(57)【要約】【課題】周囲温度の変化に影響されることなく安定的に液体燃料を蒸発させることが可能な燃料蒸発装置を提供する。【解決手段】燃料蒸発通路３６内に設けられる蒸発面５１の、上流側を第１蒸発面５１ａ、その下流側を第２蒸発面５１ｂとし、第１蒸発面５１ａを第１ヒータ３１-1で加熱し、第２蒸発面５１ｂを第２ヒータ３１-2で加熱する。そして、供給される液体燃料が増加した場合等、第１蒸発面５１ａの温度が低下した場合には、第２ヒータ３１-2による加熱する第２蒸発面５１ｂの設定温度をＴ１からＴ２（Ｔ２＞Ｔ１）に変更する。その結果、第２ヒータ３１-2による加熱量が増加し、第２蒸発面５１ｂの温度を高めることができる。従って、第１蒸発面５１ａの低下と連動して第２蒸発面５１ｂが低下することを早期に回避し、液体燃料を安定的に蒸発させることが可能となる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料蒸発通路を備え、外部より供給される液体燃料を蒸発させる燃料蒸発装置において、
前記燃料蒸発通路中の第１蒸発領域を通過する液体燃料を加熱する第１加熱手段と、
前記燃料蒸発通路中の、前記第１蒸発領域に隣接する第２蒸発領域を加熱する第２加熱手段と、
前記第１蒸発領域の温度を検出する温度検出手段と、
前記第１加熱手段、及び第２加熱手段による加熱温度を制御する制御手段と、を備え、
前記制御手段は、
前記温度検出手段により検出される温度に応じて、前記第２加熱手段により加熱する際の設定温度を変更することを特徴とする燃料蒸発装置。
【請求項２】
前記第２蒸発領域は、前記液体燃料の供給方向に対して前記第１蒸発領域の下流側に隣接し、
前記制御手段は、
前記温度検出手段により検出される前記第１蒸発領域の温度が予め設定した下限閾値温度よりも低い場合には、前記第２加熱手段により加熱する際の設定温度を予め設定した基準温度よりも高い温度に変更することを特徴とする請求項１に記載の燃料蒸発装置。
【請求項３】
前記第２蒸発領域は、前記液体燃料の供給方向に対して前記第１蒸発領域の上流側に隣接し、
前記制御手段は、
前記温度検出手段により検出される前記第１蒸発領域の温度が予め設定した上限閾値温度よりも高い場合には、前記第２加熱手段により加熱する際の設定温度を予め設定した基準温度よりも低い温度に変更することを特徴とする請求項１に記載の燃料蒸発装置。
【請求項４】
前記第１蒸発領域は、前記液体燃料の供給方向に対して前記第２蒸発領域の上流側に隣接する上流側蒸発領域、及び下流側に隣接する下流側蒸発領域を含み、
前記第２加熱手段は、前記上流側蒸発領域を加熱する上流側加熱手段、及び前記下流側蒸発領域を加熱する下流側加熱手段を含み、
前記温度検出手段は、前記上流側蒸発領域の温度、及び下流側蒸発領域の温度を測定し、
前記制御手段は、
前記上流側蒸発領域の温度が予め設定した下限閾値温度を下回った場合に、前記第２加熱手段により加熱する際の設定温度を予め設定した基準温度よりも高い温度に変更し、その後、前記下流側蒸発領域の温度が予め設定した上限許容温度を上回った場合に、前記第２加熱手段により加熱する際の設定温度を前記基準温度に戻すように制御すること
を特徴とする請求項１に記載の燃料蒸発装置。
【請求項５】
前記第１蒸発領域は、前記液体燃料の供給方向に対して前記第２蒸発領域の上流側に隣接する上流側蒸発領域、及び下流側に隣接する下流側蒸発領域を含み、
前記第２加熱手段は、前記上流側蒸発領域を加熱する上流側加熱手段、及び前記下流側蒸発領域を加熱する下流側加熱手段を含み、
前記温度検出手段は、前記上流側蒸発領域の温度、及び下流側蒸発領域の温度を測定し、
前記制御手段は、
前記下流側蒸発領域の温度が予め設定した上限閾値温度を上回った場合に、前記第２加熱手段により加熱する際の設定温度を予め設定した基準温度よりも低い温度に変更し、その後、前記上流側蒸発領域の温度が予め設定した下限許容温度を下回った場合に、前記第２加熱手段により加熱する際の設定温度を前記基準温度に戻すように制御すること
を特徴とする請求項１に記載の燃料蒸発装置。
【請求項６】
前記第１加熱手段、及び第２加熱手段のうちの少なくとも一つは、ガス流入路を備え、該ガス流入路に高温ガスを供給することにより、前記第１蒸発領域、及び第２蒸発領域のうちの対象となる領域を加熱することを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の燃料蒸発装置。
【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用いる液体燃料を蒸発させる燃料蒸発装置に係り、特に、温度変化が発生した場合であっても安定的に燃料を蒸発させる技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
地球環境問題への関心の高まりから、近年、各種燃料電池の利用が検討されている。このうち、効率の高い固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ；Solid Oxide Fuel Cell）の場合には、水素の多く含まれるガスを燃料とし、酸素を酸化剤として、水素及び一酸化炭素、炭化水素との電気化学的反応で発電を行う。この際、燃料ガスとして液体燃料を改質し、得られた改質ガスを燃料電池に供給する方式が採用されている。
