(57)【要約】【課題】燃焼ガス流れ方向に蒸発器をコンパクト化できる改質器の提供。蒸発部からスーパーヒート部への液飛びを防止できる改質器の提供。【解決手段】（１）Ｕターン部１２を介して第１熱交換部１４と第２熱交換部１５を連結した蒸発器１０を有する改質器１。（２）第１熱交換部１４は蒸発部からなり、第２熱交換部１５はスーパーヒート部からなる。（３）連通路１６内にガイド１７を設けた改質器。（４）連通路１６をジャバラパイプ１８から構成した改質器。（５）伝熱フィン２０を非連続とした改質器。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
途中にＵターン部を有し内部を燃焼ガスが流れる燃焼ガス流路と、
前記燃焼ガスとの熱交換により蒸気化される改質原料用流体が内部を流れる流体流路と、
燃焼ガスの流れ方向に見て前記Ｕターン部の下流側の燃焼ガス流路に設けられ前記流体流路の一部を構成し燃焼ガスと熱交換を行う第１熱交換部と、
燃焼ガスの流れ方向に見て前記Ｕターン部の上流側の燃焼ガス流路に設けられ前記流体流路の一部を構成し燃焼ガスと熱交換を行う第２熱交換部と、
前記第１熱交換部と前記第２熱交換部とを前記Ｕターン部とは別に連通し前記流体流路の一部を構成し内部に前記流体蒸気を流す連通路と、
を有する蒸発器を備えた改質器。
【請求項２】
前記第１熱交換部は蒸発部、前記第２熱交換部はスーパヒート部からなる請求項１記載の改質器。
【請求項３】
前記連通路内に、蒸発流体の液滴状態での移動を抑制するガイドを設けた請求項１または請求項２記載の改質器。
【請求項４】
前記連通路をジャバラパイプから構成した請求項１または請求項２または請求項３記載の改質器。
【請求項５】
前記第１熱交換部の前記流体に接する部分の伝熱フィンを前記流体の流れ方向に見て非連続とした請求項１記載の改質器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池用改質原料ガスを生成する蒸発器を備えた改質器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
天然ガス用蒸発器は改質用水、エアー、天然ガスを、蒸発器における高温の燃焼ガスとの熱交換により、高温の改質用原料ガスを発生させる構造となっている。
特開２００２−３９０２３号公報は、蒸発器を開示しており、そこではストレート状の燃焼ガス流路に、原料ガス流路を蛇行させて配置し、連続状のフィンをもつ積層型熱交換器における熱交換により改質用原料ガスを発生させる構造となっている。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−３９０２３号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来技術にはつぎの問題がある。
燃焼ガス流路がストレート状のため、蒸発器が燃焼ガス流路方向に長くなり、蒸発器のコンパクト化が困難であり、車両搭載を困難にする。
フィンが連続状に形成されているため、フィンを伝って蒸発部からスーパーヒート部に改質水の液飛びが生じ（蒸発しきっていない液状の改質水がスーパーヒート部ぶ飛び）、スーパーヒート部のフィンで液滴と燃焼ガスとの温度差による熱応力が生じ、スーパーヒート部の耐久性を低減する。
本発明の目的は、燃焼ガス流れ方向に蒸発器をコンパクト化できる、改質器を提供することにある。
本発明のもう一つの目的は、フィンを伝って蒸発部からスーパーヒート部に改質水の液飛びが生じることを防止できる、改質器を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明はつぎの通りである。
（１）  途中にＵターン部を有し内部を燃焼ガスが流れる燃焼ガス流路と、
前記燃焼ガスとの熱交換により蒸気化される改質原料用流体が内部を流れる流体流路と、
燃焼ガスの流れ方向に見て前記Ｕターン部の下流側の燃焼ガス流路に設けられ前記流体流路の一部を構成し燃焼ガスと熱交換を行う第１熱交換部と、
燃焼ガスの流れ方向に見て前記Ｕターン部の上流側の燃焼ガス流路に設けられ前記流体流路の一部を構成し燃焼ガスと熱交換を行う第２熱交換部と、
前記第１熱交換部と前記第２熱交換部とを前記Ｕターン部とは別に連通し前記流体流路の一部を構成し内部に前記流体蒸気を流す連通路と、
を有する蒸発器を備えた改質器。
（２）  前記第１熱交換部は蒸発部、前記第２熱交換部はスーパヒート部からなる（１）記載の改質器。
