【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は蒸発器、燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、水素と酸素を使用して電気分解の逆反応で発電する燃料電池を使用した自動車が、水以外の排出物がなくクリーンな自動車として注目されている。しかし、水素を自動車に搭載するためには水素ボンベまたは水素貯蔵合金装置が必要で、これらは容積的にも重量的にも大きく自動車などの車載用としては適していない。
【０００３】
そのためプロパン、天然ガス、ガソリン等の炭化水素系燃料やメタノール等のアルコール系燃料を燃料にした燃料電池を使用した自動車が最も将来性のあるクリーンな自動車であると見られている。この燃料電池は、二酸化炭素以外の排出物が少なく、二酸化炭素の排出量も、発電所で電気を製造するときに排出される二酸化炭素を考慮に入れると電気自動車と同程度であり、地球温暖化対策にもなっている。
【０００４】
この燃料電池は、蒸発器で燃料と水を蒸発させて、触媒（例えば、Ｃｕ−Ｚｎ触媒等）により水素を主成分とするガスに改質した改質ガスを利用して発電する。この燃料電池の効率化のためには、燃料と水を効率的に蒸発させることは重要である。特に自動車などの車載用の用途では、蒸発器はできる限り小型・軽量にし且つ大量の燃料を蒸発させる必要がある。また、蒸発器により蒸発させる燃料と水が燃料電池の燃料であるので、燃料電池の始動時間を短くするためには、蒸発器の始動時間を短くすることが極めて重要である。特に自動車などの場合は始動時間を短くすることが必須であるので、蒸発器の始動時間を短くすることが極めて重要である。
従来技術として、特開２０００−１９１３４号公報には、燃料と水を噴霧して燃料に着火し、燃料の一部を燃焼させて、その燃焼熱で直接蒸発させる方式の蒸発器が開示されている。この方式は、短起動・高応答性に優れている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来技術は燃焼部に触媒燃焼を採用しているので、燃焼部通路の流動抵抗により液垂れが起き易く、また原料を均一に投入しないと触媒の局所過熱や液濡れなどの問題が発生し易い問題点があった。局所加熱は触媒の劣化を招き、また燃料の熱分解を誘発しやすく一酸化炭素発生量が多くなるという問題点もある。液濡れが生ずると触媒の活性を失われる。
【０００６】
触媒燃焼を使用せずに、燃料と水を噴霧して燃料に着火し、燃料の一部を燃焼させて、その燃焼熱を使用して未燃燃料と水を蒸発させる蒸発器も知られている。しかし、この場合は触媒燃焼に伴う問題は解決されるが、液垂れや一酸化炭素発生が多くなる問題は残っている。
【０００７】
すなわち、燃料と水の蒸発温度に差があるため（通常は燃料の方が沸点が低く水より蒸発しやすい）、燃料と水を均等に蒸発させることが困難であり、水が蒸発しきれずに垂れる問題点がある。蒸発器内で燃焼蒸発を行わせ、すべての投入原料が蒸発した場合に蒸発器で蒸発されたガスの温度が、そのガスを利用する装置に適温となるように原料を投入しているため、垂れる水があると、水の蒸発潜熱によるガス温度の低下が少なくなるので、蒸発器で蒸発されたガスを利用する装置に必要以上に高温のガスが投入され、その装置に問題が生ずる恐れがある。また、蒸発器内が高温になるため、蒸発させる燃料の一部が熱分解され一酸化炭素が多く発生する問題点がある。さらに、この蒸発器によって蒸発された原料を改質器に投入する場合、蒸発器で蒸発された必要以上に高温のガスが改質触媒層に投入されるため、触媒層が劣化する問題点がある。
【０００８】
本発明は上記課題を解決したもので、水の液垂れを防止でき、一酸化炭素の発生を低減でき、短時間に起動できる蒸発器、および短時間で起動できる燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法を提供する。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記技術的課題を解決するために、本発明の請求項１において講じた技術的手段（以下、第１の技術的手段と称する。）は、燃焼用燃料を含む第１原料を供給する第１原料供給手段と、該第１原料供給手段より供給された前記燃焼用燃料を燃焼させる燃焼室と、該燃焼室に連結され前記燃焼用燃料の燃焼排ガスが通過する排ガス管路と、該排ガス管路中の排ガスの熱と熱交換する熱交換部を介して第２原料を供給する第２原料供給手段が設けられていることを特徴とする蒸発器である。
【００１０】
上記第１の技術的手段による効果は、以下のようである。
【００１１】
すなわち、第１原料で燃焼を行い、その燃焼熱で第２原料を熱交換部内で加熱し蒸発させるので、燃焼空間内の燃焼を完全燃焼に近い状態に維持するとともに、最適な温度に安定できるため、水の液垂れを防止でき、一酸化炭素の発生を低減できる。また熱交換部が排気ガス管路中の排ガスの熱と熱交換するように設けられているので、第２原料を効率的に蒸発させることができ、短時間で起動できる。
【００１２】
上記技術的課題を解決するために、本発明の請求項２において講じた技術的手段（以下、第２の技術的手段と称する。）は、前記燃焼室には、前記燃焼用燃料の燃焼火炎の流れに略平行の側壁と、前記第１原料供給手段側と対向する側に仕切り部材とが設けられ、前記排ガス管路が前記側壁の外周に設けられていることを特徴とする請求項１記載の蒸発器である。
【００１３】
上記第２の技術的手段による効果は、以下のようである。
【００１４】
すなわち、排ガス管路が燃焼室の外周に設けられているので、燃焼室の冷却を防止でき、燃焼効率を向上できる。一方、側壁を介して燃焼室から伝熱された燃焼熱も排気ガス管路で第２原料の加熱に寄与するので、第２原料をより効率的に蒸発させることができる。
【００１５】
また側壁が排ガスにより加温されるので、始動時の液だれや凝縮して滞留していた液を再蒸発させることができる。
【００１６】
上記技術的課題を解決するために、本発明の請求項３において講じた技術的手段（以下、第３の技術的手段と称する。）は、前記排ガス管路が、前記側壁の外周に沿って設けられ前記仕切り部材側で前記燃焼室に連結された入口部を有し前記第１原料供給手段側に出口部を有する第１排ガス管路と、該第１排ガス管路の出口部に連結され前記燃焼室と反対側の前記第１排ガス管路の外周に設けられた第２排ガス管路から構成されていることを特徴とする請求項２記載の蒸発器である。
【００１７】
上記第３の技術的手段による効果は、以下のようである。
【００１８】
すなわち、第１排ガス管路と第２排ガス管路によって二重に側壁の外周が覆われているので、より燃焼効率を向上できる。また燃焼室のガス流の下流から排気ガス管路に流れ込み、かつ排ガス管路から排出されるガス流の流れ方向を燃焼室のガス流の流れ方向と一致させることができるので、コンパクトにできる。
【００１９】
上記技術的課題を解決するために、本発明の請求項４において講じた技術的手段（以下、第４の技術的手段と称する。）は、前記仕切り部材側で前記燃焼室に隣接し前記排ガス管路に連結された蒸気混合室が設けられ、前記仕切り部材に前記燃焼室と前記蒸気混合室を連通する小穴部が設けられていることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の蒸発器である。
【００２０】
上記第４の技術的手段による効果は、以下のようである。
【００２１】
すなわち、燃焼室のガスが小穴部から蒸気混合室に噴射されるので、この噴射されたガスにより撹拌効果が生じ蒸気混合室内の混合を促進でき、均一化された蒸気を排出できる。
【００２２】
