JP3582060B2 - 燃料電池システム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池システムに係り、特に、燃料電池電気自動車の要求に応じた適量の液体原燃料を噴射することができる燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電気を駆動源とする車両として電気自動車が知られており、電源として燃料電池を用いた燃料電池電気自動車の開発も行われている。この燃料電池電気自動車に用いられる燃料電池には、いわゆるメタノール改質型の燃料電池を用いたものがある。この燃料電池では、たとえばメタノールと水の混合液からなる液体原燃料が用いられており、この液体原燃料を蒸発させて改質器に供給するための燃料蒸発器が備えられている。
【０００３】
従来におけるこの種の燃料電池における燃料蒸発器として、本出願人は、特願平１１−１２５３６６号を開示している。その燃料蒸発器を図８を参照して説明すると、燃料蒸発器１００は、図示しない燃焼器で生成された燃焼ガスＨＧにより液体原燃料ＦＬを蒸発させて原燃料ガスＦＧを生成する蒸発室１１０を備えている。この蒸発室１１０で生成された原燃料ガスＦＧは過熱室１２０に供給され、蒸発室１１０を出た燃焼ガスＨＧにより過熱される。また、蒸発室１１０と過熱室１２０は、蒸発室１１０の床面１１０Ａに沿わせて形成された案内通路１３０を介して連通している。
【０００４】
蒸発室１１０には、燃焼ガスＨＧが通流するＵ字状の熱媒チューブ１１１，１１１…が多数配設されており、燃焼ガスＨＧを案内通路１３０に向けて送っている。また、蒸発室１１０内における熱媒チューブ１１１，１１１…に向けて、液体原燃料ＦＬを原燃料噴射装置１４０によって液体原燃料ＦＬが噴射されている。原燃料噴射装置１４０によって噴射された液体原燃料ＦＬは熱媒チューブ１１１，１１１…と接触し、熱交換が行われて蒸発する。液体原燃料ＦＬが蒸発して生成された原燃料ガスＦＧは、過熱室１２０に配設された多数の蒸気チューブ１２１，１２１…内に供給される。
【０００５】
一方、熱媒チューブ１１１，１１１…から流出された燃焼ガスＨＧは、案内通路１３０を経て過熱室１２０に供給される。過熱室１２０において、蒸気チューブ１２１，１２１…を通過する原燃料ガスＦＧは、過熱室１２０に供給された燃焼ガスＨＧによって過熱される。そして、過熱された原燃料ガスＦＧは、蒸気チューブ１２１，１２１…からそれぞれ流出され図示しない改質器に供給される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、蒸発室内の圧力は、燃料電池における極間差圧の調整などの影響を受けることによって変動するため、蒸発室内の圧力を一定に保つことが困難である。蒸発器内の圧力が一定でない状況下で液体原燃料を任意に噴出した場合には、液体原燃料が蒸発室内に均一に広がることができず、液体原燃料を蒸発させる効率が低くなってしまうという問題がある。
【０００７】
しかし、前記従来の燃料蒸発器１００においては、蒸発室１１０内における圧力と液体原燃料の噴射量の関係については特に考えていない。そのため、たとえば燃料電池電気自動車からの要求に応じて、その要求に見合った量の液体原燃料を噴射するにすぎないものであった。
【０００８】
他方、燃料電池電気自動車では、急加速時などに主モータから大量の電流を急速に要求される場合がある。この場合には、燃料電池から大量の電流をなるべく早く供給することが望まれるが、燃料電池から大量の電流を供給するためには、大量の原燃料ガスを必要とする。大量の原燃料ガスを生成するためには、大量の液体原燃料を噴射するとともに、その大量の液体原燃料を蒸発させるための熱量が要求される。
【０００９】
ところが、前記従来の燃料蒸発器１００においては、すばやく大量の液体原燃料を噴射することは容易であるが、その液体原燃料を蒸発させるための大量の熱量をすばやく供給することができない。そのため、大量の液体原燃料をすばやく蒸発させることができず、燃料電池に急速に原燃料ガスを供給できないばかりか、液溜りの原因ともなるものであった。
【００１０】
そこで、本発明の課題は、燃料電池の要求に応じた適量の液体原燃料を噴射することにより、液体原燃料を効率的に蒸発させることができるようにすることにある。
また、他の課題は、燃料電池電気自動車の急加速時など、急速に大量の電流が要求される場合にも対応できるようにするとともに、供給された液体原燃料を効率よく蒸発させ、もって蒸発室内の液溜りを防止することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、液体原燃料を高温熱媒体により蒸発させて原燃料ガスにする蒸発室と、この蒸発室に連通し、極間差圧調整が行われる燃料電池と、を有する燃料電池システムにおいて、前記蒸発室は、前記液体原燃料を噴射する原燃料噴射装置と、この原燃料噴射装置の噴射量を調整する噴射量調整装置と、蒸発室内部の圧力を検知する圧力検知手段とを備え、前記噴射量調整装置には、噴射量目標設定信号を用いて原燃料噴射量を設定する噴射量調整部が設けられており、前記噴射量調整部は、前記圧力検知手段からの指令値を受けて前記原燃料噴射量を補正する、ことを特徴とする燃料電池システムである。
【００１４】
請求項１に係る発明においては、噴射量目標設定信号を用いて原燃料噴射量を設定する噴射量調整部が設けられている。そのため、燃料電池の要求に応じた適量の液体原燃料を噴射することができるので、液体原燃料を効率的に蒸発させることができる。
また、圧力検知手段によって蒸発器内部の圧力を検知し、この圧力検知手段からの指令値によって原燃料噴射量を補正している。このため、蒸発器内部の圧力状態に応じて液体原燃料の噴射量を適宜調整することができる。したがって、燃料電池における極間差圧調整の影響を受けて蒸発器内部に圧力の変動が生じていたとしても、原燃料噴射量を適量に調整することができる。
【００１５】
さらに、請求項２に係る発明は、前記燃料電池システムは燃料電池電気自動車に用いられるものであり、前記噴射量目標設定信号がアクセル開度信号であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システムである。
【００１６】
請求項２に係る発明においては、燃料電池システムが燃料電池電気自動車に用いられる場合に、噴射量目標設定信号をアクセル開度信号としている。したがって、燃料電池電気自動車において経時的に変動するアクセル開度に応じて原燃料噴射量を調整することができる。
【００１７】
請求項３に係る発明は、前記噴射量調整部は、エネルギバッファの残量信号を受けて、前記原燃料噴射量を補正することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システムである。
【００１８】
請求項３に係る発明においては、エネルギバッファの残量信号によって原燃料噴射量を補正している。燃料電池電気自動車では、要求される電力負荷を燃料電池の他、バッテリなどのエネルギバッファから供給することがある。そのため、たとえばエネルギバッファの残量が多い場合には、燃料電池から供給する電流を少なくしてもよい。このように、燃料電池から供給する電流を少なくするときに、原燃料噴射量を減少させるように補正するように調整することができる。
【００１９】
請求項４に係る発明は、前記噴射量調整部は、回生信号に応じて前記原燃料噴射量を補正することを特徴とする請求項２または請求項３に記載の燃料電池システムである。
【００２０】
請求項４に係る発明においては、回生信号に応じて原燃料噴射量を補正している。燃料電池電気自動車では、主モータが回生状態にある場合に、主モータからエネルギバッファに電流が供給される。そのため、回生状態にある場合には、燃料電池から供給する電流を少なくすることができる。そして、回生状態にあるときには、燃料電池から供給する電流を少なくしてもよいので、このとこには原燃料噴射量を減少させるように補正するように調整することができる。
【００２１】
