JP2003187844A - 気化器およびその制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 短時間に始動時間でき、水の垂れを防止で
き、一酸化炭素の発生を低減できる気化器を提供する。 【解決手段】 燃焼用燃料を含む第１原料を供給する第
１原料供給手段１と、第１原料供給手段１により供給さ
れた燃焼用燃料を燃焼開始させる着火手段２と、燃焼用
燃料の燃焼熱と熱交換する熱交換部５を介して燃焼用燃
料の燃焼空間６に第２原料を供給する第２原料供給手段
２０が設けられている気化器１００または全原料の投入
量が増加するにしたがって第２原料／第１原料の比が大
きくなるように制御する気化器１００の制御方法または
熱交換器５の上部側に下部側より多くの第２原料を供給
する気化器１００の制御方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は気化器およびその制
御方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、水素と酸素を使用して電気分解の
逆反応で発電する燃料電池を使用した自動車が、水以外
の排出物がなくクリーンな自動車として注目されてい
る。しかし、水素を自動車に搭載するためには水素ボン
ベまたは水素貯蔵合金装置が必要で、これらは容積的に
も重量的にも大きく自動車などの車載用としては適して
いない。

【０００３】そのためプロパン、天然ガス、ガソリン等
の炭化水素系燃料やメタノール等のアルコール系燃料を
燃料にした燃料電池を使用した自動車が最も将来性のあ
るクリーンな自動車であると見られている。この燃料電
池は、二酸化炭素以外の排出物が少なく、二酸化炭素の
排出量も、発電所で電気を製造するときに排出される二
酸化炭素を考慮に入れると電気自動車と同程度であり、
地球温暖化対策にもなっている。

【０００４】この燃料電池は、気化器で燃料と水を蒸発
させて、触媒（例えば、Ｃｕ−Ｚｎ触媒等）により水素
を主成分とするガスに改質した改質ガスを利用して発電
する。この燃料電池の効率化のためには、燃料と水を効
率的に蒸発させることは重要である。特に自動車などの
車載用の用途では、気化器はできる限り小型・軽量にし
且つ大量の燃料を蒸発させる必要がある。また、気化器
により蒸発させる燃料と水が燃料電池の燃料であるの
で、燃料電池の始動時間を短くするためには、気化器の
始動時間を短くすることが極めて重要である。特に自動
車などの場合は始動時間を短くすることが必須であるの
で、気化器の始動時間を短くすることが極めて重要であ
る。従来技術として、燃料と水を噴霧して燃料に着火
し、燃料の一部を燃焼させて、その燃焼熱を使用して未
燃燃料と水を蒸発させる気化器が知られている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来技
術は、燃料と水の気化温度に差があるため（通常は燃料
の方が沸点が低く水より蒸発しやすい）、燃料と水を均
等に蒸発させることが困難であり、水が蒸発しきれずに
垂れる問題点があった。気化器内で燃焼蒸発を行わせ、
すべての投入原料が蒸発した場合に気化器で蒸発された
ガスの温度が、そのガスを利用する装置に適温となるよ
うに原料を投入しているため、垂れる水があると、水の
蒸発潜熱によるガス温度の低下が少なくなるので、気化
器で蒸発されたガスを利用する装置に必要以上に高温の
ガスが投入され、その装置に問題が生ずる恐れがあっ
た。また、気化器内が高温になるため、蒸発させる燃料
の一部が熱分解され一酸化炭素が多く発生する問題点が
あった。さらに、この装置が改質装置の場合、気化器で
蒸発された必要以上に高温のガスが改質触媒層に投入さ
れるため、触媒層が劣化する問題点があった。

【０００６】本発明は上記課題を解決したもので、水の
液垂れを防止でき、一酸化炭素の発生を低減できる気化
器を提供する。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記技術的課題を解決す
るために、本発明の請求項１において講じた技術的手段
（以下、第１の技術的手段と称する。）は、燃焼用燃料
を含む第１原料を供給する第１原料供給手段と、該第１
原料供給手段により供給された前記燃焼用燃料を燃焼開
始させる着火手段と、前記燃焼用燃料の燃焼熱と熱交換
する熱交換部を介して前記燃焼用燃料の燃焼空間に第２
原料を供給する第２原料供給手段が設けられていること
を特徴とする気化器である。

【０００８】上記第１の技術的手段による効果は、以下
のようである。

【０００９】すなわち、第１原料で主に燃焼を行い、そ
の燃焼熱で第２原料を熱交換部内で加熱するので、燃焼
空間内の燃焼を完全燃焼に近い状態に維持するととも
に、最適な温度に安定できるため、水の液垂れを防止で
き、一酸化炭素の発生を低減できる。

【００１０】上記技術的課題を解決するために、本発明
の請求項２において講じた技術的手段（以下、第２の技
術的手段と称する。）は、前記第１原料供給手段の周囲
から前記燃焼用燃料を支燃する燃焼用エアを供給するこ
とを特徴とする請求項１記載の気化器である。

