(57)【要約】【課題】本発明は、蒸発器及び燃料改質器に関する。【解決手段】周囲壁と、流出口が備えられた底壁と、周囲壁と底壁とによって画定され、液状流体を受ける蒸発チャンバと、前記底壁から前記蒸発チャンバに突出し、前記底壁を貫通する前記流出口への前記液状流体の放出を防止し、気相流体の放出を許容する障壁とを備える、蒸発器。  また、改質反応部と、燃料または水のうちの少なくともいずれか１つを気相流体に気化させ、前記気相流体を前記改質反応部に供給する蒸発部と、前記改質反応部及び前記蒸発部に熱を供給する熱源部とを備え、前記蒸発部は、底壁と周囲壁とによって画定され、前記底壁を貫通する開口部を備え、液状流体を受ける蒸発チャンバと、前記底壁から前記蒸発チャンバに突出し、前記開口部への前記液状流体の放出を防止し、前記開口部への前記気相流体の放出を許容する障壁とを備える、燃料改質器。 【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料改質器の蒸発器であって、
周囲壁と、
流出口が備えられた底壁と、
周囲壁と底壁とによって画定され、液状流体を受ける蒸発チャンバと、
前記底壁から前記蒸発チャンバに突出し、前記底壁を貫通する前記流出口への前記液状流体の放出を防止し、気相流体の放出を許容する障壁と、
を備えることを特徴とする、蒸発器。
【請求項２】
前記障壁は、前記流出口に隣接して設置されることを特徴とする、請求項１に記載の蒸発器。
【請求項３】
前記底壁は、略重力方向に第１間隔だけ前記周囲壁から離隔して設置され、前記障壁は、前記略重力方向の逆方向に第２間隔だけ前記底壁から突出し、前記第２間隔は、前記第１間隔より小さいことを特徴とする、請求項１又は２に記載の蒸発器。
【請求項４】
前記第２間隔は、前記第１間隔の２５％以上７５％以下の範囲にあることを特徴とする、請求項３に記載の蒸発器。
【請求項５】
前記蒸発チャンバは、第１段の蒸発チャンバ及び第２段の蒸発チャンバを備えることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の蒸発器。
【請求項６】
前記底壁と前記周囲壁との間に設置される中間壁をさらに備え、
前記中間壁は、前記第１段の蒸発チャンバと前記第２段の蒸発チャンバとを分割し、前記中間壁を貫通する通路を備えることを特徴とする、請求項５に記載の蒸発器。
【請求項７】
前記中間壁から前記第１段の蒸発チャンバに突出した他の障壁をさらに備えることを特徴とする、請求項６に記載の蒸発器。
【請求項８】
前記底壁は、略重力方向に第１間隔だけ前記中間壁から離隔して設置され、前記障壁は、前記略重力方向の逆方向に第２間隔だけ前記底壁から突出し、前記第２間隔は、前記第１間隔より小さいことを特徴とする、請求項６に記載の蒸発器。
【請求項９】
前記蒸発チャンバに存在する流体を気化させるための熱を供給する熱源部をさらに備えることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載の蒸発器。
【請求項１０】
前記障壁は、前記底壁と同じ材料からなることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか１項に記載の蒸発器。
【請求項１１】
前記障壁は、前記底壁とは異なる材料からなることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか１項に記載の蒸発器。
【請求項１２】
前記障壁は、前記液状の流体が前記底壁上の第１領域から前記流出口が設けられている前記底壁上の第２領域に流れるのを防止する液体阻止顎であることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の蒸発器。
【請求項１３】
前記障壁は、前記流出口を貫通し、前記底壁から前記周囲壁に向かって突出するパイプであることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の蒸発器。
【請求項１４】
前記パイプの入力端または出力端に設けられるメッシュをさらに備えることを特徴とする、請求項１３に記載の蒸発器。
【請求項１５】
前記メッシュは、２００ｃｐｓｉ以上１０００ｃｐｓｉ以下の範囲のメッシュサイズを備えることを特徴とする、請求項１４に記載の蒸発器。
【請求項１６】
改質反応部と、
燃料または水のうちの少なくともいずれか１つを気相流体に気化させ、前記気相流体を前記改質反応部に供給する蒸発部と、
前記改質反応部及び前記蒸発部に熱を供給する熱源部と、
を備え、
前記蒸発部は、
底壁と周囲壁とによって画定され、前記底壁を貫通するように設けられる開口部を備え、液状流体を受ける蒸発チャンバと、
前記底壁から前記蒸発チャンバに突出し、前記開口部への前記液状流体の放出を防止し、前記開口部への前記気相流体の放出を許容する障壁と、
を備えることを特徴とする、燃料改質器。
