JP2006107944A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、炭化水素系燃料から燃料電池の燃料に用いる改質ガスを生成する改質部を備えた燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system including a reforming unit that generates a reformed gas used for fuel of a fuel cell from a hydrocarbon-based fuel.
燃料電池は、一般的には水素及び酸素を燃料として電気エネルギーを得る装置である。この燃料電池は、環境面において優れかつ高いエネルギー効率が実現できることから、今後のエネルギー供給システムとして広く開発が進められてきている。 A fuel cell is a device that generally obtains electric energy using hydrogen and oxygen as fuel. This fuel cell has been developed widely as a future energy supply system because it is environmentally friendly and can realize high energy efficiency.
現在、多くの燃料電池においては、改質部によりガソリン、天然ガス、メタノール等の炭化水素系燃料から水素を含む改質ガスが生成され、燃料電池のアノードに供給される。この改質部においては、水蒸気を用いた水蒸気改質反応等により改質が行われている。 Currently, in many fuel cells, a reformed gas containing hydrogen is generated from a hydrocarbon-based fuel such as gasoline, natural gas, or methanol by a reforming unit, and supplied to the anode of the fuel cell. In this reforming section, reforming is performed by a steam reforming reaction using steam or the like.
この水蒸気改質反応は吸熱反応であることから、改質部に熱を与える必要がある。そのため、燃焼装置等によって改質部に熱が与えられる燃料電池システムが開発されている。例えば、燃料電池を冷却することによって高温となった空気を用いて、効率の良い燃焼により改質部に熱を与える技術が開示されている(例えば、特許文献1参照。)。この技術によれば、燃焼用空気を加熱する必要がないため、燃料電池発電システムを小型化することができる。 Since this steam reforming reaction is an endothermic reaction, it is necessary to apply heat to the reforming section. Therefore, a fuel cell system in which heat is applied to the reforming unit by a combustion device or the like has been developed. For example, a technique is disclosed in which air that has been heated to a high temperature by cooling a fuel cell is used to heat the reforming section through efficient combustion (see, for example, Patent Document 1). According to this technique, since it is not necessary to heat the combustion air, the fuel cell power generation system can be reduced in size.
一方、上記改質部により生成された改質ガスを火花点火機関に提供する技術が開示されている(例えば、特許文献2参照。)。この技術によれば、ガソリン及び改質ガス中の水素のいずれか一方または両方を火花点火機関の燃料とすることができ、高い熱効率が得られる。
しかしながら、特許文献1記載の技術を特許文献2記載の技術に適用しようとすると、火花点火機関に水素を供給する場合においては燃料電池の発電量が減少し燃料電池の冷却に必要な空気が減少する。そのため、燃焼用空気が不足し改質部に与える熱量が不足する。その結果、水蒸気改質反応により生成される水素が不足することになる。
However, if the technique described in
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、改質部に必要な酸素が不足することがない燃料電池システムを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a fuel cell system in which oxygen necessary for the reforming section is not insufficient.
本発明に係る燃料電池システムは、酸素含有ガスが流動する冷却通路が設けられた燃料電池と、酸素含有ガスを利用して炭化水素系燃料から水素を含む改質ガスを生成する改質手段と、冷却通路を経由して改質手段に接続される第1の通路と、冷却通路を経由せずに改質手段に接続される第2の通路と、第1の通路及び第2の通路のいずれか一方または両方に酸素含有ガスを供給する酸素含有ガス供給手段と、第1の通路を流動する酸素含有ガスが改質ガスの生成に必要な量よりも少ない場合に、第2の通路に酸素含有ガスを供給するように酸素含有ガス供給手段を制御する制御手段とを備えるものである。 A fuel cell system according to the present invention includes a fuel cell provided with a cooling passage through which an oxygen-containing gas flows, and reforming means for generating a reformed gas containing hydrogen from a hydrocarbon fuel using the oxygen-containing gas. A first passage connected to the reforming means via the cooling passage, a second passage connected to the reforming means without going through the cooling passage, and the first passage and the second passage. An oxygen-containing gas supply means for supplying an oxygen-containing gas to one or both, and an oxygen-containing gas flowing in the first passage when the amount of oxygen-containing gas is less than that required for the generation of the reformed gas. Control means for controlling the oxygen-containing gas supply means so as to supply the oxygen-containing gas.
