JP2004349018A - 排気系に燃料電池を有する内燃機関 - Google Patents
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Abstract
【課題】排気系に燃料電池を有する内燃機関において、内燃機関の運転条件によらず燃料電池に発電用燃料を供給することができる技術を提供する。
【解決手段】内燃機関１の排気通路２に接続された燃料電池３と、内燃機関１下流で且つ燃料電池３上流へ発電用液状燃料を供給する燃料添加インジェクタ６と、燃料添加インジェクタ６による燃料の供給量を制御する供給量制御装置９と、燃料電池下流で空気と排気との熱交換を行う熱交換器２０と、熱交換器２０において熱交換が行われた空気を内燃機関１より下流且つ燃料電池３より上流へ供給する空気供給通路２３及びポンプ２４と、を備えた。
【選択図】図１
【解決手段】内燃機関１の排気通路２に接続された燃料電池３と、内燃機関１下流で且つ燃料電池３上流へ発電用液状燃料を供給する燃料添加インジェクタ６と、燃料添加インジェクタ６による燃料の供給量を制御する供給量制御装置９と、燃料電池下流で空気と排気との熱交換を行う熱交換器２０と、熱交換器２０において熱交換が行われた空気を内燃機関１より下流且つ燃料電池３より上流へ供給する空気供給通路２３及びポンプ２４と、を備えた。
【選択図】図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、排気系に燃料電池を有する内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
排気系に燃料電池を備え、燃料過多の状態で内燃機関を運転させて排出された未燃成分を該燃料電池の燃料極側に発電用燃料として供給する技術（例えば、特許文献１参照）が知られている。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−１７５８２４号公報（第４−７頁、図１）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、内燃機関の運転条件によっては、燃料過多の状態で運転することが困難な場合があり、そのような場合には、燃料電池に燃料を供給することができなくなる。また、このような場合に、燃料電池での発電を優先させて燃料過多の状態で内燃機関を運転させると、内燃機関の運転状態が悪化し、トルク変動やエミッションの悪化を誘発させてしまう。
【０００５】
本発明は、上記したような問題に鑑みてなされたものであり、排気系に燃料電池を有する内燃機関において、内燃機関の運転条件によらず燃料電池に発電用燃料を供給することができる技術を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を達成するために本発明の排気系に燃料電池を有する内燃機関は、以下の手段を採用した。即ち、第１の発明は、
内燃機関の排気通路に燃料極側が接続された燃料電池と、
前記内燃機関よりも下流で且つ前記燃料電池よりも上流の排気通路内へ該燃料電池の発電用液状燃料を供給する燃料添加インジェクタと、
前記燃料添加インジェクタによる燃料の供給量を制御する供給量制御装置と、
前記燃料電池よりも下流の排気通路に備えられ排気通路を流通する排気と空気との間で熱交換を行う熱交換器と、
前記熱交換器の空気が流通する側と前記内燃機関よりも下流で且つ前記燃料電池よりも上流の排気通路とを接続する空気供給通路と、
前記空気供給通路に備えられ、前記熱交換器において熱交換が行われた空気を、前記熱交換器側から前記燃料電池よりも上流の排気通路側へ向けて送るポンプと、
を備えたことを特徴とする。
【０００７】
本発明の最大の特徴は、排気通路の途中に発電用燃料を供給する燃料添加インジェクタを備えたことにより、内燃機関の運転条件によらず燃料電池に発電用燃料を供給し、更に熱交換器により暖められた空気により燃料の蒸発を促進させる点にある。
【０００８】
このように構成された排気系に燃料電池を有する内燃機関では、燃料添加インジェクタを備えたことにより、内燃機関の運転状態によらず発電用燃料を燃料電池の燃料極側へ供給することが可能となる。また、供給量制御装置により発電用燃料の供給量が制御されるため、内燃機関の運転状態によらず、燃料電池に適正な量の発電用燃料を供給することが可能となる。一方、燃料電池での発電状態によらず内燃機関を運転させることが可能となる。また、排気の熱を熱交換器により回収することができ、この熱により温度上昇された空気を燃料電池の上流へ空気供給通路を介して送ることにより効率的な発電が可能となる。
【０００９】
上記課題を達成するために本発明の排気系に燃料電池を有する内燃機関は、以下の手段を採用した。即ち、第２の発明は、
内燃機関の排気通路に燃料極側が接続された燃料電池と、
前記内燃機関よりも下流で且つ前記燃料電池よりも上流の排気通路内へ該燃料電池の発電用液状燃料を供給する燃料添加インジェクタと、
前記燃料添加インジェクタによる燃料の供給量を制御する供給量制御装置と、
前記燃料電池の上流側と下流側との排気通路を連通させる排気循環通路と、
前記排気循環通路に備えられ、前記燃料電池よりも下流側の排気通路を流通する排気を、該排気循環通路を介して前記燃料電池よりも上流側へ向けて送るポンプと、
を備えたことを特徴とする。
【００１０】
本発明の最大の特徴は、排気通路の途中に発電用燃料を供給する燃料添加インジェクタを備えたことにより、内燃機関の運転条件によらず燃料電池に発電用燃料を供給し、更に燃料電池から排出された排気を発電用燃料として該燃料電池に循環させる点にある。
【００１１】
このように構成された排気系に燃料電池を有する内燃機関では、燃料添加インジェクタを備えたことにより、内燃機関の運転状態によらず発電用燃料を燃料電池の燃料極側へ供給することが可能となる。また、供給量制御装置により発電用燃料の供給量が制御されるため、内燃機関の運転状態によらず、燃料電池に適正な量の発電用燃料を供給することが可能となる。一方、燃料電池での発電状態によらず内燃機関を運転させることが可能となる。また、燃料電池からの排気を該燃料電池の上流へ排気循環通路を介して送ることにより、燃料電池からの排気の一部を発電用燃料として用いることができ、更には、排気の熱を利用した効率的な発電が可能となる。
【００１２】
本発明においては、前記燃料添加インジェクタよりも下流で且つ前記燃料電池よりも上流の排気通路に酸化能を有する触媒を備えることができる。
【００１３】
この触媒により、内燃機関からの未燃燃料及び燃料添加インジェクタからの発電用燃料を酸化させ、そのときの反応熱により下流の燃料電池の温度を上昇させることが可能となる。従って、機関始動時等であって、排気の温度及び燃料電池の温度が低い場合であっても、速やかに発電を開始することが可能となる。また、触媒において酸素が反応し、排気中の酸素濃度が減少するので燃料電池の発電量を向上させることが可能となる。更に、発電用燃料が改質され、燃料電池において燃料を容易に反応させることができるため、供給燃料に対する発電効率を向上させることが可能となる。
【００１４】
