(57)【要約】【課題】  内燃機関の熱損傷または熱劣化を防止することができる燃料電池システムを提供する。【解決手段】  炭化水素系燃料を改質して水素を含む改質ガスを生成する改質記と、改質ガスの少なくとも一部および炭化水素系燃料、または改質ガスの少なくとも一部若しくは炭化水素系燃料により駆動する内燃機関１０と、改質ガス及び酸素により発電を行う燃料電池５と、改質ガスを冷却する熱交換器７と、熱交換器７により冷却された改質ガスを内燃機関１０に供給する流量制御弁９とを備える。【選択図】        図１
2006107943.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素系燃料を改質して水素を含む改質ガスを生成する改質手段と、
前記改質ガスの少なくとも一部および炭化水素系燃料、または前記改質ガスの少なくとも一部若しくは前記炭化水素系燃料により駆動する内燃機関と、
前記改質ガス及び酸素により発電を行う燃料電池と、
前記改質ガスを冷却する冷却手段と、
前記冷却手段により冷却された前記改質ガスを前記内燃機関に供給する改質ガス供給手段とを備えた燃料電池システム。
【請求項２】
前記内燃機関に供給される前記改質ガスの温度を検出する温度検出手段と、
制御手段とをさらに備え、
前記制御手段は、前記温度検出手段により検出された前記改質ガスの温度が前記内燃機関の耐熱温度以下になるように前記冷却手段を制御することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記改質ガス供給手段は、前記アノードから排出される前記改質ガスを前記内燃機関に供給し、
前記冷却手段は、前記燃料電池を冷却することにより前記改質ガスを冷却する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。
【請求項４】
前記燃料電池は、水素分離膜型燃料電池であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭化水素系燃料から燃料電池の燃料に用いる改質ガスを生成する改質部を備えた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
近年、上記改質部により改質されなかった燃料をエンジンの燃焼に用い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、改質されなかった燃料を有効活用することができる。また、上記改質部により生成された改質ガスを火花点火機関に提供する技術が開示されている（例えば、特許文献２参照。）。この技術によれば、ガソリン及び改質ガス中の水素のいずれか一方または両方を火花点火機関の燃料とすることができ、高い熱効率が得られる。
【特許文献１】実開平６−４８１７０号公報
【特許文献２】特開平１１−３１１１３６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、改質部から供給される燃料または改質ガスは高温であり、エンジン、火花点火機関等の内燃機関の構成部品の耐熱限界を超えている。そのため、上記内燃機関に熱損傷、熱劣化等が発生する。
【０００６】
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、内燃機関の熱損傷または熱劣化を防止することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る燃料電池システムは、炭化水素系燃料を改質して水素を含む改質ガスを生成する改質手段と、改質ガスの少なくとも一部および炭化水素系燃料、または改質ガスの少なくとも一部若しくは炭化水素系燃料により駆動する内燃機関と、改質ガス及び酸素により発電を行う燃料電池と、改質ガスを冷却する冷却手段と、冷却手段により冷却された改質ガスを内燃機関に供給する改質ガス供給手段とを備えるものである。
【０００８】
本発明に係る燃料電池システムにおいては、改質手段により炭化水素系燃料から水素を含む改質ガスが生成され、冷却手段により改質ガスが冷却され、冷却された改質ガスが改質ガス供給手段により内燃機関に供給される。したがって、内燃機関の熱損傷または熱劣化を防止することができる。
