JP2004251579A

JP2004251579A - 触媒反応式加熱装置

Info

Publication number: JP2004251579A
Application number: JP2003044176A
Authority: JP
Inventors: Masanori Uehara; 昌徳上原; Yasuhiro Osada; 康弘長田
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2003-02-21
Filing date: 2003-02-21
Publication date: 2004-09-09
Anticipated expiration: 2023-02-21
Also published as: JP3912295B2

Abstract

【課題】触媒反応式加熱装置における触媒体の輻射熱を有効に利用して熱交換効率を向上させる。
【解決手段】燃料と空気との混合ガスを触媒反応させて高温ガスを生成する触媒体２０の下流側に、高温ガスと熱媒体との間で熱交換を行う熱交換部３０を備える触媒反応式加熱装置において、触媒体２０からの輻射熱を吸収する熱吸収体５０を触媒体２０の上流側に配置する。触媒体２０からその上流側に放射された輻射熱は、熱吸収体５０に吸収された後、通過する混合ガスへの対流熱伝達で放熱され、熱媒体の加熱に利用される。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
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式加熱装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の触媒反応式加熱装置は、ガス経路を形成するケーシング内に触媒体を配置し、ケーシング内において触媒体の下流側に熱交換部を配置し、触媒体により燃料と空気との混合ガスを触媒反応させて高温ガスを生成し、熱交換部によりその高温ガスと熱媒体との間で熱交換を行って熱媒体を加熱するようになっている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平４−３１４６１３号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の従来装置は、高温になった触媒体から放射される輻射熱のうち触媒体の上流側に放射された輻射熱は、主にケーシングに吸収された後ケーシングから外部に放出されていまい、したがって、輻射熱が有効に利用されておらず、熱交換効率が低いという問題があった。
【０００５】
本発明は、上記点に鑑み、触媒反応式加熱装置における触媒体の輻射熱を有効に利用して熱交換効率を向上させることを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、触媒反応を利用して熱媒体を加熱する触媒反応式加熱装置であって、ガスが通過する加熱用ガス経路（２）を形成するケーシング（１）と、加熱用ガス経路に配置され、燃料と空気との混合ガスを触媒反応させて高温ガスを生成する触媒体（２０、１２０）と、加熱用ガス経路における触媒体の下流側に配置され、高温ガスと熱媒体との間で熱交換を行う熱交換部（３０）と、加熱用ガス経路における触媒体の上流側に配置され、混合ガスが通過するとともに触媒体からの輻射熱を吸収する熱吸収体（５０、１５０）とを備えることを特徴とする。
【０００７】
これによると、触媒体からその上流側に放射された輻射熱は、熱吸収体に吸収された後、通過する混合ガスへの対流熱伝達で放熱される。このように、触媒体からその上流側に放射された輻射熱は、熱吸収体を介して混合ガスへ伝達されて熱媒体の加熱に利用されるため、熱交換効率を向上させることができる。
【０００８】
また、上記のように、熱吸収体に吸収された輻射熱は通過する混合ガスへの対流熱伝達で放熱されるため、熱吸収体の過度の昇温が防止されるとともに、熱吸収体からその上流側への輻射放熱が抑止される。
【０００９】
請求項２に記載の発明では、触媒体（２０、１２０）が扁平形状であることを特徴とする。これによると、触媒体から熱交換部側への輻射熱量を増大できるとともに、混合ガス通過時の圧損を低減できるため空気供給装置（ブロワ）の負荷を低減することができる。
【００１０】
請求項３に記載の発明では、熱吸収体（５０、１５０）が扁平形状であることを特徴とする。これによると、熱吸収体による吸収熱量を増大できるとともに、圧損が低減できるため空気供給装置（ブロワ）の負荷を低減することができる。
