(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
過給機（２）の回転軸には発電機（１２）が接続されており、過給機（２）のコンプレッサ（２ｃ）で加圧された空気がアフタクーラ（１３）で冷却され、その冷却された空気に燃料ガスが第１の燃料流量調整弁（１５）を介して混合されて内燃機関（１）に供給され、その内燃機関（１）からの排ガスが排気系（１Ｅ）を流れて過給機（２）の排気タービン（２ｔ）を回転させ、該排気タービン（２ｔ）をバイパスするウエイストゲートバルブ（２ｗ）が設けられ、前記内燃機関（１）からの排ガスを燃料電池に供給するように構成された発電及び動力装置において、前記内燃機関（１）からの排気系（１Ｅ）は熱交換器（６）と燃料改質器（４）とを介して燃料電池（５）の燃料極（５ｍ）に接続され、第２の燃料流量調整弁（１６）を介して流量を調整され更に前記熱交換器（６）で加熱された燃料が混合される燃料混合手段（３）が設けられ、またガスタービン（８）で圧縮された空気の第１の空気ライン（８Ａ１）が前記熱交換器（６）を介して燃料電池（５）の空気極（５ｐ）に接続されており、前記燃料極（５ｍ）からの排ガスおよび前記空気極（５ｐ）からの空気はオフガス燃焼室（７）に導入されて未燃焼分が燃焼され、その燃焼排ガスは前記ガスタービン（８）に導かれ、さらに前記ガスタービン（８）で圧縮された空気は第２の空気ライン（８Ａ２）を介して前記コンプレッサ（２ｃ）に導入され、前記燃料電池（５）の発電電力はインバータ（１１）を介して出力され、さらに内燃機関（１）の出力と前記燃料電池（５）からの出力を検知し前記第１の燃料流量調整弁（１５）および第２の燃料流量調整弁（１６）を制御する制御装置（１０）が設けられていることを特徴とする発電及び動力装置。
【請求項２】
過給機（２）の回転軸には発電機（１２）が接続され、過給機（２）のコンプレッサ（２ｃ）で加圧された空気がアフタクーラ（１３）で冷却され、その冷却された空気に燃料ガスが第１の燃料流量調整弁（１５）を介して混合されて内燃機関（１Ａ）に供給され、その内燃機関（１Ａ）からの排ガスが排気系（１Ｅ）を流れて過給機（２）の排気タービン（２ｔ）を回転させ、該排気タービン（２ｔ）をバイパスするウエイストゲートバルブ（２ｗ）が設けられ、前記内燃機関（１Ａ）からの排ガスを燃料電池に供給するように構成された発電及び動力装置において、前記内燃機関（１Ａ）からの排気系（１Ｅ）は熱交換器（６）と燃料改質器（４）とを介して燃料電池（５）の燃料極（５ｍ）に接続され、第２の燃料流量調整弁（１６）を介して流量を調整された燃料が混合される燃料混合手段（３）が前記熱交換器（６）の上流側に設けられ、またガスタービン（８）で圧縮された空気の第１の空気ライン（８Ａ１）が前記熱交換器（６）を介して燃料電池（５）の空気極（５ｐ）に接続されており、前記燃料極（５ｍ）からの排ガスおよび前記空気極（５ｐ）からの空気はオフガス燃焼室（７）に導入されて未燃焼分が燃焼され、その燃焼排ガスは前記ガスタービン（８）に導かれ、さらに前記ガスタービン（８）で圧縮された空気は第２の空気ライン（８Ａ２）を介して前記コンプレッサ（２ｃ）に導入され、前記燃料電池（５）の発電電力はインバータ（１１）を介して出力され、さらに内燃機関（１Ａ）の出力と前記燃料電池（５）からの出力を検知し前記第１の燃料流量調整弁（１５）および第２の燃料流量調整弁（１６）を制御する制御装置（１０）が設けられていることを特徴とする発電及び動力装置。
【請求項３】
過給機（２）のコンプレッサ（２ｃ）で加圧された空気がアフタクーラ（１３）で冷却され、その冷却された空気に第１の燃料流量調整弁（１５）を介して燃料ガスが混合されて内燃機関（１Ａ）に供給され、その内燃機関（１Ａ）からの排ガスを燃料電池に供給するように構成された発電及び動力装置において、前記内燃機関（１Ａ）からの排気系（１ｍ）は熱交換器（６）と燃料改質器（４）とを介して燃料電池（５）の燃料極（５ｍ）に接続され、第２の燃料流量調整弁（１６）を介して流量を調整された燃料が混合される燃料混合手段（３）が前記熱交換器（６）の上流側に設けられ、前記コンプレッサ（