(57)【要約】【課題】  燃焼器でのアノードオフガスの燃焼処理を促進させ、燃焼器外部への未燃の水素排出量を低減させる。【解決手段】  燃料電池１から、アノードオフガス配管１７を経て排出されるアノードオフガスおよび、カソードオフガス配管１１を経て排出されるカソードオフガスを、触媒燃焼器２５に供給して触媒２９にて燃焼させる。さらに、触媒燃焼器２５には、燃料電池１を収容するケース７内に燃料電池１から透過する水素を、空気供給配管９からケース７内に供給した換気用空気により希釈したガスを供給する。触媒燃焼器２５は、触媒２９の上流側を隔壁板３５によって上部流路３７と下部流路３９とに分割し、この分割した各流路３７，３９より上流側のガス流路３３にカソードオフガスを供給する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池のアノード極から排出されるアノードオフガスを、前記燃料電池のカソード極から排出されるカソードオフガスと混合して燃焼処理する触媒燃焼器において、内部のガス流路が水平となるハウジング内に触媒を収容し、この触媒の直上流の、前記アノードオフガスおよび前記カソードオフガスが流れる前記ガス流路を、鉛直方向に沿って複数の流路に分割したことを特徴とする触媒燃焼器。
【請求項２】
前記複数の流路のうちの少なくとも一つに温度検出手段を設けたことを特徴とする請求項１に記載の触媒燃焼器。
【請求項３】
前記複数の流路のうち鉛直方向上部に位置する流路に、前記アノードオフガスを供給することを特徴とする請求項１または２に記載の触媒燃焼器。
【請求項４】
前記燃料電池をケース内に収容し、前記複数の流路のうち鉛直方向上部に位置する流路に、前記ケース内に供給する換気用空気の排出空気を供給することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の触媒燃焼器。
【請求項５】
前記複数の流路のうち鉛直方向上部に位置する流路は、上流側の端部が閉塞されていることを特徴とする請求項４に記載の触媒燃焼器。
【請求項６】
前記複数の流路のうち鉛直方向上部に位置する流路に、前記触媒とは別の触媒を設けたことを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の触媒燃焼器。
【請求項７】
前記燃料電池を車両に搭載し、前記触媒を収容する前記ハウジングを、その内部の前記ガス流路が車両進行方向と交差する方向に延びるよう前記車両に設置し、前記複数の流路のうち鉛直方向上部に位置する流路を、前記ハウジング内にて車両前方側に配置したことを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の触媒燃焼器。
【請求項８】
前記ハウジング内のガス流路を、供給するガスの特性に応じて三つの流路に分割したことを特徴とする請求項１ないし５，７のいずれか１項に記載の触媒燃焼器。
【請求項９】
前記三つの流路のうちの少なくとも一つに、前記触媒とは別の触媒を設けたことを特徴とする請求項８に記載の触媒燃焼器。
【請求項１０】
前記三つの流路のうちの上部に位置する一つに、前記アノードオフガスを供給し、他の上部に位置する一つに、前記燃料電池を収容するケース内に供給する換気用空気の排出空気を供給することを特徴とする請求項８または９に記載の触媒燃焼器。
【請求項１１】
前記換気用空気の排出空気を供給する流路は、上流側の端部が閉塞されていることを特徴とする請求項１０に記載の触媒燃焼器。
【請求項１２】
前記流路の上流側の端部を閉塞する閉塞体を、開閉可能としたことを特徴とする請求項５または１１に記載の触媒燃焼器。
【請求項１３】
前記触媒は、複数のセルを備えた触媒担体に貴金属をウォッシュコート液に分散させた物を担持させた構成であり、前記鉛直方向上部に位置する流路に対応して配置した前記触媒における前記貴金属の体積密度を、前記鉛直方向下部に位置する流路に対応して配置した前記触媒における前記貴金属の体積密度より低くしたことを特徴とする請求項１ないし１２のいずれか１項に記載の触媒燃焼器。
【請求項１４】
前記触媒は、複数のセルを備えた触媒担体に貴金属をウォッシュコート液に分散させた物を担持させた構成であり、前記鉛直方向上部に位置する流路に対応して配置した前記触媒における前記ウォッシュコートの体積密度を、前記鉛直方向下部に位置する流路に対応して配置した前記触媒における前記ウォッシュコートの体積密度より高くしたことを特徴とする請求項１ないし１３のいずれか１項に記載の触媒燃焼器。
【請求項１５】
前記触媒は、複数のセルを備えた触媒担体に貴金属をウォッシュコート液に分散させた物を担持させた構成であり、前記鉛直方向上部に位置する流路に対応して配置した前記触媒における前記ウォッシュコートの体積密度に対する前記貴金属の体積密度の比率を、前記鉛直方向下部に位置する流路に対応して配置した前記触媒における前記ウォッシュコートの体積密度に対する前記貴金属の体積密度の比率より低くしたことを特徴とする請求項１ないし１４のいずれか１項に記載の触媒燃焼器。
【請求項１６】
前記触媒は、複数のセルを備えた触媒担体に貴金属をウォッシュコート液に分散させた物を担持させた構成であり、前記鉛直方向上部に位置する流路に対応して配置した前記触媒における前記触媒担体のセル密度を、前記鉛直方向下部に位置する流路に対応して配置した前記触媒における前記触媒担体のセル密度より高くしたことを特徴とする請求項１ないし１５のいずれか１項に記載の触媒燃焼器。
【請求項１７】
