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JP4014124B2 - Fuel evaporator - Google Patents

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JP4014124B2
JP4014124B2 JP36347999A JP36347999A JP4014124B2 JP 4014124 B2 JP4014124 B2 JP 4014124B2 JP 36347999 A JP36347999 A JP 36347999A JP 36347999 A JP36347999 A JP 36347999A JP 4014124 B2 JP4014124 B2 JP 4014124B2
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  • Heat-Exchange Devices With Radiators And Conduit Assemblies (AREA)
  • Hydrogen, Water And Hydrids (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Description

【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。
gin;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)
g1;第一の蒸発室11A出口の燃焼ガス温度
g2;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
V1;第一の蒸発室11A出口の原燃料ガス温度
V2;第二の蒸発室11B出口の原燃料ガス温度
V3;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)
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel evaporation system for raw fuel in a fuel cell system, and more specifically, a plurality of evaporation chambers are connected so as to be able to vent, and a required amount of raw fuel gas is appropriately responsive to a subsequent reactor with good response. The present invention relates to a fuel evaporation device that can be supplied.
[0002]
[Prior art]
The fuel cell system is a power generation system having a fuel cell as a core for generating power by supplying hydrogen as a fuel gas to the hydrogen electrode of the fuel cell and supplying an oxidizing gas containing oxygen to the oxygen electrode of the fuel cell. This fuel cell system directly converts chemical energy into electrical energy, and has recently attracted attention because of its high power generation efficiency and extremely low emission of harmful substances.
[0003]
A fuel evaporation apparatus used in a conventional fuel cell system is described in, for example, Japanese Patent Application No. 11-125366. As shown in FIG. 12, the fuel evaporation apparatus 100 is a high-temperature heat medium generated by burning off-gas (hydrogen-containing gas) generated in a fuel cell by a catalytic reaction in a catalyst combustor (not shown). An inlet 114 for introducing a certain combustion gas HG into the evaporator main body 110, and the combustion gas HG are passed from the top to the bottom inside the U-shaped heat medium tube 112 from the inlet 112a to the outlet 112b. The evaporating chamber 111 for evaporating the raw fuel FL injected from the injector 140 onto the outer surface of the heating medium tube 112 by the heat obtained from the combustion gas HG, and the combustion gas after evaporating the raw fuel FL Combustion gas passage 113 provided adjacent to bottom surface 110A of evaporation chamber 111 through which HG flows and raw fuel gas FG evaporated in evaporation chamber 111 are Main unit from overheating portion 130. which is formed from overheating chamber 132 and the steam tube 131 Metropolitan for superheated by the combustion gases HG passing through the passage 113 is formed.
[0004]
The operation of the conventional fuel evaporation apparatus 100 configured as described above will be described.
Combustion gas HG, which is a high-temperature heat medium generated by burning off gas generated in the fuel cell in a catalyst combustor (not shown), is introduced into the inlet 114 of the evaporator main body 110. The combustion gas HG introduced into the inlet portion 114 passes from the top to the bottom from the inlet portion 112a to the outlet portion 112b in the U-shaped heat medium tube 112 in the evaporation chamber 111. At that time, in the evaporation chamber 111, the combustion gas HG transmits heat to the outer surface of the heat medium tube 112 to evaporate the raw fuel FL injected by the injector 140. Next, the combustion gas HG after evaporating the raw fuel FL is guided to the superheat chamber 132 of the superheater 130 via the combustion gas passage 113, and the raw fuel gas FG evaporated in the evaporation chamber 111 is converted to the raw fuel gas FG. Further heating is performed from the outside of the steam tube 131. The overheated raw fuel gas FG is introduced into a reactor (not shown), and the combustion gas HG after overheating the raw fuel gas FG is discharged out of the system as exhaust gas.
[0005]
The combustion gas HG, which is a heat source of the conventional fuel evaporation apparatus 100, varies depending on the operation state of the fuel cell, and it is necessary to evaporate the raw fuel FL by a necessary amount using the combustion heat of hydrogen and supply it to the reactor. However, due to various factors such as changes in the amount of supplied heat (changes in operating conditions), thermal mass of the fuel evaporation device itself, changes in the ambient air environment temperature, etc., the evaporation state in the evaporation chamber 111 (for example, the occurrence of a liquid pool) There was a problem that the temperature of FG would change.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made to solve the above-described problems, and controls the amount of raw fuel supplied to the fuel evaporation apparatus, improves the responsiveness of the evaporation rate as compared with the conventional fuel evaporation apparatus, and is appropriate. An object of the present invention is to provide a fuel evaporation device capable of supplying raw fuel gas to a downstream reactor at a gas flow rate.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
To solve the above problems Book The gist of the invention is that in a fuel evaporation apparatus having an evaporation chamber for evaporating raw fuel by a high-temperature heat medium to obtain raw fuel gas, the evaporation chamber is formed by connecting a plurality of evaporation chambers so that they can be ventilated in series. The raw fuel injection means for injecting the raw fuel is provided in each of the plurality of evaporation chambers.
[0008]
In this case, the evaporation chamber having the same capacity as the single chamber is divided into a plurality of evaporation chambers rather than the single chamber, and the raw fuel is injected individually according to the evaporation capacity of each evaporation chamber. Since the dead space during injection and uneven injection to the heat transfer tube (heat medium tube) are reduced, the thermal efficiency per unit volume of the evaporation chamber is increased and evaporation is performed instantaneously. Can be supplied quickly.
[0009]
Also Any one of the evaporation chambers is provided with a plurality of the raw fuel injection means. Burning It is a material evaporation device.
[0010]
Particularly in an evaporation chamber having a large heat capacity and a large evaporation capacity, a large amount of raw fuel gas can be quickly supplied by simultaneously injecting a large amount of raw fuel from a plurality of raw fuel injection means provided at the same time (use during acceleration).
