JP4063061B2 - Fuel evaporator and fuel cell vehicle - Google Patents
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Description
【0001】
【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、起動時の熱量投入制御技術に関する。
【0002】
【従来の技術】
燃料電池に供給するための水素リッチな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する手法が知られている。触媒燃焼型の燃料蒸発器では、燃料と燃焼エアの混合ガスを触媒作用で燃焼させ、燃焼ガスと原燃料との間で熱交換を行っている。このような燃料蒸発器では、燃焼ガスの温度分布を精密に制御することが困難であるため、部分的に過加熱が生じたり、或いは熱交換が不十分になったりする。このような問題点を解決するため、特開平2001−272031号公報(特許文献1)には、加熱流体との間で熱交換を行って気化する被加熱流体の液面位置を検出し、この液面位置に基づいて加熱流体と被加熱流体との間の熱交換制御を行う技術が開示されている。
【0003】
【特許文献1】
特開平2001−272031号公報
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来技術は、燃料蒸発器の作動中における熱量投入制御を対象としており、燃料蒸発器起動時の初期熱量については考察されていない。原燃料の残留量を考慮しないで、常に一定の燃料量と燃焼エア流量を燃料蒸発器の起動時に投入すると、原燃料の残留量が多い場合には熱量不足となり、原燃料量の気化に必要な熱量と投入熱量のバランスがとれないまま、原燃料の液位が上昇して燃焼ガス温度が急低下し、失火するおそれがある。一方、原燃料の残留量が少ない場合には熱量過多となり、原燃料の液位が下降して燃焼ガス温度が上昇し、過加熱により燃料蒸発器を焼損するおそれがある。さらに、原燃料残留量を考慮しないで初期熱量を投入すると、原燃料ガスの蒸気温度やガス流量、燃焼ガスの燃焼温度などの情報をフィードバックして燃料量と燃焼エア流量を制御しても、起動時には低温状態となっている原燃料と燃料蒸発器の熱容量により温度上昇が遅れ、定常状態に落ち着くまでに長時間を要するため、安定した応答特性を得ることが困難となる。
【0005】
そこで、本発明は燃料蒸発器の起動時の応答特性の改善を図り、起動性の向上と温度安定化を図ることを課題とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、本発明の熱交換装置は、被加熱流体の流路を構成する被加熱流体流路と、被加熱流体流路内の被加熱流体との間で熱交換を行い、被加熱流体を蒸気化する加熱手段と、熱交換装置の停止時における被加熱流体流路内の被加熱流体の残留量に応じて熱交換装置の再起動時における加熱手段の初期制御量を決定する制御部とを備える。
【0007】
熱交換装置の停止時における被加熱流体流路内の被加熱流体の残留量に応じて熱交換装置の再起動時における加熱手段の初期制御量を決定することにより、被加熱流体に過不足なく熱量を与えることができ、起動性の向上と温度安定化を図ることができる。
【0008】
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、被加熱流体流路内の原燃料との間で熱交換を行い、原燃料を蒸気化する加熱手段と、被加熱流体流路内の原燃料の残留量を計測する計測手段と、計測手段が計測した原燃料の残留量を記憶する記憶手段と、加熱手段の発熱量を制御する制御部とを備える。制御部は、燃料蒸発器の停止時に計測手段が計測した原燃料の残留量を記憶手段に記憶する一方、燃料蒸発器の起動時に記憶手段に記憶された原燃料の残留量を読み取って、被加熱流体流路内に残留する原燃料を蒸気化するための初期熱量を演算し、加熱手段を制御して原燃料に初期熱量を供給する。
【0009】
このように、燃料蒸発器の停止時に原燃料の残留量を記憶しておき、次回の燃料蒸発器の起動時に予め記憶された原燃料の残留量を基に初期熱量を投入することで、燃料蒸発器に過不足なく熱量を与えることができ、起動性の向上と温度安定化を図ることができる。
【0010】
好ましくは、計測手段は、被加熱流体流路の鉛直方向における原燃料の温度分布から原燃料の液位の推定値を演算する手段である。被過熱流体流路内に液位を計測するレベルゲージを設置することは困難であるため、被加熱流体流路の鉛直方向における原燃料の温度分布から原燃料の液位の推定値を求めることにより、燃料蒸発器の構成を簡易化できる。
【0011】
好ましくは、制御部は、記憶手段に記憶された原燃料の残留量と、燃料蒸発器の起動時点における原燃料の初期温度から初期熱量を演算する。原燃料の残留量と、燃料蒸発器の起動時点における原燃料の初期温度から原燃料を蒸気化するための初期熱量を求めることで、燃料蒸発器の起動時の燃料蒸発器に過不足なく熱量を投入できる。
【0012】
好ましくは、制御部は、初期熱量の投入を制御した後、原燃料の蒸気化に要求される熱量に応じて、加熱手段から供給される熱量を制御する。初期熱量を投入した後の通常の運転シーケンスで要求される熱量は燃料蒸発器の状態により異なるため、燃料蒸発器の状態に応じて加熱手段の発熱量を調整することが必要となる。
【0013】
本発明の燃料電池自動車は、本発明の燃料蒸発器と、燃料蒸発器で蒸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、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、始動特性と安定性に優れた燃料電池自動車を提供できる。
【0014】