前記触媒は、複数のセルを備えた触媒担体に貴金属をウォッシュコート液に分散させた物を担持させた構成であり、前記鉛直方向上部に位置する流路に対応して配置した前記触媒における前記ウォッシュコートの表面積比率を、前記鉛直方向下部に位置する流路に対応して配置した前記触媒における前記ウォッシュコートの表面積比率より高くしたことを特徴とする請求項１ないし１６のいずれか１項に記載の触媒燃焼器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池のアノード極から排出されるアノードオフガスを、燃料電池のカソード極から排出されるカソードオフガスと混合して燃焼処理する触媒燃焼器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば下記特許文献１には、燃焼器に設けた触媒に対し、燃料電池のカソード極から排出されるカソードオフガスをバイパスするバイパス流路を設けることで、触媒の温度低下を防止し、カソードオフガス中の水分が凝縮して触媒に付着するのを防止する点が記載されている。
【特許文献１】特開２００４−９５２５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記した従来の燃焼器では、燃料電池のアノード極内部をパージする時に、多量の凝縮水がカソードオフガスに伴って供給された場合には、バイパス流路があっても、触媒が水分の影響を受けて燃焼性能が低下し、アノードオフガスに含まれる水素を未燃のまま燃焼器外部に排出する恐れがある。
【０００４】
また、アノード極からカソード極へ水素が透過する、いわゆるクロスオーバ水素が発生した場合、このクロスオーバ水素が燃焼器を通らずにバイパス流路を通ってしまい、カソードオフガス中に流れ込むクロスオーバ水素を未燃のまま燃焼器外部へ排出する恐れがある。
【０００５】
そこで、本発明は、燃焼器でのアノードオフガスの燃焼処理を促進させ、燃焼器外部への未燃の水素排出量を低減させることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、燃料電池のアノード極から排出されるアノードオフガスを、前記燃料電池のカソード極から排出されるカソードオフガスと混合して燃焼処理する触媒燃焼器において、内部のガス流路が水平となるハウジング内に触媒を収容し、この触媒の直上流の、前記アノードオフガスおよび前記カソードオフガスが流れる前記ガス流路を、鉛直方向に沿って複数の流路に分割したことを最も主要な特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、アノードオフガスとカソードオフガスとの混合ガス中に含まれる水分は、重力により鉛直方向下部に位置する流路に主に流入し、同上部の流路には流入しにくくなるので、この上部に位置する流路の下流に対応する部分の触媒は、水分が少ないカソードオフガスによって効率よく燃焼し、この燃焼部を基点として触媒全体での燃焼処理を促進させることができ、燃焼器外部への未燃の燃料排出量を低減させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
【０００９】
［燃料電池システム全体の構成］
まず、燃料電池システム全体の構成について、図１に示す燃料電池システムの概略構成図に基づき説明する。
【００１０】
燃料電池１は、カソード極３とアノード極５をそれぞれ備えてケース７内に収容している。カソード極３には、空気供給配管９およびカソードオフガス配管１１をそれぞれ接続し、これら各配管９，１１の途中には加湿器１３を設置する。また、加湿器１３の上流側の空気供給配管９とケース７内とは、換気空気供給配管１４で接続する。
【００１１】
一方、アノード極５には、水素供給配管１５およびアノードオフガス配管１７をそれぞれ接続する。また、アノードオフガス配管１７と水素供給配管１５とを水素循環配管１９で接続し、水素循環配管１９とアノードオフガス配管１７との接続部には水素循環ポンプ２１を設置する。水素循環ポンプ２１より下流のアノードオフガス配管１７にはアノードパージ弁２３を設置する。なお、アノードオフガスを循環させる水素循環ポンプ２１に代えて、エゼクタなどその他公知のものを用いることが可能である。
【００１２】
そして、前記したカソードオフガス配管１１およびアノードオフガス配管１７を触媒燃焼器２５に接続する。また、触媒燃焼器２５には、ケース７内に一端を接続した換気空気排出配管２６の他端を接続する。
【００１３】
触媒燃焼器２５はハウジング２７を有し、このハウジング２７の一方の端部付近に、前記したカソードオフガス配管１１，アノードオフガス配管１７および換気空気排出配管２６をそれぞれ接続し、この各接続部より下流側のハウジング２７内に燃焼用の触媒２９を設置する。
【００１４】
触媒２９は、例えば、セラミックス素材からなるウォッシュコート液に白金などの貴金属を分散させた物を、セラミックスまたは金属からなる触媒担体に担持させた構成とする。触媒担体は多数のセルを備えたハニカム構造とする。そして、この触媒２９より下流側のハウジング２７の端部には、触媒２９で発生した燃焼ガスを外部に排出する排気管３１を接続する。
【００１５】
なお、ハウジング２７内における触媒２９の直上流のガス流路３３は、後述する隔壁３５により鉛直方向に沿って二つの流路３７，３９に分割している。
【００１６】
上記した構成において、例えば図示しない従来公知の空気供給機器であるコンプレッサによって、空気供給配管９を通して外部空気を供給し、その供給する外部空気は、加湿器１３において、カソードオフガス配管１１を流れるカソードオフガス中の水分の一部を用いて加湿される。
【００１７】
燃料電池１のカソード極３に供給した加湿後の空気は、発電に用いた後にカソードオフガスとしてカソード極３より排出される。排出されたカソードオフガスは、カソードオフガス配管１１を通り、途中で加湿器１３によって水分の一部が前記した外部空気に奪われた後に、触媒燃焼器２５へと供給される。
【００１８】
一方、燃料を水素とした場合、水素は、図示を省略する水素供給源より水素供給配管１５を通り燃料電池１のアノード極５に供給される。この他、炭化水素を燃料とした場合には、改質器により生成した水素リッチな改質ガスを供給するシステムより、同様にこの改質ガスが水素供給配管１５を通り燃料電池１のアノード極５に供給される。
【００１９】
