(57)【要約】【課題】水の液垂れを防止し、一酸化炭素の発生を低減し、短時間起動を可能にする。【解決手段】燃焼用燃料を含む第１原料を燃焼室に供給し、燃焼用燃料を燃焼させるた排ガスの熱と熱交換する熱交換部を介して第２原料を供給する蒸発器、および蒸発器で蒸発された原料ガスを燃料ガスに改質する改質器と改質器で改質された燃料ガスを使用して発電する燃料電池の少なくともいずれか一方から排出される水素ガスを燃焼させた燃焼ガスによって蒸発器の排気ガス管路または熱交換部を加熱する燃焼ガス通路が設けられ、起動時に蒸発器から排出される原料ガス温度が改質適温になるまで燃焼ガスを燃焼ガス通路に供給する。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼用燃料を含む第１原料を供給する第１原料供給手段と、該第１原料供給手段より供給された前記燃焼用燃料を燃焼させる燃焼室と、該燃焼室に連結され前記燃焼用燃料の燃焼排ガスが通過する排ガス管路と、該排ガス管路中の排ガスの熱と熱交換する熱交換部を介して第２原料を供給する第２原料供給手段が設けられていることを特徴とする蒸発器。
【請求項２】
前記燃焼室には、前記燃焼用燃料の燃焼火炎の流れに略平行の側壁と、前記第１原料供給手段側と対向する側に仕切り部材とが設けられ、前記排ガス管路が前記側壁の外周に設けられていることを特徴とする請求項１記載の蒸発器。
【請求項３】
前記排ガス管路が、前記側壁の外周に沿って設けられ前記仕切り部材側で前記燃焼室に連結された入口部を有し前記第１原料供給手段側に出口部を有する第１排ガス管路と、該第１排ガス管路の出口部に連結され前記燃焼室と反対側の前記第１排ガス管路の外周に設けられた第２排ガス管路から構成されていることを特徴とする請求項２記載の蒸発器。
【請求項４】
前記仕切り部材側で前記燃焼室に隣接し前記排ガス管路に連結された蒸気混合室が設けられ、前記仕切り部材に前記燃焼室と前記蒸気混合室を連通する小穴部が設けられていることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の蒸発器。
【請求項５】
前記熱交換部が、前記側壁に略平行に設けられた多数の伝熱管から構成され、該各伝熱管の温度が所定温度になるように前記各伝熱管に供給する前記第２原料の供給流量を分配する第２原料流量分配手段が設けられていることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の蒸発器。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載の蒸発器と、該蒸発器で蒸発された原料ガスを燃料ガスに改質する改質器と、該改質器で改質された燃料ガスを使用して発電する燃料電池と、前記改質器、前記燃料電池の少なくとも一方から排出された水素ガスを燃焼する燃焼器とが設けられ、該燃焼器の燃焼ガスによって前記蒸発器の排気ガス管路または熱交換部が加熱されるように燃焼ガス通路が設けられていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項７】
請求項６に記載の燃料電池システムを用い、起動時において、蒸発器で蒸発された原料ガスの温度が改質に適する温度になるまで燃焼器の燃焼ガスを燃焼ガス通路に流すように制御することを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は蒸発器、燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、水素と酸素を使用して電気分解の逆反応で発電する燃料電池を使用した自動車が、水以外の排出物がなくクリーンな自動車として注目されている。しかし、水素を自動車に搭載するためには水素ボンベまたは水素貯蔵合金装置が必要で、これらは容積的にも重量的にも大きく自動車などの車載用としては適していない。
【０００３】
そのためプロパン、天然ガス、ガソリン等の炭化水素系燃料やメタノール等のアルコール系燃料を燃料にした燃料電池を使用した自動車が最も将来性のあるクリーンな自動車であると見られている。この燃料電池は、二酸化炭素以外の排出物が少なく、二酸化炭素の排出量も、発電所で電気を製造するときに排出される二酸化炭素を考慮に入れると電気自動車と同程度であり、地球温暖化対策にもなっている。