本発明においては、前記酸化能を有する触媒に、前記熱交換器により温度上昇された空気を供給するようにしても良い。酸化能を有する触媒は、該触媒を通過する排気中の酸素濃度が高いほど、酸化能力が高くなるため、該触媒の上流より酸素を供給することにより酸化能を高めることが可能となる。なお、燃料電池の空気極から放出される酸素を供給するようにしても良い。
【００１５】
【発明の実施の形態】
＜第１の実施の形態＞
以下、本発明に係る内燃機関の具体的な実施態様について図面に基づいて説明する。ここでは、本発明に係る内燃機関を車両駆動用のディーゼルエンジンに適用した場合を例に挙げて説明する。
【００１６】
図１は、本実施の形態によるエンジン１とその排気系の概略構成を示す図である。図１に示すエンジン１は、ディーゼルエンジンである。
【００１７】
エンジン１には、該エンジン１からの既燃ガスを大気中へ放出させるための排気通路２が接続されている。この排気通路２の途中には、燃料電池３が備えられている。この燃料電池３は、補機類４にバッテリ５を介して電気的に接続されており、該補機類４に電力を供給する。なお、本実施の形態では、構造及び制御が簡素で、また燃料電池用の触媒を必要とせず、燃料電池内部で燃料の改質が可能な固体酸化物型燃料電池（Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：以下、ＳＯＦＣとする。）を採用した。
【００１８】
ＳＯＦＣ３は、燃料極３ａ、電解質３ｂ、空気極３ｃの三種類の酸化物電解質を備えて構成されている。
【００１９】
ＳＯＦＣ３とエンジン１との間の排気通路２には、該排気通路２内へ発電用燃料（軽油）を供給する燃料添加インジェクタ６が備えられている。この発電用燃料は、エンジン１の燃料と同一のものが使用される。燃料添加インジェクタ６は、燃料を圧送する燃料ポンプ７と燃料供給通路８を介して接続されている。更に、燃料添加インジェクタ６には、後述するＥＣＵ９が電気的に接続され、該ＥＣＵ９からの信号により作動して燃料添加制御が行われる。このようにして、排気通路２に導入された燃料は、ＳＯＦＣ３の発電用燃料として用いることができる。
【００２０】
ここで、ＳＯＦＣ３に導入された発電用燃料は、燃料極３ａ上で水蒸気と反応して水素（Ｈ２）と一酸化炭素（ＣＯ）に改質される。このように、ＳＯＦＣ３では電池内で燃料の改質を行うことが可能である。一方、空気極３ｃには図示しないポンプを介して空気が供給される。空気極３ｃでは、空気中の酸素が電解質３ｂとの界面において解離して酸素イオン（Ｏ２−）となり、電解質３ｂ中を燃料極３ａ側へ移動する。電解質３ｂと燃料極３ａとの界面に到達した酸素イオン（Ｏ２−）は、水素（Ｈ２）及び一酸化炭素（ＣＯ）と反応して、水（Ｈ２Ｏ）及び二酸化炭素（ＣＯ２）を生成する。ＳＯＦＣ３による発電は、このときに放出された電子を取り出すことによりなされる。このようにして、燃料の持つ化学エネルギを直接電気エネルギへ変換するため、エネルギ変換による損失が少なく、高効率な発電が可能となる。このような発電は、例えば７００乃至１０００℃の温度下で行われる。
【００２１】
ＳＯＦＣ３の下流の排気通路２には、熱交換器２０が備えられている。また、熱交換器２０の上流側と下流側とには、熱交換器２０を迂回させて排気を流通させる迂回通路２１の一端と他端が夫々接続されている。熱交換器２０の下流側で迂回通路２１が排気通路２に接続される接続部には、迂回通路２１若しくは熱交換器２０の何れかを選択して排気を流通させる三方弁２２が備えられている。この熱交換器２０では、排気と空気との間で熱交換が行われる。
【００２２】
また、熱交換器２０には、空気供給通路２３の一端が接続されている。空気供給通路２３の他端は、エンジン１と燃料添加インジェクタ６との間の排気通路２に接続されている。また、熱交換器２０には、図示しない空気取入口が設けられており、該空気取入口を介して熱交換器２０に空気が導入される。空気供給通路２３の途中には、熱交換器２０側からＳＯＦＣ３上流の排気通路２側へ向けて空気を所定の圧力で吐出する空気ポンプ２４が備えられている。尚、本実施の形態においては、空気供給通路２３の他端は、燃料添加インジェクタ６よりも下流の排気通路２へ接続しても良い。つまり、空気の供給により、燃料が付着し得る箇所の温度を上昇させることができれば良い。
【００２３】
ここで、ＳＯＦＣ３の作動温度は高く、燃料極３ａ側からは高い温度のガスが排出される。従って、ＳＯＦＣ３が発電を行っている間は、例えエンジン１から排出される排気の温度が低い場合であっても、ＳＯＦＣ３において排気の温度が上昇されるので、ＳＯＦＣ３よりも下流の排気の温度は高くなる。本実施の形態では、この温度の高い排気と空気との間で熱交換を行い、それにより温度が上昇した空気を燃料添加インジェクタ６よりも上流の排気通路２へ供給する。
【００２４】
このような構成では、高温の排気が熱交換器２０に導入されると、該熱交換器２０にて空気の温度が上昇される。この温度が上昇した空気を空気ポンプ２４によりＳＯＦＣ３上流の排気通路２に導入させる。これにより、該排気通路２の壁温や排気の温度を上昇させることができる。そして、該排気通路２の壁温や排気の温度を上昇させることにより燃料添加インジェクタ６から添加された燃料の蒸発を促進させることができる。
【００２５】
ＳＯＦＣよりも下流の排気通路２の途中には、排気の空燃比に対応した信号を出力する空燃比センサ１０が取り付けられている。
【００２６】
このようなエンジン１には、該エンジン１を制御するための電子制御ユニット（ＥＣＵ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）９が併設されている。このＥＣＵ９は、エンジン１の運転条件や運転者の要求に応じてエンジン１の運転状態を制御するユニットである。
【００２７】
ＥＣＵ９には、各種センサが電気配線を介して接続され、上記した各種センサの出力信号がＥＣＵ９に入力されるようになっている。また、ＥＣＵ９には、ＳＯＦＣ３を制御するためのＦＣ用ＥＣＵ１１が接続されている。
【００２８】
前記ＳＯＦＣ３は、ＦＣ用ＥＣＵ１１からの信号により作動する。発電により得られた電力の一部は一旦バッテリ５に蓄えられる。このバッテリ５には、電動ウォータポンプ、エアコンディショナー用電動コンプレッサ、電動オイルポンプ、パワーステアリング用電動ポンプ等の補機類４が電気的に接続されており、これらの装置に電力が供給される。
【００２９】
ところで、従来の排気系に燃料電池を有する内燃機関では、エンジンからの排気中に含まれる未燃燃料を燃料電池の発電用燃料として用いていた。従って、燃料電池が多くの発電用燃料を必要としている場合には、リッチ空燃比でエンジンを運転して未燃燃料を多く排出させる必要があった。
【００３０】
しかし、ディーゼルエンジンでは、通常リーン空燃比で運転されているため、排気中の酸素濃度が高く、必要電力を得ることが困難であった。一方、燃料電池に発電用の燃料を供給しようとして、通常運転時の空燃比よりも燃料を多くしたリッチ寄りの空燃比でエンジンを運転させると、トルク変動やエミッションの悪化を誘発することがあった。更に、エンジンの運転状態によっては、リッチ寄りの空燃比で運転することが困難な場合もあり、そのような場合には、必要となる電力を確保することができなかった。
【００３１】
