JP2010276331A - 触媒燃焼器及び燃料改質器 - Google Patents

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Abstract

【課題】二重酸化構造を用いて燃料の完全酸化を誘導し、反応器の熱効率を向上させることのできる触媒燃焼器を提供する。
【解決手段】本発明の触媒燃焼器１００はハウジング３０を備え、ハウジング３０内には、シリンダ型の第１反応部１０と、第１反応部を二重管状に取り囲む第２反応部２０とが形成され、第１反応部内の流体の流れと第２反応部内の流体の流れが対向流を形成するように配置されている。第１反応部１０に燃料及び酸化剤を供給する第１開口部３１と第２反応部２０内の排ガスを排出する第２開口部３３はハウジング３０の一側にそれぞれ設けられ、第１反応部１０と第２反応部２０はハウジング３０の他側で互いに流体の流通が可能となるように通路３５で連結されている。さらに、第１反応部内に配置された触媒５０と、第２反応部に挿入されたメッシュ層６０とを含んでいる。
【選択図】図２

Description

本発明は燃料の完全酸化を誘導し、反応器の熱効率を向上させることのできる触媒燃焼器及びこれを備えた燃料改質器に関する。
燃焼器は、燃料を酸化させて熱と高温のガスを発生させる装置である。燃焼器から生成された熱と高温のガスは改質装置の改質反応や、燃料又は水の余熱などのための熱源として利用される。燃焼器は、燃焼室内に噴射される燃料を火花点火して直接燃焼させる方式や酸化触媒を介して燃料を触媒燃焼させる方式などで製造される。酸化触媒を介して燃料を酸化させる装置は、いわゆる触媒燃焼器と呼ばれる。
触媒燃焼器は、バーナーのような直接燃焼方式の燃焼器（以下、直接燃焼器という）の作動温度（例えば、６５０〜８００℃）より低い作動温度（例えば、１５０〜４００℃）で触媒接触を介して燃料を燃焼させる。従って、通常、触媒燃焼器は、効率を高めるために直接燃焼器内の空間速度（例えば、７、５００〜１２、０００／ｈｒ）に比べて速い空間速度（例えば、１５、０００〜２６、０００／ｈｒ）を有するように製作される。このような触媒燃焼器は直接燃焼器に比べて運営コストが安価であり、窒素酸化物の発生量が少ないという長所がある。
可燃性炭化水素を燃料として用いる場合、触媒燃焼器内における燃料の燃焼反応式は以下の通りである。
［反応式１］
ＣｍＨ２ｎ＋（ｍ＋２ｎ）Ｏ２→ｍＣＯ２＋ｎＨ２Ｏ＋熱量
一方、触媒燃焼器は相対的に低い温度で燃料を燃焼させるので、直接燃焼器に比べて燃料の完全燃焼が難しい。触媒燃焼器の燃料酸化率が低ければ、触媒燃焼器の排ガスには未燃燃料（ｕｎｂｕｒｎｅｄ ｆｕｅｌ）と未燃燃料の部分酸化による一酸化炭素、そして水蒸気が多量に含まれている。
従って、触媒燃焼器の熱効率を高めるために、触媒燃焼器の燃料酸化率を高める必要がある。即ち、触媒燃焼器の完全燃焼のための最適化された燃焼制御技術やこれに替わる方案が要求されている。
日本特許公開第１９９５−１２６００２号 日本特許公開第２００２−２２６２０２号
したがって、本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、二重酸化構造を用いて燃料の完全酸化を誘導し、反応器の熱効率を向上させることができる触媒燃焼器を提供することにある。
また、本発明の他の目的は、二重酸化構造及び二重燃料構造を用いて燃料の完全酸化を誘導し、反応器の熱効率を向上させることができる触媒燃焼器を提供することにある。
更に、本発明の別の目的は、前述した触媒燃焼器を備えた燃料改質器を提供することにある。
上記課題を解決するために、本発明の触媒燃焼器は、シリンダ型の第１反応部と、前記第１反応部を二重管状に取り囲む第２反応部とを備え、前記第１反応部内の流体の流れと前記第２反応部内の流体の流れが対向流を形成するように、前記第１反応部に燃料及び酸化剤を供給する第１開口部と、前記第２反応部内の排ガスを排出する第２開口部とを、前記第１反応部と前記第２反応部の一側にそれぞれ設け、前記第１反応部と前記第２反応部がその他側で互いに流体の流通が可能となるように連結されたハウジングと、前記第１反応部内に配置された触媒と、前記第２反応部に挿入されたメッシュ層とを含むことを特徴とする。
