特許 5874667 蒸発器、その製造方法、水素生成装置及び燃料電池システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5874667

(24)【登録日】2016年1月29日

(45)【発行日】2016年3月2日

(54)【発明の名称】蒸発器、その製造方法、水素生成装置及び燃料電池システム

(51)【国際特許分類】

   C01B 3/38 20060101AFI20160218BHJP

【ＦＩ】

   C01B3/38

【請求項の数】9

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2013-59683(P2013-59683)

(22)【出願日】2013年3月22日

(65)【公開番号】特開2014-185045(P2014-185045A)

(43)【公開日】2014年10月2日

【審査請求日】2015年1月30日

(73)【特許権者】

【識別番号】000220262

【氏名又は名称】東京瓦斯株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100086911

【弁理士】

【氏名又は名称】重野 剛

(72)【発明者】

【氏名】稲垣 信

【審査官】 森坂 英昭

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００７−０１５９１１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１１／０８３５３４（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２００７−０５５８９２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｃ０１Ｂ ３／００ − ３／５８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

水素生成装置の改質部に供給する水を蒸発させるための蒸発器であって、
内筒及び外筒と、該内筒と外筒との間にらせん状に設けられたらせん体とを備え、
該内筒及び外筒の軸心線方向が上下方向となるように設置され、該らせん体に沿うらせん流路に水が供給され、該内筒内側または該外筒外側からの熱により水を蒸発させる蒸発器において、
該らせん体は、前記内筒と外筒とに連なる、金属粉末の溶融、固化物である溶接金属よりなることを特徴とする蒸発器。

【請求項2】

請求項１において、前記らせん体に、らせん流路方向において所定間隔をおいて上向きの凸部が設けられていることを特徴とする蒸発器。

【請求項3】

請求項２において、前記凸部は波頭形又は小堰状であることを特徴とする蒸発器。

【請求項4】

請求項１ないし３のいずれか１項において、前記らせん流路の末端部に、周方向に延在した溶接金属よりなる複数の周方向体が周方向に間隔をあけて配列設置されており、該周方向体同士の間がオリフィスとなっていることを特徴とする蒸発器。

【請求項5】

請求項１ないし４のいずれか１項において、前記らせん体のらせん流路方向の途中に下向きに第１の舌片部が設けられ、該第１の舌片部のらせん流路方向の上位側において、該らせん体に第１の開口が設けられていることを特徴とする蒸発器。

【請求項6】

請求項５において、該第１の開口の縁部のうち、該第１の舌片部と反対側の縁部に、下向きに第２の舌片部が設けられ、該第１の舌片部のらせん流路方向の下位側において、該らせん体に第２の開口が設けられていることを特徴とする蒸発器。

【請求項7】

請求項１ないし６のいずれか１項に記載の蒸発器を製造する方法であって、
前記内筒と外筒との間に金属粉末を充填する工程と、
該外筒の外周から高エネルギー線を照射することにより、この照射部位の外筒と、それに対峙する内筒の外面と、両者の間の前記金属粉末を溶融させ、次いで溶融物を固化させて前記溶接金属を形成する工程と、
を有し、前記照射部位をらせん状に移動させることにより、前記らせん体を形成することを特徴とする蒸発器の製造方法。

【請求項8】

請求項１ないし６のいずれか１項に記載の蒸発器と、
該蒸発器からの水蒸気と炭化水素ガスとを反応させて水素含有ガスを生成させる改質部と
を有する水素生成装置。

【請求項9】

請求項８の水素生成装置と、
該水素生成装置から供給される水素含有ガスと空気とにより発電作動する燃料電池と
を有する燃料電池システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、水素生成装置用の蒸発器と、この蒸発器の製造方法と、この蒸発器を備えた水素生成装置及び燃料電池システムに関する。

【背景技術】

【0002】

一般に、燃料電池発電システムにおいては、まず、改質部によって炭化水素化合物と水蒸気を原料として水蒸気改質反応により水素、二酸化炭素、一酸化炭素、未反応の炭化水素化合物及び水蒸気等を含む改質ガスを生成させる。つぎに、変成部や選択酸化部などの一酸化炭素低減部によって一酸化炭素を除去して燃料ガスを生成させ、得られた燃料ガスを用いて燃料電池で発電を行う。

【0003】

水蒸気改質反応に必要な水蒸気は、改質部の上流に設けた蒸発部で、水を蒸発させることにより得られる。蒸発に要する熱としては、通常、燃料電池から排出されるアノードオフガスを燃焼部で燃焼して得られる熱が用いられる（例えば、特許文献１）。