上記技術的課題を解決するために、本発明の請求項５において講じた技術的手段（以下、第５の技術的手段と称する。）は、前記熱交換部が、前記側壁に略平行に設けられた多数の伝熱管から構成され、該各伝熱管の温度が所定温度になるように前記各伝熱管に供給する前記第２原料の供給流量を分配する第２原料流量分配手段が設けられていることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の蒸発器である。
【００２３】
上記第５の技術的手段による効果は、以下のようである。
【００２４】
すなわち、第２原料流量分配手段により各伝熱管を所望の温度分布にすることができるので、各伝熱管に排ガスから与えられる熱量に対応できるため、より効率的に第２原料を蒸発させることができ、かつ液だれを防止できる。また第２原料流量分配手段により各伝熱管を所望の温度分布にすることができるので、起動時の噴霧器の部分の液垂れや、まだ蒸発器が十分に暖まっていないために発生する凝縮液垂れも、液垂れ分を再蒸発させることによって防止できる。
【００２５】
上記技術的課題を解決するために、本発明の請求項６において講じた技術的手段（以下、第６の技術的手段と称する。）は、請求項１〜５のいずれかに記載の蒸発器と、該蒸発器で蒸発された原料ガスを燃料ガスに改質する改質器と、該改質器で改質された燃料ガスを使用して発電する燃料電池と、前記改質器、前記燃料電池の少なくとも一方から排出された水素ガスを燃焼する燃焼器とが設けられ、該燃焼器の燃焼ガスによって前記蒸発器の排気ガス管路または熱交換部が加熱されるように燃焼ガス通路が設けられていることを特徴とする燃料電池システムである。
【００２６】
上記第６の技術的手段による効果は、以下のようである。
【００２７】
すなわち、燃焼器の燃焼ガスにより直接または排気ガス管路を介して熱交換部を加熱するので、蒸発器の蒸発効率を向上できる。燃料電池から排出される水素ガスは廃棄されるガスであり、また改質された燃料ガスは燃料電池に供給されないときに燃焼器で使用することによって燃料電池システムの効率を向上できる。この結果、燃料電池システムを短時間で起動できる。
【００２８】
上記技術的課題を解決するために、本発明の請求項７において講じた技術的手段（以下、第７の技術的手段と称する。）は、請求項６に記載の燃料電池システムを用い、起動時において、蒸発器で蒸発された原料ガスの温度が改質に適する温度になるまで燃焼器の燃焼ガスを燃焼ガス通路に流すように制御することを特徴とする燃料電池システムの制御方法である。
【００２９】
上記第７の技術的手段による効果は、以下のようである。
【００３０】
すなわち、起動時において、燃焼器の燃焼ガスを蒸発器の加熱源として利用できるので、燃料電池システムの起動時間を短縮できる。
【００３１】
【発明の実施の形態】
本発明者は、水の液垂れを防止し、必要以上に高温になることを避けるための燃料と水の投入方法を鋭意研究し、燃料と水からなる蒸発器の原料を主に燃焼を担う第１原料と主に蒸発用の原料となる第２原料に分け、第２原料を第１原料の燃焼熱によって加熱して蒸発させ、蒸発された第１原料と混合させるという本発明の技術的思想に到達した。
【００３２】
以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。図１は本発明の第１実施形態の燃料電池システムを説明するための説明図であり、図２は本発明の第１実施形態の蒸発器のＡＡ断面図である。
【００３３】
本燃料電池システムは、蒸発器１００、改質器２８、燃料電池３２、燃焼器２９などから構成されている。蒸発器１００は、噴霧器１、燃焼室３、第１排ガス管路８、第２排ガス管路９、伝熱管１０、蒸気混合室１３、燃焼ガス通路２２などから構成されている。
【００３４】
燃焼室３は、その中心軸が略水平の略円筒形状をしている。燃焼室３の一方端には円錐形状の保炎器４が設けられ、保炎器４の頂点部分に噴霧器１が設けられている。噴霧器１は燃焼室３の軸方向の他方端側に向かって第１原料を噴霧するように設けられた第１原料供給手段である。噴霧器１には原料供給部１ａと噴霧・燃焼用エア供給部１ｂが設けられ、エア供給口１ｃから噴射された噴霧・燃焼用エアにより原料を噴霧する気液二流体型の噴霧器である。保炎器４にはエアが流通できる孔４ａが設けられており、保炎・燃焼用エア供給部２から供給されたエアは孔４ａを介して燃焼室３に供給される。
【００３５】
燃焼室３の保炎器４に対向する側には仕切り部材７が設けられている。仕切り部材７を挟んで燃焼室３の反対側には蒸気混合室１３が設けられている。仕切り部材７には、燃焼室３と蒸気混合室１３を連通する複数の小穴部７ａが設けられている。
【００３６】
噴霧器１から噴霧された第１原料は、符号２０で模式的に示すように噴霧器１の出口を頂点として円錐状に噴霧される。第１原料中の燃焼用原料は保炎器４から燃焼室３の内部に突き出すように設けられたグロープラグ５によって着火され燃焼される。この燃焼火炎は、全体として燃焼室３の中心軸方向と平行なＸ方向に流れる。６は燃焼室３の側壁であり、Ｘ方向に略平行な円筒形状である。
【００３７】
第１排ガス管路８は側壁６の外周に設けられ、その外壁は燃焼室３と同心円筒形状である。第２排ガス管路９は第１排ガス管路８の外周に設けられ、その外壁は燃焼室３と同心円筒形状である。第１排ガス管路８は、仕切り部材７側で燃焼室３と連結された入口部と、第１原料供給手段側に設けられ第２排ガス管路９と連結された出口部を有している。第２排ガス管路９の入口部は第１排ガス管路８の出口部と連結されている。第２排ガス管路９は、仕切り部材７側に出口部が設けられ、蒸発混合室１３に連結されている。
【００３８】
伝熱管１０は多数のパイプを燃焼室３と同心円筒状に配列したもので、その一方端は環状の第２原料室１７に連結され、他方端は第２排ガス管路９内の出口付近で開口されている。第２原料室１７の内部にはセラミックスの多孔体からなる抵抗部材１７ａが内蔵されている。第２原料室１７には第２原料供給口１１から第２原料が供給される。第１実施形態では、第２原料供給口１１、第２原料室１７、伝熱管１０で、第２原料を供給する第２原料供給手段を構成している。伝熱管１０が熱交換部である。
【００３９】
蒸気混合室１３の仕切り部材７に対向する側には拡散・整流部材１４が蒸気混合室１３側に設けられた蒸発器出口部１５が連結されている。拡散・整流部材１４には多数の小貫通孔が設けられ、蒸気混合室１３から排出されるガスの流れを整流する機能を有する。蒸発器出口部１５には温度センサ３０が設けられている。蒸発器出口部１５は改質器２８に連結されている。改質器２８は管路を介して燃料電池３２に連結されている。改質器２８の出口部には温度センサ３１が設けられている。
【００４０】
燃焼器２９は、改質器２８で製造された燃料ガス、燃料電池３２の燃料オフガスの少なくとも一方を燃焼する機器で、燃料電池３２および改質器２８にそれぞれのバルブＶ１およびＶ２を介して連結されている。また燃焼器２９にはバルブＶ３を介して空気が供給されるように構成されている。
【００４１】
燃焼ガス通路２２は第２排ガス管路９の外周に設けられ、その外壁は燃焼室３と同心円筒形状である。燃焼ガス通路２２の入口部２２ａには燃焼器２９の燃焼ガスが供給される。燃焼ガス通路２２に供給された燃焼ガスは出口部２２ｂから排出される。入口部２２ａは蒸発器１００の下方に設けられ、出口部２２ｂは蒸発器１００の上方に設けられている。すなわち、燃焼ガスは燃焼ガス通路２２の下方から上方に向かって流れるように構成されている。
【００４２】
第１原料が原料供給部１ａに供給され、噴霧・燃焼用エアが噴霧・燃焼用エア供給部１ｂに供給されると、エア供給口１ｃから噴射された噴霧・燃焼用エアにより第１原料が燃焼室３内に噴霧される。噴霧・燃焼用エアは第１原料の噴霧用として使用されると共に第１原料の燃焼用の支燃ガスとしても使用される。
【００４３】