[0011]
Also The raw fuel injection control means for selecting any of the raw fuel injection means and injecting the raw fuel in response to a request signal for requesting the raw fuel gas. Burning It is a material evaporation device.
[0012]
According to this configuration, it is possible to determine which / how many evaporation chambers the raw fuel is injected according to the amount of the required raw fuel gas, and to evaporate with the same capacity as the single chamber rather than the single chamber evaporation chamber. Evaporation chamber unit volume because the chamber is divided into multiple evaporation chambers, and by spraying individually according to the evaporation capacity of each evaporation chamber, there is less uneven injection during dead space and heat transfer tubes (heat transfer tubes) Since the heat efficiency per unit is increased and evaporation is performed instantaneously, the necessary amount of raw fuel gas can be supplied quickly.
[0013]
Also The bottom of any one of the evaporation chambers is provided with a heat receiving portion that is provided adjacent to the bottom and receives heat from the heat source means for generating the high-temperature heat medium, and the other evaporation chamber adjacent to the evaporation chamber An inclined portion with the heat receiving portion side down is provided at the bottom of the heat sink. Burning It is a material evaporation device.
[0014]
As a result, the raw fuel stored in the bottom portion without being evaporated in each evaporation chamber is moved to the heat receiving portion that has been quickly moved to the high temperature by the inclined portion, and is evaporated. Therefore, a predetermined amount of raw fuel gas can be obtained with good responsiveness.
[0015]
Also Any of the evaporation chambers has a heat transfer area larger than that of the other evaporation chambers, and the bottom of any of the evaporation chambers is provided with the heat receiving portion. Burning It is a material evaporation device.
[0016]
In the evaporation chamber with a large heat transfer area (more heat medium tubes) and a heat receiving part at the bottom, more heat can be applied, so the raw fuel gas can be obtained instantly and the response The raw fuel gas can be supplied well.
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
An embodiment of a fuel evaporation apparatus 1 according to the present invention will be described with reference to FIGS. 1 is an overall system diagram of a fuel cell system according to the present invention, FIG. 2 is a plan partial sectional view of a fuel evaporation apparatus according to the present invention, FIG. 3 is a sectional view taken along line AA in FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line BB in FIG. 2, FIG. 5 is a cross-sectional view taken along line CC in FIG. 2, and FIG. 6 is a control block diagram of raw fuel injection control means of the fuel evaporation apparatus according to the present invention.
FIG. 7 is a diagram showing the temperature change of the raw fuel gas in the evaporation chamber due to the difference in the raw fuel injection position, and FIG. The figure which shows the target temperature range of fuel gas, FIG.8 (b) is a figure which shows the basic injection pattern of the injector of the fuel evaporation apparatus which concerns on this invention, FIG. 9 is the injection position of the injector of the fuel evaporation apparatus which concerns on this invention 5 is a control flowchart in the case of controlling the temperature of the raw fuel gas by switching the.
FIG. 10 is a control flow chart for ensuring the amount of raw fuel evaporation during acceleration of the vehicle of the fuel evaporation apparatus according to the present invention, and FIG. 11 is the raw material injection control means of the fuel evaporation apparatus according to the present invention. It is a figure which shows the control result of fuel gas temperature.
[0018]
First, the entire fuel cell system FCS according to the present invention will be described with reference to FIG. 1 and FIG.
The fuel cell system FCS mounted on the vehicle is a high-temperature heat medium generated by catalytic combustion of the off-gas OG of the hydrogen electrode of the fuel cell 5 in the catalyst combustor 20 inside the evaporation chamber 11 of the evaporator main body 10. A number of U-shapes that evaporate the raw fuel FL injected from the injectors 41A, 41B, and 41C, which are raw fuel injection means controlled by the raw fuel injection control means 30 on the outer surface of the combustion gas HG. The fuel evaporation device 1 provided with the heat medium tubes 12A, 12B, and 12C, and the raw fuel gas FG generated by evaporating the raw fuel FL in the fuel evaporation device 1 are reacted on the solid catalyst to produce the fuel gas. A reformer 2 which is a reactor to be used, a CO remover 3 for removing carbon monoxide in the fuel gas produced by the reformer 2, and a fuel gas supplied from the CO remover 3 A fuel cell 5 that generates electricity by reacting hydrogen with oxygen in the air compressed by an air compressor 4 that is an oxidant supply means, and a gas that separates and removes moisture from the off-gas OG at the hydrogen electrode of the fuel cell 5. The liquid separator 6 and the hydrogen gas off-gas OG and auxiliary fuel supplied from the gas-liquid separator 6 are combusted to generate combustion gas HG, which is a high-temperature heat medium that becomes a heating source of the fuel evaporation device 1 at the time of start-up And a combustion burner 7 having an auxiliary fuel (not shown) supply line (not shown).
[0019]
The operation of the fuel cell system FCS configured as described above will be described.
A predetermined amount of raw fuel FL (for example, a mixed fuel of methanol and water) is supplied from the raw fuel storage tank T to the fuel evaporation device 1 by a pump. The raw fuel FL supplied to the evaporator main body 10 of the fuel evaporator 1 is supplied to the evaporator main body 10 by injectors 41A1, 41A2, 41A3, 41B, 41C which are raw fuel injection means controlled by the raw fuel injection control means 30. Injected onto the outer surfaces of a number of U-shaped heat medium tubes 12A, 12B, 12C provided in the evaporation chamber 11. A combustion gas HG generated by burning off-gas OG at the hydrogen electrode of the fuel cell 5 flows in the heating medium tubes 12A, 12B, and 12C in the evaporation chamber 11, and the raw fuel FL is transferred to the heating medium. It evaporates as raw fuel gas FG in the evaporation chamber 11 by heat obtained from the combustion gas HG through the tubes 12A, 12B, and 12C. As a heating source of the evaporation apparatus main body 10, during operation, the catalytic combustor 20 uses off-gas OG at the hydrogen electrode of the fuel cell 5 and combustion gas HG generated by catalytic combustion of auxiliary fuel. When there is no heating source, auxiliary fuel (for example, methanol) is burned by the combustion burner 7 so that the necessary amount of heat can be secured. On the contrary, when the heating source becomes excessive, the combustion gas HG can be bypassed immediately after the catalytic combustor 20 and partially exhausted to the outside.
