(57)【要約】【課題】酸素利用率を向上させて効率的な燃焼が遂行されるとともに、簡単且つコンパクトに構成することを可能にする。【解決手段】触媒燃焼装置３２は、燃料と空気とを燃焼触媒９６で燃焼させて燃焼ガスを生成する触媒燃焼部９０と、冷却媒体と前記燃焼ガスとで熱交換を行う熱交換部９２とを設ける触媒燃焼ユニット９４を備え、複数の前記触媒燃焼ユニット９４を燃焼ガス流れ方向に沿って連結する。触媒燃焼ユニット９４は、触媒燃焼部９０と熱交換部９２との間に、前記熱交換部９２に燃料を供給するための燃料ガス供給部５０を構成する噴射ノズル５２ｂ、５２ｃを備える。【選択図】図２
2006226542.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料と空気とを触媒で燃焼させて燃焼ガスを生成する触媒燃焼部と、前記触媒燃焼部の燃焼ガス流れ方向下流側に配置され、被加熱流体と前記燃焼ガスとで熱交換を行う熱交換部とを設ける複数の触媒燃焼ユニットを備え、
前記触媒燃焼ユニットは、前記燃焼ガス流れ方向に沿って連結されるとともに、
各触媒燃焼ユニットは、前記触媒燃焼部と前記熱交換部との間、又は前記熱交換部に配置され、前記熱交換部に前記燃料を供給する燃料供給部を備えることを特徴とする触媒燃焼装置。
【請求項２】
請求項１記載の触媒燃焼装置において、前記熱交換部は、前記燃料供給部から供給される前記燃料と空気を含有する前記燃焼ガスとを混合させる混合機構を備えることを特徴とする触媒燃焼装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載の触媒燃焼装置において、前記燃料は、水素を含むことを特徴とする触媒燃焼装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料と空気とを触媒で燃焼させて燃焼ガスを生成する触媒燃焼部と、前記触媒燃焼部の燃焼ガス流れ方向下流側に配置され、被加熱流体と前記燃焼ガスとで熱交換を行う熱交換部とを設ける複数の触媒燃焼ユニットを備える触媒燃焼装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード電極及びカソード電極を設けた電解質膜・電極構造体を、セパレータによって挟持した発電セルを備えている。この種の発電セルは、通常、電解質膜・電極構造体及びセパレータを所定数だけ交互に積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。
【０００３】
ところで、この種の燃料電池では、イオン導電性を維持するために、高分子イオン交換膜からなる電解質膜を適度に加湿しておく必要がある。さらに、カソード電極では、反応による生成水が存在する一方、アノード電極では、前記生成水の逆拡散や結露が発生し易い。このため、燃料電池を氷点下等の低温で始動させようとすると、前記燃料電池内の水分に凍結が発生し易く、該燃料電池内で電気化学反応が行われ難いという不具合がある。
【０００４】
そこで、この種の問題を解決するために、例えば、特許文献１の固体高分子型燃料電池発電システムが知られている。この固体高分子型燃料電池発電システムは、燃料電池スタックを備え、この燃料電池スタックには、不凍液供給手段を介して不凍液が循環供給されている。
【０００５】
不凍液供給手段は、不凍液を不凍液加熱手段に供給することにより加熱した後、この加熱した不凍液を燃料電池スタック１に供給して前記燃料電池スタック１の暖機を行っている。この不凍液加熱手段は、燃焼器と、この燃焼器からの燃焼廃ガスと不凍液との熱交換を行う熱交換器とを備えている。
【０００６】
ところで、上記の燃焼器では、触媒の活性成分の耐熱温度に限界があり、前記触媒の耐熱温度以下に触媒反応温度を抑えなければならない。このため、燃焼器には、燃料に対して空気が過剰な状態の混合気を供給する必要があり、酸素利用率の低下により空気ポンプの消費エネルギが増加するという問題がある。
【０００７】
そこで、例えば、特許文献２に開示されているように、多段触媒燃焼として燃料を段階的に与える触媒燃焼式ボイラシステムが知られている。具体的には、図８に示すように、触媒燃焼式ボイラシステムは、触媒燃焼部１と熱交換部２とからなるボイラユニット３を複数段に連結している。そして、初段のボイラユニット３の上流側には、このボイラユニット３の触媒燃焼部１を予熱し得る高空気比の補助バーナ４が設けられるとともに、最終段のボイラユニット３の下流側には、熱交換器５が配設されている。
