JP2005183300A - 蒸発器の運転制御装置および起動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】起動時の熱応力を抑制できる燃料電池用蒸発器の運転制御装置および起動方法を提供する。
【解決手段】低温流体を流通する低温流体流路１ｃと、高温流体を流通する高温流体流路１ｈを有する蒸発器１と、蒸発器１内に凍結が生じている可能性があるか否かを判断する凍結判断手段を備える。また、蒸発器１内に凍結が生じている可能性がある場合には、蒸発器１の温度に基づいて、解凍用の流体の温度範囲を設定する温度設定手段と、温度設定手段により設定された温度範囲に解凍用の流体の温度を調整する温度調整手段ヒータ１０を備える。起動時に、蒸発器１内に凍結が生じている可能性がある場合には、温度調整した解凍用の流体を蒸発器１に流入して流路閉塞を解除してから、低温流体を流入し、その後高温流体を流入する。
【選択図】図１

Description

本発明は蒸発器の運転制御に関する。特に、内部に凍結が生じた状態から起動を行う場合の蒸発器の起動方法に関する。

従来の蒸発器として、メタノールと水の混合液などの液体原燃料を蒸発させて後段の装置へ原燃料ガスとして供給するものが知られている。このような蒸発器では、起動時に、暖機時間を短縮するために、暖機した燃焼触媒において燃焼ガスの生成を開始し、燃焼ガスを蒸発器に供給することにより蒸発器を暖機している。その後、蒸発器が液体原燃料の蒸発に必要な温度まで昇温したら、液体燃料を導入する（例えば、特許文献１、参照。）。
特開２００２−２２１６０号公報

しかしながら、上記背景技術のように、暖機を行うために蒸発器に高温の燃焼ガスを導入することで、蒸発器と燃焼ガスの温度差による熱衝撃によって蒸発器に過大な熱応力が発生し、蒸発器の信頼性が低下するという問題があった。また、温度上昇した状態の蒸発器に、急に液体源燃料を導入することにより、蒸発器に急激な温度変化が生じて過大な熱応力が生じる可能性があった。特に、低温環境下での起動時には、昇温前の蒸発器と燃焼ガス、または、昇温した後の蒸発器と液体源燃料との温度差により、過大な熱応力が生じる可能性がある。

そこで本発明は、上記問題を鑑みて、起動時の熱応力を抑制できる蒸発器の運転制御装置および起動方法を提供することを目的とする。

本発明は、低温流体を流通する流路と、高温流体を流通する流路を有する蒸発器と、前記蒸発器内に凍結が生じている可能性があるか否かを判断する凍結判断手段を備える。また、前記蒸発器内に凍結が生じている可能性がある場合には、前記蒸発器の温度に基づいて、解凍用の流体の温度範囲を設定する温度設定手段と、前記温度設定手段により設定された温度範囲に前記解凍用の流体の温度を調整する温度調整手段を備える。起動時に、前記蒸発器内に凍結が生じている可能性がある場合には、温度調整した解凍用の流体を前記蒸発器に流入して前記低温流体流路の閉塞を解除してから、前記低温流体を流入し、その後前記高温流体を流入する。

また、高温流体を用いて低温流体を蒸発させる蒸発器の起動方法において、前記蒸発器内に凍結が生じている可能性がある場合には、前記蒸発器に、所定温度に調整された解凍用の流体を導入して、前記蒸発器内の前記低温流体が流通する流路の閉塞を解除してから、低温流体を流入させ、その後高温流体を流入させる。

このように、温度調整した解凍用の流体を用いて低温流体流路の閉塞を解除してから、低温流体を流通させ、その後高温流体を流通させることにより、凍結により低温流体が行き渡らないといったような不具合を生じるのを抑制することができる。その結果、起動時にも高温流体から蒸発器に移動した熱を速やかに低温流体に移動させることができ、蒸発器に過剰に熱を与えるのを避けることができるので、熱応力を抑制することができる。

第１の実施形態に用いる蒸発器の運転制御装置について説明する。ここでは、燃料電池システムにおいて、液体状態の改質原料を蒸発させる蒸発器の運転制御装置について図１を用いて説明する。

高温流体と液体状態の低温流体との間で熱交換を行うことにより、低温流体の蒸気を生成する蒸発器１を備える。ここでは、高温流体として気体状態の燃焼ガスを、低温流体として液体状態の水を用いるが、この限りではない。例えば、低温流体として、液体状態の改質燃料や、液体状態の改質燃料と水の混合液を用いてもよい。蒸発器１としては、低温流体が流通する低温流体流路１ｃと高温流体が流通する高温流体流路１ｈとを、熱交換可能に構成したものを用いる。なお、低温流体流路１ｃおよび高温流体流路１ｈの形状の詳細は省略する。