【請求項１７】
前記蒸発チャンバは、蒸発チャンバの一側に形成された流入口と、蒸発チャンバの他側に形成された開口部との間に延びる蛇行状のチャネルを備えることを特徴とする、請求項１６に記載の燃料改質器。
【請求項１８】
前記熱源部は、その内部に酸化触媒が備えられた酸化反応部を備えることを特徴とする、請求項１６に記載の燃料改質器。
【請求項１９】
前記酸化反応部と前記蒸発部との間に積層され、前記酸化反応部に空気を分配する分配部をさらに備えることを特徴とする、請求項１８に記載の燃料改質器。
【請求項２０】
蓋をさらに備え、
前記底壁は、略重力方向に第１間隔だけ前記蓋から離隔して設置され、前記障壁は、前記略重力方向の逆方向に第２間隔だけ前記底壁から突出し、前記第２間隔は、前記第１間隔より小さいことを特徴とする、請求項１６〜１９のいずれか１項に記載の燃料改質器。
【請求項２１】
前記障壁は、前記開口部を貫通し、前記底壁から前記蒸発チャンバの内側に突出するパイプであり、
前記パイプは、前記蒸発チャンバに向かう前記底壁の一面上に突出し、前記底壁の一面に前記パイプを支持する顎部を備えることを特徴とする、請求項１６〜２０のいずれか１項に記載の燃料改質器。
【請求項２２】
前記開口部は、複数の開口部を備え、
前記障壁は、前記複数の開口部周辺にそれぞれ設置される複数の障壁を備えることを特徴とする、請求項１６〜２１のいずれか１項に記載の燃料改質器。
【請求項２３】
前記蒸発部、前記熱源部、及び前記改質反応部は、１つの積層型反応器として共に積層される第１プレート、第２プレート、及び第３プレートをそれぞれ備えることを特徴とする、請求項１６〜２２のいずれか１項に記載の燃料改質器。
【請求項２４】
前記パイプの入力端および出力端の少なくとも一方にメッシュをさらに備えることを特徴とする、請求項２１〜２３のいずれか１項に記載の燃料改質器。
【請求項２５】
前記メッシュは、２００ｃｐｓｉ以上１０００ｃｐｓｉ以下の範囲のメッシュサイズを備えることを特徴とする、請求項２４に記載の蒸発器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蒸発器及び燃料改質器に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料改質器は、燃料を改質して水素リッチガスを発生させる装置である。この燃料改質器は、燃料電池などに使用可能である。燃料電池は、水素と酸素との電気化学的反応により直接電気エネルギーを発生させるクリーン発電装置の一つである。
【０００３】
通常、燃料改質器は、熱源部と、改質反応部とを備える。熱源部は、改質反応部に必要な熱を供給し、改質反応部は、燃料を改質して水素リッチガスを発生させる。改質反応部は、水蒸気改質方式、自熱改質方式、部分酸化方式、またはこれらの組み合わせ方式により水素リッチガスを発生させることができる。
【０００４】
また、燃料改質器は、燃料効率及び装置性能を高めるために、蒸発器を追加して備えることができる。この場合、蒸発器は、外部から蒸発器に流入する液状の燃料を蒸発させ、液状の燃料から蒸発した気相の流体を改質反応部に供給する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】大韓民国公開特許公報１９９３−００２２０４７号
【特許文献２】大韓民国公開特許公報２００８−００２７６８６号
【特許文献３】大韓民国公開特許公報２００４−００３５３０９号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
一方、水蒸気改質方式の改質反応部に液体状態の燃料や水が流入すると、不均一な改質反応により燃料改質器の性能は大きく減少する。つまり、液状の水は、気化してその体積が１ｃｃあたり２２．４Ｌに増加するため、液状の水が改質反応部に流入すると、水蒸気改質反応を不均一にして発生ガスが脈動を形成することになる。この問題を防止するために、従来の蒸発器は、外部から流入した液体状態の燃料と水を蒸発させるために、燃料改質器の体積に比べて相対的に長いチャネルを備える。
【０００７】
つまり、従来の蒸発器は、長いチャネル構造により体積が大きかった。また、蒸発器を小型化する場合、長いチャネルにより複雑な構造を有するため、加工性がよくなかった。更に、体積の大きい蒸発器を備えた燃料改質器は、予熱または起動時間が長い。
【０００８】
そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、気相流体の放出量を均一に制御し、かつ、液状流体の放出を低減または防止し、小型化を図ることができる蒸発器を提供することにある。
【０００９】
