JP7102716B2

JP7102716B2 - 触媒反応装置

Info

Publication number: JP7102716B2
Application number: JP2017237075A
Authority: JP
Inventors: 忠樹間野; 政成柳澤
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2017-12-11
Filing date: 2017-12-11
Publication date: 2022-07-20
Anticipated expiration: 2037-12-11
Also published as: JP2019103965A

Description

この発明は、触媒を用いて液体とガスとの反応を促進する触媒反応装置に関する。

触媒反応装置の一例として、バーナーノズルから噴射された燃焼ガスの流動方向に対し、円錐台状の周面に燃焼ガスが噴出する噴出孔を設けた流動安定板を配置し、その流動安定板の外周に触媒を設けた改質器が開示されている（例えば、特許文献１）。この改質器においては、噴射された燃料が流体安定板における大径の上部開口端で受け止められた後、流動安定板の噴出孔から燃料が改質器の本体内に拡散噴射される。

特開２０１１－９６５７６号公報

上述のような触媒反応装置においては、例えば、バーナーノズルなどの噴射部に供給される噴射物として液体が用いられることがある。このような場合において、液体の噴射方向が斜め又は水平となるように触媒反応装置が配置されたときには、触媒反応装置の本体内に残留する液体が触媒と接触してしまう。その結果、接触した部分では噴射物の濃度が高くなり過ぎてその部分の触媒が劣化し、触媒反応の効率が低下するという問題がある。

本発明は、このような問題点に着目してなされたものであり、その目的は、触媒反応の効率を向上させる触媒反応装置を提供することにある。

本発明のある態様によれば、触媒反応装置は、酸化反応又は還元反応を起すガスが流入する流入部と、前記ガスと反応する液体を噴射する噴射部と、前記噴射部によって噴射された状態にある液体である噴射液体を加熱する加熱部と、前記加熱部から流出する前記噴射液体と前記ガスとの反応を促進する触媒が形成される反応部と、を含む。そして前記反応部は、前記加熱部の低部よりも高い位置に形成され、かつ、残留した前記噴射液体によって形成される残留液体の液面よりも高い位置に形成されるとともに、前記加熱部と前記反応部との間には、前記加熱部と前記反応部とを繋ぐ配管の曲げ構造によって乱流を形成する乱流形成部をさらに備えることを特徴とする。

この態様によれば、反応部での触媒反応の効率を向上させることができる。

図１は、本発明の第１実施形態における触媒反応装置の構成例を示す図である。図２は、本発明の第２実施形態における触媒反応装置の構成例を示す図である。図３は、触媒反応装置の残留燃料と反応部との関係を示す図である。図４は、本発明の第３実施形態における触媒反応装置の構成例を示す図である。図５は、本発明の第４実施形態における触媒反応装置の構成例を示す図である。図６Ａは、本発明の第５実施形態における触媒反応装置の構成例を示す図である。図６Ｂは、図６Ａに示した可変弁の構成を示す正面図である。図７は、本発明の第６実施形態における触媒反応装置を有する燃料電池システムの構成例を示す図である。図８は、燃料電池システムの起動方法の処理手順例を示すフローチャートであるである。図９は、燃料電池システムの起動方法の処理手順例を示すフローチャートであるである。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態における触媒反応装置１００の構成例を示す図である。

触媒反応装置１００は、触媒を用いて液体とガスとの酸化反応又は還元反応を促進する装置である。例えば、触媒反応装置１００は、触媒で酸化反応又は還元反応を起す液体及びガスの両者を導入する気化器や、改質器、燃焼器、排ガス処理器などに用いられる。

本実施形態の触媒反応装置１００は、液体及びガスの酸化反応により燃焼を起す燃焼器を構成し、液体としては液体燃料が用いられ、ガスとしては液体燃料と酸化反応を起す酸化剤ガスが用いられる。

上記液体燃料としては、例えば、含酸素燃料及び水を含む水溶液が用いられる。ここにいう含酸素燃料とは、アルコール又はメチルターシャリーブチルエーテル（ＭＴＢＥ）などの含酸素化合物を含む燃料のことである。本実施形態では、燃焼に必要となる液体燃料として４５体積％のエタノールを含有する含水エタノールが用いられ、酸化剤ガスとして酸素を含む空気が用いられる。

触媒反応装置１００は、流入部１０と、噴射部２０と、加熱部３０と、乱流形成部４０と、反応部５０と、流出部６０と、コントローラ７０と、を含む。

触媒反応装置１００は、配管を利用して構成されており、鉛直方向に対してほぼ直角に配置され、配管部１０１と、配管部１０１よりも口径の小さい配管部１０２とが同心円状に形成されている。配管部１０１には、上流から下流に向かって、流入部１０、噴射部２０、加熱部３０及び乱流形成部４０がそれぞれ形成され、配管部１０２に反応部５０及び流出部６０が形成されている。

