JP2006156089A - ハイブリッドシステム - Google Patents
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Abstract
【課題】 燃料電池および内燃機関に供給する改質ガスの割合を制御して要求出力を得ることができるハイブリッドシステムを提供する。
【解決手段】 燃料電池4と、内燃機関3と、炭化水素系燃料から水素を含む改質ガスを生成し、改質ガスを燃料電池4および内燃機関3に供給する改質手段1と、要求負荷の変動に応じて燃料電池4および内燃機関3への改質ガスの供給割合を制御する供給割合制御手段(2,7)とを備える。改質手段1により改質ガスが生成され、供給割合制御手段(2,7)により要求負荷の変動に応じて燃料電池4および内燃機関3への改質ガスの供給割合が制御される。この場合、要求負荷を得るために必要な改質ガスを燃料電池4および内燃機関3のそれぞれに供給することができる。それにより、所望の出力を得ることができる。
【選択図】 図1
【解決手段】 燃料電池4と、内燃機関3と、炭化水素系燃料から水素を含む改質ガスを生成し、改質ガスを燃料電池4および内燃機関3に供給する改質手段1と、要求負荷の変動に応じて燃料電池4および内燃機関3への改質ガスの供給割合を制御する供給割合制御手段(2,7)とを備える。改質手段1により改質ガスが生成され、供給割合制御手段(2,7)により要求負荷の変動に応じて燃料電池4および内燃機関3への改質ガスの供給割合が制御される。この場合、要求負荷を得るために必要な改質ガスを燃料電池4および内燃機関3のそれぞれに供給することができる。それにより、所望の出力を得ることができる。
【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。
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内燃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、改質ガスを内燃機関および燃料電池の燃料として用いることができる。
特開平9−129253号公報
しかしながら、特許文献1の技術では、改質ガスの供給比率を制御することができない。したがって、燃料電池および内燃機関のそれぞれに要求される改質ガスを供給することができない。その結果、要求出力を得ることができない。
本発明は、燃料電池および内燃機関に供給する改質ガスの割合を制御して要求出力を得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。
本発明に係るハイブリッドシステムは、燃料電池と、内燃機関と、炭化水素系燃料から水素を含む改質ガスを生成し、改質ガスを燃料電池および内燃機関に供給する改質手段と、燃料電池および内燃機関に水素を含む改質ガスを供給する改質手段と、要求負荷の変動に応じて燃料電池および内燃機関への改質ガスの供給割合を制御する供給割合制御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、改質手段により改質ガスが生成され、供給割合制御手段により要求負荷の変動に応じて燃料電池および内燃機関への改質ガスの供給割合が制御される。この場合、要求負荷を得るために必要な改質ガスを燃料電池および内燃機関のそれぞれに供給することができる。それにより、所望の出力を得ることができる。
供給割合制御手段は、要求負荷が増加する場合に燃料電池への改質ガスの供給比率を減少させてもよい。この場合、燃料電池に炭化水素系燃料が供給されることが防止される。したがって、燃料電池が炭化水素被毒されることが防止される。
供給割合制御手段は、要求負荷が増加する場合に、燃料電池への改質ガスの供給比率を所定の時間減少させた後に段階的に増加させてもよい。この場合、燃料電池の炭化水素被毒を防止できるとともに、燃料電池による発電が停止することを防止できる。
燃料電池により蓄電される蓄電手段をさらに備え、供給割合制御手段は、要求負荷が減少する場合に燃料電池への改質ガスの供給比率を増加させてもよい。この場合、改質ガス中の余剰水素が燃料電池に供給される。それにより、内燃機関における過剰燃焼を防止することができるとともに、燃料電池により発生した余剰電力を蓄電手段に蓄電することができる。その結果、ハイブリッドシステム全体のシステム効率が向上する。
燃料電池により蓄電される蓄電手段をさらに備え、供給割合制御手段は、要求負荷が減少する場合に燃料電池への改質ガスの供給比率を所定の時間増加させた後に段階的に減少させてもよい。この場合、内燃機関の過剰燃焼を防止できるとともに、内燃機関の動作が停止することを防止できる。
本発明によれば、要求負荷を得るために必要な改質ガスを燃料電池および内燃機関のそれぞれに供給することができる。それにより、所望の出力を得ることができる。