また、本発明の他の目的とするところは、気相流体の放出量を均一に制御し、かつ、液状流体の放出を低減または防止し、小型化を図ることができる蒸発器を備えた燃料改質器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、燃料改質器の蒸発器であって、周囲壁と、流出口が備えられた底壁と、周囲壁と底壁とによって画定され、液状流体を受ける蒸発チャンバと、上記底壁から上記蒸発チャンバに突出し、上記底壁を貫通する上記流出口への上記液状流体の放出を防止し、気相流体の放出を許容する障壁と、
を備えることを特徴とする、蒸発器が提供される。
【００１１】
上記障壁は、上記流出口に隣接して設置されてもよい。
【００１２】
上記底壁は、略重力方向に第１間隔だけ上記周囲壁から離隔して設置され、上記障壁は、上記略重力方向の逆方向に第２間隔だけ上記底壁から突出し、上記第２間隔は、上記第１間隔より小さくてもよい。
【００１３】
上記第２間隔は、上記第１間隔の２５％以上７５％以下の範囲にあってもよい。
【００１４】
上記蒸発チャンバは、第１段の蒸発チャンバ及び第２段の蒸発チャンバを備えていてもよい。
【００１５】
上記蒸発器では、上記底壁と上記周囲壁との間に設置される中間壁をさらに備え、
上記中間壁は、上記第１段の蒸発チャンバと上記第２段の蒸発チャンバとを分割し、上記中間壁を貫通する通路を備えていてもよい。
【００１６】
上記蒸発器では、上記中間壁から上記第１段の蒸発チャンバに突出した他の障壁をさらに備えていてもよい。
【００１７】
上記底壁は、略重力方向に第１間隔だけ上記中間壁から離隔して設置され、上記障壁は、上記略重力方向の逆方向に第２間隔だけ上記底壁から突出し、上記第２間隔は、上記第１間隔より小さくてもよい。
【００１８】
上記蒸発器では、上記第１段の蒸発チャンバ及び上記第２段の蒸発チャンバのうちのいずれか１つまたは両方に存在する流体を気化させるための熱を供給する熱源部をさらに備えていてもよい。
【００１９】
上記障壁は、上記底壁と同じ材料からなっていてもよい。
【００２０】
上記障壁は、上記底壁とは異なる材料からなっていてもよい。
【００２１】
上記障壁は、上記液状の流体が上記底壁上の第１領域から上記流出口が設けられている上記底壁上の第２領域に流れるのを防止する液体阻止顎であってもよい。
【００２２】
上記障壁は、上記流出口を貫通し、上記底壁から上記周囲壁に向かって突出するパイプであってもよい。
【００２３】
上記蒸発器では、上記パイプの入力端または出力端に設けられるメッシュをさらに備えていてもよい。
【００２４】
上記メッシュは、２００ｃｐｓｉ以上１０００ｃｐｓｉ以下の範囲のメッシュサイズを備えていてもよい。
【００２５】
また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、改質反応部と、燃料または水のうちの少なくともいずれか１つを気相流体に気化させ、上記気相流体を上記改質反応部に供給する蒸発部と、上記改質反応部及び上記蒸発部に熱を供給する熱源部と、を備え、上記蒸発部は、底壁と周囲壁とによって画定され、上記底壁を貫通するように設けられる開口部を備え、液状流体を受ける蒸発チャンバと、上記底壁から上記蒸発チャンバに突出し、上記開口部への上記液状流体の放出を防止し、上記開口部への上記気相流体の放出を許容する障壁と、を備えることを特徴とする、燃料改質器が提供される。
【００２６】
上記蒸発チャンバは、蒸発チャンバの一側に形成された流入口と、蒸発チャンバの他側に形成された開口部との間に延びる蛇行状のチャネルを備えていてもよい。
【００２７】
上記熱源部は、その内部に酸化触媒が備えられた酸化反応部を備えていてもよい。
【００２８】
上記燃料改質器では、上記酸化反応部と上記蒸発部との間に積層され、上記酸化反応部に空気を分配する分配部をさらに備えていてもよい。
【００２９】
上記燃料改質器では、蓋をさらに備え、上記底壁は、第１方向（ｙ方向）に第１間隔だけ上記蓋から離隔して設置され、上記障壁は、上記第１方向の逆方向（−ｙ方向）に第２間隔だけ上記底壁から突出し、上記第２間隔は、上記第１間隔より小さくてもよい。
【００３０】
上記障壁は、上記開口部を貫通し、上記底壁から上記蒸発チャンバの内側に突出するパイプであり、上記パイプは、上記蒸発チャンバに向かう上記底壁の一面上に突出し、上記底壁の一面に上記パイプを支持する顎部を備えていてもよい。
【００３１】
上記開口部は、複数の開口部を備え、上記障壁は、上記複数の開口部周辺にそれぞれ設置される複数の障壁を備えていてもよい。
【００３２】
上記蒸発部、上記熱源部、及び上記改質反応部は、１つの積層型反応器として共に積層される第１プレート、第２プレート、及び第３プレートをそれぞれ備えていてもよい。
【発明の効果】
【００３３】
以上説明したように本発明によれば、気相流体の放出量を均一に制御し、かつ、液状流体の放出を低減または防止し、小型化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の第１実施例にかかる蒸発器の断面図である。
【図２】本発明の第２実施例にかかる蒸発器の断面図である。
【図３】本発明の第３実施例にかかる蒸発器の断面図である。