また、請求項５に係る発明は、液体原燃料を高温熱媒体により蒸発させて原燃料ガスにする蒸発室を有する燃料蒸発器を有し、前記原燃料ガスの一部を燃料電池に供給し、他部をオフガスとともに前記燃料蒸発器に供給する燃料電池システムにおいて、噴射量目標設定信号によって前記燃料蒸発器から燃料電池に供給された原燃料ガスの前記燃料電池における利用量を調整する原燃料利用量調整手段が設けられ、前記燃料蒸発器は、前記蒸発室に液体原燃料を噴射する原燃料噴射装置と、前記原燃料噴射装置の噴射量を調整する噴射量調整装置とを備え、前記噴射量調整装置には、噴射量目標設定信号に応じて所定の原燃料噴射量を得る噴射量調整部が設けられており、噴射量目標設定信号が大きくなった場合には、前記原燃料利用量調整手段によって燃料電池での原燃料ガスの利用量を低下させて前記オフガス内の原燃料ガスを増加させるとともに、前記原燃料ガスの利用量の低下によって不足した分の電力はエネルギバッファによって補填する一方で、前記噴射量調整部により前記原燃料噴射量を増加させることを特徴とする蒸発器用燃料噴射装置を備える燃料電池システムである。
【００２２】
請求項５に係る発明においては、噴射量目標設定信号によって燃料蒸発器から燃料電池に供給された原燃料ガスの利用量を調整する原燃料利用調整手段が設けられている。このため、燃料電池電気自動車の急加速時など、急速に大量の電流を要する場合には、一旦燃料電池における原燃料ガスの利用量を減少させることができる。そして、減少させた原燃料利用量の分の原燃料ガスをオフガスとともに蒸発器に供給して蒸発器における熱量を増大させて大量の液体原燃料を急速に蒸発させられるようにする。蒸発器においては、熱量が増大することによって、大量の液体原燃料をすばやく蒸発させることができるので、大量の原燃料ガスをすばやく燃料電池に供給することができる。
このとき、燃料電池から主モータに供給される電流は一時的に不足することになるが、この不足分はエネルギバッファから補うことができる。こうして、燃料電池電気自動車の急加速時など、急速に燃料電池に燃料を供給したい場合にも対応できる。そして、供給された液体原燃料を効率よく蒸発させ、蒸発室内の液溜りを防止することができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら具体的に説明する。
本発明に係る蒸発器用燃料噴射装置の説明をする前に、燃料電池システムの全体について簡単に説明する。
図１は、本発明に係る蒸発器用燃料噴射装置を備える燃料電池システムの全体構成を示す構成図である。図１に示すように、燃料電池システムＦＣＳは、本発明に係る燃料蒸発器１を備えている。燃料蒸発器１は、蒸発器本体１０、触媒燃焼器２０、過熱部３０、および原燃料噴射装置４０を有しているが、これらの具体的な構成については、後に説明する。
【００２４】
燃料蒸発器１には、タンクＴより液体原燃料である水とメタノール混合液が供給され、この液体原燃料を蒸発させて、原燃料ガスを生成する。燃料蒸発器１によって生成された原燃料ガスは、改質器２に供給される。改質器２においては、原燃料ガスから水素リッチガスを生成し、ＣＯ除去器３に供給する。ＣＯ除去器３では、ＮＯ．１ＣＯ除去器３ＡおよびＮＯ．２ＣＯ除去器３Ｂによって、供給された水素リッチガスに含まれる不要な一酸化炭素を除去する。一方、燃料電池システムＦＣＳには、空気圧縮機４が備えられており、空気圧縮機４から空気がＣＯ除去器３に供給される。
【００２５】
ＣＯ除去器３によって不要な一酸化炭素を除去された水素リッチガスは、燃料電池５に供給される。その一方、空気圧縮機４から燃料電池５に対して、空気が供給される。そして、燃料電池５において水素リッチガスと酸素を含む空気を反応させて電気を得る。また、燃料電池５には電流量調整部５Ａが設けられており、燃料電池５で発生させる電流の量は、電流量調整部５Ａによって調整される。
【００２６】
燃料電池５における未蒸発水素を含むガスは、気液分離装置６に供給されて、残余の水素ガス（以下「オフガス」という）ＯＧが取り出され、燃料蒸発器１に供給されて熱源として利用される。他方、燃焼バーナ７は、始動時などの燃料蒸発器１の触媒燃焼器２０が暖まる前などに用いられる。また、燃料電池５から得られる電流は、図示しない高圧分配器やＰＣＵ（Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）などを介して主モータＭに供給され、燃料電池電気自動車の駆動源として利用される。
【００２７】
さらに、燃料電池システムＦＣＳには、エネルギバッファであるバッテリ８が搭載されており、燃料電池５から供給される電流を補填するために主モータＭからの要求に応じて適宜電流を供給する。バッテリ８には、ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）９が接続されており、ＥＣＵ９に対して残量信号が送信される。また、主モータＭもＥＣＵ９に接続されており、ＥＣＵ９に対して回生信号が送信される。
【００２８】
また、ＥＣＵ９にはアクセルペダルＰに設けられた図示しないアクセル開度センサが接続されており、ＥＣＵ９に対してアクセルペダルＰから本発明における噴射量目標設定信号であるアクセル開度信号（以下「θスロットル信号」という）を送信する。また、図示しない運転者がアクセルペダルＰを操作すると、その操作量に応じて、主モータＭに回転信号が送信されるようになっている。
他方、原燃料噴射装置４０には、液体原燃料ＦＬの噴射量を調整する噴射量調整装置４２が設けられており、ＥＣＵ９と接続されている。そして、ＥＣＵ９に送信されたθスロットル信号、残量信号、および回生信号は、噴射量調整装置４２に送信される。
【００２９】
次に、燃料蒸発器１の構成について、図１ないし図４を参照して説明する。
図１ないし図４に示すように、燃料蒸発器１は、蒸発器本体１０を備えている。蒸発器本体１０の内部には、液体原燃料ＦＬを燃焼ガスＨＧから得られる熱により蒸発させる蒸発室１１が形成されている。蒸発室１１には、燃焼ガスＨＧが通流するＵ字状の熱媒チューブ１２，１２…が多数配設されている。また、蒸発室１１には、原燃料噴射装置４０によって液体原燃料ＦＬが噴射される。そして、熱媒チューブ１２，１２…を通流する燃焼ガスが、液体原燃料ＦＬに熱を与えることによって液体原燃料ＦＬが蒸発する。
【００３０】
また、蒸発器本体１０の下方には、触媒燃焼器２０が配設されている。触媒燃焼器２０には、加熱されて燃焼ガスＨＧとなるオフガスＯＧが流入する入口流路２１が形成されており、入口流路２１の下流側には触媒層２２が設けられている。触媒層２２には、触媒の金属成分を担持する図示しないハニカム形状の担体が設けられており、オフガスＯＧと触媒との反応によってオフガスＯＧを燃焼させて燃焼ガスＨＧとする。
触媒層２２の下流側には、出口流路２３が隔壁２４によって形成されており、この出口流路２３を燃焼ガスＨＧが通過する。この隔壁２４によって形成された出口流路２３を介して、触媒層２２と蒸発器本体１０における熱媒チューブ１２，１２…とが連通している。
【００３１】
熱媒チューブ１２，１２…の下流側には、熱媒チューブ１２，１２…を通過し、液体原燃料ＦＬを蒸発させた後の燃焼ガスＨＧが通流する燃焼ガス流路１３が形成されている。燃焼ガス流路１３は、図２および図３に示すように、蒸発器室１１の周囲を囲むようにして配設され過熱部３０に連通している。
さらに、蒸発器本体１０の下流側には、蒸発室１１で蒸発した原燃料ガスＦＧを、燃焼ガス通路１３を経由した燃焼ガスＨＧにより過熱する過熱部３０が形成されている。過熱部３０には多数の蒸気チューブ３１，３１…が配設されており、その周囲が過熱室３２となっている。したがって、蒸気チューブ３１，３１…内を通流する原燃料ガスＦＧが、蒸気チューブ３１，３１…の周囲を流れる燃焼ガスＨＧによって過熱される。蒸気チューブ３１，３１…の下流側は、図１に示す改質器２に連通しており、過熱された原燃料ガスＦＣは改質器２に供給される。過熱室３２の下流側には、排気ダクト３３が設けられており、排気ダクト３３を介して燃焼ガスＨＧが流出される。
【００３２】
