(57)【要約】【課題】燃焼エアを供給するエアポンプの消費電力を許容消費電力の範囲内に制限することで、システム全体のエネルギー効率を高める。【解決手段】本発明の燃料蒸発器は、原燃料（９０）との間で熱交換を行い、原燃料（９０）を気化するための燃焼ガスの通路となる加熱流体流路（７０）に燃焼ガスを生成するための燃焼エアを供給するエアポンプ（６１）と、燃焼エアを冷却するための冷却手段（６２）と、エアポンプ（６１）及び冷却手段（６２）を制御する制御部（２４）を備える。制御部（２４）は原燃料（９０）を気化するために要求される燃焼エア流量がエアポンプ（６１）の許容消費電力の範囲内で供給できる燃焼エア流量を超える場合に、冷却手段（６２）を制御して燃焼エア温度を降温させることで体積密度を増加させ、エアポンプ（６１）の消費電力を許容消費電力の範囲内に制限する。【選択図】      図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
原燃料の流路となる被加熱流体流路と、
前記原燃料との間で熱交換を行い、前記原燃料を気化するための燃焼ガスの流路となる加熱流体流路と、
前記燃焼ガスを生成するための燃焼エアを前記加熱流体流路に供給するエアポンプと、
前記燃焼エアを冷却するための冷却手段と、
前記エアポンプ及び前記冷却手段を制御することで、燃焼エア流量及び燃焼エア温度を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記原燃料を気化するために要求される燃焼エア流量が前記エアポンプの許容消費電力の範囲内で供給できる燃焼エア流量を超えると判断すると、前記冷却手段を制御して前記燃焼エア温度を降温させることで、前記燃焼エアの体積密度を増加させ、前記エアポンプの消費電力を前記許容消費電力の範囲内に制限する、燃料蒸発器。
【請求項２】
原燃料の流路となる被加熱流体流路と、
前記原燃料との間で熱交換を行い、前記原燃料を気化するための燃焼ガスの流路となる加熱流体流路と、
前記燃焼ガスを生成するための燃焼エアを前記加熱流体流路に供給するエアポンプと、
前記加熱流体流路内の燃焼エア圧を調整する圧力調整手段と、
前記エアポンプ及び前記圧力調整手段を制御することで、燃焼エア流量及び燃焼エア圧を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記原燃料を気化するために要求される燃焼エア流量が前記エアポンプの許容消費電力の範囲内で供給できる燃焼エア流量を超えると判断すると、前記圧力調整手段を制御して前記燃焼エア圧を昇圧させることで、前記燃焼エアの体積密度を増加させ、前記エアポンプの消費電力を前記許容消費電力の範囲内に制限する、燃料蒸発器。
【請求項３】
原燃料の流路となる被加熱流体流路と、
前記原燃料との間で熱交換を行い、前記原燃料を気化するための燃焼ガスの流路となる加熱流体流路と、
前記燃焼ガスを生成するための燃焼エアを前記加熱流体流路に供給するエアポンプと、
前記燃焼エアを冷却するための冷却手段と、
前記加熱流体流路内の燃焼エア圧を調整する圧力調整手段と、
前記エアポンプ、前記冷却手段、及び前記圧力調整手段を制御することで、燃焼エア流量、燃焼エア温度、及び燃焼エア圧を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記原燃料を気化するために要求される燃焼エア流量が前記エアポンプの許容消費電力の範囲内で供給できる燃焼エア流量を超えると判断すると、前記冷却手段を制御して前記燃焼エア温度を降温させるとともに、前記圧力調整手段を制御して前記燃焼エア圧を昇圧させることで、前記燃焼エアの体積密度を増加させ、前記エアポンプの消費電力を前記許容消費電力の範囲内に制限する、燃料蒸発器。
【請求項４】
原燃料を燃料蒸発器にて気化して原燃料ガスを生成し、前記原燃料ガスを改質して得られた燃料ガスを燃料電池に供給することで車両駆動に必要な電力を発電する燃料電池システムと、
前記燃料電池システムの発電量を算出するシステムコントローラと、
前記燃料電池システムの発電を制御する制御部を備え、
前記燃料蒸発器は、前記原燃料の流路となる被加熱流体流路と、
前記原燃料との間で熱交換を行い、前記原燃料を気化するための燃焼ガスの流路となる加熱流体流路と、
前記燃焼ガスを生成するための燃焼エアを前記加熱流体流路に供給するエアポンプと、
前記燃焼エアを冷却するための冷却手段を備えており、
