(57)【要約】【課題】蒸発器において加熱流体通路と被加熱流体通路を区画する仕切壁に加わる熱応力を低減する。【解決手段】加熱流体が流通する加熱流体通路と被加熱流体が流通する被加熱流体通路が仕切壁で仕切られてなる熱交換器型の蒸発器の蒸発部３０において、前記仕切壁は先端を閉塞させた外筒３２で構成され、外筒３２の外側が被加熱流体通路８１とされており、外筒３２の内側に両端を開口させた内筒４０が外筒３２の内面との間に隙間を有して配置され、外筒３２の内側に外筒３２の先端で折り返えす前記加熱流体通路７１が形成され、外筒３２と内筒４０がいずれも片持ち支持されている。【選択図】    図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
加熱流体が流通する加熱流体通路と被加熱流体が流通する被加熱流体通路が仕切壁で仕切られてなる熱交換器において、
前記仕切壁は先端を閉塞させた外筒で構成され、この外筒の外側と内側の一方が前記加熱流体通路にされ他方が前記被加熱流体通路とされており、該外筒の内側に両端を開口させた内筒が外筒の内面との間に隙間を有して配置され、外筒の内側に該外筒の先端で折り返えす通路が形成され、前記外筒と前記内筒がいずれも片持ち支持されていることを特徴とする熱交換器。
【請求項２】
前記外筒の内側を流れる流体は該外筒の先端内側で折り返して流れ、前記外筒の外側を流れる流体は該外筒の軸線方向に沿って流れることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
【請求項３】
前記外筒を複数備え、前記外筒の外側に形成される流体通路が外筒によって囲まれていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の熱交換器。
【請求項４】
前記外筒の外側にフィンが設けられていることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
【請求項５】
前記内筒の外面に多数の凸部が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
【請求項６】
前記外筒は扁平筒状をなし、多数の前記外筒が基端側を連結させてこの基端側を固定されて片持ち支持されており、前記内筒も扁平筒状をなし、外筒と同じ基端側を固定されて片持ち支持されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の熱交換器。
【請求項７】
前記外筒の外側を流れる流体の流入口は該外筒の自由端側に設けられていることを特徴とする請求項１または請求項６に記載の熱交換器。
【請求項８】
前記外筒は、１枚の板体を櫛歯状に折り曲げてなる折板と、該折板の両側部を閉塞する側板で構成されていることを特徴とする請求項６に記載の熱交換器。
【請求項９】
前記外筒の外側を流れる流体の流入口は該外筒の扁平方向の外側に設けられていることを特徴とする請求項６に記載の熱交換器。
【請求項１０】
前記外筒と前記内筒がいずれも円筒状をなし、前記外筒の周囲に断面環状の流体通路が形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の熱交換器。
【請求項１１】
前記請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の熱交換器からなる蒸発部を備え、前記被加熱流体は液体燃料および液体燃料を気化して生成した燃料蒸気であり、加熱流体は加熱ガスであることを特徴とする蒸発器。
【請求項１２】
前記蒸発部で生成された前記燃料蒸気を前記加熱ガスとの熱交換により加熱する過熱部を備え、この過熱部が前記請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の熱交換器で構成されていることを特徴とする請求項１１に記載の蒸発器。
【請求項１３】
前記加熱ガスは前記蒸発部の加熱流体通路から前記過熱部の加熱流体通路の順に流れることを特徴とする請求項１２に記載の蒸発器。
【請求項１４】
前記加熱ガスは前記過熱部の加熱流体通路から前記蒸発部の加熱流体通路の順に流れることを特徴とする請求項１２に記載の蒸発器。
【請求項１５】
前記蒸発部を構成する熱交換器の加熱流体通路に触媒が設けられていることを特徴とする請求項１１から請求項１４のいずれか１項に記載の蒸発器。
【請求項１６】
前記過熱部を構成する熱交換器の加熱流体通路に触媒が設けられていることを特徴とする請求項１２から請求項１５のいずれか１項に記載の蒸発器。
【請求項１７】
前記加熱流体通路は前記外筒の内側に形成されており、前記触媒は前記内筒の内側に設けられていることを特徴とする請求項１５または請求項１６に記載の蒸発器。
【請求項１８】
前記触媒は前記内筒の自由端側に設けられていることを特徴とする請求項１７に記載の蒸発器。
【請求項１９】
前記蒸発部の周囲に保温部を備え、この保温部に、前記蒸発部の加熱流体通路を流通して排出された加熱ガスが流通することを特徴とする請求項１１または請求項１２に記載の蒸発器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、熱交換器およびこれを利用した蒸発器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池への燃料ガスの供給方法として、メタノールやガソリンなどの炭化水素を含む液体の原燃料を、改質システムによって水素リッチな燃料ガス（以下、水素リッチガスと略す）に改質し、この水素リッチガスを燃料電池の燃料ガスとして供給する場合がある。
この改質システムにおいては、原燃料および水の混合液からなる液体燃料（原料）を蒸発器で蒸発させて原燃料ガスとし、これを改質用空気とともに改質器に供給して原燃料ガスを改質反応させて水素リッチガスに改質している。この種の蒸発器は例えば特許文献１等に開示されている。
【０００３】
ところで、蒸発器には熱交換器型のものがあり、仕切板等によって仕切られた加熱ガス通路と被加熱ガス通路にそれぞれ加熱用ガスと前記液体燃料を流通させ、加熱ガスの熱を液体燃料に伝熱して液体燃料を蒸発させ原燃料ガスを生成するものがある。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−１３５３３１号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような構成からなる従来の熱交換器型の蒸発器においては、前記仕切板の両端が固定された構造になっているため、高温の使用環境下においては仕切板が熱膨張し、その結果、仕切板の両端を固定した部位に熱応力が発生する。この熱応力に耐え得るようにするためには、熱応力が加わる部品の板厚を厚くして剛性を上げなければならず、重量増大を招いた。また、重量の増大に伴って蒸発器の熱容量が大きくなるため、蒸発器の始動時間も長くなるという不具合も生じる。
【０００６】
また、熱応力を緩和するためにベローズ等を用いる方法も考えられるが、部品点数が増加し、構造も複雑になり、製造コストも高くなるなど新たな問題が生じる。
そこで、この発明は、構造が簡単で、熱応力を緩和でき、耐久性が高い熱交換器および蒸発器を提供するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、加熱流体が流通する加熱流体通路と被加熱流体が流通する被加熱流体通路が仕切壁で仕切られてなる熱交換器（例えば、後述する実施の形態における蒸発器１，１Ａ，１Ｂ）において、前記仕切壁は先端を閉塞させた外筒（例えば、後述する実施の形態における外筒３２，５２，２３０，３３０）で構成され、この外筒の外側と内側の一方が前記加熱流体通路（例えば、後述する実施の形態における加熱流体通路７１，７２，２４１，３５１）にされ他方が前記被加熱流体通路（例えば、後述する実施の形態における被加熱流体通路８１，８２，２４２，３５２）とされており、該外筒の内側に両端を開口させた内筒（例えば、後述する実施の形態における内筒４０，６０，２２０，３２０）が外筒の内面との間に隙間を有して配置され、外筒の内側に該外筒の先端で折り返えす通路（例えば、後述する実施の形態における加熱流体通路７１，７２，２４１，３５１）が形成され、前記外筒と前記内筒がいずれも片持ち支持されていることを特徴とする。
このように構成することにより、高温の使用環境下において外筒および内筒が熱膨張しても、これらは片持ち支持されているので自由端側に延びることで熱歪みを吸収することができる。
【０００８】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の発明において、前記外筒の内側を流れる流体は該外筒の先端内側で折り返して流れ、前記外筒の外側を流れる流体は該外筒の軸線方向に沿って流れることを特徴とする。