本発明のコンピュータプログラムは、被加熱流体流路内の被加熱流体と加熱手段との間で熱交換を行い、被加熱流体を蒸気化する熱交換装置を制御するコンピュータシステムに、熱交換装置の停止中に熱交換装置を起動する指令が入力されたか否かを判定するステップと、熱交換装置を起動する指令が入力された場合に、熱交換装置の停止時における被加熱流体流路内の被加熱流体の残留量に応じて熱交換装置の再起動時における加熱手段の初期制御量を決定するステップと、初期制御量に応じて加熱手段を制御し、被加熱流体に初期熱量を供給するステップと、を実行させる。
【0015】
被加熱流体を蒸気化する熱交換装置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で、被加熱流体に過不足なく熱量を与えることができ、起動性の向上と温度安定化を図ることができる
本発明のコンピュータプログラムは、被加熱流体流路内の原燃料と加熱手段との間で熱交換を行い、原燃料を蒸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、燃料蒸発器の運転中に燃料蒸発器を停止する指令が入力されか否かを判定するステップと、燃料蒸発器を停止する指令が入力された場合に、被加熱流体流路に残留する原燃料の残留量を計測するステップと、原燃料の残留量を記憶装置に記憶するステップと、を実行させる一方、燃料蒸発器の停止中に燃料蒸発器を起動する指令が入力されたか否かを判定するステップと、燃料蒸発器を起動する指令が入力された場合に、記憶装置に記憶された原燃料の残留量を基に残留原燃料を蒸気化するための初期熱量を演算するステップと、加熱手段を制御して原燃料に初期熱量を投入するステップと、を実行させる。
【0016】
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上記の処理ステップを実行させることで、燃料蒸発器に過不足なく熱量を与えることができ、起動性の向上と温度安定化を図ることができる。
【0017】
好ましくは、原燃料の残留量を計測するステップは、被加熱流体流路の鉛直方向における原燃料の温度分布から原燃料の液位の推定値を演算するステップである。被加熱流体流路の鉛直方向における原燃料の温度分布から原燃料の液位の推定値を求めることにより、燃料蒸発器の構成を簡易化できる。
【0018】
好ましくは、初期熱量を演算するステップは、記憶装置に記憶された原燃料の残留量と、燃料蒸発器の起動時点における原燃料の初期温度から初期熱量を演算するステップである。原燃料の残留量と、燃料蒸発器の起動時点における原燃料の初期温度から原燃料を蒸気化するための初期熱量を求めることで、燃料蒸発器の起動時の燃料蒸発器に過不足なく熱量を投入できる。
【0019】
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。
【0020】
【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。
【0021】
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。
【0022】
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内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。
【0023】
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。
【0024】
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。
【0025】
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。
【0026】
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。
【0027】
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、原燃料を蒸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。
【0028】
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。
【0029】
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。
【0030】
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90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62が配設されている。インジェクタ62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62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。
【0031】
加熱流体流路部60の管内部には、電気触媒加熱ヒータ(EHC)63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、被加熱流体流路部70には、複数の温度センサ91〜96が配設されており、原燃料90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の下流には流路部内を通過する燃焼ガスのガス圧を計測する圧力センサ75と、ガス流量を計測する圧力調整弁76とが配設されている。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71を介して原燃料90が供給される。
【0032】
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90が所定比率で供給される。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。原燃料90の供給量は被加熱流体流路部70の入り口付近に配設された流量センサ72によって計測される。
