WO2015002182A1 - 蒸発装置及びこれを使用した燃料電池システム - Google Patents

蒸発装置及びこれを使用した燃料電池システム Download PDF

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tube
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heating
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平川　誠
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住友精密工業株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to an evaporation apparatus suitable for producing steam used for reforming raw fuel in a fuel cell system, and a fuel cell system using the same.
  • SOFC SolidSoOxide Fuel Cells
  • a fuel electrode is arranged on one surface side of a thin solid electrolyte layer made of a sintered body such as yttria stabilized zirconia (YSZ), and an air electrode is arranged on the other surface side.
  • YSZ yttria stabilized zirconia
  • a laminated body having a structure is used as a single battery cell.
  • Ni and YSZ cermets are used as the fuel electrode, and lanthanum strontium manganite (LSM) is used as the air electrode. Both are porous sintered bodies.
  • a solid oxide fuel cell In the operation of a solid oxide fuel cell, it is obtained by preheating and reforming from a raw material of a hydrocarbon system such as natural gas or LPG on the fuel electrode side of a unit cell under a high temperature condition of 700 to 1000 ° C. Hydrogen-rich reducing gas is supplied as fuel gas, and preheated air is supplied to the air electrode side as oxidizing gas. Thereby, an electromotive force is generated between the fuel electrode side and the air electrode side of the single battery cell. Since the voltage here is as low as 1 V or less, a flat battery cell is used as a cell stack by stacking a plurality of cells in the thickness direction and connecting them in series.
  • a hydrocarbon system such as natural gas or LPG
  • the first is a steam reforming method of an endothermic catalytic reaction in which a hydrocarbon-based raw fuel mainly composed of methane (CH4) such as city gas is reformed into a hydrogen-rich reducing gas by steam.
  • the second is a partial oxidation reforming method of an exothermic catalytic reaction in which a hydrocarbon-based raw fuel is reformed into a hydrogen-rich reducing gas by partial oxidation using air.
  • the third method is a method in which steam reforming and partial oxidation reforming are used in combination, and the former endothermic reaction and the latter exothermic reaction are combined and thermally independent. From the viewpoint of power generation efficiency in the fuel cell system, the first steam reformed gas is preferred.
  • an evaporator used to generate steam used for steam reforming it is heated from the outside by radiant heat from the cell stack or combustion heat of exhaust gas (unused gas called off-gas) discharged from the cell stack.
  • exhaust gas unused gas called off-gas
  • water is supplied into a heating chamber and evaporated, and one of them is described in Patent Document 1.
  • water is supplied onto an inclined heating surface in a heating chamber heated from the outside by the combustion heat of exhaust gas discharged from the cell stack, and vapor is generated by evaporation.
  • FIG. 5 is a graph showing the water droplet behavior on the heating surface, and shows the relationship between the heating surface temperature and the water droplet life on the heating surface.
  • the heating surface temperature is a non-boiling region up to about 110 ° C., and droplets on the heating surface wet and evaporate on the heating surface. For this reason, the droplet life is rapidly shortened as the temperature of the heating surface increases.
  • the heating surface temperature is 110 to 160 ° C., it is a nucleate boiling region, and droplets on the heating surface greatly spread on the heating surface and rapidly boil and disappear. This is the temperature region with the highest evaporation efficiency.
  • the heating surface temperature is between 160 and 300 ° C.
  • the water droplets on the heating surface are broken into several parts and behave like dancing on the heating surface. This is the Leidenfrost phenomenon.
  • the life of the droplet on the heating surface increases with the temperature of the heating surface, and increases to the same extent as when the heating surface temperature is several tens of degrees Celsius.
  • the heating surface temperature is higher than 300 ° C.
  • the liquid droplet remains stationary as a spheroid. This is called a spheroidal state, and the life of the droplet decreases as the heating surface temperature increases.
  • the steam generation efficiency decreases when the heating surface temperature is in the temperature range of 200 to 300 ° C. where the extension of the droplet life due to the Leidenfrost phenomenon becomes prominent. Further, even in the subsequent high temperature region, the effect of the droplet life that has once been prolonged due to the Leidenfrost phenomenon remains, so the state of low water vapor generation efficiency continues. Therefore, from the viewpoint of water vapor generation efficiency, it is important that the heating surface temperature does not reach such a temperature range.
  • the heat insulation of the heating chamber is effective from the viewpoint of lowering the heating surface temperature, but in order to inhibit the heating surface temperature from increasing at the start of operation, the rise characteristic at the start of operation is deteriorated. If the rise characteristics at the start of operation are taken into consideration, it is necessary to rapidly heat the heating surface in the heating chamber by setting the heat source temperature, that is, the atmospheric temperature outside the heating chamber, to a high temperature.
  • any of the countermeasures cannot be a drastic solution to the problem because the heating surface needs to be heated to a high temperature and rapidly, and the temperature of the heating surface cannot be lowered.
  • the object of the present invention is not to reduce the heating power for heating the heating chamber for steam generation from the outside or to insulate the heating chamber, thereby bringing the heating surface in the heating chamber into a high temperature region affected by the Leidenfrost phenomenon. While maintaining this, the high-efficiency evaporator that can effectively avoid the decrease in steam generation efficiency due to the Leidenfrost phenomenon, and the steam generation efficiency using this, and thus the reforming efficiency, and at the start of operation An object of the present invention is to provide a fuel cell system having excellent rise characteristics.
  • the present inventor has proposed that the heating surface in the heating chamber for steam generation is heated to a high temperature of 200 ° C. or more by heating from the outside, and that the heat insulation that inhibits heating from the outside is performed in the heating chamber.
  • the inventors have intensively studied a technology that can drastically solve the Leidenfrost phenomenon on the heating surface in the heating chamber and the problem of the reduction in water vapor generation efficiency.
  • the effectiveness of disposing a porous body having heat resistance, flexibility and water absorption in contact with the heating surface in the vicinity of the heating surface in the heating chamber is found, and the heat resistance, flexibility and water absorption are found.
  • the present inventor has been developing a fuel cell by paying attention to the effectiveness of a helical tube as a constituent member of a steam generation heating chamber in a fuel cell evaporator.
  • the heating chamber is configured by the spiral tube, the surface area can be increased as compared with an annular body having the same outer shape as that of the spiral tube, so that the heating efficiency in the heating chamber is increased.
  • the space utilization efficiency in the casing of the fuel cell is further increased, and it is possible to contribute to the miniaturization of the fuel cell from both sides.
  • the present inventor paid attention to the foam metal sheet as a porous body having heat resistance, flexibility and water absorption instead of the woven fabric of alumina long fibers, rounded this into a cylindrical shape, and inserted it into a spiral metal tube, The aptitude test was repeated again.
  • the Leidenfrost phenomenon is as effective as the woven fabric of alumina long fibers, and there is no risk of tube clogging, which is a problem with woven fabrics of alumina long fibers, and it can withstand long-term use. I was able to confirm.
  • the evaporation apparatus of the present invention has been completed on the basis of such knowledge, and is mainly composed of a heating chamber that evaporates water supplied along the internal heating surface by being heated from the outside, and the heating. And a foamable member disposed in contact with the heating surface in the vicinity of the heating surface in the room.
  • the foamable member mainly composed of metal exhibits heat resistance, flexibility and water absorption without blending of silica, which is a problem in a woven fabric of alumina long fibers, and has no danger of blockage due to precipitates.
  • the metal-based foamable member is disposed in contact with the heating surface in the vicinity of the heating surface in the heating chamber. For this reason, the foamable member is efficiently heated by the heating surface.
  • the water supplied along the heating surface in the heating chamber is adjacent to the foaming member without directly contacting the heating surface because the foaming member is disposed in contact with the heating surface in the vicinity of the heating surface. It circulates through the space to be in contact with the heated foamable member. As a result, the water penetrates into the foamable member before reaching the heating surface and substantially evaporates, so even if the temperature of the heating surface is in the high temperature range affected by the Leidenfrost phenomenon, the effect is I do not receive it. That is, the water that has permeated into the foamable member substantially ends evaporation while diffusing in the foamable member toward the heating surface.
  • the heating surface is often a flat surface or a curved surface with a moderate curvature.
  • the helical tube is desirable from the viewpoint of heating efficiency and space efficiency, as described above.
  • the structural member of the heating chamber is a tube
  • the inner surface of the tube is a heating surface
  • the foamable member is a sleeve-like sheet that is disposed in the vicinity of the inner surface of the tube and in contact with the inner surface of the tube.
  • water is supplied from the upstream end of the tubular body to the space inside the sleeve-like sheet, and in the process of flowing and supplying the space along the inner surface of the tubular body downstream, It diffuses and penetrates and finishes evaporation before reaching the inner surface of the tube.
  • the sleeve-like sheet placed as a foamable member in the pipe may be a molded product, but if economic considerations are taken into consideration, the flat sheet is rolled and press-fitted into the pipe, and the springback force at that time
  • the sheet is preferably brought into contact with the inner surface of the tube body. At that time, it is desirable from the viewpoint of eliminating a cut (gap) in the pipe circumferential direction that both ends in the pipe circumferential direction of the sheet rolled and press-fitted into the pipe body are overlapped overlapping parts. If there is a cut (gap) between both ends of the sheet in the tube circumferential direction, the inner surface of the tube body is exposed at that portion, and there is a risk of causing the Leidenfrost phenomenon. Moreover, it is preferable to arrange the overlapping portion in parallel with the center line of the tubular body from the viewpoint of preventing leakage of water from the overlapping portion.
  • the sleeve-like sheet is also arranged from the upstream end which is a water supply part of the pipe body to at least a part of the downstream side.
  • the pipe from the upstream end to the whole downstream side, the water supplied into the pipe usually finishes evaporating in the middle of the downstream side.
  • the shaped sheet can be omitted.
  • the structure of the efficient evaporation apparatus is a cylindrical pipe part arranged vertically and adjacent to the helical pipe part on the downstream side of the helical pipe part which is arranged vertically and water is supplied from the upper part to the lower part.
  • the water vapor generated in the spiral tube portion which is the water vapor generating portion, is temporarily stored in the cylindrical tube portion on the downstream side, heated there, and also subjected to pressure fluctuations (pulsations) accompanying water evaporation.
  • pressure fluctuations (pulsations) accompanying water evaporation By being absorbed and suppressed, high-temperature water vapor can be stably supplied to the customer. That is, the cylindrical tube portion functions as a buffer tank for the generated water vapor.
  • a similar pulsation suppressing effect also has a sleeve-like sheet disposed as a foamable member in the tube.
  • the heating chamber of the evaporation apparatus is highly efficient when it is a tube, and particularly high in the heating chamber of a spiral tube.
  • a highly efficient spiral tube is particularly suitable for a small fuel cell having an output of 1 kW or less, for example.
  • the spiral tube also has a small bending radius. Even in such a small radius spiral tube, the sleeve-like sheet is inserted into the straight tube, and the straight tube is inserted into the spiral tube after insertion. It is possible to insert a sleeve-like sheet into the tube by bending it into a tube.
  • the sleeve-like sheet inserted into the straight tube undergoes buckling deformation by bending the spiral tube and partially separates from the inner surface of the tube, thereby It was confirmed that the adhesion to the lip was reduced and the effect of preventing the Leidenfrost phenomenon was reduced.
  • the sleeve-like sheet is a simple type obtained by rounding a flat sheet, both ends (overlapping portions) in the pipe circumferential direction are opened along with buckling deformation, and the reduction of the Leidenfrost phenomenon prevention effect becomes remarkable.
  • the present inventor considered a Leidenfrost countermeasure instead of inserting a sleeve-like sheet.
  • the chain here is a chain in which rings such as a circle or an oval are continuously connected. If the chain can be bent in all directions around the center line, it can be inserted into a helical tube with a small bending radius without any problem. .
  • the tube body is an inclined tube, whereby the chain is placed on the inclined floor surface of the inclined tube, and the turbulent flow of water mainly circulating in the vicinity of the floor surface is promoted.
  • the steam flows smoothly around the ceiling surface.
  • the evaporator when the evaporation device has a spiral tube portion, the evaporator is disposed on the upstream side or the downstream side of the spiral tube portion, and extends vertically from the bottom to the upstream end or the downstream end of the spiral tube portion.
  • the sleeve-like sheet made of a metal-based foamable material is left as it is, but in the spiral tube portion, the sleeve-like sheet is replaced with a heat-resistant chain.
  • a heat-resistant material capable of avoiding thermal deterioration due to heating of the evaporator is required, and typically there is a refractory metal such as SUS, but a non-metal such as ceramics may be used.
  • the metal-based foamable material is, in other words, a metal-based foam material.
