(57)【要約】【課題】  蒸発器の起動時および再起動時に生ずる熱衝撃を抑制する。【解決手段】  改質器５を備えた燃料電池システム１における蒸発器５の起動制御装置であり、蒸発器５起動時に、温度検出手段Ｓによる検出温度が予め設定した所定温度以上である場合には、前記燃料電池システム１内の流体、例えば、空気を蒸発器５に供給して、蒸発器５の温度を所定温度以下に低下させ、その後に高温流体供給手段４、２５と低温流体供給手段３６、３７により高温流体と低温流体とを蒸発器５に供給するようにした。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
改質器を備えた燃料電池システムに水蒸気を供給するために高温流体と低温流体との熱交換を行う蒸発器の起動方法であって、
起動時に蒸発器の温度が予め設定した所定温度以上である場合には、高温流体と低温流体とを供給するに先立ち、燃料電池システム内の所定温度以下の流体を蒸発器に一時的に供給して蒸発器の温度を所定温度以下に温度低下させ、その後に低温流体と高温流体を供給して水蒸気を発生させることを特徴とする燃料電池システムにおける蒸発器の起動方法。
【請求項２】
前記燃料電池システム内の所定温度以下の流体は、燃料電池システムに供給される空気、燃料電池システムから冷却して排出される排気、改質器の改質反応器に供給する水蒸気、若しくは燃料電池スタックから排出される排空気のいずれか一つであることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システムにおける蒸発器の起動方法。
【請求項３】
前記燃料電池システム内の所定温度以下の流体が、燃料電池システムに供給される空気、または、改質器の改質反応器に供給する水蒸気である場合には、蒸発器を通過後改質器の熱交換器を経由させて改質反応器に供給することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システムにおける蒸発器の起動方法。
【請求項４】
改質器を備えた燃料電池システムに水蒸気を供給するために高温流体と低温流体との熱交換を行う蒸発器の起動制御装置であって、
蒸発器の温度を検出する温度検出手段と、
蒸発器に高温流体を供給する手段と、
蒸発器に低温流体を供給する手段と、
蒸発器に燃料電池システム内の流体を供給する手段と、
蒸発器起動時に、温度検出手段による検出温度が予め設定した所定温度以上である場合には、前記燃料電池システム内の流体供給手段により燃料電池システム内の流体を蒸発器に供給して、蒸発器の温度を所定温度以下に低下させ、その後に高温流体供給手段と低温流体供給手段により高温流体と低温流体とを蒸発器に供給する起動制御手段と、を備えることを特徴とする燃料電池システムにおける蒸発器の起動制御装置。
【請求項５】
前記燃料電池システム内の流体供給手段は、空気供給手段より導入される空気を分配して蒸発器に供給し、蒸発器を流通して排出された排空気を改質器の熱交換器を経由させて改質反応器に供給することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システムにおける蒸発器の起動制御装置。
【請求項６】
前記燃料電池システム内の流体供給手段は、改質器の改質反応器に供給する水蒸気を分配して蒸発器に供給し、蒸発器を流通して排出された水蒸気を改質器の熱交換器を経由させて改質反応器に供給することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システムにおける蒸発器の起動制御装置。
【請求項７】
前記燃料電池システム内の流体供給手段は、燃料電池システムから冷却して排出される排気を分配して蒸発器に供給することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システムにおける蒸発器の起動制御装置。
【請求項８】
前記燃料電池システム内の流体供給手段は、燃料電池スタックから排出される排空気を分配して蒸発器に供給することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システムにおける蒸発器の起動制御装置。
【請求項９】
前記供給される燃料電池システム内の流体は、蒸発器の高温流体通路若しくは低温流体通路を流通することを特徴とする請求項４ないし請求項８のいずれか一つに記載の燃料電池システムにおける蒸発器の起動制御装置。
【請求項１０】
前記供給される燃料電池システム内の流体は、蒸発器の低温流体通路および高温流体通路とは独立して蒸発器内または蒸発器周囲に設けた流体通路を流通することを特徴とする請求項４ないし請求項８のいずれか一つに記載の燃料電池システムにおける蒸発器の起動制御装置。
