CN100585929C

CN100585929C - 催化燃烧器

Info

Publication number: CN100585929C
Application number: CN200680022316A
Authority: CN
Inventors: 浜田香留树; 庄子忠; 崎山能夫
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2005-07-01
Filing date: 2006-06-29
Publication date: 2010-01-27
Anticipated expiration: 2026-06-29
Also published as: CN101203977A

Abstract

一种催化燃烧器，其被构造成促进燃烧器中的阳极废气的燃烧处理，以减少排出到燃烧器的外部的未燃氢气的量。从燃料电池(1)排出的阳极废气和阴极废气被供给到催化燃烧器(25)，并利用催化剂(29)使其燃烧。从燃料电池(1)的内部供给的换气空气也被供给到催化燃烧器(25)。通过隔板(35)将催化燃烧器(25)内部的位于催化剂(29)的上游的部分分成上部流路(37)和下部流路(39)，且气体流路(33)设置在上部流路(37)和下部流路(39)的上游。阴极废气被供给到气体流路(33)。

Description

催化燃烧器

技术领域

本发明涉及一种用于使从燃料电池的阳极排出的阳极废气和从燃料电池的阴极排出的阴极废气混合、并使该混合物燃烧的催化燃烧器。

背景技术

已经提出用于使从燃料电池排出的排气燃烧的催化燃烧器。在日本特开2004-95258号公报中公开了催化燃烧器的一个例子，该公报说明了通过设置旁路流路来防止催化燃烧器中的催化剂的温度下降的构想，通过该旁路流路可以使从燃料电池的阴极排出的阴极废气避开催化剂，从而防止阴极气体中含有的水分冷凝催化剂并粘结到催化剂。

考虑到上述问题，对本领域技术人员来说，从该公开内容中明显的是：存在改进催化燃烧器的需要。本发明致力于现有技术中的该需要和其它需要，对本领域技术人员来说，从该公开内容中，这些需要将变得明显。

发明内容

对于日本特开2004-95258号公报所述的催化燃烧器，当由于净化燃料电池的阳极的内部导致大量冷凝水分与阴极废气一起被供给到燃烧器时，旁路流路可能不足以防止催化剂受水分影响及燃烧性能的下降。

本发明的一个目的是促进燃烧器中的阳极废气的燃烧处理，从而减少排出到燃烧器的外部的未燃氢气的量。

为了实现本发明的上述目的及其它目的，提供一种基本上包括外壳和催化剂的催化燃烧器。外壳包括：阳极废气入口，用于接收从燃料电池的阳极排出的阳极废气；阴极废气入口，用于接收从燃料电池的阴极排出的阴极废气；以及排气出口，用于排出燃烧过的气体。催化剂布置在阳极废气入口和阴极废气入口与排气出口之间的外壳内部。外壳被构造成形成水平布置的气体流路，该气体流路接收在上游部中流动的阳极废气和阴极废气，该上游部将阳极废气和阴极废气引入至催化剂。该上游部包括位于催化剂的正上游、且被分成至少两个铅直布置的流路的分割部，阳极废气入口被构造并布置成将阳极废气供给到气体流路的所述分割部的铅直上部位置。

对本领域技术人员来说，从下面结合附图对本发明的优选实施例的详细说明中，本发明的这些和其它目的、特征、方面和优点将变得明显。

附图说明

现在参照形成该原始公开内容的一部分的附图：

图1是包括根据本发明的第一实施例的催化燃烧器的整个燃料电池系统的示意性侧剖视图；

图2是根据本发明的第一实施例的用于图1所示的燃料电池系统的催化燃烧器的简化纵剖视图；

图3(a)是根据本发明的第一实施例的沿图2的剖面线A-A截取的催化燃烧器的简化横剖视图；

图3(b)是根据本发明的第一实施例的第一变形例的催化燃烧器的类似于图3(a)的简化横剖视图；

图4是根据本发明的第二实施例的用于图1所示的燃料电池系统的催化燃烧器的简化纵剖视图；

图5(a)是根据本发明的第二实施例的沿图4的剖面线B-B截取的催化燃烧器的简化横剖视图；

图5(b)是根据本发明的第二实施例的第一变形例的催化燃烧器的类似于图5(a)的简化横剖视图；

图6是根据本发明的第三实施例的用于图1所示的燃料电池系统的催化燃烧器的简化纵剖视图；

图7是根据本发明的第四实施例的用于图1所示的燃料电池系统的催化燃烧器的简化纵剖视图；

图8是根据本发明的第五实施例的用于图1所示的燃料电池系统的催化燃烧器的简化纵剖视图；

图9是根据本发明的第六实施例的用于图1所示的燃料电池系统的催化燃烧器的简化纵剖视图；

图10(a)是根据本发明的第六实施例的沿图9的剖面线C-C截取的催化燃烧器的简化横剖视图；

图10(b)是根据本发明的第六实施例的第一变形例的催化燃烧器的类似于图10(a)的简化横剖视图；

图11(a)至图11(d)是图解图10(a)所示的催化燃烧器的一些变形例的简化横剖视图；以及

图12是根据本发明的第七实施例的用于图1所示的燃料电池系统的催化燃烧器的简化纵剖视图。

具体实施方式

现在将参照附图说明本发明的选定实施例，在附图中，相同的附图标记表示相同的元件。从而，为简略起见，在稍后的实施例或变形例中可省略与先前的实施例相同的部件的说明。对本领域技术人员来说，从该公开内容中明显的是：下面对本发明的实施例或变形例的说明仅是为了图解而提供，而不是为了限制由所附权利要求书及其等同物限定的本发明的目的。这样，不会比基本理解本发明所需的说明更详细地示出本发明的结构细节，结合附图的说明使本领域技术人员明白如何在实践中具体化本发明的几种形式。

燃料电池系统的总体构造

首先参照图1，示意性图解了本发明采用的燃料电池系统的总体构造。燃料电池1基本上具有阴极3、阳极5和容纳阴极3和阳极5的壳体7。空气供给管9和阴极废气管11与阴极3连接。优选地，加湿器13被安装在两管9和11的距燃料电池1的中间位置处。从而，供给到阴极3的空气在进入阴极3之前通过加湿器13，并且离开阴极3的阴极废气通过加湿器13。换气空气供给管14与空气供给管9的位于加湿器13上游的部分连接，以向壳体7的内部供给空气。