  • the fuel gas in the fuel cell is a hydrogen-rich reducing gas, so it is important that the reactivity with the reducing gas is good. Specifically, exposure to the reducing gas is important.
  • the metal oxide is reduced to return to the original metal, and nickel is particularly preferable from the viewpoints of the redox characteristics, heat resistance, corrosion resistance, and the like.
  • Ceramics, etc. can be used as inclusions other than metals, and the content is limited to 30% by volume or less so as not to impair required properties (heat resistance, flexibility, water absorption, durability, etc.).
  • a foam material made of a single metal that is, a foam metal is preferable. Therefore, the most preferable foamable member is a foamable material made of nickel alone, that is, foamed nickel.
  • foamed nickel is manufactured as follows. Conductivity is imparted to the foamed urethane sheet having communication holes by electroless nickel plating, and electrolytic nickel plating is performed thereon. Then, after heating in an oxidizing atmosphere, heating is continued in a reducing atmosphere such as ammonia decomposition gas. Urethane is burned away by a series of heating. Nickel is left behind to become nickel oxide when heated in an oxidizing atmosphere in the first stage. However, nickel remains in the inside by maintaining the foamed shape, and nickel oxide is heated by heating in a reducing atmosphere in the second stage. Returning to nickel, it becomes completely foamed nickel.
  • the evaporation apparatus of the present invention is suitable for use in the production of steam used for steam reforming to produce a hydrogen-rich reducing gas supplied as a fuel gas to the fuel electrode of a solid oxide fuel cell.
  • a hydrogen-rich reducing gas supplied as a fuel gas to the fuel electrode of a solid oxide fuel cell supplied as a fuel gas to the fuel electrode of a solid oxide fuel cell.
  • exhaust heat exhausted along with the operation of the solid oxide fuel cell specifically, radiant heat from the cell stack or exhausted from the cell stack.
  • Exhaust gas that is, combustion heat of unused gas called off-gas, or a combination thereof is preferable.
  • the evaporation apparatus of the present invention was used to generate steam used for steam reforming to generate a hydrogen-rich reducing gas supplied as fuel gas to the fuel electrode of the solid oxide fuel cell. It is a fuel cell system of the present invention.
  • Solid oxide fuel cells include solid oxide fuel cells and polymer electrolyte fuel cells.
  • the present invention is suitable for solid oxide fuel cells having a high operating temperature. This is because if the operating temperature is high, the temperature of the evaporation device also becomes high, and the Leidenfrost phenomenon tends to occur.
  • the wick made of sleeve-like foamed nickel uses the capillary phenomenon to promote liquid transport, but the transport direction is the pipe centerline direction, and the gas flows in the reverse direction on the inside.
  • the sleeve-like foamed nickel or foam metal in the evaporation apparatus of the present invention diffuses the water supplied to the inner space of the sleeve outward in the radial direction in the process of transporting in the center line direction of the space.
  • the wick in the heat pipe means that the flow direction of the liquid in the sleeve-shaped foam metal is different, the state of the liquid and the gas is completely different, and the functions are completely different.
  • the foamable member mainly composed of metal is disposed in contact with the heating surface in the vicinity of the heating surface in the heating chamber heated from the outside, the foamable member is more efficient than the heating surface.
  • the water supplied along the heating surface in the heating chamber does not directly contact the heating surface and permeates the porous body before reaching the heating surface and substantially evaporates. Therefore, there is no possibility that the Leidenfrost phenomenon occurs even if the temperature of the heating surface is in a high temperature range where the Leidenfrost phenomenon becomes a problem. For this reason, the inside of the heating chamber can be strongly heated from the outside, and high steam generation efficiency can be maintained.
  • the foamable member is also effective in suppressing pressure fluctuations (pulsations) that occur with water evaporation.
  • the evaporation apparatus of the present invention is used, for example, for generating steam used for steam reforming to generate hydrogen-rich reducing gas supplied as fuel gas to the fuel electrode of a solid oxide fuel cell.
  • high-temperature steam can be efficiently and stably generated and used for reforming, and it contributes to improvement of steam reforming efficiency and thus to improvement of power generation efficiency while maintaining good start-up characteristics at the start of operation.
  • the fuel cell system of the present invention is used to generate steam used for steam reforming for generating hydrogen-rich reducing gas supplied as fuel gas to the fuel electrode of a solid oxide fuel cell. Since the apparatus is used, it is possible to improve the steam reforming efficiency, and hence the power generation efficiency, while maintaining good start-up characteristics at the start of operation.
  • FIG. 1 It is a conceptual diagram of the fuel cell system which shows one Embodiment of this invention. It is a cross-sectional view of the tubular body showing the main configuration of the evaporation device used in the fuel cell system. It is a longitudinal cross-sectional view which shows the other structural example of an evaporator. It is shape explanatory drawing of the heat-resistant chain used for the same structural example. It is a graph which shows the water droplet lifetime tendency on a heating surface.
  • the fuel cell system of the present embodiment is configured by housing various devices such as a cell stack 20 in a thermally insulated casing 10 as shown in FIG.
  • the cell stack 20 serving as a power generation unit is configured by laminating plate-like interconnectors (separators) in the thickness direction while sandwiching flat single-cell cells, which are the smallest structural unit of a solid oxide fuel cell, together with a current collector.
  • the laminated body is configured by pressurizing and holding in the laminating direction.
  • each unit cell is composed of a flat solid electrolyte layer made of yttria-stabilized zirconia, a flat fuel electrode made of Ni and YSZ cermets laminated on one surface side of the solid electrolyte layer, and It is a circular or square flat plate having a three-layer structure composed of a thin flat plate-like air electrode made of lanthanum strontium manganite (LSM) laminated on the other surface side of the solid electrolyte layer.
  • LSM lanthanum strontium manganite
  • a hydrocarbon system mainly composed of methane (CH 4) such as city gas is used to generate fuel gas supplied to the fuel electrode side of the cell stack 20.
  • a heat exchanger 50 that preheats air supplied to the air electrode side of the stack 20, an evaporator 60 that generates steam used for steam reforming in the reformer 30, and the like.
  • the reformer 30 combusts unreacted fuel gas (fuel offgas) generated on the fuel electrode side of the cell stack 20 and unreacted air (air offgas) generated on the air electrode side of the cell stack 20. And a catalyst part that is loaded with a catalyst necessary for steam reforming and that is heated by high-temperature combustion exhaust gas generated in the combustion part.
  • the burner type preheater 40 includes a burner 41 that burns fuel gas supplied from the outside of the casing 10 by air supplied from the outside of the casing 10, and a radiant tube 42 connected to the upper side of the burner 41. Yes.
  • the radiant tube 42 is made of a metal tube that is erected vertically.
  • the radiant tube 42 is disposed adjacent to both the cell stack 20 and the reformer 30 and allows high-temperature combustion exhaust gas generated in the burner 41 to pass therethrough. Is heated to a high temperature from the inside.
  • the combustion exhaust gas that has passed through the radiant tube 42 merges with the air off-gas from the cell stack 20 and is introduced into the reformer 30.
  • the heat exchanger 50 preheats the air supplied to the air electrode side of the cell stack 20 by exchanging heat with the combustion exhaust gas discharged from the reformer 30.
  • the evaporation device 60 is arranged vertically and is adjacent to the straight pipe portion 61 extending linearly from the lower side, which is the upstream side to which water is supplied, and the downstream side of the straight pipe portion 61.
  • the straight pipe portion 61 extending linearly from the lower side, which is the upstream side to which water is supplied, and the downstream side of the straight pipe portion 61.
  • a cylindrical pipe portion 63 extending linearly as a main constituent member.
  • the straight pipe part 61 is a pipe start-up part and constitutes a water vapor generating part together with the downstream helical pipe part 62.
  • the spiral tube portion 62 is a main component of the water vapor generating portion, and is concentrically disposed on the outer surface side of the radiant tube 42 in the burner type preheater 40 in order to increase the heating efficiency. Accordingly, the spiral tube portion 62 is heated from the outside and the inside by the outer cell stack 20 and the reformer 30 and the inner radiant tube 42.
  • the cylindrical pipe part 63 constitutes a buffer tank that temporarily retains the water vapor generated in the straight pipe part 61 and the helical pipe part 62.
  • the tubular body constituting the straight pipe part 61 and the helical pipe part 62 It consists of a large-diameter cylindrical tube, and has a water vapor inlet at the lower end and a water outlet at the upper end.
  • the water vapor derived from the water vapor outlet is introduced into the reformer 30 and mixed with the hydrocarbon-based raw fuel gas also introduced into the reformer 30.
  • the inside of the tube body 67 constituting these serves as a heating chamber 68 and the inner surface of the tube body 67 is connected to the heating surface 69 as shown in FIG. Become.
  • a sleeve-like sheet made of nickel foam is inserted over the entire length of the straight tube portion 61 and the spiral tube portion 62 as a metal-based foamable member 64 in the vicinity of the inner surface of the tube body 67, that is, the outer peripheral portion.
  • the sleeve-like sheet as the foamable member 64 is configured by rounding a flat-plate foamed nickel sheet, and the outer peripheral surface is brought into contact with the inner surface of the pipe portion by a springback force accompanying the rounding.
  • Both ends of the sleeve-like sheet in the pipe circumferential direction are overlapped portions 65 having a predetermined overlap, and the overlapped portions 65 extend along the center lines of the tubular bodies 67 constituting the straight tube portion 61 and the spiral tube portion 62. It extends linearly.
  • the water vapor generating part composed of the straight pipe part 61 and the spiral pipe part 62 is, for example, a long straight pipe body 67 of 3 m, for example, a straight foamed nickel sheet rounded in a straight pipe, and the straight pipe is rolled by an air gun. It is manufactured by press-fitting over the entire length, and thereafter forming the straight pipe into a straight pipe section 61 and a helical pipe section 62.
  • the thickness of the foamable member 64 that is, the occupation ratio in the heating chamber 68 is also important.
  • the foamable member 64 shown in FIG. 2 that is, the sleeve-like sheet made of nickel foam
  • the sheet thickness T becomes too small, and there is a possibility that water that has penetrated into the sleeve-like sheet passes through the sheet in the thickness direction and reaches the heating surface 69 of the heating chamber 68.
  • the sheet thickness T is preferably 0.02 to 0.2 times, and particularly preferably 0.05 to 0.15 times the inner diameter D of the tube body 67.
  • the sheet thickness T of the sleeve-like sheet was selected to be 1 mm with respect to the outer diameter of the pipe body 67 constituting the water vapor generating portion being 12 mm and the wall thickness being 1 mm. That is, the sheet thickness T is 0.1 times the inner diameter D of the tube body 67.
  • Ceramic beads here alumina beads, are loaded into the horizontal connecting pipe 66 between the helical pipe 62 and the cylindrical pipe 63 located on the downstream side of the water vapor generating section to form an orifice.
  • the hydrogen-rich reducing gas that has passed through the fuel electrode side of the cell stack 20 is introduced into the combustion section of the reformer 30.
  • the air that has passed through the air electrode side of the cell stack 20 is introduced into the combustion section of the reformer 30 together with the high-temperature combustion exhaust gas discharged from the burner type preheater 40.
  • the mixed gas of reducing gas and air burns without an ignition device.
  • the high-temperature combustion exhaust gas accompanying the combustion promotes preheating of the catalyst part of the reformer 30 and further preheats the air supplied to the air electrode side of the cell stack 20 by passing through the heat exchanger 50. To do.
  • unused fuel gas fuel off-gas
  • air off gas air off gas
  • the evaporator 60 is heated by the radiant heat from the cell stack 20 and the reformer 30, continues to generate steam, and supplies the steam to the reformer 30.
  • the water vapor generation mechanism in the evaporation device 60 will be described in detail.
  • the pure water supplied to the evaporation device 60 is supplied into the spiral tube portion 62 through the straight tube portion 61. Since a sleeve-like sheet made of foamed nickel is inserted in contact with the inner surface as the heating surface 69 as a metal-based foamable member 64 at the outer peripheral portion in the tube body 67 constituting the tube portion 62.
  • the pure water supplied to circulates in the inner space of the sleeve-like sheet and permeates into the sleeve-like sheet in the process.
  • the pipe body 67 constituting the straight tube portion 61 and the spiral tube portion 62 is heated to a high temperature by radiant heat from the radiant tube 42 of the burner type preheater 40 during preheating and by radiant heat from the cell stack 20 during power generation. It is heated and the temperature of the inner surface which is the heating surface 69 is also high. For this reason, the sleeve-like sheet is also strongly heated from the outer surface side. As a result, the pure water that has permeated the sleeve-like sheet evaporates in the process of diffusing outward, and almost completes evaporation before reaching the inner surface, which is the heating surface 69.
