JP2019032986A - 燃料供給装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の発電に利用される液体燃料をより効率的かつ早期に昇温させることができる燃料供給装置を提供する。【解決手段】燃料電池の発電に利用される液体燃料を供給する燃料供給装置は、液体燃料を貯蔵するタンクと、タンクから供給された液体燃料を噴射する噴射器と、タンクと噴射器とを接続する供給路と、噴射器から噴射された液体燃料を加熱する加熱器を有し、加熱後燃料を燃料電池又は燃料電池の補機に供給可能な燃料噴射室と、を備える。さらに、燃料供給装置は、燃料噴射室とタンク及び供給路の少なくとも一方とを接続する通路であって、燃料噴射室に残留した液体燃料を還流させる還流路を備える。【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池の発電に利用される液体燃料を供給する燃料供給装置に関する。

特許文献１には、内燃機関の燃焼室にインジェクタを介して液体燃料を噴射供給する燃料供給装置が開示されている。この燃料供給装置では、インジェクタに燃料を供給する高圧燃料通路と、インジェクタからのリーク燃料を燃料タンクへ導く戻り燃料通路との間で熱交換を行うことで、戻り燃料の熱によって高圧燃料通路の燃料を加熱している。

特開２０１４−１９６７１２号公報

特許文献１に記載の燃料供給装置は内燃機関に液体燃料を供給する装置であるが、燃料電池システムにおいても燃料電池の発電に利用される液体燃料を供給する燃料供給装置が備えられる。

燃料電池システムでは炭化水素系の液体燃料や、水とエタノールを混合した液体燃料等が用いられるが、このような液体燃料は温度変化に応じて動粘度が変化する。特に、含水エタノールにおいては温度変化に伴う動粘度変化が大きいため、インジェクタ等の噴射器を用いて含水エタノールを噴射供給する場合には、含水エタノールの温度に応じて噴射器の噴射特性が変化してしまう。そのため、燃料電池の発電に利用される液体燃料を供給する燃料供給装置においても液体燃料の温度管理が必要となる。

特許文献１の燃料供給装置はインジェクタから噴射される前のリーク燃料の熱を利用して液体燃料を加熱する構成であり、このような噴射前の燃料を用いた構成では液体燃料を加熱する効果が低いという問題がある。

本発明は、燃料電池の発電に利用される液体燃料をより効率的に昇温させることができる燃料供給装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様によれば、燃料電池の発電に利用される液体燃料を供給する燃料供給装置が提供される。燃料供給装置は、液体燃料を貯蔵するタンクと、タンクから供給された液体燃料を噴射する噴射器と、タンクと噴射器とを接続する供給路と、噴射器から噴射された液体燃料を加熱する加熱器を有し、加熱後燃料を燃料電池又は燃料電池の補機に供給可能な燃料噴射室と、を備える。さらに、燃料供給装置は、燃料噴射室とタンク及び供給路の少なくとも一方とを接続する通路であって、燃料噴射室に残留した液体燃料を還流させる還流路を備える。

一態様による燃料供給装置によれば、燃料噴射室に供給された液体燃料のうち、燃料噴射室内において蒸発せずに残留した液体燃料をタンク及び供給路の少なくとも一方に還流させることができる。したがって、加熱器によって一旦加熱された残留液体燃料を還流させることで、噴射器に供給される液体燃料の温度を効率的かつ早期に上昇させることが可能となる。

図１は、本実施形態による燃料電池システムの構成の概要を示す図である。 図２は、燃料電池システムの具体的な構成を示す図である。 図３は、燃料電池システムの一部を構成する燃料供給装置の概略構成図である。 図４は、燃料供給装置のコントローラが実行する燃料供給制御の流れを示すフローチャートである。 図５は、本実施形態の一変形例による燃料供給装置の概略構成図である。 図６Ａは、その他の変形例による燃料供給装置の概略構成図である。 図６Ｂは、さらに別の変形例による燃料供給装置の概略構成図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。

図１は、本発明の一実施形態による燃料電池システム１００の構成の概要を示す図である。

燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１と、燃料処理部２と、酸化剤ガス加熱部３と、燃焼器４と、制御部５と、を備える。

燃料電池スタック１は複数の燃料電池又は燃料電池単位セルを積層して構成され、発電源である個々の燃料電池は、例えば固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）である。燃料電池スタック１は、燃料電池のアノード極に燃料ガス（アノードガス）を供給するアノードガス通路１１と、アノード極から排出される発電反応後のアノードオフガスを流すアノードオフガス通路１２（図２参照）と、燃料電池のカソード極に酸化剤ガス（カソードガス）を供給するカソードガス通路１３と、カソード極から排出される発電反応後のカソードオフガスを流すカソードオフガス通路１４（図２参照）と、を備える。

燃料処理部２は、アノードガス通路１１に設けられ、原燃料である液体燃料の供給を受ける。燃料処理部２は、液体燃料を処理し、燃料電池での発電反応に用いられるアノードガスを生成する。液体燃料は、例えば水とエタノールの混合液である含水エタノールである。燃料処理部２よりも上流側のアノードガス通路１１には、液体燃料を噴射供給する第１の噴射器として、例えばインジェクタ７１（第１インジェクタ）が設けられている。

酸化剤ガス加熱部３は、カソードガス通路１３に設けられ、カソードガスを加熱する。カソードガスは、例えば空気である。カソードガス通路１３の上流端には大気中の空気を取り込むエアコンプレッサ６１が設けられており、エアコンプレッサ６１を介して空気が酸化剤ガス加熱部３に供給される。なお、空気を吸入する装置としては、エアコンプレッサ６１の代わりに、ブロアを用いてもよい。

燃焼器４は、第２の噴射器から供給される液体燃料を燃焼させ、燃焼ガスを生成する。第２の噴射器は、例えばインジェクタ７２（第２インジェクタ）により構成される。燃焼器４において生成された燃焼ガスの熱は、太い点線矢印に示すように、燃料処理部２及び酸化剤ガス加熱部３に供給される。なお、燃焼器４及び第２インジェクタ７２は燃料供給装置７０の一部を構成する。