原燃料噴射装置４０は、図１に示す噴射量調整装置４２を備えるとともに、図２および図５に示すように、３つの原燃料噴射部４１，４１，４１を備えている。これらの原燃料噴射部４１，４１，４１のうちの一部または全部から液体原燃料が噴射される。原燃料噴射装置４１は、ソレノイドコイル４１ａに電流を流してバルブ４１ｂを開き、原燃料噴射ノズル４１ｃから液体原燃料ＦＬを噴射する。なお、原燃料噴射部４１Ａには、タンクＴから水とメタノールの混合液である液体原燃料ＦＬがポンプＰで圧送される（図１参照）。そして、噴射された液体原燃料ＦＬは、開口面積の小さな原燃料噴射ノズル４１ｃから開放されて分散し始める。
【００３３】
また、図３および図４に示すように、蒸発器本体１０には、蒸発室１１内の圧力を検知する圧力検知手段である圧力センサ１１Ａが設けられている。圧力センサ１１Ａで検知された本発明の指令値となる圧力信号は、図１に示すように、原燃料噴射装置４０に設けられた噴射量調整装置４２における噴射量調整部に送信されるようになっている。噴射量調整部では、圧力センサ１１Ａからの圧力信号、ＥＣＵ９からのθスロットル信号、残量信号、および回生信号を受けて、原燃料噴射装置４０のＴｉ値を変えることによって噴射量を調整する。
なお、本実施形態においては圧力検知手段として圧力センサを用いているが、圧力検知手段としてプレッシャレギュレータを用いることもできる。この場合、燃料のリターン通路を利用して燃料圧力をプレッシャレギュレータによって調圧する。この燃料圧力を指令値として原燃料噴射装置４０の噴射量を調整する。
【００３４】
次に、以上の構成を有する蒸発器用燃料噴射装置の制御について図６に示すフローチャートを参照しながら具体的に説明する。
本発明に係る原燃料噴射装置４０では、蒸発器本体１０における蒸発室１１内に原燃料を噴射しているが、その噴射量については、噴射量調整装置４２における噴射量調整部で調整される。まず、液体原燃料ＦＬの噴射量目標は、ＥＣＵ９を介して受けたθスロットル信号によって設定される（ステップＳ１）。ＥＣＵ９に対しては、アクセルペダルＰに設けられた図示しないアクセル開度センサからθスロットル信号が送信される。そして、たとえば図示しない運転者がアクセルを大きく操作すると、大きなθスロットル信号がＥＣＵ９から噴射量調整装置４２に送信される。噴射量調整装置４２が大きなθスロットル信号を受けると、噴射量調整部において原燃料噴射装置４０における原燃料噴射部４１，４１，４１から噴射される液体原燃料の噴射量が多くなるように調整する。逆に、運転者の操作量が小さいと、小さなθスロットル信号がＥＣＵ９から噴射量調整装置４２に送信される。噴射量調整装置４２が小さなθスロットル信号を受けると、噴射量調整装置４２において原燃料噴射部４１，４１，４１からの噴射量が少なくなるように調整する。このようにして、噴射量調整装置４２によって、原燃料噴射部４１，４１，４１から噴射される液体原燃料の噴射量が設定される。
【００３５】
ここで、液体原燃料ＦＬを噴射する際には、蒸発室１１内における熱量の大きい部分に多くの液体原燃料ＦＬを噴射するのが好ましい。具体的には、通常、蒸発室１１では中央部の熱量が大きくなっている。したがって、図５に示す３本の原燃料噴射部４１，４１，４１のうち、中央に配置された原燃料噴射部４１Ｂから多くの液体原燃料ＦＬを噴射するように制御するのが好適である。あるいは、何らかの理由により蒸発室１１内の熱分布が変わる場合には、両側の原燃料噴射部４１Ａ，４１Ｃも含めて、蒸発室１１内における熱量が大きくなる部分に、より多くの液体原燃料ＦＬを噴射するようにするのが望ましい。
【００３６】
θスロットル信号によって液体原燃料の噴射量目標が設定された後は、蒸発室１１内の圧力を計測する圧力センサ１１Ａからの圧力信号を受けて、液体原燃料の噴射量を補正する（ステップＳ２）。蒸発室１１に対して、改質器２などを介して連通している燃料電池５においては、水素極と酸素極との間で極間差圧調整が行われている。この燃料電池５における極間差圧調整の影響を受けて、蒸発室１１内の圧力も変化する。
【００３７】
蒸発室１１内の圧力が変わったときに、液体原燃料の噴射量を固定したままでは、熱量が不足して液体原燃料を完全に蒸発させられなかったり、逆に熱量が余って蒸発効率を低下させてしまうことがある。そこで、蒸発室１１内の圧力を圧力センサ１１Ａで測定する。続いて、圧力センサ１１Ａで測定して得られた圧力信号を噴射量調整装置４２における噴射量調整部４２Ａに送信する。噴射量調整部４２Ａでは、圧力センサ１１Ａから圧力信号を受けて原燃料噴射装置４０から噴射される液体原燃料ＦＬの噴射量を補正する。液体原燃料ＦＬの噴射量を補正するにあたり、蒸発室１１内の圧力が低い場合には、熱量が不足して液体原燃料が未蒸発となるのを防止するために、液体原燃料ＦＬの噴射量が少なくなるように補正する。逆に蒸発室１１内の圧力が高い場合には、液体原燃料の噴射量を増加させて熱量を損失しないようにする。
【００３８】
圧力センサ１１Ａから蒸発室１１内の圧力信号を受けて、原燃料噴射量を補正した後は、バッテリ８の残量信号を受けて、液体原燃料ＦＬの噴射量を調整する（ステップＳ３）。
【００３９】
燃料電池システムＦＣＳを搭載する燃料電池電気自動車では、発進時や急加速時など主モータＭからの要求電流が大きく、燃料電池５の発電量を超えてしまうような場合には、バッテリ８などのエネルギバッファから電流が持ち出される。したがって、バッテリ８の充電量は常に満たされているのが好ましいが、主モータＭに電流を供給した後などには、充電量の残量が減少している場合がある。そこで、バッテリ８の残量を検知して、その残量に応じて燃料電池５の発電量を増減させるために蒸発器に噴射される液体原燃料ＦＬの噴射量を増減させる。
【００４０】
バッテリ８の充電量の残量は、残量信号としてＥＣＵ９に送信される。ＥＣＵ９は、バッテリ８から受けた残量信号を噴射量調整装置４２および燃料電池５における電流量調整部５Ａに送信する。残量信号を受けた噴射量調整装置４２は、噴射量調整部４２Ａにおいて残量信号に応じて液体原燃料ＦＬの噴射量を補正する。また、燃料電池５における電流量調整部５Ａでは、ＥＣＵ９から残量信号を受けて燃料電池５の発電量を調整する。
【００４１】
ＥＣＵ９において、バッテリ８の充電量が不足しているとの残量信号を受けた場合には、この残量信号を噴射量調整装置４２および燃料電池５の電流量調整部５Ａに送信する。バッテリ８の残量が不足している場合、燃料電池５における発電量を増やすのが望ましいので、噴射量調整装置４２においては、原燃料噴射装置４０からの液体原燃料ＦＬの噴射量を増加させるように原燃料噴射量を補正する。一方、燃料電池５においては、電流量調整部５Ａにおいて、燃料電池５の発電量を増やすように調整する。
【００４２】
逆に、ＥＣＵ９において、バッテリ８の充電量が一杯であるとの残量信号を受けた場合には、燃料電池５における発電量を増加させる必要はない。したがって、ＥＣＵ９からは、その残量信号を噴射量調整装置４２および燃料電池５におけるで電流量調整部５Ａに発信しないようにすることができる。また、その残量信号を発信したとしても、噴射量調整装置４２では原燃料噴射装置４０の噴射量を変えず、燃料電池５における電流量調整部５Ａでは燃料電池５の発電量を増やさないようにすることもできる。
【００４３】
バッテリ８の充電量の残量に応じて原燃料噴射量を補正し、燃料電池５の発電量を調整した後は、回生信号を受けて、液体原燃料ＦＬの噴射量を補正する（ステップＳ４）。
【００４４】
燃料電池システムＦＣＳでは、主モータＭが回生状態となることがあるが、主モータＭが回生状態にあるときに燃料電池５から電流を必要以上に発電させると、無駄な電気を発生させることになってしまう。このように無駄な電気の発生を回避するために、主モータＭが回生状態にあるときには、電流量調整部５Ａによって燃料電池５の発電量を減らすに調整するとともに、燃料電池５の発電量を減らすために蒸発器に噴射される液体原燃料ＦＬの噴射量を減少させる。
【００４５】
回生状態にあるか否かの基準となる回生信号は、主モータＭからＥＣＵ９に送信される。ＥＣＵ９は、主モータＭから受けた回生信号を噴射量調整装置４２および燃料電池５における電流量調整部５Ａに送信する。回生信号を受けた噴射量調整装置４２は、噴射量調整部において回生信号に応じて液体原燃料ＦＬの噴射量を補正する。また、燃料電池５における電流量調整部５Ａでは、ＥＣＵ９からの回生信号を受けて燃料電池５の発電量を調整する。
