JP2007155291A - 触媒燃焼器 - Google Patents

Abstract

【課題】表面温度が上昇しにくく、その周囲に熱害を与えない触媒燃焼器を提供する。
【解決手段】燃料と酸素との燃料混合ガスを燃焼反応させる触媒を有する筒状の触媒燃焼部本体１１と、燃焼反応で生成した排気ガスと熱交換流体との間で熱交換させ触媒燃焼部本体１１の下流側に隣接して配置された熱交換部３０と、を備える触媒燃焼器１であって、触媒燃焼部本体１１を囲む空気層２０からなる断熱部１２と、断熱部１２を囲み、熱交換部３０に送られる熱交換流体が流通する熱交換流体流通部１３と、を備えた。
【選択図】図４

Description

本発明は、触媒燃焼器に関する。

燃料と酸素との燃料混合ガスを触媒上で燃焼させて熱エネルギを得る触媒燃焼器として、種々のものが提案されている。このような触媒燃焼器は、その触媒部に内蔵される触媒下における触媒（燃焼）反応を良好に進行させるために、触媒を活性温度以上に保温する必要がある。そこで、例えば、特許文献１では、必要以上に触媒燃焼部から熱を奪わないと共に、触媒燃焼部とその周囲とを断熱するために、触媒燃焼部を断熱材で囲む技術が提案されている。
特開平１１−１４８６１７号公報（段落番号００１３〜００２５、図１、図４）

しかしながら、特許文献１に記載の触媒燃焼器を長時間使用すると、断熱材の表面温度が上昇し、さらに、触媒燃焼部からの放熱によって、周辺機器が熱害を受けてしまう場合があった。

そこで、本発明は、その表面温度が上昇しにくく、その周囲に熱害を与えない触媒燃焼器を提供することを課題とする。

前記課題を解決するための手段として、請求項１に係る発明は、燃料と酸素との燃料混合ガスを燃焼反応させる触媒を有する筒状の触媒燃焼部本体と、前記燃焼反応で生成した高温流体と熱交換流体との間で熱交換させる熱交換部と、を備える触媒燃焼器であって、前記触媒燃焼部本体を囲む断熱部と、前記断熱部を囲み、前記熱交換部に送られる前記熱交換流体が流通する熱交換流体流通部と、を備えたことを特徴とする触媒燃焼器である。

このような触媒燃焼器によれば、断熱部が触媒燃焼部本体を囲み、そして、熱交換流体流通部が断熱部を囲んでいる、言い換えると、断熱部が触媒燃焼部本体と熱交換流体流通部との間に介在していることにより、触媒燃焼部の熱が熱交換流体流通部の熱交換流体に移動しにくくなると共に、熱交換流体の熱が触媒燃焼部に移動しにくくなる。これにより、触媒燃焼部の内部温度（触媒の温度）を好適に保って触媒燃焼を効率的に行いつつ、触媒燃焼器の周辺への熱害を防止することができる。

また、熱交換流体流通部を熱交換流体が流通するため、触媒燃焼器を長時間使用しても、その表面温度は上昇しにくくなる。さらに、熱交換流体が熱交換流体流通部を流通することにより、熱交換部に送られる前の熱交換流体を、触媒燃焼部本体によって、若干暖めることもでき、これにより、熱交換部における熱交換率を高めることができる。
さらにまた、熱交換部に送られる熱交換流体が熱交換流体流通部を流通させるため、熱交換流体が流れる流路を複数備える必要がなく、触媒燃焼器の構成が簡易かつコンパクトになる。

請求項２に係る発明は、前記断熱部は空気層であることを特徴とする請求項１に記載の触媒燃焼器である。

このような触媒燃焼器によれば、その構造を簡略化しつつ、部品点数を少なくすることができる。

請求項３に係る発明は、前記熱交換部は前記触媒燃焼部本体の下流側に隣接して配置されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の触媒燃焼器である。

このような触媒燃焼器によれば、触媒燃焼部本体と熱交換部との間における高温流体の放熱を減少し、熱の利用効率を向上させることができる。

請求項４に係る発明は、前記熱交換流体流通部への熱交換流体の流入口は、燃料混合ガスの流通方向において、その上流側に、前記熱交換部からの熱交換後の熱交換流体の流出口は、前記流通方向において、その下流側に、それぞれ配置されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の触媒燃焼器である。

このような触媒燃焼器によれば、触媒燃焼器における熱交換流体の流路長を長くすることができ、触媒燃焼器の全体を経由するように熱交換流体が流通しやすくなる。これにより、触媒燃焼部本体から外部へ放熱をより防止することができる。また、触媒本体部の熱によって熱交換部に送られる熱交換流体を暖めることもできる。

