JP4345661B2 - 触媒燃焼器 - Google Patents

Description

本発明は、燃料ガスと支燃ガスを供給し、ペレット状の触媒とハニカム状の触媒とによって酸化反応させる触媒燃焼器に関し、特に簡素な構成で燃焼効率の良い触媒燃焼器に関する。

水素ガスなどの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器が知られており、家庭用、自動車用をはじめ様々な用途への利用が期待されている。そうした触媒燃焼器の一形態として、燃焼ガスが流れる流路を構成する燃焼器本体内に、全断面を塞ぐように、白金やパラジウム等の酸化触媒を担持したハニカム触媒を設けたものがある。

この触媒燃焼器では、燃料ガスを燃焼器本体内を導入口側から供給すことにより、その燃焼ガスをハニカム触媒に接触させて酸化反応を起こさせ、そのとき発生する酸化反応熱によって燃焼器本体を加熱する。そして、触媒燃焼後の排ガスは、燃焼器本体の排出口から排出される。こうして、燃焼ガスが触媒燃焼器を通過することによって加熱して熱を発生させるため、その燃焼器本体に直交してその周りに被加熱流体が流され、熱交換によって被加熱流体の温度が上がる。

そうした触媒燃焼器の一例としては、特開平５−１５７２１１号公報に開示されたものを挙げることができる。図５は、当該公報によって開示された触媒燃焼器を示した図である。
この触媒燃焼器１００は、燃料供給路１０１からの燃焼ガスと、一次送風ファン１０２からのエアとが予熱バーナ１０３内で混合されて予混合ガスとなり、一次燃焼室１０４に供給される。予混合ガスはハニカム触媒１０５の表面で触媒燃焼して触媒表面は４００℃から８００℃に維持される。そして、発生した輻射熱の一部は輻射体１０６で吸収され、一部は透過する。輻射体５で吸収された熱は輻射体１０６から二次的に輻射され、これらの輻射熱は暖房などの熱源に利用される。

このハニカム触媒１０５の触媒燃焼時に、ハニカム触媒１０５を通過した燃焼ガスは温度低下し、供給された燃料の大半は酸化されるが、数ｐｐｍから数百ｐｐｍの未燃ガスが燃焼ガス中に存在する。この未燃ガスを含む燃焼ガスは４００℃以上の温度に保持されたハニカム触媒１０７を通過することにより数ｐｐｍ以下に低下される。
そして、従来の触媒燃焼器１００では、ハニカム触媒１０５およびハニカム触媒１０７の触媒反応を十分に作用させるべく４００℃以上に保持する必要から、起動時には火炎燃焼によってハニカム触媒１０５およびハニカム触媒１０７を加熱した後、触媒燃焼をさせるようにしている。
特開平５−１５７２１１号公報（第３頁、図１）

しかしながら、こうした従来の触媒燃焼器１００は、予混合されて一次燃焼室１０４に供給された燃料ガスとエアは、すぐにハニカム触媒１０５へと導入される構成となっていたため、燃料ガスとエアが十分に混合されないままハニカム触媒１０５を通過することになり、混合比率が偏ってしまって燃焼効率が低下してしまうという問題があった。
また、水素など予混合によって燃焼しやすくなるガスについては、逆火を防止するためにも触媒内で混合するのが好ましい。すると、触媒燃焼器１００のように直接ハニカム触媒１０５へ供給する構造ではガスの混合性が悪かった。そこで、従来の触媒燃焼器１００では、主触媒としてハニカム触媒１０５を設ける他に補助触媒として更にハニカム触媒１０７が設け、２次送風ファン１２により二次空気を供給してハニカム触媒１０７で未反応ガスを更に燃焼させるようにしている。従って、構成部品が多くなり、触媒燃焼器自身も大型化する問題があった。

