JP3969394B2 - 触媒燃焼加熱装置 - Google Patents

Description

本発明は、家庭用あるいは自動車用暖房器の熱源等に用いられ、燃料ガスの触媒による酸化反応熱を利用して被加熱流体を加熱する触媒燃焼加熱装置に関する。

従来、家庭用、自動車用をはじめ様々な用途において、熱源の発生熱を熱媒（被加熱流体）を介して利用することが行われている。

被加熱流体を加熱する装置として、可燃性ガス（燃料ガス）を酸化触媒を用いて燃焼させ、発生する熱を利用して被加熱流体を加熱する触媒燃焼加熱装置が知られている。このような触媒燃焼加熱装置は、通常、液体または気体の被加熱流体が流れるチューブの外周に一体に接合した多数のフィンに、白金やパラジウム等の酸化触媒を担持した触媒付熱交換器を備え、上記多数のフィンに燃料ガスを接触させて酸化反応を生起するようになしてある。

従来の触媒燃焼加熱装置としては、たとえば、容器と、容器内に形成される燃料ガス流路と、該燃料ガス流路内に配設され、内部を被加熱流体が流れる複数のチューブとその外周に接合され表面に燃料ガスと接触して酸化反応を生起する酸化触媒を担持したフィンを有する触媒付熱交換器とを備え、上記フィンの表面積は、接合されるチューブの設置位置によって異なり、燃料ガス流路の上流側で小さく、下流側で大きくなるように設定されるとともに、触媒付熱交換器内の被加熱流体の進行方向が、燃料ガスの流れ方向と逆方向となるように構成したものがある（特許文献１参照）。

これにより、燃料ガス濃度が高く且つ被加熱流体の温度が高い燃料ガス流路上流側においてチューブ周りに設けられるフィンの表面積を小さくして、フィンやチューブの異常昇温を防止して安全性を高めることができる。一方、燃料ガス流路の下流側では、フィンの表面積が大きいので十分な発熱量が得られ、また、被加熱流体は燃料ガス流路の下流側で低温であるので、その温度差を利用して熱交換効率を向上させることができる。
特開平１０−１４８４０２号公報

一般に、触媒燃焼においては、燃料ガス流路内における触媒表面積をできるだけ大きくすることが望ましい。上記従来の触媒燃焼加熱装置においては、被加熱流体が流れるチューブに設けられている熱伝達用フィン表面に触媒が担持されている。

また、触媒には、触媒としての機能、すなわち酸化機能を十分に発揮することのできる固有の温度（活性温度）が存在する。すなわち、この活性温度以下においては、活性が低下してしまう。また、触媒は、ある温度（耐熱温度）以上の高温になると触媒自体が劣化する、あるいは揮散してしまうという特性がある。すなわち、触媒燃焼においては、触媒温度を上述した活性温度以上、耐熱温度以下の温度範囲に維持することが重要である。

ところで、上述した従来の触媒燃焼加熱装置においては、触媒は、被加熱流体が流れるチューブに設けられている熱伝達用フィン表面に担持されている。また、フィンの熱容量に比べて被加熱流体の熱容量は遥かに大きい。このため、燃焼ガスからフィンに伝達された熱は直ちに低温の被加熱流体に伝達されてしまい、フィン温度、すなわち触媒温度が活性温度以上に上がるまでに長時間を要することになる。

この対策として、フィンをチューブから切り離す、つまり触媒が担持される部材から被加熱流体への熱伝達を生じないようにすれば、短時間で触媒温度を活性温度以上に上げることができる。

しかしながら、このような構成では触媒温度を下げることができないため、触媒燃焼時間の経過とともに触媒温度が上昇し、触媒の耐熱温度をこえてしまう恐れがある。

本発明は、上記の問題点に鑑みて成されたものであり、その目的は、触媒が担持されるフィンの構成に工夫を凝らして、触媒反応開始後、触媒温度を短時間で活性温度以上に上昇させ且つ触媒温度を所定の温度範囲内に維持することができる触媒燃焼加熱装置を提供することである。

