(57)【要約】【課題】  空気供給部の小型化が可能で、且つ熱暴走による触媒の破損を防止可能にする。【解決手段】  燃料と酸素を触媒反応させて高温のガスを発生させる触媒反応部４１、４２と、循環する熱媒体とガスとの間で熱交換させて熱媒体を加熱させる熱交換部５１、５２とを、ガスの流れに沿って交互に且つ直列に複数個配置し、最上流側の触媒反応部４１に供給される燃料と酸素の量を、最上流側の触媒反応部４１で触媒反応させることが可能な量を超える量に設定する。最上流側の触媒反応部４１には過剰な量の燃料と酸素が供給されるため、最上流側の触媒反応部４１では供給される燃料の一部のみが酸素と反応し、残りの燃料と酸素は未反応ガスとしてを通過する。そして、その反応熱は、未反応ガスの昇温のエネルギーとして消費されるため、最上流側の触媒反応部４１での反応温度は低い反応温度になる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料と酸素を触媒反応させて高温のガスを発生させる触媒反応部（４１、４２、８２）と、循環する熱媒体と前記ガスとの間で熱交換させて前記熱媒体を加熱させる熱交換部（５１、５２、８３）とが、前記ガスの流れに沿って交互に且つ直列に複数個配置され、
最上流側の前記触媒反応部に供給される燃料と酸素の量が、最上流側の前記触媒反応部で触媒反応させることが可能な量を超える量に設定されていることを特徴とする触媒反応ヒータ。
【請求項２】
燃料と酸素を触媒反応させて高温のガスを発生させる触媒反応部（４１、４２、８２）と、前記ガスと熱媒体との間で熱交換させて前記熱媒体を加熱させる熱交換部（５１、５２、８３）とが、前記ガスの流れに沿って交互に且つ直列に複数個配置され、
前記燃料は各触媒反応部毎に分割して供給され、
供給される全ての酸素は最上流側の前記触媒反応部に導入されることを特徴とする触媒反応ヒータ。
【請求項３】
燃料と酸素を触媒反応させて高温のガスを発生させる触媒反応部（４１、４２、８２）と、前記ガスと熱媒体との間で熱交換させて前記熱媒体を加熱させる熱交換部（５１、５２、８３）とが、前記ガスの流れに沿って交互に且つ直列に複数個配置され、
前記酸素は各触媒反応部毎に分割して供給され、
供給される全ての燃料は最上流側の前記触媒反応部に導入されることを特徴とする触媒反応ヒータ。
【請求項４】
１つのケース内に１つの前記触媒反応部（８２）と１つの前記熱交換部（８３）とを直列に配置したものを１つのユニット（８０）とし、そのユニットを複数個連結させたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の触媒反応ヒータ。
【請求項５】
前記熱交換部（５１）の下流側に、前記ガスの温度を検出する温度センサ（７１）が設置され、
前記ガスの温度が設定温度以下になるように、前記酸素の供給量および前記熱媒体の循環量の少なくとも一方が調整されることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の触媒反応ヒータ。
【請求項６】
前記触媒反応部（４１、４２、８２）に供給される燃料と酸素の量は、最下流側の前記触媒反応部で全ての燃料を触媒反応させることが可能な量に設定されていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の触媒反応ヒータ。
【請求項７】
前記燃料が水素であることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１つに記載の触媒反応ヒータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、触媒反応により得られる熱を利用して熱媒体を加熱する触媒反応ヒータに関する。
【背景技術】
【０００２】
触媒反応ヒータは、触媒反応部の反応温度を所定の温度（例えば、触媒の耐熱温度）以下に制御する必要がある。触媒反応部の反応温度は、空気過剰率（理論的に完全燃焼に必要な空気量と、実際に供給した空気量の比率）が１に近い値のときに最も高くなるため、空気過剰率を制御して触媒反応部の反応温度を制御する方法がある。
【０００３】
また、反応系の温度を制御するために、触媒反応部を複数個の別個の部分に分割し、且つ各々の後続の部分に熱を供給しかつ熱を排出するために分割した触媒反応部の間に熱交換器を組み込んだものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平３−１８１３３８号公報
【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、前者の空気過剰率制御による方法においては、反応温度を低温にするためには空気過剰率を１以上に上げる必要があり、空気供給部が大型化するという問題があった。
【０００５】
