燃料電池システム
【課題】速やかな起動と効率的な動作制御を可能とする燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料ガスが供給される燃料極２１及び空気が供給される空気極２２を有する固体酸化物型燃料電池２とこれとは別に設けられた発電機６とを備えた燃料電池システムにおいて、炭化水素化合物を含有する燃料ガスを改質して前記固体酸化物型燃料電池の燃料極に供給する改質器１と、前記発電機を駆動する内燃機関３であって、この内燃機関から排出された排気ガスで前記固体酸化物型燃料電池を加熱可能とする内燃機関と、前記内燃機関への燃料の供給を制御する制御手段とを備え、前記内燃機関は、この内燃機関に外部から燃料及び空気を前記固体酸化物型燃料電池を通過させずに導入可能な第１ポート３１と、前記第１ポートとは別に設けられ、前記内燃機関に前記燃料電池の燃料極からの排出ガスを導入する第２ポート３２を有する。
【解決手段】燃料ガスが供給される燃料極２１及び空気が供給される空気極２２を有する固体酸化物型燃料電池２とこれとは別に設けられた発電機６とを備えた燃料電池システムにおいて、炭化水素化合物を含有する燃料ガスを改質して前記固体酸化物型燃料電池の燃料極に供給する改質器１と、前記発電機を駆動する内燃機関３であって、この内燃機関から排出された排気ガスで前記固体酸化物型燃料電池を加熱可能とする内燃機関と、前記内燃機関への燃料の供給を制御する制御手段とを備え、前記内燃機関は、この内燃機関に外部から燃料及び空気を前記固体酸化物型燃料電池を通過させずに導入可能な第１ポート３１と、前記第１ポートとは別に設けられ、前記内燃機関に前記燃料電池の燃料極からの排出ガスを導入する第２ポート３２を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池システムに係り、より詳細には、固体酸化物型燃料電池（Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：ＳＯＦＣ）を備えた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＳＯＦＣの応用として、ＳＯＦＣと内燃機関とを備えた複合発電設備が提案されている。この複合発電設備においては、ＳＯＦＣのオフガスを内燃機関の燃料の一部として利用し、さらに、その内燃機関の排気ガスを改質器及びＳＯＦＣへ導き、改質器及びＳＯＦＣを予加熱する。この予加熱の制御を工夫して起動時の早期の発電開始を可能としたものも提案されている（例えば特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−１５９５８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このような燃料電池システムを改善して、速やかな起動が可能である燃料電池システムが望まれるとともに、省エネルギーに対する関心が高まる中、さらに燃費を節約できるような効率的な動作が可能な燃料電池システムが求められていた。
【０００５】
そこで、本発明は速やかな起動と効率的な動作制御を可能とする燃料電池システムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の目的を達成するため、本発明の燃料電池システムは、燃料ガスが供給される燃料極及び空気が供給される空気極を有する固体酸化物型燃料電池とこれとは別に設けられた発電機とを備えた燃料電池システムであって、炭化水素化合物を含有する燃料ガスを改質して固体酸化物型燃料電池の燃料極に供給する改質器と、発電機を駆動する内燃機関であって、この内燃機関から排出された排気ガスで固体酸化物型燃料電池を加熱可能とする内燃機関と、内燃機関への燃料の供給を制御する制御手段とを備え、内燃機関は、この内燃機関に外部から燃料及び空気を固体酸化物型燃料電池を通過させずに導入可能な第１ポートと、第１ポートとは別に設けられ、内燃機関に燃料電池の燃料極からの排出ガスを導入する第２ポートを有する。
【０００７】
このように構成された本発明においては、内燃機関に対する燃料や空気供給を状況に応じて柔軟に行うことができる。これにより、速やかな起動と効率的な動作制御が可能となる。
【０００８】
また、本発明において好ましくは、制御手段は第１ポートの開閉と第２ポートの開閉を独立して制御する。このように構成された本発明においては、内燃機関に対する燃料や空気供給を状況に応じて柔軟に行うことができる。
【０００９】
また、本発明において好ましくは、制御手段は、固体酸化物型燃料電池の温度が完全暖機温度に達するまでの間は第２ポートを閉じ、第１ポートを開閉させて外部から燃料及び空気を導入することで内燃機関を稼動させ、その排気ガスで固体酸化物型燃料電池の予熱を行い、燃料電池が完全暖機温度に達した後、第１ポート及び第２ポートを開閉させて内燃機関を稼動させる。このように構成された本発明においては、速やかな起動が可能となる。
【００１０】
また、本発明において好ましくは、制御手段は、固体酸化物型燃料電池の温度が完全暖機温度以上となった後、内燃機関の燃料として第２ポートから固体酸化物型燃料電池の燃料極側を通過したガスを導入し、第１ポートからは燃料を導入せずに空気を導入して、内燃機関を稼動させる。このように構成された本発明においては、効率的な動作制御が可能となる。
【００１１】
また、本発明の燃料電池システムは、更に内燃機関からの排気ガスの組成情報を取得する取得手段を有し、取得手段が取得した排気ガスの組成情報に応じて、第１ポートから導入する空気の量を調節する。このように構成された本発明においては、不完全燃焼を防いで効率的な燃焼を行うことができる。
【００１２】
また、本発明の燃料電池システムは、内燃機関からの排気ガスの経路を制御する排気ガス制御手段を有し、この排気ガス制御手段は、固体酸化物型燃料電池の温度が完全暖機温度未満の場合、固体酸化物型燃料電池に排気ガスを導入する。このように構成された本発明においては、速やかな起動が可能となる。
【００１３】
また、本発明において好ましくは、固体酸化物型燃料電池の温度が完全暖機温度以上となった後、排気ガスを前記改質器に導入する。このように構成された本発明においては、速やかな起動と効率的な動作が可能となる。
【００１４】
また、本発明において好ましくは、第１ポート及び第２ポートは連続可変バルブ機構により開閉する。このように構成された本発明においては、ポンピングロスを低減することができ、効率的な動作制御が可能となる。
【００１５】
また、本発明において好ましくは、制御手段は固体酸化物型燃料電池の温度が完全暖機温度以上となった後、内燃機関の燃焼サイクルにおいて、第２ポートから固体酸化物型燃料電池の燃料極側を通過したガスを導入した後、前記第２ポートを閉じ、前記第１ポートから空気を導入する。このように構成された本発明においては、効率的な動作制御と、安全で安定した動作が可能となる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の燃料電池システムによれば、速やかな起動と効率的な動作制御が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の各実施形態による燃料電池システムの基本構成を示す概略図である。
【図２】本発明の各実施形態による燃料電池システムのエンジン３の各ポートを示す斜視図である。
【図３】本発明の各実施形態による燃料電池システムのコントロールユニットの入出力関係を示すブロック図である。
【図４】本発明の各実施形態による燃料電池システムの基本制御を示すフローチャート図である。
【図５】本発明の各実施形態による燃料電池システムの起動時の制御を示すフローチャート図である。
【図６】本発明の各実施形態による燃料電池システムのエンジン単独運転モードにおける各ポートのバルブの動作を示す概略図である。
【図７】本発明の第１の実施形態による燃料電池システムのエンジンＳＯＦＣ連携モードにおける各ポートのバルブの動作を示す概略図である。
【図８】本発明の第２の実施形態による燃料電池システムのエンジンＳＯＦＣ連携モードにおける各ポートのバルブの動作を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