燃料電池１において発電に使用されなかった燃料ガスは、アノードオフガス配管１７から水素循環ポンプ２１を経て水素循環配管１９を通り、水素供給配管１５へと循環し、アノードインガスとしてアノード極５へ再度供給される。または、この燃料電池１で発電に使用されなかった燃料ガスは、アノードオフガスとしてアノードパージ弁２３より排出され、それより下流のアノードオフガス配管１７を通り触媒燃焼器２５に供給される。
【００２０】
そして、この触媒燃焼器２５に供給されたアノードオフガスと、同様にして触媒燃焼器２５に供給された前述のカソードオフガスとが、ハウジング２７内で混合して触媒２９に達し、アノードオフガス燃焼用の酸化剤として酸素が消費された燃焼後に、燃焼ガスとして排気管３１を経てシステム外に排出される。
【００２１】
また、加湿器１３の上流の空気供給配管９に供給された空気の一部が、換気空気供給配管１４を経て燃料電池１の外部のケース７内に換気用空気として供給される。この換気用空気は、燃料電池１からの透過水素を希釈した後、換気空気排出配管２６を経て触媒燃焼器２７に供給され、微量に含む水素を前記と同様にして触媒２９にて燃焼処理する。
【００２２】
ところで燃料電池１は、アノード極５の水素とカソード極３の酸素を用いて電気化学的反応を用いて発電を行なう。この発電運転により水素と酸素が反応し、水／水蒸気がカソード極３内にて生成される。しかし、カソード極３にて生成される水分および、カソード極３に供給される空気に含まれる窒素成分は、極間分圧差により、アノード極５側へと時間の経過とともに拡散する。アノード極５に水分や窒素ガスが溜まると、アノード極５内の水素分圧低下やアノード極５側の膜が水分で覆われるなどして発電効率が低下する。
【００２３】
このようにして発電効率が低下するのを防止する方法として、水素分圧が低下してきたらアノードパージ弁２３を開き、そこから不純物ガスなどを排出する。このときに不純物ガスと一緒に未使用の水素も排出されるので、それを触媒燃焼器２５にて燃焼処理の上排出する。
【００２４】
アノードパージ弁２３の開閉は、燃料電池システムの運転状態に応じて制御する。制御の方法としては、断続的に開いたり閉じたりする断続パージや、常にアノードパージ弁２３を開いているがその開度を制御し、単位時間あたりのパージ排出量を制御する連続パージがある。本実施形態における触媒燃焼器２５によれば、後述するように効果的な燃焼が可能であり、どちらのパージ方法にも対応可能である。
【００２５】
［触媒燃焼器の第１の実施形態］
次に、触媒燃焼器の構成について詳細に説明する。
【００２６】
図２は、触媒燃焼器２５の第１の実施形態を示す概略的な側面断面図、図３（ａ）は、図２のＡ−Ａ断面図である。
【００２７】
図２に示す触媒燃焼器２５は、そのハウジング２７が、図３（ａ）に示すように円筒形状を呈し、触媒２９の直上流の、アノードオフガスおよびカソードオフガスが流れるガス流路３３を、図２中で上下方向に対応する鉛直方向の中間部に設けた水平の隔壁板３５により、上部流路３７と下部流路３９との二つの流路に分割している。
【００２８】
なお、図３（ｂ）に示すように、ハウジング２７内の上部に、ハウジング２７より小径のパイプ４０を設置し、これによりハウジング２７内のガス流路３３を、鉛直方向に二つに分割して、上部流路３７および下部流路３９を形成してもよい。
【００２９】
隔壁板３５は、図２中で右側の一方の端部が触媒２９にほぼ接触し、同左側の他方の端部はハウジング２７の長手方向ほぼ中央に位置している。
【００３０】
触媒燃焼器２５の上流側端部付近には、前記図１に示したように、カソードオフガス配管１１およびアノードオフガス配管１７をそれぞれ接続するが、ここでは、カソードオフガス配管１１をハウジング２７の端面に接続し、ハウジング２７内にカソードオフガス導入口４１を開口させている。
【００３１】
一方、アノードオフガス配管１７はハウジング２７の側面に接続し、そのアノードオフガス導入口４３を、ハウジング２７内に挿入しかつカソードオフガス導入口４１の下流側近傍に配置する。このアノードオフガス導入口４３は、アノードオフガスを内部に噴出させる燃料噴出パイプ形状とし、例えば先端に穴の空いている直径１／４インチ程度のステンレスパイプとし、そのパイプ端面にアノードオフガスを噴出する燃料噴出孔を設ける。この燃料噴出孔は、パイプ端面の中心に一つあるいは、複数設ける。
【００３２】
上記した隔壁板３５より上流側のガス流路３３に、酸化剤である酸素を含むカソードオフガスと噴出するアノードオフガスとを混合させるガス混合部４５を設け、ガス混合部４５で混合した混合ガスがその下流の触媒２９にて燃焼する。ガス混合部４５は、単に空間を形成するだけでもよいが、スワラや複数枚の多孔板など従来公知のガス混合技術を用いることが可能である。
【００３３】
なお、換気空気排出配管２６については、ここでは省略している。
【００３４】
上記図２の触媒燃焼器２５において、カソードオフガス配管１１からハウジング２７内に導入されたカソードオフガスと、アノードオフガス配管１７からハウジング２７内に導入されたアノードオフガスとが、隔壁板３５の上流側のガス混合部４５で混合し、混合ガスはその下流の二つに分割した上部流路３７および下部流路３９に分流する。
【００３５】
この際、混合ガスには水分が含まれているが、その水分は、重力によって下方を流れ、下部流路３９に主として流入し、上部流路３７には水分の少ない乾いた混合ガスが流入する。
【００３６】
このため、触媒２９の上部流路３７に対応する部位２９ａには、水分が付着しにくく、したがって、この部位２９ａにおいては効率よく着火燃焼する。部位２９ａでの着火燃焼後は、その燃焼熱によって触媒２９が全体的に暖まり、水分が多く流入する下部流路３９に対応する部位２９ｂにおいても、温度上昇して確実に着火する。触媒２９にて燃焼後の燃焼ガスは、排気管３１から燃焼器外部に排出される。
【００３７】
