触媒燃焼器及び燃焼ヒータ並びに燃料電池システム
【課題】 均一な温度分布で燃焼させることができる触媒燃焼器及び燃焼ヒータ並びに燃料電池システムを提供する。
【解決手段】 触媒燃焼器１１Ａは、発泡金属などで形成された整流板９Ａと、この整流板９Ａの上流側に設けられる触媒燃焼部１３とを備えている。燃料ガスと酸化剤ガスによる混合ガスＭｇが、触媒燃焼器１１Ａに供給されると、整流板９Ａによって混合ガスＭｇに圧力損失が与えられることで燃料ガスと酸化剤ガスとが均一に混ざるようになり、触媒燃焼部１３における燃焼温度の均一化を図ることができる。
【解決手段】 触媒燃焼器１１Ａは、発泡金属などで形成された整流板９Ａと、この整流板９Ａの上流側に設けられる触媒燃焼部１３とを備えている。燃料ガスと酸化剤ガスによる混合ガスＭｇが、触媒燃焼器１１Ａに供給されると、整流板９Ａによって混合ガスＭｇに圧力損失が与えられることで燃料ガスと酸化剤ガスとが均一に混ざるようになり、触媒燃焼部１３における燃焼温度の均一化を図ることができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、触媒反応により熱を生成する触媒燃焼器、及びこの触媒燃焼器により生成された熱を利用して冷却媒体を加熱する燃焼ヒータ、並びに触媒燃焼器を搭載した燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、触媒燃焼器として種々のものが提案されている。例えば、特許文献１に記載の触媒燃焼器は、燃料電池システムに搭載されるものであり、システム始動時には、燃料ガスとしてのメタノールと酸化剤ガスとしての空気とからなる混合ガスをヒータで加熱した後に触媒燃焼部に送り、また、通常運転時には、ヒータで加熱しないで供給した空気と、ヒータの下流側から吐出される排改質ガスおよび排空気とが混合されて触媒燃焼部に送られるように構成されている。
【０００３】
ところで、この種の触媒燃焼器では、触媒反応における燃料ガスと酸化剤ガスとを均一な濃度で混ぜることが難しく、その結果、触媒燃焼部内での燃焼温度が不均一となってシステム性能が低下する問題がある。そこで、燃料ガスと酸化剤ガスとの均一な濃度の混合ガスを得る手段として、燃料ガスと酸化剤ガスとを混合させる混合部内において、触媒燃焼部の入口側の面に対向するようにして燃料ガス供給用の管状の燃料供給ポートを複数本平行に配置して、各燃料供給ポートに複数の燃料噴射孔を設けた触媒燃焼器が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２００１−２１１１２号公報（段落００１３〜００２０、図１）
【特許文献２】特開２００３−２１１９４５号公報（段落００６０〜００６９、図６）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献２に記載の従来の触媒燃焼器では、触媒燃焼部に供給される燃料ガスの供給量が面方向に対してバラツキ易く、燃料ガスと酸化剤ガスとの混合割合が不均一となるため、燃料ガスの割合が多いところでは発熱量が増えて触媒の温度が高くなって触媒が局所的に劣化するおそれがある。また、特許文献２の触媒燃焼器では、触媒燃焼部の直前で燃料ガスが供給されるため、燃料ガスと酸化剤ガスとが均等に混ざり難い。
【０００５】
また、特許文献１に示すように、触媒燃焼部の下流側に燃焼ガスの熱を冷媒に伝達する熱交換器を備えたものでは、触媒燃焼部に供給される燃料ガスと酸化剤ガスとの混合割合が面方向に対してバラツキが生じると、熱交換器に供給される燃焼ガスの発熱量にバラツキが生じて熱変換効率が低下したり、熱交換器を通る冷却媒体が局所的に高温になって、冷却媒体が変質するおそれがある。
【０００６】
本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、触媒燃焼部に供給される燃料ガスと酸化剤ガスとの混合割合を均一にして、触媒燃焼部内において均一な温度分布となるように燃焼させることができる触媒燃焼器を提供することを目的とする。
また、本発明は、触媒燃焼器によって生成される燃焼ガスを熱源として冷却媒体を加熱する熱交換器とを備えるものであって、熱変換効率に優れた燃焼ヒータ、およびシステム性能の向上を図ることができる燃料電池システムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の触媒燃焼器は、燃料ガスと酸化剤ガスとの混合ガスを燃焼させる触媒燃焼部を備えた触媒燃焼器であって、前記触媒燃焼部の上流側に、前記混合ガスに少なくとも圧力損失を与える整流板を設けたことを特徴とする。
【０００８】
前記本発明によれば、整流板を設けて混合ガスに圧力損失を発生させることにより、触媒燃焼部に流入する混合ガス内の燃料ガスと酸化剤ガスとの混合割合を均一化できるので、触媒燃焼部内での燃焼温度が不均一となるのを防止できる。
【０００９】
また、前記整流板に形成される前記混合ガスが通過する開口径が、前記混合ガスの消炎径以下に設定されるように構成することが好ましい。
【００１０】
このように、整流板に形成される開口の開口径が混合ガスの消炎径以下に設定されることで、整流板を消炎板としても利用することが可能になる。よって、触媒燃焼部で火炎が発生した際にその火炎がその上流側の燃料ガスの供給側に伝播するのを防止する機能、いわゆる、逆火防止機能を発揮することができる。しかも、別個に消炎板を設ける必要がないので、触媒燃焼器の小型化および軽量化を図ることもできる。
【００１１】
例えば、前記整流板は、発泡金属からなる。整流板として発泡金属を選択することにより、圧力損失によって燃料ガスと酸化剤ガスとが均一化する方向に混合されるとともに、さらに発泡金属内で燃料ガスと酸化剤ガスとが互いに攪拌されて、燃料ガスと酸化剤ガスとの混合割合を高精度に均一化できるようになる。
【００１２】
また、前記整流板は、平板と波板とが交互に積層されて、前記平板と前記波板との間に形成される隙間に前記混合ガスが流通するように構成したものであってもよい。
【００１３】
また、本発明の燃焼ヒータは、前記触媒燃焼器と、前記触媒燃焼器の下流側に設けられて前記触媒燃焼器によって生成される燃焼ガスを熱源として冷却媒体を加熱する熱交換器とを備えることを特徴とする。
【００１４】
前記本発明の燃焼ヒータによれば、触媒燃焼器での燃焼むらを防止できるので、冷却媒体を均一な温度帯の熱源で加熱することができ、熱変換効率を高めることが可能になる。
【００１５】
また、本発明の燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとの化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池内に冷却媒体を循環させて前記燃料電池を冷却する冷却手段と、前記触媒燃焼器と、前記燃料ガスと前記酸化剤ガスとを混合して前記触媒燃焼器に供給する混合器と、前記触媒燃焼器によって生成された燃焼ガスを熱源として前記冷却媒体を加熱する熱交換器とを備えることを特徴とする。
【００１６】
前記本発明の燃料電池システムによれば、触媒燃焼器から供給される燃焼ガスの温度分布を均一化できるので、冷却手段内部の圧力を安定化させることができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の触媒燃焼器によれば、燃焼むらを防止して、局所的な高温による触媒の劣化を防止できる。また、本発明の燃焼ヒータによれば、熱変換効率を向上できるとともに、冷却媒体の変質を防止することができる。また、本発明の燃料電池システムによれば、システム性能の向上を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
（第１実施形態）
以下、第１実施形態の触媒燃焼器を搭載した燃焼ヒータについて図１ないし図４を参照して説明する。図１は燃焼ヒータを示す断面図、図２は第１実施形態の触媒燃焼器の整流板を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線断面図、図３は第１実施形態の触媒燃焼器に導入される混合ガスの流れを模式的に示す図、図４は図１のＡ−Ａ線断面図である。