配管部１０１の流入部１０には、酸化反応又は還元反応を起すガスが流入する。本実施形態の流入部１０には、酸素を含有する空気が流入する。例えば、流入部１０には、触媒反応装置１００の外部に設けられたガス供給装置、例えばコンプレッサ又はポンプから空気が供給される。

噴射部２０は、流入部１０に流入するガスと反応する液体を噴射する。本実施形態の噴射部２０は、空気中の酸素と反応する液体燃料を噴射する。例えば、噴射部２０は、一般的な噴射装置により構成され、流入部１０の円心（中心）に設置される。

噴射部２０の噴射量は、コントローラ７０により制御される。なお、噴射部２０から噴射された液体燃料の一部は配管部１０１の低部に残留する。このような液体燃料のことを以下では残留燃料という。この残留燃料は徐々に揮発する。

加熱部３０は、液体燃料の触媒反応を促進するために、噴射部２０によって噴射された液体燃料を加熱する。例えば、加熱部３０は、電気ヒータ又は熱交換器などにより構成される。本実施形態の加熱部３０は、筒状に形成された電気ヒータにより構成され、不図示の電力供給装置から電気ヒータに供給される電力を大きくするほど、電気ヒータの発熱量が増加する。加熱部３０には、加熱部３０の温度を検出する温度センサ７１が設けられている。

乱流形成部４０は、加熱部３０と反応部５０との間に配置され、加熱部３０から流出する液体燃料及び空気の流動に乱流を形成する。このように乱流を形成することにより、噴射部２０から噴射された液体燃料と空気との混合性が高くなり、触媒反応の効率を高めることができる。

また、上記のように乱流を形成することにより、残留燃料の液面から揮発したガスを引き離しやすくなるとともに、残留燃料から揮発した燃料ガスと空気とが混合されるので、残留燃料により燃焼反応を起すことが可能になる。また、乱流が形成されない状況では、残留燃料が揮発すると徐々に燃料ガスの濃度が薄くなるため、反応部５０の上部と下部とでは燃料ガスの濃度勾配が生じてしまう。これに対して乱流を形成することにより、反応部５０に流入する燃料ガスの濃度勾配が抑制されるので、全体として効率よく触媒反応を起すことができる。

さらに残留燃料の液面に乱流が衝突することにより、残留燃料の液面が揺れて液面の表面積が増加するので、残留燃料がさらに揮発しやすくなる。したがって、乱流形成部４０から反応部５０までの全部又は一部に残留燃料が溜める部位を形成することで、残留燃料の利用効率を向上させることができる。

本実施形態の乱流形成部４０は、加熱部３０と反応部５０との間に渦流が発生するように形成された渦流発生板４０Ａにより構成される。渦流発生板４０Ａとしては、例えば、表面に渦流が発生するように複数の突起が設けられた板、円筒状の複数の羽根板を有する旋回器（スワラー）などが挙げられる。本実施形態では、渦流発生板４０Ａとして、いわゆるスワラーが用いられている。

渦流発生板４０Ａは、配管部１０１において加熱部３０から所定の距離だけ離れた位置まで配管部１０２が延在し、その配管部１０２の端部（流入部）に形成されている。すなわち、渦流発生板４０Ａは、加熱部３０よりも口径が小さく、かつ、加熱部３０と同心円状に形成される。

渦流発生板４０Ａは、コントローラ７０により制御される。渦流発生板４０Ａは、残留燃料に接触しないように配置されているため、渦流発生板４０Ａが残留燃料に接触する構成に比べて渦流発生板４０Ａの駆動に必要となる消費電力を低減することができる。

配管部１０２の反応部５０には、加熱部３０から流出する液体とガスとの反応を促進する触媒が形成される。本実施形態の触媒は、白金（Ｐｔ）やパラジウム（Ｐｄ）などを含む燃焼用触媒である。

反応部５０の最低部５０ａは、加熱部３０の低部よりも高い位置に形成される。例えば、加熱部３０の最低部３０ａに対して反応部５０の最低部５０ａが残留燃料と接触しない所定の高さに反応部５０が配置される。これにより、残留燃料が触媒に接触するのを回避できるので、反応部５０に形成された触媒が過剰な燃料濃度により劣化するのを抑制することができる。したがって、触媒反応の効率が低下するのを抑制することができる。

流出部６０は、反応部５０での液体とガスとの触媒反応によって生成されるガスを排出する。本実施形態の流出部６０は、液体燃料と空気中の酸素との酸化反応によって液体燃料が燃焼し、その燃焼ガスを排出する。

コントローラ７０は、噴射部２０、加熱部３０及び乱流形成部４０の動作を制御する。本実施形態のコントローラ７０は、加熱部３０に設けられた温度センサ７１の検出値を取得し、反応部５０の温度が触媒反応に適した所定の温度範囲内に収まるように加熱部３０への供給電力を制御する。これにより、反応部５０において触媒反応を促進することができる。

