(57)【要約】 【課題】  触媒燃焼によって温度調整用流体を加熱する加熱装置を低温環境下で起動する際に、効率的に触媒の温度を上げる技術を提供する。【解決手段】  この加熱装置１は、温度調整用流体Ａｗ１，Ａｗ２が流れる流路１９と触媒とを有し触媒による燃料ガスＡｈ１，Ａｈ２の燃焼によって流路１９中の温度調整用流体を加熱する熱交換部１０と、流路１９の一部である上流部１９ｕを含む熱交換部１０の第１の部分１２に、燃料ガスを供給する第１のガス供給路１１と、流路１９の一部であって上流部よりも下流の下流部１９ｄを含む熱交換部１０の第２の部分１２に、燃料ガスを供給する第２のガス供給路１３と、を含む。そして、第１のガス供給路１１は、第１のガス供給路１１内を通る燃料ガスの温度を上げるための昇温部２０を備える。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
温度調整用流体を加熱するための加熱装置であって、
温度調整用流体が流れる被加熱流路と、
触媒を備え、内部を流れる燃料ガスを前記触媒によって燃焼させることができる燃料用流路と、を有し、
前記燃料用流路は、
前記被加熱流路の一部である上流部と熱交換をすることができる第１の燃料用流路と、
前記被加熱流路の一部であって前記上流部よりも下流の下流部と熱交換をすることができる第２の燃料用流路と、を含み、
前記第１の燃料用流路は、前記第１の燃料用流路内を通る前記燃料ガスの温度を上げるための昇温部を備える、加熱装置。
【請求項２】
請求項１記載の加熱装置であって、
前記第２の燃料用流路は、前記第２の燃料用流路内を通る前記燃料ガスの温度を上げるための昇温部を備えていない、加熱装置。
【請求項３】
請求項１記載の加熱装置であって、さらに、
前記第１と第２の燃料用流路とを仕切る壁を有しており、
前記第１と第２の燃料用流路内を流れるガスは互いに流通しない、加熱装置。
【請求項４】
請求項１記載の加熱装置であって、さらに、
前記昇温部を制御する制御部を備え、
前記制御部は、
前記第１の燃料用流路内を通る前記燃料ガスの温度を前記昇温部によって上げる第１の運転モードと、
前記第１の運転モードの後に実行され、前記第１の燃料用流路内を通る前記燃料ガスの温度を前記昇温部によって上げない第２の運転モードと、を備える、加熱装置。
【請求項５】
請求項４記載の加熱装置であって、
前記第１の運転モードは、前記第２の燃料用流路に比べて前記第１の燃料用流路により多くの前記燃料ガスを流す運転モードであり、
前記第２の運転モードは、前記第１の運転モードに比べて前記第２の燃料用流路により多くの前記燃料ガスを流す運転モードである、加熱装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、温度調整用流体の加熱装置に関し、さらに詳しくは、触媒燃焼により温度調整用流体を加熱する加熱装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、所定の装置の温度調節をするための温度調整用流体を、燃料の触媒燃焼によって加熱する加熱装置が存在する。触媒は所定の温度下でその機能を発揮する。よって、低温環境下で早期に加熱装置の始動を行うために、たとえば、特許文献１の冷却媒体加熱システムは、電気ヒータを用いて燃料や空気を加熱し、また、熱交換部にＥＨＣ（電気加熱式触媒）を採用する。
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−２１１９４５号公報
【０００４】
しかし、従来の技術においては、加熱装置を低温環境下で起動する際に、効率的に触媒の温度を上げることについては考慮されていなかった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、触媒燃焼によって温度調整用流体を加熱する加熱装置を低温環境下で起動する際に、効率的に触媒の温度を上げる技術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】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明は、温度調整用流体を加熱するための加熱装置において、以下のような構成を備える。すなわち、この加熱装置は、温度調整用流体が流れる被加熱流路と、触媒を備え内部を流れる燃料ガスを触媒によって燃焼させることができる燃料用流路と、を有する。そして、燃料用流路は、被加熱流路の一部である上流部と熱交換をすることができる第１の燃料用流路と、被加熱流路の一部であって上流部よりも下流の下流部と熱交換をすることができる第２の燃料用流路と、を含む。さらに、第１の燃料用流路は、第１の燃料用流路内を通る燃料ガスの温度を上げるための昇温部を備える。
【０００７】
このような態様においては、まず第１の燃料用流路内の燃料ガスの温度を上げて、第１の燃料用流路内において触媒による燃焼を起こさせ、その熱を温度調整用流体を使って下流部に伝えて第２の燃料用流路を暖めることができる。よって、触媒燃焼によって温度調整用流体を加熱する加熱装置を低温環境下で起動する際に、燃料ガスと温度調整用流体とを利用して、効率的に触媒の温度を上げることができる。