このように構成することにより、加熱流体と被加熱流体の両方を外筒および内筒の軸線方向に沿って流すことができるので、前記軸線方向と直交する方向における外筒および内筒の温度分布をほぼ均一にすることができる。
【０００９】
請求項３に係る発明は、請求項１または請求項２に記載の発明において、前記外筒を複数備え、前記外筒の外側に形成される流体通路（例えば、後述する実施の形態における被加熱流体通路８１，８２，２４２）が外筒によって囲まれていることを特徴とする。
このように構成することにより、外筒の外側を流れる流体からの放熱を抑制することができる。
【００１０】
請求項４に係る発明は、請求項１に記載の発明において、前記外筒（例えば、後述する実施の形態における外筒３２，５２）の外側にフィン（例えば、後述する実施の形態におけるフィン３６）が設けられていることを特徴とする。
このように構成することにより、フィンの存在により外筒の伝熱面積が増大し、伝熱性能が向上する。また、フィンによって外筒の外側の流体通路が細かく分割されるので、特に外筒の外側を流れる流体が液体である場合に、液体が前記流体通路の一方に偏ることがなくなる。
【００１１】
請求項５に係る発明は、請求項１に記載の発明において、前記内筒（例えば、後述する実施の形態における内筒４０，６０）の外面に多数の凸部（例えば、後述する実施の形態における外突部４１，６１）が設けられていることを特徴とする。
このように構成することにより、外筒と内筒のクリアランスを一定に保つことができる。また、外筒の内側を流れる流体を凸部によって撹拌することができる。
【００１２】
請求項６に係る発明は、請求項１または請求項２に記載の発明において、前記外筒（例えば、後述する実施の形態における外筒３２，５２，２３０）は扁平筒状をなし、多数の前記外筒が基端側を連結させてこの基端側を固定されて片持ち支持されており、前記内筒（例えば、後述する実施の形態における内筒４０，６０，２２０）も扁平筒状をなし、外筒と同じ基端側を固定されて片持ち支持されていることを特徴とする。
このように構成することにより、外筒が扁平筒状であることにより、隣接する外筒間に、熱交換器で一般的に使用されているフィンを挿入可能になる。また、外筒と内筒の支持側を同じ側にすることで、熱交換器の構造を簡素化することができる。
【００１３】
請求項７に係る発明は、請求項１または請求項６に記載の発明において、前記外筒の外側を流れる流体の流入口は該外筒の自由端側に設けられていることを特徴とする。
このように構成することにより、外筒の外側において流体を該外筒の軸線に沿って流すことが容易になる。
【００１４】
請求項８に係る発明は、請求項６に記載の発明において、前記外筒（例えば、後述する実施の形態における外筒３２，５２）は、１枚の板体を櫛歯状に折り曲げてなる折板（例えば、後述する実施の形態における折板３３）と、該折板の両側部を閉塞する側板（例えば、後述する実施の形態における側板３４）で構成されていることを特徴とする。
このように構成することにより、扁平筒状の外筒を形成することが容易になる。
【００１５】
請求項９に係る発明は、請求項６に記載の発明において、前記外筒の外側を流れる流体の流入口は該外筒の扁平方向の外側に設けられていることを特徴とする。
このように構成することにより、外筒の外側を流れる流体を外筒の内側を流れる流体に対して交差する方向に流入させることが可能になる。
【００１６】
請求項１０に係る発明は、請求項１または請求項２に記載の発明において、前記外筒（例えば、後述する実施の形態における外筒３３０）と前記内筒（例えば、後述する実施の形態における内筒３２０）がいずれも円筒状をなし、前記外筒の周囲に断面環状の流体通路（例えば、後述する実施の形態における被加熱流体通路３５２）が形成されていることを特徴とする。
このように構成することにより、外筒と内筒に市販の配管を利用することが可能になる。
【００１７】
請求項１１に係る発明は、前記請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の熱交換器からなる蒸発部（例えば、後述する実施の形態における蒸発部３０，２５０，３６０）を備え、前記被加熱流体は液体燃料および液体燃料を気化して生成した燃料蒸気であり、加熱流体は加熱ガスであることを特徴とする蒸発器（例えば、後述する実施の形態における蒸発器１，１Ａ，１Ｂ）である。
このように構成することにより、高温の使用環境下において、蒸発部の外筒および内筒が熱膨張しても、これらは片持ち支持されているので自由端側に延びることで熱歪みを吸収することができる。
【００１８】
請求項１２に係る発明は、請求項１１に記載の発明において、前記蒸発部で生成された前記燃料蒸気を前記加熱ガスとの熱交換により加熱する過熱部（例えば、後述する実施の形態における過熱部５０）を備え、この過熱部が前記請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の熱交換器で構成されていることを特徴とする。
このように構成することにより、蒸発部で生成した燃料蒸気を過熱部において加熱ガスと熱交換させることができ、燃料蒸気をより高温にすることができる。
【００１９】
請求項１３に係る発明は、請求項１２に記載の発明において、前記加熱ガスは前記蒸発部の加熱流体通路（例えば、後述する実施の形態における加熱流体通路７１）から前記過熱部の加熱流体通路（例えば、後述する実施の形態における加熱流体通路７２）の順に流れることを特徴とする。
このように構成することにより、燃料蒸気と加熱ガスの両方が蒸発部から過熱部へと流れる並向流とすることができる。
【００２０】
請求項１４に係る発明は、請求項１２に記載の発明において、前記加熱ガスは前記過熱部の加熱流体通路（例えば、後述する実施の形態における加熱流体通路７２）から前記蒸発部の加熱流体通路（例えば、後述する実施の形態における加熱流体通路７１）の順に流れることを特徴とする。
このように構成することにより、燃料蒸気は蒸発部から過熱部へと流れ、加熱ガスは過熱部から蒸発部へと流れ、すなわち対向流にすることができる。
【００２１】
請求項１５に係る発明は、請求項１１から請求項１４のいずれか１項に記載の発明において、前記蒸発部を構成する熱交換器の加熱流体通路（例えば、後述する実施の形態における加熱流体通路７１，２４１，３５１）に触媒（例えば、後述する実施の形態における触媒層４３，２２１，３２１）が設けられていることを特徴とする。
このように構成することにより、蒸発部の加熱流体通路に供給される加熱ガス中の可燃物質を触媒燃焼させて加熱ガスを高温にすることができる。
【００２２】
請求項１６に係る発明は、請求項１２から請求項１５のいずれか１項に記載の発明において、前記過熱部を構成する熱交換器の加熱流体通路（例えば、後述する実施の形態における加熱流体通路７２）に触媒（例えば、後述する実施の形態における触媒層６３）が設けられていることを特徴とする。
このように構成することにより、過熱部の加熱流体通路を流通する加熱ガス中の可燃物質を触媒燃焼させて加熱ガスを高温にすることができる。
【００２３】
請求項１７に係る発明は、請求項１５または請求項１６に記載の発明において、前記加熱流体通路は前記外筒の内側に形成されており、前記触媒は前記内筒の内側に設けられていることを特徴とする。
このように構成することにより、触媒を容易に設置することが可能になる。
【００２４】
請求項１８に係る発明は、請求項１７に記載の発明において、前記触媒は前記内筒の自由端側に設けられていることを特徴とする。
このように構成することにより、内筒の支持部を、触媒燃焼により加熱される部分から遠ざけることができる。
【００２５】
請求項１９に係る発明は、請求項１１または請求項１２に記載の発明において、前記蒸発部の周囲に保温部（例えば、後述する実施の形態における保温室１７）を備え、この保温部に、前記蒸発部の加熱流体通路を流通して排出された加熱ガスが流通することを特徴とする。
このように構成することにより、加熱ガスの排熱を利用して蒸発部を保温することができ、蒸発部からの放熱を抑制することができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、この発明に係る熱交換器および蒸発器の実施の形態を図１から図１９の図面を参照して説明する。なお、以下に説明する各実施の形態において、熱交換器および蒸発器は、燃料電池用の燃料改質システムで用いられる蒸発器としての態様であり、燃料改質システムは燃料電池に供給される燃料ガスを生成する。
【００２７】
〔第１の実施の形態〕
この発明の第１の実施の形態を図１から図１５の図面を参照して説明する。
