JP2005067990A - 改質原料用蒸発器 - Google Patents

Abstract

【課題】 蒸発振動の振幅を抑制する。
【解決手段】 改質原料を上方から下方に向かって流通させる複数の流路と、
この複数の流路を周囲から加熱する加熱手段３と、複数の流路で発生した改質原料の蒸気を、各流路の下方で収集して排出する蒸気収集手段１７，１９とを備える。改質原料が複数の流路に分流するので、液塊の閉塞による蒸発振動が発生した場合でも、蒸発振動の振幅が小さく、しかも、その発生箇所が分散される。また、複数箇所で蒸発振動が発生した場合でも、個々の蒸発振動が同時に発生する確率が小さくなる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、改質原料を蒸発させる蒸発器、特に燃料電池システムの改質器の前段に配設して改質原料を蒸発させる改質原料用蒸発器に関するものである。

従来のこの種の蒸発器は、１本のスパイラル管に液状の改質原料を通過させ、このスパイラル管をバーナ等で加熱することによって、上記改質燃料を蒸発させるように構成されている（例えば、特許文献１参照）。
特許第２７３３８４５号公報

上記構成の蒸発器においては、発生蒸気の流路が改質原料の液塊で閉塞されることがあり、その場合、上記液塊が上流側蒸気の圧力によって押し出される際の衝撃で蒸発振動を発生する。従来の蒸発器は、この蒸発振動の振幅が大きいため、改質原料中のＳ／Ｃ（水と炭化水素のモル比）が変動して、カーボン析出による改質触媒の劣化等の問題を生じることがあった。

本発明は、このような状況に鑑み、蒸発振動が発生した場合でも、その振動の振幅を可及的に抑制することができる改質原料用蒸発器を提供することを目的としている。

本発明に係る改質原料用蒸発器は、上記目的を達成するため、改質原料を上方から下方に向かって流通させる複数の流路と、前記複数の流路を周囲から加熱する加熱手段と、前記複数の流路で発生した前記改質原料の蒸気を、該各流路の下方で収集して排出する蒸気収集手段と、を備えている。

この改質原料用蒸発器は、縦向きに配置された筒状容器と、該容器の上方から改質原料を供給する原料供給手段と、前記容器内に配置されて前記複数の流路を形成する流路形成手段と、を備えることができる。
この場合、前記流路形成手段は、前記容器内に充填した不活性粒子、または前記容器内に縦向きに密集配列させた複数の管、あるいは前記容器内に層状に積み重ねられた多数本の線状体によって構成することができる。

前記原料供給手段は、前記改質原料を拡散して供給する拡散要素を備えることができる。前記拡散要素は、例えばメッシュ金属で形成される。また、前記拡散要素として、前記改質原料を噴霧する噴霧器や、前記改質原料を斜め下方に導く複数本のガイドロッドを採用しても良い。
前記蒸気収集手段は、前記筒状容器の底部に形成されたヘッダ空間を備えることができる。また、前記加熱手段は、前記筒状容器の外周囲に配設した電気ヒータによって構成しても良い。

上記改質原料用蒸発器は、縦方向に同心配置した外筒および内筒と、この外筒と内筒間に形成される円環状の空間内に配置されて前記複数の流路を形成する流路形成手段とを設け、前記加熱手段を前記内筒内に配設するように構成することも可能である。
この場合、前記流路形成手段は、前記円環状の空間内に充填した不活性粒子、または、前記円環状の空間内に層状に積み重ねられた多数本の線状体によって構成することができる。
さらに、上記改質原料用蒸発器は、前記改質原料を導入して、前記複数の流路の上端に分配供給する分配容器をさらに備えても良い。

本発明によれば、改質原料を上方から下方に向かって流通させる複数の流路を備えているので、液塊の閉塞による蒸発振動が発生した場合でも、蒸発振動の振幅が小さく、しかも、その発生箇所が分散される。それ故、蒸発振動の振幅を大幅に抑制して、改質原料中のＳ／Ｃ（水と炭化水素のモル比）の変動を低減することができる。

本発明に係る改質原料用蒸発器は、図１にその一実施形態を示すように、縦向きに配置された円筒状容器１と、この容器１の外周囲に配設した電気ヒータ３と、この電気ヒータ３の周囲を覆う断熱材５とを備えている。

容器１は、改質原料と反応しない金属（例えば、ＳＵＳ）やセラミックス（例えば、アルミナ）等で形成されており、その内部には不活性粒子７が充填されている。不活性粒子７は、例えばアルミナ等のセラミックスで形成され、容器１の底部に設けられた金網等からなる支持板９によって保持されている。不活性粒子７の粒径は、改質原料の圧力損失、伝熱効率等を勘案して設定され、この実施の形態では２〜３ｍｍに設定されている。

