(57)【要約】【課題】第１及び第２被加熱流体を互いに気相状態で撹拌及び混合することができ、均一な混合気体を確実に生成することを可能にする。【解決手段】蒸発装置２０は、外筒部材８８と内筒部材９０との間に配設される二重管９２を備える。二重管９２は、水を流すための内管９４ｂと原燃料を流すための外管９４ａとを有するとともに、前記内管９４ｂには、前記外管９４ａ内に連通し、該内管９４ｂ内の水を加圧状態に保持し且つ該水を液相状態から気相状態に相変化させて前記外管９４ａ内に噴出し、前記外管９４ａ内の気相状態の原燃料と混合させるための複数の細孔１００が形成される。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
加熱流体通路を流れる加熱流体と、前記加熱流体通路に配設される伝熱用二重管部材内を流れる第１及び第２被加熱流体との間で熱交換を行って蒸気を生成する蒸発装置であって、
前記二重管部材は、前記第１被加熱流体を流す内管と、
前記第２被加熱流体を流す外管と、
を有するとともに、
前記内管には、前記外管内に連通し、前記内管内の前記第１被加熱流体を加圧状態に保持し且つ前記第１被加熱流体を液相状態から気相状態に相変化させて前記外管内に噴出させ、前記外筒内の前記第２被加熱流体と混合させるための複数の細孔が形成されることを特徴とする蒸発装置。
【請求項２】
請求項１記載の蒸発装置において、前記加熱流体の流れと前記第１及び第２被加熱流体の流れとは、対向流をなすことを特徴とする蒸発装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載の蒸発装置において、前記外管内を流れる前記第２被加熱流体は、気相状態であることを特徴とする蒸発装置。
【請求項４】
請求項１記載の蒸発装置において、前記細孔は、前記第２被加熱流体の流れ方向に対して直交する方向に貫通形成されることを特徴とする蒸発装置。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の蒸発装置において、前記外管内の温度は、前記内管内の温度よりも高温である一方、
前記外管内の圧力は、前記内管内の圧力よりも低圧であることを特徴とする蒸発装置。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の蒸発装置において、前記加熱流体通路を形成する外筒部材及び内筒部材を備え、
前記外筒部材と前記内筒部材との間に、前記二重管部材が配設されることを特徴とする蒸発装置。
【請求項７】
請求項６記載の蒸発装置において、前記二重管部材は、前記外筒部材と前記内筒部材との間で螺旋状に構成されることを特徴とする蒸発装置。
【請求項８】
加熱流体通路を流れる加熱流体と、前記加熱流体通路に配設される二重管部材内を流れる第１及び第２被加熱流体との間で熱交換を行って蒸気を生成する蒸気生成方法であって、
前記二重管部材を構成する内管に、前記第１被加熱流体を液相状態で加圧保持する一方、前記二重管部材を構成する外管に前記第２被加熱流体を流す工程と、
前記第１被加熱流体を、前記内管に設けられた細孔から気相状態に相変化させて前記外管内に噴出させ、気相状態の前記第１被加熱流体と前記第２被加熱流体とを混合させて混合流体を生成する工程と、
を有することを特徴とする蒸気生成方法。
【請求項９】
請求項８記載の蒸気生成方法において、前記加熱流体の流れと前記第１及び第２被加熱流体の流れとは、対向流をなすことを特徴とする蒸気生成方法。
【請求項１０】
請求項８又は９記載の蒸気生成方法において、前記外管内を流れる前記第２被加熱流体は、気体状態であることを特徴とする蒸気生成方法。
【請求項１１】
請求項８記載の蒸気生成方法において、前記細孔は、前記第２被加熱流体の流れ方向に対して直交する方向に貫通することを特徴とする蒸気生成方法。
【請求項１２】
請求項８乃至１１のいずれか１項に記載の蒸気生成方法において、前記外管内の温度は、前記内管内の温度よりも高温である一方、
前記外管内の圧力は、前記内管内の圧力よりも低圧であることを特徴とする蒸気生成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加熱流体通路を流れる加熱流体と、前記加熱流体通路に配設される伝熱用二重管部材内を流れる第１及び第２被加熱流体との間で熱交換を行って蒸気を生成する蒸発装置及び蒸気生成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
