JP4784078B2 - 触媒燃焼器 - Google Patents

Description

本発明は、触媒燃焼器に関し、詳細には、燃料電池スタックから排出されるカソードオフガスに含まれる凝縮水の影響を抑制して燃焼特性を改善する技術に関する。

近年、自動車搭載用の動力源として、燃料ガス（水素ガス）と酸化剤ガス（空気）を用いて発電する燃料電池の実用化が進められている。燃料電池は、発電に伴い有害な排気ガスが生じないことから、地球環境保護の観点から注目されている。

かかる燃料電池は、発電の基本単位となる燃料電池単セルを複数個積層することにより燃料電池スタックを構成し、その燃料電池スタックに燃料ガスと酸化剤ガスを導入することで所定の起電力を生じる。燃料電池単セルは、例えば、固体高分子電解質膜の両面にアノード極（水素極）及びカソード極（酸素極）を接合して一体化した膜電極接合体（MEA: membrane electrode assembly）を有し、アノード極に燃料ガスである水素ガスを、カソード極に酸化剤ガスである酸素を供給することで発電する。

燃料電池システムでは、燃料電池スタックのカソード極にカソードガス流路を接続し、アノード極にアノードガス流路を接続することでこれらカソード極とアノード極に酸素と水素ガスを供給し、さらにカソード極及びアノード極の後流側に触媒燃焼器を配置して、アノード極から排気されたアノードオフガスをカソード極から排気されたカソードオフガスに含まれる酸素を酸化剤として燃焼させた後、その燃焼後のガスを排気管からクリーンガスとして大気へと排出させている。

しかしながら、前記燃料電池システムでは、カソードオフガスとアノードオフガスを混合させて触媒燃焼させようとすると、カソードオフガス中に大量に含まれて供給され続ける凝縮水の影響で触媒燃焼器内に設けた触媒が水没する恐れがある。触媒表面が水に覆われると、触媒の効果が得られなくなり、燃焼効率が大幅に低下し、失火等により未燃焼な燃料をシステム外に排出しまうことが考えられる。

また、前記燃料電池システムでは、運転状態によってカソードオフガスの全てとアノードオフガスとを混合した場合に燃料濃度が低下しすぎて、触媒を用いても効果的に燃焼できない恐れがある。または、触媒燃焼器によってガス流路内の温度が上昇し、燃焼器外の周辺部材に熱害を与える可能性あるため、断熱等の処理が必要な場合があり、燃焼器の設計の複雑化、重量増加、コストアップ等の問題があった。

そこで、触媒燃焼器内に導入されるカソードオフガスに含まれる凝縮水による燃焼特性の向上を目的とした技術が従来より各種提案されている。例えば、その技術の一つとして、燃焼器流路にバイパス流路を設置し、燃焼器未使用時にはカソードオフガスが触媒内を流通しないように構成した燃焼器がある（例えば、特許文献１参照）。

または、起動用燃焼器の中に燃焼室及び気化室を形成し、その燃焼室内に可燃空熱比よりもリッチとなる量の燃料を分配供給して燃焼させ、気化室では燃料ガスによって未燃料を気化させた後、これら気化燃料及び燃料ガスをその後方の混合室へ流入させたときに空気を混合してから改質触媒へと供給するようにした燃料電池用改質器が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

またこの他、燃料ガスを単層と２層以上の複数の触媒層に切替可能な切替装置を設け、この切替装置によって燃料ガスの燃焼開始時は燃料ガスを２層以上の複数層の触媒層を順に経て流通させ、燃焼定常時には切替装置にて燃料ガスの流路を切り替えて単層の各触媒層に燃料ガスを流通させるようにした触媒燃焼器が提案されている（例えば、特許文献 ３参照）。
特開２００４−９５２５８号公報（第５頁及び第６頁、第１図及び第２図） 特開２００２−１４７７１６号公報（第４頁及び第５頁、第１図及び第２図） 特開平８−３２７０１３号公報（第３頁及び第４頁、第１図及び第２図）

しかしながら、特許文献１に記載の技術では、アノードオフガスを燃焼させる時に触媒に供給されるカソードオフガスは多量の水分を含んでいるため、凝縮水が触媒表面を被ってしまい、着火性に問題が発生する恐れがある。

また、特許文献２に記載の技術では、二重管の内部で一次燃焼を行なっているが、一次燃焼にカソードオフガスを用いると、多量の凝縮水の影響によって効果的な燃焼を得られない恐れがある。さらに、この技術では、全ての燃料を一次燃焼で消費している訳では無いので、一次燃焼で燃え残った燃料が下流で燃焼するが、下流で凝縮水の影響を受ける恐れもある。

また、特許文献３に記載の技術では、ガスが通る触媒距離を増加し初期の着火性を改善できても、カソードオフガスによって多量の凝縮水が供給され続けると、下部の触媒が溜まった凝縮水に水没してしまい、触媒の効果が得られなくなり、燃焼に使用できる触媒の量が低下し燃焼効率が低下する恐れがある。

そこで、本発明は、燃料電池スタックから排出されるカソードオフガスに含まれる凝縮水の影響を抑制して燃焼特性を改善することのできる触媒燃焼器を提供することを目的とする。