前記システムコントローラは、前記燃料電池システムの発電量から求めた前記エアポンプの許容消費電力を前記制御部へ出力し、
前記制御部は、前記原燃料を気化するために要求される燃焼エア流量が前記エアポンプの許容消費電力の範囲内で供給できる燃焼エア流量を超えると判断すると、前記冷却手段を制御して前記燃焼エア温度を降温させることで、前記燃焼エアの体積密度を増加させ、前記エアポンプの消費電力を前記許容消費電力の範囲内に制限する、燃料電池自動車。
【請求項５】
原燃料を燃料蒸発器にて気化して原燃料ガスを生成し、前記原燃料ガスを改質して得られた燃料ガスを燃料電池に供給することで車両駆動に必要な電力を発電する燃料電池システムと、
前記燃料電池システムの発電量を算出するシステムコントローラと、
前記燃料電池システムの発電を制御する制御部を備え、
前記燃料蒸発器は、前記原燃料の流路となる被加熱流体流路と、
前記原燃料との間で熱交換を行い、前記原燃料を気化するための燃焼ガスの流路となる加熱流体流路と、
前記燃焼ガスを生成するための燃焼エアを前記加熱流体流路に供給するエアポンプと、
前記加熱流体流路内の燃焼エア圧を調整する圧力調整手段を備えており、
前記システムコントローラは、前記燃料電池システムの発電量から求めた前記エアポンプの許容消費電力を前記制御部へ出力し、
前記制御部は、前記原燃料を気化するために要求される燃焼エア流量が前記エアポンプの許容消費電力の範囲内で供給できる燃焼エア流量を超えると判断すると、前記圧力調整手段を制御して前記燃焼エア圧を昇圧させることで、前記燃焼エアの体積密度を増加させ、前記エアポンプの消費電力を前記許容消費電力の範囲内に制限する、燃料電池自動車。
【請求項６】
原燃料を燃料蒸発器にて気化して原燃料ガスを生成し、前記原燃料ガスを改質して得られた燃料ガスを燃料電池に供給することで車両駆動に必要な電力を発電する燃料電池システムと、
前記燃料電池システムの発電量を算出するシステムコントローラと、
前記燃料電池システムの発電を制御する制御部を備え、
前記燃料蒸発器は、前記原燃料の流路となる被加熱流体流路と、
前記原燃料との間で熱交換を行い、前記原燃料を気化するための燃焼ガスの流路となる加熱流体流路と、
前記燃焼ガスを生成するための燃焼エアを前記加熱流体流路に供給するエアポンプと、
前記燃焼エアを冷却するための冷却手段と、
前記加熱流体流路内の燃焼エア圧を調整する圧力調整手段を備えており、
前記システムコントローラは、前記燃料電池システムの発電量から求めた前記エアポンプの許容消費電力を前記制御部へ出力し、
前記制御部は、前記原燃料を気化するために要求される燃焼エア流量が前記エアポンプの許容消費電力の範囲内で供給できる燃焼エア流量を超えると判断すると、前記冷却手段を制御して前記燃焼エアを降温させるとともに、前記圧力調整手段を制御して前記燃焼エア圧を昇圧させることで、前記燃焼エアの体積密度を増加させ、前記エアポンプの消費電力を前記許容消費電力の範囲内に制限する、燃料電池自動車。
【請求項７】
エアポンプから供給される燃焼エア中に燃料を噴霧してこれを燃焼させて燃焼ガスを生成し、前記燃焼ガスと原燃料との間で熱交換を行うことで前記原燃料を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、
前記原燃料を気化するために要求される燃焼エア流量が前記エアポンプの許容消費電力の範囲内で供給できる燃焼エア流量を超えるか否かを判定するステップと、
前記原燃料を気化するために要求される燃焼エア流量が前記エアポンプの許容消費電力の範囲内で供給できる燃焼エア流量を超える場合に、前記燃焼エアの流路に配設された冷却手段を制御して前記燃焼エア温度を降温させることで、前記燃焼エアの体積密度を増加させ、前記エアポンプの消費電力を前記許容消費電力の範囲内に制限するステップと、
を実行させる、コンピュータプログラム。
【請求項８】
エアポンプから供給される燃焼エア中に燃料を噴霧してこれを燃焼させて燃焼ガスを生成し、前記燃焼ガスと原燃料との間で熱交換を行うことで前記原燃料を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、
前記原燃料を気化するために要求される燃焼エア流量が前記エアポンプの許容消費電力の範囲内で供給できる燃焼エア流量を超えるか否かを判定するステップと、
