JP3700512B2 - 燃料電池システム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システムに関し、特に燃料電池システムの負荷変動への追従性に優れた燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、燃料電池システムには、図８に示すような蒸発器の機能を果たす直交型熱交換器５０１が用いられている。この直交型熱交換器５０１には、水を蒸発して水蒸気を生成する直交型熱交換器５０１ａと、メタノールを蒸発してメタノール蒸気を生成する直交型熱交換器５０１ｂとが備えられている。
【０００３】
この直交型熱交換器５０１ａでは、水タンク５０３から供給ポンプ５０５により送出された水が供給されており、ノズル５０７ａの先から分散板５０９ａの上下にある程度蓄積された後に、熱交換部５１１ａにほぼ均等に水滴が供給される。
【０００４】
この熱交換部５１１ａには、燃焼器５１５から排出される加熱ガスが供給されているので、加熱ガスの熱量により水滴は熱交換部５１１ａを通過する途中で水蒸気になり、改質器へ排出される。また、メタノールタンク５２１に蓄えられているメタノールについても、同様の作用によりメタノール蒸気が生成され、改質器へ排出される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の燃料電池システムに用いられる蒸発器にあっては、水タンク５０３から供給ポンプ５０５、ノズル５０７ａを介して水が分散板５０９ａ４上に供給され、さらに、水滴が熱交換部５１１ａの気化伝熱面に供給される構成となっていた。このため、分散板５０９ａの上下、熱交換部５１１ａの上部の空間等に水を蓄積する時間を必要としていたので、所望の水蒸気が得られるまでに遅延時間が生じるといった問題があった。
【０００６】
本発明は、上記に鑑みてなされたもので、その目的としては、負荷変動時での応答性の良い蒸発器を備えた燃料電池システムを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、上記課題を解決するため、燃料電池からの排出ガスを燃焼させる燃焼器と、燃料を蒸発させる蒸発器と、この蒸発器で蒸気化した燃料を改質する改質器と、この改質器で改質された改質ガスと酸素を含むガスを前記燃料電池に供給して電力を発電する燃料電池システムにおいて、前記蒸発器は、蒸発させる燃料を貯め、燃料を蒸発させる気化伝熱面に隣接され可変な容積を有する液だめ部と、前記燃焼器から排出される加熱ガスにより、前記液だめ部に貯められた燃料を蒸発させる熱交換部と、前記液だめ部の容積を調節する駆動部と、必要な燃料の蒸発量になるように前記駆動部を制御する制御部とを備えたことを要旨とする。
【０００８】
請求項２記載の発明は、上記課題を解決するため、前記液だめ部は、前記駆動部による動力に応じて前記容積を変化させるピストン又はジャバラ部材を有することを要旨とする。
【０００９】
請求項３記載の発明は、上記課題を解決するため、前記液だめ部は、前記駆動部による動力に応じて前記容積を膨脹・収縮させるエアバッグ袋を有することを要旨とする。
【００１０】
請求項４記載の発明は、上記課題を解決するため、燃料電池車両に搭載されて、前記燃料電池車両のアクセルペダルの踏み込み量を検知する踏込検知手段と、前記蒸発器から排出される蒸気の流量を検知する流量検知手段とを有し、前記制御部は、前記踏込検知手段により検知された前記アクセルペダルの踏み込み量から定まる必要蒸気量と、前記流量検知手段により検知された実際の蒸気流量との偏差に基づいて、前記液だめ部の容積を変化するように制御することを要旨とする。
【００１１】
請求項５記載の発明は、上記課題を解決するため、前記制御部は、前記液だめ部の容積が所定の下限値を下回った場合には、前記燃焼器で燃焼させる燃料を増加させて蒸発量を増加させ、前記液だめ部の容積が所定の上限値を越える場合には、前記液だめ部内の燃料を排出して前記燃焼器で燃焼させる燃料を減少させて蒸発量を減少させるように制御することを要旨とする。
【００１２】
請求項６記載の発明は、上記課題を解決するため、前記制御部は、前記偏差が大きいほど前記液だめ部の容積を速く変化させるように制御することを要旨とする。
【００１３】
【発明の効果】
請求項１記載の本発明によれば、燃焼器から排出される加熱ガスを用いて燃料を蒸発させる蒸発器に、燃料を蒸発させる気化伝熱面に隣接され可変な容積を有する液だめ部を設けておき、必要な燃料の蒸発量になるように液だめ部の容積を調節する駆動部を制御することで、負荷変動時にも必要蒸気量を応答性よく改質器に供給することができる。
【００１４】
また、請求項２記載の本発明によれば、液だめ部に、駆動部による動力に応じて容積を変化させるピストン又はジャバラ部材を設けることで、必要な燃料の蒸発量になるように液だめ部の容積を調節するようにしているので、負荷変動時にも必要蒸気量を応答性よく改質器に供給することができる。
【００１５】
また、請求項３記載の本発明によれば、液だめ部に、駆動部による動力に応じて容積を膨脹・収縮させるエアバッグ袋を設けることで、必要な燃料の蒸発量になるように液だめ部の容積を調節するようにしているので、負荷変動時にも必要蒸気量を応答性よく改質器に供給することができる。
【００１６】
また、請求項４記載の本発明によれば、制御部は、アクセルペダルの踏み込み量から定まる必要蒸気量と、実際の蒸気流量との偏差に基づいて、液だめ部の容積を変化するように制御することで、必要な燃料の蒸発量を得ているので、負荷変動時にも必要蒸気量を応答性よく改質器に供給することができる。
【００１７】