  • the evaporation of pure water supplied to the evaporation device 60 starts in the straight tube portion 61 and is completed in the middle of the spiral tube portion 62 having a long flow path length and a large heat receiving area at the latest.
  • the steam thus generated passes through the orifice portion filled with alumina beads in the connection pipe portion 66, temporarily stays in the cylindrical pipe portion 63 which is a buffer tank, receives further heating, and receives the reformer 30. Supplied to.
  • the volume rapidly expands due to the evaporation of pure water in the straight tube portion 61 and the spiral tube portion 62, but the orifice portion and the buffer tank effectively suppress the pressure change accompanying the expansion, and the reformer The influence on 30 is slightly suppressed.
  • the evaporator 60 generates steam efficiently without being affected by the Leidenfrost phenomenon.
  • the heating of the evaporator 60 at the start of operation is performed directly and strongly by the radiant heat mainly from the burner type preheater 40, and the straight tube 61 and the spiral tube that are the water vapor generating part of the evaporator 60 62, and the inner surface, which is the heating chamber 68 and the heating surface 69, are heated to a high temperature in a short time, so that the operation of the tube 67 is avoided despite the influence of the Leidenfrost phenomenon. There is no adverse effect on the start-up characteristics at the start.
  • the preheating acceleration effect by the burner type preheater 40 can be enjoyed to the maximum, and the start-up characteristics at the start of operation are also good.
  • the evaporator 70 is arranged in a vertical direction, and is arranged in a vertical direction adjacent to the helical tube portion 71 and a helical tube portion 71 that extends in a spiral shape from an upper side on the upstream side to a lower side on the downstream side.
  • the main component member is a straight tube portion 72 that is connected to the downstream side of the spiral tube portion 71 and linearly extends from the lower portion on the upstream side toward the upper portion on the downstream side.
  • the spiral tube portion 71 is connected to the downstream straight tube portion 72 by a horizontal tube portion 77 and constitutes a water vapor generating portion together with these tube portions. Similar to the spiral tube portion 62 of the evaporator 60 in the previous embodiment, the spiral tube portion 71 constituting the main body of the water vapor generating portion is concentrically disposed on the outer surface side of the radiant tube 42 in the burner type preheater 40. Thus, the spiral tube portion 71 is heated from the outside and the inside by the outer cell stack 20 and the reformer 30 and the inner radiant tube 42 (see FIG. 1).
  • a heat resistant chain 73 is inserted from the upstream end of the spiral tube 71 to the downstream end of the horizontal tube 77 in the spiral tube 71 and the horizontal tube 77 which is a connecting tube.
  • the heat-resistant chain 73 is a kind of chain that continuously connects the rings, and twists each of the oval rings to increase the bending movable range around the center line.
  • the chain is a metal chain made of SUS refractory metal.
  • the heat-resistant chain 73 is placed on the inclined floor surface of the inclined tube constituting the spiral tube portion 71, and is disposed in the vicinity of the floor surface (here, in the lower half portion). .
  • the upstream pipe end face of the spiral pipe 71 that is, the upper open end face, is closed by a short vertical pipe 74 joined to the end face at approximately 90 degrees.
  • a lower end surface of the vertical tube 74 is closed by an upstream end portion of the spiral tube portion 71.
  • the upper end surface of the vertical tube 74 opens as an opening 75 for inserting the heat-resistant chain 73 into the spiral tube 71.
  • an upstream opening 75 that intersects (is orthogonal to) the fluid flow direction is provided at the upstream end of the spiral tube portion 71.
  • Reference numeral 78 denotes a water supply pipe connected to the vertical pipe 74 for supplying water into the spiral pipe portion 71, and faces the same direction as the fluid flow direction at the upstream end of the spiral pipe portion 71.
  • a sleeve-like sheet made of foamed nickel similarly to the straight tube portion 61 of the evaporator 60 in the previous embodiment, a sleeve-like sheet made of foamed nickel, particularly a sleeve-like sheet rounded flat plate-like foamed nickel sheet, While being inserted over the entire length, the outer peripheral surface is brought into contact with the inner surface of the tubular body by a springback force accompanying the rounding of the foamed nickel sheet.
  • the maximum width (maximum width W of each ring) and the thickness d of the ring material are important.
  • the maximum width of the heat-resistant chain 73 (maximum width W of each ring) is required to be smaller than the inner diameter D of the tube body in order to insert the heat-resistant chain 73 into the tube body constituting the helical tube portion 71. More strictly, it is preferably 0.5 times or more and 0.7 times or less of the inner diameter D of the tube body. If the maximum width of the heat-resistant chain 73 (maximum width W of each ring) is too small, the effect of generating turbulent flow in the water introduced into the spiral tube portion 71 becomes small. On the other hand, if it is too large, the flow resistance of water and steam increases, and the degree of freedom of bending of the heat-resistant chain 73 in the pipe decreases, which makes it difficult to insert the heat-resistant chain 73 into the pipe. There is.
  • the thickness d of the ring material As for the thickness d of the ring material, the ratio to the maximum width W of the ring is important. If this ratio is too large, the degree of freedom of bending of the heat-resistant chain 73 is lowered, making it difficult to insert into the tube, and water or steam. On the contrary, when the flow resistance is too small, the flow resistance is too small, and the effect of generating turbulent flow in the water introduced into the spiral tube portion 71 is reduced. From this viewpoint, the thickness d of the ring material is preferably 0.1 times or more and 0.3 times or less as a ratio to the maximum width W of the ring.
  • the evaporator 70 having such a structure is assembled as follows.
  • a straight pipe which is a constituent material of the spiral pipe part 71, the horizontal pipe part 77 and the straight pipe part 72 is bent, and the vertical pipe 74 is joined by welding to form the spiral pipe part 71, the horizontal pipe part 77 and the straight pipe part 72.
  • the heat resistant chain 73 is inserted into the spiral tube portion 71 and the horizontal tube portion 77 from the opening 75 provided at the upstream end of the completed spiral tube portion 71.
  • the heat-resistant chain 73 can be bent in all directions around the center line, and since the friction with the inner surface of the tube body is small, the heat-resistant chain 73 can be smoothly inserted along the inclined inner surface of the spiral tube portion 71 using its own weight. Is done.
  • the lid body 76 attached to the base end thereof is airtightly welded to the upper end of the vertical tube 74, whereby the opening 75 is closed by the lid body 76, and the spiral tube portion 71 and The heat resistant chain 73 is held over the entire length of the horizontal pipe portion 77.
  • the heat-resistant chain 73 may be inserted into a portion that becomes the spiral tube portion 71 and the horizontal tube portion 77 in the straight tube before bending, and then bending may be performed. Since the heat-resistant chain 73 in the pipe body has a high degree of freedom of bending around the center line, there is no risk of deformation even when the pipe body is bent.
  • a flat foamed nickel is formed from the downstream end portion (upper end portion) into the tubular body of the completed straight tube portion 72.
  • the sheet is rolled and press-fitted over the entire length with an air gun. If press-fitting after bending is difficult, a flat foam nickel sheet is rolled into the straight pipe 72 at the straight pipe before bending and press-fitted with an air gun, and then the straight pipe 72 is formed by bending. May be. In the straight tube portion 72, even if the foamed nickel sheet is rolled and inserted before bending, the tubular body is not processed by the bending, so that the rounded foamed nickel sheet in the tube does not deform. .
  • the heat-resistant chain 73 is inserted into the tube from the spiral tube portion 71 to the horizontal tube portion 77 of the evaporator 70, and the foamed nickel sheet is inserted into the tube forming the straight tube portion 72 in a rounded manner.
  • Pure water is supplied to the evaporator 70 via the water supply pipe 78.
  • the supplied pure water is supplied from the spiral tube portion 71 through the horizontal tube portion 77 into the straight tube portion 72.
  • the evaporator 70 is heated to a high temperature by radiant heat from the radiant tube 42 of the burner type preheater 40 during preheating and by radiant heat from the cell stack 20 during power generation.
  • a heat resistant chain 73 is inserted in the spiral tube portion 71 over the entire length.
  • the pure water supplied to the spiral pipe portion 71 collides with the heat resistant chain 73 in the pipe body to generate a turbulent flow and scatters violently, so that it flows downstream while avoiding contact with the inner surface of the pipe body.
  • the tubular body constituting the spiral tube portion 71 is an inclined tube.
  • the pure water in the pipe flows in the vicinity of the inclined bottom surface.
  • the heat resistant chain 73 in the tubular body is placed on the inclined bottom surface and is disposed near the bottom surface (here, the lower half of the tubular body) to cover the bottom surface.
  • the pure water in the tubular body efficiently collides with the heat-resistant chain 73 on the bottom surface and scatters while avoiding contact with the inclined bottom surface of the tubular body. For this reason, even if the inner surface of the tube is heated to a temperature range in which the Leidenfrost phenomenon occurs, the evaporation proceeds efficiently while effectively avoiding the Leidenfrost phenomenon.
  • the spiral tube portion 71 mainly passes through the vicinity of the inclined ceiling surface in the tube (here, the upper half of the tube). This portion in the tube has a low airflow resistance because the heat-resistant chain 73 does not exist. This is also one of the reasons that the water vapor generation efficiency is high in the spiral tube portion 71 in which the heat resistant chain 73 is disposed.
  • Evaporation of pure water supplied to the evaporator 70 starts in the upstream spiral tube 71 and is completed in the middle of the downstream horizontal tube 77 or straight tube 72 at the latest.
  • the remaining pure water flows into the straight pipe part 72 from the horizontal pipe part 77 together with the steam, and the evaporation is finished.
  • the steam thus generated is used for steam reforming in the fuel cell reformer 30 as in the evaporator 60 in the previous embodiment (see FIG. 1).
  • a sleeve-like sheet made of foamed nickel is inserted in contact with the inner surface of the pipe body at the outer peripheral portion of the pipe constituting the straight pipe portion 72, and thus flows into the pipe.
  • Pure water circulates with the steam in the inner space of the sleeve-like sheet, and permeates into the sleeve-like sheet in the process.
  • the pure water that has permeated the sleeve-like sheet evaporates in the process of diffusing outward, and almost completes evaporation before reaching the inner surface of the tubular body.
  • the straight tube portion 72 is a buffer tank similar to the cylindrical tube portion 63 of the evaporator 60 in the previous embodiment.
  • the insertion of the heat-resistant chain 73 into the horizontal tube portion 77 can be omitted. Further, depending on the degree of evaporation in the spiral tube portion 71, it is not necessary to insert the heat-resistant chain 73 in the entire length of the spiral tube portion 71, and insertion from the upstream end portion to the intermediate portion can be performed.
  • nickel foam (sleeve-like sheet) disposed in the vicinity of a tube inner surface (heating surface) in a tube body (heating chamber) heated from the outside in contact with the tube inner surface (heating surface) ) was investigated for superiority to other materials. Further, the superiority of the heat resistant chain (SUS type twist chain) disposed in the pipe body (heating chamber) over other materials was examined.
  • Other materials include foam metal sheets made of SUS heat-resistant metal, metal mesh made of SUS heat-resistant metal, expanded metal made of SUS heat-resistant metal, and woven fabric of alumina long fibers (alumina sleeve). I picked up. The survey results are shown in Table 1.
  • the survey items are material availability (market distribution), workability, adhesion to the inner surface of the tube, water absorption, pressure pulsation suppression effect, durability in a steam atmosphere, behavior in a reducing atmosphere (reducing property), and into the tube.
  • the evaluation was made into four grades of excellent ()), good ( ⁇ ), acceptable ( ⁇ ), and impossible ( ⁇ ), and the allowable range here was two steps of excellent ( ⁇ ) and good ( ⁇ ).
  • workability is evaluated based on workability and material condition when a material is inserted into a straight pipe having an outer diameter of 12 mm over a length of 4 m, and the workability of the pipe after insertion. It can be inserted in the whole area by press-fitting with an air gun, and the pipe can be bent after insertion is "Excellent ( ⁇ )".
  • a tube that can be bent after insertion is defined as “good ( ⁇ )”.
  • the material is rounded and can be inserted for the time being, it can be inserted only halfway due to buckling, etc., “Yes ( ⁇ )”. If the material cannot be rounded, or the insertion itself is not possible. The case where it was impossible was set as "impossible (x)".
  • Adhesion with the inner surface of the tube is evaluated by the contact state with the inner surface of the tube when the material is inserted into a straight tube having an outer diameter of 12 mm, an inner diameter of 10 mm, and a length of 30 cm.
  • excellent ( ⁇ ) The case where a large contact area could not be secured, and the case where a gap could occur in a wide range due to the expansion and contraction of the material was determined as “Yes ( ⁇ )”, and the case where the gap was generated in a wide range and surely was determined as “No (x)”.
