(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
改質反応に用いられる炭化水素系原料を含む液体改質原料を貯蔵する原料タンクと、
原料タンクから供給される液体改質原料を気化し、改質原料蒸気を生成する蒸発器と、
改質原料蒸気を用いて改質ガスを生成する改質器と、
から構成される燃料改質システムにおいて、
前記蒸発器と前記原料タンクとを接続し、蒸発器で生成された改質原料蒸気及び蒸発器内に残っている液体改質原料のうち少なくとも改質原料蒸気を蒸発器から回収する第１配管と、
前記蒸発器と前記原料タンクとを連通し、前記原料タンクから前記蒸発器へ液体改質原料を供給する第２配管と、
この第２配管から分岐して前記第１配管に接続し、前記原料タンクから前記蒸発器に供給される液体改質原料を回収する第３配管とを備えることを特徴とする燃料改質システム。
【請求項２】
前記蒸発器から回収された改質原料蒸気と液体改質原料を分離する気液分離器を備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料改質システム。
【請求項３】
前記気液分離器で分離された液体改質原料を蓄えておく補助タンクを備えることを特徴とする請求項２に記載の燃料改質システム。
【請求項４】
前記蒸発器は、前記第２配管に接続して改質原料が流通する通路と、この通路から分岐し、前記第１配管に接続する分岐配管を備え、蒸発器で生成された改質原料蒸気を前記第１配管から回収することを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の燃料改質システム。
【請求項５】
前記蒸発器で生成された改質原料蒸気と蒸発器内に残っている液体改質原料のうち少なくとも改質原料蒸気を回収する前記第１流路に、所定圧力以上で前記第１流路を改質原料の回収方向に開放する圧力調整手段を備えることを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載の燃料改質システム。
【請求項６】
前記蒸発器において、相対的に高温となる部位と、相対的に低温となる部位との間に、
蒸発器自体の熱の流れを妨げる断熱材が設置されることを特徴とする請求項１から５のいずれか一つに記載の燃料改質システム。
【請求項７】
改質反応に用いられる炭化水素系原料を含む液体改質原料を貯蔵する原料タンクと、
原料タンクから供給される液体改質原料を気化し、改質原料蒸気を生成する蒸発器と、
改質原料蒸気を用いて、燃料電池に供給する改質ガスを生成する改質器と、
前記蒸発器と前記原料タンクとを接続し、蒸発器で生成された改質原料蒸気及び蒸発器内に残っている液体改質原料のうち少なくとも改質原料蒸気を蒸発器から回収する第１配管と、
前記蒸発器と改質器の間に設置される第１バルブと、
前記第１配管に設置される第２バルブと、
前記燃料電池の運転状態が高負荷運転状態のときに前記蒸発器内の圧力が大気圧よりも高圧となるように予め前記第１、第２バルブを閉じておき、前記燃料電池の運転状態が低負荷運転状態のときに前記蒸発器内の圧力が大気圧となるように予め前記第１バルブを閉じ、前記第２バルブを開いておく蒸発器待機制御手段と、
を備えることを特徴とする燃料改質システム。
【請求項８】
前記運転状態は、燃料改質システムを備えた移動体の経路予測システムを用いて検出する
ことを特徴とする請求項７に記載の燃料改質システム。
【請求項９】
前記運転状態は、燃料改質システムを備えた移動体のアクセル開度信号と速度信号と制動信号と方向指示信号の少なくとも一つを用いて検出する
ことを特徴とする請求項７に記載の燃料改質システム。
【請求項１０】
前記運転状態は、燃料改質システムを備えた移動体の傾斜状態から検出する
ことを特徴とする請求項７に記載の燃料改質システム。
【請求項１１】
前記運転状態は、燃料改質システムを備えた移動体の電力貯蔵器の電力残量から検出する
ことを特徴とする請求項７に記載の燃料改質システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アルコール系燃料、炭化水素系燃料と水、過酸化水素水などの混合液である改質原料を加熱蒸発させ、該改質原料蒸気の改質反応によって水素などの可燃性のガスを主成分とする改質ガスを生成する改質器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
改質用原料を蒸発させる蒸発器を備える燃料改質システムにおいて、蒸発器の応答遅れに起因する過剰な改質原料蒸気によって改質ガスが発生することを、エネルギ効率を低下させることなく防止する手段として、例えば、特開２００１−１０８０３号公報では蒸発器から改質器への配管途中に改質原料タンクへ通じる配管を設け、過剰改質原料蒸気を原料タンクに戻すように構成されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来技術では前記過剰改質原料の回収手段として蒸発器後改質器への配管途中に回収ラインを設けているので、回収される改質原料は蒸気の状態で回収される。この回収方法では、蒸発器内部で液体として残留している改質原料も気化して回収されるので、液体を気化するための潜熱が消費され、エネルギロスが生じていた。また、過剰改質原料が発生するのは、システムにかかる負荷が低下し、改質器で必要な燃料蒸気が減少するためである。改質システムの負荷が再び増大する際、一度凝縮して原料タンクに回収した液体改質原料の温度を再び上昇させ、気化させる必要があり、システム全体の応答性を阻害していた。