不活性粒子７の上面には、メッシュ金属（例えば、ＳＵＳを材料とする）等からなる拡散部材１１が配設され、この拡散部材１１の上面に液供給管１３および１５の下端が当接されている。上記拡散部材１１は、改質原料液を拡散し得るものであればよいので、上記メッシュ金属に限定されず、例えば、金属やセラミック材料の繊維を積層して構成してもよい。なお、液供給管１３，１５の内径は、容器１の内径が２０〜３０ｍｍ程度である場合、１ｍｍ以下に設定することが望ましい。
上記容器１には、改質原料として、水および液体燃料(例えば、灯油)がそれぞれ蒸気液供給管１３および１５を介して供給される。供給された水および液体燃料は、図２に示すように、該拡散部材１１内に染み出して拡散された後、粒子７群中に流入する。

その後、改質原料は不活性粒子７群中を流下し、その流下中に電気ヒータ３で加熱されて気化する。なお、改質原料が水および灯油の場合には、容器１の表面温度が例えば３００℃に保持されるように図示していない温調装置によって電気ヒータ３を制御することが望ましい。また、電気ヒータ３と容器１との間に熱伝導性の良好なセメント状の伝熱物質を介在させれば、電気ヒータ３の発熱を容器１に効率良くかつ一様に伝達することができる。

上記容器１中で気化された改質原料は、前記支持板９およびこの支持板９の下方に形成されたヘッダ空間１７を通って排出管１９に排出された後、図示していない改質器によって改質処理される。
上記ヘッダ空間１７は、不活性粒子７の偏流を抑制するために設けたものである。ヘッダ空間１７が存在しない場合には、改質原料が排出管１９に向って流下する傾向、つまり、改質原料が容器１の中央部をより多く流れる傾向を示すことになる。
これに対して、ヘッダ空間１７を設ければ、該ヘッダ空間１７が蒸気を一時的に蓄積するバッファとして機能することから、容器１の全域において改質原料を流下させることができる。これにより、熱交換効率が向上され、かつ、水の蒸気と液体燃料の蒸気の混合も一層促進されることになる。

この実施の形態に係る改質原料用蒸発器は、少なくとも以下のような効果を奏する。
（ａ） 容器１内に不活性粒子７を充填した構成を有するので、各不活性粒子７相互間の隙間によって改質原料を上方から下方に向かって流通させる多数の流路が形成される。それゆえ、液塊の閉塞による蒸発振動が発生した場合でも、蒸発振動の振幅が小さく、しかも、その発生箇所が分散される。また、複数箇所で蒸発振動が発生した場合でも、個々の蒸発振動が同時に発生する確率が小さくなる。それ故、蒸発振動の振幅が大幅に抑制されて、改質原料中のＳ／Ｃ（水と炭化水素のモル比）の変動を低減することができる。
（ｂ） 不活性粒子７によって改質原料液体の鉛直下向きの流下が妨害されるので、その滞留時間が長くなり、その結果、気化性が向上する。
（ｃ） 不活性粒子７によって改質材料に対する熱の伝達性が向上する。
（ｄ） 水と灯油等のような混合しにくい液体を改質原料として用いた場合でも、不活性粒子７の拡散作用によって水の蒸気と灯油等の蒸気との混合が促進される。これは、上記Ｓ／Ｃの変動の低減に寄与する。
（ｅ） 拡散部材１１が改質原料の間欠滴下を防止するので、Ｓ／Ｃの変動が低減される。もし、前記拡散部材１１が存在していないとすると、特に改質原料の供給流量が微小であるときに、この改質原料が表面張力によって液供給管１３および１５の先端から間欠的に滴下することになり、これは、上記Ｓ／Ｃの変動の一因になる。図３は、改質原料の間欠滴下の態様と、この間欠滴下に伴う液の流量変化とＳ／Ｃの変動の形態を例示している。
上記拡散部材１１は、改質原料が水のみの場合、あるいは液体燃料等のみの場合でも、蒸気発生量の安定化手段として有効である。とくに、石油燃料のような沸点の異なる化合物の混合液体が改質原料である場合の蒸気発生量の安定化に有効である。
（ｆ） 上記（ａ)〜（ｅ)の相乗効果により、蒸気中の原料比を一定に保ちながら極めて安定に改質材料を蒸発させることができる。なお、この実施の形態に係る蒸発器は、水のみ、あるいは灯油等の液体燃料のみに適用することももちろん可能である。