【０００８】
なお、加熱装置は、第２の燃料用流路に、第２の燃料用流路内を通る燃料ガスの温度を上げるための昇温部を備えていない態様とすることができる。
【０００９】
また、加熱装置は、第１と第２の燃料用流路とを仕切る壁を有している態様とすることができる。そのような態様において、第１と第２の燃料用流路内を流れるガスは互いに流通しないことが好ましい。
【００１０】
また、加熱装置は、昇温部を制御する制御部を備える態様とすることができる。そして、制御部は、第１の燃料用流路内を通る燃料ガスの温度を昇温部によって上げる第１の運転モードと、第１の運転モードの後に実行され、第１の燃料用流路内を通る燃料ガスの温度を昇温部によって上げない第２の運転モードと、を備えることが好ましい。
【００１１】
このような態様とすれば、第１の運転モードにおいて加熱装置の効率的な始動を行うことができる。そして、その後、触媒の温度が上昇したあとには、第２の運転モードにおいて昇温部におけるエネルギー消費量を低減した効率的な運転を行うことができる。
【００１２】
なお、第１の運転モードは、第２の燃料用流路に比べて第１の燃料用流路により多くの燃料ガスを流す運転モードとすることが好ましい。そして、第２の運転モードは、第１の運転モードに比べて第２の燃料用流路により多くの燃料ガスを流す運転モードとすることが好ましい。
【００１３】
このような態様とすれば、加熱装置の始動時に加熱装置から排出される未燃焼の燃料ガスの量を低減することができる。
【００１４】
なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、加熱装置、加熱装置の運転方法、加熱装置の制御装置等の形態で実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．第１実施例：
Ａ１．装置の構成：
Ａ２．冷却水ヒーターシステムの運転：
Ｂ．第２実施例：
Ｃ．変形例：
【００１６】
Ａ．第１実施例：
Ａ１．装置の構成：
図１は、本発明の実施例の一つである冷却水ヒーターシステムの冷却水ヒーター１を示す断面図である。冷却水ヒーター１は、空気を供給される空気供給口２と、燃料ガスとしての水素ガスを供給される第１および第２の水素供給口３，４と、水素ガスが冷却水ヒーター１中で燃焼した後の排ガスを排出する排気口５とを備えている。第１および第２の水素供給口３，４に供給される水素は、水素タンクＨＴから水素供給管Ｐｈ１，Ｐｈ２、ならびに流量調整弁８，９を介して供給される。
【００１７】
また、冷却水ヒーター１は、温度調整用流体としての冷却水を供給される冷却水供給口６と、冷却水ヒーター１内で加熱された冷却水を排出する冷却水排出口７と、を備える。冷却水は、冷却水管Ｐｗ１，Ｐｗ２を介してポンプＰによって燃料電池ＦＣとの間で循環される。冷却水ヒーター１によって加熱された冷却水は、冷却水管Ｐｗ２を介して燃料電池ＦＣに供給され、燃料電池ＦＣ内を流通して燃料電池ＦＣを暖める。その結果、低温環境下でも、燃料電池ＦＣは早期に電気化学反応による発電を開始することができる。なお、冷却水はエチレングリコールと水の混合物であり、純粋な水ではなく、いわゆる不凍液である。
【００１８】
冷却水ヒーター１は、外壁１ｗで覆われた燃焼室１ｃの内部に熱交換器１０を備えている。熱交換器１０は、冷却水供給口６から供給された冷却水が冷却水排出口７まで流通する冷却水路１９と、水素供給口３，４から供給された水素ガスならびに空気供給口２から供給された空気が流通し、通過の過程においその内部で水素ガスが燃焼するガス流路１７と、を備えている。
【００１９】
図２は、熱交換器１０を示す斜視図である。熱交換器１０は、ガス流路１７と冷却水路１９とが交互に重ねられた構造を有する。図２の例では、３段の冷却水路１９の間、およびその両外側（図２において上下側）にガス流路１７が設けられている。
【００２０】
冷却水は、図２において冷却水路１９内を右から左に流通する。冷却水の流れを矢印Ａｗ１，Ａｗ２で示す。また、水素ガスおよび空気は、図２においてガス流路１７内を右上から左下に流通する。図２において、水素供給口３から供給される水素ガスの流れを矢印Ａｈ１で示し，水素供給口４から供給される水素ガスの流れを矢印Ａｈ２で示す。そして、空気供給口２から供給される空気の流れをＡａ１，Ａａ２で示す。なお、図２においては、一つの矢印で、同じ方向に流れる複数種類のガスの流れを示している。また、ガス流路１７から排出される排ガスの流れをＡｅ２で示す。図１においても、各流体の流れを同様の矢印で示す。図２の上方から見たとき、冷却水の流れＡｗ１，Ａｗ２と、ガスの流れＡｈ１，Ａｈ２，Ａａ１，Ａａ２，Ａｅ２は、互いに直交する。
【００２１】
