(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
メタノールおよび水からなる液体原燃料を気化させて燃料電池本体の燃料となる原燃料蒸気を生成する燃料電池用蒸発器において、
前記メタノールと水をそれぞれ供給する供給通路を２段に重ねた上部ヘッダを熱交換部の直上全面にわたって設置し、前記各供給通路の下面には前記メタノール、水、あるいはメタノールと水の混合液を通過させる供給孔を複数個穿設してなることを特徴とする燃料電池用蒸発器。
【請求項２】
前記２段に重ねた各供給通路である上段供給通路および下段供給通路の各下面は、ともに平板であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池用蒸発器。
【請求項３】
前記上段供給通路の供給孔と略同じ位置に前記下段供給通路の供給孔を穿設してなることを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池用蒸発器。
【請求項４】
前記上段供給通路の供給孔とは外れた位置に前記下段供給通路の供給孔を穿設してなることを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池用蒸発器。
【請求項５】
前記各供給通路の下面は、上段供給通路においては波形板、下段供給通路においては平板とし、前記上段供給通路における波形板の底部を前記下段供給通路の平板と接合し、且つこの接合部において前記上段供給通路の供給孔は前記下段供給通路の平板部を貫通して開口してなることを特徴とする請求項１記載の燃料電池用蒸発器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池用蒸発器に関し、特に燃料電池用蒸発器における液体原燃料の供給構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
液体原燃料を気化させて燃料電池本体の燃料となる原燃料蒸気を生成する従来の気化部の構成として、例えば、図７に示すようなものが報告されている（「固体高分子型燃料電池の研究開発」新エネルギー・産業技術総合開発機構（平成１０年３月））。
【０００３】
気化部は、基本的に、液体原燃料加熱部４１、蒸発部４２、熱回収部４３から構成されている。このうち、蒸発部４２は、液体原燃料滴下板４２ａおよび蒸発板４２ｂにより構成され、液体原燃料滴下板４２ａは液体原燃料が滴下する分散孔を面内に設けた構造であり、滴下した原燃料液滴が下部に設置した蒸発板４２ｂ上で蒸発するようになっている。蒸発板４２ｂは平面内に凹凸状の伝熱フィンを有し、液滴を伝熱フィンの間に滴下させ蒸発面上で蒸発させる。この際、メタノールと水からなる液体原燃料は、気化部の上流側で混合した後に、蒸発部４２に供給する構成となっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来技術においては、液体原燃料であるメタノールと水を蒸発部に供給する以前に混合して供給するようになっていたため、メタノールと水の混合比を変えて運転条件を制御する場合には、原燃料供給配管に残存する原燃料を蒸発部へ排出する時間だけ応答性が低下するという問題点があった。
【０００５】
本発明は、上記に鑑みなされたもので、その目的としては、メタノールと水の混合比を変えて運転条件を制御する場合に応答遅れ時間を極力短縮することができ、また熱交換部の蒸発性能低下を抑制することができる燃料電池用蒸発器を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、上記課題を解決するため、メタノールおよび水からなる液体原燃料を気化させて燃料電池本体の燃料となる原燃料蒸気を生成する燃料電池用蒸発器において、前記メタノールと水をそれぞれ供給する供給通路を２段に重ねた上部ヘッダを熱交換部の直上全面にわたって設置し、前記各供給通路の下面には前記メタノール、水、あるいはメタノールと水の混合液を通過させる供給孔を複数個穿設してなることを要旨とする。
【０００７】
請求項２記載の発明は、上記課題を解決するため、前記２段に重ねた各供給通路である上段供給通路および下段供給通路の各下面は、ともに平板であることを要旨とする。
【０００８】
請求項３記載の発明は、上記課題を解決するため、前記上段供給通路の供給孔と略同じ位置に前記下段供給通路の供給孔を穿設してなることを要旨とする。
【０００９】
請求項４記載の発明は、上記課題を解決するため、前記上段供給通路の供給孔とは外れた位置に前記下段供給通路の供給孔を穿設してなることを要旨とする。