【０００３】
改質器に供給する液体燃料として、ガソリンをはじめとする高炭素数有機液体の液体原燃料が用いられ、これらの液体燃料は、燃料蒸発器によりガス化されて改質器に導入される。この際、燃料蒸発器は、液体燃料を安定的にガス化する必要があり、燃料蒸発通路の温度が略一定に保持されることが望まれる。即ち、燃料蒸発通路の温度が安定しない場合には、液体燃料に熱が適切な温度で伝達されにくくなる場合があり、コーキングが発生するという問題が生じる。
【０００４】
この問題の解決策として、例えば、特開２００６−３２７８３５号公報（特許文献１）に記載されているように、燃料電池システムで用いられる高温ガスを利用して蒸発熱面全体の温度を液体蒸発温度より少し高い温度に保持し、蒸発に十分な熱量を供給して燃料を蒸発させる方法が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−３２７８３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述した特許文献１に開示された従来例では、蒸発器の下流側に該蒸発器での設定温度よりも高い温度で運転される機器（例えば、改質器）が接続される場合には、これら高温部の温度の影響を受ける場合がある。また、燃料の蒸発部では蒸発により熱が奪われるため、燃料量の変化によっても蒸発器の蒸発面は温度変動を受ける。このため、蒸発器の蒸発面温度は作動環境が変化すると安定した状態で燃料の蒸発を行い難いという問題がある。
【０００７】
本発明は、このような従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、周囲温度の変化に影響されることなく安定的に液体燃料を蒸発させることが可能な燃料蒸発装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、本願請求項１に記載の発明は、燃料蒸発通路を備え、外部より供給される液体燃料を蒸発させる燃料蒸発装置において、前記燃料蒸発通路中の第１蒸発領域を通過する液体燃料を加熱する第１加熱手段と、前記燃料蒸発通路中の、前記第１蒸発領域に隣接する第２蒸発領域を加熱する第２加熱手段と、前記第１蒸発領域の温度を検出する温度検出手段と、前記第１加熱手段、及び第２加熱手段による加熱温度を制御する制御手段と、を備え、前記制御手段は、前記温度検出手段により検出される温度に応じて、前記第２加熱手段により加熱する際の設定温度を変更することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係る燃料蒸発装置では、温度検出手段により第１蒸発領域の温度を測定し、この測定温度に応じて、第１蒸発領域と隣接する第２蒸発領域の温度を制御するので、隣接する蒸発領域どうしで温度の変動を補完することができ、燃料蒸発通路内の温度を安定化することができる。その結果、液体燃料を安定的にガス化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料蒸発装置が用いられる燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施形態に係る燃料蒸発装置の構成を示す説明図である。
【図３】本発明の実施形態に係る燃料蒸発装置の、電気的な構成を示すブロック図である。
【図４】蒸発面全体が熱的に平衡状態にあるときの、各蒸発面の温度、及び各ヒータの動作を示すタイミングチャートである。
【図５】本発明の第１実施形態に係る燃料蒸発装置が適用されない場合の、各蒸発面の温度、及び各ヒータの動作を示すタイミングチャートである。
【図６】本発明の第１実施形態に係る燃料蒸発装置が適用された場合の、各蒸発面の温度、及び各ヒータの動作を示すタイミングチャートである。
【図７】本発明の第２実施形態に係る燃料蒸発装置が適用されない場合の、各蒸発面の温度、及び各ヒータの動作を示すタイミングチャートである。
【図８】本発明の第２実施形態に係る燃料蒸発装置が適用された場合の、各蒸発面の温度、及び各ヒータの動作を示すタイミングチャートである。
【図９】本発明の第３実施形態に係る燃料蒸発装置が適用されない場合の、各蒸発面の温度、及び各ヒータの動作を示すタイミングチャートである。
【図１０】本発明の第３実施形態に係る燃料蒸発装置が適用された場合の、各蒸発面の温度、及び各ヒータの動作を示すタイミングチャートである。
【図１１】本発明の変形例に係る燃料蒸発装置の、電気的な構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１２】
［燃料電池システムの構成説明］
図１は、本発明の実施形態に係る燃料蒸発装置１４が搭載される燃料電池システム１００の構成を示すブロック図である。図１に示すように、該燃料電池システム１００は、カソード１１ａ及びアノード１１ｂを備えた燃料電池１１と、燃料改質器１５ａ及び該燃料改質器１５ａを加熱する燃焼バーナ１５ｂを備えた改質装置１５と、を備えている。そして、燃料改質器１５ａより出力される改質ガスは、アノード１１ｂに供給される。また、カソード１１ａの排出ガスは燃焼バーナ１５ｂに供給される。
【００１３】