【００１１】上記第２の技術的手段による効果は、以下
のようである。

【００１２】すなわち、第１原料供給手段の周囲から燃
焼用エアを供給しているため、第１原料を円錐状に噴霧
し、その周囲から燃焼用エアを供給できるので、噴霧さ
れた第１原料に均等にエアを供給でき、安定した燃焼が
できる。特に、燃焼用エアのすべてを第１原料供給手段
の周囲から供給すれば、第１原料中の燃焼用燃料成分を
燃焼させるために十分なエアが均等に第１原料に供給で
きるのため、燃焼用燃料を完全に燃焼させることができ
るので、より安定な燃焼ができるとともに、一酸化炭素
の発生を低減できる。

【００１３】上記技術的課題を解決するために、本発明
の請求項３において講じた技術的手段（以下、第３の技
術的手段と称する。）は、第２原料供給手段の原料吐出
口が、前記燃焼用燃料の燃焼空間の燃焼火炎流方向の後
半部に設けられていることを特徴とする請求項１記載の
気化器である。

【００１４】上記第３の技術的手段による効果は、以下
のようである。

【００１５】すなわち、第２原料供給手段の原料吐出口
が燃焼空間の燃焼火炎流方向の後半部に設けられている
ので、第２原料が第１燃料の燃焼熱によって十分に加熱
されたのち燃焼空間に供給されるため、より効果的に水
の液垂れを防止でき、一酸化炭素の発生を低減できる。

【００１６】上記技術的課題を解決するために、本発明
の請求項４において講じた技術的手段（以下、第４の技
術的手段と称する。）は、前記熱交換部が、前記燃焼用
燃料の燃焼空間内に設けられた燃焼火炎流方向に延在す
る中間壁部の外周に設けられ、前記第２原料が前記燃焼
火炎流方向に通流する流路を備えていることを特徴とす
る請求項１記載の気化器である。

【００１７】上記第４の技術的手段による効果は、以下
のようである。

【００１８】すなわち、熱交換部が燃焼火炎流方向に延
在する中間壁部の外周に設けられているので、燃焼空間
の熱を交換部に効率的に伝達でき、より効果的に水の液
垂れを防止でき、一酸化炭素の発生を低減できる。ま
た、燃焼空間の熱の気化器外套部への伝達を低減できる
ため、外套部が高温になることを防止でき、かつ気化器
のエネルギー効率を向上できる。

【００１９】上記技術的課題を解決するために、本発明
の請求項５において講じた技術的手段（以下、第５の技
術的手段と称する。）は、前記流路の断面部が前記中間
壁部を囲うように設けられ、前記燃焼火炎流方向に延在
する仕切り板により前記流路が仕切られていることを特
徴とする請求項４記載の気化器である。

【００２０】上記第５の技術的手段による効果は、以下
のようである。

【００２１】すなわち、 第２原料が通流する流路が中
間壁部を囲うように設けられているので、中間壁部がす
べて伝熱面として使用できるため蒸発効率を向上でき
る。また外套部への熱伝達をさらに低減できるので、外
套部が高温となることを効果的に防止できる。さらに外
套部が直接燃焼火炎にさらされないため耐久性を向上で
きる。流路が仕切り板によって仕切られているので、流
路に供給された第２原料が重力により下方に落下するこ
とを防止し、第２原料が燃料火炎流方向に流すことがで
き、燃焼空間の熱を効率的に第２原料に与えることがで
きる。これにより、蒸発効率が向上できる。

【００２２】上記技術的課題を解決するために、本発明
の請求項６において講じた技術的手段（以下、第６の技
術的手段と称する。）は、前記仕切り板に孔が付設され
ていることを特徴とする請求項５記載の気化器である。

【００２３】上記第６の技術的手段による効果は、以下
のようである。

【００２４】すなわち、仕切り板に孔が付設されている
ので、仕切り板を介して徐々に第２原料が他の流路に移
動するので、第２原料を効率的に加熱できる。

【００２５】上記技術的課題を解決するために、本発明
の請求項７において講じた技術的手段（以下、第７の技
術的手段と称する。）は、前記熱交換部が、前記第１原
料の燃焼空間の燃焼火炎流方向の内周側に位置し燃焼火
炎流方向に延在する管状部材であることを特徴とする請
求項１記載の気化器である。

【００２６】上記第７の技術的手段による効果は、以下
のようである。

【００２７】すなわち、熱交換部が燃焼火炎流方向に延
在する管状部材であるので、請求項４と同様に、燃焼空
間の熱を交換部に効率的に伝達でき、より効果的に水の
液垂れを防止でき、一酸化炭素の発生を低減できる。ま
た、燃焼空間の熱の気化器外套部への伝達を低減できる
ため、外套部が高温になることを防止でき、かつ気化器
のエネルギー効率を向上できる。