The details of the raw fuel injection control means 30 for controlling the injection amount of the raw fuel FL and the injection positions of the injectors 41A, 41B, 41C of the fuel evaporator 1 will be described later.
[0020]
The raw fuel gas FG generated in the evaporator main body 10 is introduced into the reformer 2, and the raw fuel gas FG introduced into the reformer 2 reacts on a solid catalyst (for example, a Cu—Zn-based catalyst). To produce hydrogen-rich fuel gas. Further, the hydrogen-rich fuel gas generated in the reformer 2 is oxidized with hydrogen in the fuel gas supplied from the CO remover 3 after carbon monoxide in the gas is removed by the CO remover 3. It is introduced into a fuel cell 5 that generates electricity by reacting with oxygen in the air compressed by an air compressor 4 that is an agent supply means. The off-gas OG at the hydrogen electrode of the fuel cell 5 is separated and removed by the gas-liquid separator 6 and then burned again by the catalytic combustor 20 to become a heating source for the evaporator main body 10.
[0021]
Hereinafter, a characteristic configuration of the fuel evaporation apparatus 1 according to the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 1 to 11.
As shown in FIG. 3 to FIG.
In each of the evaporation chambers 11A, 11B, and 11C, the heat medium tubes 12A, 12B, and 12C and tube holding portions 12Aa, 12Ba, and 12Ca that hold both ends of the heat medium tube are disposed, and these three evaporation chambers 11A are disposed. , 11B, 11C connected in series so as to be able to ventilate, and an evaporation chamber main body 10 composed of combustion gas passages P1 to P11 routed around the evaporation chamber 11,
A raw fuel injection device 40 formed of a raw fuel supply pipe 42 for supplying the raw fuel FL to the evaporation chamber 11 and injectors 41A, 41B, 41C which are raw fuel injection means provided below the raw fuel supply pipe 42; ,
A catalytic combustor 20 which is a heat source means provided in the lower part of the evaporation chamber 11A and which generates combustion gas HG that is a high-temperature heat medium serving as a heat source of the evaporation chamber 11;
A raw fuel injection control means 30 for receiving a request signal for the raw fuel gas FG, selecting one of the injectors 41A, 41B, 41C, and controlling to inject a predetermined amount of raw fuel FL from the selected injector;
The main part consists of
[0022]
The evaporator main body 10 includes an evaporation chamber 11 and combustion gas passages P1 to P11 routed around the evaporation chamber 11.
As shown in FIG. 3, the evaporation chamber 11 has the largest evaporation capability (the largest number of heat medium tubes 12A), the first evaporation chamber 11A, and the second largest evaporation capability (of the heat medium tube 12B). The second evaporating chamber 11B has the second largest number), and the third evaporating chamber 11C has the smallest evaporating capacity (the smallest number of heat medium tubes 12C). It is a box-type room that is connected in series so that the area of the boundary surface between them is substantially the same, so that air can pass through in series.
The order in which the evaporation chambers 11 are connected in series is not particularly limited. For example, the first evaporation chamber 11A may be disposed at an intermediate position between the second evaporation chamber 11B and the third evaporation chamber 11C.
In the evaporation chamber 11, a predetermined amount of raw fuel FL from the injector whose injection amount and injection position are selected by the raw fuel injection control means 30 in accordance with the evaporation capacity of each of the evaporation chambers 11 A, 11 B, and 11 C is removed from the heat medium tube. Sprayed on the surface. The direction in which the injectors 41A, 41B, 41C inject the raw fuel FL is on the inlet side (the side into which the combustion gas HG enters) of the heat medium tubes 12A, 12B, 12C provided in the respective evaporation chambers 11A, 11B, 11C. It is jetted toward.
In this way, the evaporation chamber having the same capacity as the single chamber is divided into a plurality of evaporation chambers rather than the single chamber, and the raw fuel FL is injected individually according to the evaporation capacity of each evaporation chamber. As a result, the dead space at the time of injection and the injection unevenness to the heat transfer tube as the heat transfer tube are reduced, so that the thermal efficiency per unit volume of the evaporation chamber is increased. As a result, since evaporation is performed instantaneously, the necessary amount of raw fuel gas can be quickly supplied when necessary.
[0023]
The raw fuel injection device 40 is provided in the upper part of the evaporation chamber 11, and as shown in FIG. 3, the raw fuel supply pipe 42, which is a manifold pipe for supplying the raw fuel FL to the injectors 41A, 41B, 41C, and each evaporation chamber 11A. , 11B, 11C, and an injector 41A that injects the raw fuel FL by suitably controlling the injection amount and injection position of the raw fuel FL supplied from the raw fuel supply pipe 42 by the raw fuel injection control means 30. , 41B, 41C.
The injectors 41A, 41B, and 41C are single fluid nozzles, and the flow rate is controlled by the nozzle back pressure. As shown in FIG. 2, there are three (41A) on the upper rear side of the first evaporation chamber 11A having the largest evaporation capability (the largest number of heat medium tubes 12A). 1 , 41A 2 , 41A Three ) The second evaporating capacity is the second largest (the number of the heat medium tubes 12B is the second largest) and the second evaporating capacity is the smallest (the number of the heat medium tubes 12C is the smallest). One (41B and 41C) is provided on the upper front side of the evaporation chamber 11C.