本発明は、燃料電池の運転状態に応じて燃料電池スタックから排出されるアノードオフガスをカソードオフガスと混合して燃焼処理する触媒燃焼器である。

そして、本発明の触媒燃焼器では、カソードオフガス流路の中に、部分的に流路を分割する隔壁を設置し、前記隔壁で分割された上側の流路内に、上流側から、アノードオフガス供給部、ガス混合部及び触媒を順次設置し、前記上側の流路内を流れるカソードオフガスに、前記アノードオフガスを混合して燃焼処理させることを特徴とする。

本発明によれば、カソードオフガス流路の中に流路を分割する隔壁を設けて該流路を上側と下側に分け、その上側の流路内に、上流側から、アノードオフガス供給部、ガス混合部及び触媒を順次設置させているので、カソードオフガスに含まれる凝縮水は重力の影響を受けて下側の流路に流れ、アノードオフガスを燃焼させる上側の流路への凝縮水の流入を抑制できる。

したがって、本発明によれば、カソードオフガス中に大量に含まれて供給され続ける凝縮水の影響を抑制することでき、それにより触媒が凝縮水に水没するのが阻止され、燃焼特性を大幅に向上させることが可能となる。

以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

［燃料電池システム全体の構成］
先ず、燃料電池システム全体の構成について説明する。図１は燃料電池システムの概略構成図である。

この燃料電池システムでは、例えば図示しない従来公知の空気供給機器であるコンプレッサーによって外部空気が供給され、その供給された外部空気は必要に応じてやはり図示しない従来公知の空気加湿技術を用いた加湿器にて加湿される。

加湿された空気は、図１に示すように、空気供給配管４より燃料電池スタック（ＦＣスタック）１のカソード極３側に供給され、発電に用いられた後にカソードオフガスとしてカソード極３より排出される。排出されたカソードオフガスは、カソードオフガス配管５を通って触媒燃焼器１１へと供給され、アノードオフガス燃焼用の酸化剤として酸素が消費された燃焼後に、排気管１２よりシステム外に排出される。

カソードオフガスは、燃料電池スタック１にて発電した際に生成された水分を多く含むため、配管内で水分が凝縮して燃焼に悪影響を及ぼすことから、後述する触媒燃焼器１１に本発明を適用することによってこの問題を解決する。

一方、燃料を水素とした場合、水素は、図示を省略する水素供給源より水素供給配管６を通り燃料電池スタック１のアノード極２側に供給される。この他、炭化水素を燃料とした場合、改質器等水素リッチな改質ガスを供給するシステムより、同様にこの改質ガスが燃料電池スタック１のアノード極２に供給される。

そして、燃料電池スタック１において発電に使用されなかったガスは、水素循環配管７、水素循環ポンプ８等により構成される水素循環システムによって、再度水素供給配管６へと循環され、アノードインガスとしてアノード極２へ供給される。または、この燃料電池スタック１で発電に使用されなかったガスは、アノードオフガスとしてアノードパージ弁９より排出され、アノードオフガス配管１０を通り触媒燃焼器１１に供給され、燃焼処理後システムより排出される。

［触媒燃焼器の第１の構成］
次に、触媒燃焼器１１の第１の構成例について図面を参照しながら詳細に説明する。図２は触媒燃焼器の第１の構成例を示す概略構成図、図３は図２のＡ−Ａ線断面図であり、（Ａ）は上側の流路の断面中心を燃焼器の全流路の断面中心よりも上側にオフセットした例、（Ｂ）は上側の流路の断面中心を燃焼器の全流路の断面中心よりも左斜め上側にオフセットした例を示す。

触媒燃焼器１１は、図２に示すように、円筒形状をなす燃焼器に、カソードオフガス（酸化剤である酸素を含む）を内部に流入させるカソードオフガス導入口２１を有している。そして、この触媒燃焼器１１の内部は、燃焼器の上流側から流入されるカソードオフガスの流路とされ、その流路途中で上側の流路Ａと下側の流路Ｃとに分離されている。上側の流路Ａと下側の流路Ｃは、その燃焼器内に設けられた仕切り板である隔壁２３によってその内部空間が上部空間と下部空間とに分離されている。

上側の流路Ａには、アノードオフガス（燃料である水素を含む）を内部に噴出させるアノードオフガス導入部であるアノードオフガス導入口２２、流入された酸化剤と噴出された燃料とを混合させるガス混合部２４及びガス混合部２４で混合された混合ガスを燃焼させる触媒２５が、図２中矢印Ｘで示すガス流れの上流側から下流側に向かってこの順に配置されている。かかる上側の流路Ａは、アノードオフガスに含まれた水素ガスをカソードオフガスを酸化剤として燃焼させる燃焼流路とされている。

そして、分岐されたカソードオフガスは、上側の流路Ａ、または、下側の流路Ｃをそれぞれ通流する。上側の流路Ａを通過したカソードオフガスは、触媒２５によって燃焼されて燃焼ガスとなり、下側の流路Ｃを通過したカソードオフガスと下流側で合流した後、排気管１２へと排出される。

なお、触媒燃焼器１１の断面形状は、後述する実施の形態のように必ずしも図３に示すように円形である必要は無い。

触媒燃焼器１１の内部流路は、燃焼器の長手方向中央部分に設けられた隔壁２３によって分離されており、燃焼を行なう上側の流路Ａは、燃焼を行なわない下側の流路Ｃの上側に位置する。また、燃料電池システムが車両等に搭載されている場合、図３（Ｂ）で示すように、上側の流路Ａは、下側の流路Ｃに対して斜め車両前方側にオフセットした位置であることが望ましい。

