JP4074617B2 - Catalyst combustor, combustion heater, and fuel cell system - Google Patents

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Description

本発明は、触媒反応により熱を生成する触媒燃焼器、及びこの触媒燃焼器により生成された熱を利用して冷却媒体を加熱する燃焼ヒータ、並びに触媒燃焼器を搭載した燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a catalytic combustor that generates heat by a catalytic reaction, a combustion heater that heats a cooling medium using the heat generated by the catalytic combustor, and a fuel cell system equipped with the catalytic combustor.

従来から、触媒燃焼器として種々のものが提案されている。例えば、特許文献1に記載の触媒燃焼器は、燃料電池システムに搭載されるものであり、システム始動時には、燃料ガスとしてのメタノールと酸化剤ガスとしての空気とからなる混合ガスをヒータで加熱した後に触媒燃焼部に送り、また、通常運転時には、ヒータで加熱しないで供給した空気と、ヒータの下流側から吐出される排改質ガスおよび排空気とが混合されて触媒燃焼部に送られるように構成されている。   Conventionally, various types of catalytic combustors have been proposed. For example, the catalytic combustor described in Patent Document 1 is mounted on a fuel cell system, and when the system is started, a mixed gas composed of methanol as fuel gas and air as oxidant gas is heated by a heater. It is sent to the catalyst combustion section later, and during normal operation, the air supplied without heating by the heater and the exhaust reformed gas and exhaust air discharged from the downstream side of the heater are mixed and sent to the catalyst combustion section. It is configured.

ところで、この種の触媒燃焼器では、触媒反応における燃料ガスと酸化剤ガスとを均一な濃度で混ぜることが難しく、その結果、触媒燃焼部内での燃焼温度が不均一となってシステム性能が低下する問題がある。そこで、燃料ガスと酸化剤ガスとの均一な濃度の混合ガスを得る手段として、燃料ガスと酸化剤ガスとを混合させる混合部内において、触媒燃焼部の入口側の面に対向するようにして燃料ガス供給用の管状の燃料供給ポートを複数本平行に配置して、各燃料供給ポートに複数の燃料噴射孔を設けた触媒燃焼器が提案されている(例えば、特許文献2参照)。
特開2001−21112号公報(段落0013〜0020、図1) 特開2003−211945号公報(段落0060〜0069、図6)
By the way, in this type of catalytic combustor, it is difficult to mix the fuel gas and oxidant gas in the catalytic reaction at a uniform concentration. As a result, the combustion temperature in the catalytic combustion section is uneven and the system performance is lowered. There is a problem to do. Therefore, as a means for obtaining a mixed gas having a uniform concentration of the fuel gas and the oxidant gas, the fuel gas and the oxidant gas are mixed so that the fuel is opposed to the inlet-side surface of the catalyst combustion part. A catalytic combustor in which a plurality of tubular fuel supply ports for gas supply are arranged in parallel and a plurality of fuel injection holes are provided in each fuel supply port has been proposed (for example, see Patent Document 2).
JP 2001-21112 (paragraphs 0013 to 0020, FIG. 1) JP 2003-21945 (paragraphs 0060-0069, FIG. 6)

しかしながら、特許文献2に記載の従来の触媒燃焼器では、触媒燃焼部に供給される燃料ガスの供給量が面方向に対してバラツキ易く、燃料ガスと酸化剤ガスとの混合割合が不均一となるため、燃料ガスの割合が多いところでは発熱量が増えて触媒の温度が高くなって触媒が局所的に劣化するおそれがある。また、特許文献2の触媒燃焼器では、触媒燃焼部の直前で燃料ガスが供給されるため、燃料ガスと酸化剤ガスとが均等に混ざり難い。   However, in the conventional catalytic combustor described in Patent Document 2, the supply amount of the fuel gas supplied to the catalyst combustion unit is likely to vary with respect to the surface direction, and the mixing ratio of the fuel gas and the oxidant gas is uneven. Therefore, when the ratio of the fuel gas is large, the calorific value increases and the temperature of the catalyst becomes high, and the catalyst may be locally degraded. Further, in the catalytic combustor of Patent Document 2, since the fuel gas is supplied immediately before the catalytic combustion portion, it is difficult for the fuel gas and the oxidant gas to be mixed evenly.

また、特許文献1に示すように、触媒燃焼部の下流側に燃焼ガスの熱を冷媒に伝達する熱交換器を備えたものでは、触媒燃焼部に供給される燃料ガスと酸化剤ガスとの混合割合が面方向に対してバラツキが生じると、熱交換器に供給される燃焼ガスの発熱量にバラツキが生じて熱変換効率が低下したり、熱交換器を通る冷却媒体が局所的に高温になって、冷却媒体が変質するおそれがある。   Further, as shown in Patent Document 1, in the case where a heat exchanger that transmits the heat of combustion gas to the refrigerant is provided on the downstream side of the catalyst combustion unit, the fuel gas and the oxidant gas supplied to the catalyst combustion unit If the mixing ratio varies in the surface direction, the amount of heat generated by the combustion gas supplied to the heat exchanger varies, resulting in a decrease in heat conversion efficiency or a locally high temperature of the cooling medium passing through the heat exchanger. Thus, the cooling medium may be deteriorated.

本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、触媒燃焼部に供給される燃料ガスと酸化剤ガスとの混合割合を均一にして、触媒燃焼部内において均一な温度分布となるように燃焼させることができる触媒燃焼器を提供することを目的とする。
また、本発明は、触媒燃焼器によって生成される燃焼ガスを熱源として冷却媒体を加熱する熱交換器とを備えるものであって、熱変換効率に優れた燃焼ヒータ、およびシステム性能の向上を図ることができる燃料電池システムを提供することを目的としている。
The present invention solves the above-mentioned conventional problems, and makes the mixing ratio of the fuel gas and the oxidant gas supplied to the catalytic combustion section uniform so that the temperature distribution in the catalytic combustion section is uniform. It is an object of the present invention to provide a catalytic combustor that can be made to operate.
The present invention also includes a heat exchanger that heats the cooling medium using the combustion gas generated by the catalytic combustor as a heat source, and is intended to improve the combustion heater excellent in heat conversion efficiency and system performance. An object of the present invention is to provide a fuel cell system that can be used.

本発明の触媒燃焼器は、混合器から供給された燃料ガスと酸化剤ガスとの混合ガスを燃焼させる触媒燃焼部を備えた触媒燃焼器であって、前記触媒燃焼部の上流側に設けられ、前記混合ガスに少なくとも圧力損失を与える整流板を有し、前記整流板は、前記混合ガスが通過する開口径が前記混合ガスの消炎径以下に設定される、3次元網目状構造を有する多孔質体であり、前記整流板の両面には複数の貫通孔を有する補強板が積層され、前記多孔質体の内部の気孔同士が一方の補強板の面からもう一方の補強板に連通する連続気孔構造となっていることを特徴とする。 The catalytic combustor of the present invention is a catalytic combustor having a catalytic combustion section for burning a mixed gas of a fuel gas and an oxidant gas supplied from a mixer, and is provided upstream of the catalytic combustion section. A rectifying plate that gives at least a pressure loss to the mixed gas, and the rectifying plate has a three-dimensional network structure in which an opening diameter through which the mixed gas passes is set to be equal to or smaller than a flame extinguishing diameter of the mixed gas. The reinforcing plate having a plurality of through holes is laminated on both surfaces of the rectifying plate, and the pores inside the porous body communicate with each other from the surface of one reinforcing plate to the other reinforcing plate. It is characterized by a pore structure .