【０００４】
このような問題点を鑑み、本発明の目的は、エネルギ効率が低下することなく、再起動時に応答性を維持する燃料改質システムを提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、改質反応に用いられる炭化水素系原料を含む改質原料を貯蔵する原料タンクと、原料タンクから供給される液体改質原料を気化し、改質原料蒸気を生成する蒸発器と、改質原料蒸気を用いて改質ガスを生成する改質器とから構成される燃料改質システムにおいて、前記蒸発器と前記原料タンクとを接続し、蒸発器で生成された改質原料蒸気及び蒸発器内に残っている液体改質原料のうち少なくとも改質原料蒸気を蒸発器から回収する第１配管と、前記蒸発器と前記原料タンクとを連通し、前記原料タンクから前記蒸発器へ液体改質原料を供給する第２配管と、この第２配管から分岐して前記第１配管に接続し、前記原料タンクから前記蒸発器に供給される液体改質原料を回収する第３配管とを備える。
【０００６】
なお、本明細書中で言う改質原料とは、少なくとも水及び炭化水素系燃料（メタノールやガソリン等）を含むものを指す。
【０００８】
第２の発明は、第１の発明において、前記蒸発器から回収された改質原料蒸気と液体改質原料を分離する気液分離器を備える。
【０００９】
第３の発明は、第２の発明において、前記気液分離器で分離された液体改質原料を蓄えておく補助タンクを備える。
【００１０】
第４の発明は、第１から３のいずれか一つの発明において、前記蒸発器は、前記第２配管に接続して改質原料が流通する通路と、この通路から分岐し、前記第１配管に接続する分岐配管を備え、蒸発器で生成された改質原料蒸気を前記第１配管から回収する。
【００１１】
第５の発明は、第１から４のいずれか一つの発明において、前記蒸発器で生成された改質原料蒸気と蒸発器内に残っている液体改質原料の少なくとも一方を回収する流路に、所定圧力以上で流路を液体改質原料の回収方向に開放する圧力調整手段を備える。
【００１２】
第６の発明は、第１から５のいずれか一つの発明において、前記蒸発器において、相対的に高温となる部位と、相対的に低温となる部位との間に、蒸発器自体の熱の流れを妨げる断熱材が設置される。
【００１３】
第７の発明は、改質反応に用いられる炭化水素系原料を含む液体改質原料を貯蔵する原料タンクと、原料タンクから供給される液体改質原料を気化し、改質原料蒸気を生成する蒸発器と、改質原料蒸気を用いて、燃料電池に供給する改質ガスを生成する改質器と、前記蒸発器と前記原料タンクとを接続し、蒸発器で生成された改質原料蒸気及び蒸発器内に残っている液体改質原料のうち少なくとも改質原料蒸気を蒸発器から回収する第１配管と、前記蒸発器と改質器の間に設置される第１バルブと、前記第１配管に設置される第２バルブと、前記燃料電池の運転状態が高負荷運転状態のときに前記蒸発器内の圧力が大気圧よりも高圧となるように予め前記第１、第２バルブを閉じておき、前記燃料電池の運転状態が低負荷運転状態のときに前記蒸発器内の圧力が大気圧となるように予め前記第１バルブを閉じ、前記第２バルブを開いておく蒸発器待機制御手段と、を備える
【００１７】
第８の発明は、第７の発明において、前記運転状態は、燃料改質システムを備えた移動体の経路予測システムを用いて検出する。
【００１８】
第９の発明は、第７の発明において、前記運転状態は、燃料改質システムを備えた移動体のアクセル開度信号と速度信号と制動信号と方向指示信号の少なくとも一つを用いて検出する。
【００１９】
第１０の発明は、第７の発明において、前記運転状態は、燃料改質システムを備えた移動体の傾斜状態から検出する。
【００２０】
第１１の発明は、第７の発明において、前記運転状態は、燃料改質システムを備えた移動体の電力貯蔵器の電力残量から検出する。
【００２３】
【発明の効果】
第１の発明によれば、改質器、蒸発器、原料タンクから構成される燃料改質システムにおいて、前記蒸発器と前記原料タンクとを接続し、蒸発器で生成された改質原料蒸気及び蒸発器内に残っている液体改質原料のうち少なくとも改質原料蒸気を蒸発器から回収する第１配管を備えているので、蒸発器の応答遅れに起因する過剰改質原料蒸気を回収すると同時に、蒸発器内に残留している液体改質原料を蒸発させる潜熱分のエネルギロスを防ぐことができる。また再起動時、別個に回収した高温の液体改質原料を蒸発器に供給することにより改質器負荷応答性が向上する。
【００２４】
また、前記蒸発器と原料タンクとを連通し、前記原料タンクから前記蒸発器へ液体改質原料を供給する第２配管と、この第２配管から分岐して前記第１配管に接続し、前記原料タンクから前記蒸発器に供給される液体改質原料を回収する第３配管とを備えるので、蒸発器出口を閉じる、または絞ることにより、蒸発器の応答遅れに起因する過剰な改質原料蒸気および残留液体改質原料を、蒸発器内部の圧力上昇を利用して回収することができる。
【００２５】
第２の発明によれば、蒸発器から回収された改質原料蒸気と液体改質原料を分離する気液分離器を備えるので、蒸発器から回収した過剰な改質原料蒸気および残留液体改質原料を分離することができる。
