JP2002372208A

JP2002372208A - 水素燃焼ヒータ

Info

Publication number: JP2002372208A
Application number: JP2001178589A
Authority: JP
Inventors: Tamotsu Sugimoto; 保杉本; Shigeo Shimada; 茂穂島田
Original assignee: Calsonic Kansei Corp
Current assignee: Marelli Corp
Priority date: 2001-06-13
Filing date: 2001-06-13
Publication date: 2002-12-26

Abstract

(57)【要約】【課題】水素燃焼ヒータにおける空気と水素ガスの混
合を簡単な構成で向上させる。【解決手段】空気が供給される入口管１３０の断面を
横方向に横切るように水素導入管１００を接続し、開口
９０上流方向に設けた。水素ガスは水素導入管の開口か
らの噴出直後から空気との混合が促進される。混合器１
４０はそれぞれ孔を備える３枚のオリフィス板１４１、
１４２、１４３を順次に並べて構成し、各オリフィス板
は上流側から下流側へ順にその孔径を小さくし、かつ孔
数を増大させたものとした。これにより、下流へ進むほ
ど水素ガスと空気は細分と攪拌処理を受けて、確実に混
合されるから電気加熱触媒１５０にヒートスポットが発
生することなく、高い耐久性が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、水素ガスの触媒に
よる酸化反応熱で被加熱流体を加熱する水素燃焼ヒータ
に関する。

【０００２】

【従来の技術】燃料ガスを触媒によって酸化反応させ、
その酸化反応熱で熱交換器を通して被加熱流体を加熱す
る燃焼ヒータが種々提案されている。とくに水素燃料電
池を搭載する車両などでは、同じ水素を燃料とする水素
燃焼ヒータが燃料一元化の点から好ましい。このような
水素燃焼ヒータでは、水素ガスと空気の混合ガスを触媒
に触れさせて酸化させるわけであるが、始動に際して触
媒を酸化反応に適した温度にするため、従来は触媒に流
入する前に混合ガスに火花点火して燃焼させ、この前段
階で高温となった燃焼ガスを触媒に通すことにより当該
触媒を加熱するようにしている。

【０００３】しかし、このような火花による混合ガスの
燃焼方法では、水素と空気の混合比が爆発あるいは爆燃
限界内でなければ着火しないので、点火時の爆発や爆燃
のおそれを回避できないという問題がある。またこのよ
うな点火を可能とする混合比で燃焼させると、その燃焼
温度も過大となる。そのため、防爆、高熱対策が必須と
なるうえ、窒素酸化物の生成が増大するとともに、熱交
換器には被加熱流体との温度差による大きな熱応力が発
生するという問題も生じる。

【０００４】そこで、先に本出願人は、特願２０００−
２４０８１６により、爆発や爆燃のおそれなく、窒素酸
化物の生成や熱応力の増大が抑えられ、しかも安定な加
熱性能を得る水素燃焼ヒータを提案した。図８はその全
体構成を示す。入口管１３の軸方向一端に送風機１１が
接続され、送風機１１と入口管の間には流量制御弁１２
が設けられる。送風機１１はフィルタ１０を介して吸引
した空気を流量制御弁１２を介して入口管１３内へ供給
する。入口管１３の側壁には減圧弁１５を介して図示し
ない水素貯留容器に接続した水素導入管１６が開口して
いる。

【０００５】水素導入管１６には、入口管１３への開口
部と減圧弁１５の間に、分岐路が形成され、一方の分岐
路１７には第１の絞り弁１９、他方の分岐路１８には第
２の絞り弁２０が設けられている。第１の絞り弁１９と
第２の絞り弁２０の流量比は１：９としてあり、減圧弁
１５で減圧された水素ガスは第１の絞り弁１９を開くこ
とにより５リットル／分で入口管１３へ供給され、さら
に第２の絞り弁２０を開くことにより合計５０リットル
／分で入口管１３へ供給される。

【０００６】入口管１３の下流には順に、混合器４０、
電気加熱触媒５０、燃焼触媒６０および熱交換器６４が
配置され、混合器４０から熱交換器６４までがケーシン
グ３１に収納されてヒータユニット３０を形成してい
る。電気加熱触媒５０からは、ケーシング３１の外周壁
を貫通して、第１、第２電極５５、５６が外方へ延びて
いる。熱交換器６４には、ケーシング３１の外周壁を貫
通して、ウォータポンプ６５に接続された水導入管６６
と水排出管６７とが連結されている。ケーシングの出口
端は消音器７０に接続されている。