【００１９】
図１に示すように、燃焼ヒータ１０は、触媒燃焼器１１Ａと熱交換器１とを備えて構成されている。また、燃焼ヒータ１０の上流側には混合器５２が配管１５を介して接続されている。この混合器５２は、後記する燃料電池システムＦ１（図５参照）に設けられて、燃料ガスとしての水素と酸化剤ガスとしての空気とからなる混合ガスＭｇを触媒燃焼器１１Ａに供給するように構成されている。
【００２０】
前記触媒燃焼器１１Ａは、円筒状に形成された金属製のケース１２と、このケース１２内に収容される触媒燃焼部１３と、この触媒燃焼部１３をケース１２内に支持する支持部材１４と、整流板９Ａとで構成されている。
【００２１】
前記触媒燃焼部１３は、微細な気体流通路を多数有した円柱形状のベース材に白金やパラジウムなどの酸化触媒を担持させて形成したものである。
【００２２】
前記整流板９Ａは、図２（ａ）に示すように、円盤状に形成され、図１に示すように、前記触媒燃焼部１３の上流側のケース１２内に配設されている。図２（ｂ）に示すように、整流板９Ａは、発泡金属板９からなり、発泡金属板９の両面を挟むようにして補強板１９，１９が設けられている。
【００２３】
前記発泡金属板９は、図示していないが、スポンジなどの樹脂発泡体と同様な３次元網目状構造をもつ金属多孔質体であり、内部の気孔同士が一方の補強板１９側の面からもう一方の補強板１９の面に連通する連続気孔構造となっている。また、発泡金属板９は、ステンレス、アルミニウム、銅、ニッケルなどの金属から形成されるが、金属に限定されるものではなく、セラミックなどの非金属であってもよい。また、発泡金属板９に形成される気孔の開口径は、混合ガス（図３に示す燃料電池システムＦ１であれば水素と空気）Ｍｇの消炎径以下に設定することが好ましい。消炎径とは、火炎を通過させることのできない最大寸法である。
【００２４】
このように、発泡金属板９の開口径を消炎径以下に設定することにより、火炎が整流板９Ａを通過して混合器５２に伝播されるのを阻止することができる。例えば、この消炎径としては、混合ガス（燃料ガス／酸化剤ガス）Ｍｇが水素／空気であれば、約０．６ｍｍ以下に設定することが好ましく、混合ガス（燃料ガス／酸化剤ガス）Ｍｇがプロパンガス／空気であれば、約２．７ｍｍ以下に設定することが好ましい。ただし、例示した消炎径は、混合ガスの種類だけで決まるものではなく、燃料ガスと酸化剤ガスとの濃度や、圧力などによって変化するので、混合ガスの種類、濃度、圧力などに基づいて適宜設定することが好ましい。また、発泡金属板９の開口径を変更することにより、混合ガスに与える圧力損失を変化させることができる。
【００２５】
前記補強板１９は、ステンレスやアルミニウムなどの金属材料で形成され、その一面に複数の貫通孔１９ａを形成して構成したものである。なお、各貫通孔１９ａの径は、混合ガスＭｇに与える圧力の損失量に応じて適宜変更するようにしてもよい。また、発泡金属で形成された整流板９Ａのみで十分な強度を確保できるものであれば、補強板１９を設けなくてもよい。
【００２６】
図１および図４に示すように、前記熱交換器１は、筐体２と、この筐体２内に収められる熱交換部５とを有して構成されている。筐体２は、金属材料などによって円筒状に形成されている。熱交換部５は、いずれも金属材料などで形成された熱供給管群３と熱回収管部４とで構成され、熱回収管部４の内側に熱供給管群３が設けられている。
【００２７】
図４に示すように、前記熱供給管群３は、流路断面が紙面上下方向に所定幅寸法で細長く形成された複数（本実施形態では７つ）の熱供給管３ａ，３ｂ，３ｂ，３ｃ，３ｃ，３ｄ，３ｄで構成され、各熱供給管３ａ〜３ｄが互いに間隔を開けた状態で平行に配置されている。これら熱供給管３ａ〜３ｄは、いずれもその長手方向（紙面上下方向）の両端部が、熱回収管部４の内壁４ａの近傍まで延びている。
【００２８】
前記熱回収管部４は、略円筒状であり、その内側の空間内において前記熱供給管３ａ〜３ｄが、それぞれ前記した状態で図示しない支持部材によって支持されている。
【００２９】
また、前記熱交換器１では、筐体２の内側に熱回収管部４が設けられるが、このとき筐体２と熱回収管部４との間に空気層６が設けられるように熱回収管部４が支持部材４ｂ，４ｂ（図１参照）によって支持されている。なお、筐体２と熱回収管部４との間は、空気層６に限定されるものではなく、例えば、グラスウールなどの無機繊維系断熱材、ポリスチレンフォーム、発泡ポリスチレン、硬質ウレタンフォーム、高発泡ポリエチレン、フェノール樹脂フォームなどの発泡プラスチック系断熱材などを充填してもよい。また、筐体２を設けずに、熱供給管群３と熱回収管部４のみで構成されたものであってもよい。
【００３０】
図１に示すように、前記熱回収管部４には、前記熱供給管群３の下流側（図示右側）に位置する下部に、冷却媒体Ｍｒが供給される導入口７が設けられ、また熱供給管群３の上流側（図示左側）に位置する上部に、冷却媒体Ｍｒが排出される排出口８が設けられている。
【００３１】
次に、第１実施形態の触媒燃焼器１１Ａが設けられた燃焼ヒータ１０の作用について説明する。
図１に示すように、混合器５２において、燃料ガスと酸化剤ガスとが混合されて、混合ガスＭｇが配管１５を介して触媒燃焼器１１Ａに送られる。このとき、混合ガスＭｇが触媒燃焼部１３の上流側に設けられた整流板９Ａに当ることにより、混合ガスＭｇが一旦滞留して圧力損失が発生するようになる（図３参照）。このように混合ガスＭｇの流れ（流速または流量）が一旦抑えられることによって、混合ガスＭｇ内の燃料ガスと酸化剤ガスと均等に混ざるようになる。また、整流板９Ａを発泡金属とすることにより、混合ガスＭｇが発泡金属内で攪拌されるので、燃料ガスと酸化剤ガスとをさらに均等に混ぜることが可能になる。そして、均等に混ざった状態の混合ガスＭｇは、一方の補強板１９の貫通孔１９ａ（図２（ａ）（ｂ）参照）、発泡金属板９内、およびもう一方の補強板１９の貫通孔１９ａを通って触媒燃焼部１３に向けて排出される。これにより、触媒燃焼部１３の入口側の面１３ａ（図３参照）に対して、燃料ガスと酸化剤ガスとの混ざり度合が均一な混合ガスＭｇを供給することが可能になり、触媒燃焼部１３内での燃焼温度を均一化できるようになる。よって、触媒燃焼器１１Ａでは、熱交換部５に対して、燃焼温度分布が均一な燃焼ガスＭｓを供給できるようになる。
【００３２】
本実施形態の触媒燃焼器１１Ａでは、触媒燃焼部１３内での燃焼むらを防止することができるので、触媒燃焼部１３内での燃焼温度が局所的に高くなって、触媒が劣化したり、変質したりするのを防止できるようになる。
【００３３】
図４に示すように、前記熱交換器１に供給された燃焼ガスＭｓは、熱供給管群３の各熱供給管３ａ〜３ｄ内を通って、配管１６から排出される。また、熱交換器１に供給される冷却媒体Ｍｒは、導入口７から供給されて、各熱供給管３ａ〜３ｄの外側と熱回収管部４の内側とで囲まれる空間（流路）内を通って、燃焼ガスＭｓとは逆向きに並行に流れるようにして排出口８から排出される（図１参照）。このように、触媒燃焼部１３において混合ガスＭｇを燃焼して燃焼ガスＭｓを生成し、この燃焼ガスＭｓを熱源として冷却媒体Ｍｒが加熱される。
【００３４】
本実施形態の燃焼ヒータ１０では、触媒燃焼部１３で均一な温度分布の燃焼ガスＭｓを得ることができるので、熱交換部５内を通る冷却媒体Ｍｒも温度分布が均一となるように加熱される。このように冷却媒体Ｍｒの温度分布を均一化できるので、熱変換効率を高めることが可能になる。その結果、冷却媒体Ｍｒの温度が局所的に高くなり、冷却媒体Ｍｒが変質したりまたは劣化することを防止できるようになる。
【００３５】
次に、本実施形態の触媒燃焼器１１Ａを搭載した燃焼ヒータ１０の動作について、車両用の燃料電池システムＦ１（図５参照）に搭載した場合を例に挙げて説明する。この燃焼ヒータ１０は、後記する燃料電池ＦＣの冷却系４０内を流れる冷却液（冷却媒体）Ｍｒを加熱して、燃料電池ＦＣを暖機する際に利用される。
【００３６】
まず、最初に、燃料電池システムＦ１の全体構成について図５を参照して説明する。
この燃料電池システムＦ１は、燃料電池ＦＣ、水素供給系２０、空気供給系３０、冷却系４０、暖機系５０、希釈系７０および制御装置８０を含んで構成されている。
