JP2003212504A - Control of steam generator - Google Patents

Control of steam generator

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JP2003212504A
JP2003212504A JP2002018691A JP2002018691A JP2003212504A JP 2003212504 A JP2003212504 A JP 2003212504A JP 2002018691 A JP2002018691 A JP 2002018691A JP 2002018691 A JP2002018691 A JP 2002018691A JP 2003212504 A JP2003212504 A JP 2003212504A
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heated
heating fluid
steam
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誠文 内原
Masaaki Yamaoka
正明 山岡
Kiyomi Eimiya
清美 永宮
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    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01BBOILING; BOILING APPARATUS ; EVAPORATION; EVAPORATION APPARATUS
    • B01B1/00Boiling; Boiling apparatus for physical or chemical purposes ; Evaporation in general
    • B01B1/005Evaporation for physical or chemical purposes; Evaporation apparatus therefor, e.g. evaporation of liquids for gas phase reactions

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  • Control Of Steam Boilers And Waste-Gas Boilers (AREA)
  • Hydrogen, Water And Hydrids (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a technology for generating steam having a stable steam quality and an excellent response to load changes. <P>SOLUTION: In a first steam generator, flow rates Y1 and Y2 of combustion fuel supplied to a vapor phase of a heat exchanger are feedback-controlled based on steam temperature Tm, while the flow rate Y3 of combustion fuel supplied to a liquid phase is feedback-controlled based on steam flow rate Fm. The two types of feedback controls are carried out independently from each other. A second steam generator is controlled based on the steam temperature Tm, calculated as a weighted average of a plurality of local steam temperatures measured at points near the outlets of a plurality of small channels wherein the steam flows. <P>COPYRIGHT: (C)2003,JPO

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、加熱流体によって
被加熱流体を加熱し蒸発させて気体状の被加熱流体を生
成するための蒸気発生装置の制御技術に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a technique for controlling a steam generator for heating a fluid to be heated and evaporating the fluid to generate a gaseous fluid to be heated.

【0002】[0002]

【従来の技術】蒸気発生装置は、種々のプラントや装置
に用いられており、燃料電池に供給する水素を生成する
ための燃料改質装置にも蒸気発生装置が利用されてい
る。燃料改質装置は、改質触媒を用いた改質反応によっ
て、炭化水素系化合物を含む改質原料から水素リッチな
燃料ガス(「改質ガス」とも呼ぶ)を生成する。ガソリ
ンやメタノールのような液体状の改質原料を用いる場合
には、改質原料を気化させるための蒸気発生装置(蒸発
部)が、改質触媒を収納した改質部の上流側に設けられ
る。
2. Description of the Related Art Steam generators are used in various plants and apparatuses, and steam generators are also used in fuel reformers for producing hydrogen to be supplied to fuel cells. The fuel reformer produces a hydrogen-rich fuel gas (also referred to as “reformed gas”) from a reforming raw material containing a hydrocarbon compound by a reforming reaction using a reforming catalyst. When a liquid reforming raw material such as gasoline or methanol is used, a steam generator (evaporating section) for vaporizing the reforming raw material is provided upstream of the reforming section containing the reforming catalyst. .

【0003】蒸気発生装置に関しては、種々の制御技術
が工夫されている。例えば、特開平11−118116
号公報には、触媒燃焼を利用した蒸気発生装置におい
て、被加熱流体の温度を検出し、この検出値に基づいて
被加熱流体の流量を制御する技術が開示されている。こ
の技術によれば、より早期に蒸気を発生させることが可
能である。
With respect to the steam generator, various control techniques have been devised. For example, JP-A-11-118116
The publication discloses a technique of detecting the temperature of a fluid to be heated and controlling the flow rate of the fluid to be heated in a steam generator using catalytic combustion. According to this technique, it is possible to generate steam earlier.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】しかし、一般に、蒸気
発生には液相から気相への相変化が伴うので、安定した
品質の蒸気を発生させることは必ずしも容易では無い。
また、車両用の燃料改質装置に用いられる蒸発器のよう
に、要求される蒸気発生量が変動する場合には、要求蒸
気量の変動に対する応答性も要求される。しかし、従来
の蒸気発生装置では、蒸気品質の安定性や、負荷変動へ
の応答性が必ずしも十分ではないという問題があった。
However, in general, steam generation is accompanied by a phase change from a liquid phase to a vapor phase, and therefore it is not always easy to generate stable quality steam.
In addition, when the required steam generation amount fluctuates as in the evaporator used in the fuel reforming apparatus for vehicles, the responsiveness to the fluctuation of the required steam amount is also required. However, the conventional steam generator has a problem that stability of steam quality and responsiveness to load fluctuation are not always sufficient.

【0005】本発明は、上述した従来の課題を解決する
ためになされたものであり、蒸気品質の安定性や負荷変
動への応答性に優れた蒸気発生を行うことのできる技術
を提供することを目的とする。
The present invention has been made in order to solve the above-mentioned conventional problems, and provides a technique capable of generating steam with excellent stability of steam quality and responsiveness to load fluctuation. With the goal.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段およびその作用・効果】上
記目的の少なくとも一部を達成するために、本発明によ
る第1の蒸気発生装置は、加熱流体によって被加熱流体
を加熱し蒸発させて気体状の被加熱流体を生成するため
の蒸気発生装置であって、前記加熱流体が流れる加熱流
体流路と、前記被加熱流体が流れる被加熱流体流路とを
有する熱交換器と、前記加熱流体流路に導入される前記
加熱流体の流量を調整するための流量調整部と、前記流
量調整部を制御する制御部と、を備える。前記熱交換器
は、前記被加熱流体が主として液体状である液相部と、
前記被加熱流体が主として気体状である気相部と、を有
する。前記流量調整部は、前記気相部の前記加熱流体流
路に前記加熱流体を導入するための少なくとも1つの第
1の流量調整要素と、前記液相部の前記加熱流体流路に
前記加熱流体を導入するための少なくとも1つの第2の
流量調整要素と、を有する。前記制御部は、前記第1の
流量調整要素によって前記気相部に導入される前記加熱
流体の第1の流量と、前記第2の流量調整要素によって
前記液相部に導入される前記加熱流体の第2の流量と
を、異なる種類の目標値に基づいてそれぞれ制御する。
In order to achieve at least a part of the above object, the first steam generator according to the present invention heats and evaporates a fluid to be heated by a heating fluid to form a gas. A steam generator for generating a heated fluid in the form of a heat, comprising: a heat exchanger having a heating fluid flow path through which the heating fluid flows; and a heated fluid flow path through which the heated fluid flows, and the heating fluid. A flow rate adjusting unit for adjusting the flow rate of the heating fluid introduced into the flow path, and a control unit for controlling the flow rate adjusting unit are provided. The heat exchanger is a liquid phase part in which the fluid to be heated is mainly liquid,
And a vapor phase portion in which the fluid to be heated is mainly in a gaseous state. The flow rate adjusting unit includes at least one first flow rate adjusting element for introducing the heating fluid into the heating fluid channel of the vapor phase section, and the heating fluid in the heating fluid channel of the liquid phase section. And at least one second flow control element for introducing. The control unit includes a first flow rate of the heating fluid introduced into the gas phase section by the first flow rate adjusting element, and the heating fluid introduced into the liquid phase section by the second flow rate adjusting element. And the second flow rate of No. 2 are controlled based on different kinds of target values.

【0007】この第1の蒸気発生装置によれば、気相部
に導入される加熱流体の流量と、液相部に導入される加
熱流体の流量とがそれぞれ異なる種類の目標値に基づい
て制御されているので、気相部と液相部とにおいて、そ
れぞれに望まれる熱交換状態を素早く実現することがで
きる。この結果、蒸気品質の安定性や負荷変動への応答
性に優れた蒸気発生を行うことが可能である。
According to this first steam generator, the flow rate of the heating fluid introduced into the gas phase portion and the flow rate of the heating fluid introduced into the liquid phase portion are controlled based on different target values. Therefore, the heat exchange state desired for each of the gas phase portion and the liquid phase portion can be quickly realized. As a result, it is possible to generate steam with excellent steam quality and responsiveness to load changes.

【0008】なお、前記制御部は、前記第1と第2の流
量調整要素を、互いの操作量に直接的に依存することな
く独立に制御することが好ましい。
It is preferable that the control section independently controls the first and second flow rate adjusting elements without directly depending on an operation amount of each other.

【0009】この構成によれば、気相部と液相部の制御
上の相互干渉を防止できるので、蒸気品質の安定性や負
荷変動への応答性をより高めることが可能である。
According to this structure, mutual control interference between the gas phase portion and the liquid phase portion can be prevented, so that the stability of the vapor quality and the responsiveness to load fluctuation can be further improved.

【0010】前記制御部は、前記気体状被加熱流体の温
度を目標値として前記第1の流量調整要素を制御すると
ともに、前記気体状被加熱流体の流量を目標値として前
記第2の流量調整要素を制御するようにしてもよい。
The controller controls the first flow rate adjusting element with the temperature of the gaseous heated fluid as a target value, and controls the second flow rate with the flow rate of the gaseous heated fluid as a target value. The element may be controlled.

【0011】このような目標値を用いれば、蒸気流量は
液相部での加熱量の調整によって制御され、一方、蒸気
温度は気相部での加熱量によって制御される。従って、
蒸気温度と蒸気流量の制御上の相互干渉を防止しつつ、
蒸気品質の安定性や負荷変動への応答性をより高めるこ
とができる。
Using such a target value, the vapor flow rate is controlled by adjusting the heating amount in the liquid phase portion, while the vapor temperature is controlled by the heating amount in the vapor phase portion. Therefore,
While preventing mutual interference in controlling steam temperature and steam flow,
It is possible to further improve the stability of steam quality and the responsiveness to load changes.

【0012】前記加熱流体は、燃焼燃料と、空気と、前
記燃焼燃料が燃焼した燃焼ガスと、を成分として含んで
いてもよい。このとき、前記第1と第2の流量調整要素
は、前記燃焼燃料の流量を調整するためのものとしても
よい。
The heating fluid may contain combustion fuel, air, and combustion gas obtained by burning the combustion fuel as components. At this time, the first and second flow rate adjusting elements may be for adjusting the flow rate of the combustion fuel.

【0013】この構成によれば、気相部と液相部への燃
焼燃料の流量を調整することによって、蒸気温度と蒸気
流量とをそれぞれ制御することが可能になる。
According to this structure, the steam temperature and the steam flow rate can be controlled by adjusting the flow rates of the combustion fuel to the gas phase section and the liquid phase section.

【0014】前記流量調整部は、さらに、前記燃焼ガス
の燃焼に利用される空気を前記加熱流体流路に供給する
ための第3の流量調整要素を備えていてもよい。このと
き前記制御部は、前記第3の流量調整要素によって前記
加熱流体流路に導入される前記空気の流量を、前記加熱
流体流路に導入される燃焼燃料の総量に応じて制御する
ようにしてもよい。
The flow rate adjusting section may further include a third flow rate adjusting element for supplying the air used for combustion of the combustion gas to the heating fluid passage. At this time, the control unit controls the flow rate of the air introduced into the heating fluid channel by the third flow rate adjusting element according to the total amount of the combustion fuel introduced into the heating fluid channel. May be.

【0015】この構成によれば、燃焼燃料の総量に応じ
て、適切な量の空気を熱交換器に供給することが可能で
ある。
According to this structure, it is possible to supply an appropriate amount of air to the heat exchanger according to the total amount of combustion fuel.

【0016】前記被加熱流体流路は、ほぼ鉛直に配設さ
れた複数の鉛直流路を含み、前記加熱流体流路は、ほぼ
水平に配設された複数の水平流路を含み、前記熱交換器
は、前記複数の鉛直流路と前記複数の水平流路とで構成
された直交型熱交換部を含むものとしてもよい。
The heated fluid passage includes a plurality of vertical direct current passages arranged substantially vertically, and the heating fluid passage includes a plurality of horizontal passages arranged substantially horizontally. The exchanger may include an orthogonal heat exchange section including the vertical flow paths and the horizontal flow paths.

【0017】このような直交型熱交換器では、気相部と
液相部とを区分することが比較的容易なので、気相部と
液相部とをそれぞれ別の目標値で制御することも容易で
ある。
In such an orthogonal heat exchanger, since it is relatively easy to separate the gas phase portion and the liquid phase portion, it is possible to control the gas phase portion and the liquid phase portion with different target values. It's easy.

