JP5461756B2

JP5461756B2 - 蒸発器

Info

Publication number: JP5461756B2
Application number: JP2006120330A
Authority: JP
Inventors: 昭一加島
Original assignee: Sumitomo Precision Products Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Precision Products Co Ltd
Priority date: 2006-04-25
Filing date: 2006-04-25
Publication date: 2014-04-02
Anticipated expiration: 2026-04-25
Also published as: JP2007289852A

Description

本発明は、蒸発器の改善に関し、さらに詳しくは、液体の蒸発効率を向上させるとともに、液体が蒸発する際に生じる圧力変動を抑制することによって、安定した液体の蒸発挙動を図る蒸発器に関する。

燃料電池装置は、水素と酸素の化学反応により発電する仕組みであり、燃料として水素を用い、酸化材として酸素または空気を用いる。燃料電池で使用する燃料を生成する手段としては、例えば、天然ガスを蒸気と熱で改質して水素化したり、メタノールと水を蒸発させて水素改質して用いる方法がある。このような天然ガスの水素化やメタノールの水素改質に際し、いずれも蒸発器が必要となる。

天然ガスを蒸気と熱で改質して水素化する構成の燃料電池装置では、改質前の予備的な処理として、水を蒸発させて得られた水蒸気に天然ガスや都市ガスなどを混入して混合ガスを生成することを必要とする場合がある。

このような改質前の予備的な処理では、水を蒸発させるために蒸発器が用いられるが、水の流量が比較的少ないことから、水を蒸発器内へ流入する際にノズル等を用いても、蒸発器の通路内に均一に分配させることは難しい。このため、ノズル直下に水が流入しやすく、十分な熱交換が行われないことによって水の蒸発挙動が不安定になる場合がある。

燃料電池は高温排ガス等の廃熱を利用しており、未気化のままの液体が蒸発器より出て次工程の改質処理へと供給されると、未気化の液体が供給された部分で気化熱が奪われ、温度低下が生じ、有効な改質反応が行われない。

また、燃料電池で使用される蒸発器において、加熱壁に水が直接接触すると、水が急激に加熱されることによって突沸が生じる。水は蒸発気化すると体積が約１０００倍と急激な膨張を生ずることから、突沸が生じると圧力変動が大きくなり蒸発が不安定となる。このため、次工程の改質器への混合ガスの供給量が変動し、燃料電池の発電量が不安定となる。

したがって、燃料電池装置では、蒸発器における蒸発技術が重要な開発要素となり、良好な蒸発器の性能、すなわち、蒸発効率の向上を図り、液体の蒸発にともなう圧力変動を抑制し安定な蒸発を行うことによって、次工程へ安定した水蒸気を供給することが特に望まれる。

前述の通り、燃料電池の発電効率の改善においては蒸発器が重要な部分を占める。したがって、従来から下記に示すように、蒸発効率の向上や液体の突沸にともなう圧力変動を抑制する方法が提案されている。

図１は、低温流体の通路に充填材を充填した蒸発器の構成例を示す図である。蒸発器は仕切板１を介して、低温流体の通路１ａと高温流体の通路１ｂが隣接する構成である。低温流体の通路１ａには、充填材２が充填されており、低温流体はノズル３を介して低温流体の通路１ａに流入し、高温流体の通路１ｂを流通する高温流体と熱交換を行いながら低温流体の通路１ａを流通し蒸発後、蒸発器外へ排出される。

図１に示すように、蒸発器の低温流体の通路に充填材を充填することで、低温流体の流入空間を狭くして低温流体の流速を速くし、熱伝達率を大きくすることによって、蒸発に必要な熱量を液体に供給することが可能となり、蒸発効率の向上が図れる。また、前記充填材は、一種の蓄熱材として機能し低温流体の加熱源となるともに、液体の分配性能を向上させる。