通常、固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）は、電解質に酸化物イオン導電体、例えば、安定化ジルコニアを用いており、この電解質の両側にアノード電極及びカソード電極を配設した電解質・電極接合体（単セル）を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持している。この燃料電池は、通常、単セルとセパレータとが所定数だけ積層された燃料電池スタックとして使用されている。
【０００３】
この場合、上記の燃料電池に供給される燃料ガスは、通常、改質装置によって炭化水素系の原燃料から生成される水素ガスが使用されている。改質装置では、一般的に、メタンやＬＮＧ等の化石燃料等の炭化水素系の原燃料に水蒸気改質や部分酸化改質、又はオートサーマル改質等を施すことにより、改質ガス（燃料ガス）が生成されている。
【０００４】
例えば、水蒸気改質を行う改質装置では、原燃料に水蒸気を混合して混合蒸気を生成するために、蒸発器が用いられている。例えば、特許文献１に開示されている蒸発器は、図１１に示すように、外管１及び内管２を有する二重管３を備えている。外管１の外周部には、複数の伝熱フィン１ａが取付られるとともに、この外管１の内周部には、螺旋溝１ｂが形成されている。外管１の端部には、液供給管１ｃが取り付けられている。
【０００５】
外管１と内管２との間には、焼結金属管４が挟持されており、この焼結金属管４と前記内管２の外周面との間には、蒸気用通路５が形成されている。内管２内には、熱媒体通路６が形成されている。
【０００６】
このような構成において、二重管３の外方から高温ガス７ａが供給されるため、伝熱フィン１ａを介して焼結金属管４が加熱されるとともに、熱媒体通路６に熱媒体７ｂが供給されている。一方、液供給管１ｃには、被蒸発液（メタノール又は水、あるいはその混合液）８ａが供給されている。従って、被蒸発液８ａは、螺旋溝１ｂに沿って供給される際、焼結金属管４に浸透して前記焼結金属管４内で蒸発することにより、蒸気８ｂが蒸気用通路５に供給されている。
【０００７】
【特許文献１】特開２０００−１６８０１号公報（図２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、固体電解質型燃料電池において水蒸気改質を行うために、上記の特許文献１の蒸発器を使用する場合、前記燃料電池から排出される高温の排ガスを、高温ガス７ａとして利用することが望ましい。排ガスの温度が相当に高温（７００℃程度）になっており、この排ガスの熱を回収することによって熱利用率が向上するからである。
【０００９】
しかしながら、排ガスは、燃料電池の運転状況等によって温度条件や流量条件が変動し易い。このため、被蒸発液８ａとして原燃料（気体）と水の気液混合流体又は水が、螺旋溝１ｂに供給されると、水の蒸発不良や沸騰が発生し、蒸発と凝縮とが繰り返されるおそれがある。従って、生成される水蒸気量が変動し、原燃料と水蒸気とが均一に混合された混合蒸気を確実に得ることができず、しかも混合蒸気に圧力変動（脈動）が惹起され易い。これにより、混合蒸気を改質して改質ガスを生成する際、改質反応が一定にならず、燃料電池の発電量が変動するとともに、一時的な水の供給不足によってコーキングが発生するという問題がある。
【００１０】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、第１及び第２被加熱流体を、互いに気相状態で撹拌及び混合することができ、均一な混合流体を確実に生成することが可能な蒸発装置及び蒸気生成方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、加熱流体通路を流れる加熱流体と、前記加熱流体通路に配設される伝熱用二重管部材内を流れる第１及び第２被加熱流体との間で熱交換を行って蒸気を生成する蒸発装置及び蒸気生成方法である。
【００１２】
先ず、二重管部材を構成する内管に、第１被加熱流体が液相状態で加圧保持される一方、前記二重管部材を構成する外管内に第２被加熱流体が流される。そして、第１被加熱流体は、内管に設けられた細孔から気相状態に相変化して外管内に噴出され、気相状態の前記第１被加熱流体と第２被加熱流体とを混合させて、混合流体が生成される。
【００１３】
また、加熱流体の流れと第１及び第２被加熱流体の流れとは、対向流をなすことが好ましい。なお、ここで、対向流とは、蒸発装置内に一方から流入する加熱流体（例えば、排ガス）と、他方から流入する第１及び第２被加熱流体（例えば、原燃料及び水）とが、互いに対向流をなすことを意味するだけでなく、前記第１及び第２被加熱流体が伝熱用二重管部材内を移動する際に、一時的に前記加熱流体と直交流をなす状態にあることも意味する。
【００１４】
さらに、外管内を流れる第２被加熱流体は、気相状態であることが好ましい。さらにまた、細孔は、第２被加熱流体の流れ方向に対して直交する方向に貫通形成されることが好ましい。
【００１５】
