(57)【要約】【課題】安定した蒸発挙動を確保することができるとともに、蒸発効率の向上が図れ、さらに、燃料電池装置用として最適な水蒸発器を提供する。【解決手段】水貯槽部および熱交換コアからなる蒸発器であって、前記水貯槽部の底面に圧電素子を配し、圧電素子を利用して水をミスト状態とし、前記ミスト状態の水を前記熱交換コア部に供給することを特徴とする水蒸発器、およびガス加湿部および熱交換コアからなる蒸発器であって、前記ガス加湿部の底面に圧電素子を配し、圧電素子を利用して水をミスト状態とし、さらに、当該ガス加湿部にガスを流入させミスト状態とした水と混合した後、当該混合ガスを前記熱交換コアへ供給することを特徴とする水蒸発器である。これらは燃料電池装置の改質処理に用いるのが最適である。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水貯槽部および熱交換コアからなる蒸発器であって、前記水貯槽部の底面に圧電素子を配し、圧電素子に電圧を加えることによって生じる高周波数の振動を利用して水をミスト状態とし、前記ミスト状態の水を前記熱交換コア部に供給することを特徴とする水蒸発器。
【請求項２】
水貯槽部を備えたガス加湿部および熱交換コアからなる蒸発器であって、前記水貯槽部の底面に圧電素子を配し、圧電素子に電圧を加えることによって生じる高周波数の振動を利用して水をミスト状態とし、さらに前記ガス加湿部に流入されたガスとミスト状態とした水とを混合させた後、当該混合ガスを前記熱交換コアへ供給することを特徴とする水蒸発器。
【請求項３】
燃料電池装置の改質処理に用いることを特徴とした請求項１または２に記載の水蒸発器。
【請求項４】
前記熱交換コアが仕切板を介して高温流体の通路と低温流体の通路とが隣接したプレートフィン型であることを特徴とした請求項１〜３のいずれかに記載の水蒸発器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の燃料改質に適用できる水蒸発器に関し、さらに詳しくは、圧電素子を用いてミスト状態とした水を水蒸発器内に供給することによって、蒸発効率を向上させ、小型化するとともに、圧力変動にともなう流量変動を抑制し、安定した蒸発挙動を確保できる水蒸発器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
水蒸発器は、熱交換器、燃料電池装置および水素製造装置等の広い技術分野における産業機器において、水を蒸発気化させ、過熱蒸気を得るためのプロセスにおいて、多数採用されている。
【０００３】
水蒸発器においては、水蒸発器内で水の蒸発気化が行われることから、水蒸発器内には常に気液２相が存在する。通常、水蒸発器によって生じた水蒸気を次工程へと供給する際には、水蒸気が再び液体に戻らないように、水蒸気をスーパーヒートして過熱蒸気の状態として供給する。
【０００４】
前述の通り、水蒸発器内には常に液体と気体の２相が混合して存在しており、液体と気体ではヒートマスが大きく異なるため、水が蒸発気化して水蒸気となると急激に温度が上昇し、水蒸発器の内部で温度変動が生じる。このため、水蒸発器の内部には常に熱応力が生じることとなり、水蒸発器は損傷し易くなる。
【０００５】
また、水が蒸発する際に突沸が生じた場合は、それにともなう温度変動だけではなく、圧力変動に起因する水の蒸発挙動が問題となる。水は蒸発気化すると体積が１０００倍程度に急激な膨張を生ずることから、突沸の発生にともなって圧力変動が大きくなり、蒸発挙動が不安定となる。蒸発挙動が不安定となると、次工程への水蒸気の供給が安定しない。
【０００６】
例えば、燃料電池装置では、使用する燃料を生成するための天然ガスの水素化やメタノールの水素改質に際し、水蒸発器が用いられる。前述のように、水蒸発器での蒸発挙動が安定しない場合には、水蒸気の供給量が不安定となり、水蒸気と混合ガスの混合が不均一になるため、次工程である燃料改質器への混合ガスの供給量が変動し、燃料電池の発電量が不安定となる。
【０００７】