【図４ａ】本発明の第４実施例にかかる蒸発器の断面図である。
【図４ｂ】本発明の第４実施例にかかる蒸発器の主部の平面図である。
【図５】本発明の実施例にかかる燃料改質器の分解斜視図である。
【図６】本発明の実施例にかかる燃料改質器の積層された状態の横断面図である。
【図７】本発明の実施例にかかる燃料改質器の変形例に関する横断面図である。
【図８】本発明の実施例にかかる燃料改質器の水素放出量に関するグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【００３６】
以下の説明において、「気相（ｇａｓ−ｐｈａｓｅ）」という用語は、分子の間隔が大きく、凝集力がなく、各分子が自由に流動するため、一定の形状及び体積を有さずに容器を満たそうとする性質がある流体の状態を指す。気相の流体は、液体または固体状態の流体に比べて密度がはるかに小さく、圧力の増感により体積が変化しやすく、圧縮または熱膨張しやすい性質がある。
【００３７】
図１は、本発明の第１実施例にかかる蒸発器の断面図である。
【００３８】
図１に示すように、本実施例の蒸発器１０は、壁配列によって形成される蒸発チャンバ１１２を備える。蒸発チャンバ１１２を形成する壁配列のうち、略重力方向（ｙ方向）において蒸発チャンバ１１２の下側に位置する壁を底壁１１１ｄといい、底壁１１１ｄを除く残りの壁１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃを周囲壁（ｃｉｒｃｕｍｆｅｒｅｎｔｉａｌ  ｗａｌｌ）という。また、蒸発器１０は、一側の周囲壁１１１ａに設けられた流入口１３と、底壁１１１ｄに設けられた流出口１４とを備える。
【００３９】
液状の流体は、外部から一定（または所定）の圧力で流入口１３に流入し、流入した大部分の液状の流体は、蒸発チャンバ１１２で気化した後、流出口１４に流出する。ここで、液状の流体と共に、気相の流体も流入口１３に流入し得る。流体は、水、燃料、水と燃料との混合物のうちのいずれか１つであり得る。また、燃料は、液化石油ガス（ＬＰＧ）、石油、メタノール、エタノール、バイオマスなどを含む。
【００４０】
本実施例において、蒸発チャンバ１１２内で気化しない一部の液状の流体１６は、障壁１５により流出口１４に流出しない。
【００４１】
障壁１５は、蒸発チャンバ１１２で気化しない液状の流体１６が外部に流出するのを遮断または防止するためのものである。本実施例の障壁１５は、壁配列と一体に形成される。障壁１５は、底壁１１１ｄから突出する。つまり、障壁１５は、蒸発チャンバ１１２の底面から蒸発チャンバの内側空間に向かって突出し、蒸発チャンバ１１２の底面から蒸発チャンバ１１２の内側に所定（または既定）の高さに延びた流出口１４の顎または壁を形成する。
【００４２】
より具体的に説明すると、図１に示すように、蒸発チャンバ１１２は、液状の流体１６を受け、周囲壁１１１ｃと底壁１１１ｄとによって画定される。障壁１５は、底壁１１１ｄから蒸発チャンバ１１２の内側に延びる液体阻止顎（または液体阻止壁）を形成し、液状の流体１６が流出口１４を介して放出されるのを遮断し、気相の流体が流出口１４を介して放出されることを許容する。液体阻止顎は、液状の流体１６が底壁１１１ｄ上の第１領域から底壁１１１ｄ上の第２領域に流れるのを遮断するためのものである。底壁１１１ｄの第２領域には、流出口１４が形成されている。
【００４３】
図２は、本発明の第２実施例にかかる蒸発器の概略断面図である。
【００４４】
図２に示すように、本実施例の蒸発器１０ａは、外部から流入した液状の流体が十分に熱交換して気化した状態で排出されるように、図１の蒸発器に比べて長い流動流路を有する２段の蒸発チャンバ構造を備える。蒸発チャンバの２段構造は一例であって、本発明は、その構成に限定されない。例えば、本実施例の蒸発器１０ａは、３段以上の蒸発チャンバ構造を有し得る。
【００４５】
２段の蒸発チャンバ構造を形成する壁配列のうち、略重力方向（ｙ方向）において第１段の蒸発チャンバ２１２ａの下側に位置する壁を中間壁２１１ｅといい、第２段の蒸発チャンバ２１２ｂの下側に位置する壁を底壁２１１ｄといい、中間壁２１１ｅ及び底壁２１１ｄを除く残りの壁２１１ａ、２１１ｂ、２１１ｃを周囲壁という。
【００４６】
また、蒸発器１０ａは、一側の周囲壁２１１ａに設けられた流入口１３と、中間壁２１１ｅに設けられた通路１４ａと、底壁２１１ｄに設けられた流出口１４ｂとを備える。
【００４７】
また、蒸発器１０ａは、底壁２１１ｄの外側面に結合された熱源部２３０を備えることができる。
【００４８】
熱源部２３０は、複数段の蒸発チャンバ２１２ａ、２１２ｂに流体の気化に必要な熱を供給する。熱源部２３０は、燃焼チャンバ２３１を形成する本体２３２と、燃焼チャンバ２３１内に備えられた酸化触媒２３４とを備える。本体２３２の一側には、燃料と空気の流入のための流入口２３６が備えられ、他側には、排気のための排気口２３８が備えられ得る。