本発明に係る燃料電池システムにおいては、酸素含有ガス供給手段により第1の通路及び第2の通路のいずれか一方または両方に酸素含有ガスが供給され、第1の通路に供給された酸素含有ガスは燃料電池の冷却通路を流動して改質手段に供給され、第2の通路に供給された酸素含有ガスは燃料電池の冷却通路を流動せずに改質手段に供給され、改質手段により酸素含有ガスを利用して炭化水素系燃料から水素を含む改質ガスが生成され、第1の通路を流動する酸素含有ガスが改質ガスの生成に必要な量よりも少ない場合に第2の通路に酸素含有ガスを供給するように酸素含有ガス供給手段が制御手段により制御される。したがって、改質ガスの生成に必要な酸素含有ガスを改質手段に供給することができる。その結果、改質手段は必要な改質ガスを生成することができる。 In the fuel cell system according to the present invention, the oxygen-containing gas is supplied to one or both of the first passage and the second passage by the oxygen-containing gas supply means, and is supplied to the first passage. Is supplied to the reforming means through the cooling passage of the fuel cell, and the oxygen-containing gas supplied to the second passage is supplied to the reforming means without flowing through the cooling passage of the fuel cell. When the reformed gas containing hydrogen is generated from the hydrocarbon-based fuel using the oxygen-containing gas, and the amount of oxygen-containing gas flowing through the first passage is less than the amount necessary for generating the reformed gas, the second The oxygen-containing gas supply means is controlled by the control means so as to supply the oxygen-containing gas to the passage. Therefore, the oxygen-containing gas necessary for generating the reformed gas can be supplied to the reforming means. As a result, the reforming means can generate the necessary reformed gas.
酸素含有ガス供給手段は第2の通路を流動する酸素含有ガスの流量を調整する流量調整手段を含み、制御手段は第2の通路に供給する酸素含有ガス量が改質ガスの生成に必要な酸素含有ガス量と燃料電池の冷却に必要な酸素含有ガス量との差分となるように流量調整手段を制御してもよい。この場合、燃料電池を過冷却することなく改質ガスの生成に必要な酸素含有ガスを改質手段に供給することができる。 The oxygen-containing gas supply means includes a flow rate adjusting means for adjusting the flow rate of the oxygen-containing gas flowing through the second passage, and the control means requires the amount of oxygen-containing gas supplied to the second passage to generate the reformed gas. The flow rate adjusting means may be controlled so as to be the difference between the oxygen-containing gas amount and the oxygen-containing gas amount necessary for cooling the fuel cell. In this case, the oxygen-containing gas necessary for generating the reformed gas can be supplied to the reforming means without overcooling the fuel cell.
第2の通路は、第1の通路の冷却通路よりも上流側と第1の通路の冷却通路の下流側とを接続する通路であってもよい。この場合、第2の通路が省スペース化される。それにより、本発明に係る燃料電池システムを小型化することができる。 The second passage may be a passage connecting the upstream side of the cooling passage of the first passage and the downstream side of the cooling passage of the first passage. In this case, the second passage is saved in space. Thereby, the fuel cell system according to the present invention can be reduced in size.
酸素含有ガスは、空気であってもよい。この場合、酸素含有ガスを新たに生成する手段が必要ない。その結果、本発明に係る燃料電池システムを小型化することができる。また、コストのかからない空気を利用できることから、低コスト化が図れる。 The oxygen-containing gas may be air. In this case, a means for newly generating the oxygen-containing gas is not necessary. As a result, the fuel cell system according to the present invention can be reduced in size. Moreover, since the air which does not cost can be utilized, cost reduction can be achieved.
改質手段は燃焼手段を含み、燃焼手段は酸素含有ガスと可燃燃料との燃焼反応により改質ガスを生成するために必要な熱を生成してもよい。この場合、水蒸気改質反応等の吸熱反応に酸素含有ガスと可燃燃料との燃焼熱を利用することができる。 The reforming means may include combustion means, and the combustion means may generate heat necessary for generating the reformed gas by a combustion reaction between the oxygen-containing gas and the combustible fuel. In this case, the heat of combustion of the oxygen-containing gas and the combustible fuel can be used for an endothermic reaction such as a steam reforming reaction.
改質ガスの少なくとも一部および/または炭化水素系燃料により駆動する動力部と、内燃機関に改質ガスを供給する改質ガス供給手段とをさらに備え、制御手段は、動力部に供給される改質ガスの量が増加する際に改質手段に供給する酸素含有ガスの量を増大させるように酸素含有ガス供給手段を制御してもよい。 A power unit that is driven by at least a part of the reformed gas and / or a hydrocarbon-based fuel, and a reformed gas supply unit that supplies the reformed gas to the internal combustion engine are further provided, and the control unit is supplied to the power unit. The oxygen-containing gas supply means may be controlled so as to increase the amount of oxygen-containing gas supplied to the reforming means when the amount of the reformed gas increases.
この場合、動力部は改質ガス中の水素及び炭化水素系燃料の組み合わせにより熱効率の高い運転を行うことができる。また、燃料電池及び動力部を備えることにより、燃料電池から発生する電力及び動力部から発生する動力のいずれか一方又は両方を組み合わせることができる。それにより、本発明に係る燃料電池システムの運転状況に応じた適正な外部出力が可能となる。さらに、動力部に供給する改質ガスの量が増加しても、改質ガスの生成に必要な酸素含有ガスを改質手段に供給することができる。その結果、改質手段は必要な改質ガスを生成することができる。 In this case, the power unit can be operated with high thermal efficiency by the combination of hydrogen in the reformed gas and hydrocarbon fuel. Further, by providing the fuel cell and the power unit, it is possible to combine either one or both of the electric power generated from the fuel cell and the power generated from the power unit. Thereby, an appropriate external output according to the operation state of the fuel cell system according to the present invention is possible. Furthermore, even if the amount of the reformed gas supplied to the power unit increases, the oxygen-containing gas necessary for generating the reformed gas can be supplied to the reforming means. As a result, the reforming means can generate the necessary reformed gas.