【０００９】
内燃機関に供給される改質ガスの温度を検出する温度検出手段と、制御手段とをさらに備え、制御手段は、温度検出手段により検出された改質ガスの温度が内燃機関の耐熱温度以下になるように冷却手段を制御してもよい。この場合、改質ガスの温度は、内燃機関の耐熱温度以下に冷却されてから内燃機関に供給される。それにより、内燃機関の熱損傷または熱劣化を確実に防止することができる。
【００１０】
改質ガス供給手段は、アノードから排出される改質ガスを内燃機関に供給し、冷却手段は、燃料電池を冷却することにより改質ガスを冷却してもよい。この場合、改質ガスを冷却する装置を新たに設ける必要がない。それにより、本発明に係る燃料電池システムを小型化することができる。
【００１１】
燃料電池は、水素透過性金属層上にプロトン導電性を有する電解質層が積層された電解質膜を有する水素分離膜型燃料電池であってもよい。この場合、燃料電池の動作温度及び耐熱温度が高くなる。それにより、改質手段により生成された改質ガスを冷却せずに燃料電池のアノードに供給することができる。したがって、改質ガスをアノードに供給する前に冷却する装置等を設ける必要がない。その結果。本発明に係る燃料電池システムを小型化することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、内燃機関の熱損傷または熱劣化を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。
【実施例１】
【００１４】
図１は、本発明に係る燃料電池システム１００の全体構成を示す模式図である。図１に示すように、燃料電池システム１００は、燃料タンク１、インジェクタ２，１１、改質器３、熱交換器４，７、燃料電池５、エアポンプ６，８、流量制御弁９、内燃機関１０、制御部１２及び温度計１３を含む。改質器３は、改質部３ａ及び燃焼部３ｂを含む。燃料電池５は水素分離膜電池からなり、アノード５ａ及びカソード５ｂを含む。
【００１５】
燃料タンク１は、配管１０１を介してインジェクタ２に接続されている。インジェクタ２は、改質部３ａに接続されている。改質部３ａは、配管１０２を介してアノード５ａに接続されている。配管１０２の一部は、熱交換器４を通る。アノード５ａは、配管１０３を介して燃焼部３ｂに接続されている。
【００１６】
エアポンプ８は、配管１０４を介してカソード５ｂに接続されている。配管１０４の一部は、熱交換器７及び熱交換器４を通る。カソード５ｂは、配管１０５を介して改質部３ａに接続されている。エアポンプ６は、配管１０６を介して燃焼部３ｂに接続されている。配管１０６の一部は、燃料電池５を通る。
【００１７】
配管１０７の一端は配管１０２の熱交換器４より上流側に接続され、配管１０７の他端は流量制御弁９に接続されている。また、配管１０７の一部は、熱交換器７を通る。流量制御弁９は、配管１０８を介して内燃機関１０に接続されている。配管１０８には温度計１３が設けられている。また、燃料タンク１は配管１０９を介してインジェクタ１１に接続されている。インジェクタ１１は、内燃機関１０に接続されている。
【００１８】
次に、燃料電池システム１００の動作について説明する。燃料タンク１には、炭化水素系燃料としてガソリンが貯蔵されている。燃料タンク１は、制御部１２の指示に従って配管１０１を介して必要量のガソリンをインジェクタ２に供給する。インジェクタ２は、制御部１２の指示に従って必要量のガソリンを改質部３ａに供給する。
【００１９】
改質部３ａにおいては、インジェクタ２から供給されたガソリンと後述するカソードオフガスとにより改質ガスが生成される。まず、インジェクタ２から供給されたガソリン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、水素及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、水素及び二酸化炭素が生成される。
【００２０】
