JP2019008895A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池システムに関し、燃料電池の発電状態の安定性を向上させる。【解決手段】エンジン１の排気通路に改質器２を介装する。排気ガスに含まれる炭化水素を改質器２で改質し、水素ガスを生成する。改質器２で生成された水素ガスを燃料として発電する燃料電池３を設ける。改質器２から排出される改質ガスと燃料電池３のオフガスとの混合気をエンジン１の吸気系に再循環させる混合気再循環通路５を設ける。混合気における改質ガス及びオフガスの混合率を混合率制御弁４３で制御する。混合率は、改質器２の温度に応じて制御装置２９で制御する。【選択図】図２

Description

本発明は、エンジンの排気ガスを利用した燃料電池システムに関する。

従来、燃料電池のオフガスをエンジンの吸入空気に混合させることで、エンジンの排気ガス性能や燃焼安定性を改善する技術が知られている。例えば、固体酸化物型燃料電池（SOFC；Solid Oxide Fuel Cell）のアノードから排出される高温のオフガスには二酸化炭素（CO₂）が多く含まれ、酸素（O₂）がほとんど含まれていない。また、溶融炭酸塩型燃料電池（MCFC；Molten Carbonate Fuel Cell）のオフガス成分も同様である。これらのオフガスをエンジンの吸気系に導入することで、エンジン筒内の燃焼温度を低下させることができ、ノッキングを発生しにくくすることができる（特許文献１，２参照）。

一方、エンジンの排気ガスを燃料電池に供給して発電させる技術も提案されている。エンジンの排気ガスには未燃炭化水素成分（HC）が含まれていることから、水蒸気改質や部分酸化改質などの処理を施すことで水素ガスを生成することができる。この水素ガスを燃料電池の燃料として利用することで、エンジンの排気ガスを浄化しつつ発電することができる（特許文献３参照）。

特開2013-189880号公報 特開2011-171217号公報 特開2016-178054号公報

燃料電池のオフガスをエンジンの吸気系に導入する既存の再循環システムでは、エンジンの運転状態に応じてオフガスの導入量が制御されている。上記の特許文献１では、エンジン回転数とエンジン負荷とに応じて要求排気量を設定し、実排気量と要求排気量との比較によりオフガスの導入量を決定している。一方、エンジンから排出される排気ガスの温度は、オフガスの導入量に応じて変動しうる。したがって、この排気ガスを利用して燃料電池で発電した場合には、エンジンの運転状態によって燃料電池や改質器の温度が所望の動作温度範囲から逸脱しやすくなってしまう。このように、燃料電池のオフガスとエンジンの排気ガスとの相互利用が実施される発電システムにおいては、発電状態を安定させるうえで改善の余地がある。

本件の目的の一つは、上記のような課題に鑑みて創案されたものであり、燃料電池の発電状態を安定させた燃料電池システムを提供することである。なお、この目的に限らず、後述する「発明を実施するための形態」に示す各構成から導き出される作用効果であって、従来の技術では得られない作用効果を奏することも、本件の他の目的として位置付けることができる。

（１）開示の燃料電池システムは、エンジンの排気通路に介装され、排気ガスに含まれる炭化水素を改質して水素ガスを生成する改質器と、前記改質器で生成された前記水素ガスを燃料として発電する燃料電池とを備える。また、前記改質器から排出される改質ガスと前記燃料電池のオフガスとの混合気を前記エンジンの吸気系に再循環させる混合気再循環通路と、前記混合気における前記改質ガス及び前記オフガスの混合率を制御する混合率制御弁とを備える。さらに、前記改質器の温度に応じて前記混合率制御弁の前記混合率を調節する制御装置を備える。

（２）前記制御装置が、前記改質器の温度が高いほど前記オフガスの割合を増加させ、前記改質器の温度が低いほど前記改質ガスの割合を増加させることが好ましい。
（３）前記混合気再循環通路に介装され、前記混合気を冷却する熱交換器と、前記熱交換器で冷却された前記混合気の水分を回収する水タンクと、前記水タンクで回収された前記水分を前記改質器の内部に供給する水噴射弁とを備えることが好ましい。
（４）前記制御装置が、前記水タンクに回収された前記水分の残量が少ないほど前記オフガスの割合が増加するように、前記混合率制御弁の前記混合率を制御することが好ましい。

