JP2006107945A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 改質部における炭素の析出を防止することができる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】 水蒸気改質反応により炭化水素系燃料を改質して水素を含む改質ガスを生成する改質器３ａと、燃焼部３ｂにおいて生成された二酸化炭素含有ガスを改質器へ導入する切替弁１３を備える。二酸化炭素は、炭素と反応して一酸化炭素となる。それにより、改質器３における炭素析出を防止することができる。また、改質器３に析出した炭素を除去することができる。
【選択図】 図１

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。

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。

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。

近年、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１参照。）。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、上記水蒸気改質反応により改質ガスを生成するためには、改質部に水蒸気を供給するための手段を新たに設ける必要がある。そのため、燃料電池が大型化することになる。

この問題点を解決するために、カソードから排出されるカソードオフガスを改質部に導入する技術が開示されている（例えば、特許文献２，３参照。）。この技術によれば、カソードオフガス中に含まれる水蒸気を改質部に供給することができるため、新たに水蒸気発生装置等を設ける必要がない。その結果、燃料電池を小型化することが可能である。
特開平１１−３１１１３６号公報 特開２０００−１９５５３４号公報 特開２００２−２８９２４５号公報

しかしながら、火花点火機関に水素を供給すると燃料電池に供給する水素量が減少する。それにより、燃料電池から排出されるガス中の水蒸気量が減少する。したがって、水蒸気改質反応に必要な水蒸気を改質部に供給することができなくなる。その結果、水蒸気改質反応が完了せずに改質部において炭素が析出するおそれがある。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、改質部における炭素の析出を防止することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明に係るシステムは、水蒸気改質反応により炭化水素系燃料を改質して水素を含む改質ガスを生成する改質手段と、二酸化炭素含有ガスを改質手段へ導入する二酸化炭素導入部を備えるものである。

本発明に係るシステムにおいては、改質手段により炭化水素系燃料が水素を含む改質ガスが生成され、二酸化炭素導入部により改質手段に二酸化炭素が供給される。この場合、二酸化炭素は、炭素と反応して一酸化炭素となる。それにより、改質手段における炭素析出を防止することができる。また、改質手段に析出した炭素を除去することができる。

改質手段を加熱するための燃焼手段と、燃焼手段から排出される燃焼排出ガスを二酸化炭素導入部へ導入する燃焼排出ガス導入配管とをさらに備えてもよい。この場合、燃焼手段から排出される燃焼排出ガス中の二酸化炭素を利用することから、二酸化炭素を供給するための手段をあらたに設ける必要がない。それにより、本発明に係るシステムを小型化することができる。

水素及び酸素により発電を行う燃料電池と、燃料電池から排出される水分を含むオフガスを改質手段へ導入するオフガス導入配管とをさらに備えてもよい。この場合、燃料電池において水素イオンと反応しなかった酸素及び燃料電池において発生した水蒸気を水蒸気改質反応に利用することから、水蒸気供給手段を新たに設ける必要がない。それにより、本発明に係るシステムを小型化することができる。

燃料電池の電解質はプロトン導電性を有し、オフガスは燃料電池のカソードオフガスであってもよい。この場合、燃料電池のカソードにおいて水が生成され、カソードオフガスには多量の水または水蒸気が含まれる。それにより、水蒸気を供給する手段を新たに設ける必要がない。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。

燃料電池のアノードから排出されるアノードオフガスを燃焼手段に供給するアノードオフガス導入配管をさらに備えてもよい。この場合、アノードオフガスを燃料とした燃焼熱を改質手段における水蒸気改質反応に利用することから、新たに燃料を供給する必要がない。それにより、本発明に係るシステム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不完全燃焼成分を燃焼手段により完全燃焼させることができる。それにより、環境汚染防止が可能である。

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、動力部の動作に必要な量の改質ガスを動力部に供給する改質ガス供給手段と、改質手段に炭化水素系燃料を供給する燃料供給手段と、動力部に供給する改質ガス量に応じて改質手段への炭化水素系燃料供給量を調整するように燃料供給手段を制御する制御手段とをさらに備えてもよい。

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。

動力部から排出される動力部排出ガスを改質手段へ導入する動力部排出ガス導入配管をさらに備えてもよい。この場合、動力部排出ガスに含まれる二酸化炭素を利用して改質手段における炭素析出を防止することができる。また、動力部排出ガスに含まれる水蒸気を水蒸気改質反応に利用することもできる。

動力部排出ガス導入配管及び燃焼排出ガス導入配管のいずれか一方または両方を二酸化炭素導入部に接続する切替手段をさらに備え、制御手段は、動力部排出ガス導入配管及び燃焼排出ガス導入配管のいずれか一方または両方を二酸化炭素導入部に接続するように切替手段を制御してもよい。この場合、動力部排出ガス及び燃焼排出ガスを選択して改質手段に供給することができる。それにより、改質手段に不要なガスの供給を防止することができる。

