JPH11322302A - 燃料電池用改質装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 燃料改質効率の優れた燃料改質装置を提供す
る。 【構成】 気化された液体燃料ガスを用いて改質ガスを
生成する燃料電池用改質装置であって、加熱空気が流れ
る外筒と、前記外筒の内部に配置され、前記液体燃料が
流れるコイル状の管路と、前記外筒の内壁と前記コイル
状管路の外壁との間に形成された外空間を塞ぐよう前記
外筒の主軸方向に対して略垂直方向に沿って設けられた
第１の邪魔板と、前記コイル状管路の内壁側に形成され
た内空間を塞ぐよう前記外筒の主軸方向に対して略垂直
方向に沿って設けられた第２の邪魔板とを有し、且つ、
前記第１の邪魔板と第２の邪魔板とが互いに交互に合計
３枚以上配置された気化器を備えることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池装置に使
用される改質装置に係わり、燃料改質装置の改質効率を
向上させる技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来燃料電池としてメタノール等の液体
燃料を燃料として用いるものが知られている。このよう
な液体燃料を用いる燃料電池装置においては、まず気化
器中で液体燃料を加熱空気と熱交換させることにより気
化温度にまで加熱し、そして気化された気化燃料を改質
触媒層中を通過させることにより改質反応を起こさせて
改質燃料を生成している。そしてこの改質ガスを燃料電
池に供給することで発電させている。

【０００３】上記のように液体燃料を加熱空気と熱交換
させて気化温度まで上昇させるための気化器は、熱交換
器の一種である。この熱交換器の代表的なものの１つ
に、流体管路をコイル状構造としたコイル式熱交換器が
ある。この熱交換器において、従来より、例えば伝熱壁
を熱伝導性に優れた材質のものとしたり、コイル巻回数
を多くすることにより熱交換可能面積を増大させるなど
の熱交換効率を高める工夫が種々行われて来た。

【０００４】コイル式の熱交換器は、図４にその概略を
示すように、流体ａの流路（外筒）の中に流体ｂの流れ
るコイル状の流路（管路ａ）を配置し、両流体間で熱交
換を行わせるものであるが、この方式では、流体ａの中
に流体ｂが長く留まることになるため、そのぶん熱エネ
ルギーの授受時間が長くなる。したがって、熱交換効率
が高まる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
コイル式熱交換器では、図４に示すように、前記外筒の
内壁とコイル状管路との隙間（以下、外空間という。）
及びコイル状管路の内側に形成される円筒状の空間（以
下、内空間という。）においては、流体ａが殆ど管路に
接触することなく川下方向に直線的に流れ去ってしま
う。したがって、管路近傍を流れる流体ａのみが流体ｂ
との熱交換に利用されるのみで、管路から離れたところ
を流れる流体ａは、殆ど熱交換に利用されないという問
題があった。

【０００６】このような問題は、例えば、管路の径を一
層細くし巻回回数を増やして流体ａに対する接触面積を
増やす方法や管厚を薄くして管の熱伝導性を高める方法
では、十分に解決できない。そればかりか、上記方法で
は単位時間当たりの熱交換量が減少し、また管路強度の
低下といった新たな問題が発生する。一方、コイル巻回
半径を段階的に変化させた複雑な形状のコイル状管路を
使用することにより、流体ａが必ず管路に接触するよう
にして、熱交換効率を高める方法も考えられるが、この
ような複雑な形状のコイルは技術的に作製が困難となる
ととともに、製造コストの大幅な上昇といった問題が残
る。

【０００７】更に外筒内に攪拌機を取付け流体ａを攪拌
することにより熱交換効率を改善する方法も考えられる
が、この方法は取付けスペース上の問題や装置の複雑化
を招き製造コストの上昇といった問題が生じることにな
る。