【請求項１１】
前記燃料電池システムは、電気自動車に搭載されるものであることを特徴とする請求項４ないし請求項１０のいずれか一つに記載の燃料電池システムにおける蒸発器の起動制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムにおける蒸発器の起動方法および起動制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
気相の高温流体と、少なくとも供給時に液相の低温流体との熱交換を行う熱交換器の応用例として、従来から燃料電池システムの改質反応器に供給する原料ガスを液体原料を蒸発させることにより得る蒸発器は知られている（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。
【特許文献１】特開２００２-１２４２７８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
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。
【０００５】
また、上記従来例を原料ガスを追加的に必要とする過渡応答時にのみ液体原料を噴射して蒸発させる蒸発器として使用する場合にも、前記温度差に起因して、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る。
【０００６】
そこで本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、蒸発器の起動時および再起動時に生ずる熱衝撃を抑制することができる燃料電池システムの蒸発器の起動方法および起動制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、改質器を備えた燃料電池システムに水蒸気を供給するために高温流体と低温流体との熱交換を行う蒸発器の起動制御装置であり、蒸発器の温度を検出する温度検出手段と、蒸発器に高温流体を供給する手段と、蒸発器に低温流体を供給する手段と、蒸発器に燃料電池システム内の流体を供給する手段と、蒸発器起動時に、温度検出手段による検出温度が予め設定した所定温度以上である場合には、前記燃料電池システム内の流体供給手段により燃料電池システム内の流体を蒸発器に供給して、蒸発器の温度を所定温度以下に低下させ、その後に高温流体供給手段と低温流体供給手段により高温流体と低温流体とを蒸発器に供給する起動制御手段と、を備える。
【発明の効果】
【０００８】
したがって、本発明では、起動制御手段により、蒸発器起動時に、温度検出手段による検出温度が予め設定した所定温度以上である場合には、前記燃料電池システム内の流体供給手段により燃料電池システム内の流体を蒸発器に供給して、蒸発器の温度を所定温度以下に低下させ、その後に高温流体供給手段と低温流体供給手段により高温流体と低温流体とを蒸発器に供給するようにしているため、蒸発器に熱衝撃による過大な熱応力の発生を防止し、蒸発器の耐久信頼性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の燃料電池システムにおける蒸発器の起動方法および起動制御装置を各実施形態に基づいて説明する。
【００１０】
（第１実施形態）
図１〜図６は、本発明を適用した燃料電池システムにおける蒸発器の起動制御装置の第１実施形態を示し、図１は移動体用の燃料電池システムのシステム構成図、図２は蒸発器の熱交換面の斜視図、図３は蒸発器の起動制御装置の起動制御フローチャート、図４は蒸発器の起動時の供給流体供給流量および蒸発器の温度の時間的変化を示すタイムチャート、図５は蒸発器の流体通路の別例を示す概略図、図６は蒸発器の流体通路の更に別の例を示す概略図である。
【００１１】
図１において、燃料電池システム１は、原料ガスから水素リッチな改質ガスを生成する改質器２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３と、燃料電池スタック３のアノード排ガスを空気により燃焼させる燃焼器４と、燃焼器４より導入した燃焼ガスの熱により改質器２に供給する水蒸気を発生する過渡応答用の蒸発器５と、蒸発器５若しくは排水素燃焼器４からの燃焼ガスを冷却する熱交換器６と、燃焼ガスおよび燃料電池スタック３より合流された排空気に含まれる水を分離させて回収するコンデンサ７と、を備える。また、上記システム１に原料ガスを供給する原料供給手段８と、空気を供給する空気供給手段９と、水を供給する水供給手段１０と、を備え、加えて、これら燃料電池システム１を制御するコントローラ１１を備えている。
