(57)【要約】【課題】装置内に流入する燃焼ガスの流量に依存することなく安定した燃焼を得ることを課題とする。【解決手段】カソードオフガス導入口１を介して導入されたカソードオフガスに対して圧力波発生装置２で発生した圧力波を与え、圧力波を受けたカソードオフガスに拡散板３で乱流渦を発生させ、この乱流渦によりカソードオフガスとアノードオフガス配管噴出部４を介して導入されたアノードオフガスとが混合された混合ガスを第１の触媒燃焼部６で触媒燃焼させて構成される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化剤ガスを触媒燃焼装置に導入する第１の導入部と、
前記第１の導入部を介して導入された酸化剤ガスに対して圧力波を発生させる圧力波発生装置と、
前記圧力波発生装置で発生された圧力波を受けた酸化剤ガスに乱流渦を発生させる乱流発生源と、
前記乱流発生源の下流側に設けられ、燃料ガスを前記触媒燃焼装置に導入する第２の導入部と、
前記乱流発生源により発生した酸化剤ガスの乱流渦により、前記第２の導入部を介して導入された燃料ガスと酸化剤ガスとが混合された混合ガスを導入して触媒により燃焼させる第１の触媒燃焼部と
を有することを特徴とする触媒燃焼装置。
【請求項２】
前記第１の導入部を介して導入される酸化剤ガスならびに前記第２の導入部を介して導入される燃料ガスのいずれか一方または両方のガスに水分が含まれる
ことを特徴とする請求項１記載の触媒燃焼装置。
【請求項３】
前記第１の導入部を介して導入される酸化剤ガスは燃料電池から排出されるカソードオフガス及び／又は前記第２の導入部を介して導入される燃料ガスは燃料電池から排出されるアノードオフガスである
ことを特徴とする請求項１または２に記載の触媒燃焼装置。
【請求項４】
前記第２の導入部は、前記第１の導入部を介して導入される酸化剤ガスの主流に対して垂直放射状に燃料ガスを噴出して導入する
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の触媒燃焼装置。
【請求項５】
前記第１の触媒燃焼部は、前記触媒燃焼装置における混合ガスの流通方向全断面に設けられ、混合ガスのすべてを導入する
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の触媒燃焼装置。
【請求項６】
前記乱流発生源と前記第１の触媒燃焼部との間に、混合ガスの流路を２つ以上に分流する隔壁
を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の触媒燃焼装置。
【請求項７】
前記隔壁は、その中空内部に混合ガスが流通する流路を形成する
ことを特徴とする請求項６に記載の触媒燃焼装置。
【請求項８】
前記隔壁内流路の全断面に第２の触媒燃焼部を有する
ことを特徴とする請求項７に記載の触媒燃焼装置。
【請求項９】
ガスの流通方向に垂直な前記乱流発生源の断面積は、ガスの流通方向に垂直な前記隔壁内流路の断面積よりも小さく、かつガスの流通方向に垂直な前記乱流発生源の断面は、ガスの流通方向に垂直な前記隔壁内流路の断面内に収まる
ことを特徴とする請求項７または８に記載の触媒燃焼装置。
【請求項１０】
前記乱流発生源のガス流通方向における中心線と、前記隔壁内流通路のガス流通方向における中心線とは同線上にある
ことを特徴とする請求項９に記載の触媒燃焼装置。
【請求項１１】
前記乱流発生源のガス流通方向における中心線と、前記第１または第２の触媒燃焼部のガス流通方向における中心線とは同線上にある
ことを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の触媒燃焼装置。
【請求項１２】
前記乱流発生源と前記隔壁の流路入口端との距離は、前記隔壁内流路の断面直径の半分以上である
ことを特徴とする請求項７〜１０のいずれか１項に記載の触媒燃焼装置。
【請求項１３】
前記乱流発生源と前記隔壁の流路入口端との距離ならびに前記乱流発生源と前記第１の触媒燃焼部との距離のいずれか短い方の距離は、前記触媒燃焼装置の断面直径の半分以上である
ことを特徴とする請求項７〜１０のいずれか１項に記載の触媒燃焼装置。
【請求項１４】
前記触媒燃焼装置の運転状態に応じて前記圧力波発生装置が発生する圧力波の周波数に基づいて、酸化剤ガスの乱流渦の大きさを制御する
ことを特徴とする請求項１〜１３のいずれか１項に記載の触媒燃焼装置。
【請求項１５】
前記圧力波発生装置で発生される圧力波の周波数に基づいて、酸化剤ガスの乱流渦の直径が前記隔壁内流路の直径の半分程度に形成される
ことを特徴とする請求項７，８，９，１０，１２及び１３のいずれか１項に記載の触媒燃焼装置。
【請求項１６】
前記触媒燃焼装置の運転状態が予め設定された通常運転状態の範囲内にあるときには、前記圧力波発生装置で発生される圧力波の周波数に基づいて、前記通常運転状態に応じて予め設定された大きさの乱流渦を発生させる
ことを特徴とする請求項１〜１４のいずれか１項に記載の触媒燃焼装置。
【請求項１７】
前記触媒燃焼装置の運転状態が予め設定された通常運転状態の範囲外の非通常運転状態にあるときには、前記圧力波発生装置で発生される圧力波の周波数に基づいて、前記非通常運転状態に応じて予め設定された大きさの乱流渦を発生させる
ことを特徴とする請求項１〜１４のいずれか１項に記載の触媒燃焼装置。
【請求項１８】
前記触媒燃焼装置が予め設定された高温の燃焼状態の非通常運転状態にあるときには、前記圧力波発生装置で発生される圧力波の周波数に基づいて、通常運転状態時に比べて酸化剤ガスの乱流渦を大きくする
ことを特徴とする請求項１７に記載の触媒燃焼装置。
【請求項１９】