本実施形態では、第１原料としてメタノールと水の混合原料が用いられる。その混合割合はメタノール：水＝５０：２３（液体状態の体積比）である。このうち、メタノールの一部は燃焼用燃料の役割を有しているが、他は蒸発される原料である。水はすべて蒸発される原料である。メタノールは、後に供給される第２原料を含めた改質に必要なメタノールと水を蒸発させ、かつ改質に適する所定温度まで昇温させるために必要な燃焼熱を得る分だけ余分に供給される。保炎・燃焼用エア供給部２から供給された保炎・燃焼用エアは保炎器４の孔４ａを介して燃焼室３に供給される。
【００４４】
燃焼室３中に噴霧された第１原料中のメタノールは、グロープラグ５により着火されて噴霧・燃焼用エア、保炎・燃焼用エアにより支燃されて燃焼される。この燃焼により、燃焼室３の温度が上昇すると同時に、第１原料中に水と燃焼に供されなかったメタノールが蒸発する。ここでは着火手段としてグロープラグ５を用いたが、特に限定されず、スパークプラグ等、燃料に着火できる手段なら何でも利用できる。また保炎器４として多数の孔４ａが設けられた円錐状部材を使用したが、金網状の部材を円錐状にしたものでもよい。
【００４５】
蒸発された第１原料を含む排ガスは、改質に適する所定温度よりも高い過熱ガスとなっている。この排ガスは第１排ガス管路８、第２排ガス管路９を通過する。すなわち、排ガスは燃焼室３の外周をＵターンするように通過する。このように排ガス管路を構成することにより、第１排ガス管路８と第２排ガス管路９によって二重に燃焼室３の外周が覆われているので、より燃焼効率を向上できる。また燃焼室３のガス流の下流から排気ガス管路に流れ込み、かつ第２排ガス管路９から排出されるガス流の流れ方向を燃焼室３のガス流の流れ方向と一致させることができるので、コンパクトにできる。
【００４６】
第２原料供給口１１から第２原料が供給される。本実施形態では、第２原料としてメタノールと水の混合原料が用いられる。その混合割合はメタノール：水＝５０：２３（液体状態の体積比）である。第２原料はすべて蒸発される原料となる。第２原料供給口１１から供給された第２原料は第２原料室１７を介して伝熱管１０に供給される。第２原料は、伝熱管１０を通過する間に第２排ガス管路９を通過する排ガスの熱により加熱され蒸発される。伝熱管１０が第２排ガス管路９中に設けられているので、伝熱管１０の外周に過熱された排ガスが満遍なく行き渡るため、第２原料を効率的に蒸発させることができる。排ガスの温度は、第２原料に熱を与えることによって低下される。蒸発された第２原料は、伝熱管１０の先端から第２排ガス管路９内に供給される。
【００４７】
第２原料室１７の内部にはセラミックスの多孔体からなる抵抗部材１７ａが内蔵されているので、第２原料が伝熱管１０内で蒸発しきれずに先端から液垂れすることを防止できる。すなわち、抵抗部材が内蔵されていない場合、起動時や小流量時には第２原料が第２原料室１７内に充満せず下側に偏って液が流れてしまう。一方、第２排ガス管路９を通過する排ガスはほぼ均一に流れるか若干上側の温度が高い状態で流れる。この結果、下側の伝熱管１０では蒸発しきれず第２原料が液体状態で先端から流れ出す。抵抗部材が内蔵されていることにより、この問題を解決される。
【００４８】
また、抵抗部材１７ａを調整して下側に伝熱管１０に流れる第２原料を上側の伝熱管１０に流れる第２原料より少なくして、上側と下側の伝熱管１０の温度を同じするか、下側の温度を高めにする。これにより、起動時の噴霧器１の部分の液垂れや、まだ蒸発器１００が十分に暖まっていないために発生する凝縮液垂れも、液垂れ分を再蒸発させることによって防止できる。すなわち、抵抗部材１７ａは第２原料流量分配手段であり、各伝熱管の温度を所定の温度にするとは各伝熱管の温度を同じにするか、下側の温度を上側より高くすることである。抵抗部材１７ａによる上下の流れの調整は、抵抗部材１７ａの上下で気孔率を変化させるなどによって行われる。
【００４９】
なお、抵抗部材１７ａとしてセラミックスの多孔体を使用したが、連続気泡を有する多孔体なら金属など他の材質でも使用できる。また多孔体でなく、綿状の部材なども利用できる。
【００５０】
燃焼された第１原料の排ガス、蒸発された第１原料および蒸発された第２原料は蒸気混合室１３に供給される。燃焼された第１原料の排ガス、蒸発された第１原料の一部は、仕切り部材７の小穴部７ａを通って燃焼室３から蒸気混合室１３に噴射される。小穴部７ａから噴射されたガスにより、蒸気混合室１３内に撹拌効果が生じ混合が促進される。また交合されたガスの温度は定常状態において改質に適する所定温度になるように制御されている。蒸気混合室１３内のガスは拡散・整流部材１４で整流されて蒸発器出口部１５から排出される。
【００５１】
蒸発器１００によって蒸発された原料は改質器２８に供給され、改質用原料として使用される。改質器２８では改質用原料が触媒により改質され、水素を主成分とする燃料ガスとなり、燃料電池３２の燃料極側に供給される。燃料電池３２の酸化剤極側には空気が供給される。燃料電池３２は、燃料ガス中の水素と酸化剤ガス中の酸素を消費する電気化学反応により発電する。燃料ガス中の水素は完全に消費されることはなく、燃料電池３２から排出される燃料ガスオフガスには残余の水素が含まれている。
【００５２】
図３は第１実施形態の燃料電池システムの起動時のフローチャート図である。はじめにグロープラグ５がＯＮされ加熱される（ステップＳ１）。続いて第１原料が噴霧器１から噴霧・燃焼用エアによって燃焼室３内に噴霧される。同時に保炎・燃焼用エア供給部２から保炎・燃焼用エアが保炎器４の孔４ａを介して燃焼室３に供給される（ステップＳ２）。
【００５３】
続いてバルブＶ２を開状態にし改質器２８から排出されたガスを燃焼器２９に供給すると共に、バルブＶ３を開状態として図示しないブロアによってエアを燃焼器２９に供給し、燃焼器２９内で燃焼させる（ステップＳ３）。なお、初期において、バルブＶ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４は、すべて閉状態となっている。
【００５４】
次に温度センサ３０によって蒸発器出口部１５のガス温度が予め決められた所定温度Ｔ１（例えば、１５０℃）以上になったか判断し（ステップＳ４）、Ｔ１より低ければステップＳ４を繰り返し、Ｔ１以上になったら第１原料が着火されたと判断しグループラグ５をＯＦＦする（ステップＳ５）。
【００５５】
燃焼器２９から排出された燃焼ガスは、燃焼器２９で燃焼された燃焼ガスは入口部２２ａを介して燃焼ガス通路２２に送られる。燃焼ガス通路２２は第２排ガス管路９の外周に設けられているので、燃焼ガスの熱によって第２排ガス管路９中の第１原料が加熱されると共に、伝熱管１０中の第２原料が加熱されるので、蒸発器１００から排出されるガス温度が急速に加熱される。
【００５６】
燃焼器の燃焼ガスにより排気ガス管路を介して熱交換部を加熱するので、蒸発器の蒸発効率を向上できる。燃料電池から排出される水素ガスは廃棄されるガスであり、また改質された燃料ガスは燃料電池に供給されないときに燃焼器で使用することによって燃料電池システムの効率を向上できる。
【００５７】
さらに本実施形態では、燃焼ガスが燃焼ガス通路２２を下方から上方に向かって流れるように構成されているので、第２排ガス管路９の下方側をより高い温度にできるため、液垂れ分の再蒸発に効果的である。
【００５８】
ステップＳ６で温度センサ３０によって蒸発器出口部１５のガス温度が改質に適した温度（改質適温）になったかどうか判断し、改質適温に達していない場合はステップＳ６を繰り返し、改質適温に到達した場合はバルブＶ４を開状態とし改質器２８から排出された燃料ガスを燃料電池３２に供給すると共に、バルブＶ２、Ｖ３を閉状態とし燃焼器２９を停止する（ステップＳ７）。停止後は、燃焼ガス通路２２内に残った燃焼ガスが断熱層として作用し、蒸発器１００の蒸発効率の向上に寄与する。この後、蒸発器１００は定常運転に移行する。
【００５９】