その点、本実施の形態では、エンジン１の運転状態を変更することなく、前記燃料添加インジェクタ６から添加された燃料を発電用燃料としてＳＯＦＣ３に導入することができる。また、エンジン１からの排気をＳＯＦＣ３に導入することができるので、排気の温度によるＳＯＦＣ３の温度上昇を行うことができ、さらに、エンジン１からの排気の一部を発電用燃料として用いることもできる。
【００３２】
ここで、ＳＯＦＣ３に導入される発電用の燃料量は、燃料添加インジェクタ６から噴射される燃料量により調整することができる。即ち、本実施の形態では、燃料添加インジェクタ６を間欠的に開弁させ、このときの該燃料添加インジェクタ６の開弁時間及び閉弁時間を調整することにより排気通路２に供給する燃料量を調整している。即ち、開弁時間が長く、また、閉弁時間が短いほどＳＯＦＣ３に供給される燃料量が多くなる。一方、開弁時間が短く、また、閉弁時間が長いほどＳＯＦＣ３に供給される燃料量が少なくなる。
【００３３】
そして、ＳＯＦＣ３での目標発電量と、燃料添加インジェクタ６の開弁時間若しくは閉弁時間と、の関係を予めマップ化しておき、そのマップへ目標発電量を代入して燃料添加インジェクタ６の開弁時間若しくは閉弁時間を得るようにしても良い。このようにして、要求発電量を満たす発電を行うことが可能となる。
【００３４】
ここで、低負荷領域では、エンジン１からの排気による排気通路２の壁面温度の上昇が小さく、燃料添加インジェクタ６から添加された燃料の一部が排気通路２の壁面に付着することがある。このように排気通路２の壁面に燃料が付着してしまうと、ＳＯＦＣ３に供給される燃料が減少してしまい、安定した発電用燃料の供給が困難となる。
【００３５】
また、排気通路２の壁面に付着した燃料は、その後にエンジン回転数が高くなったり、緩やかに加速したりするときには、白煙となって大気中へ放出されることがある。
【００３６】
その点、本実施の形態では、熱交換器２０により温度上昇された空気を燃料添加インジェクタ６より上流の排気通路２へ供給することにより、排気通路２の壁面温度を上昇させ、該壁面に付着した燃料の蒸発を促進させることができる。従って、低負荷時であってもＳＯＦＣ３へ安定して発電用燃料を供給することができる。
【００３７】
尚、本実施の形態においては、ＳＯＦＣ３よりも下流の排気通路２に取り付けられた空燃比センサ１０の出力信号に基づいて、発電用燃料の量、即ち、燃料添加インジェクタ６の開弁時間及び閉弁時間をフィードバック制御しても良い。即ち、空燃比センサ１０の出力信号が、目標となる空燃比よりも高い場合には、燃料添加インジェクタ６の開弁時間を長くし若しくは閉弁時間を短くする。一方、目標となる空燃比よりも低い場合には、燃料添加インジェクタ６の開弁時間を短くし、若しくは閉弁時間を長くする。
【００３８】
また、本実施の形態においては、燃料添加インジェクタ６とＳＯＦＣ３との間の排気通路２に酸化触媒１７を備えていても良い。
【００３９】
図２は、燃料添加インジェクタ６とＳＯＦＣ３との間の排気通路２に酸化触媒１７を備えた場合の、エンジン１とその排気系の概略構成を示す図である。
【００４０】
燃料添加インジェクタ６から酸化触媒１７に燃料を供給することにより、この燃料が酸化触媒１７で反応し、反応熱を発生させる。この熱により、排気の温度は上昇し、該排気が流入するＳＯＦＣ３の温度が上昇される。これにより、ＳＯＦＣ３の温度が低い場合であっても、速やかに温度を上昇させることができる。また、酸化触媒１７により燃料の一部が改質され、この改質された燃料をＳＯＦＣ３に供給することができる。この改質された燃料は、燃料極３ａにおいて反応し易いため、発電効率を向上させることができる。更には、酸化触媒１７において酸素が反応するため、排気中の酸素濃度を減少させ、ＳＯＦＣ３の発電効率を向上させることができる。
【００４１】
ここで、本発明においては、燃料添加インジェクタ６から液状の燃料が供給されるため、ガス状の発電用燃料を供給する場合と比較して、酸化触媒１７での反応性が劣る。従って、酸化触媒１７で反応せずに通過する燃料が多い。そのため、酸化触媒１７において反応しなかった燃料をＳＯＦＣ３に供給することができる。
【００４２】
尚、酸化触媒１７の温度を早期に温度上昇させるために、該酸化触媒１７は、小型のものを採用するのが好適である。
【００４３】
また、本実施の形態では、図２に示すように、ＳＯＦＣ３よりも下流の排気通路２に酸化触媒１８を備えていても良い。ここで、空燃比センサ１０が排気通路２に取り付けられている場合には、酸化触媒１８において排気の中の成分が変わりセンサ出力に影響するため、空燃比センサ１０の下流に酸化触媒１８を備える。また、熱交換器２０よりも上流側で且つ迂回通路２１が排気通路２に接続される接続部よりも上流側に酸化触媒１８を備える。これにより、酸化触媒１８で温度上昇した排気を熱交換器２０に導入することができ、空気の温度をより高くすることができる。
【００４４】
ここで、ＳＯＦＣ３は、供給された発電用燃料の全てが反応するとは限らず、該ＳＯＦＣ３で反応しないまま通過してしまう燃料もある。この燃料が大気中へ放出されてしまうと、エミッション性能が悪化することになる。その点、本実施の形態では、ＳＯＦＣ３の下流に酸化触媒１８を備えることにより、ＳＯＦＣ３で反応しないまま排出された発電用燃料を酸化させ浄化することができる。
【００４５】
また、酸化触媒１８は、ＳＯＦＣ３の下流に備えられているので、該ＳＯＦＣ３からの熱により高い温度に維持され、安定した排気浄化を行うことができる。
【００４６】
尚、酸化触媒１７、１８は、酸化能を有する触媒であれば良く、例えば、三元触媒や吸蔵還元型ＮＯｘ触媒であっても良い。
【００４７】
また、本実施の形態においては、熱交換器２０において温度上昇された空気を燃料添加インジェクタ６よりも上流へ供給しているが、これに代えて、ＳＯＦＣ３より下流の排気通路２を流通する排気を、燃料添加インジェクタ６よりも上流の排気通路２へ供給するようにしても良い。熱交換器２０を介して供給される空気よりも高い温度の排気を供給することができ、燃料の蒸発をより促進させることができる。
【００４８】
以上説明したように、本実施の形態によれば、エンジン１の運転状態によらずＳＯＦＣ３に燃料を供給することができる。また、熱交換器２０により温度上昇された空気を排気通路２へ供給することができ、排気通路２内の排気の温度や該排気通路２の壁面の温度を上昇させることができる。これにより、排気中の燃料や排気通路２の壁面に付着した燃料の蒸発を促進することができる。従って、ＳＯＦＣ３に安定して燃料を供給することができ、また、白煙の発生を抑制することができる。
【００４９】
＜第２の実施の形態＞
本実施の形態では、第１の実施の形態と比較して、ＳＯＦＣ３の燃料極３ａから排出される排気を該燃料極３ａより上流の排気中へ燃料として循環させている点で相違する。なお、本実施の形態においては、適用対象となるエンジンやその他ハードウェアの基本構成については、第１の実施の形態と共通なので説明を割愛する。
【００５０】
図３は、本実施の形態によるエンジン１とその排気系の概略構成を示す図である。
【００５１】
