(57)【要約】【課題】  熱供給を行うことなしにエネルギーを高い効率で取り出すことのできるハイブリッドシステムを提供する。【解決手段】  ハイブリッドシステム１は、燃料電池２と、燃料電池２のアノードに水素を供給する水素ボンベ３と、燃料電池２のカソードに不飽和炭化水素を供給するＬＰＧボンベ４と、燃料電池２から排出された飽和炭化水素を含む流体を燃料として利用するエンジン（内燃機関）５とを有する。不飽和炭化水素および飽和炭化水素は、ハイブリッドシステム１が作動する温度および圧力下において気体であることが好ましい【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池および内燃機関を有するハイブリッドシステムであって、
前記燃料電池に水素および不飽和炭化水素を供給し、
前記燃料電池から排出された飽和炭化水素を含む流体を前記内燃機関に供給することを特徴とするハイブリッドシステム。
【請求項２】
前記不飽和炭化水素および前記飽和炭化水素は、前記ハイブリッドシステムが作動する温度および圧力下において気体である請求項１に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、ハイブリッドシステムに関し、より詳しくは、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。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、カソードとアノードが、電解質膜を挟んでそれぞれ配置された構造を有している。そして、カソードに酸素（酸化ガス）が接触し、アノードに水素（燃料ガス）が接触することによって、両電極間で電気化学反応が起こり起電力を生じる。
【０００３】
一般に、カソードに供給する酸素は、コンプレッサにより外気から取り込んだ空気によって調達される。一方、アノードに供給する水素は、炭化水素の改質反応によって生成される。具体的には、炭化水素を水素に改質する改質器を用い、これによって水素リッチな改質ガスを生成している。
【０００４】
例えば、炭化水素としてガソリンまたは軽油などを用い、これを改質器に通して得られた改質ガスをアノードに供給することによって発電する燃料電池を備えたハイブリッド動力システムが提案されている（特許文献１参照）。このシステムでは、燃料電池に供給する炭化水素と空気を燃焼させることにより機械的動力を発生するエンジンが使用されている。そして、燃料電池の発生する電力が十分であるときにはエンジンを停止する一方で、電力が不足しているときにはエンジンを始動して不足分を補っている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−２８０００７号公報
【特許文献２】特開２００２−２０８４３０号公報
【特許文献３】特開平０８−３３９８１６号公報
【特許文献４】特開２００２−５３６７９１号公報
【特許文献５】特開平０８−０４５５２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１では、改質器に熱エネルギーを供給することが必要であった。このため、エンジンから排出される高温の排ガスを改質器に供給し、これにより、ガソリンを改質して燃料ガスを生成していた。また、このハイブリッド動力システムを低温型の燃料電池に適用する場合には、システム内で発生した熱を逃がすために熱交換器を設けなければならないという問題もあった。
【０００７】
本発明は、こうした問題点に鑑みてなされたものである。すなわち、本発明の目的は、熱供給を行うことなしにエネルギーを高い効率で取り出すことのできるハイブリッドシステムを提供することにある。
【０００８】
本発明の他の目的および利点は以下の記載から明らかとなるであろう。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、燃料電池および内燃機関を有するハイブリッドシステムであって、燃料電池に水素および不飽和炭化水素を供給し、燃料電池から排出された飽和炭化水素を含む流体を内燃機関に供給することを特徴とするものである。
【００１０】
本発明のハイブリッドシステムにおいて、不飽和炭化水素および飽和炭化水素は、ハイブリッドシステムが作動する温度および圧力下において気体であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、燃料電池に水素および不飽和炭化水素を供給し、燃料電池から排出された飽和炭化水素を含む流体を内燃機関に供給するので、熱供給を行うことなしに高い効率でエネルギーを取り出すことが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１は、本実施の形態におけるハイブリッドシステムの構成図である。