【０００４】
この燃料電池は、蒸発器で燃料と水を蒸発させて、触媒（例えば、Ｃｕ−Ｚｎ触媒等）により水素を主成分とするガスに改質した改質ガスを利用して発電する。この燃料電池の効率化のためには、燃料と水を効率的に蒸発させることは重要である。特に自動車などの車載用の用途では、蒸発器はできる限り小型・軽量にし且つ大量の燃料を蒸発させる必要がある。また、蒸発器により蒸発させる燃料と水が燃料電池の燃料であるので、燃料電池の始動時間を短くするためには、蒸発器の始動時間を短くすることが極めて重要である。特に自動車などの場合は始動時間を短くすることが必須であるので、蒸発器の始動時間を短くすることが極めて重要である。
従来技術として、特開２０００−１９１３４号公報には、燃料と水を噴霧して燃料に着火し、燃料の一部を燃焼させて、その燃焼熱で直接蒸発させる方式の蒸発器が開示されている。この方式は、短起動・高応答性に優れている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来技術は燃焼部に触媒燃焼を採用しているので、燃焼部通路の流動抵抗により液垂れが起き易く、また原料を均一に投入しないと触媒の局所過熱や液濡れなどの問題が発生し易い問題点があった。局所加熱は触媒の劣化を招き、また燃料の熱分解を誘発しやすく一酸化炭素発生量が多くなるという問題点もある。液濡れが生ずると触媒の活性を失われる。
【０００６】
触媒燃焼を使用せずに、燃料と水を噴霧して燃料に着火し、燃料の一部を燃焼させて、その燃焼熱を使用して未燃燃料と水を蒸発させる蒸発器も知られている。しかし、この場合は触媒燃焼に伴う問題は解決されるが、液垂れや一酸化炭素発生が多くなる問題は残っている。
【０００７】
すなわち、燃料と水の蒸発温度に差があるため（通常は燃料の方が沸点が低く水より蒸発しやすい）、燃料と水を均等に蒸発させることが困難であり、水が蒸発しきれずに垂れる問題点がある。蒸発器内で燃焼蒸発を行わせ、すべての投入原料が蒸発した場合に蒸発器で蒸発されたガスの温度が、そのガスを利用する装置に適温となるように原料を投入しているため、垂れる水があると、水の蒸発潜熱によるガス温度の低下が少なくなるので、蒸発器で蒸発されたガスを利用する装置に必要以上に高温のガスが投入され、その装置に問題が生ずる恐れがある。また、蒸発器内が高温になるため、蒸発させる燃料の一部が熱分解され一酸化炭素が多く発生する問題点がある。さらに、この蒸発器によって蒸発された原料を改質器に投入する場合、蒸発器で蒸発された必要以上に高温のガスが改質触媒層に投入されるため、触媒層が劣化する問題点がある。
【０００８】
本発明は上記課題を解決したもので、水の液垂れを防止でき、一酸化炭素の発生を低減でき、短時間に起動できる蒸発器、および短時間で起動できる燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法を提供する。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記技術的課題を解決するために、本発明の請求項１において講じた技術的手段（以下、第１の技術的手段と称する。）は、燃焼用燃料を含む第１原料を供給する第１原料供給手段と、該第１原料供給手段より供給された前記燃焼用燃料を燃焼させる燃焼室と、該燃焼室に連結され前記燃焼用燃料の燃焼排ガスが通過する排ガス管路と、該排ガス管路中の排ガスの熱と熱交換する熱交換部を介して第２原料を供給する第２原料供給手段が設けられていることを特徴とする蒸発器である。
【００１０】
上記第１の技術的手段による効果は、以下のようである。
【００１１】
すなわち、第１原料で燃焼を行い、その燃焼熱で第２原料を熱交換部内で加熱し蒸発させるので、燃焼空間内の燃焼を完全燃焼に近い状態に維持するとともに、最適な温度に安定できるため、水の液垂れを防止でき、一酸化炭素の発生を低減できる。また熱交換部が排気ガス管路中の排ガスの熱と熱交換するように設けられているので、第２原料を効率的に蒸発させることができ、短時間で起動できる。