【００３７】
燃料電池ＦＣは、アノード極（水素極）Ｐ１とカソード極（酸素極）Ｐ２とを有するＰＥＭ（Ｐｒｏｔｏｎ Ｅｘｃｈａｎｇｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ）型の燃料電池であり、アノード極Ｐ１に燃料ガスである水素が供給され、カソード極Ｐ２に酸化剤ガスである空気が供給されることにより発電するようになっている。
【００３８】
水素供給系２０は、アノード極Ｐ１の上流側に、高圧水素タンク２１と、遮断弁２２と、レギュレータ（減圧手段）２３とが設けられている。また、アノード極Ｐ１の下流側には、逆止弁２４と、燃料ポンプ２５とが設けられている。水素供給系２０の各機器は、燃料配管２９ａ〜２９ｆにより接続されている。高圧水素タンク２１からの水素は、遮断弁２２およびレギュレータ２３を介して、アノード極Ｐ１に供給される。また、アノード極Ｐ１から排出されたアノードオフガスは、逆止弁２４を介して燃料ポンプ２５に流入し、燃料ポンプ２５に圧送されてアノード極Ｐ１に再び導入（再循環）される。
【００３９】
空気供給系３０は、カソード極Ｐ２の上流側に、エアポンプ３１が設けられ、カソード極Ｐ２の下流側に背圧弁３２が設けられている。エアポンプ３１は、モータにより駆動されるスーパーチャージャ等であり、制御装置８０からの信号によりモータの回転速度が制御される。空気供給系３０の各機器は、エア配管３９ａ，３９ｂにより接続されている。背圧弁３２は、制御装置８０からの信号により作動する。なお、燃料電池ＦＣに供給される空気は、図示しない加湿器により加湿される。
【００４０】
冷却系４０は、ラジエタ４１の他、サーモスタット弁４２、水ポンプ４３、三方電磁弁４４を備えている。冷却系４０の各機器は、冷却液配管４９ａ〜４９ｆにより接続され、冷却液配管４９ａには燃料電池ＦＣの出口側冷却液温度を燃料電池ＦＣの温度として検出する温度センサ４５が設置されている。サーモスタット弁４２は、燃料電池ＦＣの暖機を促進すべく、始動後の冷機時にラジエタ４１を経由させずに冷却液を循環させる。また、三方電磁弁４４は、制御装置８０からの信号により作動し、水ポンプ４３からの冷却液を燃焼ヒータ１０を経由せずに直接に燃料電池ＦＣに供給する通常運転位置と、前記燃焼ヒータ１０に供給する暖機運転位置とに切り換えられる。なお、ラジエタ４１、サーモスタット弁４２、水ポンプ４３、三方電磁弁４４および冷却液配管４９ａ〜４９ｆにより、本実施形態の冷却手段が構成されている。
【００４１】
暖機系５０は、本実施形態の燃焼ヒータ１０を備え、この燃焼ヒータ１０でアノードオフガスや水素（燃料ガス）を燃焼させ、その熱エネルギーで燃料電池ＦＣを暖機する役割を担っている。また、暖機系５０は、燃焼ヒータ１０の他、前記したように、この燃焼ヒータ１０に導入されるアノードオフガスや水素（燃焼ガス）とカソードオフガス（酸化剤ガス）とを混合する混合器５２とを備えている。また、暖機系５０は、アノードオフガスを混合器５２に導く第１燃料ガスライン６７と、水素を混合器５２に導く第３燃料ガスライン６８と、カソードオフガスを混合器５２に導く第１カソードオフガスライン６４と、燃料電池ＦＣの冷却液を燃焼ヒータ１０に導く暖機系冷却液ライン６９とを有している。
【００４２】
第１燃料ガスライン６７は、アノード極Ｐ１の下流側の燃料配管２９ｄと混合器５２とを連絡する燃料配管６７ａ〜６７ｃと、これら燃料配管６７ａ〜６７ｃにより接続された気水分離器５３と、第１ガス流量制御弁５４とから構成されている。第１ガス流量制御弁５４は、制御装置８０からの信号により作動する。気水分離器５３は、燃料配管６７ａから流入したアノードオフガス中の水分を図示しないプレートにより分離し、混合器５２側の燃料配管６７ｂに水分が除かれたアノードオフガスを流入させ、希釈装置７１側の後記する燃料配管７９ａに水分を含んだアノードオフガスを流入させる。燃料配管６７ｃには、混合器５２への燃料ガス供給量を検出する流量センサ５５が設置されている。
【００４３】
第３燃料ガスライン６８は、水素供給系２０の燃料配管２９ｃと第１燃料ガスライン６７の燃料配管６７ｃとを連絡する燃料配管６８ａ，６８ｂと、これら燃料配管６８ａ，６８ｂの間に介装された第３ガス流量制御弁５６とから構成されている。第３ガス流量制御弁５６は、制御装置８０からの信号により制御される。
【００４４】
第１カソードオフガスライン６４は、空気供給系３０における背圧弁３２の出口側と混合器５２とを連絡するエア配管６４ａ，６４ｂと、これらエア配管６４ａ，６４ｂの間に介装された気水分離器５７とから構成されている。気水分離器５７は、前記気水分離器５３と同様のプレート式であり、カソード極Ｐ２側のエア配管６４ａから流入したカソードオフガス中の水分をプレートにより分離し、混合器５２側のエア配管６４ｂに水分が除かれたカソードオフガスを流入させ、希釈装置７１側の後記するエア配管７８ａに水分を含んだカソードオフガスを流入させる。
【００４５】
暖機系冷却液ライン６９は、前記した三方電磁弁４４から供給された冷却液を燃焼ヒータ１０に供給する冷却液配管６９ａと、燃焼ヒータ１０で加熱された冷却液を燃料電池ＦＣに供給する冷却液配管６９ｂとから構成されている。
【００４６】
希釈系７０は、燃焼ヒータ１０に接続された希釈装置７１を備えており、アノードオフガスと燃焼ヒータ１０の排気ガスとをこの希釈装置７１内で酸素含有ガスにより希釈して大気中に放出する役割を担っている。希釈装置７１は、多孔板７１ａにより仕切られた貯留室７１ｂと拡散室７１ｃとを有している。そして、貯留室７１ｂに流入したアノードオフガスは、多孔板７１ａを介して徐々に拡散室７１ｃに流入し、拡散室７１ｃで酸素含有ガスと混合することにより希釈された後に大気中に排出される。また、希釈系７０は、アノードオフガスを希釈装置７１に導く第２燃料ガスライン７９と、カソードオフガスを希釈装置７１に導く第２カソードオフガスライン７８とを有している。
【００４７】
第２燃料ガスライン７９は、気水分離器５３と希釈装置７１の貯留室７１ｂとを連絡する燃料配管７９ａ，７９ｂと、これら燃料配管７９ａ，７９ｂの間に介装された第２ガス流量制御弁７２とから構成されている。第２ガス流量制御弁７２は、制御装置８０からの信号により作動する。
【００４８】
第２カソードオフガスライン７８は、気水分離器５７と希釈装置７１とを連絡するエア配管７８ａ，７８ｂと、これらエア配管７８ａ，７８ｂの間に介装されたオリフィス７３とから構成されている。
【００４９】
次に、燃料電池システムＦ１が搭載された車両の暖機制御について説明する。
運転者により車両のイグニッションスイッチ（図示せず）がＯＮ状態にされると、制御装置８０は、暖機制御を開始する。制御装置８０は、水ポンプ４３からの冷却媒体Ｍｒを燃焼ヒータ１０に供給する暖機運転位置に三方電磁弁４４を切り換える。そして、第３ガス流量制御弁５６を開弁方向へ所定量駆動させ、第１ガス流量制御弁５４と第２ガス流量制御弁７２とをそれぞれ閉鎖して、混合器５２に、第３燃料ガスライン６８および燃料配管６７ｃを介して高圧水素タンク２１の水素（燃料ガス）を導入する。このときの水素導入量は、流量センサ５５によって監視される。一方、カソード極Ｐ２から排出されたカソードオフガス（酸化剤ガス）は、そのほぼ全量が第１カソードオフガスライン６４を介して混合器５２に導入される。
【００５０】
水素とカソードオフガス（酸素）とは、混合器５２内で混合された後に燃焼ヒータ１０の触媒燃焼部１３に導入される。そして、触媒燃焼部１３において、水素とカソードオフガス中の酸素とが触媒燃焼して、熱源としての燃焼ガスＭｓ（図１参照）が生成される。生成された燃焼ガスＭｓは、熱交換器１へ送られ、この熱交換器１では、燃焼ガスＭｓの熱が熱供給管３ａ〜３ｄを介して冷却媒体Ｍｒに与えられて、冷却媒体Ｍｒが加熱される。加熱された冷却媒体Ｍｒは、冷却液配管６９ｂおよび冷却液配管４９ｅを介して燃料電池ＦＣに供給される。このとき、燃料電池ＦＣの温度を温度センサ４５で監視して、燃料電池ＦＣが発電可能となる温度に至るまで燃焼ヒータ１０に水素とカソードオフガス（酸素）とを供給して暖機を続行する。暖機終了後は、三方電磁弁４４を通常運転位置に駆動して、水ポンプ４３からの冷却媒体Ｍｒが燃焼ヒータ１０を経由せずに直接に燃料電池ＦＣに供給されるように制御する。