そこで、本発明は、かかる課題を解決すべく、簡素な構成で燃焼効率の良い触媒燃焼器を提供することを目的とする。

本発明の触媒燃焼器は、燃料ガスと支燃ガスを供給し前記燃料ガスの酸化反応によって触媒燃焼を起こすものであって、筒状に形成された燃焼器本体には入力部から出力部にかけて上流側にはペレットの燃焼触媒層が設けられ、その下流側にハニカム状の燃焼触媒層が設けられ、入力部には前記燃料ガスと前記支燃ガスとが別々に供給されるものであることを特徴とする。
また、本発明の触媒燃焼器は、前記燃焼器本体には、ハニカム状の燃焼触媒層の下流側に更にペレットの燃焼触媒層が設けられたものであることが好ましい。

また、本発明の触媒燃焼器は、前記燃焼器本体には、ペレットの燃焼触媒層とハニカム状の燃焼触媒層との間に空間を形成した拡散層が設けられたものであることが好ましい。
更に、本発明の触媒燃焼器は、前記ペレットとハニカムとが同じ高さになって前記燃料ガスが横向きに流れるように、前記燃焼器本体がほぼ水平方向に配置されたものであることが好ましい。

よって、本発明の触媒燃焼器によれば、燃料ガスと支燃ガスとがそれぞれ別々に入力部へと送り込まれた後、それらが上流側にあるペレットの燃焼触媒層で混合され、一部は燃焼され、下流側にあるハニカム状の燃焼触媒層に流れる。従って、別々に送り込まれた燃料ガスと支燃ガスとは、十分混合された状態でハニカム状の燃焼触媒層に流れるので効率の良い燃焼が行われる。そして、本発明の触媒燃焼器は、筒状の燃焼器本体にペレットの燃焼触媒層とハニカム状の燃焼触媒層とを設けた簡素な構成である。

次に、本発明に係る触媒燃焼器の一実施形態について、図面を参照しながら以下に説明する。特に、本実施形態では、燃料電池を構成する燃料改質器に使用される触媒燃焼器について説明する。図１は、その触媒燃焼器を含む燃料改質器を示した概念図であり、先ずこの燃料改質器について簡単に説明する。

燃料改質器１は、改質触媒２が充填された改質部３を有し、その改質部３は、矢印で示すように外側の流入口から流入した改質原料が内側に回り込み、水蒸気改質反応によって改質された改質ガスが上方の排出口から熱交換器４へと流れるように、筒体が組み付けられて流路が形成されている。また、そうした改質部３の内側には、図示するようにバーナ５の燃焼ガス管６が上方から挿入できるように凹形の燃焼室８を有し、燃焼ガス管６が挿入された改質部３の外側には断熱壁７が設けられている。そのため、その断熱壁７と改質部３との間には、燃焼室８内で改質部３を加熱した燃焼ガスが流れ出る排ガス流路９が形成されている。

その断熱壁７に排気口１０が形成され、そこには改質に利用された高温の燃焼ガスを、改質原料に混合させる水蒸気をつくるための蒸発器１１へと送る排ガスライン１２が接続されている。そして、バーナ５の着火確認を行うため、燃焼ガスが流れる排ガス流路９内の温度を検出する熱電対１３が設置されており、また着火後の温度制御を行うために使用される熱電対１４が改質部３内に設けられている。

この燃料改質器１では、水素リッチな改質ガスを生成するため、改質原料としてメタン等の炭化水素系燃料が水蒸気と共に熱交換器４を介して改質部３へ送り込まれる。従って、改質原料を送り込む原料供給ライン１５には、蒸発器１１に水を送ってできた水蒸気を供給する水蒸気供給ライン１６が接続されている。また、炭化水素系ガスの改質反応を促進させるには、燃焼ガスによって通常６００℃以上の高温に加熱する必要がある。そのため、この燃料改質器１では、改質部３から排出された高温の改質ガスを熱交換器４に通すことで、熱交換によって予め改質原料に予熱を与え得るようにしている。