この後、蒸発器１００は定常運転されていれば、燃焼器２９は停止状態のままである。しかし、例えば、急な風雨や冬季の急加速（燃料電池自動車の場合）など、何らかの原因で蒸発器１００や改質器２８が冷却されたなど、蒸発器出口部１５のガス温度が改質適温でなくなったときにはバルブＶ１を開状態にし燃料電池３２から排出された燃料ガスオフガスを燃焼器２９に供給すると共に、バルブＶ３を開状態としてエアを燃焼器２９に供給し、燃焼器２９内で燃焼させ、その燃焼ガスを燃焼ガス通路２２に供給する。この結果、蒸発器１００は定常運転状態に急速に回復できる。また、燃料電池の出力を急速に上昇させる必要が生じ、多量の改質ガスが必要な場合が生じたときにも、同様な制御を大古なうことができる。
【００６０】
以上のように制御することによって、起動時において、燃焼器２９の燃焼ガスを蒸発器１００の加熱源として利用できるので、燃料電池システムの起動時間を短縮できる。
【００６１】
なお、図３では第１原料の着火完了と蒸発器から排出される原料ガスが改質適温になったかを蒸発器出口部１５に設けられた温度センサ３０によって判定しているが、改質器２８の出口部に設けられた温度センサ３１によって判定するようにしてもよい。
【００６２】
図４は本発明の第２実施形態の燃料電池システムを説明するための説明図であり、図５は本発明の第２実施形態の蒸発器のＢＢ断面図である。第２実施形態は、燃焼ガス通路が伝熱管の内部に設けられている以外、第１実施形態と同じであり、同じ部位には同じ符号を付け説明は省略する。
【００６３】
燃焼ガス通路は各伝熱管１の内部をその長手方向に貫通するパイプ状の燃焼ガス通路管２３で形成されており、各伝熱管１ごとに１つの燃焼ガス通路管２３が設けられている。燃焼ガス通路管２３の一方端は断面三角形状の環状の燃料ガス入口室２４に連通されている。燃料ガス入口室２４の下方には入口部２４ａが設けられている。燃焼ガス通路管２３の他方端は断面四角形状の環状の燃料ガス出口室２５に連通されている。燃料ガス入口室２５の上方には出口部２５ａが設けられている。
【００６４】
燃焼器２９の燃焼ガスは入口部２４ａから供給され、燃料ガス入口室２４を介して燃焼ガス通路管２３に供給される。燃焼ガス通路管２３を通過する燃焼ガスは、伝熱管１中の第２原料を直接加熱し、燃料ガス出口室２５に排出され、出口部２５ａから蒸発器１００の外部に排出される。
【００６５】
このように第２実施形態では、燃焼ガス通路管２３が伝熱管１中の第２原料を直接加熱するので、燃焼ガスの熱を効率的に第２原料に伝熱できる。また第２実施形態では、第２原料の流れ方向と燃焼ガスの流れ方向が対向している、いわゆる向流式の二重管式熱交換器であるので、より効率的に燃焼ガスの熱を第２原料に伝熱できる。この結果、蒸発器１００に蒸発効率をより向上できると共に、蒸発器１００をより早く起動できる。
【００６６】
なお、実施形態では、排ガス管路が燃焼室の側壁の外周にＵターン状に設けられているが、必ずしもＵターン状でなくてもよく１つの排ガス管路だけでもよいし、外周に設けられてなくてもよい。しかし、排ガス管路が燃焼室の側壁の外周に設けられていれば、燃焼室の冷却を防止でき、燃焼効率を向上できる。一方、側壁を介して燃焼室から伝熱された燃焼熱も排気ガス管路で第２原料の加熱に寄与するので、第２原料をより効率的に蒸発させることができる。また側壁が排ガスにより加温されるので、始動時の液だれや凝縮して滞留していた液を再蒸発させることができる。側壁は燃焼室の燃焼火炎による放射熱によっても加温され、これによっても始動時の液だれや凝縮して滞留していた液を再蒸発させることができる。
【００６７】
排ガス管路がＵターン状に設けられていれば、二重に側壁の外周が排ガス管路で覆われているので、より燃焼効率を向上できる。また燃焼室のガス流の下流から排気ガス管路に流れ込み、かつ排ガス管路から排出されるガス流の流れ方向を燃焼室のガス流の流れ方向と一致させることができるので、コンパクトにできる。
【００６８】
また第２原料が排ガス管路中の排ガス管路の熱と熱交換する熱交換部としてパイプ状の伝熱管を用いているが、熱交換可能な部材なら何でも適用できる。
【００６９】
【発明の効果】
以上のように、本発明は、燃焼用燃料を含む第１原料を供給する第１原料供給手段と、該第１原料供給手段より供給された前記燃焼用燃料を燃焼させる燃焼室と、該燃焼室に連結され前記燃焼用燃料の燃焼排ガスが通過する排ガス管路と、該排ガス管路中の排ガスの熱と熱交換する熱交換部を介して第２原料を供給する第２原料供給手段が設けられていることを特徴とする蒸発器であるので、水の液垂れを防止でき、一酸化炭素の発生を低減でき、短時間に起動できる。
【００７０】
また本発明は、この蒸発器と、該蒸発器で蒸発された原料ガスを燃料ガスに改質する改質器と、該改質器で改質された燃料ガスを使用して発電する燃料電池と、前記改質器、前記燃料電池の少なくとも一方から排出された水素ガスを燃焼する燃焼器とが設けられ、該燃焼器の燃焼ガスによって前記蒸発器の排気ガス管路または熱交換部が加熱されるように燃焼ガス通路が設けられていることを特徴とする燃料電池システムであるので、燃料電池システムを短時間で起動できる。そして、この燃料電池システムを用い、起動時において、蒸発器で蒸発された原料ガスの温度が改質に適する温度になるまで燃焼器の燃焼ガスを燃焼ガス通路に流すように制御することを特徴とする燃料電池システムの制御方法であるので、燃料電池システムの起動時間を短縮できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態の燃料電池システムを説明するための説明図
【図２】本発明の第１実施形態の蒸発器のＡＡ断面図
【図３】第１実施形態の燃料電池システムの起動時のフローチャート図
【図４】本発明の第２実施形態の燃料電池システムを説明するための説明図
【図５】本発明の第２実施形態の蒸発器のＢＢ断面図
【符号の説明】
１…噴霧器（第１原料供給手段）
２…
３…燃焼室
４…
５…
６…側壁
７…仕切り部材
７ａ…小穴部
８…第１排ガス管路（排ガス管路）
９…第２排ガス管路（排ガス管路）
１０…伝熱管（熱交換部）（第２原料供給手段）
１１…第２原料供給口（第２原料供給手段）
１３…蒸発混合室
１７…第２原料室（第２原料供給手段）
１７ａ…抵抗部材（第２原料流量分配手段）
２２…燃焼ガス通路
２３…燃焼ガス通路管（燃焼ガス通路）
２８…改質器
２９…燃焼器
３０、３１…温度センサ
３２…燃料電池
１００…蒸発器[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an evaporator, a fuel cell system, and a method for controlling a fuel cell system.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art In recent years, vehicles using a fuel cell that generates power by a reverse reaction of electrolysis using hydrogen and oxygen have attracted attention as clean vehicles that have no emissions other than water. However, in order to mount hydrogen on a vehicle, a hydrogen cylinder or a hydrogen storage alloy device is required, and these devices are large in volume and weight and are not suitable for use in vehicles such as vehicles.