【００５１】
このように、本実施形態の燃焼ヒータ１０を燃料電池システムＦ１に搭載することにより、熱交換器１での熱変換効率を高めることができる。その結果、暖機時の燃料消費を低減することができる。また熱変換効率を高めることで、熱交換器１の小型化や軽量化を図ることができ、燃焼ヒータ１０の小型化や軽量化を図ることもできる。
【００５２】
なお、前記した暖機制御は一例であり、暖機時の燃料電池ＦＣの温度に基づいて適宜変更することができる。例えば、高圧水素タンク２１から水素を直接に混合器５２に供給するのではなく、前記燃料電池システムＦ１の起動時（イグニッションスイッチをＯＮしたとき）にアノード極Ｐ１や燃料配管２９ｃ〜２９ｆに残留している水や不純物を排出する処理（パージ処理）を利用して、燃料電池ＦＣから排出されるアノードオフガスを燃料ガスとして燃料電池システムＦ１を暖機するようにしてもよい。
【００５３】
このようにパージ処理のアノードオフガスを利用して暖機する場合には、制御装置８０の制御により三方電磁弁４４を暖機運転位置に駆動する。そして、第３ガス流量制御弁５６を閉じ、第１ガス流量制御弁５４を開き、第２ガス流量制御弁７２を閉じて、混合器５２に、アノード極Ｐ１からパージされたアノードオフガスの全量と、カソード極Ｐ２から排出されたカソードオフガスの略全量とを流入して、燃焼ヒータ１０内でアノードオフガスとカソードオフガスとを触媒燃焼させて燃焼ガスＭｓ（熱エネルギー）を生成する。このように、従来は排出されていたアノードオフガスを燃料電池ＦＣの暖機に利用できるので、燃料の消費量を低減できるようになる。
【００５４】
なお、アノードオフガスに含まれる水分は、気水分離器５３内で分離され、カソードオフガスに含まれる水分は、気水分離器５７内で分離されるため、燃焼ヒータ１０には水分を含まないアノードオフガスとカソードオフガスとが供給され、これにより安定した燃焼が可能になる。
【００５５】
このように、本実施形態の燃焼ヒータ１０を燃料電池システムＦ１に搭載することにより、熱交換器１での熱変換効率を高めることでシステム性能を向上できるようになる。
【００５６】
また、本実施形態の燃料電池システムＦ１では、混合器５２が触媒燃焼器１１Ａの上流側の近傍に設けられているので、混合器５２で混合された燃料ガスと酸化剤ガスとがさらに混合されて、燃料ガスと酸化剤ガスとの混合割合をさらに高めることが可能になり、触媒燃焼部１３での燃焼温度分布を高精度に均一化できるようになる。
【００５７】
（第２実施形態）
図６は第２実施形態の触媒燃焼器に設けられる整流板を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ線断面図、図７は第２実施形態の触媒燃焼器に導入される混合ガスの流れを模式的に示す図である。
図６（ａ）に示すように、第２実施形態の触媒燃焼器１１Ｂの整流板９Ｂは、複数枚の平板１９ｂと複数枚の波板１９ｃとで構成され、各平板１９ｂの平面と各波板１９ｃの波面とが互いに対面するようにしてロウ付けなどによって接合される。そして、平板１９ｂと波板１９ｃとが接合された構造板が、同心円状となるように複数積層される。また、波板１９ｃの凹凸のピッチが一定に形成されて、平板１９ｂと波板１９ｃとで囲まれる断面略三角形状の空隙１９ｄの大きさが一定に設定されている。
【００５８】
なお、整流板９Ｂの構造は、同心円状に積層されるものに限定されず、それぞれ長尺状に形成された１枚の平板１９ｂと波板１９ｃとを積層した構造のものが、中心から外周側に向けて螺旋状に巻回されて構成したものでもよい。または、平板１９ｂと波板１９ｃとが直線状に延びるように複数積層されたものでもよい。また、波板１９ｃは、角張った凹凸形状であってもよい。
【００５９】
第２実施形態では、前記した整流板９Ｂが設けられた場合であっても、図７に示すように、混合器５２（図５参照）から燃料ガスと酸化剤ガスとによる混合ガスＭｇが触媒燃焼器１１Ｂに供給された場合に、混合ガスＭｇが整流板９Ｂに当って、混合ガスＭｇに圧力損失が与えられる。これにより、混合ガスＭｇが整流板９Ｂの手前で一旦滞留するので、混合ガスＭｇの燃料ガスと酸化剤ガスとの混合割合がさらに均一化され、均一化された状態の混合ガスＭｇが整流板９Ｂの各空隙１９ｄを通って触媒燃焼部１３に供給される。この第２実施形態では、第１実施形態のように、整流板９Ｂの内部において混合割合が均一化する方向へ高められることはないが、整流板９Ｂの手前で圧力損失が混合ガスＭｇに生じるので、触媒燃焼部１３での燃焼温度を均一化できるようになる。よって、触媒燃焼部１３内で局所的に高温となるのを防止できるので、触媒燃焼部１３の触媒の劣化を防止できる。また、この触媒燃焼器１１Ｂを燃焼ヒータ１０に搭載した場合であっても、冷却媒体Ｍｒの局所的な高温による劣化を防止できるようになる。さらに、整流板９Ｂに形成される各空隙１９ｄの開口径を消炎径以下に設定することにより、火炎が整流板９Ｂを通過するのを防ぎ、消炎板を別個に設ける必要がない。
【００６０】
なお、本発明の触媒燃焼器１１Ａ，１１Ｂおよび燃焼ヒータ１０並びに燃料電池システムＦ１は、車両に限定されるものではなく、船舶用、給湯用などその他各種の燃焼ヒータとして適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】燃焼ヒータを示す断面図である。
【図２】第１実施形態の触媒燃焼器の整流板を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。
【図３】第１実施形態の触媒燃焼器に導入される混合ガスの流れを模式的に示す図である。
【図４】図１のＡ−Ａ線断面図である。
【図５】本実施形態の燃焼ヒータを車両用の燃料電池システムに搭載したときの構成図である。
【図６】第２実施形態の触媒燃焼器の整流板を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ線断面図である。
【図７】第２実施形態の触媒燃焼器に導入される混合ガスの流れを模式的に示す図である。
【符号の説明】
【００６２】
１ 熱交換器
９ 発泡金属板
９Ａ，９Ｂ 整流板
１０ 燃焼ヒータ
１１Ａ，１１Ｂ 触媒燃焼器
１３ 触媒燃焼部
１９ 補強板
１９ａ 貫通孔
１９ｂ 平板
１９ｃ 波板
５２ 混合器
Ｍｇ 混合ガス
Ｍｒ 冷却媒体
Ｍｓ 燃焼ガス
【技術分野】
【０００１】
本発明は、触媒反応により熱を生成する触媒燃焼器、及びこの触媒燃焼器により生成された熱を利用して冷却媒体を加熱する燃焼ヒータ、並びに触媒燃焼器を搭載した燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、触媒燃焼器として種々のものが提案されている。例えば、特許文献１に記載の触媒燃焼器は、燃料電池システムに搭載されるものであり、システム始動時には、燃料ガスとしてのメタノールと酸化剤ガスとしての空気とからなる混合ガスをヒータで加熱した後に触媒燃焼部に送り、また、通常運転時には、ヒータで加熱しないで供給した空気と、ヒータの下流側から吐出される排改質ガスおよび排空気とが混合されて触媒燃焼部に送られるように構成されている。
【０００３】
ところで、この種の触媒燃焼器では、触媒反応における燃料ガスと酸化剤ガスとを均一な濃度で混ぜることが難しく、その結果、触媒燃焼部内での燃焼温度が不均一となってシステム性能が低下する問題がある。そこで、燃料ガスと酸化剤ガスとの均一な濃度の混合ガスを得る手段として、燃料ガスと酸化剤ガスとを混合させる混合部内において、触媒燃焼部の入口側の面に対向するようにして燃料ガス供給用の管状の燃料供給ポートを複数本平行に配置して、各燃料供給ポートに複数の燃料噴射孔を設けた触媒燃焼器が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２００１−２１１１２号公報（段落００１３〜００２０、図１）