【００２６】
第３の発明によれば、気液分離器で分離された液体改質原料を蓄えておく補助タンクを備えるので、蒸発器から回収され改質原料蒸気から分離された高温の液体改質原料を補助タンクに蓄えることが可能となる。改質システム再起動時、補助タンクに蓄えられた高温液体改質原料を用いることで、高応答性を確保し、液体改質原料温度上昇分の顕熱に相当するエネルギを節約することができる。
【００２７】
第４の発明によれば、前記蒸発器は、前記第２配管に接続して改質原料が流通する通路と、この通路から分岐し、前記第１配管に接続する分岐配管を備え、蒸発器で生成された改質原料蒸気を前記第１配管から回収するので、蒸発器出口を閉じる、または絞ることにより蒸発器の応答遅れに起因する過剰な改質原料蒸気を選択的に蒸発器内部の圧力上昇を利用して回収することができる。この際に液体改質原料は蒸発器内に高温を保ったまま残留するので改質システムの再起動時の応答性が向上し、かつ液体改質原料温度上昇分の顕熱に相当するエネルギを節約することができる。
【００２８】
第５の発明によれば、蒸発器で生成された改質原料蒸気と蒸発器内に残っている液体改質原料の少なくとも一方を回収する流路に、所定圧力以上で流路を液体改質原料の回収方向に開放する圧力調整手段を備えるので、蒸発器内部の圧力過上昇を防ぐことが可能であり、蒸発器の故障を避けることができる。
【００２９】
第６の発明によれば、蒸発器において、相対的に高温となる部位と、相対的に低温となる部位との間に、蒸発器自体の熱の流れを妨げる断熱材が設置されるので、蒸発器待機時、蒸発器温度が均一になるのを妨げ、蒸発器内部に貯留されている液体改質原料が蒸発する時間を遅らせることができる。このことにより待機時、蒸発器の保持している熱が液体改質原料の蒸発に消費されるのを遅らせることができるので、長時間停止後、再起動時の蒸発器応答性確保を図ることができる。さらに再度蒸発器を暖機するための熱量が削減されるので、エネルギロス低減も見込める。
【００３０】
第７の発明によれば、前記蒸発器と前記原料タンクとを接続し、蒸発器で生成された改質原料蒸気及び蒸発器内に残っている液体改質原料のうち少なくとも改質原料蒸気を蒸発器から回収する第１配管と、前記蒸発器と改質器の間に設置される第１バルブと、前記第１配管に設置される第２バルブと、前記燃料電池の運転状態が高負荷運転状態のときに前記蒸発器内の圧力が大気圧よりも高圧となるように予め前記第１、第２バルブを閉じておき、前記燃料電池の運転状態が低負荷運転状態のときに前記蒸発器内の圧力が大気圧となるように予め前記第１バルブを閉じ、前記第２バルブを開いておく蒸発器待機制御手段と、を備えたので、効率よく蒸発器から改質燃料を改質できる。
【００３４】
第８の発明によれば、運転状態は、燃料改質システムを備えた移動体の経路予測システムを用いて検出するので、走行中の道路地形情報や交通情報に応じて応答性とエネルギ効率を両立した蒸発器内部の温度と圧力状態にコントロールすることができる。
【００３５】
第９の発明によれば、運転状態は、燃料改質システムを備えた移動体のアクセル開度信号と速度信号と制動信号と方向指示信号の少なくとも一つを用いて検出するので、運転者の入力情報に応じて応答性とエネルギ効率を両立した蒸発器内部の温度と圧力状態にコントロールすることができる。
【００３６】
第１０の発明によれば、運転状態は、燃料改質システムを備えた移動体の傾斜状態から検出するので、移動体システムの傾斜状態に応じて応答性とエネルギ効率を両立した蒸発器内部の温度と圧力状態にコントロールすることができる。
【００３７】
第１１の発明によれば、運転状態は、燃料改質システムを備えた移動体の電力貯蔵器の電力残量から検出するので、電力残量に応じて蒸発器内の温度と圧力状態をコントロールし、応答性とエネルギ効率を確保できる。
【００４０】
【発明の実施の形態】
図１に本発明のパワープラントシステム全体の構成例、図２にパワープラントを構成する燃料改質システム１の構成例、図３に燃料改質システム１で用いられる典型的な蒸発器の構成図を模式的に示す。
【００４１】
図１に示すパワープラントシステムは、液体改質原料から高純度水素を作り出す燃料改質システム１と、燃料改質システム１で生成された高純度水素と空気の反応を電気化学的に行い電力を取り出す燃料電池２と、燃料電池２で発電された電気エネルギを運動エネルギに変換するモータ３と、燃料電池２で応答しきれない負荷変動に補助的に応えるバッテリ４と、これらのシステム要素の出力を負荷に応じて最適化するコントロールユニット５とからなる。ここでモータ３が車輪を駆動することで、車両が走行する。
【００４２】
図２は、燃料改質システム１の構成を説明する図である。燃料改質システム１は、液体改質原料を貯蔵する原料タンク６と、原料タンク６から液体改質原料を蒸発器７に供給するための第１燃料ポンプ８と、液体改質原料を気化し、改質原料蒸気にする蒸発器７、液体改質原料を改質させて水素などの可燃性ガスを主成分とする改質ガスを発生させる改質器９とを備える。さらに改質反応を行わない過剰改質原料蒸気と蒸発器内部に残留している液体改質原料を回収する際にこの２種類を分離する気液分離器１０と、この気液分離器１０で分離された比較的高温の液体改質原料を貯蔵する高温原料タンク（補助タンク）１１と、高温原料タンク１１から蒸発器７へ液体改質原料を輸送する第２燃料ポンプ１２と、気液分離器１０で分離された改質原料蒸気を液化し、液化した改質原料を原料タンク６に供給する凝縮器１３と、蒸発器７の故障を防ぐために一定圧以上で蒸発器内部の圧力を開放するリリーフ弁１４と、蒸発器７内部の温度、圧力を計測する温度センサ１５と、圧力センサ１６とからなる。さらに蒸発器７から改質器９への改質原料蒸気の流量を制御する第１バルブ１７と、蒸発器７から気液分離器１０への過剰改質原料蒸気と液体改質原料の流量を制御する第２バルブ１８が設置される。