また、蒸発器１の温度を検出する温度センサ１３を備える。ここでは、温度センサ１３により、蒸発器１の低温流体流路１ｃの温度を検出する。

次に、蒸発器１に高温流体を導入する高温流体系について説明する。

図示しない燃料電池からのアノード排ガスおよびカソード排ガスを用いて燃焼ガス（高温流体）を生成する燃焼器２を備える。また、選択的に燃焼器２に空気を供給するコンプレッサ３と、可燃性燃料を貯蔵する燃料タンク４と、可燃性燃料を選択的に燃焼器２に噴射するインジェクタ５を備える。

さらに、コンプレッサ３によって導入された空気を、燃焼器２を迂回して蒸発器１に導入するバイパス６と、燃焼器２を迂回する空気流量を調整するバルブ７を備える。バルブ７の開度を調整することにより、燃焼器２で生成された燃焼ガスに混入する空気量、ひいては、燃焼ガス温度を調整する。また、蒸発器１の高温流体流路１ｈに導入される高温流体の温度を検出する温度センサ１１を備える。

通常運転時には、燃焼器２にアノード排ガスおよびカソード排ガスを供給して燃焼ガスを生成し、蒸発器１の高温流体流路１ｈに流通させることにより、燃焼ガスを蒸発の熱源として使用する。なお、過渡時等、アノード排ガスおよびカソード排ガスの燃焼だけでは熱量が不足する場合には、コンプレッサ３、インジェクタ５から空気および可燃燃料を導入することにより、熱量不足分を補うように制御する。また、熱量過剰の場合には、バイパス６を通って燃焼ガスに空気を混入することにより、燃焼ガスの温度を抑制する。蒸発器１で熱源として用いられた後、燃焼ガスはシステムから外部に排出される。

次に、蒸発器１に低温流体を導入する低温流体系について説明する。

低温流体、ここでは水を貯蔵する低温流体タンク８を備える。また、所定流量の低温流体を蒸発器１の低温流体流路１ｃに供給するポンプ９を備える。通常運転時には、所定量の低温流体を蒸発器１に供給することにより水蒸気を生成し、さらにこの水蒸気を図示しない改質システムに導入する。

また、低温流体タンク８に貯蔵された低温流体を加熱するヒータ１０を備える。ここでは、図１に示すように、ヒータ１０を、低温流体タンク８の周囲に分配して配置する。また、低温流体タンク８に貯蔵された低温流体の温度を検出する温度センサ１２を備える。

さらに、蒸発器１の低温流体流路１ｃに導入される前の流体の圧力を検出する圧力センサ１４と、蒸発器１の低温流体流路１ｃから排出された流体の圧力を検出する圧力センサ１５を備える。ここでは、この圧力センサ１４、１５の出力から、蒸発器１の低温流体流路１ｃの圧損を検出し、低温流体流路１ｃに流路閉塞が生じているか否かを判断する。

さらに、コントローラ１６を備え、温度センサ１２、１３、圧力センサ１４、１５の出力に基づいて、蒸発器システムの起動を制御する。ここでは、コントローラ１６において、起動時に、蒸発器１の低温流体流路１ｃに低温流体を満たしてから、高温流体流路１ｈに高温流体を流入するように制御する。なお、コントローラ１６で通常時も制御する場合には、温度センサ１１の出力も読み込むように構成してもよい。

ここで、高温流体と低温流体の熱交換により低温流体の蒸気を生成する蒸発器１を備えた燃料電池システムを、例えば移動体等のエネルギ源として用いた場合、蒸発器１の起動と停止が繰り返し行われる。蒸発器１が停止し、低温流体流路１ｃに低温流体が存在している状態で環境温度が低下すると、低温流体の凍結により流路に亀裂が生じる、次回の起動に時間がかかる等の不具合が生じる。そこで、一般的に、蒸発器１が停止している場合には、低温流体流路１ｃ内の低温流体は回収されて、低温流体流路１ｃには空気が存在している状態となる。

しかしながら、このように低温流体を回収した場合にも、蒸発器１を低温環境下に長時間放置しておくと、低温流体流路１ｃ内の空気中の水分が凝縮して局所的に流路の閉塞が生じる可能性がある。この場合には、起動時に、蒸発器１に低温流体を供給するという制御を行っていても、実際には低温流体が供給されていない領域が存在する可能性がある。この状態で高温流体が導入されることにより、低温流体が供給されていない領域に熱衝撃が生じて蒸発器１の耐久信頼性が低下する可能性がある。