ＳＯＦＣ３より下流の排気通路２には、排気循環通路３０の一端が接続されている。排気循環通路３０の他端は、ＳＯＦＣ３より上流の排気通路２に接続されている。排気循環通路３０の途中には、ＳＯＦＣ３より下流からＳＯＦＣ３より上流へ向かって排気を吐出する循環ポンプ３１が備えられている。
【００５２】
尚、ＳＯＦＣ３の下流に酸化触媒１８が備えられている場合には、ＳＯＦＣ３と該酸化触媒１８との間に排気循環通路３０の一端を接続する。また、ＳＯＦＣ３の上流に酸化触媒１７が備えられている場合には、ＳＯＦＣ３と該酸化触媒１７との間に排気循環通路３０の他端を接続する。このようにして、循環させる排気中に含まれる燃料成分が触媒で反応して減少してしまうことを抑制できる。
【００５３】
ここで、前記したように、燃料極３ａからの排気中には、ＣＯ２及びＨ２Ｏが含まれている。このＣＯ２及びＨ２Ｏは燃料極３ａへ流入すると、高温のためにＣＯ及びＨ２に改質される。これらＣＯ及びＨ２は、発電用燃料として作用する。従って、ＳＯＦＣ３より下流の排気通路２を流通する排気の一部をＳＯＦＣ３より上流の排気通路２に戻すことにより、ＳＯＦＣ３へ発電用燃料を供給することが可能となる。
【００５４】
このようにして、発電用燃料を補うことが可能となり、燃料添加インジェクタ６から添加する燃料量を減少させることができ、以て燃費を向上させることができる。また、温度の高い排気をＳＯＦＣ３より上流の排気通路２へ供給することができ、排気通路２内の排気の温度や該排気通路２の壁面の温度を上昇させることができる。これにより、排気中の燃料や排気通路２の壁面に付着した燃料の蒸発を促進することができる。従って、ＳＯＦＣ３に安定して燃料を供給することができ、また、白煙の発生を抑制することができる。
【００５５】
＜第３の実施の形態＞
本実施の形態では、第１の実施の形態と比較して、ＳＯＦＣ３の燃料極３ａからの排気を燃料と共に燃料添加インジェクタ６から排気通路２内へ添加する点で相違する。また、燃料添加インジェクタ６よりも下流で且つＳＯＦＣ３よりも上流に水素生成触媒１７ａを備えている点で相違する。なお、本実施の形態においては、適用対象となるエンジンやその他ハードウェアの基本構成については、第１の実施の形態と共通なので説明を割愛する。
【００５６】
図４は、本実施の形態によるエンジン１とその排気系の概略構成を示す図である。
【００５７】
ＳＯＦＣ３より下流の排気通路２には、排気循環通路４０の一端が接続されている。排気循環通路４０の他端は、燃料供給通路８の途中に接続されている。そして、排気循環通路４０の途中には、ＳＯＦＣ３より下流から燃料供給通路８へ向かって排気を吐出する循環ポンプ４１が備えられている。
【００５８】
また、燃料添加インジェクタ６よりも下流で且つＳＯＦＣ３よりも上流の排気通路２に水素生成触媒１７ａを備えている。この水素生成触媒１７ａは、Ｈ２ＯからＨ２を生成する触媒である。
【００５９】
尚、ＳＯＦＣ３よりも下流に酸化触媒が備えられている場合には、ＳＯＦＣ３と該酸化触媒との間に排気循環通路３０の一端を接続する。
【００６０】
ここで、前記したように、燃料極３ａからの排気中には、Ｈ２Ｏが含まれている。このＨ２Ｏを水素生成触媒１７ａに供給すると、該水素生成触媒１７ａでＨ２が生成される。このＨ２は、下流のＳＯＦＣ３に流入し発電用燃料として作用する。従って、ＳＯＦＣ３より下流の排気通路２を流通する排気の一部を水素生成触媒１７ａより上流の排気通路２に戻すことにより、ＳＯＦＣ３へ発電用燃料を供給することが可能となる。
【００６１】
このようにして、発電用燃料を補うことが可能となり、燃料添加インジェクタ６から添加する燃料量を減少させることができ、以て燃費を向上させることができる。
【００６２】
また、燃料添加インジェクタ６から高温の排気と共に燃料が添加されるので、添加された燃料の蒸発が促進され、ＳＯＦＣ３での反応を良好なものとすることができる。
【００６３】
【発明の効果】
本発明に係る排気系に燃料電池を有する内燃機関では、内燃機関の運転状態によらず、燃料電池に発電用燃料を供給することができる。また、燃料電池に供給する発電用燃料の量を内燃機関の運転状態によらず増減させることができ、要求発電量に応じた量の燃料を供給することができる。更に、高温の空気を排気通路に循環させて該排気通路の壁面温度を上昇させ、発電用燃料の蒸発を促進させることができる。これにより、燃料電池に安定して燃料を供給することができると共に、効率的な発電が可能となる。また、燃料電池より下流の排気を燃料電池上流に供給することにより、燃料添加インジェクタから添加する燃料を減少させることができ、以て燃費の悪化を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態によるエンジンとその排気系の概略構成を示す図である。
【図２】燃料添加インジェクタとＳＯＦＣとの間の排気通路に酸化触媒を備えた場合の、エンジンとその排気系の概略構成を示す図である。
【図３】第２の実施の形態によるエンジンとその排気系の概略構成を示す図である。
【図４】第３の実施の形態によるエンジンとその排気系の概略構成を示す図である。
【符号の説明】
１ エンジン
２ 排気通路
３ 燃料電池（ＳＯＦＣ）
３ａ 燃料極
３ｂ 電解質
３ｃ 空気極
４ 補機類
５ バッテリ
６ 燃料添加インジェクタ
７ 燃料ポンプ
８ 燃料供給通路
９ ＥＣＵ
１０ 空燃比センサ
１１ ＦＣ用ＥＣＵ
１７ 酸化触媒
１７ａ 水素生成触媒
１８ 酸化触媒
２０ 熱交換器
２１ 迂回通路
２２ 三方弁
２３ 空気供給通路
２４ 空気ポンプ
３０ 排気循環通路
３１ 循環ポンプ
４０ 排気循環通路
４１ 循環ポンプ
【発明の属する技術分野】
本発明は、排気系に燃料電池を有する内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
排気系に燃料電池を備え、燃料過多の状態で内燃機関を運転させて排出された未燃成分を該燃料電池の燃料極側に発電用燃料として供給する技術（例えば、特許文献１参照）が知られている。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−１７５８２４号公報（第４−７頁、図１）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、内燃機関の運転条件によっては、燃料過多の状態で運転することが困難な場合があり、そのような場合には、燃料電池に燃料を供給することができなくなる。また、このような場合に、燃料電池での発電を優先させて燃料過多の状態で内燃機関を運転させると、内燃機関の運転状態が悪化し、トルク変動やエミッションの悪化を誘発させてしまう。
【０００５】
本発明は、上記したような問題に鑑みてなされたものであり、排気系に燃料電池を有する内燃機関において、内燃機関の運転条件によらず燃料電池に発電用燃料を供給することができる技術を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を達成するために本発明の排気系に燃料電池を有する内燃機関は、以下の手段を採用した。即ち、第１の発明は、
内燃機関の排気通路に燃料極側が接続された燃料電池と、
前記内燃機関よりも下流で且つ前記燃料電池よりも上流の排気通路内へ該燃料電池の発電用液状燃料を供給する燃料添加インジェクタと、