制御部５は、燃料処理部２、酸化剤ガス加熱部３及び燃焼器４に対する液体燃料及び空気の供給を制御するものであり、電子制御ユニットとしてのコントローラ５１を含んで構成されている。コントローラ５１は、燃料電池システム１００の起動時等に、液体燃料の温度を早期に昇温させるための燃料供給制御を実行する。

図２は、燃料電池システム１００の具体的な構成を示す図である。

図２に示す燃料電池システム１００は、例えば車両に搭載されるシステムである。燃料電池システム１００は、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）を積層して構成された燃料電池スタック１と、燃料電池スタック１の発電に用いられる液体燃料を蓄える燃料タンク８と、を備えている。

燃料電池スタック１は、アノードガス及びカソードガスの供給を受けて発電する電池である。燃料電池スタック１の発電電力は、車両に搭載されたバッテリを充電したり、電動モータ等を駆動したりするために用いられる。

燃料タンク８は、燃料電池スタック１に供給されるアノードガスを生成したり、システム構成部品等を暖機する際に利用される燃焼ガスを生成したりするために必要な液体燃料を貯蔵する。液体燃料は、例えば、水とエタノールからなる燃料（例えば、４５体積％のエタノールを含有する含水エタノール）である。液体燃料は、含水エタノールに限られず、ガソリン又はメタノール等を含む液体燃料であってもよい。

燃料タンク８と燃料電池スタック１とは、アノードガス通路１１を通じて接続されている。アノードガス通路１１には、流れの方向に関して上流側から順に、蒸発器２１、燃料熱交換器２２、及び改質器２３が設けられている。蒸発器２１、燃料熱交換器２２、及び改質器２３は、燃料電池スタック１が発電するために必要な補機として機能するものであって、図１において示した燃料処理部２を構成する。

蒸発器２１の上流側においてはアノードガス通路１１から燃料供給路１５が分岐しており、燃料供給路１５はアノードガス通路１１と触媒燃焼器４０とを接続する。

燃料供給路１５の分岐点と蒸発器２１との間のアノードガス通路１１には第１インジェクタ７１が設けられており、燃料供給路１５には第２インジェクタ７２が設けられている。これにより、アノードガス通路１１と燃料供給路１５との間で液体燃料の流れを切り換えることが可能となっている。第１インジェクタ７１は、コントローラ５１からの指令信号に応じて作動し、蒸発器２１に対して液体燃料を連続的又は間欠的に噴射供給するよう構成されている。また、第２インジェクタ７２は、コントローラ５１からの指令信号に応じて作動し、触媒燃焼器４０に対して液体燃料を連続的又は間欠的に噴射供給するよう構成されている。

蒸発器２１は、第１インジェクタ７１から供給された液体燃料（含水エタノール）を加熱し、エタノールガスを生成する。蒸発器２１は、触媒燃焼器４０から燃焼ガス通路１７を通じて供給されるガスとの熱交換により、液体燃料を加熱する。

燃料熱交換器２２は、触媒燃焼器４０での燃焼により生じた燃焼ガスの熱を受け、エタノールガスをさらに加熱する。

改質器２３は、改質用触媒を内蔵しており、燃料熱交換器２２から供給されるガスを改質し、水素等を含むアノードガスを生成する。改質器２３で生成されたアノードガスは、燃料電池スタック１に供給される。

カソードガス通路１３には、空気熱交換器３１が設けられている。空気熱交換器３１は、触媒燃焼器４０から燃焼ガス通路１７を通じて供給される燃焼ガスとの熱交換により、カソードガス通路１３を流れるカソードガス（空気）を加熱する。本実施形態では、カソードガス通路１３の開放端付近にエアコンプレッサ６１が設置されており、カソードガスとして大気中の空気が、エアコンプレッサ６１を通じてカソードガス通路１３に吸入される。カソードガスは、空気熱交換器３１を通過する際に加熱され、燃料電池スタック１に供給される。空気熱交換器３１は、燃料電池スタック１が発電するために必要な補機として機能するものであって、図１において示した酸化剤ガス加熱部３を構成する。

エアコンプレッサ６１の下流側においてはカソードガス通路１３から空気供給路１６が分岐しており、空気供給路１６はカソードガス通路１３と触媒燃焼器４０とを接続する。空気供給路１６には、触媒燃焼器４０に供給される空気の流量を調整するための流量制御弁６２が設置されている。

触媒燃焼器４０は、白金（Ｐｔ）やパラジウム（Ｐｄ）等を含む燃焼用触媒を内蔵している。触媒燃焼器４０は、燃料供給路１５及び空気供給路１６を通じて供給される液体燃料及び空気を燃焼させることにより燃焼ガスを生成する。なお、触媒燃焼器４０は、図１に示した燃焼器４に相当する。

燃料電池システム１００では、触媒燃焼器４０は燃焼ガス通路１７を介して空気熱交換器３１及び蒸発器２１に接続されており、燃焼ガスの熱により空気熱交換器３１及び蒸発器２１を加熱する。他方で、燃料熱交換器２２及び改質器２３が触媒燃焼器４０と共用のケース（図２の一点鎖線Ｌ）に収容されており、ケースＬの内部において触媒燃焼器４０の熱が燃料熱交換器２２及び改質器２３に伝達するように構成されている。

また、燃料電池システム１００では、燃料電池スタック１と触媒燃焼器４０とがアノードオフガス通路１２及びカソードオフガス通路１４によって接続されている。触媒燃焼器４０は、燃料電池スタック１から排出されたアノードオフガス及びカソードオフガスを触媒燃焼させて燃焼ガスを生成することもできるよう構成されている。