【0033】
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〜70c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、蒸気化した原燃料ガスのガス圧を計測する圧力センサ75と、原燃料ガスの流量を計測する圧力調整弁76が配設されている。
【0034】
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、システムが起動/停止するときには起動/停止信号を制御部24に送るとともに、システム運転中においては、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、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を算出し、発電制御に関する指示を制御部24に送る。制御部24はシステムコントローラ43から指示された発電量が得られるようにエアポンプ61、及びインジェクタ63を制御して投入熱量を調整するとともに、ポンプ71を制御して原燃料流量を調整する。
【0035】
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91〜96、圧力センサ73,75、流量センサ72,74から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、ポンプ71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と、システム停止時の残留原燃料90の液位Hを保持する記憶手段としてのEEPROM(不揮発性メモリ)29と、システム停止期間の時間経過量を計測する時間経過量計測手段としてのタイマ31を備える。
【0036】
制御部24は、システムコントローラ43からシステム停止信号を受信すると、次回のシステム起動に備えて、温度センサ91〜96、圧力センサ73,75、流量センサ72,74によって検出される原燃料温度、原燃料流量、原燃料ガス圧、原燃料温度、燃焼ガス圧、燃焼ガス流量の何れか一部又は全部のセンサ出力信号に基づいて原燃料90の液位Hの推定値を演算する。ここでは、図5を参照しながら、温度センサ91〜96からのセンサ出力信号を基に液位Hの推定値を演算する例を説明する。
【0037】
同図は、加熱流体流路60の温度分布を示すグラフであり、横軸は原燃料90の温度、縦軸は被加熱流体流路部70底面からの高さを示している。また、T1〜T6はそれぞれ温度センサ91〜96の検出温度、Teは原燃料90の沸点、Haは温度センサ91,94の高さ、Hbは温度センサ92,95の高さ、Hcは温度センサ93,96の高さを示している。被加熱流体流路70の鉛直方向における原燃料90の温度分布から原燃料90の液位の推定値を演算することができる。温度センサ91〜93のセンサ出力から求めた液位Hの推定値をH1とすれば、原燃料90の沸点の直近上位の温度はT2、直近下位の温度はT3であるため、H1は(1)式より求めることができる。
H1=Hc+(Hb−Hc)(Te−T3)/(T2−T3)…(1)
また、温度センサ94〜96のセンサ出力から求めた液位Hの推定値をH2とすれば、原燃料90の沸点の直近上位の温度はT4、直近下位の温度はT5であるため、H2は(2)式より求めることができる。
H2=Hb+(Ha−Hb)(Te−T5)/(T4−T5)…(2)
このようにして求めたH1は管路70aの液位推定値であり、H2は管路70cの液位推定値である。中央の管路70bの液位推定値H3は、H1とH2の液面勾配から比例按分などで推定できる。このようにして求めた推定値H1〜H3はEEPROM29に書き込まれた後、システムは停止状態に遷移する。EEPROM29に書き込まれた液位Hの推定値H1〜H3は少なくとも次回の起動時までは保持される。液位Hの推定値H1〜H3をより高精度なものとするため、カルマンフィルタを用いて液位Hの推定値H1〜H3の誤差を修正するのが望ましい。
【0038】
但し、原燃料温度、原燃料流量、原燃料ガス圧、原燃料温度、燃焼ガス圧、燃焼ガス流量はシステム停止から一定時間経過すると正しい値が得られないため、これらの物理量はシステム停止から一定時間内に取得したものに基づいて液位Hを推定するのが望ましい。また、上記の説明では、説明の便宜上、温度センサ91〜96の個数を6個としたが、これに限らず、温度センサの個数を増加することで液位Hの推定値をより正確なものとすることができる。また、上述したセンサ出力信号から液位を推定する手法の他に、レベルセンサなどで液位を計測してもよい。
【0039】
制御部24は、システムコントローラ43からシステム起動信号を受信すると、前回のシステム停止時にEEPROM29に書き込んだ液位Hの推定値H1〜H3を読み取り、被加熱流体流路部70に残留する原燃料90の質量Mを推定する。原燃料90の質量Mは、管路70a〜70cの断面積と液位Hの推定値H1〜H3から原燃料90の体積を求め、これに比重を乗じることで得られる。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,原燃料の質量をM,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、システム起動時に燃料蒸発器22aに投入すべき初期熱量Q、つまり、質量Mの原燃料90を蒸気温度Tegまで気化するために必要となる熱量Qは、(3)式より求めることができる。
Q={Cpl×(Tboil−T0)+Hvap+Cp×(Teg−Tboil)}×M…(3)