また、外管内の温度は、内管内の温度よりも高温である一方、前記外管内の圧力は、前記内管内の圧力よりも低圧であることが好ましい。
【００１６】
さらに、加熱流体通路を形成する外筒部材及び内筒部材を備え、前記外筒部材と前記内筒部材との間に、二重管部材が配設されることが好ましい。さらにまた、二重管部材は、外筒部材と内筒部材との間で螺旋状に構成されることが好ましい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、二重管部材を構成する内管内には、第１被加熱流体が液相状態で加圧保持される。このため、第１被加熱流体は、加熱流体からの伝熱により温度が上昇する際に沸騰することが阻止され、内管の細孔から外管内に蒸気が円滑に供給される。従って、外管内では、第２被加熱流体と蒸気化した第１被加熱流体とが相変化による急激な体積変化を利用することで良好に撹拌及び混合することができ、均一な混合蒸気を確実に生成することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る蒸発装置を組み込む燃料電池システム１０の一部断面説明図であり、図２は、前記燃料電池システム１０の要部断面図である。
【００１９】
燃料電池システム１０は、設置用の他、車載用等の種々の用途に用いられている。燃料電池システム１０は、図１に示すように、燃料電池スタック１２と、前記燃料電池スタック１２の一方の側に配置される流体部１４と、前記燃料電池スタック１２及び前記流体部１４を収容する筐体１６とを備える。
【００２０】
図１及び図２に示すように、流体部１４は、酸化剤ガスを燃料電池スタック１２に供給する前に加熱する熱交換器１８と、炭化水素を主体とする原燃料（例えば、都市ガス）と水蒸気との混合燃料（混合流体）を生成するために、水を蒸発させる第１の実施形態に係る蒸発装置２０と、前記混合燃料を改質して燃料ガスを生成する改質器２２とを備える。
【００２１】
改質器２２は、都市ガス中に含まれるエタン（Ｃ2Ｈ6）、プロパン（Ｃ3Ｈ6）及びブタン（Ｃ4Ｈ10）等の高炭素（Ｃ2+）炭化水素を、主としてメタン（ＣＨ4）を含む燃料ガスに水蒸気改質するための予備改質器であり、３００℃〜４００℃の作動温度に設定される。
【００２２】
筐体１６内では、燃料電池スタック１２の他方の側に、前記燃料電池スタック１２を構成する複数の燃料電池２６の積層方向（矢印Ａ方向）に締め付け荷重を付与する荷重付与機構２４が配設される（図１及び図３参照）。流体部１４及び荷重付与機構２４は、燃料電池スタック１２の中心軸に対して軸対称に配設される。
【００２３】
燃料電池２６は、固体電解質型燃料電池である。この燃料電池２６は、図４及び図５に示すように、例えば、安定化ジルコニア等の酸化物イオン導電体で構成される電解質（電解質板）３０の両面に、カソード電極３２及びアノード電極３４が設けられた電解質・電極接合体３６を備える。
【００２４】
燃料電池２６は、作動温度が７００℃以上と高温であり、電解質・電極接合体３６では、燃料ガス中のメタンが改質されて水素が得られ、この水素がアノード電極３４に供給される。
【００２５】
燃料電池２６は、一対のセパレータ３８間に複数、例えば、８個の電解質・電極接合体３６を挟んで構成される。セパレータ３８間には、このセパレータ３８の中心部である燃料ガス供給連通孔４０と同心円上に８個の電解質・電極接合体３６が配列される。燃料ガス供給連通孔４０の周囲には、酸化剤ガス供給部４１が気密に設けられる。
【００２６】
セパレータ３８は、図４に示すように、例えば、ステンレス合金等の板金で構成される１枚の金属プレートやカーボンプレート等で構成される。セパレータ３８は、中央部に燃料ガス供給連通孔４０を形成するとともに、複数の円板部４２を設ける。各円板部４２のアノード電極３４に接触する面には、前記アノード電極３４の電極面に沿って燃料ガスを供給するための燃料ガス通路４６を形成する第１突起部４８が設けられる。
【００２７】
各円板部４２のカソード電極３２に接触する面には、前記カソード電極３２の電極面に沿って酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス通路５０を形成する第２突起部５２が設けられる。図４及び図５に示すように、円板部４２には、燃料ガス通路４６に燃料ガスを供給するための燃料ガス導入口５４が形成される。
【００２８】
セパレータ３８のカソード電極３２に対向する面には、通路部材５６が、例えば、ろう付けやレーザ溶接等により固着される。通路部材５６は、中央部に燃料ガス供給連通孔４０を形成するとともに、前記燃料ガス供給連通孔４０から燃料ガス通路４６に連通する燃料ガス供給通路５８が形成される。セパレータ３８の外周には、使用済みの反応ガスである排ガスを排出するための排ガス排出路５９が設けられる。
【００２９】