２ｃ）からの空気ライン（Ｃ）には抽気弁（１７）が設けられ、その空気ライン（Ｃ）は前記熱交換器（６）を介して燃料電池の空気極（５ｐ）に接続され、前記燃料極（５ｍ）からの排ガスおよび前記空気極（５ｐ）からの空気はオフガス燃焼室（７）に導入されて未燃焼分が燃焼され、その燃焼排ガスは前記熱交換器（６）を通る排気ライン（７Ｅ）により前記排気タービン（２ｔ）に接続され、前記燃料電池（５）の発電電力はインバータ（１１）を介して出力され、さらに内燃機関（１Ａ）の出力と前記燃料電池（５）からの出力を検知し前記第１の燃料流量調整弁（１５）および第２の燃料流量調整弁（１６）を制御する制御装置（１０）が設けられていることを特徴とする発電及び動力装置。
【請求項４】
過給機（２）の回転軸には発電機（１２）が接続され、過給機（２）のコンプレッサ（２ｃ）で加圧された空気がアフタクーラ（１３）で冷却され、その冷却された空気に燃料ガスが第１の燃料流量調整弁（１５）を介して混合されて内燃機関（１Ａ）に供給され、その内燃機関（１Ａ）からの排ガスが排気系（１Ｅ）を流れて過給機（２）の排気タービン（２ｔ）を回転させ、該排気タービン（２ｔ）をバイパスするウエイストゲートバルブ（２ｗ）が設けられ、前記内燃機関（１Ａ）からの排ガスを燃料電池に供給するように構成された発電及び動力装置において、前記内燃機関（１Ａ）からの排気系（１Ｅ２）は熱交換器（６Ａ）と燃料改質器（４）とを介して燃料電池（５）の燃料極（５ｍ）に接続され、第２の燃料流量調整弁（１６）を介して流量を調整された燃料が混合される燃料混合手段（３）が前記熱交換器（６Ａ）の上流側に設けられ、またガスタービン（８）で圧縮された空気の空気ライン（８Ａ）が前記熱交換器（６Ａ）を介して燃料電池（５）の空気極（５ｐ）に接続されており、前記燃料極（５ｍ）からの排ガスおよび前記空気極（５ｐ）からの空気はオフガス燃焼室（７）に導入されて未燃焼分が燃焼され、その燃焼排ガスは前記ガスタービン（８）に導かれ、前記燃料電池（５）の発電電力はインバータ（１１）を介して出力され、さらに内燃機関（１Ａ）の出力と前記燃料電池（５）からの出力を検知して前記第１の燃料流量調整弁（１５）および第２の燃料流量調整弁（１６）を制御する制御装置（１０）が設けられていることを特徴とする発電及び動力装置。
【請求項５】
前記制御装置（１０）は、第１の燃料流量調整弁（１５）から内燃機関（１、１Ａ）の出力に応じ、かつ所定の空気比（λ）となるように燃料流量を調整し、そして燃料電池（５）の燃料極に連通する排気系（１Ｅ）に供給される排ガスの燃料濃度が理論空燃比より過濃となるか或いは燃料電池が所定の発電出力となるように第２の燃料流量調整弁（１６）の開度の制御をする燃料供給量制御手段（１０ａ）を有している請求項１ないし４のいずれかに記載の発電及び動力装置。
【請求項６】
制御装置（１０）は燃料電池（５）の運転休止状態を検知すると（Ｓ１１）、内燃機関（１、１Ａ）の出力に応じた燃料量を供給するように第１の燃料流量調整弁（１５）を制御し（Ｓ１２）、熱交換器（６）が加熱された空気を燃料電池（５）に供給する請求項１ないし４のいずれかに記載の発電及び動力装置。
【請求項７】
制御装置（１０）は内燃機関（１、１Ａ）および燃料電池（５）の出力を検出し（Ｓ２１）、内燃機関（１、１Ａ）および燃料電池（５）が所定出力となるように第１および第２の燃料流量調整弁（１５、１６）で燃料流量を制御し（Ｓ２２）、内燃機関（１、１Ａ）と燃料電池（５）と合計出力とそれらへの燃料供給量とから全体の発電効率を算出し（Ｓ２３）、その算出結果に基づき発電効率が最大となるように第１および第２の燃料流量調整弁（１５、１６）および熱交換量を制御する請求項１ないし４のいずれかに記載の発電及び動力装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば過給機を備えた内燃機関の排気ガスと燃料電池（例えば、固体酸化物燃料電池）とを組み合わせて使用し、内燃機関と燃料電池の双方から（例えば機械的出力及び／又は発電出力）を得る様に構成された装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、動力源または発電装置として内燃機関（例えば、ガスエンジン）に過給機を取り付け、その排気タービンによって高温高圧の排気ガスが保有するエンタルピの一部を利用し、吸気の過給を行って出力の向上を図っている。