触媒燃焼器１１の燃焼器外壁２６および隔壁２３は、燃焼温度及び圧力に耐えられる材質、例えばステンレス（ＳＵＳ３０４）などから形成され、燃焼システムとして要求されるガス流量・発熱量などの要求を上側の流路Ａにて満足できる設計になれば、その他の材質などとしてもよい。また、触媒燃焼器１１は、設計者の意図に応じた任意の断面形状にしても良い。

カソードオフガス導入口２１は、カソードオフガス配管５と連通し、触媒燃焼器１１から排気管１２へと連通している。

アノードオフガス導入口２２は、アノードオフガスを上側の流路Ａ内に噴出する部分であり、アノードオフガス配管１０に接続された燃料噴出パイプなどから構成されている。そして、このアノードオフガス導入口２２は、その燃料噴出パイプの先端側部を上側の流路Ａ内に突出させ、その先端側部に形成した燃料噴出孔からアノードオフガスを噴出させる。このアノードオフガス導入口２２は、例えば先端に穴の空いている１／４インチのステンレスパイプからなる配管とされ、そのパイプ周面にアノードオフガスを噴出する燃料噴出孔を有している。この燃料噴出孔は、パイプ周面の中心に一箇所でもよく、または、円周方向に複数箇所設けてもよい。

アノードオフガスを上側の流路Ａ内に噴出させる導入管の燃料供給経路としては、当該上側の流路Ａ上の燃料供給部の上流側から導入したり、燃料供給部の流れに対して直角に導入したり、燃料供給部の下流側から導入しても良い(図１１参照)。ただし、下流側からアノードオフガスを導入する場合、導入管による混合気形成への影響および触媒２５における燃焼熱による導入管および燃料への影響を考慮した設計を行なう必要がある。

ガス混合部２４は、アノードオフガスと上側の流路Ａを通流するカソードオフガスを混合させて混合気を形成する部分であり、アノードオフガス導入口２２の下流側に位置して設けられている。このガス混合部２４には、例えば空間(図１１参照)、スワラー、複数枚の多孔板などの従来公知のガス混合技術を用いて作製することが可能である。

触媒２５は、ガス混合部２４で混合されたアノードオフガスとカソードオフガスによる混合気を燃焼させる部分であり、ガス混合部２４の後方（下流側）に位置して設けられている。触媒２５には、メタルハニカムやセラミックハニカム等の担体に白金等の貴金属を丹治した、従来公知の触媒技術を用いることができる。

以上のように構成された第１の構成の触媒燃焼器１１においては、カソードオフガス流路の中に流路を分割する隔壁２３を設けて該流路を上側と下側に分け、その上側の流路Ａ内にアノードオフガス供給口２２、ガス混合部２４及び触媒２５を設置させているので、カソードオフガスに含まれる凝縮水は重力の影響を受けて下側の流路Ｃに流れ、アノードオフガスを燃焼させる上側の流路Ａへの凝縮水の流入を抑制できる。したがって、第１の構成の触媒燃焼器１１によれば、触媒２５が凝縮水に水没することを防止でき、それにより燃焼特性を大幅に向上させることが可能となる。また、分離したカソードオフガスの一部にアノードオフガスを供給することにより、混合ガスの燃料濃度をある程度濃く保つことが可能となり、燃焼特性を改善できる。

また、第１の構成の触媒燃焼器１１においては、上側の流路Ａの断面中心Ｓ１を燃焼器の全流路の断面中心Ｓ２よりも上側または左右斜め上側にオフセットさせているので、燃焼流路となる上側の流路Ａに流入する凝縮水の量を減らすことができる。すなわち、上側の流路Ａと下側の流路Ｃを仕切る隔壁２３を上側に設置する方が、上側の流路Ａに流入する凝縮水の量が少なくなるため、触媒２５が水没することもなく当該触媒２５をより効果的に活用することができる。

また、第１の構成の触媒燃焼器１１におていは、燃料電池システムが車両等に搭載された場合、仕切り（隔壁２３）を上下のみを考慮して配置するだけでなく、車両進行方向の前後も加味した仕切り方にすることが望ましい。カソードオフガス中の凝縮水は、ガス流の影響よりも重力や車両の加減速Ｇの影響を受けることから、車両等では通常加速する時により多くの出力を用いるため、加速時の方が生成される凝縮水の量も多い。なお、減速時は、生成される凝縮水量が少ないので、減速時よりも加速時の方が凝縮水による触媒への影響は大きい。したがって、凝縮水は、流路の下側のみでなく加速Ｇの影響も受けて車両後方側に溜まる。よって、燃焼器の流路を仕切る際には、加速時の凝縮水の動きも加味した仕切りを行ない、触媒２５の水没を防止することによって、更に効果的に触媒２５を活用することができる。

［触媒燃焼器の第２の構成］
次に、触媒燃焼器１１の第２の構成例について図面を参照しながら詳細に説明する。図４は触媒燃焼器の第２の構成例を示す概略構成図、図５は図４のＢ−Ｂ線断面図であり、（Ａ）は燃焼器及び筒状の流路を円形とし、その筒状の流路を形成する隔壁の上面部を燃焼器外壁の内面に接触させた例、（Ｂ）は燃焼器及び筒状の流路を矩形状とし、その筒状の流路を形成する隔壁の上面部を燃焼器外壁の内面に接触させた例を示す。