【００１２】
前記改質器２は、供給燃料を空気および水を混合した水蒸気により改質する改質反応器１４と、改質反応器１４よりの改質ガスにより改質反応器１４に供給する水蒸気を加熱する熱交換器１５と、改質ガス中の一酸化炭素と水を反応させて水素を得るシフト反応器１６と、改質ガス中の一酸化炭素を所定の濃度まで減少させる一酸化炭素選択酸化反応器１７と、一酸化炭素選択酸化反応器１７で発生する熱および改質ガスの顕熱により水を蒸発させる蒸発器１８とを備える。
【００１３】
前記改質反応器１４は、原料供給手段８の燃料タンク２１からポンプ２２により導入される炭化水素系燃料と、前記蒸発器１５を経由した水蒸気、空気の原料から水素が３０％程度の水素リッチな改質ガスに変換する。水蒸気および空気は、一酸化炭素選択酸化反応器１７で発生する熱および改質ガスの顕熱により水を蒸発させる蒸発器１８により水供給系統１０から供給された水を蒸発させ、さらに空気供給手段９よりの空気と共に熱交換器１５を経由させる通常時供給系統から加熱状態で供給される。また、要求する水蒸気が不足する場合には、過渡応答用の蒸発器５により水供給系統１０から供給された水を蒸発させて水蒸気を生成して経路２４を経由させる過渡応答時供給系統からも水蒸気が供給される。
【００１４】
前記改質反応器１４は、改質原料として、炭化水素系燃料、および、前記熱交換器１５で加熱された水蒸気と空気の供給を受けて、これら原料をＣＯを含む水素リッチな改質ガスに改質し、前記熱交換器１５に供給する。この改質ガスは水素が３０％程度の改質ガスに変換されている。
【００１５】
前記熱交換器１５は、改質ガスの顕熱を、通過する水蒸気および空気に熱交換により供給するよう構成され、改質反応器１４へ供給する水蒸気および空気を十分に加熱するよう機能する。
【００１６】
前記シフト反応器１６は、前記熱交換器１５を通過後の改質ガスに水供給手段１０から供給される水を加え、内蔵する水性シフト触媒層での反応により改質ガス中のＣＯを低減して選択酸化反応器１７へ供給する。改質ガス中のＣＯは、別に供給される水と反応させて、水素と不活性なＣＯ２とに変換される。ここでは水素が３５％程度の改質ガスになる。
【００１７】
前記選択酸化反応器１７は、前記シフト反応器１６通過後に空気が加えられた改質ガスの供給を受け、内蔵するＣＯ選択酸化触媒層での反応により改質ガス中のＣＯをさらに低減し、ＣＯが低減された改質ガスを、燃料電池スタック３に供給する。選択酸化反応器１７は蒸発器１８を付設して備え、水供給手段１０から供給された水に、改質ガスの顕熱と酸化反応熱とを与えることにより水蒸気に生成し、この水蒸気を熱交換器１５に供給する。この水蒸気は熱交換器１５において改質ガスの顕熱によりさらに加熱されて改質原料として改質反応器１４に導入される。
【００１８】
燃料電池スタック３は、改質器２からの改質ガスに含まれる水素と空気供給手段９より供給された空気に含まれる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４に供給され、カソード排ガスは前記排水素燃焼器４よりの排燃焼ガスと合流されて前記コンデンサ７に供給される。
【００１９】
前記排水素燃焼器４は、燃料電池スタック３よりのアノード排ガスを空気供給系統９から送出された空気により燃焼させ、燃焼ガスを三方弁２５に供給する。三方弁２５は供給された燃焼ガスを蒸発器５を経由させて熱交換器６に供給するか、または、蒸発器５をバイパスするバイパス経路２６を経由させて熱交換器６に供給するか切換可能に構成している。熱交換器６は蒸発器５の使われ方にもよるが、必要に応じて燃焼排ガスの熱を吸熱して排燃焼ガスの温度調整を行い、燃料電池スタック３の酸化ガス側の排気ガスと合流させてコンデンサ７に供給される。コンデンサ７は、この合流ガスを冷却して含有する水蒸気を水に凝縮して回収し、その後に外気に排気される。回収した水は水タンク３１に戻され、改質用の水として再利用される。
【００２０】
前記蒸発器５は、前記改質反応器１４が要求する水蒸気が不足する場合に、前記排水素燃焼器４よりの加熱ガスの熱により、水供給手段１０から供給された水を蒸発させて水蒸気を生成して経路２４を経由させる過渡応答時供給系統から水蒸気を供給する蒸発器である。即ち、前記排水素燃焼器４よりの加熱ガスの高温流体と、水供給手段１０より供給された液相の水の低温流体との間で熱交換により、水から気相の水蒸気を生成する蒸発器として機能する熱交換器により構成されている。水供給手段１０には蒸発器作動時に開放するバルブ２７を備え、バルブ２７を経由して蒸発器５に水を供給する。