前記本発明によれば、整流板を設けて混合ガスに圧力損失を発生させることにより、触媒燃焼部に流入する混合ガス内の燃料ガスと酸化剤ガスとの混合割合を均一化できるので、触媒燃焼部内での燃焼温度が不均一となるのを防止できる。   According to the present invention, the mixing ratio of the fuel gas and the oxidant gas in the mixed gas flowing into the catalytic combustion section can be made uniform by providing a flow rectifying plate and generating a pressure loss in the mixed gas. It can prevent that the combustion temperature in a combustion part becomes non-uniform | heterogenous.

このように、整流板に形成される開口の開口径が混合ガスの消炎径以下に設定されることで、整流板を消炎板としても利用することが可能になる。よって、触媒燃焼部で火炎が発生した際にその火炎がその上流側の燃料ガスの供給側に伝播するのを防止する機能、いわゆる、逆火防止機能を発揮することができる。しかも、別個に消炎板を設ける必要がないので、触媒燃焼器の小型化および軽量化を図ることもできる。   Thus, the opening diameter of the opening formed in the current plate is set to be equal to or smaller than the flame extinguishing diameter of the mixed gas, so that the current plate can also be used as a flame extinguishing plate. Therefore, when a flame is generated in the catalytic combustion section, a function to prevent the flame from propagating to the upstream fuel gas supply side, that is, a so-called backfire prevention function can be exhibited. In addition, since it is not necessary to provide a separate flame extinguishing plate, the catalytic combustor can be reduced in size and weight.

例えば、前記整流板は、発泡金属からなる。整流板として発泡金属を選択することにより、圧力損失によって燃料ガスと酸化剤ガスとが均一化する方向に混合されるとともに、さらに発泡金属内で燃料ガスと酸化剤ガスとが互いに攪拌されて、燃料ガスと酸化剤ガスとの混合割合を高精度に均一化できるようになる。   For example, the current plate is made of a foam metal. By selecting the foam metal as the rectifying plate, the fuel gas and the oxidant gas are mixed in the direction in which the pressure loss becomes uniform, and the fuel gas and the oxidant gas are further stirred in the foam metal, The mixing ratio of the fuel gas and the oxidant gas can be made uniform with high accuracy.

また、本発明の燃焼ヒータは、前記触媒燃焼器と、前記触媒燃焼器の下流側に設けられて前記触媒燃焼器によって生成される燃焼ガスを熱源として冷却媒体を加熱する熱交換器とを備えることを特徴とする。   The combustion heater of the present invention includes the catalytic combustor, and a heat exchanger that is provided on the downstream side of the catalytic combustor and heats a cooling medium using combustion gas generated by the catalytic combustor as a heat source. It is characterized by that.

前記本発明の燃焼ヒータによれば、触媒燃焼器での燃焼むらを防止できるので、冷却媒体を均一な温度帯の熱源で加熱することができ、熱変換効率を高めることが可能になる。   According to the combustion heater of the present invention, uneven combustion in the catalytic combustor can be prevented, so that the cooling medium can be heated with a heat source in a uniform temperature range, and heat conversion efficiency can be increased.

また、本発明の燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとの化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池内に冷却媒体を循環させて前記燃料電池を冷却する冷却手段と、前記触媒燃焼器と、前記燃料ガスと前記酸化剤ガスとを混合して前記触媒燃焼器に供給する混合器と、前記触媒燃焼器によって生成された燃焼ガスを熱源として前記冷却媒体を加熱する熱交換器とを備えることを特徴とする。   The fuel cell system of the present invention includes a fuel cell that generates power by a chemical reaction between a fuel gas and an oxidant gas, a cooling unit that circulates a cooling medium in the fuel cell to cool the fuel cell, and the catalyst. A combustor, a mixer for mixing the fuel gas and the oxidant gas and supplying the mixture to the catalytic combustor, and a heat exchanger for heating the cooling medium using the combustion gas generated by the catalytic combustor as a heat source It is characterized by providing.

前記本発明の燃料電池システムによれば、触媒燃焼器から供給される燃焼ガスの温度分布を均一化できるので、冷却手段内部の圧力を安定化させることができる。   According to the fuel cell system of the present invention, since the temperature distribution of the combustion gas supplied from the catalytic combustor can be made uniform, the pressure inside the cooling means can be stabilized.

本発明の触媒燃焼器によれば、燃焼むらを防止して、局所的な高温による触媒の劣化を防止できる。また、本発明の燃焼ヒータによれば、熱変換効率を向上できるとともに、冷却媒体の変質を防止することができる。また、本発明の燃料電池システムによれば、システム性能の向上を図ることができる。   According to the catalytic combustor of the present invention, uneven combustion can be prevented, and deterioration of the catalyst due to local high temperatures can be prevented. Moreover, according to the combustion heater of this invention, while being able to improve heat conversion efficiency, the quality change of a cooling medium can be prevented. Moreover, according to the fuel cell system of the present invention, the system performance can be improved.

(第1実施形態)
以下、第1実施形態の触媒燃焼器を搭載した燃焼ヒータについて図1ないし図4を参照して説明する。図1は燃焼ヒータを示す断面図、図2は第1実施形態の触媒燃焼器の整流板を示し、(a)は平面図、(b)は(a)のB−B線断面図、図3は第1実施形態の触媒燃焼器に導入される混合ガスの流れを模式的に示す図、図4は図1のA−A線断面図である。
(First embodiment)
Hereinafter, a combustion heater equipped with the catalytic combustor of the first embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a cross-sectional view showing a combustion heater, FIG. 2 shows a rectifying plate of the catalytic combustor of the first embodiment, (a) is a plan view, (b) is a cross-sectional view along line BB in FIG. 3 is a diagram schematically showing the flow of the mixed gas introduced into the catalytic combustor of the first embodiment, and FIG. 4 is a cross-sectional view taken along line AA of FIG.

図1に示すように、燃焼ヒータ10は、触媒燃焼器11Aと熱交換器1とを備えて構成されている。また、燃焼ヒータ10の上流側には混合器52が配管15を介して接続されている。この混合器52は、後記する燃料電池システムF1(図5参照)に設けられて、燃料ガスとしての水素と酸化剤ガスとしての空気とからなる混合ガスMgを触媒燃焼器11Aに供給するように構成されている。   As shown in FIG. 1, the combustion heater 10 includes a catalytic combustor 11 </ b> A and a heat exchanger 1. A mixer 52 is connected to the upstream side of the combustion heater 10 via a pipe 15. The mixer 52 is provided in a fuel cell system F1 (see FIG. 5), which will be described later, and supplies a mixed gas Mg composed of hydrogen as fuel gas and air as oxidant gas to the catalytic combustor 11A. It is configured.

前記触媒燃焼器11Aは、円筒状に形成された金属製のケース12と、このケース12内に収容される触媒燃焼部13と、この触媒燃焼部13をケース12内に支持する支持部材14と、整流板9Aとで構成されている。   The catalytic combustor 11A includes a metal case 12 formed in a cylindrical shape, a catalyst combustion part 13 accommodated in the case 12, and a support member 14 that supports the catalyst combustion part 13 in the case 12. And the current plate 9A.

前記触媒燃焼部13は、微細な気体流通路を多数有した円柱形状のベース材に白金やパラジウムなどの酸化触媒を担持させて形成したものである。   The catalytic combustion section 13 is formed by supporting an oxidation catalyst such as platinum or palladium on a cylindrical base material having a large number of fine gas flow passages.

前記整流板9Aは、図2(a)に示すように、円盤状に形成され、図1に示すように、前記触媒燃焼部13の上流側のケース12内に配設されている。図2(b)に示すように、整流板9Aは、発泡金属板9からなり、発泡金属板9の両面を挟むようにして補強板19,19が設けられている。   The current plate 9A is formed in a disc shape as shown in FIG. 2A, and is disposed in the case 12 on the upstream side of the catalytic combustion unit 13 as shown in FIG. As shown in FIG. 2B, the rectifying plate 9 </ b> A is made of a foam metal plate 9, and reinforcing plates 19 are provided so as to sandwich both surfaces of the foam metal plate 9.