前記触媒燃焼装置が予め設定された低温の燃焼状態の非通常運転状態にあるときには、前記圧力波発生装置で発生される圧力波の周波数に基づいて、通常運転状態時に比べて酸化剤ガスの乱流渦を小さくする
ことを特徴とする請求項１７に記載の触媒燃焼装置。
【請求項２０】
前記圧力波発生装置で発生される圧力波の周波数は、前記触媒燃焼装置を流通するガスの平均流速、前記触媒燃焼装置の内径ならびにＳｔｒｏｕｈａｌ数に基づいて設定される
ことを特徴とする請求項１〜１９のいずれか１項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、燃焼ガスの混合性を改善して、燃焼の安定化を図った触媒燃焼装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の技術としては、例えば以下に示す文献に記載されたものが知られている（特許文献１参照）。この文献に記載された技術では、予混合管の上流位置に配されて主燃料噴射弁の下流端外周に対して環状間隙を空けた状態のシュラウドと、該シュラウドの内面に配されて環状間隙を挿通する空気流との交差により主燃料噴射弁の下流端近傍に混合渦を発生させかつ周方向に傾斜状態の複数のデルタ翼とを具備していた。
【０００３】
このような構成において、環状間隙の内部の複数箇所で交互に方向が異なる対称形の混合渦を発生させ、この複数の混合渦を噴霧状の燃料空気混合流体と交差させ、希釈空気と燃料空気混合流体との混合を促進させて燃料を希釈し、燃料濃度を均一化していた。これにより、燃焼性が高められ、燃焼温度を抑制して低ＮＯｘ化を図っていた。
【特許文献１】特開平７−２６０１４８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このような従来の燃焼装置においては、燃焼装置内に流入する空気ならびに燃料が一定流量の時にしか安定した混合渦を発生させることができなかった。したがって、燃焼装置内に流入する空気ならびに燃料の流量が変化すると、混合渦の形状が不安定となり、燃料の流量に依存せず常時最適な燃焼効率を達成することが困難であった。
【０００５】
特に、車両等の移動体に設置された燃焼装置では、移動体の運転状態に応じて燃焼ガスの流量が１桁以上も変動するため、いかなる運転状態、すなわちどのような流量条件であっても安定した燃焼効率を実現することは非常に重要な課題であった。
【０００６】
そこで、本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、装置内に流入する燃焼ガスの流量に依存することなく安定した燃焼が得られる触媒燃焼装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明の課題を解決する手段は、酸化剤ガスを触媒燃焼装置に導入する第１の導入部部と、前記第１の導入部を介して導入された酸化剤ガスに対して圧力波を発生させる圧力波発生装置と、前記圧力波発生装置で発生された圧力波を受けた酸化剤ガスに乱流渦を発生させる乱流発生源と、前記乱流発生源の下流側に設けられ、燃料ガスを前記触媒燃焼装置に導入する第２の導入部と、前記乱流発生源により発生した酸化剤ガスの乱流渦により、前記第２の導入部を介して導入された燃料ガスと酸化剤ガスとが混合された混合ガスを導入して触媒により燃焼させる第１の触媒燃焼部とを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、燃焼ガスに応じた乱流渦を生成することで、燃焼ガスを最適に混合することが可能となり、安定した燃焼を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、図面を用いて本発明を実施するための最良の実施例を説明する。
【実施例１】
【００１０】
図１は本発明の実施例１に係る触媒燃焼装置の構成を示す図であり、同図（ａ）は側面断面図であり、同図（ｂ）は装置内を流通するガスの上流側から装置内部を見た図である。以下に示す本発明に係る触媒燃焼装置は、例えば燃料電池車両に搭載された燃料電池システムから排出されるカソードオフガスとアノードオフガスとの燃料ガスを混合して燃焼させる装置に適用した実施例として説明する。燃料電池システムは、燃料ガスの例えば水素と酸化剤ガスの例えば空気（酸素）との電気化学反応により発電を行う燃料電池を備えた公知の装置であり、この燃料電池システムで得られた電力は燃料電池システムを動力源として搭載した燃料電池車両の駆動モータ等に供給される。
【００１１】
図１において、この実施例１の触媒燃焼装置は、カソードオフガス導入口（第１の導入部）１、圧力波発生装置２（圧力波発生源）、拡散板（乱流発生源）３、アノードオフガス配管噴出部（第２の導入部）４、ガス混合部５、第１の触媒燃焼部６ならびに排気口７を備えて構成されている。
【００１２】
燃料電池システムの発電で未使用の空気（カソードオフガス）は、カソードオフガス導入口１から触媒燃焼装置に導入される。導入されたカソードオフガスは装置内を排気口７に向かって流れる。
【００１３】
圧力波発生装置２は、触媒燃焼装置のカソードオフガス導入口１側の装置の外壁８に設置され、可変設定可能な周波数の圧力波を発生し、この圧力波により後述するカソードオフガスの渦の形状（サイズ）や発生数を制御する。なお、圧力波発生装置２は、図２に示すように、触媒燃焼装置のカソードオフガス導入口１側の任意の位置に圧力波発生装置２ａ〜２ｄを設置するようにしてもよい。また、複数の圧力波発生装置２ａ〜２ｄを設置しても良く、例えば、圧力波発生装置２ａと２ｂの２つを設置した場合にはその間にカソードオフガス導入口１を設けるようにしてもよい。
【００１４】