【００２１】
前記蒸発器５は、図２に熱交換面の部分斜視図を示すように、前記高温流体の通路４０と前記低温流体の通路４１に加えて、空気供給手段９より供給された空気を流通させる通路４２を前記高温流体通路４０および前記低温流体通路４１の双方に隣接させて備える。即ち、熱交換面を構成する複数のプレート４３同士の間を水および蒸発した水蒸気が流れる層と排気ガスおよび空気が流れる層とを交互に積層して備え、排気ガスおよび空気が流れる層は、波板４４等により排気ガスが流通する流路４０と空気が流れる流路４２とが区画されるように構成する。空気流路４２の流路断面積と排気ガス流路４０の流路断面積とは、必要に応じて、例えば、図示のように、排気ガス流路４０の断面積を波板４４の形状により大きくすることもできる。蒸発器５を経由して温度上昇した空気は、経路２８を通って改質器２の熱交換器１５に供給される。
【００２２】
上記のように、蒸発器５の排気ガス流路４０、空気流路４２、および水流路４１を独立して設ける場合には、流路相互に熱交換可能となっていればよく、図示された構成に限定されるものでなく、例えば、図５に示すように、空気流路４２が蒸発器５の周囲を流れるようにしてもよい。
【００２３】
なお、上記の蒸発器５に示すように、空気流路４２を排気ガス流路４０および水流路４１と独立して新たに設けることなく、蒸発器５の高温流体通路４０若しくは低温流体通路４１に空気供給手段９より供給した空気を流通させることで、蒸発器５を冷却するようにしてもよい。
【００２４】
この場合には、図６に示すように、空気供給手段９からの経路３６を三方弁２５下流の排気ガス経路に連通させ、蒸発器５を通過した空気を改質器２の熱交換器１５に導入するために、蒸発器５下流の排気ガス通路に常開の遮断弁２９を挿入すると共に遮断弁２９上流から分岐して経路２８を形成し、この経路２８に常閉の遮断弁３０を配置して構成する。そして、空気供給手段９よりの空気により蒸発器５を冷却する場合には、蒸発器５下流の遮断弁２９を閉じ、経路２８の遮断弁３０を開放することで、供給した空気を高温流体通路４０に流通させ、経路２８の開放した遮断弁３０を介して改質器２の熱交換器１５に排空気を供給することができる。図示しないが、水通路４１に空気供給手段９よりの空気を導入して蒸発器５を冷却する場合にも、同様の通路切換手段を用いることにより実施することができる。
【００２５】
前記水供給手段１０は、水タンク３１に貯留した水を、ポンプ３２により改質器２の蒸発器１８に供給する系統と、ポンプ３３により改質器２のシフト反応器１６に供給する系統とを備え、シフト反応器１６へ供給する系統を分岐してバルブ２７を経由した後、過渡応答用の蒸発器５に供給可能としている。
【００２６】
前記空気供給手段９は、ブロア３４よりの圧搾空気を流量調整バルブ３５を経由させることで流量調整した後、燃料電池スタック３に酸化剤ガスとして供給し、前記シフト反応器１６通過後選択酸化反応器１７へ流入する改質ガスに合流させて供給し、排水素燃焼器４に供給し、改質器２の熱交換器１５に蒸発器１８よりの水蒸気と共に供給する。また、ブロア３４よりの圧搾空気は、流量調整バルブ３５上流より分流した経路３６の流量調整バルブ３７により流量調整して過渡応答用の蒸発器５に供給するよう構成している。なお、図中の符号３８は夫々合流部に配置した流体の逆流を防止する合流弁である。
【００２７】
前記コントローラ１１は、これら燃料電池システム１、即ち、改質器２の各機器、燃料電池スタック３、排水素燃焼器４、三方弁２５、過渡応答用蒸発器５、熱交換器６、およびコンデンサ７の作動状態を監視し、その作動を制御するよう構成している。また、燃料供給手段８、水供給手段１０、空気供給手段９の各ポンプ２２、３２、３３およびブロア３４や各バルブ２５、２７、３５、３７の開閉状態を制御するよう構成している。
【００２８】
以上の構成になる燃料電池システム１の動作について以下に説明する。
【００２９】
燃料電池システム１の通常の運転時においては、原料供給手段８および水供給手段１０のポンプ２２、３２〜３３および空気供給手段９のブロア３４が作動されている。
【００３０】
空気供給手段９の流量調整バルブ３７は閉じられ、流量調整バルブ３５は開かれて流量を調整し、改質器２の一酸化炭素選択酸化反応器１７の上流側、熱交換器１５、燃料電池スタック３、および排水素燃焼器４に供給している。
【００３１】
水供給手段１０の蒸発器５への流路に配置したバルブ２７は閉じられ、改質器２の一酸化炭素選択酸化反応器１７に付設された蒸発器１８およびシフト反応器１６のみに水を供給している。