【０００７】入口管１３に供給された送風機１１からの
空気と水素導入管１６からの水素ガスは、混合器４０で
均一な混合ガスとなり、電気加熱触媒５０で加熱燃焼さ
れて、この燃焼ガスが燃焼触媒６０を触媒反応に十分な
温度に加熱する。燃焼触媒６０により酸化反応して高熱
となった燃焼ガスは、熱交換器６４で熱媒体としての純
水を加熱した後、消音器７０を経て外部へ放出される。

【０００８】電気加熱触媒５０と燃焼触媒６０間の間の
空間には、電気加熱触媒５０からの燃焼ガスの温度を検
出する温度センサ７３が設けられている。また、燃焼触
媒６０の温度を検出する温度センサ７４が設けられると
ともに、燃焼触媒６０と熱交換器６４の間の空間には、
燃焼触媒６０からの燃焼ガスの温度を検出する温度セン
サ７５が設けられている。

【０００９】さらに、熱交換器６４の直後には熱交換後
の燃焼ガスの温度を検出する温度センサ７６が設けられ
ている。水導入管６６の熱交換器入口に圧力センサ７７
が設けられ、水排出管６７には熱交換器出口に熱交換後
の純水の温度を検出する温度センサ７８と、リリーフ弁
７９が設けられている。送風機１１、ウォータポンプ６
５、各弁１２、１５、１９、２０、７９および各センサ
７３、７４、７５、７６、７７、７８は図示省略の制御
装置に接続されている。

【００１０】混合器４０は、多孔素材の平板と、同じく
多孔素材を波付けした波板とを重ねて巻き上げて形成し
てある。平板と波板とは巻き上げのあと、１２００℃、
１Ｐａの程度で約２０分間真空熱処理を行って、拡散結
合により剛性の高い単体とされる。混合器４０は、巻き
上げ後の各層の平板と波板の間に形成される各セルがケ
ーシングの流路に沿った軸方向に貫通している。

【００１１】電気加熱触媒５０は、白金（Ｐｔ）１％、
残部アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）からなる触媒を担持した平
板と波板とを重ね巻きして形成してあり、外筒に圧入さ
れ複数箇所セラミック接着剤で接合された担体となって
いる。平板と波板の巻き上げ中心には第１電極５５が設
けられ、外筒には第２電極５６が設けられている。平板
と波板の各素材は、いずれも厚さ５０μｍの２０Ｃｒ−
５Ａｌ、残部Ｆｅのステンレス箔を、１２００℃で２０
分程度大気中で加熱表面酸化して用いている。巻き上げ
後の各層の平板と波板の間に形成される各セルも軸方向
に貫通している。

【００１２】燃焼触媒６０は電気加熱触媒５０と同様に
白金（Ｐｔ）１％、残部アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）からな
る触媒を担持し、水素を酸化反応させる。水素はその燃
焼特性として、大気圧環境では自然発火限界線が約５６
０℃を横切るので、これを避けて酸化反応条件として５
００℃を設定する。完全燃焼による温度５００℃は水素
１に対して空気１５．３付近の混合比率によって得られ
る。したがって、制御装置は、上記１５．３の混合比率
付近により燃焼触媒６０の温度を５００℃に保持する運
転を行う。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、水素ガスが
電気加熱触媒に流入する前に空気と十分に混合されない
と、電気加熱触媒にヒートスポットが発生し、耐久性が
低下するおそれがある。そこで、上記の燃焼装置では、
混合器４０を用いて水素ガスと空気の混合を促進するも
のとしているが、混合器４０は、それぞれ多孔素材の平
板と波板とを重ねて巻き上げたうえ、高温で真空熱処理
を行い、拡散結合して形成するので、材料および製作コ
ストが相当に高いという問題を有している。また、水素
導入管１６を入口管の管壁に単純開口しているが、入口
管への水素ガス供給部分においても混合促進に寄与する
ことが望ましい。