上記した燃料電池システム１００においては、システム起動時等に、第２インジェクタ７２により液体燃料を触媒燃焼器４０に供給するとともに、エアコンプレッサ６１を作動させて流量制御弁６２を開くことで空気を触媒燃焼器４０に供給する。これにより、液体燃料の燃焼により生じた燃焼ガスにより燃料熱交換器２２等を加熱することができ、燃料電池システム１００全体の暖機を行うことが可能となる。一方、暖機完了後の通常時においては、燃料電池スタック１から排出されたアノードオフガスとカソードオフガスを触媒燃焼器４０で燃焼させることで、燃料電池システムＳ全体を運転に必要な温度に維持することが可能となる。

次に、図３を参照して、触媒燃焼器４０に液体燃料を供給する燃料供給装置７０について説明する。図３は、本実施形態による燃料供給装置７０の概略構成図である。

燃料供給装置７０は、触媒燃焼器４０と、触媒燃焼器４０に液体燃料を噴射供給する第２インジェクタ７２と、液体燃料を貯留する燃料タンク８と、コントローラ５１と、を備えている。

触媒燃焼器４０は例えば筒状体として構成されており、触媒燃焼器４０の内部には、液体燃料を加熱する加熱器４１と、加熱後の燃料を燃焼させる触媒４２とが設けられている。触媒燃焼器４０の上流側には加熱器４１に向けて液体燃料を噴射供給する第２インジェクタ７２が配置されており、触媒燃焼器４０の下流側には燃焼ガス通路１７が接続されている。触媒燃焼器４０は、第２インジェクタ７２から噴射された燃料を受け入れる燃料噴射室として機能する。なお、第２インジェクタ７２は、触媒燃焼器４０の端部中央に設けられているが、加熱器４１に向けて液体燃料を噴射することができる位置に設けられていればよい。

加熱器４１は、本体部としてのハニカム構造体４１Ａと、ハニカム構造体４１Ａの外周に設けられる電極部４１Ｂとから構成されている。ハニカム構造体４１Ａは、金属製の円筒状部材として構成されており、触媒燃焼器４０内に固定されている。電極部４１Ｂは触媒燃焼器４０の内部から外側に露出するように設けられており、この電極部４１Ｂに通電することでハニカム構造体４１Ａが加熱される。

触媒４２は触媒燃焼器４０内に収容されており、触媒４２の上流側端面と加熱器４１の下流側端面とが接触するように並んで配置されている。触媒４２は、担体としてのハニカム構造体４２Ａの表面に触媒材料が担時された部材である。ハニカム構造体４２Ａは金属製の円筒状部材として構成されており、ハニカム構造体４２Ａに担持される触媒材料には白金（Ｐｔ）やパラジウム（Ｐｄ）等が用いられる。

なお、本実施形態では、加熱器４１と触媒４２を別体として構成されているが、加熱器４１と触媒４２とが一体形成されてもよい。例えば、加熱器４１のハニカム構造体４１Ａを担体として活用し、ハニカム構造体４１Ａの表面に触媒材料を担時することで、加熱器４１自体に触媒機能を付加することができる。このように一体形成することで、触媒燃焼器４０の構成を簡素化することが可能となる。

燃料供給装置７０においては、第２インジェクタ７２と燃料タンク８とが燃料供給路１５により接続されおり、燃料タンク８には液体燃料を第２インジェクタ７２に供給するための供給ポンプ８Ａが設けられている。燃料供給装置７０では、システム起動時等に液体燃料が第２インジェクタ７２から触媒燃焼器４０（燃料噴射室）に供給され、この液体燃料が加熱器４１で加熱されて気化し、加熱後の気化燃料が触媒４２で燃焼することで、燃焼ガスが生成される。この燃焼ガスは、燃焼ガス通路１７を通じて蒸発器２１や空気熱交換器３１等の補機を暖気する。

上記した燃料供給装置７０は、加熱器４１に向けて噴射供給された液体燃料のうち、気化せずに触媒燃焼器４０内に残留した液体燃料を回収する燃料回収部をさらに有している。燃料回収部は、システム起動時等、液体燃料の温度が低い状態となっている場合に、液体燃料の温度を早期に昇温させるために利用されるものである。この燃料回収部は、還流路８０と、開閉弁８１と、還流ポンプ８２と、フィルタ８３とを備えている。

還流路８０は、触媒燃焼器４０と燃料供給路１５とを接続する通路である。還流路８０の燃料取込口８０Ａは、加熱器４１と第２インジェクタ７２との間の触媒燃焼器４０（燃料噴射室）に連通するよう設けられ、例えば加熱器４１よりも上流側の触媒燃焼器４０の下部に設けられる。本実施形態では、触媒燃焼器４０の底部に燃料取込口８０Ａが設けられている。このように、触媒燃焼器４０に設けられる燃料取込口８０Ａは、触媒燃焼器４０の頂部と底部との中間位置（１／２）から底部までの範囲（下部）、好ましくは、触媒燃焼器４０の底部に形成される。触媒燃焼器４０内に多くの液体燃料が残留して加熱器４１の表面を覆ってしまうと、液体燃料の加熱効果が低下してしまう。しかしながら、触媒燃焼器４０の下部又は底部に燃料取込口８０Ａは配置すると、液体燃料が還流路８０に流入しやすくなり、加熱器４１が液体燃料で覆われにくくなるので、加熱器４１による液体燃料の加熱を維持することが可能となる。

このように、燃料取込口８０Ａは、加熱器４１直前であって、触媒燃焼器４０内において液体燃料が溜まりやすい位置に設けられる。還流路８０の排出口８０Ｂは、燃料供給路１５に接続され、例えば第２インジェクタ７２と燃料タンク８との間において第２インジェクタ７２寄りの位置に配置される。

なお、還流路８０は触媒燃焼器４０と燃料供給路１５とを接続する通路として構成されているが、これに限られるものではない。図３の破線で示すように、還流路８０は、触媒燃焼器４０と燃料タンク８とを接続する通路として構成されてもよい。また、還流路８０は、下流側において二本の通路に分岐する形状を有し、触媒燃焼器４０と、燃料タンク８及び燃料供給路１５とを接続するように構成されてもよい。

