JP2004185988A - 燃料蒸発器及び燃焼電池自動車 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料蒸発器の燃焼温度の均一化を図り、局所的な過熱を回避する。
【解決手段】本発明の燃料蒸発器（２２ａ）は、原燃料（９０）の流路を構成する被加熱流体流路（７０）と、原燃料（９０）との間で熱交換を行うことにより原燃料（９０）を気化するための燃焼ガスの流路を構成する加熱流体流路（６０）と、加熱流体流路（６０）内の気流に冷却水を噴霧するための冷却水噴射手段（６２）と、加熱流体流路（６０）の気流方向の温度分布を計測する温度センサ（７１，７２）と、温度センサ（７１，７２）が検出した加熱流体流路（６０）の気流方向における温度分布を基に冷却水の噴霧量を補正する制御部（２４）を備える。
【選択図】 図３

Description

【発明の属する技術分野】
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、燃焼ガスの流路を構成する加熱流体流路の局所的な過熱を防止する改良技術に関する。
【従来の技術】
燃料電池に供給する燃料ガスを生成する手段として、メタノールなどの原燃料（改質原料）を気化して得られた原燃料ガスを改質器に導入して水素リッチな燃料ガスに改質する手法が知られている。改質器における改質反応を良好な条件で進行させるには、改質器内部の温度を所定範囲に維持する必要がある。このため、特開平７−２６３００６号公報（特許文献１）には、改質器燃焼部に温度制御用水を供給し、その温度制御用水が改質器燃焼部の熱を受け取り水蒸気になるときの蒸発潜熱分の作用によって改質器燃焼部の過度な温度上昇を抑制する技術が開示されている。同技術においては、改質器燃焼部に配設された温度検出器からのセンサ出力を基に改質器燃焼部へ供給される温度制御用水の流量を制御している。
【特許文献１】
特開平７−２６３００６号公報
【発明が解決しようとする課題】
しかし、改質器燃焼部の温度分布は一様でないため、改質器燃焼部の一箇所の温度を計測して温度制御用水の供給量を調整しても、局所的な過熱を抑制することは困難である。このような事情は改質器のみならず、燃焼ガスと原燃料との間で熱交換を行って原燃料を蒸気化する燃料蒸発器においても該当する。燃焼燃料と燃焼エアの混合ガスを触媒燃焼させて燃焼ガスを生成し、高温の燃焼ガスと低温の原燃料との間で熱交換を行って原燃料を気化する燃料蒸発器においては、未反応燃料が多い燃料投入口付近では燃焼反応が局所的に生じるため、ガス温度は非常に高温となる一方、未反応燃料の少ない下流付近は燃焼反応が少ないため温度が低くなる。燃焼ガスの流路がある一定以上の温度になると、燃料蒸発器が損焼する虞がある。例えば、ステンレス製の燃料蒸発器の場合、５００℃〜６００℃の温度範囲が耐熱限界となる。燃料蒸発器の損焼を回避するために、耐熱性に優れた材質で構成すると、コストが上がるという不都合が生じる。燃焼部での過大な温度上昇を抑制するために投入燃料量を減らすと十分な熱量が得られず、原燃料を所望の温度に気化することが困難となる。また、燃焼部での温度上昇抑制のために燃焼エアを増加させると、エアポンプなどの補機類の消費電力が増大し、システム全体のエネルギー効率が悪化する。
そこで、本発明は燃料蒸発器での局所的な過熱を抑制し、運転温度範囲全域での安定した運転を実現するための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、本発明の燃料蒸発器は、原燃料の流路を構成する被加熱流体流路と、前記原燃料との間で熱交換を行うことにより前記原燃料を気化するための燃焼ガスの流路を構成する加熱流体流路と、前記加熱流体流路内の気流に冷却水を噴霧するための冷却水噴射手段と、前記加熱流体流路の温度分布を計測する温度センサと、前記温度センサが検出した前記加熱流体流路の温度分布を基に前記冷却水の噴霧量を補正する制御部を備える。
加熱流体流路の温度分布を基に冷却水の噴霧量を補正することにより、燃料蒸発器の局所的な過熱を回避でき、運転温度範囲全域にわたって安定した運転を実現できる。