なお、本実施形態では触媒反応装置１００を燃焼器として用いたが、これに限られるものではなく、例えば、排ガス処理器として用いても良い。このような場合は、反応部５０に形成される触媒として、例えば、ＮＯｘの選択的還元触媒が用いられ、この還元触媒には、鉄（Ｆｅ）やコバルト（Ｃｏ）、パラジウム（Ｐｄ）などが含まれる。

そして、触媒反応装置１００では、ＮＯｘを含有する排ガスが流入部１０に導入され、噴射部２０から液体である尿素やアンモニアなどの還元剤が噴射される。これにより、液体の還元剤と排ガスとが加熱部３０を通過し、乱流形成部４０により乱流が形成されて、還元剤と排ガスの混合度合いが向上するとともに、配管部１０１の底部に残留した還元剤の利用率が向上する。

その後に還元剤と排ガスとの混合ガスが反応部５０に流入し、反応部５０で還元反応が起こりＮＯｘが除去された排ガスが流出部６０から排出される。このように排ガス処理器として触媒反応装置１００を用いたとしても、本実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

また、本実施形態では乱流形成部４０の低部が残留燃料に接触しないよう乱流形成部４０の低部を加熱部３０の低部よりも高い位置に配置したが、乱流形成部４０の配置についてはこれに限られるものではない。例えば、乱流形成部４０の低部は、残留燃料に接触するように加熱部３０の低部と同等の高さに配置されても良い。このように配置することで、乱流形成部４０により残留燃料が攪拌され、残留燃料の液面の面積が大きくなるので、残留燃料の揮発量を増加させることができる。したがって、残留燃料の利用率が上昇するので、効率よく触媒反応を起すことができる。

本発明の第１実施形態によれば、触媒反応装置１００は、酸化反応又は還元反応を起すガスが流入する流入部１０と、流入部１０に流入するガスと反応する液体を噴射する噴射部２０とを含む。さらに触媒反応装置１００は、噴射部２０によって噴射された液体を加熱する加熱部３０と、加熱部３０から流出する液体とガスとの反応を促進する触媒が形成される反応部５０とを含む。

そして反応部５０は、加熱部３０の低部３１ａよりも高い位置に形成されるとともに、加熱部３０と反応部５０との間には、加熱部３０から流出する液体及びガスに乱流を形成する乱流形成部４０をさらに備える。

これにより、反応部５０に形成された触媒が残留燃料と接触するのを回避しつつ、乱流形成部４０により、加熱部３０から反応部５０までの通路の低部に残留した液体の揮発量を増加させることができる。このため、反応部５０における触媒の劣化を抑制しつつ、残留した液体を有効に利用することができる。すなわち、触媒劣化による触媒反応の効率が低下するのを抑制するとともに、残留した液体の触媒反応による利用量が増加するので、触媒反応の効率を向上させることができる。

また、本実施形態によれば、乱流形成部４０は渦流を発生させる板により構成される。これにより、簡素な構成で、加熱部３０と反応部５０との通路を通過する液体及びガスに対して乱流を形成することができる。

また、本実施形態によれば、触媒反応装置１００は、加熱部３０の温度を検出する温度取得器を構成する温度センサ７１と、温度センサ７１により取得された信号に基づいて、加熱部３０への供給電力を制御するコントローラ７０とを備える。これにより、反応部５０の触媒反応が促進される所定温度範囲に加熱部３０の温度を維持することができる。したがって、反応部５０における触媒反応の効率を向上させることができる。

なお、本実施形態では温度センサ７１が加熱部３０に設けられているが、温度センサ７１は、反応部５０又は流出部６０の周囲に設けられても良い。この場合には、温度取得器を構成するコントローラ７０が温度センサ７１の検出値に基づいて加熱部３０の温度を推定する。例えば、コントローラ７０のメモリに対して温度センサ７１の検出値と加熱部３０の温度との関係を示す温度変換テーブルを予め記憶し、コントローラ７０が温度センサ７１の検出値を取得すると、上記の温度変換テーブルを参照して加熱部３０の温度を算出する。

（第２実施形態）
図２は、本発明の第２実施形態における触媒反応装置１１０の構成例を示す図である。

触媒反応装置１１０は、乱流形成部４０として、図１に示した触媒反応装置１１０の渦流発生板４０Ａに代えて、配管部１０１及び配管部１０２により構成される配管の曲げ構造４０Ｂを備えている。他の構成については触媒反応装置１００の構成と同様である。

本実施形態では、曲げ構造４０Ｂが加熱部３０から反応部５０までの通路に形成される。曲げ構造４０Ｂにおいては、配管部１０１の中心軸と配管部１０２の中心軸とのなす角がほほ直角となるように配管部１０１及び配管部１０２が形成される。そして、反応部５０の最低部５１ａは、加熱部３０の最低部３０ａよりも高い位置に配置される。