図１に示すように、本発明の第１の実施形態による燃料電池システムは、電気自動車の駆動用電源であって、作動時に、炭化水素化合物を含有する燃料ガスを改質して水素ガスを生成する改質器１と、改質器１で生成した水素ガスが供給される固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）２と、このＳＯＦＣ２の燃料極（アノード）側へ燃料を供給する燃料供給通路１０ｂと、ＳＯＦＣ２の空気極（カソード）側へ空気を供給する空気供給通路１１ａとを備えている。また、ＳＯＦＣ２から排出されたオフガスを燃料の一部として吸引する内燃機関としてのエンジン３を備えている。内燃機関から排出された排気ガスを改質器１及びＳＯＦＣ２の少なくとも一方の加熱に利用するために、排気ガスを改質器１及びＳＯＦＣ２の少なくとも一方へ導くように排気ガスを導く先を制御する排気経路制御弁４ａ及び４ｂを備えている。そして、排気経路制御弁４ａ及び４ｂ、を制御する制御手段５（図３を参照して後述する）を備えている。
【００１９】
改質器１としては、従来公知の任意好適なものを利用することができる。改質器１では、例えば６００〜８００℃の高温下で、メタン等の炭化水素化合物を含む燃料ガスに水蒸気が加えられることによって、炭化水素化合物が分解されて、水素が生成される。本実施形態では、燃料ガスとして液化天然ガス（Ｌｉｑｕｅｆｉｅｄ ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ ｇａｓ：ＬＰＧ）を使用する。例えば、ＬＰＧ内のプロパン（Ｃ3Ｈ8）が水蒸気と反応すると、水素や一酸化炭素、二酸化炭素が生成される。燃料ガスにはこれらの成分が含まれるとともに、反応しなかったプロパンも含まれている。
【００２０】
なお、図１では、改質器１へ供給される燃料ガスの経路を実線１０ａで示す。また、改質器１へ供給される水の経路の図示を省略する。また、図１に経路を示す種々のガスは、それぞれ経路に従って設けられた不図示の配管によって導かれる。
【００２１】
また、改質器１には、排気ガスの熱及びオフガスによって改質器１を加熱するために、不図示の熱交換機構が設けられている。熱交換機構は、任意好適な構造を採用することができる。例えば、熱交換機構として、改質器１の周囲を排気ガスとオフガスを別々に通すジャケットで覆ってもよいし、改質器１の内部に、排気ガスとオフガスを別々に通す複数の配管を設けてもよい。
【００２２】
改質器１で生成された水素ガス、及び改質器１を通過した未改質の燃料ガスは、ＳＯＦＣ２へ供給される。また、ＳＯＦＣ２へは空気（Ａｉｒ）も供給される。図１では、改質器１からＳＯＦＣ２へ供給される水素ガス及び未改質の燃料ガスの経路、すなわち燃料供給通路を実線１０ｂで示し、ＳＯＦＣ２へ供給される空気の経路、すなわち空気供給通路を破線１１ａで示す。
【００２３】
ＳＯＦＣ２としては、従来公知の任意好適なものを利用することができる。本実施形態におけるＳＯＦＣ２も、従来公知のものと同様に、燃料極（アノード）２１と空気極（カソード）２２を備えている。改質器１からの燃料ガス等は燃料供給通路１０ｂを通って燃料極２１へ供給される。また、空気極２２には空気供給通路１１ａを通って空気が供給される。
【００２４】
ＳＯＦＣ２では、燃料極２１に供給された燃料ガス中の水素と、空気極２２に供給された空気中の酸素とが反応して水が生成されるとともに、電気が発生する発電反応が行われる。発電反応で発生した電気は、燃料極２１及び空気極２２それぞれのセラミック電極に接続された二次電池（図示せず）や駆動モータ（図示せず）に送られる。燃料極２１には、ニッケルを含む触媒が用いられている。
【００２５】
本発明に係るＳＯＦＣは、６５０℃ほどの作動温度で発電反応を行う。発電反応は発熱反応であるため、発電反応が開始するとＳＯＦＣは自立的に加熱されて、ＳＯＦＣの作動温度が維持される。このようにＳＯＦＣが高温状態で安定した発電を行う状態を燃料電池システムの定常運転という。
【００２６】
ＳＯＦＣ２の燃料極２１側から排出されたオフガスは、改質器１の熱交換機構（図示せず）を経由して、実線で表すオフガス排出通路１０ｃを通って後述するエンジン３の第２ポート３２へ供給される。本実施形態では、オフガスとして、ＳＯＦＣ２の燃料極２１から排出されたガス（未反応の燃料ガスを含む）と、空気極２２から排出されたガスとの両方が別々の経路でエンジン３へ供給される。空気極２２からエンジン３へ供給される空気の経路を破線１１ｂで示す。空気極２２側から排出されたガスは後述するエンジン３の第１ポート３１へ供給される。
【００２７】
ＳＯＦＣ２の作動温度が高温であるため、ＳＯＦＣ２の燃料極２１から排出されたオフガスも通常、数百℃という高温である。ＳＯＦＣ２の燃料極２１から排出されたオフガスは、オフガス通路１０ｃにより改質器１へ導かれ、改質器１の熱交換機構（図示せず）において、改質器１と熱交換され、改質器１の加熱に利用される。このようにして、改質器１が加熱される一方、オフガスが冷却され、その後冷却されたオフガスがエンジン３へ供給される。また、効率のよい機関を実現すべく、オフガスの排熱の有効利用を図るためには、ＳＯＦＣ２の作動温度を改質器１の作動温度よりも高く設定することが好ましい。改質器１の温度を高温に保つため、後述するエンジン３からの排気ガスの利用と併用することも可能であるが、ＳＯＦＣ２の作動温度を改質器１の作動温度よりも高く設定することで、ＳＯＦＣ２のオフガスを中心に改質器１の温度維持が可能となるため、エンジン３で燃焼させる燃料を節約することもできる。
【００２８】
本発明のエンジン３は、吸気排気サイクルを有する従来公知の内燃機関から、マルチポートタイプのものを使用する。図１に示すエンジン３は、吸気用の第１ポート３１、同じく吸気用の第２ポート３２、排気用の第３ポート３３、同じく排気用の第４ポート３４を備えたレシプロエンジンである。第１ポートにはＳＯＦＣ２の空気極２２側からのオフガスとともに、燃料（ＬＰＧ）及び空気（Ａｉｒ）が供給される。この燃料と空気は外部からそれぞれ空気制御弁４ｄ及び燃料制御弁４ｅを通って導入される。空気制御弁４ｄ及び燃料制御弁４ｅはエンジン３に比較的近い場所にあるため、ＳＯＦＣ２内を通過するオフガスに比べると、弁制御に対する応答が早いという利点がある。第２ポートにはＳＯＦＣ２の燃料極２１側からのオフガスが供給される。後述するように、エンジン３を内燃機関として駆動する際には、通常作動時はエンジン３での燃焼を最適なものとするため、エンジン３の第１ポート３１にはＳＯＦＣ２の空気極側からのオフガスとともに、空気（Ａｉｒ）が、そして第２ポート３２にはＳＯＦＣ２の燃料極２１側からのオフガスが供給される。通常作動時には基本的に第１ポート３１には外部から燃料制御弁４ｅを介して燃料が供給されない点に注意すべきである。
【００２９】
エンジン３のこれら各ポートの開閉はポート制御弁、すなわちバルブによって行われる。第１ポート３１及び第２ポート３２はそれぞれ独立して第１ポートバルブ４ｆ、第２ポートバルブ４ｇによって開閉制御される。一方、排気用の二つのポート３３、３４についてはバルブをそれぞれ独立して制御する必要はなく、コモンバルブとして制御してよい。また、この第１ポートバルブ４ｆと第２ポートバルブ４ｇは連続可変バルブ機構（図示せず）を用いるのが好ましい。このような連続可変バルブ機構を用いることで、ポンピングロス（吸排気損失）を低減できるとともに、例えば第２ポートの開閉動作についてオン・オフ制御するときも連続可変バルブ機構の制御範囲内で行うことができ、特別な設計を行う必要がないという利点がある。
【００３０】
なお、図１はシステムの概念を示す概略図であり、実際のエンジンにおいて切断面を側面から見た場合、第１〜第４のポートが図１に示すように並んでいるわけではない。各ポートの実際の配置について、図２に示す。上述したようにエンジン３は、吸気用の第１ポート３１、同じく吸気用の第２ポート３２、排気用の第３ポート３３、同じく排気用の第４ポート３４を有しており、通常の４バルブエンジンと同様のものを採用することができる。第１ポートバルブ４ｆ、第２ポートバルブ４ｇによって、第１ポート３１及び第２ポート３２をそれぞれ独立して制御する。
【００３１】