ガス流路１７内は、ガスが流れる方向に沿って壁部１６によって仕切られ、小流路１８に区分けされている。各小流路１８は独立しており、ガスは異なる小流路１８、１８間を流通しない。壁部１６の表面には触媒が担持されており、小流路１８に供給された水素ガスと空気とは、この触媒により燃焼する。この触媒には、白金、パラジウムなどを採用することができる。
【００２２】
図１に示すように、冷却水ヒーター１内の熱交換器１０の上流側には、分離壁３０が設けられている。燃焼室１ｃのうち熱交換器１０よりも上流側の部分は、空気供給口２近傍の最上流部分を除いて、分離壁３０によって第１のガス供給路１１と第２のガス供給路１３とに仕切られている。分離壁３０よりも下流側においては、第１のガス供給路１１内のガスと、第２のガス供給路１３内のガスとは、相互に流通しない。
【００２３】
空気供給口２から供給される空気の一部は、分離壁３０によって仕切られた第１のガス供給路１１に導入され、熱交換器１０の第１の部分１２に供給される。この空気の流れを矢印Ａａ１で示す。また、空気供給口２から供給される空気の他の一部は、分離壁３０によって仕切られた第２のガス供給路１３に導入され、熱交換器１０の第２の部分１４に供給される。この空気の流れを矢印Ａａ２で示す。熱交換器１０の第２の部分１４は、第１の部分１２に含まれる冷却水路の一部（「上流部１９ｕ」と呼ぶ）よりも下流の冷却水路の一部（「下流部１９ｄ」と呼ぶ）を含む。
【００２４】
同様に、水素供給口３から供給される水素ガスは、主に第１のガス供給路１１に導入され、熱交換器１０の第１の部分１２に供給される。この水素ガスの流れを矢印Ａｈ１で示す。また、水素供給口４から供給される水素ガスは、主に第２のガス供給路１３に導入され、熱交換器１０の第２の部分１４に供給される。この水素ガスの流れを矢印Ａｈ２で示す。それぞれの水素供給口３，４から冷却水ヒーター１に供給される水素ガスの量は、制御部ＥＣＵによって流量調整弁８，９を介して制御される。なお、水素供給口３，４を特に区別して示す場合には、それぞれ第１の水素供給口３、第２の水素供給口４と呼ぶ。
【００２５】
熱交換器１０の第１の部分１２において、小流路１８内で触媒によって燃焼した燃料ガスの熱は、冷却水路１９の上流部１９ｕに伝えられる。また、熱交換器１０の第２の部分１４において、小流路１８内で触媒によって燃焼した燃料ガスの熱は、冷却水路１９の下流部１９ｄに伝えられる。第１のガス供給路１１と、熱交換器１０の第１の部分１２における複数の小流路１８と、をあわせて「第１の燃料用流路」と呼ぶ。また、第２のガス供給路１３と、熱交換器１０の第２の部分１４における複数の小流路１８と、をあわせて「第２の燃料用流路」と呼ぶ。第１の燃料用流路と第２の燃料用流路とは、分離壁３０と、熱交換器１０の一部の壁部１６とによって仕切られている。その結果、それぞれの流路内を流れるガスは互いに流通しない。
【００２６】
第１のガス供給路１１内には、電気加熱式触媒２０が設けられている（図１参照）。電気加熱式触媒２０の基体には、熱交換器１０の壁部１６と同じ触媒が担持されている。制御部ＥＣＵによって電気加熱式触媒２０の基体に電流が流されると、基体が発熱する。その結果、その熱によって基体に担持された触媒が暖められ、環境温度が低い場合であっても、触媒は機能を発揮することができる。一方、第２のガス供給路１３内には、燃料ガスや空気の温度を上げるための機器は設けられていない。
【００２７】
電気加熱式触媒２０は、熱交換器１０と同様に水素ガスを触媒燃焼させる。しかし、電気加熱式触媒２０は、水素供給口３，４から供給される水素ガスのうち、水素供給口３から供給される水素ガスのさらに一部のみを燃焼させる性能を有している。このため、電気加熱式触媒２０は、熱交換器１０と比べて小型の触媒装置である。なお、以下では、電気加熱式触媒を、ＥＨＣ（Electrical Heated Catalyst）とも表記する。
【００２８】
電気加熱式触媒２０がＯＮになっており、通電されているとき、第１のガス供給路１１内に導入された空気（矢印Ａａ１で示す）と水素ガス（矢印Ａｈ１で示す）とは、電気加熱式触媒２０を通過する際に、その一部が基体表面の触媒と接触して燃焼する。その結果、電気加熱式触媒２０を通過した後のガスＡｅ１は、燃焼しなかった水素ガスおよび空気と、燃焼によって生じた水蒸気とを含む。ガスＡｅ１は、一部の水素ガスと空気が燃焼したことによって温度が上昇している。熱交換器１０の第１の部分１２には、そのようにして温度を上げられたガスＡｅ１が供給される（図１、および図２参照）。すなわち、昇温部としての電気加熱式触媒２０は、第１の燃料用流路内において、熱交換器１０（小流路１８）よりも上流側に設けられている。
【００２９】
なお、図２においては、熱交換器１０の第１の部分１２に向かって供給される空気（矢印Ａａ１で示す）と水素ガス（矢印Ａｈ１で示す）とが一部燃焼したガスがガスＡｅ１であることを示すため、Ａｅ１の下にカッコを付してＡｈ１とＡａ１とを示している。
【００３０】
第１実施例では、電気加熱式触媒２０は、第１のガス供給路１１内を通る水素ガスの一部のみを燃焼させる。このため、ガスＡｅ１の温度を上げることができ、同時に、水素ガスの他の一部については、熱交換器１０の第１の部分１２に供給することができる。
