(57)【要約】【課題】熱衝撃を防止して耐久信頼性を向上できる蒸発器の起動方法を提供する。【解決手段】高温側流体である加熱ガスよりも先に液体原料をタンク１３からポンプ１４、バルブ１９を経由して蒸発器６に供給し、蒸発器６内を液体原料で満たし、その後にバルブ１１、１７を開いて燃焼器よりの加熱ガスを供給するようにした。【選択図】    図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムの原料ガスを供給された高温側流体により液体原料から蒸発させて得る蒸発器の起動方法であって、
最初に蒸発させたい液体原料を蒸発器内に満たし、
次に高温側流体を蒸発器内に導入することを特徴とする蒸発器の起動方法。
【請求項２】
前記高温側流体の導入を継続しつつ蒸発器内に満たされた液体原料は、蒸発器外に排出され、その後に蒸発器に液体原料が導入されることを特徴とする請求項１に記載の蒸発器の起動方法。
【請求項３】
前記蒸発器の液体原料の排出から導入までの時間は、液体原料および蒸発器自体の熱容量ならびに使用環境状態から決まる起動時間に応じて変化させることを特徴とする請求項２に記載の蒸発器の起動方法。
【請求項４】
前記蒸発器の液体原料の排出から導入までの時間は、高温側流体の導入後の蒸発器自体の温度上昇速度から決まる起動時間に応じて変化させることを特徴とする請求項２に記載の蒸発器の起動方法。
【請求項５】
前記蒸発器から排出される液体原料の量は、液体原料および蒸発器自体の熱容量ならびに使用環境状態から決まる起動時間、若しくは、高温側流体の導入後の蒸発器自体の温度上昇速度から決まる起動時間に応じて変化させ、残余の液体原料は蒸発器内に残すことを特徴とする請求項２ないし請求項４のいずれか一つに記載の蒸発器の起動方法。
【請求項６】
前記液体原料の排出後の蒸発器への導入は、蒸発器が蒸気を生成可能な温度まで昇温された時点で開始されることを特徴とする請求項２に記載の蒸発器の起動方法。
【請求項７】
前記液体原料の排出後の蒸発器への導入は、昇温されてゆく蒸発器の温度が導入する液体原料の温度に対して熱衝撃を生じない温度範囲にあるとき開始されることを特徴とする請求項２に記載の蒸発器の起動方法。
【請求項８】
前記液体原料の排出後の蒸発器への導入は、蒸発器の温度が導入する液体原料のその時の圧力に応じた飽和蒸気温度まで昇温された時点で開始されることを特徴とする請求項３に記載の蒸発器の起動方法。
【請求項９】
前記蒸発器から排出される液体原料は、保温機能を備えた別タンクに貯留され、導入時に蒸発器に戻されることを特徴とする請求項２ないし請求項８のいずれか一つに記載の蒸発器の起動方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システムの原料ガスを液体原料から蒸発させて得る蒸発器の起動方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から液体原料を蒸発させて燃料電池システムの改質反応器に原料ガスとして供給するようにした蒸発器が知られている（特許文献１参照）。
【０００３】
この蒸発器は、燃料電池のアノード排ガスを燃焼させた燃焼ガスを蒸発用熱源として蒸発室内に配置した配管内に導入し、液体原料を蒸発室上部に設けた原料噴射装置から前記配管に向けて噴射することで、原料ガスとして蒸発・ガス化するように構成している。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−１２４２７８号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来例では、蒸発器内の蒸発用熱源を導入した配管に液体原料を噴射して蒸発・ガス化するものであるため、起動時等において、液体原料と蒸発器との温度差による熱衝撃によって蒸発器自体に過大な熱応力が発生し、蒸発器の信頼性が低下する不具合があった。
