JP2006152901A - Hybrid system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、内燃機関および燃料電池を備えたハイブリッドシステムに関する。 The present invention relates to a hybrid system including an internal combustion engine and a fuel cell.
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.
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。 In many fuel cells, a reforming section generates reformed gas containing hydrogen from a hydrocarbon-based fuel such as gasoline, natural gas, or methanol, and supplies the reformed gas to the anode of the fuel cell. In this reforming section, reforming is performed by a steam reforming reaction using steam or the like.
近年、上記燃料電池により発生する電力とガソリン等の燃料による動作する内燃機関とを組み合わせることにより、高効率な出力を可能とした固体高分子型燃料電池・原動機複合システムが開発されている(例えば、特許文献1参照。)。この固体高分子型燃料電池・原動機複合システムにおいては、固体高分子型燃料電池において水素と酸素との化学反応により生成される水が内燃機関の吸気系に供給される。この技術によれば、内燃機関内の燃焼温度が低下することによって、排気ガス中の窒素酸化物濃度が低減される。
しかしながら、固体高分子型燃料電池の作動温度は80℃付近であることから、固体高分子型燃料電池から排出される生成水は気液混合状態となっている。この気液混合状態の生成水は、水蒸気に比較して拡散性が低くなる。したがって、固体高分子型燃料電池から排出される生成水を内燃機関の燃焼室内に供給しても、燃焼室内を均一に冷却することができない。 However, since the operating temperature of the polymer electrolyte fuel cell is around 80 ° C., the generated water discharged from the polymer electrolyte fuel cell is in a gas-liquid mixed state. The generated water in the gas-liquid mixed state is less diffusible than water vapor. Therefore, even if the produced water discharged from the polymer electrolyte fuel cell is supplied into the combustion chamber of the internal combustion engine, the combustion chamber cannot be cooled uniformly.
本発明は、内燃機関の燃焼室内を均一に冷却することができるハイブリッドシステムを提供することを目的とする。 An object of this invention is to provide the hybrid system which can cool the combustion chamber of an internal combustion engine uniformly.
本発明に係るハイブリッドシステムは、作動温度が水の沸点以上である燃料電池と、燃焼室を備え、燃焼室において燃料および酸素により燃焼を行う内燃機関と、燃料電池において生成される生成水を燃焼室に供給する生成水供給手段とを備えるものである。 A hybrid system according to the present invention includes a fuel cell having an operating temperature equal to or higher than the boiling point of water, an internal combustion engine that includes a combustion chamber and burns with fuel and oxygen in the combustion chamber, and burns generated water generated in the fuel cell Product water supply means for supplying to the chamber.
本発明に係るハイブリッドシステムにおいては、燃料電池において生成される生成水が水蒸気となり、その水蒸気が生成水供給手段により内燃機関の燃焼室に供給される。この場合、水蒸気は気液混合状態の生成水よりも拡散性が高いため、内燃機関の燃焼室において均一に拡散することとなる。これにより、気液混合状態の生成水を内燃機関の燃焼室に供給するハイブリッドシステムに比べ、内燃機関の燃焼室を均一に冷却することができる。 In the hybrid system according to the present invention, the generated water generated in the fuel cell becomes steam, and the steam is supplied to the combustion chamber of the internal combustion engine by the generated water supply means. In this case, since water vapor has a higher diffusibility than the produced water in the gas-liquid mixed state, the water vapor diffuses uniformly in the combustion chamber of the internal combustion engine. As a result, the combustion chamber of the internal combustion engine can be cooled more uniformly than a hybrid system that supplies the generated water in the gas-liquid mixed state to the combustion chamber of the internal combustion engine.
生成水中の液体の水が内燃機関の燃焼室内に供給されることを回避する回避手段をさらに備えていてもよい。この場合、内燃機関の燃焼室内に液体の水が供給されることが防止される。その結果、燃焼室の冷却が不均一になることが防止される。 There may be further provided avoiding means for avoiding supply of liquid water in the generated water into the combustion chamber of the internal combustion engine. In this case, liquid water is prevented from being supplied into the combustion chamber of the internal combustion engine. As a result, non-uniform cooling of the combustion chamber is prevented.