【００３１】
なお、電気加熱式触媒２０の基体に通電されていないときには、第１のガス供給路１１内に導入された空気（矢印Ａａ１で示す）と水素ガス（矢印Ａｈ１で示す）とは、電気加熱式触媒２０の基体に通電されているときに比べて反応しない。よって、そのような場合には、熱交換器１０の第１の部分１２に供給されるガスＡｅ１の温度は、熱交換器１０の第２の部分１４に供給される空気（矢印Ａａ２で示す）と水素ガス（矢印Ａｈ２で示す）の温度と同程度である。電気加熱式触媒２０の基体への通電のＯＮ／ＯＦＦは、制御部ＥＣＵによって制御される。
【００３２】
Ａ２．冷却水ヒーターシステムの運転：
以下では、図１に示した冷却水ヒーター１を含む冷却水ヒーターシステムの、環境温度が低い場合の運転について説明する。なお、「冷却水ヒーターシステム」とは、冷却水ヒーター１と、燃料ガス供給系（水素タンクＨＴ、水素供給管Ｐｈ１，Ｐｈ２、流量調整弁８，９）と、冷却水循環系（冷却水管Ｐｗ１，Ｐｗ２、ポンプＰ）と、制御部ＥＣＵとを含むシステムである（図１参照）。
【００３３】
図３は、環境温度が低い場合の冷却水ヒーター１の始動方法を示すフローチャートである。環境温度が低い場合の冷却水ヒーターシステムの運転においては、まず、制御部ＥＣＵは、ステップＳ１０で、電気加熱式触媒２０に通電する。そして、ステップＳ２０では、第１の水素供給口３への水素ガスの供給、および空気供給口２への空気の供給を開始する。また、制御部ＥＣＵは、冷却水路１９中の冷却水の循環を開始する。なお、このとき、第２の水素供給口４への水素ガスの供給は開始されていない。
【００３４】
ステップＳ３０では、制御部ＥＣＵは、第１の水素供給口３への水素ガスの供給を開始してからの経過時間ｔが、所定の基準値ｔ０を超えたか否かを判定する。経過時間ｔが所定の基準値ｔ０を超えていない場合は、制御部ＥＣＵは、運転状態を維持する。すなわち、電気加熱式触媒２０に通電した状態で、第１の水素供給口３にのみ水素ガスを供給する。
【００３５】
電気加熱式触媒２０に通電した状態で、第１の水素供給口３にのみ水素ガスを供給すると、熱交換器１０の第１の部分１２には、電気加熱式触媒２０で一部の水素ガスが燃焼され温度が上がったガスＡｅ１が供給される。このため、熱交換器１０の第１の部分１２内の壁部１６に担持された触媒は、ガスＡｅ１によって暖められる。その結果、第１の部分１２の触媒の温度が上昇し、熱交換器１０の第１の部分１２のガス流路１７内において、電気加熱式触媒２０で燃焼しなかった残りの水素ガスが燃焼する。そして、冷却水路１９を通る冷却水は、熱交換器１０の第１の部分１２内（冷却水路１９ｕ）においてその燃焼の熱で暖められる。
【００３６】
第１実施例においては、電気加熱式触媒２０によって燃料ガスの一部について触媒燃焼を起こさせ、他の一部を熱交換器１０の第１の部分１２に供給している。このため、高温のガスＡｅ１による第１の部分１２の触媒の加熱を実現しつつ、同時に、第１の部分１２においても水素ガスの触媒燃焼をおこさせ効率的に冷却水を暖めている。なお、冷却水は、熱交換器１０の第１の部分１２に供給されるガスＡｅ１そのものの熱によっても暖められる。
【００３７】
熱交換器１０の第１の部分１２内で暖められた冷却水は、冷却水路１９を通って、熱交換器１０の第２の部分１４内に至る（冷却水路１９ｄ。図１、および図２参照）。その結果、熱交換器１０の第２の部分１４内の壁部１６に担持された触媒は、冷却水によって暖められる。そして、第２の部分１４の触媒の温度が上昇し、水素ガスと空気が供給されれば、熱交換器１０の第２の部分１４のガス流路１７内において、水素ガスを燃焼させられる状態となる。ステップＳ３０における基準値ｔ０は、熱交換器１０の第２の部分１４の触媒を、機能を発揮できる程度に十分に暖めることができるだけの時間とする。
【００３８】
図３のステップＳ３０において、経過時間ｔが所定の基準値ｔ０を超えた場合には、制御部ＥＣＵは、ステップＳ４０で、第２の水素供給口４への水素ガスの供給を開始する。そして、ステップＳ５０で、電気加熱式触媒２０への通電を終了する。その後、ステップＳ６０で、電気加熱式触媒２０への通電を行わずに、水素供給口３，４を通じて熱交換器１０に水素ガスを供給する通常運転を行う。
【００３９】
第１実施例では、熱交換器１０の第１と第２の部分１２，１４が、触媒燃焼が可能な温度となったと推定できる状態においては、電気加熱式触媒２０をＯＦＦとしている。このため、冷却水ヒーター１を使用して、消費エネルギーの少ない運転を行うことができる。
【００４０】
第１実施例の冷却水ヒーターシステムにおいては、環境温度が低いときの冷却水ヒーター１の始動において、まず、冷却水路１９の上流側に位置する熱交換器１０の第１の部分１２に高温のガスを供給する（図１および図２のＡｅ１参照）。そして、第１の部分１２において触媒反応を開始させ、その熱で加熱された冷却水を介して、下流側に位置する熱交換器１０の第２の部分１４を加熱する。そして、第２の部分１４において触媒が十分に機能を発揮できないうちは、第２の部分に水素ガスを供給せず、第２の部分１４において触媒燃焼が可能となった後で、第２の部分１４に水素ガスを供給する（図３のステップＳ３０，Ｓ４０参照）。このため、低温環境下でのヒーターの運転開始時に、触媒が十分に機能せず大量の未燃焼の水素ガスを含んだ排気が排気口５から外部に排出される事態を防止することができる。
