(57)【要約】【課題】蒸発器容器の伝熱面積及び蒸発面積を大きくし、かつ蒸発器の水容積を大きくして安定的な上記を供給可能にすること。【解決手段】バーナ、伝熱筒、触媒を充填した触媒筒及び蒸発器容器がバーナを中心として、該バーナの中心軸に対し同心状に配置され、前記蒸発器容器から上記を取り出す蒸気排出管が前記蒸発器容器の外側に配置され、伝熱筒は前記触媒筒及び前記蒸発器を加熱し、前記蒸気排出管の出口に炭化水素を混合して、混合ガスを前記触媒層に導いて改質反応を行わせるもので、前記蒸発器容器は前記バーナを取り囲む縦長部分と、前記バーナの周囲に横方向に広がる傾斜した横長部分とを有することを特徴とする燃料電池の改質器。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
バーナ、伝熱筒、触媒層を充填した触媒筒及び蒸発器容器がバーナを中心として、該バーナの中心軸に対し同心状に配置され、前記蒸発器容器から蒸気を取り出す蒸気排出管が前記蒸発器容器の外側に配置され、伝熱筒の燃焼ガスは前記触媒筒及び前記蒸発器を加熱し、前記蒸気排出管の出口に炭化水素を混合して、混合ガスを前記触媒層に導いて改質反応を行わせるものであって、前記蒸発器容器は前記バーナを取り囲む縦長部分と、前記バーナの周囲に横方向に広がる傾斜した横長部分とを有することを特徴とする燃料電池の改質器。
【請求項２】
上記蒸発器の横長部分の底面が、前記バーナの中心軸から遠ざかるほど前記中心軸に直交する平面に対し低下していることを特徴とする請求項１記載の燃料電池の改質器。
【請求項３】
前記蒸発器の水平部分の底面の傾斜角度が５°〜６０°の範囲であることを特徴とする請求項１の燃料電池の改質器。
【請求項４】
前記蒸発器の水平部分の底面の内側に溶射層を形成したことを特徴とする請求項１記載の燃料電池の改質器。
【請求項５】
前記溶射層の材料が、高伝熱性材料であることを特徴とする請求項４の燃料電池の改質器。
【請求項６】
前記高伝熱性材料として、Ａｌ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｎｉ及びＣｒのいずれかを含む金属材料を用いることを特徴とする請求項５の燃料電池の改質器。
【請求項７】
前記蒸発器の水平部分の底面の内側と外側の少なくとも一方の表面にフィンを形成したことを特徴とする請求項１記載の燃料電池の改質器。
【請求項８】
前記蒸発器の水平部分の底面の内側が粗面化処理されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池の改質器。
【請求項９】
前記粗面化処理が、サンドブラスト処理であることを特徴とする請求項８の燃料電池の改質器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、都市ガスやＬＰＧなどの炭化水素系の燃料を水蒸気と混合して改質反応部に送り、水蒸気改質して高濃度の水素ガスを生成する多重円筒型改質器に係わり、特に固体高分子型燃料電池用改質器に係わる。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池用改質器は都市ガスやＬＰＧなどの燃料を水蒸気と混合した後、改質反応部で水蒸気改質し、得られた高濃度の水素ガスを燃料電池本体に供給するものである。
【０００３】
固体高分子型燃料電池用改質器には、熱効率の向上と小型化が求められており、この課題を解決するために、特許文献１に記載される円筒型改質器が提案されている。上記改質器は水蒸気改質に用いる水蒸気を発生させる水加熱部（蒸発器）を、加熱用バーナの燃焼排ガス通路の外周部に設け、水蒸気の出口を原料ガスの供給口と連結管で連結し、蒸発器で発生した水蒸気を燃料と混合して、改質触媒に送るようになっている。このように蒸発器の水加熱部の構造を簡略化することにより、改質器の小型化を図ることができると共に、燃焼排ガスの熱の利用による水の加熱（蒸気発生）が可能である。
