(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内管（１１）と外管（１２）とからなる二重管（１３）と、内管及び外管に接しその間に挟持された円筒形の焼結金属管（１４）とからなり、内管及び／又は外管を加熱し、焼結金属管に被蒸発液を浸透させて蒸発させ、
前記焼結金属管（１４）の外面に螺旋状に被蒸発液を供給するように、外管（１２）の内面に螺旋溝（１２ａ）が設けられ、かつ内管（１１）の外面に軸方向の延びる蒸気用の流路（１１ａ）が設けられている、ことを特徴とする燃料電池用蒸発器。
【請求項２】
前記外管（１２）はその外周部に複数の伝熱フィン（１２ｂ）を有し、更に、前記二重管（１３）を囲む中空円筒形のシェル（１６）と、シェル内を複数の空間に仕切りかつそれぞれ貫通穴（１７ａ）を有するバッフル（１７）とを備え、シェル内に高温ガスが供給される、ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用蒸発器。
【請求項３】
前記内管（１１）の内側に加熱した熱媒体が供給されることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池用蒸発器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、固体高分子型燃料電池の燃料改質系統に用いるメタノール及び水の蒸発器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子型燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell:ＰＥＦＣ）は、図４の原理図に示すように、電解質にプロトン（Ｈ+ ）導電性を有する高分子膜１を用い、この膜の両側に薄い多孔質Ｐｔ触媒電極２（アノードとカソード）を付けた構造を有する。それぞれの電極にＨ2 およびＯ2 を供給し、室温〜１００℃前後で動作させると、Ｈ2 はＨ2 極（アノード）でＨ+ に酸化され、Ｈ+ は膜内を移動してＯ2 極（カソード）に到達する。一方ｅ- は外部回路を通って電気的な仕事をしたのち、Ｏ2 極に到達する。Ｏ2 極ではＯ2 が到達したＨ+ およびｅ- と反応してＨ2 Ｏに還元される。
【０００３】
ＰＥＦＣの構造例を図５に示す。ＰＥＦＣは、セパレータ５の間に膜／電解質接合体４を挟んで１つのセルが構成される。膜／電解質接合体４は、イオン交換膜１の両面に、Ｐｔ黒又はＰｔ担持カーボンからなる多孔質電極２と、カーボンペーパあるいはカーボン布からなる支持集電体３を配置したものである。また、セパレータ５は、両面にガスを流す溝を有し、かつ内部に冷却水を流す溝を有する導電性の板である。なお図５の例では内部の冷却溝は２枚のセパレータを接合して構成されている。
【０００４】
セパレータ５と膜／電解質接合体４を交互に複数積層することによりスタック（積層電池）が構成される。ガスや冷却水のシールは、ゴムシートやテフロンシートを間に挟んで行うことが多いが、イオン交換膜の弾性を利用して、膜自身でシールする場合もある。また、スタックの両端には金属の集電板（図示せず）を配置して外部電流取出し端子とし、さらに絶縁板を介して締付板を配置し、全体をボルト等で締め付けて一体化する。
上述した固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）は、１００℃以下の低温作動であるために、放熱損失が少なく、システムがコンパクト化できるメリットがあり、電気自動車等への可搬型電源として各国で精力的に研究されている。
【０００５】
図６は、メタノールを燃料とし、メタノール改質器とＰＥＦＣとを組み合わせた可搬電源の構成図である。この図において、メタノール改質器では、メタノールと水から、ＣＨ3 ＯＨ＋Ｈ2 Ｏ→３Ｈ2 ＋ＣＯ2 の反応により、水素と二酸化炭素が生成される。この反応温度は約３００℃前後であり、水とメタノールの蒸発及び改質反応に必要な熱は、燃料電池の未利用の水素を含む燃料排ガスおよび空気を燃焼させて供給される。かかる小型可搬電源は、例えば、電気自動車等の車両用電源として用いることができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
電気自動車等の車両用電源は、特に小型化と起動特性が要求される。すなわち、図６に示したＰＥＦＣ電源において、蒸発器は改質反応よりも大量の熱量を必要とするため大型になりやすくＰＥＦＣ電源自体の小型化を阻害する要因となっていた。また、車両用電源は短時間に起動／停止する必要があり、蒸発器の起動／停止時間の短縮化が要望されていた。
従来の蒸発器として、例えば、「メタノールリホーマーの蒸発器」（特公平２−４２７６２号）が開示されている。この蒸発器は、蒸発管内にメタノール水溶液を流し、外部からバーナで加熱するものである。この他に、同様に伝熱管内に被蒸発液を流し、その外側から電気ヒータ、燃焼ガスで加熱するのもの、容器内の被蒸発液内に電気ヒータ、燃焼ガスで加熱する加熱管を入れ、この加熱管により加熱するもの、等が知られている。