【０００６】
また、改質器側で必要とする都度、液体原料を噴射して蒸発させる場合にも、前記温度差による熱衝撃によって、蒸発器に過大な熱応力が発生し、蒸発器の信頼性が低下する不具合があった。
【０００７】
そこで本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、熱衝撃を防止して耐久信頼性を向上できる蒸発器の起動方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、最初に蒸発させたい液体原料を蒸発器内に満たし、次に高温側流体を蒸発器内に導入することで蒸発器を起動するようにした。
【０００９】
第２の発明は、高温側流体の導入を継続しつつ蒸発器内に満たされた液体原料を蒸発器外に排出し、その後に蒸発器に再び液体原料を導入するようにした。
【００１０】
【発明の効果】
したがって、第１の発明では、最初に蒸発させたい液体原料を蒸発器内に満たし、次に高温側流体を蒸発器内に導入することで蒸発器を起動するため、液体原料は、逐次、蒸発潜熱を蒸発器から奪うこととなり、蒸発器内に局所的な温度勾配の発生を抑制し、熱衝撃を防止でき、蒸発器の耐久信頼性を向上することができる。
【００１１】
第２の発明では、高温側流体の導入を継続しつつ蒸発器内に満たされた液体原料を蒸発器外に排出し、その後に蒸発器に再び液体原料を導入するため、蒸発器の昇温を早め、起動時間を短縮することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の蒸発器の起動方法を各実施形態に基づいて説明する。
【００１３】
（第１実施形態）
図１〜図３は、本発明を適用した蒸発器の起動方法の第１実施形態を示し、図１は本発明の蒸発器を含む燃料電池システムの概略図、図２は蒸発器の運転装置のシステム構成図、図３はコントローラによる起動方法のフローチャートである。先ず、図１により、本発明の蒸発器の運転装置を含む燃料電池システムについて説明する。
【００１４】
図１において、燃料電池システムは、原料ガスから水素リッチな改質ガスを生成する改質反応器１と、改質ガスに含まれる水素と空気に含まれる酸素とにより発電を行う燃料電池スタック２と、燃料電池スタック２のアノード排ガスを空気により燃焼させる燃焼器３と、改質反応器１に原料ガスを供給する原料ガス供給手段４とを備えている。
【００１５】
前記改質反応器１は、原料ガス供給手段４より供給される炭化水素を主成分とする原料ガスを改質して水素リッチな改質ガスを生成し、燃料電池スタック２にアノードガスとして供給する。前記燃料電池スタック２は、改質反応器１より供給された改質ガス中の水素と空気供給ブロア９により送出された空気中の酸素との電気化学反応により発電する。電気化学反応に供されずに排出されたアノード排ガスは排水素燃焼器３に供給され、カソード排ガスは原料ガス供給手段４に低温側加熱ガスとして供給する。前記排水素燃焼器３は、燃料電池スタック２よりのアノード排ガスを空気供給ブロア９から送出された空気により燃焼させ、燃焼ガスを原料ガス供給手段４に高温側加熱ガスとして供給する。
【００１６】
前記原料ガス供給手段４は、液体原料から原料ガスを生成して前記燃料電池システムの改質反応器１に供給するものであり、液体原料を蒸発・ガス化させる蒸発器６と、前記排水素燃焼器３の燃焼ガスおよび燃料電池スタック２のカソード排ガスを蒸発器６に熱源として選択供給する熱源制御手段７と、蒸発器６に液体原料を供給する液体原料供給手段８とで構成している。
【００１７】
