JP2005274066A - 水素燃焼器 - Google Patents

Abstract

【課題】水素の触媒による酸化反応熱を発生させる水素燃焼器において、より簡素な構成によって空気と水素を混合させ、装置の小型・軽量化を図る。
【解決手段】主流通路２を流れる空気に水素導入口１１から導入された水素を混合した混合ガスを触媒３で燃焼させる水素燃焼器１において、水素導入口１１の上流側に主流通路２内の流れを乱す乱流要素１２を配置する。乱流要素１２の幅方向端面１３で空気が剥離して乱流となり、空気と水素の混合ガスが十分に攪拌される。
【選択図】図１

Description

本発明は、水素の触媒による酸化反応熱を発生させる水素燃焼器に関する。

従来の水素燃焼器として、水素と空気の混合ガスを触媒に触れさせて酸化発熱させ、この熱を熱源として取り出すようにしたものがある（例えば、特許文献１参照。）。

この場合、空気に水素を供給した後に、貫通孔の設けられたプレートを所定間隔で複数配置してなる混合器で攪拌して、混合ガスを生成する。
特開２００２−３７２２０８号公報（段落［００１９］、図１）

しかしながら、従来の混合器はプレートを複数備えるため、水素燃焼器の大型化や重量増の原因となっていた。また、ガスが混合器を流通する際の圧力損失が大きいという問題もあった。

そこで、本発明は、より簡素な構成によって空気と水素を効率よく混合させて水素燃焼器の小型・軽量化を図るとともに、圧力損失を低減することを目的とする。

請求項１の発明にあっては、主流通路２，２ａ，２ｂを流れる空気に水素導入口１１から導入された水素を混合した混合ガスを触媒３で燃焼させる水素燃焼器１，１ａ〜１ｄにおいて、水素導入口１１の上流側に主流通路２，２ａ，２ｂ内の流れを乱す乱流要素１２，１２ａ，１２ｂ，１２ｄを配置したことを特徴とする。

請求項２の発明にあっては、上記請求項１の発明において、上記乱流要素１２，１２ａ，１２ｂは主流通路２，２ａ，２ｂの一側端と他側端との間に帯状に架設されることを特徴とする。

請求項３の発明にあっては、上記請求項２の発明において、上記乱流要素１２，１２ｄは主流通路２の入口１５に設けられることを特徴とする
請求項４の発明にあっては、上記請求項１の発明において、水素導入口１１が形成され主流通路２の側端から内方に進出する水素導入管５を備え、上記乱流要素１２ｄは上記水素導入管５に取り付けられることを特徴とする。

請求項５の発明にあっては、上記請求項４の発明において、上記水素導入管５は主流通路２内で上流側に延伸する遡行部１４を有し、上記乱流要素１２ｄは上記遡行部１４の先端に取り付けられ、上記水素導入口１１は上記遡行部１４の側面に形成されることを特徴とする。

請求項６の発明にあっては、上記請求項１〜５のいずれかの発明において、上記乱流要素１２が配置された位置における主流通路２の断面積に対する開孔部分の断面積の比率が４０％以上８５％以下であることを特徴とする。

請求項１の発明によれば、水素導入口１１の上流側に主流通路２，２ａ，２ｂ内の流れを乱す乱流要素１２，１２ａ，１２ｂ，１２ｄを配置して空気と水素の混合を促進することができるため、従来水素導入口の下流側に設けていた混合器を小型化あるいは省略することができる。

請求項２の発明によれば、乱流要素１２，１２ａ，１２ｂを主流通路２，２ａ，２ｂの一側端と他側端との間に帯状に架設することで、当該乱流要素１２，１２ａ，１２ｂを有する構成を容易に得ることができる。