【００１０】
請求項５記載の発明は、上記課題を解決するため、前記各供給通路の下面は、上段供給通路においては波形板、下段供給通路においては平板とし、前記上段供給通路における波形板の底部を前記下段供給通路の平板と接合し、且つこの接合部において前記上段供給通路の供給孔は前記下段供給通路の平板部を貫通して開口してなることを要旨とする。
【００１１】
【発明の効果】
請求項１記載の本発明によれば、メタノールと水をそれぞれ供給する供給通路を２段に重ねた上部ヘッダを熱交換部の直上全面にわたって設置し、前記各供給通路の下面には前記メタノール、水、あるいはメタノールと水の混合液を通過させる供給孔を複数個穿設したので、メタノールと水が上部ヘッダ部分の各供給通路に各別に供給され、下段の供給通路で混合されて熱交換部に供給されることから、メタノールと水の混合比を変えて運転条件を制御する場合に応答遅れ時間を極力短縮することができる。
【００１２】
請求項２記載の本発明によれば、メタノールと水をそれぞれ供給する供給通路を２段に重ねた上部ヘッダを熱交換部の直上全面にわたって設置し、前記各供給通路の下面には前記メタノール、水、あるいはメタノールと水の混合液を通過させる供給孔を複数個穿設した構成において、前記２段に重ねた各供給通路である上段供給通路および下段供給通路の各下面は、ともに平板としたので、各供給通路の厚さを極力薄くして、各供給通路の体積をメタノールおよび水の供給量に比べて小さくすることが可能となり、上段供給通路に供給されたメタノール又は水が下段供給通路内で混合された後に熱交換部に均一に圧送供給されることから、メタノールと水の混合比を変えて運転条件を制御する場合に応答遅れ時間をさらに短縮することが可能となる。
【００１３】
請求項３記載の本発明によれば、メタノールと水をそれぞれ供給する供給通路を２段に重ねた上部ヘッダを熱交換部の直上全面にわたって設置し、前記各供給通路の下面には前記メタノール、水、あるいはメタノールと水の混合液を通過させる供給孔を複数個穿設した構成において、上段供給通路の供給孔と略同じ位置に下段供給通路の供給孔を穿設したので、上段供給通路からメタノールあるいは水が直接下段供給通路の供給孔を経由して熱交換部へ供給されやすくなり、メタノールと水の混合比を変えて運転条件を制御する場合に、所定の混合比の原燃料を供給できるまでの応答遅れ時間をさらに短縮することができる。
【００１４】
請求項４記載の本発明によれば、メタノールと水をそれぞれ供給する供給通路を２段に重ねた上部ヘッダを熱交換部の直上全面にわたって設置し、前記各供給通路の下面には前記メタノール、水、あるいはメタノールと水の混合液を通過させる供給孔を複数個穿設した構成において、上段供給通路の供給孔とは外れた位置に下段供給通路の供給孔を穿設したので、メタノールと水の混合が下段供給通路で促進された後に熱交換部に供給されることから、熱交換部の蒸発性能低下を抑制することができる。
【００１５】
請求項５記載の本発明によれば、メタノールと水をそれぞれ供給する供給通路を２段に重ねた上部ヘッダを熱交換部の直上全面にわたって設置し、前記各供給通路の下面には前記メタノール、水、あるいはメタノールと水の混合液を通過させる供給孔を複数個穿設した構成において、前記各供給通路の下面は、上段供給通路においては波形板、下段供給通路においては平板とし、前記上段供給通路における波形板の底部を前記下段供給通路の平板と接合し、且つこの接合部において前記上段供給通路の供給孔は前記下段供給通路の平板部を貫通して開口したので、メタノールと水をそれぞれ直接熱交換部へ供給することができ、メタノールと水の混合比を変える場合でも、所定の混合比の原燃料を供給するまでの応答遅れ時間をさらに短縮することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
【００１７】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池用蒸発器を含む燃料電池システムの構成を示す図である。まず、この燃料電池システムの構成から説明する。
【００１８】
図１において、コンプレッサ１は、外部から取り入れた空気（酸素）を燃料電池スタック２および改質システム５に供給する。燃料電池スタック（燃料電池本体）２には、アノード極３とカソード極４が備えられ、改質ガス中の水素と空気中の酸素を用いて発電する。
【００１９】