前記原燃料を気化するために要求される燃焼エア流量が前記エアポンプの許容消費電力の範囲内で供給できる燃焼エア流量を超える場合に、前記燃焼エアの流路に配設された圧力調整手段を制御して前記燃焼エア圧を昇圧させることで、前記燃焼エアの体積密度を増加させ、前記エアポンプの消費電力を前記許容消費電力の範囲内に制限するステップと、
を実行させる、コンピュータプログラム。
【請求項９】
エアポンプから供給される燃焼エア中に燃料を噴霧してこれを燃焼させて燃焼ガスを生成し、前記燃焼ガスと原燃料との間で熱交換を行うことで前記原燃料を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、
前記原燃料を気化するために要求される燃焼エア流量が前記エアポンプの許容消費電力の範囲内で供給できる燃焼エア流量を超えるか否かを判定するステップと、
前記原燃料を気化するために要求される燃焼エア流量が前記エアポンプの許容消費電力の範囲内で供給できる燃焼エア流量を超える場合に、前記燃焼エアの流路に配設された冷却手段を制御して前記燃焼エアを降温させるとともに、前記燃焼エアの流路に配設された圧力調整手段を制御して前記燃焼エア圧を昇圧させることで、前記燃焼エアの体積密度を増加させ、前記エアポンプの消費電力を前記許容消費電力の範囲内に制限するステップと、
を実行させる、コンピュータプログラム。
【請求項１０】
請求項７乃至請求項９のうち何れか１項に記載のコンピュータプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
【発明の詳細な説明】
【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、燃料蒸発器に燃焼エアを供給するためのエアポンプの消費電力を低減してエネルギー効率を高めるための改良技術に関する。
【従来の技術】
燃料電池システムをオンボード発電機として運用する燃料電池自動車においては、液体燃料であるメタノール又は炭化水素系の原燃料（改質原料）をタンクに貯蔵し、これを車上で水素リッチな燃料ガスに改質する方式が知られている。液体燃料であれば、車上の搭載性及び可搬性に優れている上に、エネルギー密度の点においても、水素ガスを貯蔵する方式よりも優れている。液体の原燃料から燃料ガスを生成するには、所定の熱量を投入して気化する必要がある。このため、改質器においては、エアポンプから供給される燃焼エアにメタノールなどの燃料を噴霧して混合し、これを燃焼させることで原燃料との間で熱交換し、原燃料を気化している。特開平９−９２３１２号公報（特許文献１）には、燃料電池での発電量に対応して燃焼エア流量を調整するエアポンプの回転数を調整する技術が開示されている。
【特許文献１】
特開平９−９２３１２号公報
【発明が解決しようとする課題】
しかし、エアポンプなどの補機類は燃料電池の発電力で駆動されるため、燃焼エア流量が増加すると、ポンプ回転数も増加し、消費電力が増加する。従って、エアポンプ駆動力を如何にして小さくできるかがシステム全体のエネルギー効率を支配する要因になる。特に、燃料電池は高い圧力で運転するほど、エネルギー効率、出力密度ともに良好となるが、それだけエアポンプの消費電力が増加し、ある程度以上の圧力にするとシステム全体のエネルギー効率は低下する。
そこで、本発明はエアポンプの消費電力を一定限度に制限することで、システム全体のエネルギー効率を高めることのできる改良技術を提案することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、本発明の熱交換器は、原燃料の通路となる被加熱流体流路と、前記原燃料との間で熱交換を行い、前記原燃料を気化するための燃焼ガスの通路となる加熱流体流路と、前記燃焼ガスを生成するための燃焼エアを前記加熱流体流路に供給するエアポンプと、前記燃焼エアを冷却するための冷却手段と、前記エアポンプ及び前記冷却手段を制御することで、燃焼エア流量及び燃焼エア温度を制御する制御部とを備える。前記制御部は、前記原燃料を気化するために要求される燃焼エア流量が前記エアポンプの許容消費電力の範囲内で供給できる燃焼エア流量を超えると判断すると、前記冷却手段を制御して前記燃焼エア温度を降温させることで、前記燃焼エアの体積密度を増加させ、前記エアポンプの消費電力を前記許容消費電力の範囲内に制限する。
かかる構成により、燃焼エア温度を降温させることで、燃焼エアの体積密度を増加させ、エアポンプの消費電力を許容消費電力の範囲内に制限することができ、システム全体のエネルギー効率を高めることができる。
