(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
蒸発器から供給された水蒸気を熱交換器を介して改質器に供給する改質装置において、
前記熱交換器は前記改質器からＣＯシフト部に供給される改質ガスと前記蒸発器から供給された水蒸気と熱交換するものであり、
前記蒸発器が、熱交換用ガスにより通過する水を蒸発させ水蒸気を生成する熱交換部を備えた蒸発熱交換器より成り、該熱交換部の少なくとも上流側の入口部に突沸防止部材が配設されている
ことを特徴とする改質装置用蒸発器。
【請求項２】
請求項１において、
前記蒸発熱交換器が、燃焼バーナーから排出された排気ガスによって加熱された複数の配管内において供給された水を蒸発させる
ことを特徴とする改質装置用蒸発器。
【請求項３】
請求項２において、
前記複数の配管は、入口マニホールドおよび出口マニホールドに開口しており、前記突沸防止部材が、前記入口マニホールド内に配設されている
ことを特徴とする改質装置用蒸発器。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかにおいて、
前記突沸防止部材が、繊維状の部材によって構成されている
ことを特徴とする改質装置用蒸発器。
【請求項５】
請求項４において、
前記繊維状の部材が、ステンレスウールによって構成されている
ことを特徴とする改質装置用蒸発器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水蒸気を熱交換器を介して改質部に供給する改質装置用蒸発器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
様々な分野において蒸気を発生させるための従来の蒸発器の内部における突沸が問題となるケースは多い。燃料電池システムにおいては改質装置で純水から蒸気を取り出す際に突沸が発生すると、改質装置の温度低下や、改質ガス中に水蒸気が多量に入り込む問題があった。
【０００３】
そこで従来における蒸発器の内部における突沸に対する対策として、後述する従来技術に見られる様に突沸により吹き飛ばされた水を分離する方法（特開平５−２８８４８４、特開２００１−４６８０１）や、液体（水）が飛ばされない様、ブロックするバッフルを取り付ける（特開平７−７０２）方法が提案されている。
【０００４】
すなわち従来の分離型熱交換器の蒸発部ユニットの気液分離構造（特開平５−２８８４８４）は、図７に示されるように二重管構造の伝熱管ＤＴを配設し、上部ヘッダー管の外管との接続箇所に内管の内径より狭い開口部Ｏを有する気液分離構造Ｓによって、突沸が発生した時の気液分離を行うものであった。
【０００５】
また従来の蒸留再生器（特開２００１−４６８０１）は、図８に示されるように蒸発槽Ｖの下部に配設された電熱ヒータＨの上部を液状溶剤の液面より上に突出させ、蒸発槽の内壁に近接するようにコイル径を大きくして泡消し部Ａを構成して、突沸が発生しても泡を泡消し部Ａに接触させ、気液分離を行い、泡を消滅させるものであった。
【０００６】
従来の蒸発装置の突沸防止機構（特開平７−７０２）は、図９に示されるように伝熱壁を介して液を加熱、沸騰させる蒸発装置において、伝熱壁Ｗの液側に、液の上昇流の抵抗となる複数の小孔または先端ジグザグ形状のバッフルＢを取り付けることにより、突沸を防止するものであった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の突沸防止装置は、いずれも装置全体が複雑となり、改質装置への適用は、コスト面や装置の大きさの制約上困難であるという問題があった。
【０００８】