In this way, a large amount of raw fuel gas is quickly supplied by injecting a large amount of raw fuel simultaneously from a plurality of injectors, which are raw fuel injection means, particularly in an evaporation chamber having a large heat capacity and a large evaporation capacity. Yes (use during acceleration). Therefore, even if there is a sudden large load request, it is possible to respond sufficiently.
[0024]
In each of the evaporation chambers 11A, 11B, and 11C, the combustion gas HG, which is a high-temperature heat medium generated from the catalytic combustor 20, is passed through the interior, and a large amount of heat that evaporates the raw fuel FL that contacts the outer surface thereof. Medium tubes 12A, 12B, and 12C are provided respectively.
As shown in FIGS. 4 and 5, these heat medium tubes 12 </ b> A, 12 </ b> B, 12 </ b> C have an inclined portion in which at least a part of the upper piping is inclined downward toward the tube holding portions 12 </ b> Aa, 12 </ b> Ba, 12 </ b> Ca. It has a formed U shape.
Moreover, tube holding | maintenance part 12Aa, 12Ba, 12Ca which hold | maintains the both ends of these heat-medium tube 12A, 12B, 12C is provided. By forming in this way, the droplets of the raw fuel FL adhering to the upper part of the heat medium tube are preferably moved from the catalyst combustor 20 toward the tube holding portions 12Aa, 12Ba, and 12Ca that are heated by heat conduction. Can be evaporated. Further, by providing the tube holding portions 12Aa, 12Ba, and 12Ca as wall portions, the combustion gas HG and the raw fuel gas FG can be prevented from being mixed in the respective evaporation chambers 11A, 11B, and 11C. Furthermore, the pipes in the evaporation chambers 11A, 11B, and 11C of the heat medium tubes 12A, 12B, and 12C are arranged so that the top is rough and the bottom is dense. By doing so, the thermal mass at the bottom of each of the evaporation chambers 11A, 11B, and 11C is increased to make it difficult for a liquid pool to occur.
The piping diameters of the heat medium tubes 12A, 12B, and 12C are the same for all the heating medium tubes 12A, 12B, and 12C.
[0025]
Further, a partition plate 11P is provided between the first evaporation chamber 11A and the second evaporation chamber 11B as shown in FIG. The partition plate 11P is provided with an upper opening provided in the upper part at the same height as the thickness of the upper tube group of the heat medium tube 12A, and a lower opening between the bottom plate 11b as a heat receiving part and the partition plate 11P. ing. The lower opening is partially or entirely open at the joint. As for the cross-sectional shape of the partition plate 11P, the upper side has a rectangular shape with the upper opening interposed therebetween, and the lower side has an inverted Y shape. A similar partition plate 11P is also provided between the second evaporation chamber 12B and the third evaporation chamber 12C.
[0026]
Further, a large number of heat medium tubes 12A are disposed therein, and the catalyst combustor 20 is adjacent to the bottom thereof, so that the evaporation chamber 11A is disposed above the first evaporation chamber 11A having the largest evaporation capability. Three injectors 41A for injecting raw fuel FL into 1 , 41A 2 , 41A Three In addition, in order to be able to mix and supply the amount of air (AIR) required for the reforming reaction of the reformer 2 which is a subsequent stage reactor with the raw fuel gas FG, air (AIR) as shown in FIG. ) An inlet 15 is provided. The air (AIR) inlet 15 is preferably provided in an evaporation chamber having a large heat capacity and the largest evaporation capacity.
In this way, when the raw fuel gas FG moves in each of the evaporation chambers 11A, 11B, and 11C toward the outlet side of the evaporation chamber body 10, it is provided in each of the evaporation chambers 11A, 11B, and 11C. Since the air (AIR) and the raw fuel gas FG can be completely mixed by colliding with the heat medium tubes 12A, 12B, 12C and the partition plate 11P, the reformer 2 which is a subsequent reactor is uniformly mixed. A raw fuel gas FG having a composition can be introduced.
[0027]
In addition, a bottom plate 11b as a heat receiving portion is in close contact with the ceiling plate 20t of the catalytic combustor 20 as a heat source means as shown in FIGS. 3 and 4 at the bottom of the first evaporation chamber 11A having the largest evaporation capability. Is provided. By providing the bottom plate 11b in close contact with the ceiling plate 20t, heat from the catalyst combustor 20 can be reliably transmitted to the evaporation chamber 11A. Further, by increasing the amount of combustion gas in the catalyst combustor 20, the evaporation chamber 11A can always supply the necessary amount of heat.
The catalytic combustor 20 may be provided at the bottom of another evaporator.
As described above, one of the evaporation chambers has a heat transfer area larger than that of the other evaporation chambers (a larger number of heat medium tubes), and the bottom of the evaporation chamber is provided with a bottom plate that is a heat receiving portion. Thus, raw fuel gas can be obtained instantaneously by giving a large amount of heat to the evaporation chamber having a large heat transfer area.
[0028]
Further, the bottom plate 11b of the second evaporation chamber 11B and the third evaporation chamber 11C is a single plate connected to the bottom plate 11b of the first evaporation chamber 11A. As shown in FIG. An inclined portion with the 11A side down is formed.
As described above, the catalyst combustor 20 that is a heat source means for generating the combustion gas HG that is a high-temperature heat medium provided adjacent to the bottom of any evaporation chamber is provided, and the heat receiving unit that receives the heat of the catalyst combustor 20. The bottom plate of the other evaporation chamber adjacent to the evaporation chamber is provided with an inclined portion with the heat receiving portion side down, so that the original material stored in the bottom portion without being evaporated in each evaporation chamber is provided. The fuel FL is collected by the heat receiving part which is moved by the inclined part and quickly becomes high temperature, and is evaporated. Therefore, a predetermined amount of raw fuel gas can be obtained with good responsiveness.