さらに、燃料電池装置で採用される水蒸発器では、水の流量が比較的少ない場合があることから、水を水蒸発器内へ流入する際にノズル等を用いても、水蒸発器の通路内に均一に分配させることは難しい。このため、ノズル直下に水が流入しやすく、十分な熱交換が行われないことによって水の蒸発挙動が不安定になる場合がある。
【０００８】
また、ノズルを用いて水を水蒸発器内へ流入させる際には、水の清浄度が悪い場合、ノズルが詰まる恐れがあるため、水の清浄度を管理する必要があり、燃料電池装置のランニングコストの増加要因となる。
【０００９】
燃料電池は高温排ガス等の廃熱を利用しており、未気化のままの液体が水蒸発器より出て次工程の燃料改質へと供給されると、未気化の液体が供給された部分で気化熱が奪われ、温度低下が生じ、有効な改質反応が行われない。
【００１０】
このため、燃料電池装置では、水蒸発器における蒸発技術が重要な開発要素となり、良好な水蒸発器の性能、すなわち、蒸発効率の向上を図り、液体の蒸発にともなう圧力変動を抑制し安定した蒸発挙動を確保することによって、次工程の改質処理に安定した水蒸気を供給することが特に望まれる。
【００１１】
したがって、水の蒸発過程で生じる水蒸発器内部の温度変動および圧力変動を減少させるために、従来は水蒸発器内の液量を増やすための貯水槽を設ける方法および水蒸発器内へ水を均一に分配して流入させる方法等に関して検討されている。
【００１２】
図１は、従来から用いられている水蒸発器に貯水槽を設け安定した蒸発挙動を確保した構成例を示す図である。また、図２は、従来から水蒸発器に用いられている水の分配方法であるスパージパイプの部分構成を示す図である。
【００１３】
図１に示すように、水蒸発器１として別置きの貯水槽２を設け、貯水槽２に水を供給する。貯水槽２に供給された水は、貯水槽２より高い位置に設置された水蒸発器１内へ水蒸発器１の水頭圧を利用して流入させる。水蒸発器１内へ流入された水は、高温ガスと熱交換を行うことによって、蒸発気化され、図１では省略した次工程の改質器へと供給される。
【００１４】
循環液量を増加することによって、水蒸発器１内の温度分布は安定し、水蒸発器１の熱応力による損傷を抑制することが可能になる。しかし、図１に示した構成例では、水の貯水槽２を設ける必要があることから、貯水槽２の設置スペースを確保しなければならないという制限があった。
【００１５】
また、図２に示すスパージパイプ３は、例えば、水蒸発器のヘッダータンク内に内蔵され、水を均一に分配して通路に導入する細孔３ａが設けられている。スパージパイプ３から、細孔３ａを介して各通路へ水を流入させることにより、水を均一に分配させることが可能となる。
【００１６】
しかし、スパージパイプでは、前記図２に示すように、その基本構造はパイプ３に低温流体を均一に分配して通路に導入する細孔３ａを配置するものであり、水の分配性能が向上するが、構成部品の構造が複雑となり、部品交換等のメンテナンス性を悪くさせるとともに、製造コストをアップさせる要因となる。
【００１７】
さらに、特許文献１では、インジェクションチューブを設けたガス加湿器を提案している。特許文献１で提案される基本構成は、流通通路に蒸気源である液体を均一に散布するために、流通通路の上部に両側のチューブプレートに沿ってほぼ水平に挿入されたインジェクションチューブを配置するものであり、ヘッダー内の低温流体を均一に分配して低温流体通路に導入することができる。
【００１８】
しかし、特許文献１で提案される基本構成のように、多数のインジェクションチューブをヘッダーに取り付けることが必要になる。このため、インジェクションチューブを採用する場合も、前記スパージパイプの採用と同様に、蒸発器における部品交換等のメンテナンス性を悪くさせるとともに、製造コストを大幅にアップさせる要因となる。
【００１９】
また、上記に示す従来技術では、いずれも液体状態の水使用を前提としており、水をミスト状態として蒸発器内へ流入させることに関する検討はなされていない。
【００２０】
【特許文献１】特開２００４−５３１０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
