(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス室に供給された燃料と酸化剤とを前記ガス室の下流側に設けられた燃焼触媒で燃焼させる触媒燃焼器において、
前記燃焼触媒は少なくとも二分割され、当該分割された一方の触媒層に定常運転用燃料と定常運転用酸化剤とが供給されるとともに、前記分割された他方の触媒層に始動用燃料と始動用酸化剤とが供給され、
前記一方の触媒層に供給される定常運転用燃料と定常運転用酸化剤が前記他方の触媒層にも供給されるように複数の通孔が形成された供給ガイドをさらに備えた触媒燃焼器。
【請求項２】
前記供給ガイドは、前記ガス室に設けられている請求項１記載の触媒燃焼器。
【請求項３】
前記分割された触媒層間に断熱材が設けられている請求項１または２記載の触媒燃焼器。
【請求項４】
前記始動用燃料と始動用酸化剤とは、前記分割された触媒層のうち熱容量が小さい触媒層に供給される請求項１〜３記載の触媒燃焼器。
【請求項５】
前記始動用燃料と始動用酸化剤とは、前記触媒層のうち通気抵抗の小さい触媒層に供給される請求項１〜４記載の触媒燃焼器。
【請求項６】
前記燃焼触媒は、略同心円状に二分割されている請求項１〜５記載の触媒燃焼器。
【請求項７】
前記燃焼触媒がハ二カム型状触媒であり、中心側のメッシュ孔の孔径が外周部のメッシュ孔の孔径より大きい請求項６記載の触媒燃焼器。
【請求項８】
前記燃焼触媒は、上下に二分割されている請求項１〜５記載の触媒燃焼器。
【請求項９】
前記燃焼触媒がハニカム状触媒であり、一方の触媒層のメッシュ孔の孔径が他方のメッシュ孔の孔径より大きい請求項８記載の触媒燃焼器。
【請求項１０】
前記供給ガイドの通孔の通過抵抗をα、前記他方の触媒層に対応する前記供給ガイドの流路の通過抵抗をβ、前記一方の触媒層の通過抵抗をγとしたとき（ただし、β＜γ）、α＋β≒γが成立する請求項１〜９記載の触媒燃焼器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システム等に用いて好ましい燃料改質装置用燃焼器に関し、特に燃料改質装置の改質器に熱を供給するための燃焼器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の燃料改質装置用燃焼器としては、例えば特許公報第２５３３６１６号に示す触媒燃焼器が知られている。
【０００３】
この触媒燃焼器は、燃料電池の陽極（燃料電極）で余剰となった水素含有ガス（以下、排燃料ガスともいう。）を、同じく燃料電池の陰極（酸化剤電極）で余剰となった酸素含有ガス（以下、排酸化剤ガスともいう。）で燃焼させることで高温の燃焼ガスを生成するもので、この燃焼ガスは燃料改質装置において熱媒体として利用に供される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、燃料電池システムの始動時においては、燃料電池から排燃料ガスや排酸化剤ガスが発生しないので、燃焼器では燃焼ガスを生成するために燃料および酸化剤を別途の方法で供給する必要がある。このため、燃料電池システムの始動時と定常運転時とでは、燃焼器へ供給される燃料ガスと酸化剤は切り替えられている。
【０００５】
しかしながら、従来の触媒燃焼器にあっては、始動時の燃料および酸化剤と、通常運転時の燃料電池からの排燃料および排酸化剤を触媒層へ供給する際に、その供給量の調整をアクチュエータによる制御に頼らなければならないといった問題があった。
【０００６】
本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、アクチュエータを設けることなく起動時および定常運転時における燃焼用ガスの供給量が調整できる燃料改質装置用燃焼器を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
（１）  上記目的を達成するために、請求項１記載の触媒燃焼器は、ガス室に供給された燃料と酸化剤とを前記ガス室の下流側に設けられた燃焼触媒で燃焼させる触媒燃焼器において、
