JP2005233487A - 触媒燃焼装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 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。
【解決手段】 触媒として複数の白金素線５１を採用し且つ白金素線５１に制御装置７により直接通電する構成とした。さらに、制御装置７は、白金素線５１の抵抗値を検出して白金素線５１温度を測定し、それに基づき白金素線５１への通電を制御する構成とした。これにより、より少ない消費電力で白金素線５１温度を素早く上昇させることができるので、水分の付着を確実に防止し且つ触媒温度を短時間で活性温度まで上昇させることが可能なオフガス処理用ヒータ１を実現することができる。また、白金素線５１温度が過上昇して白金素線５１が損傷することを確実に防止できる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、家庭用あるいは自動車用として用いられ、空気と燃料の混合ガスを触媒により燃焼させる触媒燃焼装置に関する。

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。

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。

また、触媒燃焼装置は、水素燃料電池から排出される気体であるオフガスの処理装置として用いられている。一般に、水素燃料電池は、燃料である水素の供給を受けて化学反応により電力を発生するとともに、反応生成物である水蒸気（すなわち、オフガス）を排出している。このオフガス中には、未反応の水素が含まれている。

オフガス処理装置は、オフガス中に含まれる水素を触媒燃焼させて水蒸気として空気中に排出させるためのものである。

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）。

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

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。

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。

ところで、触媒燃焼装置の温度が低い時、たとえば触媒燃焼装置始動直後等では、空気中に含まれる水分やオフガス中に含まれる水分、つまり水蒸気が低温の触媒表面において凝縮して水滴となり触媒表面に付着することがある。

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るため、触媒としての機能を果たす有効面積が減少する。また、触媒表面に付着した水滴は、触媒燃焼の発生熱の一部を気化潜熱として吸収し再び蒸発して触媒燃焼ガス流に乗り通路下流へ流れて行く。すなわち、触媒表面への水滴付着により、触媒の有効面積減少および発生熱量の気化潜熱消費が生じ、触媒自体の温度上昇が緩慢となり、触媒温度が活性温度に到達するまでの時間が長くなる。言い換えると、触媒燃焼装置が最大能力を発揮可能となるまでに長時間を要するという問題がある。

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熱部材からなる触媒担体に触媒を担持させてなる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を狙ったものである。

しかしながら、この方法では、電熱部材を介して触媒温度を高めるため、触媒昇温に多大な電力を消費しエネルギ効率が低下する、等の問題がある。

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。

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。

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。

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。

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、通路内に気体混合手段の混合ガスの流れ方向下流側に混合ガス流れと交差するように配置された複数の白金素線と、白金素線への通電を制御する制御装置とを備え、白金素線を触媒として作用させて前混合ガスを触媒燃焼させる触媒燃焼装置であって、制御装置は、白金素線の抵抗を検出する抵抗測定手段と抵抗測定手段が検出した抵抗に基づき白金素線の温度を算出する温度算出手段とを備え、温度算出手段が算出した白金素線温度に基づき白金素線への通電を制御する構成とした。

従来の触媒燃焼装置においては、電熱部材からなる触媒担体に触媒を担持させてなる電気加熱触媒により、触媒温度を高めている。この方法では、電熱部材を介して触媒温度を高めるため、触媒昇温時間が長くなるとともに電熱部材の消費電力が多大となってしまう。

これに対し、本発明の請求項１に記載の触媒燃焼装置は、触媒として白金素線を採用し且つ白金素線に直接通電する構成としている。

白金素線は、優れた触媒であるとともに比抵抗がアルミニウムの約４倍と大きく通電による発熱量が大きい。したがって、触媒として白金素線を用い、且つ白金素線、言い換えると触媒自体に通電して発熱させることにより、省電力化を図りつつ、触媒表面への水分付着を抑制して短時間で触媒温度を活性温度以上に上昇させることができる。

また、白金は、抵抗値と温度の関係が直線的に変化し且つ再現性が高い。したがって、白金素線の抵抗値を測定することにより白金素線の温度を容易且つ正確に知ることができる。

このため、本発明の請求項１に記載の触媒燃焼装置のような構成とすれば、たとえば、白金素線温度が活性温度よりも低いときには白金素線に通電して発熱させ、白金素線温度が活性温度レベルに到達したら白金素線への通電を停止することにより、触媒表面への水分付着を抑制して触媒温度を短時間で触媒温度を活性温度以上に上昇させ、且つそれに要する電力消費量を必要最小限に抑えることが可能な触媒燃焼装置を実現することができる。

本発明の請求項２に記載の触媒燃焼装置は、通路内且つ混合ガスの流れ方向において白金素線の下流側に配置され、熱媒体が供給されて熱媒体と混合ガスの触媒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。

この構成によれば、触媒燃焼装置での触媒燃焼による発生熱を、熱媒体を介して熱源として利用することができる。
また、熱媒体を介することにより、触媒燃焼装置から離れた場所においても容易に触媒燃焼の発生熱を利用することが可能となる。