【０００８】本発明はかかる現状に鑑みなされたもので
あり、簡易かつ生産コストを殆ど上昇させることのない
熱交換効率改善手段を案出し、もって改質効率に優れた
燃料改質装置を安価に提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１記載の発明は、気化器により気化された液
体燃料ガスを用いて改質ガスを生成する燃料電池用改質
装置であって、前記気化器は、加熱空気が流れる外筒
と、前記外筒の内部に配置され、前記液体燃料が流れる
コイル状の管路と、前記外筒の内壁と前記コイル状管路
の外壁との間に形成された外空間を塞ぐよう前記外筒の
主軸方向に対して略垂直方向に沿って設けられた第１の
邪魔板と、前記コイル状管路の内壁側に形成された内空
間を塞ぐよう前記外筒の主軸方向に対して略垂直方向に
沿って設けられた第２の邪魔板とを有し、且つ、 前記
第１の邪魔板と第２の邪魔板とが互いに交互に合計３枚
以上配置されたことを特徴とする。

【００１０】また、前記コイル状管路は、前記液体燃料
が前記気化器の上方から入り、下方に移動した後にさら
に下方から上方に移動し、気化器の上方から導出される
流路を形成することを特徴とする。

【００１１】さらに、前記コイル状管路は、前記液体燃
料が前記気化器内を上方から下方に移動する流路を形成
する第１コイル管路と、前記気化器内を下方から上方に
移動する流路を形成する第２コイル管路とを備えること
を特徴とする。

【００１２】加えて、前記第１コイル管路と第２コイル
管路とを接続する配管と、前記第２コイル管路の下流に
接続された、前記液体燃料を導出するための配管とを、
前記内空間に有することを特徴とする。

【００１３】さらには、前記コイル状管路が、突起を有
することを特徴とする。

【００１４】上記構成の請求項１の発明によれば、気化
器内設けられた第１の邪魔板が、外筒の内壁とコイル状
管路との間の空間（外空間）を外筒の主軸方向（以下、
垂直方向という。）に沿って下流方向に流れる加熱空気
の流れをじゃまして、前記主軸方向に直交する方向（以
下、水平方向という。）に変える。このため、第１の邪
魔板によって流向を水平方向に変えられた加熱空気は、
片側の流路が筒壁で閉鎖されているため、反対のコイル
状管路の間隙を通過して内空間（周囲をコイル状管路に
囲まれた空間）へ流れることになる。

【００１５】一方、第２の邪魔板は、内空間を垂直方向
に流れる加熱空気の流れをじゃまして水平方向の流れに
変える。このため、第２の邪魔板によって流向を変えら
れた加熱空気は、内空間の周囲にあるコイル状管路の間
隙から外空間に拡散流出する。

【００１６】このように第１の邪魔板は、外空間を流れ
る加熱空気の流向を水平方向に変え、内空間に導くよう
作用し、第２の邪魔板は内空間を流れる加熱空気の流向
を水平方向に変え、外空間に導くように作用する。

【００１７】更に、上記構成では、第１の邪魔板と第２
の邪魔板とが、所定の間隔で交互に配置してある。した
がって、加熱空気は、第１の邪魔板またはと第２の邪魔
板により流れをじゃまされ、コイル状管路の間隙を介し
て外空間から内空間、または内空間から外空間へと交互
に行き来しながら下流方向に流れる。

【００１８】つまり、第１の邪魔板及び第２の邪魔板
は、加熱空気がコイル状管路の間隙を通って行き来する
ようにし、これによって加熱空気を確実にコイル状管路
に接触せしめ熱交換効率を高めるという作用効果を奏す
る。

【００１９】加えて、上記のように両邪魔板により加熱
空気の流向は交互に変換されるが、この流向の変換や狭
いコイル間隙を通過する際に乱流が発生する。よって、
交互に配置された邪魔板は、結果的に加熱空気を攪拌す
るように作用する。したがって、上記の作用効果が一層
効果的に発揮され、熱交換効率が高まることになる。

【００２０】なお、交互に配置する邪魔板は、通常、数
が多いほどよいが、３枚以上配置すれば、十分に上記作
用効果を奏する。

【００２１】請求項２の発明では、液体燃料が気化器の
上方から入り下降した後に、下方から上方に移動して気
化器の外部に導出される。従って、気化器内での流路長
さが増大するので、液体燃料の気化を促進することがで
きる。