【００４９】
外部から一定の圧力で第１段の蒸発チャンバ２１２ａに流入した液状の流体は、その一部が第１段の蒸発チャンバ２１２ａで気化する。気化した流体と一部の液状の流体は、通路１４ａを介して第２段の蒸発チャンバ２１２ｂに流動する。また、一部の液状の流体は、第２段の蒸発チャンバ２１２ｂで気化する。その後、気化した流体は、流出口１４ｂに放出される。このとき、第２段の蒸発チャンバ２１２ｂ内で気化しない一部の液状の流体１６は、障壁１５ａにより流出口１４ｂに流出しない。
【００５０】
本実施例において、障壁１５ａは、第２段の蒸発チャンバ２１２ｂの底面と流出口１４ｂとの間に一定高さの顎または壁を形成することにより、第２段の蒸発チャンバ２１２ｂに存在する液状の流体が流出口１４ｂに放出されないように機能する。障壁１５ａは、壁配列と同じ材料または異なる材料で別途に用意した後、底壁２１１ｄの一面に固定結合され得る。
【００５１】
さらに、本実施例において、蒸発器１０ａの中間壁２１１ｅの一面には、他の障壁１５ｂが形成され得る。この場合、他の障壁１５ｂは、中間壁２１１ｅの一面と通路１４ａとの間に所定高さの壁を形成し、第１段の蒸発チャンバ２１２ａ内に存在する液状流体が通路１４ａを介して放出されないように機能する。
【００５２】
本実施例の蒸発器１０ａにおいて、気相流体の放出流量は均一であり、液状流体の流出は遮断または防止され得る。したがって、同じ放出流量を基準とした場合、従来の蒸発器に比べてその体積を小さくすることができる。また、体積の減少により、蒸発器の背圧も、約１／２〜約２／５の範囲に下げることができ、それにより、蒸発器に液状の流体を供給するポンプなどの流体供給装置の消費電力も低減することができる。
【００５３】
例えば、従来の蒸発器の一例として、水蒸気改質方式の改質装置に用いられる多段ディスク構造の蒸発器を挙げることができる。この種の蒸発器は、通常、所望の熱効率及び性能を得るために、２００ｃｃ以上の体積及び８段以上のチャンバ構造を備えることになる。ここで、所望する性能の一つは、改質装置の水素ガスの流出量が約５［ｃｃ／ｍｉｎ］と仮定する。前述した従来の蒸発器の体積は、この蒸発器と結合する改質装置の体積と比較して非常に大きい。したがって、予熱時の加熱面積が広いため、予熱または起動時間が長く、流体の供給のための背圧も大きい。例えば、前述した蒸発器の背圧は、約１０〜２０ｋｐａの範囲を有し得る。
【００５４】
しかし、本実施例の蒸発器を用いると、液状流体の流出を防止することで実質的に蒸発器の体積を減少させ、性能を向上させることができる。例えば、従来の８段チャンバ構造の蒸発器を６段または４段のチャンバ構造の蒸発器に変更することができる。すなわち、前述した従来の蒸発器に比べた同一性能の本実施例の蒸発器において、その体積を、例えば、約２００ｃｃから約１００ｃｃに減少させ、その背圧を、例えば、約１０〜２０ｋＰａから約５〜８ｋＰａの範囲に下げることにより、本実施例の蒸発器を備えた改質装置の効率及び性能を向上させることができる。また、流入した水の気化特性を向上させることにより、改質反応器に流入する燃料（例えば、ＬＰＧ）との混合をより均一にすることができる。例えば、スチーム／カーボン（ｓｔｅａｍ／ｃａｒｂｏｎ）の比を従来の４以上から３以下に下げることにより、実質的に燃料改質器の効率及び性能を向上させることができる。
【００５５】
図３は、本発明の第３実施例による蒸発器の概略断面図である。
【００５６】
図３に示すように、本実施例の蒸発器１０ｂは、壁配列によって形成される蒸発チャンバ３１２を備える。蒸発チャンバ３１２を形成する壁配列のうち、略重力方向（ｙ方向）において蒸発チャンバ３１２の下側に位置する壁を底壁３１１ｄといい、底壁３１１ｄを除く残りの壁３１１ａ、３１１ｂ、３１１ｃを周囲壁という。また、蒸発器１０ｂは、一側の周囲壁３１１ａに設けられた流入口１３と、底壁３１１ｄに設けられた開口部１４ｃとを備える。
【００５７】
また、蒸発器１０ｂは、底壁３１１ｄの一面、すなわち、蒸発チャンバ３１２の底面から蒸発チャンバ３１２の内部に向かって所定または既定の高さに突出するように開口部１４ｃに挿入される障壁２０を備える。障壁２０は、一定または既定の長さのパイプ（または中空パイプ）で形成され得、パイプの中空部２２は、蒸発チャンバ３１２の流出口として機能することができる。
【００５８】
本実施例において、流入口１３に流入した大部分の液状の流体は、蒸発チャンバ３１２内で外部の熱源部から供給される熱によって気化して流出口を介して放出される。このとき、流入口１３に流入した一部の液状の流体は、蒸発チャンバ３１２内で気化せずに滞留し得る。しかし、本実施例において、蒸発チャンバ３１２に滞留する一部の液状の流体１６は、蒸発チャンバ３１２の底面と開口部１４ｃとの間に所定または既定の高さの壁（またはパイプ壁）を形成する障壁２０により外部に流出しない。
【００５９】