前記発泡金属板9は、図示していないが、スポンジなどの樹脂発泡体と同様な3次元網目状構造をもつ金属多孔質体であり、内部の気孔同士が一方の補強板19側の面からもう一方の補強板19の面に連通する連続気孔構造となっている。また、発泡金属板9は、ステンレス、アルミニウム、銅、ニッケルなどの金属から形成されるが、金属に限定されるものではなく、セラミックなどの非金属であってもよい。また、発泡金属板9に形成される気孔の開口径は、混合ガス(図3に示す燃料電池システムF1であれば水素と空気)Mgの消炎径以下に設定することが好ましい。消炎径とは、火炎を通過させることのできない最大寸法である。   Although not shown, the foam metal plate 9 is a metal porous body having a three-dimensional network structure similar to that of a resin foam such as sponge, and the internal pores are formed from one reinforcing plate 19 side surface. It has a continuous pore structure communicating with the surface of the other reinforcing plate 19. The foam metal plate 9 is formed of a metal such as stainless steel, aluminum, copper, or nickel, but is not limited to a metal and may be a non-metal such as ceramic. The opening diameter of the pores formed in the metal foam plate 9 is preferably set to be equal to or less than the flame extinguishing diameter of the mixed gas (hydrogen and air in the case of the fuel cell system F1 shown in FIG. 3) Mg. The extinguishing diameter is the maximum dimension through which no flame can pass.

このように、発泡金属板9の開口径を消炎径以下に設定することにより、火炎が整流板9Aを通過して混合器52に伝播されるのを阻止することができる。例えば、この消炎径としては、混合ガス(燃料ガス/酸化剤ガス)Mgが水素/空気であれば、約0.6mm以下に設定することが好ましく、混合ガス(燃料ガス/酸化剤ガス)Mgがプロパンガス/空気であれば、約2.7mm以下に設定することが好ましい。ただし、例示した消炎径は、混合ガスの種類だけで決まるものではなく、燃料ガスと酸化剤ガスとの濃度や、圧力などによって変化するので、混合ガスの種類、濃度、圧力などに基づいて適宜設定することが好ましい。また、発泡金属板9の開口径を変更することにより、混合ガスに与える圧力損失を変化させることができる。   Thus, by setting the opening diameter of the metal foam plate 9 to be equal to or smaller than the extinguishing diameter, it is possible to prevent the flame from being transmitted to the mixer 52 through the rectifying plate 9A. For example, the flame extinguishing diameter is preferably set to about 0.6 mm or less when the mixed gas (fuel gas / oxidant gas) Mg is hydrogen / air, and the mixed gas (fuel gas / oxidant gas) Mg If propane gas / air, it is preferable to set it to about 2.7 mm or less. However, the illustrated flame extinguishing diameter is not determined only by the type of the mixed gas, but varies depending on the concentration and pressure of the fuel gas and the oxidant gas. It is preferable to set. Moreover, the pressure loss given to the mixed gas can be changed by changing the opening diameter of the metal foam plate 9.

前記補強板19は、ステンレスやアルミニウムなどの金属材料で形成され、その一面に複数の貫通孔19aを形成して構成したものである。なお、各貫通孔19aの径は、混合ガスMgに与える圧力の損失量に応じて適宜変更するようにしてもよい。また、発泡金属で形成された整流板9Aのみで十分な強度を確保できるものであれば、補強板19を設けなくてもよい。   The reinforcing plate 19 is made of a metal material such as stainless steel or aluminum, and has a plurality of through holes 19a formed on one surface thereof. In addition, you may make it change the diameter of each through-hole 19a suitably according to the loss amount of the pressure given to mixed gas Mg. Further, the reinforcing plate 19 may not be provided as long as a sufficient strength can be ensured only by the current plate 9A formed of foam metal.

図1および図4に示すように、前記熱交換器1は、筐体2と、この筐体2内に収められる熱交換部5とを有して構成されている。筐体2は、金属材料などによって円筒状に形成されている。熱交換部5は、いずれも金属材料などで形成された熱供給管群3と熱回収管部4とで構成され、熱回収管部4の内側に熱供給管群3が設けられている。   As shown in FIGS. 1 and 4, the heat exchanger 1 includes a housing 2 and a heat exchanging unit 5 that is housed in the housing 2. The housing 2 is formed in a cylindrical shape from a metal material or the like. The heat exchanging unit 5 includes a heat supply tube group 3 and a heat recovery tube unit 4 each formed of a metal material or the like, and the heat supply tube group 3 is provided inside the heat recovery tube unit 4.

図4に示すように、前記熱供給管群3は、流路断面が紙面上下方向に所定幅寸法で細長く形成された複数(本実施形態では7つ)の熱供給管3a,3b,3b,3c,3c,3d,3dで構成され、各熱供給管3a〜3dが互いに間隔を開けた状態で平行に配置されている。これら熱供給管3a〜3dは、いずれもその長手方向(紙面上下方向)の両端部が、熱回収管部4の内壁4aの近傍まで延びている。   As shown in FIG. 4, the heat supply pipe group 3 includes a plurality of (seven in this embodiment) heat supply pipes 3 a, 3 b, 3 b, each having a channel cross-section elongated in the vertical direction of the paper with a predetermined width dimension. 3c, 3c, 3d, and 3d, and the heat supply pipes 3a to 3d are arranged in parallel with a space therebetween. As for these heat supply pipes 3a-3d, the both ends of the longitudinal direction (paper surface up-down direction) all extend to the vicinity of the inner wall 4a of the heat recovery pipe part 4.

前記熱回収管部4は、略円筒状であり、その内側の空間内において前記熱供給管3a〜3dが、それぞれ前記した状態で図示しない支持部材によって支持されている。   The heat recovery pipe portion 4 has a substantially cylindrical shape, and the heat supply pipes 3a to 3d are supported by support members (not shown) in the above-described state in the inner space.

また、前記熱交換器1では、筐体2の内側に熱回収管部4が設けられるが、このとき筐体2と熱回収管部4との間に空気層6が設けられるように熱回収管部4が支持部材4b,4b(図1参照)によって支持されている。なお、筐体2と熱回収管部4との間は、空気層6に限定されるものではなく、例えば、グラスウールなどの無機繊維系断熱材、ポリスチレンフォーム、発泡ポリスチレン、硬質ウレタンフォーム、高発泡ポリエチレン、フェノール樹脂フォームなどの発泡プラスチック系断熱材などを充填してもよい。また、筐体2を設けずに、熱供給管群3と熱回収管部4のみで構成されたものであってもよい。   In the heat exchanger 1, the heat recovery pipe portion 4 is provided inside the housing 2. At this time, the heat recovery is performed so that the air layer 6 is provided between the housing 2 and the heat recovery pipe portion 4. The tube portion 4 is supported by support members 4b and 4b (see FIG. 1). The space between the housing 2 and the heat recovery pipe portion 4 is not limited to the air layer 6. For example, an inorganic fiber-based heat insulating material such as glass wool, polystyrene foam, expanded polystyrene, rigid urethane foam, high foam You may fill with foamed plastic type heat insulating materials, such as polyethylene and a phenol resin foam. Moreover, it may be configured only by the heat supply tube group 3 and the heat recovery tube portion 4 without providing the housing 2.

図1に示すように、前記熱回収管部4には、前記熱供給管群3の下流側(図示右側)に位置する下部に、冷却媒体Mrが供給される導入口7が設けられ、また熱供給管群3の上流側(図示左側)に位置する上部に、冷却媒体Mrが排出される排出口8が設けられている。   As shown in FIG. 1, the heat recovery pipe section 4 is provided with an introduction port 7 to which a cooling medium Mr is supplied at a lower portion located on the downstream side (right side in the figure) of the heat supply pipe group 3, A discharge port 8 through which the cooling medium Mr is discharged is provided at an upper portion located on the upstream side (the left side in the drawing) of the heat supply pipe group 3.