【００１４】したがって、本発明は、先に提案した上記
燃焼ヒータをさらに改良し、入口管への水素導入が空気
との混合をより促進し、さらには電気加熱触媒の前に設
置する混合器も高い混合機能を発揮しながら簡単な構成
として、装置全体を低コストに実現できるようにした水
素燃焼ヒータを提供することを目的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】このため、請求項１の発
明は、空気が供給される入口管に該入口管に接続された
水素導入管の開口から水素ガスを供給し、その下流側に
順に混合器、電気加熱触媒、および熱媒体を通流させる
熱交換器を設けて、電気加熱触媒に通電して水素ガスと
空気の混合ガスを緩酸化反応で燃焼させ、その燃焼ガス
により熱交換器を通流する熱媒体を加熱するよう構成し
た水素燃焼ヒータであって、水素導入管は入口管の断面
を横方向に水平に横切るように接続され、開口は複数個
が入口管断面の中心位置を挟んで両側に、かつ相対的に
中心位置より水素導入管における上流側の開口の面積の
和が下流側の開口の面積の和よりも大きくなるように配
置され、入口管における空気が供給される上流方向に向
けられているものとした。とくに、水素導入管の複数個
の開口は、請求項２のように、互いに略同一のサイズに
設定され、相対的に入口管断面の中心位置より水素導入
管における上流側に多く配置されているものとすること
ができる。あるいはまた、請求項３のように、水素導入
管の複数個の開口のうち、入口管断面の中心位置より水
素導入管における上流側の開口の一部または全部が下流
側の開口より大きいサイズに設定されているものとする
こともできる。

【００１６】請求項４の発明は、水素導入管の開口が、
とくに入口管における上流方向の水平０°から下方４５
°の間に向いているものとした。

【００１７】請求項５の発明は、混合器が、それぞれ孔
を備える３枚のオリフィス板を順次に並べて構成され、
各オリフィス板は上流側から下流側へ順にその孔径を小
さくし、かつ孔数を増大させているものとした。

【００１８】請求項６の発明は、熱交換器が、ケーシン
グ内に互いに整合する多数の孔を備える２枚の隔壁を前
後に配置するとともに、両隔壁の対応する孔間をパイプ
でつないで構成され、パイプ内に燃焼ガスを通し、パイ
プの外側に熱媒体を通流させるものとした。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を実施
例により説明する。図１は第１の実施例を示す斜視図
で、図８に示した水素燃焼ヒータにおける入口管１３か
ら熱交換器６４の部分にかわる相当部分を、それぞれ分
離して透視的に示している。入口管１３０から下流側に
順次に、混合器１４０、電気加熱触媒１５０、燃焼触媒
１６０および熱交換器１７０が配置される。本実施例で
は、混合器１４０、電気加熱触媒１５０および燃焼触媒
１６０はそれぞれのケーシング１３２、１３４、１３６
が入口管１３０と同径となっており、互いに連結したと
き１本の直管状の流路を形成する。本実施例の入口管１
３０は内径５８ｍｍとしてある。

【００２０】入口管１３０には、図８における入口管１
３と同じく、フィルタ１０、送風機１１、流量制御弁１
２を介して空気が上流から供給される（図８参照）。入
口管１３０には水素導入管１００が接続されている。水
素導入管１００は、水素導入管１６と同じく、減圧弁１
５と分岐路を備え、一方の分岐路１７には第１の絞り弁
１９、他方の分岐路１８には第２の絞り弁２０が設けら
れている（図８参照）。これら、図８におけると同様部
分については図示省略しているが、必要に応じて上記参
照番号を引用する。

【００２１】電気加熱触媒１５０および燃焼触媒１６０
は、直径サイズが互いに同じである点を除いて、先の提
案における電気加熱触媒５０および燃焼触媒６０とそれ
ぞれ同じ構成である。

【００２２】熱交換器１７０は、平板と波板を交互に重
ね合わせるとともに、隣接する波板の向きを変えて、多
数の交互に直交する第１のセル１７２と第２のセル１７
３を形成した積層直方体の交換部１７１を、ケーシング
１３８の中央部に備える。交換部１７１の第２のセル１
７３の両端側には、各第２のセルに連通するタンク１７
４、１７６が設けられ、一方のタンク１７４には水導入
管１７５が、他方のタンク１７６には水排出管１７７が
取り付けられている。交換部１７１の第１のセル１７２
は燃焼ガスを通過させる。

【００２３】これにより、水導入管１７５からタンク１
７４へ流入する純水は第２のセル１７３を通過する間に
第１のセル１７２を通る燃焼ガスによって加熱される。
ケーシング１３８は、交換部１７１を保持する四角形断
面部から上流側を燃焼触媒１６０のケーシング１３６に
整合する円形断面へ徐々に断面変化させている。四角形
断面部から下流側も同様に円形断面へ徐々に断面変化さ
せている。