改質部３ａにおいて生成された改質ガスは、熱交換器４において配管１０４を流動するエアによって冷却され、アノード５ａに供給される。アノード５ａ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５ａにおいて水素イオンに変換されなかった水素及び改質部３ａ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１０３を介して燃焼部３ｂに供給され、配管１０６から供給されるエア中の酸素によって燃焼し、燃料電池システム１００の外部へ排出される。この際の燃焼熱は、改質部３ａにおける水蒸気改質反応に利用される。
【００２１】
このように、アノードオフガスを燃料とした燃焼熱を改質部３ａにおける水蒸気改質反応に利用することから、燃焼用の燃料タンク等を新たに設ける必要がない。それにより、燃料電池システム１００を小型化することができる。また、アノードオフガスに含まれる一酸化炭素等の不完全燃焼成分を燃焼部３ｂにおいて完全燃焼させることができる。それにより、環境汚染を防止することができる。
【００２２】
エアポンプ８は、制御部１２の指示に従って燃料電池システム１００の外部からエアを配管１０４に供給する。このエアは、熱交換器７において配管１０７を流動する改質ガスを冷却し、続いて熱交換器４において配管１０２を流動する改質ガスを冷却し、カソード５ｂに供給される。カソード５ｂにおいては、アノード５ａにおいて発生した水素イオンとカソード５ｂ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５において発生する熱によって水蒸気となる。カソード５ｂにおいて発生した水蒸気及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配管１０５を介して改質部３ａに供給され、それぞれ水蒸気改質反応に用いられる。
【００２３】
このように、カソード５ｂにおいて水素イオンと反応しなかったエア及びカソード５ｂにおいて発生した水蒸気を水蒸気改質反応に用いることから、水タンク等の水蒸気供給手段を新たに設ける必要がない。それにより、燃料電池システム１００を小型化することができる。
【００２４】
エアポンプ６は、制御部１２の指示に従って燃料電池システム１００の外部からエアを配管１０６に供給する。配管１０６を流動するエアは、燃料電池５を冷却し、燃焼部３ｂに供給され、アノードオフガス中の水素及び一酸化炭素の燃焼に用いられる。このように、燃料電池５の冷却用エアを燃焼部３ｂにおける燃焼に用いることから、アノードオフガスの燃焼用として酸素供給手段を新たに設ける必要がない。それにより、燃料電池システム１００を小型化することができる。
【００２５】
配管１０２に供給された改質ガスの一部は、配管１０７に供給され、熱交換器７において配管１０４を流動するエアにより冷却され、流量制御弁９に供給される。流量制御弁９は、制御部１２の指示に従って配管１０８を介して必要量の改質ガスを内燃機関１０に供給する。温度計１３は、配管１０８を流動する改質ガスの温度を計測し、その計測結果を制御部１２に与える。また、燃料タンク１は、制御部１２の指示に従って配管１０９を介して必要量のガソリンをインジェクタ１１に供給する。インジェクタ１１は、制御部１２の指示に従って必要量のガソリンを内燃機関１０に供給する。
【００２６】
このように、熱交換器７において冷却される改質ガスが内燃機関１０に供給されることから、内燃機関１０の熱損傷または熱劣化を防止することができる。例えば、改質ガスを１００℃以下程度まで冷却することにより、内燃機関１０に内蔵される吸気系のガスケット、電気部品、電気配線等の熱損傷または熱劣化を防止することができる。また、改質ガスを６０℃程度まで冷却することにより、上記熱損傷または熱劣化を確実に防止することができる。
【００２７】