初めに、図１を参照して、燃料電池用の燃料改質システムについて簡単に説明する。燃料改質システム１００は、この発明の特徴部をなす蒸発器１、オートサーマル式の改質器１０１、熱交換器１０２、シフター１０３、ＣＯ除去器１０４を主要構成としており、炭化水素を含む原燃料（例えば、ガソリンあるいはメタノールなど）を水素リッチなガス（以下、水素リッチガスという）に改質し、燃料ガスとして燃料電池１１０に供給する。
【００２８】
燃料電池１１０は例えば固体高分子電解質膜型の燃料電池であり、燃料改質システム１００からアノードに供給される燃料ガス（水素リッチガス）中の水素と、カソードに供給される酸化剤ガスとしての空気中の酸素との電気化学反応により発電を行う。
蒸発器１は被加熱流体通路と加熱流体通路を備え、被加熱流体通路に原燃料と水が液体燃料（被加熱流体）として供給され、加熱流体通路に燃料電池１１０から排出される水素オフガスと空気オフガス（以下、オフガスと総称する）が加熱ガス（加熱流体）として供給される。加熱ガスは該ガス中に含まれる水素が蒸発器１内で触媒燃焼されることにより高温化し、この高温の加熱ガスと液体燃料が熱交換することにより、液体燃料が気化され燃料蒸気が生成される。
蒸発器１で生成された燃料蒸気は改質用空気と混合されて原料ガスとされ、熱交換器１０２で加熱されて改質器１０１に供給される。なお、改質用空気は液体燃料とともに蒸発器１に供給する場合もある。
【００２９】
改質器１０１は改質触媒を備えており、この改質触媒の触媒作用により改質器１０１内で、部分酸化と水蒸気改質が行われ、その結果、原料ガスは水素リッチな改質ガスに改質される。改質器１０１から排出された改質ガスは熱交換器１０２で前記原料ガスと熱交換して冷却され、シフター１０３に供給される。
シフター１０３はシフト触媒を備え、このシフト触媒の触媒作用によりシフター１０３の内部でシフト反応が行われ、改質ガス中の多くのＣＯがＨ２とＣＯ２に変成せしめられる。
【００３０】
シフター１０３から排出された改質ガスはＣＯ除去器１０４に供給される。ＣＯ除去器１０４はＣＯを選択酸化するＣＯ除去触媒を備えており、このＣＯ除去触媒の触媒作用により改質ガス中に微量に残留するＣＯが二酸化炭素（ＣＯ２）に酸化せしめられる。
このようにしてＣＯを除去された改質ガスが水素リッチガス（燃料ガス）として、燃料電池１１０のアノードに供給される。
【００３１】
次に、蒸発器１について図２から図１５の図面を参照して詳述する。
図２は蒸発器１の外観斜視図、図３は同分解斜視図、図４は蒸発器１の外板の一部を取り外して示す斜視図である。
蒸発器１は矩形箱形の密閉されたハウジング１０を備え、このハウジング１０の底部１１に加熱流体入口管２が設けられ、側板１２に加熱流体出口管３が設けられ、側板１３に二本の液体燃料ノズル４，４が設けられ、天板１６に燃料蒸気出口管５が設けられている。
【００３２】
ハウジング１０の底部１１は、フィルタ１１ａを収容するフィルタケース１１ｂと、フィルタケース１１ｂの底部フランジ１１ｃにガスケット１１ｄを介して連結された加熱流体入口カバー１１ｅと、フィルタ１１ａと略同一平面上に配置されてフィルタケース１１ｂに連結された加熱流体受け箱１１ｆとから構成されており、加熱流体入口カバー１１ｅに加熱流体入口管２が連結固定されている。加熱流体受け箱１１ｆは上方を開口させており、フィルタ１１ａおよびフィルタケース１１ｂとの間でガスの流通が不可能になっている。
加熱流体出口管３は側板１２の加熱流体出口孔１２ａに連結固定されている。二本の液体燃料ノズル４，４はいずれも軸線を水平に延ばし、互いに平行をなして同一高さに配置されており、基端を側板１３から外方に突出させ、先端側を側板１３の孔１３ａ，１３ａからハウジング１０内に挿入させている。
燃料蒸気出口管５は、天板１６の燃料蒸気出口孔１６ａに連結固定されたフラジ部１６ｂに、ガスケット１６ｃを介して連結されている。
【００３３】
このハウジング１０の内部に熱交換部２０が収容されている。熱交換部２０は矩形箱形をなし、その底部をフィルタケース１１ｂおよび加熱流体受け箱１１ｆの上に連結して設置されるとともに、ハウジング１０の四つの側板１２，１３，１４，１５および天板１６との間に所定の隙間を有して設置されていて、この隙間は加熱ガスが流通する保温室（保温部）１７を形成している。また、熱交換部２０と側板１４との間に所定の隙間を設けていることにより、図４に示すように、加熱流体受け箱１１ｆの側板１４側に開口１１ｇが形成され、この開口１１ｇを介して加熱流体受け箱１１ｆの内部と保温室１７が連通している。側板１２に設けられた加熱流体出口管３はこの保温室１７に連通している。
【００３４】
図５は熱交換部２０の外観斜視図、図６は同分解斜視図、図７は同縦断面図、図８は熱交換部２０の内部を示す斜視図である。
熱交換部２０は矩形箱形のケーシング２１を備えている。ケーシング２１は、底板２２と、段付きのスカート２３と、板材をコの字状に折り曲げてなる胴板２４と、二つの側板２５，２６を有し、スカート２３の底部に底板２２が接合されてスカート２３の下部開口が塞がれ、スカート２３の上端部に胴板２４の側板部２４ａ、２４ｂが接合され、スカート２３の上端部と胴板２４に側板２５，２６が接合されることにより、内部に密閉空間が形成される。
【００３５】
胴板２４には天板部２４ｃから両側板部２４ａ、２４ｂの途中までにかけて切り込み溝２７が設けられていて、この切り込み溝２７に挿入固定された仕切板２８によってケーシング２１の内部空間が、蒸発部３０と過熱部５０に区画されている。なお、蒸発部３０の容積の方が過熱部５０の容積よりも大きく設定されている。蒸発部３０と過熱部５０はいずれも熱交換器で構成されており、構造的には全く同じである。
【００３６】
蒸発部３０は、加熱流体通路と被加熱流体通路を仕切る外筒集合体３１と、外筒集合体３１の内部に挿入される多数の内筒４０とを備えている。外筒集合体３１は、図９に示すように、一枚の金属板を櫛歯状に折り曲げてなる折板３３と、折板３３の両側部に形成された櫛歯状の開口に接合されてこの開口を塞ぐ二枚の側板３４とから構成されている。つまり、外筒集合体３１は、先端を閉塞させた扁平筒状の外筒３２を一定間隔で多数平行に並べ、その総ての外筒３２の基端側を連結させた形態をなしている。
【００３７】
この外筒集合体３１において隣り合う外筒３２，３２の間の隙間には、断面が略三角波形のフィン３６がその山部を外筒３２の軸線方向に延ばして固定されている。図１２に示すように、フィン３６は、その下端を外筒３２の下部外面に突出する突部３２ａに係止して位置決めされ、フィン３６の山部を外筒３２の外面に接触させて固定されている。
【００３８】
内筒４０は、図１０に示すように、扁平筒状をなし、軸線方向の両端を開口させている。図１２に示すように、内筒４０は外側に突出する多数の外突部４１と内側に突出する多数の内突部４２が設けられている。外突部４１は内筒４０の外面のほぼ全域に均一に分散配置されており、内突部４２は内筒４０の先端部分を除いて均一に分散配置されている。また、内突部４２は内筒４０内において対向配置されており、対向配置されたもの同士が突き合わされている。
内筒４０において内突部４２が設けられていない先端部分には、図７、図１２および図１３に示すように、ハニカム型の担体に例えばＰｔ系の酸化触媒が担持されてなる触媒層４３が設けられている。
そして、外筒集合体３１の各外筒３２に内筒４０が１つずつ挿入されており、挿入状態では内筒４０の外突部４１が外筒３２の内面に当接し、これにより内筒４０と外筒３１のクリアランスが一定に保たれるようにされている。
【００３９】
過熱部５０も同様に構成されており、図６、図７および図８に示すように、折板の両側部開口に側板を接合してなり多数の外筒５２を有する外筒集合体５１と、各外筒５２に挿入される両端を開口させた扁平筒状の内筒６０を備え、内筒６０には外突部６１と内突部６２が設けられるとともに触媒層６３が設けられている。この触媒層６３には、一酸化炭素（ＣＯ）等のエミッション浄化に好適な浄化触媒（Ｐｔ，Ｐｄ，Ｒｈ等）が担持されている。なお、図面には表れていないが、過熱部５０にも隣り合う外筒５２，５２間にフィンが設けられており、外筒５２の下部外面にフィン位置決め用の突部が設けられている。
【００４０】
そして、蒸発部３０の外筒集合体３１と過熱部５０の外筒集合体５１はいずれも外筒３２，５２の軸線方向を鉛直方向（重力方向）に合わせて設置されており、その結果として、蒸発部３０におけるフィン３６および過熱部５０のフィンの山部も鉛直方向（重力方向）に延ばして設置されている。また、蒸発部３０の外筒集合体３１と過熱部５０の外筒集合体５１は外筒３２同士が隣接する方向および外筒５２同士が隣接する方向を同一方向にして前述した仕切板２８を間に挟んで並んで配置されている。また、図７に示すように、外筒集合体３１と外筒集合体５１とが隣接する側の下端同士は接合されており、この接合部Ａから所定寸法だけ上方に離間した位置に仕切板２８の下端が固定されている。