開閉弁８１は、還流路８０に設けられる。開閉弁８１は、還流路８０を開閉することで還流路８０の連通状態を制御する電磁式開閉弁である。還流ポンプ８２は、開閉弁８１よりも下流側の還流路８０に設けられる。還流ポンプ８２は、触媒燃焼器４０内に残留する液体燃料を吸い込み燃料供給路側へと圧送する。これら開閉弁８１及び還流ポンプ８２は、還流路８０を通過する液体燃料の流量を調整する流量調整部として機能する。

フィルタ８３は、還流ポンプ８２よりも下流側の還流路８０に設けられ、還流路８０内を流れる液体燃料に含まれる異物を除去する部材である。

上記の通り、還流路８０には、上流側から順番に開閉弁８１、還流ポンプ８２、及びフィルタ８３が設けられているが、これらの配置順序は適宜変更が可能である。また、還流ポンプ８２が設けられている場合には、開閉弁８１の設置を省略してもよい。

第２インジェクタ７２や開閉弁８１、還流ポンプ８２、加熱器４１、その他の燃料電池システム１００の運転に用いられる各種装置の動作は、コントローラ５１により制御される。コントローラ５１は、中央演算回路、ＲＯＭ及びＲＡＭ等の各種記憶装置、入出力インターフェース等を備えるマイクロコンピュータからなる電子制御ユニットとして構成されている。

コントローラ５１には、第２インジェクタ７２に供給される液体燃料の温度及び濃度を検出する温度センサ１０１及び濃度センサ１０２からの信号や、その他、燃料電池システム１００の動作状態を検出する各種センサからの信号が入力される。

液体燃料の温度は、第２インジェクタ７２から噴射される前の液体燃料の温度を示す指標であり、本実施形態では第２インジェクタ７２に設置された温度センサ１０１によって検出される。また、液体燃料の濃度は、第２インジェクタ７２から噴射される前の液体燃料の濃度を示す指標であり、本実施形態では第２インジェクタ７２に設置された濃度センサ１０２によって検出される。

なお、温度センサ１０１及び濃度センサ１０２は、必ずしも第２インジェクタ７２に設けられる必要はなく、燃料供給路１５等に設けられてもよい。また、液体燃料の温度及び濃度は、センサを用いて実測するのではなく、温度及び濃度と相関する他のパラメータを用いて推定してもよい。

本実施形態による燃料電池システム１００では、システム起動時において蒸発器２１及び空気熱交換器３１等を暖機するため、第２インジェクタ７２から触媒燃焼器４０に液体燃料を供給して燃焼ガスを生成させる。しかしながら、燃料が含水エタノールのような液体燃料である場合には、燃料温度が低いと液体燃料の動粘度が大きくなるため、第２インジェクタ７２から噴射される燃料が微粒化されず、第２インジェクタ７２の噴射特性が悪化してしまう。固体酸化物型燃料電池の動作温度は８００〜１０００℃と高いため、システム起動後にはシステム構成部品等の暖気を早期に完了することが望ましいが、第２インジェクタ７２の噴射特性が悪化すると、触媒燃焼器４０での触媒燃焼が安定せず、暖気が遅れてしまう。

そこで、本実施形態による燃料供給装置７０のコントローラ５１は、システム起動時に液体燃料の温度を早期に上昇させる燃料供給制御を実行するように構成されている。

図４を参照して、燃料供給装置７０のコントローラ５１が実行する燃料供給制御について説明する。図４は、燃料供給制御の流れを示すフローチャートである。燃料供給制御は、燃料電池システム１００に対する起動要求（運転者のキーオン操作等の起動要求）後に繰り返し実行される。コントローラ５１は、起動要求信号を受信した場合に、図４のフローチャートに示す手順にしたがって燃料供給制御を実行するようにプログラムされている。なお、図４の各処理手順は、必要に応じて順番を入れ替えてもよいし、省略してもよい。

図４に示すように、燃料電池システム１００が起動されると、コントローラ５１はステップ１０１（Ｓ１０１）の処理を実行する。Ｓ１０１では、コントローラ５１は、触媒燃焼器４０の加熱器４１に電力を供給し、加熱器４１を加熱させる。加熱器４１は、所定の設定温度（例えば数百度）まで加熱され、設定温度に到達した後はその温度を維持するように制御される。

Ｓ１０２では、コントローラ５１は、温度センサ１０１により検出された液体燃料の温度Ｔが、予め設定された基準温度Ｔ１よりも大きいか否かを判定する。基準温度Ｔ１は、第２インジェクタ７２の噴射特性が安定するように設定される任意の値であり、本実施形態では例えば６０℃に設定される。

Ｓ１０２において、液体燃料の温度Ｔが基準温度Ｔ１よりも大きいと判定された場合には、コントローラ５１は燃料温度が十分に高いと判断し、Ｓ１０３〜Ｓ１０４の処理を実行する。

Ｓ１０３では、コントローラ５１は、開閉弁８１を閉じ、還流ポンプ８２を停止させる。これにより、還流路８０による触媒燃焼器４０と燃料供給路１５との連通が遮断される。

Ｓ１０４では、コントローラ５１は、通常時燃料噴射制御を実行し、第２インジェクタ７２から触媒燃焼器４０に液体燃料を噴射供給する。触媒燃焼器４０においては、第２インジェクタ７２から供給される燃料と、エアコンプレッサ６１から供給される空気を触媒燃焼させるが、通常時燃料噴射制御では空気と燃料とがほぼ完全燃焼するよう、つまり空気過剰率が１となるよう第２インジェクタ７２から噴射される燃料供給量が制御される。

