(57)【要約】【課題】  燃料電池システムの高負荷運転時に増加する空気の量を調整して水素ガスを効率良く燃焼させることのできる水素燃焼装置を提供することを目的とする。【解決手段】  燃料電池スタックからそれぞれ排出される水素ガスと空気とを混合させた混合ガスを燃焼させる水素燃焼装置において、燃料電池スタック１から排出される空気が流れる主流路１８に水素燃焼器１６を設け、且つ当該水素燃焼器１６の外周囲を取り囲むようにして、該主流路１８を流れる空気の流入量を調整する空気流入量調整手段としての層流発生器２１を設ける。この層流発生器２１を設けることで、燃料電池システムの高負荷運転時に排出される多量の空気を、層流発生器２１側へと流すことができ、水素燃焼器１６へは燃焼に必要な程度量を流すことができ、水素ガスを完全に燃焼させることができる。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池スタック（１）からそれぞれ排出される水素ガスと空気とを混合させた混合ガスを燃焼させる水素燃焼装置において、
前記燃料電池スタック（１）から排出される空気が流れる主流路（１８）に水素燃焼器（１６）を設け、且つ当該水素燃焼器（１６）の外周囲を取り囲むようにして、該主流路（１８）を流れる空気の流入量を調整する空気流入量調整手段（２１）を設けた
ことを特徴とする水素燃焼装置。
【請求項２】
請求項１に記載の水素燃焼装置であって、
前記空気流入量調整手段は、前記主流路（１８）を流れる空気を層流とする層流発生器（２１）からなる
ことを特徴とする水素燃焼装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の水素燃焼装置であって、
前記燃料電池スタック（１）から前記空気とともに排出される水を排水するための排水路（２０）を、前記主流路（１８）と分岐して設けた
ことを特徴とする水素燃焼装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムの燃料電池スタックから排出される水素ガスと空気とを混合させて燃焼させる水素燃焼装置に関し、詳細には、燃料電池システムの高負荷運転時に増加する空気の量を調整して水素ガスを効率良く燃焼させるための燃焼技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、燃料電池自動車などに搭載される燃料電池システムでは、燃料電池スタックで発電に使用されずに残った未燃焼の水素ガスが大気へそのまま放出されるのを防止するために、当該水素ガスを空気と混合させて燃焼させる水素燃焼装置が使用されている。
【０００３】
水素ガスを燃焼させるためには、燃焼用の空気を水素燃焼装置に供給する必要がある。空気を導入する方法としては、専用の送風機を用いて水素燃焼装置に空気を強制的に送り込む方法（例えば、特許文献１、２など参照）、または、燃料電池スタックから排出される空気を直接、水素燃焼装置に導入させる方法の二通りがある。
【特許文献１】特開２００２−１２２３１１号公報（第４頁、第１図など参照）
【特許文献２】特開２００２−３７２２０８号公報（第２頁、第８図など参照）
【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、専用の送風機を用いて水素燃焼装置に空気を強制的に送り込む方法を採用した場合は、ファン、電源、制御部などが必要となり、装置構成が煩雑になる。
【０００５】
一方、燃料電池スタックから排出される空気を直接、水素燃焼装置に流入させる方法を採用した場合は、燃料電池システムの高負荷運転時に増加する空気により、燃焼されずに未燃となった水素ガスがそのまま大気へ排出されるおそれがある。一般に、水素燃焼装置の燃焼率は、該水素燃焼装置に設けられる触媒と水素ガスとの接触時間に比例するため、空気流量が増加すると前記接触時間が短くなることから、水素ガスが燃焼されずに大気に放出され易くなってしまう。しかし、逆に十分な接触時間を得ようとすると、今度は触媒を大型化しなければならない。
【０００６】
そこで、本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものであり、燃料電池システムの高負荷運転時に増加する空気の量を調整して水素ガスを効率良く燃焼させることのできる水素燃焼装置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】
【０００７】
