燃料蒸発装置
【課題】簡単な構成で、且つ高効率で液体燃料を蒸発させることが可能な燃料蒸発装置を提供する。
【解決手段】蒸発ガス空間１３内に、第一熱面１４と第二熱面１５を設け、第二熱面１５の熱容量が第一熱面１４の熱容量よりも大きくなるように設定する。そして、第一熱面１４、及び第二熱面１５を加熱した状態で、燃料供給器１２より蒸発ガス空間に向けて液体燃料を断続的に噴射する。すると、噴射された燃料２０の液滴は、第一熱面１４、及び第二熱面１５の熱により蒸発する。この際、各熱面１４，１５は熱容量が異なるので、燃料２０を安定的に蒸発させることができ、高効率で燃料を蒸発させることができる。
【解決手段】蒸発ガス空間１３内に、第一熱面１４と第二熱面１５を設け、第二熱面１５の熱容量が第一熱面１４の熱容量よりも大きくなるように設定する。そして、第一熱面１４、及び第二熱面１５を加熱した状態で、燃料供給器１２より蒸発ガス空間に向けて液体燃料を断続的に噴射する。すると、噴射された燃料２０の液滴は、第一熱面１４、及び第二熱面１５の熱により蒸発する。この際、各熱面１４，１５は熱容量が異なるので、燃料２０を安定的に蒸発させることができ、高効率で燃料を蒸発させることができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体燃料を蒸発させる燃料蒸発装置に係り、特に、燃料噴射装置より噴射される燃料の液滴を均一な温度で加熱して蒸発させる技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）等の燃料電池により発電電力を出力する燃料電池システムでは、ガソリン等の液体燃料を燃料加圧器で加圧し、更に、加圧・供給した液体燃料に熱を加えて蒸発させ、蒸発した燃料を燃料改質器に供給して水素を含む改質ガスを生成する。そして、この改質ガスを燃料電池に供給し、改質ガスに含まれる水素と空気ブロワ等により供給される空気中の酸素との化学反応により電力を発生する。
【０００３】
このような燃料電池システムでは、燃料ポンプより送出される液体燃料を蒸発させるために、燃料蒸発装置を用いている。燃料蒸発装置は、液体燃料を噴射する燃料噴射器を備えており、該燃料噴射器により液体燃料を噴射する。そして、噴射された燃料をヒータや発電に用いた排ガスの熱を用いて加熱することにより、液体燃料を蒸発させる。
【０００４】
従来における燃料蒸発装置として、例えば、特開２００１−１３９３０１号公報（特許文献１）に記載されたものが知られている。該特許文献１では、液体原燃料を蒸発室に噴射する第１の噴射部と、第１の噴射部から噴射された液体原燃料に、所定の方向性を有する気体又は液体を噴射する第２の噴射部とを備えることにより、液体原燃料を充分に微粒化および分散化して高効率に蒸発させる技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−１３９３０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述した特許文献１に開示された従来例では、液体燃料を微粒化するために複数の噴射部を設ける構成とされており、また、その後段に微粒化した燃料を蒸発させるための大きな蒸発部空間を設ける構成であるので、容積が大きく、且つ構成が複雑化するという問題点があった。
【０００７】
本発明は、このような従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、簡単な構成で、且つ高効率で液体燃料を蒸発させることが可能な燃料蒸発装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、本発明は、液体燃料を断続的に噴射する噴射手段と、噴射された液体燃料を蒸発させる蒸発ガス空間と、を備えた燃料蒸発装置において、前記蒸発ガス空間内に設けられ、熱源により加熱される第一熱面、及び第二熱面を有し、前記第一熱面と前記第二熱面は、同一熱エネルギー量変化に対する温度変化の定数が互いに異なることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の燃料蒸発装置では、同一熱エネルギー量変化に対する温度変化の定数が互いに異なる第一熱面、及び第二熱面を備えているので、断続的に噴射される燃料の液滴に対して、ほぼ一定の温度で加熱することができ、蒸発ガス発生量の変動幅を低減し安定的に蒸発ガスを生成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料蒸発装置を搭載した燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る燃料蒸発装置の構成を示す断面図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係る燃料蒸発装置の、第一熱面、及び第二熱面の温度変化を示す特性図である。
【図４】本発明の第２実施形態に係る燃料蒸発装置の構成を示す断面図である。
【図５】本発明の第３実施形態に係る燃料蒸発装置の構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１２】
［第１実施形態の説明］
図１は、本発明の各実施形態に係る燃料蒸発装置１１（６１，８１）が搭載される燃料電池システム１００の構成を示すブロック図、図２は、第１実施形態に係る燃料蒸発装置１１の構成を示す断面図である。初めに、図１を参照して、燃料電池システム１００の構成について説明する。
【００１３】
図１に示すように、該燃料電池システム１００は、カソード極４１ａ及びアノード極４１ｂを備えた燃料電池４１と、燃料改質器４５ａ及び該燃料改質器４５ａを加熱する燃焼器４５ｂからなる改質装置４５と、を備えている。
【００１４】
更に、燃料電池システム１００は、燃料電池４１のカソード極４１ａに空気を供給する第１空気ブロワ４２と、該第１空気ブロワ４２より送出される空気を加熱する熱交換器４３と、アノード極４１ｂの出口側に設置されて、アノード排気ガスを３方向に分岐する分岐バルブ５１と、を備えている。分岐バルブ５１の出口側は、アノード排ガスを、燃料蒸発装置１１、燃焼器４５ｂ、及びアノード排ガスを昇圧する燃料循環ブロワ４６にそれぞれ接続されている。
【００１５】
更に、燃料電池システム１００は、燃料改質器４５ａに改質空気を供給する第２空気ブロワ４７と、燃焼器４５ｂに燃焼用の空気を供給する第３空気ブロワ４８と、燃料改質器４５ａに供給する燃料ガスを生成する燃料蒸発装置（Vaporizer）１１と、ガソリン等の燃料を加圧して燃料蒸発装置１１に供給する燃料加圧器４９と、を備えている。
【００１６】
燃料電池４１は、例えば、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ；Solid Oxide Fuel Cell）であり、アノード極４１ｂに供給される改質ガスと、カソード極４１ａに供給される空気により電力を発生させて、モータ等の電力需要設備に電力を供給する。
【００１７】
改質装置４５は、燃焼器４５ｂより供給される熱により燃料改質器４５ａを加熱して、改質ガスを生成し、生成した改質ガスをアノード極４１ｂに供給する。
【００１８】
そして、上記のように構成された燃料電池システム１００において、燃料加圧器４９より送出される燃料は、第２空気ブロワ４７より送出される改質空気、及びアノード極４１ｂより排出されるアノード排出ガスと混合され、燃料改質器４５ａに供給される。燃料改質器４５ａ内では、供給された燃料と空気とによる部分酸化反応（発熱反応）、及び燃料とアノード排気ガス中の水蒸気とによる水蒸気改質反応（吸熱反応）、及びこれらの反応により生成した一酸化炭素と水蒸気とによるシフト反応（発熱反応）が進行する。
【００１９】
そして、燃料改質器４５ａより出力される改質ガスは、燃料電池４１のアノード極４１ｂに供給され、該改質ガスに含まれる水素（Ｈ2）、及び一酸化炭素（ＣＯ）は、カソード極４１ａから電解質膜を介して供給される酸素イオンとの間で電気化学反応を起こし、それぞれ水（Ｈ2Ｏ）、二酸化炭素（ＣＯ2）を生成する。このとき、電子が電極（外部回路側）に出力されて、発電電力が発生する。アノード極４１ｂより排出される排気ガスは、その一部が燃焼器４５ｂに供給され、それ以外の排気ガスは、燃料循環ブロワ４６にて昇圧されて、燃料改質器４５ａに供給される。
【００２０】