[0029]
As shown in FIGS. 3 and 4, the catalytic combustor 20 has a rectangular cross-sectional shape and is provided adjacent to the bottom of the evaporation chamber 11 </ b> A.
The catalytic combustor 20 is generated by burning an off-gas OG, an inlet portion 21 for introducing an off-gas OG of the hydrogen electrode of the fuel cell 5 as a combusted body, a catalyst layer 22 for burning the off-gas OG by a combustion reaction, and the like. And an outlet 23 having a partition plate 24 in which the flow direction of the combustion gas HG, which is a high-temperature heat medium, can be changed by 180 degrees. The partition plate 24 also serves as a partition plate that prevents the combustion gas HG at the outlet side of the evaporation chamber 11 </ b> A from mixing with the combustion gas HG at the outlet portion 24 of the catalytic combustor 20.
[0030]
Further, around each of the evaporation chambers 11A, 11B, and 11C, combustion gas passages P1 to P11 through which the combustion gas HG exiting from each of the evaporation chambers 11A, 11B, and 11C flows are formed. By providing the combustion gas passages P1 to P11, the temperature in the evaporation chamber can be kept and heated, so that the raw fuel FL can be more suitably evaporated.
[0031]
Next, the operation of the fuel evaporation apparatus 1 according to the present invention will be described with reference to FIGS.
As shown in FIG. 4, the off-gas OG at the hydrogen electrode of the fuel cell 5, which is a combusted body, passes through the inlet portion 21 of the fuel evaporation device 1 to the catalyst layer 22 that performs the combustion reaction of the catalytic combustor 20 as it is. The off-gas OG is combusted to generate a combustion gas HG that is a high-temperature heat medium, and is discharged to the combustion gas passage P1 that is the base end. The generated high-temperature combustion gas HG flows from bottom to top in a U-shaped heat medium tube 12A (combustion gas passage P2) provided in the evaporation chamber 11A. When the combustion gas HG passes through the U-shaped heat medium tube 12A in the evaporation chamber 11A, the raw fuel FL injected by the injector 41A to the outer surface of the heat medium tube 12A is evaporated, and the raw fuel gas FG is generated.
[0032]
Next, the combustion gas HG after evaporating the raw fuel FL becomes the outlet 12A of the heat medium tube 12A. OUT As shown in FIG. 2, combustion gas passages P3 (front side of the evaporation chamber 11A) and P4 (left side of the front of the evaporation chamber 11A) provided so as to surround the evaporation chamber 11A are provided. It flows and reaches the combustion gas passage P6 via the combustion gas passage P5 (rear side of the evaporation chamber 11A). Further, as shown in FIG. 5, the combustion gas HG which is a high-temperature heat medium branches into two from the combustion gas passage P6 and flows in the heat medium tubes 12B and 12C (combustion gas passages P7 and P8) from the top to the bottom. The combustion gas passage P10 provided at the bottom of the evaporation chambers 11B and 11C and the evaporation chambers 11B and 11C through the combustion gas passage P9 on the lower side of the evaporation chambers 11B and 11C when viewed from the front (side). It is discharged to the outside as exhaust gas through the combustion gas passage P11 at the end of the side portion. In addition, the effect | action here demonstrated the effect | action when the injection | throwing-in of a standard injection pattern is performed with the injector 41A in the evaporation chamber 11A by the raw fuel injection control means 30 mentioned later.
[0033]
On the other hand, the raw fuel gas FG evaporated in the first evaporation chamber 11A passes through the opening of the partition plate 11P in series to the second evaporation chamber 11B and the third evaporation chamber 11C as shown in FIG. It is introduced and introduced into the reformer 2, which is a subsequent reactor.
[0034]
Next, the raw fuel injection control means 30 for controlling the injection amount and the injection position of the raw fuel FL of the injectors 41A, 41B, 41C which are the raw fuel injection means of the fuel evaporation apparatus 1 according to the present invention will be described. Here, the raw fuel injection control means 30 of the fuel evaporation apparatus 1 when the fuel cell system FCS is mounted on a vehicle will be described.
The idling here refers to the operation of the auxiliary equipment (compressor, heater, air conditioner, etc.) of the fuel cell 5 even if the fuel cell 5 does not require the amount of the raw fuel gas FG. In order to cover the electric power necessary for maintaining, the fuel evaporation device 1 is generating a small amount of raw fuel gas FG.
In addition, the low load state refers to a constant depressing state where the accelerator opening is small, and refers to a state where the required amount of the raw fuel gas FG is larger than that during idling.
Further, the accelerator fully open (WOT) refers to a state where the required amount of raw fuel gas is the maximum when the accelerator opening is the maximum.
[0035]
Initially, the attachment position of the temperature sensor currently attached to the fuel evaporation apparatus 1 is demonstrated.
As shown in FIGS. 3 to 5, three temperature sensors for the combustion gas HG and three temperature sensors for the raw fuel gas FG are attached.
T gin The combustion gas temperature at the outlet of the catalyst combustor (the gas temperature at the inlet of the first evaporation chamber 11A)
T g1 The combustion gas temperature at the outlet of the first evaporation chamber 11A
T g2 The combustion gas temperatures at the inlets of the second evaporation chamber 11B and the third evaporation chamber 11C
T V1 The raw fuel gas temperature at the outlet of the first evaporation chamber 11A
T V2 The raw fuel gas temperature at the outlet of the second evaporation chamber 11B
T V3 The raw fuel gas temperature at the outlet of the third evaporation chamber 11C
It is.
The raw fuel injection control means 30 is a control for selecting an injector for injecting the raw fuel FL and controlling the injection amount based on the above temperature measurement data, a stack operating state signal required from the fuel cell body, and an accelerator opening signal. Means. FIG. 6 shows a control block diagram of the raw fuel injection control means 30.
