JP3912295B2 - 触媒反応式加熱装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、触媒反応により得られる熱を利用して熱媒体を加熱する触媒反応式加熱装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来の触媒反応式加熱装置は、ガス経路を形成するケーシング内に触媒体を配置し、ケーシング内において触媒体の下流側に熱交換部を配置し、触媒体により燃料と空気との混合ガスを触媒反応させて高温ガスを生成し、熱交換部によりその高温ガスと熱媒体との間で熱交換を行って熱媒体を加熱するようになっている(例えば、特許文献1参照)。
【0003】
【特許文献1】
特開平4−314613号公報
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の従来装置は、高温になった触媒体から放射される輻射熱のうち触媒体の上流側に放射された輻射熱は、主にケーシングに吸収された後ケーシングから外部に放出されていまい、したがって、輻射熱が有効に利用されておらず、熱交換効率が低いという問題があった。
【0005】
本発明は、上記点に鑑み、触媒反応式加熱装置における触媒体の輻射熱を有効に利用して熱交換効率を向上させることを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項1に記載の発明では、触媒反応を利用して熱媒体を加熱する触媒反応式加熱装置であって、ガスが通過する加熱用ガス経路(2)を形成するケーシング(1)と、加熱用ガス経路に配置され、燃料と空気との混合ガスを触媒反応させて高温ガスを生成する触媒体(20、120)と、加熱用ガス経路における触媒体の下流側に配置され、高温ガスと熱媒体との間で熱交換を行う熱交換部(30)と、加熱用ガス経路における触媒体の上流側に配置され、混合ガスが通過するとともに触媒体からの輻射熱を吸収する熱吸収体(50、150)とを備えることを特徴とする。
【0007】
これによると、触媒体からその上流側に放射された輻射熱は、熱吸収体に吸収された後、通過する混合ガスへの対流熱伝達で放熱される。このように、触媒体からその上流側に放射された輻射熱は、熱吸収体を介して混合ガスへ伝達されて熱媒体の加熱に利用されるため、熱交換効率を向上させることができる。
【0008】
また、上記のように、熱吸収体に吸収された輻射熱は通過する混合ガスへの対流熱伝達で放熱されるため、熱吸収体の過度の昇温が防止されるとともに、熱吸収体からその上流側への輻射放熱が抑止される。
【0009】
請求項2に記載の発明では、触媒体(20、120)が扁平形状であることを特徴とする。これによると、触媒体から熱交換部側への輻射熱量を増大できるとともに、混合ガス通過時の圧損を低減できるため空気供給装置(ブロワ)の負荷を低減することができる。
【0010】
請求項3に記載の発明では、熱吸収体(50、150)が扁平形状であることを特徴とする。これによると、熱吸収体による吸収熱量を増大できるとともに、圧損が低減できるため空気供給装置(ブロワ)の負荷を低減することができる。
【0011】
また、請求項1に記載の発明では、熱吸収体(150)と触媒体(120)とが一体に形成されていることを特徴とする。これによると、部品点数を削減でき、装置の簡素化が可能となる。
【0018】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【0019】
【発明の実施の形態】
(第1実施形態)
以下、本発明の第1実施形態について図1〜図4に基づいて説明する。本実施形態の触媒反応式加熱装置は、触媒反応により得られる熱を利用して熱媒体を加熱し、熱媒体を介して被加熱体を加熱するものである。
【0020】
図1は、本実施形態の触媒反応式加熱装置の全体構成を示す概念図である。図1に示すように、ケーシング1は、加熱用ガスが通過する加熱用ガス経路2を形成するもので、ガス流れ向きAに延びる円筒状の側壁面1aと、側壁面1aの両端部に位置する円錐状の第1、第2端部壁面1b、1cとにより構成されている。
【0021】
加熱用ガス経路2の最上流側には、燃料と空気との混合ガスを供給する混合ガス供給部10が設けられている。混合ガス供給部10は、燃料を供給する燃料供給部11、空気を供給する空気供給部12、燃料および空気を混合する混合部13を有している。なお、本実施形態では、燃料として反応性に優れた水素を用いている。