好ましくは、前記温度センサは、前記加熱流体流路を通過する燃焼ガスの気流方向における温度分布を計測する。加熱流体流路の気流方向の温度分布を計測することで、加熱流体流路の局所的な過熱の有無などを検出できる。
好ましくは、前記温度センサは、前記加熱流体流路を通過する燃焼ガスの少なくとも上流と下流の二箇所の温度を計測する。加熱流体流路の上流と下流の二箇所の温度を計測することで、加熱流体流路の局所的な過熱の有無などを検出できる。
好ましくは、前記制御部は、少なくとも２以上の温度計測点における前記温度センサが検出した温度差を基に前記冷却水の噴霧量を補正する。加熱流体流路の少なくとも２以上の温度計測点における温度差を基に冷却水の噴霧水量を補正することで、燃料蒸発器の局所的な過熱を回避できる。
好ましくは、前記加熱流体流路は、燃焼エアに燃焼燃料を噴霧して混合ガスを生成するインジェクタと、前記混合ガスを触媒燃焼させて前記燃焼ガスを生成する触媒燃焼加熱機構と、前記燃焼ガスを排気するための排気孔を備えており、前記制御部は、前記温度センサが検出した前記インジェクタ付近の温度と前記排気孔付近の温度との温度差を基に前記冷却水の噴霧量を補正する。
未燃焼の混合ガスが多く、高温になりやすいインジェクタ付近の温度と、未燃焼の混合ガスが少なく、低温になりやすい排気孔付近の温度との温度差を基に加熱流体流路の気流に噴霧される冷却水の噴霧量を補正することで、燃料蒸発器の局所的な過熱を回避できる。
好ましくは、前記加熱流体流路の気流に含まれる水分を凝縮して液化する凝縮器と、前記凝縮器にて液化された水分を前記冷却水噴射手段に還流させるポンプをさらに備える。加熱流体流路の気流に噴霧された冷却水は蒸気化する。この蒸気化した冷却水を凝縮して液化することにより、冷却水として再利用することが可能となる。
本発明の燃料電池自動車は、本発明の燃料蒸発器と、前記燃料蒸発器で気化された原燃料を水素リッチな燃料ガスに改質する改質器と、前記改質器から燃料ガスの供給を受けて車両駆動に必要な発電を行う燃料電池を備える。かかる構成により、運転温度範囲全域で信頼性の高い運転を可能とする燃料電池自動車を提供できる。
本発明のコンピュータプログラムは、加熱流体流路を通過する燃焼ガスと被加熱流体流路を通過する原燃料との間で熱交換を行い、前記原燃料を気化して原燃料ガスを生成する燃料蒸発器を制御するコンピュータシステムに、前記加熱流体流路の温度分布を計測する温度センサからのセンサ出力信号を取得するステップと、前記温度センサから出力されるセンサ出力信号を基に前記加熱流体流路内の気流に噴霧される冷却水の噴霧量を補正するステップと、を実行させる。
加熱流体流路の温度分布を基に冷却水の噴霧量を補正することにより、燃料蒸発器の局所的な過熱を回避でき、運転温度範囲全域にわたって安定した運転を実現できる。
好ましくは、前記温度センサは、前記加熱流体流路を通過する燃焼ガスの気流方向における温度分布を計測する。加熱流体流路の気流方向の温度分布を計測することで、加熱流体流路の局所的な過熱の有無などを検出できる。
好ましくは、前記温度センサは、前記加熱流体流路を通過する燃焼ガスの少なくとも上流と下流の二箇所の温度を計測する。加熱流体流路の上流と下流の二箇所の温度を計測することで、加熱流体流路の局所的な過熱の有無などを検出できる。
好ましくは、前記冷却水の噴霧量を補正するステップは、少なくとも２以上の温度計測点における前記温度センサが検出した温度差を基に前記冷却水の噴霧量を補正するステップである。加熱流体流路の少なくとも２以上の温度計測点における温度差を基に冷却水の噴霧水量を補正することで、燃料蒸発器の局所的な過熱を回避できる。
好ましくは、前記加熱流体流路は、燃焼エアに燃焼燃料を噴霧して混合ガスを生成するインジェクタと、前記混合ガスを触媒燃焼させて前記燃焼ガスを生成する触媒燃焼加熱機構と、前記燃焼ガスを排気するための排気孔を備えており、前記冷却水の噴霧量を補正するステップは、前記温度センサが検出した前記インジェクタ付近の温度と前記排気孔付近の温度との温度差を基に前記冷却水の噴霧量を補正するステップである。
