(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高温熱媒体により原燃料を蒸発させ原燃料ガスを得る蒸発室を備えた燃料蒸発装置において、
前記蒸発室は複数の蒸発室が直列に通気可能に連結されてなり、
前記原燃料を噴射する原燃料噴射手段が複数の前記蒸発室にそれぞれ設けられており、
いずれかの前記蒸発室の底部には該底部に隣接して設けられた前記高温熱媒体を発生する熱源手段からの熱を受ける受熱部が備えられ、該蒸発室に隣接する他の蒸発室の底部には前記受熱部側を下にした傾斜部が設けられたことを特徴とする燃料蒸発装置。
【請求項２】
いずれかの前記蒸発室は他の蒸発室よりも伝熱面積を大きく形成され前記いずれかの蒸発室の底部には前記受熱部が備えられていることを特徴とする請求項１に記載された燃料蒸発装置。
【請求項３】
高温熱媒体により原燃料を蒸発させ原燃料ガスを得る蒸発室を備えた燃料蒸発装置において、
前記蒸発室に、当該蒸発室の出口側から距離を変えて設けられ、前記原燃料を噴射する複数の原燃料噴射手段と、
前記原燃料ガスの目標温度を設定し、この設定された目標温度と要求される前記原燃料の噴射量とに基づいて、前記原燃料ガスの温度が設定された目標温度となるように、いずれかの前記原燃料噴射手段を選択し、選択した原燃料噴射手段で前記原燃料を噴射させる原燃料噴射制御手段と、
を備えることを特徴とする燃料蒸発装置。
【請求項４】
前記蒸発室は複数の蒸発室が直列に通気可能に連結されており、
前記原燃料噴射手段は、前記複数の蒸発室にそれぞれ設けられており、
前記複数の蒸発室のうち最上流の蒸発室には、複数の原燃料噴霧手段が配置されていることを特徴とする請求項３に記載された燃料蒸発装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システムにおける原燃料の燃料蒸発装置に関し、さらに詳しくは、複数の蒸発室が通気可能に連結され、要求される原燃料ガスを適切な量で応答性良く後段の反応器に供給することのできる燃料蒸発装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池システムは、水素を燃料ガスとして燃料電池の水素極に供給するとともに、酸素を含有する酸化ガスを燃料電池の酸素極に供給して発電を行う燃料電池を中核とした発電システムである。この燃料電池システムは、化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換するものであり、高い発電効率を有することや有害物質の排出量が極めて少ないこと等から最近注目されている。
【０００３】
従来の燃料電池システムで使用される燃料蒸発装置は、例えば特願平１１―１２５３６６号に記載されている。この燃料蒸発装置１００は、図１２に示すように、図示しない触媒燃焼器の中で、燃料電池で発生するオフガスを（水素含有ガスを）触媒反応で燃焼させることにより発生させた高温熱媒体である燃焼ガスＨＧを、蒸発装置本体１１０に導入するための入口部１１４と、前記燃焼ガスＨＧをＵ字形の熱媒チューブ１１２の入口部１１２ａから出口部１１２ｂまでの内側に上から下に通流して、インジェクタ１４０から前記熱媒チューブ１１２の外表面に噴射される原燃料ＦＬを前記燃焼ガスＨＧから得られる熱により蒸発させる蒸発室１１１と、原燃料ＦＬの蒸発を行った後の前記燃焼ガスＨＧが通流する蒸発室１１１の底面１１０Ａに隣接して設けられる燃焼ガス通路１１３と、前記蒸発室１１１で蒸発した原燃料ガスＦＧを、前記燃焼ガス通路１１３を経由した燃焼ガスＨＧにより過熱するための過熱室１３２と蒸気チューブ１３１とから形成される過熱部１３０とから主要部が構成される。
【０００４】
以上から構成される従来の燃料蒸発装置１００の作用について述べる。
図示しない触媒燃焼器で燃料電池で発生するオフガスを燃焼させて生成した高温熱媒体である燃焼ガスＨＧは、蒸発装置本体１１０の入口部１１４に導入される。入口部１１４に導入された燃焼ガスＨＧは、蒸発室１１１内のＵ字形をした熱媒チューブ１１２内の入口部１１２ａから出口部１１２ｂまでを上から下に通過する。その際、蒸発室１１１内では、燃焼ガスＨＧが前記熱媒チューブ１１２の外表面に熱を伝えインジェクタ１４０により噴射される原燃料ＦＬを蒸発させる。次に、前記原燃料ＦＬを蒸発させた後の燃焼ガスＨＧは、燃焼ガス通路１１３を経由して過熱部１３０の過熱室１３２へと導かれ、蒸発室１１１内で蒸発した原燃料ガスＦＧを蒸気チューブ１３１の外側からさらに過熱する。過熱された原燃料ガスＦＧは図示しない反応器へと導入され、原燃料ガスＦＧを過熱した後の燃焼ガスＨＧは排ガスとして系外に排出される。
【０００５】
従来の燃料蒸発装置１００の熱源である燃焼ガスＨＧは、燃料電池の運転状態により変化し、水素の燃焼熱を用いて原燃料ＦＬを必要量だけ蒸発させて反応器へ供給する必要がある。しかし、供給熱量の変化（運転状況の変化）、燃料蒸発装置自体の熱マス、外気環境温度変化などのさまざまな要因で、蒸発室１１１内の蒸発状態（例えば液溜まりの発生）や原燃料ガスＦＧの温度が変化してしまうという問題があった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、前記課題を解決するためになされたものであって、燃料蒸発装置への原燃料の供給量を制御し、従来の燃料蒸発装置よりも蒸発速度の応答性を向上させ、適切なガス流量で原燃料ガスを後段の反応器に供給することができる燃料蒸発装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するための本発明の要旨とするところは、高温熱媒体により原燃料を蒸発させ原燃料ガスを得る蒸発室を備えた燃料蒸発装置において、前記蒸発室は複数の蒸発室が直列に通気可能に連結されてなり、前記原燃料を噴射する原燃料噴射手段が複数の前記蒸発室にそれぞれ設けられていることを特徴とするものである。
