(57)【要約】【課題】蒸発器の応答性を向上する。【解決手段】炭化水素を含む液体燃料を気化させて燃料改質用の蒸気を発生させる蒸発器３０において、加熱ガスが流通する加熱ガス流路３７と、加熱ガス流路３７と熱交換可能に配置され、重力方向の上方から供給された前記液体燃料を気化し、気化した燃料蒸気を重力方向の上方に排出する有底の蒸発流路３６と、蒸発流路３６の内面に設けられたフィン３６ａと、を備える。【選択図】　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素を含む液体燃料を気化させて燃料改質用の燃料蒸気を発生させる蒸発器において、
加熱ガスが流通する加熱ガス流路と、
該加熱ガス流路と熱交換可能に配置され、重力方向の上方から供給された前記液体燃料を気化し、気化した燃料蒸気を重力方向の上方に排出する有底の蒸発流路と、
該蒸発流路の内面に設けられたフィンと、
を備えることを特徴とする蒸発器。
【請求項２】
前記加熱ガス流路と前記蒸発流路が交互に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の蒸発器。
【請求項３】
前記加熱ガス流路はその少なくとも一部が前記蒸発流路に対して略直交する方向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２に記載の蒸発器。
【請求項４】
前記フィンは重力方向に複数段設けられており、隣接する段のフィンがオフセットして配置されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の蒸発器。
【請求項５】
前記蒸発流路の底部の上側に多孔質体を備え、前記底部の下側に加熱装置を備えることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の蒸発器。
【請求項６】
前記液体燃料は前記蒸発流路の上方に配置された燃料供給管の複数の供給孔から滴下されることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の蒸発器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、炭化水素を含む液体燃料を気化させて燃料改質用の蒸気を発生させる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（特開２００１−１３２９０９号公報等）。
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。
【０００３】
この改質システムに使用される従来の蒸発器が特開２００１−１３５３３１号公報に開示されている。
この蒸発器は、メタルハニカム担体に酸化触媒（例えば、Ｐｔ、Ｐｄ）を担持した触媒燃焼器と、触媒燃焼器で生じた燃焼ガスを流通させる略Ｕ字形に曲げられたチューブ群と、このチューブ群を収容しシェルで囲まれた蒸発室と、この蒸発室に前記液体燃料を噴射する燃料供給装置と、前記液体燃料の気化により生成された原燃料ガスを導出する取り出し口とを備えている。この蒸発器では、燃料電池のアノードあるいはカソードから排出されるオフガスを前記触媒燃焼器で触媒燃焼させ、得られた燃焼ガスを前記チューブ群に導入し、これと同時に前記燃料供給装置から前記液体燃料を前記チューブ群の表面に向けて噴射し、燃焼ガスと液体燃料との間で熱交換させて、該液体燃料を蒸発させ、原燃料ガスを得ている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の前記蒸発器においては、燃料供給装置から蒸発室に供給された液体燃料の一部がチューブ群を通過する間には蒸発しきれず、液体のまま蒸発室の底部に溜まることがある。このように蒸発室の底部に液体燃料の液溜まりが生じると、過渡時における蒸気発生量（原燃料ガス発生量）が燃料電池の出力に追従することができなくなり、応答性が悪いという問題が生じる。
また、蒸発室の底部に触媒燃焼器などの加熱源を配し、液溜まり量を減少させるようにしたとしても、満足できる応答性を得るのは難しい。特に、燃料電池自動車などに搭載される燃料電池用の燃料改質システムでは、極めて高い過渡応答性が要求されるため、尚更である。
【０００５】
また、特開２００１−３３２２８３−号公報には、液体燃料および燃料蒸気が流通する蒸発流路と、加熱ガスが流通する加熱ガス流路とを交互に設置し、液体燃料を蒸発流路の上方から供給して蒸発流路を下降させ、下降する間に液体燃料を加熱ガスとの熱交換により気化させて燃料蒸気を生成し、生成した燃料蒸気を蒸発流路の下方から排出するようにした蒸発器が開示されている。
しかしながら、この蒸発器では、蒸発流路内において燃料蒸気が重力方向の下方へと流れ、液体燃料に対して並流関係になっているため、燃料蒸気が有するエネルギを有効に利用することができなかった。