【００２８】上記技術的課題を解決するために、本発明
の請求項８において講じた技術的手段（以下、第８の技
術的手段と称する。）は、前記燃焼空間は前記燃焼火炎
流方向が略水平になるように設けられ、前記熱交換部の
上部側流路断面積が該熱交換部の下部側流路断面積より
大きいことを特徴とする請求項４〜７のいずれかに記載
の気化器である。

【００２９】上記第８の技術的手段による効果は、以下
のようである。

【００３０】すなわち、熱交換部の上部側流路断面積が
該熱交換部の下部側流路断面積より大きいので、上部側
流路に下部側流路より多くの第２原料を流すことがで
き、熱交換部の上部側の過熱と下部側の加熱不足を防止
できる。これにより第２原料を効率的に加熱でき、より
効果的に水の液垂れを防止でき、一酸化炭素の発生を低
減できるとともに気化器のエネルギー効率を向上でき
る。

【００３１】上記技術的課題を解決するために、本発明
の請求項９において講じた技術的手段（以下、第９の技
術的手段と称する。）は、前記燃焼空間は前記燃焼火炎
流方向が略水平になるように設けられ、前記熱交換部の
下部側伝熱面積が該熱交換部の上部側伝熱面積より大き
いことを特徴とする請求項７記載の気化器である。

【００３２】上記第９の技術的手段による効果は、以下
のようである。

【００３３】すなわち、熱交換部の下部側伝熱面積が上
部側伝熱面積より大きいので、熱交換部の下部側の第２
原料がより加熱され下部側の加熱不足を解消するととも
に、燃焼空間内の熱が上部側から下部側に移動し、熱交
換部の上部側の過熱を防止できる。これにより第２原料
を効率的に加熱でき、より効果的に水の液垂れを防止で
き、一酸化炭素の発生を低減できるとともに気化器のエ
ネルギー効率を向上できる。

【００３４】上記技術的課題を解決するために、本発明
の請求項１０において講じた技術的手段（以下、第１０
の技術的手段と称する。）は、請求項１〜９のいずれか
に記載の気化器を使用する気化器の制御方法において、
第１原料供給手段と第２原料供給手段から投入する全原
料の投入量が増加するにしたがって第２原料／第１原料
の比が大きくなるように制御することを特徴とする気化
器の制御方法である。

【００３５】上記第１０の技術的手段による効果は、以
下のようである。

【００３６】すなわち、全原料の投入量に比例して第１
原料を投入すると燃焼空間の温度の増加率が上昇するの
で、第２原料／第１原料の比を大きくすることによって
効果的に原料を蒸発でき、気化器のエネルギー効率を向
上できるとともに、より効果的に水の液垂れを防止で
き、一酸化炭素の発生を低減できる。

【００３７】上記技術的課題を解決するために、本発明
の請求項１１において講じた技術的手段（以下、第１１
の技術的手段と称する。）は、請求項４〜７のいずれか
に記載の気化器を使用する気化器の制御方法において、
前記気化器の燃焼空間は燃焼火炎流方向が略水平になる
ように設けられ、熱交換部の上部側流路に流す第２原料
の流量が該熱交換部の下部側流路に流す第２原料の流量
より多くなるように制御されていることを特徴とする気
化器の制御方法である。

【００３８】上記第１１の技術的手段による効果は、以
下のようである。

【００３９】すなわち、熱交換部の上部側流路に流す第
２原料の流量が下部側流路に流す第２原料の流量より多
くなるように制御されているので、熱交換部の上部側の
過熱を防止できるとともに、熱交換部の下側の加熱不足
を解消し、より効果的に水の液垂れを防止でき、一酸化
炭素の発生を低減できる。

【００４０】

【発明の実施の形態】本発明者は、水の液垂れを防止
し、必要以上に高温になることを避けるための燃料と水
の投入方法を鋭意研究し、燃料と水からなる気化器の原
料を主に燃焼を担う第１原料と主に蒸発用の原料となる
第２原料に分け、第２原料を第１原料の燃焼熱によって
加熱した後、第１原料の燃焼空間に投入して蒸発させる
という本発明の技術的思想に到達した。

【００４１】以下、本発明の実施形態について、図面に
基づいて説明する。図１は本発明の第１実施形態の気化
器の構造を説明するための構造図であり、図１（ａ）は
横断面から見た構造図、図１（ｂ）はＡＡ断面から見た
構造図である。

【００４２】気化器１００は、ノズル１、着火器２、燃
焼用エア投入口３、保炎器４、チューブ５、第２原料供
給口７、マニホールド８、防炎板９、整流板１０などか
ら構成されている。気化器１００の外套部１０２は軸方
向が水平な円筒形状である。この気化器１００の軸方向
の一方端にノズル１が設けられている。

