(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体状の原燃料を蒸発させる蒸発器と、
前記蒸発器に原燃料を導入する原燃料導入手段と、
触媒燃焼用の燃料と空気が供給されて触媒燃焼し前記蒸発器に原燃料蒸発のための熱を供給する触媒燃焼器と、
前記触媒燃焼器に触媒燃焼用の燃料を導入する燃料導入手段と、
前記触媒燃焼器に前記燃料を触媒燃焼させるのに見合う空気を導入する空気導入手投と、
前記触媒燃焼器の保有する熱を、当該触媒燃焼器の上流側から熱移動用ガスを導入することで前記蒸発器に移動させる熱移動用ガス導入手段と、
前記蒸発器から発生する蒸気量を増加する際、前記熱移動用ガス導入手段を介して前記熱移動用ガス量を増加する制御手段と、
を備えることを特徴とする原燃料蒸発装置。
【請求項２】
前記制御手段は、増加させる前記蒸気量が所定量以上である場合に、前記熱移動用ガス導入手段を介して前記熱移動用ガス量を増加する構成を備えることを特徴とする請求項１に記載の原燃料蒸発装置。
【請求項３】
前記制御手段は、前記増加させる蒸気量の目標値から要求熱量を求め、該要求熱量と前記触媒燃焼器の燃焼熱量とから移動すべき熱量を求め、該移動すべき熱量から前記熱移動用ガス量を決定する構成を備えることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の原燃料蒸発装置。
【請求項４】
前記熱移動用ガス量が所定の限界値を超える場合には、
前記制御手段は、前記熱移動用ガス導入手段を介して前記熱移動用ガスの導入を制限する構成を備えることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の原燃料蒸発装置。
【請求項５】
前記熱移動用ガスを導入することで、前記触媒燃焼器の温度が触媒燃焼維持温度を下回る場合には、
前記制御手段は、前記熱移動用ガス導入手段を介して前記熱移動用ガスの導入を制限する構成を備えることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の原燃料蒸発装置。
【請求項６】
前記制御手段は、前記触媒燃焼器の燃焼ガスの浄化状態に応じて前記熱移動用ガスの導入を制限する構成を備えることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の原燃料蒸発装置。
【請求項７】
前記触媒燃焼器は、ハニカム担持体に触媒を担持させてなる構成を備えることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の原燃料蒸発装置。
【請求項８】
前記空気導入手投と前記熱移動用ガス導入手段とは、前記熱移動用ガスを空気とした同一の手段により構成されることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の原燃料蒸発装置。
【請求項９】
前記燃料導入手段による前記触媒燃焼器への燃料増加により、前記触媒燃焼器の温度変化値が正方向に増加する場合には、
前記制御手段は、前記熱移動用ガス導入手段を介して前記熱移動用ガスの導入を制限する構成を備えることを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載の原燃料蒸発装置。
【請求項１０】
前記制御手段は、前記熱移動用ガス導入手段による熱移動用ガスの導入を行う際、
実原燃料蒸気量が前記増加させる蒸気量の目標値に達する前に、該目標値から求まる必要量以上に前記原燃料導入手段を介して前記蒸発器に導入する原燃料量の増加調整を行う構成を備えることを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載の原燃料蒸発装置。
【請求項１１】
実原燃料蒸気量が前記増加させる蒸気量の目標値に達した後に該目標値を維持する際、
前記制御手段は、前記原燃料導入手段を介して前記蒸気量の目標値から求まる必要量以下に原燃料量を低減調整する構成を備えることを特徴とする請求項１ないし請求項１０のいずれか１項に記載の原燃料蒸発装置。
【請求項１２】
実原燃料蒸気量が前記増加させる蒸気量の目標値に達した後、
前記制御手段は、前記蒸発器の後流に設けられる蒸気量測定手段からの信号を受け、前記原燃料導入手段を介して前記蒸発器に導入する原燃料量を調整する構成を備えることを特徴とする請求項１ないし請求項１１のいずれか１項に記載の原燃料蒸発装置。
【請求項１３】
触媒燃焼用の燃料と空気とが導入されて触媒燃焼する触媒燃焼器が発生する高温ガスを、液体状の原燃料が導入される蒸発器に導いて前記原燃料を蒸発する原燃料蒸発方法において、
前記原燃料の蒸気を改質した改質ガスを水素利用設備で利用した後の未利用ガスの一部又は全部を、前記燃料として前記触媒燃焼器に連続的に導入すると共に、
前記蒸発器に対する蒸発負荷の増加を検出すると、前記触媒燃焼用の燃料および空気に加えて、前記触媒燃焼器に熱移動用ガスを導入し、
前記触媒燃焼により発生している高温ガスと、前記触媒燃焼器の保有する熱により前記熱移動用ガスから転じた高温ガスとを前記蒸発器に導入すること、
を特徴とする原燃料蒸発方法。
【請求項１４】
触媒燃焼用の燃料と空気とが導入されて触媒燃焼する触媒燃焼器が発生する高温ガスを、液体状の原燃料が導入される蒸発器に導いて前記原燃料を蒸発する原燃料蒸発方法において、
前記原燃料の蒸気量増加時、前記蒸発器への前記原燃料の増加導入に対して前記触媒燃焼器への前記燃料の増加導入に遅れが生じる場合は、前記触媒燃焼用の燃料および空気に加えて、前記触媒燃焼器に熱移動用ガスを導入し、
前記触媒燃焼により発生している高温ガスと、前記触媒燃焼器の保有する熱により前記熱移動用ガスから転じた高温ガスとを前記蒸発器に導入すること、
を特徴とする原燃料蒸発方法。
【請求項１５】
請求項１ないし請求項１２のいずれかに記載の蒸発器と触媒燃焼器と燃料導入手段と空気導入手段と熱移動用ガス導入手段と制御手段を含んで構成される原燃料蒸発装置と、
前記原燃料蒸発装置が発生した原燃料蒸気を供給され、水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、
前記改質器が生成した改質ガスと空気が供給されて発電する燃料電池とを備える燃料電池システムであって、
前記熱移動用ガス導入手段は前記燃料電池に空気を供給する空気供給器を兼ねる構成を備えると共に、前記燃料導入手段は前記燃料電池の水素を含むオフガスを前記触媒燃焼器に導入する構成を備えることを特徴とする原燃料蒸発装置を備えた燃料電池システム。
【請求項１６】
前記熱移動用ガス導入手段は、
前記燃料電池から排出されるオフガスを前記触媒燃焼器に導入利用する構成を備えることを特徴とする請求項１５に記載の原燃料蒸発装置を備えた燃料電池システム。
【請求項１７】
前記オフガスの導入利用による前記触媒燃焼器への燃料増加により前記触媒燃焼器の温度変化値が正方向に増加する場合には、
前記制御手段は、前記熱移動用ガス導入手段を介して前記熱移動用ガス量の制限する構成を備えることを特徴とする請求項１５又は請求項１６に記載の原燃料蒸発装置を備えた燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、原燃料蒸発装置における原燃料蒸気生成の応答性の向上に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、地球温暖化の原因になる二酸化炭素の排出量を抑制するなどの環境面から、燃料電池電気自動車（Fuel Cell Electric Vehicle）が注目されている。燃料電池電気自動車は、水素（Ｈ2）と空気中の酸素（Ｏ2）を電気化学的に反応させて発電する燃料電池（Fuel Cell）を搭載し、燃料電池が発電した電気を走行モータに供給して駆動力を発生させている。また、燃料電池以外にも、水素をエネルギー源とする水素利用機器の開発が行われている。
【０００３】
燃料電池をはじめとした水素利用機器に水素を供給する装置としては、メタノールやガソリンなどのアルコール系や炭化水素系の液体状の原燃料を、蒸発器で蒸発しこれを改質器で改質して水素リッチガスとする燃料改質システムがある。この燃料改質システムは、前記した燃料電池に燃料ガスを供給する装置として注目されている。
【０００４】
ところで、蒸発器は、原燃料を蒸発するための熱源が必要である。例えば、燃料電池システムでは、蒸発器の熱源として、燃料電池のオフガス、つまり燃料電池のアノード極（水素極）に供給された水素リッチガスの未利用分とカソード極（空気極）に供給された空気の未利用分を混合したガスを触媒燃焼する触媒燃焼器や燃焼バーナを備えているものがある。