一方、後者の触媒反応ヒータでは、最上流側の触媒反応部では温度制御ができないため、最上流側の触媒反応部での反応量が大きくなりすぎた場合、熱暴走して触媒が破損する恐れがあった。
【０００６】
本発明は、上記点に鑑み、空気供給部の小型化が可能で、且つ熱暴走による触媒の破損を防止可能にすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、燃料と酸素を触媒反応させて高温のガスを発生させる触媒反応部（４１、４２、８２）と、循環する熱媒体と前記ガスとの間で熱交換させて前記熱媒体を加熱させる熱交換部（５１、５２、８３）とが、前記ガスの流れに沿って交互に且つ直列に複数個配置され、最上流側の前記触媒反応部に供給される燃料と酸素の量が、最上流側の前記触媒反応部で触媒反応させることが可能な量を超える量に設定されていることを特徴とする。
【０００８】
これによると、最上流側の触媒反応部には過剰な量の燃料と酸素が供給されるため、最上流側の触媒反応部では供給される燃料の一部のみが酸素と反応し、残りの燃料と酸素は未反応ガスとして最上流側の触媒反応部を通過する。そして、最上流側の触媒反応部での反応熱は、未反応ガスの昇温のエネルギーとして消費されるため、最上流側の触媒反応部での反応温度は、最上流側の触媒反応部にて全ての燃料が反応する場合の理論燃焼温度より低い反応温度になる。
【０００９】
また、最上流側の触媒反応部を通過した全てのガスは、熱交換部で冷却された後に、下流側の触媒反応部に導入される。そして、下流側の触媒反応部での反応熱は、冷却されたガスの昇温のエネルギーとして消費されるため、下流側の触媒反応部での反応温度は低い反応温度になる。
【００１０】
したがって、最上流側の触媒反応部に供給される酸素の量を理論空燃費に近い量としても、各触媒反応部での反応温度の上昇幅を少なくすることができるため、すなわち、反応温度を低温にするために空気過剰率を１以上に上げる必要がないため、空気供給部の小型化が可能である。また、各触媒反応部の反応温度を所定の温度以下にすることができるため、熱暴走による触媒の破損を防止することができる。
【００１１】
請求項２に記載の発明では、燃料と酸素を触媒反応させて高温のガスを発生させる触媒反応部（４１、４２、８２）と、前記ガスと熱媒体との間で熱交換させて前記熱媒体を加熱させる熱交換部（５１、５２、８３）とが、前記ガスの流れに沿って交互に且つ直列に複数個配置され、前記燃料は各触媒反応部毎に分割して供給され、供給される全ての酸素は最上流側の前記触媒反応部に導入されることを特徴とする。
【００１２】
これによると、燃料を各触媒反応部に分割供給しているため、最上流側の触媒反応部に供給される酸素の量を理論空燃費に近い量としても、各触媒反応部での空気過剰率を１よりも大きくすることができ、各触媒反応部での反応量を下げて反応温度を所定の温度以下にすることができる。したがって、空気供給部の小型化が可能であるとともに、熱暴走による触媒の破損を防止することができる。
【００１３】
請求項３に記載の発明によると、燃料と酸素を触媒反応させて高温のガスを発生させる触媒反応部（４１、４２、８２）と、前記ガスと熱媒体との間で熱交換させて前記熱媒体を加熱させる熱交換部（５１、５２、８３）とが、前記ガスの流れに沿って交互に且つ直列に複数個配置され、前記酸素は各触媒反応部毎に分割して供給され、供給される全ての燃料は最上流側の前記触媒反応部に導入されることを特徴とする。
【００１４】
これによると、酸素を各触媒反応部に分割供給しているため、各触媒反応部での空気過剰率を１よりも小さくして反応量を制限することができ、かつ反応熱を未反応燃料に放熱させることができ、各触媒反応部の反応温度を所定の温度以下にすることができる。したがって、空気供給部の小型化が可能であるとともに、熱暴走による触媒の破損を防止することができる。
【００１５】
請求項４に記載の発明によると、１つのケース内に１つの前記触媒反応部（８２）と１つの前記熱交換部（８３）とを直列に配置したものを１つのユニット（８０）とし、そのユニットを複数個連結させたことを特徴とする。これによると、製作時の組付けが容易であり、また、反応量を変化させたいときにはユニット数を変更するだけで容易に対応することができる。
【００１６】
請求項５に記載の発明によると、前記熱交換部（５１）の下流側に、前記ガスの温度を検出する温度センサ（７１）が設置され、前記ガスの温度が設定温度以下になるように、前記酸素の供給量および前記熱媒体の循環量の少なくとも一方が調整されることを特徴とする。これによると、ガスの温度の調整により、各触媒反応部の反応温度を所定の温度以下に確実にすることができる。
【００１７】
請求項６に記載の発明によると、前記触媒反応部（４１、４２、８２）に供給される燃料と酸素の量は、最下流側の前記触媒反応部で全ての燃料を触媒反応させることが可能な量に設定されていることを特徴とする。これによると、最下流側の触媒反応部で未反応燃料を全て反応させて、ヒータ外に未反応燃料が排出されるのを防止することができる。