次に、第1実施形態の触媒燃焼器11Aが設けられた燃焼ヒータ10の作用について説明する。
図1に示すように、混合器52において、燃料ガスと酸化剤ガスとが混合されて、混合ガスMgが配管15を介して触媒燃焼器11Aに送られる。このとき、混合ガスMgが触媒燃焼部13の上流側に設けられた整流板9Aに当ることにより、混合ガスMgが一旦滞留して圧力損失が発生するようになる(図3参照)。このように混合ガスMgの流れ(流速または流量)が一旦抑えられることによって、混合ガスMg内の燃料ガスと酸化剤ガスと均等に混ざるようになる。また、整流板9Aを発泡金属とすることにより、混合ガスMgが発泡金属内で攪拌されるので、燃料ガスと酸化剤ガスとをさらに均等に混ぜることが可能になる。そして、均等に混ざった状態の混合ガスMgは、一方の補強板19の貫通孔19a(図2(a)(b)参照)、発泡金属板9内、およびもう一方の補強板19の貫通孔19aを通って触媒燃焼部13に向けて排出される。これにより、触媒燃焼部13の入口側の面13a(図3参照)に対して、燃料ガスと酸化剤ガスとの混ざり度合が均一な混合ガスMgを供給することが可能になり、触媒燃焼部13内での燃焼温度を均一化できるようになる。よって、触媒燃焼器11Aでは、熱交換部5に対して、燃焼温度分布が均一な燃焼ガスMsを供給できるようになる。
Next, the operation of the combustion heater 10 provided with the catalytic combustor 11A of the first embodiment will be described.
As shown in FIG. 1, the fuel gas and the oxidant gas are mixed in the mixer 52, and the mixed gas Mg is sent to the catalytic combustor 11 </ b> A through the pipe 15. At this time, when the mixed gas Mg hits the rectifying plate 9A provided on the upstream side of the catalyst combustion unit 13, the mixed gas Mg is temporarily retained and pressure loss occurs (see FIG. 3). As described above, once the flow (flow velocity or flow rate) of the mixed gas Mg is once suppressed, the fuel gas and the oxidant gas in the mixed gas Mg are evenly mixed. Moreover, since the mixed gas Mg is agitated in the foam metal by using the rectifying plate 9A as the foam metal, the fuel gas and the oxidant gas can be mixed evenly. The mixed gas Mg in an evenly mixed state is a through hole 19a (see FIGS. 2A and 2B) of one reinforcing plate 19, the inside of the metal foam plate 9, and the through hole of the other reinforcing plate 19. It is discharged toward the catalytic combustion section 13 through 19a. Thereby, it becomes possible to supply the mixed gas Mg with a uniform mixing degree of the fuel gas and the oxidant gas to the inlet side surface 13a (see FIG. 3) of the catalytic combustion unit 13, and the catalytic combustion unit The combustion temperature in 13 can be made uniform. Therefore, in the catalytic combustor 11 </ b> A, the combustion gas Ms having a uniform combustion temperature distribution can be supplied to the heat exchange unit 5.

本実施形態の触媒燃焼器11Aでは、触媒燃焼部13内での燃焼むらを防止することができるので、触媒燃焼部13内での燃焼温度が局所的に高くなって、触媒が劣化したり、変質したりするのを防止できるようになる。   In the catalytic combustor 11A of the present embodiment, uneven combustion in the catalytic combustion unit 13 can be prevented, so that the combustion temperature in the catalytic combustion unit 13 becomes locally high, the catalyst deteriorates, It will be possible to prevent alteration.

図4に示すように、前記熱交換器1に供給された燃焼ガスMsは、熱供給管群3の各熱供給管3a〜3d内を通って、配管16から排出される。また、熱交換器1に供給される冷却媒体Mrは、導入口7から供給されて、各熱供給管3a〜3dの外側と熱回収管部4の内側とで囲まれる空間(流路)内を通って、燃焼ガスMsとは逆向きに並行に流れるようにして排出口8から排出される(図1参照)。このように、触媒燃焼部13において混合ガスMgを燃焼して燃焼ガスMsを生成し、この燃焼ガスMsを熱源として冷却媒体Mrが加熱される。   As shown in FIG. 4, the combustion gas Ms supplied to the heat exchanger 1 passes through the heat supply pipes 3 a to 3 d of the heat supply pipe group 3 and is discharged from the pipe 16. The cooling medium Mr supplied to the heat exchanger 1 is supplied from the introduction port 7 and is in a space (flow path) surrounded by the outside of each of the heat supply pipes 3a to 3d and the inside of the heat recovery pipe section 4. And is discharged from the discharge port 8 so as to flow in the opposite direction to the combustion gas Ms (see FIG. 1). In this way, the mixed gas Mg is combusted in the catalytic combustion unit 13 to generate the combustion gas Ms, and the cooling medium Mr is heated by using the combustion gas Ms as a heat source.

本実施形態の燃焼ヒータ10では、触媒燃焼部13で均一な温度分布の燃焼ガスMsを得ることができるので、熱交換部5内を通る冷却媒体Mrも温度分布が均一となるように加熱される。このように冷却媒体Mrの温度分布を均一化できるので、熱変換効率を高めることが可能になる。その結果、冷却媒体Mrの温度が局所的に高くなり、冷却媒体Mrが変質したりまたは劣化することを防止できるようになる。   In the combustion heater 10 of the present embodiment, the combustion gas Ms having a uniform temperature distribution can be obtained in the catalyst combustion unit 13, and therefore the cooling medium Mr passing through the heat exchange unit 5 is also heated so that the temperature distribution is uniform. The As described above, since the temperature distribution of the cooling medium Mr can be made uniform, the heat conversion efficiency can be increased. As a result, the temperature of the cooling medium Mr is locally increased, and the cooling medium Mr can be prevented from being altered or deteriorated.

次に、本実施形態の触媒燃焼器11Aを搭載した燃焼ヒータ10の動作について、車両用の燃料電池システムF1(図5参照)に搭載した場合を例に挙げて説明する。この燃焼ヒータ10は、後記する燃料電池FCの冷却系40内を流れる冷却液(冷却媒体)Mrを加熱して、燃料電池FCを暖機する際に利用される。   Next, the operation of the combustion heater 10 equipped with the catalytic combustor 11A of the present embodiment will be described by taking as an example the case where it is installed in a vehicle fuel cell system F1 (see FIG. 5). The combustion heater 10 is used when the fuel cell FC is warmed up by heating a coolant (cooling medium) Mr flowing in the cooling system 40 of the fuel cell FC, which will be described later.

まず、最初に、燃料電池システムF1の全体構成について図5を参照して説明する。
この燃料電池システムF1は、燃料電池FC、水素供給系20、空気供給系30、冷却系40、暖機系50、希釈系70および制御装置80を含んで構成されている。
First, the overall configuration of the fuel cell system F1 will be described with reference to FIG.
The fuel cell system F1 includes a fuel cell FC, a hydrogen supply system 20, an air supply system 30, a cooling system 40, a warm-up system 50, a dilution system 70, and a control device 80.

燃料電池FCは、アノード極(水素極)P1とカソード極(酸素極)P2とを有するPEM(Proton Exchange Membrane)型の燃料電池であり、アノード極P1に燃料ガスである水素が供給され、カソード極P2に酸化剤ガスである空気が供給されることにより発電するようになっている。   The fuel cell FC is a PEM (Proton Exchange Membrane) type fuel cell having an anode electrode (hydrogen electrode) P1 and a cathode electrode (oxygen electrode) P2, and hydrogen as a fuel gas is supplied to the anode electrode P1, and the cathode Electric power is generated by supplying air as an oxidant gas to the pole P2.