回避手段は、気液分離器であってもよい。この場合、生成水が水蒸気と液体の水とに分離される。したがって、内燃機関の燃焼室に液体の水が供給されることが確実に防止される。 The avoiding means may be a gas-liquid separator. In this case, the generated water is separated into water vapor and liquid water. Therefore, liquid water is reliably prevented from being supplied to the combustion chamber of the internal combustion engine.
燃料電池が暖機状態であるか否かを判定する判定手段と、判定手段により燃料電池が暖機状態であると判定された場合に、燃焼室への生成水の供給を停止するように生成水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、生成水は水蒸気になってから内燃機関の燃焼室に供給される。したがって、燃焼室に液体の水が供給されることがより確実に防止される。 A determination unit that determines whether or not the fuel cell is in a warm-up state, and a generation unit that stops supply of generated water to the combustion chamber when the determination unit determines that the fuel cell is in a warm-up state. Control means for controlling the water supply means may be further provided. In this case, the generated water becomes steam and is supplied to the combustion chamber of the internal combustion engine. Therefore, liquid water is more reliably prevented from being supplied to the combustion chamber.
燃料電池は、水素分離膜型燃料電池であってもよい。この場合、水素分離膜電池の作動温度が300℃〜600℃程度であることから、燃料電池において生成される生成水は確実に水蒸気になる。それにより、内燃機関の燃焼室において生成水が均一に拡散する。 The fuel cell may be a hydrogen separation membrane fuel cell. In this case, since the operating temperature of the hydrogen separation membrane battery is about 300 ° C. to 600 ° C., the generated water generated in the fuel cell is surely steam. Thereby, the generated water diffuses uniformly in the combustion chamber of the internal combustion engine.
本発明によれば、内燃機関の燃焼室が均一に冷却される。したがって、燃料の燃焼による窒素酸化物の発生が抑制される。また、内燃機関の燃焼室内における燃焼効率が向上する。その結果、ハイブリッドシステムのシステム効率が向上する。 According to the present invention, the combustion chamber of the internal combustion engine is uniformly cooled. Therefore, generation of nitrogen oxides due to fuel combustion is suppressed. Further, the combustion efficiency in the combustion chamber of the internal combustion engine is improved. As a result, the system efficiency of the hybrid system is improved.
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、燃料タンク1、内燃機関2、改質部3、燃料電池4、排気触媒5、気液分離器6および制御部7を含む。燃料電池4は水素分離膜電池からなり、カソード41およびアノード42を含む。
FIG. 1 is an overall configuration diagram of a
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4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。 Here, the hydrogen separation membrane battery is a fuel cell provided with a hydrogen separation membrane layer. The hydrogen separation membrane layer is a layer formed of a metal having hydrogen permeability, and can be formed of, for example, palladium, a palladium alloy, or the like. The hydrogen separation membrane battery has a structure in which the hydrogen separation membrane layer and an electrolyte having proton conductivity are laminated. Hydrogen supplied to the anode of the hydrogen separation membrane battery is converted into protons via a catalyst, moves through proton conductive electrolyte, and combines with oxygen at the cathode to become water. Therefore, most of the water or water vapor generated from the fuel cell 4 is contained in the cathode offgas.