【０００５】
このような燃料電池システムにおいては、一定負荷（定常）時、オフガスの燃焼熱量と原燃料の蒸発に必要な熱量はバランスしている。つまり、原燃料を蒸発するのにマッチした量のオフガスが触媒燃焼器やバーナに供給されている。しかし、負荷が低負荷（低出力）から高負荷（高出力）に移行する際、原燃料が増加されてもシステムボリュームなどに起因するリードタイムがあるため、オフガスは遅れて触媒燃焼器や燃焼バーナに供給される。従って、原燃料の蒸気量の増加分が、直ちにオフガスの増加分として触媒燃焼器や燃焼バーナに供給されるのではない。つまり、燃料の増加導入に遅れが生じる。この結果、原燃料の蒸発に必要な熱量に対して蒸発器に供給される熱量が不足するため、出力に応じた原燃料蒸気を応答性よく生成できない。
【０００６】
このような問題点から、次のような各種対策を施した原燃料蒸発装置が提案されている。
（１）  図１２に示すように、蒸発器とは別に蓄熱器を設け、廃熱などを利用して予めこの蓄熱器を加熱・蓄熱しておき、出力を増加した際に不足する蒸発熱量を、予め加熱・蓄熱した蓄熱器でもって賄うようにした原燃料蒸発装置。
（２）  また、蒸発器に、想定される最大負荷変動（出力最低から出力最大）に対応可能な熱容量を与え、出力を増加した際に不足する蒸発熱量を、蒸発器の熱容量でもって賄うようにした原燃料蒸発装置。
（３）  図１３に示すように、オフガスを熱に変換する触媒燃焼器や燃焼バーナにオフガスとは別の補助燃料（例えばメタノールなど）を供給するラインを設け、出力を増加した際に不足する蒸発熱量を、補助燃料の供給でもって賄うようにした原燃料蒸発装置。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記したような原燃料蒸発装置では、次のような問題点があった。
（１）  前記した蓄熱器の設置については、原燃料導入後、時間経過と共に蓄熱器の温度が低下するので（蓄熱量が少なくなるので）蒸気生成量が減少し、原燃料蒸気量が安定しない。また、原燃料蒸気の生成レスポンスは蓄熱器の重量に大きく依存するため、レスポンスを重視すると蓄熱器の重量がかさむ。その結果、蓄熱器に蓄熱する時間が長くなるので、頻繁に出力変動がある場合には適さなくなってしまう。また、機器の軽量化や小型化を考えると蓄熱器の設置は好ましくない。
（２）  前記した蒸発器の熱容量の増加については、出力変動範囲が広くなると蒸発器の熱容量は大きくなり、この結果、
ａ．蒸発器内の温度を高温にする必要が生じ、機械的には使用材料及び構造が制約され、物理的には昇温に要する時間が長くなるので、頻繁に出力変動がある場合には適さない。
ｂ．重量やサイズが大きくなる。
また、時間経過と共に蒸発器内部の温度が低下するので（蓄熱量が少なくなるので）原燃料蒸気の生成量が減少し、原燃料蒸気量が安定しない。
また、蒸発器温度が低下した場合に、再び蒸発器の温度を上げるのが容易ではなく、頻繁に出力変動がある場合に適さなくなってしまう。
従って、むやみに蒸発器の熱容量を大きくするのは好ましくない。
（３）  補助燃料の供給では、触媒燃焼器や燃焼バーナの熱容量により補助燃料を燃焼した熱は、まず触媒燃焼器や燃焼バーナの昇温に費やされるため、瞬時に、かつ全てが有効に原燃料の蒸発に作用しないので、補助燃料の供給のみでは応答性よく蒸気が生成されない。また、出力変動が頻繁に起こると効率が低下する。
【０００８】
そこで、本発明は、低出力運転から高出力運転への出力変動時において、原燃料蒸気を応答性よく、また、安定して生成することのできる原燃料蒸発装置、原燃料蒸発方法及び原燃料蒸発装置を備えた燃料電池システムを提供することを課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
（原燃料蒸発装置）
即ち、前記課題を解決した本発明の原燃料蒸発装置（請求項１）は、（１）液体状の原燃料を蒸発させる蒸発器と、（２）前記蒸発器に原燃料を導入する原燃料導入手段と、（３）触媒燃焼用の燃料と空気が供給されて触媒燃焼し前記蒸発器に原燃料蒸発のための熱を供給する触媒燃焼器と、（４）前記触媒燃焼器に触媒燃焼用の燃料を導入する燃料導入手段と、（５）前記触媒燃焼器に前記燃料を触媒燃焼させるのに見合う空気を導入する空気導入手投と、（６）前記触媒燃焼器の保有する熱を、当該触媒燃焼器の上流側から熱移動用ガスを導入することで前記蒸発器に移動させる熱移動用ガス導入手段と、（７）前記蒸発器から発生する蒸気量を増加する際に、前記熱移動用ガス導入手段を介して前記熱移動用ガス量を増加する制御手段を備えることを特徴とする。
【００１０】
この構成では、触媒燃焼器は燃料と空気が供給されて触媒燃焼し、熱を発生する。この熱は、蒸発器に供給され原燃料を蒸発して原燃料蒸気にする。また、熱は、触媒燃焼器自体の温度を上昇する。この状況で、蒸発器から発生する蒸気量を増加しようとすると、制御手段は、熱移動用ガス量の増加を熱移動用ガス導入手段を介して行う。これにより、触媒燃焼器が保有する熱が蒸発器に供給されるので、蒸発器の負荷増加（原燃料蒸気量の増加）に対処することができる。
なお、「熱移動用ガス量を増加」とは、ある流量で触媒燃焼器に導入している熱移動用ガスの流量を増加することと、今まで導入していなかった熱移動用ガスの導入を新たに開始することの双方を含んで意味する。
ちなみに、液体原燃料は、メタノール、水・メタノール混合液、ガソリン、水（水からも水素が生成される）・・などである。
【００１１】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１の構成において、前記制御手段は、増加する前記蒸気量が所定量以上である場合に、前記熱移動用ガス導入手段を介して前記熱移動用ガス量を増加する構成を備えることを特徴とする。
この構成における「所定量以上」は、いわゆる不感帯や閾値を設定するものである。このようにすることで、安定した制御を行うことができる。
【００１２】
また、請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２の構成において、前記制御手段は、前記増加させる蒸気量の目標値から要求熱量を求め、該要求熱量と前記触媒燃焼器の燃焼熱量とから移動すべき熱量を求め、該移動すべき熱量から前記熱移動用ガス量を決定する構成を備えることを特徴とする。
この構成によれば、原燃料を蒸発するのに要求される熱量と触媒燃焼器の燃焼熱量に基づいて熱移動用ガス量が決定されるので、適切な量の熱移動用ガスを蒸発器に供給することができる。なお、蒸気量の目標値は、蒸発器あるいは原燃料蒸発装置に対する原燃料蒸発の目標値であるが、この蒸気量の目標値は、当該蒸気量の目標値に関連した種々の目標値や測定値などに置き換えることもできる。
【００１３】
また、請求項４に記載の発明は、請求項１ないし請求項３のいずれかの構成において、前記熱移動用ガス量が所定の限界値を超える場合には、前記制御手段は、前記熱移動用ガス導入手段を介して前記熱移動用ガスの導入を制限する構成を備えることを特徴とする。
また、請求項５に記載の発明は、請求項１ないし請求項３のいずれかの構成において、前記熱移動用ガスを導入することで前記触媒燃焼器の温度が触媒燃焼維持温度を下回る場合には、前記制御手段は、前記熱移動用ガス導入手段を介して前記熱移動用ガスの導入を制限する構成を備えることを特徴とする。
例えば、空気を熱移動用ガスとして導入する場合、触媒燃焼には最適な空燃比があり、空気量が多くなりすぎると触媒燃焼が失火となる恐れがある。熱移動用ガス量における所定の限界値は、例えばこのような失火を考慮して定められる。また、空気量が増えるにつれて触媒燃焼の温度が低下して行き、ある温度（触媒燃焼維持温度）以下になると触媒燃焼が失火となる恐れがある。このため、触媒燃焼維持温度に基づいて失火を防止する。
【００１４】
また、請求項６に記載の発明は、請求項１ないし請求項５のいずれかの構成において、前記触媒燃焼器の燃焼ガスの浄化状態に応じて前記熱移動用ガスの導入を制限する構成を備えることを特徴とする。
燃焼ガス（高温ガス）の浄化状態が悪くなると、燃費の面からも環境の面からも好ましくない。この構成では、浄化状態（浄化率）に応じて熱移動用ガスの導入を制限する。なお、燃焼ガスの浄化状態は、該燃焼ガスの温度や酸素濃度を検知することにより推定することができる。
【００１５】
また、請求項７に記載の発明は、請求項１ないし請求項６のいずれかの構成において、前記触媒燃焼器は、ハニカム担持体に触媒を担持させてなる構成を備えることを特徴とする。