前記燃焼触媒は少なくとも二分割され、当該分割された一方の触媒層に定常運転用燃料と定常運転用酸化剤とが供給されるとともに、前記分割された他方の触媒層に始動用燃料と始動用酸化剤とが供給され、
前記一方の触媒層に供給される定常運転用燃料と定常運転用酸化剤が前記他方の触媒層にも供給されるように複数の通孔が形成された供給ガイドをさらに備える。
【０００８】
この場合、特に限定はされないが、供給ガイドをガス室に設けることが好ましい。
【０００９】
この請求項１および２記載の発明では、燃焼触媒が少なくとも二分割されて他方の触媒層へ始動用燃料と酸化剤が供給されるので、熱容量が小さくなって暖機に要する時間が短縮される。すなわち、短時間で始動することができる。
【００１０】
また、通常運転時においては、定常運転用燃料と酸化剤、たとえば燃料電池などからの排燃料と排酸化剤は、二分割された燃焼触媒の一方に供給されるものの、供給ガイドに形成された複数の通孔を介して他方の触媒層へも供給される。したがって、燃焼触媒全体に均等に配分され、定常運転時における燃焼触媒の処理能力が最大限に発揮される。
【００１１】
（２）上記発明においては特に限定されないが、請求項３記載の触媒燃焼器のように分割された触媒層間に断熱材を設けることが好ましい。
【００１２】
こうすることで、始動時において、始動用燃料と始動用酸化剤とによる燃焼熱が他方の触媒層から逃げ難くなり、暖機時間がより短縮化される。
【００１３】
（３）上記発明においては特に限定されないが、請求項４記載の触媒燃焼器のように、始動用燃料と始動用酸化剤とは、分割された触媒層のうち熱容量が小さい触媒層に供給することが好ましい。こうすると、始動時の暖機時間が短縮できるからである。
【００１４】
（４）上記発明においては特に限定されないが、請求項５記載の触媒燃焼器のように、始動用燃料と始動用酸化剤とは、触媒層のうち通気抵抗の小さい触媒層に供給することが好ましい。
【００１５】
こうすることで、供給ガイドに通孔が形成されていても始動用燃料と始動用酸化剤は通気抵抗の高い一方の触媒層には流入し難くなり、その殆どが他方の触媒層に優先的に流入することになる。
【００１６】
（５）上記発明において、燃焼触媒を少なくとも二分割する具体的態様は特に限定されず、請求項６記載のように略同心円状に二分割することも、また請求項８記載のように上下に二分割することも、本発明の範囲内である。
【００１７】
請求項６記載の触媒燃焼器のように燃焼触媒を略同心円状に二分割する場合、ハ二カム型状触媒を採用し、且つ中心側のメッシュ孔の孔径を外周部のメッシュ孔の孔径より大きくするとさらに良い（請求項７）。そしてこの場合、始動用燃料と始動用酸化剤は中心側の触媒層に供給する。
【００１８】
こうすることで、始動用燃料と始動用酸化剤が供給される中心側の触媒層が、そのメッシュ孔の孔径を大きくすることで通気抵抗が小さくなり、上述した請求項５記載の発明と同様に、供給ガイドに通孔が形成されていても始動用燃料と始動用酸化剤は通気抵抗の高い外周側の触媒層には流入し難くなり、その殆どが中心側の触媒層に優先的に流入することになる。
【００１９】
これと同様、請求項８記載の触媒燃焼器のように燃焼触媒を上下に二分割する場合にあっても、ハニカム状触媒を採用し、且つ一方の触媒層のメッシュ孔の孔径を他方のメッシュ孔の孔径より大きくするとなお良い（請求項９）。そしてこの場合、始動用燃料と始動用酸化剤は一方の触媒層に供給する。
【００２０】
（６）上記発明においては特に限定されないが、請求項１０記載の触媒燃焼器のように、供給ガイドの通孔の通過抵抗をα、他方の触媒層に対応する供給ガイドの流路の通過抵抗をβ、一方の触媒層の通過抵抗をγとしたとき（ただし、β＜γ）、α＋β≒γが成立するようにα、βおよびγを設計するとさらに良い。
【００２１】
供給ガイドの通孔の通過抵抗αと、他方の触媒層に対応する供給ガイドの流路の通過抵抗βとの和が、一方の触媒層の通過抵抗γに等しいと、定常運転時において、定常運転用燃料と定常運転用酸化剤とが一方の触媒層と他方の触媒層とに均等に分配され、これにより燃焼触媒の処理能力を最大限に発揮させることができる。
【００２２】
【発明の効果】