前述の通り、水蒸発器、特に燃料電池装置で採用される水蒸発器は、水の蒸発挙動を安定化させ、次工程の改質処理へ、安定した水蒸気量を確保して供給する必要がある。また、水蒸発器内の温度変動を抑制し、温度変動に起因する熱応力が生じることによる水蒸発器の損傷を抑制する必要がある。
【００２２】
本発明は上記の状況に鑑みてなされたものであり、圧電素子を用いて水をミスト状態とし、水蒸発器内へ供給することによって、水の蒸発挙動を安定化させ、次工程へ安定した水蒸気を確保して供給することが可能であり、さらに、水蒸発器内の温度変動を抑制し、温度変動に起因する熱応力が生じることによる水蒸発器の損傷を抑制し、蒸発効率を向上させ小型化した水蒸発器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
本発明者は、上述した問題を解決するため、水蒸発器内への水の供給方法に関して種々検討した。その結果、水をミスト状態として水蒸発器内へ供給することによって下記（ａ）〜（ｃ）に示す知見を得た。
【００２４】
（ａ）水を直接水蒸発器内へ流入させた場合と比較すると、水の表面積比（表面積／体積）が大きく、伝熱面積が増加するため蒸発効率の向上が図れる。
【００２５】
（ｂ）水の分配性能の向上が図れ、さらに、水の流量変動にともなう供給量の変動を抑制できる。
【００２６】
（ｃ）ミスト状態の水はガスに近い挙動を示すため、ガスと水を均一に混合することができる。
【００２７】
本発明は、上記（ａ）〜（ｃ）の知見に基づいて完成したものであり、下記（１）〜（３）に記載する水蒸発器を要旨とする。
（１）水貯槽部および熱交換コアからなる蒸発器であって、前記水貯槽部の底面に圧電素子を配し、圧電素子に電圧を加えることによって生じる高周波数の振動を利用して水をミスト状態とし、前記ミスト状態の水を前記熱交換コア部に供給することを特徴とする水蒸発器である（以下、「第一の水蒸発器」という。）。
（２）水貯槽部を備えたガス加湿部および熱交換コアからなる蒸発器であって、前記水貯槽部の底面に圧電素子を配し、圧電素子に電圧を加えることによって生じる高周波数の振動を利用して水をミスト状態とし、さらに前記ガス加湿部に流入されたガスとミスト状態とした水とを混合させた後、当該混合ガスを前記熱交換コアへ供給することを特徴とする水蒸発器（以下、「第二の水蒸発器」という。）。
（３）第一および第二の水蒸発器は、燃料電池装置の改質処理に用いられるのが望ましい。さらに、第一および第二の水蒸発器における熱交換コアは、仕切板を介して高温流体の通路と低温流体の通路とが隣接したプレートフィンタイプとすることができる。
【発明の効果】
【００２８】
本発明の水蒸発器によれば、圧電素子を用い高周波数の振動を利用して水をミスト状態として水蒸発器内へ供給するため、安定した蒸発挙動を確保することができるとともに、蒸発効率の向上が図れ、水蒸発器を小型化できる。さらに、水蒸発器内の温度変動に起因して生じる熱応力による水蒸発器の損傷を抑制できるとともに、流量変動にともなう水の供給量の変動を抑制できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
本発明の水蒸発器は、圧電素子を用い高周波数の振動を利用して水をミスト状態とし、水蒸発器内に供給することによって、水の蒸発挙動を安定化させるとともに、蒸発効率の向上を図ることができる。
【００３０】
図３は、本発明の「第一の水蒸発器」の構成例を示す図である。図３に示すように、第一の水蒸発器１は水貯槽部１ａおよび熱交換コア１ｂで構成され、水貯槽部１ａの底面に圧電素子４が配されている。水貯槽部１ａに収容される水は、図３では省略した液面計と連動するソレノイドバルブ５を介して水貯槽部１ａへ供給され、圧電素子４に電圧を加えることによって生じる高周波数の振動によってミスト状態とされ、水蒸発器内を浮遊し、高温ガスと熱交換を行うことによって加熱され、上昇気流を生じ、次工程へと供給される。
【００３１】