【００２４】なお、図８におけると同様に、電気加熱触
媒１５０と燃焼触媒１６０の間の空間、燃焼触媒１６
０、燃焼触媒１６０と熱交換器１７０の間の空間、およ
び熱交換器１７０の直後には、温度センサ７３、温度セ
ンサ７４、温度センサ７５、温度センサ７６が設けられ
る（図８参照）。同様に、熱交換器１７０の水導入管１
７５には圧力センサ７７が設けられ、水排出管１７７に
は熱交換後の純水の温度を検出する温度センサ７８と、
リリーフ弁７９が設けられる（図８参照）。これらの図
８におけると同様部分も図示省略しているが、必要に応
じて上記参照番号を引用する。

【００２５】つぎに、入口管１３０における水素導入管
１００の接続について説明する。ここでは、水素ガスを
水素導入管の複数箇所から分散して供給する方が好まし
いので、水素導入管１００を入口管１３０の周壁を貫通
させて、入口管１３０の断面を横方向に水平に横切るよ
うに接続し、入口管１３０の断面内で水素導入管１００
に複数の開口９０を設けてある。後掲の図２に示すよう
に、水素導入管１００の入口管１３０手前にはフィルタ
１１４を取り付け、水素ガスに混入した粉塵を除去する
水滴を分離する。また、入口管１３０を横切った水素導
入管１００の先端部には圧力センサ１１６が設けられて
いる。

【００２６】図２は、水素導入管１００の詳細を示し、
（ａ）は上流側から見た正面図、（ｂ）は（ａ）におけ
るＡ−Ａ部の拡大断面図である。水素導入管１００には
開口９０（９０ａ、９０ｂ、９０ｃ、９０ｄ）が設けら
れる。開口９０ａが入口管１３０の断面における中心位
置に配置され、水素導入管１００におけるその上流側に
開口９０ｂ、９０ｃが配置され、開口９０ｄが開口９０
ａの下流側に配置されている。

【００２７】例えば、入口管１３０の内径５８ｍｍ、水
素導入管１００の外径１０ｍｍ、その内径８ｍｍとし、
各開口９０の径は１．５ｍｍとして、開口９０ｂは入口
管１３０の中心位置から５ｍｍ、開口９０ｃは開口９０
ｂから１２ｍｍ、開口９０ｄは中心位置から１２ｍｍの
位置に設定されており、開口９０は入口管１３０断面の
中心位置を挟んで両側に配置しながら相対的に中心位置
より上流側に多く偏在させてある。そして、とくに
（ｂ）に示すように、開口９０の開口方向は、いずれも
入口管１３０内の空気の流れに対して管軸方向上流に向
かう０°から下方４５°の間に向けられている。

【００２８】混合器１４０は、先の図１に示すように、
ケーシング１３２内に３枚のオリフィス板１４１、１４
２、１４３を相互間に間隔を置いて配置して構成されて
いる。図３はオリフィス板１４１、１４２、１４３の各
正面図を示す。上流側のオリフィス板１４１は、（ａ）
のように、中心に直径３５ｍｍの孔１４５を１つ有して
いる。中間のオリフィス板１４２には、（ｂ）のよう
に、直径２０ｍｍの孔１４６が縦横均等に４つ設けられ
ている。そして、下流側のオリフィス板１４３は、
（ｃ）のように、縦横均等に配された６９個の直径６ｍ
ｍの孔１４７を有している。

【００２９】オリフィス板１４１と１４２の間隔、およ
びオリフィス板１４２と１４３の間隔はそれぞれ２０ｍ
ｍとなっており、入口管１３０および電気加熱触媒１５
０と連結されたとき、オリフィス板１４１と水素導入管
１００間の距離は２０ｍｍ、オリフィス板１４３と電気
加熱触媒１５０の担体間の距離は３０ｍｍに設定されて
いる。その他の構成は図８に示したものと同じである。

【００３０】実施例の水素燃焼ヒータは以下のように運
転制御される。まず始動に際しては、ウォータポンプ６
５（図８参照）をオンして熱交換器１７０に純水を通流
開始させる一方、電気加熱触媒１５０に通電を行う。そ
して、送風機１１を作動させて流量制御弁１２により所
定の始動時風量で空気を入口管１３０へ供給し、また、
減圧弁１５を開くとともに第１の絞り弁１９を開いて、
水素導入管１００から入口管１３０へ水素ガスを供給す
る。第１の絞り弁１９による水素ガスの流量は定常状態
での流量の１／１０に相当する５リットル／分に設定さ
れ、流量制御弁１２は空気の始動時風量が水素１に対し
て１５．３付近となるよう、略７６リットル／分に制御
される。