【０００８】
この場合、単室の蒸発室よりも、単室と同じ容量の蒸発室を複数に分けた蒸発室とし、各蒸発室ごとの蒸発能力に合わせて個別に原燃料を噴射するようにすることで噴射時のデッドスペースや伝熱管（熱媒チューブ）への噴射ムラが少なくなるので蒸発室単位容積当りの熱効率が上昇し瞬時に蒸発が行われることから、必要な時に、必要な原燃料ガス量をすばやく供給することが可能となる。
【０００９】
また、いずれかの前記蒸発室には前記原燃料噴射手段が復数個設けられたことを特徴とする燃料蒸発装置である。
【００１０】
特に熱容量が大きく蒸発能力の大きい蒸発室では、上記複数個設けられた原燃料噴射手段から同時に多量かつ広域に原燃料を噴射することで多量の原燃料ガスをすばやく供給できる（加速時利用）。
【００１１】
また、前記原燃料ガスを要求する要求信号を受けていずれかの前記原燃料噴射手段を選択し前記原燃料を噴射させる前記原燃料噴射制御手段を備える燃料蒸発装置である。
【００１２】
この構成によれば、要求された原燃料ガスの量に応じてどの／いくつの蒸発室に原燃料を噴射するかを判断でき、かつ、単室の蒸発室よりも単室と同じ容量の蒸発室を複数に分けた蒸発室とし、各蒸発室ごとの蒸発能力に合わせて個別に噴射することにより噴射時のデッドスペースや伝熱管（熱媒チューブ）に対する噴射ムラが少なくなるので蒸発室単位容積当りの熱効率が上昇し瞬時に蒸発が行われることから、必要な原燃料ガス量をすばやく供給することができる。
【００１３】
また、いずれかの前記蒸発室の底部には該底部に隣接して設けられた前記高温熱媒体を発生する熱源手段からの熱を受ける受熱部が備えられ、該蒸発室に隣接する他の蒸発室の底部には前記受熱部側を下にした傾斜部が設けられたことを特徴とする燃料蒸発装置である。
【００１４】
これにより、各蒸発室内で蒸発せずに底部に貯溜した原燃料が、傾斜部により移動させられ速やかに高温となった受熱部に集められ、蒸発が行われる。したがって、応答性よく予定した量の原燃料ガスが得られる。
【００１５】
また、いずれかの前記蒸発室は他の蒸発室よりも伝熱面積を大きく形成され前記いずれかの蒸発室の底部には前記受熱部が備えられていることを特徴とする燃料蒸発装置である。
【００１６】
伝熱面積を大きく（熱媒チューブの本数を多く）形成し、しかも底部に受熱部を備えた蒸発室では、熱量をより多く与えることができることから、瞬時に原燃料ガスが得られ、応答性良く原燃料ガスを供給できる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明に係る燃料蒸発装置１の実施の形態について図１乃至図１１を参照して説明する。図1は、本発明に係る燃料電池システムの全体系統図、図２は、本発明に係る燃料蒸発装置の平面部分断面図、図３は、図２のＡ−Ａ断面図、図４は、図２のＢ−Ｂ断面図、図５は、図２のＣ−Ｃ断面図、図６は、本発明に係る燃料蒸発装置の原燃料噴射制御手段の制御ブロック図である。
また、図７は、原燃料噴射位置の違いによる蒸発室における原燃料ガスの温度変化を示している図、図８（ａ）は、本発明に係る燃料蒸発装置の燃料電池の運転出力に対する原燃料ガスの目標温度範囲を示す図、図８（ｂ）は、本発明に係る燃料蒸発装置のインジェクタの基本噴射パターンを示す図、図９は、本発明に係る燃料蒸発装置のインジェクタの噴射位置を切り替えることにより原燃料ガスの温度を制御する場合の制御フローチャートである。
また、図１０は、本発明に係る燃料蒸発装置の車両の加速時における原燃料蒸発量を確保するための制御フローチャート、図１１は、本発明に係る燃料蒸発装置の原燃料噴射制御手段による原燃料ガス温度の制御結果を示す図である。
【００１８】
最初に、図１および図２を参照して本発明に係る燃料電池システムＦＣＳ全体について説明する。
車両に搭載される燃料電池システムＦＣＳは、蒸発装置本体１０の蒸発室１１内で、その内側に燃料電池５の水素極のオフガスＯＧを触媒燃焼器２０で触媒燃焼して発生した高温熱媒体である燃焼ガスＨＧを通流し、かつ、その外表面で原燃料噴射制御手段３０により制御された原燃料噴射手段であるインジェクタ４１Ａ，４１Ｂ，４１Ｃから噴射される原燃料ＦＬを蒸発させる多数のＵ字形をした熱媒チューブ１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃを備えた燃料蒸発装置１と、前記燃料蒸発装置１で前記原燃料ＦＬを蒸発させて生成した原燃料ガスＦＧを、固体触媒上で反応させて燃料ガスにする反応器である改質器２と、前記改質器２で生成される前記燃料ガス中の一酸化炭素を除去するＣＯ除去器３と、前記ＣＯ除去器３から供給される燃料ガス中の水素と酸化剤供給手段である空気圧縮機４により圧縮された空気中の酸素とを反応させて発電を行う燃料電池５と、燃料電池５の水素極のオフガスＯＧから水分を分離・除去する気液分離装置６と、気液分離装置６から供給される水素極のオフガスＯＧや補助燃料を燃焼して起動時等で燃料蒸発装置１の加熱源となる高温熱媒体である燃焼ガスＨＧを発生する図示しない補助燃料（例えばメタノール）の供給ラインを有する燃焼バーナ７とを含んで構成される。
【００１９】
前記のように構成される燃料電池システムＦＣＳの作用について述べる。