氢气供给管15和阳极废气管17与阳极5连接。在阳极废气管17与氢气供给管15之间连接氢气循环管19。氢气循环泵21安装在氢气循环管19与阳极废气管17之间的连接部。阳极放气阀23安装在阳极废气管17的位于氢气循环泵21的下游的部分中。代替使用氢气循环泵21循环阳极废气，也可以使用具有与氢气循环泵21大致相同的功能的排出器或任何其它适当的装置。

阴极废气管11和阳极废气管17都与根据本发明构造的催化燃烧器25连接。换气空气排出管26被布置成一端与壳体7的内部连接，而另一端与催化燃烧器25连接。

催化燃烧器25基本上包括外壳27和燃烧用的催化剂29。阴极废气管11、阳极废气管17和换气空气排出管26在外壳27的一端附近的位置处与催化燃烧器25连接，且催化剂29在连接管11、17和26的下游的位置处布置在外壳27的内部。从而，外壳27包括阳极废气管17与外壳27连接的阳极废气入口、阴极废气管11与外壳27连接的阴极废气入口以及换气空气排出管26与外壳27连接的换气空气入口。排气管31与外壳27的位于催化剂29的下游的端部连接，用于排出由催化剂29产生的燃烧气体。从而，外壳27包括排气管31与外壳27连接的排气出口。

外壳27通常包括被布置成接收来自阳极废气管17的阳极废气和来自阴极废气管11的阴极废气的气体流路33。催化剂29布置在用于接收阳极废气和阴极废气的气体流路33中。催化剂29可以是包括例如承载在金属蜂窝或蜂窝陶瓷载体上的铂或其它贵金属等公知的催化剂。

通过水平隔板或隔壁35将位于催化剂29的正上游的气体流路33的上游部分成上部流路或第一流路37以及下部流路或第二流路39。通过隔壁35彼此上下铅直地布置流路37和39(稍后说明)。

在上述系统中，使用如压缩机等公知的空气供给装置(未示出)通过空气供给管9供给外部空气，且使用流经阴极废气管11的阴极废气中含有的部分水分在加湿器13中加湿外部空气。

在供给到燃料电池1的阴极3的加湿气体已被用于发电之后，其作为阴极废气从阴极3排出。被排出的阴极废气流经阴极废气管11，且被输送到催化燃烧器25。途中，阴极废气通过加湿器13并且部分水分被外部空气夺走。

此外，如果燃料是氢气，则氢气从氢气供给源(未示出)供给，并通过氢气供给管15流向燃料电池1的阳极5。类似地，如果燃料是碳氢化合物，则从被构造成使用重整器产生富含氢气的重整气的系统向氢气供给管15供给重整气，并且向燃料电池1的阳极5供给重整气。

燃料电池1中的未用于发电的燃料气体流经阳极废气管17、通过氢气循环泵21及氢气循环管19，并作为阳极气体从氢气供给管15重新导入阳极5。燃料电池1中的未用于发电的燃料气体也可作为阳极废气通过阳极放气阀23排出，并通过阳极废气管17的位于阳极放气阀23的下游的部分被输送到催化燃烧器25。

供给到催化燃烧器25的阳极废气和供给到催化燃烧器25的阴极废气在到达催化剂29之前在外壳27中混合在一起。完成阳极废气的燃烧之后，也就是说，在用作燃烧阳极废气的氧化剂的氧气已消耗完之后，通过排气管31从系统排出得到的燃烧气体。

供给到空气供给管9的空气的一部分流入到与加湿器13的上游连接的换气空气供给管14，并作为换气空气被供给到燃料电池1外侧的壳体7的内部空间。换气空气用于稀释从燃料电池1渗出的氢气，并通过换气空气排出管26被输送到催化燃烧器25。被输送的换气空气中含有的少量氢气以与前述相同的方式与催化剂29燃烧。

燃料电池1被构造成通过阳极5的氢气和阴极3的氧气的电化学反应来发电。在发电过程中，氢气和氧气反应，使得在阴极3的内部产生水和水蒸气。随着时间的推移，由于电极之间的部分压差导致阴极3中产生的水分和供给到阴极3的空气中的氮气成分扩散到阳极5。由于水分和氮气在阳极5中聚集，所以，阳极5的内部的氢气的局部压力下降，并且水分覆盖阳极侧的膜，使得发电效率下降。

为了防止发电效率以该方式下降，当氢气的部分压力下降时，打开阳极放气阀23，并且从阳极放气阀23排出含有杂质的气体。由于未使用的氢气也和含有杂质的气体一起排出，因此未使用的氢气在被排出到外部之前在催化燃烧器25中燃烧。

根据燃料电池系统的运转状态控制(打开或关闭)阳极放气阀23。阳极放气阀23的控制方法可以是间断地打开和关闭阳极放气阀23以间断地净化阳极5，或者连续地控制阳极放气阀23的打开程度以连续地控制来自阳极5的净化气体的排出量(单位时间的量)。如稍后讨论的那样，根据本实施例的催化燃烧器25以高效的方式执行燃烧，并且可以适应这些净化方法中的任一种。

催化燃烧器的第一实施例

现在将参照图2、图3(a)和图3(b)，详细说明催化燃烧器25的主要特征。基本上，本发明的本实施例的催化燃烧器25使从燃料电池1的阳极5排出的阳极废气与从燃料电池1的阴极3排出的阴极废气混合，然后，使混合气体燃烧。

图2是根据本发明的第一实施例的用于图1所示的燃料电池系统的催化燃烧器的简化纵剖视图；图3(a)是沿图2的剖面线A-A截取的催化燃烧器的简化横剖视图；图3(b)是根据本发明的第一实施例的第一变形例的催化燃烧器25的类似于图3(a)的简化横剖视图。

如图3(a)和图3(b)所示，图2所示的催化燃烧器25的外壳27是圆筒状，并且限定阳极废气和阴极废气流经的气体流路33。如上所述，气体流路33的位于催化剂29的正上游的上游部被分成两个铅直布置的流路。特别地，也就是说，通过设置在相对于铅直方向(即图2中的上下方向)的大致中间位置的水平隔板35形成上部流路37和下部流路39。