(3)式から明らかなように、初期熱量Qを求めるには、質量Mの他に初期温度T0が必要となる。システム停止期間が長い場合には、原燃料90は常温まで温度低下しているが、システム停止時間が短い場合には、原燃料90は余熱された状態にある。そこで、CPU26はタイマ31が計測したシステム停止時間の計測値を参照し、システム停止時間が長い場合には、初期温度T0を常温として初期熱量Qを算出する。一方、システム停止時間が短い場合には、時間経過量から予測される初期温度T0を求める。もとより、システム起動時に温度センサ91〜96からのセンサ出力信号を取り込み、原燃料90の初期温度T0を求めてもよい。
【0040】
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に初期熱量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。制御部24は、エアポンプ61、及びインジェクタ62を制御することで、加熱流体流路部60へ供給される吐出燃料量、及び燃焼エア流量を制御し、初期熱量Qを燃料蒸発器22aに投入する。初期熱量Qの投入後は車両の走行負荷などに応じて燃料蒸発器22aに投入すべき熱量が算出される。システム運転時には、原燃料ガスの蒸気温度や流量、燃焼ガス温度などをフィードバックして燃料量、燃焼エア温度を調整するのが望ましい。例えば、加熱流体流路部60の入り口温度が高い場合には、空燃比を増加させる。
【0041】
図4はシステム起動時の熱量投入制御処理を記述したフローチャートである。本ルーチンはシステム起動時に呼び出されて、システム運転期間中に制御部24によって繰り返し実行される。まず、制御部24はシステムコントローラ43からシステム起動信号の入力を受けた直後であるか否か、つまり、システム起動直後か否かをチェックする(ステップS1)。システム起動直後である場合には(ステップS1;YES)、制御部24は、EEPROM29から前回のシステム停止時の原燃料の液位Hの推定値を読み取り(ステップS2)、残留原燃料を気化するための初期熱量Qを演算する(ステップS3)。そして、エアポンプ61を駆動して燃焼エアを供給するとともに、インジェクタ62からの燃料吐出量を調整し、蒸発部22aに初期熱量Qを投入する(ステップS4)。
【0042】
一方、システム起動直後でない場合には(ステップS1;NO)、制御部24は、通常運転シーケンスに移行する(ステップS5)。本ステップにおいて、制御部24は、温度センサ91〜96、圧力センサ73,75、流量センサ72,74によって検出される原燃料温度、原燃料流量、原燃料ガス圧、原燃料温度、燃焼ガス圧、燃焼ガス流量の何れか一部又は全部のセンサ出力信号に基づいて原燃料の液位Hの推定値を演算する。そして、システムコントローラ43からシステム停止信号が入力されると(ステップS6;YES)、液位Hの推定値はEEPROM29に書き込まれ(ステップS7)、システムは停止する。ここで、本ルーチンは終了となる。システムコントローラ43からシステム停止信号が入力されない場合には(ステップS6;NO)、ステップS1、ステップS5、及びステップS6を繰り返し実行する。
【0043】
このように、システム停止時において、原燃料の液位Hの推定値をEEPROM29に記憶しておき、次回のシステム起動時において、EEPROM29から液位Hの推定値を読み取って原燃料の残留量を演算し、この残留量を気化するために必要な初期熱量Qを投入することで、燃料蒸発器22aに過不足なく初期熱量を与えることができ、従来技術で述べた失火、或いは焼損などの問題を解決して素早くかつ安定に始動することができる。
【0044】
尚、上述の説明では、加熱媒体としての燃焼ガスと、被加熱媒体としての原燃料との間で熱交換を行うことで、原燃料を蒸気化する構成を例示したが、本発明はこれに限られるものではなく、例えば、電気ヒータなどの加熱手段で原燃料を蒸気化するように構成してもよい。
【0045】
また、必ずしもシステム停止時における原燃料の液位(又は残留量)を記憶しておき、次回のシステム起動時に当該液位(又は残留量)を蒸気化するための初期熱量を投入する必要はなく、システム停止直前に投入していた熱量から適当な補正係数を乗じた熱量を投入するように加熱手段の初期制御量を決定するように構成してもよい。ここで、「初期制御量」とは、システム起動時に加熱手段から被加熱流体に初期熱量を供給するために必要となる、加熱手段の制御量をいい、例えば、加熱手段が電気ヒータの場合は電気ヒータに供給される電力量がこれに相当する。また、加熱手段が燃焼ガスの場合は燃焼エアを供給するエアポンプの回転数や、燃料を噴射するインジェクタの駆動量などがこれに相当する。
【0046】
【発明の効果】
本発明によれば、システム停止時に原燃料の残留量を記憶しておき、次回のシステム起動時に予め記憶された原燃料の残留量を基に初期熱量を投入する構成であるため、燃料蒸発器に過不足なく熱量を与えることができ、起動性の向上と温度安定化を図ることができる。
【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】システム起動時の熱量投入制御処理を記述したフローチャートである。
【図5】被加熱流体流路の温度分布を示すグラフである。
【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
29…EEPROM
30…二次電池
31…タイマ
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…電気触媒加熱ヒータ
70…被熱流体流路部
71…ポンプ
72,74…流量センサ
73,75…圧力センサ
81…改質エア用遮断弁
82…精製用エア遮断弁
90…原燃料[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel evaporator that vaporizes raw fuel to generate raw fuel gas, and more particularly to a heat input control technique at the time of startup.