そこで、この発明は、エネルギを有効に利用して液体燃料を効率的に蒸発させることができ、応答性に優れた蒸発器を提供するものである。
【０００６】
【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に記載した発明は、炭化水素を含む液体燃料を気化させて燃料改質用の燃料蒸気を発生させる蒸発器（例えば、後述する実施の形態における蒸発器３０）において、加熱ガスが流通する加熱ガス流路（例えば、後述する実施の形態における加熱ガス流路３７）と、該加熱ガス流路と熱交換可能に配置され、重力方向の上方から供給された前記液体燃料を気化し、気化した燃料蒸気を重力方向の上方に排出する有底の蒸発流路（例えば、後述する実施の形態における蒸発流路３６）と、該蒸発流路の内面に設けられたフィン（例えば、後述する実施の形態におけるフィン３６ａ）と、を備えることを特徴とする。
このように構成することで、フィンにより加熱面の表面積を大きくすることができ、そのフィンの表面に液体燃料が付着することにより液体燃料が大きく広がり易くなる。また、フィンは、液体燃料との接触頻度を増やすとともに、付着した液体燃料との温度差を気化し易い温度差にする。また、蒸発流路内において液体燃料と燃料蒸気が向流接触するので、滴下する液体燃料の液滴が微細化され、また、液体燃料を燃料蒸気によって予熱することができる。その結果、蒸発器は、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。
【０００７】
請求項２に記載した発明は、請求項１に記載の発明において、前記加熱ガス流路と前記蒸発流路が交互に配置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、小型ながら蒸気生成能力を大きくすることができる。
請求項３に記載した発明は、請求項１または請求項２に記載の発明において、前記加熱ガス流路はその少なくとも一部が前記蒸発流路に対して略直交する方向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、加熱ガス流路は水平方向に配置されることとなり、加熱ガス流路の出入口の配置が容易になり、蒸発器の構造を簡単にすることができる。また、加熱ガス流路における圧力損失を低く抑えることができる。
請求項４に記載した発明は、請求項１から請求項３のいずれかに記載の発明において、前記フィンは重力方向に複数段設けられており、隣接する段のフィンがオフセットして配置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、液体燃料がフィンに衝突して分散され、分散された液体燃料がさらに下方のフィンに衝突して分散され、これを繰り返すことで液体燃料の分散を促進することができる。また、蒸発流路内で生成された燃料蒸気がこの蒸発流路を上昇する速度は複数段設けられたフィンの存在により低下せしめられるので、蒸発流路を落下してくる液体燃料の液滴が燃料蒸気により吹き上げられるのを防止することができ、前記液滴が気化することなく蒸発流路の上部から排出されるのを防止することができる。したがって、液体燃料のフィンへの接触頻度を増やすことができ、液体燃料の気化が促進される。
【０００８】
請求項５に記載した発明は、請求項１から請求項４のいずれかに記載の発明において、前記蒸発流路の底部の上側に多孔質体（例えば、後述する実施の形態における多孔質体３３）を備え、前記底部の下側に加熱装置（例えば、後述する実施の形態における加熱室３４）を備えることを特徴とする。
このように構成することにより、蒸発流路を下降する間に気化しきれなかった液体燃料を多孔質体において気化させることができ、蒸発流路の底部に液溜まりが発生するのを防止することができる。
請求項６に記載した発明は、請求項１から請求項５のいずれかに記載の発明において、前記液体燃料は前記蒸発流路の上方に配置された燃料供給管（例えば、後述する実施の形態における燃料供給管６０）の複数の供給孔（例えば、後述する実施の形態における供給孔６０ａ）から滴下されることを特徴とする。
このように構成することにより、液体燃料を蒸発流路内に広く分散して供給することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、この発明に係る蒸発器の実施の形態を図１から図９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ける蒸発器は、燃料電池用の燃料改質システムに用いられる態様であり、蒸発器によって発生した燃料蒸気は改質器に供給され、改質器で水素リッチな燃料電池用の燃料ガスに改質される。
【００１０】
〔第１の実施の形態〕
初めに、この発明の第１の実施の形態を図１から図５の図面を参照して説明する。
図１は蒸発器３０の概略構成図である。蒸発器３０は直方体形状のケース３１を備え、ケース３１の底板（底部）３２の上側に多孔質体３３が取り付けられ、底板３２の下側に加熱室（加熱装置）３４が設けられている。
