JP3554922B2

JP3554922B2 - Fuel evaporator

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Publication number: JP3554922B2
Application number: JP31599899A
Authority: JP
Inventors: 直行安部; 雅人中村; 隆宏立原; 秀一斗ヶ沢
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 1999-11-05
Filing date: 1999-11-05
Publication date: 2004-08-18
Anticipated expiration: 2019-11-05
Also published as: JP2001135332A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液体原燃料を蒸発させた原燃料ガスを改質して燃料電池に供給して発電を行う燃料電池システムに好適に適用することのできる燃料蒸発器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、メタノールと水の混合液などからなる液体原燃料を、原燃料噴射装置を介して燃料蒸発器内（蒸発室内）に噴射し、液体原燃料を蒸発させて原燃料ガスを得、次いで、この原燃料ガスを改質器で改質すると共に一酸化炭素を除去して水素リッチな燃料ガスにし、そして、この燃料ガスを燃料電池に供給して発電を行う燃料電池システムが知られている。ところで、このような構成の燃料電池システムが負荷変動の極端に大きい条件で使用される場合、例えば、燃料電池電気自動車に搭載されて使用される場合、出力アップの要求に応じて液体原燃料を急激に燃料蒸発器内に噴射すると、液体原燃料のすべてを蒸発させることができず、燃料蒸発器内に液体原燃料の液溜まり（以下「液溜まり」という）を生じることがある。また、燃料電池システムを起動する際など、燃料蒸発器が充分に温まっていない場合にも、蒸発に用いられる熱量が不足して液溜まりを生じやすい。
【０００３】
燃料蒸発器内に液溜まりが生じた場合、液体原燃料の噴射を停止しても内部で維持された熱により液溜まりが蒸発して、原燃料ガスを発生することになり、結果として、燃料蒸発器の応答性を悪くするので好ましくない。また、液体原燃料が混合物の場合は、生じた液溜まりは、蒸発しやすい成分から先に蒸発するため、原燃料ガスの組成にバラツキが生じ、改質器が充分に性能を発揮しない場合や、一酸化炭素が充分に除去できずに燃料電池の性能が低下する場合がある。また、燃料電池内の湿度調節をうまく行うことができず、燃料電池が所定の出力を発生しない場合もある。
【０００４】
このため、液溜まりの発生を有効に防止して燃料蒸発器の応答性を良くすると共に、燃料蒸発器の暖機を速やかに行うことができるように、本願出願人による特願平１１−１２５３６６号（未公開）には、図９に示すような燃料蒸発器１００が提案されている。この燃料蒸発器１００は、蒸発器本体１１０と、この蒸発器本体１１０の後段側に過熱器１３０、蒸発器本体１１０の上部に原燃料ガス噴射装置１４０を備える。
この燃料ガス蒸発器１００には、図示しない触媒燃焼器で、図示しない燃料電池で発生するオフガス（水素を含むガス）を触媒燃焼させた高温熱媒体たる燃焼ガスＨＧが、熱源として供給される。燃焼ガスＨＧは、入口部１１２ｉｎから蒸発器本体１１０内の蒸発室１１１に多数配されたＵ字型の熱媒チューブ１１２の内側を通り、出口部１１２ｏｕｔに達する。次いで、燃焼ガスＨＧは、蒸発室本体１１０の下部に設けられた燃焼ガス通路１１３を通って、蒸発器本体１１０の下流側に取り付けられた過熱器１３０に導かれる。メタノールと水の混合液などからなる液体原燃料ＦＬは、燃料噴射装置１４０から霧状に噴射され、熱媒チューブ１１２で熱せられて蒸発し、原燃料ガスＦＧになる。この原燃料ガスＦＧは、過熱部１３０の蒸気チューブ１３１の内側を通って過熱され、過熱部１３０後段の図示しない改質器に導かれる。
【０００５】
この燃料蒸発器１００は、蒸発器本体１１０における蒸発室１１１の下面１１１ｂが燃焼ガス通路１１３の上面１１３ｔを兼ねるものである。従って、蒸発室１１１の下面１１１ｂからも熱が供給されるため、液溜まりの発生が防止され、また液溜まりが生じた場合も速やかに蒸発する。従って、燃料蒸発器１００の応答性が良くなる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、燃焼ガスＨＧは熱媒チューブ１１２の上側から入って下側に排出され、熱媒チューブ１１２の上側で液体原燃料ＦＬが噴射される。このため、燃焼ガスＨＧの温度は、熱媒チューブ１１２の下側（熱媒チューブ出口１１２ｏｕｔ側）の方が低くなる。また、熱媒チューブ１１２は、図１０に示すように、上下（垂直）及び左右（水平）方向で均一な配置である。従って、蒸発室１１１の上部ほど液体原燃料ＦＬを蒸発させやすくなっている。このような構成の場合、蒸発室１１１の上部で蒸発し切れなかった液体原燃料ＦＬが、蒸発室１１１の下部に滴下などして下方に移動しても、蒸発室１１１の下部における熱量が不足して蒸発し切れないことがあり、液溜まりを生じやすいという新たな課題が見出された。さらには、蒸発室１１１の下部における熱量が不足するために、生じた液溜まりが蒸発しづらいという新たな課題も見出された。
なお、図１０は、図９のＣ−Ｃ’線断面図である。
【０００７】
ところで、熱媒チューブ１１２の表面において膜沸騰が生じると、表面張力により、膜沸騰を起こしている部分に未蒸発の液体原燃料が集まりやすくなる。このため、熱媒チューブ１１２同士の間にまたがる大きな液滴（膜沸騰を起こしている液滴）が成長し、この状態が保持されることがある。このような場合、膜沸騰を起こしている部分においては、伝熱量が低減すると共に、噴射された液体原燃料ＦＬの通路を塞ぐことになる。このため、その下方（下流）に位置する熱媒チューブ１１２には、噴射された液体原燃料ＦＬがあたらないことになり、液体原燃料ＦＬの蒸発にあまり寄与しない熱媒チューブ１１２が存在することになる。従って、膜沸騰の発生の抑制と、膜沸騰が生じた場合に、膜沸騰を起こしている部分を成長させないことが新たな課題として見出された。
【０００８】
そこで、本発明は、効率良く液体原燃料を蒸発させ、燃料電池電気自動車の燃料電池システムにも好適に適用することのできる燃料蒸発器を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決した本発明の燃料蒸発器は（請求項１）、高温熱媒体が通される複数本の熱媒チューブから得られる熱により液体原燃料を蒸発させて原燃料ガスを生成する蒸発室を備えた燃料蒸発器である。そして、前記蒸発室には前記液体原燃料を前記熱媒チューブに噴射する原燃料噴射部が配され、前記熱媒チューブは、前記原燃料噴射部に近い熱媒チューブが疎、前記原燃料噴射部から離れた熱媒チューブが密となるよう配されるものである。つまり、熱媒チューブは、原燃料噴射部に近いものが疎、離れたものが密となるよう配されるものである。
【００１０】
この構成によれば、原燃料噴射部から離れた部分に熱媒チューブが密に配されるので、原燃料噴射部から離れた部分に高温部が形成される。従って、原燃料噴射部で霧状に噴射された液体原燃料のうち、原燃料噴射部の近傍で蒸発し切れなかった未蒸発の液体原燃料（蒸発しづらいタフな液体原燃料など）を蒸発させるに際して、いわば、原燃料噴射部の近傍を未蒸発の液体原燃料に対する温度上昇領域（顕熱分の熱を付与）として使用し、遠方（原燃料噴射部から離れた部分）を未蒸発の液体原燃料に対する蒸発領域（潜熱分の熱を付与）として使用するものである。もちろん、噴射された液体原燃料の多くは、原燃料噴射部の近傍で蒸発され、原燃料ガスになる。
また、熱媒チューブは原燃料噴射部に近いものが疎、つまり、原燃料噴射部の近傍に位置する熱媒チューブの間隔を広くしてあるので、原燃料噴射部の近傍においては、膜沸騰を起こしても熱媒チューブ間（水平方向及び／又は垂直方向）にまたがるような大きな液滴にまで成長しづらい。従って、原燃料噴射部の近傍において、噴射された液体原燃料の通路が確保されることになり、このため液体原燃料が蒸発室に広く行き渡る。
従って、本発明の燃料蒸発器は、蒸発効率が極めて良く、液溜まりを生じ難いものである。
なお、本発明が適用される熱媒チューブは、直管からなるもの、あるいはＵ字型やＳ字型に屈曲した配管からなるものなど、配管の形式や形状を問わない。
【００１１】
また、請求項２では、熱媒チューブを、（ａ）水平方向の間隔を広くするか、（ｂ）垂直方向の間隔を広くするか、（ｃ）水平方向・垂直方向共に間隔を広くするかして、原燃料噴射部に近いものが疎となり、離れたものが密となるようにした。
また、請求項３では、熱媒チューブの太さを調整することにより、原燃料噴射部に近いものは隙間が広くなって疎となり、離れたものは隙間が狭くなって密となるようにした。
また、請求項４では、箱型に形成された蒸発室の少なくとも１面が、前記熱媒チューブを通流した高温熱媒体の通路によりに加熱される構成とした。
また、請求項５では、液体原燃料の液溜まりが生じる場所が、高温ガスを発生させる触媒燃焼器により加熱される構成とした。
また、請求項６では、蒸発室の上部に原燃料噴射部が配され、蒸発室における上方に位置する熱媒チューブが疎、蒸発室における下方に位置する熱媒チューブが密となるようにした。
また、請求項７では、熱媒チューブが疎に配された部分と密に配された部分の間で屈曲するように構成した。
なお、上記構成において、配管のサイズを太いもの細いものを織り交ぜて配したり、配管の長さを長いもの短いものを織り交ぜて配したり、配管の配置を疎密を織り交ぜて配したり、これらを適宜組み合わせて配する構成にすれば、共振による騒音や機器の破損を回避することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る実施の形態の燃料蒸発器を、図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本実施の形態の燃料蒸発器が適用される燃料電池システムの構成図である。図２は、本実施の形態の燃料蒸発器の一部破断平面図である。図３は、図２のＡ−Ａ’線断面図である。図４は、図２のＢ−Ｂ’線断面図である。