【０００８】
各触媒燃焼部１は、燃料供給機構７を備えており、この燃料供給機構７から前記触媒燃焼部１に供給される燃料は、燃焼用空気と共に図示しない燃焼触媒によって燃焼されるように構成されている。
【０００９】
【特許文献１】特開２０００−１６４２３３号公報（図２）
【特許文献２】特開平６−２８８５１０号公報（図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、上記の特許文献２では、触媒燃焼部１に燃料供給機構７が設けられており、この燃料供給機構７から前記触媒燃焼部１に供給される燃料は、図示しない燃焼触媒に供給される前に、空気と十分に混合されていなければならない。燃焼触媒に供給される燃料の濃度に不均一が発生し、燃料と空気の反応効率が低下したり、ヒートスポットが発生して前記燃焼触媒の劣化や未反応の燃料が生じたりすることによって、効率的な燃焼が困難になるからである。
【００１１】
ところが、上記の特許文献２では、各ボイラユニット３の触媒燃焼部１に燃料が、直接、導入されるため、この燃料と空気とを十分に混合して燃焼触媒に供給することができない。従って、触媒燃焼部１には、実際上、燃料供給機構７から供給される燃料と空気とを混合するための専用混合室を、各ボイラユニット３毎に設ける必要がある。これにより、触媒燃焼式ボイラシステムの全長が相当に長尺化してしまうという問題がある。
【００１２】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、酸素利用率を向上させて効率的な燃焼が遂行されるとともに、簡単且つコンパクトに構成することが可能な触媒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】
【００１３】
本発明は、燃料と空気とを触媒で燃焼させて燃焼ガスを生成する触媒燃焼部と、前記触媒燃焼部の燃焼ガス流れ方向下流側に配置され、被加熱流体と前記燃焼ガスとで熱交換を行う熱交換部とを設ける複数の触媒燃焼ユニットを備えている。触媒燃焼ユニットは、燃焼ガス流れ方向に沿って連結されるとともに、前記触媒燃焼ユニットは、触媒燃焼部と熱交換部との間、又は前記熱交換部に配置され、前記熱交換部に燃料を供給する燃料供給部を備えている。
【００１４】
また、熱交換部は、燃料供給部から供給される燃料と空気を含有する燃焼ガスとを混合させる混合機構を備えることが好ましい。燃料と空気とが良好に混合されるため、燃料（又は酸素）濃度が均一化して濃度ムラを阻止することができる。このため、例えば、燃焼触媒のヒートスポットの発生を抑制することが可能になり、前記燃焼触媒の耐久性の向上を図ることができる。
【００１５】
さらに、燃料は、水素を含むことが好ましい。熱伝達効率の高い水素が熱交換部に導入されるため、前記熱交換部における熱交換効率が良好に向上する。しかも、燃料電池システムの暖機用触媒燃焼装置として使用すれば、発電（反応）に使用される水素を燃料として利用することができ、専用の燃料供給装置が不要になり、構成の簡素化が容易に図られる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、前段の触媒燃焼ユニットを構成する熱交換部に供給される燃料は、前記熱交換部を通って空気と十分に混合された後、後段の触媒燃焼ユニットを構成する触媒燃焼部に供給される。このため、触媒燃焼部では、燃料と空気とが良好に混合された混合気が供給され、酸素利用率が向上して効率的な燃焼が遂行可能になる。
【００１７】
しかも、触媒燃焼装置には、燃料と空気を混合するための専用混合空間（混合室）が不要になる。熱交換器が混合室としての機能を有するからである。これにより、スペースを有効に活用することができ、触媒燃焼装置が大型化（長尺化）することを確実に阻止することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る触媒燃焼装置を組み込む燃料電池システム１０の概略構成説明図である。
【００１９】
燃料電池システム１０は、複数の発電セル（燃料電池）を積層する燃料電池スタック１２を備える。各発電セルは、図示しないが、電解質膜・電極構造体とセパレータとを交互に配設しており、アノード電極に燃料ガス、例えば、水素ガスを供給する燃料ガス流路１４と、カソード電極に酸化剤ガス、例えば、空気を供給する酸化剤ガス流路１６と、冷却媒体を供給する冷却媒体流路１８とを設ける。