請求項３の発明によれば、主流通路の入口１５に乱流要素１２，１２ｄを設けることで、当該乱流要素１２，１２ｄを有する構成を容易に得ることができる。

請求項４の発明によれば、乱流要素１２ｄを前記水素導入管５に取り付けることで、当該乱流要素１２ｄを有する構成を容易に得ることができる。

請求項５の発明によれば、乱流要素１２ｄを前記遡行部１４の先端に取り付け、水素導入口１１を遡行部１４の側面に形成することで、当該乱流要素１２ｄを有する構成を容易に得ることができるとともに、空気流の流通方向に対して交叉する方向に水素を噴出して空気と水素の混合を効率良く行うことができる。

請求項６の発明によれば、乱流要素１２が設置された断面における開孔部分の比率を適切にすることで、空気と水素の攪拌を促進させることができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態にかかる水素燃焼器の要部構成を示す斜視図である。

水素燃焼器１は、水素を燃料として燃焼熱を発生させる装置であり、水素供給源（圧縮水素タンク）から供給された水素ガスを主流通路２を流通する空気に導入して混合し、これを電気加熱触媒３で加熱燃焼させ、そこで発生した燃焼ガスを、電気加熱触媒３の下流側に配置した燃焼触媒（図示せず）に送って、燃焼触媒を触媒反応に十分な温度に加熱するようになっている。

そして、十分に加熱された燃焼触媒で更に混合ガスを酸化反応させて高熱の燃焼ガスを発生し、その燃焼ガスを図示しない熱交換器に通して熱交換媒体（例えば純水）と熱交換し、その熱を燃焼熱として取り出すようになっている。

空気は、図示しない送風機によって、入口１５から主流通路２を形成する管４内に導入されて下流側（図１では右側）に圧送される。

水素は、主流通路２の側端、すなわち管４の内壁から内方に進出する水素導入管５によって、主流通路２内に導入される。

電気加熱触媒３は、例えば、白金（Ｐｔ）１％、残部アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）からなる触媒を担持した平板６と波板７を重ねて巻回し、さらに複数箇所をロウ付けした後にケーシングに圧入して構成されており、平板６と波板７との間に混合ガスを通過させる多数のセル８が形成してある。

そして、電気加熱触媒３の中心部に一方の電極９を取り付けるとともに、外周部に他方の電極１０を取り付け、これら電極９，１０間を通電することで電気加熱触媒３を発熱させるようになっている。

ここで、電気加熱触媒３で加熱燃焼を効率良く行うには、空気と水素の混合比を、主流通路２の断面について均一とするのが望ましい。そこで、本実施形態では乱流要素１２によって混合比の均一化を図る。

乱流要素１２は、その表面から流れが剥離して渦を伴う乱流が生じることを企図している。本実施形態では、乱流要素１２は、主流通路２の一側端と他側端との間に架設された帯状の板として設けられている。この場合、乱流要素１２の幅方向端面１３（シャープエッジの場合はその前端）で流れが剥離し、その下流が乱流となる。この乱流によって、空気と水素の混合ガスが攪拌され、電気加熱触媒３の位置では、主流通路２の断面における混合比のばらつきの少ない均質化された混合ガスが得られる。

ここで、乱流要素１２は、図１に示すように、水素導入管５に配設される水素導入口１１の上流側に設け、乱流要素１２から電気加熱触媒３までに所要の距離を確保してある。こうすることで、混合ガスが電気加熱触媒３に到達するまでの間に十分な攪拌が行われるようになる。

さらに、本実施形態では、帯状の乱流要素１２を主流通路２の入口１５（管４の入口端部）に配しており、主流通路２の一側端と他側端との間に極めて容易に架設することができる。なお、本実施形態では、図１に示すように、主流通路２は入口１５から下流に向かうにつれて拡径しており、入口１５の主流通路２の断面はその下流側（例えば直管部分、電気加熱触媒３の位置）の断面より狭くなっているが、このような場合には、乱流要素１２を主流通路２の断面の狭い部分（本実施形態では入口１５）に配することで、乱流要素１２をより小さくすることができるという利点もある。