【０００７】
しかし、これら従来の蒸発器では、特に液体側の伝熱面積及び熱伝達率が小さく小型化が困難である問題点があった。また、従来の蒸発器では、熱容量が大きいため起動に時間がかかり、かつ停止後に余分な蒸気が大量に残存する問題点があった。更に、従来の蒸発器では、圧力制御及び流量制御が複雑である問題点があった。
【０００８】
本発明は上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、液体側の伝熱面積及び熱伝達率が大きく小型化が可能であり、短時間で起動ができ、かつ停止後の残存蒸気量が少なく、更に圧力制御及び流量制御が容易な燃料電池用蒸発器を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、内管（１１）と外管（１２）とからなる二重管（１３）と、内管及び外管に接しその間に挟持された円筒形の焼結金属管（１４）とからなり、内管及び／又は外管を加熱し、焼結金属管に被蒸発液を浸透させて蒸発させ、前記焼結金属管（１４）の外面に螺旋状に被蒸発液を供給するように、外管（１２）の内面に螺旋溝（１２ａ）が設けられ、かつ内管（１１）の外面に軸方向の延びる蒸気用の流路（１１ａ）が設けられている、ことを特徴とする燃料電池用蒸発器が提供される。
【００１０】
上記本発明の構成により、外管（１２）の内面の螺旋溝（１２ａ）から焼結金属管（１４）の外面に螺旋状に被蒸発液を供給し、焼結金属管に被蒸発液を浸透させ、これを加熱された内管及び／又は外管からの伝熱により焼結金属管内で蒸発させ、内管（１１）の外面に設けられた蒸気用の流路（１１ａ）を介して、燃料電池用の改質器等に供給することができる。
焼結金属管は、中実の金属材料に近い熱伝導率を有し、かつ比表面積が大きくことから、見掛けの容積が小さいにもかかわらず実質的な伝熱面積が大きい。また、被蒸発液（メタノール又は水、或いはその混合液）を表面張力で内部に浸透させて保有することができ、かつ内部で蒸発させて排出することができるので、高い熱伝達率を有する。従って、液体側の伝熱面積及び熱伝達率が大きく小型化が可能となる。
更に、内管及び／又は外管を加熱して焼結金属管を加熱することができるので、起動時には熱媒体を用いて内面から加熱し、定常時には燃焼ガスを用いて外面から加熱することができ、或いは一方又は両方を併用することができる。
また、焼結金属管を予熱した状態で保持し、被蒸発液を必要量だけ供給することにより、短時間で起動ができ、かつ停止後の残存蒸気量を少なくできる。
【００１１】
また、前記外管（１２）はその外周部に複数の伝熱フィン（１２ｂ）を有し、更に、前記二重管（１３）を囲む中空円筒形のシェル（１６）と、シェル内を複数の空間に仕切りかつそれぞれ貫通穴（１７ａ）を有するバッフル（１７）とを備え、シェル内に高温ガスが供給される。更に、前記内管（１１）の内側に加熱した熱媒体が供給される。
この構成により、バッフル（１７）の貫通穴（１７ａ）を通して、高温ガス（例えば燃焼ガス）を順次外管（１２）のまわりの伝熱フィン（１２ｂ）に接触させることができ、外管（１２）を介して焼結金属管を効率的に加熱することができる。また、内管（１１）に加熱した熱媒体を供給することにより、内管を介しても焼結金属管を加熱することができ、起動時や定常時にその一方を使用して、或いは両方を併用することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付して使用する。
図１は、本発明による燃料電池用蒸発器の全体構成図である。この図に示すように、本発明の燃料電池用蒸発器１０は、二重管１３を囲む中空円筒形のシェル１６と、シェル１６内を複数の空間に仕切りかつそれぞれ貫通穴１７ａを有するバッフル１７とを備える。二重管１３を構成する外管１２の外周部には複数の伝熱フィン１２ｂが取り付けられている。シェル１６の両端部は平板又は鏡板で閉じられており、この平板又は鏡板を二重管１３が貫通している。また、バッフル１７はシェル１６の軸線に垂直な仕切り板であり、シェル１６内をほぼ均等な複数（この図で５つ）の空間に仕切っている。バッフル１７の貫通穴１７ａは、仕切られた各空間の幅方向端部に交互に設けられている。また、シェル１６の両端部に位置する空間に高温ガス７を供給し排出する供給／排出口１６ａ，１６ｂがそれぞれ設けられている。なお、この図で９ａは、被蒸発液（メタノール又は水、或いはその混合液）であり、メタノール又は水を単独に蒸発させてもよく、或いは水・メタノールの混合液を蒸発させてもよい。また、９ｂは被蒸発液が蒸発した蒸気である。
【００１３】
この構成により、シェル１６内に高温ガス７を供給することにより、図に破線の矢印で示すように、バッフル１７の貫通穴１７ａを通して、高温ガス７（例えば燃焼ガス）を順次外管１２のまわりの伝熱フィン１２ｂに接触させることができ、外管１２を介してその内部（後述する焼結金属管）を効率的に加熱することができる。