図１に戻って、拡散板３は、圧力波発生装置２の端部からｘ１だけ下流側に離れた触媒燃焼装置内に設置され、拡散板３の下流側でカソードオフガスの渦を発生させる。
【００１５】
アノードオフガス配管噴出部４は、燃料電池システムの発電で未使用の水素（アノードオフガス）を拡散板３の下流直近に導入し、カソードオフガス導入口１から排気口７へ向かうカソードオフガスの流通方向に対して垂直方向に、配管の周囲に設けられた噴出口（図示せず）を介して導入したアノードオフガスを放射状に噴出させる。
【００１６】
ガス混合部５は、アノードオフガス配管噴出部４を介して導入されたアノードオフガスと渦状態のカソードオフガスとが混合する領域である。
【００１７】
第１の触媒燃焼部６は、拡散板３からｘ２だけ下流側に離れた触媒燃焼装置内に装置断面全面にわたって設けられ、公知の触媒燃焼法による化学反応によりガス混合部５で混合されたカソードオフガスとアノードオフガスとの混合ガスを燃焼する。燃焼後のガスは排気口７から装置外部に排気される。
【００１８】
ここで、乱流渦が液体に及ぼす影響の様子を示す図３を参照して、上記拡散板３の下流側で発生する乱流渦が液体に及ぼす影響について説明する。なお、図３（ａ）において、円弧状の矢印Ａは大規模乱流渦を、黒丸Ｂ１〜Ｂ３は液滴（例えば水滴）を、直線で示した矢印Ｃ及びこれに平行な線はガスの主流をそれぞれ示す。
【００１９】
大規模乱流渦による液滴への影響は、流体工学において公知のＳｔｏｋｅｓ（ストークス）数により明らかにされる。なお、Ｓｔｏｋｅｓ数は下記（１）式に示すように定義されている。
【００２０】
（数１）
Ｓｔｏｋｅｓ数＝Ｓ１／Ｓ２  …（１）
ここで、Ｓ１＝ρｄ２  ／１８μ、Ｓ２＝Ｄ／Ｕとし、ρ＝液体密度、ｄ＝液体粒径、μ＝液体の粘度、Ｄ＝燃焼装置内径、Ｕ＝平均気体流速である。
【００２１】
Ｓｔｏｋｅｓ数は、液体の物性、粒径、気体流速、及び燃焼装置形状等により決まる。また、気体によって運ばれる液滴のＳｔｏｋｅｓ数による影響についてはＣｒｏｗｅらの研究結果により公知となっている。
【００２２】
Ｓｔｏｋｅｓ数＜＜１の場合は、図３（ａ）の黒丸Ｂ１で示すように大規模乱流に沿って流れ、Ｓｔｏｋｅｓ数〜１の場合には、同図（ａ）の黒丸Ｂ２で示すように大規模乱流渦に影響されて渦径よりも外側に弾かれ、Ｓｔｏｋｅｓ数＞＞１の場合には同図（ａ）の黒丸Ｂ３で示すように大規模乱流渦の影響を受けずに重力の影響が支配的となり自己の慣性によって流れる。
【００２３】
気体はＳｔｏｋｅｓ数の定義により粒径はとても小さくＳｔｏｋｅｓ数は０であり、Ｓｔｏｋｅｓ数＜＜１のため大規模乱流渦に沿って流れる。一方、液体及び固体の場合には、粒の物性、粒径、気体流速及び燃焼装置の形状によりＳｔｏｋｅｓ数は異なる。
【００２４】
現在の技術では、燃焼装置に供給される燃料の多くは気体（Ｓｔｏｋｅｓ数＝０）、又は液体及び固体の微細な燃料粒のため、Ｓｔｏｋｅｓ数＜＜１となり大規模乱流渦に沿って燃料が流れ、大規模乱流渦によって燃料分布が影響される。なお、ここでは大規模乱流渦の燃料粒への影響を説明したが、同様に大規模乱流渦による水粒への影響もＳｔｏｋｅｓ数により明らかになっている。
【００２５】
図１に示すような触媒燃焼装置において、上記大規模乱流渦は先に触れたように拡散板３により形成されるが、圧力波発生装置２により発生する圧力波の周波数により渦の形状（サイズ）や発生数等が制御される。燃焼装置内における大規模乱流渦のでき方は、流体工学の技術分野において公知のＳｔｒｏｕｈａｌ数により明らかになる。このＳｔｒｏｕｈａｌ数は下記（２）式に示すように定義されている。
【００２６】
（数２）
Ｓｔｒｏｕｈａｌ数＝Ｄ×ｆ／Ｕ  …（２）
ここで、Ｄ＝燃焼装置内径または乱流発生源（図１では拡散板３）の直径、ｆ＝圧力波周波数、Ｕ＝平均気体流速である。
【００２７】
一般的に安定した大規模乱流渦を得られるＳｔｒｏｕｈａｌ数は流れ場に依存するが、０．２から０．５程度が良いことがＧｕｔｍａｒｋとＨｏの研究論文より公知となっている。また、同じＳｔｒｏｕｈａｌ数においても、圧力波の振幅によって大規模乱流渦の大きさや発生数は異なり、振幅が大きいほど大きな渦が発生する。しかし、振幅が大き過ぎたり小さ過ぎたりすると流れが不安定になり安定した大規模乱流渦は発生しない。
【００２８】
以上説明した乱流渦の特性を考慮して、触媒燃焼装置に導入されたカソードオフガスに乱流渦を発生させるために、図１に示す拡散板３はその直径をｄ２とすると、燃焼装置の内径ｄ１に比べて小さく（ｄ１＞ｄ２）設定する。具体的には直径の１／２や１／３等のサイズを用いることが可能である。
【００２９】
渦発生源の大きさとしては乱流が発生すれば十分であり、拡散板３の下流のガス混合部５に発生する渦の大きさは圧力波発生装置２で発生された圧力波の周波数を含む流れ中のＳｔｒｏｕｈａｌ数の影響を受ける。したがって、拡散板３の半径よりも小さい状態では安定した渦の制御は難しいが、拡散板３の半径よりも大きい渦の制御はＳｔｒｏｕｈａｌ数を制御することによって容易である。このため、拡散板３を必要以上に大きくすることは望ましくない。さらに、拡散板３は燃焼装置の主要な圧力損失発生源としての影響もあるため、圧力損失を考慮した上で拡散板３のサイズを検討する必要がある。
【００３０】
また、拡散板３の燃焼装置断面上の配置位置は、設計者の意図に応じてある程度自由に設定することが可能であり、例えば燃焼装置の中心線上に設置することが可能である。この場合には、他の位置に設置した場合に比較して最大の大規模乱流渦を発生させることが可能となる。
【００３１】