請求項５に係る発明は、前記流入口と前記流出口とは、前記流通方向視において、略一致していることを特徴とする請求項４に記載の触媒燃焼器である。

このような触媒燃焼器によれば、流入口と流出口とが、燃料混合ガスの流通方向視において略一致していることにより、熱交換流体の流入口と流出口とに、同方向から配管を設けることができる。その結果として、配管の取り回しが容易となる。

請求項６に係る発明は、前記流入口と前記流出口とは、前記流通方向視において、対となっていることを特徴とする請求項４に記載の触媒燃焼器である。

このような触媒燃焼器によれば、流入口と流出口とが、燃料混合ガスの流通方向視において対となっていることにより、流入口と流出口との間における熱交換流体の流路をより長くすることができる。

請求項７に係る発明は、前記熱交換流体流通部は、流入した熱交換流体を前記熱交換流体流通部の外周に導くリング状のチャンバを備えることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の触媒燃焼器である。

このような触媒燃焼器によれば、リング状のチャンバによって、熱交換流体を熱交換流体流通部の外周全体に導くことができる。その結果として、熱交換流体が、熱交換流体流通部の全体を流通しやすくなる。

請求項８に係る発明は、その上流側と下流側とを連通させる連通部を有する仕切板を複数備え、当該複数の仕切板は、前記触媒燃焼部本体の軸方向において複数段で配置されていると共に、当該軸方向視において隣り合う仕切板の前記連通部はずれており、前記熱交換流体流通部における熱交換流体の流路は延長されていることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の触媒燃焼器である。

このような触媒燃焼器によれば、複数の仕切板を複数段で配置するという容易な構成によって、熱交換流体の流路が長くすることができる。これにより、熱交換流体が熱交換流体流通部の全体を流通しやすくなる。すなわち、熱交換流体流通部において、熱交換流体の流配（流量配分）分布に偏りが発生しにくくなる。したがって、熱交換流体が断熱部の外周面の外側を、均一に流通しやすくなり、その結果として、触媒燃焼部本体の熱が外部に伝達しにくくなり、熱害を確実に防止することができる。

請求項９に係る発明は、前記熱交換流体流通部における熱交換流体の流路を螺旋状に延長させる螺旋状手段を備えたことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の触媒燃焼器である。

このような触媒燃焼器によれば、螺旋状手段によって熱交換流体の流路が長くすることができ、熱交換流体を断熱部の外側全体を効率的に流通させることができる。

本発明によれば、その表面温度が上昇しにくく、その周囲に熱害を与えない触媒燃焼器を提供することができる。また、その内部を一定温度以上に保温しつつ、触媒反応を安定して進行させることができる。

以下、本発明の各実施形態について、図面を適宜参照して説明する。

≪第１実施形態≫
まず、第１実施形態に係る燃料電池システム及びこれに組み込まれた触媒燃焼器について、図１から図８を参照して説明する。
図１に示す第１実施形態に係る燃料電池システム５０は、燃料電池自動車に搭載されている。燃料電池システム５０は、燃料電池６０の出力端子（図示しない）に接続された走行モータ（図示しない）を備えている。この走行モータは燃料電池６０の発電電力によって駆動し、これにより、燃料電池自動車が走行するようになっている。

燃料電池システム５０は、燃料電池６０と、燃料電池６０に対して水素（燃料ガス、反応ガス）を供給及び排出するアノード系７０と、燃料電池６０に対して酸素を含む空気（酸化剤ガス、反応ガス）を供給及び排出するカソード系８０と、燃料電池６０を加熱又は冷却する加熱冷却系９０と、を主に備えている。

燃料電池６０（燃料電池スタック）は、単セルが複数積層されることによって構成された固体高分子型燃料電池である。単セルは、電解質膜６１（固体高分子膜）の両面をアノード６２（燃料極）及びカソード６３（空気極）で挟んでなるＭＥＡと、ＭＥＡを挟む一対のセパレータと、を備えて構成されている。各セパレータには、各単セルを構成するＭＥＡの全面に水素又は酸素を供給するための溝や、全単セルに水素、酸素を導くための貫通孔等が形成されており、これら溝等がアノード流路６４、カソード流路６５として機能している。すなわち、アノード流路６４には水素が流通し、各アノード６２に水素が供給されるようになっている。一方、カソード流路６５には酸素を含む空気が流通し、各カソード６３に空気が供給されるようになっている。