このように、触媒２９では、上部流路３７に対応する部位２９ａを基点として、アノードオフガスを効率よく燃焼させるので、燃料電池１のアノード極内部をパージする時に、多量の凝縮水がカソードオフガスに伴って供給された場合であっても、またアノード極５からカソード極３へ水素が透過する、いわゆるクロスオーバ水素が発生した場合であっても、未燃水素の燃焼器外部への排出を抑えることができる。
【００３８】
なお、触媒燃焼器２５のハウジング２７および隔壁板３５は、内部環境（燃焼温度、圧力、混合ガスなど）に耐えられる材質、例えばステンレス合金などから形成し、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であれば、その他の材質としてもよい。また、触媒燃焼器２５のハウジング２７は、必ずしも円筒状である必要はない。
【００３９】
また、アノードオフガスを触媒燃焼器２５内に噴出させる際には、図２に示した位置に限らず、例えばカソードオフガスと同様に、ハウジング２７の上流側端面から噴出させたり、カソードオフガスの流れ方向に対して直角に噴出させたり、図２の位置よりさらに下流側から噴出させてもよい。
【００４０】
ただし、図２よりさらに下流側で触媒２９により近い位置からアノードオフガスを導入する場合には、混合気形成への影響および触媒２９の燃焼熱によるアノードオフガス導入口４３およびアノードオフガスへの影響を考慮した設計を行なう必要がある。
【００４１】
［触媒燃焼器の第２の実施形態］
図４は、触媒燃焼器２５の第２の実施形態を示す側面断面図である。図５（ａ）は図４のＢ−Ｂ断面図である。なお、第２の実施形態の触媒燃焼器２５では、第１の実施形態と同一の構成部分についてはその説明は省略するものとし、さらに第１の実施形態と同一の構成部分については同一の符号を付するものとする。
【００４２】
この実施形態は、ハウジング２７内の上部に、前記図３（ｂ）と同様に、ハウジング２７より小径のパイプ４７を収容し、これによりハウジング２７内のガス流路３３を、鉛直方向に二つに分割して、上部流路３７および下部流路３９を形成する。
【００４３】
パイプ４７は、下流側の端部を触媒２９にほぼ接触させ、上流側の端部をハウジング２７の上流側の端部付近に位置させている。なお、パイプ４７の上端部とハウジング２７の上部内壁面との間には隙間を形成しているが、図３（ｂ）のようにパイプ４７とハウジング２７とを接触させてもよい。
【００４４】
上記したパイプ４７の上流側端部近傍には、アノードオフガス配管１７をハウジング２７の側面から貫通させて接続し、そのアノードガス導入口４３を、上部流路３７の下流側に向けて設置する。したがって、ここでは上部流路３７におけるアノードガス導入口４３の下流側が、アノードガスと、それより上流のカソードガス導入口４１からハウジング２７内に導入されて一部がパイプ４７内に流入するカソードガスとが混合するガス混合部４５となる。
【００４５】
ガス混合部４５の下流の上部流路３７内には、触媒２９とは別の触媒４９を設置している。この触媒４９は、ガス混合部４５で混合した混合ガスを燃焼させるものであり、この触媒４９と触媒２９との間には、燃焼後のガス温度を検出する温度検出手段としての温度センサ５１を設置する。
【００４６】
上部流路３７内の触媒４９は、その下流の触媒２９よりは小型であるが、触媒２９と同様に、ウォッシュコート液に貴金属を分散させた物を、触媒担体に担持させた酸化触媒を用いる。
【００４７】
上記図４の触媒燃焼器２５において、カソードオフガス配管１１からハウジング２７内に導入されたカソードオフガスは、一部がパイプ４７内の上部流路３７に流れ、残りがパイプ４７の外側でハウジング２７内の下部流路３９内に流れる。
【００４８】
この際、カソードオフガスには水分が含まれているが、その水分は、重力によって下方を流れ、下部流路３９に主として流入し、上部流路３７には水分の少ない乾いたカソードオフガスが流入する。この乾いたカソードオフガスが、上部流路３７内にアノードオフガス導入口４３から導入されるアノードオフガスとガス混合部４５で混合し、その下流の触媒４９に達して燃焼する。
【００４９】
触媒４９での燃焼は、乾いたカソードオフガスを酸化剤としているので、触媒４９には水分が付着しにくく、効率よく着火し燃焼する。この燃焼により触媒４９の下流のガス温度が上昇するとともに、上部流路３７に対応する触媒２９の部位２９ａが暖められ、その熱が触媒２９の全体へと伝わる。これにより、触媒２９全体が充分活性化され、水分が多く流入する下部流路３９に対応する部位２９ｂにおいても、温度上昇して確実に着火し、燃焼効率が向上する。触媒２９にて燃焼後の燃焼ガスは、排気管３１から燃焼器外部に排出される。
【００５０】
このように、触媒２９では、上部流路３７に対応する部位２９ａを基点として、アノードオフガスを効率よく燃焼させるので、燃料電池１のアノード極内部をパージする時に、多量の凝縮水がカソードオフガスにより供給された場合であっても、またアノード極５からカソード極３へ水素が透過する、いわゆるクロスオーバ水素が発生した場合であっても、未燃水素の燃焼器外部への排出を抑えることができる。
【００５１】
また、この実施形態では、アノードオフガスをパイプ４７内の上部流路３７に供給し、この上部流路３７に、カソードオフガスの一部を導入しているので、前記図２に示した第１の実施形態に比較して、混合ガスの燃料濃度をある程度濃く保つことが可能となり、燃焼特性を改善することができる。
【００５２】
また、本燃料電池システムを車両などの移動体に搭載する場合には、ハウジング２７内に収容するパイプ４７を、鉛直方向のみを考慮して配置するだけでなく、車両進行方向の前後も加味した配置にすることが望ましい。
【００５３】
カソードオフガス中の凝縮水は、ガス流の影響よりも重力や車両の加減速Ｇの影響を受ける。通常車両などでは加速するときにより多くの出力が必要となるため、加速時の方が生成される凝縮水の量も多い。逆に減速時は、出力が少なくて済むので生成される凝縮水量が少なく、したがって減速時よりも加速時の方が凝縮水による触媒への影響は大きい。