障壁２０の突出高さＨ１は、底壁３１１ｄと上側の周囲壁３１１ｃとの間の距離（または高さ）Ｈ２の約２５％〜約７５％として設計される。ここで、障壁２０の突出高さＨ１は、底壁３１１ｄから蒸発チャンバ３１２の内側に突出した高さを指す。障壁２０の突出高さＨ１が約２５％より小さいと、蒸発チャンバ３１２の底面に存在する一部の液状の流体１６が障壁２０を越えて中空部２２に流出し得る。また、障壁２０の突出高さＨ１が約７５％より大きいと、背圧による蒸発チャンバ３１２内の圧力の増加により外部から液状の流体を供給する流体供給装置の消費電力が増加する。ここで、流体供給装置は、ポンプなどを備えることができる。
【００６０】
図４ａは、本発明の第４実施例による蒸発器の概略断面図である。図４ｂは、図４ａの蒸発器の主部の概略平面図である。
【００６１】
図４ａに示すように、本実施例の蒸発器１０ｃは、壁配列によって形成される蒸発チャンバ４１２と、壁配列から蒸発チャンバ４１２の内側に突出する障壁２０ａとを備える。壁配列における他の壁には、流入口１３が備えられる。
【００６２】
壁配列は、略重力方向（ｙ方向）において蒸発チャンバ４１２の下側に位置する底壁４１１ｄと、底壁４１１ｄを除く残りの壁４１１ａ、４１１ｂ、４１１ｃとを備える。残りの壁４１１ａ、４１１ｂ、４１１ｃは周囲壁と言及することができる。底壁４１１ｄには、開口部１４ｃが形成される。
【００６３】
障壁２０ａは、開口部１４ｃを貫通し、底壁４１１ｄの一面、すなわち、蒸発チャンバ４１２の底面から蒸発チャンバ４１２の内側に所定または既定の高さに突出した一端を備える。障壁２０ａは、所定または既定の長さの中空パイプで形成され得、パイプの中空部２２は、蒸発チャンバ４１２の流出口として機能することができる。前述した構造により、障壁２０ａは、蒸発チャンバ４１２に滞留する一部の液状の流体１６が外部に流出するのを遮断する。
【００６４】
本実施例において、障壁２０ａの一端、すなわち、蒸発チャンバ４１２内に位置する一端には、メッシュ３０が設けられる。図４ｂに示すように、メッシュ３０は、蒸発する液状流体のうち、所定または既定の大きさ以下の流体のみが中空部２２を介して流出するように設けられる。メッシュ３０は、ステンレススチール、セラミック系複合材料、セラミック系膜構造及びこれらの組み合わせのうちの少なくともいずれか１つで作製可能である。メッシュ３０は、環状のフレーム３２と、フレーム３２の内側空間に備えられた網構造３４とを備えることができる。
【００６５】
一実現例において、メッシュ部材３０の複数のセル３６は、メッシュサイズが２００ｃｐｓｉ（ｃｅｌｌｓ  ｐｅｒ  ｓｑｕａｒｅ  ｉｎｃｈ）以上１０００ｃｐｓｉ以下の範囲で形成（または設計）される。メッシュ部材３０のメッシュサイズが２００ｃｐｓｉ未満であれば、メッシュ部材３０を使用する効果がわずかであり、メッシュサイズが１０００ｃｐｓｉを超過すると、蒸発チャンバ４１２内の背圧が増加し、蒸発器１０ｃの効率及び性能が低下する。
【００６６】
図５は、本発明の実施例による燃料改質器の概略分解斜視図である。図６は、図５の燃料改質器の積層された状態の概略横断面図である。
【００６７】
図５に示すように、本実施例の燃料改質器１００は、蒸発部５１０と、分配部５２０と、酸化反応部５３０と、改質反応部５４０と、蓋５５０と、２つの障壁５６０ａ、５６０ｂとを備える。蒸発部５１０は、図３を参照して先に説明した本実施例の蒸発器の構造及び形態に類似する構造及び形態を備える。本実施例の燃料改質器１００は、燃料電池のアノードに均一な流量の水素を供給する装置として使用可能である。
【００６８】
より具体的に説明すると、蒸発部５１０は、外部から所定または既定の圧力で流入する第１燃料と水を気化して改質反応部５４０に供給する。蒸発部５１０は、平板状の第１プレートの一面に形成された壁配列によって画定される蒸発チャンバ５１２を備える。壁配列は、蒸発チャンバ５１２の底面を形成する底壁５１１ｅと、蒸発チャンバ５１２の側壁を形成する周囲壁５１１ａ、５１１ｂ、５１１ｃ、５１１ｄ、５１１ｆとを備える。第１プレートの一面には、蒸発チャンバ５１２の一面が覆われるように平板状の蓋５５０が積層される。
【００６９】
前述した周囲壁のうち、特定の周囲壁５１１ｆは、所定（または既定）のパターンを備える。例えば、周囲壁５１１ｆは、２つのくしが互いに交差配置された形状になるように互いに対向する第１組の周囲壁５１１ａ、５１１ｂから一定の長さだけずれて交互に延長設置される。蒸発チャンバ５１２は、前述した特定の周囲壁５１１ｆにより、互いに対向する第１組の周囲壁５１１ａ、５１１ｂと、互いに対向する第２組の周囲壁５１１ｃ、５１１ｄとの間で蛇行状のチャネル（または内部空間）を備える。
【００７０】
一側の周囲壁５１１ｃ付近に位置する蒸発チャンバ５１２の内部空間の一端部は、２つに分かれる。それは、液状の第１燃料と水が気化して体積が増加するとき、気相の第１燃料と水蒸気が効率的に改質反応部５４０に流動できるようにするためのものである。