一方、移動体の排気処理として本燃焼装置を採用した場合には、移動体が移動することによって発生する各種加減速Ｇや遠心力の影響を加味した位置に設置してもよく、例えば図１（ｂ）に示すように、燃焼装置の中心線上から外れた位置に配置するようにしてもよい。ただし、想定される燃焼装置の運転条件およびその時に安定燃焼を得るために必要な渦の大きさを得るためのスペースの確保は必須である。渦は燃焼装置内壁面にあたると破壊されて安定した渦を得られなくなる懸念があるため、渦サイズの制御は重要である。
【００３２】
したがって、拡散板３から第１の触媒燃焼部６までのガス混合部５の長さは、触媒燃焼装置の内径ｄ１の半分以上にすることが望ましい。これは、ガス混合部５で燃焼ガスの混合を効果的に行なうには最低でもひとつの大規模乱流渦を発生させる必要があり、上述したように大規模乱流渦が燃焼装置内壁面に接触し、安定した渦を発生させることができなくなることを防止するためである。そこで例えば、拡散板３が燃焼装置の中心線上に設置された場合には、拡散板３から第１の触媒燃焼部６までのガス混合部５の長さは燃焼装置内半径相当またはそれ以上に設定される。
【００３３】
以上説明したように、上記実施例１においては、拡散板３の直後にアノードオフガス配管噴出部４を設置し、拡散板３の後方にガス混合部５を形成することで、カソードオフガスとアノードオフガスとをガス混合部５で効果的に混合することができる。
【００３４】
拡散板３の上流の圧力波を制御することで、拡散板３で発生される乱流の渦を安定させることができる。また、拡散板３の直後にアノードオフガスを供給することで、安定した渦を用いてカソードオフガスとアノードオフガスとを効果的に混合することが可能となる。これにより、燃焼装置内に流入するガスの流量が変化してもそれ相応な圧力波を用いることにより安定した燃焼を行うことができる。また、触媒燃焼を採用することで、気相燃焼に比べてクリーンな燃焼を効果的に行なうことができる。
【００３５】
乱流渦によりガス成分と水分とを分離して燃焼を行うことで、水分を含むガスを効率よく燃焼させることができる。これにより、水分が多い燃料電池のオフガスの燃焼に好適である。
【００３６】
カソードオフガスの主流に対して垂直にアノードオフガスを導入することで、効果的にかつ低圧損でアノードオフガスをカソードオフガスに混合することができる。
【００３７】
第１の触媒燃焼部６を燃焼装置の断面全面に設け、導入されたガスのすべてが第１の触媒燃焼部６を通過することで、想定外のアノードオフガスが供給されたり、圧力波の制御に不具合があった場合であっても、導入されたアノードオフガスをすべて燃焼することができる。ただし、通常の状態では触媒の全面を燃焼に使用する必要はない。
【００３８】
拡散板３から第１の触媒燃焼部６までの距離ｘ２を燃焼装置の内径ｄ１の半分以上とすることで、アノードオフガスの流量の増加や濃度の上昇等の非通常燃焼においても十分混合できる程度のガス混合部５を確保することができ、安定した燃焼を行うことができる。
【実施例２】
【００３９】
図４は本発明の実施例２に係る触媒燃焼装置の構成を示す図であり、同図（ａ）は側面断面図であり、同図（ｂ）は装置内を流通するガスの上流側から装置内部を見た図である。
【００４０】
なお、図４において、先の第１の実施例にて説明済みの構成物については同一の符号を用いることで説明を省略する。
【００４１】
この実施例２の特徴とするところは、先の実施例１の構成に比べてガス混合部５の下流に混合ガスを分流する隔壁９を追加配置したことにある。この実施例２では、隔壁９は筒状の隔壁を用いて流路を内外に分流する構成としているが、例えば平板などを用いて流路を上下に分流する構成としてもよい。また、隔壁９の配置位置は、設計者の意図に応じた装置内の断面位置に設置可能である。
【００４２】
本実施例２においては筒状の隔壁９を用いて燃焼装置内の流路を内外で分けており、隔壁９内流路の中心線は燃焼装置の外壁８の中心線とはオフセットさせているが、隔壁９内流路の中心線と拡散板３の中心線は同位置である。隔壁９内流路の直径ｄ３は、拡散板３の直径ｄ２よりも大きいが燃焼装置の内径ｄ１よりは小さく（ｄ１＞ｄ３＞ｄ２）設定されている。具体的にはｄ３を「１」とした場合に、例えばｄ２は「０．７５」程度であり、ｄ１は「２．３」程度としている。また、拡散板３から隔壁９端部までのガス混合部５の長さは、触媒燃焼装置の内径ｄ１の半分以上にすることが望ましい。
【００４３】
図４（ｂ）に示すように、燃焼装置を上流側から見た時の断面形状において、拡散板３と隔壁９の中心線は同一であり、燃焼装置の中心線に対して左上にオフセットしている。これは重力の影響を考慮し、燃焼装置の中心よりも拡散板３と隔壁９の中心を上にずらし、重力の影響で下降する水滴が隔壁９内の流路に入りにくくするためである。
【００４４】
一般的に水滴を含む流れの水分濃度分布は重力の影響を受け、水滴量は下部の方が上部よりも多い。また、拡散板３ならびに隔壁９の中心線を装置内の左上側にオフセットしているが、これは例えば燃焼装置を車両に搭載して燃焼装置の右側が車両の後方に位置するような場合に、車両の加速時に大量の凝縮水が発生しても、発生した凝縮水のほとんどが加速Ｇの影響を受けて装置内の右内壁面に衝突するため、水滴が隔壁９内流路に流入する可能性を低減することができる。
【００４５】
以上説明したように、上記実施例２においては、第１の触媒燃焼部６の直前に隔壁９を設けることで、隔壁９の内側の流路にほとんど凝縮水がなくなるので、凝縮水による触媒燃焼への悪影響を防止することができる。
【００４６】
隔壁９の内流路の断面積よりも拡散板３の断面積を小さくし、拡散板３の断面が隔壁９の断面内に収まることで、周辺の液水の隔壁９内部への流入および混合ガスの隔壁９外部への流出を防止することができる。
【００４７】