そこで本実施形態においては、所定温度に調整した解凍用の流体を蒸発器１に供給することにより、低温流体流路１ｃの凍結による閉塞を解除してから、低温流体を流入する。低温流体が低温流体流路１ｃ全体に充満した状態で、高温流体を流入することにより、起動時に過大な熱応力が生じるのを抑制することができる。ここでは、解凍用の流体として、所定温度に調整した低温流体、つまり所定温度に調整した水を用いる。低温流体タンク８の周囲に設置したヒータ１０を稼動することにより、貯蔵された水を、過大な熱応力を生じない範囲で解凍が可能な所定温度に調整し、蒸発器１に導入して解凍を行う。

蒸発器１の起動指令を検知してから低温流体および高温流体が導入されるまでの起動制御方法を、図２のフローチャートを用いて説明する。

ステップＳ１において、温度センサ１３を用いて蒸発器１の温度を検出する。次に、ステップＳ２において、蒸発器１の凍結可能性の判断を行う。検出された蒸発器１の温度が氷点以下の場合には、凍結が生じている可能性があると判断して、ステップＳ３に進み、解凍動作を開始する。なお、ここでは凍結可能性の判断を、蒸発器１の温度に基づいて行っているが、この限りではなく、外気温度や、蒸発器１の雰囲気温度等に基づいて判断しても良い。

ステップＳ３において、検出した蒸発器１の温度から、図３に示すようなマップを用いて低温流体温度の許容範囲を設定する。なお、低温流体温度の許容範囲は、蒸発器１の温度が低いほど、最小値が高く、最大値が低くなる。最小値を高く設定することで、蒸発器１に導入された低温流体が凍結するのを防ぐことができる。また、最大値を低く設定することで、低温流体と蒸発器１との温度差により生じる熱衝撃を抑制することができる。

この低温流体温度の許容範囲は、蒸発器１の形状、材質、低温流体の流量等により異なるが、例えば熱衝撃を生じない最大の温度差を４５℃とした場合、次の表に示すように設定する。

なお、（ａ）は低温流体として水を用いた場合、（ｂ）は低温流体として、水と液体状態の改質燃料との混合液を用いた場合を示している。なお、改質燃料としては、例えばメタノール等の凍結し難いものを用いるため、（ｂ）では下限値を示していない。

次に、ステップＳ４において、低温流体の温度を検出する。ここでは、温度センサ１２を用いて低温流体タンク８内に貯蔵された低温流体の温度を検出する。次に、ステップＳ５において、低温流体温度は許容範囲であるか否かを判断する。ここでは、低温流体温度が許容範囲より低いか否かを判断する。低温流体温度が許容範囲より低い場合には、ステップＳ６において、低温流体の温度調整を行う。ここでは、低温流体温度の許容範囲の最小値と低温流体温度との差に応じてヒータ１０の負荷を設定して、低温流体を加熱する。低温流体温度が許容範囲に調整されるまで、ヒータ１０による加熱を継続し、許容範囲に達したら、ステップＳ７において、ポンプ９をＯＮとして蒸発器１の低温流体流路１ｃに低温流体を導入する。

次に、ステップＳ８において、圧力センサ１４、１５の出力から低温流体流路１ｃの圧損を演算する。次にステップＳ９において、凍結部分を解凍することにより、低温流体流路１ｃの閉塞が解除されたか否かを判断する。ここでは、閉塞されている部分が存在するか否かにより変化する圧損を用いて判断する。実験等により予め求めた非凍結時の低温流体流路１ｃの圧損に基づいて、凍結・非凍結を判断する所定値を設定しておき、ステップＳ８で求めた圧損が、この所定値を下回っているか否かにより解凍判断を行う。所定値以上の場合には、凍結していると判断してステップＳ１０に進む。

ステップＳ１０において、再び蒸発器１の温度を検出し、ステップＳ１１において、低温流体の所定温度を設定する。例えば、低温流体温度の所定温度を、ステップＳ３における許容範囲内の比較的高い領域に設定する。これにより、蒸発器１内の解凍時間を短縮することができる。次に、ステップＳ１２において、低温流体温度を検出し、ステップＳ１３において、低温流体の温度が所定温度となるように低温流体の温度調整を行う。ここでは、検出した低温流体温度と所定温度の差に応じてヒータ１０の負荷を制御することにより、低温流体を所定温度に調整する。

このように蒸発器１内の解凍を継続し、ステップＳ９において、流路閉塞が解除されたと判断されたら、ステップＳ１４に進む。ステップＳ１４において、低温流体の温度調整を終了する。例えば、ヒータ１０をＯＦＦとして、温度調整を行っていない低温流体を低温流体流路１ｃに導入する。なお、このときには、低温流体流路１ｃには、低温流体が充満した状態となる。次に、ステップＳ１５において、高温流体の導入を開始してから通常運転に移行する。