【0018】前記複数の水平流路は、前記加熱流体の流
れ方向が異なる複数の段に区分されており、隣接する段
の水平流路は、端部に設けられた折り返し流路部で互い
に接続されており、前記複数の段のうちの比較的上側の
少なくとも1つの段が前記気相部に相当するものとして
もよい。また、前記複数の段のうちの比較的下側の少な
くとも1つの段が前記液相部に相当するものとし、前記
第2の流量調整要素は、互いに隣接する前記液相部の段
と前記気相部の段との間を接続する前記折り返し流路部
に導入される前記加熱流体の流量を調整するものであっ
てもよい。
The plurality of horizontal flow passages are divided into a plurality of stages in which the flow direction of the heating fluid is different, and the horizontal flow passages of adjacent stages are connected to each other by a folded flow passage portion provided at an end. At least one stage of the plurality of stages that is relatively above may correspond to the gas phase portion. Further, at least one of the plurality of stages on the relatively lower side corresponds to the liquid phase portion, and the second flow rate adjusting element includes the stage of the liquid phase portion and the gas adjacent to each other. The flow rate of the heating fluid introduced into the folded flow path portion that connects between the step of the phase portion may be adjusted.

【0019】この構成によれば、気相部と液相部とが水
平流路の段で区別されているので、気相部と液相部に供
給する加熱流体の量をそれぞれ個別に制御することが容
易である。
According to this structure, since the gas phase portion and the liquid phase portion are distinguished by the stages of the horizontal flow path, the amounts of the heating fluid supplied to the gas phase portion and the liquid phase portion are individually controlled. It is easy to do.

【0020】本発明による第2の蒸気発生装置は、加熱
流体によって被加熱流体を加熱し蒸発させて気体状の被
加熱流体を生成するための蒸気発生装置であって、前記
加熱流体が流れる加熱流体流路と、前記被加熱流体が流
れる被加熱流体流路とを有する熱交換器と、前記加熱流
体流路に導入される前記加熱流体の流量を調整するため
の流量調整部と、前記被加熱流体の温度を測定するため
の温度測定部と、前記流量調整部を制御する制御部と、
を備える。前記被加熱流体流路は、前記熱交換器内部に
おいて複数の小流路に分割されている。前記温度測定部
は、前記複数の小流路の中の少なくとも一部の小流路の
出口近傍に設けられた複数の温度センサを有する。ま
た、前記制御部は、前記複数の温度センサでそれぞれ測
定された複数の温度に対して均等でない重み付けを行っ
て前記熱交換器から排出される気体状被加熱流体の平均
温度を算出するとともに、前記平均温度に基づいて前記
流量調整部を制御する。
A second steam generator according to the present invention is a steam generator for heating and evaporating a fluid to be heated by a heating fluid to generate a gaseous fluid to be heated. A heat exchanger having a fluid flow path and a heated fluid flow path through which the heated fluid flows, a flow rate adjusting unit for adjusting the flow rate of the heating fluid introduced into the heating fluid flow path, A temperature measuring unit for measuring the temperature of the heating fluid, a control unit for controlling the flow rate adjusting unit,
Equipped with. The heated fluid channel is divided into a plurality of small channels inside the heat exchanger. The temperature measuring unit has a plurality of temperature sensors provided near the outlets of at least some of the small channels in the plurality of small channels. In addition, the control unit calculates an average temperature of the gaseous heated fluid discharged from the heat exchanger by performing unequal weighting on the plurality of temperatures measured by the plurality of temperature sensors, respectively, The flow rate adjusting unit is controlled based on the average temperature.

【0021】この第2の蒸気発生装置によれば、被加熱
流体の複数の小流路の出口近傍に設けられた複数の温度
センサで測定された複数の温度を重み付き平均すること
によって、気体状被加熱流体の平均温度(「平均蒸気温
度」とも呼ぶ)を求めているので、時間遅れ無く、か
つ、比較的正確に平均蒸気温度を得ることが可能であ
る。そして、この平均蒸気温度を用いて加熱流体の量を
制御するので、負荷変動への応答性に優れた蒸気発生を
行うことが可能である。
According to this second steam generator, the gas is obtained by weighting and averaging the plurality of temperatures measured by the plurality of temperature sensors provided in the vicinity of the outlets of the plurality of small channels of the fluid to be heated. Since the average temperature of the fluid to be heated (also referred to as "average vapor temperature") is obtained, it is possible to obtain the average vapor temperature relatively accurately with no time delay. Since the amount of heating fluid is controlled using this average steam temperature, it is possible to generate steam with excellent responsiveness to load changes.

【0022】なお、本発明は、種々の態様で実現するこ
とが可能であり、例えば、蒸気発生装置および蒸気発生
方法、これを用いた燃料改質装置およびその制御方法、
燃料改質装置と燃料電池とを含む燃料電池システムおよ
びその制御方法、それらの装置またはシステムを備える
移動体およびその制御方法、それらの方法または装置の
機能を実現するためのコンピュータプログラム、そのコ
ンピュータプログラムを記録した記録媒体、そのコンピ
ュータプログラムを含み搬送波内に具現化されたデータ
信号、等の態様で実現することができる。
The present invention can be realized in various modes. For example, a steam generator and a steam generating method, a fuel reformer using the same and a control method thereof,
Fuel cell system including fuel reforming device and fuel cell, control method thereof, mobile device including those devices or systems, and control method thereof, computer program for realizing functions of those methods or devices, and computer program thereof Can be realized in the form of a recording medium having recorded therein, a data signal including the computer program embodied in a carrier wave, and the like.

【0023】[0023]

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態を実施
例に基づいて以下の順序で説明する。 A.電気自動車の構成: B.第1実施例: C.第2実施例: D.変形例:
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Next, embodiments of the present invention will be described in the following order based on examples. A. Structure of electric vehicle: B. First Example: C.I. Second embodiment: D. Modification:

【0024】A.実施例の装置構成:図1は、本発明の
一実施例としての電気自動車の概略構成図である。この
電気自動車(以下、単に「車両」と呼ぶ)の車輪駆動機
構は、モータ20と、トルクコンバータ30と、変速機
40とを有している。モータ20の回転軸13は、トル
クコンバータ30に結合されている。トルクコンバータ
の出力軸14は、変速機40に結合されている。変速機
40の出力軸15は、ディファレンシャルギヤ16を介
して車輪18の車軸17に結合されている。
A. Device Configuration of Embodiment: FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an electric vehicle as one embodiment of the present invention. A wheel drive mechanism of this electric vehicle (hereinafter, simply referred to as “vehicle”) includes a motor 20, a torque converter 30, and a transmission 40. The rotating shaft 13 of the motor 20 is coupled to the torque converter 30. The output shaft 14 of the torque converter is coupled to the transmission 40. The output shaft 15 of the transmission 40 is connected to an axle 17 of a wheel 18 via a differential gear 16.

【0025】モータ20は、ロータ22と、ステータ2
4とを備える三相の同期モータである。ロータ22の外
周面には、複数個の永久磁石が設けられている。また、
ステータ24には、回転磁界を形成するための三相コイ
ルが巻回されている。モータ20は、ロータ22に備え
られた永久磁石による磁界と、ステータ24の三相コイ
ルによって形成される磁界との相互作用により回転駆動
する。また、ロータ22が外力によって回転させられる
場合には、これらの磁界の相互作用により三相コイルの
両端に起電力を生じさせる。この場合には、モータ20
は発電機として機能する。
The motor 20 includes a rotor 22 and a stator 2
4 is a three-phase synchronous motor. A plurality of permanent magnets are provided on the outer peripheral surface of the rotor 22. Also,
A three-phase coil for forming a rotating magnetic field is wound around the stator 24. The motor 20 is rotationally driven by the interaction between the magnetic field generated by the permanent magnet provided in the rotor 22 and the magnetic field generated by the three-phase coil of the stator 24. Further, when the rotor 22 is rotated by an external force, an electromotive force is generated at both ends of the three-phase coil due to the interaction of these magnetic fields. In this case, the motor 20
Acts as a generator.

【0026】モータ20には、主電源としての燃料電池
システム60と、補助電源としてのバッテリ(2次電
池)50と、の2つの電源が備えられている。バッテリ
50は燃料電池システム60が故障した場合や、車両の
始動時等のように燃料電池システム60から十分な電力
を出力することができない場合などに、不足する電力を
モータ20に供給する。バッテリ50の電力は、さら
に、車両の制御を行う制御ユニット70や、照明装置な
どの電力機器(図示せず)にも供給される。
The motor 20 is equipped with two power sources, a fuel cell system 60 as a main power source and a battery (secondary battery) 50 as an auxiliary power source. The battery 50 supplies insufficient power to the motor 20 when the fuel cell system 60 fails, or when the fuel cell system 60 cannot output sufficient power such as when the vehicle is started. The power of the battery 50 is further supplied to a control unit 70 that controls the vehicle and power equipment (not shown) such as a lighting device.

【0027】2つの電源50,60からの電力は、それ
ぞれの駆動回路51,52と、切替スイッチ80とを介
してモータ20に供給される。切替スイッチ80は、バ
ッテリ50と、燃料電池システム60と、モータ20の
3者間の接続状態を任意に切り替えることができる。ス
テータ24は、切替スイッチ80および第1の駆動回路
51を介してバッテリ50に電気的に接続され、また、
切替スイッチ80および第2の駆動回路52を介して燃
料電池システム60に接続される。2つの駆動回路5
1,52は、それぞれトランジスタインバータで構成さ
れており、モータ20の三相それぞれに対して、ソース
側とシンク側の2つを一組としてトランジスタが複数備
えられている。これらの駆動回路51,52は、制御ユ
ニット70と電気的に接続されている。
Electric power from the two power sources 50 and 60 is supplied to the motor 20 via the respective drive circuits 51 and 52 and the changeover switch 80. The changeover switch 80 can arbitrarily switch the connection state among the battery 50, the fuel cell system 60, and the motor 20. The stator 24 is electrically connected to the battery 50 via the changeover switch 80 and the first drive circuit 51, and
It is connected to the fuel cell system 60 via the changeover switch 80 and the second drive circuit 52. Two drive circuits 5
Reference numerals 1 and 52 are each composed of a transistor inverter, and each of the three phases of the motor 20 is provided with a plurality of transistors with two sets on the source side and the sink side as one set. These drive circuits 51 and 52 are electrically connected to the control unit 70.

【0028】制御ユニット70は、シフトレバー72
と、アクセルペダル74と、ブレーキペダル76とから
与えられる運転者の指令に基づいて、車両のための各種
の制御を実行する。制御ユニット70が駆動回路51,
52の各トランジスタのオン・オフの時間をPWM制御
すると、バッテリ50および燃料電池システム60を電
源とする擬似三相交流がステータ24の三相コイルに流
れ、回転磁界が形成される。モータ20は、このような
回転磁界の作用によって、先に説明した通り電動機また
は発電機として機能する。
The control unit 70 includes a shift lever 72.
Then, various controls for the vehicle are executed based on the driver's commands given from the accelerator pedal 74 and the brake pedal 76. The control unit 70 has a drive circuit 51,
When the on / off time of each transistor of 52 is PWM-controlled, a pseudo three-phase alternating current using the battery 50 and the fuel cell system 60 as a power source flows in the three-phase coil of the stator 24 to form a rotating magnetic field. The motor 20 functions as an electric motor or a generator as described above by the action of the rotating magnetic field.

【0029】なお、制御ユニット70の各種の制御動作
は、制御ユニット70に内蔵されている図示しないメモ
リ内に格納されたコンピュータプログラムを、制御ユニ
ット70が実行することによって実現される。このメモ
リとしては、ROMやハードディスクなどの種々の記録
媒体を利用することが可能である。
Various control operations of the control unit 70 are realized by the control unit 70 executing a computer program stored in a memory (not shown) built in the control unit 70. As this memory, various recording media such as a ROM and a hard disk can be used.

【0030】B.第1実施例:図2は、第1実施例にお
ける燃料電池システム60の構成を示す説明図である。
この燃料電池システム60は、FC制御部100と、燃
料改質装置200と、燃料電池300とを備えている。
燃料改質装置200は、蒸発部210と、改質部220
と、CO浄化部230とを有している。
B. First Embodiment: FIG. 2 is an explanatory diagram showing the configuration of the fuel cell system 60 in the first embodiment.
The fuel cell system 60 includes an FC control unit 100, a fuel reformer 200, and a fuel cell 300.
The fuel reformer 200 includes an evaporator 210 and a reformer 220.
And a CO purification unit 230.