（３）  前記連通路内に、蒸発流体の液滴状態での移動を抑制するガイドを設けた（１）または（２）記載の改質器。
（４）  前記連通路をジャバラパイプから構成した（１）または（２）または（３）記載の改質器。
（５）  前記第１熱交換部の前記流体に接する部分の伝熱フィンを前記流体の流れ方向に見て非連続とした（１）記載の改質器。
【０００６】
上記（１）の改質器では、燃焼ガス流れ方向に見て、第１熱交換部と第２熱交換部とをＵターン部を介して接続したため、燃焼ガス流れ方向に蒸発器をコンパクト化できる。
上記（２）の改質器では、燃焼ガス流れ方向に見て、蒸発部とスーパーヒート部とをＵターン部を介して接続したため、燃焼ガス流れ方向に蒸発器をコンパクト化できる。
上記（３）の改質器では、流体流路の一部を構成し蒸発部とスーパーヒート部とを連通する連通路内にガイドを設けたので、連通路内の、流体に含まれているかもしれない液滴の移動が抑制され、その結果、蒸発部からスーパーヒート部への液飛びを防止できる。
上記（４）の改質器では、流体流路の一部を構成し蒸発部とスーパーヒート部とを連通する連通路をジャバラパイプから構成したので、連通路内の、流体に含まれているかもしれない液滴の移動が抑制され、その結果、蒸発部からスーパーヒート部への液飛びを防止できる。しかも、ジャバラパイプの熱応力を緩和できる。
上記（５）の改質器では、蒸発部の流体に接する方の伝熱フィンを流体流れ方向に非連続としたので、伝熱フィンを伝っての、流体に含まれているかもしれない液滴の移動を抑制でき、蒸発部からスーパーヒート部への液飛びを防止できる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の改質器を、図１〜図５を参照して説明する。ただし、図３は比較例（本発明に含まず）である。
図１に示すように、本発明の改質器１は、蒸発器１０を備えた改質器である。改質器１は蒸発器１０の、流体３流れ方向に見て下流側に、改質部、シフト反応部、ＣＯ低減部を備えている。
【０００８】
蒸発器１０は、
途中にＵターン部１２を有し内部を燃焼ガス２が流れる燃焼ガス流路１１と、
燃焼ガス２との熱交換により蒸気化されさらに過熱蒸気とされる改質原料用流体３が内部を流れる流体流路１３と、
燃焼ガス２の流れ方向に見てＵターン部１２の下流側の燃焼ガス流路１１に設けられ流体流路１３の一部を構成し燃焼ガス２と熱交換を行う第１熱交換部１４と、
燃焼ガス２の流れ方向に見てＵターン部１２の上流側の燃焼ガス流路１１に設けられ流体流路１３の一部を構成し燃焼ガス２と熱交換を行う第２熱交換部１５と、
蒸発部１４とスーパーヒート部１５とをＵターン部１２とは別流路にて連通し流体流路１３の一部を構成し内部に流体蒸気３を流す連通路１６と、
を有する。
第１熱交換部１４は燃焼ガス２との熱交換により流体３を蒸発させる蒸発部１４（第１熱交換部１４と同じ符合を付す）からなる。
第２熱交換部１５は、燃焼ガス２との熱交換により流体蒸気（流体３と同じ符合３を付す）を過熱蒸気（流体３と同じ符合３を付す）に過熱するスーパーヒート部１５（第２熱交換部１５と同じ符合を付す）からなる。
連通路１６の流路壁とその外のケーシングとの間には、燃焼ガス２は流れない。燃焼ガス２はＵターン部１２を通ってスーパーヒート部１５から蒸発部１４に流れる。
流体流路１３は、流体３の流れ方向に見て、蒸発部１４の出入り口にマニホールド１３Ａ、１３Ｂを有し、スーパーヒート部１５の出入り口にマニホールド１３Ｃ、１３Ｄを有する。
【０００９】
蒸発部１４とスーパーヒート部１５とは互いに平行であり、連通路１６は蒸発部１４、スーパーヒート部１５と直交している。高温ガス２の蒸発部１４における流れ方向と高温ガス２のスーパーヒート部１５における流れ方向とは互いに逆である。流体３の蒸発部１４における流れ方向と流体３のスーパーヒート部１５における流れ方向とは互いに逆である。
【００１０】
蒸発部１４の、流体３流れ方向に見て上流側で、常温の改質水４が蒸発部１４に導入され、蒸発部１４で改質水４の少なくとも一部が蒸発される。蒸発部１４の、流体３流れ方向に見て下流側で、改質エアとメタンなどの天然ガスを混合した常温の改質用原料ガス５が導入される。改質水４またはその蒸気、または改質水４またはその蒸気と改質用原料ガス５との混合ガスは、液体、または液体と気体からなる流体３を構成する。
改質水４またはその蒸気と改質用原料ガス５との混合ガスからなる流体３は、連通路１６を通ってスーパーヒート部１５に流れ、そこで過熱蒸気（スーパーヒートされた蒸気）とされて改質ガス（改質原料ガス）となって次工程の改質部（図示せず）へと流れる。