このエンジン３は車両走行のための駆動源ではなく、エンジン３のコネクティングロッド３６はモータ兼発電機６に連結されている。これにより、エンジン３は、オフガスを燃料の一部として内燃機関として駆動して、モータ兼発電機６で補助的に発電することができる。また、二次電池に充電された電気を利用してモータ兼発電機６をモータとして駆動することによって、エンジン３のピストン３５を運動させることもできる。
【００３２】
エンジン３においてオフガスを燃料の一部として利用することによって、オフガスに含まれる未反応の水素を燃焼させることができるとともに、オフガスに含まれる未改質の炭化水素化合物も燃焼させることができる。このように、エンジン３でオフガスを燃焼させることによって、引火性の高い水素ガスを大気中に放出することを回避することができるとともに、オフガス中の未反応炭化水素化合物を減らして、排気ガスの浄化を図ることができる。
【００３３】
さらに、エンジン３は、通常のＳＯＦＣ等の燃料電池ユニットにおいて必要とされるブロアーの機能を果たす。具体的には、エンジン３は、通常運転時の吸気サイクルにおいて、第２ポート３２から燃料極２１側のオフガスを吸引する。一方、空気極２２側のオフガスは第１ポート３１から吸引してもよく、エンジン３に供給せずに排出しても構わない。その結果、ＳＯＦＣ２の燃料極２１では改質器１から燃料ガス等が吸引され、さらに、改質器１では、燃料ガスが吸引される。したがって、本実施形態による燃料電池ユニットでは、燃料ガスを改質器１及びＳＯＦＣ２へ送出するためのブロアーも、空気をＳＯＦＣ２へ送出するためのブロアーも必要としない。
【００３４】
そして、エンジン３は燃料を燃焼した後、排気ポート３３、３４から数百℃の高温の排気ガスを排気する。排気ガスは、改質器１及びＳＯＦＣ２の少なくとも一方の熱交換機構へ導かれて、これらの加熱に利用される。これにより、排気ガスの排熱の有効利用を図ることができる。
【００３５】
排気経路制御弁４ａ及び４ｂは、排気ガスの経路上に設けられ、排気ガスを改質器１及びＳＯＦＣ２の少なくとも一方へ導くように排気ガスを導く先を制御する。具体的には、排気経路制御弁４ａが開き、かつ排気経路制御弁４ｂが閉じている場合に、排気ガスは改質器１へ導かれる。一方、排気経路制御弁４ａが閉じ、かつ排気経路制御弁４ｂが開いている場合に、排気ガスはＳＯＦＣ２へ導かれる。さらに、排気経路制御弁４ａ及び４ｂの両方が開いている場合に、排気ガスは改質器１及びＳＯＦＣ２の両方へ導かれる。改質器１及びＳＯＦＣ２それぞれに導かれる排気ガスの割合は、排気経路制御弁４ａ及び４ｂの開度によって調整される。
【００３６】
制御手段は、コントロールユニット５として設けられている。ここで、図３にコントロールユニット５の入出力関係を表すブロック図を示す。図３に示すように、コントロールユニット５には、電気自動車のイグニッションスイッチ（ＩＧ ＳＷ）のオン情報５１、エンジン回転数５２、車速５３、アクセル開度５４、二次電池の充電状態（Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ：ＳＯＣ）５５、ＳＯＦＣ温度５６及び改質器温度５７の情報が入力される。また、エンジン３からの排気ガス組成５８の情報も入力される。この排気ガス組成５８はエンジン３の燃焼状態を把握するために用いられ、後述する燃料や空気の供給の制御に用いられる。なお、これらの情報は、それぞれ不図示のセンサによって検出される。例えば、排気ガス組成５８の情報については排気ガス組成センサ（図示せず）によって、その情報が取得される。
【００３７】
コントロールユニット５は、上述した排気経路制御弁４ａ及び４ｂの開閉を制御する。なお、定常運転時等における排気経路制御弁４ａ及び４ｂの制御方法の詳細については出願人が既に出願している特願２０１０−２２３５８号明細書に開示されており、本願においてもこれを援用する。
【００３８】
コントロールユニット５は、改質器１に供給される燃料ガス量を制御する燃料電池燃料制御弁４ｃの開閉や、オフガスとは別に、エンジン３へ供給される空気及び燃料の量を制御する空気制御弁４ｄ及び燃料制御弁４ｅの開閉を制御する。また、コントロールユニット５はその他の燃料電池ユニット内の各弁の開閉も制御し、さらに、モータ兼発電機６の動作も制御する。
【００３９】
次に、図４のフローチャートを参照して、コントロールユニット５による燃料電池システムの作動時の基本制御について説明する。まず、車速、アクセル開度及び二次電池のＳＯＣの情報がコントロールユニット５に読み込まれる（Ｓ３１）。
【００４０】
次いで、車速及びアクセル開度から、走行に必要な電力を算出する（Ｓ３２）。次いで、二次電池のＳＯＣからＳＯＦＣ２で発電すべき充電電力を算出する（Ｓ３３）。
【００４１】
次いで、算出した充電電力に応じて、ＳＯＦＣ２へ供給すべき燃料量及び空気量を算出する（Ｓ３４）。次いで、算出した供給すべき燃料量に応じて、燃料電池燃料制御弁４ｃの開度を制御する（Ｓ３５）。
【００４２】
次いで、算出した供給すべき空気量に応じて、エンジンの目標回転数を設定する（Ｓ３６）。エンジン３はブロアーとしても機能するため、エンジンの回転数によって、空気供給量が調節される。次いで、エンジン３が目標回転数となるように、エンジン３を制御する（Ｓ３７）。エンジンの制御にあたっては、排気ガス組成をモニターしながら、不完全燃焼とならないよう、効率的な燃焼を実現するために、空気制御弁４ｄの開度が調整される。このように効率的な燃焼を実現することで、特に自動車分野における排気ガスに係る規制についてもこれをクリアすることが可能となる。
【００４３】
ここで、定常運転時において燃料制御弁４ｅは基本的に閉じられたままである。エンジン３で燃焼される燃料は燃料電池燃料制御弁４ｃの制御によって、改質され、ＳＯＦＣ２に供給された燃料ガスのオフガスを使用する。通常のＬＰＧに比べて、水素や一酸化炭素、メタン等を含むオフガスを燃料として燃焼させた方が効率のよい運転が可能となる。このようにして、車両の走行中、ＳＯＦＣ２によって適切な電力が発電される。
【００４４】
次に、図５のフローチャートを参照して、コントロールユニット５による燃料電池システムの起動時の動作について説明する。まず、コントロールユニット５は、ＳＯＦＣ温度５６の情報などをもとに、ＳＯＦＣ２が冷間状態にあるか否かを判定する（Ｓ４１）。冷間状態とは、ＳＯＦＣ２の温度が完全暖機温度未満の状態をさす。完全暖機温度とは、ＳＯＦＣ２の定常運転時の作動温度を意味する。ここで、冷間状態にないと判定された場合は、即ち定常運転が可能な状態であるため、コントロールユニット５は定常運転を行うための処理へと進む（Ｓ４１で「Ｎｏ」の場合）。冷間状態にあると判定された場合は、予熱を行うため、次の処理へと進む（Ｓ４１で「Ｙｅｓ」の場合）。
【００４５】
冷間状態にあるとコントロールユニット５が判定した場合、予熱のためのエンジン運転の準備として、まずコントロールユニット５は、第２ポートバルブ４ｇを閉じて停止させ、ＳＯＦＣオフガスラインを封止した上で、第１ポートバルブ４ｆを動作させ、併せて空気制御弁４ｄ及び燃料制御弁４ｅを開いてそれぞれ空気と燃料をエンジン３へと導入するようにする（Ｓ４３）。燃料となるガスを改質器１やＳＯＦＣ２を通過させずにエンジン３へと導入することで、予熱の対象となっている改質器１やＳＯＦＣ２に比較的冷たい燃料を通過させる必要がなくなり、効率のよい予熱を行うことが可能となる。
【００４６】
次いで、予熱を行うため、コントロールユニット５はエンジン３の運転を行い、発電を開始する。このとき、コントロールユニット５は排気経路制御弁４ａ及び４ｂを制御して、エンジン３の運転に伴って生じる高温の排気ガスを改質器１やＳＯＦＣ２の予熱に用いる（Ｓ４２）。
【００４７】
このときエンジン３のみが運転しているため、この状態をエンジン単独運転モードと呼ぶ。図６にエンジン単独運転モードでのバルブ制御に関する図を示す。横軸は時間を示し、縦軸はエンジン３の吸気サイクル時の各ポートのバルブのリフト量を示す。実線Ｉは第１ポート３１を開閉するバルブを示し、破線IIは第２ポート３２を開閉するバルブを示す。このモードでは第１ポート３１のバルブを使用しているのに対し、第２ポート３２のバルブは停止しているため、グラフでは平坦な直線になっている。
【００４８】