排気タービン通過後の排気ガスは、触媒などを用いて浄化後に、熱交換器などを用いて蒸気の発生、給湯、空調などに利用している。
【０００３】
図８にはその一例として希薄燃焼ガスガスエンジン１Ａを示している。過給機２のコンプレッサ２ｃで加圧された吸気はアフタクーラ１３で冷却され、燃料ガスが混合されてガスエンジン１Ａに供給されており、その排気ガスは、過給機２の排気タービン２ｔに導入され、そのエンタルピの一部がコンプレッサ２ｃの駆動に利用されている。なお、符号２ｗはウエイストゲート弁で後記にて説明する。
【０００４】
また、固体酸化物燃料電池（以下、ＳＯＦＣと記す）を利用した動力源または発電装置では、炭化水素系燃料を水素リッチガスに改質して使用しており、５００℃以上の高温で動作させて電極での内部改質が一般的であるが、電極材料の制約などがある場合には改質器を電池の外部に備え、燃料改質後にＳＯＦＣの燃料極にその改質ガスを供給している。
そして、電池の温度勾配を緩和するため、投入する空気や燃料ガスを排気ガスとの熱交換などで予熱し、供給することが多い。さらに電池からの高温排気ガスが持つエンタルピを有効に利用するため、電池の排気流路にマイクロガスタービンを接続し、排気ガスのエンタルピを回収して装置全体としての効率を向上させる方法が提案されている。
【０００５】
図９に、そのＳＯＦＣ５の一例を示し、燃料は熱交換器６で排気ガスと熱交換を行って燃料改質器４に導入され、改質してＳＯＦＣの燃料極５ｍに投入されており、一方、空気はブロワ２２で加圧され、熱交換器６で予熱されてＳＯＦＣの空気極５ｐ側に供給されている。ＳＯＦＣ５の排気は、オフガス燃焼室７で燃料残部が燃焼され、前記熱交換器６を経て排出されている。
【０００６】
なお、過給エンジンでは、排気ガスの保有するエンタルピを利用し排気タービンを駆動して過給を行いエンジン出力の向上を図っているが、排気タービン通過後の排気ガスは依然として高温高圧でそのエンタルピを十分に利用してはいない。さらに熱交換によってエンタルピを回収する方法もあるが、発電装置として利用する場合には発電効率の向上にはつながらない。
【０００７】
また、エンジンの運転状況によっては過給機の圧縮仕事に対して排気ガスのエネルギに余剰が生じ、エンジンの要求以上の過給空気を作ってしまう。そのためにエンジンによっては、図８に示す例のように排気タービン２ｔにウエイストゲート弁２ｗを設けてその排気ガスをバイパスし、必要以上の過給を行わぬようにしている場合もあるが、高温の排気ガスのエネルギが無駄に流出してしまう。
【０００８】
ＳＯＦＣは、約５００゜Ｃ以上の高温で動作するため、固体酸化物が十分なイオン伝導度を有する温度域に達しないうちは満足に発電することはできない。そのため十分な出力が得られるまでＳＯＦＣを長時間昇温する必要があり、始動性を向上させるためにＳＯＦＣ自体及び改質器の暖機用に燃焼器や電気ヒータなどの外部熱源を付加させなければならないことが多く、そのための燃料や電力が必要という問題もある。
【０００９】
また、ＳＯＦＣの燃料改質には水蒸気を供給する必要があり、ＳＯＦＣの装置単独では水蒸気供給が非常に困難である。
さらに、ＳＯＦＣの低出力運転では、電池の高温維持のために消費される燃料の割合が高くなり、効率や発電出力の低下の問題もある。
【００１０】
また、ＳＯＦＣでは、投入燃料の約１５％程度が反応せずに約６００゜Ｃ以上の高温排気ガス中に含まれる形で排出されており、その未燃焼ガスは触媒燃焼などを経て供給空気や燃料の予熱に利用されることが多いが、しかし直接的には発電に貢献していない。
【００１１】
さらに、ＳＯＦＣの運転を停止する場合には、燃料極の酸化を防止するために酸素分圧の低いガスで燃料極をパージする必要がある。したがって、酸素分圧の低いガスを生成するために燃料を部分酸化させたガスを供給する手段や、窒素ガスを供給する手段を設けるなど省エネルギ性の乏しい手段が採用されている。