【００４３】
なお、本改質システムで用いられる改質原料とは、メタノールに代表されるアルコール系燃料、ガソリンに代表される炭化水素系燃料と、水や過酸化水素水などを予め所定の割合で混合させた混合液を指すものとする。本実施形態では、メタノールを燃料として説明する。
【００４４】
原料タンク６から第１燃料ポンプ８を通じて液体改質原料が蒸発器７に供給される。図２では簡便のため原料タンク６が１個のみ描かれているが、本実施形態のように予め一定の割合に混合したメタノール・水混合液を原料タンクに供給してもよく、原料タンクの上流に水貯蔵用とメタノール貯蔵用２組のタンクを持って一定の割合で混ざるような機構にしてもよい。また燃料電池２での電気化学反応時の生成物である水を改質に用いることも考えられる。その場合にはメタノール貯蔵用のメタノールと生成物の水が一定で混ざるような機構が必要となる。
【００４５】
蒸発器７に送られた液体改質原料は、改質システム中の高温となる構成との熱交換などの手段により気化される。蒸発器７の内部構造の一例を図３に示す。
【００４６】
この例では液体改質原料は蒸発器７下部から入り、蒸発器内部の発熱体７ａから熱を供給されて燃料蒸気となって出口配管を通る構造となっている。水とメタノールの改質原料蒸気は改質器９へ供給される。改質器で行われる反応は水蒸気改質反応だけでもよいし、吸熱反応である水蒸気改質反応と発熱反応である部分酸化反応の両方をバランスさせるいわゆるオートサーマル反応（ＡＴＲ）でもよい。これらの反応により得られる水素リッチな改質ガスは、燃料電池２の触媒に悪影響を与える一酸化炭素（以下、ＣＯと示す。）を含むので水素分離膜精製、ＣＯ選択酸化反応、シフト反応などのＣＯ除去手段によりＣＯ濃度を低下させた後、燃料電池へ供給される。また、蒸発器７内の下部に残留する液体改質原料と過剰の改質原料蒸気は気液分離器１０に送られる。
【００４７】
次に本実施形態の作用について図２、３を用いて説明する。
【００４８】
定常状態でパワープラントシステムが運転されている状態からシステムへの負荷が小さくなる場合に、蒸発器７がシステムの負荷低下の要求に対応しきれず要求に対して過剰な改質原料蒸気を改質器９に供給する。この過剰供給を防止するために図３の第１バルブ１７を閉じまたは絞り、第２バルブ１８を開ける。この操作により、蒸発器７内の圧力が上昇し、蒸発器上部に貯留している過剰改質原料蒸気および蒸発器下部に貯留している液体改質原料が、第２バルブ１８を通って気液分離器１０へ供給されるので、改質原料蒸気は負荷の要求する適正量に調整される。燃料改質システム１の応答性は蒸発器７の応答性に依存しており、したがって、負荷低下時の燃料改質システム１の応答性は確保できる。
【００４９】
気液分離器１０では液体改質原料と改質原料蒸気との分離が行われ、液体改質原料は高温を保ったまま高温原料タンク１１ヘ送られ貯蔵される。一方、気液分離器１０で分離された改質原料蒸気は凝縮器１３で液体に戻された後、原料タンク６ヘ回収される。高温原料タンク１１に蓄えられる比較的高温の液体改質原料は、再始動時などの改質器９が改質原料蒸気を必要とする際に再度蒸発器７に送られるため再起動時の燃料改質システムの応答性を向上できる。
【００５０】
高温の液体改質原料を蒸発器７に供給することにより蒸発器７を加熱し、蒸発器７で再度液体改質原料温度を上昇するためのエネルギロス、タイムロスが軽減される。タイムロスを軽減することができればバッテリ４にかかる負担が少なくなるという効果も得られる。また、気液分離器１０と高温原料タンク１１は別体として説明したが、気液分離器１０が高温原料タンクを兼ねる構成としてもよい。
【００５１】
本実施形態では、負荷変動時の燃料改質システム１の応答遅れに起因するバッテリ負荷軽減のため、つまり負荷変動に追従できない燃料電池の余剰出力をバッテリ４が充電する必要があり、このときのバッテリ４の負荷の低減のため、過剰改質原料の処理方法に関する燃料改質システム１の運転モードを以下の４種類に分ける。本実施例では、４つの運転モードを説明するが、少なくとも２つの運転モードを備え、切り替えるようにしてもよい。運転モードは、蒸発器７の下流に設置した第１、第２バルブの開度を調整して蒸発器７内の圧力（または温度）を制御し、蒸発器７から気液分離器１０への改質燃料の回収を制御する方法と、回収時の蒸発器の運転の方法をシステムの負荷等運転状態に応じて設定したものである。
１．運転モード１（高負荷モード）