なお、本実施の形態において、高温熱媒体は触媒燃焼器２０が触媒燃焼を行うことにより生じた燃焼ガスＨＧであり、そして、高温熱媒体通路は燃焼ガス通路１３である。
【００１３】
〔燃料電池システム〕先ず、本実施の形態の燃料蒸発器１を含んで構成される燃料電池システムＦＣＳの構成及び作用を、図１を参照して説明する。燃料電池システムＦＣＳは、燃料蒸発器１、改質器２、ＣＯ除去器３、空気圧縮機４、燃料電池５、気液分離装置６、燃焼バーナ７、そして、液体原燃料タンクＴを含んで構成される。
【００１４】
燃料蒸発器１は、蒸発器本体１０、触媒燃焼器２０、過熱部３０、原燃料噴射装置４０を有する。この燃料蒸発器１は、液体原燃料タンクＴからポンプＰで圧送されたメタノール・水混合液などの液体原燃料を、原燃料噴射装置４０を介して高温に加熱された蒸発器本体１０内に噴射して、液体原燃料を蒸発させて原燃料ガスにするものである。なお、液体原燃料を蒸発させる熱源は、触媒燃焼器２０から供給される高温熱媒体たる燃焼ガスであり、この燃焼ガスは燃料電池１のオフガスなどを触媒燃焼器２０で触媒燃焼させることにより得られる。このようにして得られた原燃料ガスは、加熱部３０で過熱され改質器２に供給される。この燃料蒸発器１については、後に詳細に説明する。
【００１５】
改質器２は、水蒸気改質と部分酸化により燃料蒸発器１から供給される原燃料ガスを水素リッチな燃料ガスに改質する。水蒸気改質及び部分酸化は、改質器２内に設けた触媒の作用により反応が促進される。なお、原燃料ガスの部分酸化を行うため、改質器２には、空気圧縮機４などから図示しない配管により空気が供給される。
【００１６】
このようにして得られた燃料ガスは、ＣＯ除去器３により、触媒の存在下一酸化炭素の選択酸化反応が行われる。これにより、燃料ガス中の一酸化炭素が二酸化炭素に転換されて除去される。一酸化炭素を除去するのは、燃料電池５（固体高分子型）の白金触媒が被毒されるのを防止して、燃料電池５の寿命を長くするためである。ＣＯ除去器３は、Ｎｏ．１−ＣＯ除去器３ａとＮｏ．２−ＣＯ除去器３ｂを有し、燃料ガス中の一酸化炭素の濃度を可及的に低減する。なお、ＣＯ除去器３において、逆シフトやメタネーションなどの好ましくない反応が起こらないように、図示しない熱交換器により燃料ガスの温度調節が行われる。
【００１７】
空気圧縮機４は、空気を圧縮して燃料電池６が必要とする酸素を供給する。また、空気圧縮機４は、前記のとおり、改質器２における部分酸化用の空気を供給する。さらに、空気圧縮機４は、Ｎｏ．２−ＣＯ除去器３ｂにも空気を供給し、燃料ガス中の一酸化炭素を二酸化炭素に転換する。なお、この空気圧縮機４の動力として、燃料電池５から排出されるオフガスが膨張する際のエネルギーを利用することができる。
【００１８】
燃料電池５は、前記のとおり固体高分子型である。燃料電池５の水素極には一酸化炭素が除去された燃料ガスが供給され、燃料電池５の酸素極には、空気圧縮機４からの空気が供給される。燃料電池５の内部では、白金触媒の存在下、電気化学反応により水素と酸素から水を生じると共に、電気を生じる。この電気は、電気自動車の動力源などとして使用することができる。
【００１９】
燃料電池５の水素極からは、未利用の水素を含むオフガス及び生成した水が排出されるが、これらは、気液分離装置６により気体と液体とに分離される。オフガスは、燃料電池システムＦＣＳの起動時には、燃焼バーナ７に供給されて燃やされ、触媒燃焼器２０などを暖機する。また、オフガスは、燃料電池システムＦＣＳの暖機終了後には、燃焼バーナ７で燃やされることなく燃料蒸発器１に供給され、触媒燃焼器２０で触媒燃焼され液体原燃料を蒸発させる熱源などに使用される。なお、燃料電池システムＦＣＳの起動時には、触媒燃焼器２０にはオフガスの代わりに触媒燃焼用の燃料（メタノールなど）が供給される。
以上が、本実施の形態の燃料蒸発器１が使用される燃料電池システムＦＣＳの構成及び作用である。
【００２０】
〔燃料蒸発器〕次に、本発明を具現化した燃料蒸発器の説明を行う（図２〜図４参照）。
【００２１】
燃料蒸発器１は、蒸発器本体１０、触媒燃焼器２０、過熱器３０、原燃料噴射装置４０を含んで構成される。
これらの概略的な位置関係を説明すると、蒸発器本体１０は触媒燃焼器２０の上部、過熱器３０は蒸発器本体１０の一側面に、原燃料噴射装置４０は蒸発器本体１０の上部に、それぞれ取り付けられる。
【００２２】
蒸発器本体１０は、その内側にＵ字型の熱媒チューブ１２が複数本配された箱型をした蒸発室１１を有する。図４に示すように、蒸発室下面１１ｂは、複数本配された熱媒チューブ１２の内、最下層に位置する熱媒チューブ１２の形状（配置）に応じて断面波形に構成され、大きな液溜りが生じないようになっている。蒸発室下面１１ｂと最下層に位置する熱媒チューブ１２ｂの間にはわずかな隙間が設けてあり、振動などにより両者が接触しないようになっている。蒸発室１１の正面は、熱媒チューブ１２を保持する熱媒チューブ保持板１２ａにより塞がれ、燃焼ガスＨＧと原燃料ガスＦＧとが混じり合わないようになっている。熱媒チューブ１２は、その両端が開放されており、燃焼ガスＨＧは、熱媒チューブ１２の下部側の端部（熱媒チューブ入口１２ｉｎ）からこの熱媒チューブ１２の中に入り、熱媒チューブ１２の上部側の端部（熱媒チューブ出口１２ｏｕｔ）から抜け出る構造になっている。この熱媒チューブ出口１２ｏｕｔが、後に説明する燃焼ガス通路１３の起端になる。
なお、この蒸発器本体１０は、蒸発室１１内で液体原燃料ＦＬを蒸発して原燃料ガスＦＧにするが、原燃料ガスＦＧは、通気手段１４を通って過熱器３０に導かれる。通気手段１４は、小孔がたくさんあいたパンチングプレートなどから構成され、液体原燃料ＦＬの飛沫などの液滴が過熱器３０に入り込まないようにしている。ちなみに、蒸発室１１内で充分に液体原燃料ＦＬの蒸発が行われ、原燃料ガスＦＧが図１に示す改質器２に達するまでの間に凝縮しない場合には、蒸発室１１内で蒸発した原燃料ガスＦＧを、過熱器３０を通さずにそのまま改質器２に導入してもよい。
【００２３】
触媒燃焼器２０は、蒸発器本体１０と同様に箱型をしており、その内部にハニカム形状の触媒からなる触媒層２２を有し、被燃焼体である燃料電池５の水素極のオフガス、即ち、水素と酸素の混合ガスを触媒燃焼して、高温の燃焼ガスＨＧを発生させる。この媒燃焼器２０は、蒸発室下面１１ｂにその上面（触媒燃焼器上面２０ｔ）が密接して設けられている。このように密接することにより、触媒燃焼器２０から発生する熱を蒸発室下面１１ｂに伝導伝熱により伝えることができる。ところで、蒸発室下面１１ｂは、液溜まりが生じる場所であるので、蒸発室下面１１ｂが加熱されることにより、液溜まりの発生防止及び発生した液溜まりの速やかな蒸発を図ることができる。また、触媒燃焼器２０の廃熱の有効利用が図られる。なお、触媒燃焼器上面２０ｔが蒸発室下面１１ｂを兼ねるものであってもよい。
【００２４】
この触媒燃焼器２０には、燃焼ガスＨＧを触媒燃焼器出口２３から熱媒チューブ入口１２ｉｎに導く断面半円状の隔壁板２４が取り付けられている。この隔壁板２４により、触媒燃焼器出口２３（及び熱媒チューブ入口１２ｉｎ）と熱媒チューブ出口１２ｏｕｔの燃焼ガスＨＧが混合しないようになっている。
この触媒燃焼器２０や触媒層２２（ハニカム材料）の材質としては、高温に耐え、耐蝕性もあるステンレス鋼（例えばＳＵＳ３１６）などが適している。
【００２５】
過熱部３０は、蒸発室出口１１ｏｕｔの下流側に、蒸発器本体１０の一側面から突出して取り付けられる。この過熱部３０はシェル＆チューブ式の熱交換器であり、管側（蒸気チューブ３１側）に原燃料ガスＦＧを通し、胴側（過熱室３２側）に燃焼ガスＨＧを通し、凝縮性の原燃料ガスＦＧを燃焼ガスＨＧで過熱して乾き蒸気にし、原燃料ガスＦＧの凝縮を防止する。
【００２６】
原燃料噴射装置４０は、１流体ノズルの噴射装置であり、液体原燃料ＦＬを蒸発室１１内に噴射するものである。この原燃料噴射装置４０は、蒸発室上面１１ｔに取り付けられているが、高温の燃焼ガスＨＧの保有熱量を有効に利用するため、液体原燃料ＦＬは、蒸発室１１内に多数備える熱媒チューブ１２に沿う方向（熱媒チューブ１２の保持板１２ａに向かう方向）を主として噴射される。
【００２７】
燃料蒸発器１は、燃焼ガス通路１３を有するが、ここで説明する燃料蒸発器１は、燃料蒸発器正面１ｆの全面、燃料蒸発器一側面１ｓの全面、及び燃料蒸発器後面１ｒ（蒸発器室後面１１ｒ部分）に、熱媒チューブ出口１２ｏｕｔを起端として、過熱器３０の過熱室３２に至る燃焼ガス通路１３が配設されている。なお、ここで説明する燃焼ガス通路１３は、蒸発室一側面１１ｓ及び蒸発室後面１１ｒばかりでなく、触媒燃焼器２０の隔壁板２４及び触媒燃焼器一側面２０ｓも併せて覆う構造を有する。
【００２８】
次に、燃料蒸発器１の動作及び作用について説明する。
蒸発室下面の加熱；触媒燃焼器２０は、燃料電池５のオフガスＯＧが供給され、触媒燃焼により燃焼して燃焼ガスＨＧを生成する。同時に、触媒燃焼により、触媒燃焼器２０自身の温度が上昇し、触媒燃焼器２０の外表面が高温（約３００℃）になることで蒸発室下面１１ｂが加熱され、液溜まりの発生を防止し、また発生した液溜まりを迅速に蒸発させる。
【００２９】
燃焼ガスの流れ；触媒燃焼器２０によりオフガスＯＧを触媒燃焼させて生成した６５０〜７００℃の高温の燃焼ガスＨＧは、図２〜図４に示す▲１▼〜▲７▼の順に燃料蒸発器１の内部を巡り、液体原燃料ＦＬの蒸発や蒸発室１１の加熱・保温、及び加熱部３０において原燃料ガスＦＧの過熱を行って、排気ダクト３３から排出される。なお、熱媒チューブ出口１２ｏｕｔにおける燃焼ガスの温度は約３５０℃であり、過熱部３０の入口における燃焼ガスの温度は約３００℃である。
【００３０】
原燃料ガスの流れ；液体原燃料タンクＴに貯蔵された液体原燃料ＦＬは、ポンプＰで圧送され、原燃料噴射装置４０から蒸発室１１内に噴射される。
噴射された液体原燃料ＦＬは、蒸発室１１内で蒸発して原燃料ガスＦＧになり、過熱部３０を通過して図１に示す改質器２に導入される。
【００３１】
〔熱媒チューブの配置〕
以下、原燃料噴射部に近いものが疎、離れたものが密となるよう配された熱媒チューブの配置について説明する。