また、第１空気ブロワ４２より導入される空気は、熱交換器４３により昇温され、燃料電池４１のカソード極４１ａに導入される。カソード極４１ａに導入された空気中に含まれる酸素は、カソード極４１ａで電子と反応し、酸素イオンを生成する。電子は、アノード極４１ｂから外部負荷回路を介して供給される。カソード極４１ａで生成した酸素イオンは、電解質膜を介してアノード極４１ｂへ伝導する。そして、カソード極４１ａより排出される排気ガスは、燃焼器４５ｂに供給され燃焼用の燃料となる。更に、燃焼器４５ｂの排気ガスは、熱交換器４３に供給され、第１空気ブロワ４２より送出される空気に熱を伝達する。
【００２１】
次に、図２を参照して、本発明の第１実施形態に係る燃料蒸発装置１１の構成について説明する。図２に示すように、燃料蒸発装置１１は、先端部に設けられた燃料噴射弁１７より断続的に燃料を噴射する燃料供給器１２（噴射手段）と、該燃料供給器１２より噴射された燃料を加熱して蒸発させる蒸発ガス空間１３を有する蒸発部２５と、を備えている。
【００２２】
蒸発部２５は、二重円筒形状をなしており、中央部には断面が円形状の第一熱面１４が設けられ、その周囲部には第二熱面１５が設けられている。そして、第一熱面１４と第二熱面１５との間となる円環形状の空間が蒸発ガス空間１３とされ、該蒸発ガス空間１３にて燃料供給器１２より噴射された燃料２０を加熱して該燃料２０を蒸発させる。
【００２３】
第一熱面１４は、例えば、銅やステンレス等の金属で構成され、ヒータ１６ａが設けられている。そして、該ヒータ１６ａは電線１８に接続されている。従って、電線１８を介してヒータ１６ａを通電することにより、ヒータ１６ａを発熱させて第一熱面１４を２００〜３００℃程度に加熱することができる。
【００２４】
また、第二熱面１５もやはり銅やステンレス等の金属で構成され、ヒータ１６ｂが設けられている。そして、該ヒータ１６ｂは電線１８に接続され、該電線１８を介してヒータ１６ｂを通電することにより、ヒータ１６ｂを発熱させて第二熱面１５を２００〜３００℃程度に加熱することができる。
【００２５】
ここで、第二熱面１５は、第一熱面１４よりも全体の容積（質量）が大きく構成されている。従って、第二熱面１５の方が第一熱面１４よりも熱容量が大きいことになり、第一熱面１４の方が第二熱面１５よりも少ない熱量の供給により温度が上昇し、且つ、少ない熱量の放出で温度が下降することとなる。即ち、第一熱面と第二熱面は、同一熱エネルギー量変化に対する温度変化の定数が互いに異なるように構成されている。
【００２６】
燃料供給器１２の先端部には小径の燃料噴射弁１７が設けられ、該燃料噴射弁１７の先端部は、蒸発ガス空間１３の燃料導入口１３ａに連結されている。そして、燃料供給器１２は、図２に示した燃料加圧器４９で昇圧された燃料を、燃料噴射弁１７より蒸発ガス空間１３内に向けて断続的に燃料を噴射する。噴射された液滴は、蒸発ガス空間１３内に放出されることとなる。この際、燃料供給器１２の圧力を、蒸発ガス空間１３内での液体燃料の圧力よりも高く設定しているので、燃料噴射弁１７より噴射される燃料２０は、蒸発ガス空間１３内にて円錐状に広がるように噴射される。
【００２７】
また、燃料供給器１２の先端部と燃料噴射弁１７との接続部分にはシール材２４が設けられ、この部分からの燃料漏れを防止している。更に、燃料噴射弁１７の周囲には、燃料供給器１２の先端部を冷却するための冷却水配管２１が設けられており、該冷却水配管２１に冷却水を循環させることにより、燃料噴射弁１７周辺の温度が過熱状態となることを防止している。また、蒸発ガス空間１３の燃料導入口１３ａ近傍には、パージガス導入管２２が接続されており、燃料２０の噴射を停止したとき等において、該パージガス導入管２２より高圧の窒素ガスを導入することにより、蒸発ガス空間１３内に滞留している燃料２０を外部へ排出する。
【００２８】
また、蒸発ガス空間１３内の、第一熱面１４と第二熱面１５で囲まれる空間の適所には、燃料ガス中に含まれる不純物を除去するためのフィルタ２３が設けられ、更に、蒸発ガス空間１３の出力側には、蒸気ガス排出管１９が接続されている。フィルタ２３としては、液体の通過を阻止できる細孔径を有する多孔性金属体を採用することが望ましく、この場合には、蒸発ガス空間１３内で蒸発しきれない液体状の燃料が生じた場合においても、液体化した燃料が下流側に流出することを防止できる。
【００２９】
次に、上記のように構成された本実施形態に係る燃料蒸発装置１１の作用について説明する。本実施形態では、電線１８に電流を流すことにより、第一熱面１４に設けられたヒータ１６ａ、及び第二熱面１５に設けられたヒータ１６ｂを通電し、ヒータ１６ａ，１６ｂを発熱させる。この際、ヒータ１６ａをヒータ１６ｂよりも若干高い温度となるように制御する。従って、第一熱面１４は第二熱面１５よりも若干高い温度まで上昇することとなる。
【００３０】
そして、この状態で図１に示した燃料加圧器４９にて加圧した燃料（例えば、ガソリン）が供給されると、燃料供給器１２の燃料噴射弁１７より、例えば、円錐状に燃料２０が噴射される。噴射された燃料２０の液滴は蒸発ガス空間１３内において、第一熱面１４、及び第二熱面１５と接触することにより、加熱されて蒸発する。その後、蒸発した燃料ガスは、蒸気ガス排出管１９を経由して下流側へと出力され、図１に示す燃料改質器４５ａにて改質原燃料として使用されることとなる。
【００３１】
以下、燃料噴射弁１７より噴射された燃料が蒸発する際の動作を詳細に説明する。蒸発ガス空間１３内に噴射された燃料の液滴は粒径分布を持ち、粒径の大きい液滴は速度が速く円錐状に広がりながら円錐の外周に沿って進む。よって、粒径の大きい液滴は、主として円錐状の液滴を囲むように設置される第二熱面１５により加熱されて蒸発する。このため、第二熱面１５での液滴の蒸発に消費される熱エネルギーは大きい。この際、上述したように第二熱面１５は、第一熱面１４よりも熱容量が大きいので、蒸発エネルギーが多く奪われた場合でも温度の変化は小さい。
【００３２】
一方、第一熱面１４は、燃料噴射弁１７の噴射口に対向する位置に配置されており、燃料の液滴のうち粒径の小さい液滴は円錐形の内側を進むので、この粒径の小さい液滴は主として第一熱面１４により加熱されて蒸発する。この際、第一熱面１４での液滴の蒸発に消費される熱エネルギーは小さいので、熱容量の小さい第一熱面１４であっても液滴を十分に蒸発させることができる。
【００３３】
換言すれば、第二熱面１５は、主として粒径の大きい液滴に熱を供給して蒸発させるので多くの熱量が必要になるけれども、熱容量が大きいので大きな温度変化は生じず、第一熱面１４は、主として粒径の小さい液滴に熱を供給して蒸発させるので、熱容量が小さくても確実に液滴を加熱して蒸発させることができる。
【００３４】
燃料噴射弁１７が例えば多噴孔で噴霧が円錐形でない場合でも、噴霧が全体として広がりを持っていれば同様な蒸発動作が行われる。
【００３５】
なお、第二熱面１５は熱容量が大きいので、温度の回復にも多くのエネルギーが必要となり、元の温度に回復するまでの時間が長くなり、第一熱面１４は、第二熱面１５よりも相対的に熱容量が小さいので、液滴の蒸発が終了した場合には短時間で元の温度に回復することとなる。
【００３６】
図３は、燃料供給器１２より断続的に燃料を噴射した場合の、各熱面の温度変化を示す特性図であり、曲線ｑ１は第一熱面１４の温度変化を示し、曲線ｑ２は第二熱面１５の温度変化を示している。そして、曲線ｑ１に示すように、第一熱面１４の温度は、時間の経過に伴って周期的に大きな振幅で上下に変動している。即ち、断続的に燃料２０を噴射する場合に、燃料２０が噴射された時点では該燃料２０に熱が奪われるので、第一熱面１４の温度は急激に低下し、次の噴射までの間に温度が回復し、この動作を繰り返すので、第一熱面１４の温度は曲線ｑ１のように変動する。
【００３７】
これに対して、曲線ｑ２に示すように、第二熱面１５の温度は小さい振幅で上下に変動している。即ち、第二熱面１５は熱容量が大きいので、断続的に燃料を噴射する場合に、燃料噴射時点には第二熱面１５の温度は若干低下し、その後、回復するという変動を繰り返す。
【００３８】
上記のことから、第一熱面１４と第二熱面１５が互いに熱を補完し合うことにより、蒸発ガス空間１３内の熱面温度が一斉に低下することを回避でき、噴射された燃料２０の液滴に対して安定的に熱を供給して蒸発させることができる。
【００３９】