また、請求項５記載の本発明によれば、制御部は、液だめ部の容積が所定の下限値を下回った場合には、燃焼器で燃焼させる燃料を増加させて蒸発量を増加させるように制御するので、蒸発器に多くの熱量を供給することができる。一方、液だめ部の容積が所定の上限値を越える場合には、液だめ部内の燃料を排出して燃焼器で燃焼させる燃料を減少させて蒸発量を減少させるように制御するので、蒸発器に少なく熱量を供給することができる。
【００１８】
また、請求項６記載の本発明によれば、制御部は、偏差が大きいほど液だめ部の容積を速く変化させるように制御することで、時間遅れが少ない蒸気量を供給することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池システムに適応可能な燃料電池システムを備えたハイブリッド燃料電池自動車の基本構成を示す図である。
【００２０】
直交型熱交換器１９は、燃焼器４５から排出される加熱ガス５１の熱量により、メタノールタンク１１から供給されるメタノール１３からメタノール蒸気２１を生成して改質器２５に供給するとともに、水タンク１５から供給される水１７から水蒸気２３を生成して改質器２５に供給し、熱交換後の排気ガス２４を大気中に排気する。
【００２１】
改質器１１は、直交型熱交換器１９により生成されたメタノール蒸気２１を水蒸気２３を用いて吸熱反応させて水蒸気改質し、水素を含んだ改質ガス２７を生成する。改質器２５には、場合によってコンプレッサ２９から空気３１が送られ、メタノール蒸気２１を発熱反応させて部分酸化による改質も行われる。
【００２２】
燃料電池３３は、改質器２５から供給される改質ガス２７と、コンプレッサ２９から供給される空気３５がそれぞれアノード電極、カソード電極に送気され、改質ガス２７中の水素と空気３５中の酸素を用いて電力が発電される。燃料電池３３内では、改質ガス２７中の水素と空気３５中の酸素が全て消費される訳ではなく、その一部は燃料電池３３から排出されて排出改質ガス３９、排出空気３７としてコンデンサ４１を介して燃焼器４５に送気される。
【００２３】
コンデンサ４１は、燃料電池３３から排気される排出改質ガス３９ならびに排出空気３７を冷却水で冷却し、排出改質ガス３９ならびに排出空気３７に含まれる水蒸気を凝縮して回収された水４３を水タンク１５に戻す。
燃焼器４５は、コンデンサ４１で冷却された排出改質ガス４７ならびに排出空気４９を燃焼して加熱ガス５１を直交型熱交換器１９に排出する。また、燃焼器４５での燃焼反応による熱量は、直交型熱交換器１９においてメタノール１３や水１７を気化するために、または、改質器２５において水蒸気改質の吸熱反応のための熱源として再利用される。
【００２４】
バッテリ５３は、燃料電池３３によって発電された電力、燃料電池自動車が減速する際にモータ５５が回生発電する電力を蓄電するとともに、モータ５５による走行電力、コンプレッサ２９、改質器２５、燃焼器４５で消費する補機電力を賄うのに充分な燃料電池３３による発電が行えなかった際にはモータ５５に給電して不足電力を補う。
【００２５】
制御装置５７は、ポジションセンサ６１で検知される運転者によるアクセルペダル５９の踏み込み量に対応する検知信号に基づいて、電力調整器６３による電力配分を制御する。電力調整器６３は、制御装置５７からの電力配分値に基づいて、燃料電池３３とバッテリ５３からの電力を調整する。
制御装置６５は、圧力センサ６７，６９で検知した圧力信号に基づいて、圧力調整弁７１、７３の開度を調整して燃料電池３３の運転圧力を制御する。
【００２６】
この燃料電池３３の運転圧力は、燃料電池システムの運転負荷に応じてシステム効率を最大にする運転圧力になるように制御する。例えば、負荷が大きい場合には、運転圧力を上げることで、燃料電池システムの最大電力を発揮する。また、負荷が小さい場合には、運転圧力を下げることで、燃料電池システムの効率を高めることができる。
【００２７】
次に、図２を参照して、本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池システムに用いる直交型熱交換器１９の構成を説明する。
直交型熱交換器１９には、図２（ａ）に示すように、燃焼器４５から排出される加熱ガスを用いて水を蒸発して水蒸気を生成する直交型熱交換器１９ａと、この加熱ガスを用いてメタノールを蒸発してメタノール蒸気を生成する直交型熱交換器１９ｂとが備えられている。なお、直交型熱交換器１９ａ，１９ｂの構成及び動作内容は同様であるので、以下、直交型熱交換器１９ａについて説明し、直交型熱交換器１９ｂについての説明を省略する。
【００２８】
直交型熱交換器１９ａの下部には、水を貯めておく液だめ部８１ａが設けられており、水タンク１５に貯めてある水が供給ポンプ８５により汲み出されて液だめ部８１ａに供給される。この直交型熱交換器１９ａの上部には、燃焼器４５から排出される加熱ガスが供給され、液だめ部８１ａから上昇してきた水を蒸発させる熱交換部８７ａが設けられている。
【００２９】
詳しくは、この熱交換部８７ａは、図２（ｂ），（ｃ）に示すように、燃焼器４５から排出される加熱ガスの流路となる伝熱パイプ８９ａと、伝熱パイプ８９ａ，８９ａ間に設けられ水との間で熱交換するフィン９１ａから構成されている。
また、液だめ部８１ａの下部には、例えば垂直方向に上下移動して液だめ部８１ａの容積を増減変化させるピストン９３ａが設けられており、駆動装置９５ａによる動力をピストン９３ａに伝達して上下移動に変えることで、液だめ部８１ａの容積を増減変化させる。この駆動装置９５ａは、制御装置５７からの制御信号に応じて動作する。供給ポンプ８５は、アクセルペダル５９の踏み込み量から求まる蒸気の必要量に対応する水の流量を液だめ部８１ａに供給する。
【００３０】