しかし、低温流体の通路に充填された充填材は、蓄熱材として機能するが、同時に伝熱抵抗ともなり得る。したがって、充填材を充填することによって、加熱壁からの熱が液体通路から離れた位置に伝達されるまで時間を要するため、液体の蒸発過程において、加熱壁から離れた位置には、蒸発に必要とする熱量を伝熱することができず、液体の蒸発挙動が不安定となる。また、液体の分配が不均一な場合は、充填材が蓄熱材として機能するよりも、伝熱抵抗としての作用が顕著となり、流体通路内の温度分布が不均一となり、蒸発効率が悪化する。

したがって、充填材を充填して使用する蒸発器には、液体の流通方向に平行となるように板状のフィンを加熱壁に設ける構成が採用される場合がある。

図２は、低温流体の通路に充填材を充填し、その流入方向に対して平行に板状のフィンを配置した蒸発器の構成例を示す図である。また、図３は、図２に示す蒸発器の構成例のＡ−Ａ線矢視図である。

図２に示すように、低温流体の通路１ａには充填材２が充填され、ノズル３を介して流入する低温流体の流入方向に対して平行に、板状の平行フィン１１が配設されている。また、図３に示すように、平行フィン１１は仕切板１に複数枚が互いに平行に配設されている。加熱壁に液体の流通方向に平行な平行フィンを設けることによって、前記平行フィンは、低温流体の流れを妨げる抵抗となることなく、低温流体の通路に充填した充填材に加熱壁からの熱を伝熱できる。

しかし、前記平行フィンを設けることによって液体が蒸発する際の圧力変動が顕著に確認されるようになった。加熱壁から液体通路に設けられた平行フィンは周囲の充填材に熱を与える。しかし、平行フィンに液体が直接接触すると液体が突沸を生じ、圧力変動が生じるため、蒸発が不安定となり、改質器への混合ガスの供給量が変動し、燃料電池の発電が不安定となる。したがって、燃料電池で使用する蒸発器は、蒸発の際の突沸に起因する圧力変動を抑制する必要がある。

図４は、特許文献１に開示されている蒸発装置の突沸を防止する機構を示す断面図である。特許文献１には、図４に示すように、蒸発器における突沸防止に対する対策として、液体（水）が飛ばされない様にブロックするバッフルＢを取り付ける方法が提案されている。

すなわち、加熱壁Ｗを介して液を加熱、沸騰させる蒸発装置において、加熱壁Ｗの液側に液の上昇流の抵抗となる複数の小孔または、先端が波形形状であるバッフルＢを取り付けることにより突沸を防止するものである。

しかし、上記の突沸を防止する機構は充填材との併用を意図するものではなく、しかも、装置全体が複雑となるため、装置の製造コストが上昇するとともに装置が大型化する。したがって、近年、小型化および製造コストの抑制が望まれる蒸発器への適用は困難である。

特開平７−０００７０２号公報

前述の通り、各種液体を蒸発させるプロセスで用いられる蒸発器では、蒸発効率を向上させるとともに、液体が蒸発する際の突沸に起因する圧力変動を抑制し、安定した蒸発挙動を図る必要がある。

本発明は、上述した各種液体を蒸発させるプロセスで用いられる蒸発器において要求される諸特性に鑑みてなされたものであり、液体の蒸発効率を向上させるとともに、液体が蒸発する際に生じる突沸を起因とする圧力変動を抑制し、安定した液体の蒸発挙動が図れる蒸発器を提供することを目的とする。

本発明者は、上述した課題を解決するため、蒸発器の蒸発効率を向上させる手段および液体が蒸発する際の突沸を防止する方法に関して詳細な検討を行った。

前述の通り、蒸発器の低温流体の通路に充填材を充填して低温流体の流入空間を狭くし、前記低温流体の流速を速くすることによって、蒸発効率を向上させることが可能であるが、加熱壁からの距離が長くなると蒸発に必要な熱量が伝わり難いという欠点を有する。