液体燃料の温度Ｔが基準温度Ｔ１を上回っている場合、第２インジェクタ７２から噴射される液体燃料は適切に微粒化されて触媒燃焼器４０に供給されるため、触媒燃焼器４０内に液体燃料のまま残留することはほとんどない。したがって、微粒化された燃料は加熱器４１で加熱された後に触媒４２で燃焼し、触媒燃焼器４０にて生成された燃焼ガスが燃焼ガス通路１７へと排出される。燃焼ガスは、蒸発器２１等を暖機した後、外部へと排出される。

一方、Ｓ１０２において液体燃料の温度Ｔが基準温度Ｔ１以下であると判定された場合には、コントローラ５１は燃料温度を昇温させる必要があると判断し、Ｓ１０５〜Ｓ１０７の処理を実行する。

Ｓ１０５では、コントローラ５１は、濃度センサ１０２により検出された液体燃料の濃度Ｄが、予め設定された基準濃度Ｄ１よりも大きいか否かを判定する。基準濃度Ｄ１は、触媒燃焼器４０での燃焼が安定するように設定される任意の値である。

Ｓ１０５において液体燃料の濃度Ｄが基準濃度Ｄ１よりも大きいと判定された場合には、コントローラ５１は、触媒燃焼器４０での燃焼に悪影響を与えないと判断し、ステップＳ１０６の処理を実行する。

Ｓ１０６では、コントローラ５１は、開閉弁８１を開き、還流ポンプ８２を駆動させる。これにより、触媒燃焼器４０と燃料供給路１５とが還流路８０を通じて連通する状態となる。

Ｓ１０７では、コントローラ５１は、低温時燃料噴射制御を実行し、第２インジェクタ７２から触媒燃焼器４０に液体燃料を噴射供給する。低温時燃料噴射制御では、空気過剰率が１より小さくなるよう、つまり通常時燃料噴射制御の場合よりも燃料供給量（噴射量）が増加するように第２インジェクタ７２が制御される。

液体燃料の温度Ｔが基準温度Ｔ１よりも低い場合には、第２インジェクタ７２から噴射された液体燃料の一部が触媒燃焼器４０内に残留するが、この残留燃料は加熱器４１に一度吹き当たっているため、噴射前よりも燃料温度が上昇している。このように加熱器４１によって加熱された液体燃料は、還流ポンプ８２により圧送され、還流路８０を通じて燃料供給路１５に還流される。このように加熱器４１により一旦加熱された液体燃料が燃料供給路１５内に還流されることで、第２インジェクタ７２に供給される燃料の温度を早期に基準温度Ｔ１まで上昇させることができ、第２インジェクタ７２の噴射特性の悪化を抑制することが可能となる。

低温時燃料噴射制御（燃料還流時）においては、通常時（燃料非還流時）よりも第２インジェクタ７２の燃料供給量を増加させるため、触媒燃焼器４０内に残留する液体燃料量を増加させることができる。これにより、燃料供給路１５に還流させることができる液体燃料量を増やすことができ、第２インジェクタ７２に供給される液体燃料の昇温効果を高めることが可能となる。

なお、Ｓ１０５において液体燃料の濃度Ｄが基準濃度Ｄ１以下と判定された場合には、コントローラ５１は、燃料濃度の低下により触媒燃焼器４０での燃焼性が悪化すると判断し、Ｓ１０３以降の処理を実行する。

Ｓ１０６及びＳ１０７において液体燃料の還流を行う場合には、液体燃料が触媒燃焼器４０の加熱器４１で加熱されているため、液体燃料に含まれるエタノールが蒸発しやすい。そのため、触媒燃焼器４０内に残留している液体燃料においてはエタノール濃度が低下しており、このような燃料を燃料供給路１５の還流し続けると、第２インジェクタ７２に供給される液体燃料のエタノール濃度も低下してしまう。したがって、液体燃料の濃度Ｄが低下した場合には、Ｓ１０６以降の制御を一旦中断し、液体燃料の濃度Ｄが回復するまでの間Ｓ１０３以降の通常制御を実行することで、触媒燃焼器４０での燃焼性の悪化を抑制する。

なお、燃料電池システム１００の運転状態によっては、触媒燃焼器４０内に液体燃料が残留していても当該液体燃料を還流しないこともあるが、このような場合、残留液体燃料は時間経過とともに触媒燃焼器４０内で気化して触媒４２にて燃焼される。

上記した本実施形態の燃料供給装置７０によれば、以下の効果を得ることができる。

燃料供給装置７０は、燃料電池スタック１の発電に利用される液体燃料を供給する装置であって、第２インジェクタ７２を介して触媒燃焼器４０（燃料噴射室）に液体燃料を噴射供給する。触媒燃焼器４０は、噴射供給された液体燃料を加熱する加熱器４１を有しており、加熱後燃料を蒸発器２１等の補機に供給可能に構成されている。そして、触媒燃焼器４０と、第２にインジェクタ７２に液体燃料を供給する燃料供給路１５とは、還流路８０を介して接続される。なお、還流路８０は、触媒燃焼器４０と、燃料供給路１５及び燃料タンク８との少なくとも一方とを接続する通路であってもよい。

このように構成される燃料供給装置７０では、触媒燃焼器４０に供給された液体燃料のうち、触媒燃焼器４０内において気化せずに残留した液体燃料を燃料供給路１５及び燃料タンク８の少なくとも一方に還流させることができる。加熱器４１によって一旦加熱された残留液体燃料を還流させることで、第２インジェクタ７２に供給される液体燃料の温度を効率的かつ早期に所望温度まで上昇させることができる。これにより、システム始動後すみやかに第２インジェクタ７２の噴射特性の悪化を抑制することが可能となる。

なお、第２インジェクタ７２から噴射供給される液体燃料は、噴射前よりも表面積が増大した状態で加熱器４１により加熱されるため、加熱器４１からの熱を受熱しやすい。そのため、触媒燃焼器４０内に残留する液体燃料は高温になりやすく、還流後の液体燃料の昇温効果を高めることができる。