【００１２】
上記技術的課題を解決するために、本発明の請求項２において講じた技術的手段（以下、第２の技術的手段と称する。）は、前記燃焼室には、前記燃焼用燃料の燃焼火炎の流れに略平行の側壁と、前記第１原料供給手段側と対向する側に仕切り部材とが設けられ、前記排ガス管路が前記側壁の外周に設けられていることを特徴とする請求項１記載の蒸発器である。
【００１３】
上記第２の技術的手段による効果は、以下のようである。
【００１４】
すなわち、排ガス管路が燃焼室の外周に設けられているので、燃焼室の冷却を防止でき、燃焼効率を向上できる。一方、側壁を介して燃焼室から伝熱された燃焼熱も排気ガス管路で第２原料の加熱に寄与するので、第２原料をより効率的に蒸発させることができる。
【００１５】
また側壁が排ガスにより加温されるので、始動時の液だれや凝縮して滞留していた液を再蒸発させることができる。
【００１６】
上記技術的課題を解決するために、本発明の請求項３において講じた技術的手段（以下、第３の技術的手段と称する。）は、前記排ガス管路が、前記側壁の外周に沿って設けられ前記仕切り部材側で前記燃焼室に連結された入口部を有し前記第１原料供給手段側に出口部を有する第１排ガス管路と、該第１排ガス管路の出口部に連結され前記燃焼室と反対側の前記第１排ガス管路の外周に設けられた第２排ガス管路から構成されていることを特徴とする請求項２記載の蒸発器である。
【００１７】
上記第３の技術的手段による効果は、以下のようである。
【００１８】
すなわち、第１排ガス管路と第２排ガス管路によって二重に側壁の外周が覆われているので、より燃焼効率を向上できる。また燃焼室のガス流の下流から排気ガス管路に流れ込み、かつ排ガス管路から排出されるガス流の流れ方向を燃焼室のガス流の流れ方向と一致させることができるので、コンパクトにできる。
【００１９】
上記技術的課題を解決するために、本発明の請求項４において講じた技術的手段（以下、第４の技術的手段と称する。）は、前記仕切り部材側で前記燃焼室に隣接し前記排ガス管路に連結された蒸気混合室が設けられ、前記仕切り部材に前記燃焼室と前記蒸気混合室を連通する小穴部が設けられていることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の蒸発器である。
【００２０】
上記第４の技術的手段による効果は、以下のようである。
【００２１】
すなわち、燃焼室のガスが小穴部から蒸気混合室に噴射されるので、この噴射されたガスにより撹拌効果が生じ蒸気混合室内の混合を促進でき、均一化された蒸気を排出できる。
【００２２】
上記技術的課題を解決するために、本発明の請求項５において講じた技術的手段（以下、第５の技術的手段と称する。）は、前記熱交換部が、前記側壁に略平行に設けられた多数の伝熱管から構成され、該各伝熱管の温度が所定温度になるように前記各伝熱管に供給する前記第２原料の供給流量を分配する第２原料流量分配手段が設けられていることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の蒸発器である。
【００２３】
上記第５の技術的手段による効果は、以下のようである。
【００２４】
すなわち、第２原料流量分配手段により各伝熱管を所望の温度分布にすることができるので、各伝熱管に排ガスから与えられる熱量に対応できるため、より効率的に第２原料を蒸発させることができ、かつ液だれを防止できる。また第２原料流量分配手段により各伝熱管を所望の温度分布にすることができるので、起動時の噴霧器の部分の液垂れや、まだ蒸発器が十分に暖まっていないために発生する凝縮液垂れも、液垂れ分を再蒸発させることによって防止できる。
【００２５】
上記技術的課題を解決するために、本発明の請求項６において講じた技術的手段（以下、第６の技術的手段と称する。）は、請求項１〜５のいずれかに記載の蒸発器と、該蒸発器で蒸発された原料ガスを燃料ガスに改質する改質器と、該改質器で改質された燃料ガスを使用して発電する燃料電池と、前記改質器、前記燃料電池の少なくとも一方から排出された水素ガスを燃焼する燃焼器とが設けられ、該燃焼器の燃焼ガスによって前記蒸発器の排気ガス管路または熱交換部が加熱されるように燃焼ガス通路が設けられていることを特徴とする燃料電池システムである。