この触媒燃焼器によれば、取り扱いが容易で安定した触媒燃焼を行うことができる。また、触媒燃焼器に導入される熱移動用ガスに熱を与えやすい。
【００１６】
また、請求項８に記載の発明は、請求項１ないし請求項７のいずれかの構成において、前記空気導入手投と前記熱移動用ガス導入手段とは、前記熱移動用ガスを空気とした同一の手段により構成されることを特徴とする。
熱移動用ガスが空気であれば、空気導入手段及び熱移動用ガス導入手段は共に触媒燃焼器に空気を導入する手段になる。この構成では、２つの手段を同一の手段として構成する。換言すると、一つの手段が触媒燃焼器に触媒燃焼用の空気を導入する機能と触媒燃焼器に熱移動用ガスを導入する機能を果たすように構成する。この構成によれば、機器を共通化してコンパクト化を図ることができる。
【００１７】
また、請求項９に記載の発明は、請求項１ないし請求項８のいずれかの構成において、前記燃料導入手段による前記触媒燃焼器への燃料増加により、前記触媒燃焼器の温度変化値が正方向に増加する場合には、前記制御手段は、前記熱移動用ガス導入手段を介して前記熱移動用ガスの導入を制限する構成を備えることを特徴とする。
熱移動用ガス量を増加すると、触媒燃焼器の保有熱量が奪われ、触媒燃焼器の温度が低下する。蒸発器とすれば、この分の熱量が触媒燃焼器から熱移動用ガスにより与えられる。このように熱移動用ガスにより触媒燃焼器の保有熱量が奪われる状況でありながら触媒燃焼器の温度変化値が上昇するのは、触媒燃焼器に導入される燃料が増加するためである。触媒燃焼器の温度変化値が上昇すると、蒸発器に与えることができる熱量を、触媒燃焼器の保有熱量を熱移動用ガスにより持ち出さなくとも確保できるので、熱移動用ガスの触媒燃焼器への導入を制限する。なお、「制限」は、導入の量を減らすこと、導入を停止することを含んで意味する。ちなみに、後記する発明の実施の形態では、「温度変化値」の単位を℃／秒2で示す。
【００１８】
また、請求項１０に記載の発明は、請求項１ないし請求項９のいずれかの構成において、前記制御手段は、前記熱移動用ガス導入手段による熱移動用ガスの導入を行う際、実原燃料蒸気量が前記増加させる蒸気量の目標値に達する前に、該目標値から求まる必要量以上に前記原燃料導入手段を介して前記蒸発器に導入する原燃料量の増加調整を行う構成を備えることを特徴とする。
熱移動用ガスの導入タイミングと関連なく蒸発器に導入する原燃料量の増加調整を行うと、例えば蒸発器に液溜まりが生じて応答性が悪くなることがある。このため、熱移動用ガスの導入と蒸発器に導入する原燃料の増加調整のタイミングを計って行うが、この際、蒸気量の目標値を満たすように蒸発器に導入する原燃料量を増加すると、実際に発生する実原燃料蒸気量の増加が鈍る場合がある。このような場合に対処するため、蒸発器に導入する原燃料量を必要量以上に増加調整する。
【００１９】
また、請求項１１に記載の発明は、請求項１ないし請求項１０のいずれかの構成において、実原燃料蒸気量が前記増加させる蒸気量の目標値に達した後に該目標値を維持する際、前記制御手段は、前記原燃料導入手段を介して前記蒸気量の目標値から求まる必要量以下に原燃料量を低減調整する構成を備えることを特徴とする。
要求原燃料蒸気量を満たすように蒸発器に導入する原燃料量を増加すると、目標値に到達した後、要求原燃料蒸気量を維持しようとすると実現燃料蒸気量が要求原燃料蒸気量を上回ること（オーバシュートすること）がある。このような場合に対処するため、蒸発器に導入する原燃料量を低減調整する。
【００２０】
また、請求項１２に記載の発明は、請求項１ないし請求項１１のいずれかの構成において、実原燃料蒸気量が前記増加させる蒸気量の目標値に達した後、前記制御手段は、前記蒸発器の後流に設けられる蒸気量測定手段からの信号を受け、前記原燃料導入手段を介して前記蒸発器に導入する原燃料量を調整する構成を備えることを特徴とする。
この構成では、実原燃料蒸気量が増加させる蒸気量の目標値に達した後に、蒸気量を測定する。そして、この測定信号を入力して蒸発器に導入する原燃料の量を調整する。
【００２１】
（原燃料蒸発方法）
また、前記課題を解決した本発明の原燃料蒸発方法（請求項１３）は、触媒燃焼用の燃料と空気とが導入されて触媒燃焼する触媒燃焼器が発生する高温ガスを、液体状の原燃料が導入される蒸発器に導いて前記原燃料を蒸発する原燃料蒸発方法において、前記原燃料の蒸気を改質した改質ガスを水素利用設備で利用した後の未利用ガスの一部又は全部を、前記燃料として前記触媒燃焼器に連続的に導入すると共に、前記蒸発器に対する蒸発負荷の増加を検出すると、前記触媒燃焼用の燃料および空気に加えて、前記触媒燃焼器に熱移動用ガスを導入し、前記触媒燃焼により発生している高温ガスと、前記触媒燃焼器の保有する熱により前記熱移動用ガスから転じた高温ガスとを前記蒸発器に導入すること、を特徴とする。
【００２２】
蒸発器が蒸発した原燃料蒸気を改質し、これを水素利用設備（例えば燃料電池）で利用した後の未利用ガス（排出ガス）を連続的に触媒燃焼器の燃料にしようとすると、触媒燃焼器でたくさんの燃料が欲しいときに燃料が不足する。つまり、燃料は、原燃料の蒸発、改質、利用というステップを経て触媒燃焼器に導入されるので、燃料導入におけるタイムラグ（リードタイム）が生じる。すると、蒸発器の負荷を増加する際に、蒸発器への原燃料の導入量の増加に対して、触媒燃焼器への燃料の導入量の増加が遅れる。こうなると、蒸発器に導く（供給する）熱量が不足するので（熱量供給のタイムラグ）、原燃料蒸発の応答性が悪くなる。
ところで、運転中の触媒燃焼器は、触媒燃焼により熱を保有している。本発明の方法では、蒸発負荷が増加した状況になると、前記触媒燃焼用の燃料および空気に加えて、触媒燃焼器に熱移動用ガスを導入する。すると、導入された熱移動用ガスが、触媒燃焼器が保有する熱により高温ガスになる。つまり、高温ガスは、現在触媒燃焼により発生している高温ガスと、触媒燃焼器が保有した熱により熱移動用ガスから転じた高温ガスとにより構成される。このため、高温ガスの量が熱移動用ガスの導入量だけ増え、蒸発器に導かれる（触媒燃焼器の温度は下がる）。従って、蒸発器への熱量供給のタイムラグは大幅に短縮される。ちなみに、遅れた分の燃料も触媒燃焼器に増加して導入されるので、その後の熱量は、この遅れて導入される燃料により確保することが可能になる。つまり、安定して原燃料の蒸発を行うことができる。
なお、「蒸発器に対する蒸発負荷」は、前記説明した蒸気量の目標値に準じた内容である。また、「未利用ガス」は、水素利用設備をバイパスして触媒燃焼器に導入される燃料ガスとしての改質ガスを含むものとする。後記する発明の実施の形態での未利用ガスは、燃料電池のオフガスである。また、「空気の量を増加」とは、ある流量で触媒燃焼器に導入している空気の量を文字どおり増加することと、今まで導入していなかった空気の導入を新たに開始することの双方を含んで意味する。
【００２３】
また、前記課題を解決した本発明の原燃料蒸発方法（請求項１４）は、触媒燃焼用の燃料と空気とが導入されて触媒燃焼する触媒燃焼器が発生する高温ガスを、液体状の原燃料が導入される蒸発器に導いて前記原燃料を蒸発する原燃料蒸発方法において、前記原燃料の蒸気量増加時、前記蒸発器への前記原燃料の増加導入に対して前記触媒燃焼器への前記燃料の増加導入に遅れが生じる場合は、前記触媒燃焼用の燃料および空気に加えて、前記触媒燃焼器に熱移動用ガスを導入し、前記触媒燃焼により発生している高温ガスと、前記触媒燃焼器の保有する熱により前記熱移動用ガスから転じた高温ガスとを前記蒸発器に導入することを特徴とする。
【００２４】
蒸発器への原燃料の増加導入に対して触媒燃焼器への燃料の増加導入に遅れが生じると原燃料蒸発の応答性が悪くなる。本発明の方法は、前記した原燃料蒸発方法の技術思想と同様に、原燃料の蒸気量の増加時における触媒燃焼器への燃料の増加導入の遅れを、触媒燃焼用の燃料および空気に加えて、触媒燃焼器に熱移動用ガスを導入し、触媒燃焼により発生している高温ガスと、触媒燃焼器の保有する熱により熱移動用ガスから転じた高温ガスとを蒸発器に導入することにより、蒸発器に導く高温ガスの量を増加するものである。
【００２５】
なお、請求項１３及び請求項１４に記載の原燃料蒸発方法は、前記請求項１から請求項１２に記載した原燃料蒸発装置の技術的思想を適宜取り込んで適用することができる。
【００２６】
（原燃料蒸発装置を備えた燃料電池システム）