本発明の請求項３に記載の触媒燃焼装置は、通路内且つ混合ガスの流れ方向において白金素線の下流側に白金素線と隣接して配置され、触媒担体に触媒を担持して形成された触媒燃焼部を備える構成とした。

この場合、触媒燃焼装置において、気体混合手段で形成された混合ガスは、先ずその一部が白金素線部で触媒燃焼し、その燃焼ガスと残りの混合ガスが触媒燃焼部に流入し、残りの混合ガスが触媒燃焼部で触媒燃焼する。すなわち、白金素線部における触媒燃焼で生じた燃焼ガスは、触媒燃焼部を暖めるとともに触媒燃焼部に流入する混合ガス温度を高めて、混合ガス中に含まれる水蒸気が触媒燃焼部に凝縮・付着することを抑制している。

これにより、高価な白金素線の使用量を必要最小限度として、触媒燃焼装置のコスト上昇を抑制することができる。

請求項４に記載の触媒燃焼装置は、制御装置は、温度算出手段が算出した白金素線温度が所定温度より低いときに白金素線に通電し、白金素線温度が所定温度よりも高いときに白金素線への通電を停止する構成とした。

この場合、所定温度を、たとえば白金の触媒機能の活性温度に設定すれば、白金素線温度が活性温度より低いとき、たとえば触媒燃焼装置の始動時等において白金素線に通電して、白金素線温度を高めることができる。また、白金素線温度が活性温度に達すると白金素線への通電を停止して、電力消費量を低減することができる。

これにより、触媒表面への水分付着を抑制して触媒温度を短時間で触媒温度を活性温度以上に上昇させ、且つそれに要する電力消費量を必要最小限に抑えることが可能な触媒燃焼装置を実現できる。

本発明の請求項５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。

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。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１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、燃料電池１０１から排出されたオフガスを触媒燃焼させるオフガス処理用ヒータ１に適用した場合を例に図に基づいて説明する。

図１は、本発明の第１実施形態によるオフガス処理用ヒータ１が組み込まれている燃料電池冷却システム１００の構成を説明する模式図である。

図２は、本発明の第１実施形態によるオフガス処理装置１の部分断面図である。

図３は、図２中のＩＩＩ矢視図であり、白金素線格子５の正面図である。

図４は、本発明の第１実施形態によるオフガス処理用ヒータ１および燃料電池冷却システム１００の電気回路構成を説明する模式図である。

燃料電池冷却システム１００は、燃料電池１０１作動中において燃料電池１０１の発生熱を冷媒、たとえば冷却水を介して外部へ放出し、燃料電池１０１の温度を適正な温度に維持するためのものである。

燃料電池冷却システム１００は、大きくは、図１に示すように、燃料電池１０１と、燃料電池１０１から発して再び燃料電池１０１へ戻るループ状の冷却水通路１１０と、冷却水通路１１０の途中に設けられて冷却水の熱を空気へ放散させるラジエータ１１１と、冷却水通路１１０の途中に設けられて冷却水通路１１０内に冷却水を循環させる電動ポンプ１１２と、ラジエータ１１１をバイパスするように設けられるバイパス通路１１３と、バイパス通路１１３の途中に設けられるオフガス処理用ヒータ１と、冷却水通路１１０とバイパス通路１１３との分岐点に設けられ冷却水通路１１０とバイパス通路１１３との連通状態を制御する制御弁１１４とから構成されている。

ここで、制御弁１１４の機能は、ラジエータ１１１を通過する冷却水流量とオフガス処理用ヒータ１を通過する冷却水流量との流量比率を変えることである。すなわち、制御弁１１４は、ラジエータ１１１を通過する冷却水流量とオフガス処理用ヒータ１を通過する冷却水流量との流量比率を、１００：０から０：１００まで連続的に変化させることができる。

燃料電池１０１は、所定の温度範囲内にある時において、発電機能を十分に発揮できる。また、燃料電池１０１は、その作動中、すなわち発電中には熱を発生し温度が上昇する。燃料電池１０１の温度が所定範囲を超えて高くなると、発電機能が低下する。

一方、燃料電池１０１の温度が所定の温度範囲外且つ低いとき、たとえば燃料電池１０１起動時においては、燃料電池１０１の発電電力が大幅に低下し、走行用電動機等の電気負荷に対してそれらが必要とする電力を十分供給できない。言い換えると、燃料電池車両の始動時に車両としての動力性能を十分発揮することができない。

このため、燃料電池１０１の温度を所定の温度範囲内に安定して維持し、且つ燃料電池１０１起動時において燃料電池１０１の温度を所定の温度まで短時間に上昇させられるような何らかの手段が必要となる。
燃料電池冷却システム１００は、上述の目的のために設けられたシステムである。すなわち、燃料電池１０１の作動中における発生熱を冷却水を介して燃料電池１０１外部へ放出して燃料電池１０１の温度を上述の所定温度範囲に維持し、且つ燃料電池１０１起動時において燃料電池１０１からのオフガスをオフガス処理用ヒータ１で触媒燃焼させ、その発生熱を冷却水を介して燃料電池１０１へ伝達することにより、燃料電池１０１の温度を上昇させる、いわゆる暖機を行い、始動後短時間で燃料電池１０１の発生電力が正規状態としている。

