JP3940274B2 - 水素燃焼ヒータ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水素ガスの触媒による酸化反応熱で被加熱流体を加熱する水素燃焼ヒータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料ガスを触媒によって酸化反応させ、その酸化反応熱で熱交換器を通して被加熱流体を加熱する燃焼ヒータが種々提案されている。とくに水素燃料電池を搭載する車両などでは、同じ水素を燃料とする水素燃焼ヒータが燃料一元化の点から好ましい。
このような水素燃焼ヒータでは、水素ガスと空気の混合ガスを触媒に触れさせて酸化させるわけであるが、始動に際して触媒を酸化反応に適した温度にするため、従来は触媒に流入する前に混合ガスに火花点火して燃焼させ、この前段階で高温となった燃焼ガスを触媒に通すことにより当該触媒を加熱するようにしている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このような火花による混合ガスの燃焼方法では、水素と空気の混合比が爆発あるいは爆燃限界内でなければ着火しないので、点火時の爆発や爆燃のおそれを回避できないという問題がある。またこのような点火を可能とする混合比で燃焼させると、その燃焼温度も過大となる。
そのため、防爆、高熱対策が必須となるうえ、窒素酸化物の生成が増大するとともに、熱交換器には被加熱流体との温度差による大きな熱応力が発生するという問題も生じる。
【０００４】
したがって本発明は、上記従来の問題点に鑑み、爆発や爆燃のおそれなく、窒素酸化物の生成や熱応力の増大が抑えられ、しかも安定な加熱性能を得る水素燃焼ヒータを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
請求項１の水素燃焼ヒータは、燃料供給手段により水素ガスと空気とが供給される流路に、上流側から順に、流路に供給された水素ガスと空気とを混合する混合器、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、混合器は、それぞれ多孔素材の平板と波板とを重ねて巻き上げて形成され、巻き上げ後の各層間に形成される各セルを流路の流れ方向に合わせて設置されており、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、燃料供給手段は、電気加熱触媒および燃焼触媒における燃焼を緩酸化反応とするよう水素ガスと空気の比率を制御するものとした。
電気加熱触媒および燃焼触媒に供給される水素ガスと空気の混合比率が緩酸化反応による燃焼を行うように制御されるので、爆発や爆燃のおそれがなく、燃焼温度も過大とならない。
【０００６】
そして、電気加熱触媒より上流側に、流路に供給された水素ガスと空気とを混合する混合器を設け、電気加熱触媒に流入する前に水素ガスと空気が十分に混合されるから、電気加熱触媒にヒートスポットが発生せず、耐久性が向上する。
【０００７】
さらに、混合器はそれぞれ多孔素材の平板と波板とを重ねて巻き上げて形成され、巻き上げ後の各層間に形成される各セルを流路の流れ方向に合わせて設置されており、各セルが流路の流れ方向にそって貫通するので、圧力損失を増大させることがない。しかも、各板に形成された多孔により、空気と水素ガスはセル間を細かく移動する間に均一に混合される。
【０００８】
請求項２の発明は、とくに、水素ガスと空気の比率が緩酸化反応で最高５００℃を得る値に設定されるものとした。
この燃焼温度５００℃は水素ガスと空気の比率１：１５．３で得られ、この比率が若干振れても水素爆発限界からは十分に遠く、安全に高温度が得られる。
【０００９】
請求項３の発明は、電気加熱触媒が第１の電極を中心に、少なくも触媒を担持した波板を含む素材を巻き上げて形成されるとともに、外周に設けた外筒に第２の電極が接続され、巻き上げ後の各層間に形成されるセルを流路の流れ方向に合わせて設置されているものとした。
触媒担体構造が一般自動車の排気系に多用されているものと同種で、単に電極を付加するだけのものであるから、作製が容易である。
【００１０】
請求項４の発明は、電気加熱触媒の容量を燃焼触媒の容量よりも小さく設定し、電気加熱触媒への通電による燃焼の開始にあたっては、燃料供給手段により供給される水素ガスと空気の混合ガスの流量を、定常運転時の流量×電気加熱触媒の容量／（電気加熱触媒の容量＋燃焼触媒の容量）に制御するよう構成されているものとした。
燃焼の開始にあたっては、小さい容量の電気加熱触媒で反応可能なだけの少量の混合ガスを供給することにより、小電力で短時間に触媒反応を開始でき、いわゆる着火が早いので、定常運転への立上がりも早い。
【００１１】
請求項５の発明は、燃焼触媒が電気加熱触媒よりも断面積を大きく設定され、これに対応して流路の流路断面積は燃焼触媒の設置部位において電気加熱触媒の設置部位よりも大きくしたものである。
燃焼触媒の断面積を大きくすることにより、その容量が電気加熱触媒より大きいにもかかわらず、ヒータ全体の長さが短く、コンパクトに構成される。
【００１２】