燃料電池のオフガスに含まれる二酸化炭素はエンジンの燃焼抑制剤として機能し、エンジンの排気ガスの温度を低下させるように作用する。一方、改質ガスに含まれる水素ガスはエンジンの燃焼促進剤（助燃剤）として機能し、エンジンの排気ガス温度を上昇させるように作用する。オフガスと改質ガスとの混合率を調節することで、エンジンから排出される排気ガスの温度を制御することができ、改質器に導入される排気ガスの温度を制御することができる。したがって、改質器や燃料電池を所望の動作温度範囲に維持しやすくなり、燃料電池での発電状態の安定化を図ることができる。

燃料電池システムが適用された車両の側面図である。 燃料電池システムの構成を示す模式図である。 （Ａ）〜（Ｅ）は弁の開度特性を説明するためのグラフである。 燃料電池システムの制御手順を説明するためのフローチャートである。

以下、図面を参照して実施形態としての燃料電池システムについて説明する。以下の実施形態はあくまでも例示に過ぎず、以下の実施形態で明示しない種々の変形や技術の適用を排除する意図はない。本実施形態の各構成は、それらの趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。また、必要に応じて取捨選択することができ、あるいは適宜組み合わせることができる。

［１．装置構成］
図１に、本実施形態の燃料電池システムが適用された車両１０を示す。この車両１０は、駆動源としてのエンジン１と電動機２６（走行用モータージェネレーター）とを搭載したシリーズ・パラレル併用方式のハイブリッド自動車である。エンジン１は、例えばディーゼルエンジンやガソリン直噴エンジンなどの内燃機関であり、燃料（ガソリン，軽油など）を含む混合気をシリンダー内で燃焼させることで回転軸を駆動する。電動機２６は、モーターとしての機能（車両駆動機能）とジェネレーターとしての機能（回生発電機能）とを併せ持つ交流電動発電機である。これらのエンジン１及び電動機２６は、駆動輪に対して並列に接続され、各々が独立して駆動力を伝達可能に設けられる。

エンジン１には、発電機２７（発電用モータージェネレーター）が接続される。発電機２７は、エンジン１の駆動力を利用して発電するジェネレーターとしての機能と、エンジン１を始動させるスターターとしての機能とを兼ね備えた交流電動発電機である。電動機２６，発電機２７のそれぞれは、駆動用バッテリー２５に接続される。駆動用バッテリー２５は、例えばリチウムイオン二次電池やニッケル水素電池などの二次電池である。駆動用バッテリー２５は、電動機２６の回生電力や発電機２７の発電電力で充電可能であり、かつ、外部充電設備を利用した外部充電も可能である。

車両１０には、燃料電池３とその燃料ガスを生成するための改質器２とが搭載される。本実施形態の燃料電池システムでは、エンジン１の排気ガスと燃料電池３のオフガス（燃料電池３のアノード側から排出されるガス）との相互利用が実施される。すなわち、エンジン１の排気ガスが燃料電池３のアノードに導入され、燃料電池３のオフガスがエンジン１の吸気系に導入されるようになっている。燃料電池３で発電された電力は駆動用バッテリー２５に充電される。

図２は、本実施形態の燃料電池システムの構成例である。ここでは、エンジン１に設けられる複数のシリンダーの一つを例示する。各シリンダーには、燃料タンク２８に接続された筒内インジェクター２０が設けられる。また、エンジン１には、排気ガスを排気通路１４から吸気通路１２へと再循環させる排気再循環システム〔EGR（Exhaust Gas Recirculation）システム〕が搭載される。排気再循環通路２２（EGR通路）は、例えばエキゾーストマニホールド（エキマニ）とインテークマニホールド（インマニ）とを連通するように形成される。排気再循環通路２２の経路上には、排気冷却装置２３（EGRクーラー）と排気再循環弁２４（EGR弁）とが設けられる。図中の黒矢印は排気ガスの流れを示し、白矢印は外気の流れを示す。