水素供給系20は、アノード極P1の上流側に、高圧水素タンク21と、遮断弁22と、レギュレータ(減圧手段)23とが設けられている。また、アノード極P1の下流側には、逆止弁24と、燃料ポンプ25とが設けられている。水素供給系20の各機器は、燃料配管29a〜29fにより接続されている。高圧水素タンク21からの水素は、遮断弁22およびレギュレータ23を介して、アノード極P1に供給される。また、アノード極P1から排出されたアノードオフガスは、逆止弁24を介して燃料ポンプ25に流入し、燃料ポンプ25に圧送されてアノード極P1に再び導入(再循環)される。   The hydrogen supply system 20 is provided with a high-pressure hydrogen tank 21, a shut-off valve 22, and a regulator (pressure reduction means) 23 on the upstream side of the anode P <b> 1. A check valve 24 and a fuel pump 25 are provided on the downstream side of the anode P1. Each device of the hydrogen supply system 20 is connected by fuel pipes 29a to 29f. Hydrogen from the high-pressure hydrogen tank 21 is supplied to the anode P <b> 1 through the shut-off valve 22 and the regulator 23. The anode off-gas discharged from the anode P1 flows into the fuel pump 25 through the check valve 24, is pumped to the fuel pump 25, and is introduced (recirculated) to the anode P1 again.

空気供給系30は、カソード極P2の上流側に、エアポンプ31が設けられ、カソード極P2の下流側に背圧弁32が設けられている。エアポンプ31は、モータにより駆動されるスーパーチャージャ等であり、制御装置80からの信号によりモータの回転速度が制御される。空気供給系30の各機器は、エア配管39a,39bにより接続されている。背圧弁32は、制御装置80からの信号により作動する。なお、燃料電池FCに供給される空気は、図示しない加湿器により加湿される。   In the air supply system 30, an air pump 31 is provided on the upstream side of the cathode electrode P2, and a back pressure valve 32 is provided on the downstream side of the cathode electrode P2. The air pump 31 is a supercharger or the like driven by a motor, and the rotational speed of the motor is controlled by a signal from the control device 80. Each device of the air supply system 30 is connected by air pipes 39a and 39b. The back pressure valve 32 is actuated by a signal from the control device 80. Note that the air supplied to the fuel cell FC is humidified by a humidifier (not shown).

冷却系40は、ラジエタ41の他、サーモスタット弁42、水ポンプ43、三方電磁弁44を備えている。冷却系40の各機器は、冷却液配管49a〜49fにより接続され、冷却液配管49aには燃料電池FCの出口側冷却液温度を燃料電池FCの温度として検出する温度センサ45が設置されている。サーモスタット弁42は、燃料電池FCの暖機を促進すべく、始動後の冷機時にラジエタ41を経由させずに冷却液を循環させる。また、三方電磁弁44は、制御装置80からの信号により作動し、水ポンプ43からの冷却液を燃焼ヒータ10を経由せずに直接に燃料電池FCに供給する通常運転位置と、前記燃焼ヒータ10に供給する暖機運転位置とに切り換えられる。なお、ラジエタ41、サーモスタット弁42、水ポンプ43、三方電磁弁44および冷却液配管49a〜49fにより、本実施形態の冷却手段が構成されている。   The cooling system 40 includes a radiator 41, a thermostat valve 42, a water pump 43, and a three-way electromagnetic valve 44. Each device of the cooling system 40 is connected by coolant pipes 49a to 49f, and a temperature sensor 45 that detects the outlet side coolant temperature of the fuel cell FC as the temperature of the fuel cell FC is installed in the coolant pipe 49a. . The thermostat valve 42 circulates the coolant without passing through the radiator 41 when the fuel cell FC is warmed up so as to promote warming up of the fuel cell FC. The three-way solenoid valve 44 is actuated by a signal from the control device 80, and a normal operation position for supplying the coolant from the water pump 43 directly to the fuel cell FC without passing through the combustion heater 10, and the combustion heater. 10 is switched to the warm-up operation position to be supplied to 10. The radiator 41, the thermostat valve 42, the water pump 43, the three-way solenoid valve 44, and the coolant pipes 49a to 49f constitute the cooling means of this embodiment.

暖機系50は、本実施形態の燃焼ヒータ10を備え、この燃焼ヒータ10でアノードオフガスや水素(燃料ガス)を燃焼させ、その熱エネルギーで燃料電池FCを暖機する役割を担っている。また、暖機系50は、燃焼ヒータ10の他、前記したように、この燃焼ヒータ10に導入されるアノードオフガスや水素(燃焼ガス)とカソードオフガス(酸化剤ガス)とを混合する混合器52とを備えている。また、暖機系50は、アノードオフガスを混合器52に導く第1燃料ガスライン67と、水素を混合器52に導く第3燃料ガスライン68と、カソードオフガスを混合器52に導く第1カソードオフガスライン64と、燃料電池FCの冷却液を燃焼ヒータ10に導く暖機系冷却液ライン69とを有している。   The warming-up system 50 includes the combustion heater 10 according to the present embodiment. The combustion heater 10 burns anode off gas and hydrogen (fuel gas), and plays a role of warming up the fuel cell FC with the thermal energy. In addition to the combustion heater 10, the warm-up system 50, as described above, mixes the anode off-gas or hydrogen (combustion gas) introduced into the combustion heater 10 and the cathode off-gas (oxidant gas). And. The warm-up system 50 includes a first fuel gas line 67 that guides the anode off gas to the mixer 52, a third fuel gas line 68 that guides hydrogen to the mixer 52, and a first cathode that guides the cathode off gas to the mixer 52. An off-gas line 64 and a warm-up system coolant line 69 that guides the coolant of the fuel cell FC to the combustion heater 10 are provided.

第1燃料ガスライン67は、アノード極P1の下流側の燃料配管29dと混合器52とを連絡する燃料配管67a〜67cと、これら燃料配管67a〜67cにより接続された気水分離器53と、第1ガス流量制御弁54とから構成されている。第1ガス流量制御弁54は、制御装置80からの信号により作動する。気水分離器53は、燃料配管67aから流入したアノードオフガス中の水分を図示しないプレートにより分離し、混合器52側の燃料配管67bに水分が除かれたアノードオフガスを流入させ、希釈装置71側の後記する燃料配管79aに水分を含んだアノードオフガスを流入させる。燃料配管67cには、混合器52への燃料ガス供給量を検出する流量センサ55が設置されている。   The first fuel gas line 67 includes fuel pipes 67a to 67c communicating with the fuel pipe 29d on the downstream side of the anode P1 and the mixer 52, a steam / water separator 53 connected by the fuel pipes 67a to 67c, The first gas flow control valve 54 is configured. The first gas flow rate control valve 54 is actuated by a signal from the control device 80. The steam / water separator 53 separates the moisture in the anode offgas flowing from the fuel pipe 67a by a plate (not shown), and flows the anode offgas from which the moisture has been removed into the fuel pipe 67b on the mixer 52 side, so that the dilution apparatus 71 side An anode off gas containing moisture is caused to flow into a fuel pipe 79a described later. A flow rate sensor 55 that detects the amount of fuel gas supplied to the mixer 52 is installed in the fuel pipe 67c.

第3燃料ガスライン68は、水素供給系20の燃料配管29cと第1燃料ガスライン67の燃料配管67cとを連絡する燃料配管68a,68bと、これら燃料配管68a,68bの間に介装された第3ガス流量制御弁56とから構成されている。第3ガス流量制御弁56は、制御装置80からの信号により制御される。   The third fuel gas line 68 is interposed between the fuel pipes 68a and 68b that connect the fuel pipe 29c of the hydrogen supply system 20 and the fuel pipe 67c of the first fuel gas line 67, and the fuel pipes 68a and 68b. And a third gas flow rate control valve 56. The third gas flow rate control valve 56 is controlled by a signal from the control device 80.