  • Water absorption was evaluated in four levels: excellent ( ⁇ ), good ( ⁇ ), acceptable ( ⁇ ), and impossible ( ⁇ ). The denser and the higher the porosity, the better the penetration of water droplets into the material by capillary action.
  • the effect of suppressing pressure pulsation is evaluated by an experiment in which a material is actually inserted and placed on the outer periphery of the tube, and water is supplied to the sample and heated, compared to when no material is inserted into the tube.
  • excellent ( ⁇ ) indicates that the effect is large
  • good ( ⁇ ) indicates that the effect is small, and evaluation is not possible if the effect has not been confirmed by the experiment.
  • Durability in a steam atmosphere is evaluated by the degree to which the material is altered by chemical reaction due to steam oxidation, and it is judged that materials with heat resistance and corrosion resistance that can be thickened are not easily affected by oxidation. If the evaluation is “Excellent ( ⁇ )” and the material has heat resistance and corrosion resistance and the wire diameter cannot be increased, it is judged that there is a risk of damage due to oxidation. If no damage was observed in the 200-hour continuous operation in the sample test, “good ( ⁇ )”, when the silica (SiO 2) in the material was melted and re-solidified by steam oxidation, clogging was confirmed “No” (x), and “ ⁇ ” that cannot be evaluated when the effect of the experiment could not be confirmed.
  • the behavior (reducing property) in a reducing atmosphere was evaluated by the reactivity with the reducing gas. This is because the steam generating tube is used in a fuel gas line of a fuel cell, and therefore there is a risk of exposure to a reducing gas such as hydrogen gas. Therefore, it is necessary to confirm the influence on the reducing gas. Because there is.
  • the oxidized metal returns to the original metal in a reducing atmosphere, it is “excellent ( ⁇ )”. Once oxidized, it does not return to the original metal even if exposed to the reducing atmosphere, and the effect of oxidation accumulates. However, the case where the oxidation resistance was excellent was judged as “good” ( ⁇ ), and the case where an adverse effect occurred in the reducing atmosphere was judged as “impossible ( ⁇ )”.
  • Fixing to the pipe body is the fixing strength of the material installed in the pipe. If there is no risk of displacement due to the fluid flowing in the pipe without taking fixing measures, “Excellent ( ⁇ )”, pipe If the risk of misalignment due to fluid is removed without bending measures by bending, “Good ( ⁇ )”, although aggressive fixing measures are required, but the fixing measures are simple, such as welding Is “possible ( ⁇ )”, an active fixing measure is necessary, and the case where the fixing measure is complicated is set to “impossible ( ⁇ )”.
  • the turbulent flow effect indicates the degree to which water supplied into the pipe becomes turbulent by the material arranged in the pipe.
  • the case where turbulent flow can be expected is defined as “good ( ⁇ )”
  • the case where slight turbulent flow can be expected is defined as “possible ( ⁇ )”
  • the case where turbulent flow cannot be expected is defined as “impossible ( ⁇ )”.
  • the followability of spiral processing is the followability of the material in the pipe when the straight pipe is processed into a spiral shape after the material is inserted into the straight pipe.
  • the straight diameter has an outer diameter of 12 mm, an inner diameter of 10 mm, and a length of 3 m. After the material was inserted into the tube, the degree of abnormal deformation that occurred in the material in the tube when the straight tube was bent into a spiral tube with a radius of 30 mm was investigated and evaluated by incising the spiral tube.
  • the material other than the chain was rolled into a sheet and inserted into a straight pipe.
  • the ring length L is 8.5 mm
  • the maximum width W of the ring is 5.7 mm
  • the thickness d of the ring material is 1.2 mm with respect to the pipe inner diameter D of 10 mm. did.
  • the material disposed in contact with the inner surface of the tube (heating surface) in the vicinity of the inner surface (heating surface) of the tube (heating chamber) heated from the outside is nickel foam and
  • the items excluding the turbulent flow effect and the spiral processing followability are excellent ( ⁇ ) or good ( ⁇ ) and are within an allowable range.
  • the difference between these materials and other materials is that they are excellent in adhesion to the inner surface of the tube and water absorption. This compensates for the poor turbulence effect.
  • the poor followability of spiral machining can be compensated by making the object a straight pipe or a spiral pipe having a large bending radius.
  • the adhesion to the inner surface of the pipe and the water absorption are poor, and as a result, the evaporability deteriorates, but this can be compensated by the turbulent flow effect.
  • the overall evaluation with a straight pipe is not good. This is because in the case of a straight tube, the chain in the tube does not sufficiently contact the inner surface of the tube, and the exposed surface increases.
  • the tube constituting the evaporator is an inclined tube, and the chain in the tube contacts the bottom surface in the inclined tube by gravity. The water in the inclined pipe passes near the bottom surface while being in contact with the bottom surface.
  • the problem with alumina long fiber fabrics is the durability in a steam atmosphere and the behavior in a reducing atmosphere.
  • the silica (SiO2) in the fiber used to make alumina a flexible fiber is used. Melting and re-condensing by steam oxidation cause clogging of the tube. In the latter case, the silica (SiO 2) is reduced to Si in a reducing atmosphere, and the fiber is lost.

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Abstract