また、前記課題を解決した本発明の原燃料蒸発装置を備えた燃料電池システム（請求項１５）は、（１）請求項１ないし請求項１２のいずれかに記載の蒸発器と触媒燃焼器と燃料導入手段と空気導入手段と熱移動用ガス導入手段と制御手段を含んで構成される原燃料蒸発装置と、（２）前記原燃料蒸発装置が発生した原燃料蒸気を供給され、該原燃料蒸気を改質して水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、（３）前記改質器が生成した改質ガスと空気が供給されて発電する燃料電池とを備える。そして、（４）前記熱移動用ガス導入手段は前記燃料電池に空気を供給する空気供給器を兼ねる構成を備えると共に、（５）前記燃料導入手段は前記燃料電池の水素を含むオフガスを前記触媒燃焼器に導入する構成を備えることを特徴とする。
【００２７】
この構成は、改質器、燃料電池のほかに、請求項１ないし請求項１２のいずれかの原燃料蒸発装置を備えた燃料電池システムである。そして、熱移動用ガス導入手段が燃料電池に空気を供給する空気供給器を兼ねる（あるいは空気供給器が熱移動用ガス導入手段を兼ねる）。後記する発明の実施の形態では、燃料電池のカソード極に空気を供給する空気供給器たる空気圧縮機が、触媒燃焼器への熱移動用ガス導入手段を兼ねる。また、燃料電池の水素を含むオフガスが触媒燃焼器の燃料にされる。なお、水素を含むオフガスには、アノードオフガスと、アノードオフガスにカソードオフガスを混合した混合オフガスがある。
【００２８】
また、請求項１６に記載の発明は、請求項１５の構成において、前記熱移動用ガス導入手段は、前記燃料電池から排出されるオフガスを前記触媒燃焼器に導入利用する構成を備えることを特徴とする。
この構成では、オフガスを触媒燃焼器に導入する。なお、燃料電池のオフガスには、燃料電池のカソード極から排出される空気のカソードオフガス（反応しなかった酸素を含む）とアノード極から排出される改質ガスのアノードオフガス（反応しなかった水素を含む）があるが、ここでのオフガスは、カソードオフガス単体の場合と、カソードオフガスにアノードオフガスを混合した混合オフガスの場合がある。
【００２９】
また、請求項１７に記載の発明は、請求項１５又は請求項１６の構成において、前記オフガスの導入利用による前記触媒燃焼器への燃料増加により前記触媒燃焼器の温度変化値が正方向に増加する場合には、前記制御手段は、前記熱移動用ガス導入手段を介して前記熱移動用ガス量を制限する構成を備えることを特徴とする。
蒸気量の目標値が増加すると触媒燃焼器に導入される熱移動用ガス量が増加される。すると触媒燃焼器の温度が下がる。一方で、原燃料蒸気量の増加、改質ガス量の増加、オフガスの増加が生じ、触媒燃焼器への燃料増加がなされる。こうなると触媒燃焼が盛んに起こるようになり、触媒燃焼器の温度（温度変化値）が増加に転じる。ここで、触媒燃焼器の温度変化値（℃／時間2）が増加に転じると、蒸発器への熱の供給が熱移動用ガス量の増加によらずとも行えるようになる。従って、熱移動用ガス量の制限する。なお、「制限」には、量を少なくすること、量をゼロにすることが含まれる。また、後記する発明の実施の形態での触媒燃焼器の温度変化値は、℃／秒2の単位で表現する。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の原燃料蒸発装置、原燃料蒸発方法及び原燃料蒸発装置を備えた燃料電池システムの実施の形態を詳細に説明する。
【００３１】
≪第１実施形態≫
まず、第１実施形態の原燃料蒸発装置（原燃料蒸発方法）を説明する。
図１は、第１実施形態の原燃料蒸発装置のブロック構成図である。図２は触媒燃焼器と蒸発器を一体にした原燃料蒸発装置（本体）の側断面図である。
【００３２】
図１に示すように、本実施形態の原燃料蒸発装置１は、触媒燃焼用の燃料と空気とが導入されて触媒燃焼する触媒燃焼器１１が発生する高温ガスを、液体状の原燃料が導入される蒸発器１２に導いて原燃料を蒸発する。蒸発された原燃料はそのまま、あるいはある処理を施された後、図示しない原燃料利用機器に供給される。
【００３３】
ここで、触媒燃焼用の燃料（以下「燃料」という）は、図示しない燃料供給装置（燃料導入手段）から触媒燃焼器１１に供給される。また、触媒燃焼用の空気（以下「空気」という）は、図示しない空気供給装置（空気導入手段）から触媒燃焼器１１に供給される。また、熱移動用ガス（空気）は、図示しない熱移動用ガス供給装置（熱移動用ガス導入手段）から調整弁Ｖ１を介して触媒燃焼器１１に供給される。また、原燃料は、図示しない原燃料供給装置（原燃料導入手段）からインジェクタ１２ｂを介して蒸発器１２に供給される。
【００３４】
このうち、触媒燃焼器１１に導入される燃料及び空気は、蒸発器１２への原燃料の導入に対して遅れが生じる（請求項１４における「燃料の増加導入の遅れが生じる」に該当）。つまり、要求原燃料蒸気量が増えた場合、蒸発器１２で原燃料を蒸発するための熱量が不足する。第１実施形態では、触媒燃焼器１１に熱移動用ガスを導入することで高温ガスの量を増やし、蒸発器１２における熱量不足を補って、要求原燃料蒸気量に対して応答性よく原燃料蒸気を生成する。
【００３５】
図１及び図２を参照して第１実施形態の原燃料蒸発装置１を説明する。
図２に示すように、原燃料蒸発装置１は、その下部に触媒燃焼器１１が配されその上部に蒸発器１２が配されている。
【００３６】
図２に示すように、触媒燃焼器１１は箱型をしており、その内部に対炎タフネス性のあるハニカム担持体に触媒を担持させたハニカム触媒層（モノリス型触媒層）１１ａを有し、被燃焼体である燃料（例えば水素）と空気の混合ガスが供給され触媒燃焼して高温ガスを生成する。なお、ハニカムには、断面六角形状はもちろん、断面三角・四角・多角形、断面丸・楕円、断面波型など、種々の形状を含むものとする。
また、触媒燃焼器１１は、高温ガス通路１１ｂを有し、触媒燃焼器１１で生成した高温ガスを１８０度折り返して蒸発器１２に導入するようになっている。
【００３７】
図２に示すように、蒸発器１２は、その内側にＵ字型の熱媒チューブ１２ａを多数備える箱型をしている。触媒燃焼器１１からの高温ガスは、熱媒チューブ１２ａに下部開口部から入り、上部開口部から抜け出すようになっている。この間、高温ガスは蒸発器１２に熱を与える。また、蒸発器１２は、液体状の原燃料を蒸発器１２の内部（熱媒チューブ１２ａ）に噴射するインジェクタ１２ｂを備える。このインジェクタ１２ｂは、制御手段ＣＵからのＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号などのインジェクタ駆動信号により駆動し、図示しない原燃料供給装置から供給される原燃料の量を調整して蒸発器１２の内部に導入する機能を有する。蒸発器１２により蒸発された原燃料の蒸気は、蒸発器１２の側面に設けられた図示しない蒸気出口から、後段の図示しない原燃料利用機器（例えば、メタノールを改質して燃料とする燃料電池システム）に導かれる。
ちなみに、蒸発器１２の下面は、触媒燃焼器１１の上面に接している。これは、蒸発器１２がその下面にて触媒燃焼器１１から伝導により熱を供給されることで、原燃料の液溜まりを生じないようにするためである。
【００３８】
図２に示す制御手段ＣＵは、原燃料蒸発装置１としての原燃料蒸気量の目標値である要求原燃料蒸気量を入力されるようになっている。また、流量計Ｆから原燃料蒸気の流量（実原燃料蒸気量）を入力されるようになっている。また、温度計Ｔにより触媒燃焼器内部の温度（触媒温度）が入力されるようになっている。そして、制御手段ＣＵは所定の制御に基づいた処理を施し、熱移動用ガスの触媒燃焼器１１への導入量を調整する調整弁Ｖ１に弁開度信号を送信する。また、原燃料の蒸発器１２への導入量を調整するインジェクタ１２ｂにインジェクタ駆動信号を送信する。
【００３９】
なお、触媒燃焼器１１への燃料と空気は、原燃料蒸発装置１の出力変動時、蒸発器１２への原燃料の導入量の増加に対して所定の遅れをもって導入量が増加するようになっている（自ずと増加するようになっている）。この所定の遅れは、請求項１４の「燃料の増加導入に遅れが生じる」の「遅れ」に該当するものであり、原燃料利用機器のシステムボリュームなどに起因して生じる。
【００４０】
制御手段ＣＵの制御を、図３から図６のフローチャートを参照して説明する。併せて、原燃料蒸発装置１の動作を説明する（適宜図１及び図２参照）。
図３は、原燃料の導入制御及び熱移動用ガスの導入制御を行うフローチャートである（メインルーチン）。図４は、通常時の原燃料の導入制御を行うフローチャートである（原燃料通常導入ルーチン）。図５は、熱移動用ガスの導入制御を行うフローチャートである（熱移動用ガス導入ルーチン）。図６は、原燃料の増加導入制御を行うフローチャートである（原燃料増加導入ルーチン）。