本発明によれば、改質ガスの生成に必要な酸素含有ガスを改質手段に供給することができる。その結果、改質手段は必要な改質ガスを生成することができる。 According to the present invention, the oxygen-containing gas necessary for generating the reformed gas can be supplied to the reforming means. As a result, the reforming means can generate the necessary reformed gas.
以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。 Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described.
図1は、本発明に係る燃料電池システム100の全体構成を示す模式図である。図1に示すように、燃料電池システム100は、燃料タンク1、インジェクタ2,11、改質器3、熱交換器4,7、燃料電池5、エアポンプ6,8、流量制御弁9、内燃機関10、制御部12及び流量制御弁13を含む。改質器3は、改質部3a及び燃焼部3bを含む。燃料電池5は水素分離膜電池からなり、アノード5a及びカソード5bを含む。
FIG. 1 is a schematic diagram showing the overall configuration of a
燃料タンク1は、配管101を介してインジェクタ2に接続されている。インジェクタ2は、改質部3aに接続されている。改質部3aは、配管102を介してアノード5aに接続されている。配管102の一部は、熱交換器4を通る。アノード5aは、配管103を介して燃焼部3bに接続されている。
The
エアポンプ8は、配管104を介してカソード5bに接続されている。配管104の一部は、熱交換器7及び熱交換器4を通る。カソード5bは、配管105を介して改質部3aに接続されている。
The
エアポンプ6は、配管106を介して燃料電池5の冷却通路5cに接続されている。冷却通路5cは、配管110を介して燃焼部3bに接続されている。また、配管106の途中から配管111が分岐しており、流量制御弁13に接続されている。流量制御弁13は、配管112を介して配管110の途中に接続されている。
The air pump 6 is connected to the
配管107の一端は配管102の熱交換器4より上流側に接続され、配管107の他端は流量制御弁9に接続されている。また、配管107の一部は、熱交換器7を通る。流量制御弁9は、配管108を介して内燃機関10に接続されている。また、燃料タンク1は配管109を介してインジェクタ11に接続されている。インジェクタ11は、内燃機関10に接続されている。
One end of the
次に、燃料電池システム100の動作について説明する。燃料タンク1には、炭化水素系燃料としてガソリンが貯蔵されている。燃料タンク1は、制御部12の指示に従って配管101を介して必要量のガソリンをインジェクタ2に供給する。インジェクタ2は、制御部12の指示に従って必要量のガソリンを改質部3aに供給する。
Next, the operation of the
改質部3aにおいては、インジェクタ2から供給されたガソリンと後述するカソードオフガスとにより改質ガスが生成される。まず、インジェクタ2から供給されたガソリンとカソードオフガス中の水蒸気とにより水蒸気改質反応が起こり、水素及び一酸化炭素が生成される。次に、生成された一酸化炭素の一部とカソードオフガス中の水蒸気とが反応し、水素及び二酸化炭素が生成される。
In the reforming
改質部3aにおいて生成された改質ガスは、熱交換器4において配管104を流動するエアによって冷却され、アノード5aに供給される。アノード5aにおいては、改質ガス中の水素が水素イオンに変換される。アノード5aにおいて水素イオンに変換されなかった水素及び改質部3aにおいて反応しなかった一酸化炭素は、アノードオフガスとして配管103を介して燃焼部3bに供給され、配管106から供給されるエア中の酸素によって燃焼し、燃料電池システム100の外部へ排出される。この際の燃焼熱は、改質部3aにおける水蒸気改質反応に利用される。
The reformed gas generated in the reforming
このように、アノードオフガスを燃料とした燃焼熱を改質部3aにおける水蒸気改質反応に利用することから、燃焼用の燃料タンク等を新たに設ける必要がない。それにより、燃料電池システム100を小型化することができる。また、アノードオフガスに含まれる一酸化炭素等の不完全燃焼成分を燃焼部3bにおいて完全燃焼させることができる。それにより、環境汚染を防止することができる。
Thus, since the combustion heat using the anode off gas as fuel is used for the steam reforming reaction in the reforming
エアポンプ8は、制御部12の指示に従って燃料電池システム100の外部からエアを配管104に供給する。このエアは、熱交換器7において配管107を流動する改質ガスを冷却し、続いて熱交換器4において配管102を流動する改質ガスを冷却し、カソード5bに供給される。カソード5bにおいては、アノード5aにおいて発生した水素イオンとカソード5bに供給されたエア中の酸素とから水が発生するとともに電力が発生する。発生した水は、燃料電池5において発生する熱によって水蒸気となる。カソード5bにおいて発生した水蒸気及び水素イオンと反応しなかったエアは、カソードオフガスとして配管105を介して改質部3aに供給され、それぞれ水蒸気改質反応に用いられる。
The
このように、カソード5bにおいて水素イオンと反応しなかったエア及びカソード5bにおいて発生した水蒸気を水蒸気改質反応に用いることから、水タンク等の水蒸気供給手段を新たに設ける必要がない。それにより、燃料電池システム100を小型化することができる。
Thus, since the air that has not reacted with the hydrogen ions at the
