JPS61153957A

JPS61153957A - 燃料蒸発器

Info

Publication number: JPS61153957A
Application number: JP60260401A
Authority: JP
Inventors: Ji Abensu Sandaasu; サンダース・ジ・アベンス; Keiru Uiriamu; ウイリアム・ケイル
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 1984-12-11
Filing date: 1985-11-20
Publication date: 1986-07-12
Anticipated expiration: 2009-11-16
Also published as: DE3582724D1; EP0184814B1; US4588659A; JPH0692875B2; EP0184814A2; EP0184814A3

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】げ）　産業上の利用分野この発明は燃料蒸発器特に燃料電池パワープラントに燃
料ガスを供給するための燃料処理装置に用いられる燃料
蒸発器に関するものである。

に）発明の背景燃料電池パワープラントは汎用蓄電池と似ており、即ち
蓄電池と同様に電極で反応化学物質を消費しながら電流
を発生する。蓄電池において反応化学物質は電極自体に
含まれており電極への反応物の供給は何ら必要としない
。これに反し、燃料１を池パワープラントの電極は不活
性であり、反応物が外部源から電極に供給されねばなら
ない。

汎用型式の燃料電池パワープラントは、反応物として一
般にガスを用いる。通常空気が正極反応物として、水素
が負極反応物として夫々用いられる。この反応水素は一
般に液体もしくはガス状炭化水素燃料の水蒸気改質によ
り得られる。この玉通過する。一方触媒床は前記混合物
を負極反応物として用いるため水素と二酸化炭素（ＣＯ
２）に変換する。よって、燃料電池パワープラントは、
一般に燃料電池の他に、負極もしくは燃料反応ガスを発
生するため、蒸発器と改質触媒床を備えた燃料処理装置
を含んでいる。

燃料電池パワープラントに必要なことは、燃料電池電極
に流れる反応物の率が燃料電池からとり出される電流に
比例していることである。燃料電池への反応物流れは、
一般にファラデーの法則により予め定まった最小率より
も高く、よってすべての反応物は電気化学反応に用いら
れない。負極もしくは燃料反応物の場合、電気化学反応
に用いられなかった過剰燃料はバーナーに送られる。こ
のバーナーが燃料蒸発器と燃料改質器のための熱を発生
する。所定の作動負荷のため、燃料電池とバーナーの燃
料必要量は一定であり、かくて燃料蒸発器と燃料改質器
から燃料電池に供給されねばならない改質燃料流の率を
一定とする。

了解できるように燃料電池の作動負荷が変化したとき、
燃料電池とバーナーの燃料必要量も又変化し、これら変
化した必要量に合わせるため燃料電池への燃料流におけ
る変化を必要とする。燃料電池への燃料流の変化は、燃
料蒸発器の出力燃料流における対応変化のあることを必
要とする。例えば標準ボイラーのような汎用蒸発器が一
定出力流条件下で満足に作動している間か＼る蒸発器は
出力流の変化が必要とされるとき適正に機能しない。出
力流の変化が急速な負荷変化特に低値から高値へ電気出
力負荷の急速な増加に速かに適応しなければならないこ
とは、基本的に事実である。

汎用ボイラーの出力流を急速に変えられないことは、ｖ
Ｊｌにボイラーの慣性により必要な変化率で蒸気の発生
をおくらせることになる。このおくれは燃料電池におけ
るガス状燃料の消耗となり、これは一方出力損失それに
より電池の低下した作動をもたらす。

（ハ）発明の目的従って本発明の目的は燃料電池の負荷の急激な変化に適
応するよう出力流の変化をもたらすべく用いられる燃料
電池パワープラント用蒸発器を提供することである。

その間に環状室を構成する内外壁と、この室の長手方向
に沿って順次配置された多数のリングからなり、この各
リングが内外室壁と夫々接触している内外面をもち、更
に各リングが室の長手方向に沿いリングの反対側に位置
して液体／蒸気流れ空間の間を連通するための通路をも
つ燃料蒸発器で実現される。

蒸発器のこの構成型式で、蒸発器に供給される燃料用の
通路は、リングと室壁間の区域により構成された空間（
即ち液体／蒸気流れ空間）に規制される。その結果、限
定された容積だが拡大された表面積の燃料通路が蒸発器
に亘って作られる。