【００１１】
燃焼ガス２の温度は、燃焼ガス２のスーパーヒート部１５への入口（流体３から見ればスーパーヒート部１５からの出口）で約６５０℃であり、燃焼ガス２のスーパーヒート部１５からの出口（流体３から見ればスーパーヒート部１５への入口）で約５００℃である。約５００℃の燃焼ガスは、ほぼその温度を維持して、Ｕターン部１２を通って、燃焼ガス２の蒸発部１４への入口（流体３から見れば蒸発部１４からの出口）に至る。燃焼ガス２の温度は、燃焼ガス２の蒸発部１４への入口（流体３から見れば蒸発部１４からの出口）で約５００℃であり、燃焼ガス２の蒸発部１４からの出口（流体３から見れば蒸発部１４への入口）で約１００℃である。
【００１２】
改質水４の温度は、流体３の流体流路１３への入口で常温であり、蒸発部１４からの出口で約２００℃である。天然ガスと改質エアとの混合気の温度は、流体流路１３への入口で常温であり、蒸発部１４からの出口で改質水４の蒸気と合流した後約２００℃である。（液滴が含まれているかもしれない）流体３蒸気は、連通路１６を約２００℃を維持して流れ、流体３蒸気のスーパーヒート部１５への入口で約２００℃である。流体３蒸気はスーパーヒート部１５で過熱され、流体３過熱蒸気の温度はスーパーヒート部１５からの出口で約５００℃である。
【００１３】
蒸発部１４もスーパーヒート部１５も、積層型熱交換器から構成される。積層型熱交換器は、たとえば、図６に示すように、波板（フィン）２０と平板２１とを重ねたものを複数層に積層したものからなり、流体３が流れる層と燃焼ガス２が流れる層とが積層方向に交互にあらわれるようにしてある。
【００１４】
流体３は、とくに高負荷運転時（多量の改質水が導入される時）、蒸発部１４で完全には蒸発されないかもしれず、その場合は、流体３の一部は蒸発部１４出口で液滴であるかもしれない。また、常温の天然ガスとエアーとの混合気が導入されて蒸発部１３を通ってきた流体３と混じりあった時に、蒸発改質ガスの一部は蒸発部１４出口で液滴となるかもしれず、その場合も、流体３の一部は蒸発部１４出口で液滴であるかもしれない。
この液滴が蒸発部１４からスーパーヒート部１５に流入（液飛び）すると、スーパーヒート部１５を構成する熱交換器の平板の一面は高温の燃焼ガス２に接し、その平板の他面に液滴が付着して、両面間に大きな温度差を生じ、大きな熱応力が生じて、熱交換器の耐久性を低下させる。これを防止するために、本発明では、以下のように、２つの対策（蒸発部でのフィンを伝う液滴の抑制、および連通路内での液状態での移動の抑制）の少なくとも一つがとられる。
【００１５】
図２は、蒸発部１４を構成する熱交換器の、流体３が流れる方の層における、波板からなるフィン２１を示している。図２に示すように、フィン２１は、高温改質水からなる流体３の流れ方向に、非連続（間欠的）フィンとしてある。すなわち、流体３の流れ方向（フィンの山条が延びる方向と同じ）に、フィン２１とフィン２１との間にスペース（隙間）２２が設けてある。スペース２２を設けることにより、フィン２１を伝う液滴３Ａが１山で切れる。１山端で切れた水滴は、その山を離れてスペース２２中を飛んでいる間に効果的に蒸発するか、あるいは液滴が小さくなりそれを繰り返す間に効果的に蒸発する。
図３は従来の連続フィン２０’を示す。液滴３Ａが連続フィンを伝って流れる場合は、液滴の蒸発が阻害される場合があり、スーパーヒート部への液飛びが生じることがある。液飛びが生じるとスーパーヒート部の熱交換器の耐久性を低下させる。
【００１６】
一つのフィン２１の山の条に設けられたスペース２２と、隣のフィン２１の山の条に設けられたスペース２２とは、流体３の流れ方向（フィンの山条が延びる方向）と直交する方向に、位置を一致させないようにする、すなわち互いにオフセットさせる、ことが望ましい。こうすることによって、１つのフィン山から斜め前方にあるフィン山に至る距離が大きくなり、その分フィン山間での液の蒸発が促進される。
【００１７】
図４は、連通路１６における、蒸発部１４からスーパーヒート部１５への液飛び対策を示している。
図４に示すように、連通路１６内には、蒸発流体の液滴状態での移動を抑制するガイド１７が設けられている。液滴は蒸気に比べて比重が大のため、液滴は連通路１６の断面内の低い部分を通るが、ガイド１７は連通路１６の断面内の低い部分に設置されている。ガイド１７は流体３の流れ方向に下流にいく程連通路１６内の位置が低くなるており、傾斜面となっている。ガイド１７は、連通路１６が延びる方向と直交する方向には、弧状をなしており、連通路１６の壁内面との間に一定の間隔をもって延びている。連通路１６内を液滴が流れると、液滴はガイド１７にあたって連通路１６の下壁面に落下する。