なお、第２の構成の触媒燃焼器１１では、第１の構成と同一の構成部分についてはその説明は省略するものとし、さらに第１の構成と同一の構成部分については同一の符号を付するものとする。また、ここで定義した筒状の流路は、両端が開口された筒状の流路であって、その流路断面が円形状のものに限らない。

第２の構成の触媒燃焼装置１１は、隔壁２３によって囲まれることにより断面形状を円形または矩形とした筒状の流路Ｂを有し、その筒状の流路Ｂにアノードオフガス供給口２２、ガス混合部２４及び触媒２５を設置している。さらに、この触媒燃焼器１１では、筒状の流路Ｂを形成する隔壁２３の上面部を、燃焼器外壁２６の内面２６ａに接触させており、また、筒状の流路Ｂの断面中心Ｓ１を燃焼器の全流路の断面中心Ｓ２よりも上側にオフセットさせている。この触媒燃焼器１１では、筒状の流路Ｂの隔壁２３を燃焼器外壁２６の内面２６ａに溶接するなどして固定させている。

なお、図示は省略するが、筒状の流路Ｂの断面中心Ｓ１を、燃焼器の全流路の断面中心Ｓ２よりも左右斜め上側にオフセットさせてもよい。

第２の構成の触媒燃焼器１１によれば、仕切り板の代わりに隔壁２３で囲った筒状の流路Ｂを形成したことにより、流路設計の自由度を高めることができる。

また、この触媒燃焼器１１によれば、筒状の流路Ｂの内部で発生した燃焼熱が燃焼器の外部に伝わるのを防止することができる。したがって、カソードオフガス流路周辺部材の耐熱性の問題を回避し易く、燃焼器の周辺に断熱材などを設置しなくて済むため、その分、燃焼器の小型化や質量及びコストなどを削減可能となる。

［触媒燃焼器の第３の構成］
次に、触媒燃焼器１１の第３の構成例について図面を参照しながら詳細に説明する。図６は触媒燃焼器の第３の構成例を示す概略構成図である。

なお、第３の構成の触媒燃焼器１１では、第２の構成の触媒燃焼器１１と同一の構成部分についてはその説明は省略するものとし、さらに第２の構成と同一の構成部分については同一の符号を付するものとする。

第３の構成の触媒燃焼器１１は、第２の構成の触媒燃焼器１１とは異なり、燃焼流路となる筒状の流路Ｂを燃焼器外壁２６に接触させるのではなく、燃焼器外壁２６に対して非接触とし、その筒状の流路Ｂの回り全てを、燃焼を行わない流路Ｄで囲むように構成している。

図７は、図６のＣ−Ｃ線断面図であり、（Ａ）は燃焼器及び筒状の流路Ｂを共に円形とし、その筒状の流路Ｂの断面中心Ｓ１を燃焼器の全流路の断面中心Ｓ２よりも車両前方側にオフセットさせた例であり、（Ｂ）は燃焼器を円形とし筒状の流路Ｂを楕円形とし、その筒状の流路Ｂの断面中心Ｓ１を燃焼器の全流路の断面中心Ｓ２よりも車両前方側にオフセットさせた例である。

図８は、図６のＣ−Ｃ線断面図であり、（Ａ）は燃焼器を矩形とし筒状の流路Ｂを楕円形とし、その筒状の流路Ｂの断面中心Ｓ１を燃焼器の全流路の断面中心Ｓ２よりも車両前方側にオフセットさせた例であり、（Ｂ）は燃焼器及び筒状の流路Ｂを共に矩形とし、その筒状の流路Ｂの断面中心Ｓ１を燃焼器の全流路の断面中心Ｓ２よりも車両前方側にオフセットさせた例である。

図９は、図６のＣ−Ｃ線断面図であり、（Ａ）は燃焼器を６角形とし筒状の流路Ｂを円形とし、その筒状の流路Ｂの断面中心Ｓ１を燃焼器の全流路の断面中心Ｓ２よりも車両前方側にオフセットさせた例であり、（Ｂ）は燃焼器を楕円形とし筒状の流路Ｂを円形とし、その筒状の流路Ｂの断面中心Ｓ１を燃焼器の全流路の断面中心Ｓ２よりも車両前方側にオフセットさせた例である。

なお、前出の第１および第２の触媒燃焼器１１でも、第３の実施例同様に各種形態の流路を設計可能である。

図１０（Ａ）は、筒状の流路Ｂの断面中心Ｓ１と、燃焼器の全流路の断面中心Ｓ２のオフセット間隔Ｌをガスの流れ方向Ｘで常に一定とした触媒燃焼器の概略構成図である。つまり、筒状の流路Ｂの断面中心Ｓ１の中心線と、燃焼器の全流路の断面中心Ｓ２の中心線の距離を一定（平行）としている。図１０（Ｂ）は、オフセット間隔Ｌを、ガス流れの上流側よりも下流側へ行くに従って次第に大きくなるようにした触媒燃焼器の概略構成図である。