【００５４】
したがって、凝縮水は、ハウジング２７内の下側のみでなく加速Ｇの影響も受けて車両後方側に溜まる。よって、ハウジング２７内のガス流路３３を分割する際には、加速時の凝縮水の動きも加味した分割を行なう。
【００５５】
このため、ハウジング２７を、その内部のガス流路３３が車両進行方向と交差する方向、例えば車幅方向に延びるよう車両に設置した上で、鉛直方向上部に位置する上部流路３７を、図５（ｂ）のように、ハウジング２７内にて車両前方側（図５（ｂ）中で右側）に寄せて配置し、上部流路３７に水分が流入しにくいようにする。
【００５６】
これにより、燃料電池システムを車両などの移動体に搭載した場合の、触媒燃焼器２５の燃焼特性をより高めることができる。
【００５７】
なお、上記したように上部流路３７をハウジング２７内にて車両前方側とする構成は、パイプ４７を用いずに、前記図３（ａ）のように隔壁板３５を用いた場合でも容易に形成することができる。つまり、隔壁板３５を図５（ｂ）中のハウジング２７内に設置する場合、隔壁板３５を図５（ｂ）中で右下がりに傾斜させればよい。
【００５８】
また、温度センサ５１が触媒４９下流の燃焼ガス温度を検出することで、触媒４９の燃焼異常判定など各種制御に利用することができる。
【００５９】
［触媒燃焼器の第３の実施形態］
図６は、触媒燃焼器２５の第３の実施形態を示す側面断面図である。なお、第３の実施形態の触媒燃焼器２５では、第２の実施形態と同一の構成部分についてはその説明は省略するものとし、さらに第２の実施形態と同一の構成部分については同一の符号を付するものとする。
【００６０】
この実施形態は、前記図４に示した第２の実施形態の触媒燃焼器２５における上部流路３７に、前記図１に示した換気空気排出配管２６を接続したもので、その他の構成については、温度センサ５１を設けない点以外は、第２の実施形態と同様である。
【００６１】
換気空気排出配管２６は、アノードオフガス配管１７より上流側でハウジング２７を貫通させて上部流路３７内に突出させ、先端に下流側に向かう換気空気導入口５３を設けている。
【００６２】
すなわち、燃料電池１の周辺に微量透過する水素を、空気供給配管１４より供給される空気の一部を用いてケース７内にて希釈し、この希釈したガスを、換気空気排出配管２６を通して触媒燃焼器２５の上部流路３７に供給する。換気空気導入口５３は、アノードオフガス導入口４３と同様な設計思想を用いて設計可能である。
【００６３】
ケース７内から触媒燃焼器２５に導入される換気空気は、カソードオフガスと異なり燃料電池１の発電による水分を含まないため、比較的（外気と同程度）乾いた空気である。そのため、この乾いた換気空気を用いて触媒４９にて燃焼させることで、より確実かつ効率的な燃焼が可能になる。また、換気空気に微量に含まれる水素は濃度が薄いため、換気空気単独での燃焼は難しいが、アノードオフガスとともに触媒４９に供給されるため、確実かつ効果的に燃焼処理することができる。
【００６４】
［触媒燃焼器の第４の実施形態］
図７は、触媒燃焼器２５の第４の実施形態を示す側面断面図である。この実施形態は、前記図６に示した第３の実施形態に対し、アノードオフガス配管１７を、前記図２に示した第１の実施形態と同様にカソードガス導入口４１の近傍に配置している。その他の構成は、図６の第３の実施形態とほぼ同様である。
【００６５】
この場合、ガス混合部４５にスワラなどを設置する際には、図７のように上部流路３７より上流のガス流路３３の全域に設置するのが、混合ガスを形成する上で好ましいが、この限りではなく、図６の第３の実施形態のように上部流路３７に設置してもよい。
【００６６】
［触媒燃焼器の第５の実施形態］
図８は、触媒燃焼器２５の第５の実施形態を示す側面断面図である。この実施形態は、前記図６に示した第３の実施形態のパイプ４７をハウジング２７の中心位置に設置し、かつパイプ４７の上流側の端部を閉塞体としての端板５５で閉塞している。その他の構成は、温度センサ５１を設ける以外は図６と同様である。
【００６７】
なお、パイプ４７は、ハウジング２７の中心位置ではなく、図６のようにハウジング２７の上部に設置してもよい。
【００６８】
この場合には、上部流路３７には、端板５５を設けることで多量の凝縮水を含むカソードオフガスが流入しないため、換気空気導入口５３から導入する、より乾いた換気用空気を用いて燃焼を行なうことになり、確実かつ効果的な燃焼が触媒４９にて可能となる。
【００６９】
また、上部流路３７を閉塞する端板５５は、パイプ４７に対して閉塞状態で固定する代わりに、例えばバタフライバルブなどを用いて開閉可能な構成としてもよい。これにより、上部流路３７の上流側端部を、燃料電池１の運転状態に応じて開閉することが可能となり、その時々の上部流路３７内での触媒４９の燃焼状態（温度センサ５１で検出する）に応じて、上部流路３７に供給するカソードオフガスの流量を調整でき、それに伴い上部流路３７における燃焼温度を制御することができる。
【００７０】
例えば、上部流路３７に流れる混合ガスの燃料濃度が濃すぎて不具合が発生する前に、端板５５を開放してカソードオフガスを上部流路３７に流すことで、燃料濃度を下げることが可能となる。
【００７１】
［触媒燃焼器の第６の実施形態］
図９は、触媒燃焼器２５の第６の実施形態を示す側面断面図である。図１０（ａ）は図９のＣ−Ｃ断面図である。この実施形態は、触媒燃焼器２５のハウジング２７内を、供給するガスの特性に応じて三つの流路に分割している。すなわち、ハウジング２７内に前記図４に示した第２の実施形態におけるものとほぼ同様なパイプ４７を設置して上部流路３７を形成し、このパイプ４７の上端とハウジング２７の上部内壁との間に、さらに別のパイプ５７を設置して最上部流路５９を形成する。
【００７２】
なお、この最上部流路５９は、図１０（ｂ）のように、図１０（ａ）のパイプ５７に代えて水平な隔壁板６１をパイプ４７の上部に配置することで形成してもよい。
