(57)【要約】【課題】排気系に燃料電池を有する内燃機関において、燃料電池を作動温度まで速やかに温度上昇させ、また、内燃機関の運転条件によらず燃料電池に発電用燃料を供給して、必要電力を確保することができる技術を提供する。【解決手段】内燃機関１の排気通路２に燃料極３ａ側が接続された燃料電池３と、内燃機関１よりも下流で且つ燃料電池３よりも上流に備えられた電気ヒータ１２と、内燃機関１よりも下流で且つ電気ヒータ１２よりも上流へ発電用燃料を供給する燃料添加インジェクタ６と、燃料添加インジェクタ６による燃料の供給量を制御する供給量制御装置９と、を備えた。これにより、電気ヒータ１２により燃料電池３の早期暖機が可能となる。また、内燃機関１の運転状態によらず、燃料電池３に発電用燃料を供給することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気通路に燃料極側が接続された燃料電池と、
前記内燃機関よりも下流で且つ前記燃料電池よりも上流の排気通路に備えられ電力の供給により発熱し排気の温度を上昇させる電気ヒータと、
前記内燃機関よりも下流で且つ前記電気ヒータよりも上流の排気通路内へ該燃料電池の発電用燃料を供給する燃料添加インジェクタと、
前記燃料添加インジェクタによる燃料の供給量を制御する供給量制御装置と、を備えたことを特徴とする排気系に燃料電池を有する内燃機関。
【請求項２】
前記燃料電池が作動温度に達したか否かを判定する判定手段を更に備え、
前記燃料電池が作動温度に達したと判定された場合には、前記電気ヒータへの電力の供給を停止し、且つ前記燃料添加インジェクタにより燃料の供給を行うことを特徴とする請求項１に記載の排気系に燃料電池を有する内燃機関。
【請求項３】
前記燃料添加インジェクタより下流で且つ前記電気ヒータより上流の排気通路と前記電気ヒータより下流で且つ前記燃料電池よりも上流の排気通路とを連通する迂回路と、
前記電気ヒータ若しくは前記迂回路の何れか一方を選択して排気を流通させる通路切替弁と、
を更に備えたことを特徴とする請求項１に記載の排気系に燃料電池を有する内燃機関。
【請求項４】
前記燃料電池が作動温度に達したか否かを判定する判定手段を更に備え、
前記燃料電池が作動温度に達するまでは前記電気ヒータに排気を流通させ且つ前記電気ヒータへ電力を供給し、一方、前記燃料電池が作動温度に達した後は前記迂回路へ排気を流通させ且つ電気ヒータへの電力の供給を停止することを特徴とする請求項３に記載の排気系に燃料電池を有する内燃機関。
【請求項５】
前記燃料電池よりも下流の排気通路に備えられ、排気が流通する側と空気が流通する側とを有し、排気と空気との間で熱交換を行う熱交換器と、
前記熱交換器の空気が流通する側と前記内燃機関よりも下流で且つ前記燃料電池よりも上流の排気通路とを接続する空気供給通路と、
前記空気供給通路内の空気を、前記熱交換器側から前記燃料電池よりも上流の排気通路側へ向けて送るポンプと、
を備えたことを特徴とする請求項１から４の何れかに記載の排気系に燃料電池を有する内燃機関。
【請求項６】
前記電気ヒータに電力を供給するバッテリと、前記バッテリの充電量を検出する充電量検出手段とを更に備え、
前記バッテリの充電量が規定の量以下の場合には、内燃機関の停止後であっても前記ポンプにより前記排気通路に空気を供給し、且つ、前記燃料添加インジェクタから燃料を添加して、前記燃料電池にて発電を行うことを特徴とする請求項５に記載の排気系に燃料電池を有する内燃機関。
【請求項７】
前記電気ヒータに電力を供給するバッテリと、
前記バッテリから前記電気ヒータに供給された電力量を検出する電気ヒータ供給電力量検出手段と、
前記燃料電池から前記バッテリに供給された電力量を検出するバッテリ供給電力量検出手段と、
を更に備え、
前記電気ヒータ供給電力量検出手段により検出された電力量が前記バッテリ供給電力量検出手段により検出された電力量よりも多い場合には、前記ポンプにより前記排気通路に空気を供給し、且つ、前記燃料添加インジェクタから燃料を添加して、前記燃料電池にて発電を行うことを特徴とする請求項５に記載の排気系に燃料電池を有する内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、排気系に燃料電池を有する内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
排気系に燃料電池を備え、燃料過多の状態で内燃機関を運転させて排出された未燃成分を該燃料電池の燃料極側に発電用燃料として供給する技術（例えば、特許文献１参照。）が知られている。さらに、内燃機関の排気系に備えられた燃料電池よりも上流の排気通路内へ酸素を供給する技術が知られている（例えば、特許文献２参照。）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−１７５８２４号公報
