JP2004273354A

JP2004273354A - Internal combustion engine with fuel cell in exhaust system

Info

Publication number: JP2004273354A
Application number: JP2003065030A
Authority: JP
Inventors: Makoto Suzuki; 鈴木　　誠; Takahiro Oba; 孝宏大羽
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2003-03-11
Filing date: 2003-03-11
Publication date: 2004-09-30

Abstract

【課題】排気系に燃料電池を有する内燃機関において、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の下流で且つ前記燃料電池３の上流の排気通路２内へ該燃料電池３の発電用燃料を供給する燃料供給手段１０と、燃料供給手段１０による燃料の供給量を制御する供給量制御手段１３と、を備えた。このような構成により、内燃機関１の運転条件によらずに、燃料供給手段１０により燃料電池３に発電用燃料を供給し、発電することが可能となる。
【選択図】図１Provided is a technique capable of supplying fuel for power generation to a fuel cell in an internal combustion engine having a fuel cell in an exhaust system regardless of operating conditions of the internal combustion engine.
A fuel cell (3) having a fuel electrode (3a) connected to an exhaust passage (2) of an internal combustion engine (1), and a fuel cell (3) for power generation of the fuel cell (3) into an exhaust passage (2) downstream of the internal combustion engine (1) and upstream of the fuel cell (3). The apparatus includes a fuel supply unit 10 for supplying fuel, and a supply amount control unit 13 for controlling the amount of fuel supplied by the fuel supply unit 10. With such a configuration, it becomes possible to supply the fuel for power generation to the fuel cell 3 by the fuel supply means 10 and generate power regardless of the operating conditions of the internal combustion engine 1.
[Selection diagram] Fig. 1

