(57)【要約】【課題】  逆火防止手段の温度上昇を抑制して、逆火防止手段の消炎機能を安定して維持することが可能な触媒燃焼装置を提供する。【解決手段】  フレームアレスタ５を、混合ガス流れに直交配置された複数のチューブ５１と、混合ガス流れ方向に沿って延出されチューブ５１にチューブ５１と熱伝導可能に固定されたフィン５２とから形成し、且つ各チューブ５１内に冷却水が流れるように構成した。さらに、隣り合う２つのフィン５２の最大隙間長さＬを、消炎距離と等しく設定した。これにより、燃料電池加熱用ヒータ１の作動中において、フレームアレスタ５の温度、詳しくはフィン５２の温度を一定のレベルに保ち、フィン５２の温度が過度に上昇しフィン５２による消炎機能が低下することを防止してフレームアレスタ５の消炎機能を安定して維持することが可能な燃料電池加熱用ヒータ１を実現することができる。【選択図】        図３
2005251431.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気と燃料の混合ガスを形成する気体混合手段と、
前記気体混合手段に空気を供給する空気供給手段と、
前記気体混合手段に前記燃料を供給する燃料供給手段と、
前記気体混合手段に接続され、前記気体混合手段で形成された前記混合ガスが供給される通路と、
前記通路内に前記気体混合手段の前記混合ガスの流れ方向下流側に配置され、触媒を備えて前記混合ガスを触媒燃焼させる触媒燃焼部と、
前記通路内の前記気体混合手段と前記触媒燃焼部との中間に配置された消炎手段とを備える触媒燃焼装置であって、
前記消炎手段は、前記混合ガス流れに略直交し且つ互いに平行に配置された複数のチューブからなり、
複数の前記チューブの間隔は消炎距離以下に設定されるとともに前記チューブの内部には流体が導入されることを特徴とする触媒燃焼装置。
【請求項２】
空気と燃料の混合ガスを形成する気体混合手段と、
前記気体混合手段に空気を供給する空気供給手段と、
前記気体混合手段に前記燃料を供給する燃料供給手段と、
前記気体混合手段に接続され、前記気体混合手段で形成された前記混合ガスが供給される通路と、
前記通路内に前記気体混合手段の前記混合ガスの流れ方向下流側に配置され、触媒を備えて前記混合ガスを触媒燃焼させる触媒燃焼部と、
前記通路内の前記気体混合手段と前記触媒燃焼部との中間に配置された消炎手段とを備える触媒燃焼装置であって、
前記消炎手段は、前記混合ガス流れに略直交し且つ互いに平行に配置された複数のチューブからなり、
複数の前記チューブの間隔は消炎距離近傍に設定されるとともに前記チューブの内部には流体が導入されることを特徴とする触媒燃焼装置。
【請求項３】
空気と燃料の混合ガスを形成する気体混合手段と、
前記気体混合手段に空気を供給する空気供給手段と、
前記気体混合手段に前記燃料を供給する燃料供給手段と、
前記気体混合手段に接続され、前記気体混合手段で形成された前記混合ガスが供給される通路と、
前記通路内に前記気体混合手段の前記混合ガスの流れ方向下流側に配置され、触媒を備えて前記混合ガスを触媒燃焼させる触媒燃焼部と、
前記通路内の前記気体混合手段と前記触媒燃焼部との中間に配置された消炎手段とを備える触媒燃焼装置であって、
前記消炎手段は、前記混合ガス流れに略直交して配置された内部に流体が導入されるチューブと、
前記チューブ表面に前記チューブと熱伝導可能に固定された複数のフィンとからなり、
複数の前記フィンは、前記混合ガスの流れ方向に沿って延出され且つ隣り合う２つのフィンの最大隙間長さが消炎距離以下に設定されることを特徴とする触媒燃焼装置。
【請求項４】
空気と燃料の混合ガスを形成する気体混合手段と、
前記気体混合手段に空気を供給する空気供給手段と、
前記気体混合手段に前記燃料を供給する燃料供給手段と、
前記気体混合手段に接続され、前記気体混合手段で形成された前記混合ガスが供給される通路と、
前記通路内に前記気体混合手段の前記混合ガスの流れ方向下流側に配置され、触媒を備えて前記混合ガスを触媒燃焼させる触媒燃焼部と、
前記通路内の前記気体混合手段と前記触媒燃焼部との中間に配置された消炎手段とを備える触媒燃焼装置であって、
前記消炎手段は、前記混合ガス流れに略直交して配置された内部に流体が導入されるチューブと、
前記チューブ表面に前記チューブと熱伝導可能に固定された複数のフィンとからなり、
複数の前記フィンは、前記混合ガスの流れ方向に沿って延出され且つ隣り合う２つのフィンの最大隙間長さが消炎距離近傍に設定されることを特徴とする触媒燃焼装置。
【請求項５】
前記流体は、空気供給手段から複数の前記チューブに供給され且つ複数の前記チューブを通過して前記気体混合手段に流入することを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の触媒燃焼装置。
【請求項６】
前記通路内且つ前記混合ガスの流れ方向において前記触媒燃焼部の下流側に配置され、熱媒体が供給されて該熱媒体と前記混合ガスの触媒燃焼ガスとの間で熱交換を行う熱交換器を備えたことを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の触媒燃焼装置。
【請求項７】
前記通路内且つ前記混合ガスの流れ方向において前記触媒燃焼部の下流側に配置され、熱媒体が供給されて該熱媒体と前記混合ガスの触媒燃焼ガスとの間で熱交換を行う熱交換器を備え、
前記流体は前記熱媒体であることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の触媒燃焼装置。
【請求項８】
前記燃料は水素ガスであることを特徴とすることを請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の触媒燃焼装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、家庭用あるいは自動車用として用いられ、空気と燃料の混合ガスを触媒により燃焼させる触媒燃焼装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