そして、アノード６２に水素が、カソード６３に酸素を含む空気が、それぞれ供給されると、アノード６２、カソード６３に含まれる触媒（Ｐｔ等）上で電気化学反応が起こり、その結果、各単セルで電位差（いわゆるＯＣＶ（Open Circuit Voltage：開回路電圧））が発生するようになっている。そして、このように各単セルで電位差が発生した燃料電池６０に対して、走行モータ等の外部負荷から発電要求があると、燃料電池６０が発電するようになっている。

また、前記セパレータには、加熱冷却系９０から送られ、燃料電池６０と熱交換する熱交換流体が流通する熱交換流体路６６が形成されている。熱交換流体は、いわゆるラジエータ液であり、例えば、エチレングリコール等の不凍液から構成される。

アノード系７０は、水素が貯蔵された水素タンク７１と、減圧弁７２と、エゼクタ７３と、パージ弁７４（排出手段）と、を主に備えている。
水素タンク７１は配管７１ａを介して減圧弁７２に接続されており、減圧弁７２は配管７２ａを介してエゼクタ７３に接続されている。エゼクタ７３は配管７３ａを介してアノード流路６４に接続されている。配管７１ａには、遮断弁（図示しない）が設けられており、図示しないＥＣＵ（Electronic Control Unit、電子制御装置）によって、前記遮断弁が開かれると、水素が減圧弁７２で減圧された後、アノード流路６４に供給されるようになっている。

次に、アノード流路６４の下流側は、配管７４ａと、パージ弁７４と、希釈器８２とが順に接続されている。また、配管７４ａは、その途中で二股に分岐しており、分岐した部分（循環手段）はエゼクタ７３と接続されている。これにより、パージ弁７４が閉じられると、アノード流路６４から排出された未反応の水素を含むアノードオフガスが、エゼクタ７３に戻され、その結果として、水素が循環するようになっている。一方、パージ弁７４が開かれると、アノードオフガスが希釈器８２に送られるようになっている。
なお、パージ弁７４は、循環する水素に同伴する水等の不純物を排出するために開かれ、例えば、定期的に、または、燃料電池６０（スタック）を構成する単セルの出力電圧（セル電圧）が低下したときに行われる。

カソード系８０は、コンプレッサ８１（スーパーチャージャ、酸化剤ガス供給手段）と、希釈器８２と、を主に備えている。コンプレッサ８１は、外気を取り込んで圧縮し、酸化剤ガスとして燃料電池６０のカソード６３に向けて送る機器であり、配管８１ａを介して、カソード流路６５に接続されている。また、配管８１ａには、加湿器（図示しない）が設けられており、カソード６３に送られる空気が適宜に加湿されるようになっている。

カソード流路６５の下流側は、配管８２ａと、希釈器８２とが順に接続されており、カソード６３から排出された未反応の酸素及び生成水を含むカソードオフガスが、希釈器８２に送られるようになっている。そして、この希釈器８２では、カソードオフガスによって、アノード系７０から送られたアノードオフガス中の水素が所定濃度以下に希釈された後、配管８２ｂを介して外部に排気されるように構成されている。

加熱冷却系９０は、循環する熱交換流体を介して、燃料電池６０を加熱又は冷却する系であり、ラジエータ９１（放熱器）と、サーモスタット弁９２と、ポンプ９３と、三方弁９４と、触媒燃焼器１と、混合器９５と、を主に備えている。

具体的には、燃料電池システム５０の起動時において、外気温が低い等によって熱交換流体の温度が低い場合、サーモスタット弁９２は配管９２ａからの熱交換流体の流れを許容すると共に、配管９１ｂからの熱交換流体の流れを遮断するように構成されており、このような状態でポンプ９３が作動すると、熱交換流体が、燃料電池６０、配管９２ａ、サーモスタット弁９２、配管９２ｂ、ポンプ９３、配管９３ａ、三方弁９４、配管９４ａ、触媒燃焼器１、配管９４ｂ、燃料電池６０の順に循環する。そして、後記するように、熱交換流体は触媒燃焼器１で加熱されるため、この加熱された熱交換流体によって、燃料電池６０が加熱され、その結果として、燃料電池６０の暖機が促進されるように構成されている。