　水蒸気生成用の加熱室内を外部から加熱するための加熱力の低下や加熱室の断熱を行わず、これにより加熱室内の加熱面をライデンフロスト現象の影響を受ける高温域に維持したままで、そのライデンフロスト現象による水蒸気生成効率の低下を効果的に回避できる高効率な蒸発装置を提供する。これを実現するために、外部から加熱される管体６７の内部に形成された加熱室６８内の加熱面６９近傍に、金属を主体とする発泡性部材６４として、発泡ニッケルからなるスリーブ状シートを、前記加熱面６９と接触する状態で全周にわたり配置する。スリーブ状シートの内側に供給された水が、その内側を通過する途中で周囲のスリーブ状シートに拡散浸透し、加熱面６９に到達する前に蒸発を終える。

Description

蒸発装置及びこれを使用した燃料電池システム
　本発明は、燃料電池システムにおける原燃料の改質に使用される水蒸気の生成に適した蒸発装置、及びこれを使用した燃料電池システムに関する。
　代表的な燃料電池の一つとして、固体酸化物形燃料電池〔ＳＯＦＣ（Solid Oxide Fuel Cells）〕がある。この燃料電池では、通常、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）などの焼結体からなる薄い固体電解質層の一方の表面側に燃料極が配置され、他方の表面側に空気極が配置された３層構造の積層体が、単電池セルとして使用される。燃料極としてはＮｉとＹＳＺのサーメットなどが使用され、空気極としてはランタンストロンチウムマンガナイト（ＬＳＭ）などが使用される。いずれも多孔質の焼結体である。
　固体酸化物形燃料電池の運転では、７００～１０００℃という高温の条件下で単電池セルの燃料極側に、天然ガスやＬＰＧなどの炭化水素系の原燃料から、予熱及び改質を経て得た水素リッチの還元性ガスを燃料ガスとして供給し、空気極側へは酸化性ガスとして予熱された空気を供給する。これにより、単電池セルの燃料極側と空気極側との間に起電力が生じる。ここにおける電圧は１Ｖ以下と低いために、平板型の単電池セルでは複数枚を厚み方向へ積層し直列に接続してセルスタックとして使用される。
　ところで、ここにおける原燃料の改質法としては、次の３種類が知られている。一つ目は、都市ガスなどのメタン（ＣＨ４　）を主体とする炭化水素系の原燃料を、水蒸気により水素リッチの還元性ガスに改質する吸熱触媒反応の水蒸気改質法である。二つ目は、同じく炭化水素系の原燃料を、空気を用いた部分酸化により水素リッチの還元性ガスに改質する発熱触媒反応の部分酸化改質法である。三つ目は、水蒸気改質と部分酸化改質とを併用したもので、前者の吸熱反応と後者の発熱反応とを組み合わせて熱的に自立させる方法である。燃料電池システムにおける発電効率の観点からは、１番目の水蒸気改質ガスが好ましいとされている。
　水蒸気改質に使用される水蒸気の生成に使用される蒸発装置としては、セルスタックからの輻射熱やセルスタックから排出される排ガス（オフガスと呼ばれる未使用ガス）の燃焼熱等により外部から加熱される加熱室内に水を供給し、蒸発させるものが一般的であり、その一つが特許文献１に記載されている。特許文献１に記載された蒸発装置では、セルスタックから排出される排ガスの燃焼熱により外部から加熱される加熱室内の傾斜した加熱面上に水を供給し、蒸発させることにより水蒸気を生成する。
　このような燃料電池用蒸発装置における問題点の一つは、熱源がセルスタックからの輻射熱にしろ、セルスタックからの排ガスエネルギーにしろ、熱源温度が数百℃と高いために、加熱室内の加熱面の温度が２００～３００℃となる場合が少なくなく、そうなった場合に発生するライデンフロスト現象による水蒸気生成効率の低下である。以下にこのライデンフロスト現象による水蒸気生成効率の低下の問題について説明する。
　図５は加熱面上の水滴挙動を示すグラフであり、加熱面温度と加熱面上の水滴寿命との関係を示している。加熱面温度が１１０℃程度までは非沸騰領域であり、加熱面上の液滴は加熱面上を濡らし蒸発する。このため、液滴寿命は加熱面の温度が上がるに連れて急速に短くなる。加熱面温度が１１０～１６０℃の間は核沸騰領域であり、加熱面上の液滴は加熱面上に大きく広がり急速に沸騰し消滅する。最も蒸発効率の高い温度領域である。
　これに対し、加熱面温度が１６０～３００℃の間では、加熱面上の水滴は幾つかに***して加熱面上でダンスをするような挙動を示す。これがライデンフロスト現象であり、このとき、加熱面上の液滴の寿命は加熱面の温度と共に増加し、最大では加熱面温度が数十℃のときと同程度まで増加する。加熱面温度が３００℃より高くなると、液滴は回転楕円体のまま静止する。これはスフェロイダルステートと呼ばれ、液滴の寿命は加熱面温度の上昇につれて短くなる。
　これからわかるように、蒸発装置では、加熱面温度が、ライデンフロスト現象による液滴寿命の延長が顕著化する２００～３００℃の温度領域のときに水蒸気生成効率が低下する。また、これに続く高温領域のときも、ライデンフロスト現象により一旦長くなった液滴寿命の影響が残るため、水蒸気生成効率の低い状態が続く。したがって、水蒸気生成効率の観点からは、加熱面温度がこのような温度域に到達しないようにすることが重要となる。
　しかしながら、燃料電池用蒸発装置の場合は熱源温度の関係から、この温度領域を回避することは難しい。また、仮にこの温度領域を回避できたとしても、その場合は熱源温度が低くなりすぎるために、運転開始時の立ち上がり特性の悪化が避けられない。同様に、加熱室の断熱は、加熱面温度を下げる点からは有効であるが、運転開始時の加熱面温度の上昇を阻害するために、運転開始時の立ち上がり特性の悪化を招く。運転開始時の立ち上がり特性を考慮するならば、熱源温度、すなわち加熱室外の雰囲気温度を高温として、加熱室内の加熱面を急速に加熱する必要があるのである。
　特許文献１に記載された蒸発装置でも、このライデンフロスト現象による水蒸気生成効率の低下は考慮されており、加熱室内の傾斜した加熱面上に水を供給するのは、まさにそのためである。すなわち、加熱室内の傾斜した加熱面上に水を供給すると、その水は傾斜した加熱面に沿って流下し、液滴化が抑制されることにより、ライデンフロスト現象の発生が抑制される。この蒸発装置では更に、加熱容器内の加熱面を微細な凹凸面として加熱面上の水に対する濡れ性を向上させる対策も講じられている。
　しかしながら、いずれの対策も、前述したとおり、加熱面を高温に且つ急速に加熱する必要があり、加熱面の温度を低下させることができないために、抜本的な問題解決策にはなり得ない。
特開２０１１－１３１１４１号公報
　本発明の目的は、水蒸気生成用の加熱室内を外部から加熱するための加熱力の低下や加熱室の断熱を行わず、これにより加熱室内の加熱面をライデンフロスト現象の影響を受ける高温域に維持したままで、そのライデンフロスト現象による水蒸気生成効率の低下を効果的に回避できる高効率な蒸発装置、及びこれを使用した水蒸気生成効率に優れ、ひいては改質効率に優れると共に、運転開始時の立ち上がり特性にも優れた燃料電池システムを提供することにある。
　上記目的を達成するために、本発明者は水蒸気生成用加熱室内の加熱面が外部からの加熱により２００℃以上の高温に昇温すること、及びその外部からの加熱を阻害する断熱を加熱室に行わないことを前提として、加熱室内の加熱面におけるライデンフロスト現象、及びこれによる水蒸気生成効率低下の問題を抜本的に解決できる技術について鋭意検討した。その結果、加熱室内の加熱面近傍に当該加熱面に接して耐熱性、柔軟性及び吸水性のある多孔質体を配置することの有効性を見出し、その耐熱性、柔軟性及び吸水性のある多孔質体として当初、耐熱繊維の集合体、具体的にはアルミナ長繊維の織物に着目した。
　すなわち、本発明者は、燃料電池用蒸発装置における水蒸気生成用加熱室の構成部材として、螺旋管の有効性に着目して燃料電池の開発を進めている。螺旋管により加熱室を構成すると、その螺旋管と外形が同じ環状体と比較して表面積を大きくできるので、加熱室内の加熱効率が高くなる。また、円筒状、円柱状の機器との同心状の組み合わせが可能となることにより、燃料電池のケーシング内の空間利用効率が一段と高まり、これら両面から燃料電池の小型化に寄与することができる。
　しかし、その一方で加熱面である螺旋管内面の加熱効率が上り、ライデンフロスト現象が発生しやすくなる。このため、ライデンフロスト対策が重要となり、その一環として、螺旋管内にアルミナ長繊維からなるスリーブ状の織物を管内面に接して挿入配置することを、先に試みた。
　その結果、短期的にはライデンフロスト現象が効果的に防止できた。これは、管内に挿入されたアルミナ長繊維からなるスリーブ状の織物が、加熱面である螺旋管内面により効果的に加熱されると共に、そのスリーブ状の織物の内側に注入された水が、その織物の内側を流通する過程で周囲のスリーブ状の織物中に毛細管現象により拡散浸透し、螺旋管内面に達するまでの間に蒸発を終えて螺旋管内面に到達することがないためである。
　しかしながら、長期的には、アルミナを繊維質化し、柔軟性及び吸水性を付与するために繊維中に含有されるシリカ（ＳｉＯ２　）が析出し沈着することにより螺旋管内を閉塞させる危険性があることが判明した。
　そこで本発明者は、アルミナ長繊維の織物に代わる耐熱性、柔軟性及び吸水性のある多孔質体として発泡金属シートに着目し、これを筒状に丸めて螺旋状の金属管内に挿入し、再度、適性検査を繰り返した。その結果、ライデンフロスト現象に対しては、アルミナ長繊維の織物と同程度に有効であり、しかも、アルミナ長繊維の織物で問題となる管閉塞の危険がなく、長期間の使用に耐え得ることを確認することができた。
　本発明の蒸発装置はかかる知見を基礎として完成されたものであり、外部から加熱されることにより内部の加熱面に沿って供給される水を蒸発させる加熱室と、金属を主体とし、前記加熱室内の加熱面近傍に当該加熱面に接して配置された発泡性部材とを備えている。
　金属はアルミナなどのセラミックスと異なり、本来的に弾力性を有している。このため、金属を主体とする発泡性部材は、アルミナ長繊維の織物で問題となるシリカの配合なしに耐熱性、柔軟性及び吸水性を示し、析出物による閉塞等の危険性がない。
　本発明の蒸発装置においては、この金属主体の発泡性部材が、加熱室内の加熱面近傍に当該加熱面に接して配置されている。このため、その発泡性部材が加熱面により効率的に加熱される。加熱室内の加熱面に沿って供給される水は、加熱面近傍に当該加熱面に接して発泡性部材が配置されているために、加熱面に直接接触することはなく、発泡性部材に隣接する空間を流通し、加熱された発泡性部材と接触する。その結果、水は加熱面に到達する前に発泡性部材中に浸透し、蒸発を実質的に終えるので、加熱面の温度がライデンフロスト現象の影響を受ける高温域であっても、その影響は受けない。すなわち、発泡性部材中に浸透した水は、当該発泡性部材中を加熱面に向けて拡散する途中で実質的に蒸発を終えるのである。
　加熱室の構成部材としては角筒状、円筒状、円環状などの容器類をあげることができ、この場合、加熱面は往々にして平坦面、或いは緩やかな曲率の曲面となるが、管体、なかでも螺旋管が加熱効率、スペース効率の点から望ましいことは前述したとおりである。加熱室の構成部材が管体である場合は、管体内面が加熱面となり、発泡性部材はその管体内面の近傍に管体内面に接して全周配置されるスリーブ状シートとなる。そして、水は管体の上流側端部から、スリーブ状シート内側の空間部に供給され、その空間部を下流側へ管体内面に沿って流通供給される過程で、周囲のスリーブ状シートに拡散浸透し、管体内面に到達する前に蒸発を終える。
　管体内に発泡性部材として配置されるスリーブ状シートは成形品であってもよいが、経済性を考慮するならば、平板状のシートを丸めて管体内に圧入し、そのときのスプリングバック力により当該シートを管体内面に接触させるのがよい。その際、丸めて管体内に圧入されたシートの管周方向両端部は、重なり合わせた重畳部とするのが、管周方向における切れ目（隙間）を無くする観点から望ましい。管周方向においてシートの両端部間に切れ目（隙間）ができると、その部分で管体内面が露出し、ライデンフロスト現象を発生させる危険性が生じる。また、その重畳部は、管体の中心線に並行して配置するのが、重畳部からの水の漏洩を防止する点から好ましい。
　スリーブ状シートは又、管体の給水部である上流側端部からその下流側の少なくとも一部分にかけて配置される。管体の上流側端部からその下流側の全体に配置することも可能であるが、管体内に供給された水は、通常は下流側の途中で蒸発を終えるので、それより下流側ではスリーブ状シートを省略することが可能である。
　効率的な蒸発装置の構成は、縦向きに配置され上部から下部へ向けて水が供給される螺旋管部の下流側に、当該螺旋管部に隣接して縦向きに配置された円筒管部を接続し組み合わせたものである。この構成によると、水蒸気生成部である螺旋管部で生成された水蒸気が下流側の円筒管部内に一時的に貯留され、ここで加熱されると共に、水の蒸発に伴う圧力変動（脈動）を吸収され抑制されることにより、高温の水蒸気をその需要先へ安定的に供給することが可能となる。すなわち、前記円筒管部は、生成された水蒸気のバッファタンクとして機能する。同様の脈動抑制効果は、管体内に発泡性部材として配置されたスリーブ状シートも有している。
　蒸発装置の加熱室として、管体によるものが高効率であり、特に螺旋管による加熱室での効率が高いことは前述したとおりである。そのような高効率な螺旋管は、例えば出力が１ｋＷ以下というような小型の燃料電池に特に適する。小型の燃料電池では、その螺旋管も曲げ半径の小さなものとなるが、そのような小半径の螺旋管にあっても、スリーブ状シートを直管内に挿入し、挿入後にその直管を螺旋管に曲げ加工することにより、管内へのスリーブ状シートの挿入が可能である。