請求項１および２記載の発明によれば、始動時間を短縮できるとともに、定常運転時における燃焼触媒の処理能力も最大限に発揮でき、さらに始動時と定常運転時との切り替えをアクチュエータなしで実現することができる。
【００２３】
これに加えて、請求項３記載の発明によれば、始動時において、始動用燃料と始動用酸化剤とによる燃焼熱が他方の触媒層から逃げ難くなり、暖機時間がより短縮化される。
【００２４】
また、請求項４記載の発明によれば、熱容量が小さい触媒層にて始動運転が行われるので、暖機時間がより短縮される。
【００２５】
また、請求項５記載の発明によれば、始動用燃料および酸化剤が優先的に他方の触媒層へ導かれるので、始動時における暖機時間の短縮と、定常運転時における定常運転用燃料および酸化剤の均等分配とをアクチュエータなしでより確実に実現することができる。
【００２６】
請求項６乃至９記載の発明によれば、供給ガイドに通孔が形成されていても始動用燃料と始動用酸化剤は通気抵抗の高い外周側の触媒層には流入し難くなり、その殆どが中心側の触媒層に優先的に流入するので、始動時における暖機時間の短縮と、定常運転時における定常運転用燃料および酸化剤の均等分配とをアクチュエータなしでより確実に実現することができる。
【００２７】
さらに、請求項１０記載の発明によれば、定常運転時において、定常運転用燃料と定常運転用酸化剤とが一方の触媒層と他方の触媒層とに均等に分配されるので、燃焼触媒の処理能力を最大限に発揮させることができる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
第１実施形態
図１は本発明の触媒燃焼器の実施形態を示す断面図であり、同図（Ａ）は触媒燃焼器の軸方向の断面図、同図（Ｂ）はＢ−Ｂ線に沿う断面図、同図（Ｃ）はＣ−Ｃ線に沿う断面図である。
【００２９】
本実施形態の触媒燃焼器１は、図中左側に燃焼用の燃料と酸化剤を混合するガス室１１が設けられ、このガス室１１の中心部の左端に、始動用酸化剤を供給するためのチューブ１４と、始動用燃料を供給するためのインジェクタ１５とが設けられている。始動用燃料を供給するためのインジェクタ１５は図示するようにチューブ１４の内部に臨むように取り付けられており、ここで始動用燃料が始動用酸化剤に噴射されることで両者が混合され、この混合ガスがガス室１１内に導入される。
【００３０】
始動用燃料としては特に限定はされないが、たとえばメタノールを用いることができ、本実施形態の触媒燃焼器１に併設される燃料改質装置に用いられるメタノールを共用することができる。また、始動用酸化剤としては特に限定されないが、空気を用いることができ、これも燃料改質装置に用いられる空気を供給することができる。
【００３１】
これに対して、定常運転時に定常運転用燃料として供給される燃料電池からの排燃料と、定常運転用酸化剤として同じく燃料電池からの排酸化剤は、ガス室１１の外周部に取り付けられたチューブ１６を介して当該ガス室１１内に導入される。
【００３２】
ガス室１１の下流側には燃焼触媒１２が設けられているが、ガス室１１には、上述した始動用燃料および始動用酸化剤（以下、これらを始動用原料ガスともいう。）をこの燃焼触媒１２の中心部の触媒層１２１に導く供給ガイド１３が設けられている。この供給用ガイド１３には複数の通孔１３１が形成されており、主としてガス室１１内に導入された排燃料と排酸化剤が、この通孔１３１を介して供給ガイド１３内に入り、燃焼触媒の中心部の触媒層１２１にて燃焼するために設けられている。この作用については後述する。
【００３３】
燃焼触媒１２は、図示するように同心円状に二分割されており、２つの触媒層１２１，１２２間には断熱材１２３が設けられている。中心部の触媒層１２１の外径は、上述した供給ガイド１３の外径にほぼ等しくされ、外周部の触媒層１２２はその外周縁がガス室１１の内周部に支持されている。また、本実施形態の燃焼触媒１２にはハニカム型触媒が採用され、中心部の触媒層１２１のメッシュ孔は外周部の触媒層１２２のメッシュ孔よりも粗く設定され、これにより中心部の触媒層１２１の方が相対的に通気抵抗が小さくなっている。
【００３４】
次に作用を説明する。
