JP2005221202A - Catalytic combustion device - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a catalytic combustion device capable of raising catalyst temperature to the active temperature thereof in a short time by restricting adhesion of moisture to a surface of the catalyst after starting catalytic combustion. <P>SOLUTION: A water separating filter 5 as a liquid phase capturing means provided with multiple fine passages is provided between a gas mixing unit 4 and a catalytic combustor 6 inside a passage 8 in a mixture gas flowing direction. Water drops and steam contained in the mixture gas flowing out of the gas mixing unit 4 is surely caught by the water separating filter 5, and made to stay inside the water separating filter 5, and the mixture gas, from which moisture is eliminated, can flow into the catalytic combustor 6. Problems in an existing catalytic combustion device such as instability of catalytic combustion by contact failure of the mixture gas with the catalyst due to adhesion of moisture to a surface of the catalyst and consumption of the heat generated by catalytic combustion as the water drop vaporizing latent heat can be prevented. Consequently, the catalytic combustion heater 1 capable of raising catalytic temperature to the active temperature or more in a short time is thereby realized. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、家庭用あるいは自動車用の暖房器の熱源等に用いられ、空気と燃料の混合ガスを触媒により燃焼させ、その発生熱を利用して熱媒体を加熱する触媒燃焼装置に関する。   The present invention relates to a catalytic combustion apparatus that is used as a heat source for a heater for home use or automobile, and burns a mixed gas of air and fuel with a catalyst and heats a heat medium using the generated heat.

触媒燃焼装置は、低温無炎燃焼によりNOx排出をほぼ完全に抑制でき、火炎安全性が高い、低温被加熱物質に対する吸収率の高い遠赤外線放射効率が高く省エネルギが図れる、等の特長を有し、広く普及している。   Catalytic combustion devices have features such as low-temperature flameless combustion that can almost completely suppress NOx emissions, high flame safety, high absorption efficiency of far-infrared rays with high absorption rate for low-temperature heated materials, and energy saving. And is widely used.

一般に、触媒燃焼においては、燃料としては可燃性気体、たとえば水素ガス、LPG(液化石油ガス)等が用いられ、この燃料ガスと空気との混合ガスを触媒へ供給して触媒燃焼させている。   In general, in catalytic combustion, a combustible gas such as hydrogen gas, LPG (liquefied petroleum gas), or the like is used as a fuel, and a mixed gas of the fuel gas and air is supplied to the catalyst for catalytic combustion.

また、水素燃料電池を搭載する車両等において、水素を燃料とする触媒燃焼装置を車両の暖房用に用いれば、車両に搭載する燃料を一元化できるので好適である。ところで、水素燃料電池から排出される気体(いわゆる、オフガス)には、発電に用いられなかった未反応水素が含まれている。一般に、このオフガスは、水分除去等の処理を施された後に再度水素燃料電池に供給されている。このオフガスを、触媒燃焼装置の燃料の一部として利用すれば、オフガス処理に要するエネルギを節約することができる。   Further, in a vehicle or the like equipped with a hydrogen fuel cell, it is preferable to use a catalytic combustion device that uses hydrogen as a fuel for heating the vehicle because the fuel mounted on the vehicle can be unified. By the way, the gas discharged from the hydrogen fuel cell (so-called off-gas) contains unreacted hydrogen that has not been used for power generation. Generally, this off gas is supplied to the hydrogen fuel cell again after being subjected to a treatment such as moisture removal. If this off gas is used as a part of the fuel of the catalytic combustion apparatus, the energy required for the off gas treatment can be saved.

従来の触媒燃焼装置としては、たとえば、燃料供給手段により水素ガスと空気との混合ガスが供給される流路に、上流側から順に電気加熱触媒、燃焼触媒、および熱媒体を通流させる熱交換器を設け、電気加熱触媒に通電して水素ガスと空気の混合ガスの燃焼を開始させ、電気加熱触媒における燃焼ガスにより加熱された燃焼触媒においても水素ガスと空気の混合ガスを燃焼させるように構成したものがある(特許文献1参照)。   As a conventional catalytic combustion apparatus, for example, heat exchange in which an electric heating catalyst, a combustion catalyst, and a heat medium are passed through a flow path to which a mixed gas of hydrogen gas and air is supplied by a fuel supply means in order from the upstream side. To start combustion of the mixed gas of hydrogen gas and air by energizing the electric heating catalyst, and to burn the mixed gas of hydrogen gas and air even in the combustion catalyst heated by the combustion gas in the electric heating catalyst There is a configuration (see Patent Document 1).

上述の従来の触媒燃焼装置では、触媒としてPt(白金)が用いられている。Ptは、反応活性が高く、混合ガス温度が低い場合でも触媒燃焼が可能なため、触媒燃焼装置の触媒として好適である。
特開平14−122311号公報
In the conventional catalytic combustion apparatus described above, Pt (platinum) is used as a catalyst. Pt is suitable as a catalyst for a catalytic combustion apparatus because Pt has high reaction activity and can perform catalytic combustion even when the mixed gas temperature is low.
Japanese Patent Laid-Open No. 14-12211

触媒には、触媒としての機能、すなわち酸化機能を十分に発揮することのできる固有の温度(活性温度)が存在する。すなわち、この活性温度以下においては、活性が低下してしまう。   The catalyst has a unique temperature (activation temperature) that can sufficiently exhibit its function as a catalyst, that is, an oxidation function. That is, the activity decreases below this activation temperature.

触媒燃焼装置の作動開始直後等、触媒燃焼装置の温度が低い時においては、触媒温度が活性温度に達しておらず酸化機能が十分ではないが、触媒燃焼による発生熱により触媒温度が上昇し活性温度に到達すると、安定した触媒燃焼が実現される。すなわち、触媒燃焼装置による発生熱量、つまり熱媒体に伝達される熱量が定格熱量となる。   When the temperature of the catalytic combustion device is low, such as immediately after the start of operation of the catalytic combustion device, the catalyst temperature does not reach the activation temperature and the oxidation function is not sufficient, but the catalyst temperature rises due to the heat generated by the catalytic combustion and becomes active When the temperature is reached, stable catalytic combustion is achieved. That is, the amount of heat generated by the catalytic combustion device, that is, the amount of heat transmitted to the heat medium becomes the rated heat amount.

ところで、触媒燃焼装置の温度が低い時には、空気中に含まれる水分および触媒燃焼により生成された水分、すなわち水蒸気が低温の触媒表面にて凝縮し触媒表面に付着することがある。特に、燃料として水素ガスを用いた場合は触媒燃焼による生成物の大部分は水であるため、触媒表面に水滴が付着する可能性が非常に高い。   By the way, when the temperature of the catalytic combustion apparatus is low, moisture contained in the air and moisture generated by catalytic combustion, that is, water vapor, may condense on the low temperature catalyst surface and adhere to the catalyst surface. In particular, when hydrogen gas is used as the fuel, most of the product resulting from catalytic combustion is water, and therefore there is a high possibility that water droplets will adhere to the catalyst surface.

触媒表面に水滴が付着すると、この水滴により燃料と空気の混合ガスと触媒との接触が阻害されて触媒燃焼が不安定化する。つまり、触媒燃焼の発生熱量が減少する。また、触媒表面に付着した水滴は、触媒燃焼の発生熱を受けて蒸発し混合ガス流に乗り通路下流へ流れて行く。言い換えると、触媒燃焼の発生熱が水滴に奪われてしまう。すなわち、触媒燃焼の発生熱量減少と、触媒燃焼の発生熱が水滴により吸収されることにより、触媒温度が活性温度に到達するまでの時間が長くなり、触媒燃焼装置において熱媒体に伝達される熱量が定格熱量となるまでに長時間を要するという問題がある。   When water droplets adhere to the surface of the catalyst, the water droplets obstruct the contact between the mixed gas of fuel and air and the catalyst, thereby destabilizing catalytic combustion. That is, the amount of heat generated by catalytic combustion is reduced. Further, the water droplets adhering to the catalyst surface evaporate upon receiving the heat generated by the catalyst combustion, and ride on the mixed gas flow and flow downstream. In other words, the heat generated by catalytic combustion is lost to water droplets. That is, the amount of heat that is transferred to the heat medium in the catalytic combustion device is increased by reducing the amount of heat generated by catalytic combustion and the amount of heat generated by catalytic combustion being absorbed by water droplets, thereby increasing the time until the catalyst temperature reaches the activation temperature. There is a problem that it takes a long time to reach the rated heat quantity.