ここで、熱面温度が一斉に低下する場合（図３のように、互いに熱を補完し合わない場合）について説明する。例えば、改質原燃料として用いるガソリンは、多成分燃料であり、含有する成分毎に沸点が異なるので、数十℃から２００℃程度までの間に沸点を有する成分が混在することとなる。
【００４０】
このため、仮に、熱面の温度が一斉に低下した場合には、沸点の高い成分については蒸発し難いので蒸発するまでに時間がかかり、この状態において、次の噴射による燃料供給が行われた場合に、急激に温度が低下してより一層蒸発し難くなり、更に、熱面の温度が低下するという悪循環に陥り、最終的には沸点の高い燃料を蒸発させることができなくなる。また、仮に蒸発させることができたとしても、蒸発ガス空間１３の内部に沸点の高い成分がカーボンとして堆積して、燃料蒸発装置１１の性能を永続的に悪化させるという不具合が発生することになる。
【００４１】
また、上記の問題を鑑み、一つの熱面のみを用いる構成で、蒸発熱面の熱容量を大きくして蒸発の際の温度変化を小さくして蒸発させようとすると、蒸発ガス空間１３内に設置する熱面の容積は非常に大きなものが必要となる。従って、燃料蒸発装置１１を車両用として用いる場合には、多くの設置スペースを要するという問題が生じ、その上、燃料電池システム１００を起動する際に、燃料蒸発装置１１の温度を作動温度まで上昇させるために多くのエネルギーを消費するという問題が生じる。
【００４２】
また、蒸発熱面の熱容量を小さくし、熱面温度を高く設定することにより、設置スペース、エネルギー消費の問題を解消できるが、熱面の温度変化が大きくなるので、供給した燃料を安定的に蒸発ガスに変えるためには、燃料を断続供給する際の供給間隔を長くする必要があり、燃料流量の変動が大きくならざるを得ない。本実施形態では、第一熱面１４及び第二熱面１５の２つの熱面を用いることにより、上記の問題を解消し、蒸発ガス空間１３内に噴射された燃料２０を安定的に蒸発させることができるのである。
【００４３】
このようにして、第１実施形態に係る燃料蒸発装置１１では、熱容量が相対的に低い第一熱面１４と、熱容量が相対的に高い第二熱面１５の２つの熱面を用いることにより、断続的に噴射される燃料２０の液滴に対して、ほぼ一定の温度で加熱することができ、蒸発ガス発生量の変動幅を低減し安定的に蒸発ガスを生成することができる。
【００４４】
また、第一熱面１４を第二熱面１５に対して若干温度が高く設定することにより、蒸発ガス空間１３内の温度を安定させることができ、より一層蒸発ガス発生量の変動幅を低減できる。更に、燃料供給器１２内の圧力を蒸発ガス空間１３内の圧力よりも高く設定することにより、燃料噴射弁１７より円錐状に燃料２０を噴射させることができるので、噴射された燃料２０を第一熱面１４、及び第二熱面１５に安定的に接触させて燃料２０を蒸発させることができる。
【００４５】
更に、燃料蒸発装置１１の小型化が可能となり、且つ、燃料の消費量を低減できるので、二酸化炭素等の環境に影響を及ぼすガスの排出力を抑制することができる。
【００４６】
なお、本実施形態では、第一熱面１４と第二熱面１５を同一の材質とし、双方の容積が異なるようにして互いに熱容量が異なるようにしたが、第一熱面１４と第二熱面を熱容量の異なる材質としても良い。この場合には、第一熱面１４と第二熱面１５は同一の容積であっても、異なる熱容量とすることができ、上記と同様の効果を達成することが可能である。
【００４７】
［第２実施形態の説明］
次に、本発明の第２実施形態について説明する。図４は、第２実施形態に係る燃料蒸発装置６１の構成を示す断面図である。なお、この燃料蒸発装置６１についても第１実施形態と同様に、図１に示す燃料電池システム１００の燃料改質器４５ａの上流側に設置されて、該燃料改質器４５ａに燃料ガスを供給する。
【００４８】
図４に示すように、第２実施形態に係る燃料蒸発装置６１は、燃料供給器１２と、蒸発ガス空間６２を有する蒸発部７１を備えている。燃料供給器１２は、第１実施形態の図２に示した燃料供給器１２と同一の構成を備えているので、構成の説明を省略する。
【００４９】
また、蒸発部７１は、二重円筒形状を成しており、中央部には、断面円形状の第一熱面６３が設けられ、該第一熱面６３の周囲には第二熱面６４が設けられ、第一熱面６３と第二熱面６４で囲まれる円環状の空間が蒸発ガス空間６２とされている。
【００５０】
第一熱面６３、及び第二熱面６４は共に、銅やステンレス等の材質で構成されており、互いに容積が異なる。即ち、第二熱面６４は第一熱面６３よりも容積が大きく構成されており、従って、第二熱面６４は第一熱面６３よりも熱容量が大きい。換言すれば、第一熱面６３と第二熱面６４は、同一熱エネルギー量変化に対する温度変化の定数が互いに異なるように構成されている。
【００５１】
また、第二熱面６４の外周側には、複数の熱交換フィン６８が設けられており、更に、第二熱面６４の周囲は、容器６７により覆設されている。第二熱面６４と容器６７で囲まれる空間は密閉構造とされ、高温ガス導入管６９より加熱用の高温ガスが導入され、高温ガス排出管７０よりこの高温ガスが排出される。即ち、前述した第１実施形態では、ヒータ１６ａ，１６ｂを用いて第一熱面、及び第二熱面を加熱する構成としたが、第２実施形態に係る燃料蒸発装置６１では、高温ガスにより第一熱面６３、及び第二熱面６４を加熱する構成としている。
【００５２】
また、蒸発ガス空間６２内の、第一熱面６３と第二熱面６４で囲まれる空間の適所には、燃料ガス中に含まれる不純物を除去するためのフィルタ６５が設けられ、更に、蒸発ガス空間６２の出力側には、蒸気ガス排出管６６が接続されている。フィルタ６５は、第１実施形態で用いたフィルタ２３と同様に、液体の通過を阻止することが可能な細孔径を有する多孔性金属体等である。
【００５３】
次に、上記のように構成された本実施形態に係る燃料蒸発装置１１の作用について説明する。本実施形態では、高温ガス導入管６９より、図１に示したアノード極４１ｂの排気ガスを高温ガスとして導入することにより、第一熱面６３、及び第二熱面６４を加熱する。即ち、高温ガスが高温ガス導入管６９により導入されると、この高温ガスは第一熱面６３に接する第一熱面加熱通路６３ａを通過して第一熱面６３を２００〜３００℃程度の温度に加熱し、その後、第二熱面６４に接する第二熱面加熱通路６４ａを通過して熱交換フィン６８との接触により第二熱面６４を２００〜３００℃程度の温度に加熱し、高温ガス排出管７０より排出される。この際、第一熱面６３は第二熱面６４よりも若干高い温度まで上昇することとなる。この際、アノード極４１ｂの排ガスの代わりにカソード極４１ａの排ガスや燃焼器４５ｂの排ガスを利用することも可能である。
【００５４】
そして、この状態で図１に示した燃料加圧器４９にて加圧した燃料（例えば、ガソリン）が供給されると、燃料供給器１２の燃料噴射弁１７より円錐状に燃料２０が噴射される。噴射された燃料２０の液滴は蒸発ガス空間１３内において、第一熱面６３、及び第二熱面６４と接触することにより、加熱されて蒸発する。その後、蒸発した燃料ガスは、蒸気ガス排出管６６を経由して下流側へと出力され、図１に示す燃料改質器４５ａにて改質原燃料として使用される。こうして、燃料供給器１２より噴射された燃料２０は、各熱面６３，６４より熱が供給されて蒸発することとなる。
【００５５】
このようにして、第２実施形態に係る燃料蒸発装置６１においても、前述した第１実施形態と同様に、熱容量が相対的に低い第一熱面６３と、熱容量が相対的に高い第二熱面６４の２つの熱面を用いることにより、断続的に噴射される燃料２０の液滴に対して、ほぼ一定の温度で加熱することができ、蒸発ガス発生量の変動幅を低減し安定的に蒸発ガスを生成することができる。
【００５６】
また、第一熱面６３を第二熱面６４に対して若干温度が高くなるように設定することができるので、蒸発ガス空間１３内の温度を安定させることができ、より一層蒸発ガス発生量の変動幅を低減することができる。更に、燃料供給器１２内の圧力を蒸発ガス空間６２内の圧力よりも高く設定することにより、燃料噴射弁１７より円錐状に燃料２０を噴射させることができるので、噴射された燃料２０を第一熱面１４、及び第二熱面１５に安定的に接触させて燃料２０を蒸発させることができる。
【００５７】
更に、第２実施形態では、第一熱面６３、第二熱面６４を、燃料電池システム１００で発生する高温ガスにより加熱するので、外部からのエネルギー供給が不要となり、システム全体の熱効率を高く保持することができる。
【００５８】