また、燃料供給装置７０の触媒燃焼器４０は、加熱器４１で加熱されて気化した燃料（加熱後燃料）を燃焼させる触媒４２を備えている。なお、加熱器４１と触媒４２とは一体形成されていてもよく、この場合には加熱器４１のハニカム構造体４１Ａの表面に触媒材料が担持されることとなる。このように構成される燃料供給装置７０では、触媒４２により燃焼ガスを生成でき、燃焼ガスによりシステム構成部材を暖機することが可能となる。本実施形態では、第２インジェクタ７２に供給される液体燃料の温度を早期に上昇させることで、第２インジェクタ７２の噴射特性を安定させることができるため、システム始動後の触媒燃焼も安定する。その結果、燃料電池システム１００の暖機時間を短縮することが可能となる。

さらに、燃料供給装置７０では、還流路８０の燃料取込口８０Ａは、加熱器４１と第２インジェクタ７２との間における触媒燃焼器４０に接続される。より具体的には、燃料取込口８０Ａは、加熱器４１前における触媒燃焼器４０の底部に接続される。このように構成される燃料供給装置７０では、触媒燃焼器４０内に残留した液体燃料をより確実に還流路８０に導入することができ、還流後の液体燃料の昇温効果をより高めることが可能となる。

さらに、燃料供給装置７０では、還流路８０にフィルタ８３が設けられる。このように構成される燃料供給装置７０では、還流路８０を通過する液体燃料に含まれる異物をフィルタ８３より除去することができる。これにより、液体燃料を還流しても、第２インジェクタ７２等における異物詰まりを防止することが可能となる。

さらに、燃料供給装置７０では、開閉弁８１及び還流ポンプ８２が還流路８０に設けられる。これら開閉弁８１及び還流ポンプ８２は、還流路８０を通過する液体燃料の流量を調整する流量調整部として機能する。還流される液体燃料の流量を流量調整部により制御することで、第２インジェクタ７２に供給される液体燃料の温度を適切に制御することが可能となる。

さらに、燃料供給装置７０は開閉弁８１等の流量調整部を制御するコントローラ５１を備えており、コントローラ５１は、第２インジェクタ７２から噴射される前の液体燃料の温度を取得し、液体燃料温度Ｔが基準温度Ｔ１以下の場合に、触媒燃焼器４０内に残留している液体燃料を還流するよう開閉弁８１等の流量調整部を制御する。これにより、システム始動直後等、液体燃料温度が低い場合に、第２インジェクタ７２に供給される液体燃料の温度を早期に上昇させることが可能となる。

さらに、燃料供給装置７０では、コントローラ５１は、第２インジェクタ７２から噴射される前の液体燃料の濃度を取得し、液体燃料濃度Ｄが基準濃度Ｄ１以下の場合に、液体燃料の還流を停止するよう開閉弁８１等の流量調整部を制御する。これにより、還流後の液体燃料の濃度低下に起因する触媒燃焼器４０での燃焼性の悪化を抑制することが可能となる。

さらに、燃料供給装置７０では、コントローラ５１は、液体燃料還流時の第２インジェクタ７２からの液体燃料の供給量が液体燃料非還流時の供給量よりも増加するよう第２インジェクタ７２を制御する。これにより、燃料供給路１５等に還流させることができる液体燃料量を増やすことができ、第２インジェクタ７２に供給される液体燃料の昇温効果を高めることが可能となる。

さらに、燃料供給装置７０では、コントローラ５１は、加熱器４１の加熱開始後に液体燃料を噴射するよう第２インジェクタ７２を制御する。これにより、第２インジェクタ７２から噴射された液体燃料をより確実に加熱することでき、触媒燃焼器４０内に残留する液体燃料の温度を効率的に高めることが可能となる。

以下では、図５、図６Ａ及び図６Ｂを参照して、本実施形態による燃料供給装置７０の変形例について説明する。

まず、図５を参照して、本実施形態の一変形例による燃料供給装置７０について説明する。図５は、一変形例による燃料供給装置７０の概略構成図である。

図５に示すように、本変形例では、燃料供給装置７０が車両に搭載された状態において、燃料タンク８は、触媒燃焼器４０（燃料噴射室）の底部よりも低い位置、つまり触媒燃焼器４０の下方に配置される。

還流路８０は、触媒燃焼器４０と燃料タンク８とを連通するよう、上下方向に延設されている。還流路８０の燃料取込口８０Ａは触媒燃焼器４０の底部に接続され、還流路８０の排出口８０Ｂは燃料タンク８の上部に接続される。この還流路８０には、開閉弁８１及びフィルタ８３が配置されている。

本変形例による燃料供給装置７０では還流路８０に還流ポンプ８２は設けられておらず、コントローラ５１は開閉弁８１（流量調整部）の開閉のみで液体燃料の還流量を制御するように構成されている。コントローラ５１は、図４に示した燃料噴射制御を実行するが、図４のＳ１０３及びＳ１０６の処理においては開閉弁８１の制御のみを実行する。

コントローラ５１は、触媒燃焼器４０内に残留している液体燃料を還流させる必要がある場合に、開閉弁８１を開弁する。開閉弁８１が開弁されると、触媒燃焼器４０内に残留している液体燃料は自重により還流路８０内に流入し、フィルタ８３を通過して燃料タンク８の上部から燃料タンク８内に還流される。還流された液体燃料は燃料タンク８内の燃料と混合され、再び第２インジェクタ７２へと導かれる。このように触媒燃焼器４０内に残留した液体燃料を還流させることによっても、第２インジェクタ７２に供給される燃料を早期に昇温させることができる。