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の全体構成を示す図である。図1に示すように、ハイブリッドシステム100は、改質部1、制御弁2、内燃機関3、燃料電池4、排気触媒5、蓄電池6、制御部7およびアクセル8を備える。燃料電池4は、アノード41およびカソード42を含む。制御弁2は、三方コック等からなる。
改質部1には、燃料と後述するカソードオフガスとが供給される。改質部1においては、燃料とカソードオフガスとから水素を含む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1において生成された改質ガスは、制御弁2に供給される。
制御弁2は、制御部7の指示に従って、燃料電池4のアノード42および内燃機関3に改質ガスを供給する。この場合、制御弁2は、制御部7の指示に従って、アノード42および内燃機関3への改質ガス供給割合を制御する。
内燃機関3は、制御部7の指示に従って、エア、燃料および供給された改質ガス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3は、水素及び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。内燃機関3の動作により発生する出力は、ハイブリッドシステム100に要求される負荷(以下、要求負荷と呼ぶ。)に用いられる。内燃機関3から排出される燃焼排ガスは、排気触媒5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は、アノードオフガスとして排気触媒5に供給される。
排気触媒5においては、内燃機関3の燃焼排ガスおよびアノードオフガスが排気触媒5の触媒により酸化し、ハイブリッドシステム100の外部に排出される。このように、燃焼排ガスおよびアノードオフガス中の不完全燃焼成分が排出されることが防止されることから、エミッションの悪化を抑制できる。
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4において発生する熱によって水蒸気となる。カソード41において発生した水蒸気およ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改質部1に供給され、それぞれ水蒸気改質反応および部分酸化反応に用いられる。また燃料電池4において発生した電力は蓄電池6に供給される。蓄電池6に蓄電された電力は、電動機等に供給されることにより要求負荷に用いられる。アクセル8は、使用者の操作によるアクセル開度を制御部7に与える。
以上のように、制御弁2によって燃料電池4および内燃機関3に必要な量の改質ガスが供給される。したがって、燃料電池4および内燃機関3の出力を組み合わせることにより、所望の出力を得ることができる。
なお、制御部7は、蓄電池6の蓄電残量が低下している場合に燃料電池4への改質ガス供給割合を増加させてもよい。また、制御部7は、燃料電池4および内燃機関3の熱効率が高くなるように改質ガス供給割合を制御してもよい。例えば、要求負荷が小さい場合には燃料電池4への改質ガス供給割合を増加させ、要求負荷が大きい場合には内燃機関3への改質ガス供給割合を増加させることもできる。
次に、アクセル8のアクセル開度と要求負荷との関係を説明する。図2は、アクセル8のアクセル開度と要求負荷との関係を示す図である。図2の縦軸は要求負荷を示し、図2の横軸はアクセル8のアクセル開度を示す。図2に示すように、アクセル8のアクセル開度と要求負荷とは比例関係にあり、アクセル開度の増加に伴い要求負荷も増加する。制御部7は、図2に基づいてアクセル8のアクセル開度から要求負荷を計算する。
図3は、要求負荷と改質ガス供給割合との関係の一例を示す図である。図3(a)の縦軸は要求負荷を示し、図3(a)の横軸は時間を示す。図3(b)の縦軸は燃料電池4に対する改質ガス供給割合を示し、図3(b)の横軸は時間を示す。図3(c)の縦軸は内燃機関3に対する改質ガス供給割合を示し、図3(c)の横軸は時間を示す。
図3に示すように、要求負荷に変動がない場合には改質ガス供給割合は一定である。要求負荷が増大すると図1の制御部7は、所定の時間、燃料電池4への改質ガス供給割合を減少させ、内燃機関3への改質ガス供給割合を増加させる。
ここで、要求負荷が増大すると、図1の改質部1に供給される燃料が増加する。この場合、改質部1における水蒸気改質反応が未完了となる。それにより、改質部1から制御弁2に供給される改質ガスには燃料が含まれる。しかしながら、図3のように改質ガス供給割合を制御することにより、燃料がアノード42に供給されることが防止される。その結果、アノード42の触媒が炭化水素被毒されることが防止される。要求負荷の増加分は、内燃機関3により出力される。