触媒燃焼装置は、低温無炎燃焼によりＮＯｘ排出をほぼ完全に抑制でき、火炎安全性が高い、低温被加熱物質に対する吸収率の高い遠赤外線放射効率が高く省エネルギが図れる、等の特長を有し、広く普及している。
【０００３】
一般に、触媒燃焼装置においては、燃料としては可燃性気体、たとえば水素ガス、ＬＰＧ（液化石油ガス）等が用いられている。触媒燃焼装置では、予め燃料ガスと空気とを適当な割合（たとえば、燃料ガスを完全燃焼させるのに必要な酸素が含まれるような割合）で混合して混合ガスを形成し、それを触媒へ供給して触媒燃焼させている。
【０００４】
一般に、気体混合部にて予め燃料ガスと空気との混合ガスを形成し、気体混合部の下流側の燃焼部において燃焼させる燃焼装置では、燃焼部から上流側への火炎伝播、すなわち逆火を防止する逆火防止手段を設けている。
【０００５】
燃焼装置に設けられた逆火防止手段としては、たとえば、燃料・空気混合装置の出口の絞り部に消炎距離以下の複数のスリットを設けたものがある（特許文献１参照）。
【０００６】
低温の固体表面近傍では、熱損失が大きく活性基が失活しやすいために、２枚の固体表面により形成される隙間空間において、その間隔がある長さ以下となると、この隙間空間を火炎が伝播できずに消滅する。このときの間隔が消炎距離である。
上述の従来の燃焼装置においては、燃料・空気混合装置の下流から火炎が伝播してきた場合、上述の複数のスリットにより火炎が消滅させて、燃料・空気混合装置内への火炎伝播、すなわち逆火を防止している。
【特許文献１】特開平８−２８５２８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、上述の従来の燃焼装置においては、燃焼部からの輻射熱を受けて、スリットの壁面温度が上昇すると、火炎を消滅させる効果、すなわち消炎機能が低下する可能性がある。
しかしながら、上述の従来の燃焼装置においては、逆火防止手段であるスリット壁面の温度上昇を抑制する手段は備えていない。
【０００８】
本発明は、上記の問題点に鑑みて成されたものであり、その目的は、逆火防止手段の温度上昇を抑制して、逆火防止手段の消炎機能を安定して維持することが可能な触媒燃焼装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、上記目的を達成する為に以下の技術的手段を採用する。
【００１０】
本発明の請求項１に記載の触媒燃焼装置は、空気と燃料の混合ガスを形成する気体混合手段と、気体混合手段に空気を供給する空気供給手段と、気体混合手段に燃料を供給する燃料供給手段と、気体混合手段に接続され、気体混合手段で形成された混合ガスが供給される通路と、通路内に気体混合手段の混合ガスの流れ方向下流側に配置され、触媒を備えて混合ガスを触媒燃焼させる触媒燃焼部と、通路内の気体混合手段と触媒燃焼部との中間に配置された消炎手段とを備える触媒燃焼装置であって、消炎手段は、混合ガス流れに略直交し且つ互いに平行に配置された複数のチューブからなり、複数のチューブの間隔は消炎距離以下に設定されるとともにチューブの内部には流体が導入される構成とした。
【００１１】
この場合、触媒燃焼部における触媒燃焼時の火炎が通路の上流側へ伝播し消炎手段に到達すると、消炎距離以下の間隔を保って平行に配置される複数のチューブからなる消炎手段の消炎作用によりこの火炎が消滅し、触媒燃焼時の火炎が気体混合手段へ侵入する、いわゆる逆火を確実に防止することができる。
【００１２】
また、各チューブ内には流体が導入されているため、各チューブに到達した触媒燃焼部からの輻射熱は、各チューブ内の流体に伝達され、さらに流体により各チューブ外へ伝達される。
【００１３】
これにより、触媒燃焼部からの輻射熱により各チューブの温度が上昇することを防止して、各チューブの温度を低温、すなわち消炎機能を確実に果たすことのできる温度に維持することができる。
したがって、逆火防止手段の消炎機能を安定して維持することが可能な触媒燃焼装置を提供することができる。
【００１４】
また、この場合、本発明の請求項２に記載の触媒燃焼装置のように、消炎手段である複数のチューブの間隔を消炎距離近傍に設定してもよい。
【００１５】
本発明の請求項１に記載の触媒燃焼装置においては、各チューブ内に流体が導入されて各チューブの温度が低温に維持されている。したがって、各チューブ間隔を、消炎距離以下ではなく、消炎距離近傍、たとえば消炎距離よりも若干大きく設定しても、触媒燃焼部から伝播してきた火炎を消滅させる消炎機能を発揮することができる。
【００１６】
このような構成として各チューブの間隔をやや広げることにより、通路内における混合ガスが通過する部分の断面積を広くして、通路の圧力損失を減少させることができる。
【００１７】
本発明の請求項３に記載の触媒燃焼装置は、空気と燃料の混合ガスを形成する気体混合手段と、気体混合手段に空気を供給する空気供給手段と、気体混合手段に燃料を供給する燃料供給手段と、気体混合手段に接続され、気体混合手段で形成された混合ガスが供給される通路と、通路内に気体混合手段の混合ガスの流れ方向下流側に配置され、触媒を備えて混合ガスを触媒燃焼させる触媒燃焼部と、通路内の気体混合手段と触媒燃焼部との中間に配置された消炎手段とを備える触媒燃焼装置であって、消炎手段は、混合ガス流れに略直交して配置された内部に流体が導入されるチューブと、チューブ表面にチューブと熱伝導可能に固定された複数のフィンとからなり、複数のフィンは、混合ガスの流れ方向に沿って延出され且つ隣り合う２つのフィンの最大隙間長さが消炎距離以下に設定される構成とした。
【００１８】
この場合、触媒燃焼部における触媒燃焼時の火炎が通路の上流側へ伝播し消炎手段に到達すると、最大隙間長さが消炎距離以下に設定される複数のフィンの消炎作用によりこの火炎が消滅し、触媒燃焼時の火炎が気体混合手段へ侵入する、いわゆる逆火を確実に防止することができる。
【００１９】