燃焼器４５から供給される加熱ガス５１が直交型熱交換器１９の熱交換部８７ａに流れ込み、加熱ガス５１の持つ熱量により、熱交換部８７ａ内の水を蒸発させて水蒸気２３を生成する。直交型熱交換器１９から排出された水蒸気２３は、改質器２５に送られる。流量センサ９７ａは、直交型熱交換器１９から改質器２５に送られる蒸気の供給量を測定する。
【００３１】
ここで、供給ポンプ６の制御とは別に、ピストン９３ａを用いて水８７の水量を制御する理由について説明する。
供給ポンプ８５から液だめ部８１ａの入口に供給される水量では、入口の開口率が小さく、供給ポンプ８５の供給能力が低いので、熱交換部８７ａ内ではわずかな水位変化しか生じない。通常、供給ポンプ８５から供給される水の流量は、アクセルぺダル５９の踏み込み量から求まる蒸気の必要流量により決まる値であり、この必要流量で水量を変化させるには長い応答時間を要することになる。
【００３２】
そこで、この応答時間を短縮するための方法としては、ピストン９３ａの上下移動により液だめ部８１ａ内の水量を変化させるように構成したため、供給ポンプ８５からの最大流量は変化させる必要はなく、供給ポンプ８５を大型化させることなく、水位変化の応答性を向上させることができる。
【００３３】
次に、ピストン９３ａの駆動制御方法について説明する。
アクセルペダル５９に取り付けたポジションセンサ６１によりアクセルぺダル５９の踏み込み量を検知して制御装置５７に出力する。制御装置５７では、アクセルペダルの踏み込み信号に基づいて、制御信号を生成して駆動装置９３を制御する。
【００３４】
制御装置５７では、アクセル踏み込み量から求められる燃料電池システムに必要な必要蒸気量Ｑ１を算出する。この必要蒸気量Ｑ１と、流量センサ９７ａにより測定された実際の蒸気流量Ｑ２との偏差ΔＱを、
ΔＱ＝Ｑ１−Ｑ２
として算出する。
この偏差ΔＱが正の場合には、ピストン９３ａを降下して熱交換部８７ａ内の水位を下げるように制御する。
【００３５】
一方、偏差ΔＱが負の場合には、ピストン９３ａを上昇させて水位を上げるように制御する。
このように、制御装置５７は、アクセルペダル５９の踏み込み量から定まる必要蒸気量Ｑ１と、実際の蒸気流量Ｑ２との偏差ΔＱに基づいて、液だめ部８１ａの容積を変化するように制御することで、必要な燃料の蒸発量を得ているので、負荷変動時にも必要蒸気量を応答性よく改質器２５に供給することができる。
【００３６】
ここで、図３に示す制御マップを参照して、偏差ΔＱとピストン９３ａの移動速度について説明する。
ピストン９３ａの位置が所定の上限値を越える場合、加熱ガス５１の持つ熱量が水８７の必要蒸気量を発生するだけの熱量に達していないので、供給ポンプ８６ｂを用いてメタノールタンク１１内のメタノールを燃焼器４５へ追加供給し、加熱ガス５１の流量を増加させるので、直交型熱交換器１９に多くの熱量を供給することができる。
【００３７】
一方、ピストン９３ａの位置が所定の下限値を下回った場合には、液だめ部８１ａ内に過剰に水が存在しているので、液だめ部８１ａ内の水を供給ポンプ８５により水タンク１５内に戻して水量を減少させるので、直交型熱交換器１９に少なく熱量を供給することができる。
【００３８】
このように、燃焼器４５から排出される加熱ガス５１を用いて燃料となる水やメタノールを蒸発させる直交型熱交換器１９（蒸発器）に、燃料となる水やメタノールを蒸発させる気化伝熱面に隣接され可変な容積を有する液だめ部８１ａ，８１ｂを設けておき、必要な水やメタノールの蒸発量になるように液だめ部８１ａ，８１ｂの容積を調節する駆動部９５ａを制御装置５７により制御することで、負荷変動時にも必要蒸気量を満足する水蒸気やメタノール蒸気を応答性よく改質器２５に供給することができる。
【００３９】
（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池システムに適応可能な燃料電池システムを備えたハイブリッド燃料電池自動車の基本構成は図１に示す第１の実施の形態の構成と同様である。
次に、ピストン９３ａの駆動制御方法について説明する。
【００４０】
アクセルペダル５９に取り付けたポジションセンサ６１によりアクセルぺダル５９の踏み込み量を検知して制御装置５７に出力する。制御装置５７では、アクセルペダルの踏み込み信号に基づいて、制御信号を生成して駆動装置９３を制御する。
制御装置５７では、アクセル踏み込み量から求められる燃料電池システムに必要な必要蒸気量Ｑ１を算出する。この必要蒸気量Ｑ１と、流量センサ９７ａにより測定された実際の蒸気流量Ｑ２との偏差ΔＱを、
ΔＱ＝Ｑ１−Ｑ２
として算出する。
【００４１】
この偏差ΔＱが正の場合には、ピストン９３ａを降下して熱交換部８７ａ内の水位を下げるように制御する。
一方、偏差ΔＱが負の場合には、ピストン９３ａを上昇させて水位を上げるように制御する。
【００４２】
ここで、図４に示す制御マップを参照して、偏差ΔＱとピストン９３ａの移動速度について説明する。
第２の実施の形態での特徴は、偏差ΔＱが大きいほど高速にピストン９３ａを上下させることにある。
【００４３】
ピストン９３ａの位置が所定の上限値を越える場合には、加熱ガス５１の持つ熱量が水の必要蒸気量を発生するだけの熱量に達していないので、供給ポンプ８６ｂを用いてメタノールタンク１１内のメタノールを燃焼器４５へ追加供給し、加熱ガス５１の流量を増加させ、直交型熱交換器１９に多くの熱量を供給する。
【００４４】
ここで、図５に示す各グラフを参照して、ピストンの動作速度と蒸発量の応答性について説明する。
図５（ａ）に示すように、ポジションセンサ６１により検知信号Ａが検知されると、図５（ｂ）に示すように、制御装置５７では、検知信号Ａに基づいて蒸気の必要量Ｂに対応する水の必要量が求められる。