第1カソードオフガスライン64は、空気供給系30における背圧弁32の出口側と混合器52とを連絡するエア配管64a,64bと、これらエア配管64a,64bの間に介装された気水分離器57とから構成されている。気水分離器57は、前記気水分離器53と同様のプレート式であり、カソード極P2側のエア配管64aから流入したカソードオフガス中の水分をプレートにより分離し、混合器52側のエア配管64bに水分が除かれたカソードオフガスを流入させ、希釈装置71側の後記するエア配管78aに水分を含んだカソードオフガスを流入させる。   The first cathode off-gas line 64 has air pipes 64a and 64b connecting the outlet side of the back pressure valve 32 in the air supply system 30 and the mixer 52, and a steam / water separation interposed between the air pipes 64a and 64b. And a device 57. The steam / water separator 57 is of the same plate type as the steam / water separator 53 and separates moisture in the cathode off-gas flowing in from the air pipe 64a on the cathode P2 side by a plate, and the air pipe on the mixer 52 side. The cathode off gas from which moisture has been removed is caused to flow into 64b, and the cathode off gas containing moisture is caused to flow into an air pipe 78a described later on the dilution device 71 side.

暖機系冷却液ライン69は、前記した三方電磁弁44から供給された冷却液を燃焼ヒータ10に供給する冷却液配管69aと、燃焼ヒータ10で加熱された冷却液を燃料電池FCに供給する冷却液配管69bとから構成されている。   The warm-up system coolant line 69 supplies the coolant supplied from the three-way solenoid valve 44 to the combustion heater 10 and supplies the coolant heated by the combustion heater 10 to the fuel cell FC. And a coolant pipe 69b.

希釈系70は、燃焼ヒータ10に接続された希釈装置71を備えており、アノードオフガスと燃焼ヒータ10の排気ガスとをこの希釈装置71内で酸素含有ガスにより希釈して大気中に放出する役割を担っている。希釈装置71は、多孔板71aにより仕切られた貯留室71bと拡散室71cとを有している。そして、貯留室71bに流入したアノードオフガスは、多孔板71aを介して徐々に拡散室71cに流入し、拡散室71cで酸素含有ガスと混合することにより希釈された後に大気中に排出される。また、希釈系70は、アノードオフガスを希釈装置71に導く第2燃料ガスライン79と、カソードオフガスを希釈装置71に導く第2カソードオフガスライン78とを有している。   The dilution system 70 includes a dilution device 71 connected to the combustion heater 10, and plays a role of diluting the anode off-gas and the exhaust gas of the combustion heater 10 with the oxygen-containing gas in the dilution device 71 and releasing it into the atmosphere. Is responsible. The diluting device 71 has a storage chamber 71b and a diffusion chamber 71c partitioned by a perforated plate 71a. The anode off gas flowing into the storage chamber 71b gradually flows into the diffusion chamber 71c through the perforated plate 71a, and is diluted by mixing with the oxygen-containing gas in the diffusion chamber 71c, and then discharged into the atmosphere. The dilution system 70 also has a second fuel gas line 79 that guides the anode off gas to the diluting device 71 and a second cathode off gas line 78 that guides the cathode off gas to the diluting device 71.

第2燃料ガスライン79は、気水分離器53と希釈装置71の貯留室71bとを連絡する燃料配管79a,79bと、これら燃料配管79a,79bの間に介装された第2ガス流量制御弁72とから構成されている。第2ガス流量制御弁72は、制御装置80からの信号により作動する。   The second fuel gas line 79 includes fuel pipes 79a and 79b that connect the steam / water separator 53 and the storage chamber 71b of the dilution device 71, and a second gas flow rate control interposed between the fuel pipes 79a and 79b. And a valve 72. The second gas flow rate control valve 72 is actuated by a signal from the control device 80.

第2カソードオフガスライン78は、気水分離器57と希釈装置71とを連絡するエア配管78a,78bと、これらエア配管78a,78bの間に介装されたオリフィス73とから構成されている。   The second cathode off-gas line 78 includes air pipes 78a and 78b that connect the steam / water separator 57 and the diluting device 71, and an orifice 73 interposed between the air pipes 78a and 78b.

次に、燃料電池システムF1が搭載された車両の暖機制御について説明する。
運転者により車両のイグニッションスイッチ(図示せず)がON状態にされると、制御装置80は、暖機制御を開始する。制御装置80は、水ポンプ43からの冷却媒体Mrを燃焼ヒータ10に供給する暖機運転位置に三方電磁弁44を切り換える。そして、第3ガス流量制御弁56を開弁方向へ所定量駆動させ、第1ガス流量制御弁54と第2ガス流量制御弁72とをそれぞれ閉鎖して、混合器52に、第3燃料ガスライン68および燃料配管67cを介して高圧水素タンク21の水素(燃料ガス)を導入する。このときの水素導入量は、流量センサ55によって監視される。一方、カソード極P2から排出されたカソードオフガス(酸化剤ガス)は、そのほぼ全量が第1カソードオフガスライン64を介して混合器52に導入される。
Next, warm-up control of a vehicle equipped with the fuel cell system F1 will be described.
When an ignition switch (not shown) of the vehicle is turned on by the driver, the control device 80 starts warm-up control. The control device 80 switches the three-way solenoid valve 44 to a warm-up operation position where the cooling medium Mr from the water pump 43 is supplied to the combustion heater 10. Then, the third gas flow control valve 56 is driven by a predetermined amount in the valve opening direction, the first gas flow control valve 54 and the second gas flow control valve 72 are closed, and the third fuel gas is supplied to the mixer 52. Hydrogen (fuel gas) in the high-pressure hydrogen tank 21 is introduced through the line 68 and the fuel pipe 67c. The amount of hydrogen introduced at this time is monitored by the flow sensor 55. On the other hand, the cathode off-gas (oxidant gas) discharged from the cathode electrode P 2 is almost entirely introduced into the mixer 52 via the first cathode off-gas line 64.

水素とカソードオフガス(酸素)とは、混合器52内で混合された後に燃焼ヒータ10の触媒燃焼部13に導入される。そして、触媒燃焼部13において、水素とカソードオフガス中の酸素とが触媒燃焼して、熱源としての燃焼ガスMs(図1参照)が生成される。生成された燃焼ガスMsは、熱交換器1へ送られ、この熱交換器1では、燃焼ガスMsの熱が熱供給管3a〜3dを介して冷却媒体Mrに与えられて、冷却媒体Mrが加熱される。加熱された冷却媒体Mrは、冷却液配管69bおよび冷却液配管49eを介して燃料電池FCに供給される。このとき、燃料電池FCの温度を温度センサ45で監視して、燃料電池FCが発電可能となる温度に至るまで燃焼ヒータ10に水素とカソードオフガス(酸素)とを供給して暖機を続行する。暖機終了後は、三方電磁弁44を通常運転位置に駆動して、水ポンプ43からの冷却媒体Mrが燃焼ヒータ10を経由せずに直接に燃料電池FCに供給されるように制御する。   Hydrogen and cathode off gas (oxygen) are mixed in the mixer 52 and then introduced into the catalytic combustion section 13 of the combustion heater 10. Then, in the catalytic combustion unit 13, hydrogen and oxygen in the cathode off gas undergo catalytic combustion, and combustion gas Ms (see FIG. 1) as a heat source is generated. The generated combustion gas Ms is sent to the heat exchanger 1, and in this heat exchanger 1, the heat of the combustion gas Ms is given to the cooling medium Mr via the heat supply pipes 3a to 3d, and the cooling medium Mr is Heated. The heated cooling medium Mr is supplied to the fuel cell FC through the coolant pipe 69b and the coolant pipe 49e. At this time, the temperature of the fuel cell FC is monitored by the temperature sensor 45, and hydrogen and cathode offgas (oxygen) are supplied to the combustion heater 10 until the temperature at which the fuel cell FC can generate power is reached to continue warming up. . After the warm-up is completed, the three-way solenoid valve 44 is driven to the normal operation position so that the cooling medium Mr from the water pump 43 is directly supplied to the fuel cell FC without passing through the combustion heater 10.