【００３２】
改質器２には、原料ガス、水、および、空気が供給され、蒸発器１８が一酸化炭素選択酸化反応器１７で発生する熱および改質ガスの顕熱により水を蒸発させて、空気と共に熱交換器１５で加熱されて、改質反応器１４に供給されている。
【００３３】
改質反応器１４で改質した改質ガスは、熱交換器１５を改質ガスの顕熱で加熱し、シフト反応器１６で改質ガス中の一酸化炭素と水を反応させて改質ガス中の水素濃度を増加され、一酸化炭素選択酸化反応器１７で改質ガス中の一酸化炭素を所定の濃度まで減少させて、燃料電池スタック３に供給されている。
【００３４】
燃料電池スタック３は、供給された改質ガス中の水素と空気供給手段９よりの酸化剤ガスとしての空気中の酸素との電気化学反応により発電し、排水素を排水素燃焼器４に排出する一方、排空気をコンデンサ７に排出している。
【００３５】
排水素燃焼器４は、燃料電池スタック３よりのアノード排ガスを空気供給系統９から送出された空気により燃焼させ、燃焼ガスを三方弁２５に供給する。三方弁２５は、通常時はバイパス通路２６側に開いているため、燃焼ガスはバイパス通路２６を経由して熱交換器６に送られ、熱交換器６で燃焼排ガスの熱が吸熱されて排燃焼ガスは温度調整され、排空気と合流してコンデンサ７に送られ、コンデンサ７は、この合流ガスを冷却して含有する水蒸気を水に凝縮して回収し、その後に外気に排気している。
【００３６】
過渡応答用の蒸発器５には、排水素燃焼器４からの燃焼ガス、水供給手段１０よりの水、および、空気供給手段９よりの空気のいずれも供給されておらず、水蒸気を発生していない待機状態にある。
【００３７】
燃料電池システム１の上記の通常運転中において、改質反応器１４が要求する水蒸気が不足する場合には、コントローラ１１により図３に示す制御フローチャートが実行され、過渡応答用の蒸発器５が起動または再起動される。以下、図３のフローチャートおよび図４のタイムチャートに基づいて、蒸発器５の待機状態からの起動または再起動について説明する。
【００３８】
蒸発器５の起動または再起動は、外部の図示しない、例えば、移動体の運転制御システムから過渡的な負荷入力要求がなされて、燃料電池システム１の運転状態を過渡的な運転状態に対応すべく発電出力を増大させる場合に実行される。即ち、外部信号によりコントローラ１１が過渡的な負荷入力要求等がある場合に起動または再起動される。
【００３９】
ステップＳ１では、先ず、蒸発器５の温度センサＳによる検出温度が所定温度以上か否かが判定される。所定温度は、低温流体である水を流入させると蒸発器５に熱衝撃が発生する蒸発器５の温度により予め設定される。蒸発器５は、必要に応じて、導入された水を過渡応答用の蒸発器５によって蒸発させる際、蒸発器５自体が非常に温度の高い状態となっている場合があり、水の流入時に、水と蒸発器５との温度差による熱衝撃によって破損が生じる可能性がある。ステップＳ１での判定により、蒸発器５の温度が所定温度以上でない場合にはステップＳ５へ進み、蒸発器５の温度が所定温度以上である場合にはステップＳ２へ進む。図４のタイムチャートは、蒸発器５の温度が所定温度以上である場合を示している（時点ｔ０参照）。
【００４０】
ステップＳ２では、燃料電池システム１内流体として、空気供給手段９の空気を、流量制御バルブ３７を開き、流量制御しつつ蒸発器５に流入させ（図４の時点ｔ１参照）、ステップＳ３へ進む。蒸発器５に導入された空気は、蒸発器５の空気流路４２を流通することにより蒸発器５を冷却し、蒸発器５との熱交換により温度上昇した排出空気は経路２８を経由して改質器２の熱交換器１５に水蒸気と共に流入する。そのようにして蒸発器５を流通した排空気は蒸発器５から熱を受取っており、熱交換器１５における熱交換量が少なくてよいため、システム１内の熱エネルギを有効利用することができる。空気の流入により、蒸発器５の温度は、図４（Ｂ）に示すように、徐々に低下される。
【００４１】
ステップＳ３では、蒸発器５の温度が所定温度以下に低下しているか否かが判断され、所定温度以下に低下していればステップＳ４へ進み、未だ所定温度まで低下していない場合にはステップＳ２に戻り、空気供給手段９よりの空気の蒸発器５への供給を継続する。蒸発器５の温度が空気の供給により所定温度以下に低下した場合には、ステップＳ４へ進み、流量調整バルブ３７を閉じ（図４の時点ｔ２参照）、ステップＳ５へ進む。
【００４２】
ステップＳ５では、水供給手段１０のバルブ２７を予め設定した所定時間だけ開き、蒸発器５の水および水蒸気の通路４１に所定量の水を供給し（図４の時点ｔ２）、ステップＳ６へ進む。蒸発器５は水通路４１に水が供給されることにより自らの顕熱を水に供給して温度低下する（時点ｔ２〜ｔ３参照）。