原燃料ＦＬ（例えばメタノールと水の混合燃料）が、ポンプにより、原燃料貯蔵タンクＴから燃料蒸発装置１に所定量供給される。燃料蒸発装置１の蒸発装置本体１０に供給された原燃料ＦＬは、原燃料噴射制御手段３０により制御された原燃料噴射手段であるインジェクタ４１Ａ１，４１Ａ２，４１Ａ３，４１Ｂ，４１Ｃにより蒸発装置本体１０の蒸発室１１内に設けられた多数のＵ字形の熱媒チューブ１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃの外表面に噴射される。前記蒸発室１１内の前記熱媒チューブ１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ内には、燃料電池５の水素極のオフガスＯＧを燃焼して発生した燃焼ガスＨＧが流れており、前記原燃料ＦＬは、熱媒チューブ１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃを介して前記燃焼ガスＨＧから得られる熱により蒸発室１１内で原燃料ガスＦＧとして蒸発される。蒸発装置本体１０の加熱源としては、運転時は、触媒燃焼器２０で燃料電池５の水素極のオフガスＯＧや補助燃料を触媒燃焼することで発生する燃焼ガスＨＧを使用するが、起動時等で加熱源がない場合は、燃焼バーナ７で補助燃料（例えばメタノール）を燃焼して必要熱量を確保できるようになっている。反対に加熱源が過剰となった場合は、燃焼ガスＨＧを触媒燃焼器２０の直後でバイパスして外部に一部排気できるようになっている。
尚、燃料蒸発装置１の原燃料ＦＬの噴射量およびインジェクタ４１Ａ，４１Ｂ，４１Ｃの噴射位置を制御する原燃料噴射制御手段３０の詳細については後述する。
【００２０】
前記蒸発装置本体１０で発生した原燃料ガスＦＧは、改質器２に導入され、改質器２に導入された原燃料ガスＦＧは、固体触媒（例えばＣｕ−Ｚｎ系の触媒）上で反応させられて水素リッチな燃料ガスを製造する。さらに、改質器２で生成された水素リッチな燃料ガスは、ガス中の一酸化炭素をＣＯ除去器３で除去された後、前記ＣＯ除去器３から供給される燃料ガス中の水素と酸化剤供給手段である空気圧縮機４により圧縮された空気中の酸素とを反応させて発電を行う燃料電池５に導入される。燃料電池５の水素極のオフガスＯＧは、気液分離装置６で水分を分離・除去された後、再び触媒燃焼器２０で燃焼されて蒸発装置本体１０の加熱源となる。
【００２１】
以下、本発明に係る燃料蒸発装置１の特徴的な構成について図１から図１１を参照して詳細に説明する。
本発明に係る燃料蒸発装置１は、図３乃至図５に示すように、
各蒸発室１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃの中にそれぞれ熱媒チューブ１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃと前記熱媒チューブの両端を保持するチューブ保持部１２Ａａ，１２Ｂａ，１２Ｃａを配設して、これら３つの蒸発室１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃを直列に通気可能に連結した蒸発室１１と、前記蒸発室１１の周りに引き廻される燃焼ガス通路Ｐ１〜Ｐ１１とから構成される蒸発室本体１０と、
蒸発室１１に原燃料ＦＬを供給する原燃料供給管４２と前記原燃料供給管４２の下部に設けられる原燃料噴射手段であるインジェクタ４１Ａ，４１Ｂ，４１Ｃとから形成される原燃料噴射装置４０と、
前記蒸発室１１Ａの下部に設けられ、蒸発室１１の熱源となる高温熱媒体である燃焼ガスＨＧを発生させる熱源手段である触媒燃焼器２０と、
原燃料ガスＦＧの要求信号を受けて、いずれかの前記インジェクタ４１Ａ，４１Ｂ，４１Ｃを選択し、選択したインジェクタから所定量の原燃料ＦＬを噴射するように制御する原燃料噴射制御手段３０と、
から主要部が構成される。
【００２２】
蒸発装置本体１０は、蒸発室１１と前記蒸発室１１の周りに引き廻される燃焼ガス通路Ｐ１〜Ｐ１１とから構成される。
蒸発室１１は、図３に示すように、蒸発能力が一番大きい（熱媒チューブ１２Ａの本数が一番多い）第一の蒸発室１１Ａ、蒸発能力が二番目に大きい（熱媒チューブ１２Ｂの本数が２番目に多い）第二の蒸発室１１Ｂ、蒸発能力が一番小さい（熱媒チューブ１２Ｃの本数が一番少ない）第三の蒸発室１１Ｃの３つの蒸発室から構成され、各蒸発室間の境界面の面積を略同じにして直列に通気可能に連結した箱型の部屋である。
蒸発室１１を直列に連結する順番には特にこだわらない。例えば、第一の蒸発室１１Ａを第二の蒸発室１１Ｂと第三の蒸発室１１Ｃの中間の位置に配置しても良い。
蒸発室１１内では、各蒸発室１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃの蒸発能力に応じて原燃料噴射制御手段３０により噴射量と噴射位置を選択されたインジェクタから所定量の原燃料ＦＬが熱媒チューブの外表面に噴射される。インジェクタ４１Ａ，４１Ｂ，４１Ｃが原燃料ＦＬを噴射する方向は、各蒸発室１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃに設けられた熱媒チューブ１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃの入口側（燃焼ガスＨＧが入ってくる側）に向かって噴射される。
このように、単室の蒸発室よりも、単室と同じ容量の蒸発室を複数に分けた蒸発室とし、各蒸発室の蒸発能力に応じて個別に原燃料ＦＬを噴射するようにすることで噴射時のデッドスペースや伝熱管である熱媒チューブへの噴射ムラが少なくなるので、蒸発室単位容積当りの熱効率が上昇する。その結果、瞬時に蒸発が行われることから、必要な時に、必要な原燃料ガス量をすばやく供給することが可能となる。