【００４１】
〔メインルーチン〕
まず、図３のフローチャート（メインルーチン）を参照して、制御手段ＣＵの触媒燃焼器１１への熱移動用ガスの導入制御及び蒸発器１２への原燃料の導入制御を説明する。
なお、この図３のメインルーチンは、例えば２０ミリ秒のインターバルで繰り返して実行される。
【００４２】
運転時、制御手段ＣＵは、要求原燃料蒸気量（蒸気量の目標値）の読込みを実行する（Ｓ１１）。要求原燃料蒸気量は、制御手段ＣＵとは別のコンピュータが演算している。この読み込んだ要求原燃料蒸気量と前回読み込んだ要求原燃料蒸気量の差から出力増加量を演算すると共に、出力増加量が所定量以上か否かを判断する（Ｓ１２，Ｓ１３）。この判断において、出力増加量が所定量以上でない場合（No）は、原燃料通常導入ルーチンを実行する（Ｓ１４）。換言すると、ステップＳ１８の熱移動用ガス導入ルーチン及びステップＳ１９の原燃料増加導入ルーチンをスキップする。出力増加量が少ないので、熱移動用ガスを触媒燃焼器１１に導入しなくとも原燃料を蒸発することができるからである。また、出力増加量が少ない状況では、原燃料の増加導入（請求項１０参照）を行う必要がなく、通常どおりの原燃料の増加（減少）を行えばよいからである。
そして、処理終了か否かを判断し（Ｓ１５）、Ｙｅｓであれば処理を終了する（End）。Ｎｏであれば、ステップＳ１１に戻り処理を継続する。処理を終了する場合は、例えば原燃料蒸発装置１の運転を停止する場合などである。
なお、原燃料通常導入ルーチンは図４を、熱移動用ガス導入ルーチンは図５を、原燃料増加導入ルーチンは図６を、それぞれ参照して後で説明する。
【００４３】
一方、ステップＳ１３で出力増加量が所定量以上であれば（Yes）、触媒温度の読込みを実行すると共に、「触媒温度＞下限温度」か否かを判断する（Ｓ１６，Ｓ１７）。ステップＳ１７において触媒温度（媒燃焼器１１の温度）が下限温度を超えない場合（No）は、熱移動用ガスを触媒燃焼器１１に導入すると触媒燃焼が失火となる恐れがある。このため、ステップＳ１４に移行し、ステップＳ１８及びステップＳ１９をスキップする。ちなみに、ステップＳ１３における「出力増加量が所定量以上（Yes）」は、請求項２の「増加させる蒸気量が所定量以上である場合」に該当する。
【００４４】
逆に、ステップＳ１７で触媒温度が下限温度を超える場合（Yes）は、熱移動用ガス導入ルーチンを実行すると共に、原燃料増加導入ルーチンを実行する（Ｓ１８，Ｓ１９）。熱移動用ガス導入ルーチンを実行するのは、触媒燃焼器１１が保有する熱を高温ガスとして蒸発器１２に導き、蒸発器１２における原燃料の蒸発能力を高めるためである。また、原燃料増加導入ルーチンを実行するのは、要求原燃料蒸気量と実燃料蒸気量の乖離を少なくするためである。
【００４５】
ステップＳ１８及びステップＳ１９を実行した後、触媒温度の読込みを再び実行する（Ｓ２０）。そして、今回読み込んだ触媒温度と前回までに読み込んだ触媒温度から触媒温度変化値（℃／秒2）が上昇しているか否かを判断する（Ｓ２１）。触媒温度変化値が上昇していない場合（No）は、触媒燃焼器１１に燃料が増量されていないか、増量が充分に行われていないと考えられる。このため、処理を継続して行うべく、流量計Ｆからの実原燃料蒸気量の読込みを実行すると共に、「実原燃料蒸気量≧要求原燃料蒸気量」か否かを判断する（Ｓ２２，Ｓ２３）。ステップＳ２３において、要求原燃料蒸気量が実原燃料蒸気量に満たない場合（No）は、ステップＳ１７に移行し、処理を続行する。なお、ステップＳ２３における要求原燃料蒸気量は、後記するようにステップＳ１９の原燃料増加導入ルーチンのものを利用する。
【００４６】
一方、ステップＳ２１において触媒温度変化値が上昇している場合（Yes）、及びステップＳ２３において実原燃料蒸気量が要求原燃料蒸気量以上になっている場合は、熱移動用ガスの導入を停止する（Ｓ２４、弁開度ゼロを設定）。すると、調整弁Ｖ１を閉じるための弁開度信号が生成され、調整弁Ｖ１に送信される（Ｓ２５）。これにより、熱移動用ガスの導入は停止される。そして、ステップＳ１５に移行する。
【００４７】
なお、ステップＳ２１の判断において、触媒温度変化値が上昇している場合（Yes）に熱移動用ガスの導入を停止するのは、次の理由による。即ち、熱移動用ガスの導入を行っている状況で触媒温度変化値が上昇するのは、触媒燃焼器１１への燃料の増加導入が行われていると考えられること。そして、熱移動用ガスの導入は、触媒燃焼器１１への燃料の増加が遅れることによる不都合を解消するためであり、燃料の増加が行われた状況では、もはや触媒燃焼器１１への熱移動用ガスの導入は不要であること。このため、熱移動用ガスの導入を停止する。
【００４８】
〔原燃料通常導入ルーチン〕
図４のフローチャート（原燃料通常導入ルーチン）を参照して、制御手段ＣＵの通常時における蒸発器１２への原燃料の導入制御を説明する（適宜図１など参照）。
なお、この図４の原燃料通常導入ルーチンは、図３のメインルーチンにおけるステップＳ１４の処理を行うサブルーチンである。
【００４９】
運転時、制御手段ＣＵは、要求原燃料蒸気量（蒸気量の目標値）の読込みを実行する（Ｓ１４１）。要求原燃料蒸気量は、前記したとおり制御手段ＣＵとは別のコンピュータが演算している。次に、要求原燃料蒸気量を満たす原燃料導入量を設定する（Ｓ１４２）。原燃料導入量の設定に際しては、要求原燃料蒸気量に所定のゲインを乗じるか、あるいは図４のように要求原燃料蒸気量と原燃料導入量が関連付けられたマップを検索する。原燃料導入量を設定すると、この原燃料導入量に基づいてインジェクタ１２ｂを駆動するインジェクタ駆動信号を生成し、これをインジェクタ１２ｂに送信する（Ｓ１４３）。これにより、蒸発器１２には、要求原燃料蒸気量を満たすように原燃料が導入（噴射）される。この蒸発器１２への原燃料の導入は、触媒燃焼器１１への燃料の導入と異なり、要求原燃料蒸気量の読み込みに対して遅れなく行われる。
【００５０】
〔熱移動用ガス導入ルーチン〕
図５のフローチャート（熱移動用ガス導入ルーチン）を参照して、制御手段ＣＵの触媒燃焼器１１への熱移動用ガスの導入制御を説明する（適宜図１など参照）。
なお、この図５の熱移動用ガス導入ルーチンは、図３のメインルーチンにおけるステップＳ１８の処理を行うサブルーチンである。
【００５１】
図３のステップＳ１７において、制御手段ＣＵは、「触媒温度＞下限温度」の場合（Yes）は、図５における要求原燃料蒸気量の読込み及び実原燃料蒸気量の読込みを実行する（Ｓ１８１，Ｓ１８２）と共に、偏差を演算する（Ｓ１８３）。偏差は、「要求原燃料蒸気量−実原燃料蒸気量」で定義される。次に、弁開度マップを検索して偏差に対応する弁開度を設定する（Ｓ１８４）。この弁開度は、偏差が大きいほど弁開度が大きくなるように設定される。これは、偏差が大きいほど蒸発すべき原燃料量が多くなるので、熱移動用ガスの導入量も多くする必要があるからである。
【００５２】
そして、設定した弁開度に基づいて弁開度信号を生成すると共に調整弁Ｖ１に送信する（Ｓ１８５）。これにより、図３のステップＳ１７において、触媒温度が下限温度を超える場合（Yes）には、ステップＳ１８により熱移動用ガスが触媒燃焼器１１に供給されるようになる。ちなみに、触媒燃焼器１１に熱移動用ガスが導入されると、触媒燃焼器１１が保有している熱が熱移動用ガスを導入した分だけ増加した高温ガスとして蒸発器１２に導かれる。従って、蒸発器１２への原燃料の導入量の増加に対して触媒燃焼器１１への燃料の導入量の増加が遅れても、蒸発器１２に導入される高温ガスの量（熱量）を確保することができる。なお、ここでの熱移動用ガスは、触媒燃焼を盛んにするために触媒燃焼器１１に導入されるガス（空気）ではなく、触媒燃焼器１１が保有している熱を蒸発器１２に導くことを主眼とした触媒燃焼器１１に導入されるガスである。
【００５３】
この図５に示したＳ１８１からＳ１８５の処理を行うと、図３に示すステップＳ１９に移行する（Return）。この一連の処理により、原燃料の蒸発負荷の増加（原燃料導入量の増加）の際に触媒燃焼器１１に導入する触媒燃焼用の燃料の増加に遅れが生じても、触媒燃焼器１１から蒸発器１２に導く高温ガスの量を増すことができる。従って、原燃料の蒸発を円滑に行うことができる。換言すると、熱移動用ガスを触媒燃焼器１１に導入することで、触媒燃焼器１１が保有する熱量を強制的に高温ガスに変換して蒸発器１２に導くことができる。従って、触媒燃焼器１１に対する燃料の増加導入の遅れがあっても、蒸発器１２に原燃料蒸発用の熱を確実に導くことができる。よって、応答性よく原燃料を蒸発することができる。