本実施の形態の燃料蒸発器１は、原燃料噴射部４０ａが蒸発室上面１１ｔに配されている（図３など参照）。従って、熱媒チューブ１２は、原燃料噴射部４１ａに近い蒸発室上部１１ｕで疎に、原燃料蒸発部４１ａから離れた蒸発室下部１１ｄで密に配される。
この熱媒チューブ１２の配置の例を、図４から図６に示す。
なお、図４は、図２のＢ−Ｂ’線断面図であり、熱媒チューブの配置を示す。図５は、図４とは異なる熱媒チューブの配置を示す概略断面図である（図４と同じ位置での断面図）。図６は、図４及び図５とは異なる熱媒チューブの配置を示す概略断面図である（図４と同じ位置での断面図）。
【００３２】
（１）先ず、図４を参照して第１例目の熱媒チューブの配置を説明する。ここでの熱媒チューブ１２は、前記のとおりＵ字型をした配管である。
この熱媒チューブ１２の管内を燃焼ガスＨＧが、蒸発室下部１１ｄから蒸発室上部１１ｕに向けて通流する。蒸発室上部１１ｕにおける熱媒チューブ１２同士の間隔は、上下方向及び左右方向とも広くなっている。蒸発室下部１１ｄにおける熱媒チューブ１２同士の間隔は、上下方向及び左右方向とも詰まっている。従って、熱媒チューブ１２は、蒸発室１１内に上方（蒸発室上部１１ｕ）に疎で下方（蒸発室下部１１ｄ）に密となるように配されている。なお、このような熱媒チューブ１２の配置とするため、蒸発室１１は逆台形の構造をしており、蒸発室上部１１ｕの方が蒸発室下部１１ｄよりも広い空間（広い断面積）を有する。
そして、液体原燃料ＦＬは、蒸発室上面１１から噴射される。
【００３３】
この図４に例示した熱媒チューブの配置の場合、熱媒チューブ１２が密に配されている蒸発室下部１１ｄに高温部が形成される。従って、蒸発室上部１１ｕから噴射された液体原燃料ＦＬのうち、蒸発室上部１１ｕで未蒸発のものは（多くは蒸発室上部１１ｕで蒸発するが）、蒸発室下部１１ｄに向かって温度を上昇しつつ移動・滴下し（一部蒸発しつつ）、蒸発室下部１１ｄで完全に蒸発して液体原燃料ＦＧになる。つまり、未蒸発の液体原燃料ＦＬを蒸発させるに際して、いわば蒸発室上部１１ｕが未蒸発の液体原燃料ＦＬに対する温度上昇領域として使用され、蒸発室下部１１ｄが未蒸発の液体原燃料ＦＬに対する蒸発領域として使用される。なお、未蒸発の液体原燃料ＦＬとは、蒸発室上部１１ｕで蒸発し切れなかった液体原燃料ＦＬを意味する。
また、蒸発室上部１１ｕの熱媒チューブ１２同士の間隔を広くしてあるので、蒸発室上部１１ｕにおいては、膜沸騰を起こしても、この膜沸騰の部分は、熱媒チューブ１２同士の間にまたがるような大きな液滴にまで成長しづらい。つまり、大きく成長するまでに、液体原燃料ＦＬの噴射に起因する気流により吹き飛ばされたり、重力で滴下しやすい。従って、蒸発室上部１１ｕから噴射された液体原燃料ＦＬは、満遍なく蒸発室１１に行き渡りやすくなる。なお、蒸発室下部１１ｄに膜沸騰により、熱媒チューブ１２同士の間にまたがる液滴が成長しても、噴射された液体原燃料ＦＬの通路の支障という面からは大きな問題ではない。また、蒸発室上部１１ｕに配された熱媒チューブ１２に膜沸騰が生じて大きく成長しても、重力により下方に滴下（落下）しやすい。仮に、滴下したところに膜沸騰部分があれば、この膜沸騰部分を滴下による衝撃で打ち砕くことができる。つまり、蒸発室の上方で膜沸騰を生じてもこの膜沸騰を起こしている部分は滴下しやすく、滴下した場合には、細かく分断されながら（受熱面積を大きくしながら）、また、下方にある膜沸騰部分を打ち砕きながら（受熱面積を大きくしながら）滴下する。従って、燃焼室１１全体として、熱媒チューブ１２の表面に膜沸騰を生じ難く、かつ膜沸騰部分が大きく成長しづらい（蒸発しやすい）熱媒チューブの配置となる。
なお、蒸発室下部１１ｄは高温部になるので、液溜まりが生じても蒸発しやすい。
【００３４】
（２）次に、図５を参照して第２例目の熱媒チューブの配置を説明する。
熱媒チューブ１２は、図４に例示した熱媒チューブの配置と同じくＵ字型をした配管であり、燃焼ガスＨＧが蒸発室下部１１ｄから蒸発室上部１１ｕに向けて、この熱媒チューブ１２の内側を通流する。また、蒸発室１１の断面形状についても、図４に例示した熱媒チューブの配置と同じく逆台形をしている。この図５に例示した熱媒チューブの配置は、図４に例示した熱媒チューブの配置よりも、熱媒チューブ１２同士の間隔が広く取ってある。
【００３５】
この図５に例示した熱媒チューブの配置も、基本的に図４に例示した熱媒チューブの配置と同じ動作及び作用を示すが、加えて、この図５に例示した熱媒チューブの配置の場合は、熱媒チューブ１２同士の間隔が離れているため、膜沸騰を起こした際にも、膜沸騰を起こしている部分が、より滴下しやすいという利点がある。
【００３６】
（３）さらに、図６を参照して第３例目の熱媒チューブの配置を説明する。熱媒チューブは、図４及び図５に例示した熱媒チューブの配置と同じくＵ字型をした配管であり、燃焼ガスＨＧが蒸発室下部１１ｄから蒸発室上部１１ｕに向けて、この熱媒チューブ１２の内側を通流する。なお、蒸発室１１の断面幅は、図４及び図５に例示した熱媒チューブの配置と異なり蒸発室上部１１ｕと蒸発室下部１１ｄとで同じ幅である。従って、各熱媒チューブ１２同士の左右の間隔は、蒸発室上部１１ｕと蒸発室下部１１ｄとで同じである。ただし、各熱媒チューブ１２同士の上下の間隔は、蒸発室上部１１ｕの方が広い。
【００３７】
この図６に例示した熱媒チューブの配置の場合、熱媒チューブ１２が密に配されている蒸発室下部１１ｄに高温部が形成される。従って、前記のとおり、未蒸発の液体原燃料ＦＬを蒸発させるに際して、蒸発室上部１１ｕが未蒸発の液体原燃料ＦＬの温度上昇領域として使用され、蒸発室下部１１ｄが未蒸発の液体原燃料ＦＬに対する蒸発領域として使用される。これにより、効率良く液体原燃料ＦＬを蒸発させることができる。また、蒸発室下部１１ｄは高温部であるので、液溜まりが生じ難く、仮に、液溜まりが生じた場合は蒸発しやすい。
さらに、蒸発室上部１１ｕにおいて、上下方向に熱媒チューブ１２同士の間隔が広くしてあるので、熱媒チューブ１２同士に上下方向にまたがるような膜沸騰部分を生じ難い（滴下しやすい）。
【００３８】
このように、本実施の形態の燃料蒸発器は、効率良く液体原燃料が蒸発し、かつ液溜まりが生じ難く、生じた液溜まりは蒸発しやすいものである。また、上下方向（垂直方向）及び／又は左右方向（水平方向）の熱媒チューブの配置を蒸発室の上方（蒸発室上部）で疎にすることにより、伝熱や噴射された液体原燃料の通路を阻害するような膜沸騰部分を生じ難い。
ちなみに、上記３つの例は、蒸発室上部と蒸発室下部で、熱媒チューブが疎密に配されているため共振点がずらされ、よって、騒音の問題や振動による機器類の破損の問題などを解消することができる。
【００３９】
〔変更態様〕
なお、従来例においては、次のような課題があった（図９及び図１０参照）。燃焼ガスＨＧが、蒸発室１１１の下部から上部に向けてＵ字型の熱媒チューブ１１２を通流する場合、一旦液溜まりが生じるとこの液溜まりの部分に位置する熱媒チューブ１１２を通流する燃焼ガスＨＧの温度が下がってしまう（温度が下がった状態で今度は蒸発室１１１の上部側を通流することになる）。従って、この温度が下がった燃焼ガスＨＧが通流する熱媒チューブ１１２に液体原燃料ＦＬを噴射しても、噴射された液体原燃料ＦＬを充分に蒸発させることができないため、未蒸発のまま滴下して液溜まりを増長しやすい。
一方、燃焼ガスＨＧが、蒸発室の上部から下部に向けてＵ字型の熱媒チューブ１１２を通流する場合、前記のとおり、液体原燃料ＦＬが噴射される部分に位置する熱媒チューブ１１２を通流する燃焼ガスＨＧの温度が下がってしまう。従って、蒸発室１１１の下部におけるこの温度が下がった燃焼ガスＨＧが通流する熱媒チューブ１１２の部分で液溜まりが生じた場合、この部分における液溜まりが蒸発しづらい。
【００４０】
以下、上記課題を解決する変更態様に係る燃料蒸発器について説明する。なお、すでに説明した本発明に係る実施の形態の燃料蒸発器と共通する部材及び要素については、同一の符号を付して、その説明を省略する。
変更態様に係る熱媒チューブの配置は、蒸発室１１内に複数本配された熱媒チューブ１２のうち、所定の熱媒チューブ１２が、燃焼ガスＨＧの流れの方向に応じて、蒸発室上面１１ｕあるいは蒸発室下面１１ｄからオフセットされて配されている。所定の熱媒チューブ１２がオフセットされて配されている熱媒チューブの配置の例を、図７及び図８に示す。なお、原燃料噴射部４０ａは、蒸発室上面１１ｕに配されることとする。
図７は、変更態様に係る燃料蒸発器の熱媒チューブの配置を示す概略断面図である（図４と同じ位置での断面図）。図８は、図７とは異なる変更態様に係る熱媒チューブの配置を示す概略断面図である（図４と同じ位置での断面図）。
【００４１】
（１）先ず、図７を参照して変更態様に係る熱媒チューブの配置を説明する。ここでの熱媒チューブ１２は、Ｕ字型をした配管である。
この熱媒チューブ１２の管内を燃焼ガスＨＧが、蒸発室下部１１ｄから蒸発室上部１１ｕに向けて通流する。蒸発室上部１１ｕにおける熱媒チューブ１２は、一つ置きに蒸発室下面１１ｂからオフセットされている（蒸発室下面１１ｂから離間されいる）。オフセットされた熱媒チューブ１２は、蒸発室上部１１ｕにおいて、オフセットされた分だけ蒸発室上面１１ｔ側に近接して配されている。なお、オフセットした熱媒チューブ１２とオフセットしなかった熱媒チューブ１２とを、蒸発室上部１１ｕにおいて、同じ高さにして並べて配してもよい。
そして、液体原燃料ＦＬは、蒸発室上面１１から噴射される。
【００４２】
この図７に例示した熱媒チューブの配置の場合、上記のように、多数配された熱媒チューブ１２のうち所定の（一つ置きの）熱媒チューブ１２が蒸発室下面ｂからオフセットして配されている。このため、仮にオフセットされている部分に液溜まりが生じても、この熱媒チューブ１２を通流する燃焼ガスＨＧは、オフセットされていない場合よりも温度低下が少ない状態で（液溜まり部分で熱を奪われない状態で）燃焼室上部１１ｕに向かうことができる。従って、オフセットされた熱媒チューブ１２は、オフセットされていない場合よりも、蒸発室上部１１ｕにおいて、噴射された液体原燃料を蒸発させる能力が高い。このため、噴射された液体原燃料を蒸発室上部１１ｕで良く蒸発させて、液体原燃料ＦＬが蒸発室下部１１ｄに滴下するのを防ぐことができる。即ち、さらなる液溜まりの増長を防止することができる。