[0003]
Therefore, an automobile using a fuel cell that uses a hydrocarbon-based fuel such as propane, natural gas, gasoline, or an alcohol-based fuel such as methanol is considered to be the most promising clean automobile. This fuel cell has low emissions other than carbon dioxide, and emits the same amount of carbon dioxide as electric vehicles, taking into account the carbon dioxide emitted when producing electricity at power plants. It is also a countermeasure.
[0004]
In this fuel cell, fuel and water are evaporated by an evaporator, and power is generated using a reformed gas reformed into a gas containing hydrogen as a main component by a catalyst (for example, a Cu—Zn catalyst). In order to improve the efficiency of this fuel cell, it is important to efficiently evaporate fuel and water. In particular, for use in vehicles such as automobiles, it is necessary to make the evaporator as small and lightweight as possible and to evaporate a large amount of fuel. In addition, since the fuel and water evaporated by the evaporator are the fuel of the fuel cell, it is very important to shorten the start time of the evaporator in order to shorten the start time of the fuel cell. In particular, in the case of automobiles and the like, it is essential to shorten the start time, and therefore, it is extremely important to shorten the start time of the evaporator.
As a prior art, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-19134 discloses an evaporator of a type in which fuel and water are sprayed to ignite the fuel, a part of the fuel is burned, and the combustion heat is directly evaporated. I have. This method is excellent in short startup and high response.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, since the conventional technology employs catalytic combustion in the combustion part, liquid dripping easily occurs due to the flow resistance of the combustion part passage, and problems such as local overheating and liquid wetting of the catalyst occur if the raw materials are not charged uniformly. There was a problem that was easy to do. Local heating causes deterioration of the catalyst, and also has a problem that thermal decomposition of the fuel is easily induced and an amount of generated carbon monoxide is increased. When liquid wetting occurs, the activity of the catalyst is lost.
[0006]
There is also known an evaporator that sprays fuel and water to ignite fuel without using catalytic combustion, burns a part of the fuel, and evaporates unburned fuel and water using the combustion heat. I have. However, in this case, although the problem associated with catalytic combustion is solved, the problem that dripping and generation of carbon monoxide are increased remains.
[0007]
That is, since there is a difference between the evaporation temperature of fuel and water (normally, fuel has a lower boiling point and is easier to evaporate than water), it is difficult to evaporate the fuel and water uniformly, and the water cannot completely evaporate. There is a problem of dripping. Combustion evaporation is performed in the evaporator, and when all the input raw materials evaporate, the raw material is input so that the temperature of the gas evaporated in the evaporator becomes an appropriate temperature to a device using the gas. If there is dripping water, the temperature of the gas due to the latent heat of vaporization of the water will be reduced, so that an excessively high temperature gas will be injected into the device that uses the gas evaporated by the evaporator, which may cause a problem in the device. is there. Further, since the temperature inside the evaporator becomes high, there is a problem that a part of the fuel to be evaporated is thermally decomposed and a large amount of carbon monoxide is generated. Furthermore, when the raw material evaporated by the evaporator is charged into the reformer, a gas having a higher temperature than necessary evaporated by the evaporator is charged into the reforming catalyst layer. is there.
[0008]
The present invention has solved the above-mentioned problems, and can prevent water dripping, reduce the generation of carbon monoxide, evaporator that can be started in a short time, and a fuel cell system and a fuel cell system that can be started in a short time. A control method is provided.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above technical problem, the technical means taken in claim 1 of the present invention (hereinafter, referred to as first technical means) is a first means for supplying a first raw material containing a fuel for combustion. Raw material supply means, a combustion chamber for burning the combustion fuel supplied from the first raw material supply means, an exhaust gas pipe connected to the combustion chamber and through which combustion exhaust gas of the combustion fuel passes, and the exhaust gas pipe An evaporator comprising a second raw material supply means for supplying a second raw material via a heat exchange section that exchanges heat with exhaust gas heat in a passage.
[0010]
The effects of the first technical means are as follows.
[0011]
That is, combustion is performed with the first raw material, and the second raw material is heated and evaporated in the heat exchange section by the heat of combustion, so that the combustion in the combustion space is maintained at a state close to complete combustion and can be stabilized at an optimum temperature. Therefore, dripping of water can be prevented, and generation of carbon monoxide can be reduced. Further, since the heat exchange section is provided so as to exchange heat with the heat of the exhaust gas in the exhaust gas pipe, the second raw material can be efficiently evaporated and can be started in a short time.
[0012]
In order to solve the above technical problem, the technical means (hereinafter, referred to as second technical means) taken in claim 2 of the present invention is that a combustion flame of the combustion fuel is provided in the combustion chamber. 2. A side wall substantially parallel to the flow of air and a partition member provided on a side facing the first raw material supply means side, and the exhaust gas pipe is provided on an outer periphery of the side wall. An evaporator as described.
[0013]
The effects of the second technical means are as follows.
[0014]
That is, since the exhaust gas pipe is provided on the outer periphery of the combustion chamber, the cooling of the combustion chamber can be prevented, and the combustion efficiency can be improved. On the other hand, the combustion heat transferred from the combustion chamber via the side wall also contributes to the heating of the second raw material in the exhaust gas pipe, so that the second raw material can be more efficiently evaporated.
[0015]
Further, since the side wall is heated by the exhaust gas, it is possible to re-evaporate the liquid dripping or condensed and staying liquid at the start.
[0016]
In order to solve the above technical problem, the technical means (hereinafter, referred to as third technical means) taken in claim 3 of the present invention is that the exhaust gas pipe extends along the outer periphery of the side wall. A first exhaust gas line having an inlet portion provided on the partition member side and connected to the combustion chamber and having an outlet portion on the first raw material supply means side; and a first exhaust gas line connected to an outlet portion of the first exhaust gas line. The evaporator according to claim 2, further comprising a second exhaust gas line provided on an outer periphery of the first exhaust gas line on a side opposite to the combustion chamber.
[0017]
The effects of the third technical means are as follows.
[0018]
That is, since the outer periphery of the side wall is doubly covered by the first exhaust gas line and the second exhaust gas line, the combustion efficiency can be further improved. Further, since the flow direction of the gas flow flowing into the exhaust gas pipe from the downstream of the gas flow in the combustion chamber and discharged from the exhaust gas pipe can be made to coincide with the flow direction of the gas flow in the combustion chamber, the size can be reduced.
[0019]
In order to solve the above-mentioned technical problem, a technical means (hereinafter referred to as a fourth technical means) taken in claim 4 of the present invention is arranged such that the exhaust gas is disposed adjacent to the combustion chamber on the partition member side. The steam mixing chamber connected to a pipe line is provided, and the partition member is provided with a small hole communicating the combustion chamber and the steam mixing chamber. Evaporator.
[0020]
The effects of the fourth technical means are as follows.
[0021]
That is, since the gas in the combustion chamber is injected from the small hole into the steam mixing chamber, the injected gas produces a stirring effect, which can promote the mixing in the steam mixing chamber and discharge uniform steam.
[0022]
In order to solve the above technical problem, the technical means (hereinafter referred to as fifth technical means) taken in claim 5 of the present invention is such that the heat exchange part is provided substantially parallel to the side wall. And a second raw material flow distribution means for distributing the supply flow rate of the second raw material supplied to each of the heat transfer tubes so that the temperature of each of the heat transfer tubes becomes a predetermined temperature is provided. The evaporator according to claim 2 or 3, wherein:
[0023]
The effects of the fifth technical means are as follows.