前記蒸発器６は、前記液体原料供給手段８から供給された液体原料を図示しない蒸発容器に貯留し、熱源制御手段７から熱源として供給される加熱ガスの熱により蒸発・ガス化させ、三方弁１０を介して改質反応器１に供給する。
【００１８】
前記熱源制御手段７は、例えば、アノード排ガスの蒸発器６への供給量を調整する第１流量調整弁１１と、排水素燃焼器３の燃焼ガスの蒸発器６への供給量を調整する第２流量調整弁１２とを備える。
【００１９】
前記第１流量調整弁１１としては、燃料電池スタック２のカソード排ガスを、一方の切換え位置では低温側加熱ガスとして蒸発器６に供給可能であり、他方への切換え位置では外気に排出可能とする。第１流量調整弁１１は、また、中間の切換え位置ではカソード排ガスをその切換え位置を調節することにより上記両者への排出量・供給量の配分割合を調節可能である。
【００２０】
前記第２流量制御弁１２としては、排水素燃焼器３の燃焼ガスを、一方の切換え位置では高温側加熱ガスとして蒸発器６に供給可能であり、他方への切換え位置では蒸発器６をバイパスして外気に排出可能である。第２流量調整弁１２は、また、中間の切換え位置では燃焼ガスをその切換え位置を調節することにより上記両者への排出量・供給量の配分割合を調節可能である。
【００２１】
カソード排ガスの温度は、通常、６０℃〜７０℃程度であり、また、燃焼ガスの温度は、例えば、通常４００℃前後である。このため、燃焼ガスとカソード排ガスとの混合割合を調節することで、前記蒸発器６に供給するガスの温度を調節可能であり、燃焼ガスのみを供給する場合に加熱エネルギが最大となり、カソード排ガスのみを供給する場合には加熱エネルギを最小とできる。
【００２２】
前記液体原料供給手段８は、液体原料を貯蔵するタンク１３と、タンク１３内の液体原料を蒸発器６に供給するポンプ１４と、三方弁１０からタンク１３に至る凝縮器１５付きの戻し通路１６とを備える。運転停止時には、ポンプ１４は蒸発器６内の液体原料を抜いてタンク１３に回収するよう逆転可能であり、また、蒸発容器から蒸発した原料ガスを、三方弁１０を経由して凝縮器１５により液化してタンク１３に回収することを可能としている。
【００２３】
以上の構成の燃料電池システムにおいては、原料ガス供給手段４からの原料ガスを改質反応器１により改質した改質ガスと空気供給ブロワ９からの空気とが燃料電池スタック２に導入され、発電に供される。発電に供されなかった改質ガスであるアノード排ガスは排水素燃焼器３に供給され、排水素燃焼器３で空気供給ブロワ９より供給される空気により燃焼され、その燃焼ガスは原料ガス供給手段４に導入される。また、燃料電池スタック２からのカソード排ガスも原料ガス供給手段４に導入される。
【００２４】
次に、図２により、蒸発器の運転装置のシステム構成について説明する。
【００２５】
前記蒸発器６には、排水素燃焼器３からの燃焼ガスと燃料電池スタック２からの排カソードガスとを熱源制御手段７の第１、第２流量調整弁１１、１２により混合して温度調整された高温ガスが供給され、また、出口バルブ１７を介して高温ガスを排出するよう構成している。ここでは、第１、第２流量調整弁１１、１２は一個のバルブとして図示され、以下では、単に入口バルブ１１とのみ称す。この場合、入口バルブ１１は、排水素燃焼器３からの燃焼ガスのみが供給される場合であってもよい。これら入口バルブ１１および出口バルブ１７は、コントローラ５により開閉制御される。
【００２６】
前記蒸発器６には、供給された液体原料の液面レベルを検知するレベルセンサ１８が設けられ、レベルセンサ１８のレベル信号はコントローラ５に入力される。
【００２７】