【００４１】
また、第１実施例の冷却水ヒーターシステムとは異なり、熱交換器に供給するガスを加熱するための昇温部（電気加熱式触媒２０）を有していない冷却水ヒータにおいては、環境温度が０°以下である場合に、以下のような問題が生じることがある。すなわち、冷却水ヒーター１内に導入される空気が水分を含んでいるために、熱交換器１０のガス流路１７の入り口において氷ができる場合がある。そのような場合には、氷によってガス流路１７の入り口がふさがれ、水素ガスや空気の流通が阻害される。また、ガス流路１７内部においても、壁部１６表面が氷結し、水素ガスと空気が触媒に接触できなくなることがある。そのような場合には、ガス流路１７内において十分な触媒燃焼が起こらないため冷却水を十分高温に暖めることができるようになるまでに時間がかかる。また、壁部１６表面の氷によって触媒との接触を阻害された未反応の水素が、排気口５から外部に排出される。
【００４２】
しかし、第１実施例においては、電気加熱式触媒２０で熱交換器１０の第１の部分１２に供給するガスの温度を上げて、第１の部分１２における触媒燃焼を促進する。そして、触媒燃焼の熱と冷却水とを利用して熱交換器１０全体を暖める。その結果、ガス流路１７における結氷を防止し、また、ガス流路１７においてできた氷を効率的に溶かすことができる。よって、氷点下の環境下におけるヒーターの始動時にも、早期に熱交換器１０における触媒反応を起こさせ、冷却水を高温に加熱することができる。そして、氷点下の環境下におけるヒーターの始動時に、大量の未燃焼の水素ガスを含んだ排気が排気口５から排出される事態を防止することができる。
【００４３】
さらに、第１実施例では、環境温度が低いときの冷却水ヒーター１の始動において、エネルギーを消費して加熱するのは、熱交換器１０自体ではなく、より小型の電気加熱式触媒２０である。そして、熱交換器１０の第１の部分１２における水素ガスの燃焼の熱を利用して、熱交換器１０全体を暖める。このため、熱交換器１０全体を電熱器で加熱する場合や、熱交換器１０自体を電気加熱式触媒装置とした態様に比べて、低温環境下での冷却水ヒーター１の運転開始にあたって、少ないエネルギーで効率的に、水素排出量の少ない始動を行うことができる。言い換えれば、低温環境下での冷却水ヒーター１の運転開始にあたって、少ないエネルギーで早期に冷却水ヒーター１を定常状態の運転に移行させることができる。
【００４４】
Ｂ．第２実施例：
図４は、本発明の第２実施例の冷却水ヒーターシステムの冷却水ヒーター１ｂを示す断面図である。第２実施例の冷却水ヒーター１ｂは、第１のガス供給路１１内に、電気加熱式触媒２０に代えてフレームアレスタ４０と、点火装置としての燃料ガス用ヒーター５０と、を備えている。また、第２実施例の冷却水ヒーター１ｂは、冷却水排出口７に、燃料電池ＦＣに供給する冷却水の温度を測定するための温度センサ７ｓを備える。第２実施例の冷却水ヒーター１ｂの構成の他の点は、第１実施例の冷却水ヒーター１と同じである。
【００４５】
燃料ガス用ヒーター５０は、電気式のヒータであり、制御部ＥＣＵによって制御される。燃料ガス用ヒーター５０がＯＮとされると、水素供給口３から第１のガス供給路１１に導入された水素ガス（矢印Ａｈ１で示す）は、第１のガス供給路１１内の燃料ガス用ヒーター５０の周辺領域１１ｕにおいて燃焼する。その際、第１のガス供給路１１に導入された水素ガスの大半が領域１１ｕにおいて燃焼するため、熱交換器１０の第１の部分１２に供給されるガス（矢印Ａｅ３で示す）には、ほとんど水素ガスは含まれない。
【００４６】
フレームアレスタ４０は、小さな穴が多数あけられたステンレス製の板である。フレームアレスタ４０は、燃料ガス用ヒーター５０の上流側において第１のガス供給路１１を塞いでいる。水素供給口３から供給される水素ガス（矢印Ａｈ１で示す）と、空気供給口２から供給される空気（矢印Ａａ１で示す）とは、フレームアレスタ４０に設けられた穴を通って、第１のガス供給路１１内の燃料ガス用ヒーター５０の近傍に至る。一方、燃料ガス用ヒーター５０の近傍の領域において水素ガスの燃焼によって生じた炎は、フレームアレスタ４０に遮られて、フレームアレスタ４０の上流側には伝播しない。
【００４７】
図５は、環境温度が低い場合の冷却水ヒーター１ｂの始動方法を示すフローチャートである。図５のフローチャートは、ステップＳ１０に代えてステップＳ１５を有している。また、図５のフローチャートは、ステップＳ３０に代えてステップＳ３５を有している。さらに、図５のフローチャートは、ステップＳ５０に代えてステップＳ５５を有している。図５のフローチャートの他の点は、図３のフローチャートと同じである。
【００４８】