【００１１】
請求項４に記載の発明では、熱吸収体（１５０）と触媒体（１２０）が一体に形成されていることを特徴とする。これによると、部品点数を削減でき、装置の簡素化が可能となる。
【００１２】
請求項５に記載の発明では、触媒反応を利用して熱媒体を加熱する触媒反応式加熱装置であって、ガスが通過する加熱用ガス経路（２）を形成するケーシング（１）と、加熱用ガス経路に配置され、燃料と空気との混合ガスを触媒反応させて高温ガスを生成する触媒体（２２０、３２０）と、加熱用ガス経路における触媒体の下流側に配置され、高温ガスと熱媒体との間で熱交換を行う熱交換部（１３０）とを備え、触媒体における上流側の面が円錐状若しくは凸型形状であり、熱交換部の一部（１３０ｂ）が、触媒体の上流側の側面に設置されていることを特徴とする。
【００１３】
ところで、輻射熱は輻射面から四方八方に放射されるとともに、輻射面に対し垂直方向の熱線が最も強くなる傾向をもつ。そして、触媒体における上流側の面を円錐状にした場合、触媒体における上流側の面からの輻射熱は、円錐面に対し垂直方向、即ちケーシングにおけるガス流れ方向に延びる筒状の側壁面のうち、触媒体の上流側の側面に位置するケーシング側壁面部位に対し、強く放射される。また、触媒体における上流側の面を凸型形状にした場合も、触媒体における上流側の面からの輻射熱は、触媒体の上流側の側面に位置するケーシング側壁面部位に対し強く放射される。
【００１４】
したがって、触媒体における上流側の面を円錐状若しくは凸型形状とし、熱交換部の一部を触媒体の上流側の側面に設置することにより、触媒体からその上流側に放射された輻射熱は、熱交換部に効率よく吸収されて熱媒体の加熱に利用されるため、熱交換効率を向上させることができる。
【００１５】
請求項６に記載の発明では、触媒体（２２０、３２０）における下流側の面がすり鉢状若しくは凹型形状であることを特徴とする。
【００１６】
これによると、触媒体における下流側の面からの輻射熱線は、ケーシング側壁面側で弱く、触媒体下流側に位置する熱交換部の軸心付近で最も強くなる傾向になるため、換言すると、輻射熱線を散乱させることなく熱交換部に向かわせることができるため、熱交換部を高効率で加熱することができる。
【００１７】
また、請求項７に記載の発明のように、燃料として反応性の高い水素もしくは水素を含む化合物を用いることで、より低温でかつ触媒の自立反応による作動が可能となり、水素を燃料とする例えば燃料電池システムの暖機等の熱源として好適に用いることができる。
【００１８】
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。
【００１９】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について図１〜図４に基づいて説明する。本実施形態の触媒反応式加熱装置は、触媒反応により得られる熱を利用して熱媒体を加熱し、熱媒体を介して被加熱体を加熱するものである。
【００２０】
図１は、本実施形態の触媒反応式加熱装置の全体構成を示す概念図である。図１に示すように、ケーシング１は、加熱用ガスが通過する加熱用ガス経路２を形成するもので、ガス流れ向きＡに延びる円筒状の側壁面１ａと、側壁面１ａの両端部に位置する円錐状の第１、第２端部壁面１ｂ、１ｃとにより構成されている。
【００２１】
加熱用ガス経路２の最上流側には、燃料と空気との混合ガスを供給する混合ガス供給部１０が設けられている。混合ガス供給部１０は、燃料を供給する燃料供給部１１、空気を供給する空気供給部１２、燃料および空気を混合する混合部１３を有している。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】
加熱用ガス経路２における混合ガス供給部１０の下流側には、燃料と空気との混合ガスを触媒反応させて高温ガスを生成する触媒体２０が設けられている。触媒体２０は、混合ガスが通過する多数の通気孔を有しており、例えば図２に示すような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。また、触媒の担体として図示しない、ペレット、ビーズ、発泡セラミック、発泡金属、金属ハニカム、金属メッシュも用いることができる。
【００２３】