このように、本実施形態の燃焼ヒータ10を燃料電池システムF1に搭載することにより、熱交換器1での熱変換効率を高めることができる。その結果、暖機時の燃料消費を低減することができる。また熱変換効率を高めることで、熱交換器1の小型化や軽量化を図ることができ、燃焼ヒータ10の小型化や軽量化を図ることもできる。   Thus, the heat conversion efficiency in the heat exchanger 1 can be increased by mounting the combustion heater 10 of the present embodiment on the fuel cell system F1. As a result, fuel consumption during warm-up can be reduced. Further, by increasing the heat conversion efficiency, the heat exchanger 1 can be reduced in size and weight, and the combustion heater 10 can be reduced in size and weight.

なお、前記した暖機制御は一例であり、暖機時の燃料電池FCの温度に基づいて適宜変更することができる。例えば、高圧水素タンク21から水素を直接に混合器52に供給するのではなく、前記燃料電池システムF1の起動時(イグニッションスイッチをONしたとき)にアノード極P1や燃料配管29c〜29fに残留している水や不純物を排出する処理(パージ処理)を利用して、燃料電池FCから排出されるアノードオフガスを燃料ガスとして燃料電池システムF1を暖機するようにしてもよい。   The warm-up control described above is an example, and can be changed as appropriate based on the temperature of the fuel cell FC during warm-up. For example, hydrogen is not supplied directly from the high-pressure hydrogen tank 21 to the mixer 52, but remains in the anode P1 and the fuel pipes 29c to 29f when the fuel cell system F1 is started (when the ignition switch is turned on). The fuel cell system F <b> 1 may be warmed up using the anode off-gas discharged from the fuel cell FC as a fuel gas, using a process (purge process) for discharging water and impurities.

このようにパージ処理のアノードオフガスを利用して暖機する場合には、制御装置80の制御により三方電磁弁44を暖機運転位置に駆動する。そして、第3ガス流量制御弁56を閉じ、第1ガス流量制御弁54を開き、第2ガス流量制御弁72を閉じて、混合器52に、アノード極P1からパージされたアノードオフガスの全量と、カソード極P2から排出されたカソードオフガスの略全量とを流入して、燃焼ヒータ10内でアノードオフガスとカソードオフガスとを触媒燃焼させて燃焼ガスMs(熱エネルギー)を生成する。このように、従来は排出されていたアノードオフガスを燃料電池FCの暖機に利用できるので、燃料の消費量を低減できるようになる。   When warming up using the anode off-gas in the purge process in this way, the three-way solenoid valve 44 is driven to the warm-up operation position under the control of the control device 80. Then, the third gas flow rate control valve 56 is closed, the first gas flow rate control valve 54 is opened, the second gas flow rate control valve 72 is closed, and the total amount of the anode off gas purged from the anode P1 is supplied to the mixer 52. Then, approximately the entire amount of the cathode off-gas discharged from the cathode electrode P2 flows in, and the anode off-gas and the cathode off-gas are catalytically combusted in the combustion heater 10 to generate combustion gas Ms (thermal energy). As described above, the anode off gas that has been conventionally discharged can be used for warming up the fuel cell FC, so that the amount of fuel consumption can be reduced.

なお、アノードオフガスに含まれる水分は、気水分離器53内で分離され、カソードオフガスに含まれる水分は、気水分離器57内で分離されるため、燃焼ヒータ10には水分を含まないアノードオフガスとカソードオフガスとが供給され、これにより安定した燃焼が可能になる。   The moisture contained in the anode off-gas is separated in the steam / water separator 53, and the moisture contained in the cathode off-gas is separated in the steam / water separator 57. Therefore, the combustion heater 10 does not contain moisture. Off-gas and cathode off-gas are supplied, thereby enabling stable combustion.

このように、本実施形態の燃焼ヒータ10を燃料電池システムF1に搭載することにより、熱交換器1での熱変換効率を高めることでシステム性能を向上できるようになる。   Thus, by mounting the combustion heater 10 of the present embodiment on the fuel cell system F1, the system performance can be improved by increasing the heat conversion efficiency in the heat exchanger 1.

また、本実施形態の燃料電池システムF1では、混合器52が触媒燃焼器11Aの上流側の近傍に設けられているので、混合器52で混合された燃料ガスと酸化剤ガスとがさらに混合されて、燃料ガスと酸化剤ガスとの混合割合をさらに高めることが可能になり、触媒燃焼部13での燃焼温度分布を高精度に均一化できるようになる。   In the fuel cell system F1 of the present embodiment, since the mixer 52 is provided in the vicinity of the upstream side of the catalytic combustor 11A, the fuel gas and the oxidant gas mixed in the mixer 52 are further mixed. Thus, the mixing ratio of the fuel gas and the oxidant gas can be further increased, and the combustion temperature distribution in the catalytic combustion unit 13 can be made uniform with high accuracy.

(第2実施形態)
図6は第2実施形態の触媒燃焼器に設けられる整流板を示し、(a)は平面図、(b)は(a)のC−C線断面図、図7は第2実施形態の触媒燃焼器に導入される混合ガスの流れを模式的に示す図である。
図6(a)に示すように、第2実施形態の触媒燃焼器11Bの整流板9Bは、複数枚の平板19bと複数枚の波板19cとで構成され、各平板19bの平面と各波板19cの波面とが互いに対面するようにしてロウ付けなどによって接合される。そして、平板19bと波板19cとが接合された構造板が、同心円状となるように複数積層される。また、波板19cの凹凸のピッチが一定に形成されて、平板19bと波板19cとで囲まれる断面略三角形状の空隙19dの大きさが一定に設定されている。
(Second Embodiment)
FIG. 6 shows a current plate provided in the catalytic combustor of the second embodiment, (a) is a plan view, (b) is a sectional view taken along the line CC of (a), and FIG. 7 is a catalyst of the second embodiment. It is a figure which shows typically the flow of the mixed gas introduce | transduced into a combustor.
As shown in FIG. 6 (a), the rectifying plate 9B of the catalytic combustor 11B of the second embodiment is composed of a plurality of flat plates 19b and a plurality of corrugated plates 19c. The wave fronts of the plates 19c are joined to each other by brazing or the like. A plurality of structural plates in which the flat plate 19b and the corrugated plate 19c are joined are stacked so as to be concentric. Further, the pitch of the corrugations of the corrugated plate 19c is formed constant, and the size of the gap 19d having a substantially triangular cross section surrounded by the flat plate 19b and the corrugated plate 19c is set constant.

なお、整流板9Bの構造は、同心円状に積層されるものに限定されず、それぞれ長尺状に形成された1枚の平板19bと波板19cとを積層した構造のものが、中心から外周側に向けて螺旋状に巻回されて構成したものでもよい。または、平板19bと波板19cとが直線状に延びるように複数積層されたものでもよい。また、波板19cは、角張った凹凸形状であってもよい。   Note that the structure of the rectifying plate 9B is not limited to a concentrically stacked one, and a structure in which one flat plate 19b and a corrugated plate 19c each formed in a long shape are stacked from the center to the outer periphery. It may be configured to be spirally wound toward the side. Alternatively, a plurality of flat plates 19b and corrugated plates 19c may be stacked so as to extend linearly. Further, the corrugated plate 19c may have an angular uneven shape.