以下に、燃料電池冷却システム１００の構成について詳しく説明する。

燃料電池１０１は、図１に示すように、電解質１０２を挟んで２つの電極、すなわち燃料極１０３と空気極１０４が配置され、燃料極１０３に燃料である水素が、空気極１０４に空気がそれぞれ供給されると、水素と空気中の酸素により両電極１０３、１０４において電気化学反応がおこり、両電極１０３、１０４に電位差が発生し、両電極１０３、１０４に電気負荷を接続すると、空気極１０４から燃料極１０３へ電流が流れる。すなわち、空気極１０４が＋極、燃料極１０３が−極の電池として作用する。燃料電池車両は、この直流電力により走行用電動機（図示せず）を駆動して走行するとともに、各種装置（図示せず）を作動させている。

燃料電池の空気極１０４へは、図1に示すように、空気供給通路１０５を介して空気が供給され、また、空気極１０４からは、空気排出通路１０６を介して、酸素が消費された空気および電気化学反応により生じた水、つまり水蒸気が排出される。

燃料電池の燃料極１０３へは、図1に示すように、水素供給通路１０７を介して水素が供給され、また、燃料極１０３からは、オフガス排出通路１０８を介して、電気化学反応に使われなかった水素、つまり未反応の水素がオフガスとして排出される。このオフガスには、電気化学反応により生じた水、つまり水蒸気が含まれる。このオフガスは、図示しない気液分離器へ送られそこで水分を除去された後、水素供給通路１０７へ合流して、再び燃料極１０３へ送られている。

また、燃料電池１０１には、燃料電池１０１と冷却水との間で熱交換を行うための熱交換部１０９が設けられている。この熱交換部１０９には、図１に示すように、熱交換部１０９と燃料電池１０１外部の放熱器であるラジエータ１１１間において冷却水を循環させるための冷却水通路１１０が、図１に示すように、ループ状に接続されている。また、熱交換部１０９には、熱交換部１０９内の冷却水温度、すなわち燃料電池１０１を検出するための温度センサ１１７が設置されている。

また、燃料電池１０１のオフガス排出通路１０８途中には、図１に示すように、燃料電池１０１からのオフガスをオフガス処理用ヒータ１へ導入するためのオフガス導入通路１１５が接続している。さらに、オフガス排出通路１０８とオフガス導入通路１１５との接続部には切り替え弁１１６が設けられて、オフガス排出通路１０８とオフガス処理用ヒータ１との連通および遮断を切り替えている。

オフガス処理用ヒータ１は、図２に示すように、容器であるケーシング８内に、燃料であるオフガスと空気との混合ガスが供給される通路８１が形成されている。この通路８１内には、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オフガス導入通路１１５からのオフガスを通路８１へ導入するオフガス導入部３、空気とオフ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、オフガスと空気の混合ガスを触媒燃焼させるための触媒である白金素線格子５、オフガスの触媒燃焼による燃焼ガスと冷却水との間で熱交換が行われる熱交換器６が配置されている。また、ケーシング８の外部には、白金素線格子５への通電を制御する制御装置７が配置されている。白金素線格子５と制御装置７とはリード線９により電気的に接続されている。なお、制御装置７は、白金素線格子５への通電制御のほかに、制御弁１１４および切り替え弁１１６の連通・遮断制御、送風機２の送風量制御（回転数制御）、および電動ポンプ１１２の吐出流量制御（回転数制御）を行っている。ここで、本発明の第１実施形態によるオフガス処理用ヒータ１においては、制御弁１１４および切り替え弁１１６は、ともにソレノイド駆動式のいわゆる電磁弁タイプのものが用いられており、各弁の開度または連通・遮断状態は電気信号により容易に制御することができる。

容器であるケーシング８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、燃料であるオフガスと空気の混合ガスが流れる通路８１を形成している。

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、燃料供給手段であるオフガス導入通路１１５からのオフガスを通路８１へ導入するオフガス導入部３が配置されている。

オフガス導入部３は、オフガスを、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。オフガス導入部３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。

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内を空気およびオフガスが通過（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オフ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。

白金素線格子５は、空気とオフ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るものである。すなわち、本発明の第１実施形態によるオフガス処理用ヒータ１における発熱部を形成している。白金素線格子５は、図３に示すように、対抗する２つの電極５２、５３間に複数の白金素線５１を平行且つ等間隔に配置したものである。つまり、各白金素線５１は、両電極５２、５３間に電気的に並列に接続されている。また、白金素線格子５は、通路８１内において、各白金素線５１を混合ガス流れに直交させるように取り付けられている。また、白金素線格子５の各電極５２、５３にはリード線９が接続され、リード線９はケーシング８外へ延出されて制御装置７に接続されている。制御装置７により各電極５２、５３間に電圧が印加されると、触媒としての白金素線５１はジュール熱を発して温度が上昇する。すなわち、触媒温度を容易に短時間で活性温度に到達させることができる。また、各電極５２、５３からは、測温用リード線１１８が接続され、制御装置７に接続されている。この測温用リード線１１８は、両電極５２、５３間の電位差を検出するためのものであり、それ自身の抵抗値が高精度で管理されている。制御装置７は、検出された両電極５２、５３間の電位差に基づいて両電極５２、５３間の抵抗値、すなわち並列接続された複数の白金素線５１の合成抵抗を測定し、さらに、この抵抗値から白金素線５１の温度を算出し、この白金素線５１の温度に基づいて、白金素線格子５への印加電圧を制御している。