前記液体原料供給手段８は、タンク１３に貯蔵するの液体原料を蒸発器６に供給する系統に、ポンプ１４と入口バルブ１９とを備え、入口バルブ１９はコントローラ５により開閉制御され、ポンプ１４は電動モータ２０により駆動され、電動モータ２０はコントローラ５によりその回転方向および回転速度が制御される。また、蒸発器６から蒸発した原料ガスはコントローラ５により開閉制御される三方弁１０を介して改質反応器１に供給される。
【００２８】
前記コントローラ５は、上位の燃料電池システムの制御装置２１より出力される蒸発器６の起動指令により蒸発器６を起動させ、蒸発器６の停止指令により蒸発器６を停止させる。
【００２９】
以上の構成の蒸発器の運転装置は、図３に示す制御フローチャートにしたがってコントローラにより起動制御がなされる。蒸発器の起動制御について図３の制御フローチャートに基づき説明する。また、蒸発器自体の温度を時間の経過に連れて示した図４のタイムチャートにより、併せて説明する。なお、図３の処理は、コントローラ５において一定周期毎に実行される。
【００３０】
先ず、ステップ１において、蒸発器６の起動時制御か否かが判断される。既に蒸発器６が起動している場合には、ステップ５に進んで通常時制御が実行され、燃料電池システムの制御装置２１より起動指令が発せらた起動時である場合には、ステップ２へ進む。
【００３１】
蒸発器６の停止状態においては、蒸発器６内の液体原料はタンク１３内に抜取られており、液体原料供給手段８のポンプは停止され、その入口バルブ１９および三方弁１０も遮断されている。また、熱源である、例えば、排水素燃焼器３の燃焼ガスは、入口バルブ１１で遮断されて流入を阻止されており、高温ガスの出口バルブ１７も閉じられている。
【００３２】
ステップ２では、入口バルブ１９を開放し、電動モータ２０を正転させてポンプ１４により低温側流体である液体原料をタンク１３から入口バルブ１９を経由させて蒸発器６に供給する（図４の時点ｔ０参照）。
【００３３】
ステップ３では、蒸発器６内の液体原料のレベルをレベルセンサ１８で監視し、蒸発器６内に低温側流体が規定量まで満たされたか否かを判断し、規定量まで満たされるまで電動モータ２０の正転を継続してポンプ１４による液体原料の供給を継続する。液体原料が規定量まで規定量まで満たされるとステップ４へ進む。
【００３４】
ステップ４では、電動モータ２０の作動を停止し、入口バルブ１９を遮断して低温側流体の蒸発器６内への流入を停止させる。蒸発器６内では、液体原料が規定量だけ満たされた状態にあり、その温度は供給された液体原料の温度である低温状態にある。同時に、入口バルブ１１および出口バルブ１７を開放し、高温側流体の蒸発器６内への流入を開始し、蒸発器６の起動処理を終了する（図４の時点ｔ１参照）。
【００３５】
熱源よりの高温ガスは蒸発器６内に導入され、蒸発器６内の図示しない循環路を経由させて出口バルブ１７より排出される。蒸発器６内では、高温側流体の循環により次第に昇温され、蒸発温度に達すると、蒸発器６内の液体原料の蒸発・ガス化が開始され、三方弁１０を開放して得られた原料ガスを改質反応器１に供給する（図４の時点ｔ２）。
【００３６】
液体原料は、時点ｔ２以降、高温側流体の供給による蒸発容器の昇温に応じて蒸発・ガス化され、蒸発による液体原料の量の減少をレベルセンサ１８により検出の都度、液体原料供給手段８を作動させ、蒸発器６は定常運転に移行される。
【００３７】
図５は、蒸発器６に低温側流体が満たされた状態で、高温側流体を供給した場合の蒸発器６内の温度分布を示し、流入した高温側流体は低温側流体を昇温させることで冷却され、徐々に温度低下するため、高温側流体の入口付近の範囲Ａから範囲Ｂへと順次低温側流体が徐々に昇温される。低温側流体は、逐次、顕熱や蒸発潜熱を蒸発器から奪い、ある程度広い範囲Ａ、Ｂで徐々に温度上昇され、局所的な温度勾配が生じず熱衝撃緩和に効果があることが理解できる。
【００３８】