次いで、コントロールユニット５はＳＯＦＣ温度５６の情報をもとに、ＳＯＦＣ２の温度Ｔｓが完全暖機温度Ｔ１以上となったか否か判定する（Ｓ４４）。ここで、完全暖機温度Ｔ１は、ＳＯＦＣ２の定常運転時の作動温度である。温度Ｔｓが完全暖機温度Ｔ１未満であった場合、コントロールユニット５は予熱のため暖機運転を継続する（Ｓ４４で「Ｎｏ」の場合）。温度Ｔｓが完全暖機温度Ｔ１以上である場合、コントロールユニット５はＳＯＦＣ２の運転を開始するためのステップへと進む（Ｓ４４で「Ｙｅｓ」の場合）。
【００４９】
温度Ｔｓが完全暖機温度Ｔ１以上である場合や、ＳＯＦＣ２がそもそも冷間状態になかった場合、コントロールユニット５はエンジン３を運転させるとともに、ＳＯＦＣ２の運転を開始する。ここで、コントロールユニット５は、排気経路制御弁４ａ及び４ｂを制御して、エンジン３の排気ガスを主に改質器１の予熱のために投入するようにする。また、コントロールユニット５は燃料電池燃料制御弁４ｃを制御するとともに、エンジン３の第２ポート３２の動作を開始して開閉できるようにする。これによって、ＳＯＦＣ２の燃料極２１側のオフガスをエンジン３へと導入することができるようになる。また、第１ポートの動作を継続させて、ＳＯＦＣ２の空気極２２側のオフガスもエンジン３へと導入するようにする。このようにして、ＳＯＦＣ２の運転を開始する（Ｓ４５）。これらの排気経路の制御による予熱は、特開２０１１−１５９５８５号公報に開示されたものを適用することができる。
【００５０】
コントロールユニット５はＳＯＦＣ２の起動に際して予熱を行った後、この燃料電池システムの動作モードをエンジンＳＯＦＣ連携モードに切り替えて発電動作を継続する。このエンジンＳＯＦＣ連携モードにおいては、ＳＯＦＣ２のオフガスをエンジン３に導入して燃焼することで、効率を向上させるとともに排気ガスを浄化することができる。
【００５１】
図７にエンジンＳＯＦＣ連携モードでのバルブ制御に関する図を示す。図６と同様に、横軸は時間を示し、縦軸はエンジン３の吸気サイクル時の各ポートのバルブのリフト量を示す。実線IIIは第１ポート３１の開閉を制御するバルブを示し、破線IVは第２ポート３２の開閉を制御するバルブを示す。図６と異なり、第１ポート３１のバルブと第２ポート３２のバルブが共に開閉動作を行っていることが分かる。なお、見やすいように実線と点線を左右方向に若干ずらして図示しているが、実際には同じタイミングで動作している。
【００５２】
第１の実施形態によると、燃料電池システムの起動を速やかに行えるとともに、効率的な動作が可能となる。
【００５３】
本発明の第２の実施形態について説明する。第２の実施形態の構成や主要な制御フローは第１の実施形態と共通しているが、第２の実施形態は、エンジンＳＯＦＣ連携モードにおける吸気ポートの制御が第１の実施形態と異なっている。
【００５４】
この燃料電池システムでは、第１ポート側に空気やＳＯＦＣ２の空気極２１側のオフガスといった酸素を含んだガスが流れるのに対し、第２ポート側にＳＯＦＣ２の燃料極２２側の水素を含んだオフガスが流れる。第２の実施形態においては、エンジン３内にまず第２ポート３２からＳＯＦＣ２の燃料極２２側のオフガスを導入し、第２ポート３２を閉じた後、第１ポート３１を開いて酸素を含んだガスを導入する。
【００５５】
図８にこの動作に関するバルブ制御の図を示す。図６や図７と同様に、横軸は時間を示し、縦軸はエンジン３の吸気サイクル時の各ポートのバルブのリフト量を示す。実線Ｖは第１ポート３１の開閉を制御するバルブを示し、破線VIは第２ポート３２の開閉を制御するバルブを示す。先ず、破線VIで示すように第２ポート３２のバルブが開き、ＳＯＦＣ２の燃料極２２側のオフガスをエンジン３内に導入したのち、そのバルブが閉じる。続いて、実線Ｖで示すように第１ポート３１のバルブが開き、酸素を含んだガスをエンジン３に導入する。
【００５６】
実際、ＳＯＦＣ２の定常運転時の作動温度は６００〜７００℃に達することもあり、このような高温条件下から導入される水素も高温状態であることが予想される。第１ポートと第２ポートを独立して動作可能とし、上述のように制御することで、第１ポート側から酸素が導入されるときには第２ポートが閉じられているため、酸素が第２ポート側の高温ガスと反応して第２ポート側のガス流路を遡って燃焼しないようにすることができる。第２の実施形態によると、第１の実施形態における利点に加えて、安全で安定した動作が可能となる。このような制御は、エンジン３に対する吸気ポートを２つ設けて、それぞれを独立に制御可能としたことにより可能となったものである。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
本発明の燃料電池システムは、例えば、電気自動車に搭載される電源として利用可能である。
【符号の説明】
【００５８】
１ 改質器
２ ＳＯＦＣ
３ エンジン
４ａ、４ｂ 排気経路制御弁
４ｃ 燃料電池燃料制御弁
４ｄ 空気制御弁
４ｅ 燃料制御弁
４ｆ 第１ポートバルブ
４ｇ 第２ポートバルブ
５ コントロールユニット
６ モータ兼発電機
１０ｂ 燃料供給通路
１０ｃ オフガス排出通路
１１ａ 空気供給通路
２１ 燃料極（アノード）
２２ 空気極（カソード）
３１ 第１ポート
３２ 第２ポート
３３、３４ 排気ポート
３５ シリンダ
３６ コネクティングロッド
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池システムに係り、より詳細には、固体酸化物型燃料電池（Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：ＳＯＦＣ）を備えた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＳＯＦＣの応用として、ＳＯＦＣと内燃機関とを備えた複合発電設備が提案されている。この複合発電設備においては、ＳＯＦＣのオフガスを内燃機関の燃料の一部として利用し、さらに、その内燃機関の排気ガスを改質器及びＳＯＦＣへ導き、改質器及びＳＯＦＣを予加熱する。この予加熱の制御を工夫して起動時の早期の発電開始を可能としたものも提案されている（例えば特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−１５９５８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このような燃料電池システムを改善して、速やかな起動が可能である燃料電池システムが望まれるとともに、省エネルギーに対する関心が高まる中、さらに燃費を節約できるような効率的な動作が可能な燃料電池システムが求められていた。
【０００５】
そこで、本発明は速やかな起動と効率的な動作制御を可能とする燃料電池システムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の目的を達成するため、本発明の燃料電池システムは、燃料ガスが供給される燃料極及び空気が供給される空気極を有する固体酸化物型燃料電池とこれとは別に設けられた発電機とを備えた燃料電池システムであって、炭化水素化合物を含有する燃料ガスを改質して固体酸化物型燃料電池の燃料極に供給する改質器と、発電機を駆動する内燃機関であって、この内燃機関から排出された排気ガスで固体酸化物型燃料電池を加熱可能とする内燃機関と、内燃機関への燃料の供給を制御する制御手段とを備え、内燃機関は、この内燃機関に外部から燃料及び空気を固体酸化物型燃料電池を通過させずに導入可能な第１ポートと、第１ポートとは別に設けられ、内燃機関に燃料電池の燃料極からの排出ガスを導入する第２ポートを有する。
【０００７】
このように構成された本発明においては、内燃機関に対する燃料や空気供給を状況に応じて柔軟に行うことができる。これにより、速やかな起動と効率的な動作制御が可能となる。
【０００８】
また、本発明において好ましくは、制御手段は第１ポートの開閉と第２ポートの開閉を独立して制御する。このように構成された本発明においては、内燃機関に対する燃料や空気供給を状況に応じて柔軟に行うことができる。
【０００９】
また、本発明において好ましくは、制御手段は、固体酸化物型燃料電池の温度が完全暖機温度に達するまでの間は第２ポートを閉じ、第１ポートを開閉させて外部から燃料及び空気を導入することで内燃機関を稼動させ、その排気ガスで固体酸化物型燃料電池の予熱を行い、燃料電池が完全暖機温度に達した後、第１ポート及び第２ポートを開閉させて内燃機関を稼動させる。このように構成された本発明においては、速やかな起動が可能となる。