未燃焼の混合ガスが多く、高温になりやすいインジェクタ付近の温度と、未燃焼の混合ガスが少なく、低温になりやすい排気孔付近の温度との温度差を基に加熱流体流路の気流に噴霧される冷却水の噴霧量を補正することで、燃料蒸発器の局所的な過熱を回避できる。
本発明のコンピュータ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、メモリ素子（ＭＲＯＭ、ＰＲＯＭ、ＥＰＲＯＭなどの半導体記憶素子）、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）、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）などが好適である。
【発明の実施の形態】
以下、各図を参照して本実施の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して発電を行う燃料電池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。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、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、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、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などの補機類の制御、及び電磁弁の開閉制御などを行い、燃料電池２３に供給される燃料ガス及び酸化ガスの流量を制御し、システムコントローラ４３が要求する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）を低減する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低温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加熱媒体である燃焼ガスを生成するために、メタノールなどの燃焼燃料と、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。燃焼排ガスは熱交換を行った後、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焼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。
加熱流体流路部６０の燃焼筒内には、燃焼燃料と燃焼エアの混合ガスを触媒燃焼させる電気触媒加熱ヒータ（ＥＨＣ）６４が配設されている。電気触媒加熱ヒータ６４は、触媒を担持したセラミックス体を電気ヒータで昇温可能に構成した触媒燃焼加熱機構であり、触媒の酸化反応熱を利用して上記混合ガスを燃焼し、高温の燃焼ガスを生成できる。さらに、加熱流体流路部６０には、燃焼ガスの入り口付近に設置された入口温度センサ７１と、燃焼ガスの出口付近に設置された出口温度センサ７２とが設置されている。入口温度センサ７１と出口温度センサ７２の設置位置は、加熱流体流路部６０の温度分布が計測できるように燃焼ガスの気流方向に沿って複数箇所に設置することが望ましい。ここでは説明の便宜上、温度センサ７１，７２を二箇所に設置するが、これに限られるものではない。加熱流体流路部６０の温度分布は、未反応成分の多い燃料吐出付近では高温となる一方、未反応成分の少ない下流付近では低温となる。温度センサ７１，７２を燃焼ガスの上流と下流の少なくとも二箇所に設置することで、加熱流体流路部６０の温度分布を計測することが可能となる。
エアポンプ６１の近傍には温度センサ７３が配設されており、エアポンプ６１の温度を計測できるように構成されている。エアポンプ６１は加熱流体流路部６０に加圧エアを供給するため高回転で作動する上に燃焼ガスの発生する熱で高温に曝されるため、耐熱性及び耐久性のある材質で構成されているのが望ましい。システムが定常状態で運転すると、エアポンプ６１の温度は高温となり、耐熱温度を超えると破損する虞があるため、温度センサ７３でエアポンプ６１の温度を監視する。上述の温度センサ７１〜７３のセンサ出力信号は燃料蒸発器２２ａの温度管理に利用される。