たとえば、水素燃料電池を搭載する車両において、触媒燃焼装置は、車室内暖房用としてだけでなく燃料電池暖機用にも使用されている。この場合、触媒燃焼装置において熱媒体の温度上昇が緩慢になると、燃料電池の暖機時間が長くなる、すなわち燃料電池搭載車両の始動時において、燃料電池の出力が定常レベルに達するまでの時間が長くなるという問題が生じる。   For example, in a vehicle equipped with a hydrogen fuel cell, the catalytic combustion apparatus is used not only for heating the passenger compartment but also for warming up the fuel cell. In this case, if the temperature increase of the heat medium in the catalytic combustion device becomes slow, the warm-up time of the fuel cell becomes longer, that is, the time until the output of the fuel cell reaches a steady level at the start of the vehicle equipped with the fuel cell. The problem of lengthening arises.

この対策として、上述した従来の触媒燃焼装置では、燃焼触媒の上流側に電気加熱触媒を設け、電気加熱触媒に通電して水素ガスと空気の混合ガスの燃焼を開始させている。これにより、燃焼触媒に流入する混合ガス温度を素早く高め、燃焼触媒への水分付着を抑制することができる。   As a countermeasure against this, in the conventional catalytic combustion apparatus described above, an electric heating catalyst is provided upstream of the combustion catalyst, and the electric heating catalyst is energized to start combustion of a mixed gas of hydrogen gas and air. Thereby, the temperature of the mixed gas flowing into the combustion catalyst can be quickly increased, and moisture adhesion to the combustion catalyst can be suppressed.

しかしながら、この方法では、電気加熱触媒を追加する必要がある、電気加熱触媒による消費電力が多くエネルギ効率が低下する、等の問題がある。   However, this method has a problem that it is necessary to add an electric heating catalyst, power consumption by the electric heating catalyst is large, and energy efficiency is lowered.

一方、触媒の上流側で水素と空気の混合ガスに火花点火して燃焼させ、高温になった混合ガスを触媒に通すことにより触媒温度を上昇させる方法が考えられる。この場合、水素の燃焼は火炎伝播により継続されるので、電力消費量は抑えることができる。   On the other hand, a method of raising the catalyst temperature by spark-igniting and burning a mixed gas of hydrogen and air upstream of the catalyst and passing the mixed gas at a high temperature through the catalyst can be considered. In this case, since the combustion of hydrogen is continued by flame propagation, the power consumption can be suppressed.

しかしながら、火花による混合ガスの燃焼方法の場合、点火可能な水素と空気の混合比範囲が狭いため適正な混合比を得るのが困難である、また、火花による燃焼では温度上昇が急激のため高熱対策が必要、等の問題がある。   However, in the case of a mixed gas combustion method using sparks, it is difficult to obtain an appropriate mixing ratio because the range of the mixture ratio of hydrogen and air that can be ignited is narrow. There are problems such as the need for countermeasures.

本発明は、上記の問題点に鑑みて成されたものであり、その目的は、容易な手段の採用により、触媒燃焼開始後、触媒表面への水分付着を抑制して触媒温度を短時間で活性温度以上に上昇させることができる触媒燃焼装置を提供することである。   The present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and its purpose is to reduce the adhesion of moisture to the catalyst surface after the start of catalytic combustion and to reduce the catalyst temperature in a short time by adopting easy means. It is an object of the present invention to provide a catalytic combustion apparatus that can be raised above the activation temperature.

本発明は、上記目的を達成する為に以下の技術的手段を採用する。   The present invention employs the following technical means to achieve the above object.

本発明の請求項1に記載の触媒燃焼装置は、空気と燃料の混合ガスを形成する気体混合手段と、気体混合手段に空気を供給する空気供給手段と、気体混合手段に燃料を供給する燃料供給手段と、気体混合手段に接続され、気体混合手段で形成された混合ガスが供給される通路と、通路内において気体混合手段よりも下流側に配置され、触媒担体に触媒を担持して形成された触媒燃焼部とを備える触媒燃焼装置であって、通路内において混合ガスの流れ方向における気体混合手段と触媒燃焼部との中間に多数の微細通路を備える液相捕集手段を設けた構成とした。   The catalytic combustion apparatus according to claim 1 of the present invention includes a gas mixing means for forming a mixed gas of air and fuel, an air supply means for supplying air to the gas mixing means, and a fuel for supplying fuel to the gas mixing means. A supply means, a passage connected to the gas mixing means and supplied with the mixed gas formed by the gas mixing means, and disposed downstream of the gas mixing means in the passage and formed by supporting the catalyst on the catalyst carrier A catalytic combustion apparatus comprising a catalytic combustion section provided with a liquid phase collection means comprising a number of fine passages in the passage between the gas mixing means and the catalyst combustion part in the flow direction of the mixed gas It was.

触媒燃焼装置作動開始直後の触媒温度が低い時において、空気中に含まれる水分、すなわち水蒸気が低温の触媒表面にて凝縮し触媒表面に付着することがある。特に、燃料として水素燃料電池から排出されるオフガスを用いた場合、オフガス中には燃料電池における反応生成物である水蒸気が多量に含まれているので、触媒表面に水分が付着する可能性が非常に高い。   When the catalyst temperature immediately after the start of operation of the catalytic combustion apparatus is low, moisture contained in the air, that is, water vapor, may condense on the low temperature catalyst surface and adhere to the catalyst surface. In particular, when off-gas discharged from a hydrogen fuel cell is used as fuel, the off-gas contains a large amount of water vapor, which is a reaction product of the fuel cell. Very expensive.

触媒表面に水分が付着すると、触媒と混合ガスとの接触が阻害され触媒機能が低下、つまり触媒燃焼の発熱量が減少する。また、触媒燃焼の発生熱が触媒に付着した水滴の蒸発潜熱として奪われて触媒自体温度上昇が緩慢になり、触媒温度が活性温度に到達するまでに長時間を要するという問題が生じる。   When moisture adheres to the catalyst surface, the contact between the catalyst and the mixed gas is hindered and the catalytic function is lowered, that is, the calorific value of catalytic combustion is reduced. In addition, the heat generated by the combustion of the catalyst is lost as the latent heat of vaporization of the water droplets adhering to the catalyst, so that the temperature rise of the catalyst itself becomes slow, and there is a problem that it takes a long time for the catalyst temperature to reach the activation temperature.

本発明の請求項1に記載の触媒燃焼装置の構成によれば、気体混合手段から流出した混合ガスは、液相捕集手段を通過した後に触媒燃焼部に流入する。ここで、液相捕集手段は多数の微細通路を備えているので、混合ガス中に含まれる水分である水滴や水蒸気は、微細通路の壁面に衝突し付着する。したがって、液相捕集手段により混合ガスから水分である水滴や水蒸気を除去することができる。   According to the configuration of the catalytic combustion apparatus of the first aspect of the present invention, the mixed gas flowing out from the gas mixing means flows into the catalytic combustion section after passing through the liquid phase collecting means. Here, since the liquid phase collecting means includes a large number of fine passages, water droplets and water vapor, which are moisture contained in the mixed gas, collide with and adhere to the wall surface of the fine passage. Therefore, water droplets and water vapor, which are moisture, can be removed from the mixed gas by the liquid phase collecting means.

これにより、水滴や水蒸気が除去された混合ガスを触媒燃焼部へ流入させることができるので、触媒燃焼開始後、触媒表面への水分付着を抑制して触媒温度を短時間で活性温度以上に上昇させることができる触媒燃焼装置を提供することができる。   This allows the mixed gas from which water droplets and water vapor have been removed to flow into the catalytic combustion section, so that after catalyst combustion starts, moisture adhesion to the catalyst surface is suppressed and the catalyst temperature rises above the activation temperature in a short time. The catalytic combustion apparatus which can be made to be able to be made can be provided.

なお、水の粒子が大きい場合、すなわち水滴は、液相捕集手段で確実に捕捉されるが、水蒸気の小さい水粒子は、液相捕集手段で捕捉されずに通過する可能性もある。しかし、このような小さい粒子は触媒表面にも付着し難いので、触媒表面において凝縮し触媒の機能を低下させる恐れは無い。   When water particles are large, that is, water droplets are reliably captured by the liquid phase collection means, but water particles with small water vapor may pass through without being captured by the liquid phase collection means. However, since such small particles hardly adhere to the catalyst surface, there is no possibility of condensation on the catalyst surface and deteriorating the function of the catalyst.