請求項１に記載の発明は、燃料電池スタックからそれぞれ排出される水素ガスと空気とを混合させた混合ガスを燃焼させる水素燃焼装置において、前記燃料電池スタックから排出される空気が流れる主流路に水素燃焼器を設け、且つ当該水素燃焼器の外周囲を取り囲むようにして、該主流路を流れる空気の流入量を調整する空気流入量調整手段を設けたことを特徴とする。
【０００８】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の水素燃焼装置であって、前記空気流入量調整手段は、前記主流路を流れる空気を層流とする層流発生器からなることを特徴とする。
【０００９】
請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の水素燃焼装置であって、前記燃料電池スタックから前記空気とともに排出される水を排水するための排水路を、前記主流路と分岐して設けたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
請求項１に記載の発明によれば、燃料電池スタックから排出される空気が流れる主流路に水素燃焼装置を設け、また、その水素燃焼装置の外周囲を取り囲むようにして空気流入量調整手段を設けたので、燃料電池システムの高負荷運転時には、空気流入量調整手段を調整することで、前記水素燃焼装置へは水素燃焼に適した空気量を導入でき、前記空気流入量調整手段へはより多くの空気を流すことができる。
【００１１】
したがって、本発明によれば、燃料電池システムの運転状態に拘わらず、常に水素ガスを効率良く燃焼させることができ、未燃焼の水素ガスの大気への放出を防止することができる。
【００１２】
しかも、水素燃焼装置の外周囲を取り囲むようにして空気流入量調整手段を設けたので、該空気流入量調整手段が、水素燃焼装置で発生する熱を吸収する断熱作用をする。したがって、水素燃焼装置に専用の断熱部を設ける必要がなく、その分、水素燃焼装置を小型・軽量化することができる。
【００１３】
請求項２に記載の発明によれば、主流路を流れる空気を層流とする層流発生器を空気流入量調整手段としているので、燃料電池システムの高負荷運転時には、燃料電池スタックから排出された空気の多くを層流発生器へと流すことができる。
【００１４】
請求項３に記載の発明によれば、燃料電池スタックから空気とともに排出される水を排水するための排水路を主流路と分岐して設けたので、主流路内を流れる空気の圧力によって、該主流路の底部に溜まる水（水滴）を前記排水路へと排出させることができ、当該主流路内の水素燃焼器近傍に該水が溜まるのを防止できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１６】
なお、本実施の形態は、本発明の水素燃焼装置を、燃料電池自動車に搭載される燃料電池システムに適用した例である。
【００１７】
「燃料電池システムの概略説明」
先ず、燃料電池システムについて簡単に説明する。図１は燃料電池システムの概略構成図である。図１中、細い実線αは酸素（空気）の流通経路、一点鎖線βは水素の流通経路、破線γは冷却液の流通経路、太い実線δは加湿用の純水の流通経路をそれぞれ示す。
【００１８】
燃料電池スタック１は、圧縮水素タンク２より水素ガスが導入される燃料極３と、外部から取り入れられる酸化剤ガスである空気が導入される空気極４とを備える。そして、この燃料電池スタック１では、燃料極３に導入された水素ガスと、空気極４に導入された酸素とを、これら燃料極３と空気極４の間に配置された電解質膜（図示は省略する）を介して反応させることにより発電させるようになっている。
【００１９】
燃料電池スタック１に供給される水素ガスと酸素は、発電作用の活性化および電解質膜の劣化防止のため加湿器５で加湿される。加湿器５には、純水を貯水するとともに燃料電池システムを停止したときに燃料電池スタック１内に残存する純水を回収する純水タンク６に貯水された純水が、純水導出パイプ７と純水汲み上げポンプ８とにより供給される。
【００２０】
純水タンク６は、加湿器５に供給する純水を所定量貯水して置く貯水タンクとして使用される他、例えば氷点下の外気温度以下の下に燃料電池システムを停止して長時間停止させたときに燃料電池スタック１内の純水が凍って破裂するのを防止するために、システム運転終了後に純水経路内の純水を純水回収パイプ９を介して抜き取り貯水しておくのにも使用される。
【００２１】