　しかしながら、螺旋管の曲げ半径が小さくなると、直管内に挿入されたスリーブ状シートが、螺旋管への曲げ加工で座屈変形を生じ、管体内面から部分的に離反することにより、管体内面との密着性が低下し、ライデンフロスト現象の防止効果が低減することが確認された。特にスリーブ状シートが、平板シートを丸めた簡易タイプである場合には、座屈変形に伴って管周方向両端部（重畳部）が開放し、ライデンフロスト現象防止効果の低減が顕著となる。
　そこで本発明者は、スリーブ状シートの挿入に代わるライデンフロスト対策を考えた。その結果、管体内へのチェーンの挿入、特に螺旋管へのチェーンの挿入が有効なことが判明した。ここにおけるチェーンは、円形または長円形などのリングを連続的に繋いだ鎖であり、中心線の周囲全方向に折曲可能なものであれば、曲げ半径の小さな螺旋管にも支障なく挿入できる。
　そして、蒸発装置の加熱室である管体内に、このチェーンを挿入すると、その管体内に供給された水が管体内のチェーンと激しく衝突し、顕著な乱流を生じて管体内の空間に飛散することにより、多くが管体内の空間で蒸発する。特に、螺旋管の場合は、管体が傾斜管となることにより、傾斜管の傾斜した床面上にチェーンが載り、その床面近傍を主に流通する水の乱流が促進される。また、天井面近傍を蒸気がスムーズに流通する。これらの結果、螺旋管においては、スリーブ状シートを挿入したときと同程度に、或いはそれ以上にライデンフロスト現象が抑制されるのである。
　具体的には、蒸発装置が螺旋管部を有する場合、その螺旋管部の上流側又は下流側に配置され、縦向きで下から上に延在して螺旋管部の上流端又は下流端と接続する直線管部では、金属主体の発泡性材料からなるスリーブ状シートをそのまま残すが、螺旋管部ではそのスリーブ状シートを耐熱チェーンと置換するのである。これにより、螺旋管部でのライデンフロスト現象を防止する効果が大きくなり、且つ安定する。
　ここにおけるチェーンの材質としては、蒸発装置が加熱されることによる熱劣化が回避できる耐熱材料が必要であり、代表的にはＳＵＳ系などの耐熱金属があるが、セラミックスなどの非金属でもよい。
　一方、金属主体の発泡性材料は、換言すれば金属系発泡材料である。ここにおける金属については、燃料電池での燃料ガスが水素リッチの還元性ガスであることから、その還元性ガスに対する反応性の良好なことが重要であり、具体的には、還元性ガスに暴露されることで酸化金属が還元されて元の金属に戻る特性を示すものが好ましく、その酸化還元特性、更には耐熱性、耐腐食性等の点からニッケルが特に好ましい。
　金属以外の含有物としてはセラミックス等が可能であり、その含有率は、要求される特性（耐熱性、柔軟性、吸水性、更には耐久性等）を阻害しないために３０体積％以下に制限するのが好ましく、基本的には、金属単体からなる発泡材料、すなわち発泡金属が好ましい。したがって、最も好ましい発泡性部材は、ニッケル単体からなる発泡性材料、すなわち発泡ニッケルである。
　ちなみに、発泡ニッケルは次のようにして製造される。連通孔を有する発泡ウレタンシートに無電解ニッケルめっきで導電性を付与し、その上に電解ニッケルめっきを行う。その後、酸化性雰囲気下で加熱したあと、アンモニア分解ガスなどの還元性雰囲気下で引き続き加熱する。一連の加熱でウレタンは焼失する。ニッケルは１段目の酸化雰囲気下での加熱で内部を残し酸化ニッケルとなるが、内部にニッケルが残ることで発泡形状を維持し、２段目の還元性雰囲気下での加熱で酸化ニッケルがニッケルに戻って、完全な発泡ニッケルとなる。
　本発明の蒸発装置は、固体電解質形燃料電池の燃料極に燃料ガスとして供給される水素リッチの還元性ガスを生成するための水蒸気改質に使用される水蒸気の生成に使用するのに適する。その場合、本発明の蒸発装置における加熱室の外部熱源としては、固体電解質形燃料電池の運転に伴って排出される排熱、具体的にはセルスタックからの輻射熱、又はセルスタックから排出される排ガス、すなわちオフガスと呼ばれる未使用ガスの燃焼熱、或いはこれらの組み合わせなどが好ましい。
　そして、固体電解質形燃料電池の燃料極に燃料ガスとして供給される水素リッチの還元性ガスを生成するための水蒸気改質に使用される水蒸気の生成に本発明の蒸発装置を用いたのが、本発明の燃料電池システムである。固体電解質形燃料電池としては固体酸化物形燃料電池と固体高分子形燃料電池とがあるが、動作温度が高い固体酸化物形燃料電池の方に本発明は適する。動作温度が高いと、蒸発装置の温度も高くなり、ライデンフロスト現象が発生し易くなるからである。
　なお、発泡ニッケルに代表される発泡金属からなる多孔質体の毛細管現象を液体の流通促進に利用することは、ヒートパイプの分野では周知である。すなわち、ヒートパイプの分野では、パイプの内面近傍に当該内面に接してスリーブ状の発泡ニッケルが、ウイックとして封入されている。そして、ヒートパイプの入熱側端部で熱媒体液が蒸発することにより生じた熱媒体ガスがウイックの内側空間を反対側の放熱側端部に向かって流通し、放熱側端部での凝縮により生じた熱媒体液がウイック中を入熱側端部に向かって逆方向に流通する。
　これからわかるように、スリーブ状の発泡ニッケルからなるウイックは、その毛細管現象を利用して液体の搬送を促進するものの、その搬送方向はパイプ中心線方向であり、内側では気体が逆方向に流通する。これに対し、本発明の蒸発装置におけるスリーブ状の発泡ニッケル乃至発泡金属は、スリーブの内側空間に供給された水をその空間の中心線方向に搬送する過程で半径方向外側へ拡散させる。ヒートパイプにおけるウイックとは、スリーブ状の発泡金属における液体の流通方向が異なる上に、液体と気体の状態も全く異なり、機能が全く相違するということである。
　本発明の蒸発装置は、外部から加熱される加熱室内の加熱面近傍に、金属を主体とする発泡性部材が前記加熱面に接して配置されているので、その発泡性部材が加熱面により効率的に加熱されると共に、加熱室内の加熱面に沿って供給される水が、前記加熱面に直接接触せず、加熱面に到達する前に前記多孔質体に浸透し、蒸発を実質的に終えるので、加熱面の温度がライデンフロスト現象が問題となる高温域であっても、ライデンフロスト現象を発生するおそれがない。このため、加熱室内を外部から強力に加熱することができ、しかも高い水蒸気生成効率を維持することができる。また、その発泡性部材は、水の蒸発に伴って発生する圧力変動（脈動）を抑制するのにも有効である。
　したがって、本発明の蒸発装置は、例えば固体電解質形燃料電池の燃料極に燃料ガスとして供給される水素リッチの還元性ガスを生成するための水蒸気改質に使用される水蒸気の生成に使用して、高温の水蒸気を効率よく安定的に生成して改質に供することができ、運転開始時の良好な立ち上がり特性を維持しつつ、水蒸気改質効率の向上、ひいては発電効率の向上に寄与する。
　また、本発明の燃料電池システムは、固体電解質形燃料電池の燃料極に燃料ガスとして供給される水素リッチの還元性ガスを生成するための水蒸気改質に使用される水蒸気の生成に、その蒸発装置を使用したので、運転開始時の良好な立ち上がり特性を維持しつつ、水蒸気改質効率の向上、ひいては発電効率の向上を図ることができる。
本発明の一実施形態を示す燃料電池システムの概念図である。 同燃料電池システムに使用されている蒸発装置の主要構成を示す管体の横断面図である。 蒸発装置の他の構成例を示す縦断面図である。 同構成例に用いられる耐熱チェーンの形状説明図である。 加熱面上の水滴寿命傾向を示すグラフである。
　以下に本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
　本実施形態の燃料電池システムは、図１に示すように、断熱されたケーシング１０内にセルスタック２０を始めとする各種機器を収容することにより構成されている。発電部であるセルスタック２０は、固体酸化物形燃料電池の最小構成単位である平板型の単電池セルを、集電体と共に挟みながら板状のインターコネクタ（セパレータ）を板厚方向に積層し、その積層体を積層方向に加圧保持することにより構成されている。
　個々の単電池セルは、ここではイットリア安定化ジルコニアからなる平板状の固体電解質層と、固体電解質層の一方の表面側に積層配置されたＮｉとＹＳＺのサーメットからなる平板状の燃料極と、固体電解質層の他方の表面側に積層配置されたランタンストロンチウムマンガナイト（ＬＳＭ）からなる薄い平板状の空気極とからなる３層構造の円形又は角形の平板である。
　ケーシング１０内に配置されるセルスタック２０以外の機器としては、そのセルスタック２０の燃料極側へ供給する燃料ガスを生成するために、都市ガスなどのメタン（ＣＨ４　）を主体とする炭化水素系の原燃料ガスを水蒸気改質して水素リッチの還元性ガスにする改質器３０、運転開始時にケーシング１０内の特にセルスタック２０及び改質器３０の予熱を行うバーナ式予熱器４０、セルスタック２０の空気極側へ供給する空気を予熱する熱交換器５０、及び改質器３０での水蒸気改質に使用される水蒸気を生成する蒸発装置６０などがある。
　改質器３０は、セルスタック２０の燃料極側で生じた未反応の燃料ガス（燃料オフガス）と、セルスタック２０の空気極側で生じた未反応の空気（空気オフガス）とを燃焼させる燃焼部と、水蒸気改質に必要な触媒が装填され、その触媒が前記燃焼部で発生する高温の燃焼排ガスにより加熱される触媒部とを有している。
　バーナ式予熱器４０は、ケーシング１０外から供給される燃料ガスを、同じくケーシング１０外から供給される空気により燃焼させるバーナ４１と、バーナ４１の上方に連結されたラジアントチューブ４２とを有している。ラジアントチューブ４２は、縦向きに立設配置された金属管からなり、セルスタック２０及び改質器３０の両方に隣接して配置されると共に、バーナ４１で生じた高温の燃焼排ガスを通過させることにより内側から高温に加熱される。ラジアントチューブ４２を通過した燃焼排ガスは、セルスタック２０からの空気オフガスと合流して改質器３０に導入される。
　熱交換器５０は、セルスタック２０の空気極側へ供給される空気を、改質器３０から排出される燃焼排ガスと熱交換して予熱する。
　蒸発装置６０は、ここでは、縦向きに配置され、水が供給される上流側である下方より上方へ向けて直線的に延在する直線管部６１と、直線管部６１の下流側に隣接して縦向きに接続配置され、上方より下方に向けて螺旋状に延在する螺旋管部６２と、螺旋管部６２の下流側に隣接して縦向きに接続配置され、下方より上方に向けて直線的に延在する円筒管部６３とを主要構成部材としている。
　直線管部６１は、配管立ち上げ部であると共に、下流側の螺旋管部６２と共に水蒸気生成部を構成している。螺旋管部６２は、水蒸気生成部の主体をなし、加熱効率を高めるために、前記バーナ式予熱器４０におけるラジアントチューブ４２の外面側に同心円状に配置されている。これにより、螺旋管部６２は外側のセルスタック２０及び改質器３０、並びに内側のラジアントチューブ４２により、外側と内側とから加熱される。
　円筒管部６３は、直線管部６１及び螺旋管部６２にて生成された水蒸気を一時的に滞留させるバッファタンクを構成するもので、直線管部６１及び螺旋管部６２を構成する管体より大径の円筒状管体からなり、下端部に水蒸気の導入口を、上端部に水蒸気の導出口を有している。水蒸気の導出口から導出された水蒸気は、改質器３０に導入され、同じく改質器３０に導入される炭化水素系の原燃料ガスと混合される。
　水蒸気生成部を構成する直線管部６１及び螺旋管部６２においては、図２に示すように、これらを構成する管体６７の内部が加熱室６８となり、管体６７の内面が加熱面６９となる。そして、その管体６７内の内面近傍、すなわち外周部分には、金属主体の発泡性部材６４として、発泡ニッケルからなるスリーブ状シートが、直線管部６１及び螺旋管部６２の全長にわたって挿入されている。発泡性部材６４としてのスリーブ状シートは、ここでは平板状の発泡ニッケルシートを丸めて構成されており、その丸めに伴うスプリングバック力により外周面を管部内面に接触させている。スリーブ状シートの管周方向両端部は、所定の重なりをもつ重畳部６５となっており、その重畳部６５は直線管部６１及び螺旋管部６２を構成する管体６７の中心線に沿って線状に延びている。
　直線管部６１及び螺旋管部６２からなる水蒸気生成部は、ここでは、例えば３ｍといった長い直線状の管体６７、すなわち直管内に、平板状の発泡ニッケルシートを丸めてエアガンにより前記直管の全長にわたって圧入し、その後に前記直管を直線管部６１及び螺旋管部６２に成形加工することにより作製されている。
　水蒸気生成部においては、発泡性部材６４の材質と共にその厚み、すなわち加熱室６８における占有率も重要である。図２に示された発泡性部材６４、すなわち発泡ニッケルからなるスリーブ状シートについて説明すると、シート厚Ｔが管体６７の内径Ｄに比して小さすぎると、スリーブ状シート内側の空間が過大、シート厚Ｔが過小となり、スリーブ状シートに浸透した水がシートを厚み方向に通過して加熱室６８の加熱面６９に到達するおそれが生じる。反対に、シート厚Ｔが管体６７の内径Ｄに比して大きすぎると、スリーブ状シート内側の空間が過小、シート厚Ｔが過大となり、スリーブ状シート内側において水の流通が阻害される。これらの観点から、シート厚Ｔは管体６７の内径Ｄの０．０２～０．２倍が好ましく、０．０５～０．１５倍が特に好ましい。
　ここでは、このスリーブ状シートのシート厚Ｔは、水蒸気生成部を構成する管体６７の外径が１２ｍｍ、肉厚が１ｍｍに対して、１ｍｍを選択した。すなわち、シート厚Ｔは管体６７の内径Ｄの０．１倍である。
　水蒸気生成部の下流側に位置する螺旋管部６２と円筒管部６３との水平状の接続管部６６内には、セラミックスビーズ、ここではアルミナビーズが装填されて、オリフィスを構成している。
　次に、本実施形態の燃料電池システムの運転方法、並びに動作及び機能について説明する。