このように、本発明の第２実施形態によれば、曲げ構造４０Ｂを設けることにより、加熱部３０から流出する液体燃料及び空気の層流が配管部１０２の側壁に衝突することで乱流が形成される。したがって、液体燃料と空気とが混合し易くなるので、反応部５０に流入する混合ガスの触媒反応を促進することができる。

さらに配管部１０２の底部は、残留燃料が反応部５０の直下に溜まるように形成される。これにより、加熱部３０から流出する液体燃料の層流が配管部１０２の側壁に衝突して形成される乱流の一部が残留燃料の液面に接触し、残留燃料から揮発する燃料ガスを液面から引き離しやすくなるので、液体燃料の揮発量が増加する。これに加えて、液体燃料の液面が波打つことで液面の表面積も大きくなるので、液体燃料の揮発量がさらに増加する。

図２では、反応部５０の最低部５１ａが、加熱部３０から流出する液体燃料の層流に対して高い位置に配置されるとともに、配管部１０１の中心軸が水平線と一致するように、かつ、配管部１０２の中心線が鉛直線と一致するように配管部１０１及び１０２が配置される。このような構成にすることで、乱流によって拡散された混合ガスがほぼ均一の濃度で反応部５０に流入することになるので、安定した触媒反応を起すことができる。

図３は、触媒反応装置１１０の配置条件を説明する図である。図３には、配管部１０１の中心軸Ｏが水平線と一致するように配管部１０１を配置した状態で、鉛直線に対して配管部１０２の中心線を傾けることが可能な範囲が示されている。

このように、反応部５０の最低部５１ａ乃至５１ｃが残留燃料の液面の上限値よりも高くなるように配管部１０２を傾ける角度を制限することにより、反応部５０が残留燃料に接触して反応部５０の触媒が劣化するのを抑制することができる。

なお、本実施形態では配管部１０１と配管部１０２とが互いに直角となるように形成されているが、これに限られるものではない。例えば、乱流が形成されるように配管部１０１と配管部１０２とを鈍角又は鋭角に形成するようにしても良い。残留燃料の増加を抑制することを考慮すれば、配管部１０１と配管部１０２とを鈍角に形成するのが好ましい。

図４は、本発明の第３実施形態における触媒反応装置１００Ａの構成例を示す図である。

本実施形態の触媒反応装置１００Ａは、図１に示した触媒反応装置１００の構成に加えて、噴射部２０と加熱部３０との間に絞り部８１を有する。

絞り部８１は、噴射部２０よりも下流であって加熱部３０よりも上流に形成される。絞り部８１の断面積は、配管部１０１又は加熱部３０の断面積よりも小さい所定の値に形成される。ここにいう所定の値は、噴射部２０から噴射された液体燃料に層流が形成されるように決められる。

本実施形態の絞り部８１は、噴射部２０から加熱部３０に向かって断面積が徐々に上記所定の値まで小さくなり、断面積が所定の値になった箇所から断面積が徐々に大きくなるように形成されている。なお、絞り部８１は、バッフルプレート、スワラー又は衝立構造などを用いて実現してもよい。

触媒反応装置１００Ａに絞り部８１を設けることにより、噴射部２０から噴射される液体燃料の流速が大きくなるので、乱流形成部４０により形成される乱流の乱れ度合いを大きくすることができる。さらに噴射部２０から噴射される液体燃料の拡散が抑制されるので、配管部１０１の底部に蓄積される残留燃料を減少させることができる。

本発明の第３実施形態によれば、噴射部２０と加熱部３０との間の配管部１０１に絞り部８１を設けることにより、乱流が大きくなるので、残留燃料を有効に利用可能となるとともに、液体燃料と空気とが混合性を高めることができる。したがって、反応部５０での触媒反応の効率を向上させることができる。

図５は、本発明の第４実施形態における触媒反応装置１００Ｂの構成例を示す図である。

本実施形態の触媒反応装置１００Ｂは、図４に示した触媒反応装置１００Ａの構成に加えて、加熱部３０と乱流形成部４０との間に絞り部８２を有する。

絞り部８２は、加熱部３０よりも下流であって乱流形成部４０よりも上流に形成される。絞り部８２の断面積は、配管部１０１又は乱流形成部４０の断面積よりも小さい特定の値に形成される。ここにいう特定の値は、噴射部２０から噴射された液体燃料の層流がさらに強化されるように決められる。

本実施形態の絞り部８２は、加熱部３０から乱流形成部４０に向かって断面積が徐々に上記特定の値まで小さくなり、断面積が所定の値になった箇所から断面積が徐々に大きくなるように形成されている。なお、絞り部８２は、上記絞り部８１と同様、バッフルプレート、スワラー又は衝立構造などを用いて実現してもよい。

触媒反応装置１００Ｂに絞り部８２を設けることにより、噴射部２０から噴射される液体燃料の流速が大きくなるので、乱流形成部４０により形成される乱流の乱れ度合いを大きくすることができる。さらに噴射部２０から噴射される液体燃料の拡散が抑制されるので、配管部１０１の底部に蓄積される残留燃料を減少させることができる。