他方、図６に示す比較例は、高温側流体より蒸発器が昇温された状態で低温流体が流入した場合の蒸発器の温度分布を示すものであり、高温側流体により充分に高温となっている蒸発器は、低温側流体が流入すると、その低温側流体の流入部の範囲Ｃ、Ｄで局所的に温度低下され、局所的な温度勾配が生じ、蒸発器に熱衝撃を発生させ、破損等、耐久信頼性を低下させる。
【００３９】
以上のように、蒸発器６に低温側流体である液体原料を供給する起動時に、高温側流体である加熱ガスよりも先に液体原料を供給し、蒸発器６内を液体原料で満たし、その後に加熱ガスを供給する。これにより、蒸発容器の温度は熱伝達のよい液体原料の温度に支配されるので、加熱ガスを一気に供給しても蒸発器６自体が急激な温度変化を起こすことがなく、これにより蒸発器６に熱衝撃による過大な応力が発生するのを抑制できる。
【００４０】
本実施形態においては、以下に記載する効果を奏することができる。
【００４１】
（ア）最初に蒸発させたい液体原料を蒸発器６内に満たし、次に高温側流体を蒸発器６内に導入することで蒸発器６を起動するため、液体原料は、逐次、蒸発潜熱を蒸発器６から奪うこととなり、蒸発器６内に局所的な温度勾配の発生を抑制し、熱衝撃を防止でき、蒸発器６の耐久信頼性を向上することができる。
【００４２】
（第２実施形態）
図７および図８は、本発明を適用した蒸発器の起動方法の第２実施形態を示し、図７は蒸発器の運転装置のシステム構成図、図８はコントローラによる制御フローチャートである。本実施形態においては、蒸発器の昇温過程において蒸発器内の液体原料を一時的に抜くことにより蒸発温度への移行を早めるようにした構成を第１実施形態に追加したものである。なお、第１実施形態と同一装置には同一符号を付してその説明を省略ないし簡略化する。
【００４３】
図７において、蒸発器６には、配管２２を経由して別タンク２３が接続されており、配管２２に配置したバルブ２４で蒸発器６と別タンク２３とは連通状態と遮断状態とを選択可能としており、また、バルブ２４の開放状態において配管２２中に設けたポンプ２５を電動モータ２６により正転若しくは逆転させることにより、蒸発器６内の液体原料を別タンク２３に移送したり別タンク２３内の液体原料を蒸発器６に戻すよう移送したりできるようにしている。
【００４４】
前記別タンク２３は、蒸発器６から一時的に抜いた液体原料を保存し、保存中の温度低下を抑制するために保温機能を備える。これら電動モータ２６の回転方向、回転速度およびバルブ２４の開閉はコントローラ５により制御される。また、コントローラ５には、別タンク２３および蒸発器６内の温度を夫々設けた温度センサ２７、２８により監視するようにしている。その他の構成は、第１実施形態と同様に構成されている。
【００４５】
以上の構成の蒸発器の運転装置は、コントローラにおいて一定周期毎に実行される図８に示す制御フローチャートにしたがってコントローラにより起動制御がなされる。なお、図８のステップ１〜ステップ５の処理は、第１実施形態のステップ１〜５と同様であり、ここでは、ステップ６からの蒸発器の起動制御について制御フローチャートに基づき説明する。また、蒸発器自体の温度の変化を、図９のタイムチャートにより、併せて説明する。
【００４６】
ステップ６では、例えば、蒸発器６および液体の容量により変化する蒸発器６の熱容量と、例えば、蒸発器６および液体の温度により変化する使用環境状態と、温度センサ２８により入力される実際の蒸発器６の温度上昇速度と、から予測した起動時間ｔｓが、燃料電池システム２１から要求される起動時間ｔｄ（燃料電池システムに蒸気を供給するまでの待ち時間）よりも短時間（ｔｓ≦ｔｄ）であるか否かが判断される。予測起動時間ｔｓが要求起動時間ｔｄより短い場合には、ステップ１０へ進み、長い場合にはステップ７へ進む。予測起動時間ｔｓが要求起動時間ｔｄより短いと判断された場合には、後述の昇温時間短縮のステップ７〜ステップ９を経由させる必要はなく、液体原料を保持したまま高温側流体による液体原料の昇温が継続される。
