(57)【要約】【課題】触媒に水分が付着することを抑制できる触媒燃焼装置を提供すること。【解決手段】水素ガスおよび酸化剤ガスの触媒２１６による反応で発熱する燃焼器２１０と、燃焼器２１０の下流側に配置され、燃焼器２１０から排出されたガスが滞留する熱交換器２２０と、熱交換器２２０の触媒２１６と熱交換器２２０との間に配置され、水分を吸収または放出する吸湿材２１７と、を備える。これにより、水素ガスと酸化剤ガスの触媒２１６による反応で生じた水が熱交換器２２０に滞留しても、この熱交換器２２０から放出される水は、燃焼器２１０および熱交換器２２０の間に配置された吸湿材２１７に吸収される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素ガスおよび酸化剤ガスの触媒による反応で発熱する燃焼器と、
前記燃焼器の下流側に配置され、前記燃焼器から排出されたガスが滞留する滞留装置と、
前記燃焼器の前記触媒と前記滞留装置との間に配置され、水分を吸収または放出する吸湿材と、を備えることを特徴とする触媒燃焼装置。
【請求項２】
水素ガスおよび酸化剤ガスの反応により発電可能な燃料電池と、当該燃料電池に媒体を循環させる循環装置と、を備える燃料電池システムに用いられ、
前記滞留装置は、前記燃焼器から排出されるガスと媒体との間で熱交換可能であり、当該滞留装置で暖められた媒体により前記燃料電池を暖めることを特徴とする請求項１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、触媒燃焼装置に関する。詳しくは、自動車に搭載される燃料電池システムに用いられる触媒燃焼装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、自動車の新たな動力源として燃料電池システムが注目されている。燃料電池システムは、例えば、反応ガスを化学反応させて発電する燃料電池と、反応ガス流路を介して燃料電池に反応ガスを供給する反応ガス供給装置と、この反応ガス供給装置を制御する制御装置と、を備える。
【０００３】
燃料電池は、例えば、数十個から数百個のセルが積層されたスタック構造である。ここで、各セルは、膜電極構造体（ＭＥＡ）を一対のセパレータで挟持して構成され、膜電極構造体は、アノード電極（陽極）およびカソード電極（陰極）の２つの電極と、これら電極に挟持された固体高分子電解質膜とで構成される。
【０００４】
この燃料電池のアノード電極に反応ガスとしての水素ガスを供給し、カソード電極に反応ガスとしての酸素を含むエアを供給すると、電気化学反応により発電する。この発電時に生成されるのは、基本的に無害な水だけであるため、環境への影響や利用効率の観点から、燃料電池が注目されている。
【０００５】
ところで、低温環境下では、燃料電池の電気化学反応の進行が遅くなり、発電量が低下するので、燃料電池を一定温度まで暖機するために触媒燃焼装置が設けられる（特許文献１参照）。この触媒燃焼装置は、熱媒体が循環する循環路の途中に設けられ、水素ガスおよび酸化剤ガスの触媒反応により発熱する燃焼器と、この燃焼器の発熱により循環路を流れる熱媒体と熱交換する熱交換器とが設けられる。
この触媒燃焼装置によれば、燃焼器により発熱し、熱交換器により熱媒体を加熱し、この加熱した熱媒体により、燃料電池を暖機する。
【特許文献１】特開２０００−１６４２３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１で示された構成では、燃焼器の燃料として用いた水素ガスの燃焼により水蒸気が生成される。この水蒸気は温度が下がると凝縮して水となり、燃焼器の触媒の表面に付着する可能性がある。また、燃料電池の排ガスの流路が触媒燃焼装置に接続されていた場合、燃料電池の発電時に生成された水がこの流路を介して触媒の表面に付着する可能性がある。さらに、触媒燃焼装置を停止させても、この触媒燃焼装置内部の温度が急激に低下することはないので、熱交換器によりいったん凝縮した水が水蒸気となり触媒に付着する可能性がある。