【0031】蒸発部210は、蛇行する流路として描か
れている燃焼ガス流路212と、これと交差する改質原
料流路214とを備えている。燃焼ガス流路212は、
複数段の水平流路213a〜213cが略U字状の折り
返し流路部218a,218bで順次接続された形状を
有している。改質原料流路214は、蒸発部210の下
部から上部に向けて鉛直方向に伸びる多数の小さな鉛直
流路214aに分かれている。燃料ガスの水平流路21
3a〜213cと、改質原料の鉛直流路214aとは、
いわゆる直交型熱交換器を構成している。
The evaporating section 210 is provided with a combustion gas passage 212 drawn as a meandering passage and a reforming raw material passage 214 intersecting with the combustion gas passage 212. The combustion gas passage 212 is
The horizontal flow paths 213a to 213c in a plurality of stages have a shape in which they are sequentially connected by substantially U-shaped return flow path parts 218a and 218b. The reforming raw material flow path 214 is divided into a large number of small vertical direct current paths 214a extending vertically from the lower part of the evaporation part 210 to the upper part thereof. Horizontal passage 21 for fuel gas
3a to 213c and the vertical flow path 214a of the reforming raw material,
It constitutes a so-called orthogonal heat exchanger.

【0032】図3は、燃焼ガスの水平流路213a〜2
13cと、改質原料の鉛直流路214aとで構成される
直交型熱交換器を示す斜視図である。なお、折り返し流
路部218a,218b(図1)は図3では便宜上省略
されている。燃焼ガスは、最上段の水平流路213aの
左側の端部から導入されて各水平流路213aを右方向
に流れる。各水平流路213aの右端部に達した燃焼ガ
スは、折り返し流路部218a(図1)において一旦合
流し、中段の複数の水平流路213bに再び分かれて流
れる。中段の水平流路213bの左端部においても同様
に、折り返し流路部218b(図1)において燃焼ガス
が一旦合流し、最下段の複数の水平流路213cに再び
分流する。その後、最下段の水平流路213cの右端部
から燃焼ガスが排出される。
FIG. 3 shows the horizontal flow paths 213a-2 of the combustion gas.
It is a perspective view which shows the orthogonal heat exchanger comprised by 13c and the vertical flow path 214a of a reforming raw material. Note that the folded flow path portions 218a and 218b (FIG. 1) are omitted in FIG. 3 for convenience. The combustion gas is introduced from the left end of the uppermost horizontal flow passage 213a and flows rightward in each horizontal flow passage 213a. The combustion gas reaching the right end portion of each horizontal flow passage 213a once merges in the return flow passage portion 218a (FIG. 1), and then flows again into the plurality of middle horizontal flow passages 213b. Similarly, at the left end of the horizontal flow passage 213b in the middle stage, the combustion gas once merges in the turn-back flow passage portion 218b (FIG. 1) and splits again into the plurality of horizontal flow passages 213c in the lowermost stage. Then, the combustion gas is discharged from the right end of the lowermost horizontal flow path 213c.

【0033】改質原料は、液体状態で複数の鉛直流路2
14aの下側から導入され、気体状態となって鉛直流路
214aの上側から排出される。図3の例では、改質原
料の液面L1〜L3は、最下段の水平流路213cと中
段の水平流路213bの境界近傍に存在している。換言
すれば、最下段の水平流路213cに相当する高さの範
囲では改質原料は液体状であり、中段と最上段の水平流
路213b,213aに相当する高さの範囲では改質原
料は気体である。そこで、以下の説明では、図3に示さ
れているように、中段と最上段の水平流路213b,2
13aに相当する高さの範囲の熱交換器部分を「気相
部」と呼び、最下段の水平流路213cに相当する高さ
の範囲の熱交換器部分を「液相部」と呼ぶ。
The reforming raw material is a plurality of vertical DC paths 2 in a liquid state.
14a is introduced from the lower side, becomes a gas state, and is discharged from the upper side of the vertical flow path 214a. In the example of FIG. 3, the liquid surfaces L1 to L3 of the reforming raw material exist near the boundary between the lowermost horizontal flow path 213c and the middle horizontal flow path 213b. In other words, the reforming raw material is liquid in the height range corresponding to the lowermost horizontal flow path 213c, and the reforming raw material is in the height range corresponding to the middle and uppermost horizontal flow paths 213b and 213a. Is a gas. Therefore, in the following description, as shown in FIG. 3, the horizontal flow paths 213b and
The heat exchanger portion in the height range corresponding to 13a is called a "gas phase portion", and the heat exchanger portion in the height range corresponding to the lowermost horizontal flow path 213c is called a "liquid phase portion".

【0034】但し、図3からも理解できるように、液面
の高さは各鉛直流路214a毎に多少異なっている。液
面が或る段の水平流路の中間の位置にあるときには、そ
の段における平均液面の高さに応じて液相部であるか気
相部であるかを定義することができる。例えば、その段
における平均液面の高さの範囲(液相の高さ)と、その
段の全体の高さ(すなわち液相+気相の高さ)との比の
値が1/2以上の時には、その段を「液相部」と呼ぶ。
一方、その段における液相の高さと、その段の全体の高
さとの比の値が1/2未満の時には、その段を「気相
部」と呼ぶ。
However, as can be understood from FIG. 3, the height of the liquid surface is slightly different for each vertical flow path 214a. When the liquid level is at an intermediate position of the horizontal flow path of a certain stage, it can be defined as the liquid phase part or the gas phase part according to the height of the average liquid level in that stage. For example, the ratio of the average liquid level height range (liquid phase height) to the overall height of the step (ie liquid phase + gas phase height) is 1/2 or more. At that time, the stage is called a "liquid phase part".
On the other hand, when the value of the ratio of the height of the liquid phase in the stage to the total height of the stage is less than 1/2, the stage is called the "gas phase portion".

【0035】なお、液体状の改質原料としては、メタノ
ールと水の混合物や、ガソリンと水の混合物などが利用
可能である。
As the liquid reforming raw material, a mixture of methanol and water or a mixture of gasoline and water can be used.

【0036】図2に示すように、燃焼ガス流路212の
最上段の入口部には、燃焼用空気と、燃焼原料(例えば
メタノールや天然ガス)と、燃料電池300のアノード
排ガスとが供給されている。燃焼用空気と燃焼原料の流
量は、それぞれのアクチュエータ242,244によっ
て調整される。また、アノード排ガスの流量は、アノー
ド排ガス流路260に設けられた流量調整弁262によ
って調整される。燃焼原料は、さらに、折り返し流路部
218a,218bにアクチュエータ246,248に
よってそれぞれ導入されている。なお、これらのアクチ
ュエータとしては、ポンプや流量調整弁などのように、
流量調整が可能な任意の機構(「流量調整要素」あるい
は「流量調整機構」と呼ぶ)を利用できる。
As shown in FIG. 2, combustion air, combustion raw materials (for example, methanol and natural gas), and anode exhaust gas of the fuel cell 300 are supplied to the uppermost inlet portion of the combustion gas passage 212. ing. The flow rates of the combustion air and the combustion raw material are adjusted by the respective actuators 242 and 244. Further, the flow rate of the anode exhaust gas is adjusted by the flow rate adjusting valve 262 provided in the anode exhaust gas passage 260. The combustion raw material is further introduced into the folded flow path portions 218a and 218b by actuators 246 and 248, respectively. As these actuators, such as pumps and flow control valves,
Any mechanism capable of adjusting the flow rate (referred to as "flow rate adjusting element" or "flow rate adjusting mechanism") can be used.

【0037】燃焼ガス流路212の入口部と第1の折り
返し流路部218aに導入される燃焼原料は、主として
沸点近くの改質原料を沸騰させ、また、気体状の改質原
料(「改質原料蒸気」)を過熱(スーパーヒート)する
ために利用される。一方、第2の折り返し流路部218
bに導入される燃焼原料は、主として液体状の改質原料
をほぼ沸点近くまで昇温させるために利用される。
The combustion raw material introduced into the inlet portion of the combustion gas flow passage 212 and the first turn-back flow passage portion 218a mainly boils the reforming raw material near the boiling point, and the gaseous reforming raw material (" It is used to superheat the raw material vapor "). On the other hand, the second folded flow path portion 218
The combustion raw material introduced into b is mainly used for raising the temperature of the liquid reforming raw material to almost the boiling point.

【0038】燃焼ガス流路212の入口近傍には、電気
加熱式燃焼触媒部216(「EHC」と呼ぶ)が設けら
れている。このEHC216は、燃焼原料やアノード排
ガス中の水素ガスの酸化反応を促進させるための燃焼触
媒と、電気加熱式ヒータとを有している。蒸発部210
の起動時には、このEHC216を電気加熱で昇温させ
ることによって、燃焼原料やアノード排ガスの燃焼反応
を早期に開始させることが可能である。なお、蒸発部2
10内のEHC216を、「燃焼用EHC」と呼ぶ。
An electrically heated combustion catalyst section 216 (referred to as “EHC”) is provided near the inlet of the combustion gas flow path 212. The EHC 216 has a combustion catalyst for promoting the oxidation reaction of the hydrogen gas in the combustion raw material and the anode exhaust gas, and an electrically heated heater. Evaporator 210
At the time of startup, it is possible to start the combustion reaction of the combustion raw material and the anode exhaust gas early by raising the temperature of the EHC 216 by electric heating. The evaporation unit 2
The EHC 216 in 10 is referred to as "combustion EHC".

【0039】前述したように、燃焼原料やアノード排ガ
スを含む燃焼ガスは、燃焼しながら燃焼ガス流路212
の最上段の流路213aから最下段の流路213cまで
流れてゆき、最下段の流路213cの出口から排気ガス
が排出される。一方、液体状の改質原料は、改質原料流
路214の下部の入口から供給され、鉛直流路214a
を上向きに流れながら、燃焼ガスによって加熱されて蒸
発する。なお、改質原料流路214の入口近傍には、温
度センサ302が設けられている。また、改質原料流路
214の出口近傍には、温度センサ304と流量計30
6とが設けられている。
As described above, the combustion gas containing the combustion raw material and the anode exhaust gas is combusted, and the combustion gas passage 212 is formed.
The exhaust gas is discharged from the outlet of the lowermost flow passage 213c from the uppermost flow passage 213a to the lowermost flow passage 213c. On the other hand, the liquid reforming raw material is supplied from the lower inlet of the reforming raw material flow path 214, and is supplied to the vertical flow path 214a.
As it flows upward, it is heated by the combustion gas and evaporated. A temperature sensor 302 is provided near the inlet of the reforming raw material flow path 214. Further, in the vicinity of the outlet of the reforming raw material flow path 214, the temperature sensor 304 and the flow meter 30
And 6 are provided.

【0040】蒸発部210で気化された改質原料蒸気
は、部分酸化用空気と共に改質部220に導入される。
改質部220は、改質触媒222を収容している。この
改質触媒222は、例えばハニカム状の担体に担持され
ている。改質部220の流路の入口部と中央部には、電
気加熱式改質触媒部(EHC)224がそれぞれ設けら
れている。これらのEHC224は、改質原料蒸気の改
質反応を促進させるための改質触媒と、電気加熱式ヒー
タとを有している。燃料改質装置200の起動時には、
これらのEHC224を電気加熱で昇温させることによ
って、改質反応を早期に開始させることが可能である。
入口近傍のEHC224には、温度センサ226が設置
されている。なお、中央部のEHC224は省略しても
よい。以下では、改質部220内のEHC224を、
「改質用EHC」と呼ぶ。
The reforming raw material vapor vaporized in the evaporation section 210 is introduced into the reforming section 220 together with the air for partial oxidation.
The reforming section 220 accommodates the reforming catalyst 222. The reforming catalyst 222 is supported on, for example, a honeycomb carrier. An electrically heated reforming catalyst unit (EHC) 224 is provided at the inlet and the center of the flow path of the reforming unit 220, respectively. These EHCs 224 have a reforming catalyst for promoting the reforming reaction of the reforming raw material vapor and an electrically heated heater. When starting the fuel reformer 200,
By raising the temperature of these EHC 224 by electric heating, it is possible to start the reforming reaction early.
A temperature sensor 226 is installed in the EHC 224 near the entrance. The central EHC 224 may be omitted. Below, the EHC 224 in the reforming section 220 is
It is called "reforming EHC".