排気再循環通路２２を流通する排気ガスは、排気冷却装置２３で冷却された後に排気再循環弁２４を通って吸気通路１２へと還流する。このように、排気通路１４から吸気通路１２へと再循環する排気ガスのことをEGRガスと呼ぶ。EGRガスの導入位置は、吸気通路１２に介装されるスロットルバルブ１３よりも下流側（シリンダーに近い側）に設定される。また、EGRガスの導入量は、排気再循環弁２４の開度と上下流の圧力差に応じた量となる。排気再循環弁２４の開度は、エンジン１の運転状態（エンジン回転数やエンジン負荷）に応じて調節される。

排気通路１４における排気再循環通路２２との分岐位置よりも下流側には、改質器２と燃料電池３とが介装される。改質器２は、排気ガス中の未燃炭化水素成分（HC）を水素（H₂）に改質する触媒装置である。改質触媒としては、例えばニッケル（Ni）系やルテニウム（Ru）系の触媒金属が使用される。排気ガス中の未燃炭化水素成分が十分に多い運転状況では、その未燃炭化水素成分を改質して得られる水素のみを用いて燃料電池３で発電を行う。一方、排気ガス中の未燃炭化水素成分が不十分な運転状況では、排気ガス中に燃料を噴射して未燃炭化水素成分を補充し、水素の生成量を増加させる。

改質器２には、燃料を改質触媒に噴射する改質器インジェクター２１と改質器温度センサー７と水インジェクター４５とが設けられる。改質器インジェクター２１は、筒内インジェクター２０と同様の配管経路で燃料タンク２８に接続され、任意の噴射量で燃料を改質器２の内部に噴射する噴射弁である。水インジェクター４５は、改質反応で消費される水分を改質器２の内部に噴射する噴射弁である。また、改質器温度センサー７は、改質器２の温度を検出する温度センサーであり、例えば改質触媒の温度やケーシング内の温度（雰囲気温度）などを検出する。ここで検出された温度情報は、後述する制御装置２９に伝達される。

石油系液体燃料を原料とした水素の製造手法としては、おもに水蒸気改質，部分酸化改質，自己熱改質の三手法が挙げられる。水蒸気改質反応が吸熱反応であるのに対し、部分酸化改質反応は発熱反応である。したがって、部分酸化改質では外部から熱を加える必要がないが、水素の生成量でいえば水蒸気改質反応に軍配が上がる。また、自己熱改質反応は、酸素量に応じて吸発熱のバランスを制御可能である。これらの改質手法における反応式を以下に例示する。本実施形態の改質器２はこれらの手法を併用することで、水素だけでなく一酸化炭素（CO）も併せて生成し、燃料電池３のアノード側に供給する。

燃料電池３は、水素の酸化反応に伴う自由エネルギーの変化を電気エネルギーに変換する気体電池である。燃料電池３の具体例としては、固体酸化物型燃料電池（SOFC），溶融炭酸塩型燃料電池（MCFC），固体高分子型燃料電池（PEFC；Polymer Electrolyte Fuel Cell），リン酸型燃料電池（PAFC；Phosphoric Acid Fuel Cell），アルカリ電解質型燃料電池（AFC；Alkaline Fuel Cell）などが挙げられる。本実施形態の燃料電池３は固体酸化物型燃料電池（SOFC）であり、水素や一酸化炭素の酸化反応を利用して発電を実施する。燃料電池３の電極反応式を以下に例示する。

燃料電池３のアノード側と改質器２との間は燃料ガス通路８で接続され、改質器２から供給された改質ガスがアノード側に導入される。この改質ガスには水素や一酸化炭素が含まれている。一方、燃料電池３のカソード側には酸素ガス通路９が接続され、酸素（O₂）を含む空気（すなわち通常の外気）がカソード側に導入される。燃料電池３で発電された電力は駆動用バッテリー２５に充電され、電動機２６や車載電装品の駆動電力として使用される。本実施形態の燃料電池３で発電が実施されるのは、エンジン１の作動時（すなわち、排気ガスが流れているとき）のみとする。ただし、エンジン１の非作動時であっても、改質器２で生成された水素ガスを燃料電池３に送給することで発電を実施することが可能である。