【００１０】
また、本発明において好ましくは、制御手段は、固体酸化物型燃料電池の温度が完全暖機温度以上となった後、内燃機関の燃料として第２ポートから固体酸化物型燃料電池の燃料極側を通過したガスを導入し、第１ポートからは燃料を導入せずに空気を導入して、内燃機関を稼動させる。このように構成された本発明においては、効率的な動作制御が可能となる。
【００１１】
また、本発明の燃料電池システムは、更に内燃機関からの排気ガスの組成情報を取得する取得手段を有し、取得手段が取得した排気ガスの組成情報に応じて、第１ポートから導入する空気の量を調節する。このように構成された本発明においては、不完全燃焼を防いで効率的な燃焼を行うことができる。
【００１２】
また、本発明の燃料電池システムは、内燃機関からの排気ガスの経路を制御する排気ガス制御手段を有し、この排気ガス制御手段は、固体酸化物型燃料電池の温度が完全暖機温度未満の場合、固体酸化物型燃料電池に排気ガスを導入する。このように構成された本発明においては、速やかな起動が可能となる。
【００１３】
また、本発明において好ましくは、固体酸化物型燃料電池の温度が完全暖機温度以上となった後、排気ガスを前記改質器に導入する。このように構成された本発明においては、速やかな起動と効率的な動作が可能となる。
【００１４】
また、本発明において好ましくは、第１ポート及び第２ポートは連続可変バルブ機構により開閉する。このように構成された本発明においては、ポンピングロスを低減することができ、効率的な動作制御が可能となる。
【００１５】
また、本発明において好ましくは、制御手段は固体酸化物型燃料電池の温度が完全暖機温度以上となった後、内燃機関の燃焼サイクルにおいて、第２ポートから固体酸化物型燃料電池の燃料極側を通過したガスを導入した後、前記第２ポートを閉じ、前記第１ポートから空気を導入する。このように構成された本発明においては、効率的な動作制御と、安全で安定した動作が可能となる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の燃料電池システムによれば、速やかな起動と効率的な動作制御が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の各実施形態による燃料電池システムの基本構成を示す概略図である。
【図２】本発明の各実施形態による燃料電池システムのエンジン３の各ポートを示す斜視図である。
【図３】本発明の各実施形態による燃料電池システムのコントロールユニットの入出力関係を示すブロック図である。
【図４】本発明の各実施形態による燃料電池システムの基本制御を示すフローチャート図である。
【図５】本発明の各実施形態による燃料電池システムの起動時の制御を示すフローチャート図である。
【図６】本発明の各実施形態による燃料電池システムのエンジン単独運転モードにおける各ポートのバルブの動作を示す概略図である。
【図７】本発明の第１の実施形態による燃料電池システムのエンジンＳＯＦＣ連携モードにおける各ポートのバルブの動作を示す概略図である。
【図８】本発明の第２の実施形態による燃料電池システムのエンジンＳＯＦＣ連携モードにおける各ポートのバルブの動作を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
図１に示すように、本発明の第１の実施形態による燃料電池システムは、電気自動車の駆動用電源であって、作動時に、炭化水素化合物を含有する燃料ガスを改質して水素ガスを生成する改質器１と、改質器１で生成した水素ガスが供給される固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）２と、このＳＯＦＣ２の燃料極（アノード）側へ燃料を供給する燃料供給通路１０ｂと、ＳＯＦＣ２の空気極（カソード）側へ空気を供給する空気供給通路１１ａとを備えている。また、ＳＯＦＣ２から排出されたオフガスを燃料の一部として吸引する内燃機関としてのエンジン３を備えている。内燃機関から排出された排気ガスを改質器１及びＳＯＦＣ２の少なくとも一方の加熱に利用するために、排気ガスを改質器１及びＳＯＦＣ２の少なくとも一方へ導くように排気ガスを導く先を制御する排気経路制御弁４ａ及び４ｂを備えている。そして、排気経路制御弁４ａ及び４ｂ、を制御する制御手段５（図３を参照して後述する）を備えている。
【００１９】
改質器１としては、従来公知の任意好適なものを利用することができる。改質器１では、例えば６００〜８００℃の高温下で、メタン等の炭化水素化合物を含む燃料ガスに水蒸気が加えられることによって、炭化水素化合物が分解されて、水素が生成される。本実施形態では、燃料ガスとして液化天然ガス（Ｌｉｑｕｅｆｉｅｄ ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ ｇａｓ：ＬＰＧ）を使用する。例えば、ＬＰＧ内のプロパン（Ｃ3Ｈ8）が水蒸気と反応すると、水素や一酸化炭素、二酸化炭素が生成される。燃料ガスにはこれらの成分が含まれるとともに、反応しなかったプロパンも含まれている。
【００２０】
なお、図１では、改質器１へ供給される燃料ガスの経路を実線１０ａで示す。また、改質器１へ供給される水の経路の図示を省略する。また、図１に経路を示す種々のガスは、それぞれ経路に従って設けられた不図示の配管によって導かれる。
【００２１】
また、改質器１には、排気ガスの熱及びオフガスによって改質器１を加熱するために、不図示の熱交換機構が設けられている。熱交換機構は、任意好適な構造を採用することができる。例えば、熱交換機構として、改質器１の周囲を排気ガスとオフガスを別々に通すジャケットで覆ってもよいし、改質器１の内部に、排気ガスとオフガスを別々に通す複数の配管を設けてもよい。
【００２２】
改質器１で生成された水素ガス、及び改質器１を通過した未改質の燃料ガスは、ＳＯＦＣ２へ供給される。また、ＳＯＦＣ２へは空気（Ａｉｒ）も供給される。図１では、改質器１からＳＯＦＣ２へ供給される水素ガス及び未改質の燃料ガスの経路、すなわち燃料供給通路を実線１０ｂで示し、ＳＯＦＣ２へ供給される空気の経路、すなわち空気供給通路を破線１１ａで示す。
【００２３】
ＳＯＦＣ２としては、従来公知の任意好適なものを利用することができる。本実施形態におけるＳＯＦＣ２も、従来公知のものと同様に、燃料極（アノード）２１と空気極（カソード）２２を備えている。改質器１からの燃料ガス等は燃料供給通路１０ｂを通って燃料極２１へ供給される。また、空気極２２には空気供給通路１１ａを通って空気が供給される。
【００２４】
ＳＯＦＣ２では、燃料極２１に供給された燃料ガス中の水素と、空気極２２に供給された空気中の酸素とが反応して水が生成されるとともに、電気が発生する発電反応が行われる。発電反応で発生した電気は、燃料極２１及び空気極２２それぞれのセラミック電極に接続された二次電池（図示せず）や駆動モータ（図示せず）に送られる。燃料極２１には、ニッケルを含む触媒が用いられている。
【００２５】
本発明に係るＳＯＦＣは、６５０℃ほどの作動温度で発電反応を行う。発電反応は発熱反応であるため、発電反応が開始するとＳＯＦＣは自立的に加熱されて、ＳＯＦＣの作動温度が維持される。このようにＳＯＦＣが高温状態で安定した発電を行う状態を燃料電池システムの定常運転という。
【００２６】
ＳＯＦＣ２の燃料極２１側から排出されたオフガスは、改質器１の熱交換機構（図示せず）を経由して、実線で表すオフガス排出通路１０ｃを通って後述するエンジン３の第２ポート３２へ供給される。本実施形態では、オフガスとして、ＳＯＦＣ２の燃料極２１から排出されたガス（未反応の燃料ガスを含む）と、空気極２２から排出されたガスとの両方が別々の経路でエンジン３へ供給される。空気極２２からエンジン３へ供給される空気の経路を破線１１ｂで示す。空気極２２側から排出されたガスは後述するエンジン３の第１ポート３１へ供給される。
【００２７】