【特許文献２】
特開２００２−１５１１１９号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、内燃機関の運転条件によっては、燃料過多の状態で運転することが困難な場合があり、そのような場合には、燃料電池に燃料を供給することができなくなる。また、このような場合に、燃料電池での発電を優先させて燃料過多の状態で内燃機関を運転させると、内燃機関の運転状態が悪化し、トルク変動やエミッションの悪化を誘発させてしまう。さらに、燃料電池は温度が高い状態で作動するため、該燃料電池を作動温度まで温度上昇させる必要があるが、この温度上昇に時間がかかると要求電力を確保することができなくなる虞がある。
【０００５】
本発明は、上記したような問題に鑑みてなされたものであり、排気系に燃料電池を有する内燃機関において、燃料電池を作動温度まで速やかに温度上昇させ、また、内燃機関の運転条件によらず燃料電池に発電用燃料を供給して、必要電力を確保することができる技術を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を達成するために本発明の排気系に燃料電池を有する内燃機関は、以下の手段を採用した。即ち、
内燃機関の排気通路に燃料極側が接続された燃料電池と、
前記内燃機関よりも下流で且つ前記燃料電池よりも上流の排気通路に備えられ電力の供給により発熱し排気の温度を上昇させる電気ヒータと、
前記内燃機関よりも下流で且つ前記電気ヒータよりも上流の排気通路内へ該燃料電池の発電用燃料を供給する燃料添加インジェクタと、
前記燃料添加インジェクタによる燃料の供給量を制御する供給量制御装置と、を備えたことを特徴とする。
【０００７】
本発明の最大の特徴は、電気ヒータにより加熱された排気を燃料電池に供給して該燃料電池を作動温度まで速やかに温度上昇させ、燃料電池が作動温度に達した後は、燃料添加インジェクタにより燃料電池に発電用燃料を供給する点にある。
【０００８】
このように構成された排気系に燃料電池を有する内燃機関では、電気ヒータを備えたことにより、内燃機関からの排気の温度が低い場合であっても、該電気ヒータにより排気を加熱し、温度上昇した排気を燃料電池に流通させることができるため、該燃料電池を作動温度まで速やかに温度上昇させることができる。また、燃料添加インジェクタを備えたことにより、内燃機関の運転状態によらず発電用燃料を燃料電池の燃料極側へ供給することが可能となる。更には、供給量制御装置により発電用燃料の供給量が制御されるため、内燃機関の運転状態によらず、燃料電池に適正な量の発電用燃料を供給することが可能となる。一方、燃料電池での発電状態によらず内燃機関を運転させることが可能となる。
【０００９】
本発明においては、前記燃料電池が作動温度に達したか否かを判定する判定手段を更に備え、
前記燃料電池が作動温度に達したと判定された場合には、前記電気ヒータへの電力の供給を停止し、且つ前記燃料添加インジェクタにより燃料の供給を行うことができる。
【００１０】
ここで、「作動温度」とは、燃料電池内で燃料が反応し得る温度で表される。
【００１１】
電気ヒータにより加熱された排気を燃料電池に流通させ、該燃料電池が作動温度に達した後に燃料添加インジェクタから発電用燃料の供給を行うことにより、該燃料電池にて発電用燃料が反応し、発電を行うことが可能となる。また、前記燃料電池が作動温度に達したと判定された場合には、電気ヒータへの電力の供給を停止することにより、電力の消費を抑制することが可能となる。そして、その後電気ヒータで電力が消費されなくなるため、燃料電池による発電量を減少させることができ、燃費を向上させることができる。更に、発電用燃料を供給しているときには電気ヒータによる加熱を停止しているので、該電気ヒータにおいて燃料が燃焼してしまうことを抑制できる。また、燃料電池が作動温度に達してから発電用燃料を供給することにより、発電用燃料が燃料電池で反応せずに大気中へ放出されることを抑制でき、燃費の悪化を抑制することができる。
【００１２】
本発明においては、前記燃料添加インジェクタより下流で且つ前記電気ヒータより上流の排気通路と前記電気ヒータより下流で且つ前記燃料電池よりも上流の排気通路とを連通する迂回路と、
前記電気ヒータ若しくは前記迂回路の何れか一方を選択して排気を流通させる通路切替弁と、
を更に備えることができる。
【００１３】
ところで、燃料電池が作動温度に達した後に、燃料添加インジェクタから燃料を添加すると、電気ヒータに燃料が付着してしまう。そのため、燃料電池への供給燃料が減少し、目標電力が得られなくなる虞がある。その点、燃料電池が作動温度に達した後に、迂回路へ排気を流通させることにより、電気ヒータへの燃料の付着を抑制することができ、発電用燃料を安定して燃料電池に供給することができる。
【００１４】
本発明においては、前記燃料電池が作動温度に達したか否かを判定する判定手段を更に備え、