なお、白金素線格子５からは、リード線９および測温用リード線１１８ともに、各２本ずつ延出されるが、図２においては判り易さのために、各１本ずつ示している。

白金素線格子５の下流側（図２の右側）には、触媒燃焼による燃焼ガスと熱媒体である冷却水との間で熱交換を行うための熱交換器６が配置されている。熱交換器６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６１と隣り合うチューブ６１間に両チューブ６１に熱伝導可能に接して配置されたフィン６２を備えている。チューブ６１およびフィン６２は、高温の燃焼ガスに曝され、且つチューブ６１内を冷却水が流れるので、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実施形態によるオフガス処理用ヒータ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６は、図２に示すように、燃料電池冷却システム１００のバイパス通路１１３の途中に配置されており、熱交換器６の各チューブ６１がバイパス通路１１３の一部を形成している。したがって、オフガス処理用ヒータ１の作動中において、バイパス通路１１３を流れる冷却水は、熱交換器６を通過することによりオフガスの触媒燃焼ガスと熱交換して暖められる。

次に、本発明の第１実施形態によるオフガス処理用ヒータ１および燃料電池冷却システム１００の電気回路構成について、図４に基づいて説明する。

制御装置７は、たとえばマイクロコンピュータ等から構成されている。制御装置７は、図４に示すように、常時電源であるバッテリ１２０に接続されている。また、制御装置７には、図４に示すように、イグニッションスイッチ１１９がそのＯＮ／ＯＦＦを検出可能に接続されている。なお、当該車両の作動中、つまり燃料電池１０１が発電作動中においては、図４に図示しない電気回路を経て、制御装置７へ燃料電池１０１からも電力が供給される構成としてもよい。

また、制御装置７は、図４に示すように、白金素線格子５の両電極５２、５３間の電位差を検出し、それに基づいて両電極５２、５３間の抵抗値を測定する抵抗測定手段である抵抗測定部７１と、抵抗測定部７１が測定した抵抗値に基づいて白金素線５１の温度を算出する温度算出手段である温度算出部７２を備えている。両電極５２、５３は、測温用リード線１１８によって制御装置７に接続されている。

また、制御装置７へは、センサ等が検出信号を入力可能に接続されるとともに、制御装置７により駆動される各種装置およびアクチュエータ等が接続されている。

先ず、センサ等としては、図４に示すように、燃料電池１０１の温度を検出する温度センサ１１７が接続されている。

一方、各種装置およびアクチュエータ等としては、図４に示すように、白金素線格子５の両電極５２、５３がリード線９によって制御装置７に接続されている。また、冷却水を循環させるための電動ポンプ１１２、冷却水通路１１０とバイパス通路１１３との連通状態を制御する制御弁１１４、オフガス処理用ヒータ１へのオフガス供給・遮断を制御する切り替え弁１１６、およびオフガス処理用ヒータ１の送風機２がそれぞれ接続されている。

次に、燃料電池冷却システム１００の作動、およびそれに対応した、本発明の第１実施形態によるオフガス処理用ヒータ１の作動について説明する。

運転者によりイグニッションスイッチ１１９がＯＮされて、燃料電池１０１が起動されると、制御装置７はそれを検知して、燃料電池冷却システム１００の作動を開始させる。

（１）燃料電池１０１の起動時で燃料電池１０１の温度が所定温度範囲外且つ低いとき。

この場合、制御装置７は、燃料電池１０１の暖機制御を開始する。

先ず、制御装置７は、制御弁１１４を切り替えてバイパス通路１１３を冷却水通路１１０に連通させラジエータ１１１への冷却水流れを遮断するとともに、電動ポンプ１１２を駆動して冷却水を、燃料電池１０１、バイパス通路１１３間に循環させる。

これにより、冷却水は、オフガス処理用ヒータ１と燃料電池１０１の間を循環する。

同時に、制御装置７は、オフガス処理用ヒータ１の作動を開始させる。すなわち、切り替え弁１１６を切り替えてオフガス導入通路１１５をオフガス排出通路８に連通させるとともに、送風機２を駆動して通路８１内に空気を供給する。さらに、白金素線格子５の両電極５２、５３に電圧を印加する。