環境温度が低い場合の冷却水ヒーター１ｂの運転においては、まず、制御部ＥＣＵは、ステップＳ１５において、燃料ガス用ヒーター５０をＯＮとする。ステップＳ２０における処理は、第１実施例と同じである。
【００４９】
ステップＳ３５では、制御部ＥＣＵは、温度センサ７ｓから得られた冷却水の温度Ｔｗが、所定の基準値Ｔｗ０を超えたか否かを判定する。冷却水の温度Ｔｗが所定の基準値Ｔｗ０を超えていない場合は、制御部ＥＣＵは、運転状態を維持する。すなわち、燃料ガス用ヒーター５０をＯＮにした状態で、第１の水素供給口３にのみ水素ガスを供給する。一方、ステップＳ３５において、冷却水の温度Ｔｗが所定の基準値Ｔｗ０を超えた場合には、制御部ＥＣＵは、ステップＳ４０で、第２の水素供給口４への水素ガスの供給を開始する。そして、ステップＳ５５で、燃料ガス用ヒーター５０をＯＦＦにする。以降の処理は第１実施例と同じである。
【００５０】
燃料ガス用ヒーター５０がＯＮの状態で、第１の水素供給口３にのみ水素ガスを供給すると、熱交換器１０の第１の部分１２には、燃料ガス用ヒーター５０で水素ガスが燃焼され温度が上昇したガスＡｅ３が供給される。このため、熱交換器１０の第１の部分１２内の壁部１６に担持された触媒は、ガスＡｅ３によって、触媒としての機能を発揮するのに十分な温度にまで暖められる。また、熱交換器１０の第１の部分１２内の冷却水路１９ｕを通る冷却水も、ガスＡｅ３の熱で暖められる。さらに、燃料ガス用ヒーター５０周辺において一部の水素ガスが燃焼しなかった場合には、その水素ガスは熱交換器１０の第１の部分１２において触媒によって燃焼して、その熱が冷却水に伝えられる。
【００５１】
熱交換器１０の第１の部分１２内で暖められた冷却水は、冷却水路１９を通って、熱交換器１０の第２の部分１４に至る（冷却水路１９ｄ。図４参照）。その結果、熱交換器１０の第２の部分１４内の壁部１６に担持された触媒は、冷却水によって暖められる。そして、第２の部分１４の触媒の温度が上昇し、水素ガスと空気が供給されれば熱交換器１０の第２の部分１４のガス流路１７内において水素ガスを燃焼させられる状態となる。ステップＳ３５における基準値Ｔｗ０は、熱交換器１０の第２の部分１４の触媒が機能を発揮できる状態となったと推定できる程度の温度に設定される。
【００５２】
第２実施例においては、環境温度が低いときの冷却水ヒーター１の始動において、まず、冷却水路１９の上流側に位置する熱交換器１０の第１の部分１２に、燃料ガス用ヒーター５０で燃焼された高温のガスを供給する（図４のＡｅ３参照）。そして、そのガスで加熱された冷却水によって、熱交換器１０の第２の部分１４を加熱する。そして、第２の部分１４において触媒燃焼が可能となった後で、第２の部分１４に水素ガスを供給する（図５のステップＳ３５，Ｓ４０参照）。このため、低温環境下でのヒーターの運転開始時に、触媒が十分に機能せず大量の未燃焼の水素ガスを含んだ排気が排気口５から外部に排出される事態を防止することができる。
【００５３】
また、第２実施例においては、燃料ガス用ヒーター５０で燃焼させた高温のガスと冷却水によって、熱交換器１０を加熱して、熱交換器１０の結氷を防止し、また、熱交換器１０においてできた氷を効率的に溶かすことができる。よって、氷点下の環境下におけるヒーターの始動時にも、早期に冷却水を加熱することができ、また、大量の未燃焼の水素ガスを含んだ排気が排気口５から外部に排出される事態を防止することができる。
【００５４】
さらに、第１実施例では、環境温度が低いときの冷却水ヒーター１の始動において、燃料ガス用ヒーター５０周辺における水素ガスの燃焼の熱を利用して、熱交換器１０全体を暖める。このため、低温環境下での冷却水ヒーター１の運転開始にあたって、少ないエネルギーで効率的に、水素排出量の少ない始動を行うことができる。言い換えれば、低温環境下での冷却水ヒーター１の運転開始にあたって、少ないエネルギーで早期に冷却水ヒーター１を定常状態の運転に移行させることができる。
【００５５】
Ｃ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００５６】
Ｃ１．変形例１：
上記実施例では、第１のガス供給路１１と第２のガス供給路１３のいずれに対しても、空気は、空気供給口２から供給されていた。しかし、第１のガス供給路１１と第２のガス供給路１３のそれぞれに対して独立の空気供給口を備える態様とすることもできる。また、分離壁３０は、燃焼室１ｃの内の熱交換器１０よりも上流の部分を、すべて第１のガス供給路１１と第２のガス供給路１３に区分けし、互いにガスが流通しないような態様とすることもできる。
【００５７】
すなわち、第１のガス供給路は、冷却水の流路の一部である上流部と熱交換を行うことができる熱交換部の第１の部分に、燃料ガスを供給するガス供給路とすることができる。また、第２のガス供給路は、冷却水の流路の一部であって上流部よりも下流の下流部と熱交換を行うことができる熱交換部の第２の部分に、燃料ガスを供給するガス供給路とすることができる。
【００５８】