また、ステップＳ２において、蒸発器１が氷点以下ではなく、凍結可能性がないと判断された場合には、解凍動作を必要としないので、ステップＳ１６において、低温流体流路１ｃに低温流体を導入する。ステップＳ１７において、低温流体流路１ｃに低温流体が充満しているか否かを判断する。ここでは、導入開始から充満するまでに要する時間を予め実験等により求めておき、その時間が経過したか否かにより判断する。または、低温流体流路１ｃの出口部分に水を検知する検知手段等を備えても良い。低温流体流路１ｃに低温流体が充満していると判断されたら、ステップＳ１７において、高温流体の導入を開始し、本フローを終了する。

なお、ここでは、ステップＳ４において検出される低温流体温度が、許容範囲より高くなることはないとして、ステップＳ５において、許容範囲の最小値との比較のみを行っている。ただし、ステップＳ４で検出される低温流体温度が許容範囲の最大値より大きくなる可能性がある場合には、最大値以下であることを確認してから、蒸発器１に低温流体を導入する。

さらに、ステップＳ９において、非凍結時の圧損と検出された圧損との差に基づいて、閉塞の程度を推定し、これに応じて、ステップＳ１１における低温流体の所定温度を変化させてもよい。例えば、閉塞の程度がひどい場合には、許容範囲内の高い領域を所定温度とし、あまり閉塞がないと推定される場合には、許容範囲の低い領域を所定温度としてもよい。

次に、本実施形態の効果について説明する。

低温流体を流通する低温流体流路１ｃと、高温流体を流通する高温流体流路１ｈを有する蒸発器１と、蒸発器１内に凍結が生じている可能性があるか否かを判断する凍結判断手段（Ｓ１）を備える。また、蒸発器１内に凍結が生じている可能性がある場合には、蒸発器１の温度に基づいて、解凍用の流体の温度範囲を設定する温度設定手段（Ｓ３）と、温度設定手段（Ｓ３）により設定された温度範囲に解凍用の流体の温度を調整する温度調整手段（ヒータ１０）を備える。起動時に、蒸発器１内に凍結が生じている可能性がある場合には、温度調整した解凍用の流体を蒸発器１に流入して低温流体流路１ｃの閉塞を解除してから、低温流体を流入し、その後高温流体を流入する。これにより、停止中に凍結が生じた場合でも、低温流体流路１ｃ全体に低温流体を行き渡らせてから、高温流体を流入することができるので、低温流体が行き渡らないことにより起動時に過大な熱応力が生じるのを抑制することができる。

また、温度設定手段（Ｓ３）において、解凍用の流体の温度範囲を、温度差により蒸発器１に熱衝撃を与える温度より低い温度に設定する。これにより、解凍時に熱応力が生じて蒸発器１の信頼性が低下するのを抑制することができる。

解凍用の流体として液体を用い、温度設定手段（Ｓ３）において、解凍用の流体の温度範囲を、蒸発器１内において解凍用の流体の再凍結が生じる温度より高い温度に設定する。これにより、解凍用の流体が再凍結することにより、流路閉塞がさらに増大し、解凍時間が延長するのを避けることができる。

解凍用の流体を、低温流体流路１ｃに流通する。これにより、低温流体流路１ｃ内に生じた凍結による流路閉塞を、効率良く解除することができる。

また、解凍用の流体として、低温流体を用いる。これにより、構成を複雑にすることなく低温流体流路１ｃに解凍用の流体を導入することができる。また、解凍時に低温流体流路１ｃに低温流体が充満しているので、解凍制御から低温流体の蒸発制御にスムーズに移行することができる。このとき、温度調整手段としてヒータを用いる。これにより、低温流体を加熱して、適切な温度に制御することができる。

また、解凍用の流体の、低温流体流路１ｃを流通する際の圧損に基づいて、低温流体流路１ｃの閉塞解除を判断する。ここでは低温流体流路１ｃの入口および出口圧力に基づいて圧損を検出し、これと非凍結時の圧損とを比較することにより閉塞解除を判断する。これにより、簡単な構成で、かつ速やかに閉塞解除を判断することができる。また、非凍結時の圧損と検出された圧損との差に基づいて、閉塞の程度を推定することができ、解凍に要する熱量を推定することができる。解凍に要する熱量が多いと推定される場合には、解凍用の流体を比較的高温に調整する。