なお、本実施形態では、第一熱面６３と第二熱面６４を同一の材質とし、容積が異なるよう構成することにより、互いに熱容量が異なるようにしたが、第一熱面６３と第二熱面を熱容量の異なる材質としても良い。
【００５９】
［第３実施形態の説明］
次に、本発明の第３実施形態について説明する。図５は、第３実施形態に係る燃料蒸発装置８１の構成を示す説明図であり、（ａ）は側面方向の断面図、（ｂ）はＡ−Ａ’断面図、（ｃ）はＢ−Ｂ’断面図である。なお、この燃料蒸発装置８１についても前述した第１，第２実施形態と同様に、図１に示す燃料電池システム１００の燃料改質器４５ａの上流側に設置されて、該燃料改質器４５ａに燃料ガスを供給する。
【００６０】
図５（ａ）に示すように、第３実施形態に係る燃料蒸発装置８１は、燃料供給器１２、及び蒸発ガス空間８２を含む容器８８を備えている。燃料供給器１２は、第１実施形態の図２に示した燃料供給器１２と同一の構成を備えているので、構成の説明を省略する。
【００６１】
容器８８内には、第一熱面８３と第二熱面８４で囲まれて密閉された蒸発ガス空間８２が設けられており、該蒸発ガス空間８２は、図５（ｂ），（ｃ）に示すように蒸発ガス排出管８９に接続されている。また、第一熱面８３の下部空間は第一熱面加熱通路８７とされ、第二熱面８４の上部空間は第二熱面加熱通路８６とされ、図１に示したアノード極４１ｂの排気ガスが高温ガスとして供給される構造とされている。
【００６２】
従って、第一熱面加熱通路８７に導入される高温ガスにより第一熱面８３が加熱され、第二熱面加熱通路８６に導入される高温ガスにより第二熱面８４が加熱される。これにより第一熱面８３及び第二熱面８４は、例えば２００〜３００℃程度まで加熱されることとなる。なお、第二熱面８４の上面には、突起部８５が形成されており、高温ガスの熱伝達率を高めている。更に、効率的な熱交換を行わせるために、第一熱面８３、第二熱面８４の各背面に触媒を塗布して、高温ガスに存在する成分を触媒上で反応させて発熱させ、各熱面８３，８４に伝達させるようにすることも可能である。
【００６３】
また、第二熱面８４は、容器８８と一体化して構成されている。更に、第一熱面８３、及び第二熱面８４は、互いに容積が異なる。即ち、第二熱面８４は第一熱面８３よりも容積が大きく構成されており、第二熱面８４は第一熱面８３よりも熱容量が大きい。換言すれば、第一熱面８３と第二熱面８４は、同一熱エネルギー量変化に対する温度変化の定数が互いに異なるように構成されている。
【００６４】
次に、第３実施形態に係る燃料蒸発装置８１の作用について説明する。第３実施形態では、図１に示したアノード極４１ｂの排気ガスを、第一熱面加熱通路８７及び第二熱面加熱通路８６に導入し、第一熱面８３、及び第二熱面８４を加熱する。その結果、第一熱面８３及び第二熱面８４は２００〜３００℃程度に上昇する。
【００６５】
第一熱面加熱通路８７及び第二熱面加熱通路８６に導入するのは、カソード極４１ａの排ガスや燃焼器４５ｂの排ガスを利用することも可能である。
【００６６】
そして、各熱面８３，８４が加熱した状態で、図１に示した燃料加圧器４９にて加圧した燃料（例えば、ガソリン）が燃料供給器１２に供給されると、該燃料供給器１２の燃料噴射弁１７より円弧状に燃料２０が噴射される。噴射された燃料２０の液滴は、蒸発ガス空間８２内において、第一熱面８３、及び第二熱面８４と接触することにより、加熱されて蒸発する。その後、蒸発した燃料ガスは、蒸発ガス排出管８９を経由して下流側へと出力され、図１に示す燃料改質器４５ａにて改質原燃料として使用されることとなる。こうして、燃料供給器１２より噴射された燃料２０は、各熱面８３，８４より熱が供給されて蒸発することとなる。
【００６７】
このようにして、第３実施形態に係る燃料蒸発装置８１においても、前述した第１，第２実施形態と同様に、熱容量が相対的に低い第一熱面８３と、熱容量が相対的に高い第二熱面８４の２つの熱面を用いることにより、断続的に噴射される燃料２０の液滴に対して、ほぼ一定の温度で加熱することができ、蒸発ガス発生量の変動幅を低減し安定的に蒸発ガスを生成することができる。
【００６８】
また、第一熱面８３を第二熱面８４に対して若干温度が高くすることにより、蒸発ガス空間８２内の温度を安定させることができ、より一層蒸発ガス発生量の変動幅を低減することができる。更に、燃料供給器１２内の圧力を蒸発ガス空間８２内の圧力よりも高く設定することにより、燃料噴射弁１７より円弧状に燃料２０を噴射させることができるので、噴射された燃料２０を第一熱面８３、及び第二熱面８４に安定的に接触させて燃料２０を蒸発させることができる。
【００６９】
更に、第３実施形態では、第一熱面８３及び第二熱面８４を、燃料電池システム１００で発生する高温ガスにより加熱するので、外部からのエネルギー供給が不要となり、システム全体の熱効率を高く保持することができる。
【００７０】
また、第３実施形態に係る燃料蒸発装置８１は、第一熱面８３及び第二熱面８４を平板形状の材料で構成することができるので、図１に示した燃料電池システム１００中で、平板状の構造を持つ他の構成要素と組み合わせて一体化することが可能となる。その結果、燃料電池システム１００全体の省スペース化を図ることができる。
【００７１】
なお、本実施形態では、第一熱面８３と第二熱面８４を同一の材質とし、容積が異なるよう構成することにより、互いに熱容量が異なるようにしたが、第一熱面８３と第二熱面８４を熱容量の異なる材質としても良い。また、第二熱面８４を、容器８８と一体化しない構成としても良い。
【００７２】
以上、本発明の燃料蒸発装置を図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置き換えることができる。
【００７３】
例えば、上記した実施形態では、燃料蒸発装置に供給する燃料としてガソリンを例に挙げたが、本発明は、ガソリン以外の燃料についても適用することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００７４】
本発明は、燃料電池システムの燃料改質器に供給する燃料を高効率で蒸発させることに利用することができる。
【符号の説明】
【００７５】
１１ 燃料蒸発装置
１２ 燃料供給器
１３ 蒸発ガス空間
１３ａ 燃料導入口
１４ 第一熱面
１５ 第二熱面
１６ａ，１６ｂ ヒータ
１７ 燃料噴射弁
１８ 電線
１９ 蒸気ガス排出管
２０ 燃料
２１ 冷却水配管
２２ パージガス導入口
２３ フィルタ
２４ シール材
２５ 蒸発部
４１ 燃料電池
４１ａ カソード極
４１ｂ アノード極
４２ 第１空気ブロワ
４３ 熱交換器
４５ 改質装置
４５ａ 燃料改質器
４５ｂ 燃焼器
４６ 燃料循環ブロワ
４７ 第２空気ブロワ
４８ 第３空気ブロワ
４９ 燃料加圧器
５１ 分岐バルブ
６１ 燃料蒸発装置
６２ 蒸発ガス空間
６３ 第一熱面
６３ａ 第一熱面加熱通路
６４ 第二熱面
６４ａ 第二熱面加熱通路
６５ フィルタ
６６ 蒸発ガス排出管
６７ 容器
６８ 熱交換フィン
６９ 高温ガス導入管
７０ 高温ガス排出管
７１ 蒸発部
８１ 燃料蒸発装置
８２ 蒸発ガス空間
８３ 第一熱面
８４ 第二熱面
８５ 突起部
８６ 第二熱面加熱通路
８７ 第一熱面加熱通路
８８ 容器
８９ 蒸発ガス排出管
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体燃料を蒸発させる燃料蒸発装置に係り、特に、燃料噴射装置より噴射される燃料の液滴を均一な温度で加熱して蒸発させる技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）等の燃料電池により発電電力を出力する燃料電池システムでは、ガソリン等の液体燃料を燃料加圧器で加圧し、更に、加圧・供給した液体燃料に熱を加えて蒸発させ、蒸発した燃料を燃料改質器に供給して水素を含む改質ガスを生成する。そして、この改質ガスを燃料電池に供給し、改質ガスに含まれる水素と空気ブロワ等により供給される空気中の酸素との化学反応により電力を発生する。
【０００３】
このような燃料電池システムでは、燃料ポンプより送出される液体燃料を蒸発させるために、燃料蒸発装置を用いている。燃料蒸発装置は、液体燃料を噴射する燃料噴射器を備えており、該燃料噴射器により液体燃料を噴射する。そして、噴射された燃料をヒータや発電に用いた排ガスの熱を用いて加熱することにより、液体燃料を蒸発させる。
【０００４】