一方、燃料電池６０の暖機が進む等によって、熱交換流体の温度が高くなった場合、サーモスタット弁９２は配管９２ａからの熱交換流体の流れを遮断すると共に、配管９１ｂからの流れを許容するように構成されている。そして、このような状態では、熱交換流体が、燃料電池６０、配管９２ａの一部、配管９１ａ、ラジエータ９１、配管９１ｂ、サーモスタット弁９２、配管９２ｂ、ポンプ９３、配管９３ａ、三方弁９４、配管９４ｃ、配管９４ｂの一部、燃料電池６０の順に循環し、燃料電池６０の熱が熱交換流体に移動し、燃料電池６０の熱が熱交換流体を介してラジエータ９１で外部に放熱され、燃料電池６０が過昇温しないように構成されている。

混合器９５は、燃料電池システム５０の起動時において、触媒燃焼器１で燃焼させる燃料混合ガスを生成する機器である。なお、この触媒燃焼器１により発生した熱は、熱交換流体を加熱するために利用される。

混合器９５は、配管９５ａを介してアノード系７０の配管７２ａと、配管９５ｂを介してカソード系８０の配管８１ａとに接続されており、アノード系７０から水素が、カソード系８０から酸素を含む空気がその内部に送り込まれ、そして、これらを混合し、燃料混合ガスを生成するようになっている。そして、この燃料混合ガスが混合器９５から触媒燃焼器１に送られるように、配管９５ｃが適所に設けられている。なお、配管９５ａ及び配管９５ｂには開閉弁（図示しない）がそれぞれ設けられており、この開閉弁は燃料電池６０を暖機する際に開かれる設定となっている。

＜触媒燃焼器＞
触媒燃焼器１は、混合器９５から送られる燃料混合ガスを燃焼して、高温の排気ガス（高温流体）を生成すると共に、排気ガスと熱交換流体との間で熱交換し、排気ガスの熱を熱交換流体に移動させ、熱交換流体を加熱する機器である。また、触媒燃焼器１における燃焼により生成した排気ガスは、配管９５ｄ及び配管８２ｂの一部を介して、外部に排気されるようになっている。

このような触媒燃焼器１について、図２から図８を参照して具体的に説明する。
図２及び図３に示すように、触媒燃焼器１は、横向きの略円柱体であって、図４に示すように、その上流側の触媒燃焼部１０と、触媒燃焼部１０の下流側に隣接して配置された熱交換部３０と、を主に備えている。
ここで、「上流側」と、「下流側」とは、燃料混合ガス（燃焼後は排気ガス）の流通方向において、「上流側」と、「下流側」とをそれぞれ意味する。また、第１実施形態では、燃料混合ガスの流通方向と、円柱状の触媒燃焼器１の軸方向とが一致する場合を例示する。

［触媒燃焼部］
触媒燃焼部１０は、略円柱体の外形を有しており、図３及び図４に示すように、その内側から外側に向かって、筒（管）状の第１ケーシング１４と、筒状の第２ケーシング１７の上流側部分（以下、上流部１８）と、筒状の第３ケーシング２１とが、同じ中心軸線で配置された３重構造となっている。そして、このような３重構造の触媒燃焼部１０は、混合器９５から送られる燃料混合ガスを燃焼して熱エネルギを発生させる筒状の触媒燃焼部本体１１と、触媒燃焼部本体１１の後記する触媒部１６に相当する部分の外周面を囲んで覆っている断熱部１２と、主に断熱部１２の周面を囲んで覆うと共に熱交換部３０に送られる熱交換流体が流通する熱交換流体流通部１３と、を主に備えている。

（触媒燃焼部本体）
触媒燃焼部本体１１は、第１ケーシング１４と、多孔質体１５と、触媒部１６と、を主に備えている。第１ケーシング１４は、筒（管）状であり、その上流側（図４左側）開口からその内部に燃料混合ガスが導入されるようになっている。そして、多孔質体１５及び触媒部１６は第１ケーシング１４内に配置されている。なお、第１ケーシング１４内において、多孔質体１５は上流側に、触媒部１６は下流側に配置されており、燃料混合ガスが多孔質体１５、触媒部１６の順で流れるようになっている。

多孔質体１５は、複数の孔を有する３次元網目構造であり、燃料混合ガスの整流機能を備えている。このような多孔質体１５は、例えば、金属（ステンレス、アルミニウム、銅、ニッケル等）や、セラミックス等の非金属から形成される。

触媒部１６は、燃料混合ガスを燃焼反応させる触媒（Ｐｔ等）を備えており、この触媒上で燃料混合ガスを燃焼して、熱エネルギを有する高温の排気ガス（高温流体）を生成するものである。このような触媒部１６は、例えば、所定量の触媒が担持された断面波状の波板を巻回しスパイラル状にしたものを、第１ケーシング１４内に内装することで構成される。ただし、その他に例えば、触媒を担持したコージエライト製のハニカム体を内装してもよい。
また、外気温が低い場合でも、触媒部１６の触媒の活性を高めるため、例えば、外気温が低い場合に作動する電熱ヒータ（加熱手段）を第１ケーシング１４内に備えてもよい。

