| 【発明の名称】 |
燃料電池システムの燃焼器 |
| 【発明者】 |
【氏名】山梨 文徳
|
| 【要約】 |
【課題】本発明は、始動時にヒータの昇温性を向上でき、通常運転時にヒータの熱劣化を防止でき、かつ、燃料電池システムの圧力損失を抑制することができる燃料電池システムの燃焼器を提供することにある。
【解決手段】始動時には、加熱中のヒータ１９によりメタノール及び空気が加熱され、メタノール及び空気は燃焼触媒２９に吸入され、燃焼触媒２９により酸化反応が促進されて燃焼された排ガスが排気管３１から大気へ排気される。通常運転時には、空気がヒータ１９を通過して第２混合室２３に流入し、同時に、スタックから吐出される排改質ガス及び排空気が第２混合室２３に吸入されてこれらの気体が混合され、第２混合室２３内の空気、排改質ガス及び排空気は燃焼触媒２９に吸入され、燃焼触媒２９により酸化反応が促進されて燃焼され排気管３１から排ガスが大気へ排気される。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 外部から供給された燃料及び空気を加熱するヒータと、このヒータの下流側に設けられこのヒータにより加熱された燃料及び空気と、燃料電池から排出された排改質ガス及び排空気を混合する混合室と、この混合室からの混合気体による酸化反応を促進して燃焼する燃焼触媒とから構成することを特徴とする燃料電池システムの燃焼器。
【請求項２】 外部から供給された燃料及び空気を加熱するヒータと、このヒータにより加熱された燃料及び空気による酸化反応を促進して燃焼する第１の燃焼触媒と、このヒータの下流側に設けられこの第１の燃焼触媒からの燃焼気体と、燃料電池から排出された排改質ガス及び排空気を混合する混合室と、この混合室からの混合気体による酸化反応を促進して燃焼する第２の燃焼触媒とから構成することを特徴とする燃料電池システムの燃焼器。
|
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池から排出された排改質ガス及び排空気を燃焼する燃料電池システムの燃焼器に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、燃料電池システムの燃焼器としては、図３に示すものが知られている。この燃焼器１０１では、圧縮機から吐出される空気、始動時にメタノールインジェクタを介して供給されるメタノール、スタックから排出される排改質ガス及び排空気がヒータ１０３の手前に吸入され、これらの気体がヒータ１０３で加熱・燃焼され燃焼触媒１０５で酸化反応を促進して燃焼した後、大気へ排気するように構成されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の燃料電池システムの燃焼器にあっては、図３に示すように、始動時に、燃焼器のヒータ１０３にスタックからの排空気も流入してしまう。このため、始動に必要なメタノールの量に対し、圧縮機からの空気とスタックからの排空気が流入して空気量が過剰になり、ヒータ１０３の昇温性が悪化する。この結果、燃焼器の始動性が悪化するといった問題があった。
【０００４】また、通常運転時に、ヒータ１０３内で排改質ガスと排空気が反応（燃焼）してヒータ内の温度が大幅に上昇してしまう。このため、ヒータ１０３及びヒータ１０３に塗られた触媒の熱劣化が大きくなるといった問題があった。
【０００５】さらに、常にヒータ１０３内を排改質ガスと排空気が流れるため、ヒータ１０３での圧力損失が燃料電池システムに影響を与えてしまうといった問題があった。
【０００６】本発明は、上記に鑑みてなされたもので、その目的としては、始動時にヒータの昇温性を向上でき、通常運転時にヒータの熱劣化を防止でき、かつ、燃料電池システムの圧力損失を抑制することができる燃料電池システムの燃焼器を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、上記課題を解決するため、外部から供給された燃料及び空気を加熱するヒータと、このヒータの下流側に設けられこのヒータにより加熱された燃料及び空気と、燃料電池から排出された排改質ガス及び排空気を混合する混合室と、この混合室からの混合気体による酸化反応を促進して燃焼する燃焼触媒とから構成することを要旨とする。
【０００８】請求項２記載の発明は、上記課題を解決するため、外部から供給された燃料及び空気を加熱するヒータと、このヒータにより加熱された燃料及び空気による酸化反応を促進して燃焼する第１の燃焼触媒と、このヒータの下流側に設けられこの第１の燃焼触媒からの燃焼気体と、燃料電池から排出された排改質ガス及び排空気を混合する混合室と、この混合室からの混合気体による酸化反応を促進して燃焼する第２の燃焼触媒とから構成することを要旨とする。
【０００９】