【００４３】
ステップＳ６では、三方弁２５を切換え、排水素燃焼器４の燃焼ガスを蒸発器５に導入し、ステップＳ７へ進む。高温流体である燃焼ガスの流入（時点ｔ３〜参照）により、蒸発器５は温度上昇を開始し、燃焼ガスの顕熱により水通路４１の水を昇温させる（時点ｔ３〜ｔ４参照）。
【００４４】
ステップＳ７では、蒸発器５の温度が水の蒸発温度を超えたか否かが判断され、蒸発温度を超えた時点でステップＳ８へ進む。蒸発器５の温度が蒸発温度を超えた時点（時点ｔ４参照）で、ステップＳ８へ進み、バルブ２７を開き、低温流体である水供給手段１０よりの水が再び蒸発器５に導入され、蒸発器５の起動および再起動処理が終了される。蒸発器５の温度は、水供給手段１０から再び供給された時点で若干低下するが、再び温度上昇を開始し、蒸発した水蒸気を経路２４を経由して改質器２の改質反応器１４に追加供給する。
【００４５】
以上のように、必要に応じて、過渡応答用の蒸発器５によって水供給手段１０より導入した水を蒸発させる際、蒸発器５自体が非常に温度の高い状態となっている場合があり、水の流入時に、水と蒸発器５との温度差による熱衝撃によって蒸発器５に破損が生じる可能性がある。このような場合に、空気供給手段９からの比較的低温の空気を蒸発器５に導入することにより、先ず蒸発器５を所定温度以下に低下させ、その後に蒸発すべき水を蒸発器５に導くため、必要に応じて、または、過渡応答状況に応じて、起動または再起動される蒸発器５においても、事前に過渡応答用の蒸発器５に熱衝撃が生じない所定の温度以下に温度を低下させることができ、熱衝撃を生じて破損することを防止でき、耐久信頼性を向上させることができる。
【００４６】
さらに、蒸発器５を冷却した空気は蒸発器５から熱を受取り温度上昇されているため、改質器２の熱交換器１５を経由する際、改質ガスからの熱交換量が少なくてよく、燃料電池システム１内の熱エネルギを有効利用することができる。
【００４７】
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。
【００４８】
（ア）起動制御手段としてのコントローラにより、蒸発器５起動時に、温度検出手段Ｓによる検出温度が予め設定した所定温度以上である場合には、前記燃料電池システム１内の流体を蒸発器５に供給して、蒸発器５の温度を所定温度以下に低下させ、その後に高温流体供給手段（４、２５）と低温流体供給手段（３３、２７）により高温流体と低温流体とを蒸発器５に供給するようにしているため、蒸発器５に熱衝撃による過大な熱応力の発生を防止し、蒸発器５の耐久信頼性を向上させることができる。
【００４９】
（イ）蒸発器５起動時に、温度検出手段Ｓによる検出温度が予め設定した所定温度以上である場合に、燃料電池システム１内の流体として、空気供給手段９より導入される空気を分配して蒸発器５に供給し、蒸発器５を流通して排出された排空気を改質器２の熱交換器１５を経由させて改質反応器１４に供給するため、過渡応答用の蒸発器５の温度を下げ、再応答時に、蒸発器５に熱衝撃の発生防止を実現できると同時に、蒸発器５で温まった空気を改質反応器１４に流入させるため、燃料電池システム１内の熱エネルギを有効利用することができる。
【００５０】
（ウ）燃料電池システム１は、電気自動車に搭載されるものであるため、様々な運転状況に応じた蒸気供給が要求される過渡応答用の蒸発器５の熱衝撃を防ぎ、耐久信頼性を向上することができる。
【００５１】
（第２実施形態）
図７は、本発明を適用した移動体用の燃料電池システムにおける蒸発器の起動制御装置の第２実施形態を示すシステム構成図である。過渡応答用の蒸発器の温度が所定温度以上である場合に、第１実施形態では空気供給手段よりの空気を導入して蒸発器を冷却するものであったが、本実施形態においては、加湿器の蒸発器で発生した水蒸気を過渡応答用の蒸発器に導入して蒸発器を冷却するようにしたものである。なお、図１〜図６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。
【００５２】
図７において、本実施形態の燃料電池システム１は、図１に示す第１実施形態の空気供給手段９の分岐通路３６およびバルブ３７が削除され、改質器２の蒸発器１８の水蒸気を熱交換器１５に供給する通路５０の途中に常開の流量調整バルブ５１を挿入し、この流量調整バルブ５１の上流から分岐して過渡応答用の蒸発器５に連通する水蒸気導入通路５２を備え、水蒸気導入通路５２の途中に常閉の流量調整バルブ５３が配置される。蒸発器５に導入される水蒸気は、図５に示すように、過渡応答用の蒸発器５の周囲を通過して排出され、経路２８を介して改質器２の熱交換器１５に供給するように構成している。