前記燃料電池が作動温度に達するまでは前記電気ヒータに排気を流通させ且つ前記電気ヒータへ電力を供給し、一方、前記燃料電池が作動温度に達した後は前記迂回路へ排気を流通させ且つ電気ヒータへの電力の供給を停止することができる。
【００１５】
このようにすることで、燃料電池が作動温度に達する前は、電気ヒータで加熱された排気を該燃料電池に供給することにより速やかに作動温度まで温度上昇させることができる。また、燃料電池が作動温度に達した後は、電気ヒータへの電力の供給を停止することにより、該電気ヒータの消費電力分だけ燃料電池での発電量を低減させることが可能となり、燃費を向上させることができる。
【００１６】
本発明においては、前記燃料電池よりも下流の排気通路に備えられ、排気が流通する側と空気が流通する側とを有し、排気と空気との間で熱交換を行う熱交換器と、
前記熱交換器の空気が流通する側と前記内燃機関よりも下流で且つ前記燃料電池よりも上流の排気通路とを接続する空気供給通路と、
前記空気供給通路内の空気を、前記熱交換器側から前記燃料電池よりも上流の排気通路側へ向けて送るポンプと、
を備えることができる。
【００１７】
ここで、高温で作動する燃料電池の燃料極側から排出されるガスの温度は高温であり、熱交換器を備えることにより、この熱を回収することが可能となる。そして、空気供給通路を介して、熱交換器により温度が上昇された空気を燃料電池の上流へ供給することにより、排気通路の温度を上昇させることができる。これにより、燃料添加インジェクタによって添加された燃料の蒸発が促進され、低負荷時であっても燃料電池へ安定して発電用燃料を供給することができる。また、燃料添加インジェクタから排気通路内へ添加されて該排気通路の壁面に付着した燃料の蒸発を促進させることができる。これにより、効率的な発電が可能となる。
【００１８】
本発明においては、前記電気ヒータに電力を供給するバッテリと、前記バッテリの充電量を検出する充電量検出手段とを更に備え、
前記バッテリの充電量が規定の量以下の場合には、内燃機関の停止後であっても前記ポンプにより前記排気通路に空気を供給し、且つ、前記燃料添加インジェクタから燃料を添加して、前記燃料電池にて発電を行うことができる。
【００１９】
ここで、「規定の量」とは、電気ヒータにより排気の温度を上昇させ、更には燃料電池を作動温度まで上昇させることが可能なバッテリの充電量である。ところで、バッテリから電気ヒータへ電力を供給すると、バッテリの充電量が減少する。この減少分は、その後の燃料電池による発電で補うことができる。しかし、燃料電池が作動温度に達する前や作動温度に達した直後に内燃機関が停止され、それに伴い燃料電池による発電も停止されると、バッテリの充電量は減少したままとなる。これを繰り返すことにより、電気ヒータにおいて発熱させるだけの充電量を確保できなくなり、燃料電池を早期に作動温度まで温度上昇させることが困難となる。その点、充電量が規定の量以下の場合には、例え内燃機関が停止されたとしても、燃料電池に空気及び燃料を供給して発電を行うことにより、減少した充電量を補うことが可能となる。これにより、燃料電池を作動させるときには、作動温度まで上昇させるだけの充電量が確保されていることになる。
【００２０】
本発明においては、前記電気ヒータに電力を供給するバッテリと、
前記バッテリから前記電気ヒータに供給された電力量を検出する電気ヒータ供給電力量検出手段と、
前記燃料電池から前記バッテリに供給された電力量を検出するバッテリ供給電力量検出手段と、
を更に備え、
前記電気ヒータ供給電力量検出手段により検出された電力量が前記バッテリ供給電力量検出手段により検出された電力量よりも多い場合には、前記ポンプにより前記排気通路に空気を供給し、且つ、前記燃料添加インジェクタから燃料を添加して、前記燃料電池にて発電を行うことができる。
【００２１】
ここで、バッテリから電気ヒータへ電力を供給すると、バッテリの充電量が減少する。この減少分は、その後の燃料電池による発電で補うことができる。しかし、燃料電池が作動温度に達する前や作動温度に達した直後に内燃機関が停止され、それに伴い燃料電池による発電も停止されると、バッテリの充電量は減少したままとなる。その点、電気ヒータへ電力を供給する前の充電量となるまで、燃料電池に空気及び燃料を供給して発電を行うことにより、減少した充電量を補うことが可能となる。これにより、燃料電池を作動させるときには、作動温度まで上昇させるだけの充電量が確保されていることになる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
＜第１の実施の形態＞
以下、本発明に係る排気系に燃料電池を有する内燃機関の具体的な実施態様について図面に基づいて説明する。
【００２３】
図１は、本実施の形態によるエンジン１とその排気系の概略構成を示す図である。図１に示すエンジン１は、ディーゼルエンジンである。