エアポンプ6は、制御部12の指示に従って燃料電池システム100の外部からエアを配管106に供給する。配管106に供給されたエアは、冷却通路5c及び配管111に供給される。冷却通路5cに供給されたエアは、燃料電池5を冷却し、配管110に供給される。また、配管111に供給されたエアは、流量制御弁13に供給される。流量制御弁13は、制御部12の指示に従って配管112を介して必要量のエアを配管110に供給する。配管110に供給されたエアは燃焼部3bに供給され、アノードオフガス中の水素及び一酸化炭素の燃焼に用いられる。
The air pump 6 supplies air from the outside of the
このような構成により、燃料電池5の発電量に応じて、エアポンプ6によって冷却通路5cに供給するエア量を調整することができる。それにより、燃料電池5の温度を適正範囲内に維持することが可能である。
With this configuration, the amount of air supplied to the
また、燃料電池5の発電量が減少しても、後述する内燃機関10への水素供給量が増加する場合には、流量制御弁13により、燃料電池5を過冷却させることなく燃焼部3bにおける燃焼に必要なエアを供給することが可能である。それにより、改質部3aに与える熱量不足を防止することができる。その結果、ガソリンから必要な水素を生成して内燃機関10に必要な水素を供給することができる。
In addition, even if the power generation amount of the fuel cell 5 decreases, if the hydrogen supply amount to the
さらに、酸素の供給源としてエアを利用することから、酸素を含有するガスを新たに生成する手段が必要ない。その結果、本発明に係る燃料電池システム100を小型化することができる。また、コストのかからない空気を利用できることから、低コスト化が図れる。
Furthermore, since air is used as a supply source of oxygen, a means for newly generating a gas containing oxygen is not necessary. As a result, the
また、配管111、112を経由して燃焼部3bに供給されるエアは配管106から供給されることから、新たにエアを供給する手段を設ける必要がない。それにより、本発明に係る燃料電池システム100を小型化することができる。
Moreover, since the air supplied to the
配管102に供給された改質ガスの一部は、配管107に供給され、熱交換器7において配管104を流動するエアにより冷却され、流量制御弁9に供給される。流量制御弁9は、制御部12の指示に従って配管108を介して必要量の改質ガスを内燃機関10に供給する。また、燃料タンク1は、制御部12の指示に従って配管109を介して必要量のガソリンをインジェクタ11に供給する。インジェクタ11は、制御部12の指示に従って必要量のガソリンを内燃機関10に供給する。
A part of the reformed gas supplied to the
このように、熱交換器7において冷却される改質ガスが内燃機関10に供給されることから、内燃機関10の熱損傷または熱劣化を防止することができる。例えば、改質ガスを100℃〜200℃程度まで冷却することにより、内燃機関10に内蔵される吸気系のガスケット、電気部品、電気配線等の熱損傷または熱劣化を防止することができる。
Thus, since the reformed gas cooled in the heat exchanger 7 is supplied to the
内燃機関10は、制御部12の指示に従って改質ガスの少なくとも一部および/またはガソリンと空気とから所定の空燃比で混合気を作り出し、その混合気を燃焼させることによって動作する。この場合、内燃機関10は、水素及びガソリンの組み合わせにより熱効率の高い運転を行うことができる。
The
また、制御部12は、内燃機関10に水素を供給しない場合には、あらかじめ作成されたベースマップに従って内燃機関10の空燃比を制御する。内燃機関10に水素を供給する場合には、制御部12は、内燃機関10に供給される水素量に対応させた希薄燃焼を行うように内燃機関10の空燃比を制御する。この場合、内燃機関10に供給する水素の割合に応じて希薄限界を拡大させることができる。例えば、内燃機関10に供給されるガソリンの燃焼熱が内燃機関10に供給される水素の燃焼熱の5倍になるように、内燃機関10にガソリン及び水素を供給することにより、空気過剰率(理論空燃比に対する比率)を約2まで増加させることができる。それにより、ガソリン消費量が低減され、窒素酸化物の排出量が低減される。
Further, when hydrogen is not supplied to the
本発明に係る燃料電池システム100のように、燃料電池5及び内燃機関10を備えることにより燃料電池5から発生する電力及び内燃機関10から発生する動力のいずれか一方又は両方を組み合わせることができる。その結果、燃料電池システム100の運転状況に応じた適正な外部出力が可能となる。
By providing the fuel cell 5 and the
図2は、制御部12がエアポンプ6,8、流量制御弁9、内燃機関10及びインジェクタ11を制御する際に用いるマップである。図2(a)は、燃料電池5の発電量と燃焼部3bに必要な酸素量との関係を示すマップである。図2(a)の横軸は燃料電池5の発電量を示し、図2(a)の縦軸は燃焼部3bに必要な酸素量を示す。図2(a)に示すように、燃料電池5の発電量に比例して燃焼部3bに必要な酸素量が増加する。
FIG. 2 is a map used when the
図2(b)は、内燃機関10のトルクと燃焼部3bに必要な酸素量との関係を示すマップである。図2(b)の横軸は内燃機関10のトルクを示し、図2(b)の縦軸は燃焼部3bに必要な酸素量を示す。図2(b)に示すように、ある一定のトルクまでは燃焼部3bに酸素は必要ないが、ある一定のトルクになると所定量の酸素が燃焼部3bに必要になり、それ以上のトルクに比例して燃焼部3bに必要な酸素量が増加する。制御部12は、図2(a)及び図2(b)のマップに基づいてエアポンプ6が配管106に供給するエア量を計算する。
FIG. 2B is a map showing the relationship between the torque of the