【００４３】
（２）次に、図８を参照して図７とは異なる変更態様に係る熱媒チューブの配置を説明する。ここでの熱媒チューブ１２も、Ｕ字型をした配管である。
図７に例示した熱媒チューブの配置と異なり、燃焼ガスＨＧは、この熱媒チューブ１２の内側を、蒸発室上部１１ｕから蒸発室下部１１ｄに向けて通流する。蒸発室上部１１ｕにおける熱媒チューブ１２は、一つ置きに蒸発室上面１１ｔからオフセットされている（蒸発室上面１１ｔから離間されいる）。オフセットされた熱媒チューブ１２も、オフセットされていない熱媒チューブ１２も、蒸発室下面１１ｂｔに近接して配されている。
そして、液体原燃料ＦＬは、蒸発室上面１１から噴射される。
【００４４】
この図８に例示した熱媒チューブの配置の場合、上記のように、多数配された熱媒チューブ１２のうち所定の（一つ置きの）熱媒チューブ１２が蒸発室上面１１ｔからオフセットして配されている。このため、蒸発室上面１１ｔから噴射された液体原燃料ＦＬは、オフセットされていない熱媒チューブ１２に当たりやすい（噴射されやすい）。従って、オフセットされている熱媒チューブ１２を通流する燃焼ガスＨＧは、オフセットされていない場合よりも温度低下が少ない状態で（噴霧により熱を奪われない状態で）燃焼室下部１１ｄに向かうことができる。従って、オフセットされた熱媒チューブ１２は、オフセットされていない場合よりも、蒸発室下部１１ｄにおいて、液溜まりを蒸発させる能力が高い。このため、液溜まりを良く蒸発させることができる。
【００４５】
このように、変更態様に係る燃料蒸発器の熱媒チューブの配置は、液溜まりが生じた場合の液溜まりによる燃焼ガスの温度低下と、蒸発室上部における噴射された液体原燃料を蒸発させる能力の調和を取って、液体原燃料を安定的に蒸発させることができる。
また、蒸発室上部における噴射された液体原燃料による燃焼ガスの温度低下と、蒸発室下部における生じた液溜まりを蒸発させる能力の調和を取って、液体原燃料を安定的に蒸発させることができる。
さらに、蒸発室内において、多数配された熱媒チューブのうち所定の熱媒チューブがオフセットして配されているため共振点をずらすことができ、騒音の問題や振動による機器類の破損の問題などを解消することができる。
なお、この変更態様は、薄型の燃料蒸発器を構成する場合に好適に適用することができるものである。
【００４６】
ちなみに、図３に示すように、本発明に係る実施の形態の燃料蒸発器１では、熱媒チューブ１２は、外層、中間層、内層の３層構造に配されている。
このうち、外層の熱媒チューブ１２は、最下部（蒸発室下面１１ｂ近傍）を通って、最上部（蒸発室上面１１ｔ近傍）に回り込み、原燃料噴射部４０ａから噴射された液体原燃料ＦＬに最初に接する。従って、液溜まりが生じた場合（最下部に生じる）は、外層の熱媒チューブ１２を通流する燃焼ガスＨＧは、最下部で液溜まりにより冷やされた後、最上部に回り込むことになる。このため、噴射された液体原燃料を蒸発させる熱量が、液溜まりを生じなかった場合よりも不足することになる。
しかし、中層及び内層の熱媒チューブ１２は、液溜まりに接しない程度に蒸発室下面１１ｂからオフセットされている。このため、中層及び内層の熱媒チューブ１１を通流する燃焼ガスＨＧは、液溜まりに大きく熱を奪われることなく上方に回り込む。従って、最上層の熱媒チューブ１２で蒸発し切れなかった液体原燃料が下方に移動してきても、中層及び内層の熱媒チューブ１２は、充分な熱量を有しているので、これを蒸発させることができる。また、本発明に係る実施の形態の燃料蒸発器１は、蒸発室下部１１ｄに熱が集中するようになっている。
つまり、上記変更態様で示した課題は、本発明に係る実施の形態に示した燃料蒸発器により解決されるものである。
【００４７】
以上説明した本発明は、上記実施の形態に限定されることなく広く変形実施することができる。
例えば、熱媒チューブの配置は、熱媒チューブがＵ字型の場合に限らず、直管やＳ字型などの管にも適用することができる。また、原燃料噴射部に近い配管の直径を細くし、原燃料噴射部から離れた配管の直径を太くすることによっても、原燃料噴射部に近いものが疎、離れたものが密となるように熱媒チューブを配することができる。
なお、熱媒チューブ同士の間隔は、本発明の効果を阻害しない範囲で、広狭の調節を適宜行うことができる。同様に、蒸発室上部における蒸発室上面と熱媒チューブとの間の空間（ヘッドスペース）の広さも、本発明の効果を阻害しない範囲で、広狭の調節を適宜行うことができる。また、熱媒チューブの断面の形状について、蒸発室下部に配されるものは、熱媒チューブの表面積を広くするため断面半円形などに構成してもよい。
【００４８】
なお、触媒燃焼器は、燃焼バーナや電熱ヒータなどに置きかえることもできる。また、燃焼ガスを空気などと熱交換して高温ガスを得、これを燃焼ガスの代わりに蒸発室や過熱部に導いてもよい。また、燃料電池は、固体高分子型に限らず、燐酸型の燃料電池（ＰＡＦＣ）などであってもよい。
さらに、本発明の効果を阻害ないし範囲で、共振の抑制を目的として、熱媒チューブの長さ、径、肉厚、断面形状、材質（セラミックなど）を、適宜選択して使用してもよい。ちなみに、燃料電池電気自動車は、ガソリンエンジン自動車などに比べて音が静かであるので、従来の観点とは異なる観点での騒音防止対策がが求められることになる。
【００４９】
【発明の効果】
本発明によれば、蒸発室内の原燃料噴射部に近い部分と原燃料噴射部から離れた部分の熱バランスにより効率良く液体原燃料を蒸発させることができる。また、原燃料噴射部の近くにおける熱媒チューブの上下方向（垂直方向）及び／又は左右方向（水平方向）の間隔を広く取ることにより、膜沸騰が生じた際にも膜沸騰部分が大きく成長しづらくなる。従って、液体原燃料を蒸発室に噴射された液体原燃料を満遍なく行き渡らせることができる。よって、熱媒チューブの伝熱面を広く効率良く使うことができるので、良好に液体原燃料を蒸発させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る実施の形態の燃料蒸発器が適用される燃料電池システムの構成図である。
【図２】本発明に係る実施の形態の燃料蒸発器の一部破断平面図である。
【図３】図２のＡ−Ａ’線断面図である。
【図４】図２のＢ−Ｂ’線断面図である（熱媒チューブの配置を示す）。
【図５】図４とは異なる熱媒チューブの配置を示す概略断面図である。
【図６】図４及び図５とは異なる熱媒チューブの配置を示す概略断面図である。
【図７】変更態様に係る燃料蒸発器の熱媒チューブの配置を示す概略断面図である。
【図８】図７とは異なる変更態様に係る熱媒チューブの配置を示す概略断面図である。
【図９】従来例の燃料蒸発器の断面図である。
【図１０】図９のＣ−Ｃ’線断面図である（熱媒チューブの配置を示す）。
【符号の説明】
ＦＬ液体原燃料
ＦＧ原燃料ガス
ＨＧ燃焼ガス
１燃料蒸発器
１１蒸発室
１１ｔ蒸発室上面（蒸発室の上面）
１１ｂ蒸発室下面（蒸発室の下面）
１１ｕ蒸発室上部（蒸発室の上部、蒸発室の上方）
１１ｄ蒸発室下部（蒸発室の下部、蒸発室の下方）
１２熱媒チューブ
４０原燃料噴射装置
４０ａ原燃料噴射部[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel evaporator that can be suitably applied to a fuel cell system that reforms a raw fuel gas obtained by evaporating a liquid raw fuel and supplies it to a fuel cell to generate power.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, a liquid raw fuel composed of a mixed liquid of methanol and water or the like is injected into a fuel evaporator (evaporation chamber) via a raw fuel injection device to evaporate the liquid raw fuel to obtain a raw fuel gas. A fuel cell system is known which reforms the raw fuel gas in a reformer and removes carbon monoxide to produce a hydrogen-rich fuel gas, and supplies the fuel gas to a fuel cell to generate power. I have. By the way, when the fuel cell system having such a configuration is used under extremely large load fluctuation conditions, for example, when it is mounted on a fuel cell electric vehicle and used, the liquid raw fuel is If the fuel is rapidly injected into the fuel evaporator, all of the liquid raw fuel cannot be evaporated, and a liquid pool of the liquid raw fuel (hereinafter referred to as “liquid pool”) may be generated in the fuel evaporator. In addition, even when the fuel evaporator is not sufficiently heated, such as when starting up the fuel cell system, the amount of heat used for evaporation is insufficient, and liquid accumulation is likely to occur.