【００２０】
燃料電池スタック１２には、燃料ガス流路１４に連通する燃料ガス入口連通孔２０ａ及び燃料ガス出口連通孔２０ｂと、酸化剤ガス流路１６に連通する酸化剤ガス入口連通孔２２ａ及び酸化剤ガス出口連通孔２２ｂと、冷却媒体流路１８に連通する冷却媒体入口連通孔２４ａ及び冷却媒体出口連通孔２４ｂとが設けられる。
【００２１】
燃料電池スタック１２には、燃料ガス供給系２６、酸化剤ガス供給系２８及び冷却媒体供給系３０が接続される。この冷却媒体供給系３０には、第１の実施形態に係る触媒燃焼装置３２が接続されるとともに、前記触媒燃焼装置３２には、必要に応じて補器類冷却系３４が接続される。
【００２２】
燃料ガス供給系２６は、水素タンク３６を備え、この水素タンク３６に接続される燃料ガス供給流路３８は、燃料電池スタック１２の燃料ガス入口連通孔２０ａに連通する。燃料電池スタック１２の燃料ガス出口連通孔２０ｂには、リターン流路４２の一端が接続され、このリターン流路４２の他端は、調整弁４４を介して燃料ガス供給流路３８に接続される。リターン流路４２には、燃料ガス分岐流路４６が接続され、この燃料ガス分岐流路４６は、燃料供給量調整手段、例えば、インジェクタ４８を介して燃料ガス供給部５０に接続される。
【００２３】
燃料ガス供給部５０は、複数の噴射ノズル５２ａ〜５２ｄを備えるとともに、図２に示すように、前記噴射ノズル５２ａ〜５２ｄには、それぞれ燃料噴射量を制御するための弁５４が設けられている。噴射ノズル５２ａ〜５２ｄは、例えば、多数の噴出口を有しており、燃料ガスをシャワー状に供給することができる。
【００２４】
酸化剤ガス供給系２８は、図１に示すように、コンプレッサ（又はスーパーチャージャ）５６を備え、このコンプレッサ５６に一端が接続される酸化剤ガス供給流路５８の他端は、燃料電池スタック１２の酸化剤ガス入口連通孔２２ａに接続される。
【００２５】
燃料電池スタック１２の酸化剤ガス出口連通孔２２ｂには、酸化剤ガス排出流路６０が接続され、この酸化剤ガス排出流路６０の途上には、調整弁６２を介して酸化剤ガス分岐流路６４が設けられる。この酸化剤ガス分岐流路６４は、後述する触媒燃焼装置３２に接続される。
【００２６】
冷却媒体供給系３０は、第１冷媒タンク６６を備える。この第１冷媒タンク６６内の冷却媒体は、第１ポンプ６８の駆動作用下に、循環流路７０を介して燃料電池スタック１２の冷却媒体入口連通孔２４ａに導入されるとともに、冷却媒体出口連通孔２４ｂから導出される。循環流路７０には、冷却媒体分岐流路７２が設けられ、この冷却媒体分岐流路７２に第１開閉弁７４が配設される。循環流路７０には、冷却媒体分岐流路７２の両端接続部間に位置して第２開閉弁７６が設けられる。
【００２７】
補器類冷却系３４は、第２冷媒タンク７８を備え、この第２冷媒タンク７８内の冷却媒体は、第２ポンプ８０の作用下に、リターン流路８２を循環して補器やエアコン等の機器８４に接続される。
【００２８】
図２に示すように、触媒燃焼装置３２は、ケーシング８６を備え、このケーシング８６の燃焼ガス流れ方向（矢印Ａ方向）上流側には、酸化剤ガス分岐流路６４が接続される。ケーシング８６内には、燃焼ガス流れ方向上流側に混合室８８が設けられ、この混合室８８の下流には、触媒燃焼部９０と熱交換部９２とを設ける複数の触媒燃焼ユニット９４が矢印Ａ方向に向かって連結される。
【００２９】
触媒燃焼部９０は、燃料と空気とを燃焼触媒９６で燃焼させて燃焼ガスを生成する。熱交換部９２は、触媒燃焼部９０の下流側に配置され、冷却媒体（被加熱流体）と燃焼ガスとで熱交換を行う。
【００３０】
図３に示すように、熱交換部９２は、円筒状の外筒１００と、この外筒１００内に配列されるそれぞれ長円状の複数の内筒１０２とを備える。図３及び図４に示すように、各内筒１０２の内部には、燃焼ガス通路１０４が形成されるとともに、外筒１００の内側と前記内筒１０２の外側との間には、冷却媒体通路１０６が形成される。外筒１００の両端には、蓋部材１０８ａ、１０８ｂが装填されており、冷却媒体通路１０６は、前記外筒１００の内部に閉塞される（図３参照）。
【００３１】
この冷却媒体通路１０６は、冷却媒体供給系３０を構成する冷却媒体分岐流路７２（又は補器類冷却系３４を構成するリターン流路８２）に連通する。蓋部材１０８ａ側には、矢印Ａ方向に供給される空気と、噴射ノズル５２ｂ〜５２ｄを介して導入される燃料とを混合させるために、メッシュ部材（混合機構）１１０が装着される。