図１及び図３に示すように、燃料電池スタック１２は、複数の燃料電池２６の積層方向両端にエンドプレート６０ａ、６０ｂを配置する。エンドプレート６０ａには、孔部６１を中心にして同一仮想円周上に孔部６２とねじ孔６４とが、交互に且つ所定の角度間隔ずつ離間して設けられる。孔部６２は、後述する空気通路８４に連通する。
【００３０】
筐体１６は、図１に示すように、荷重付与機構２４を収容する第１筐体部６６ａと、燃料電池スタック１２を収容する第２筐体部６６ｂとを備える。第１及び第２筐体部６６ａ、６６ｂ間は、エンドプレート６０ｂ及び前記エンドプレート６０ｂの第２筐体部６６ｂ側に絶縁材（図示せず）を介装してねじ６８及びナット７０により締め付けられる。
【００３１】
第２筐体部６６ｂには、流体部１４を構成する円筒状第３筐体部７２の一端部が接合されるとともに、前記第３筐体部７２の他端部には、ヘッド板７４が固着される。第３筐体部７２内には、発電に使用されて燃料電池スタック１２の排ガス排出路５９から排出される排ガスを流体部１４に流すための排ガス通路７６が設けられる。
【００３２】
図２に示すように、排ガス通路７６は、混合燃料を改質するための熱源として、排ガスを改質器２２に供給する第１通路部７８と、酸化剤ガスを加熱するための熱源として、前記排ガスを熱交換器１８に供給する第２通路部８０と、前記第２通路部８０の下流に連通し、水を蒸発させるための熱源として、前記排ガスを蒸発装置２０に供給する加熱流体通路８２とを有する。第１通路部７８は、壁部８１に形成された複数の孔部８１ａを介して主流路である第２通路部８０から分岐するとともに、整流孔８３を介して改質器２２側に開放される。
【００３３】
改質器２２と蒸発装置２０とは、燃料電池スタック１２から離間する方向（矢印Ａ１方向）に沿って順次配設されるとともに、熱交換器１８は、前記改質器２２の外側に配設される。熱交換器１８及び改質器２２は、燃料電池スタック１２に可及的に近接しており、この燃料電池スタック１２の排ガス排出路５９には、排ガス通路７６を構成する第２通路部８０が直接連通する。
【００３４】
この第２通路部８０は、熱交換器１８内に設けられる一方、前記熱交換器１８内には、被加熱流体である空気を排ガスと対向流に流すための空気通路８４が、前記第２通路部８０に近接して設けられる。この空気通路８４は、ヘッド板７４に接続される空気供給管８６に連通する。
【００３５】
蒸発装置２０は、互いに同軸上に配設される外筒部材８８と内筒部材９０とを備えるとともに、前記外筒部材８８と前記内筒部材９０との間には、二重管９２が螺旋状に配設される。図２及び図６に示すように、二重管９２は、外管９４ａと内管９４ｂとを備え、前記外管９４ａと外筒部材８８及び内筒部材９０との間には、加熱流体通路８２が形成される。
【００３６】
外管９４ａと内管９４ｂとの間には、ガス状の原燃料（第２被加熱流体）を流す原燃料通路９６が形成される一方、前記内管９４ｂ内には、水（第１被加熱流体）を流す水通路９８が形成される。内管９４ｂには、蒸発装置２０の下流側に位置して複数の細孔１００が形成される。
【００３７】
細孔１００は、外管９４ａ内に連通し、内管９４ｂ内の水を加圧状態に保持し且つ前記水を液相状態から気相状態に相変化させて前記外管９４ａ内に噴出させ、前記外管９４ａ内の原燃料と混合させる機能を有する。細孔１００は、例えば、直径が１０μｍ〜１００μｍに設定されるとともに、外管９４ａに対して原燃料の流れ方向に直交する方向に貫通形成される。
【００３８】
加熱流体通路８２を流れる排ガスからの伝熱によって外管９４ａ内の温度は、内管９４ｂ内の温度よりも高温である一方、細孔１００を設けることによって前記内管９４ｂ内の圧力は、前記外管９４ａ内の圧力よりも高圧に設定される。加熱流体である排ガスの流れは、水及び原燃料の流れと対向流（流れ方向が逆方向及び直交する方向を含む）をなす。
【００３９】
二重管９２の上流側端部は、ヘッド板７４を貫通して外部に延在するとともに、前記二重管９２の下流側端部は、内管９４ｂが終端して外管９４ａのみが矢印Ａ２方向に延在する。この外管９４ａには、混合燃料供給管１０１の一端が接続され、前記混合燃料供給管１０１の他端は、改質器２２の入口部１０２に連結される（図２参照）。混合燃料供給管１０１は、燃料電池スタック１２側に延在して入口部１０２に連結されるとともに、この入口部１０２は、排ガス通路７６から分岐する第１通路部７８に連通する整流孔８３に近接して配置される。
【００４０】
図７に示すように、改質器２２は、入口部１０２が形成される蓋１０８を備え、この蓋１０８を端部にして第１受け部材１１０と第２受け部材１１２とが交互に接続される。図７及び図８に示すように、第１及び第２受け部材１１０、１１２は、略プレート状に形成されており、前記第１受け部材１１０の中央部には、孔部１１４が形成される。第２受け部材１１２の外周縁部には、同一円周上に複数の孔部１１６が形成される。