【００４１】
蒸発部３０の外筒集合体３１と過熱部５０の外筒集合体５１はケーシング２１のスカート２３に接合され、内筒４０は底板２２に接合されている。
詳述すると、図６に示すように、底板２２には、ハウジング１０のフィルタケース１１ｂに連結される領域に、蒸発部３０の内筒４０が挿入される細長い孔２２ａが所定間隔おきに平行に多数設けられ、ハウジング１０の加熱流体受け箱１１ｆが連結される領域に、過熱部５０の内筒６０が挿入される細長い孔２２ｂが所定間隔おきに平行に多数設けられている。なお、これら孔２２ａ，２２ｂの周縁形成部は外側に起こされている。
【００４２】
そして、図７および図１３に示すように、蒸発部３０の各内筒４０はその基端をスカート２３の内側を通って底板２２の孔２２ａに挿入され、この孔２２ａの前記周縁形成部にバーリングにより固定されている。そして、蒸発部３０の外筒集合体３１は、各内筒４０がそれぞれ対応する外筒３２に挿入されるようにして内筒４０の上から被せられ、外筒集合体３１の下端部（基端部）がスカート２３の上端部に接合固定されている。このように外筒集合体３１と内筒４０が固定された状態において、内筒４０の先端は外筒３２の先端閉塞部３２ｂから所定寸法だけ離間している。
なお、図１１は下方から見た蒸発部３０の分解斜視図であるが、この図では底板２２およびスカート２３において過熱部５０が対応する部分を省略して示している。
【００４３】
過熱部５０についても同様であり、過熱部５０の各内筒６０はその基端をスカート２３の内側を通って底板２２の孔２２ｂに挿入され、この孔２２ｂの前記周縁形成部にバーリングにより固定されている。そして、過熱部５０の外筒集合体５１は、各内筒６０がそれぞれ対応する外筒５２に挿入されるようにして内筒６０の上から被せられ、外筒集合体５１の下端部（基端部）がスカート２３の上端部に接合固定されている。このように外筒集合体５１と内筒６０が固定された状態において、内筒６０の先端は外筒５２の先端閉塞部５２ｂから所定寸法だけ離間している。
【００４４】
つまり、蒸発部３０では、各外筒３２はその基端を片持ち支持されて先端側を自由端としており、各内筒４０もその基端を片持ち支持されて先端側を自由端としている。また、過熱部５０においても、各外筒５２はその基端を片持ち支持されて先端側を自由端としており、各内筒６０もその基端を片持ち支持されて先端側を自由端としている。したがって、外筒集合体３１，５１や各内筒４０，６０に熱が加わって熱膨張した場合にも、各外筒３２，５２および各内筒４０，６０はそれぞれ先端側に伸びるので熱応力が生じない。
【００４５】
そして、このように外筒集合体３１，５１がスカート２３に固定され、仕切板２８が両外筒集合体３１，５１の間に固定された上から、ケーシング２１の胴板２４が被せられ、その際に仕切板２８が胴板２４の切り込み溝２７に嵌め込まれる。さらに、仕切板２８が切り込み溝２７において胴板２４に接合されることにより切り込み溝２７が塞がれている。
また、蒸発部３０においてケーシング２１の胴板２４の天板部２４ｃと外筒集合体３１との間に、前述した液体燃料ノズル４，４の先端側が胴板２４の側板部２４ａを貫通して挿入されている。ここで、液体燃料ノズル４は、その軸線方向を外筒集合体３１において外筒３２同士が隣接する方向と同方向にして配置されている。
一方、図６に示すように、ケーシング２１において過熱部５０に対応する天板部２４ｃには燃料蒸気出口孔２４ｄが形成されており、図５に示すように、この燃料蒸気出口孔２４ｄに筒体２４ｅが接合されている。この筒体２４ｅは、図３に示すように、ハウジング１０における天板１６の燃料蒸気出口孔１６ａに接続される。
【００４６】
このように構成された熱交換部２０内においては、外筒集合体３１，５１の内側が加熱流体通路となり、外筒集合体３１，５１の外側が被加熱流体通路となる。
詳述すると、図７（蒸発部３０については図１２および図１３も参照）に示すように、蒸発部３０の外筒集合体３１の内部では、各外筒３２の内部先端で内筒４０の内側から外側に折り返す加熱流体通路７１が形成され、過熱部５０の外筒集合体５１の内部では、各外筒５２の内部先端で内筒６０の外側から内側に折り返す加熱流体通路７２が形成される。そして、加熱流体通路７１の下流端（すなわち、内筒４０の基端周り）と加熱流体通路７２の上流端（すなわち、内筒６０の基端周り）がスカート２３の内部で連通している。
なお、蒸発部３０の各内筒４０の基端はフィルタ１１ａ、フィルタケース１１ｂ、および加熱流体入口カバー１１ｅを介して加熱流体入口管２に連通しており、過熱部５０の各内筒６０の基端は加熱流体受け箱１１ｆの内側空間に連通している。
【００４７】
一方、外筒集合体３１の外側において隣り合う外筒３２，３２の間に形成されている空間は蒸発部３０における被加熱流体通路８１を構成し、外筒集合体５１の外側において隣り合う外筒５２，５２の間に形成されている空間は過熱部５０の被加熱流体通路８２を構成しており、これら被加熱流体通路８１，８２は、図７に示すように、仕切板２８の下端と外筒集合体３１，５１の接合部Ａとの間の空間を介して連通している。
このように加熱流体通路７１，７２と被加熱流体通路８１，８２が形成されているので、蒸発部３０の被加熱流体通路８１は蒸発部３０の外筒３２によってほぼ囲まれており、過熱部５０の被加熱流体通路８２は過熱部５０の外筒５２によってほぼ囲まれていると言える。さらに換言すると、蒸発部３０の被加熱流体通路８１は蒸発部３０の加熱流体通路７１によってほぼ囲まれており、過熱部５０の被加熱流体通路８２は過熱部５０の加熱流体通路７２によってほぼ囲まれていると言える。
【００４８】
このように構成された蒸発器１においては、燃料電池１１０から排出されたオフガスが加熱ガスとして加熱流体入口管２に供給されるととともに、被加熱流体としての液体燃料が液体燃料ノズル４に供給される。
初めに、加熱ガスの流れを説明すると、加熱流体入口管２に供給された加熱ガスはフィルタ１１ａで濾過された後、蒸発部３０の各内筒４０に流入し、加熱流体通路７１を流通する。すなわち、各内筒４０に流入した加熱ガスは、内筒４０内を軸線方向に沿って重力方向の上方へ流れていき、触媒層４３を通過する際に加熱ガス中の水素が燃焼されて高温の加熱ガスとなり、触媒層４３を通過し内筒４０の先端から放出されると外筒３２の先端閉塞部３２ｂに突き当たって流れの向きを１８０度反転して内筒４０の外側に回り込み、外筒３２と内筒４０との間を内筒４０の軸線方向に沿って重力方向の下方へと流れていき、スカート２３と底板２２との間の空間に流入する。そして、高温の加熱ガスが内筒４０の外側を重力方向の下方に流通する際に加熱ガスの熱の一部が外筒３２に伝熱され、さらに外筒３２，３２間に配置されたフィン３６に伝熱される。
【００４９】
ここで、内筒４０の内部には多数の内突部４２が分散配置されているので、内筒４０の内側の加熱流体通路７１を流通する加熱ガスが触媒層４３に到達するまでに、加熱ガスを構成する空気オフガスと水素オフガスが内突部４２によって十分に混合され、触媒層４３における加熱ガスの燃焼状態を良好にする。
また、外筒３２と内筒４０の間には多数の外突部４１が分散配置されているので、高温の加熱ガスが外筒３２と内筒４０の間の加熱流体通路７１を流通する間に外突部４１によって十分に撹拌され、伝熱性能が向上する。
【００５０】
さらに、スカート２３と底板２２との間の空間に流入した加熱ガスは、過熱部５０の加熱流体通路７２を流通する。すなわち、加熱ガスは、スカート２３と底板２２との間の空間から過熱部５０の外筒５２と内筒６０の間の空間に流入し、外筒５２と内筒６０の間の空間を内筒６０の軸線方向に沿って重力方向の上方へ流れていき、外筒５２の先端閉塞部５２ｂに突き当たって流れの向きを１８０度反転して内筒６０の内側に回り込み、触媒層６３を通って内筒６０内を軸線方向に沿い重力方向の下方へと流れていき、内筒６０の基端開口からケーシング２１の加熱流体受け箱１１ｆに流出する。そして、加熱ガスが内筒６０の外側を重力方向の上方へ流通する際に加熱ガスの熱の一部が外筒５２に伝熱され、さらに外筒５２．５２間に配置されたフィンに伝熱される。触媒層６３を流通する際に、加熱ガス中に含まれる未反応の水素が触媒層６３に担持された浄化触媒によって触媒燃焼し、ガス温度が上昇する。この加熱ガスの熱の一部は内筒６０を伝熱して内筒６０の外側に流れる加熱ガスを加熱する。また、加熱ガス中にＣＯなどのエミッションが微量に存在する場合にも、前記浄化触媒が前記エミッションを触媒燃焼して浄化する。