【００４３】ノズル１は気化器１００の軸方向の他方端
側に向かって第１原料を噴霧するように設けられた第１
原料供給手段である。ノズル１は、原料供給部１ａと噴
霧用エア供給部１ｂが設けられ、エア供給口１ｃから噴
射された噴霧用エアにより原料を噴霧する気液二流体型
のノズルである。保炎器４は、ノズル１をほぼ頂点とす
る円錐状の板で形成され、エアが流通できる孔４ａが設
けられている。

【００４４】保炎器４のノズル１側と反対側にマニホー
ルド８が設けられている。マニホールド８は内部に空間
を有する円環形状の部材で、最上部には第２原料供給口
７が連結され、気化器１００の軸方向の保炎器４側と反
対の端部にはチューブ５が流体流通可能に連結されてい
る。チューブ５は多数本設けられ、ＡＡ断面から見て円
周上に並んでいる。チューブ５のマニホールド８側と反
対側の端部５ａは燃焼空間６に開口している。本実施形
態では、第２原料供給口７、マニホールド８、チューブ
５で、第２原料を燃焼空間６に供給する第２原料供給手
段である第２原料供給部２０を構成している。チューブ
５が熱交換部である。

【００４５】チューブ５の端部５ａの前方には防炎板９
が設けられている。防炎板９には穴９ａが設けられてお
り、第１原料が燃焼蒸発したガスと第２原料が蒸発した
ガスを混合整流し、穴９ａから排出するとともに燃焼空
間６の熱を遮蔽する機能を有する。防炎板９の前方の所
定距離を隔てた位置に整流板１０が設けられている。整
流板１０は気化器１００の内断面全体にわたる平板状の
部材で、多数の小貫通孔が設けられている。防炎板９と
整流板１０の間の空間に改質用エアを供給する改質用エ
ア供給口１１が設けられている。整流板１０は、気化器
１００の出口部１０１から排出されるガスの流れを整流
すると共に、蒸発された原料と改質用エアを均一に混合
する機能を有する。

【００４６】燃焼空間６は、保炎器４、気化器１００の
外套部１０２、整流板１０で形成される空間である。燃
焼火炎流方向とはノズル１の噴霧方向と一致し、図１
（ａ）のＸ方向である。第１実施形態の場合、気化器１
００の軸方向と一致している。チューブ５は燃焼空間６
の内周側に位置し燃焼火炎流方向すなわちＸ方向に延在
する管状部材である。保炎器４の燃焼空間６と反対側に
は燃焼用エアを保炎器４の孔４ａから燃焼空間６に供給
する空間部１２が設けられている。空間部１２には燃焼
用エア投入口３が連結されている。着火器２は気化器１
００のノズル１と同じ端部に設けられ、その先端部は燃
焼空間６内に設けられている。着火器２は第１原料中の
燃焼用燃料の燃焼を開始させるための着火手段である。
なお、１３はノズル１の第１原料の噴射を模式的に表し
ている。

【００４７】第１原料が原料供給部１ａに供給され、噴
射用エアが噴霧用エア供給部１ｂに供給されると、エア
供給口１ｃから噴射された噴霧用エアにより第１原料が
燃焼空間６内に噴霧される。本実施形態では、第１原料
としてメタノールと水の混合原料が用いられる。その混
合割合はメタノール：水＝５０：２３（液体状態の体積
比）である。このうち、メタノールの一部は燃焼用燃料
の役割を有しているが、他は蒸発される原料である。燃
焼用エア投入口３から供給された燃焼用エアは空間部１
２、保炎器４の孔４ａを介して燃焼空間６に供給され
る。

【００４８】燃焼空間６中に噴霧された第１原料中のメ
タノールは、着火器２により着火されて燃焼用エア、噴
霧用エアにより支燃されて燃焼される。この燃焼によ
り、燃焼空間６の温度が上昇すると同時に、第１原料中
に水と燃焼に供されなかったメタノールが蒸発する。

【００４９】第２原料供給口７から第２原料が供給され
る。本実施形態では、第２原料としてメタノールと水の
混合原料が用いられる。その混合割合はメタノール：水
＝５０：２３（液体状態の体積比）である。第２原料は
すべて蒸発される原料となる。第２原料供給口７から供
給された第２原料はマニホールド８を介してチューブ５
に供給される。第２原料は、チューブ５を通過する間に
第１原料の燃焼熱により加熱され、一部は蒸発する。加
熱された第２原料は、チューブ５の端部５ａから燃焼空
間６内に供給され、第１原料の燃焼熱により直接加熱さ
れ蒸発される。

【００５０】燃焼排ガス、蒸発された原料は、防炎板９
の穴や防炎板９と外套部１０２の間の隙間を通って防炎
板９の反対側に供給され、ここで改質用エア供給口１１
から供給された改質用エアと混合され、整流板１０で整
流されて気化器１００の出口部１０１から排出される。
改質用エアは蒸発された原料とともに後段の改質器で改
質される原料となる。