このように、高温流体を用いて低温流体を蒸発させる蒸発器１の起動方法において、蒸発器１内に凍結が生じている可能性がある場合には、蒸発器１に、所定温度に調整された解凍用の流体を導入して、蒸発器１内の低温流体流路１ｃの閉塞を解除してから、低温流体を流入させ、その後高温流体を流入させる。これにより、蒸発器１に過大な熱応力が生じるのを抑制することができる。

次に、第２の実施形態について説明する。蒸発器１および蒸発器１の起動システムの構成を図４に示す。以下、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。

ここでは、低温流体タンク８に貯蔵された低温流体の加熱源として高温流体を用いる。高温流体を、低温流体タンク８の周囲に分配して流通させることにより、高温流体と低温流体タンク８との熱交換を行い、貯蔵される低温流体を加熱する。

低温流体の加熱に高温流体を用いるための構成として、燃焼器２の下流側に、燃焼ガスを蒸発器１側に導入するか、低温流体タンク８周囲に流通させるかを選択する三方弁１７を備える。また、燃焼器２の下流側から三方弁１７を介して低温流体タンク８側に分岐する配管１８と、低温流体タンク８の周囲に高温流体を分配して流通する熱交換部１９、熱交換部１９を流れた燃焼ガスを、蒸発器１の高温流体流路１ｈの下流側に流入させる配管２０を備える。なお、熱交換部１９は、低温流体タンク８内に貯蔵されている低温流体と熱交換可能な構成であればよく、図４に示す構成に限定するわけではない。

さらに、蒸発器１の高温流体流路１ｈの出口と、配管２０の高温流体系との合流部と、の間にバルブ３２を備え、配管２０を流れた燃焼ガスが高温流体流路１ｈに流れ込むのを防止する。なお、バルブ３２の替わりに逆止弁等を用いても良い。

次に、蒸発器１の起動制御について説明する。第１の実施形態と同様に、蒸発器１の起動制御を図２に示したフローチャートに従って行う。ただし、ステップＳ６、Ｓ１３において、低温流体の温度調整を行う際に、ヒータ１０の負荷を制御したのに替わって、ここでは高温流体（燃焼ガス）の温度および流量を制御する。

ステップＳ５において、低温流体温度が許容範囲より低いと判断されたら、ステップＳ６において、三方弁１７を低温流体タンク８側に設定し、バルブ３２を閉とした状態で、コンプレッサ３、インジェクタ５を用いて燃焼器２に空気と燃料を導入し燃焼ガスを生成する。なお、予め低温流体温度の許容範囲の最小値と低温流体の温度との差に応じて、低温流体の加熱に用いる燃焼ガスの温度を設定しておき、生成される燃焼ガスの温度が所定値となるように空燃比を設定する。例えば、低温流体の温度と許容範囲の最小値の差が大きい場合には、比較的空気過剰率が小さくなるように、空燃比を設定する。

また、ステップＳ１３においては、低温流体の所定温度と検出温度との差に応じて、予め実験等により求めた空燃比および供給量に設定する。

このように、低温流体の加熱を行う際には、温度および流量を制御した高温流体（燃焼ガス）を、三方バルブ１７を介して熱交換部１９に流通させ、低温流体に熱を移動させてから、システム外部に排出する。高温流体を用いて適温に調整した低温流体を蒸発器１に流通させることで、再凍結や熱衝撃による劣化を抑制しつつ、低温流体流路１ｃの解凍を速やかに行う。

次に、本実施形態の効果について説明する。以下、第１の実施形態とは異なる効果のみを説明する。

温度調整手段として、高温流体との熱交換部１９を用いる。これにより、新たに装置を加えることなく、配管のみで温度調整手段を構成することができるので、コストを抑制することができる。ここでは特に高温流体として燃焼ガスを用いて、解凍時に燃焼ガスの生成を開始するので、例えば燃焼器２に触媒を用いた場合にも解凍時に触媒の暖機が行われるので、蒸発制御に移行した際に速やかに蒸発器１に燃焼ガスの供給を開始することができる。

次に、第３の実施形態について説明する。蒸発器１の運転制御装置の構成を図５に示す。以下、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。

ここでは、蒸発器１の低温流体流路１ｃを解凍するための流体として、燃焼ガス（高温流体）を用いる。温度調整した高温流体を低温流体流路１ｃおよび高温流体流路１ｈに流通させることにより解凍を行う。

高温流体系側と低温流体系側とを連通するバイパス２７、２８を備える。バイパス２７は、燃焼器２で生成した燃焼ガスを、低温流体流路１ｃに導入する流路であり、高温流体系のバイパス６合流部の下流側と低温流体系の蒸発器１の上流を連通するように構成する。また、バイパス２８は、低温流体流路１ｃを流通した高温流体を、高温流体系側に戻してシステム外部に排出する流路であり、低温流体系の蒸発器１の下流と、高温流体系の蒸発器１の下流を連通するように構成する。