従来における燃料蒸発装置として、例えば、特開２００１−１３９３０１号公報（特許文献１）に記載されたものが知られている。該特許文献１では、液体原燃料を蒸発室に噴射する第１の噴射部と、第１の噴射部から噴射された液体原燃料に、所定の方向性を有する気体又は液体を噴射する第２の噴射部とを備えることにより、液体原燃料を充分に微粒化および分散化して高効率に蒸発させる技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−１３９３０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述した特許文献１に開示された従来例では、液体燃料を微粒化するために複数の噴射部を設ける構成とされており、また、その後段に微粒化した燃料を蒸発させるための大きな蒸発部空間を設ける構成であるので、容積が大きく、且つ構成が複雑化するという問題点があった。
【０００７】
本発明は、このような従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、簡単な構成で、且つ高効率で液体燃料を蒸発させることが可能な燃料蒸発装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、本発明は、液体燃料を断続的に噴射する噴射手段と、噴射された液体燃料を蒸発させる蒸発ガス空間と、を備えた燃料蒸発装置において、前記蒸発ガス空間内に設けられ、熱源により加熱される第一熱面、及び第二熱面を有し、前記第一熱面と前記第二熱面は、同一熱エネルギー量変化に対する温度変化の定数が互いに異なることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の燃料蒸発装置では、同一熱エネルギー量変化に対する温度変化の定数が互いに異なる第一熱面、及び第二熱面を備えているので、断続的に噴射される燃料の液滴に対して、ほぼ一定の温度で加熱することができ、蒸発ガス発生量の変動幅を低減し安定的に蒸発ガスを生成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料蒸発装置を搭載した燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る燃料蒸発装置の構成を示す断面図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係る燃料蒸発装置の、第一熱面、及び第二熱面の温度変化を示す特性図である。
【図４】本発明の第２実施形態に係る燃料蒸発装置の構成を示す断面図である。
【図５】本発明の第３実施形態に係る燃料蒸発装置の構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１２】
［第１実施形態の説明］
図１は、本発明の各実施形態に係る燃料蒸発装置１１（６１，８１）が搭載される燃料電池システム１００の構成を示すブロック図、図２は、第１実施形態に係る燃料蒸発装置１１の構成を示す断面図である。初めに、図１を参照して、燃料電池システム１００の構成について説明する。
【００１３】
図１に示すように、該燃料電池システム１００は、カソード極４１ａ及びアノード極４１ｂを備えた燃料電池４１と、燃料改質器４５ａ及び該燃料改質器４５ａを加熱する燃焼器４５ｂからなる改質装置４５と、を備えている。
【００１４】
更に、燃料電池システム１００は、燃料電池４１のカソード極４１ａに空気を供給する第１空気ブロワ４２と、該第１空気ブロワ４２より送出される空気を加熱する熱交換器４３と、アノード極４１ｂの出口側に設置されて、アノード排気ガスを３方向に分岐する分岐バルブ５１と、を備えている。分岐バルブ５１の出口側は、アノード排ガスを、燃料蒸発装置１１、燃焼器４５ｂ、及びアノード排ガスを昇圧する燃料循環ブロワ４６にそれぞれ接続されている。
【００１５】
更に、燃料電池システム１００は、燃料改質器４５ａに改質空気を供給する第２空気ブロワ４７と、燃焼器４５ｂに燃焼用の空気を供給する第３空気ブロワ４８と、燃料改質器４５ａに供給する燃料ガスを生成する燃料蒸発装置（Vaporizer）１１と、ガソリン等の燃料を加圧して燃料蒸発装置１１に供給する燃料加圧器４９と、を備えている。
【００１６】
燃料電池４１は、例えば、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ；Solid Oxide Fuel Cell）であり、アノード極４１ｂに供給される改質ガスと、カソード極４１ａに供給される空気により電力を発生させて、モータ等の電力需要設備に電力を供給する。
【００１７】
改質装置４５は、燃焼器４５ｂより供給される熱により燃料改質器４５ａを加熱して、改質ガスを生成し、生成した改質ガスをアノード極４１ｂに供給する。
【００１８】
そして、上記のように構成された燃料電池システム１００において、燃料加圧器４９より送出される燃料は、第２空気ブロワ４７より送出される改質空気、及びアノード極４１ｂより排出されるアノード排出ガスと混合され、燃料改質器４５ａに供給される。燃料改質器４５ａ内では、供給された燃料と空気とによる部分酸化反応（発熱反応）、及び燃料とアノード排気ガス中の水蒸気とによる水蒸気改質反応（吸熱反応）、及びこれらの反応により生成した一酸化炭素と水蒸気とによるシフト反応（発熱反応）が進行する。
【００１９】
そして、燃料改質器４５ａより出力される改質ガスは、燃料電池４１のアノード極４１ｂに供給され、該改質ガスに含まれる水素（Ｈ2）、及び一酸化炭素（ＣＯ）は、カソード極４１ａから電解質膜を介して供給される酸素イオンとの間で電気化学反応を起こし、それぞれ水（Ｈ2Ｏ）、二酸化炭素（ＣＯ2）を生成する。このとき、電子が電極（外部回路側）に出力されて、発電電力が発生する。アノード極４１ｂより排出される排気ガスは、その一部が燃焼器４５ｂに供給され、それ以外の排気ガスは、燃料循環ブロワ４６にて昇圧されて、燃料改質器４５ａに供給される。
【００２０】
また、第１空気ブロワ４２より導入される空気は、熱交換器４３により昇温され、燃料電池４１のカソード極４１ａに導入される。カソード極４１ａに導入された空気中に含まれる酸素は、カソード極４１ａで電子と反応し、酸素イオンを生成する。電子は、アノード極４１ｂから外部負荷回路を介して供給される。カソード極４１ａで生成した酸素イオンは、電解質膜を介してアノード極４１ｂへ伝導する。そして、カソード極４１ａより排出される排気ガスは、燃焼器４５ｂに供給され燃焼用の燃料となる。更に、燃焼器４５ｂの排気ガスは、熱交換器４３に供給され、第１空気ブロワ４２より送出される空気に熱を伝達する。
【００２１】
次に、図２を参照して、本発明の第１実施形態に係る燃料蒸発装置１１の構成について説明する。図２に示すように、燃料蒸発装置１１は、先端部に設けられた燃料噴射弁１７より断続的に燃料を噴射する燃料供給器１２（噴射手段）と、該燃料供給器１２より噴射された燃料を加熱して蒸発させる蒸発ガス空間１３を有する蒸発部２５と、を備えている。
【００２２】
蒸発部２５は、二重円筒形状をなしており、中央部には断面が円形状の第一熱面１４が設けられ、その周囲部には第二熱面１５が設けられている。そして、第一熱面１４と第二熱面１５との間となる円環形状の空間が蒸発ガス空間１３とされ、該蒸発ガス空間１３にて燃料供給器１２より噴射された燃料２０を加熱して該燃料２０を蒸発させる。
【００２３】
第一熱面１４は、例えば、銅やステンレス等の金属で構成され、ヒータ１６ａが設けられている。そして、該ヒータ１６ａは電線１８に接続されている。従って、電線１８を介してヒータ１６ａを通電することにより、ヒータ１６ａを発熱させて第一熱面１４を２００〜３００℃程度に加熱することができる。
【００２４】
また、第二熱面１５もやはり銅やステンレス等の金属で構成され、ヒータ１６ｂが設けられている。そして、該ヒータ１６ｂは電線１８に接続され、該電線１８を介してヒータ１６ｂを通電することにより、ヒータ１６ｂを発熱させて第二熱面１５を２００〜３００℃程度に加熱することができる。
【００２５】
ここで、第二熱面１５は、第一熱面１４よりも全体の容積（質量）が大きく構成されている。従って、第二熱面１５の方が第一熱面１４よりも熱容量が大きいことになり、第一熱面１４の方が第二熱面１５よりも少ない熱量の供給により温度が上昇し、且つ、少ない熱量の放出で温度が下降することとなる。即ち、第一熱面と第二熱面は、同一熱エネルギー量変化に対する温度変化の定数が互いに異なるように構成されている。