【0004】

以下に、特許文献１に示された水素生成装置について、図６を用いて説明する。図６は、水素生成装置の縦断面図である。

【0005】

この水素生成装置１は、バーナ２、改質触媒３、変成触媒４、選択酸化触媒５、蒸発部８およびこれらを囲む断熱材１４を備えている。原料となる炭化水素と水は原料供給口７から供給され、バーナ２の燃焼ガスは排気口６から排気される。

【0006】

水蒸気改質反応に必要な反応熱を供給するバーナ２の燃料としては、燃料電池から排出されるアノードオフガスが用いられる。ルテニウムを主成分とする改質触媒３の作用により、原料と水蒸気とが反応して、水素、二酸化炭素、一酸化炭素、未反応のメタン及び水蒸気等を含む改質ガスが生成する。改質ガスに含まれる一酸化炭素は、変成触媒４によって改質ガス中の水蒸気と反応して１％以下程度の濃度にまで低減される。さらに、改質ガスは、空気供給口１２から供給された空気と混合され、選択酸化触媒５によって一酸化炭素が選択的に燃焼除去され、水素含有ガスが生成する。

【0007】

生成した水素含有ガスは、水素含有ガス出口１３から燃料電池へ供給される。

【0008】

改質触媒３に供給される水蒸気は、バーナ２で燃焼した燃焼ガス、変性触媒や選択酸化触媒の反応熱、改質ガス、水素含有ガスによって蒸発部８内で水を加熱することにより得られる。蒸発部８は、内筒９及び外筒１０と、それらに挟まれたらせん棒１１とから構成される。

【0009】

原料供給口７から供給された原料と水は、らせん棒１１によって区切られたらせん状の空間（流路）８Ｂを流下しながらバーナ２で生じた燃焼ガス等により加熱される。内筒９と外筒１０との間にらせん棒１１を配置することにより、水を蒸発させるのに十分な伝熱面積を確保している。

【0010】

特許文献１には、このらせん棒１１を内筒９と外筒１０との間に固定設置する方法として、内筒９と外筒１０との間にらせん棒１１を配置した後、外筒１０を縮径させるか又は内筒９を拡径させてらせん棒１１をカシメることが記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0011】

【特許文献1】特許第４８８００８６号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0012】

上記特許文献１のように外筒１０を縮径させるか又は内筒９を拡径させてらせん棒１１を内筒９及び外筒１０に押し付けても、らせん棒１１と内筒９及び外筒１０とは十分には水密的に固着せず、らせん棒１１と内筒９又は外筒１０との間の微小な隙間を通って水が短絡的に流れ易く、蒸発効率が低いものとなり易い。また、高温の金属平滑面は疎水性が高く、水滴がその場にとどまらずに急速に流下してしまい蒸発効率が下がる。これを防ぐためにワイヤーメッシュを使用することが提案されている。（特開2010-129411）

【0013】

本発明は、上記従来の問題点を解決し、らせん流路が水密的に区画形成された蒸発器と、この蒸発器の製造方法と、この蒸発器を備えた水素生成装置及び燃料電池システム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】

【0014】

本発明の蒸発器は、水素生成装置の改質部に供給する水を蒸発させるための蒸発器であって、内筒及び外筒と、該内筒と外筒との間にらせん状に設けられたらせん体とを備え、該内筒及び外筒の軸心線方向が上下方向となるように設置され、該らせん体に沿うらせん流路に水が供給され、該内筒内側又は外筒外側からの熱により水を蒸発させる蒸発器において、該らせん体は、前記内筒と外筒とに連なる、金属粉末の溶融、固化物である溶接金属よりなることを特徴とする。

【0015】

本発明の蒸発器の製造方法は、かかる本発明の蒸発器を製造する方法であって、前記内筒と外筒との間に金属粉末を充填する工程と、該外筒の外周から高エネルギー線を照射することにより、この照射部位の外筒と、それに対峙する内筒の外面と、両者の間の前記金属粉末を溶融させ、次いで溶融物を固化させて前記溶接金属を形成する工程と、を有し、前記照射部位をらせん状に移動させることにより、前記らせん体を形成することを特徴とする。

【0016】

本発明の水素生成装置は、本発明の蒸発器と、該蒸発器からの水蒸気と炭化水素ガスとを反応させて水素含有ガスを生成させる改質部とを有する。

【0017】

本発明の燃料電池システムは、かかる水素生成装置と、該水素生成装置から供給される水素含有ガスと空気とにより発電作動する燃料電池とを有する。

【発明の効果】

【0018】

本発明の蒸発器では、らせん流路を構成するらせん体が溶接金属よりなり、この溶接金属が内筒及び外筒に溶着して一体化しているため、らせん体と内筒及び外筒との結合部分が水密的に構成されている。このため、本発明の蒸発器では水が短絡的に流れることがなく、水の蒸発効率が良好である。