如图3(b)所示，设置隔管40代替作为水平隔壁的水平隔板35也是可接受的。隔管40的直径比外壳27的小，并且位于外壳27的内部的上部，以将外壳27内部的气体流路33分成沿铅直方向布置的两个气体流路，即上部流路37和下部流路39。

隔板35的描述为图2的右手端的端部几乎与催化剂29接触，而隔板35的另一端(图2中的左端)被布置成位于外壳27的上游端与催化剂29的上游端之间的沿外壳27的长度尺寸方向的大约中间处。在隔管40中也使用相同的构造。

如图1所示，阴极废气管11与阳极废气管17都在催化燃烧器25的上游端附近与催化燃烧器25连接。更具体地，在图2、图3(a)和图3(b)的催化燃烧器25中，阴极废气管11与外壳27的端面连接，而阴极废气导入口41设置在外壳27中。此外，在图2、图3(a)和图3(b)的催化燃烧器25中，阳极废气管17与外壳27的侧面连接，而对应的阳极废气导入口43被插入外壳27内部，并且被布置在相对于阴极废气导入口41的稍下游。阳极废气导入口43的形状与被构造成将阳极废气喷射到内部的燃料喷射管的形状类似。阳极废气导入口43包括例如直径大约是1/4英寸的不锈钢管以及设置在管的端面中的用于喷射阳极废气的燃料喷射孔。可以在管的端面的中心设置一个燃料喷射孔或在管的端面中设置多个燃料喷射孔。

气体混合单元45设置在隔板35(或隔管40)的上游位置处的气体流路33中，用于使阴极废气(其含有用作氧化剂的氧气)和阳极废气混合在一起。通过位于下游的催化剂29使由气体混合单元45产生的混合气体燃烧。气体混合单元45可以是简单形成空间或采用如离心式喷嘴或多个多孔板等公知的气体混合技术的单元的结构。

图2未图解换气空气排出管26，但是，该换气空气排出管26位于与图1图解的位置相同的位置。

在图2所示的催化燃烧器25中，从阴极废气管11导入外壳27的阴极废气和从阳极废气管17导入外壳27的阳极废气在隔板35的上游的混合单元45中混合在一起。然后，通过流入上部流路37和下部流路39将混合气体的流动分成两路。

尽管混合气体含有水分(水)，但水分(水)由于重力向下流动，从而，主要流入下部流路39。因此，流入上部流路37的混合气体是含有极少水分(水)的干气。

结果，水分(水)不会附着到催化剂29的与上部流路37对应的铅直上部29a，并且在铅直上部29a中发生高效的点火燃烧。由在铅直上部29a中发生的点火燃烧导致的燃烧热使整个催化剂29升温。因此，与下部流路39(更多水分流入其中)对应的铅直下部29b的温度升高，并且在铅直下部29b中可靠地发生点火。通过排气管31将燃烧后残留在催化剂29中的燃烧气体排出到燃烧器25的外部。

从而，因为通过在与上部流路37对应的铅直上部29a中发生的有效燃烧来促使良好的总体燃烧，因此可以有效地燃烧阳极废气。结果，即使当由于净化燃料电池1的阳极5的内部导致大量冷凝水分与阴极废气一起被供给到燃烧器25时、或者当作为所谓的“跨越氢气”的氢气从阳极5转移到阴极3时，也可以抑制未燃氢气排出到燃烧器25的外部。

催化燃烧器25的外壳27和隔板35由可以承受催化燃烧器25的内部条件(例如燃烧温度、压力及混合气体)的不锈钢合金或其它材料制成。只要燃烧器25被设计成可以满足燃烧系统的气体流量、所产生的热量及其它要求，就可以使用其它材料。催化燃烧器25的外壳27不必是圆筒状。

此外，阳极废气喷入催化燃烧器25的位置不限于图2所示位置。例如，以与阴极废气相同的方式从外壳的上游端面喷射阳极废气、沿与阴极废气的流动方向垂直的方向喷射阳极废气、或从比图2所示的位置更下游的位置喷射阳极废气都是可接受的。

当从比图2所示的位置更靠近催化剂29的位置(更下游)喷射阳极废气时，必须以考虑到以下因素的方式设计燃烧器：喷射位置对混合气体的形成的影响以及催化剂29的燃烧热对阳极废气导入口43和阳极废气的影响。

催化燃烧器的第二实施例

图4是催化燃烧器25的第二实施例的侧剖视图。图5(a)是沿图(4)的剖面线B-B截取的剖视图。用与第一实施例相同的附图标记表示催化燃烧器25的第二实施例的与第一实施例的部件相同的组成部件，并且为简略起见省略其说明。

在本实施例中，如图5(b)所示，隔管47用作将气体流路33分成多个流路的隔壁。隔管47的直径比外壳27的小。隔管47包围外壳27的内部的上部，以将外壳27内部的气体流路33分成两个铅直布置的流路，即上部流路37和下部流路39。

隔管47被布置成其下游端几乎与催化剂29接触，而其上游端被布置在外壳27的上游端附近。在本实施例中，在隔管47的顶侧与外壳27的内壁面的顶部之间存在间隙，但是，如图3(b)所示，将隔管47布置成与外壳27接触也是可接受的。

阳极废气管17通过外壳27的侧面并且在隔管47的上游端附近与隔管47连接，而阳极废气导入口43被布置成面向上部流路37的下游端。在本实施例中，气体混合单元45设置在阳极废气导入口43的下游位置处的上部流路37(即隔管47)内部，并用于使从阳极废气导入口43导入的阳极废气与从位于更上游的阴极废气导入口41导入外壳27中的部分阴极废气、即流入隔管47中的部分被导入的阴极废气混合。

与催化剂29分开的附加催化剂49安装在气体混合单元45的下游位置处的上部流路37内部。附加催化剂49用于使由气体混合单元45产生的混合气体燃烧。温度传感器51安装在附加催化剂49与催化剂29之间。温度传感器51被构造并布置成检测在附加催化剂49中燃烧后的气体温度。