【００４１】
第１及び第２受け部材１１０、１１２間には、複数の改質用触媒ペレット１１８が挟持される。触媒ペレット１１８は、円柱状に形成され、例えば、セラミックス化合物の基台にニッケル系触媒が設けられて構成される。
【００４２】
改質器２２内には、第１受け部材１１０の孔部１１４と第２受け部材１１２の孔部１１６とを通って蛇行しながら矢印Ａ方向に延在する改質用通路１２０が形成される。改質器２２の下流側（矢印Ａ１方向端部側）には、出口部１２２が設けられ、この出口部１２２に改質ガス供給路１２４の一端が接続される（図７参照）。改質ガス供給路１２４は、図２に示すように、改質器２２の軸方向に沿って延在し、エンドプレート６０ａの孔部６１に嵌合されて燃料ガス供給連通孔４０に連通する。
【００４３】
ヘッド板７４には、蒸発装置２０の加熱流体通路８２に連通する主排気管１２６と、前記蒸発装置２０の中央部に位置して改質器２２の外周に沿って矢印Ａ１方向に移動する排ガスを排出するための排気管１２８とが接続される。
【００４４】
蒸発装置２０を構成する外筒部材８８の外周には、筒状カバー１２９が配設される。この筒状カバー１２９と外筒部材８８との間には、閉塞された断熱層１２９ａが形成されるとともに、前記断熱層１２９ａには、第２通路部８０に連通して排ガスの一部が充填される。
【００４５】
図１に示すように、荷重付与機構２４は、燃料ガス供給連通孔４０の近傍に対して第１締め付け荷重Ｔ１を付与する第１締め付け部１３０ａと、電解質・電極接合体３６に対して前記第１締め付け荷重よりも小さな第２締め付け荷重を付与する第２締め付け部１３０ｂとを備える。
【００４６】
第１締め付け部１３０ａは、図１及び図３に示すように、エンドプレート６０ａの一方の対角位置に設けられるねじ孔６４、６４に螺合する短尺な第１締め付けボルト１３２ａ、１３２ａを備える。第１締め付けボルト１３２ａ、１３２ａは、燃料電池２６の積層方向に延在するとともに、第１押圧プレート１３４ａに係合する。第１押圧プレート１３４ａは、幅狭な板状を有しており、燃料ガス供給連通孔４０を覆ってセパレータ３８の中央部に係合する。
【００４７】
第２締め付け部１３０ｂは、長尺な第２締め付けボルト１３２ｂ、１３２ｂを備え、前記第２締め付けボルト１３２ｂ、１３２ｂは、エンドプレート６０ａの他方の対角位置に設けられるねじ孔６４、６４に螺合する。第２締め付けボルト１３２ｂ、１３２ｂの端部は、外周湾曲形状の第２押圧プレート１３４ｂを貫通し、この端部にナット１３６が螺合する。前記第２押圧プレート１３４ｂの各円弧状部には、燃料電池２６の円板部４２に配置される各電解質・電極接合体３６に対応してスプリング１３８及び台座１４０が配設される。スプリング１３８は、例えば、セラミックススプリングにより構成される。
【００４８】
このように構成される燃料電池システム１０の動作について、以下に説明する。
【００４９】
図２及び図６に示すように、蒸発装置２０を構成する二重管９２の原燃料通路９６には、例えば、都市ガス（ＣＨ4、Ｃ2Ｈ6、Ｃ3Ｈ8、Ｃ4Ｈ10を含む）等の原燃料が供給されるとともに、前記二重管９２の水通路９８には、水が供給される。さらに、空気供給管８６には、酸化剤ガスである、例えば、空気が供給される。
【００５０】
蒸発装置２０では、原燃料が二重管９２内の原燃料通路９６に沿って螺旋状に移動するとともに、水が水通路９８に沿って螺旋状に移動する一方、加熱流体通路８２には、後述する排ガスが前記原燃料及び前記水と対向流をなして流通している。このため、水通路９８を移動する水が、内管９４ｂの下流側に形成されている複数の細孔１００から原燃料通路９６に水蒸気化されて噴出される。
【００５１】
この場合、第１の実施形態では、二重管９２を構成する内管９４ｂには、例えば、直径が１０μｍ〜１００ｍμに設定された複数の細孔１００が形成されている。従って、内管９４ｂ内に供給される水は、この内管９４ｂ内に液相状態で加圧保持される一方、二重管９２を構成する外管９４ａ内に原燃料（気相状態）が流されている。さらに、二重管９２が配設される加熱流体通路８２には、水及び原燃料の流れ方向に対して対向流をなす高温の排ガスが流されている（図６及び図９参照）。
【００５２】
このため、水は、排ガスからの伝熱によって温度上昇する際に、沸騰することが阻止され、細孔１００から外管９４ａ内に蒸気が円滑に供給されている。これにより、外管９４ａ内では、気相状態の原燃料と相変化することで蒸気化した水、すなわち、水蒸気とが相変化による急激な体積変化を利用することで良好に撹拌及び混合し、均一な混合燃料（混合流体）を確実に生成することができ、さらに、外管９４ａ内の原燃料の温度は、排ガスにより水蒸気の凝縮が起こらないほど十分に高温に保持されているため、水蒸気の再凝縮を防ぎ、発生した水蒸気が脈動しないという効果が得られる。