そこで、本発明者は、上記欠点を解消すべく、充填材へ伝熱する方法に関して検討を行った結果、低温流体の通路と高温流体の通路の仕切板の低温流体側に適切な形状としたフィンを設けることによって、充填材に効率よく伝熱でき、蒸発効率の向上が図れ、さらに、液体が蒸発する際の突沸に起因する圧力変動を抑制することが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、本発明の蒸発器は、仕切板を介して高温流体の通路と低温流体の通路とが隣接した熱交換コアを設け、前記低温流体の通路の上方から液状の低温流体を流下させるとともに、前記高温流体の通路に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、蒸発気化させる蒸発器であって、前記低温流体の通路内には充填材が充填され、さらに前記仕切板の低温流体側に、低温流体の流れに抗する板状のフィンが配設され、当該フィンが低温流体の流下方向に垂直な面に対して下向きに３〜６０°の角度を有するとともに当該フィンの先端が自由端であり、かつ、一つの前記フィンの先端の真下に下側に位置する別の前記フィンが存在するように上下方向に複数配設されることを特徴とする。

上記の蒸発器において、高温流体の通路は低温流体の通路の両側に配し、前記両流体の通路の仕切板に前記フィンを配設し、蒸発器の蒸発効率を向上させるとともに、液体の突沸に起因する圧力変動を抑制することが好ましい。さらに、前記低温流体の通路に充填された充填材の形状を球とし、当該充填材の直径が低温流体の通路幅の１０〜２０％とすることによって、一層、蒸発効率の向上を図ることが好ましい。

本発明の蒸発器は、低温流体の通路内に充填材を充填して低温流体の流入空間を狭くし、前記低温流体の流速を速くすることによって、熱伝達率を大きくし蒸発に必要な熱量を低温流体に伝熱することが可能となり、蒸発効率が向上する。また、充填材は、通路内に流入された低温流体を通路内に均一に分配する。

さらに、低温流体の通路と高温流体の通路の仕切板の低温流体側に適切な形状としたフィンを設けることによって、充填材に効率よく伝熱することが可能となり蒸発効率を向上させるとともに、低温流体の通路内の温度を均一とし、液体が蒸発する際の突沸に起因する圧力変動を抑制できる。

本発明の蒸発器は、仕切板を介して高温流体の通路と低温流体の通路とが隣接した熱交換コアを設け、前記低温流体の通路内には充填材が充填され、さらに前記仕切板の低温流体側に、低温流体の流れに抗する板状のフィンが配設されていることを特徴とする。

図５は、本発明の蒸発器の構成例を示す図である。図５に示す蒸発器は、仕切板１を介して低温流体の通路１ａおよび高温流体の通路１ｂが隣接した熱交換コアを設け、低温流体の通路１ａには充填材２が充填されており、さらに、前記仕切板１には低温流体の流れに抗するようにフィン４が設けられている。

上記構成を採用することにより、仕切板１から離れた位置の充填材２にも、フィン４を介して効率よく伝熱することが可能となる。したがって、低温流体の通路１ａ内における温度勾配は緩やかとなり、液体の突沸に起因する圧力変動を抑制し、安定した蒸発挙動が図れる。

本発明の蒸発器は、図５に示す蒸発器の構成に替え、低温流体の通路１ａの両側に高温流体の通路１ｂを配し、低温流体の通路１ａの両側の仕切板１にフィン４を配することによって、さらに安定した蒸発挙動が図れると同時に、蒸発効率の改善も図れる。

図６は、低温流体の通路の両側に高温流体の通路を配した本発明の蒸発器の構成例を示す図である。図６に示すように、低温流体の通路１ａの両側には仕切板１を介して高温流体の通路１ｂが配置されており、低温流体の通路１ａには充填材２が充填されており、さらに、前記仕切板１には板状のフィン４が設けられている。