本発明の他の側面の触媒燃焼器は、シリンダ型の第１反応部と、前記第１反応部を二重管状に取り囲む第２反応部とを備え、前記第１反応部内の流体の流れと前記第２反応部内の流体の流れが対向流を形成するように、前記第１反応部に燃料及び酸化剤を供給する第１開口部と、前記第２反応部内の排ガスを排出する第２開口部とを、前記第１反応部と前記第２反応部の一側にそれぞれ備え、前記第１反応部と前記第２反応部がその他側で互いに流体の流通が可能となるように連結されたハウジングと、前記第１反応部内に配置された第１触媒と、前記第２反応部内に配置された第２触媒とを含むことを特徴とする。
好ましくは、第２触媒はメッシュ層と、前記メッシュ層にコーティングされた活性物質とを含んでいる。第２触媒の活性物質はメッシュ層１ｃｃ当たり約０.０１ｇ〜約０.４ｇの割合でコーティングされている。活性物質は白金を含んでいる。活性物質を前記範囲未満でコーティングした場合には、活性物質による燃料燃焼の効果が低くなり、前記範囲を超えてコーティングした場合には、貴金属の使用量が増加してコスト増を招いてしまう。
また、本発明の他の側面の触媒燃焼器は、シリンダ型の第１反応部と、前記第１反応部を二重管状に取り囲む第２反応部とを備え、前記第１反応部内の流体の流れと前記第２反応部内の流体の流れが対向流を形成するように、前記第１反応部に燃料及び酸化剤を供給する第１開口部と、前記第２反応部内の排ガスを排出する第２開口部とを、前記第１反応部と前記第２反応部の一側にそれぞれ備え、前記第１反応部と前記第２反応部がその他側で互いに流体の流通が可能となるように連結されたハウジングと、前記第１反応部内に配置された触媒と、前記第２反応部に挿入されたメッシュ層とを含み、前記ハウジングは前記第１反応部と前記第２反応部との間に第２燃料を流入させるための燃料供給路を更に含むことを特徴とする。
好ましくは、第２燃料の供給量は第１燃料の供給量の１％〜１５％である。第２燃料は、燃料電池のアノードから放出される水素含有排ガスを含むことができる。
更に、本発明の他の側面の触媒燃焼器は、シリンダ型の第１反応部と、前記第１反応部を二重管状に取り囲む第２反応部とを備え、前記第１反応部内の流体の流れと前記第２反応部内の流体の流れが対向流を形成するように、前記第１反応部に燃料及び酸化剤を供給する第１開口部と、前記第２反応部内の排ガスを排出する第２開口部とを、前記第１反応部と前記第２反応部の一側にそれぞれ備え、前記第１反応部と前記第２反応部がその他側で互いに流体の流通が可能となるように連結されたハウジングと、前記第１反応部内に配置された第１触媒と、前記第２反応部内に配置された第２触媒とを含み、前記ハウジングは前記第１反応部と前記第２反応部との間に第２燃料を供給する燃料供給路を含むことを特徴とする。
好ましくは、第２触媒はメッシュ層と、メッシュ層にコーティングされた活性物質とを含んでいる。
更に好ましくは、触媒（第１触媒）は第１反応部の後端部に配置される。触媒（第１触媒）は高温で耐久性のある金属で製作された蜂の巣状支持体と、支持体にコーティングされた活性物質とを含んでいる。触媒（第１触媒）の蜂の巣状支持体のセル密度は、１平方インチ当たり４００〜６００セルである。
触媒燃焼器は、燃料の流れにおいて触媒の上流側に配置される分配部を更に含むことができる。分配部は高温で耐久性のある金属で製作された蜂の巣状モノリスからなることができる。分配部における燃料及び酸化剤の空間速度は触媒（第１触媒）での空間速度より速い。触媒（第１触媒）における燃料及び酸化剤の空間速度は１０００／ｈｒ〜５０、０００／ｈｒの範囲である。他の側面で、分配部の蜂の巣状モノリスのセル密度は触媒（第１触媒）の蜂の巣状支持体のセル密度より小さい。分配部の蜂の巣状モノリスのセル密度は、１平方インチ当たり１００〜２００セルである。
触媒燃焼器は、分配部の上流側に配置される逆火防止部を更に含むことができる。逆火防止部は、高温で耐久性のある金属で製作された蜂の巣状モノリスからなることができる。逆火防止部の蜂の巣状モノリスのセル密度は、分配部の蜂の巣状モノリスのセル密度と同一である。