なお、供給する空気や燃料を加圧供給できれば、発電出力と効率を向上することができるが、このような昇圧手段はエネルギ消費やガスリークの問題があって一般化はしていない。
【００１２】
その他の従来技術としては、炭化水素系燃料ガスを燃料ガスとして使用する固体酸化物形燃料電池システムが提供されている（例えば、特許文献１参照）。
しかし、係る固体酸化物形燃料電池システムは、上述した各種問題点を解決することを目的とするものではない。
【特許文献１】特開２００３−２８２１１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明は、上記の問題点に対処するものであり、過給内燃機関の高温排気ガスを固体酸化物型燃料電池に導入し、装置全体として最高の発電効率が得られるような構成を提案することを目的とする。
また、燃料電池の停止時あるいは低出力運転時に予熱に要していた付加的加熱装置や燃料消費を減少させることを可能とする構成の提案を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明によれば、過給機（２）の回転軸には発電機（１２）が接続されており、過給機（２）のコンプレッサ（２ｃ）で加圧された空気がアフタクーラ（１３）で冷却され、その冷却された空気に燃料ガスが第１の燃料流量調整弁（１５）を介して混合されて内燃機関（１）に供給され、その内燃機関（１）からの排ガスが排気系（１Ｅ）を流れて過給機（２）の排気タービン（２ｔ）を回転させ、該排気タービン（２ｔ）をバイパスするウエイストゲートバルブ（２ｗ）が設けられ、前記内燃機関（１）からの排ガスを燃料電池に供給するように構成された発電及び動力装置において、前記内燃機関（１）からの排気系（１Ｅ）は熱交換器（６）と燃料改質器（４）とを介して燃料電池（５）の燃料極（５ｍ）に接続され、第２の燃料流量調整弁（１６）を介して流量を調整され更に前記熱交換器（６）で加熱された燃料が混合される燃料混合手段（３）が設けられ、またガスタービン（８）で圧縮された空気の第１の空気ライン（８Ａ１）が前記熱交換器（６）を介して燃料電池（５）の空気極（５ｐ）に接続されており、前記燃料極（５ｍ）からの排ガスおよび前記空気極（５ｐ）からの空気はオフガス燃焼室（７）に導入されて未燃焼分が燃焼され、その燃焼排ガスは前記ガスタービン（８）に導かれ、さらに前記ガスタービン（８）で圧縮された空気は第２の空気ライン（８Ａ２）を介して前記コンプレッサ（２ｃ）に導入され、前記燃料電池（５）の発電電力はインバータ（１１）を介して出力され、さらに内燃機関（１）の出力と前記燃料電池（５）からの出力を検知し前記第１の燃料流量調整弁（１５）および第２の燃料流量調整弁（１６）を制御する制御装置（１０）が設けられている（請求項１、図１参照）。
【００１５】
本発明によれば、過給機（２）の回転軸には発電機（１２）が接続され、過給機（２）のコンプレッサ（２ｃ）で加圧された空気がアフタクーラ（１３）で冷却され、その冷却された空気に燃料ガスが第１の燃料流量調整弁（１５）を介して混合されて内燃機関（１Ａ）に供給され、その内燃機関（１Ａ）からの排ガスが排気系（１Ｅ）を流れて過給機（２）の排気タービン（２ｔ）を回転させ、該排気タービン（２ｔ）をバイパスするウエイストゲートバルブ（２ｗ）が設けられ、前記内燃機関（１Ａ）からの排ガスを燃料電池に供給するように構成された発電及び動力装置において、前記内燃機関（１Ａ）からの排気系（１Ｅ）は熱交換器（６）と燃料改質器（４）とを介して燃料電池（５）の燃料極（５ｍ）に接続され、第２の燃料流量調整弁（１６）を介して流量を調整された燃料が混合される燃料混合手段（３）が前記熱交換器（６）の上流側に設けられ、またガスタービン（８）で圧縮された空気の第１の空気ライン（８Ａ１）が前記熱交換器（６）を介して燃料電池（５）の空気極（５ｐ）に接続されており、前記燃料極（５ｍ）からの排ガスおよび前記空気極（５ｐ）からの空気はオフガス燃焼室（７）に導入されて未燃焼分が燃焼され、その燃焼排ガスは前記ガスタービン（８）に導かれ、さらに前記ガスタービン（８）で圧縮された空気は第２の空気ライン（８Ａ２）を介して前記コンプレッサ（２ｃ）に導入され、前記燃料電池（５）の発電電力はインバータ（１１）を介して出力され、さらに内燃機関（１Ａ）の出力と前記燃料電池（５）からの出力を検知し前記第１の燃料流量調整弁（１５）および第２の燃料流量調整弁（１６）を制御する制御装置（１０）が設けられている（請求項２、図２参照）。
