まで充填されるとともに、間に上記液体の流路が形成される多数の伝熱部材と、上記容器本体の上部及び下部に配設された温度センサーおよび当該温度センサーが測定した上記容器本体側面上部が沸点温度（１００℃）以上の設定温度及び上記容器本体１側面下部が沸点温度（１００℃）以下の設定温度の範囲内になるように上記加熱手段の上記上部および下部の放熱量を別々に制御する放熱量制御手段を有し、上記容器本体内における上記液体と蒸発ガスとの界面を一定の範囲内に保持するレベル制御手段とを備えていることを特徴とする蒸発ガスの発生装置。
2. 上記液体は、水であり、かつ、上記キャリアーガスは、改質原料ガスであることを特徴とする請求項１に記載の蒸発ガスの発生装置。
3. 請求項２に記載の蒸発ガスの発生装置を設けたことを特徴とする燃料電池。
4. 各々が直列に接続された多段構成の改質器を備え、かつ、少なくとも最前段の改質器は、発電セルを多数積層してなる燃料電池スタックから、最後段の改質器よりも離間して配設されていることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池。

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