請求項６の発明は、電気加熱触媒において、巻き上げ素材の外周側所定巻き数に対応する範囲に多孔を形成してあるものとした。
外周部に多孔を形成してあることによりその抵抗値が増大して、発熱量が増大するので、外部への放熱があっても、外周部も中心部の変化に近い昇温特性を有することとなり、触媒反応が正常に進む。
【００１３】
請求項７の発明は、電気加熱触媒の上流側端から所定範囲について巻き上げ素材に多孔を形成してあるものとした。
巻き上げの各層間に形成されるセルを流れる間に、多孔を通して空気と水素ガスが細かく移動し互いに混合されるので、加熱触媒機能に加えて混合器機能を奏する。
【００１４】
請求項８の発明は、燃料供給手段が、一端に送風機が接続されるとともに流路の上流端に接続される入口管と、該入口管に開口する水素導入管とを含み、水素導入管は第１の絞り弁を備える第１の分岐路と第２の絞り弁を備える第２の分岐路を有し、第１の絞り弁は燃焼開始時に対応する水素ガスの流量を与え、第１の絞り弁と第２の絞り弁の両方を開いたとき定常運転時の水素ガスの流量が与えられるものとした。
燃焼開始にあたってはまず第１の絞り弁のみを開き、燃焼触媒が触媒反応を開始したらさらに第２の絞り弁を開くことにより、適正な流量が供給されるから、燃料の流量制御が簡単である。
【００１５】
請求項９の発明は、燃料供給手段は、一端に送風機が接続されるとともに流路の上流端に接続される入口管と、該入口管に開口し、第１の水素停止弁を備える水素導入管とを含み、水素導入管は第１の絞りを備える第１の分岐路と第２の水素停止弁および第２の絞りを備える第２の分岐路を有し、第１の水素停止弁および第２の水素停止弁は空気または不活性ガスを作動流体とする気体作動弁とされ、第１の水素停止弁を開いたとき第１の絞りは燃焼開始時に対応する水素ガス
の流量を与え、さらに第２の水素停止弁を開いたとき定常運転時の水素ガスの流量が与えられるものとした。
水素ガスの通流を制御する第１、第２の水素停止弁が空気または不活性ガスで作動する気体作動弁で構成されているので、水素ガスと電気エネルギーの接触のおそれが回避される。
【００１６】
請求項１０の発明は、水素導入管が、入口管の周壁を貫通させて入口管の断面を下から上へ横切るように配置され、入口管の断面内における中心位置近傍および該中心位置近傍より入口管の底面側に複数の開口を有し、該開口は入口管の管軸方向上流に向かって設けられているものとした。
水素導入管の直後で空気と水素ガスの良好な混合状態が得られ、水素濃度変化が小さな範囲に収まる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を実施例により説明する。
図１は第１の実施例の全体構成を示す図である。
入口管１３の軸方向一端に送風機１１が接続され、送風機１１と入口管の間には流量制御弁１２が設けられている。送風機１１はフィルタ１０を介して吸引した空気を流量制御弁１２を介して入口管１３内へ供給する。
入口管１３の側壁には減圧弁１５を介して図示しない水素貯留容器に接続した水素導入管１６が開口している。
【００１８】
水素導入管１６には、入口管１３への開口部と減圧弁１５の間に、分岐路が形成され、一方の分岐路１７には第１の絞り弁１９、他方の分岐路１８には第２の絞り弁２０が設けられている。内径５８ｍｍの入口管１３に対して水素導入管１６の開口内径は８ｍｍとしてある。
また、第１の絞り弁１９と第２の絞り弁２０の流量比は１：９としてあり、減圧弁１５で減圧された水素ガスは第１の絞り弁１９を開くことにより５リットル／分で入口管１３へ供給され、さらに第２の絞り弁２０を開くことにより合計５０リットル／分で入口管１３へ供給される。
入口管１３の軸方向の他端はヒータユニット３０に接続されている。
上記の送風機１１、流量制御弁１２、減圧弁１５、水素導入管１６、第１の絞り弁１９、第２の絞り弁２０および入口管１３で、発明の燃料供給手段を構成している。
【００１９】
ヒータユニット３０は、入口管１３側から順に、入口管１３と同径の小径部３２と、この小径部３２より断面の大きい内径１０２ｍｍの大径部３３からなるステンレス製のケーシング３１を備え、ケーシング３１の外周は断熱材３４でカバーされている。
小径部３２内には、上流側から順に混合器４０と電気加熱触媒５０が配置され、大径部３３内には、上流側から順に燃焼触媒６０と熱交換器６４とが配置されている。
ここでは、ケーシング３１が発明における流路を形成している。
【００２０】
電気加熱触媒５０からは、ケーシング３１の外周壁を貫通して、第１、第２電極が外方へ延びている。
熱交換器６４には、ケーシング３１の外周壁を貫通して、ウォータポンプ６５に接続された水導入管６６と水排出管６７とが連結されている。
ケーシングの大径部３３の出口端は小径に絞られ、消音器７０に接続されている。
【００２１】
入口管１３に供給された送風機１１からの空気と水素導入管１６からの水素ガスは、混合器４０で均一な混合ガスとなり、電気加熱触媒５０で加熱燃焼されて、この燃焼ガスが燃焼触媒６０を触媒反応に十分な温度に加熱する。
燃焼触媒６０により酸化反応して高熱となった燃焼ガスは、熱交換器６４で熱媒体としての純水を加熱した後、消音器７０を経て外部へ放出される。
【００２２】
