JP2003321207A - 燃料改質システム - Google Patents

燃料改質システム

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 エネルギ効率が低下することなく、再起動時
に応答性を維持する燃料改質システムを提供する。 【解決手段】 改質反応に用いられる炭化水素系原料を
含む改質原料を貯蔵する原料タンク６と、原料タンクか
ら供給される改質原料を気化する蒸発器７と、改質原料
蒸気を用いて改質ガスを生成する改質器９とから構成さ
れる燃料改質システムにおいて、蒸発器で生成された改
質原料蒸気及び／または蒸発器内に残っている液体改質
原料を蒸発器から回収する手段１０、１９を備える。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、アルコール系燃
料、炭化水素系燃料と水、過酸化水素水などの混合液で
ある改質原料を加熱蒸発させ、該改質原料蒸気の改質反
応によって水素などの可燃性のガスを主成分とする改質
ガスを生成する改質器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】改質用原料を蒸発させる蒸発器を備える
燃料改質システムにおいて、蒸発器の応答遅れに起因す
る過剰な改質原料蒸気によって改質ガスが発生すること
を、エネルギ効率を低下させることなく防止する手段と
して、例えば、特開２００１−１０８０３号公報では蒸
発器から改質器への配管途中に改質原料タンクへ通じる
配管を設け、過剰改質原料蒸気を原料タンクに戻すよう
に構成されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】従来技術では前記過剰
改質原料の回収手段として蒸発器後改質器への配管途中
に回収ラインを設けているので、回収される改質原料は
蒸気の状態で回収される。この回収方法では、蒸発器内
部で液体として残留している改質原料も気化して回収さ
れるので、液体を気化するための潜熱が消費され、エネ
ルギロスが生じていた。また、過剰改質原料が発生する
のは、システムにかかる負荷が低下し、改質器で必要な
燃料蒸気が減少するためである。改質システムの負荷が
再び増大する際、一度凝縮して原料タンクに回収した液
体改質原料の温度を再び上昇させ、気化させる必要があ
り、システム全体の応答性を阻害していた。
【０００４】このような問題点を鑑み、本発明の目的
は、エネルギ効率が低下することなく、再起動時に応答
性を維持する燃料改質システムを提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】第１の発明は、改質反応
に用いられる炭化水素系原料を含む改質原料を貯蔵する
原料タンクと、原料タンクから供給される改質原料を気
化する蒸発器と、改質原料蒸気を用いて改質ガスを生成
する改質器とから構成される燃料改質システムにおい
て、蒸発器で生成された改質原料蒸気及び／または蒸発
器内に残っている液体改質原料を蒸発器から回収する手
段を備える。
【０００６】なお、本明細書中で言う改質原料とは、少
なくとも水及び炭化水素系燃料（メタノールやガソリン
等）を含むものを指す。
【０００７】第２の発明は、第１の発明において、前記
蒸発器と原料タンクとを連通する配管から分岐する配管
を備え、蒸発器で生成された改質原料蒸気と蒸発器内に
残っている液体改質原料を回収する手段を備える。
【０００８】第３の発明は、第１または２の発明におい
て、前記蒸発器から回収された改質原料蒸気と液体改質
原料を分離する気液分離器を備える。
【０００９】第４の発明は、第３の発明において、前記
気液分離器で分離された液体改質原料を蓄えておく補助
タンクを備える。
【００１０】第５の発明は、第１から４のいずれか一つ
の発明において、前記蒸発器は、改質原料が流通する配
管と、この配管から分岐する分岐配管を備え、蒸発器で
生成された改質原料蒸気を分岐配管から回収し、蒸発器
内の液体改質原料は蒸発器内部に残留させる手段を備え
る。
【００１１】第６の発明は、第１から５のいずれか一つ
の発明において、前記蒸発器で生成された改質原料蒸気
と蒸発器内に残っている液体改質原料の少なくとも一方
を回収する流路に、所定圧力以上で流路を液体改質原料
の回収方向に開放する圧力調整手段を備える。
【００１２】第７の発明は、第１から６のいずれか一つ
のの発明において、前記蒸発器において、相対的に高温
となる部位と、相対的に低温となる部位との間に、蒸発
器自体の熱の流れを妨げる断熱材が設置される。
【００１３】第８の発明は、第１の発明において、前記
蒸発器から前記回収手段への前記蒸発器で生成された改
質原料蒸気と蒸発器内に残っている液体改質燃原料の少
なくとも一方の回収を制御する運転モードを少なくとも
２種類以上備え、車両及び／または改質器の運転状態に
応じて前記回収を制御する運転モードを切り替える。
【００１４】第９の発明は、第８の発明において、前記
蒸発器と改質器の間に設置され、改質燃料蒸気の回収を
制御する第１バルブと、前記蒸発器と前記回収手段との
間に設置され、前記蒸発器で生成された改質原料蒸気と
蒸発器内に残っている液体改質原料の少なくとも一方の
回収を制御する第２バルブとを備え、前記運転モード
は、第１バルブと第２バルブの開閉状態に基づき設定さ
れる。
【００１５】第１０の発明は、第８の発明において、前
記運転モードが蒸発器内の過剰の改質原料の回収時の状
態または回収手段によって設定される。
【００１６】第１１の発明は、第８の発明において、前
記蒸発器に温度と圧力の少なくとも一方を検出する状態
検出手段を持ち、前記運転モードは運転状態により蒸発
器内部の温度と圧力の少なくとも一方を調整して切り替
える。
【００１７】第１２の発明は、第８から１１のいずれか
一つの発明において、前記運転状態は、燃料改質システ
ムを備えた移動体の経路予測システムを用いて検出す