本発明は、上記目的を達成する為に以下の技術的手段を採用する。

本発明の請求項１に記載の触媒燃焼加熱装置は、容器と、容器内に形成され燃料ガスが流れる燃料ガス流路と、燃料ガス流路内に配設され、内部を被加熱流体が流れる複数のチューブと、隣り合うチューブ間に配設され、その表面に燃料ガスと接触して酸化反応を生起する酸化触媒を担持したフィンとを備え、燃料ガス通路内において燃料ガスを触媒燃焼させ、その発生熱によりチューブ内の被加熱流体を加熱する触媒燃焼加熱装置において、フィンを特定の温度にて形状が変化するバイメタル構造として形成し、フィン温度が低いときはフィンがチューブ表面から離れ、フィン温度が高い時はフィンがチューブ表面に接触する構成とした。

上記構成によれば、触媒燃焼加熱装置作動開始直後のフィン温度が低い時においては、フィンはチューブ表面から離れている。このため、燃料ガスの触媒燃焼による発生熱がフィンに伝達されると、この熱はチューブから被加熱流体に伝達されることなく、フィンの温度上昇、すなわち触媒の温度上昇のみに寄与する。

したがって、触媒温度は、従来の触媒燃焼加熱装置の場合よりも短い時間で活性温度以上に上昇する。

一方、フィン温度が上昇するに連れて、バイメタルにより形成されたフィンが徐々に変形する。そして、フィン温度が所定の温度に達すると、フィンがチューブに接触する。すると、フィンの熱がチューブへ、さらには被加熱流体へ伝達される。これにより、フィン温度、すなわち触媒温度が徐々に低下するので、触媒温度が耐熱温度以上になることを防止できる。

フィンからチューブを経て被加熱流体への熱伝達の経過に連れて、さらにフィン温度が降下すると、バイメタルにより形成されたフィンが徐々に変形し、やがてフィンはチューブ表面から離れる。これにより、フィン温度、すなわち触媒温度は再び徐々に上昇するので、触媒温度が活性温度以下になることを防止できる。

以上から、本発明の請求項１に記載の触媒燃焼加熱装置においては、触媒反応開始後、触媒温度を短時間で活性温度以上に上昇させ且つ触媒温度を所定の温度範囲内に維持することができる触媒燃焼加熱装置を実現することができる。

本発明の請求項２に記載の触媒燃焼加熱装置は、フィンは、フィンを挟み込むように隣り合って構成されたチューブの一方に対しフィンの変形によりチューブと接触できる少なくとも１箇所が燃料ガスの流れる方向に延びる線上に接合され、フィン温度が低いときはチューブに接合されていない残りの箇所がチューブから離れ、フィン温度が高い時はフィンが全てチューブに接触する構成とした。

この構成においては、フィン温度が低いときはフィンとチューブとの接触面積が小さく、フィン温度が高い時はフィンとチューブとの接触面積が大きくなっている。言い換えると、フィン温度が低いときはフィンからチューブへの伝達熱量が小さく、フィン温度が高い時はフィンからチューブへの伝達熱量が大きくなっている。したがって、本発明の請求項１に記載の触媒燃焼加熱装置と同様に、触媒反応開始後、触媒温度を短時間で活性温度以上に上昇させ且つ触媒温度を所定の温度範囲内に維持することができる触媒燃焼加熱装置を実現することができる。

また、本発明の請求項２に記載の触媒燃焼加熱装置では、フィンは予めチューブに接合固定されているので、触媒燃焼加熱装置の組付け性を向上することができる。

本発明の請求項３に記載の触媒燃焼加熱装置は、フィンを、フィン温度が上昇するに連れてフィンとチューブ表面との接触面積が増加するような形状とする構成とした。

この場合、フィンからチューブへの伝達熱量は、フィンとチューブとの接触面積にほぼ比例する。したがって、フィン温度が上昇すると、フィンが変形してフィンとチューブとの接触面積が増加し、フィンからチューブへの伝達熱量も増加する。その結果、フィンの温度上昇が抑制されるので、フィン温度が耐熱温度以上に上昇してフィンに担持される触媒が劣化することを防止できる。

本発明の請求項４に記載の触媒燃焼加熱装置は、フィンを部分的にバイメタル構造として形成し、フィンのバイメタル構造ではない部分に酸化触媒を担持する構成とした。

一般に、バイメタルは、熱膨張率の異なる２種の金属の帯状薄板を溶接して一枚の板としており、温度変化により湾曲度合いが変化する。触媒燃焼加熱装置のフィンをバイメタルにより形成した場合、フィンは、触媒燃焼加熱装置の起動・停止の度に湾曲作動を繰返すことになる。すなわち、酸化触媒が担持される基材であるバイメタルが曲げ変形を繰返すことになる。このため、酸化触媒とバイメタル間の接着強度が低下して、酸化触媒がバイメタルから剥離する恐れがある。