【００１６】
本発明によれば、過給機（２）のコンプレッサ（２ｃ）で加圧された空気がアフタクーラ（１３）で冷却され、その冷却された空気に第１の燃料流量調整弁（１５）を介して燃料ガスが混合されて内燃機関（１Ａ）に供給され、その内燃機関（１Ａ）からの排ガスを燃料電池に供給するように構成された発電及び動力装置において、前記内燃機関（１Ａ）からの排気系（１ｍ）は熱交換器（６）と燃料改質器（４）とを介して燃料電池（５）の燃料極（５ｍ）に接続され、第２の燃料流量調整弁（１６）を介して流量を調整された燃料が混合される燃料混合手段（３）が前記熱交換器（６）の上流側に設けられ、前記コンプレッサ（２ｃ）からの空気ライン（Ｃ）には抽気弁（１７）が設けられ、その空気ライン（Ｃ）は前記熱交換器（６）を介して燃料電池の空気極（５ｐ）に接続され、前記燃料極（５ｍ）からの排ガスおよび前記空気極（５ｐ）からの空気はオフガス燃焼室（７）に導入されて未燃焼分が燃焼され、その燃焼排ガスは前記熱交換器（６）を通る排気ライン（７Ｅ）により前記排気タービン（２ｔ）に接続され、前記燃料電池（５）の発電電力はインバータ（１１）を介して出力され、さらに内燃機関（１Ａ）の出力と前記燃料電池（５）からの出力を検知し前記第１の燃料流量調整弁（１５）および第２の燃料流量調整弁（１６）を制御する制御装置（１０）が設けられている（請求項３、図３参照）。
【００１７】
本発明によれば、過給機（２）の回転軸には発電機（１２）が接続され、過給機（２）のコンプレッサ（２ｃ）で加圧された空気がアフタクーラ（１３）で冷却され、その冷却された空気に燃料ガスが第１の燃料流量調整弁（１５）を介して混合されて内燃機関（１Ａ）に供給され、その内燃機関（１Ａ）からの排ガスが排気系（１Ｅ）を流れて過給機（２）の排気タービン（２ｔ）を回転させ、該排気タービン（２ｔ）をバイパスするウエイストゲートバルブ（２ｗ）が設けられ、前記内燃機関（１Ａ）からの排ガスを燃料電池に供給するように構成された発電及び動力装置において、前記内燃機関（１Ａ）からの排気系（１Ｅ２）は熱交換器（６Ａ）と燃料改質器（４）とを介して燃料電池（５）の燃料極（５ｍ）に接続され、第２の燃料流量調整弁（１６）を介して流量を調整された燃料が混合される燃料混合手段（３）が前記熱交換器（６Ａ）の上流側に設けられ、またガスタービン（８）で圧縮された空気の空気ライン（８Ａ）が前記熱交換器（６Ａ）を介して燃料電池（５）の空気極（５ｐ）に接続されており、前記燃料極（５ｍ）からの排ガスおよび前記空気極（５ｐ）からの空気はオフガス燃焼室（７）に導入されて未燃焼分が燃焼され、その燃焼排ガスは前記ガスタービン（８）に導かれ、前記燃料電池（５）の発電電力はインバータ（１１）を介して出力され、さらに内燃機関（１Ａ）の出力と前記燃料電池（５）からの出力を検知して前記第１の燃料流量調整弁（１５）および第２の燃料流量調整弁（１６）を制御する制御装置（１０）が設けられている（請求項４、図４参照）。
【００１８】
本発明において、前記制御装置（１０）は、第１の燃料流量調整弁（１５）から内燃機関（１、１Ａ）の出力に応じ、かつ所定の空気比（λ）となるように燃料流量を調整し、そして燃料電池（５）の燃料極に連通する排気系（１Ｅ）に供給される排ガスの燃料濃度が理論空燃比より過濃となるか或いは燃料電池が所定の発電出力となるように第２の燃料流量調整弁（１６）の開度の制御をする燃料供給量制御手段（１０ａ）を有していることが好ましい（請求項、図参照）。
【００１９】
本発明において、制御装置（１０）は燃料電池（５）の運転休止状態を検知すると（Ｓ１１）、内燃機関（１、１Ａ）の出力に応じた燃料量を供給するように第１の燃料流量調整弁（１５）を制御し（Ｓ１２）、熱交換器（６）が加熱された空気を燃料電池（５）に供給することが好ましい（請求項６、図６参照）。