図２の第１バルブ１７、第２バルブ１８共に絞り、または閉じて蒸発器内部の圧力を上昇させる。圧力が上昇しているので蒸発器内部が蒸気で満たされていれば、より多くの改質原料蒸気を蓄えることができる。しかし反面、高圧下では沸点が上昇するので、この操作のためには蒸発器７をより高温に保つ必要がある。つまりこのモードは、改質原料蒸気を生成させながらも利用せず排熱してしまうエネルギが多く燃費は悪い。しかし改質器９が改質原料蒸気を供給とする際の高応答性は確保できる。圧力過上昇による蒸発器７の故障防止には、圧力センサ１６により蒸発器内部圧力を監視して所定圧以上のときに第１、２バルブ１７、１８の開度を大きくして防止したり、または設定圧以上で作動するリリーフ弁１４を設けることで可能である。
２．運転モード２（低負荷モード）
図２の第１バルブ１７を絞り、または閉じ、第２バルブ１８を開く。蒸発器内部の改質原料蒸気が圧力上昇することにより、蒸発器下部に貯留している液体改質原料と蒸発器上部に貯留している改質原料蒸気が同時に気液分離器１０へ送られる。液体改質原料と改質原料蒸気は気液分離器１０で分離される。液体改質原料は高温を保ったまま高温原料タンク１１で保存され、再始動時などの改質器９が改質原料蒸気を必要とする際に再度蒸発器７に送られる。改質原料蒸気は凝縮器で液体に戻された後に原料タンク６ヘ回収される。この運転モード２はエネルギロスが運転モード１（高負荷モード）に比べて少なく低燃費であるが、蒸発器内部が大気圧であるため再始動時の応答性が運転モード１に比べて低い。
３．運転モード３（短時間停止モード）
シークエンスは運転モード２とほぼ同じであるが、バルブ操作後蒸発器７の加熱を停止する点が異なる。この蒸発器の加熱を停止する操作により蒸発器７を保温するエネルギ分のロスを防ぐことができる。しかし、再起動時に蒸発器７が前記２つの運転モードより低温となっているため、再加熱時の必要熱量が大きくなり、加熱に必要な時間が長くなるので応答性は、前記２つの運転モードよりも劣る。最低限の応答性を確保するため、蒸発器７の温度の下限閾値Ｔ０を定めて、蒸発器７の温度がＴ０以下にならないように、温度センサ１５で監視しながらヒータなどの手段で温度を調整する。この運転モード３は信号待ちなどの比較的短時間停止時に用いられる。
４．運転モード４（長時間停止モード）
運転モード３のシークエンスで温度閾値Ｔ０をなくしたもので、改質原料蒸気を回収した後にシステム全体が停止するようにする。この運転モード４は、長時間停止時に用いられる。
【００５２】
この４種類のモードの使い分けについてコントロールユニット５が実施する制御内容を図４のフローチャートを用いて説明する。
【００５３】
まず、ステップ１で図１に図示されない３次元ナビゲーションシステム、交通情報などの経路予測手段を用いて、おおまかな走行状態（運転モード）の予測を行う。具体的な例を以下にいくつか列挙する。
▲１▼加速減速が頻繁に繰り返されると予想されるとき（山岳道路走行など）は運転モード１を用いる。
▲２▼ある程度定速で走行することが予想されるとき（穏やかな市街走行など）には運転モード２を用いる。
▲３▼市街走行から高速道路の料金所に入り、高速走行に入るため大きな負荷が予想される場合には運転モードを２から１に切り替える。
▲４▼ナビゲーションシステムにより信号の手前で停止することがあらかじめ予想される場合は運転モードを３に切り替える。
【００５４】
続くステップ２、３で３次元ナビゲーションシステムの情報をもとに必要とされる駆動力、必要電力を計算する。ステップ４では、各種センサ（例えば、蒸発器７内の温度を検出するセンサ１５、蒸発器７内の圧力を検出するセンサ１６、燃料改質システムを搭載した車両の車速を検出するセンサ、車両のアクセル開度を検出するセンサ、走行時の車両の傾斜を検出するセンサ、方向指示器の表示状態を検出するセンサ、バッテリ４の残容量を検出するセンサ、運転モードが切り替わってからの経過時間を計測するタイマなど）からの入力値に基づいて運転状態を検出する。
【００５５】
実施形態として、詳しくは、
▲１▼蒸発器に温度と圧力の少なくとも一方を検出し、この検出された運転状態により蒸発器内部の温度と圧力の少なくとも一方を調整するので、運転状態により負荷要求に応じた温度と圧力に蒸発器内部をコントロールすることができる。
▲２▼ナビゲーションシステムなどの道路地形情報および交通情報に基づき運転状態を判別しているので、走行中の道路地形情報や交通情報に応じて応答性とエネルギ効率を両立した蒸発器内部の温度と圧力状態にコントロールすることができる。
▲３▼アクセル開度信号と速度信号と制動信号と方向指示信号の少なくとも一つを用いて運転状態を判別するので、運転者の入力情報に応じて応答性とエネルギ効率を両立した蒸発器内部の温度と圧力状態にコントロールすることができる。
▲４▼移動体の傾斜状態に基づき運転状態を判別するので、移動体の傾斜状態に応じて応答性とエネルギ効率を両立した蒸発器内部の温度と圧力状態にコントロールすることができる。
▲５▼応答性補助のために移動体にバッテリなどの電力貯蔵器を備える場合、運転状態はバッテリ内部の電力残量に基づき判別できるので、電力残量に応じて蒸発器内の温度と圧力状態をコントロールし、応答性とエネルギ効率を確保できる。
▲６▼運転状態は、燃料改質システムの運転モード（蒸発器内部の圧力と温度の少なくとも一方の調整方法）を切り替えてからの経過時間としているので、例えば、エネルギ的なロスが多いが応答性の優れた短時間停止に適した運転モードからエネルギロスがないものの応答に時間のかかる長時間停止に適した運転モードに切り替える際に、短時間停止運転状態になってからの時間を用いることで自動的に長時間停止状態に入ることができる、
等が特徴点である。