[0003]
If liquid accumulation occurs in the fuel evaporator, even if the injection of the liquid raw fuel is stopped, the liquid accumulation evaporates due to the heat maintained inside, and the raw fuel gas is generated. It is not preferable because the response of the evaporator is deteriorated. In addition, when the liquid raw fuel is a mixture, the generated liquid pool evaporates first from the easily vaporized component, so that the composition of the raw fuel gas varies, and when the reformer does not exhibit sufficient performance, In some cases, carbon monoxide cannot be sufficiently removed, and the performance of the fuel cell deteriorates. Further, the humidity inside the fuel cell may not be properly adjusted, and the fuel cell may not generate a predetermined output.
[0004]
For this reason, in order to effectively prevent the occurrence of liquid pool and improve the responsiveness of the fuel evaporator, and to promptly warm up the fuel evaporator, Japanese Patent Application No. 11-125366 filed by the present applicant. No. (not disclosed) proposes a fuel evaporator 100 as shown in FIG. The fuel evaporator 100 includes an evaporator main body 110, a superheater 130 at a stage subsequent to the evaporator main body 110, and a raw fuel gas injection device 140 above the evaporator main body 110.
The fuel gas evaporator 100 is supplied with a combustion gas HG, which is a high-temperature heat medium, produced by catalytic combustion of an off-gas (a gas containing hydrogen) generated in a fuel cell (not shown) by a catalytic combustor (not shown) as a heat source. The combustion gas HG passes through the inside of the U-shaped heat medium tubes 112 arranged in the evaporation chamber 111 in the evaporator main body 110 from the inlet 112in and reaches the outlet 112out. Next, the combustion gas HG passes through a combustion gas passage 113 provided at a lower portion of the evaporation chamber main body 110, and is guided to a superheater 130 mounted on the downstream side of the evaporator main body 110. The liquid raw fuel FL composed of a mixture of methanol and water is injected in a mist form from the fuel injection device 140, heated by the heating medium tube 112 and evaporated to become a raw fuel gas FG. The raw fuel gas FG is superheated through the inside of the steam tube 131 of the superheater 130 and is led to a reformer (not shown) downstream of the superheater 130.
[0005]
In the fuel evaporator 100, the lower surface 111 b of the evaporation chamber 111 in the evaporator main body 110 also serves as the upper surface 113 t of the combustion gas passage 113. Therefore, since heat is also supplied from the lower surface 111b of the evaporation chamber 111, the occurrence of a liquid pool is prevented, and when the liquid pool occurs, the liquid is quickly evaporated. Therefore, the response of the fuel evaporator 100 is improved.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, the combustion gas HG enters from the upper side of the heat medium tube 112 and is discharged to the lower side, and the liquid raw fuel FL is injected above the heat medium tube 112. For this reason, the temperature of the combustion gas HG is lower on the lower side of the heat medium tube 112 (on the heat medium tube outlet 112out side). Further, as shown in FIG. 10, the heat medium tubes 112 are arranged uniformly in the vertical (vertical) and horizontal (horizontal) directions. Therefore, the upper part of the evaporating chamber 111 becomes easier to evaporate the liquid raw fuel FL. In the case of such a configuration, even if the liquid raw fuel FL that has not completely evaporated in the upper part of the evaporation chamber 111 moves downward by dropping or the like in the lower part of the evaporation chamber 111, the heat quantity in the lower part of the evaporation chamber 111 is insufficient. In some cases, there is a new problem that the liquid cannot be completely evaporated and the liquid is easily accumulated. Further, a new problem has been found that the generated liquid pool is difficult to evaporate due to a shortage of heat in the lower part of the evaporation chamber 111.
FIG. 10 is a sectional view taken along line C-C ′ of FIG.
[0007]
By the way, when film boiling occurs on the surface of the heat transfer medium tube 112, unevaporated liquid raw fuel tends to collect in the portion where film boiling occurs due to surface tension. For this reason, large droplets (droplets causing film boiling) extending between the heat medium tubes 112 may grow, and this state may be maintained. In such a case, in the portion where the film boiling occurs, the amount of heat transfer is reduced and the passage of the injected liquid fuel FL is blocked. For this reason, the injected liquid fuel FL does not hit the heat medium tube 112 located below (downstream), and the heat medium tube 112 that does not significantly contribute to the evaporation of the liquid fuel FL exists. become. Therefore, it has been found as a new problem to suppress the occurrence of the film boiling and to prevent the portion where the film boiling is caused from growing when the film boiling occurs.
[0008]
Accordingly, an object of the present invention is to provide a fuel evaporator that efficiently evaporates a liquid raw fuel and can be suitably applied to a fuel cell system of a fuel cell electric vehicle.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
According to a first aspect of the present invention, there is provided a fuel evaporator in which a liquid raw fuel is evaporated by heat obtained from a plurality of heating medium tubes through which a high-temperature heating medium is passed to generate a raw fuel gas. A fuel evaporator with a chamber. A raw fuel injection unit for injecting the liquid raw fuel into the heating medium tube is disposed in the evaporation chamber, and the heating medium tube isThe heat medium tubes close to the raw fuel injection section are sparse, and the heat medium tubes remote from the raw fuel injection section are densely arranged. In other words, the heating medium tubeThose close to the raw fuel injection part are arranged so as to be sparse, and those far from the part are dense.
[0010]
According to this configuration, since the heat medium tubes are densely arranged in a portion distant from the raw fuel injection unit, a high-temperature portion is formed in a portion distant from the raw fuel injection unit. Therefore, of the liquid fuel injected in the atomized state by the raw fuel injection unit, the unevaporated liquid raw fuel that has not completely evaporated near the raw fuel injection unit (a tough liquid raw fuel that is difficult to evaporate) is evaporated. In so doing, so to speak, the vicinity of the raw fuel injection unit is used as a temperature rise region (giving the heat of the sensible heat) to the unevaporated liquid raw fuel, and the distant portion (the part distant from the raw fuel injection unit) is unevaporated. It is used as an evaporation region (providing heat of latent heat) for the liquid raw fuel. Of course, most of the injected liquid raw fuel is evaporated in the vicinity of the raw fuel injection unit to become raw fuel gas.
In addition, since the heat medium tubes close to the raw fuel injection section are sparse, that is, the interval between the heat medium tubes located near the raw fuel injection section is widened, the film boiling near the raw fuel injection section occurs. Even when the heat transfer occurs, it is difficult to grow a large droplet that extends between the heat medium tubes (horizontal direction and / or vertical direction). Therefore, in the vicinity of the raw fuel injection section, a passage for the injected liquid raw fuel is secured, and therefore, the liquid raw fuel widely spreads to the evaporation chamber.
Therefore, the fuel evaporator of the present invention has an extremely high evaporation efficiency and is unlikely to cause liquid accumulation.
The heat medium tube to which the present invention is applied is not limited to a pipe type and shape, such as a pipe made of a straight pipe or a pipe bent into a U-shape or an S-shape.
[0011]
According to the second aspect of the present invention, the heat medium tube is (a) widened in the horizontal direction, (b) widened in the vertical direction, or (c) widened in both the horizontal direction and the vertical direction. Then, the one close to the raw fuel injection unit is sparse, and the one far away is dense.
According to the third aspect, by adjusting the thickness of the heat transfer medium tube, the one close to the raw fuel injection unit has a large gap and becomes sparse, and the one remote therefrom has a small gap and becomes dense. .
According to a fourth aspect of the present invention, at least one surface of the box-shaped evaporation chamber is heated by the passage of the high-temperature heat medium flowing through the heat medium tube.
According to a fifth aspect of the present invention, the location where the liquid fuel pool is generated is heated by a catalytic combustor that generates a high-temperature gas.
Further, in claim 6, the raw fuel injection section is disposed above the evaporating chamber, the upper heat medium tubes in the evaporating chamber are sparse, and the lower heat medium tubes in the evaporating chamber are dense. .
According to the seventh aspect, the heat medium tube is configured to bend between a sparsely arranged portion and a densely arranged portion.
In the above configuration, the pipe size is arranged by interlacing thick and thin pipes, the pipe length is arranged by interlacing long and short pipes, and the pipe arrangement is arranged by interlacing densely and densely. Alternatively, if these components are appropriately combined and arranged, noise due to resonance and damage to equipment can be avoided.
[0012]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, a fuel evaporator according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a configuration diagram of a fuel cell system to which the fuel evaporator of the present embodiment is applied. FIG. 2 is a partially broken plan view of the fuel evaporator of the present embodiment. FIG. 3 is a sectional view taken along line A-A ′ of FIG. FIG. 4 is a sectional view taken along line B-B ′ of FIG.
In the present embodiment, the high-temperature heat medium is the combustion gas HG generated by the catalytic combustor 20 performing the catalytic combustion, and the high-temperature heat medium passage is the combustion gas passage 13.
[0013]
[Fuel Cell System] First, the configuration and operation of a fuel cell system FCS including the fuel evaporator 1 of the present embodiment will be described with reference to FIG. The fuel cell system FCS includes a fuel evaporator 1, a reformer 2, a CO remover 3, an air compressor 4, a fuel cell 5, a gas-liquid separator 6, a combustion burner 7, and a liquid raw fuel tank T. Be composed.
[0014]
The fuel evaporator 1 includes an evaporator main body 10, a catalytic combustor 20, a superheater 30, and a raw fuel injection device 40. The fuel evaporator 1 transfers a liquid raw fuel such as a mixture of methanol and water pumped from a liquid raw fuel tank T by a pump P into an evaporator body 10 heated to a high temperature via a raw fuel injection device 40. The fuel is injected to evaporate the liquid raw fuel into raw fuel gas. The heat source for evaporating the liquid raw fuel is a combustion gas serving as a high-temperature heat medium supplied from the catalytic combustor 20, and this combustion gas is obtained by catalytically burning off-gas of the fuel cell 1 in the catalytic combustor 20. Can be The raw fuel gas thus obtained is heated in the heating unit 30 and supplied to the reformer 2. The fuel evaporator 1 will be described later in detail.
[0015]
The reformer 2 reforms the raw fuel gas supplied from the fuel evaporator 1 into a hydrogen-rich fuel gas by steam reforming and partial oxidation. The reaction of steam reforming and partial oxidation is promoted by the action of a catalyst provided in the reformer 2. In order to partially oxidize the raw fuel gas, air is supplied to the reformer 2 from an air compressor 4 or the like through a pipe (not shown).