【0019】

本発明の水素生成装置及び燃料電池システムは、かかる蒸発器を備えたものであるので、水素が効率よく製造され、発電効率も良好となる。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】実施の形態に係る蒸発器及びその製造方法を示す説明図である。

【図2】別の実施の形態に係る蒸発器の一部側面図である。

【図3】別の実施の形態に係る蒸発器の一部側面図である。

【図4】別の実施の形態に係る蒸発器の一部側面図である。

【図5】別の実施の形態に係る蒸発器の一部側面図である。

【図6】従来の水素生成装置の縦断面図である。

【図7】本発明方法によって製造した蒸発器の断面を示す写真である。

【図8】本発明方法によって製造した蒸発器の断面を示す写真である。

【図9】本発明方法によって製造した蒸発器の断面を示す写真である。

【発明を実施するための形態】

【0021】

図１を参照して実施の形態に係る蒸発器及びその製造方法を説明する。

【0022】

図１（ａ）の通り、内筒２０と外筒２１とを同軸的に配置し、内筒２０と外筒２１との間に金属粉末２２を充填する（図１（ｂ））。

【0023】

なお、この実施の形態では、内筒２０と外筒２１との間のスペースの底部を底蓋２３で閉鎖した後、金属粉末２２を充填する。次いで、レーザービーム、電子ビーム、プラズマなどの高エネルギー線ｂを照射装置２４から外筒２１の外周面に照射する。そして、外筒２１の高エネルギー線ｂの照射部位と、それに対峙する内筒２０の少なくとも外周面と、それらの間の金属粉末２２とを溶融させる。

【0024】

また、この高エネルギー線ｂの照射を開始するのとほぼ同時に、内筒２０及び外筒２１並びに両者間の金属粉末２２をその軸心回りに回転させると共に、軸心方向に移動させ、高エネルギー線ｂの照射部位をらせん方向に一定速度で連続的に移動させる。

【0025】

これにより、高エネルギー線ｂが照射されて溶融する内筒２０及び外筒２１並びに両者間の金属粉末２２の溶融部分が徐々にらせん方向に移動する。高エネルギー線が通り過ぎた部位では、溶融物が固化して溶接金属となる。そのため、この高エネルギー線ｂの照射部位をらせん状に移動させることにより、らせん体２５（図１（ｃ）〜（ｅ））が形成される。

【0026】

その後、底蓋２３を撤去し、内筒２０と外筒２１との間に残留した未溶融の金属粉末を両者間から取り出すことにより、らせん流路２７を有した、図１（ｃ）〜（ｅ）に示す蒸発器２６が得られる。図１（ｃ）は蒸発器２６の縦断面図、図１（ｄ）は蒸発器２６の側面図、図１（ｅ）は蒸発器２６の断面斜視図である。なお、未溶融の金属粉末を取り出すには、エアガン等によりエアを吹き付けたりすればよい。

【0027】

上記の内筒２０、外筒２１及び金属粉末２２の材料としては、ステンレス、チタン、チタン合金等の耐食性金属が好適であるが、これに限定されない。金属粉末２２の粒度は７０〜２５０メッシュ（約５０〜２００μｍ）程度が好ましい。

【0028】

このようにして製造された蒸発器２６は、内筒２０及び外筒の軸心線方向が上下方向、好ましくは鉛直方向となるように設置され、らせん流路に水が供給される。この蒸発器２６にあっては、らせん体２５は溶接金属よりなり、内筒２０及び外筒２１に対して溶け込んで一体化しており、らせん流路２７を流れる水が短絡的に流れず、すべてらせん流路２７に沿ってらせん方向に流れる。

【0029】

このらせん体２５は、金属粉末を溶融固化させた溶接金属よりなるものであるから、その表面は粗面状となっている。そのため、らせん体２５は、親水性に優れ、保水能力が高い。このようなことから、この蒸発器２６は蒸発効率に優れる。

【0030】

本発明の蒸発器は、溶接ロボット等を用いて自動的に容易に製造することも可能である。

【0031】

上記実施の形態では、照射装置２４を固定し、内筒２０、外筒２１及び金属粉末２２を回転させながら軸心方向に移動させているが、内筒２０、外筒２１及び金属粉末２２と照射装置２４とは相対的にらせん方向に移動すればよく、これに限定されない。例えば、照射装置２４をらせん方向に移動させてもよい。また、内筒２０、外筒２１及び金属粉末２２を回転させながら、照射装置２４を軸心線と平行方向に移動させてもよい。

【0032】

本発明の蒸発器のらせん体は、高エネルギー線ｂの照射部位を移動させることによって形成されるものであるから、図１に示す単純ならせん形状に限らず、図２〜５のようにらせん形状部分と他の形状部分とを組み合わせたらせん体であっても容易に形成することができる。