【００２３】
原燃料噴射装置４０は蒸発室１１の上部に設けられ、図３に示すように、インジェクタ４１Ａ，４１Ｂ，４１Ｃに原燃料ＦＬを供給するマニホールド管である原燃料供給管４２と、各蒸発室１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃの上部に設けられ、原燃料噴射制御手段３０により前記原燃料供給管４２から供給される原燃料ＦＬの噴射量および噴射位置を好適に制御されて原燃料ＦＬを噴射するインジェクタ４１Ａ，４１Ｂ，４１Ｃとから構成される。
インジェクタ４１Ａ，４１Ｂ，４１Ｃは一流体ノズルであり、ノズル背圧によって流量を制御される。図２に示すように、蒸発能力が一番大きい（熱媒チューブ１２Ａの本数が一番多い）第一の蒸発室１１Ａの上部後側には３個（４１Ａ1，４１Ａ2，４１Ａ3）、蒸発能力が二番目に大きい（熱媒チューブ１２Ｂの本数が２番目に多い）第二の蒸発室１１Ｂおよび蒸発能力が一番小さい（熱媒チューブ１２Ｃの本数が一番少ない）第三の蒸発室１１Ｃの上部前側にはそれぞれ1個づつ（４１Ｂおよび４１Ｃ）設けられている。
このように、特に熱容量が大きく蒸発能力の大きい蒸発室では複数個設けた原燃料噴射手段であるインジェクタから同時に多量かつ広域に原燃料を噴射するようにすることで多量の原燃料ガスをすばやく供給できる（加速時利用）。したがって、急激に大きな負荷要求があっても十分に対応できる。
【００２４】
各蒸発室１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃの中には、触媒燃焼器２０から発生した高温熱媒体である燃焼ガスＨＧをその内部に通流し、その外表面で接触する原燃料ＦＬを蒸発させる多数の熱媒チューブ１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃがそれぞれに設けられている。
これら熱媒チューブ１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ形状は、図４および図５に示すように、上方の配管の少なくとも一部がチューブ保持部１２Ａａ，１２Ｂａ，１２Ｃａに向かって下降傾斜した傾斜部を有して形成されたＵ字形をなしている。
また、これら熱媒チューブ１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃの両端を保持するチューブ保持部１２Ａａ，１２Ｂａ，１２Ｃａが設けられている。このように形成することで熱媒チューブの上部に付着した原燃料ＦＬの液滴を、触媒燃焼器２０から熱伝導により加熱されているチューブ保持部１２Ａａ，１２Ｂａ，１２Ｃａに向けて移動させて好適に蒸発させることができる。また、チューブ保持部１２Ａａ，１２Ｂａ，１２Ｃａを壁部として設けることにより燃焼ガスＨＧと原燃料ガスＦＧが各蒸発室１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ内で混合しないようにすることができる。さらに、熱媒チューブ１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃの各蒸発室１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ内の配管は、上が粗、下が密になるように配置されている。このようにすることで各蒸発室１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ底部の熱マスを大きくして液溜まりの発生を起こり難くしている。
熱媒チューブ１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃの配管径は、どの熱媒チューブ１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃも全て同じ径の配管が使われている。
【００２５】
また、第一の蒸発室１１Ａと第二の蒸発室１１Ｂの間には、図３に示すように、仕切り板１１Ｐが設けられている。仕切り板１１Ｐには、熱媒チューブ１２Ａの上部の管群の厚みと同じ高さで上部に設けられる上部開口部と、受熱部である底板１１ｂと仕切り板１１Ｐの間に下部開口部が設けられている。下部開口部は接合部の一部または全域が開口している。仕切り板１１Ｐの断面形状は、上部開口部を挟んで上側が矩形状、下側が逆Ｙの字状をしている。尚、第２蒸発室１２Ｂと第３蒸発室１２Ｃの間にも同様な仕切り板１１Ｐが設けられている。
【００２６】
さらに、その内部に多数の熱媒チューブ１２Ａが配設され、かつ、その底部に触媒燃焼器２０が隣接することで蒸発能力が一番大きい第一の蒸発室１１Ａの上部には、蒸発室１１Ａに原燃料ＦＬを噴射する３つのインジェクタ４１Ａ1，４１Ａ2，４１Ａ3の他に後段の反応器である改質器２の改質反応に必要なエア（ＡＩＲ）量を原燃料ガスＦＧと混合して供給できるようにするため、図２に示すようなエア（ＡＩＲ）導入口１５が設けられている。エア（ＡＩＲ）導入口１５は、熱容量が大きく蒸発能力の一番大きい蒸発室に設けるのが好ましい。
このようにすることにより、原燃料ガスＦＧが蒸発室本体１０の出口側に向かって各蒸発室１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ内を移動していくときに、各蒸発室１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ内に設けられた熱媒チューブ１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃや仕切り板１１Ｐに衝突してエア（ＡＩＲ）と原燃料ガスＦＧを完全に混合することができるので、後段の反応器である改質器２に均一な組成の原燃料ガスＦＧを導入することができる。