[0024]
That is, each heat transfer tube can be made to have a desired temperature distribution by the second raw material flow distribution means, so that each heat transfer tube can cope with the amount of heat given from the exhaust gas, so that the second raw material can be more efficiently evaporated. And dripping can be prevented. Further, since the respective heat transfer tubes can be made to have a desired temperature distribution by the second raw material flow distribution means, the dripping of the portion of the sprayer at the time of start-up or the condensate dripping generated due to the evaporator not being sufficiently warmed up yet. Can also be prevented by re-evaporating the dripping.
[0025]
In order to solve the above technical problem, the technical means taken in claim 6 of the present invention (hereinafter referred to as sixth technical means) is an evaporator according to any one of claims 1 to 5. A reformer for reforming the raw material gas evaporated by the evaporator to a fuel gas; a fuel cell for generating power using the fuel gas reformed by the reformer; and the reformer; A combustor for burning hydrogen gas discharged from at least one of the fuel cells, wherein a combustion gas passage is formed so that an exhaust gas pipe or a heat exchange section of the evaporator is heated by the combustion gas of the combustor. It is a fuel cell system characterized by being provided.
[0026]
The effects of the sixth technical means are as follows.
[0027]
That is, since the heat exchange unit is heated directly by the combustion gas of the combustor or via the exhaust gas pipe, the evaporation efficiency of the evaporator can be improved. The hydrogen gas discharged from the fuel cell is a waste gas, and the efficiency of the fuel cell system can be improved by using the reformed fuel gas in a combustor when it is not supplied to the fuel cell. As a result, the fuel cell system can be started in a short time.
[0028]
In order to solve the above technical problem, a technical means (hereinafter referred to as a seventh technical means) taken in claim 7 of the present invention uses the fuel cell system according to claim 6 to start up. Controlling the flow of the combustion gas from the combustor to the combustion gas passage until the temperature of the raw material gas evaporated by the evaporator reaches a temperature suitable for reforming. .
[0029]
The effects of the seventh technical means are as follows.
[0030]
That is, at the time of startup, the combustion gas of the combustor can be used as a heating source of the evaporator, so that the startup time of the fuel cell system can be reduced.
[0031]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
The present inventor has been keenly studying a method of charging fuel and water to prevent dripping of water and avoiding excessively high temperatures, and is mainly responsible for burning the raw material of the evaporator composed of fuel and water. According to the technical aspect of the present invention, the first raw material is divided into a second raw material, which is mainly a raw material for evaporation, and the second raw material is heated and evaporated by the heat of combustion of the first raw material and mixed with the evaporated first raw material. The idea has been reached.
[0032]
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is an explanatory diagram for explaining a fuel cell system according to a first embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a sectional view taken along the line AA of the evaporator according to the first embodiment of the present invention.
[0033]
The fuel cell system includes an evaporator 100, a reformer 28, a fuel cell 32, a combustor 29, and the like. The evaporator 100 includes a sprayer 1, a combustion chamber 3, a first exhaust gas line 8, a second exhaust gas line 9, a heat transfer tube 10, a steam mixing chamber 13, a combustion gas passage 22, and the like.
[0034]
The combustion chamber 3 has a substantially cylindrical shape whose center axis is substantially horizontal. A conical flame stabilizer 4 is provided at one end of the combustion chamber 3, and the sprayer 1 is provided at the top of the flame stabilizer 4. The atomizer 1 is a first raw material supply means provided to spray the first raw material toward the other end of the combustion chamber 3 in the axial direction. The atomizer 1 is provided with a raw material supply section 1a and a spray / combustion air supply section 1b, and is a gas-liquid two-fluid type sprayer for spraying a raw material with the spray / combustion air injected from the air supply port 1c. The flame stabilizer 4 is provided with a hole 4a through which air can flow, and air supplied from the flame holding / combustion air supply unit 2 is supplied to the combustion chamber 3 through the hole 4a.
[0035]
A partition member 7 is provided on a side of the combustion chamber 3 facing the flame stabilizer 4. A steam mixing chamber 13 is provided on the opposite side of the combustion chamber 3 across the partition member 7. The partition member 7 is provided with a plurality of small holes 7a communicating the combustion chamber 3 and the steam mixing chamber 13.
[0036]
The first raw material sprayed from the sprayer 1 is sprayed in a conical shape with the outlet of the sprayer 1 as a vertex, as schematically shown by reference numeral 20. The combustion raw material in the first raw material is ignited and burned by a glow plug 5 provided so as to protrude from the flame stabilizer 4 into the combustion chamber 3. This combustion flame flows in the X direction parallel to the central axis direction of the combustion chamber 3 as a whole. Reference numeral 6 denotes a side wall of the combustion chamber 3, which has a cylindrical shape substantially parallel to the X direction.
[0037]
The first exhaust gas pipe 8 is provided on the outer periphery of the side wall 6, and the outer wall thereof has a cylindrical shape concentric with the combustion chamber 3. The second exhaust gas line 9 is provided on the outer periphery of the first exhaust gas line 8, and its outer wall has a cylindrical shape concentric with the combustion chamber 3. The first exhaust gas line 8 has an inlet portion connected to the combustion chamber 3 on the partition member 7 side and an outlet portion provided on the first raw material supply means side and connected to the second exhaust gas line 9. . The inlet of the second exhaust gas line 9 is connected to the outlet of the first exhaust gas line 8. The second exhaust gas pipe 9 has an outlet on the partition member 7 side, and is connected to the evaporative mixing chamber 13.
[0038]
The heat transfer tube 10 has a large number of pipes arranged in a concentric cylindrical shape with the combustion chamber 3, one end of which is connected to the annular second raw material chamber 17, and the other end of which is near the outlet in the second exhaust gas line 9. It is open. Inside the second raw material chamber 17, a resistance member 17a made of a ceramic porous body is incorporated. The second raw material is supplied to the second raw material chamber 17 from the second raw material supply port 11. In the first embodiment, the second raw material supply port 11, the second raw material chamber 17, and the heat transfer tube 10 constitute a second raw material supply unit that supplies the second raw material. The heat transfer tube 10 is a heat exchange unit.
[0039]
An evaporator outlet 15 in which a diffusion / rectification member 14 is provided on the steam mixing chamber 13 side is connected to a side of the steam mixing chamber 13 facing the partition member 7. The diffusion / rectification member 14 is provided with a large number of small through holes, and has a function of rectifying the flow of gas discharged from the vapor mixing chamber 13. A temperature sensor 30 is provided at the evaporator outlet 15. The evaporator outlet 15 is connected to the reformer 28. The reformer 28 is connected to the fuel cell 32 via a pipe. At the outlet of the reformer 28, a temperature sensor 31 is provided.
[0040]
The combustor 29 is a device that burns at least one of the fuel gas produced by the reformer 28 and the fuel off-gas of the fuel cell 32, and is connected to the fuel cell 32 and the reformer 28 via respective valves V1 and V2. Have been. Further, the combustor 29 is configured to be supplied with air via a valve V3.
[0041]
The combustion gas passage 22 is provided on the outer periphery of the second exhaust gas pipe 9, and its outer wall has a concentric cylindrical shape with the combustion chamber 3. The combustion gas of the combustor 29 is supplied to the inlet 22 a of the combustion gas passage 22. The combustion gas supplied to the combustion gas passage 22 is discharged from the outlet 22b. The inlet 22a is provided below the evaporator 100, and the outlet 22b is provided above the evaporator 100. That is, the combustion gas is configured to flow upward from below the combustion gas passage 22.
[0042]
When the first raw material is supplied to the raw material supply unit 1a and the spray / combustion air is supplied to the spray / combustion air supply unit 1b, the first raw material is supplied by the spray / combustion air injected from the air supply port 1c. It is sprayed into the combustion chamber 3. The spray / combustion air is used not only for spraying the first raw material but also as a supporting gas for burning the first raw material.
