JP2006139920A - ハイブリッドシステム - Google Patents

Abstract

【課題】 システム全体のエネルギー効率が低下しないハイブリッドシステムを提供する。
【解決手段】 カソード３２およびアノード３１を含む燃料電池３０と、燃料および酸素により燃焼を行う内燃機関２０と、内燃機関２０の排気ガスを燃料電池３０のカソード３１に供給する排気ガス供給手段（５０，１０４，１０５）とを備える。内燃機関２０の排気ガスがカソード３１に供給されることにより、カソード３１に必要な酸素が供給される。その結果、酸素をカソード３２に供給する手段を設ける必要がなく、ハイブリッドシステム１００のエネルギー効率が向上する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池および内燃機関を備えたハイブリッドシステムに関する。

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。

一般的に、燃料電池は、燃料極と空気極とを備えている。この燃料電池においては、水素ガスが燃料極に供給される一方、空気等の酸素を含むガスが空気極に供給される。空気極に空気を供給する手段として、例えば、ブロワ等を用いることができる。それにより、空気極に効率的に空気を供給することができる。このブロワの動力の一部を電力ではなく、ガスエンジンの回転動力を使った燃料電池発電装置が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。この技術によれば、ブロワ用の電力が低減されるとともに燃料電池装置が小型化される。
特開平９−１２９２５３号公報

しかしながら、ブロワを用いて空気極に空気を供給する以上は、ブロワを回転させる動力分のエネルギーが消費され、システム全体のエネルギー効率が低下する。

本発明は、システム全体のエネルギー効率が低下しないハイブリッドシステムを提供することを目的とする。

本発明に係るハイブリッドシステムは、カソードおよびアノードを含む燃料電池と、燃料および酸素により燃焼を行う内燃機関と、内燃機関の排気ガスをカソードに供給する排気ガス供給手段とを備えるものである。

本発明に係るハイブリッドシステムにおいては、排気ガス供給手段により内燃機関の排気ガスが燃料電池のカソードに供給される。この場合、内燃機関の排気ガスに含まれる酸素が燃料電池の発電に用いられる。それにより、カソードに酸素を供給するための手段を新たに設けることを抑制できる。その結果、ハイブリッドシステムのエネルギー効率が向上するとともに、ハイブリッドシステムを小型化することができる。

アノードから排出されるアノードオフガスをカソードに供給するアノードオフガス供給手段をさらに備えていてもよい。この場合、アノードオフガスに含まれる水素がカソードに供給され、カソードに供給された水素はカソードの触媒によって内燃機関の排気ガス中の酸素と発熱反応を起こす。それにより、カソードの触媒温度が上昇する。したがって、カソードに吸着した内燃機関の排気ガス中の成分が除去される。その結果、燃料電池の効率低下が防止される。

水素を含む改質ガスを生成し、改質ガスをアノードに供給する改質手段と、カソードから排出されるカソードオフガスを改質手段に供給するカソードオフガス供給手段とをさらに備えていてもよい。この場合、カソードオフガス供給手段によりカソードオフガスが改質手段に供給される。それにより、カソードオフガスに含まれる水蒸気が改質手段における改質ガスの生成反応に用いられる。その結果、改質手段における水蒸気不足が防止される。

酸素含有ガスをカソードに供給する酸素供給手段と、内燃機関の燃焼がリッチ燃焼である場合に、カソードに酸素含有ガスを供給するように酸素供給手段を制御する制御手段とをさらに備えていてもよい。この場合、内燃機関の燃焼がリッチ燃焼となって排気ガス中の酸素が不足しても、酸素供給手段により酸素含有ガスがカソードに供給される。したがって、燃料電池の発電に必要な酸素が不足することが防止される。

制御手段は、内燃機関の燃焼がリーン燃焼である場合に、カソードにアノードオフガスを供給するようにアノードオフガス供給手段を制御してもよい。この場合、内燃機関の燃焼がリーン燃焼となって排気ガス中の水蒸気が不足しても、アノードオフガス供給手段によりアノードオフガスがカソードを介して改質手段にアノードオフガスが供給される。したがって、アノードオフガス中の水蒸気が改質手段における改質ガスの生成反応に用いられる。その結果、改質手段における水蒸気不足が防止される。