【特許文献２】特開２００３−２１１９４５号公報（段落００６０〜００６９、図６）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献２に記載の従来の触媒燃焼器では、触媒燃焼部に供給される燃料ガスの供給量が面方向に対してバラツキ易く、燃料ガスと酸化剤ガスとの混合割合が不均一となるため、燃料ガスの割合が多いところでは発熱量が増えて触媒の温度が高くなって触媒が局所的に劣化するおそれがある。また、特許文献２の触媒燃焼器では、触媒燃焼部の直前で燃料ガスが供給されるため、燃料ガスと酸化剤ガスとが均等に混ざり難い。
【０００５】
また、特許文献１に示すように、触媒燃焼部の下流側に燃焼ガスの熱を冷媒に伝達する熱交換器を備えたものでは、触媒燃焼部に供給される燃料ガスと酸化剤ガスとの混合割合が面方向に対してバラツキが生じると、熱交換器に供給される燃焼ガスの発熱量にバラツキが生じて熱変換効率が低下したり、熱交換器を通る冷却媒体が局所的に高温になって、冷却媒体が変質するおそれがある。
【０００６】
本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、触媒燃焼部に供給される燃料ガスと酸化剤ガスとの混合割合を均一にして、触媒燃焼部内において均一な温度分布となるように燃焼させることができる触媒燃焼器を提供することを目的とする。
また、本発明は、触媒燃焼器によって生成される燃焼ガスを熱源として冷却媒体を加熱する熱交換器とを備えるものであって、熱変換効率に優れた燃焼ヒータ、およびシステム性能の向上を図ることができる燃料電池システムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の触媒燃焼器は、燃料ガスと酸化剤ガスとの混合ガスを燃焼させる触媒燃焼部を備えた触媒燃焼器であって、前記触媒燃焼部の上流側に、前記混合ガスに少なくとも圧力損失を与える整流板を設けたことを特徴とする。
【０００８】
前記本発明によれば、整流板を設けて混合ガスに圧力損失を発生させることにより、触媒燃焼部に流入する混合ガス内の燃料ガスと酸化剤ガスとの混合割合を均一化できるので、触媒燃焼部内での燃焼温度が不均一となるのを防止できる。
【０００９】
また、前記整流板に形成される前記混合ガスが通過する開口径が、前記混合ガスの消炎径以下に設定されるように構成することが好ましい。
【００１０】
このように、整流板に形成される開口の開口径が混合ガスの消炎径以下に設定されることで、整流板を消炎板としても利用することが可能になる。よって、触媒燃焼部で火炎が発生した際にその火炎がその上流側の燃料ガスの供給側に伝播するのを防止する機能、いわゆる、逆火防止機能を発揮することができる。しかも、別個に消炎板を設ける必要がないので、触媒燃焼器の小型化および軽量化を図ることもできる。
【００１１】
例えば、前記整流板は、発泡金属からなる。整流板として発泡金属を選択することにより、圧力損失によって燃料ガスと酸化剤ガスとが均一化する方向に混合されるとともに、さらに発泡金属内で燃料ガスと酸化剤ガスとが互いに攪拌されて、燃料ガスと酸化剤ガスとの混合割合を高精度に均一化できるようになる。
【００１２】
また、前記整流板は、平板と波板とが交互に積層されて、前記平板と前記波板との間に形成される隙間に前記混合ガスが流通するように構成したものであってもよい。
【００１３】
また、本発明の燃焼ヒータは、前記触媒燃焼器と、前記触媒燃焼器の下流側に設けられて前記触媒燃焼器によって生成される燃焼ガスを熱源として冷却媒体を加熱する熱交換器とを備えることを特徴とする。
【００１４】
前記本発明の燃焼ヒータによれば、触媒燃焼器での燃焼むらを防止できるので、冷却媒体を均一な温度帯の熱源で加熱することができ、熱変換効率を高めることが可能になる。
【００１５】
また、本発明の燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとの化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池内に冷却媒体を循環させて前記燃料電池を冷却する冷却手段と、前記触媒燃焼器と、前記燃料ガスと前記酸化剤ガスとを混合して前記触媒燃焼器に供給する混合器と、前記触媒燃焼器によって生成された燃焼ガスを熱源として前記冷却媒体を加熱する熱交換器とを備えることを特徴とする。
【００１６】
前記本発明の燃料電池システムによれば、触媒燃焼器から供給される燃焼ガスの温度分布を均一化できるので、冷却手段内部の圧力を安定化させることができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の触媒燃焼器によれば、燃焼むらを防止して、局所的な高温による触媒の劣化を防止できる。また、本発明の燃焼ヒータによれば、熱変換効率を向上できるとともに、冷却媒体の変質を防止することができる。また、本発明の燃料電池システムによれば、システム性能の向上を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
（第１実施形態）
以下、第１実施形態の触媒燃焼器を搭載した燃焼ヒータについて図１ないし図４を参照して説明する。図１は燃焼ヒータを示す断面図、図２は第１実施形態の触媒燃焼器の整流板を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線断面図、図３は第１実施形態の触媒燃焼器に導入される混合ガスの流れを模式的に示す図、図４は図１のＡ−Ａ線断面図である。
【００１９】
図１に示すように、燃焼ヒータ１０は、触媒燃焼器１１Ａと熱交換器１とを備えて構成されている。また、燃焼ヒータ１０の上流側には混合器５２が配管１５を介して接続されている。この混合器５２は、後記する燃料電池システムＦ１（図５参照）に設けられて、燃料ガスとしての水素と酸化剤ガスとしての空気とからなる混合ガスＭｇを触媒燃焼器１１Ａに供給するように構成されている。
【００２０】
前記触媒燃焼器１１Ａは、円筒状に形成された金属製のケース１２と、このケース１２内に収容される触媒燃焼部１３と、この触媒燃焼部１３をケース１２内に支持する支持部材１４と、整流板９Ａとで構成されている。
【００２１】
前記触媒燃焼部１３は、微細な気体流通路を多数有した円柱形状のベース材に白金やパラジウムなどの酸化触媒を担持させて形成したものである。
【００２２】
前記整流板９Ａは、図２（ａ）に示すように、円盤状に形成され、図１に示すように、前記触媒燃焼部１３の上流側のケース１２内に配設されている。図２（ｂ）に示すように、整流板９Ａは、発泡金属板９からなり、発泡金属板９の両面を挟むようにして補強板１９，１９が設けられている。
【００２３】
前記発泡金属板９は、図示していないが、スポンジなどの樹脂発泡体と同様な３次元網目状構造をもつ金属多孔質体であり、内部の気孔同士が一方の補強板１９側の面からもう一方の補強板１９の面に連通する連続気孔構造となっている。また、発泡金属板９は、ステンレス、アルミニウム、銅、ニッケルなどの金属から形成されるが、金属に限定されるものではなく、セラミックなどの非金属であってもよい。また、発泡金属板９に形成される気孔の開口径は、混合ガス（図３に示す燃料電池システムＦ１であれば水素と空気）Ｍｇの消炎径以下に設定することが好ましい。消炎径とは、火炎を通過させることのできない最大寸法である。
【００２４】
このように、発泡金属板９の開口径を消炎径以下に設定することにより、火炎が整流板９Ａを通過して混合器５２に伝播されるのを阻止することができる。例えば、この消炎径としては、混合ガス（燃料ガス／酸化剤ガス）Ｍｇが水素／空気であれば、約０．６ｍｍ以下に設定することが好ましく、混合ガス（燃料ガス／酸化剤ガス）Ｍｇがプロパンガス／空気であれば、約２．７ｍｍ以下に設定することが好ましい。ただし、例示した消炎径は、混合ガスの種類だけで決まるものではなく、燃料ガスと酸化剤ガスとの濃度や、圧力などによって変化するので、混合ガスの種類、濃度、圧力などに基づいて適宜設定することが好ましい。また、発泡金属板９の開口径を変更することにより、混合ガスに与える圧力損失を変化させることができる。
【００２５】
前記補強板１９は、ステンレスやアルミニウムなどの金属材料で形成され、その一面に複数の貫通孔１９ａを形成して構成したものである。なお、各貫通孔１９ａの径は、混合ガスＭｇに与える圧力の損失量に応じて適宜変更するようにしてもよい。また、発泡金属で形成された整流板９Ａのみで十分な強度を確保できるものであれば、補強板１９を設けなくてもよい。