また、燃料電池スタック１では、発電時に発熱するため、この燃料電池スタック１にラジエータ１０から冷却液ポンプ１１により冷却液を循環させ、当該燃料電池スタック１を冷却するようにしている。冷却液には、例えば不凍液（ＬＬＣ液）が使用される。
【００２２】
また、冷却液経路１２には、ラジエータ１０をバイパス（迂回）するバイパス通路１３が設けられている。燃料電池システムの始動時には、この冷却液経路１２に設けた３方弁１４によって、前記ラジエータ１０をバイパスさせるようにしている。このバイパス通路１３は、燃料電池システムの始動時にのみ使用され、システム運転時には、このバイパス通路１３には冷却液が流れないように制御される。
【００２３】
さらに、バイパス通路１３には、冷却液を加熱するための電熱又は水素燃焼熱を利用したヒータ１５が設置されており、このヒータ１５によって冷却液を加熱して燃料電池スタック１の暖気促進を図り、早急に発電システムを起動可能としている。
【００２４】
また、この燃料電池システムでは、燃料電池スタック１で発電に使用されずに残った未燃焼の水素ガスがそのまま大気へ放出されないように、本発明の水素燃焼器１６で水素ガスを燃焼させた後、サイレンサー１７で消音させて大気へ放出させている。
【００２５】
「水素燃焼装置の構成」
次に、本発明を適用した水素燃焼装置について説明する。図２は水素燃焼装置の概略構成を示す断面図、図３（Ａ）は燃料噴出パイプの乱流板の斜視図、図３（Ｂ）は燃料噴出パイプの断面図、図４は混合部の混合板を示す斜視図、図５（Ａ）は層流発生器の斜視図、図５（Ｂ）は層流発生器の構成部品の斜視図である。
【００２６】
水素燃焼装置は、図２に示すように、燃料電池スタック１から排出される空気が流れる主流路１８に設けられた水素燃焼器１６と、この水素燃焼器１６の外周囲を取り囲むようにして設けられた空気流入量調整手段である層流発生器２１とからなる。
【００２７】
水素燃焼器１６は、円筒形状をなす燃焼器２２に、水素ガスを内部に噴出させる燃料噴出部２３と、流入された酸素と噴出された水素ガスとを混合させる混合部２４と、混合部２４で混合された混合ガスを燃焼させる燃焼部２５と、該燃焼部２５の温度を測定する測温素子２６とを有する。
【００２８】
燃焼器２２は、燃焼温度・圧力に耐えられる材質、例えばステンレス（ＳＵＳ３０４）などから形成され、所定の大きさとされた円筒形状として形成されている。なお、この燃焼器２２は、燃焼システムとして要求されるガス流量・発熱量などの要求を満足できる設計になれば、その他の形状、材質などとしてもよい。
【００２９】
燃料噴出部２３は、燃料電池スタック１から排出される未燃焼の水素ガスを燃焼器２２内に噴出する部分であり、アノードオフガス配管に接続された燃料噴出パイプ２７から構成されている。そして、この燃料噴出部２３では、燃料噴出パイプ２７の先端側部を燃焼器２２内に突出させ、その先端側部に形成した複数個の燃料噴出孔２８から水素ガスを噴出させる。
【００３０】
燃料噴出パイプ２７は、図３（Ａ）および図３（Ｂ）に示すように、例えばステンレスパイプからなる配管とされ、そのパイプ先端側周面に水素ガスを噴出する燃料噴出孔２８を複数形成している。この燃料噴出孔２８は、パイプ周面の中心に一箇所でもよく、または、円周方向に複数箇所設けてもよい。そして、この燃料噴出パイプ２７の先端には、円盤形状の乱流板３０が取り付けられている。
【００３１】
混合部２４は、水素ガスと酸素を混合させて混合気（混合ガス）を形成する部分であり、燃料噴出部２３の排気方向下流側に位置して設けられている。この混合部２４は、例えば複数枚の混合板３１、３２を所定間隔を置いて燃焼器２２内に配置固定することで構成される。燃料噴出部２３側に配置される混合板３１は、図４に示すように、中央に大きな円形孔３３が形成された円盤として形成されている。これに対して、他方の複数の混合板３２は、小さな円形孔３４が複数形成された円盤として形成されている。これら二種類の混合板３１、３２に形成されたそれぞれの円形孔３３、３４を水素ガスと酸素が乱流を形成し通過することでこれらが混合された後、その混合された混合気が、燃焼器後方側の燃焼部２５へと送られる。
【００３２】
燃焼部２５は、混合部２４で混合された水素ガスと酸素からなる混合気を燃焼させる部分であり、該混合部２４の後方（排気下流側）に設けられている。燃焼部２５には、混合気と接触することによって該混合気を燃焼させる触媒３５が配置されている。触媒３５には、メタルハニカムやセラミックハニカム等の担体に白金（Ｐｔ）等の貴金属を担持した、従来公知の触媒技術を用いることができる。
【００３３】