そこで本発明者は、蒸発器から供給された水蒸気を熱交換器を介して改質部に供給する改質装置において、熱交換用ガスにより通過する水を蒸発させ水蒸気を生成する熱交換部を備えた蒸発熱交換器より成る前記蒸発器の前記熱交換部の少なくとも上流側の入口部に突沸防止部材を配設して、前記蒸発器内に発生した突沸を防止するという本発明の技術的思想に着眼し、更に研究開発を重ねた結果、装置全体が複雑になることを防止し、コスト面や装置の大きさの制約を解消し、改質装置への適用上の問題を解消するという目的を達成する本発明に到達した。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明（請求項１に記載の第１発明）の改質装置用蒸発器は、蒸発器から供給された水蒸気を熱交換器を介して改質部に供給する改質装置において、
前記熱交換器は前記改質器からＣＯシフト部に供給される改質ガスと前記蒸発器から供給された水蒸気と熱交換するものであり、
前記蒸発器が、熱交換用ガスにより通過する水を蒸発させ水蒸気を生成する熱交換部を備えた蒸発熱交換器より成り、該熱交換部の少なくとも上流側の入口部に突沸防止部材が配設されているものである。
【００１０】
本発明（請求項２に記載の第２発明）の改質装置用蒸発器は、
前記第１発明において、
前記蒸発熱交換器が、燃焼バーナーから排出された排気ガスによって加熱された複数の配管内において供給された水を蒸発させる
ものである。
【００１１】
本発明（請求項３に記載の第３発明）の改質装置用蒸発器は、
前記第２発明において、
前記複数の配管は、入口マニホールドおよび出口マニホールドに開口しており、前記突沸防止部材が、前記入口マニホールド内に配設されている
ものである。
【００１２】
本発明（請求項４に記載の第４発明）の改質装置用蒸発器は、
前記第１〜第３発明のいずれかにおいて、
前記突沸防止部材が、繊維状の部材によって構成されている
ものである。
【００１３】
本発明（請求項５に記載の第５発明）の改質装置用蒸発器は、
前記第４発明において、
前記繊維状の部材が、ステンレスウールによって構成されている
ものである。
【００１４】
【発明の作用および効果】
上記構成より成る第１発明の改質装置用蒸発器は、蒸発器から供給された水蒸気を熱交換器を介して改質部に供給する改質装置において、前記熱交換器は前記改質器からＣＯシフト部に供給される改質ガスと前記蒸発器から供給された水蒸気と熱交換するものであり、前記蒸発器が、熱交換用ガスにより通過する水を蒸発させ水蒸気を生成する熱交換部を備えた蒸発熱交換器より成り、該熱交換部の少なくとも上流側の入口部に突沸防止部材が配設されているので、前記蒸発器内に発生した突沸を防止するという効果を奏するとともに、装置全体が複雑になることを防止し、コスト面や装置の大きさの制約を解消し、改質装置への適用上の問題を解消するという効果を奏する。
【００１５】
上記構成より成る第２発明の改質装置用蒸発器は、前記第１発明において、前記蒸発熱交換器が、燃焼バーナーから排出された排気ガスによって加熱された複数の配管内において供給された水を蒸発させるので、前記燃焼バーナーからの排気ガスの加熱による前記蒸発器内に発生する突沸を防止するという効果を奏する。
【００１６】
上記構成より成る第３発明の改質装置用蒸発器は、前記第２発明において、前記複数の配管が開口している前記入口マニホールド内に配設された前記突沸防止部材が、前記入口マニホールド内において前記蒸発器内に発生した突沸を防止するという効果を奏するとともに、前記入口マニホールド内に前記突沸防止部材を配設するものであるため、装置全体が複雑になることを防止し、コスト面や装置の大きさの制約を解消し、改質装置への適用上の問題を解消するという効果を奏する。
【００１７】
上記構成より成る第４発明の改質装置用蒸発器は、前記第１〜第３発明のいずれかにおいて、前記入口マニホールド内に配設された前記突沸防止部材を構成する前記繊維状の部材によって、前記入口マニホールド内において前記蒸発器内に発生した突沸を防止するという効果を奏するとともに、前記入口マニホールド内に前記突沸防止部材を配設するものであるため、装置全体が複雑になることを防止し、コスト面や装置の大きさの制約を解消し、改質装置への適用上の問題を解消するという効果を奏する。
【００１８】