このように、触媒燃焼装置の触媒の表面に水や水蒸気が付着すると、水素ガスおよび酸化剤ガスと触媒との接触が阻害されて触媒反応が不安定になるので、触媒燃焼装置に水素ガスおよび酸化剤ガスを流しても、触媒反応により発熱が開始されるまでに時間がかかるおそれがあった。
【０００７】
本発明は、触媒に水分が付着することを抑制できる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】
【０００８】
（１）  水素ガスおよび酸化剤ガスの触媒（例えば、実施の形態における触媒２１６）による反応で発熱する燃焼器（例えば、実施の形態における燃焼器２１０）と、前記燃焼器の下流側に配置され、前記燃焼器から排出されたガスが滞留する滞留装置（例えば、実施の形態における熱交換器２２０）と、前記燃焼器の前記触媒と前記滞留装置との間に配置され、水分を吸収または放出する吸湿材（例えば、実施の形態における吸湿材２１７）と、を備えることを特徴とする触媒燃焼装置（例えば、実施の形態における触媒ヒータ２０）。
【０００９】
（１）の発明によれば、触媒燃焼装置に、燃焼器および滞留装置を設け、これらの燃焼器および滞留装置の間に水分を吸収または放出する吸湿材を配置した。これにより、水素ガスと酸化剤ガスの触媒による反応で生じた水が滞留装置に滞留しても、この滞留装置から放出される水は、燃焼器および滞留装置の間に配置された吸湿材に吸収される。
したがって、触媒に水分が付着することを抑制できる。その結果、低温環境下で触媒の表面が凍結することも防止できる。
さらに、吸湿材は、いったん吸収した水分を放出できる。つまり、燃焼装置の停止時には、触媒燃焼装置内部の温度が低下するので、水分を吸収し、運転時には、触媒燃焼装置内部の温度が上昇するので、水分を放出する。そのため、吸湿剤を有効に利用できる。
【００１０】
（２）  水素ガスおよび酸化剤ガスの反応により発電可能な燃料電池と、当該燃料電池に媒体を循環させる循環装置（例えば、実施の形態における冷媒流路２５）と、を備える燃料電池システム（例えば、実施の形態における燃料電池システム１）に用いられ、前記滞留装置は、前記燃焼器から排出されるガスと媒体との間で熱交換可能であり、当該滞留装置で暖められた媒体により前記燃料電池を暖めることを特徴とする（１）に記載の触媒燃焼装置。
【００１１】
（２）の発明によれば、燃料電池およびこの燃料電池に媒体を循環させる循環装置を備えた燃料電池システムにおいて、滞留装置は、燃焼器から排出されるガスと媒体との間で熱交換可能とし、当該滞留装置で暖められた媒体により燃料電池を暖機した。よって、燃焼器は、燃料電池の発電に用いられる水素ガスおよび酸化剤ガスの一部の触媒反応で発熱し、この燃焼器から排出されるガスと燃料電池を暖める媒体とは、滞留装置により熱交換される。
したがって、水素ガスおよび酸化剤ガスを燃料電池に供給するとともに、燃焼器にも供給することで、燃焼器専用のガス供給装置を省略できるから、燃料電池システムが小型化できるとともに、燃料電池を暖機する必要がある場合には、燃焼器の発熱により燃料電池を暖機できる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、触媒燃焼装置に、燃焼器および滞留装置を設け、これらの燃焼器および滞留装置の間に水分を吸収または放出する吸湿材を配置した。これにより、水素ガスと酸化剤ガスの触媒による反応で生じた水が滞留装置に滞留しても、この滞留装置から放出される水は、燃焼器および滞留装置の間に配置された吸湿材に吸収される。