図2(c)は、燃料電池5の温度と燃料電池5の冷却に必要なエア量との関係を示すマップである。図2(c)の横軸は燃料電池5の温度を示し、図2(c)の縦軸は燃料電池5の冷却に必要なエア量を示す。図2(c)に示すように、燃料電池5の温度の2乗に比例して燃料電池5の冷却に必要なエア量が増加する。制御部12は、図2(c)のマップに基づいてエアポンプ6及び流量制御弁13により冷却通路5cに供給するエア量を計算する。
FIG. 2C is a map showing the relationship between the temperature of the fuel cell 5 and the amount of air necessary for cooling the fuel cell 5. The horizontal axis of FIG. 2 (c) indicates the temperature of the fuel cell 5, and the vertical axis of FIG. 2 (c) indicates the amount of air necessary for cooling the fuel cell 5. As shown in FIG. 2C, the amount of air required for cooling the fuel cell 5 increases in proportion to the square of the temperature of the fuel cell 5. The
図2(d)は、エアポンプ6によるエア供給量とエアポンプ6のポンプ回転数との関係を示すマップである。図2(d)の縦軸はエアポンプ6のポンプ回転数を示し、図2(d)の横軸はエアポンプ6によるエア供給量を示す。図2(d)に示すように、エアポンプ6のエア供給量の2乗に比例してエアポンプ6のポンプ回転数が増加する。制御部12は、図2(d)のマップに基づいてエアポンプ6を制御する。
FIG. 2D is a map showing the relationship between the amount of air supplied by the air pump 6 and the pump rotation speed of the air pump 6. The vertical axis in FIG. 2D indicates the pump rotation speed of the air pump 6, and the horizontal axis in FIG. 2D indicates the air supply amount by the air pump 6. As shown in FIG. 2D, the pump rotational speed of the air pump 6 increases in proportion to the square of the air supply amount of the air pump 6. The
図2(e)は、内燃機関10の回転数、内燃機関10のトルク及び空気過剰率λとの関係の一例を示すマップである。図2(e)の縦軸は内燃機関10のトルクを示し、図2(e)の横軸は内燃機関10の回転数を示す。図中の破線は、空気過剰率λが1である場合のマップであり、図中の実線は空気過剰率λが2である場合のマップである。図2(e)に示すように、内燃機関10の回転数の増加に伴い内燃機関10のトルクは増加するが、所定の回転数を境界にして内燃機関10の回転数の増加に伴い内燃機関10のトルクは減少する。制御部12は、図2(e)のマップに基づいて流量制御弁9、内燃機関10及びインジェクタ11を制御する。
FIG. 2E is a map showing an example of the relationship between the rotational speed of the
図3は、本発明に係る燃料電池システム100をハイブリッド自動車に適用した場合の一例を示す模式図である。図3に示すように、ハイブリッド自動車200は、燃料電池システム100、蓄電池21、動力発生装置22、動力伝達装置23、複数の車輪24及び回生装置25を含む。
FIG. 3 is a schematic diagram showing an example when the
燃料電池システム100の燃料電池において発生した電力は、動力発生装置22に与えられ、または蓄電池21に蓄えられた後に動力発生装置22に与えられる。動力発生装置22は、コンバータ、インバータ、電動機等を備え、燃料電池システム100または蓄電池21から与えられた電力を軸出力に変換して動力伝達装置に伝達する。動力伝達装置23は、与えられた軸出力を車輪24に伝達する。それにより、ハイブリッド自動車200が動作を開始する。
The electric power generated in the fuel cell of the
続いて、ハイブリッド自動車200は、負荷が増加するにしたがって動力を内燃機関に切り替える。まず、動力伝達装置23は、動力発生装置22からの軸出力の供給を停止する。次に、燃料電池システム100の内燃機関により発生した動力が軸出力として動力伝達装置23に与えられる。動力伝達装置23は、与えられた軸出力を車輪24に伝達する。さらに負荷が増大すれば、動力伝達装置23は、燃料電池システム100の内燃機関及び動力発生装置22の両方から与えられる軸出力を車輪24に伝達する。
Subsequently, the
回生装置25はジェネレータ等を備える。使用者がハイブリッド自動車200を減速させる場合、回生装置25のジェネレータは、車輪24の動力を電力に変換し、変換した電力をバッテリー21に供給する。
The
このように、本発明に係る燃料電池システム100をハイブリッド自動車に適用することにより、運転状況に応じて電動機及び内燃機関のいずれか一方または両方の動力を選択することが可能である。それにより、熱効率を向上させることができる。
Thus, by applying the
次に、図1の改質部3aにおける炭素析出について説明する。図4は、炭素析出について説明するための図である。図4の縦軸は改質部3aにおけるS/C比を示し、図4の横軸は改質部3aにおける空気過剰率λを示す。ここで、S/C比は、改質部3aに供給される水蒸気と改質部3aに供給されるガソリン中の炭素とのモル比を示す。
Next, carbon deposition in the reforming