【００５１】第１原料に用いられる燃焼用燃料と蒸発用
原料の量と比率は、燃焼空間６内の燃焼を完全燃焼に近
い状態に維持するとともに、最適な温度に安定できるよ
うに決められる。そのために、第１原料中の蒸発用燃料
の比率は、第１原料と第２原料の合計である全原料中の
蒸発用燃料の比率より、かなり小さい。すなわち、第１
原料は燃焼用燃料が大部分であり、場合によってはすべ
て燃焼用燃料としてもよい。この結果、第１原料中の燃
焼用燃料の燃焼によって蒸発に必要な熱量の大部分が生
成されるので、第１原料中の水が液垂れすることを防止
できる。また、蒸発用燃料が少ないため、未燃ガスの発
生を抑えることができ、蒸発用燃料の熱分解により発生
する一酸化炭素を減少させることができる。

【００５２】第２原料はチューブ５を通過するときに第
１原料中の燃焼熱により加熱されてから燃焼空間６に供
給されるので、チューブ５の中で蒸発されるか、チュー
ブ５から排出されてすぐに蒸発されるため、第２原料中
の水が液垂れすることを防止できる。また、熱分解も防
止できるので、一酸化炭素を減少させることができる。

【００５３】チューブ５の端部５ａは第２原料を燃焼空
間６の後半部に供給するので、第２原料を十分加熱する
ことができ、より効果的に水の液垂れを防止でき、一酸
化炭素の発生を低減できる。

【００５４】図２は、第１実施形態の気化器を用いた燃
料電池システムの構成図である。本燃料電池システム
は、気化器１００、改質器２００、燃料電池３００、メ
タノールタンク１５ａ、水タンク１５ｂおよびブロア１
６〜１９などが設けられている。メタノール１５ａと水
タンク１５ｂは、それぞれ流量制御バルブ２１と２３を
介してノズル１に連結され、第１原料を供給している。
ブロア１６はノズル１と連結され噴霧用エアを供給して
いる。メタノール１５ａと水タンク１５ｂは、それぞれ
流量制御バルブ２２と２４を介して第２原料供給口７に
連結され、第２原料を供給している。ブロア１７は燃焼
用エア投入口３に連結され、燃焼用エアを供給してい
る。ブロア１８は改質用エア供給口１１に連結され、改
質用エアを供給している。

【００５５】気化器１００は改質器２００と連結されて
いる。改質器２００は、改質ガスを燃料電池３００の燃
料極側に供給するように燃料電池３００と連結されてい
る。燃料電池３００の酸化剤極側には酸化剤ガスである
エアを供給するためにブロア１９が連結されている。

【００５６】燃料電池システムの場合、気化器１００で
蒸発される原料は改質用原料である。気化器１００で蒸
発された改質用原料ガスは改質器２００に供給され、改
質触媒により水素を主成分とする改質ガスに改質され
る。この改質ガスが燃料電池３００の燃料極側に供給さ
れ、ブロア１９によって酸化剤極側にエアが供給される
ことによって、燃料電池３００は発電する。

【００５７】気化器１００は、水の液垂れが防止できて
いるので、改質触媒が液で濡れて改質性能が低下するこ
とを防止できるため、改質器２００の性能を向上でき
る。また気化器１００から改質器２００に供給される改
質用原料ガスの温度を低くできるので、改質器の触媒層
を劣化させる恐れをなくすことができる。

【００５８】改質器２００には、一般的に改質反応時に
発生する一酸化炭素を低減するために一酸化炭素低減部
が設けられている。改質ガス中の一酸化炭素濃度が高い
まま燃料電池に供給されると、燃料電池の電極触媒を被
毒し、燃料電池の性能が低下するので、それを避けるた
めである。気化器１００から改質器２００に供給される
ガス中の一酸化炭素が高いと、一酸化炭素低減部の能力
を超えてしまい、一酸化炭素濃度が高い改質ガスが燃料
電池に供給される問題点が生ずる。一酸化炭素低減部の
能力を上げて解決することもできるが、この場合には、
一酸化炭素低減部が大型化し、改質器２００が大型化す
る問題点がある。気化器１００から改質器２００に供給
される改質用原料ガスは、一酸化炭素が低減されている
ので、一酸化炭素低減部を大きくすることなく改質ガス
中の一酸化炭素濃度を低減でき、燃料電池の耐久性向上
ができる。