[0043]
In the present embodiment, a mixed raw material of methanol and water is used as the first raw material. The mixing ratio is methanol: water = 50: 23 (volume ratio in a liquid state). Among them, a part of methanol has a role of combustion fuel, while the other is a raw material to be evaporated. Water is the raw material that is all evaporated. Methanol is supplied in excess to evaporate methanol and water necessary for reforming including the second raw material supplied later and to obtain combustion heat necessary to raise the temperature to a predetermined temperature suitable for reforming. You. The flame holding / combustion air supplied from the flame keeping / combustion air supply unit 2 is supplied to the combustion chamber 3 through the hole 4a of the flame stabilizer 4.
[0044]
The methanol in the first raw material sprayed into the combustion chamber 3 is ignited by the glow plug 5 and is supported by the spraying / combustion air and the flame holding / combustion air for combustion. By this combustion, at the same time as the temperature of the combustion chamber 3 rises, water and methanol not subjected to combustion evaporate in the first raw material. Here, the glow plug 5 is used as the ignition means. However, the invention is not particularly limited, and any means that can ignite the fuel, such as a spark plug, can be used. Further, although a conical member provided with a large number of holes 4a is used as the flame stabilizer 4, a wire mesh member having a conical shape may be used.
[0045]
Exhaust gas containing the evaporated first raw material is a superheated gas higher than a predetermined temperature suitable for reforming. This exhaust gas passes through the first exhaust gas line 8 and the second exhaust gas line 9. That is, the exhaust gas passes through the outer periphery of the combustion chamber 3 in a U-turn. By configuring the exhaust gas pipe in this way, the outer circumference of the combustion chamber 3 is double-covered by the first exhaust gas pipe 8 and the second exhaust gas pipe 9, so that the combustion efficiency can be further improved. Further, the flow direction of the gas flow flowing from the downstream of the gas flow in the combustion chamber 3 into the exhaust gas line and discharged from the second exhaust gas line 9 can be made to coincide with the flow direction of the gas flow in the combustion chamber 3. , Can be made compact.
[0046]
The second raw material is supplied from the second raw material supply port 11. In the present embodiment, a mixed raw material of methanol and water is used as the second raw material. The mixing ratio is methanol: water = 50: 23 (volume ratio in a liquid state). The second raw materials are all the raw materials to be evaporated. The second raw material supplied from the second raw material supply port 11 is supplied to the heat transfer tube 10 via the second raw material chamber 17. The second raw material is heated and evaporated by the heat of the exhaust gas passing through the second exhaust gas line 9 while passing through the heat transfer tube 10. Since the heat transfer pipe 10 is provided in the second exhaust gas pipe 9, the superheated exhaust gas spreads all over the outer circumference of the heat transfer pipe 10, so that the second raw material can be efficiently evaporated. The temperature of the exhaust gas is reduced by applying heat to the second raw material. The evaporated second raw material is supplied into the second exhaust gas line 9 from the end of the heat transfer tube 10.
[0047]
Since the resistance member 17a made of a ceramic porous body is built in the second raw material chamber 17, it is possible to prevent the second raw material from dripping from the tip without being completely evaporated in the heat transfer tube 10. That is, when the resistance member is not incorporated, the second raw material does not fill the second raw material chamber 17 at the time of startup or at a small flow rate, and the liquid flows downwardly. On the other hand, the exhaust gas passing through the second exhaust gas line 9 flows almost uniformly or at a slightly higher temperature. As a result, the second raw material flows out of the lower end of the heat transfer tube 10 in a liquid state without being completely evaporated. This problem is solved by incorporating the resistance member.
[0048]
In addition, by adjusting the resistance member 17a to make the second raw material flowing to the lower heat transfer tube 10 lower than the second raw material flowing to the upper heat transfer tube 10, the temperature of the upper and lower heat transfer tubes 10 is made the same. , Raise the lower temperature. Thereby, dripping of the portion of the sprayer 1 at the time of start-up and dripping of condensed liquid generated due to the evaporator 100 not being sufficiently heated can be prevented by re-evaporating the dripping portion. That is, the resistance member 17a is the second raw material flow distribution means, and setting the temperature of each heat transfer tube to a predetermined temperature means making the temperature of each heat transfer tube the same or making the lower temperature higher than the upper temperature. . Adjustment of the vertical flow by the resistance member 17a is performed by changing the porosity between the upper and lower sides of the resistance member 17a.
[0049]
Although a ceramic porous body is used as the resistance member 17a, other materials such as metal can be used as long as the porous body has open cells. Also, instead of a porous body, a cotton-like member can be used.
[0050]
The burned exhaust gas of the first raw material, the evaporated first raw material, and the evaporated second raw material are supplied to the vapor mixing chamber 13. The burned exhaust gas of the first raw material and a part of the evaporated first raw material are injected from the combustion chamber 3 into the steam mixing chamber 13 through the small holes 7 a of the partition member 7. The gas injected from the small holes 7a produces a stirring effect in the steam mixing chamber 13 and promotes mixing. The temperature of the mixed gas is controlled so as to be a predetermined temperature suitable for reforming in a steady state. The gas in the steam mixing chamber 13 is rectified by the diffusion / rectification member 14 and discharged from the evaporator outlet 15.
[0051]
The raw material evaporated by the evaporator 100 is supplied to the reformer 28 and used as a raw material for reforming. In the reformer 28, the raw material for reforming is reformed by a catalyst to become a fuel gas containing hydrogen as a main component and supplied to the fuel electrode side of the fuel cell 32. Air is supplied to the oxidant electrode side of the fuel cell 32. The fuel cell 32 generates power by an electrochemical reaction that consumes hydrogen in the fuel gas and oxygen in the oxidant gas. Hydrogen in the fuel gas is not completely consumed, and the fuel gas off-gas discharged from the fuel cell 32 contains residual hydrogen.
[0052]
FIG. 3 is a flowchart when the fuel cell system according to the first embodiment is started. First, the glow plug 5 is turned on and heated (step S1). Subsequently, the first raw material is sprayed from the sprayer 1 into the combustion chamber 3 by spraying / combustion air. At the same time, flame holding / combustion air is supplied from the flame holding / combustion air supply unit 2 to the combustion chamber 3 via the hole 4a of the flame stabilizer 4 (step S2).
[0053]
Subsequently, the valve V2 is opened to supply the gas discharged from the reformer 28 to the combustor 29, and the valve V3 is opened to supply air to the combustor 29 by a blower (not shown). Burn (step S3). Note that, initially, the valves V1, V2, V3, and V4 are all closed.
[0054]
Next, it is determined by the temperature sensor 30 whether or not the gas temperature at the evaporator outlet 15 has become equal to or higher than a predetermined temperature T1 (for example, 150 ° C.) (Step S4). Is reached, it is determined that the first raw material has been ignited, and the group lug 5 is turned off (step S5).
[0055]
As for the combustion gas discharged from the combustor 29, the combustion gas burned in the combustor 29 is sent to the combustion gas passage 22 through the inlet 22a. Since the combustion gas passage 22 is provided on the outer periphery of the second exhaust gas line 9, the first raw material in the second exhaust gas line 9 is heated by the heat of the combustion gas, and the second raw material in the heat transfer tube 10 is heated. Is heated, the temperature of the gas discharged from the evaporator 100 is rapidly heated.
[0056]
Since the heat exchange section is heated by the combustion gas of the combustor via the exhaust gas pipe, the evaporation efficiency of the evaporator can be improved. The hydrogen gas discharged from the fuel cell is a waste gas, and the efficiency of the fuel cell system can be improved by using the reformed fuel gas in a combustor when it is not supplied to the fuel cell.
[0057]
Further, in the present embodiment, since the combustion gas is configured to flow upward from below in the combustion gas passage 22, the lower side of the second exhaust gas line 9 can be heated to a higher temperature. Effective for re-evaporation.
[0058]
In step S6, it is determined by the temperature sensor 30 whether or not the gas temperature at the evaporator outlet 15 has reached a temperature suitable for reforming (optimal reforming temperature). When the temperature reaches an appropriate temperature, the valve V4 is opened to supply the fuel gas discharged from the reformer 28 to the fuel cell 32, and the valves V2 and V3 are closed to stop the combustor 29 (step S7). After the stop, the combustion gas remaining in the combustion gas passage 22 acts as a heat insulating layer and contributes to the improvement of the evaporation efficiency of the evaporator 100. Thereafter, the evaporator 100 shifts to a steady operation.
[0059]
Thereafter, if the evaporator 100 is operating normally, the combustor 29 remains stopped. However, when the evaporator 100 or the reformer 28 is cooled for some reason, for example, due to sudden wind or rain or sudden acceleration in winter (in the case of a fuel cell vehicle), the gas temperature at the evaporator outlet 15 is reduced to the optimum reforming temperature. When it is no longer the case, the valve V1 is opened to supply the fuel gas off-gas discharged from the fuel cell 32 to the combustor 29, and the valve V3 is opened to supply air to the combustor 29 and burn in the combustor 29. The combustion gas is supplied to the combustion gas passage 22. As a result, the evaporator 100 can quickly recover to a steady operation state. Further, when it is necessary to rapidly increase the output of the fuel cell and a large amount of reformed gas is required, the same control can be performed for a long time.
[0060]
By performing the control as described above, the combustion gas of the combustor 29 can be used as a heating source of the evaporator 100 at the time of startup, so that the startup time of the fuel cell system can be reduced.
[0061]
In FIG. 3, the temperature sensor 30 provided at the evaporator outlet 15 determines whether the ignition of the first raw material has been completed and whether the raw material gas discharged from the evaporator has reached the proper reforming temperature. Alternatively, the determination may be made by the temperature sensor 31 provided at the outlet of the apparatus 28.
[0062]
FIG. 4 is an explanatory diagram illustrating a fuel cell system according to a second embodiment of the present invention, and FIG. 5 is a cross-sectional view taken along a line BB of an evaporator according to the second embodiment of the present invention. The second embodiment is the same as the first embodiment except that the combustion gas passage is provided inside the heat transfer tube, and the same portions are denoted by the same reference numerals and description thereof will be omitted.
[0063]
The combustion gas passage is formed by a pipe-shaped combustion gas passage tube 23 penetrating the inside of each heat transfer tube 1 in the longitudinal direction, and one combustion gas passage tube 23 is provided for each heat transfer tube 1. One end of the combustion gas passage tube 23 communicates with an annular fuel gas inlet chamber 24 having a triangular cross section. An inlet 24a is provided below the fuel gas inlet chamber 24. The other end of the combustion gas passage tube 23 communicates with an annular fuel gas outlet chamber 25 having a rectangular cross section. An outlet 25 a is provided above the fuel gas inlet chamber 25.
[0064]
The combustion gas of the combustor 29 is supplied from the inlet 24 a and supplied to the combustion gas passage pipe 23 through the fuel gas inlet chamber 24. The combustion gas passing through the combustion gas passage tube 23 directly heats the second raw material in the heat transfer tube 1, is discharged to the fuel gas outlet chamber 25, and is discharged from the outlet 25 a to the outside of the evaporator 100.
[0065]
As described above, in the second embodiment, since the combustion gas passage tube 23 directly heats the second raw material in the heat transfer tube 1, the heat of the combustion gas can be efficiently transferred to the second raw material. In the second embodiment, since the flow direction of the second raw material and the flow direction of the combustion gas are opposite to each other, that is, a so-called counter-current double-pipe heat exchanger, the heat of the combustion gas is more efficiently transferred. Heat can be transferred to the second raw material. As a result, the evaporation efficiency of the evaporator 100 can be further improved, and the evaporator 100 can be started more quickly.
[0066]
In the embodiment, the exhaust gas channel is provided in a U-turn shape on the outer periphery of the side wall of the combustion chamber. You don't have to. However, if the exhaust gas pipe is provided on the outer periphery of the side wall of the combustion chamber, the cooling of the combustion chamber can be prevented, and the combustion efficiency can be improved. On the other hand, the combustion heat transferred from the combustion chamber via the side wall also contributes to the heating of the second raw material in the exhaust gas pipe, so that the second raw material can be more efficiently evaporated. Further, since the side wall is heated by the exhaust gas, it is possible to re-evaporate the liquid dripping or condensed and staying liquid at the start. The side wall is also heated by radiant heat generated by the combustion flame of the combustion chamber, and thereby, the dripping at the start and the liquid that has condensed and stayed can be re-evaporated.
[0067]
If the exhaust gas channel is provided in a U-turn shape, the outer circumference of the side wall is doubly covered with the exhaust gas channel, so that the combustion efficiency can be further improved. Further, since the flow direction of the gas flow flowing into the exhaust gas pipe from the downstream of the gas flow in the combustion chamber and discharged from the exhaust gas pipe can be made to coincide with the flow direction of the gas flow in the combustion chamber, the size can be reduced.
[0068]
Further, although the pipe-shaped heat transfer tube is used as the heat exchange section in which the second raw material exchanges heat with the heat of the exhaust gas conduit in the exhaust gas conduit, any heat exchangeable member can be applied.
[0069]
【The invention's effect】
As described above, the present invention provides a first raw material supply unit for supplying a first raw material containing a combustion fuel, a combustion chamber for burning the combustion fuel supplied from the first raw material supply unit, An exhaust gas passage connected to the chamber and through which the combustion exhaust gas of the combustion fuel passes, and a second raw material supply means for supplying the second raw material via a heat exchange unit that exchanges heat with the heat of the exhaust gas in the exhaust gas pipeline. Since the evaporator is provided, dripping of water can be prevented, generation of carbon monoxide can be reduced, and startup can be performed in a short time.
[0070]
The present invention also provides an evaporator, a reformer for reforming a raw material gas evaporated by the evaporator into a fuel gas, and a fuel cell for generating electricity using the fuel gas reformed by the reformer. And a combustor for burning hydrogen gas discharged from at least one of the reformer and the fuel cell, wherein the combustion gas of the combustor heats an exhaust gas line or a heat exchange section of the evaporator. The fuel cell system is provided with a combustion gas passage so that the fuel cell system can be started in a short time. Using this fuel cell system, at the time of startup, control is performed such that the combustion gas of the combustor flows through the combustion gas passage until the temperature of the raw material gas evaporated by the evaporator becomes a temperature suitable for reforming. Therefore, the startup time of the fuel cell system can be reduced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory diagram illustrating a fuel cell system according to a first embodiment of the present invention;
FIG. 2 is an AA sectional view of the evaporator according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a flowchart at the time of starting the fuel cell system according to the first embodiment;
FIG. 4 is an explanatory diagram for explaining a fuel cell system according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a sectional view taken along a line BB of an evaporator according to a second embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
1. Sprayer (first raw material supply means)
2 ...
3. Combustion chamber
4 ...
5 ...
6 ... side wall
7 ... Partition member
7a ... Small hole
8. First exhaust gas line (exhaust gas line)
9 Second exhaust gas line (exhaust gas line)
10. Heat transfer tube (heat exchange section) (second raw material supply means)
11: second raw material supply port (second raw material supply means)
13 ... Evaporation mixing chamber
17: second raw material chamber (second raw material supply means)
17a: resistance member (second raw material flow distribution means)
22 ... Combustion gas passage
23: combustion gas passage pipe (combustion gas passage)
28 ... Reformer
29 ... Combustor
30, 31 ... temperature sensor
32 ... Fuel cell
100 ... evaporator