【0041】改質反応後のガス(「改質ガス」と呼ぶ)
は、通常は一酸化炭素を含んでいる。CO浄化部230
は、この改質ガス内の一酸化炭素を低減する機能を有す
る。CO浄化部230内の反応としては、シフト反応や
選択酸化反応が利用される。例えば、メタノールと水を
含む改質原料を使用した場合には、選択酸化反応のみが
CO浄化部230で利用される。一方、ガソリンと水を
含む改質原料を使用した場合には、シフト反応と選択酸
化反応の両方がCO浄化部230で利用される。後者の
場合には、CO浄化部230は、シフト反応部と選択酸
化部とに分けられる。
Gas after reforming reaction (referred to as "reforming gas")
Usually contains carbon monoxide. CO purification unit 230
Has a function of reducing carbon monoxide in the reformed gas. As the reaction in the CO purification unit 230, a shift reaction or a selective oxidation reaction is used. For example, when a reforming raw material containing methanol and water is used, only the selective oxidation reaction is used in the CO purification unit 230. On the other hand, when the reforming raw material containing gasoline and water is used, both the shift reaction and the selective oxidation reaction are used in the CO purification unit 230. In the latter case, the CO purification section 230 is divided into a shift reaction section and a selective oxidation section.

【0042】CO浄化部230からは、一酸化炭素が少
ない水素リッチな燃料ガスが排出される。この燃料ガス
は、燃料電池300のアノード側に供給され、カソード
側には空気が供給される。燃料電池300に供給される
燃料ガスの流量は、流量調整弁254によって制御され
る。なお、燃料改質装置200から燃料電池300への
燃料ガス流路上には、圧力センサ252の他に、図示し
ない温度センサや流量センサなどが設けられている。F
C制御部100は、これらの各種のセンサからの信号
と、車両本体の制御ユニット70(図1)からの指令と
に応じて、燃料改質装置200と燃料電池300の運転
状態を制御する。
Hydrogen-rich fuel gas containing less carbon monoxide is discharged from the CO purification unit 230. This fuel gas is supplied to the anode side of the fuel cell 300, and air is supplied to the cathode side. The flow rate of the fuel gas supplied to the fuel cell 300 is controlled by the flow rate adjusting valve 254. In addition to the pressure sensor 252, a temperature sensor, a flow rate sensor, and the like (not shown) are provided on the fuel gas flow path from the fuel reformer 200 to the fuel cell 300. F
The C control unit 100 controls the operating states of the fuel reformer 200 and the fuel cell 300 in response to signals from these various sensors and commands from the control unit 70 (FIG. 1) of the vehicle body.

【0043】図4は、第1実施例における蒸発部210
の制御に関する制御ブロック図である。FC制御部10
0は、気相制御部110と液相制御部120とを有して
いる。気相制御部110は、気相部熱量算出部112
と、減算器116と、PID制御部114と、加算器1
18とを有している。この気相制御部110は、蒸発部
210で生成される改質原料蒸気の温度(以下、単に
「蒸気温度」と呼ぶ)を目標値とした制御を行ってお
り、蒸発部210の気相部に供給される燃焼原料の流量
Y1,Y2を決定する。2つの流量Y1,Y2は、アク
チュエータ244,246によってそれぞれ導入される
燃焼燃料の流量である。
FIG. 4 shows the evaporation section 210 in the first embodiment.
It is a control block diagram regarding control of. FC controller 10
0 has a gas phase control unit 110 and a liquid phase control unit 120. The vapor phase control unit 110 includes a vapor phase heat quantity calculation unit 112.
, Subtractor 116, PID control unit 114, and adder 1
18 and. The vapor phase control unit 110 controls the temperature of the reforming raw material vapor generated in the evaporation unit 210 (hereinafter, simply referred to as “vapor temperature”) as a target value, and the vapor phase unit of the evaporation unit 210 is controlled. The flow rates Y1 and Y2 of the combustion raw material supplied to are determined. The two flow rates Y1 and Y2 are the flow rates of the combustion fuel introduced by the actuators 244 and 246, respectively.

【0044】気相部熱量算出部112は、要求蒸気量に
応じて気相部に投入すべき熱量Hgを算出し、この熱量
Hgに応じて気相部に供給される燃焼燃料の流量Y1
a,Y2aを決定するフィードフォワード制御要素であ
る。気相部に投入すべき熱量Hgは、例えば以下の
(1)式で算出される。
The gas phase heat quantity calculation unit 112 calculates the heat quantity Hg to be supplied to the gas phase section according to the required steam quantity, and the flow rate Y1 of the combustion fuel supplied to the gas phase section according to this heat quantity Hg.
It is a feedforward control element that determines a and Y2a. The amount of heat Hg to be supplied to the gas phase portion is calculated by the following equation (1), for example.

【0045】 Hg=kg・Ag・Fg・(Tg−Tb)・Cpg …(1)[0045]   Hg = kg / Ag / Fg / (Tg-Tb) / Cpg (1)

【0046】ここで、kgは気相部の熱伝達効率、Ag
は気相部の伝熱面積、Fgは蒸気流量目標値(要求蒸気
流量)、Tgは蒸気温度目標値(要求蒸気温度)、Tb
は沸点、Cpgは蒸気の比熱である。なお、Fg,T
g,Tb,Cpgは改質原料に関する値である。
Here, kg is the heat transfer efficiency of the gas phase part, Ag
Is the heat transfer area of the vapor phase portion, Fg is the steam flow rate target value (requested steam flow rate), Tg is the steam temperature target value (requested steam temperature), Tb
Is the boiling point, and Cpg is the specific heat of steam. In addition, Fg, T
g, Tb, and Cpg are values related to the reforming raw material.

【0047】気相部熱量算出部112には、これらのパ
ラメータのうちの要求蒸気流量Fgと、要求蒸気温度T
gとが入力されている。気相部に導入すべき燃焼燃料の
合計流量(Y1a+Y2a)は、この熱量Hgを、燃焼
燃料の単位発熱量で除算することによって算出される。
また、流量Y1a,Y2aの比は、予め設定されたマッ
プに従って決定される。図5は、燃焼燃料の流量比Y1
a/Y2aのマップを示すグラフである。流量比Y1a
/Y2aは、実線で示すように一定値としてもよく、ま
たは、破線で示すように流量の合計値に応じて変化する
ように設定してもよい。あるいは、燃焼用空気の流量に
応じて流量比Y1a/Y2aを変化させてもよい。
The vapor phase calorie calculation unit 112 calculates the required vapor flow rate Fg among these parameters and the required vapor temperature T.
g and have been entered. The total flow rate (Y1a + Y2a) of the combustion fuel to be introduced into the gas phase portion is calculated by dividing this heat quantity Hg by the unit calorific value of the combustion fuel.
The ratio of the flow rates Y1a and Y2a is determined according to a preset map. FIG. 5 shows the flow rate Y1 of the combustion fuel.
It is a graph which shows the map of a / Y2a. Flow rate ratio Y1a
/ Y2a may be a constant value as shown by the solid line, or may be set so as to change according to the total value of the flow rates as shown by the broken line. Alternatively, the flow rate ratio Y1a / Y2a may be changed according to the flow rate of the combustion air.

【0048】なお、本実施例では、燃焼ガスとしてアノ
ード排ガスを利用しない場合について説明する。アノー
ド排ガスを利用する場合には、上述した2つの流量Y1
a,Y2aと、アノード排ガスの流量との関係が、予め
マップを用いて設定される。
In this embodiment, the case where the anode exhaust gas is not used as the combustion gas will be described. When the anode exhaust gas is used, the above-mentioned two flow rates Y1
The relationship between a and Y2a and the flow rate of the anode exhaust gas is set in advance using a map.

【0049】減算器116とPID制御部114は、蒸
気温度を目標値としたPID制御を実行する。すなわ
ち、減算器116は、蒸気温度の目標値Tgと測定値T
mとの偏差ΔTを求め、PID制御部114がこの偏差
ΔTに応じたPID補償を行って流量Y1b,Y2bを
出力する。流量Y1b,Y2bの比は、例えば前述した
図5と同じマップを用いて設定される。
The subtractor 116 and the PID control unit 114 execute PID control with the steam temperature as a target value. That is, the subtractor 116 is configured to measure the steam temperature target value Tg and the measured value Tg.
The deviation ΔT from m is obtained, and the PID control unit 114 performs PID compensation according to the deviation ΔT and outputs the flow rates Y1b and Y2b. The ratio of the flow rates Y1b and Y2b is set, for example, using the same map as in FIG. 5 described above.

【0050】加算器118は、気相部熱量算出部112
で算出された流量Y1a,Y2aに、PID制御部11
4で算出された流量Y1b,Y2bをそれぞれ加算し、
その加算結果Y1,Y2を制御信号として出力する。ア
クチュエータ244,246は、これらの制御信号Y
1,Y2に応じた流量の燃焼燃料を、蒸発部210の気
相部に導入する。
The adder 118 is used in the vapor phase heat quantity calculation section 112.
The flow rate Y1a, Y2a calculated in
The flow rates Y1b and Y2b calculated in 4 are added,
The addition results Y1 and Y2 are output as control signals. The actuators 244 and 246 are controlled by these control signals Y.
A flow rate of combustion fuel corresponding to 1 and Y2 is introduced into the vapor phase part of the evaporation part 210.

【0051】液相制御部120も、気相制御部110と
同様に、液相部熱量算出部122と、減算器126と、
PID制御部124と、加算器128とを有している。
液相制御部120は、蒸発部210で生成される改質原
料蒸気の流量(以下、単に「蒸気流量」と呼ぶ)を目標
値とした制御を行っており、蒸発部210の液部に燃焼
原料を導入するためのアクチュエータ248の流量Y3
を決定する。
The liquid phase control unit 120, like the gas phase control unit 110, also has a liquid phase heat quantity calculation unit 122, a subtractor 126,
It has a PID control unit 124 and an adder 128.
The liquid phase control unit 120 controls the flow rate of the reforming raw material vapor generated in the evaporation unit 210 (hereinafter, simply referred to as “vapor flow rate”) as a target value, and the liquid portion of the evaporation unit 210 burns. Flow rate Y3 of the actuator 248 for introducing the raw material
To decide.

【0052】液相部熱量算出部122は、液相部に投入
すべき熱量Hqを算出し、この熱量Hqに応じて燃焼燃
料の流量Y3aを決定するフィードフォワード制御要素
である。液相部に投入すべき熱量Hqは、例えば以下の
(2)式で算出される。
The liquid phase heat quantity calculation unit 122 is a feedforward control element that calculates the heat quantity Hq to be supplied to the liquid phase section and determines the flow rate Y3a of the combustion fuel according to the heat quantity Hq. The amount of heat Hq to be applied to the liquid phase portion is calculated, for example, by the following equation (2).

【0053】 Hq=kq・Aq・Fg{(Tb−Tq)・Cpq+ΔH} …(2)[0053]   Hq = kq · Aq · Fg {(Tb−Tq) · Cpq + ΔH} (2)

【0054】ここで、kqは液相部の熱伝達効率、Aq
は液相部の伝熱面積、Fgは要求蒸気流量、Tbは沸
点、Tqは蒸発部210に導入される液体状改質原料の
温度(改質原料入口温度)、Cpqは液体状改質原料の
比熱、ΔHは蒸発潜熱である。なお、Fg,Tb,T
q,Cpq,ΔHは改質原料に関する値である。
Here, kq is the heat transfer efficiency of the liquid phase portion, Aq
Is the heat transfer area of the liquid phase part, Fg is the required vapor flow rate, Tb is the boiling point, Tq is the temperature of the liquid reforming raw material introduced into the evaporation part 210 (reforming raw material inlet temperature), and Cpq is the liquid reforming raw material. Specific heat, ΔH is the latent heat of vaporization. In addition, Fg, Tb, T
q, Cpq, and ΔH are values relating to the reforming raw material.