【００２４】
エンジン１には、該エンジン１からの既燃ガスを大気中へ放出させるための排気通路２が接続されている。この排気通路２の途中には、燃料電池３が備えられている。この燃料電池３は、補機類４にバッテリ５を介して電気的に接続されており、該補機類４に電力を供給する。なお、本実施の形態では、構造及び制御が簡素で、また燃料電池用の触媒を必要とせず、燃料電池内部で燃料の改質が可能な固体酸化物型燃料電池（Ｓｏｌｉｄ  Ｏｘｉｄｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ：以下、ＳＯＦＣとする。）を採用した。
【００２５】
ＳＯＦＣ３は、燃料極３ａ、電解質３ｂ、空気極３ｃの三種類の酸化物電解質を備えて構成されている。
【００２６】
ＳＯＦＣ３よりも上流の排気通路には、電気ヒータ１２が備えられている。この電気ヒータ１２は、バッテリ５と電気的に接続され該バッテリ５から電力の供給を受けて発熱するヒータである。
【００２７】
ＳＯＦＣ３とエンジン１との間の排気通路２には、該排気通路２内へ発電用燃料（軽油）を供給する燃料添加インジェクタ６が備えられている。この発電用燃料は、エンジン１の燃料と同一のものが使用される。燃料添加インジェクタ６は、燃料を圧送する燃料ポンプ７と燃料供給通路８を介して接続されている。更に、燃料添加インジェクタ６には、後述するＥＣＵ９が電気的に接続され、該ＥＣＵ９からの信号により作動して燃料添加制御が行われる。このようにして、排気通路２に導入された燃料は、ＳＯＦＣ３の発電用燃料として用いることができる。
【００２８】
ここで、ＳＯＦＣ３に導入された発電用燃料は、燃料極３ａ上で水蒸気と反応して水素（Ｈ２）と一酸化炭素（ＣＯ）に改質される。このように、ＳＯＦＣ３では電池内で燃料の改質を行うことが可能である。一方、空気極３ｃには図示しないポンプを介して空気が供給される。空気極３ｃでは、空気中の酸素が電解質３ｂとの界面において解離して酸素イオン（Ｏ２−）となり、電解質３ｂ中を燃料極３ａ側へ移動する。電解質３ｂと燃料極３ａとの界面に到達した酸素イオン（Ｏ２−）は、水素（Ｈ２）及び一酸化炭素（ＣＯ）と反応して、水（Ｈ２Ｏ）及び二酸化炭素（ＣＯ２）を生成する。ＳＯＦＣ３による発電は、このときに放出された電子を取り出すことによりなされる。このようにして、燃料の持つ化学エネルギを直接電気エネルギへ変換するため、エネルギ変換による損失が少なく、高効率な発電が可能となる。このような発電は、例えば７００乃至１０００℃の温度下で行われる。
【００２９】
ＳＯＦＣ３の下流の排気通路２には、熱交換器２０が備えられている。また、熱交換器２０の上流側と下流側とには、熱交換器２０を迂回させて排気を流通させる迂回路２１の一端と他端が夫々接続されている。熱交換器２０の下流側で迂回路２１が排気通路２に接続される接続部には、迂回路２１若しくは熱交換器２０の何れかを選択して排気を流通させる三方弁２２が備えられている。この熱交換器２０では、排気通路２を流通する排気と空気との間で熱交換が行われる。
【００３０】
また、熱交換器２０には、空気供給通路２３の一端が接続されている。空気供給通路２３の他端は、エンジン１と燃料添加インジェクタ６との間の排気通路２に接続されている。また、熱交換器２０には、図示しない空気取入口が設けられており、該空気取入口を介して熱交換器２０に空気が導入される。空気供給通路２３の途中には、熱交換器２０側からＳＯＦＣ３上流の排気通路２側へ向けて空気を所定の圧力で吐出する空気ポンプ２４が備えられている。尚、本実施の形態においては、空気供給通路２３の他端は、燃料添加インジェクタ６よりも下流の排気通路２へ接続しても良い。つまり、空気の供給により、燃料が付着し得る箇所の温度を上昇させることができれば良い。また、空気ポンプ２４は、空気取入口側へ設けても良い。
【００３１】
ここで、前記したように、ＳＯＦＣ３の作動温度は高く、燃料極３ａ側からは高い温度のガスが排出される。従って、ＳＯＦＣ３が発電を行っている間は、例えエンジン１から排出される排気の温度が低い場合であっても、ＳＯＦＣ３において排気の温度が上昇されるので、ＳＯＦＣ３よりも下流の排気の温度は高くなる。本実施の形態では、この温度の高い排気と空気との間で熱交換を行い、それにより温度が上昇した空気を燃料添加インジェクタ６よりも上流の排気通路２へ供給する。
【００３２】
このような構成では、高温の排気が熱交換器２０に導入されると、該熱交換器２０にて空気の温度が上昇される。この温度が上昇した空気を空気ポンプ２４によりＳＯＦＣ３上流の排気通路２に導入させる。これにより、該排気通路２の壁温や排気の温度を上昇させることができる。そして、該排気通路２の壁温や排気の温度を上昇させることにより燃料添加インジェクタ６から添加された燃料の蒸発を促進させることができる。
【００３３】