前記燃料添加インジェクタによる燃料の供給量を制御する供給量制御装置と、
前記燃料電池よりも下流の排気通路に備えられ排気通路を流通する排気と空気との間で熱交換を行う熱交換器と、
前記熱交換器の空気が流通する側と前記内燃機関よりも下流で且つ前記燃料電池よりも上流の排気通路とを接続する空気供給通路と、
前記空気供給通路に備えられ、前記熱交換器において熱交換が行われた空気を、前記熱交換器側から前記燃料電池よりも上流の排気通路側へ向けて送るポンプと、
を備えたことを特徴とする。
【０００７】
本発明の最大の特徴は、排気通路の途中に発電用燃料を供給する燃料添加インジェクタを備えたことにより、内燃機関の運転条件によらず燃料電池に発電用燃料を供給し、更に熱交換器により暖められた空気により燃料の蒸発を促進させる点にある。
【０００８】
このように構成された排気系に燃料電池を有する内燃機関では、燃料添加インジェクタを備えたことにより、内燃機関の運転状態によらず発電用燃料を燃料電池の燃料極側へ供給することが可能となる。また、供給量制御装置により発電用燃料の供給量が制御されるため、内燃機関の運転状態によらず、燃料電池に適正な量の発電用燃料を供給することが可能となる。一方、燃料電池での発電状態によらず内燃機関を運転させることが可能となる。また、排気の熱を熱交換器により回収することができ、この熱により温度上昇された空気を燃料電池の上流へ空気供給通路を介して送ることにより効率的な発電が可能となる。
【０００９】
上記課題を達成するために本発明の排気系に燃料電池を有する内燃機関は、以下の手段を採用した。即ち、第２の発明は、
内燃機関の排気通路に燃料極側が接続された燃料電池と、
前記内燃機関よりも下流で且つ前記燃料電池よりも上流の排気通路内へ該燃料電池の発電用液状燃料を供給する燃料添加インジェクタと、
前記燃料添加インジェクタによる燃料の供給量を制御する供給量制御装置と、
前記燃料電池の上流側と下流側との排気通路を連通させる排気循環通路と、
前記排気循環通路に備えられ、前記燃料電池よりも下流側の排気通路を流通する排気を、該排気循環通路を介して前記燃料電池よりも上流側へ向けて送るポンプと、
を備えたことを特徴とする。
【００１０】
本発明の最大の特徴は、排気通路の途中に発電用燃料を供給する燃料添加インジェクタを備えたことにより、内燃機関の運転条件によらず燃料電池に発電用燃料を供給し、更に燃料電池から排出された排気を発電用燃料として該燃料電池に循環させる点にある。
【００１１】
このように構成された排気系に燃料電池を有する内燃機関では、燃料添加インジェクタを備えたことにより、内燃機関の運転状態によらず発電用燃料を燃料電池の燃料極側へ供給することが可能となる。また、供給量制御装置により発電用燃料の供給量が制御されるため、内燃機関の運転状態によらず、燃料電池に適正な量の発電用燃料を供給することが可能となる。一方、燃料電池での発電状態によらず内燃機関を運転させることが可能となる。また、燃料電池からの排気を該燃料電池の上流へ排気循環通路を介して送ることにより、燃料電池からの排気の一部を発電用燃料として用いることができ、更には、排気の熱を利用した効率的な発電が可能となる。
【００１２】
本発明においては、前記燃料添加インジェクタよりも下流で且つ前記燃料電池よりも上流の排気通路に酸化能を有する触媒を備えることができる。
【００１３】
この触媒により、内燃機関からの未燃燃料及び燃料添加インジェクタからの発電用燃料を酸化させ、そのときの反応熱により下流の燃料電池の温度を上昇させることが可能となる。従って、機関始動時等であって、排気の温度及び燃料電池の温度が低い場合であっても、速やかに発電を開始することが可能となる。また、触媒において酸素が反応し、排気中の酸素濃度が減少するので燃料電池の発電量を向上させることが可能となる。更に、発電用燃料が改質され、燃料電池において燃料を容易に反応させることができるため、供給燃料に対する発電効率を向上させることが可能となる。
【００１４】
本発明においては、前記酸化能を有する触媒に、前記熱交換器により温度上昇された空気を供給するようにしても良い。酸化能を有する触媒は、該触媒を通過する排気中の酸素濃度が高いほど、酸化能力が高くなるため、該触媒の上流より酸素を供給することにより酸化能を高めることが可能となる。なお、燃料電池の空気極から放出される酸素を供給するようにしても良い。
【００１５】
【発明の実施の形態】
＜第１の実施の形態＞
以下、本発明に係る内燃機関の具体的な実施態様について図面に基づいて説明する。ここでは、本発明に係る内燃機関を車両駆動用のディーゼルエンジンに適用した場合を例に挙げて説明する。
【００１６】
図１は、本実施の形態によるエンジン１とその排気系の概略構成を示す図である。図１に示すエンジン１は、ディーゼルエンジンである。
【００１７】
エンジン１には、該エンジン１からの既燃ガスを大気中へ放出させるための排気通路２が接続されている。この排気通路２の途中には、燃料電池３が備えられている。この燃料電池３は、補機類４にバッテリ５を介して電気的に接続されており、該補機類４に電力を供給する。なお、本実施の形態では、構造及び制御が簡素で、また燃料電池用の触媒を必要とせず、燃料電池内部で燃料の改質が可能な固体酸化物型燃料電池（Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：以下、ＳＯＦＣとする。）を採用した。
【００１８】
ＳＯＦＣ３は、燃料極３ａ、電解質３ｂ、空気極３ｃの三種類の酸化物電解質を備えて構成されている。
【００１９】
ＳＯＦＣ３とエンジン１との間の排気通路２には、該排気通路２内へ発電用燃料（軽油）を供給する燃料添加インジェクタ６が備えられている。この発電用燃料は、エンジン１の燃料と同一のものが使用される。燃料添加インジェクタ６は、燃料を圧送する燃料ポンプ７と燃料供給通路８を介して接続されている。更に、燃料添加インジェクタ６には、後述するＥＣＵ９が電気的に接続され、該ＥＣＵ９からの信号により作動して燃料添加制御が行われる。このようにして、排気通路２に導入された燃料は、ＳＯＦＣ３の発電用燃料として用いることができる。
【００２０】
ここで、ＳＯＦＣ３に導入された発電用燃料は、燃料極３ａ上で水蒸気と反応して水素（Ｈ２）と一酸化炭素（ＣＯ）に改質される。このように、ＳＯＦＣ３では電池内で燃料の改質を行うことが可能である。一方、空気極３ｃには図示しないポンプを介して空気が供給される。空気極３ｃでは、空気中の酸素が電解質３ｂとの界面において解離して酸素イオン（Ｏ２−）となり、電解質３ｂ中を燃料極３ａ側へ移動する。電解質３ｂと燃料極３ａとの界面に到達した酸素イオン（Ｏ２−）は、水素（Ｈ２）及び一酸化炭素（ＣＯ）と反応して、水（Ｈ２Ｏ）及び二酸化炭素（ＣＯ２）を生成する。ＳＯＦＣ３による発電は、このときに放出された電子を取り出すことによりなされる。このようにして、燃料の持つ化学エネルギを直接電気エネルギへ変換するため、エネルギ変換による損失が少なく、高効率な発電が可能となる。このような発電は、例えば７００乃至１０００℃の温度下で行われる。
【００２１】
