JP5564758B2 - 気化装置及び発電装置 - Google Patents
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Description
このような気化装置として、従来では、芯状の多孔質体を加熱手段によって熱することで、長手方向に向かって気液の相変化を行うように構成されており、安定的に液体燃料を気化させる手段として、気化器を2台以上直列に接続された液体気化供給装置が知られている(例えば、特許文献1参照)。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、多孔質体の液体導入部における気泡の発生を抑制し、動作時における脈動を防止して簡便に安定して気化させることができ、その結果、発電性能を安定化させることができる気化装置及び発電装置を提供することを目的としている。
多孔質体と、
前記多孔質体を加熱する熱源と、を備え、
前記多孔質体は、供給される液体が導入される導入部と、前記液体が気化する気化部を有し、
前記熱源による熱量が前記多孔質体に供給されたときの前記導入部における前記液体の気体飽和溶解度が、前記熱源による熱量が前記多孔質体に供給されていないときの前記導入部における前記液体の気体飽和溶解度よりも大きく、前記多孔質体の前記導入部側の平均気孔径が、前記多孔質体の前記気化部側の平均気孔径よりも小さいことを特徴とする。
多孔質体と、
前記多孔質体を加熱する熱源と、を備え、
前記多孔質体は、供給される液体が導入される導入部と、前記液体が気化する気化部を有し、
前記熱源による熱量が前記多孔質体に供給されたときの前記導入部における前記液体の気体飽和溶解度が、前記熱源による熱量が前記多孔質体に供給されていないときの前記導入部における前記液体の気体飽和溶解度よりも大きく、
複数の前記多孔質体が直列に配置され、
複数の多孔質体のうち、前記導入部側に配置された多孔質体の平均気孔径が、前記気化部側に配置された多孔質体の平均気孔径よりも小さいことを特徴とする。
請求項3の気化装置の発明は、
多孔質体と、
前記多孔質体を加熱する熱源と、を備え、
前記多孔質体は、供給される液体が導入される導入部と、前記液体が気化する気化部を有し、
前記熱源による熱量が前記多孔質体に供給されたときの前記導入部における前記液体の気体飽和溶解度が、前記熱源による熱量が前記多孔質体に供給されていないときの前記導入部における前記液体の気体飽和溶解度よりも大きく、
前記多孔質体の前記導入部側の断面積が、前記気化部側の断面積よりも大きいことを特徴とする。
請求項4の発明は、請求項1〜3のいずれか一項に記載の気化装置において、
前記熱源による熱量が前記多孔質体に供給されているときの前記導入部における前記液体の気体飽和溶解度が、前記熱源による熱量が前記多孔質体に供給されていないときの前記導入部における前記液体の気体飽和溶解度よりも大きくなるように、前記多孔質体に液体が供給された時の圧力損失に基づいて、前記多孔質体の平均気孔径が設定されていることを特徴とする。
請求項5の発明は、発電装置において、
請求項1〜4のいずれか一項に記載の気化装置と、
前記気化装置により生成された気体を基に改質ガスを生成する反応装置と、
前記反応装置により生成された改質ガスを基に発電を行う発電セルと、を備えることを特徴とする。
[第一の実施の形態]
図1は、発電装置100の基本構成を示したブロック図である。
発電装置100は、発電用の液体燃料及び水を貯留する液体タンク1と、液体タンク1から供給された水及び液体燃料を気化する気化装置3と、液体タンク1から気化装置3に液体燃料及び水を供給する液体ポンプP1と、気化装置3で気化された水及び液体燃料の混合ガスから改質ガスを生成する反応装置4と、反応装置4で生成した改質ガスを利用して発電を行う発電セル5と、発電装置100全体を制御する制御部6等、を備えている。
液体燃料は、化学燃料単体、あるいは化学燃料と水との混合物であり、化学燃料としては、例えばメタノール、エタノール等のアルコール類やジメチルエーテル等のエーテル類、ガソリンといった水素原子を含む化合物を使用することができる。なお、化学燃料と水との混合物としては、例えばメタノールと水とが均一に混合した混合物が化学反応材料として用いられる。本実施の形態では、例えばメタノールといった液体燃料と水とを均一に混合した混物を用いる例で説明する。
気化装置3は、所定温度(例えば110℃から150℃)に加熱し、水とメタノール等のアルコールの混合液体である液体燃料を加熱して気化し、燃料ガスとなる混合ガスを生成するものである。
気化装置3は、吸液部31、収縮性チューブ32、排出部33、弾性チューブ34、加熱部(熱源)35、断熱ケース36及び温度センサ37を備えている。
気化装置3は、液体ポンプP1から弾性チューブ34を介して吸液部31に水及び液体燃料が供給され、排出部33において加熱部35の熱により吸液部31内の水及び液体燃料を加熱し、気化した液体燃料及び水蒸気を排出部33の排出口332から排出して、反応装置4(図1参照)に供給するものである。そして、反応装置4で水素ガスが生成されて、発電セル5(図1参照)に供給される。