【００２２】また、請求項３の発明によれば、このよう
な液体燃料を流路を形成するコイル状管路を容易に得る
ことができる。

【００２３】さらに、請求項４の発明によれば、第１コ
イル管路と第２コイル管路とを接続する配管と、前記第
２コイル管路の下流に接続された、前記液体燃料を導出
するための配管とが、内空間に設けられているので、加
熱空気がより多く燃料管路に接触することとなる。

【００２４】加えて、請求項５の発明では、コイル状管
路の表面に、熱交換表面積を増加させるための突起を有
するが、この突起は熱交換効率を一層高めるよう作用す
る。したがって、上記請求項１の如く、邪魔板が互いに
交互に設けられていれば、前記加熱空気は少なくとも１
度は流れが水平方向に強制的に変えられる結果、コイル
間の隙間においてコイル状管路を流れる液体燃料と前記
隙間を通過する加熱空気との熱的接触が良好になり、熱
交換効率も向上する。

【００２５】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係わる燃料改質装
置について、具体的に説明する。

【００２６】図１は本発明燃料改質装置の概略斜視図で
あり、図２は改質装置に組み込んだ気化器の概略断面図
である。

【００２７】図１に基づいて、本発明に係わる燃料改質
装置１は、断熱材からなる円筒型状の外容器２の中に、
装置本体が収納されており、大きさは、例えば高さ６０
０ｍｍ、直径３００ｍｍである。

【００２８】装置本体は、空気を加熱する円筒形のバー
ナー４が外容器２の底面３上の中央部に設置され、加熱
空気によって液体燃料を気化させる円筒形の気化器１０
がバーナー４の上に設置され、気化燃料を改質する４本
の円筒状の改質器３０が気化器１０の周囲に設置され、
気化器１０から出た気化燃料を改質器３０に分岐する分
岐管４０が気化器１０の上方に設置された構造をしてい
る。

【００２９】バーナー４は、底面３を下から上へ貫通し
たバーナー４に連通する燃焼空気用配管５からバーナー
４内に吹き込まれる空気を加熱するものであり、バーナ
ー４で加熱された加熱空気は、円筒形の気化器１０に吹
き入れられる。気化器１０は、バーナー４から送られた
加熱空気の上方への通路を形成する円筒状の断熱円筒１
１が、バーナー４の上に設置されており、その断熱円筒
１１の中に、液体燃料が流れる燃料管路が設置されてい
る。

【００３０】この燃料管路は、断熱円筒１１の内壁に沿
って配置された、円筒管をコイル状に成型した第１コイ
ル管路２１と第２コイル管路２２と、前記コイル状管路
２１、２２の内側をそれぞれ上下方向に通る直管２３
ａ、２３ｂ（図２参照）とで構成されている。そして、
前記第１コイル管路２１の下流側終端に直管２３ｂが接
続され、この直管２３ｂの他端にコイル状管路２２が接
続され、更に前記第２コイル管路２２の下流側端に直管
２３ａが接続され、この直管２３ａの他端は前記分岐管
４０に接続されている。

【００３１】気化器１０の上方（上流）から燃料管路に
入った液体燃料は、第１コイル管路２１を下りながら加
熱空気から供給される熱を吸収して気化温度付近の温度
まで加温される。次いで、ほぼ気化温度にまで加温され
た前記燃料は、直管２２ｂを介して第２コイル管路２２
に入り、今度は第２コイル管路２２内を下から上に移動
しながら更に加熱されて気化し、高温の気化燃料となっ
て気化器１０の上部に設けた分岐管４０より複数の改質
器３０にそれぞれ導かれる。ここで、前記燃料が第２コ
イル管路を下から上に流れるようにしたのは、前記燃料
の気化を促進するためである。