[0036]
Next, how the temperature of the raw fuel gas FG obtained by the raw fuel injection position of the injector changes depending on the load will be described with reference to FIG. FIG. 7 shows the results of a test conducted using a separate test apparatus to determine how raw fuel gas in a suitable temperature range can be obtained by injecting raw fuel into the evaporation chamber. As a test method, three injectors A, B, and C are provided at the uppermost part of the evaporation chamber of a single chamber provided with a heat medium tube from the innermost side by changing the distance from the outlet side of the evaporation chamber. Thus, the temperature of the raw fuel gas at the evaporating chamber outlet when the same injection amount is injected for each injector is measured.
As shown in FIG. 7, when the raw fuel was injected from the injector A located at the back of the evaporation chamber with reference to the outlet of the evaporation chamber, the temperature of the raw fuel gas was highest at both idling and low load. . Further, when the raw fuel was injected from the injector C closest to the outlet of the evaporation chamber, the temperature of the raw fuel gas was the lowest at the time of idling and low load (the injection amount was the same). When the raw fuel was injected from the injector B located at the center of the injectors A and C, the temperature of the raw fuel gas was intermediate between the injectors A and C (the injection amount was the same).
[0037]
Therefore, in the case of a fuel evaporation apparatus in which the evaporation chambers are connected so as to be able to ventilate in series and each of the evaporation chambers is provided with raw fuel injection means, the position of the injector for injecting the raw fuel is switched and the depth of the evaporation chamber is changed. By injecting the raw fuel from, the temperature of the raw fuel gas at the evaporating chamber outlet can be increased. On the other hand, the temperature of the raw fuel gas at the evaporating chamber outlet can be lowered by injecting the raw fuel from the near side near the evaporating chamber outlet.
[0038]
Based on the test results of the raw fuel gas temperature at these injection positions, the control is performed as follows.
With reference to FIG. 8, how to determine the basic injection pattern (S3) of FIG. 9 will be described.
(1) First, a temperature threshold T to be controlled so that the temperature of the raw fuel gas FG with respect to the operation output of the fuel cell falls within the target temperature range shown in FIG. vhigh And T vlow Set.
Here, T in FIG. vhigh Is the upper limit of the target temperature range, T vlow Is the lower limit of the target temperature range. T vmax Is the upper limit of the allowable temperature range, T vmin Is the lower limit of the allowable temperature range.
(2) Next, using the basic injection pattern shown in FIG. 8 (b), the injection amount of the raw fuel FL is calculated from the operation request output of the fuel cell 5, and which injector is used to inject the raw fuel FL. Decide.
As shown in FIG. 8B, when the fuel cell 5 is idling (idle), the basic injection pattern is the injector 41A. Three Is used. In addition, the two injectors 41A at low load when the required output increases. 2 , 41A Three Inject with. When the required output further increases, the two injectors 41A 2 , 41A Three Two injectors 41A having a larger injection amount than the combination of 1 , 41A Three Switch to the combination. As in the case where the accelerator opening is fully open (WOT), the place where the maximum output is required is three injectors 41A. 1 , 41A 2 , 41A Three It comes to inject with. On the other hand, the injectors 41B and 41C are always in a stopped state. By doing so, the evaporation chambers 11B and 11C on the downstream side are always in an empty state, so that the temperature of the raw fuel gas FG at the outlet of the evaporation chamber 11 is suitably controlled by switching the injection position of the injector. can do.
In this way, it is required by receiving the request signal for requesting the raw fuel gas FG, selecting any one of the raw fuel injection means, and providing the raw fuel injection control means 30 for injecting the raw fuel FL. It is possible to determine which / how many evaporation chambers the raw fuel is injected according to the amount of the raw fuel gas FG, and the evaporation chamber having the same capacity as the single chamber rather than the single chamber evaporation chamber. By individually injecting into the chamber, there is less injection unevenness with respect to dead space and heat transfer tubes (heat medium tubes) at the time of injection, so that the thermal efficiency per unit volume of the evaporation chamber increases. As a result, since evaporation is performed instantaneously, a necessary amount of raw fuel gas can be quickly supplied. Therefore, even if there is a sudden load request, it is possible to cope with it sufficiently.
[0039]
Next, referring to FIG. 9, an injector 41 </ b> A (41 </ b> A) that is a raw fuel injection means in the evaporation chamber 11. 1 , 41A 2 , 41A Three ), The control flow of the raw fuel injection control means 30 when the temperature of the raw fuel gas FG is controlled by switching the injection positions of 41B and 41C.
1. It is determined whether or not the fuel evaporation device 1 is in a warm-up operation (S1).
If the warm-up operation is being performed, the warm-up operation subroutine is entered (S17) and the warm-up operation is maintained.
2. If the engine is not warming up, the throttle opening increment (Δθ th ) Is confirmed (S2).
Throttle opening increment (Δθ th ), The acceleration subroutine is entered (S18) and the acceleration state is maintained.
3. Throttle opening increment (Δθ th When the steady operation is not performed, the reference injection pattern shown in FIG. 8B is read from the table (S3). That is, 41A is selected as the injector to be injected. A map showing the relationship between the injector injection time Ti and the raw fuel injection amount Q is read (S4). Actually required injection time Ti is calculated from various correction terms (correction terms based on battery voltage or the like) (S5). The raw fuel FL is intermittently injected while the injection time Ti is pulse-controlled by the selected injector 41A (S6).
4). Raw fuel gas temperature T at the outlet of the third evaporation chamber 11C after injection V3 And temperature threshold T on the high temperature side Vhigh Are compared (S7).
5). Raw fuel gas temperature T at the outlet of the third evaporation chamber 11C after injection V3 Is the temperature threshold T on the high temperature side Vhigh If it exceeds, it is processed as follows.
(A) The measured raw fuel gas temperature T V1 , T V2 , T V3 To ΔT on the raw fuel gas FG side V Is calculated (S8).