【０００４】
また、特許文献２に記載の改質器においては、水加熱器の加熱面を水平方向に配置している。この場合、水が消費され、水加熱器内に無くなると急激に蒸気の発生量が減少し、場合によっては燃料電池の運転に支障をきたすことになる。
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−３２１２０６号公報
【特許文献２】特開２００２−１８７７０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記従来技術には、以下の課題がある。改質器の蒸発器は加熱用バーナの燃焼排ガス流路の外周部に設置されており、燃焼排ガスから水加熱路（蒸発器）内の水への伝熱は、蒸発器の片側の壁面のみで行われ、伝熱面積が小さいことから、燃焼排ガスから蒸発器内の水への伝熱効率が悪い。
【０００７】
また、改質器の蒸発器内の水位は、燃料電池の負荷状況によって必要となる蒸気量が変化することから、運転状況により変動する。蒸発器内の水位が変動すると、伝熱面積も変わり、水位が低くなるにつれて、燃焼排ガスから蒸発器内の水への伝熱効率は悪くなる。また、伝熱面積が変化することで、伝熱状態が変わるため、蒸発器への給水を含め改質器全体の制御がしづらくなり、蒸気の発生が不安定になりやすい。
【０００８】
一方、改質器を小型化するためには、燃焼排ガス流路の外周部に設けた蒸発器の流路を狭くしなければならず、伝熱面が局所的に加熱された場合には、ミストの発生あるいは水の突沸が起こりやすくなる。その結果、蒸気と共に過剰な水分が改質反応部に運ばれ、所定条件での改質反応ができなくなる。このように、水蒸気改質に必要な蒸気供給が不安定となることにより、改質器の水素発生量は大きく変動することになる。以上述べたように、従来技術では燃焼排ガスから蒸発器内の水への伝熱効率が悪く、蒸気の発生が不安定で改質器の制御がしづらい他、改質器の蒸気発生量が変動しやすいという課題があった。
【０００９】
本発明の目的は、伝熱効率が良く、安定した蒸気供給が可能な蒸発器を有する改質器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、バーナ、伝熱筒、触媒層を充填した触媒筒及び蒸発器容器がバーナを中心として、該バーナの中心軸に対し同心状に配置され、前記蒸発器容器から蒸気を取り出す蒸気排出管が前記蒸発器容器の外側に配置され、伝熱筒は前記触媒筒及び前記蒸発器を加熱し、前記蒸気排出管の出口に炭化水素を混合して、混合ガスを前記触媒層に導いて改質反応を行わせるものであって、前記蒸発器容器は前記バーナを取り囲む縦長部分と、前記バーナの周囲に横方向に広がる傾斜した横長部分とを有することを特徴とする燃料電池の改質器を提供するものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、改質器の蒸発器容器を、バーナの中心軸に沿った縦長の円筒部分と、傾斜した横長部分とで構成することにより、伝熱面積及び蒸発面積を大幅に増加し、効率よく蒸気の製造量を確保することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明の好ましい実施形態を例示すれば、以下のとおりである。
【００１３】