このように、第３の構成の触媒燃焼器１１では、筒状の流路Ｂを、ガス流れ方向Ｘに平行に配置しても良く、或いは上流から下流に向かって斜め上方に傾けて配置してもよい。

図１１（Ａ）は、筒状の流路Ｂの隔壁２３を支える支柱２７を、その筒状の流路Ｂの外側に形成した燃焼を行わない流路Ｄに設け、支柱２７と燃焼を行わない流路Ｄとの間に空間を形成した例を示す触媒燃焼器の概略構成図、（Ｂ）は（Ａ）のＤ−Ｄ線断面図である。このように、第３の構成の触媒燃焼器１１では、筒状の流路Ｂの隔壁２３を支柱２７で支える必要がある。かかる支柱２７は、設計上必要最低限の本数を必要最低限の太さで設置することが望ましく、また、支柱２７を構成する材料は熱伝導率が低い断熱性物質を用いることが望ましい。例えば、支柱２７には、アルミニウムやステンレスなどの金属材料よりもエンジニアリングプラスチックやセラミックスなどの材料が望ましい。

このように構成された触媒燃焼器１１では、筒状の流路Ｂの断面中心Ｓ１と燃焼器の全流路の断面中心Ｓ２のオフセット間隔Ｌを常に一定とした場合、カソードオフガスの流路が直線となることから、隔壁２３で囲まれた筒状の流路Ｂの内外の流路が共に平行になり、配管形状の影響を受けて触媒２５が水没するのを防止できる。例えば、外管の下流の方が高くなっていて、凝縮水が触媒２５のある流路Ｂに逆流する等を防止できる。

また、前記オフセット間隔Ｌを、ガス流れの上流側よりも下流側の方を大きくした場合も同様、配管形状の影響を受けて触媒２５が水没するのを防止することができる。特に、この場合は、燃焼させる流路（筒状の流路Ｂ）を傾ける事によって、隔壁２３内で凝縮した水が触媒２５に付着する前に隔壁２３の内面に接触し易くなるため、触媒２５が水没し難くなる。また、触媒２５は、隔壁内部の下流側に位置するため、隔壁外側の流路に溜まっている凝縮水の量が多く（触媒燃焼器内の水位が高く）ても触媒が水没し難い。

比較的凝縮水の少ない（減った）カソードオフガスを用いても、流路で新たに凝縮したり、アノードオフガスに凝縮水が含まれたりする等があるため、凝縮水が全くない（凝縮水量＝０）ガスを用いて燃焼することは難しいが、第３の構成例のような触媒燃焼器１１を形成すれば、前記問題は解決できる。

また、この触媒燃焼器１１によれば、燃焼場となる筒状の流路Ｂと燃焼器外壁２６との距離を開けることによって、触媒燃焼器周辺への熱の影響を減らすことができる。また、燃焼器外壁２６と筒状の流路Ｂを形成する隔壁２３とを接続する支柱２７を必要最低限にして、燃焼場からの熱流出を減らすことで、燃焼効率低下を大幅に防止することができる。

さらに、この触媒燃焼器１１によれば、支柱２７が放熱フィン効果を発揮しないため、隔壁２３内の燃焼温度が低下するのを防止できる。

［触媒燃焼器の第４の構成］
次に、触媒燃焼器１１の第４の構成例について図面を参照しながら詳細に説明する。図１２は触媒燃焼器の第４の構成例を示し、（Ａ）はその触媒燃焼器の概略構成図、（Ｂ）は（Ａ）のＥ−Ｅ線断面図、図１３は触媒燃焼器の第４の構成例を一部破断して示す斜視図である。

なお、第４の構成の触媒燃焼器１１では、第３の構成の触媒燃焼器１１と同一の構成部分についてはその説明は省略するものとし、さらに第３の構成と同一の構成部分については同一の符号を付するものとする。

第４の構成の触媒燃焼器１１では、アノードオフガス供給口２２、ガス混合部２４及び触媒２５を設置した燃焼流路となる筒状の流路Ｂ以外の流路、つまり燃焼を行わない流路Ｄに圧損要素２８を配置させている。かかる圧損要素２８には、固定オリフィス等の一定の圧損係数の物や可動することによって圧損量を制御可能なバタフライバルブ等を用いる。そして、この圧損要素２８は、前記した支柱２７と同様な考え方を用いて材質を選定することができる。

例えば、固定の圧損係数を有する圧損要素２８を設置した場合、燃焼を行わない流路Ｄの圧損係数は、該流路Ｄを通流するカソードオフガスの一部の流量に略比例し、同様に燃焼を行う流路Ｂの圧損係数も該流路Ｂを通流するガス流量に略比例する。燃料電池の通常運転状態においては、アノードオフガスの流量はカソードオフガスの流量に比較してかなり少ないため、各流路Ｂ、Ｄ内に通流するガス流量は各流路Ｂ、Ｄの圧損係数に略比例する。

燃焼時においては、燃焼を行う筒状の流路Ｂの圧損が触媒２５の燃焼によって大きくなる。従って、触媒燃焼器１１内を流れるカソードオフガスは、燃焼を行わない流路Ｄに流れる傾向があるため、筒状の流路Ｂ内の酸素濃度が低くなる。そこで、燃焼を行わない流路Ｄに、例えば燃焼時における筒状の流路Ｂの圧力損失より大きい圧損要素２８を設けることで、当該筒状の流路Ｂ内にカソードオフガスが流入し易くなる。