[0002]
[Prior art]
As a means for generating a hydrogen-rich fuel gas to be supplied to a fuel cell, a technique for reforming a raw fuel gas obtained by vaporizing raw fuel (reformed raw material) such as methanol is known. In a catalytic combustion type fuel evaporator, a mixed gas of fuel and combustion air is combusted by catalytic action, and heat exchange is performed between the combustion gas and raw fuel. In such a fuel evaporator, since it is difficult to precisely control the temperature distribution of the combustion gas, overheating partially occurs or heat exchange becomes insufficient. In order to solve such problems, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-272031 (Patent Document 1) detects the liquid level position of the heated fluid that is vaporized by exchanging heat with the heated fluid. A technique for performing heat exchange control between a heated fluid and a heated fluid based on the liquid level position is disclosed.
[0003]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 2001-272031
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, the above prior art is directed to the heat input control during the operation of the fuel evaporator, and the initial heat amount at the time of starting the fuel evaporator is not considered. Without considering the residual amount of raw fuel, if a constant fuel amount and combustion air flow rate are always input at the start of the fuel evaporator, if the residual amount of raw fuel is large, the amount of heat will be insufficient, and it will be necessary to vaporize the raw fuel amount If the balance between the amount of heat and the amount of input heat is not balanced, the liquid level of the raw fuel rises and the temperature of the combustion gas suddenly decreases, which may cause a misfire. On the other hand, when the residual amount of the raw fuel is small, the amount of heat becomes excessive, the liquid level of the raw fuel is lowered, the combustion gas temperature is increased, and the fuel evaporator may be burned by overheating. Furthermore, if the initial heat amount is input without considering the raw fuel residual amount, even if the fuel amount and the combustion air flow rate are controlled by feeding back information such as the raw fuel gas vapor temperature, gas flow rate, and combustion gas combustion temperature, At startup, the temperature rise is delayed by the heat capacity of the raw fuel and the fuel evaporator, which are in a low temperature state, and it takes a long time to settle down to a steady state, making it difficult to obtain stable response characteristics.
[0005]
Accordingly, it is an object of the present invention to improve response characteristics at the time of starting the fuel evaporator, to improve startability and to stabilize temperature.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-described problems, the heat exchange device of the present invention performs heat exchange between a heated fluid channel constituting a heated fluid channel and a heated fluid in the heated fluid channel. Heating means for vaporizing the fluid to be heated; Heat exchanger Depending on the residual amount of the heated fluid in the heated fluid flow path when stopped Heat exchanger And a control unit for determining an initial control amount of the heating means at the time of restart.
[0007]
Heat exchanger Depending on the residual amount of the heated fluid in the heated fluid flow path when stopped Heat exchanger By determining the initial control amount of the heating means at the time of restarting, it is possible to give a heat amount to the heated fluid without excess or deficiency, thereby improving the startability and stabilizing the temperature.
[0008]
The fuel evaporator according to the present invention includes a heated fluid flow path that constitutes a flow path of raw fuel, and heating means that vaporizes the raw fuel by exchanging heat between the raw fuel in the heated fluid flow path. A measuring means for measuring the residual amount of the raw fuel in the heated fluid flow path, a storage means for storing the residual amount of the raw fuel measured by the measuring means, and a controller for controlling the heat generation amount of the heating means. . The control unit Fuel evaporator While storing the residual amount of raw fuel measured by the measuring means at the time of stopping in the storage means, Fuel evaporator Reads the residual amount of raw fuel stored in the storage means at startup, calculates the initial heat amount for vaporizing the raw fuel remaining in the heated fluid flow path, and controls the heating means to initialize the raw fuel Supply heat.
[0009]
in this way, Fuel evaporator Remember the remaining amount of raw fuel at the time of stoppage, Fuel evaporator By supplying the initial amount of heat based on the residual amount of raw fuel stored in advance at the time of start-up, the fuel evaporator can be provided with a sufficient amount of heat, and startability can be improved and temperature can be stabilized.
[0010]
Preferably, the measuring means is a means for calculating an estimated value of the liquid level of the raw fuel from the temperature distribution of the raw fuel in the vertical direction of the heated fluid flow path. Since it is difficult to install a level gauge to measure the liquid level in the superheated fluid flow path, obtain an estimate of the raw fuel liquid level from the temperature distribution of the raw fuel in the vertical direction of the heated fluid flow path. By Fuel evaporator The configuration can be simplified.
[0011]
Preferably, the control unit includes a residual amount of raw fuel stored in the storage unit, Fuel evaporator The initial heat quantity is calculated from the initial temperature of the raw fuel at the time of starting. The remaining amount of raw fuel, Fuel evaporator By obtaining the initial heat amount for vaporizing the raw fuel from the initial temperature of the raw fuel at the time of startup, Fuel evaporator The amount of heat can be input to the fuel evaporator at startup without excess or deficiency.
[0012]
Preferably, the control unit controls the amount of heat supplied from the heating unit in accordance with the amount of heat required for vaporization of the raw fuel after controlling the input of the initial amount of heat. The amount of heat required in the normal operation sequence after the initial amount of heat is input is Fuel evaporator Because it depends on the state, Fuel evaporator It is necessary to adjust the calorific value of the heating means according to the state.