このことは、一方その流率が燃料入力率の急速な変化に
応じて、急速に変化しつる出力燃料蒸気をもたらす。従
って、蒸発器は燃料電池パワープラントに用いられたと
き、負荷の急激な変化に適応することができる。

以下開示される本発明の実施例において、蒸発器の内外
壁は円筒状であり、リングは円形状である。更に連続す
るリングの連通路は、リングと室壁により規制された全
液体／蒸気流れ容積にわたって実質的に液体流れが占め
るよう１８０度はなれて位置する。これは容積表面との
最大接触従りて最大蒸発効果を保証する。

（ホ）実施例本発明の前記及びその他の特徴は添付図面を参照して以
下の詳細な記述を読むことによりもつと明らかになる。

第１図は本発明による蒸発器を用いた燃料電池パワープ
ラントを示し、前記パワープラント（１）は負極及び正
極部分（２Ａ）（２Ｂ）（図示せず）をもつ燃料電池（
２）を含む。電極部分（２人）及び（２Ｂ）には、燃料
ガスライン（３）から入力燃料ガスが、酸化剤ガスライ
ン（４）から入力酸化剤ガスが夫々供給される。電池で
のこれらガスの電気化学的反応は、給電線（５）（６１
を通じて負荷（７）に供給される電流の発生をもたらす
。

ライン（３）の燃料ガスは燃料改質器（８）と燃料蒸発
器（９）により生成される。特に蒸発器（９）は供給ラ
インαυから炭化水素液体燃料と水を受入れる。ついで
蒸発器は液体燃料と水を蒸発もしくはガス状態に変換し
、蒸発混合物をライン（２）で改質器（８）に送る。

改質器着こおいて、蒸発燃料と水蒸気の混合物は触媒床
を通過する。この触媒は混合物をＨ２ガスとＣＯ２ガス
に変換し、ついでこのガスはライン（３）により燃料電
池負極に送られる。上述の如く前記供給Ｈ２ガスとライ
ン（４）で供給された酸化剤ガスは、電池で電気化学変
換を受けて、負荷（７）へのライン（５１（６Ｊに電流
を発生する。

べく過剰燃料を燃焼する。ついでこの熱は、蒸発と改質
のための熱エネルギーとして蒸発器（９）と改質器（８
）＃ζ与えられる。

了解されるように、負荷（７）の変動もしくは変化は、
負荷に一定出力を供給するためにライン（３）から燃料
電池（２）＃こ送られる燃料ガスの流率にあける対応変
化を要する。一方燃料ガスの流率の変化は、一般に蒸発
器（９）にラインαυで供給される液体燃料の流率を変
えることにより達成される。ついでこれらの変化は、蒸
発器よりライン（１ｚで改質器（８）に供給される燃料
の流率に反映し、一方これは電池（２）にライン（３）
で供給される燃料ガスの対応変化を与える。

本発明の原理によれば蒸発器（９）は、その出力流が負
荷（７）の急激な変化に応じてライン（１１）の液体燃
料流における急激な変化に追従して急速に変化しうるよ
う構成される。特に蒸発器（９）は第２図、第３図及び
第４図にもつと明瞭に示されるように、環状室（至）を
構成する内側円筒壁（社）と外側円筒壁■を含む。この
室の内で室長方向に沿りて、それらの外表面器が内外室
壁閉）■と接触しているリング（財）を配設している。

３１５３図、第４図に示されるようこのリング（財）は
、室にわたり液体及び／又は蒸気の通路のため室壁に密
接してとじこめられた液体／蒸気流れ室間勾を形成する
。一方リングで白められた空間は、液体及び／又は蒸気
により占められないから、液体／蒸気のない空間のを構
成する。

各リング（２）は環状室のの全周にわたり実質的に延長
し、且連通路（イ）（第２図参照）を構成するよう、そ
の長さに沿った一点で切断もしくは遮断されている。各
連通路頭は、その対応リング（至）の直上及び直下の液
体／蒸気流れ空間■間の連通を可能とする。

入口管器はラインＯＤから液体燃料を受入れ、出口管（
３１）はライン■に蒸発燃料ガスを送る。環状蓋（３２
１□は、環状室に液体及び／又は得られた蒸気をとじこ
めるよう、室の頂面及び底面を封口する。