触媒（第１触媒）又は第２触媒は、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｃｏ３Ｏ４、ＰｄＯ、Ｃｒ２Ｏ３、Ｍｎ２Ｏ３、ＣｕＯ、Ｆｅ２Ｏ３、Ｖ２Ｏ３、ＮｉＯ、ＭｏＯ３、ＴｉＯ２からなるグループから選択される少なくともいずれか１つを含んでいる。
メッシュ層は、高温で耐久性のある金属で製作された蜂の巣状モノリスからなることができる。メッシュ層は、２段構造で配列され得る。メッシュ層の蜂の巣状モノリスのセル密度は、１平方インチ当たり５０〜１０００セルである。
また、本発明の他の側面によれば、前述した一実施形態の触媒燃焼器のうちのいずれか１つの触媒燃焼器と、触媒燃焼器から熱の供給を受けて燃料を改質してリフォメートを生成する改質反応部とを含む燃料改質器が提供される。
上述した本発明によれば、触媒燃焼器において燃料を実質的に完全酸化させることができるという効果を奏する。また、伝導と対流を同時に利用することにより、熱勾配を更に均一にして熱点（ｈｏｔ ｓｐｏｔ）を低減することができる。従って、装置の熱効率を大幅に向上させることができる。また、前端にのみ酸化触媒を使用（相対的に少量の触媒を使用）しながらも燃料の完全酸化を図ることができる。更に、このような触媒燃焼器を備えた燃料改質器の性能及び効率を向上させることができる。
本発明の一実施形態に係る触媒燃焼器の構造を示す斜視図である。 図１に示す触媒燃焼器の縦断面を示す断面図である。 本発明の触媒燃焼器の横断面を示す断面図である。 本発明の触媒燃焼器の他の横断面を示す断面図である。 本発明の他の実施形態に係る触媒燃焼器の横断面を示す断面図である。 本発明のまた別の実施形態に係る触媒燃焼器の構造を示す斜視図である。 図６に示す触媒燃焼器の縦断面を示す断面図である。 図６に示す触媒燃焼器の応用例を説明したブロック図である。
以下に示す詳細な説明は、本発明の特定の実施形態だけを詳細に記載したものである。本発明の技術分野において通常の知識を有する者は、本発明の技術的思想から逸脱しない範囲内で下記の実施形態を多様に変形できる。従って、添付した図面と説明は、本発明を説明するだけであって、これに限定されるものではない。また、１つの構成要素が他の構成要素と「接触している（ｏｎ）」という記載は、それがその他の構成要素と直接接触している場合だけでなく、１つ以上の要素を２つの間に介在させて間接的に接触している場合も意味している。また、ある要素が他の要素に「結合されている」という記載は、それがその他の要素に直接的に連結されている場合だけでなく、１つ以上の要素を２つの間に介在させて間接的に連結されている場合も意味している。以下で同じ参照番号は同じ構成要素を意味する。また、図面において各構成要素の厚さや大きさは説明の利便性及び明確性のために誇張している場合がある。
図１は、本発明の一実施形態に係る触媒燃焼器の構造を示す概略的な斜視図である。図２は、図１に示す触媒燃焼器の概略的な縦断面を示す断面図である。図３は、本発明の触媒燃焼器の横断面を示す断面図である。図３の断面図は、図２のＩ−Ｉ線における図１の対応部分を切断した断面に対応している。図４は、本発明の触媒燃焼器の他の横断面を示す断面図である。図４の断面図は、図２のII−II線における図１の対応部分を切断した断面に対応している。
図１及び図２を参照すれば、本実施形態の触媒燃焼器１００は、基本的に第１反応部１０と第２反応部２０とを備えたハウジング３０と、第１反応部１０に配置された触媒５０と、第２反応部２０に配置されたメッシュ層６０とを含んでいる。
ハウジング３０は、シリンダ型の第１反応部１０を形成する第１ハウジング３０ａと、第１反応部１０を二重管状に取り囲みながら第１ハウジング３０ａとの間に第２反応部２０を形成する第２ハウジング３０ｂとを備えている。本実施形態の管状又はシリンダ状ハウジング３０の両端部は実質的に閉鎖されている。