【００４６】
ＥＣＵ９において回生状態にあるという回生信号を受けた場合には、この回生信号を噴射量調整装置４２および燃料電池５の電流量調整部５Ａに送信する。回生状態にある場合、燃料電池５の発電量を少なくするとともに、噴射量調整装置４２によって原燃料噴射装置から噴射される液体原燃料の噴射量を少なくするように補正する。また、回生状態にない場合には、液体原燃料の噴射量を補正せずに、そのまま液体原燃料の噴射量を原燃料噴射装置から噴射させるように制御する。このようにして、噴射量調整装置４２によって、原燃料噴射装置４０の噴射量を補正する。
【００４７】
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。
本実施形態に係る蒸発器用燃料噴射装置を備える燃料電池システムＦＣＳ′を図７に示す。本実施形態に係る燃料電池システムＦＣＳ′のうち、前記実施形態に係る燃料電池システムＦＣＳと同一の部材については、同一の番号を付してその説明を省略する。
【００４８】
図７に示すように、本実施形態に係る燃料電池システムＦＣＳ′では、ＣＯ除去器３は、燃料電池５における水素極側に連通する流路が分岐しており、この分岐している部分に背圧弁５０が設けられている。この背圧弁５０は、ＥＣＵ９からの制御信号によって開度を調整することができるようになっている。そして、その開度を調整することによって、気液分離装置６から排出されるオフガスに混入される原燃料ガスの量を調整できるようになっている。
【００４９】
かかる燃料電池システムＦＣＳ′において、燃料噴射量を調整する手順について説明する。
ＥＣＵ９が受けたアクセルペダルＰのθスロットル信号により燃料電池電気自動車の急加速があったか否かを検知する。急加速がなかった場合には、急加速信号を燃料電池５における電流量調整部５Ａ、背圧弁５０、および噴射量制御装置４１に送信されることはない。そして、たとえば前記第１の実施形態で示したような蒸発器用燃料噴射装置の制御によって、そのまま原燃料噴射装置４０における原燃料噴射部４１，４１，４１から噴射される液体原燃料ＦＬの噴射量を調整する。
【００５０】
これに対して、ＥＣＵ９においてθスロットル信号によって急加速が検知された場合には、急加速信号が燃料電池５における電流量調整部５Ａに送信される。電流量調整部５Ａのおいては、急加速信号を受けて発電量を減らして電流供給量を少なくするように燃料電池５を制御する。また、急加速度信号は背圧弁５０にも送信される。背圧弁５０では、急加速度信号を受けて開度を大きくする。すると、燃料電池５では、その発電量が減らされていることから、必要とする燃料ガスの量が少なくなる。その分、背圧弁５０を開くことによって、触媒燃焼器２０に供給するオフガスＯＧの量を増加させる。
【００５１】
さらに、急加速信号は噴射量調整部４０Ａにも送信される。急加速信号を受けた噴射量調整部４０Ａでは、液体原燃料の噴射量を増加させるような制御を行う。このとき、背圧弁５０の開度が大きく設定されていることから、触媒燃焼部２０には、急加速信号が送信されてない場合よりも大量のオフガスＯＧが供給されている。したがって、原燃料噴射部４１，４１，４１からの噴射量を増加させたときに、この増加量に対応しうる熱量が与えられているので、増加した分の液体原燃料を蒸発させることができる。
【００５２】
このとき、燃料電池５において使用されている原燃料ガスの使用量が低下させられていることから、燃料電池５から供給される電流量が少なくなってしまい、電力が不足してしまう。この不足分の電力は、バッテリ８によって補填する。そのために、バッテリ８から電流が供給される。
【００５３】
他方、図７に示す燃料電池システムＦＣＳ′の変形例として、図７に点線で示す原燃料ガス流路を形成し、この原燃料ガス流路に背圧弁５１を設ける態様とすることもできる。この態様では、背圧弁５１を操作することにより、燃料蒸発器１から排出された原燃料ガスを燃焼バーナ７または触媒燃焼器２０に供給することによって、燃焼能力を向上させるものである。この場合には、燃料電池５における原燃料ガスの利用率を低下させることはない。
なお、この態様における燃焼バーナ７に原燃料ガスを供給する原燃料ガス流路は、燃料蒸発器１の下流位置に端を発しているが、改質器２およびＣＯ除去器３の下流側に端を発するようにすることもできる。
【００５４】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は前記各実施形態に限定されるものではない。たとえば、前記第１の実施形態のうち、液体原燃料の噴射量を制御するにあたり、圧力信号を用いて液体原燃料の噴射量を設定し、θスロットルによってその噴射量を補正するのは必須であるが、エネルギバッファの残量信号および回生信号によって噴射量を補正する工程は任意である。
【００５５】
また、原燃料噴射装置において原燃料噴射部を３個設けているが、これが１個や２個であったり、あるいは４個以上であってもよい。また、原燃料噴射部を複数設ける場合に、各原燃料噴射部から均一に液体原燃料が噴射されるようにすることもできる。
さらに、エネルギバッファとしては、前記実施形態で示したバッテリのほか、キャパシタなどを用いることができる。
【００５６】
【発明の効果】
以上のとおり、本発明によれば、燃料電池電気自動車の要求に応じた適量の液体原燃料を噴射することにより、液体原燃料を効率的に蒸発させることができるようにすることができる。
また、燃料電池電気自動車の急加速時など、急速に燃料電池に燃料を供給したい場合にも対応できるようにするとともに、供給された液体原燃料を効率よく蒸発させ、もって蒸発室内の液溜りを防止することすることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る蒸発器用燃料噴射装置を備える燃料電池システムの全体構成を示す構成図である。
【図２】本発明に係る燃料蒸発器の一部破断平面図である。
【図３】図２のＡ−Ａ′線断面図である。
【図４】図２のＢ−Ｂ′線断面図である。
【図５】本発明に係る蒸発器用燃料噴射装置を示す断面図である。
【図６】本発明に係る蒸発器用燃料噴射装置の制御を示すフローチャートである。
【図７】本発明の第２の実施形態に係る蒸発器用燃料噴射装置を備える燃料電池システムの全体構成を示す構成図である。
【図８】従来における燃料蒸発器の正面断面図である。
【符号の説明】
１ 燃料蒸発器
２ 改質器
５ 燃料電池
８ バッテリ（エネルギバッファ）
９ ＥＣＵ
１０ 蒸発器本体
１１ 蒸発室
１１Ａ 圧力センサ（圧力検知手段）
１２ 熱媒チューブ
１３ 燃焼ガス流路
２０ 触媒燃焼部
３０ 過熱部
４０ 原燃料噴射装置
４１ 原燃料噴射部
４２ 噴射量調整部
５０ 背圧弁
ＦＣＳ 燃料電池システム
ＨＧ 燃焼ガス
ＦＬ 液体原燃料
ＦＧ 原燃料ガス
ＯＧ オフガス
Ｍ 主モータ
Ｐ アクセルペダル
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池システムに係り、特に、燃料電池電気自動車の要求に応じた適量の液体原燃料を噴射することができる燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電気を駆動源とする車両として電気自動車が知られており、電源として燃料電池を用いた燃料電池電気自動車の開発も行われている。この燃料電池電気自動車に用いられる燃料電池には、いわゆるメタノール改質型の燃料電池を用いたものがある。この燃料電池では、たとえばメタノールと水の混合液からなる液体原燃料が用いられており、この液体原燃料を蒸発させて改質器に供給するための燃料蒸発器が備えられている。
【０００３】
従来におけるこの種の燃料電池における燃料蒸発器として、本出願人は、特願平１１−１２５３６６号を開示している。その燃料蒸発器を図８を参照して説明すると、燃料蒸発器１００は、図示しない燃焼器で生成された燃焼ガスＨＧにより液体原燃料ＦＬを蒸発させて原燃料ガスＦＧを生成する蒸発室１１０を備えている。この蒸発室１１０で生成された原燃料ガスＦＧは過熱室１２０に供給され、蒸発室１１０を出た燃焼ガスＨＧにより過熱される。また、蒸発室１１０と過熱室１２０は、蒸発室１１０の床面１１０Ａに沿わせて形成された案内通路１３０を介して連通している。