【００２７】
また、蒸発能力が一番大きい第一の蒸発室１１Ａの底部には受熱部である底板１１ｂが、図３および図４に示すように、熱源手段である触媒燃焼器２０の天井板２０ｔに密接して設けられている。底板１１ｂを天井板２０ｔに密接して設けることにより、触媒燃焼器２０からの熱を確実に蒸発室１１Ａに伝えることができる。また、触媒燃焼器２０での燃焼ガス量を増やすことにより蒸発室１１Ａが必要な熱量をいつでも供給できる。
尚、触媒燃焼器２０は、他の蒸発器の底部に設けても良い。
このように、いずれかの蒸発室は他の蒸発室よりも伝熱面積を大きく（熱媒チューブの本数を多く）形成され該蒸発室の底部には受熱部である底板が備えられている構成とすることにより、伝熱面積が大きい蒸発室には熱量を多く与えることにより瞬時に原燃料ガスを得ることができる。
【００２８】
また、第二の蒸発室１１Ｂおよび第三の蒸発室１１Ｃの底板１１ｂは、第一の蒸発室１１Ａの底板１１ｂに連なる一枚の板であり、図３に示すように、第一の蒸発室１１Ａ側を下にした傾斜部が形成されている。
このように、いずれかの蒸発室の底部に隣接して設けられた高温熱媒体である燃焼ガスＨＧを発生する熱源手段である触媒燃焼器２０を設け、触媒燃焼器２０の熱を受ける受熱部である底板１１ｂが備えられ、該蒸発室に隣接する他の蒸発室の底部は前記受熱部側を下にした傾斜部を設けたことにより、各蒸発室内で蒸発せずに底部に貯溜した原燃料ＦＬが、傾斜部により移動させられて速やかに高温となった受熱部に集められ、蒸発が行われる。したがって、応答性よく予定した量の原燃料ガスが得られる。
【００２９】
触媒燃焼器２０は、図３および図４に示すように断面形状が矩形をしており、蒸発室１１Ａの底部に隣接して設けられる。
触媒燃焼器２０は、被燃焼体である燃料電池５の水素極のオフガスＯＧを導入する入口部２１と、前記オフガスＯＧを燃焼反応により燃焼させる触媒層２２と、オフガスＯＧを燃焼させることにより発生した高温熱媒体である燃焼ガスＨＧが流れ方向を１８０度変えられるようにした隔壁板２４を有する出口部２３とから構成される。隔壁板２４は、蒸発室１１Ａ出口側の燃焼ガスＨＧと触媒燃焼器２０の出口部２４の燃焼ガスＨＧが混ざらないようにする仕切板の役目もしている。
【００３０】
また、各蒸発室１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃの周囲には、各蒸発室１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃから出た燃焼ガスＨＧを通流する燃焼ガス通路Ｐ１〜Ｐ１１が形成されている。燃焼ガス通路Ｐ１〜Ｐ１１を設けることにより蒸発室内の保温・加熱ができるので、さらに好適に原燃料ＦＬが蒸発できる。
【００３１】
次に、本発明に係る燃料蒸発装置１の作用について図２乃至図５を参照して説明する。
被燃焼体である燃料電池５の水素極のオフガスＯＧは、図４に示すように、燃料蒸発装置１の入口部２１を通って、そのまま触媒燃焼器２０の燃焼反応を行う触媒層２２へと流れ、前記オフガスＯＧを燃焼して高温熱媒体である燃焼ガスＨＧを生成し、基端となる燃焼ガス通路Ｐ１へと排出される。生成した高温の燃焼ガスＨＧは、蒸発室１１Ａ内に設けられたＵ字形の熱媒チューブ１２Ａ内（燃焼ガス通路Ｐ２）を下から上へと流れる。前記燃焼ガスＨＧは、蒸発室１１Ａ内のＵ字形をした熱媒チューブ１２Ａ内を通るときに、前記熱媒チューブ１２Ａの外表面へインジェクタ４１Ａにより噴射される原燃料ＦＬを蒸発させ、原燃料ガスＦＧを生成する。
【００３２】
次に、原燃料ＦＬを蒸発した後の燃焼ガスＨＧは、熱媒チューブ１２Ａの出口１２ＡOUTから燃焼ガス通路Ｐ３に排出され、図２に示すように、蒸発室１１Ａの周りを囲むようにして設けられた燃焼ガス通路Ｐ３（蒸発室１１Ａの正面手前側），Ｐ４（蒸発室１１Ａ正面左側）を通流し、燃焼ガス通路Ｐ５（蒸発室１１Ａ後側）を経由して燃焼ガス通路Ｐ６に至る。さらに高温熱媒体である燃焼ガスＨＧは、図５に示すように、燃焼ガス通路Ｐ６から２つに分岐して熱媒チューブ１２Ｂ，１２Ｃ内（燃焼ガス通路Ｐ７，Ｐ８）を上から下に流れ、蒸発室１１Ｂ，１１Ｃの下部で正面からみて後側（側部）の燃焼ガス通路Ｐ９を経由して、蒸発室１１Ｂ，１１Ｃの底部に設けられた燃焼ガス通路Ｐ１０、蒸発室１１Ｂ，１１Ｃの側部の終端となる燃焼ガス通路Ｐ１１を通って排ガスとして外部へ排出される。尚、ここでの作用は、後述する原燃料噴射制御手段３０により蒸発室１１Ａ内のインジェクタ４１Ａで標準噴射パターンの噴射を行っているときの作用について説明した。
【００３３】
一方、第一の蒸発室１１Ａで蒸発した原燃料ガスＦＧは、図３に示すように、仕切り板１１Ｐの開口部を通って第二の蒸発室１１Ｂおよび第三の蒸発室１１Ｃへと直列に通流し、後段の反応器である改質器２へと導入される。
【００３４】
次に、本発明に係る燃料蒸発装置１の原燃料噴射手段であるインジェクタ４１Ａ，４１Ｂ，４１Ｃの原燃料ＦＬの噴射量および噴射位置を制御する原燃料噴射制御手段３０について説明する。尚、ここでは、燃料電池システムＦＣＳを車両に搭載した場合の燃料蒸発装置１の原燃料噴射制御手段３０について説明する。
なお、ここでいうアイドリング時（ｉｄｌｅ）とは、燃料電池５が原燃料ガスＦＧのガス量を要求していなくても、燃料電池５の補機類（コンプレッサ、ヒータ、エアコン等）の運転を維持するのに必要な電力をまかなうために、燃料蒸発装置１で微量の原燃料ガスＦＧ量を発生している状態をいう。