ハウジング３０は、少なくとも１つの第１開口部３１と、少なくとも１つの第２開口部３３とを備えている。第１開口部３１は、第１反応部１０に燃料を供給するための通路として作用する。第１開口部３１は、シリンダ状ハウジング３０の長さ方向の一側に備えられている。第２開口部３３は、第２反応部２０にある排ガスを外部に放出するための通路として作用する。第２開口部３３は、シリンダ状ハウジング３０の長さ方向の一側に備えられている。第１開口部３１と第２開口部３３は、ハウジング３０の一側に隣接するように配置されている。
シリンダ状ハウジング３０は、長さ方向の他側（前記一側の反対側）に、第１反応部１０と第２反応部２０との間を流体が流通可能となるように連結された通路３５を備えている。即ち、第１反応部１０の一端には第１開口部３１が結合され、第１反応部１０の他端には通路３５の一端が結合されている。そして、第２反応部２０の他端には通路３５の他端が結合され、第２反応部２０の一端には第２開口部３３が結合されている。即ち、本実施形態のハウジング３０は、内部における流体の流れが逆流する形の対向流構造又はＵ字状に流れる構造を形成するように配置された第１反応部１０及び第２反応部２０を備えている。
触媒５０は、第１反応部１０の略後半部に配置されている。即ち、燃料が流動する上流側に位置する第１領域Ａ１と、燃料が流動する下流側に位置する第２領域Ａ２とに、第１反応部１０を略二分したときに、触媒５０は第２領域Ａ２に配置される。
触媒５０は、図３に示すように、金属製の蜂の巣状支持体やセラミック製の蜂の巣状支持体（キャリア）５２と、この支持体５２に結合されている活性物質５４とを含むことができる。活性物質はプラチナや白金、その他の貴金属を含むことができる。例えば、触媒はＰｄ、Ｐｔ、Ｃｏ３Ｏ４、ＰｄＯ、Ｃｒ２Ｏ３、Ｍｎ２Ｏ３、ＣｕＯ、Ｆｅ２Ｏ３、Ｖ２Ｏ３、ＮｉＯ、ＭｏＯ３、ＴｉＯ２からなるグループから選択される少なくともいずれか１つを含むことができる。
メッシュ層６０は、第１反応部１０から出る未燃燃料を酸化させるように第２反応部２０に配置される。未燃燃料の酸化のために、メッシュ層６０は、例えば高温で耐久性のある金属製の蜂の巣状モノリスで実現することができる。未燃燃料は、触媒燃焼器１００の作動時に、約１５０〜４００℃に加熱された金属メッシュ層６０と接触することによって酸化される。前述した触媒５０の下流側に配置されたメッシュ層６０を採用することにより、燃料を二重酸化させることができ、燃料の完全酸化を誘導できる。
また、メッシュ層６０は、第２反応部２０の内部を流動する流体の流れにおいて、第１段メッシュ層６１ａと第２段メッシュ層６１ｂとから形成されている。２段構造のメッシュ層６１ａ、６１ｂを採用すれば、第１段メッシュ層６１ａと第２段メッシュ層６１ｂとの間の空間６３で、未燃燃料の流れに乱流を形成してメッシュ層６０を通過する未燃燃料全体がメッシュ層６０に接触して完全に酸化するように誘導できる。
また、本実施形態の触媒燃焼器１００は、第１反応部１０の略前半部に配置される分配部７０を更に含むことができる。分配部７０は、燃料の流れにおいて触媒５０の上流側に配置される。分配部７０は、第１反応部１０に流入した燃料を適切に分配して触媒５０に伝達する。分配部７０を採用すれば、触媒５０の一端（上流端）の特定地点において燃料の酸化が集中して大きな熱点が発生することを防止できる。分配部７０は、図４に示すように、高温で耐久性のある金属製の蜂の巣状モノリスで実現することができる。
分配部７０は、触媒５０に対して相対的な規格を有する。例えば、第１反応部１０の内部を流動する流体において、分配部７０での空間速度は触媒５０での空間速度より速くなるように形成される。例えば、分配部７０の蜂の巣状モノリスは、触媒５０での空間速度１０００／ｈｒ〜５０、０００／ｈｒの範囲よりも速い空間速度を有するように形成される。即ち、分配部７０の蜂の巣状モノリスは、そのセル密度が触媒５０の蜂の巣状支持体のセル密度より小さくなるように形成される。例えば、分配部７０の蜂の巣状モノリスのセル密度は、１平方インチ当たり１００〜２００セルである。
また、本実施形態の触媒燃焼器１００は、第１反応部１０の略前半部に配置される逆火防止部８０を更に含むことができる。逆火防止部８０は、燃料の流れにおいて触媒５０及び／又は分配部７０の上流側に配置される。逆火防止部８０は、触媒５０で発生した火花が第１開口部３１側に広がることを防止する。