フランジ部333には、温度センサ37が挿入される挿入穴334が径方向に沿って形成されている。なお、上記において、排出部33は金属により形成されるとしたが、排出部33は嵌入された吸液部31に加熱部35による熱を供給するとともに、挿入穴334に挿入される温度センサ37に吸液部31の温度を良好に伝熱する役割を有しており、金属の他、熱伝導率が比較的高い材料で形成するようにしてもよい。
また、断熱ケース36には、フランジ部333の挿入穴334と連通する連通口363が形成されている。
CH3OH+H2O→3H2+CO2・・・(1)
H2+CO2→H2O+CO・・・(2)
2CO+O2→2CO2・・・(3)
H2→2H++2e−・・・(4)
2H++1/2O2+2e−→H2O・・・(5)
また、制御部6には、バルブVが図示しないドライバを介して電気的に接続され、流量計2も電気的に接続されている。制御部6は、流量計2の測定結果を受けて水及び液体燃料の流量を認識できバルブVの開閉動作(開き量の調整を含む)を制御している。
そして、制御部6は、気化装置3、改質器41、燃焼器42及び一酸化炭素除去器43を加熱する発熱体がドライバを介して電気的に接続され、制御部6は、発熱体の発熱量とその停止とを制御するとともに、温度によって変化する発熱体の抵抗値を計測することによって気化装置3、改質器41、燃焼器42及び一酸化炭素除去器43の各反応器の温度を検出することができるようになっている。発熱体は、発電装置100の起動時に気化装置3、改質器41、燃焼器42及び一酸化炭素除去器43をそれぞれ適正な温度に加熱するものであって、燃焼器42が燃焼を開始して安定して加熱できるようになったら、停止あるいは熱量を低減させても良い。
まず、外部電子機器から通信用端子、通信用電極を介して制御部6に作動信号が入力されることによって発電装置100が作動する。これにより制御部6が、エアポンプP2を作動させ、気化装置3の加熱部35の電源372をONにし、温度センサ37によって吸液部31の温度を検出し、検出結果に基づいて所定温度となるように温度制御を行う。また、改質器41、燃焼器42、及び一酸化炭素除去器43の各発熱体も同様に発熱させ、所定温度となるように温度制御する。
そして、制御部6は、気化装置3が所定温度以上であれば、液体ポンプP1の作動、バルブVの開閉動作を行い、これによって液体燃料及び水を気化装置3に供給する。気化装置3に供給された液体燃料及び水は加熱されて気化(蒸発)し、燃料ガス及び水蒸気の混合ガスとなって改質器41に供給される。
発電セル5では、燃料極に供給された水素ガスと、エアポンプP2から供給されて加湿器により加湿された酸素極に供給された空気とを基に発電し、電力を外部に供給する。
比較的低温で保管されていた水及び液体燃料が、ポンプによって送液されて気化装置に近づくにつれて、加熱された吸液部からの熱伝導により液体温度が上昇する。それに伴って水及び液体燃料の気体飽和溶解度が減少するので、水及び液体燃料中の溶存気体量がそれを上回ってしまうと、溶け込めなくなった空気が気泡として析出してしまう。それに対し、液体に対する気体の溶解度が圧力に比例(ヘンリーの法則)することを利用し、吸液部の導入部側の圧力を高く保つ構成とすることで、飽和溶解度を増加させ、温度が上昇した場合に空気などの気体の溶解量が飽和溶解度を上回らないように構成することで気泡の析出を抑えることができる。
まず、吸液部の平均気孔径が25μmの場合、その吸液部を液体が流通することによって発生する圧力損失は約3kPaであった。吸液部の導入部側の圧力が約1気圧の状態では、吸液部の導入部側で気泡が析出する現象が見られた。さらに、吸液部の平均気孔径が6μmの場合、圧力損失は約12kPaと増加したが、約1.1気圧でも前回と同様に気泡が析出する現象が見られた。そして、吸液部の平均気孔径を約2μmとした場合、圧力損失は約25kPaに増加し、吸液部の導入部側の圧力が約1.2気圧のときには気泡の析出が見られなくなった。
このように、吸液部の導入部側の圧力を、液体タンクに保存されていた液体が吸液部の導入部近傍の温度まで加熱されても空気の飽和溶解度を上回らない圧力値(例えば約1.2気圧)にすること(すなわち、吸液部の導入部側がその圧力値となるように吸液部の平均気孔径(約2μm)を設計すること)により、気泡の析出を抑制することが確認できた。
なお、ここでは水を用いて効果を実証したが、ヘンリーの法則が適用可能な溶媒全てにおいてこの効果を期待できるため、メタノール、エタノール、ジメチルエーテル、またはこれらを含んだ混合液などの液体についても当然同様の効果を得ることができる。
図4は、気化装置3Aの概略構成を示す断面図である。
第二の実施の形態の気化装置3Aは、第一の実施の形態と異なり、多孔質体である吸液部31Aの気孔径を導入された水及び液体燃料が気化する気化部(下流側端部)31bA側から水及び液体燃料が導入される導入部(上流側端部)31aA側に向けて徐々に小さくなっている。具体的には、導入部31aA側の気孔径が約2〜6μmであり、気化部31bA側の気孔径は約15〜25μmである。