【００２６】
図１および図４に示すように、前記熱交換器１は、筐体２と、この筐体２内に収められる熱交換部５とを有して構成されている。筐体２は、金属材料などによって円筒状に形成されている。熱交換部５は、いずれも金属材料などで形成された熱供給管群３と熱回収管部４とで構成され、熱回収管部４の内側に熱供給管群３が設けられている。
【００２７】
図４に示すように、前記熱供給管群３は、流路断面が紙面上下方向に所定幅寸法で細長く形成された複数（本実施形態では７つ）の熱供給管３ａ，３ｂ，３ｂ，３ｃ，３ｃ，３ｄ，３ｄで構成され、各熱供給管３ａ〜３ｄが互いに間隔を開けた状態で平行に配置されている。これら熱供給管３ａ〜３ｄは、いずれもその長手方向（紙面上下方向）の両端部が、熱回収管部４の内壁４ａの近傍まで延びている。
【００２８】
前記熱回収管部４は、略円筒状であり、その内側の空間内において前記熱供給管３ａ〜３ｄが、それぞれ前記した状態で図示しない支持部材によって支持されている。
【００２９】
また、前記熱交換器１では、筐体２の内側に熱回収管部４が設けられるが、このとき筐体２と熱回収管部４との間に空気層６が設けられるように熱回収管部４が支持部材４ｂ，４ｂ（図１参照）によって支持されている。なお、筐体２と熱回収管部４との間は、空気層６に限定されるものではなく、例えば、グラスウールなどの無機繊維系断熱材、ポリスチレンフォーム、発泡ポリスチレン、硬質ウレタンフォーム、高発泡ポリエチレン、フェノール樹脂フォームなどの発泡プラスチック系断熱材などを充填してもよい。また、筐体２を設けずに、熱供給管群３と熱回収管部４のみで構成されたものであってもよい。
【００３０】
図１に示すように、前記熱回収管部４には、前記熱供給管群３の下流側（図示右側）に位置する下部に、冷却媒体Ｍｒが供給される導入口７が設けられ、また熱供給管群３の上流側（図示左側）に位置する上部に、冷却媒体Ｍｒが排出される排出口８が設けられている。
【００３１】
次に、第１実施形態の触媒燃焼器１１Ａが設けられた燃焼ヒータ１０の作用について説明する。
図１に示すように、混合器５２において、燃料ガスと酸化剤ガスとが混合されて、混合ガスＭｇが配管１５を介して触媒燃焼器１１Ａに送られる。このとき、混合ガスＭｇが触媒燃焼部１３の上流側に設けられた整流板９Ａに当ることにより、混合ガスＭｇが一旦滞留して圧力損失が発生するようになる（図３参照）。このように混合ガスＭｇの流れ（流速または流量）が一旦抑えられることによって、混合ガスＭｇ内の燃料ガスと酸化剤ガスと均等に混ざるようになる。また、整流板９Ａを発泡金属とすることにより、混合ガスＭｇが発泡金属内で攪拌されるので、燃料ガスと酸化剤ガスとをさらに均等に混ぜることが可能になる。そして、均等に混ざった状態の混合ガスＭｇは、一方の補強板１９の貫通孔１９ａ（図２（ａ）（ｂ）参照）、発泡金属板９内、およびもう一方の補強板１９の貫通孔１９ａを通って触媒燃焼部１３に向けて排出される。これにより、触媒燃焼部１３の入口側の面１３ａ（図３参照）に対して、燃料ガスと酸化剤ガスとの混ざり度合が均一な混合ガスＭｇを供給することが可能になり、触媒燃焼部１３内での燃焼温度を均一化できるようになる。よって、触媒燃焼器１１Ａでは、熱交換部５に対して、燃焼温度分布が均一な燃焼ガスＭｓを供給できるようになる。
【００３２】
本実施形態の触媒燃焼器１１Ａでは、触媒燃焼部１３内での燃焼むらを防止することができるので、触媒燃焼部１３内での燃焼温度が局所的に高くなって、触媒が劣化したり、変質したりするのを防止できるようになる。
【００３３】
図４に示すように、前記熱交換器１に供給された燃焼ガスＭｓは、熱供給管群３の各熱供給管３ａ〜３ｄ内を通って、配管１６から排出される。また、熱交換器１に供給される冷却媒体Ｍｒは、導入口７から供給されて、各熱供給管３ａ〜３ｄの外側と熱回収管部４の内側とで囲まれる空間（流路）内を通って、燃焼ガスＭｓとは逆向きに並行に流れるようにして排出口８から排出される（図１参照）。このように、触媒燃焼部１３において混合ガスＭｇを燃焼して燃焼ガスＭｓを生成し、この燃焼ガスＭｓを熱源として冷却媒体Ｍｒが加熱される。
【００３４】
本実施形態の燃焼ヒータ１０では、触媒燃焼部１３で均一な温度分布の燃焼ガスＭｓを得ることができるので、熱交換部５内を通る冷却媒体Ｍｒも温度分布が均一となるように加熱される。このように冷却媒体Ｍｒの温度分布を均一化できるので、熱変換効率を高めることが可能になる。その結果、冷却媒体Ｍｒの温度が局所的に高くなり、冷却媒体Ｍｒが変質したりまたは劣化することを防止できるようになる。
【００３５】
次に、本実施形態の触媒燃焼器１１Ａを搭載した燃焼ヒータ１０の動作について、車両用の燃料電池システムＦ１（図５参照）に搭載した場合を例に挙げて説明する。この燃焼ヒータ１０は、後記する燃料電池ＦＣの冷却系４０内を流れる冷却液（冷却媒体）Ｍｒを加熱して、燃料電池ＦＣを暖機する際に利用される。
【００３６】
まず、最初に、燃料電池システムＦ１の全体構成について図５を参照して説明する。
この燃料電池システムＦ１は、燃料電池ＦＣ、水素供給系２０、空気供給系３０、冷却系４０、暖機系５０、希釈系７０および制御装置８０を含んで構成されている。
【００３７】
燃料電池ＦＣは、アノード極（水素極）Ｐ１とカソード極（酸素極）Ｐ２とを有するＰＥＭ（Ｐｒｏｔｏｎ Ｅｘｃｈａｎｇｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ）型の燃料電池であり、アノード極Ｐ１に燃料ガスである水素が供給され、カソード極Ｐ２に酸化剤ガスである空気が供給されることにより発電するようになっている。
【００３８】
水素供給系２０は、アノード極Ｐ１の上流側に、高圧水素タンク２１と、遮断弁２２と、レギュレータ（減圧手段）２３とが設けられている。また、アノード極Ｐ１の下流側には、逆止弁２４と、燃料ポンプ２５とが設けられている。水素供給系２０の各機器は、燃料配管２９ａ〜２９ｆにより接続されている。高圧水素タンク２１からの水素は、遮断弁２２およびレギュレータ２３を介して、アノード極Ｐ１に供給される。また、アノード極Ｐ１から排出されたアノードオフガスは、逆止弁２４を介して燃料ポンプ２５に流入し、燃料ポンプ２５に圧送されてアノード極Ｐ１に再び導入（再循環）される。
【００３９】
空気供給系３０は、カソード極Ｐ２の上流側に、エアポンプ３１が設けられ、カソード極Ｐ２の下流側に背圧弁３２が設けられている。エアポンプ３１は、モータにより駆動されるスーパーチャージャ等であり、制御装置８０からの信号によりモータの回転速度が制御される。空気供給系３０の各機器は、エア配管３９ａ，３９ｂにより接続されている。背圧弁３２は、制御装置８０からの信号により作動する。なお、燃料電池ＦＣに供給される空気は、図示しない加湿器により加湿される。
【００４０】
冷却系４０は、ラジエタ４１の他、サーモスタット弁４２、水ポンプ４３、三方電磁弁４４を備えている。冷却系４０の各機器は、冷却液配管４９ａ〜４９ｆにより接続され、冷却液配管４９ａには燃料電池ＦＣの出口側冷却液温度を燃料電池ＦＣの温度として検出する温度センサ４５が設置されている。サーモスタット弁４２は、燃料電池ＦＣの暖機を促進すべく、始動後の冷機時にラジエタ４１を経由させずに冷却液を循環させる。また、三方電磁弁４４は、制御装置８０からの信号により作動し、水ポンプ４３からの冷却液を燃焼ヒータ１０を経由せずに直接に燃料電池ＦＣに供給する通常運転位置と、前記燃焼ヒータ１０に供給する暖機運転位置とに切り換えられる。なお、ラジエタ４１、サーモスタット弁４２、水ポンプ４３、三方電磁弁４４および冷却液配管４９ａ〜４９ｆにより、本実施形態の冷却手段が構成されている。
【００４１】
暖機系５０は、本実施形態の燃焼ヒータ１０を備え、この燃焼ヒータ１０でアノードオフガスや水素（燃料ガス）を燃焼させ、その熱エネルギーで燃料電池ＦＣを暖機する役割を担っている。また、暖機系５０は、燃焼ヒータ１０の他、前記したように、この燃焼ヒータ１０に導入されるアノードオフガスや水素（燃焼ガス）とカソードオフガス（酸化剤ガス）とを混合する混合器５２とを備えている。また、暖機系５０は、アノードオフガスを混合器５２に導く第１燃料ガスライン６７と、水素を混合器５２に導く第３燃料ガスライン６８と、カソードオフガスを混合器５２に導く第１カソードオフガスライン６４と、燃料電池ＦＣの冷却液を燃焼ヒータ１０に導く暖機系冷却液ライン６９とを有している。