逆火防止部８０は、高温で耐久性のある金属製の蜂の巣状モノリスで実現することができる。このとき、逆火防止部８０は、触媒５０及び／又は分配部７０に対して相対的な規格を有する。例えば、逆火防止部８０は、前述した分配部７０と実質的に同じセル密度及び／又は断面構造（又は断面形状）を備えている。第１反応部１０の内部を流動する流体の流れ方向において逆火防止部８０の長さは分配部７０と異なることもあり得る。
本実施形態において、燃料及び酸化剤は複数の第１開口部を介して個別に供給される。燃料は、メタン、ブタン、プロパンなどの炭化水素系燃料を含み、酸化剤は空気を含んでいる。
前述した構成によれば、第１開口部３１を介して第１反応部１０に第１燃料及び空気（図示せず）が流入すれば、第１燃料は逆火防止部８０と分配部７０を経て触媒５０の領域を通過し、触媒５０の酸化促進作用によって酸化される。第１燃料のうち未燃燃料はメッシュ層６０を通過しながら２次的に酸化される。そして、第１及び第２反応部１０、２０で生成された排ガスは、第２反応部２０の一端部又は下流側に備えられた第２開口部３３を介して外部に放出される。
前述の過程において、触媒燃焼器１００は伝導と対流を同時に利用することによって、熱勾配を更に均一にして熱点を低減することができる。また、前端（第１反応部）のみに酸化触媒を使用しながらも燃料の完全酸化を図ることができるので、製造コストを低減することができる。
図５は、本発明の他の実施形態に係る触媒燃焼器の横断面を示す断面図である。図５に示す断面図は、図２のII−II線における図１の対応部分を切断した断面に対応している。
図５を参照すれば、本実施形態の触媒燃焼器１００ａは、シリンダ型の第１反応部１０ａと第１反応部１０ａを二重管状に取り囲む第２反応部２０ａとを備えたハウジング３２と、第１反応部１０ａに配置された第１触媒（図示せず）と、第１反応部１０ａの第１触媒の上流側に配置された分配器７０ａと、第２反応部２０ａに配置された第２触媒６０ａとを含んでいる。
ハウジング３２の第１反応部１０ａと第２反応部２０ａは、図２に示す第１反応部１０と第２反応部２０と実質的に同じ構造及び形態を備えている。
第１触媒及び分配器７０ａは、図２に示す触媒５０及び分配器７０と実質的に同じ構造及び形態をそれぞれ備えている。
第２触媒６０ａは、メッシュ層６２及びメッシュ層６２に結合した活性物質６４を備えている。活性物質６４は、メッシュ層６２に所定量結合されている。例えば、活性物質６４は、メッシュ層６２の１ｃｃ当たり０.０１ｇ〜０.４ｇ程度がコーティングされている。活性物質６４は白金を含んでいる。
本実施形態において、第２触媒６０ａは第１反応部１０ａに流入した燃料のうち、第１触媒で酸化されずに第１触媒を通過した未燃燃料を２次的に酸化する。また、第２触媒６０ａは、未燃燃料の酸化を促進させる活性物質を含んでいるので、図２で参照した実施形態（第２反応部にメッシュ層のみを備えた実施形態）よりも更に効率的に燃料を完全酸化することができる。
図６は、本発明の他の実施形態に係る触媒燃焼器の構造を示す概略斜視図である。図７は、図６に示す触媒燃焼器の縦断面を示す断面図である。
図６及び図７を参照すれば、本実施形態の触媒燃焼器３００は、基本的に第１燃料を流入させるための第１開口部１３１と、排ガスを排出するための第２開口部１３３と、第１反応部１１０及び第２反応部１２０を備えたハウジング１３０と、第１反応部１１０に配置された触媒１５０と、第２反応部１２０に配置されたメッシュ層１６０と、第１反応部１１０と第２反応部１２０との間に第２燃料を供給するための燃料供給路１９０とを含んでいる。
ハウジング１３０は両端が閉鎖されたシリンダ状を備え、シリンダ型の第１反応部１１０を形成する第１ハウジングと、第１ハウジングを二重管状に取り囲んで第１ハウジングとの間に第２反応部１２０を形成する第２ハウジングとを備えている。第１反応部１１０と第２反応部１２０は、二重管状の第１及び第２反応部１１０、１２０の長さ方向が重力方向に対して略平行に置かれたとき、それらの下部側に位置する通路１３５を介して互いに流体の流通が可能となるように連結されている。