[0013]
A fuel cell vehicle according to the present invention includes a fuel evaporator according to the present invention, a reformer that reforms raw fuel vaporized by the fuel evaporator into a hydrogen-rich fuel gas, and fuel gas supply from the reformer. A fuel cell is provided for receiving and generating power necessary for driving the vehicle. With this configuration, it is possible to provide a fuel cell vehicle excellent in starting characteristics and stability.
[0014]
The computer program of the present invention is a computer system that controls a heat exchange device that performs heat exchange between a heated fluid in a heated fluid flow path and a heating means, and vaporizes the heated fluid. Heat exchanger While stopped Command to start heat exchanger Determining whether or not is input; Command to start heat exchanger Is entered, Heat exchanger Depending on the residual amount of the heated fluid in the heated fluid flow path when stopped Heat exchanger A step of determining an initial control amount of the heating unit at the time of restart and a step of controlling the heating unit according to the initial control amount and supplying the initial heat amount to the fluid to be heated are executed.
[0015]
By causing the computer system that controls the heat exchange device that vaporizes the fluid to be heated to execute the above processing steps, it is possible to give heat to the fluid to be heated without excess or deficiency, and to improve the startability and stabilize the temperature. be able to
The computer program of the present invention is a computer system for controlling a fuel evaporator that performs heat exchange between the raw fuel and the heating means in the heated fluid flow path and vaporizes the raw fuel. Fuel evaporator While driving Command to stop the fuel evaporator Determining whether or not is input; Command to stop the fuel evaporator Is input, the step of measuring the residual amount of raw fuel remaining in the heated fluid flow path and the step of storing the residual amount of raw fuel in the storage device are executed, Fuel evaporator While stopped Command to start the fuel evaporator Determining whether or not is input; Command to start the fuel evaporator Is input, the step of calculating the initial heat amount for vaporizing the remaining raw fuel based on the remaining amount of the raw fuel stored in the storage device, and the heating means to control the initial heat amount to the raw fuel And a step of inputting.
[0016]
By causing the computer system that controls the fuel evaporator that generates the raw fuel gas to execute the above processing steps, the fuel evaporator can be given a sufficient amount of heat, and the startability can be improved and the temperature stabilized. Can do.
[0017]
Preferably, the step of measuring the residual amount of the raw fuel is a step of calculating an estimated value of the liquid level of the raw fuel from the temperature distribution of the raw fuel in the vertical direction of the heated fluid passage. By obtaining an estimate of the liquid level of the raw fuel from the temperature distribution of the raw fuel in the vertical direction of the heated fluid flow path, Fuel evaporator The configuration can be simplified.
[0018]
Preferably, the step of calculating the initial heat quantity includes a residual amount of raw fuel stored in the storage device, and Fuel evaporator This is a step of calculating the initial heat quantity from the initial temperature of the raw fuel at the time of starting. The remaining amount of raw fuel, Fuel evaporator By obtaining the initial heat amount for vaporizing the raw fuel from the initial temperature of the raw fuel at the time of startup, Fuel evaporator The amount of heat can be input to the fuel evaporator at startup without excess or deficiency.
[0019]
As a computer-readable recording medium for recording the program of the present invention, for example, an optical recording medium (CD-RAM, CD-ROM, DVD-RAM, DVD-ROM, DVD-R, PD disk, MD disk, MO disk, etc.) Optically readable recording media), magnetic recording media (flexible disks, magnetic cards, magnetic tapes and other recording media capable of reading data), or memory elements (DRAM and other semiconductors) A portable recording medium such as a memory cartridge provided with a memory element and a ferroelectric memory element such as an FRAM is preferable.
[0020]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, this embodiment will be described with reference to the drawings.