ところで、熱移動用ガスを導入することで低下した触媒燃焼器１１の温度（保有熱量）は、その後の通常運転時や出力低減時になどに回復される。
【００５４】
〔原燃料増加導入ルーチン〕
次に、図６のフローチャート（原燃料増加導入ルーチン）を参照して、制御手段ＣＵの原燃料の増加導入制御を説明する（適宜図１など参照）。
なお、この図６の原燃料増加導入ルーチンは、図３のメインルーチンにおけるステップＳ１９の処理を行うサブルーチンである。
【００５５】
図３のステップＳ１７において、「触媒温度＞下限温度」の場合（Yes）は、ステップＳ１８の後、図６の要求原燃料蒸気量の読込みを実行する（Ｓ１９１）。そして、導入量マップを検索して要求原燃料蒸気量に対応する原燃料導入量を設定する（Ｓ１９２）。この導入量マップは、図４の導入量マップと同じマップであり、要求原燃料蒸気量が多いほど原燃料導入量も多くなるように設定してある。
【００５６】
次に、ステップＳ１９３において、ステップＳ１９２で設定した原燃料導入量に増加係数ｋを乗算して原燃料導入量の増加調整を行う。増加係数ｋの値は、例えば１．１に固定されている。ちなみに、増加係数ｋが１．１の場合、原燃料は１０％増しで蒸発器１２に導入されることになる。
そして、この増加調整した原燃料導入量に基づいてインジェクタ駆動信号を生成すると共に、インジェクタ１２ｂに送信する（Ｓ１９４）。これにより、出力増加量が所定量以上の場合（図３のＳ１３参照）は、蒸気量の目標値である要求原燃料蒸気量から求まる必要量以上に原燃料が増加調整（請求項１０参照）され、蒸発器１２に原燃料が導入される。
【００５７】
なお、図３に示すように、熱移動用ガス導入ルーチン（Ｓ１８）と原燃料増加導入ルーチン（Ｓ１９）はセットで実行される。これは、熱移動用ガスの導入と原燃料の増加導入を協調して行うことにより、蒸発器１２の内部に原燃料の液溜まりが生じるのを防止し、原燃料蒸発における応答性（レスポンス）を良好なものとするためである。
【００５８】
この図３から図６に示すフローチャートのように制御することで、図７（ａ）に示すように、要求原燃料蒸気量を高度に満足する原燃料蒸気量（実原燃料蒸気量）を確保することができる。
なお、図７は（ａ）が原燃料増加調整処理の効果を模式的に説明する図であり、横軸に時間、縦軸に原燃料蒸気量が取ってある。また、図７（ａ）の破線は要求原燃料蒸気量、実線は実原燃料蒸気量（太線が原燃料増加調整処理あり、細線が同処理なし）である。
【００５９】
つまり、図３から図６のフローチャートのようにして原燃料増加調整処理を行うと、目標値に対する追従性がよく、目標値である要求原燃料蒸気量に対してかなり忠実に原燃料蒸気を生成することができる。
ちなみに、図７（ａ）に一点鎖線で示す従来例では、蒸発器１２への高温ガスの導入量が不足するので、原燃料蒸気量が要求原燃料蒸気量に対して大幅に不足する。つまり、本発明は、熱移動用ガスを導入するという簡単な構成により極めて優れた効果を奏するものである。
【００６０】
なお、図７（ｂ）は、蒸発器への供給熱量に対する熱移動用ガス分の熱量（触媒燃焼器１１の保有熱量の熱持ち出し分）と触媒燃焼分の熱量の関係を模式的に説明する図である。この図から、熱移動用ガス分の熱量が出力増加初期の原燃料蒸発に大きく貢献していることがわかる。
【００６１】
ちなみに、本発明者らは、触媒燃焼器１１に対する燃料増加の遅れを通常よりも大きくした場合の影響を、熱移動用ガスの導入タイミングを同じにして試験した。この結果を図７（ｃ）に示す。この図からわかるように、熱移動用ガスを同じタイミングで導入した場合、触媒燃焼器１１に対する燃料増加の遅れを通常より大きくしても（破線参照）、蒸発器１２で生成される原燃料蒸気量（細い実線参照）に違いはない。つまり、触媒燃焼器１１への熱移動用ガスを導入することで、燃料増加の遅れによる不利益を幅広く補うことができるのがわかる。
【００６２】
なお、図３から図６に示すような制御を行った場合において、実原燃料蒸気量が要求原燃料蒸気量に達した後に要求原燃料蒸気量を維持する際、次のように制御してもよい。即ち、ステップＳ２５の後、制御手段ＣＵが、インジェクタ１２ｂに対して要求原燃料蒸気量から求まる必要量以下になるように、蒸発器１２に導入する原燃料量を低減調整する（請求項１１参照）。このようにすることで、原燃料増加調整処理により蒸発器１２の内部に液溜まりが生じていた場合、その後に徐々に該液溜まりが蒸気化して発生する原燃料蒸気量のオーバシュートを未然に防止することができる。低減調整は、例えばタイマにより計測される所定時間、図４のステップＳ１４２の導入量マップにより求まる原燃料導入量に低減係数を乗じることにより行うことができる。
【００６３】
また、図６に示すような原燃料増加調整処理（原燃料の増加導入制御）を行う、行わないにかかわらず、実原燃料蒸気量が要求原燃料蒸気量に達した後、流量計Ｆからの信号に基づいて蒸発器１２に導入する原燃料の量を調整するようにしてもよい（請求項１２参照）。この調整は、制御手段ＣＵが流量計Ｆからの信号を入力し、フィードバック制御などによりインジェクタ１２ｂに対して蒸発器１２に導入する原燃料量の調整を指示することにより行うことができる。
【００６４】
また、図３では、熱移動用ガスの導入停止を触媒温度変化値（℃／秒2）により判定したが、予め導入すべき熱移動用ガスの量を求め、その量に達するまで熱移動用ガスを導入するようにしてもよい。熱移動用ガスの量は、要求原燃料蒸気量から要求熱量を求め、該要求熱量と触媒燃焼器１１の燃焼熱量とから移動すべき熱量を求め、そして、移動すべき熱量から演算することができる（請求項３、図７（ｂ）参照）。また、時間を決めて熱移動用ガスの導入を行うようにしてもよい。
【００６５】
また、蒸発器１２に対して空気（改質空気）を供給するような場合は、図２に仮想線で示す改質空気供給ラインを設けると共に、図１に仮想線で示すような空気導入ノズル１２ｃを蒸発器１２に設けるようにしてもよい。また、ガソリン改質の場合などは、蒸発器１２に水のみを供給し、別に蒸発したガソリン蒸気と水蒸気を後で混合するようにしてもよい。
【００６６】
また、触媒燃焼器１１における触媒燃焼は、燃焼温度（触媒温度）により高温ガスの浄化率（浄化状態）が変化する。従って、浄化率を良好にすることを目的とし、触媒燃焼器１１から排出される高温ガスの浄化率（浄化状態）に応じて熱移動用ガスの導入の制限を行う構成としてもよい。
例えば、燃焼温度が低下するといわゆる燃料の吹き抜けなどが起こり、炭化水素を燃料とする場合は、触媒燃焼器から排出される燃焼ガス中のＴＨＣ（Total Hydro Carbon）の値が高くなる。また、水素を燃料とする場合は、ＴＨＣに代えて触媒燃焼器から排出される燃焼ガス中の水素濃度が高くなる。つまり、触媒燃焼の温度が低下すると浄化率も低下する。このような場合には、触媒燃焼器に導入する熱移動用ガスの導入を制限して触媒燃焼の温度を高くし、浄化率を改善することができる。
なお、浄化率を加味した熱移動用ガスの導入制御（温度測定バージョン）は、前記した図３のステップＳ１７における「下限温度」を、浄化率を考慮したものにすることで簡単に実現される。ちなみに、図３のステップＳ１７における「下限温度」は、触媒燃焼の失火防止の観点から定めてある。従って、浄化率を考慮すると「下限温度」を高めの値に設定する。
【００６７】
また、浄化率は、触媒燃焼器の燃焼ガス中の酸素濃度を測定することにより推定することができる。例えば、所定の空燃比（空気と燃料の比率）で燃料を触媒燃焼している場合、触媒燃焼器から排出される燃焼ガス中の酸素濃度が高くなると浄化率が低下する。つまり、燃焼が良好に行われていなので酸素が余ると共に燃料も余り、必然的に浄化率が低下する。
従って、浄化率を加味した制御（酸素濃度測定バージョン）を行う場合は、例えば、図１の触媒燃焼器１１の後段に高温ガス中の酸素濃度を検出する一般的な酸素濃度センサを設け、触媒燃焼器に導入される空気量を加味しつつ高温ガス中の酸素濃度を検出する。そして、検出値が高くなると熱移動用ガスの導入を制限する。この構成は、例えば図３のステップＳ１６を「酸素濃度読込み」、ステップＳ１７を「酸素濃度＞上限濃度」にすることで実現される。
【００６８】
このように、浄化率を加味した熱移動用ガスの導入制御を行うことで、触媒燃焼器１１における燃費及び環境を配慮することができる。
なお、浄化率は、次の式により与えられる。
浄化率（％）＝（Ａ−Ｂ）／Ａ×１００
Ａ；触媒燃焼器１１の入口における燃料の量