本発明の第４実施形態によれば、加熱部３０と乱流形成部４０との間の配管部１０１に絞り部８２を設けることにより、乱流が大きくなるので残留燃料を有効に利用可能となるとともに、液体燃料と空気とが混合性を高めることができる。したがって、反応部５０での触媒反応の効率を向上させることができる。

図６Ａは、本発明の第５実施形態における触媒反応装置１００Ｃの構成例を示す図である。図６Ｂは、触媒反応装置１００Ｃに備えられた可変弁８３の構成を示す正面図である。

図６Ａに示すように、本実施形態の触媒反応装置１００Ｃは、図５に示した触媒反応装置１００Ｂの構成に加えて、絞り部８２の開口面積を変更可能にする可変弁８３を備えている。

図６Ｂに示すように、可変弁８３は、いわゆるスワールコントロールバルブ（ＳＣＶ；Swirl Control Valve）により実現される。可変弁８３は、コントローラ７０により制御される。

コントローラ７０は、遮断部８３Ａを駆動して絞り部８２の一部を塞ぐことにより、可変弁８３を通過する液体燃料の流速はさらに大きくなるので、乱流形成部４０にて形成される乱流の乱れ度合いをより一層大きくすることができる。さらに液体燃料の拡散が抑制されるので、配管部１０１の底部に蓄積される残留燃料を減少させることができる。

本発明の第５実施形態によれば、絞り部８２に可変弁８３を設けることにより、第４実施形態に比べて液体燃料の流速がなり、乱流が大きくなるので残留燃料を有効に利用可能となるとともに、液体燃料と空気とが混合性を高めることができる。したがって、反応部５０での触媒反応の効率を向上させることができる。

なお、本実施形態の可変弁８３は絞り部８２に設けられたが、絞り部８１に設けても良い。

また、本実施形態の触媒反応装置１００Ｃでは絞り部８１に加えて可変弁８３を有する絞り部８２を配管部１０１に形成したが、この実施形態に限られるものではない。例えば、配管部１０１に絞り部８１を形成することなく、可変弁８３を有する絞り部８２のみを形成してもよく、絞り部８１及び可変弁８３を有することなく絞り部８２のみを形成しても良い。

さらに、触媒反応装置１００Ａ乃至１００Ｃでは、図１に示した触媒反応装置１００の配管部１０１に絞り部８１及び絞り部８２を形成したが、本発明の実施形態はこれに限られるものではない。例えば、図２に示した触媒反応装置１１０の配管部１０１に絞り部８１及び絞り部８２の少なくとも一方の絞り部を形成しても良く、その絞り部に可変弁８３を設けても良い。

次に、上記の触媒反応装置１００、１００Ａ乃至１００Ｃ、及び１１０の適用例について説明する。

図７は、本発明の第６実施形態における燃料電池システム２００の構成例を示す構成図である。

燃料電池システム２００は、例えば、車両に搭載され、駆動モータ又はバッテリに電力を供給する電力供給システムである。本実施形態の燃料電池システム２００は、燃料電池２１０と、酸化剤供給装置２２０と、燃料供給装置２３０と、加熱装置２４０と、コントローラ２５０と、を含む。

燃料電池２１０は、燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を受けて発電する燃料電池により構成される。燃料電池２１０は、固体酸化物形燃料電池、又は固体高分子形燃料電池などにより実現される。本実施形態の燃料電池２１０は、固体酸化物形であり、単一の燃料電池セルを複数積層した積層電池である。

酸化剤供給装置２２０は、燃料電池２１０の発電に用いられる酸化剤ガスを燃料電池２１０に供給する。酸化剤供給装置２２０は、酸化剤供給通路２２１と、コンプレッサ２２２と、熱交換器２２３と、を備える。

酸化剤供給通路２２１は、燃料電池２１０に酸化剤ガスを供給するための通路である。酸化剤供給通路２２１の一端は外気に連通され、他端は燃料電池２１０の酸化剤ガス入口孔に接続される。

コンプレッサ２２２は、酸化剤供給通路２２１に設けられ、アクチュエータにより構成される。本実施形態のコンプレッサ２２２は、外気から空気を吸引してその空気を酸化剤ガスとして燃料電池２１０に供給するガス供給装置である。なお、本実施形態ではコンプレッサ２２２が用いられているが、コンプレッサ２２２の代りにブロアが用いられても良い。

熱交換器２２３は、酸化剤供給通路２２１に設けられ、燃料電池２１０に供給される空気と加熱装置２４０から排出される排ガスとの間で熱交換を行う。熱交換器２２３は、加熱装置２４０からの排ガスの熱を利用して空気を加熱する。