このように、圧損要素２８を用いて燃焼を行わない流路Ｄの圧損係数を調整することによって、燃焼を行う筒状の流路Ｂおよび燃焼を行わない流路Ｄを通流するカソードオフガスの流量を設計者の意図する流量比率に設定できる。また、圧損要素２８によって発生する流路内の圧力損失の圧損係数を可変することで、各運転状態に応じた流量比率に各流路を通流するガス流量を制御することが可能となる。

また、燃焼を行う筒状の流路Ｂの入口部または途中に、圧損要素２８およびカソードオフガス量を制限する可変弁等を設置し、当該流路Ｂを完全に遮断する機構を設ければ酸化剤が不要な時にはカソードオフガスの通流を阻止し、触媒温度の低下を是正することが可能となる。

第４の構成の触媒燃焼器１１によれば、燃焼を行わない流路Ｄに圧損要素２８を設けて燃焼場（筒状の流路Ｂ）に供給されるカソードオフガスの流量比率を制御するため、空燃比を適度に制御でき、効果的な燃焼が可能となる。

また、この触媒燃焼器１１によれば、圧損要素２８を可変可能としたことで、空燃費を可変制御することが可能となる。

また、この触媒燃焼器１１によれば、間欠パージにおいて未反応で触媒内を通過するカソードオフガスによって、燃焼により温まった触媒が次のパージまでに冷されることを防止し、触媒活性を低下し難くする。

また、この触媒燃焼器１１によれば、燃焼を行う筒状の流路Ｂへ流入するカソードオフガス量を制限する可変可能な弁を備えるため、燃焼を行わない場合など、酸化剤が不要な時にはカソードオフガスの流通を阻止することができ、触媒温度の低下を防止できる。

［本実施の形態による作用・効果］
本実施の形態では、燃焼を行なう流路Ａ、Ｂを全体のカソードオフガス流から一部分岐し、その燃焼を行う流路Ａ、Ｂの断面中心Ｓ１を触媒燃焼器１１の全流路の断面中心Ｓ２よりも上方側へオフセットさせているので、重力を液水に対する篩い代わりに利用することができる。図１４は、触媒燃焼器１１内の凝縮水に作用する力を示し、（Ａ）は触媒燃焼器の概略構成図、（Ｂ）は（Ａ）のＦ−Ｆ線断面図、（Ｃ）は凝縮水に働く力および水の挙動を示す図である。この図から判るように、液水濃度は濃度が薄いリーン部と濃度が濃いリッチ部とに分かれる。

つまり、本実施の形態の触媒燃焼器１１では、カソードオフガスの流路を分割し燃焼を行なう流路Ａ、Ｂの断面中心Ｓ１を触媒燃焼器１１の全流路の全断面中心Ｓ２に対してオフセットさせたことによって、カソードオフガス導入口２１から流入した凝縮水を含むカソードオフガスは、図１４に示すようにそのまま入口から出口へとほぼ直進する。この液水濃度のリッチ部は、水分を多く含むため着火し難いが、それ以外の部分は水分の量が少ないため着火可能である。

したがって、燃焼を行なう流路Ａ、Ｂ内に流入する凝縮水の量は少なく、全体的に着火し易い領域が多く存在するため、水素と酸素の混合気を効率良く燃焼させることができる。触媒燃焼器１１の全断面の一部に着火し難い領域があっても、それは燃焼を行なわない流路Ｃ、Ｄ内であるため、燃焼への影響はほとんど無い。つまり、この触媒燃焼器１１によれば、低液水濃度の混合気を形成して着火性および燃焼性能を向上できる。

凝縮水（液水）は、上流からの圧力、下方向への重力加速度、各地点での凝縮水と周辺ガスの速度差による粘性力を受ける（式１）。

Δvm = -mg + ΔPAc + τAs ・・・式１
但し、v=凝縮水速度、m=凝縮水質量、g=重力加速度、P=ガス圧力、Ac=凝縮水断面積、τ=粘性応力、As=凝縮水表面積とする。

式２で表されるストークス（Stokes）数（液水の空力反応の時定数｛aerodynamic response time of droplet｝対ガス全体としての流れる時定数｛time scale of continuous phase｝の比率）が大きな（＞＞１）凝縮水においては、τAの影響を無視できる（液水の自らの慣性によってガス流中を移動する）ことが従来より公知となっている。

ストークス（Stokes）数＝（ρｄ^２／１８μ）／（Ｄ／Ｕ） ・・・式２
但し、ρ=水の密度、d=水粒径、μ=水の粘度、D=燃焼器内径、U=平均気体流速とする。

したがって、凝縮水は、基本的には圧力差ΔＰを原動力に上流から下流へと流され、また重力によって下方へ加速されるが、ガス流の乱流成分にはほとんど影響されない。これにより、燃焼器内へと流入する凝縮水は、システム圧力および自己の慣性エネルギーによって、カソードオフガス導入口２１から真っ直ぐに排気管１２へと移動する。ただし、重力の影響を受けるため、凝縮水は、カソードオフガス導入口２１より下方に移動する。