【０００４】
蒸発室１１０には、燃焼ガスＨＧが通流するＵ字状の熱媒チューブ１１１，１１１…が多数配設されており、燃焼ガスＨＧを案内通路１３０に向けて送っている。また、蒸発室１１０内における熱媒チューブ１１１，１１１…に向けて、液体原燃料ＦＬを原燃料噴射装置１４０によって液体原燃料ＦＬが噴射されている。原燃料噴射装置１４０によって噴射された液体原燃料ＦＬは熱媒チューブ１１１，１１１…と接触し、熱交換が行われて蒸発する。液体原燃料ＦＬが蒸発して生成された原燃料ガスＦＧは、過熱室１２０に配設された多数の蒸気チューブ１２１，１２１…内に供給される。
【０００５】
一方、熱媒チューブ１１１，１１１…から流出された燃焼ガスＨＧは、案内通路１３０を経て過熱室１２０に供給される。過熱室１２０において、蒸気チューブ１２１，１２１…を通過する原燃料ガスＦＧは、過熱室１２０に供給された燃焼ガスＨＧによって過熱される。そして、過熱された原燃料ガスＦＧは、蒸気チューブ１２１，１２１…からそれぞれ流出され図示しない改質器に供給される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、蒸発室内の圧力は、燃料電池における極間差圧の調整などの影響を受けることによって変動するため、蒸発室内の圧力を一定に保つことが困難である。蒸発器内の圧力が一定でない状況下で液体原燃料を任意に噴出した場合には、液体原燃料が蒸発室内に均一に広がることができず、液体原燃料を蒸発させる効率が低くなってしまうという問題がある。
【０００７】
しかし、前記従来の燃料蒸発器１００においては、蒸発室１１０内における圧力と液体原燃料の噴射量の関係については特に考えていない。そのため、たとえば燃料電池電気自動車からの要求に応じて、その要求に見合った量の液体原燃料を噴射するにすぎないものであった。
【０００８】
他方、燃料電池電気自動車では、急加速時などに主モータから大量の電流を急速に要求される場合がある。この場合には、燃料電池から大量の電流をなるべく早く供給することが望まれるが、燃料電池から大量の電流を供給するためには、大量の原燃料ガスを必要とする。大量の原燃料ガスを生成するためには、大量の液体原燃料を噴射するとともに、その大量の液体原燃料を蒸発させるための熱量が要求される。
【０００９】
ところが、前記従来の燃料蒸発器１００においては、すばやく大量の液体原燃料を噴射することは容易であるが、その液体原燃料を蒸発させるための大量の熱量をすばやく供給することができない。そのため、大量の液体原燃料をすばやく蒸発させることができず、燃料電池に急速に原燃料ガスを供給できないばかりか、液溜りの原因ともなるものであった。
【００１０】
そこで、本発明の課題は、燃料電池の要求に応じた適量の液体原燃料を噴射することにより、液体原燃料を効率的に蒸発させることができるようにすることにある。
また、他の課題は、燃料電池電気自動車の急加速時など、急速に大量の電流が要求される場合にも対応できるようにするとともに、供給された液体原燃料を効率よく蒸発させ、もって蒸発室内の液溜りを防止することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、液体原燃料を高温熱媒体により蒸発させて原燃料ガスにする蒸発室と、この蒸発室に連通し、極間差圧調整が行われる燃料電池と、を有する燃料電池システムにおいて、前記蒸発室は、前記液体原燃料を噴射する原燃料噴射装置と、この原燃料噴射装置の噴射量を調整する噴射量調整装置と、蒸発室内部の圧力を検知する圧力検知手段とを備え、前記噴射量調整装置には、噴射量目標設定信号を用いて原燃料噴射量を設定する噴射量調整部が設けられており、前記噴射量調整部は、前記圧力検知手段からの指令値を受けて前記原燃料噴射量を補正する、ことを特徴とする燃料電池システムである。
【００１４】
請求項１に係る発明においては、噴射量目標設定信号を用いて原燃料噴射量を設定する噴射量調整部が設けられている。そのため、燃料電池の要求に応じた適量の液体原燃料を噴射することができるので、液体原燃料を効率的に蒸発させることができる。
また、圧力検知手段によって蒸発器内部の圧力を検知し、この圧力検知手段からの指令値によって原燃料噴射量を補正している。このため、蒸発器内部の圧力状態に応じて液体原燃料の噴射量を適宜調整することができる。したがって、燃料電池における極間差圧調整の影響を受けて蒸発器内部に圧力の変動が生じていたとしても、原燃料噴射量を適量に調整することができる。
【００１５】
さらに、請求項２に係る発明は、前記燃料電池システムは燃料電池電気自動車に用いられるものであり、前記噴射量目標設定信号がアクセル開度信号であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システムである。
【００１６】
請求項２に係る発明においては、燃料電池システムが燃料電池電気自動車に用いられる場合に、噴射量目標設定信号をアクセル開度信号としている。したがって、燃料電池電気自動車において経時的に変動するアクセル開度に応じて原燃料噴射量を調整することができる。
【００１７】
請求項３に係る発明は、前記噴射量調整部は、エネルギバッファの残量信号を受けて、前記原燃料噴射量を補正することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システムである。
【００１８】
請求項３に係る発明においては、エネルギバッファの残量信号によって原燃料噴射量を補正している。燃料電池電気自動車では、要求される電力負荷を燃料電池の他、バッテリなどのエネルギバッファから供給することがある。そのため、たとえばエネルギバッファの残量が多い場合には、燃料電池から供給する電流を少なくしてもよい。このように、燃料電池から供給する電流を少なくするときに、原燃料噴射量を減少させるように補正するように調整することができる。
【００１９】
請求項４に係る発明は、前記噴射量調整部は、回生信号に応じて前記原燃料噴射量を補正することを特徴とする請求項２または請求項３に記載の燃料電池システムである。
【００２０】
請求項４に係る発明においては、回生信号に応じて原燃料噴射量を補正している。燃料電池電気自動車では、主モータが回生状態にある場合に、主モータからエネルギバッファに電流が供給される。そのため、回生状態にある場合には、燃料電池から供給する電流を少なくすることができる。そして、回生状態にあるときには、燃料電池から供給する電流を少なくしてもよいので、このとこには原燃料噴射量を減少させるように補正するように調整することができる。
【００２１】
また、請求項５に係る発明は、液体原燃料を高温熱媒体により蒸発させて原燃料ガスにする蒸発室を有する燃料蒸発器を有し、前記原燃料ガスの一部を燃料電池に供給し、他部をオフガスとともに前記燃料蒸発器に供給する燃料電池システムにおいて、噴射量目標設定信号によって前記燃料蒸発器から燃料電池に供給された原燃料ガスの前記燃料電池における利用量を調整する原燃料利用量調整手段が設けられ、前記燃料蒸発器は、前記蒸発室に液体原燃料を噴射する原燃料噴射装置と、前記原燃料噴射装置の噴射量を調整する噴射量調整装置とを備え、前記噴射量調整装置には、噴射量目標設定信号に応じて所定の原燃料噴射量を得る噴射量調整部が設けられており、噴射量目標設定信号が大きくなった場合には、前記原燃料利用量調整手段によって燃料電池での原燃料ガスの利用量を低下させて前記オフガス内の原燃料ガスを増加させるとともに、前記原燃料ガスの利用量の低下によって不足した分の電力はエネルギバッファによって補填する一方で、前記噴射量調整部により前記原燃料噴射量を増加させることを特徴とする蒸発器用燃料噴射装置を備える燃料電池システムである。
【００２２】