燃料供給装置２３０は、燃料電池２１０の発電に用いられる燃料ガスを燃料電池２１０に供給する。燃料供給装置２３０は、燃料供給通路２３１と、インジェクタ２３２を有する気化器２３３と、加熱器２３４と、改質器２３５とを備える。

燃料供給通路２３１は、燃料電池２１０に燃料ガスを供給するための通路である。燃料供給通路２３１の一端は気化器２３３に接続され、他端は燃料電池２１０の燃料ガス入口孔に接続される。

インジェクタ２３２は、燃料ガスの生成に必要となる液体燃料を所定の周期で気化器２３３に噴射する噴射部である。なお、インジェクタ２３２に供給される液体燃料は、不図示の燃料タンクからポンプにより供給される。

気化器２３３は、インジェクタ２３２から噴射された水溶液を気化し、水蒸気に含酸素燃料ガスが含まれる混合ガスを生成する。本実施形態の気化器２３３は、気化器２３３の自己の温度を早期に上昇させるために触媒を有する。

本実施形態の気化器２３３に対して、上記実施形態における触媒反応装置１００、１００Ａ乃至１００Ｃ及び１１０のいずれかひとつが適用される。これにより、気化器２３３での触媒反応を向上させることができる。

加熱器２３４は、加熱装置２４０からの排ガスの熱を利用して、気化器２３３において生成された混合ガスを加熱する熱交換器である。この混合ガスは、加熱器２３４により改質器２３５での触媒反応を起すのに適した温度まで上昇する。

改質器２３５は、加熱器２３４から流出する混合ガス中の含酸素燃料ガス及び水蒸気が触媒反応を促進する酸化触媒を有する。改質器２３５は、触媒反応により水素ガスが生成される。改質器２３５により生成された水素ガスは、燃料ガスとして燃料電池２１０に供給される。

加熱装置２４０は、燃料電池２１０及び燃料供給装置２３０を加熱する。例えば、加熱装置２４０は、燃料電池２１０に供給される酸化剤ガスを加熱する。加熱装置２４０は、排ガス通路２４１と、インジェクタ２４２を有する燃焼器２４３と、インジェクタ２４４を有する排ガス処理器２４５とを備える。

排ガス通路２４１は、燃焼器２４３から排出される排ガスを排出するための通路である。排ガス通路２４１の一端は燃焼器２４３に接続され、他端は外気に連通する。本実施形態の排ガス通路２４１は、酸化剤供給装置２２０を通過する第１通路と、第１通路から分岐して燃料供給装置２３０を通過した後に第１通路に合流する第２通路とを有する。

具他的には、上記の第１通路は、燃焼器２４３から、熱交換器２２３及び排ガス処理器２４５を通過して排ガスを排出する通路である。そして第２通路は、燃焼器２４３と熱交換器２２３との間の第１通路から分岐して、改質器２３５、加熱器２３４及び気化器２３３を通過し、熱交換器２２３と排ガス処理器２４５と間の第１通路に合流する通路である。

インジェクタ２４２は、インジェクタ２３２と同一構成であり、液体燃料を燃焼器２４３に噴射する噴射部である。

燃焼器２４３は、インジェクタ２４２から噴射された液体燃料と、燃料電池２１０から排出される空気中の酸素との燃焼反応を促進する酸化触媒を有する。燃焼器２４３は、燃焼反応により液体燃料の噴射ガスが燃焼し、燃焼した燃焼ガスを排ガス通路２４１に排出する。

本実施形態の燃焼器２４３に対して、上記実施形態における触媒反応装置１００、１００Ａ乃至１００Ｃ及び１１０のいずれかひとつが適用される。これにより、燃焼器２４３での触媒反応を向上させることができる。

インジェクタ２４４は、インジェクタ２４２と同一構成であり、液体の還元剤を排ガス処理器２４５に噴射する噴射部である。インジェクタ２４４から噴射される還元剤は、排ガス中の窒素酸化物ＮＯｘを除去するために用いられる。

排ガス処理器２４５は、インジェクタ２４４から噴射された還元剤と、燃焼器２４３からの排ガスとの還元反応を促進する還元触媒を有する。排ガス処理器２４５で生じる還元反応により排ガス中の窒素酸化物ＮＯｘが減少し、触媒反応後の排ガスが大気中に排出される。

本実施形態の排ガス処理器２４５に対して、上記実施形態における触媒反応装置１００、１００Ａ乃至１００Ｃ及び１１０のいずれかひとつが適用される。これにより、排ガス処理器２４５での触媒反応を向上させることができる。

コントローラ２５０は、燃料電池システム２００の動作を制御する制御装置である。コントローラ２５０は、あらかじめ定められた処理がプログラムされた中央演算処理装置（ＣＰＵ；Central Processing Unit）及び記憶装置を備える１つ又は複数のマイクロコンピュータによって構成される。