排気通路１４における排気再循環通路２２との分岐位置から改質器２までの区間には、触媒通路１７が設けられる。触媒通路１７は、エンジン１と改質器２との間の排気通路１４から分岐し、改質器２の上流で再び排気通路１４に合流する形状に形成された迂回形状の通路である。触媒通路１７の経路上には、排気触媒装置１８が介装される。排気触媒装置１８は、排気ガス成分を浄化するための触媒や粒子状物質を捕集するためのフィルターを含む浄化装置である。排気触媒装置１８の内部には、触媒温度を素早く活性化温度まで昇温させるための電気ヒーター１９が内蔵される。

改質器２の下流側に設けられる燃料ガス通路８は、燃料電池３のアノード側へと続く経路と改質ガス通路４１とに分岐した形状とされる。改質ガス通路４１は、改質器２から排出される改質ガスをエンジン１の吸気通路１２へと再循環させるための通路である。改質器２から排出された改質ガスの一部は、混合ガス再循環通路５からエンジン１の吸気系へと導入される。同様に、燃料電池３のアノード下流に設けられるマフラー側通路６は、車外へと続く経路とオフガス通路４２とに分岐した形状とされる。オフガス通路４２は、燃料電池３のオフガス〔主成分は二酸化炭素（CO₂）〕をエンジン１の吸気通路１２へと再循環させるための通路である。燃料電池３のオフガスの一部は、混合ガス再循環通路５からエンジン１の吸気系へと導入される。また、その他のオフガスは、マフラー側通路６を通って車両１０の外部へ排出される。

これらの改質ガス通路４１及びオフガス通路４２は混合率制御弁４３で合流し、混合ガス再循環通路５に接続される。これにより、改質ガスとオフガスとが混ざったガス（混合ガス）が混合ガス再循環通路５を流通し、吸気通路１２に導入される。混合率制御弁４３は、改質ガスとオフガスとの混合率を制御するとともに、これらの混合ガスを混合ガス再循環通路５へと流通させる三方弁である。改質ガスとオフガスとの混合割合（混合率）は、改質器２の温度に応じて制御装置２９で制御される。

混合ガス再循環通路５には、混合ガス制御弁４と混合ガスを冷却するための混合ガスクーラー１１とが介装される。混合ガス制御弁４は、吸気通路１２に流入する混合ガス量を制御するための弁である。混合ガス再循環通路５と吸気通路１２との合流位置は、スロットルバルブ１３よりも下流側に設定される。混合ガス制御弁４の開度は、エンジン１の運転状態（エンジン回転数やエンジン負荷）に応じて制御装置２９で制御される。

混合ガスクーラー１１は、混合ガスを冷却するための熱交換器である。混合ガス再循環通路５を流通する混合ガスは、排気冷却装置２３で冷却された後に混合ガス制御弁４を通って吸気通路１２へと還流する。また、混合ガスクーラー１１の下方には、混合ガスクーラー１１で冷却された混合ガスの水分（凝結水）を回収する水タンク４４が設けられるとともに、水タンク４４の内部に貯留している水の残量を検出する水タンクセンサー４９が設けられる。ここで回収された水分は、水インジェクター４５による噴射用の水として利用される。

改質器２よりも上流側の排気通路１４の構造に関して、エンジン１から排出された排気ガスが改質器２に到達するまでの経路は、排気触媒装置１８を通過する経路と通過しない経路との二通りとなる。二つの経路の分岐点には、排気分流弁４６が介装される。排気分流弁４６は、エンジン１側から流入する排気ガスの流れを二つの経路に分けて流通させる三方弁である。排気触媒装置１８へと流れ込む排気ガスの割合（あるいは、排気ガスを二つの経路に分けるときの分割率）は、改質器２の温度に応じて制御装置２９で制御される。

排気通路１４及び触媒通路１７の合流位置と改質器２との間には、外気混合弁４７が介装される。外気混合弁４７は、排気ガスに外気を混入させるための三方弁である。外気は、車両１０の外部に対して開放された外気通路４８を通じて外気混合弁４７に導入される。外気通路４８には、外気を排気通路１４の内部へ押し込むための圧送ポンプが介装される。外気混合弁４７で混合される外気と排気ガスとの混合率（外気混合率）は、エンジン１の作動状態と改質器２の温度とに応じて制御装置２９で制御される。