（断熱部）
断熱部１２は、触媒燃焼部本体１１の外周面のうち、少なくも触媒部１６を内蔵する部分の外周面を覆っており、触媒部１６とその外側に配置された熱交換流体流通部１３との間において、熱を伝達しにくくさせる部分である。ここで、第１実施形態に係る断熱部１２は、第１ケーシング１４の外側に所定間隔を隔てて配置された円筒状の第２ケーシング１７の上流部１８によって、第１ケーシング１４と上流部１８との間に形成された円筒状の空気層２０から構成されている。そして、この空気層２０からなる断熱部１２は、触媒部１６の外側を囲んでいる。また、この断熱部１２の外側を、熱交換流体流通部１３が囲んでおり、言い換えると、断熱部１２は触媒部１６と熱交換流体流通部１３との間に介在されている。

これにより、触媒部１６において燃料混合ガスの燃焼により発生した熱が、触媒燃焼部１０の外部に伝達しにくくなっており、触媒燃焼器１の周辺機器への熱害が防止されている。また、燃料電池システム５０の起動直後であって外気温が低い場合、熱交換流体流通部１３を低温の熱交換流体が流通することになるが、断熱部１２によって断熱されるため、触媒部１６が冷却されにくくなると共に、また、触媒部１６で発生した熱エネルギが損失されにくくなっている。

（熱交換流体流通部）
熱交換流体流通部１３は、熱交換部３０に送られる熱交換流体が流通する部分（空間、流路）である。具体的には、熱交換流体流通部１３は、第１ケーシング１４及び第２ケーシング１７の上流部１８の外側に所定間隔を隔てて配置された筒状の第３ケーシング２１によって、第１ケーシング１４及び上流部１８と第３ケーシング２１との間に形成された略円筒状の空間である（図４参照）。これにより、触媒部１６において燃料混合ガスの燃焼により発生した熱が、触媒燃焼器１の外部に伝達しにくくなっており、触媒燃焼器１の周辺機器への熱害が防止されている。

また、熱交換流体流通部１３は、熱交換流体の流路断面積の大きく後記する流入パイプ２２から熱交換流体が導入される上流部１３Ａと、上流部１３Ａよりも流路断面積の小さい下流部１３Ｂとを備えている。さらに説明すると、上流部１３Ａ及び下流部１３Ｂは、軸方向視（燃料混合ガスの流通方向視）において、いずれもリング状であるが、上流部１３Ａの径方向の長さは、下流部１３Ｂの径方向の長さよりも大きくなっている。

これにより、流入パイプ２２から流入した熱交換流体は、下流部１３Ｂよりも圧力損失を受けずに上流部１３Ａを流通することができ、その結果として、熱交換流体が熱交換流体流通部１３の外周に導かれるようになっている。すなわち、上流部１３Ａは、特許請求の範囲における「リング状のチャンバ」として機能している。

第３ケーシング２１の上流側（図４左側、熱交換部３０の反対側）かつ鉛直下方には、外部（図１参照）から送られる熱交換流体の熱交換流体流通部１３への流入口となる流入パイプ２２が固定されている。

一方、第２ケーシング１７の上流部１８には、その外部と内部を連通させる４つの連通孔１８ａが形成されている。この４つの連通孔１８ａは、熱交換流体流通部１３からの熱交換流体の排出孔であると共に、熱交換部３０に係る第２ケーシング１７の下流側部分（以下、下流部１９）内への熱交換流体の流入孔として機能している。そして、４つの連通孔１８ａは、周方向において等間隔（９０°間隔）で配置されており、軸方向において、熱交換流体流通部１３の熱交換部側に配置されている。

［熱交換部］
熱交換部３０は、触媒燃焼部１０で生成された高温の排気ガスと熱交換流体との間で熱交換し、排気ガスの熱を熱交換流体に移動させる部分である。このような熱交換部３０は、第２ケーシング１７の下流部１９と、プレート３１及びプレート３２と、排気ガスがその内部を流通する複数本（第１実施形態では７本）の排気ガス管３３…と、フィン３４と、を主に備えている。