【００３２】
噴射ノズル５２ａ〜５２ｄは、各熱交換部９２の燃焼ガス導入側端部に近接して配置される。図２に示すように、ケーシング８６の下流側端部には、酸素センサ（又は水素センサ）１１２が配設される。
【００３３】
このように構成される燃料電池システム１０を始動する際について、図５に示すフローチャートに沿って、以下に説明する。
【００３４】
先ず、燃料電池スタック１２の始動時に、この燃料電池スタック１２に燃焼熱が必要であるか否かが判断される（ステップＳ１）。燃料電池スタック１２に燃焼熱が必要である、すなわち、暖機が必要であると判断されると（ステップＳ１中、ＹＥＳ）、ステップＳ２に進んで、触媒燃焼装置３２に酸化剤ガス供給系２８から空気が供給される。その際、調整弁６２が操作されることにより、酸化剤ガス分岐流路６４から触媒燃焼装置３２に所定量（初期設定値）の空気が供給される。
【００３５】
さらに、燃料ガス供給系２６では、水素タンク３６内の燃料ガスが、調整弁４４からインジェクタ４８を介して燃料ガス供給部５０に供給される。燃料ガス供給部５０では、各噴射ノズル５２ａ〜５２ｄから触媒燃焼装置３２に燃料ガスが供給される。
【００３６】
ここで、触媒燃焼装置３２による燃焼開始時は、最前段の噴射ノズル５２ａから供給される燃料ガスの供給割合を、他の噴射ノズル５２ｂ〜５２ｄから供給される燃料ガスの供給割合に比べて増加させ、あるいは、前記噴射ノズル５２ａのみから燃料ガスを供給する（ステップＳ３）。
【００３７】
噴射ノズル５２ａから供給される燃料ガスは、混合室８８に導入される一方、この混合室８８には、酸化剤ガス分岐流路６４から空気が供給されている。そして、燃料ガスと空気とは、混合室８８で十分に混合された後、最前段の触媒燃焼ユニット９４を構成する触媒燃焼部９０に導入される。
【００３８】
このため、触媒燃焼部９０では、燃焼触媒９６を介して燃料と空気とが燃焼されて燃焼ガスが生成され、この燃料ガスは、最前段の触媒燃焼ユニット９４を構成する熱交換部９２に送られる。なお、最前段の触媒燃焼部９０では、高濃度燃料が供給されることにより、良好な反応が開始され、未反応燃料を含む高温の燃焼ガスは、熱交換部９２を構成する燃焼ガス通路１０４に導入される。
【００３９】
ここで、図３及び図４に示すように、燃焼ガス通路１０４の外周には、冷却媒体通路１０６が設けられており、この冷却媒体通路１０６には、冷却媒体供給系３０を構成する冷却媒体分岐流路７２を介して冷却媒体が供給されている。冷却媒体供給系３０では、第１開閉弁７４が開放される一方、第２開閉弁７６が閉塞されている。
【００４０】
従って、燃焼ガスと冷却媒体とで熱交換が行われ、昇温された冷却媒体は、第１ポンプ６８の作用下に、燃料電池スタック１２の冷却媒体入口連通孔２４ａから冷却媒体流路１８に導入された後、冷却媒体出口連通孔２４ｂに排出される。このため、燃料電池スタック１２の暖機が開始される。
【００４１】
最前段の熱交換部９２を通過した未反応燃料ガス及び空気を含む燃焼ガスは、次段の触媒燃焼ユニット９４を構成する触媒燃焼部９０に送られ、燃焼触媒９６で前記未反応燃料ガス及び空気が燃焼して燃焼ガスが生成される。この燃焼ガスは、下流側に配置される熱交換部９２に送られ、冷却媒体との間で熱交換を行った後、後段の触媒燃焼ユニット９４に送られる。後段の触媒燃焼ユニット９４では、上記の前段側の触媒燃焼ユニット９４と同様の処理が行われる。
【００４２】
これにより、触媒反応開始時に、噴射ノズル５２ａから高濃度燃料を供給することによって、未反応燃料ガスが次段及び後段の触媒燃焼ユニット９４で燃焼されている。このため、触媒燃焼装置３２の下流に燃え残り燃料ガスを処理するための処理装置を設ける必要がなく、又は、該処理装置の小型化が可能になるとともに、燃料ガスの有効利用率が向上する。
【００４３】
ところで、触媒燃焼装置３２では、上記の初期燃焼処理が終了すると、各噴射ノズル５２ａ〜５２ｄを介して、混合室８８及び各触媒燃焼ユニット９４を構成する熱交換部９２の入口側に燃料ガスが供給される。その際、図３に示すように、各熱交換部９２の入口側には、混合機構を構成するメッシュ部材１１０が装着されている。従って、触媒燃焼部９０により生成された燃焼ガス中の空気と、各噴射ノズル５２ｂ〜５２ｄから導入される燃料ガスとは、メッシュ部材１１０により強制的に混合される。このため、燃料ガスと空気の混合気は、燃焼ガス通路１０４を通過して下流側の触媒燃焼ユニット９４を構成する触媒燃焼部９０に供給される。