る。
【００１８】第１３の発明は、第８または１１の発明に
おいて、前記運転状態は、燃料改質システムを備えた移
動体のアクセル開度信号と速度信号と制動信号と方向指
示信号の少なくとも一つを用いて検出する。
【００１９】第１４の発明は、第８または１１の発明に
おいて、前記運転状態は、燃料改質システムを備えた移
動体の傾斜状態から検出する。
【００２０】第１５の発明は、第８または１１の発明に
おいて、前記運転状態は、燃料改質システムを備えた移
動体の電力貯蔵器の電力残量から検出する。
【００２１】第１６の発明は、第８または１１の発明に
おいて、前記運転状態は、前記運転モードを切り替えて
からの経過時間を用いて検出する。
【００２２】第１７の発明は、第８から１１のいずれか
一つの発明において、前記運転モードを運転者の意思で
切り替える手段を備える。
【００２３】
【発明の効果】第１の発明によれば、改質器、蒸発器、
原料タンクから構成される燃料改質システムにおいて、
蒸発器で生成された改質原料蒸気と蒸発器内に残ってい
る液体改質改質原料の少なくとも一方を蒸発器から回収
する手段を備えているので、蒸発器の応答遅れに起因す
る過剰改質原料蒸気を回収すると同時に、蒸発器内に残
留している液体改質原料を蒸発させる潜熱分のエネルギ
ロスを防ぐことができる。また再起動時、別個に回収し
た高温の液体改質原料を蒸発器に供給することにより改
質器負荷応答性が向上する。
【００２４】第２の発明によれば、蒸発器と原料タンク
とを連通する配管から分岐する配管を備え、蒸発器で生
成された改質原料蒸気と蒸発器内に残っている液体改質
原料を回収する手段を備えるので、蒸発器出口を閉じ
る、または絞ることにより、蒸発器の応答遅れに起因す
る過剰な改質原料蒸気および残留液体改質原料を、蒸発
器内部の圧力上昇を利用して回収することができる。
【００２５】第３の発明によれば、蒸発器から回収され
た改質原料蒸気と液体改質原料を分離する気液分離器を
備えるので、蒸発器から回収した過剰な改質原料蒸気お
よび残留液体改質原料を分離することができる。
【００２６】第４の発明によれば、気液分離器で分離さ
れた液体改質原料を蓄えておく補助タンクを備えるの
で、蒸発器から回収され改質原料蒸気から分離された高
温の液体改質原料を補助タンクに蓄えることが可能とな
る。改質システム再起動時、補助タンクに蓄えられた高
温液体改質原料を用いることで、高応答性を確保し、液
体改質原料温度上昇分の顕熱に相当するエネルギを節約
することができる。
【００２７】第５の発明によれば、蒸発器は改質原料が
流通する配管と、この配管から分岐する分岐配管を備
え、蒸発器で生成された改質原料蒸気を分岐配管から回
収し、蒸発器内の液体改質原料は蒸発器内部に残留させ
る手段を備えるので、蒸発器出口を閉じる、または絞る
ことにより蒸発器の応答遅れに起因する過剰な改質原料
蒸気を選択的に蒸発器内部の圧力上昇を利用して回収す
ることができる。この際に液体改質原料は蒸発器内に高
温を保ったまま残留するので改質システムの再起動時の
応答性が向上し、かつ液体改質原料温度上昇分の顕熱に
相当するエネルギを節約することができる。
【００２８】第６の発明によれば、蒸発器で生成された
改質原料蒸気と蒸発器内に残っている液体改質原料の少
なくとも一方を回収する流路に、所定圧力以上で流路を
液体改質原料の回収方向に開放する圧力調整手段を備え
るので、蒸発器内部の圧力過上昇を防ぐことが可能であ
り、蒸発器の故障を避けることができる。
【００２９】第７の発明によれば、蒸発器において、相
対的に高温となる部位と、相対的に低温となる部位との
間に、蒸発器自体の熱の流れを妨げる断熱材が設置され
るので、蒸発器待機時、蒸発器温度が均一になるのを妨
げ、蒸発器内部に貯留されている液体改質原料が蒸発す
る時間を遅らせることができる。このことにより待機
時、蒸発器の保持している熱が液体改質原料の蒸発に消
費されるのを遅らせることができるので、長時間停止
後、再起動時の蒸発器応答性確保を図ることができる。
さらに再度蒸発器を暖機するための熱量が削減されるの
で、エネルギロス低減も見込める。
【００３０】第８の発明によれば、蒸発器から前記回収
手段への前記蒸発器で生成された改質原料蒸気と蒸発器
内に残っている液体改質燃原料の少なくとも一方の回収
を制御する運転モードを少なくとも２種類以上備え、車
両及び／または改質器の運転状態に応じて前記回収を制
御する運転モードを切り替えるので、運転状態を判別す
ることで、よりエネルギロスの少ない蒸発器に関する待
機方法を選択することができる。
【００３１】第９の発明によれば、蒸発器と改質器の間
に設置され、改質燃料蒸気の回収を制御する第１バルブ
と、蒸発器と回収手段との間に設置され、蒸発器で生成
された改質原料蒸気と蒸発器内に残っている液体改質原
料の少なくとも一方の回収を制御する第２バルブとを備
え、前記運転モードは、第１バルブと第２バルブの開閉
状態に基づき設定されるので、効率よく蒸発器から改質
燃料を回収することができる。
【００３２】第１０の発明によれば、運転モードが蒸発
器内の過剰の改質原料の回収時の状態または回収手段に
よって設定されるので、回収時の原料の状態が気体であ
るか液体であるか、蒸発器内での液体改質原料の有無と
いった状態の中から運転状態に最適な待機方法を選択で
きる。
【００３３】第１１の発明によれば、蒸発器に温度と圧
力の少なくとも一方を検出する状態検出手段を持ち、前
記運転モードは運転状態により蒸発器内部の温度と圧力
の少なくとも一方を調整して切り替えるので、運転状態
により負荷要求に応じた温度と圧力に蒸発器内部をコン
トロールすることができる。
【００３４】第１２の発明によれば、運転状態は、燃料
改質システムを備えた移動体の経路予測システムを用い
て検出するので、走行中の道路地形情報や交通情報に応
じて応答性とエネルギ効率を両立した蒸発器内部の温度
と圧力状態にコントロールすることができる。