【００４５】
第１の実施の形態での供給法を用いて水を供給した場合、蒸発速度Ｃは一定であるので、図５（ｃ）に示したような応答となる。従って、直交型熱交換器１９の圧力変化等を考慮すると、実際に供給される蒸気の供給量Ｄは、図５（ｄ）に示したような応答を示すことになり、蒸気の必要量Ｂと蒸気の供給量Ｄとの間に、立ち上がり時における時間遅れが生じることとなる。
【００４６】
そこで、アクセルぺダル５９の踏み込み時などのように、急激な蒸気供給を必要とする場合、すなわち、偏差ΔＱが大の場合、図４に示すようにピストン９３ａを早く上昇させる。この結果、図５（ｅ）に示すように、水供給量Ｅをオーバーシュートさせることが可能になる。
【００４７】
また、水供給量のオーバーシュート量を調節することにより、図５（ｆ）に示すように、供給される蒸気量は蒸気量Ｆに示すような応答性を示すことから、蒸気の必要量Ｂに近づき、時間遅れが少ない蒸気量を供給することができ、負荷変動時にも必要蒸気量を応答性よく改質器に供給することができる。
【００４８】
なお、第１及び第２の実施の形態においては、ピストン９３ａを用いて直交型熱交換部１９の液だめ部８１ａの容積を調節するように説明したが、本発明はこうのような実施の形態に限られることなく、図６に示すように、直交型熱交換部１０１ａを構成してもよい。
【００４９】
すなわち、液だめ部８１ａの下部に、例えば垂直方向に上下に伸縮可能なジャバラ部材１０３ａを設け、駆動装置９５ａによる動力に応じてジャバラ部材１０３ａを上下に伸縮させて液だめ部８１ａの容積を変化させ、水量を調節してもよい。この結果、負荷変動時にも必要蒸気量を応答性よく改質器に供給することができる。
【００５０】
また、図７に示すように、直交型熱交換部１１１ａを構成してもよい。
すなわち、液だめ部８１ａの下部に、伸縮自在な底面膜１１３ａと、例えば垂直方向に上下に容積を膨張・収縮可能なエアバッグ袋１１５ａを設け、駆動装置１１７ａからパイプを介して流出入される空気等の気体やオイル等の液体の容量を変化させてエアバッグ袋１１５ａの容積変化に応じて液だめ部８１ａの容積を変化させ、水量を調節してもよい。この結果、負荷変動時にも必要蒸気量を応答性よく改質器に供給することができる。
【００５１】
この場合、駆動装置１１７ａとエアバッグ袋１１５ａの間に、エアバッグ袋１１５ａ内の気体又は液体の圧力を検出して制御装置５７に出力する圧力センサ１１９ａと、制御装置５７からの制御信号に応じてパイプの開閉度を調節する電磁弁１２１ａを設け、圧力センサ１１９ａからの検出信号に応じて電磁弁１２１ａの開閉度を制御してエアバッグ袋１１５ａの容積変化速度を調整するようにしてもよい。
【００５２】
さらに、上述した実施の形態においては、液だめ部８１ａの水量を増加させて熱交換部８７ａに水を供給していたが、本発明はこのような方法に限られることなく、熱交換部８７ａと液だめ部８１ａとの間隔を変更可能に構成し、蒸気が必要な時に、直接、熱交換部８７ａを液だめ部８１ａに沈めることで、気化伝熱面に供給される水量を増加するように調節するものであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池システムに適応可能な燃料電池システムを備えたハイブリッド燃料電池自動車の基本構成を示す図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池システムに用いる直交型熱交換器１９の構成を説明するための全体図（ａ）、上面図（ｂ）、側面図（ｃ）である。
【図３】偏差とピストンの移動速度について説明するための制御マップである。
【図４】偏差とピストンの移動速度について説明するための制御マップである。
【図５】ピストンの動作速度と蒸発量の応答性について説明するためのグラフ（ａ）〜（ｆ）である。
【図６】ジャバラ部材を用いた直交型熱交換器を示す図である。
【図７】エアバッグ袋を用いた直交型熱交換器を示す図である。
【図８】従来の直交型熱交換器を示す図である。
【符号の説明】
１１ メタノールタンク
１５ 水タンク
１９ 直交型熱交換部
２５ 改質器
２９ コンプレッサ
３３ 燃料電池
４１ コンデンサ
４５ 燃焼器
５３ バッテリ
５５ モータ
５７，６５ 制御装置
５９ アクセルペダル
６１ ポジションセンサ
６３ 電力調整器
８５ 供給ポンプ
８１ａ 液だめ部
８７ａ 熱交換部
９３ａ ピストン
９５ａ 駆動装置
９７ａ 流量センサ
１０３ａ ジャバラ部材
１１５ａ エアバッグ袋
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システムに関し、特に燃料電池システムの負荷変動への追従性に優れた燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、燃料電池システムには、図８に示すような蒸発器の機能を果たす直交型熱交換器５０１が用いられている。この直交型熱交換器５０１には、水を蒸発して水蒸気を生成する直交型熱交換器５０１ａと、メタノールを蒸発してメタノール蒸気を生成する直交型熱交換器５０１ｂとが備えられている。
【０００３】
この直交型熱交換器５０１ａでは、水タンク５０３から供給ポンプ５０５により送出された水が供給されており、ノズル５０７ａの先から分散板５０９ａの上下にある程度蓄積された後に、熱交換部５１１ａにほぼ均等に水滴が供給される。
【０００４】