本実施形態のモノリス担体は、外形々状が円柱状で、厚さｔ１（ガス流れ向きＡの寸法）が充分薄く、かつ口径ｄ１（直径）が大きい扁平形状になっている。因みに、触媒体２０からの輻射熱量の確保や、混合ガス通過時の圧損低減の観点からは、モノリス担体のアスペクト比（ｔ１／ｄ１）は、２０％程度、あるいはそれ以下とするのが望ましい。
【００２４】
加熱用ガス経路２における触媒体２０の上流側には、混合ガスが通過する多数の通気孔を有し、かつ触媒体２０からの輻射熱を吸収する熱吸収体５０が設けられている。熱吸収体５０は、例えば図３に示すようなセラミックスのハニカムを用いており、通気性に優れかつ耐熱性に優れた性質を有している。また、熱吸収体５０として、ペレット、ビーズ、発泡セラミック、発泡金属、金属ハニカム、金属メッシュも用いることができる。
【００２５】
本実施形態の熱吸収体５０は、外形々状が円柱状で、厚さｔ２（ガス流れ向きＡの寸法）が充分薄く、かつ口径ｄ２（直径）の大きい扁平形状になっている。因みに、輻射熱吸収量の確保や、混合ガス通過時の圧損低減の観点からは、熱吸収体５０のアスペクト比（ｔ２／ｄ２）は、２０％程度、あるいはそれ以下とするのが望ましい。
【００２６】
また、触媒体２０の通気孔径と熱吸収体５０の通気孔径は等しくするか、あるいは熱吸収体５０の通気孔径を触媒体２０の通気孔径より小さくすることが望ましい。特に、熱吸収体５０の通気孔径を触媒体２０の通気孔径より小さくした場合は、触媒体２０から上流側への輻射熱が熱吸収体５０を通り抜けるのを防止する効果が得られ、これにより、上流側方向輻射熱は熱吸収体５０に効率よく吸収される。
【００２７】
加熱用ガス経路２における触媒体２０の下流側には、触媒体２０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３０が設けられている。本実施形態では、熱媒体として冷却水を用いている。
【００２８】
図４に示すように、熱交換部３０は、積層した多数の扁平チューブ３２間にフィン３１を配置したフィンチューブ型熱交換器を用いることができる。なお本実施形態では、フィン３１やチューブ３２といった熱伝導部材は、アルミニウムを用いているが、他にもアルミニウムの合金やステンレスや銅およびそれらの合金を用いることができる。フィン３１が配置された部位、すなわち扁平チューブ３２間が、加熱用ガス経路２となり、扁平チューブ３２内が、冷却水が通過する熱媒体経路３となる。なお、熱交換部３０として、図４に示す熱交換器に代えて、２重管熱交換器、シェルアンドチューブ熱交換器、管熱交換器などを用いることもできる。
【００２９】
熱交換部３０の熱媒体経路３にて加熱された冷却水は、熱媒体循環経路４０を介して被加熱体４１に循環し、被加熱体４１を加熱する。熱媒体循環経路４０には、冷却水を循環させるための循環ポンプ４２が設けられている。本実施形態のように、触媒反応させる燃料として水素を用いる場合には、被加熱体４１として水素を燃料とする燃料電池を好適に用いることができる。
【００３０】
触媒反応式加熱装置には、各種制御を行う制御部６０が設けられている。制御部６０は、燃料供給装置１１、空気供給装置１２、熱媒体循環ポンプ４２に制御信号を出力するように構成されている。
【００３１】
次に、上記構成の触媒反応式加熱装置の作動について図１に基づいて説明する。まず、燃料供給装置１１および空気供給装置１２から所定量の水素と空気が供給され、水素と空気は混合部１３にて混合される。その混合ガスは、熱吸収体５０を通過して触媒体２０に供給され、触媒体２０において触媒反応を生じて高温ガスとなる。また、触媒体２０は、触媒反応による熱によって赤熱して輻射熱を発生する。
【００３２】
触媒体２０からの高温ガスと輻射熱は、下流側に位置する熱交換部３０を加熱し、内部を流れる冷却水を加熱する。熱交換部３０にて加熱された冷却水は、循環ポンプ４２により熱媒体循環経路４０を循環し、被加熱体４１を加熱する。
【００３３】
触媒体２０から放出される輻射熱は、下流側に位置する熱交換部３０の方向以外に、上流側にも同様に射出される。触媒体２０から上流側に向かって射出された輻射熱は、熱吸収体５０によって吸収される。
【００３４】
熱吸収体５０が吸収した輻射熱は、熱吸収体５０を通過する水素と空気の混合ガスへ対流熱伝達で放熱される。この混合ガスへ対流熱伝達で放熱された熱エネルギは、触媒体２０の反応温度を上げるため、触媒体２０からの輻射熱量が増大され有効に熱交換部３０側に放射される。
【００３５】
また、熱吸収体５０が吸収した輻射熱は、混合ガスへ放熱されるため、熱吸収体５０の過度の昇温と赤熱が防止されるとともに、熱吸収体５０より更に上流側への輻射放熱が抑止される。