【発明の効果】請求項１記載の本発明によれば、例えば始動時に、外部から供給された燃料及び空気をヒータにより加熱し、このヒータにより加熱された燃料及び空気を混合室を通過させ、この混合室からの混合気体による酸化反応を促進して燃焼触媒により燃焼することで、始動時にヒータの昇温性を向上することができる。また、例えば通常運転時に、外部から供給された空気をヒータを通過させ、このヒータを通過した空気、燃料電池から排出された排改質ガス及び排空気を混合室により混合し、この混合室からの混合気体による酸化反応を促進して燃焼触媒により燃焼することで、通常運転時にヒータの熱劣化を防止でき、かつ、ヒータ内を排改質ガスや排空気が通過しないので、燃料電池システムの圧力損失を抑制することができる。
【００１０】また、請求項２記載の本発明によれば、例えば始動時に、外部から供給された燃料及びは空気をヒータにより加熱し、このヒータにより加熱された燃料及び空気による酸化反応を促進して第１の燃焼触媒により燃焼させえることで、始動時にヒータの昇温性を向上することができる。また、例えば通常運転時に、外部から供給された空気をヒータ、第１の燃焼触媒を通過させ、この第１の燃焼触媒からの空気、燃料電池から排出された排改質ガス及び排空気を混合室により混合し、この混合室からの混合気体による酸化反応を促進して第２の燃焼触媒により燃焼することで、通常運転時にヒータの熱劣化を防止でき、かつ、ヒータ内を排改質ガスや排空気が通過しないので、燃料電池システムの圧力損失を抑制することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
【００１２】（第１の実施の形態）図１は、本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池システムの燃焼器の構成を示す図である。
【００１３】図１に示すように、第１混合室１３には、圧縮機（図示せず）から吐出される空気を吸入する入口１５と、燃料となるメタノールを高速度で第１混合室１３へ噴射するメタノールインジェクタ１７が設けられている。
【００１４】この第１混合室１３の入口１５に対向する一側には、ヒータ（ＥＨＣ）１９が設けられており、ヒータ１９の上部には温度センサ２１が取り付けられている。
【００１５】このヒータ１９は、第１混合室１３に対向する一側を第２混合室２３と接しており、第２混合室２３の上部には、スタック（図示せず）の燃料極から吐出される排改質ガスを吸入する入口２５が設けられており、第２混合室２３の下部には、スタックの空気極から吐出される排空気を吸入する入口２７が設けられている。
【００１６】この第２混合室２３は、ヒータ１９に対向する一側を燃焼触媒２９に接しており、燃焼触媒２９では、排改質ガスと排空気が反応して燃焼され排気管３１を介して大気へ排気される。
【００１７】次に、図１を参照して、本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池システムの燃焼器による作用及び効果について説明する。
【００１８】まず、始動時には、ヒータ１９は通電されて加熱した状態となる。この時、圧縮機から吐出される空気が入口１５を介して第１混合室１３に吸入され、燃料タンク（図示せず）からのメタノールがメタノールインジェクタ１７を介して第１混合室１３に噴射されて両者が混合され、加熱中のヒータ１９によりメタノール及び空気が加熱されて燃焼する。更に、メタノール及び空気は燃焼触媒２９に吸入され、燃焼触媒２９により酸化反応が促進されて燃焼された排ガスが排気管３１から大気へ排気される。
【００１９】次に、通常運転時には、圧縮機から吐出される空気が入口１５を介して第１混合室１３に吸入され、ヒータ１９を通過して第２混合室２３に流入する。同時に、スタックの燃料極から吐出される排改質ガスが入口２５を介して第２混合室２３に吸入され、スタックの空気極から吐出される排空気が入口２７を介して第２混合室２３に吸入されてこれらの気体が混合される。さらに、第２混合室２３内の空気、排改質ガス及び排空気は燃焼触媒２９に吸入され、燃焼触媒２９により酸化反応が促進されて燃焼され排気管３１から排ガスが大気へ排気される。
【００２０】この結果、第１の実施の形態に関する効果としては、燃焼器１１の始動時には、従来と比較してヒータ１９を通過する空気量が少なくなるため、ヒータ１９の昇温性を向上することができる。また、通常運転時には、ヒータ１９内での燃焼がないため、ヒータ１９の熱劣化を防止することができる。さらに、通常運転時には、ヒータ１９内を排改質ガスや排空気が通過しないため、スタックを含む燃料電池システムの圧力損失を抑制することができる。
【００２１】また、温度センサ２１を用いてヒータ１９の温度上昇をモニタして燃焼器１１の故障診断を実施する場合、スタックから吐出される排改質ガスと排空気による影響を受けないため、ヒータ温度の検出誤差を低減することができ、この結果、故障診断時の診断誤差を小さくすることができる。