また、低負荷時とは、アクセル開度が小さい一定の踏み込み状態をいい、原燃料ガスＦＧの要求量がアイドリング時よりも多い状態の時をいう。
さらに、アクセル全開（ＷＯＴ）とは、アクセル開度が最大の場合で原燃料ガスの要求量が最大の場合の状態をいう。
【００３５】
最初に、燃料蒸発装置１に取りつけられている温度センサの取り付け位置について説明する。
温度センサは、図３乃至図５に示すように燃焼ガスＨＧの温度測定センサは３個、原燃料ガスＦＧの温度測定センサは３個取りつけられている。
Ｔgin；触媒燃焼器の出口の燃焼ガス温度（第一の蒸発室１１Ａ入口のガス温度）
Ｔg1；第一の蒸発室１１Ａ出口の燃焼ガス温度
Ｔg2；第二の蒸発室１１Ｂおよび第三の蒸発室１１Ｃの入口の燃焼ガス温度
ＴV1；第一の蒸発室１１Ａ出口の原燃料ガス温度
ＴV2；第二の蒸発室１１Ｂ出口の原燃料ガス温度
ＴV3；第三の蒸発室１１Ｃ出口の原燃料ガス温度
である。
原燃料噴射制御手段３０は、以上の温度測定データと燃料電池本体から要求されるスタックの運転状況の信号およびアクセル開度信号によって原燃料ＦＬを噴射するインジェクタの選択と噴射量の制御を行う制御手段である。図６に原燃料噴射制御手段３０の制御ブロック図を示す。
【００３６】
次に、インジェクタの原燃料噴射位置によって得られる原燃料ガスＦＧの温度が、負荷によってどのように変化するのかを図７を参照して説明する。尚、図７は、どのように蒸発室内に原燃料を噴射すれば好適な温度範囲の原燃料ガスが得られるか別途試験装置を使って行った試験結果である。試験方法としては、熱媒チューブを設けた単室の蒸発室の上部に原燃料噴射手段であるインジェクタを蒸発室出口側からの距離を変えて一番奥からＡ，Ｂ，Ｃと３つ設けて、各インジェクタ毎に同一の噴射量を噴射したときの蒸発室出口における原燃料ガスの温度を測定したものである。
図7に示すように、蒸発室出口を基準にして、蒸発室の奥に位置するインジェクタＡから原燃料を噴射したときが、アイドリング時および低負荷時とも原燃料ガスの温度が最も高くなった。また、蒸発室出口に一番近いインジェクタＣから原燃料を噴射したときが、アイドリング時および低負荷時とも原燃料ガスの温度が最も低くなった（噴射量は同じ）。そして、インジェクタＡとインジェクタＣの中央に位置するインジェクタＢから原燃料を噴射したときは、原燃料ガスの温度はインジェクタＡとインジェクタＣの中間であった（噴射量は同じ）。
【００３７】
このことから、蒸発室が直列に通気可能に連結され、それぞれの蒸発室に原燃料噴射手段を備える構成の燃料蒸発装置の場合も、原燃料を噴射するインジェクタの位置を切り替え、蒸発室の奥から原燃料を噴射することにより、蒸発室出口における原燃料ガスの温度を高くすることができる。一方、蒸発室出口に近い手前側から原燃料を噴射することにより、蒸発室出口における原燃料ガスの温度を低くすることができる。
【００３８】
これらの噴射位置による原燃料ガス温度の試験結果を踏まえて以下のように制御を行っている。
図８を参照して、図９の基本噴射パターン（Ｓ３）をどのようにして決めるかを説明する。
（１）まず、燃料電池の運転出力に対する原燃料ガスＦＧの温度が図８（ａ）に示す目標温度範囲となるように、制御する温度閾値ＴvhighおよびＴvlowを設定する。
ここで、図８（ａ）のＴvhighは目標温度範囲の上限値、Ｔvlowは目標温度範囲の下限値である。Ｔvmaxは許容温度範囲の上限値、Ｔvminは許容温度範囲の下限値である。
（２）次に、図８（ｂ）に示す基本噴射パターンを使用して、燃料電池５の運転要求出力から原燃料ＦＬの噴射量を演算し、どのインジェクタで原燃料ＦＬを噴射するかを決める。
基本噴射パターンは、図８（ｂ）に示すように、燃料電池５がアイドリング時（ｉｄｌｅ）の場合は、インジェクタ４１Ａ3を使用する。さらに要求出力が大きくなる低負荷時には２台のインジェクタ４１Ａ2，４１Ａ3で噴射する。さらに要求出力が高くなると、前記２台のインジェクタ４１Ａ2，４１Ａ3の組み合わせよりも噴射量の大きい２台のインジェクタ４１Ａ1，４１Ａ3の組み合わせに切り替わる。アクセル開度が全開（ＷＯＴ）の場合のように、最大出力が要求される場は、３台のインジェクタ４１Ａ1，４１Ａ2，４１Ａ3で噴射するようになっている。一方、インジェクタ４１Ｂ，４１Ｃは常に運転を停止した状態となっている。このようにすることで後流側の蒸発室１１Ｂ，１１Ｃは、常に空焚き状態となっているので、蒸発室１１出口の原燃料ガスＦＧの温度をインジェクタの噴射位置を切り替えることで好適に制御することができる。
このように、原燃料ガスＦＧを要求する要求信号を受けて、いずれかの原燃料噴射手段であるインジェクタを選択し、原燃料ＦＬを噴射させる原燃料噴射制御手段３０を備えることにより、要求された原燃料ガスＦＧの量に応じてどの／いくつの蒸発室に原燃料を噴射するかを判断でき、かつ、単室の蒸発室よりも単室と同じ容量の蒸発室を複数に分けた蒸発室に個別に噴射することにより、噴射時のデッドスペースや伝熱管（熱媒チューブ）に対する噴射ムラが少なくなるので蒸発室単位容積当りの熱効率が上昇する。その結果、瞬時に蒸発が行われることから、必要な原燃料ガス量をすばやく供給することができる。したがって、急激な負荷要求があっても十分対応ができる。
【００３９】
次に、図９を参照して、蒸発室１１内の原燃料噴射手段であるインジェクタ４１Ａ（４１Ａ1，４１Ａ2，４１Ａ3），４１Ｂ，４１Ｃの噴射位置を切り替えることにより原燃料ガスＦＧの温度制御をする場合の原燃料噴射制御手段３０の制御フローについて説明する。