【００５９】図３は気化器１００における燃料投入量と
気化器表面温度の関係を測定したグラフ図である。これ
は、ノズル１にだけ原料を投入したときの気化器１００
の外套部１０２の外側の温度を測定したものである。１
０２ａは、外套部１０２の表面温度測定点である。投入
した原料のメタノールと水の液体状態の体積比は５０：
２３である。この時、メタノール５０ｃｃに対して３５
ＮＬ／ｍｉｎの比率でエア（噴霧用エアと燃焼用エアの
総計）を投入した。図３の横軸は原料投入量（水とメタ
ノールの総計）であり、縦軸は気化器表面温度である。
黒点は測定結果であり、破線は測定結果の近似曲線であ
る。原料投入量が増加するとともに気化器表面温度の増
加率が上昇している。この結果は、第１原料の投入量が
多いとき第２原料を多く投入しても第２原料が液垂れす
ることなく蒸発させることができることを示している。
図４は、図３の結果をもとに気化器１００に投入する第
１原料と第２原料の投入量をシュミレーションしたグラ
フ図である。図４の横軸は改質器２００の負荷すなわち
気化器１００で蒸発させる必要がある改質用原料の量で
ある。図４の縦軸は原料投入流量である。直線３０は、
第１原料と第２原料の合計すなわち全投入流量を表して
いる。これは改質器負荷に比例して増加させる必要があ
る。曲線３１は第１原料の投入流量を表し、曲線３２は
第２原料の投入流量を表している。改質器負荷が増加す
るにしたがって、全投入流量に占める第２原料の投入流
量を増加させることによって、水の液垂れ防止、一酸化
炭素の発生低減に効果的であることがわかった。このた
め、全原料の投入量が増加するにしたがって第２原料／
第１原料の比が大きくなるように制御することによっ
て、より効果的に水の液垂れを防止でき、一酸化炭素の
発生を低減できる。

【００６０】図５は本発明の第２実施形態の気化器の構
造を説明するための構造図であり、図５（ａ）は横断面
から見た構造図、図５（ｂ）はＡＡ断面から見た構造図
である。第２実施形態は、第１実施形態のチューブ５の
代わりにフィン付チューブ２５にしたもので、他の構成
は第１実施形態と同じである。第１実施形態と同じ部位
には同じ符号を付け、説明は省略する。

【００６１】フィン付チューブ２５は、チューブ２７に
多数の金属板状のフィン２６を溶接して接合したもので
ある。チューブ２７は第１実施形態のチューブ５と同じ
形状で同様に配置されているが、フィン２６の分だけ本
数が減少している。本実施形態では、第２原料供給口
７、マニホールド８、フィン付チューブ２５で、第２原
料を燃焼空間６に供給する第２原料供給手段である第２
原料供給部２８を構成している。フィン付チューブ２５
が熱交換部である。

【００６２】第２原料供給口７から供給された第２原料
は、マニホールド８を介してチューブ２７に供給され
る。第２原料は、チューブ２７を通過して、開口側の端
部２５ａから燃焼空間６に供給される。燃焼空間６の燃
焼熱はフィン２６により効率的にチューブ２７内に伝熱
できるので、第２原料はより効率的に加熱される。この
結果、第２実施形態の気化器２００は原料をより効率的
に蒸発できる。したがって、水の液垂れをより効率的に
防止でき、一酸化炭素の発生をより効率的に減少でき
る。第２実施形態の気化器２００も第１実施形態の気化
器１００と同様な構成で燃料電池システムに使用され
る。

【００６３】図６は本発明の第３実施形態の気化器の構
造を説明するための構造図であり、図６（ａ）は横断面
から見た構造図、図６（ｂ）はＡＡ断面から見た構造図
である。第３実施形態は、第１実施形態の第２原料供給
部２０の代わりに第２原料供給部４０にしたもので、他
の構成は第１実施形態と同じである。第１実施形態と同
じ部位には同じ符号を付け、説明は省略する。

【００６４】燃焼空間６内に保炎器４に一方端が当接す
る中間壁部４５が設けられている。中間壁部４５はＸ方
向に延在する円筒形状である。中間壁部４５の他方端４
５ａは防炎板９の近くまで延びている。防炎板９と中間
壁部４５の他方端４５ａは燃焼空間６からのガスが通流
できるように所定間隔あけて設けられている。中間壁部
４５と気化器３００の外套部１０２との間の空間が第２
原料通流部４２となっている。第２原料通流部４２には
第２原料を供給する第２原料供給口４１が設けられてい
る。本実施形態では、第２原料供給口４１、第２原料通
流部４２、中間壁部４５で、第２原料を燃焼空間６に供
給する第２原料供給手段である第２原料供給部４０を構
成している。第２原料通流部４２にはＸ方向に延在する
仕切り板４３が等間隔に多数設けられており、供給され
た第２原料が一度に下方にいかないようになっている。
仕切り板４３には多数の孔４３ａが設けられ、第２原料
の流量が増加すると、この孔４３ａを通って第２原料が
徐々に下方に移動するように構成されている。

【００６５】第２原料供給口４１から第２原料通流部４
２に供給された第２原料は、燃焼空間６の燃焼熱によっ
て加熱され、第２原料通流部４２を通過する間に蒸発さ
れるか、沸点近くまで加熱され他方端４５ａの部分から
燃焼空間６に供給される。この結果、第１実施形態と同
様に、水の液垂れを防止でき、一酸化炭素の発生を減少
できる。第３実施形態の気化器３００も第１実施形態の
気化器１００と同様な構成で燃料電池システムに使用さ
れる。