本発明の燃料蒸発器は、原燃料の通路となる被加熱流体流路と、前記原燃料との間で熱交換を行い、前記原燃料を気化するための燃焼ガスの通路となる加熱流体流路と、前記燃焼ガスを生成するための燃焼エアを前記加熱流体流路に供給するエアポンプと、前記加熱流体流路内の燃焼エア圧を調整する圧力調整手段と、前記エアポンプ及び前記圧力調整手段を制御することで、燃焼エア流量及び燃焼エア圧を制御する制御部とを備える。前記制御部は、前記原燃料を気化するために要求される燃焼エア流量が前記エアポンプの許容消費電力の範囲内で供給できる燃焼エア流量を超えると判断すると、前記圧力調整手段を制御して前記燃焼エア圧を昇圧させることで、前記燃焼エアの体積密度を増加させ、前記エアポンプの消費電力を前記許容消費電力の範囲内に制限する。
かかる構成により、燃焼エア圧を昇圧させることで、燃焼エアの体積密度を増加させ、エアポンプの消費電力を許容消費電力の範囲内に制限することができ、システム全体のエネルギー効率を高めることができる。
本発明の燃料蒸発器は、原燃料の通路となる被加熱流体流路と、前記原燃料との間で熱交換を行い、前記原燃料を気化するための燃焼ガスの通路となる加熱流体流路と、前記燃焼ガスを生成するための燃焼エアを前記加熱流体流路に供給するエアポンプと、前記燃焼エアを冷却するための冷却手段と、前記加熱流体流路内の燃焼エア圧を調整する圧力調整手段と、前記エアポンプ、前記冷却手段、及び前記圧力調整手段を制御することで、燃焼エア流量、燃焼エア温度、及び燃焼エア圧を制御する制御部とを備える。前記制御部は、前記原燃料を気化するために要求される燃焼エア流量が前記エアポンプの許容消費電力の範囲内で供給できる燃焼エア流量を超えると判断すると、前記冷却手段を制御して前記燃焼エア温度を降温させるとともに、前記圧力調整手段を制御して前記燃焼エア圧を昇圧させることで、前記燃焼エアの体積密度を増加させ、前記エアポンプの消費電力を前記許容消費電力の範囲内に制限する。
かかる構成により、燃焼エア温度を降温させるとともに、燃焼エア圧を昇圧させることで、燃焼エアの体積密度を増加させ、エアポンプの消費電力を許容消費電力の範囲内に制限することができ、システム全体のエネルギー効率を高めることができる。
本発明の燃料電池自動車は、原燃料を燃料蒸発器にて気化して原燃料ガスを生成し、前記原燃料ガスを改質して得られた燃料ガスを燃料電池に供給することで車両駆動に必要な電力を発電する燃料電池システムと、前記燃料電池システムの発電量を算出するシステムコントローラと、前記燃料電池システムの発電を制御する制御部を備え、前記燃料蒸発器は、前記原燃料の流路となる被加熱流体流路と、前記原燃料との間で熱交換を行い、前記原燃料を気化するための燃焼ガスの流路となる加熱流体流路と、前記燃焼ガスを生成するための燃焼エアを前記加熱流体流路に供給するエアポンプと、前記燃焼エアを冷却するための冷却手段を備えており、前記システムコントローラは、前記燃料電池システムの発電量から求めた前記エアポンプの許容消費電力を前記制御部へ出力し、前記制御部は、前記原燃料を気化するために要求される燃焼エア流量が前記エアポンプの許容消費電力の範囲内で供給できる燃焼エア流量を超えると判断すると、前記冷却手段を制御して前記燃焼エア温度を降温させることで、前記燃焼エアの体積密度を増加させ、前記エアポンプの消費電力を前記許容消費電力の範囲内に制限する。
かかる構成により、燃焼エア温度を降温させることで、燃焼エアの体積密度を増加させ、エアポンプの消費電力を許容消費電力の範囲内に制限することができ、システム全体のエネルギー効率を高めることができる。
本発明の燃料電池自動車は、原燃料を燃料蒸発器にて気化して原燃料ガスを生成し、前記原燃料ガスを改質して得られた燃料ガスを燃料電池に供給することで車両駆動に必要な電力を発電する燃料電池システムと、前記燃料電池システムの発電量を算出するシステムコントローラと、前記燃料電池システムの発電を制御する制御部を備え、前記燃料蒸発器は、前記原燃料の流路となる被加熱流体流路と、前記原燃料との間で熱交換を行い、前記原燃料を気化するための燃焼ガスの流路となる加熱流体流路と、前記燃焼ガスを生成するための燃焼エアを前記加熱流体流路に供給するエアポンプと、前記加熱流体流路内の燃焼エア圧を調整する圧力調整手段を備えており、前記システムコントローラは、前記燃料電池システムの発電量から求めた前記エアポンプの許容消費電力を前記制御部へ出力し、前記制御部は、前記原燃料を気化するために要求される燃焼エア流量が前記エアポンプの許容消費電力の範囲内で供給できる燃焼エア流量を超えると判断すると、前記圧力調整手段を制御して前記燃焼エア圧を昇圧させることで、前記燃焼エアの体積密度を増加させ、前記エアポンプの消費電力を前記許容消費電力の範囲内に制限する。