制御手段は、内燃機関の動作が停止している場合に、カソードに酸素含有ガスおよびアノードオフガスが供給されるように酸素供給手段およびアノードオフガス供給手段を制御してもよい。この場合、内燃機関から排気ガスがカソードに供給されなくても、燃料電池の発電に必要な酸素が酸素供給手段から供給され、改質手段における改質ガスの生成反応に必要な水蒸気がアノードオフガス供給手段によりカソードを介して改質手段に供給される。したがって、燃料電池における酸素不足が防止されるとともに、改質手段における水蒸気不足が防止される。

本発明によれば、酸素をカソードに供給するための手段を設ける必要がない。その結果、ハイブリッドシステムのエネルギー効率が向上するとともに、ハイブリッドシステムを小型化することができる。

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、本発明に係るハイブリッドシステム１００の全体構成図である。図１に示すように、ハイブリッドシステム１００は、改質部１０、内燃機関２０、燃料電池３０、エアポンプ４０、切替弁５０，６０、排気触媒７０，８０および制御部９０を含む。切替弁５０，６０は、三方コック等からなる。燃料電池３０は、水素分離膜電池からなり、アノード３１およびカソード３２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３０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。

改質部１０は、配管１０１を介してアノード３１に接続されている。アノード３１は、配管１０２を介して排気触媒７０に接続されている。排気触媒７０は、配管１０３を介して切替弁６０に接続されている。切替弁６０は、ハイブリッドシステム１００の外部に通じるとともに、配管１０７を介して切替弁５０に接続されている。

内燃機関２０は、配管１０４を介して切替弁５０に接続されている。切替弁５０は、配管１０７を介して切替弁６０に接続されるとともに、配管１０５を介してカソード３２に接続されている。カソード３２は、配管１０６を介して排気触媒８０に接続されている。

エアポンプ４０は、配管１０９を介してカソード３２に接続されている。配管１０８の一端は配管１０６の途中に接続されており、配管１０８の他端は改質部１０に接続されている。

次に、ハイブリッドシステム１００の動作について説明する。改質部１０においては、図示しない燃料タンクから供給される燃料と配管１０８を介して供給される後述するカソードオフガスとから改質ガスが生成される。燃料としては、ガソリン、天然ガス、メタノール等の炭化水素系燃料を用いることができる。

まず、燃料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、水素およ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、水素および二酸化炭素が生成される。水蒸気改質反応に必要な水蒸気が不足している場合には、カソードオフガス中の酸素と燃料とが部分酸化反応を起こし、水素および一酸化炭素が生成される。

改質部１０において生成された改質ガスは、配管１０１を介してアノード３１に供給される。アノード３１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３１において水素イオンに変換されなかった水素は、アノードオフガスとして配管１０２を介して排気触媒７０に供給される。排気触媒７０に供給されたアノードオフガスは、排気触媒７０の触媒を介して酸化され、配管１０３を介して切替弁６０に供給される。したがって、配管１０３に供給されるアノードオフガスには水蒸気が多量に含まれる。切替弁６０は、制御部９０の指示に従って、供給されたアノードオフガスを配管１０７およびハイブリッドシステム１００の外部のいずれか一方または両方に供給または排出する。

内燃機関２０は、制御部９０の指示に従って、図示しない燃料タンクから供給される燃料とエアとから所定の空燃比で混合気を生成し、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２０における燃焼反応によって発生した高温の排気ガスが配管１０４を介して切替弁５０に供給される。排気ガスには、水蒸気、酸素、二酸化炭素、一酸化炭素、炭化水素等が含まれる。それにより、後述するように、カソード３２に酸素を供給することができる。したがって、後述するエアポンプ４０の不必要な動作が抑制される。その結果、ハイブリッドシステム１００全体のエネルギー効率を向上させることができる。

切替弁５０は、制御部９０の指示に従って、配管１０４から供給される排気ガスおよび配管１０７から供給されるアノードオフガスのいずれか一方または両方を、配管１０５を介してカソード３２に供給する。したがって、内燃機関２０の燃焼がリーン燃焼となって排気ガスに水蒸気が含まれなくても、アノードオフガスをカソード３２に供給することにより、後述するように改質部１０に十分な水蒸気が供給される。その結果、改質部１０における水蒸気改質反応に必要な水蒸気が不足することが防止される。ここで、リーン燃焼とは、理想空燃比よりも燃料の比率を小さくして燃焼させることをいう。

エアポンプ４０は、制御部９０の指示に従って、配管１０９を介して燃料電池３０の発電に必要なエアをカソード３２に供給する。したがって、内燃機関２０の燃焼がリッチ燃焼となって排気ガスに酸素が含まれなくても、燃料電池３０の発電に必要な酸素が不足することが防止される。ここで、リッチ燃焼とは、理想空燃比よりも燃料の比率を大きくして燃焼させることをいう。