内燃機関１０は、吸気室において制御部１２の指示に従って改質ガスの少なくとも一部およびガソリン、または改質ガスの少なくとも一部若しくはガソリンと空気とから所定の空燃比で混合気を作り出し、その混合気を燃焼室において燃焼させることによって動作する。また、内燃機関１０を覆うように冷却水が流動するウォータージャケット等の冷却装置が設けられている。それにより、混合気の燃焼熱による内燃機関１０の熱損傷または熱劣化が防止される。このウォータージャケットの冷却水を配管１０７の周囲に供給することによって、配管１０９を流動する改質ガスを冷却する構成としてもよい。この場合、熱交換器７を設ける必要がなくなり、燃料電池システム１００を小型化することができる。さらに、改質ガスを内燃機関１０の燃焼室に直接噴射する構成としてもよい。この場合、吸気室にガソリンを供給するインジェクタ１１の熱損傷または熱劣化を防止することができる。
【００２８】
また、制御部１２は、内燃機関１０に水素を供給しない場合には、あらかじめ作成されたベースマップに従って内燃機関１０の空燃比を制御する。内燃機関１０に水素を供給する場合には、制御部１２は、内燃機関１０に供給される水素量に対応させた希薄燃焼を行うように内燃機関１０の空燃比を制御する。この場合、内燃機関１０に供給する水素の割合に応じて希薄限界を拡大させることができる。例えば、内燃機関１０に供給されるガソリンの燃焼熱が内燃機関１０に供給される水素の燃焼熱の５倍になるように、内燃機関１０にガソリン及び水素を供給することにより、空気過剰率（理論空燃比に対する比率）を約２まで増加させることができる。それにより、ガソリン消費量が低減され、窒素酸化物の排出量が低減される。
【００２９】
本発明に係る燃料電池システム１００のように、燃料電池５及び内燃機関１０を備えることにより燃料電池５から発生する電力及び内燃機関１０から発生する動力のいずれか一方又は両方を組み合わせることができる。その結果、燃料電池システム１００の運転状況に応じた適正な外部出力が可能となる。
【００３０】
図２は、制御部１２がエアポンプ８、流量制御弁９、内燃機関１０及びインジェクタ１１を制御する際に用いるマップである。図２（ａ）は、配管１０８を流動する改質ガスの温度と熱交換器７に供給する必要のあるエア量との関係を示すマップである。図２（ａ）の横軸は配管１０８を流動する改質ガスの温度を示し、図２（ａ）の縦軸は熱交換器７に供給する必要のあるエア量を示す。図２（ａ）に示すように、配管１０８を流動する改質ガスの温度の２乗に比例して熱交換器７に供給する必要のあるエア量が増加する。制御部１２は、図２（ａ）のマップに基づいてエアポンプ８が配管１０８に供給するエア量を計算する。
【００３１】
図２（ｂ）は、エアポンプ６，８によるエア供給量とエアポンプ６，８のポンプ回転数との関係を示すマップである。図２（ｂ）の縦軸はエアポンプ６，８のポンプ回転数を示し、図２（ｂ）の横軸はエアポンプ６，８によるエア供給量を示す。図２（ｂ）に示すように、エアポンプ６，８のエア供給量の２乗に比例してエアポンプ６，８のポンプ回転数が増加する。制御部１２は、温度計１３の計測結果、図２（ａ）のマップ及び図２（ｂ）のマップに基づいてエアポンプ８を制御する。この場合、制御部１２は、配管１０８を流動する改質ガスの温度が所定の範囲内に保持されるように、エアポンプ８をフィードバック制御またはフィードフォワード制御する。
【００３２】
図２（ｃ）は、内燃機関１０の回転数、内燃機関１０のトルク及び空気過剰率λとの関係の一例を示すマップである。図２（ｃ）の縦軸は内燃機関１０のトルクを示し、図２（ｃ）の横軸は内燃機関１０の回転数を示す。図中の破線は、空気過剰率λが１である場合のマップであり、図中の実線は空気過剰率λが２である場合のマップである。図２（ｃ）に示すように、内燃機関１０の回転数の増加に伴い内燃機関１０のトルクは増加するが、所定の回転数を境界にして内燃機関１０の回転数の増加に伴い内燃機関１０のトルクは減少する。制御部１２は、図２（ｃ）のマップに基づいて流量制御弁９、内燃機関１０及びインジェクタ１１を制御する。
【００３３】
図３は、本発明に係る燃料電池システム１００をハイブリッド自動車に適用した場合の一例を示す模式図である。図３に示すように、ハイブリッド自動車２００は、燃料電池システム１００、蓄電池２１、動力発生装置２２、動力伝達装置２３、複数の車輪２４及び回生装置２５を含む。
【００３４】