プレート３１及びプレート３２には、複数（第１実施形態では７つ）の貫通孔が形成されており、この複数の貫通孔に、複数の排気ガス管３３の上流端と下流端とがそれぞれ差し込まれ、そして、複数の排気ガス管３３がプレート３１及びプレート３２に固定されている。また、プレート３１及びプレート３２は、第２ケーシング１７の下流部１９の内周面に固定されている。すなわち、複数の排気ガス管３３は、プレート３１及びプレート３２を介して、第２ケーシング１７の下流部１９に固定されている。

また、隣り合う排気ガス管３３，３３同士間と、排気ガス管３３と第２ケーシング１７の下流部１９との間には、それぞれ所定間隔が設けられており、排気ガス管３３，３３間及び排気ガス管３３と下流部１９との間を、熱交換流体が流通するようになっている。さらに、このように流通する熱交換流体と、排気ガス管３３内を流通する排気ガスとの間における熱交換率を高めるために、フィン３４が適所に設けられている（図４、図７参照）。なお、図４では、軸方向におけるフィン３４の配置領域を模式的に示している。

そして、このように熱交換し、加熱され温度が上昇した熱交換流体は、第２ケーシング１７の下流部１９の下流側の鉛直上方に固定された流出パイプ３５（流出口）から外部に排出されるようになっている（図１参照）。
したがって、軸方向（燃料混合ガスの流通方向）において、流出パイプ３５は触媒燃焼器１の下流側に配置されており、触媒燃焼部１０の流入パイプ２２（流入口）は触媒燃焼器１の上流側に配置されている。また、軸方向視において、流出パイプ３５と流入パイプ２２とは、触媒燃焼器１の中心軸線を中心として、対に配置されている。これにより、触媒燃焼器１内における熱交換流体の流路長が長くなり、その結果として、熱交換率が高くなっている。

一方、熱交換後の排気ガスは、第２ケーシング１７の下流部１９の下流側開口から排出され、配管９５ｄ及び配管８２ｂを介して、外部に排出されるようになっている（図１参照）。

このような第１実施形態に係る触媒燃焼器１によれば、主に以下の効果を得ることができる。
（１）触媒部１６の径方向外側を囲むように、空気層２０からなる円筒状の断熱部１２を備えているため、触媒部１６の熱が外部に伝達しにくく、触媒燃焼器１の表面温度が上昇しにくくなり、その周辺機器に熱害を与えることもない。また、低い外気温下での燃料電池システム５０の起動時において、熱交換流体によって触媒部１６が冷却されにくくなり、安定した触媒活性の下で、燃焼反応を進行させることができる。
（２）断熱部１２の径方向外側を囲むように、熱交換流体流通部１３を備えているため、触媒部１６の熱がさらに外部に伝達しにくくなり、触媒燃焼器１の周辺機器が熱害に曝されることもない。

≪第２実施形態≫
次に、第２実施形態に係る触媒燃焼器について、図９及び図１０を参照して説明する。なお、以下の実施形態に係る触媒燃焼器の説明については、第１実施形態と異なる部分のみを説明する。

図９及び図１０に示すように、第２実施形態に係る触媒燃焼器２の触媒燃焼部１０Ａは、第１実施形態に係る触媒燃焼部１０の構成に加えて、４枚のＣ字形の仕切板２３（流路延長手段）を備えている。４枚の仕切板２３は、第１ケーシング１４又は第２ケーシング１７の上流部１８と、第３ケーシング２１との間において、熱交換流体流通部１３を、軸方向において４段で仕切るように配置されている。各仕切板２３は、その上流側と下流側とを連通させる切欠２３ａ（連通部）を有している。そして、軸方向において隣り合う仕切板２３，２３の切欠２３ａ，２３ａは、軸方向視において逆向き、つまり、ずれている。これにより、流入パイプ２２から連通孔１８ａまでの熱交換流体の流路長は、第１実施形態に係る流路長よりも長くなっている。ただし、仕切板２３の数、つまり、段数は４段に限定されず、適宜変更してよい。

これにより、熱交換流体が、熱交換流体流通部１３の全体を流通しやすくなる。すなわち、熱交換流体流通部１３における熱交換流体の流量がばらつきにくくなり、その結果として、触媒部１６の熱が外部に伝達しにくくなる。

≪第３実施形態≫
次に、第３実施形態に係る触媒燃焼器について、図１１及び図１２を参照して説明する。
図１１及び図１２に示すように、第３実施形態に係る触媒燃焼器３の触媒燃焼部１０Ｂは、第１実施形態に係る触媒燃焼部１０の構成に加えて、螺旋状のリブ２４（螺旋手段、流路延長手段）を備えている。リブ２４は、第１ケーシング１４又は第２ケーシング１７の上流部１８と、第３ケーシング２１との間において、熱交換流体流通部１３を螺旋状に、つまり、流入パイプ２２と連通孔１８ａとの間における熱交換流体の流路を螺旋状とするものである。これにより、熱交換流体の流路長は、第１実施形態に係る流路長に対して、飛躍的に長くなる。その結果として、熱交換流体が熱交換流体流通部１３の全体を流通しやすくなる。
なお、このようなリブ２４は、第１ケーシング１４又は第２ケーシング１７の上流部１８の外周面に溶接等されることで固定されている。