【００２６】
上記第６の技術的手段による効果は、以下のようである。
【００２７】
すなわち、燃焼器の燃焼ガスにより直接または排気ガス管路を介して熱交換部を加熱するので、蒸発器の蒸発効率を向上できる。燃料電池から排出される水素ガスは廃棄されるガスであり、また改質された燃料ガスは燃料電池に供給されないときに燃焼器で使用することによって燃料電池システムの効率を向上できる。この結果、燃料電池システムを短時間で起動できる。
【００２８】
上記技術的課題を解決するために、本発明の請求項７において講じた技術的手段（以下、第７の技術的手段と称する。）は、請求項６に記載の燃料電池システムを用い、起動時において、蒸発器で蒸発された原料ガスの温度が改質に適する温度になるまで燃焼器の燃焼ガスを燃焼ガス通路に流すように制御することを特徴とする燃料電池システムの制御方法である。
【００２９】
上記第７の技術的手段による効果は、以下のようである。
【００３０】
すなわち、起動時において、燃焼器の燃焼ガスを蒸発器の加熱源として利用できるので、燃料電池システムの起動時間を短縮できる。
【００３１】
【発明の実施の形態】
本発明者は、水の液垂れを防止し、必要以上に高温になることを避けるための燃料と水の投入方法を鋭意研究し、燃料と水からなる蒸発器の原料を主に燃焼を担う第１原料と主に蒸発用の原料となる第２原料に分け、第２原料を第１原料の燃焼熱によって加熱して蒸発させ、蒸発された第１原料と混合させるという本発明の技術的思想に到達した。
【００３２】
以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。図１は本発明の第１実施形態の燃料電池システムを説明するための説明図であり、図２は本発明の第１実施形態の蒸発器のＡＡ断面図である。
【００３３】
本燃料電池システムは、蒸発器１００、改質器２８、燃料電池３２、燃焼器２９などから構成されている。蒸発器１００は、噴霧器１、燃焼室３、第１排ガス管路８、第２排ガス管路９、伝熱管１０、蒸気混合室１３、燃焼ガス通路２２などから構成されている。
【００３４】
燃焼室３は、その中心軸が略水平の略円筒形状をしている。燃焼室３の一方端には円錐形状の保炎器４が設けられ、保炎器４の頂点部分に噴霧器１が設けられている。噴霧器１は燃焼室３の軸方向の他方端側に向かって第１原料を噴霧するように設けられた第１原料供給手段である。噴霧器１には原料供給部１ａと噴霧・燃焼用エア供給部１ｂが設けられ、エア供給口１ｃから噴射された噴霧・燃焼用エアにより原料を噴霧する気液二流体型の噴霧器である。保炎器４にはエアが流通できる孔４ａが設けられており、保炎・燃焼用エア供給部２から供給されたエアは孔４ａを介して燃焼室３に供給される。
【００３５】
燃焼室３の保炎器４に対向する側には仕切り部材７が設けられている。仕切り部材７を挟んで燃焼室３の反対側には蒸気混合室１３が設けられている。仕切り部材７には、燃焼室３と蒸気混合室１３を連通する複数の小穴部７ａが設けられている。
【００３６】
噴霧器１から噴霧された第１原料は、符号２０で模式的に示すように噴霧器１の出口を頂点として円錐状に噴霧される。第１原料中の燃焼用原料は保炎器４から燃焼室３の内部に突き出すように設けられたグロープラグ５によって着火され燃焼される。この燃焼火炎は、全体として燃焼室３の中心軸方向と平行なＸ方向に流れる。６は燃焼室３の側壁であり、Ｘ方向に略平行な円筒形状である。
【００３７】
第１排ガス管路８は側壁６の外周に設けられ、その外壁は燃焼室３と同心円筒形状である。第２排ガス管路９は第１排ガス管路８の外周に設けられ、その外壁は燃焼室３と同心円筒形状である。第１排ガス管路８は、仕切り部材７側で燃焼室３と連結された入口部と、第１原料供給手段側に設けられ第２排ガス管路９と連結された出口部を有している。第２排ガス管路９の入口部は第１排ガス管路８の出口部と連結されている。第２排ガス管路９は、仕切り部材７側に出口部が設けられ、蒸発混合室１３に連結されている。
【００３８】