【００３１】電気加熱触媒１５０はあらかじめ設定した
時間だけ通電される。この通電により電気加熱触媒１５
０の温度が２００℃以上になると、それ以降は触媒反応
により昇温を続け、５００℃まで達する。電気加熱触媒
１５０を通過して５００℃まで昇温した燃焼ガスが、燃
焼触媒１６０を加熱する。この着火段階では、電気加熱
触媒１５０からの燃焼ガスの温度が不図示の制御装置に
より温度センサ７３で監視され、所定上限温度を越した
り、所定時間内に昇温しない場合には、作動異常として
送風機１１やウォータポンプ６５を含み全電源をオフと
する。

【００３２】また、温度センサ７４、７５により燃焼触
媒１６０にかかわる温度を監視し、所定上限温度を越し
たり、所定時間内に昇温しない場合にも、作動異常とし
て全電源をオフとする。さらに凍結や配管詰まりによっ
て圧力センサ７７の検出値が異常を示す場合にも、同様
に全電源をオフとする。

【００３３】着火により、温度センサ７４で検出した燃
焼触媒１６０の温度が３００℃に達すると、さらに第２
の絞り弁２０も開いて、水素導入管１００から入口管１
３０へ合わせて５０リットル／分の水素ガスを供給する
とともに、送風機１１からの風量を混合比率１５．３付
近となるよう、流量制御弁１２で略７６０リットル／分
に制御する。

【００３４】電気加熱触媒１５０で酸化反応する５リッ
トル／分を除く４５リットル／分の水素が燃焼触媒６０
で酸化反応して、燃焼触媒６０で反応した燃焼ガスは５
００℃まで昇温する。この間、電気加熱触媒１５０の上
流に配置した混合器１４０により、空気と水素ガスは各
オリフィス板１４１、１４２、１４３の孔１４５、１４
６、１４７を通過する間に均一に混合される。燃焼触媒
１６０で５００℃まで昇温した燃焼ガスは、熱交換器１
７０を通過する間にウォータポンプ６５により６リット
ル／分で流れる純水と熱交換を行う。

【００３５】運転の間、温度センサ７５で検出した燃焼
触媒１６０直後の温度が所定値より高くなったときは、
第２の絞り弁２０を閉じて水素ガス流量を５リットル／
分に切換えるとともに、流量制御弁１２で空気流量を略
７６リットル／分として、低流量燃焼状態とする。この
状態では、燃焼触媒１６０の温度が維持されるだけとな
り、つぎに空気と水素ガスの流量が増大されたときには
直ちに燃焼触媒１６０における酸化反応が再開される。
また、圧力センサ７７が異常な高圧を検出したときは、
制御装置によりリリーフ弁７９が開放される。

【００３６】本実施例は以上のように構成され、水素導
入管１００が横切る入口管１３０から、混合器１４０、
電気加熱触媒１５０、燃焼触媒１６０および熱交換器１
７０を順に配置し、水素爆発限界から十分離れた混合比
率で水素と空気を供給することにより、緩酸化領域で水
素の酸化反応を得て、この燃焼ガスを熱交換器１７０に
通すものとしたので、爆発や爆燃のおそれなく、過大な
高熱も避けられて熱応力の増大が抑えられ、窒素酸化物
生成のない加熱が実現する。

【００３７】とくに、本実施例ではまず、水素導入管１
００を入口管１３０の断面を横方向に水平に横切るよう
に接続し、複数の開口９０を入口管断面の中心位置を挟
んで両側に配置しながら相対的に中心位置より上流側に
多く偏在させているので、単一の開口から水素ガスを導
入する場合に比較して混合の開始が早いとともに、入口
管断面の中心位置を挟んで複数の開口を均等に設けた場
合と比較しても高い混合度合いが得られた。