第2実施形態では、前記した整流板9Bが設けられた場合であっても、図7に示すように、混合器52(図5参照)から燃料ガスと酸化剤ガスとによる混合ガスMgが触媒燃焼器11Bに供給された場合に、混合ガスMgが整流板9Bに当って、混合ガスMgに圧力損失が与えられる。これにより、混合ガスMgが整流板9Bの手前で一旦滞留するので、混合ガスMgの燃料ガスと酸化剤ガスとの混合割合がさらに均一化され、均一化された状態の混合ガスMgが整流板9Bの各空隙19dを通って触媒燃焼部13に供給される。この第2実施形態では、第1実施形態のように、整流板9Bの内部において混合割合が均一化する方向へ高められることはないが、整流板9Bの手前で圧力損失が混合ガスMgに生じるので、触媒燃焼部13での燃焼温度を均一化できるようになる。よって、触媒燃焼部13内で局所的に高温となるのを防止できるので、触媒燃焼部13の触媒の劣化を防止できる。また、この触媒燃焼器11Bを燃焼ヒータ10に搭載した場合であっても、冷却媒体Mrの局所的な高温による劣化を防止できるようになる。さらに、整流板9Bに形成される各空隙19dの開口径を消炎径以下に設定することにより、火炎が整流板9Bを通過するのを防ぎ、消炎板を別個に設ける必要がない。   In the second embodiment, even when the rectifying plate 9B is provided, as shown in FIG. 7, the mixed gas Mg of the fuel gas and the oxidant gas from the mixer 52 (see FIG. 5) is the catalyst. When supplied to the combustor 11B, the mixed gas Mg hits the rectifying plate 9B, and pressure loss is given to the mixed gas Mg. As a result, the mixed gas Mg once stays in front of the rectifying plate 9B, so that the mixing ratio of the fuel gas and the oxidant gas of the mixed gas Mg is further uniformed, and the uniform mixed gas Mg is rectified. The catalyst 9 is supplied to the catalytic combustion unit 13 through the gaps 19d of 9B. In the second embodiment, unlike the first embodiment, the mixing ratio is not increased in the direction of equalizing inside the rectifying plate 9B, but a pressure loss occurs in the mixed gas Mg before the rectifying plate 9B. Therefore, the combustion temperature in the catalyst combustion part 13 can be made uniform. As a result, it is possible to prevent local high temperature in the catalytic combustion unit 13, and therefore, deterioration of the catalyst in the catalytic combustion unit 13 can be prevented. Even when this catalytic combustor 11B is mounted on the combustion heater 10, it is possible to prevent the cooling medium Mr from being deteriorated due to local high temperatures. Furthermore, by setting the opening diameter of each gap 19d formed in the rectifying plate 9B to be equal to or smaller than the extinguishing diameter, it is possible to prevent the flame from passing through the rectifying plate 9B, and it is not necessary to provide the extinguishing plate separately.

なお、本発明の触媒燃焼器11A,11Bおよび燃焼ヒータ10並びに燃料電池システムF1は、車両に限定されるものではなく、船舶用、給湯用などその他各種の燃焼ヒータとして適用することができる。   The catalytic combustors 11A and 11B, the combustion heater 10, and the fuel cell system F1 according to the present invention are not limited to vehicles, and can be applied as various other combustion heaters such as for ships and for hot water supply.

燃焼ヒータを示す断面図である。It is sectional drawing which shows a combustion heater. 第1実施形態の触媒燃焼器の整流板を示し、(a)は平面図、(b)は(a)のB−B線断面図である。The baffle plate of the catalytic combustor of 1st Embodiment is shown, (a) is a top view, (b) is the BB sectional drawing of (a). 第1実施形態の触媒燃焼器に導入される混合ガスの流れを模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the flow of the mixed gas introduce | transduced into the catalytic combustor of 1st Embodiment. 図1のA−A線断面図である。It is the sectional view on the AA line of FIG. 本実施形態の燃焼ヒータを車両用の燃料電池システムに搭載したときの構成図である。It is a block diagram when the combustion heater of this embodiment is mounted in the fuel cell system for vehicles. 第2実施形態の触媒燃焼器の整流板を示し、(a)は平面図、(b)は(a)のC−C線断面図である。The baffle plate of the catalyst combustor of 2nd Embodiment is shown, (a) is a top view, (b) is CC sectional view taken on the line of (a). 第2実施形態の触媒燃焼器に導入される混合ガスの流れを模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the flow of the mixed gas introduced into the catalytic combustor of 2nd Embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

1 熱交換器
9 発泡金属板
9A,9B 整流板
10 燃焼ヒータ
11A,11B 触媒燃焼器
13 触媒燃焼部
19 補強板
19a 貫通孔
19b 平板
19c 波板
52 混合器
Mg 混合ガス
Mr 冷却媒体
Ms 燃焼ガス

DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Heat exchanger 9 Foamed metal plate 9A, 9B Rectification plate 10 Combustion heater 11A, 11B Catalytic combustor 13 Catalytic combustion part 19 Reinforcement plate 19a Through-hole 19b Flat plate 19c Corrugated plate 52 Mixer Mg Mixed gas Mr Cooling medium Ms Combustion gas

Claims (3)

混合器から供給された燃料ガスと酸化剤ガスとの混合ガスを燃焼させる触媒燃焼部を備えた触媒燃焼器であって、
前記触媒燃焼部の上流側に設けられ、前記混合ガスに少なくとも圧力損失を与える整流板を有し、
前記整流板は、前記混合ガスが通過する開口径が前記混合ガスの消炎径以下に設定される、3次元網目状構造を有する多孔質体であり、
前記整流板の両面には複数の貫通孔を有する補強板が積層され、前記多孔質体の内部の気孔同士が一方の補強板の面からもう一方の補強板に連通する連続気孔構造となっていることを特徴とする触媒燃焼器。
A catalytic combustor comprising a catalytic combustion section for combusting a mixed gas of a fuel gas and an oxidant gas supplied from a mixer,
Provided upstream of the catalytic combustion portion has a rectifying plate to provide at least pressure loss in the mixed gas,
The rectifying plate is a porous body having a three-dimensional network structure in which an opening diameter through which the mixed gas passes is set to be equal to or smaller than a flame extinguishing diameter of the mixed gas,
A reinforcing plate having a plurality of through holes is laminated on both surfaces of the rectifying plate, and the pores inside the porous body have a continuous pore structure that communicates from the surface of one reinforcing plate to the other reinforcing plate. catalytic combustor, characterized in that there.
請求項1に記載の触媒燃焼器と、前記触媒燃焼器の下流側に設けられて前記触媒燃焼器によって生成される燃焼ガスを熱源として冷却媒体を加熱する熱交換器とを備えることを特徴とする燃焼ヒータ。 A catalyst combustor according to claim 1, and a heat exchanger that is provided on the downstream side of the catalyst combustor and heats a cooling medium by using combustion gas generated by the catalyst combustor as a heat source. A combustion heater. 燃料ガスと酸化剤ガスとの化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池内に冷却媒体を循環させて前記燃料電池を冷却する冷却手段と、請求項1に記載の触媒燃焼器と、前記燃料ガスと前記酸化剤ガスとを混合して前記触媒燃焼器に供給する混合器と、前記触媒燃焼器によって生成された燃焼ガスを熱源として前記冷却媒体を加熱する熱交換器とを備えることを特徴とする燃料電池システム。 2. A fuel cell that generates electric power by a chemical reaction between a fuel gas and an oxidant gas; cooling means for circulating a cooling medium in the fuel cell to cool the fuel cell; and the catalytic combustor according to claim 1, A mixer that mixes fuel gas and the oxidant gas and supplies the mixed gas to the catalytic combustor; and a heat exchanger that heats the cooling medium using the combustion gas generated by the catalytic combustor as a heat source. A fuel cell system.
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