ここで、本発明の請求項４に記載の触媒燃焼加熱装置のような構成とすれば、酸化触媒が担持される基材はほとんど曲げ変形しないので、触媒燃焼加熱装置の使用過程において酸化触媒とバイメタル間の十分な接合強度を維持することができる。

本発明の請求項５に記載の触媒燃焼加熱装置は、前記燃料ガスは水素ガスである構成とした。

これにより、たとえば、水素を燃料とする燃料電池システムの燃料電池スタック予熱装置に等に適用した場合でも、触媒反応開始後、触媒温度を短時間で活性温度以上に上昇させ且つ触媒温度を所定の温度範囲内に維持することができる。

（第１実施形態）
以下、本発明の一実施形態による触媒燃焼加熱装置を、燃料電池システム中において燃料電池スタック冷却回路中に設けられている触媒燃焼ヒータ１に適用した場合を例に図に基づいて説明する。

図１は、本発明の第１実施形態による触媒燃焼ヒータ１が設けられている燃料電池スタック冷却回路１００の全体構成を説明する模式図である。

図２は、本発明の第１実施形態による触媒燃焼ヒータ１の断面図であり、図３のＩＩ
Ｉ−ＩＩ線断面図である。

図３は、本発明の第１実施形態による触媒燃焼ヒータ１の断面図であり、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。

図４は、本発明の第１実施形態による触媒燃焼ヒータ１における、燃料ガスの流れおよび冷却水の流れを説明する模式図であり、図２中のＩＶ矢視図である。

図５は、図３中のＶ部拡大図である。

図２、図３および図５は、触媒燃焼ヒータ１の非作動時、すなわちフィン４温度が低い状態を示す。

図６は、図３中のＶ部拡大図であり、触媒燃焼ヒータ１作動中、すなわちフィン温度が高い状態を示す。

燃料電池スタック冷却回路１００は、図１に示すように、燃料電池スタック１０１と、燃料電池スタック１０１から発して再び燃料電池スタック１０１へ戻るループ状の冷却水通路１０２と、冷却水通路１０２の途中に設けられて冷却水の熱を空気へ放散させるラジエータ１０３と、冷却水通路１０２の途中に設けられて冷却水通路１０２内に冷却水を循環させるポンプ１０４と、ラジエータ１０３をバイパスするように設けられるバイパス通路１０５と、バイパス通路１０５の途中に設けられる触媒燃焼ヒータ１と、冷却水通路１０２とバイパス通路１０５との分岐点に設けられ触媒燃焼ヒータ１の連通およびラジエータ１０３の遮断と触媒燃焼ヒータ１の遮断およびラジエータ１０３の連通とを切り替える切り替え弁１０６とから構成されている。また、触媒燃焼ヒータ１へは、燃料ガスである水素ガスと空気との混合気を形成する混合気生成装置１０７から、混合気通路１０８を経て混合気が供給されている。また、触媒燃焼ヒータ１には、燃焼排気を排出する排気管１０９が接続されている。

燃料電池スタック１０１は、所定の温度範囲内にある時に、発電機能を十分に発揮するとともに、通常作動時においては発熱する。このため、燃料電池スタック冷却回路１００により燃料電池スタック１０１を冷却して、燃料電池スタック１０１の温度を適切な範囲に維持する必要がある。

一方、燃料電池スタック１０１の低温起動時（例えば−３０℃）において、燃料電池スタック１０１は、触媒が活性温度以下であることや反応ガス経路の凍結などによって、発電することができない。そこで、燃料電池スタック１０１の起動時に触媒燃焼ヒータ１を作動させて冷却水を温め、それにより燃料電池スタックを暖機して、短時間で燃料電池スタック１０１が発電できる状態に達するようにしている。

以下に、本発明の第１実施形態による触媒燃焼ヒータ１の構成について説明する。

触媒燃焼ヒータ１は、図２に示すように、容器であるケーシング２内に、燃料ガスである水素と空気の混合気が流れる燃料ガス通路である燃焼通路２３が形成され、燃焼通路２３内には、被加熱流体である冷却水が流れるチューブ３１が複数配置されている。さらに、隣り合う２つのチューブ３１間の燃焼通路２３には、酸化触媒４１が担持されるフィンが配設されている。