【0055】液相部熱量算出部122には、これらのパ
ラメータのうちの要求蒸気流量Fgと、改質原料入口温
度Tqとが入力されている。液相部に供給すべき燃焼燃
料の流量Y3aは、この熱量Hqを、燃焼燃料の単位発
熱量で除算することによって算出される。
The required vapor flow rate Fg among these parameters and the reforming raw material inlet temperature Tq are input to the liquid phase portion calorie calculation unit 122. The flow rate Y3a of the combustion fuel to be supplied to the liquid phase portion is calculated by dividing this heat quantity Hq by the unit calorific value of the combustion fuel.

【0056】減算器126は、蒸気流量の目標値Fgと
測定値Fmとの偏差ΔFを求め、PID制御部124が
この偏差ΔFに応じたPID補償を行ってアクチュエー
タ248のための流量Y3bを出力する。
The subtracter 126 obtains the deviation ΔF between the target value Fg of the steam flow rate and the measured value Fm, and the PID controller 124 performs PID compensation according to this deviation ΔF and outputs the flow rate Y3b for the actuator 248. To do.

【0057】加算器128は、液相部熱量算出部122
で算出された流量Y3aと、PID制御部124で算出
された流量Y3bとを加算し、その加算結果Y3を制御
信号として出力する。アクチュエータ248は、この制
御信号Y3に応じた流量の燃焼燃料を、蒸発部210の
液相部に導入する。
The adder 128 includes a liquid phase portion calorie calculation portion 122.
The flow rate Y3a calculated in step S3 and the flow rate Y3b calculated in the PID control unit 124 are added, and the addition result Y3 is output as a control signal. The actuator 248 introduces the combustion fuel having a flow rate according to the control signal Y3 into the liquid phase portion of the evaporation unit 210.

【0058】なお、図示は省略しているが、FC制御部
100は、3つのアクチュエータ244,246,24
8によって蒸発部210に供給される燃焼燃料の総流量
(Y1+Y2+Y3)に応じて燃焼用空気の流量を決定
し、空気用のアクチュエータ242の動作を制御する。
燃焼用空気は気相部と液相部の双方において燃焼燃料の
燃焼に使用される。従って、空気量は、気相部に供給さ
れる燃焼燃料の流量(Y1+Y2)と、液相部に供給さ
れる燃焼燃料の流量Y3の両方に依存している。
Although not shown, the FC controller 100 includes three actuators 244, 246 and 24.
8 determines the flow rate of the combustion air according to the total flow rate (Y1 + Y2 + Y3) of the combustion fuel supplied to the evaporation unit 210, and controls the operation of the air actuator 242.
Combustion air is used for combustion of combustion fuel in both the gas phase portion and the liquid phase portion. Therefore, the air amount depends on both the flow rate (Y1 + Y2) of the combustion fuel supplied to the gas phase section and the flow rate Y3 of the combustion fuel supplied to the liquid phase section.

【0059】図4の構成から理解できるように、気相部
に供給される燃焼燃料の流量(Y1+Y2)と、液相部
に供給される燃焼燃料の流量Y3とは、互いに独立に行
われるフィードバック制御によって決定されている。こ
こで、2種類の流量が「互いに独立に行われるフィード
バック制御によって決定されている」という文言は、互
いに異なる目標値を用いたフィードバック制御が行われ
ており、また、一方の流量が他方の流量に直接的に依存
しない、ということを意味している。換言すれば、気相
制御部110においては液相部への燃焼燃料の流量Y3
が直接的に利用されておらず、また、液相制御部120
においては気相部への燃焼燃料の流量(Y1+Y2)が
直接的に利用されていない。但し、例えば液相部に供給
される燃焼燃料の流量Y3が増加すると、改質原料の加
熱量が増加するので、その影響によって、気相部に供給
される燃焼燃料の流量(Y1+Y2)が減少するという
因果関係は存在する。しかし、この場合にも、気相制御
部110において液相部に供給される燃焼燃料の流量Y
3が利用されている訳ではなく、これらは互いに独立に
行われるフィードバック制御で決定されていることにな
る。
As can be understood from the configuration of FIG. 4, the flow rate (Y1 + Y2) of the combustion fuel supplied to the gas phase section and the flow rate Y3 of the combustion fuel supplied to the liquid phase section are feedbacks performed independently of each other. Determined by control. Here, the phrase "two types of flow rates are determined by feedback control performed independently of each other" means that feedback control using different target values is performed, and one flow rate is the other flow rate. It does not directly depend on. In other words, in the gas phase control unit 110, the flow rate Y3 of the combustion fuel to the liquid phase unit is set.
Is not directly used, and the liquid phase control unit 120
In, the flow rate (Y1 + Y2) of the combustion fuel to the gas phase portion is not directly used. However, for example, when the flow rate Y3 of the combustion fuel supplied to the liquid phase portion increases, the heating amount of the reforming raw material increases, and as a result, the flow rate (Y1 + Y2) of the combustion fuel supplied to the gas phase portion decreases. There is a causal relationship of doing. However, also in this case, the flow rate Y of the combustion fuel supplied to the liquid phase portion in the gas phase control unit 110
3 is not used, and these are determined by feedback control performed independently of each other.

【0060】図6は、第1実施例における蒸発部210
の制御手順を示すフローチャートである。ステップS1
では、FC制御部100が、制御ユニット70(図1)
から送信された蒸気流量と蒸気温度の目標値Fg,Tg
を受信する。ステップS2では、FC制御部100が、
気相部と液相部の境界(図3に示す液面高さL1〜L
3)を判定する。
FIG. 6 shows the evaporation section 210 in the first embodiment.
3 is a flowchart showing the control procedure of FIG. Step S1
Then, the FC control unit 100 uses the control unit 70 (FIG. 1).
Target values Fg and Tg of steam flow rate and steam temperature transmitted from
To receive. In step S2, the FC control unit 100
Boundary between gas phase part and liquid phase part (liquid level heights L1 to L shown in FIG. 3)
Determine 3).

【0061】液面高さL1〜L3は、例えば次のような
種々の方法で判定することが可能である。第1の方法で
は、蒸発部210に供給されている改質原料の流量や、
蒸発部210内の燃焼ガスの温度分布などを測定し、こ
れらの測定値に基づいて、液面高さL1〜L3を推定す
る。第2の方法では、本出願人によって開示された特開
平2001−272031号公報に開示されている方法
を利用する。この方法では、蒸発部210に複数の温度
センサを設け、これらの温度センサで測定された温度に
基づいて液面高さL1〜L3を計算する。第3の方法で
は、改質原料の蒸気流量や蒸気温度などに基づいて、い
わゆるオブザーバを用いて液面高さL1〜L3を推定す
る。第4の方法では、液面計を用いて液面高さL1〜L
3を測定する。また、これら以外の種々の方法を採用し
てもよい。
The liquid level heights L1 to L3 can be determined by the following various methods, for example. In the first method, the flow rate of the reforming raw material supplied to the evaporation unit 210,
The temperature distribution of the combustion gas in the evaporator 210 is measured, and the liquid level heights L1 to L3 are estimated based on these measured values. The second method utilizes the method disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-272031 disclosed by the present applicant. In this method, the evaporation unit 210 is provided with a plurality of temperature sensors, and the liquid surface heights L1 to L3 are calculated based on the temperatures measured by these temperature sensors. In the third method, the liquid level heights L1 to L3 are estimated by using a so-called observer based on the steam flow rate and the steam temperature of the reforming raw material. In the fourth method, the liquid level gauges L1 to L are used by using a liquid level gauge.
Measure 3. In addition, various methods other than these may be adopted.

【0062】ステップS3では、温度センサ304と流
量計306(図2)を用いて蒸気温度Tmと蒸気流量F
mとをそれぞれ測定する。この代わりに、オブザーバな
どの推定手段を用いて蒸気温度Tmと蒸気流量Fmとを
推定してもよい。ステップS4では、蒸気温度Tmと蒸
気流量Fmとが、それぞれの目標値Tg,Fgを満足し
ているか否かが判断される。なお、図4の構成では、ス
テップS4は、減算器116,126で偏差ΔT,ΔF
を求めることに相当する。
In step S3, the steam temperature Tm and the steam flow rate F are measured using the temperature sensor 304 and the flow meter 306 (FIG. 2).
m and are respectively measured. Instead of this, the steam temperature Tm and the steam flow rate Fm may be estimated by using an estimation means such as an observer. In step S4, it is determined whether the steam temperature Tm and the steam flow rate Fm satisfy the respective target values Tg and Fg. In the configuration of FIG. 4, in step S4, the deviations ΔT and ΔF are calculated by the subtracters 116 and 126.
Is equivalent to seeking.

【0063】ステップS5〜S7は、気相制御部110
によって行われる蒸気温度制御ルーチンである。ステッ
プS5では、気相部熱量算出部112が、要求蒸気量を
達成するために気相部に与えるべき熱量Hgを計算す
る。この計算には、例えば上述した(1)式が利用され
る。ステップS6では、気相部熱量算出部112が熱量
Hgに応じた燃焼燃料の流量Y1a,Y2aを計算し、
これと同時に、PID制御部114が蒸気温度偏差ΔT
に応じた流量Y1b、Y2bを計算する。また、これら
の流量の合計値(=Y1+Y2)に対応する空気量も算
出される。ステップS7では、気相制御部110から制
御信号Y1,Y2がアクチュエータ244,246(図
2)に供給されて、燃焼燃料の流量調整がそれぞれ行わ
れる。
In steps S5 to S7, the vapor phase controller 110
It is a steam temperature control routine performed by. In step S5, the vapor phase heat amount calculation unit 112 calculates the amount of heat Hg to be given to the vapor phase unit in order to achieve the required vapor amount. For this calculation, for example, the above-mentioned formula (1) is used. In step S6, the vapor phase heat quantity calculation unit 112 calculates the flow rates Y1a and Y2a of the combustion fuel according to the heat quantity Hg,
At the same time, the PID control unit 114 causes the steam temperature deviation ΔT
The flow rates Y1b and Y2b corresponding to the above are calculated. Further, the air amount corresponding to the total value of these flow rates (= Y1 + Y2) is also calculated. In step S7, the control signals Y1 and Y2 are supplied from the vapor phase control unit 110 to the actuators 244 and 246 (FIG. 2) to adjust the flow rate of the combustion fuel.

【0064】ステップS8〜S10は、液相制御部12
0によって行われる蒸気流量制御ルーチンである。ステ
ップS8では、液相部熱量算出部122が、要求蒸気量
を達成するために液相部に与えるべき熱量Hqを計算す
る。この計算には、例えば上述した(2)式が利用され
る。ステップS7では、液相部熱量算出部122が熱量
Hqに応じた燃焼燃料の流量Y3aを計算し、これと同
時に、PID制御部124が蒸気流量偏差ΔFに応じた
流量Y3bを計算する。また、この流量Y3bに対応す
る空気量も算出される。ステップS10では、液相制御
部120から制御信号Y3がアクチュエータ248に供
給されて、燃焼燃料の流量調整が行われる。
In steps S8 to S10, the liquid phase controller 12
It is a steam flow rate control routine performed by 0. In step S8, the liquid phase part heat amount calculation unit 122 calculates the heat amount Hq to be given to the liquid phase part in order to achieve the required vapor amount. For this calculation, for example, the above-mentioned formula (2) is used. In step S7, the liquid phase heat quantity calculation unit 122 calculates the flow rate Y3a of the combustion fuel according to the heat quantity Hq, and at the same time, the PID control unit 124 calculates the flow rate Y3b according to the steam flow rate deviation ΔF. Further, the air amount corresponding to this flow rate Y3b is also calculated. In step S10, the liquid phase controller 120 supplies the control signal Y3 to the actuator 248 to adjust the flow rate of the combustion fuel.

【0065】ステップS7,S10の処理が終了する
と、ステップS3に戻り、上述したステップS3〜S1
0の処理が繰り返し実行される。なお、制御ユニット7
0からFC制御部100に与えられる要求蒸気量(すな
わち蒸気流量と蒸気温度の目標値Fg,Tg)が変更さ
れた場合には、再びステップS1から処理が開始され
る。
When the processes of steps S7 and S10 are completed, the process returns to step S3, and steps S3 to S1 described above are performed.
The process of 0 is repeatedly executed. The control unit 7
When the required steam amount given to the FC control unit 100 (that is, the target values Fg, Tg of the steam flow rate and the steam temperature) is changed from 0, the process is started again from step S1.