請求項５に係る発明においては、噴射量目標設定信号によって燃料蒸発器から燃料電池に供給された原燃料ガスの利用量を調整する原燃料利用調整手段が設けられている。このため、燃料電池電気自動車の急加速時など、急速に大量の電流を要する場合には、一旦燃料電池における原燃料ガスの利用量を減少させることができる。そして、減少させた原燃料利用量の分の原燃料ガスをオフガスとともに蒸発器に供給して蒸発器における熱量を増大させて大量の液体原燃料を急速に蒸発させられるようにする。蒸発器においては、熱量が増大することによって、大量の液体原燃料をすばやく蒸発させることができるので、大量の原燃料ガスをすばやく燃料電池に供給することができる。
このとき、燃料電池から主モータに供給される電流は一時的に不足することになるが、この不足分はエネルギバッファから補うことができる。こうして、燃料電池電気自動車の急加速時など、急速に燃料電池に燃料を供給したい場合にも対応できる。そして、供給された液体原燃料を効率よく蒸発させ、蒸発室内の液溜りを防止することができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら具体的に説明する。
本発明に係る蒸発器用燃料噴射装置の説明をする前に、燃料電池システムの全体について簡単に説明する。
図１は、本発明に係る蒸発器用燃料噴射装置を備える燃料電池システムの全体構成を示す構成図である。図１に示すように、燃料電池システムＦＣＳは、本発明に係る燃料蒸発器１を備えている。燃料蒸発器１は、蒸発器本体１０、触媒燃焼器２０、過熱部３０、および原燃料噴射装置４０を有しているが、これらの具体的な構成については、後に説明する。
【００２４】
燃料蒸発器１には、タンクＴより液体原燃料である水とメタノール混合液が供給され、この液体原燃料を蒸発させて、原燃料ガスを生成する。燃料蒸発器１によって生成された原燃料ガスは、改質器２に供給される。改質器２においては、原燃料ガスから水素リッチガスを生成し、ＣＯ除去器３に供給する。ＣＯ除去器３では、ＮＯ．１ＣＯ除去器３ＡおよびＮＯ．２ＣＯ除去器３Ｂによって、供給された水素リッチガスに含まれる不要な一酸化炭素を除去する。一方、燃料電池システムＦＣＳには、空気圧縮機４が備えられており、空気圧縮機４から空気がＣＯ除去器３に供給される。
【００２５】
ＣＯ除去器３によって不要な一酸化炭素を除去された水素リッチガスは、燃料電池５に供給される。その一方、空気圧縮機４から燃料電池５に対して、空気が供給される。そして、燃料電池５において水素リッチガスと酸素を含む空気を反応させて電気を得る。また、燃料電池５には電流量調整部５Ａが設けられており、燃料電池５で発生させる電流の量は、電流量調整部５Ａによって調整される。
【００２６】
燃料電池５における未蒸発水素を含むガスは、気液分離装置６に供給されて、残余の水素ガス（以下「オフガス」という）ＯＧが取り出され、燃料蒸発器１に供給されて熱源として利用される。他方、燃焼バーナ７は、始動時などの燃料蒸発器１の触媒燃焼器２０が暖まる前などに用いられる。また、燃料電池５から得られる電流は、図示しない高圧分配器やＰＣＵ（Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）などを介して主モータＭに供給され、燃料電池電気自動車の駆動源として利用される。
【００２７】
さらに、燃料電池システムＦＣＳには、エネルギバッファであるバッテリ８が搭載されており、燃料電池５から供給される電流を補填するために主モータＭからの要求に応じて適宜電流を供給する。バッテリ８には、ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）９が接続されており、ＥＣＵ９に対して残量信号が送信される。また、主モータＭもＥＣＵ９に接続されており、ＥＣＵ９に対して回生信号が送信される。
【００２８】
また、ＥＣＵ９にはアクセルペダルＰに設けられた図示しないアクセル開度センサが接続されており、ＥＣＵ９に対してアクセルペダルＰから本発明における噴射量目標設定信号であるアクセル開度信号（以下「θスロットル信号」という）を送信する。また、図示しない運転者がアクセルペダルＰを操作すると、その操作量に応じて、主モータＭに回転信号が送信されるようになっている。
他方、原燃料噴射装置４０には、液体原燃料ＦＬの噴射量を調整する噴射量調整装置４２が設けられており、ＥＣＵ９と接続されている。そして、ＥＣＵ９に送信されたθスロットル信号、残量信号、および回生信号は、噴射量調整装置４２に送信される。
【００２９】
次に、燃料蒸発器１の構成について、図１ないし図４を参照して説明する。
図１ないし図４に示すように、燃料蒸発器１は、蒸発器本体１０を備えている。蒸発器本体１０の内部には、液体原燃料ＦＬを燃焼ガスＨＧから得られる熱により蒸発させる蒸発室１１が形成されている。蒸発室１１には、燃焼ガスＨＧが通流するＵ字状の熱媒チューブ１２，１２…が多数配設されている。また、蒸発室１１には、原燃料噴射装置４０によって液体原燃料ＦＬが噴射される。そして、熱媒チューブ１２，１２…を通流する燃焼ガスが、液体原燃料ＦＬに熱を与えることによって液体原燃料ＦＬが蒸発する。
【００３０】
また、蒸発器本体１０の下方には、触媒燃焼器２０が配設されている。触媒燃焼器２０には、加熱されて燃焼ガスＨＧとなるオフガスＯＧが流入する入口流路２１が形成されており、入口流路２１の下流側には触媒層２２が設けられている。触媒層２２には、触媒の金属成分を担持する図示しないハニカム形状の担体が設けられており、オフガスＯＧと触媒との反応によってオフガスＯＧを燃焼させて燃焼ガスＨＧとする。
触媒層２２の下流側には、出口流路２３が隔壁２４によって形成されており、この出口流路２３を燃焼ガスＨＧが通過する。この隔壁２４によって形成された出口流路２３を介して、触媒層２２と蒸発器本体１０における熱媒チューブ１２，１２…とが連通している。
【００３１】
熱媒チューブ１２，１２…の下流側には、熱媒チューブ１２，１２…を通過し、液体原燃料ＦＬを蒸発させた後の燃焼ガスＨＧが通流する燃焼ガス流路１３が形成されている。燃焼ガス流路１３は、図２および図３に示すように、蒸発器室１１の周囲を囲むようにして配設され過熱部３０に連通している。
さらに、蒸発器本体１０の下流側には、蒸発室１１で蒸発した原燃料ガスＦＧを、燃焼ガス通路１３を経由した燃焼ガスＨＧにより過熱する過熱部３０が形成されている。過熱部３０には多数の蒸気チューブ３１，３１…が配設されており、その周囲が過熱室３２となっている。したがって、蒸気チューブ３１，３１…内を通流する原燃料ガスＦＧが、蒸気チューブ３１，３１…の周囲を流れる燃焼ガスＨＧによって過熱される。蒸気チューブ３１，３１…の下流側は、図１に示す改質器２に連通しており、過熱された原燃料ガスＦＣは改質器２に供給される。過熱室３２の下流側には、排気ダクト３３が設けられており、排気ダクト３３を介して燃焼ガスＨＧが流出される。
【００３２】
原燃料噴射装置４０は、図１に示す噴射量調整装置４２を備えるとともに、図２および図５に示すように、３つの原燃料噴射部４１，４１，４１を備えている。これらの原燃料噴射部４１，４１，４１のうちの一部または全部から液体原燃料が噴射される。原燃料噴射装置４１は、ソレノイドコイル４１ａに電流を流してバルブ４１ｂを開き、原燃料噴射ノズル４１ｃから液体原燃料ＦＬを噴射する。なお、原燃料噴射部４１Ａには、タンクＴから水とメタノールの混合液である液体原燃料ＦＬがポンプＰで圧送される（図１参照）。そして、噴射された液体原燃料ＦＬは、開口面積の小さな原燃料噴射ノズル４１ｃから開放されて分散し始める。
【００３３】
また、図３および図４に示すように、蒸発器本体１０には、蒸発室１１内の圧力を検知する圧力検知手段である圧力センサ１１Ａが設けられている。圧力センサ１１Ａで検知された本発明の指令値となる圧力信号は、図１に示すように、原燃料噴射装置４０に設けられた噴射量調整装置４２における噴射量調整部に送信されるようになっている。噴射量調整部では、圧力センサ１１Ａからの圧力信号、ＥＣＵ９からのθスロットル信号、残量信号、および回生信号を受けて、原燃料噴射装置４０のＴｉ値を変えることによって噴射量を調整する。
なお、本実施形態においては圧力検知手段として圧力センサを用いているが、圧力検知手段としてプレッシャレギュレータを用いることもできる。この場合、燃料のリターン通路を利用して燃料圧力をプレッシャレギュレータによって調圧する。この燃料圧力を指令値として原燃料噴射装置４０の噴射量を調整する。