上記構成より成る第５発明の改質装置用蒸発器は、前記第４発明において、前記繊維状の部材を構成する前記ステンレスウールによって、ステンレスウールの表面上において沸騰を促進するとともに、突沸発生時の水の流入を阻止することにより、前記入口マニホールド内において前記蒸発器内に発生した突沸を防止するという効果を奏する。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態につき、図面を用いて説明する。
【００２０】
（実施形態）
本実施形態の改質装置用蒸発器は、図１ないし図４に示されるように蒸発器１から供給された水蒸気を熱交換器２を介して改質器３に供給する改質装置において、前記蒸発器１が、熱交換用ガスにより通過する水を蒸発させ水蒸気を生成する熱交換部を備えた蒸発熱交換器１０より成り、該熱交換部１０の少なくとも上流側の入口部に繊維状の突沸防止部材４が配設されているものである。
【００２１】
本実施形態における改質装置は、燃料改質装置の概略を示す図４に示されるように天然ガスを利用するもので、火炎が形成される燃焼バーナ５と、ルテニウム触媒より成り前記排出口より前記熱交換器２の高温側に直接的に改質ガスを供給する断熱材３１によって包囲された改質部としての改質器３と、改質原料としての都市ガスを前記熱交換器２を介して改質器３に供給する昇圧ポンプ２５と、燃焼排気ガスによって水を蒸発させ水蒸気を前記熱交換器２に供給する蒸発部１と、前記改質器３からの改質ガスを熱交換器２により原料ガスおよび水蒸気と熱交換する前記熱交換器２と、熱交換した前記改質ガスが供給される銅・亜鉛系触媒より成るＣＯシフト部６と、酸化剤が供給される選択酸化部７と、オフガスを排出するアノード極を備えた燃料電池スタック８とから成る。
【００２２】
前記蒸発熱交換器１０は、図１ないし図３に示されるようにそれぞれ平行に配設された複数の配管１１と、該複数の配管１１の上流端および下流端に入口マニホールド１２および出口マニホールド１３が形成され、前記複数の配管１１の両端が入口マニホールド１２および出口マニホールド１３に開口している。
【００２３】
上記蒸発熱交換器１０は、シェルアンドチューブ型の蒸発熱交換器であり、燃焼バーナー５から排出された排気ガスの熱によって加熱された複数の配管１１内において供給された水を蒸発させるように構成されている。
【００２４】
前記突沸防止部材は、繊維状の部材によって構成され、すなわちステンレス製のウール材（ステンレスウール）によって構成され、複数の配管１１の上流端が開口している前記入口マニホールド１２内に充填配設されている。
【００２５】
本実施形態においては、図２に示される天然ガスを原料とする改質装置において、水蒸気を生成するための蒸発器１は、燃焼バーナ５から排出される排気ガスの熱により、純水を蒸発させる役割を持つものである。
【００２６】
図１に示される前記蒸発器１内において、純水を沸騰させる場合、純水はその特性上突沸を生じ易い。特に入口マニホールド１２内で突沸が発生すると、蒸発器１の内部にある水が急激に前記改質器３の内部へ入り込み、改質部の温度を低下させると同時に水素濃度を低下させる問題があった。上記突沸は、沸点以上に加熱された水が外乱等をきっかけとして一気に気化する現象を言う。
【００２７】
本実施形態においては、過熱時におけるウール表面上での沸騰促進および突沸発生時の図５に示される従来の圧力変動（図５中太線で示す）に伴う急激な水の前記改質器３への流入を防止するために、純水入口側マニホールド１２にステンレス製ウールを充填して、圧力変動が抑制（図５中細線で示す）される。
【００２８】
充填したステンレスウールの性状は、材質はＳＵＳ３０４であり、線径は１２μｍであり、密度は３００ｋｇ／ｍ3 である。
【００２９】
本実施形態を実施した結果、図６に示されるように突沸による圧力変動（図６（Ａ）中太線）および改質部温度の低下（図６（Ａ）中細線）、水素濃度の低下を、それぞれ図６（Ｂ）の太線および細線で示されるように防止出来ることを確認することが出来た。
【００３０】