【００６６】気化器３００は、中間壁部４５がすべて伝
熱面として使用できるため蒸発効率を向上でき、また外
壁１０２が直接燃焼火炎にさらされないため耐久性を向
上できる。

【００６７】第１〜第３実施形態ではいずれも燃焼火炎
流方向（Ｘ方向）が水平となっているが、特に限定され
ず、任意の方向とすることができる。第１〜第３実施形
態ように燃焼火炎流方向（Ｘ方向）を略水平とした場
合、燃焼空間６内で上部側が過熱し、下部側が比較的低
温となり、上部側の熱交換部が耐熱的に問題になった
り、下部側の熱交換部内の第２原料の加熱が不十分とな
る恐れがある。熱交換部の上部側流路断面積を下部側流
路断面積より大きくすることによって、この問題を解決
できる。

【００６８】図７は第１実施形態のチューブ５の代わり
に、内径が異なっている多数のチューブ３５を使用した
変形例のＡＡ断面構造図である。チューブ３５は上部側
ほど内径が大きなチューブを使用している。この結果、
上部側ほど多量の第２原料が流れることによって、上部
側の過熱と、下部側の加熱不足を解消できる。

【００６９】図８は第３実施形態の仕切り板４３の配置
を変更した変形例のＡＡ断面構造図である。仕切り板５
１間の間隔が上部側ほど広げて設けられている。この結
果、熱交換部の上部側流路断面積が下部側流路断面積よ
り大きくなっている。孔５１ａの径と数を適宜選択する
ことにより、上部側の通路により多くの第２原料を流す
ことができ、上部側の過熱と、下部側の加熱不足を解消
できる。

【００７０】熱交換部の下部側の伝熱面積を上部側の伝
熱面積より大きくすることによって、上部側の過熱と、
下部側の加熱不足を解消することができる。すなわち、
下部側の伝熱面積が大きいので、熱交換部の下部側の第
２原料がより加熱され下部側の加熱不足が解消されると
ともに、燃焼空間内の熱が上部側から下部側に移動し、
熱交換部の上部側の過熱を防止できる。

【００７１】また、第１〜第２実施形態においてマニホ
ールド８を上下で分離するか、第３実施形態において第
２原料通流部４２を上下で分離して、それぞれ上下別々
に第２原料を供給し上部側に流す第２原料流量を下部側
に流す第２原料流量より多く流すように制御する。この
結果、上部側ほど多量の第２原料が流れることによっ
て、上部側の過熱と、下部側の加熱不足を解消できる。
なお、ここではマニホールド８を上下に分離することで
説明したが、３つ以上に分離し、上部側流路に流す第２
原料流量を下部側流路に流す第２原料流量より多くする
ように制御しても同様の効果を奏する。

【００７２】第１〜第３実施形態では、上記で述べた効
果以外に、外套部１０２のすぐ内側に第２原料が通過す
る熱交換部が設けられているので、燃焼空間６の熱が熱
交換部で吸熱され、外套部１０２の温度を低く保つこと
ができるとともに外部への放熱を少なくでき気化器の効
率を向上できる効果を奏する。

【００７３】なお、第１〜第３実施形態では、燃料電池
システムに使用する改質装置の気化器として説明した
が、燃料電池システム以外に使用する改質装置、例えば
水素エンジン等の水素使用機器に利用できる。また、改
質装置以外の気化器としても使用できる。第１〜第３実
施形態では、第１原料、第２原料のいずれもメタノール
と水の混合物として説明したが、特に限定されず、本発
明の技術的思想に基づいて様々な形で利用できる。例え
ば、燃焼用燃料および蒸発用原料（実施形態では改質用
原料）としてメタノールが使用されているが、ガソリ
ン、天然ガス、プロパンなどの液体や気体の炭化水素系
燃料や他のアルコール系燃料なども利用できる。第１原
料には燃焼用燃料だけを供給し、第２原料には蒸発用原
料だけを供給することもできる。

【００７４】

【発明の効果】以上のように、本発明は、燃焼用燃料を
含む第１原料を供給する第１原料供給手段と、該第１原
料供給手段により供給された前記燃焼用燃料を燃焼開始
させる着火手段と、前記燃焼用燃料の燃焼熱と熱交換す
る熱交換部を介して前記燃焼用燃料の燃焼空間に第２原
料を供給する第２原料供給手段が設けられていることを
特徴とする気化器であるので、水の液垂れを防止でき、
一酸化炭素の発生を低減できる。また、本発明は上記の
気化器を用いて、第１原料供給手段と第２原料供給手段
から投入する全原料の投入量が増加するにしたがって第
２原料／第１原料の比が大きくなるように制御すること
を特徴とする気化器の制御方法または前記気化器の燃焼
空間を燃焼火炎流方向が略水平になるように設け、熱交
換部の上部側流路に流す第２原料の流量が該熱交換部の
上部側流路に流す第２原料の流量より多くなるように制
御されていることを特徴とする気化器の制御方法である
ので、より効果的に水の液垂れを防止でき、一酸化炭素
の発生を低減できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態の気化器の構造を説明す
るための構造図であり、図１（ａ）は横断面から見た構
造図、図１（ｂ）はＡＡ断面から見た構造図である。