前記蒸発器の横長部分の底面が、前記バーナの中心軸から遠ざかるほど前記中心軸に直交する平面に対し低下していることを特徴とする燃料電池の改質器である。この形態によれば、蒸発器容器の水平部分内の水位が変動しても、蒸発面積が維持されて効率よく蒸気が製造される。蒸発器の底面を傾斜させることにより、傾斜の角度および方向を調節し、必要な伝熱面積を確保しながら、改質器の構造や形状の変化に対応できる。これにより、小型で熱効率の良い改質器が得られる。
【００１４】
蒸発器の底面を改質器の中心から外周方向に向けて低下するように傾斜させたことにより、蒸発器への給水時に外周から水が充填されていくため、傾斜方向が逆の場合に比べて伝熱面積が広くなり効率の良い伝熱が可能となる。また、燃焼ガスの温度もやや低くなっているため、水の局所的な過熱が抑えられ、安定した蒸気発生が可能となる。
【００１５】
蒸発器底面の傾斜角度を５°〜６０°の範囲とすれば、運転状況により水位が変動した場合にも、伝熱面積は傾斜によって緩やかに変化するため、安定した蒸気の発生が可能となる。また、傾斜角度を小さくした場合には、蒸発器を軸方向に短くでき、傾斜角度を大きくした場合には、径方向を小さくできる。これにより、伝熱効率の向上と改質器の小型化を図ることができる。
【００１６】
前記蒸発器底面の傾斜角度が５°〜６０°の範囲が好ましいがこれに限定されない。なお、傾斜面は平滑である必要は無く、また一様に傾斜していなくともよい。更に、蒸発器容器の水平部分の半径方向に傾斜がついていれば、周方向における傾斜は連続していなくとも良い。例えば、傾斜のついた複数の溝を上記底面に放射状に形成しても良い。
【００１７】
前記蒸発器底面の内側に溶射層例えば高熱伝導性の溶射層を形成する。上記底面の内側に溶射層を形成して、微細な突起を形成することにより、突沸を防止し、かつ伝熱面積を増やして、熱伝導を高めることができる。前記高熱伝導性材料として、Ａｌ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｎｉ及びＣｒのいずれかを含む金属材料を用いることができる。
【００１８】
さらに、前記蒸発器底面の内側を粗面化処理することにより、突沸を防止し、かつ伝熱面積を増やして、熱伝導を高めることができる。前記粗面化処理として、サンドブラスト処理を用いることができる。
【００１９】
蒸発器容器における水平部分の底面の内側に溶射層を形成することにより、表面に小さな凸凹が形成される。これにより、蒸発器内の水が加熱され気泡ができる際に、大きな気泡の形成が抑えられる。この結果、蒸気にミストが含まれることがなくなり、所定条件での改質反応が可能となる。
【００２０】
溶射する材料に高伝熱材料を用いたことにより、伝熱性能を低下させることなく、所定条件での改質反応が可能となる。高伝熱性材料として、Al、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｎｉ及びＣｒのいずれかを含む金属を用いることが好ましい。蒸発器底面の内側に溶射する高伝熱性材料として、Ａｌ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｎｉ及びＣｒのいずれかを含む金属を用いることで、所定条件での改質反応に有効な伝熱性能の良い溶射膜を容易に形成することができる。
【００２１】
蒸発器底面の内側と外側のいずれか片方あるいは両方の表面をフィン状とすることができる。蒸発器底面の内側と外側のいずれか片方あるいは両方の表面をフィン状とすることにより、燃焼排ガスと蒸発器底面および蒸発器底面と蒸発器内の水との伝熱面積が大きくなり、燃焼排ガスから蒸発器内の水へ、短時間で熱を効率良く伝えることができる。これにより熱効率の良い改質反応が可能となる。
【００２２】