拡散板３の中心線と隔壁９の中心線を同心円上とすることで、オフセットしている場合に比べて隔壁９内の流路へ満遍なく均一に混合ガスを導入することができる。
【００４８】
拡散板３の中心線と第１の触媒燃焼部６の中心線を同心円上とすることで、オフセットしている場合に比べて第１の触媒燃焼部６へ満遍なく均一に混合ガスを導入することができる。
【００４９】
拡散板３から隔壁９の入口端部までの距離ｘ３を燃焼装置の内径ｄ１の半分以上とすることで、アノードオフガスの流量の増加や濃度の上昇等の非通常燃焼においても十分混合できる程度のガス混合部５を確保することでき、安定した燃焼を行うことができる。
【実施例３】
【００５０】
図５は本発明の実施例３に係る触媒燃焼装置の構成を示す図であり、同図（ａ）は側面断面図であり、同図（ｂ）は装置内を流通するガスの上流側から装置内部を見た図である。
【００５１】
なお、図５において、先の第１の実施例ならびに第２の実施例にて説明済みの構成物については同一の符号を用いることで説明を省略する。
【００５２】
この実施例３の特徴とするところは、先の実施例２の構成に比べてガス混合部５の下流の隔壁９の内側の流路内全面に、第１の触媒燃焼部６に比べて小型の第２の触媒燃焼部１０を追加配置したことにある。
【００５３】
この第２の触媒燃焼部１０は、第１の触媒燃焼部６と同一の材料およびセル密度で構成してもよく、もしくは異なる触媒構成としてもよく、設計者の意図に応じて設定するようにすればよい。例えば隔壁９内部流路の圧力損失の増加を最低限に留めるべく、触媒のセル密度を可能な限り低くするようにしてもよく、逆に圧力損失を犠牲にして燃焼性能を得るためにセル密度を高くしてもよい。また、水分の影響を受けにくくて着火しやすく、温度が下がり難い触媒を用いてもよい。
【００５４】
以上説明したように、上記実施例３においては、先の実施例２で得られる効果に加えて、隔壁９内の断面全面に第２の触媒燃焼部１０を設けることで、隔壁９の外側の流れの影響を受けることなく第２の触媒燃焼部１０で燃焼を行うことが可能となり、燃焼温度が維持しやすくなり、燃料効率を高めることができる。
【実施例４】
【００５５】
次に、図６のフローチャートを参照して、先の実施例１〜３で説明した触媒燃焼装置における実施例４に係る燃焼制御の手順を説明する。
【００５６】
この実施例４に係る燃焼制御、ならびに以下に説明する実施例５〜７に係る燃焼制御は、本発明の触媒燃焼装置を含む燃料電池システムに備えられた制御コントローラによって実行される。この制御コントローラは、燃料電池システムの運転を制御する制御中枢として機能し、プログラムに基づいて各種動作処理を制御するコンピュータに必要な、ＣＰＵ、記憶装置、入出力装置等の資源を備えた例えばマイクロコンピュータ等により実現される。制御コントローラは、燃料電池システムにおける各種圧力、温度、濃度、電圧、電流等システムの運転に必要な情報を収集するセンサからの信号を読み込み、読み込んだ各種信号ならびに予め内部に保有する制御ロジック（プログラム）に基づいて、システムの制御を要する構成要素に指令を送り、システムの運転／停止に必要なすべての動作を統括管理して制御する。
【００５７】
したがって、以下に説明する燃焼制御は、この制御コントローラによって燃料電池システム全体を統括管理する制御の下位制御として、システム起動時から終了時までの間に定期的に実施され、例えば０．１秒毎に本体システムの制御ロジックと同時にかつ独立して実施される。
【００５８】
なお、本発明の触媒燃焼装置を燃料電池システム以外のシステムに適用した場合には、この燃焼制御は、適用したシステムの動作を制御する制御手段によって実行され、もしくはこの燃焼制御を実行する制御実行手段を別途設けるようにしてもよい。
【００５９】
図６を参照して、実施例４に係る燃焼制御では、先ず上記システムの制御コントローラより本制御ロジック（プログラム）が呼び出され、本制御が開始される（ステップＳ６１）。その後、燃焼装置の運転状態を確認する（ステップＳ６２）。確認方法としては、制御コントローラとの通信によって燃焼装置外部から情報を得ることが可能であるが、それ以外にも公知の各種測定手段を燃焼装置に設置し、その測定結果を用いるようにしてもよい。具体的な測定手段としては、燃焼装置に流入する各種ガスの流量を測定する流量測定手段や、燃焼装置内の温度を測定する温度測定手段等が挙げられる。
【００６０】
このとき、燃焼装置の運転状態の情報として、燃焼装置内に流れるガス主流の流速を求める。なお、流速は燃焼装置内を流れるガス流量を燃焼装置断面積で除算して求められ、ガス流量は例えばカソードオフガス導入口１に設置したガス流量計で計測された値を用いたり、燃料電池システムの運転状態に応じて燃料電池に酸化剤ガスの空気を供給するコンプレッサの流量、燃料電池の発電量等の情報を用いて演算、推定した流量を用いてもよい。
【００６１】
次に、圧力波発生装置２で発生する圧力波の周波数を演算する（ステップＳ６３）。圧力波周波数は、先のステップＳ６２にて得た流速（平均流速）と燃焼装置の直径と予め定められたＳｔｒｏｕｈａｌ数を前記（２）式に代入して求める。すなわち、Ｓｔｒｏｕｈａｌ数／燃焼装置の内径（ｄ１）を所定係数とすると、圧力波の周波数は（平均流速×所定係数）を演算して求める。この演算結果で得られた周波数を圧力波発生装置２により発生させる周波数とする。
【００６２】
圧力波発生装置２で発生される周波数を調整した後この燃焼制御のサブルーチンを終了する（ステップＳ６４）。本燃焼制御が終了した後は、再度上位制御から本燃焼制御が呼び出されるまで待機する。
【００６３】