まず始動時においては、チューブ１４から供給された始動用酸化剤にインジェクタ１５によって始動用燃料を噴射し、ガス室１１内に導入する。この始動用原料ガスは供給ガイド１３の内部を通って中心部の触媒層１２１に優先的に送られる。すなわち、一部の始動用原料ガスは供給ガイド１３を通過する際に通孔１３１を介して外周部の触媒層１２２に送られるが、供給ガイド１３の通気抵抗と外周部の触媒層１２２の細かいメッシュ孔による通気抵抗が存在するため、その漏洩量は僅かである。なお、中心部の触媒層１２１は図示するように熱容量が小さく、また断熱材１２３によって熱が外周部の触媒層１２２側に逃げ難くなっているので、短時間で暖機が終了する。
【００３５】
これに対して、通常運転時においては、始動用燃料および始動用酸化剤の供給が停止され、燃料電池で余剰となった排燃料と排酸化剤（以下、排原料ガスともいう。）がチューブ１６を介してガス室１１の外周部へ導入される。この排原料ガスは、供給ガイド１３に形成された通孔１３１の通気抵抗と、触媒層１２１，１２２の通気抵抗とのバランスを取ることによって、２つの触媒層１２１，１２２に均等に配分することができ、触媒の処理能力を最大限に発揮させることが可能となる。
【００３６】
この点について説明すると、同図において供給ガイド１３の通孔１３１の通気抵抗をα、中心部の触媒層１２１の通気抵抗をβ、外周部の触媒層１２２の通気抵抗をγとする。ただし、本実施形態では中心部の触媒層１２１のメッシュ孔が外周部の触媒層１２２のメッシュ孔より粗く設定されているので、β＜γである。
【００３７】
このとき、始動時において始動用原料が受ける抵抗は、中心部の触媒層１２１においてはH１＝βであり、外周部の触媒層１２２においてはH２＝α＋γである。上述したように、H１≪H２としておけば、始動用原料は中心部の触媒層１２１に流入し易いことになる。
これに対して、定常運転時に燃料電池からの排原料が受ける抵抗は、中心部の触媒層１２１においてH３=α＋βであり、外周部の触媒層１２２においてH４＝γである。ここで、H３とH４とがほぼ等しくなるように、α、βおよびγの値を設定すれば、すなわち供給ガイド１３の径、通孔１３１の径、中心部の触媒層１２１のメッシュ孔径および外周部の触媒層１２２のメッシュ孔径等々の条件を決定することで、燃料電池からの排原料を２つの触媒層１２１，１２２に均等に配分することができる。
【００３８】
第２実施形態
図２は本発明の触媒燃焼器の他の実施形態を示す断面図であり、同図（Ａ）は触媒燃焼器の軸方向の断面図、同図（Ｂ）はＢ−Ｂ線に沿う断面図、同図（Ｃ）はＣ−Ｃ線に沿う断面図である。
【００３９】
本実施形態では、燃焼触媒１２を図示するように大小２つの触媒層１２１，１２２に分割し、それにともない供給ガイド１３を平板とした点が上述した第１実施形態と相違している。また、容量が小さい方の触媒層１２１のメッシュ孔を、容量が大きい方の触媒層１２２に比べて粗くし、始動用原料をこの触媒層１２１に優先的に送られるようにしている。
【００４０】
このように構成しても、第１実施形態と同様に、始動時においては始動用原料が熱容量が小さい触媒層１２１に優先的に導かれ、短時間の暖機が可能になる。また、定常運転時においては、ガス室１１の上側に導入された排燃料と排酸化剤の一部は、供給ガイド１３の通孔１３１を介して触媒層１２１側にも導かれるので、燃焼触媒１２全体に均一に排原料を分配することができる。
【００４１】
なお、以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の触媒燃焼器の実施形態を示す断面図であり、（Ａ）は触媒燃焼器の軸方向の断面図、（Ｂ）はＢ−Ｂ線に沿う断面図、（Ｃ）はＣ−Ｃ線に沿う断面図である。
【図２】本発明の触媒燃焼器の他の実施形態を示す断面図であり、（Ａ）は触媒燃焼器の軸方向の断面図、（Ｂ）はＢ−Ｂ線に沿う断面図、（Ｃ）はＣ−Ｃ線に沿う断面図である。
【符号の説明】
１…触媒燃焼器
１１…ガス室
１２…燃焼触媒
１２１，１２２…触媒層
１２３…断熱材
１３…供給ガイド
１３１…通孔
【図１】
0003543717.tif 000002
【図２】
0003543717.tif 000003