バイパス２７にはバルブ２１を、高温流体系のバイパス２７の分岐部と高温流体流路１ｈの入口との間にバルブ２２を、低温流体系のポンプ９とバイパス２７の合流部との間にバルブ２３を備える。また、バイパス２８にはバルブ２５を、低温流体系のバイパス２８の分岐部の下流側にはバルブ２４を、高温流体系の高温流体流路１ｈの出口とバイパス２８の合流部との間にはバルブ２６を備える。これらバルブ２１〜２６の開度を制御することにより、高温流体流路１ｈ、低温流体流路１ｃに流通する燃焼ガスの流量を調整する。

また、検出手段として、第１の実施形態と同様に、蒸発器１の高温流体流路１ｈの入口近傍において流体温度を検出する温度センサ１１、蒸発器１の温度を検出する温度センサ１３、蒸発器１の低温流体流路１ｃの入口および出口近傍の流体圧力を検出する圧力センサ１４、１５を備える。さらに、ここでは、蒸発器１の低温流体流路１ｃの入口近傍における流体温度を検出する温度センサ２９、蒸発器１の高温流体流路１ｈの入口および出口近傍の流体圧力を検出する圧力センサ３０、３１を備える。

通常運転時には、バルブ２１、２５を閉、バルブ２２〜２４、２６を開とすることにより、燃焼器２で生成した燃焼ガスを蒸発器１の高温流体流路１ｈに、低温流体タンク８の水を蒸発器１の低温流体流路１ｃに供給して水蒸気を生成する。一方、低温流体流路１ｃの解凍時には、バルブ２３、２４を閉とし、バルブ２１、２２、２５、２６の開度を調整することにより、低温流体流路１ｃおよび高温流体流路１ｈに燃焼ガスを流通させる。

次に、起動時の制御方法を図６に示すフローチャートを用いて説明する。

ステップＳ２１において、温度センサ１３を用いて蒸発器１の温度を検出する。ステップＳ２２において、検出した蒸発器１の温度から、蒸発器１内で凍結が生じている可能性があるか否かを判断する。ここでは、蒸発器１が氷点以下の場合に凍結が生じている可能性があると判断し、ステップＳ２３に進み、解凍動作を開始する。

ステップＳ２３において、低温流体流路１ｃの解凍に用いる高温流体の温度を設定する。高温流体の温度を、蒸発器１に導入した際に熱衝撃を生じない許容範囲内に設定する。ただし、ここでは高温流体として気体を用いているため、熱伝達が液体の場合に比べて悪く、温度差が大きくても熱衝撃は生じ難い。高温流体温度の許容範囲は、図３に示した低温流体温度の許容範囲と同様に、蒸発器１の温度が低いほど、許容範囲の最大値は小さくなる。

また、解凍用の流体として気体を用いる場合には、蒸発器１の温度差をある程度大きく設定しないと、蒸発器１に十分な熱量を与えることが難しい。そこで、高温流体を、熱衝撃を与えない範囲で高温に設定するのが好ましい。特に蒸発器１の温度が低い場合には、解凍に時間がかかるため、許容範囲の最小値を大きく設定して解凍を促進させる。

高温流体の温度許容範囲は、蒸発器１の形状、材質、高温流体の流量等いより異なるが、例えば熱衝撃を生じない温度差の最大値を１００℃として、次のように設定する。

次に、ステップＳ２４において、高温流体の温度が蒸発器１の温度に応じて設定した許容範囲となるように、燃焼ガスの生成および供給を開始する。ここでは、先ず、バルブ２３、２４を閉に設定し、バルブ２１、２２、２５、２６を所定の開度に設定する。次に、コンプレッサ３およびインジェクタ５から燃焼器２に空気および燃料を導入し、燃焼ガスの生成を開始する。このときの空燃比、流量等は、生成する燃焼ガス（高温流体）の温度の許容範囲に応じて予め実験等により設定しておく。

このように燃焼ガスの供給を開始したら、ステップＳ２５において、圧力センサ１４、１５および３０、３１から、低温流体流路１ｃおよび高温流体流路１ｈの圧損を検出する。次に、ステップＳ２６において、低温流体流路１ｃの閉塞が解除されたか否かを判断する。ここでは、実験等により予め求めた非凍結時の低温流体流路１ｃを流通する高温流体の圧損に基づいて、凍結・非凍結を判断する所定値を設定しておく。この所定値を高温流体流路１ｈの圧損に応じて補正し、検出した低温流体流路１ｃの圧損と比較することにより、低温流体流路１ｃに閉塞箇所が存在するか否か判断する。なお、ここでは高温流体流路１ｈにも高温流体を流通させるため、圧力センサ３０、３１の出力も考慮したが、圧力センサ１４、１５のみの出力から凍結を判断することもできる。