そして、加熱装置は、以下のような態様とすることができる。すなわち、加熱装置は、温度調整用流体が流れる流路と触媒とを有し触媒による燃料ガスの燃焼によって流路中の温度調整用流体を加熱する熱交換部と、熱交換部のうち、流路の一部である上流部を含む第１の部分に燃料ガスを供給する第１のガス供給路と、熱交換部のうち、流路の一部であって上流部よりも下流の下流部を含む第２の部分に燃料ガスを供給する第２のガス供給路と、を含む。そして、第１のガス供給路は、第１のガス供給路内を通る燃料ガスの温度を上げるための昇温部を備える。
【００５９】
このような態様においては、まず第１の部分に高温の燃料ガスを供給して、第１の部分において触媒による燃焼を起こさせ、その熱を温度調整用流体を使って下流に伝えて第２の部分を暖めることができる。よって、触媒燃焼によって温度調整用流体を加熱する加熱装置を低温環境下で起動する際に、燃料ガスと温度調整用流体とを利用して、効率的に触媒の温度を上げることができる。
【００６０】
Ｃ２．変形例２：
上記実施例では、第１のガス供給路１１を通る燃料ガスの温度を上げるための昇温部として、電気加熱式触媒２０と燃料ガス用ヒーター５０が採用されていた。しかし、昇温部は、他の構成とすることもできる。たとえば、第１のガス供給路１１を通る燃料ガスを燃焼させずに加熱するヒータとすることもできる。すなわち、昇温部は、第１のガス供給路内を通る燃料ガスの温度を上げることができるものであればよい。
【００６１】
Ｃ３．変形例３：
上記実施例の冷却水ヒーター１，１ｂにおいては、冷却水の流れＡｗ１、Ａｗ２と、水素ガスの流れＡｈ１，Ａｈ２，Ａｅ１，Ａｅ２は互いに直交していた（図２参照）。しかし、加熱装置は、温度調整用流体の流れと燃料ガスの流れとが同じ向きに流れる態様とすることもできる。また、加熱装置は、温度調整用流体の流れと燃料ガスの流れとが逆の向きに流れる態様とすることもできる。すなわち、加熱装置は、温度調整用流体が流れる被加熱流路の上流部と熱交換できる第１の燃料用流路と、被加熱流路の下流部と熱交換できる第２の燃料用流路と、を含む燃料用流路を備えた様々な態様とすることができる。
【００６２】
たとえば、温度調整用流体の流れが燃料ガスの流れと同じ向きまたは逆の向きに（すなわち平行に）流れる態様においては、以下のような互いに独立な第１と第２の燃料用流路を備えることができる。すなわち、第１の燃料用流路は、被加熱流路の上流部と一部が平行になるように設けられた流路である。そして、第２の燃料用流路は、被加熱流路の下流部と一部が平行になるように設けられた流路である。
【００６３】
なお、温度調整用流体が燃料ガスの流れと平行に流れる態様において、第１の燃料用流路は、被加熱流路の上流部のみと平行に配されており、下流部とは平行に配されていない態様とすることができる。また、温度調整用流体の流れが燃料ガスの流れと同じ向きに流れる態様においては、第１の燃料用流路は、被加熱流路の上流部および下流部と平行に配されている態様とすることができる。
【００６４】
被加熱流路と平行に配されている燃料用流路において触媒が均等に担持されているものとすると、燃料ガスの大部分は、燃料用流路の上流部分において燃焼する。このため、温度調整用流体の流れが燃料ガスの流れと同じ向きに流れる態様においては、第１の燃料用流路が被加熱流路の上流部だけではなく下流部とも平行に配されていても、第１の燃料用流路は、効率的に燃焼の熱を被加熱流路の上流部に伝えることができる。なお、第２の燃料用流路は、被加熱流路の下流部のみと平行に配されており、上流部とは平行に配されていない態様とすることが好ましい。
【００６５】
Ｃ４．変形例４：
上記実施例では、燃料ガスとして水素ガスを使用したが、燃料ガスとしてはメタンやプロパンなど、他のガスとすることもできる。すなわち、燃料ガスは、触媒を使用して燃焼させることができるものであればよい。
【００６６】
Ｃ５．変形例５：
また、上記実施例では、電気加熱式触媒２０や燃料ガス用ヒーター５０をＯＮにした後、すぐに第１の水素供給口３への水素ガスの供給を開始するかのように説明した（図３および図５のステップＳ２０参照）。しかし、電気加熱式触媒２０や燃料ガス用ヒーター５０をＯＮにした後、所定の時間が経過するのを待って、第１の水素供給口３への水素ガスの供給を開始してもよい。
【００６７】
上記実施例では、第２の水素供給口４への水素ガスの供給を開始した後、すぐに、電気加熱式触媒２０や燃料ガス用ヒーター５０をＯＦＦにするかのように説明した（図３のステップＳ５０、および図５のステップＳ５５参照）。しかし、第２の水素供給口４への水素ガスの供給を開始した後、所定の時間は、電気加熱式触媒２０や燃料ガス用ヒーター５０をＯＮにした状態を保って、第１および第２の水素供給口３，４に水素ガスを供給してもよい。そして、その後、電気加熱式触媒２０や燃料ガス用ヒーター５０をＯＦＦにする態様とすることができる。
【００６８】
Ｃ６．変形例６：