カソード３２においては、アノード３１において発生した水素イオンとカソード３２に供給されたエアおよび排気ガスに含まれる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３０において発生する熱によって水蒸気となる。

カソード３２において発生した水蒸気、水素イオンと反応しなかったエア、内燃機関２０の排気ガス等は、カソードオフガスとして、配管１０６に供給される。配管１０６に供給されたカソードオフガスの一部は、配管１０７を介して改質部１０に供給される。したがって、改質部１０における水蒸気改質反応に必要な水蒸気を改質部１０に供給することができる。また、カソードオフガス中に含まれる水蒸気を改質部１０における水蒸気改質反応に用いることから、水蒸気供給手段を新たに設ける必要がない。それにより、ハイブリッドシステム１００を小型化することができる。

また、配管１０６に供給されたカソードオフガスのうち配管１０７に供給されなかったカソードオフガスは、排気触媒８０に供給される。排気触媒８０に供給されたカソードオフガスは、排気触媒８０の触媒により酸化されて外部へ排出される。

図２は、制御部９０がエアおよび水蒸気をカソード３２へ供給する際のフローチャートの一例である。図２に示すように、制御部９０は、内燃機関２０の動作が停止しているか否かを判定する（ステップＳ１）。ステップＳ１において内燃機関２０の動作が停止していると判定された場合には、制御部９０は、必要な量のエアをエアポンプ４０によりカソード３２に供給する。この場合、制御部９０は、エアポンプ４０がカソード３２に供給するエア量が燃料電池３０に要求されている発電に必要なエア量となるようにエアポンプ４０を制御する。次に、制御部９０は、アノードオフガスがカソード３２に供給されるように、切替弁５０，６０を制御する（ステップＳ３）。

以上のように、内燃機関２０の不動作の場合に内燃機関２０からカソード３２にエアおよび水蒸気が供給されなくても、エアポンプ４０およびアノード３１からエアおよび水蒸気が供給される。したがって、燃料電池３０の発電に必要なエアが不足することが防止されるとともに、水蒸気改質反応に必要な水蒸気が不足することが防止される。

なお、エアポンプ４０がカソード３２に供給するエア量は、燃料電池３０に要求される発電量と内燃機関２０の燃焼で消費される燃料およびエアの量とに基づいて計算することができる。

次に、内燃機関２０が動作する場合において制御部９０が行う制御について説明する。図３は、制御部９０が行う制御についてのフローチャートの一例を示す図である。

図３に示すように、制御部９０は、内燃機関２０における燃焼がリーン燃焼であるか否かを判定する（ステップＳ１１）。ステップＳ１１において、内燃機関２０における燃焼がリーン燃焼であると判定された場合には、制御部９０は、アノードオフガスがカソード３２に供給されるように切替弁５０，６０を制御する（ステップＳ１２）。次に、制御部９０は、エアポンプ４０の動作を停止させる（ステップＳ１３）。以下、制御部９０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２０における燃焼がリーン燃焼であると判定されなかった場合には、制御部９０は、燃料電池３０の発電に必要なエアがカソード３２に供給されるようにエアポンプ４０を制御する（ステップＳ１４）。次に、制御部９０は、アノードオフガスのカソード３２への供給を停止するように切替弁５０，６０を制御する（ステップＳ１５）。以下、制御部９０は、ステップＳ１１の動作から繰り返す。

以上のように、内燃機関２０の燃焼がリーン燃焼となって排気ガス中の水蒸気量が減少する場合においても、アノードオフガスがカソード３２を介して改質部１０に十分に供給される。したがって、水蒸気改質反応に必要な水蒸気が不足することが防止される。また、内燃機関２０の燃焼がリーン燃焼の場合に、エアポンプ４０の動作が停止することから、エアポンプ４０の不必要な動作が抑制される。それにより、ハイブリッドシステム１００全体のエネルギー効率が向上する。さらに、内燃機関２０の燃焼がリッチ燃焼となって排気ガス中の酸素量が減少する場合においても、エアポンプ４０からカソード３２にエアが供給される。したがって、燃料電池３０の発電に必要な酸素が不足することが防止される。