【００３２】なお、改質器３０は、断熱円筒１１と外容
器２の側面に挟まれた空間に、断熱円筒１１を取り囲む
ように配置されており、この改質器３０は、金属の円筒
容器の中に、改質用触媒（例えば、市販の銅／亜鉛系メ
タノール改質用触媒）が詰められて触媒層３１が形成さ
れているものである。

【００３３】改質器３０…の下部は、底面３を貫通して
合流管３２と連通し、合流管３２は外部の燃料電池と連
通している。従って、分岐管４０から改質器３０…の上
部に入った気化燃料は、触媒層３１…を下降しながら改
質反応を起こして改質燃料となり、合流管３２で集めら
れて、外部の燃料電池に送られる。

【００３４】なお、燃料改質装置用気化器は、加熱空気
と液体燃料との間の熱交換を通じて、液体燃料を気化温
度にまで加熱することを目的とした熱交換器の一種であ
る。

【００３５】次に、上記燃料改質装置の主要部である気
化器について、図２に基づいて更に詳細に説明する。気
化器１０は内径９１ｍｍの円筒体であり、この円筒体内
に第１コイル管路２１、第２コイル管路２２、直管２３
ａ及び直管２３ｂからなる一本の燃料管路（外径９．５
ｍｍステンレス管）が、円筒体内壁に接触しないように
して配置されている。前記第１コイル管路２１は、コイ
ル外径１１０ｍｍ、コイル間隙約１ｍｍ、コイル巻数１
５巻、コイル高さ１５７ｍｍのコイル形状をしており、
その流路全長は約５ｍである。また、前記第２コイル管
路２２は、コイル外径１００ｍｍ、コイル間隙約１ｍ
ｍ、コイル巻数１０巻、コイル高さ１０４ｍｍのコイル
形状をしており、その流路全長は約３ｍである。そし
て、上記したように第１コイル管路の下流端は直管２３
ｂを介して第２コイル管路の上流端に接続され、第２コ
イル管路の下流端は直管２３ａに接続されている。

【００３６】また、図２に示すように、第１コイル管路
２１の上部（分岐管４０側）には、第１コイル管路の内
空間と略同様な径の空洞を有するドーナツ状の第１の邪
魔板１０１（Ａ）が、外空間を塞ぐように前記円筒体内
壁に接して配置され、また第２コイル管路の下部（バー
ナー４側）には、第２コイル管路の内空間径と略同様な
空洞を有するドーナツ状の第１の邪魔板１０１（Ｃ）が
上記と同様に配置されている。更に、第１コイル管路の
下流端部と第２コイル管路の上流端部の間には、第２コ
イル管路の外周径とほぼ等しい第２の邪魔板１０２
（Ｂ）が、第２コイル管路の内空間を塞ぐように配置さ
れている。この邪魔板（Ａ）〜（Ｃ）は、耐熱鋼又はス
テンレス鋼を用いて作製した厚み１〜２ｍｍの薄板であ
る。

【００３７】ここで、このような構造の気化器における
加熱空気の動きを説明すると、円筒体下部から供給され
た加熱空気は、先ず前記邪魔板（Ｃ）にじゃまされ第２
コイル管路の内空間に導かれるが、この内空間の上部は
前記邪魔板（Ｂ）で塞がれているので、そのまま上方に
進めない。よって、第２コイル管路のコイル間隙を通っ
て外空間に流出する。

【００３８】このようにして流出した加熱空気は、第１
コイル管路の外側面に接触しながら上昇することになる
が、ここでも前記と同様、外空間の上部は邪魔板（Ａ）
で塞がれているため、今度は第１コイル管路のコイル間
隙を通って再び内空間に入る。

【００３９】第１コイル管路の内空間に入った加熱空気
は第１コイル管路のコイル内側面に接触しながら上昇す
るとになる。このようにして、円筒体下部から供給され
た加熱空気は、蛇行しながら上流から下流に進み、その
間に燃料管路との接触を繰り返すとともに、蛇行の際や
コイル間隙を通る際に攪拌される。つまり、加熱空気と
液体燃料との効率的な熱交換が実現する。