多孔質体３３より上側のケース３１内は、隔壁３５によって互いに平行をなす幅の狭い多数の部屋に仕切られており、これらの部屋は交互に蒸発流路３６と加熱ガス流路３７にされていて、最外側の部屋はいずれも蒸発流路３６にされている。
【００１１】
各蒸発流路３６は、上方のみが開放されていて、底部が多孔質体３３を備えた底板３２により閉塞され、周囲がケース３１の周壁３１ａおよび隔壁３５によって閉塞されている。すなわち、各蒸発流路３６は上部のみを開口させた箱型をなしている。また、各蒸発流路３６の内部には、断面が略三角波形のフィン３６ａが山部を鉛直方向（重力方向）に延ばして設置されている。また、図２および図３に示すように、フィン３６ａは各蒸発流路３６において上下方向に多段に設置されており、上下に隣接するフィン３６ａ同士はその山部をオフセットさせて設置されている。これらフィン３６ａの山部は、加熱ガス流路３７との間を隔てる隔壁３５に接合されている。
【００１２】
一方、各加熱ガス流路３７は、上部が天板３８で閉塞され、底部が多孔質体３３を備えた底板３２により閉塞され、両側部が隔壁３５によって閉塞されており、ケース３１の正面側と背面側が全面開口して構成されている。すなわち、各加熱ガス流路３７は正面側から背面側に貫通する矩形筒状をなしている。そして、各加熱ガス流路３７では、正面側の開口から流入した加熱ガスが背面側の開口から流出可能にされている。また、各加熱ガス流路３７の内部には、断面が略三角波形のフィン３７ａが山部を水平方向に延ばして設置されており、これらフィン３７ａの山部は、蒸発流路３６との間を隔てる隔壁３５に接合されている。
【００１３】
また、ケース３１の上方には、蒸発流路３６と加熱ガス流路３７が連設する方向に軸心を延ばす２本の燃料供給管６０，６０が互いに平行に設置されている。各燃料供給管６０の先端は閉塞されており、各燃料供給管６０には、各蒸発流路３６の上方に位置する部位に、図４に示すように、供給孔６０ａが斜め下向きに左右一対開口している。
底板３２の上側に設けられた多孔質体３３は、比表面積の大きな例えばニッケル系の金属多孔体（例えば、孔径：０．５ｍｍ、比表面積：７５００ｍ２／ｍ３）で形成されており、底板３２にろう付けされている。
底板３２の下側に設けられた加熱室３４には加熱媒体が流通可能になっており、加熱媒体の熱が底板３２および多孔質体３３に伝熱されるようになっている。なお、この実施の形態では、加熱ガス流路３７から排出される加熱ガスが加熱媒体として加熱室３４に導入される。
【００１４】
このように構成された蒸発器３０の作用を説明する。
加熱ガスは、ケース３１の正面側の開口から各加熱ガス流路３７に流入し、各加熱ガス流路３７内を水平方向に直進して、ケース３１の背面側の開口から流出する。加熱ガスが加熱ガス流路３７を流通する際に、加熱ガスの熱の一部が、フィン３７ａ、隔壁３５に伝熱され、さらに蒸発流路３６のフィン３６ａに伝熱される。
そして、加熱ガス流路３７から流出した加熱ガスは加熱室３４に供給され、加熱室３４を流通した後、系外に排出される。加熱ガスが加熱室３４を流通する際に、加熱ガスの熱の一部が底板３２を介して多孔質体３３に伝熱される。
【００１５】
一方、液体燃料（メタノールやガソリン等および水の混合液）は、各燃料供給管６０に供給され、燃料供給管６０に設けられた供給孔６０ａから各蒸発流路３６に向かって噴射される。供給孔６０ａから噴射された液体燃料は液滴となって、フィン３６ａに付着してフィン３６ａの表面を伝わって流れ落ち、あるいはフィン３６ａの間に形成された隙間を通過して滴下する。フィン３６ａの間の隙間を滴下した液体燃料もその多くは下降する間に下段のフィン３６ａに衝突し、フィン３６ａの表面に付着する。いずれにしても、液体燃料は、図３において実線で示すように、蒸発流路３６内を重力方向の下方へと流れていく。そして、フィン３６ａに付着した液体燃料は、隔壁３５およびフィン３６ａを介して加熱ガス流路３７を流通する加熱ガスと熱交換して気化し、燃料蒸気となる。また、蒸発流路３６内を下降する間に気化しきれなかった液体燃料は底板３２に至る前に多孔質体３３の微細な孔に浸透し、ここで多孔質体３３を介して加熱ガスと熱交換し、瞬時に気化して燃料蒸気となる。
【００１６】
このようにして生成された燃料蒸気は、図３において破線で示すように、蒸発流路３６内を重力方向の上方へと上昇し蒸発流路３６の上部開口から流出する。
したがって、この蒸発器３０では、液体燃料あるいは燃料蒸気は蒸発流路３６内を重力方向に下方あるいは上方に流通するのに対して、加熱ガスは前述したように加熱ガス流路３７内を水平方向に流れるので、流れ方向が直交することとなる。
なお、図５は、底板３２からの距離と、液体燃料および生成された燃料蒸気の量の関係を示す図であり、底板３２に近づくにしたがって液体燃料は減少していき、底板３２から遠ざかるにしたがって燃料蒸気が増加していく。
【００１７】