図４に示すように、上記液供給管１３および１５にそれぞれニードル弁等の絞り弁２１および２３を設けることができる。この絞り弁２１および２３を設ければ、その上流側から供給される改質原料の流量がその下流側における圧力変動の影響を受けにくくなる。このため、改質原料の供給量が安定化されて、結果的に蒸気発生量も安定化されることになる。

ところで、液体燃料が例えばメタノールのような水と容易に混合できるものである場合には、図５に示すように、水と液体燃料を混合器２５で予め混合した後に容器１に供給しても良い。
なお、水と灯油のような混合しにくい液体同士を１本の液供給管を介して容器１に供給しようとすると、それらの液体相互が分離するため、供給される液（改質原料）自体のＳ／Ｃが不連続となる。そして、これは発生蒸気中におけるＳ／Ｃの不安定化を招く。

図６および図７は、それぞれ前記拡散部材１１の代替手段を例示したものである。図６に示す噴霧器２７は、液供給管１３，１５の下端（先端）にそれぞれ設けられている。噴霧器２７は、改質原料である水や液体燃料を不活性粒子２群上に噴霧するので、それらが広い範囲に散布されることになる。要するに、噴霧器２７は、前記拡散部材１１と同様に、水および液体燃料の間欠的な滴下を防止して、それらを広範囲に分散供給する。

図７に示す複数本のガイドロッド２９は、液供給管１３，１５の下端開口から垂直および斜め下方に向かって配設されている。すなわち、個々のガイドロッド２９は、それらの下端が不活性粒子２群上の複数の箇所に分布して位置されるように配列設置されている。
上記複数のガイドロッド２９は、そのガイド作用により改質原料である水および液体燃料を不活性粒子２群上の異なる位置に誘導する。したがって、前記拡散部材１１と同様に、水および液体燃料の間欠的な滴下を防止して、それらを広範囲に分散供給する。

図８は、本発明に係る改質原料用蒸発器の第２の実施形態を示している。この第２の実施形態は、前記第１の実施形態における不活性粒子７の代わりに多数の管３１を配設した点のみにおいて該第１の実施形態と相違する。管３１は、ＳＵＳやアルミナ等のセラミック材料で形成され、容器１の軸線方向に沿うように、かつ、隣接する管３１相互の周面が接するように、容器１内に密集配置されている。なお、図８では、上記管３１群、容器１および支持板９を除く他の構成要素を省略してある。

上記管３１群の上部開口には、図２に示す拡散部材１１や図６に示す噴霧器２７、あるいは図７に示すガイドロッド２９を介して改質原料（水および／または液体燃料）が分散供給される。そして、各管３１に供給された改質原料は、それらの内部を流下する間に加熱されて気化し、前記支持板９を介して容器１から排出される。
この第２の実施形態によれば、改質原料を上方から下方に向かって流通させる流路が上記管３１群によって多数形成される。それゆえ、前記第１の実施形態と同様に、蒸発振動の振幅を大幅に抑制して、改質原料中のＳ／Ｃの変動を低減することができる（詳しい理由は、前記第１の実施形態についての記載事項（ａ）を参照）。

図９は、本発明に係る改質原料用蒸発器の第３の実施形態を示している。この第３の実施形態は、前記第１の実施形態における不活性粒子７の代わりにランダムパス層３３を配設した点のみにおいて該第１の実施形態と相違する。
上記ランダムパス層３３は、例えばＳＵＳやアルミナ等のセラミック材料からなる湾曲した多数本の線状体をそれらが層を形成するように絡み合わせた構造を有し、前記支持板９上に配置されている。

ランダムパス層３３の上方には、図２に示す拡散部材１１や図６に示す噴霧器２７、あるいは図７に示すガイドロッド２９を介して改質原料（水および／または液体燃料）が分散供給される。ランダムパス層３３に流入した改質原料は、該層３３を構成する線状体相互の間を流下する間に加熱されて蒸気となり、支持板９を介して容器１外に排出される。

この第３の実施形態によれば、上記ランダムパス層３３を構成する多数本の線状体が改質原料を上方から下方に向かって流通させる多数の流路を形成するので、前記第１の実施形態と同様に、蒸発振動の振幅を抑制して、改質原料中におけるＳ／Ｃの変動を低減することができる。また、水と灯油等のような混合しにくい液体を改質原料として用いた場合でも、ランダムパス層３３の拡散作用によって水の蒸気と灯油等の蒸気との混合が促進される。