【0033】

図２の蒸発器２６Ａのらせん体２５Ａは、らせん流路方向において所定間隔をおいて上向き波頭形の凸部２５ａを形成するように曲成されている。図３の蒸発器２６Ｂのらせん体２５Ｂは、らせん流路方向において所定間隔をおいて小堰状の上向き凸部２５ｂが形成されている。これらの蒸発器２６Ａ，２６Ｂによれば、らせん体２５Ａ，２５Ｂに沿って流れる水が凸部２５ａ，２５ｂにより抵抗を受け、流速が低下するので、水が効率よく蒸発する。

【0034】

図４の蒸発器２６Ｃにあっては、らせん流路２７の末端部に、周方向に延在した溶接金属よりなる複数の周方向体２９が周方向に間隔をあけて途切れ途切れに配列設置されており、周方向体２９間にオリフィス２８を形成している。周方向体２９は、らせん体２５と同様にして形成されたものであり、延在方向が周方向となっていること以外はらせん体２５と同一構造のものである。

【0035】

らせん流路２７の途中に設けられたガス導入口３０かららせん流路２７内に導入されたガスは、らせん流路２７内の水蒸気と混ざり合いながららせん流路２７を流れる。その後、オリフィス２８を通過することにより、ガスと水蒸気とが十分に混合されるとともに、周方向に均一な流速に分散され触媒層での反応を安定化させることができる。

【0036】

図５の蒸発器２６Ｄでは、らせん体２５のらせん流路方向の途中に、下向きに第１の舌片部３１が設けられ、この第１の舌片部３１のらせん流路方向の一方の側に第１の開口３３が設けられ、他方の側に第２の開口３４が設けられている。第１の開口３３は、舌片部３１よりもらせん流路方向の上位側に位置する。第１の開口３３の縁部のうち、第１の舌片部３１と反対側の縁部には下向きの第２の舌片部３２が設けられている。舌片部３１，３２は、らせん体２５と同様にして形成されたものであり、延在方向が下方となっていること以外はらせん体２５と同一構造のものである。

【0037】

水の蒸発により生じた水蒸気と、外筒に設けられた導入口３０から導入されたガスとが、第１の舌片部３１に当って開口３３，３４を通過し、乱流化が促進されることにより、充分に混合される。第２の舌片部３２を設けたことによって、乱流化がさらに促進され、水蒸気とガスとが十分に混合される。

【0038】

本発明の水素生成装置は、図６の水素生成装置において、蒸発器として上記本発明の蒸発器を用いることにより構成することができる。

【0039】

本発明の燃料電池システムは、かかる水素生成装置と、燃料電池とで構成されている。この燃料電池は、水素生成装置から供給される水素含有の燃料ガスと、空気との化学反応により発電する。

【実施例】

【0040】

［実施例１］
外径６０．５ｍｍ、肉厚１．５ｍｍ、長さ３００ｍｍのステンレス製の内筒２０と、外径６５．５ｍｍ、肉厚１．５ｍｍ、長さ２８０ｍｍのステンレス製の外筒２１とを１．０ｍｍの隙間をあけて同軸状に配置し、底蓋２３を配置した後、両者間に平均粒径１２５μｍのステンレス（ＳＵＳ３１６Ｌ）粉末（７０メッシュと２５０メッシュで篩い分けされた市販の粉末）を充填した。その後、レーザー照射装置（出力２ｋＷ）からレーザービームを外筒２１に照射し、軸方向送り速度７５ｍｍ／ｍｉｎ、回転数７．５ｒｐｍにて内筒２０、外筒２１及び金属粉末２２を移動及び回転させ、レーザー照射部位をらせん方向に移動させた。その後、未溶融のステンレス粉末をエアガンにより取り出した。これにより、図１（ｃ）〜（ｅ）に示すらせん体２５を有した蒸発器２６が得られた。

【0041】

図７はこのらせん体２５を蒸発器軸心線方向に切断した断面の写真であり、図８はその拡大写真であり、図９はらせん体２５の側面を撮影した写真である。図７，８の通り、らせん体２５は内筒２０及び外筒２１に完全に溶け込んで一体化しており、水密性に優れることが認められる。また、図９の通り、らせん体２５の側面（らせん流路に臨む面）は粗面状となっている。

【符号の説明】

【0042】

９，２０ 内筒
１０，２１ 外筒
１１，２５，２５Ａ，２５Ｂ らせん体
２２ 金属粉末
２３ 底蓋
２４ 高エネルギー線照射装置
８，２６，２６Ａ〜２６Ｄ 蒸発器
８Ｂ，２７ らせん流路
２８ オリフィス
２９ 周方向体
３０ ガス導入口
３１，３２ 下向き舌片部
３３，３４ 開口

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】