Description

【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。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−１７５８２４号公報（第４−７頁、図１）
【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。
【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、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することができる技術を提供することにある。
【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、
前記内燃機関の下流で且つ前記燃料電池の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供給手段と、
前記燃料供給手段による燃料の供給量を制御する供給量制御手段と、
を備えたことを特徴とする。
【０００７】
本発明の最大の特徴は、排気通路の途中で発電用燃料を供給する燃料供給手段を備えたことにより、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することができる点にある。
【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、燃料供給手段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。また、供給量制御手段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、前記供給量制御手段は、前記燃料電池の発電目標値に基づいて発電用燃料の量を制御することができる。
【００１０】
内燃機関の運転状態によらず発電用燃料を供給することができるため、発電目標に基づいて燃料供給量を制御することが可能となる。これにより、燃料電池の発電目標を達成するために最適な量の燃料を燃料電池に供給することが可能となる。
【００１１】
本発明においては、前記燃料電池の発電に寄与する燃料量を検出する燃料量検出手段を更に備え、前記燃料量検出手段の検出結果に基づいて前記燃料電池に供給する発電用燃料を制御することができる。
【００１２】
実際に検出された燃料量に基づいて、供給燃料量のフィードバック制御が可能となり、燃料電池の発電目標を達成するために最適な量の燃料を燃料電池に供給することが可能となる。
【００１３】
本発明においては、前記燃料電池の温度に関する要素の状態を検出する温度検出手段を更に備え、前記温度検出手段の検出結果に基づいて前記燃料電池に供給する発電用燃料を制御することができる。
【００１４】
燃料電池には、発電をするために最適な温度があり、その温度のときに燃料を供給すると効率の良い発電を行うことが可能となる。また、燃料電池の温度が低いときには、燃料の供給量を減少させて、発電に寄与しないまま燃料が該燃料電池から排出されてしまうことを抑制することが可能となる。
【００１５】
本発明においては、燃焼装置を更に備え、前記燃料供給手段は、燃焼装置からの排気を排気通路へ供給することができる。
【００１６】
燃焼装置からの既燃ガスを燃料電池に供給することにより、燃料電池の温度を上昇させることが可能となり、機関始動時等であって、排気の温度及び燃料電池の温度が低い場合であっても、速やかに発電を開始することが可能となる。また、燃焼装置において燃料過多（リッチ）の状態で燃焼された既燃ガスを燃料電池に供給することにより、燃焼装置での未燃燃料を燃料電池の発電用燃料として供給することが可能となる。
【００１７】
本発明においては、前記供給量制御手段は、前記燃焼装置で燃焼させるガスの空燃比を変更することにより、燃料電池への燃料供給量を制御することができる。
【００１８】
燃焼装置で燃焼させるガスの空燃比を変更すると、燃焼装置からの排気中に含まれる未燃燃料の量が変わる。従って、燃焼装置における空燃比を変更することにより、燃料電池に供給する発電用燃料の量を変更することが可能となり、発電目標に応じた発電用燃料の供給が可能となる。
【００１９】
本発明においては、前記燃料電池の上流で且つ前記燃料供給手段の下流の排気通路に酸化能を有する触媒を備えることができる。
【００２０】
この触媒により、内燃機関からの未燃燃料及び燃料供給手段からの発電用燃料を酸化させ、そのときの反応熱により下流の燃料電池の温度を上昇させることが可能となる。従って、機関始動時等であって、排気の温度及び燃料電池の温度が低い場合であっても、速やかに発電を開始することが可能となる。また、触媒において酸素が反応し、排気中の酸素濃度が減少するので燃料電池の発電量を向上させることが可能となる。更に、発電用燃料を改質することが可能となり、燃料電池において燃料が容易に反応するため、供給燃料に対する発電効率を向上させることが可能となる。
【００２１】
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酸化能を有する触媒を備えることができる。
【００２２】
この触媒により、発電に寄与しないまま燃料電池から排出された発電用燃料を酸化させることが可能となり、この燃料が大気中へ放出されてしまうことを抑制することが可能となる。
【００２３】
本発明においては、前記酸化能を有する触媒に酸素を供給する酸素供給手段を備えることができる。
【００２４】
酸化能を有する触媒は、該触媒を通過する排気中の酸素濃度が高いほど、酸化能力が高くなるため、該触媒の上流より酸素を供給することにより酸化能を高めることが可能となる。なお、燃料電池の空気極から放出される酸素を供給するようにしても良い。
【００２５】
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熱交換器を備えることができる。
【００２６】
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、この熱を熱交換器により回収することが可能となる。これにより、システム効率を向上させることが可能となる。例えば、内燃機関の冷却水の温度を上昇させることにより、内燃機関の暖機を速やかに完了することが可能となる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
＜第１の実施の形態＞
以下、本発明に係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。ここでは、本発明に係る内燃機関を車両駆動用のディーゼル機関に適用した場合を例に挙げて説明する。
【００２８】
図１は、本実施の形態によるエンジン１とその吸排気系の概略構成を示す図である。
【００２９】
図１に示すエンジン１は、水冷式の４サイクル・ディーゼル機関である。
【００３０】
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（ＳｏｌｉｄＯｘｉｄｅＦｕｅｌＣｅｌｌ：以下、ＳＯＦＣとする。）を採用した。
【００３１】
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。
【００３２】
また、ＳＯＦＣ３には該ＳＯＦＣ３の空気極３ｃに空気を送るための空気ポンプ６が空気供給通路７を介して接続されている。該空気ポンプ６は、バッテリ５から電力の供給を受けて作動し空気を吐出する。
【００３３】
ＳＯＦＣ３とエンジン１との間の排気通路２には、導入管８を介して燃焼装置９の排気側が接続されている。この燃焼装置９の吸気側には、空気供給通路７を介して空気ポンプ６が接続されている。また、燃焼装置９は、該燃焼装置９に燃料を噴射する燃料噴射弁１０を備えている。燃料噴射弁１０は、燃料を圧送する燃料ポンプ１１と接続されている。更に、燃焼装置９には、ＥＣＵからの信号により電気火花を発生させる点火プラグ１２が備えられている。
【００３４】
このように構成された燃焼装置９では、燃料が燃料ポンプ１１から燃料噴射弁１０に圧送される。そして、燃料噴射弁１０に駆動電流が印加されると、燃料噴射弁１０が開弁し、その結果、燃料噴射弁１０から燃焼装置９内へ燃料が噴射される。この燃料は、空気ポンプ６により供給された空気と混合気を形成する。そして、点火プラグ１２により電気火花が発生されると、前記混合気が着火され、燃焼装置９内で燃焼が行われる。その後、燃焼中のガス中に更に空気及び燃料を供給することにより、燃焼中のガスを着火源とした連続的な燃焼が可能となる。このように燃焼した既燃ガスは、導入管８を介して排気通路２中に導入される。
【００３５】
なお、本実施の形態においては、点火プラグ１２に電気火花を発生させず、未燃焼の混合気をそのまま導入管８に排出させることもできる。
【００３６】
このようにして、燃焼させ若しくは燃焼させないで排気通路２に導入されたガスは、ＳＯＦＣ３の発電用燃料として用いることができる。
【００３７】
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（Ｈ_２）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には空気ポンプ６から空気が供給される。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（Ｏ^２−）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（Ｏ^２−）は、水素（Ｈ_２）及び一酸化炭素（ＣＯ）と反応して、水（Ｈ_２Ｏ）及び二酸化炭素（ＣＯ_２）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。
【００３８】
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１５、及び排気の温度に対応した信号を出力する排気温度センサ１６が取り付けられている。
【００３９】
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：ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）１３が併設されている。このＥＣＵ１３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。
【００４０】
ＥＣＵ１３には、各種センサが電気配線を介して接続され、上記した各種センサの出力信号がＥＣＵ１３に入力されるようになっている。また、ＥＣＵ１３には、ＳＯＦＣ３を制御するためのＦＣ用ＥＣＵ１４が接続されている。
【００４１】
前記ＳＯＦＣ３は、ＦＣ用ＥＣＵ１４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。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。
【００４２】
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、内燃機関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、リッチ空燃比で内燃機関を運転して未燃燃料を多く排出させる必要があった。
【００４３】
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。
【００４４】
一方、燃料電池に発電用の燃料を供給しようとして、内燃機関を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。
【００４５】
更に、内燃機関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。
【００４６】
そして、従来では、エンジンを発電量燃料の改質器として用い、エンジンからの出力よりも燃料電池のから出力を得ることが主目的であった。それに伴い、燃料電池で発電を行うために、エンジンの運転状態を変更させていたので、エンジンから十分な動力を得ることが困難であった。しかし、エンジンと燃料電池とを比較すると、同じ質量、若しくは、同じ体積とした場合、燃料電池よりもエンジンから得られる出力のほうが大きくなる。従って、車両への搭載を考慮すると、エンジンからの出力を主として用いたほうが、質量や大きさ等の面から有利である。
【００４７】
その点、本実施の形態では、エンジンの運転状態を変更することなく、前記燃焼装置９からの排気を発電用燃料としてＳＯＦＣ３に導入することができる。
【００４８】
ＳＯＦＣ３に導入される発電用の燃料量は、燃料噴射弁１０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、空気ポンプ６から供給される空気の量は一定とすると、燃焼装置９内での混合気の空燃比は、燃料噴射弁１０から噴射される燃料量により決まる。ここで、本実施の形態では、燃料噴射弁１０を間欠的に開弁させ、このときの該燃料噴射弁１０の開弁時間及び閉弁時間を調整することにより燃焼装置９内に供給される燃料量を調整している。即ち、開弁時間が長く、また、閉弁時間が短いほど混合気中の燃料濃度は高くなる。一方、開弁時間が短く、また、閉弁時間が長いほど混合気中の燃料濃度は低くなる。また、単位時間あたりに空気ポンプ６から燃焼装置９へ供給される空気量は、予め実験等により求めておくことができる。従って、燃料噴射弁１０の開弁時間を調整することにより、燃焼装置９内の混合気の空燃比を調整することができる。
【００４９】
そして、燃焼装置９内における目標空燃比と、燃料噴射弁１０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、そのマップへ目標空燃比を代入して燃料噴射弁１０の開弁時間若しくは閉弁時間を得ることができる。
【００５０】
また、ＳＯＦＣ３での目標発電量と、燃料噴射弁１０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噴射弁１０の開弁時間若しくは閉弁時間を得るようにしても良い。
【００５１】
ここで、ＳＯＦＣ３に燃料を供給する場合には、燃焼装置９内における混合気を燃料過剰の空燃比（リッチ空燃比）にて燃焼させる。このときに燃え残った炭化水素（ＨＣ）は、導入管８及び排気通路２を介してＳＯＦＣ３に導入される。このときに供給されるＨＣは、燃焼装置９内で高温のために改質され、ＳＯＦＣ３内で反応し易いものとなっている。また、リッチ空燃比での燃焼時に発生する一酸化炭素（ＣＯ）もＳＯＦＣ３の燃料として作用する。更に、燃焼装置９内に水蒸気が存在していると、燃焼装置９内で燃料を燃焼させたときに水素（Ｈ_２）が発生する。このＨ_２も、ＳＯＦＣ３の燃料として作用する。
【００５２】
なお、本実施の形態では、ＳＯＦＣ３に発電用燃料を供給する場合には、混合気を燃焼させずそのまま燃焼装置９から排出させることもできる。これにより、燃料噴射弁１０から噴射した燃料量が、ＳＯＦＣ３に供給される燃料量と等しくなる。このようにして、発電用燃料を燃料噴射弁１０からの燃料噴射により供給することができる。そして、要求される発電量と燃料噴射弁１０の開弁時間若しくは閉弁時間を予め求めてマップ化しておけば、燃料噴射弁１０の開弁時間若しくは弁時間を変更することにより、要求発電量を満たす発電を行うことが可能となる。
【００５３】
また、ＳＯＦＣ３での発電は、前記したように、例えば７００乃至１０００℃の温度の下で行われる。従って、ＳＯＦＣ３の温度が低い場合には、該ＳＯＦＣ３の温度を上昇させる必要がある。ここで、ディーゼルエンジンは燃焼温度が低く排気の温度も低いために、エンジン１からの排気のみによりＳＯＦＣ３の温度を上昇させようとすると、ＳＯＦＣ３による発電可能な温度に達するまでに時間がかかってしまう。その点、本実施の形態においては、燃焼装置９おいて混合気を燃焼させた結果排出される温度の高いガスをＳＯＦＣ３に供給することができるので、ＳＯＦＣ３の温度を速やかに上昇させることが可能となる。これにより、冷間状態から早期に発電を開始することが可能となる。ここで、ＳＯＦＣ３の温度上昇を主目的とする場合には、燃焼装置９内の混合気がストイキとなるようにして燃焼させる。このような条件で燃焼させることにより、比較的温度の高いガスを発生させ、この温度の高いガスをＳＯＦＣ３に供給することができる。また、ストイキで燃焼させることにより、燃焼装置９から未燃成分が流出することを抑制することができる。
【００５４】
また、燃料極３ａにエンジン１からの排気をも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ができ、また、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。
【００５５】
なお、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１５の出力信号に基づいて、発電用燃料の量、即ち、燃料噴射弁１０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。
【００５６】
即ち、空燃比センサ１５の出力信号が、目標となる空燃比よりも高い場合には、燃料噴射弁１０の開弁時間を長くし若しくは閉弁時間を短くし、一方、目標となる空燃比よりも低い場合には、燃料噴射弁１０の開弁時間を短くし若しくは閉弁時間を長くする。
【００５７】
同様に、本実施の形態においては、ＳＯＦＣ３よりも下流の排気通路２に取り付けられた排気温度センサ１６の出力信号に基づいて、燃料噴射弁１０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。
【００５８】
即ち、排気温度センサ１６により、ＳＯＦＣ３が発電可能な温度まで上昇したか否か判定することができる。ＳＯＦＣ３が発電可能な温度まで上昇するまでは、燃焼装置９においてストイキの混合気を燃焼させ、ＳＯＦＣ３の温度上昇を行う。そして、ＳＯＦＣ３が発電可能な温度まで上昇した後は、燃焼装置９においてリッチ空燃比の混合気を燃焼させて、ＳＯＦＣ３で発電を行う。
【００５９】
これにより、ＳＯＦＣ３の温度を発電効率の良い温度とすることができ、発電効率の低下を抑制することができる。また、ＳＯＦＣ３の冷間始動時には発電可能な温度まで速やかに上昇させることができる。
【００６０】
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、ＳＯＦＣ３を速やかに温度上昇させ、発電を早期に開始することができる。発電用燃料の供給量やＳＯＦＣ３の温度は、夫々空燃比センサ１５及び排気温度センサ１６によるフィードバック制御を行うことができる。
＜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、導入管８とＳＯＦＣ３との間の排気通路２に酸化触媒１７を備えている点で相違する。なお、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。
【００６１】
図２は、本実施の形態によるエンジン１とその吸排気系の概略構成を示す図である。
【００６２】