また、ＳＯＦＣよりも下流の排気通路２の途中には、排気の空燃比に対応した信号を出力する空燃比センサ１０及び排気の温度に応じた信号を出力する排気温度センサ１３が取り付けられている。
【００３４】
このようなエンジン１には、該エンジン１を制御するための電子制御ユニット（ＥＣＵ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｕｎｉｔ）９が併設されている。このＥＣＵ９は、エンジン１の運転条件や運転者の要求に応じてエンジン１の運転状態を制御するユニットである。
【００３５】
ＥＣＵ９には、各種センサが電気配線を介して接続され、これらセンサの出力信号がＥＣＵ９に入力されるようになっている。また、ＥＣＵ９には、ＳＯＦＣ３を制御するためのＦＣ用ＥＣＵ１１が接続されている。
【００３６】
前記ＳＯＦＣ３は、ＦＣ用ＥＣＵ１１からの信号により作動する。発電により得られた電力の一部は一旦バッテリ５に蓄えられる。このバッテリ５には、電動ウォータポンプ、エアコンディショナー用電動コンプレッサ、電動オイルポンプ、パワーステアリング用電動ポンプ等の補機類４及び電気ヒータ１２が電気的に接続されており、これらの装置に電力が供給される。
【００３７】
ところで、従来の排気系に燃料電池を有する内燃機関では、エンジンからの排気中に含まれる未燃燃料を燃料電池の発電用燃料として用いていた。従って、燃料電池が多くの発電用燃料を必要としている場合には、リッチ空燃比でエンジンを運転して未燃燃料を多く排出させる必要があった。
【００３８】
しかし、ディーゼルエンジンでは、通常リーン空燃比で運転されているため、排気中の酸素濃度が高く、必要電力を得ることが困難であった。一方、燃料電池に発電用の燃料を供給しようとして、通常運転時の空燃比よりも燃料を多くしたリッチ寄りの空燃比でエンジンを運転させると、トルク変動やエミッションの悪化を誘発することがあった。更に、エンジンの運転状態によっては、リッチ寄りの空燃比で運転することが困難な場合もあり、そのような場合には、必要となる電力を確保することができなかった。
【００３９】
その点、本実施の形態では、エンジン１の運転状態を変更することなく、前記燃料添加インジェクタ６から添加された燃料を発電用燃料としてＳＯＦＣ３に導入することができる。また、エンジン１からの排気をＳＯＦＣ３に導入することができるので、排気の温度によるＳＯＦＣ３の温度上昇を行うこともでき、更には、エンジン１からの排気の一部を発電用燃料として用いることもできる。
【００４０】
ここで、ＳＯＦＣ３に導入される発電用の燃料量は、燃料添加インジェクタ６から噴射される燃料量により調整することができる。即ち、本実施の形態では、燃料添加インジェクタ６を間欠的に開弁させ、このときの該燃料添加インジェクタ６の開弁時間及び閉弁時間を調整することにより排気通路２に供給する燃料量を調整している。即ち、開弁時間が長く、若しくは、閉弁時間が短いほどＳＯＦＣ３に供給される燃料量が多くなる。一方、開弁時間が短く、若しくは、閉弁時間が長いほどＳＯＦＣ３に供給される燃料量が少なくなる。
【００４１】
そして、ＳＯＦＣ３での目標発電量と、燃料添加インジェクタ６の開弁時間若しくは閉弁時間と、の関係を予めマップ化しておき、そのマップへ目標発電量を代入して燃料添加インジェクタ６の開弁時間若しくは閉弁時間を得るようにしても良い。このようにして、要求発電量を満たす発電を行うことが可能となる。
【００４２】
ここで、低負荷領域では、エンジン１からの排気による排気通路２の壁面温度の上昇が小さく、燃料添加インジェクタ６から添加された燃料の一部が排気通路２の壁面に付着することがある。このように排気通路２の壁面に燃料が付着してしまうと、ＳＯＦＣ３に供給される燃料が減少してしまい、安定した発電用燃料の供給が困難となる。
【００４３】
また、排気通路２の壁面に付着した燃料は、その後にエンジン回転数が高くなったり、緩やかに加速したりするときには、白煙となって大気中へ放出されることがある。
【００４４】
その点、本実施の形態では、熱交換器２０により温度上昇された空気を燃料添加インジェクタ６より上流の排気通路２へ供給することにより、排気通路２の壁面温度を上昇させ、該壁面に付着した燃料の蒸発を促進させることができる。
【００４５】
尚、本実施の形態においては、ＳＯＦＣ３よりも下流の排気通路２に取り付けられた空燃比センサ１０の出力信号に基づいて、発電用燃料の量、即ち、燃料添加インジェクタ６の開弁時間及び閉弁時間をフィードバック制御しても良い。即ち、空燃比センサ１０の出力信号が、目標となる空燃比よりも高い場合には、燃料添加インジェクタ６の開弁時間を長くし若しくは閉弁時間を短くする。一方、目標となる空燃比よりも低い場合には、燃料添加インジェクタ６の開弁時間を短くし、若しくは閉弁時間を長くする。
【００４６】