改質システム５には、蒸発器６、この蒸発器６の熱源となる高温の排気ガス２６を生成する燃焼触媒２１、その上流に順次設置されたミキサ２２、気化ヒータ２３およびメタノール供給部２４と気化ヒータ２３を駆動するバッテリ２５とが備えられ、さらに蒸発器６からの原燃料蒸気２７および空気が供給されてメタノール改質を行う改質部２８およびこの改質部２８からの改質ガス中のＣＯを除去するＣＯ除去部２９が備えられている。
【００２０】
メタノールタンクにはメタノール３０が貯留され、水タンクには水３１が貯留されている。ポンプ３２ａ，３２ｂは、メタノール３０および水３１を吸引して流量調整弁３３ａ，３３ｂまで供給し、流量調整弁３３ａ，３３ｂでは、蒸発器６で生成される原燃料蒸気２７が改質部２８で必要とされる組成となるようにメタノール３０および水３１の供給量を調整する。
【００２１】
図２は、上記の蒸発器６の構成を示している。
【００２２】
図２において、冷媒側フィン７にはメタノール３０および水３１からなる液体原燃料が流れ、熱媒側フィン８には高温の排気ガス２６が流れるようになっており、この冷媒側フィン７と熱媒側フィン８の組付け部により熱交換部９が構成されている。
【００２３】
また、熱交換部９にメタノール３０を供給する上段供給通路１０と水を供給する下段供給通路１１とが上下２段に重ねられた上部ヘッダ１２Ａが熱交換部９の直上全面にわたつて設置されている。上段供給通路１０の下面１４ａにはメタノール３０を通過させる複数の供給孔１３ａが下面全体にわたり均一に開口され、下段供給通路１１の下面１４ｂにはメタノール３０と水３１の混合液（液体原燃料）を通過させる複数の供給孔１３ｂが下面全体にわたって均一に開口されている。蒸発器６の下部には下部ヘッダ１５と原燃料蒸気排出口１６が設けられている。
【００２４】
次に、蒸発器６の作用を燃料電池システムの動作とともに説明する。
【００２５】
改質システム５の起動時においては、コンプレッサ１により空気供給路３４を介して空気３５がミキサ２２に供給開始された後、メタノール供給部２４よりメタノール３０が供給される。メタノール３０は気化ヒータ２３で気化された後にミキサ２２で空気３５と混合され、燃焼触媒２１で燃焼する。
【００２６】
また、起動後においては、燃料電池スタック２から排出されるアノードガス３６およびカソードガス３７がミキサ２２に導入されて混合され、燃焼触媒２１で燃焼する。これらの各燃焼の際に生成される排気ガス２６の熱が蒸発器６の熱源として利用される。
【００２７】
蒸発器６では、メタノール３０と水３１が、それぞれ流量調整弁３３ａ，３３ｂを介して上段供給通路１０と下段供給通路１１に格別に供給される。メタノール３０は上段供給通路１０から供給孔１３ａを介して一旦下段供給通路１１へ供給され、下段供給通路１１内で水と混合された後に供給孔１３ｂを通過し、液体原燃料として熱交換部９へ供給される。
【００２８】
ここで、排気ガス２６と熱交換が行われ、気化した原燃料蒸気２７は改質部２８およびＣＯ除去部２９を通って改質ガス３８となり、燃料電池スタック２のアノード極３に送られる。燃料電池スタック２のカソード極４にコンプレッサ１により空気３５が送られており、ここで改質ガス３８中の水素と空気３５中の酸素を用いて発電が行われる。
【００２９】
蒸発器６は、上述のように作用し、メタノール３０と水３１が上段供給通路１０と下段供給通路１１に各別に供給され、熱交換部９直前の下段供給通路１１で混合されて熱交換部９に供給されることから、メタノール３０と水３１の混合比を変えて運転条件を制御する場合に応答遅れ時間を極力短縮することができる。ここで、図２に示されているように、上部ヘッダ１２Ａにおける上段供給通路１０および下段供給通路１１の各下面１４ａ，１４ｂは、ともに平板になっており、複数の供給孔１３ａ，１３ｂが、その下面１４ａ，１４ｂの全体にわたりそれぞれ均一に開口されている。
【００３０】
このため、上段および下段の各供給通路１０，１１の厚さを極力薄くして、各供給通路１０，１１の体積をメタノール３０および水３１の供給量に比べて充分小さくするこができる。これにより流量調整弁３３ａ，３３ｂを介して上段供給通路１０と下段供給通路１１に各別に供給されたメタノール３０と水３１は、下段供給通路１１内で混合された後に熱交換部９に均一に圧送供給される。
【００３１】
この結果、改質システム５の起動時における熱交換部９への原燃料供給応答遅れ、あるいはメタノール３０と水３１の混合比を変えて運転条件を制御する場合の応答遅れ時間をさらに短縮することができる。
【００３２】
また、図３に示されているように、上段供給通路１０の下面１４ａに開口された供給孔１３ａの位置と下段供給通路１１の下面１４ｂに開口された供給孔１３ｂの位置とは同じ位置になっている。
【００３３】