なお、本実施例においては、内燃機関２０の燃焼がリーン燃焼である場合に、カソード３２へのアノードオフガスの供給を停止しているが、必ずしも停止しなくてもよい。また、内燃機関２０および燃料電池３０に要求される出力に応じて、内燃機関２０の排気ガスの供給量とエアポンプ４０からのエア供給量とアノードオフガスの供給量との比率または流量を制御する構成としてもよい。さらに、内燃機関２０および燃料電池３０の出力と内燃機関２０の燃焼状況に応じて、内燃機関２０の排気ガスの供給量とエアポンプ４０からのエア供給量とアノードオフガスの供給量との比率または流量を制御することもできる。

本実施例においては、配管１０４，１０５および切替弁５０が排気ガス供給手段に相当し、配管１０２，１０３，１０５，１０７および切替弁５０，６０がアノードオフガス供給手段に相当し、改質部１０が改質手段に相当し、配管１０６，１０８がカソードオフガス供給手段に相当し、エアポンプ４０および配管１０９が酸素供給手段に相当し、制御部９０が制御手段に相当する。

図４は、本発明の第２実施例に係るハイブリッドシステム１００ａの全体構成を示す図である。ハイブリッドシステム１００ａが図１のハイブリッドシステム１００と異なる点は、切替弁６０が配管１０２に介挿されている点である。

以下、ハイブリッドシステム１００ａの動作について説明する。アノード３１において水素イオンに変換されなかった水素は、アノードオフガスとして配管１０２を介して切替弁６０に供給される。切替弁６０は、制御部９０の指示に従って、供給されたアノードオフガスを排気触媒７０および配管１０７のいずれか一方または両方に供給する。切替弁５０は、制御部９０の指示に従って、配管１０７に供給されたアノードオフガスをカソード３２に供給する。それにより、ハイブリッドシステム１００の場合と異なり、カソード３２に水素が供給される。

アノードオフガス中の水素と内燃機関２０の排気ガスまたはエアポンプ４０から供給されるエア中の酸素とがカソード３２の触媒を介して反応し、発熱を伴いながら水蒸気となる。それにより、改質部１０における水蒸気改質反応に必要な水蒸気が配管１０８を介して供給される。したがって、新たに水蒸気供給手段を設ける必要がない。その結果、ハイブリッドシステム１００ａを小型化することができる。

また、カソード３２における水素と酸素との反応熱により、カソード３２の触媒の温度が上昇する。それにより、カソード３２の触媒に吸着した内燃機関２０の排気ガス中の炭化水素、一酸化炭素等が除去される。その結果、燃料電池３０の効率低下を防止することができる。

本発明に係るハイブリッドシステムの全体構成図である。 制御部がエアおよび水蒸気をカソードへ供給する際のフローチャートの一例である。 制御部が行う制御についてのフローチャートの一例を示す図である。 本発明の第２実施例に係るハイブリッドシステムの全体構成を示す図である。

符号の説明

１０ 改質部
２０ 内燃機関
３０ 燃料電池
３１ アノード
３２ カソード
４０ エアポンプ
５０，６０ 切替弁
９０ 制御部
１００，１００ａ ハイブリッドシステム

Claims (6)

1. カソードおよびアノードを含む燃料電池と、
   燃料および酸素により燃焼を行う内燃機関と、
   前記内燃機関の排気ガスを前記カソードに供給する排気ガス供給手段とを備えることを特徴とするハイブリッドシステム。
2. 前記アノードから排出されるアノードオフガスを前記カソードに供給するアノードオフガス供給手段をさらに備えることを特徴とする請求項１記載のハイブリッドシステム。
3. 水素を含む改質ガスを生成し、前記改質ガスを前記アノードに供給する改質手段と、
   前記カソードから排出されるカソードオフガスを前記改質手段に供給するカソードオフガス供給手段とをさらに備えたことを特徴とする請求項１または２記載のハイブリッドシステム。
4. 酸素含有ガスを前記カソードに供給する酸素供給手段と、
   前記内燃機関の燃焼がリッチ燃焼である場合に、前記カソードに前記酸素含有ガスを供給するように前記酸素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１〜３のいずれかに記載のハイブリッドシステム。
5. 前記制御手段は、前記内燃機関の燃焼がリーン燃焼である場合に、前記カソードに前記アノードオフガスを供給するように前記アノードオフガス供給手段を制御することを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載のハイブリッドシステム。
6. 前記制御手段は、前記内燃機関の動作が停止している場合に、前記カソードに前記酸素含有ガスおよびアノードオフガスが供給されるように前記酸素供給手段および前記アノードオフガス供給手段を制御することを特徴とする請求項４または５記載のハイブリッドシステム。
   
   

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