圧電素子４を用いて水をミスト状態とする場合は、圧電素子４への供給電圧によってミストの発生量を制御する。したがって、従来のスプレーノズル等を用いた場合に問題となる、蒸発の際の水の圧力変動にともなう流量変動の影響は少なく、また、ノズルの目詰まりによるトラブルを回避できる。
【００３２】
さらに、水をミスト状態とすることによって、水を熱交換コアに均一に分配することが可能になるため、従来、水の分配性能の向上を図るため使用していたスパージパイプやインジェクションチューブが不要となり、水蒸発器の製造コストを削減できる。
【００３３】
さらに、ミスト状態とした水は、表面積比（表面積／体積）が大きく、伝熱面積が増加するため蒸発効率の向上が図れ、水蒸発器の小型化が可能となる。
【００３４】
図４は、本発明の「第二の水蒸発器」の構成例を示す図である。図４に示すように、第二の水蒸発器１は、水貯槽部１ａを備えたガス加湿部７および熱交換コア１ｂで構成されている。水貯槽部１ａに収容される水は、図では省略した液面計と連動しているソレノイドバルブ５を介して水貯槽部１ａへ供給され、圧電素子４に電圧を加えることによって生じる高周波数の振動によってミスト状態とされる。
【００３５】
また、ガス（例えば、燃料電池装置における燃料ガス）は、ガス用ソレノイドバルブ６を介してガス加湿部７へ供給され、ミスト状態の水と混合され水蒸発器へ供給され、高温ガスと熱交換を行うことによって加熱され、図では省略した次工程の燃料改質へと供給される。
【００３６】
水をミスト状態とすることによって、水は気体に近い挙動を示し、ガスと均一に混合することが容易になる。また、圧電素子によってミスト状態とした水は駆動力を有しないことから、燃料ガスの噴射によってミスト状態の水の駆動力として利用することができる。
【００３７】
ガス加湿部７でのミスト状態の水と燃料ガスを混合する方法としては、例えば、燃料ガスを中央が狭まっている通路に勢いよく流し、その通路をガス加湿部７と連通させる構成とし、ベンチュリー効果を利用することができる。ベンチュリー効果を利用する際の装置構造は簡易であり、構成部品も少ないことから部品損傷等に起因するトラブルを抑制でき、水蒸発器の製造コストを低廉にできる。
【００３８】
さらに、ミスト状態の水と燃料ガスを混合して水蒸発器へ供給することによって、水蒸気をスーパーヒートするとともに、燃料ガスの予熱を行うことが可能となり、従来と比較すると水蒸発器のエネルギー効率の改善が図れる。
【００３９】
本発明の「第一の水蒸発器」および「第二の水蒸発器」は、燃料電池装置の改質処理に用いられるのが望ましい。前述の通り、燃料電池装置、特に燃料電池の燃料を生成するための天然ガスの水素化やメタノールの水素改質に際して用いられる水蒸発器は、水蒸気の供給量が燃料電池の発電量に影響することから、安定した蒸発挙動を確保する必要があることによる。
【００４０】
特に、本発明の「第二の水蒸発器」は、安定した蒸発挙動を確保するとともに、水と燃料ガスを混合させて熱交換コアへ供給できるため、水蒸気の生成とともに燃料ガスの予熱を行うことが可能となり、従来と比較すると水蒸発器のエネルギー効率の改善が図れるため、燃料電池装置の改質処理に用いるのが最適である。
【００４１】
本発明の「第一の水蒸発器」および「第二の水蒸発器」における熱交換コアには、仕切板を介して高温流体の通路と低温流体の通路とが隣接したプレートフィンタイプを採用するのが望ましい。水蒸発器を小型化しつつ、優れた蒸発効率を確保することによる。
【００４２】
また、上述した本発明の水蒸発器において水をミスト状態とする場合には、ミスト状態の水の粒子径は数ミクロン程度の微細な水粒子を使うのが望ましい。
【００４３】
ミスト状態となった水の微粒子にも質量があるため、駆動力（例えば、上昇する空気の流れ）がなければミスト状態となった水の微粒子は降下する。水の粒子径が大きい場合は粒子の質量が重くなり、必然的に早く降下し、空気の温度によっては気化するまもなく床や壁を湿らせる事態も起きる。
【００４４】