また、燃料電池１１のカソード１１ａに空気を供給する第１空気ブロワ１２と、該第１空気ブロワ１２より送出される空気を加熱する熱交換器１３と、アノード１１ｂの出口側に設置され、アノード排出ガスを燃料改質器１５ａに循環させる循環ブロワ１６と、該循環ブロワ１６の出口側に設置される分岐弁２５と、を備えている。
【００１４】
更に、燃料改質器１５ａに空気を供給する第２空気ブロワ１７と、図示省略の燃料ポンプ等より送出される液体燃料を気化させる燃料蒸発装置１４と、燃焼バーナ１５ｂに空気を供給する第３空気ブロワ２０と、を備えている。従って、第２空気ブロワ１７より送出される空気、燃料蒸発装置１４で気化された燃料ガス、及び分岐弁２５を介して送出されるアノード排気ガスは、混合ガスとして燃料改質器１５ａに供給される。
【００１５】
そして、燃料電池１１のアノード１１ｂには燃料改質器１５ａで改質された改質ガスが供給され、カソード１１ａには空気が供給されるので、カソード１１ａとアノード１１ｂとの間に電流が流れ、負荷（図示省略）に電力を供給することができる。
【００１６】
次に、本発明の特徴部分である燃料蒸発装置１４の詳細な構成について、図２，図３を参照して説明する。図３は燃料蒸発装置１４の断面図であり、図２は該燃料蒸発装置１４の電気的な構成を示すブロック図である。
【００１７】
図３に示すように、燃料蒸発装置１４は、中空の円筒形状をなす燃料蒸発通路３６と、該燃料蒸発通路３６の上流側に設けられる燃料供給口４１と、燃料蒸発通路３６の下流側に設けられる蒸発ガス出口４２と、を備えている。
【００１８】
更に、燃料蒸発通路３６の周囲には、上流側から下流側に向けて、第１ヒータ３１-1、第２ヒータ３１-2、及び第３ヒータ３１-3が設置され、第１ヒータ３１-1で加熱される上流の領域が第１蒸発面５１ａとされ、第２ヒータ３１-2で加熱される中間の領域が第２蒸発面５１ｂとされ、第３ヒータ３１-3で加熱される下流の領域が第３蒸発面５１ｃとされている。そして、図２に示すように、第１〜第３ヒータ３１-1〜３１-3はそれぞれ電力供給線３４を介して温度制御部３３に接続されており、該温度制御部３３の制御により電力供給のオン、オフが切り換えられて、所望の温度となるように制御される。
【００１９】
従って、燃料供給口４１より供給される液体燃料は、燃料蒸発通路３６内に噴射され、噴射された液体燃料は燃料蒸発通路３６周囲部の蒸発面５１（第１蒸発面５１ａ、第２蒸発面５１ｂ、第３蒸発面５１ｃ）から熱が供給されて気化され、気化された燃料は蒸発ガス出口４２を経由して外部に送出される。なお、本実施形態では、３個のヒータ３１-1〜３１-3を設ける構成とするが、本発明はこれに限定されるものではなく、２個、或いは４個以上としても良い。
【００２０】
また、第１蒸発面５１ａの表面温度を測定する第１温度センサ３２-1と、第２蒸発面５１ｂの表面温度を測定する第２温度センサ３２-2、及び第３蒸発面５１ｃの表面温度を測定する第３温度センサ３２-3が設けられており、これらの第１〜第３温度センサ３２-1〜３２-3は、制御線３５を介して温度制御部３３に接続されている。
【００２１】
温度制御部（制御手段）３３は、例えば、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、及び各種の操作子等からなるマイコンにより構成することが可能であり、各温度センサ３２-1〜３２-3で検出される温度データに基づいて、後述する手順により各ヒータ３１-1〜３１-3の温度を調整する制御を行う。
【００２２】
以下、本発明の第１〜第３実施形態に係る燃料蒸発装置１４について詳細に説明する。
【００２３】
［第１実施形態の説明］
第１実施形態の作用を説明する前に、図４に示すタイミングチャートを参照して、燃料蒸発装置１４が熱的に平衡状態であるときの、第１蒸発面５１ａ、第２蒸発面５１ｂ、及び第３蒸発面５１ｃの温度変化と、第１〜第３ヒータ３１-1〜３１-3のオン、オフ動作との関係について説明する。
【００２４】
図４（１ａ）は、第１蒸発面５１ａの温度（第１温度センサ３２-1で検出される温度）の変化を示し、（１ｂ）は第１ヒータ３１-1のオン、オフの変化を示している。また、図４（２ａ）は、第２蒸発面５１ｂの温度（第２温度センサ３２-2で検出される温度）の変化を示し、（２ｂ）は第２ヒータ３１-2のオン、オフの変化を示している。図４（３ａ）は、第３蒸発面５１ｃの温度（第３温度センサ３２-3で検出される温度）の変化を示し、（３ｂ）は第３ヒータ３１-3のオン、オフの変化を示している。
【００２５】
そして、温度制御部３３は、各蒸発面５１ａ〜５１ｃの温度がそれぞれ予め設定する設定温度Ｔ１（基準温度）となるように、各ヒータ３１-1〜３１-3のオン、オフを制御する。例えば、図４（１ａ）に示すように、第１蒸発面５１ａの温度が設定温度Ｔ１を上回った場合には第１ヒータ３１-1をオフとして発熱を停止させ、反対に、設定温度Ｔ１を下回った場合には第１ヒータ３１-1をオンとして発熱させる。その結果、第１蒸発面５１ａの温度が設定温度Ｔ１を中心として上下に変動し、平均的には略一定の温度となるように制御される。この際、第１蒸発面５１ａは、他の蒸発面（第２蒸発面５１ｂ及び第３蒸発面５１ｃ）と繋がっているので、各蒸発面同士の熱のやり取りも行われるが、各温度センサ３２-1〜３２-3で検出される温度に基づいて各ヒータ３１-1〜３１-3のオン、オフが制御されるので、各蒸発面５１ａ〜５１ｃ共に略一定温度に維持されている。なお、図４（１ａ）等に示す温度変化の特性曲線は、理解し易いように三角波形状に示している。実際には、なめらかな曲線で上下に変動する曲線となる。他の特性曲線についても同様である。