しかして、この蒸発器３０では、蒸発流路３６と加熱ガス流路３７を交互に配置したので、小型ながら蒸気生成能力を大きくすることができる。
また、蒸発流路３６にフィン３６ａが設けられているので、加熱面の表面積が極めて大きく、液体燃料が大きく広がり易くなり、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３６ａ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３６ａ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３６ａ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。
特に、フィン３６ａを上下方向に多段に設け、且つ、上下のフィン３６ａにおいて山部をオフセットしているので、液体燃料がフィン３６ａに衝突して分散され、分散された液体燃料がさらに下方のフィン３６ａに衝突して分散され、これを繰り返すことで液体燃料の分散を促進することができる。また、蒸発流路３６内で生成された燃料蒸気がこの蒸発流路３６を上昇する速度は多段に設けられたフィン３６ａの存在により低下せしめられるので、蒸発流路３６を落下してくる液体燃料の液滴が燃料蒸気により吹き上げられるのを防止することができ、前記液滴が気化することなく蒸発流路３６の上部開口から排出されるのを防止することができる。したがって、液体燃料のフィン３６ａへの衝突頻度（接触頻度）がさらに増し、液体燃料の気化がさらに促進される。
さらに、フィン３６ａには、隔壁３５に接近離間する方向に温度勾配が生じるため、フィン３６ａの表面と該表面に付着した液体燃料との温度差が核沸騰域になる部分が生まれ、その部分で熱が伝わり易くなり、フィン３６ａ表面に付着した液体燃料が気化し易くなる。
【００１８】
また、フィン３６ａの熱伝導により、蒸発流路３６内のフィン３６ａ全体の温度分布がほぼ均一になるので、蒸発流路３６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。
さらに、上下のフィン３６ａにおいて山部をオフセットしたことにより、一つの蒸発流路３６内においてはフィン３６ａ間の隙間が全て連通するので、蒸発流路３６内を滴下する液体燃料の液滴や生成した燃料蒸気が拡散され分配されて、一つの蒸発流路３６内全域の熱負荷が均等化される。したがって、液体燃料を効率的に気化することができる。
また、蒸発流路３６内において、液体燃料の液滴は上から下に落下し、生成した燃料蒸気は上昇するので、液体燃料の液滴と燃料蒸気とが向流接触することとなり、液滴の予熱や微細化が促進されるとともに、フィン３６ａ表面に形成される液体燃料の液膜の薄膜化が促進され、その結果、液体燃料の気化が促進される。
したがって、この蒸発器３０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。
【００１９】
また、この蒸発器３０が燃料電池自動車に搭載される場合、蒸発器３０の姿勢が多々変化することが考えられるが、姿勢が変わっても、この蒸発器３０においては、フィン３６ａが隔壁として作用するので、液体燃料が蒸発流路３６における一部の領域を偏って流れるのを阻止することができ、したがって、姿勢変化があっても蒸発流路３６内の熱負荷を均一に保持することができ、蒸発性能を一定に保つことができる。
なお、蒸発流路３６の上部開口から流出した燃料蒸気は、集合通路（図示せず）を通って改質器（図示せず）に供給され、改質器において水素リッチな燃料ガスに改質され、燃料電池に供給されることとなる。
【００２０】
〔第２の実施の形態〕
次に、この発明に係る蒸発器３０の第２の実施の形態を図６から図８の図面を参照して説明する。第２の実施の形態の蒸発器３０が第１の実施の形態のものと相違する点は以下の通りである。
第１の実施の形態における蒸発器３０では、ケース３１の正面側及び背面側において各加熱ガス流路３７が全面開口しているが、第２の実施の形態における蒸発器３０では、ケース３１の正面側では各加熱ガス流路３７の上部および下部のみが開口しており、ケース３１の背面側では各加熱ガス流路３７の全面が閉塞されている。そして、ケース３１の正面側において下側に設けられた開口３７ｃが加熱ガス入口とされ、上側に設けられた開口３７ｄが加熱ガス出口とされており、開口３７ｃ，３７ｄの間は側板３９によって閉塞されている。さらに、各加熱ガス流路３７内には、側板３９が設けられている高さ領域に、断面が略三角波形のフィン３７ｂがその山部を鉛直方向（重力方向）に延ばして設置されている。これらフィン３７ｂの山部は、蒸発流路３６との間を隔てる隔壁３５に接合されている。なお、図７は図６のＩＩ−ＩＩ断面図である。
【００２１】