【0066】以上説明した第1実施例では、主として気
相部における改質原料の加熱に利用される燃焼燃料の流
量Y1,Y2が改質原料の蒸気温度を目標値としたフィ
ードバック制御に基づいて調整されており、また、主と
して液相部における改質原料の加熱に利用される燃焼燃
料の流量Y3が改質原料の蒸気流量を目標値としたフィ
ードバック制御に基づいて調整されている。換言すれ
ば、気相部に供給される燃焼燃料の流量Y1,Y2と、
液相部に供給される燃焼燃料の流量Y3が独立したフィ
ードバック制御ブロックで制御されている。この結果、
蒸気温度と蒸気流量とが互いに干渉し合う現象を防止す
ることができ、安定した流量と温度で改質燃料蒸気を発
生させることが可能である。また、特に、車両で用いら
れる燃料改質装置では、負荷変動に応じて改質燃料の要
求蒸気量もかなり大きく変動する。しかし、上述した実
施例では、蒸気温度と蒸気流量とをそれぞれ目標値とす
る独立した制御ブロックを用いて蒸気温度と蒸気流量と
をそれぞれ制御しているので、負荷変動時にも高い応答
性を達成することが可能である。
In the first embodiment described above, the flow rates Y1 and Y2 of the combustion fuel mainly used for heating the reforming raw material in the vapor phase part are based on the feedback control with the vapor temperature of the reforming raw material as the target value. The flow rate Y3 of the combustion fuel mainly used for heating the reforming raw material in the liquid phase portion is adjusted based on the feedback control with the vapor flow rate of the reforming raw material as a target value. In other words, the flow rates Y1, Y2 of the combustion fuel supplied to the gas phase portion,
The flow rate Y3 of the combustion fuel supplied to the liquid phase portion is controlled by an independent feedback control block. As a result,
It is possible to prevent the phenomenon in which the steam temperature and the steam flow rate interfere with each other, and it is possible to generate the reformed fuel steam at a stable flow rate and temperature. Further, particularly in a fuel reformer used in a vehicle, the required steam amount of reformed fuel also fluctuates considerably in accordance with load fluctuations. However, in the above-described embodiment, since the steam temperature and the steam flow rate are respectively controlled using the independent control blocks whose target values are the steam temperature and the steam flow rate, respectively, a high responsiveness is achieved even when the load changes. It is possible to

【0067】なお、気相部熱量算出部112と液相部熱
量算出部122は省略することも可能であるが、これら
を用いてフィードフォワード制御を行う方が負荷変動時
の応答性を高めるという点で好ましい。
Although the vapor phase heat quantity calculation unit 112 and the liquid phase heat quantity calculation unit 122 can be omitted, it is said that the feedforward control using them enhances the responsiveness when the load changes. It is preferable in terms.

【0068】上述した第1実施例では、気相制御部11
0の制御目標値として蒸気温度Tgを用い、液相制御部
120の制御目標値として蒸気流量Fgを用いていた
が、これらの値Tg,Fgの代わりに、これらに強い相
関のある他の値を用いることも可能である。例えば、蒸
気流量Fgの代わりに液面高さL1〜L3の平均値を制
御目標値として利用することも可能である。一般に、液
面高さが高くなると気相部での伝熱量が減少するので蒸
気流量が増加し、反対に、液面高さが低くなると蒸気流
量が減少する。従って、液面高さを制御目標値として液
相部を制御することも可能である。また、蒸気温度の変
わりに蒸気圧力を制御目標値として用いて気相部を制御
しても良い。但し、負荷に応じた制御の対象として望ま
しいのは蒸気温度Tgと蒸気流量Fgなので、これらを
制御目標値として使用することが制御の安定性や応答性
の上からも好ましい。
In the above-described first embodiment, the vapor phase controller 11
Although the steam temperature Tg is used as the control target value of 0 and the steam flow rate Fg is used as the control target value of the liquid phase control unit 120, instead of these values Tg and Fg, other values having a strong correlation with them are used. It is also possible to use. For example, instead of the vapor flow rate Fg, the average value of the liquid surface heights L1 to L3 can be used as the control target value. Generally, as the liquid level increases, the amount of heat transfer in the vapor phase portion decreases, so the steam flow rate increases, and conversely, when the liquid level decreases, the steam flow rate decreases. Therefore, it is possible to control the liquid phase portion by using the liquid level height as a control target value. Further, instead of the steam temperature, the steam pressure may be used as a control target value to control the gas phase portion. However, since it is desirable to control the steam temperature Tg and the steam flow rate Fg according to the load, it is preferable to use these as the control target value in terms of stability and responsiveness of the control.

【0069】C.第2実施例:図7は、第2実施例にお
ける燃料電池システム60aの内部構成を示す説明図で
ある。この燃料電池システム60aは、図2に示した第
1実施例のシステム60とは、蒸発部210に設けられ
た温度センサの数と位置が異なるだけであり、他は第1
実施例と同じである。
C. Second Embodiment: FIG. 7 is an explanatory diagram showing the internal configuration of a fuel cell system 60a in the second embodiment. This fuel cell system 60a is different from the system 60 of the first embodiment shown in FIG. 2 only in the number and position of the temperature sensors provided in the evaporation part 210, and the others are the first.
Same as the embodiment.

【0070】第2実施例の蒸発部210aでは、改質燃
料ガスが通るいくつかの鉛直流路214aの出口近傍
に、各鉛直流路214a内の蒸気温度を測定するための
温度センサ304a〜304cが設けられている。これ
らの温度センサ304a〜304cを、以下では「局所
蒸気温度センサ」と呼ぶ。図7の例では、局所蒸気温度
センサ304a〜304cの数は3個であるが、一般に
は2個以上の任意の数の温度センサが設けられていれば
良い。
In the evaporator 210a of the second embodiment, temperature sensors 304a to 304c for measuring the vapor temperature in each vertical flow path 214a are provided near the outlets of some vertical flow paths 214a through which the reformed fuel gas passes. Is provided. Hereinafter, these temperature sensors 304a to 304c are referred to as "local vapor temperature sensors". In the example of FIG. 7, the number of the local vapor temperature sensors 304a to 304c is three, but in general, any number of temperature sensors of two or more may be provided.

【0071】図8(A)は、局所蒸気温度センサ304
a〜304cで測定された局所蒸気温度T1〜T3の一
例を示しており、図8(B)は直交型熱交換器の気相部
(図3)を模式的に示している。各鉛直流路214aを
流れる改質原料蒸気の温度は、燃焼ガスの温度や、液面
L1〜L3の高さ(すなわち気相の熱伝達面積)などの
いくつかのパラメータに依存しており、互いに異なって
いるのが普通である。図8(A)の例では、複数の鉛直
流路214aのうちで、蒸発部210aの蒸気出口に近
いほど(改質部220により近いほど)、局所蒸気温度
が低下している。この理由は、最上段の燃焼ガス流路2
13aにおいては、蒸発部210aの蒸気出口に近いほ
ど燃焼ガスの温度が低いからである。
FIG. 8A shows a local vapor temperature sensor 304.
FIGS. 8A and 8B show an example of local vapor temperatures T1 to T3 measured by a to 304c, and FIG. 8B schematically shows the gas phase portion (FIG. 3) of the orthogonal heat exchanger. The temperature of the reforming raw material vapor flowing through each vertical flow path 214a depends on several parameters such as the temperature of the combustion gas and the heights of the liquid levels L1 to L3 (that is, the heat transfer area of the gas phase). It is usually different from each other. In the example of FIG. 8 (A), the local steam temperature is lowered as it is closer to the steam outlet of the evaporation unit 210a (closer to the reforming unit 220) among the plurality of vertical DC paths 214a. The reason for this is that the combustion gas flow path 2 at the top is
This is because in 13a, the temperature of the combustion gas is lower as it is closer to the vapor outlet of the evaporation section 210a.

【0072】多数の鉛直流路214aを出た改質原料蒸
気は混合されながら改質部220に供給される。しか
し、改質原料蒸気の温度は、改質部220に至るまでに
必ずしも良く均一化されるとは限らない。また、温度が
均一化するにはかなりの流路長が必要になるので、均一
化した後の蒸気温度を測定しようとすると、蒸気発生か
ら蒸気温度の測定までにかなりの時間遅れが生じる可能
性がある。
The reforming raw material vapors that have exited from many vertical flow paths 214a are mixed and supplied to the reforming section 220. However, the temperature of the reforming raw material vapor is not always well equalized before reaching the reforming section 220. Also, since a considerable flow path length is required to make the temperature uniform, there is a possibility that a considerable time delay will occur from the generation of steam to the measurement of the steam temperature when trying to measure the steam temperature after making it uniform. There is.

【0073】そこで、第2実施例では、蒸発部210a
で生成される改質原料蒸気の温度Tmを、局所蒸気温度
T1〜T3に基づいて以下の(3)式に従って算出す
る。
Therefore, in the second embodiment, the evaporation section 210a
The temperature Tm of the reforming raw material steam generated in Step 1 is calculated according to the following equation (3) based on the local steam temperatures T1 to T3.

【0074】Tm=K・Σ(σi・Ti) …(3)Tm = K · Σ (σi · Ti) (3)

【0075】ここで、Σ()はかっこ内の値を加算する
演算を示す演算子であり、Tiはi番目の局所蒸気温度
センサで測定された局所蒸気温度、σiはi番目の局所
蒸気温度に関する重み、Kは係数である。
Here, Σ () is an operator indicating the operation of adding the values in the parentheses, Ti is the local steam temperature measured by the i-th local steam temperature sensor, and σi is the i-th local steam temperature. , K is a coefficient.

【0076】なお、重みσiはすべてが等しい値に設定
されることはなく、少なくとも1つは他の重みとは異な
る値に設定される。換言すれば、蒸気温度Tmは、局所
蒸気温度Tiに均等でない重みσiを用いて平均化した
値である。係数Kは、重みσiに応じて予め設定された
値である。
Note that the weights σi are not all set to the same value, and at least one is set to a value different from other weights. In other words, the steam temperature Tm is a value obtained by averaging the local steam temperature Ti with non-uniform weights σi. The coefficient K is a value preset according to the weight σi.

【0077】このように、蒸気温度Tmを局所蒸気温度
Tiの重み付き平均として算出することによって、蒸発
部210aで生成される改質原料蒸気の温度Tmを、ほ
とんど時間遅れ無しで求めることができる。また、重み
σiや係数Kを適切に設定することによって、平均的な
蒸気温度Tmを正確に測定することが可能である。
Thus, by calculating the steam temperature Tm as a weighted average of the local steam temperature Ti, the temperature Tm of the reforming raw material steam generated in the evaporator 210a can be obtained with almost no time delay. . Further, by appropriately setting the weight σi and the coefficient K, it is possible to accurately measure the average steam temperature Tm.

【0078】重みσiの設定方法としては、以下のよう
ないくつかの方法が採用可能である。 (1)予め決定された各重みσiの値を常に使用する。 (2)各鉛直流路214aの蒸気流量を測定または推定
し、蒸気流量の比を重みσiとして設定する。 (3)各鉛直流路214aの蒸気流量を測定または推定
し、蒸気流量と重みσiとの関係を示すマップを利用し
て設定する。
As the method of setting the weight σi, the following several methods can be adopted. (1) The value of each predetermined weight σi is always used. (2) The steam flow rate of each vertical flow path 214a is measured or estimated, and the steam flow rate ratio is set as the weight σi. (3) The steam flow rate of each vertical flow path 214a is measured or estimated and set using a map showing the relationship between the steam flow rate and the weight σi.

【0079】上述の方法(2)または(3)のように、
各鉛直流路214aの蒸気流量に応じて重みσiを設定
するようにすれば、より正確な平均蒸気温度Tmを得る
ことができる。なお、重み付き平均を求める方法として
は、算術平均でなく、幾何平均を利用することも可能で
ある。
As in the above method (2) or (3),
If the weight σi is set according to the steam flow rate of each vertical flow path 214a, a more accurate average steam temperature Tm can be obtained. As a method of obtaining the weighted average, it is possible to use the geometric average instead of the arithmetic average.

【0080】蒸気温度Tmを用いた蒸発部210aの制
御は、上述した第1実施例で説明した制御と同じものを
適用することができる。但し、第2実施例では、第1実
施例で説明した方法以外の任意の方法を採用することが
可能である。
The same control as the control described in the first embodiment can be applied to the control of the evaporation unit 210a using the vapor temperature Tm. However, in the second embodiment, any method other than the method described in the first embodiment can be adopted.