【0022】
加熱用ガス経路2における混合ガス供給部10の下流側には、燃料と空気との混合ガスを触媒反応させて高温ガスを生成する触媒体20が設けられている。触媒体20は、混合ガスが通過する多数の通気孔を有しており、例えば図2に示すようなセラミックスのモノリスを担体として、低温においても反応活性に優れるPt(白金)あるいはPd(バラジウム)に代表される貴金属類や金属酸化物が酸化触媒として担持されている。また、触媒の担体として図示しない、ペレット、ビーズ、発泡セラミック、発泡金属、金属ハニカム、金属メッシュも用いることができる。
【0023】
本実施形態のモノリス担体は、外形々状が円柱状で、厚さt1(ガス流れ向きAの寸法)が充分薄く、かつ口径d1(直径)が大きい扁平形状になっている。因みに、触媒体20からの輻射熱量の確保や、混合ガス通過時の圧損低減の観点からは、モノリス担体のアスペクト比(t1/d1)は、20%程度、あるいはそれ以下とするのが望ましい。
【0024】
加熱用ガス経路2における触媒体20の上流側には、混合ガスが通過する多数の通気孔を有し、かつ触媒体20からの輻射熱を吸収する熱吸収体50が設けられている。熱吸収体50は、例えば図3に示すようなセラミックスのハニカムを用いており、通気性に優れかつ耐熱性に優れた性質を有している。また、熱吸収体50として、ペレット、ビーズ、発泡セラミック、発泡金属、金属ハニカム、金属メッシュも用いることができる。
【0025】
本実施形態の熱吸収体50は、外形々状が円柱状で、厚さt2(ガス流れ向きAの寸法)が充分薄く、かつ口径d2(直径)の大きい扁平形状になっている。因みに、輻射熱吸収量の確保や、混合ガス通過時の圧損低減の観点からは、熱吸収体50のアスペクト比(t2/d2)は、20%程度、あるいはそれ以下とするのが望ましい。
【0026】
また、触媒体20の通気孔径と熱吸収体50の通気孔径は等しくするか、あるいは熱吸収体50の通気孔径を触媒体20の通気孔径より小さくすることが望ましい。特に、熱吸収体50の通気孔径を触媒体20の通気孔径より小さくした場合は、触媒体20から上流側への輻射熱が熱吸収体50を通り抜けるのを防止する効果が得られ、これにより、上流側方向輻射熱は熱吸収体50に効率よく吸収される。
【0027】
加熱用ガス経路2における触媒体20の下流側には、触媒体20にて発生した高温ガスと熱媒体との間で熱交換を行う熱交換部30が設けられている。本実施形態では、熱媒体として冷却水を用いている。
【0028】
図4に示すように、熱交換部30は、積層した多数の扁平チューブ32間にフィン31を配置したフィンチューブ型熱交換器を用いることができる。なお本実施形態では、フィン31やチューブ32といった熱伝導部材は、アルミニウムを用いているが、他にもアルミニウムの合金やステンレスや銅およびそれらの合金を用いることができる。フィン31が配置された部位、すなわち扁平チューブ32間が、加熱用ガス経路2となり、扁平チューブ32内が、冷却水が通過する熱媒体経路3となる。なお、熱交換部30として、図4に示す熱交換器に代えて、2重管熱交換器、シェルアンドチューブ熱交換器、管熱交換器などを用いることもできる。
【0029】
熱交換部30の熱媒体経路3にて加熱された冷却水は、熱媒体循環経路40を介して被加熱体41に循環し、被加熱体41を加熱する。熱媒体循環経路40には、冷却水を循環させるための循環ポンプ42が設けられている。本実施形態のように、触媒反応させる燃料として水素を用いる場合には、被加熱体41として水素を燃料とする燃料電池を好適に用いることができる。
【0030】
触媒反応式加熱装置には、各種制御を行う制御部60が設けられている。制御部60は、燃料供給装置11、空気供給装置12、熱媒体循環ポンプ42に制御信号を出力するように構成されている。
【0031】
次に、上記構成の触媒反応式加熱装置の作動について図1に基づいて説明する。まず、燃料供給装置11および空気供給装置12から所定量の水素と空気が供給され、水素と空気は混合部13にて混合される。その混合ガスは、熱吸収体50を通過して触媒体20に供給され、触媒体20において触媒反応を生じて高温ガスとなる。また、触媒体20は、触媒反応による熱によって赤熱して輻射熱を発生する。
【0032】