[0021]
FIG. 1 is a main block diagram of a vehicle (fuel cell vehicle) equipped with the fuel cell system of this embodiment. As shown in the figure, the
[0022]
The
[0023]
The
[0024]
The
[0025]
The
[0026]
With the above-described configuration, the
[0027]
FIG. 2 is an explanatory diagram of main blocks constituting the reformer. As shown in the figure, the
[0028]
The raw fuel gas is supplied to the reforming
[0029]
The hydrogen-rich fuel gas generated in the reforming
[0030]
FIG. 3 is a system configuration diagram centering on the fuel evaporator that constitutes the main part of the present embodiment. As shown in the figure, the
[0031]
An electrocatalyst heater (EHC) 63 is disposed inside the pipe of the heating
[0032]
As
[0033]
The heated fluid
[0034]
The
[0035]
The
[0036]
Upon receiving the system stop signal from the
[0037]
This graph is a graph showing the temperature distribution of the
H1 = Hc + (Hb−Hc) (Te−T3) / (T2−T3) (1)
Further, if the estimated value of the liquid level H obtained from the sensor outputs of the
H2 = Hb + (Ha-Hb) (Te-T5) / (T4-T5) (2)
H1 obtained in this way is the estimated liquid level of the pipeline 70a, and H2 is the estimated liquid level of the pipeline 70c. The estimated liquid level H3 of the central pipe line 70b can be estimated from the liquid level gradient of H1 and H2 by proportional distribution. After the estimated values H1 to H3 obtained in this way are written in the
[0038]
However, since the raw fuel temperature, raw fuel flow rate, raw fuel gas pressure, raw fuel temperature, combustion gas pressure, and combustion gas flow rate cannot be obtained correctly after a certain period of time has elapsed since the system stopped, these physical quantities are constant after the system is stopped. It is desirable to estimate the liquid level H based on what was acquired in time. In the above description, for convenience of explanation, the number of the temperature sensors 91 to 96 is six. However, the number of temperature sensors is not limited to this, and the estimated value of the liquid level H is more accurate by increasing the number of temperature sensors. It can be. In addition to the method of estimating the liquid level from the sensor output signal described above, the liquid level may be measured by a level sensor or the like.
[0039]
When the
Q = {Cpl × (Tboil−T0) + Hvap + Cp × (Teg−Tboil)} × M (3)
As apparent from the equation (3), in order to obtain the initial heat quantity Q, an initial temperature T0 is required in addition to the mass M. When the system stop period is long, the temperature of the
[0040]
The
[0041]
FIG. 4 is a flowchart describing the heat input control process when the system is started. This routine is called when the system is started, and is repeatedly executed by the
[0042]
On the other hand, if it is not immediately after system startup (step S1; NO), the
[0043]
As described above, when the system is stopped, the estimated value of the liquid level H of the raw fuel is stored in the
[0044]
In the above description, the configuration in which the raw fuel is vaporized by exchanging heat between the combustion gas as the heating medium and the raw fuel as the medium to be heated has been exemplified. For example, the raw fuel may be vaporized by heating means such as an electric heater.
[0045]
Also, it is not always necessary to memorize the liquid level (or residual amount) of the raw fuel when the system is stopped, and to input the initial heat amount for vaporizing the liquid level (or residual amount) at the next system startup. The initial control amount of the heating means may be determined so as to input the amount of heat obtained by multiplying the amount of heat input immediately before the system is stopped by an appropriate correction coefficient. Here, the “initial control amount” means a control amount of the heating unit that is necessary for supplying the initial heat amount from the heating unit to the fluid to be heated at the time of starting the system. For example, when the heating unit is an electric heater, The amount of power supplied to the electric heater corresponds to this. Further, when the heating means is combustion gas, the rotational speed of an air pump that supplies combustion air, the drive amount of an injector that injects fuel, and the like correspond to this.
[0046]
【The invention's effect】
According to the present invention, the remaining amount of raw fuel is stored when the system is stopped, and the initial heat amount is input based on the remaining amount of raw fuel stored in advance at the next system startup. The amount of heat can be given to the battery without excess and deficiency, and the startability can be improved and the temperature can be stabilized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a main block diagram of a vehicle equipped with a fuel cell system of an embodiment.
FIG. 2 is an explanatory diagram of main blocks constituting the reformer.
FIG. 3 is a system configuration diagram centering on a fuel evaporator according to the present embodiment;
FIG. 4 is a flowchart describing a heat input control process at system startup.
FIG. 5 is a graph showing a temperature distribution in a heated fluid channel.