【図２】第１実施形態の気化器を用いた燃料電池システ
ムの構成図。

【図３】燃料投入量と気化器表面温度の関係を測定した
グラフ図。

【図４】第１原料と第２原料の投入量をシュミレーショ
ンしたグラフ図。

【図５】本発明の第２実施形態の気化器の構造を説明す
るための構造図であり、図５（ａ）は横断面から見た構
造図、図５（ｂ）はＡＡ断面から見た構造図である。

【図６】本発明の第３実施形態の気化器の構造を説明す
るための構造図であり、図６（ａ）は横断面から見た構
造図、図６（ｂ）はＡＡ断面から見た構造図である。

【図７】内径が異なっている多数のチューブを使用した
変形例のＡＡ断面構造図

【図８】第３実施形態の仕切り板の配置を変更した変形
例のＡＡ断面構造図。

【符号の説明】

１…ノズル（第１原料供給手段） ２…着火器（着火手段） ３…燃焼用エア投入口 ５…チューブ（熱交換部）（管状部材） ５ａ、２５ａ…端部（原料吐出口） ６…燃焼空間 ２０、２８、４０…第２原料供給部（第２原料供給手
段） ２５…フィン付きチューブ（熱交換部）（管状部材） ４２…第２原料通流部（熱交換部） ４３、５１…仕切り板 ４３ａ、５１ａ…孔 ４５…中間壁部（熱交換部） １００、２００、３００…気化器

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃焼用燃料を含む第１原料を供給する第
   １原料供給手段と、該第１原料供給手段により供給され
   た前記燃焼用燃料を燃焼開始させる着火手段と、前記燃
   焼用燃料の燃焼熱と熱交換する熱交換部を介して前記燃
   焼用燃料の燃焼空間に第２原料を供給する第２原料供給
   手段が設けられていることを特徴とする気化器。
2. 【請求項２】 前記第１原料供給手段の周囲から前記燃
   焼用燃料を支燃する燃焼用エアを供給することを特徴と
   する請求項１記載の気化器。
3. 【請求項３】 第２原料供給手段の原料吐出口が、前記
   燃焼用燃料の燃焼空間の燃焼火炎流方向の後半部に設け
   られていることを特徴とする請求項１記載の気化器。
4. 【請求項４】 前記熱交換部が、前記燃焼用燃料の燃焼
   空間内に設けられた燃焼火炎流方向に延在する中間壁部
   の外周に設けられ、前記第２原料が前記燃焼火炎流方向
   に通流する流路を備えていることを特徴とする請求項１
   記載の気化器。
5. 【請求項５】 前記流路の断面部が前記中間壁部を囲う
   ように設けられ、前記燃焼火炎流方向に延在する仕切り
   板により前記流路が仕切られていることを特徴とする請
   求項４記載の気化器。
6. 【請求項６】 前記仕切り板に孔が付設されていること
   を特徴とする請求項５記載の気化器。
7. 【請求項７】 前記熱交換部が、前記第１原料の燃焼空
   間の燃焼火炎流方向の内周側に位置し燃焼火炎流方向に
   延在する管状部材であることを特徴とする請求項１記載
   の気化器。
8. 【請求項８】 前記燃焼空間は前記燃焼火炎流方向が略
   水平になるように設けられ、前記熱交換部の上部側流路
   断面積が該熱交換部の下部側流路断面積より大きいこと
   を特徴とする請求項４〜７のいずれかに記載の気化器。
9. 【請求項９】 前記燃焼空間は前記燃焼火炎流方向が略
   水平になるように設けられ、前記熱交換部の下部側伝熱
   面積が該熱交換部の上部側伝熱面積より大きいことを特
   徴とする請求項７記載の気化器。
10. 【請求項１０】 請求項１〜９のいずれかに記載の気化
    器を使用する気化器の制御方法において、第１原料供給
    手段と第２原料供給手段から投入する全原料の投入量が
    増加するにしたがって第２原料／第１原料の比が大きく
    なるように制御することを特徴とする気化器の制御方
    法。
11. 【請求項１１】 請求項４〜７のいずれかに記載の気化
    器を使用する気化器の制御方法において、前記気化器の
    燃焼空間は燃焼火炎流方向が略水平になるように設けら
    れ、熱交換部の上部側流路に流す第２原料の流量が該熱
    交換部の下部側流路に流す第２原料の流量より多くなる
    ように制御されていることを特徴とする気化器の制御方
    法。