ＳＯＦＣ２の作動温度が高温であるため、ＳＯＦＣ２の燃料極２１から排出されたオフガスも通常、数百℃という高温である。ＳＯＦＣ２の燃料極２１から排出されたオフガスは、オフガス通路１０ｃにより改質器１へ導かれ、改質器１の熱交換機構（図示せず）において、改質器１と熱交換され、改質器１の加熱に利用される。このようにして、改質器１が加熱される一方、オフガスが冷却され、その後冷却されたオフガスがエンジン３へ供給される。また、効率のよい機関を実現すべく、オフガスの排熱の有効利用を図るためには、ＳＯＦＣ２の作動温度を改質器１の作動温度よりも高く設定することが好ましい。改質器１の温度を高温に保つため、後述するエンジン３からの排気ガスの利用と併用することも可能であるが、ＳＯＦＣ２の作動温度を改質器１の作動温度よりも高く設定することで、ＳＯＦＣ２のオフガスを中心に改質器１の温度維持が可能となるため、エンジン３で燃焼させる燃料を節約することもできる。
【００２８】
本発明のエンジン３は、吸気排気サイクルを有する従来公知の内燃機関から、マルチポートタイプのものを使用する。図１に示すエンジン３は、吸気用の第１ポート３１、同じく吸気用の第２ポート３２、排気用の第３ポート３３、同じく排気用の第４ポート３４を備えたレシプロエンジンである。第１ポートにはＳＯＦＣ２の空気極２２側からのオフガスとともに、燃料（ＬＰＧ）及び空気（Ａｉｒ）が供給される。この燃料と空気は外部からそれぞれ空気制御弁４ｄ及び燃料制御弁４ｅを通って導入される。空気制御弁４ｄ及び燃料制御弁４ｅはエンジン３に比較的近い場所にあるため、ＳＯＦＣ２内を通過するオフガスに比べると、弁制御に対する応答が早いという利点がある。第２ポートにはＳＯＦＣ２の燃料極２１側からのオフガスが供給される。後述するように、エンジン３を内燃機関として駆動する際には、通常作動時はエンジン３での燃焼を最適なものとするため、エンジン３の第１ポート３１にはＳＯＦＣ２の空気極側からのオフガスとともに、空気（Ａｉｒ）が、そして第２ポート３２にはＳＯＦＣ２の燃料極２１側からのオフガスが供給される。通常作動時には基本的に第１ポート３１には外部から燃料制御弁４ｅを介して燃料が供給されない点に注意すべきである。
【００２９】
エンジン３のこれら各ポートの開閉はポート制御弁、すなわちバルブによって行われる。第１ポート３１及び第２ポート３２はそれぞれ独立して第１ポートバルブ４ｆ、第２ポートバルブ４ｇによって開閉制御される。一方、排気用の二つのポート３３、３４についてはバルブをそれぞれ独立して制御する必要はなく、コモンバルブとして制御してよい。また、この第１ポートバルブ４ｆと第２ポートバルブ４ｇは連続可変バルブ機構（図示せず）を用いるのが好ましい。このような連続可変バルブ機構を用いることで、ポンピングロス（吸排気損失）を低減できるとともに、例えば第２ポートの開閉動作についてオン・オフ制御するときも連続可変バルブ機構の制御範囲内で行うことができ、特別な設計を行う必要がないという利点がある。
【００３０】
なお、図１はシステムの概念を示す概略図であり、実際のエンジンにおいて切断面を側面から見た場合、第１〜第４のポートが図１に示すように並んでいるわけではない。各ポートの実際の配置について、図２に示す。上述したようにエンジン３は、吸気用の第１ポート３１、同じく吸気用の第２ポート３２、排気用の第３ポート３３、同じく排気用の第４ポート３４を有しており、通常の４バルブエンジンと同様のものを採用することができる。第１ポートバルブ４ｆ、第２ポートバルブ４ｇによって、第１ポート３１及び第２ポート３２をそれぞれ独立して制御する。
【００３１】
このエンジン３は車両走行のための駆動源ではなく、エンジン３のコネクティングロッド３６はモータ兼発電機６に連結されている。これにより、エンジン３は、オフガスを燃料の一部として内燃機関として駆動して、モータ兼発電機６で補助的に発電することができる。また、二次電池に充電された電気を利用してモータ兼発電機６をモータとして駆動することによって、エンジン３のピストン３５を運動させることもできる。
【００３２】
エンジン３においてオフガスを燃料の一部として利用することによって、オフガスに含まれる未反応の水素を燃焼させることができるとともに、オフガスに含まれる未改質の炭化水素化合物も燃焼させることができる。このように、エンジン３でオフガスを燃焼させることによって、引火性の高い水素ガスを大気中に放出することを回避することができるとともに、オフガス中の未反応炭化水素化合物を減らして、排気ガスの浄化を図ることができる。
【００３３】
さらに、エンジン３は、通常のＳＯＦＣ等の燃料電池ユニットにおいて必要とされるブロアーの機能を果たす。具体的には、エンジン３は、通常運転時の吸気サイクルにおいて、第２ポート３２から燃料極２１側のオフガスを吸引する。一方、空気極２２側のオフガスは第１ポート３１から吸引してもよく、エンジン３に供給せずに排出しても構わない。その結果、ＳＯＦＣ２の燃料極２１では改質器１から燃料ガス等が吸引され、さらに、改質器１では、燃料ガスが吸引される。したがって、本実施形態による燃料電池ユニットでは、燃料ガスを改質器１及びＳＯＦＣ２へ送出するためのブロアーも、空気をＳＯＦＣ２へ送出するためのブロアーも必要としない。
【００３４】
そして、エンジン３は燃料を燃焼した後、排気ポート３３、３４から数百℃の高温の排気ガスを排気する。排気ガスは、改質器１及びＳＯＦＣ２の少なくとも一方の熱交換機構へ導かれて、これらの加熱に利用される。これにより、排気ガスの排熱の有効利用を図ることができる。
【００３５】
排気経路制御弁４ａ及び４ｂは、排気ガスの経路上に設けられ、排気ガスを改質器１及びＳＯＦＣ２の少なくとも一方へ導くように排気ガスを導く先を制御する。具体的には、排気経路制御弁４ａが開き、かつ排気経路制御弁４ｂが閉じている場合に、排気ガスは改質器１へ導かれる。一方、排気経路制御弁４ａが閉じ、かつ排気経路制御弁４ｂが開いている場合に、排気ガスはＳＯＦＣ２へ導かれる。さらに、排気経路制御弁４ａ及び４ｂの両方が開いている場合に、排気ガスは改質器１及びＳＯＦＣ２の両方へ導かれる。改質器１及びＳＯＦＣ２それぞれに導かれる排気ガスの割合は、排気経路制御弁４ａ及び４ｂの開度によって調整される。
【００３６】
制御手段は、コントロールユニット５として設けられている。ここで、図３にコントロールユニット５の入出力関係を表すブロック図を示す。図３に示すように、コントロールユニット５には、電気自動車のイグニッションスイッチ（ＩＧ ＳＷ）のオン情報５１、エンジン回転数５２、車速５３、アクセル開度５４、二次電池の充電状態（Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ：ＳＯＣ）５５、ＳＯＦＣ温度５６及び改質器温度５７の情報が入力される。また、エンジン３からの排気ガス組成５８の情報も入力される。この排気ガス組成５８はエンジン３の燃焼状態を把握するために用いられ、後述する燃料や空気の供給の制御に用いられる。なお、これらの情報は、それぞれ不図示のセンサによって検出される。例えば、排気ガス組成５８の情報については排気ガス組成センサ（図示せず）によって、その情報が取得される。
【００３７】
コントロールユニット５は、上述した排気経路制御弁４ａ及び４ｂの開閉を制御する。なお、定常運転時等における排気経路制御弁４ａ及び４ｂの制御方法の詳細については出願人が既に出願している特願２０１０−２２３５８号明細書に開示されており、本願においてもこれを援用する。
【００３８】
コントロールユニット５は、改質器１に供給される燃料ガス量を制御する燃料電池燃料制御弁４ｃの開閉や、オフガスとは別に、エンジン３へ供給される空気及び燃料の量を制御する空気制御弁４ｄ及び燃料制御弁４ｅの開閉を制御する。また、コントロールユニット５はその他の燃料電池ユニット内の各弁の開閉も制御し、さらに、モータ兼発電機６の動作も制御する。
【００３９】
次に、図４のフローチャートを参照して、コントロールユニット５による燃料電池システムの作動時の基本制御について説明する。まず、車速、アクセル開度及び二次電池のＳＯＣの情報がコントロールユニット５に読み込まれる（Ｓ３１）。
【００４０】
次いで、車速及びアクセル開度から、走行に必要な電力を算出する（Ｓ３２）。次いで、二次電池のＳＯＣからＳＯＦＣ２で発電すべき充電電力を算出する（Ｓ３３）。
【００４１】
次いで、算出した充電電力に応じて、ＳＯＦＣ２へ供給すべき燃料量及び空気量を算出する（Ｓ３４）。次いで、算出した供給すべき燃料量に応じて、燃料電池燃料制御弁４ｃの開度を制御する（Ｓ３５）。
【００４２】