容器であるケーシング２は、耐熱性金属、たとえばステンレス鋼板等から形成され、図２に示すように、燃料ガスである水素と空気の混合気が流れる燃料ガス流路である燃焼通路２１形成されている。燃焼通路２１の両端側には、図２に示すように、燃料ガスの入口である混合気導入口２２、および排気出口である排気流出口２３が形成されている。また、ケーシング２内には、被加熱流体である冷却水が流れるチューブ３１を備える冷却水ジャケット３が設けられている。

冷却水ジャケット３は、耐熱性金属、たとえばステンレス鋼板等から形成され、図２に示すように、冷却水が流れるチューブ３１を複数（本発明の第１実施形態においては４個）備えている。また、冷却水ジャケット３は、冷却水の入口である冷却水導入口３２、冷却水の出口である冷却水流出口３３を備えている。各チューブ３１の一方の端部は、図３に示すように、冷却水導入口３２に連通するとともに、各チューブ３１の他方の端部は、図３に示すように、冷却水流出口３３に連通している。

本発明の第１実施形態による触媒燃焼ヒータ１において、燃料ガス、すなわち水素と空気の混合気、その燃焼ガスは、燃焼通路２１内を、図４中に矢印Ｇで示す方向に流れる。一方、冷却水は、冷却水ジャケット３内を、図４中に矢印Ｗで示す方向に流れる。

また、ケーシング２内において、各チューブ３１間に形成される空間である燃焼通路２１には、酸化触媒４１を担持したフィン４が配設されている。

フィン４は、図３に示すように略Ｕ字状断面を有し、且つ燃焼通路２１の長手方向、つまり図２における左右方向に長さを有する略雨樋状に形成されている。フィン４は、図５に示すように、略Ｕ字状の外側に配置される第１金属４２と略Ｕ字状の内側に配置される第２金属４３とからなるバイメタルの表面に酸化触媒４１を担持して構成されている。フィン４において、第１金属４２の熱膨張係数は第２金属４３の熱膨張係数より大きくなるように材質が選定されている。

フィン４は、チューブ３１の表面にＵ字の底部を当接させて、すなわち、図５中に示す接合部Ｂを介して、チューブ３１に接合（たとえば、ろう付け等により）されている。接合部Ｂは、フィン４の長手方向に延びる線状に形成されるとともに、接合部Ｂの面積は、フィン４をチューブ３１に保持可能な必要最小限度に小さく設定されている。また、本発明の第１実施形態による触媒燃焼ヒータ１においては、図３に示すように、各チューブ３１間に４個のフィン４がＵ字の上下方向を交互にして配置されている。さらに、フィン４は、低温時、たとえば触媒燃焼ヒータ１が作動していないときには、フィン4が接合されるチューブ３１と対向するチューブ３１の表面から離れているように、言い換えると、図５に示すように、チューブ３１の表面との間に所定の隙間Ｃを形成して配置されている。

次に、本発明の第１実施形態による触媒燃焼ヒータ１の特徴である、フィン４の、特に触媒燃焼ヒータ１作動中に於ける作用・効果について説明する。

（１）触媒燃焼ヒータ１起動直後。

触媒燃焼ヒータ１が起動され、混合気生成装置１０７からの水素と空気の混合気が触媒燃焼ヒータ１内に流入すると、この混合気は酸化触媒４１により酸化が促進され、いわゆる触媒燃焼が開始される。触媒燃焼による発生熱の一部はフィン４に伝達される。フィン４への伝達熱の一部は、接合部Ｂからチューブ３１へ伝達され、さらに冷却水へ伝達される。残りはフィン４の温度を上昇させる。

ここで、従来の触媒燃焼加熱装置においては、触媒は、被加熱流体が流れるチューブに設けられている熱伝達用フィン表面に担持されている。この熱伝達用フィンは、燃焼ガスからフィンに伝達された熱を高効率でチューブへ伝達できるような形状に形成されているとともに、フィンの熱容量に比べて被加熱流体の熱容量は遥かに大きい。このため、燃焼ガスからフィンに伝達された熱は直ちに低温の被加熱流体に伝達されてしまい、フィン温度、すなわち触媒温度が活性温度以上に上がるまでに長時間を要することになる。