【００４４】
この場合、第１の実施形態では、触媒燃焼部９０と、この触媒燃焼部９０の下流に配置される熱交換部９２とを備える複数の触媒燃焼ユニット９４が、矢印Ａ方向に連結されるとともに、各触媒燃焼ユニット９４では、前記触媒燃焼部９０と前記熱交換部９２との間に燃料ガスを噴射するための噴射ノズル５２ｂ〜５２ｄを配置している。
【００４５】
従って、前段の触媒燃焼部９０による燃焼後に、空気中に残存する酸素と、再度供給される燃料ガスとを使用して、次段の触媒燃焼部９０で燃焼を行うことができ、空気中の酸素利用率が有効に増大するという利点がある。
【００４６】
しかも、噴射ノズル５２ｂ〜５２ｄは、各熱交換部９２の入口側に配置されることにより、前記熱交換部９２自体が空気と燃料とを混合するための混合室として機能する。これにより、専用の混合室が不要になり、ケーシング８６内のスペースを有効に利用することが可能になり、特に矢印Ａ方向の寸法を短尺にすることができ、触媒燃焼装置３２の小型及び軽量化が容易に図られるという効果が得られる。
【００４７】
さらに、熱交換部９２には、燃焼ガス通路１０４の入口側に混合機構を構成するメッシュ部材１１０が配設されている（図３参照）。このため、噴射ノズル５２ｂ〜５２ｄから各熱交換部９２の入口側に導入される燃料ガスと、触媒燃焼部９０から排出される燃焼ガス中の空気とが強制的に混合され、燃料（又は酸素）濃度が均一化して濃度ムラを阻止することができる。これにより、例えば、燃焼触媒９６のヒートスポットの発生等を抑制することが可能になり、前記燃焼触媒９６の耐久性の向上を図ることができる。
【００４８】
また、燃料ガスとして、熱伝達効率の高い水素ガスが用いられるため、熱交換部９２における熱交換効率が良好に向上する。しかも、触媒燃焼装置３２は、燃料電池システム１０に組み込まれるため、燃料電池スタック１２の発電に使用される水素ガスを前記触媒燃焼装置３２の燃料ガスとして利用することが可能になる。従って、専用の燃料ガス供給装置が不要になり、構成の簡素化が容易に図られる。
【００４９】
なお、噴射ノズル５２ａ〜５２ｄでは、図示しないが、それぞれの多数の噴出口を有するノズル孔を用いている。これにより、ケーシング８６内で燃料ガスをシャワー状に供給することができ、この燃料ガスと空気との混合が促進されて、例えば、燃焼触媒９６にヒートスポットが発生することを一層確実に回避することが可能になる。
【００５０】
さらにまた、各噴射ノズル５２ａ〜５２ｄには、単一のインジェクタ４８を介して所定量の燃料ガスが供給されるため、燃料ガス供給部５０の構成が容易に簡素化されるという利点がある。また、各噴射ノズル５２ａ〜５２ｄは、弁５４を備えており、各触媒燃焼ユニット９４に対して燃料ガスの供給量を最適化することができる。
【００５１】
次いで、触媒燃焼装置３２では、矢印Ａ方向下流側に酸素センサ１１２が設けられており、反応後の排ガス中の酸素濃度が検出されている（図５中、ステップＳ４）。そして、酸素センサ１１２による検出濃度と、予め設定されている目標濃度との差が、所定値以内であるか否かが判断される（ステップＳ５）。
【００５２】
そして、検出濃度が、目標濃度に対して所定値以上又は所定値以下である場合には（ステップＳ５中、ＮＯ）、ステップＳ６に進み、図示しないマップに従って空気供給量又は燃料ガス供給量の増減が行われる。すなわち、検出濃度が目標濃度に対して所定値以上である場合には、供給される空気量を減少又は燃料ガス量を増加させる一方、前記検出濃度が前記目標濃度に対して所定値以下である場合には、前記空気の供給量を増加又は燃料ガス量を減少させる。
【００５３】
これにより、燃料ガスの燃え残りや不要な反応生成物の発生又は燃料ガスの不足を回避するとともに、空気供給量又は燃料ガス供給量を必要発生熱量に対応して可及的に減少させることができる。従って、空気利用率の向上を図ることが可能になり、空気供給用のポンプであるコンプレッサ５６の消費エネルギを削減して、燃費の向上を図ることができる。
【００５４】
上記のように、触媒燃焼装置３２を駆動して冷却媒体を昇温させ、この昇温された冷却媒体によって燃料電池スタック１２が暖機されている。また、必要に応じて補器類冷却系３４内の冷却媒体を昇温させることにより、補器やエアコン等の暖機が行われる。
【００５５】
燃料電池スタック１２の暖機が終了すると、触媒燃焼装置３２の駆動が停止されるとともに、冷却媒体供給系３０では、第１開閉弁７４が閉塞される一方、第２開閉弁７６が開放される。このため、冷却媒体を介して燃料電池スタック１２の冷却が行われる。