【００３６】
本実施形態では、触媒体２０からその上流側に放射された輻射熱は、熱吸収体５０に吸収された後、通過する混合ガスへの対流熱伝達で放熱される。このように、触媒体２０からその上流側に放射された輻射熱は、熱吸収体５０を介して混合ガスへ伝達されて冷却水の加熱に利用されるため、触媒反応式加熱装置の熱交換効率を向上させることができる。
【００３７】
また、上記のように、熱吸収体５０に吸収された輻射熱は通過する混合ガスへの対流熱伝達で放熱されるため、熱吸収体５０の過度の昇温が防止されるとともに、熱吸収体５０からその上流側への輻射放熱が抑止される。
【００３８】
また、触媒体２０を扁平形状にしているため、触媒体２０から熱交換部３０側への輻射熱量を増大できるとともに、混合ガス通過時の圧損を低減できるため空気供給装置１２の負荷を低減することができる。
【００３９】
また、熱吸収体５０を扁平形状にしているため、熱吸収体５０による吸収熱量を増大できるとともに、圧損が低減できるため空気供給装置１２の負荷を低減することができる。
【００４０】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図５に基づいて説明する。上記第１実施形態と同様の部分は同一の符号を付して説明を省略し、異なる部分についてのみ説明する。
【００４１】
図５は、触媒体２０および熱吸収体５０を、触媒体２０の下流側から見た図であり、熱吸収体５０の形状を明瞭に示すために、触媒体２０の一部を切り欠いて図示している。
【００４２】
図５に示すように、触媒体２０は、格子状の隔壁２１によって四角の通気孔２２が形成され、熱吸収体５０も同様に、格子状の隔壁５１によって四角の通気孔５２が形成されている。また、両通気孔２２、５２は、大きさが等しくなっている。
【００４３】
そして、触媒体２０の隔壁２１と熱吸収体５０の通気孔５２とが重なるように、触媒体２０および熱吸収体５０の相対位置関係を設定することにより、触媒体２０から上流側への輻射熱が熱吸収体５０を通り抜けるのを防止する効果が得られ、これにより、上流側方向輻射熱は熱吸収体５０に効率よく吸収される。
【００４４】
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について図６および図７に基づいて説明する。上記第１実施形態と同様の部分は同一の符号を付して説明を省略し、異なる部分についてのみ説明する。
【００４５】
本実施形態は、図６および図７に示すように、例えば担体となるセラミックのハニカムにおける下流側領域の一部にのみ触媒を担持することで、触媒が担持された領域である触媒体１２０と、触媒が担持されていない領域である熱吸収体１５０が、一体に形成されている。これにより、部品点数が削減でき保持構造等の簡素化ができる。
【００４６】
（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態について図８および図９に基づいて説明する。本実施形態は、上記第１実施形態における熱吸収体５０を廃止したものである。上記第１実施形態と同様の部分は同一の符号を付して説明を省略し、異なる部分についてのみ説明する。
【００４７】
本実施形態は、図８および図９に示すように、触媒体２２０の上流側の面が円錐状であり、触媒体２２０の下流側の面がすり鉢状になっている。
【００４８】
また、図８に示すように、熱交換部１３０は、第１熱交換部１３０ａと第２熱交換部１３０ｂとを有する。冷却水は、被加熱体４１から第２熱交換部１３０ｂを経て第１熱交換部１３０ａに流れるようになっている。
【００４９】
第１熱交換部１３０ａは、加熱用ガス経路２における触媒体２２０の下流側に配置されており、フィンチューブ型熱交換器が用いられている。第２熱交換部１３０ｂは、ケーシング１の側壁面１ａの外周側で、且つ、触媒体２２０の上流側の側面に設置されている。なお本実施形態では、第２熱交換部１３０ｂは、裸管が側壁面１ａを取り巻く方式を用いている。
【００５０】
上記構成において、触媒体２２０の輻射熱は四方八方に放射されるが、触媒体２２０における上流側の円錐状の面からの輻射熱は、円錐面に対し垂直方向、即ちケーシング１の側壁面１ａのうち、触媒体２２０の上流側の側面に位置する部位に対し、強く放射される。
【００５１】
そして、触媒体２２０における上流側の面からの輻射熱が強く放射される部位に第２熱交換部１３０ｂを配置しているため、触媒体２２０からその上流側に放射された輻射熱は、第２熱交換部１３０ｂに効率よく吸収されて冷却水の加熱に利用される。