この過熱部５０においても内筒６０の内突部と外突部６１が加熱流体通路７２を流通する加熱ガスを十分に撹拌するので、伝熱性能が向上する。
【００５１】
そして、加熱流体受け箱１１ｆに流出した加熱ガスは、図４に示すように、加熱流体受け箱１１ｆの上部開口１１ｇを通ってハウジング１０とケーシング２１の間の保温室１７に流入し、ケーシング２１の周りに沿って流通しながら加熱流体出口管３から排出される。
【００５２】
次に、液体燃料の流れを説明すると、液体燃料ノズル４に供給された液体燃料は、ケーシング２１の内部において液体燃料ノズル４に設けられた多数の噴射孔（図示せず）から斜め下方に向けて噴射され、蒸発部３０における外筒３２，３２間、すなわち被加熱流体通路８１に流入する。つまり、この実施の形態においては、外筒３２の自由端側が液体燃料の流入口となっている。
液体燃料ノズル４から噴射された液体燃料は液滴となって、外筒３２，３２の間から被加熱流体通路８１に流入し、フィン３６に付着してその表面を伝わって流れ落ち、あるいはフィン３６の間に形成された隙間を通過して滴下する。いずれにしても、液体燃料は、被加熱流体通路８１を重力方向の下方へと流れていく。そして、外筒３２の表面およびフィン３６の表面に付着した液体燃料は、外筒３２およびフィン３６を介して、外筒３２と内筒４０との間の加熱流体通路７１を流れる高温の加熱ガスと熱交換して瞬時に気化し、蒸気燃料となる。また、フィン３６の間の隙間を通過して滴下する液体燃料も、被加熱流体通路８１を落下する間に被加熱流体通路８１内の高温雰囲気下で気化し、蒸気燃料となる。
【００５３】
ここで、蒸発部３０の被加熱流体通路８１にフィン３６が設けられているので、液体燃料が大きく広がり易くなるとともに、加熱面の表面積が極めて大きく、その結果、液体燃料の気化が促進される。
また、液体燃料がフィン３６に衝突すると、衝突した部位（以下、衝突部という）に付着するとともに飛散し、飛散した液体燃料が衝突部の近くのフィン３６にまた衝突し、このような衝突を繰り返していくので、加熱面であるフィン３６表面への液体燃料の接触頻度が増し、液体燃料の気化が促進される。
【００５４】
また、フィン３６の熱伝導により、被加熱流体通路８１内のフィン３６全体の温度分布がほぼ均一になるので、被加熱流体通路８１の全域を熱交換部として利用でき、液体燃料を効率的に気化し、燃料蒸気とすることができる。
したがって、この蒸発器１は、液体燃料を極めて効率的に且つ迅速に気化することができ、応答性に極めて優れたものとなる。
なお、フィン３６を上下方向に多段に設け、且つ、上下のフィン３６において山部をオフセットして配置するのが好ましい。このようにすると、液体燃料のフィン３６への衝突頻度がさらに増し、液体燃料の気化がさらに促進される。
【００５５】
また、被加熱流体通路８１が外筒３２によってほぼ囲まれており、換言すると、被加熱流体通路８１が加熱流体通路７１によってほぼ囲まれた構造になっているので、被加熱流体通路８１を流通する燃料蒸気からの放熱を抑制することができ、生成された燃料蒸気が温度低下するのを防止することができる。
このようにして生成された燃料蒸気は、被加熱流体通路８１を重力方向の下方へと下降する。
【００５６】
蒸発部３０における被加熱流体通路８１の下部に到達した燃料蒸気は、ケーシング２１内における仕切板２８の下側を通って、過熱部５０の被加熱流体通路８２に流入し、過熱部５０における外筒５２，５２の間の各空間を重力方向の上方へと流れていく。そして、このように燃料蒸気が被加熱流体通路８２を重力方向の上方へと流通する間に、燃料蒸気は、外筒５２および外筒５２，５２間に設けられたフィンを介して、外筒５２と内筒６０との間の加熱流体通路７２を流れる加熱ガスと熱交換し、さらに加熱される。
そして、過熱部５０におけるケーシング２１内の上部に達した燃料蒸気は、ケーシング２１の燃料蒸気出口孔２４ｄから、筒体２４ｅおよびハウジング１０の燃料蒸気出口孔１６ａを通って燃料蒸気出口管５に排出され、図示しない配管を介して改質器１０１に供給される。
【００５７】
このように、この蒸発器１では、燃料蒸気が蒸発部３０から過熱部５０へと流れ、加熱ガスも蒸発部３０から過熱部５０へと流れ、つまり、並向流となる。このように燃料蒸気と加熱ガスを並向流で流すと、加熱ガスの流量変化に対する燃料蒸気の過熱度合いの変動を抑制することができ、燃料蒸気の温度変動を抑制することができる。
また、蒸発部３０と過熱部５０の加熱流体通路７１，７２に触媒層４３，６３が設けられているこの蒸発器１においては、触媒層４３で燃焼されなかった加熱ガス中の水素を触媒層６３で燃焼させることができ、水素の吹き抜け（不完全燃焼）を防止することができる。
【００５８】
また、蒸発部３０と過熱部５０のいずれにおいても、燃料蒸気と加熱ガスの流れ方向がいずれも外筒３２，５２、内筒４０，６０の軸線方向に沿う方向（重力方向）であるので、燃料蒸気と加熱ガスの流れ方向を交差させた場合に比べて、外筒３２，５２および内筒４０，６０の水平方向における温度分布をほぼ均一にすることができる。したがって、外筒３２，５２および内筒４０，６０の水平方向に熱歪みを生じなくすることができ、熱応力を生じなくすることができる。
【００５９】
なお、ハウジング１０とケーシング２１の間に設けられた保温室１７は、熱交換部２０の周囲を取り囲んでおり、保温室１７を流通する加熱ガスは熱交換後といっても十分高い温度を有しているので、保温室１７内の加熱ガスが保温層として機能し、熱交換部２０からの放熱を抑制して、生成した燃料蒸気の温度が低下するのを防止する。
【００６０】
また、この蒸発器１では、前述したように、蒸発部３０の各外筒３２、各内筒４０、および、過熱部５０の各外筒５２、各内筒６０がいずれもその基端を片持ち支持されて先端側を自由端としているので、各外筒３２，５２および各内筒４０，６０が熱膨張したときにはそれぞれ先端側に伸びることによって熱歪みを吸収することができ、熱応力が生じないようにすることができる。したがって、外筒３２，５２、内筒４０，６０を薄肉にすることができ、軽量にできる。
また、触媒層４３，６３を内筒４０，６０の先端部に設けているので、触媒燃焼により高温が発生する部分を内筒４０，６０の片持ち支持側である基部から遠ざけることができ、内筒４０，６０と底板２２との接合部に加わる熱応力を小さくすることができる。したがって、蒸発器１の耐久性が向上する。
【００６１】
また、外筒集合体３１，５１とスカート２３との接合部、および、内筒４０，６０と底板２２との接合部における熱応力が小さいので、底板２２およびスカート２３の剛性を低く設定することができ、その結果、底板２２およびスカート２３を薄肉にすることができ、軽量にできる。
さらに、蒸発部３０の外筒３２、内筒４０、過熱部５０の外筒５２、内筒６０の片持ち支持側を総て同じ側に配置しているので、蒸発器１の構造を簡単化することができる。
したがって、蒸発器１の軽量化、構造の簡単化、およびコストダウンを図ることができる。
【００６２】
また、燃料蒸気出口管５はハウジング１０の天板１６に設けられているので、改質器１０１における反応にとって好ましくない液滴の排出を防止することができる。さらに、蒸発器１の運転停止時に発生する液滴が改質器１０１に排出されるのも防止することができる。
さらに、この蒸発器１が燃料電池自動車に搭載される場合、蒸発器１の姿勢が多々変化して傾斜することが考えられるが、蒸発器１が傾斜しても、この蒸発器１においては、蒸発部３０の被加熱流体通路８１に設けられたフィン３６が隔壁として作用するので、液体燃料が被加熱流体通路８１における一部の領域に偏って流れるのを阻止することができ、その結果、実質的な伝熱面積を変化させないようにすることができるので、蒸発性能を一定に保つことができる。
【００６３】
なお、熱交換部２０において、燃料および燃料蒸気の流れ方向は前述と同じにし、加熱ガスの流れ方向だけを前述した場合と逆にしてもよい。すなわち、図１４に示すように、加熱ガスを過熱部５０の内筒６０から流入させて、内筒６０の内側から外側へと流通させ、さらに、蒸発部３０の内筒４０の外側を流通させた後、内側４０の内側へと流通させるようにしてもよい。
このようにすると、燃料蒸気は蒸発部３０から過熱部５０へと流れ、加熱ガスは過熱部５０から蒸発部３０へと流れ、つまり、対向流となる。このように燃料蒸気と加熱ガスを対向流で流すと、燃料蒸気の温度を加熱ガスの温度に近づけることができ、燃料蒸気の温度制御の応答性が向上する。
特に、過熱部５０の触媒層６３が加熱ガス流れ方向の上流側に位置するので、過熱部５０の触媒層６３における加熱ガスの発熱量を大きくすることができる。その結果、燃料蒸気は過熱部５０の終端近くにおいて触媒層６３から多大な熱を受熱することが可能となり、燃料蒸気の温度制御の応答性が極めてよくなる。
【００６４】