【００３５】第１３の発明によれば、運転状態は、燃料
改質システムを備えた移動体のアクセル開度信号と速度
信号と制動信号と方向指示信号の少なくとも一つを用い
て検出するので、運転者の入力情報に応じて応答性とエ
ネルギ効率を両立した蒸発器内部の温度と圧力状態にコ
ントロールすることができる。
【００３６】第１４の発明によれば、運転状態は、燃料
改質システムを備えた移動体の傾斜状態から検出するの
で、移動体システムの傾斜状態に応じて応答性とエネル
ギ効率を両立した蒸発器内部の温度と圧力状態にコント
ロールすることができる。
【００３７】第１５の発明によれば、運転状態は、燃料
改質システムを備えた移動体の電力貯蔵器の電力残量か
ら検出するので、電力残量に応じて蒸発器内の温度と圧
力状態をコントロールし、応答性とエネルギ効率を確保
できる。
【００３８】第１６の発明によれば、運転状態は、前記
運転モードを切り替えてからの経過時間を用いて検出す
るので、例えば、エネルギ的なロスが多いが応答性の優
れた短時間停止に適した運転モードからエネルギロスが
ないものの応答に時間のかかる長時間停止に適した運転
モードに切り替える際に、短時間停止運転状態になって
からの時間を用いることで自動的に長時間停止状態に入
ることができる。
【００３９】第１７の発明によれば、運転モードを運転
者の意思で切り替える手段を備えるので、例えば、長時
間停車が前もって予測される場合には、エネルギロスが
ない長時間停止に適した運転モードに最初から切り替え
る。
【００４０】
【発明の実施の形態】図１に本発明のパワープラントシ
ステム全体の構成例、図２にパワープラントを構成する
燃料改質システム１の構成例、図３に燃料改質システム
１で用いられる典型的な蒸発器の構成図を模式的に示
す。
【００４１】図１に示すパワープラントシステムは、液
体改質原料から高純度水素を作り出す燃料改質システム
１と、燃料改質システム１で生成された高純度水素と空
気の反応を電気化学的に行い電力を取り出す燃料電池２
と、燃料電池２で発電された電気エネルギを運動エネル
ギに変換するモータ３と、燃料電池２で応答しきれない
負荷変動に補助的に応えるバッテリ４と、これらのシス
テム要素の出力を負荷に応じて最適化するコントロール
ユニット５とからなる。ここでモータ３が車輪を駆動す
ることで、車両が走行する。
【００４２】図２は、燃料改質システム１の構成を説明
する図である。燃料改質システム１は、液体改質原料を
貯蔵する原料タンク６と、原料タンク６から液体改質原
料を蒸発器７に供給するための第１燃料ポンプ８と、液
体改質原料を気化し、改質原料蒸気にする蒸発器７、液
体改質原料を改質させて水素などの可燃性ガスを主成分
とする改質ガスを発生させる改質器９とを備える。さら
に改質反応を行わない過剰改質原料蒸気と蒸発器内部に
残留している液体改質原料を回収する際にこの２種類を
分離する気液分離器１０と、この気液分離器１０で分離
された比較的高温の液体改質原料を貯蔵する高温原料タ
ンク（補助タンク）１１と、高温原料タンク１１から蒸
発器７へ液体改質原料を輸送する第２燃料ポンプ１２
と、気液分離器１０で分離された改質原料蒸気を液化
し、液化した改質原料を原料タンク６に供給する凝縮器
１３と、蒸発器７の故障を防ぐために一定圧以上で蒸発
器内部の圧力を開放するリリーフ弁１４と、蒸発器７内
部の温度、圧力を計測する温度センサ１５と、圧力セン
サ１６とからなる。さらに蒸発器７から改質器９への改
質原料蒸気の流量を制御する第１バルブ１７と、蒸発器
７から気液分離器１０への過剰改質原料蒸気と液体改質
原料の流量を制御する第２バルブ１８が設置される。
【００４３】なお、本改質システムで用いられる改質原
料とは、メタノールに代表されるアルコール系燃料、ガ
ソリンに代表される炭化水素系燃料と、水や過酸化水素
水などを予め所定の割合で混合させた混合液を指すもの
とする。本実施形態では、メタノールを燃料として説明
する。
【００４４】原料タンク６から第１燃料ポンプ８を通じ
て液体改質原料が蒸発器７に供給される。図２では簡便
のため原料タンク６が１個のみ描かれているが、本実施
形態のように予め一定の割合に混合したメタノール・水
混合液を原料タンクに供給してもよく、原料タンクの上
流に水貯蔵用とメタノール貯蔵用２組のタンクを持って
一定の割合で混ざるような機構にしてもよい。また燃料
電池２での電気化学反応時の生成物である水を改質に用
いることも考えられる。その場合にはメタノール貯蔵用
のメタノールと生成物の水が一定で混ざるような機構が
必要となる。
【００４５】蒸発器７に送られた液体改質原料は、改質
システム中の高温となる構成との熱交換などの手段によ
り気化される。蒸発器７の内部構造の一例を図３に示
す。
【００４６】この例では液体改質原料は蒸発器７下部か
ら入り、蒸発器内部の発熱体７ａから熱を供給されて燃
料蒸気となって出口配管を通る構造となっている。水と
メタノールの改質原料蒸気は改質器９へ供給される。改
質器で行われる反応は水蒸気改質反応だけでもよいし、
吸熱反応である水蒸気改質反応と発熱反応である部分酸
化反応の両方をバランスさせるいわゆるオートサーマル
反応（ＡＴＲ）でもよい。これらの反応により得られる
水素リッチな改質ガスは、燃料電池２の触媒に悪影響を
与える一酸化炭素（以下、ＣＯと示す。）を含むので水
素分離膜精製、ＣＯ選択酸化反応、シフト反応などのＣ
Ｏ除去手段によりＣＯ濃度を低下させた後、燃料電池へ
供給される。また、蒸発器７内の下部に残留する液体改
質原料と過剰の改質原料蒸気は気液分離器１０に送られ
る。
【００４７】次に本実施形態の作用について図２、３を
用いて説明する。
【００４８】定常状態でパワープラントシステムが運転
されている状態からシステムへの負荷が小さくなる場合
に、蒸発器７がシステムの負荷低下の要求に対応しきれ
ず要求に対して過剰な改質原料蒸気を改質器９に供給す
る。この過剰供給を防止するために図３の第１バルブ１