図１０は、本発明に係る改質原料用蒸発器の第４の実施形態を示している。この第４の実施形態は、縦方向に配設した外筒３５の内周面と、この外筒３５の内方に同軸状に配設した内筒３７の外周面とによって環状の空間３９を形成し、この環状空間３９に不活性粒子７０を充填してある。また、内筒３７の内方に伝熱管４１を配設するとともに、この伝熱管４１内にバーナ４３を配設してある。内筒３７の底部は底板４５によって封止され、また、伝熱管４１の下端縁は底板４５から所定距離だけ上方に位置されている。なお、不活性粒子７０は、上記環状空間３９の下部に配設した金網等からなる環状の支持板４７によって保持されている。

この第４の実施の形態においては、矢印で示すように、改質原料の液が上記環状空間３９の上方から供給されて不活性粒子７０群中を流下する。一方、バーナ４３によって加熱された空気は、伝熱管４１の下端縁と底板４５間の隙間を通って、該伝熱管４１と内筒３７との間に形成された環状空間４７内に流入する。その後、加熱空気は、上方に向ってこの環状空間４７を通過し、その通過中に内筒３７を介して上記改質原料および不活性粒子７０を加熱する。したがって、上記改質原料は、不活性粒子７０群中を流下している間に気化されて、上記支持部材４７の下方に排出される。

この第４の実施形態によれば、改質原料を上方から下方に向かって流通させる多数の流路が上記不活性粒子７０によって形成されるので、前述した第１の実施形態の効果(ａ)〜（ｄ）と同様の効果を得ることができる。なお、上記不活性粒子７０に代えて、図９に示すようなランダムパス層３３を設けても良い

図１１は、本発明に係る改質原料用蒸発器の第５の実施形態を示している。この第５の実施形態は、それぞれ扁平な密封円筒体からなる分配容器４９および収集容器５１を上方および下方に有し、この分配容器４９および収集容器５１を複数本の管５３ａ〜５３ｄを介して連通させた構成を有する。各管５３ａ〜５３ｄは、長さを大きくするために途中にループ部を形成しているが、必ずしもループ部を形成しなくても良い。
なお、上記管５３ａ〜５３ｄのループ部は、改質原料を連続して下方に送るために、下方に傾斜した形状を持たせてある。したがって、管５３ａ〜５３ｄを流通する改質原料およびその蒸気が上方に向って移動することはありえない。

分配容器４９の上面には、液供給管５５が連結されている。この液供給管５５を介して分配容器４内に供給された改質原料（水または灯油等の液体燃料）は、上記各管５３ａ〜５３ｄに分配された後、これらの管５３ａ〜５３を流下する。一方、各管５３ａ〜５３ｄの外周囲には、図示していない発熱源（電気ヒータ、バーナ等）によって加熱された空気等の熱ガスが流通している。したがって、上記改質原料は、管５３ａ〜５３ｄを流下している間に気化され、その蒸気が収集容器５１よって収集される。そして、収集容器５１に収集された蒸気は、該容器５１の下面に連結された蒸気排出管５７を介して下方に排出される。

この第５の実施形態によれば、上記管５３ａ〜５３ｄによって形成された複数のパスを改質原料が流通するので、前記第１の実施形態と同様に、蒸発振動の振幅を抑制して、改質原料中におけるＳ／Ｃの変動を低減することができる。

図１２は、本発明に係る改質原料用蒸発器の第６の実施形態を示したものである。この第６の実施形態は、上端を開口させた複数の管５９ａ〜５９ｆと、これらの管５９ａ〜５９ｆの下端が連結された扁平な密封円筒体からなる収集容器６１とを備えている。上記各管５９ａ〜５９ｆは、それぞれ異なる形状を呈するように湾曲させ、かつ互いの長さを相違させてある。また、この管５９ａ〜５９ｆは、改質原料を連続して下方に送るために、途中が上方に向くような形状にならないように配慮されている。

この実施の形態においては、管５９ａ〜５９ｆの上端開口に改質原料（水または灯油等の液体燃料）が供給され、また、各管５９ａ〜５９ｆの外周囲に図示していない発熱源によって加熱された空気等の熱ガスが流通する。したがって、管５９ａ〜５９に供給された改質原料は、これらの管５９ａ〜５９ｆを流下する間に気化され、その蒸気が収集容器６１よって収集される。そして、収集容器６１に収集された蒸気は、該容器６１の下面に連結された蒸気排出管６３を介して下方に排出される。