電気加熱触媒５０と燃焼触媒６０間の間の空間には、電気加熱触媒５０からの燃焼ガスの温度を検出する温度センサ７３が設けられている。また、燃焼触媒６０の温度を検出する温度センサ７４が設けられるとともに、燃焼触媒６０と熱交換器６４の間の空間には、燃焼触媒６０からの燃焼ガスの温度を検出する温度センサ７５が設けられている。
【００２３】
さらに、熱交換器７０の直後には熱交換後の燃焼ガスの温度を検出する温度センサ７６が設けられている。水導入管６６の熱交換器入口に圧力センサ７７が設けられ、水排出管６７には熱交換器出口に熱交換後の水の温度を検出する温度センサ７８と、リリーフ弁７９が設けられている。
送風機１１、ウォータポンプ６５、各弁１２、１５、１９、２０、７９および各センサ７３、７４、７５、７６、７７、７８は図示省略の制御装置に接続されている。
【００２４】
図２は混合器の構造を示す。混合器４０は、図３の（ａ）に示す多孔素材の平板４２と、同じく多孔素材を波付けした（ｂ）に示す波板４３とを重ねて巻き上げて形成してある。
多孔素材４１は、図４の（ａ）に示すように、幅５０ｍｍ、厚さ５０μｍのステンレス箔全面に、直径１．０ｍｍの孔４４を縦横各２ｍｍピッチで形成してある。波板４３は図４の（ｂ）に示すように、波の高さが１．２ｍｍ、波のピッチが２．６ｍｍとなっている。
なお、図２〜図４では理解容易のため孔４４のサイズやピッチを大きく表示して簡略化している。
【００２５】
平板４２と波板４３とは巻き上げのあと、１２００℃、１Ｐａの程度で約２０分間真空熱処理を行って、拡散結合により剛性の高い担体とされる。
混合器４０はヒータユニット３０の小径部３２に軸方向を合わせて設置され、巻き上げ後の各層の平板４２と波板４３の間に形成される各セル４５が小径部３２の軸方向に貫通している。
【００２６】
つぎに図５は、電気加熱触媒の構造を示す。
電気加熱触媒５０は、白金（Ｐｔ）１％、残部アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）からなる触媒を担持した平板５２と波板５３とを重ねて２０巻きして形成してあり、複数箇所ろう付けした後、外筒５４に圧入されている。平板５２と波板５３の巻き上げ中心には第１電極５５が設けられ、外筒５４には第２電極５６が設けられている。
【００２７】
平板と波板の各素材５１は、いずれも図６の（ａ）に示すように、幅５０ｍｍ、厚さ５０μｍの２０Ｃｒ−５Ａｌ、残部Ｆｅのステンレス箔を用い、（ｂ）に示す全２０巻きのうちの外周側８巻きに対応する範囲に、直径１．０ｍｍの孔５７を幅方向に２．５ｍｍピッチで１９個並べた孔列を巻き方向に５ｍｍピッチで形成してある。波板５３は図６の（ｃ）に示すように、波の高さが１．２ｍｍ、波のピッチが２．６ｍｍとなっている。
巻き上げ後の各層の平板５２と波板５３の間に形成される各セル５８も小径部３２の軸方向に貫通している。
なお、図５、図６では理解容易のため孔５７のサイズやピッチを大きく表示して簡略化している。
【００２８】
図７は、電気加熱触媒の外周部における多孔の有無による昇温特性を比較したもので、（ａ）は上記外周部の平板５２と波板５３を多孔とした電気加熱触媒５０、（ｂ）は平板と波板に孔を有しない比較例を示す。
巻き上げ型の電気加熱触媒では、外部への放熱があるため、比較例におけるように外周から５層目の温度が中心部１０層目、１５層目より各段に低く、外周部では触媒反応が不十分となる。
これに対して、実施例の電気加熱触媒５０では多孔（孔５７）を形成してあることにより外周部の抵抗値が増大して、発熱量を増大させ、（ａ）のように中心部の変化に近い昇温特性を備えている。
これにより、通電３００秒後の温度分布を示す図８のように、外周側５層目位置で約６０℃も高い温度が得られる。
【００２９】
燃焼触媒６０は電気加熱触媒５０と同様に白金（Ｐｔ）１％、残部アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）からなる触媒を２００ｇ／リットルで担持し、水素を酸化反応させる。燃焼触媒５０はヒータユニット３０の内径１０２ｍｍの大径部３３に整合し、長さ１２０ｍｍのサイズを有している。
熱交換器７０は、ステンレスパイプを用いた多管式で、直径１０２ｍｍ、長さ１５０ｍｍに構成され、５ｋＷの熱交換量を有する。
【００３０】
つぎに、以上のように構成された水素燃焼ヒータの運転の基本的考え方について説明する。
図９は水素の燃焼特性を示すもので、限界線Ｇを境にして低い温度では緩酸化を行い、高い温度では発火する。ヒータとしてはできるだけ高い温度が望ましいが、大気圧環境では限界線Ｇが約５６０℃を横切るので、自然発火を避けて５００℃を酸化反応の条件として設定する。
【００３１】
一方、水素と空気の混合ガスの燃焼最高温度は、図１０に示すようにその混合比率によって変化する。図より、完全燃焼による温度５００℃は水素１に対して空気１５．３の混合比率によって得られることが分かる。この混合比率を中心にして前後各１０％の範囲内に制御しても、水素爆発限界より十分に離れた濃度である。
したがって、制御装置は、上記１５．３の混合比率付近により燃焼触媒６０の温度を５００℃に保持する運転を行うものとする。
【００３２】