また、前記したように、ＳＯＦＣ３の作動温度は高いため、該ＳＯＦＣ３の始動時には作動温度まで温度上昇（以下、作動温度まで温度上昇させることを「暖機」という。）させなければ発電を行うことができない。そして、ディーゼルエンジンでは、通常排気の温度が低く、燃料電池の暖機を速やかに完了させるのが困難であった。
【００４７】
ここで、ＳＯＦＣ３の上流に酸化触媒を備え、該酸化触媒に燃料を添加して、このときに発生する熱により該ＳＯＦＣ３の温度を上昇させることも考えられる。しかし、酸化触媒へ燃料の供給が必要となり、燃費が悪化する虞がある。また、酸化触媒が活性化するまでに時間を要するため、それまではＳＯＦＣ３の暖機を行うことができない。更には、酸化触媒に供給した燃料が反応せずに該酸化触媒を通過してしまった場合には、下流のＳＯＦＣ３においても反応せずに通過し、大気中へ放出される虞がある。また、暖機完了後に供給される発電用燃料が酸化触媒に付着すると、該酸化触媒にて反応してしまうため、ＳＯＦＣ３に供給される燃料量が減少してしまう。そして、酸化触媒にて発電用燃料が反応したときに発生する熱により、該酸化触媒が劣化する虞もある。
【００４８】
その点、本実施の形態においては、電気ヒータ１２を備え、該電気ヒータ１２で発生させた熱により排気の温度を上昇させ、この排気をＳＯＦＣ３に供給することにより、ＳＯＦＣ３の温度を上昇させることができる。
【００４９】
ここで、本実施の形態によるＳＯＦＣ３の発電制御について説明する。
【００５０】
図２及び図３は、本実施の形態によるＳＯＦＣ３の発電制御のフローを示したフローチャート図である。図２及び図３中、丸で囲った数字で等しいものは、夫々同一時点を示している。
【００５１】
ステップＳ１０１では、イグニッションスイッチ（以下、ＩＧスイッチとする。）がＯＮとされる。尚、本フローはＩＧスイッチがＯＮとなった場合に開始されるとしても良い。この後、エンジン１が始動される。
【００５２】
ステップＳ１０２では、エンジン回転数Ｎｅが０よりも高くなったか否か、即ちエンジン１が始動されたか否か判定する。
【００５３】
ステップＳ１０２で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１０３へ進み、一方、否定判定がなされた場合にはステップＳ１０２の処理を繰り返す。
【００５４】
ステップＳ１０３では、電気ヒータ１２への電力の供給を開始する。これにより、ＳＯＦＣ３の温度が上昇される。
【００５５】
ステップＳ１０４では、バッテリ５の放電量を積算する。ここでは、バッテリ５から電気ヒータ１２へ供給した電力量を算出するとしても良い。また、電気ヒータ１２へ電力を供給したことによるバッテリ５の充電量の減少分を算出するとしても良い。
【００５６】
ステップＳ１０５では、ＩＧスイッチがＯＮとなっているか否か判定する。ここで、ＩＧスイッチがＯＦＦとなっている場合は、エンジン１が始動された後、直ぐにエンジン１が停止された場合であり、バッテリ５の充電量が不足する虞がある。そのため、エンジン１停止後であっても、一定の条件下でＳＯＦＣ３での発電を行う。
【００５７】
ステップＳ１０５で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１０６へ進み、一方、否定判定がなされた場合にはステップＳ１１０へ進む。
【００５８】
ステップＳ１０６では、ＳＯＦＣ３の暖機が完了したか否か判定する。判定は、排気温度センサ１３から得られる排気温度がＳＯＦＣ３の作動温度よりも高くなったか否かにより行われる。
【００５９】
ステップＳ１０６で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１０７へ進み、一方、否定判定がなされた場合にはステップＳ１０３へ戻る。
【００６０】
ステップＳ１０７では、電気ヒータ１２への電力の供給が停止される。即ち、ＳＯＦＣ３の暖機が完了したため、電気ヒータ１２への電力の供給を停止して、発電用燃料が燃料してしまうことを抑制する。また、ＳＯＦＣ３による発電量を減少させて燃費の悪化を抑制する。
【００６１】
ステップＳ１０８では、燃料添加インジェクタ６からＳＯＦＣ３の発電用燃料を添加する。
【００６２】
ステップＳ１０９では、ＳＯＦＣ３にて発電を行う。即ち、燃料添加インジェクタ６から添加された燃料が、ＳＯＦＣ３に導入され発電が行われる。
【００６３】
ステップＳ１１０では、空気ポンプ２４を作動させる。ここでは、エンジン１が停止されているため、燃料添加インジェクタ６から燃料を添加しただけでは燃料がＳＯＦＣ３に到達しない。そのため、排気通路２内へ空気を供給して空気の流れを作り、該流れに燃料を添加してＳＯＦＣ３へ発電用燃料を供給する。
【００６４】
ステップＳ１１１からステップＳ１１４までは、夫々ステップＳ１０６からステップＳ１０９までと同一の処理がなされる。
【００６５】