また、図3に示すように、要求負荷が減少すると制御部7は、所定の時間、燃料電池4への改質ガス供給割合を増加させ、内燃機関3への改質ガス供給割合を減少させる。ここで、要求負荷が減少すると、図1の改質部1に供給される燃料が減少するが、水蒸気改質反応により生成した水素が改質部1に残留する。それにより、要求負荷に必要な量以上の水素が改質ガス中に含まれる。しかしながら、図3のように改質ガス供給割合を制御することにより、余剰水素が燃料電池4に供給される。それにより、内燃機関3における過剰燃焼を防止することができるとともに、燃料電池4により発生した余剰電力を蓄電池6に蓄電することができる。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。
なお、改質ガス供給割合の変動量を改質ガス供給割合変動量ΔPと呼び、要求負荷の変動量を要求負荷変動量ΔQと呼び、要求負荷が変動する前の負荷を負荷Qと呼び、改質ガス供給割合を増加または減少させる時間を緩和時間Tと呼ぶ。
要求負荷が増加する場合の改質ガス供給割合変動量ΔPと要求負荷が減少する場合の改質ガス供給割合変動量ΔPとは同じ量でなくても構わない。また、後述するように、改質ガス供給割合変動量ΔPは、要求負荷、要求負荷変動量ΔQ、緩和時間T等によって変動する。
図4は、改質ガス供給割合変動量ΔP、要求負荷変動量ΔQ、負荷Qおよび緩和時間Tの関係を示す図である。図4の縦軸は要求負荷変動量ΔQと負荷Qとの比(以下、変動比ΔQ/Qと呼ぶ。)を示し、図4の横軸は改質ガス供給割合変動量ΔPを示す。
図4に示すように、変動比ΔQ/Qが増加するにつれて改質ガス供給割合変動量ΔPが増加する。それにより、要求負荷の増大量が大きくても、アノード42の炭化水素被毒を確実に防止することができる。また、要求負荷の減少量が大きくても、内燃機関3における過剰燃焼を確実に防止できるとともに、燃料電池4によって発生する余剰電力を確実に蓄電池6に蓄電することができる。
また、図4に示すように、変動比ΔQ/Qが増加するにつれて緩和時間Tを大きい値に設定してもよい。この場合、要求負荷の増大量が大きくても、改質部1における水蒸気改質反応が完了するまでアノード42に燃料を含有する改質ガスが供給されることが防止される。したがって、アノード42の炭化水素被毒が確実に防止される。また、要求負荷の減少量が大きくても、改質ガス中の余剰水素が燃料電池4によって消費されるまで内燃機関3に余剰水素が供給されることが防止される。したがって、ハイブリッドシステム100のシステム効率が確実に向上する。
図5は、燃料電池4および内燃機関3が動作する場合に制御部7が制御弁2の制御を行う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、要求負荷が変動したか否かを判定する(ステップS1)。この場合、制御部7は、図2に基づいて判定する。ステップS1において要求負荷が変動したと判定された場合には、制御部7は、要求負荷が増大したか否かを判定する(ステップS2)。
ステップS2において要求負荷が増大したと判定された場合には、制御部7は、燃料電池4に対する改質ガス供給割合が減少するように制御弁2を制御する(ステップS3)。この場合、図3および図4に基づいて制御弁2を制御する。以下、制御部7は、ステップS1の動作から繰り返す。
ステップS1において要求負荷が変動したと判定されなかった場合には、制御部7は待機する。ステップS2において要求負荷が増大したと判定されなかった場合には、制御部7は、燃料電池4に対する改質ガス供給割合が増大するように制御弁2を制御する(ステップS4)。この場合、図3および図4に基づいて制御弁2を制御する。
以上のように、要求負荷が増加しても、アノード42の炭化水素被毒を防止できる。また要求負荷が減少しても、内燃機関3における過剰燃焼を防止できるとともに余剰電力を蓄電池6に蓄電することができる。
図6は、要求負荷と改質ガス供給割合との関係の他の例を示す図である。図6(a)の縦軸は要求負荷を示し、図6(a)の横軸は時間を示す。図6(b)の縦軸は燃料電池4に対する改質ガス供給割合を示し、図6(b)の横軸は時間を示す。図6(c)の縦軸は内燃機関3に対する改質ガス供給割合を示し、図6(c)の横軸は時間を示す。
図6に示すように、要求負荷に変動がない場合には改質ガス供給割合は一定である。要求負荷が増大すると図1の制御部7は、燃料電池4への改質ガス供給割合を減少させる。所定の時間経過後、制御部7は、燃料電池4への改質ガス供給割合を段階的に増加させる。このように、燃料電池4への改質ガス供給割合を段階的に増加させることにより、アノード42における炭化水素被毒を防止できるとともに、燃料電池4による発電が停止することを防止できる。