【００４７】
ステップ７では、バルブ２４を開放し、電動モータ２６によりポンプ２５を駆動して蒸発器６内に溜められた低温側流体である液体原料を別タンク２３に抜取る（図９の時点ｔ３参照）。蒸発器６内の液体原料の有無をレベルセンサ１８により監視し、抜取った時点で電動モータ２６およびポンプ２５を停止させ、バルブ２４を閉じる。液体原料が抜かれた状態の蒸発器６は、その熱容量が小さくなる一方、高温側流体の供給が継続されているため、その昇温速度が上昇される。別タンク２３に抜かれた液体原料は、別タンク２３の保温機能により保存中の温度低下が抑制される。
【００４８】
ステップ８では、温度センサ２８により監視している蒸発器６の温度が、再び所定量の液体を供給した場合に燃料電池システムに要求される起動時間ｔｄ以内に蒸気を供給できると予想される温度まで昇温しているか否かを判断し、予想温度に達した場合（図９の時点ｔ５参照）には、ステップ９へ進む。なお、所定量の液体の量は、定常運転状態で蒸発器６内に存在すべき液体の量（蒸発器の設計的事項から決まる設計値）であることが望ましい。
【００４９】
ステップ９では、バルブ２４を開き、電動モータ２６によりポンプ２５を抜取り方向とは反対の供給方向に駆動して、別タンク２３に抜取った液体原料を再び蒸発器６に供給する。蒸発器６内の液体原料の量をレベルセンサ１８により監視し、蒸発器６の規定量に達した時点で電動モータ２６およびポンプ２５を停止させ、バルブ２４を閉じる。蒸発器６に戻される液体原料は、ステップ４〜ステップ５の間において蒸発器６内で温度上昇され且つ別タンク２３で保温されていたものであるため、蒸発器６の温度との温度差は、タンク１３の液体原料に対して小さく、蒸発器６に熱衝撃を生じさせることはなく、速やかに蒸発温度まで温度上昇され、液体原料の確実な蒸発を実現させる。
【００５０】
ステップ１０では、起動時間がきたら入口バルブ１９を開き、電動モータ２０によりポンプ１４を駆動して燃料電池システム２１に要求される流量の液体原料をタンク１３から蒸発器６に供給し、蒸発器６は定常運転に移行される。
【００５１】
図９のタイムチャートに示すように、蒸発器６は、満たされている液体原料を抜かない場合における点線図示の蒸気生成時点（図９の時点ｔ２）よりも、液体原料を抜いた時点ｔ３からの昇温速度が上昇し、早い段階の時点ｔ４で蒸発温度を超えて蒸気を生成することができ、場合によっては、時点ｔ５のように、更に温度上昇された後、別タンク２３からの液体原料により一時的に温度低下される。
【００５２】
なお、上記制御フローチャートでは、蒸発器６との温度差が小さいと見込まれる別タンク２３の液体原料を蒸発器６に戻すようにしているが、劣化の原因となる程度の熱衝撃が蒸発器６に生じないような小さな温度差であれば、別タンク２３よりも温度の低いタンク１３の液体原料を蒸発器６に供給するようにしてもよい。再び液体を供給する際の蒸発器６と液体の温度差は、例えば１００℃とか、２００℃とかのように、熱伝導計算や実験によって求めることができる。
【００５３】
また、上記制御フローチャートでは、ステップ６での判断基準を起動時間としているが、図示しないが、ステップ６の判断を省略して、ステップ４からステップ７へ進むようにしてもよい。この場合、ステップ８での判断を、蒸発器６が蒸気を生成可能な温度まで昇温されたか否か、または、昇温されてゆく蒸発器６の温度が導入する液体原料の温度に対して熱衝撃を生じない温度範囲にあるか否か、もしくは、蒸発器６の温度が導入する液体原料のその時の圧力に応じた飽和蒸気温度まで昇温されたか否かを判断させ、満足される時点で蒸発器６に液体原料を供給するようにする。これによれば、より簡単な制御で、蒸発器６の起動を早めることができ、且つ再度液体原料を導入する際の熱衝撃を有効に防止できる。