伝熱管１０は多数のパイプを燃焼室３と同心円筒状に配列したもので、その一方端は環状の第２原料室１７に連結され、他方端は第２排ガス管路９内の出口付近で開口されている。第２原料室１７の内部にはセラミックスの多孔体からなる抵抗部材１７ａが内蔵されている。第２原料室１７には第２原料供給口１１から第２原料が供給される。第１実施形態では、第２原料供給口１１、第２原料室１７、伝熱管１０で、第２原料を供給する第２原料供給手段を構成している。伝熱管１０が熱交換部である。
【００３９】
蒸気混合室１３の仕切り部材７に対向する側には拡散・整流部材１４が蒸気混合室１３側に設けられた蒸発器出口部１５が連結されている。拡散・整流部材１４には多数の小貫通孔が設けられ、蒸気混合室１３から排出されるガスの流れを整流する機能を有する。蒸発器出口部１５には温度センサ３０が設けられている。蒸発器出口部１５は改質器２８に連結されている。改質器２８は管路を介して燃料電池３２に連結されている。改質器２８の出口部には温度センサ３１が設けられている。
【００４０】
燃焼器２９は、改質器２８で製造された燃料ガス、燃料電池３２の燃料オフガスの少なくとも一方を燃焼する機器で、燃料電池３２および改質器２８にそれぞれのバルブＶ１およびＶ２を介して連結されている。また燃焼器２９にはバルブＶ３を介して空気が供給されるように構成されている。
【００４１】
燃焼ガス通路２２は第２排ガス管路９の外周に設けられ、その外壁は燃焼室３と同心円筒形状である。燃焼ガス通路２２の入口部２２ａには燃焼器２９の燃焼ガスが供給される。燃焼ガス通路２２に供給された燃焼ガスは出口部２２ｂから排出される。入口部２２ａは蒸発器１００の下方に設けられ、出口部２２ｂは蒸発器１００の上方に設けられている。すなわち、燃焼ガスは燃焼ガス通路２２の下方から上方に向かって流れるように構成されている。
【００４２】
第１原料が原料供給部１ａに供給され、噴霧・燃焼用エアが噴霧・燃焼用エア供給部１ｂに供給されると、エア供給口１ｃから噴射された噴霧・燃焼用エアにより第１原料が燃焼室３内に噴霧される。噴霧・燃焼用エアは第１原料の噴霧用として使用されると共に第１原料の燃焼用の支燃ガスとしても使用される。
【００４３】
本実施形態では、第１原料としてメタノールと水の混合原料が用いられる。その混合割合はメタノール：水＝５０：２３（液体状態の体積比）である。このうち、メタノールの一部は燃焼用燃料の役割を有しているが、他は蒸発される原料である。水はすべて蒸発される原料である。メタノールは、後に供給される第２原料を含めた改質に必要なメタノールと水を蒸発させ、かつ改質に適する所定温度まで昇温させるために必要な燃焼熱を得る分だけ余分に供給される。保炎・燃焼用エア供給部２から供給された保炎・燃焼用エアは保炎器４の孔４ａを介して燃焼室３に供給される。
【００４４】
燃焼室３中に噴霧された第１原料中のメタノールは、グロープラグ５により着火されて噴霧・燃焼用エア、保炎・燃焼用エアにより支燃されて燃焼される。この燃焼により、燃焼室３の温度が上昇すると同時に、第１原料中に水と燃焼に供されなかったメタノールが蒸発する。ここでは着火手段としてグロープラグ５を用いたが、特に限定されず、スパークプラグ等、燃料に着火できる手段なら何でも利用できる。また保炎器４として多数の孔４ａが設けられた円錐状部材を使用したが、金網状の部材を円錐状にしたものでもよい。
【００４５】
蒸発された第１原料を含む排ガスは、改質に適する所定温度よりも高い過熱ガスとなっている。この排ガスは第１排ガス管路８、第２排ガス管路９を通過する。すなわち、排ガスは燃焼室３の外周をＵターンするように通過する。このように排ガス管路を構成することにより、第１排ガス管路８と第２排ガス管路９によって二重に燃焼室３の外周が覆われているので、より燃焼効率を向上できる。また燃焼室３のガス流の下流から排気ガス管路に流れ込み、かつ第２排ガス管路９から排出されるガス流の流れ方向を燃焼室３のガス流の流れ方向と一致させることができるので、コンパクトにできる。
【００４６】