【0081】このように、第2実施例では、局所蒸気温
度Tiの重み付き平均を取ることによって、蒸発部21
0aで生成される蒸気の温度Tmを、少ない時間遅れで
正確に得ることができる。また、この蒸気温度Tmを用
いて蒸発部210aを制御するので、蒸発部210aの
制御の応答性を高めることが可能である。
As described above, in the second embodiment, the evaporation unit 21 is obtained by taking the weighted average of the local vapor temperature Ti.
The temperature Tm of the steam generated at 0a can be accurately obtained with a small time delay. Further, since the vaporizing section 210a is controlled using this vapor temperature Tm, it is possible to improve the control response of the vaporizing section 210a.

【0082】C.変形例:なお、この発明は上記の実施
例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱
しない範囲において種々の態様において実施することが
可能であり、例えば次のような変形も可能である。
C. Modifications: The present invention is not limited to the above-described embodiments and embodiments, and can be implemented in various modes without departing from the gist thereof. For example, the following modifications are also possible. is there.

【0083】C1.変形例1:上記各実施例では、蒸発
部210内の燃焼ガス流路212が3段に分かれていた
が、燃焼ガス流路212は複数の段に分かれている必要
は無く、1段のみでも良い。また、本発明は、直交型の
熱交換器に限らず、他のタイプの熱交換器を利用した蒸
発部にも適用可能である。
C1. Modified Example 1: In each of the above embodiments, the combustion gas passage 212 in the evaporation part 210 was divided into three stages, but the combustion gas passage 212 does not need to be divided into a plurality of stages, and only one stage is possible. good. Further, the present invention is not limited to the orthogonal heat exchanger, and can be applied to an evaporation unit using another type of heat exchanger.

【0084】C2.変形例2:上記実施例では、液相部
において液体状改質原料を沸点近くまで昇温するための
熱が供給され、気相部においては沸点に近い改質原料を
気化させるとともに蒸気を加熱するための熱が供給され
るものとしていた。しかし、この代わりに、液相部にお
いて液体状改質原料を沸点近くまで昇温するとともに気
化させるための熱が供給され、気相部において蒸気を加
熱するための熱が供給されるものとしてもよい。あるい
は、気化に必要な熱量が、気相部と液相部とに分けて供
給されるものとしても良い。
C2. Modified Example 2: In the above-described embodiment, heat for raising the temperature of the liquid reforming raw material to near the boiling point is supplied in the liquid phase portion, and the reforming raw material near the boiling point is vaporized and the steam is heated in the gas phase portion. It was supposed to be supplied with heat to do so. However, instead of this, heat may be supplied to the liquid phase portion to heat the liquid reforming raw material to near the boiling point and vaporize it, and to supply heat to heat the vapor in the gas phase portion. Good. Alternatively, the amount of heat required for vaporization may be separately supplied to the gas phase portion and the liquid phase portion.

【0085】C3.変形例3:第1実施例では、気相部
に燃焼燃料を供給するために2つのアクチュエータ24
4,246が設けられていたが、この代わりに、気相部
に燃焼燃料を供給するために1つのアクチュエータのみ
を設けるようにしてもよい。すなわち、第1実施例の構
成においては、気相部と液相部に燃焼燃料を供給するた
めにそれぞれ1つ以上のアクチュエータが設けられてい
ればよい。この場合に、気相部に燃焼燃料を供給するた
めの少なくとも1つのアクチュエータと、液相部に燃焼
燃料を供給するための少なくとも1つのアクチュエータ
とを、互いに異なる制御目標値を用いてそれぞれ制御す
るようにすればよい。
C3. Modification 3: In the first embodiment, two actuators 24 are provided to supply combustion fuel to the gas phase portion.
4, 246 are provided, but instead of this, only one actuator may be provided to supply the combustion fuel to the gas phase portion. That is, in the configuration of the first embodiment, one or more actuators may be provided for supplying the combustion fuel to the gas phase portion and the liquid phase portion, respectively. In this case, at least one actuator for supplying the combustion fuel to the gas phase portion and at least one actuator for supplying the combustion fuel to the liquid phase portion are respectively controlled using mutually different control target values. You can do it like this.

【0086】C4.変形例4:上記実施例では、蒸発部
210内で燃焼する燃焼ガスを蒸発部210に供給する
こととしていたが、この代わりに、外部で予め昇温され
た加熱流体を蒸発部210に供給するものとしてもよ
い。
C4. Modification 4: In the above embodiment, the combustion gas that burns in the evaporation unit 210 was supplied to the evaporation unit 210, but instead of this, a heating fluid that has been preheated outside is supplied to the evaporation unit 210. It may be one.

【0087】C5.変形例5:上記実施例では、PID
制御が用いられていたが、この代わりに、状態フィード
バックを用いた制御などのような他のタイプの制御方法
を利用することも可能である。
C5. Modification 5: In the above embodiment, the PID
Although control was used, other types of control methods could be used instead, such as control using state feedback.

【0088】C6.変形例6:改質燃料としては、メタ
ノールやガソリン以外の種々の炭化水素系燃料を使用可
能である。例えば、メタノール以外のアルコールや、ア
ルデヒド、エーテルなどの種々の炭化水素系化合物を利
用することができる。
C6. Modification 6: As the reforming fuel, various hydrocarbon fuels other than methanol and gasoline can be used. For example, alcohols other than methanol, and various hydrocarbon compounds such as aldehydes and ethers can be used.

【0089】C7.変形例7:本発明は、燃料改質装置
内の改質原料の蒸発部210に限らず、一般に、加熱流
体によって被加熱流体を加熱し蒸発させて気体状の被加
熱流体を生成するための蒸気発生装置に適用可能であ
る。但し、車両に搭載される燃料改質装置用の蒸発部で
は、負荷変動が大きく、これに応じて要求される蒸気量
もかなり大きく変動するので、本発明を適用する利点も
大きい。
C7. Variant 7: The present invention is not limited to the reforming raw material evaporation unit 210 in the fuel reformer, but is generally for heating a heated fluid with a heating fluid and evaporating it to generate a gaseous heated fluid. It is applicable to steam generators. However, in the evaporating portion for the fuel reforming device mounted on the vehicle, the load variation is large, and the required steam amount varies considerably accordingly, so that the present invention has a great advantage.

【0090】C8.変形例8:上記実施例では、燃料電
池システム60を使用した電気自動車の例について説明
したが、本発明は、車輪駆動用の原動機として、モータ
と内燃機関との2つの原動機を用いたハイブリッド自動
車(ハイブリッド車両)にも適用することができる。ま
た、本発明は、船舶や電車などのような、自動車以外の
移動体にも適用可能である。すなわち、本発明は、燃料
電池と、燃料改質装置と、燃料電池を含む電源から供給
される電力によって駆動される原動機と、を備える移動
体に適用可能である。また、本発明は、設置型の燃料改
質装置にも適用可能である。
C8. Modification 8: In the above embodiment, an example of an electric vehicle using the fuel cell system 60 was described, but the present invention is a hybrid vehicle using two prime movers, a motor and an internal combustion engine, as a prime mover for driving wheels. It can also be applied to (hybrid vehicles). The present invention is also applicable to moving bodies other than automobiles, such as ships and trains. That is, the present invention can be applied to a moving body including a fuel cell, a fuel reformer, and a prime mover driven by electric power supplied from a power source including the fuel cell. The present invention is also applicable to a stationary fuel reformer.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の一実施例としての電気自動車の概略構
成図。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an electric vehicle as an embodiment of the present invention.

【図2】第1実施例における燃料電池システム60の内
部構成を示す説明図。
FIG. 2 is an explanatory diagram showing an internal configuration of a fuel cell system 60 in the first embodiment.

【図3】蒸発部210の直交型熱交換器を示す斜視図。FIG. 3 is a perspective view showing an orthogonal heat exchanger of an evaporation section 210.

【図4】第1実施例における蒸発部210の制御に関す
る制御ブロック図。
FIG. 4 is a control block diagram relating to control of an evaporation unit 210 in the first embodiment.

【図5】流量Y1,Y2の比Y1/Y2のマップを示す
グラフ。
FIG. 5 is a graph showing a map of a ratio Y1 / Y2 of flow rates Y1 and Y2.

【図6】第1実施例における蒸発部210の制御手順を
示すフローチャート
FIG. 6 is a flowchart showing a control procedure of the evaporation unit 210 in the first embodiment.

【図7】第2実施例における燃料電池システム60aの
内部構成を示す説明図。
FIG. 7 is an explanatory diagram showing an internal configuration of a fuel cell system 60a in a second embodiment.

【図8】局所蒸気温度センサ304a〜304cで測定
された局所蒸気温度T1〜T3の一例を示す説明図。
FIG. 8 is an explanatory diagram showing an example of local steam temperatures T1 to T3 measured by local steam temperature sensors 304a to 304c.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

13…回転軸 14…出力軸 15…出力軸 16…ディファレンシャルギヤ 17…車軸 18…車輪 20…モータ 22…ロータ 24…ステータ 30…トルクコンバータ 40…変速機 50…バッテリ 51,52…駆動回路 60…燃料電池システム 70…制御ユニット 72…シフトレバー 74…アクセルペダル 76…ブレーキペダル 80…切替スイッチ 100…FC制御部 110…気相制御部 112…気相部熱量算出部 114…PID制御部 116…減算器 118…加算器 120…液相制御部 122…液相部熱量算出部 124…PID制御部 126…減算器 128…加算器 200…燃料改質装置 210…蒸発部 212…燃焼ガス流路 213a〜213c…水平流路 214…改質原料流路 214a…鉛直流路 216…電気加熱式燃焼触媒部(燃焼用EHC) 218a,218b…折り返し流路部 220…改質部 222…改質触媒 224…電気加熱式改質触媒部(改質用EHC) 226…温度センサ 230…CO浄化部 244,246,248…アクチュエータ 252…圧力センサ 254…流量調整弁 260…アノード排ガス流路 262…流量調整弁 300…燃料電池 302…温度センサ 304…温度センサ 304a〜304c…局所蒸気温度センサ 306…流量計 13 ... Rotation axis 14 ... Output shaft 15 ... Output shaft 16 ... Differential gear 17 ... Axle 18 ... Wheels 20 ... Motor 22 ... rotor 24 ... Stator 30 ... Torque converter 40 ... Transmission 50 ... Battery 51, 52 ... Driving circuit 60 ... Fuel cell system 70 ... Control unit 72 ... Shift lever 74 ... accelerator pedal 76 ... Brake pedal 80 ... Changeover switch 100 ... FC control unit 110 ... Gas phase control unit 112 ... Gas phase calorific value calculation unit 114 ... PID control unit 116 ... Subtractor 118 ... Adder 120 ... Liquid phase control unit 122 ... Liquid phase calorie calculation unit 124 ... PID control unit 126 ... Subtractor 128 ... Adder 200 ... Fuel reformer 210 ... Evaporator 212 ... Combustion gas flow path 213a-213c ... Horizontal flow path 214 ... Reforming material flow path 214a ... Vertical DC path 216 ... Electrically heated combustion catalyst section (combustion EHC) 218a, 218b ... Folded flow path section 220 ... reforming section 222 ... Reforming catalyst 224 ... Electric heating type reforming catalyst section (reforming EHC) 226 ... Temperature sensor 230 ... CO purification unit 244, 246, 248 ... Actuator 252 ... Pressure sensor 254 ... Flow rate adjusting valve 260 ... Anode exhaust gas flow path 262 ... Flow rate adjusting valve 300 ... Fuel cell 302 ... Temperature sensor 304 ... Temperature sensor 304a-304c ... Local vapor temperature sensor 306 ... Flowmeter

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) H01M 8/06 H01M 8/06 G (72)発明者 永宮 清美 愛知県豊田市トヨタ町1番地 トヨタ自動 車株式会社内 Fターム(参考) 3K068 AA00 AB22 AB35 EA03 3L021 BA03 DA21 FA11 4G140 EA02 EA03 EA06 EB03 EB04 EB43 5H027 AA02 BA01 DD05 MM13 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page (51) Int.Cl. 7 Identification code FI theme code (reference) H01M 8/06 H01M 8/06 G (72) Inventor Kiyomi Nagamiya 1 Toyota-cho, Toyota-shi, Aichi Toyota Auto In-car F-term (reference) 3K068 AA00 AB22 AB35 EA03 3L021 BA03 DA21 FA11 4G140 EA02 EA03 EA06 EB03 EB04 EB43 5H027 AA02 BA01 DD05 MM13