また、各チューブ内には流体が導入されているため、各フィンに到達した触媒燃焼部からの輻射熱は、各フィンから各チューブを経て各チューブ内の流体に伝達され、さらに流体により各チューブ外へ伝達される。
【００２０】
これにより、触媒燃焼部からの輻射熱により各フィンの温度が上昇することを防止して、各フィンの温度を低温、すなわち消炎機能を確実に果たすことのできる温度に維持することができる。
【００２１】
したがって、逆火防止手段の消炎機能を安定して維持することが可能な触媒燃焼装置を提供することができる。
【００２２】
また、この場合、本発明の請求項４に記載の触媒燃焼装置のように、消炎手段である複数のフィン間の最大隙間長さを消炎距離近傍に設定してもよい。
【００２３】
本発明の請求項３に記載の触媒燃焼装置においては、各チューブ内に流体が導入されて各フィンの温度が低温に維持されている。したがって、複数のフィン間の最大隙間長さを、消炎距離以下ではなく、消炎距離近傍、たとえば消炎距離よりも若干大きく設定しても、触媒燃焼部から伝播してきた火炎を消滅させる消炎機能を発揮することができる。
【００２４】
このような構成として複数のフィン間の最大隙間長さをやや拡大することにより、通路内における混合ガスが通過する部分の断面積を広くして、通路の圧力損失を減少させることができる。
【００２５】
本発明の請求項５に記載の触媒燃焼装置は、流体は、空気供給手段から複数のチューブに供給され且つ複数のチューブを通過して気体混合手段に流入する構成とした。
【００２６】
この場合、空気供給手段、たとえば送風機等から送出された空気の一部を、逆火防止手段であるチューブ内を通過させた後に気体混合手段に供給している。空気供給手段から送出された空気は、逆火防止手段であるチューブ内通過中に触媒燃焼部からの輻射熱を受けて、その温度が上昇する。したがって、気体混合手段で形成される混合ガスの温度を高めて、触媒燃焼部において安定して触媒燃焼を継続させることができる。
【００２７】
これにより、逆火防止手段である複数のチューブあるいは複数のフィンの温度上昇を抑制して、逆火防止手段の消炎機能を安定して維持しつつ、混合ガスを予熱して触媒燃焼部における触媒燃焼を安定して行わせることができる。
【００２８】
本発明の請求項６に記載の触媒燃焼装置は、通路内且つ混合ガスの流れ方向において触媒燃焼部の下流側に配置され、熱媒体が供給され、熱媒体と混合ガスの触媒燃焼ガスとの間で熱交換を行う熱交換器を備えた構成とした。
【００２９】
この構成によれば、触媒燃焼装置での触媒燃焼による発生熱を、熱媒体を介して熱源として利用することができる。
【００３０】
また、熱媒体を介することにより、触媒燃焼装置から離れた場所においても容易に触媒燃焼の発生熱を利用することが可能となる。
【００３１】
本発明の請求項７に記載の触媒燃焼装置は、通路内且つ混合ガスの流れ方向において触媒燃焼部の下流側に配置され、熱媒体が供給されて熱媒体と混合ガスの触媒燃焼ガスとの間で熱交換を行う熱交換器を備え、流体は熱媒体である構成とした。
【００３２】
この場合、熱交換器に供給される熱媒体を逆火防止手段が備える複数のチューブ内に導入することにより、熱媒体と触媒燃焼部からの輻射熱との間に熱交換を行わせて、熱媒体温度を上昇させることができる。
これにより、逆火防止手段である複数のチューブあるいは複数のフィンの温度上昇を抑制して逆火防止手段の消炎機能を安定して維持しつつ、熱媒体に伝達される熱量を増大させる、言い換えると、触媒燃焼装置としての熱効率を向上させることができる。
【００３３】
本発明の請求項８に記載の触媒燃焼装置は、燃料は水素ガスである構成とした。
【００３４】
これにより、たとえば、水素を燃料とする水素燃料電池システムの燃料電池スタック予熱装置等に適用した場合でも、逆火防止手段の温度上昇を抑制して、逆火防止手段の消炎機能を安定して維持することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態による触媒燃焼装置を、水素を燃料とする燃料電池車両に搭載され、燃料電池１０１を含む燃料電池温調システム１００に用いられ、水素の触媒燃焼によって冷媒を加熱する燃料電池加熱用ヒータ１に適用した場合を例に図に基づいて説明する。
【００３６】
図１は、本発明の第１実施形態による燃料電池加熱用ヒータ１が組み込まれている燃料電池温調システム１００の構成を説明する模式図である。
【００３７】
図２は、本発明の第１実施形態による燃料電池加熱用ヒータ１の部分断面図である。
【００３８】
図３は、図２中のＩＩＩ矢視図であり、フレームアレスタ５の正面図である。
【００３９】
図４は、本発明の第１実施形態による燃料電池加熱用ヒータ１および燃料電池温調システム１００の電気回路構成を説明する模式図である。
【００４０】
燃料電池温調システム１００は、燃料電池１０１作動中において燃料電池１０１の発生熱を冷媒、たとえば冷却水を介して外部へ放出し、燃料電池１０１の温度を適正な温度に維持するためのものである。
【００４１】
燃料電池温調システム１００は、大きくは、図１に示すように、燃料電池１０１と、燃料電池１０１から発して再び燃料電池１０１へ戻るループ状の冷却水通路１１０と、冷却水通路１１０の途中に設けられて冷却水の熱を空気へ放散させるラジエータ１１１と、冷却水通路１１０の途中に設けられて冷却水通路１１０内に冷却水を循環させる電動ポンプ１１２と、ラジエータ１１１をバイパスするように設けられるバイパス通路１１３と、バイパス通路１１３の途中に設けられる燃料電池加熱用ヒータ１と、冷却水通路１１０とバイパス通路１１３との分岐点に設けられ冷却水通路１１０とバイパス通路１１３との連通状態を制御する制御弁１１４とから構成されている。
【００４２】
ここで、制御弁１１４の機能は、ラジエータ１１１を通過する冷却水流量と燃料電池加熱用ヒータ１を通過する冷却水流量との流量比率を変えることである。すなわち、制御弁１１４は、ラジエータ１１１を通過する冷却水流量と燃料電池加熱用ヒータ１を通過する冷却水流量との流量比率を、１００：０から０：１００まで連続的に変化させることができる。
【００４３】