一方、水素導入管５には主流通路２内で上流側に延伸する遡行部１４を設け、水素導入口１１を遡行部１４の側面に形成してある。このような構成により、水素は水素導入口１１から流れに対して交叉する方向（望ましくは直交する方向）に噴出されるため、動圧による抵抗が少ない状態で効率よく水素を噴出することができるという利点がある。また、図１に示すように、水素導入口１１が主流通路２のほぼ中央に位置するよう、遡行部１４を主流通路２の中心軸に沿って配置し、さらに複数の水素導入口１１で噴出方向を異なるようにして、水素が主流通路２の断面で放射状に噴出されるようにしてある。こうすることで、更なる均質化を図ることができる。

さらに上記構成の水素燃焼器１について発明者らが研究を重ねたところ、主流通路２の断面積に対する乱流要素１２の断面積の比率（または乱流要素１２によって遮蔽されず開孔している部分の断面積の比率）等によって、混合ガスの均質化の程度が変化することが判明した。

図２は、実験結果の一例を示すグラフであり、その横軸を開孔率［％］、縦軸を温度の標準偏差℃としたものである。ここで開孔率とは、乱流要素１２が設置された位置における主流通路２の断面積に対して、乱流要素１２によって遮蔽されず開孔している部分の断面積であり、温度標準偏差は、図１のＡ〜Ｄの４点で計測した温度から算出したものである。なお、実験は、乱流要素１２と遡行部１４の先端との距離Ｌの異なる４仕様について行った。

このグラフの場合、温度標準偏差が低いほど、当該断面における燃焼温度のばらつきが少なく、混合ガスがより均質化されていることになる。すなわち、図２から、まず、開孔率が４０％〜８５％の範囲であれば温度標準偏差がほぼ４０℃以下となって良好に均質化され、さらに４０％〜６５％の範囲であれば温度標準偏差がほぼ２０℃以下となって極めて良好に均質化されていることがわかる。

さらに、乱流要素１２と水素導入管５の遡行部１４の先端との間の距離Ｌが近いほど、より均質化されていることがわかる。

以上のような構成により、本実施形態によれば、水素導入口１１の上流側に設置した乱流要素１２によって乱流を生じさせ、これにより空気と水素の混合ガスの攪拌を促進して混合比を均質化させて、電気加熱触媒３において安定的な燃焼状態を得ることができる。よって、従来のように水素導入口１１の下流側に大がかりな混合器を設ける必要がなくなり、水素燃焼器の小型軽量化に資する。

図３は、本発明の第２の実施形態にかかる水素燃焼器の要部構成を示す斜視図である。

本実施形態では、主流通路２ａ（管４ａ）は、断面積が拡張する部分がなく、ストレートに形成してある。また、乱流要素１２ａは、入口側の端部ではなく、入口１５ａから僅かに下流側の主流通路２ａの中途位置に配置してある。このような構成においても、水素導入口１１の上流側に設置した乱流要素１２ａによって空気と水素が良好に攪拌され、電気加熱触媒において安定的な燃焼状態を得ることができる。

図４は、本発明の第３の実施形態にかかる水素燃焼器の要部構成を示す斜視図である。

本実施形態では、主流通路２ｂ（管４ｂ）は、上流側では細い径の直管形状とし、テーパ状に拡径した部分を経て、下流側では太い径の直管形状としてある。また、乱流要素１２ｂは、入口１５ｂではなく、上流側のストレート形状の領域の中途位置に配置してある。このような構成においても、水素導入口１１の上流側に設置した乱流要素１２ａによって空気と水素が良好に攪拌され、電気加熱触媒３において安定的な燃焼状態を得ることができる。

図５は、本発明の第４の実施形態にかかる水素燃焼器の要部構成を示す斜視図である。

本実施形態では、上記第１の実施形態にかかる水素燃焼器１に、攪拌を補助するプレート１６を追加したものである。このプレート１６も乱流を生じさせる乱流要素として機能する。プレート１６はリング状に形成してあり、流路の急激な変化によって流れがさらに乱れ、攪拌が促進される。すなわち、このような構成においても、水素導入口１１の上流側に設置した乱流要素１２によって空気と水素が良好に攪拌され、電気加熱触媒３において安定的な燃焼状態を得ることができる。