測温素子２６は、燃焼部２５で発生する熱を測定し、燃焼器２２内へと挿入して設けられている。
【００３４】
層流発生器２１は、燃焼器２２の外周を取り囲むように配置されており、図５（Ａ）および図５（Ｂ）に示すように、例えばステンレスなどからなる平板３６と波板３７とを重ね合わせ、中心に燃焼器挿通孔２９を有した円筒体として形成される。このように形成された層流発生器２１は、いわゆるハニカム形状とされる。そして、この層流発生器２１を、主流路１８に設けた水素燃焼器１６の外周囲に装着すれば、該層流発生器２１を流れる空気流は層流となる。
【００３５】
かかる構成に加えて、主流路１８には、水素燃焼器１６の前方と後方でそれぞれ連結され、該主流路１８から分岐した排水路２０が、当該主流路１８と平行となるようにバイパスされている。この排水路２０は、燃料電池スタック１から空気とともに排出される水（水滴）を、主流路１８内を流れる空気の圧力によって排出するようになされている。
【００３６】
「作用・効果」
次に、水素燃焼器１６を配置した主流路１８に層流発生器２１を設けた水素燃焼装置の作用・効果を説明する。
【００３７】
本実施の形態の水素燃焼装置では、主流路１８における水素燃焼器１６近傍の入口側の圧力が低いとき（燃料電池システムの低負荷運転時）は、水素燃焼器１６側に流れる空気流量Ｖ１と層流発生器２１側を流れる空気流量Ｖ２はほぼ同じになる。しかしながら、前記入口側の圧力が高いとき（燃料電池システムの高負荷運転時）は、単に水素燃焼器１６と主流路１８との間に空間を設けただけ（これら水素燃焼器１６と主流路１８との間には層流発生器２１を設置していない場合）では、前記空間側に空気が多く流れ、未燃焼の水素ガスがそのまま大気へと放出されてしまう。
【００３８】
一般に、流体の圧力損失ΔＰは、層流のときはΔＰ＝Ｋ１Ｖ、乱流のときはΔＰ＝Ｋ２Ｖ２で表される。但し、Ｋは常数、Ｖは流量である。これらの式から判るように、流体（本実施の形態の場合は空気）の流量が増加すれば、乱流の場合の圧力損失は流量の二乗として増加し、層流の場合の圧力損失は流量の増加に比例して増加する程度で、乱流の場合に比べてその圧力損失の増加量が小さくて済む。つまり、層流の場合は、空気流量が増大しても圧力損失はそれ程、増大しないことになる。
【００３９】
また、主流路１８における水素燃焼器１６近傍の入口側の圧力が増大して空気流量が増すと、圧力損失の低い層流となる層流発生器２１が配置された空間側の空気流量が増加することになる。したがって、水素燃焼器１６側を流れる空気の量は、圧力の増加ほどには増加しないことになる。但し、この水素燃焼器１６には、燃焼に必要な量の空気は流れる。つまり、燃料電池システムの高負荷運転時でも水素燃焼器１６の空気量を大きく増大することなく、全空気量を増加できることになる。
【００４０】
図６は主流路１８の水素燃焼器１６近傍の入口側における入口圧力と空気流量（水素燃焼器１６側および層流発生器２１側のそれぞれについて）との関係を示す図、図７は水素燃焼器１６側と層流発生器２１側とをそれぞれ流れる空気流量を示す図である。
【００４１】
図６からは、入口側の入口圧力と空気流量とはほぼ比例関係にあり、入口圧力が増加すればこれに比例して空気流量も増加することが判る。また、上述したように、水素燃焼器１６側に比較して、ハニカム形状の層流発生器２１側に空気流量が多くなる傾向が判る。
【００４２】
また、図７からは、層流発生器２１側の空気流量に比べて、水素燃焼器１６側の空気流量が遙かに低い値を示していることが判る。例えば、層流発生器２１側を流れる空気流量が２０００〔Ｌ／ｍｉｎ〕のときに、水素燃焼器１６側を流れる空気流量は僅か６００〔Ｌ／ｍｉｎ〕程度である。つまり、水素燃焼器１６側に対して層流発生器２１側に多量の空気が流れることになる。
【００４３】
実際に、本実施の形態の水素燃焼装置を使用して混合ガスを燃焼させたところ、燃料電池システムの低負荷運転時（空気流量１２００〔Ｌ／ｍｉｎ〕、水素ガス流量２０〔Ｌ／ｍｉｎ〕）と、高負荷運転時（空気流量２０００〔Ｌ／ｍｉｎ〕、水素ガス流量３０〔Ｌ／ｍｉｎ〕）の何れにおいても混合ガスを安全且つ完全に燃焼させることができた。
【００４４】