燃焼装置９から酸化触媒１７に未燃燃料成分を供給することにより、この未燃燃料が酸化触媒１７で反応し、反応熱を発生させる。この熱により、排気の温度は上昇し、該排気が流入するＳＯＦＣ３の温度が上昇される。これにより、ＳＯＦＣ３の温度が低い場合であっても、速やかに温度を上昇させることができる。また、酸化触媒１７により未燃燃料の一部が改質され、この改質された燃料をＳＯＦＣ３に供給することができる。この改質された燃料は、燃料極３ａにおいて反応し易いため、発電効率を向上させることができる。更には、酸化触媒１７において酸素が反応するため、排気中の酸素濃度を減少させ、ＳＯＦＣ３の発電効率を向上させることができる。
【００６３】
なお、本実施の形態においては、燃焼装置９から排出される未燃燃料成分は、燃料過剰の混合気を燃焼させて得てもよく、また、燃料噴射弁１０から噴射された燃料を燃焼させないまま排出させて得ても良い。
【００６４】
また、エンジン１がリッチ空燃比で運転されている場合には、燃焼装置９ではリーン空燃比で燃料を燃焼させてもよい。これにより、酸化触媒１８に酸素を供給してエンジン１からの未燃燃料を酸化させ、ＳＯＦＣ３に流入する未燃成分の量を調整するようにしても良い。
【００６５】
なお、酸化触媒１７の温度を早期に温度上昇させるために、小型の触媒を採用するのが好適である。
＜第３の実施の形態＞
本実施の形態では、第２の実施の形態と比較して、ＳＯＦＣ３の下流の排気通路２に酸化触媒１８を備えている点で相違する。なお、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。
【００６６】
図３は、本実施の形態によるエンジン１とその吸排気系の概略構成を示す図である。
【００６７】
ここで、空燃比センサ１５若しくは排気温度センサ１６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、それらセンサの下流に酸化触媒１８を備える。
【００６８】
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、本実施の形態では、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。
【００６９】
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。
＜第４の実施の形態＞
本実施の形態では、第３の実施の形態と比較して、空気極側から排出されるガス（カソードオフガス）を酸化触媒１８に導入している点で相違する。なお、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。
【００７０】
図４は、本実施の形態によるエンジン１とその吸排気系の概略構成を示す図である。
【００７１】
本実施の形態においては、空気極３ｃの出口側と前記ＳＯＦＣ３下流の酸化触媒の上流を空気導入管１９により接続し、空気極３ｃからの排気を酸化触媒に導入している。ここで、空燃比センサ１５若しくは排気温度センサ１６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、それらセンサの下流に空気導入管１９を接続する。
【００７２】
ここで、燃料極３ａからの排気は、エンジン１の運転状態やＳＯＦＣ３の発電状態により、酸素濃度が低い場合がある。このように、酸素濃度が低い場合には、酸化触媒１８の酸化能力が低くなり、未燃燃料の酸化が困難となる場合がある。このような場合に、エンジン１の運転状態やＳＯＦＣ３の運転状態を変更して酸化触媒１８に酸素を供給しようとすると、エンジン１から必要トルクを得られなくなる虞があり、また、目標発電量を達成できなくなる虞がある。
【００７３】
その点、本実施の形態によれば、空気極３ｃからの排気中に含まれる酸素を酸化触媒１８に導入させることができ、酸化触媒１８での酸素不足によるエミッション性能の悪化を抑制することができる。また、エンジン１及びＳＯＦＣ３の運転状態によらずに酸化触媒１８に酸素を供給することができる。
【００７４】
なお、本実施の形態では、空気ポンプ６により供給される空気を酸化触媒１８に導入しても良い。
＜第５の実施の形態＞
本実施の形態では、第４の実施の形態と比較して、酸化触媒１８の下流に熱交換器２０を備えている点で相違する。なお、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】
図５は、本実施の形態によるエンジン１とその吸排気系の概略構成を示す図である。
【００７６】
酸化触媒１８の下流の排気通路２に熱交換器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通路２１が接続されている。熱交換器２０の下流側で迂回通路２１が排気通路２に接続される接続部には、迂回通路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。
【００７７】
熱交換器２０には、冷却水が循環する冷却水通路２３が接続され、該冷却水通路２３は、ヒータコア２４及びエンジン１に接続されている。
【００７８】
ここで、ＳＯＦＣ３の作動温度は高く、燃料極３ａ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において温度が上昇され、該ＳＯＦＣ３下流の排気の温度は高くなる。また、エンジン１からの排気の温度が高い場合であっても、熱交換器２０が排気通路２に備えられているので、このエンジン１からの熱をも回収することができる。そして、エンジン１及びＳＯＦＣ３からの排気の熱を１つの熱交換器２０で回収することができるため、車両への搭載性を向上させることができる。更には、温度の高い排気を熱交換器２０に流通させることができるので、熱交換器２０を小型化しても十分な効果を得ることができる。
【００７９】
なお、本実施の形態では、熱交換器２０にエンジン１の冷却水を循環させ、温度の高い排気と冷却水とで熱交換を行い、冷却水の温度を上昇させる。高温の排気が熱交換器２０に導入されると、該熱交換器２０にて冷却水の温度が上昇される。冷却水通路２３を介して、この温度が上昇した冷却水をヒータコア２４に流通させることで、暖房性能の向上を図ることができる。また、エンジン１の始動時等でエンジン１の温度が低い場合には、エンジン１に高温の冷却水を循環させることにより、エンジン１の早期暖機が可能となる。
【００８０】
なお、冷却水温度が高くなりすぎるとエンジン１の冷却を十分に行うことができなくなり、所謂オーバーヒートが発生するので、冷却水温度が高くなりすぎる前に三方弁２２を駆動させ、迂回通路２１に排気を流通させる。また、排気温度センサ１６を備えている場合には、該排気温度センサ１６により検出される排気の温度が、予め定めておいた温度よりも高い場合に、迂回通路２１に排気を流通させるようにしても良い。
＜第６の実施の形態＞
本実施の形態では、第５の実施の形態と比較して、熱交換器２０において排気と空気とを熱交換している点で相違する。なお、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。
【００８１】
図６は、本実施の形態によるエンジン１とその吸排気系の概略構成を示す図である。
【００８２】
酸化触媒１８の下流の排気通路２に熱交換器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通路２１が接続されている。熱交換器２０の下流側で迂回通路２１が排気通路２に接続される接続部には、迂回通路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。
【００８３】
熱交換器２０の入口側は、空気供給通路７を介して空気ポンプ６に接続されている。一方、熱交換器２０の出口側は、空気供給通路７を介して燃料電池３の空気極３ｃの入口側に接続されている。また、熱交換器２０の出口側に接続された空気供給通路７は、途中で分岐し、熱交換器２５を介して燃焼装置９に接続されている。
【００８４】
ここで、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において温度が上昇され、その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ポンプ６から吐出された空気とで熱交換を行い、ＳＯＦＣ３及び燃焼装置９に供給する空気の温度を上昇させる。
【００８５】
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ＳＯＦＣ３の空気極３ｃに導入させることにより、ＳＯＦＣ３の温度低下を抑制しつつ空気を供給することができ、その結果、発電効率を向上させることができる。
【００８６】
さらに、温度の高い空気を燃焼装置９に供給することで、燃焼装置９内の燃料の蒸発を促進し、燃焼装置９での燃焼状態を安定させることができる。ところで、燃焼装置９に供給する空気の温度は、高くなりすぎると酸素濃度を低下させてしまう。その点、本実施の形態では、熱交換器２５において高温の空気と冷却水との間で熱交換をし、空気の温度を低下させた後に燃焼装置９に供給するようにしている。これにより、燃焼装置９での燃焼状態を安定させることができる。また、燃焼装置９で混合気を燃焼させないまま排出させる場合には、燃料を蒸発させＳＯＦＣ３で容易に反応させることができる。
【００８７】
【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、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。また、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。更に、燃焼装置からの排気を燃料電池に導入することにより、燃料電池を速やかに温度上昇させ、早期に発電を開始することができる。
【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吸排気系の概略構成を示す図である。
【図２】第２の実施の形態によるエンジンとその吸排気系の概略構成を示す図である。
【図３】第３の実施の形態によるエンジンとその吸排気系の概略構成を示す図である。
【図４】第４の実施の形態によるエンジンとその吸排気系の概略構成を示す図である。
【図５】第５の実施の形態によるエンジンとその吸排気系の概略構成を示す図である。
【図６】第６の実施の形態によるエンジンとその吸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
３ａ燃料極
３ｂ電解質
３ｃ空気極
４補機類
５バッテリ
６空気ポンプ
７空気供給通路
８導入管
９燃焼装置
１０燃料噴射弁
１１燃料ポンプ
１２点火プラグ
１３ＥＣＵ
１４ＦＣ用ＥＣＵ
１５空燃比センサ
１６排気温度センサ
１７酸化触媒
１８酸化触媒
１９空気導入管
２０熱交換器
２１迂回通路
２２三方弁
２３冷却水通路
２４ヒータコア
２５熱交換器[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an internal combustion engine having a fuel cell in an exhaust system.
[0002]
[Prior art]
There is a technology in which a fuel cell is provided in an exhaust system, and an internal combustion engine is operated in an excessive fuel state to supply unburned components discharged to the fuel electrode side of the fuel cell as fuel for power generation (for example, see Patent Document 1). Are known.
[0003]
[Patent Document 1]
JP-A-2002-175824 (page 4-7, FIG. 1)
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, depending on the operating conditions of the internal combustion engine, it may be difficult to operate in a fuel-rich state, and in such a case, it becomes impossible to supply fuel to the fuel cell. Further, in such a case, if the internal combustion engine is operated in an excessive fuel state by giving priority to power generation by the fuel cell, the operation state of the internal combustion engine is deteriorated, and torque fluctuation and emission deterioration are induced.
[0005]
The present invention has been made in view of the above-described problem, and has been made in view of the above-mentioned circumstances. In an internal combustion engine having a fuel cell in an exhaust system, a technology capable of supplying fuel for power generation to the fuel cell regardless of operating conditions of the internal combustion engine. Is to provide.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, an internal combustion engine having a fuel cell in an exhaust system according to the present invention employs the following means. That is,
A fuel cell having a fuel electrode connected to an exhaust passage of an internal combustion engine,
Fuel supply means for supplying fuel for power generation of the fuel cell into an exhaust passage downstream of the internal combustion engine and upstream of the fuel cell;
Supply amount control means for controlling the supply amount of fuel by the fuel supply means,
It is characterized by having.
[0007]
The most significant feature of the present invention is that the fuel supply means for supplying the fuel for power generation in the middle of the exhaust passage allows the fuel for power generation to be supplied to the fuel cell regardless of the operating conditions of the internal combustion engine. is there.
[0008]
In the internal combustion engine having the fuel cell in the exhaust system configured as described above, the fuel supply unit is provided, so that the fuel for power generation can be supplied to the fuel electrode side of the fuel cell regardless of the operation state of the internal combustion engine. It becomes. Further, since the supply amount of the fuel for power generation is controlled by the supply amount control means, an appropriate amount of fuel for power generation can be supplied to the fuel cell regardless of the operation state of the internal combustion engine. On the other hand, the internal combustion engine can be operated regardless of the power generation state of the fuel cell.
[0009]
In the present invention, the supply amount control means can control the amount of fuel for power generation based on a power generation target value of the fuel cell.
[0010]
Since the fuel for power generation can be supplied regardless of the operating state of the internal combustion engine, it is possible to control the fuel supply amount based on the power generation target. This makes it possible to supply an optimal amount of fuel to the fuel cell in order to achieve the power generation target of the fuel cell.
[0011]
In the present invention, the fuel cell further includes a fuel amount detecting unit that detects a fuel amount contributing to power generation of the fuel cell, and controls a power generation fuel supplied to the fuel cell based on a detection result of the fuel amount detecting unit. Can be.