図６は、本発明の第５の実施形態にかかる水素燃焼器の要部構成を示す斜視図である。

本実施形態では、乱流要素１２ｄは、水素導入管５の遡行部１４に取り付けてある。こうすれば乱流要素１２ｄを極めて容易に設けることができる。このとき、乱流要素１２ｄを遡行部１４の先端に配置するのが好適である。こうすれば、容易に取り付けることができる上、乱流要素１２ｄと水素導入管５の距離を最も近接させた状態であるので、遡行部１４を有する水素導入管５を用いる場合には、水素が放射状に噴出されるという効果も加わり、空気と水素の攪拌がより一層促進されるという利点がある。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲で上記実施形態に種々の改変を施すことができる。例えば、水素燃焼器のサイズや主流通路の形状等は適宜変更することができる。また、乱流要素は、流路の一部を遮蔽したり流路の断面形状を急変させたりすることによって流れの剥離を生じさせるものであればよく、種々の形状が考えられる。例えば、平板状ではなく立体的な形状としてもよいし、端部にフィン等を設けるなどしてもよい。また、乱流要素の数、配置、支持方法等も適宜変更することができる。さらに、上記実施形態の技術を適宜組み合わせて構成すれば、均質化ならびに小型・軽量化の効果はより一層高まる。

本発明の第１の実施形態にかかる水素燃焼器の要部構成を示す斜視図。 本発明の実施形態にかかる水素燃焼器において乱流要素を設置した部分の開孔率と電気加熱触媒における温度標準偏差の関係を示す図である。 本発明の第２の実施形態にかかる水素燃焼器の要部構成を示す斜視図。 本発明の第３の実施形態にかかる水素燃焼器の要部構成を示す斜視図。 本発明の第４の実施形態にかかる水素燃焼器の要部構成を示す斜視図。 本発明の第５の実施形態にかかる水素燃焼器の要部構成を示す斜視図。

符号の説明

１，１ａ〜１ｄ 水素燃焼器
２，２ａ，２ｂ 主流通路
３ 電気加熱触媒（触媒）
５ 水素導入管
１１ 水素導入口
１２，１２ａ，１２ｂ，１２ｄ 乱流要素
１４ 遡行部
１５ 入口

Claims (6)

1. 主流通路（２，２ａ，２ｂ）を流れる空気に水素導入口（１１）から導入された水素を混合した混合ガスを触媒（３）で燃焼させる水素燃焼器（１，１ａ〜１ｄ）において、
   水素導入口（１１）の上流側に主流通路（２，２ａ，２ｂ）内の流れを乱す乱流要素（１２，１２ａ，１２ｂ，１２ｄ）を配置したことを特徴とする水素燃焼器。
2. 前記乱流要素（１２，１２ａ，１２ｂ）は主流通路（２，２ａ，２ｂ）の一側端と他側端との間に帯状に架設されることを特徴とする請求項１に記載の水素燃焼器。
3. 前記乱流要素（１２，１２ｄ）は主流通路（２）の入口（１５）に設けられることを特徴とする請求項２に記載の水素燃焼器。
4. 水素導入口（１１）が形成され主流通路（２）の側端から内方に進出する水素導入管（５）を備え、
   前記乱流要素（１２ｄ）は前記水素導入管（５）に取り付けられることを特徴とする請求項１に記載の水素燃焼器。
5. 前記水素導入管（５）は主流通路（２）内で上流側に延伸する遡行部（１４）を有し、
   前記乱流要素（１２ｄ）は前記遡行部（１４）の先端に取り付けられ、
   前記水素導入口（１１）は前記遡行部（１４）の側面に形成されることを特徴とする請求項４に記載の水素燃焼器。
6. 前記乱流要素（１２）が配置された位置における主流通路（２）の断面積に対する開孔部分の断面積の比率が４０％以上８５％以下であることを特徴とする請求項１〜５のうちいずれか一つに記載の水素燃焼器。
   

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