この第６の実施形態によれば、上記管５９ａ〜５９ｆによって形成された複数の通路を改質原料が流通するので、蒸発振動の振幅を抑制して、改質原料中におけるＳ／Ｃの変動を低減することができる。
なお、上記各実施の形態に係る改質原料用蒸発器は、燃料電池システム以外の機器に適用する改質原料用蒸発器としても有効である。

本発明に係る改質原料用蒸発器の第１の実施形態を示す断面図である。 拡散部材の作用を示す拡大図である。 改質原料の間欠滴下の態様と、この間欠滴下に伴う改質原料の流量変化とＳ／Ｃの変動の形態を例示した図である。 絞り弁を設けた状態を示す断面図である。 混合器を設けた状態を示す断面図である。 噴霧器によって改質原料を拡散させている状態を示す図である。 ガイドロッドによって改質原料を拡散させている状態を示す図である。 本発明に係る改質原料用蒸発器の第２の実施形態を示す斜視図である。 本発明に係る改質原料用蒸発器の第３の実施形態を示す斜視図である。 本発明に係る改質原料用蒸発器の第４の実施形態を示す断面図である。 本発明に係る改質原料用蒸発器の第５の実施形態を示す斜視図である。 本発明に係る改質原料用蒸発器の第６の実施形態を示す斜視図である。

符号の説明

１ 容器
３ 電気ヒータ
５ 断熱材
７，７０ 不活性粒子
９ 支持板
１１ 拡散部材
１３，１５，５５ 液供給管
１７ ヘッダ空間
１９，５７，６３ 蒸気排出管
２１，２３ 絞り弁
２５ 混合器
２７ 噴霧器
２９ ガイドロッド
３１ 管
３３ ランダムパス層
３５ 外筒
３７ 内筒
４３ バーナ
４９ 分配容器
５１，６１ 収集容器
５３ａ〜５３ｄ 管
５９ａ〜５９ｆ 管

Claims (15)

1. 改質原料を上方から下方に向かって流通させる複数の流路と、
   前記複数の流路を周囲から加熱する加熱手段と、
   前記複数の流路で発生した前記改質原料の蒸気を、該各流路の下方で収集して排出する蒸気収集手段と、
   を備えることを特徴とする改質原料用蒸発器。
2. 縦向きに配置された筒状容器と、該容器の上方から改質原料を供給する原料供給手段と、前記容器内に配置されて前記複数の流路を形成する流路形成手段と、を備えることを特徴とする請求項１に記載の改質原料用蒸発器。
3. 前記流路形成手段が前記容器内に充填した不活性粒子で構成されていることを特徴とする請求項２に記載の改質原料用蒸発器。
4. 前記流路形成手段が前記容器内に縦向きに密集配列させた複数の管で構成されていることを特徴とする請求項２に記載の改質原料用蒸発器。
5. 前記流路形成手段が前記容器内に層状に積み重ねられた多数本の線状体によって構成されていることを特徴とする請求項２に記載の改質原料用蒸発器。
6. 前記原料供給手段は、前記改質原料を拡散して供給する拡散要素を備えることを特徴とする請求項２〜５のいずれかに記載の改質原料用蒸発器。
7. 前記拡散要素がメッシュ金属で形成されていることを特徴とする請求項６に記載の改質原料用蒸発器。
8. 前記拡散要素が前記改質原料を噴霧する噴霧器であることを特徴とする請求項６に記載の改質原料用蒸発器。
9. 前記拡散要素が前記改質原料を斜め下方に導く複数本のガイドロッドを備えることを特徴とする請求項６に記載の改質原料用蒸発器。
10. 前記蒸気収集手段が前記筒状容器の底部に形成されたヘッダ空間を備えることを特徴とする請求項２に記載の改質原料用蒸発器。
11. 前記加熱手段が前記筒状容器の外周囲に配設した電気ヒータであることを特徴とする請求項２〜５のいずれかに記載の改質原料用蒸発器。
12. 縦方向に同心配置した外筒および内筒と、この外筒と内筒間に形成される円環状の空間内に配置されて前記複数の流路を形成する流路形成手段とを設け、前記加熱手段を前記内筒内に配設したことを特徴とする請求項１に記載の改質原料用蒸発器。
13. 前記流路形成手段が前記円環状の空間内に充填した不活性粒子で構成されていることを特徴とする請求項１２に記載の改質原料用蒸発器。
14. 前記流路形成手段が前記円環状の空間内に層状に積み重ねられた多数本の線状体によって構成されていることを特徴とする請求項１２に記載の改質原料用蒸発器。
15. 前記改質原料を導入して、前記複数の流路の上端に分配供給する分配容器をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の改質原料用蒸発器。

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