本実施形態のハウジング１３０の第１反応部１１０と第２反応部１２０の構造及び形態は、図２に示す第１反応部１０と第２反応部２０の構造及び形態と実質的に同一である。参考までに、図７において第１点Ｐ１は第１反応部１１０の上流側又は一端部を示し、第２点Ｐ２は第１反応部１１０の下流側又は他端部を示す。そして、第３点Ｐ３は第２反応部１２０の上流側又は他端部を示し、第４点Ｐ４は第２反応部１２０の下流側又は一端部を示す。
触媒１５０は、第１反応部１１０の上流側よりは下流側に隣接するように配置される。触媒１５０の構造及び形態は、図２に示す触媒５０の構造及び形態と実質的に同一である。
メッシュ層１６０の構造及び形態は、図２に示すメッシュ層６０の構造及び形態と実質的に同一である。また、メッシュ層１６０は、２段構造の第１メッシュ層１６１ａ及び第２メッシュ層１６１ｂを備えることができる。この場合、第１及び第２メッシュ層１６１ａ、１６１ｂは、図３及び図４に示す２段構造のメッシュ層６１ａ、６１ｂと実質的に同じ構造及び形態を備えている。
本実施形態の触媒燃焼器３００は、第１反応部１１０内に分配部１７０を更に含むことができる。分配部１７０の構造及び形態は、図２に示す分配部７０の構造及び形態と実質的に同一である。
本実施形態の触媒燃焼器３００のIII-III線に沿った断面は、図３に示す断面と実質的に同一である。また、本実施形態の触媒燃焼器３００のIV-IV線に沿った断面は、図４に示す断面と実質的に同一である。
また、本実施形態の触媒燃焼器３００は、第１反応部１１０内に逆火防止部１８０を更に含むことができる。逆火防止部１８０の構造及び形態は、図２に示す逆火防止部８０の構造及び形態と実質的に同一である。
燃料供給路１９０は、第２燃料を第１反応部１１０の下流側や第２反応部１２０の上流側に供給する。燃料供給路１９０の一端には、第２燃料を流入させるための第３開口部１３７が形成されている。そして、燃料供給路１９０の他端１９２は、第２点Ｐ２に隣接するように延長及び開放されている。
第２燃料は、第１燃料の未燃燃料よりもメッシュ層１６０で燃焼し易い物質であることが好ましい。第２燃料は、所定量のみ供給されることが好ましい。例えば、第１燃料として一般式ＣｍＨ２ｎで表される可燃性炭化水素（例えば、メタン、ブタンなど）を１時間当り略２０Ｌ供給する場合には、第２燃料は１時間当り略０.２Ｌ〜３Ｌ供給することが好ましい。第２燃料の供給量が第１燃料の１％より少なければ、第２燃料を追加したことによる未燃燃料の２次酸化効率が低くなり、完全酸化を誘導することは難しくなる。また、第２燃料の供給量が第１燃料の１５％を超えると、第２燃料を含む燃料全体の使用量が増加して効率が低下してしまうという短所になる。
前述した構成によれば、第１開口部１３１から第１燃料及び空気（図示せず）が流入すると、第１燃料は逆火防止部１８０と分配部１７０を経て触媒１５０の領域を通過し、触媒１５０の酸化促進作用によって酸化される。第１燃料のうち、未燃燃料は第１反応部１１０の下流側又は第２反応部１２０の上流側に供給された第２燃料と共にメッシュ層１６０を通過しながら、２次的に酸化される。このとき、第２燃料が未燃燃料より酸化し易い物質であるか、あるいは酸化し易い組成を有していれば、第２燃料と混合された未燃燃料は更に効率的に酸化されることになる。そして、第１及び第２反応部１１０、１２０で生成された排ガスは、第２反応部１２０の一端部又は下流側に備えられた第２開口部１３３を介して外部に放出される。
一方、本発明の他の実施形態に係る触媒燃焼器は、図７に示す触媒燃焼器のIV-IV線に沿った断面が図５に示す断面と同じ要素を含むようにして実現される。
即ち、本実施形態の触媒燃焼器は、第２反応部に第２触媒層を備えている点を除いては実質的に図６及び図７に示す触媒燃焼器３００と同一である。そして、第２触媒層は、図５に示す触媒燃焼器１００ａの第２触媒層６０ａと実質的に同一である。
図８は、図６の触媒燃焼器の応用例を説明するためのブロック図である。