ステップＳ１１５では、バッテリ５の放電量がバッテリ５の充電量と等しいか否か判定する。ここでは、電気ヒータ１２に供給した電力量とＳＯＦＣ３にて発電された電力量とが等しくなったか否か判定するとしても良い。電気ヒータ１２に供給した電力量がＳＯＦＣ３にて発電された電力量よりも大きいときに発電を終了させると、バッテリ５の充電量が減少したままとなる。これにより、次回ＳＯＦＣ３作動時に電気ヒータ１２による暖機を行うことができなくなる。そこで、電気ヒータ１２に供給した電力量とＳＯＦＣ３にて発電された電力量とが等しくなるまでＳＯＦＣ３にて発電を行う。
【００６６】
ステップＳ１１５で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１１６へ進み、一方、否定判定がなされた場合にはステップＳ１１４へ戻る。
【００６７】
ステップＳ１１６では、空気ポンプ２４の作動を停止させ、且つ燃料添加インジェクタ６からの燃料添加を停止させる。そして、ＳＯＦＣ３での発電を停止させる。
【００６８】
このようにして、バッテリ５の充電量が少ない状態でＳＯＦＣ３が停止されることを抑制することができ、次回ＳＯＦＣ３の暖機に必要となる電力を確保することが可能となる。
【００６９】
尚、ステップＳ１１５においては、バッテリ５の充電量が規定の量よりも多いか否かにより判定を行っても良い。ここで、「規定の量」とは、電気ヒータ１２により排気の温度を上昇させ、更にはＳＯＦＣ３を作動温度まで上昇させることが可能なバッテリ５の充電量である。バッテリ５の充電量が規定の量以下の場合には、例えエンジン１が停止されたとしても、ＳＯＦＣ３に空気及び燃料を供給して発電を行うことにより、次回ＳＯＦＣ３の暖機に必要となる電力を確保することが可能となる。
【００７０】
また、本実施の形態においては、熱交換器２０において温度上昇された空気を燃料添加インジェクタ６よりも上流へ供給しているが、これに代えて、ＳＯＦＣ３より下流の排気通路２を流通する排気を、燃料添加インジェクタ６よりも上流の排気通路２へ供給するようにしても良い。熱交換器２０を介して供給される空気よりも高い温度の排気を供給することができ、燃料の蒸発をより促進させることができる。
【００７１】
以上説明したように、本実施の形態によれば、エンジン１の運転状態によらずＳＯＦＣ３に燃料を供給することができる。また、熱交換器２０により温度上昇された空気を排気通路２へ供給することができ、排気通路２の壁面に付着した燃料の蒸発を促進することができる。これにより、ＳＯＦＣ３に安定して燃料を供給することができ、効率的な発電が可能となる。更に、白煙が発生することを抑制することができる。また、電気ヒータ１２により排気を加熱しＳＯＦＣ３の暖機を速やかに完了させることができ、燃費の悪化を抑制することもできる。
【００７２】
＜第２の実施の形態＞
本実施の形態では、第１の実施の形態と比較して、ＳＯＦＣ３の暖機が完了した後は電気ヒータ１２へ排気を流通させない点で相違する。
【００７３】
ここで、図４は、本実施の形態によるエンジン１とその排気系の概略構成を示す図である。
【００７４】
電気ヒータ１２より上流且つ燃料添加インジェクタ６よりも下流の排気通路２には、迂回路１４の一端が接続されている。迂回路１４の他端は、電気ヒータ１２より下流且つＳＯＦＣ３より上流の排気通路２に接続されている。電気ヒータ１２より上流の排気通路２と迂回路１４との接続部には、電気ヒータ１２若しくは迂回路１４の何れか一方に排気を流通させるための通路切替弁１５が備えられている。尚、本実施の形態においては、適用対象となるエンジンやその他ハードウェアの基本構成については、第１の実施の形態と共通なので説明を割愛する。
【００７５】
ところで、ＳＯＦＣ３の暖機が完了した後には、電気ヒータ１２により排気を加熱する必要はないため、電気ヒータ１２への電力の供給が停止される。しかし、燃料添加インジェクタ６から添加された燃料が電気ヒータ１２を通過すると、該電気ヒータ１２に燃料の一部が付着することがある。この付着した燃料はその後蒸発してＳＯＦＣ３に流入するが、蒸発するまでには時間がかかり、ＳＯＦＣ３に必要量の燃料を供給できなくなる虞がある。また、燃料が電気ヒータ１２に付着した後にエンジン回転数が高くなったり、緩やかに加速したりするときには、該燃料が白煙となって大気中へ放出されることがある。
【００７６】
その点、本実施の形態においては、ＳＯＦＣ３の暖機が完了した後は、迂回路１４に排気を流通させ、電気ヒータ１２への燃料の付着を抑制することができる。
【００７７】
次に、本実施の形態によるＳＯＦＣ３の発電制御について説明する。
【００７８】
図５及び図６は、本実施の形態によるＳＯＦＣ３の発電制御のフローを示したフローチャート図である。図５及び図６中、丸で囲った数字の等しいものは、夫々同一時点を示している。また、図２及び図３と同一の処理は、同一のステップとして同じ数字で表してある。本実施の形態では、第１の実施の形態と異なる処理のみ説明する。ここでは、ステップＳ２０８及びステップＳ２１３のみが第１の実施の形態と異なる。