以下、本発明を実施例により説明する。本発明の実施例を図１、図２、図３を用いて説明する。図１は加熱用バーナの燃焼排ガス流路に傾斜した底面が直に接し、内側に溶射を施した蒸発器を上部に設置した多重円筒型改質器を示している。蒸発器底面を改質器の中心から外周方向に５°傾斜させ、内側にアルミニウム粒子を溶射した蒸発器を上部に設置した多重円筒型改質器の断面図である。多重円筒型改質器は蒸発器２、加熱用バーナ１、加熱用バーナの燃焼排ガス流路、改質用ガス８の流路、改質触媒７から構成される。
【００２３】
図１は蒸発器底面を改質器の中心から外周方向に５°傾斜させ、内側にアルミニウム粒子を溶射した蒸発器を上部に設置した多重円筒型改質器の断面図である。
【００２４】
図２は蒸発器底面を改質器の中心から外周方向に傾斜させ、両側をフィン状にした蒸発器を上部に設置した多重円筒型改質器の断面図である。図２において、蒸発器底面を改質器の中心から外周方向に傾斜させ、かつ両側をフィン状にした蒸発器を上部に設置した。
【００２５】
図３は、蒸発器底面を改質器の中心から外周方向に傾斜させ、内側をブラスト処理した蒸発器を上部に設置した多重円筒型改質器の断面図である。
【００２６】
多重円筒型改質器の中心軸上に加熱用バーナ１を設置し、同心円状に内側に加熱用バーナの燃焼排ガス流路、その外側に改質用ガス８の流路を設けた。また、改質器の上部には中空円筒状の蒸発器２を設けた。蒸発器２はステンレス製で外周底部には溝を同心円状に設けた。蒸発器２の底面は中心から外周方向へ向けて５°傾斜させた。また、加熱用バーナ１の燃焼排ガス流路に接する蒸発器２の底面の内側には、アルミニウム粒子を溶射材とした溶射膜３を形成した。蒸発器２の溝底部には給水管４、天板には蒸気排出管５を設けた。バーナの燃焼ガス６は、矢印に沿って流れ、流路１３を通過する際に触媒層７を加熱する。更に蒸発器の円筒部及び水平部の伝熱面に沿って流れ、蒸発器を加熱して蒸気を製造する。燃焼ガスは最後に該ガスとして排出される。
【００２７】
蒸発器で製造された蒸気は、蒸気排出管５により蒸発器から引き出され、炭化水素供給口８からの炭化水素と混合され、改質触媒層７を通過して改質される。改質ガスは、改質ガス出口１７から取り出され、燃料電池の燃料マニホールド（図示せず）から燃料電池に供給される。なお、燃焼ガス、蒸気及び改質ガスの塔内の流れは他の実施例でも実質的に同じであるので、他の実施例においては説明を省略する。
【００２８】
加熱用バーナ１の燃焼排ガス流路は、改質器の底部で折り返した燃焼排ガス６が上部まで戻った後、上部に設置された蒸発器の底面に沿って、改質器の外周方向に流れ外に排気されるようにした。
【００２９】
一方、改質用ガス８の流路は、加熱用バーナ１の燃焼排ガス６の排気口付近から流入した改質用ガス８が、バーナの燃焼排ガス流路の外側を、燃焼排ガス６と対向する方向に流れた後、流路内に設置した改質触媒７に到達するようにした。また、改質用ガス８には蒸発器２で発生した蒸気を混合できるようにした。
【００３０】
改質器表面からの放熱を低減し、熱損失を抑制するために改質器全体を保温材９で保温した。上記のように構成した多重円筒型改質器を、加熱用バーナ１に都市ガスと空気を一定割合で流し均一に混合させた後、着火させて起動した。バーナの燃焼によって生じた高温の燃焼ガス６は、蒸発器２の底面に沿って燃焼ガス流路を通り外周方向に排気された。
【００３１】
改質器を起動後、一定時間経過した後給水管４から蒸発器２に所定量の給水を開始した。蒸発器２に供給された水は、伝熱面を通して加熱用バーナ１の燃焼排ガス６により連続的に加熱された。蒸発器２の底面を全周伝熱面とすることで伝熱面積が広くなり、蒸発器内の水を短時間で効率良く蒸気にすることができた。発生した蒸気は蒸発器２の天板に設けた蒸気排出管５から排出され、改質用ガス８と混合されて改質触媒層７に送られた。