次いで、算出した供給すべき空気量に応じて、エンジンの目標回転数を設定する（Ｓ３６）。エンジン３はブロアーとしても機能するため、エンジンの回転数によって、空気供給量が調節される。次いで、エンジン３が目標回転数となるように、エンジン３を制御する（Ｓ３７）。エンジンの制御にあたっては、排気ガス組成をモニターしながら、不完全燃焼とならないよう、効率的な燃焼を実現するために、空気制御弁４ｄの開度が調整される。このように効率的な燃焼を実現することで、特に自動車分野における排気ガスに係る規制についてもこれをクリアすることが可能となる。
【００４３】
ここで、定常運転時において燃料制御弁４ｅは基本的に閉じられたままである。エンジン３で燃焼される燃料は燃料電池燃料制御弁４ｃの制御によって、改質され、ＳＯＦＣ２に供給された燃料ガスのオフガスを使用する。通常のＬＰＧに比べて、水素や一酸化炭素、メタン等を含むオフガスを燃料として燃焼させた方が効率のよい運転が可能となる。このようにして、車両の走行中、ＳＯＦＣ２によって適切な電力が発電される。
【００４４】
次に、図５のフローチャートを参照して、コントロールユニット５による燃料電池システムの起動時の動作について説明する。まず、コントロールユニット５は、ＳＯＦＣ温度５６の情報などをもとに、ＳＯＦＣ２が冷間状態にあるか否かを判定する（Ｓ４１）。冷間状態とは、ＳＯＦＣ２の温度が完全暖機温度未満の状態をさす。完全暖機温度とは、ＳＯＦＣ２の定常運転時の作動温度を意味する。ここで、冷間状態にないと判定された場合は、即ち定常運転が可能な状態であるため、コントロールユニット５は定常運転を行うための処理へと進む（Ｓ４１で「Ｎｏ」の場合）。冷間状態にあると判定された場合は、予熱を行うため、次の処理へと進む（Ｓ４１で「Ｙｅｓ」の場合）。
【００４５】
冷間状態にあるとコントロールユニット５が判定した場合、予熱のためのエンジン運転の準備として、まずコントロールユニット５は、第２ポートバルブ４ｇを閉じて停止させ、ＳＯＦＣオフガスラインを封止した上で、第１ポートバルブ４ｆを動作させ、併せて空気制御弁４ｄ及び燃料制御弁４ｅを開いてそれぞれ空気と燃料をエンジン３へと導入するようにする（Ｓ４３）。燃料となるガスを改質器１やＳＯＦＣ２を通過させずにエンジン３へと導入することで、予熱の対象となっている改質器１やＳＯＦＣ２に比較的冷たい燃料を通過させる必要がなくなり、効率のよい予熱を行うことが可能となる。
【００４６】
次いで、予熱を行うため、コントロールユニット５はエンジン３の運転を行い、発電を開始する。このとき、コントロールユニット５は排気経路制御弁４ａ及び４ｂを制御して、エンジン３の運転に伴って生じる高温の排気ガスを改質器１やＳＯＦＣ２の予熱に用いる（Ｓ４２）。
【００４７】
このときエンジン３のみが運転しているため、この状態をエンジン単独運転モードと呼ぶ。図６にエンジン単独運転モードでのバルブ制御に関する図を示す。横軸は時間を示し、縦軸はエンジン３の吸気サイクル時の各ポートのバルブのリフト量を示す。実線Ｉは第１ポート３１を開閉するバルブを示し、破線IIは第２ポート３２を開閉するバルブを示す。このモードでは第１ポート３１のバルブを使用しているのに対し、第２ポート３２のバルブは停止しているため、グラフでは平坦な直線になっている。
【００４８】
次いで、コントロールユニット５はＳＯＦＣ温度５６の情報をもとに、ＳＯＦＣ２の温度Ｔｓが完全暖機温度Ｔ１以上となったか否か判定する（Ｓ４４）。ここで、完全暖機温度Ｔ１は、ＳＯＦＣ２の定常運転時の作動温度である。温度Ｔｓが完全暖機温度Ｔ１未満であった場合、コントロールユニット５は予熱のため暖機運転を継続する（Ｓ４４で「Ｎｏ」の場合）。温度Ｔｓが完全暖機温度Ｔ１以上である場合、コントロールユニット５はＳＯＦＣ２の運転を開始するためのステップへと進む（Ｓ４４で「Ｙｅｓ」の場合）。
【００４９】
温度Ｔｓが完全暖機温度Ｔ１以上である場合や、ＳＯＦＣ２がそもそも冷間状態になかった場合、コントロールユニット５はエンジン３を運転させるとともに、ＳＯＦＣ２の運転を開始する。ここで、コントロールユニット５は、排気経路制御弁４ａ及び４ｂを制御して、エンジン３の排気ガスを主に改質器１の予熱のために投入するようにする。また、コントロールユニット５は燃料電池燃料制御弁４ｃを制御するとともに、エンジン３の第２ポート３２の動作を開始して開閉できるようにする。これによって、ＳＯＦＣ２の燃料極２１側のオフガスをエンジン３へと導入することができるようになる。また、第１ポートの動作を継続させて、ＳＯＦＣ２の空気極２２側のオフガスもエンジン３へと導入するようにする。このようにして、ＳＯＦＣ２の運転を開始する（Ｓ４５）。これらの排気経路の制御による予熱は、特開２０１１−１５９５８５号公報に開示されたものを適用することができる。
【００５０】
コントロールユニット５はＳＯＦＣ２の起動に際して予熱を行った後、この燃料電池システムの動作モードをエンジンＳＯＦＣ連携モードに切り替えて発電動作を継続する。このエンジンＳＯＦＣ連携モードにおいては、ＳＯＦＣ２のオフガスをエンジン３に導入して燃焼することで、効率を向上させるとともに排気ガスを浄化することができる。
【００５１】
図７にエンジンＳＯＦＣ連携モードでのバルブ制御に関する図を示す。図６と同様に、横軸は時間を示し、縦軸はエンジン３の吸気サイクル時の各ポートのバルブのリフト量を示す。実線IIIは第１ポート３１の開閉を制御するバルブを示し、破線IVは第２ポート３２の開閉を制御するバルブを示す。図６と異なり、第１ポート３１のバルブと第２ポート３２のバルブが共に開閉動作を行っていることが分かる。なお、見やすいように実線と点線を左右方向に若干ずらして図示しているが、実際には同じタイミングで動作している。
【００５２】
第１の実施形態によると、燃料電池システムの起動を速やかに行えるとともに、効率的な動作が可能となる。
【００５３】
本発明の第２の実施形態について説明する。第２の実施形態の構成や主要な制御フローは第１の実施形態と共通しているが、第２の実施形態は、エンジンＳＯＦＣ連携モードにおける吸気ポートの制御が第１の実施形態と異なっている。
【００５４】
この燃料電池システムでは、第１ポート側に空気やＳＯＦＣ２の空気極２１側のオフガスといった酸素を含んだガスが流れるのに対し、第２ポート側にＳＯＦＣ２の燃料極２２側の水素を含んだオフガスが流れる。第２の実施形態においては、エンジン３内にまず第２ポート３２からＳＯＦＣ２の燃料極２２側のオフガスを導入し、第２ポート３２を閉じた後、第１ポート３１を開いて酸素を含んだガスを導入する。
【００５５】
図８にこの動作に関するバルブ制御の図を示す。図６や図７と同様に、横軸は時間を示し、縦軸はエンジン３の吸気サイクル時の各ポートのバルブのリフト量を示す。実線Ｖは第１ポート３１の開閉を制御するバルブを示し、破線VIは第２ポート３２の開閉を制御するバルブを示す。先ず、破線VIで示すように第２ポート３２のバルブが開き、ＳＯＦＣ２の燃料極２２側のオフガスをエンジン３内に導入したのち、そのバルブが閉じる。続いて、実線Ｖで示すように第１ポート３１のバルブが開き、酸素を含んだガスをエンジン３に導入する。
【００５６】
実際、ＳＯＦＣ２の定常運転時の作動温度は６００〜７００℃に達することもあり、このような高温条件下から導入される水素も高温状態であることが予想される。第１ポートと第２ポートを独立して動作可能とし、上述のように制御することで、第１ポート側から酸素が導入されるときには第２ポートが閉じられているため、酸素が第２ポート側の高温ガスと反応して第２ポート側のガス流路を遡って燃焼しないようにすることができる。第２の実施形態によると、第１の実施形態における利点に加えて、安全で安定した動作が可能となる。このような制御は、エンジン３に対する吸気ポートを２つ設けて、それぞれを独立に制御可能としたことにより可能となったものである。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
本発明の燃料電池システムは、例えば、電気自動車に搭載される電源として利用可能である。
【符号の説明】
【００５８】
１ 改質器
２ ＳＯＦＣ
３ エンジン
４ａ、４ｂ 排気経路制御弁
４ｃ 燃料電池燃料制御弁
４ｄ 空気制御弁
４ｅ 燃料制御弁
４ｆ 第１ポートバルブ
４ｇ 第２ポートバルブ
５ コントロールユニット
６ モータ兼発電機
１０ｂ 燃料供給通路
１０ｃ オフガス排出通路