[0012]
Based on the actually detected fuel amount, feedback control of the supplied fuel amount becomes possible, and it becomes possible to supply an optimal amount of fuel to the fuel cell to achieve the power generation target of the fuel cell.
[0013]
In the present invention, the fuel cell system may further include a temperature detecting means for detecting a state of an element relating to a temperature of the fuel cell, and the power generation fuel supplied to the fuel cell can be controlled based on a detection result of the temperature detecting means.
[0014]
The fuel cell has an optimum temperature for power generation, and if fuel is supplied at that temperature, efficient power generation can be performed. Further, when the temperature of the fuel cell is low, it is possible to reduce the supply amount of the fuel and suppress the fuel from being discharged from the fuel cell without contributing to power generation.
[0015]
In the present invention, the apparatus further includes a combustion device, and the fuel supply unit can supply exhaust gas from the combustion device to an exhaust passage.
[0016]
By supplying the burned gas from the combustion device to the fuel cell, it is possible to raise the temperature of the fuel cell, such as when starting the engine and when the exhaust gas temperature and the fuel cell temperature are low. It is also possible to start power generation promptly. In addition, by supplying burned gas burned in a fuel-rich (rich) state to the fuel cell in the combustion device, it becomes possible to supply unburned fuel in the combustion device as fuel for power generation of the fuel cell. .
[0017]
In the present invention, the supply amount control means can control the fuel supply amount to the fuel cell by changing the air-fuel ratio of the gas burned by the combustion device.
[0018]
When the air-fuel ratio of the gas burned by the combustion device is changed, the amount of unburned fuel contained in the exhaust gas from the combustion device changes. Therefore, by changing the air-fuel ratio in the combustion device, it is possible to change the amount of power generation fuel to be supplied to the fuel cell, and to supply power generation fuel in accordance with the power generation target.
[0019]
In the present invention, a catalyst having an oxidizing ability can be provided in an exhaust passage upstream of the fuel cell and downstream of the fuel supply means.
[0020]
With this catalyst, it is possible to oxidize unburned fuel from the internal combustion engine and fuel for power generation from the fuel supply means, and to raise the temperature of the downstream fuel cell by the reaction heat at that time. Therefore, even when the engine is started or the like and the temperature of the exhaust gas and the temperature of the fuel cell are low, it is possible to start power generation quickly. Further, since oxygen reacts in the catalyst and the oxygen concentration in the exhaust gas decreases, the power generation amount of the fuel cell can be improved. Further, the fuel for power generation can be reformed, and the fuel easily reacts in the fuel cell, so that the power generation efficiency with respect to the supplied fuel can be improved.
[0021]
In the present invention, an oxidizing catalyst can be provided in the exhaust passage downstream of the fuel cell.
[0022]
With this catalyst, it is possible to oxidize the fuel for power generation discharged from the fuel cell without contributing to the power generation, and it is possible to suppress the fuel from being released into the atmosphere.
[0023]
In the present invention, an oxygen supply means for supplying oxygen to the oxidizing catalyst can be provided.
[0024]
A catalyst having an oxidizing ability has a higher oxidizing ability as the oxygen concentration in the exhaust gas passing through the catalyst is higher. Therefore, it is possible to increase the oxidizing ability by supplying oxygen from upstream of the catalyst. Note that oxygen released from the air electrode of the fuel cell may be supplied.
[0025]
In the present invention, a heat exchanger may be provided in an exhaust passage downstream of the fuel cell.
[0026]
The temperature of gas discharged from the fuel electrode side of a fuel cell operating at a high temperature is high, and this heat can be recovered by a heat exchanger. This makes it possible to improve system efficiency. For example, by raising the temperature of the cooling water of the internal combustion engine, the warm-up of the internal combustion engine can be completed quickly.
[0027]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
<First embodiment>
Hereinafter, specific embodiments of the internal combustion engine according to the present invention will be described with reference to the drawings. Here, an example in which the internal combustion engine according to the present invention is applied to a diesel engine for driving a vehicle will be described.
[0028]
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of an engine 1 and an intake / exhaust system thereof according to the present embodiment.
[0029]
The engine 1 shown in FIG. 1 is a water-cooled four-cycle diesel engine.
[0030]
An exhaust passage 2 for discharging burned gas from the engine 1 to the atmosphere is connected to the engine 1. A fuel cell 3 is provided in the exhaust passage 2. The fuel cell 3 is electrically connected to accessories 4 via a battery 5 and supplies power to the accessories 4. In the present embodiment, a solid oxide fuel cell (Solid Oxide Fuel Cell: hereinafter) that has a simple structure and control, does not require a catalyst for a fuel cell, and is capable of reforming the fuel inside the fuel cell. , SOFC).
[0031]
The SOFC 3 includes three types of oxide electrolytes, ie, a fuel electrode 3a, an electrolyte 3b, and an air electrode 3c.
[0032]
An air pump 6 for sending air to the air electrode 3 c of the SOFC 3 is connected to the SOFC 3 via an air supply passage 7. The air pump 6 operates by receiving power supply from the battery 5 and discharges air.
[0033]
An exhaust side of a combustion device 9 is connected to an exhaust passage 2 between the SOFC 3 and the engine 1 via an introduction pipe 8. An air pump 6 is connected to an intake side of the combustion device 9 via an air supply passage 7. Further, the combustion device 9 includes a fuel injection valve 10 for injecting fuel into the combustion device 9. The fuel injection valve 10 is connected to a fuel pump 11 for pumping fuel. Further, the combustion device 9 is provided with a spark plug 12 that generates an electric spark according to a signal from the ECU.
[0034]
In the combustion device 9 configured as described above, the fuel is pumped from the fuel pump 11 to the fuel injection valve 10. When a drive current is applied to the fuel injection valve 10, the fuel injection valve 10 opens, and as a result, fuel is injected from the fuel injection valve 10 into the combustion device 9. This fuel forms an air-fuel mixture with the air supplied by the air pump 6. Then, when an electric spark is generated by the ignition plug 12, the mixture is ignited, and combustion is performed in the combustion device 9. Thereafter, by further supplying air and fuel to the burning gas, continuous burning using the burning gas as an ignition source becomes possible. The burned gas thus burnt is introduced into the exhaust passage 2 through the introduction pipe 8.
[0035]
In the present embodiment, the unburned air-fuel mixture can be directly discharged to the introduction pipe 8 without generating an electric spark in the ignition plug 12.
[0036]
In this way, the gas introduced into the exhaust passage 2 with or without combustion can be used as fuel for power generation of the SOFC 3.
[0037]
Here, the fuel for power generation introduced into the SOFC 3 reacts with water vapor on the fuel electrode 3a to generate hydrogen (H ₂ ) And carbon monoxide (CO). As described above, in the SOFC 3, it is possible to reform the fuel in the battery. On the other hand, air is supplied from the air pump 6 to the air electrode 3c. At the air electrode 3c, oxygen in the air dissociates at the interface with the electrolyte 3b and oxygen ions (O ^2- ), And moves to the fuel electrode 3a side in the electrolyte 3b. Oxygen ions (O 2) reaching the interface between the electrolyte 3 b and the fuel electrode 3 a ^2- ) Is hydrogen (H ₂ ) And carbon monoxide (CO) to form water (H ₂ O) and carbon dioxide (CO ₂ ). Power generation by the SOFC 3 is performed by extracting electrons emitted at this time. In this way, the chemical energy of the fuel is directly converted into electric energy, so that the loss due to the energy conversion is small and the power generation can be performed with high efficiency. Such power generation is performed, for example, at a temperature of 700 to 1000 ° C.
