(57)【要約】【課題】燃料蒸発器の起動性の向上と温度安定化を図る。【解決手段】本発明の燃料蒸発器（２２ａ）は、被加熱流体流路（７０）内の原燃料（９０）の残留量を計測する計測手段（９１〜９６）と、計測手段（９１〜９６）が計測した原燃料（９０）の残留量を記憶するＥＥＰＲＯＭ（２９）と、燃料蒸発器（２２ａ）への熱量投入を制御する制御部（２４）を備える。制御部（２４）は、システム停止時に計測手段（９１〜９６）が計測した原燃料の残留量をＥＥＰＲＯＭ（２９）に記憶する一方、システム起動時にＥＥＰＲＯＭ（２９）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（７０）内に残留する原燃料（９０）を気化するための初期熱量を演算し、エアポンプ（６１）及びインジェクタ（６２）を制御して原燃料（９０）に初期熱量を投入する。【選択図】      図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、
システム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システム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を備える、熱交換装置。
【請求項２】
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、システム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、
システム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。
【請求項３】
前記計測手段は、前記被加熱流体流路の鉛直方向における前記原燃料の温度分布から前記原燃料の液位の推定値を演算する手段である、請求項２に記載の燃料蒸発器。
【請求項４】
前記制御部は、前記記憶手段に記憶された前記原燃料の残留量と、システム起動時点における前記原燃料の初期温度から前記初期熱量を演算する、請求項２又は請求項３に記載の燃料蒸発器。
【請求項５】
前記制御部は、前記初期熱量の投入を制御した後、前記原燃料の蒸気化に要求される熱量に応じて、前記加熱手段から供給される熱量を制御する、請求項２乃至請求項４のうち何れか１項に記載の燃料蒸発器。
【請求項６】
請求項２乃至請求項５のうち何れか１項に記載の燃料蒸発器と、前記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、前記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、燃料電池自動車。
【請求項７】
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、前記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、
システム停止中にシステム起動指令が入力されたか否かを判定するステップと、
前記システム起動指令が入力された場合に、
システム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システム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。
【請求項８】
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、前記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、
システム運転中にシステム停止指令が入力されか否かを判定するステップと、
前記システム停止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、
システム停止中にシステム起動指令が入力されたか否かを判定するステップと、
前記システム起動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。
【請求項９】
前記原燃料の残留量を計測するステップは、前記被加熱流体流路の鉛直方向における前記原燃料の温度分布から前記原燃料の液位の推定値を演算するステップである、請求項８に記載のコンピュータプログラム。
【請求項１０】
前記初期熱量を演算するステップは、前記記憶装置に記憶された前記原燃料の残留量と、システム起動時点における前記原燃料の初期温度から前記初期熱量を演算するステップである、請求項８又は請求項９に記載のコンピュータプログラム。
【請求項１１】
請求項７乃至請求項１０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、起動時の熱量投入制御技術に関する。
【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。
【特許文献１】
特開平２００１−２７２０３１号公報
【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。
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。
【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、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、システム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システム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を備える。
システム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システム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。
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、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る。前記制御部は、システム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、システム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。
このように、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。
好ましくは、前記計測手段は、前記被加熱流体流路の鉛直方向における前記原燃料の温度分布から前記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、システム構成を簡易化できる。
好ましくは、前記制御部は、前記記憶手段に記憶された前記原燃料の残留量と、システム起動時点における前記原燃料の初期温度から前記初期熱量を演算する。原燃料の残留量と、システム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、システム起動時の燃料蒸発器に過不足なく熱量を投入できる。
好ましくは、前記制御部は、前記初期熱量の投入を制御した後、前記原燃料の蒸気化に要求される熱量に応じて、前記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システムの状態により異なるため、システム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。
本発明の燃料電池自動車は、本発明の燃料蒸発器と、前記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、前記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。
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、前記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、システム停止中にシステム起動指令が入力されたか否かを判定するステップと、前記システム起動指令が入力された場合に、システム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システム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。
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、前記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、システム運転中にシステム停止指令が入力されか否かを判定するステップと、前記システム停止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、システム停止中にシステム起動指令が入力されたか否かを判定するステップと、前記システム起動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。
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。
好ましくは、前記原燃料の残留量を計測するステップは、前記被加熱流体流路の鉛直方向における前記原燃料の温度分布から前記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、システム構成を簡易化できる。
好ましくは、前記初期熱量を演算するステップは、前記記憶装置に記憶された前記原燃料の残留量と、システム起動時点における前記原燃料の初期温度から前記初期熱量を演算するステップである。原燃料の残留量と、システム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、システム起動時の燃料蒸発器に過不足なく熱量を投入できる。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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）。
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。
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。
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。
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。
【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
【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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