第２原料供給口１１から第２原料が供給される。本実施形態では、第２原料としてメタノールと水の混合原料が用いられる。その混合割合はメタノール：水＝５０：２３（液体状態の体積比）である。第２原料はすべて蒸発される原料となる。第２原料供給口１１から供給された第２原料は第２原料室１７を介して伝熱管１０に供給される。第２原料は、伝熱管１０を通過する間に第２排ガス管路９を通過する排ガスの熱により加熱され蒸発される。伝熱管１０が第２排ガス管路９中に設けられているので、伝熱管１０の外周に過熱された排ガスが満遍なく行き渡るため、第２原料を効率的に蒸発させることができる。排ガスの温度は、第２原料に熱を与えることによって低下される。蒸発された第２原料は、伝熱管１０の先端から第２排ガス管路９内に供給される。
【００４７】
第２原料室１７の内部にはセラミックスの多孔体からなる抵抗部材１７ａが内蔵されているので、第２原料が伝熱管１０内で蒸発しきれずに先端から液垂れすることを防止できる。すなわち、抵抗部材が内蔵されていない場合、起動時や小流量時には第２原料が第２原料室１７内に充満せず下側に偏って液が流れてしまう。一方、第２排ガス管路９を通過する排ガスはほぼ均一に流れるか若干上側の温度が高い状態で流れる。この結果、下側の伝熱管１０では蒸発しきれず第２原料が液体状態で先端から流れ出す。抵抗部材が内蔵されていることにより、この問題を解決される。
【００４８】
また、抵抗部材１７ａを調整して下側に伝熱管１０に流れる第２原料を上側の伝熱管１０に流れる第２原料より少なくして、上側と下側の伝熱管１０の温度を同じするか、下側の温度を高めにする。これにより、起動時の噴霧器１の部分の液垂れや、まだ蒸発器１００が十分に暖まっていないために発生する凝縮液垂れも、液垂れ分を再蒸発させることによって防止できる。すなわち、抵抗部材１７ａは第２原料流量分配手段であり、各伝熱管の温度を所定の温度にするとは各伝熱管の温度を同じにするか、下側の温度を上側より高くすることである。抵抗部材１７ａによる上下の流れの調整は、抵抗部材１７ａの上下で気孔率を変化させるなどによって行われる。
【００４９】
なお、抵抗部材１７ａとしてセラミックスの多孔体を使用したが、連続気泡を有する多孔体なら金属など他の材質でも使用できる。また多孔体でなく、綿状の部材なども利用できる。
【００５０】
燃焼された第１原料の排ガス、蒸発された第１原料および蒸発された第２原料は蒸気混合室１３に供給される。燃焼された第１原料の排ガス、蒸発された第１原料の一部は、仕切り部材７の小穴部７ａを通って燃焼室３から蒸気混合室１３に噴射される。小穴部７ａから噴射されたガスにより、蒸気混合室１３内に撹拌効果が生じ混合が促進される。また交合されたガスの温度は定常状態において改質に適する所定温度になるように制御されている。蒸気混合室１３内のガスは拡散・整流部材１４で整流されて蒸発器出口部１５から排出される。
【００５１】
蒸発器１００によって蒸発された原料は改質器２８に供給され、改質用原料として使用される。改質器２８では改質用原料が触媒により改質され、水素を主成分とする燃料ガスとなり、燃料電池３２の燃料極側に供給される。燃料電池３２の酸化剤極側には空気が供給される。燃料電池３２は、燃料ガス中の水素と酸化剤ガス中の酸素を消費する電気化学反応により発電する。燃料ガス中の水素は完全に消費されることはなく、燃料電池３２から排出される燃料ガスオフガスには残余の水素が含まれている。
【００５２】
図３は第１実施形態の燃料電池システムの起動時のフローチャート図である。はじめにグロープラグ５がＯＮされ加熱される（ステップＳ１）。続いて第１原料が噴霧器１から噴霧・燃焼用エアによって燃焼室３内に噴霧される。同時に保炎・燃焼用エア供給部２から保炎・燃焼用エアが保炎器４の孔４ａを介して燃焼室３に供給される（ステップＳ２）。
【００５３】
続いてバルブＶ２を開状態にし改質器２８から排出されたガスを燃焼器２９に供給すると共に、バルブＶ３を開状態として図示しないブロアによってエアを燃焼器２９に供給し、燃焼器２９内で燃焼させる（ステップＳ３）。なお、初期において、バルブＶ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４は、すべて閉状態となっている。
【００５４】
次に温度センサ３０によって蒸発器出口部１５のガス温度が予め決められた所定温度Ｔ１（例えば、１５０℃）以上になったか判断し（ステップＳ４）、Ｔ１より低ければステップＳ４を繰り返し、Ｔ１以上になったら第１原料が着火されたと判断しグループラグ５をＯＦＦする（ステップＳ５）。