このとき、オフガス処理用ヒータ１の白金素線格子５において、各白金素線５１がジュール熱を発生し白金素線５１の温度が上昇するので、白金素線５１温度は短時間で活性温度に達し、オフガスは安定して触媒燃焼がする。言い換えると、オフガス処理用ヒータ１から流出する冷却水温度は短時間で上昇する。

ところで、従来の触媒燃焼装置においては、
以上から、燃料電池１０１の熱交換部１０９へ流入する冷却水温度が短時間で上昇し、その結果、燃料電池１０１の起動時において、燃料電池１０１の温度を短時間で所定範囲まで上昇させることができる。

なお、制御装置７は、リード線９を介して白金素線格子５の両電極５２、５３に電圧を印加すると同時に、測温用リード線１１８を介して両電極５２、５３間の抵抗値を測定して白金素線５１の温度を算出しており、白金素線５１の温度が白金の活性温度に達した時点で、両電極５２、５３への電圧印加を停止する、あるいは両電極５２、５３への印加電圧を低下させて、白金素線５１の温度を活性温度に維持する。通常は、オフガスの触媒燃焼の熱により白金素線５１が加熱されるので、両電極５２、５３への電圧印加を停止しても、白金素線５１の温度を活性温度に維持することは可能である。

（２）燃料電池１０１の定常作動中・・・その１。

燃料電池１０１の起動後、すなわちオフガス処理用ヒータ１の起動後、オフガス処理用ヒータ１が発生する熱を伝達されて燃料電池１０１温度は上昇し続け、やがて燃料電池１０１の発電効率が最大となる所定温度範囲内に到達する。すなわち暖機が完了する。

制御装置７は、温度センサ１１７による検出信号に基づき燃料電池１０１温度が所定温度範囲内に到達したことを検知すると、暖機制御を停止する。

先ず、制御装置７は、オフガス処理用ヒータ１の作動を停止させる。すなわち、切り替え弁１１６を切り替えてオフガス導入通路１１５を遮断するとともに、送風機２を停止させる。さらに、白金素線格子５の両電極５２、５３に電圧印加を一旦停止する。

同時に、制御装置７は、制御弁１１４を切り替えてバイパス通路１１３を遮断して、冷却水通路１１０を介して燃料電池１０１の熱交換部１０９とラジエータ１１１とを連通させる。すなわち、冷却水が、燃料電池１０１、ラジエータ１１１間を循環可能な状態とする。

ところで、燃料電池１０１の定常作動中において、切り替え弁１１６を経由してオフガスをオフガス処理用ヒータ１へ導入して触媒燃焼させることが間歇的に実施される場合がある。その際、オフガス処理用ヒータ１において直ちにオフガスの触媒燃焼が安定して行うためには、白金素線５１温度を常時活性温度に保っておく必要がある。このために、制御装置７は、白金素線格子５の白金素線５１温度が活性温度を維持するように白金素線格子５の両電極５２、５３へ電圧を印加する。

この場合、制御装置７は、測温用リード線１１８を介して両電極５２、５３間の抵抗値を測定して算出した白金素線５１の温度に基づいて両電極５２、５３への印加電圧を調整する、いわゆるフィードバック制御をおこなう。これにより、必要最小限度の消費電力によって白金素線５１温度を活性温度に維持しておくことができる。

（３）燃料電池１０１の定常作動中・・・その２。

燃料電池１０１の暖機終了後、さらに時間が経過に連れて、燃料電池１０１温度はそれ自身の発熱により上昇し続ける。

燃料電池１０１温度が、燃料電池１０１の発電効率が最大となる所定温度範囲の上限に近づくと、制御装置７は、電動ポンプ１１２を駆動し、冷却水通路１１０を介して燃料電池１０１、ラジエータ１１１間に冷却水を循環させる。

すると、燃料電池１０１の発生熱が冷却水を介してラジエータ１１１へ運ばれ、ラジエータ１１１から空気中に放散される。これにより、燃料電池１０１が冷却され、燃料電池１０１の温度は所定温度範囲内に維持される。

この場合、制御装置７は、温度センサ１１７により検出された燃料電池１０１温度に基づいて、燃料電池１０１温度が所定範囲内に止まるように、電動ポンプ１１２への印加電圧を制御して、燃料電池１０１、ラジエータ１１１間を循環する冷却水流量を調整する。すなわち、フィードバック制御を実施する。

（４）オフガス処理
制御装置７は、図示しない別の制御装置からの指令に基づき、オフガス処理を実施する。

すなわち、図示しない別の制御装置からオフガス処理開始指令信号が入力されると、制御装置７は、オフガス処理を開始する。また、図示しない別の制御装置からオフガス処理停止指令信号が入力されると、制御装置７は、オフガス処理を停止する。

（４−１）オフガス処理開始
制御装置７は、オフガス処理用ヒータ１の作動を開始させる。すなわち、切り替え弁１１６を切り替えてオフガス導入通路１１５をオフガス排出通路８に連通させるとともに、送風機２を駆動して通路８１内に空気を供給する。さらに、白金素線格子５の両電極５２、５３に電圧を印加する。