動力部は、内燃機関であってもよい。この場合、動力部排出ガスに水蒸気が含まれる。したがって、動力部排出ガスに含まれる水蒸気を改質手段における水蒸気改質反応に利用することができる。

燃料電池は、水素分離膜電池であってもよい。この場合、改質ガス中に一酸化炭素が含まれていても燃料電池が被毒しない。その結果、燃料電池の性能低下が防止される。

本発明によれば、改質手段における炭素析出を防止することができる。また、改質手段に析出した炭素を除去することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。

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及び切替弁１３を含む。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。

ここで、水素分離膜電池とは水素分離膜層を備えた燃料電池である。水素分離膜層は水素透過性を有する金属によって形成される層であり、たとえば、パラジウム、パラジウム合金等により形成することができる。水素分離膜電池は、この水素分離膜層及びプロトン導電性を有する電解質を積層した構造をとっている。水素分離膜電池のアノードに供給された水素は触媒を介してプロトンに変換され、プロトン導電性の電解質中を移動し、カソードにおいて酸素と結合して水となる。したがって、燃料電池５から発生する水または水蒸気の大部分はカソードオフガス中に含まれることになる。

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。燃焼部３ｂは、配管１０９を介して切替弁１３に接続されている。切替弁１３は、燃料電池システム１００の外部に通じるとともに、配管１１０及び配管１０５を介して改質部３ａに接続される。配管１１０は、配管１０５の途中に合流している。

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。エアポンプ６は、配管１０６を介して燃焼部３ｂに接続されている。配管１０６の一部は、燃料電池５を通る。

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。

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。

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。

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、燃焼部オフガスとなる。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。

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。

燃焼部オフガスは、配管１０９を介して切替弁１３に供給される。切替弁１３は三方コック等から構成され、制御部１２の指示に従って供給された燃焼部オフガスを燃料電池システム１００の外部及び配管１１０のいずれか一方または両方に排出または供給する。切替弁１３は、燃料電池システム１００の外部へ排出する燃焼部オフガス及び配管１１０へ供給する燃焼部オフガスの量を調整することができる。

配管１１０に供給された燃焼部オフガスは、配管１０５を流動して改質部３ａに供給される。改質部３ａに供給された燃焼部オフガス中に含まれる二酸化炭素は、下記式（１）に従って炭素と反応して一酸化炭素となる。それにより、改質部３ａにおける炭素析出を防止することができる。また、析出した炭素を除去することができる。したがって、水蒸気改質に必要な水蒸気がカソードオフガス中に含まれていない場合においても、改質部３ａにおいて炭素が析出することはない。

Ｃ＋ＣＯ_２＝２ＣＯ （１）
また、燃焼部３ｂからの燃焼部オフガス中の二酸化炭素を利用することから、二酸化炭素を供給するための手段をあら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。

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及び部分酸化反応に用いられる。

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及び部分酸化反応に用いることから、酸素供給手段及び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。

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を流動するエアは、燃料電池５を冷却し、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。このように、燃料電池５の冷却用エアを燃焼部３ｂにおける燃焼に用いることから、アノードオフガスの燃焼用として酸素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。

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。

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。

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。

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。

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。

図２は、制御部１２がエアポンプ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、エアポンプ８によるエア供給量とエアポンプ８のポンプ回転数との関係を示すマップである。図２（ａ）の縦軸はエアポンプ８のポンプ回転数を示し、図２（ａ）の横軸はエアポンプ８によるエア供給量を示す。図２（ａ）に示すように、エアポンプ８のエア供給量の２乗に比例してエアポンプ８のポンプ回転数が増加する。制御部１２は、図２（ａ）のマップに基づいてエアポンプ６，８を制御する。

図２（ｂ）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（ｂ）の縦軸は内燃機関１０のトルクを示し、図２（ｂ）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（ｂ）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（ｂ）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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

次に、内燃機関１０を動作させる場合において、改質部３ａにおける炭素析出を防止するために制御部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。

図５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Ｓ１）。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Ｓ１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Ｓ２）。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。

次に、制御部１２は、上記水素量及び燃料電池５の動作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Ｓ３）。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Ｓ４）。

次いで、制御部１２は、改質部３ａに供給される水蒸気量に基づいて炭素が析出するか否かを判定する（ステップＳ５）。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するか否かが判定される。ステップＳ５において炭素が析出すると判定された場合には、制御部１２は、改質部３ａに燃焼部オフガスを供給するように切替弁１３を制御する（ステップＳ６）。