【００２０】
本発明において、制御装置（１０）は内燃機関（１、１Ａ）および燃料電池（５）の出力を検出し（Ｓ２１）、内燃機関（１、１Ａ）および燃料電池（５）が所定出力となるように第１および第２の燃料流量調整弁（１５、１６）で燃料流量を制御し（Ｓ２２）、内燃機関（１、１Ａ）と燃料電池（５）と合計出力とそれらへの燃料供給量とから全体の発電効率を算出し（Ｓ２３）、その算出結果に基づき発電効率が最大となるように第１および第２の燃料流量調整弁（１５、１６）および熱交換量を制御することが好ましい（請求項７、図７参照）。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、以下に記載する様な優れた作用効果を奏する。
１．  エンジンから排出される高温の排気ガスの有するエンタルピがＳＯＦＣで利用され、さらに、ＳＯＦＣからの高温排気ガスのエンタルピも過給機、あるいは過給機軸接続発電機で有効に利用されるので装置全体としての出力、効率が向上する。
２．  ＳＯＦＣの低出力運転時や運転停止時において、エンジン排気ガスによってＳＯＦＣの高温維持が可能であり、従来、高温維持や予熱のために要した加熱装置の付加やその燃料消費を減少させることが可能。
３．  ストイキエンジンの場合には、排気ガスが高温であり、かつ多量の水蒸気を含んでいるので通常困難な水蒸気の自前調達が可能であり、燃料改質手段を容易に構成できる。
４．  過給機コンプレッサ通過後の加圧空気、及びエンジン排気ガスに燃料を混合した高温ガスの双方を過給機での加圧によってＳＯＦＣに供給するので、従来技術のようにブロワによる空気加圧や、燃料ガス昇圧器を用いる必要がなく補機動力が削減できる。
５．  エンジン、ＳＯＦＣ、及び過給機軸接続発電機それぞれの出力を検知し、それらを一元管理して制御する一方、それらの情報に基づいてエンジン及びＳＯＦＣそれぞれの燃料供給量や排気ガスの利用割合、抽気空気量を単独に制御可能にすることで、エンジン及びＳＯＦＣをそれぞれ最適の運転状態に制御し、装置全体として最高の発電効率に制御することができる。
６．  エンジン出力を主、ＳＯＦＣを従とした構成での運用、あるいはその逆の位置付けとした運用のいずれで可能である。したがって、例えば、エンジンを常時運転して高温排気ガスでＳＯＦＣをホットスタンバイさせ、昼間のデマンドピーク時には必要出力に対応した燃料をＳＯＦＣに投入することで付加出力を得てピーク時にも効率の高い発電出力を得るような運用も可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。なお、前記図８及び図９に示した過給ガスエンジン１（１Ａ）及びＳＯＦＣ５による動力及び発電装置と同等の部品には同じ符号を付し、重複説明は省略する。
【００２９】
図１には、第１実施形態を構成する過給エンジン及びＳＯＦＣスタックとそれらの付属機器、及び燃料ガス、排気ガス等の流路が示されている。
図において、符号１は、炭化水素系（気体）燃料を使用する過給エンジンで、ストイキタイプのガスエンジンである。過給機２のコンプレッサ２ｃで過給された吸気はアフタクーラ１３で冷却され、第１の燃料流量調整弁１５からの燃料と空気とが空気比λが理論空気比となる様に混合され、ガスガスエンジン１に供給されている。
【００３０】
ガスエンジン１からの排気ガス（温度５００〜７００℃：水蒸気を包含）は排気系１Ｅを流れ、過給機２の排気タービン２ｔから熱交換器６を経て燃料混合手段３にて第２の燃料流量調整弁１６で調量された燃料が混合され、燃料改質器４に送られている。ここで、符号２ｗは、ウエイストゲート弁である。
熱交換器６では、混合手段３に送られる燃料及び後記の燃料電池空気極５ｐに供給される空気（後述するライン８Ａ１を流れる空気）とが、熱交換を行って、排気系１Ｅを流れる高温の排気ガスにより加熱される。
燃料改質器４で改質された燃料はＳＯＦＣスタックの燃料極５ｍ側に投入される。
【００３１】