【００７３】
そして、上部流路３７にはアノードオフガス配管１７を、最上部流路５９には換気空気排出配管２６を、それぞれ接続し、最上部流路５９の上流側端部は、閉塞体としての端板６３によって閉塞する。したがって、ここでは、ハウジング２７の上流側端部から、カソードオフガス配管１１を経てガス流路３３に導入されるカソードオフガスは、その一部が上部流路３７に、残りが下部流路３９にそれぞれに流入する。
【００７４】
上部流路３７の触媒２９近傍には、図４と同様に触媒４９を設置し、触媒４９の上流側が、アノードオフガスとカソードオフガスとが混合する図示しないガス混合部となる。
【００７５】
したがって、この例においても、図４に示した第２の実施形態と同様に、上部流路３７にてアノードオフガスと水分の少ないカソードオフガスとが混合し、その混合ガスが、触媒４９にて効率よく燃焼し、その下流の触媒２９には、燃焼により昇温した高温ガスが供給される。この高温ガスの熱を受けた触媒２９は温度上昇し、触媒２９全体の燃焼効率が上昇する。
【００７６】
この際、触媒２９には、最上部流路５９に換気空気排出配管２６から導入された換気用空気も供給され、換気用空気に微量に含まれる水素も、触媒２９が充分に温まって触媒活性が高まっているため、極低濃度であっても燃焼処理が可能になる。
【００７７】
また、上記図９に示した第６の実施形態では、触媒２９の下流側にも温度センサ５１を設け、触媒２９下流の燃焼ガス温度を検出することで、触媒２９の燃焼異常判定など各種制御に利用することができる。
【００７８】
さらに、最上部流路５９にガス流量を計測する計測手段を設け、計測手段により検出した換気用空気の流量と、触媒２９下流の温度センサ５１によって検出した燃焼状態から、ケース７内における換気用空気への燃料電池１からの水素透過量が計算可能になる。
【００７９】
なお、最上部流路５９を閉塞する端板６３は、前記図８に示した端板５５と同様に、パイプ５７に対して閉塞状態で固定する代わりに、例えばバタフライバルブなどを用いて開閉可能な構成としてもよい。これにより、最上部流路５９の上流側端部を、燃料電池１の運転状態に応じて開閉することが可能となり、その時々の最上部流路５９下流の触媒２９の燃焼状態（触媒２９下流の温度センサ５１で検出する）に応じて、最上部流路５９に供給するカソードオフガスの流量を調整でき、それに伴い触媒２９における燃焼温度を制御することができる。
【００８０】
また、上記図９に示した第６の実施形態のようにガス流路３３を三つの流路（上部流路３７，下部流路３９，最上部流路５９）に分割する例としては、図１１（ａ）〜（ｄ）のように各種考えられる。
【００８１】
図１１（ａ）は、上部流路３７，図１０（ａ）の最上部流路５９に相当する流路５９Ａをそれぞれ形成するパイプ４７，５７を互いに水平に隣接して配置している。図１１（ｂ）は、図１０（ｂ）に対し、上部流路３７を形成するパイプ４７に代えて水平な隔壁板６５を用いている。図１１（ｃ）は、図１１（ｂ）に対し、水平な隔壁板６１に代えて、隔壁板６５に垂直な縦隔壁板６７を用いている。また、図１１（ｄ）は、図１１（ｃ）の隔壁板６５および縦隔壁板６７を適宜角度に傾斜させている。
【００８２】
なお、図１１（ａ），（ｃ），（ｄ）の場合には、前記図５（ｂ）に示したものと同様に、燃料電池システムを車両に搭載する際に、水分を多く含むカソードオフガスが上部流路３７に流入しないように、上部流路３７をハウジング２７内で車両進行方向前側に位置させることで、触媒燃焼器２５の燃焼特性をより高めることができる。
【００８３】
[触媒燃焼器の第７の実施形態]
本実施形態は、図４ないし図１１に示す触媒燃焼器の構成において、上部流路３７に配置した触媒４９（Ａ仕様とする）と、ハウジング２７内の下流側端部に配置した触媒２９（Ｂ仕様とする）とを、互いに仕様（特性）の異なるものとしている。
【００８４】
なお、本実施形態は、触媒２９の上部流路３７に対応する部位２９aをＡ仕様、触媒２９の水分が多く流入する下部流路３９に対応する部位２９ｂをＢ仕様とすることも可能であり、この場合は特に、図２や、図４に対して触媒４９を設けない図１２に代表するような、上部流路３７に触媒を備えない触媒燃焼器に対して有効である。
【００８５】
以下の各実施例では、上部流路３７に触媒４９を備える触媒燃焼器と、上部流路３７に触媒４９を備えない触媒燃焼器のいずれか一方の構成について説明をするが、いずれの構成に対しても本実施形態を適用できる。
【００８６】
また、触媒２９，４９は、前述したように、セラミックス素材からなるウォッシュコート液に白金などの貴金属を分散させた物を、セラミックスまたは金属からなるハニカム構造の触媒担体に担持させた構成とする。
【００８７】
（実施例１）
本実施例は、Ａ仕様の触媒における貴金属の体積密度を、１．０ｇ／Ｌ（触媒体積１Ｌに対して貴金属１．０ｇを担持した物)とする一方、Ｂ仕様の触媒における貴金属の体積密度を、１．５ｇ／Ｌ（触媒体積１Ｌに対して貴金属１．５ｇを担持した物)とする。
【００８８】
すなわち、本実施例においては、鉛直方向上部に位置する上部流路３７に対応して配置した触媒４９(および/またはその下流に設置している触媒２９ａ)における貴金属の体積密度を、鉛直方向下部に位置する下部流路３９に対応して配置した触媒２９（または触媒２９ｂ）における貴金属の体積密度より低くしている。
【００８９】
燃焼触媒においては貴金属の量を増やすことによって燃焼性能が向上するので、アノードオフガスなどの燃焼対象ガスの量が多い流路における触媒の燃焼特性についても、貴金属量の増加によって改善する。しかし、貴金属の使用量が増えるとコストが増加する。
【００９０】
そこで、本実施例においては、流入する水分の影響を加味した上で、触媒の仕様（特性）を異なるようにしている。流入する水分が少なければ、低貴金属密度でも充分に、燃焼初期や燃焼開始時における着火性を高めることができ、着火後においても安定的燃焼が可能である。
【００９１】