一方、水の粒子径が小さい場合は、水の粒子は軽くなり、降下し難くなり、空間の隅々まで行き渡り、比較的低い温度に設定された室内でも気化しやすい。したがって、一般には水の粒子径が小さいほど、均一な湿度環境を維持しやすい。したがって、本発明の水蒸発器では、水をミスト状態とする場合に、粒子径は数ミクロン程度の微細な水粒子を使うことにより、高性能で耐久性に優れるという特性を発揮することができる。
【実施例】
【００４５】
本発明の「第一の水蒸発器」の効果について以下に説明する。水蒸気の発生量を１０００ｃｃ／ｈｒとし、水の入口温度を室温（２０℃）、出口温度を３５０℃として水蒸発器の設計を行い、燃料電池装置に設置し、従来の水蒸発器と本発明の「第一の水蒸発器」の性能を比較した。
【００４６】
図５は、従来、燃料電池装置に用いられていた水蒸発器の具体的構成例および外形寸法を示す図である。一方、図６は、実施例に用いた「第一の水蒸発器」の具体的構成例および外形寸法を示す図である。
【００４７】
図５に示すように従来の水蒸発器は、底部から液体状態の水を熱交換コア１ｂへ流入させる。熱交換コア１ｂに流入した液体状の水は加熱体と熱交換を行いながら熱交換コア１ｂ内を流通し、蒸発気化されて水蒸気となり水蒸発器の系外へ流出される。
【００４８】
また、図６に示すように本発明の「第一の水蒸発器」は水貯槽部１ａおよび熱交換コア１ｂで構成され、水貯槽部１ａの底部には圧電素子４を配し電圧を加えることによって水をミスト状態とすることが可能である。
【００４９】
また、図では省略した液面計によって、水の液面を管理し、圧電素子４の霧化効率に最適な液面を確保している。
【００５０】
図５および図６に示すように、従来構造の水蒸発器は、外形寸法が５０Ｗ×１００Ｈ×２００Ｌで重量が５ｋｇであるのに対し、本発明の「第一の水蒸発器」は、外形寸法が５０Ｗ×５０Ｈ×１７５Ｌで重量が３．５ｋｇとなり、ミスト状態の水を熱交換コア１ｂに供給することによって、水蒸発器の蒸発効率の改善を図り、水蒸発器を小型化することができ、水蒸発器の重量を３０％軽減できた。
【００５１】
また、本発明の「第一の水蒸発器」は、従来の水蒸発器と比較すると、熱交換コアへ水が均一に供給されることから熱交換コアの温度変動が抑制されており、さらに、安定な蒸発挙動を確保することができ、次工程の改質器に安定した水蒸気量を供給することができた。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
本発明の水蒸発器は、圧電素子を用いてミスト状態とした水を水蒸発器内へ供給することによって、安定した水の蒸発挙動を確保することが可能となり、安定した水蒸気の供給量が確保できる。また、ミスト状態の水を水蒸発器内へ供給することによって、蒸発効率の向上を図り、さらに、水蒸発器内の温度変動を抑制することによって、温度変動に起因して生じる熱応力による水蒸発器の損傷を抑制することができる。これにより、燃料電池装置の燃料改質用として広く適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】従来から用いられている水蒸発器に貯水槽を設け安定した蒸発挙動を確保した構成例を示す図である。
【図２】従来から水蒸発器に用いられている水の分配方法であるスパージパイプの部分構成を示す図である。
【図３】本発明の「第一の水蒸発器」の構成例を示す図である。
【図４】本発明の「第二の水蒸発器」の構成例を示す図である。
【図５】従来、燃料電池装置に用いられていた水蒸発器の具体的構成例および外形寸法を示す図である。
【図６】実施例に用いた「第一の水蒸発器」の具体的構成例および外形寸法を示す図である。
【符号の説明】
【００５４】
１：水蒸発器、  １ａ：水貯槽部、
１ｂ：熱交換コア、  ２：貯水槽、
３：スパージパイプ、  ３ａ：孔、
４：圧電素子、  ５：ソレノイドバルブ、
６：ガス用ソレノイドバルブ、  ７：ガス加湿部
【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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【図６】
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