(57)【要約】【課題】  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。【解決手段】  作動温度が水の沸点以上である燃料電池４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２と、燃料電池４において生成される生成水を内燃機関２の燃焼室に供給する生成水供給手段（１０６，１０７）とを備える。この場合、燃料電池４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（１０６，１０７）により内燃機関４の燃焼室に供給される。それにより、内燃機関４の燃焼室において水蒸気が均一に拡散する。その結果、内燃機関２の燃焼室が均一に冷却される。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、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。
【請求項２】
前記生成水中の液体の水が前記燃焼室に供給されることを回避する回避手段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。
【請求項３】
前記回避手段は、気液分離器であることを特徴とする請求項２記載のハイブリッドシステム。
【請求項４】
前記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、
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。
【請求項５】
前記燃料電池は、水素分離膜型燃料電池あることを特徴とする請求項１または２記載のハイブリッドシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【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】
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。
【特許文献１】特開２００２−１１７８７３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、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。
【０００６】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【発明の効果】
【００１３】
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
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】
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【実施例２】
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【実施例３】
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明に係るハイブリッドシステムの全体構成図である。
【図２】ハイブリッドシステムの全体構成を示す図である。
【図３】燃料電池の動作が開始した後に切替弁を制御するフローチャートを示す図である。
【図４】ハイブリッドシステムの全体構成を示す図である。
【図５】燃料電池の動作が開始した後に切替弁を制御するフローチャートを示す図である。
【符号の説明】
【００４４】
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
【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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