したがって、触媒に水分が付着することを抑制できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池システム１のブロック図である。
燃料電池システム１は、燃料電池１０と、燃料電池１０を暖機する触媒燃焼装置としての触媒ヒータ２０と、燃料電池１０を冷却する冷却システム３０と、燃料電池１０および触媒ヒータ２０に水素ガスやエアを供給する供給装置４０とを有する。
【００１４】
燃料電池１０は、アノード電極（陽極）側に水素ガスが供給され、カソード電極（陰極）側に酸素を含むエアが供給されると、電気化学反応により発電する。
【００１５】
燃料電池１０、触媒ヒータ２０、および冷却システム３０の間では、冷媒流路２５を介して、媒体としての冷媒が循環している。触媒ヒータ２０は、水素ガスおよび酸化剤ガスとしてのエアの触媒反応により発熱し、熱交換により冷媒に熱を与えることで、燃料電池１０を暖機する。これに対し、冷却システム３０は、冷媒と熱交換を行って冷媒から熱を奪うことで、燃料電池１０を冷却する。
【００１６】
冷媒流路２５は、触媒ヒータ２０から燃料電池１０に至る第１の冷媒流路２５１と、燃料電池１０から冷却システム３０に至る第２の冷媒流路２５２と、冷却システム３０から触媒ヒータ２０に至る第３の冷媒流路２５３と、を有する。
【００１７】
供給装置４０は、コンプレッサ４１と、水素ガスを供給する水素タンク４２と、排ガス処理装置４６と、を含んで構成される。
【００１８】
コンプレッサ４１は、エアを供給するものであり、エア供給路４３を介して、燃料電池１０のカソード電極側および触媒ヒータ２０に接続されている。すなわち、このエア供給路４３は、コンプレッサ４１から供給されたエアを燃料電池１０および触媒ヒータ２０に分配して供給する。
このエア供給路４３は、コンプレッサ４１から燃料電池１０に至る第１の供給路４３１と、この第１の供給路４３１から分岐して触媒ヒータ２０に至る第２の供給路４３２と、を有する。
【００１９】
第２の供給路４３２では、触媒ヒータ２０近傍において、後述のインジェクタ４５３から水素ガスが噴射される。この噴射された水素ガスは、第２の供給路４３２を流れるエアとミキサ４３５で混合されて、触媒ヒータ２０に供給される。
第２の供給路４３２のインジェクタ４５３よりも上流側には、バタフライバルブ４３３が設けられる。
【００２０】
燃料電池１０のカソード電極側および触媒ヒータ２０には、エア排出路４４が接続され、排ガス処理装置４６は、このエア排出路４４の先端側に設けられる。すなわち、このエア排出路４４は、燃料電池１０および触媒ヒータ２０で利用されたエアをまとめて排出する。
このエア排出路４４は、燃料電池１０から延びる第１の排出路４４１と、触媒ヒータ２０から延びてこの第１の排出路４４１に合流する第２の排出路４４２と、を有する。
【００２１】
第１の排出路４４１の合流部と燃料電池１０との間には、圧力制御弁４４３が設けられる。
【００２２】
排ガス処理装置４６は、燃料電池１０から排出されるエアおよび水素ガスを処理する。具体的には、エア排出路４４を通して排出されるエアで後述の水素排出路を通して排出される水素ガスを希釈する希釈器や、この混合ガスの騒音を低減するサイレンサーなどを含んで構成される。
【００２３】
水素タンク４２は、水素ガスを供給するものであり、水素供給路４５を介して、燃料電池１０のアノード電極側および触媒ヒータ２０に接続されている。
この水素供給路４５は、水素タンク４２から燃料電池１０に至る第１の水素供給路４５１と、この第１の水素供給路４５１から分岐して触媒ヒータ２０に至る第２の水素供給路４５２と、を有する。
第２の水素供給路４５２のうち触媒ヒータ２０近傍には、インジェクタ４５３が設けられている。インジェクタ４５３は、上述の第２の供給路４３２に水素ガスを噴射するものである。