Claims (11)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 加熱流体によって被加熱流体を加熱し蒸
発させて気体状の被加熱流体を生成するための蒸気発生
装置であって、 前記加熱流体が流れる加熱流体流路と、前記被加熱流体
が流れる被加熱流体流路とを有する熱交換器と、 前記加熱流体流路に導入される前記加熱流体の流量を調
整するための流量調整部と、 前記流量調整部を制御する制御部と、を備え、 前記熱交換器は、前記被加熱流体が主として液体状であ
る液相部と、前記被加熱流体が主として気体状である気
相部と、を有し、 前記流量調整部は、前記気相部の前記加熱流体流路に前
記加熱流体を導入するための少なくとも1つの第1の流
量調整要素と、前記液相部の前記加熱流体流路に前記加
熱流体を導入するための少なくとも1つの第2の流量調
整要素と、を有し、 前記制御部は、前記第1の流量調整要素によって前記気
相部に導入される前記加熱流体の第1の流量と、前記第
2の流量調整要素によって前記液相部に導入される前記
加熱流体の第2の流量とを、異なる種類の目標値に基づ
いてそれぞれ制御することを特徴とする蒸気発生装置。
1. A steam generator for heating a fluid to be heated by a heating fluid and evaporating the fluid to generate a gaseous fluid to be heated, the heating fluid passage through which the heating fluid flows, and the fluid to be heated. A heat exchanger having a heated fluid flow path through which a flow rate, a flow rate adjusting section for adjusting the flow rate of the heating fluid introduced into the heating fluid flow path, a control section for controlling the flow rate adjusting section, The heat exchanger has a liquid phase part in which the heated fluid is mainly liquid, and a vapor phase part in which the heated fluid is mainly gaseous, and the flow rate adjusting part is At least one first flow rate adjusting element for introducing the heating fluid into the heating fluid channel of the vapor phase section, and at least 1 for introducing the heating fluid into the heating fluid channel of the liquid phase section Two second flow rate adjusting elements, and The controller controls the first flow rate of the heating fluid introduced into the gas phase section by the first flow rate adjusting element and the first flow rate of the heating fluid introduced into the liquid phase section by the second flow rate adjusting element. A steam generator, wherein the second flow rate and the second flow rate are respectively controlled based on different types of target values.
【請求項2】 請求項1記載の蒸気発生装置であって、 前記制御部は、前記第1と第2の流量調整要素を、互い
の操作量に直接的に依存することなく独立に制御する、
蒸気発生装置。
2. The steam generator according to claim 1, wherein the control unit independently controls the first and second flow rate adjusting elements without directly depending on an operation amount of each other. ,
Steam generator.
【請求項3】 請求項1または2記載の蒸気発生装置で
あって、 前記制御部は、前記気体状被加熱流体の温度を目標値と
して前記第1の流量調整要素を制御するとともに、前記
気体状被加熱流体の流量を目標値として前記第2の流量
調整要素を制御する、蒸気発生装置。
3. The steam generator according to claim 1, wherein the control unit controls the first flow rate adjusting element with the temperature of the gaseous heated fluid as a target value, and the gas. Generator for controlling the second flow rate adjusting element with the flow rate of the heated fluid as a target value.
【請求項4】 請求項1ないし3のいずれかに記載の蒸
気発生装置であって、 前記加熱流体は、燃焼燃料と、空気と、前記燃焼燃料が
燃焼した燃焼ガスと、を成分として含み、 前記第1と第2の流量調整要素は、前記燃焼燃料の流量
を調整するためのものである、蒸気発生装置。
4. The steam generator according to claim 1, wherein the heating fluid contains combustion fuel, air, and combustion gas produced by burning the combustion fuel as components. The said 1st and 2nd flow volume adjustment element is a steam generator which is for adjusting the flow volume of the said combustion fuel.
【請求項5】 請求項4記載の蒸気発生装置であって、 前記流量調整部は、さらに、前記燃焼ガスの燃焼に利用
される空気を前記加熱流体流路に供給するための第3の
流量調整要素を備え、 前記制御部は、前記第3の流量調整要素によって前記加
熱流体流路に導入される前記空気の流量を、前記加熱流
体流路に導入される燃焼燃料の総量に応じて制御する、
蒸気発生装置。
5. The steam generator according to claim 4, wherein the flow rate adjusting unit further supplies a third flow rate for supplying air used for combustion of the combustion gas to the heating fluid flow path. An adjusting element is provided, and the control unit controls the flow rate of the air introduced into the heating fluid channel by the third flow rate adjusting element in accordance with the total amount of combustion fuel introduced into the heating fluid channel. To do
Steam generator.
【請求項6】 請求項1ないし5のいずれかに記載の蒸
気発生装置であって、 前記被加熱流体流路は、ほぼ鉛直に配設された複数の鉛
直流路を含み、 前記加熱流体流路は、ほぼ水平に配設された複数の水平
流路を含み、 前記熱交換器は、前記複数の鉛直流路と前記複数の水平
流路とで構成された直交型熱交換部を含む、蒸気発生装
置。
6. The steam generator according to claim 1, wherein the heated fluid flow path includes a plurality of vertical direct current paths arranged substantially vertically, The passage includes a plurality of horizontal flow passages arranged substantially horizontally, and the heat exchanger includes an orthogonal heat exchange unit configured by the plurality of vertical flow passages and the plurality of horizontal flow passages, Steam generator.
【請求項7】 請求項6記載の蒸気発生装置であって、 前記複数の水平流路は、前記加熱流体の流れ方向が異な
る複数の段に区分されており、 隣接する段の水平流路は、端部に設けられた折り返し流
路部で互いに接続されており、 前記複数の段のうちの比較的上側の少なくとも1つの段
が前記気相部に相当するとともに、前記複数の段のうち
の比較的下側の少なくとも1つの段が前記液相部に相当
し、 前記第2の流量調整要素は、互いに隣接する前記液相部
の段と前記気相部の段との間を接続する前記折り返し流
路部に導入される前記加熱流体の流量を調整するもので
ある、蒸気発生装置。
7. The steam generator according to claim 6, wherein the plurality of horizontal flow passages are divided into a plurality of stages having different flow directions of the heating fluid, and the horizontal flow passages of adjacent stages are , At least one stage of the plurality of stages, which is connected to each other through a turn-back flow path portion provided at an end, corresponds to the gas phase portion, and is included in the plurality of stages. At least one step on the relatively lower side corresponds to the liquid phase section, and the second flow rate adjusting element connects between the step of the liquid phase section and the step of the gas phase section that are adjacent to each other. A steam generator for adjusting the flow rate of the heating fluid introduced into the folded flow path portion.
【請求項8】 加熱流体によって被加熱流体を加熱し蒸
発させて気体状の被加熱流体を生成するための蒸気発生
装置であって、 前記加熱流体が流れる加熱流体流路と、前記被加熱流体
が流れる被加熱流体流路とを有する熱交換器と、 前記加熱流体流路に導入される前記加熱流体の流量を調
整するための流量調整部と、 前記被加熱流体の温度を測定するための温度測定部と、 前記流量調整部を制御する制御部と、を備え、 前記被加熱流体流路は、前記熱交換器内部において複数
の小流路に分割されており、 前記温度測定部は、前記複数の小流路の中の少なくとも
一部の小流路の出口近傍に設けられた複数の温度センサ
を有し、 前記制御部は、前記複数の温度センサでそれぞれ測定さ
れた複数の温度に対して均等でない重み付けを行って前
記熱交換器から排出される気体状被加熱流体の平均温度
を算出するとともに、前記平均温度に基づいて前記流量
調整部を制御することを特徴とする蒸気発生装置。
8. A steam generator for heating a fluid to be heated with a heating fluid to evaporate the fluid to be heated, the heating fluid passage having the heating fluid flowing therethrough, and the fluid to be heated. A heat exchanger having a heated fluid flow path through which a flow rate is adjusted, a flow rate adjusting unit for adjusting the flow rate of the heating fluid introduced into the heating fluid flow path, and for measuring the temperature of the heated fluid. A temperature measurement unit, and a control unit for controlling the flow rate adjustment unit, the heated fluid flow passage is divided into a plurality of small flow passages inside the heat exchanger, the temperature measurement unit, It has a plurality of temperature sensors provided in the vicinity of the outlet of at least some of the small channels in the plurality of small channels, the control unit, to a plurality of temperatures respectively measured by the plurality of temperature sensors The weighting is not equal to Calculates the average temperature of the gaseous heated fluid discharged from the exchanger, steam generator, wherein the controller controls the flow rate adjusting unit based on the average temperature.
【請求項9】 炭化水素系化合物を含む改質原料から水
素リッチな燃料ガスを生成するための燃料改質装置であ
って、 液体状改質原料を蒸発させて気体状改質原料を生成する
ための請求項1ないしの8いずれかに記載の蒸気発生装
置と、 前記気体状改質原料の改質を行う改質部と、を備える燃
料改質装置。
9. A fuel reforming apparatus for producing a hydrogen-rich fuel gas from a reforming raw material containing a hydrocarbon compound, wherein a liquid reforming raw material is vaporized to produce a gaseous reforming raw material. A fuel reformer comprising: the steam generator according to any one of claims 1 to 8; and a reformer that reforms the gaseous reforming raw material.
【請求項10】 加熱流体によって被加熱流体を加熱し
蒸発させて気体状の被加熱流体を生成するための方法で
あって、(a)前記加熱流体が流れる加熱流体流路と、
前記被加熱流体が流れる被加熱流体流路とを有するとと
もに、前記被加熱流体が主として液体状である液相部
と、前記被加熱流体が主として気体状である気相部とに
区分される熱交換器を準備する工程と、(b)前記気相
部に導入される前記加熱流体の第1の流量と、前記第2
の流量調整要素によって前記液相部に導入される前記加
熱流体の第2の流量とを、異なる種類の目標値に基づい
てそれぞれ制御する工程と、を備えることを特徴とする
蒸気発生方法。
10. A method for producing a gaseous heated fluid by heating and evaporating the heated fluid with a heating fluid, comprising: (a) a heating fluid channel through which the heating fluid flows;
A heat having a heated fluid flow path through which the heated fluid flows and divided into a liquid phase portion in which the heated fluid is mainly liquid and a vapor phase portion in which the heated fluid is mainly gaseous. A step of preparing an exchanger; (b) a first flow rate of the heating fluid introduced into the vapor phase part; and a second flow rate of the heating fluid.
Controlling the second flow rate of the heating fluid introduced into the liquid phase portion by the flow rate adjusting element based on different kinds of target values.
【請求項11】 加熱流体によって被加熱流体を加熱し
蒸発させて気体状の被加熱流体を生成するための方法で
あって、(a)前記加熱流体が流れる加熱流体流路と、
前記被加熱流体が流れる被加熱流体流路とを有するとと
もに、前記被加熱流体流路が複数の小流路に分割されて
いる熱交換器を準備する工程と、(b)前記複数の小流
路の中の少なくとも一部の小流路の出口近傍において、
複数の温度をそれぞれ測定する工程と、(c)前記複数
の温度に対して均等でない重み付けを行って前記熱交換
器から排出される気体状被加熱流体の平均温度を算出す
る工程と、(d)前記平均温度に基づいて、前記熱交換
器に供給される前記加熱流体の流量を制御する工程と、
を備えることを特徴とする蒸気発生方法。
11. A method for heating a fluid to be heated by a heating fluid and evaporating the fluid to generate a gaseous fluid to be heated, comprising: (a) a heating fluid channel through which the heating fluid flows;
Preparing a heat exchanger having a heated fluid channel through which the heated fluid flows and dividing the heated fluid channel into a plurality of small channels; and (b) the plurality of small streams. In the vicinity of the outlet of at least a part of the small passage in the passage,
Measuring each of a plurality of temperatures, (c) unequal weighting the plurality of temperatures to calculate an average temperature of the gaseous heated fluid discharged from the heat exchanger, and (d) ) Controlling the flow rate of the heating fluid supplied to the heat exchanger based on the average temperature;
A steam generating method comprising:
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