燃料電池１０１は、所定の温度範囲内にある時において、発電機能を十分に発揮できる。また、燃料電池１０１は、その作動中、すなわち発電中には熱を発生し温度が上昇する。燃料電池１０１の温度が所定範囲を超えて高くなると、発電機能が低下する。
【００４４】
一方、燃料電池１０１の温度が所定の温度範囲外且つ低いとき、たとえば燃料電池１０１起動時においては、燃料電池１０１の発電電力が大幅に低下し、走行用電動機等の電気負荷が必要とする電力を十分供給することが困難となる。言い換えると、燃料電池車両の始動時に車両としての動力性能を十分発揮することができない可能性がある。
【００４５】
このため、燃料電池１０１の温度を所定の温度範囲内に安定して維持し、且つ燃料電池１０１起動時において燃料電池１０１の温度を所定の温度まで短時間に上昇させられるような何らかの手段が必要となる。
【００４６】
燃料電池温調システム１００は、上述の目的のために設けられたシステムである。すなわち、燃料電池１０１の通常作動時においては、燃料電池１０１の発生熱を、冷却水を介して燃料電池１０１外部へ放出して燃料電池１０１の温度を上述の所定温度範囲に維持し、且つ燃料電池１０１起動時においては、水素を燃料電池加熱用ヒータ１で触媒燃焼させ、その発生熱を、冷却水を介して燃料電池１０１へ伝達することにより、燃料電池１０１の温度を上昇させる、いわゆる暖機を行い、始動後短時間で燃料電池１０１の発生電力が正規状態となるようにしている。
【００４７】
以下に、燃料電池温調システム１００の構成について詳しく説明する。
【００４８】
燃料電池１０１は、図１に示すように、電解質１０２を挟んで２つの電極、すなわち燃料極１０３と空気極１０４が配置され、燃料極１０３に燃料である水素が、空気極１０４に空気がそれぞれ供給されると、水素と空気中の酸素により両電極１０３、１０４において電気化学反応がおこり、両電極１０３、１０４に電位差が発生し、両電極１０３、１０４に電気負荷を接続すると、空気極１０４から燃料極１０３へ電流が流れる。すなわち、空気極１０４が＋極、燃料極１０３が−極の電池として作用する。燃料電池車両は、この直流電力により走行用電動機（図示せず）を駆動して走行するとともに、各種装置（図示せず）を作動させている。
【００４９】
燃料電池の空気極１０４へは、図1に示すように、空気供給通路１０５を介して空気が供給され、また、空気極１０４からは、空気排出通路１０６を介して、酸素が消費された空気および電気化学反応により生じた水、つまり水蒸気が排出される。
【００５０】
燃料電池の燃料極１０３へは、図1に示すように、水素供給通路１０７を介して水素が供給され、また、燃料極１０３からは、オフガス排出通路１０８を介して、電気化学反応に使われなかった水素、つまり未反応の水素がオフガスとして排出される。このオフガスには、電気化学反応により生じた水、つまり水蒸気が含まれる。このオフガスは、図示しない気液分離器へ送られそこで水分を除去された後、水素供給通路１０７へ合流して、再び燃料極１０３へ送られている。
【００５１】
また、燃料電池１０１には、燃料電池１０１と冷却水との間で熱交換を行うための熱交換部１０９が設けられている。この熱交換部１０９には、図１に示すように、熱交換部１０９と燃料電池１０１外部の放熱器であるラジエータ１１１間において冷却水を循環させるための冷却水通路１１０が、図１に示すように、ループ状に接続されている。また、熱交換部１０９には、熱交換部１０９内の冷却水温度、すなわち燃料電池１０１を検出するための温度センサ１１７が設置されている。
【００５２】
また、当該燃料電池車両に搭載される水素タンク１２は、燃料電池加熱用ヒータ１の燃料供給手段としても機能している。すなわち、燃料電池加熱用ヒータ１の燃料である水素ガスは、水素タンク１２から、水素導入通路１１を経由して燃料電池加熱用ヒータ１に送られ、水素導入部３を介して気体混合器４に導入される。水素導入通路１１の途中には、図１に示すように、流量調整弁１３が設けられている。この流量調整弁１３の開度を変化させることにより、燃料電池加熱用ヒータ１に供給される水素量が所定量に調節される。
【００５３】
次に、本発明の第１実施形態による触媒燃焼装置である燃料電池加熱用ヒータ１の構成について説明する。
【００５４】
燃料電池加熱用ヒータ１は、図２に示すように、容器であるケーシング８内に、燃料である水素と空気との混合ガスが供給される通路８１が形成されている。この通路８１内には、上流側から順番に、空気供給手段である送風機２、燃料供給手段である水素タンク１２から水素導入通路１１を経て供給される水素を通路８１へ導入する水素導入部３、空気と水素を混合させて両者の混合ガスを形成する気体混合手段である気体混合器４、触媒燃焼器６から伝播する火炎を消滅させるための消炎手段であるフレームアレスタ５、水素と空気の混合ガスを触媒燃焼させるための触媒燃焼器６、水素の触媒燃焼による燃焼ガスと冷却水との間で熱交換が行われる熱交換器７が配置されている。
【００５５】
また、ケーシング８の外部には、燃料電池加熱用ヒータ１の作動を制御する制御装置９が配置されている。制御装置９は、制御弁１１４の冷却水流量制御（開度制御）、流量制御弁１３の水素流量制御（開度制御）、送風機２の送風量制御（回転数制御）、および電動ポンプ１１２の吐出流量制御（回転数制御）を行っている。
【００５６】
なお、本発明の第１実施形態による燃料電池加熱用ヒータ１においては、制御弁１１４および流量制御弁１３は、ともにソレノイド駆動式のいわゆる電磁弁タイプのものが用いられており、各弁の開度は電気信号により容易に連続的且つ高精度で制御することができる。
【００５７】
容器であるケーシング８は、耐熱性金属、たとえばステンレス鋼板等から形成され、その内部空間が、図２に示すように、燃料である水素と空気の混合ガスが流れる通路８１を形成している。
【００５８】
通路８１の上流側端部（図２において、左端部）には、空気供給手段である送風機２が配置されている。送風機２は、電動機により駆動されるもので、フィルタ（図示せず）を介して吸引した空気を通路８１内へ吐出供給している。
【００５９】