安装在上部流路37内部的附加催化剂49比安装在其下游的催化剂29小。然而，与催化剂29类似，附加催化剂49是包括支撑在载体上的贵金属的氧化催化剂。

在图4所示的催化燃烧器25中，从阴极废气管11导入外壳27的部分阴极废气流入隔管47内部的上部流路37中，而阴极废气的其余部分流经包括隔管47的外侧的外壳27内部的空间的下部流路39。

尽管阴极废气含有水分，但是，水分(水)由于重力向下流动，从而，水分(水)主要流入下部流路39。因此，流入上部流路37的阴极废气是含有极少水分(水)的干气。干燥的阴极废气与从阳极废气导入口43导入上部流路37的阳极废气在气体混合单元45中混合，并且当得到的混合气体到达位于下游的附加催化剂49时，使该混合气体燃烧。

因为用作氧化剂的阴极废气是干燥的并且几乎没有水分(水)附着到附加催化剂49，所以在附加催化剂49中有效地发生点火燃烧。当由于在附加催化剂49中发生的燃烧导致附加催化剂49的下游的气体温度升高时，催化剂29的与上部流路37对应的铅直上部29a被加热，并且热量被传递到整个催化剂29。结果，整个催化剂29被充分活化，并且即使在与大量水分(水)流入的下部流路39对应的铅直下部29b中，温度升高使得点火可靠地发生，并且燃烧效率提高。通过排气管31将燃烧后残留在催化剂29中的燃烧气体排出到燃烧器25的外部。

从而，对于本实施例，由于通过在与上部流路37对应的铅直上部29a中发生的有效燃烧促使良好的总体燃烧，因此可以有效地燃烧阳极废气。结果，即使当由于净化燃料电池1的阳极5的内部而导致大量冷凝水分与阴极废气一起被供给到燃烧器25时、或者当作为所谓的“跨越氢气”的氢气从阳极5转移到阴极3时，也可以抑制未燃氢气排出到燃烧器25的外部。

此外，在本实施例中，向隔管47内部的上部流路37供给阳极废气，并且仅部分阴极废气被导入上部流路37。结果，可以保持混合气体的燃料浓度稍大于图2所示的第一实施例，并且可以提高燃烧效率。

当该燃料电池系统被安装在车辆或其它移动体时，优选地不仅考虑外壳27内部收容的隔管47的铅直位置，而且考虑隔管47相对于车辆或移动体的长度方向(即车辆或移动体的移动方向)的位置。

阴极废气中的冷凝水分与受气流的影响相比更受重力和车辆加速度G的影响。由于当车辆或其它移动体加速时通常需要大的输出，因此在加速过程中产生的冷凝水分量更大。相反地，在减速过程中，几乎不需要输出，并且产生的冷凝水分量减少。从而，在加速过程中冷凝水分对催化剂的影响比在减速过程中大。

因此，在外壳27内部，冷凝水分不仅朝外壳27的底部聚集，而且朝车辆的后部聚集。简言之，优选以考虑车辆加速时冷凝水分如何移动的方式来划分外壳27内部的气体流路33。

例如，外壳27可以安装在车辆中，使得气体流路33沿与车辆的运动方向相交的方向延伸，例如，沿车辆的宽度方向延伸，并且可以如图5(b)所示地布置铅直向上布置的上部流路37，也就是说，使得其在外壳27内部朝车辆的前方(朝图5(b)中的右手侧)偏移。该布置使水分更难以流入上部流路37中。

通过采用该布置，在燃料电池系统被安装在车辆或其它移动体的情况下，可以改进催化燃烧器25的燃烧特性。

在外壳27内使上部流路37朝车辆的前方偏移不限于使用隔管47的催化燃烧器。本发明也可以容易地用于使用如图3(a)所示的隔板35的催化燃烧器。例如，为了使用隔板35实现与图5(b)类似的性能，隔板35应该安装成当从图5(b)所示的观点看时朝右下倾斜。

最后，在本实施例中，通过在附加催化剂49的下游安装温度传感器51来检测燃烧气体的温度，可以使用检测到的温度来检测附加催化剂49中的燃烧异常并执行各种控制。

催化燃烧器的第三实施例

图6是催化燃烧器25的第三实施例的侧剖视图。用与第二实施例相同的附图标记表示催化燃烧器25的第三实施例的与第二实施例的部件相同的组成部件，并且为简略起见省略其说明。

除了图1所示的换气空气排出管26与上部流路37连接且省略温度传感器51之外，本实施例与图4所示的第二实施例的催化燃烧器25相同。

换气空气排出管26被布置成通过外壳27并在阳极废气管17的上游位置处突出到上部流路37中。换气空气导入口53以面向下游方式被布置在换气空气排出管26的端部。

从而，利用从空气供给管14供给的部分空气在壳体7内部稀释已渗透到燃料电池1周围的空间的少量氢气，并且通过换气空气排出管26将被稀释的气体供给到催化燃烧器25的上部流路37。可以使用与阳极废气导入口43相同的设计思想来设计换气空气导入口53。

与阴极废气不同，从壳体7的内部导入催化燃烧器25的换气空气不含有由燃料电池1中的发电产生的水分，从而相对干燥(大约与外部空气一样干燥)。从而，可以通过使用干燥的换气空气在附加催化剂49中进行燃烧来实现更可靠和有效的燃烧。由于换气空气中含有的氢气的浓度低，因此难以单独燃烧换气空气。然而，当换气空气与阳极废气一起供给到附加催化剂49时可进行可靠且有效的燃烧。

催化燃烧器的第四实施例

图7是催化燃烧器25的第四实施例的侧剖视图。本实施例与图6所示的第三实施例的不同之处在于：与图2所示的第一实施例类似，阳极废气管17布置在阴极废气导入口41附近。除此之外，本实施例与图6所示的第三实施例相同。

对于阳极废气管17的该配置，如果安装离心式喷嘴等作为气体混合单元45，如图7所示，从形成混合气体的观点看，优选安装占据气体流路33的位于上部流路37上游的部分的整个截面的气体混合单元45。然而，本实施例不限于该配置，如图6所示的第三实施例那样，在上部流路37中安装气体混合单元45是可接受的。