【００２２】（第２の実施の形態）図２は、本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池システムの燃焼器の構成を示す図である。なお、第２の実施の形態は、図１に示す第１の実施の形態に対応する燃料電池システムの燃焼器と同様の基本的構成を有しており、同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略することとする。
【００２３】第２の実施の形態の特徴は、図２に示すように、始動時にヒータ１９により加熱された空気と燃料による酸化反応を促進して燃焼する第１燃焼触媒５３と、運転時にこの第１燃焼触媒５３を通過した空気、スタックから排出された排改質ガス及び排空気を混合する混合室５５と、この混合室５５からの混合気体による酸化反応を促進して燃焼する第２燃焼触媒６１とを備えたことにある。
【００２４】以下、第１燃焼触媒５３と第２燃焼触媒６１について具体的に説明する。
【００２５】第１燃焼触媒５３は、始動に用いる１段目の燃焼触媒であり、２段目の燃焼触媒と比較して、低ヒートマスハニカムであり、低温活性触媒ウォシュコートを使用している。
【００２６】第２燃焼触媒６１は、運転に用いる２段目の燃焼触媒であり、排改質ガスと空気による酸化反応を促進する触媒であり、ＣＯ除去触媒として、前段の第１燃焼触媒５３と比較して、低圧損ハニカムであり、高排温耐久性に優れた触媒ウォシュコートを使用している。
【００２７】ここで、第１燃焼触媒５３と第２燃焼触媒６１の最適配置例を説明する。
【００２８】（１）両燃焼触媒を構成しているハニカムの熱容量を比較すると、【数１】第１燃焼触媒のハニカムの熱容量≦ 第２燃焼触媒のハニカムの熱容量となる。
【００２９】（２）両燃焼触媒を構成しているハニカムの通気抵抗を比較すると、【数２】第１燃焼触媒のハニカムの通気抵抗≧ 第２燃焼触媒のハニカムの通気抵抗となる。
【００３０】（３）両燃焼触媒の転化率が５０％になる反応温度Ｔ５０を比較すると、【数３】
第１燃焼触媒のＴ５０≦ 第２燃焼触媒のＴ５０となる。
【００３１】なお、第１燃焼触媒は高温耐久性を落として、昇温性能を重視した触媒ウォシュコートとすることが可能である。
【００３２】次に、図２を参照して、本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池システムの燃焼器による作用及び効果について説明する。
【００３３】まず、始動時には、ヒータ１９は通電されて加熱した状態となる。この時、圧縮機から吐出される空気が入口１５を介して第１混合室１３に吸入され、燃料タンク（図示せず）からのメタノールがメタノールインジェクタ１７を介して第１混合室１３に噴射されて両者が混合され、加熱中のヒータ１９によりメタノール及び空気が加熱されて燃焼する。更に、メタノール及び空気は燃焼触媒５３に吸入され、燃焼触媒５３のハニカムにより酸化反応が促進されて燃焼される。次に、未燃焼のメタノール及び空気は、第２混合室５５から燃焼触媒６１に吸入され、燃焼触媒６１のハニカムにより酸化反応が促進されて燃焼された排ガスが排気管３１から大気へ排気される。
【００３４】次に、通常運転時には、圧縮機から吐出される空気が入口１５を介して第１混合室１３に吸入され、ヒータ１９、第１燃焼触媒５３を通過して第２混合室５５に流入する。同時に、スタックの燃料極から吐出される排改質ガスが入口５７を介して第２混合室５５に吸入され、スタックの空気極から吐出される排空気が入口５９を介して第２混合室５５に吸入されてこれらの気体が混合される。さらに、第２混合室５５内の空気、排改質ガス及び排空気は第２燃焼触媒６１に吸入され、第２燃焼触媒５５により酸化反応が促進されて燃焼され排気管３１から排ガスが大気へ排気される。
【００３５】この結果、第２の実施の形態に関する効果としては、第１の実施の形態に関する効果に加えて、複数の燃焼触媒を直列に多段化して構成することで、燃焼触媒のハニカム（担体）と触媒ウォシュコートを昇温性、耐久性、圧損性能の３点を考慮して最適配置することが可能となる。
|
| 【出願人】 |
【識別番号】０００００３９９７
【氏名又は名称】日産自動車株式会社
|
| 【出願日】 |
平成１１年７月９日（１９９９．７．９） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００８３８０６
【弁理士】
【氏名又は名称】三好 秀和 （外８名）
|
| 【公開番号】 |
特開２００１−２１１１２（Ｐ２００１−２１１１２Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１３年１月２６日（２００１．１．２６） |
| 【出願番号】 |
特願平１１−１９６０１７ |
|