上記構成を採用することによって、従来の蒸発器よりも、一層効率よく充填材に伝熱することが可能となり、蒸発器の蒸発効率が向上し、さらに安定した蒸発挙動が図れる。

本発明の蒸発器において、低温流体の通路１ａの両側に高温流体の通路１ｂを配した場合は、その少なくとも一方にフィン４を設ければよいが、図６に示すように、フィン４を低温流体の通路１ａの両側に設け、フィン４の先端が低温流体の通路１ａの中央線を超えるように配設することが好ましい。上記のようにフィン４を配設することによって液体は必ずフィン４に接触するため、未蒸発の液体が生じることがないためである。

また、本発明の蒸発器に設けるフィン４は、低温流体の流下方向に垂直な面に対して下向きに３〜６０°の角度を有することが好ましい。

図７は、本発明の蒸発器に設けられるフィンの設置状況を説明する図である。図７に示すように、仕切板１には、接触長さをＬとし、フィン４の先端と、低温流体の流入方向に垂直な面がθ°の角度を有した状態でフィン４が設けられている。

上記フィン４の先端と低温流体の流入方向に対して垂直な面がなす角度θが、３°未満であると、充填材に伝熱することは可能であるが、流体が流化する際の抵抗が大きくなり、伝熱効率が低下する。また、前記角度θが６０°を超えると、充填材に伝熱するためにフィン４の長さを長くする必要があるため製造コストが増加する。したがって、仕切板１に設けるフィン４において、低温流体の流入方向に対して垂直な面とフィン４の先端がなす角度θは３〜６０°が好ましいとした。

また、フィンと仕切板の接触長さＬは特に規定するものではなく、充填材の伝熱に必要な熱量を得られるだけの接触面積を確保できる長さであればよい。

また、本発明の蒸発器に充填する充填材は、形状を球とし、その直径を低温流体の通路の幅に対して１０〜２０％とするのが好ましい。本発明の蒸発器における低温流体の通路に充填している充填材と充填材は軽く接触している程度で接触面圧が低く、充填材と充填材の接点は熱抵抗となる。したがって、充填材の直径が１０％未満の場合は、充填材の充填量が多くなることから、熱抵抗が大きく、熱伝導が悪くなるため、充填材全体に十分な伝熱をすることが困難となる。

一方、充填材の直径が２０％を超えると充填材の熱交換面積が小さくなるため、蒸発効率が悪化する。したがって、低温流体の通路に充填する充填材の直径はその通路幅の１０〜２０％とすることが好ましい。

また、充填材の材質は特に限定するものではないが、熱容量の大きいセラミックス、例えば、アルミナ、ジルコニア、チタニア等を適用できる。

本発明の蒸発器を、燃料電池における燃料改質前の予備処理として行われる、燃料ガスと水蒸気との混合ガス生成（以下、単に「予備処理」と表記する。）に採用した場合の具体的な構成について図面に基づいて説明する。

図８は、燃料電池の予備処理で採用した本発明の蒸発器の構成を示す図であり、（ａ）は、蒸発器の内部構成を、（ｂ）は、図８（ａ）のＡ−Ａ線矢視を示す図である。

図８に示す蒸発器は、仕切板１を介して、幅２０ｍｍの低温流体の通路１ａの両側に幅１５ｍｍの高温流体の通路１ｂが隣接して設けている。そして前記低温流体の通路１ａの水の出側に金網を設け、充填材として直径３ｍｍのアルミナ製ボールを充填した。さらに、前記仕切板１には、液体の流入方向に垂直な面に対して下向きに１５°の角度を有したフィン４を片側に８枚ずつ計１６枚を配設した。また、ガスノズル５の直下には、ガスを通路内に均一に分配するための燃料分配フィン１０を設けた。

低温流体の通路１ａには、ノズル３から流入された水、およびガスノズル５から流入された燃料ガスとして都市ガスが流通し、水は熱交換を行い蒸発して水蒸気となり、前記燃料ガスと混合され燃料の出口配管６から排出され改質器へ供給した。

また、加熱源である排ガスは、排ガス入り口７から高温流体の通路１ｂに流入し、水と熱交換を行いながら高温流体の通路１ｂを流通し、排ガス出口８から蒸発器の外へ排出した。