この熱交換部５１１ａには、燃焼器５１５から排出される加熱ガスが供給されているので、加熱ガスの熱量により水滴は熱交換部５１１ａを通過する途中で水蒸気になり、改質器へ排出される。また、メタノールタンク５２１に蓄えられているメタノールについても、同様の作用によりメタノール蒸気が生成され、改質器へ排出される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の燃料電池システムに用いられる蒸発器にあっては、水タンク５０３から供給ポンプ５０５、ノズル５０７ａを介して水が分散板５０９ａ４上に供給され、さらに、水滴が熱交換部５１１ａの気化伝熱面に供給される構成となっていた。このため、分散板５０９ａの上下、熱交換部５１１ａの上部の空間等に水を蓄積する時間を必要としていたので、所望の水蒸気が得られるまでに遅延時間が生じるといった問題があった。
【０００６】
本発明は、上記に鑑みてなされたもので、その目的としては、負荷変動時での応答性の良い蒸発器を備えた燃料電池システムを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、上記課題を解決するため、燃料電池からの排出ガスを燃焼させる燃焼器と、燃料を蒸発させる蒸発器と、この蒸発器で蒸気化した燃料を改質する改質器と、この改質器で改質された改質ガスと酸素を含むガスを前記燃料電池に供給して電力を発電する燃料電池システムにおいて、前記蒸発器は、蒸発させる燃料を貯め、燃料を蒸発させる気化伝熱面に隣接され可変な容積を有する液だめ部と、前記燃焼器から排出される加熱ガスにより、前記液だめ部に貯められた燃料を蒸発させる熱交換部と、前記液だめ部の容積を調節する駆動部と、必要な燃料の蒸発量になるように前記駆動部を制御する制御部とを備えたことを要旨とする。
【０００８】
請求項２記載の発明は、上記課題を解決するため、前記液だめ部は、前記駆動部による動力に応じて前記容積を変化させるピストン又はジャバラ部材を有することを要旨とする。
【０００９】
請求項３記載の発明は、上記課題を解決するため、前記液だめ部は、前記駆動部による動力に応じて前記容積を膨脹・収縮させるエアバッグ袋を有することを要旨とする。
【００１０】
請求項４記載の発明は、上記課題を解決するため、燃料電池車両に搭載されて、前記燃料電池車両のアクセルペダルの踏み込み量を検知する踏込検知手段と、前記蒸発器から排出される蒸気の流量を検知する流量検知手段とを有し、前記制御部は、前記踏込検知手段により検知された前記アクセルペダルの踏み込み量から定まる必要蒸気量と、前記流量検知手段により検知された実際の蒸気流量との偏差に基づいて、前記液だめ部の容積を変化するように制御することを要旨とする。
【００１１】
請求項５記載の発明は、上記課題を解決するため、前記制御部は、前記液だめ部の容積が所定の下限値を下回った場合には、前記燃焼器で燃焼させる燃料を増加させて蒸発量を増加させ、前記液だめ部の容積が所定の上限値を越える場合には、前記液だめ部内の燃料を排出して前記燃焼器で燃焼させる燃料を減少させて蒸発量を減少させるように制御することを要旨とする。
【００１２】
請求項６記載の発明は、上記課題を解決するため、前記制御部は、前記偏差が大きいほど前記液だめ部の容積を速く変化させるように制御することを要旨とする。
【００１３】
【発明の効果】
請求項１記載の本発明によれば、燃焼器から排出される加熱ガスを用いて燃料を蒸発させる蒸発器に、燃料を蒸発させる気化伝熱面に隣接され可変な容積を有する液だめ部を設けておき、必要な燃料の蒸発量になるように液だめ部の容積を調節する駆動部を制御することで、負荷変動時にも必要蒸気量を応答性よく改質器に供給することができる。
【００１４】
また、請求項２記載の本発明によれば、液だめ部に、駆動部による動力に応じて容積を変化させるピストン又はジャバラ部材を設けることで、必要な燃料の蒸発量になるように液だめ部の容積を調節するようにしているので、負荷変動時にも必要蒸気量を応答性よく改質器に供給することができる。
【００１５】
また、請求項３記載の本発明によれば、液だめ部に、駆動部による動力に応じて容積を膨脹・収縮させるエアバッグ袋を設けることで、必要な燃料の蒸発量になるように液だめ部の容積を調節するようにしているので、負荷変動時にも必要蒸気量を応答性よく改質器に供給することができる。
【００１６】
また、請求項４記載の本発明によれば、制御部は、アクセルペダルの踏み込み量から定まる必要蒸気量と、実際の蒸気流量との偏差に基づいて、液だめ部の容積を変化するように制御することで、必要な燃料の蒸発量を得ているので、負荷変動時にも必要蒸気量を応答性よく改質器に供給することができる。
【００１７】
また、請求項５記載の本発明によれば、制御部は、液だめ部の容積が所定の下限値を下回った場合には、燃焼器で燃焼させる燃料を増加させて蒸発量を増加させるように制御するので、蒸発器に多くの熱量を供給することができる。一方、液だめ部の容積が所定の上限値を越える場合には、液だめ部内の燃料を排出して燃焼器で燃焼させる燃料を減少させて蒸発量を減少させるように制御するので、蒸発器に少なく熱量を供給することができる。
【００１８】
また、請求項６記載の本発明によれば、制御部は、偏差が大きいほど液だめ部の容積を速く変化させるように制御することで、時間遅れが少ない蒸気量を供給することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池システムに適応可能な燃料電池システムを備えたハイブリッド燃料電池自動車の基本構成を示す図である。
【００２０】
直交型熱交換器１９は、燃焼器４５から排出される加熱ガス５１の熱量により、メタノールタンク１１から供給されるメタノール１３からメタノール蒸気２１を生成して改質器２５に供給するとともに、水タンク１５から供給される水１７から水蒸気２３を生成して改質器２５に供給し、熱交換後の排気ガス２４を大気中に排気する。
【００２１】