【００４２】
第１燃料ガスライン６７は、アノード極Ｐ１の下流側の燃料配管２９ｄと混合器５２とを連絡する燃料配管６７ａ〜６７ｃと、これら燃料配管６７ａ〜６７ｃにより接続された気水分離器５３と、第１ガス流量制御弁５４とから構成されている。第１ガス流量制御弁５４は、制御装置８０からの信号により作動する。気水分離器５３は、燃料配管６７ａから流入したアノードオフガス中の水分を図示しないプレートにより分離し、混合器５２側の燃料配管６７ｂに水分が除かれたアノードオフガスを流入させ、希釈装置７１側の後記する燃料配管７９ａに水分を含んだアノードオフガスを流入させる。燃料配管６７ｃには、混合器５２への燃料ガス供給量を検出する流量センサ５５が設置されている。
【００４３】
第３燃料ガスライン６８は、水素供給系２０の燃料配管２９ｃと第１燃料ガスライン６７の燃料配管６７ｃとを連絡する燃料配管６８ａ，６８ｂと、これら燃料配管６８ａ，６８ｂの間に介装された第３ガス流量制御弁５６とから構成されている。第３ガス流量制御弁５６は、制御装置８０からの信号により制御される。
【００４４】
第１カソードオフガスライン６４は、空気供給系３０における背圧弁３２の出口側と混合器５２とを連絡するエア配管６４ａ，６４ｂと、これらエア配管６４ａ，６４ｂの間に介装された気水分離器５７とから構成されている。気水分離器５７は、前記気水分離器５３と同様のプレート式であり、カソード極Ｐ２側のエア配管６４ａから流入したカソードオフガス中の水分をプレートにより分離し、混合器５２側のエア配管６４ｂに水分が除かれたカソードオフガスを流入させ、希釈装置７１側の後記するエア配管７８ａに水分を含んだカソードオフガスを流入させる。
【００４５】
暖機系冷却液ライン６９は、前記した三方電磁弁４４から供給された冷却液を燃焼ヒータ１０に供給する冷却液配管６９ａと、燃焼ヒータ１０で加熱された冷却液を燃料電池ＦＣに供給する冷却液配管６９ｂとから構成されている。
【００４６】
希釈系７０は、燃焼ヒータ１０に接続された希釈装置７１を備えており、アノードオフガスと燃焼ヒータ１０の排気ガスとをこの希釈装置７１内で酸素含有ガスにより希釈して大気中に放出する役割を担っている。希釈装置７１は、多孔板７１ａにより仕切られた貯留室７１ｂと拡散室７１ｃとを有している。そして、貯留室７１ｂに流入したアノードオフガスは、多孔板７１ａを介して徐々に拡散室７１ｃに流入し、拡散室７１ｃで酸素含有ガスと混合することにより希釈された後に大気中に排出される。また、希釈系７０は、アノードオフガスを希釈装置７１に導く第２燃料ガスライン７９と、カソードオフガスを希釈装置７１に導く第２カソードオフガスライン７８とを有している。
【００４７】
第２燃料ガスライン７９は、気水分離器５３と希釈装置７１の貯留室７１ｂとを連絡する燃料配管７９ａ，７９ｂと、これら燃料配管７９ａ，７９ｂの間に介装された第２ガス流量制御弁７２とから構成されている。第２ガス流量制御弁７２は、制御装置８０からの信号により作動する。
【００４８】
第２カソードオフガスライン７８は、気水分離器５７と希釈装置７１とを連絡するエア配管７８ａ，７８ｂと、これらエア配管７８ａ，７８ｂの間に介装されたオリフィス７３とから構成されている。
【００４９】
次に、燃料電池システムＦ１が搭載された車両の暖機制御について説明する。
運転者により車両のイグニッションスイッチ（図示せず）がＯＮ状態にされると、制御装置８０は、暖機制御を開始する。制御装置８０は、水ポンプ４３からの冷却媒体Ｍｒを燃焼ヒータ１０に供給する暖機運転位置に三方電磁弁４４を切り換える。そして、第３ガス流量制御弁５６を開弁方向へ所定量駆動させ、第１ガス流量制御弁５４と第２ガス流量制御弁７２とをそれぞれ閉鎖して、混合器５２に、第３燃料ガスライン６８および燃料配管６７ｃを介して高圧水素タンク２１の水素（燃料ガス）を導入する。このときの水素導入量は、流量センサ５５によって監視される。一方、カソード極Ｐ２から排出されたカソードオフガス（酸化剤ガス）は、そのほぼ全量が第１カソードオフガスライン６４を介して混合器５２に導入される。
【００５０】
水素とカソードオフガス（酸素）とは、混合器５２内で混合された後に燃焼ヒータ１０の触媒燃焼部１３に導入される。そして、触媒燃焼部１３において、水素とカソードオフガス中の酸素とが触媒燃焼して、熱源としての燃焼ガスＭｓ（図１参照）が生成される。生成された燃焼ガスＭｓは、熱交換器１へ送られ、この熱交換器１では、燃焼ガスＭｓの熱が熱供給管３ａ〜３ｄを介して冷却媒体Ｍｒに与えられて、冷却媒体Ｍｒが加熱される。加熱された冷却媒体Ｍｒは、冷却液配管６９ｂおよび冷却液配管４９ｅを介して燃料電池ＦＣに供給される。このとき、燃料電池ＦＣの温度を温度センサ４５で監視して、燃料電池ＦＣが発電可能となる温度に至るまで燃焼ヒータ１０に水素とカソードオフガス（酸素）とを供給して暖機を続行する。暖機終了後は、三方電磁弁４４を通常運転位置に駆動して、水ポンプ４３からの冷却媒体Ｍｒが燃焼ヒータ１０を経由せずに直接に燃料電池ＦＣに供給されるように制御する。
【００５１】
このように、本実施形態の燃焼ヒータ１０を燃料電池システムＦ１に搭載することにより、熱交換器１での熱変換効率を高めることができる。その結果、暖機時の燃料消費を低減することができる。また熱変換効率を高めることで、熱交換器１の小型化や軽量化を図ることができ、燃焼ヒータ１０の小型化や軽量化を図ることもできる。
【００５２】
なお、前記した暖機制御は一例であり、暖機時の燃料電池ＦＣの温度に基づいて適宜変更することができる。例えば、高圧水素タンク２１から水素を直接に混合器５２に供給するのではなく、前記燃料電池システムＦ１の起動時（イグニッションスイッチをＯＮしたとき）にアノード極Ｐ１や燃料配管２９ｃ〜２９ｆに残留している水や不純物を排出する処理（パージ処理）を利用して、燃料電池ＦＣから排出されるアノードオフガスを燃料ガスとして燃料電池システムＦ１を暖機するようにしてもよい。
【００５３】
このようにパージ処理のアノードオフガスを利用して暖機する場合には、制御装置８０の制御により三方電磁弁４４を暖機運転位置に駆動する。そして、第３ガス流量制御弁５６を閉じ、第１ガス流量制御弁５４を開き、第２ガス流量制御弁７２を閉じて、混合器５２に、アノード極Ｐ１からパージされたアノードオフガスの全量と、カソード極Ｐ２から排出されたカソードオフガスの略全量とを流入して、燃焼ヒータ１０内でアノードオフガスとカソードオフガスとを触媒燃焼させて燃焼ガスＭｓ（熱エネルギー）を生成する。このように、従来は排出されていたアノードオフガスを燃料電池ＦＣの暖機に利用できるので、燃料の消費量を低減できるようになる。
【００５４】
なお、アノードオフガスに含まれる水分は、気水分離器５３内で分離され、カソードオフガスに含まれる水分は、気水分離器５７内で分離されるため、燃焼ヒータ１０には水分を含まないアノードオフガスとカソードオフガスとが供給され、これにより安定した燃焼が可能になる。
【００５５】
このように、本実施形態の燃焼ヒータ１０を燃料電池システムＦ１に搭載することにより、熱交換器１での熱変換効率を高めることでシステム性能を向上できるようになる。
【００５６】
また、本実施形態の燃料電池システムＦ１では、混合器５２が触媒燃焼器１１Ａの上流側の近傍に設けられているので、混合器５２で混合された燃料ガスと酸化剤ガスとがさらに混合されて、燃料ガスと酸化剤ガスとの混合割合をさらに高めることが可能になり、触媒燃焼部１３での燃焼温度分布を高精度に均一化できるようになる。
【００５７】
（第２実施形態）
図６は第２実施形態の触媒燃焼器に設けられる整流板を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ線断面図、図７は第２実施形態の触媒燃焼器に導入される混合ガスの流れを模式的に示す図である。