【００３２】
蒸発器２の底面を水平面に対し５°以上傾斜させたことにより、蒸発器２内の水位が低下した際、加熱用バーナ１の燃焼排ガス６と蒸発器２内の水との伝熱面積が急激に減少するのが抑えられ、水位の変化による蒸気発生量の変動を抑制することができた。蒸発器２内の水位は必要な伝熱面積と蒸気発生量が確保できるように調整した。蒸発器底面の内側にアルミニウム粒子を溶射したことにより、伝熱面が小さな凸凹状態となり、大きな気泡が生成されることが無く水の突沸が抑えられた。これにより、蒸気中にミストが混在することがなくなり、所定条件で定常的な蒸気発生が可能となった。また、蒸発器底面の内側へ溶射する材料をアルミニウム粒子とすることで、伝熱効率の良い溶射膜を形成することができた。
【００３３】
図１の多重円筒型改質器用蒸発器の実施例によれば、蒸発器２の底面を改質器の中心から外周方向に向けて５°以上傾斜させることにより、運転状況により水位が変化しても、安定的、かつ加熱用バーナの燃焼排ガス６の熱を効率良く利用した蒸気発生が可能である。また、蒸気中にミストや液滴等の過剰な水分が含まれることがなくなり、所定条件で定常的に改質反応ができた。１３は燃焼ガス流路で、１５は蒸発器の縦長円筒部の伝熱面、１６は改質ガス流路、１７は改質ガス出口、１８は燃焼ガス排出流路、１９は蒸発器の水平部分の伝熱面、２０は蒸発器の水平部分の底面、２１は蒸発器の縦長円筒部である。
【００３４】
別の実施例を図２に示す。図２は蒸発器２の底面を中心から外周方向に５°傾斜させ、蒸発器底面の両側をフィン１０にした蒸発器２を上部に設置した多重円筒型改質器を示している。改質器の構成は図１と同様で、蒸発器底面の内側と外側には、加熱用バーナ１を中心として放射状にフィン１０が設けられている。改質器を起動すると、加熱用バーナ１からの燃焼排ガス６は図１の実施例と同様に、燃焼排ガス流路を通り外周方向に放出される。高温の燃焼排ガス６の熱は、蒸発器２の底面付近を通過する際、表面に設けられたフィン１０により伝熱面積が広くなり、効率良く蒸発器側に伝えられた。
【００３５】
同様に蒸発器２に伝わった熱は、蒸発器内側に設けたフィン１０から蒸発器内の水に効率良く伝えられた。これにより、加熱用バーナ１の燃焼排ガス６の熱が効率よく蒸発器内の水に伝えられ、熱効率の高い蒸気発生が可能となった。発生した蒸気は図１の場合と同様に、蒸発器２の蒸気排出管５から排出され、改質用ガス８と混合された後、改質触媒層７に送られた。
【００３６】
図２の多重円筒型改質器用蒸発器の実施例から、蒸発器２の底面を中心から外周方向に５°傾斜させ、蒸発器底面の両側をフィン１０にすることにより、熱効率の良い蒸気発生が可能であることを確認した。
【００３７】
次の実施例を図３に示す。図３は蒸発器２の底面を中心から外周方向に５°傾斜させ、蒸発器底面の内側をブラスト面１１とした蒸発器２を上部に設置した多重円筒型改質器を示している。改質器の構成は図１、図２と同じで、蒸発器底面の内側はブラスト面１１であり、表面が小さな凸凹状態となっている。加熱用バーナ１の燃焼排ガス６の流れは図１、図２と同様である。燃焼排ガス６の熱は、蒸発器底面から蒸発器内の水に伝えられる。蒸発器内の水が加熱される際に気泡が形成されるが、表面が小さな凸凹状になっているため、大きな気泡ができず蒸気発生時に、蒸気にミストや液滴が混入することがなかった。これにより、蒸気に過剰な水分が含まれることがなくなり、所定条件で安定した改質反応が可能となった。
【００３８】
図３の多重円筒型改質器用蒸発器の実施例から、蒸発器２の底面を中心から外周方向に傾斜させ、蒸発器底面の内側をブラストで粗く表面処理することにより、蒸気発生時にミストや液滴が発生しなくなり、所定条件で安定した改質反応が可能となった。