７を閉じまたは絞り、第２バルブ１８を開ける。この操
作により、蒸発器７内の圧力が上昇し、蒸発器上部に貯
留している過剰改質原料蒸気および蒸発器下部に貯留し
ている液体改質原料が、第２バルブ１８を通って気液分
離器１０へ供給されるので、改質原料蒸気は負荷の要求
する適正量に調整される。燃料改質システム１の応答性
は蒸発器７の応答性に依存しており、したがって、負荷
低下時の燃料改質システム１の応答性は確保できる。
【００４９】気液分離器１０では液体改質原料と改質原
料蒸気との分離が行われ、液体改質原料は高温を保った
まま高温原料タンク１１ヘ送られ貯蔵される。一方、気
液分離器１０で分離された改質原料蒸気は凝縮器１３で
液体に戻された後、原料タンク６ヘ回収される。高温原
料タンク１１に蓄えられる比較的高温の液体改質原料
は、再始動時などの改質器９が改質原料蒸気を必要とす
る際に再度蒸発器７に送られるため再起動時の燃料改質
システムの応答性を向上できる。
【００５０】高温の液体改質原料を蒸発器７に供給する
ことにより蒸発器７を加熱し、蒸発器７で再度液体改質
原料温度を上昇するためのエネルギロス、タイムロスが
軽減される。タイムロスを軽減することができればバッ
テリ４にかかる負担が少なくなるという効果も得られ
る。また、気液分離器１０と高温原料タンク１１は別体
として説明したが、気液分離器１０が高温原料タンクを
兼ねる構成としてもよい。
【００５１】本実施形態では、負荷変動時の燃料改質シ
ステム１の応答遅れに起因するバッテリ負荷軽減のた
め、つまり負荷変動に追従できない燃料電池の余剰出力
をバッテリ４が充電する必要があり、このときのバッテ
リ４の負荷の低減のため、過剰改質原料の処理方法に関
する燃料改質システム１の運転モードを以下の４種類に
分ける。本実施例では、４つの運転モードを説明する
が、少なくとも２つの運転モードを備え、切り替えるよ
うにしてもよい。運転モードは、蒸発器７の下流に設置
した第１、第２バルブの開度を調整して蒸発器７内の圧
力（または温度）を制御し、蒸発器７から気液分離器１
０への改質燃料の回収を制御する方法と、回収時の蒸発
器の運転の方法をシステムの負荷等運転状態に応じて設
定したものである。 １．運転モード１（高負荷モード） 図２の第１バルブ１７、第２バルブ１８共に絞り、また
は閉じて蒸発器内部の圧力を上昇させる。圧力が上昇し
ているので蒸発器内部が蒸気で満たされていれば、より
多くの改質原料蒸気を蓄えることができる。しかし反
面、高圧下では沸点が上昇するので、この操作のために
は蒸発器７をより高温に保つ必要がある。つまりこのモ
ードは、改質原料蒸気を生成させながらも利用せず排熱
してしまうエネルギが多く燃費は悪い。しかし改質器９
が改質原料蒸気を供給とする際の高応答性は確保でき
る。圧力過上昇による蒸発器７の故障防止には、圧力セ
ンサ１６により蒸発器内部圧力を監視して所定圧以上の
ときに第１、２バルブ１７、１８の開度を大きくして防
止したり、または設定圧以上で作動するリリーフ弁１４
を設けることで可能である。 ２．運転モード２（低負荷モード） 図２の第１バルブ１７を絞り、または閉じ、第２バルブ
１８を開く。蒸発器内部の改質原料蒸気が圧力上昇する
ことにより、蒸発器下部に貯留している液体改質原料と
蒸発器上部に貯留している改質原料蒸気が同時に気液分
離器１０へ送られる。液体改質原料と改質原料蒸気は気
液分離器１０で分離される。液体改質原料は高温を保っ
たまま高温原料タンク１１で保存され、再始動時などの
改質器９が改質原料蒸気を必要とする際に再度蒸発器７
に送られる。改質原料蒸気は凝縮器で液体に戻された後
に原料タンク６ヘ回収される。この運転モード２はエネ
ルギロスが運転モード１（高負荷モード）に比べて少な
く低燃費であるが、蒸発器内部が大気圧であるため再始
動時の応答性が運転モード１に比べて低い。 ３．運転モード３（短時間停止モード） シークエンスは運転モード２とほぼ同じであるが、バル
ブ操作後蒸発器７の加熱を停止する点が異なる。この蒸
発器の加熱を停止する操作により蒸発器７を保温するエ
ネルギ分のロスを防ぐことができる。しかし、再起動時
に蒸発器７が前記２つの運転モードより低温となってい
るため、再加熱時の必要熱量が大きくなり、加熱に必要
な時間が長くなるので応答性は、前記２つの運転モード
よりも劣る。最低限の応答性を確保するため、蒸発器７
の温度の下限閾値Ｔ０を定めて、蒸発器７の温度がＴ０
以下にならないように、温度センサ１５で監視しながら
ヒータなどの手段で温度を調整する。この運転モード３
は信号待ちなどの比較的短時間停止時に用いられる。 ４．運転モード４（長時間停止モード） 運転モード３のシークエンスで温度閾値Ｔ０をなくした
もので、改質原料蒸気を回収した後にシステム全体が停
止するようにする。この運転モード４は、長時間停止時
に用いられる。
【００５２】この４種類のモードの使い分けについてコ
ントロールユニット５が実施する制御内容を図４のフロ
ーチャートを用いて説明する。
【００５３】まず、ステップ１で図１に図示されない３
次元ナビゲーションシステム、交通情報などの経路予測
手段を用いて、おおまかな走行状態（運転モード）の予
測を行う。具体的な例を以下にいくつか列挙する。 加速減速が頻繁に繰り返されると予想されるとき（山
岳道路走行など）は運転モード１を用いる。 ある程度定速で走行することが予想されるとき（穏や
かな市街走行など）には運転モード２を用いる。 市街走行から高速道路の料金所に入り、高速走行に入
るため大きな負荷が予想される場合には運転モードを２
から１に切り替える。 ナビゲーションシステムにより信号の手前で停止する
ことがあらかじめ予想される場合は運転モードを３に切
り替える。
【００５４】続くステップ２、３で３次元ナビゲーショ
ンシステムの情報をもとに必要とされる駆動力、必要電
力を計算する。ステップ４では、各種センサ（例えば、
蒸発器７内の温度を検出するセンサ１５、蒸発器７内の