この蒸発器３０においては、加熱ガスは、図８に示すように、下側の各開口３７ｃから各加熱ガス流路３７内に流入し、加熱ガス流路３７内をケース３１の背面側に向かって直進するとともに、フィン３７ｂの間に形成された各隙間に流入して上昇し、加熱ガス流路３７内の上部に達すると上側の開口３７ｄに向かって方向変換し、開口３７ｄから流出する。
したがって、この蒸発器３０においては、液体燃料と燃料蒸気と加熱ガスはいずれも重力方向に沿って流れることとなる。
その他の構成については第１の実施の形態のものと同じであるので、同一態様部分に同一符号を付して説明を省略する。
この第２の実施の形態の蒸発器３０も、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。
【００２２】
〔他の実施の形態〕
尚、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、蒸発流路３６内に設けるフィン３６ａの形状は略三角波形に限るものではなく、図９に示すような種々の形状が採用可能である。図９（Ａ）は断面矩形波状のフィンであり、図９（Ｂ）はいわゆるヘリボーンフィンであり、図９（Ｃ）は多孔板フィンであり、図９（Ｄ）はいわゆるセレートフィンであり、図９（Ｅ）はいわゆるルーバーフィンである。
また、前述した実施の形態では、蒸発流路３６内にフィン３６ａを重力方向に複数段設け、隣接する段のフィン３６ａをオフセットして配置したが、フィン３６ａを多段に設けなくても、あるいは、オフセットしなくても本発明は成立する。
また、蒸発流路の底部下側に設ける加熱装置は電気ヒータ等で構成することも可能である。
【００２３】
【発明の効果】
以上説明するように、請求項１に記載した発明によれば、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、蒸発器の応答性が極めてよくなるという優れた効果が奏される。
請求項２に記載した発明によれば、小型ながら蒸気生成能力を大きくすることができる。
請求項３に記載した発明によれば、加熱ガス流路は水平方向に配置されることとなり、加熱ガス流路の出入口の配置が容易になり、蒸発器の構造を簡単にすることができる。また、加熱ガス流路における圧力損失を低く抑えることができる。
【００２４】
請求項４に記載した発明によれば、液体燃料がフィンに衝突して分散され、分散された液体燃料がさらに下方のフィンに衝突して分散され、これを繰り返すことで液体燃料の分散を促進することができる。また、蒸発流路内で生成された燃料蒸気がこの蒸発流路を上昇する速度は複数段設けられたフィンの存在により低下せしめられるので、蒸発流路を落下してくる液体燃料の液滴が燃料蒸気により吹き上げられるのを防止することができ、前記液滴が気化することなく蒸発流路の上部から排出されるのを防止することができる。したがって、液体燃料のフィンへの接触頻度を増やすことができ、液体燃料の気化が促進されるという効果がある。
請求項５に記載した発明によれば、蒸発流路を下降する間に気化しきれなかった液体燃料を多孔質体において気化させることができ、蒸発流路の底部に液溜まりが発生するのを防止することができるという効果がある。
請求項６に記載した発明によれば、液体燃料を蒸発流路内に広く分散して供給することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】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２】前記第１の実施の形態における蒸発器の蒸発流路に設けられたフィンの外観斜視図である
【図３】図１のＩ−Ｉ断面図である。
【図４】前記第１の実施の形態における蒸発器の燃料供給管の断面図である。
【図５】前記第１の実施の形態における蒸発器の液体燃料と燃料蒸気の量的変化を示す図である。
【図６】この発明に係る蒸発器の第２の実施の形態における外観斜視図である。
【図７】図６のＩＩ−ＩＩ断面図である。
【図８】図７のＩＩＩ−ＩＩＩ断面図である。
【図９】蒸発流路に設けられるフィンの他の実施の形態を示す斜視図である。
【符号の説明】
３０　蒸発器
３２　底板（底部）
３３　多孔質体
３４　加熱室（加熱装置）
３６　蒸発流路
３６ａ　フィン
３７　加熱ガス流路
６０　燃料供給管
６０ａ　供給孔
【図１】
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【図２】
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【図３】
2004047260.tif 000005
【図４】
2004047260.tif 000006
【図５】
2004047260.tif 000007
【図６】
2004047260.tif 000008
【図７】
2004047260.tif 000009
【図８】
2004047260.tif 000010
【図９】
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