催化燃烧器的第五实施例

图8是催化燃烧器25的第五实施例的侧剖视图。除了隔管47布置在外壳27的中央且利用用于阻塞阴极废气实体(entity)的端板55封闭隔管47的上游端之外，本实施例与图6所示的第三实施例类似。本实施例的端板55是有选择地开闭隔管47的上游端的蝶形阀。另一不同之处在于：本实施例包括温度传感器51。除此之外，本实施例与图6所示的第三实施例相同。

将隔管47布置在图6所示的外壳27的顶部处来代替布置在外壳27的中央也是可接受的。

对于本实施例，由于端板55封闭隔管47，因此含有大量冷凝水分的阴极废气不进入上部流路。因此，使用从换气空气导入口53导入的更干燥的换气空气进行燃烧，能够在附加催化剂49中进行可靠而有效的燃烧。

尽管在本实施例中端板55使用能够开闭上部流路37的蝶形阀或其它装置，但是，使用固定板代替可动板也是可接受的。然而，通过使用能够开闭上部流路37的蝶形阀或其它装置，可以根据燃料电池1的运转状态开闭上部流路37的上游端。更具体地，可以根据任意给定时刻上部流路37内部的附加催化剂49的燃烧状态(由温度传感器51检测)来调整流入上部流路37的阴极废气的流量，从而可以控制上部流路37内部的燃烧温度。

例如，为了防止流经上部流路37的混合气体的燃料浓度变得太高，可以打开上部流路37的上游端，以使阴极废气流入并降低燃料浓度。

催化燃烧器的第六实施例

图9是催化燃烧器25的第六实施例的侧剖视图。图10(a)是沿图9的剖面线C-C截取的剖视图。在本实施例中，根据供给到催化燃烧器25的外壳27的内部的气体的性质将其分成三个流路。更具体地，通过安装与图4所示的第二实施例的隔管47大致相同的隔管47在外壳27内部形成上部流路37，并且通过在隔管47的顶侧与外壳27的内壁的上部之间安装单独的隔管57形成最上部流路59。

通过在隔管47的上方安装如图10(b)所示的水平隔板61代替安装如图10(a)所示的隔管57来形成最上部流路59也是可接受的。

阳极废气管17与上部流路37连接并且换气空气排出管26与最上部流路59连接。用于阻塞实体的端板63被布置成封闭最上部流路59的上游端。此外，如前述实施例那样，阴极废气管11与外壳27的上游端连接。从而，对于本实施例，通过阴极废气管11导入气体流路33的部分阴极废气进入上部流路37，而其余部分流入下部流路39。

与图4所示的构造类似，附加催化剂49安装在上部流路37内部的靠近催化剂29的位置处，且用于将阳极废气和阴极废气混合在一起的气体混合单元(未示出)安装在附加催化剂49的上游位置处的上部流路37内部。

从而，与图4所示的第二实施例类似，阳极废气在上部流路37中与相对干燥的阴极废气混合，并且通过附加催化剂49使得到的混合气体高效燃烧。然后，将由在附加催化剂49处进行的燃烧产生的高温气体供给到下游的催化剂29。高温气体的热量使催化剂29的温度升高，并且使整个催化剂29的燃烧效率提高。

此外，从换气空气排出管26导入最上部流路59的换气空气也供给到催化剂29。由于催化剂已被充分加热以使其具有高的催化活性，因此即使换气空气中含有的少量氢气的浓度非常低，也可以使其燃烧。

在图9所示的第六实施例中，通过在催化剂29的下游安装附加温度传感器51，可以检测催化剂29的下游的燃烧气体的温度，并且可以使用检测到的温度来检测催化剂29中的燃烧异常并执行各种控制。

另外，还可以通过在最上部流路59中设置流量测量部件、并基于由测量部件检测的换气空气的流量以及由布置在催化剂29的下游的温度传感器51检测的燃烧状态的计算，来计算从燃料电池1流入壳体7内部的换气空气中的氢气的量。

尽管在本实施例中端板63使用能够开闭最上部流路59的蝶形阀或其它装置(与图8所示的端板55类似)，但是，使用固定板代替可动板也是可接受的。然而，通过使用该可动装置，可以根据燃料电池1的运转状态开闭最上部流路59的上游端。更具体地，可以根据任意给定时刻位于最上部流路59的下游的催化剂29的燃烧状态(由布置在催化剂29的下游的温度传感器51检测)来调整流入最上部流路59的阴极废气的流量，从而可以控制催化剂29处的燃烧温度。

如在图9所示的第六实施例中进行的那样，图11(a)至图11(d)示出如何将气体流路33分成三个流路(即上部流路37、下部流路39以及最上部流路59)的一些其它选择例。

在图11(a)所示的例子中，上部流路37和与图10(a)的最上部流路59对应的流路59A都由水平布置并彼此邻近的隔管47和57形成。除了用水平隔板65代替形成上部流路37的隔管47之外，图11(b)所示的例子与图10(b)所示的例子类似。除了已经用垂直于隔板65布置的垂直隔板67代替水平隔板61之外，图11(c)所示的例子与图11(b)所示的例子类似。除了从设计方面考虑以适当的方式倾斜布置隔板65和67之外，图11(d)所示的例子与图11(c)所示的例子类似。

对于图11(a)、图11(c)和图11(d)所示的各例子，与图5(b)所示的例子类似，上部流路37可以布置在外壳27内部，以使其朝车辆的前方偏移。以该方式布置上部流路37可以防止含有大量水分的阴极废气流入上部流路37，并且在燃料电池系统被安装在车辆中的情况下，能够改进催化燃烧器25的燃烧特性。

催化燃烧器的第七实施例

现在参照图12，除了未设置附加催化剂49并且催化剂29被构造成具有不同的规格组的两个催化部之外，本实施例与图4至图11所示的任一实施例基本上相同。在图4至图11所示的各实施例中，如下所述，布置在外壳27的内部的下游端的催化剂29和布置在上部流路37中的附加催化剂49可以具有相同的规格(特性)或分别具有不同的规格组A和B。