【００３４】
次に、以上の構成を有する蒸発器用燃料噴射装置の制御について図６に示すフローチャートを参照しながら具体的に説明する。
本発明に係る原燃料噴射装置４０では、蒸発器本体１０における蒸発室１１内に原燃料を噴射しているが、その噴射量については、噴射量調整装置４２における噴射量調整部で調整される。まず、液体原燃料ＦＬの噴射量目標は、ＥＣＵ９を介して受けたθスロットル信号によって設定される（ステップＳ１）。ＥＣＵ９に対しては、アクセルペダルＰに設けられた図示しないアクセル開度センサからθスロットル信号が送信される。そして、たとえば図示しない運転者がアクセルを大きく操作すると、大きなθスロットル信号がＥＣＵ９から噴射量調整装置４２に送信される。噴射量調整装置４２が大きなθスロットル信号を受けると、噴射量調整部において原燃料噴射装置４０における原燃料噴射部４１，４１，４１から噴射される液体原燃料の噴射量が多くなるように調整する。逆に、運転者の操作量が小さいと、小さなθスロットル信号がＥＣＵ９から噴射量調整装置４２に送信される。噴射量調整装置４２が小さなθスロットル信号を受けると、噴射量調整装置４２において原燃料噴射部４１，４１，４１からの噴射量が少なくなるように調整する。このようにして、噴射量調整装置４２によって、原燃料噴射部４１，４１，４１から噴射される液体原燃料の噴射量が設定される。
【００３５】
ここで、液体原燃料ＦＬを噴射する際には、蒸発室１１内における熱量の大きい部分に多くの液体原燃料ＦＬを噴射するのが好ましい。具体的には、通常、蒸発室１１では中央部の熱量が大きくなっている。したがって、図５に示す３本の原燃料噴射部４１，４１，４１のうち、中央に配置された原燃料噴射部４１Ｂから多くの液体原燃料ＦＬを噴射するように制御するのが好適である。あるいは、何らかの理由により蒸発室１１内の熱分布が変わる場合には、両側の原燃料噴射部４１Ａ，４１Ｃも含めて、蒸発室１１内における熱量が大きくなる部分に、より多くの液体原燃料ＦＬを噴射するようにするのが望ましい。
【００３６】
θスロットル信号によって液体原燃料の噴射量目標が設定された後は、蒸発室１１内の圧力を計測する圧力センサ１１Ａからの圧力信号を受けて、液体原燃料の噴射量を補正する（ステップＳ２）。蒸発室１１に対して、改質器２などを介して連通している燃料電池５においては、水素極と酸素極との間で極間差圧調整が行われている。この燃料電池５における極間差圧調整の影響を受けて、蒸発室１１内の圧力も変化する。
【００３７】
蒸発室１１内の圧力が変わったときに、液体原燃料の噴射量を固定したままでは、熱量が不足して液体原燃料を完全に蒸発させられなかったり、逆に熱量が余って蒸発効率を低下させてしまうことがある。そこで、蒸発室１１内の圧力を圧力センサ１１Ａで測定する。続いて、圧力センサ１１Ａで測定して得られた圧力信号を噴射量調整装置４２における噴射量調整部４２Ａに送信する。噴射量調整部４２Ａでは、圧力センサ１１Ａから圧力信号を受けて原燃料噴射装置４０から噴射される液体原燃料ＦＬの噴射量を補正する。液体原燃料ＦＬの噴射量を補正するにあたり、蒸発室１１内の圧力が低い場合には、熱量が不足して液体原燃料が未蒸発となるのを防止するために、液体原燃料ＦＬの噴射量が少なくなるように補正する。逆に蒸発室１１内の圧力が高い場合には、液体原燃料の噴射量を増加させて熱量を損失しないようにする。
【００３８】
圧力センサ１１Ａから蒸発室１１内の圧力信号を受けて、原燃料噴射量を補正した後は、バッテリ８の残量信号を受けて、液体原燃料ＦＬの噴射量を調整する（ステップＳ３）。
【００３９】
燃料電池システムＦＣＳを搭載する燃料電池電気自動車では、発進時や急加速時など主モータＭからの要求電流が大きく、燃料電池５の発電量を超えてしまうような場合には、バッテリ８などのエネルギバッファから電流が持ち出される。したがって、バッテリ８の充電量は常に満たされているのが好ましいが、主モータＭに電流を供給した後などには、充電量の残量が減少している場合がある。そこで、バッテリ８の残量を検知して、その残量に応じて燃料電池５の発電量を増減させるために蒸発器に噴射される液体原燃料ＦＬの噴射量を増減させる。
【００４０】
バッテリ８の充電量の残量は、残量信号としてＥＣＵ９に送信される。ＥＣＵ９は、バッテリ８から受けた残量信号を噴射量調整装置４２および燃料電池５における電流量調整部５Ａに送信する。残量信号を受けた噴射量調整装置４２は、噴射量調整部４２Ａにおいて残量信号に応じて液体原燃料ＦＬの噴射量を補正する。また、燃料電池５における電流量調整部５Ａでは、ＥＣＵ９から残量信号を受けて燃料電池５の発電量を調整する。
【００４１】
ＥＣＵ９において、バッテリ８の充電量が不足しているとの残量信号を受けた場合には、この残量信号を噴射量調整装置４２および燃料電池５の電流量調整部５Ａに送信する。バッテリ８の残量が不足している場合、燃料電池５における発電量を増やすのが望ましいので、噴射量調整装置４２においては、原燃料噴射装置４０からの液体原燃料ＦＬの噴射量を増加させるように原燃料噴射量を補正する。一方、燃料電池５においては、電流量調整部５Ａにおいて、燃料電池５の発電量を増やすように調整する。
【００４２】
逆に、ＥＣＵ９において、バッテリ８の充電量が一杯であるとの残量信号を受けた場合には、燃料電池５における発電量を増加させる必要はない。したがって、ＥＣＵ９からは、その残量信号を噴射量調整装置４２および燃料電池５におけるで電流量調整部５Ａに発信しないようにすることができる。また、その残量信号を発信したとしても、噴射量調整装置４２では原燃料噴射装置４０の噴射量を変えず、燃料電池５における電流量調整部５Ａでは燃料電池５の発電量を増やさないようにすることもできる。
【００４３】
バッテリ８の充電量の残量に応じて原燃料噴射量を補正し、燃料電池５の発電量を調整した後は、回生信号を受けて、液体原燃料ＦＬの噴射量を補正する（ステップＳ４）。
【００４４】
燃料電池システムＦＣＳでは、主モータＭが回生状態となることがあるが、主モータＭが回生状態にあるときに燃料電池５から電流を必要以上に発電させると、無駄な電気を発生させることになってしまう。このように無駄な電気の発生を回避するために、主モータＭが回生状態にあるときには、電流量調整部５Ａによって燃料電池５の発電量を減らすに調整するとともに、燃料電池５の発電量を減らすために蒸発器に噴射される液体原燃料ＦＬの噴射量を減少させる。
【００４５】
回生状態にあるか否かの基準となる回生信号は、主モータＭからＥＣＵ９に送信される。ＥＣＵ９は、主モータＭから受けた回生信号を噴射量調整装置４２および燃料電池５における電流量調整部５Ａに送信する。回生信号を受けた噴射量調整装置４２は、噴射量調整部において回生信号に応じて液体原燃料ＦＬの噴射量を補正する。また、燃料電池５における電流量調整部５Ａでは、ＥＣＵ９からの回生信号を受けて燃料電池５の発電量を調整する。
【００４６】
ＥＣＵ９において回生状態にあるという回生信号を受けた場合には、この回生信号を噴射量調整装置４２および燃料電池５の電流量調整部５Ａに送信する。回生状態にある場合、燃料電池５の発電量を少なくするとともに、噴射量調整装置４２によって原燃料噴射装置から噴射される液体原燃料の噴射量を少なくするように補正する。また、回生状態にない場合には、液体原燃料の噴射量を補正せずに、そのまま液体原燃料の噴射量を原燃料噴射装置から噴射させるように制御する。このようにして、噴射量調整装置４２によって、原燃料噴射装置４０の噴射量を補正する。
【００４７】
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。
本実施形態に係る蒸発器用燃料噴射装置を備える燃料電池システムＦＣＳ′を図７に示す。本実施形態に係る燃料電池システムＦＣＳ′のうち、前記実施形態に係る燃料電池システムＦＣＳと同一の部材については、同一の番号を付してその説明を省略する。
【００４８】