【００５５】
燃焼器２９から排出された燃焼ガスは、燃焼器２９で燃焼された燃焼ガスは入口部２２ａを介して燃焼ガス通路２２に送られる。燃焼ガス通路２２は第２排ガス管路９の外周に設けられているので、燃焼ガスの熱によって第２排ガス管路９中の第１原料が加熱されると共に、伝熱管１０中の第２原料が加熱されるので、蒸発器１００から排出されるガス温度が急速に加熱される。
【００５６】
燃焼器の燃焼ガスにより排気ガス管路を介して熱交換部を加熱するので、蒸発器の蒸発効率を向上できる。燃料電池から排出される水素ガスは廃棄されるガスであり、また改質された燃料ガスは燃料電池に供給されないときに燃焼器で使用することによって燃料電池システムの効率を向上できる。
【００５７】
さらに本実施形態では、燃焼ガスが燃焼ガス通路２２を下方から上方に向かって流れるように構成されているので、第２排ガス管路９の下方側をより高い温度にできるため、液垂れ分の再蒸発に効果的である。
【００５８】
ステップＳ６で温度センサ３０によって蒸発器出口部１５のガス温度が改質に適した温度（改質適温）になったかどうか判断し、改質適温に達していない場合はステップＳ６を繰り返し、改質適温に到達した場合はバルブＶ４を開状態とし改質器２８から排出された燃料ガスを燃料電池３２に供給すると共に、バルブＶ２、Ｖ３を閉状態とし燃焼器２９を停止する（ステップＳ７）。停止後は、燃焼ガス通路２２内に残った燃焼ガスが断熱層として作用し、蒸発器１００の蒸発効率の向上に寄与する。この後、蒸発器１００は定常運転に移行する。
【００５９】
この後、蒸発器１００は定常運転されていれば、燃焼器２９は停止状態のままである。しかし、例えば、急な風雨や冬季の急加速（燃料電池自動車の場合）など、何らかの原因で蒸発器１００や改質器２８が冷却されたなど、蒸発器出口部１５のガス温度が改質適温でなくなったときにはバルブＶ１を開状態にし燃料電池３２から排出された燃料ガスオフガスを燃焼器２９に供給すると共に、バルブＶ３を開状態としてエアを燃焼器２９に供給し、燃焼器２９内で燃焼させ、その燃焼ガスを燃焼ガス通路２２に供給する。この結果、蒸発器１００は定常運転状態に急速に回復できる。また、燃料電池の出力を急速に上昇させる必要が生じ、多量の改質ガスが必要な場合が生じたときにも、同様な制御を大古なうことができる。
【００６０】
以上のように制御することによって、起動時において、燃焼器２９の燃焼ガスを蒸発器１００の加熱源として利用できるので、燃料電池システムの起動時間を短縮できる。
【００６１】
なお、図３では第１原料の着火完了と蒸発器から排出される原料ガスが改質適温になったかを蒸発器出口部１５に設けられた温度センサ３０によって判定しているが、改質器２８の出口部に設けられた温度センサ３１によって判定するようにしてもよい。
【００６２】
図４は本発明の第２実施形態の燃料電池システムを説明するための説明図であり、図５は本発明の第２実施形態の蒸発器のＢＢ断面図である。第２実施形態は、燃焼ガス通路が伝熱管の内部に設けられている以外、第１実施形態と同じであり、同じ部位には同じ符号を付け説明は省略する。
【００６３】
燃焼ガス通路は各伝熱管１の内部をその長手方向に貫通するパイプ状の燃焼ガス通路管２３で形成されており、各伝熱管１ごとに１つの燃焼ガス通路管２３が設けられている。燃焼ガス通路管２３の一方端は断面三角形状の環状の燃料ガス入口室２４に連通されている。燃料ガス入口室２４の下方には入口部２４ａが設けられている。燃焼ガス通路管２３の他方端は断面四角形状の環状の燃料ガス出口室２５に連通されている。燃料ガス入口室２５の上方には出口部２５ａが設けられている。
【００６４】
燃焼器２９の燃焼ガスは入口部２４ａから供給され、燃料ガス入口室２４を介して燃焼ガス通路管２３に供給される。燃焼ガス通路管２３を通過する燃焼ガスは、伝熱管１中の第２原料を直接加熱し、燃料ガス出口室２５に排出され、出口部２５ａから蒸発器１００の外部に排出される。
【００６５】