[0038]
An air-fuel ratio sensor 15 that outputs a signal corresponding to the air-fuel ratio of the exhaust gas and an exhaust temperature sensor 16 that outputs a signal corresponding to the temperature of the exhaust gas are mounted in the exhaust passage 2 downstream of the SOFC.
[0039]
Such an engine 1 is provided with an electronic control unit (ECU: Electronic Control Unit) 13 for controlling the engine 1. The ECU 13 is a unit that controls the operating state of the engine 1 in accordance with the operating conditions of the engine 1 and a driver's request.
[0040]
Various sensors are connected to the ECU 13 via electric wiring, and output signals of the various sensors are input to the ECU 13. The ECU 13 is connected to an FC ECU 14 for controlling the SOFC 3.
[0041]
The SOFC 3 is operated by a signal from the FC ECU 14. Part of the power obtained by the power generation is temporarily stored in the battery 5. Auxiliary equipment 4 such as an electric water pump, an electric compressor for an air conditioner, an electric oil pump, and an electric pump for power steering are electrically connected to the battery 5, and power is supplied to these devices.
[0042]
By the way, in a conventional internal combustion engine having a fuel cell in an exhaust system, unburned fuel contained in exhaust gas of the internal combustion engine has been used as fuel for power generation of the fuel cell. Therefore, when a fuel cell requires a large amount of fuel for power generation, it is necessary to operate the internal combustion engine at a rich air-fuel ratio to discharge a large amount of unburned fuel.
[0043]
However, since a diesel engine is usually operated at a lean air-fuel ratio, the oxygen concentration in the exhaust gas is high, and it has been difficult to obtain required power.
[0044]
On the other hand, when attempting to supply fuel for power generation to the fuel cell and operating the internal combustion engine at a richer air-fuel ratio with more fuel than the air-fuel ratio during normal operation, torque fluctuations and emission deterioration may be induced. there were.
[0045]
Further, depending on the operating state of the internal combustion engine, it may be difficult to operate at an air-fuel ratio closer to rich, and in such a case, it has not been possible to secure required electric power.
[0046]
Conventionally, the main purpose has been to use an engine as a reformer for a fuel for generating electricity and to obtain an output from a fuel cell rather than an output from the engine. Along with this, the operating state of the engine has been changed in order to generate power with the fuel cell, so it was difficult to obtain sufficient power from the engine. However, when the engine and the fuel cell are compared, when the same mass or the same volume is used, the output obtained from the engine is larger than that of the fuel cell. Therefore, in consideration of mounting on a vehicle, it is more advantageous to mainly use the output from the engine in terms of mass, size, and the like.
[0047]
In this regard, in the present embodiment, the exhaust gas from the combustion device 9 can be introduced as fuel for power generation into the SOFC 3 without changing the operation state of the engine.
[0048]
The amount of fuel for power generation introduced into the SOFC 3 can be adjusted by the amount of fuel injected from the fuel injection valve 10. That is, assuming that the amount of air supplied from the air pump 6 is constant, the air-fuel ratio of the air-fuel mixture in the combustion device 9 is determined by the amount of fuel injected from the fuel injection valve 10. Here, in the present embodiment, the fuel injection valve 10 is intermittently opened, and the fuel injection valve 10 is supplied into the combustion device 9 by adjusting the valve opening time and the valve closing time at this time. The fuel amount is adjusted. That is, the longer the valve opening time and the shorter the valve closing time, the higher the fuel concentration in the air-fuel mixture. On the other hand, the shorter the valve opening time and the longer the valve closing time, the lower the fuel concentration in the air-fuel mixture. In addition, the amount of air supplied from the air pump 6 to the combustion device 9 per unit time can be obtained in advance by experiments or the like. Therefore, by adjusting the valve opening time of the fuel injection valve 10, the air-fuel ratio of the air-fuel mixture in the combustion device 9 can be adjusted.
[0049]
Then, the relationship between the target air-fuel ratio in the combustion device 9 and the valve opening or closing time of the fuel injection valve 10 is mapped in advance, and the target air-fuel ratio is substituted into the map to change the fuel injection valve 10. The valve opening time or the valve closing time can be obtained.
[0050]
Further, the relationship between the target power generation amount in the SOFC 3 and the valve opening or closing time of the fuel injection valve 10 is mapped in advance, and the target power generation amount is substituted into the map to open the fuel injection valve 10. The time or the valve closing time may be obtained.
[0051]
Here, when supplying the fuel to the SOFC 3, the air-fuel mixture in the combustion device 9 is burned at an air-fuel ratio (rich air-fuel ratio) with excess fuel. At this time, the remaining hydrocarbons (HC) are introduced into the SOFC 3 via the introduction pipe 8 and the exhaust passage 2. The HC supplied at this time is reformed due to high temperature in the combustion device 9 and easily reacts in the SOFC 3. Further, carbon monoxide (CO) generated during combustion at a rich air-fuel ratio also acts as fuel for the SOFC 3. Furthermore, if steam is present in the combustion device 9, when fuel is burned in the combustion device 9, hydrogen (H ₂ ) Occurs. This H ₂ Also act as fuel for the SOFC 3.
[0052]
In the present embodiment, when the fuel for power generation is supplied to the SOFC 3, the air-fuel mixture can be directly discharged from the combustion device 9 without burning. Thereby, the amount of fuel injected from the fuel injection valve 10 becomes equal to the amount of fuel supplied to the SOFC 3. In this manner, the fuel for power generation can be supplied by fuel injection from the fuel injection valve 10. If the required power generation amount and the valve opening time or valve closing time of the fuel injection valve 10 are obtained and mapped in advance, the required power generation amount can be changed by changing the valve opening time or valve time of the fuel injection valve 10. Can be generated.
[0053]
The power generation in the SOFC 3 is performed at a temperature of, for example, 700 to 1000 ° C., as described above. Therefore, when the temperature of the SOFC 3 is low, the temperature of the SOFC 3 needs to be increased. Here, since the combustion temperature of the diesel engine is low and the temperature of the exhaust gas is low, if it is attempted to raise the temperature of the SOFC 3 only by the exhaust gas from the engine 1, it takes a long time to reach the temperature at which power can be generated by the SOFC 3. . In this regard, in the present embodiment, since the high-temperature gas discharged as a result of burning the air-fuel mixture in the combustion device 9 can be supplied to the SOFC 3, the temperature of the SOFC 3 can be quickly increased. It becomes. Thereby, it becomes possible to start power generation from the cold state early. Here, when the main purpose is to increase the temperature of the SOFC 3, the combustion is performed such that the air-fuel mixture in the combustion device 9 becomes stoichiometric. By burning under such conditions, a relatively high-temperature gas can be generated, and this high-temperature gas can be supplied to the SOFC 3. Further, by burning with stoichiometry, the outflow of unburned components from the combustion device 9 can be suppressed.
[0054]
Further, since the exhaust gas from the engine 1 can also be introduced into the fuel electrode 3a, the temperature of the SOFC 3 can be increased by the temperature of the exhaust gas, and a part of the exhaust gas from the engine 1 is used as fuel for power generation. You can also.