【００３８】これは、図４の（ａ）に示すように、複数
の開口を均等に設けた水素導入管２００の場合、矢示の
ように、上流側の開口２０２から入口管１３０内へ噴出
する水素ガスの噴出方向が、水素導入管内の流れ分布に
よって、下流側の開口２０１からの噴出方向に比較して
水素導入管２００の延び方向（すなわち下流方向）に傾
斜しているので、上流側の開口２０２付近に水素低濃度
領域Ｒ１が生じる一方、下流側の開口２０１付近には噴
出方向が集中する結果、水素高濃度領域Ｒ２が生じて濃
度の不均衡が助長されるのに対して、実施例では、
（ｂ）に示すように、開口９０を上流側に多く偏在させ
ることにより、上流側個々の開口では水素低濃度領域で
も相対的に多くの開口９０ｃ、９０ｄから供給されるの
で、下流側の開口９０ｂ付近の濃度とバランスすること
によるものと考えられる。なお、図４の（ｂ）には簡単
のため中央の開口９０ａを図示省略し、また圧力センサ
等も省いている。

【００３９】さらに、水素導入管１００の複数の開口９
０が入口管１３０内の流れに対して管軸方向上流に向か
う０°から下方４５°の間に向けられているので、これ
によっても、水素ガスと空気の良好な混合が得られた。
すなわち、水素導入管から所定距離（３０ｍｍ）下流に
おける水素濃度変化は、前方０°から下方４５°の範囲
に向けたものでは少なくも開口を上方あるいは後方へ向
けたものに対して顕著に小さい結果であった。これは十
分な混合が行なわれていることを示す。

【００４０】上記の水素濃度変化の相違について検討す
ると、開口を後方へ向けたものの水素濃度変化が大きい
のは、混合が間に合わないまま測定点へ到達してしまう
ことによるものと考えられる。一方、開口を上方へ向け
たものの水素濃度変化が大きいのは、空気に対して軽い
水素ガスは開口から噴出後に上方へ浮上しようとする傾
向を有するので、水平より上方へ噴出した水素ガスはそ
のまま水素導入管断面の上部に滞留してしまうことに起
因するものと考えられる。

【００４１】なお、実施例では、４つの開口９０ａ〜９
０ｄのすべてを前方０°から下方４５°の範囲に向けた
ものとしたが、例えば図５に示すような設定としてもよ
い。図の（ａ）は正面図、（ｂ）は（ａ）におけるＢ−
Ｂ部断面図、（ｃ）は（ａ）におけるＣ−Ｃ部断面図で
ある。すなわち、（ｂ）に示すように、断面中心位置の
開口９０ａだけ０°から下方４５°の範囲に向け、他の
開口９０ｂ〜９０ｄは（ｃ）に示すように、前方０°方
向としても同様の効果が得られる。

【００４２】また、実施例では水素導入管の複数個の開
口を互いに同一のサイズに設定し、相対的に入口管断面
の中心位置より水素導入管における上流側に多く配置し
たものとしたが、これに限定されず、例えば水素導入管
の複数個の開口のうち、入口管断面の中心位置より水素
導入管における上流側の開口の一部または全部を下流側
の開口より大きいサイズの径に設定することもでき、そ
の際は中心位置の両側の開口数を同一とすることもでき
る。

【００４３】つぎに、本実施例では、３枚のオリフィス
板１４１、１４２、１４３を順次に並べて混合器１４０
とし、各オリフィス板はその孔１４５、１４６、１４７
のサイズと孔数を異ならせ、上流側から下流側へ順に孔
径を小さくしつつ孔数を増大させているので、下流へ進
むほど水素ガスと空気は細分と攪拌処理を受けて、確実
に混合される。

【００４４】図６は、オリフィス板の組合せを変えて、
電気加熱触媒１５０の担体端面位置における断面の縦横
５等分の各部位での温度を測定した結果を示す。（ａ）
は本実施例のオリフィス板１４１、１４２、１４３の３
枚組の場合、（ｂ）はオリフィス板１４３の下流側に当
該オリフィス板の孔１４７よりさらに小径の孔をさらに
多数備えるオリフィス板を配置した４枚組の場合、
（ｃ）は本実施例からオリフィス板１４１を抜いた２枚
組の場合である。３枚組の（ａ）では最高温度が６５４
℃、最低温度が５００℃、４枚組の（ｂ）では最高温度
が６９４℃、最低温度が５５５℃、２枚組の（ｃ）では
最高温度が７５０℃、最低温度が５００℃となってい
る。

【００４５】図６の（ｄ）は上記最高温度と最低温度の
差、ならびに温度分布の標準偏差を示す。温度の差なら
びに標準偏差とも、３枚組と２枚組とでは顕著な相違が
見られ、本実施例により水素ガスと空気が有効に混合さ
れていることがわかる。４枚組のようにオリフィス板の
枚数を増せば一層ばらつきが小さくなるが、対費用効果
から見て３枚組で十分である。