燃料タンク1は、配管101を介して内燃機関2に接続されている。また、燃料タンク1は、配管103を介して配管102の途中に接続されている。内燃機関2は、配管102を介して改質部3に接続されている。改質部3は、配管104を介して燃料電池4のアノード42に接続されている。アノード42は、配管105を介して排気触媒5に接続されている。カソード41は、配管106を介して気液分離器6に接続されている。気液分離器6は、配管107を介して内燃機関2に接続されている。
The fuel tank 1 is connected to the
次に、ハイブリッドシステム100の動作について説明する。燃料タンク1は、制御部7の指示に従って、配管101を介して必要な量の燃料を内燃機関2に供給する。また、燃料タンク1は、制御部7の指示に従って、配管103,102を介して必要な量の燃料を改質部3に供給する。燃料としては、ガソリン、メタノール等の炭化水素系燃料を用いることができる。
Next, the operation of the
内燃機関2は、制御部7の指示に従って、燃料タンク1から供給された燃料と空気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。混合気の燃焼によって発生した高温の燃焼排ガスは、配管102を介して改質部3に供給される。燃焼排ガスには、水蒸気等が含まれる。
The
改質部3においては、燃料タンク1から供給された燃料と燃焼排ガスとから水素ガスを含む改質ガスが生成される。まず、燃料と燃焼排ガス中の水蒸気とから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と燃焼排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。この場合、燃焼排ガスが高温であることから、燃料の気化および水蒸気改質反応が促進される。それにより、改質部3を加熱する手段を新たに設ける必要がなくなる。その結果、ハイブリッドシステム100のシステム効率が向上する。
In the reforming
また、内燃機関2の燃焼排ガスには水蒸気が多量に含まれるため、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。さらに、改質ガス中の水素により改質部3内の雰囲気が水素還元雰囲気となる。それにより、内燃機関2の燃焼排ガス中の窒素酸化物が改質部3において還元される。したがって、後述する排気触媒5における浄化反応が簡略化される。その結果、排気触媒5の構造を簡略化することができる。
In addition, since the combustion exhaust gas of the
改質部3において生成された改質ガスは、配管104を介して燃料電池4のアノード42に供給される。アノード42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42において水素イオンに変換されなかった水素および改質部3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105を介して排気触媒5に供給される。排気触媒5においては、アノードオフガスが触媒を介して発熱を伴いながら酸化してハイブリッドシステム100の外部に排出される。このアノードオフガスの酸化熱は、改質部3における水蒸気改質反応に用いられる。したがって、改質部3における水蒸気改質反応に必要な熱を発生する熱発生手段を新たに設ける必要がない。その結果、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、ハイブリッドシステム100のシステム効率が向上する。
The reformed gas generated in the reforming
カソード41には、図示しないエアポンプ等により外部から空気が供給される。カソード41においては、アノード42において発生した水素イオンとカソード41に供給された空気中の酸素との反応により水が生成されるとともに電力が発生する。この生成された水を以下、生成水と呼ぶ。生成水は、燃料電池4において発生する熱によって水蒸気となる。本実施例の場合、燃料電池4は水素分離膜電池であることから、燃料電池4の作動温度は300〜600℃程度である。それにより、生成水は確実に水蒸気となる。生成水と水素イオンと反応しなかったエアとは、カソードオフガスとして配管106を介して気液分離器6に供給される。
Air is supplied to the
気液分離器6は、カソードオフガス中の気体と液体とを分離し、分離した液体をハイブリッドシステム100の外部に排出し、分離した気体を配管107を介して内燃機関2に供給する。それにより、燃料電池4の温度が燃料電池4の作動温度に到達していない場合であっても、生成水に液体の水が含まれていても、その液体の水が内燃機関2に供給されることが防止される。その結果、内燃機関2の燃焼室に供給される生成水に液体の水が含まれなくなる。
The gas-liquid separator 6 separates the gas and the liquid in the cathode off gas, discharges the separated liquid to the outside of the
以上のことから、内燃機関2の燃焼室に供給される生成水の拡散性が向上する。それにより、内燃機関2の燃焼室内において生成水が均一に拡散する。したがって、内燃機関2の燃焼室が均一に冷却される。その結果、燃料の燃焼による窒素酸化物の発生が抑制される。また、内燃機関2の燃焼室内に生成水が供給されることにより、内燃機関2の燃焼室内における燃焼効率が向上する。その結果、ハイブリッドシステム100のシステム効率が向上する。
From the above, the diffusibility of the generated water supplied to the combustion chamber of the