【００２６】
次に、本実施形態に係る温度制御を実施しない場合（即ち、従来の制御方式を用いた場合）において、第１蒸発面５１ａの温度が低下した際の、第２蒸発面５１ｂ、及び第３蒸発面５１ｃの温度変化について、図５に示すタイミングチャートを参照して説明する。図５（１ａ）は第１蒸発面５１ａの温度変化を示し、（１ｂ）は第１ヒータ３１-1のオン、オフの変化を示し、（１ｃ）は設定温度Ｔ１に対する温度低下レベルを示している。また、図５（２ａ）は、第２蒸発面５１ｂの温度変化を示し、（２ｂ）は第２ヒータ３１-2のオン、オフの変化を示している。図５（３ａ）は第３蒸発面５１ｃの温度変化を示し、（３ｂ）は第３ヒータ３１-3のオン、オフの変化を示している。
【００２７】
そして、この例では、第１蒸発面５１ａの温度が時間経過と共に徐々に低下する場合を示している。このような温度変化が生じる状況としては、例えば、図２に示した燃料供給口４１より供給される燃料が増加した場合が挙げられる。燃料蒸発通路３６内への燃料供給量が増加すると、第１ヒータ３１-1により加熱される第１蒸発面５１ａからの、燃料への蒸発熱の放出が多くなるため、図５（１ａ）に示すように、第１蒸発面５１ａの温度が設定温度Ｔ１を下回る時間が増加し、第１ヒータ３１-1のオン時間がオフ時間に対して相対的に長くなる。更に、第１ヒータ３１-1による発熱量が、燃料を蒸発させるために必要となる蒸発熱を賄いきれなくなると、第１ヒータ３１-1のオン状態を継続させた場合（常時オン状態とした場合）でも、第１蒸発面５１ａの温度は低下し続ける。
【００２８】
また、第１蒸発面５１ａと第２蒸発面５１ｂは繋がっているので、図５（２ａ）に示すように、やがて第２蒸発面５１ｂの温度も設定温度Ｔ１を下回る時間が増加し、第２ヒータ３１-2のオン時間がオフ時間に対して相対的に長くなり、第２ヒータ３１-2の発熱量が増加する。
【００２９】
そして、第２ヒータ３１-2の発熱量の増加により、第２蒸発面５１ｂでの燃料蒸発熱量を賄える場合には、第２蒸発面５１ｂの温度を設定温度Ｔ１に維持することができる。しかし、第１蒸発面５１ａについては、温度の低下傾向が継続される。この場合、液体燃料は、第１蒸発面５１ａ、及び第２蒸発面５１ｂより熱が供給されて、段階的に蒸発することになり、初めに第１蒸発面５１ａにより燃料中の低沸点成分（蒸発し易い成分）が蒸発し、その後、第２蒸発面５１ｂにて燃料中の高沸点成分（蒸発し難い成分）が蒸発することになるため、第２蒸発面５１ｂにて燃料がコーキングする等の問題が生じ易くなる。
【００３０】
即ち、図５に示す温度制御方法（本発明を採用しない手法）では、例えば、燃料蒸発通路３６内に供給される燃料量に変動が発生した場合には、供給される燃料を安定的に蒸発させることができない場合があり得る。
【００３１】
次に、第１蒸発面５１ａの温度が低下した際に、本発明の第１実施形態に係る温度制御を実施した場合の温度変化について図６に示すタイミングチャートを参照して説明する。
【００３２】
第１実施形態に係る燃料蒸発装置１４では、燃料蒸発通路３６の上流側の領域である第１蒸発面５１ａの温度が低下傾向にある場合に、これに隣接する第２蒸発面５１ｂを加熱するための第２ヒータ３１-2の設定温度を上昇させることにより、第２蒸発面５１ｂに供給する熱量を増大させて、燃料蒸発通路３６内に噴霧された液体燃料が確実に気化するように制御する。
【００３３】
即ち、第１実施形態においては、第１蒸発面５１ａが第１蒸発領域であり、第２蒸発面５１ｂが第２蒸発領域であり、第１ヒータ３１-1が第１加熱手段であり、第２ヒータ３１-2が第２加熱手段であり、第１温度センサ３２-1が温度検出手段である。
【００３４】
図６において、（１ａ）は、第１蒸発面５１ａの温度変化を示し、（１ｂ）は第１ヒータ３１-1のオン、オフの変化を示し、（１ｃ）は設定温度Ｔ１に対する温度低下レベルを示している。また、図６（２ａ）は第２蒸発面５１ｂの温度の変化を示し、（２ｂ）は第２ヒータ３１-2のオン、オフの変化を示している。図６（３ａ）は第３蒸発面５１ｃの温度変化を示し、（３ｂ）は第３ヒータ３１-3のオン、オフの変化を示している。
【００３５】
図５の例で示したように、例えば、燃料供給口４１からの蒸発燃料供給量が増加すると、第１ヒータ３１-1から液体燃料に供給する熱量が増大するので、図６（１ａ）に示すように、第１蒸発面５１ａの温度、即ち、第１温度センサ３２-1による検出温度が低下する。従って、温度制御部３３は、図６（１ｂ）に示すように、オフ時間（Ｔoff）に対してオン時間（Ｔon）が相対的に長くなり、最終的には常時オン状態となる。
【００３６】
また、第１蒸発面５１ａの温度が低下して、図６（１ｃ）に示すように、予め設定した下限閾値温度Ｔth１（設定温度Ｔ１よりもΔＴだけ低い温度）まで低下した場合には、温度制御部３３は、図６（２ａ）に示すように、第２ヒータ３１-2による設定温度Ｔ１を、Ｔ２（但し、Ｔ２＞Ｔ１）に変更する。これにより、第２ヒータ３１-2は、第２蒸発面５１ｂの温度が設定温度Ｔ２を上回った場合にオフとなり、下回った場合にオンとなるように制御されるので、図６（２ｂ）に示すように、オフ時間に対してオン時間が相対的に長くなるように制御される。従って、第２ヒータ３１-2による発熱量が増加し、第２蒸発面５１ｂの温度が高くなるように制御される。