【００４６】通常、混合が不完全であると、電気加熱触
媒１５０に流入した際にヒートスポットが発生するが、
本実施例では、水素導入管１００から５０リットル／分
の水素ガス、送風機１１から７６０リットル／分の空気
を流したときにヒートスポットの発生なく、安定した燃
焼反応が得られた。なお、実施例の下流側のオリフィス
板１４３の孔１４７は内径５８ｍｍの流路内で６ｍｍ径
で６９個設けられているが、孔数としては前段の倍付近
の１０個以上あれば同レベルの混合が得られる。

【００４７】つぎに、図７は第２の実施例を示す、図１
相当の透視的斜視図である。これは小出力用として、第
１の実施例に対して、燃焼触媒１６０を省略したもので
ある。また、熱交換器の構成を変更している。燃焼触媒
１６０を省略したことにより、電気加熱触媒１５０の直
後（下流側）に熱交換器１７０’が配置される。熱交換
器１７０’は、先の熱交換器１７０が平板と波板を交互
に重ね合わせた積層直方体の交換部１７１をケーシング
１３８の中央部に備え、ケーシングが交換部を保持する
四角形断面部から燃焼触媒１６０のケーシング１３６に
整合する円形断面へ断面変化するものであるに対して、
熱交換器のケーシングの断面を全長にわたって円形とし
たものである。

【００４８】すなわち、熱交換器１７０’は、中央部が
わずかに膨らんだ円形断面のケーシング１３８’を有
し、その中央部に流れに沿った前後２枚の隔壁１８０、
１８２が設けられている。隔壁１８０、１８２には互い
に整合させて多数の孔１８４が形成され、両隔壁の対応
する孔間にパイプ１８６が水密に設けられている。ま
た、両隔壁１８０、１８２の各外周縁はケーシング１３
８’の内壁に同じく水密に結合されている。

【００４９】多数のパイプ１８６はそれぞれケーシング
１３８’の軸方向に向いており、電気加熱触媒１５０側
からの燃焼ガスの通路となる。パイプ１８６の外側に
は、ケーシング１３８’および隔壁１８０、１８２とで
画成された室Ｒ３が形成される。この室Ｒ３の略直径上
の対向位置に水導入管１７５と水排出管１７７とが連結
されて、室Ｒ３に純水が通流する。ケーシング１３８’
の前端は、電気加熱触媒１５０のケーシング１３４と同
径となっている。その他の構成は、第１の実施例と同じ
である。

【００５０】本実施例では、燃焼触媒を省いているが、
電気加熱触媒１５０が通電により２００℃以上になる
と、それ以降は触媒反応により昇温を続け、５００℃ま
で達するので、熱交換器１７０’に通流させる純水の流
量が少ないなど要求される熱量が低く、燃焼させる水素
ガスが少ない場合に、電気加熱触媒１５０による空気−
水素ガス混合気の加熱燃焼だけで十分に燃焼させること
ができ、小出力用として好適である。また、熱交換器１
７０’のケーシングが全長にわたって円形断面となって
いるので、第１の実施例と比較して全体形状が細身に構
成でき、周囲との干渉のおそれが少ない小型の装置とす
ることができる。

【００５１】

【発明の効果】以上のとおり、本発明の水素燃焼ヒータ
は、空気が供給される入口管に接続されてその開口から
水素ガスを供給する水素導入管を、入口管の断面を横方
向に水平に横切るように接続し、開口は複数個が入口管
断面の中心位置を挟んで両側に、かつ相対的に中心位置
より水素導入管における上流側の開口の面積の和が下流
側の開口の面積の和よりも大きくなるように配置し、入
口管における空気が供給される上流方向に設けたので、
水素ガスは水素導入管の開口からの噴出直後から空気と
の混合が促進される。とくに、上記水素導入管の開口を
入口管における上流方向の水平０°から下方４５°の間
に向けて設けることにより、水素ガスの浮力とバランス
して入口管内での水素ガスの良好な分布が促進される。

【００５２】また、入口管のつぎに設置される混合器
を、それぞれ孔を備える３枚のオリフィス板を順次に並
べて構成し、各オリフィス板は上流側から下流側へ順に
その孔径を小さくし、かつ孔数を増大させたものとする
ことにより、下流へ進むほど水素ガスと空気は細分と攪
拌処理を受けて、確実に混合される。したがって、電気
加熱触媒にヒートスポットが発生することなく、高い耐
久性が得られる。