［２．制御構成］
制御装置２９は、上記の混合ガス制御弁４，混合率制御弁４３，排気分流弁４６，外気混合弁４７の開度を制御する電子制御装置〔ECU（Electronic Control Unit）〕である。制御装置２９の内部には、内部バスを介して互いに接続されたプロセッサ，メモリ，インタフェイス装置などが内蔵される。プロセッサは、例えば制御ユニット（制御回路）や演算ユニット（演算回路），キャッシュメモリ（レジスタ）などを内蔵する処理装置である。また、メモリは、プログラムや作業中のデータが格納される記憶装置であり、ROM（Read Only Memory），RAM（Random Access Memory），不揮発メモリなどを含む。制御装置２９で実施される制御の内容は、ファームウェアやアプリケーションプログラムとしてメモリに記録，保存されている。プログラムの内容は、プログラムの実行時にメモリ空間内に展開され、プロセッサで実行される。

制御装置２９には、改質器温度センサー７，エンジン回転数センサー３０，インマニ圧センサー３１，エアフローセンサー３２，アクセル開度センサー３３，車速センサー３４，シフトポジションセンサー３５，水タンクセンサー４９などが接続され、これらの各種センサーで検出された情報が入力される。制御装置２９は、これらの情報に基づいてエンジン１の作動状態を把握し、燃料電池３での発電状態を制御するとともに、混合ガス制御弁４，混合率制御弁４３，排気分流弁４６，外気混合弁４７の開度を制御する。

制御装置２９は、燃料電池３の発電条件が成立しているか否かを判断し、その条件が成立している場合に燃料電池３による発電を実施する。発電条件は、例えばエンジン１が安定的に作動している状態であって、燃料タンク２８の燃料残量が所定量以上であることや、エンジン１の作動状態を問わず、駆動用バッテリー２５の充電率が所定値以下になっていることなどである。エンジン１の作動状態は、エンジン回転数，インマニ圧，吸気流量，アクセル開度，車速，シフトポジション（セレクター操作位置）などに基づいて把握される。また、燃料電池３の発電中には、改質器温度センサー７で検出された改質器２の温度に基づいて、混合ガス制御弁４，混合率制御弁４３，排気分流弁４６，外気混合弁４７のそれぞれについての開度が制御される。

混合ガス制御弁４は、燃料電池３の発電条件が成立する条件下で少なくともエンジン１の作動中に開弁され、好ましくはエンジン１が安定的に動作している状況下で開弁される。例えば、エンジン１の動作環境が酷暑環境や極寒環境ではなく、かつ、エンジン１の暖機運転が完了した後の運転中に燃料電池３が発電をしているときに、混合ガス制御弁４が開放される。一方、これらの条件が満たされなければ閉弁状態に制御され、燃料電池３のオフガスや改質ガスの再循環が阻止される。なお、エンジン１の作動中であっても燃料電池３が発電をしていなければ、混合ガス制御弁４が閉鎖されるものとする。

混合ガス制御弁４の開度は、改質器２の温度が高いほど大きくなるように制御される。例えば、図３（Ａ）に示すように、改質器２の温度が第一温度T₁未満のときには混合ガス制御弁４の開度が所定開度R₀に制御され、第二温度T₂以上のときには100％（全開）に制御される。また、第一温度T₁以上、かつ、第二温度T₂未満の場合には、改質器２の温度が上昇するにつれて吸気通路１２への混合ガスの導入量が増加するように開度が制御される。なお、第一温度T₁及び第二温度T₂は、改質器２で水素ガスを生成するのに適した温度範囲（作動温度範囲）の下限値及び上限値に相当する温度として予め設定される。本実施形態では、第一温度T₁を600〜650℃程度とし、第二温度T₂を700〜900℃程度とする。