本実施形態の改質装置用蒸発器は、前記蒸発器１内において、前記複数の配管１１が開口している前記入口マニホールド１２内に配設された前記ウール状の突沸防止部材４が、前記入口マニホールド１２内において前記蒸発器１内に発生した突沸を防止するという効果を奏するとともに、前記入口マニホールド１２内に前記ウール状の突沸防止部材４を配設するものであるため、装置全体が複雑になることを防止し、コスト面や装置の大きさの制約を解消し、改質装置への適用上の問題を解消するという効果を奏する。
【００３１】
また本実施形態の改質装置用蒸発器は、前記ウール状の部材を構成する前記ステンレスウールによって、ステンレスウールの表面上において沸騰を促進するとともに、突発発生時の水の流入を阻止することにより、前記入口マニホールド１２内において前記蒸発器１内に発生した突沸を防止するという効果を奏する。
【００３２】
上述の実施形態は、説明のために例示したもので、本発明としてはそれらに限定されるものでは無く、特許請求の範囲、発明の詳細な説明および図面の記載から当業者が認識することができる本発明の技術的思想に反しない限り、変更および付加が可能である。
【００３３】
上記実施形態においては、蒸発器の構成の一例としてシェルアンドチューブ型について説明したが、本発明としてはそれらに限定されるものでは無く、入口マニホールドを持つその他の形式のものを採用することが出来る。
【００３４】
上記実施形態においては、突沸防止部材の一例としてステンレスウールについて説明したが、本発明としてはそれらに限定されるものでは無く、グラスウール、石英ウール、炭素繊維、炭化珪素繊維などの繊維状部材、発泡材（金属、非金属）、焼結部材などの多孔質状の部材、その他アルミナ、ガラスビーズなどの球状物を詰め込んだ部材等を採用することが出来る。
【００３５】
本発明の改質装置用蒸発器は、前記突沸防止部材として、多孔質状の部材または焼結部材によって構成することが可能である。なお、ここでいう焼結部材とは、セラミックス（アルミナ、窒化アルミ等）や金属を多孔質となるように焼結したものである。
【００３６】
上記構成より成る本発明の改質装置用蒸発器は、前記入口マニホールド内に配設された前記突沸防止部材を構成する前記多孔質状の部材または焼結部材によって、前記入口マニホールド内において前記蒸発器内に発生した突沸を防止するという効果を奏するとともに、前記入口マニホールド内に前記突沸防止部材を配設するものであるため、装置全体が複雑になることを防止し、コスト面や装置の大きさの制約を解消し、改質装置への適用上の問題を解消するという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の改質装置用蒸発器を示す縦断面図である。
【図２】本実施形態の改質装置用蒸発器を示す外観斜視図である。
【図３】本実施形態の改質装置用蒸発器内に配設される複数の配管の配設態様を示す斜視図である。
【図４】本実施形態の蒸発器を適用する改質装置全体の概要を示す全体断面図である。
【図５】突沸発生時における従来および本実施形態の圧力変動を示す線図である。
【図６】本実施形態および従来における突沸による改質部温度の低下および水素濃度の低下の防止効果を確認した結果をそれそれ示す線図である。
【図７】従来の分離型熱交換器の蒸発部ユニットの気液分離構造を示す断面図である。
【図８】従来の蒸留再生器を示す断面図である。
【図９】従来の蒸発装置の突沸防止機構を示す断面図である。
【符号の説明】
１  蒸発器
２  熱交換器
３  改質器
４  突沸防止部材
１０  蒸発熱交換器
【図１】
0003899261.tif 000002
【図２】
0003899261.tif 000003
【図３】
0003899261.tif 000004
【図４】
0003899261.tif 000005
【図５】
0003899261.tif 000006
【図６】
0003899261.tif 000007
【図７】
0003899261.tif 000008
【図８】
0003899261.tif 000009
【図９】
0003899261.tif 000010