送風機２の下流側（図２の右側）には、燃料供給手段である水素導入通路１１からの水素を通路８１へ導入する水素導入部３が配置されている。
【００６０】
水素導入部３は、水素を、通路８１内に、通路８１の外周方向において均一に導入している。水素導入部３の下流側（図２の右側）には、気体混合手段である気体混合器４が配置されている。
【００６１】
触媒燃焼器６は、触媒担体、たとえばコージェライト、アルミナ等のセラミックスハニカム６１に、触媒、たとえば白金、パラジウム等を担持させた構成のもので、極めて一般的なものである。気体混合器４からの混合ガスは、触媒燃焼器６に流入して触媒燃焼する。
【００６２】
触媒燃焼器６の下流側（図２の右側）には、触媒燃焼による燃焼ガスと熱媒体である冷却水との間で熱交換を行うための熱交換器７が配置されている。熱交換器７は、通路８１内において混合ガス流に直交するように配置された複数のチューブ７１と隣り合うチューブ７１間に両チューブ７１に熱伝導可能に接して配置されたフィン７２を備えている。チューブ７１およびフィン７２は、高温の燃焼ガスに曝され、且つチューブ７１内を冷却水が流れるので、耐熱性、耐腐食性に優れる材質から形成されることが望ましく、本発明の第１実施形態による燃料電池加熱用ヒータ１においては、ステンレス鋼板から形成されている。また、熱交換器７は、図２に示すように、燃料電池温調システム１００のバイパス通路１１３の途中に配置されており、熱交換器７の各チューブ７１がバイパス通路１１３の一部を形成している。したがって、燃料電池加熱用ヒータ１の作動中において、バイパス通路１１３を流れる冷却水は、熱交換器７を通過することにより水素の触媒燃焼ガスと熱交換して暖められる。
【００６３】
消炎手段であるフレームアレスタ５は、図２に示すように、気体混合器４からの混合ガス流れ方向（図２において左から右へ向かう方向）において、気体混合器４と触媒燃焼器６との中間位置に配置されている。フレームアレスタ５は、図２に示すように、混合ガス流れ方向（図２において左右方向）に直交するように配置された複数のチューブ５１と、混合ガス流れ方向（図２において左右方向）に沿って延出されたフィン５２を備えている。フレームアレスタ５において、複数のチューブ５１は、図３に示すように、互いに平行に配置されるとともに、各フィン５２は、チューブ５１表面にチューブ５１と熱伝導可能に固定されている。本発明の第１実施形態による燃料電池加熱用ヒータ１においては、チューブ５１およびフィン５２は、耐熱性に優れる材質、たとえばステンレス鋼から形成されるとともに、チューブ５１およびフィン５２は、たとえば、ろう付けあるいは溶接等により固定されている。また、各チューブ５１の両端部は、図３に示すように、それぞれタンク５３に開口、接続され、さらに各タンク５３は、冷却水通路５４を介してバイパス通路１１３に連通している。これにより、各チューブ５１内には、流体である冷却水が導入されるとともに、各チューブ５１内を冷却水が流れることになる。すなわち、本発明の第１実施形態による燃料電池加熱用ヒータ１において、フレームアレスタ５の各チューブ５１と熱交換器７の各チューブ７１とは並列に接続されている。また、フィン５２は、一枚のステンレス鋼の帯状板を、図３に示すように、蛇腹状に折り曲げて形成され、その折り曲げ部、つまり稜線部においてチューブ５１に固定されている。また、隣り合う２つのフィン５２の最大隙間長さＬは、消炎距離と等しくなるように設定されている。
【００６４】
ここで、消炎距離について簡単に説明する。２枚の固体壁間に存在する燃料と空気との混合気に点火する場合、２枚の固体壁隙間長さが十分大きいときは、混合気は容易に点火可能である。２枚の固体壁隙間長さを小さくしていくと、固体壁により熱と活性基が失われるため、ある隙間長さ以下では混合気は点火不能となる。この臨界隙間長さが消炎距離である。したがって、外部からの伝播火炎が、隙間長さが消炎距離に設定された２枚の固体壁部に到達した場合、２枚の固体壁間の混合気は点火されず、その結果、固体壁部に到達した火炎はそこで消滅する。
【００６５】
これにより、本発明の第１実施形態による燃料電池加熱用ヒータ１において、触媒燃焼器６から火炎がフレームアレスタ５に向かって伝播し、フレームアレスタ５に到達した場合、隣り合う２つのフィン５２間の混合ガスは点火されず伝播してきた火炎は消滅する。
【００６６】
したがって、触媒燃焼器６からの伝播火炎が気体混合器４へ到達し気体混合器４部で点火する、いわゆる逆火を確実に防止できる。
【００６７】
なお、消炎距離は、燃料の種類、濃度、流速等によって異なる。本発明の第１実施形態による燃料電池加熱用ヒータ１においては、燃料が水素、空気過剰率が１．０、流速、すなわち送風機２からの吐出空気流量が所定量における消炎距離に設定している。
【００６８】
また、燃料電池加熱用ヒータ１の運転時間が経過するに連れて、フレームアレスタ５に伝達される触媒燃焼部６における触媒燃焼の輻射熱の累積熱量が増加する。
【００６９】
本発明の第１実施形態による燃料電池加熱用ヒータ１においては、チューブ５１内に、流体である冷却水が導入されている。したがって、フレームアレスタ５に伝達された触媒燃焼部６における触媒燃焼の輻射熱は、フィン５２、チューブ５１を介して冷却水に伝達され、さらに冷却水流によりフレームアレスタ５外部に持ち去られる。
【００７０】
これにより、フレームアレスタ５の温度、詳しくはフィン５２の温度は一定のレベルに保たれるので、フィン５２の温度が過度に上昇しフィン５２による消炎機能が低下することを防止してフレームアレスタ５の消炎機能を安定して維持することが可能となる。
【００７１】
次に、本発明の第１実施形態による燃料電池加熱用ヒータ１および燃料電池温調システム１００の電気回路構成について、図４に基づいて説明する。
【００７２】
制御装置９は、たとえばマイクロコンピュータ等から構成されている。制御装置９は、図４に示すように、常時電源であるバッテリ１２０に接続されている。また、制御装置９には、図４に示すように、イグニッションスイッチ１１９がそのＯＮ／ＯＦＦを検出可能に接続されている。なお、当該車両の作動中、つまり燃料電池１０１が発電作動中においては、図４に図示しない電気回路を経て、制御装置９へ燃料電池１０１からも電力が供給される構成としてもよい。