[0016]
The fuel gas thus obtained is subjected to a selective oxidation reaction of carbon monoxide by the CO remover 3 in the presence of a catalyst. Thereby, carbon monoxide in the fuel gas is converted into carbon dioxide and removed. The purpose of removing carbon monoxide is to prevent the platinum catalyst of the fuel cell 5 (solid polymer type) from being poisoned and to prolong the life of the fuel cell 5. The CO remover 3 is a No. No. 1-CO remover 3a and No. It has a 2-CO remover 3b to reduce the concentration of carbon monoxide in the fuel gas as much as possible. In the CO remover 3, the temperature of the fuel gas is adjusted by a heat exchanger (not shown) so that undesired reactions such as reverse shift and methanation do not occur.
[0017]
The air compressor 4 compresses air and supplies oxygen required by the fuel cell 6. Further, the air compressor 4 supplies the air for partial oxidation in the reformer 2 as described above. Further, the air compressor 4 has the No. Air is also supplied to the 2-CO remover 3b to convert carbon monoxide in the fuel gas into carbon dioxide. In addition, as the power of the air compressor 4, the energy at the time when the off-gas discharged from the fuel cell 5 expands can be used.
[0018]
The fuel cell 5 is a solid polymer type as described above. Fuel gas from which carbon monoxide has been removed is supplied to the hydrogen electrode of the fuel cell 5, and air from the air compressor 4 is supplied to the oxygen electrode of the fuel cell 5. Inside the fuel cell 5, in the presence of a platinum catalyst, water is generated from hydrogen and oxygen by an electrochemical reaction, and at the same time, electricity is generated. This electricity can be used as a power source of an electric vehicle or the like.
[0019]
An off-gas containing unused hydrogen and generated water are discharged from the hydrogen electrode of the fuel cell 5, and these are separated into a gas and a liquid by the gas-liquid separator 6. When the fuel cell system FCS is started, the off-gas is supplied to the combustion burner 7 and burned, and warms up the catalytic combustor 20 and the like. After the warm-up of the fuel cell system FCS is completed, the off-gas is supplied to the fuel evaporator 1 without being burned by the combustion burner 7, and is used as a heat source for evaporating the liquid fuel by being catalyzed by the catalytic combustor 20. Is done. At the time of starting the fuel cell system FCS, the catalyst combustor 20 is supplied with fuel (such as methanol) for catalytic combustion instead of off-gas.
The above is the configuration and operation of the fuel cell system FCS in which the fuel evaporator 1 of the present embodiment is used.
[0020]
[Fuel Evaporator] Next, a fuel evaporator embodying the present invention will be described (see FIGS. 2 to 4).
[0021]
The fuel evaporator 1 includes an evaporator body 10, a catalytic combustor 20, a superheater 30, and a raw fuel injection device 40.
Explaining these schematic positional relationships, the evaporator body 10 is located above the catalytic combustor 20, the superheater 30 is located on one side of the evaporator body 10, the raw fuel injection device 40 is located above the evaporator body 10, Each can be attached.
[0022]
The evaporator body 10 has a box-shaped evaporation chamber 11 in which a plurality of U-shaped heat medium tubes 12 are arranged. As shown in FIG. 4, the lower surface 11 b of the evaporation chamber is configured to have a cross-sectional waveform according to the shape (arrangement) of the lowermost layer of the heat medium tubes 12 among the plurality of heat medium tubes 12, and a large liquid. There is no accumulation. A slight gap is provided between the lower surface 11b of the evaporation chamber and the heat medium tube 12b located at the lowermost layer, so that they do not come into contact with each other due to vibration or the like. The front surface of the evaporation chamber 11 is closed by a heat medium tube holding plate 12a that holds the heat medium tubes 12, so that the combustion gas HG and the raw fuel gas FG are not mixed. Both ends of the heat medium tube 12 are open, and the combustion gas HG enters the heat medium tube 12 from the lower end (heat medium tube inlet 12 in) of the heat medium tube 12, and the heat medium tube 12 12 has a structure to escape from the upper end (heat medium tube outlet 12out). The heat medium tube outlet 12out becomes the starting point of the combustion gas passage 13 described later.
The evaporator body 10 evaporates the liquid raw fuel FL into the raw fuel gas FG in the evaporation chamber 11, and the raw fuel gas FG is guided to the superheater 30 through the ventilation means 14. The ventilation means 14 is constituted by a punching plate or the like having a large number of small holes, and prevents droplets such as splashes of the liquid raw fuel FL from entering the superheater 30. Incidentally, when the liquid raw fuel FL is sufficiently evaporated in the evaporation chamber 11 and the raw fuel gas FG is not condensed before reaching the reformer 2 shown in FIG. The raw fuel gas FG thus obtained may be directly introduced into the reformer 2 without passing through the superheater 30.
[0023]
The catalytic combustor 20 has a box shape similarly to the evaporator main body 10, has a catalyst layer 22 made of a honeycomb-shaped catalyst therein, and has an off-gas of a hydrogen electrode of the fuel cell 5, which is a burnable body. That is, catalytic combustion of a mixed gas of hydrogen and oxygen generates a high-temperature combustion gas HG. This medium combustor 20 is provided with its upper surface (catalyst combustor upper surface 20t) closely attached to the lower surface 11b of the evaporation chamber. With such close contact, heat generated from the catalytic combustor 20 can be transmitted to the evaporation chamber lower surface 11b by conduction heat transfer. By the way, since the lower surface 11b of the evaporation chamber is a place where a liquid pool is generated, by heating the lower surface 11b of the evaporation chamber, it is possible to prevent the generation of the liquid pool and to quickly evaporate the generated liquid pool. Further, effective use of waste heat of the catalytic combustor 20 is achieved. The catalytic combustor upper surface 20t may also serve as the evaporation chamber lower surface 11b.
[0024]
The catalytic combustor 20 is provided with a partition plate 24 having a semicircular cross section for guiding the combustion gas HG from the catalytic combustor outlet 23 to the heat medium tube inlet 12in. The partition plate 24 prevents the combustion gas HG at the catalyst combustor outlet 23 (and the heat medium tube inlet 12in) and the heat medium tube outlet 12out from mixing.
As the material of the catalytic combustor 20 and the catalytic layer 22 (honeycomb material), stainless steel (for example, SUS316) that withstands high temperatures and has corrosion resistance is suitable.
[0025]
The superheater 30 is attached to the downstream side of the evaporator chamber outlet 11out so as to protrude from one side surface of the evaporator body 10. The superheater 30 is a shell-and-tube type heat exchanger. The raw fuel gas FG passes through the tube side (steam tube 31 side), and the combustion gas HG passes through the body side (superheat chamber 32 side). The raw fuel gas FG is superheated with the combustion gas HG to dry steam, thereby preventing the raw fuel gas FG from being condensed.
[0026]
The raw fuel injection device 40 is a one-fluid nozzle injection device, and injects the raw liquid fuel FL into the evaporation chamber 11. Although the raw fuel injection device 40 is attached to the upper surface 11t of the evaporation chamber, the liquid fuel FL is provided with a large number of heat medium tubes provided in the evaporation chamber 11 in order to effectively use the retained heat of the high-temperature combustion gas HG. The injection is mainly performed in the direction along the direction 12 (the direction toward the holding plate 12a of the heat medium tube 12).
[0027]
Although the fuel evaporator 1 has a combustion gas passage 13, the fuel evaporator 1 described here has the entire front surface 1f of the fuel evaporator, the entire surface of one side 1s of the fuel evaporator, and the rear surface 1r of the fuel evaporator (evaporator). A combustion gas passage 13 is provided on the rear surface 11r of the chamber), starting from the heat medium tube outlet 12out and reaching the superheating chamber 32 of the superheater 30. The combustion gas passage 13 described here has a structure that covers not only the one side surface 11s of the evaporation chamber and the rear surface 11r of the evaporation chamber, but also the partition plate 24 of the catalyst combustor 20 and the one side surface 20s of the catalyst combustor.
[0028]
Next, the operation and action of the fuel evaporator 1 will be described.
Heating of the lower surface of the evaporation chamber; The catalyst combustor 20 is supplied with the off-gas OG of the fuel cell 5 and burns by catalytic combustion to generate a combustion gas HG. At the same time, the temperature of the catalytic combustor 20 itself rises due to the catalytic combustion, and the outer surface of the catalytic combustor 20 becomes high temperature (about 300 ° C.), so that the lower surface 11b of the evaporation chamber is heated, thereby preventing the generation of liquid pool. In addition, the generated liquid pool is quickly evaporated.
[0029]
Flow of Combustion Gas; The high-temperature combustion gas HG of 650 to 700 ° C. generated by catalytic combustion of the off-gas OG by the catalytic combustor 20 is supplied to the fuel evaporator in the order of (1) to (7) shown in FIGS. 1, the raw fuel gas FL is evaporated from the exhaust duct 33 by evaporating the liquid raw fuel FL, heating and keeping the temperature of the evaporation chamber 11, and heating the raw fuel gas FG in the heating unit 30. In addition, the temperature of the combustion gas at the heat medium tube outlet 12out is about 350 ° C., and the temperature of the combustion gas at the inlet of the superheater 30 is about 300 ° C.
[0030]
Flow of Raw Fuel Gas: The raw liquid fuel FL stored in the raw liquid fuel tank T is pumped by the pump P and injected from the raw fuel injection device 40 into the evaporation chamber 11.
The injected liquid raw fuel FL evaporates in the evaporation chamber 11 to become a raw fuel gas FG, passes through the superheating unit 30, and is introduced into the reformer 2 shown in FIG.
[0031]
[Arrangement of heat medium tubes]
Hereinafter, the arrangement of the heat medium tubes arranged so that the one near the raw fuel injection part is sparse and the one far from the raw fuel injection part is dense will be described.
In the fuel evaporator 1 of the present embodiment, the raw fuel injection section 40a is disposed on the upper surface 11t of the evaporation chamber (see FIG. 3 and the like). Therefore, the heat medium tubes 12 are sparsely arranged at the upper part 11u of the evaporation chamber near the raw fuel injection part 41a and densely arranged at the lower part 11d of the evaporation chamber remote from the raw fuel evaporation part 41a.
4 to 6 show examples of the arrangement of the heat medium tubes 12. FIG.
FIG. 4 is a cross-sectional view taken along line B-B ′ of FIG. 2 and shows the arrangement of the heat medium tubes. FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing the arrangement of the heat medium tubes different from FIG. 4 (cross-sectional view at the same position as FIG. 4). FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing the arrangement of the heat medium tubes different from FIGS. 4 and 5 (cross-sectional view at the same position as FIG. 4).