(B) Measured combustion gas temperature T gin , T g1 , T g2 To the combustion gas HG side temperature gradient ΔT g Is calculated (S9).
(C) ΔT V -The injection pattern table is read (S10).
(D) ΔT V -The injection position of the injector 41A is switched based on the injection pattern (S11).
As a specific example, 41A 1 , 41A 2 , 41A Three T V3 > T Vhigh 41A 1 ΔT so that the injection position is switched from to 41C V -A table of injection patterns is provided. By this series of processing, the temperature T of the raw fuel gas FG V3 Can be lowered within the target temperature range.
Thereafter, the process returns to S1.
6). Raw fuel gas temperature T at the outlet of the third evaporation chamber 11C after the raw fuel FL is injected in S6 V3 Is the temperature threshold T on the high temperature side Vhigh In the following cases, the raw fuel gas temperature T at the outlet of the third evaporation chamber 11C is further increased. V3 Is the temperature threshold T on the low temperature side Vlow (S12).
Raw fuel gas temperature T V3 Is the temperature threshold T on the low temperature side Vlow In the following cases, the process returns to S1.
Raw fuel gas temperature T V3 Is the temperature threshold T on the low temperature side Vlow If it exceeds, it is processed as follows.
(E) Measured raw fuel gas temperature T V1 , T V2 , T V3 To ΔT on the raw fuel gas FG side V Is calculated (S13).
(F) Measured combustion gas temperature T gin , T g1 , T g2 To the combustion gas HG side temperature gradient ΔT g Is calculated (S14).
(G) ΔT V -The injection pattern table is read (S15).
(H) ΔT V -The injection position of the injector 41A is switched based on the injection pattern (S16).
As a specific example, 41A Three T V3 <T Vlow Then, the injector 41A Three To 41A 1 ΔT to switch the injection position to V -A table of injection patterns is provided. By this series of processing, the temperature T of the raw fuel gas FG V3 Can be raised within the target temperature range.
Thereafter, the process returns to S1.
Thus, based on the reference injection pattern, the outlet gas temperature T of the raw fuel gas FG in the third evaporation chamber 11C when the raw fuel FL is injected by the injector. V3 Measured raw fuel gas temperature T in order to make the target temperature range V1 , T V2 , T V3 And combustion gas temperature T gin , T g1 , T g2 Temperature gradient ΔT g And ΔT V And the value is calculated as ΔT V -A new injector can be selected for injection by comparing with the values in the injection pattern table. As a result, the required raw fuel gas can be supplied in an appropriate amount to the reformer 2 which is a subsequent reactor with good response. Further, since the temperature controllability of the raw fuel gas FG has been improved, the heating unit that has been provided on the outlet side of the conventional fuel evaporation apparatus is not necessary.
[0040]
Next, the control flow of the raw fuel injection control means 30 that performs control so as to ensure the amount of raw fuel evaporation during vehicle acceleration will be described with reference to FIG.
7). Throttle opening increment (Δθ th ) Is measured to check whether there is an increase in the opening (S21).
Throttle opening increment (Δθ th ), The steady operation routine is entered (S38) and the current operation state is maintained.
8). Throttle opening increment (Δθ th ), The throttle opening increment (Δθ compared to the acceleration threshold k) th ) Is intermediate acceleration or full-open acceleration (S22).
9. Throttle opening increment (Δθ th ) Exceeds the threshold value k, that is, when the vehicle is at intermediate acceleration or full acceleration, the injector 41A (41A) 1 , 41A 2 , 41A Three ) It is determined whether the drive status of 41B and 41C is stopped (S23).
(A) Injecting fuel injector 41A calculates the raw fuel injection amount as the actually required injection time Ti from various correction terms (correction terms based on battery voltage, etc.) in order to enter the driving state (S27). Next, the injector increase map 3 is read (S28). The injector 41A that is not driven is operated to inject the raw fuel FL. The raw fuel FL is intermittently injected while the injection time Ti is pulse-controlled (S29).
By injecting the injector that opposes the heat transfer surface that is not injected with the raw fuel FL in this way, the generation of the amount of the raw fuel gas corresponding to the acceleration increase can be compensated with good responsiveness.
(B) During operation, the injector 41A injects an increased amount of fuel, so that the incremental raw fuel injection amount is calculated as an actually required injection time (addition time) Ti from various correction terms (correction terms based on battery voltage or the like) (S24). ). Next, the injector increase map 2 is read (S25). The raw fuel FL is intermittently injected while the injection time Ti is pulse-controlled (S26).
(C) As a result of the injection of the raw fuel FL in S26 and S29, the combustion gas temperature T at the inlets of the second evaporation chamber 11B and the third evaporation chamber 11C g2 Is the temperature threshold T on the low temperature side glow If it exceeds, the process returns to S27.
(D) Combustion gas temperature T at the inlet of the second evaporation chamber 11B and the third evaporation chamber 11C g2 Is the temperature threshold T on the low temperature side glow In the following cases, the operation of the injector 41B and the injector 41C is stopped (S31), and the injector 41A (41A 1 , 41A 2 41A Three ) Is increased (S32).
Thereby, even if the temperature of the combustion gas HG decreases, it is possible to secure the amount of the raw fuel gas FG generated and maintain the temperature of the raw fuel gas FG. Thereafter, the process returns to S21.
10. Throttle opening increment (Δθ th ) Is less than or equal to the acceleration threshold k, that is, when the acceleration request of the vehicle is weak, the injector 41A (41A 1 , 41A 2 41A Three ) It is determined whether or not the operating conditions of 41B and 41C are in operation (S33).
The stopped injector 41A maintains the stopped state as it is (S37). Thereafter, the process returns to S21.