触媒体20からの高温ガスと輻射熱は、下流側に位置する熱交換部30を加熱し、内部を流れる冷却水を加熱する。熱交換部30にて加熱された冷却水は、循環ポンプ42により熱媒体循環経路40を循環し、被加熱体41を加熱する。
【0033】
触媒体20から放出される輻射熱は、下流側に位置する熱交換部30の方向以外に、上流側にも同様に射出される。触媒体20から上流側に向かって射出された輻射熱は、熱吸収体50によって吸収される。
【0034】
熱吸収体50が吸収した輻射熱は、熱吸収体50を通過する水素と空気の混合ガスへ対流熱伝達で放熱される。この混合ガスへ対流熱伝達で放熱された熱エネルギは、触媒体20の反応温度を上げるため、触媒体20からの輻射熱量が増大され有効に熱交換部30側に放射される。
【0035】
また、熱吸収体50が吸収した輻射熱は、混合ガスへ放熱されるため、熱吸収体50の過度の昇温と赤熱が防止されるとともに、熱吸収体50より更に上流側への輻射放熱が抑止される。
【0036】
本実施形態では、触媒体20からその上流側に放射された輻射熱は、熱吸収体50に吸収された後、通過する混合ガスへの対流熱伝達で放熱される。このように、触媒体20からその上流側に放射された輻射熱は、熱吸収体50を介して混合ガスへ伝達されて冷却水の加熱に利用されるため、触媒反応式加熱装置の熱交換効率を向上させることができる。
【0037】
また、上記のように、熱吸収体50に吸収された輻射熱は通過する混合ガスへの対流熱伝達で放熱されるため、熱吸収体50の過度の昇温が防止されるとともに、熱吸収体50からその上流側への輻射放熱が抑止される。
【0038】
また、触媒体20を扁平形状にしているため、触媒体20から熱交換部30側への輻射熱量を増大できるとともに、混合ガス通過時の圧損を低減できるため空気供給装置12の負荷を低減することができる。
【0039】
また、熱吸収体50を扁平形状にしているため、熱吸収体50による吸収熱量を増大できるとともに、圧損が低減できるため空気供給装置12の負荷を低減することができる。
【0040】
(第2実施形態)
次に、本発明の第2実施形態について図5に基づいて説明する。上記第1実施形態と同様の部分は同一の符号を付して説明を省略し、異なる部分についてのみ説明する。
【0041】
図5は、触媒体20および熱吸収体50を、触媒体20の下流側から見た図であり、熱吸収体50の形状を明瞭に示すために、触媒体20の一部を切り欠いて図示している。
【0042】
図5に示すように、触媒体20は、格子状の隔壁21によって四角の通気孔22が形成され、熱吸収体50も同様に、格子状の隔壁51によって四角の通気孔52が形成されている。また、両通気孔22、52は、大きさが等しくなっている。
【0043】
そして、触媒体20の隔壁21と熱吸収体50の通気孔52とが重なるように、触媒体20および熱吸収体50の相対位置関係を設定することにより、触媒体20から上流側への輻射熱が熱吸収体50を通り抜けるのを防止する効果が得られ、これにより、上流側方向輻射熱は熱吸収体50に効率よく吸収される。
【0044】
(第3実施形態)
次に、本発明の第3実施形態について図6および図7に基づいて説明する。上記第1実施形態と同様の部分は同一の符号を付して説明を省略し、異なる部分についてのみ説明する。
【0045】
本実施形態は、図6および図7に示すように、例えば担体となるセラミックのハニカムにおける下流側領域の一部にのみ触媒を担持することで、触媒が担持された領域である触媒体120と、触媒が担持されていない領域である熱吸収体150が、一体に形成されている。これにより、部品点数が削減でき保持構造等の簡素化ができる。
【0046】
(第4実施形態)
次に、本発明の第4実施形態について図8および図9に基づいて説明する。本実施形態は、上記第1実施形態における熱吸収体50を廃止したものである。上記第1実施形態と同様の部分は同一の符号を付して説明を省略し、異なる部分についてのみ説明する。
【0047】
本実施形態は、図8および図9に示すように、触媒体220の上流側の面が円錐状であり、触媒体220の下流側の面がすり鉢状になっている。
【0048】
また、図8に示すように、熱交換部130は、第1熱交換部130aと第2熱交換部130bとを有する。冷却水は、被加熱体41から第2熱交換部130bを経て第1熱交換部130aに流れるようになっている。
【0049】