混合率制御弁４３の開度は、改質器２の温度が高いほどオフガスの割合が増加するように（すなわち、改質器２の温度が低いほど改質ガスの割合が増加するように）制御される。例えば、図３（Ｂ）に示すように、改質器２の温度が第一温度T₁未満のときにはオフガスがR₁％（R₁は50％未満の所定値）含まれ、残りの100-R₁％が改質ガスになるように開度が制御される。第二温度T₂以上のときには、オフガスがR₂％（R₁は50％以上の所定値）含まれ、残りの100-R₂％が改質ガスになるように開度が制御される。また、第一温度T₁以上、かつ、第二温度T₂未満の場合には、改質器２の温度が上昇するにつれてオフガスの割合が増加するように開度が制御される。

ただし、水タンク４４内の水の残量が所定残量以下である場合には、オフガスからの水分の回収量を増加させるべく、混合ガスの全体に占めるオフガスの割合を増加させてもよい。例えば、図３（Ｅ）に示すように、水の残量が少ないほどオフガスの割合を増加させるとともに、改質ガスの割合を減少させる。オフガスの割合を増加させることで、混合ガスに含まれる水分量が増加し、水タンク４４に回収される水分を増加させることが可能となる。

排気分流弁４６の開度は、改質器２の温度が低いほど排気触媒装置１８へと流れ込む排気ガスの割合が大きくなるように（すなわち、改質器２の温度が高いほど、エンジン１から改質器２に直送される排気ガス量が増加するように）制御される。例えば、図３（Ｃ）に示すように、改質器２の温度が第一温度T₁未満のときには、改質器２側の通路の開度が0％（全閉）に制御され、触媒通路１７側が全開状態とされる。一方、第二温度T₂以上のときには改質器２側の通路の開度が100％（全開）に制御され、触媒通路１７側が全閉状態とされる。また、第一温度T₁以上、かつ、第二温度T₂未満の場合には、改質器２の温度が上昇するにつれて、排気触媒装置１８を迂回する排気ガス（改質器２に直送される排気ガス）が増加するように開度が制御される。

外気混合弁４７の開度は、エンジン１の作動状態や燃料電池３の発電状態，改質器２の温度に応じて制御される。まず、エンジン１の非作動時に燃料電池３で発電を実施するときには、外気混合弁４７の外気通路４８側が全開に制御され、排気通路１４側が全閉とされる。一方、エンジン１の作動時に燃料電池３で発電を実施するときには、改質器２の温度が上昇するにつれて外気導入量が増加するように、外気混合弁４７の開度が制御される。例えば、図３（Ｄ）に示すように、改質器２の温度が第一温度T₁未満のときには、外気通路４８側の開度が0％（全閉）に制御され、排気通路１４側が全開状態とされる。一方、第二温度T₂以上のときには外気通路４８側の開度が所定開度R₃％に制御され、排気通路１４側の開度が100-R₃％に制御される。また、第一温度T₁以上、かつ、第二温度T₂未満の場合には、改質器２の温度が上昇するにつれて、外気通路４８側の開度が増量される。

［３．作用］
燃料電池３での発電に伴う開度制御の流れを図４に例示する。各種センサーで検出された情報が制御装置２９に読み込まれ（ステップＡ１）、燃料電池３の発電条件が成立するか否かが判定される（ステップＡ２）。発電条件が成立しない場合、本フローは終了する。一方、発電条件が成立する場合には、エンジン１が作動しているか否かが判定される（ステップＡ３）。エンジン１が作動していれば、エンジン１の排気ガスを改質した改質ガスが燃料電池３での発電に利用されるとともに、燃料電池３のオフガスと改質器２の改質ガスとをエンジン１の吸気通路１２へと再循環させる制御が実施される。すなわち、改質器２の温度に応じて混合ガス制御弁４，混合率制御弁４３，排気分流弁４６，外気混合弁４７の開度が改質器２の温度に応じて設定，制御され（ステップＡ４）、燃料電池３での発電が実施される（ステップＡ５）。一方、エンジン１が非作動であれば混合ガス制御弁４が閉弁され、混合ガスの再循環が遮断される。また、排気通路１４に排気ガスが流れないため、外気混合弁４７の外気通路４８側が開放される（ステップＡ６）。