また、例えば図２との対応部分に同一符号を付した図８に示すような既存の水素燃焼装置と、本実施の形態の水素燃焼装置とにおいて、それぞれ上述と同条件で混合ガスを燃焼させて比較した場合の結果を表１に示す。この表から判るように、従来（既存）の水素燃焼器４０における触媒容量が２９５〔ｍＬ〕程度であるのに対して本実施の形態の水素燃焼器１６における触媒容量は７５〔ｍＬ〕程度であり、排出される水素濃度は、前者が０．３〔％〕程度、後者が０．１〔％〕以下であることが判った。そして、そのときの圧力損失は、前者が約３．１〔ｋＰａ〕程度、後者が１．３〔ｋＰａ〕程度に過ぎなかった。なお、圧力損失は、層流発生器２１の直径と長さで決まるが、本実施の形態では、外径７６〔ｍｍ〕、内径４９〔ｍｍ〕、長さ８０〔ｍｍ〕のものを用いた。
【表１】
2006032061.tif 000003
【００４５】
以上、説明したように、本実施の形態の水素燃焼装置によれば、燃料電池スタック１から排出される空気が流れる主流路１８に水素燃焼器１６を設けるとともに、水素燃焼器１６の外周囲を取り囲むようにして、該主流路１８を流れる空気の流入量を調整する層流発生器２１を設けたので、燃料電池システムの高負荷運転時に燃料電池スタック１から排出される空気流量が増大しても、燃焼に必要な空気量を水素燃焼器１６へ送りつつも層流発生器２１へ多量の空気を流すことができる。その結果、水素ガスを完全に燃焼させることができ、未燃焼のまま水素ガスを大気へ放出させることを防止できる。
【００４６】
したがって、この水素燃焼装置によれば、燃料電池システムの運転状態に拘わらず、常に水素ガスを効率良く燃焼させることができ、未燃焼の水素ガスの大気への放出を防止することができる。
【００４７】
しかも、水素燃焼器１６の外周囲を取り囲むようにして層流発生器２１を設けたので、該層流発生器２１が、前記水素燃焼器１６で発生する熱を吸収する断熱作用をする。したがって、水素燃焼器１６に専用の断熱部を設ける必要がなく、その分、水素燃焼装置を小型・軽量化することができる。
【００４８】
また、本実施の形態の水素燃焼装置によれば、大きな圧力損失を発生させることもない。一方、従来のように、燃料電池スタック１から排出される空気を直接、水素燃焼器１６に流入させた場合には、燃料電池システムの高負荷運転時において水素燃焼不良が生じたり圧力損失が増大する。
【００４９】
さらに、本実施の形態の水素燃焼装置によれば、空気流入量調整手段として、主流路１８を流れる空気を層流とする層流発生器２１を用いているので、燃料電池システムの高負荷運転時には、該燃料電池スタック１から排出された空気を積極的にこの層流発生器２１へと流すことができる。
【００５０】
さらに、本実施の形態の水素燃焼装置によれば、燃料電池スタック１から空気とともに排出される水を排水するための排水路２０を主流路１８と分岐して設けたたので、該主流路１８内を流れる空気の圧力によって、該主流路１８の底部に溜まる水（水滴）を前記排水路２０へと排出させることができ、当該主流路１８内の水素燃焼器１６近傍に該水が溜まるのを防止できる。
【００５１】
以上、本発明の実施形態について説明したが、上述した実施形態の開示の一部をなす論述および図面はこの発明を限定するものであると理解するべきではない。この開示から当業者には様々な代替の実施の形態、実施例および運用技術が明らかとなろう。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】本実施の形態の水素燃焼装置の概略構成を示す断面図である。
【図３】図３（Ａ）は燃料噴出パイプの乱流板の斜視図、図３（Ｂ）は燃料噴出パイプの断面図である。
【図４】水素燃焼器における混合部の混合板を示す斜視図である。
【図５】図５（Ａ）は層流発生器の斜視図、図５（Ｂ）は層流発生器の構成部品の斜視図である。
【図６】主流路と分岐流路が交差する入口側における入口圧力と空気流量との関係を示す図である。
【図７】主流路における水素燃焼器側と層流発生器側とをそれぞれ流れる空気流量を示す図である。
【図８】水素燃焼器の外周囲に断熱層を設けた既存の水素燃焼装置の概略構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【００５３】
１…燃料電池スタック
１６…水素燃焼器
１８…主流路
２０…排水路
２１…層流発生器
２２…燃焼器
２３…燃料噴出部
２４…混合部
２５…燃焼部
２６…測温素子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2006032061.tif 000009
【図７】
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【図８】
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