以下、運転制御について説明する。
まず始動に際しては、制御装置はウォータポンプ６５をオンして熱交換器６４に水を通流開始させる一方、電気加熱触媒５０に通電を行う。そして、送風機１１を作動させて流量制御弁１２により所定の始動時風量で空気を入口管１３へ供給し、また、減圧弁１５を開くとともに第１の絞り弁１９を開いて、水素導入管１６から入口管１３へ水素ガスを供給する。
第１の絞り弁１９による水素ガスの流量は定常状態での流量の１／１０に相当する５リットル／分に設定され、流量制御弁１２は空気の始動時風量が水素１に対して１５．３付近となるよう、略７６リットル／分に制御される。
【００３３】
電気加熱触媒５０はあらかじめ設定した時間だけ通電される。この通電により電気加熱触媒５０の温度が２００℃以上になると、それ以降は触媒反応により昇温を続け、５００℃まで達する。
ここでは、通電６０秒で２００℃に達し、１２０秒で３００℃に達しているから、通電は通常１２０秒で十分である。
【００３４】
電気加熱触媒５０を通過して５００℃まで昇温した燃焼ガスが、燃焼触媒６０を加熱する。
この着火段階では、制御装置は温度センサ７３により電気加熱触媒５０からの燃焼ガスの温度を監視しており、所定上限温度を越したり、所定時間内に昇温しない場合には、作動異常として送風機１１やウォータポンプ６５を含み全電源をオフとする。
【００３５】
また、温度センサ７４、７５により燃焼触媒６０にかかわる温度を監視し、所定上限温度を越したり、所定時間内に昇温しない場合にも、作動異常として全電源をオフとする。
さらに凍結や配管詰まりによって圧力センサ７７の検出値が異常を示す場合にも、同様に全電源をオフとする。
【００３６】
着火により、温度センサ７４で検出した燃焼触媒６０の温度が３００℃に達すると、さらに第２の絞り弁２０も開いて、水素導入管１６から入口管１３へ合わせて５０リットル／分の水素ガスを供給するとともに、送風機１１からの風量を混合比率１５．３付近となるよう、流量制御弁１２で略７６０リットル／分に制御する。
電気加熱触媒５０で酸化反応する５リットル／分を除く４５リットル／分の水素が燃焼触媒６０で酸化反応して、燃焼触媒６０で反応した燃焼ガスは５００℃まで昇温する。
【００３７】
この間、電気加熱触媒５０の上流に配置した混合器４０は、いずれも多孔素材の平板４２と波板４３とを重ねて巻き上げてあり、平板４２と波板４３の間に形成される各セル４５が流れ方向に貫通しているので、圧力損失を増大させることがない。しかも、各板に形成された多孔（孔４４）により、空気と水素ガスはセル間を細かく移動する間に均一に混合される。
通常、混合が不完全であると、電気加熱触媒５０に流入した際にヒートスポットが発生するが、本実施例では、水素導入管１６から５０リットル／分の水素ガス、送風機１１から７６０リットル／分の空気を流したときにヒートスポットの発生なく、安定した燃焼反応が得られた。
【００３８】
燃焼触媒６０で５００℃まで昇温した燃焼ガスは、熱交換器６４を通過する間にウォータポンプ６５により６リットル／分で流れる純水と熱交換を行ったあと、消音器７０で消音されて放出される。
５ｋＷの熱交換量を有する熱交換器６４を通過した燃焼ガスはまだ約２００℃以上の高さにあるので、ここでケーシング３１内に水分が凝縮することはない。
【００３９】
運転の間、温度センサ７５で検出した燃焼触媒６０直後の温度が所定値より高くなったときは、第２の絞り弁２０を閉じて水素ガス流量を５リットル／分に切換えるとともに、流量制御弁１２で空気流量を略７６リットル／分として、低流量燃焼状態とする。この状態では、燃焼触媒６０の温度が維持されるだけとなり、つぎに空気と水素ガスの流量が増大されたときには直ちに燃焼触媒６０における酸化反応が再開される。
また、圧力センサ７７が異常な高圧を検出したときは、制御装置がリリーフ弁７９を開放させる。
【００４０】
本実施例は以上のように構成され、混合器４０、電気加熱触媒５０、燃焼触媒６０および熱交換器６４を順に配置してヒータユニット３０を形成し、水素爆発限界から十分離れた混合比率で水素と空気を供給することにより、緩酸化領域で水素の酸化反応を得て、この燃焼ガスを熱交換器６４に通すものとしたので、爆発や爆燃のおそれなく、過大な高熱も避けられて熱応力の増大が抑えられ、窒素酸化物生成のない加熱が実現した。
【００４１】
また、混合器４０は、重ねて巻き上げた平板４２と波板４３の間の各セル４５が流れ方向に貫通しているので、流路にメッシュ板や網を設ける形式のものに比較して、圧力損失を増大させることがない。しかも、各板には多孔（孔４４）が形成されているので、単純かつ軽い構成で空気と水素ガスが均一に混合される。また、混合器４０はスクリュウ形式のものにおけるような可動部分を備えないため、耐久性が高く、長寿命の利点を有する。
【００４２】
なお、実施例では、混合器４０は平板４２と波板４３とを巻き上げのあと、真空熱処理を行って拡散結合させているが、そのほか、巻き上げの途中に複数回と巻き上げ完了後にスポット溶接することによっても、混合器を単体としてより簡便に作製することができる。
【００４３】