第1熱交換部130aは、加熱用ガス経路2における触媒体220の下流側に配置されており、フィンチューブ型熱交換器が用いられている。第2熱交換部130bは、ケーシング1の側壁面1aの外周側で、且つ、触媒体220の上流側の側面に設置されている。なお本実施形態では、第2熱交換部130bは、裸管が側壁面1aを取り巻く方式を用いている。
【0050】
上記構成において、触媒体220の輻射熱は四方八方に放射されるが、触媒体220における上流側の円錐状の面からの輻射熱は、円錐面に対し垂直方向、即ちケーシング1の側壁面1aのうち、触媒体220の上流側の側面に位置する部位に対し、強く放射される。
【0051】
そして、触媒体220における上流側の面からの輻射熱が強く放射される部位に第2熱交換部130bを配置しているため、触媒体220からその上流側に放射された輻射熱は、第2熱交換部130bに効率よく吸収されて冷却水の加熱に利用される。
【0052】
一方、触媒体220における下流側のすり鉢状の面からの輻射熱線は、ケーシング1の側壁面1a側で弱く、第1熱交換部130aの軸心付近で最も強くなる傾向になるため、換言すると、輻射熱線を散乱させることなく第1熱交換部130aに向かわせることができるため、第1熱交換部130aを高効率で加熱することができる。
【0053】
なお、本実施形態では、第2熱交換部130bとして裸管が側壁面1aを取り巻く方式を用いたが、ウォータジャケットで囲むこともできる。また、第2熱交換部130bが配置されたケーシング1の側壁面1aの内周側に、フィンを設置することもできる。また、触媒体220の上流側の面を凸型形状とし、触媒体220の下流側の面を凹型形状にしてもよい。
【0054】
(第5実施形態)
次に、本発明の第5実施形態について図10に基づいて説明する。本実施形態は、上記第4実施形態における触媒体220の形状を変更したものであり、その他の点は第4実施形態と共通である。
【0055】
本実施形態は、図10に示すように、触媒体320の上流側の面に複数の円錐状の部分が形成され、触媒体320の下流側の面に複数のすり鉢状の部分が形成されている。これにより、第4実施形態と同様な効果が得られるとともに、輻射面の表面積が増大することで輻射による熱伝達量が増加する。
【0056】
なお、触媒体320の上流側の面に複数の凸型形状の部分を形成し、触媒体320の下流側の面に複数の凹型形状の部分を形成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1実施形態の触媒反応式加熱装置の全体構成を示す概念図である。
【図2】第1実施形態の触媒体の斜視図である。
【図3】第1実施形態の熱吸収体の斜視図である。
【図4】第1実施形態の熱交換部の斜視図である。
【図5】第2実施形態の触媒体および熱吸収体を示す図である。
【図6】第3実施形態の触媒反応式加熱装置の全体構成を示す概念図である。
【図7】第3実施形態の触媒体および熱吸収体を示す斜視図である。
【図8】第4実施形態の触媒反応式加熱装置の全体構成を示す概念図である。
【図9】第4実施形態の触媒体の斜視図である。
【図10】第5実施形態の触媒体の斜視図である。
【符号の説明】
1…ケーシング、2…加熱用ガス経路、20、120…触媒体、
30…熱交換部、50、150…熱吸収体。
Claims (3)
- 触媒反応を利用して熱媒体を加熱する触媒反応式加熱装置であって、
ガスが通過する加熱用ガス経路(2)を形成するケーシング(1)と、
前記加熱用ガス経路に配置され、燃料と空気との混合ガスを触媒反応させて高温ガスを生成する触媒体(20、120)と、
前記加熱用ガス経路における前記触媒体の下流側に配置され、前記高温ガスと前記熱媒体との間で熱交換を行う熱交換部(30)と、
前記加熱用ガス経路における前記触媒体の上流側に配置され、前記混合ガスが通過するとともに前記触媒体からの輻射熱を吸収する熱吸収体(50、150)とを備え、前記熱吸収体(150)と前記触媒体(120)とが一体に形成されていることを特徴とする触媒反応式加熱装置。 - 前記触媒体(20、120)が扁平形状であることを特徴とする請求項1に記載の触媒反応式加熱装置。
- 前記熱吸収体(50、150)が扁平形状であることを特徴とする請求項1または2に記載の触媒反応式加熱装置。
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