したがって、本実施例においては、比較的水分流入が少なく、アノードオフガスが供給される上部流路３７に設置している触媒４９(および/またはその下流に設置している触媒２９ａ)における貴金属の量を、多量の水分が流入する下部流路３９下流の触媒２９（または触媒２９ｂ）における貴金属の量より少なくすることで、コスト増加を防止しつつ燃焼特性を確保している。
【００９２】
このように、各流路３７，３９に応じて触媒の貴金属密度を変更することによって、１種類の仕様（特性）の触媒を採用した場合と比較して、低コストで燃焼特性を改善することが可能となる。
【００９３】
（実施例２）
本実施例は、Ａ仕様の触媒におけるウォッシュコートの体積密度を、２０．０ｇ／Ｌ（触媒体積１Ｌに対してウォッシュコート２０．０ｇを担持した物)とする一方、Ｂ仕様の触媒におけるウォッシュコートの体積密度を、１０．０ｇ／Ｌ（触媒体積１Ｌに対してウォッシュコート１０．０ｇを担持した物)とする。
【００９４】
すなわち、本実施例においては、鉛直方向上部に位置する上部流路３７に対応して配置した触媒４９(および/またはその下流に設置している触媒２９ａ)におけるウォッシュコートの体積密度を、鉛直方向下部に位置する下部流路３９に対応して配置した触媒２９（または触媒２９ｂ）におけるウォッシュコートの体積密度より高くしている。
【００９５】
触媒に担持されているウォッシュコートの主成分がセラミックス素材からなる場合、多量の水分が触媒に供給されると、ウォッシュコートに多量の水分が付着するなどにより燃焼性能が低下する。一方、ウォッシュコートの量は触媒の耐久性にも影響する。
【００９６】
そのため、ウォッシュコートの量としては、充分な耐久性を確保できる量としつつ、充分な燃焼性能が得られる量に抑える必要がある。したがって、通常水分量が少なく、かつ燃料濃度が高いアノードオフガス供給される上部流路３７に設置している触媒４９(および/またはその下流に設置している触媒２９ａ)においては、ウォッシュコートの量を増やすことにより充分な耐久性を確保可能となる。
【００９７】
また、上部流路３７の触媒４９では、流入水分の吸着などによる燃焼性能の低下は少ないので、燃焼初期や燃焼開始時における着火性を充分確保することができ、着火後においても安定的燃焼が可能である。
【００９８】
逆に、下部流路３９の下流に設置している触媒２９ｂに流入する燃料濃度は低く、かつ水分濃度は高いため、耐久性よりも耐水性（多量の水分が供給された時の燃焼性能）を優先する必要がある。したがって、触媒２９ｂについては、ウォッシュコートの量を少なくして、ウォッシュコートへの水分吸着による燃焼性能低下を抑えるものとする。
【００９９】
このように、各流路３７，３９に応じて触媒のウォッシュコート密度を変更することによって、１種類の仕様（特性）の触媒を採用した場合と比較して、耐久性を確保しつつ耐水性（多量の水分が供給された時の燃焼性能）を確保することが可能となる。
【０１００】
（実施例３）
本実施例は、Ａ仕様の触媒における貴金属とウォッシュコートとの質量比率を、０．０５（ウォッシュコート２０．０ｇに対して貴金属１．０ｇを担持した物)とする一方、Ｂ仕様の触媒における貴金属とウォッシュコートとの質量比率を、０．１５（ウォッシュコート１０．０ｇに対して貴金属１．５ｇを担持した物)とする。
【０１０１】
すなわち、本実施例においては、鉛直方向上部に位置する上部流路３７に対応して配置した触媒４９(および/またはその下流に設置している触媒２９ａ)におけるウォッシュコートの体積密度に対する貴金属の体積密度の比率を、前記鉛直方向下部に位置する下部流路３９に対応して配置した触媒２９（または触媒２９ｂ）のウォッシュコートの体積密度に対する貴金属の体積密度の比率より低くしている。
【０１０２】
このようにすることにより、前記した実施例１および２の両方の効果を得ることが可能となり、高性能な触媒燃焼器を構成可能となる。
【０１０３】
（実施例４）
本実施例は、Ａ仕様の触媒における触媒担体のセル密度を６００ｃｐｓｉ（１平方インチあたり６００個のセルを有する)とする一方、Ｂ仕様の触媒における触媒担体のセル密度を２００ｃｐｓｉ（１平方インチあたり６００個のセルを有する)とする。
【０１０４】
すなわち、本実施例においては、鉛直方向上部に位置する上部流路３７に対応して配置した触媒４９(および/またはその下流に設置している触媒２９ａ)の触媒担体のセル密度を、鉛直方向下部に位置する下部流路３９に対応して配置した触媒２９（または触媒２９ｂ）の触媒担体のセル密度より高くしている。
【０１０５】
触媒の燃焼性能はセル密度に比例する一方、触媒通流抵抗によって圧力損失はセル密度に反比例する。また、セル密度が高い触媒内の流路に多量の水分が供給されると水詰りなどによって流路が閉塞し、触媒の燃焼性能が低下する場合がある。
【０１０６】
したがって、水分量が少なく、かつ燃料濃度が高いアノードオフガスが供給される上部流路３７に設置した触媒４９(および/またはその下流に設置した触媒２９ａ)のセル密度を高くすることによって、充分な燃焼性能が得られる。
【０１０７】
なお、セル密度を高くすることで圧損が上昇する懸念があるが、上部流路３７では水分の流入量が少ないため、水による閉塞などの不具合は発生する可能性は低い。また、水分流入量が多い下部流路３９下流の触媒２９ｂのセル密度を下げることで、多量の水分が供給されても流路閉塞などの不具合の発生を防止することができる。
【０１０８】
（実施例５）
本実施例は、Ａ仕様の触媒におけるウォッシュコートと貴金属を含めた触媒表面積比率を６００ｍ2／Ｌ（触媒体積１Ｌにおいて６００ｍ2の表面積を有する）とする一方、Ｂ仕様の触媒におけるウォッシュコートと貴金属を含めた触媒表面積比率を３５０ｍ2／Ｌとする。
【０１０９】
なお、ウォッシュコート液に貴金属を分散させた物を、触媒担体に担持させる際には、貴金属に対してウォッシュコート液が例えば９９％以上を占めているので、上記した触媒表面積比率は、ウォッシュコートの触媒表面積比率として見ることができる。