≪第４実施形態≫
次に、第４実施形態に係る触媒燃焼器について、図１３から図１６を参照して説明する。
図１３から図１６に示すように、第４実施形態に係る触媒燃焼器４の触媒燃焼部１０Ｃは、第１実施形態に係る触媒燃焼部１０の構成に加えて、仕切板２５と、４枚の細長板状の仕切板２６と、を備えている。

仕切板２５は、リング板状を呈しており（図１３、図１５参照）、そして、熱交換流体流通部１３の上流部１３Ａと下流部１３Ｂとを仕切るように配置されている（図１４参照）。そして、仕切板２５には、４つの連通孔２５ａ，２５ｂ，２５ｂ，２５ｃが形成されており、さらに、これらの大きさは、流入パイプ２２から遠ざかるにつれて、大きくなっており（図１５参照）、これら連通孔２５ａ，２５ｂ，２５ｃから受ける圧力損失が、流入パイプ２２から遠ざかるにつれて小さくなるように設定されている。そして、仕切板２５の下流側への熱交換流体の流量が同一となるように設計されている。また、軸方向視において、４つの連通孔２５ａ，２５ｂ，２５ｂ，２５ｃと、４つの連通孔１８ａとの位置は一致している。

４枚の仕切板２５は、熱交換流体流通部１３の下流部１３Ｂを、周方向において４つの下流部１３Ｃに仕切るように配置されている（図１６参照）。そして、各連通孔２５ａ，２５ｂ，２５ｃから導入された熱交換流体が、下流部１３Ｃを対応する連通孔１８ａに向かって軸方向に流れるようになっている。

したがって、このような第４実施形態に係る触媒燃焼器４によれば、仕切板２５の下流側の各下流部１３Ｃに、熱交換流体が同流量で流れ込み、そして、触媒部１６の外側を均等に熱交換流体が流通するため、触媒部１６の熱が外部に伝達しにくくなり、さらに熱害を好適に防止することができる。

以上、本発明の好適な各実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、例えば以下のような変更をすることができる。

前記した第１実施形態では、断熱部１２は空気層２０から構成されたとしたが、この他に例えば、この空気層２０に適宜な断熱材を装填して断熱部としてもよいし、また、空気層２０を設けず、第１ケーシング１４と第２ケーシング１７の上流部１８との間に熱伝導率の低い金属からなる筒状の断熱筒を介在させて、これを断熱部としてもよい。

前記した第１実施形態では、熱交換部３０が触媒燃焼部１０の下流側に隣接されている場合について説明したが、隣接しておらず、熱交換部３０が配管を介して触媒燃焼部１０の下流側に接続されている構成であってもよい。また、このような構成の場合、触媒燃焼部１０の熱交換流体流通部１３からの熱交換流体が、熱交換部３０の第２ケーシング１７に係る下流部１９内に導入されるように、適宜に配管を設ける。

前記した第１実施形態では、流入パイプ２２（流入口）と流出パイプ３５（流出口）とが軸方向視において対となって配置された場合、つまり、相互に逆向きである場合について説明したが、その他に例えば、流入パイプと流出パイプとは、軸方向視（燃料混合ガスの流通方向視）において一致している場合、つまり、同一の径方向側に配置されてもよい。このように配置すれば、流入口と流出口とに同方向から配管を設けることができ、その結果として、配管の取り回しが容易となる。

前記した第２実施形態では、熱交換流体流通部１３における熱交換体の流路を延長させる仕切板２３は、切欠２３ａ（連通部）を有するとしたが、仕切板の形状はこれに限定されず、例えば、連通孔（連通部）を有するリング状の仕切板であってもよい。

第３実施形態では、螺旋手段が螺旋状のリブである場合について説明したが、これに限定されず、例えば、１本のパイプを螺旋状に巻回し、これを螺旋手段としてもよい。

前記した第１実施形態では、触媒燃焼器１が燃料電池自動車に搭載された燃料電池システム５０に組み込まれた場合について説明したが、その他のシステムに組み込まれた場合であってもよい。また、燃料電池システム５０は燃料電池自動車や船舶に搭載されたものに限らず、例えば、家庭用の据え置き型の燃料電池システムなどであってもよい。