以上説明したように、上記実施例４においては、燃焼装置の運転状態に応じて圧力波の周波数を変えることで、運転状態に応じて渦の状態を制御することが可能となる。これにより、ガスの混合度合いや濃度分布を適切に制御することが可能となり、安定した燃焼を得ることができる。
【００６４】
燃焼装置内のガス平均流速に燃焼装置内の運転状態に応じた所定の係数（Ｓｔｒｏｕｈａｌ数／燃焼装置の内径）をかけて求められる周波数の圧力波を発生させることで、ガス流量に対応して渦の大きさを一定にすることが可能となり、安定した燃焼を行うことができる。
【実施例５】
【００６５】
次に、図７のフローチャートを参照して、先の実施例１〜３で説明した触媒燃焼装置における実施例５に係る燃焼制御の手順を説明する。
【００６６】
図７において、先ず燃料電池システムの起動と略同時に本燃焼制御が呼び出されて開始される（ステップＳ７１）。もしくはシステム起動後に予め設定された一定の条件に達した後に制御コントローラより本燃焼制御の開始指示が出力された後に開始するようにしてもよい。
【００６７】
本燃焼制御が呼び出されて開始されると、先の図６に示すステップＳ６２、Ｓ６３と同様の処理が実行される。その後燃料電池システムの運転が終了するかもしくは継続するかが判別される（ステップＳ７２）。判別の結果、運転継続と判別された場合には先のステップＳ６２に戻る一方、運転終了と判定された場合は、本燃焼制御を終了する（ステップＳ７３）。
【００６８】
なお、ステップＳ７２での運転終了の判別の方法としては、制御コントローラにより燃料電池システムの運転状態を確認し、その結果から判定することが可能であるが、他にも本燃焼制御が予め定められた制御ループ数に至り、または予め設定された制御時間が経過した後に終了と判定するようにしてもよい。
【実施例６】
【００６９】
次に、図８のフローチャートを参照して、先の実施例１〜３で説明した触媒燃焼装置における実施例６に係る燃焼制御の手順を説明する。
【００７０】
この燃焼制御の手順の特徴とするところは、先の図７に示す実施例５に係る手順に比べて、図７のステップＳ６２とステップＳ６３との処理の間に、ステップＳ８１〜８５で示す処理を加えたことにあり、他は先の図７に示す手順と同様である。
【００７１】
図８において、先ず前述したステップＳ７１、ステップＳ６２に示す処理を実行した後、燃焼装置の状態が通常の運転状態の範囲内にあるか否かを判定する（ステップＳ８１）。通常の運転状態にあるか否かの判定を行なう方法としては、燃焼装置の状態を確認したり、システムの状態を確認したり、あるいは予め定められたパラメータのマップを用いることが可能である。
【００７２】
燃焼装置の状態を用いて判定する方法としては、例えば燃焼装置に温度検出手段が設置されている場合には燃焼温度を用い、あるいはガス流量検知手段が設置されている場合には各ガスの流量を用い、温度や流量の測定結果が予め設定された範囲内に収まっているか否かに基づいて運転状態を判定する。
【００７３】
システムの状態を用いて判定する方法としては、制御コントローラが検出するシステムの状態に基づいて判定する。それ以外にも発電の際に空気を供給するコンプレッサの回転数、発電量、各種圧力および温度の測定結果を用いて判定するようにしてもよい。これらの制御パラメータが予め設定された範囲内に収まっている否かに基づいて判定する。
【００７４】
運転状態の判定の結果、通常の運転状態にあると判定された場合は予め設定された通常の運転状態用のＳｔｒｏｕｈａｌ数を設定する（ステップＳ８２）。一方、通常の運転状態から外れていると判定された場合には、どのように通常の状態から外れているかを確認する（ステップＳ８３）。本燃焼制御においては燃焼装置内の水素量の多少を判定要件としているが、水素濃度、空気流量、燃焼温度等の他のパラメータを判定要件としてもよい。なお、これらの判定パラメータを用いる場合には、これらの値を計測する手段が燃焼装置に設置される。
【００７５】
水素量の多少の判定結果、水素量が多いと判定された場合には、その対策として例えば通常運転時に設定されるＳｔｒｏｕｈａｌ数を変更し、Ｓｔｒｏｕｈａｌ数の値を下げる（ステップＳ８４）。一方、水素量が少ないと判定された場合には、その対策として例えば通常運転時に設定されるＳｔｒｏｕｈａｌ数を変更し、Ｓｔｒｏｕｈａｌ数の値を上げる（ステップＳ８５）。この時に変更設定される非通常時のＳｔｒｏｕｈａｌ数は予め定められた値、もしくは水素量に応じた可変な値を採用するようにしてもよい。
【００７６】
ステップＳ８２、Ｓ８４あるいはＳ８５で示すようにしてＳｔｒｏｕｈａｌ数が設定された後は、先の図７に示すステップＳ６３，Ｓ７２ならびにＳ７３に示す処理を実行して燃焼制御を終了する。
【００７７】
ここで、図９を参照して、先の実施例３における燃焼装置の構成においてＳｔｒｏｕｈａｌ数を変更することによる効果を説明する。図９（ａ）に示すように、例えば通常運転時のＳｔｒｏｕｈａｌ数が「Ａ」に設定されている場合に、拡散板３によって発生した乱流が圧力変動の影響を受け、これによりガス混合部５で大規模乱流渦が発生すと、この渦の直径は隔壁９内流路の半径程度の大きさとなる。
【００７８】
このような状態において、上記水素量が多い場合には、図９（ｂ）に示すように、Ｓｔｒｏｕｈａｌ数が例えば「０．５Ａ」程度に下げられ、Ｓｔｒｏｕｈａｌ数の変更前後で燃焼装置内のガス流速が同等であるとすると、圧力波発生装置２で発生された圧力波の周波数はＳｔｒｏｕｈａｌ数が下げられる前の値の半分となる。これにより、大規模乱流の粒径はＳｔｒｏｕｈａｌ数が下げられる前の図９（ａ）に示す場合に比べて同図（ｂ）に示すように大きくなる。
【００７９】
一方、水素量が少ない場合には、Ｓｔｒｏｕｈａｌ数は上げられ、それによって上げられる前に比べて渦径の小さな大規模乱流渦が発生する。