【００４０】なお、図１及び図２中において、矢印Ｘは
加熱空気の流れを示し、矢印Ｙは液体燃料または気化燃
料または改質燃料の流れを示している。 〔比較例１〕前記外筒内に邪魔板を設けない他は上記実
施例１と同様の構造の気化器（図４参照）を組み込んだ
燃料改質装置を作製し、これを比較例１とした。 〔比較例２〕第１の邪魔板（Ａ）及び（Ｃ）をそのまま
とし、第２の邪魔板（Ｂ）を設けなかったことの他は、
前記実施例１と同様の構造の気化器を組込んだ燃料改質
装置を作製し、これを比較例２とした。 〔比較例３〕第１の邪魔板（Ａ）及び（Ｃ）を第２の邪
魔板に交換し、他は前記比較例２と同様の構造の気化器
を組込んだ燃料改質装置を作製し、これを比較例３とし
た。 〔実験〕本実施例の燃料改質装置、及び比較例１、２の
燃料改質装置を用いて、所定の条件でメタノール水溶液
の改質を行い、実施例気化器と比較例気化器との受熱効
率を比較するテストを行った。その結果を表１に示す。

【００４１】尚、燃料改質装置の運転条件は、気化器に
供給されるメタノールの供給速度を８０ml／min とし、
また、バーナの燃焼熱量を４4.３kcal／min とした。

【００４２】

【表１】

【００４３】上記表１から明らかなように、実施例の燃
料改質装置は、比較例１及び２の燃料改質装置に比べ
て、液体燃料の受熱効率、即ちバーナの燃焼熱量に対す
る液体燃料の受熱量が格段に向上した。このことは、実
施例の気化器では比較例１及び２の気化器と比べて、熱
交換効率が向上したことを意味する。

【００４４】このように、本発明において、熱交換効率
が向上するのは、実施例の気化器では、上記したように
加熱空気が蛇行しながら上流から下流に進み、その間に
燃料管路との接触を繰り返すとともに、蛇行の際やコイ
ル間隙を通る際に攪拌される結果、加熱空気の熱エネル
ギーが効率的に燃料管路に授受されるためと考えられ
る。

【００４５】これに対し、比較例１では、燃料管路から
離れたところを通る加熱空気は、殆ど熱交換に寄与する
ことなく上方に直進し排出されてしまうために熱交換効
率が悪くなったと考えられる。

【００４６】他方、外空間または内空間に邪魔板を配置
した比較例１、２では、外空間または内空間を通過する
加熱空気が直進し燃料管路に接触しないで流れ去ってし
まうのを防止するので、熱交換効率がある程度改善され
るものと考えられる。比較例２ではコイル管路の内空間
を、また比較例３ではコイル管路の外空間をそれぞれ直
進してしまうため邪魔板の効果が十分に発揮され得ない
ものと考えられる。更に、表１で、比較例２の方が比較
例３より受熱効率が高かったのは、内空間には直管ａ、
ｂが配置されているので、全体として見た場合、加熱空
気がより多く燃料管路に接触したためと考えられる。

【００４７】以上の結果から、加熱空気の流路に邪魔板
を設けると熱交換効率が改善されること、邪魔板として
は外空間を通る加熱空気の流れをじゃまする第１の邪魔
板と、内空間を通る加熱空気の流れをじゃまする第２の
邪魔板とを設け、且つ第１の邪魔板と第２の邪魔板とが
交互に配置されてあると、熱交換効率が顕著に改善され
ること、が明らかとなった。

【００４８】上記実施例においては、３枚の邪魔板を用
いたが、本発明では第１の邪魔板と第２の邪魔板とが交
互に配置されていればよく、３枚に限定されるものでは
ないことは勿論である。なお、これらの邪魔板の設置位
置は何ら限定されるものではない。