なお、カソードオフガス導入口２１および触媒燃焼器１１における全流路の断面中心Ｓ２を、燃焼を行なう流路Ａ、Ｂの断面中心Ｓ１よりも上方にオフセットさせると、凝縮水が重力の影響を受けて燃焼を行なう流路Ａ、Ｂの中心部へ移動し、燃焼を妨げる可能性がある。しかし、カソードオフガス導入口２１および触媒燃焼器１１の全流路の断面中心Ｓ２を、燃焼を行なう流路Ａ、Ｂの断面中心Ｓ１よりも下方にオフセットさせることによって、凝縮水は上方の燃焼中心部へ行かずに下方壁面に付着し、燃焼の妨げとはならない。

また、本実施の形態では、触媒２５を用いて燃焼を行なっていることから、安全に混合気を燃焼させることができ、且つ低燃料濃度(燃焼/爆発下減以下)および高流速においても気層燃焼よりも安定して燃焼可能となる。

また、本実施の形態の燃料電池システムにおいては、カソードオフガスおよびアノードオフガスを簡素的かつ効率的に処理できるため、排出未燃ガスを削減させることができる。また、触媒２５の下流に熱交換器などを設置することにより、燃焼熱の有効利用によって燃料電池システムのエネルギー効率を向上させることも可能となる。

また、燃料電池を動力源とする車両において、燃焼を行なう流路Ａ、流路Ｂの断面中心Ｓ１を触媒燃焼器１１の全流路の断面中心Ｓ２に対して、車両進行方向前側、真上または斜め前上側にオフセットさせることにより、下記（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）なる効果が得られる。

（Ａ）上方向にオフセットした場合、凝縮水を燃焼中心部より下方の燃焼部壁面に付着させることができ、燃焼の妨げを阻止することができる。

（Ｂ）車両進行方向前側にオフセットした場合、図１４に示すように、触媒燃焼器１１内の凝縮水に加減速Ｇがかかる。加速Ｇがかかると凝縮水は、車両進行方向に対して後方へ、減速Ｇがかかると凝縮水は、車両進行方向に対して前方へのＧがかかる。燃料電池車両において、加速時には燃料電池スタック１より排出されるカソードオフガス流量は出力増加と共に増え、カソードオフガス流量と共に凝縮水流量も増える。凝縮水量が増加すると着火・燃焼性能が低下するため、加速により凝縮水が車両後方へのＧがかかった時に後方側壁へ凝縮水を導くことにより、燃焼を行なう流路Ａ、Ｂへの液水の流入を削減・防止することができる。

（Ｃ）斜め前上側にオフセットさせた場合、前記２方向両方の効果が合さった効果が得られる。

［その他の実施の形態］
以上、本発明を適用した具体的な実施の形態について説明したが、本発明は、上述の実施の形態に制限されることなく種々の変更が可能である。

例えば、上述の実施の形態では、燃焼器及び筒状の流路Ｂの形状を、円形、楕円形、矩形などとしたが、これらに限定されることなく６角形、７角形などの如き多角形としてもよい。

燃料電池システムの概略構成図である。 触媒燃焼器の第１の構成例を示す概略構成図である。 図２のＡ−Ａ線断面図であり、（Ａ）は上側の流路の断面中心を燃焼器の全流路の断面中心よりも上側にオフセットした例、（Ｂ）は上側の流路の断面中心を燃焼器の全流路の断面中心よりも車両前方上側（左斜め上）にオフセットした例を示す。 触媒燃焼器の第２の構成例を示す概略構成図である。 図４のＢ−Ｂ線断面図であり、（Ａ）は燃焼器及び筒状の流路を円形とし、その筒状の流路を形成する隔壁の上面部を燃焼器外壁の内面に接触させた例、（Ｂ）は燃焼器及び筒状の流路を矩形状とし、その筒状の流路を形成する隔壁の上面部を燃焼器外壁の内面に接触させた例を示す。 触媒燃焼器の第３の構成例を示す概略構成図である。 図６のＣ−Ｃ線断面図であり、（Ａ）は燃焼器及び筒状の流路を共に円形とし、その筒状の流路の断面中心を燃焼器の全流路の断面中心よりも車両前方側にオフセットさせた例であり、（Ｂ）は燃焼器を円形とし筒状の流路を楕円形とし、その筒状の流路の断面中心を燃焼器の全流路の断面中心よりも車両前方側にオフセットさせた例である。 図６のＣ−Ｃ線断面図であり、（Ａ）は燃焼器を矩形とし筒状の流路を楕円形とし、その筒状の流路の断面中心を燃焼器の全流路の断面中心よりも車両前方側にオフセットさせた例であり、（Ｂ）は燃焼器及び筒状の流路を共に矩形とし、その筒状の流路の断面中心を燃焼器の全流路の断面中心よりも車両前方側にオフセットさせた例である。 図６のＣ−Ｃ線断面図であり、（Ａ）は燃焼器を６角形とし筒状の流路を円形とし、その筒状の流路の断面中心を燃焼器の全流路の断面中心よりも車両前方側にオフセットさせた例であり、（Ｂ）は燃焼器を楕円形とし筒状の流路を円形とし、その筒状の流路の断面中心を燃焼器の全流路の断面中心よりも車両前方側にオフセットさせた例である。 図１０（Ａ）は、筒状の流路の断面中心と、燃焼器の全流路の断面中心のオフセット間隔をガスの流れ方向Ｘで常に一定とした触媒燃焼器の概略構成図、図１０（Ｂ）は、オフセット間隔Ｌを、ガス流れの上流側よりも下流側へ行くに従って次第に大きくなるようにした触媒燃焼器の概略構成図である。 図１１（Ａ）は、筒状の流路の隔壁を支える支柱を、その筒状の流路の外側に形成した燃焼を行わない流路に設け、支柱と燃焼を行わない流路との間に空間を形成した例を示す触媒燃焼器の概略構成図、（Ｂ）は（Ａ）のＤ−Ｄ線断面図である。 触媒燃焼器の第４の構成例を示し、（Ａ）はその触媒燃焼器の概略構成図、（Ｂ）は（Ａ）のＥ−Ｅ線断面図である。 触媒燃焼器の第４の構成例を一部破断して示す斜視図である。 触媒燃焼器内の凝縮水に作用する力を示し、（Ａ）は触媒燃焼器の概略構成図、（Ｂ）は（Ａ）のＦ−Ｆ線断面図、（Ｃ）は凝縮水に働く力および水の挙動を示す図である。