【００３７】
その結果、前述の図５（２ａ）に示したように、第１蒸発面５１ａの温度の低下に連動して、第２蒸発面５１ｂの温度が低下することを抑制することができ、第１蒸発面５１ａで蒸発されない液体燃料を加熱して、蒸発させることができる。
【００３８】
このようにして、第１実施形態に係る燃料蒸発装置１４では、第１蒸発面５１ａの温度を検出し、この温度が予め設定した下限閾値温度Ｔth１を下回った場合には、第１蒸発面５１ａの下流側に隣接する第２蒸発面５１ｂの設定温度を上昇させる。具体的には、図６（２ａ）に示すＴ１からＴ２に変更する処理を行う。従って、第２蒸発面５１ｂを加熱するための、第２ヒータ３１-2による発熱量を早期に増大させることができ、第１蒸発面５１ａの温度低下に連動して第２蒸発面５１ｂが温度低下することを防止することができ、燃料蒸発通路３６に供給される液体燃料に対して常に十分な熱を加えることができる。その結果、コーキング等の問題の発生を回避することができ、安定的に液体燃料を気化させることが可能となる。
【００３９】
なお、上記した第１実施形態では、第１温度センサ３２-1を用いて第１蒸発面５１ａの温度を測定する構成としたが、第１ヒータ３１-1のオン時間とオフ時間との比率、即ち、図６（１ｂ）に示すオン時間ｔonとオフ時間ｔoffとの比率に基づいて、第１蒸発面５１ａの温度低下を検出することも可能である。また、第１蒸発面５１ａの温度低下を検出する手法として、一定時間内での実測平均温度と、設定温度との差に基づいて検出することや、実測中の最低温度のホールド値で検出すること、或いはヒータのオフ時間が一定値幅を超えたことに基づいて検出することも可能である。
【００４０】
更に、設定温度の変化量ΔＴは、蒸発させる燃料に応じて適宜設定することができる。例えば、燃料としてガソリンを用いる場合には、初期的な設定温度Ｔ１を２００℃に設定し、温度低下時の設定温度Ｔ２を２５０℃程度の数値に設定することにより、コーキングの発生を抑制することが可能となる。
【００４１】
［第２実施形態の説明］
次に、第２実施形態について説明する。初めに、第２実施形態に係る温度制御を実施しない場合（即ち、従来の制御方式を用いた場合）において、第３蒸発面５１ｃの温度が上昇した際の、第１蒸発面５１ａ、及び第２蒸発面５１ｂの温度変化について、図７に示すタイミングチャートを参照して説明する。
【００４２】
図７（１ａ）は、第１蒸発面５１ａの温度変化を示し、（１ｂ）は第１ヒータ３１-1のオン、オフの変化を示している。また、図７（２ａ）は第２蒸発面５１ｂの温度変化を示し、（２ｂ）は第２ヒータ３１-2のオン、オフの変化を示している。図７（３ａ）は第３蒸発面５１ｃの温度変化を示し、（３ｂ）は第３ヒータ３１-3のオン、オフの変化を示し、（３ｃ）は設定温度Ｔ１に対する温度上昇レベルを示している。
【００４３】
そして、この例では、図７（３ａ）に示すように、第３蒸発面５１ｃの温度が時間経過と共に徐々に上昇している場合を示している。このような温度変化が生じる状況としては、例えば、燃料蒸発装置１４の下流側に設けられる燃料改質器１５ａ、或いは燃料電池１１（図１参照）の温度が蒸発温度よりも高い場合に、この温度の影響を受けて第３蒸発面５１ｃの温度が設定温度Ｔ１を大きく上回る場合が挙げられる。
【００４４】
燃料改質器１５ａの改質温度等の影響に起因して、図７（３ａ）に示すように、第３蒸発面５１ｃの温度が上昇すると、第３蒸発面５１ｃの温度が設定温度Ｔ１を上回る時間が増加し、図７（３ｂ）に示すように、第３ヒータ３１-3のオン時間（ｔon）がオフ時間（ｔoff）に対して相対的に減少する。その後更に、第３蒸発面５１ｃの温度が低下しない場合には、第３ヒータ３１-3は常時オフとなり、且つ、第３蒸発面５１ｃの温度が上昇し続ける。
【００４５】
また、第３蒸発面５１ｃとその上流側の第２蒸発面５１ｂは繋がっているので、図７（２ａ）、（２ｂ）に示すように、やがて第２蒸発面５１ｂの温度も設定温度Ｔ１を上回る時間が増加し、第２ヒータ３１-2のオフ時間がオン時間に対して相対的に増加し、第２ヒータ３１-2の発熱量が低下する。
【００４６】
そして、第２ヒータ３１-2の発熱量の減少により、第３蒸発面５１ｃ側からの流入熱量に見合うだけの温度低下が可能であれば、第２ヒータ３１-2により加熱される第２蒸発面５１ｂを設定温度Ｔ１に維持することができる。しかし、第３蒸発面５１ｃについては、温度の上昇傾向が継続される。従って、第３蒸発面５１ｃの温度を一定に保持することができなくなる。
【００４７】
即ち、図７に示す温度制御方法（本発明を採用しない手法）では、例えば、燃料蒸発装置１４の下流側に設けられる燃料改質器１５ａの温度や燃料電池１１の温度の影響を受けて、第３蒸発面５１ｃの温度が上昇する場合には、液体燃料を蒸発させる際の温度を一定に維持することができなくなり、安定的に燃料を蒸発させることができない場合が発生する。
【００４８】
次に、第３蒸発面５１ｃの温度が上昇した際に、本発明の第２実施形態に係る温度制御を実施した場合の温度変化について図８に示すタイミングチャートを参照して説明する。
【００４９】