【００１８】
請求項７に記載の発明によると、前記燃料が水素であることを特徴とする。これによると、水素は反応性が高いため、より低温で自立反応による暖機が行うことができる。また、触媒反応ヒータを、水素を燃料とする例えば燃料電池システムの暖機用熱源等として好適に用いることができる。
【００１９】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について図１に基づいて説明する。図１は、本実施形態の触媒反応ヒータの全体構成を示す模式的な図である。
【００２１】
図１において、ケース１０内にはガスが通過するガス通路が形成され、ガス通路の最上流部は燃料と空気とを混合させるガス混合部１１となっている。このガス混合部１１には、燃料供給部２０から燃料が供給されるとともに、空気供給部３０から空気が供給される。なお、本実施形態では、燃料として、反応性に優れた水素を用いている。
【００２２】
ガス通路には、燃料と空気（酸素）との混合ガスを触媒反応させて高温のガスを発生する触媒反応部４１、４２が２つ設けられるとともに、触媒反応部４１、４２にて発生した高温ガスと熱媒体との間で熱交換を行う熱交換部５１、５２が２つ設けられている。両触媒反応部４１、４２と両熱交換部５１、５２は、ガスの流れに沿って交互に且つ直列に配置されている。より詳細には、ガス混合部１１の下流側に第１触媒反応部４１が配置され、以下、ガスの流れに沿って順に、第１熱交換部５１、第２触媒反応部４２、第２熱交換部５２が配置されている。
【００２３】
第１触媒反応部４１および第２触媒反応部４２は、混合ガスが通過する多数の通気孔を有しており、セラミックスのモノリスを担体として、低温においても反応活性に優れるＰｔ（白金）あるいはＰｄ（バラジウム）に代表される貴金属類や金属酸化物が酸化触媒として担持されている。
【００２４】
第１熱交換部５１および第２熱交換部５２は、積層した多数のチューブ間にフィンを配置したフィンチューブ型熱交換器を用いており、チューブ間を混合ガスが通過し、チューブ内を熱媒体としての冷却水が通過するようになっている。
【００２５】
第１熱交換部５１および第２熱交換部５２には冷却水経路６０が接続されており、この冷却水経路６０には、冷却水を循環させるための循環ポンプ６１と、加熱された冷却水により暖機される被加熱体としての燃料電池６２が設けられている。なお、燃料電池６２は、水素と酸素との化学反応により電気エネルギを発生させるものである。
【００２６】
触媒反応ヒータには、各種制御を行う制御部７０が設けられている。制御部７０は、燃料供給部２０、空気供給部３０、および循環ポンプ６１に制御信号を出力するように構成されている。
【００２７】
次に、上記構成になる触媒反応ヒータの作動を説明する。まず、触媒反応ヒータの起動時には、制御部７０からの制御信号に基づいて、燃料供給部２０、空気供給部３０および循環ポンプ６１が作動を開始する。
【００２８】
燃料供給部２０および空気供給部３０から燃料および空気がガス混合部１１に供給され、水素と空気はガス混合部１１にて混合される。ガス混合部１１にて混合された混合ガスは、第１触媒反応部４１において触媒反応を生じて高温のガスとなる。
【００２９】
このとき、ガス混合部１１に供給される燃料と空気の合計量は、第１触媒反応部４１で触媒反応させることが可能な量を超える量に設定されている。換言すると、空間速度（以下、ＳＶという）は、第１触媒反応部４１では燃焼反応が完結し得ないような高い値になっている。
【００３０】
このように、高ＳＶにした場合、第１触媒反応部４１では燃料の一部のみが酸素と反応し、残りの燃料と酸素は未反応ガスとして第１触媒反応部４１を通過する。そして、第１触媒反応部４１での反応熱は、未反応ガスの昇温のエネルギーとして消費されるため、第１触媒反応部４１での反応温度は、第１触媒反応部４１にて全ての燃料が反応する場合の理論燃焼温度より低い反応温度になる。したがって、ＳＶを適宜に設定することにより、第１触媒反応部４１の反応温度を所定の温度（例えば、触媒の耐熱温度）以下にすることができる。
【００３１】
第１触媒反応部４１を通過した全てのガス（未反応ガスおよび既反応ガス）は、第１熱交換部５１に流入して冷却水との間で熱交換して冷却された後、第２触媒反応部４２に流入する。
【００３２】
第２触媒反応部４２では、未反応ガスが反応して高温のガスを発生させる。そして、第２触媒反応部４２での反応熱は、第１熱交換部５１で冷却された既反応ガスの昇温のエネルギーとして消費されるため、第２触媒反応部４２での反応温度は低い反応温度になる。したがって、ＳＶを適宜に設定することにより、第２触媒反応部４２の反応温度を所定の温度以下にすることができる。なお、ガス混合部１１に供給される燃料と空気の合計量は、第２触媒反応部４２で触媒反応させた時点で全ての燃料の反応が完結する量に設定されている。