コントローラ２５０は、燃料電池システム２００のＥＶキーがＯＮに操作されると、燃料電池システム２００の起動を開始し、燃料電池２１０の発電に適した所定の温度、例えば約７００℃に燃料電池２１０の温度が達するよう、加熱装置２４０を作動させる。

さらにコントローラ２５０は、燃料電池２１０を暖機するために、燃料電池２１０への燃料ガス及び酸化剤ガスの各供給流量が目標値となるようコンプレッサ２２２及びインジェクタ２３２の各々の動作を制御する。

また、本実施形態のコントローラ２５０は、図１及び図２に示されたコントローラ７０の機能を有する。そしてコントローラ２５０は、気化器２３３、燃焼器２４３及び排ガス処理器２４５の各々に対して触媒反応装置１００、１００Ａ、１００Ｂ又は１００Ｃを適用した場合には、加熱部３０及び乱流形成部４０を作動させ、触媒反応装置１１０を適用した場合には加熱部３０のみを作動させる。

図８は、燃料電池システム２００の起動方法の処理手順例を示すフローチャートである。この例では、燃料電池システム２００が車両に搭載され、燃焼器２４３及び排ガス処理器２４５の各々に対して触媒反応装置１００Ｃが適用されている。

ステップＳ１においてコントローラ２５０は、運転者によりＥＶキーがＯＮに操作されたことを検出する。これにより、コントローラ２５０は、燃料電池システム２００の起動を開始する。

ステップＳ２においてコントローラ２５０は、不図示の電力供給装置から触媒反応装置１００Ｃの加熱部３０に電力を供給する。

ステップＳ３においてコントローラ２５０は、反応部５０に流入する混合ガスの温度に相関のある加熱部３０の温度を検出する温度センサ７１から検出値を取得する。なお、コントローラ２５０は、燃料電池２１０から排出される燃料ガス又は酸化剤ガスの温度を検出し、その検出値に基づいて上記混合ガスの温度を推定してもよい。

ステップＳ４においてコントローラ２５０は、温度センサ７１の検出値が所定の値以上であるか否かを判断する。

ステップＳ５においてコントローラ２５０は、温度センサ７１の検出値が所定の値以上であると判断した場合には、可変弁８３を全開にする。

ステップＳ６においてコントローラ２５０は、インジェクタ２３２、２４２及び２４５から液体を噴射する。

そしてコントローラ２５０は、燃料電池システム２００の停止指令の有無を判断する。そして燃料電池システム２００の停止指令を受けていない場合には、ステップＳ６の処理を繰返し実行し、停止指令を受けた場合には、燃料電池システム２００の起動方法の処理手順を終了する。

一方、ステップＳ４において温度センサ７１の検出値が所定の値よりも低いと判断された場合には、コントローラ２５０は、ステップＳ７の処理に進む。

ステップＳ７においてコントローラ２５０は、温度センサ７１の検出値が所定の値を下回ると判断した場合には、可変弁８３の開口を最小に設定する。これにより、配管部１０１を通過するガスの流速が大きくなり、乱流を強化することが可能になる。したがって、反応部５０に流入する混合ガスの混ざり度合いが高くなるので、触媒反応を向上させることが可能になる。

ステップＳ８においてコントローラ２５０は、インジェクタ２３２、２４２及び２４５から液体を噴射して、ステップＳ３の処理に戻る。そして温度センサ７１の検出値が所定の値に到達するまで、反応部５０での触媒反応が促進するようにステップＳ７及びＳ８の処理を繰り返す。

次に燃料電池システム２００を起動する起動方法についての他の例を説明する。

図９は、燃料電池システム２００の起動方法の他の例を示すフローチャートである。この例は、触媒反応装置１００、１００Ａ、１００Ｂ又は１１０が車両に搭載された燃料電池システム２００の燃焼器２４３及び排ガス処理器２４５の各々に対して適用されている。

この起動方法の処理手順は、図８に示した処理手順のステップＳ４乃至Ｓ８の処理に代えて、ステップＳ１４乃至Ｓ１６の各処理を備えている。そのため、ここでは、ステップＳ１４乃至Ｓ１６の各処理についてのみ説明する。

ステップＳ１４においてコントローラ２５０は、温度センサ７１の検出値が所定の温度範囲内にあるか否かを判断する。ここにいう所定の温度範囲は、反応部５０に流入する混合ガスが触媒反応に適した温度範囲のことである。

ステップＳ１５においてコントローラ２５０は、温度センサ７１の検出値が所定の温度範囲内にあると判断した場合には、インジェクタ２３２、２４２及び２４５から液体を噴射する。

そしてコントローラ２５０は、燃料電池システム２００の停止指令の有無を判断する。そして燃料電池システム２００の停止指令を受けていない場合には、ステップＳ１４及びＳ１５の各処理を繰返し実行し、停止指令を受けた場合には、燃料電池システム２００の起動方法の処理手順を終了する。