【００７３】
また、制御装置９へは、図４に示すように、燃料電池１０１の温度を検出する温度センサ１１７が検出信号を入力可能に接続されている。
【００７４】
また、制御装置９へは、制御装置９によってその作動が制御される各種アクチュエータ等が接続されている。すなわち、冷却水を循環させるための電動ポンプ１１２、冷却水通路１１０とバイパス通路１１３との連通状態を制御する制御弁１１４、燃料電池加熱用ヒータ１への水素供給量を制御する流量制御弁１３、および燃料電池加熱用ヒータ１の送風機２がそれぞれ接続されている。
【００７５】
次に、燃料電池温調システム１００の作動、およびそれに対応した、本発明の第１実施形態による燃料電池加熱用ヒータ１の作動について説明する。
【００７６】
運転者によりイグニッションスイッチ１１９がＯＮされて、燃料電池１０１が起動されると、制御装置９はそれを検知して、燃料電池温調システム１００の作動を開始させる。
【００７７】
（１）燃料電池１０１の起動時で燃料電池１０１の温度が所定温度範囲外且つ低いとき。
【００７８】
この場合、制御装置９は、燃料電池１０１の暖機制御を開始する。
【００７９】
先ず、制御装置９は、制御弁１１４を切り替えてバイパス通路１１３を冷却水通路１１０に連通させラジエータ１１１への冷却水流れを遮断するとともに、電動ポンプ１１２を駆動して冷却水を、燃料電池１０１、バイパス通路１１３間に循環させる。すなわち、冷却水は、燃料電池加熱用ヒータ１と燃料電池１０１の間を循環する。
【００８０】
同時に、制御装置９は、燃料電池加熱用ヒータ１の作動を開始させる。すなわち、流量制御弁１３を開いて水素導入通路１１を介して水素を供給するとともに、送風機２を駆動して通路８１内に空気を供給する。これにより、水素と空気の混合ガスが、燃料電池加熱用ヒータ１の触媒燃焼器６に流入し、触媒燃焼する。この触媒燃焼による燃焼ガスが熱交換器７に流入し、燃焼ガスと冷却水間で熱交換が行われ、温められた冷却水が熱交換器７から流出し、燃料電池１０１の熱交換部１０９へ流入する。
【００８１】
以上から、燃料電池温調システム１００において、冷却水を介して燃料電池１０１の温度を短時間で所定範囲まで上昇させることができる。
【００８２】
（２）燃料電池１０１の定常作動中・・・その１。
【００８３】
燃料電池１０１の起動後、すなわち燃料電池加熱用ヒータ１の起動後、燃料電池加熱用ヒータ１が発生する熱を伝達されて燃料電池１０１温度は上昇し続け、やがて燃料電池１０１の発電効率が最大となる所定温度範囲内に到達する。すなわち暖機が完了する。
【００８４】
制御装置９は、温度センサ１１７による検出信号に基づき燃料電池１０１温度が所定温度範囲内に到達したことを検知すると、暖機制御を停止する。
【００８５】
先ず、制御装置９は、燃料電池加熱用ヒータ１の作動を停止させる。すなわち、流量制御弁１３を閉じて水素導入通路１１を遮断するとともに、送風機２を停止させる。
【００８６】
同時に、制御装置９は、制御弁１１４を切り替えてバイパス通路１１３を遮断して、冷却水通路１１０を介して燃料電池１０１の熱交換部１０９とラジエータ１１１とを連通させる。すなわち、冷却水が、燃料電池１０１、ラジエータ１１１間を循環可能な状態とする。
【００８７】
（３）燃料電池１０１の定常作動中・・・その２。
【００８８】
燃料電池１０１の暖機終了後、さらに時間が経過に連れて、燃料電池１０１温度はそれ自身の発熱により上昇し続ける。
【００８９】
燃料電池１０１温度が、燃料電池１０１の発電効率が最大となる所定温度範囲の上限に近づくと、制御装置９は、電動ポンプ１１２を駆動し、冷却水通路１１０を介して燃料電池１０１、ラジエータ１１１間に冷却水を循環させる。
【００９０】
すると、燃料電池１０１の発生熱が冷却水を介してラジエータ１１１へ運ばれ、ラジエータ１１１から空気中に放散される。これにより、燃料電池１０１が冷却され、燃料電池１０１の温度は所定温度範囲内に維持される。
【００９１】
この場合、制御装置９は、温度センサ１１７により検出された燃料電池１０１温度に基づいて、燃料電池１０１温度が所定範囲内に止まるように、電動ポンプ１１２への印加電圧を制御して、燃料電池１０１、ラジエータ１１１間を循環する冷却水流量を調整する。すなわち、フィードバック制御を実施する。
【００９２】
以上説明した、本発明の第１実施形態による燃料電池加熱用ヒータ１においては、消炎手段であるフレームアレスタ５を、混合ガス流れ方向に直交するように配置された複数のチューブ５１と、混合ガス流れ方向に沿って延出されチューブ５１にチューブ５１と熱伝導可能に固定されたフィン５２とを備え、各チューブ５１内には、流体である冷却水が導入されるとともに、各チューブ５１内を冷却水が流れるように構成した。さらに、隣り合う２つのフィン５２の最大隙間長さＬを、消炎距離と等しく設定した。
【００９３】
これにより、燃料電池加熱用ヒータ１の作動中において、フレームアレスタ５に伝達された触媒燃焼部６における触媒燃焼の輻射熱を、チューブ５１内に導入される冷却水を介してフレームアレスタ５外部に持ち去ることができる。
【００９４】
したがって、燃料電池加熱用ヒータ１の作動中において、フレームアレスタ５の温度、詳しくはフィン５２の温度を一定のレベルに保ち、フィン５２の温度が過度に上昇しフィン５２による消炎機能が低下することを防止してフレームアレスタ５の消炎機能を安定して維持することが可能な燃料電池加熱用ヒータ１を実現することができる。
【００９５】
また、フレームアレスタ５に伝達される触媒燃焼部６における触媒燃焼の輻射熱は、本来、熱交換器７における熱交換に寄与しない熱である。言い換えると、無駄に捨てられる熱である。本発明の第１実施形態による燃料電池加熱用ヒータ１においては、この熱を、フレームアレスタ５において冷却水に伝達させることにより、冷却水温度上昇、すなわち燃料電池１０１の暖機に有効に活用することができる。