なお、被加熱流体通路８１，８２に設けるフィン３６の形状は略三角波形に限るものではなく、図１５に示すような種々の形状が採用可能である。図１５（Ａ）は断面矩形波状のフィンであり、図１５（Ｂ）はいわゆるヘリボーンフィンであり、図１５（Ｃ）は多孔板フィンであり、図１５（Ｄ）はいわゆるセレートフィンであり、図１５（Ｅ）はいわゆるルーバーフィンである。これらフィンを採用することにより熱交換効率をさらに向上することができる。また、外筒３２，５２の外面にエンボス加工により突部を設け、この突部をフィン３６の代わりとすることも可能である。
【００６５】
〔第２の実施の形態〕
次に、この発明に係る蒸発器の第２の実施の形態を図１６および図１７の図面を参照して説明する。第２の実施の形態における蒸発器は、図１に示される燃料改質システムにおける蒸発器１に代えて用いることができる。
図１６に示すように、蒸発器１Ａは矩形箱形のハウジング２００を備え、ハウジング２００の正面に加熱流体入口２０１が設けられ、背面に加熱流体出口２０２と燃料蒸気出口２０３が設けられている。この蒸発器１Ａでは、ハウジング２００の内部が蒸発部（熱交換器）２５０になっている。
【００６６】
加熱流体入口２０１は、ハウジング２００の正面板２００ａに固定された加熱流体入口フード２０４に設けられている。ハウジング２００の内部には、底部隙間２０６を残してハウジング２００内を塞ぐように、仕切板２０５が正面板２００ａと平行に鉛直方向に設置されている。
ハウジング２００の正面板２００ａには、鉛直方向に細長い孔２０７が所定間隔をおいて互いに平行に多数設けられており、仕切板２０５にも鉛直方向に細長い多数の孔２０８がそれぞれ孔２０７に対応して設けられている。なお、仕切板２０５の孔２０８は正面板２００ａの孔２０７よりも一回り大きくされている。また、加熱流体入口フード２０４は正面板２００ａの総ての孔２０７を包囲するように設けられている。
【００６７】
正面板２００ａの孔２０７にはそれぞれ１本ずつ内筒２２０が取り付けられており、仕切板２０５の孔２０８にはそれぞれ１本ずつ外筒２３０が取り付けられている。
外筒２３０は鉛直方向に扁平な筒状をなし、その軸線を水平にしてハウジング２００の正面側から背面側に真っ直ぐに延ばし、基端のみ開口させ先端を閉塞させており、その基端が仕切板２０５の孔２０８に挿入固定され、先端をハウジング２００の背面板２００ｂの近くまで延ばしている。
内筒２２０は鉛直方向に扁平な筒状をなし、その軸線を水平にしてハウジング２００の正面側から背面側に真っ直ぐに延ばし、両端を開口させており、その基端が正面板２００ａの孔２０７に挿入固定され、先端側が仕切板２０５の孔２０８から外筒２３０の内部に挿入されている。
【００６８】
図１７に示すように、内筒２２０の外周面と外筒２３０の内周面との間には所定の隙間が確保されており、内筒２２０の先端は外筒２３０の先端閉塞部２３１から所定寸法だけ離れて位置している。
このように、蒸発器１Ａでは、各外筒３２０はその基端を片持ち支持されて先端側を自由端としており、各内筒２２０もその基端を片持ち支持されて先端側を自由端としているので、内筒２２０および外筒２３０に熱が加わって熱膨張した場合にも、内筒２２０および外筒２３０はそれぞれ先端側に伸び、熱応力が生じることがない。
内筒２２０の内部の先端側には、ハニカム型の担体に例えばＰｔ系の酸化触媒が担持されてなる触媒層２２１が設けられている。
【００６９】
また、ハウジング２００の内部には、外筒２３０の下側に外筒２３０から離間して配置された仕切板２０９が設けられている。仕切板２０９は、仕切板２０５の下端およびハウジング２００の両内側面に連結されるとともに、外筒２３０の先端近傍で斜め上方に屈曲して、ハウジング２００の背面板２００ｂに連結されており、背面板２００ｂとの連結部は燃料蒸気出口２０３の周縁に収束している。
【００７０】
また、ハウジング２００の内部には、仕切板２０５からハウジング２００の背面側に所定寸法離間した位置に、ハウジング２００の天板２００ｃから下延する下延板２１０が設けられており、下延板２１０の両側部はハウジング２００の両内側面に連結されている。下延板２１０の下端は外筒２３０から離間して上方に位置しており、この下延板２１０の下端に仕切板２１１が連結されている。
仕切板２１１は、ハウジング２００の両内側面に連結されるとともに、外筒２３０の先端近傍で斜め下方に屈曲してハウジング２００の背面板２００ｂに連結されており、背面板２００ｂとの連結部は燃料蒸気出口２０３の周縁に収束している。
【００７１】
また、ハウジング２００の内部であって仕切板２０５と下延板２１０との間に形成された空間２１２には、ハウジング２００の側板２００ｄを貫通して挿入された二本の液体燃料ノズル２１３が設置されている。図１７に示すように、二本の液体燃料ノズル２１３，２１３はいずれもその軸線を、外筒２３０同士が隣接する方向に対して直交する方向に水平に延ばし、互いに平行をなして同一高さに配置されており、外筒２３０から離間して上方に設置されている。
【００７２】
この蒸発器１Ａでは、外筒２３０の内部に、内筒２２０の先端で内筒２２０の内側から外側に折り返す加熱流体通路２４１が形成され、隣り合う外筒２３０，２３０の間および仕切板２０９と仕切板２１１との間に被加熱流体通路２４２が形成され、仕切板２０９とハウジング２００との間に加熱流体排出通路２４３が形成される。そして、加熱流体通路２４１は加熱流体入口２０１に連通し、被加熱流体通路２４２は燃料蒸気出口２０３に連通し、加熱流体排出通路２４３は加熱流体出口２０２に連通している。
【００７３】
このように構成された蒸発器１Ａにおいては、燃料電池１１０から排出されたオフガスが加熱ガスとして加熱流体入口２０１に供給されるととともに、被加熱流体としての液体燃料が液体燃料ノズル２１３に供給される。
初めに、加熱ガスの流れを説明すると、加熱流体入口２０１に供給された加熱ガスは、各内筒２２０に流入し、加熱流体通路２４１を流通する。すなわち、各内筒２２０に流入した加熱ガスは、内筒２２０内を軸線方向に沿って内筒２２０の先端に向かって流れていき、触媒層２２１を通過する際に加熱ガス中の水素が燃焼されて高温の加熱ガスとなる。この高温の加熱ガスは、内筒２２０の先端から放出されると外筒２３０の先端閉塞部２３１に突き当たって流れの向きを１８０度反転して内筒２２０の外側に回り込み、外筒２３０と内筒２２０との間を基端に向かって流れていく。そして、高温の加熱ガスが内筒２２０の外側を流通する際に加熱ガスの熱の一部が外筒２３０に伝熱される。加熱ガスは、ハウジング２００の正面板２００ａに突き当たるとハウジング２００の底部隙間２０６を通って加熱流体排出通路２４３に流入し、加熱流体排出通路２４３をハウジング２００の背面側へと流通し、加熱流体出口２０３から排出される。
【００７４】
次に、液体燃料の流れを説明すると、液体燃料ノズル３１３に供給された液体燃料は、ハウジング２００内の正面側上部に形成された空間２１２において、液体燃料ノズル３１３に設けられた多数の噴射孔（図示せず）から斜め下方に向けて噴射される。つまり、この実施の形態においては、外筒２３０の外側を流れる被加熱流体の流入口が該外筒２３０の扁平方向の外側に設けられており、これにより、液体燃料は外筒２３０の内側を流れる加熱ガスに対して交差する方向に流入する。液体燃料ノズル３１３から噴射された液体燃料は液滴となって各外筒２３０の表面に付着する。
外筒２３０の表面に付着した液体燃料は、外筒２３０の表面を伝わって流れ落ち、被加熱流体通路２４２を重力方向の下方へと流れていく。そして、外筒２３０の表面に付着した液体燃料は、外筒２３０を介して、外筒２３０と内筒２２０との間の加熱流体通路２４１を流れる高温の加熱ガスと熱交換して瞬時に気化し、蒸気燃料となる。
【００７５】
ところで、被加熱流体通路２４２は外筒２３０によってほぼ囲まれており、換言すると、被加熱流体通路２４２は加熱流体通路２４１によってほぼ囲まれた構造になっているので、被加熱流体通路２４２を流通する燃料蒸気からの放熱を抑制することができ、生成された燃料蒸気が温度低下するのを防止することができる。
このようにして生成された燃料蒸気は、被加熱流体通路２４２をハウジング２００の背面側に向かって水平に流れていく。この間も。燃料蒸気は、外筒２３０を介して、外筒２３０と内筒２２０との間の加熱流体通路２４１を流れる高温の加熱ガスと熱交換し、その結果、燃料蒸気は加熱される。
そして、被加熱流体通路２４２の終端に達した燃料蒸気は、ハウジング２００の燃料蒸気出口２０３から排出され、図示しない配管を介して改質器１０１に供給される。
【００７６】