エアポンプ６１の下流には燃焼エアの冷却手段としてインジェクタ６２が配設されている。インジェクタ６２は、燃焼エア中に微粒子状の冷却水を噴霧する冷却水噴射手段である。燃焼エアに噴霧された冷却水は燃焼エアの気流に搬送されて加熱流体流路部６０内を下流方向に拡散する。エアポンプ６１の風圧で下流方向に搬送される冷却水は周囲の燃焼ガスから熱を吸収しながら移動し、水滴が蒸発する過程の蒸発潜熱で燃焼エアの温度を適度に降温させる。燃焼エアに噴霧された冷却水は直には蒸気化せず、気流方向に沿って移動する過程において燃焼ガスから熱を奪い、下流方向に拡散するため、加熱流体流路部６０のほぼ全域にわたって燃焼ガス温度を適度に降温させることが可能となる。このように、燃焼エア中に噴霧された冷却水の作用によって、加熱流体流路部６０の局所的な温度勾配を平滑化することができ、燃料吐出付近の過熱を回避できる。
ここでは、インジェクタ６２から冷却水を噴霧する場合を例示して説明するが、燃焼エアに冷却水を混入できる構成であれば上述の構成に限定されるものではない。例えば、メタノール、ガソリン、水素オフガスなどの燃焼燃料に適量の水分を含有させてこれをインジェクタ６３から噴霧するように構成してもよい。これらの燃焼燃料に含有される水分は燃焼ガスとの間で熱交換を行い、蒸気化するときの蒸発潜熱で燃焼ガスを適度に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６５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６５において凝縮され、液化した水分は水タンク６６に貯留される。水タンク６６に貯留する冷却水はウォータポンプ６７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。このように、インジェクタ６２から噴霧された冷却水は凝縮器６５で液化され、ウォータポンプ６７によってインジェクタ６２に還流されるため、再利用が可能となる。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。
一方、被加熱流体流路部７０の上流には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（ＣＨ_４）、エタン（Ｃ_２Ｈ_５）、プロパン（Ｃ_３Ｈ_８）、ブタン（Ｃ_４Ｈ_１０）、ガソリン、軽油、天然ガス、メタノール（ＣＨ_３ＯＨ）、エタノール（Ｃ_２Ｈ_５ＯＨ）、ＤＭＥ（ＣＨ_３ＯＣＨ_３）、アセトン（ＣＨ_３Ｃ（＝Ｏ）ＣＨ_３）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に、略鉛直方向に立設する複数の管路７０ａを含んで構成されている。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９０を予熱する。原燃料９０との間の熱交換を終えた燃焼排ガスは、上述のように凝縮器６５にて水分が摘出され、外部に排気される。
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、上述した温度センサ７１，７２のセンサ出力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、及びインジェクタ６３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、及びインジェクタ６３を制御することで、燃焼エア流量、冷却水吐出量、及び燃焼燃料吐出量を制御し、加熱流体流路部６０の局所的な過熱を回避している。
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し、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の駆動に必要な発電量Ｗを算出し、制御部２４に発電要求の指示を与える。制御部２４は、システムコントローラ４３から発電要求の指示を受け取ると、エアポンプ６１から供給されるべき燃焼エア流量Ｌを算出する。燃焼エア流量Ｌを算出するには、システムコントローラ４３が要求する発電量Ｗを得るために必要な水素量水素量から原燃料流量を求め、この原燃料流量と原燃料ガスの蒸気温度（メタノール改質の場合は、３００℃）から加熱流体流路部６０に投入すべき熱量Ｑを算出する。