【００５６】
なお、補器類冷却系３４には、第２冷媒タンク７８及び第２ポンプ８０が設けられているが、これを用いずに、例えば、冷却媒体供給系３０を構成する第１冷媒タンク６６及び第１ポンプ６８によって兼用させてもよい。
【００５７】
次いで、燃料電池スタック１２が通常運転される際には、燃料ガス供給系２６を構成する水素タンク３６から燃料ガス入口連通孔２０ａに燃料ガスが供給され、この燃料ガスが燃料ガス流路１４に導入される。一方、酸化剤ガス供給系２８を構成するコンプレッサ５６の駆動作用下に、燃料電池スタック１２の酸化剤ガス入口連通孔２２ａに酸化剤ガスとして空気が供給され、この空気が酸化剤ガス流路１６に導入される。
【００５８】
従って、燃料電池スタック１２を構成する各発電セルでは、アノード電極に供給される燃料ガスと、カソード電極に供給される空気とが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。
【００５９】
また、冷却媒体供給系３０では、燃料電池スタック１２の冷却媒体入口連通孔２４ａから冷却媒体流路１８に冷却媒体が供給されており、前記燃料電池スタック１２の冷却が行われる。
【００６０】
図６は、本発明の第２の実施形態に係る触媒燃焼装置を構成する熱交換部１２０の要部斜視説明図であり、図７は、前記熱交換部１２０の、図６中、ＶＩＩ−ＶＩＩ線断面図である。なお、第１の実施形態に係る触媒燃焼装置３２を構成する熱交換部９２と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００６１】
熱交換部１２０では、各燃焼ガス通路１０４同士が、それぞれ所定位置に設けられたパイプ１２２により一体的に連通している。各パイプ１２２には、燃焼ガス通路１０４との連通部位に対応して、混合機構を構成するフラップ部１１４が設けられる。フラップ部１１４は、各燃焼ガス通路１０４に対して任意の方向に傾斜しており、前記燃焼ガス通路１０４に沿って矢印Ａ方向に移動する燃料ガス及び空気は、前記フラップ部１１４で衝突することにより乱流を惹起し、強制的に混合される。
【００６２】
従って、第２の実施形態では、燃料ガスと空気との混合が良好に遂行され、濃度ムラの発生を確実に阻止することができる等、第１の実施形態と同様の効果が得られる。なお、第２の実施形態では、噴射ノズル５２ａ〜５２ｄに代えて、各熱交換部１２０に設けられるパイプ１２２に、直接、燃料ガスを供給してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る触媒燃焼装置を組み込む燃料電池システムの概略構成説明図である。
【図２】前記触媒燃焼装置の概略説明図である。
【図３】前記触媒燃焼装置を構成する熱交換部の一部分解斜視説明図である。
【図４】前記熱交換部の、図３中、ＩＶ−ＩＶ線断面図である。
【図５】前記触媒燃焼装置の動作を説明するフローチャートである。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る触媒燃焼装置を構成する熱交換部の要部斜視図である。
【図７】前記熱交換部の、図６中、ＶＩＩ−ＶＩＩ線断面図である。
【図８】特許文献１の触媒燃焼式ボイラシステムの概略説明図である。
【符号の説明】
【００６４】
１０…燃料電池システム          １２…燃料電池スタック
１４…燃料ガス流路              １６…酸化剤ガス流路
１８…冷却媒体流路              ２６…燃料ガス供給系
２８…酸化剤ガス供給系          ３０…冷却媒体供給系
３２…触媒燃焼装置              ３６…水素タンク
４２…リターン流路              ４８…インジェクタ
５０…燃料ガス供給部            ５２ａ〜５２ｄ…噴射ノズル
５４…弁                        ５６…コンプレッサ
６４…酸化剤ガス分岐流路        ６６、７２…冷媒タンク
６８、８０…ポンプ              ７０…循環流路
７２…冷却媒体分岐流路          ７４、７６…開閉弁
８６…ケーシング                ８８…混合室
９０…触媒燃焼部                ９２、１２０…熱交換部
９４…触媒燃焼ユニット          １００…外筒