在图12的本实施例中，催化剂29包括铅直上部29a和铅直下部29b。铅直上部29a与铅直下部29b具有不同的规格组。特别地，催化剂29的铅直上部29a被构造并布置成与上部流路37对应，铅直上部29a具有规格A，而铅直下部29b被构造并布置成与下部流路39相对应，由于大量水分流经下部流路39，所以铅直下部29b具有规格B。对于不具有设置在上部流路37中的催化剂的催化燃烧器，该方法特别有用。

在上部流路37中具有附加催化剂49的催化燃烧器或者在上部流路37中不具有附加催化剂49的催化燃烧器的背景下，说明下述各工作例。第七实施例可被应用在催化燃烧器的任意构造中。

另外，如前所述，在图12的插图中示出由承载在具有蜂窝结构并由陶瓷或金属制成的催化剂载体上的铂或其它贵金属构成的催化剂29和49。由陶瓷材料制成并在其中分散铂或其它贵金属的催化剂载体A涂层(wash coat)被涂布到催化剂载体，使得在催化剂上承载贵金属。

工作例1

在本工作例中，制成规格A的催化剂中的贵金属的体积密度是1.0g/L(即每1L催化剂体积承载有1.0g贵金属)，而制成规格B的催化剂中的贵金属的体积密度是1.5g/L(即每1L催化剂体积承载有1.5g贵金属)。

从而，在本实施例中，在与布置在铅直上部位置中的上部流路37对应地布置的催化剂49(和/或布置在下游的催化剂29的铅直上部29a)中的贵金属的体积密度小于在与布置在铅直下部位置中的下部流路39对应地布置的催化剂29(或催化剂29的铅直下部29b)中的贵金属的体积密度。

由于当增加贵金属的量时燃烧催化剂的燃烧性能改进，因此通过增加贵金属的量改进设置在承载大量阳极气体或用于燃烧的其它气体的流路中的催化剂的燃烧性能。然而，当使用的贵金属的量增加时成本也增加。

因此，在本实施例中，根据流入到催化剂中的水分的影响改变催化剂的规格(特性)。如果流入的水分量少，则即使使用更小密度的贵金属，也可以充分增加燃烧初始阶段或燃烧开始时的可燃性，并且在点火后也可以实现稳定地燃烧。

因此，在本实施例中，通过使布置在被供给阳极废气且水分量相对少的上部流路37中的催化剂49中的贵金属量(和/或布置在下游的催化剂29的铅直上部29a中的贵金属量)少于布置在大量水分流入的下部流路39的下游的催化剂29(或催化剂29的铅直下部29b)中的贵金属量，可在确保良好的燃烧性能的同时降低成本。

从而，与在两个位置中使用相同规格(特性)的催化剂的情况相比，通过在与流路37对应的催化剂中以及在与流路39对应的催化剂中使用不同密度的贵金属，可以以较低的成本改进燃烧特性。

工作例2

在本工作例中，制成规格A的催化剂的涂层的体积密度是20.0g/L(即每1L催化剂体积承载有20.0g涂层)，而制成规格B的催化剂的涂层的体积密度是10.0g/L(即每1L催化剂体积承载有10.0g涂层)。

从而，在本实施例中，在与布置在铅直上部位置中的上部流路37对应地布置的催化剂49中的涂层的体积密度(和/或布置在下游的催化剂29的铅直上部29a的涂层的体积密度)大于在与布置在铅直下部位置中的下部流路39对应地布置的催化剂29(或催化剂29的铅直下部29b)中的涂层的体积密度。

当承载在催化剂上的涂层的主要成分是陶瓷材料时，水分倾向于附着到涂层。因此，当大量水分供给到催化剂时，燃烧性能下降。涂层的量还影响催化剂的耐久性。

因此，需要平衡涂层的量，使得其足够大以确保充分的耐久性以及足够小以获得充分的燃烧性能。从而，可以通过增加布置在供给阳极废气且供给的水分量一般很少的上部流路37中的催化剂49上的涂层的量(和/或布置在下游的催化剂29的铅直上部29a上的涂层的量)确保充分的耐久性。

因为在上部流路37中的催化剂49处，由于吸收水分导致的燃烧性能的下降很小，所以可以确保燃烧初始阶段或燃烧开始时的充分的可燃性，并且在点火后可以实现稳定地燃烧。

相反地，由于流入布置在下部流路39的下游的铅直下部29b的催化剂中的气体燃料浓度低，且水分含量高，因此需要越过耐久性优先考虑耐水性(当供给大量水分时的燃烧性能)。因此，减少铅直下部29b的催化剂上的涂层量，使得可以防止由于涂层上的水分的吸收导致的燃烧性能下降。

从而，与在两位置使用相同规格(特性)的催化剂的情况相比，通过在与流路37对应的催化剂上以及在与流路39对应的催化剂上使用不同密度的涂层，可以以较大程度同时确保耐久性和耐水性(当供给大量水分时的燃烧性能)。

工作例3

在本工作例中，制成规格A的催化剂中的贵金属的质量与涂层的质量之比是0.05(即每20g涂层承载1.0g贵金属)，而制成规格B的催化剂中的贵金属的质量与涂层的质量之比是0.15(即每10.0g涂层承载1.5g贵金属)。

从而，在本实施例中，在与布置在铅直上部位置中的上部流路37对应地布置的催化剂49中的贵金属的体积密度与涂层的体积密度之比(和/或布置在下游的催化剂29的铅直上部29a的贵金属的体积密度与涂层的体积密度之比)小于在与布置在铅直下部位置中的下部流路39对应地布置的催化剂29(或催化剂29的铅直下部29b)中的贵金属的体积密度与涂层的体积密度之比。

利用本工作例，可以获得高性能的催化燃烧器，该催化燃烧器提供工作例1和工作例2的效果。

工作例4

在本工作例中，制成规格A的催化剂的催化剂载体的单元密度是600cpsi(每1平方英寸600个单元)，而制成规格B的催化剂的催化剂载体的单元密度是200cpsi(每1平方英寸200个单元)。

从而，在本实施例中，在与布置在铅直上部位置中的上部流路37对应地布置的催化剂49中的催化剂载体的单元密度(和/或布置在下游的催化剂29的铅直上部29a的催化剂载体的单元密度)大于在与布置在铅直下部位置中的下部流路39对应地布置的催化剂29(或催化剂29的铅直下部29b)中的催化剂载体的单元密度。