第１実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。 第１実施形態に係る触媒燃焼器の斜視図である。 第１実施形態に係る触媒燃焼器の一部を切り欠いた斜視図である。 図２に示す触媒燃焼器のＸ１−Ｘ１線断面図（縦断面図）である。 図４に示す触媒燃焼器のＸ２−Ｘ２線断面図（横断面図）である。 図４に示す触媒燃焼器のＸ３−Ｘ３線断面図（横断面図）である。 図４に示す触媒燃焼器のＸ４−Ｘ４線断面図（横断面図）である。 図４に示す触媒燃焼器のＸ５−Ｘ５線断面図（横断面図）である。 第２実施形態に係る触媒燃焼器の斜視図である。 図９に示す触媒燃焼器のＸ６−Ｘ６線断面図（縦断面図）である。 第３実施形態に係る触媒燃焼器の斜視図である。 図１１に示す触媒燃焼器のＸ７−Ｘ７線断面図（縦断面図）である。 第４実施形態に係る触媒燃焼器の斜視図である。 図１３に示す触媒燃焼器のＸ８−Ｘ８線断面図（縦断面図）である。 図１４に示す触媒燃焼器のＸ９−Ｘ９線断面図（横断面図）である。 図１４に示す触媒燃焼器のＸ１０−Ｘ１０線断面図（横断面図）である。

符号の説明

１，２，３，４ 触媒燃焼器
１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ 触媒燃焼部
１１ 触媒燃焼部本体
１２ 断熱部
１３ 熱交換流体流通部
１３Ａ 上流部
１３Ｂ 下流部
１４ 第１ケーシング
１５ 多孔質体
１６ 触媒部
１７ 第２ケーシング
１８ 上流部
１８ａ 連通孔
１９ 下流部
２０ 空気層
２１ 第３ケーシング
２２ 流入パイプ（流入口）
２３，２５ 仕切板
２３ａ 切欠（連通部）
２４ リブ（螺旋手段）
２５ａ，２５ｂ，２５ｃ 連通孔
２６ 仕切板
３０ 熱交換部
３３ 排気ガス管
３４ フィン
３５ 流出パイプ（流出口）
５０ 燃料電池システム
６０ 燃料電池
６６ 熱交換流体路
７１ 水素タンク
８１ コンプレッサ
９０ 加熱冷却系
９１ ラジエータ（放熱器）
９２ サーモスタット弁
９３ ポンプ
９４ 三方弁
９５ 混合器

Claims (9)

1. 燃料と酸素との燃料混合ガスを燃焼反応させる触媒を有する筒状の触媒燃焼部本体と、
   前記燃焼反応で生成した高温流体と熱交換流体との間で熱交換させる熱交換部と、を備える触媒燃焼器であって、
   前記触媒燃焼部本体を囲む断熱部と、
   前記断熱部を囲み、前記熱交換部に送られる前記熱交換流体が流通する熱交換流体流通部と、
   を備えたことを特徴とする触媒燃焼器。
2. 前記断熱部は空気層であることを特徴とする請求項１に記載の触媒燃焼器。
3. 前記熱交換部は前記触媒燃焼部本体の下流側に隣接して配置されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の触媒燃焼器。
4. 前記熱交換流体流通部への熱交換流体の流入口は、燃料混合ガスの流通方向において、その上流側に、
   前記熱交換部からの熱交換後の熱交換流体の流出口は、前記流通方向において、その下流側に、それぞれ配置されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の触媒燃焼器。
5. 前記流入口と前記流出口とは、前記流通方向視において、略一致していることを特徴とする請求項４に記載の触媒燃焼器。
6. 前記流入口と前記流出口とは、前記流通方向視において、対となっていることを特徴とする請求項４に記載の触媒燃焼器。
7. 前記熱交換流体流通部は、流入した熱交換流体を前記熱交換流体流通部の外周に導くリング状のチャンバを備えることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の触媒燃焼器。
8. その上流側と下流側とを連通させる連通部を有する仕切板を複数備え、
   当該複数の仕切板は、前記触媒燃焼部本体の軸方向において複数段で配置されていると共に、当該軸方向視において隣り合う仕切板の前記連通部はずれており、
   前記熱交換流体流通部における熱交換流体の流路は延長されていることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の触媒燃焼器。
9. 前記熱交換流体流通部における熱交換流体の流路を螺旋状に延長させる螺旋状手段を備えたことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の触媒燃焼器。

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