こうした燃料改質器１では、メタン等の改質原料が水蒸気と混合された状態で熱交換器４を通り、そこで予熱が与えられた状態で改質部３へと導入される。改質部３ではバーナ５によって燃焼室８が加熱されて改質部３内に充填された改質触媒２が６５０℃程度に加熱される。そして、この加熱された改質触媒２を通って流れた改質原料が水素と一酸化炭素に改質される。その後、改質ガスは熱交換器４を通って新たに改質部３へ送り込まれる改質原料との間で熱交換を行い、シフト部１７へと流れ、シフト部１７中のシフト触媒によって水素リッチなガスとして排出される。すなわち、改質部３では主に次式（１）の水蒸気改質反応が行われ、シフト部１７では次式（２）のシフト反応に供することにより水素リッチな改質ガスが生成される。
ＣＨ₄＋Ｈ₂Ｏ→３Ｈ₂＋ＣＯ …（１）
ＣＯ ＋Ｈ₂Ｏ→Ｈ₂ ＋ＣＯ₂ …（２）

燃料改質器１で生成された水素リッチな改質ガスは、その後、不図示のＣＯ選択酸化部で改質ガス中の一酸化炭素を低減して燃料ガスとし、それがスタックに送られ空気との供給によって電気化学反応により発電する。
ところで、燃料電池では、シフト部１７の温度がシフト触媒に適した温度になることが燃料改質器１の起動時間の律速になるが、起動時にシフト部１７が瞬時に加熱されるわけではない。そこで、本実施形態の燃料改質器１には、改質ガスが十分に暖まらないことを補うため、シフト部１７の手前に触媒燃焼器２０が設けられている。すなわち、この触媒燃焼器２０は、ここを通って流れる被加熱流体である改質ガスを加熱することにより、燃料電池における起動時のエネルギ効率を良くし、起動時間の短縮を図るために設けられている。触媒燃焼機２０によって改質ガスを加熱することにより、シフト触媒を速く適温にでき、燃料改質器の１の起動時間を短縮できるからである。

そこで、起動時の燃料電池では、前述したようにシフト部１７を出た改質ガスは、ＣＯ選択酸化部を通るがスタックには流れずに凝縮器を通り、水分除去後この触媒燃焼器２０の導入口２１へと供給される。こうして、戻ってきた改質ガスの中の水素ガスが燃料ガスとして触媒燃焼器２０へ入る。その際、エアが支燃ガスとして同時に触媒燃焼器２０の入力部２１へ供給される。そして、燃焼ガスが流入した触媒燃焼器２０内では、燃焼ガスが触媒に接触して酸化反応を起こし、そのとき発生する酸化反応熱によって燃焼器本体が加熱する。そのため、触媒燃焼器２０の周りを通って流れる改質ガスが熱交換によって暖められる。触媒燃焼器２０の出力部２２はバーナ５へと接続され、残った水素、一酸化炭素およびメタンガスが燃焼用燃料となって供給される。

続いて、図２は、燃料改質器１に設けられた触媒燃焼器２０の第１実施形態を概念的示した断面図である。この触媒燃焼器２０Ａは、燃焼器本体３１が筒状の容器であって、その中に２タイプの触媒が装填されている。すなわち、燃焼器本体３１の入力側（図面左側）に白金やパラジウム等の酸化触媒を担持したペレット触媒３２からなる層が形成され、その下流側すなわち出力側（図面右側）には酸化触媒を担持したハニカム触媒３３の層が形成されている。こうしてペレット触媒３２とハニカム触媒３３とからなる２層とすることによって効率良く燃焼が行われるようになっている。

この触媒燃焼器２０Ａは、燃料ガスである改質ガス（主成分は水素ガス）と支燃ガスであるエアとがそれぞれ別々に入力部３５へと送り込まれるようになっている。こうして燃焼ガスとエアとを別々に供給することによって逆火を防止することができるからである。
その一方、予混合なしでは燃料ガスとエアとが分離したまま触媒を通って燃焼効率が悪くなるが、本実施形態の触媒燃焼器２０Ａでは、燃焼器本体３１内に供給された燃料ガスとエアとが先ずペレット触媒３２の層を流れ、混合が行われるようになっている。すなわち、触媒燃焼器２０Ａは、燃料ガスとエアとはペレット触媒３２の層で十分に混合され、また、混合されながら一部は燃焼し、その後、ハニカム触媒３３へと送られ効果的に触媒反応を生じ、十分な発熱量が得られるように構成されている。