【００５６】
次にステップ５でステップ２、３の計算結果と運転状態から随時運転モード１から４のいずれかを判断し、判断された運転モードに基づき燃料改質システムを制御する（ステップ６から９）。例えば、
▲１▼方向指示信号を右に出しながら交差点で停止している場合は、右折待ちと判断して応答性のよい運転モード１を選択する。
▲２▼運転者のアクセル開度が大きい場合には、道路状況が燃費のよい運転モード２できる状態にあっても、応答性のよい運転モード１を選択する。
▲３▼傾斜センサから傾斜の大きい場所だと判断された場合には運転モード１を選択する。
▲４▼バッテリ４の電力残量センサからバッテリ残量が少ないと判断された場合には運転モード１を選択する。
▲５▼３次元ナビゲーションシステムにより、駐車場に停止したと認識され、そこで移動体システムのスイッチがＯＦＦにされた際には、短時間停車と判断されて運転モード３を選択する。さらに、例えば時間的な閾値Ｔ１を定めておきタイマによって長時間停止と判断する。長時間停車と判断された場合にはそこから運転モード４に切り替えられる。
などが具体的な例として考えられる。
【００５７】
このように、運転状態に応じて運転モードを選択することにより、エネルギロスの少ない運転モードで運転することができる。
【００５８】
また、運転者自身が運転モードを任意に選択できる運転モード１〜４のすべてまたはいずれか３種類もしくは２種類の運転モードの切り替えスイッチを備えてもよい。例えば、自宅に止めるなど運転者が長時間停車することが予め予測される場合には、切り替えスイッチにより運転モード３を飛ばして運転モード４に切り替えることができる。
【００５９】
したがって、本実施の形態によれば、蒸発器で生成された改質原料蒸気と蒸発器内に残っている液体改質改質原料の少なくとも一方を回収する手段を備えるので、蒸発器の応答遅れに起因する過剰改質原料蒸気を回収すると同時に、蒸発器内に残留している液体改質原料を蒸発させる潜熱分のエネルギロスを防ぐことができる。また再起動時、別個に回収した高温の液体改質原料を蒸発器に供給することにより改質器負荷応答性が向上する。
【００６０】
また、蒸発器７から回収された改質原料蒸気と液体改質原料を分離する気液分離器１０を備えるので、蒸発器から回収した過剰な改質原料蒸気および残留液体改質原料を分離することができる。
【００６１】
気液分離器１０で分離された液体改質原料を蓄えておく高温原料タンク１１を備えるので、蒸発器７から回収され改質原料蒸気から分離された高温の液体改質原料を高温原料タンク１１に蓄えることが可能となる。改質システム再起動時、高温原料タンク１１に蓄えられた高温液体改質原料を用いることで、蒸発器７の高応答性を確保し、液体改質原料温度上昇分の顕熱に相当するエネルギを節約することができる。
【００６２】
また、蒸発器で生成された改質原料蒸気と蒸発器内に残っている液体改質原料の少なくとも一方を回収する流路に、所定圧力以上で流路を液体改質原料の回収方向に開放するリリーフ弁１４（圧力調整手段）を備えるので、蒸発器内部の圧力過上昇を防ぐことが可能であり、蒸発器７の故障を避けることができる。
【００６３】
燃料改質システムの運転モードを少なくとも２種類以上有し、運転状態に応じて最適な運転モードに切り替えるので、運転状態を判別することで、よりエネルギロスの少ない蒸発器７に関する待機方法を選択することができる。
【００６４】
運転モードが蒸発器内の過剰の改質原料の回収時の状態または回収手段によって切り替えるので、回収時の原料の状態が気体であるか液体であるか、蒸発器内での液体改質原料の有無といった状態の中から運転状態に最適な運転モードを選択できる。
【００６５】
運転者の意思により運転モードを切り替える構成を有するので、例えば、長時間停車が前もって予測される場合には、エネルギロスがない長時間停止に適した運転モードに最初から切り替えることができる。
【００６６】
図５は、第２実施形態の燃料改質システム構成例である。第１実施形態と比較して気液分離器１０、高温原料タンク１１、第２燃料ポンプ１２を削除し、蒸発器７と凝縮器１３を直接連通するようにした点が異なる。パワープラントシステム全体の構成例は、第１実施形態と共通とする。
【００６７】
図６は、第２の実施形態のシステムで用いられる典型的な蒸発器７の模式図である。本実施形態では第１の実施形態の蒸発器と異なり、熱交換タイプの蒸発器７としているので、蒸発器内の液体改質原料は複数の通路内を通過する途中で熱媒との熱交換が効率よく行われるように、熱媒に接触する比表面積を大きくとる構造となっている。
【００６８】
第１実施形態との相違点は、蒸発器７の応答遅れに起因する過剰改質原料蒸気が生じたとき、第１実施形態とは異なりデッドスペースの高温液体改質原料を蒸発器内に残し、改質原料蒸気だけを凝縮器１３を通じて原料タンク６に回収するための分岐配管を蒸発器７の内部に備えていることである。ここで、デッドスペースとは、液体改質原料の分配部や液体が相変化せずに加熱される部位である。これにより構成が簡素化されるだけでなく、液体改質原料が高温原料タンクから蒸発器７へ移動するタイムラグがなくなり、燃料改質システム１の応答性がさらに向上する。
【００６９】