【００３３】
第２触媒反応部４２を通過した全てのガス（既反応ガス）は、第２熱交換部５２に流入して冷却水との間で熱交換して冷却された後、外部に排出される。一方、ガスと熱交換して高温になった冷却水は、循環ポンプ６１により冷却水経路６０を循環し、燃料電池７０を加熱（暖機）する。
【００３４】
上記した本実施形態では、第１触媒反応部４１に供給される空気の量を理論空燃費に近い量としても、各触媒反応部４１、４２での反応温度の上昇幅を少なくすることができるため、すなわち、反応温度を低温にするために空気過剰率を１以上に上げる必要がないため、空気供給部３０の小型化が可能である。また、各触媒反応部４１、４２の反応温度を所定の温度以下にすることができるため、熱暴走による触媒の破損を防止することができる。
【００３５】
また、本実施形態では、ガス混合部１１に供給される燃料と空気の合計量は、第２触媒反応部４２で触媒反応させた時点で全ての燃料の反応が完結する量に設定されているため、ヒータ外に未反応燃料が排出されるのを防止することができる。
【００３６】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図２に基づいて説明する。本実施形態は、温度センサ７１を設けた点が第１実施形態と異なっている。なお、図２は本実施形態の触媒反応ヒータの全体構成を示す模式的な図であり、第１実施形態と同一もしくは均等部分には同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００３７】
図２において、温度センサ７１は、第１熱交換部５１の下流側で、且つ第２触媒反応部４２の上流側に配置されるとともに、制御部７０に接続されている。そして、この温度センサ７１は、第１熱交換部５１を通過したガスの温度に応じた電気信号を制御部７０に出力するようになっている。
【００３８】
上記構成において、制御部７０は、温度センサ７１からの信号に基づいて、第１熱交換部５１を通過したガスの温度が設定温度以上か否かを判定し、その判定結果に基づいて、第１熱交換部５１を通過したガスの温度が設定温度になるように、循環ポンプ６１の作動を制御して冷却水経路６０を流れる冷却水量を制御する。これにより、第２触媒反応部４２に流入するガスの温度を安定させて、第２触媒反応部４２の反応温度を所定の温度以下に確実にすることができる。
【００３９】
ところで、第１触媒反応部４１での反応熱は未反応ガスの昇温のエネルギーとして消費されるため、第１触媒反応部４１に供給される空気の量を増減することにより、未反応ガスの昇温エネルギーの消費量が増減して、第１触媒反応部４１を通過するガスの温度、ひいては第１熱交換部５１を通過するガスの温度が変化する。したがって、第１熱交換部５１を通過したガスの温度に基づいて、第１触媒反応部４１に供給される空気の量を制御しても、本実施形態と同様の効果が得られる。また、第１熱交換部５１を通過したガスの温度に基づいて、第１触媒反応部４１に供給される空気の量および冷却水経路６０を流れる冷却水量をともに制御しても、本実施形態と同様の効果が得られる。
【００４０】
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について図３および図４に基づいて説明する。本実施形態は、１つの触媒反応部と１つの熱交換部温度とを直列に配置したものを１つのユニットにしたものである。図３は本実施形態の触媒反応ヒータの全体構成を示す模式的な図、図４は図３のユニットを単体で示す模式的な図である。なお、第１実施形態と同一もしくは均等部分には同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００４１】
図４に示すように、１つのケース８１内に１つの触媒反応部８２と１つの熱交換部８３とが直列に配置されて、１つのユニット８０が構成されている。そして、図３に示すように、このユニット８０が複数個（本例では３個）直列に連結され、それらのユニット８０の外周に冷却水経路（ウォータージャケット）６０が設けられている。これによると、製作時の組付けが容易であり、また、反応量を変化させたいときにはユニット数を変更するだけで容易に対応することができる。
【００４２】
（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態について図５に基づいて説明する。本実施形態は、燃料を各触媒反応部毎に分割して供給するようにしたものである。図５は本実施形態の触媒反応ヒータの全体構成を示す模式的な図である。なお、第１実施形態と同一もしくは均等部分には同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００４３】