虽然催化剂的燃烧性能与单元密度成正比，但是由于流经催化剂的空气阻力导致的压力损失与单元密度成反比。如果单元密度高，则当大量水分供给到催化剂时，催化剂内部的流路可以被水阻塞，并且催化剂的燃烧性能可能降低。

从而，可以通过增加布置在上部流路37中的催化剂49的单元密度(和/或布置在下游的催化剂29的铅直上部29a的单元密度)来获得充分的燃烧性能，含有极少水分和高的燃料浓度的阳极废气供给到该上部流路37中。

另外，尽管存在由于单元密度增高导致压力损失增加的可能，但是由于流入上部流路37的水分量少，因此由水导致的阻塞及其它问题的可能性低。同时，即使流入到下部流路39的水分量大，但因为催化剂29的铅直下部29b的单元密度已降低，因此可以防止位于下部流路39的下游的催化剂29的铅直下部29b中出现的流路阻塞和其它问题。

工作例5

在本实施例中，制成规格A的催化剂(包括涂层和贵金属)的表面积与体积之比是600m²/L(即每1L催化剂体积的表面积是600平方米)，而制成规格B的催化剂(包括涂层和贵金属)的表面积与体积之比是350m²/L。

此外，例如，由于催化剂的99％以上的表面积被涂层液而非贵金属占据，因此上述催化剂的表面积与体积之比可假设为涂层的表面积与催化剂的体积之比。

从而，在本实施例中，在与布置在铅直上部位置中的上部流路37对应地布置的催化剂49中的涂层的表面积与催化剂的体积之比(和/或布置在下游的催化剂29的铅直上部29a的涂层的表面积与催化剂的体积之比)大于在与布置在铅直下部位置中的下部流路39对应地布置的催化剂29(或催化剂29的铅直下部29b)中的涂层的表面积与催化剂的体积之比。

虽然催化剂的燃烧性能与涂层的表面积(包括涂层和贵金属的催化剂的表面积)成比例，但涂层吸收水分的趋势也与涂层的表面积(包括涂层和贵金属的催化剂的表面积)成比例地增加。从而，存在过度的吸收水分将使燃烧性能下降的可能。因此，可以通过增加布置在上部流路37中的催化剂49的涂层的表面积(包括涂层与贵金属的催化剂的表面积)与催化剂的体积之比(和/或布置在下游的催化剂29的铅直上部29a的涂层的表面积与催化剂的体积之比)来改进燃烧性能，含有极少水分的阳极废气供给到该上部流路37。

此外，即使流入下部流路39中的水分量大，由于催化剂29的铅直下部29b的涂层的表面积(包括涂层与贵金属的催化剂的表面积)与催化剂的体积之比已减小，因此可以防止在位于下部流路39的下游的催化剂29的铅直下部29b处产生的过度的水分附着和下降的燃烧性能。

其它工作例

可以通过以适当的方式组合工作例1至4的构成特征来获得不同的效果。

例如，制成规格A的催化剂可以被构造成贵金属的体积密度是5g/L，贵金属与涂层之比为0.02，涂层的表面积与催化剂的体积之比是500m²/L，而制成规格B的催化剂可以被构造成贵金属的体积密度是9g/L，贵金属与涂层之比是0.09，涂层的表面积与催化剂的体积之比是350m²/L。

因为如果水分的量少则可以用少量的贵金属获得充分的燃烧性能，所以催化剂29的具有规格A的铅直上部29a被布置在上部流路37的下游部。此外，因为即使当供给大量的水分时也可以提供充分水平的性能，所以催化剂29的铅直下部29b设置在下部流路39的下游。

从而，由于本工作例允许适当地且精细地调整催化剂的规格，因此与设置在流路37和39的下游的具有相同规格的催化剂的催化燃烧器的燃烧性能相比，可以极大地改进该催化燃烧器的总体燃烧性能。

本发明不受上述实施例中使用的数值和比率的限制。可以适当地改变这些数值和比率。

也可以将这些工作例应用到与图2所述的催化燃烧器类似的催化燃烧器，因为阳极废气比阴极废气轻且因此易于流入上部流路，所以该催化燃烧器不具有特定的引入阳极废气的催化剂。然而，当将这些工作例应用到与图4所述的催化燃烧器类似的、具有特定的引入阳极废气的催化剂的催化燃烧器时，燃烧性能的改进效果更好。

表1示出与制成规格A和规格B的催化剂相关的下述特征量的大小关系，分别是：贵金属的体积密度、涂层的体积密度、贵金属的体积密度与涂层的体积密度之比、单元密度、涂层的表面积与催化剂的体积之比。

表1

催化剂的规格	规格A 规格B
催化剂的规格	规格A 规格B	贵金属的体积密度	αg/L＜βg/L
涂层的体积密度	αg/L＞βg/L	贵金属的体积密度	αg/L＜βg/L
涂层的体积密度	αg/L＞βg/L	贵金属的体积密度与涂层的体积密度之比	α＜β
单元密度	αcpsi＞βcpsi	贵金属的体积密度与涂层的体积密度之比	α＜β
单元密度	αcpsi＞βcpsi	涂层的表面积与催化剂的体积之比	αm<sup>2</sup>/L＞βm<sup>2</sup>/L

如表1所示，对于制成规格B的催化剂的贵金属的体积密度以及贵金属的体积密度与涂层的体积密度之比比制成规格A的催化剂大。此外，对于制成规格A的催化剂的涂层的体积密度、单元密度、以及涂层的表面积与催化剂的体积之比比制成规格B的催化剂大。

术语的一般解释

在理解本发明的范围时，如在本文中使用的那样，术语“包括”及其派生词是可扩展术语，其确定存在所述特征、元件、部件、组、整体和/或步骤，但不排除存在其它未陈述的特征、元件、部件、组、整体和/或步骤。上述情况也适用于如术语“包含”、“具有”及其派生词等具有类似意义的词汇。此外，术语“部件”、“部”、“部分”、“构件”或“元件”当以单数使用时，可以具有单个部件或多个部件的双重意义。此外，如在本文中使用的用来说明上述实施例那样，下面的方向术语“向前、向后、上方、向下、垂直、水平、下方和横向”以及任何其它类似的方向术语指的是配备有本发明的车辆的那些方向。因此，用来说明本发明的这些术语应该相对于配备有本发明的车辆来解释。如在本文中使用的“大致”、“约”和“大约”等程度术语指的是被修饰术语的合理偏离量，从而不会显著改变最终结果。例如，如果偏离不会否定其修饰的词汇的意义的话，这些术语可以被解释为包括被修饰术语的至少±5％的偏离。