１１ａ 空気供給通路
２１ 燃料極（アノード）
２２ 空気極（カソード）
３１ 第１ポート
３２ 第２ポート
３３、３４ 排気ポート
３５ シリンダ
３６ コネクティングロッド
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスが供給される燃料極及び空気が供給される空気極を有する固体酸化物型燃料電池とこれとは別に設けられた発電機とを備えた燃料電池システムにおいて、
炭化水素化合物を含有する燃料ガスを改質して前記固体酸化物型燃料電池の燃料極に供給する改質器と、
前記発電機を駆動する内燃機関であって、この内燃機関から排出された排気ガスで前記固体酸化物型燃料電池を加熱可能とする内燃機関と、
前記内燃機関への燃料の供給を制御する制御手段とを備え、
前記内燃機関は、この内燃機関に外部から燃料及び空気を前記固体酸化物型燃料電池を通過させずに導入可能な第１ポートと、
前記第１ポートとは別に設けられ、前記内燃機関に前記燃料電池の燃料極からの排出ガスを導入する第２ポートを有する燃料電池システム。
【請求項２】
前記制御手段は、前記第１ポートの開閉と前記第２ポートの開閉を独立して制御する請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記制御手段は、前記固体酸化物型燃料電池の温度が完全暖機温度に達するまでの間は前記第２ポートを閉じ、前記第１ポートを開閉させて外部から燃料及び空気を導入することで前記内燃機関を稼動させ、その排気ガスで前記固体酸化物型燃料電池の予熱を行い、前記固体酸化物型燃料電池が完全暖機温度に達した後、前記第１ポート及び前記第２ポートを開閉させて内燃機関を稼動させる請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記制御手段は、前記固体酸化物型燃料電池の温度が完全暖機温度以上となった後、前記内燃機関の燃料として前記第２ポートから前記固体酸化物型燃料電池の燃料極側を通過したガスを導入し、前記第１ポートからは燃料を導入せずに空気を導入して、前記内燃機関を稼動させる請求項２又は３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記燃料電池システムは更に、
前記内燃機関からの排気ガスの組成情報を取得する取得手段を有し、この取得手段が取得した前記排気ガスの組成情報に応じて、前記第１ポートから導入する空気の量を調節する請求項４記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記燃料電池システムは、前記内燃機関からの排気ガスの経路を制御する排気ガス制御手段を有し、この排気ガス制御手段は、前記固体酸化物型燃料電池の温度が完全暖機温度未満の場合、前記燃料電池に排気ガスを導入する請求項１乃至５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記排気ガス制御手段は、前記固体酸化物型燃料電池の温度が完全暖機温度以上となった後、排気ガスを前記改質器に導入する請求項６記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記第１ポート及び第２ポートは連続可変バルブ機構により開閉する請求項２乃至７のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記制御手段は、前記固体酸化物型燃料電池の温度が完全暖機温度以上となった後、前記内燃機関の燃焼サイクルにおいて、前記第２ポートから前記固体酸化物型燃料電池の燃料極側を通過したガスを導入した後、前記第２ポートを閉じ、前記第１ポートから空気を導入する請求項２乃至８のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１】
燃料ガスが供給される燃料極及び空気が供給される空気極を有する固体酸化物型燃料電池とこれとは別に設けられた発電機とを備えた燃料電池システムにおいて、
炭化水素化合物を含有する燃料ガスを改質して前記固体酸化物型燃料電池の燃料極に供給する改質器と、
前記発電機を駆動する内燃機関であって、この内燃機関から排出された排気ガスで前記固体酸化物型燃料電池を加熱可能とする内燃機関と、
前記内燃機関への燃料の供給を制御する制御手段とを備え、
前記内燃機関は、この内燃機関に外部から燃料及び空気を前記固体酸化物型燃料電池を通過させずに導入可能な第１ポートと、
前記第１ポートとは別に設けられ、前記内燃機関に前記燃料電池の燃料極からの排出ガスを導入する第２ポートを有する燃料電池システム。
【請求項２】
前記制御手段は、前記第１ポートの開閉と前記第２ポートの開閉を独立して制御する請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記制御手段は、前記固体酸化物型燃料電池の温度が完全暖機温度に達するまでの間は前記第２ポートを閉じ、前記第１ポートを開閉させて外部から燃料及び空気を導入することで前記内燃機関を稼動させ、その排気ガスで前記固体酸化物型燃料電池の予熱を行い、前記固体酸化物型燃料電池が完全暖機温度に達した後、前記第１ポート及び前記第２ポートを開閉させて内燃機関を稼動させる請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記制御手段は、前記固体酸化物型燃料電池の温度が完全暖機温度以上となった後、前記内燃機関の燃料として前記第２ポートから前記固体酸化物型燃料電池の燃料極側を通過したガスを導入し、前記第１ポートからは燃料を導入せずに空気を導入して、前記内燃機関を稼動させる請求項２又は３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記燃料電池システムは更に、
前記内燃機関からの排気ガスの組成情報を取得する取得手段を有し、この取得手段が取得した前記排気ガスの組成情報に応じて、前記第１ポートから導入する空気の量を調節する請求項４記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記燃料電池システムは、前記内燃機関からの排気ガスの経路を制御する排気ガス制御手段を有し、この排気ガス制御手段は、前記固体酸化物型燃料電池の温度が完全暖機温度未満の場合、前記燃料電池に排気ガスを導入する請求項１乃至５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記排気ガス制御手段は、前記固体酸化物型燃料電池の温度が完全暖機温度以上となった後、排気ガスを前記改質器に導入する請求項６記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記第１ポート及び第２ポートは連続可変バルブ機構により開閉する請求項２乃至７のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記制御手段は、前記固体酸化物型燃料電池の温度が完全暖機温度以上となった後、前記内燃機関の燃焼サイクルにおいて、前記第２ポートから前記固体酸化物型燃料電池の燃料極側を通過したガスを導入した後、前記第２ポートを閉じ、前記第１ポートから空気を導入する請求項２乃至８のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１３−８９４５６（Ｐ２０１３−８９４５６Ａ）
【公開日】平成２５年５月１３日（２０１３．５．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２２８９２７（Ｐ２０１１−２２８９２７）
【出願日】平成２３年１０月１８日（２０１１．１０．１８）
【出願人】（０００００３１３７）マツダ株式会社 (6,115)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月１３日（２０１３．５．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月１８日（２０１１．１０．１８）
【出願人】（０００００３１３７）マツダ株式会社 (6,115)
【Ｆターム（参考）】
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