【００５４】
本実施形態においては、第１実施形態における効果（ア）に加えて以下に記載した効果を奏することができる。
【００５５】
（イ）高温側流体の導入を継続しつつ蒸発器６内に満たされた液体原料を蒸発器６外に排出し、その後に蒸発器６に再び液体原料を導入するため、蒸発器６の昇温を早め、起動時間を短縮することができる。
【００５６】
（ウ）蒸発器６の液体原料の排出から導入までの時間は、液体原料および蒸発器６自体の熱容量ならびに使用環境状態から決まる起動時間に応じて変化させるか、もしくは、高温側流体の導入後の蒸発器６自体の温度上昇速度から決まる起動時間に応じて変化させるため、起動時間を燃料電池システムからの要求起動時間に合わせて、昇温でき、且つ短縮できる。
【００５７】
（エ）液体原料の排出後の蒸発器６への導入を、蒸発器６が蒸気を生成可能な温度まで昇温された時点で開始する場合、昇温されてゆく蒸発器６の温度が導入する液体原料の温度に対して熱衝撃を生じない温度範囲にあるとき開始する場合、蒸発器６の温度が導入する液体原料のその時の圧力に応じた飽和蒸気温度まで昇温された時点で開始する場合には、より簡単な制御で起動時間を短縮でき、且つ再度液体原料を導入する際の熱衝撃を有効に防止できる。
【００５８】
（オ）蒸発器６から排出される液体原料は、保温機能を備えた別タンクに貯留され、導入時に蒸発器６に戻されるため、導入液体原料は一旦蒸発器６内で一時的に暖められており、確実な蒸発を実現できる。
【００５９】
（第３実施形態）
図１０は、本発明を適用した蒸発器の起動方法の第３実施形態を示すコントローラによる制御フローチャートである。本実施形態においては、蒸発器の昇温過程において蒸発器内の液体原料を所定量残して抜くことにより蒸発温度への移行を早めるようにした構成を第１、２実施形態に追加したものである。なお、第１、２実施形態と同一装置には同一符号を付してその説明を省略ないし簡略化する。また、本実施形態における蒸発器の運転装置のシステム構成は、第２実施形態と同様であるので、その説明を省略する。
【００６０】
本実施形態の蒸発器の運転装置は、コントローラ５において一定周期毎に実行される図１０に示す制御フローチャートにしたがってコントローラ５により起動制御がなされる。なお、図１０のステップ１〜ステップ５およびステップ８〜ステップ１０の処理は、第２実施形態と同様であり、ここでは、ステップ６およびステップ７における蒸発器６の起動制御について説明する。また、蒸発器６自体の温度の変化を、図１１のタイムチャートにより、併せて説明する。
【００６１】
ステップ１１では、蒸発器６および液体の容量により変化する蒸発器６の熱容量と、蒸発器６および液体の温度により変化する使用環境状態と、温度センサ２８により入力される実際の蒸発器６の温度上昇速度と、から予測した起動時間ｔｓが、燃料電池システムから要求される起動時間ｔｄ（燃料電池システムに蒸気を供給するまでの待ち時間）よりも短時間（ｔｓ≦ｔｄ）であるか否かが判断され、予測起動時間ｔｓが要求起動時間ｔｄより短い場合には、ステップ１０へ進む。予測起動時間ｔｓが要求起動時間ｔｄより長い場合には、さらに、蒸発器６の熱容量の内の液体の容量をどれだけ減少させれば、要求される起動時間までに蒸気を供給できるか算出して求め、ステップ１２へ進む。
【００６２】