【００５３】
また、図９に示すように、細孔１００は、原燃料の流れ方向に対して直交する方向に貫通形成されており、気相状態の前記原燃料と水蒸気とは、互いに直交して混合する。従って、気体同士である原燃料と水蒸気同士が、互いに直交して混合するため、均一な混合燃料を良好に得ることが可能になる。
【００５４】
さらにまた、水の温度Ｔ１は、原燃料の温度Ｔ２よりも低温（Ｔ１＜Ｔ２）である一方、この水の圧力Ｐ１は、前記原燃料の圧力Ｐ２よりも高圧（Ｐ１＞Ｐ２）に設定されている。これにより、加圧状態の水は、細孔１００から相対的に圧力が低い外管９４ａ内に噴射する際に、この水が良好に膨張し、原燃料と水蒸気とが一層円滑且つ確実に混合するという利点がある。
【００５５】
さらに、加熱流体通路８２は、外筒部材８８と内筒部材９０とにより形成されるとともに、前記外筒部材８８と前記内筒部材９０との間には、二重管９２が配設されている。このため、加熱流体通路８２に流れる高温の排ガスから二重管９２に対して確実に伝熱することができ、熱効率の向上を図ることが可能になる。
【００５６】
また、二重管９２は、外筒部材８８と内筒部材９０との間で螺旋状に構成されている。従って、二重管９２の装着密度を高めることができ、熱効率が一層向上するとともに、蒸発装置２０全体のコンパクト化を容易に図ることが可能になる。
【００５７】
次いで、蒸発装置２０内で生成された混合燃料は、外管９４ａに連結された混合燃料供給管１０１を介して改質器２２の入口部１０２に供給される。図７に示すように、入口部１０２から改質器２２内に供給される混合燃料は、第１受け部材１１０の孔部１１４を通って第１及び第２受け部材１１０、１１２間に挟持されている複数の触媒ペレット１１８によって改質される。さらに、この混合燃料は、第２受け部材１１２の外周縁部に形成された孔部１１６から次なる触媒ペレット１１８に供給される。
【００５８】
これにより、混合燃料は、改質器２２内を蛇行する改質用通路１２０に沿って移動しながら水蒸気改質され、Ｃ2+の炭化水素が除去（改質）されてメタンを主成分とする燃料ガス（改質ガス）が得られる。この燃料ガスは、改質器２２の出口部１２２に連通する改質ガス供給路１２４を通って燃料電池スタック１２の燃料ガス供給連通孔４０に供給される。
【００５９】
図４及び図５に示すように、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔４０から燃料ガス供給通路５８に沿って移動し、円板部４２の燃料ガス導入口５４から燃料ガス通路４６に導入される。燃料ガス導入口５４は、各電解質・電極接合体３６のアノード電極３４の略中央位置に設定されている。このため、燃料ガスは、燃料ガス導入口５４からアノード電極３４の略中央に供給され、前記燃料ガス中のメタンが改質されて水素ガスが得られ、この水素ガスを主成分とする該燃料ガスは、燃料ガス通路４６に沿って前記アノード電極３４の外周部に向かって移動する。
【００６０】
一方、図２に示すように、空気供給管８６から熱交換器１８に供給される空気は、この熱交換器１８の空気通路８４に沿って移動する際、第２通路部８０に沿って移動する後述する燃焼排ガスとの間で熱交換が行われ、所望の温度に予め加温されている。熱交換器１８で加温された空気は、図４及び図５に示すように、燃料電池スタック１２の酸化剤ガス供給部４１に供給され、電解質・電極接合体３６の内側周端部と円板部４２の内側周端部との間から矢印Ｂ方向に流入する。従って、空気は、酸化剤ガス通路５０に沿って電解質・電極接合体３６のカソード電極３２の内側周端部から外側周端部に向かって流動する。
【００６１】
これにより、電解質・電極接合体３６では、アノード電極３４に沿って燃料ガスが供給されるとともに、カソード電極３２に沿って空気が供給され、電気化学反応により発電が行われる。各電解質・電極接合体３６の外周部に排出される排ガスは、排ガス排出路５９を介して積層方向に移動し、排ガス通路７６に導入される。
【００６２】
排ガス通路７６に導入された高温（７００℃前後）の排ガスは、図２に示すように、一部が孔部８１ａを介して第１通路部７８に分岐され、壁部８１の整流孔８３から改質器２２の入口部１０２に供給される。改質器２２の入口部１０２を集中的に加熱した排ガスは、蒸発装置２０の内側を通って排気管１２８から外部に排出される。
【００６３】
その際、改質器２２では、水蒸気改質が行われており、特に、入口部１０２の近傍で温度低下が惹起し易い。このため、入口部１０２を高温の排ガスにより集中して加熱することによって、改質器２２の温度低下を抑制することができる。これにより、改質器２２の温度を安定させることができ、Ｓ／Ｃ（スチーム／カーボン）比を一定に維持することが可能になるという効果がある。