図示のようにリング（財）は円形状であるが、実用上長
円形状をとるようわづかに変形してもよい。

勿論他の形状も亦採用されつる。同様に円形状以外の形
状も内外壁（２１）（２２１に採用してもよい。

実際上蒸発される燃料はラインＩから入口管■に送られ
る。ついで液体は第１の液体／蒸気流れ空間−に沿つた
対向周囲流に分かれ、この流れが対応連通路■で再び一
緒になるまで進む。この点において結合流が連通路（１
）を経て、次の液体／蒸気流れ空間＠ｌこ入り、と＼で
再び２つの周囲流ｌζ分かれる。これらの流れはこの次
の液体／蒸気流れ空間の連通路（ト）で−緒になり、更
に次の液体／蒸気流れ空間に進み、こ＼で前記動作が再
び繰返えされる。

液体はこのようにして進むので、壁（２１）■により継
続的に加熱され、一方壁はバーナー（１４１で発生した
高温ガスにより加熱される。かくて液体は連続的に蒸発
され、それで液体と蒸気は、液体／蒸気流れ空間−と連
通路のを通る。最後に室長さに、沿りた点に到着して、
こ−ですべての液体が蒸発され、得られた蒸気は空間と
連通路に流れつゾけ、所望のガス蒸気として出口ｒ３１
Ｊから出る。

了解できるように、室■内のリングの存在は限定された
液体／蒸気流れ空間もしくは容積を構成し、−ガス加熱
された壁＠■に密接する延長流れ通路を形成する。その
結果、蒸発器（９）は、入口■における燃料の流率変化
に実質的に適応することができる。かくて、蒸発燃料の
出力流率は燃料の入口流率に追従し、それで応答にセけ
る実質的損失はない。

特に蒸発器（９）の入口器における液体燃料流の増加は
、通路への流体の増大もしくは蓄積を起すよりもむしろ
蒸発器の長さに沿った一点に詔ける燃料の全蒸発をもた
らすことがわかった。かくて流体の実質的停滞は何らお
こらず、出力蒸気流率は入口流率の変化に密接且急速に
追従しうる。

蒸発器（９）に導入された液体が最大流路を通ることを
保証するために、リング勿は、各連続するリングの連通
路■がそれに先立つリングの連通路■に比して約１８０
度周囲的に偏位するよう配置されることが望ましい。こ
の構成形式により対向周囲流は、各液体／蒸気流れ空間
の周囲長の実質的半分を取り巻き、かくて通過する通路
長を最大化する。

大部分液体の場合におけるように、蒸発器（９）に受入
れた炭化水素液体は、液体から蒸気への変換に際し容積
の実質的増加（即ち１０００もしくはそれ以上の増加）
を受ける。流体の自由な流れを維持し圧力降下を阻止す
るような方法で、この容積増加に蒸発器（９）が適応す
るよう、リング（財）は第３図に示すよう蒸発長さＩζ
沿りて入口から出口に進むとき増加量で選択的に間隔を
とってもよい。

蒸発器（９）のリング（財）は、分割リング構成をつる
ため、曲げ及び切断される長寸金属管から簡単に作成可
能である。もし管が中空なら、管の両端は流体での充満
から防止するため密閉されねばならない。

第５図及び第６図１ζおいて、第２図乃至ｓ４図の蒸発
器は、汎用バーナーと組合せて用いた汎用の円筒状燃料
改質器中に組込まれている。特に改質器（８）は、その
中ｌこ環状触媒室（転）と環状支持筒關を同心的に取付
けた密閉容器（旬を含む。本発明により構成された蒸発
器（９）が前記支持筒（４ｉ内に同心的に配置されてい
る。

過熱器要素（鏝とバーナー（心が蒸発器（９）上に取付
けられている。蒸発器（９）用の燃料は、簡（４１の壁
内に支持された燃料ライン（！ｉｔにより送られる。蒸
発器の蒸気出力は、ライン（資）で過熱器（財）に送ら
れ、ライン（４Ｂ（４１ｊＩを経て過熱器出口から環状
触媒室（４２１への入口に送られる。得られた反応ガス
は触媒室から孔（５１Ｊを経て送られる。