[0055]
In the present embodiment, based on the output signal of the air-fuel ratio sensor 15 attached to the exhaust passage 2 downstream of the SOFC 3, the amount of fuel for power generation, that is, the opening time and closing time of the fuel injection valve 10, The valve time may be feedback controlled.
[0056]
That is, when the output signal of the air-fuel ratio sensor 15 is higher than the target air-fuel ratio, the valve opening time of the fuel injection valve 10 is lengthened or the valve closing time is shortened. If it is also low, the valve opening time of the fuel injection valve 10 is shortened or the valve closing time is lengthened.
[0057]
Similarly, in the present embodiment, the valve opening time and the valve closing time of the fuel injection valve 10 are feedback-controlled based on the output signal of the exhaust gas temperature sensor 16 attached to the exhaust passage 2 downstream of the SOFC 3. Is also good.
[0058]
That is, the exhaust temperature sensor 16 can determine whether the SOFC 3 has risen to a temperature at which power can be generated. Until the temperature of the SOFC 3 rises to a temperature at which power can be generated, the stoichiometric mixture is burned in the combustion device 9 to raise the temperature of the SOFC 3. Then, after the temperature of the SOFC 3 has risen to a temperature at which power can be generated, the combustion device 9 burns the air-fuel mixture having a rich air-fuel ratio, and the SOFC 3 generates power.
[0059]
Thereby, the temperature of the SOFC 3 can be set to a temperature at which power generation efficiency is good, and a decrease in power generation efficiency can be suppressed. Further, at the time of the cold start of the SOFC 3, the temperature can be quickly raised to a temperature at which power can be generated.
[0060]
As described above, according to the present embodiment, fuel can be supplied to SOFC 3 regardless of the operating state of engine 1. Further, the temperature of the SOFC 3 can be quickly raised, and power generation can be started at an early stage. Feedback control by the air-fuel ratio sensor 15 and the exhaust gas temperature sensor 16 can be performed on the supply amount of the fuel for power generation and the temperature of the SOFC 3, respectively.
<Second embodiment>
The present embodiment is different from the first embodiment in that an oxidation catalyst 17 is provided in the exhaust passage 2 between the introduction pipe 8 and the SOFC 3. In the present embodiment, the basic configuration of the engine and other hardware to which the present invention is applied is the same as that of the first embodiment, and a description thereof will be omitted.
[0061]
FIG. 2 is a diagram showing a schematic configuration of the engine 1 and the intake / exhaust system thereof according to the present embodiment.
[0062]
By supplying the unburned fuel component from the combustion device 9 to the oxidation catalyst 17, the unburned fuel reacts on the oxidation catalyst 17 and generates reaction heat. Due to this heat, the temperature of the exhaust gas rises, and the temperature of the SOFC 3 into which the exhaust gas flows rises. Thus, even when the temperature of the SOFC 3 is low, the temperature can be quickly increased. Further, a part of the unburned fuel is reformed by the oxidation catalyst 17, and the reformed fuel can be supplied to the SOFC 3. Since the reformed fuel easily reacts at the fuel electrode 3a, the power generation efficiency can be improved. Further, since oxygen reacts in the oxidation catalyst 17, the oxygen concentration in the exhaust gas can be reduced, and the power generation efficiency of the SOFC 3 can be improved.
[0063]
In the present embodiment, the unburned fuel component discharged from the combustion device 9 may be obtained by burning an air-fuel mixture, and the fuel injected from the fuel injection valve 10 is not burned. It may be obtained by discharging as it is.
[0064]
When the engine 1 is operated at a rich air-fuel ratio, the combustion device 9 may burn fuel at a lean air-fuel ratio. Thus, oxygen may be supplied to the oxidation catalyst 18 to oxidize unburned fuel from the engine 1 and adjust the amount of unburned components flowing into the SOFC 3.
[0065]
In order to raise the temperature of the oxidation catalyst 17 at an early stage, it is preferable to employ a small catalyst.
<Third embodiment>
The present embodiment is different from the second embodiment in that an oxidation catalyst 18 is provided in the exhaust passage 2 downstream of the SOFC 3. In the present embodiment, the basic configuration of the engine and other hardware to which the present invention is applied is the same as that of the first embodiment, and a description thereof will be omitted.
[0066]
FIG. 3 is a diagram showing a schematic configuration of the engine 1 and the intake / exhaust system thereof according to the present embodiment.
[0067]
Here, when the air-fuel ratio sensor 15 or the exhaust gas temperature sensor 16 is attached to the exhaust passage 2, components in the exhaust gas change in the oxidation catalyst 18 and affect the sensor output. 18 is provided.
[0068]
Here, not all of the supplied power generation fuel reacts in the SOFC 3, and some fuel passes without reacting in the SOFC 3. If this fuel is released into the atmosphere, emission performance will deteriorate. In this regard, in the present embodiment, by providing the oxidation catalyst 18 downstream of the SOFC 3, the fuel for power generation discharged without reacting in the SOFC 3 can be oxidized and purified.
[0069]
Further, since the oxidation catalyst 18 is provided downstream of the SOFC 3, it is maintained at a high temperature by the heat from the SOFC 3, and can perform stable exhaust gas purification.
<Fourth embodiment>
The present embodiment is different from the third embodiment in that a gas (cathode off-gas) discharged from the air electrode side is introduced into the oxidation catalyst 18. In the present embodiment, the basic configuration of the engine and other hardware to which the present invention is applied is the same as that of the first embodiment, and a description thereof will be omitted.
[0070]
FIG. 4 is a diagram showing a schematic configuration of the engine 1 and the intake / exhaust system thereof according to the present embodiment.
[0071]
In the present embodiment, the outlet side of the air electrode 3c and the upstream of the oxidation catalyst downstream of the SOFC 3 are connected by an air introduction pipe 19, and exhaust gas from the air electrode 3c is introduced into the oxidation catalyst. Here, when the air-fuel ratio sensor 15 or the exhaust gas temperature sensor 16 is attached to the exhaust passage 2, the components in the exhaust gas change in the oxidation catalyst 18 and affect the sensor output. The tube 19 is connected.
[0072]
Here, the oxygen concentration of the exhaust gas from the fuel electrode 3a may be low depending on the operation state of the engine 1 and the power generation state of the SOFC 3. As described above, when the oxygen concentration is low, the oxidizing ability of the oxidation catalyst 18 becomes low, and it may be difficult to oxidize the unburned fuel. In such a case, if an attempt is made to supply oxygen to the oxidation catalyst 18 by changing the operating state of the engine 1 or the operating state of the SOFC 3, the required torque may not be obtained from the engine 1. It may not be possible to achieve this.
[0073]
In this regard, according to the present embodiment, oxygen contained in exhaust gas from air electrode 3c can be introduced into oxidation catalyst 18, and deterioration of emission performance due to lack of oxygen in oxidation catalyst 18 can be suppressed. it can. Further, oxygen can be supplied to the oxidation catalyst 18 regardless of the operating states of the engine 1 and the SOFC 3.
[0074]
In the present embodiment, air supplied by the air pump 6 may be introduced into the oxidation catalyst 18.
<Fifth embodiment>
The present embodiment is different from the fourth embodiment in that a heat exchanger 20 is provided downstream of the oxidation catalyst 18. In the present embodiment, the basic configuration of the engine and other hardware to which the present invention is applied is the same as that of the first embodiment, and a description thereof will be omitted.
[0075]