【００５３】
過渡応答用の蒸発器５が起動または再起動される場合には、第１実施形態の図３に示す過渡応答用の蒸発器の起動または再起動の制御フローチャートが実行される。この制御フローチャートのステップＳ３〜ステップＳ５で蒸発器５に導入されるシステム内の流体は、熱交換器１５に供給される水蒸気の一部を流量制御バルブ５３を開放して分配導入する水蒸気である。残りの水蒸気は熱交換器１５に供給される。導入された水蒸気は、蒸発器５の周囲を通過することで、蒸発器５から顕熱により加熱され、蒸発器５は水蒸気を加熱することで冷却される。このため、必要に応じて、また、再応答時において、事前に過渡応答用蒸発器５の熱衝撃が生じない所定の温度以下に温度を低下させることができ、蒸発器５の熱衝撃を防止して、その耐久信頼性を向上させることができる。
【００５４】
蒸発器５を通過した水蒸気は、蒸発器５からの顕熱により加熱されるため、改質器２の熱交換器１５における熱交換量が少なくてよく、燃料電池システム１内の熱エネルギを有効利用することができる。
【００５５】
本実施形態においては、第１実施形態における効果（ア）〜（ウ）に加えて以下に記載した効果を奏することができる。
【００５６】
（エ）蒸発器５起動時に、温度検出手段Ｓによる検出温度が予め設定した所定温度以上である場合に、燃料電池システム１内の流体として、改質器２の改質反応器１４に供給する水蒸気を分配して蒸発器５に供給し、蒸発器５を流通して排出された水蒸気を改質器２の熱交換器１５を経由させて改質反応器１４に供給するため、過渡応答用の蒸発器５の温度を下げ、再応答時に、蒸発器５に熱衝撃の発生防止を実現できると同時に、蒸発器５で温まった空気を改質反応器１４に流入させることで、燃料電池システム１内の熱エネルギを有効利用することができる。
【００５７】
（第３実施形態）
図８は、本発明を適用した移動体用の燃料電池システムにおける蒸発器の起動制御装置の第３実施形態を示すシステム構成図である。過渡応答用の蒸発器の温度が所定温度以上である場合に、第１実施形態では空気供給手段よりの空気を導入して蒸発器を冷却するものであったが、本実施形態においては、熱交換器６およびコンデンサ７で熱交換および冷却された排気を過渡応答用の蒸発器５に導入して蒸発器５を冷却するようにしたものである。なお、図１〜図７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。
【００５８】
図８において、本実施形態の燃料電池システム１は、図１に示す第１実施形態の空気供給手段９の分岐通路３６およびバルブ３７が削除され、コンデンサ７出口の排気を排出する通路５５途中に常開の流量調整バルブ５６を挿入し、この流量調整バルブ５６の上流から分岐して過渡応答用の蒸発器５に連通する排気導入通路５７を備え、排気導入通路５７の途中に常閉の流量調整バルブ５８が配置される。蒸発器５に導入される排気は、図５に示すように、過渡応答用の蒸発器５の周囲を通過した後、外気に排出されるように構成している。
【００５９】
過渡応答用の蒸発器５が起動または再起動される場合には、第１実施形態の図３に示す過渡応答用の蒸発器５の起動または再起動の制御フローチャートが実行される。この制御フローチャートのステップＳ３〜ステップＳ５で蒸発器５に導入されるシステム内の流体は、コンデンサ７を通過した排気の一部を流量制御バルブ５８を開放して分配導入する排気である。残りの排気は流量制御バルブ５６を経由して外気に排出される。導入された排気は、蒸発器５の周囲を通過することで、蒸発器５から顕熱により加熱され、蒸発器５は排気を加熱することで冷却される。このため、必要に応じて、また、再応答時において、事前に過渡応答用の蒸発器５の熱衝撃が生じない所定の温度以下に温度を低下させることができ、蒸発器５の熱衝撃を防止して、その耐久信頼性を向上させることができる。
【００６０】
本実施形態においては、第１実施形態における効果（ア）〜（ウ）に加えて、以下に記載する効果を奏することができる。
【００６１】
（オ）蒸発器５起動時に、温度検出手段Ｓによる検出温度が予め設定した所定温度以上である場合に、燃料電池システム１内の流体として、燃料電池システム１から冷却して排出される排気を分配して蒸発器５に供給するため、過渡応答用の蒸発器５の温度を下げ、再応答時に、蒸発器５の熱衝撃を防止し、耐久信頼性を向上することができる。
【００６２】
（第４実施形態）