【００１３】
図１に示すように、ハイブリッドシステム１は、燃料電池２と、燃料電池２のアノードに水素を供給する水素ボンベ３と、燃料電池２のカソードに不飽和炭化水素を供給するＬＰＧ（Ｌｉｑｕｅｆｉｅｄ  Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ  Ｇａｓ；液化石油ガス）ボンベ４と、燃料電池２から排出された飽和炭化水素を含む流体を燃料として利用するエンジン（内燃機関）５とを有する。
【００１４】
図２は、燃料電池２を構成するセルの断面模式図である。図に示すように、セル１１は、ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ；膜−電極アッセンブリ）１２と、ＭＥＡ１２の両側に設けられる拡散層１３，１４と、ＭＥＡ１２および拡散層１３，１４を挟んで設けられるセパレータ１５，１６とを有する。
【００１５】
ＭＥＡ１２は、固体高分子電解質からなる電解質膜１７と、電解質膜１７の両面に設けられた触媒層１８，１９とを有する。そして、触媒層１８と拡散層１３でアノード２０を構成し、触媒層１９と拡散層１４でカソード２１を構成している。また、セル１１内には端子（図示せず）が設けられていて、負荷２２を有する外部回路に接続している。
【００１６】
本実施の形態における燃料電池は、上記のセルを複数個積層した後、積層方向の両端にターミナル、インシュレータおよびエンドプレートを配置し、締結部材とボルトおよびナットとでこれらを固定することにより構成された燃料電池スタックからなる。尚、複数のセルを積層してサブスタックを形成し、このサブスタックをさらに複数個積層することによって燃料電池スタックを形成してもよい。
【００１７】
図２において、アノード２０に供給された水素は、プロトン（Ｈ＋）と電子（ｅ−）に分かれた後、プロトンは電解質膜１７を、電子は外部回路をそれぞれ通ってカソード２１へ移動する。一方、カソード２１に供給された不飽和炭化水素は、カソード２１に移動してきたプロトンおよび電子と反応して飽和炭化水素を生成する。そして、この飽和炭化水素が、図１のエンジン５に送られて、エンジン５の燃料として使用される。
【００１８】
このように、本実施の形態は、不飽和炭化水素を燃料電池２に供給することによって、燃料電池２でエネルギーを取り出すとともに、不飽和炭化水素を水素化して飽和炭化水素に変換し、これをエンジン５の燃料として使用することを特徴としている。これにより、熱供給を行うことなしに高い効率でエネルギーを取り出すことが可能となる。本発明により得られる効果について、以下にさらに詳しく述べる。
【００１９】
表１は、炭化水素の種類による標準燃焼エンタルピーを水素と比較したものである。
【００２０】
【表１】
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【００２１】
例えば、ＬＰＧとして１−ブテンを使用する場合、１−ブテンおよび水素の標準燃焼エンタルピーは、それぞれ−２，７１７ｋＪ／ｍｏｌおよび−２８６ｋＪ／ｍｏｌである（表１）。ここで、１−ブテンを燃料とするＬＰＧエンジンの効率をガソリンエンジンと同程度の１７％とすると、ＬＰＧエンジンで取り出せるエネルギーは、（１）式によって与えられる。
【００２２】
（２，７１７＋２８６）×０．１７＝５１１（ｋＪ）・・・（１）
【００２３】
一方、１−ブテンを使用した場合に、燃料電池から取り出せる理論的なエネルギーは８８ｋＪ／ｍｏｌ程度である。したがって、本実施の形態のハイブリッドシステムにおいて、理論値通りのエネルギーが取り出せるとすると、その値は（２）式によって与えられる。尚、１−ブテンの水素化におけるｎ−ブタンの標準燃焼エンタルピーは、−２，８７７ｋＪ／ｍｏｌである（表１）。
【００２４】
８８＋２，８７７×０．１７＝５７７（ｋＪ）・・・（２）
【００２５】
したがって、本実施の形態のハイブリッドシステムによれば、ＬＰＧエンジンに比較して、効率を理論的には１３％程度向上させることができる。
【００２６】
また、水素と酸素の反応によって発電する燃料電池について、現状の効率は６０％程度である。そこで、この値を本実施の形態におけるハイブリッドシステムに適用すると、取り出せるエネルギーは（３）式によって得られる。
【００２７】
８８×０．６０＋２，８７７×０．１７＝５４２（ｋＪ）・・・（３）
【００２８】