なお、本変形例による燃料供給装置７０は、触媒燃焼器４０内に残留した液体燃料を重力を利用して還流するよう構成されているが、開閉弁８１とフィルタ８３との間の還流路８０に還流ポンプ８２を設置してもよい。また、必要に応じて、還流路８０への開閉弁８１、還流ポンプ８２、フィルタ８３のいずれかを設けるようにしてもよいし、これら全てを省略してもよい。開閉弁８１、還流ポンプ８２及びフィルタ８３の設置を省略した場合には、コントローラ５１で開閉弁８１等を制御しなくても、触媒燃焼器４０内に残留している液体燃料を燃料タンク８へと還流することができる。

また、図５において、還流路８０は上下方向に直線的に延設される通路として開示されているが、このような形態に限られるものではない。還流路８０は、触媒燃焼器４０内に残留した液体燃料が自重により燃料タンク８に還流されるような形状であればよく、上下方向に対して傾斜していたり、湾曲部位や屈曲部位を有していたりしてもよい。

次に、図６Ａ及び図６Ｂを参照して、本実施形態の他の変形例による燃料供給装置７０について説明する。図６Ａは他の変形例による燃料供給装置７０の触媒燃焼器４０の概略断面図であり、図６Ｂはさらに別の変形例による燃料供給装置７０の触媒燃焼器４０の概略断面図である。図６Ａ及び図６Ｂに示した触媒燃焼器４０は、図３及び図５に示した燃料供給装置７０における触媒燃焼器に適用することができる。

図６Ａに示すように、触媒燃焼器４０（燃料噴射室）の底部には還流路８０の燃料取込口８０Ａが接続されている。そして、本変形例による触媒燃焼器４０の内部には、底部を含む下部領域において傾斜部４０Ａが形成されている。傾斜部４０Ａの上面は触媒燃焼器４０の上流端から加熱器４１側に向かって下り傾斜する傾斜面４０Ｂとして形成されており、傾斜面４０Ｂは触媒燃焼器４０内に残留した液体燃料を還流路８０の燃料取込口８０Ａへと誘導するように構成されている。

上記の通り、触媒燃焼器４０は液体燃料を還流路８０へと導くための傾斜面４０Ｂを有しているため、触媒燃焼器４０内に残留するほとんどの液体燃料を還流路８０を介して還流させることができる。その結果、第２インジェクタ７２に供給される液体燃料の温度をより早期に昇温させることができる。

なお、触媒燃焼器４０の内部に傾斜部４０Ａを形成する代わりに、図６Ｂに示すように、傾斜部４０Ａを有していない触媒燃焼器４０を傾斜状態で車両に配置するようにしてもよい。つまり、下流側が上流側よりも低くなるように触媒燃焼器４０を傾斜させることで、触媒燃焼器４０の内部底面が傾斜面４０Ｃとして機能する。傾斜面４０Ｃは、触媒燃焼器４０内に残留した液体燃料を還流路８０の燃料取込口８０Ａへと誘導する。

したがって、図６Ｂのように触媒燃焼器４０を傾斜して配置することによっても、触媒燃焼器４０内に残留するほとんどの液体燃料を還流路８０を介して還流させることができ、液体燃料の温度をより早期に昇温させることが可能となる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は、本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を、上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。上記実施形態に対し、特許請求の範囲に記載した事項の範囲内で様々な変更及び修正が可能である。

本実施形態による燃料供給装置７０では、還流路８０の連通状態を制御する部材として開閉弁８１が設けられているが、開閉弁８１は電磁式の開閉弁として構成されてもよいし、バイメタル式の開閉弁として構成されてもよい。

バイメタル式開閉弁は、バイメタルにより形成された弁体を備えており、残留液体燃料の温度に応じて還流路８０を開閉する。つまり、バイメタル式開閉弁は、残留液体燃料の温度が基準温度以下の場合に開弁し、当該温度が基準温度より大きい場合に閉弁するように構成される。バイメタル式開閉弁を、還流路８０を通過する液体燃料の流量を調整する流量調整部として機能させることで、図４のＳ１０３及びＳ１０６において説明したコントローラ５１による開閉弁制御が不要となる。これにより、燃料供給装置７０のシステム構成を簡素化でき、コントローラ５１の演算負荷等も低減することができる。

本実施形態による燃料供給装置７０では、図４のＳ１０１、Ｓ１０４及びＳ１０６に示したように、加熱器４１の加熱後に第２インジェクタ７２から液体燃料を噴射するが、加熱器４１の加熱開始と同時に第２インジェクタ７２から液体燃料を噴射してもよい。

本実施形態による燃料供給装置７０では、加熱器４１は所定の設定温度まで加熱されるように構成されている。加熱器４１の設定温度は、供給される液体燃料の種類等に応じて予め設定される温度となるが、例えば加熱器４１に噴射された液体燃料についてライデンフロスト現象が発生する温度（ライデンフロスト温度）が設定温度として採用されてもよい。このように加熱器４１の設定温度をライデンフロスト温度とすると、噴射された液体燃料が加熱器４１に吹き当たってもすぐには蒸発せず、燃料が液相状態のまま加熱器４１からの熱を受熱することとなり、触媒燃焼器４０内に比較的高温の液体燃料を多く残留する。その結果、多量の液体燃料を還流させることができ、第２インジェクタ７２に供給される液体燃料の温度をより早期に昇温させることが可能となる。

本実施形態による燃料供給装置７０は、燃料電池スタック１の発電に寄与する補機としての触媒燃焼器４０に液体燃料を供給する装置であるが、燃料供給装置７０の燃料供給対象は触媒燃焼器４０に限られない。例えば、燃料供給装置は、燃料電池スタック１のアノードガス通路１１に設けられる蒸発器２１に対して、第１インジェクタ７１から液体燃料を噴射供給する装置として構成されてもよい。この場合には、蒸発器２１と、第１インジェクタ７１に液体燃料を供給する通路及び燃料タンク８の少なくとも一方とが還流路を介して接続され、燃料供給装置７０と同様に開閉弁等も還流路８０に設けられる。