【００３９】
多重円筒型改質器の蒸発器において、蒸発器の底面を傾斜させたことにより、傾斜の角度および方向を調節することで、必要な伝熱面積を確保しながら、改質器の構造や形状の変化に対応でき、小型で熱効率の良い改質器が得られる。
【００４０】
多重円筒型改質器の蒸発器において、蒸発器底面を改質器の中心から外周方向に向けて傾斜させたことにより、伝熱面積が広くなり効率の良い伝熱が可能で、かつ安定した蒸気発生が可能となる。多重円筒型改質器の蒸発器において、蒸発器底面の傾斜角度を５°〜６０°の範囲としたことにより、運転状況によって蒸発器内の水位が変動した場合も伝熱面積が傾斜によって緩やかに変化するため、安定した蒸気の発生が可能となる。また、傾斜角度を調整することにより、蒸発器の軸方向または径方向を小さくでき、改質器の小型化を図ることができる。
【００４１】
多重円筒型改質器の蒸発器において、蒸発器底面の内側に溶射したことにより、蒸発器内の水が加熱された際、大きな気泡が形成されなくなり、ミストや液滴の発生が抑えられ、所定条件での改質反応が可能となる。多重円筒型改質器の蒸発器において、蒸発器底面の内側に溶射する材料に高伝熱性材料を用いたことにより、伝熱性能を低下させることなく、所定条件での改質反応が可能となる。
【００４２】
多重円筒型改質器の蒸発器において、蒸発器底面の内側に溶射する高伝熱性材料として、アルミナあるいはＣｕ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｒのいずれかを含む金属を用いたことにより、所定条件での改質反応に有効な伝熱性能の良い溶射膜を容易に形成することができる。
【００４３】
多重円筒型改質器の蒸発器において、蒸発器底面の内側と外側のいずれか片方あるいは両方の表面をフィン状としたことにより燃焼排ガスと蒸発器底面および蒸発器底面と蒸発器内の水との伝熱面積が大きくなる。その結果、燃焼排ガスから蒸発器内の水へ、短時間で熱を効率良く伝えることができる。これにより熱効率の良い改質反応が可能となる。
【００４４】
多重円筒型改質器の蒸発器において、蒸発器底面の内側を粗く表面処理したことにより、蒸発器内の水が加熱され気泡ができる際に、大きな気泡の形成が抑えられ、ミストや液滴が発生しなくなり、所定条件での改質反応が可能となる。
【００４５】
多重円筒型改質器の蒸発器において、蒸発器底面の内側を粗く表面処理する方法として、サンドブラストを用いたことにより、低コストで簡便に必要な表面処理を行うことが可能となる。蒸発器底面を傾斜させ、内側を溶射またはサンドブラストで表面を粗くし、あるいは蒸発器底面の表側をフィン状にすることにより、改質器の熱効率の向上および小型化が可能となる。
【００４６】
本発明は固体高分子型燃料電池用改質器の蒸発器に特に適している。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の第１実施例による改質器の断面図。
【図２】第２実施例における開始つきの断面図。
【図３】他の実施例による開始つきの断面図。
【符号の説明】
【００４８】
１…加熱用バーナ、２…蒸発器、３…溶射膜、４…給水管、５…蒸気排出管、６…燃焼排ガス、７…改質触媒層、８…改質用ガス、９…保温材、１０…フィン、１１…ブラスト面、１３…燃焼ガス流路、１５…伝熱面、１６…改質ガス流路、１７…改質ガス出口、１８…燃焼ガス排出流路、１９…蒸発器の水平部分の伝熱面、２０…蒸発器の水平部分の底面、２１…蒸発器の縦長円筒部。
【図１】
2007123002.tif 000003
【図２】
2007123002.tif 000004
【図３】
2007123002.tif 000005