作動時蒸気化される燃料は燃料ライン□に供給され、蒸
発器（９）の環状室にラインで送られる。バーナー卿で
発生した加熱空気は、蒸発器（９）の内外筒壁の外周に
沿って流下し、これを加熱してこ−を通る液体燃料を加
熱する。

液体燃料はこれにより蒸気化され、蒸発燃料は蒸発器か
らライン（４ηを経て過熱器（４４１を通過する。

更に加熱後蒸発燃料は過熱器からライン（４８）ｆ４１
を経て触媒床（４２に供給される。この触媒床（４１は
又蒸発器壁ｌζ沿りて下方ｌζ流下後触媒床壁ｌζ近接
して上方に流れるバーナー空気で加熱される。蒸気化燃
料は触媒床により燃料ガスに変換され、改質器からの通
路用孔（５１）に送られる。バーナー空気は煙道排気口
ωを通りで容器（社）から出る。

第２図に示されるような燃料蒸発器は、第３図及び第４
図に示す方法で組立てられた。蒸発器部壁＠■は高さ２
０ｃｘで、１．５６票の壁厚をもつ鋼管から作られた。

内外筒壁の直径は夫々６．８８ＣＩ＋半及び９．５８ａｍであった。リング（財）は径ｔ２５ｃ
ｓ＋のへ管から作られた。

蒸発器は、第５図１ζ示す構成をもち且５８重量％のメ
タノールと４２重量％の水を含む燃料で作動するメタノ
ール蒸気改質器の一要素として試験された。改質触媒は
銅−亜鉛酸化物からなり、蒸発器をとりかこむ環状室内
に封入された。この改質器の出力は燃料電池に用いられ
た。

この構成で蒸発器は出力負荷の段階的変動に充分追従す
ることがわかった。特ｔζ高温無負荷作動での燃料消費
率３５ｍ１！／分から定格作動での消費率７０ｆｆｌ／
／分への急激な負荷増大は、電気負荷への出力の中断も
しくは減少なしに実現された。

すべての場合において、前述の構成は本発明の適用を示
す多くの可能な特別の実施例を単に説明するものである
ことが了解される。本発明の意途と範囲を逸脱すること
なしに本発明の原理ζこもとづいて他の多くの変形構成
が容易に考えられる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による蒸発器を用いた燃料電池である。第５図は燃料改質器と組合せた本発明蒸発器の縦断面図
、′ｓ６図は同上の横断面図である。＋１）・・・燃料電池パワープラント、（２）・・・燃
料電池、（８）・・・改質器、（９）・・・蒸発器、（
２υ、■・・・代外円筒壁、■・・・環状室、（至）・
・・リング、（１）・・・連通路、罰・・・液体／蒸気
流れ空間、■・・・入口管、ｃｌｌ）・・・出口管、■
。（２）・・・環状蓋、（９）・・・封口容器、（４２１
・・・環状触媒室、（ａ・・・環状支持筒、（財）・・
・過熱器、α句、（■・・・バーナー。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）液体燃料を燃料蒸気に変換するための蒸発器であ
つて、第１及び第２の間隔を存した壁によりその間に環
状室を構成し、前記室内に長手方向に順次配置されたリ
ングが前記第１及び第２壁と接触して前記室周面に延長
し、前記各リングと各壁が前記蒸発器を流れる流体及び
／又は蒸気の通路となる液体／蒸気流れ空間を構成し、
且前記各リングが、このリングに先立つ前記室内の液体
／蒸気流れ空間とこのリングにつゞく前記室内の液体／
蒸気流れ空間との間の連通を可能とする通路を備えてい
ることを特徴とする燃料蒸発器。
（２）各リングの前記連通路が直前リングの連通路に対
し１８０°周囲的に偏位していることを特徴とする特許
請求の範囲第１項記載の燃料蒸発器。
（３）前記環状室が液体燃料を受入れる入口と生成蒸気
燃料を送り出す出口を有し、環状室の長手方向に沿った
リング間の間隔は出口に近いリングが入口に近いリング
に比してより大きいことを特徴とする特許請求の範囲第
２項記載の燃料蒸発器。
（４）前記第１及び第２壁は円筒状構成であることを特
徴とする特許請求の範囲第３項記載の燃料蒸発器。