ところで、触媒燃焼開始後、時間の経過に連れて液相捕集手段内に滞留している水分の量は増加する。同時に、触媒燃焼により触媒燃焼部の温度が上昇し、それに連れて触媒燃焼部からの輻射熱を受けて液相捕集手段の温度が上昇する。このため、液相捕集手段に滞留している水分は蒸発し、混合ガスとともに触媒燃焼部に流入する。しかし、触媒燃焼部の温度は十分高くなっている、すなわち、触媒の活性温度以上となっているので、混合ガスとともに流入した水蒸気は触媒表面に付着せずに触媒燃焼部外へ流出する。   By the way, after the start of catalytic combustion, the amount of water staying in the liquid phase collecting means increases with time. At the same time, the temperature of the catalytic combustion section rises due to catalytic combustion, and accordingly, the temperature of the liquid phase collecting means rises by receiving radiant heat from the catalytic combustion section. For this reason, the water | moisture content staying in a liquid phase collection means evaporates, and flows into a catalyst combustion part with mixed gas. However, since the temperature of the catalyst combustion part is sufficiently high, that is, above the activation temperature of the catalyst, the water vapor that flows along with the mixed gas flows out of the catalyst combustion part without adhering to the catalyst surface.

本発明の請求項2に記載の触媒燃焼装置は、液相捕集手段は発熱手段を備える構成とした。   In the catalytic combustion apparatus according to claim 2 of the present invention, the liquid phase collecting means includes a heat generating means.

この場合、たとえば、触媒燃焼装置の作動開始と同時に液相捕集手段が備える発熱手段を発熱させ、液相捕集手段の温度を上昇させることのより、液相捕集手段を通過する水蒸気の温度を高めて水蒸気の水粒子をより小さくすることができる。これにより、混合ガスとともに触媒燃焼部に流入する水蒸気が触媒表面に付着することを確実に防止できる。   In this case, for example, the heat generation means included in the liquid phase collection means is heated simultaneously with the start of the operation of the catalytic combustion apparatus, and the temperature of the liquid phase collection means is increased, so that the water vapor passing through the liquid phase collection means is increased. The temperature can be increased to make the water particles of water vapor smaller. Thereby, it can prevent reliably that the water vapor | steam which flows into a catalyst combustion part with mixed gas adheres to the catalyst surface.

また、発熱手段の発生熱により、液相捕集手段の温度上昇を早めて、液相捕集手段に滞留する水分の再蒸発を促進することができる。このため、液相捕集手段に滞留する水分量を少なくして液相捕集手段を小型化することができる。   Further, the heat generated by the heat generating means can accelerate the temperature rise of the liquid phase collecting means and promote the re-evaporation of the water staying in the liquid phase collecting means. For this reason, the amount of water staying in the liquid phase collecting means can be reduced, and the liquid phase collecting means can be downsized.

本発明の請求項3に記載の触媒燃焼装置は、発熱手段は、電気式発熱体である構成とした。   In the catalytic combustion apparatus according to claim 3 of the present invention, the heating means is an electric heating element.

この場合、発熱手段の発熱量を容易に制御することができるので、必要に応じて発熱手段の発熱量を調整し、発熱手段によるエネルギ消費量を必要最小限度に抑えることができる。   In this case, since the heat generation amount of the heat generating means can be easily controlled, the heat generation amount of the heat generating means can be adjusted as necessary, and the energy consumption by the heat generating means can be minimized.

請求項4に記載の触媒燃焼装置は、液相捕集手段は導電性物質から形成され且つ通電により発熱する構成とした。   The catalytic combustion apparatus according to claim 4 is configured such that the liquid phase collecting means is formed of a conductive material and generates heat when energized.

この場合、液相捕集手段自体が発熱するので発熱手段が不要となる。したがって、部品点数増加、体格増大を伴わずに、液相捕集手段を通過する水蒸気の温度を高め水蒸気の水粒子をより小さくして、混合ガスとともに触媒燃焼部に流入する水蒸気が触媒表面に付着することを確実に防止できる。   In this case, since the liquid phase collection means itself generates heat, the heat generation means becomes unnecessary. Therefore, without increasing the number of parts and physique, the temperature of the water vapor passing through the liquid phase collecting means is increased to make the water particles of the water vapor smaller, so that the water vapor flowing into the catalytic combustion section together with the mixed gas is applied to the catalyst surface Adherence can be reliably prevented.

また、液相捕集手段自体が発熱するので、液相捕集手段の温度を素早く高めることができるとともに、液相捕集手段による消費電力を節約することができる。   Further, since the liquid phase collecting means itself generates heat, the temperature of the liquid phase collecting means can be quickly raised, and power consumption by the liquid phase collecting means can be saved.

本発明の請求項5に記載の触媒燃焼装置は、液相捕集手段は多孔質通気性固体である構成とした。   In the catalytic combustion apparatus according to claim 5 of the present invention, the liquid phase collecting means is a porous air-permeable solid.

多孔質通気性固体は、一般には、各種モノリスセラミックス、焼結金属等から形成され、微細な通気孔が固定内部で複雑に連通し合っている。このため、混合ガス中の水分である水滴や水蒸気を確実に捕捉することができる。   The porous air-permeable solid is generally formed from various monolith ceramics, sintered metal, and the like, and fine air holes communicate with each other in a complex manner. For this reason, the water droplet and water vapor | steam which are the water | moisture contents in mixed gas can be capture | acquired reliably.

また、各種モノリスセラミックス、焼結金属等の場合、触媒燃焼装置の通路内に設置可能な形状に容易に成型することができる。   Moreover, in the case of various monolith ceramics, sintered metal, etc., it can be easily molded into a shape that can be installed in the passage of the catalytic combustion apparatus.

本発明の請求項6に記載の触媒燃焼装置は、燃料は水素ガスである構成とした。   The catalytic combustion apparatus according to claim 6 of the present invention is configured such that the fuel is hydrogen gas.

これにより、たとえば、水素を燃料とする水素燃料電池システムの燃料電池スタック予熱装置等に適用した場合でも、触媒燃焼開始後、触媒温度を短時間で活性温度以上に上昇させることが可能となる。   Thereby, for example, even when applied to a fuel cell stack preheating device or the like of a hydrogen fuel cell system using hydrogen as a fuel, the catalyst temperature can be raised to the activation temperature in a short time after the start of catalytic combustion.

本発明の請求項7に記載の触媒燃焼装置は、通路内において触媒燃焼部よりも下流側に配置され、熱媒体が供給されて該熱媒体と触媒燃焼部からの燃焼ガスとの間で熱交換を行う熱交換器を備える構成とした。   According to a seventh aspect of the present invention, there is provided the catalytic combustion apparatus, which is disposed downstream of the catalytic combustion section in the passage and is supplied with a heat medium to generate heat between the heat medium and the combustion gas from the catalytic combustion section. It was set as the structure provided with the heat exchanger which replaces | exchanges.

この場合、触媒燃焼部の発生熱を熱交換器により熱媒体に伝達し、熱媒体を所定の場所へ導いてそこで熱媒体の熱を利用することができる。すなわち、触媒燃焼装置とその発生熱を利用する部位とが離れている場合でも、熱媒体を介することにより、容易に触媒燃焼部の発生熱を利用することが可能となる。   In this case, the heat generated in the catalytic combustion unit is transmitted to the heat medium by the heat exchanger, the heat medium is guided to a predetermined place, and the heat of the heat medium can be used there. That is, even when the catalytic combustion apparatus is separated from the portion that uses the generated heat, the generated heat of the catalytic combustion section can be easily used through the heat medium.

(第1実施形態)
以下、本発明の一実施形態による触媒燃焼装置を、水素を燃料とする燃料電池車両に搭載され当該車両の車室内暖房に用いられる触媒燃焼ヒータ1に適用した場合を例に図に基づいて説明する。
(First embodiment)
Hereinafter, the case where the catalytic combustion apparatus according to an embodiment of the present invention is applied to a catalytic combustion heater 1 mounted on a fuel cell vehicle using hydrogen as a fuel and used for vehicle interior heating of the vehicle will be described with reference to the drawings. To do.

図1は、本発明の第1実施形態による触媒燃焼ヒータ1を含む暖房システム100の全体構成を説明する模式図である。   FIG. 1 is a schematic diagram illustrating the overall configuration of a heating system 100 including a catalytic combustion heater 1 according to a first embodiment of the present invention.

図2は、本発明の第1実施形態による触媒燃焼ヒータ1の部分断面図である。   FIG. 2 is a partial cross-sectional view of the catalytic combustion heater 1 according to the first embodiment of the present invention.