本発明の蒸発器は、上記構成を採用することによって、低温流体の通路内の温度を均一に保ち、蒸発器の蒸発効率を向上させることができ、未蒸発の水が生じることがなく、安定した蒸発挙動を達成できた。

また、上記構成の蒸発器において、水の突沸によって生じる圧力変動が抑制されていることを確認するため、圧力計を用いて燃料ガスの圧力を測定した。

図９は、蒸発器に供給する燃料ガスの圧力を測定した結果を示す図であり、（ａ）は従来の蒸発器における燃料ガスの圧力を、（ｂ）は、本発明の蒸発器における燃料ガスの圧力を測定した結果を示す。ここで、従来の蒸発器とは、前述した図２に示す構成の蒸発器を示すものとする。

図９の（ａ）および（ｂ）に示す通り、従来の蒸発器と比較すると、本発明の蒸発器は圧力変動が大幅に抑制されており、次行程の改質器へ安定した燃料供給を図れることが確認できた。

本発明の蒸発器は、充填材の形状および寸法を適切に管理し、さらに低温流体の通路にフィンを設けることによって、蒸発効率を向上させると同時に、液体の突沸による圧力変動を大幅に抑制することが可能である。したがって、各種液体を蒸発させるプロセスで使用される蒸発器、特に燃料電池の燃料改質プロセスで使用される蒸発器に高い信頼性で利用できる。

低温流体の通路に充填材を充填した蒸発器の構成例を示す図である。低温流体の通路に充填材を充填し、その流入方向に対して平行に板状のフィンを配置した蒸発器の構成例を示す図である。図２に示す蒸発器の構成例のＡ−Ａ線矢視図である。特許文献１に開示されている蒸発装置の突沸を防止する機構を示す断面図である。本発明の蒸発器の構成例を示す図である。低温流体の通路の両側に高温流体の通路を配した本発明の蒸発器の構成例を示す図である。本発明の蒸発器に設けられるフィンの設置状況を説明する図である。燃料電池の予備処理で採用した本発明の蒸発器の構成を示す図であり、（ａ）は、蒸発器の内部構成を、（ｂ）は、図８（ａ）のＡ−Ａ線矢視を示す図である。蒸発器に供給する燃料ガスの圧力を測定した結果を示す図であり、（ａ）は従来の蒸発器における燃料ガスの圧力を、（ｂ）は、本発明の蒸発器における燃料ガスの圧力を測定した結果を示す。

符号の説明

１：仕切板、２：充填材、
３：ノズル、４：フィン、
５：ガスノズル、６：燃料出口、
７：排ガス入り口、８：排ガス出口、
９：金網、１０：燃料分配フィン、１１：平行フィン、
１ａ：低温流体の通路、１ｂ：高温流体の通路、
Ｗ：加熱壁、Ｂ：バッフル

Claims

仕切板を介して高温流体の通路と低温流体の通路とが隣接した熱交換コアを設け、前記低温流体の通路の上方から液状の低温流体を流下させるとともに、前記高温流体の通路に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、蒸発気化させる蒸発器であって、
前記低温流体の通路内には充填材が充填され、さらに前記仕切板の低温流体側に、低温流体の流れに抗する板状のフィンが配設され、当該フィンが低温流体の流下方向に垂直な面に対して下向きに３〜６０°の角度を有するとともに当該フィンの先端が自由端であり、かつ、一つの前記フィンの先端の真下に下側に位置する別の前記フィンが存在するように上下方向に複数配設されることを特徴とする蒸発器。
前記熱交換コアが、前記低温流体の通路の両側に仕切板を介して前記高温流体の通路を配した構成であることを特徴とする請求項１に記載の蒸発器。
前記低温流体の通路に充填された充填材の形状が球であり、当該充填材の直径が低温流体の通路幅の１０〜２０％であることを特徴とする請求項１または２に記載の蒸発器。