Ｂ；触媒燃焼器１１の出口における未燃焼の燃料の量
【００６９】
≪第２実施形態≫
次に、本発明の第２実施形態の原燃料蒸発装置（原燃料蒸発方法）を説明する。
この第２実施形態は、原燃料蒸発装置を備えた燃料電池システムの一実施形態でもある。なお、第１実施形態と共通する部分については、第１実施形態での図面を参照すると共に、同一の符号を付してその説明を省略する。
図８は、第２実施形態の原燃料蒸発装置（燃料電池システム）のブロック構成図である。
【００７０】
図８に示すように、本実施形態の燃料電池システムＦＣＳは、触媒燃焼器１１、蒸発器１２、改質器１３、燃料電池１４、空気圧縮機１５、制御手段ＣＵなどから構成される。この燃料電池システムＦＣＳは、車両に搭載されるものとする。なお、蒸発器１２及び改質器１３は、触媒燃焼器１１に対する燃料導入手段を構成する。また、空気圧縮機１５は、触媒燃焼器１１に対する空気導入手段及び熱移動用ガス導入手段と燃料電池１４に対する空気供給器を構成する。また、燃料電池１４は水素利用設備に該当する。
【００７１】
図８に示す燃料電池システムＦＣＳは、蒸発器１２に原燃料（メタノール＋水）と改質空気が供給され、これを触媒燃焼器１１が発生する熱により原燃料蒸気にする処理、原燃料蒸気を改質器１３で改質して改質ガスにする処理、改質ガスと空気圧縮機１５からの空気を燃料電池１４に供給して発電する処理を実行する。なお、触媒燃焼器１１には、燃料電池１４のオフガス（アノードオフガス＋カソードオフガス）が供給されて熱を発生する。
このように触媒燃焼器１１の燃料として燃料電池１４のオフガスを使用するので、改質器１３や燃料電池１４のシステムボリュームに起因したリードタイムが生じる。具体的には、蒸発器１２への原燃料の増加導入に対して触媒燃焼器１１への燃料ガス（オフガス）の増加導入に遅れが生じる。従って、原燃料蒸気量の増加時に触媒燃焼器１１に導入する燃料の量が不足する（つまり蒸発器１２に導く熱量が不足する）。
【００７２】
以下、各機器を説明する。
触媒燃焼器１１は、第１実施形態のものと同じである。但し、未反応の水素と酸素を有する燃料電池１４のオフガス（アノードオフガスとカソードオフガスを混合したオフガス）を触媒燃焼用の燃料及び空気とする。
【００７３】
蒸発器１２は、図２に破線で示した空気導入ノズル１２ｃを備え、図示しない改質空気供給装置からこの空気導入ノズル１２ｃを介して蒸発器１２に改質空気が供給されるようになっている。この空気導入ノズル１２ｃから蒸発器１２の内部に導入される改質空気は、渦を巻いたスワール流を形成するようになっている。なお、原燃料蒸気は、原燃料と改質空気が混合された組成を有する。
【００７４】
改質器１３は、オートサーマル用の触媒により、メタノール蒸気、水蒸気及び空気が混合された原燃料蒸気から水素リッチな改質ガスを生成する反応器である。この改質器１３には図示しないＣＯ除去器が備えられ、改質ガスからＣＯを除去する。
【００７５】
燃料電池１４は、固体高分子型の燃料電池であり、図示しない単セルを数百枚積層した構造をしている。この燃料電池１４には、アノード極（水素極）に改質ガスが供給されカソード極に空気が供給され、改質ガス中の水素と空気中の酸素を電気化学的に反応して発電する。発電した電力は、図示しない走行モータ、空気圧縮機１５、カーエアコンなどの負荷に供給される。
【００７６】
空気圧縮機１５は、図示しないモータを動力とするスーパチャージャである。空気圧縮機１５が圧縮した空気は、燃料電池１４のカソード極に供給されると共に、調整弁Ｖ１を介して触媒燃焼器１１に熱移動用ガスとして供給（導入）されるようになっている。
【００７７】
制御手段ＣＵは、第１実施形態と同様に、インジェクタ１２ｂを介しての原燃料導入制御、調整弁Ｖ１を介しての熱移動用ガス導入制御などを行う。第２実施形態では、更に、燃料電池１４（カソード極）に対する空気供給制御を、空気圧縮機１５を介して行う。
【００７８】
〔空気供給ルーチン〕
図９のフローチャートを参照して、燃料電池１４に対する空気供給ルーチンを説明する（適宜図８など参照）。
図９は、燃料電池に対する空気供給ルーチンを示すフローチャートである。
なお、この図９の空気供給ルーチンは、例えば２０ミリ秒のインターバルで繰り返して実行される。
【００７９】
まず、制御手段ＣＵが燃料電池１４に対する要求出力を入力する（Ｓ５１）。要求出力は、制御手段ＣＵ以外のコンピュータがアクセル開度信号などに基づいて、走行モータに供給すべき電力の設定や補機に供給すべき電力の設定などを行うことにより求める。要求出力が入力されると空気量供給マップから要求出力に対応した空気供給量を設定する（Ｓ５２）。本実施形態では、空気圧縮機１５が熱移動用ガスの供給装置を兼ねる（請求項８及び請求項１５参照）。このため、熱移動用ガスが触媒燃焼器１１に導入されると燃料電池１４に供給される空気量が不足する。従って、この分の補正を熱移動用ガス分補正としてステップＳ５３で行う。そして、ステップＳ５４で空気供給量に基づいて空気圧縮機駆動信号を生成し、これを空気圧縮機１５に送信する。
【００８０】
これにより空気圧縮機１５は、燃料電池１４のカソード極に、要求出力に応じた適正な量の空気を供給する。なお、空気圧縮機１５が改質空気の供給装置を兼ねる場合は、例えばステップＳ５３でこの補正を行うことができる。
【００８１】
なお、制御手段ＣＵは、第１実施形態に準じた原燃料の導入制御、熱移動用ガスの導入制御、原燃料の増加導入制御を実行する（図３など参照）。但し、蒸発器１２への改質空気の導入量は、原燃料の導入量に比例して設定されるようになっている。また、各制御における要求原燃料蒸気量は、前記した燃料電池１４に対する要求出力から設定される。
【００８２】
〔燃料電池システムの動作〕
次に、前記した燃料電池システムＦＣＳの動作を、この燃料電池システムＦＣＳが燃料電池自動車に用いられた場合を想定し、図１０のタイムチャートを参照して説明する（適宜図８など参照）。
図１０は、（ａ）が要求（出力）値の増減を、（ｂ）が熱移動用ガスの導入量の増減を、（ｃ）が蒸発器への供給熱量の増減を、それぞれ示すタイムチャートである。
【００８３】
まず、ドライバは燃料電池１４の出力（負荷）の小さな低速運転を一定速度で行っている（Ｓ１０１）。この際の原燃料蒸発に必要な熱量は、燃料電池１４のオフガスを触媒燃焼器１１で触媒燃焼することにより賄われている。次に、ドライバがスロットルペダルを急激に踏み込み、その状態を保持する。すると要求出力が急激に上昇すると共に高い値に保持される（Ｓ１０２、Ｓ１０３）。
【００８４】
制御手段ＣＵは、入力した要求出力から要求原燃料蒸気量の演算、要求熱量の演算、要求熱量と触媒燃焼器１１の燃焼熱量とから移動すべき熱量の演算、移動すべき熱量から熱移動用ガス量の演算を行う（この点で図５のフローチャートの手法とは異なる）。そして、この演算した熱移動用ガス量に基づいて触媒燃焼器１１に熱移動用ガスを導入する（Ｓ１０４）。これにより、原燃料蒸発に必要な熱量が、触媒燃焼器１１から蒸発器１２に移動する。同時に、要求原燃料蒸気量を満たすように原燃料が蒸発器１２に増加導入される。この際、蒸発器１２には熱移動用ガスにより熱が供給されているので、触媒燃焼分の熱量が少ない状況でも、増加された原燃料は充分に蒸発される。
【００８５】
原燃料蒸気量が増加すると、改質器１３による改質ガスの量、燃料電池１４によるオフガス（リターンガス）の量が順々に増加する。つまり、触媒燃焼器１１はオフガスを燃料としているので、燃料電池システムＦＣＳのシステムボリューム（及び各工程でのプロセスに要する時間）などに起因した所定の遅れをもって触媒燃焼により生成する熱量が増加し、高温ガスとして蒸発器１１に供給開始される（Ｓ１０５）。ところで、触媒燃焼による熱量が増加すると、図１０（ｃ）に示す必要な熱量がオーバシュートする恐れがある。このため、熱移動用ガスの導入量が制御手段ＣＵにより低減されだす（Ｓ１０５）。そして、充分なオフガスが触媒燃焼器１１に導入されるようになると、触媒燃焼器１１への熱移動用ガスの導入が停止される（Ｓ１０６）。後は、オフガスを燃料とする触媒燃焼で発生する熱を蒸発器１２に導くことで、蒸発器１２に導入される原燃料を蒸発する。
【００８６】
なお、図１０（ｂ）のステップＳ１０５からステップＳ１０６にかけて熱移動用ガスの導入量を漸減処理し、図１０（ｃ）における必要な熱量がオーバシュートしないようにしているが、この処理は次のようにして行うことができる。
例えば、（１）触媒燃焼器１１の触媒温度変化値を温度計Ｔで測定すると共に、触媒燃焼器１１に導入される燃料ガス（燃料電池１４のオフガス）の流量を図示しない流量計で測定する。そして、触媒温度変化値の上昇点をステップＳ１０５として、オフガスの増加量に相当する分だけ熱移動用ガスの導入量を減らして行く。