【００５３】さらに、熱交換器は、ケーシング内に配置
した２枚の隔壁の孔をパイプでつないで構成することに
より、流路方向に延びるパイプに燃焼ガスを通し、全体
形状が細身に構成でき、周囲との干渉のおそれが少ない
小型の装置とすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例を示す斜視図である。

【図２】水素導入管の詳細を示す図である。

【図３】オリフィス板の詳細を示す図である。

【図４】水素導入管から噴出する水素ガスの分布傾向を
示す説明図である。

【図５】水素導入管の開口の変形例を示す図である。

【図６】オリフィス板による水素ガスと空気の混合度合
いの測定結果を示す図である。

【図７】第２の実施例の構成を示す斜視図である。

【図８】先に提案した水素燃焼ヒータを示す図である。

【符号の説明】

１０フィルタ１１送風機１２流量制御弁１５減圧弁１７、１８分岐路１９第１の絞り弁２０第２の絞り弁６５ウォータポンプ７３、７４、７５、７６、７８温度センサ７７圧力センサ７９リリーフ弁９０、９０ａ、９０ｂ、９０ｃ、９０ｄ開口１００水素導入管１１４フィルタ１１６圧力センサ１３０入口管１３２、１３４、１３６、１３８、１３８’ ケーシ
ング１４０混合器１４１、１４２、１４３オリフィス板１４５、１４６、１４７孔１５０電気加熱触媒１６０燃焼触媒１７０、１７０’ 熱交換器１７１交換部１７２第１のセル１７３第２のセル１７４、１７６タンク１７５水導入管１７７水排出管１８０、１８２隔壁１８４孔１８６パイプ

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Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】空気が供給される入口管（１３０）に該
入口管に接続された水素導入管（１００）の開口（９
０）から水素ガスを供給し、その下流側に順に混合器
（１４０）、電気加熱触媒（１５０）、および熱媒体を
通流させる熱交換器（１７０、１７０’）を設けて、前
記電気加熱触媒に通電して水素ガスと空気の混合ガスを
緩酸化反応で燃焼させ、その燃焼ガスにより熱交換器を
通流する熱媒体を加熱するよう構成した水素燃焼ヒータ
であって、前記水素導入管は前記入口管の断面を横方向
に水平に横切るように接続され、前記開口は複数個が入
口管断面の中心位置を挟んで両側に、かつ相対的に中心
位置より水素導入管における上流側の開口の面積の和が
下流側の開口の面積の和よりも大きくなるように配置さ
れ、入口管における空気が供給される上流方向に向けら
れていることを特徴とする水素燃焼ヒータ。
【請求項２】前記水素導入管（１００）の複数個の開
口（９０）は、互いに略同一のサイズに設定され、相対
的に入口管（１３０）断面の中心位置より水素導入管に
おける上流側に多く配置されていることを特徴とする請
求項１記載の水素燃焼ヒータ。
【請求項３】前記水素導入管（１００）の複数個の開
口（９０）のうち、入口管（１３０）断面の中心位置よ
り水素導入管における上流側の開口の一部または全部が
下流側の開口より大きいサイズに設定されていることを
特徴とする請求項１記載の水素燃焼ヒータ。
【請求項４】前記水素導入管（１００）の開口（９
０）が、入口管（１３０）における上流方向の水平０°
から下方４５°の間に向いていることを特徴とする請求
項１、２または３記載の水素燃焼ヒータ。
【請求項５】前記混合器（１４０）が、それぞれ孔
（１４５、１４６、１４７）を備える３枚のオリフィス
板（１４１、１４２、１４３）を順次に並べて構成さ
れ、各オリフィス板は上流側から下流側へ順にその孔径
を小さくし、かつ孔数を増大させていることを特徴とす
る請求項１、２、３または４記載の水素燃焼ヒータ。
【請求項６】前記熱交換器（１７０’）は、ケーシン
グ（１３８’）内に互いに整合する多数の孔（１８４）
を備える２枚の隔壁（１８０、１８２）を前後に配置す
るとともに、両隔壁の対応する孔間をパイプ（１８６）
でつないで構成し、前記パイプ内に燃焼ガスを通し、パ
イプの外側に熱媒体を通流させるものであることを特徴
とする請求項１、２、３、４または５記載の水素燃焼ヒ
ータ。