また、本実施形態の蒸発器７において液体燃料が蒸発する部位の温度を高く保ち、液体改質原料温度を上げる部位を低温にできるように断熱材７ｂを用いてもよく、その構造模式図を図７に示す。その結果、蒸発器７には、高温となる部位（主に下流側）と低温となる部位（主に上流側液相領域）との間に蒸発器自体の熱の流れを妨げるように断熱材が用いられるので、蒸発器待機時、蒸発器温度が均一になるのを妨げ、蒸発器内部に貯留されている液体改質原料が蒸発する時間を遅らせることができる。このことにより待機時、蒸発器７の保持している熱が液体改質原料の蒸発に消費されるのを遅らせることができるので、長時間停止後、再起動時の蒸発器７の応答性確保を図ることができる。さらに再度蒸発器７を暖機するための熱量が削減されるので、エネルギロス低減も見込める。
【００７０】
本実施形態における過剰改質原料の処理方法に関する燃料改質システム１の運転モードを以下のように分類する。
１．第１運転モード（高負荷モード）
図５の第１バルブ１７、第２バルブ１８共に絞り、または閉じて蒸発器内部の圧力を上昇させる。圧力が上昇しているので蒸発器内部が蒸気で満たされていれば、より多くの改質原料蒸気を蓄えることができる。しかし反面、高圧下では沸点が上昇するので、この操作のためには蒸発器７をより高温に保つ必要がある。つまりこのモードは改質原料蒸気を生成させながらも利用せず排熱してしまうエネルギが多く燃費は悪いが、改質器９が改質原料蒸気を必要とする際の高応答性は確保できる。圧力過上昇による蒸発器破損防止は、第１の実施形態と同様に実施する。
２．第２運転モード（低負荷モード）
図５の第１バルブ１７を絞り、または閉じ、第２バルブ１８を開く。蒸発器７内部の改質原料蒸気の圧力上昇により、気体領域と液体から気体へ相変化する領域の改質原料が回収される。回収された改質原料は、凝縮器１３で液体に戻された後に原料タンク６ヘ回収される。蒸発器７の内部に残る高温液体改質原料は、再びパワープラントシステムに負荷がかかる際に用いられる。このモードはエネルギロスが高負荷モードに比べて少なく低燃費であるが、蒸発器内部が大気圧であるため再始動時の応答性が運転モード１に比べて低い。
３．第３運転モード（短時間停止モード）
シークエンスは運転モード２とほぼ同じであるが、バルブ操作後に蒸発器７の加熱を停止する。この操作により蒸発器７を保温するエネルギ分のロスを防ぐことができる。しかし、再起動時に蒸発器７の加熱のためのタイムラグが生じるので応答性は前記２つの運転モードよりも劣る。第１実施形態と同様に、最低限の応答性を確保するため、蒸発器７の温度の下限閾値Ｔ０を定めて蒸発器７の温度がＴ０以下にならないように、温度センサ１５で監視しながらヒータなどの手段で温度を調整してもよい。このモードは信号待ちなどの比較的短時間停止時に用いられる。
４．第４運転モード（長時間停止モード）
このモードは、第３運転モードのシークエンスで温度閾値Ｔ０をなくしたものである。改質原料蒸気を回収した後にシステム全体が停止するため、長時間停止時に用いられる。
【００７１】
これらのモードの使い分けは第１の実施形態に示す図４のフローチャートと同様である。
【００７２】
本実施形態の蒸発器７は、熱交換形の蒸発器であって、改質原料が流通する配管と、この配管から分岐する分岐配管を備え、蒸発器７で生成された改質原料蒸気を分岐配管から回収し、蒸発器内の液体改質原料は蒸発器内部に残留させる構成としたので、蒸発器出口を第１バルブ１７によって閉じる、または絞ることにより蒸発器の応答遅れに起因する過剰な改質原料蒸気を選択的に蒸発器内部の圧力上昇を利用して回収することができる。この際に液体改質原料は蒸発器内に高温を保ったまま残留するので改質システムの再起動時の応答性が向上し、かつ液体改質原料温度上昇分の顕熱に相当するエネルギを節約することができる。
【００７３】
図８は、第３の実施形態の燃料改質システム１のシステム図を示し、図９は、蒸発器７の典型的な模式図を示す。本実施形態の蒸発器７は、第２実施形態の蒸発器７上流に蒸発器７を経由せずに改質原料を回収するための改質原料回収ライン２０を設け、改質原料回収ラインを２系統並列にしたもの、つまり蒸発器７を経由して回収される系統と蒸発器７を経由せずに回収される系統としたものである。パワープラントシステム全体の構成例は第１実施形態と共通とする。なお改質原料回収ライン２０には、改質原料の流量を制御する第３バルブ２１が設置される。
【００７４】
本実施形態は、燃料改質システム１が長時間停止時に蒸発器７の内部に残留する液体改質原料が蒸発器７の持つ熱量を奪うことを防止するため、長期間停止モード時は蒸発器上流の配管２０から改質原料を回収することを特徴とする。このことにより、比較的長時間停止時の応答性を確保しながらエネルギロスを防ぐことが可能である。
【００７５】
本実施形態における過剰改質原料の処理方法に関する燃料改質システムの運転モードを以下のように分類する。
１．第１運転モード（高負荷モード）
図９の第１バルブ１７、第２バルブ１８、第３バルブ２１共に絞り、または閉じて蒸発器７の内部圧力を上昇させる。圧力が上昇しているので蒸発器７内部が蒸気で満たされていれば、より多くの改質原料蒸気を蓄えることができる。しかし、反面高圧下では沸点が上昇するので、この操作のためには蒸発器７をより高温に保つ必要がある。つまり、このモードは改質原料蒸気を生成させながらも利用せず排熱してしまうエネルギが多く燃費は悪いが、改質器７が改質原料蒸気を必要とする際の高応答性は確保できる。圧力過上昇による蒸発器の故障防止は、第１の実施形態と同様に実施する。