かかる構成により、燃焼エア圧を昇圧させることで、燃焼エアの体積密度を増加させ、エアポンプの消費電力を許容消費電力の範囲内に制限することができ、システム全体のエネルギー効率を高めることができる。
本発明の燃料電池自動車は、原燃料を燃料蒸発器にて気化して原燃料ガスを生成し、前記原燃料ガスを改質して得られた燃料ガスを燃料電池に供給することで車両駆動に必要な電力を発電する燃料電池システムと、前記燃料電池システムの発電量を算出するシステムコントローラと、前記燃料電池システムの発電を制御する制御部を備え、前記燃料蒸発器は、前記原燃料の流路となる被加熱流体流路と、前記原燃料との間で熱交換を行い、前記原燃料を気化するための燃焼ガスの流路となる加熱流体流路と、前記燃焼ガスを生成するための燃焼エアを前記加熱流体流路に供給するエアポンプと、前記燃焼エアを冷却するための冷却手段と、前記加熱流体流路内の燃焼エア圧を調整する圧力調整手段を備えており、前記システムコントローラは、前記燃料電池システムの発電量から求めた前記エアポンプの許容消費電力を前記制御部へ出力し、前記制御部は、前記原燃料を気化するために要求される燃焼エア流量が前記エアポンプの許容消費電力の範囲内で供給できる燃焼エア流量を超えると判断すると、前記冷却手段を制御して前記燃焼エアを降温させるとともに、前記圧力調整手段を制御して前記燃焼エア圧を昇圧させることで、前記燃焼エアの体積密度を増加させ、前記エアポンプの消費電力を前記許容消費電力の範囲内に制限する。
かかる構成により、燃焼エア温度を降温させるとともに、燃焼エア圧を昇圧させることで、燃焼エアの体積密度を増加させ、エアポンプの消費電力を許容消費電力の範囲内に制限することができ、システム全体のエネルギー効率を高めることができる。
本発明のコンピュータプログラムは、エアポンプから供給される燃焼エア中に燃料を噴霧してこれを燃焼させて燃焼ガスを生成し、前記燃焼ガスと原燃料との間で熱交換を行うことで前記原燃料を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、前記原燃料を気化するために要求される燃焼エア流量が前記エアポンプの許容消費電力の範囲内で供給できる燃焼エア流量を超えるか否かを判定するステップと、前記原燃料を気化するために要求される燃焼エア流量が前記エアポンプの許容消費電力の範囲内で供給できる燃焼エア流量を超える場合に、前記燃焼エアの流路に配設された冷却手段を制御して前記燃焼エア温度を降温させることで、前記燃焼エアの体積密度を増加させ、前記エアポンプの消費電力を前記許容消費電力の範囲内に制限するステップと、を実行させる。
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により、燃焼エアの温度を調整することで、エアポンプの消費電力を許容消費電力の範囲内に制限することができ、システム全体のエネルギー効率を高めることができる。
本発明のコンピュータプログラムは、エアポンプから供給される燃焼エア中に燃料を噴霧してこれを燃焼させて燃焼ガスを生成し、前記燃焼ガスと原燃料との間で熱交換を行うことで前記原燃料を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、前記原燃料を気化するために要求される燃焼エア流量が前記エアポンプの許容消費電力の範囲内で供給できる燃焼エア流量を超えるか否かを判定するステップと、前記原燃料を気化するために要求される燃焼エア流量が前記エアポンプの許容消費電力の範囲内で供給できる燃焼エア流量を超える場合に、前記燃焼エアの流路に配設された圧力調整手段を制御して前記燃焼エア圧を昇圧させることで、前記燃焼エアの体積密度を増加させ、前記エアポンプの消費電力を前記許容消費電力の範囲内に制限するステップと、を実行させる。
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により、燃焼エアのガス圧を調整することで、エアポンプの消費電力を許容消費電力の範囲内に制限することができ、システム全体のエネルギー効率を高めることができる。