したがって、この場合であっても、ＬＰＧエンジンに比較して、効率を６％程度向上させることができる。尚、水素と酸素を用いた燃料電池において、効率低下の主な要因は、酸素の活性化にエネルギーが消費される点にある。一方、本実施の形態の燃料電池では、水素と不飽和炭化水素を用いており、酸素の活性化のような大きなエネルギー消費を必要としない。すなわち、カソード活性化過電圧が小さくなるので、エネルギーロスを少なくすることができる。したがって、この燃料電池の効率は６０％より大きくなると考えられるので、ＬＰＧエンジンに比較して６％より高い効率を得ることができると予想される。
【００２９】
以上述べたように、本実施の形態のハイブリッドシステムによれば、効率のよい燃料電池と、内燃機関とを組み合わせて用いるので、内燃機関のみを使用した場合に比較して大きいエネルギーを取り出すことが可能となる。
【００３０】
また、エンジンの燃料として、不飽和炭化水素を用いた場合と飽和炭化水素を用いた場合とでは、後者の方が取り出せるエネルギーは大きいものとなる。本実施の形態においては、燃料電池から排出される飽和炭化水素をエンジンの燃料として用いているので、単に排出ガスを再利用するに留まらず、より大きなエネルギーを取り出すことのできる燃料をエンジンに供給することができるという効果を併せ持っている。
【００３１】
本実施の形態においては、ハイブリッドシステムが作動する条件（温度および圧力）下で気体となる不飽和炭化水素および飽和炭化水素を用いることが好ましい。これは、燃料電池に供給するガスや、燃料電池内から排出されるガスが液化することによって、システム内の配管に液体が溜まると、ガスの拡散が妨げられて電極反応が阻害されることに鑑みたものである。本実施の形態では、不飽和炭化水素の分子量を選択することによって、ハイブリッドシステムが作動する条件下において、不飽和炭化水素およびこれから生成した飽和炭化水素が気体となるようにすることができる。したがって、これらが液化することによって起こる上記問題を回避することができる。
【００３２】
表２は、炭化水素の種類による沸点を比較したものである。
【００３３】
【表２】
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【００３４】
表２に示すように、エチレン、プロピレン、１−ブテン、シス−２−ブテン、トランス−２−ブテンおよび１−ペンテンなどの炭素数２〜５の不飽和炭化水素、並びに、これらが水素化された飽和炭化水素は、ハイブリッドシステムが作動する条件下においていずれも気体状態となる。したがって、本実施の形態においては、これらの不飽和炭化水素および飽和炭化水素が好ましく用いられる。また、これらは、上記の液化による問題を回避できるのみならず、ベンゼンなどの毒性の高い物質や、安全性や環境保護の観点から厳しく規制されている含酸素化合物（プロパノ−ルなどのアルコールなど）などを用いたりする場合に比較して、取り扱いが容易であるという利点も有する。
【００３５】
表３は、炭素数２〜５の不飽和炭化水素の理論起電圧および効率（ΔＧ°／ΔＨ°）を示したものである。この表から分かるように、大きな効率が得られる点から、炭素数４の不飽和炭化水素が特に好ましく用いられる。尚、ΔＧ°は標準自由エネルギー変化（ｋＪ／ｍｏｌ）であり、ΔＨ°は標準燃焼エンタルピー（ｋＪ／ｍｏｌ）である。
【００３６】
【表３】
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【００３７】
また、本実施の形態の燃料電池では、アノードとカソードの反応で水が生成しない。したがって、配管内に水が溜まったり、水が凍結して生成した氷が配管を閉塞したりすることによって、燃料電池に供給するガスの流量や圧力が変動するなどの問題を回避することができる。また、システム内に除湿機を設けるなどの措置をとる必要がないので、システムを簡略化することができる。
【００３８】
尚、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において、種々変形して実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明におけるハイブリッドシステムの構成図である。
【図２】本実施の形態で燃料電池を構成するセルの断面模式図である。
【符号の説明】
【００４０】
１  ハイブリッドシステム
２  燃料電池
３  水素ボンベ
４  ＬＰＧボンベ
５  エンジン
１１  セル
１２  ＭＥＡ
１３，１４  拡散層
１５，１６  セパレータ
１７  電解質膜
１８，１９  触媒層
２０  アノード
２１  カソード
２２  負荷
【図１】
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【図２】
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