FIG. 5 is a diagram showing a schematic configuration of the engine 1 and the intake / exhaust system thereof according to the present embodiment.
[0076]
A heat exchanger 20 is provided in the exhaust passage 2 downstream of the oxidation catalyst 18. Further, a bypass 21 for bypassing the heat exchanger 20 and flowing exhaust gas is connected to the upstream side and the downstream side of the heat exchanger 20. At a connection portion where the bypass passage 21 is connected to the exhaust passage 2 on the downstream side of the heat exchanger 20, a three-way valve 22 for selecting either the bypass passage 21 or the heat exchanger 20 and flowing exhaust gas is provided. I have.
[0077]
A cooling water passage 23 through which cooling water circulates is connected to the heat exchanger 20, and the cooling water passage 23 is connected to the heater core 24 and the engine 1.
[0078]
Here, the operating temperature of the SOFC 3 is high, and a high-temperature gas is discharged from the fuel electrode 3a. Therefore, while the SOFC 3 is generating power, even if the temperature of the exhaust gas discharged from the engine 1 is low, the temperature of the SOFC 3 is increased and the temperature of the exhaust gas downstream of the SOFC 3 is increased. Further, even when the temperature of the exhaust gas from the engine 1 is high, the heat from the engine 1 can be recovered because the heat exchanger 20 is provided in the exhaust passage 2. Further, since the heat of the exhaust gas from the engine 1 and the SOFC 3 can be recovered by the single heat exchanger 20, the mountability on the vehicle can be improved. Furthermore, since high-temperature exhaust gas can flow through the heat exchanger 20, a sufficient effect can be obtained even if the heat exchanger 20 is downsized.
[0079]
In the present embodiment, the cooling water of the engine 1 is circulated through the heat exchanger 20, and heat exchange is performed between the high-temperature exhaust gas and the cooling water to increase the temperature of the cooling water. When the high-temperature exhaust gas is introduced into the heat exchanger 20, the temperature of the cooling water is increased in the heat exchanger 20. Heating performance can be improved by flowing the cooling water whose temperature has increased through the cooling water passage 23 to the heater core 24. Further, when the temperature of the engine 1 is low, for example, at the time of starting the engine 1, by circulating high-temperature cooling water through the engine 1, the engine 1 can be warmed up early.
[0080]
If the temperature of the cooling water is too high, the engine 1 cannot be sufficiently cooled and so-called overheating occurs. Therefore, the three-way valve 22 is driven before the temperature of the cooling water becomes too high, and Allow the exhaust to flow. When the exhaust gas temperature sensor 16 is provided, the exhaust gas is allowed to flow through the bypass passage 21 when the temperature of the exhaust gas detected by the exhaust gas temperature sensor 16 is higher than a predetermined temperature. May be.
<Sixth Embodiment>
The present embodiment is different from the fifth embodiment in that the heat exchange between the exhaust gas and the air is performed in the heat exchanger 20. In the present embodiment, the basic configuration of the engine and other hardware to which the present invention is applied is the same as that of the first embodiment, and a description thereof will be omitted.
[0081]
FIG. 6 is a diagram showing a schematic configuration of the engine 1 and the intake / exhaust system thereof according to the present embodiment.
[0082]
A heat exchanger 20 is provided in the exhaust passage 2 downstream of the oxidation catalyst 18. Further, a bypass 21 for bypassing the heat exchanger 20 and flowing exhaust gas is connected to the upstream side and the downstream side of the heat exchanger 20. At a connection portion where the bypass passage 21 is connected to the exhaust passage 2 on the downstream side of the heat exchanger 20, a three-way valve 22 for selecting either the bypass passage 21 or the heat exchanger 20 and flowing exhaust gas is provided. I have.
[0083]
The inlet side of the heat exchanger 20 is connected to the air pump 6 via the air supply passage 7. On the other hand, the outlet side of the heat exchanger 20 is connected to the inlet side of the air electrode 3 c of the fuel cell 3 via the air supply passage 7. The air supply passage 7 connected to the outlet side of the heat exchanger 20 branches off in the middle and is connected to the combustion device 9 via the heat exchanger 25.
[0084]
Here, the operating temperature of the SOFC 3 is high, and a high-temperature gas is discharged from the fuel electrode 3a side. Therefore, while the SOFC 3 is generating power, even if the temperature of the exhaust gas discharged from the engine 1 is low, the temperature of the SOFC 3 is increased and the temperature of the exhaust gas downstream of the SOFC 3 is increased. In the present embodiment, heat exchange is performed between the high-temperature exhaust gas and the air discharged from the air pump 6 to increase the temperature of the air supplied to the SOFC 3 and the combustion device 9.
[0085]
With such a configuration, when high-temperature exhaust gas is introduced into the heat exchanger 20, the temperature of the air is increased in the heat exchanger 20. By introducing the air with the increased temperature into the air electrode 3c of the SOFC 3, air can be supplied while suppressing the temperature decrease of the SOFC 3, and as a result, the power generation efficiency can be improved.
[0086]
Further, by supplying high-temperature air to the combustion device 9, the evaporation of the fuel in the combustion device 9 is promoted, and the combustion state in the combustion device 9 can be stabilized. By the way, if the temperature of the air supplied to the combustion device 9 is too high, the oxygen concentration will decrease. In this regard, in the present embodiment, heat is exchanged between the high-temperature air and the cooling water in the heat exchanger 25, and the temperature of the air is reduced and then supplied to the combustion device 9. Thereby, the combustion state in the combustion device 9 can be stabilized. When the air-fuel mixture is discharged without being burned by the combustion device 9, the fuel can be evaporated and easily reacted by the SOFC 3.
[0087]
【The invention's effect】
In the internal combustion engine having a fuel cell in the exhaust system according to the present invention, fuel for power generation can be supplied to the fuel cell regardless of the operating state of the internal combustion engine. In addition, the amount of fuel for power generation to be supplied to the fuel cell can be increased or decreased regardless of the operation state of the internal combustion engine, and an amount of fuel corresponding to the required power generation amount can be supplied. Furthermore, by introducing exhaust gas from the combustion device to the fuel cell, the temperature of the fuel cell can be quickly raised, and power generation can be started at an early stage.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of an engine and an intake / exhaust system thereof according to a first embodiment.
FIG. 2 is a diagram showing a schematic configuration of an engine and an intake / exhaust system thereof according to a second embodiment.
FIG. 3 is a view showing a schematic configuration of an engine and an intake / exhaust system thereof according to a third embodiment.
FIG. 4 is a diagram showing a schematic configuration of an engine and an intake / exhaust system thereof according to a fourth embodiment.
FIG. 5 is a diagram showing a schematic configuration of an engine and an intake / exhaust system thereof according to a fifth embodiment.
FIG. 6 is a diagram showing a schematic configuration of an engine and an intake / exhaust system thereof according to a sixth embodiment.
[Explanation of symbols]
1 engine
2 Exhaust passage
3 Fuel cell
3a Fuel electrode
3b electrolyte
3c air electrode
4 Auxiliary equipment
5 Battery
6 air pump
7 Air supply passage
8 Introduction pipe
9 Combustion device
10 Fuel injection valve
11 Fuel pump
12 Spark plug
13 ECU
14 FC ECU
15 Air-fuel ratio sensor
16 Exhaust gas temperature sensor
17 Oxidation catalyst
18 oxidation catalyst
19 Air inlet pipe
20 heat exchanger
21 Detour passage
22 Three-way valve
23 Cooling water passage
24 heater core
25 heat exchanger