本発明のコンピュータプログラムは、エアポンプから供給される燃焼エア中に燃料を噴霧してこれを燃焼させて燃焼ガスを生成し、前記燃焼ガスと原燃料との間で熱交換を行うことで前記原燃料を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、前記原燃料を気化するために要求される燃焼エア流量が前記エアポンプの許容消費電力の範囲内で供給できる燃焼エア流量を超えるか否かを判定するステップと、前記原燃料を気化するために要求される燃焼エア流量が前記エアポンプの許容消費電力の範囲内で供給できる燃焼エア流量を超える場合に、前記燃焼エアの流路に配設された冷却手段を制御して前記燃焼エアを降温させるとともに、前記燃焼エアの流路に配設された圧力調整手段を制御して前記燃焼エア圧を昇圧させることで、前記燃焼エアの体積密度を増加させ、前記エアポンプの消費電力を前記許容消費電力の範囲内に制限するステップと、を実行させる。
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により、燃焼エアの温度及びガス圧を調整することで、エアポンプの消費電力を許容消費電力の範囲内に制限することができ、システム全体のエネルギー効率を高めることができる。
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。
【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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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６３が配設されている。インジェクタ６３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６３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。
エアポンプ６１の下流には燃焼エアの冷却手段としてのインジェクタ６２が配設されている。インジェクタ６２から燃焼エア中に微粒子状の水滴を噴霧することで、水滴が蒸発する際の蒸発潜熱で燃焼エアの温度を降温させることができる。加熱流体流路部６０の下流には凝縮器６７が配設されており、燃焼排ガス中に含まれる水分を液化して適量の冷却水を生成できるよう構成されている。凝縮器６７において凝縮され、液化した水分は水タンク６８に貯留される。水タンク６８に貯留する冷却水はウォータポンプ６９の吸引力でインジェクタ６２まで導かれ、燃焼エア中に噴霧されて燃焼エアを加湿する。但し、インジェクタ６２から噴霧される冷却水は必ずしも燃焼排ガスを凝縮して得られる水滴を用いる必要はなく、例えば、別途用意した冷却水用タンクから冷却水を供給するように構成してもよい。また、燃焼エアの冷却手段としては、上述の構成以外にも、公知のあらゆる冷却手段を用いることができる。例えば、燃焼エア流路上にインタークーラーを設置し、装置内を循環する冷却水との間で熱交換可能とすることで、燃焼エアを冷却するように構成してもよい。また、燃焼エア流路上に熱交換器を配置して冷媒を循環させ、燃焼エアとの間で熱交換を行った冷媒をファンなどで冷却することで、燃焼エアを降温させるように構成してもよい。
加熱流体流路部６０の管内部には、電気触媒加熱ヒータ（ＥＨＣ）６４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、加熱流体流路部６０には、複数の温度センサ７１〜７６が配設されており、燃焼エア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の下流には圧力調整手段としての圧力調整弁６６が配設されており、燃焼エアのガス流量を調整できるよう構成されている。圧力調整弁６６の開度を微調整することで、圧力調整弁６６のガス入り口付近の流体抵抗を加減し、燃焼エア圧を調整することができる。圧力調整弁６６のガス入り口付近には圧力センサ６５が設置されており、燃焼エアの温度を計測することができる。