【００２４】
また、燃料電池１０のアノード電極側には、図示しない水素排出路が接続される。この水素排出路は、上述の排ガス処理装置４６に接続される。
【００２５】
燃料電池１０で発電する手順は、以下のようになる。
すなわち、水素タンク４２から、水素供給路４５を介して、燃料電池１０のアノード側に水素ガスを供給する。また、コンプレッサ４１を駆動させることにより、エア供給路４３を介して、燃料電池１０のカソード側にエアを供給する。
燃料電池１０に供給された水素ガスおよびエアは、発電に供された後、燃料電池１０からアノード側の生成水などの残留水とともに、水素排出路およびエア排出路４４に流入する。これらの水素ガスおよびエアは、排ガス処理装置４６で処理されて、排出される。
【００２６】
図２は、触媒ヒータ２０の断面図である。
触媒ヒータ２０は、燃焼器２１０と、この燃焼器２１０に直列に接続されかつ下流側に配置される滞留装置としての熱交換器２２０とを備える。
【００２７】
燃焼器２１０は、筒状の燃焼器ケース２１１と、この燃焼器ケース２１１の内部に設けられる触媒２１６とを有する。
燃焼器ケース２１１には、吸入孔２１２が形成され、この吸入孔２１２には、上述のミキサ４３５が接続される。ミキサ４３５で混合された水素ガスおよびエアは、この吸入孔２１２から燃焼器ケース２１１内部に供給される。
触媒２１６は、混合された水素ガスおよびエアを燃焼反応させて発熱する。
【００２８】
熱交換器２２０は、筒状の熱交換器ケース２２１と、この熱交換器ケース２２１の内壁に沿って配置された熱交換流路２２６と、この熱交換流路２２６に囲まれた滞留部２２５とを有する。
熱交換流路２２６は、冷媒流入部２２７を介して、上述の第３の冷媒流路２５３に接続され、冷媒流出部２２８を介して、上述の第１の冷媒流路２５１に接続される。これにより、熱交換流路２２６には、冷媒が流通する。
滞留部２２５には、燃焼器２１０から排出されたガスが滞留する。この滞留部２２５には、この滞留したガスが排出される排気孔２２２が設けられる。この排気孔２２２には、上述の第２の排出路４４２が接続される。
【００２９】
燃焼器２１０の触媒２１６と熱交換器２２０との間には、触媒２１６と熱交換器２２０とを隔てる吸湿材２１７が設けられる。
吸湿材２１７は、触媒ヒータ２０内部の温度が低下すると、水分を吸収し、触媒ヒータ２０内部の温度が上昇すると、この吸収した水分を放出する。また、吸湿材２１７は、ゼオライトまたはアルミナがハニカム材で担持されて構成される。
【００３０】
触媒ヒータ２０の動作は、以下のようになる。
触媒ヒータ２０を運転させる場合、ミキサ４３５により、混合した水素ガスおよびエアが吸入孔２１２から燃焼器ケース２１１内部に供給される。
燃焼器ケース２１１内部に供給された水素ガスおよびエアは、触媒２１６により燃焼反応し、この燃焼反応により加熱されたガスが熱交換器２２０に排出される。この燃焼器から排出されたガスは、熱交換器２２０の滞留部２２５に滞留し、この滞留部２２５を囲む熱交換流路２２６を循環する冷媒と熱交換する。
【００３１】
ここで、水素ガスと酸化剤ガスの触媒２１６による反応では水が生成されるため、加熱されたガスとともに熱交換器２２０側に排出されるガスには、水分が含まれている。この排ガスに含まれた水分は、この熱交換器２２０の排気孔２２２から排出される。
【００３２】
次に、触媒ヒータ２０を停止させると、排ガスが排気孔２２２から排出されなくなるため、燃焼器２１０から排出された水分を含むガスは、熱交換器２２０の滞留部２２５に滞留する。その後、触媒ヒータ２０の温度が低下すると、この滞留部２２５に滞留したガスに含まれる水分は、吸湿材２１７に吸収される。
【００３３】
その後、再び触媒ヒータ２０を運転させると、触媒ヒータ２０内部の温度が上昇するため、吸湿材２１７に吸収された水分は放出され、この放出された水分は、排気孔２２２から排出される。