【００９６】
（第２実施形態）
図５には、本発明の第２実施形態による燃料電池加熱用ヒータ１の部分断面図を示す。
【００９７】
図６には、図５中のＶＩ矢視図であり、フレームアレスタ５の正面図を示す。
【００９８】
本発明の第２実施形態による燃料電池加熱用ヒータ１は、本発明の第１実施形態による燃料電池加熱用ヒータ１に対して、フレームアレスタ５の構成を変更している。
【００９９】
すなわち、図５に示すように、フレームアレスタ５を、混合ガス流れ方向（図５において左右方向）に直交するように配置された複数のチューブ５１から構成するとともに、複数のチューブ５１を、図６に示すように、互いに平行且つ間隔Ｌを消炎距離と等しく設定して配置している。なお、各チューブ５１内への冷却水導入経路は、本発明の第１実施形態による燃料電池加熱用ヒータ１の場合と同様である。
【０１００】
この場合も、フレームアレスタ５に到達した触媒燃焼器６からの火炎を、消炎距離の隙間を保って配置された各チューブ５１により消滅させて消炎機能を発揮するとともに、燃料電池加熱用ヒータ１の作動中において、フレームアレスタ５に伝達された触媒燃焼部６における触媒燃焼の輻射熱を、チューブ５１内に導入される冷却水を介してフレームアレスタ５外部に持ち去ることができる。
【０１０１】
したがって、燃料電池加熱用ヒータ１の作動中において、フレームアレスタ５の温度、詳しくはチューブ５１の温度を一定のレベルに保ち、チューブ５１の温度が過度に上昇しチューブ５１による消炎機能が低下することを防止してフレームアレスタ５の消炎機能を安定して維持することが可能な燃料電池加熱用ヒータ１を実現することができる。
【０１０２】
（第３実施形態）
図７には、本発明の第３実施形態による燃料電池加熱用ヒータ１の部分断面図を示す。
【０１０３】
本発明の第３実施形態による燃料電池加熱用ヒータ１では、本発明の第１実施形態による燃料電池加熱用ヒータ１に対して、フレームアレスタ５のチューブ５１内に導入する流体を、冷却水から空気に変更している。
【０１０４】
すなわち、図７に示すように、燃料電池加熱用ヒータ１の送風機２から吐出される空気の一部を、空気導入通路５５を介してチューブ５１内に導入し且つチューブ５１内を通過した空気を、空気流出通路５６を介して気体混合気４の上流側に供給している。
【０１０５】
この場合も、本発明の第１実施形態による燃料電池加熱用ヒータ１の場合と同様に、燃料電池加熱用ヒータ１の作動中において、フレームアレスタ５の温度、詳しくはフィン５２の温度を一定のレベルに保ち、フィン５２の温度が過度に上昇しフィン５２による消炎機能が低下することを防止してフレームアレスタ５の消炎機能を安定して維持することが可能な燃料電池加熱用ヒータ１を実現することができる。
【０１０６】
また、本発明の第３実施形態による燃料電池加熱用ヒータ１においては、チューブ５１から流出する空気の温度は、フレームアレスタ５に伝達された触媒燃焼部６における触媒燃焼の輻射熱とフィン５２を介して熱交換して高くなっている。したがって、気体混合器４で形成される混合ガス温度を高めて、触媒燃焼をより安定して行うことができる。言い換えると、本発明の第３実施形態による燃料電池加熱用ヒータ１においては、フレームアレスタ５に伝達される触媒燃焼部６における触媒燃焼の輻射熱を、混合ガスの予熱に有効に活用することができる。
【０１０７】
なお、本発明の第３実施形態による燃料電池加熱用ヒータ１においても、本発明の第２実施形態による燃料電池加熱用ヒータ１と同様に、フレームアレスタ５をチューブ５１のみから構成してもよい。
【０１０８】
（第４実施形態）
以上説明した、本発明の第１〜第３実施形態においては、本発明による触媒燃焼装置を、燃料電池車両に搭載される燃料電池温調システム１００に組み込まれる燃料電池加熱用ヒータ１に適用した例を示している。
【０１０９】
これに対して、本発明の第４実施形態による触媒燃焼装置は、水素を燃料とする燃料電池車両に搭載される車室内暖房システム２００に組み込まれる車室内暖房用ヒータ２０１に適用した例を示している。
【０１１０】
図８には、本発明の第４実施形態による車室内暖房用ヒータ２０１が組み込まれる車室内暖房システム２００の全体構成を説明する模式図を示す。なお、図８において、燃料電池加熱用ヒータ１と同一部位には同一符号を付してある。
【０１１１】
車室内暖房システム２００においては、熱媒体としてエチレングリコール水溶液である不凍液が用いられている。当該車両の車室内には、車室内暖房用ヒータ２０１から離れた位置に放熱器であるヒータコア２０７が配置されている。車室内暖房システム２００は、車室内暖房用ヒータ２０１において水素ガスの触媒燃焼により発生した熱を、熱媒体である不凍液およびヒータコア２０７を介して車室内に放散させて車室内を暖めるものである。
【０１１２】
本発明の第４実施形態による車室内暖房用ヒータ２０１の構成は、基本的には、本発明の第２実施形態による燃料電池加熱用ヒータ１と同じである。以下、本発明の第４実施形態による車室内暖房用ヒータ２０１について、本発明の第２実施形態による燃料電池加熱用ヒータ１と異なる点のみについて説明する。
【０１１３】
本発明の第４実施形態による車室内暖房用ヒータ２０１においては、熱交換器７には、図８に示すように、熱交換器７にからヒータコア２０７へ高温になった不凍液を供給するヒータ送出管２０５、およびヒータコア２０７を経て電動ポンプ２０４で加圧された不凍液を導入するヒータ戻り管２０６が接続されている。
【０１１４】
また、本発明の第４実施形態による車室内暖房用ヒータ２０１においても、フレームアレスタ５のチューブ５１は、図８に示すように、熱交換器７と並列に接続されている。
【０１１５】
この場合も、本発明の第１実施形態による燃料電池加熱用ヒータ１の場合と同様に、車室内暖房用ヒータ２０１の作動中において、フレームアレスタ５の温度、詳しくはフィン５２の温度を一定のレベルに保ち、フィン５２の温度が過度に上昇しフィン５２による消炎機能が低下することを防止してフレームアレスタ５の消炎機能を安定して維持することが可能な燃料電池加熱用ヒータ１を実現することができる。