[Explanation of symbols]
10. Fuel cell vehicle
20 ... Fuel cell system
21 ... Tank
22 ... reformer
22a ... Fuel evaporator
22b ... reforming section
22c ... CO reduction part
23 ... Fuel cell
24. Control unit
25 ... ROM
26 ... CPU
27 ... RAM
28 ... I / O port
29… EEPROM
30 ... Secondary battery
31 ... Timer
40 ... Power control unit
41 ... DC / DC converter
42 ... Inverter
43 ... System controller
50 ... Motor
60 ... Thermal fluid flow path
61 ... Air pump
62 ... Injector
63 ... Electric catalyst heater
70: Heated fluid flow path
71 ... Pump
72, 74 ... Flow sensor
73,75 ... Pressure sensor
81 ... Reformed air shut-off valve
82 ... Air shut-off valve for purification
90 ... Raw fuel
Claims (11)
被加熱流体の流路を構成する被加熱流体流路と、
前記被加熱流体流路内の被加熱流体との間で熱交換を行い、前記被加熱流体を蒸気化する加熱手段と、
前記熱交換装置の停止時における前記被加熱流体流路内の被加熱流体の残留量に応じて前記熱交換装置の再起動時における前記加熱手段の初期制御量を決定する制御部と、
を備える熱交換装置。 A heat exchange device,
A heated fluid flow path constituting a heated fluid flow path;
Heating means for exchanging heat with the heated fluid in the heated fluid channel, and evaporating the heated fluid;
A control unit that determines an initial control amount of the heating unit when the heat exchange device is restarted according to a residual amount of the heated fluid in the heated fluid channel when the heat exchange device is stopped;
A heat exchange device comprising:
原燃料の流路を構成する被加熱流体流路と、
前記被加熱流体流路内の原燃料との間で熱交換を行い、前記原燃料を蒸気化する加熱手段と、
前記被加熱流体流路内の原燃料の残留量を計測する計測手段と、
前記計測手段が計測した前記原燃料の残留量を記憶する記憶手段と、
前記加熱手段の発熱量を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記燃料蒸発器の停止時に前記計測手段が計測した前記原燃料の残留量を前記記憶手段に記憶する一方、
前記燃料蒸発器の起動時に前記記憶手段に記憶された前記原燃料の残留量を読み取って、前記被加熱流体流路内に残留する原燃料を蒸気化するための初期熱量を演算し、前記加熱手段を制御して前記原燃料に初期熱量を供給する、燃料蒸発器。 A fuel evaporator,
A heated fluid flow path constituting a flow path of the raw fuel;
Heat means for exchanging heat with the raw fuel in the heated fluid flow path, and evaporating the raw fuel;
Measuring means for measuring the residual amount of raw fuel in the heated fluid flow path;
Storage means for storing the residual amount of the raw fuel measured by the measurement means;
A controller that controls the amount of heat generated by the heating means,
The control unit stores the residual amount of the raw fuel measured by the measurement unit when the fuel evaporator is stopped in the storage unit,
Reading the residual amount of the raw fuel stored in the storage means when starting the fuel evaporator, calculating the initial heat amount for vaporizing the raw fuel remaining in the heated fluid flow path, and heating the heating A fuel evaporator for controlling the means to supply an initial heat quantity to the raw fuel.
前記熱交換装置の停止中に前記熱交換装置を起動する指令が入力されたか否かを判定するステップと、
前記熱交換装置を起動する指令が入力された場合に、
前記熱交換装置の停止時における前記被加熱流体流路内の被加熱流体の残留量に応じて前記熱交換装置の再起動時における前記加熱手段の初期制御量を決定するステップと、
前記初期制御量に応じて前記加熱手段を制御し、前記被加熱流体に初期熱量を供給するステップと、
を実行させる、コンピュータプログラム。In a computer system for controlling a heat exchange device that performs heat exchange between a heated fluid in a heated fluid flow path and a heating means, and vaporizes the heated fluid,
Determining whether a command to start the heat exchange device is input while the heat exchange device is stopped;
When a command to start the heat exchange device is input,
Determining an initial control amount of the heating means when the heat exchange device is restarted according to a residual amount of the heated fluid in the heated fluid channel when the heat exchange device is stopped;
Controlling the heating means according to the initial control amount, and supplying an initial heat amount to the heated fluid;
A computer program that executes
前記燃料蒸発器の運転中に前記燃料蒸発器を停止する指令が入力されか否かを判定するステップと、
前記燃料蒸発器を停止する指令が入力された場合に、
前記被加熱流体流路に残留する前記原燃料の残留量を計測するステップと、
前記原燃料の残留量を記憶装置に記憶するステップと、を実行させる一方、
前記燃料蒸発器の停止中に前記燃料蒸発器を起動する指令が入力されたか否かを判定するステップと、
前記燃料蒸発器を起動する指令が入力された場合に、
前記記憶装置に記憶された前記原燃料の残留量を基に残留原燃料を蒸気化するための初期熱量を演算するステップと、
前記加熱手段を制御して前記原燃料に初期熱量を投入するステップと、
を実行させる、コンピュータプログラム。A computer system that controls a fuel evaporator that performs heat exchange between the raw fuel in the fluid flow path to be heated and the heating means, and vaporizes the raw fuel,
Determining whether a command is input to stop the fuel evaporator during operation of the fuel evaporator,
When a command to stop the fuel evaporator is input,
Measuring the residual amount of the raw fuel remaining in the heated fluid flow path;
Storing the residual amount of the raw fuel in a storage device,
Determining whether a command to start the fuel evaporator is input while the fuel evaporator is stopped;
When a command to start the fuel evaporator is input,
Calculating an initial heat amount for vaporizing the residual raw fuel based on the residual amount of the raw fuel stored in the storage device;
Controlling the heating means to input an initial heat amount to the raw fuel;
A computer program that executes
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