圧力を検出するセンサ１６、燃料改質システムを搭載し
た車両の車速を検出するセンサ、車両のアクセル開度を
検出するセンサ、走行時の車両の傾斜を検出するセン
サ、方向指示器の表示状態を検出するセンサ、バッテリ
４の残容量を検出するセンサ、運転モードが切り替わっ
てからの経過時間を計測するタイマなど）からの入力値
に基づいて運転状態を検出する。
【００５５】実施形態として、詳しくは、 蒸発器に温度と圧力の少なくとも一方を検出し、この
検出された運転状態により蒸発器内部の温度と圧力の少
なくとも一方を調整するので、運転状態により負荷要求
に応じた温度と圧力に蒸発器内部をコントロールするこ
とができる。 ナビゲーションシステムなどの道路地形情報および交
通情報に基づき運転状態を判別しているので、走行中の
道路地形情報や交通情報に応じて応答性とエネルギ効率
を両立した蒸発器内部の温度と圧力状態にコントロール
することができる。 アクセル開度信号と速度信号と制動信号と方向指示信
号の少なくとも一つを用いて運転状態を判別するので、
運転者の入力情報に応じて応答性とエネルギ効率を両立
した蒸発器内部の温度と圧力状態にコントロールするこ
とができる。 移動体の傾斜状態に基づき運転状態を判別するので、
移動体の傾斜状態に応じて応答性とエネルギ効率を両立
した蒸発器内部の温度と圧力状態にコントロールするこ
とができる。 応答性補助のために移動体にバッテリなどの電力貯蔵
器を備える場合、運転状態はバッテリ内部の電力残量に
基づき判別できるので、電力残量に応じて蒸発器内の温
度と圧力状態をコントロールし、応答性とエネルギ効率
を確保できる。 運転状態は、燃料改質システムの運転モード（蒸発器
内部の圧力と温度の少なくとも一方の調整方法）を切り
替えてからの経過時間としているので、例えば、エネル
ギ的なロスが多いが応答性の優れた短時間停止に適した
運転モードからエネルギロスがないものの応答に時間の
かかる長時間停止に適した運転モードに切り替える際
に、短時間停止運転状態になってからの時間を用いるこ
とで自動的に長時間停止状態に入ることができる、 等が特徴点である。
【００５６】次にステップ５でステップ２、３の計算結
果と運転状態から随時運転モード１から４のいずれかを
判断し、判断された運転モードに基づき燃料改質システ
ムを制御する（ステップ６から９）。例えば、 方向指示信号を右に出しながら交差点で停止している
場合は、右折待ちと判断して応答性のよい運転モード１
を選択する。 運転者のアクセル開度が大きい場合には、道路状況が
燃費のよい運転モード２できる状態にあっても、応答性
のよい運転モード１を選択する。 傾斜センサから傾斜の大きい場所だと判断された場合
には運転モード１を選択する。 バッテリ４の電力残量センサからバッテリ残量が少な
いと判断された場合には運転モード１を選択する。 ３次元ナビゲーションシステムにより、駐車場に停止
したと認識され、そこで移動体システムのスイッチがＯ
ＦＦにされた際には、短時間停車と判断されて運転モー
ド３を選択する。さらに、例えば時間的な閾値Ｔ１を定
めておきタイマによって長時間停止と判断する。長時間
停車と判断された場合にはそこから運転モード４に切り
替えられる。 などが具体的な例として考えられる。
【００５７】このように、運転状態に応じて運転モード
を選択することにより、エネルギロスの少ない運転モー
ドで運転することができる。
【００５８】また、運転者自身が運転モードを任意に選
択できる運転モード１〜４のすべてまたはいずれか３種
類もしくは２種類の運転モードの切り替えスイッチを備
えてもよい。例えば、自宅に止めるなど運転者が長時間
停車することが予め予測される場合には、切り替えスイ
ッチにより運転モード３を飛ばして運転モード４に切り
替えることができる。
【００５９】したがって、本実施の形態によれば、蒸発
器で生成された改質原料蒸気と蒸発器内に残っている液
体改質改質原料の少なくとも一方を回収する手段を備え
るので、蒸発器の応答遅れに起因する過剰改質原料蒸気
を回収すると同時に、蒸発器内に残留している液体改質
原料を蒸発させる潜熱分のエネルギロスを防ぐことがで
きる。また再起動時、別個に回収した高温の液体改質原
料を蒸発器に供給することにより改質器負荷応答性が向
上する。
【００６０】また、蒸発器７から回収された改質原料蒸
気と液体改質原料を分離する気液分離器１０を備えるの
で、蒸発器から回収した過剰な改質原料蒸気および残留
液体改質原料を分離することができる。
【００６１】気液分離器１０で分離された液体改質原料
を蓄えておく高温原料タンク１１を備えるので、蒸発器
７から回収され改質原料蒸気から分離された高温の液体
改質原料を高温原料タンク１１に蓄えることが可能とな
る。改質システム再起動時、高温原料タンク１１に蓄え
られた高温液体改質原料を用いることで、蒸発器７の高
応答性を確保し、液体改質原料温度上昇分の顕熱に相当
するエネルギを節約することができる。
【００６２】また、蒸発器で生成された改質原料蒸気と
蒸発器内に残っている液体改質原料の少なくとも一方を
回収する流路に、所定圧力以上で流路を液体改質原料の
回収方向に開放するリリーフ弁１４（圧力調整手段）を
備えるので、蒸発器内部の圧力過上昇を防ぐことが可能
であり、蒸発器７の故障を避けることができる。
【００６３】燃料改質システムの運転モードを少なくと
も２種類以上有し、運転状態に応じて最適な運転モード
に切り替えるので、運転状態を判別することで、よりエ
ネルギロスの少ない蒸発器７に関する待機方法を選択す
ることができる。
【００６４】運転モードが蒸発器内の過剰の改質原料の
回収時の状態または回収手段によって切り替えるので、
回収時の原料の状態が気体であるか液体であるか、蒸発
器内での液体改質原料の有無といった状態の中から運転
状態に最適な運転モードを選択できる。
【００６５】運転者の意思により運転モードを切り替え
る構成を有するので、例えば、長時間停車が前もって予