第２実施形態に係る燃料蒸発装置１４では、燃料蒸発通路３６の下流側の領域である第３蒸発面５１ｃの温度が上昇傾向にある場合に、該第３蒸発面５１ｃの上流側に隣接する第２蒸発面５１ｂを加熱するための第２ヒータ３１-2の設定温度を低下させることにより、第２蒸発面５１ｂに供給する熱量を減少させて、燃料蒸発通路３６内に供給される液体燃料に必要以上の熱を伝達しないように制御する。
【００５０】
即ち、第２実施形態においては、第３蒸発面５１ｃが第１蒸発領域であり、第２蒸発面５１ｂが第２蒸発領域であり、第３ヒータ３１-3が第１加熱手段であり、第２ヒータ３１-2が第２加熱手段であり、第３温度センサ３２-3が温度検出手段である。
【００５１】
図８において、（１ａ）は、第１蒸発面５１ａの温度変化を示し、（１ｂ）は第１ヒータ３１-1のオン、オフの変化を示している。また、図８（２ａ）は、第２蒸発面５１ｂの温度変化を示し、（２ｂ）は第２ヒータ３１-2のオン、オフの変化を示している。図８（３ａ）は第３蒸発面５１ｃの温度変化を示し、（３ｂ）は第３ヒータ３１-3のオン、オフの変化を示し、（３ｃ）は設定温度Ｔ１に対する温度上昇レベルを示している。
【００５２】
図７の例で示したように、例えば、燃料蒸発通路３６の下流側の領域が燃料改質器１５ａの温度等の影響を受けると、燃料改質器１５ａの熱が第３蒸発面５１ｃに伝達されて図８（３ａ）に示すように、第３蒸発面５１ｃの温度が上昇する。従って、温度制御部３３は、図８（３ｂ）に示すように、第３ヒータ３１-3を、オン時間（Ｔon）に対してオフ時間（Ｔoff）を相対的に長くなるように制御し、最終的に常時オフ状態とする。
【００５３】
また、第３蒸発面５１ｃの温度が上昇して、図８（３ｃ）に示すように、予め設定した上限閾値温度Ｔth２（設定温度Ｔ１よりもΔＴだけ高い温度）まで上昇した場合には、温度制御部３３は、図８（２ａ）に示すように、第２ヒータ３１-2による設定温度Ｔ１を、Ｔ３（但し、Ｔ３＜Ｔ１）に変更する。これにより、第２ヒータ３１-2は、第２蒸発面５１ｂの温度が設定温度Ｔ３を上回った場合にオフとなり、下回った場合にオンとなるように制御されるので、図８（２ｂ）に示すように、オフ時間に対してオン時間が相対的に短くなるように制御される。従って、第２ヒータ３１-2による発熱量が減少し、第２蒸発面５１ｂの温度が低くなるように制御される。
【００５４】
その結果、前述の図７（２ａ）に示したように、第３蒸発面５１ｃの温度の上昇に連動して、第２蒸発面５１ｂの温度が上昇することを抑制することができ、第２蒸発面５１ｂの温度を略一定の温度に保持することができる。
【００５５】
このようにして、第２実施形態に係る燃料蒸発装置１４では、第３蒸発面５１ｃの温度を検出し、この温度が予め設定した上限閾値温度Ｔth２を上回った場合には、第３蒸発面５１ｃの上流側に隣接する第２蒸発面５１ｂの設定温度を低下させる。具体的には、図８（２ａ）に示すＴ１からＴ３に変更する処理を実施する。従って、第２蒸発面５１ｂを加熱するための、第２ヒータ３１-2による発熱量を減少させることができ、第３蒸発面５１ｃの温度低下に連動して第２蒸発面５１ｂが温度上昇することを防止することができ、燃料蒸発通路３６に噴射される液体燃料に対して常に安定した熱を加えることができる。その結果、液体燃料に均一な熱を加えて安定的に気化させることが可能となる。
【００５６】
なお、上述した第１実施形態と同様に、第２実施形態においても、第３ヒータ３１-3のオン時間とオフ時間との比率、即ち、図８（３ｂ）に示すオン時間ｔonとオフ時間ｔoffとの比率に基づいて、第３蒸発面５１ｃの温度を検出することも可能である。
【００５７】
［第３実施形態の説明］
次に、第３実施形態について説明する。初めに、第３実施形態に係る温度制御を実施しない場合（即ち、従来の制御方式を用いた場合）において、第１蒸発面５１ａの温度が低下し、その後、第３蒸発面５１ｃの温度が上昇した際の、第２蒸発面５１ｂの温度変化について、図９に示すタイミングチャートを参照して説明する。
【００５８】
図９（１ａ）は、第１蒸発面５１ａの温度変化を示し、（１ｂ）は第１ヒータ３１-1のオン、オフの変化を示し、（１ｃ）は設定温度Ｔ１に対する温度低下レベルを示している。また、図９（２ａ）は、第２蒸発面５１ｂの温度変化を示し、（２ｂ）は第２ヒータ３１-2のオン、オフの変化を示している。図９（３ａ）は第３蒸発面５１ｃの温度変化を示し、（３ｂ）は第３ヒータ３１-3のオン、オフの変化を示し、（３ｃ）は設定温度Ｔ１に対する温度上昇レベルを示している。
【００５９】
そして、この例では、図９（１ａ）に示すように、第１蒸発面５１ａの温度が時間経過と共に徐々に低下し、且つ、図９（３ａ）に示すように第３蒸発面５１ｃの温度が時間経過と共に徐々に上昇している場合を示している。このような温度変化が生じる状況としては、例えば、図２に示した燃料供給口４１より供給される燃料が増加した場合で、且つ、燃料蒸発装置１４の下流側に設けられる燃料改質器１５ａ、或いは燃料電池１１（図１参照）の温度が蒸発温度よりも高い場合等が挙げられる。
【００６０】