これに対して、本発明の第１実施形態による触媒燃焼ヒータ１においては、フィン４からチューブ３１への熱伝導経路である接合部Ｂの断面積をフィン４をチューブ３１に保持可能な必要最小限度に小さく設定されている。したがって、フィン４からチューブ３１へ伝わる熱量はわずかであり、触媒燃焼ガスからフィン４へ伝達された熱の大部分は、フィン４の温度上昇に費やされる。

これにより、酸化触媒４１の温度は速やかに上昇するので触媒燃焼ヒータ１の起動後短時間で、活性温度以上に到達する。したがって、触媒燃焼ヒータ１の起動後短時間で、触媒燃焼の発熱量を最大レベルにし、且つ燃焼を安定して維持することができる。

（２）触媒燃焼ヒータ１の定常作動中・・・その１。

触媒燃焼ヒータ１の起動後、触媒燃焼ヒータ１が安定作動を続けている場合、フィン４温度は上昇し続ける。酸化触媒４１温度も、フィン４温度とともに上昇し続ける。

一方、バイメタルである第１金属４２および第２金属４３は、触媒燃焼ヒータ１起動直後から熱膨張を開始し変形を始める。第１金属４２の熱膨張係数が第２金属４３の熱膨張係数より大きいので、第１金属４２の伸び量がより大きくなり、その結果、フィン４は、図５中において、矢印で示す方向に変形する。すなわち、図５において、フィン４は、先端が内側且つ下側に向かって変形する。

ところで、酸化触媒４１には、触媒として酸化機能を十分に発揮することのできる固有の温度、すなわち活性温度が存在する。酸化触媒４１温度が活性温度よりも低くなると、触媒機能が低下する。また、活性温度を超え、さらに高温になり、ある温度以上つまり耐熱温度以上になると触媒自体が劣化する、あるいは揮散してしまうという特性がある。そこで、触媒燃焼においては、酸化触媒４１温度を上述した活性温度以上、耐熱温度以下の範囲内に維持することが重要な課題である。

本発明の第１実施形態による触媒燃焼ヒータ１においては、触媒燃焼ヒータ１の定常作動中において、酸化触媒４１温度が設定温度範囲（活性温度以下、触媒の耐熱温度あるいはフィンの耐熱温度以下）の上限値に近づくと、図６に示すように、フィン４の先端がチューブ３１の表面に押圧接触して、フィン４とチューブ３１との接触面積が増加する、言い換えると、フィン４からチューブ３１への熱伝導経路面積が増大する。したがって、フィン４からチューブ３１に伝導される熱量が増加してフィン４温度、つまり酸化触媒４１温度が低下する。

これにより、酸化触媒４１の過熱による劣化や揮散を確実に防止することができる。

（３）触媒燃焼ヒータ１の定常作動中・・・その２。

上述したように、フィン４の先端がチューブ３１の表面に押圧接触して、フィン４からチューブ３１に伝導される熱量が増加してフィン４温度、つまり酸化触媒４１温度が低下する。同時に、バイメタルである第１金属４２および第２金属４３は、熱収縮を開始し徐々に変形する。このときフィン４は、図６中において矢印で示す方向に変形する。

さらに時間が経過して、酸化触媒４１温度が活性温度に近づくと、フィン４の先端がチューブ３１表面から離れて、図５に示すような状態となる。

これにより、フィン４からチューブ３１への伝導熱量が減少し、フィン４温度、つまり酸化触媒４１温度は再び上昇を開始する。

すなわち、触媒燃焼ヒータ１の定常作動中において、フィン４は、上述した（２）および（３）に説明したような変形を繰返す。これにより、フィン４に担持された酸化触媒４１の温度を活性温度以上、耐熱温度以下（あるいはフィンの耐熱温度以下）の範囲内に確実に維持することができる。

以上をまとめると、本発明の第１実施形態による触媒燃焼ヒータ１においては、フィン４を、第１金属４２および第２金属４３の接合体であるバイメタル構造として形成し、且つその表面に酸化触媒４１を担持させ、このフィン４を、隣り合うチューブ３１の一方に燃料ガスの流れる方向に伸びる線状に接合し、フィン４温度が低いときはフィン４が隣り合うチューブ３１の他方の表面から離れ、フィン４温度が高い時はフィン４が隣り合うチューブ３１の他方の表面に接触する構成とした。

