JP2006156089A - ハイブリッドシステム - Google Patents

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

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。

本発明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。 アクセルのアクセル開度と要求負荷との関係を示す図である。 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。 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。 燃料電池および内燃機関が動作する場合に制御部が制御弁の制御を行うフローチャートを示す図である。 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。

符号の説明

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

Claims (5)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
   
   

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