燃料蒸発通路３６内への燃料供給量が増加すると、第１ヒータ３１-1により加熱される第１蒸発面５１ａから、該第１蒸発面５１ａを通過する燃料に伝達される熱量が多くなるので、図９（１ａ）に示すように、第１蒸発面５１ａの温度が設定温度Ｔ１を下回る時間が増加し、第１ヒータ３１-1のオン時間がオフ時間に対して相対的に増加する。更に、第１ヒータ３１-1による発熱量が、燃料を蒸発させるために必要となる蒸発熱を賄いきれなくなると、第１ヒータ３１-1のオン状態を継続させた場合（常時オン状態とした場合）でも、第１蒸発面５１ａの温度は低下し続ける。従って、第１蒸発面５１ａの温度は図９（１ｃ）に示すように、時間の経過に対し低下傾向となる。
【００６１】
一方、図９（３ａ）に示すように、第３蒸発面５１ｃの温度が上昇すると、第３蒸発面５１ｃの温度が設定温度Ｔ１を上回る時間が増加し、図９（３ｂ）に示すように、第３ヒータ３１-3のオン時間がオフ時間に対して相対的に減少する。その後更に、第３蒸発面５１ｃの温度が低下しない場合には、第３ヒータ３１-3は常時オフとなり、且つ、第３蒸発面５１ｃの温度が上昇し続ける。従って、第３蒸発面５１ｃの温度は図９（３ｃ）に示すように、時間経過と共に上昇する。
【００６２】
このように、第１蒸発面５１ａの温度低下、及び第３蒸発面５１ｃの温度上昇に対して何等の制御も行われない場合には、燃料蒸発通路３６の上流側で温度が低下し、下流側で温度が上昇し、燃料蒸発通路３６内全体の温度が均一化されず、液体燃料を安定的に蒸発させることができないという問題が生じる。
【００６３】
次に、第１蒸発面５１ａの温度が低下し、且つ、第３蒸発面５１ｃの温度が上昇した際に、本発明の第３実施形態に係る温度制御を実施した場合の温度変化について、図１０に示すタイミングチャートを参照して説明する。
【００６４】
第３実施形態に係る燃料蒸発装置１４では、燃料蒸発通路３６の上流側の領域となる第１蒸発面５１ａの温度が低下傾向にあり、且つ、燃料蒸発通路３６の下流側の領域となる第３蒸発面５１ｃの温度が上昇傾向にある場合に、第２蒸発面５１ｂの温度を制御して燃料蒸発通路３６内の温度が安定するように制御する。
【００６５】
即ち、第３実施形態においては、第１蒸発面５１ａ、及び第３蒸発面５１ｃが第１蒸発領域であり、このうち第１蒸発面５１ａが上流側蒸発領域、第３蒸発面５１ｃが下流側蒸発領域である。また、第２蒸発面５１ｂが第２蒸発領域である。また、第１ヒータ３１-1、及び第３ヒータ３１-3が第１加熱手段であり、このうち第１ヒータ３１-1が上流側加熱手段、第３ヒータ３１-3が下流側加熱手段である。また、第２ヒータ３１-2が第２加熱手段である。更に、第１温度センサ３２-1、及び第３温度センサ３２-3が温度検出手段であり、このうち第１温度センサ３２-1が上流側蒸発領域の温度を測定し、第３温度センサ３２-3が下流側蒸発領域の温度を測定する。
【００６６】
図１０において、（１ａ）は、第１蒸発面５１ａの温度変化を示し、（１ｂ）は第１ヒータ３１-1のオン、オフの変化を示し、（１ｃ）は設定温度Ｔ１に対する温度低下レベルを示している。また、図１０（２ａ）は、第２蒸発面５１ｂの温度変化を示し、（２ｂ）は第２ヒータ３１-2のオン、オフの変化を示している。図１０（３ａ）は第３蒸発面５１ｃの温度変化を示し、（３ｂ）は第３ヒータ３１-3のオン、オフの変化を示し、（３ｃ）は設定温度Ｔ１に対する温度上昇レベルを示している。
【００６７】
図９の例で示したように、例えば、燃料供給口４１からの蒸発燃料供給量が増加すると、第１ヒータ３１-1から液体燃料に供給する熱量が増大するので、図１０（１ａ）に示すように、第１蒸発面５１ａの温度が低下する。従って、温度制御部３３は、図１０（１ｂ）に示すように、オフ時間（Ｔoff）に対してオン時間（Ｔon）が相対的に長くなるように第１ヒータ３１-1のオン、オフ制御を行い、最終的には常時オン状態とする。
【００６８】
また、図１０（１ｃ）に示すように、第１蒸発面５１ａの温度が低下し、下限閾値温度Ｔth１を下回ると、前述した第１実施形態と同様に、第２蒸発面５１ｂの設定温度がＴ１からＴ２（但し、Ｔ２＞Ｔ１）に変更される。従って、第２ヒータ３１-2は、第２蒸発面５１ｂの温度がＴ２を上回った場合にオフとなり、下回った場合にオンとなるように制御されるので、図１０（２ｂ）に示すように、オフ時間に対してオン時間が相対的に長くなるように制御される。従って、第２ヒータ３１-2による発熱量が増加し、第２蒸発面５１ｂの温度が高くなるように制御されることになる。
【００６９】
一方、第３蒸発面５１ｃの温度が上昇すると、温度制御部３３は、図１０（３ｂ）に示すように、第３ヒータ３１-3のオン時間（Ｔon）に対してオフ時間（Ｔoff）を相対的に長くなるように制御する。その後、第３蒸発面５１ｃの温度が上昇して、図１０（３ｃ）に示す時刻ｑ１で上限閾値温度Ｔth２まで上昇した場合であっても、第２ヒータ３１-2による設定温度を変更しない。即ち、この状況においては、上流側である第１蒸発面５１ａの温度低下の影響を回避するために、第２ヒータ３１-2の設定温度をＴ２に変更しているので、下流側である第３蒸発面５１ｃの温度が上限閾値温度Ｔth２を上回った場合であっても、第２ヒータ３１-2の設定温度をＴ２に維持する。
【００７０】
その後、第３蒸発面５１ｃの温度が更に上昇して、時刻ｑ２にて、上限閾値温度Ｔth２よりも大きい上限許容温度ＴULを上回った際に、第２ヒータ３１-2の設定温度をＴ２からＴ１に戻す処理を行う。これにより、第２蒸発面５１ｂの温度が過剰に上昇することを防止する。
【００７１】