これにより、白金素線格子５部においてオフガスが触媒燃焼し、オフガス中の水素ガスは水蒸気に変わり、外部へ排出される。すなわちオフガスが処理される。

ここで、白金素線格子５の白金素線５１温度は、上述の（２）で説明したように、常時活性温度に保たれているので、オフガス処理開始と同時にオフガスを安定して触媒燃焼させることができる。

同時に、制御装置７は、制御弁１１４を駆動してバイパス通路１１３を、冷却水通路１１０に連通させる。すなわち、制御弁１１４は、燃料電池１０１、ラジエータ１１１間に冷却水を循環させつつ、バイパス通路１１３を少しだけ冷却水通路１１０に連通させる。

これにより、オフガス処理用ヒータ１の熱交換器６内に冷却水を通過させて、オフガス処理による発生熱をオフガス処理用ヒータ１外部へ放散できるので、熱交換器６内冷却水が過熱されることを防止できる。

なお、制御装置７は、オフガス処理中においても、燃料電池１０１温度制御、すなわち、温度センサ１１７により検出された燃料電池１０１温度に基づいて、燃料電池１０１温度が所定範囲内に止まるように、電動ポンプ１１２への印加電圧を制御して、燃料電池１０１、ラジエータ１１１間を循環する冷却水流量を調整する制御を実施している。

（４−２）オフガス処理停止
制御装置７は、オフガス処理用ヒータ１の作動を停止させる。すなわち、切り替え弁１１６を切り替えてオフガス導入通路１１５を遮断するとともに、送風機２を停止し、さらに、白金素線格子５の両電極５２、５３への電圧印加を停止する。

同時に、制御装置７は、制御弁１１４を駆動してバイパス通路１１３を、完全に遮断する。

なお、オフガス処理停止後は、燃料電池１０１温度制御、および、白金素線格子５の白金素線５１温度維持制御が継続して実施される。

以上説明した、本発明の第１実施形態によるオフガス処理用ヒータ１においては、通路８１内に気体混合器４の下流側に、混合ガス流れと交差するように配置された複数の白金素線５１を備える白金素線格子５を配置し、制御装置７により白金素線５１への通電を制御するとともに、制御装置７は、白金素線５１の抵抗を検出する抵抗測定手段７１と抵抗測定手段７１が検出した抵抗に基づき白金素線５１の温度を算出する温度算出手段７２とを備え、温度算出手段７２が算出した白金素線５１温度に基づき白金素線５１への通電を制御する構成とした。

従来の触媒燃焼装置においては、電熱部材からなる触媒担体に触媒を担持させてなる電気加熱触媒により、触媒温度を高めている。この方法では、電熱部材を介して触媒温度を高めるため、触媒昇温時間が長くなるとともに電熱部材の消費電力が多大となってしまう。

これに対し、本発明の第１実施形態によるオフガス処理用ヒータ１においては、触媒として白金素線５１を採用し且つ白金素線５１に直接通電する構成としている。

したがって、白金素線５１温度を素早く上昇させて水分の付着を確実に防止し、且つ触媒温度を短時間で活性温度まで上昇させることが可能なオフガス処理用ヒータ１を実現することができる。さらに、そのための消費電力を節約することができる。

また、制御装置７は、白金素線５１温度に基づき白金素線５１への通電を制御することにより、必要最小限度の消費電力によって白金素線５１温度を活性温度に維持しておくことができる。さらに、白金素線５１温度を常時監視しているため、過大電圧印加等の異常事態が発生して場合に直ちに白金素線５１への通電を停止できるので、白金素線５１温度が過上昇して白金素線５１が損傷することを確実に防止できる。

（第２実施形態）
図５には、本発明の第２実施形態によるオフガス処理用ヒータ１の部分断面図を示す。

本発明の第２実施形態によるオフガス処理用ヒータ１は、本発明の第１実施形態によるオフガス処理用ヒータ１に対して、触媒燃焼部である触媒燃焼器１０を追加したものである。

すなわち、図５に示すように、通路８１内において、白金素線格子５の下流側（図５において右側）に、白金素線格子５に隣接させて触媒燃焼器１０を配置している。

触媒燃焼器１０は、触媒担体、たとえばコージェライト、アルミナ等のセラミックスハニカム１０ａに触媒、たとえば白金、パラジウム等を担持させたもので、極めて一般的な構成のものである。

この場合、オフガス処理用ヒータ１において、気体混合器４で形成されたオフガスと空気の混合ガスは、先ずその一部が白金素線格子５で触媒燃焼し、その燃焼ガスと残りの混合ガスが触媒燃焼器１０に流入し、残りの混合ガスが触媒燃焼器１０で触媒燃焼する。すなわち、白金素線格子５における触媒燃焼で生じた燃焼ガスは、触媒燃焼器１０を暖めるとともに触媒燃焼器１０に流入する混合ガス温度を高めて、混合ガス中に含まれる水蒸気が触媒燃焼器１０に凝縮・付着することを防止している。