【００４９】図３に、邪魔板を５枚用いた例を示す。一
般に邪魔板の数を多くすると熱交換効率がより向上する
が、その数は管路の長さに応じて適当に配設すれば良
い。

【００５０】また、前記液体燃料の流れるコイル状の管
路には、熱交換表面積を増加させ、或いは熱交換媒体の
攪拌のための突起を設けることも好ましく、この場合、
突起としては、フィンや凸状の突起等が挙げられ、また
フィン形状を例えば板状のものや放射状に拡散する形状
とすることもできる。更に、フィンの向きを内空間或い
は外空間の何れの位置に設けることもでき、流路管の周
囲に螺旋上にフィンを設けることもできる。螺旋上にフ
ィンを設けた場合には螺旋に沿って加熱空気が流れると
いう効果が得られる。

【００５１】また、上記実施例では、コイル管路の間隙
を約１ｍｍとしたが、コイル管路のコイル間隙は何ら限
定されるものではない。一般には、この間隙は、熱交換
効率の面から、加熱空気が通過できる範囲で狭い方が好
ましい。また上記実施例では、外筒として円筒形状を用
いたが、外筒は円筒形状に限定されるものでなく、角形
や四角形であってもよい。

【００５２】本発明では、邪魔板の材質は特に限定され
るものではなく、加熱空気の性質に応じて、熱的安定性
や熱伝導性に優れた材質のものを適当に選択し使用でき
る。

【００５３】

【発明の効果】本発明によれば、第１の邪魔板と第２の
邪魔板を交互に設けるという簡易な手段により、生産コ
ストを殆ど上昇させることなく、熱交換効率に優れた気
化器を提供でき、この気化器を用いることにより、燃料
改質装置の改質効率を顕著に向上させることが可能とな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係わる燃料電池改質装置の概略斜視図
である。

【図２】本発明燃料電池改質装置で用いる気化器の概略
断面図である。

【図３】本発明に係る別の気化器の概略断面図である。

【図４】従来の燃料改質装置ので用いる気化器の概略斜
視図（一部破断面）である。

【符号の説明】

１０ 気化器 １１ 断熱円筒 ２１ 第１コイル管路 ２２ 第２コイル管路 ２３ 直管 ２４ 外空間 １０１ 第１の邪魔板 １０２ 第２の邪魔板

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 上田 雅敏 大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号 三 洋電機株式会社内

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 気化された液体燃料を用いて改質ガスを
   生成する燃料電池用改質装置であって、 加熱空気が流れる外筒と、前記外筒の内部に配置され、
   前記液体燃料が流れるコイル状管路と、前記外筒の内壁
   と前記コイル状管路の外壁との間に形成された外空間を
   塞ぐよう前記外筒の主軸方向に対して略垂直方向に沿っ
   て設けられた第１の邪魔板と、前記コイル状管路の内壁
   側に形成された内空間を塞ぐよう前記外筒の主軸方向に
   対して略垂直方向に沿って設けられた第２の邪魔板とを
   有し、且つ、前記第１の邪魔板と第２の邪魔板とが互い
   に交互に合計３枚以上配置された気化器を備えることを
   特徴とする燃料電池用改質装置。
2. 【請求項２】 前記コイル状管路は、前記液体燃料が前
   記気化器の上方から入り、下方に移動した後にさらに下
   方から上方に移動し、気化器の上方から導出される流路
   を形成することを特徴とする請求項１記載の燃料電池用
   改質装置。
3. 【請求項３】 前記コイル状管路は、前記液体燃料が前
   記気化器内を上方から下方に移動する流路を形成する第
   １コイル管路と、前記気化器内を下方から上方に移動す
   る流路を形成する第２コイル管路とを備えることを特徴
   とする請求項２記載の燃料電池用改質装置。
4. 【請求項４】 前記第１コイル管路と第２コイル管路と
   を接続する配管と、前記第２コイル管路の下流に接続さ
   れた、前記液体燃料を導出するための配管とを、前記内
   空間に有することを特徴とする請求項３記載の燃料電池
   用改質装置。
5. 【請求項５】 前記コイル状管路が、突起を有すること
   を特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の燃料電
   池用改質装置。