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７７を介して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。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の比率、つまり、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。
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、圧力センサ６５が配設されており、気化した原燃料のガス圧を計測できるよう構成されている。
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、上述した圧力センサ６５、温度センサ７１〜７６からの検出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、インジェクタ６３、及び圧力調整弁６６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を備えて構成されている。制御部２４は、エアポンプ６１、インジェクタ６２、インジェクタ６３、及び圧力調整弁６６を制御することで、吐出燃料量、燃焼エア流量、燃焼エア温度、及び燃焼エア圧を制御し、所望の発電量を得るための原燃料の気化に必要な熱量を燃料蒸発器２２ａに投入する。
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、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の駆動に必要な総発電量を算出し、この総発電量の中からエアポンプ６１の許容消費電力を求める。この許容消費電力の値は、システム全体のエネルギー収支のバランス又は燃料電池２３若しくは二次電池３０の出力制限度合いを考慮して、エネルギー効率を向上できるように求めるのが望ましい。システムコントローラ４３は、エアポンプ６１の消費電力を上述の許容消費電力の範囲内に抑えつつ、上述の総発電量を得るよう制御部２４に指示を与える。
制御部２４は、システムコントローラ４３から上述の指示とともに、総発電量、及びエアポンプ６１の許容消費電力を受け取ると、システムコントローラ４３が要求する総発電量を得るために必要な原燃料の気化に要する熱量Ｑを求める。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，原燃料流量をＦｒｍ，原燃料の温度をＴ０，原燃料の沸点をＴｂｏｉｌ，蒸気の目標温度をＴｅｇとすれば、熱量Ｑは、Ｑ＝｛Ｃｐｌ×（Ｔｂｏｉｌ−Ｔ０）＋Ｈｖａｐ＋Ｃｐ×（Ｔｅｇ−Ｔｂｏｉｌ）｝×Ｆｒｍとなる。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。説明の便宜上、本明細書では、この燃焼エア流量を要求エア流量と称する。
制御部２４はさらにエアポンプ６１の最大許容エア流量を求める。最大許容エア流量は、システムコントローラ４３が指定するエアポンプ６１の許容消費電力の範囲内で得られる最大のエア流量である。エアポンプ６１の最大許容エア流量を求めるには、例えば、図４及び図５に示すような予め算出したマップ値を利用することができる。図４は、エアポンプ６１に供給される電力量からポンプ回転数を求める変換マップであり、図５はポンプ回転数からエアポンプ６１のエア流量を求める変換マップである。ここで求めた最大許容エア流量が要求エア流量を超えている場合には、システムコントローラ４３が指定する許容消費電力の範囲内でエアポンプ６１を駆動できるため、総発電量を得るに足りる燃焼エア流量でエアポンプ６１を駆動する。
一方、最大許容エア流量が要求エア流量に足りない場合には、制御部２４は、インジェクタ６２と圧力調整弁６６の何れか一方、又は両方を駆動制御して、燃焼エアの体積密度を高めることで燃焼エアの体積流量を減らしつつ、エアポンプ６１の許容消費電力の範囲内で要求エア流量を賄えるように燃焼エアの質量流量を制御する。上述したように、インジェクタ６２から噴霧される水滴は燃焼エア中に拡散し、水蒸気となる際の蒸発潜熱で燃焼エア温度を下げることができる。また、圧力調整弁６６の開度を小さくすることで、圧力調整弁６６のガス入り口付近の流体抵抗を高め、エアポンプ６１を介して加熱流体流路部６０に導入される燃焼エアのエア圧を高めることができる。