この蒸発器１Ａでは、前述したように、各内筒２２０および各外筒２３０がいずれもその基端を片持ち支持されて先端側を自由端としているので、各内筒２２０および各外筒２３０が熱膨張したときにはそれぞれ先端側に伸びることによって熱歪みを吸収することができ、熱応力が殆ど生じない。したがって、内筒２２０および外筒２３０を薄肉にすることができ、軽量にできる。
また、触媒層２２１を内筒２２０の先端側に設けているので、触媒燃焼により高温が発生する部分を内筒２２０の片持ち支持側である基部から遠ざけることができ、内筒２２０と正面板２００ａとの接合部に加わる熱応力を小さくすることができる。したがって、蒸発器１Ａの耐久性が向上する。
【００７７】
また、内筒２２０と正面板２００ａとの接合部における熱応力が小さいので、正面板２００ａの剛性を低く設定することができる。また、外筒２３０を片持ち支持する仕切板２０５の剛性も低く設定することができる。その結果、正面板２００ａ，仕切板２０５だけでなくハウジング２００も薄肉にすることができ、蒸発器１Ｂを軽量にできる。
したがって、蒸発器１の軽量化、コストダウンを図ることができる。
【００７８】
〔第３の実施の形態〕
次に、この発明に係る蒸発器の第３の実施の形態を図１８および図１９の図面を参照して説明する。第３の実施の形態における蒸発器は、図１に示される燃料改質システムにおける蒸発器１に代えて用いることができる。
図１８に示すように、蒸発器１Ｂは軸線を鉛直方向に延ばす略円筒状のハウジング３００を備え、ハウジング３００の底部３００ａに加熱流体入口３０１が設けられ、胴部３００ｂに加熱流体出口３０２と液体燃料入口３０３が設けられ、頂部３００ｃに燃料蒸気出口３０４が設けられている。この蒸発器１Ｂでは、ハウジング３００の内部が蒸発部（熱交換器）３６０になっている。
【００７９】
ハウジング３００の内部には、面方向を水平にした四枚の仕切板３１１，３１２，３１３，３１４が互いに上下方向に離間して設置されている。
仕切板３１１はハウジング３００の底部３００ａの近傍に配置されており、この仕切板３１１には多数の円形の孔３１１ａが貫通形成されている。
仕切板３１２は仕切板３１１から上方に離間して配置されており、この仕切板３１２にも多数の円形の孔３１２ａが仕切板３１１の孔３１１ａと同心上に貫通形成されている。仕切板３１２の孔３１２ａは仕切板３１１の孔３１１ａよりも大径にされている。
【００８０】
仕切板３１３は仕切板３１２からさらに上方に離間して配置されており、この仕切板３１３にも多数の円形の孔３１３ａが仕切板３１１の孔３１１ａと同心上に貫通形成されている。仕切板３１３の孔３１３ａは仕切板３１２の孔３１２ａよりも大径にされている。
仕切板３１４は仕切板３１３からさらに上方に離間して頂部３００ｃに近い位置に配置されており、この仕切板３１４にも多数の円形の孔３１４ａが仕切板３１１の孔３１１ａと同心上に貫通形成されている。仕切板３１４の孔３１４ａは仕切板３１３の孔３１３ａよりも大径にされている。
【００８１】
加熱流体入口３０１は仕切板３１１の下側に形成された空間（以下、加熱流体分散室という）３０５に連通し、加熱流体出口３０２は仕切板３１１と仕切板３１２の間に形成された空間（以下、加熱流体集合室という）３０６に連通し、液体燃料入口３０４は仕切板３１２と仕切板３１３の間に形成された空間（以下、蒸発室という）３０７に連通し、燃料蒸気出口３０４は仕切板３１４の上側に形成された空間（以下、燃料蒸気集合室という）３０８に連通している。
【００８２】
仕切板３１１の孔３１１ａにはそれぞれ１本ずつ内筒３２０が取り付けられており、仕切板３１２の孔３１２ａにはそれぞれ１本ずつ外筒３３０が取り付けられており、仕切板３１３の孔３１３ａおよびこれに対応する仕切板３１４の孔３１４ａにはそれぞれ１本ずつ最外筒３４０が取り付けられている。
最外筒３４０は両端を開口させた円筒状をなし、その軸線を鉛直方向に延ばし、基端が仕切板３１３の孔３１３ａに挿入固定され、先端側が仕切板３１４の孔３１４ａを貫通してさらに上方に延びている。
【００８３】
外筒３３０は基端のみ開口させて先端を閉塞させた円筒状をなし、その軸線を鉛直方向に延ばし、その基端が仕切板３１２の孔３１２ａに挿入固定され、先端側が仕切板３１３の孔３１３ａから最外筒３４０の内部に挿入され、その先端が最外筒３４０の先端とほぼ同一高さに位置している。このように取り付けられた外筒３３０と最外筒３４０は同心上に配置されることとなり、外筒３３０の外周面と最外筒３４０の内周面との間に断面環状の被加熱流体通路３５２が形成される。この被加熱流体通路３５２はその下端が蒸発室３０７に連通し、上端が燃料蒸気集合室３０８に連通している。
【００８４】
内筒３２０は両端を開口させた円筒状をなし、その軸線を鉛直方向に延ばし、基端が仕切板３１１の孔３１１ａに挿入固定され、先端側が仕切板３１２の孔３１２ａから外筒３３０の内部に挿入されている。内筒３２０の先端は外筒３３０の先端閉塞部３３１から所定寸法だけ離れて位置している。このように取り付けられた内筒３２０と外筒３３０は同心上に配置されることとなり、内筒３２０の外周面と外筒３３０の内周面との間に所定の隙間が確保され、外筒３３０の内部に、内筒３２０の先端で内筒３２０の内側から外側に折り返す加熱流体通路３５１が形成される。この加熱流体通路３５１は、一端（内筒３２０の下部開口）が加熱流体分散室３０５に連通し、他端（外筒３３０の下部開口）が加熱流体集合室３０６に連通している。
【００８５】
このように、蒸発器１Ｂでは、各外筒３３０はその基端を片持ち支持されて先端側を自由端としており、各内筒３２０もその基端を片持ち支持されて先端側を自由端としているので、内筒３２０および外筒３３０に熱が加わって熱膨張した場合にも、内筒３２０および外筒３３０はそれぞれ先端側に伸び、熱応力が生じることがない。
内筒３２０の内部の先端側には、ハニカム型の担体に例えばＰｔ系の酸化触媒が担持されてなる触媒層３２１が設けられている。
なお、仕切板３１３と仕切板３１４の間であって最外筒３４０の外側に形成される空間は完全に密閉されており、内部に充填された空気が断熱層として機能する断熱室３０９とされている。
【００８６】
このように構成された蒸発器１Ｂにおいては、燃料電池１１０から排出されたオフガスが加熱ガスとして加熱流体入口３０１に供給されるととともに、被加熱流体としての液体燃料が液体燃料入口３０３に供給される。
初めに、加熱ガスの流れを説明すると、加熱流体入口３０１に供給された加熱ガスは、加熱流体分散室３０５を介して各内筒３２０に流入し、加熱流体通路３５１を流通する。すなわち、各内筒３２０に流入した加熱ガスは、内筒３２０内を重力方向の上方へ流れていき、触媒層３２１を通過する際に加熱ガス中の水素が燃焼されて高温の加熱ガスとなる。この高温の加熱ガスは、内筒３２０の先端から放出されると外筒３３０の先端閉塞部３３１に突き当たって流れの向きを１８０度反転し内筒３２０の外側に回り込み、外筒３３０と内筒３２０との間を重力方向の下方へ流れていく。そして、高温の加熱ガスが内筒３２０の外側を流通する際に加熱ガスの熱の一部が外筒３３０に伝熱される。
外筒３３０と内筒３２０との間を重力方向の下方へ流れた加熱ガスは、外筒３３０の下端開口から加熱流体集合室３０６に排出され、さらに加熱流体出口３０２から排出される。そして、加熱流体集合室３０６を流通する間に、加熱ガスの熱の一部が仕切板３１２に伝熱される。
【００８７】
次に、液体燃料の流れを説明すると、液体燃料入口３０３から蒸発室３０７に供給された液体燃料は、仕切板３１２の表面に広がっていく。つまり、この実施の形態においては、外筒３３０の基部側が液体燃料の流入口となっている。
仕切板３１２の表面に広がった液体燃料は、仕切板３１２を介して、加熱流体集合室３０６の加熱ガスと熱交換して気化し、燃料蒸気となる。
この燃料蒸気は、最外筒３４０と外筒３３０との間の開口から被加熱流体通路３５２内に流入し、被加熱流体通路３５２を重力方向の上方へ流れていく。この間も、燃料蒸気は、外筒３３０を介して、外筒３３０と内筒３２０との間の加熱流体通路３５１を流れる高温の加熱ガスと熱交換し、その結果、燃料蒸気は加熱される。
【００８８】
被加熱流体通路３５２は、空気を断熱層とする断熱室３０９によって包囲されているので、被加熱流体通路３５２を流通する燃料蒸気からの放熱を抑制することができ、生成された燃料蒸気が温度低下するのを防止することができる。
そして、被加熱流体通路３５２の上端に達した燃料蒸気は、最外筒３４０の上部開口から燃料蒸気集合室３０８に排出され、さらにハウジング３００の燃料蒸気出口３０４から排出されて、図示しない配管を介して改質器１０１に供給される。
【００８９】
この蒸発器１Ｂでは、前述したように、各内筒３２０および各外筒３３０がいずれもその基端を片持ち支持されて先端側を自由端としているので、各内筒３２０および各外筒３３０が熱膨張したときにはそれぞれ先端側に伸びることによって熱歪みを吸収することができ、熱応力が殆ど生じない。したがって、内筒３２０および外筒３３０を薄肉にすることができ、軽量にできる。