【００２６】
燃料供給器１２の先端部には小径の燃料噴射弁１７が設けられ、該燃料噴射弁１７の先端部は、蒸発ガス空間１３の燃料導入口１３ａに連結されている。そして、燃料供給器１２は、図２に示した燃料加圧器４９で昇圧された燃料を、燃料噴射弁１７より蒸発ガス空間１３内に向けて断続的に燃料を噴射する。噴射された液滴は、蒸発ガス空間１３内に放出されることとなる。この際、燃料供給器１２の圧力を、蒸発ガス空間１３内での液体燃料の圧力よりも高く設定しているので、燃料噴射弁１７より噴射される燃料２０は、蒸発ガス空間１３内にて円錐状に広がるように噴射される。
【００２７】
また、燃料供給器１２の先端部と燃料噴射弁１７との接続部分にはシール材２４が設けられ、この部分からの燃料漏れを防止している。更に、燃料噴射弁１７の周囲には、燃料供給器１２の先端部を冷却するための冷却水配管２１が設けられており、該冷却水配管２１に冷却水を循環させることにより、燃料噴射弁１７周辺の温度が過熱状態となることを防止している。また、蒸発ガス空間１３の燃料導入口１３ａ近傍には、パージガス導入管２２が接続されており、燃料２０の噴射を停止したとき等において、該パージガス導入管２２より高圧の窒素ガスを導入することにより、蒸発ガス空間１３内に滞留している燃料２０を外部へ排出する。
【００２８】
また、蒸発ガス空間１３内の、第一熱面１４と第二熱面１５で囲まれる空間の適所には、燃料ガス中に含まれる不純物を除去するためのフィルタ２３が設けられ、更に、蒸発ガス空間１３の出力側には、蒸気ガス排出管１９が接続されている。フィルタ２３としては、液体の通過を阻止できる細孔径を有する多孔性金属体を採用することが望ましく、この場合には、蒸発ガス空間１３内で蒸発しきれない液体状の燃料が生じた場合においても、液体化した燃料が下流側に流出することを防止できる。
【００２９】
次に、上記のように構成された本実施形態に係る燃料蒸発装置１１の作用について説明する。本実施形態では、電線１８に電流を流すことにより、第一熱面１４に設けられたヒータ１６ａ、及び第二熱面１５に設けられたヒータ１６ｂを通電し、ヒータ１６ａ，１６ｂを発熱させる。この際、ヒータ１６ａをヒータ１６ｂよりも若干高い温度となるように制御する。従って、第一熱面１４は第二熱面１５よりも若干高い温度まで上昇することとなる。
【００３０】
そして、この状態で図１に示した燃料加圧器４９にて加圧した燃料（例えば、ガソリン）が供給されると、燃料供給器１２の燃料噴射弁１７より、例えば、円錐状に燃料２０が噴射される。噴射された燃料２０の液滴は蒸発ガス空間１３内において、第一熱面１４、及び第二熱面１５と接触することにより、加熱されて蒸発する。その後、蒸発した燃料ガスは、蒸気ガス排出管１９を経由して下流側へと出力され、図１に示す燃料改質器４５ａにて改質原燃料として使用されることとなる。
【００３１】
以下、燃料噴射弁１７より噴射された燃料が蒸発する際の動作を詳細に説明する。蒸発ガス空間１３内に噴射された燃料の液滴は粒径分布を持ち、粒径の大きい液滴は速度が速く円錐状に広がりながら円錐の外周に沿って進む。よって、粒径の大きい液滴は、主として円錐状の液滴を囲むように設置される第二熱面１５により加熱されて蒸発する。このため、第二熱面１５での液滴の蒸発に消費される熱エネルギーは大きい。この際、上述したように第二熱面１５は、第一熱面１４よりも熱容量が大きいので、蒸発エネルギーが多く奪われた場合でも温度の変化は小さい。
【００３２】
一方、第一熱面１４は、燃料噴射弁１７の噴射口に対向する位置に配置されており、燃料の液滴のうち粒径の小さい液滴は円錐形の内側を進むので、この粒径の小さい液滴は主として第一熱面１４により加熱されて蒸発する。この際、第一熱面１４での液滴の蒸発に消費される熱エネルギーは小さいので、熱容量の小さい第一熱面１４であっても液滴を十分に蒸発させることができる。
【００３３】
換言すれば、第二熱面１５は、主として粒径の大きい液滴に熱を供給して蒸発させるので多くの熱量が必要になるけれども、熱容量が大きいので大きな温度変化は生じず、第一熱面１４は、主として粒径の小さい液滴に熱を供給して蒸発させるので、熱容量が小さくても確実に液滴を加熱して蒸発させることができる。
【００３４】
燃料噴射弁１７が例えば多噴孔で噴霧が円錐形でない場合でも、噴霧が全体として広がりを持っていれば同様な蒸発動作が行われる。
【００３５】
なお、第二熱面１５は熱容量が大きいので、温度の回復にも多くのエネルギーが必要となり、元の温度に回復するまでの時間が長くなり、第一熱面１４は、第二熱面１５よりも相対的に熱容量が小さいので、液滴の蒸発が終了した場合には短時間で元の温度に回復することとなる。
【００３６】
図３は、燃料供給器１２より断続的に燃料を噴射した場合の、各熱面の温度変化を示す特性図であり、曲線ｑ１は第一熱面１４の温度変化を示し、曲線ｑ２は第二熱面１５の温度変化を示している。そして、曲線ｑ１に示すように、第一熱面１４の温度は、時間の経過に伴って周期的に大きな振幅で上下に変動している。即ち、断続的に燃料２０を噴射する場合に、燃料２０が噴射された時点では該燃料２０に熱が奪われるので、第一熱面１４の温度は急激に低下し、次の噴射までの間に温度が回復し、この動作を繰り返すので、第一熱面１４の温度は曲線ｑ１のように変動する。
【００３７】
これに対して、曲線ｑ２に示すように、第二熱面１５の温度は小さい振幅で上下に変動している。即ち、第二熱面１５は熱容量が大きいので、断続的に燃料を噴射する場合に、燃料噴射時点には第二熱面１５の温度は若干低下し、その後、回復するという変動を繰り返す。
【００３８】
上記のことから、第一熱面１４と第二熱面１５が互いに熱を補完し合うことにより、蒸発ガス空間１３内の熱面温度が一斉に低下することを回避でき、噴射された燃料２０の液滴に対して安定的に熱を供給して蒸発させることができる。
【００３９】
ここで、熱面温度が一斉に低下する場合（図３のように、互いに熱を補完し合わない場合）について説明する。例えば、改質原燃料として用いるガソリンは、多成分燃料であり、含有する成分毎に沸点が異なるので、数十℃から２００℃程度までの間に沸点を有する成分が混在することとなる。
【００４０】
このため、仮に、熱面の温度が一斉に低下した場合には、沸点の高い成分については蒸発し難いので蒸発するまでに時間がかかり、この状態において、次の噴射による燃料供給が行われた場合に、急激に温度が低下してより一層蒸発し難くなり、更に、熱面の温度が低下するという悪循環に陥り、最終的には沸点の高い燃料を蒸発させることができなくなる。また、仮に蒸発させることができたとしても、蒸発ガス空間１３の内部に沸点の高い成分がカーボンとして堆積して、燃料蒸発装置１１の性能を永続的に悪化させるという不具合が発生することになる。
【００４１】
また、上記の問題を鑑み、一つの熱面のみを用いる構成で、蒸発熱面の熱容量を大きくして蒸発の際の温度変化を小さくして蒸発させようとすると、蒸発ガス空間１３内に設置する熱面の容積は非常に大きなものが必要となる。従って、燃料蒸発装置１１を車両用として用いる場合には、多くの設置スペースを要するという問題が生じ、その上、燃料電池システム１００を起動する際に、燃料蒸発装置１１の温度を作動温度まで上昇させるために多くのエネルギーを消費するという問題が生じる。
【００４２】
また、蒸発熱面の熱容量を小さくし、熱面温度を高く設定することにより、設置スペース、エネルギー消費の問題を解消できるが、熱面の温度変化が大きくなるので、供給した燃料を安定的に蒸発ガスに変えるためには、燃料を断続供給する際の供給間隔を長くする必要があり、燃料流量の変動が大きくならざるを得ない。本実施形態では、第一熱面１４及び第二熱面１５の２つの熱面を用いることにより、上記の問題を解消し、蒸発ガス空間１３内に噴射された燃料２０を安定的に蒸発させることができるのである。
【００４３】
このようにして、第１実施形態に係る燃料蒸発装置１１では、熱容量が相対的に低い第一熱面１４と、熱容量が相対的に高い第二熱面１５の２つの熱面を用いることにより、断続的に噴射される燃料２０の液滴に対して、ほぼ一定の温度で加熱することができ、蒸発ガス発生量の変動幅を低減し安定的に蒸発ガスを生成することができる。
【００４４】