[0032]
(1) First, the arrangement of the heat medium tubes of the first example will be described with reference to FIG. The heat medium tube 12 here is a U-shaped pipe as described above.
The combustion gas HG flows through the inside of the heat medium tube 12 from the lower part 11d of the evaporating chamber to the upper part 11u of the evaporating chamber. The space between the heat medium tubes 12 in the upper part 11u of the evaporation chamber is wide in the vertical and horizontal directions. The space between the heat medium tubes 12 in the lower portion 11d of the evaporation chamber is tight in both the vertical and horizontal directions. Therefore, the heat medium tube 12 is disposed so as to be sparse in the upper part (upper part 11u of the evaporating chamber) and denser in the lower part (lower part 11d of the evaporating chamber). In addition, in order to arrange such a heating medium tube 12, the evaporation chamber 11 has an inverted trapezoidal structure, and the upper part 11u of the evaporation chamber has a wider space (wider cross-sectional area) than the lower part 11d of the evaporation chamber. .
Then, the liquid raw fuel FL is injected from the upper surface 11 of the evaporation chamber.
[0033]
In the case of the arrangement of the heat medium tubes illustrated in FIG. 4, a high temperature portion is formed in the lower portion 11d of the evaporation chamber where the heat medium tubes 12 are densely arranged. Therefore, among the liquid raw fuels FL injected from the upper part 11u of the evaporation chamber, those which are not evaporated at the upper part 11u of the evaporation chamber (although most evaporate at the upper part 11u of the evaporation chamber) increase in temperature toward the lower part 11d of the evaporation chamber. While evaporating (while partially evaporating), it completely evaporates in the lower evaporating chamber 11d to become the liquid raw fuel FG. In other words, when evaporating the unevaporated liquid fuel FL, the upper part 11u of the evaporation chamber is used as a temperature rising area for the unevaporated liquid fuel FL, and the lower part 11d of the evaporation chamber is used as the evaporation area for the unevaporated liquid fuel FL. Used as The unevaporated liquid fuel FL means the liquid fuel FL that has not completely evaporated in the upper part 11u of the evaporation chamber.
Further, since the distance between the heat medium tubes 12 in the upper part 11u of the evaporation chamber is widened, even if film boiling occurs in the upper part 11u of the evaporation chamber, the part of the film boiling is located between the heat medium tubes 12 It is difficult to grow into large droplets that straddle. In other words, it is easy to be blown off by an air current resulting from the injection of the liquid raw fuel FL or to drop by gravity before it grows large. Therefore, the raw liquid fuel FL injected from the upper portion 11u of the evaporation chamber can easily spread to the evaporation chamber 11 evenly. In addition, even if droplets extending between the heat medium tubes 12 grow due to film boiling in the lower portion 11d of the evaporation chamber, this is not a serious problem in terms of obstruction of the passage of the injected raw fuel liquid FL. Further, even if film boiling occurs in the heat medium tube 12 disposed in the upper part 11u of the evaporation chamber and the film grows large, the heat medium tube 12 is easily dropped (dropped) downward by gravity. If there is a film boiling portion where the droplet is dropped, the film boiling portion can be broken by the impact of the drop. In other words, even if film boiling occurs above the evaporation chamber, the part where the film boiling is occurring is easy to drop, and when dropped, it is finely divided (while increasing the heat receiving area) and below. It is dropped while crushing the film boiling part (while increasing the heat receiving area). Therefore, in the entire combustion chamber 11, the heat medium tubes are arranged such that film boiling hardly occurs on the surface of the heat medium tubes 12 and the film boiling portions are hard to grow (evaporate easily).
Since the lower part 11d of the evaporating chamber becomes a high temperature part, it is easy to evaporate even if a liquid pool occurs.
[0034]
(2) Next, the arrangement of the heat medium tubes of the second example will be described with reference to FIG.
The heat medium tube 12 is a U-shaped pipe similarly to the arrangement of the heat medium tubes illustrated in FIG. 4, and the combustion gas HG flows from the lower part 11 d of the evaporating chamber to the upper part 11 u of the evaporating chamber, and Flow through the inside. Also, the cross-sectional shape of the evaporation chamber 11 has an inverted trapezoidal shape as in the arrangement of the heat medium tubes illustrated in FIG. In the arrangement of the heat medium tubes illustrated in FIG. 5, the distance between the heat medium tubes 12 is wider than in the arrangement of the heat medium tubes illustrated in FIG.
[0035]
The arrangement of the heat medium tubes illustrated in FIG. 5 basically shows the same operation and action as the arrangement of the heat medium tubes illustrated in FIG. 4, but in addition, the arrangement of the heat medium tubes illustrated in FIG. In this case, since the heat medium tubes 12 are spaced apart from each other, there is an advantage that even when the film boiling occurs, the portion where the film boiling occurs is more easily dropped.
[0036]
(3) Further, the arrangement of the heat medium tubes of the third example will be described with reference to FIG. The heat medium tube is a U-shaped pipe similarly to the arrangement of the heat medium tubes illustrated in FIGS. 4 and 5, and the combustion gas HG flows from the lower part 11d of the evaporation chamber to the upper part 11u of the evaporation chamber. 12 inside. The cross-sectional width of the evaporation chamber 11 is the same in the upper and lower evaporation chambers 11u and 11d, unlike the arrangement of the heat transfer tubes illustrated in FIGS. Therefore, the left and right intervals between the heat medium tubes 12 are the same in the upper and lower evaporation chambers 11u and 11d. However, the upper and lower spaces between the heat medium tubes 12 are wider in the upper part 11u of the evaporation chamber.
[0037]
In the case of the arrangement of the heat medium tubes illustrated in FIG. 6, a high temperature portion is formed in the lower portion 11d of the evaporation chamber where the heat medium tubes 12 are densely arranged. Therefore, as described above, when evaporating the unevaporated liquid raw fuel FL, the upper evaporating chamber 11u is used as a temperature rising region of the unevaporated liquid raw fuel FL, and the lower evaporating chamber 11d is used as the unevaporated liquid raw fuel FL. Used as an evaporation area for Thereby, the liquid raw fuel FL can be efficiently evaporated. Further, since the lower portion 11d of the evaporating chamber is a high-temperature portion, liquid pool hardly occurs, and if a liquid pool occurs, it is likely to evaporate.
Further, in the upper part 11u of the evaporation chamber, since the interval between the heat medium tubes 12 is widened in the vertical direction, a film boiling portion that straddles the heat medium tubes 12 in the vertical direction hardly occurs (it is easy to drip).
[0038]
As described above, in the fuel evaporator of the present embodiment, the liquid raw fuel evaporates efficiently, the liquid pool hardly occurs, and the generated liquid pool easily evaporates. In addition, the arrangement of the heat transfer tubes in the vertical direction (vertical direction) and / or the horizontal direction (horizontal direction) is made sparse above the evaporation chamber (upper part of the evaporation chamber), so that heat transfer and the injection of the injected liquid raw fuel can be prevented. A film boiling portion that obstructs the passage is unlikely to occur.
By the way, in the above three examples, the resonance points are shifted because the heating medium tubes are densely arranged in the upper and lower portions of the evaporation chamber, so that there is a problem of noise and a problem of damage to equipment due to vibration. Can be eliminated.
[0039]
(Modification)
The conventional example has the following problem (see FIGS. 9 and 10). When the combustion gas HG flows through the U-shaped heat medium tube 112 from the lower part to the upper part of the evaporation chamber 111, once the liquid pool is generated, it flows through the heat medium tube 112 located in the liquid pool part. The temperature of the generated combustion gas HG drops (it flows through the upper side of the evaporation chamber 111 in the state where the temperature is lowered). Therefore, even if the liquid fuel FL is injected into the heat transfer medium tube 112 through which the combustion gas HG having a lowered temperature flows, the injected liquid fuel FL cannot be sufficiently evaporated. It is easy to increase the liquid pool by dripping.
On the other hand, when the combustion gas HG flows through the U-shaped heat medium tube 112 from the upper part to the lower part of the evaporation chamber, as described above, the heat medium tube 112 located at the portion where the liquid raw fuel FL is injected is provided. The temperature of the combustion gas HG flowing therethrough decreases. Therefore, when a liquid pool is formed in the lower part of the evaporation chamber 111 at the portion of the heat medium tube 112 through which the cooled combustion gas HG flows, it is difficult for the liquid pool in this part to evaporate.
[0040]
Hereinafter, a fuel evaporator according to a modification that solves the above-described problem will be described. Members and components common to the fuel evaporator according to the embodiment of the present invention described above are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted.
The arrangement of the heat medium tubes according to the modified embodiment is such that, among the plurality of heat medium tubes 12 arranged in the evaporation chamber 11, a predetermined heat medium tube 12 is disposed on the upper surface of the evaporation chamber in accordance with the flow direction of the combustion gas HG. 11u or offset from the evaporation chamber lower surface 11d. FIGS. 7 and 8 show examples of the arrangement of the heat medium tubes in which the predetermined heat medium tubes 12 are offset. The raw fuel injection section 40a is disposed on the upper surface 11u of the evaporation chamber.
FIG. 7 is a schematic cross-sectional view showing the arrangement of the heat medium tubes of the fuel evaporator according to the modified embodiment (cross-sectional view at the same position as FIG. 4). FIG. 8 is a schematic cross-sectional view showing the arrangement of the heat medium tubes according to a modification different from that of FIG. 7 (cross-sectional view at the same position as FIG. 4).
[0041]
(1) First, the arrangement of the heat medium tubes according to the modified embodiment will be described with reference to FIG. The heat medium tube 12 here is a U-shaped pipe.
The combustion gas HG flows through the inside of the heat medium tube 12 from the lower part 11d of the evaporating chamber to the upper part 11u of the evaporating chamber. The heat medium tubes 12 in the upper portion 11u of the evaporation chamber are offset from the lower surface 11b of the evaporation chamber every other (separated from the lower surface 11b of the evaporation chamber). The offset heat medium tube 12 is disposed closer to the evaporation chamber upper surface 11t by the offset amount in the evaporation chamber upper part 11u. The offset heat medium tubes 12 and the non-offset heat medium tubes 12 may be arranged at the same height in the upper part 11u of the evaporation chamber.
Then, the liquid raw fuel FL is injected from the upper surface 11 of the evaporation chamber.