　燃料電池システムの運転開始時は、まず、バーナ式予熱器４０のバーナ４１にバーナ用の燃料ガス及び空気を供給してバーナ４１での燃焼を開始する。燃焼に伴って発生する高温の燃焼排ガスが上方のラジアントチューブ４２に流入し、これを予熱する。ラジアントチューブ４２が加熱されることにより、隣接配置されたセルスタック２０及び改質器３０が、ラジアントチューブ４２からの輻射熱により加熱される。同様に、ラジアントチューブ４２の直近に配置された蒸発装置６０の直線管部６１、螺旋管部６２及び円筒管部６３が、ラジアントチューブ４２からの輻射熱により予熱される。
　蒸発装置６０及び改質器３０が動作可能温度に達すると、蒸発装置６０へ純水を供給し、高温の水蒸気を生成し始める。また、都市ガスなどのメタン（ＣＨ４　）を主体とする炭化水素系の原燃料ガスを改質器３０へ供給し始める。改質器３０では、外部から供給される炭化水素系の原燃料ガスが、蒸発装置６０から供給される高温の水蒸気と混合して、触媒部を通過することにより、水素リッチの還元性ガスとなり、これがセルスタック２０の燃料極側へ供給されることにより、燃料極側の酸化が防止される。同時に、空気が熱交換器５０を経由して、同セルスタック２０の空気極側へ供給される。
　セルスタック２０の燃料極側を通過した水素リッチの還元性ガスは、改質器３０の燃焼部に導入される。同時に、セルスタック２０の空気極側を通過した空気が、バーナ式予熱器４０から排出される高温の燃焼排ガスと共に、改質器３０の燃焼部に導入される。その結果、改質器３０の燃焼部では、還元性ガスと空気との混合ガスが、着火装置なしで燃焼する。その燃焼に伴う高温の燃焼排ガスは、改質器３０の触媒部の予熱を促進し、更に、前記熱交換器５０を通過することにより、セルスタック２０の空気極側へ供給される空気を予熱する。
　発電中は、セルスタック２０の燃料極側からは未使用の燃料ガス（燃料オフガス）が排出される。また、セルスタック２０の空気極側からは未使用の空気（空気オフガス）が排出される。これらのオフガスは高温であり、改質器３０の燃焼部へ供給されることにより、改質器３０の燃焼部での燃焼が継続され、触媒部の加熱が続くことにより、改質器３０での水蒸気による改質が継続される。また、熱交換器５０での空気の予熱が続く。
　蒸発装置６０は、セルスタック２０及び改質器３０からの輻射熱により加熱され、水蒸気の生成を続けて、その水蒸気を改質器３０へ供給する。
　蒸発装置６０での水蒸気生成メカニズムを具体的に説明すると、蒸発装置６０に供給された純水は、直線管部６１内を経て螺旋管部６２内に供給されるが、直線管部６１及び螺旋管部６２を構成する管体６７内の外周部分には、金属主体の発泡性部材６４として、発泡ニッケルからなるスリーブ状シートが、加熱面６９である内面に接して挿入されているので、ここに供給された純水は、スリーブ状シートの内側空間を流通し、その過程でスリーブ状シート中に浸透する。
　ここで、直線管部６１及び螺旋管部６２を構成する管体６７は、予熱中はバーナ式予熱器４０のラジアントチューブ４２からの輻射熱により、また発電中はセルスタック２０からの輻射熱により高温に加熱され、その加熱面６９である内面の温度も高い。このため、スリーブ状シートも外面側から強力に加熱される。その結果、スリーブ状シートに浸透した純水は、外側へ拡散する過程で蒸発し、加熱面６９である内面に到達する前にほぼ蒸発を終了する。
　したがって、加熱面６９である内面の温度がライデンフロスト現象の影響を受ける高温域にあっても、その影響が効果的に軽減される。よって、高い水蒸気生成効率が維持される。
　蒸発装置６０に供給された純水の蒸発は、直線管部６１内で始まり、遅くとも、流路長が長く受熱面積が大きい螺旋管部６２内の途中で完了する。
　こうして生成された水蒸気は、接続管部６６内のアルミナビーズが装填されたオリフィス部を経て、バッファタンクである円筒管部６３内に一時的に滞留し、更なる加熱を受けて改質器３０へ供給される。直線管部６１内及び螺旋管部６２内での純水の蒸発により体積が急激に膨張するが、前記オリフィス部及びバッファタンクにより、その膨張に伴う圧力変化が効果的に抑制され、改質器３０への影響が軽微に抑制される。
　かくして、運転開始時の予熱中も、その後の発電中も、蒸発装置６０ではライデンフロスト現象の影響を受けることなく高効率に水蒸気が生成される。
　また、運転開始時における蒸発装置６０の加熱は、主にバーナ式予熱器４０からの輻射熱により強力に、直接的に行われ、蒸発装置６０の水蒸気生成部である直線管部６１及び螺旋管部６２を構成する管体６７、並びにその内部の加熱室６８及び加熱面６９である内面が、短時間で高温に加熱されるので、ライデンフロスト現象の影響を回避しているにもかかわらず、運転開始時の立ち上がり特性に悪影響が及ぶことはない。
　したがって、バーナ式予熱器４０による予熱促進効果を最大限享受できることになり、運転開始時の立ち上がり特性も良好となる。
　図３に示された蒸発装置７０は、先の実施形態における蒸発装置６０と同様に、燃料電池での水蒸気改質用水蒸気の生成に用いられる。この蒸発装置７０は、縦向きに配置され、上流側である上方より下流側である下方に向けて螺旋状に延在する螺旋管部７１と、螺旋管部７１に隣接して縦向きに配置され、螺旋管部７１の下流側に接続されると共に、上流側である下方より下流側である上方に向けて直線的に延在する直線管部７２とを主要構成部材としている。
　螺旋管部７１は、下流側の直線管部７２とは、水平管部７７により接続されており、これらの管部と共に水蒸気生成部を構成する。水蒸気生成部の主体をなす螺旋管部７１は、先の実施形態における蒸発装置６０の螺旋管部６２と同様に、バーナ式予熱器４０におけるラジアントチューブ４２の外面側に同心円状に配置されており、これにより、螺旋管部７１は、外側のセルスタック２０及び改質器３０、並びに内側のラジアントチューブ４２により外側と内側とから加熱される（図１参照）。
　螺旋管部７１内及び接続管部である水平管部７７内には、螺旋管部７１の上流側の端部から水平管部７７の下流側の端部にかけて耐熱チェーン７３が挿入されている。耐熱チェーン７３は、図４に示すように、リングを連続的に繋いだ鎖の一種であって、個々の長円形のリングに捻りを加えて中心線周囲への折曲可動範囲を大きくしたツイストチェーンであり、材質的にはＳＵＳ系の耐火金属からなる金属チェーンである。この耐熱チェーン７３は、螺旋管部７１においては、当該螺旋管部７１を構成する傾斜管の傾斜した床面上に載置され、床面の近傍（ここでは下半部内）に配置されている。
　螺旋管部７１の上流側の管端面、すなわち上側の開口端面は、当該端面にほぼ９０度で接合された短尺の縦管７４により閉塞されている。縦管７４の下端面は前記螺旋管部７１の上流側の端部により閉塞されている。一方、縦管７４の上端面は、螺旋管部７１内に耐熱チェーン７３を挿入するための開口部７５として開口している。これにより、螺旋管部７１の上流側の端部には、流体流通方向と交差する（ここでは直交する）上向きの開口部７５が設けられることになる。そして、開口部７５を閉じる蓋体７６に耐熱チェーン７３の基部（上流側の端部）が溶接にて接続されることにより、当該耐熱チェーン７３は螺旋管部７１内に保持される。７８は螺旋管部７１内に水を供給するために縦管７４に接続された給水管であり、螺旋管部７１の上流側の端部における流体流通方向と同じ方向を向いている。
　一方、直線管部７２内には、先の実施形態における蒸発装置６０の直線管部６１と同様に、発泡ニッケルからなるスリーブ状シート、特に平板状の発泡ニッケルシートを丸めたスリーブ状シートが、全長にわたって挿入されると共に、発泡ニッケルシートの丸めに伴うスプリングバック力により外周面を管体内面に接触させている。
　螺旋管部７１に挿入される耐熱チェーン７３の寸法としては、その最大幅（個々のリングの最大幅Ｗ）と、リング材の太さｄが重要である。耐熱チェーン７３の最大幅（個々のリングの最大幅Ｗ）については、螺旋管部７１を構成する管体内に耐熱チェーン７３を挿入するために、管体の内径Ｄより小さいことが必要であり、より厳密には管体の内径Ｄの０．５倍以上、０．７倍以下が好ましい。耐熱チェーン７３の最大幅（個々のリングの最大幅Ｗ）が小さすぎると、螺旋管部７１内に導入された水に乱流を発生させる効果が小さくなる。反対に大きすぎると、その水や蒸気の流通抵抗が増大すると共に、管体内での耐熱チェーン７３の折曲自由度が低下することにより、管体内への耐熱チェーン７３の挿入が難しくなる危険性がある。
　リング材の太さｄについては、リングの最大幅Ｗに対する比率が重要であり、これが大きすぎると耐熱チェーン７３の折曲自由度が低下して管体内への挿入が難しくなると共に、水や蒸気の流通抵抗が増加し、反対に小さすぎる場合は流通抵抗が過小となって、螺旋管部７１内に導入された水に乱流を発生させる効果が小さくなる。この観点から、リング材の太さｄは、リングの最大幅Ｗに対する比率で０．１倍以上、０．３倍以下が好ましい。
　このような構造の蒸発装置７０は次のようにして組み立てられる。
　螺旋管部７１、水平管部７７及び直線管部７２の構成素材である直管を曲げ加工し、縦管７４の溶接による接合を行って螺旋管部７１、水平管部７７及び直線管部７２を完成させる。完成した螺旋管部７１の上流側の端部に設けられた開口部７５から螺旋管部７１内及び水平管部７７内へ耐熱チェーン７３を挿入する。耐熱チェーン７３は中心線の周囲全方向へ折曲可能であり、また管体内面との摩擦が小さいことから、螺旋管部７１の傾斜した管体内面に沿って自重を利用しつつスムーズに挿入される。耐熱チェーン７３の挿入後、その基端に取付けられた蓋体７６を縦管７４の上端に気密に溶接することにより、開口部７５が蓋体７６にて閉塞されると共に、螺旋管部７１及び水平管部７７の全長にわたって耐熱チェーン７３が保持される。
　曲げ加工前の直管において螺旋管部７１及び水平管部７７となる箇所に先に耐熱チェーン７３を挿入し、その後で曲げ加工を行ってもよい。管体内の耐熱チェーン７３は、中心線周囲への折曲自由度が高いので、管体の曲げ加工によっても変形を起こすおそれがない。
　螺旋管部７１内及び水平管部７７内への耐熱チェーン７３の挿入と並行して、完成した直線管部７２の管体内に、下流側の端部（上端部）から、平板状の発泡ニッケルシートを丸めてエアガンにより全長にわたって圧入する。曲げ加工後の圧入が難しい場合は、曲げ加工前の直管において直線管部７２となる箇所に平板状の発泡ニッケルシートを丸めてエアガンにより圧入し、その後で曲げ加工により直線管部７２を形成してもよい。直線管部７２においては、曲げ加工前に発泡ニッケルシートを丸めて挿入しても、曲げ加工で管体が加工を受けないので、管体内の丸められた発泡ニッケルシートも変形を生じることがない。
　かくして、蒸発装置７０の螺旋管部７１から水平管部７７にかけての管体内に耐熱チェーン７３が挿入され、直線管部７２を構成する管体内に発泡ニッケルシートが丸めて挿入される。
　次に、蒸発装置７０での水蒸気生成メカニズムを説明する。
　給水管７８を介して蒸発装置７０に純水が供給される。供給された純水は、螺旋管部７１内から水平管部７７内を経て直線管部７２内に供給される。ここで、蒸発装置７０は予熱中はバーナ式予熱器４０のラジアントチューブ４２からの輻射熱により、また発電中はセルスタック２０からの輻射熱により高温に加熱される。また、螺旋管部７１内には全長にわたって耐熱チェーン７３が挿入されている。
　螺旋管部７１に供給された純水は、管体内の耐熱チェーン７３と衝突して乱流を生じ、激しく飛散するため、管体内面との接触を回避しつつ下流側へ流動する。ここで、螺旋管部７１を構成する管体は傾斜管となる。このため、管体内の純水は傾斜した底面の近傍を流通する。また、管体内の耐熱チェーン７３は、傾斜した底面上に載置され、底面近傍（ここでは管体内の下半部）に配置されて底面を覆う。これらの結果、管体内の純水は、管体の傾斜した底面との接触を回避しつつ、底面上の耐熱チェーン７３と効率よく衝突して飛散する。このため、管体内面がライデンフロスト現象を生じる温度域に加熱されていても、ライデンフロスト現象を効果的に回避しつつ、蒸発が効率的に進む。
　螺旋管部７１で発生した蒸気は、螺旋管部７１内から水平管部７７内を経て直線管部７２内に送られる。螺旋管部７１では、主に、管体内の傾斜した天井面近傍（ここでは管体内の上半部）を通過する。管体内のこの部分は、耐熱チェーン７３が存在しないので、通気抵抗が小さい。このことも、耐熱チェーン７３が配置された螺旋管部７１での水蒸気生成効率が高いことの一因である。
　蒸発装置７０に供給された純水の蒸発は、上流側の螺旋管部７１内で始まり、遅くとも下流側の水平管部７７、或いは直線管部７２内の途中で完了する。水平管部７７内で蒸発が完了しなかった場合は、残った純水が、蒸気と共に水平管部７７内から直線管部７２内に流入し、蒸発を終える。
　したがって、連結管部７７及び直線管部７２においても、管体内面の温度がライデンフロスト現象の影響を受ける高温域にあっても、その影響が効果的に軽減される。よって、高い水蒸気生成効率が維持される。
　こうして生成された水蒸気は、先の実施形態における蒸発装置６０のときと同様、燃料電池用の改質器３０での水蒸気改質に使用される（図１参照）。
　また、運転開始時の予熱中も、その後の発電中も、ライデンフロスト現象の影響を避けつつ高効率に水蒸気が生成されること、更には運転開始時の立ち上がり特性が良好なことも、蒸発装置６０と同じである。
　直線管部７２内で蒸発が完了する場合は、直線管部７２を構成する管体内の外周部分に発泡ニッケルからなるスリーブ状シートが管体内面に接して挿入されているので、ここに流入した純水は、スリーブ状シートの内側空間を蒸気と共に流通し、その過程でスリーブ状シート中に浸透する。そして、スリーブ状シートに浸透した純水は、外側へ拡散する過程で蒸発し、管体内面に到達する前にほぼ蒸発を終了する。