符号の説明

１…燃料電池スタック
２…アノード極
３…カソード極
５…カソードオフガス配管
１１…触媒燃焼器
１２…排気管
２１…カソードオフガス導入口
２２…アノードオフガス導入口（アノードオフガス導入部）
２３…隔壁
２４…ガス混合部
２５…触媒
２６…燃焼器外壁
２７…支柱
２８…圧損要素

Claims (13)

1. 燃料電池の運転状態に応じて燃料電池スタックから排出されるアノードオフガスをカソードオフガスと混合して燃焼処理する触媒燃焼器において、
   カソードオフガス流路の中に、部分的に流路を分割する隔壁を設置し、
   前記隔壁で分割された上側の流路内に、上流側から、アノードオフガス供給部、ガス混合部及び触媒を順次設置し、
   前記上側の流路内を流れるカソードオフガスに、前記アノードオフガスを混合して燃焼処理する
   ことを特徴とする触媒燃焼器。
2. 請求項１に記載の触媒燃焼器であって、
   前記上側の流路の断面中心が、燃焼器の全流路の断面中心よりも上側または左右斜め上側にオフセットしている
   ことを特徴とする触媒燃焼器。
3. 請求項１又は請求項２に記載の触媒燃焼器であって、
   燃料電池システムが車両に搭載された場合、前記上側の流路の断面中心が、燃焼器の全流路の断面中心よりも車両前方側または斜め車両前方側にオフセットしている
   ことを特徴とする触媒燃焼器。
4. 燃料電池の運転状態に応じて燃料電池スタックから排出されるアノードオフガスをカソードオフガスと混合して燃焼処理する触媒燃焼器において、
   カソードオフガス流路の中に、流れの前後方向に開口し且つ隔壁によって筒状とされた流路を形成し、その筒状の流路の断面中心を燃焼器の全流路の断面中心よりも上側または左右斜め上側にオフセットして設け、
   前記筒状の流路内に、上流側から、アノードオフガス供給部、ガス混合部及び触媒を順次設置し、
   前記筒状の流路を流通するカソードオフガスとアノードオフガスとを混合して燃焼処理する
   ことを特徴とする触媒燃焼器。
5. 請求項４に記載の触媒燃焼器であって、
   前記筒状の流路を形成する隔壁の上面部を、燃焼器外壁の内面に接触させた
   ことを特徴とする触媒燃焼器。
6. 請求項４に記載の触媒燃焼器であって、
   燃料電池システムが車両に搭載された場合、前記筒状の流路の断面中心が、燃焼器の全流路の断面中心よりも車両前方側または斜め車両前方側にオフセットしている
   ことを特徴とする触媒燃焼器。
7. 請求項４から請求項６の何れか一つに記載の触媒燃焼器であって、
   各断面位置における前記筒状の流路の断面中心と、燃焼器の全流路の断面中心のオフセット間隔が常に一定である
   ことを特徴とする触媒燃焼器。
8. 請求項４から請求項６の何れか一つに記載の触媒燃焼器であって、
   各断面位置における前記筒状の流路の断面中心と、燃焼器の全流路の断面中心のオフセット間隔が、ガス流れの上流側よりも下流側の方が大きい
   ことを特徴とする触媒燃焼器。
9. 請求項４から請求項８の何れか一つに記載の触媒燃焼器であって、
   前記筒状の流路の隔壁を支える支柱を、その筒状の流路の外側に形成した流路内に設け、前記支柱と前記外側の流路との間に空間を形成した
   ことを特徴とする触媒燃焼器。
10. 請求項９に記載の触媒燃焼器であって、
    前記支柱が断熱性物質を用いて形成されている
    ことを特徴とする触媒燃焼器。
11. 請求項１から請求項１０の何れか一つに記載の触媒燃焼器であって、
    燃焼を行わない流路に圧損要素を配置した
    ことを特徴とする触媒燃焼器。
12. 請求項１１に記載の触媒燃焼器であって、
    前記圧損要素により前記燃焼を行わない流路の圧損係数を可変可能とした
    ことを特徴とする触媒燃焼器。
13. 請求項１から請求項１２の何れか一つに記載の触媒燃焼器であって、
    前記アードオフガス供給部、ガス混合部及び触媒を設置した流路内へ流入するカソードオフガス量を制限する可変可能な弁を備えた
    ことを特徴とする触媒燃焼器。

Images