１０２…内筒                    １０４…燃焼ガス通路
１０６…冷却媒体通路            １１０…メッシュ部材
１１２…酸素センサ              １２２…パイプ
【図１】
2006226542.tif 000003
【図２】
2006226542.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2006226542.tif 000007
【図６】
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【図７】
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【図８】
2006226542.tif 000010
【手続補正書】
【提出日】平成17年4月6日(2005.4.6)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２３】
燃料ガス供給部５０は、複数の噴射ノズル５２ａ〜５２ｃを備えるとともに、図２に示すように、前記噴射ノズル５２ａ〜５２ｃには、それぞれ燃料噴射量を制御するための弁５４が設けられている。噴射ノズル５２ａ〜５２ｃは、例えば、多数の噴出口を有しており、燃料ガスをシャワー状に供給することができる。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３１】
この冷却媒体通路１０６は、冷却媒体供給系３０を構成する冷却媒体分岐流路７２（又は補器類冷却系３４を構成するリターン流路８２）に連通する。蓋部材１０８ａ側には、矢印Ａ方向に供給される空気と、噴射ノズル５２ｂ、５２ｃを介して導入される燃料とを混合させるために、メッシュ部材（混合機構）１１０が装着される。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３２】
噴射ノズル５２ａ〜５２ｃは、各熱交換部９２の燃焼ガス導入側端部に近接して配置される。図２に示すように、ケーシング８６の下流側端部には、酸素センサ（又は水素センサ）１１２が配設される。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３５】
さらに、燃料ガス供給系２６では、水素タンク３６内の燃料ガスが、調整弁４４からインジェクタ４８を介して燃料ガス供給部５０に供給される。燃料ガス供給部５０では、各噴射ノズル５２ａ〜５２ｃから触媒燃焼装置３２に燃料ガスが供給される。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３６】
ここで、触媒燃焼装置３２による燃焼開始時は、最前段の噴射ノズル５２ａから供給される燃料ガスの供給割合を、他の噴射ノズル５２ｂ、５２ｃから供給される燃料ガスの供給割合に比べて増加させ、あるいは、前記噴射ノズル５２ａのみから燃料ガスを供給する（ステップＳ３）。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４３】
ところで、触媒燃焼装置３２では、上記の初期燃焼処理が終了すると、各噴射ノズル５２ａ〜５２ｃを介して、混合室８８及び各触媒燃焼ユニット９４を構成する熱交換部９２の入口側に燃料ガスが供給される。その際、図３に示すように、各熱交換部９２の入口側には、混合機構を構成するメッシュ部材１１０が装着されている。従って、触媒燃焼部９０により生成された燃焼ガス中の空気と、各噴射ノズル５２ｂ、５２ｃから導入される燃料ガスとは、メッシュ部材１１０により強制的に混合される。このため、燃料ガスと空気の混合気は、燃焼ガス通路１０４を通過して下流側の触媒燃焼ユニット９４を構成する触媒燃焼部９０に供給される。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４４】
この場合、第１の実施形態では、触媒燃焼部９０と、この触媒燃焼部９０の下流に配置される熱交換部９２とを備える複数の触媒燃焼ユニット９４が、矢印Ａ方向に連結されるとともに、各触媒燃焼ユニット９４では、前記触媒燃焼部９０と前記熱交換部９２との間に燃料ガスを噴射するための噴射ノズル５２ｂ、５２ｃを配置している。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４６】