本発明の第２実施形態によるオフガス処理用ヒータ１において、熱交換器６に流入し冷却水との熱交換に関わる燃焼ガス量は、白金素線格子５部における燃焼ガス量と触媒燃焼器１０部における燃焼ガス量の和になる。

したがって、熱交換器６に流入し冷却水との熱交換に関わる燃焼ガス量を同一とした場合、言い換えると、オフガス処理用ヒータ１としての発熱量を同一とした場合、本発明の第２実施形態によるオフガス処理用ヒータ１は、本発明の第１実施形態によるオフガス処理用ヒータ１に比べて、白金素線格子５における白金素線５１本数が少なくて済む。

したがって、高価な白金素線５１の使用量を必要最小限度として、オフガス処理用ヒータ１のコスト上昇を抑制することができる。

（第３実施形態）
図６には、本発明の第３実施形態によるオフガス処理用ヒータ１が組み込まれている燃料電池冷却システム１００の構成を説明する模式図を示す。

本発明の第３実施形態によるオフガス処理用ヒータ１では、本発明の第１実施形態によるオフガス処理用ヒータ１に対して、燃料電池１０１の空気極１０４から排出される空気である、いわゆるオフエアを、オフガス処理用ヒータ１におけるオフガス触媒燃焼用空気として利用する構成としている。

すなわち、図６に示すように、燃料電池１０１の空気排出通路１０６とオフガス処理用ヒータ１の送風機２の吸い込み側とを連通するオフエア導入通路１２１を設けるとともに、空気排出通路１０６とオフエア導入通路１２１との接続部に制御弁１２２を設けている。

ここで、制御弁１２２としては、燃料電池１０１の空気極１０４から排出されるオフエア流量に対するオフエア導入通路１２１に導入される流量の割合を、０％から１００％まで連続的に変化させることが可能なタイプの弁、あるいは、単に、オフエア導入通路１２１と空気排出通路１０６との連通・遮断を切り替えるタイプの弁のどちらでもよい。

制御弁１２２は、オフガス処理用ヒータ１の作動開始と同時に制御装置７により駆動されて、オフエアをオフエア導入通路１２１へ流入させる。また、オフガス処理用ヒータ１の作動停止と同時に制御装置７により駆動されて、オフエア導入通路１２１を遮断する。

オフエアは、燃料電池１０１における電気化学反応で消費されて酸素濃度が低くなっているが、電気化学反応の発生熱により温度が高くなっている。したがって、このオフガスを、オフガス処理用ヒータ１のオフガス触媒燃焼用空気の一部として導入することにより、混合ガスの温度を高めて、触媒である白金素線５１の温度を活性温度までより早く上昇させることができるとともに、触媒燃焼をより安定させることができる。

（第４実施形態）
以上説明した、本発明の第１〜第３実施形態においては、本発明による触媒燃焼装置を、燃料電池車両に搭載される燃料電池冷却システム１００に組み込まれるオフガス処理用ヒータ１に適用した例を示している。

これに対して、本発明の第４実施形態による触媒燃焼装置は、水素を燃料とする燃料電池車両に搭載される車室内暖房システム２００に組み込まれる触媒燃焼ヒータ２０１に適用した例を示している。

図７には、本発明の第４実施形態による触媒燃焼ヒータ２０１の部分断面図を示す。なお、図７において、オフガス処理用ヒータ１と同一部位には同一符号を付してある。

暖房システム２００においては、熱媒体としてエチレングリコール水溶液である不凍液が用いられている。当該車両の車室内には、触媒燃焼ヒータ２０１から離れた位置に放熱器であるヒータコア２０７が配置されている。暖房システム２００は、触媒燃焼ヒータ２０１において水素ガスの触媒燃焼により発生した熱を、熱媒体である不凍液およびヒータコア２０７を介して車室内に放散させて車室内を暖めるものである。

本発明の第４実施形態による触媒燃焼ヒータ２０１の構成は、基本的には、本発明の第２実施形態によるオフガス処理用ヒータ１と同じである。以下、本発明の第４実施形態による触媒燃焼ヒータ２０１について、本発明の第２実施形態によるオフガス処理用ヒータ１と異なる点のみについて説明する。

本発明の第４実施形態による触媒燃焼ヒータ２０１においては、燃料供給手段は、当該燃料電池車両に搭載される水素タンク２０３である。触媒燃焼ヒータ２０１の燃料である水素ガスは、図７に示すように、水素供給通路２０２を経由して触媒燃焼ヒータ２０１に送られ、オフガス導入部３を介して気体混合器４に導入される。

また、熱交換器６には、図７に示すように、熱交換器６にからヒータコア２０７へ高温になった不凍液を供給するヒータ送出管２０５、およびヒータコア２０７を経て電動ポンプ２０４で加圧された不凍液を導入するヒータ戻り管２０６が接続されている。

本発明の第４実施形態による触媒燃焼ヒータ２０１においても、触媒として白金素線格子５を採用し、素線５１に直接通電する構成としている。

これにより、白金素線５１温度を素早く上昇させて水分の付着を確実に防止し、且つ触媒温度を短時間で活性温度まで上昇させることが可能となる。したがって、暖房システム２００において、熱媒体である不凍液の温度を短時間で上昇させることができる。たとえば、冬季等寒冷時において、暖房システム２００始動後短時間で車室内を快適な温度まで暖めることが可能となる。