図８を参照すれば、本実施形態の触媒燃焼器３００に供給される第２燃料は、燃料電池５００のアノードから排出されたアノード流出物を含んでいる。アノード流出物は、第２燃料として直接利用してもよいし、適切にフィルタリングされた水素含有排ガスとして利用してもよい。
燃料電池５００は、燃料（第４燃料）と酸化剤の電気化学的反応により電気と水を生成する発電システムを含んでいる。燃料電池５００は、高分子電解質型燃料電池など既存のよく知られた多様な燃料電池を含んでいる。第４燃料は、水素が豊富なリフォメートや炭化水素系燃料を含み、酸化剤は空気中の酸素を含んでいる。カソード流出物は、水を含んでいる。
一方、前述した実施形態の触媒燃焼器は、燃料電池５００に第４燃料を供給するための燃料改質器に熱を供給するために使用される。例えば、図７に示すように、第１反応部１１０と第２反応部１２０との間に改質反応部４００を配置して触媒燃焼器３００で生成された熱を改質反応部４００に供給することができる。改質反応部４００は、第３燃料を水蒸気改質してリフォメートを生成する水蒸気改質反応部を含むことができる。リフォメートは、図８の第４燃料として利用され得る。
改質反応部４００についての詳細な構造及び形態は、本技術分野における通常の知識を有する者にはよく知られている。従って、改質反応部４００についての詳細な説明は省略する。また、前述した実施形態の触媒燃焼器のいずれか１つを備えた燃料改質器を容易に実現できることは自明である。
以上説明したように、本発明の最も好ましい実施形態について説明したが、本発明は上記記載に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載され、又は明細書に開示された発明の要旨に基づいて、当業者において様々な変形や変更が可能であることはもちろんであり、斯かる変形や変更が、本発明の範囲に含まれることは言うまでもない。
１０ 第１反応部
２０ 第２反応部
３０ ハウジング
３０ａ 第１ハウジング
３０ｂ 第２ハウジング
３１ 第１開口部
３３ 第２開口部
３５ 通路
５０ 触媒
６０ メッシュ層
７０ 分配部
８０ 逆火防止部
１００ 触媒燃焼器

Claims (27)

  1. シリンダ型の第１反応部と、前記第１反応部を二重管状に取り囲む第２反応部とを備え、前記第１反応部内の流体の流れと前記第２反応部内の流体の流れが対向流を形成するように、前記第１反応部に燃料及び酸化剤を供給する第１開口部と、前記第２反応部内の排ガスを排出する第２開口部とを、前記第１反応部と前記第２反応部の一側にそれぞれ設け、前記第１反応部と前記第２反応部がその他側で互いに流体の流通が可能となるように連結されたハウジングと、
    前記第１反応部内に配置された触媒と、
    前記第２反応部に挿入されたメッシュ層と
    を含むことを特徴とする触媒燃焼器。
  2. 前記触媒は、前記第１反応部の後端部に配置されることを特徴とする請求項１に記載の触媒燃焼器。
  3. 前記触媒は、高温で耐久性のある金属で製作された蜂の巣状支持体と、前記支持体にコーティングされた活性物質とを含むことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の触媒燃焼器。
  4. 前記触媒の蜂の巣状支持体のセル密度は、１平方インチ当たり４００〜６００セルであることを特徴とする請求項３に記載の触媒燃焼器。
  5. 前記燃料の流れにおいて前記触媒の上流側に配置される分配部を更に含むことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の触媒燃焼器。
  6. 前記分配部は、高温で耐久性のある金属で製作された蜂の巣状モノリスからなることを特徴とする請求項５に記載の触媒燃焼器。
  7. 前記分配部における前記燃料及び酸化剤の空間速度は、前記触媒での空間速度よりも速いことを特徴とする請求項５または請求項６に記載の触媒燃焼器。
  8. 前記触媒における前記燃料及び酸化剤の空間速度は、１０００／ｈｒ〜５０、０００／ｈｒの範囲にあることを特徴とする請求項７に記載の触媒燃焼器。