空気極５ｐ側には、ガスタービン８で圧縮された空気が供給される。より詳細には、ガスタービン８で圧縮された空気は空気ライン８Ａを流れ、該空気ライン８Ａは、合流点Ｂにて、過給機２のコンプレッサ２ｃからの空気ライン８Ａ２と合流して空気ライン８Ａ１となり、ＳＯＦＣスタックの空気極５ｐ側に連通する。
ここで空気ライン８Ａ２を流れる空気は、外部から供給された空気を圧縮する過給機コンプレッサ２ｃから抽気されて、空気ライン８Ａ２に介装された抽気弁１７で流量調整された後に、ライン８Ａを流れる空気と合流して、ＳＯＦＣ５の空気極５ｐに供給される。
【００３２】
後述する様に、ガスタービン８はＳＯＦＣの排気で駆動されている。そして上述した様に、分岐した空気ライン８Ａ１を流れる空気は、熱交換器６で加熱されてＳＯＦＣスタック５へ供給される。
ＳＯＦＣスタック５からの排気はオフガス燃焼室７に導入されて未燃焼分は酸化燃焼され、さらにガスタービン８で膨張されてエンタルピが回収され排気される。このガスタービン８で回収されたエンタルピは、前記排気タービンの抽気に付加される空気の予圧に利用されている。
【００３３】
図１の装置におけるガスエンジン１の出力は、発電機（図１では図示せず）の発電に利用されている。そして、ＳＯＦＣ５の発電出力は、インバータ１１を介して出力される。また、過給機２の回転軸には発電機１２が接続されており、排気タービン２ｔの出力の一部が発電機１２を駆動する機械的出力として回収されており、当該発電機１２の発電出力が利用可能である
【００３４】
以上のガスエンジン１、ＳＯＦＣ５、及び発電機１２の各出力手段や、各流量調整弁１５、１６、１７は、制御装置１０と信号伝達ラインで接続されており、制御装置１０は、所定の空気比となるように第１、第２の燃料流量調整弁１５、１６を制御する。そして制御手段１０は、これらのガスエンジン１の出力、ＳＯＦＣ５の発電出力、発電機１２の発電出力を検知し、ＳＯＦＣ５が所望の出力となり、かつ装置全体として最高の効率が得られるようにそれぞれを制御している。
【００３５】
次に図２に示す第２実施形態は、過給機を有するガスエンジンを希薄燃焼エンジン（１Ａ）とした実施形態である。以下、図２を参照として、図１の実施形態と相違する構成を主に説明する。
ガスエンジン１Ａは希薄燃焼（リーンバーン）タイプなので、ガスエンジン１Ａの吸気系統では、空気比が大きくなる様に、第１の燃料流量調整弁１５で燃料制御が行われている。
【００３６】
エンジン排気系統１Ｅを流れる排気ガス温度は、図１のストイキエンジンの場合よりも低温（４００℃〜５００℃）であり、排気系１Ｅにおいて、燃料混合手段３の後流側（ＳＯＦＣ５側）に熱交換器６Ａが介装されている。熱交換器６Ａでは、空気ライン８Ａ１を流れてＳＯＦＣの空気極５ｐ側へ導入される空気が、排気系１Ｅを流れる排気ガス（４００℃〜５００℃）を保有する熱量により加熱され、燃料改質器４に導入される。
図２の実施形態におけるその他の構成は、図１で示す実施形態と同様である。
【００３７】
図３に示す第３実施形態は、過給機を備え且つ希薄燃焼タイプのガスエンジン１Ａの排気マニホールド１ｍと過給機の排気タービン２ｔとの間にＳＯＦＣ５を介装して構成されたものである。
【００３８】
希薄燃焼ガスエンジン１Ａの排気マニホールド１ｍを流下した排気ガスは、燃料混合手段３において（第２の燃料流量調整弁１６を介装した）燃料ラインＬｆを流れる燃料が混合され、燃料ガスが混合された後に、熱交換器６を介して燃料改質器４に送られる。
燃料ガスが混合された排気ガスは、燃料改質器４において水素リッチガスに改質されて、ＳＯＦＣの燃料極５ｍ側に供給される。
ＳＯＦＣ５の排気はオフガス燃焼室７を経由して、オフガス燃焼室７の排気流路７Ｅを流れて排気タービン２ｔに送られ、排気タービン２ｔを回転する。
コンプレッサ２ｃからの空気ラインＣには抽気弁１７が設けられ、その空気ラインＣは前記熱交換器６を介して燃料電池の空気極５ｐに接続されている。
【００３９】
図３の実施形態の場合は、ガスタービンのエンタルピ回収機能は、過給機の排気タービン２ｔで行われる。
図３の実施形態におけるその他の構成は、図１、図２の実施形態と同様である。
【００４０】
図４に示す第４実施形態は、排気タービン２ｔをバイパスしてウエイストゲート弁２ｗを流過する排気ガスを、ＳＯＦＣ５に供給する構成を有している。