【００８０】
このようなＳｔｒｏｕｈａｌ数の変化と燃焼装置断面上の水素濃度分布および水滴濃度分布との関係を図１０に示す。図１０（ａ）のＡ−Ａ線に沿った断面のアノードオフガス（水素ガス）の濃度分布を同図（ｂ１）〜（ｂ３）に示し、水滴濃度分布を同図（ｃ１）〜（ｃ３）に示す、同図（ｂ１）、（ｃ１）はＳｔｒｏｕｈａｌ数が「０．５Ａ」の場合、同図（ｂ２）、（ｃ２）はＳｔｒｏｕｈａｌ数が「Ａ」の場合、同図（ｂ３）、（ｃ３）はＳｔｒｏｕｈａｌ数が「１．５Ａ」の場合を示している。
【００８１】
アノードオフガス配管噴出部４からカソードオフガスの流れに垂直方向に噴出されたアノードオフガスは、ガス混合部５で発生する大規模乱流渦に乗り、渦の外径に合わせて全面にほぼ均一に拡散、混合される。これにより、Ｓｔｒｏｕｈａｌ数がＡの場合には、図１０（ｂ２）に示すように、アノードオフガスは拡散板３の半径（ｒ）方向に均一に分布し、渦よりも外側の断面のアノードオフガス濃度は極端に低くなる。
【００８２】
一方、Ｓｔｒｏｕｈａｌ数が小さく（例えば「０．５Ａ」程度）なると大規模乱流渦の粒径は大きくなり、図１０（ｂ１）に示すように、アノードオフガスは広範囲に分布するようになり、Ｓｔｒｏｕｈａｌ数が大きく（例えば「１．５Ａ」程度）なると逆に渦径は小さくなり、アノードオフガスは狭い範囲に限定されて分布することになる。
【００８３】
これに対して、燃焼装置内の水滴分布はアノードオフガスの濃度分布と異なる分布を示す。これは気体である水素ガスはＳｔｏｋｅｓ数が限りなく０に近いため流れを忠実にたどるが、Ｓｔｏｋｅｓ数〜１のオーダーである水滴は流れに弾かれる傾向に加えて重力の影響も受けるためである。そのため、大規模乱流渦がある燃焼装置中心付近の水滴濃度はとても低く、渦の外側になるほど水滴濃度は高くなる。また、渦によって弾かれた水滴は重力の影響を受けるため、燃焼装置上部に対して下部の方が水滴量は多くなる。
【００８４】
以上説明したように、上記実施例６においては、燃焼装置の運転状態が通常の運転状態の範囲内にある場合には、圧力波の周波数を制御して渦の大きさを隔壁９の半径程度とすることで、周辺の液水の隔壁９内部への流入およびアノードオフガスの隔壁９外部への流出を防止することができる。
【００８５】
燃焼装置の運転状態が通常の運転状態の範囲外にある場合には、その非通常状態に応じた直径の大規模乱流渦が発生するように圧力波の周波数を制御することで、非通常状態時にあっても、安定した燃焼を得ることが可能となる。
【実施例７】
【００８６】
次に、図１１のフローチャートを参照して、先の実施例１〜３で説明した触媒燃焼装置における実施例７に係る燃焼制御の手順を説明する。
【００８７】
図１１において、先ず前述したステップＳ７１に示す処理を実行した後、圧力波発生装置２で予め設定された初期の周波数ｆの圧力波を発生し、発生した周波数ｆの圧力波がカソードオフガスの流れに与えられる（ステップＳ１１１）。この時の初期の周波数は例えば２００Ｈｚ程度とするが、設計者が予め制御開始時の標準のガス流量等を検討し、その検討結果に基づいて設定するようにしてもよい。
【００８８】
続いて、上記周波数ｆの圧力波で制御された状態での燃焼が行なわれた後、燃焼状態が確認される（ステップＳ１１２）。確認後、燃焼状態が適正な状態にあるか否かを判定する（ステップＳ１１３）。燃焼状態の判定は、先の実施例における通常運転状態の判定と同様な判定方法で行う。判定の結果、燃焼状態が適正ではないと判定された場合には、燃料状態に応じた圧力波の周波数が演算され、得られた周波数の圧力波が圧力波発生装置２から発生される（ステップＳ１１４）。
【００８９】
新たな周波数で圧力波が発生された後、もしくは先の判定結果で燃焼状態が適正であると判定された場合には、引き続いて先の実施例と同様のステップＳ７２、Ｓ７３の処理を実行する。
【００９０】
先のステップＳ１１４で示す具体的な処理は、図１２のフローチャートに示す手順で実行される。図１２において、先ず燃焼装置内の燃焼状態に基づいて燃焼温度を上げるか下げるかを判定する（ステップＳ１２１）。すなわち、装置内の燃焼温度が通常の運転状態の燃焼温度の範囲内にあるか否かを判定する。例えば通常の運転状態において適正な燃焼温度が１５０℃〜３００℃程度の範囲であるとすると、検出された燃焼温度が１５０℃程度以下である場合には燃焼温度を上げる一方、燃焼温度が３００℃程度を越えている場合には燃焼温度を下げる。判定に用いる燃焼温度の基準は、触媒の燃焼特性や燃焼装置の耐熱性等を考慮して予め定められる。
【００９１】
判定の結果、燃焼温度を上げる場合には燃焼制御の制御パラメータのＳｔｒｏｕｈａｌ数を上げる（ステップＳ１２２）。この時の上げ幅は例えば燃焼温度に比例させるようにしてもよく、もしくは一律に上げるようにしてもよい。Ｓｔｒｏｕｈａｌ数を上げて、細かい渦で燃料集中させることによって部分的に燃料濃度を上げて、燃焼温度を上昇させる一方、燃焼温度を下げる場合にはＳｔｒｏｕｈａｌ数を下げる（ステップＳ１２３）。この時の下げ幅は例えば燃焼温度に比例させるようにしてもよく、もしくは一律に下げるようにしてもよい。Ｓｔｒｏｕｈａｌ数を下げて、大きい渦で燃料を分散させることによって平均的に燃料濃度を下げて、燃焼温度を低下させる。
【００９２】
その後、燃焼装置内のガス流量を検出する（ステップＳ１２４）。続いて、先のステップＳ１２３またはＳ１２４で設定されたＳｔｒｏｕｈａｌ数と先のステップＳ１２４で検出したガス流量に基づいて圧力波の周波数を演算して、ステップＳ１１４の処理は終了する。
【００９３】