【００１８】
図４に示すように、連通路１６の壁はジャバラパイプ１８から構成されている。ジャバラパイプ１８は複数の蛇腹の凹み１９を有し、凹み１９の上方にガイド１７が位置している。ガイド１７に当たって自重で落下する液滴は凹み１９に出入りしながら下流へと流れ、流路長が長くなり、高温ガスと触れる時間、距離が長くなって、効果的に蒸発され、完全蒸気となってスーパーヒート部１５へと流れる。
【００１９】
つぎに、作用を説明する。
蒸発器１０では、燃焼ガス２流れ方向に見て、蒸発部１４とスーパーヒート部１５とをＵターン１２部を介して接続したため、燃焼ガス２流れ方向に蒸発器１０の熱交換部の長さが約１／２になり、蒸発器１０がコンパクト化される。それによって、車両等への搭載が容易になる。
【００２０】
また、連通路１６内にガイド１７を設けたので、連通路１６内の、流体に含まれているかもしれない液滴のスーパーヒート部１５への流入が抑制される。その結果、蒸発部１４からスーパーヒート部１５への液飛びが防止される。
さらに、連通路１６の壁をジャバラパイプ１８から構成したので、連通路１６内の、流体に含まれているかもしれない液滴の移動が抑制される。その結果、蒸発部１４からスーパーヒート部１５への液飛びを防止できる。しかも、ジャバラパイプ１８のため、ジャバラパイプ１８と、ジャバラパイプ１８との両端部の間に、熱膨張差があっても、ジャバラパイプ１８の伸縮によりジャバラパイプ１８の熱応力を緩和できる。
【００２１】
また、蒸発部１４の、流体３に接する方の熱交換器層の伝熱フィン２１（燃焼ガス２に接する方の熱交換器層の伝熱フィンではない）を流体３流れ方向に非連続としたので、伝熱フィン２１を伝っての、流体３に含まれているかもしれない液滴の移動を抑制でき、蒸発部１４からスーパーヒート部１５への液飛びを防止できる。
【００２２】
【発明の効果】
請求項１の改質器によれば、燃焼ガス２流れ方向に見て、第１熱交換部１４と第２熱交換部１５とをＵターン部１２を介して接続したため、燃焼ガス２流れ方向に蒸発器１０をコンパクト化できる。車両への搭載上、有利である。
請求項２の改質器によれば、燃焼ガス２流れ方向に見て、蒸発部１４とスーパーヒート部１５とをＵターン部１２を介して接続したため、燃焼ガス２流れ方向に蒸発器１０をコンパクト化できる。車両への搭載上、有利である。
請求項３の改質器によれば、連通路１６内にガイド１７を設けたので、蒸発部１４からスーパーヒート部１５への液飛びを防止できる。
請求項４の改質器によれば、連通路１６をジャバラパイプ１８から構成したので、蒸発部１４からスーパーヒート部１５への液飛びを防止できる。しかも、ジャバラパイプ１８の熱応力を緩和できる。
請求項５の改質器によれば、蒸発部１４の流体３に接する方の伝熱フィン２１を流体３流れ方向に非連続としたので、伝熱フィン２１を伝っての、流体に含まれているかもしれない液滴の移動を抑制でき、蒸発部１４からスーパーヒート部１５への液飛びを防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の改質器の蒸発器部分の断面図である。
【図２】図１の改質器の蒸発器部分の伝熱フィンの斜視図である。
【図３】比較例の蒸発器部分の伝熱フィンの斜視図である。
【図４】図１の改質器の連通路部分の断面図である。
【図５】図１の改質器の蒸発部を構成する熱交換器の断面図である。
【符号の説明】
１  改質器
２  燃焼ガス
３  流体
３Ａ  液滴
１０  蒸発器
１１  燃焼ガス流路
１２  Ｕターン部
１３  流体流路
１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ、１３Ｄ  マニホールド
１４  第１熱交換部（蒸発部）
１５  第２熱交換部（スーパーヒート部）
１６  連通路
１７  ガイド
１８  ジャバラパイプ
１９  凹み
２０  波板（フィン）
２１  平板
２２  スペース
【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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