図4に示すように、S/C比が1.5以上であれば改質部3aに供給されるガソリンに対して水蒸気が過剰に供給されることになり、炭素が析出することはない。しかしながら、内燃機関10へ供給する改質ガスの量が増大するにつれてカソード5bにおいて発生する水蒸気量が減少する。それにより、改質部3aに供給される水蒸気量が減少し、S/C比が減少する。S/C比が1.5以下になれば、水蒸気改質反応に必要な水蒸気が不足し、改質部3aにおいて炭素が析出し得る。
As shown in FIG. 4, when the S / C ratio is 1.5 or more, water vapor is excessively supplied to gasoline supplied to the reforming
この場合、エアポンプ8によるエア供給量を増大させることによって改質部3aにおける空気過剰率λを増大させることができる。それにより、改質部3aにおける炭素析出を確実に防止することができる。例えば、S/C比が0になっても、空気過剰率λを0.4以上にすることにより改質部3aにおける炭素析出を確実に防止することができる。
In this case, the excess air ratio λ in the reforming
次に、内燃機関10を動作させる場合において、燃焼部3bにおける燃焼に必要なエアを供給するために制御部12が行う制御について説明する。図5は、制御部12が行う制御についてのフローチャートを示す図である。
Next, when the
図5に示すように、制御部12は、燃料電池5の発電量及び内燃機関10への水素供給量から、燃焼部3bに供給する必要のあるエア量Aを計算する(ステップS1)。この場合、図2(a)及び図2(b)で説明したグラフに基づいて燃焼部3bに供給する必要のあるエア量Aが計算される。
As shown in FIG. 5, the
次に、制御部12は、燃料電池5の温度から冷却通路5cに供給する必要のあるエア量Bを計算する(ステップS2)。この場合、図2(c)で説明したマップに基づいて冷却通路5cに供給する必要のあるエア量Bが計算される。
Next, the
次いで、制御部12は、燃焼部3bに必要なエア量A及び冷却通路5cに必要なエア量Bのいずれが大きいかを判定する(ステップS3)。ステップS3において、燃焼部3bに必要なエア量Aの方が大きいと判定された場合には、制御部12は、燃焼部3bに必要なエアを配管106に供給するようにエアポンプ6を制御する(ステップS4)。この場合、図2(d)で説明したマップに基づいて配管106に供給する必要のあるエアが計算される。
Next, the
次に、制御部12は、配管111に供給するエア量が燃焼部3bに必要なエア量Aと冷却通路5cに必要なエア量Bとの差になるように流量制御弁13を制御する(ステップS5)。以下、制御部12は、ステップS1の動作から繰り返す。
Next, the
ステップS3において、燃焼部3bに必要なエア量Aの方が大きいと判定されなかった場合、制御部12は、冷却通路5cに必要なエアを配管106に供給するようにエアポンプ6を制御する(ステップS6)。この場合、図2(d)で説明したマップに基づいて配管106に供給する必要のあるエアが計算される。
In step S3, when it is not determined that the air amount A required for the
次に、制御部12は、配管111へのエア供給を停止するように流量制御弁13を制御する(ステップS7)。以下、制御部12は、ステップS1の動作から繰り返す。
Next, the
以上のように、冷却通路5cに必要なエアが減少しても必要なエアが燃焼部3bに供給されることから、改質部3aに与える熱量不足を防止することができる。
As described above, even if the necessary air for the
図6は、制御部12が行う制御についてのフローチャートの他の例を示す図である。図6に示すように、制御部12は、内燃機関10に水素を供給する必要があるか否かを判定する(ステップS11)。具体的には、内燃機関10が高負荷回転または高速回転を行うか否かによって判定する。ステップS11において、内燃機関10に水素を供給する必要があると判定された場合には、制御部12は、内燃機関10に供給する水素量を計算する(ステップS12)。この場合、内燃機関10に供給されるガソリンの燃焼熱が内燃機関10に供給される水素の燃焼熱の5倍になるように、内燃機関10に供給される水素量が計算される。
FIG. 6 is a diagram illustrating another example of a flowchart regarding the control performed by the
次に、制御部12は、上記水素量及び燃料電池5の運転に必要な水素量に基づいて改質部3aに供給するガソリンの量を計算する(ステップS13)。次いで、制御部12は、アノード5aにおいて消費される水素量に基づいて、カソード5bから改質部3aに供給される水蒸気量を計算する(ステップS14)。
Next, the
次に、制御部12は、カソード5bにおいて消費される酸素量及び改質部3aにおいて炭素が析出しないために必要な酸素量に基づいて、エアポンプ8が供給すべきエアの量を計算する(ステップS15)。この場合、図4で説明したグラフに基づいて改質部3aにおいて炭素が析出しないために必要なエアの量が計算される。
Next, the
次いで、制御部12は、燃料電池5の発電量及び内燃機関10への水素供給量から、燃焼部3bに供給する必要のあるエア量Aを計算する(ステップS16)。この場合、図2(a)及び図2(b)で説明したマップに基づいて燃焼部3bに供給する必要のあるエア量Aが計算される。
Next, the
次に、制御部12は、燃料電池5の温度から冷却通路5cに供給する必要のあるエア量Bを計算する(ステップS17)。この場合、図2(c)で説明したマップに基づいて冷却通路5cに供給する必要のあるエア量Bが計算される。
Next, the
次いで、制御部12は、燃焼部3bに必要なエア量A及び冷却通路5cに必要なエア量Bのいずれが大きいかを判定する(ステップS18)。ステップS18において、燃焼部3bに必要なエア量Aの方が大きいと判定された場合には、制御部12は、燃焼部3bに必要なエアを配管106に供給するようにエアポンプ6を制御する(ステップS19)。この場合、図2(d)で説明したマップに基づいて配管106に供給する必要のあるエアが計算される。
Next, the