尽管仅选择被选定的实施例图解本发明，但通过所公开的内容，对本领域技术人员来说明显的是，在不背离由所附权利要求书限定的本发明的范围的前提下，可以进行各种修改和变形。例如，可以根据需要和/或期望改变各部件的尺寸、形状、位置或方向。可以在示出的彼此直接连接或接触的部件之间布置中间结构。可以由两个元件进行一个元件的功能，反之亦然。可以在一个实施例中采用另一个实施例的结构和功能。在一个特定的实施例中不必同时存在所有的优点。相对于现有技术独特的每一个特征本身或与其它特征的组合也应该被认为是本申请人的进一步发明的单独说明，该特征包括由该特征具体化的结构和/或功能概念。从而，根据本发明的实施例的上述说明仅是为了图解而提供，而不是为了限制由所附权利要求书及其等同限定的本发明。

Claims

1.一种催化燃烧器，其包括：

外壳，其包括：阳极废气入口，用于接收从燃料电池的阳极排出的阳极废气；阴极废气入口，用于接收从燃料电池的阴极排出的阴极废气；以及排气出口，用于排出燃烧过的气体；以及

催化剂，其被布置在所述阳极废气入口和所述阴极废气入口与所述排气出口之间的所述外壳内部；

所述外壳被构造成形成水平布置的气体流路，所述气体流路接收在上游部中流动的所述阳极废气和所述阴极废气，所述上游部将所述阳极废气和所述阴极废气引入至所述催化剂，所述上游部包括位于所述催化剂的正上游、且被分成至少两个铅直布置的流路的分割部，

所述阳极废气入口被构造并布置成将所述阳极废气供给到所述气体流路的所述分割部的铅直上部位置。

2.根据权利要求1所述的催化燃烧器，其特征在于，还包括：

在至少一个所述流路中设置温度检测装置。

3.根据权利要求1或2所述的催化燃烧器，其特征在于，

所述外壳还包括布置成供给换气空气的换气空气入口，所述换气空气从所述燃料电池供给到所述气体流路的所述分割部的铅直上部位置。

4.根据权利要求3所述的催化燃烧器，其特征在于，

所述流路的铅直上部流路具有封闭的上游端。

5.根据权利要求1所述的催化燃烧器，其特征在于，

与所述催化剂分开的附加催化剂设置在位于所述气体流路的所述分割部的铅直上部位置中的流路中。

6.根据权利要求1所述的催化燃烧器，其特征在于，

封闭所述催化剂的所述外壳被构造并布置成安装在包含所述燃料电池的车辆中，使得所述气体流路的纵轴沿与所述车辆的向前运动方向相交的方向延伸；且所述流路的铅直上部流路在所述外壳内部大体朝所述车辆的前端布置。

7.根据权利要求1所述的催化燃烧器，其特征在于，

设置在所述外壳内部的所述气体流路被分成根据供给的气体的性质布置的三个流路。

8.根据权利要求7所述的催化燃烧器，其特征在于，还包括：

与所述催化剂分开的附加催化剂设置在所述三个流路中的至少一个中。

9.根据权利要求7或8所述的催化燃烧器，其特征在于，

所述阳极废气入口被构造并布置成将所述阳极废气供给到所述三个流路的铅直上部流路，并且将从所述燃料电池的壳体的内部排出的换气空气供给到所述三个流路中的另一铅直上部流路。

10.根据权利要求9所述的催化燃烧器，其特征在于，

被构造并布置成接收所述换气空气的所述流路中的铅直上部流路具有封闭的上游端。

11.根据权利要求4所述的催化燃烧器，其特征在于，

所述流路中的铅直上部流路具有阻塞体，所述阻塞体被构造并布置成有选择地开闭所述流路中的铅直上部流路的所述上游端。

12.根据权利要求1所述的催化燃烧器，其特征在于，

所述催化剂包括具有多个单元的催化剂载体、布置在所述催化剂载体上的涂层以及分散在所述催化剂载体中的贵金属；以及

所述催化剂中的所述贵金属具有：铅直下部，其具有第一体积密度；以及铅直上部，其具有比所述铅直下部的所述第一体积密度小的第二体积密度。

13.根据权利要求1所述的催化燃烧器，其特征在于，

所述催化剂载体上的所述涂层具有：铅直下部，其具有第一体积密度；以及铅直上部，其具有比所述铅直下部的所述第一体积密度大的第二体积密度。

14.根据权利要求1所述的催化燃烧器，其特征在于，

所述催化剂中的所述贵金属具有：铅直下部，其具有第一体积密度；以及铅直上部，其具有第二体积密度；

所述催化剂载体上的所述涂层具有：铅直下部，其具有第一体积密度；以及铅直上部，其具有比所述涂层的所述铅直下部的所述第一体积密度大的第二体积密度；以及

所述涂层的所述第一体积密度与所述贵金属的所述第一体积密度之比小于所述涂层的所述第二体积密度与所述贵金属的所述第二体积密度之比。

15.根据权利要求1所述的催化燃烧器，其特征在于，

所述催化剂载体具有：铅直下部，其具有第一单元密度；以及铅直上部，其具有比所述铅直下部的所述第一单元密度大的第二单元密度。

16.根据权利要求1所述的催化燃烧器，其特征在于，

所述催化剂包括具有多个单元的催化剂载体、布置在所述催化剂载体上的涂层以及分散在所述催化剂载体中的贵金属；且所述涂层的表面积与所述催化剂的体积之比：

所述催化剂载体上的所述涂层具有：铅直下部，其具有对所述催化剂的体积的第一表面积比率；以及铅直上部，其具有对所述催化剂的体积的第二表面积比率，所述第二表面积比率比所述铅直下部的所述第一表面积比率大。