また、（２）触媒燃焼器１１の触媒温度変化値を温度計Ｔで測定すると共に、図１０（ａ）のステップＳ１０２からステップＳ１０３における要求出力の増加勾配を制御手段ＣＵのメモリに記憶しておく。そして、触媒温度変化値の上昇点をステップＳ１０５として、要求出力の増加勾配に応じて、該勾配が大きければ漸減処理の時間が短くなり、該勾配が小さければ漸減処理の時間が長くなるように熱移動用ガスの導入量を減らして行く。この場合は、漸減時間が０秒にならないようにしておくことが好ましい。オフガスの増加は、図１０（ａ）のステップＳ１０２からステップＳ１０３における要求出力の増加のように瞬時に達成されることがないからである。
【００８７】
このように原燃料蒸発装置１を燃料電池システムＦＣＳに適用すると、蒸発器１２への原燃料の増加導入に対して触媒燃焼器１１への燃料（オフガス）の増加導入に遅れが生じても、熱移動用ガスの導入により、増加導入された原燃料を応答性よく蒸発することができる。ちなみに、熱移動用ガスの導入により触媒燃焼器１１から持ち出された熱量は、定常運転時や出力低下時に補われる。
【００８８】
なお、本発明者らは、最高出力６０ｋｗの燃料電池１４を備えた燃料電池システムＦＣＳで、出力をそれぞれ（ａ）１０ｋｗから４０ｋｗに増加する試験、（ｂ）１０ｋｗから５０ｋｗに増加する試験、（ｃ）１０ｋｗから６０ｋｗに増加する試験をそれぞれ実施例として行った。また、熱移動用ガスの導入を行わないこと以外同じ条件で比較例の試験を行った。その結果、実施例は、いずれの場合も、数秒で出力増加に対応した量の原燃料蒸気を生成することができた。一方、熱移動用ガスの導入を行わない比較例は、実施例に比較して３倍から５倍の時間を要した。また、（ｃ）の場合は、従来例では最高出力に対応した量の原燃料蒸気を生成することができなかった。このことより、本実施例では出力応答性の顕著な向上と出力自体の顕著な向上を達成することができるのがわかった。即ち、本発明の顕著な効果が実証された。
【００８９】
なお、この燃料電池システムＦＣＳ（原燃料蒸発装置１）には、図１１に示すようにオフガス予熱器１６を備えてもよい。この図のオフガス予熱器１６には、蒸発器１２で原燃料を蒸発した後の触媒燃焼ガス（高温ガス）が導入され、オフガスと熱交換を行いオフガスを予熱する。このようにすることで、排出される熱の有効利用が行われる。また、熱移動用ガス導入後の触媒燃焼器１１の温度上昇を補助することができる。
【００９０】
また、この第２実施形態で説明した燃料電池システムＦＣＳでは、空気圧縮機１５が圧縮した空気の一部を熱移動用ガスとして、図８に示す熱移動用ガスラインにより燃料電池１４をバイパスして触媒燃焼器１１に導入するようにした。同時に、燃料電池１４のオフガスを燃料として触媒燃焼器１１に導入するようにした。このような構成の代わりに（あるいは加えて）、燃料電池１４のカソードオフガスを熱移動用ガスとして使用するようにしてもよい（請求項１７参照）。
また、従来技術のところで説明した技術を適宜併用することができる。
【００９１】
また、前記した実施形態では、実原燃料蒸気量を蒸発器１２の後段に設けた流量計Ｆで測定するようにしたが、予め原燃料噴射量と原燃料蒸気量のマップを作成し、このマップを用いて原燃料噴射側（液体側）での流量測定やインジェクタ１２ｂにおける噴射命令により推定するようにしてもよい。
このように、本発明は第１実施形態や第２実施形態に限定されることなく、幅広く変形実施することができる。
【００９２】
【発明の効果】
以上説明した本発明のうち請求項１に記載の発明によれば、原燃料の蒸発を応答性よく行うことができる。また、請求項２に記載の発明によれば、安定した制御を行うことができる。また、請求項３に記載の発明によれば、熱移動用ガスの導入量を適切に決定することができる。また、請求項４及び請求項５に記載の発明によれば、触媒燃焼を安定して継続することができる。
また、請求項６に記載の発明によれば、燃焼ガスの浄化状態を考慮した原燃料蒸発装置の運転を行うことができる。また、請求項７に記載の発明によれば、触媒燃焼を安定して継続することができると共に、熱を熱移動用ガスに与えやすい。また、取り扱いが容易である。また、請求項８に記載の発明によれば、機器を共通化してコンパクト化することができる。また、請求項９に記載の発明によれば、触媒温度を計測することにより熱移動用ガスの導入量や導入停止のタイミングなどを適切に決定することができる。また、請求項１０に記載の発明によれば、液溜まりの防止などを図りつつ、より応答性よく原燃料の蒸発を行うことができる。また、請求項１１に記載の発明によれば、実原燃料蒸気量が目標値に達した後の蒸気量のオーバシュートを防止することができる。また、請求項１２に記載の発明によれば、実原燃料蒸気量が目標値に達した後の制御を確実に行うことができる。
【００９３】
また、請求項１３及び請求項１４に記載の発明によれば、応答性よく原燃料蒸気を生成することができる。
【００９４】
また、請求項１５に記載の発明によれば、燃料電池システムにおける原燃料蒸発の応答性を良くすることができる。また、機器をコンパクトにすることができる。また、請求項１６に記載の発明によれば、オフガスを熱移動用ガスとして使用することができる。また、請求項１７に記載の発明によれば、触媒温度を計測することにより熱移動用ガスの導入量や導入停止のタイミングなどを適切に決定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】    本発明にかかる第１実施形態の原燃料蒸発装置のブロック構成図である。
【図２】    触媒燃焼器と蒸発器を一体にした原燃料蒸発装置（本体）の側断面図である。
【図３】    原燃料の導入制御及び熱移動用ガスの導入制御を行うフローチャートである（メインルーチン）。
【図４】    原燃料の導入制御を行うフローチャートである。
【図５】    熱移動用ガスの導入制御を行うフローチャートである。
【図６】    原燃料の増加導入制御を行うフローチャートである。
【図７】    （ａ）は熱移動用ガスの原燃料増加調整処理の効果を模式的に説明する図であり、（ｂ）は蒸発器への供給熱量に対する熱移動用ガス分（触媒燃焼器の熱量持ち出し分）の熱量と触媒燃焼分の熱量の関係を模式的に説明する図であり、（ｃ）は燃料増加の遅れと熱移動用ガス導入の関係を示す図である。
【図８】    本発明の第２実施形態の原燃料蒸発装置（燃料電池システム）のブロック構成図である。
【図９】    燃料電池に対する空気供給ルーチンを示すフローチャートである。
【図１０】    第２実施形態の原燃料蒸発装置における、（ａ）が要求（出力）値の増減を、（ｂ）が熱移動用ガスの導入量の増減を、（ｃ）が蒸発器への供給熱量の増減を、それぞれ示すタイムチャートである。
【図１１】  燃料電池システムの変形例を示す図である。
【図１２】  従来例の原燃料蒸発装置のブロック構成図である。
【図１３】  従来例の原燃料蒸発装置のブロック構成図である。
【符号の説明】
１    …  原燃料蒸発装置
１１  …  触媒燃焼器
１２  …  蒸発器
１３  …  改質器
１４  …  燃料電池（水素利用機器、燃料導入手段）
１５  …  空気圧縮機（空気導入手段、空気供給器、熱移動用ガス導入手段）
ＦＣＳ…  燃料電池システム
ＣＵ  …  制御手段
【図１】
0003693291.tif 000002
【図２】
0003693291.tif 000003
【図３】
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【図４】
0003693291.tif 000005
【図５】
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【図６】
0003693291.tif 000007
【図７】
0003693291.tif 000008
【図８】
0003693291.tif 000009
【図９】
0003693291.tif 000010
【図１０】
0003693291.tif 000011
【図１１】
0003693291.tif 000012
【図１２】
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【図１３】
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