改質器１１は、直交型熱交換器１９により生成されたメタノール蒸気２１を水蒸気２３を用いて吸熱反応させて水蒸気改質し、水素を含んだ改質ガス２７を生成する。改質器２５には、場合によってコンプレッサ２９から空気３１が送られ、メタノール蒸気２１を発熱反応させて部分酸化による改質も行われる。
【００２２】
燃料電池３３は、改質器２５から供給される改質ガス２７と、コンプレッサ２９から供給される空気３５がそれぞれアノード電極、カソード電極に送気され、改質ガス２７中の水素と空気３５中の酸素を用いて電力が発電される。燃料電池３３内では、改質ガス２７中の水素と空気３５中の酸素が全て消費される訳ではなく、その一部は燃料電池３３から排出されて排出改質ガス３９、排出空気３７としてコンデンサ４１を介して燃焼器４５に送気される。
【００２３】
コンデンサ４１は、燃料電池３３から排気される排出改質ガス３９ならびに排出空気３７を冷却水で冷却し、排出改質ガス３９ならびに排出空気３７に含まれる水蒸気を凝縮して回収された水４３を水タンク１５に戻す。
燃焼器４５は、コンデンサ４１で冷却された排出改質ガス４７ならびに排出空気４９を燃焼して加熱ガス５１を直交型熱交換器１９に排出する。また、燃焼器４５での燃焼反応による熱量は、直交型熱交換器１９においてメタノール１３や水１７を気化するために、または、改質器２５において水蒸気改質の吸熱反応のための熱源として再利用される。
【００２４】
バッテリ５３は、燃料電池３３によって発電された電力、燃料電池自動車が減速する際にモータ５５が回生発電する電力を蓄電するとともに、モータ５５による走行電力、コンプレッサ２９、改質器２５、燃焼器４５で消費する補機電力を賄うのに充分な燃料電池３３による発電が行えなかった際にはモータ５５に給電して不足電力を補う。
【００２５】
制御装置５７は、ポジションセンサ６１で検知される運転者によるアクセルペダル５９の踏み込み量に対応する検知信号に基づいて、電力調整器６３による電力配分を制御する。電力調整器６３は、制御装置５７からの電力配分値に基づいて、燃料電池３３とバッテリ５３からの電力を調整する。
制御装置６５は、圧力センサ６７，６９で検知した圧力信号に基づいて、圧力調整弁７１、７３の開度を調整して燃料電池３３の運転圧力を制御する。
【００２６】
この燃料電池３３の運転圧力は、燃料電池システムの運転負荷に応じてシステム効率を最大にする運転圧力になるように制御する。例えば、負荷が大きい場合には、運転圧力を上げることで、燃料電池システムの最大電力を発揮する。また、負荷が小さい場合には、運転圧力を下げることで、燃料電池システムの効率を高めることができる。
【００２７】
次に、図２を参照して、本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池システムに用いる直交型熱交換器１９の構成を説明する。
直交型熱交換器１９には、図２（ａ）に示すように、燃焼器４５から排出される加熱ガスを用いて水を蒸発して水蒸気を生成する直交型熱交換器１９ａと、この加熱ガスを用いてメタノールを蒸発してメタノール蒸気を生成する直交型熱交換器１９ｂとが備えられている。なお、直交型熱交換器１９ａ，１９ｂの構成及び動作内容は同様であるので、以下、直交型熱交換器１９ａについて説明し、直交型熱交換器１９ｂについての説明を省略する。
【００２８】
直交型熱交換器１９ａの下部には、水を貯めておく液だめ部８１ａが設けられており、水タンク１５に貯めてある水が供給ポンプ８５により汲み出されて液だめ部８１ａに供給される。この直交型熱交換器１９ａの上部には、燃焼器４５から排出される加熱ガスが供給され、液だめ部８１ａから上昇してきた水を蒸発させる熱交換部８７ａが設けられている。
【００２９】
詳しくは、この熱交換部８７ａは、図２（ｂ），（ｃ）に示すように、燃焼器４５から排出される加熱ガスの流路となる伝熱パイプ８９ａと、伝熱パイプ８９ａ，８９ａ間に設けられ水との間で熱交換するフィン９１ａから構成されている。
また、液だめ部８１ａの下部には、例えば垂直方向に上下移動して液だめ部８１ａの容積を増減変化させるピストン９３ａが設けられており、駆動装置９５ａによる動力をピストン９３ａに伝達して上下移動に変えることで、液だめ部８１ａの容積を増減変化させる。この駆動装置９５ａは、制御装置５７からの制御信号に応じて動作する。供給ポンプ８５は、アクセルペダル５９の踏み込み量から求まる蒸気の必要量に対応する水の流量を液だめ部８１ａに供給する。
【００３０】
燃焼器４５から供給される加熱ガス５１が直交型熱交換器１９の熱交換部８７ａに流れ込み、加熱ガス５１の持つ熱量により、熱交換部８７ａ内の水を蒸発させて水蒸気２３を生成する。直交型熱交換器１９から排出された水蒸気２３は、改質器２５に送られる。流量センサ９７ａは、直交型熱交換器１９から改質器２５に送られる蒸気の供給量を測定する。
【００３１】
ここで、供給ポンプ６の制御とは別に、ピストン９３ａを用いて水８７の水量を制御する理由について説明する。
供給ポンプ８５から液だめ部８１ａの入口に供給される水量では、入口の開口率が小さく、供給ポンプ８５の供給能力が低いので、熱交換部８７ａ内ではわずかな水位変化しか生じない。通常、供給ポンプ８５から供給される水の流量は、アクセルぺダル５９の踏み込み量から求まる蒸気の必要流量により決まる値であり、この必要流量で水量を変化させるには長い応答時間を要することになる。
【００３２】
そこで、この応答時間を短縮するための方法としては、ピストン９３ａの上下移動により液だめ部８１ａ内の水量を変化させるように構成したため、供給ポンプ８５からの最大流量は変化させる必要はなく、供給ポンプ８５を大型化させることなく、水位変化の応答性を向上させることができる。