ここで、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，原燃料の初期温度を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、熱量Ｑを得るために必要となる燃焼エア流量Ｌを求めることができる。
さて、上述のようにして燃焼エア流量Ｌが得られたならば、制御部２４は、インジェクタ６２から噴霧すべき冷却水の噴霧水量を算出する。図５は燃焼エア流量Ｌから噴霧水量の概算値Ｆｗを求めるためのマップテーブル、図６は燃焼ガスの入口付近の温度Ｔ_ｉｎに基づく噴霧水量補正係数ｋ１のマップテーブル、図７は燃焼ガスの入口付近と出口付近の温度差Ｔ_ｄｅｆに基づく噴霧水量補正係数ｋ２のマップテーブル、図８はエアポンプ６１付近の温度Ｔ_ａｉｒに基づく噴霧水量補正係数ｋ３のマップテーブルである。これらのマップテーブルは予めＲＯＭ２５に記憶されており、ＣＰＵ２６によって読み出されて燃焼エア流量Ｌから概算値が決定され、さらに補正演算されて最終的な噴霧水量が決定される。
燃焼エア中に噴霧される噴霧水量の概算値Ｆｗ１は、図５のマップテーブルを参照して、燃焼エア流量Ｌから求めることができる。同図に示すように、燃焼エア流量Ｌが５００［Ｌ／ｍｉｎ］未満では、Ｆｗ１＝５［ｃｃ／ｍｉｎ］であり、燃焼エア流量Ｌが５００［Ｌ／ｍｉｎ］以上となると、単位燃焼エア流量［Ｌ／ｍｉｎ］あたり１／１００［ｃｃ／ｍｉｎ］の割合で噴霧水量の概算値Ｆｗ１が増加するよう設定されている。燃焼エア流量Ｌが増加すると、それだけ燃焼燃料も増加し、燃焼ガスが高温となるため、噴霧水量を増加する必要がある。
概算値Ｆｗ１が決定されたならば、ＣＰＵ２６は、温度センサ７１からのセンサ出力信号から燃焼ガスの入口付近の温度Ｔ_ｉｎを検出し、噴霧水量の概算値Ｆｗ１に補正係数ｋ１を乗じて補正噴霧水量Ｆｗ２を算出する。補正係数ｋ１は、図６に示すように、燃焼ガスの入口温度が４００℃未満ではｋ１＝１，入口温度が４００℃以上５００度未満では単位温度［℃］あたり１／１００の割合で補正係数ｋ１の値が増加し、入口温度が５００℃以上ではｋ１＝２となるように設定されている。入口温度が比較的低温の温度範囲の場合は、局所的な過熱が生じてないため、ｋ１＝１としているが、一定温度（ここでは、４００℃）を超えると、燃焼ガス入口付近に局所的な過熱が生じていると推定し、噴霧水量を増加している。燃焼エア流量Ｌに対する好適な噴霧水量は加熱流体流路６０の耐熱性、耐久性などによって異なり、上述の温度範囲に限定されるものではない。ここでは、ステンレス製の加熱流体流路６０を想定して説明している。
補正噴霧水量Ｆｗ２を算出したならば、ＣＰＵ２６は、温度センサ７１，７２からのセンサ出力信号から燃焼ガスの入口付近と出口付近の温度差Ｔ_ｄｅｆを求め、補正噴霧水量Ｆｗ２に補正係数ｋ２を乗じて補正噴霧水量Ｆｗ３を算出する。補正係数ｋ２は、図７に示すように、温度差Ｔ_ｄｅｆが２００℃未満ではｋ２＝１，温度差Ｔ_ｄｅｆが２００℃以上４００度未満では、単位温度［℃］あたり１／２００の割合で補正係数ｋ２の値が増加し、温度差Ｔ_ｄｅｆが４００℃以上ではｋ２＝２となるように設定されている。温度差Ｔ_ｄｅｆが大きい場合には、加熱流体流路部６０内での燃焼が不均一になっているものと推定し、噴霧水量を増大させることで、燃焼エアを加湿する。加湿された燃焼エアは多くの水分を含んでいるため、加熱流体流路部６０のほぼ全域にわたって水蒸気潜熱の作用で適度に降温する。これにより、局所的な過熱を回避し、燃焼ガスの気流方向における急激な温度勾配を適度に平滑化することができる。