【００７１】
また、蒸発部５１０は、蒸発チャンバ５１２の一側に備えられた流入口５１３と、蒸発チャンバ５１２の他側に備えられた２つの開口部５１４ａ、５１４ｂとを備える。流入口５１３は、一側の周囲壁５１１ｄの一部が除去された形で設けられる。２つの開口部５１４ａ、５１４ｂは、他側の周囲壁５１１ｃに隣接して底壁５１１ｅに設けられる。
【００７２】
他の態様において、図５に示すように、蒸発チャンバ５１２は、蒸発チャンバ５１２内に燃料と水を供給するために、蒸発チャンバ５１２の一側に流入口５１３を有し、蒸発チャンバ５１２の他側に形成された開口部５１４ａ、５１４ｂを有する蛇行形状を備えることができる。
【００７３】
分配部５２０及び酸化反応部５３０は、蒸発部５１０と改質反応部５４０との間に介在する熱源部を形成し、蒸発部５１０及び改質反応部５４０に熱を供給する。
【００７４】
分配部５２０は、外部空気を酸化反応部５３０の全面にわたって均一に分配する。分配部５２０は、平板状の第２プレートの一面に凹状に形成される分配チャンバ５２２と、分配チャンバ５２２の一側に備えられる流入口５２３と、分配チャンバ５２２の底面に設けられる複数の分配ホール５２４と、分配チャンバ５２２とは独立して第２プレートを貫通する２つの開口部５２４ａ、５２４ｂとを備える。
【００７５】
２つの開口部５２４ａ、５２４ｂは、第１プレートの蒸発チャンバ５１２に備えられた２つの開口部５１４ａ、５１４ｂに対応してそれぞれ設けられる。第２プレートは、分配チャンバ５２２の一面が第１プレートの他面によって覆われるように第１プレートの他面に積層される。
【００７６】
酸化反応部５３０は、第２燃料を燃焼させ、燃焼反応による反応熱を発生させる。酸化反応部５３０は、平板状の第３プレートの一面に凹状に形成された燃焼チャンバ５３２と、燃焼チャンバ５３２の一側に備えられる流入口５３３と、燃焼チャンバ５３２の他側に備えられる流出口５３４と、燃焼チャンバ５３２の内部に備えられる酸化触媒５３５と、燃焼チャンバ５３２とは独立して第３プレートを貫通する２つの開口部５３４ａ、５３４ｂとを備える。
【００７７】
２つの開口部５３４ａ、５３４ｂは、第２プレートに備えられた２つの開口部５２４ａ、５２４ｂに対応してそれぞれ設けられる。第３プレートは、燃焼チャンバ５３２の一面が第２プレートの他面によって覆われるように第２プレートの他面に積層される。
【００７８】
酸化触媒５３５としては、微粒子状の触媒が使用可能である。この場合、微粒子状の酸化触媒５３５の飛散を防止するために、燃焼チャンバ５３２の流入口５３３及び流出口５３４には、網状体５３６が備えられ得る。酸化触媒としては、白金系触媒、ルテニウム系触媒、及び白金系触媒とルテニウム系触媒とを混合した触媒等が挙げられる。
【００７９】
燃焼チャンバ５３２に流入した第２燃料は、酸化触媒５３５の表面で空気と反応して燃焼する。このとき、空気は、分配チャンバ５２２の複数の分配ホール５２４により燃焼チャンバ５３２の全面積にわたって均一に分配される。この構成によれば、燃焼チャンバ５３２内で非常に速い発熱反応である燃焼反応が起きるとき、局所的なホットスポット（ｈｏｔ  ｓｐｏｔ）の発生を防止することができ、均一な燃焼反応により反応熱を蒸発部５１０及び改質反応部５４０の全面積にわたって均一に供給することができる。
【００８０】
改質反応部５４０は、第１燃料を水蒸気改質して水素を発生させ、発生した水素を放出する。改質反応部５４０は、平板状の第４プレートの一面に凹状に形成された改質チャンバ５４２と、改質チャンバ５４２の一側に備えられた流出口５４４と、改質チャンバ５４２内に備えられる改質触媒５４５とを備える。第４プレートは、改質チャンバ５４２の一面が第３プレートの他面によって覆われるように第３プレートの他面に積層される。改質触媒５４５としては、微粒子状の触媒が使用可能である。
【００８１】
蒸発チャンバ５１２と改質チャンバ５４２とを流体疎通可能に連結するために、第１障壁５６０ａ及び第２障壁５６０ｂは、所定または既定の長さの中空パイプで形成され得る。この場合、第１障壁５６０ａは、第１中空部５６４ａを備え、第２障壁５６０ｂは、第２中空部５６４ｂを備える。
【００８２】
第１障壁５６０ａは、第１プレートの第１開口部５１４ａ、第２プレートの第１開口部５２４ａ、及び第３プレートの第１開口部５３４ａに挿入される。第２障壁５６０ｂは、第１プレートの第２開口部５１４ｂ、第２プレートの第２開口部５２４ｂ、及び第３プレートの第２開口部５３４ｂに挿入される。
【００８３】
第１障壁５６０ａ及び第２障壁５６０ｂの一端、すなわち、蒸発チャンバ５１２側に位置する一端は、蒸発チャンバ５１２の底面から蒸発チャンバ５１２の内側に一定の長さだけ突出する。第１障壁５６０ａ及び第２障壁５６０ｂの突出高さＨ１は、図６に示すように、蒸発チャンバ５１２の対応する部分の内部高さＨ２の約２５％〜約７５％である。この障壁５６０ａ、５６０ｂの突出構造は、蒸発チャンバ５１２の底面に存在する液状の第１燃料や水が改質反応部５４０に流入するのを遮断する。