閉塞箇所があると判断された場合にはステップＳ２７に進み、温度センサ１３を用いて蒸発器１の温度を検出する。ステップＳ２８において、蒸発器１の温度に応じて高温流体の所定温度を設定する。ここでは、所定温度は許容範囲内であり、かつ、比較的高温領域であることが好ましい。

次に、ステップＳ２９において、温度センサ２９を用いて、低温流体流路１ｃに導入される高温流体の温度を検出する。ステップＳ３０において、高温流体の所定温度と、検出された高温流体の温度との差を求め、この差を低減するべく高温流体の温度を調整する。ここでは、燃焼器２に供給する空燃比を調整することにより、燃焼ガスの温度を調整する。また、このとき検出温度が所定温度よりある程度大きい場合には、コンプレッサ３の負荷を大きくし、バルブ７を開とすることにより、空気を直接燃焼ガスに混入するように制御してもよい。

高温流体温度を適温に調整したら、ステップＳ２５、Ｓ２６に戻り、解凍による流路閉塞が解除されたか否かを判断する。このように解凍を継続し、ステップＳ２６において閉塞が解除されたと判断されたら、ステップＳ３１において、高温流体の供給を停止する。次に、ステップＳ３２において、ポンプ９を稼動して低温流体の供給を開始する。ステップＳ３３において、低温流体流路１ｃに低温流体が充満しているか否かの判断を行い、低温流体が充満したら、ステップＳ３４において、所定の温度（例えば、５５０℃）に調整した高温流体の導入を開始し、本フローを終了する。

また、ステップＳ２２において、凍結可能性は無い、つまり蒸発器１が氷点以下ではないと判断されたら、ステップＳ３２に進む。ステップＳ３２〜Ｓ３４において、低温流体流路１ｃに低温流体を充満させてから高温流体の導入を開始する。

なお、ここでは、ステップＳ３１において、高温流体を一度停止してから低温流体の供給を開始しているが、このときの高温流体は比較的低い温度に設定されているので、このまま供給を継続してもよい。この場合には、ステップＳ３２、Ｓ３３において低温流体の供給を開始して低温流体流路１ｃに低温流体が満たされた後、ステップＳ３４において、高温流体の温度を通常時の温度に変更する制御を行う。

また、ステップＳ３０の高温流体の温度調整の際に、必要に応じてバルブ７を開として燃焼ガスに直接空気を混入することにより、燃焼ガス温度を抑制したが、予め燃焼ガス温度が高すぎると予想される場合には、ステップＳ２４の燃焼ガスの供給を開始する際に、バルブ７を開としてもよい。

なお、ここでは、蒸発器１の低温流体流路１ｃおよび高温流体流路１ｈに解凍用流体として温度調整した高温流体を流通させるが、この限りではなく、低温流体流路１ｃのみに流通させてもよい。

次に、本実施形態の効果について説明する。以下、第１の実施形態と異なる効果のみを説明する。

解凍用の流体を、低温流体流路１ｃおよび高温流体流路１ｈに流通する。このように高温流体流路１ｈにも導入することで、蒸発器１自体の温度の上昇を促進することができる。その結果、低温流体流路１ｃの解凍を促進することができるとともに、蒸発制御に移行した際に速やかに蒸発を開始することができる。

解凍用の流体として、高温流体を用いる。これにより、比較的簡単な構成で、解凍用の流体を導入することができる。また、高温流体を用いることにより、比較的高温の流体を速やかに導入することができるので、解凍時間を短縮することができる。

高温流体として燃焼ガスを用い、温度調整手段として、燃焼の空燃比の調整手段、または、燃焼ガスに混入する空気量の調整手段を用いる。ここでは燃焼の空燃比を調整するために、コンプレッサ３およびインジェクタ５の負荷を制御する。また、燃焼ガスに混入する空気量を調整するために、バルブ７の開度およびコンプレッサ３の負荷を制御する。これにより、燃焼ガスを適切な温度に調整することができ、所定の温度に調整した解凍用の流体を蒸発器１に導入することができる。

また、解凍用の流体を、低温流体流路１ｃおよび高温流体流路１ｈに流通する際に、解凍用の流体の、低温流体流路１ｃおよび高温流体流路１ｈを流通する際のそれぞれの圧損に基づいて低温流体流路１ｃの閉塞を判断する。これにより、より正確に低温流体流路１ｃの閉塞解除を判断することができる。