補正噴霧水量Ｆｗ３を算出したならば、ＣＰＵ２６は、温度センサ７３からのセンサ出力信号からエアポンプ６１付近の温度Ｔ_ａｉｒを求め、補正噴霧水量Ｆｗ３に補正係数ｋ３を乗じて補正噴霧水量Ｆｗ４を算出する。補正係数ｋ３は、図８に示すように、温度Ｔ_ａｉｒが温度Ｔ１未満ではｋ３＝１，温度Ｔ_ａｉｒが温度Ｔ１以上温度Ｔ２未満では、単位温度［℃］あたり１／（Ｔ２−Ｔ１）の割合で補正係数ｋ３の値が増加し、温度Ｔ２以上ではｋ３＝２となるように設定されている。このように、エアポンプ６１付近の温度を監視し、エアポンプ６１付近の温度が高温となると、噴霧水量を増大させることで、加熱流体流路部６０の過度な温度上昇を抑制し、エアポンプ６１の損焼を回避している。温度Ｔ１，Ｔ２はエアポンプ６１の耐熱性・耐久性を考慮して適宜設定される。
図４は上述した噴霧水量の演算過程を記述したフローチャートである。システムコントローラ４３からシステム起動信号が入力されると、制御部２４は、一定期間毎に各処理ステップ（ステップＳ１〜ステップＳ７）を繰り返し実行する。制御部２４は、システムコントローラ４３から発電すべき発電量Ｗの値を受け取ると（ステップＳ１）、燃料電池２３に供給すべき水素量から燃焼エア流量Ｌを求め（ステップＳ２）、図５のマップテーブルを参照して、インジェクタ６２から噴霧すべき噴霧水量の概算値Ｆｗ１を求める（ステップＳ３）。次いで、燃焼ガスの入口温度Ｔ_ｉｎから、図６の補正マップテーブルを参照して補正係数ｋ１を求め、Ｆｗ２＝ｋ１×Ｆｗ１より、補正噴霧水量Ｆｗ２を求める（ステップＳ４）。
さらに、燃焼ガスの入口付近と出口付近の温度差Ｔ_ｄｅｆから、図７の補正マップテーブルを参照して補正係数ｋ２を求め、Ｆｗ３＝ｋ２×Ｆｗ２より、補正噴霧水量Ｆｗ３を求める（ステップＳ５）。次いで、エアポンプ６１付近の温度Ｔ_ａｉｒから、図８の補正マップテーブルを参照して補正係数ｋ３を求め、Ｆｗ４＝ｋ３×Ｆｗ３より、補正噴霧水量Ｆｗ４を求める（ステップＳ６）。ここで求めた補正噴霧水量Ｆｗ４の値を基にインジェクタ６２を駆動制御して燃焼エア中に冷却水を噴霧するとともに、エアポンプ６１の流量を燃焼エア流量Ｌに調整する（ステップＳ７）。
以上、説明したように、本実施形態によれば、加熱流体流路６０の気流方向の温度分布を計測して燃焼エア中に噴霧される冷却水量を調整しているため、局所的な過熱を回避することができ、システムの運転温度範囲のほぼ全域において、燃料蒸発器２２ａが損焼することなく、安定したシステム作動を確保できる。特に、システム起動時には装置を早期に暖機して定常状態に移行しなければならない都合上、燃焼ガスの入口付近が過加熱の状態になりやすいが、本実施形態によれば、加熱流体流路６０の温度分布を計測して噴霧水量を調整するため、急峻な温度勾配を適切な範囲に収束させることができ、燃料蒸発器２２ａの損焼を回避できる。また、加熱流体流路６０の材質を高価な耐熱性のある材料で構成しなくてもよいため、製品のコストを下げることもできる。
尚、説明の便宜上、加熱流体流路６０に配設されるべき温度センサは二つとしたが、加熱流体流路６０の気流方向における温度分布を精密に計測するには、温度センサを複数箇所に設けるのが望ましく、この場合、噴霧水量を求めるためのマップテーブルは温度センサの設置数に応じて複数用意することも可能である。また、燃焼エアの冷却手段として、冷却水を用いたが、これに限らず、不燃性の媒体を用いることも可能である。
【発明の効果】
本発明によれば、加熱流体流路の気流方向における温度分布を基にして加熱流体流路の気流に噴霧される冷却水の噴霧量を補正することにより、燃料蒸発器の局所的な過熱を回避でき、運転温度範囲全域にわたって安定した運転を実現できる。
【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】加熱流体流路に噴霧される冷却水の噴霧水量の演算過程を記述したフローチャートである。
【図５】燃焼エア流量Ｌから噴霧水量の概算値Ｆｗを求めるためのマップテーブルである。
【図６】燃焼ガスの入口付近の温度Ｔ_ｉｎに基づく噴霧水量補正係数ｋ１のマップテーブルである。
【図７】燃焼ガスの入口付近と出口付近の温度差Ｔ_ｄｅｆに基づく噴霧水量補正係数ｋ２のマップテーブルである。
【図８】エアポンプ付近の温度Ｔ_ａｉｒに基づく噴霧水量補正係数ｋ３のマップテーブルである。
【符号の説明】
１０…燃料電池自動車
２０…燃料電池システム
２１…タンク
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