測される場合には、エネルギロスがない長時間停止に適
した運転モードに最初から切り替えることができる。
【００６６】図５は、第２実施形態の燃料改質システム
構成例である。第１実施形態と比較して気液分離器１
０、高温原料タンク１１、第２燃料ポンプ１２を削除
し、蒸発器７と凝縮器１３を直接連通するようにした点
が異なる。パワープラントシステム全体の構成例は、第
１実施形態と共通とする。
【００６７】図６は、第２の実施形態のシステムで用い
られる典型的な蒸発器７の模式図である。本実施形態で
は第１の実施形態の蒸発器と異なり、熱交換タイプの蒸
発器７としているので、蒸発器内の液体改質原料は複数
の通路内を通過する途中で熱媒との熱交換が効率よく行
われるように、熱媒に接触する比表面積を大きくとる構
造となっている。
【００６８】第１実施形態との相違点は、蒸発器７の応
答遅れに起因する過剰改質原料蒸気が生じたとき、第１
実施形態とは異なりデッドスペースの高温液体改質原料
を蒸発器内に残し、改質原料蒸気だけを凝縮器１３を通
じて原料タンク６に回収するための分岐配管１９を蒸発
器７の内部に備えていることである。ここで、デッドス
ペースとは、液体改質原料の分配部や液体が相変化せず
に加熱される部位である。これにより構成が簡素化され
るだけでなく、液体改質原料が高温原料タンクから蒸発
器７へ移動するタイムラグがなくなり、燃料改質システ
ム１の応答性がさらに向上する。
【００６９】また、本実施形態の蒸発器７において液体
燃料が蒸発する部位の温度を高く保ち、液体改質原料温
度を上げる部位を低温にできるように断熱材７ｂを用い
てもよく、その構造模式図を図７に示す。その結果、蒸
発器７には、高温となる部位（主に下流側）と低温とな
る部位（主に上流側液相領域）との間に蒸発器自体の熱
の流れを妨げるように断熱材が用いられるので、蒸発器
待機時、蒸発器温度が均一になるのを妨げ、蒸発器内部
に貯留されている液体改質原料が蒸発する時間を遅らせ
ることができる。このことにより待機時、蒸発器７の保
持している熱が液体改質原料の蒸発に消費されるのを遅
らせることができるので、長時間停止後、再起動時の蒸
発器７の応答性確保を図ることができる。さらに再度蒸
発器７を暖機するための熱量が削減されるので、エネル
ギロス低減も見込める。
【００７０】本実施形態における過剰改質原料の処理方
法に関する燃料改質システム１の運転モードを以下のよ
うに分類する。 １．第１運転モード（高負荷モード） 図５の第１バルブ１７、第２バルブ１８共に絞り、また
は閉じて蒸発器内部の圧力を上昇させる。圧力が上昇し
ているので蒸発器内部が蒸気で満たされていれば、より
多くの改質原料蒸気を蓄えることができる。しかし反
面、高圧下では沸点が上昇するので、この操作のために
は蒸発器７をより高温に保つ必要がある。つまりこのモ
ードは改質原料蒸気を生成させながらも利用せず排熱し
てしまうエネルギが多く燃費は悪いが、改質器９が改質
原料蒸気を必要とする際の高応答性は確保できる。圧力
過上昇による蒸発器破損防止は、第１の実施形態と同様
に実施する。 ２．第２運転モード（低負荷モード） 図５の第１バルブ１７を絞り、または閉じ、第２バルブ
１８を開く。蒸発器７内部の改質原料蒸気の圧力上昇に
より、気体領域と液体から気体へ相変化する領域の改質
原料が回収される。回収された改質原料は、凝縮器１３
で液体に戻された後に原料タンク６ヘ回収される。蒸発
器７の内部に残る高温液体改質原料は、再びパワープラ
ントシステムに負荷がかかる際に用いられる。このモー
ドはエネルギロスが高負荷モードに比べて少なく低燃費
であるが、蒸発器内部が大気圧であるため再始動時の応
答性が運転モード１に比べて低い。 ３．第３運転モード（短時間停止モード） シークエンスは運転モード２とほぼ同じであるが、バル
ブ操作後に蒸発器７の加熱を停止する。この操作により
蒸発器７を保温するエネルギ分のロスを防ぐことができ
る。しかし、再起動時に蒸発器７の加熱のためのタイム
ラグが生じるので応答性は前記２つの運転モードよりも
劣る。第１実施形態と同様に、最低限の応答性を確保す
るため、蒸発器７の温度の下限閾値Ｔ０を定めて蒸発器
７の温度がＴ０以下にならないように、温度センサ１５
で監視しながらヒータなどの手段で温度を調整してもよ
い。このモードは信号待ちなどの比較的短時間停止時に
用いられる。 ４．第４運転モード（長時間停止モード） このモードは、第３運転モードのシークエンスで温度閾
値Ｔ０をなくしたものである。改質原料蒸気を回収した
後にシステム全体が停止するため、長時間停止時に用い
られる。
【００７１】これらのモードの使い分けは第１の実施形
態に示す図４のフローチャートと同様である。
【００７２】本実施形態の蒸発器７は、熱交換形の蒸発
器であって、改質原料が流通する配管と、この配管から
分岐する分岐配管１９を備え、蒸発器７で生成された改
質原料蒸気を分岐配管１９から回収し、蒸発器内の液体
改質原料は蒸発器内部に残留させる構成としたので、蒸
発器出口を第１バルブ１７によって閉じる、または絞る
ことにより蒸発器の応答遅れに起因する過剰な改質原料
蒸気を選択的に蒸発器内部の圧力上昇を利用して回収す
ることができる。この際に液体改質原料は蒸発器内に高
温を保ったまま残留するので改質システムの再起動時の
応答性が向上し、かつ液体改質原料温度上昇分の顕熱に
相当するエネルギを節約することができる。
【００７３】図８は、第３の実施形態の燃料改質システ
ム１のシステム図を示し、図９は、蒸発器７の典型的な
模式図を示す。本実施形態の蒸発器７は、第２実施形態
の蒸発器７上流に蒸発器７を経由せずに改質原料を回収
するための改質原料回収ライン２０を設け、改質原料回
収ラインを２系統並列にしたもの、つまり蒸発器７を経
由して回収される系統と蒸発器７を経由せずに回収され
る系統としたものである。パワープラントシステム全体
の構成例は第１実施形態と共通とする。なお改質原料回