次に、制御部１２は、ステップＳ３における計算結果に基づいてインジェクタ２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。ステップＳ５において、炭素が析出しないと判定された場合には、制御部１２は、ステップＳ７の動作を行う。

ステップＳ１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Ｓ８）。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。以下、制御部１２は、ステップＳ１の動作から繰り返す。

以上のように、水蒸気改質反応に必要な水蒸気が不足しても二酸化炭素が改質部３ａに供給されることから、改質部３ａにおける炭素析出を確実に防止できる。さらに、改質部３ａにおいて析出した炭素を除去することができる。

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。

次に、制御部１２は、上記水素量及び燃料電池５の動作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）。

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がカソード５ｂに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酸素量が計算される。

次いで、制御部１２は、改質部３ａに燃焼部オフガスを供給するように切替弁１３を制御する（ステップＳ１６）。次に、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Ｓ１７）。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。以下、制御部１２は、ステップＳ１１の動作から繰り返す。

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Ｓ１８）。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。以下、制御部１２は、ステップＳ１１の動作から繰り返す。

以上のように、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。また、二酸化炭素が改質部３ａに供給されることから、改質部３ａにおける炭素析出を確実に防止できる。さらに、改質部３ａにおいて析出した炭素を除去することができる。

図７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７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Ｓ２１）。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Ｓ２１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、内燃機関１０に供給される水素量が計算される。

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Ｓ２３）。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Ｓ２４）。

次いで、制御部１２は、改質部３ａに供給される水蒸気量に基づいて炭素が析出するか否かを判定する（ステップＳ２５）。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するか否かが判定される。ステップＳ２５において炭素が析出すると判定された場合には、制御部１２は、改質部３ａに燃焼部オフガスを供給するように切替弁１３を制御する（ステップＳ２６）。

次に、制御部１２は、ステップＳ２３における計算結果に基づいてインジェクタ２を制御する（ステップＳ２７）。ステップＳ２５において、炭素が析出しないと判定された場合には、制御部１２は、ステップＳ２７の動作を行う。

次いで、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Ｓ２８）。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Ｓ２９）。以下、制御部１２は、ステップＳ２１の動作から繰り返す。

ステップＳ２１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Ｓ３０）。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。

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Ｓ３１）。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Ｓ３２）。次に、制御部１２は、燃焼部オフガスを燃料電池システム１００の外部へ排出するように切替弁３を制御する（ステップＳ３３）。以下、制御部１２は、ステップＳ２１の動作から繰り返す。

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二酸化炭素が改質部３ａに供給されることから、改質部３ａにおける炭素析出を確実に防止できる。また、改質部３ａにおいて析出した炭素を除去することができる。

図８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８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Ｓ４１）。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Ｓ４１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Ｓ４２）。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。

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Ｓ４３）。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Ｓ４４）。

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Ｓ４５）。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。

次いで、制御部１２は、改質部３ａに燃焼部オフガスを供給するように切替弁１３を制御する（ステップＳ４６）。次に、制御部１２は、ステップＳ４３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Ｓ４５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Ｓ４７）。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。

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Ｓ４８）。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Ｓ４９）。以下、制御部１２は、ステップＳ４１の動作から繰り返す。

ステップＳ４１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Ｓ５０）。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。

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Ｓ５１）。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Ｓ５２）。次に、制御部１２は、燃焼部オフガスを燃料電池システム１００の外部へ排出するように切替弁３を制御する（ステップＳ５３）。以下、制御部１２は、ステップＳ４１の動作から繰り返す。

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、二酸化炭素が改質部３ａに供給されることから、改質部３ａにおける炭素析出を確実に防止できる。また、改質部３ａにおいて析出した炭素を除去することができる。

本実施例においては、改質器３が改質手段に相当し、アノードオフガス及びカソードオフガスが排出ガスに相当し、インジェクタ２が燃料供給手段に相当し、エアポンプ８が酸素供給手段に相当し、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が制御手段に相当し、、燃焼部オフガスが燃焼排出ガスに相当し、配管１０５がオフガス導入配管に相当し、配管１０３がアノードオフガス導入配管に相当し、切替弁１３が二酸化炭素導入部に相当する。

なお、本実施例においては、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。また、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。さらに、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。

以下、本発明に係る燃料電池システムの第２実施例について説明する。図９は、第２実施例に係る燃料電池システム１００ａの全体構成を示す模式図である。燃料電池システム１００ａにおいては、配管１０９に切替弁１４が介挿されている。また、内燃機関１０から配管１１１が伸びており、マフラ１５に接続されている。マフラ１５は、燃料電池システム１００ａの外部に通じるとともに配管１１２を介して切替弁１４に接続されている。切替弁１４は、三方コック等から構成される。