さらに、実施例の混合器４０は、それぞれ直径１．０ｍｍの丸い孔４４を形成した平板４２と滑らかな断面形状の波板４３とを重ね巻きして構成しているが、巻かれた後に形成されるセル間が連通可能となるものであれば、種々の構造を用いることができる。
図１１は混合器４０に用いる素材形状の他の例を示す。図の（ａ）は三角波形状の波板であって、波の山および谷に切り込みを入れて反対側へ折り返すことにより、山部４６には谷４８を、谷部４７には山４９を素材４１’の幅方向に交互に形成したものである。
図の（ｂ）は平板素材４１”の幅方向に等間隔に、巻き方向の切り込みを入れて、幅方向交互に三角形状の山４９’と谷４８’を切り起こしたものである。
【００４４】
また、実施例における電気加熱触媒５０の外周側の平板５２と波板５３には、直径１．０ｍｍの丸い孔５７を形成したが、孔形状はとくに限定されず、例えば図１２に示すように、矩形としてもよい。図の（ａ）は素材５１’の幅方向に長くした矩形孔５７’の例を示し、（ｂ）は素材５１”の長手方向（巻き方向）に長くした矩形孔５７”の例を示す。
【００４５】
つぎに、図１３は、水素導入管の構成を異ならせ、また電気加熱触媒に混合器機能を持たせた第２の実施例を示す。
まず、電気加熱触媒について説明する。
ヒータユニットのケーシング３１’の小径部３２’内には、電気加熱触媒８０が配置されている。
電気加熱触媒８０は、図１４に示すように、第１の実施例における電気加熱触媒５０と同様に、白金（Ｐｔ）１％、残部アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）からなる触媒を担持した厚さ５０μｍの２０Ｃｒ−５Ａｌ、残部Ｆｅのステンレス箔からなる幅８０ｍｍの平板８２と波板８３とを重ね巻きして形成してあり、複数箇所ろう付けした後、第１の実施例の電気加熱触媒５０における外筒５４と同様の、内径５８ｍｍの小径部３２’に整合する外筒８４に圧入されている。平板８２と波板８３の巻き上げ中心には第１電極８５が貫通し、外筒８４には第２電極５６が設けられている。
第１電極８５および第２電極５６はケーシング３１’の外周壁を貫通して外方へ延びている。
【００４６】
平板８２と波板８３の各素材８１は、いずれも図１５に示すように、幅８０ｍｍのうち片側５０ｍｍの範囲に、直径１．０ｍｍの孔８７を幅方向に２．５ｍｍピッチ、巻き方向に５ｍｍピッチで形成して多孔部８６としている。波板８３は波の高さが１．２ｍｍ、波のピッチが２．６ｍｍとなっている。
これにより、電気抵抗値は約０．８Ωとなっている。
この電気加熱触媒８０は、多孔部８６を上流側にして小径部３２’に設置されている。
なお、図１３〜図１５では理解容易のため孔８７のサイズやピッチを大きく表示して簡略化している。
【００４７】
つぎに、水素導入管について説明する。
先の図１３に示すように、入口管１３’の側壁に開口する水素導入管１６’は、減圧弁の代わりに水素停止弁１００を備えて図示しない水素貯留容器に接続されている。
水素導入管１６’には、入口管１３’への開口部と水素停止弁１００の間に、分岐路が形成され、一方の分岐路１７には第１の絞り１０２、他方の分岐路１８には水素停止弁１０４と第２の絞り１０６が設けられている。内径５８ｍｍの入口管１３’に対して水素導入管１６’の開口内径は８ｍｍとしてある。
【００４８】
また、第１の絞り１０２と第２の絞り１０６の流量比は１：９としてあり、まず水素停止弁１００を開くと、水素ガスは第１の絞り１０２を通って５リットル／分で入口管１３’へ供給され、さらに水素停止弁１０４を開くことにより第２の絞り１０６を通過する分が加わって合計５０リットル／分で入口管１３’へ供給される。
水素停止弁１００および１０４はいずれも気体作動弁であり、空気または不活性ガス（以下、単に気体という）の圧力を供給されて開弁し、所定圧力以下では閉状態を維持する。
【００４９】
水素停止弁１００および１０４への各気体供給管１０８、１０９には、それぞれ３方電磁弁１１０、１１２が設けられ、各３方電磁弁は図示省略の制御装置により制御される。
３方電磁弁１１０、１１２はそれぞれ開弁して気体を水素停止弁１００あるいは１０４へ圧力を供給して、閉弁したときには圧力を抜く。
これにより、３方電磁弁１１０、１１２を制御することにより、水素停止弁１００、１０４の開閉が制御される。
【００５０】
水素ガスの通流を制御する水素停止弁１００および１０４が気体作動弁で構成されているので、水素ガスと電気エネルギーの接触のおそれがなく、また万一作動流体のリークが発生しても、作動流体が不活性ガスまたは空気のため、互いの接触による事故発生の心配もない。
【００５１】
なお、先の第１の実施例では水素導入管１６を入口管の管壁に開口したが、十分な混合のためには単一の開口から供給するよりも複数箇所から分散して供給する方が好ましいので、この実施例では水素導入管１６’を入口管１３’の周壁を貫通させて、入口管１３’の断面を下から上へ横切るように接続し、入口管の断面内で水素導入管１６’に複数の開口を設けてある。
水素導入管１６’の入口管１３’手前にはフィルタ１１４を取り付け、水素ガスに混入した粉塵を除去する水滴を分離する。
また、入口管１３’を横切った水素導入管１６’の先端部には圧力センサ１１６が設けられている。
【００５２】