理想気体では、ｎを気体分子のモル数、Ｐを圧力、Ｖを体積、Ｒを気体定数、Ｔを温度とすると、ｎ／Ｖ＝Ｐ／（Ｒ・Ｔ）の関係が成立することが知られている。気体の状態方程式から明らかなように、気体の圧力Ｐを昇圧させるか、若しくは温度Ｔを降温させることで、体積密度（ｎ／Ｖ）を増加させることができる。燃焼エアを理想気体に近似して考察すると、燃焼エア圧を昇圧させるか、若しくは燃焼エア温度を降温させることで燃焼エアの体積密度を高めることができる。制御部２４は、圧力センサ６５、及び温度センサ７１〜７６からの検出信号を一定時間間隔で取得し、加熱流体流路部６０内の燃焼エア圧、燃焼エア温度を監視しており、インジェクタ６２と圧力調整弁６６の何れか一方、又は両方の駆動制御した場合に、これらのセンサ信号をフィードバックして燃焼エアの体積密度を管理している。このように、要求エア流量が最大許容エア流量を超えている場合に、燃焼エアの体積密度を高めることができれば、燃焼エア中の酸素濃度を高めることができ、エアポンプ６１の最大許容消費電力の範囲内で要求エア流量を供給することが可能となる。
図６は制御部２４におけるエアポンプ６１の制御ルーチンを記述したフローチャートである。同図を参照しながら上述の説明を簡単に再述する。制御部２４は上位のシステムコントローラ４３から車両駆動に必要な総発電量を受け取り（ステップＳ１）、さらに、エアポンプ６１の許容消費電力を受け取る（ステップＳ２）。制御部２４は、総発電量から要求エア流量Ｌ１を算出し（ステップＳ３）、さらに、エアポンプ６１の許容消費電力から最大許容エア流量Ｌ２を算出する（ステップＳ４）。ここで、要求エア流量Ｌ１が最大許容エア流量Ｌ２を超えている場合には（ステップＳ５；ＹＥＳ）、インジェクタ６２と圧力調整弁６６の何れか一方、又は両方を駆動制御して、燃焼エアの体積密度を高め（ステップＳ６）、燃焼エアを燃料蒸発器２２ａに投入する（ステップＳ７）。一方、要求エア流量Ｌ１が最大許容エア流量Ｌ２を超えてない場合には（ステップＳ５；ＮＯ）、許容消費電力の範囲内でエアポンプ６１を作動し、要求エア流量の燃焼エアを燃料蒸発器２２ａに投入する（ステップＳ７）。
このように、本実施形態によれば、要求エア流量が最大許容エア流量を超えている場合に、インジェクタ６２と圧力調整弁６６の何れか一方、又は両方を駆動制御して燃焼エアの体積密度を高めることができるため、上位のシステムコントローラ４３が指定した許容消費電力の範囲内でエアポンプ６１を作動させることが可能となる。このため、システム全体のエネルギー効率を高めることができ、燃焼電池車両１０の燃費を良好なものとすることができる。
また、本実施形態によれば、標高の高い土地や外気温などの異なる場所でシステムを運転する場合においても、燃焼エアの体積密度を調整することで、エアポンプ６１の吐出量を増加することなく、要求される燃焼エア量を供給できるため、エアポンプ６１の消費電力を一定範囲内に抑えることができる。
【発明の効果】
本発明によれば、エアポンプから燃料蒸発器に供給される燃焼エアの燃焼エア温度を降温させることで、又は燃焼エア圧を昇圧させることで、燃焼エアの体積密度を増加させ、エアポンプの消費電力を許容消費電力の範囲内に制限することができ、システム全体のエネルギー効率を高めることができる
【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】エアポンプの消費電力からポンプ回転数を求める変換マップである。
【図５】ポンプ回転数からエア流量を求める変換マップである。
【図６】エアポンプの制御ルーチンを記述したフローチャートである。
【符号の説明】
１０…燃料電池自動車
２０…燃料電池システム
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
３０…二次電池
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…インジェクタ
６４…電気触媒加熱ヒータ
６５…圧力センサ
６６…圧力調整弁
６７…凝縮器
６８…水タンク
６９…ウォータポンプ
７０…被熱流体流路部
７１〜７６…温度センサ
８１…改質エア用遮断弁
８２…精製用エア遮断弁
【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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【図６】
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