混合ガス制御弁４の動作に関して、改質器２の温度が第二温度T₂以上であれば、図３（Ａ）に示すように混合ガス再循環通路５が大きく開放され、混合ガスがエンジン１の吸気系に導入される。このとき、図３（Ｂ）に示すように混合ガスには燃料電池３のオフガスが多量に含まれており、オフガスはエンジン１の燃焼抑制剤として機能する。したがって、したがって、改質器２に流入する排気ガスの温度がやや低下し、改質器２の温度が作動温度範囲に維持されやすくなる。

一方、改質器２の温度が第一温度T₁未満ならば、混合ガス再循環通路５が絞られる。これにより、排気ガスの温度がオフガスの影響を受けて低下しにくくなり、改質器２の温度が作動温度範囲に維持されやすくなる。このとき、混合ガスに含まれるオフガスの割合も低いことから、改質器２の温度が安定的に維持される。また、改質器２の温度が第一温度T₁以上、かつ、第二温度T₂未満の状態では、改質器２の温度が上昇するにつれて吸気通路１２への混合ガスの導入量が増加する。つまり、改質器２の状態に応じて、混合ガスによる昇温抑制効果の大きさが自動的に調節されることになる。この昇温抑制効果は、混合率制御弁４３の開度制御によってさらに促進される。したがって、改質器２の温度の急変が効率的に防止され、燃料電池３の発電状態が安定化するとともに、エンジン１の燃焼安定性も向上する。

排気分流弁４６の動作に関して、改質器２の温度が第二温度T₂以上であれば、図３（Ｃ）に示すように、すべての排気ガスが改質器２に直送される。つまり、排気ガス中に残存するすべての未燃炭化水素成分が水素へと改質され、燃料電池３の燃料ガスとして利用される。これにより、排気ガス中に残存していたエネルギーが電力として回収され、車両１０の燃費，電費が改善される。また、排気ガス中の未燃炭化水素成分が浄化されることになるため、車両１０の排気環境性能が向上する。

一方、改質器２の温度が第一温度T₁未満ならば、エンジン１の排気ガスが排気触媒装置１８を経由して改質器２へと流入する。これにより、排気ガスが排気触媒装置１８で浄化され、車両１０の排気環境性能が維持される。また、比較的高温の排気ガスによって改質器２と燃料電池３とが迅速に暖められることから、燃料電池３の発電状態が安定化する。また、改質器２の温度が第一温度T₁以上、かつ、第二温度T₂未満の状態では、改質器２の温度が上昇するにつれて改質器２へと直接的に流入する排気ガス量が増加する。つまり、改質器２の状態に応じて、改質器２に流入する排気ガスの温度が自動的に調節されることになる。したがって、したがって、改質器２の温度の急変が効率的に防止され、燃料電池３の発電状態が安定化する。

外気混合弁４７の動作に関して、改質器２の温度が第二温度T₂以上であれば、図３（Ｃ）に示すように、排気ガス中に外気が導入される。これにより、排気ガスが外気によって冷却され、適温の排気ガスが改質器２と燃料電池３とに導入される。したがって、改質器２及び燃料電池３の温度が適切な作動温度範囲に維持されやすくなる。一方、改質器２の温度が第一温度T₁未満ならば外気の導入が停止するため、改質器２と燃料電池３とが迅速に暖められ、燃料電池３の発電状態が安定化する。

［４．効果］
（１）燃料電池３のオフガスに含まれる二酸化炭素は、エンジン１の燃焼抑制剤として機能し、エンジン１の排気ガス温度を低下させるように作用する。一方、改質ガスに含まれる水素ガスは、エンジン１の燃焼促進剤として機能し、エンジン１の排気ガス温度を上昇させるように作用する。したがって、オフガスと改質ガスとの混合率を調節することで、エンジン１に対する燃焼促進作用と燃焼抑制作用とのバランスを調節することができ、エンジン１から排出される排気ガス（すなわち、改質器２に導入される排気ガス）の温度を制御することができる。例えば、改質器２の温度を能動的に600℃に近づけることができ、改質に要する温度環境を維持することが容易となる。これにより、燃料電池３での発電状態を安定化することができる。