図１６は、水素導入管１６’の詳細を示す拡大図で、（ａ）は上流側から見た正面図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ断面を拡大して示している。
開口９０が入口管１３’の断面における中心位置またはその近傍と、入口管１３’の底面から断面半径の２／５の中間部とに、合計２個設けられている。
内径５８ｍｍの入口管１３’に対して、水素導入管１６’の外径は１０ｍｍ、内径は８ｍｍで、各開口９０の径は１．５ｍｍとしてある。
そして、とくに（ｂ）に示すように、開口９０はいずれも入口管１３’内の流れに対して管軸方向上流に向かって設けられている。
その他の構成は、第１の実施例と同じである。
【００５３】
本実施例によれば、電気加熱触媒８０の平板８２および波板８３の上流側前半部５０ｍｍの範囲を多孔部８６としてあるので、電気加熱触媒８０に入った空気と水素ガスは流れ方向に形成されるセル間を細かく移動する間に均一に混合される。
しかも、この混合される間にも通電により加熱されるので、触媒反応も確実に促進される。
これにより、多孔部８６の追加で第１の実施例における電気加熱触媒５０より若干長さを延ばすとしても、独立の混合器４０を設置しないで済む分だけケーシングの小径部３２’の長さが短くでき、ヒータユニットのサイズが小型となる。
【００５４】
また、水素導入管１６’は入口管１３’の断面内を上下に横切って、断面の中心位置近傍から下側に配した２つの開口９０から上流に向けて水素ガスを噴出させるので、その噴出位置からすでに全断面にわたる混合が開始される。したがって、水素導入管１６’の入口管１３’への接続位置と電気加熱触媒８０間の距離が短くても、電気加熱触媒８０に流入するときにはすでに相当程度混合が進んでいるので、電気加熱触媒８０の上流側端面でのヒートスポットの発生もない。
【００５５】
すなわち、図１７の（ｂ）は、水素導入管１６’から５０リットル／分の水素ガス、送風機から７６０リットル／分の空気を流したときの、入口管１３’中の水素導入管１６’から３０ｍｍ下流の（ａ）に示す各点における水素濃度変化を示す。ここで、水素濃度変化とは平均濃度からのずれ量をいう。なお、（ａ）においてｄは入口管１３’の内径である。
（ｂ）は、入口管１３’の断面の各部位において、水素濃度変化が＋１〜−１％の範囲に収まっていることを示しており、電気加熱触媒８０の上流側端面ですでに良好な混合状態となっている。これにより、ヒートスポットの発生がなく、安定した燃焼反応が得られた。
また、図１７の（ｃ）は水素ガスおよび空気の流量を１／６に減じた場合の測定結果を示し、この場合でも＋２〜−２％の範囲に収まっている。
【００５６】
なお、図１８は水素導入管の変形例を示し、正面図の（ａ）に示すように、水素導入管１６”は開口９０が入口管１３’の断面における中心位置と、中心位置から下半部を３等分する位置とに、合計３個設けている。
この場合も、水素導入管１６”から５０リットル／分の水素ガス、送風機から７６０リットル／分の空気を流したときの、水素導入管１６”から３０ｍｍ下流の各点における水素濃度変化は、（ｂ）に示すように、＋１〜−１％の範囲に収まって良好な混合状態が得られた。
【００５７】
図１９はこれらに対する比較例を示す。（ａ）に示すように開口９０Ａが入口管１３’の断面における中心位置とその上下の対称位置とに設けられている場合には、（ｂ）のように、断面内の部位によって水素濃度変化が＋５から−４％にまで大きくばらついている。したがって、これではヒートスポットが発生しやすくなり、安定した燃焼反応が得られない。
【００５８】
なお、第２の実施例では水素導入管１６’、１６”の先端部に圧力センサ１１６が設けられているので、その検出結果を用いてフィードバック制御を行うことにより、水素ガス流量の制御をより高精度に行うことができる。
一方、圧力センサを省略する場合には、水素導入管１６’、１６”は入口管１３’の断面の中心位置近傍の開口９０の近くを閉じた終端とすればよい。
【００５９】
以上に説明した各実施例における各流量や寸法値は例示であって、使用目的や必要容量に応じて適宜に設定できることは言うまでもない。
また、実施例では入口管１３、１３’へ供給する空気の流量を流量制御弁１２で制御するものとしたが、代わりに、送風機１１自体の直接制御によって空気の流量を制御するようにしてもよい。
【００６０】
【発明の効果】
以上のとおり、本発明の水素燃焼ヒータは、流路の上流側から順に電気加熱触媒、燃焼触媒、および熱交換器を設け、まず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、その燃焼ガスにより加熱した燃焼触媒でさらに混合ガスを燃焼させるものとし、電気加熱触媒および燃焼触媒における燃焼が緩酸化反応となるように燃料供給手段が水素ガスと空気の比率を制御するようにしたので、爆発や爆燃のおそれがなく、燃焼温度も過大とならない。
したがって、防爆、高熱対策が不要で、窒素酸化物の生成や熱応力の増大が抑えられ、安定な加熱性能が得られる。
さらに、電気加熱触媒より上流側に混合器を設けているので、電気加熱触媒に流入する前に水素ガスと空気が十分に混合されるから、電気加熱触媒にヒートスポットが発生せず、耐久性が向上する。