燃料電池システム１００の燃料電池において発生した電力は、動力発生装置２２に与えられ、または蓄電池２１に蓄えられた後に動力発生装置２２に与えられる。動力発生装置２２は、コンバータ、インバータ、電動機等を備え、燃料電池システム１００または蓄電池２１から与えられた電力を軸出力に変換して動力伝達装置に伝達する。動力伝達装置２３は、与えられた軸出力を車輪２４に伝達する。それにより、ハイブリッド自動車２００が動作を開始する。
【００３５】
続いて、ハイブリッド自動車２００は、負荷が増加するにしたがって動力を内燃機関に切り替える。まず、動力伝達装置２３は、動力発生装置２２からの軸出力の供給を停止する。次に、燃料電池システム１００の内燃機関により発生した動力が軸出力として動力伝達装置２３に与えられる。動力伝達装置２３は、与えられた軸出力を車輪２４に伝達する。さらに負荷が増大すれば、動力伝達装置２３は、燃料電池システム１００の内燃機関及び動力発生装置２２の両方から与えられる軸出力を車輪２４に伝達する。
【００３６】
回生装置２５はジェネレータ等を備える。使用者がハイブリッド自動車２００を減速させる場合、回生装置２５のジェネレータは、車輪２４の動力を電力に変換し、変換した電力をバッテリー２１に供給する。
【００３７】
このように、本発明に係る燃料電池システム１００をハイブリッド自動車に適用することにより、運転状況に応じて電動機及び内燃機関のいずれか一方または両方の動力を選択することが可能である。それにより、熱効率を向上させることができる。
【００３８】
次に、図１の改質部３ａにおける炭素析出について説明する。図４は、炭素析出について説明するための図である。図４の縦軸は改質部３ａにおけるＳ／Ｃ比を示し、図４の横軸は改質部３ａにおける空気過剰率λを示す。ここで、Ｓ／Ｃ比は、改質部３ａに供給される水蒸気と改質部３ａに供給されるガソリン中の炭素とのモル比を示す。
【００３９】
図４に示すように、Ｓ／Ｃ比が１．５以上であれば改質部３ａに供給されるガソリンに対して水蒸気が過剰に供給されることになり、炭素が析出することはない。しかしながら、内燃機関１０へ供給する改質ガスの量が増大するにつれてカソード５ｂにおいて発生する水蒸気量が減少する。それにより、改質部３ａに供給される水蒸気量が減少し、Ｓ／Ｃ比が減少する。Ｓ／Ｃ比が１．５以下になれば、水蒸気改質反応に必要な水蒸気が不足し、改質部３ａにおいて炭素が析出し得る。
【００４０】
この場合、エアポンプ８によるエア供給量を増大させることによって改質部３ａにおける空気過剰率λを増大させることができる。それにより、改質部３ａにおける炭素析出を確実に防止することができる。例えば、Ｓ／Ｃ比が０になっても、空気過剰率λを０．４以上にすることにより改質部３ａにおける炭素析出を確実に防止することができる。
【００４１】
次に、内燃機関１０を動作させる場合において、制御部１２が行う制御について説明する。図５は、制御部１２が行う制御についてのフローチャートを示す図である。
【００４２】
図５に示すように、制御部１２は、配管１０８を流動する改質ガスの温度が所定の温度を超えていないか判定する（ステップＳ１）。ステップＳ１において、配管１０８を流動する改質ガスの温度が所定の温度を超えていると判定された場合には、制御部１２は、熱交換器７に供給するエア量を計算する（ステップＳ２）。この場合、制御部１２は、図２（ａ）のマップに基づいて熱交換器７に供給するエア量を計算する。
【００４３】
次に、制御部１２は、ステップＳ２における計算結果に基づいて、エアポンプ８を制御する。この場合、制御部１２は、図２（ｂ）のマップに従ってエアポンプ８を制御する（ステップＳ３）。以下、制御部１２は、ステップＳ１の動作から繰り返す。ステップＳ１において、配管１０８を流動する改質ガスの温度が所定の温度を超えていないと判定されて場合には、制御部１２は待機する。
【００４４】
以上のように、熱交換器７において冷却された改質ガスが内燃機関１０に供給されることから、内燃機関１０の熱損傷または熱劣化を防止することができる。
【００４５】