【００３４】
図３は、触媒ヒータ内部の温度と時間経過との関係を示す図である。
図３中、点線は、吸湿材を設けた場合であり、破線は、吸湿材を設けていない場合である。
また、温度Ｔ１は、触媒ヒータの目標燃焼温度である。
時刻ｔ０において触媒ヒータに水素ガスおよびエアを供給すると、吸湿材を設けた場合、時間の経過に伴い、触媒ヒータ内部の温度は温度Ｔ０から上昇し、時刻ｔ１で温度Ｔ１となる。
一方、吸湿材を設けていない場合、時刻ｔ０において触媒ヒータに水素ガスおよびエアを供給しても、触媒ヒータ内部の温度はなかなか上昇せず、時刻ｔ１よりも遅い時刻ｔ２で温度Ｔ１となる。
【００３５】
本実施形態によれば、以下のような効果がある。
（１）触媒ヒータ２０に、燃焼器２１０および熱交換器２２０を設け、これらの燃焼器２１０および熱交換器２２０の間に水分を吸収または放出する吸湿材２１７を配置した。これにより、水素ガスと酸化剤ガスの触媒２１６による反応で生じた水が熱交換器２２０に滞留しても、この熱交換器２２０から放出される水は、燃焼器２１０および熱交換器２２０の間に配置された吸湿材２１７に吸収される。
したがって、触媒２１６に水分が付着することを抑制できる。その結果、低温環境下で触媒２１６の表面が凍結することも防止できる。
さらに、吸湿材２１７は、いったん吸収した水分を放出できる。つまり、触媒ヒータ２０の停止時には、触媒ヒータ２０内部の温度が低下するので、水分を吸収し、運転時には、触媒ヒータ２０内部の温度が上昇するので、水分を放出する。そのため、吸湿材２１７を有効に利用できる。
【００３６】
（２）燃料電池１０およびこの燃料電池１０に媒体を循環させる冷媒流路２５を備えた燃料電池システム１において、熱交換器２２０は、燃焼器２１０から排出されるガスと冷媒との間で熱交換可能とし、当該熱交換器２２０で暖められた冷媒により燃料電池１０を暖機した。よって、燃焼器２１０は、燃料電池１０の発電に用いられる水素ガスおよび酸化剤ガスの一部の触媒反応で発熱し、この燃焼器２１０から排出されるガスと燃料電池１０を暖める冷媒とは、熱交換器２２０により熱交換される。
したがって、水素ガスおよび酸化剤ガスを燃料電池１０に供給するとともに、燃焼器２１０にも供給することで、燃焼器専用のガス供給装置を省略できるから、燃料電池システム１が小型化できるとともに、燃料電池１０を暖機する必要がある場合には、燃焼器２１０の発熱により燃料電池１０を暖機できる。
【００３７】
なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
【００３８】
上記実施形態では、触媒２１６と熱交換器２２０との間に、ゼオライトまたはアルミナをハニカム材に担持させた吸湿材２１７を設けたが、これに限らない。
例えば、触媒２１６と熱交換器２２０との間に、ペレット状のゼオライトまたはアルミナをケースに入れて設置することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の一実施形態に係る燃料電池システムのブロック図である。
【図２】前記実施形態に係る触媒ヒータの断面図である。
【図３】前記実施形態に係る触媒ヒータ内部の温度と時間経過との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００４０】
１…燃料電池システム
１０…燃料電池
２０…触媒ヒータ（触媒燃焼装置）
２５…冷媒流路（循環装置）
２１０…燃焼器
２１６…触媒
２１７…吸湿材
２２０…熱交換器（滞留装置）
【図１】
2007292395.tif 000003
【図２】
2007292395.tif 000004
【図３】
2007292395.tif 000005