混合器はそれぞれ多孔素材の平板と波板とを重ねて巻き上げて形成し、各セルを流路の流れ方向に合わせて設置されるから、圧力損失を増大させることなく、空気と水素ガスが均一に混合される。
【００６１】
とくに、緩酸化反応で最高５００℃を得る値に水素ガスと空気の比率を設定することにより、水素爆発の心配もなく、安全に高温度を確保することができる。
【００６２】
電気加熱触媒は、第１の電極を中心に、少なくも触媒を担持した波板を含む素材を巻き上げて形成し、外周に設けた外筒に第２の電極を接続したものを、セルを流路の流れ方向に合わせて設置することにより、容易に作製でき、コストも低減する。
【００６３】
また、電気加熱触媒はその容量を燃焼触媒よりも小さくし、電気加熱触媒への通電による燃焼開始にあたっての水素ガスと空気の混合ガスの流量を、定常運転時の流量×電気加熱触媒の容量／（電気加熱触媒の容量＋燃焼触媒の容量）に制御することにより、小電力で短時間に触媒反応を開始でき、定常運転への立上がりが早い。
相対的に燃焼触媒の容量を電気加熱触媒より大きくするにあたっては、燃焼触媒の断面積を大きくすることにより、ヒータ全体が短く、コンパクトになる。
【００６４】
また、電気加熱触媒において、巻き上げ素材の外周側所定巻き数に対応する範囲に多孔を形成することにより、その抵抗値が増大して、発熱量が増大するので、外部への放熱があっても、外周部も中心部の変化に近い昇温特性を有することとなり、触媒反応が正常に進むので、早く定常運転に移行できる。
【００６５】
なお、電気加熱触媒の上流側端から所定範囲について巻き上げ素材に多孔を形成すれば、セルを流れる間に多孔を通して空気と水素ガスが細かく移動するので、別途独立の混合器を設けず短縮されたサイズのなかで、十分な混合作用が得られる。
【００６６】
燃料供給手段を構成する水素導入管が第１の絞り弁を備える第１の分岐路と第２の絞り弁を備える第２の分岐路を有し、第１の絞り弁は燃焼開始時に対応する水素ガスの流量を与え、第１の絞り弁と第２の絞り弁の両方を開いたとき定常運転時の水素ガスの流量が与えられるものとすることにより、燃焼開始にあたっては第１の絞り弁のみを開き、燃焼触媒が触媒反応を開始したらさらに第２の絞り弁を開くだけで適正な流量が供給されるから、燃料の流量制御が簡単となる。
【００６７】
また、水素導入管に第１の水素停止弁を備え、第１の分岐路には第１の絞り弁のかわりに第１の絞りを備え、第２の分岐路には第２の絞り弁のかわりに第２の水素停止弁および第２の絞りを備えるとともに、第１、第２の水素停止弁を空気または不活性ガスで作動する気体作動弁で構成することにより、例えば絞り弁に電磁弁を用いたときに発生し得る水素ガスと電気エネルギーの接触のおそれが回避され、水素爆発が確実に防止される。
【００６８】
さらにまた、水素導入管を入口管の周壁を貫通させて入口管の断面を下から上へ横切るように配置し、入口管の断面内における中心位置近傍および該中心位置近傍より入口管の底面側に、入口管の管軸方向上流に向けて複数の開口を設けることにより、水素導入管の直後で空気と水素ガスの良好な混合状態が得られ、電気加熱触媒のヒートスポット発生抑止に一層貢献する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例の全体構成を示す図である。
【図２】混合器の構造を示す図である。
【図３】混合器の作製要領を示す説明図である。
【図４】混合器の作製に用いる多孔素材の詳細を示す図である。
【図５】電気加熱触媒の構造を示す図である。
【図６】電気加熱触媒の作製に用いる素材の詳細を示す図である。
【図７】電気加熱触媒の外周部における昇温特性を示す図である。
【図８】電気加熱触媒における多孔の有無による温度分布の比較図である。
【図９】水素の燃焼特性を示す図である。
【図１０】水素と空気の混合比率と燃焼最高温度の関係を示す図である。
【図１１】混合器に用いる素材形状の他の例を示す図である。
【図１２】電気加熱触媒の素材における孔形状の他の例を示す図である。
【図１３】第２の実施例の構成を示す図である。
【図１４】第２の実施例における電気加熱触媒の構造を示す図である。
【図１５】第２の実施例における電気加熱触媒の作製に用いる素材の詳細を示す図である。
【図１６】水素導入管の詳細を示す拡大図である。
【図１７】第２の実施例における水素の混合状態を示す図である。
【図１８】変形例における水素の混合状態を示す図である。
【図１９】比較例における水素の混合状態を示す図である。
【符号の説明】
１０ フィルタ
１１ 送風機
１２ 流量制御弁
１３、１３’ 入口管
１５ 減圧弁
１６、１６’ 水素導入管
１７ 分岐路（第１の分岐路）
１８ 分岐路（第２の分岐路）
１９ 第１の絞り弁
２０ 第２の絞り弁
３０ ヒータユニット
３１、３１’ ケーシング（流路）
３２、３２’ 小径部
３３ 大径部
３４ 断熱材
４０ 混合器
４１ 多孔素材
４２、５２、８２ 平板
４３、５３、８３ 波板
４４、５７、８７ 孔
４５、５８ セル
５０、８０ 電気加熱触媒
５１、８１ 素材
５４、８４ 外筒
５５、８５ 第１電極
５６ 第２電極
６０ 燃焼触媒