暖房システム100は、図1に示すように、触媒燃焼ヒータ1、触媒燃焼ヒータ1により加熱された熱媒体である水の熱を空気と熱交換させ車室内暖房に利用するための装置であるヒータコア101、熱媒体である水を加圧して触媒燃焼ヒータ1、ヒータコア101間において循環させるためのポンプ102等から構成されている。   As shown in FIG. 1, the heating system 100 is a catalyst combustion heater 1, a heater core that is an apparatus for exchanging heat of water, which is a heat medium heated by the catalyst combustion heater 1, with air and using it for vehicle interior heating. Reference numeral 101 denotes a pump 102 for pressurizing water as a heat medium and circulating it between the catalytic combustion heater 1 and the heater core 101.

触媒燃焼ヒータ1は、当該車両の動力源としての燃料電池と共通の燃料、すなわち水素を用いて、それを触媒燃焼させることにより熱媒体である水の温度を高めるものである。   The catalytic combustion heater 1 uses a fuel common to a fuel cell as a power source of the vehicle, that is, hydrogen, and raises the temperature of water as a heat medium by catalytic combustion of the fuel.

以下に、本発明の第1実施形態による触媒燃焼ヒータ1の構成について説明する。   Below, the structure of the catalytic combustion heater 1 by 1st Embodiment of this invention is demonstrated.

触媒燃焼ヒータ1は、図2に示すように、容器であるケーシング8内に、燃料である水素ガスと空気の混合ガスが供給される通路81が形成され、この通路81内に上流側から順番に、空気供給手段である送風機2、燃料供給手段である水素供給装置3からの水素ガスを通路81へ導入する水素導入部32、空気と水素ガスを混合させて両者の混合ガスを形成する気体混合手段である気体混合器4、液相捕集手段である水分離フィルタ5、触媒燃焼部である触媒燃焼器6、熱交換器7が配置されている。   As shown in FIG. 2, the catalytic combustion heater 1 is formed with a passage 81 in which a mixed gas of hydrogen gas and air as a fuel is supplied in a casing 8 as a container. Further, a hydrogen introduction part 32 for introducing hydrogen gas from the blower 2 as air supply means and the hydrogen supply device 3 as fuel supply means into the passage 81, and a gas for mixing air and hydrogen gas to form a mixed gas of both A gas mixer 4 which is a mixing means, a water separation filter 5 which is a liquid phase collecting means, a catalyst combustor 6 which is a catalytic combustion section, and a heat exchanger 7 are arranged.

容器であるケーシング2は、耐熱性金属、たとえばステンレス鋼板等から形成され、その内部空間が、図2に示すように、燃料である水素ガスと空気の混合ガスが流れる通路81を形成している。   The casing 2, which is a container, is formed of a heat-resistant metal, such as a stainless steel plate, and its internal space forms a passage 81 through which a mixed gas of hydrogen gas and air as fuel flows, as shown in FIG. .

通路81の上流側端部(図2において、左端部)には、空気供給手段である送風機2が配置されている。送風機2は、電動機により駆動されるもので、フィルタ(図示せず)を介して吸引した空気を通路81内へ供給している。送風機2の下流側(図2の右側)には、後述する気体混合器4に、燃料である水素ガスを供給する水素導入部32が配置されている。   At the upstream end (the left end in FIG. 2) of the passage 81, the blower 2 as air supply means is disposed. The blower 2 is driven by an electric motor, and supplies air sucked through a filter (not shown) into the passage 81. On the downstream side of the blower 2 (on the right side in FIG. 2), a hydrogen introduction portion 32 that supplies hydrogen gas as fuel to the gas mixer 4 described later is disposed.

気体混合器4に燃料を供給する燃料供給手段は、外部から供給された水素ガスの圧力を所定値に調整して気体混合器4に供給する水素ガス流量を所望の値に制御する水素供給装置3と、気体混合器4の上流側に配置されて気体混合器4内に均一に水素ガスを導入する水素導入部32と、水素ガス供給装置3から水素導入部32へ水素を供給する水素通路31とから構成されている。   The fuel supply means for supplying fuel to the gas mixer 4 adjusts the pressure of hydrogen gas supplied from the outside to a predetermined value and controls the flow rate of hydrogen gas supplied to the gas mixer 4 to a desired value. 3, a hydrogen introduction part 32 that is arranged upstream of the gas mixer 4 and uniformly introduces hydrogen gas into the gas mixer 4, and a hydrogen passage that supplies hydrogen from the hydrogen gas supply device 3 to the hydrogen introduction part 32 31.

水素ガス供給装置3へ供給される水素ガスは、本発明の第1実施形態による触媒燃焼ヒータ1の場合、当該車両に搭載される燃料電池システムの構成要素である水素タンク(図示せず)から、および燃料電池(図示せず)からの排出ガスであるオフガス通路からそれぞれ供給されている。たとえば、水素ガス供給装置3へはオフガスを優先的に供給し、触媒燃焼ヒータ1が必要とする水素ガス流量に対してオフガスだけでは不足する場合にのみ、水素タンク(図示せず)からも水素ガスが供給される。   In the case of the catalytic combustion heater 1 according to the first embodiment of the present invention, the hydrogen gas supplied to the hydrogen gas supply device 3 is supplied from a hydrogen tank (not shown) that is a component of the fuel cell system mounted on the vehicle. , And an off-gas passage that is exhaust gas from a fuel cell (not shown). For example, hydrogen gas is supplied from a hydrogen tank (not shown) only when off gas is preferentially supplied to the hydrogen gas supply device 3 and only the off gas is insufficient with respect to the hydrogen gas flow rate required by the catalytic combustion heater 1. Gas is supplied.

水素導入部32は、燃料供給手段である水素供給装置3から水素通路31を経て供給された水素ガスを、通路81内に、通路81の外周方向において均一に導入している。水素導入部32の下流側(図2の右側)には、気体混合手段である気体混合器4が配置されている。   The hydrogen introduction unit 32 uniformly introduces hydrogen gas supplied from the hydrogen supply device 3 serving as fuel supply means through the hydrogen passage 31 into the passage 81 in the outer peripheral direction of the passage 81. A gas mixer 4 that is a gas mixing means is disposed on the downstream side (right side in FIG. 2) of the hydrogen introduction part 32.

気体混合器4は、たとえばパイプ状通路(図示せず)内に螺旋状固定翼(図示せず)が配置される構成のいわゆるスタティックミキサ等から構成され、気体混合器4内を空気および水素ガスが通過(図2において左から右へ)すると、上述の螺旋状固定翼により空気と水素ガスの混合ガスが形成される。この混合ガスにおける水素濃度は、この混合ガス流れに直交する方向の通路81の断面内においてほぼ均一となっている。気体混合器4の下流側(図2の右側)には、液相捕集手段である水分離フィルタ5が設置されている。   The gas mixer 4 is constituted by, for example, a so-called static mixer having a configuration in which a spiral fixed blade (not shown) is disposed in a pipe-shaped passage (not shown), and the inside of the gas mixer 4 is air and hydrogen gas. Is passed (from left to right in FIG. 2), a mixed gas of air and hydrogen gas is formed by the above-described spiral fixed blade. The hydrogen concentration in the mixed gas is substantially uniform in the cross section of the passage 81 in the direction orthogonal to the mixed gas flow. A water separation filter 5 which is a liquid phase collecting means is installed on the downstream side of the gas mixer 4 (the right side in FIG. 2).

水分離フィルタ5は、多孔質通気性固定としてのモノリスセラミックス、たとえばコージェライトから板状に形成されている。一般に、モノリスセラミックスにより水分離フィルタ5を作る場合、セラミックス粒子とバインダの混合物を水分離フィルタ5の形状に成型後、それを高温度で焼成して形成している。このとき、焼成工程においてバインダは揮発し、セラミックス粒子同士が互いに焼結した状態となる。すなわち、バインダが存在した部分には多数の空孔が形成される。これらの空孔は、水分離フィルタ5内部において複雑な形状を成し且つ互いに連通して、多数の微細通路を形成している。これらの微細通路は、水分離フィルタ5の上流側から下流側に向かって直線状には形成されず、くねくねと曲がりくねって形成されている。したがって、気体混合器4から流出した空気と水素ガスの混合ガスが、図2において、水分離フィルタ5をその左側から右側へ通過するときは、混合ガスは、水分離フィルタ5の微細通路の壁面に衝突を繰返しながら流れることになる。これにより、混合ガス中に含まれる水分である微細な水滴や水蒸気は、水分離フィルタ5の微細通路の壁面に衝突しそこに付着する。これにより、水分離フィルタ5は、混合ガス中の微細な水滴や水蒸気を確実に捕捉、捕集することができる。   The water separation filter 5 is formed in a plate shape from monolith ceramics, for example, cordierite, as a porous air-permeable fixing. In general, when the water separation filter 5 is made of monolith ceramics, a mixture of ceramic particles and a binder is formed into the shape of the water separation filter 5 and then fired at a high temperature. At this time, the binder is volatilized in the firing step, and the ceramic particles are in a sintered state. That is, a large number of holes are formed in the portion where the binder exists. These holes have a complicated shape inside the water separation filter 5 and communicate with each other to form a large number of fine passages. These fine passages are not formed linearly from the upstream side to the downstream side of the water separation filter 5, but are formed to meander and bend. Therefore, when the mixed gas of air and hydrogen gas flowing out from the gas mixer 4 passes through the water separation filter 5 from the left side to the right side in FIG. 2, the mixed gas becomes the wall surface of the fine passage of the water separation filter 5. Will flow with repeated collisions. As a result, fine water droplets and water vapor, which are water contained in the mixed gas, collide with and adhere to the wall surface of the fine passage of the water separation filter 5. As a result, the water separation filter 5 can reliably capture and collect fine water droplets and water vapor in the mixed gas.