【００６４】
一方、排ガス通路７６の第２通路部８０に供給された排ガスは、熱交換器１８内を通って空気と熱交換を行い、この空気を所望の温度に加温して温度低下が惹起される。この排ガスは、一部が断熱層１２９ａに充填されるとともに、残余の部分が第２通路部８０に連通する加熱流体通路８２に導入される。この加熱流体通路８２は、蒸発装置２０を構成する二重管９２と外筒部材８８及び内筒部材９０との間に形成されており、排ガスは前記二重管９２の水通路９８を通過する水を蒸発させる。従って、原燃料通路９６には、原燃料に水蒸気が混合された混合燃料を確実に生成することができる。なお、蒸発装置２０を通過した排ガスは、主排気管１２６を介して外部に排出される。
【００６５】
図１０は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システムを構成する流体部１５０の概略構成説明図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池システム１０と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００６６】
流体部１５０は、熱交換器１８と改質器２２と蒸発装置１５２とを備える。この流体部１５０は、燃料電池スタック１２の一方の側に配置されるとともに、前記燃料電池スタック１２の中心軸に対して軸対称に配置される。流体部１５０では、改質器２２の外側に蒸発装置１５２が配設されるとともに、この蒸発装置１５２の外側に熱交換器１８が配設される。
【００６７】
このように構成される第２の実施形態では、熱交換器１８の内側に蒸発装置１５２及び改質器２２が配設されており、この改質器２２を前記熱交換器１８からの輻射熱で温めることができるとともに、前記蒸発装置１５２の断熱性が有効に向上し、水蒸気を発生し易くなるという効果が得られる。しかも、流体部１５０は矢印Ａ方向の寸法が有効に短尺化され、燃料電池システム全体の小型化が容易に図られる。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る蒸発装置を組み込む燃料電池システムの一部断面説明図である。
【図２】前記燃料電池システムを構成する流体部の要部断面説明図である。
【図３】前記燃料電池システムを構成する燃料電池スタックの概略斜視説明図である。
【図４】前記燃料電池スタックを構成する燃料電池の分解斜視説明図である。
【図５】前記燃料電池のガス流れ状態を示す一部分解斜視説明図である。
【図６】前記蒸発装置の要部斜視説明図である。
【図７】前記燃料電池システムを構成する改質器の一部断面説明図である。
【図８】前記改質器の要部分解斜視図である。
【図９】前記蒸発装置の動作を示す概略説明図である。
【図１０】本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池システムを構成する流体部の要部断面説明図である。
【図１１】特許文献１の蒸発器の断面説明図である。
【符号の説明】
【００６９】
１０…燃料電池システム                    １２…燃料電池スタック
１４、１５０…流体部                      １６…筐体
１８…熱交換器                            ２０、１５２…蒸発装置
２２…改質器                              ２４…荷重付与機構
２６…燃料電池                            ３０…電解質
３２…カソード電極                        ３４…アノード電極
３６…電解質・電極接合体                  ３８…セパレータ
５９…排ガス排出路                        ６０ａ、６０ｂ…エンドプレート
６６ａ、６６ｂ、７２…筐体部              ７６…排ガス通路
７８、８０…通路部                        ８２…加熱流体通路
８３…整流孔                              ８４…空気通路
８６…空気供給管                          ８８…外筒部材
９０…内筒部材                            ９２…二重管
９４ａ…外管                              ９４ｂ…内管
９６…原燃料通路                          ９８…水通路
１００…細孔                              １０１…混合燃料供給管
１０２…入口部                            １１０、１１２…受け部材
１１８…触媒ペレット                      １２０…改質用通路