図７に示すように、本実施形態に係る燃料電池システムＦＣＳ′では、ＣＯ除去器３は、燃料電池５における水素極側に連通する流路が分岐しており、この分岐している部分に背圧弁５０が設けられている。この背圧弁５０は、ＥＣＵ９からの制御信号によって開度を調整することができるようになっている。そして、その開度を調整することによって、気液分離装置６から排出されるオフガスに混入される原燃料ガスの量を調整できるようになっている。
【００４９】
かかる燃料電池システムＦＣＳ′において、燃料噴射量を調整する手順について説明する。
ＥＣＵ９が受けたアクセルペダルＰのθスロットル信号により燃料電池電気自動車の急加速があったか否かを検知する。急加速がなかった場合には、急加速信号を燃料電池５における電流量調整部５Ａ、背圧弁５０、および噴射量制御装置４１に送信されることはない。そして、たとえば前記第１の実施形態で示したような蒸発器用燃料噴射装置の制御によって、そのまま原燃料噴射装置４０における原燃料噴射部４１，４１，４１から噴射される液体原燃料ＦＬの噴射量を調整する。
【００５０】
これに対して、ＥＣＵ９においてθスロットル信号によって急加速が検知された場合には、急加速信号が燃料電池５における電流量調整部５Ａに送信される。電流量調整部５Ａのおいては、急加速信号を受けて発電量を減らして電流供給量を少なくするように燃料電池５を制御する。また、急加速度信号は背圧弁５０にも送信される。背圧弁５０では、急加速度信号を受けて開度を大きくする。すると、燃料電池５では、その発電量が減らされていることから、必要とする燃料ガスの量が少なくなる。その分、背圧弁５０を開くことによって、触媒燃焼器２０に供給するオフガスＯＧの量を増加させる。
【００５１】
さらに、急加速信号は噴射量調整部４０Ａにも送信される。急加速信号を受けた噴射量調整部４０Ａでは、液体原燃料の噴射量を増加させるような制御を行う。このとき、背圧弁５０の開度が大きく設定されていることから、触媒燃焼部２０には、急加速信号が送信されてない場合よりも大量のオフガスＯＧが供給されている。したがって、原燃料噴射部４１，４１，４１からの噴射量を増加させたときに、この増加量に対応しうる熱量が与えられているので、増加した分の液体原燃料を蒸発させることができる。
【００５２】
このとき、燃料電池５において使用されている原燃料ガスの使用量が低下させられていることから、燃料電池５から供給される電流量が少なくなってしまい、電力が不足してしまう。この不足分の電力は、バッテリ８によって補填する。そのために、バッテリ８から電流が供給される。
【００５３】
他方、図７に示す燃料電池システムＦＣＳ′の変形例として、図７に点線で示す原燃料ガス流路を形成し、この原燃料ガス流路に背圧弁５１を設ける態様とすることもできる。この態様では、背圧弁５１を操作することにより、燃料蒸発器１から排出された原燃料ガスを燃焼バーナ７または触媒燃焼器２０に供給することによって、燃焼能力を向上させるものである。この場合には、燃料電池５における原燃料ガスの利用率を低下させることはない。
なお、この態様における燃焼バーナ７に原燃料ガスを供給する原燃料ガス流路は、燃料蒸発器１の下流位置に端を発しているが、改質器２およびＣＯ除去器３の下流側に端を発するようにすることもできる。
【００５４】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は前記各実施形態に限定されるものではない。たとえば、前記第１の実施形態のうち、液体原燃料の噴射量を制御するにあたり、圧力信号を用いて液体原燃料の噴射量を設定し、θスロットルによってその噴射量を補正するのは必須であるが、エネルギバッファの残量信号および回生信号によって噴射量を補正する工程は任意である。
【００５５】
また、原燃料噴射装置において原燃料噴射部を３個設けているが、これが１個や２個であったり、あるいは４個以上であってもよい。また、原燃料噴射部を複数設ける場合に、各原燃料噴射部から均一に液体原燃料が噴射されるようにすることもできる。
さらに、エネルギバッファとしては、前記実施形態で示したバッテリのほか、キャパシタなどを用いることができる。
【００５６】
【発明の効果】
以上のとおり、本発明によれば、燃料電池電気自動車の要求に応じた適量の液体原燃料を噴射することにより、液体原燃料を効率的に蒸発させることができるようにすることができる。
また、燃料電池電気自動車の急加速時など、急速に燃料電池に燃料を供給したい場合にも対応できるようにするとともに、供給された液体原燃料を効率よく蒸発させ、もって蒸発室内の液溜りを防止することすることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る蒸発器用燃料噴射装置を備える燃料電池システムの全体構成を示す構成図である。
【図２】本発明に係る燃料蒸発器の一部破断平面図である。
【図３】図２のＡ−Ａ′線断面図である。
【図４】図２のＢ−Ｂ′線断面図である。
【図５】本発明に係る蒸発器用燃料噴射装置を示す断面図である。
【図６】本発明に係る蒸発器用燃料噴射装置の制御を示すフローチャートである。
【図７】本発明の第２の実施形態に係る蒸発器用燃料噴射装置を備える燃料電池システムの全体構成を示す構成図である。
【図８】従来における燃料蒸発器の正面断面図である。
【符号の説明】
１ 燃料蒸発器
２ 改質器
５ 燃料電池
８ バッテリ（エネルギバッファ）
９ ＥＣＵ
１０ 蒸発器本体
１１ 蒸発室
１１Ａ 圧力センサ（圧力検知手段）
１２ 熱媒チューブ
１３ 燃焼ガス流路
２０ 触媒燃焼部
３０ 過熱部
４０ 原燃料噴射装置
４１ 原燃料噴射部
４２ 噴射量調整部
５０ 背圧弁
ＦＣＳ 燃料電池システム
ＨＧ 燃焼ガス
ＦＬ 液体原燃料
ＦＧ 原燃料ガス
ＯＧ オフガス
Ｍ 主モータ
Ｐ アクセルペダル
Claims (5)
- 液体原燃料を高温熱媒体により蒸発させて原燃料ガスにする蒸発室と、
この蒸発室に連通し、極間差圧調整が行われる燃料電池と、
を有する燃料電池システムにおいて、
前記蒸発室は、
前記液体原燃料を噴射する原燃料噴射装置と、
この原燃料噴射装置の噴射量を調整する噴射量調整装置と、
蒸発室内部の圧力を検知する圧力検知手段とを備え、
前記噴射量調整装置には、噴射量目標設定信号を用いて原燃料噴射量を設定する噴射量調整部が設けられており、
前記噴射量調整部は、前記圧力検知手段からの指令値を受けて前記原燃料噴射量を補正する、
ことを特徴とする燃料電池システム。 - 前記燃料電池システムは燃料電池電気自動車に用いられるものであり、前記噴射量目標設定信号がアクセル開度信号であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
- 前記噴射量調整部は、エネルギバッファの残量信号を受けて、前記原燃料噴射量を補正することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
- 前記噴射量調整部は、回生信号に応じて前記原燃料噴射量を補正することを特徴とする請求項２または請求項３に記載の燃料電池システム。
- 液体原燃料を高温熱媒体により蒸発させて原燃料ガスにする蒸発室を有する燃料蒸発器を有し、前記原燃料ガスの一部を燃料電池に供給し、他部をオフガスとともに前記燃料蒸発器に供給する燃料電池システムにおいて、
噴射量目標設定信号によって前記燃料蒸発器から燃料電池に供給された原燃料ガスの前記燃料電池における利用量を調整する原燃料利用量調整手段が設けられ、
前記燃料蒸発器は、前記蒸発室に液体原燃料を噴射する原燃料噴射装置と、前記原燃料噴射装置の噴射量を調整する噴射量調整装置とを備え、前記噴射量調整装置には、噴射量目標設定信号に応じて所定の原燃料噴射量を得る噴射量調整部が設けられており、
噴射量目標設定信号が大きくなった場合には、前記原燃料利用量調整手段によって燃料電池での原燃料ガスの利用量を低下させて前記オフガス内の原燃料ガスを増加させるとともに、前記原燃料ガスの利用量の低下によって不足した分の電力はエネルギバッファによって補填する一方で、前記噴射量調整部により前記原燃料噴射量を増加させることを特徴とする燃料電池システム。
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