　水平管部７７内で蒸発が完了する場合は、直線管部７２内への金属主体の発泡性部材の挿入を省略することができる。これにより、蒸発装置７０の管体内でのライデンフロスト現象を抑制する材料は、螺旋管部７１内及び水平管部７７内の耐熱チェーン７３のみとなる。この場合、直線管部７２は、先の実施形態における蒸発装置６０の円筒管部６３と同様のバッファタンクとなる。
　また、螺旋管部７１内で蒸発が完了する場合は、水平管部７７内への耐熱チェーン７３の挿入を省略することができる。更に、螺旋管部７１での蒸発の進行度によっては、螺旋管部７１内の全長に耐熱チェーン７３を挿入する必要はなく、上流側の端部から中間部までの挿入とすることができる。
　本発明の実施例として、蒸発装置において、外部から加熱される管体内（加熱室内）の管内面（加熱面）近傍にその管内面（加熱面）に接して配置される発泡ニッケル（スリーブ状シート）の、他の材料に対する優位性を調査した。また、その管体内（加熱室内）に配置される耐熱チェーン（ＳＵＳ系のツイストチェーン）の他の材料に対する優位性を調べた。他の材料としては、ＳＵＳ系の耐熱金属からなる発泡金属シート、同じくＳＵＳ系の耐熱金属からなる金属メッシュ、同じくＳＵＳ系の耐熱金属からなるエキスパンドメタル、及びアルミナ長繊維の織物（アルミナスリーブ）を取り上げた。調査結果を表１に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　調査項目は、材料入手性（市場流通性）、加工性、管内面との密着性、吸水性、圧力脈動抑制効果、水蒸気雰囲気での耐久性、還元雰囲気での挙動（還元性）、管内への固定性、材料強度、耐熱性、伝熱性、軽量性、コスト、乱流効果、及び螺旋加工追従性の１５項目である。評価は優（◎）、良（○）、可（△）、不可（×）の４段階評価とし、ここでの許容範囲は優（◎）及び良（○）の２段階とした。
　１３の調査項目のうち、加工性は材料を外径が１２ｍｍの直管内に４ｍの長さにわたって挿入する際の作業性や材料状態、挿入後の管の加工性により評価し、材料を加工せずに原形のまま、エアガンによる圧入により全域に挿入可能で、且つ挿入後に管の曲げ加工が可能なものを「優（◎）」とし、材料を丸める作業を必要とするものの、全域に挿入可能で、且つ挿入後に管の曲げ加工が可能なものを「良（○）」とした。また、材料を丸めて一応は挿入が可能なものの、座屈などにより途中までしか挿入できなかった場合を「可（△）」、材料を丸めることができない場合、或いは他の理由により挿入自体が不可の場合を「不可（×）」とした。
　管内面との密着性は、外径が１２ｍｍ、内径が１０ｍｍ、長さが３０ｃｍの直管内に材料を挿入したときの管内面との接触状態により評価し、スプリングバックにより材料が管内面に全体的かつ安定的に接触し、且つ材料形状に起因して大きな接触面積を確保できる場合を「優（◎）」、材料の折れ・曲がりにより部分的に隙間が生じ、且つ材料形状に起因して大きい接触面積を確保できない場合、及び材料の伸縮により広範囲に隙間が生じる可能性がある場合を「可（△）」、隙間が広範囲かつ確実に生じる場合を「不可（×）」とした。
　吸水性は、材料に水滴を滴下した際の材料中への浸透量の度合いを優（◎）、良（○）、可（△）、不可（×）の４段階で評価した。緻密で気孔率が高い材料ほど、毛細管現象により材料への水滴の浸透度が向上する。
　圧力脈動抑制効果は、管内の外周部に材料を実際に挿入配置したサンプルを作成し、そのサンプルに水を供給し加熱した実験により評価し、管内に材料を挿入しなかったときと比べて圧力脈動減少効果が認められたケースのうち、その効果が大きい場合を「優（◎）」、その効果が小さい場合を「良（○）」、実験による効果が確認できていない場合を評価不能「－」とした。
　水蒸気雰囲気での耐久性は、材料が水蒸気酸化による化学反応により変質される度合いにより評価し、耐熱性及び耐腐食性がある材料で、線径を太くとれるものは酸化の影響を受けにくいと判断して評価を「優（◎）」、耐熱性及び耐腐食性がある材料で、線径を太くとれないものは、酸化の影響を受けて破損などを生じる危険性があると判断されるものの、サンプル試験による２００時間連続運転で破損が見られなかった場合は「良（○）」、水蒸気酸化により材料中のシリカ（ＳｉＯ２　）が溶融し再凝固して、目詰まりが確認された場合を「不可（×）」、実験による効果が確認できていない場合を評価不能「－」とした。
　還元雰囲気での挙動（還元性）は、還元ガスとの反応性により評価した。これは、水蒸気生成用管体は燃料電池の燃料ガスラインで使用されるため、水素ガスなどの還元性ガスに曝される危険性があるため、還元性ガスに対する影響を確認しておく必要があるためである。一旦酸化された金属が還元性雰囲気により元の金属に戻る場合を「優（◎）」、一旦酸化されると還元性雰囲気に曝されても元の金属には戻らず、酸化の影響が蓄積されるものの、耐酸化性に優れる場合を「良（○）」、還元雰囲気で悪影響が生じる場合を「不可（×）」とした。
　管体への固定性は、管内に装着された材料の固定強度であり、固定措置をとらなくとも管内を流通する流体により位置ずれを起こす危険性がない場合を「優（◎）」、管を曲げることで固定措置をとらなくとも流体による位置ずれの危険性が取り除かれる場合を「良（○）」、積極的な固定措置が必要であるものの、その固定措置が溶接等の簡易な場合を「可（△）」、積極的な固定措置が必要であり、しかも、その固定措置が複雑である場合を「不可（×）」とした。
　乱流効果は、管内に供給された水が、管内に配置された材料によって乱流となる度合いを示したものであり、顕著な乱流が期待できる場合を「優（◎）」、ある程度の乱流が期待できる場合を「良（○）」、僅かながらも乱流が期待できる場合を「可（△）」、乱流が期待できない場合を「不可（×）」とした。
　螺旋加工追従性は、直管内に材料を挿入した後、その直管を螺旋形状に加工したときの管内の材料の追従性であり、外径が１２ｍｍ、内径が１０ｍｍ、長さが３ｍの直管内に材料を挿入した後、その直管を半径が３０ｍｍの螺旋管に曲げ加工したときに管内の材料に生じる異常な変形の度合いを、螺旋管を切開することにより調査して評価した。チェーン以外の材料はシート状のものを丸めて直管内に挿入した。管内の材料に異常な変形が全く生じなかった場合を「優（◎）」、管内の材料が軽微な座屈変形を起こした場合を「良（○）」とした。また、座屈変形部のうちの少数で重畳部が開放した場合を「可（△）」、重畳部が開放する顕著な座屈が多数箇所で生じた場合を「不可（×）」とした。
　残りの項目については、程度を優（◎）、良（○）、可（△）、不可（×）の４段階で評価した。
　また、１５項目の調査結果から、直線管の場合、及び螺旋管の場合についての総合評価を前記４段階評価により下した。管内に挿入したチェーンの寸法としては、１０ｍｍの管内径Ｄに対して、リングの長さＬは８．５ｍｍ、リングの最大幅Ｗは５．７ｍｍ、リング材の太さｄは１．２ｍｍとした。
　表１から分かるように、蒸発装置において、外部から加熱される管体内（加熱室内）の管内面（加熱面）近傍にその管内面（加熱面）に接して配置される材料が、発泡ニッケル及びＳＵＳ系の発泡金属である場合は、乱流効果及び螺旋加工追従性を除く項目が優（◎）又は良（○）で、許容範囲内である。これらの材料が他の材料と決定的に異なるのは、管内面との密着性、及び吸水性に優れる点である。これにより、乱流効果の悪さは補われる。また、螺旋加工追従性の悪さは、対象を直管、或いは曲げ半径の大きな螺旋管とすることにより補われる。
　一方、チェーンでは配管内面との密着性、及び吸水性が悪く、その結果として蒸発性が悪化するが、これは乱流効果により補うことができる。ただし、直管での総合評価は良くない。これは、直管の場合は管内のチェーンが管内面に十分に接触せず、露出面が多くなるからである。これに対し、螺旋管の場合は、蒸発装置を構成する管体が傾斜管となり、管内のチェーンが重力により傾斜管内の底面に接触する。傾斜管内の水は底面と接触しつつ底面近傍を通過する。その底面を含む下半部にチェーンが存在することにより、管内での水の乱流化が推進される。直管の場合、特に縦管（垂直管）の場合は、管内のチェーンが管内に縣吊されるため内面に接触しない。内面が全面的に露出することにより、ライデンフロスト現象が抑制される効果が小さい。
　アルミナ長繊維の織物が問題であるのは、水蒸気雰囲気での耐久性と還元性雰囲気での挙動であり、前者ではアルミナを柔軟な繊維とするために使用された繊維中のシリカ（ＳｉＯ２　）が水蒸気酸化により溶融、再凝結して管の目詰まりを起こし、後者ではそのシリカ（ＳｉＯ２　）が還元性雰囲気中でＳｉに還元され、繊維質が失われてしまう。
　発泡ニッケルがＳＵＳ系の発泡金属より優れるのは、還元性雰囲気での挙動であり、ニッケルは一旦酸化されて酸化金属となっても還元性雰囲気により元の金属状態に戻ることができる。この特性は、発泡ニッケルの製造でも利用されている。ＳＵＳ系の耐熱金属は、耐熱性は優れるが、一旦酸化金属となると、元の金属への還元は不可能である。水素リッチの還元性ガスが燃料ガスとして使用される燃料電池では重要な特性である。
　コストについては、発泡ニッケル、ＳＵＳ系金属材料、アルミナ長繊維の間に大きな違いはない。ニッケル自体は高価な金属であるが、発泡ニッケルはニッケル使用量が少ない上に、太陽電池分野での需要が大きく、量産効果により価格の引き下げが進んでいるのである。
　１０　ケーシング
　２０　セルスタック
　３０　改質器
　４０　バーナ式予熱器
　４１　バーナ
　４２　ラジアントチューブ
　５０　熱交換器
　６０　蒸発装置
　６１　直線管部
　６２　螺旋管部
　６３　円筒管部
　６４　発泡性部材（発泡ニッケルからなるスリーブ状シート）
　６５　重畳部
　６６　接続管部
　６７　管体
　６８　加熱室
　６９　加熱面
　７０　蒸発装置
　７１　螺旋管部
　７２　直線管部
　７３　耐熱チェーン
　７４　縦管
　７５　開口部
　７６　蓋体
　７７　水平管部
　７８　給水管

Claims (20)

  1. 　外部から加熱されることにより内部の加熱面に沿って供給される水を蒸発させる加熱室と、
    　金属を主体とし、前記加熱室内の加熱面近傍に当該加熱面に接して配置された発泡性部材とを備えた蒸発装置。
  2. 　請求項１に記載の蒸発装置において、発泡性部材の主体をなす金属は、還元性ガスに曝されることで酸化状態が元の金属に戻る酸化還元特性を示す蒸発装置。
  3. 　請求項２に記載の蒸発装置において、前記金属はニッケルである蒸発装置。
  4. 　請求項３に記載の蒸発装置において、発泡性部材は発泡ニッケルである蒸発装置。
  5. 　請求項１～４の何れかに記載の蒸発装置において、前記加熱室は管体の内部に形成されている蒸発装置。
  6. 　請求項５に記載の蒸発装置において、発泡性部材は、前記管体の内面近傍に当該内面に接して配置されたスリーブ状シートである蒸発装置。
  7. 　請求項６に記載の蒸発装置において、前記スリーブ状シートは、平板状シートを丸めて前記管体内に圧入したときのスプリングバック力により管体内面に接触している蒸発装置。
  8. 　請求項７に記載の蒸発装置において、平板状シートを丸めて管体内に挿入することにより構成されたスリーブ状シートは、管体周方向の両端部が重なり合った重畳部とされている蒸発装置。
  9. 　請求項８に記載の蒸発装置において、前記重畳部は管体の中心線に並行して配置されている蒸発装置。
  10. 　請求項５～９の何れかに記載の蒸発装置において、管体はその長手方向の少なくとも一部分に、縦向きで上から下へ延在する螺旋管部を有する蒸発装置。
  11. 　請求項１０に記載の蒸発装置において、螺旋管部の下流側に前記管体より大径であると共に、縦向きで下から上へ延在して、その下部に、螺旋管部の出口である下端部が接続され、上部に蒸気出口を有する円筒管部を装備する蒸発装置。
  12. 　請求項１０又は１１に記載の蒸発装置において、前記管体は、前記螺旋管部の上流側又は下流側に、縦向きで下から上に延在して螺旋管部の上流端又は下流端と接続される直線管部を有する蒸発装置。
  13. 　請求項１２に記載の蒸発装置において、前記直線管部内には前記スリーブ状シートが配置されており、前記螺旋管部内には耐熱チェーンが配置されている蒸発装置。
  14. 　請求項１３に記載の蒸発装置において、螺旋管部の入口部分に流方向と交差する方向から管体内へ侵入可能な開口部が設けられており、その開口部を塞ぐ蓋体に前記耐熱チェーンの基端が取付けられている蒸発装置。
  15. 　請求項１４に記載の蒸発装置において、前記開口部は、螺旋管部における管体周方向の上側部分に位置している蒸発装置。
  16. 　外部から加熱されることにより内部の加熱面に沿って供給される水を蒸発させる加熱室を備えた蒸発装置において、
    　前記加熱室は管体の内部に形成されており、
    　当該管体はその長手方向の少なくとも一部分に、縦向きで上から下を延在する螺旋管部を有しており、
    　当該螺旋管部内には耐熱チェーンが配置されている蒸発装置。
  17. 　請求項１６に記載の蒸発装置において、前記耐熱チェーンは金属チェーンであり、且つツイストチェーンである蒸発装置。
  18. 　請求項１６又は１７に記載の蒸発装置において、螺旋管部の入口部分に流方向と交差する方向から管体内へ侵入可能な開口部が設けられており、その開口部を塞ぐ蓋体に前記耐熱チェーンの基端が取付けられている蒸発装置。
  19. 　請求項１８に記載の蒸発装置において、前記開口部は、螺旋管部における管体周方向の上側部分に位置している蒸発装置。
  20. 　固体電解質形燃料電池の燃料極に燃料ガスとして供給される水素リッチの還元性ガスを生成するための水蒸気改質に使用される水蒸気の生成に、請求項１～１９の何れかに記載された蒸発装置を用いた燃料電池システム。
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