６４ 熱交換器
６５ ウォータポンプ
６６ 水導入管
６７ 水排出管
７０ 消音器
７３、７４、７５、７６、７８ 温度センサ
７７ 圧力センサ
７９ リリーフ弁
８６ 多孔部
９０ 開口
１００ 水素停止弁（第１の水素停止弁）
１０２ 第１の絞り
１０４ 水素停止弁（第２の水素停止弁）
１０６ 第２の絞り
１０８、１０９ 気体供給管
１１０、１１２ ３方電磁弁
１１４ フィルタ
１１６ 圧力センサ

Claims (10)

1. 燃料供給手段（１１、１２、１３、１３’、１５、１６、１６’、１９、２０、１００、１０２、１０４、１０６）により水素ガスと空気とが供給される流路（３１）に、上流側から順に、流路に供給された水素ガスと空気とを混合する混合器（４０）、電気加熱触媒（５０）、燃焼触媒（６０）、および熱媒体を通流させる熱交換器（６４）を設け、
   前記混合器（４０）は、それぞれ多孔素材の平板（４２）と波板（４３）とを重ねて巻き上げて形成され、巻き上げ後の各層間に形成される各セル（４５）を流路（３１）の流れ方向に合わせて設置されており、
   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、
   前記燃料供給手段は、電気加熱触媒および燃焼触媒における燃焼を緩酸化反応とするよう水素ガスと空気の比率を制御することを特徴とする水素燃焼ヒータ。
2. 前記水素ガスと空気の比率は、緩酸化反応で最高５００℃を得る値に設定されることを特徴とする請求項１記載の水素燃焼ヒータ。
3. 前記電気加熱触媒（５０）は、第１の電極（５５）を中心に、少なくも触媒を担持した波板（５３）を含む素材を巻き上げて形成されるとともに、外周に設けた外筒（５４）に第２の電極（５６）が接続され、巻き上げ後の各層間に形成されるセル（５８）を流路（３１）の流れ方向に合わせて設置されていることを特徴とする請求項１また２記載の水素燃焼ヒータ。
4. 前記電気加熱触媒（５０）の容量を燃焼触媒（６０）の容量よりも小さく設定し、
   電気加熱触媒への通電による燃焼の開始にあたっては、燃料供給手段（１１、１２、１３、１３’、１５、１６、１６’、１９、２０、１００、１０２、１０４、１０６）により供給される水素ガスと空気の混合ガスの流量を、定常運転時の流量×電気加熱触媒の容量／（電気加熱触媒の容量＋燃焼触媒の容量）に制御するよう構成されていることを特徴とする請求項１、２または３記載の水素燃焼ヒータ。
5. 前記燃焼触媒（６０）は電気加熱触媒（５０）よりも断面積を大きく設定され、これに対応して前記流路（３１）の流路断面積は燃焼触媒の設置部位において電気加熱触媒の設置部位よりも大きいことを特徴とする請求項４記載の水素燃焼ヒータ。
6. 前記電気加熱触媒（５０）は、巻き上げ素材の外周側所定巻き数に対応する範囲に多孔（５７）を形成してあることを特徴とする請求項３、４、または５記載の水素燃焼ヒータ。
7. 前記電気加熱触媒（８０）は、その上流側端から所定範囲について巻き上げ素材に多孔部（８６）を形成してあることを特徴とする請求項３、４または５記載の水素燃焼ヒータ。
8. 前記燃料供給手段は、一端に送風機（１１）が接続されるとともに前記流路（３１）の上流端に接続される入口管（１３）と、該入口管に開口する水素導入管（１６）とを含み、
   水素導入管は第１の絞り弁（１９）を備える第１の分岐路（１７）と第２の絞り弁（２０）を備える第２の分岐路（１８）を有し、
   第１の絞り弁は燃焼開始時に対応する水素ガスの流量を与え、第１の絞り弁と第２の絞り弁の両方を開いたとき定常運転時の水素ガスの流量が与えられることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の水素燃焼ヒータ。
9. 前記燃料供給手段は、一端に送風機（１１）が接続されるとともに前記流路（３１）の上流端に接続される入口管（１３’）と、該入口管に開口し、第１の水素停止弁（１００）を備える水素導入管（１６’）とを含み、
   水素導入管は第１の絞り（１０２）を備える第１の分岐路（１７）と第２の水素停止弁（１０４）および第２の絞り（１０６）を備える第２の分岐路（１８）を有し、
   第１の水素停止弁および第２の水素停止弁は空気または不活性ガスを作動流体とする気体作動弁とされ、
   第１の水素停止弁を開いたとき第１の絞りは燃焼開始時に対応する水素ガスの流量を与え、さらに第２の水素停止弁を開いたとき定常運転時の水素ガスの流量が与えられることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の水素燃焼ヒータ。
10. 前記水素導入管（１６’）は、入口管（１３’）の周壁を貫通させて、入口管の断面を下から上へ横切るように配置され、入口管の断面内における中心位置近傍および該中心位置近傍より入口管の底面側に複数の開口を有し、該開口は入口管の管軸方向上流に向かって設けられていることを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載の水素燃焼ヒータ。

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