【０１１０】
すなわち、本実施例においては、鉛直方向上部に位置する上部流路３７に対応して配置した触媒４９(および/またはその下流に設置した触媒２９ａ)におけるウォッシュコートの表面積比率を、鉛直方向下部に位置する下部流路３９に対応して配置した触媒２９（または触媒２９ｂ）におけるウォッシュコートの表面積比率より大きくしていることになる。
【０１１１】
触媒の燃焼性能はウォッシュコートの表面積（ウォッシュコートと貴金属を含めた触媒表面積）に比例する一方、水分吸着性もウォッシュコートの表面積（ウォッシュコートと貴金属を含めた触媒表面積）に比例して増加する。過度の水分吸着は触媒の燃焼性能を低下させる懸念がある。したがって、水分量が少なく、アノードオフガスが供給される上部流路３７に設置した触媒４９(および/またはその下流に設置した触媒２９ａ)のウォッシュコートの表面積（ウォッシュコートと貴金属を含めた触媒表面積）比率を高くすることによって、燃焼性能を向上できる。
【０１１２】
また、水分流入量が多い下部流路３９下流の触媒２９ｂにおいては、ウォッシュコートの表面積比率（ウォッシュコートと貴金属を含めた触媒表面積）を低くすることによって、過度な水分吸着による燃焼性能低下を防止可能である。
【０１１３】
（その他の実施例）
上述した実施例１ないし４の構成を適宜組み合わせることで、更なる効果を得ることができる。
【０１１４】
例えば、Ａ仕様の触媒において、貴金属体積密度を５ｇ／Ｌ、貴金属・ウォッシュコート比率を０．０２、ウォッシュコート表面積を５００ｍ2／Ｌとする一方、Ｂ仕様の触媒において、貴金属体積密度を９ｇ／Ｌ、貴金属・ウォッシュコート比率を０．０９、ウォッシュコート表面積を３５０ｍ2／Ｌとする、などである。
【０１１５】
このような構成において、少ない貴金属量においても水分が少なければ充分な燃焼性能を得られるＡ仕様の触媒２９ａを上部流路３７下流に設置しつつ、多量の水分が供給されても充分な性能を確保可能な触媒２９ｂを下部流路３９の下流に設置する。
【０１１６】
この際、本実施例においては、各仕様を適切かつ細かく調整することができるので、１仕様の触媒を両流路３７，３９の下流に設置した場合に比較して、触媒燃焼器全体としての燃焼性能を大幅に向上させることができる。
【０１１７】
なお、上記した本実施形態で用いた数値や比率は、特に限定されることなく、適宜変更することが可能である。
【０１１８】
なお、例えば図２に示すようなアノードオフガスが流入する触媒が特定されていない構成でも、カソードオフガスに対してアノードオフガスは軽いため上部流路側へ流れるので、上述した各本実施例を適用できる。しかしながら、例えば図４に示すようなアノードオフガスが流入する触媒が特定されている構成の方が、上述した各本実施例を適用したことによる燃焼性能向上という効果は大きい。
【０１１９】
表１は、Ａ仕様の触媒とＢ仕様の触媒における、前記した貴金属体積密度，ウォッシュコート体積密度，貴金属・ウォッシュコート比率，セル密度，ウォッシュコート表面積のそれぞれ数値もしくは比率の大小関係を示している。
【表１】
2007042597.tif 000003
【０１２０】
表１によれば、貴金属体積密度および貴金属・ウォッシュコート比率については、Ｂ仕様の触媒の数値もしくは比率が大きく、ウォッシュコート体積密度，セル密度，ウォッシュコート表面積については、Ａ仕様の触媒の数値が大きくなっている。
【０１２１】
以上、本発明を適用した具体的な実施形態について各種説明したが、本発明は、上述の各実施形態に制限されることなく種々の変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１２２】
【図１】本発明における燃料電池システム全体の概略構成図である。
【図２】図１の燃料電池システムにおける触媒燃焼器の第１の実施形態を示す概略的な側面断面図である。
【図３】（ａ）は図２のＡ−Ａ断面図、（ｂ）は（ａ）の変形例を示す断面図である。
【図４】触媒燃焼器の第２の実施形態を示す側面断面図である。
【図５】（ａ）は図４のＢ−Ｂ断面図、（ｂ）は（ａ）の変形例を示す断面図である。
【図６】触媒燃焼器の第３の実施形態を示す側面断面図である。
【図７】触媒燃焼器の第４の実施形態を示す側面断面図である。
【図８】触媒燃焼器の第５の実施形態を示す側面断面図である。
【図９】触媒燃焼器の第６の実施形態を示す側面断面図である。
【図１０】（ａ）は図９のＣ−Ｃ断面図、（ｂ）は（ａ）の変形例を示す断面図である。
【図１１】図１０（ａ）の各種変形例を示す断面図である。
【図１２】触媒燃焼器の第７の実施形態に対応する構成の一例を示す側面断面図である。
【符号の説明】
【０１２３】
１  燃料電池
３  アノード極
５  カソード極
７  燃料電池を収容するケース
２５  触媒燃焼器
２７  ハウジング
２９，４９  触媒
３３  ガス流路
３７  上部流路（ガス流路を鉛直方向に沿って分割した流路）
３９  下部流路（ガス流路を鉛直方向に沿って分割した流路）
５１  温度センサ（温度検出手段）
５５，６３  端板（閉塞体）
５９  最上部流路（ガス流路を三つに分割したうちの一つの流路）
５９Ａ  流路（ガス流路を三つに分割したうちの一つの流路）
【図１】
2007042597.tif 000004
【図２】
2007042597.tif 000005
【図３】
2007042597.tif 000006
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2007042597.tif 000010
【図８】
2007042597.tif 000011
【図９】
2007042597.tif 000012
【図１０】
2007042597.tif 000013
【図１１】
2007042597.tif 000014
【図１２】
2007042597.tif 000015