更に、図１に示すように、この実施形態では、二重管１３を構成する内管１１の内側に加熱した熱媒体８を供給するようになっている。この構成により、内管１１を介しても二重管１３の内部（後述する焼結金属管）を加熱することができ、起動時や定常時にその一方を使用して、或いは両方を併用することができる。
【００１４】
図２は、図１のＡ部の拡大断面図であり、図３は、図２のＢ−Ｂ線における断面図である。図１及び図２に示すように、本発明の燃料電池用蒸発器１０は、内管１１と外管１２とからなる二重管１３と、内管１１及び外管１２に密着してその間に挟持された円筒形の焼結金属管１４とからなる。内管１１と外管１２とは、図２に示すように、その端部で溶接等により気密に接合されている。また、前述のように、外管１２の外周部には複数の伝熱フィン１２ｂが十分小さいピッチで取り付けられている。
【００１５】
焼結金属管１４は、金属粒子を充填して所望の形状（この場合、円筒形）に成形し、更に高温で焼結して粒子間を部分的にシンタリングさせたものである。本発明に用いる焼結金属管１４は、熱伝導率の高い金属粒子を用い、かつその粒子間の隙間に被蒸発液を表面張力で浸透させることができ、かつ表面張力で内部に保持することができるように平均の隙間が設定されている。
【００１６】
図１及び図２に示すように、本発明の燃料電池用蒸発器１０では、更に、焼結金属管１４の外面に螺旋状に被蒸発液９ａを供給するように、外管１２の内面に螺旋溝１２ａが設けられている。この螺旋溝１２ａには外管１２の端部に取り付けられた液供給管１２ｃから、被蒸発液９ａが供給される。
更に、内管１１の外面に軸方向の延びる蒸気用の流路１１ａが設けられている。この構成により、内管１１及び／又は外管１２を加熱し、焼結金属管１４に被蒸発液９ａを浸透させて蒸発させることができる。
【００１７】
上述した本発明の構成により、外管１２の内面の螺旋溝１２ａから焼結金属管１４の外面に螺旋状に被蒸発液９ａを供給し、焼結金属管１４に被蒸発液９ａを表面張力（毛細管現象）により浸透させ、これを加熱された内管１１及び／又は外管１２からの伝熱により焼結金属管１４内で蒸発させ、内管１１の外面に設けられた蒸気用の流路１１ａを介して、蒸気９ｂを燃料電池用の改質器等に供給することができる。
焼結金属管１４は、中実の金属材料に近い熱伝導率を有し、かつ比表面積が大きくことから、見掛けの容積が小さいにもかかわらず実質的な伝熱面積が大きい。また、被蒸発液９ａ（メタノール又は水、或いはその混合液）を表面張力で内部に浸透させて保有することができ、かつ内部で蒸発させて排出することができるので、高い熱伝達率を有する。従って、液体側の伝熱面積及び熱伝達率が大きく小型化が可能となる。
【００１８】
更に、内管１１及び／又は外管１２を加熱して焼結金属管１４を加熱することができるので、起動時には熱媒体８を用いて内面から加熱し、定常時には燃焼ガス７を用いて外面から加熱することができ、或いは一方又は両方を併用することができる。
また、焼結金属管１４を予熱した状態で保持し、被蒸発液９ａを必要量だけ供給することにより、短時間で起動ができ、かつ停止後の残存蒸気量を少なくできる。更に、供給した被蒸発液９ａの全量がそのまま蒸発するので、圧力制御及び流量制御を容易に行うことができる。
【００１９】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。
【００２０】
【発明の効果】
上述したように、本発明の燃料電池用蒸発器は、液体側の伝熱面積及び熱伝達率が大きく小型化が可能であり、短時間で起動ができ、かつ停止後の残存蒸気量が少なく、更に圧力制御及び流量制御が容易である、等の優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による燃料電池用蒸発器の全体構成図である。
【図２】図１のＡ部の拡大断面図である。
【図３】図２のＢ−Ｂ線における断面図である。
【図４】固体高分子型燃料電池の原理図である。
【図５】固体高分子型燃料電池の構造図である。
【図６】従来のメタノール改質器とＰＥＦＣとを組み合わせた可搬電源の構成図である。
【符号の説明】
１  イオン交換膜（高分子膜）
２  電極
３  支持集電体
４  膜／電解質接合体
５  セパレータ
７  高温ガス
８  熱媒体
９ａ  被蒸発液（メタノール又は水、或いはその混合液）
９ｂ  蒸気
１１  内管
１１ａ  蒸気流路
１２  外管
１２ａ  螺旋溝
１２ｂ  伝熱フィン
１２ｃ  液供給管
１３  二重管
１４  焼結金属管
１６  シェル
１７  バッフル
１７ａ  貫通穴
【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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