すなわち、フィン４温度が低いときはフィン４とチューブ３１との接触面積がわずかであり、フィン４温度が上昇するとフィン４とチューブ３１との接触面積が増大するように構成した。

これにより、フィン４温度、つまり酸化触媒４１温度が低い触媒燃焼ヒータ１起動時において、酸化触媒４１温度を速やかに活性温度以上に到達させることができる。したがって、触媒燃焼ヒータ１の起動後短時間で、触媒燃焼の発熱量を最大レベルにし、且つ燃焼を安定して維持することができる。

さらに、触媒燃焼ヒータ１の定常作動中において、フィン４の先端とチューブ３１との離間および押圧接触を繰返すことにより、フィン４に担持された酸化触媒４１の温度を活性温度以上、耐熱温度以下（あるいはフィンの耐熱温度以下）の範囲内に確実に維持することができる。

したがって、酸化触媒４１が担持されるフィン４をバイメタル構造とするという容易な手段の採用により、触媒燃焼ヒータ１起動後、短時間で酸化触媒４１温度を活性温度以上に上昇させ、且つ酸化触媒４１温度を活性温度以上、耐熱温度以下（あるいはフィンの耐熱温度以下）の範囲内に維持可能な触媒燃焼ヒータ１を提供することができる。

なお、本発明の第１実施形態による触媒燃焼ヒータ１においては、フィン４のバイメタルを構成する第１金属４２および第２金属４３の材質を適宜選定し、且つ低温時におけるフィン４の先端とチューブ３１との隙間Ｃを調整することにより、フィン４の先端とチューブ３１とが押圧接触する温度を任意の値に設定することができる。したがって、フィン４に担持する酸化触媒４１の種類が変更になり、それに伴って、酸化触媒４１の活性温度や耐熱温度（あるいはフィンの耐熱温度）が変わる場合でも、上述の手段を講じることにより容易に対応することができる。

（第２実施形態）
図７は、本発明の第２実施形態による触媒燃焼ヒータ１の拡大断面図であり、図５に相当する。

図８は、本発明の第２実施形態による触媒燃焼ヒータ１の拡大断面図であり、図６に相当する。

本発明の第２実施形態による触媒燃焼ヒータ１においては、本発明の第１実施形態による触媒燃焼ヒータ１に対して、フィン４の形状が異なっている。

本発明の第１実施形態による触媒燃焼ヒータ１においては、フィン４全体をバイメタル構造、つまり第１金属４２と第２金属４３の積層構造としている。これに対して、本発明の第２実施形態による触媒燃焼ヒータ１においては、フィン４の一部分をバイメタル構造、つまり第１金属４２と第２金属４３の積層構造とし、且つ酸化触媒４１をバイメタル構造ではない部分にのみ担持している。すなわち、図７に示すように、フィン４全体を第２金属４３から形成し、フィン４とチューブ３１との接合部Ｂ近傍にのみ第１金属４２を積層させ、この部分だけをバイメタル構造としている。さらに、酸化触媒４１を、図７に示すように、第２金属４３の表面でバイメタル構造ではない部分にのみ担持している。

本発明の第１実施形態による触媒燃焼ヒータ１のフィン４の場合、フィン４温度が上昇すると、フィン４が変形してチューブ３１に接触するが、このとき、接合部Ｂ近傍のバイメタル構造の変形が、フィン４とチューブ３１との接触に対する寄与率が高い。言い換えると、フィン４の接合部Ｂ近傍のみをバイメタル構造として形成すれば、フィン４温度上昇にともなってフィン４をチューブ３１に接触させることが可能である。

また、酸化触媒４１においては、担持される部材の表面の変形量が大きいと、酸化触媒４１と担持される部材間の接合力が低下する、あるいは酸化触媒４１が剥離する可能性がある。

そこで、本発明の第２実施形態による触媒燃焼ヒータ１におけるフィン４の構成とすれば、本発明の第１実施形態による触媒燃焼ヒータ１におけるフィン４の効果、すなわち、触媒燃焼ヒータ１起動後、短時間で酸化触媒４１温度を活性温度以上に上昇させ、且つ酸化触媒４１温度を活性温度以上、耐熱温度以下（あるいはフィンの耐熱温度以下）の範囲内に維持可能な触媒燃焼ヒータ１を実現できる、という効果が得られ、さらに、触媒燃焼ヒータ１の使用過程において、酸化触媒４１がフィン４から剥離するという不具合を確実防止することができる。