しかも、噴射ノズル５２ｂ、５２ｃは、各熱交換部９２の入口側に配置されることにより、前記熱交換部９２自体が空気と燃料とを混合するための混合室として機能する。これにより、専用の混合室が不要になり、ケーシング８６内のスペースを有効に利用することが可能になり、特に矢印Ａ方向の寸法を短尺にすることができ、触媒燃焼装置３２の小型及び軽量化が容易に図られるという効果が得られる。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４７】
さらに、熱交換部９２には、燃焼ガス通路１０４の入口側に混合機構を構成するメッシュ部材１１０が配設されている（図３参照）。このため、噴射ノズル５２ｂ、５２ｃから各熱交換部９２の入口側に導入される燃料ガスと、触媒燃焼部９０から排出される燃焼ガス中の空気とが強制的に混合され、燃料（又は酸素）濃度が均一化して濃度ムラを阻止することができる。これにより、例えば、燃焼触媒９６のヒートスポットの発生等を抑制することが可能になり、前記燃焼触媒９６の耐久性の向上を図ることができる。
【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４９】
なお、噴射ノズル５２ａ〜５２ｃでは、図示しないが、それぞれ多数の噴出口を有するノズル孔を用いている。これにより、ケーシング８６内で燃料ガスをシャワー状に供給することができ、この燃料ガスと空気との混合が促進されて、例えば、燃焼触媒９６にヒートスポットが発生することを一層確実に回避することが可能になる。
【手続補正１１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５０】
さらにまた、各噴射ノズル５２ａ〜５２ｃには、単一のインジェクタ４８を介して所定量の燃料ガスが供給されるため、燃料ガス供給部５０の構成が容易に簡素化されるという利点がある。また、各噴射ノズル５２ａ〜５２ｃは、弁５４を備えており、各触媒燃焼ユニット９４に対して燃料ガスの供給量を最適化することができる。
【手続補正１２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６２】
従って、第２の実施形態では、燃料ガスと空気との混合が良好に遂行され、濃度ムラの発生を確実に阻止することができる等、第１の実施形態と同様の効果が得られる。なお、第２の実施形態では、噴射ノズル５２ａ〜５２ｃに代えて、各熱交換部１２０に設けられるパイプ１２２に、直接、燃料ガスを供給してもよい。
【手続補正１３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６４】
１０…燃料電池システム          １２…燃料電池スタック
１４…燃料ガス流路              １６…酸化剤ガス流路
１８…冷却媒体流路              ２６…燃料ガス供給系
２８…酸化剤ガス供給系          ３０…冷却媒体供給系
３２…触媒燃焼装置              ３６…水素タンク
４２…リターン流路              ４８…インジェクタ
５０…燃料ガス供給部            ５２ａ〜５２ｃ…噴射ノズル
５４…弁                        ５６…コンプレッサ
６４…酸化剤ガス分岐流路        ６６、７２…冷媒タンク
６８、８０…ポンプ              ７０…循環流路
７２…冷却媒体分岐流路          ７４、７６…開閉弁
８６…ケーシング                ８８…混合室
９０…触媒燃焼部                ９２、１２０…熱交換部
９４…触媒燃焼ユニット          １００…外筒
１０２…内筒                    １０４…燃焼ガス通路
１０６…冷却媒体通路            １１０…メッシュ部材
１１２…酸素センサ              １２２…パイプ
【手続補正１４】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2006226542.tif 000011
【手続補正１５】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図２】
2006226542.tif 000012
【手続補正１６】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図７】
2006226542.tif 000013