（２）上記の燃料電池システムでは、図３（Ｂ）に示すように、改質器２の温度が高温であるほど、オフガスの割合が増加するように混合率制御弁４３が制御される。このような制御により、エンジン１から排出される排気ガスの温度が高すぎる場合には、その温度を効率的に低下させることができ、改質器２の温度を所定の作動温度範囲に維持しやすくすることができる。一方、排気ガスの温度が低すぎる場合には、改質ガスの割合が増加するため、排気ガス温度を効率的に上昇させることができる。したがって、改質器２の温度を所定の作動温度範囲に維持しやすくすることができる。

（３）上記の燃料電池システムでは、混合ガス再循環通路５に混合ガスクーラー１１が介装されるとともに、混合ガスを冷却することで生成される凝縮水が水タンク４４で回収され、改質器２での改質処理に利用される。このように、エンジン１に再循環する混合ガスの温度を低下させることで筒内温度を低下させることができ、エンジン出力や耐ノック性能を向上させることができる。また、オフガスや改質ガスに含まれる水分を水蒸気改質用の水として利用することで、改質器２を作動させるための水分を別途用意する必要がなく、シンプルな装置構成かつ低コストで実際的な燃料電池システムを実現することができる。

（４）上記の燃料電池システムでは、図３（Ｅ）に示すように、水タンク４４内の水の残量が少ないほどオフガスの割合が増加するように混合率制御弁４３の開度が制御される。このような制御により、オフガスに含まれる水分（すなわち、燃料電池３のアノード側で生成される水蒸気）の回収量を増量することができ、改質器２を長時間にわたって安定的に作動させ続けることが可能となる。

［５．変形例］
上述の実施形態では、本実施形態の燃料電池システムが適用された車両１０を例示したが、燃料電池システムの適用対象はこれに限定されない。例えば、家庭用電気製品，鉄道，船舶，航空機，工場，非常用電源設備などにも適用してもよい。少なくとも燃料電池のオフガスとエンジンの排気ガスとの相互利用が実施可能な装置であれば、上述の実施形態と同様の構成を適用することで、上述の実施形態と同様の作用効果を奏するものとなる。

また、上述の実施形態では、排気再循環システムが搭載されたエンジン１を例示したが、燃料電池のオフガスとエンジンの排気ガスとの相互利用を実現するうえで、排気再循環システムは必須の要素ではない。したがって、既存のEGRシステムを有するエンジン１のEGR構造（低圧EGR通路や高圧EGR通路など）を利用して、混合ガス再循環通路５を形成してもよい。

１ エンジン
２ 改質器
３ 燃料電池
４ 混合ガス制御弁
５ 混合ガス再循環通路
７ 改質器温度センサー
１１ 混合ガスクーラー
２９ 制御装置
４１ 改質ガス通路
４２ オフガス通路
４３ 混合率制御弁
４４ 水タンク
４５ 水インジェクター
４６ 排気分流弁
４７ 外気混合弁

Claims (4)

1. エンジンの排気通路に介装され、排気ガスに含まれる炭化水素を改質して水素ガスを生成する改質器と、
   前記改質器で生成された前記水素ガスを燃料として発電する燃料電池と、
   前記改質器から排出される改質ガスと前記燃料電池のオフガスとの混合気を前記エンジンの吸気系に再循環させる混合気再循環通路と、
   前記混合気における前記改質ガス及び前記オフガスの混合率を制御する混合率制御弁と、
   前記改質器の温度に応じて前記混合率制御弁の前記混合率を調節する制御装置と
   を備えたことを特徴とする、燃料電池システム。
2. 前記制御装置が、前記改質器の温度が高いほど前記オフガスの割合を増加させ、前記改質器の温度が低いほど前記改質ガスの割合を増加させる
   ことを特徴とする、請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記混合気再循環通路に介装され、前記混合気を冷却する熱交換器と、
   前記熱交換器で冷却された前記混合気の水分を回収する水タンクと、
   前記水タンクで回収された前記水分を前記改質器の内部に供給する水噴射弁と
   を備えたことを特徴とする、請求項１または２記載の燃料電池システム。
4. 前記制御装置が、前記水タンクに回収された前記水分の残量が少ないほど前記オフガスの割合が増加するように、前記混合率制御弁の前記混合率を制御する
   ことを特徴とする、請求項３記載の燃料電池システム。

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