[0042]
In the case of the arrangement of the heat medium tubes illustrated in FIG. 7, as described above, predetermined (every other) heat medium tubes 12 among the many heat medium tubes 12 are offset from the lower surface b of the evaporation chamber. Are arranged. For this reason, even if a liquid pool is formed in the offset portion, the combustion gas HG flowing through the heat medium tube 12 has a lower temperature drop than that in the case where the offset is not performed (heat in the liquid pool portion). Can be directed to the upper combustion chamber 11u. Therefore, the offset heat medium tube 12 has a higher ability to evaporate the injected liquid raw fuel in the upper evaporating chamber 11u than in the case where it is not offset. Therefore, the injected liquid fuel can be sufficiently evaporated in the upper portion 11u of the evaporation chamber, and the liquid fuel FL can be prevented from dropping on the lower portion 11d of the evaporation chamber. That is, it is possible to prevent further increase of the liquid pool.
[0043]
(2) Next, an arrangement of the heat medium tubes according to a modification different from that in FIG. 7 will be described with reference to FIG. The heat medium tube 12 here is also a U-shaped pipe.
Unlike the arrangement of the heat medium tubes illustrated in FIG. 7, the combustion gas HG flows inside the heat medium tubes 12 from the upper portion 11u of the evaporation chamber to the lower portion 11d of the evaporation chamber. The heat medium tubes 12 in the upper portion 11u of the evaporation chamber are offset from the upper surface 11t of the evaporation chamber every other (separated from the upper surface 11t of the evaporation chamber). Both the heat medium tubes 12 that are offset and the heat medium tubes 12 that are not offset are arranged close to the lower surface 11bt of the evaporation chamber.
Then, the liquid raw fuel FL is injected from the upper surface 11 of the evaporation chamber.
[0044]
In the case of the arrangement of the heat medium tubes illustrated in FIG. 8, as described above, predetermined (every other) heat medium tubes 12 among the many heat medium tubes 12 are offset from the upper surface 11t of the evaporation chamber. Are arranged. For this reason, the liquid raw fuel FL injected from the evaporation chamber upper surface 11t easily hits the heating medium tube 12 that is not offset (is easily injected). Therefore, the combustion gas HG flowing through the offset heat medium tube 12 travels toward the lower combustion chamber 11d in a state where the temperature is reduced less (in a state where heat is not deprived by spraying) than when the offset is not offset. Can be. Therefore, the offset heat medium tube 12 has a higher ability to evaporate the liquid pool in the lower evaporating chamber 11d than when the offset heat medium tube 12 is not offset. Therefore, the liquid pool can be well evaporated.
[0045]
As described above, the arrangement of the heating medium tube of the fuel evaporator according to the modified embodiment is advantageous in that the temperature of the combustion gas decreases due to the liquid pool when the liquid pool occurs, and the ability to evaporate the injected liquid raw fuel in the upper part of the evaporation chamber. And the liquid raw fuel can be stably evaporated.
In addition, by lowering the temperature of the combustion gas due to the injected liquid raw fuel in the upper part of the evaporation chamber and the ability to evaporate the generated liquid pool in the lower part of the evaporation chamber, the liquid raw fuel can be stably evaporated. .
Further, in the evaporating chamber, a predetermined heating medium tube among a large number of heating medium tubes is offset and arranged, so that a resonance point can be shifted, thereby causing a problem of noise and a problem of damage to equipment due to vibration. Can be eliminated.
Note that this modification can be suitably applied to a case where a thin fuel evaporator is configured.
[0046]
Incidentally, as shown in FIG. 3, in the fuel evaporator 1 according to the embodiment of the present invention, the heat medium tubes 12 are arranged in a three-layer structure of an outer layer, an intermediate layer, and an inner layer.
Of these, the outer layer heat medium tube 12 passes through the lowermost part (near the evaporating chamber lower surface 11b), goes around to the uppermost part (near the evaporating chamber upper surface 11t), and flows into the liquid raw fuel FL injected from the raw fuel injection part 40a. Contact first. Therefore, when a liquid pool occurs (occurs at the lowermost portion), the combustion gas HG flowing through the heat medium tube 12 in the outer layer is cooled by the liquid pool at the lowermost portion and then wraps around to the uppermost portion. For this reason, the amount of heat for evaporating the injected liquid raw fuel becomes insufficient compared to a case where no liquid pool is generated.
However, the heat medium tubes 12 of the middle layer and the inner layer are offset from the lower surface 11b of the evaporation chamber to such an extent that they do not touch the liquid pool. For this reason, the combustion gas HG flowing through the heat medium tubes 11 in the middle layer and the inner layer flows upward without being largely deprived of heat by the liquid pool. Therefore, even if the liquid raw fuel that has not been completely evaporated by the uppermost heat medium tube 12 moves downward, the middle and inner heat medium tubes 12 have a sufficient amount of heat and are evaporated. be able to. In the fuel evaporator 1 according to the embodiment of the present invention, heat is concentrated on the lower portion 11d of the evaporation chamber.
That is, the problem described in the above-described modification is solved by the fuel evaporator described in the embodiment according to the present invention.
[0047]
The present invention described above can be widely modified without being limited to the above embodiment.
For example, the arrangement of the heat medium tubes is not limited to the case where the heat medium tubes are U-shaped, and can be applied to straight pipes or S-shaped pipes. Also, by reducing the diameter of the pipe near the raw fuel injection section and increasing the diameter of the pipe distant from the raw fuel injection section, the one near the raw fuel injection section is sparse and the one far away is dense. A heat medium tube can be arranged at the bottom.
It should be noted that the distance between the heat medium tubes can be appropriately adjusted to be wide or narrow as long as the effects of the present invention are not impaired. Similarly, the width of the space (head space) between the upper surface of the evaporating chamber and the heat transfer medium tube in the upper part of the evaporating chamber can be appropriately adjusted so as not to impair the effects of the present invention. Regarding the cross-sectional shape of the heat medium tube, the one arranged below the evaporation chamber may be configured to have a semicircular cross section in order to increase the surface area of the heat medium tube.
[0048]
The catalytic combustor can be replaced with a combustion burner, an electric heater, or the like. Alternatively, the combustion gas may be heat-exchanged with air or the like to obtain a high-temperature gas, and the high-temperature gas may be led to an evaporation chamber or a superheated part instead of the combustion gas. Further, the fuel cell is not limited to the polymer electrolyte fuel cell, but may be a phosphoric acid fuel cell (PAFC) or the like.
Further, the length, diameter, wall thickness, cross-sectional shape, and material (such as ceramic) of the heat medium tube may be appropriately selected and used for the purpose of suppressing the resonance within the range in which the effects of the present invention are inhibited or suppressed. . Incidentally, the fuel cell electric vehicle has a quieter sound than a gasoline engine vehicle or the like, so that noise prevention measures from a viewpoint different from the conventional viewpoint are required.
[0049]
【The invention's effect】
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the liquid raw fuel can be efficiently evaporated by the heat balance of the part near the raw fuel injection part in the evaporation chamber, and the part distant from the raw fuel injection part. In addition, by increasing the vertical (vertical) and / or horizontal (horizontal) intervals of the heat transfer tube near the raw fuel injection section, the film boiling portion grows greatly even when film boiling occurs. It becomes hard to do. Therefore, the liquid raw fuel injected into the evaporation chamber can be evenly distributed. Therefore, the heat transfer surface of the heat medium tube can be widely and efficiently used, so that the liquid raw fuel can be satisfactorily evaporated.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of a fuel cell system to which a fuel evaporator according to an embodiment of the present invention is applied.
FIG. 2 is a partially broken plan view of the fuel evaporator according to the embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a sectional view taken along line A-A ′ of FIG. 2;
FIG. 4 is a sectional view taken along line B-B ′ of FIG. 2 (showing the arrangement of heat medium tubes).
FIG. 5 is a schematic sectional view showing an arrangement of a heat medium tube different from that of FIG. 4;
FIG. 6 is a schematic sectional view showing an arrangement of heat medium tubes different from those in FIGS. 4 and 5;
FIG. 7 is a schematic sectional view showing an arrangement of a heat medium tube of a fuel evaporator according to a modified embodiment.
FIG. 8 is a schematic cross-sectional view showing an arrangement of heat medium tubes according to a modification different from that of FIG.
FIG. 9 is a sectional view of a conventional fuel evaporator.
FIG. 10 is a cross-sectional view taken along line C-C ′ of FIG. 9 (showing the arrangement of the heat medium tubes).
[Explanation of symbols]
FL liquid raw fuel
FG raw fuel gas
HG combustion gas
1 fuel evaporator
11 Evaporation chamber
11t Evaporation chamber upper surface (Evaporation chamber upper surface)
11b Lower surface of evaporation chamber (lower surface of evaporation chamber)
11u Upper evaporation chamber (upper evaporation chamber, upper evaporation chamber)
11d Lower evaporation chamber (lower of evaporation chamber, lower of evaporation chamber)
12. Heat medium tube
40 Raw fuel injection device
40a Raw fuel injection unit

Claims

In a fuel evaporator having an evaporation chamber that evaporates a liquid raw fuel by heat obtained from a plurality of heat medium tubes through which a high-temperature heat medium is passed to generate a raw fuel gas,
A raw fuel injection unit for injecting the liquid raw fuel into the heating medium tube is disposed in the evaporation chamber,
Before sparse near the heating medium tube Kihara fuel injection unit, the heating medium tube remote from the fuel injection portion was arranged so as to be dense,
A fuel evaporator.

When the heat medium tube is viewed in cross section in the diametric direction, the heat medium tube may be (a) widened in the horizontal direction, (b) widened in the vertical direction, or (c) horizontally / vertically. By increasing the spacing in both directions, those close to the raw fuel injection unit are sparse, and those far away are denser,
The fuel evaporator according to claim 1, wherein:

The density of the heat medium tubes is a gap between the heat medium tubes, and the thickness of the heat medium tubes is made thinner near the raw material injection part and thicker at a distance from the raw fuel injection part. Thereby, those close to the raw fuel injection unit are arranged such that the gap is wide and sparse, and those far away are arranged so that the gap is narrow and dense.
The fuel evaporator according to claim 1, wherein:

The evaporation chamber is formed in a box shape, and at least one surface of the evaporation chamber formed in the box shape is heated by a passage of a high-temperature heat medium flowing through the heat medium tube;
The fuel evaporator according to any one of claims 1 to 3, characterized in that:

A location where a liquid pool of the liquid raw fuel occurs in the evaporation chamber has a configuration in which the location is heated by a catalytic combustor that generates the high-temperature gas,
The fuel evaporator according to any one of claims 1 to 4, characterized in that:

The raw fuel injection unit is disposed at an upper portion of the evaporation chamber, and the heating medium tube located at an upper part of the evaporation chamber is sparse, and the heating medium tube located at a lower part of the evaporation chamber is arranged so as to be dense. Was it,
The fuel evaporator according to any one of claims 1 to 4, characterized in that:

The heat medium tube is bent between the sparsely arranged portion and the densely arranged portion,
The fuel evaporator according to any one of claims 1 to 7, wherein: