JP2004185987A - 燃料蒸発器及び燃料電池自動車 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明の燃料蒸発器は、原燃料(90)との間で熱交換を行い、原燃料(90)を気化するための燃焼ガスの通路となる加熱流体流路(70)に燃焼ガスを生成するための燃焼エアを供給するエアポンプ(61)と、燃焼エアを冷却するための冷却手段(62)と、エアポンプ(61)及び冷却手段(62)を制御する制御部(24)を備える。制御部(24)は原燃料(90)を気化するために要求される燃焼エア流量がエアポンプ(61)の許容消費電力の範囲内で供給できる燃焼エア流量を超える場合に、冷却手段(62)を制御して燃焼エア温度を降温させることで体積密度を増加させ、エアポンプ(61)の消費電力を許容消費電力の範囲内に制限する。
【選択図】 図3
Description
本発明は原燃料を蒸気化して原燃料ガスを生成する燃料蒸発器に関し、特に、燃料蒸発器に燃焼エアを供給するためのエアポンプの消費電力を低減してエネルギー効率を高めるための改良技術に関する。
【従来の技術】
燃料電池システムをオンボード発電機として運用する燃料電池自動車においては、液体燃料であるメタノール又は炭化水素系の原燃料(改質原料)をタンクに貯蔵し、これを車上で水素リッチな燃料ガスに改質する方式が知られている。液体燃料であれば、車上の搭載性及び可搬性に優れている上に、エネルギー密度の点においても、水素ガスを貯蔵する方式よりも優れている。液体の原燃料から燃料ガスを生成するには、所定の熱量を投入して気化する必要がある。このため、改質器においては、エアポンプから供給される燃焼エアにメタノールなどの燃料を噴霧して混合し、これを燃焼させることで原燃料との間で熱交換し、原燃料を気化している。特開平9−92312号公報(特許文献1)には、燃料電池での発電量に対応して燃焼エア流量を調整するエアポンプの回転数を調整する技術が開示されている。
【特許文献1】
特開平9−92312号公報
【発明が解決しようとする課題】
しかし、エアポンプなどの補機類は燃料電池の発電力で駆動されるため、燃焼エア流量が増加すると、ポンプ回転数も増加し、消費電力が増加する。従って、エアポンプ駆動力を如何にして小さくできるかがシステム全体のエネルギー効率を支配する要因になる。特に、燃料電池は高い圧力で運転するほど、エネルギー効率、出力密度ともに良好となるが、それだけエアポンプの消費電力が増加し、ある程度以上の圧力にするとシステム全体のエネルギー効率は低下する。
そこで、本発明はエアポンプの消費電力を一定限度に制限することで、システム全体のエネルギー効率を高めることのできる改良技術を提案することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、本発明の熱交換器は、原燃料の通路となる被加熱流体流路と、前記原燃料との間で熱交換を行い、前記原燃料を気化するための燃焼ガスの通路となる加熱流体流路と、前記燃焼ガスを生成するための燃焼エアを前記加熱流体流路に供給するエアポンプと、前記燃焼エアを冷却するための冷却手段と、前記エアポンプ及び前記冷却手段を制御することで、燃焼エア流量及び燃焼エア温度を制御する制御部とを備える。前記制御部は、前記原燃料を気化するために要求される燃焼エア流量が前記エアポンプの許容消費電力の範囲内で供給できる燃焼エア流量を超えると判断すると、前記冷却手段を制御して前記燃焼エア温度を降温させることで、前記燃焼エアの体積密度を増加させ、前記エアポンプの消費電力を前記許容消費電力の範囲内に制限する。
かかる構成により、燃焼エア温度を降温させることで、燃焼エアの体積密度を増加させ、エアポンプの消費電力を許容消費電力の範囲内に制限することができ、システム全体のエネルギー効率を高めることができる。
本発明の燃料蒸発器は、原燃料の通路となる被加熱流体流路と、前記原燃料との間で熱交換を行い、前記原燃料を気化するための燃焼ガスの通路となる加熱流体流路と、前記燃焼ガスを生成するための燃焼エアを前記加熱流体流路に供給するエアポンプと、前記加熱流体流路内の燃焼エア圧を調整する圧力調整手段と、前記エアポンプ及び前記圧力調整手段を制御することで、燃焼エア流量及び燃焼エア圧を制御する制御部とを備える。前記制御部は、前記原燃料を気化するために要求される燃焼エア流量が前記エアポンプの許容消費電力の範囲内で供給できる燃焼エア流量を超えると判断すると、前記圧力調整手段を制御して前記燃焼エア圧を昇圧させることで、前記燃焼エアの体積密度を増加させ、前記エアポンプの消費電力を前記許容消費電力の範囲内に制限する。
かかる構成により、燃焼エア圧を昇圧させることで、燃焼エアの体積密度を増加させ、エアポンプの消費電力を許容消費電力の範囲内に制限することができ、システム全体のエネルギー効率を高めることができる。
本発明の燃料蒸発器は、原燃料の通路となる被加熱流体流路と、前記原燃料との間で熱交換を行い、前記原燃料を気化するための燃焼ガスの通路となる加熱流体流路と、前記燃焼ガスを生成するための燃焼エアを前記加熱流体流路に供給するエアポンプと、前記燃焼エアを冷却するための冷却手段と、前記加熱流体流路内の燃焼エア圧を調整する圧力調整手段と、前記エアポンプ、前記冷却手段、及び前記圧力調整手段を制御することで、燃焼エア流量、燃焼エア温度、及び燃焼エア圧を制御する制御部とを備える。前記制御部は、前記原燃料を気化するために要求される燃焼エア流量が前記エアポンプの許容消費電力の範囲内で供給できる燃焼エア流量を超えると判断すると、前記冷却手段を制御して前記燃焼エア温度を降温させるとともに、前記圧力調整手段を制御して前記燃焼エア圧を昇圧させることで、前記燃焼エアの体積密度を増加させ、前記エアポンプの消費電力を前記許容消費電力の範囲内に制限する。
かかる構成により、燃焼エア温度を降温させるとともに、燃焼エア圧を昇圧させることで、燃焼エアの体積密度を増加させ、エアポンプの消費電力を許容消費電力の範囲内に制限することができ、システム全体のエネルギー効率を高めることができる。
本発明の燃料電池自動車は、原燃料を燃料蒸発器にて気化して原燃料ガスを生成し、前記原燃料ガスを改質して得られた燃料ガスを燃料電池に供給することで車両駆動に必要な電力を発電する燃料電池システムと、前記燃料電池システムの発電量を算出するシステムコントローラと、前記燃料電池システムの発電を制御する制御部を備え、前記燃料蒸発器は、前記原燃料の流路となる被加熱流体流路と、前記原燃料との間で熱交換を行い、前記原燃料を気化するための燃焼ガスの流路となる加熱流体流路と、前記燃焼ガスを生成するための燃焼エアを前記加熱流体流路に供給するエアポンプと、前記燃焼エアを冷却するための冷却手段を備えており、前記システムコントローラは、前記燃料電池システムの発電量から求めた前記エアポンプの許容消費電力を前記制御部へ出力し、前記制御部は、前記原燃料を気化するために要求される燃焼エア流量が前記エアポンプの許容消費電力の範囲内で供給できる燃焼エア流量を超えると判断すると、前記冷却手段を制御して前記燃焼エア温度を降温させることで、前記燃焼エアの体積密度を増加させ、前記エアポンプの消費電力を前記許容消費電力の範囲内に制限する。
かかる構成により、燃焼エア温度を降温させることで、燃焼エアの体積密度を増加させ、エアポンプの消費電力を許容消費電力の範囲内に制限することができ、システム全体のエネルギー効率を高めることができる。
本発明の燃料電池自動車は、原燃料を燃料蒸発器にて気化して原燃料ガスを生成し、前記原燃料ガスを改質して得られた燃料ガスを燃料電池に供給することで車両駆動に必要な電力を発電する燃料電池システムと、前記燃料電池システムの発電量を算出するシステムコントローラと、前記燃料電池システムの発電を制御する制御部を備え、前記燃料蒸発器は、前記原燃料の流路となる被加熱流体流路と、前記原燃料との間で熱交換を行い、前記原燃料を気化するための燃焼ガスの流路となる加熱流体流路と、前記燃焼ガスを生成するための燃焼エアを前記加熱流体流路に供給するエアポンプと、前記加熱流体流路内の燃焼エア圧を調整する圧力調整手段を備えており、前記システムコントローラは、前記燃料電池システムの発電量から求めた前記エアポンプの許容消費電力を前記制御部へ出力し、前記制御部は、前記原燃料を気化するために要求される燃焼エア流量が前記エアポンプの許容消費電力の範囲内で供給できる燃焼エア流量を超えると判断すると、前記圧力調整手段を制御して前記燃焼エア圧を昇圧させることで、前記燃焼エアの体積密度を増加させ、前記エアポンプの消費電力を前記許容消費電力の範囲内に制限する。
かかる構成により、燃焼エア圧を昇圧させることで、燃焼エアの体積密度を増加させ、エアポンプの消費電力を許容消費電力の範囲内に制限することができ、システム全体のエネルギー効率を高めることができる。
本発明の燃料電池自動車は、原燃料を燃料蒸発器にて気化して原燃料ガスを生成し、前記原燃料ガスを改質して得られた燃料ガスを燃料電池に供給することで車両駆動に必要な電力を発電する燃料電池システムと、前記燃料電池システムの発電量を算出するシステムコントローラと、前記燃料電池システムの発電を制御する制御部を備え、前記燃料蒸発器は、前記原燃料の流路となる被加熱流体流路と、前記原燃料との間で熱交換を行い、前記原燃料を気化するための燃焼ガスの流路となる加熱流体流路と、前記燃焼ガスを生成するための燃焼エアを前記加熱流体流路に供給するエアポンプと、前記燃焼エアを冷却するための冷却手段と、前記加熱流体流路内の燃焼エア圧を調整する圧力調整手段を備えており、前記システムコントローラは、前記燃料電池システムの発電量から求めた前記エアポンプの許容消費電力を前記制御部へ出力し、前記制御部は、前記原燃料を気化するために要求される燃焼エア流量が前記エアポンプの許容消費電力の範囲内で供給できる燃焼エア流量を超えると判断すると、前記冷却手段を制御して前記燃焼エアを降温させるとともに、前記圧力調整手段を制御して前記燃焼エア圧を昇圧させることで、前記燃焼エアの体積密度を増加させ、前記エアポンプの消費電力を前記許容消費電力の範囲内に制限する。
かかる構成により、燃焼エア温度を降温させるとともに、燃焼エア圧を昇圧させることで、燃焼エアの体積密度を増加させ、エアポンプの消費電力を許容消費電力の範囲内に制限することができ、システム全体のエネルギー効率を高めることができる。
本発明のコンピュータプログラムは、エアポンプから供給される燃焼エア中に燃料を噴霧してこれを燃焼させて燃焼ガスを生成し、前記燃焼ガスと原燃料との間で熱交換を行うことで前記原燃料を気化する燃料蒸発器を制御するコンピュータシステムに、前記原燃料を気化するために要求される燃焼エア流量が前記エアポンプの許容消費電力の範囲内で供給できる燃焼エア流量を超えるか否かを判定するステップと、前記原燃料を気化するために要求される燃焼エア流量が前記エアポンプの許容消費電力の範囲内で供給できる燃焼エア流量を超える場合に、前記燃焼エアの流路に配設された冷却手段を制御して前記燃焼エア温度を降温させることで、前記燃焼エアの体積密度を増加させ、前記エアポンプの消費電力を前記許容消費電力の範囲内に制限するステップと、を実行させる。
燃料蒸発器を制御するコンピュータシステムに上記の処理ステップを実行させることにより、燃焼エアの温度を調整することで、エアポンプの消費電力を許容消費電力の範囲内に制限することができ、システム全体のエネルギー効率を高めることができる。
本発明のコンピュータプログラムは、エアポンプから供給される燃焼エア中に燃料を噴霧してこれを燃焼させて燃焼ガスを生成し、前記燃焼ガスと原燃料との間で熱交換を行うことで前記原燃料を気化する燃料蒸発器を制御するコンピュータシステムに、前記原燃料を気化するために要求される燃焼エア流量が前記エアポンプの許容消費電力の範囲内で供給できる燃焼エア流量を超えるか否かを判定するステップと、前記原燃料を気化するために要求される燃焼エア流量が前記エアポンプの許容消費電力の範囲内で供給できる燃焼エア流量を超える場合に、前記燃焼エアの流路に配設された圧力調整手段を制御して前記燃焼エア圧を昇圧させることで、前記燃焼エアの体積密度を増加させ、前記エアポンプの消費電力を前記許容消費電力の範囲内に制限するステップと、を実行させる。
燃料蒸発器を制御するコンピュータシステムに上記の処理ステップを実行させることにより、燃焼エアのガス圧を調整することで、エアポンプの消費電力を許容消費電力の範囲内に制限することができ、システム全体のエネルギー効率を高めることができる。
本発明のコンピュータプログラムは、エアポンプから供給される燃焼エア中に燃料を噴霧してこれを燃焼させて燃焼ガスを生成し、前記燃焼ガスと原燃料との間で熱交換を行うことで前記原燃料を気化する燃料蒸発器を制御するコンピュータシステムに、前記原燃料を気化するために要求される燃焼エア流量が前記エアポンプの許容消費電力の範囲内で供給できる燃焼エア流量を超えるか否かを判定するステップと、前記原燃料を気化するために要求される燃焼エア流量が前記エアポンプの許容消費電力の範囲内で供給できる燃焼エア流量を超える場合に、前記燃焼エアの流路に配設された冷却手段を制御して前記燃焼エアを降温させるとともに、前記燃焼エアの流路に配設された圧力調整手段を制御して前記燃焼エア圧を昇圧させることで、前記燃焼エアの体積密度を増加させ、前記エアポンプの消費電力を前記許容消費電力の範囲内に制限するステップと、を実行させる。
燃料蒸発器を制御するコンピュータシステムに上記の処理ステップを実行させることにより、燃焼エアの温度及びガス圧を調整することで、エアポンプの消費電力を許容消費電力の範囲内に制限することができ、システム全体のエネルギー効率を高めることができる。
本発明のプログラムを記録するコンピュータ読取り可能な記録媒体として、例えば、光記録媒体(CD−RAM、CD−ROM、DVD−RAM、DVD−ROM、DVD−R、PDディスク、MDディスク、MOディスク等の光学的にデータの読み取りが可能な記録媒体)や、磁気記録媒体(フレキシブルディスク、磁気カード、磁気テープ等の磁気的にデータの読み取りが可能な記録媒体)、或いはメモリ素子(DRAM等の半導体メモリ素子、FRAM等の強誘電体メモリ素子)を備えたメモリカートリッジ等の可搬性記録媒体等が好適である。
【発明の実施の形態】
以下、各図を参照して本実施形態について説明する。
図1は本実施形態の燃料電池システムを搭載した車両(燃料電池自動車)の主要ブロック図である。同図に示すように、燃料電池自動車10は、主に、オンボード発電機として機能する燃料電池システム20と、補助電力源として機能する二次電池30と、電力変換制御を行うパワーコントロールユニット40と、パワーコントロールユニット40を介して燃料電池システム20又は二次電池30から供給される電力で駆動輪51,52を駆動するモータ50とを備えて構成されている。燃料電池自動車10は前輪駆動方式を採用しており、車両後部には被駆動輪53,54が配置されている。
燃料電池システム20は、メタノールや天然ガスなどの原燃料と水をそれぞれ別途貯蔵するタンク21と、タンク21から供給された原燃料と水の混合溶液を改質して水素リッチな燃料ガスを生成する改質器22と、改質器22から供給された燃料ガスが有する化学エネルギーを電気エネルギーに変換する燃料電池23と、燃料電池システム20全体を制御する制御部24とを備えて構成されている。制御部24は後述するシステムコントローラ43と通信を行うことで、燃料電池システム20に配設されているエアポンプ、ウォータポンプの作動回転数制御、及び電磁弁の開閉制御などを行い、発電量が要求電力を満たすようにシステム制御する。燃料電池システム20のエア流路には、エアクリーナ84、及びエアポンプ83が配設されており、エアクリーナ84で濾過された発電用エア(酸化ガス)はエアポンプ83で加圧され、燃料電池23の酸素極に供給される。
燃料電池23は固体高分子電解質型の燃料電池であり、単セルを複数積層したスタック構造を備えている。高分子電解質型の燃料電池は、常温で起動できるために起動時間が短い、常温で高い電流密度が得られる、低負荷運転が可能、小型軽量化が可能といったメリットがあり、車両搭載用の燃料電池として優れた特性を備えている。
パワーコントロールユニット40は、アクセル開度、車速、シフトポジション、ブレーキ踏み込み量などから走行負荷を検出してモータ50への供給電力量を演算するシステムコントローラ43と、燃料電池23又は二次電池30から供給される直流電圧を補機用バッテリ44の充電電圧に変圧するDC/DCコンバータ41と、直流電流を交流電流に変換してモータ50に供給するインバータ42とを備えて構成されている。インバータ42は、パワースイッチ素子を主要回路素子として構成され、直流電流を三相交流に変換する。三相交流の振幅及び周波数はシステムコントローラ43によって制御される。
二次電池30は燃料電池システム20の起動用電源、ブレーキ回生時の回生エネルギー貯蔵源、燃料電池自動車10の加速又は減速に伴う負荷変動時のエネルギーバッファとしての役割を担うものであり、ニッケル・カドミウム蓄電池、ニッケル・水素蓄電池、リチウム二次電池などが好適である。二次電池30の前段には直流電圧を変圧するためのDC/DCコンバータ45が配設されている。二次電池30の容量は、燃料電池自動車10の走行条件、走行性能(最高速度、走行距離など)、車重などに応じて適宜設定できる。モータ50としては三相同期モータが好適である。
上述した構成により、システムコントローラ43は、車両走行負荷などを基にモータ50に供給されるべき電力を演算し、燃料電池システム20にて所望の発電量を得るための必要な指示を制御部24に与える。制御部24は、燃料電池23に供給されるべき燃料ガスと酸化ガスの流量を適宜調整し、走行に必要な電力を得る。燃料電池システム20にて生成された電力はパワーコントロールユニット40を介してモータ50その他の補機類などに供給される。
図2は、改質器を構成する主要ブロックの説明図である。同図に示すように、改質器22は、原燃料を気化させて原燃料ガスを生成するための燃料蒸発器22aと、原燃料ガスを水素リッチな燃料ガスに改質する改質部22bと、燃料ガス中に含まれている一酸化炭素(CO)を除去するCO低減部22cとを備えて構成されている。燃料蒸発器22aは高温の燃焼ガスと液相の原燃料との間で熱交換を行い、原燃料を蒸気化する熱交換装置である。燃料蒸発器22aには、原燃料を気化するための燃焼ガスを生成するために、メタノールなどの可燃性燃料と、エアポンプ61の圧送力で加圧された燃焼エアが供給される。燃料は燃焼エア中に噴霧され、加熱された触媒の作用によって燃焼し、燃焼ガスとなる。燃焼排ガスは外部に放出される。燃料蒸発器22aの詳細な内部構成については後述する。
原燃料ガスは改質部22bに供給され、水蒸気改質と部分酸化改質を併用したオートサーマル方式によって水素リッチな燃料ガスに改質される。改質部22bの内部には、銅−亜鉛系触媒(Cu−Zn系触媒)、銅−亜鉛−クロム系触媒(Cu−Zn−Cr系触媒)、銅−亜鉛−アルミニウム系触媒(Cu−Zn−Al系触媒)、亜鉛−クロム系触媒(Zn−Cr系触媒)などの改質触媒が充填されており、併用改質に適した温度範囲(200〜600℃)に保たれている。部分酸化改質に必要な酸素(改質用エア)は改質エア用遮断弁81の開弁作動により改質部22b内に導入できる。
改質部22bにおいて生成された水素リッチな燃料ガスはCO低減部22cに供給される。CO低減部22cには一酸化炭素の選択酸化触媒である白金触媒、ルテニウム触媒、パラジウム触媒、金触媒、或いはこれらを第1元素とした合金触媒を担持した担体が充填されている。一酸化炭素の選択酸化反応に要する酸素を含有する精製用エアは精製用エア遮断弁82の開弁作動によりCO低減部22c内に導入できる。燃料電池23における電池反応を良好に促進するには、燃料ガス中の一酸化炭素濃度は数ppm程度以下が望ましい。
図3は本実施形態の主要部を構成する燃料蒸発器を中心としたシステム構成図である。同図に示すように、燃料蒸発器22aは、主に、燃焼ガスなどの加熱流体が通過する加熱流体流路部60と、原燃料などの被加熱流体が通過する被加熱流体流路部70とを備えており、両者の間で熱交換可能に構成されている。加熱流体流路部60の上流端に位置する燃料投入口には、メタノール、ガソリン、水素オフガスなどの燃料を燃焼エア中に噴霧して混合ガスを生成し、これを加熱流体流路部60に供給するためのインジェクタ63が配設されている。インジェクタ63の上流には燃焼エアを供給するためのエアポンプ61が配設されており、車外から導入されたエアを加圧してインジェクタ63に導入するよう構成されている。エアポンプ61としては、燃料電池23の定格出力近傍で必要とされるエア供給量において、最大効率となるような容量を備え、軽量かつ耐久性・耐熱性のある材料で構成されているものが望ましい。
エアポンプ61の下流には燃焼エアの冷却手段としてのインジェクタ62が配設されている。インジェクタ62から燃焼エア中に微粒子状の水滴を噴霧することで、水滴が蒸発する際の蒸発潜熱で燃焼エアの温度を降温させることができる。加熱流体流路部60の下流には凝縮器67が配設されており、燃焼排ガス中に含まれる水分を液化して適量の冷却水を生成できるよう構成されている。凝縮器67において凝縮され、液化した水分は水タンク68に貯留される。水タンク68に貯留する冷却水はウォータポンプ69の吸引力でインジェクタ62まで導かれ、燃焼エア中に噴霧されて燃焼エアを加湿する。但し、インジェクタ62から噴霧される冷却水は必ずしも燃焼排ガスを凝縮して得られる水滴を用いる必要はなく、例えば、別途用意した冷却水用タンクから冷却水を供給するように構成してもよい。また、燃焼エアの冷却手段としては、上述の構成以外にも、公知のあらゆる冷却手段を用いることができる。例えば、燃焼エア流路上にインタークーラーを設置し、装置内を循環する冷却水との間で熱交換可能とすることで、燃焼エアを冷却するように構成してもよい。また、燃焼エア流路上に熱交換器を配置して冷媒を循環させ、燃焼エアとの間で熱交換を行った冷媒をファンなどで冷却することで、燃焼エアを降温させるように構成してもよい。
加熱流体流路部60の管内部には、電気触媒加熱ヒータ(EHC)64が配設されており、加熱環境下での触媒作用によって混合ガスを燃焼させることができる。さらに、加熱流体流路部60には、複数の温度センサ71〜76が配設されており、燃焼エアの温度を計測できるよう構成されている。加熱流体流路部60の下流には圧力調整手段としての圧力調整弁66が配設されており、燃焼エアのガス流量を調整できるよう構成されている。圧力調整弁66の開度を微調整することで、圧力調整弁66のガス入り口付近の流体抵抗を加減し、燃焼エア圧を調整することができる。圧力調整弁66のガス入り口付近には圧力センサ65が設置されており、燃焼エアの温度を計測することができる。
一方、被加熱流体流路部70の上流には前述したタンク21からポンプ77を介してメタノールと水の混合溶液からなる原燃料90が所定比率で供給される。原燃料90としては、メタン(CH4)、エタン(C2H5)、プロパン(C3H8)、ブタン(C4H10)、ガソリン、軽油、天然ガス、メタノール(CH3OH)、エタノール(C2H5OH)、DME(CH3OCH3)、アセトン(CH3C(=O)CH3)などを利用できるが、ここでは、メタノールを利用する場合を例示する。メタノールと水の混合溶液からなる原燃料の比率、つまり、水/メタノールのモル比は1.0〜5.0の範囲が好ましく、1.5〜3.0の範囲がより好ましい。
被加熱流体流路部70は、原燃料90が下流から上流方向に移動する毎に次第に液位が高くなるよう略鉛直方向に立設する複数の管路70aから構成されている。加熱流体流路部60は鉛直下方向に向かって蛇行するように形成されており、加熱流体流路部60内を通過する燃焼ガスは高温状態において、液位の高い原燃料90との間で熱交換を行い、原燃料90を沸騰、蒸気化させる。この熱交換により低温化した燃焼ガスは加熱流体流路部60内を下流方向に移動する過程において、次第に液位の低くなる原燃料90との間でさらに熱交換を行い、原燃料を予熱する。被加熱流体流路部70の下流には、圧力センサ65が配設されており、気化した原燃料のガス圧を計測できるよう構成されている。
制御部24は、マイクロコンピュータを中心としたコンピュータシステムとして構成されており、システム制御に必要な各種のプログラム及び各種データを記憶したROM25と、ROM25に書き込まれているプログラムを読み取って適宜これを実行するCPU26と、CPU26のワークメモリとして機能するRAM27と、上述した圧力センサ65、温度センサ71〜76からの検出信号を入力するとともに、上述したエアポンプ61、インジェクタ62、インジェクタ63、及び圧力調整弁66の駆動制御を行うための信号を出力する入出力ポート28を備えて構成されている。制御部24は、エアポンプ61、インジェクタ62、インジェクタ63、及び圧力調整弁66を制御することで、吐出燃料量、燃焼エア流量、燃焼エア温度、及び燃焼エア圧を制御し、所望の発電量を得るための原燃料の気化に必要な熱量を燃料蒸発器22aに投入する。
システムコントローラ43は、制御部24の上位コントローラとして機能するものであり、アクセル開度、車速、シフトポジション、ブレーキ踏み込み量、燃料電池23での発電状態、二次電池30の充電状態などから燃料電池自動車10の駆動に必要な総発電量を算出し、この総発電量の中からエアポンプ61の許容消費電力を求める。この許容消費電力の値は、システム全体のエネルギー収支のバランス又は燃料電池23若しくは二次電池30の出力制限度合いを考慮して、エネルギー効率を向上できるように求めるのが望ましい。システムコントローラ43は、エアポンプ61の消費電力を上述の許容消費電力の範囲内に抑えつつ、上述の総発電量を得るよう制御部24に指示を与える。
制御部24は、システムコントローラ43から上述の指示とともに、総発電量、及びエアポンプ61の許容消費電力を受け取ると、システムコントローラ43が要求する総発電量を得るために必要な原燃料の気化に要する熱量Qを求める。原燃料(液相)の比熱をCpl,原燃料(気相)の比熱をCp,蒸発潜熱をHvap,原燃料流量をFrm,原燃料の温度をT0,原燃料の沸点をTboil,蒸気の目標温度をTegとすれば、熱量Qは、Q={Cpl×(Tboil−T0)+Hvap+Cp×(Teg−Tboil)}×Frmとなる。制御部24は燃料のモル発熱量HからFb=Q/Hより、燃料流量Fbを求める。この燃料流量Fbに空燃比を乗じれば、燃料蒸発器22aに熱量Qを投入するために必要となる燃焼エア流量を求めることができる。説明の便宜上、本明細書では、この燃焼エア流量を要求エア流量と称する。
制御部24はさらにエアポンプ61の最大許容エア流量を求める。最大許容エア流量は、システムコントローラ43が指定するエアポンプ61の許容消費電力の範囲内で得られる最大のエア流量である。エアポンプ61の最大許容エア流量を求めるには、例えば、図4及び図5に示すような予め算出したマップ値を利用することができる。図4は、エアポンプ61に供給される電力量からポンプ回転数を求める変換マップであり、図5はポンプ回転数からエアポンプ61のエア流量を求める変換マップである。ここで求めた最大許容エア流量が要求エア流量を超えている場合には、システムコントローラ43が指定する許容消費電力の範囲内でエアポンプ61を駆動できるため、総発電量を得るに足りる燃焼エア流量でエアポンプ61を駆動する。
一方、最大許容エア流量が要求エア流量に足りない場合には、制御部24は、インジェクタ62と圧力調整弁66の何れか一方、又は両方を駆動制御して、燃焼エアの体積密度を高めることで燃焼エアの体積流量を減らしつつ、エアポンプ61の許容消費電力の範囲内で要求エア流量を賄えるように燃焼エアの質量流量を制御する。上述したように、インジェクタ62から噴霧される水滴は燃焼エア中に拡散し、水蒸気となる際の蒸発潜熱で燃焼エア温度を下げることができる。また、圧力調整弁66の開度を小さくすることで、圧力調整弁66のガス入り口付近の流体抵抗を高め、エアポンプ61を介して加熱流体流路部60に導入される燃焼エアのエア圧を高めることができる。
理想気体では、nを気体分子のモル数、Pを圧力、Vを体積、Rを気体定数、Tを温度とすると、n/V=P/(R・T)の関係が成立することが知られている。気体の状態方程式から明らかなように、気体の圧力Pを昇圧させるか、若しくは温度Tを降温させることで、体積密度(n/V)を増加させることができる。燃焼エアを理想気体に近似して考察すると、燃焼エア圧を昇圧させるか、若しくは燃焼エア温度を降温させることで燃焼エアの体積密度を高めることができる。制御部24は、圧力センサ65、及び温度センサ71〜76からの検出信号を一定時間間隔で取得し、加熱流体流路部60内の燃焼エア圧、燃焼エア温度を監視しており、インジェクタ62と圧力調整弁66の何れか一方、又は両方の駆動制御した場合に、これらのセンサ信号をフィードバックして燃焼エアの体積密度を管理している。このように、要求エア流量が最大許容エア流量を超えている場合に、燃焼エアの体積密度を高めることができれば、燃焼エア中の酸素濃度を高めることができ、エアポンプ61の最大許容消費電力の範囲内で要求エア流量を供給することが可能となる。
図6は制御部24におけるエアポンプ61の制御ルーチンを記述したフローチャートである。同図を参照しながら上述の説明を簡単に再述する。制御部24は上位のシステムコントローラ43から車両駆動に必要な総発電量を受け取り(ステップS1)、さらに、エアポンプ61の許容消費電力を受け取る(ステップS2)。制御部24は、総発電量から要求エア流量L1を算出し(ステップS3)、さらに、エアポンプ61の許容消費電力から最大許容エア流量L2を算出する(ステップS4)。ここで、要求エア流量L1が最大許容エア流量L2を超えている場合には(ステップS5;YES)、インジェクタ62と圧力調整弁66の何れか一方、又は両方を駆動制御して、燃焼エアの体積密度を高め(ステップS6)、燃焼エアを燃料蒸発器22aに投入する(ステップS7)。一方、要求エア流量L1が最大許容エア流量L2を超えてない場合には(ステップS5;NO)、許容消費電力の範囲内でエアポンプ61を作動し、要求エア流量の燃焼エアを燃料蒸発器22aに投入する(ステップS7)。
このように、本実施形態によれば、要求エア流量が最大許容エア流量を超えている場合に、インジェクタ62と圧力調整弁66の何れか一方、又は両方を駆動制御して燃焼エアの体積密度を高めることができるため、上位のシステムコントローラ43が指定した許容消費電力の範囲内でエアポンプ61を作動させることが可能となる。このため、システム全体のエネルギー効率を高めることができ、燃焼電池車両10の燃費を良好なものとすることができる。
また、本実施形態によれば、標高の高い土地や外気温などの異なる場所でシステムを運転する場合においても、燃焼エアの体積密度を調整することで、エアポンプ61の吐出量を増加することなく、要求される燃焼エア量を供給できるため、エアポンプ61の消費電力を一定範囲内に抑えることができる。
【発明の効果】
本発明によれば、エアポンプから燃料蒸発器に供給される燃焼エアの燃焼エア温度を降温させることで、又は燃焼エア圧を昇圧させることで、燃焼エアの体積密度を増加させ、エアポンプの消費電力を許容消費電力の範囲内に制限することができ、システム全体のエネルギー効率を高めることができる
【図面の簡単な説明】
【図1】本実施形態の燃料電池システムを搭載した車両の主要ブロック図である。
【図2】改質器を構成する主要ブロックの説明図である。
【図3】本実施形態の燃料蒸発器を中心としたシステム構成図である。
【図4】エアポンプの消費電力からポンプ回転数を求める変換マップである。
【図5】ポンプ回転数からエア流量を求める変換マップである。
【図6】エアポンプの制御ルーチンを記述したフローチャートである。
【符号の説明】
10…燃料電池自動車
20…燃料電池システム
22…改質器
22a…燃料蒸発器
22b…改質部
22c…CO低減部
23…燃料電池
24…制御部
25…ROM
26…CPU
27…RAM
28…入出力ポート
30…二次電池
40…パワーコントロールユニット
41…DC/DCコンバータ
42…インバータ
43…システムコントローラ
50…モータ
60…熱流体流路部
61…エアポンプ
62…インジェクタ
63…インジェクタ
64…電気触媒加熱ヒータ
65…圧力センサ
66…圧力調整弁
67…凝縮器
68…水タンク
69…ウォータポンプ
70…被熱流体流路部
71〜76…温度センサ
81…改質エア用遮断弁
82…精製用エア遮断弁
Claims (10)
- 原燃料の流路となる被加熱流体流路と、
前記原燃料との間で熱交換を行い、前記原燃料を気化するための燃焼ガスの流路となる加熱流体流路と、
前記燃焼ガスを生成するための燃焼エアを前記加熱流体流路に供給するエアポンプと、
前記燃焼エアを冷却するための冷却手段と、
前記エアポンプ及び前記冷却手段を制御することで、燃焼エア流量及び燃焼エア温度を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記原燃料を気化するために要求される燃焼エア流量が前記エアポンプの許容消費電力の範囲内で供給できる燃焼エア流量を超えると判断すると、前記冷却手段を制御して前記燃焼エア温度を降温させることで、前記燃焼エアの体積密度を増加させ、前記エアポンプの消費電力を前記許容消費電力の範囲内に制限する、燃料蒸発器。 - 原燃料の流路となる被加熱流体流路と、
前記原燃料との間で熱交換を行い、前記原燃料を気化するための燃焼ガスの流路となる加熱流体流路と、
前記燃焼ガスを生成するための燃焼エアを前記加熱流体流路に供給するエアポンプと、
前記加熱流体流路内の燃焼エア圧を調整する圧力調整手段と、
前記エアポンプ及び前記圧力調整手段を制御することで、燃焼エア流量及び燃焼エア圧を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記原燃料を気化するために要求される燃焼エア流量が前記エアポンプの許容消費電力の範囲内で供給できる燃焼エア流量を超えると判断すると、前記圧力調整手段を制御して前記燃焼エア圧を昇圧させることで、前記燃焼エアの体積密度を増加させ、前記エアポンプの消費電力を前記許容消費電力の範囲内に制限する、燃料蒸発器。 - 原燃料の流路となる被加熱流体流路と、
前記原燃料との間で熱交換を行い、前記原燃料を気化するための燃焼ガスの流路となる加熱流体流路と、
前記燃焼ガスを生成するための燃焼エアを前記加熱流体流路に供給するエアポンプと、
前記燃焼エアを冷却するための冷却手段と、
前記加熱流体流路内の燃焼エア圧を調整する圧力調整手段と、
前記エアポンプ、前記冷却手段、及び前記圧力調整手段を制御することで、燃焼エア流量、燃焼エア温度、及び燃焼エア圧を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記原燃料を気化するために要求される燃焼エア流量が前記エアポンプの許容消費電力の範囲内で供給できる燃焼エア流量を超えると判断すると、前記冷却手段を制御して前記燃焼エア温度を降温させるとともに、前記圧力調整手段を制御して前記燃焼エア圧を昇圧させることで、前記燃焼エアの体積密度を増加させ、前記エアポンプの消費電力を前記許容消費電力の範囲内に制限する、燃料蒸発器。 - 原燃料を燃料蒸発器にて気化して原燃料ガスを生成し、前記原燃料ガスを改質して得られた燃料ガスを燃料電池に供給することで車両駆動に必要な電力を発電する燃料電池システムと、
前記燃料電池システムの発電量を算出するシステムコントローラと、
前記燃料電池システムの発電を制御する制御部を備え、
前記燃料蒸発器は、前記原燃料の流路となる被加熱流体流路と、
前記原燃料との間で熱交換を行い、前記原燃料を気化するための燃焼ガスの流路となる加熱流体流路と、
前記燃焼ガスを生成するための燃焼エアを前記加熱流体流路に供給するエアポンプと、
前記燃焼エアを冷却するための冷却手段を備えており、
前記システムコントローラは、前記燃料電池システムの発電量から求めた前記エアポンプの許容消費電力を前記制御部へ出力し、
前記制御部は、前記原燃料を気化するために要求される燃焼エア流量が前記エアポンプの許容消費電力の範囲内で供給できる燃焼エア流量を超えると判断すると、前記冷却手段を制御して前記燃焼エア温度を降温させることで、前記燃焼エアの体積密度を増加させ、前記エアポンプの消費電力を前記許容消費電力の範囲内に制限する、燃料電池自動車。 - 原燃料を燃料蒸発器にて気化して原燃料ガスを生成し、前記原燃料ガスを改質して得られた燃料ガスを燃料電池に供給することで車両駆動に必要な電力を発電する燃料電池システムと、
前記燃料電池システムの発電量を算出するシステムコントローラと、
前記燃料電池システムの発電を制御する制御部を備え、
前記燃料蒸発器は、前記原燃料の流路となる被加熱流体流路と、
前記原燃料との間で熱交換を行い、前記原燃料を気化するための燃焼ガスの流路となる加熱流体流路と、
前記燃焼ガスを生成するための燃焼エアを前記加熱流体流路に供給するエアポンプと、
前記加熱流体流路内の燃焼エア圧を調整する圧力調整手段を備えており、
前記システムコントローラは、前記燃料電池システムの発電量から求めた前記エアポンプの許容消費電力を前記制御部へ出力し、
前記制御部は、前記原燃料を気化するために要求される燃焼エア流量が前記エアポンプの許容消費電力の範囲内で供給できる燃焼エア流量を超えると判断すると、前記圧力調整手段を制御して前記燃焼エア圧を昇圧させることで、前記燃焼エアの体積密度を増加させ、前記エアポンプの消費電力を前記許容消費電力の範囲内に制限する、燃料電池自動車。 - 原燃料を燃料蒸発器にて気化して原燃料ガスを生成し、前記原燃料ガスを改質して得られた燃料ガスを燃料電池に供給することで車両駆動に必要な電力を発電する燃料電池システムと、
前記燃料電池システムの発電量を算出するシステムコントローラと、
前記燃料電池システムの発電を制御する制御部を備え、
前記燃料蒸発器は、前記原燃料の流路となる被加熱流体流路と、
前記原燃料との間で熱交換を行い、前記原燃料を気化するための燃焼ガスの流路となる加熱流体流路と、
前記燃焼ガスを生成するための燃焼エアを前記加熱流体流路に供給するエアポンプと、
前記燃焼エアを冷却するための冷却手段と、
前記加熱流体流路内の燃焼エア圧を調整する圧力調整手段を備えており、
前記システムコントローラは、前記燃料電池システムの発電量から求めた前記エアポンプの許容消費電力を前記制御部へ出力し、
前記制御部は、前記原燃料を気化するために要求される燃焼エア流量が前記エアポンプの許容消費電力の範囲内で供給できる燃焼エア流量を超えると判断すると、前記冷却手段を制御して前記燃焼エアを降温させるとともに、前記圧力調整手段を制御して前記燃焼エア圧を昇圧させることで、前記燃焼エアの体積密度を増加させ、前記エアポンプの消費電力を前記許容消費電力の範囲内に制限する、燃料電池自動車。 - エアポンプから供給される燃焼エア中に燃料を噴霧してこれを燃焼させて燃焼ガスを生成し、前記燃焼ガスと原燃料との間で熱交換を行うことで前記原燃料を気化する燃料蒸発器を制御するコンピュータシステムに、
前記原燃料を気化するために要求される燃焼エア流量が前記エアポンプの許容消費電力の範囲内で供給できる燃焼エア流量を超えるか否かを判定するステップと、
前記原燃料を気化するために要求される燃焼エア流量が前記エアポンプの許容消費電力の範囲内で供給できる燃焼エア流量を超える場合に、前記燃焼エアの流路に配設された冷却手段を制御して前記燃焼エア温度を降温させることで、前記燃焼エアの体積密度を増加させ、前記エアポンプの消費電力を前記許容消費電力の範囲内に制限するステップと、
を実行させる、コンピュータプログラム。 - エアポンプから供給される燃焼エア中に燃料を噴霧してこれを燃焼させて燃焼ガスを生成し、前記燃焼ガスと原燃料との間で熱交換を行うことで前記原燃料を気化する燃料蒸発器を制御するコンピュータシステムに、
前記原燃料を気化するために要求される燃焼エア流量が前記エアポンプの許容消費電力の範囲内で供給できる燃焼エア流量を超えるか否かを判定するステップと、
前記原燃料を気化するために要求される燃焼エア流量が前記エアポンプの許容消費電力の範囲内で供給できる燃焼エア流量を超える場合に、前記燃焼エアの流路に配設された圧力調整手段を制御して前記燃焼エア圧を昇圧させることで、前記燃焼エアの体積密度を増加させ、前記エアポンプの消費電力を前記許容消費電力の範囲内に制限するステップと、
を実行させる、コンピュータプログラム。 - エアポンプから供給される燃焼エア中に燃料を噴霧してこれを燃焼させて燃焼ガスを生成し、前記燃焼ガスと原燃料との間で熱交換を行うことで前記原燃料を気化する燃料蒸発器を制御するコンピュータシステムに、
前記原燃料を気化するために要求される燃焼エア流量が前記エアポンプの許容消費電力の範囲内で供給できる燃焼エア流量を超えるか否かを判定するステップと、
前記原燃料を気化するために要求される燃焼エア流量が前記エアポンプの許容消費電力の範囲内で供給できる燃焼エア流量を超える場合に、前記燃焼エアの流路に配設された冷却手段を制御して前記燃焼エアを降温させるとともに、前記燃焼エアの流路に配設された圧力調整手段を制御して前記燃焼エア圧を昇圧させることで、前記燃焼エアの体積密度を増加させ、前記エアポンプの消費電力を前記許容消費電力の範囲内に制限するステップと、
を実行させる、コンピュータプログラム。 - 請求項7乃至請求項9のうち何れか1項に記載のコンピュータプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
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JP2008198575A (ja) * | 2007-02-15 | 2008-08-28 | Toyota Motor Corp | 燃料電池システム及びシステム |
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