The injector 41A in operation calculates the incremental raw fuel injection amount as an actually required injection time Ti from various correction terms (correction terms based on battery voltage or the like). Next, the injector increase map 1 is read (S35). The raw fuel FL is intermittently injected while the injection time Ti is pulse-controlled based on the calculated value and the injector increase map 1 (S36). By processing in this way, it is possible to meet the demand for increasing the raw fuel gas FG with respect to slight acceleration of the vehicle. Return to S21.
In this way, it is determined whether or not the vehicle is accelerating from the increment of the throttle opening, and the temperature of the raw fuel gas FG is controlled by controlling the injection amount of the raw fuel FL and the injection position of the injector according to the operating condition of the injector. The necessary amount of the raw fuel gas FG during acceleration can be reliably ensured without adjustment.
[0041]
Next, the control result of the raw fuel gas temperature by the raw fuel injection means 30 is shown in FIG. Conventionally, when the operating output of the fuel cell 5 is high, if the temperature of the raw fuel gas FG is set to a suitable temperature range as indicated by the parallel broken lines, the operating output of the fuel cell 5 is low. In the case of time or medium load, there is a problem that the temperature is shifted to a high temperature side exceeding a suitable temperature range as shown in FIG. According to the raw fuel injection control means 30 of the present invention, as shown in the embodiments so far, the operating output of the fuel cell 5 is supplied to the raw fuel gas FG over a wide range from a low load to a high load. Can be controlled.
[0042]
【The invention's effect】
As is apparent from the above configuration and operation, according to the present invention,
(1) An appropriate amount of raw fuel gas can be supplied to the reactor stably in an appropriate temperature range against fluctuations in the evaporation heat source in various operation modes, environments, and the like.
(2) At the time of the acceleration signal, the supply of the evaporation heat source accompanying the increase in the amount of raw fuel gas required for the fuel evaporation device is delayed, so that the raw fuel is injected in the operation mode using the thermal mass effect of the evaporation device. By injecting an injector that is opposed to the heat transfer surface that is not in operation (air-spreading state), the generation of the raw fuel gas amount corresponding to the acceleration increase can be compensated with good responsiveness.
Therefore, the raw fuel gas can be supplied to the reactor with good responsiveness in response to a request for acceleration of the vehicle.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an overall system diagram of a fuel cell system according to the present invention.
FIG. 2 is a plan partial sectional view of a fuel evaporation apparatus according to the present invention.
3 is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG.
4 is a cross-sectional view taken along the line BB in FIG.
FIG. 5 is a cross-sectional view taken along the line CC of FIG.
FIG. 6 is a control block diagram of raw fuel injection control means of the fuel evaporation apparatus according to the present invention.
FIG. 7 is a view showing a temperature change of raw fuel gas in the evaporation chamber due to a difference in raw fuel injection position.
8A is a diagram showing a target temperature range of raw fuel gas with respect to an operation output of a fuel cell of a fuel evaporation apparatus according to the present invention. FIG.
(B) It is a figure which shows the basic injection pattern of the injector of the fuel evaporation apparatus which concerns on this invention.
FIG. 9 is a control flowchart for controlling the temperature of the raw fuel gas by switching the injection position of the injector of the fuel evaporation apparatus according to the present invention.
FIG. 10 is a control flowchart for securing the amount of raw fuel evaporation during acceleration of the vehicle of the fuel evaporation apparatus according to the present invention.
FIG. 11 is a diagram showing a control result of the raw fuel gas temperature by the raw fuel injection control means of the fuel evaporation apparatus according to the present invention.
FIG. 12 is a front sectional view of a conventional fuel evaporation apparatus.
[Explanation of symbols]
1 Fuel evaporation system
10 Evaporator body
11 Evaporation chamber
11b Bottom plate (heat receiving part)
12A, 12B, 12C Heat transfer tube
P1-P11 Combustion gas passage
20 catalytic combustor (heat source means)
30 Raw fuel injection control means
40 Raw fuel injection device
41A, 41B, 41C Injector
FG raw fuel gas
HG combustion gas (high temperature heat medium)

Claims (4)

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。
In a fuel evaporation apparatus provided with an evaporation chamber for evaporating raw fuel with a high-temperature heat medium to obtain raw fuel gas,
The evaporation chamber is composed of a plurality of evaporation chambers connected in series so as to allow ventilation.
Raw fuel injection means for injecting the raw fuel is provided in each of the plurality of evaporation chambers ,
A bottom portion of any one of the evaporation chambers is provided with a heat receiving portion that is provided adjacent to the bottom portion and receives heat from the heat source means that generates the high-temperature heat medium. A fuel evaporation device, wherein a bottom portion is provided with an inclined portion with the heat receiving portion side down .
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。2. The evaporation chamber according to claim 1, wherein any one of the evaporation chambers has a larger heat transfer area than the other evaporation chambers, and the bottom portion of the evaporation chamber includes the heat receiving portion. Fuel evaporation device. 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、In a fuel evaporation apparatus provided with an evaporation chamber for evaporating raw fuel with a high-temperature heat medium to obtain raw fuel gas,
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、A plurality of raw fuel injection means for injecting the raw fuel, provided in the evaporation chamber at different distances from the outlet side of the evaporation chamber;
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、The target temperature of the raw fuel gas is set, and based on the set target temperature and the required injection amount of the raw fuel, the temperature of the raw fuel gas becomes a set target temperature. Raw fuel injection control means for selecting the raw fuel injection means, and injecting the raw fuel with the selected raw fuel injection means,
を備えることを特徴とする燃料蒸発装置。A fuel evaporation apparatus comprising:
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、The evaporation chamber is connected to a plurality of evaporation chambers so that they can be ventilated in series.
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、The raw fuel injection means is provided in each of the plurality of evaporation chambers,
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。The fuel evaporation apparatus according to claim 3, wherein a plurality of raw fuel spraying means are arranged in the most upstream evaporation chamber among the plurality of evaporation chambers.
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