収ライン２０には、改質原料の流量を制御する第３バル
ブ２１が設置される。
【００７４】本実施形態は、燃料改質システム１が長時
間停止時に蒸発器７の内部に残留する液体改質原料が蒸
発器７の持つ熱量を奪うことを防止するため、長期間停
止モード時は蒸発器上流の配管２０から改質原料を回収
することを特徴とする。このことにより、比較的長時間
停止時の応答性を確保しながらエネルギロスを防ぐこと
が可能である。
【００７５】本実施形態における過剰改質原料の処理方
法に関する燃料改質システムの運転モードを以下のよう
に分類する。 １．第１運転モード（高負荷モード） 図９の第１バルブ１７、第２バルブ１８、第３バルブ２
１共に絞り、または閉じて蒸発器７の内部圧力を上昇さ
せる。圧力が上昇しているので蒸発器７内部が蒸気で満
たされていれば、より多くの改質原料蒸気を蓄えること
ができる。しかし、反面高圧下では沸点が上昇するの
で、この操作のためには蒸発器７をより高温に保つ必要
がある。つまり、このモードは改質原料蒸気を生成させ
ながらも利用せず排熱してしまうエネルギが多く燃費は
悪いが、改質器７が改質原料蒸気を必要とする際の高応
答性は確保できる。圧力過上昇による蒸発器の故障防止
は、第１の実施形態と同様に実施する。 ２．第２運転モード（低負荷モード） 図９の第１バルブ１７を絞り、または閉じ、第２バルブ
１８を開き、第３バルブ２１を閉じる。蒸発器７内部の
改質原料蒸気圧力が上昇することにより、気体領域と液
体から気体へ相変化する領域の改質原料が回収される。
回収された改質原料は、凝縮器１３で液体に戻された
後、原料タンク６ヘ回収される。蒸発器７の内部に残る
高温液体改質原料は、再びパワープラントシステムに負
荷がかかる際に用いられる。このモードはエネルギロス
が高負荷モードに比べて少なく低燃費であるが、蒸発器
内部が大気圧であるため再始動時の応答性が運転モード
１に比べて低い。 ３．第３運転モード（短時間停止モード） シークエンスは第２運転モードとほぼ同じであるが、操
作後に蒸発器加熱を停止する。この操作により蒸発器７
を保温するエネルギ分のロスを防ぐことができる。しか
し、再起動時に蒸発器７の加熱のためのタイムラグが生
じるので応答性は前記２つの第１、第２運転モードより
も劣る。第１実施形態と同様に、最低限の応答性を確保
するため、蒸発器７の温度の下限閾値Ｔ０を定めて蒸発
器７の温度がＴ０以下にならないように、温度センサ１
５で監視しながらヒータなどの手段で温度を調整しても
よい。このモードは信号待ちなどの比較的短時間停止時
に用いられる。 ４．第４運転モード（長時間停止モード） 図９の第１バルブ１７を絞り、または閉じ、第２バルブ
１８を閉じ、第３バルブ２１を開く。蒸発器７内部の改
質原料蒸気の圧力が上昇することにより、蒸発器７下部
に貯留している液体改質原料と蒸発器上部に貯留してい
る改質原料蒸気が同時に気液分離器１０へ送られる。液
体改質原料と改質原料蒸気は気液分離器１０で分離され
る。液体改質原料は高温を保ったまま高温原料タンク１
１で保存され、再始動時などの改質器９が改質原料蒸気
を必要とする際に再度蒸発器７に送られる。改質原料蒸
気は凝縮器１３で液体に戻された後に原料タンク６ヘ回
収される。操作後、蒸発器７の加熱を停止する。
【００７６】これらの運転モードの使い分けは第１実施
形態の図４のフローチャートと同様である。
【００７７】第３の実施形態によれば、蒸発器７と原料
タンク６とを連通する配管から分岐する回収ライン２０
を備え、蒸発器で生成された改質原料蒸気と蒸発器内に
残っている液体改質原料を回収する気液分離器１０を備
えるので、蒸発器出口を第１バルブ１７を閉じる、また
は絞り、第２バルブ１８を閉じることにより、蒸発器７
の応答遅れに起因する過剰な改質原料蒸気および残留液
体改質原料を、蒸発器内部の圧力上昇を利用して回収す
ることができる。
【００７８】以上、第１、第２、第３の実施形態を詳し
く説明してきたが、これらのシステム構成、文言に限定
されるものではない。例えば改質ガスのエネルギ変換装
置は燃料電池２、電力貯蔵装置はバッテリ４を実施形態
に出したが、これらはそれぞれ改質ガスエンジン、キャ
パシタなど同様の機能を果たすものでもよい。また、パ
ワープラントシステムは負荷変動補助のためのバッテリ
を含まない構成であってもよい。また、第２実施形態で
述べた燃料が蒸発する部位の温度を高く保ち、液体改質
原料温度を上げる部位を低温にできるように断熱材７ｂ
を用いる構成は、第３実施形態に適用してもよい。ま
た、第３実施形態では、蒸発器７上流の分岐配管２０と
蒸発器内部の分岐配管１９を同時に設けて、運転状態に
より過剰改質原料の通る配管を切り替えるという構成と
した。しかし、蒸発器７と改質器９とを連通する配管の
途中で分岐配管を設けて過剰改質原料を蒸気で回収する
という経路も含めて、これら３通りの全て、またはこれ
らの組み合わせによる２通りの経路を運転状態により切
り替え、蒸発器内の温度、圧力条件を含めた最適な運転
モードを選択するようにしてもよい。
【００７９】本発明は、上記した実施形態に限定される
ものではなく、本発明の技術的思想の範囲内でさまざま
な変更がなしうることは明白である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用したパワープラントシステムの構
成図である。
【図２】本発明の燃料改質システムの構成図である。
【図３】本発明の蒸発器の構成図である。
【図４】運転モード選択を説明するフローチャート図で
ある。
【図５】第２の実施形態の燃料改質システムの構成図で
ある。
【図６】第２の実施形態の蒸発器の構成図である。
【図７】第２の実施形態の蒸発器の他の構成図である。
【図８】第３の実施形態の燃料改質システムの構成図で
ある。
【図９】第３の実施形態の蒸発器の構成図である。
【符号の説明】