図５に示すように、燃料供給部２０からの燃料を導く燃料供給経路は分岐されていて、第１出口２１が第１触媒反応部４１の上流側に開口され、第２出口２２が第１熱交換部５１の下流側で且つ第２触媒反応部４２の上流側に開口されている。
【００４４】
上記構成において、燃料供給部２０からの燃料は、各触媒反応部４１、４２毎に分割して供給される。一方、空気供給部３０からの全ての空気は、ガス混合部１１に供給され、第１触媒反応部４１に導入される。ここで、空気供給部３０から供給される全空気量は、燃料供給部２０から供給される全燃料量に対して、理論空燃費になるように設定されている。
【００４５】
このように、燃料を各触媒反応部４１、４２毎に分割供給することで、第１触媒反応部４１での反応量を制限することができる。つまり、第１触媒反応部４１では空気過剰率を１より大きくすることで、第１触媒反応部４１でのＳＶを高くすることなく反応量を下げて、その反応温度を所定の温度以下にすることができる。そして、第２触媒反応部４２には全てのガスを通過させて、未反応燃料の流出を防ぐ。
【００４６】
（第５実施形態）
次に、本発明の第５実施形態について図６に基づいて説明する。本実施形態は、空気を各触媒反応部毎に分割して供給するようにしたものである。図５は本実施形態の触媒反応ヒータの全体構成を示す模式的な図である。なお、第１実施形態と同一もしくは均等部分には同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００４７】
図６に示すように、本実施形態の触媒反応ヒータは、ガス混合部１１に一端が開口し、第１熱交換部５１の下流側で且つ第２触媒反応部４２の上流側に他端が開口するバイパス空気経路３１が設けられている。
【００４８】
上記構成において、空気供給部３０からガス混合部１１に供給された空気は第１触媒反応部４１に導入されるとともに、ガス混合部１１に供給された空気の一部は、バイパス空気経路３１により、第１触媒反応部４１および第１熱交換部５１をバイパスして、第２触媒反応部４２に導かれる。ここで、空気供給部３０から供給される全空気量は、燃料供給部２０から供給される全燃料量に対して、理論空燃費になるように設定されている。
【００４９】
このように、空気を各触媒反応部４１、４２毎に分割供給することで、第１触媒反応部４１での空気過剰率を１より小さくして反応量を制限し、かつその反応熱を未反応水素に放熱させることで、第１触媒反応部４１での反応温度を所定の温度以下にすることができる。そして、第２触媒反応部４２には全てのガスを通過させて、未反応燃料の流出を防ぐ。
【００５０】
（他の実施形態）
なお、上記実施形態では、触媒反応部および熱交換部をともに２つまたは３つ用いたが、触媒反応部および熱交換部を４つ以上にするとともに、それらをガスの流れに沿って交互に且つ直列に配置してもよい。
【００５１】
また、第１熱交換部５１の伝熱面積を大きくすることにより、第２触媒反応部４２に流入するガスの温度をさらに低くすることができる。これにより、第２触媒反応部４２での反応温度を所定の温度以下にするにあたって、第２触媒反応部４２での温度上昇幅を大きく設定することができる。つまり、２段目以降の触媒反応部での反応量を大きく設定できるので、触媒反応部の設置数を低減することができる。
【００５２】
また、冷却水経路６０を流れる冷却水量を増加することにより、第２触媒反応部４２に流入するガスの温度をさらに低くすることができる。これにより、第２触媒反応部４２での反応温度を所定の温度以下にするにあたって、第２触媒反応部４２での温度上昇幅を大きく設定することができる。
【００５３】
また、冷却水経路６０を流れる冷却水量を制御することにより、第２触媒反応部４２に流入するガスの温度を制御することができる。そこで、触媒の劣化等で反応量が下がった場合に冷却水量を減少させることにより、第２触媒反応部４２の温度が下がりすぎるのを防止して、第２触媒反応部４２を活性温度に保持することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】第１実施形態の触媒反応ヒータの全体構成を示す模式的な図である。
【図２】第２実施形態の触媒反応ヒータの全体構成を示す模式的な図である。
【図３】実３施形態の触媒反応ヒータの全体構成を示す模式的な図である。
【図４】図３のユニットを単体で示す模式的な図である。
【図５】第４実施形態の触媒反応ヒータの全体構成を示す模式的な図である。
【図６】第５実施形態の触媒反応ヒータの全体構成を示す模式的な図である。
【符号の説明】
【００５５】
４１、４２、８２…触媒反応部、５１、５２、８３…熱交換部。
【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】
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