ステップ１２では、バルブ２４を開放し、電動モータ２６によりポンプ２５を駆動して蒸発器６内に溜められた低温側流体である液体原料を別タンク２３に抜取る（図１１の時点ｔ３参照）。蒸発器６内の液体原料の有無をレベルセンサ１８により監視し、ステップ１１で算出された量の液体原料を抜取った時点で電動モータ２６およびポンプ２５を停止させ、バルブ２４を閉じる。液体原料が残された蒸発器６は、その熱容量が小さくなる一方、高温側流体の供給が継続されているため、その昇温速度が上昇される。蒸発器６内には液体原料が残されているため、その温度上昇は実施形態２に比較して緩慢となり、図１１の時点ｔ６において、液体原料が蒸発温度に達する。別タンク２３に抜かれた液体原料は、別タンク２３の保温機能により保存中の温度低下が抑制される。
【００６３】
そして、ステップ８で別タンク２３の液体原料の戻しタイミング（図１１の時点ｔ６）を判断し、ステップ９で別タンク２３の液体原料を蒸発器６に戻すよう作動させる。
【００６４】
この実施形態においては、起動時間に応じて蒸発器６内に残す液体原料の量を調節しており、また、その量に応じて蒸発器６自体の昇温速度を調節でき、液体燃料が残っていることにより昇温時の熱衝撃を緩和しつつ、次に蒸発させたい流体を流入させる際の熱衝撃を防止する。
【００６５】
なお、ステップ１１およびステップ１２において、蒸発器６に満たされた液体原料を少しずつ抜いて行き、実際の蒸発器６の温度上昇速度の上昇具合から、どれだけ液体を減らせば、要求される起動時間までに蒸気を供給できるかを計算して求めるようにしてもよい。
【００６６】
本実施形態においては、第１実施形態における効果（ア）および第２実施形態における効果（イ）、（オ）に加えて、以下に記載する効果を奏することができる。
【００６７】
（カ）蒸発器６から排出される液体原料の量は、液体原料および蒸発器６自体の熱容量ならびに使用環境状態から決まる起動時間、若しくは、高温側流体の導入後の蒸発器６自体の温度上昇速度から決まる起動時間に応じて変化させ、残余の液体原料は蒸発器６内に残すため、起動時間に応じて蒸発器６の昇温を調節でき、再度流体を流入させる際に熱衝撃が生じないようにできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の蒸発器を含む燃料電池システムの概略図。
【図２】本発明の第１実施形態の蒸発器の運転装置のシステム構成図。
【図３】第１実施形態のコントローラによる起動方法のフローチャート。
【図４】蒸発器自体の温度を時間の経過に連れて示したタイムチャート。
【図５】蒸発器に低温側流体が満たされた状態で高温側流体を供給した場合の蒸発器内の温度分布図。
【図６】高温側流体通路に高温側流体が満たされた状態で低温流体が流入した場合の蒸発器の温度分布図。
【図７】本発明の第２実施形態の蒸発器の運転装置のシステム構成図。
【図８】第２実施形態のコントローラによる起動方法のフローチャート。
【図９】第２実施形態の蒸発器自体の温度を時間の経過に連れて示したタイムチャート。
【図１０】本発明の第３実施形態のコントローラによる起動方法のフローチャート。
【図１１】第３実施形態の蒸発器自体の温度を時間の経過に連れて示したタイムチャート。
【符号の説明】
１  改質反応器
２  燃料電池スタック
３  排水素燃焼器
４  原料ガス供給手段
５  コントローラ
６  蒸発器
７  熱源制御手段
８  液体原料供給手段
９  空気供給ブロア
１１、１２  流量調整弁、入口バルブ
１３  タンク
１４、２５  ポンプ
１８  レベルセンサ
１９  入口バルブ
２３  別タンク
２４  バルブ
２７、２８  温度センサ
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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