【００８４】
また、本実施例の他の形態の燃料改質器１００ａは、図７に示すように、第１障壁５６０ａ及び第２障壁５６０ｂの一端にそれぞれ備えられたメッシュ５７０ａ、５７０ｂをさらに備えるようにすることができる。この場合、各メッシュ５７０ａ；５７０ｂは、図４ｂのメッシュに類似している。
【００８５】
また、燃料改質器１００ａにおいて、パイプ状の第１障壁５６０ａ及び第２障壁５６０ｂは、その一端の外表面において放射状の少なくともいずれかの方向へやや突出した形態の顎または顎部５６５ａ、５６５ｂがそれぞれ備えられ得る。各顎部５６５ａ、５６５ｂは、その末端部が蒸発チャンバ５１２の底面上から所定または既定の長さに突出した状態で第１障壁５６０ａ及び第２障壁５６０ｂの一端が蒸発チャンバ５１２の底面に支持されるように機能する。
【００８６】
蓋５５０、第１プレート５１０、第２プレート５２０、第３プレート５３０、及び第４プレート５４０は、縁部分を溶接接合させる構造に組み立てることができる。このとき、各プレート間には、適切な形態のガスケットが設置され得る。
【００８７】
このように、蒸発部５１０、酸化反応部５３０、及び改質反応部５４０の各々は、反応プレートからなる単一の積層体として互いに積層されて燃料改質器１００または１００ａを形成する。
【００８８】
図８は、本発明の実施例による燃料改質器の水素放出量を示すグラフである。
【００８９】
図８に示すように、本実施例の燃料改質器は、リフォーメートの脈動（または流量偏差）を約±０．２Ｌ／ｍｉｎ以下に維持しながら、約６ｃｃ／ｍｉｎの水素を実質的に均一に発生させた。それは、従来の燃料改質器で得られるリフォーメートの脈動、例えば、約±０．６５Ｌ／ｍｉｎに比べて大きく低い値である。このように、水素放出量については、リフォーメート内に蓄積された水素を測定した。燃料改質器としては、図６に示す燃料改質器を使用した。
【００９０】
本発明によれば、気化部から改質反応部に液体状態の燃料や水が流入するのを遮断または防止することができる。したがって、不均一な改質反応を防止することで燃料改質器の性能を向上させることができる。さらに、同じ出力性能では、装置内部のチャネル長を短縮させることにより、装置の加工性を向上させるか、装置の体積を減少させることができる。また、装置の体積を減少させることにより、装置の予熱または起動時間を短縮することができる。
【００９１】
付け加えると、従来の燃料改質器用蒸発器（例えば、図６に示した燃料改質器において、底面から突出した障壁を除去した蒸発器）では、液状の流体が改質反応器に流入することを許容していた。その場合、液状燃料による不均一な改質反応のために改質反応部の性能は低下する。この問題に対する一つの解決策として、従来の蒸発器は、液状の流体を気相の流体に気化するために長いチャネルを備えていた。長いチャネルは、蒸発器全体の大きさを増加させ、蒸発器の起動または予熱時間を長くしていた。
【００９２】
反面、上述のように、本発明の実施例では、蒸発器の大きさを増加させることなく、蒸発器内に障壁を形成することにより、液状の流体が改質反応部に流入するのを遮断する。一実現例において、蒸発器は、蒸発チャンバを形成する周囲壁と、底壁とを備える。底壁は、底壁を貫通する流出口を備え、障壁は、流出口を取り囲み、底壁から蒸発チャンバの内側に突出して液状の流体が流出口を介して放出されるのを遮断する。障壁は、液状の流体の放出を遮断し、かつ、長いチャネルの必要性を除去することにより、蒸発器の大きさを増加させることなく、蒸発器を用いる改質反応部または燃料改質器の性能を向上させることができる。
【００９３】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【符号の説明】
【００９４】
１０、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ    蒸発器
１５、１５ａ、１５ｂ、２０、２０ａ、５６０ａ、５６０ｂ    障壁
３０、５７０ａ、５７０ｂ    メッシュ
１１１ｄ、２１１ｄ、３１１ｄ、４１１ｄ、５１１ｅ    底壁
１１２、２１２ａ、２１２ｂ、３１２、４１２、５１２    蒸発チャンバ
５１０    蒸発部
５２０    分配部
５３０    酸化反応部
５４０    改質反応部
【図１】
2010059051.tif 000003
【図２】
2010059051.tif 000004
【図３】
2010059051.tif 000005
【図４ａ】
2010059051.tif 000006
【図４ｂ】
2010059051.tif 000007
【図５】
2010059051.tif 000008
【図６】
2010059051.tif 000009
【図７】
2010059051.tif 000010
【図８】
2010059051.tif 000011