１２２…出口部                            １２４…改質ガス供給路
１２６…主排気管                          １２８…排気管
１２９…筒状カバー                        １２９ａ…断熱層
【図１】
2006327835.tif 000003
【図２】
2006327835.tif 000004
【図３】
2006327835.tif 000005
【図４】
2006327835.tif 000006
【図５】
2006327835.tif 000007
【図６】
2006327835.tif 000008
【図７】
2006327835.tif 000009
【図８】
2006327835.tif 000010
【図９】
2006327835.tif 000011
【図１０】
2006327835.tif 000012
【図１１】
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【手続補正書】
【提出日】平成18年6月14日(2006.6.14)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
加熱流体通路を流れる加熱流体と、前記加熱流体通路に配設される伝熱用二重管部材内を流れる第１及び第２被加熱流体との間で熱交換を行って蒸気を生成する蒸発装置であって、
前記二重管部材は、前記第１被加熱流体を流す内管と、
前記第２被加熱流体を流す外管と、
を有するとともに、
前記内管には、前記外管内に連通し、前記内管内の前記第１被加熱流体を加圧状態に保持し且つ前記第１被加熱流体を液相状態から気相状態に相変化させて前記外管内に噴出させ、前記外筒内の前記第２被加熱流体と混合させるための複数の細孔が形成されることを特徴とする蒸発装置。
【請求項２】
請求項１記載の蒸発装置において、前記加熱流体の流れと前記第１及び第２被加熱流体の流れとは、対向流をなすことを特徴とする蒸発装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載の蒸発装置において、前記外管内を流れる前記第２被加熱流体は、気相状態であることを特徴とする蒸発装置。
【請求項４】
請求項１記載の蒸発装置において、前記細孔は、前記第２被加熱流体の流れ方向に対して直交する方向に貫通形成されることを特徴とする蒸発装置。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の蒸発装置において、前記外管内の温度は、前記内管内の温度よりも高温である一方、
前記外管内の圧力は、前記内管内の圧力よりも低圧であることを特徴とする蒸発装置。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の蒸発装置において、前記加熱流体通路を形成する外筒部材及び内筒部材を備え、
前記外筒部材と前記内筒部材との間に、前記二重管部材が配設されることを特徴とする蒸発装置。
【請求項７】
請求項６記載の蒸発装置において、前記二重管部材は、前記外筒部材と前記内筒部材との間で螺旋状に構成されることを特徴とする蒸発装置。
【請求項８】
加熱流体通路を流れる加熱流体と、前記加熱流体通路に配設される二重管部材内を流れる第１及び第２被加熱流体との間で熱交換を行って蒸気を生成する蒸気生成方法であって、
前記二重管部材を構成する内管に、前記第１被加熱流体を液相状態で加圧保持する一方、前記二重管部材を構成する外管に前記第２被加熱流体を流す工程と、
前記第１被加熱流体を、前記内管に設けられた細孔から気相状態に相変化させて前記外管内に噴出させ、気相状態の前記第１被加熱流体と前記第２被加熱流体とを混合させて混合流体を生成する工程と、
を有することを特徴とする蒸気生成方法。
【請求項９】
請求項８記載の蒸気生成方法において、前記加熱流体の流れと前記第１及び第２被加熱流体の流れとは、対向流をなすことを特徴とする蒸気生成方法。
【請求項１０】
請求項８又は９記載の蒸気生成方法において、前記外管内を流れる前記第２被加熱流体は、気相状態であることを特徴とする蒸気生成方法。
【請求項１１】
請求項８記載の蒸気生成方法において、前記細孔は、前記第２被加熱流体の流れ方向に対して直交する方向に貫通することを特徴とする蒸気生成方法。
【請求項１２】
請求項８乃至１１のいずれか１項に記載の蒸気生成方法において、前記外管内の温度は、前記内管内の温度よりも高温である一方、
前記外管内の圧力は、前記内管内の圧力よりも低圧であることを特徴とする蒸気生成方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１０】
2006327835.tif 000014