１ 燃料改質システム ２ 燃料電池 ３ モータ ４ バッテリ ５ コントロールユニット ６ 原料タンク ７ 蒸発器 ９ 改質器 １０ 気液分離器 １１ 高温原料タンク １３ 凝縮器
───────────────────────────────────────────────────── 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 Ｆターム(参考） 4G140 EA02 EA03 EA05 EA06 EB03 EB04 EB43 5H027 AA02 BA01 MM26

Claims (17)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】改質反応に用いられる炭化水素系原料を含
    む改質原料を貯蔵する原料タンクと、 原料タンクから供給される改質原料を気化する蒸発器
    と、 改質原料蒸気を用いて改質ガスを生成する改質器と、か
    ら構成される燃料改質システムにおいて、 蒸発器で生成された改質原料蒸気及び／または蒸発器内
    に残っている液体改質原料を蒸発器から回収する手段を
    備えることを特徴とする燃料改質システム。
  2. 【請求項２】前記蒸発器と原料タンクとを連通する配管
    から分岐する配管を備え、蒸発器で生成された改質原料
    蒸気と蒸発器内に残っている液体改質原料を回収する手
    段を備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料改質
    システム。
  3. 【請求項３】前記蒸発器から回収された改質原料蒸気と
    液体改質原料を分離する気液分離器を備えることを特徴
    とする請求項１または２に記載の燃料改質システム。
  4. 【請求項４】前記気液分離器で分離された液体改質原料
    を蓄えておく補助タンクを備えることを特徴とする請求
    項３に記載の燃料改質システム。
  5. 【請求項５】前記蒸発器は、改質原料が流通する配管
    と、この配管から分岐する分岐配管を備え、蒸発器で生
    成された改質原料蒸気を分岐配管から回収し、蒸発器内
    の液体改質原料は蒸発器内部に残留させる手段を備える
    ことを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載
    の燃料改質システム。
  6. 【請求項６】前記蒸発器で生成された改質原料蒸気と蒸
    発器内に残っている液体改質原料の少なくとも一方を回
    収する流路に、所定圧力以上で流路を液体改質原料の回
    収方向に開放する圧力調整手段を備えることを特徴とす
    る請求項１から５のいずれか一つに記載の燃料改質シス
    テム。
  7. 【請求項７】前記蒸発器において、相対的に高温となる
    部位と、相対的に低温となる部位との間に、蒸発器自体
    の熱の流れを妨げる断熱材が設置されることを特徴とす
    る請求項１から６のいずれか一つに記載の燃料改質シス
    テム。
  8. 【請求項８】前記蒸発器から前記回収手段への前記蒸発
    器で生成された改質原料蒸気と蒸発器内に残っている液
    体改質燃原料の少なくとも一方の回収を制御する運転モ
    ードを少なくとも２種類以上備え、車両及び／または改
    質器の運転状態に応じて前記回収を制御する運転モード
    を切り替えることを特徴とする請求項１に記載の燃料改
    質システム。
  9. 【請求項９】前記蒸発器と改質器の間に設置され、改質
    燃料蒸気の回収を制御する第１バルブと、 前記蒸発器と前記回収手段との間に設置され、前記蒸発
    器で生成された改質原料蒸気と蒸発器内に残っている液
    体改質原料の少なくとも一方の回収を制御する第２バル
    ブとを備え、 前記運転モードは、第１バルブと第２バルブの開閉状態
    に基づき設定されることを特徴とする請求項８に記載の
    燃料改質システム。
  10. 【請求項１０】前記運転モードが蒸発器内の過剰の改質
    原料の回収時の状態または回収手段によって設定される
    ことを特徴とする請求項８に記載の燃料改質システム。
  11. 【請求項１１】前記蒸発器に温度と圧力の少なくとも一
    方を検出する状態検出手段を持ち、前記運転モードは運
    転状態により蒸発器内部の温度と圧力の少なくとも一方
    を調整して切り替えられることを特徴とする請求項８に
    記載の燃料改質システム。
  12. 【請求項１２】前記運転状態は、燃料改質システムを備
    えた移動体の経路予測システムを用いて検出することを
    特徴とする請求項８または１１に記載の燃料改質システ
    ム。
  13. 【請求項１３】前記運転状態は、燃料改質システムを備
    えた移動体のアクセル開度信号と速度信号と制動信号と
    方向指示信号の少なくとも一つを用いて検出することを
    特徴とする請求項８または１１に記載の燃料改質システ
    ム。
  14. 【請求項１４】前記運転状態は、燃料改質システムを備
    えた移動体の傾斜状態から検出することを特徴とする請
    求項８または１１に記載の燃料改質システム。
  15. 【請求項１５】前記運転状態は、燃料改質システムを備
    えた移動体の電力貯蔵器の電力残量から検出することを
    特徴とする請求項８または１１に記載の燃料改質システ
    ム。
  16. 【請求項１６】前記運転状態は、前記運転モードを切り
    替えてからの経過時間を用いて検出することを特徴とす
    る請求項８または１１に記載の燃料改質システム。
  17. 【請求項１７】前記運転モードを運転者の意思で切り替
    える手段を備えることを特徴とする請求項８から１１の
    いずれかに一つに記載の燃料改質システム。
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