図６は、制御部１２が行う制御についてのフローチャートの他の例を示す図である。図６に示すように、制御部１２は、内燃機関１０に水素を供給する必要があるか否かを判定する（ステップＳ１１）。具体的には、内燃機関１０が高負荷回転または高速回転を行うか否かによって判定する。ステップＳ１１において、内燃機関１０に水素を供給する必要があると判定された場合には、制御部１２は、内燃機関１０に供給する水素量を計算する（ステップＳ１２）。この場合、内燃機関１０に供給されるガソリンの燃焼熱が内燃機関１０に供給される水素の燃焼熱の５倍になるように、内燃機関１０に供給される水素量が計算される。
【００４６】
次に、制御部１２は、上記水素量及び燃料電池５の運転に必要な水素量に基づいて改質部３ａに供給するガソリンの量を計算する（ステップＳ１３）。次いで、制御部１２は、アノード５ａにおいて消費される水素量に基づいて、カソード５ｂから改質部３ａに供給される水蒸気量を計算する（ステップＳ１４）。
【００４７】
次に、制御部１２は、カソード５ｂにおいて消費される酸素量及び改質部３ａにおいて炭素が析出しないために必要な酸素量に基づいて、エアポンプ８が供給すべきエアの量を計算する（ステップＳ１５）。この場合、図４で説明したグラフに基づいて改質部３ａにおいて炭素が析出しないために必要なエアの量が計算される。
【００４８】
次いで、制御部１２は、ステップＳ１３における計算結果に基づいてインジェクタ２を制御し、ステップＳ１５における計算結果に基づいてエアポンプ８を制御する（ステップＳ１６）。この場合、制御部１２は、図２（ｂ）のマップに従ってエアポンプ８を制御する。
【００４９】
次いで、制御部１２は、配管１０８を流動する改質ガスの温度が所定の温度を超えていないか判定する（ステップＳ１７）。ステップＳ１７において、配管１０８を流動する改質ガスの温度が所定の温度を超えていると判定された場合には、制御部１２は、熱交換器７に供給するエア量を計算する（ステップＳ１８）。この場合、制御部１２は、図２（ａ）のマップに基づいて熱交換記に供給するエア量を計算する。
【００５０】
次に、制御部１２は、ステップＳ２０における計算結果に基づいて、エアポンプ８を制御する（ステップＳ１９）。この場合、制御部１２は、図２（ｂ）のマップに従ってエアポンプ８を制御する。以下、制御部１２は、ステップＳ１１の動作から繰り返す。
【００５１】
ステップＳ１７において、配管１０８を流動する改質ガスの温度が所定の温度を超えていないと判定されて場合には、制御部１２は、ステップＳ１１の動作から繰り返す。
【００５２】
ステップＳ１１において、内燃機関１０に水素を供給する必要がないと判定された場合には、制御部１２は、燃料電池５の発電に必要な量の水素及び酸素をそれぞれアノード５ａ及びカソード５ｂに供給するように、インジェクタ２及びエアポンプ８を制御する（ステップＳ２０）。この場合、制御部１２は、図２（ｂ）のマップに従ってエアポンプ８を制御する。以下、制御部１２は、ステップＳ１１の動作から繰り返す。
【００５３】
以上のように、内燃機関１０へ供給する水素量に応じて内燃機関１０内の空燃比を制御することから、熱効率の高い燃焼を実現することができる。また、水蒸気改質反応に必要な水蒸気が不足しても酸素供給量の割合が増加することから、改質部３ａにおける炭素の析出を防止することができる。さらに、熱交換器７において冷却された改質ガスが内燃機関１０に供給されることから、内燃機関１０の熱損傷または熱劣化を防止することができる。
【００５４】
本実施例においては、改質器３が改質手段に相当し、熱交換器７が冷却手段に相当し、温度計１３が温度検出手段に相当し、流量制御弁９が改質ガス供給手段に相当し、制御部１２が制御手段に相当する。
【００５５】
なお、本実施例においては、燃料電池５として水素分離膜電池を用いたが、他の燃料電池を用いてもよい。例えば、固体酸化物形燃料電池等を用いることもできる。この場合、アノードオフガス中の水蒸気を改質部３ａにおける水蒸気改質反応に利用することができる。さらに、炭化水素系燃料としてガソリンを用いたが、天然ガス、メタノール等の他の炭化水素系燃料を用いることもできる。また、動作温度及び耐熱温度の高い水素分離膜電池を燃料電池５として用いれば、改質部３ａから供給される改質ガスを冷却せずにアノード５ａに供給することができる。それにより、熱交換器４を必ずしも設ける必要はなく、燃料電池システム１００を小型化することができる。
【実施例２】
【００５６】