一方、ステップＳ１４において温度センサ７１の検出値が所定の温度範囲外にあると判断された場合には、コントローラ２５０は、ステップＳ１６の処理に進む。

ステップＳ１６においてコントローラ２５０は、温度センサ７１の検出値が所定の温度範囲外にあると判断した場合には、温度センサ７１の検出値が所定の温度範囲内に収まるように加熱部３０の温度を調整する。そしてコントローラ２５０は、ステップＳ３の処理に戻る。

例えば、コントローラ２５０は、温度センサ７１の検出値が所定の温度範囲よりも低い場合には、加熱部３０への供給電力を増加させ、温度センサ７１の検出値が所定の温度範囲よりも高い場合には、加熱部３０への供給電力を増加させる。このように、コントローラ２５０は、反応部５０に流入する混合ガスの温度の検出値又は推定値に応じて加熱部３０の温度を制御する。

これにより、反応部５０に流入する混合ガスの温度が触媒反応に適した温度に維持されるので、触媒反応の効率を向上させることができる。

本発明の第６実施形態によれば、コントローラ２５０は、温度センサ７１の検出値が所定の値を下回ると判断した場合には可変弁８３の開口を最小に設定し、温度センサ７１の検出値が所定の値を超える場合には可変弁８３の開口の断面積を最大にする。

これにより、液体の温度が低い場合には、配管部１０１を通過するガスの流速が大きくなるので、乱流を強化することが可能になる。したがって、反応部５０に流入する混合ガスの混ざり度合いが高くなるので、触媒反応を向上させることが可能になる。このように、コントローラ２５０は、反応部５０に流入する混合ガスの温度に応じて、加熱部３０又は可変弁８３の動作を制御することにより、反応部５０での触媒反応を促進させることができる。

なお、本実施形態では反応部５０に流入する混合ガスの温度に応じて加熱部３０及び可変弁８３の一方の動作を制御したが、両方の動作を制御するようにしてもよい。これにより、混合ガスの温度が低い状態であっても触媒反応を促進することができるので、燃料電池システム２００の起動時間を短縮することが可能になる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

なお、上記実施形態は、適宜組み合わせ可能である。

１０流入部
２０噴射部
３０加熱部
４０乱流形成部
４０Ａ渦流生成板
４０Ｂ配管の曲げ構造
５０反応部
７０、２５０コントローラ
８１、８２絞り部
８３可変弁（絞り部）
１００、１００Ａ～１００Ｃ、１１０触媒反応装置
２３１、２４２、２４４インジェクタ
２３２気化器（触媒反応装置）
２４３燃焼器（触媒反応装置）
２４５排ガス処理器（触媒反応装置）

Claims

酸化反応又は還元反応を起すガスが流入する流入部と、
前記ガスと反応する液体を噴射する噴射部と、
前記噴射部によって噴射された状態にある前記液体である噴射液体を加熱する加熱部と、
前記加熱部から流出する前記噴射液体と前記ガスとの反応を促進する触媒が形成される反応部と、を含み、
前記反応部は、前記加熱部の低部よりも高い位置に形成され、かつ、残留した前記噴射液体によって形成される残留液体の液面よりも高い位置に形成されるとともに、
前記加熱部と前記反応部との間に、前記加熱部と前記反応部とを繋ぐ配管の曲げ構造によって乱流を形成する乱流形成部をさらに備えることを特徴とする触媒反応装置。
請求項１に記載の触媒反応装置であって、
前記加熱部が形成される配管である第１配管部と、前記反応部が形成される配管である第２配管部を利用して構成され、
前記曲げ構造は、前記第１配管部及び前記第２配管部の接続によって構成され、
前記反応部の最低部は、鉛直方向に対して前記加熱部の最低部よりも高い位置に配置されている、
触媒反応装置。
請求項１又は請求項２に記載の触媒反応装置であって、
前記配管の曲げ構造は、前記加熱部を通過する前記噴射液体の経路に対して前記反応部を通過する前記噴射液体の経路が直角に曲がる構造である、
触媒反応装置。
請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の触媒反応装置であって、
前記加熱部と前記乱流形成部との間に絞り部を
さらに備える触媒反応装置。
請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の触媒反応装置であって、
前記噴射部と前記加熱部との間に絞り部をさらに備える、
触媒反応装置。
請求項４又は請求項５に記載の触媒反応装置であって、
前記絞り部は、当該絞り部の断面積を変更可能な弁である、
触媒反応装置。
請求項６に記載の触媒反応装置であって、
前記弁は、前記加熱部における前記噴射液体の温度が所定の温度を下回る場合には前記断面積を最小にし、前記加熱部における前記噴射液体の温度が前記所定の温度を超える場合には前記断面積を最大にする、
触媒反応装置。
請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載の触媒反応装置であって、
前記加熱部における前記噴射液体の温度を検出又は推定する温度取得器と、
前記温度取得器により取得された信号に基づいて、前記加熱部への供給電力を制御するコントローラと、
を備える触媒反応装置。