上記実施例の冷却水ヒーターシステムでは、まず、電気加熱式触媒２０や燃料ガス用ヒーター５０をＯＮにした状態で、第２の水素供給口４へは水素ガスの供給を行わず、第１の水素供給口３にのみ水素ガスの供給を行っていた。しかし、冷却水ヒーターシステムは、電気加熱式触媒２０や燃料ガス用ヒーター５０をＯＮにした状態で、第１の水素供給口３に水素ガスの供給を行うだけでなく、第２の水素供給口４にも水素ガスの供給を行ってもよい。ただし、熱交換器１０の第１の部分１２に供給される燃料ガスの量が、第２の部分１４に供給される燃料ガスの量よりも多くなるように、冷却水ヒーターシステムを運転することが好ましい。そのためには、たとえば、上記実施例では、第１の水素供給口３に供給する水素ガスの量を、第２の水素供給口４に供給する水素ガスの量よりも多くすることが好ましい。
【００６９】
そして、第１の部分１２よりも少ない量の燃料ガスが供給されていた第２の部分１４に対して、所定時間が経過し触媒が機能できる程度に暖められた後には、より多くの燃料ガスを供給することが好ましい。そのためには、たとえば、上記実施例では、第２の水素供給口４に供給する水素ガスの量をより多くすることが好ましい。
【００７０】
Ｃ７．変形例７：
上記実施例では、冷却水ヒーターシステム（図１および図４参照）は、電気加熱式触媒２０や燃料ガス用ヒーター５０をＯＮにした状態の運転モードＭ１，Ｍ１ｂ（図３のステップＳ１０〜Ｓ５０および図５のステップＳ１５〜Ｓ５５参照）と、電気加熱式触媒２０や燃料ガス用ヒーター５０をＯＦＦにした状態の運転モードＭ２、Ｍ２ｂ（図３および図５のステップＳ６０参照）と、を有していた。前者は、外気温が低いときに冷却水ヒーター１を始動するための運転モードである。この運転モードを「寒冷地始動モード」と呼ぶ。これに対して、電気加熱式触媒２０や燃料ガス用ヒーター５０をＯＦＦにした状態の運転モードを、「通常運転モード」と呼ぶ。
【００７１】
上記実施例では、外気温が低いものと仮定して説明を行った。このため、図３および図５においては、常に寒冷地始動モードＭ１，Ｍ１ｂが実行された。しかし、加熱装置は、一定条件下において寒冷地始動モードＭ１，Ｍ１ｂを実行しない態様とすることもできる。たとえば、外気温が所定の温度以上である場合は、寒冷地始動モードＭ１，Ｍ１ｂを実行せずに通常運転モードＭ２，Ｍ２ｂを実行し、外気温が所定の温度未満である場合に、寒冷地始動モードＭ１，Ｍ１ｂを実行してから通常運転モードＭ２，Ｍ２ｂを実行する態様とすることもできる。
【００７２】
Ｃ８．変形例８：
上記実施例では、冷却水ヒーターシステム（図１および図４参照）は、燃料電池ＦＣの冷却水を加熱するものであった。しかし、本発明はこのような態様に限られるものではなく、他の態様とすることもできる。たとえば、何らかの機械の温度を上げる用途にのみ使用され冷却には使用されない流体を、冷却水ヒーター１と同様の構成を有する装置によって、加熱することもできる。すなわち、加熱装置は、所定の機器の温度を調整するための温度調整用流体を加熱するものであればよい。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】本発明の実施例の一つである冷却水ヒーターシステムの冷却水ヒーター１を示す断面図。
【図２】熱交換器１０を示す斜視図。
【図３】環境温度が低い場合の冷却水ヒーター１の始動方法を示すフローチャート。
【図４】本発明の第２実施例の冷却水ヒーターシステムの冷却水ヒーター１ｂを示す断面図。
【図５】環境温度が低い場合の冷却水ヒーター１ｂの始動方法を示すフローチャート。
【符号の説明】
【００７４】
１，１ｂ…冷却水ヒーター
１ｃ…燃焼室
１ｗ…外壁
２…空気供給口
３…第１の水素供給口
４…第２の水素供給口
５…排気口
６…冷却水供給口
７…冷却水排出口
７ｓ…温度センサ
８，９…流量調整弁
１０…熱交換器
１１…第１のガス供給路
１１ｕ…燃料ガス用ヒーター５０周辺の領域
１２…熱交換器１０の第１の部分
１３…第２のガス供給路
１４…熱交換器１０の第２の部分
１６…壁部
１７…ガス流路
１８…小流路
１９…冷却水路
２０…電気加熱式触媒
３０…分離壁
４０…フレームアレスタ
５０…燃料ガス用ヒーター
Ａａ１…空気供給口２から供給される空気の流れを示す矢印
Ａａ２…空気供給口２から供給される空気の流れを示す矢印
Ａｅ１…電気加熱式触媒２０を通過した後のガスの流れを示す矢印
Ａｅ２…ガス流路１７から排出される排ガスの流れを示す矢印
Ａｅ３…燃料ガス用ヒーター５０によって燃焼した後のガスの流れを示す矢印
Ａｈ１…第１の水素供給口３から供給される水素ガスの流れを示す矢印
Ａｈ２…第２の水素供給口４から供給される水素ガスの流れを矢印
Ａｗ１，Ａｗ２…冷却水の流れを示す矢印
ＥＣＵ…制御部
ＦＣ…燃料電池
ＨＴ…水素タンク
Ｐｈ１，Ｐｈ２…水素供給管
Ｐｗ１，Ｐｗ２…冷却水管
Ｔｗ…冷却水排出口７における温度
ｔ…第１の水素供給口３への水素ガスの供給を開始してからの経過時間
【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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