１．燃料蒸発装置１が暖機運転中かどうかを判断する（Ｓ１）。
暖機運転中なら暖機運転サブルーチンに入り（Ｓ１７）暖機運転を維持する。
２．暖機運転中でなければスロットル開度の増分（Δθth）の有無を確認する（Ｓ２）。
スロットル開度の増分（Δθth）がある場合は、加速サブルーチンに入り（Ｓ１８）加速状態を維持する。
３．スロットル開度の増分（Δθth）がない定常運転時のときは、図８（ｂ）に示す基準噴射パターンを表から読み込む（Ｓ３）。すなわち、噴射するインジェクタとして４１Ａを選択する。インジェクタの噴射時間Ｔｉと原燃料噴射量Ｑとの関係を示したマップを読み込む（Ｓ４）。各種補正項（バッテリ電圧等による補正項）から実際に必要な噴射時間Ｔｉを演算する（Ｓ５）。原燃料ＦＬは、選択されたインジェクタ４１Ａにより噴射時間Ｔｉをパルス制御されながら間欠噴射される（Ｓ６）。
４．噴射した後の第三の蒸発室１１Ｃ出口の原燃料ガス温度ＴV3と高温側の温度閾値ＴVhighとを比較する（Ｓ７）。
５．噴射した後の第三の蒸発室１１Ｃ出口の原燃料ガス温度ＴV3が高温側の温度閾値ＴVhighを超える場合は、以下のように処理される。
（ａ）測定された原燃料ガス温度ＴV1，ＴV2，ＴV3から原燃料ガスＦＧ側の温度勾配ΔＴVを演算する（Ｓ８）。
（ｂ）測定された燃焼ガス温度Ｔgin，Ｔg1，Ｔg2から燃焼ガスＨＧ側の温度勾配ΔＴgを演算する（Ｓ９）。
（ｃ）ΔＴV−噴射パターンのテーブルを読み込む（Ｓ１０）。
（ｄ）ΔＴV−噴射パターンに基づいてインジェクタ４１Ａの噴射位置を切り替える（Ｓ１１）。
具体的な例として４１Ａ1，４１Ａ2，４１Ａ3のインジェクタで噴射している場合に、ＴV3＞ＴVhighになると４１Ａ1から４１Ｃへと噴射位置を切り替えるようにΔＴV−噴射パターンのテーブルが与えられている。この一連の処理により原燃料ガスＦＧの温度ＴV3を低くして目標温度範囲内にすることができる。
その後Ｓ１に戻る。
６．Ｓ６で原燃料ＦＬを噴射した後の第三の蒸発室１１Ｃ出口の原燃料ガス温度ＴV3が高温側の温度閾値ＴVhigh以下の場合は、さらに第三の蒸発室１１Ｃ出口の原燃料ガス温度ＴV3が低温側の温度閾値ＴVlowと比較判断される（Ｓ１２）。
原燃料ガス温度ＴV3が低温側の温度閾値ＴVlow以下の場合はＳ１に戻る。
原燃料ガス温度ＴV3が低温側の温度閾値ＴVlowを超える場合は、以下のように処理される。
（ｅ）測定された原燃料ガス温度ＴV1，ＴV2，ＴV3から原燃料ガスＦＧ側の温度勾配ΔＴVを演算する（Ｓ１３）。
（ｆ）測定された燃焼ガス温度Ｔgin，Ｔg1，Ｔg2から燃焼ガスＨＧ側の温度勾配ΔＴgを演算する（Ｓ１４）。
（ｇ）ΔＴV−噴射パターンのテーブルを読み込む（Ｓ１５）。
（ｈ）ΔＴV−噴射パターンに基づいてインジェクタ４１Ａの噴射位置を切り替える（Ｓ１６）。
具体的な例として４１Ａ3のインジェクタで噴射している場合に、ＴV3＜ＴVlowになるとインジェクタ４１Ａ3から４１Ａ1へと噴射位置を切り替えるようにΔＴV−噴射パターンのテーブルが与えられている。この一連の処理により原燃料ガスＦＧの温度ＴV3を高くして目標温度範囲内にすることができる。
その後Ｓ１に戻る。
このように、基準噴射パターンをベースに、インジェクタで原燃料ＦＬを噴射した時の第三の蒸発室１１Ｃの原燃料ガスＦＧの出口ガス温度ＴV3が目標温度範囲となるようにするため、測定した原燃料ガス温度ＴV1，ＴV2，ＴV3および燃焼ガス温度Ｔgin，Ｔg1，Ｔg2の温度勾配ΔＴgおよびΔＴVを演算して、その値をΔＴV−噴射パターンのテーブルの値と比較することにより噴射するインジェクタを新しく選択し直すことができる。その結果、要求される原燃料ガスを、適切な量で応答性良く後段の反応器である改質器２に供給することできる。また、原燃料ガスＦＧの温度制御性が向上したため、従来燃料蒸発装置の出口側に設けられていた加熱部が不要となっている。
【００４０】
次に、図１０を参照して車両の加速時における原燃料蒸発量を確保できるように制御をする原燃料噴射制御手段３０の制御フローについて説明する。
７．スロットル開度の増分（Δθth）を測定し開度の増分の有無を確認する（Ｓ２１）。
スロットル開度の増分（Δθth）がなければ定常運転ルーチンに入り（Ｓ３８）現状の運転状態を維持する。
８．スロットル開度の増分（Δθth）がある場合は、加速度の閾値ｋと比較して、スロットル開度の増分（Δθth）が中間加速なのか或いは全開加速なのかを判断する（Ｓ２２）。
９．スロットル開度の増分（Δθth）が閾値ｋを超える場合、すなわち車両が中間加速或いは全開加速にあるときは、インジェクタ４１Ａ（４１Ａ1，４１Ａ2，４１Ａ3）４１Ｂ，４１Ｃの駆動状況が停止中かどうかを判断する（Ｓ２３）。
（Ａ）停止中のインジェクタ４１Ａは、駆動状態にするため、原燃料噴射量を各種補正項（バッテリ電圧等による補正項）から実際に必要な噴射時間Ｔｉとして演算する（Ｓ２７）。次に、インジェクタの増量マップ３を読み込む（Ｓ２８）。駆動していないインジェクタ４１Ａを作動させ原燃料ＦＬを噴射する。原燃料ＦＬは、噴射時間Ｔｉをパルス制御されながら間欠噴射される（Ｓ２９）。
このように原燃料ＦＬを噴射されていない伝熱面に相対するインジェクタを噴射することにより加速増量分の原燃料ガス量の発生を応答性良く補うことができる。
（Ｂ）運転中のインジェクタ４１Ａは、増量噴射するため、増分の原燃料噴射量を各種補正項（バッテリ電圧等による補正項）から実際に必要な噴射時間（加算時間）Ｔｉとして演算する（Ｓ２４）。次に、インジェクタの増量マップ２を読み込む（Ｓ２５）。原燃料ＦＬは、噴射時間Ｔｉをパルス制御されながら間欠噴射される（Ｓ２６）。