ところで、図５に示した従来例ではハニカム触媒のみであったためガスの混合が十分でないという問題が生じていた。そこで、ハニカム触媒に代えてペレット触媒のみで構成した触媒燃焼器も考えられる。しかし、本実施形態のように燃焼器本体３１をほぼ水平方向に配置した触媒燃焼器２０Ａでは、その配置方向による利点とともに欠点があった。
ペレット触媒は、運転時間とともに劣化して粉化してしまうので、本来、燃焼器本体３１の断面を塞ぐようにペレット触媒３２は装填されているが、劣化した粉粒体が自重で沈降してしまい上方に隙間ができてしまう。そのため、燃焼器本体３１を水平配置して横向きに燃料ガスを流すものでは、圧損がない上方の隙間部分を燃料ガスが未反応のまま流れるスリップ現象が起きる欠点があった。

そこで、本実施形態では、スリップ現象を起こした燃料ガスを、ペレット触媒３２の下流側に配置したハニカム触媒３３によって触媒反応させるようにして当該欠点を補うようにしている。従って、本実施形態の触媒燃焼器２０Ａでは、ペレット触媒３２とハニカム触媒３３との２層にすることによって、ハニカム触媒だけでは不十分となるガスの混合をペレット触媒３２によって行わせてハニカム触媒３３へ送り、逆にスリップ現象によって燃料ガスが未反応のまま出力部３６から排出されないようにハニカム触媒３３で触媒反応させることができるように構成されている。

そして、本実施形態では、燃焼器本体３１をほぼ水平に横置き配置した構成にしているが、仮にペレット触媒３２とハニカム触媒３３とを上下２層に設けた場合には、劣化したペレット触媒３２の粉粒体がハニカム触媒３３のセル内に入り込んで塞いでしまい、ハニカム触媒３３の機能を損なってしまうことになる。その点、本実施形態の触媒燃焼器２０Ａは、横置きの利点としてそうした問題が起きない構成になっている。

よって、以上に説明した本実施形態の触媒燃焼器２０Ａによれば、筒状の燃焼器本体３１にペレット触媒３２とハニカム触媒３３とを２層に設けた簡素な構成にすることができ、そのペレット触媒３２とハニカム触媒３３とがそれぞれ有効に機能して燃焼効率の良いものとすることができた。

次に、図３は、燃料改質器１に設けられた触媒燃焼器２０の第２実施形態を概念的示した断面図である。本実施形態の触媒燃焼器２０Ｂも、前記実施形態にものと同様、燃焼器本体４１が筒状の容器であって、その中に酸化触媒を担持したペレット触媒４２，４４とハニカム触媒４３との２タイプの触媒が装填されている。しかし、本実施形態では、入力部４５から出力部４６にかけて、ハニカム触媒４３の前後をペレット触媒４２，４４が挟むように配置されている。そして、この触媒燃焼器２０Ｂでも、入力部４５には燃焼ガスとエアとを別々に供給して逆火が生じないように構成されている。

入力部４５に供給された燃料ガス（改質ガス）と支燃ガス（エア）とは、燃焼器本体４１内に入ってペレット触媒４２の層で十分混合される。こうして十分混合されてからハニカム触媒４３へ送られるため、触媒反応が良く十分な発熱量が得られる。一方、ペレット触媒４２が劣化して粉粒体が自重で沈降してしまいスリップ現象を起こしてしまっても、未反応のままガスを排出することなくハニカム触媒４３で反応させることができる。そして、本実施形態では、ハニカム触媒４３を通過したガスをペレット触媒４４で反応させることによって、更に効果的に発熱を行うことができる。

よって、本実施形態の触媒燃焼器２０Ｂによれば、筒状の燃焼器本体４１にペレット触媒４２，４４とハニカム触媒４３とを３層に設けた簡素な構成にすることができ、そのペレット触媒４２，４４とハニカム触媒４３とがそれぞれ有効に機能して燃焼効率の良いものとすることができた。