なお、本発明は、上記発明を実施するための最良の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術思想の範囲内で、様々な変更を為し得ることはいうまでもない。

本発明は、蒸発器の起動制御システムに適用できる。特に、移動体等、低温環境下に晒される可能性のある燃料電池システムに用いる蒸発器の起動制御システムに適用できる。または、燃料電池システム用の燃料蒸発器だけでなく化学工業用の蒸発器やボイラ等にも適用できる。

第１の実施形態に用いる蒸発器システムの構成図である。 第１の実施形態における蒸発器システムの起動時のフローチャートである。 蒸発器温度に対する流体許容温度範囲を示す図である。 第２の実施形態に用いる蒸発器システムの構成図である。 第３の実施形態に用いる蒸発器システムの構成図である。 第３の実施形態における蒸発器システムの起動時のフローチャートである。

符号の説明

１ 蒸発器
１ｃ 低温流体流路
１ｈ 高温流体流路
２ 燃焼器
３ コンプレッサ（温度調整手段）
５ インジェクタ（温度調整手段）
６ バイパス
７ バルブ（温度調整手段）
１０ ヒータ（温度調整手段）
１２ 温度センサ
１３ 温度センサ
１４ 圧力センサ
１５ 圧力センサ
１６ コントローラ
１９ 熱交換部（温度調整手段）
Ｓ１、Ｓ２１ 凍結判断手段
Ｓ３、Ｓ２３ 温度設定手段

Claims (12)

1. 低温流体を流通する流路と、高温流体を流通する流路を有する蒸発器と、
   前記蒸発器内に凍結が生じている可能性があるか否かを判断する凍結判断手段と、
   前記蒸発器内に凍結が生じている可能性がある場合には、前記蒸発器の温度に基づいて、解凍用の流体の温度範囲を設定する温度設定手段と、
   前記温度設定手段により設定された温度範囲に前記解凍用の流体の温度を調整する温度調整手段と、を備え、
   起動時に、前記蒸発器内に凍結が生じている可能性がある場合には、温度調整した解凍用の流体を前記蒸発器に流入して前記低温流体流路の閉塞を解除してから、前記低温流体を流入し、その後前記高温流体を流入することを特徴とする蒸発器の運転制御装置。
2. 前記温度設定手段において、前記解凍用の流体の温度範囲を、温度差により前記蒸発器に熱衝撃を与える温度より低い温度に設定する請求項１に記載の蒸発器の運転制御装置。
3. 前記解凍用の流体として液体を用い、
   前記温度設定手段において、前記解凍用の流体の温度範囲を、前記蒸発器内において前記解凍用の流体の再凍結が生じる温度より高い温度に設定する請求項１または２に記載の蒸発器の運転制御装置。
4. 前記解凍用の流体を、前記低温流体流路に流通させる請求項１から３のいずれか一つに記載の蒸発器の運転制御装置。
5. 前記解凍用の流体を、前記低温流体流路および前記高温流体流路に流通させる請求項１から３のいずれか一つに記載の蒸発器の運転制御装置。
6. 前記解凍用の流体として、前記低温流体を用いる請求項４に記載の蒸発器の運転制御装置。
7. 前記温度調整手段として、ヒータ、または、前記高温流体との熱交換部を用いる請求項６に記載の蒸発器の運転制御装置。
8. 前記解凍用の流体として、前記高温流体を用いる請求項４または５に記載の蒸発器の運転制御装置。
9. 前記高温流体として燃焼ガスを用い、
   前記温度調整手段として、燃焼の空燃比の調整手段、または、燃焼ガスに混入する空気量の調整手段を用いる請求項８に記載の蒸発器の運転制御装置。
10. 前記解凍用の流体の、前記低温流体流路を流通する際の圧損に基づいて前記低温流体流路の閉塞解除を判断する請求項４または５に記載の蒸発器の運転制御装置。
11. 前記解凍用の流体の、前記低温流体流路および前記高温流体流路を流通する際の圧損に基づいて、前記低温流体流路の閉塞を判断する請求項５に記載の蒸発器の運転制御装置。
12. 高温流体を用いて低温流体を蒸発させる蒸発器の起動方法において、
    前記蒸発器内に凍結が生じている可能性がある場合には、前記蒸発器に、所定温度に調整された解凍用の流体を導入して、前記蒸発器内の前記低温流体の流通する流路の閉塞を解除してから、低温流体を流入させ、その後高温流体を流入させることを特徴とする蒸発器の起動方法。

Images