【００５２】
一方、触媒体２２０における下流側のすり鉢状の面からの輻射熱線は、ケーシング１の側壁面１ａ側で弱く、第１熱交換部１３０ａの軸心付近で最も強くなる傾向になるため、換言すると、輻射熱線を散乱させることなく第１熱交換部１３０ａに向かわせることができるため、第１熱交換部１３０ａを高効率で加熱することができる。
【００５３】
なお、本実施形態では、第２熱交換部１３０ｂとして裸管が側壁面１ａを取り巻く方式を用いたが、ウォータジャケットで囲むこともできる。また、第２熱交換部１３０ｂが配置されたケーシング１の側壁面１ａの内周側に、フィンを設置することもできる。また、触媒体２２０の上流側の面を凸型形状とし、触媒体２２０の下流側の面を凹型形状にしてもよい。
【００５４】
（第５実施形態）
次に、本発明の第５実施形態について図１０に基づいて説明する。本実施形態は、上記第４実施形態における触媒体２２０の形状を変更したものであり、その他の点は第４実施形態と共通である。
【００５５】
本実施形態は、図１０に示すように、触媒体３２０の上流側の面に複数の円錐状の部分が形成され、触媒体３２０の下流側の面に複数のすり鉢状の部分が形成されている。これにより、第４実施形態と同様な効果が得られるとともに、輻射面の表面積が増大することで輻射による熱伝達量が増加する。
【００５６】
なお、触媒体３２０の上流側の面に複数の凸型形状の部分を形成し、触媒体３２０の下流側の面に複数の凹型形状の部分を形成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態の触媒反応式加熱装置の全体構成を示す概念図である。
【図２】第１実施形態の触媒体の斜視図である。
【図３】第１実施形態の熱吸収体の斜視図である。
【図４】第１実施形態の熱交換部の斜視図である。
【図５】第２実施形態の触媒体および熱吸収体を示す図である。
【図６】第３実施形態の触媒反応式加熱装置の全体構成を示す概念図である。
【図７】第３実施形態の触媒体および熱吸収体を示す斜視図である。
【図８】第４実施形態の触媒反応式加熱装置の全体構成を示す概念図である。
【図９】第４実施形態の触媒体の斜視図である。
【図１０】第５実施形態の触媒体の斜視図である。
【符号の説明】
１…ケーシング、２…加熱用ガス経路、２０、１２０…触媒体、
３０…熱交換部、５０、１５０…熱吸収体。

Claims

触媒反応を利用して熱媒体を加熱する触媒反応式加熱装置であって、
ガスが通過する加熱用ガス経路（２）を形成するケーシング（１）と、
前記加熱用ガス経路に配置され、燃料と空気との混合ガスを触媒反応させて高温ガスを生成する触媒体（２０、１２０）と、
前記加熱用ガス経路における前記触媒体の下流側に配置され、前記高温ガスと前記熱媒体との間で熱交換を行う熱交換部（３０）と、
前記加熱用ガス経路における前記触媒体の上流側に配置され、前記混合ガスが通過するとともに前記触媒体からの輻射熱を吸収する熱吸収体（５０、１５０）とを備えることを特徴とする触媒反応式加熱装置。
前記触媒体（２０、１２０）が扁平形状であることを特徴とする請求項１に記載の触媒反応式加熱装置。
前記熱吸収体（５０、１５０）が扁平形状であることを特徴とする請求項１または２に記載の触媒反応式加熱装置。
前記熱吸収体（１５０）と前記触媒体（１２０）が一体に形成されている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式加熱装置。
触媒反応を利用して熱媒体を加熱する触媒反応式加熱装置であって、
ガスが通過する加熱用ガス経路（２）を形成するケーシング（１）と、
前記加熱用ガス経路に配置され、燃料と空気との混合ガスを触媒反応させて高温ガスを生成する触媒体（２２０、３２０）と、
前記加熱用ガス経路における前記触媒体の下流側に配置され、前記高温ガスと前記熱媒体との間で熱交換を行う熱交換部（１３０）とを備え、
前記触媒体における上流側の面が円錐状若しくは凸型形状であり、
前記熱交換部の一部（１３０ｂ）が、前記触媒体の上流側の側面に設置されていることを特徴とする触媒反応式加熱装置。
前記触媒体（２２０、３２０）における下流側の面がすり鉢状若しくは凹型形状であることを特徴とする請求項５に記載の触媒反応式加熱装置。
前記燃料が水素もしくは水素を含む化合物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式加熱装置。