また、触媒層３２１を内筒３２０の先端側に設けているので、触媒燃焼により高温が発生する部分を内筒３２０の片持ち支持側である基部から遠ざけることができ、内筒３２０と仕切板３１１との接合部に加わる熱応力を小さくすることができる。したがって、蒸発器１Ｂの耐久性が向上する。
【００９０】
また、内筒３２０と仕切板３１１との接合部における熱応力が小さいので、仕切板３１１の剛性を低く設定することができる。また、外筒３３０を片持ち支持する仕切板３１２の剛性も低く設定することができる。その結果、仕切板３１１，３１２だけでなくハウジング３００も薄肉にすることができ、蒸発器１Ｂを軽量にできる。
また、内筒３２０、外筒３３０、最外筒３４０が円筒状であるので、これらを一般に市販されている配管で構成することができ、構造も簡単になる。
したがって、蒸発器１の軽量化、構造の簡単化、およびコストダウンを図ることができる。
また、燃料蒸気出口３０４はハウジング３００の頂部３００ｃに設けられているので、改質器１０１における反応にとって好ましくない液滴の排出を防止することができる。さらに、蒸発器１の運転停止時に発生する液滴が改質器１０１に排出されるのも防止することができる。
【００９１】
〔他の実施の形態〕
なお、この発明は前述した実施の形態に限られるものではない。
例えば、前述した実施の形態では、外筒を鉛直方向（重力方向）に沿わせて設置しているが、外筒を水平方向に設置してもよく、外筒の設置方向は熱交換器や蒸発器のレイアウトから決定することができる。
また、本発明の蒸発器は液体燃料を気化させるものに限らない。また、熱交換器は蒸発器以外にも応用可能である。
【００９２】
【発明の効果】
以上説明するように、請求項１に係る発明によれば、高温の使用環境下において外筒および内筒が熱膨張しても、これらは片持ち支持されているので自由端側に延びることで熱歪みを吸収することができ、したがって、熱応力が生じなくなり、熱交換器の耐久性が向上するという優れた効果が奏される。また、熱応力が生じないので、外筒および内筒およびこれらに連係する部品の剛性を低く設定することができ、これら部品の薄肉化、軽量化を図ることができるという効果もある。
【００９３】
請求項２に係る発明によれば、外筒および内筒の軸線方向と直交する方向における外筒および内筒の温度分布をほぼ均一にすることができるので、熱歪みを生じなくすることができ、熱応力を生じなくすることができる。
請求項３に係る発明によれば、外筒の外側を流れる流体からの放熱を抑制することができ、該流体の温度低下を抑制することができる。
【００９４】
請求項４に係る発明によれば、フィンの存在により外筒の伝熱面積が増大し、伝熱性能が向上する。また、フィンによって外筒の外側の流体通路が細かく分割されるので、特に外筒の外側を流れる流体が液体である場合に、液体が前記流体通路の一方に偏ることがなくなり、加熱流体と被加熱流体との間で安定した熱交換を行わせることができる。。
請求項５に係る発明によれば、外筒と内筒のクリアランスを一定に保つことができるので、外筒の内側を流れる流体を均一に流すことができる。また、外筒の内側を流れる流体を凸部によって撹拌することができるので、伝熱性能が向上する。
【００９５】
請求項６に係る発明によれば、外筒が扁平筒状であることにより、隣接する外筒間に、熱交換器で一般的に使用されているフィンを挿入可能になる。また、外筒と内筒の支持側を同じ側にすることで、熱交換器の構造を簡素化することができる。
請求項７に係る発明によれば、外筒の外側において流体を該外筒の軸線に沿って流すことが容易になる。
【００９６】
請求項８に係る発明によれば、扁平筒状の外筒を形成することが容易になる。請求項９に係る発明によれば、外筒の外側を流れる流体を外筒の内側を流れる流体に対して交差する方向に流入させることが可能になる。
請求項１０に係る発明によれば、外筒と内筒に市販の配管を利用することが可能になるので、製造コストを低減することができる。
【００９７】
請求項１１に係る発明によれば、高温の使用環境下において、蒸発部の外筒および内筒が熱膨張しても、これらは片持ち支持されているので自由端側に延びることで熱歪みを吸収することができ、したがって、熱応力が生じなくなり、蒸発器の耐久性が向上するという優れた効果が奏される。また、熱応力が生じないので、外筒および内筒およびこれらに連係する部品の剛性を低く設定することができ、これら部品の薄肉化、軽量化を図ることができるという効果もある。さらに、薄肉化、軽量化により蒸発器の熱容量が小さくなり、蒸発器の始動時間が短くなるという効果もある。
【００９８】
請求項１２に係る発明によれば、蒸発部で生成した燃料蒸気を過熱部において加熱ガスと熱交換させることができるので、より高温の燃料蒸気を生成することができる。
請求項１３に係る発明によれば、燃料蒸気と加熱ガスの両方が蒸発部から過熱部へと流れる並向流となるので、加熱ガスの流量変化に対する燃料蒸気の過熱度合いの変動を抑制することができ、燃料蒸気の温度変動を抑制することができる。
【００９９】
請求項１４に係る発明によれば、燃料蒸気は蒸発部から過熱部へと流れ、加熱ガスは過熱部から蒸発部へと流れる対向流となるので、燃料蒸気の温度を加熱ガスの温度に近づけることができ、燃料蒸気の温度制御の応答性が向上する。
請求項１５に係る発明によれば、蒸発部の加熱流体通路に供給される加熱ガス中の可燃物質を触媒燃焼させて加熱ガスを高温にすることができるので、燃料蒸気の生成量を増やすことができ、蒸発器の性能が向上する。
【０１００】
請求項１６に係る発明によれば、過熱部の加熱流体通路を流通する加熱ガス中の可燃物質を触媒燃焼させて加熱ガスを高温にすることができるので、燃料蒸気をより高温にすることができる。
請求項１７に係る発明によれば、触媒を容易に設置することが可能になるので、蒸発器の製造が容易になる。
請求項１８に係る発明によれば、内筒の支持部を、触媒燃焼により加熱される部分から遠ざけることができるので、支持部に加わる熱応力を小さくすることができる。
請求項１９に係る発明によれば、加熱ガスの排熱を利用して蒸発部を保温することができ、蒸発部からの放熱を抑制することができるので、蒸発器の性能が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係る蒸発器が使用される燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】この発明に係る蒸発器の第１の実施の形態における外観斜視図である。
【図３】前記蒸発器の分解斜視図である。
【図４】前記蒸発器の外板の一部を取り外して示す斜視図である。
【図５】前記蒸発器の熱交換部の外観斜視図である。
【図６】前記熱交換部の分解斜視図である。
【図７】前記熱交換部の縦断面図である。
【図８】前記熱交換部の内部を示す斜視図である。
【図９】前記熱交換部の蒸発部の外観斜視図である。
【図１０】前記蒸発部に使用される内筒の外観斜視図である。
【図１１】前記熱交換部の蒸発部を下から見た分解斜視図である。
【図１２】前記蒸発部の要部を拡大して示す縦断面図である。
【図１３】前記蒸発部の縦断面図である。
【図１４】前記熱交換部の縦断面図であり、加熱流体の流れ方向を逆にした場合の説明図である。
【図１５】前記蒸発器に使用されるフィンの例を示す斜視図である。
【図１６】この発明に係る蒸発器の第２の実施の形態における縦断面図である。
【図１７】図１６のＡ−Ａ断面図である。
【図１８】この発明に係る蒸発器の第３の実施の形態における縦断面図である。
【図１９】図１８のＢ−Ｂ断面図である。
【符号の説明】
１，１Ａ，１Ｂ  蒸発器
１７  保温室（保温部）
３０、２５０，３６０  蒸発部（熱交換器）
３２，５２，２３０，３３０  外筒
３３  折板
３４  側板
３６  フィン
４０，６０，２２０，３２０  内筒
４１，６１  外突部（突部）
４３，６３，２２１，３２１  触媒層（触媒）
５０  過熱部（熱交換器）
７１，７２，２４１，３５１  加熱流体通路
８１，８２，２４２，３５２  被加熱流体通路
２３０  外筒
【図１】
2004309031.tif 000003
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
2004309031.tif 000018
【図１７】
2004309031.tif 000019
【図１８】
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【図１９】
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