（第３実施形態）
図９は、本発明の第３実施形態による触媒燃焼ヒータ１が設けられている燃料電池スタック冷却回路２００の全体構成を説明する模式図である。

本発明の第３実施形態による触媒燃焼ヒータ１が設けられている燃料電池スタック冷却回路２００においては、燃料電池スタック１０１から発して再び燃料電池スタック１０１へ戻るループ状の冷却水通路１０２の途中に、図９に示すように、暖房用のヒータコア１１２を設けるとともに、触媒燃焼ヒータ１を、暖房用のヒータコア１１２を通過する温水の加熱用としても利用している。

燃料電池スタック冷却回路２００においては、図７に示すように、燃料電池スタック１０１からラジエータ１０３へ向かう冷却水経路である冷却水通路１０２とバイパス通路１０５との接続点に切り替え弁１１０を配置している。また、バイパス通路１０５の触媒燃焼ヒータ１の下流側とヒータコア１１２とを連通するヒータ導入管１１１と、ヒータコア１１２と冷却水通路１０２の切り替え弁１１０下流側且つラジエータ１０３の上流側の部分を連通するヒータ流出管１１３とを設けている。

次に、本発明の第３実施形態による触媒燃焼ヒータ１が設けられている燃料電池スタック冷却回路２００の作動について説明する。

（１）触媒燃焼ヒータ１起動直後、すなわち燃料電池スタック１０１暖機時。

この場合、燃料電池スタック冷却回路２００は、燃料電池スタック１０１の暖機機能を果たしている。

このとき、切り替え弁１０６、１１０は、冷却水がラジエータ１０３を通過しないように切り替えられるので、燃料電池スタック冷却回路２００における冷却水の流れは、図１０中において黒く塗りつぶした経路となる。

（２）触媒燃焼ヒータ１停止時、且つ燃料電池スタック１０１冷却時。

この場合、燃料電池スタック冷却回路２００は、燃料電池スタック１０１の冷却機能を果たしている。

このとき、切り替え弁１０６、１１０は、バイパス通路１０５の両端を遮断して触媒燃焼ヒータ１内を冷却水が通過しないように切り替えられるので、燃料電池スタック冷却回路２００における冷却水の流れは、図１１中において黒く塗りつぶした経路となる。

（３）触媒燃焼ヒータ１作動時、且つ燃料電池スタック１０１冷却時。

この場合、燃料電池スタック冷却回路２００は、燃料電池スタック１０１の冷却と、ヒータコア１１２による暖房作動との両方の機能を果たしている。

このとき、切り替え弁１０６は、冷却水通路１０２とバイパス通路１０５とを遮断し、切り替え弁１１０は、冷却水通路１０２とバイパス通路１０５とを連通するように切り替えられるので、燃料電池スタック冷却回路２００における冷却水の流れは、図１２中において黒く塗りつぶした経路となる。

ここで、燃料電池スタック１０１を経て触媒燃焼ヒータ１に流入する冷却水の温度は、燃料電池スタック１０１からの熱を奪うことにより高くなっているので、触媒燃焼ヒータ１は、燃料電池スタック１０１により既に温められた冷却水をヒータコア１１２による暖房放熱量上必要な温度との差だけ高めるだけでよい。したがって、ヒータコア１１２による暖房放熱量が小さい場合は、触媒燃焼ヒータ１を停止させることも可能である。

以上説明した、本発明の第３実施形態による触媒燃焼ヒータ１において、フィン４の構成は、本発明の第１、第２実施形態による触媒燃焼ヒータ１と同様であるので、酸化触媒４１が担持されるフィン４をバイメタル構造とするという容易な手段の採用により、触媒燃焼ヒータ１起動後、短時間で酸化触媒４１温度を活性温度以上に上昇させ、且つ酸化触媒４１温度を活性温度以上、耐熱温度以下（あるいはフィンの耐熱温度以下）の範囲内に維持することができる。