Claims

A fuel cell having a fuel electrode connected to an exhaust passage of an internal combustion engine,
Fuel supply means for supplying fuel for power generation of the fuel cell into an exhaust passage downstream of the internal combustion engine and upstream of the fuel cell;
Supply amount control means for controlling the supply amount of fuel by the fuel supply means,
An internal combustion engine having a fuel cell in an exhaust system, comprising:

The internal combustion engine having a fuel cell in an exhaust system according to claim 1, wherein the supply amount control means controls an amount of fuel for power generation based on a power generation target value of the fuel cell.

The fuel cell system according to claim 1, further comprising a fuel amount detecting means for detecting an amount of fuel contributing to the power generation of the fuel cell, wherein the fuel for power generation supplied to the fuel cell is controlled based on a detection result of the fuel amount detecting means. Item 3. An internal combustion engine having a fuel cell in the exhaust system according to Item 2.

3. The fuel cell according to claim 2, further comprising a temperature detecting unit configured to detect a state of an element related to a temperature of the fuel cell, and controlling a power generation fuel supplied to the fuel cell based on a detection result of the temperature detecting unit. 4. An internal combustion engine having a fuel cell in the exhaust system according to 3.

The internal combustion engine having a fuel cell in an exhaust system according to any one of claims 1 to 4, further comprising a combustion device, wherein the fuel supply unit supplies exhaust gas from the combustion device to an exhaust passage.

The fuel supply system according to claim 5, wherein the supply amount control means controls a fuel supply amount to the fuel cell by changing an air-fuel ratio of gas burned by the combustion device. Having an internal combustion engine.

The internal combustion engine having a fuel cell in an exhaust system according to any one of claims 1 to 6, further comprising an oxidizing catalyst in an exhaust passage upstream of the fuel cell and downstream of the fuel supply means. .

The internal combustion engine having a fuel cell in an exhaust system according to any one of claims 1 to 7, further comprising a catalyst having an oxidizing ability in an exhaust passage downstream of the fuel cell.

9. The internal combustion engine having a fuel cell in an exhaust system according to claim 8, further comprising oxygen supply means for supplying oxygen to the catalyst having oxidizing ability.

10. The internal combustion engine having a fuel cell in an exhaust system according to claim 1, wherein a heat exchanger is provided in an exhaust passage downstream of the fuel cell.