なお、以上説明した、本発明の第４実施形態による触媒燃焼ヒータ２０１においては、本発明の第２実施形態によるオフガス処理用ヒータ１の場合と同様に、白金素線格子５の下流側に白金素線格子５に隣接して触媒燃焼器１０を設置しているが、これを必ず設ける必要はなく、触媒燃焼器１０を省略してもよい。

以上説明した、本発明の第１〜第３実施形態によるオフガス処理装置１および本発明の第４実施形態による触媒燃焼ヒータ２０１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。

また、以上説明した、本発明の第１〜第３実施形態によるオフガス処理装置１および本発明の第４実施形態による触媒燃焼ヒータ２０１は、いずれも燃料電池車両に搭載される機器に適用されているが、本発明の触媒燃焼装置を、燃料電池車両に搭載される機器のみに適用する必要は無く、他の種類の車両に搭載される機器、あるいは各種民生用機器等に適用してもよい。

本発明の第１実施形態によるオフガス処理用ヒータ１が組み込まれている燃料電池冷却システム１００の構成を説明する模式図である。 本発明の第１実施形態によるオフガス処理装置１の部分断面図である。 図２中のＩＩＩ矢視図であり、白金素線格子５の正面図である。 本発明の第１実施形態によるオフガス処理用ヒータ１および燃料電池冷却システム１００の電気回路構成を説明する模式図である。 本発明の第２実施形態によるオフガス処理用ヒータ１の部分断面図である。 本発明の第３実施形態によるオフガス処理用ヒータ１が組み込まれている燃料電池冷却システム１００の構成を説明する模式図である。 本発明の第４実施形態による触媒燃焼ヒータ２０１が組み込まれている暖房システム２００の構成を説明する模式図である。

符号の説明

１ オフガス処理用ヒータ（触媒燃焼装置）
２ 送風機（空気供給手段）
３ オフガス導入部（燃料供給手段）
４ 気体混合器（気体混合手段）
５ 白金素線格子（複数の白金素線）
５１ 白金素線
５２ 電極
５３ 電極
６ 熱交換器
７ 制御装置
７１ 抵抗測定手段
７２ 温度算出手段
８ ケーシング
８１ 通路
９ リード線
１０ 触媒燃焼器（触媒燃焼部）
１０ａ セラミックスハニカム（触媒担体）
１００ 燃料電池冷却システム
１０１ 燃料電池
１０２ 電解質
１０３ 燃料極
１０４ 空気極
１０５ 空気供給通路
１０６ 空気排出通路
１０７ 水素供給通路
１０８ オフガス排出通路
１０９ 熱交換部
１１０ 冷却水通路
１１１ ラジエータ
１１２ 電動ポンプ
１１３ バイパス通路
１１４ 切り替え弁
１１５ オフガス導入通路（燃料供給手段）
１１６ 切り替え弁
１１７ 温度センサ
１１８ 測温用リード線
１１９ イグニッションスイッチ
１２０ バッテリ
１２１ オフエア導入通路
１２２ 制御弁
２００ 暖房システム
２０１ 触媒燃焼ヒータ（触媒燃焼装置）
２０２ 水素供給通路
２０３ 水素タンク（燃料供給手段）
２０４ 電動ポンプ
２０５ ヒータ送出管
２０６ ヒータ戻り管
２０７ ヒータコア

Claims (5)

1. 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、
   前記通路内に前記気体混合手段の前記混合ガスの流れ方向下流側に前記混合ガス流れと交差するように配置された複数の白金素線と、
   前記白金素線への通電を制御する制御装置とを備え、
   前記白金素線を触媒として作用させて前記混合ガスを触媒燃焼させる触媒燃焼装置であって、
   前記制御装置は、前記白金素線の抵抗を検出する抵抗測定手段と該抵抗測定手段が検出した抵抗に基づき前記白金素線の温度を算出する温度算出手段とを備え、該温度算出手段が算出した白金素線温度に基づき前記白金素線への通電を制御することを特徴とする触媒燃焼装置。
2. 前記通路内且つ前記混合ガスの流れ方向において前記白金素線の下流側に配置され、熱媒体が供給されて該熱媒体と前記混合ガスの触媒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請求項１に記載の触媒燃焼装置。
3. 前記通路内且つ前記混合ガスの流れ方向において前記白金素線の下流側に前記白金素線と隣接して配置され、触媒担体に触媒を担持して形成された触媒燃焼部を備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の触媒燃焼装置。
4. 前記制御装置は、前記温度算出手段が算出した前記白金素線温度が所定温度より低いときに前記白金素線に通電し、前記白金素線温度が前記所定温度よりも高いときに前記白金素線への通電を停止することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の触媒燃焼装置。
5. 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４のいずれかに記載の触媒燃焼装置。

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