このように第２実施形態では、燃焼ガス通路管２３が伝熱管１中の第２原料を直接加熱するので、燃焼ガスの熱を効率的に第２原料に伝熱できる。また第２実施形態では、第２原料の流れ方向と燃焼ガスの流れ方向が対向している、いわゆる向流式の二重管式熱交換器であるので、より効率的に燃焼ガスの熱を第２原料に伝熱できる。この結果、蒸発器１００に蒸発効率をより向上できると共に、蒸発器１００をより早く起動できる。
【００６６】
なお、実施形態では、排ガス管路が燃焼室の側壁の外周にＵターン状に設けられているが、必ずしもＵターン状でなくてもよく１つの排ガス管路だけでもよいし、外周に設けられてなくてもよい。しかし、排ガス管路が燃焼室の側壁の外周に設けられていれば、燃焼室の冷却を防止でき、燃焼効率を向上できる。一方、側壁を介して燃焼室から伝熱された燃焼熱も排気ガス管路で第２原料の加熱に寄与するので、第２原料をより効率的に蒸発させることができる。また側壁が排ガスにより加温されるので、始動時の液だれや凝縮して滞留していた液を再蒸発させることができる。側壁は燃焼室の燃焼火炎による放射熱によっても加温され、これによっても始動時の液だれや凝縮して滞留していた液を再蒸発させることができる。
【００６７】
排ガス管路がＵターン状に設けられていれば、二重に側壁の外周が排ガス管路で覆われているので、より燃焼効率を向上できる。また燃焼室のガス流の下流から排気ガス管路に流れ込み、かつ排ガス管路から排出されるガス流の流れ方向を燃焼室のガス流の流れ方向と一致させることができるので、コンパクトにできる。
【００６８】
また第２原料が排ガス管路中の排ガス管路の熱と熱交換する熱交換部としてパイプ状の伝熱管を用いているが、熱交換可能な部材なら何でも適用できる。
【００６９】
【発明の効果】
以上のように、本発明は、燃焼用燃料を含む第１原料を供給する第１原料供給手段と、該第１原料供給手段より供給された前記燃焼用燃料を燃焼させる燃焼室と、該燃焼室に連結され前記燃焼用燃料の燃焼排ガスが通過する排ガス管路と、該排ガス管路中の排ガスの熱と熱交換する熱交換部を介して第２原料を供給する第２原料供給手段が設けられていることを特徴とする蒸発器であるので、水の液垂れを防止でき、一酸化炭素の発生を低減でき、短時間に起動できる。
【００７０】
また本発明は、この蒸発器と、該蒸発器で蒸発された原料ガスを燃料ガスに改質する改質器と、該改質器で改質された燃料ガスを使用して発電する燃料電池と、前記改質器、前記燃料電池の少なくとも一方から排出された水素ガスを燃焼する燃焼器とが設けられ、該燃焼器の燃焼ガスによって前記蒸発器の排気ガス管路または熱交換部が加熱されるように燃焼ガス通路が設けられていることを特徴とする燃料電池システムであるので、燃料電池システムを短時間で起動できる。そして、この燃料電池システムを用い、起動時において、蒸発器で蒸発された原料ガスの温度が改質に適する温度になるまで燃焼器の燃焼ガスを燃焼ガス通路に流すように制御することを特徴とする燃料電池システムの制御方法であるので、燃料電池システムの起動時間を短縮できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態の燃料電池システムを説明するための説明図
【図２】本発明の第１実施形態の蒸発器のＡＡ断面図
【図３】第１実施形態の燃料電池システムの起動時のフローチャート図
【図４】本発明の第２実施形態の燃料電池システムを説明するための説明図
【図５】本発明の第２実施形態の蒸発器のＢＢ断面図
【符号の説明】
１…噴霧器（第１原料供給手段）
２…
３…燃焼室
４…
５…
６…側壁
７…仕切り部材
７ａ…小穴部
８…第１排ガス管路（排ガス管路）
９…第２排ガス管路（排ガス管路）
１０…伝熱管（熱交換部）（第２原料供給手段）
１１…第２原料供給口（第２原料供給手段）
１３…蒸発混合室
１７…第２原料室（第２原料供給手段）
１７ａ…抵抗部材（第２原料流量分配手段）
２２…燃焼ガス通路
２３…燃焼ガス通路管（燃焼ガス通路）
２８…改質器
２９…燃焼器
３０、３１…温度センサ
３２…燃料電池
１００…蒸発器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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