【００７９】
ステップＳ２０８及びステップＳ２１３では、通路切替弁１５を操作して迂回路１４に排気を流通させ、燃料添加インジェクタ６からＳＯＦＣ３の発電用燃料を添加する。
【００８０】
このようにして、ＳＯＦＣ３の暖機が完了した後は、迂回路１４に排気を流通させることにより、電気ヒータ１２への発電用燃料の付着を抑制することができる。
【００８１】
以上説明したように、本実施の形態によれば、電気ヒータ１２により排気を加熱しＳＯＦＣ３の暖機を速やかに完了させることができ、燃費の悪化を抑制することができる。ＳＯＦＣ３の暖機が完了した後は、迂回路１４に排気を流通させ、電気ヒータ１２への発電用燃料の付着を抑制することができ、ＳＯＦＣ３に安定して燃料を供給することができる。この結果、効率的な発電が可能となる。また、電気ヒータ１２へ付着した燃料が蒸発したときに発生する白煙を抑制することができる。
【００８２】
＜その他の実施の形態＞
第１及び第２の実施の形態では、ＳＯＦＣ３よりも下流の排気通路２に酸化触媒１８を備えていても良い。
【００８３】
図７は、ＳＯＦＣ３の下流に酸化触媒１８を備えた排気系の概略構成を示す図である。ＳＯＦＣ３よりも上流は、図１及び図４と夫々同一である。
【００８４】
ここで、空燃比センサ１０及び排気温度センサ１３が排気通路２に取り付けられている場合には、酸化触媒１８において排気の中の成分が変わりセンサ出力に影響するため、空燃比センサ１０及び排気温度センサ１３の下流に酸化触媒１８を備える。また、熱交換器２０よりも上流側で且つ迂回路２１が排気通路２に接続される接続部よりも上流側に酸化触媒１８を備える。これにより、酸化触媒１８で温度上昇した排気を熱交換器２０に導入することができ、空気の温度をより高くすることができる。
【００８５】
ここで、ＳＯＦＣ３は、供給された発電用燃料の全てが反応するとは限らず、該ＳＯＦＣ３で反応しないまま通過してしまう燃料もある。この燃料が大気中へ放出されてしまうと、エミッション性能が悪化することになる。その点、ＳＯＦＣ３の下流に酸化触媒１８を備えることにより、ＳＯＦＣ３で反応しないまま排出された発電用燃料を酸化させ浄化することができる。
【００８６】
また、酸化触媒１８は、ＳＯＦＣ３の下流に備えられているので、該ＳＯＦＣ３からの熱により高い温度に維持され、安定した排気浄化を行うことができる。
【００８７】
尚、酸化触媒１８は、酸化能を有する触媒であれば良く、例えば、三元触媒や吸蔵還元型ＮＯｘ触媒であっても良い。
【００８８】
【発明の効果】
本発明に係る排気系に燃料電池を有する内燃機関では、電気ヒータにより温度上昇された高温の排気を燃料電池に供給して、該燃料電池を作動温度まで速やかに温度上昇させることができる。また、内燃機関の運転状態によらず、燃料電池に発電用燃料を供給することができる。更に、燃料電池に供給する発電用燃料の量を内燃機関の運転状態によらず増減させることができ、要求発電量に応じた量の燃料を供給することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態によるエンジンとその排気系の概略構成を示す図である。
【図２】第１の実施の形態によるＳＯＦＣの発電制御のフローを示したフローチャート図である。
【図３】第１の実施の形態によるＳＯＦＣの発電制御のフローを示したフローチャート図である。
【図４】第２の実施の形態によるエンジンとその排気系の概略構成を示す図である。
【図５】第２の実施の形態によるＳＯＦＣの発電制御のフローを示したフローチャート図である。
【図６】第２の実施の形態によるＳＯＦＣの発電制御のフローを示したフローチャート図である。
【図７】その他の実施の形態によるエンジンとその排気系の概略構成を示す図である。
【符号の説明】
１          エンジン
２          排気通路
３          燃料電池（ＳＯＦＣ）
３ａ      燃料極
３ｂ      電解質
３ｃ      空気極
４          補機類
５          バッテリ
６          燃料添加インジェクタ
７          燃料ポンプ
８          燃料供給通路
９          ＥＣＵ
１０      空燃比センサ
１１      ＦＣ用ＥＣＵ
１２      電気ヒータ
１３      排気温度センサ
１４      迂回路
１５      通路切替弁
１８      酸化触媒
２０      熱交換器
２１      迂回路
２２      三方弁
２３      空気供給通路
２４      空気ポンプ
【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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