図９は、本発明を適用した移動体用の燃料電池システムの蒸発器の起動制御装置の第４実施形態を示すシステム構成図である。過渡応答用の蒸発器５の温度が所定温度以上である場合に、第１実施形態では空気供給手段９よりの空気を導入して蒸発器５を冷却するものであったが、本実施形態においては、燃料電池スタック３から排出されコンデンサ７に供給される排空気を過渡応答用の蒸発器５に導入して蒸発器５を冷却するようにしたものである。なお、図１〜図８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。
【００６３】
図９において、本実施形態の燃料電池システム１は、図１に示す第１実施形態の空気供給手段９の分岐通路３６およびバルブ３７が削除され、燃料電池スタック３からコンデンサ７に排出される排空気の通路６０途中に常開の流量調整バルブ６１を挿入し、この流量調整バルブ６１の上流から分岐して過渡応答用の蒸発器５に連通する排空気導入通路６２を備え、排空気導入通路６２の途中に常閉の流量調整バルブ６３が配置される。蒸発器５に導入される排空気は、図５に示すように、過渡応答用の蒸発器５の周囲を通過した後、熱交換器１５に供給されるように構成している。
【００６４】
過渡応答用の蒸発器５が起動または再起動される場合には、第１実施形態の図３に示す過渡応答用の蒸発器５の起動または再起動の制御フローチャートが実行される。この制御フローチャートのステップＳ３〜ステップＳ５で蒸発器５に導入されるシステム内の流体は、燃料電池スタック３から排出される排空気の一部を流量制御バルブ６３を開放して分配導入する排空気である。残りの排空気は流量制御バルブ６１を経由してコンデンサ７に供給される。導入された排空気は、蒸発器５の周囲を通過することで、蒸発器５から顕熱により加熱され、蒸発器５は排空気を加熱することで冷却される。このため、必要に応じて、また、再応答時において、事前に過渡応答用の蒸発器５の熱衝撃が生じない所定の温度以下に温度を低下させることができ、蒸発器５の熱衝撃を防止して、その耐久信頼性を向上させることができる。
【００６５】
本実施形態においては、第１実施形態における効果（ア）〜（ウ）に加えて、以下に記載する効果を奏することができる。
【００６６】
（カ）蒸発器５起動時に、温度検出手段Ｓによる検出温度が予め設定した所定温度以上である場合に、燃料電池システム１内の流体として、燃料電池スタック３から排出される排空気を分配して蒸発器５に供給するため、過渡応答用の蒸発器５の温度を下げ、再応答時に、蒸発器５に熱衝撃が発生するのを防止し、蒸発器５の耐久信頼性を向上することができる。
【００６７】
なお、上記各実施形態において、燃料電池システム１へ水蒸気を供給する蒸発器５として、過渡応答用の蒸発器５の起動時制御装置について説明したが、図示はしないが、排水素燃焼器４よりの燃焼ガスを高温流体とする場合には、通常使用時の蒸発器の起動制御装置にも適用できるものである。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】本発明の一実施形態を示す燃料電池システムにおける蒸発器の起動制御装置のシステム構成図。
【図２】同じく蒸発器の熱交換面の部分斜視図。
【図３】コントローラによる蒸発器の起動制御フローチャート。
【図４】蒸発器の起動時の供給流体供給流量および蒸発器の温度の時間的変化を示すタイムチャート。
【図５】蒸発器の流体通路の別例を示す概略図。
【図６】蒸発器の流体通路の更に別の例を示す概略図。
【図７】本発明の第２実施形態を示す燃料電池システムにおける蒸発器の起動制御装置のシステム構成図。
【図８】本発明の第３実施形態を示す燃料電池システムにおける蒸発器の起動制御装置のシステム構成図。
【図９】本発明の第４実施形態を示す燃料電池システムにおける蒸発器の起動制御装置のシステム構成図。
【符号の説明】
【００６９】
１  燃料電池システム
２  改質器
３  燃料電池スタック
４  排水素燃焼器
５  蒸発器、過渡応答用の蒸発器
６、１５  熱交換器
７  コンデンサ
８  原料供給手段
９  空気供給手段
１０  水供給手段
１４  改質反応器
１６  シフト反応器
１７  一酸化炭素選択酸化反応器
１８  蒸発器
２４、２８  経路
２５  三方弁
２６  バイパス通路
２７、２９、３０  バルブ
３４  ブロア
３５、３７、５１、５３、５６、５８、６１、６３  流量調整バルブ
【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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