また、第一熱面１４を第二熱面１５に対して若干温度が高く設定することにより、蒸発ガス空間１３内の温度を安定させることができ、より一層蒸発ガス発生量の変動幅を低減できる。更に、燃料供給器１２内の圧力を蒸発ガス空間１３内の圧力よりも高く設定することにより、燃料噴射弁１７より円錐状に燃料２０を噴射させることができるので、噴射された燃料２０を第一熱面１４、及び第二熱面１５に安定的に接触させて燃料２０を蒸発させることができる。
【００４５】
更に、燃料蒸発装置１１の小型化が可能となり、且つ、燃料の消費量を低減できるので、二酸化炭素等の環境に影響を及ぼすガスの排出力を抑制することができる。
【００４６】
なお、本実施形態では、第一熱面１４と第二熱面１５を同一の材質とし、双方の容積が異なるようにして互いに熱容量が異なるようにしたが、第一熱面１４と第二熱面を熱容量の異なる材質としても良い。この場合には、第一熱面１４と第二熱面１５は同一の容積であっても、異なる熱容量とすることができ、上記と同様の効果を達成することが可能である。
【００４７】
［第２実施形態の説明］
次に、本発明の第２実施形態について説明する。図４は、第２実施形態に係る燃料蒸発装置６１の構成を示す断面図である。なお、この燃料蒸発装置６１についても第１実施形態と同様に、図１に示す燃料電池システム１００の燃料改質器４５ａの上流側に設置されて、該燃料改質器４５ａに燃料ガスを供給する。
【００４８】
図４に示すように、第２実施形態に係る燃料蒸発装置６１は、燃料供給器１２と、蒸発ガス空間６２を有する蒸発部７１を備えている。燃料供給器１２は、第１実施形態の図２に示した燃料供給器１２と同一の構成を備えているので、構成の説明を省略する。
【００４９】
また、蒸発部７１は、二重円筒形状を成しており、中央部には、断面円形状の第一熱面６３が設けられ、該第一熱面６３の周囲には第二熱面６４が設けられ、第一熱面６３と第二熱面６４で囲まれる円環状の空間が蒸発ガス空間６２とされている。
【００５０】
第一熱面６３、及び第二熱面６４は共に、銅やステンレス等の材質で構成されており、互いに容積が異なる。即ち、第二熱面６４は第一熱面６３よりも容積が大きく構成されており、従って、第二熱面６４は第一熱面６３よりも熱容量が大きい。換言すれば、第一熱面６３と第二熱面６４は、同一熱エネルギー量変化に対する温度変化の定数が互いに異なるように構成されている。
【００５１】
また、第二熱面６４の外周側には、複数の熱交換フィン６８が設けられており、更に、第二熱面６４の周囲は、容器６７により覆設されている。第二熱面６４と容器６７で囲まれる空間は密閉構造とされ、高温ガス導入管６９より加熱用の高温ガスが導入され、高温ガス排出管７０よりこの高温ガスが排出される。即ち、前述した第１実施形態では、ヒータ１６ａ，１６ｂを用いて第一熱面、及び第二熱面を加熱する構成としたが、第２実施形態に係る燃料蒸発装置６１では、高温ガスにより第一熱面６３、及び第二熱面６４を加熱する構成としている。
【００５２】
また、蒸発ガス空間６２内の、第一熱面６３と第二熱面６４で囲まれる空間の適所には、燃料ガス中に含まれる不純物を除去するためのフィルタ６５が設けられ、更に、蒸発ガス空間６２の出力側には、蒸気ガス排出管６６が接続されている。フィルタ６５は、第１実施形態で用いたフィルタ２３と同様に、液体の通過を阻止することが可能な細孔径を有する多孔性金属体等である。
【００５３】
次に、上記のように構成された本実施形態に係る燃料蒸発装置１１の作用について説明する。本実施形態では、高温ガス導入管６９より、図１に示したアノード極４１ｂの排気ガスを高温ガスとして導入することにより、第一熱面６３、及び第二熱面６４を加熱する。即ち、高温ガスが高温ガス導入管６９により導入されると、この高温ガスは第一熱面６３に接する第一熱面加熱通路６３ａを通過して第一熱面６３を２００〜３００℃程度の温度に加熱し、その後、第二熱面６４に接する第二熱面加熱通路６４ａを通過して熱交換フィン６８との接触により第二熱面６４を２００〜３００℃程度の温度に加熱し、高温ガス排出管７０より排出される。この際、第一熱面６３は第二熱面６４よりも若干高い温度まで上昇することとなる。この際、アノード極４１ｂの排ガスの代わりにカソード極４１ａの排ガスや燃焼器４５ｂの排ガスを利用することも可能である。
【００５４】
そして、この状態で図１に示した燃料加圧器４９にて加圧した燃料（例えば、ガソリン）が供給されると、燃料供給器１２の燃料噴射弁１７より円錐状に燃料２０が噴射される。噴射された燃料２０の液滴は蒸発ガス空間１３内において、第一熱面６３、及び第二熱面６４と接触することにより、加熱されて蒸発する。その後、蒸発した燃料ガスは、蒸気ガス排出管６６を経由して下流側へと出力され、図１に示す燃料改質器４５ａにて改質原燃料として使用される。こうして、燃料供給器１２より噴射された燃料２０は、各熱面６３，６４より熱が供給されて蒸発することとなる。
【００５５】
このようにして、第２実施形態に係る燃料蒸発装置６１においても、前述した第１実施形態と同様に、熱容量が相対的に低い第一熱面６３と、熱容量が相対的に高い第二熱面６４の２つの熱面を用いることにより、断続的に噴射される燃料２０の液滴に対して、ほぼ一定の温度で加熱することができ、蒸発ガス発生量の変動幅を低減し安定的に蒸発ガスを生成することができる。
【００５６】
また、第一熱面６３を第二熱面６４に対して若干温度が高くなるように設定することができるので、蒸発ガス空間１３内の温度を安定させることができ、より一層蒸発ガス発生量の変動幅を低減することができる。更に、燃料供給器１２内の圧力を蒸発ガス空間６２内の圧力よりも高く設定することにより、燃料噴射弁１７より円錐状に燃料２０を噴射させることができるので、噴射された燃料２０を第一熱面１４、及び第二熱面１５に安定的に接触させて燃料２０を蒸発させることができる。
【００５７】
更に、第２実施形態では、第一熱面６３、第二熱面６４を、燃料電池システム１００で発生する高温ガスにより加熱するので、外部からのエネルギー供給が不要となり、システム全体の熱効率を高く保持することができる。
【００５８】
なお、本実施形態では、第一熱面６３と第二熱面６４を同一の材質とし、容積が異なるよう構成することにより、互いに熱容量が異なるようにしたが、第一熱面６３と第二熱面を熱容量の異なる材質としても良い。
【００５９】
［第３実施形態の説明］
次に、本発明の第３実施形態について説明する。図５は、第３実施形態に係る燃料蒸発装置８１の構成を示す説明図であり、（ａ）は側面方向の断面図、（ｂ）はＡ−Ａ’断面図、（ｃ）はＢ−Ｂ’断面図である。なお、この燃料蒸発装置８１についても前述した第１，第２実施形態と同様に、図１に示す燃料電池システム１００の燃料改質器４５ａの上流側に設置されて、該燃料改質器４５ａに燃料ガスを供給する。
【００６０】
図５（ａ）に示すように、第３実施形態に係る燃料蒸発装置８１は、燃料供給器１２、及び蒸発ガス空間８２を含む容器８８を備えている。燃料供給器１２は、第１実施形態の図２に示した燃料供給器１２と同一の構成を備えているので、構成の説明を省略する。
【００６１】
容器８８内には、第一熱面８３と第二熱面８４で囲まれて密閉された蒸発ガス空間８２が設けられており、該蒸発ガス空間８２は、図５（ｂ），（ｃ）に示すように蒸発ガス排出管８９に接続されている。また、第一熱面８３の下部空間は第一熱面加熱通路８７とされ、第二熱面８４の上部空間は第二熱面加熱通路８６とされ、図１に示したアノード極４１ｂの排気ガスが高温ガスとして供給される構造とされている。
【００６２】
従って、第一熱面加熱通路８７に導入される高温ガスにより第一熱面８３が加熱され、第二熱面加熱通路８６に導入される高温ガスにより第二熱面８４が加熱される。これにより第一熱面８３及び第二熱面８４は、例えば２００〜３００℃程度まで加熱されることとなる。なお、第二熱面８４の上面には、突起部８５が形成されており、高温ガスの熱伝達率を高めている。更に、効率的な熱交換を行わせるために、第一熱面８３、第二熱面８４の各背面に触媒を塗布して、高温ガスに存在する成分を触媒上で反応させて発熱させ、各熱面８３，８４に伝達させるようにすることも可能である。
【００６３】
また、第二熱面８４は、容器８８と一体化して構成されている。更に、第一熱面８３、及び第二熱面８４は、互いに容積が異なる。即ち、第二熱面８４は第一熱面８３よりも容積が大きく構成されており、第二熱面８４は第一熱面８３よりも熱容量が大きい。換言すれば、第一熱面８３と第二熱面８４は、同一熱エネルギー量変化に対する温度変化の定数が互いに異なるように構成されている。