図６（ａ）に示すように、第２実施形態の触媒燃焼器１１Ｂの整流板９Ｂは、複数枚の平板１９ｂと複数枚の波板１９ｃとで構成され、各平板１９ｂの平面と各波板１９ｃの波面とが互いに対面するようにしてロウ付けなどによって接合される。そして、平板１９ｂと波板１９ｃとが接合された構造板が、同心円状となるように複数積層される。また、波板１９ｃの凹凸のピッチが一定に形成されて、平板１９ｂと波板１９ｃとで囲まれる断面略三角形状の空隙１９ｄの大きさが一定に設定されている。
【００５８】
なお、整流板９Ｂの構造は、同心円状に積層されるものに限定されず、それぞれ長尺状に形成された１枚の平板１９ｂと波板１９ｃとを積層した構造のものが、中心から外周側に向けて螺旋状に巻回されて構成したものでもよい。または、平板１９ｂと波板１９ｃとが直線状に延びるように複数積層されたものでもよい。また、波板１９ｃは、角張った凹凸形状であってもよい。
【００５９】
第２実施形態では、前記した整流板９Ｂが設けられた場合であっても、図７に示すように、混合器５２（図５参照）から燃料ガスと酸化剤ガスとによる混合ガスＭｇが触媒燃焼器１１Ｂに供給された場合に、混合ガスＭｇが整流板９Ｂに当って、混合ガスＭｇに圧力損失が与えられる。これにより、混合ガスＭｇが整流板９Ｂの手前で一旦滞留するので、混合ガスＭｇの燃料ガスと酸化剤ガスとの混合割合がさらに均一化され、均一化された状態の混合ガスＭｇが整流板９Ｂの各空隙１９ｄを通って触媒燃焼部１３に供給される。この第２実施形態では、第１実施形態のように、整流板９Ｂの内部において混合割合が均一化する方向へ高められることはないが、整流板９Ｂの手前で圧力損失が混合ガスＭｇに生じるので、触媒燃焼部１３での燃焼温度を均一化できるようになる。よって、触媒燃焼部１３内で局所的に高温となるのを防止できるので、触媒燃焼部１３の触媒の劣化を防止できる。また、この触媒燃焼器１１Ｂを燃焼ヒータ１０に搭載した場合であっても、冷却媒体Ｍｒの局所的な高温による劣化を防止できるようになる。さらに、整流板９Ｂに形成される各空隙１９ｄの開口径を消炎径以下に設定することにより、火炎が整流板９Ｂを通過するのを防ぎ、消炎板を別個に設ける必要がない。
【００６０】
なお、本発明の触媒燃焼器１１Ａ，１１Ｂおよび燃焼ヒータ１０並びに燃料電池システムＦ１は、車両に限定されるものではなく、船舶用、給湯用などその他各種の燃焼ヒータとして適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】燃焼ヒータを示す断面図である。
【図２】第１実施形態の触媒燃焼器の整流板を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。
【図３】第１実施形態の触媒燃焼器に導入される混合ガスの流れを模式的に示す図である。
【図４】図１のＡ−Ａ線断面図である。
【図５】本実施形態の燃焼ヒータを車両用の燃料電池システムに搭載したときの構成図である。
【図６】第２実施形態の触媒燃焼器の整流板を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ線断面図である。
【図７】第２実施形態の触媒燃焼器に導入される混合ガスの流れを模式的に示す図である。
【符号の説明】
【００６２】
１ 熱交換器
９ 発泡金属板
９Ａ，９Ｂ 整流板
１０ 燃焼ヒータ
１１Ａ，１１Ｂ 触媒燃焼器
１３ 触媒燃焼部
１９ 補強板
１９ａ 貫通孔
１９ｂ 平板
１９ｃ 波板
５２ 混合器
Ｍｇ 混合ガス
Ｍｒ 冷却媒体
Ｍｓ 燃焼ガス
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスとの混合ガスを燃焼させる触媒燃焼部を備えた触媒燃焼器であって、
前記触媒燃焼部の上流側に、前記混合ガスに少なくとも圧力損失を与える整流板を設けたことを特徴とする触媒燃焼器。
【請求項２】
前記整流板に形成される前記混合ガスが通過する開口径が、前記混合ガスの消炎径以下に設定されることを特徴とする請求項１に記載の触媒燃焼器。
【請求項３】
前記整流板は、発泡金属からなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の触媒燃焼器。
【請求項４】
前記整流板は、平板と波板とが交互に積層されて、前記平板と前記波板との間に形成される隙間に前記混合ガスが流通するように構成したことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の触媒燃焼器。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の触媒燃焼器と、前記触媒燃焼器の下流側に設けられて前記触媒燃焼器によって生成される燃焼ガスを熱源として冷却媒体を加熱する熱交換器とを備えることを特徴とする燃焼ヒータ。
【請求項６】
燃料ガスと酸化剤ガスとの化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池内に冷却媒体を循環させて前記燃料電池を冷却する冷却手段と、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の触媒燃焼器と、前記燃料ガスと前記酸化剤ガスとを混合して前記触媒燃焼器に供給する混合器と、前記触媒燃焼器によって生成された燃焼ガスを熱源として前記冷却媒体を加熱する熱交換器とを備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスとの混合ガスを燃焼させる触媒燃焼部を備えた触媒燃焼器であって、
前記触媒燃焼部の上流側に、前記混合ガスに少なくとも圧力損失を与える整流板を設けたことを特徴とする触媒燃焼器。
【請求項２】
前記整流板に形成される前記混合ガスが通過する開口径が、前記混合ガスの消炎径以下に設定されることを特徴とする請求項１に記載の触媒燃焼器。
【請求項３】
前記整流板は、発泡金属からなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の触媒燃焼器。
【請求項４】
前記整流板は、平板と波板とが交互に積層されて、前記平板と前記波板との間に形成される隙間に前記混合ガスが流通するように構成したことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の触媒燃焼器。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の触媒燃焼器と、前記触媒燃焼器の下流側に設けられて前記触媒燃焼器によって生成される燃焼ガスを熱源として冷却媒体を加熱する熱交換器とを備えることを特徴とする燃焼ヒータ。
【請求項６】
燃料ガスと酸化剤ガスとの化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池内に冷却媒体を循環させて前記燃料電池を冷却する冷却手段と、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の触媒燃焼器と、前記燃料ガスと前記酸化剤ガスとを混合して前記触媒燃焼器に供給する混合器と、前記触媒燃焼器によって生成された燃焼ガスを熱源として前記冷却媒体を加熱する熱交換器とを備えることを特徴とする燃料電池システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００６−１８３９７７（Ｐ２００６−１８３９７７Ａ）
【公開日】平成１８年７月１３日（２００６．７．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−３８１２４１（Ｐ２００４−３８１２４１）
【出願日】平成１６年１２月２８日（２００４．１２．２８）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年７月１３日（２００６．７．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年１２月２８日（２００４．１２．２８）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
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