内燃機関１０においてガソリンが燃焼し、二酸化炭素を含む内燃機関オフガスが配管１１１に供給される。内燃機関オフガスは、マフラ１５を通って、燃料電池システム１００の外部に排出されるとともに、切替弁１４に供給される。切替弁１４は、制御部１２の指示に従って燃焼部３ｂから供給される燃焼部オフガス及び内燃機関オフガスのいずれか一方または両方を切替弁１３に供給する。切替弁１４は、切替弁１３に供給する燃焼部オフガス及び内燃機関オフガスの量を調整することができる。燃料電池システム１００ａのその他の構成、作用及び効果は、図１の燃料電池システム１００と同様である。

このように、燃焼部オフガスおよび／または内燃機関オフガスを改質部３ａに供給することから、改質部３ａにおける炭素析出を防止することができる。また、析出した炭素を除去することができる。したがって、水蒸気改質に必要な水蒸気がカソードオフガス中に含まれていない場合においても、改質部３ａにおいて炭素が析出することはない。さらに、内燃機関オフガスに含まれる水蒸気を水蒸気改質反応に利用することもできる。

また、燃焼部３ｂからの燃焼部オフガス中の二酸化炭素を利用することから、二酸化炭素を供給するための手段をあら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。

さらに、内燃機関オフガス及び燃焼部オフガスを選択して改質部３ａに供給することができる。それにより、水蒸気改質反応及び部分酸化反応に不要なガスを改質部３ａに供給することを防止することができる。

本実施例においては、内燃機関オフガスが動力部排出ガスに相当し、配管１１１が動力部排出ガス導入配管に相当し、切替弁１４が切替手段に相当する。

本発明に係る燃料電池システムの全体構成を示す模式図である。 制御部が燃料電池システムの構成機器を制御する際に従うマップを示す図である。 本発明に係る燃料電池システム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。 炭素析出について説明するための図である。 内燃機関に改質ガスを供給する場合のフローチャートを示す図である。 内燃機関に改質ガスを供給する場合のフローチャートの他の例を示す図である。 内燃機関に改質ガスを供給する場合のフローチャートの他の例を示す図である。 内燃機関に改質ガスを供給する場合のフローチャートの他の例を示す図である。 第２実施例に係る燃料電池システムの全体構成を示す模式図である。

符号の説明

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
１３，１４ 切替弁
１００，１００ａ 燃料電池システム

Claims (10)

1. 水蒸気改質反応により炭化水素系燃料を改質して水素を含む改質ガスを生成する改質手段と、
   二酸化炭素含有ガスを前記改質手段へ導入する二酸化炭素導入部を備えたことを特徴とするシステム。
2. 前記改質手段を加熱するための燃焼手段と、 前記燃焼手段から排出される燃焼排出ガスを前記二酸化炭素導入部へ導入する燃焼排出ガス導入配管とをさらに備えたことを特徴とする請求項１記載のシステム。
3. 水素及び酸素により発電を行う燃料電池と、
   前記燃料電池から排出される水分を含むオフガスを前記改質手段へ導入するオフガス導入配管とをさらに備えたことを特徴とする請求項１または２記載のシステム。
4. 前記燃料電池の電解質は、プロトン導電性を有し、
   前記オフガスは、前記燃料電池のカソードオフガスであることを特徴とする請求項３記載のシステム。
5. 前記燃料電池のアノードから排出されるアノードオフガスを前記燃焼手段に供給するアノードオフガス導入配管をさらに備えたことを特徴とする請求項４記載のシステム。
6. 前記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、
   前記動力部の動作に必要な量の前記改質ガスを前記動力部に供給する改質ガス供給手段と、
   前記改質手段に前記炭化水素系燃料を供給する燃料供給手段と、
   前記動力部に供給する前記改質ガス量に応じて前記改質手段への前記炭化水素系燃料供給量を調整するように前記燃料供給手段を制御する制御手段とをさらに備えたことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のシステム。
7. 前記動力部から排出される動力部排出ガスを前記改質手段へ導入する動力部排出ガス導入配管をさらに備えたことを特徴とする請求項６記載のシステム。
8. 前記動力部排出ガス導入配管及び前記燃焼排出ガス導入配管のいずれか一方または両方を前記二酸化炭素導入部に接続する切替手段をさらに備え、
   前記制御手段は、前記動力部排出ガス導入配管及び前記燃焼排出ガス導入配管のいずれか一方または両方を前記二酸化炭素導入部に接続するように前記切替手段を制御することを特徴とする請求項６または７記載のシステム。
9. 前記動力部は、内燃機関であることを特徴とする請求項６〜８のいずれかに記載のシステム。
10. 前記燃料電池は、水素分離膜電池であることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載のシステム。

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