以上説明したように、上記実施例７においては、燃焼装置の運転状態が通常の運転状態の範囲外の高温燃焼状態にあるとき、またはそのおそれがある場合には、圧力波の周波数を調整することにより渦の大きさを隔壁９の直径の半分程度よりも大きくすることで、隔壁９の内側のアノードオフガス濃度の過上昇を防止し、良好な燃焼状態を保つことができ、かつ周辺の液水が隔壁９内部へ流入することを防止することができる。
【００９４】
一方、燃焼装置の運転状態が通常の運転状態の範囲外の低温燃焼状態にあるとき、またはそのおそれがある場合、もしくはアノードオフガス濃度が低下して可燃濃度以下に下がるおそれがある場合には、圧力波の周波数を調整することにより渦の大きさを隔壁９の直径の半分程度よりも小さくすることで、隔壁９の内側中心付近のアノードオフガス濃度が濃くなり可燃濃度を部分的に保つことができ、良好な燃焼状態を保つことができる。
【００９５】
図１３に上記実施例４〜７の燃焼制御で用いられる制御パラメータの関係を示し、これらの関係に基づいて、上述した燃焼制御で設定される圧力波周波数やＳｔｒｏｕｈａｌ数が決定される。図１３（ａ）は燃焼装置を流通するガスの流速、圧力波周波数ならびにＳｔｒｏｕｈａｌ数の関係を示し、同図（ｂ）は燃焼装置を流通するガスの標準状態での流量、ガス流速ならびにガス温度の関係を示し、同図（ｃ）は装置内のアノードオフガス（水素ガス）濃度と燃焼温度との関係を示し、同図（ｄ）はアノードオフガス（水素ガス）濃度と設定されるＳｔｒｏｕｈａｌ数との関係の一例を示している。
【００９６】
図１３（ａ）に示すように、圧力波発生装置２で発生される圧力波の周波数は、燃焼装置内のガスの流速に比例し、具体的には下記（３）式で表される。
【００９７】
（数３）
ｆ＝Ｕ×Ｓ／ｄ１  …（３）
ここで、ｆ＝圧力波周波数、Ｕ＝ガス流速、Ｓ＝Ｓｔｒｏｕｈａｌ数、ｄ１＝燃焼装置内径である。同一燃焼装置において、両者の関係は図１３（ａ）に示すようにＳｔｒｏｕｈａｌ数によって傾きが異なる直線で示すような関係になる。なお、ガスの流速は通常ガスの体積流量に比例するが、ガスの体積は温度、圧力に依存する。しかし、図１３（ｂ）に示すようにガス温度が１００℃程度変動しても流速への影響はさほど大きくないため、システムによってはこの温度差等の誤差を考慮する必要はない。この差を考慮する必要がある場合には、ガスの圧力および温度を計測し、その分補正するようにすればよい。
【００９８】
図１３（ｃ）に示すように、燃焼装置内の燃焼温度は混合気の状態に影響され、同図に示すように水素濃度が上がるほど燃焼温度は上昇し、濃度、温度が上がる程傾きは小さくなる傾向がある。したがって、本発明における燃焼制御においては燃焼温度を用いて水素濃度を推定したり、逆にシステムの運転状態から混合気の水素濃度を推定したりすることによって燃焼温度が推定可能である。
【００９９】
なお、先の図１２におけるステップＳ１２２およびＳ１２３では、図１３（ｄ）の関係に基づいてＳｔｒｏｕｈａｌ数を設定するようにしてもよい。図１３（ｄ）では燃焼温度に代えて水素濃度の関数としてＳｔｒｏｕｈａｌ数を表しているが、同図（ｃ）の燃焼温度と水素濃度との関係を用いて演算するようにしてもよい。
【０１００】
なお、上記実施例では、本燃焼装置を燃料電池システムの排気処理用に採用した場合の実施例を示したが、本発明は燃料電池システムの排気処理に限定されるものではなく、例えば火力発電所のガスタービン、ゴミ焼却施設の焼却炉、各種化学プラントの排出物や副生成物の燃焼処理システム等に適用することが可能であり、また燃料電池車両以外の移動体に搭載される燃焼装置としても採用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１０１】
【図１】本発明の実施例１に係る触媒燃焼装置の構成を示す図である。
【図２】圧力波発生装置の他の配置例を示す図である。
【図３】Ｓｔｏｋｅｓ数と液滴の動きとの関係を示す図である。
【図４】本発明の実施例２に係る触媒燃焼装置の構成を示す図である。
【図５】本発明の実施例３に係る触媒燃焼装置の構成を示す図である。
【図６】本発明の実施例４に係る燃焼制御の手順を示すフローチャートである。
【図７】本発明の実施例５に係る燃焼制御の手順を示すフローチャートである。
【図８】本発明の実施例６に係る燃焼制御の手順を示すフローチャートである。
【図９】Ｓｔｒｏｕｈａｌ数と乱流渦との関係を示す図である。
【図１０】Ｓｔｒｏｕｈａｌ数とアノードオフガスならびに水滴分布との関係を示す図である。
【図１１】本発明の実施例７に係る燃焼制御の手順を示すフローチャートである。
【図１２】本発明の実施例７に係る燃焼制御の一部手順を示すフローチャートである。
【図１３】本発明の各実施例に係る各諸量の関係を示す図である。
【符号の説明】
【０１０２】
１…カソードオフガス導入口
２…圧力波発生装置
３…拡散板
４…アノードオフガス配管噴出部
５…ガス混合部
６…第１の触媒燃焼部
７…排気口
８…外壁
９…隔壁
１０…第２の触媒燃焼部
【図１】
2007194078.tif 000003
【図２】
2007194078.tif 000004
【図３】
2007194078.tif 000005
【図４】
2007194078.tif 000006
【図５】
2007194078.tif 000007
【図６】
2007194078.tif 000008
【図７】
2007194078.tif 000009
【図８】
2007194078.tif 000010
【図９】
2007194078.tif 000011
【図１０】
2007194078.tif 000012
【図１１】
2007194078.tif 000013
【図１２】
2007194078.tif 000014
【図１３】
2007194078.tif 000015