【００３３】
次に、ピストン９３ａの駆動制御方法について説明する。
アクセルペダル５９に取り付けたポジションセンサ６１によりアクセルぺダル５９の踏み込み量を検知して制御装置５７に出力する。制御装置５７では、アクセルペダルの踏み込み信号に基づいて、制御信号を生成して駆動装置９３を制御する。
【００３４】
制御装置５７では、アクセル踏み込み量から求められる燃料電池システムに必要な必要蒸気量Ｑ１を算出する。この必要蒸気量Ｑ１と、流量センサ９７ａにより測定された実際の蒸気流量Ｑ２との偏差ΔＱを、
ΔＱ＝Ｑ１−Ｑ２
として算出する。
この偏差ΔＱが正の場合には、ピストン９３ａを降下して熱交換部８７ａ内の水位を下げるように制御する。
【００３５】
一方、偏差ΔＱが負の場合には、ピストン９３ａを上昇させて水位を上げるように制御する。
このように、制御装置５７は、アクセルペダル５９の踏み込み量から定まる必要蒸気量Ｑ１と、実際の蒸気流量Ｑ２との偏差ΔＱに基づいて、液だめ部８１ａの容積を変化するように制御することで、必要な燃料の蒸発量を得ているので、負荷変動時にも必要蒸気量を応答性よく改質器２５に供給することができる。
【００３６】
ここで、図３に示す制御マップを参照して、偏差ΔＱとピストン９３ａの移動速度について説明する。
ピストン９３ａの位置が所定の上限値を越える場合、加熱ガス５１の持つ熱量が水８７の必要蒸気量を発生するだけの熱量に達していないので、供給ポンプ８６ｂを用いてメタノールタンク１１内のメタノールを燃焼器４５へ追加供給し、加熱ガス５１の流量を増加させるので、直交型熱交換器１９に多くの熱量を供給することができる。
【００３７】
一方、ピストン９３ａの位置が所定の下限値を下回った場合には、液だめ部８１ａ内に過剰に水が存在しているので、液だめ部８１ａ内の水を供給ポンプ８５により水タンク１５内に戻して水量を減少させるので、直交型熱交換器１９に少なく熱量を供給することができる。
【００３８】
このように、燃焼器４５から排出される加熱ガス５１を用いて燃料となる水やメタノールを蒸発させる直交型熱交換器１９（蒸発器）に、燃料となる水やメタノールを蒸発させる気化伝熱面に隣接され可変な容積を有する液だめ部８１ａ，８１ｂを設けておき、必要な水やメタノールの蒸発量になるように液だめ部８１ａ，８１ｂの容積を調節する駆動部９５ａを制御装置５７により制御することで、負荷変動時にも必要蒸気量を満足する水蒸気やメタノール蒸気を応答性よく改質器２５に供給することができる。
【００３９】
（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池システムに適応可能な燃料電池システムを備えたハイブリッド燃料電池自動車の基本構成は図１に示す第１の実施の形態の構成と同様である。
次に、ピストン９３ａの駆動制御方法について説明する。
【００４０】
アクセルペダル５９に取り付けたポジションセンサ６１によりアクセルぺダル５９の踏み込み量を検知して制御装置５７に出力する。制御装置５７では、アクセルペダルの踏み込み信号に基づいて、制御信号を生成して駆動装置９３を制御する。
制御装置５７では、アクセル踏み込み量から求められる燃料電池システムに必要な必要蒸気量Ｑ１を算出する。この必要蒸気量Ｑ１と、流量センサ９７ａにより測定された実際の蒸気流量Ｑ２との偏差ΔＱを、
ΔＱ＝Ｑ１−Ｑ２
として算出する。
【００４１】
この偏差ΔＱが正の場合には、ピストン９３ａを降下して熱交換部８７ａ内の水位を下げるように制御する。
一方、偏差ΔＱが負の場合には、ピストン９３ａを上昇させて水位を上げるように制御する。
【００４２】
ここで、図４に示す制御マップを参照して、偏差ΔＱとピストン９３ａの移動速度について説明する。
第２の実施の形態での特徴は、偏差ΔＱが大きいほど高速にピストン９３ａを上下させることにある。
【００４３】
ピストン９３ａの位置が所定の上限値を越える場合には、加熱ガス５１の持つ熱量が水の必要蒸気量を発生するだけの熱量に達していないので、供給ポンプ８６ｂを用いてメタノールタンク１１内のメタノールを燃焼器４５へ追加供給し、加熱ガス５１の流量を増加させ、直交型熱交換器１９に多くの熱量を供給する。
【００４４】
ここで、図５に示す各グラフを参照して、ピストンの動作速度と蒸発量の応答性について説明する。
図５（ａ）に示すように、ポジションセンサ６１により検知信号Ａが検知されると、図５（ｂ）に示すように、制御装置５７では、検知信号Ａに基づいて蒸気の必要量Ｂに対応する水の必要量が求められる。
【００４５】
第１の実施の形態での供給法を用いて水を供給した場合、蒸発速度Ｃは一定であるので、図５（ｃ）に示したような応答となる。従って、直交型熱交換器１９の圧力変化等を考慮すると、実際に供給される蒸気の供給量Ｄは、図５（ｄ）に示したような応答を示すことになり、蒸気の必要量Ｂと蒸気の供給量Ｄとの間に、立ち上がり時における時間遅れが生じることとなる。
【００４６】
そこで、アクセルぺダル５９の踏み込み時などのように、急激な蒸気供給を必要とする場合、すなわち、偏差ΔＱが大の場合、図４に示すようにピストン９３ａを早く上昇させる。この結果、図５（ｅ）に示すように、水供給量Ｅをオーバーシュートさせることが可能になる。
【００４７】
また、水供給量のオーバーシュート量を調節することにより、図５（ｆ）に示すように、供給される蒸気量は蒸気量Ｆに示すような応答性を示すことから、蒸気の必要量Ｂに近づき、時間遅れが少ない蒸気量を供給することができ、負荷変動時にも必要蒸気量を応答性よく改質器に供給することができる。
【００４８】
なお、第１及び第２の実施の形態においては、ピストン９３ａを用いて直交型熱交換部１９の液だめ部８１ａの容積を調節するように説明したが、本発明はこうのような実施の形態に限られることなく、図６に示すように、直交型熱交換部１０１ａを構成してもよい。