【０１１６】
また、フレームアレスタ５に伝達される触媒燃焼部６における触媒燃焼の輻射熱を、熱媒体である不凍液の温度上昇、すなわち車室内暖房に有効に活用することができる。
【０１１７】
（第５実施形態）
図９には、本発明の第５実施形態による車室内暖房用ヒータ２０１が組み込まれる車室内暖房システム２００の全体構成を説明する模式図を示す。なお、図９において、燃料電池加熱用ヒータ１と同一部位には同一符号を付してある。
【０１１８】
本発明の第５実施形態による車室内暖房用ヒータ２０１が組み込まれる車室内暖房システム２００においては、本発明の第４実施形態による車室内暖房用ヒータ２０１における熱交換器７を廃止するとともに、それに関連してヒータコア２０７や電動ポンプ２０４等を廃止して、触媒燃焼器６からの燃焼ガスを直接車室内暖房用温風として利用する構成としている。
【０１１９】
この場合、本発明の第３実施形態による燃料電池加熱用ヒータ１の場合と同様に、フレームアレスタ５のチューブ５１内に空気を導入している。すなわち、図９に示すように、燃料電池加熱用ヒータ２０１の送風機２から吐出される空気の一部を、空気導入通路５５を介してチューブ５１内に導入し且つチューブ５１内を通過した空気を、空気流出通路５６を介して気体混合器４の上流側に供給している。
【０１２０】
本発明の第５実施形態による車室内暖房用ヒータ２０１においても、車室内暖房用ヒータ２０１の作動中において、フレームアレスタ５の温度、詳しくはフィン５２の温度を一定のレベルに保ち、フィン５２の温度が過度に上昇しフィン５２による消炎機能が低下することを防止してフレームアレスタ５の消炎機能を安定して維持することが可能な車室内暖房用ヒータ２０１を実現することができる。
【０１２１】
また、フレームアレスタ５に伝達される触媒燃焼部６における触媒燃焼の輻射熱を、混合ガスの予熱に有効に活用することができる。
【０１２２】
以上説明した、本発明の第１〜第３実施形態による燃料電池加熱用ヒータ１および本発明の第４、第５実施形態による車室内暖房用ヒータ２０１においては、燃料として水素ガスを使用しているが、水素ガスに限定する必要はなく、他の種類の気体燃料を用いてもよい。
【０１２３】
その場合、消炎距離は、使用される気体燃料、混合ガスの空気過剰率、混合ガス流速等のパラメータに対応する値に設定すればよい。
【０１２４】
また、以上説明した、本発明の第１〜第３実施形態による燃料電池加熱用ヒータ１および本発明の第４、第５実施形態による車室内暖房用ヒータ２０１は、いずれも燃料電池車両に搭載される機器に適用されているが、本発明の触媒燃焼装置を、燃料電池車両に搭載される機器のみに適用する必要は無く、他の種類の車両に搭載される機器、あるいは各種民生用機器等に適用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１２５】
【図１】本発明の第１実施形態による燃料電池加熱用ヒータ１が組み込まれている燃料電池温調システム１００の構成を説明する模式図である。
【図２】本発明の第１実施形態による燃料電池加熱用ヒータ１の部分断面図である。
【図３】図２中のＩＩＩ矢視図であり、フレームアレスタ５の正面図である。
【図４】本発明の第１実施形態による燃料電池加熱用ヒータ１および燃料電池温調システム１００の電気回路構成を説明する模式図である。
【図５】本発明の第２実施形態による燃料電池加熱用ヒータ１の部分断面図である。
【図６】図５中のＶＩ矢視図であり、フレームアレスタ５の正面図である。
【図７】本発明の第３実施形態によるによる燃料電池加熱用ヒータ１の部分断面図である。
【図８】本発明の第４実施形態による車室内暖房用ヒータ２０１が組み込まれる車室内暖房システム２００の全体構成を説明する模式図
【図９】本発明の第５実施形態による車室内暖房用ヒータ２０１が組み込まれる車室内暖房システム２００の全体構成を説明する模式図
【符号の説明】
【０１２６】
１    燃料電池加熱用ヒータ（触媒燃焼装置）
１１    水素導入通路
１２    水素タンク（燃料供給手段）
１３    流量調整弁
２    送風機（空気供給手段）
３    水素導入部（燃料供給手段）
４    気体混合器（気体混合手段）
５    フレームアレスタ（消炎手段）
５１    チューブ
５２    フィン
５３    タンク
５４    冷却水通路
５５    空気導入通路
５６    空気流出通路
６    触媒燃焼器（触媒燃焼部）
６１    セラミックスハニカム（触媒担体）
７    熱交換器
７１    チューブ
７２    フィン
８    ケーシング
８１    通路
９    制御装置
１００    燃料電池温調システム
１０１    燃料電池
１０２    電解質
１０３    燃料極
１０４    空気極
１０５    空気供給通路
１０６    空気排出通路
１０７    水素供給通路
１０８    オフガス排出通路
１０９    熱交換部
１１０    冷却水通路
１１１    ラジエータ
１１２    電動ポンプ
１１３    バイパス通路
１１４    切り替え弁
１１７    温度センサ
１１８    測温用リード線
１１９    イグニッションスイッチ
１２０    バッテリ
２００    車室内暖房システム
２０１    車室内暖房用ヒータ（触媒燃焼装置）
２０４    電動ポンプ
２０５    ヒータ送出管
２０６    ヒータ戻り管
２０７    ヒータコア
【図１】
2005251431.tif 000003
【図２】
2005251431.tif 000004
【図３】
2005251431.tif 000005
【図４】
2005251431.tif 000006
【図５】
2005251431.tif 000007
【図６】
2005251431.tif 000008
【図７】
2005251431.tif 000009
【図８】
2005251431.tif 000010
【図９】
2005251431.tif 000011