このようにして水分が除去された混合ガスが触媒燃焼器6に流入させることにより、従来の触媒燃焼装置における問題、すなわち、触媒燃焼装置の作動開始直後において、混合ガス中に含まれる水分の低温の触媒表面への付着により、混合ガスと触媒との接触が阻害され触媒燃焼が不安定化する、また触媒燃焼の発生熱が水滴の気化潜熱として消費されることを確実に防止することができる。これにより、触媒温度を短時間で活性温度まで上昇させることができる。   By causing the mixed gas from which moisture has been removed to flow into the catalytic combustor 6, a problem in the conventional catalytic combustion apparatus, that is, immediately after the start of the operation of the catalytic combustion apparatus, the low temperature of the water contained in the mixed gas is low. By adhering to the catalyst surface, the contact between the mixed gas and the catalyst is hindered and the catalyst combustion becomes unstable, and it is possible to reliably prevent the heat generated by the catalyst combustion from being consumed as the latent heat of vaporization of water droplets. . Thereby, catalyst temperature can be raised to activation temperature in a short time.

ところで、水分離フィルタ5においては、混合ガスが水分離フィルタ5を通過する際の微細通路壁面への衝突回数が多いほど水分捕集特性は高くなる。混合ガスの水分離フィルタ5への衝突回数は、コージェライトの粒子直径を小さくし且つ水分離フィルタ5の空隙率(水分離フィルタ5の見かけの体積に対する全空孔部分の体積の割合)を小さくすれば増大させることが可能である。しかし、このようにすると、水分離フィルタ5の通気抵抗が増大し、所定の混合ガス流量を確保するために、送風機3の発生圧力および水素供給装置の発生圧力をより高める必要が生じる。このことは、触媒燃焼ヒータ1の体格増大を招く。そこで、高い水分捕集効率を維持しつつ、低圧力損失が得られる水分離フィルタ5を実現するために、コージェライトの粒子直径および水分離フィルタ5の空隙率を適宜選定する必要がある。   By the way, in the water separation filter 5, the moisture collection characteristic becomes higher as the number of collisions with the fine passage wall surface when the mixed gas passes through the water separation filter 5 increases. The number of collisions of the mixed gas with the water separation filter 5 decreases the particle diameter of the cordierite and decreases the porosity of the water separation filter 5 (the ratio of the volume of all the pores to the apparent volume of the water separation filter 5). This can be increased. However, if it does in this way, ventilation resistance of water separation filter 5 will increase, and in order to secure a predetermined mixed gas flow rate, it will be necessary to raise more generation pressure of blower 3, and generation pressure of a hydrogen supply device. This leads to an increase in the size of the catalytic combustion heater 1. Therefore, in order to realize the water separation filter 5 that can obtain a low pressure loss while maintaining high moisture collection efficiency, it is necessary to appropriately select the particle diameter of cordierite and the porosity of the water separation filter 5.

触媒燃焼器6は、空気と水素ガスの混合ガスを触媒燃焼させて、高温の燃焼ガスを生成すものである。すなわち、本発明の第1実施形態による触媒燃焼ヒータ1における発熱部を形成している。触媒燃焼器6は、モノリスセラミックス、たとえばアルミナ、コージェライト等からハニカム状に形成された触媒担体61に、触媒としてPt(白金)を担持したものである。   The catalytic combustor 6 generates high-temperature combustion gas by catalytic combustion of a mixed gas of air and hydrogen gas. That is, the heat generating part in the catalytic combustion heater 1 according to the first embodiment of the present invention is formed. The catalytic combustor 6 is one in which Pt (platinum) is supported as a catalyst on a catalyst carrier 61 formed in a honeycomb shape from monolith ceramics, for example, alumina, cordierite or the like.

触媒燃焼器6の下流側(図2の右側)には、触媒燃焼により高温になった混合ガス、つまり触媒燃焼による燃焼ガスと熱媒体であるクーラントとの間で熱交換を行うための熱交換器7が配置されている。クーラントは、たとえば水、あるいはエチレングリコール水溶液等が用いられている。熱交換器7は、通路81内において混合ガス流に直交するように配置された複数のチューブ71と隣り合うチューブ71間に両チューブ71に熱伝導可能に接して配置されたフィン72を備えている。チューブ71およびフィン72は、高温の混合ガスに曝され、且つチューブ71内をクーラントが流れるので、耐熱性、耐腐食性に優れる材質から形成されることが望ましく、本発明の第1実施形態による触媒燃焼ヒータ1においては、ステンレス鋼板から形成されている。また、熱交換器7には、図1に示すように、熱交換器7にから暖房システム100のヒータコア101へ高温になったクーラントを供給するヒータ送出管73およびヒータコア101を経てポンプ102で加圧されたクーラントを導入するヒータ戻り管74が設けられている。ヒータ戻り管74から各チューブ71の一端側に流入したクーラントは、チューブ71内を通過する間にチューブ71外側を流れる燃焼ガスと熱交換して温度が高められ、各チューブ71の他端側から流出しヒータ送出管73を経てヒータコア101に送られる。   On the downstream side of the catalytic combustor 6 (right side in FIG. 2), heat exchange is performed to exchange heat between the mixed gas that has become high temperature by catalytic combustion, that is, between the combustion gas from catalytic combustion and the coolant that is the heat medium. A vessel 7 is arranged. As the coolant, for example, water or an aqueous ethylene glycol solution is used. The heat exchanger 7 includes a plurality of tubes 71 arranged so as to be orthogonal to the mixed gas flow in the passage 81 and fins 72 arranged in contact with both tubes 71 so as to allow heat conduction between the adjacent tubes 71. Yes. Since the tube 71 and the fin 72 are exposed to a high-temperature mixed gas and the coolant flows in the tube 71, it is desirable that the tube 71 and the fin 72 be formed of a material having excellent heat resistance and corrosion resistance. According to the first embodiment of the present invention, The catalytic combustion heater 1 is formed from a stainless steel plate. Further, as shown in FIG. 1, the heat exchanger 7 is heated by a pump 102 through a heater delivery pipe 73 and a heater core 101 that supply high-temperature coolant from the heat exchanger 7 to the heater core 101 of the heating system 100. A heater return pipe 74 for introducing pressurized coolant is provided. The coolant that has flowed into the one end side of each tube 71 from the heater return pipe 74 is heat-exchanged with the combustion gas flowing outside the tube 71 while passing through the tube 71, and the temperature is increased. It flows out to the heater core 101 through the heater delivery pipe 73.

次に、以上説明した本発明の第1実施形態による触媒燃焼ヒータ1の特徴である、水分離フィルタ5の作用・効果について、触媒燃焼ヒータ1の作動状態に対応して説明する。   Next, the operation and effect of the water separation filter 5 which is the feature of the catalytic combustion heater 1 according to the first embodiment of the present invention described above will be described in correspondence with the operating state of the catalytic combustion heater 1.

(1)触媒燃焼ヒータ1の作動開始直後。   (1) Immediately after the start of the operation of the catalytic combustion heater 1.

触媒燃焼ヒータ1が作動開始すると、送風機2からは空気が、水素供給装置3からは水素ガス(オフガス)が、それぞれ気体混合器4に供給される。そして、気体混合器4で形成された混合ガスが水分離フィルタ5に流入する。   When the catalytic combustion heater 1 starts to operate, air is supplied from the blower 2 and hydrogen gas (off-gas) is supplied from the hydrogen supply device 3 to the gas mixer 4. Then, the mixed gas formed by the gas mixer 4 flows into the water separation filter 5.