  9. 前記分配部の蜂の巣状モノリスのセル密度は、前記触媒の蜂の巣状支持体のセル密度より小さいことを特徴とする請求項６に記載の触媒燃焼器。
  10. 前記分配部の蜂の巣状モノリスのセル密度は、１平方インチ当たり１００〜２００セルであることを特徴とする請求項９に記載の触媒燃焼器。
  11. 前記燃料の流れにおいて前記分配部の上流側に配置される逆火防止部を更に含むことを特徴とする請求項５乃至請求項１０のいずれか１項に記載の触媒燃焼器。
  12. 前記逆火防止部は、高温で耐久性のある金属で製作された蜂の巣状モノリスからなることを特徴とする請求項１１に記載の触媒燃焼器。
  13. 前記逆火防止部の蜂の巣状モノリスのセル密度は、前記分配部の蜂の巣状モノリスのセル密度と同一であることを特徴とする請求項１２に記載の触媒燃焼器。
  14. 前記触媒は、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｃｏ３Ｏ４、ＰｄＯ、Ｃｒ２Ｏ３、Ｍｎ２Ｏ３、ＣｕＯ、Ｆｅ２Ｏ３、Ｖ２Ｏ３、ＮｉＯ、ＭｏＯ３、ＴｉＯ２からなるグループから選択される少なくともいずれか１つを含むことを特徴とする請求項１乃至請求項１３のいずれか１項に記載の触媒燃焼器。
  15. 前記メッシュ層は、高温で耐久性のある金属で製作された蜂の巣状モノリスからなることを特徴とする請求項１乃至請求項１４のいずれか１項に記載の触媒燃焼器。
  16. 前記メッシュ層は、２段構造で配列されることを特徴とする請求項１５に記載の触媒燃焼器。
  17. 前記メッシュ層の蜂の巣状モノリスのセル密度は、１平方インチ当たり５０〜１０００セルであることを特徴とする請求項１５または請求項１６に記載の触媒燃焼器。
  18. シリンダ型の第１反応部と、前記第１反応部を二重管状に取り囲む第２反応部とを備え、前記第１反応部内の流体の流れと前記第２反応部内の流体の流れが対向流を形成するように、前記第１反応部に燃料及び酸化剤を供給する第１開口部と、前記第２反応部内の排ガスを排出する第２開口部とを、前記第１反応部と前記第２反応部の一側にそれぞれ備え、前記第１反応部と前記第２反応部がその他側で互いに流体の流通が可能となるように連結されたハウジングと、
    前記第１反応部内に配置された第１触媒と、
    前記第２反応部内に配置された第２触媒と
    を含むことを特徴とする触媒燃焼器。
  19. 前記第２触媒は、メッシュ層と、前記メッシュ層にコーティングされた活性物質とを含むことを特徴とする請求項１８に記載の触媒燃焼器。
  20. 前記活性物質は、前記メッシュ層１ｃｃ当たり０.０１ｇ〜０.４ｇの割合でコーティングされていることを特徴とする請求項１９に記載の触媒燃焼器。
  21. 前記活性物質は、白金を含むことを特徴とする請求項１９または請求項２０に記載の触媒燃焼器。
  22. 前記ハウジングは、前記第１反応部と前記第２反応部との間に第２燃料を流入させるための燃料供給路を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の触媒燃焼器。
  23. 前記第２燃料の供給量は、前記第１燃料の供給量の１％〜１５％であることを特徴とする請求項２２に記載の触媒燃焼器。
  24. 前記第２燃料は、燃料電池のアノードから放出される水素含有排ガスを含むことを特徴とする請求項２２または請求項２３に記載の触媒燃焼器。
  25. 前記ハウジングは、前記第１反応部と前記第２反応部との間に第２燃料を供給する燃料供給路を含むことを特徴とする請求項１８に記載の触媒燃焼器。
  26. 前記第２触媒は、メッシュ層と、前記メッシュ層にコーティングされた活性物質とを含むことを特徴とする請求項２５に記載の触媒燃焼器。
  27. 請求項１〜１８、２２、２５のうちのいずれか一項の触媒燃焼器と、
    前記触媒燃焼器から熱エネルギーの供給を受けて燃料を改質してリフォメートを生成する改質反応部と
    を含むことを特徴とする燃料改質器。
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