蒸発器２１は、内部に設けられた加熱器により液体燃料を加熱し、燃料電池スタック１の発電に必要なアノードガスの原料となる気化燃料を生成するものであるから、燃料電池システム１００において第１インジェクタ７１に供給される液体燃料の温度を管理することも重要である。したがって、燃料供給対象を蒸発器２１とする燃料供給装置では、蒸発器２１に設けられた加熱器で加熱された液体燃料のうち蒸発器２１内に液状のまま残留した燃料を燃料タンク８等に還流することで、第１インジェクタ７１に供給される液体燃料の温度を早期に昇温させることができる。その結果、第１インジェクタ７１の噴射特性の悪化を抑制することが可能となる。

１００ 燃料電池システム
１ 燃料電池スタック（燃料電池）
８ 燃料タンク
１１ アノードガス通路
１３ カソードガス通路
１５ 燃料供給路
２１ 蒸発器（補機、燃料噴射室）
３１ 空気熱交換器（補機）
４０ 触媒燃焼器（燃料噴射室）
４０Ｂ 傾斜面
４０Ｃ 傾斜面
４１ 加熱器
４２ 触媒
５１ コントローラ
７０ 燃料供給装置
７１ 第１インジェクタ（噴射器）
７２ 第２インジェクタ（噴射器）
８０ 還流路
８０Ａ 燃料取込口
８０Ｂ 排出口
８１ 開閉弁
８２ 還流ポンプ
８３ フィルタ

Claims (16)

1. 燃料電池の発電に利用される液体燃料を供給する燃料供給装置であって、
   前記液体燃料を貯蔵するタンクと、
   前記タンクから供給された前記液体燃料を噴射する噴射器と、
   前記タンクと前記噴射器とを接続する供給路と、
   前記噴射器から噴射された前記液体燃料を加熱する加熱器を有し、加熱後燃料を前記燃料電池又は前記燃料電池の補機に供給可能な燃料噴射室と、
   前記燃料噴射室と前記タンク及び前記供給路の少なくとも一方とを接続する通路であって、前記燃料噴射室に残留した前記液体燃料を還流させる還流路と、
   を備える燃料供給装置。
2. 請求項１に記載の燃料供給装置であって、
   前記燃料噴射室は、加熱後燃料を燃焼させる触媒を備える、
   ことを特徴とする燃料供給装置。
3. 請求項２に記載の燃料供給装置であって、
   前記触媒は、前記加熱器に配置される、
   ことを特徴とする燃料供給装置。
4. 請求項１から３のいずれか一つに記載の燃料供給装置であって、
   前記還流路の燃料取込口は、前記加熱器と前記噴射器との間における前記燃料噴射室に接続される、
   ことを特徴とする燃料供給装置。
5. 請求項４に記載の燃料供給装置であって、
   前記還流路の燃料取込口は、前記加熱器前における前記燃料噴射室の下部に接続される、
   ことを特徴とする燃料供給装置。
6. 請求項４又は５に記載の燃料供給装置であって、
   前記燃料噴射室は、当該燃料噴射室内に残留した前記液体燃料を前記還流路の燃料取込口へと誘導する傾斜面を有する、
   ことを特徴とする燃料供給装置。
7. 請求項１から６のいずれか一つに記載の燃料供給装置であって、
   前記還流路に設けられ、当該還流路を通過する前記液体燃料に含まれる異物を除去するフィルタをさらに備える、
   ことを特徴とする燃料供給装置。
8. 請求項１から７のいずれか一つに記載の燃料供給装置であって、
   前記タンクは、前記燃料噴射室の下部よりも低い位置に配置され、
   前記還流路の排出口は前記タンクの上部に接続される、
   ことを特徴とする燃料供給装置。
9. 請求項１から８のいずれか一つに記載の燃料供給装置であって、
   前記還流路を通過する前記液体燃料の流量を調整する流量調整部をさらに備える、
   ことを特徴とする燃料供給装置。
10. 請求項９に記載の燃料供給装置であって、
    前記流量調整部は、前記還流路を開閉する開閉弁、及び前記燃料噴射室内に残留した前記液体燃料を還流させるポンプの少なくとも一方を含む、
    ことを特徴とする燃料供給装置。
11. 請求項１０に記載の燃料供給装置であって、
    前記開閉弁は、前記燃料噴射室内に残留した前記液体燃料の温度に応じて開閉するバイメタル式開閉弁である、
    ことを特徴とする燃料供給装置。
12. 請求項９に記載の燃料供給装置であって、
    前記流量調整部を制御するコントローラをさらに備え、
    前記コントローラは、前記噴射器から噴射される前の前記液体燃料の温度を取得し、液体燃料温度が基準温度以下の場合に、前記燃料噴射室内に残留した前記液体燃料を還流するよう前記流量調整部を制御する、
    ことを特徴とする燃料供給装置。
13. 請求項１２に記載の燃料供給装置であって、
    前記コントローラは、前記噴射器から噴射される前の前記液体燃料の濃度を取得し、液体燃料濃度が基準濃度以下の場合には、前記液体燃料の還流を停止するよう前記流量調整部を制御する、
    ことを特徴とする燃料供給装置。
14. 請求項１２又は１３に記載の燃料供給装置であって、
    前記コントローラは、前記噴射器を制御するように構成されており、前記液体燃料を還流させる場合には、前記液体燃料を還流させない場合よりも液体燃料供給量が増加するよう前記噴射器を制御する、
    ことを特徴とする燃料供給装置。
15. 請求項１２から１４のいずれか一つに記載の燃料供給装置であって、
    前記コントローラは、前記噴射器及び前記加熱器を制御するように構成されており、前記加熱器の加熱開始と同時又は加熱開始後に前記液体燃料を噴射するよう前記噴射器を制御する、
    ことを特徴とする燃料供給装置。
16. 請求項１５に記載の燃料供給装置であって、
    前記コントローラは、前記加熱器に噴射された前記液体燃料についてライデンフロスト現象が発生する温度まで前記加熱器を加熱させる、
    ことを特徴とする燃料供給装置。

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