(57)【要約】  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。
2015002182.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。【０００３】
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。【０００４】
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。【０００５】
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。【０００６】
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。【０００７】
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。【０００８】
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分裂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。【０００９】
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。【００１０】
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。【００１１】
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。【００１２】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２０１１−１３１１４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
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。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
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。【００１６】
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。【００１７】
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。【００１８】
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。【００１９】
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。【００２０】
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。【００２１】
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。【００２２】
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。【００２３】
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。【００２４】
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。【００２５】
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。【００２６】
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。【００２７】
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。【００２８】
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。【００２９】
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。【００３０】
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。【００３１】
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。【００３２】
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。【００３３】
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。【００３４】
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。【００３５】
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。【００３６】
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。【００３７】
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。【００３８】
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。【００３９】
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。【００４０】
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。
【発明の効果】
【００４１】
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。【００４２】
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。【００４３】
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。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】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。
【図２】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。
【図３】蒸発装置の他の構成例を示す縦断面図である。
【図４】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。
【図５】加熱面上の水滴寿命傾向を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００４５】
以下に本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
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）。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
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。
【００８０】
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。
【００８１】
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。
【００８２】
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。
【００８３】
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。
【００８４】
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。
【００８５】
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。
【００８６】
次に、蒸発装置７０での水蒸気生成メカニズムを説明する。
【００８７】
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。
【００８８】
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。
【００８９】
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。
【００９０】
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。
【００９１】
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。
【００９２】
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）。
【００９３】
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。
【００９４】
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。
【００９５】
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。
【００９６】
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。
【実施例】
【００９７】
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。【００９８】
【表１】
2015002182.tif 000003
【００９９】
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。【０１００】
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。【０１０１】
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。【０１０２】
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。【０１０３】
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。【０１０４】
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。【０１０５】
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。【０１０６】
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。【０１０７】
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。【０１０８】
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。【０１０９】
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。【０１１０】
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。【０１１１】
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。【０１１２】
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。【０１１３】
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。【０１１４】
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。【０１１５】
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。
【符号の説明】
【０１１６】
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
【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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【手続補正書】
【提出日】平成28年1月5日(2016.1.5)
【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】
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、
当該管体内には耐熱チェーンが配置されている蒸発装置。
【請求項２】
請求項１に記載の蒸発装置において、
前記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前記耐熱チェーンが配置されている蒸発装置。
【請求項３】
請求項１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。
【請求項４】
請求項２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。
【請求項５】
請求項２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。
【請求項６】
請求項５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する蒸発装置。
【請求項７】
請求項２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。
【請求項８】
請求項７に記載の蒸発装置において、前記螺旋管部内には耐熱チェーンが配置されており、前記直線管部内には、金属を主体とする発泡性部材が直線管部の内面に接した状態で配置されている蒸発装置。
【請求項９】
請求項８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。
【請求項１０】
請求項９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。
【請求項１１】
請求項１０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。
【請求項１２】
請求項８に記載の蒸発装置において、発泡性部材は、前記直線管部の内面近傍に当該内面に接した状態で配置されたスリーブ状シートである蒸発装置。
【請求項１３】
請求項１２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直線管部内に圧入したときのスプリングバック力により直線管部の内面に接触している蒸発装置。
【請求項１４】
請求項１３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を有する蒸発装置。
【請求項１５】
請求項１４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。
【国際調査報告】
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