このようにして、第３実施形態に係る燃料蒸発装置１４では、第１蒸発面５１ａの温度が低下して、下限閾値温度Ｔth１を下回った場合には、第２蒸発面５１ｂの設定温度をＴ１からＴ２に変更することにより、第２ヒータ３１-2による発熱量を上昇させて第２蒸発面５１ｂの温度低下を防止する。また、第２蒸発面５１ｂの設定温度がＴ２とされているときに、第３蒸発面５１ｃの温度が、上限閾値温度Ｔth２を上回った場合には、第２蒸発面５１ｂの設定温度をＴ２のままとし、更に第３蒸発面５１ｃの温度が上昇して上限許容温度ＴUL（＞Ｔth２）を上回った場合には、第２蒸発面５１ｂの設定温度をＴ１に戻すように制御される。
【００７２】
従って、第２蒸発面５１ｂの設定温度は、その上流側である第１蒸発面５１ａの温度、及びその下流側である第３蒸発面５１ｃの温度に基づいて、適切に制御されるので、燃料蒸発通路３６内に流入する液体燃料を安定的に蒸発させることができる。
【００７３】
ここで、図１０に示した例では、先に第１蒸発面５１ａの温度が低下し、その後、第３蒸発面５１ｃの温度が上昇する例について説明したが、先に第３蒸発面５１ｃの温度が上昇し、その後、第１蒸発面５１ａの温度が低下する場合もあり得る。この場合について以下に説明する。
【００７４】
蒸発面５１が熱的に平衡な状態にあるときに、第３蒸発面５１ｃの温度が上昇し、図８（３ｃ）に示したように上限閾値温度Ｔth２を上回ると、第２蒸発面５１ｂの設定温度がＴ１からＴ３（Ｔ３＜Ｔ１）に変更される。その後、第１蒸発面５１ａの温度が低下して図１０（１ｃ）に示す下限閾値温度Ｔth１を下回った場合でも、第２蒸発面５１ｂの設定温度はＴ３を維持する。そして、更に第１蒸発面５１ａの温度が低下し、図１０（１ｃ）に示す下限許容温度ＴLLを下回った場合には、第２蒸発面５１ｂの設定温度をＴ１に戻すように制御される。
【００７５】
従って、先に第３蒸発面５１ｃの温度が上昇し、その後第１蒸発面５１ａの温度が低下した場合であっても、第２蒸発面５１ｂの設定温度は、その上流側である第１蒸発面５１ａの温度、及びその下流側である第３蒸発面５１ｃの温度に基づいて適切に制御され、燃料蒸発通路３６内に流入する液体燃料を安定的に蒸発させることができる。
【００７６】
［変形例に説明］
次に、上述した各実施形態に係る燃料蒸発装置の変形例について説明する。図１１は、変形例に係る燃料蒸発装置１４ａの構成を示すブロック図である。前述した各実施形態では、加熱手段として、電力が供給されて発熱する第１ヒータ３１-1〜第３ヒータ３１-3を用いる例について説明したが、本発明に係る加熱手段は、電力を用いるものに限定されるものではなく、加熱ガスを用いることも可能である。
【００７７】
図１１に示すように、第１蒸発面５１ａに対応する領域に、加熱ガスが流入する流路（ガス流入路）を設け、このガス流入路を第１ヒータ３１-1とする。即ち、ガス流入路に、燃料電池システムで用いられる加熱ガスを供給することにより、第１蒸発面５１ａを加熱し、液体燃料を加熱する。また、ガス流入路の入口に流量調整弁６１を設けることにより、加熱ガスの流量を制御し、ひいては第１蒸発面５１ａの温度を制御することが可能となる。
【００７８】
以上、本発明の燃料蒸発装置を図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置き換えることができる。
【００７９】
例えば、上記した各実施形態では、蒸発面５１を加熱するための手段として、３個のヒータ（第１〜第３ヒータ３１-1〜３１-3）を設ける例について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、３個以上のヒータを設ける構成としても良い。また、第１、第２実施形態に関しては、２個のヒータを設ける場合について適用することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００８０】
本発明は、液体燃料を安定的にガス化することに利用することができる。
【符号の説明】
【００８１】
１１    燃料電池
１１ａ  カソード
１１ｂ  アノード
１２    第１空気ブロワ
１３    熱交換器
１４、１４ａ  燃料蒸発装置
１５    改質装置
１５ａ  燃料改質器
１５ｂ  燃焼バーナ
１６    循環ブロワ
１７    第２空気ブロワ
２０    第３空気ブロワ
２５    分岐弁
３１-1〜３１-3  第１〜第３ヒータ
３２-1〜３２-3  第１〜第３温度センサ
３３    温度制御部
３４    電力供給線
３５    制御線
３６    燃料蒸発通路
４１    燃料供給口
４２    蒸発ガス出口
５１    蒸発面
５１ａ  第１蒸発面
５１ｂ  第２蒸発面
５１ｃ  第３蒸発面
６１    流量調整弁
１００  燃料電池システム
Ｔth１  下限閾値温度
Ｔth２  上限閾値温度
ＴLL    下限許容温度
ＴUL    上限許容温度
【図１】
2013001627.tif 000003
【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】
2013001627.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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