なお、本実施例においては燃料電池4として水素分離膜電池を用いたが、作動温度が水の沸点以上であれば他の燃料電池を用いることができる。この場合、固体酸化物形燃料電池のようにアノードにおいて水素イオンおよび酸素から水が生成する燃料電池を用いる場合には、アノードオフガスを内燃機関2に供給する構成とすれば、本実施に係るハイブリッドシステム100と同様の効果が得られる。
In this embodiment, a hydrogen separation membrane battery is used as the fuel cell 4, but other fuel cells can be used as long as the operating temperature is equal to or higher than the boiling point of water. In this case, when a fuel cell in which water is generated from hydrogen ions and oxygen at the anode, such as a solid oxide fuel cell, is used, if the anode off gas is supplied to the
また、本実施例においては、配管106,107が生成水供給手段に相当し、気液分離器6が回避手段に相当する。
In this embodiment, the
次に、本発明の第2実施例に係るハイブリッドシステム100aについて説明する。図2は、ハイブリッドシステム100aの全体構成を示す図である。図2に示すように、ハイブリッドシステム100aがハイブリッドシステム100と異なる点は、気液分離器6の代わりに切替弁8が設けられている点および燃料電池4に温度センサ9が設けられている点である。切替弁8は三方コック等から構成されており、配管106,107に接続されるとともに、ハイブリッドシステム100aの外部に通じている。ハイブリッドシステム100aのその他の構成は、ハイブリッドシステム100の構成と同様である。なお、温度センサ9は、配管106に設けられていてもよい。この場合、カソードオフガスの温度をより正確に検出することができる。
Next, a
次いで、ハイブリッドシステム100aの動作について説明する。温度センサ9は、燃料電池4の温度を検出して、制御部7にその検出値を与える。温度センサ9は、例えば、カソード41の温度を検出することができる。それにより、制御部7は、カソードオフガスの温度を検出することができる。切替弁8は、制御部7の指示に従って、カソード41から供給されたカソードオフガスを配管107およびハイブリッドシステム100a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。ハイブリッドシステム100aのその他の動作は、ハイブリッドシステム100の動作と同様である。
Next, the operation of the
図3は、燃料電池4の動作が開始した後に制御部7が切替弁8を制御するフローチャートを示す図である。図3に示すように、制御部7は、温度センサ9から温度検出値を受け取る(ステップS1)。次に、制御部7は、燃料電池4の温度が所定の温度に到達しているか否かを判定する(ステップS2)。この場合、所定の温度とは、水の沸点以上の温度であれば特に限定されず、例えば、100℃とすることができる。
FIG. 3 is a flowchart showing how the
ステップS2において燃料電池4の温度が所定の温度に到達していると判定された場合、制御部7は、切替弁8を制御してカソードオフガスを内燃機関2に供給する(ステップS3)。以下、制御部7は、ステップS1の動作から繰り返す。
When it is determined in step S2 that the temperature of the fuel cell 4 has reached a predetermined temperature, the
ステップS2において燃料電池4の温度が所定の温度に到達していると判定されなかった場合、制御部7は、切替弁8を制御してカソードオフガスをハイブリッドシステム100aの外部に排出する(ステップS4)。以下、制御部7は、ステップS1の動作から繰り返す。
If it is not determined in step S2 that the temperature of the fuel cell 4 has reached the predetermined temperature, the
以上のように、燃料電池4の温度が水の沸点以上に到達していなければカソードオフガスがハイブリッドシステム100aの外部に排出される。それにより、液体の水が内燃機関2の燃焼室に供給されることが防止される。その結果、内燃機関2の燃焼室内の不均一な冷却を防止することができる。
As described above, if the temperature of the fuel cell 4 does not reach the boiling point of water or more, the cathode off gas is discharged to the outside of the
なお、本実施例においては、配管106,107および切替弁8が生成水供給手段に相当し、制御部7および温度センサ9が判定手段に相当し、制御部7が制御手段に相当する。また、暖機状態とは、燃料電池4の温度が水の沸点以下の温度にある状態または配管106の温度が水の沸点以下の温度にある状態のことをいう。
In this embodiment, the
次に、本発明の第3実施例に係るハイブリッドシステム100bについて説明する。図4は、ハイブリッドシステム100bの全体構成を示す図である。図4に示すように、ハイブリッドシステム100bがハイブリッドシステム100と異なる点は、気液分離器6の代わりに切替弁8が設けられている点、配管106に温度センサ9が設けられている点および配管108が設けられている点である。
Next, a
切替弁8は三方コック等から構成されており、配管106,107に接続されるとともに、配管108を介して改質部3に接続されている。ハイブリッドシステム100bのその他の構成は、ハイブリッドシステム100の構成と同様である。なお、温度センサ9は、燃料電池4に設けられていてもよい。この場合、燃料電池4の温度からカソードオフガスの温度を検出することができる。