なお、以上説明した、本発明の第１〜第３実施形態による触媒燃焼ヒータ１においては、燃料として水素ガスを使用しているが、水素ガスに限定する必要はなく、他の種類の気体燃料を用いてもよい。

本発明の第１実施形態による触媒燃焼ヒータ１が設けられている燃料電池スタック冷却回路１００の全体構成を説明する模式図である。 本発明の第１実施形態による触媒燃焼ヒータ１の断面図であり、図３のＩＩＩ−ＩＩ線断面図である。 本発明の第１実施形態による触媒燃焼ヒータ１の断面図であり、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。 本発明の第１実施形態による触媒燃焼ヒータ１における、燃料ガスの流れおよび冷却水の流れを説明する模式図であり、図２中のＩＶ矢視図である。 図３中のＩＶ部拡大図であり、フィン４温度が低い状態を示す。 図３中のＩＶ部拡大図であり、フィン４温度が高い状態を示す。 本発明の第２実施形態による触媒燃焼ヒータ１の拡大断面図であり、図５に相当する。 本発明の第２実施形態による触媒燃焼ヒータ１の拡大断面図であり、図６に相当する。 本発明の第３実施形態による触媒燃焼ヒータ１が設けられている燃料電池スタック冷却回路２００の全体構成を説明する模式図である。 本発明の第３実施形態による触媒燃焼ヒータ１が設けられている燃料電池スタック冷却回路２００における冷却水流通経路を説明する模式図である。 本発明の第３実施形態による触媒燃焼ヒータ１が設けられている燃料電池スタック冷却回路２００における冷却水流通経路を説明する模式図である。 本発明の第３実施形態による触媒燃焼ヒータ１が設けられている燃料電池スタック冷却回路２００における冷却水流通経路を説明する模式図である。

符号の説明

１ 触媒燃焼ヒータ（触媒燃焼加熱装置）
２ ケーシング（容器）
２１ 混合気導入口
２２ 排気流出口
２３ 燃焼通路（燃料ガス流路）
３ 冷却水ジャケット
３１ チューブ
３２ 冷却水導入口
３２ 冷却水流出口
４ フィン
４１ 酸化触媒
４２ 第１金属（バイメタル）
４３ 第２金属（バイメタル）
１００ 燃料電池スタック冷却回路
１０１ 燃料電池スタック
１０２ 冷却水通路
１０３ ラジエータ
１０４ ポンプ
１０５ バイパス通路
１０６ 切り替え弁
１０７ 混合気生成装置
１０８ 混合気通路
１０９ 排気管
１１０ 切り替え弁
１１１ ヒータ導入管
１１２ ヒータコア
１１３ ヒータ流出管
２００ 燃料電池スタック冷却回路
Ｂ 接合部
Ｇ 矢印
Ｗ 矢印

Claims (5)

1. 容器と、
   容器内に形成され燃料ガスが流れる燃料ガス流路と、
   前記燃料ガス流路内に配設され、内部を被加熱流体が流れる複数のチューブと、
   隣り合う前記チューブ間に配設され、その表面に前記燃料ガスと接触して酸化反応を生起する酸化触媒を担持したフィンとを備え、
   前記燃料ガス通路において前記燃料を触媒燃焼させ、その発生熱により前記チューブ内の被加熱流体を加熱する触媒燃焼加熱装置において、
   前記フィンをバイメタル構造として形成し、前記フィン温度が低いときは前記フィンが前記チューブ表面から離れ、前記フィン温度が高い時は前記フィンが前記チューブ表面に接触するようにしたことを特徴とする触媒燃焼加熱装置。
2. 前記フィンは、隣り合う前記チューブの一方に予め前記燃料ガスの流れる方向に延びる1本の線上に接合され、
   前記フィン温度が低いときは前記フィンが隣り合う前記チューブの他方の表面から離れ、前記フィン温度が高い時は前記フィンが隣り合う前記チューブの他方の表面に接触するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の触媒燃焼加熱装置。
3. 前記フィンを、前記フィン温度が上昇するに連れて前記フィンと前記チューブ表面との接触面積が増加するように形成したことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の触媒燃焼加熱装置。
4. 前記フィンを部分的にバイメタル構造として形成し、前記フィンのバイメタル構造ではない部分に前記酸化触媒を担持したことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の触媒燃焼加熱装置。
5. 前記燃料ガスは水素ガスであることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の触媒燃焼加熱装置。

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