また、要求負荷が減少すると制御部7は、内燃機関3への改質ガス供給割合を減少させる。所定の時間経過後、制御部7は、内燃機関3への改質ガス供給割合を段階的に増加させる。このように、内燃機関3への改質ガス供給割合を段階的に増加させることにより、内燃機関3の過剰燃焼を防止できるとともに、内燃機関3の動作が停止することを防止できる。
なお、内燃機関3の出力を発電機等により電力に変換し、蓄電池6に蓄電する構成としてもよい。また、燃料電池4として固体酸化物形燃料電池等を用いた場合には、アノードオフガス中の水蒸気を改質部1における水蒸気改質反応に利用することができる。
本実施例においては、改質部1が改質手段に相当し、制御弁2および制御部7が供給割合制御手段に相当し、蓄電池6が蓄電手段に相当する。
1 改質部
2 制御弁
3 内燃機関
4 燃料電池
5 排気触媒
6 蓄電池
7 制御部
8 アクセル
41 カソード
42 アノード
100 ハイブリッドシステム
2 制御弁
3 内燃機関
4 燃料電池
5 排気触媒
6 蓄電池
7 制御部
8 アクセル
41 カソード
42 アノード
100 ハイブリッドシステム
Claims (5)
- 燃料電池と、
内燃機関と、
炭化水素系燃料から水素を含む改質ガスを生成し、前記改質ガスを前記燃料電池および前記内燃機関に供給する改質手段と、
要求負荷の変動に応じて前記燃料電池および前記内燃機関への改質ガスの供給割合を制御する供給割合制御手段とを備えたことを特徴とするハイブリッドシステム。 - 前記供給割合制御手段は、前記要求負荷が増加する場合に、前記燃料電池への前記改質ガスの供給比率を減少させ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。
- 前記供給割合制御手段は、前記要求負荷が増加する場合に、前記燃料電池への前記改質ガスの供給比率を所定の時間減少させた後に段階的に増加させ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。
- 前記燃料電池により蓄電される蓄電手段をさらに備え、
前記供給割合制御手段は、前記要求負荷が減少する場合に前記燃料電池への前記改質ガスの供給比率を増加させる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。 - 前記燃料電池により蓄電される蓄電手段をさらに備え、
前記供給割合制御手段は、前記要求負荷が減少する場合に前記燃料電池への前記改質ガスの供給比率を所定の時間増加させた後に段階的に減少させる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。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2004343807A JP2006156089A (ja) | 2004-11-29 | 2004-11-29 | ハイブリッドシステム |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2004343807A JP2006156089A (ja) | 2004-11-29 | 2004-11-29 | ハイブリッドシステム |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2006156089A true JP2006156089A (ja) | 2006-06-15 |
Family
ID=36634114
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2004343807A Pending JP2006156089A (ja) | 2004-11-29 | 2004-11-29 | ハイブリッドシステム |
Country Status (1)
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JP (1) | JP2006156089A (ja) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2008298045A (ja) * | 2007-06-04 | 2008-12-11 | Nissan Motor Co Ltd | 内燃機関システム |
JP2011049113A (ja) * | 2009-08-28 | 2011-03-10 | Isuzu Motors Ltd | 車両補機電源用燃料電池の水素ガス後処理システム |
-
2004
- 2004-11-29 JP JP2004343807A patent/JP2006156089A/ja active Pending
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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