The switching
次いで、ハイブリッドシステム100bの動作について説明する。温度センサ9は、配管106の温度を検出して、制御部7にその検出値を与える。それにより、制御部7は、カソードオフガスの温度をより正確に検出することができる。切替弁8は、制御部7の指示に従って、カソード41から供給されたカソードオフガスを配管107および配管108のいずれか一方または両方に供給する。配管108に供給されたカソードオフガスは、改質部3に供給される。カソードオフガス中の生成水は、改質部3における水蒸気改質反応に用いられる。したがって、改質部3における水蒸気不足が防止される。ハイブリッドシステム100bのその他の動作は、ハイブリッドシステム100の動作と同様である。
Next, the operation of the
図5は、燃料電池4の動作が開始した後に制御部7が切替弁8を制御する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7は、温度センサ9から温度検出値を受け取る(ステップS11)。次に、制御部7は、配管106の温度が所定の温度に到達しているか否かを判定する(ステップS12)。この場合、所定の温度とは、水の沸点以上の温度であれば特に限定されず、例えば、100℃とすることができる。
FIG. 5 is a diagram illustrating a flowchart in which the
ステップS12において配管106の温度が所定の温度に到達していると判定された場合、制御部7は、切替弁8を制御してカソードオフガスを内燃機関2に供給する。以下、制御部7は、ステップS11の動作から繰り返す。
When it is determined in step S <b> 12 that the temperature of the
ステップS12において配管106の温度が所定の温度に到達していると判定されなかった場合、制御部7は、切替弁8を制御してカソードオフガスを配管108を介して改質部3に供給する。以下、制御部7は、ステップS11の動作から繰り返す。
When it is not determined in step S12 that the temperature of the
以上のように、配管106の温度が水の沸点以上に到達していなければカソードオフガスが改質部3に供給される。それにより、液体の水が内燃機関2の燃焼室に供給されることが防止される。その結果、内燃機関2の燃焼室内の不均一な冷却を防止することができる。また、改質部3における水蒸気不足が防止される。さらに、カソードオフガスが改質部3に供給されれば、改質部3における水蒸気不足が防止される。
As described above, if the temperature of the
なお、本実施例においては、配管106,107および切替弁8が生成水供給手段に相当し、制御部7および温度センサ9が判定手段に相当し、制御部7が制御手段に相当する。また、暖機状態とは、燃料電池4の温度が水の沸点以下の温度にある状態または配管106の温度が水の沸点以下の温度にある状態のことをいう。
In this embodiment, the
1 燃料タンク
2 内燃機関
3 改質部
4 燃料電池
41 カソード
42 アノード
5 排気触媒
6 気液分離器
7 制御部
8 切替弁
9 温度センサ
100,100a,100b ハイブリッドシステム
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (5)
燃焼室を備え、前記燃焼室において燃料および酸素により燃焼を行う内燃機関と、
前記燃料電池において生成される生成水を前記燃焼室に供給する生成水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。 A fuel cell whose operating temperature is above the boiling point of water;
An internal combustion engine that includes a combustion chamber and that burns with fuel and oxygen in the combustion chamber;
A hybrid system comprising: generated water supply means for supplying generated water generated in the fuel cell to the combustion chamber.
前記判定手段により前記燃料電池が暖機状態であると判定された場合に、前記燃焼室への前記生成水の供給を停止するように前記生成水供給手段を制御する制御手段と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。 Determining means for determining whether or not the fuel cell is in a warm-up state;
And a control means for controlling the generated water supply means to stop the supply of the generated water to the combustion chamber when the determining means determines that the fuel cell is in a warm-up state. The hybrid system according to claim 1.
The hybrid system according to claim 1, wherein the fuel cell is a hydrogen separation membrane fuel cell.
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