（Ｃ）Ｓ２６およびＳ２９で原燃料ＦＬを噴射した結果、第二の蒸発室１１Ｂおよび第三の蒸発室１１Ｃの入口の燃焼ガス温度Ｔg2が低温側の温度閾値Ｔglowを超える場合はＳ２７に戻る。
（Ｄ）第二の蒸発室１１Ｂおよび第三の蒸発室１１Ｃの入口の燃焼ガス温度Ｔg2が低温側の温度閾値Ｔglow以下の場合は、インジェクタ４１Ｂおよびインジェクタ４１Ｃの運転を停止し（Ｓ３１）、インジェクタ４１Ａ（４１Ａ1，４１Ａ2４１Ａ3）の原燃料噴射量を増量する（Ｓ３２）。
これにより燃焼ガスＨＧの温度が低下しても原燃料ガスＦＧの発生量の確保並びに原燃料ガスＦＧの温度維持を図ることができる。その後Ｓ２１に戻る。
１０．スロットル開度の増分（Δθth）が加速度の閾値ｋ以下の場合、すなわち車両の加速要求が弱い場合は、インジェクタ４１Ａ（４１Ａ1，４１Ａ2４１Ａ3）４１Ｂ，４１Ｃの運転状況が運転中かどうかを判断する（Ｓ３３）。
停止中のインジェクタ４１Ａはそのまま停止の状態を維持する（Ｓ３７）。その後Ｓ２１に戻る。
運転中のインジェクタ４１Ａは、増分の原燃料噴射量を各種補正項（バッテリ電圧等による補正項）から実際に必要な噴射時間Ｔｉとして演算する。次に、インジェクタの増量マップ１を読み込む（Ｓ３５）。原燃料ＦＬは、演算値とインジェクタ増量マップ１に基づいて噴射時間Ｔｉをパルス制御されながら間欠噴射される（Ｓ３６）。このように処理することにより車両のわずかな加速に対する原燃料ガスＦＧの増加要求に対応できる。Ｓ２１に戻る。
このようにスロットル開度の増分から車両が加速中かどうかを判断して、インジェクタの運転状況に応じて原燃料ＦＬの噴射量およびインジェクタの噴射位置を制御することにより、原燃料ガスＦＧの温度調整をしなくても加速時の原燃料ガスＦＧの必要量を確実に確保できる。
【００４１】
次に、原燃料噴射手段３０による原燃料ガス温度の制御結果を図１１に示す。従来、燃料電池５の運転出力が高負荷時の場合に、原燃料ガスＦＧの温度を平行な破線で示すような好適な温度範囲となるように設定すると、燃料電池５の運転出力が低負荷時または中負荷時となった場合は、図１１に示すように、好適な温度範囲を超えて高温側にシフトしてしまうという問題があった。本発明の原燃料噴射制御手段３０によれば、これまでの実施の形態で示したように燃料電池５の運転出力が低負荷から高負荷に至る広い範囲にわたって原燃料ガスＦＧを好適な温度範囲に制御することができる。
【００４２】
【発明の効果】
以上の構成と作用から明らかなように、本発明によれば、
（１）さまざまな運転モード、環境等において、蒸発熱源の変動に対し、安定して、適切な温度範囲内で、適切な原燃料ガス量を反応器に供給することができる。
（２）加速信号時には、燃料蒸発装置に要求される原燃料ガスの増量に伴う蒸発熱源の供給が遅れるため、蒸発装置の熱マス効果を利用して、運転モード中で、原燃料を噴射していない伝熱面（空焚き状態）に相対するインジェクタを噴射することにより加速増量分の原燃料ガス量の発生を応答性良く補うことができる。
従って、車両の加速度の要求に応じて、応答性良く、反応器に原燃料ガスを供給できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの全体系統図である。
【図２】本発明に係る燃料蒸発装置の平面部分断面図である。
【図３】図２のＡ−Ａ断面図である。
【図４】図２のＢ−Ｂ断面図である。
【図５】図２のＣ−Ｃ断面図である。
【図６】本発明に係る燃料蒸発装置の原燃料噴射制御手段の制御ブロック図である。
【図７】原燃料噴射位置の違いによる蒸発室における原燃料ガスの温度変化を示している図である。
【図８】（ａ）本発明に係る燃料蒸発装置の燃料電池の運転出力に対する原燃料ガスの目標温度範囲を示す図である。
（ｂ）本発明に係る燃料蒸発装置のインジェクタの基本噴射パターンを示す図である。
【図９】本発明に係る燃料蒸発装置のインジェクタの噴射位置を切り替えることにより原燃料ガスの温度を制御する場合の制御フローチャートである。
【図１０】本発明に係る燃料蒸発装置の車両の加速時における原燃料蒸発量を確保するための制御フローチャートである。
【図１１】本発明に係る燃料蒸発装置の原燃料噴射制御手段による原燃料ガス温度の制御結果を示す図である。
【図１２】従来の燃料蒸発装置の正面断面図である。
【符号の説明】
１    燃料蒸発装置
１０    蒸発装置本体
１１      蒸発室
１１ｂ  底板（受熱部）
１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ    熱媒チューブ
Ｐ１〜Ｐ１１    燃焼ガス通路
２０    触媒燃焼器（熱源手段）
３０    原燃料噴射制御手段
４０    原燃料噴射装置
４１Ａ，４１Ｂ，４１Ｃ    インジェクタ
ＦＧ    原燃料ガス
ＨＧ    燃焼ガス（高温熱媒体）
【図１】
0004014124.tif 000002
【図２】
0004014124.tif 000003
【図３】
0004014124.tif 000004
【図４】
0004014124.tif 000005
【図５】
0004014124.tif 000006
【図６】
0004014124.tif 000007
【図７】
0004014124.tif 000008
【図８】
0004014124.tif 000009
【図９】
0004014124.tif 000010
【図１０】
0004014124.tif 000011
【図１１】
0004014124.tif 000012
【図１２】
0004014124.tif 000013