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…凝縮器
６６…水タンク
６７…ウォータポンプ
７０…被熱流体流路部
７１〜７３…温度センサ
９０…原燃料

Claims (13)

1. 原燃料の流路を構成する被加熱流体流路と、
   前記原燃料との間で熱交換を行うことにより前記原燃料を気化するための燃焼ガスの流路を構成する加熱流体流路と、
   前記加熱流体流路内の気流に冷却水を噴霧するための冷却水噴射手段と、
   前記加熱流体流路の温度分布を計測する温度センサと、
   前記温度センサが検出した前記加熱流体流路の温度分布を基に前記冷却水の噴霧量を補正する制御部を備える、燃料蒸発器。
2. 前記温度センサは、前記加熱流体流路を通過する燃焼ガスの気流方向における温度分布を計測する、請求項１に記載の燃料蒸発器。
3. 前記温度センサは、前記加熱流体流路を通過する燃焼ガスの少なくとも上流と下流の二箇所の温度を計測する、請求項１又は請求項２に記載の燃料蒸発器。
4. 前記制御部は、少なくとも２以上の温度計測点における前記温度センサが検出した温度差を基に前記冷却水の噴霧量を補正する、請求項１乃至請求項３のうち何れか１項に記載の燃料蒸発器。
5. 前記加熱流体流路は、燃焼エアに燃焼燃料を噴霧して混合ガスを生成するインジェクタと、前記混合ガスを触媒燃焼させて前記燃焼ガスを生成する触媒燃焼加熱機構と、前記燃焼ガスを排気するための排気孔を備えており、
   前記制御部は、前記温度センサが検出した前記インジェクタ付近の温度と前記排気孔付近の温度との温度差を基に前記冷却水の噴霧量を補正する、請求項４に記載の燃料蒸発器。
6. 前記加熱流体流路の気流に含まれる水分を凝縮して液化する凝縮器と、
   前記凝縮器にて液化された水分を前記冷却水噴射手段に還流させるポンプをさらに備える、請求項１乃至請求項５のうち何れか１項に記載の燃料蒸発器。
7. 請求項１乃至請求項６のうち何れか１項に記載の燃料蒸発器と、前記燃料蒸発器で気化された原燃料を水素リッチな燃料ガスに改質する改質器と、前記改質器から燃料ガスの供給を受けて車両駆動に必要な発電を行う燃料電池を備える、燃料電池自動車。
8. 加熱流体流路を通過する燃焼ガスと被加熱流体流路を通過する原燃料との間で熱交換を行い、前記原燃料を気化して原燃料ガスを生成する燃料蒸発器を制御するコンピュータシステムに、
   前記加熱流体流路の温度分布を計測する温度センサからのセンサ出力信号を取得するステップと、
   前記温度センサから出力されるセンサ出力信号を基に前記加熱流体流路内の気流に噴霧される冷却水の噴霧量を補正するステップと、
   を実行させる、コンピュータプログラム。
9. 前記温度センサは、前記加熱流体流路を通過する燃焼ガスの気流方向における温度分布を計測する、請求項８に記載のコンピュータプログラム。
10. 前記温度センサは、前記加熱流体流路を通過する燃焼ガスの少なくとも上流と下流の二箇所の温度を計測する、請求項８又は請求項９に記載のコンピュータプログラム。
11. 前記冷却水の噴霧量を補正するステップは、少なくとも２以上の温度計測点における前記温度センサが検出した温度差を基に前記冷却水の噴霧量を補正するステップである、請求項８乃至請求項１０のうち何れか１項に記載のコンピュータプログラム。
12. 前記加熱流体流路は、燃焼エアに燃焼燃料を噴霧して混合ガスを生成するインジェクタと、前記混合ガスを触媒燃焼させて前記燃焼ガスを生成する触媒燃焼加熱機構と、前記燃焼ガスを排気するための排気孔を備えており、
    前記冷却水の噴霧量を補正するステップは、前記温度センサが検出した前記インジェクタ付近の温度と前記排気孔付近の温度との温度差を基に前記冷却水の噴霧量を補正するステップである、請求項１１に記載のコンピュータプログラム。
13. 請求項８乃至請求項１２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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