次に、制御部12は、配管111に供給するエア量が燃焼部3bに必要なエア量Aと冷却通路5cに必要なエア量Bとの差になるように流量制御弁13を制御する(ステップS20)。
Next, the
次いで、制御部12は、ステップS13における計算結果に基づいてインジェクタ2を制御し、ステップS15における計算結果に基づいてエアポンプ8を制御する(ステップS21)。この場合、制御部12は、図2(a)のマップに従ってエアポンプ8を制御する。
Next, the
次に、制御部12は、内燃機関10へ添加する水素とガソリンとの比が、目標値になるように流量制御弁9及びインジェクタ11を制御する(ステップS22)。この場合、内燃機関10に供給されるガソリンの燃焼熱が内燃機関10に供給される水素の燃焼熱の5倍になるように流量制御弁9及びインジェクタ11を制御する。次いで、制御部12は、空気過剰率λが2程度になるように、内燃機関10の空燃比を制御する(ステップS23)。以下、制御部12は、ステップS11の動作から繰り返す。
Next, the
ステップS18において、燃焼部3bに必要なエア量Aの方が大きいと判定されなかった場合、制御部12は、冷却通路5cに必要なエアを配管106に供給するようにエアポンプ6を制御する(ステップS24)。この場合、図2(d)で説明したマップに基づいて配管106に供給する必要のあるエアが計算される。
In step S18, when it is not determined that the air amount A required for the
次に、制御部12は、配管111へのエア供給を停止するように流量制御弁13を制御する(ステップS25)。以下、制御部12は、ステップS21の動作を行う。
Next, the
ステップS11において、内燃機関10に水素を供給する必要がないと判定された場合には、制御部12は、燃料電池5の発電に必要な量の水素及び酸素をそれぞれアノード5a及びカソード5bに供給するように、インジェクタ2及びエアポンプ8を制御する(ステップS26)。この場合、制御部12は、図2(a)のマップに従ってエアポンプ8を制御する。
If it is determined in step S11 that hydrogen does not need to be supplied to the
次に、制御部12は、内燃機関10への水素添加を停止するように流量制御弁9を制御する(ステップS27)。次いで、制御部12は、ベースマップに従って内燃機関10の空燃比を制御する(ステップS28)。次に、制御部12は、配管111へのエア供給を停止するように流量制御弁13を制御する(ステップS29)。以下、制御部12は、ステップS11の動作から繰り返す。
Next, the
以上のように、内燃機関10へ供給する水素量に応じて内燃機関10内の空燃比を制御することから、熱効率の高い燃焼を実現することができる。また、水蒸気改質反応に必要な水蒸気が不足しても酸素供給量の割合が増加することから、改質部3aにおける炭素の析出を防止することができる。さらに、冷却通路5cに必要なエアが減少しても燃焼部3bに必要なエアが供給されることから、改質部3aに与える熱量不足を防止することができる。その結果、内燃機関10に必要な水素を供給することができる。
As described above, since the air-fuel ratio in the
本実施例においては、配管106,110及び冷却通路5cが第1の通路に相当し、配管111,112が第2の通路に相当し、エアポンプ6及び流量制御弁13が酸素含有ガス供給手段に相当し、流量制御弁13が流量調整手段に相当し、燃焼部3bが燃焼手段に相当し、改質器3が改質手段に相当し、内燃機関10が動力部に相当し、流量制御弁9が改質ガス供給手段に相当し、制御部12が制御手段に相当する。
In the present embodiment, the
なお、本実施例においては、配管111は配管106の途中から分岐しているが、配管106を介さずに燃料電池システム100の外部に通じていてもよい。また、ガソリンエンジンとして用いることができる内燃機関10を動力部として用いたが、水素燃焼タービン等の他の内燃機関を用いることもできるし、水素を燃料とする外燃機関を用いることもできる。さらに、燃料電池5として水素分離膜電池を用いたが、他の燃料電池を用いてもよい。例えば、固体酸化物形燃料電池等を用いることもできる。この場合、アノードオフガス中の水蒸気を改質部3aにおける水蒸気改質反応に利用することができる。また、炭化水素系燃料としてガソリンを用いたが、天然ガス、メタノール等の他の炭化水素系燃料を用いることもできる。さらに、本実施例においてはエアポンプから供給されたエアを燃焼部3bにおける燃焼に利用しているが、改質部3aにおける部分酸化反応に利用してもよい。
In the present embodiment, the
1 燃料タンク
2,11 インジェクタ
3 改質器
3a 改質部
3b 燃焼部
4,7 熱交換器
5 燃料電池
5a アノード
5b カソード
6,8 エアポンプ
9 流量制御弁
10 内燃機関
12 制御部
13 流量制御弁
100 燃料電池システム
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記酸素含有ガスを利用して炭化水素系燃料から水素を含む改質ガスを生成する改質手段と、
前記冷却通路を経由して前記改質手段に接続される第1の通路と、
前記冷却通路を経由せずに前記改質手段に接続される第2の通路と、
前記第1の通路及び前記第2の通路のいずれか一方または両方に前記酸素含有ガスを供給する酸素含有ガス供給手段と、
前記第1の通路を流動する前記酸素含有ガスが前記改質ガスの生成に必要な量よりも少ない場合に、前記第2の通路に前記酸素含有ガスを供給するように前記酸素含有ガス供給手段を制御する制御手段とを備えたことを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell provided with a cooling passage through which oxygen-containing gas flows;
Reforming means for generating a reformed gas containing hydrogen from a hydrocarbon fuel using the oxygen-containing gas;