【００６４】
次に、第３実施形態に係る燃料蒸発装置８１の作用について説明する。第３実施形態では、図１に示したアノード極４１ｂの排気ガスを、第一熱面加熱通路８７及び第二熱面加熱通路８６に導入し、第一熱面８３、及び第二熱面８４を加熱する。その結果、第一熱面８３及び第二熱面８４は２００〜３００℃程度に上昇する。
【００６５】
第一熱面加熱通路８７及び第二熱面加熱通路８６に導入するのは、カソード極４１ａの排ガスや燃焼器４５ｂの排ガスを利用することも可能である。
【００６６】
そして、各熱面８３，８４が加熱した状態で、図１に示した燃料加圧器４９にて加圧した燃料（例えば、ガソリン）が燃料供給器１２に供給されると、該燃料供給器１２の燃料噴射弁１７より円弧状に燃料２０が噴射される。噴射された燃料２０の液滴は、蒸発ガス空間８２内において、第一熱面８３、及び第二熱面８４と接触することにより、加熱されて蒸発する。その後、蒸発した燃料ガスは、蒸発ガス排出管８９を経由して下流側へと出力され、図１に示す燃料改質器４５ａにて改質原燃料として使用されることとなる。こうして、燃料供給器１２より噴射された燃料２０は、各熱面８３，８４より熱が供給されて蒸発することとなる。
【００６７】
このようにして、第３実施形態に係る燃料蒸発装置８１においても、前述した第１，第２実施形態と同様に、熱容量が相対的に低い第一熱面８３と、熱容量が相対的に高い第二熱面８４の２つの熱面を用いることにより、断続的に噴射される燃料２０の液滴に対して、ほぼ一定の温度で加熱することができ、蒸発ガス発生量の変動幅を低減し安定的に蒸発ガスを生成することができる。
【００６８】
また、第一熱面８３を第二熱面８４に対して若干温度が高くすることにより、蒸発ガス空間８２内の温度を安定させることができ、より一層蒸発ガス発生量の変動幅を低減することができる。更に、燃料供給器１２内の圧力を蒸発ガス空間８２内の圧力よりも高く設定することにより、燃料噴射弁１７より円弧状に燃料２０を噴射させることができるので、噴射された燃料２０を第一熱面８３、及び第二熱面８４に安定的に接触させて燃料２０を蒸発させることができる。
【００６９】
更に、第３実施形態では、第一熱面８３及び第二熱面８４を、燃料電池システム１００で発生する高温ガスにより加熱するので、外部からのエネルギー供給が不要となり、システム全体の熱効率を高く保持することができる。
【００７０】
また、第３実施形態に係る燃料蒸発装置８１は、第一熱面８３及び第二熱面８４を平板形状の材料で構成することができるので、図１に示した燃料電池システム１００中で、平板状の構造を持つ他の構成要素と組み合わせて一体化することが可能となる。その結果、燃料電池システム１００全体の省スペース化を図ることができる。
【００７１】
なお、本実施形態では、第一熱面８３と第二熱面８４を同一の材質とし、容積が異なるよう構成することにより、互いに熱容量が異なるようにしたが、第一熱面８３と第二熱面８４を熱容量の異なる材質としても良い。また、第二熱面８４を、容器８８と一体化しない構成としても良い。
【００７２】
以上、本発明の燃料蒸発装置を図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置き換えることができる。
【００７３】
例えば、上記した実施形態では、燃料蒸発装置に供給する燃料としてガソリンを例に挙げたが、本発明は、ガソリン以外の燃料についても適用することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００７４】
本発明は、燃料電池システムの燃料改質器に供給する燃料を高効率で蒸発させることに利用することができる。
【符号の説明】
【００７５】
１１ 燃料蒸発装置
１２ 燃料供給器
１３ 蒸発ガス空間
１３ａ 燃料導入口
１４ 第一熱面
１５ 第二熱面
１６ａ，１６ｂ ヒータ
１７ 燃料噴射弁
１８ 電線
１９ 蒸気ガス排出管
２０ 燃料
２１ 冷却水配管
２２ パージガス導入口
２３ フィルタ
２４ シール材
２５ 蒸発部
４１ 燃料電池
４１ａ カソード極
４１ｂ アノード極
４２ 第１空気ブロワ
４３ 熱交換器
４５ 改質装置
４５ａ 燃料改質器
４５ｂ 燃焼器
４６ 燃料循環ブロワ
４７ 第２空気ブロワ
４８ 第３空気ブロワ
４９ 燃料加圧器
５１ 分岐バルブ
６１ 燃料蒸発装置
６２ 蒸発ガス空間
６３ 第一熱面
６３ａ 第一熱面加熱通路
６４ 第二熱面
６４ａ 第二熱面加熱通路
６５ フィルタ
６６ 蒸発ガス排出管
６７ 容器
６８ 熱交換フィン
６９ 高温ガス導入管
７０ 高温ガス排出管
７１ 蒸発部
８１ 燃料蒸発装置
８２ 蒸発ガス空間
８３ 第一熱面
８４ 第二熱面
８５ 突起部
８６ 第二熱面加熱通路
８７ 第一熱面加熱通路
８８ 容器
８９ 蒸発ガス排出管
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体燃料を断続的に噴射する噴射手段と、噴射された液体燃料を蒸発させる蒸発ガス空間と、を備えた燃料蒸発装置において、
前記蒸発ガス空間内に設けられ、熱源により加熱される第一熱面、及び第二熱面を有し、前記第一熱面と前記第二熱面は、同一熱エネルギー量変化に対する温度変化の定数が互いに異なることを特徴とする燃料蒸発装置。
【請求項２】
前記第一熱面、及び第二熱面は、前記噴射手段による液体燃料の噴射方向に対して略平行に配置され、前記第二熱面は前記第一熱面を囲むように配置されることを特徴とする請求項１に記載の燃料蒸発装置。
【請求項３】
前記第二熱面は、前記第一熱面よりも熱容量が大きいことを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載の燃料蒸発装置。
【請求項４】
前記第一熱面の温度を、前記第二熱面の温度よりも高く設定することを特徴とする請求項３に記載の燃料蒸発装置。
【請求項５】
前記噴射手段より噴射される液体燃料の圧力は、前記蒸発ガス空間内での液体燃料の圧力よりも高く設定されることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の燃料蒸発装置。
【請求項１】
液体燃料を断続的に噴射する噴射手段と、噴射された液体燃料を蒸発させる蒸発ガス空間と、を備えた燃料蒸発装置において、
前記蒸発ガス空間内に設けられ、熱源により加熱される第一熱面、及び第二熱面を有し、前記第一熱面と前記第二熱面は、同一熱エネルギー量変化に対する温度変化の定数が互いに異なることを特徴とする燃料蒸発装置。
【請求項２】
前記第一熱面、及び第二熱面は、前記噴射手段による液体燃料の噴射方向に対して略平行に配置され、前記第二熱面は前記第一熱面を囲むように配置されることを特徴とする請求項１に記載の燃料蒸発装置。
【請求項３】
前記第二熱面は、前記第一熱面よりも熱容量が大きいことを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載の燃料蒸発装置。
【請求項４】
前記第一熱面の温度を、前記第二熱面の温度よりも高く設定することを特徴とする請求項３に記載の燃料蒸発装置。
【請求項５】
前記噴射手段より噴射される液体燃料の圧力は、前記蒸発ガス空間内での液体燃料の圧力よりも高く設定されることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の燃料蒸発装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１２−１８６０４８（Ｐ２０１２−１８６０４８Ａ）
【公開日】平成２４年９月２７日（２０１２．９．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−４８８１２（Ｐ２０１１−４８８１２）
【出願日】平成２３年３月７日（２０１１．３．７）
【出願人】（０００００３９９７）日産自動車株式会社 (16,386)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年９月２７日（２０１２．９．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月７日（２０１１．３．７）
【出願人】（０００００３９９７）日産自動車株式会社 (16,386)
【Ｆターム（参考）】
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