更に、図４は、燃料改質器１に設けられた触媒燃焼器２０の第３実施形態を概念的示した断面図である。本実施形態の触媒燃焼器２０Ｃも、前記実施形態の触媒燃焼器２０Ａ，２０Ｂと同様、燃焼器本体５１が筒状の容器であって、その中に酸化触媒を担持したペレット触媒５２とハニカム触媒５３との２タイプの触媒が装填されている。しかし、本実施形態では、入力部５５から出力部５７にかけてペレット触媒５２とハニカム触媒５３とが連続しておらず、その間になにも存在しない空間の拡散層５４が設けられている。こうしたペレット触媒５２は、網５６によって所定の範囲内に納められている。そして、本実施形態の触媒燃焼器２０Ｃでも、入力部５５には燃焼ガスとエアとを別々に供給して逆火が生じないように構成されている。

入力部５５に供給された燃料ガス（改質ガス）とエアとは、燃焼器本体５１内に入ってペレット触媒５２の層で十分混合され、一部は燃焼する。そして、本実施形態では拡散層５４に流出することによって燃料ガスとエアとが拡散して更に混合される。こうして十分に混合された燃料ガスとエアとはハニカム触媒５３へ送られる。一方、ペレット触媒５２が劣化して粉粒体が自重で沈降してしまいスリップ現象を起こしてしまった場合でも、未反応のガスは拡散層５４で混合され、ハニカム触媒５３を通ることによって触媒反応を起こし、効果的に発熱が行われる。

よって、本実施形態の触媒燃焼器２０Ｃによれば、筒状の燃焼器本体５１にペレット触媒５２とハニカム触媒５３、更に拡散層５４を設けた簡素な構成にすることができ、そのペレット触媒４２，４４とハニカム触媒４３とがそれぞれ有効に機能して燃焼効率の良いものとすることができた。

以上、本発明の触媒燃焼器について一実施形態を説明したが、本発明はこれに限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。
例えば、前記実施形態では燃料改質器１に設けられた触媒燃焼器２０を例に挙げて説明したが、こうしたものに使われる触媒燃焼器に限定されることはない。
また、前記実施形態では横置きの触媒燃焼器２０を説明したが、一定の課題はあるものの縦置きにしたものであってもよい。

触媒燃焼器を含む燃料改質器を示した概念図である。 燃料改質器に設けられた触媒燃焼器の第１実施形態を概念的示した断面図である。 燃料改質器に設けられた触媒燃焼器の第２実施形態を概念的示した断面図である。 燃料改質器に設けられた触媒燃焼器の第３実施形態を概念的示した断面図である。 従来の燃料改質器を示した概念図である。

符号の説明

１ 燃料改質器
２０ 触媒燃焼器
３１ 燃焼器本体
３２ ペレット触媒
３３ ハニカム触媒
３５ 入力部
３６ 出力部

Claims (3)

1. 燃料ガスと支燃ガスを供給し前記燃料ガスの酸化反応によって触媒燃焼を起こす触媒燃焼器において、筒状に形成された燃焼器本体には入力部から出力部にかけて上流側にはペレットの燃焼触媒層が設けられ、その下流側にハニカム状の燃焼触媒層が設けられ、入力部には前記燃料ガスと前記支燃ガスとが別々に供給されるものであること、
   前記燃焼器本体には、ハニカム状の燃焼触媒層の下流側に更にペレットの燃焼触媒層が設けられたものであることを特徴とする触媒燃焼器。
2. 請求項１に記載する触媒燃焼器において、
   前記燃焼器本体には、ペレットの燃焼触媒層とハニカム状の燃焼触媒層との間に空間を形成した拡散層が設けられたものであることを特徴とする触媒燃焼器。
3. 請求項１または請求項２に記載する触媒燃焼器において、
   前記ペレットとハニカムとが同じ高さになって前記燃料ガスが横向きに流れるように、前記燃焼器本体がほぼ水平方向に配置されたものであることを特徴とする触媒燃焼器。

Images