２．第２運転モード（低負荷モード）
図９の第１バルブ１７を絞り、または閉じ、第２バルブ１８を開き、第３バルブ２１を閉じる。蒸発器７内部の改質原料蒸気圧力が上昇することにより、気体領域と液体から気体へ相変化する領域の改質原料が回収される。回収された改質原料は、凝縮器１３で液体に戻された後、原料タンク６ヘ回収される。蒸発器７の内部に残る高温液体改質原料は、再びパワープラントシステムに負荷がかかる際に用いられる。このモードはエネルギロスが高負荷モードに比べて少なく低燃費であるが、蒸発器内部が大気圧であるため再始動時の応答性が運転モード１に比べて低い。
３．第３運転モード（短時間停止モード）
シークエンスは第２運転モードとほぼ同じであるが、操作後に蒸発器加熱を停止する。この操作により蒸発器７を保温するエネルギ分のロスを防ぐことができる。しかし、再起動時に蒸発器７の加熱のためのタイムラグが生じるので応答性は前記２つの第１、第２運転モードよりも劣る。第１実施形態と同様に、最低限の応答性を確保するため、蒸発器７の温度の下限閾値Ｔ０を定めて蒸発器７の温度がＴ０以下にならないように、温度センサ１５で監視しながらヒータなどの手段で温度を調整してもよい。このモードは信号待ちなどの比較的短時間停止時に用いられる。
４．第４運転モード（長時間停止モード）
図９の第１バルブ１７を絞り、または閉じ、第２バルブ１８を閉じ、第３バルブ２１を開く。蒸発器７内部の改質原料蒸気の圧力が上昇することにより、蒸発器７下部に貯留している液体改質原料と蒸発器上部に貯留している改質原料蒸気が同時に気液分離器１０へ送られる。液体改質原料と改質原料蒸気は気液分離器１０で分離される。液体改質原料は高温を保ったまま高温原料タンク１１で保存され、再始動時などの改質器９が改質原料蒸気を必要とする際に再度蒸発器７に送られる。改質原料蒸気は凝縮器１３で液体に戻された後に原料タンク６ヘ回収される。操作後、蒸発器７の加熱を停止する。
【００７６】
これらの運転モードの使い分けは第１実施形態の図４のフローチャートと同様である。
【００７７】
第３の実施形態によれば、蒸発器７と原料タンク６とを連通する配管から分岐する回収ライン２０を備え、蒸発器で生成された改質原料蒸気と蒸発器内に残っている液体改質原料を回収する気液分離器１０を備えるので、蒸発器出口を第１バルブ１７を閉じる、または絞り、第２バルブ１８を閉じることにより、蒸発器７の応答遅れに起因する過剰な改質原料蒸気および残留液体改質原料を、蒸発器内部の圧力上昇を利用して回収することができる。
【００７８】
以上、第１、第２、第３の実施形態を詳しく説明してきたが、これらのシステム構成、文言に限定されるものではない。例えば改質ガスのエネルギ変換装置は燃料電池２、電力貯蔵装置はバッテリ４を実施形態に出したが、これらはそれぞれ改質ガスエンジン、キャパシタなど同様の機能を果たすものでもよい。また、パワープラントシステムは負荷変動補助のためのバッテリを含まない構成であってもよい。また、第２実施形態で述べた燃料が蒸発する部位の温度を高く保ち、液体改質原料温度を上げる部位を低温にできるように断熱材７ｂを用いる構成は、第３実施形態に適用してもよい。また、第３実施形態では、蒸発器７上流の分岐配管２０と蒸発器内部の分岐配管１９を同時に設けて、運転状態により過剰改質原料の通る配管を切り替えるという構成とした。しかし、蒸発器７と改質器９とを連通する配管の途中で分岐配管を設けて過剰改質原料を蒸気で回収するという経路も含めて、これら３通りの全て、またはこれらの組み合わせによる２通りの経路を運転状態により切り替え、蒸発器内の温度、圧力条件を含めた最適な運転モードを選択するようにしてもよい。
【００７９】
本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内でさまざまな変更がなしうることは明白である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用したパワープラントシステムの構成図である。
【図２】本発明の燃料改質システムの構成図である。
【図３】本発明の蒸発器の構成図である。
【図４】運転モード選択を説明するフローチャート図である。
【図５】第２の実施形態の燃料改質システムの構成図である。
【図６】第２の実施形態の蒸発器の構成図である。
【図７】第２の実施形態の蒸発器の他の構成図である。
【図８】第３の実施形態の燃料改質システムの構成図である。
【図９】第３の実施形態の蒸発器の構成図である。
【符号の説明】
１  燃料改質システム
２  燃料電池
３  モータ
４  バッテリ
５  コントロールユニット
６  原料タンク
７  蒸発器
９  改質器
１０  気液分離器
１１  高温原料タンク
１３  凝縮器
【図１】
0004178830.tif 000002
【図２】
0004178830.tif 000003
【図３】
0004178830.tif 000004
【図４】
0004178830.tif 000005
【図５】
0004178830.tif 000006
【図６】
0004178830.tif 000007
【図７】
0004178830.tif 000008
【図８】
0004178830.tif 000009
【図９】
0004178830.tif 000010