ＳＯＦＣ３の下流の排気通路２には、熱交換器２０が備えられている。また、熱交換器２０の上流側と下流側とには、熱交換器２０を迂回させて排気を流通させる迂回通路２１の一端と他端が夫々接続されている。熱交換器２０の下流側で迂回通路２１が排気通路２に接続される接続部には、迂回通路２１若しくは熱交換器２０の何れかを選択して排気を流通させる三方弁２２が備えられている。この熱交換器２０では、排気と空気との間で熱交換が行われる。
【００２２】
また、熱交換器２０には、空気供給通路２３の一端が接続されている。空気供給通路２３の他端は、エンジン１と燃料添加インジェクタ６との間の排気通路２に接続されている。また、熱交換器２０には、図示しない空気取入口が設けられており、該空気取入口を介して熱交換器２０に空気が導入される。空気供給通路２３の途中には、熱交換器２０側からＳＯＦＣ３上流の排気通路２側へ向けて空気を所定の圧力で吐出する空気ポンプ２４が備えられている。尚、本実施の形態においては、空気供給通路２３の他端は、燃料添加インジェクタ６よりも下流の排気通路２へ接続しても良い。つまり、空気の供給により、燃料が付着し得る箇所の温度を上昇させることができれば良い。
【００２３】
ここで、ＳＯＦＣ３の作動温度は高く、燃料極３ａ側からは高い温度のガスが排出される。従って、ＳＯＦＣ３が発電を行っている間は、例えエンジン１から排出される排気の温度が低い場合であっても、ＳＯＦＣ３において排気の温度が上昇されるので、ＳＯＦＣ３よりも下流の排気の温度は高くなる。本実施の形態では、この温度の高い排気と空気との間で熱交換を行い、それにより温度が上昇した空気を燃料添加インジェクタ６よりも上流の排気通路２へ供給する。
【００２４】
このような構成では、高温の排気が熱交換器２０に導入されると、該熱交換器２０にて空気の温度が上昇される。この温度が上昇した空気を空気ポンプ２４によりＳＯＦＣ３上流の排気通路２に導入させる。これにより、該排気通路２の壁温や排気の温度を上昇させることができる。そして、該排気通路２の壁温や排気の温度を上昇させることにより燃料添加インジェクタ６から添加された燃料の蒸発を促進させることができる。
【００２５】
ＳＯＦＣよりも下流の排気通路２の途中には、排気の空燃比に対応した信号を出力する空燃比センサ１０が取り付けられている。
【００２６】
このようなエンジン１には、該エンジン１を制御するための電子制御ユニット（ＥＣＵ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）９が併設されている。このＥＣＵ９は、エンジン１の運転条件や運転者の要求に応じてエンジン１の運転状態を制御するユニットである。
【００２７】
ＥＣＵ９には、各種センサが電気配線を介して接続され、上記した各種センサの出力信号がＥＣＵ９に入力されるようになっている。また、ＥＣＵ９には、ＳＯＦＣ３を制御するためのＦＣ用ＥＣＵ１１が接続されている。
【００２８】
前記ＳＯＦＣ３は、ＦＣ用ＥＣＵ１１からの信号により作動する。発電により得られた電力の一部は一旦バッテリ５に蓄えられる。このバッテリ５には、電動ウォータポンプ、エアコンディショナー用電動コンプレッサ、電動オイルポンプ、パワーステアリング用電動ポンプ等の補機類４が電気的に接続されており、これらの装置に電力が供給される。
【００２９】
ところで、従来の排気系に燃料電池を有する内燃機関では、エンジンからの排気中に含まれる未燃燃料を燃料電池の発電用燃料として用いていた。従って、燃料電池が多くの発電用燃料を必要としている場合には、リッチ空燃比でエンジンを運転して未燃燃料を多く排出させる必要があった。
【００３０】
しかし、ディーゼルエンジンでは、通常リーン空燃比で運転されているため、排気中の酸素濃度が高く、必要電力を得ることが困難であった。一方、燃料電池に発電用の燃料を供給しようとして、通常運転時の空燃比よりも燃料を多くしたリッチ寄りの空燃比でエンジンを運転させると、トルク変動やエミッションの悪化を誘発することがあった。更に、エンジンの運転状態によっては、リッチ寄りの空燃比で運転することが困難な場合もあり、そのような場合には、必要となる電力を確保することができなかった。
【００３１】
その点、本実施の形態では、エンジン１の運転状態を変更することなく、前記燃料添加インジェクタ６から添加された燃料を発電用燃料としてＳＯＦＣ３に導入することができる。また、エンジン１からの排気をＳＯＦＣ３に導入することができるので、排気の温度によるＳＯＦＣ３の温度上昇を行うことができ、さらに、エンジン１からの排気の一部を発電用燃料として用いることもできる。
【００３２】
ここで、ＳＯＦＣ３に導入される発電用の燃料量は、燃料添加インジェクタ６から噴射される燃料量により調整することができる。即ち、本実施の形態では、燃料添加インジェクタ６を間欠的に開弁させ、このときの該燃料添加インジェクタ６の開弁時間及び閉弁時間を調整することにより排気通路２に供給する燃料量を調整している。即ち、開弁時間が長く、また、閉弁時間が短いほどＳＯＦＣ３に供給される燃料量が多くなる。一方、開弁時間が短く、また、閉弁時間が長いほどＳＯＦＣ３に供給される燃料量が少なくなる。
【００３３】
そして、ＳＯＦＣ３での目標発電量と、燃料添加インジェクタ６の開弁時間若しくは閉弁時間と、の関係を予めマップ化しておき、そのマップへ目標発電量を代入して燃料添加インジェクタ６の開弁時間若しくは閉弁時間を得るようにしても良い。このようにして、要求発電量を満たす発電を行うことが可能となる。
【００３４】
ここで、低負荷領域では、エンジン１からの排気による排気通路２の壁面温度の上昇が小さく、燃料添加インジェクタ６から添加された燃料の一部が排気通路２の壁面に付着することがある。このように排気通路２の壁面に燃料が付着してしまうと、ＳＯＦＣ３に供給される燃料が減少してしまい、安定した発電用燃料の供給が困難となる。
【００３５】
また、排気通路２の壁面に付着した燃料は、その後にエンジン回転数が高くなったり、緩やかに加速したりするときには、白煙となって大気中へ放出されることがある。
【００３６】
その点、本実施の形態では、熱交換器２０により温度上昇された空気を燃料添加インジェクタ６より上流の排気通路２へ供給することにより、排気通路２の壁面温度を上昇させ、該壁面に付着した燃料の蒸発を促進させることができる。従って、低負荷時であってもＳＯＦＣ３へ安定して発電用燃料を供給することができる。
【００３７】
尚、本実施の形態においては、ＳＯＦＣ３よりも下流の排気通路２に取り付けられた空燃比センサ１０の出力信号に基づいて、発電用燃料の量、即ち、燃料添加インジェクタ６の開弁時間及び閉弁時間をフィードバック制御しても良い。即ち、空燃比センサ１０の出力信号が、目標となる空燃比よりも高い場合には、燃料添加インジェクタ６の開弁時間を長くし若しくは閉弁時間を短くする。一方、目標となる空燃比よりも低い場合には、燃料添加インジェクタ６の開弁時間を短くし、若しくは閉弁時間を長くする。
【００３８】
また、本実施の形態においては、燃料添加インジェクタ６とＳＯＦＣ３との間の排気通路２に酸化触媒１７を備えていても良い。
【００３９】
図２は、燃料添加インジェクタ６とＳＯＦＣ３との間の排気通路２に酸化触媒１７を備えた場合の、エンジン１とその排気系の概略構成を示す図である。
【００４０】