これにより、上段供給通路１０からのメタノール３０が直接下段供給通路１１の供給孔１３ｂを経由して熱交換部９へ供給されやすくなるため、原燃料の混合比を変える場合において、所定の混合比の原燃料を供給できるまでの応答遅れ時間をさらに短縮することができる。
【００３４】
（第２の実施の形態）
図４は、本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池用蒸発器の上部ヘッダ部分の構成を示す図である。なお、第２の実施の形態および後述する第３の実施の形態は、図２に示す第１の実施の形態に対応する燃料電池用蒸発器と同様の基本的構成を有しており、同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略することとする。
【００３５】
第２の実施の形態では、図４に示すように、上部ヘッダ１２Ｂの構成において、上段供給通路１０の供給孔１３ａとは外れた位置に下段供給通路１１の供給孔１３ｂが開口されている。
【００３６】
これにより、上段供給通路１０から供給されるメタノール３０は直接熱交換部９へは供給されずに、一旦下端供給通路１１で保留されて水３１との混合が促進される。このため略均一に混合された原燃料が熱交換部９に供給されて、熱交換部９の蒸発性能低下を抑制することができる。
【００３７】
（第３の実施の形態）
図５は、本発明の第３の実施の形態に係る燃料電池用蒸発器の構成を示す図である。
【００３８】
第３の実施の形態では、図５に示すように、上部ヘッダ１２Ｃにおける上段供給通路１０の下面は波形板１７ａとなっており、且つ波形板１７ａの底部１７ｂが下段供給通路１１における平板からなる下面１４ｂと接合されている。
【００３９】
そして、この接合部において上段供給通路１０の供給孔１３ａが下段供給通路１１の下面１４ｂを貫通して開口されている。上段供給通路１０は、下面の波形板１７ａと平面状の上面板１８との間に所定の間隔を設けてあり、各波部１７ｃが連通可能な構成となっている。
【００４０】
図６に示すように、上段供給通路１０における各波部１７ｃの一端側は隔壁板１９で閉塞されている。下段供給通路１１は、上段供給通路１０における波形板１７ａの裏面と平板からなる下面１４ｂとの間に形成される複数の角柱状中空部により構成され、この下段供給通路１１を構成する複数の角柱状中空部は仕切板２０と平板からなる下面１４ｂとの間の空間により連通している。
【００４１】
第３の実施の形態は、このように構成されているので、上段供給通路１０又は下段供給通路１１から直接熱交換部９にメタノール３０又は水３１を供給することができる。
【００４２】
このことにより、メタノール３０および水３１の供給通路を上下に重ねて構成する場合でも、各々個別に流量制御を行って熱交換部９に供給することができ、原燃料の混合比を変える場合でも応答遅れを抑制して制御することができる。
【００４３】
なお、上述した各実施の形態では、上段供給通路１０をメタノール通路、下段供給通路１１を水供給通路としてあるが、上段供給通路１０を水供給通路、下段供給通路１１をメタノール供給通路としても作用、効果は上記と同様である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池用蒸発器を含む燃料電池システムの構成を示す図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池用蒸発器の構成を示す斜視図である。
【図３】第１の実施の形態の上部ヘッダ部分の構成を示す図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池用蒸発器の上部ヘッダ部分の構成を示す図である。
【図５】本発明の第３の実施の形態に係る燃料電池用蒸発器の構成を示す斜視図である。
【図６】第３の実施の形態の上部ヘッダ部分の構成を示す分解斜視図である。
【図７】従来の燃料電池システムにおける気化部の基本構成を示す図である。
【符号の説明】
２  燃料電池スタック（燃料電池本体）
６  蒸発器
９  熱交換部
１０  上段供給通路
１１  下段供給通路
１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ  上部ヘッダ
１３ａ，１３ｂ  供給孔
１４ａ，１４ｂ  平板からなる下面
１７ａ  波形板
１７ｂ  波形板の底部
３０  メタノール
３１  水
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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