混合ガスが水分離フィルタ5を通過する際に、送風機2から供給される空気中の水滴や水蒸気、水素供給装置3から供給される水素ガスであるオフガス中の水滴や水蒸気は、水分離フィルタ5の微細通路の壁面に衝突しそこに付着する。   When the mixed gas passes through the water separation filter 5, water drops and water vapor in the air supplied from the blower 2 and water drops and water vapor in the off-gas that is hydrogen gas supplied from the hydrogen supply device 3 are removed from the water separation filter 5. It collides with and adheres to the wall surface of the fine passage.

ここで、触媒燃焼ヒータ1の作動開始直後においては、水分離フィルタ5の温度は低いレベル、つまり外気温度レベルとなっている。したがって、水分離フィルタ5に捕捉された水滴や水蒸気は、そのまま水分離フィルタ5に滞留する。   Here, immediately after the start of the operation of the catalytic combustion heater 1, the temperature of the water separation filter 5 is at a low level, that is, the outside air temperature level. Therefore, water droplets and water vapor captured by the water separation filter 5 stay in the water separation filter 5 as they are.

また、水分離フィルタ5に流入した混合ガス中の水滴や水蒸気が、水分離フィルタ5の微細通路の壁面にすでに捕捉されている水滴に衝突した場合も、それに付着する。   Further, when water droplets or water vapor in the mixed gas flowing into the water separation filter 5 collides with water droplets already captured on the wall surface of the fine passage of the water separation filter 5, they adhere to it.

これにより、混合ガス中の水滴や水蒸気は水分離フィルタ5により除去されるので、水滴や水蒸気を含まない混合ガスが触媒燃焼器6に流入する。   As a result, water droplets and water vapor in the mixed gas are removed by the water separation filter 5, so that the mixed gas containing no water droplets and water vapor flows into the catalytic combustor 6.

混合ガスが触媒燃焼器6に流入すると、混合ガスは直ちに触媒燃焼し、その発生熱により、触媒燃焼器6に担持される触媒温度が上昇する。ここで、混合ガスは水分を含まないので、従来の触媒燃焼装置のように触媒表面への水分付着により混合ガスと触媒との接触が阻害され触媒燃焼が不安定化し且つ触媒燃焼の発生熱が水滴の気化潜熱として消費されることがない。したがって、本発明の第1実施形態による触媒燃焼ヒータ1においては、触媒温度を短時間で活性温度まで上昇させることができる。   When the mixed gas flows into the catalytic combustor 6, the mixed gas immediately undergoes catalytic combustion, and the temperature of the catalyst carried on the catalytic combustor 6 rises due to the generated heat. Here, since the mixed gas does not contain moisture, contact of the mixed gas with the catalyst is hindered due to moisture adhering to the catalyst surface as in the conventional catalytic combustion apparatus, the catalytic combustion becomes unstable, and the heat generated by the catalytic combustion is reduced. It is not consumed as the latent heat of vaporization of water droplets. Therefore, in the catalytic combustion heater 1 according to the first embodiment of the present invention, the catalyst temperature can be raised to the activation temperature in a short time.

また、本発明の第1実施形態による触媒燃焼ヒータ1においては、水分離フィルタ5の材質としてコージェライトを採用しているが、コージェライトは、表面に極性を有している。一方、水分子は、その原子配列により、極性を有している。このため、極性を有する水分離フィルタ5の微細通路壁面と極性を有する水滴や水蒸気とが互いに引き合い、その引力によっても水滴や水蒸気が触媒に付着する。すなわち、本発明の第1実施形態による触媒燃焼ヒータ1においては、水分離フィルタ5をコージェライトで形成することにより、水分離フィルタ5の水滴や水蒸気捕集作用に分子間引力をも利用している。したがって、混合ガス中の水滴や水蒸気をより高効率で捕集することができる。   Moreover, in the catalytic combustion heater 1 according to the first embodiment of the present invention, cordierite is adopted as the material of the water separation filter 5, but the cordierite has a polarity on the surface. On the other hand, water molecules have polarity due to their atomic arrangement. For this reason, the fine passage wall surface of the water separation filter 5 having polarity and the water droplets and water vapor having polarity attract each other, and the water droplets and water vapor adhere to the catalyst also by the attractive force. That is, in the catalytic combustion heater 1 according to the first embodiment of the present invention, the water separation filter 5 is formed of cordierite, and the intermolecular attractive force is also used for the water droplet and water vapor collecting action of the water separation filter 5. Yes. Therefore, water droplets and water vapor in the mixed gas can be collected with higher efficiency.

なお、コージェライトと同様に極性を有する多孔質通気性固体としては、他にγアルミナ等があり、水分離フィルタ5をγアルミナにより形成した場合も、水滴や水蒸気の捕集に分子間引力を利用することができる。   In addition, the porous breathable solid having polarity similar to cordierite includes γ-alumina and the like, and even when the water separation filter 5 is formed of γ-alumina, intermolecular attractive force is collected in collecting water droplets and water vapor. Can be used.

(2)触媒燃焼ヒータ1作動開始後、ある時間が経過した場合。   (2) When a certain period of time has elapsed after the start of the operation of the catalytic combustion heater 1.

触媒燃焼ヒータ1の作動開始後、時間が経過すると、触媒燃焼器6からの輻射熱を受けて、水分離フィルタ5の温度が上昇する。   When time elapses after the start of the operation of the catalytic combustion heater 1, the temperature of the water separation filter 5 rises due to the radiant heat from the catalytic combustor 6.

これにより、水分離フィルタ5に滞留している水分は蒸発して水蒸気となり、混合ガスの流れに乗って水分離フィルタ5を離れて触媒燃焼器6に流入する。   As a result, the water remaining in the water separation filter 5 evaporates to become water vapor, and rides on the flow of the mixed gas, leaves the water separation filter 5 and flows into the catalytic combustor 6.

また、気体混合器4からの混合ガスに含まれて新たに水分離フィルタ5に流入した水滴や水蒸気は、水分離フィルタ5に一旦付着後蒸発する、あるいは水分離フィルタ5内を通過中に蒸発して、やはり混合ガスの流れに乗って水分離フィルタ5を離れて触媒燃焼器6に流入する。
このとき、触媒燃焼器6の温度は十分高くなっているので、混合ガスとともに流入した水蒸気は触媒表面に付着することなく触媒燃焼器6外へ流出する。
Further, water droplets and water vapor newly included in the mixed gas from the gas mixer 4 and flowing into the water separation filter 5 evaporate after adhering to the water separation filter 5 once or passing through the water separation filter 5. Then, it also rides on the flow of the mixed gas, leaves the water separation filter 5 and flows into the catalytic combustor 6.
At this time, since the temperature of the catalytic combustor 6 is sufficiently high, the water vapor that flows together with the mixed gas flows out of the catalytic combustor 6 without adhering to the catalyst surface.

以上説明した、本発明の第1実施形態による触媒燃焼ヒータ1においては、通路8内において混合ガスの流れ方向における気体混合器4と触媒燃焼器6との中間に多数の微細通路を備える液相捕集手段である水分離フィルタ5を設けた。   In the catalytic combustion heater 1 according to the first embodiment of the present invention described above, a liquid phase having a number of fine passages in the middle of the gas mixer 4 and the catalytic combustor 6 in the flow direction of the mixed gas in the passage 8. A water separation filter 5 as a collecting means was provided.

気体混合器4で作られる混合ガスは、空気等に含まれる水分を含んでいる。本発明の第1実施形態による触媒燃焼ヒータ1においては、水素ガスとして燃料電池から排出されるオフガスを用いているが、オフガス中には燃料電池における反応生成物である水蒸気が多量に含まれている。   The mixed gas produced by the gas mixer 4 contains moisture contained in air or the like. In the catalytic combustion heater 1 according to the first embodiment of the present invention, off gas discharged from the fuel cell is used as hydrogen gas, but the off gas contains a large amount of water vapor, which is a reaction product in the fuel cell. Yes.

本発明の第1実施形態による触媒燃焼ヒータ1においては、気体混合器4から流出する混合ガス中の水滴や水蒸気を、水分離フィルタ5により確実に捕捉し且つ水分離フィルタ5内に滞留させている。   In the catalytic combustion heater 1 according to the first embodiment of the present invention, water droplets and water vapor in the mixed gas flowing out from the gas mixer 4 are reliably captured by the water separation filter 5 and retained in the water separation filter 5. Yes.