燃料添加インジェクタ６から酸化触媒１７に燃料を供給することにより、この燃料が酸化触媒１７で反応し、反応熱を発生させる。この熱により、排気の温度は上昇し、該排気が流入するＳＯＦＣ３の温度が上昇される。これにより、ＳＯＦＣ３の温度が低い場合であっても、速やかに温度を上昇させることができる。また、酸化触媒１７により燃料の一部が改質され、この改質された燃料をＳＯＦＣ３に供給することができる。この改質された燃料は、燃料極３ａにおいて反応し易いため、発電効率を向上させることができる。更には、酸化触媒１７において酸素が反応するため、排気中の酸素濃度を減少させ、ＳＯＦＣ３の発電効率を向上させることができる。
【００４１】
ここで、本発明においては、燃料添加インジェクタ６から液状の燃料が供給されるため、ガス状の発電用燃料を供給する場合と比較して、酸化触媒１７での反応性が劣る。従って、酸化触媒１７で反応せずに通過する燃料が多い。そのため、酸化触媒１７において反応しなかった燃料をＳＯＦＣ３に供給することができる。
【００４２】
尚、酸化触媒１７の温度を早期に温度上昇させるために、該酸化触媒１７は、小型のものを採用するのが好適である。
【００４３】
また、本実施の形態では、図２に示すように、ＳＯＦＣ３よりも下流の排気通路２に酸化触媒１８を備えていても良い。ここで、空燃比センサ１０が排気通路２に取り付けられている場合には、酸化触媒１８において排気の中の成分が変わりセンサ出力に影響するため、空燃比センサ１０の下流に酸化触媒１８を備える。また、熱交換器２０よりも上流側で且つ迂回通路２１が排気通路２に接続される接続部よりも上流側に酸化触媒１８を備える。これにより、酸化触媒１８で温度上昇した排気を熱交換器２０に導入することができ、空気の温度をより高くすることができる。
【００４４】
ここで、ＳＯＦＣ３は、供給された発電用燃料の全てが反応するとは限らず、該ＳＯＦＣ３で反応しないまま通過してしまう燃料もある。この燃料が大気中へ放出されてしまうと、エミッション性能が悪化することになる。その点、本実施の形態では、ＳＯＦＣ３の下流に酸化触媒１８を備えることにより、ＳＯＦＣ３で反応しないまま排出された発電用燃料を酸化させ浄化することができる。
【００４５】
また、酸化触媒１８は、ＳＯＦＣ３の下流に備えられているので、該ＳＯＦＣ３からの熱により高い温度に維持され、安定した排気浄化を行うことができる。
【００４６】
尚、酸化触媒１７、１８は、酸化能を有する触媒であれば良く、例えば、三元触媒や吸蔵還元型ＮＯｘ触媒であっても良い。
【００４７】
また、本実施の形態においては、熱交換器２０において温度上昇された空気を燃料添加インジェクタ６よりも上流へ供給しているが、これに代えて、ＳＯＦＣ３より下流の排気通路２を流通する排気を、燃料添加インジェクタ６よりも上流の排気通路２へ供給するようにしても良い。熱交換器２０を介して供給される空気よりも高い温度の排気を供給することができ、燃料の蒸発をより促進させることができる。
【００４８】
以上説明したように、本実施の形態によれば、エンジン１の運転状態によらずＳＯＦＣ３に燃料を供給することができる。また、熱交換器２０により温度上昇された空気を排気通路２へ供給することができ、排気通路２内の排気の温度や該排気通路２の壁面の温度を上昇させることができる。これにより、排気中の燃料や排気通路２の壁面に付着した燃料の蒸発を促進することができる。従って、ＳＯＦＣ３に安定して燃料を供給することができ、また、白煙の発生を抑制することができる。
【００４９】
＜第２の実施の形態＞
本実施の形態では、第１の実施の形態と比較して、ＳＯＦＣ３の燃料極３ａから排出される排気を該燃料極３ａより上流の排気中へ燃料として循環させている点で相違する。なお、本実施の形態においては、適用対象となるエンジンやその他ハードウェアの基本構成については、第１の実施の形態と共通なので説明を割愛する。
【００５０】
図３は、本実施の形態によるエンジン１とその排気系の概略構成を示す図である。
【００５１】
ＳＯＦＣ３より下流の排気通路２には、排気循環通路３０の一端が接続されている。排気循環通路３０の他端は、ＳＯＦＣ３より上流の排気通路２に接続されている。排気循環通路３０の途中には、ＳＯＦＣ３より下流からＳＯＦＣ３より上流へ向かって排気を吐出する循環ポンプ３１が備えられている。
【００５２】
尚、ＳＯＦＣ３の下流に酸化触媒１８が備えられている場合には、ＳＯＦＣ３と該酸化触媒１８との間に排気循環通路３０の一端を接続する。また、ＳＯＦＣ３の上流に酸化触媒１７が備えられている場合には、ＳＯＦＣ３と該酸化触媒１７との間に排気循環通路３０の他端を接続する。このようにして、循環させる排気中に含まれる燃料成分が触媒で反応して減少してしまうことを抑制できる。
【００５３】
ここで、前記したように、燃料極３ａからの排気中には、ＣＯ２及びＨ２Ｏが含まれている。このＣＯ２及びＨ２Ｏは燃料極３ａへ流入すると、高温のためにＣＯ及びＨ２に改質される。これらＣＯ及びＨ２は、発電用燃料として作用する。従って、ＳＯＦＣ３より下流の排気通路２を流通する排気の一部をＳＯＦＣ３より上流の排気通路２に戻すことにより、ＳＯＦＣ３へ発電用燃料を供給することが可能となる。
【００５４】
このようにして、発電用燃料を補うことが可能となり、燃料添加インジェクタ６から添加する燃料量を減少させることができ、以て燃費を向上させることができる。また、温度の高い排気をＳＯＦＣ３より上流の排気通路２へ供給することができ、排気通路２内の排気の温度や該排気通路２の壁面の温度を上昇させることができる。これにより、排気中の燃料や排気通路２の壁面に付着した燃料の蒸発を促進することができる。従って、ＳＯＦＣ３に安定して燃料を供給することができ、また、白煙の発生を抑制することができる。
【００５５】
＜第３の実施の形態＞
本実施の形態では、第１の実施の形態と比較して、ＳＯＦＣ３の燃料極３ａからの排気を燃料と共に燃料添加インジェクタ６から排気通路２内へ添加する点で相違する。また、燃料添加インジェクタ６よりも下流で且つＳＯＦＣ３よりも上流に水素生成触媒１７ａを備えている点で相違する。なお、本実施の形態においては、適用対象となるエンジンやその他ハードウェアの基本構成については、第１の実施の形態と共通なので説明を割愛する。
【００５６】
図４は、本実施の形態によるエンジン１とその排気系の概略構成を示す図である。
【００５７】
ＳＯＦＣ３より下流の排気通路２には、排気循環通路４０の一端が接続されている。排気循環通路４０の他端は、燃料供給通路８の途中に接続されている。そして、排気循環通路４０の途中には、ＳＯＦＣ３より下流から燃料供給通路８へ向かって排気を吐出する循環ポンプ４１が備えられている。
【００５８】
また、燃料添加インジェクタ６よりも下流で且つＳＯＦＣ３よりも上流の排気通路２に水素生成触媒１７ａを備えている。この水素生成触媒１７ａは、Ｈ２ＯからＨ２を生成する触媒である。
【００５９】
尚、ＳＯＦＣ３よりも下流に酸化触媒が備えられている場合には、ＳＯＦＣ３と該酸化触媒との間に排気循環通路３０の一端を接続する。
【００６０】
ここで、前記したように、燃料極３ａからの排気中には、Ｈ２Ｏが含まれている。このＨ２Ｏを水素生成触媒１７ａに供給すると、該水素生成触媒１７ａでＨ２が生成される。このＨ２は、下流のＳＯＦＣ３に流入し発電用燃料として作用する。従って、ＳＯＦＣ３より下流の排気通路２を流通する排気の一部を水素生成触媒１７ａより上流の排気通路２に戻すことにより、ＳＯＦＣ３へ発電用燃料を供給することが可能となる。