図７は、第２実施例に係る燃料電池システム１００ａの全体構成を示す模式図である。図１の燃料電池システム１００と異なる点は、配管１０７が配管１０２から分岐せずに配管１０３から分岐している点、熱交換器７が設けられていない点及び配管１０４が熱交換器４を通らずに配管１０５が熱交換器４を通る点である。
【００５７】
本実施例に係る燃料電池システム１００ａにおいては、アノード５ａにおいて燃料電池５の発電に用いられなかった改質ガスが配管１０７を介して流量制御弁９に供給される。燃料電池５は配管１０６を流動するエアにより冷却されるので、アノード５ａから配管１０３に供給される改質ガスも冷却される。それにより、内燃機関１０の熱損傷または熱劣化を防止することができる。例えば、配管１０３に供給される改質ガスを１００℃〜２００℃程度まで冷却することにより、内燃機関１０に内蔵される吸気系のガスケット、電気部品、電気配線等の熱損傷または熱劣化を防止することができる。また、改質ガスを６０℃程度まで冷却することにより、上記熱損傷または熱劣化を確実に防止することができる。
【００５８】
なお、制御部１２は、燃料電池５が発電を行わない場合においても、改質部３ａが生成した改質ガスを内燃機関１０に供給する場合には燃料電池５にエアを供給するようにエアポンプ６を制御する。それにより、内燃機関１０に供給される改質ガスを確実に冷却することができる。
【００５９】
また、燃料電池５において冷却された改質ガスを用いることから、改質部３ａ図１の燃料電池システム１００のように熱交換器７を設ける必要がない。それにより、燃料電池システム１００ａを小型化することができる。
【００６０】
図８は、制御部１２がエアポンプ８を制御する際に用いるマップである。図８は、配管１０３を流動する改質ガスの温度と燃料電池５に供給する必要のあるエア量との関係を示すマップである。図８の横軸は配管１０３を流動する改質ガスの温度を示し、図８の縦軸は燃料電池５に供給する必要のあるエア量を示す。図８に示すように、配管１０３を流動する改質ガスの温度の２乗に比例して燃料電池５に供給する必要のあるエア量が増加する。制御部１２は、図８のマップに基づいてエアポンプ６が配管１０６に供給するエア量を計算する。また、制御部１２は、温度計１３の計測結果、図２（ｂ）のマップ及び図８のマップに基づいてエアポンプ６を制御する。この場合、制御部１２は、配管１０３を流動する改質ガスの温度が所定の範囲内に保持されるように、エアポンプ６をフィードバック制御またはフィードフォワード制御する。
【００６１】
本実施例においては、燃料電池５が冷却手段に相当する。なお、動作温度及び耐熱温度の高い水素分離膜電池を燃料電池５として用いれば、改質部３ａから供給される改質ガスを冷却せずにアノード５ａに供給することができることから、熱交換器４は必ずしも設ける必要はない。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの全体構成を示す模式図である。
【図２】制御部が燃料電池システムの構成機器を制御する際に従うマップを示す図である。
【図３】本発明に係る燃料電池システムをハイブリッド自動車に適用した場合の一例を示す模式図である。
【図４】炭素析出について説明するための図である。
【図５】内燃機関に改質ガスを供給する場合のフローチャートを示す図である。
【図６】内燃機関に改質ガスを供給する場合のフローチャートの他の例を示す図である。
【図７】第２実施例に係る燃料電池システムの全体構成を示す模式図である。
【図８】制御部がエアポンプを制御する際に用いるマップである。
【符号の説明】
【００６３】
１  燃料タンク
２，１１  インジェクタ
３  改質器
３ａ  改質部
３ｂ  燃焼部
４，７  熱交換器
５  燃料電池
５ａ  アノード
５ｂ  カソード
６，８  エアポンプ
９  流量制御弁
１０  内燃機関
１２  制御部
１３  温度計
１００  燃料電池システム
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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