これにより、水分が除去された混合ガスを触媒燃焼器6に流入させることができるので、従来の触媒燃焼装置のように触媒表面への水分付着により混合ガスと触媒との接触が阻害され触媒燃焼が不安定化し且つ触媒燃焼の発生熱が水滴の気化潜熱として消費されることがない。したがって、触媒温度を短時間で活性温度以上に上昇させることができる触媒燃焼ヒータ1を実現することができる。   As a result, the mixed gas from which moisture has been removed can flow into the catalytic combustor 6, so that contact between the mixed gas and the catalyst is hindered due to moisture adhering to the catalyst surface as in the conventional catalytic combustion apparatus, and catalytic combustion. Becomes unstable and the heat generated by catalytic combustion is not consumed as the latent heat of vaporization of water droplets. Therefore, the catalytic combustion heater 1 that can raise the catalyst temperature to the activation temperature or higher in a short time can be realized.

なお、以上説明した、本発明の第1実施形態による触媒燃焼ヒータ1においては、水分離フィルタ5をコージェライトから形成しているが、コージェライトに限る必要はなく、水滴や水蒸気を捕捉可能な多孔質通気性固体であれば、他の材質を用いてもよい。たとえば、γアルミナから形成してもよい。さらに、セラミックス材料以外の材質、たとえば焼結金属から形成してもよい。   In the catalytic combustion heater 1 according to the first embodiment of the present invention described above, the water separation filter 5 is formed of cordierite. However, the water separation filter 5 is not limited to cordierite and can capture water droplets and water vapor. Other materials may be used as long as they are porous and breathable solids. For example, you may form from gamma alumina. Furthermore, you may form from materials other than ceramic material, for example, a sintered metal.

(第2実施形態)
図3には、本発明の第2実施形態による触媒燃焼ヒータ1の部分断面図を示す。
(Second Embodiment)
In FIG. 3, the fragmentary sectional view of the catalytic combustion heater 1 by 2nd Embodiment of this invention is shown.

本発明の第2実施形態による触媒燃焼ヒータ1においては、本発明の第1実施形態による触媒燃焼ヒータ1に対して、水分離フィルタ5の構成を変更している。   In the catalytic combustion heater 1 according to the second embodiment of the present invention, the configuration of the water separation filter 5 is changed with respect to the catalytic combustion heater 1 according to the first embodiment of the present invention.

すなわち、水分離フィルタ5に発熱手段であり電気式発熱体である電熱ヒータ51を装着している。電熱ヒータ51は、たとえばニクロム線、ニッケル線等が用いられ、水分離フィルタ5成型時にコージェライト内に埋め込まれている。また、電熱ヒータ51は、図3に示すように、リード線52、53により触媒燃焼ヒータ1外部に電気的に接続されている。   That is, the water separation filter 5 is equipped with an electric heater 51 which is a heat generating means and is an electric heating element. For example, a nichrome wire, a nickel wire, or the like is used for the electric heater 51 and is embedded in the cordierite when the water separation filter 5 is molded. Further, as shown in FIG. 3, the electric heater 51 is electrically connected to the outside of the catalytic combustion heater 1 by lead wires 52 and 53.

この場合、触媒燃焼ヒータ1の作動開始と同時に電熱ヒータ51へも通電を開始し電熱ヒータ51を発熱させることにより、本発明の第1実施形態による触媒燃焼ヒータ1に比較して、より早く、水分離フィルタ5の温度を高めることができる。   In this case, energization of the electric heater 51 is started simultaneously with the start of the operation of the catalytic combustion heater 1 to cause the electric heater 51 to generate heat, thereby faster than the catalytic combustion heater 1 according to the first embodiment of the present invention. The temperature of the water separation filter 5 can be increased.

これにより、触媒燃焼ヒータ1作動開始後において、水分離フィルタ5内に捕捉された水滴や水蒸気が滞留する時間を短縮できる。   Thereby, after the start of the operation of the catalytic combustion heater 1, it is possible to shorten the time during which water droplets and water vapor trapped in the water separation filter 5 stay.

水分離フィルタ5は、混合ガス中の水滴や水蒸気を捕捉するとともに、捕捉した水分を蓄える機能を備えている。つまり、触媒燃焼器6からの輻射熱を受けて水分離フィルタ5が高温となり、新たに水分離フィルタ5に流入した水滴や水蒸気が水分離フィルタ5に一旦付着後速やかに蒸発する、あるいは水分離フィルタ5内を通過中に蒸発するようになるまでの時間は、捕捉した水分が流出しないように蓄えておけるだけの容量、つまり混合ガス流れ方向の長さが必要である。   The water separation filter 5 has a function of capturing water droplets and water vapor in the mixed gas and storing the captured water. That is, the water separation filter 5 receives a radiant heat from the catalyst combustor 6 and becomes high temperature, and water droplets and water vapor newly flowing into the water separation filter 5 are temporarily evaporated after adhering to the water separation filter 5, or the water separation filter. The time required to evaporate while passing through the interior 5 needs to have a capacity sufficient to store the trapped moisture so as not to flow out, that is, the length in the mixed gas flow direction.

本発明の第2実施形態による触媒燃焼ヒータ1においては、水分離フィルタ5に電熱ヒータ51を装着して、新たに水分離フィルタ5に流入した水滴や水蒸気が水分離フィルタ5内を通過中に蒸発する状態になるまでの時間を短縮している。言い換えると、水分離フィルタ5が蓄える水分量を減少させている。これにより、水分離フィルタ5の混合ガス流れ方向の長さを短縮できるので、触媒燃焼ヒータ1を小型化することができる。   In the catalytic combustion heater 1 according to the second embodiment of the present invention, an electric heater 51 is attached to the water separation filter 5 so that water droplets or water vapor newly flowing into the water separation filter 5 is passing through the water separation filter 5. The time to evaporate is shortened. In other words, the amount of water stored in the water separation filter 5 is reduced. Thereby, since the length of the water separation filter 5 in the mixed gas flow direction can be shortened, the catalytic combustion heater 1 can be reduced in size.

なお、本発明の第2実施形態による触媒燃焼ヒータ1においては、電熱ヒータ51は水分離フィルタ5に埋め込まれている、つまり電熱ヒータ51と水分離フィルタ5とが一体化されている構成としているが、電熱ヒータ51と水分離フィルタ5とを独立した2つの部品として形成し、通路81内において、水分離フィルタ5の上流側に電熱ヒータ51を配置してもよい。   In the catalytic combustion heater 1 according to the second embodiment of the present invention, the electric heater 51 is embedded in the water separation filter 5, that is, the electric heater 51 and the water separation filter 5 are integrated. However, the electric heater 51 and the water separation filter 5 may be formed as two independent parts, and the electric heater 51 may be disposed in the passage 81 on the upstream side of the water separation filter 5.

(第3実施形態)
図4には、本発明の第3実施形態による触媒燃焼ヒータ1の部分断面図を示す。
(Third embodiment)
In FIG. 4, the fragmentary sectional view of the catalytic combustion heater 1 by 3rd Embodiment of this invention is shown.

本発明の第3実施形態による触媒燃焼ヒータ1においては、本発明の第1実施形態による触媒燃焼ヒータ1に対して、水分離フィルタ5の構成を変更している。   In the catalytic combustion heater 1 according to the third embodiment of the present invention, the configuration of the water separation filter 5 is changed with respect to the catalytic combustion heater 1 according to the first embodiment of the present invention.

すなわち、水分離フィルタ5を、導電性物質且つ多孔質通気性固体から形成している。また、水分離フィルタ5は、図4に示すように、リード線54、55を介して触媒燃焼ヒータ1外部に電気的に接続されている。水分離フィルタ5は、通電されると、それ自体の電気抵抗によりジュール熱を発生して、温度が上昇する。   That is, the water separation filter 5 is formed from a conductive substance and a porous air-permeable solid. Further, as shown in FIG. 4, the water separation filter 5 is electrically connected to the outside of the catalytic combustion heater 1 via lead wires 54 and 55. When the water separation filter 5 is energized, Joule heat is generated by its own electrical resistance, and the temperature rises.

このような、導電性物質且つ多孔質通気性固体としては、たとえば、焼結金属、あるいは導電性セラミックス等がある。   Examples of such a conductive substance and a porous air-permeable solid include a sintered metal or a conductive ceramic.