【００６１】
このようにして、発電用燃料を補うことが可能となり、燃料添加インジェクタ６から添加する燃料量を減少させることができ、以て燃費を向上させることができる。
【００６２】
また、燃料添加インジェクタ６から高温の排気と共に燃料が添加されるので、添加された燃料の蒸発が促進され、ＳＯＦＣ３での反応を良好なものとすることができる。
【００６３】
【発明の効果】
本発明に係る排気系に燃料電池を有する内燃機関では、内燃機関の運転状態によらず、燃料電池に発電用燃料を供給することができる。また、燃料電池に供給する発電用燃料の量を内燃機関の運転状態によらず増減させることができ、要求発電量に応じた量の燃料を供給することができる。更に、高温の空気を排気通路に循環させて該排気通路の壁面温度を上昇させ、発電用燃料の蒸発を促進させることができる。これにより、燃料電池に安定して燃料を供給することができると共に、効率的な発電が可能となる。また、燃料電池より下流の排気を燃料電池上流に供給することにより、燃料添加インジェクタから添加する燃料を減少させることができ、以て燃費の悪化を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態によるエンジンとその排気系の概略構成を示す図である。
【図２】燃料添加インジェクタとＳＯＦＣとの間の排気通路に酸化触媒を備えた場合の、エンジンとその排気系の概略構成を示す図である。
【図３】第２の実施の形態によるエンジンとその排気系の概略構成を示す図である。
【図４】第３の実施の形態によるエンジンとその排気系の概略構成を示す図である。
【符号の説明】
１ エンジン
２ 排気通路
３ 燃料電池（ＳＯＦＣ）
３ａ 燃料極
３ｂ 電解質
３ｃ 空気極
４ 補機類
５ バッテリ
６ 燃料添加インジェクタ
７ 燃料ポンプ
８ 燃料供給通路
９ ＥＣＵ
１０ 空燃比センサ
１１ ＦＣ用ＥＣＵ
１７ 酸化触媒
１７ａ 水素生成触媒
１８ 酸化触媒
２０ 熱交換器
２１ 迂回通路
２２ 三方弁
２３ 空気供給通路
２４ 空気ポンプ
３０ 排気循環通路
３１ 循環ポンプ
４０ 排気循環通路
４１ 循環ポンプ
Claims (3)
- 内燃機関の排気通路に燃料極側が接続された燃料電池と、
前記内燃機関よりも下流で且つ前記燃料電池よりも上流の排気通路内へ該燃料電池の発電用液状燃料を供給する燃料添加インジェクタと、
前記燃料添加インジェクタによる燃料の供給量を制御する供給量制御装置と、
前記燃料電池よりも下流の排気通路に備えられ排気通路を流通する排気と空気との間で熱交換を行う熱交換器と、
前記熱交換器の空気が流通する側と前記内燃機関よりも下流で且つ前記燃料電池よりも上流の排気通路とを接続する空気供給通路と、
前記空気供給通路に備えられ、前記熱交換器において熱交換が行われた空気を、前記熱交換器側から前記燃料電池よりも上流の排気通路側へ向けて送るポンプと、
を備えたことを特徴とする排気系に燃料電池を有する内燃機関。 - 内燃機関の排気通路に燃料極側が接続された燃料電池と、
前記内燃機関よりも下流で且つ前記燃料電池よりも上流の排気通路内へ該燃料電池の発電用液状燃料を供給する燃料添加インジェクタと、
前記燃料添加インジェクタによる燃料の供給量を制御する供給量制御装置と、
前記燃料電池の上流側と下流側との排気通路を連通させる排気循環通路と、
前記排気循環通路に備えられ、前記燃料電池よりも下流側の排気通路を流通する排気を、該排気循環通路を介して前記燃料電池よりも上流側へ向けて送るポンプと、
を備えたことを特徴とする排気系に燃料電池を有する内燃機関。 - 前記燃料添加インジェクタよりも下流で且つ前記燃料電池よりも上流の排気通路に酸化能を有する触媒を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の排気系に燃料電池を有する内燃機関。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2003142164A JP2004349018A (ja) | 2003-05-20 | 2003-05-20 | 排気系に燃料電池を有する内燃機関 |
| US10/784,958 US20040177607A1 (en) | 2003-03-11 | 2004-02-25 | Internal combustion engine with a fuel cell in an exhaust system |
| FR0402286A FR2852446A1 (fr) | 2003-03-11 | 2004-03-04 | Moteur a combustion interne avec une pile a combustible dans un systeme d'echappement |
| DE102004011684A DE102004011684A1 (de) | 2003-03-11 | 2004-03-10 | Brennkraftmaschine mit einer Brennstoffzelle in einem Abgassystem |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2003142164A JP2004349018A (ja) | 2003-05-20 | 2003-05-20 | 排気系に燃料電池を有する内燃機関 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2004349018A true JP2004349018A (ja) | 2004-12-09 |
Family
ID=33530330
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2003142164A Withdrawn JP2004349018A (ja) | 2003-03-11 | 2003-05-20 | 排気系に燃料電池を有する内燃機関 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2004349018A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101571293B1 (ko) | 2014-02-13 | 2015-11-24 | 삼성중공업 주식회사 | 자외선발생부를 포함하는 배기가스 유해물질 저감시스템 |
-
2003
- 2003-05-20 JP JP2003142164A patent/JP2004349018A/ja not_active Withdrawn
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101571293B1 (ko) | 2014-02-13 | 2015-11-24 | 삼성중공업 주식회사 | 자외선발생부를 포함하는 배기가스 유해물질 저감시스템 |
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