【００４９】
すなわち、液だめ部８１ａの下部に、例えば垂直方向に上下に伸縮可能なジャバラ部材１０３ａを設け、駆動装置９５ａによる動力に応じてジャバラ部材１０３ａを上下に伸縮させて液だめ部８１ａの容積を変化させ、水量を調節してもよい。この結果、負荷変動時にも必要蒸気量を応答性よく改質器に供給することができる。
【００５０】
また、図７に示すように、直交型熱交換部１１１ａを構成してもよい。
すなわち、液だめ部８１ａの下部に、伸縮自在な底面膜１１３ａと、例えば垂直方向に上下に容積を膨張・収縮可能なエアバッグ袋１１５ａを設け、駆動装置１１７ａからパイプを介して流出入される空気等の気体やオイル等の液体の容量を変化させてエアバッグ袋１１５ａの容積変化に応じて液だめ部８１ａの容積を変化させ、水量を調節してもよい。この結果、負荷変動時にも必要蒸気量を応答性よく改質器に供給することができる。
【００５１】
この場合、駆動装置１１７ａとエアバッグ袋１１５ａの間に、エアバッグ袋１１５ａ内の気体又は液体の圧力を検出して制御装置５７に出力する圧力センサ１１９ａと、制御装置５７からの制御信号に応じてパイプの開閉度を調節する電磁弁１２１ａを設け、圧力センサ１１９ａからの検出信号に応じて電磁弁１２１ａの開閉度を制御してエアバッグ袋１１５ａの容積変化速度を調整するようにしてもよい。
【００５２】
さらに、上述した実施の形態においては、液だめ部８１ａの水量を増加させて熱交換部８７ａに水を供給していたが、本発明はこのような方法に限られることなく、熱交換部８７ａと液だめ部８１ａとの間隔を変更可能に構成し、蒸気が必要な時に、直接、熱交換部８７ａを液だめ部８１ａに沈めることで、気化伝熱面に供給される水量を増加するように調節するものであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池システムに適応可能な燃料電池システムを備えたハイブリッド燃料電池自動車の基本構成を示す図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池システムに用いる直交型熱交換器１９の構成を説明するための全体図（ａ）、上面図（ｂ）、側面図（ｃ）である。
【図３】偏差とピストンの移動速度について説明するための制御マップである。
【図４】偏差とピストンの移動速度について説明するための制御マップである。
【図５】ピストンの動作速度と蒸発量の応答性について説明するためのグラフ（ａ）〜（ｆ）である。
【図６】ジャバラ部材を用いた直交型熱交換器を示す図である。
【図７】エアバッグ袋を用いた直交型熱交換器を示す図である。
【図８】従来の直交型熱交換器を示す図である。
【符号の説明】
１１ メタノールタンク
１５ 水タンク
１９ 直交型熱交換部
２５ 改質器
２９ コンプレッサ
３３ 燃料電池
４１ コンデンサ
４５ 燃焼器
５３ バッテリ
５５ モータ
５７，６５ 制御装置
５９ アクセルペダル
６１ ポジションセンサ
６３ 電力調整器
８５ 供給ポンプ
８１ａ 液だめ部
８７ａ 熱交換部
９３ａ ピストン
９５ａ 駆動装置
９７ａ 流量センサ
１０３ａ ジャバラ部材
１１５ａ エアバッグ袋
Claims (6)
- 燃料電池からの排出ガスを燃焼させる燃焼器と、
燃料を蒸発させる蒸発器と、
この蒸発器で蒸気化した燃料を改質する改質器と、
この改質器で改質された改質ガスと酸素を含むガスを前記燃料電池に供給して電力を発電する燃料電池システムにおいて、
前記蒸発器は、
蒸発させる燃料を貯め、燃料を蒸発させる気化伝熱面に隣接され可変な容積を有する液だめ部と、
前記燃焼器から排出される加熱ガスにより、前記液だめ部に貯められた燃料を蒸発させる熱交換部と、
前記液だめ部の容積を調節する駆動部と、
必要な燃料の蒸発量になるように前記駆動部を制御する制御部と
を備えたことを特徴とする燃料電池システム。 - 前記液だめ部は、
前記駆動部による動力に応じて前記容積を変化させるピストン又はジャバラ部材を有することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。 - 前記液だめ部は、
前記駆動部による動力に応じて前記容積を膨脹・収縮させるエアバッグ袋を有することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。 - 燃料電池車両に搭載されて、
前記燃料電池車両のアクセルペダルの踏み込み量を検知する踏込検知手段と、
前記蒸発器から排出される蒸気の流量を検知する流量検知手段とを有し、
前記制御部は、
前記踏込検知手段により検知された前記アクセルペダルの踏み込み量から定まる必要蒸気量と、前記流量検知手段により検知された実際の蒸気流量との偏差に基づいて、前記液だめ部の容積を変化するように制御することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。 - 前記制御部は、
前記液だめ部の容積が所定の下限値を下回った場合には、前記燃焼器で燃焼させる燃料を増加させて蒸発量を増加させ、前記液だめ部の容積が所定の上限値を越える場合には、前記液だめ部内の燃料を排出して前記燃焼器で燃焼させる燃料を減少させて蒸発量を減少させるように制御することを特徴とする請求項４記載の燃料電池システム。 - 前記制御部は、
前記偏差が大きいほど前記液だめ部の容積を速く変化させるように制御することを特徴とする請求項４記載の燃料電池システム。
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