この場合も、触媒燃焼ヒータ1の作動開始と同時に水分離フィルタ1へも通電を開始し水分離フィルタ5を発熱させることにより、本発明の第2実施形態による触媒燃焼ヒータ1の場合と同様に本発明の第1実施形態による触媒燃焼ヒータ1に比較して、より早く、水分離フィルタ5の温度を高めることができる。   In this case as well, the energization of the water separation filter 1 is started simultaneously with the start of the operation of the catalytic combustion heater 1 to cause the water separation filter 5 to generate heat, similarly to the case of the catalytic combustion heater 1 according to the second embodiment of the present invention. Compared to the catalytic combustion heater 1 according to the first embodiment of the present invention, the temperature of the water separation filter 5 can be increased more quickly.

したがって、本発明の第3実施形態による触媒燃焼ヒータ1においても、本発明の第2実施形態による触媒燃焼ヒータ1の場合と同様の効果が得られる。すなわち、新たに水分離フィルタ5に流入した水滴や水蒸気が水分離フィルタ5内を通過中に蒸発する状態になるまでの時間を短縮して水分離フィルタ5の混合ガス流れ方向の長さを短縮できるので、触媒燃焼ヒータ1を小型化することができる。   Therefore, also in the catalytic combustion heater 1 according to the third embodiment of the present invention, the same effect as that of the catalytic combustion heater 1 according to the second embodiment of the present invention can be obtained. That is, the time until water droplets or water vapor newly flowing into the water separation filter 5 evaporates while passing through the water separation filter 5 is shortened, and the length of the water separation filter 5 in the mixed gas flow direction is shortened. Therefore, the catalytic combustion heater 1 can be reduced in size.

なお、以上説明した、本発明の第1〜第3実施形態による触媒燃焼ヒータ1は、いずれも熱交換器7を備え、暖房システム100に組み込まれて熱媒体であるクーラントの温度を高める機能を果たしている。しかしながら、本発明による触媒燃焼ヒータ1の用途を、暖房システム100の熱媒体昇温用に限定する必要はない。たとえば、熱交換器7を廃止して、本発明による触媒燃焼ヒータ1を触媒燃焼器6から流出する燃焼ガスを温風として利用する用途に用いてもよい。   The above-described catalytic combustion heaters 1 according to the first to third embodiments of the present invention each include the heat exchanger 7 and have a function of being incorporated in the heating system 100 and increasing the temperature of the coolant that is a heat medium. Plays. However, it is not necessary to limit the application of the catalytic combustion heater 1 according to the present invention to heating the heating medium of the heating system 100. For example, the heat exchanger 7 may be eliminated, and the catalytic combustion heater 1 according to the present invention may be used for use in which the combustion gas flowing out from the catalytic combustor 6 is used as hot air.

この場合、水素ガスを燃料として触媒燃焼させているので、触媒燃焼器6から流出する燃焼ガスの成分は空気と水蒸気であり、NOx等の有害物質は含まれない。したがって、触媒燃焼ヒータ1から流出する燃焼ガスを直接室内暖房用に利用することも可能である。   In this case, since hydrogen gas is used as the fuel for catalytic combustion, the components of the combustion gas flowing out from the catalytic combustor 6 are air and water vapor, and no harmful substances such as NOx are included. Therefore, the combustion gas flowing out from the catalytic combustion heater 1 can be directly used for indoor heating.

また、以上説明した、本発明の第1〜第3実施形態による触媒燃焼ヒータ1においては、燃料として水素ガスを使用しているが、水素ガスに限定する必要はなく、他の種類の気体燃料を用いてもよい。   In the catalytic combustion heater 1 according to the first to third embodiments of the present invention described above, hydrogen gas is used as the fuel. However, it is not necessary to limit to hydrogen gas, and other types of gaseous fuels are used. May be used.

本発明の第1実施形態による触媒燃焼ヒータ1を含む暖房システム100の全体構成を説明する模式図である。It is a mimetic diagram explaining the whole heating system 100 composition containing catalyst combustion heater 1 by a 1st embodiment of the present invention. 本発明の第1実施形態による触媒燃焼ヒータ1の部分断面図である。1 is a partial cross-sectional view of a catalytic combustion heater 1 according to a first embodiment of the present invention. 本発明の第2実施形態による触媒燃焼ヒータ1の部分断面図である。It is a fragmentary sectional view of the catalytic combustion heater 1 by 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第3実施形態による触媒燃焼ヒータ1の部分断面図である。It is a fragmentary sectional view of the catalytic combustion heater 1 by 3rd Embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 触媒燃焼ヒータ(触媒燃焼装置)
2 送風機(空気供給手段)
3 水素供給装置(燃料供給手段)
31 水素通路(燃料供給手段)
32 水素導入部(燃料供給手段)
4 気体混合器(気体混合手段)
5 水分離フィルタ(液相捕集手段)
51 電熱ヒータ(発熱手段、電気式発熱体)
52 リード線
53 リード線
54 リード線
55 リード線
6 触媒燃焼器
61 触媒担体
7 熱交換器
71 チューブ
72 フィン
73 ヒータ送出管
74 ヒータ戻り管
8 ケーシング
81 通路

100 暖房システム
101 ヒータコア
102 ポンプ
1 Catalytic combustion heater (catalytic combustion equipment)
2 Blower (Air supply means)
3 Hydrogen supply device (fuel supply means)
31 Hydrogen passage (fuel supply means)
32 Hydrogen introduction part (fuel supply means)
4 Gas mixer (gas mixing means)
5 Water separation filter (liquid phase collecting means)
51 Electric heater (heating means, electric heating element)
52 Lead wire 53 Lead wire 54 Lead wire 55 Lead wire 6 Catalytic combustor 61 Catalyst carrier 7 Heat exchanger 71 Tube 72 Fin 73 Heater feed pipe 74 Heater return pipe 8 Casing 81 Passage 9
100 Heating System 101 Heater Core 102 Pump

Claims (7)

空気と燃料の混合ガスを形成する気体混合手段と、
前記気体混合手段に空気を供給する空気供給手段と、
前記気体混合手段に前記燃料を供給する燃料供給手段と、
前記気体混合手段に接続され、前記気体混合手段で形成された前記混合ガスが供給される通路と、
前記通路内において前記気体混合手段よりも下流側に配置され、触媒担体に触媒を担持して形成された触媒燃焼部とを備える触媒燃焼装置であって、
前記通路内において前記混合ガスの流れ方向における前記気体混合手段と前記触媒燃焼部との中間に多数の微細通路を備える液相捕集手段を設けたことを特徴とする触媒燃焼装置。
A gas mixing means for forming a mixed gas of air and fuel;
Air supply means for supplying air to the gas mixing means;
Fuel supply means for supplying the fuel to the gas mixing means;
A passage connected to the gas mixing means and supplied with the mixed gas formed by the gas mixing means;
A catalytic combustion device that is disposed downstream of the gas mixing means in the passage and includes a catalytic combustion section formed by supporting a catalyst on a catalyst carrier;
A catalytic combustion apparatus comprising a liquid phase collecting means having a number of fine passages in the passage between the gas mixing means and the catalytic combustion section in the flow direction of the mixed gas.
前記捕集手段は発熱手段を備えることを特徴とする請求項1に記載の触媒燃焼装置。   The catalytic combustion apparatus according to claim 1, wherein the collection unit includes a heat generation unit. 前記発熱手段は、電気式発熱体であることを特徴とする請求項2に記載の触媒燃焼装置。   The catalytic combustion apparatus according to claim 2, wherein the heat generating means is an electric heating element. 前記捕集手段は導電性物質から形成され且つ通電により発熱することを特徴とする請求項1に記載の触媒燃焼装置。   The catalytic combustion apparatus according to claim 1, wherein the collecting means is made of a conductive material and generates heat when energized. 前記捕集手段は多孔質通気性固体であることを特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれかに記載の触媒燃焼装置。   The catalytic combustion apparatus according to any one of claims 1 to 4, wherein the collecting means is a porous air-permeable solid. 前記燃料は水素ガスであることを特徴とすることを請求項1ないし請求項5のいずれかに記載の触媒燃焼装置。   The catalytic combustion apparatus according to any one of claims 1 to 5, wherein the fuel is hydrogen gas. 前記通路内において前記触媒燃焼部よりも下流側に配置され、熱媒体が供給されて該熱媒体と前記触媒燃焼部からの燃焼ガスとの間で熱交換を行う熱交換器を備えることを特徴とする請求項1ないし請求項6のいずれかに記載の触媒燃焼装置。   A heat exchanger is provided in the passage on the downstream side of the catalyst combustion unit, and a heat exchanger is provided to exchange heat between the heat medium and the combustion gas from the catalyst combustion unit. The catalytic combustion apparatus according to any one of claims 1 to 6.
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