A first passage connected to the reforming means via the cooling passage;
A second passage connected to the reforming means without going through the cooling passage;
Oxygen-containing gas supply means for supplying the oxygen-containing gas to one or both of the first passage and the second passage;
The oxygen-containing gas supply means so as to supply the oxygen-containing gas to the second passage when the amount of the oxygen-containing gas flowing through the first passage is less than the amount necessary for generating the reformed gas. And a control means for controlling the fuel cell system.
前記制御手段は、前記第2の通路に供給する酸素含有ガス量が前記改質ガスの生成に必要な酸素含有ガス量と前記燃料電池の冷却に必要な酸素含有ガス量との差分となるように前記流量調整手段を制御することを特徴とする請求項1記載の燃料電池システム。 The oxygen-containing gas supply means includes a flow rate adjusting means for adjusting a flow rate of the oxygen-containing gas flowing in the second passage,
The control means is configured such that the amount of oxygen-containing gas supplied to the second passage is a difference between the amount of oxygen-containing gas necessary for generating the reformed gas and the amount of oxygen-containing gas necessary for cooling the fuel cell. 2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the flow rate adjusting means is controlled.
前記燃焼手段は、前記酸素含有ガスと可燃燃料との燃焼反応により前記改質ガスを生成するために必要な熱を生成することを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の燃料電池システム。 The reforming means includes combustion means,
The fuel cell according to any one of claims 1 to 4, wherein the combustion means generates heat necessary for generating the reformed gas by a combustion reaction between the oxygen-containing gas and a combustible fuel. system.
前記内燃機関に前記改質ガスを供給する改質ガス供給手段とをさらに備え、
前記制御手段は、前記動力部に供給される前記改質ガスの量が増加する際に前記改質手段に供給する前記酸素含有ガスの量を増大させるように前記酸素含有ガス供給手段を制御することを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の燃料電池システム。
A power unit driven by at least a part of the reformed gas and / or a hydrocarbon-based fuel;
A reformed gas supply means for supplying the reformed gas to the internal combustion engine;
The control means controls the oxygen-containing gas supply means so as to increase the amount of the oxygen-containing gas supplied to the reforming means when the amount of the reformed gas supplied to the power unit increases. A fuel cell system according to any one of claims 1 to 5, wherein
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2004293599A JP2006107944A (en) | 2004-10-06 | 2004-10-06 | Fuel cell system |
Applications Claiming Priority (1)
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2008198487A (en) * | 2007-02-13 | 2008-08-28 | Nippon Oil Corp | Fuel cell system |
JP2013229016A (en) * | 2012-03-29 | 2013-11-07 | Semiconductor Energy Lab Co Ltd | Processor and electronic device |
-
2004
- 2004-10-06 JP JP2004293599A patent/JP2006107944A/en active Pending
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