なお、その他の構成は第一の実施の形態と同様のため、同様の構成部分については同様の数字に英字Aを付してその説明を省略する。
また、吸液部31Aの気化部31bA側の気孔径を変更する必要がないので、良好な燃料気化が可能となる。
図5は、気化装置3Bの概略構成を示す断面図である。
第三の実施の形態の気化装置3Bは、第一の実施の形態の気化装置3と異なり、多孔質体である二つの吸液部311B,312Bが直列に配置されており、導入部側に配置された吸液部311Bの平均気孔径が、気化部側に配置された吸液部312Bの平均気孔径よりも小さくなっている。具体的には、導入部側の吸液部311Bの平均気孔径は約2〜6μmであり、気化部側の吸液部312Bの平均気孔径は約15〜25μmである。そして、これら二つの吸液部311B,312Bは、一方の端面を互いに付き合せて、例えば接着剤等によって接合されている。
なお、その他の構成は第一の実施の形態と同様のため、同様の構成部分については同様の数字に英字Bを付してその説明を省略する。
また、気化部側の吸液部312Bの平均気孔径を変更する必要がないので、良好な燃料気化が可能となる。
図6は、気化装置3Cの概略構成を示す断面図である。
第四の実施の形態の気化装置3Cは、第一の実施の形態の気化装置3と異なり、吸液部31Cの導入部31aC側の断面積が、気化部31bC側の断面積よりも小さくなっている。すなわち、吸液部31Cは、導入部31aC側に向けて突出する凸状に形成されている。また、この導入部31aCの外周面には空隙充填材38Cが充填されており、導入部31aCと充填材38Cの合計断面積が、気化部31bCの断面積と略等しくなっている。そして、充填材38Cの外周面と気化部31bCの外周面とが略面一とされ、収縮性チューブ32Cによって覆われている。空隙充填材38Cとしては、例えば、セラミックなどの焼結体やポリエーテルケトンなどの耐熱性樹脂等を用いることができ、液体燃料が流通しない構造(例えば孔を有さない等)となっている。もちろん吸液部31Cと同じ材料で多孔質体で無いものも使用することができる。
なお、その他の構成は第一の実施の形態と同様のため、同様の構成部分については同様の数字に英字Cを付してその説明を省略する。
また、吸液部31Cの気化部31bC側の断面積を変更する必要がないので、良好な燃料気化が可能となる。
4 反応装置
5 発電セル
31,31A,311B,312B,31C 吸液部(多孔質体)
31a,31aA,31aC 導入部
31b,31bA,31bC 気化部
35,35A,35B,35C 加熱部(熱源)
100 発電装置
Claims (5)
- 多孔質体と、
前記多孔質体を加熱する熱源と、を備え、
前記多孔質体は、供給される液体が導入される導入部と、前記液体が気化する気化部を有し、
前記熱源による熱量が前記多孔質体に供給されたときの前記導入部における前記液体の気体飽和溶解度が、前記熱源による熱量が前記多孔質体に供給されていないときの前記導入部における前記液体の気体飽和溶解度よりも大きく、
前記多孔質体の前記導入部側の平均気孔径が、前記多孔質体の前記気化部側の平均気孔径よりも小さいことを特徴とする気化装置。 - 多孔質体と、
前記多孔質体を加熱する熱源と、を備え、
前記多孔質体は、供給される液体が導入される導入部と、前記液体が気化する気化部を有し、
前記熱源による熱量が前記多孔質体に供給されたときの前記導入部における前記液体の気体飽和溶解度が、前記熱源による熱量が前記多孔質体に供給されていないときの前記導入部における前記液体の気体飽和溶解度よりも大きく、
複数の前記多孔質体が直列に配置され、
複数の多孔質体のうち、前記導入部側に配置された多孔質体の平均気孔径が、前記気化部側に配置された多孔質体の平均気孔径よりも小さいことを特徴とする気化装置。 - 多孔質体と、
前記多孔質体を加熱する熱源と、を備え、
前記多孔質体は、供給される液体が導入される導入部と、前記液体が気化する気化部を有し、
前記熱源による熱量が前記多孔質体に供給されたときの前記導入部における前記液体の気体飽和溶解度が、前記熱源による熱量が前記多孔質体に供給されていないときの前記導入部における前記液体の気体飽和溶解度よりも大きく、
前記多孔質体の前記導入部側の断面積が、前記気化部側の断面積よりも大きいことを特徴とする気化装置。 - 前記熱源による熱量が前記多孔質体に供給されているときの前記導入部における前記液体の気体飽和溶解度が、前記熱源による熱量が前記多孔質体に供給されていないときの前記導入部における前記液体の気体飽和溶解度よりも大きくなるように、前記多孔質体に液体が供給された時の圧力損失に基づいて、前記多孔質体の平均気孔径が設定されていることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の気化装置。
- 請求項1〜4のいずれか一項に記載の気化装置と、
前記気化装置により生成された気体を基に改質ガスを生成する反応装置と、
前記反応装置により生成された改質ガスを基に発電を行う発電セルと、を備えることを特徴とする発電装置。
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