【００４１】
図４において、ガスエンジン１Ａの排気系１Ｅから分岐して、過給機排気タービン２ｔをバイパスする排気バイパス系統１Ｅ２にはウエイストゲート弁２ｗが介装されている。該排気バイパス系統１Ｅを流れる排気ガスには、燃料混合手段３において、燃料ラインＬｆを流れる燃料ガスが混合される。
燃料ガスが混合された排気ガスは、熱交換器６を介して燃料改質器４に送られ、ＳＯＦＣの燃料極５ｍ側に投入される。
【００４２】
ＳＯＦＣ５の排気は、オフガス燃焼室７を経てガスタービン８でエンタルピが回収されて排出されている。また、ガスタービン８で圧縮され且つタービン８に連通する空気ライン８Ａを流れる空気は、熱交換器６Ａで加熱されてＳＯＦＣの空気極５ｐ側に供給されている。
なお、図４の構成では、過給機コンプレッサ２ｃからＳＯＦＣ５への抽気は行われていない。したがって、既存のエンジンに後付けできるというメリットを有している。
図４の実施形態におけるその他の構成及び作用効果は、図１〜図３の実施形態と同様である。
【００４３】
以下、制御装置１０による制御の態様について図５〜図７を参照して説明する。
制御装置１０には、前記のようにガスエンジン１、ＳＯＦＣ５、及び過給機接続発電機１２の各出力手段から出力の情報が入力され、各流量調整弁１５〜１７に制御信号が出力されている。その制御手段１０は、燃料供給量制御手段１０ａ、ホットスタンバイ制御手段１０ｂ、及び運転制御手段１０ｃを含んでいる。
【００４４】
燃料供給量制御手段１０ａでは、第１の燃料流量調整弁１５からガスエンジン１（１Ａ）の出力に応じかつ所定の空気比（λ）となるように燃料流量を制御する。
また、燃料供給量制御手段１０ａは、ＳＯＦＣ５の燃料極に連通するライン（或いは当該ラインに介装された燃料改質器４）に供給される排気ガスの燃料濃度が理論空燃比よりも過濃となる様に、或いは、ＳＯＦＣ５が所定の発電出力となる様に、第２の燃料流量調整弁１６の開度を制御している。
さらに、燃料供給量制御手段１０ａは、抽気弁１７を制御して、ＳＯＦＣ５に所定の空気量が供給されるようにせしめている。
【００４５】
次に、制御装置１０よるＳＯＦＣのホットスタンバイ方法の制御について図６のフローを参照して説明する。
先ずＳＯＦＣ５の運転休止状態を検知すると（ステップＳ１１：ＳＯＦＣ運転状態検知工程）、エンジン出力に応じた燃料量を供給するよう第１の燃料流量調整弁１５を制御し（ステップＳ１２：燃料流量調整弁制御工程）、ＳＯＦＣ５の温度維持に必要な空気量を供給するよう抽気弁１７を制御し、熱交換器６で加熱された抽出空気をＳＯＦＣ５に供給する（ステップＳ１３：抽気弁制御工程）。
【００４６】
次に、制御装置１０による運転制御方法を図７のフローを参照して説明する。
まず、ガスエンジン１、ＳＯＦＣ５、及び過給機接続発電機１２の各出力手段の出力を検出し（ステップＳ２１：出力検出工程）、ガスエンジン１及びＳＯＦＣ５が所定出力となるよう燃料流量を第１、第２の燃料流量調整弁１５、１６で制御する（ステップＳ２２：燃料流量調整工程）。そして、各出力手段１、５、１２の合計出力とそれらへの燃料供給量とから全体の発電効率を算出し（ステップＳ２３：効率算定工程）、その算出結果に基づき装置全体の発電効率が最大となるように各流量調整弁１５〜１７、及び熱交換量を制御する（ステップＳ２４：効率最適化工程）。
【００４７】
図示の実施形態はあくまでも例示であり、本発明の技術的範囲を限定する趣旨の記述ではない。
例えば、図示の実施形態では、過給機を備えたガスエンジンと、固体酸化物型燃料電池との組み合わせに係る発電装置について記述したが、その他の内燃機関と、その他のタイプの燃料電池とを組み合わせても良い。
また、本発明は発電装置に限らず、各種動力源についても、同様に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明による第１実施形態の構成を示すブロック図。
【図２】本発明による第２実施形態の構成を示すブロック図。
【図３】本発明による第３実施形態の構成を示すブロック図。
【図４】本発明による第４実施形態の構成を示すブロック図。
【図５】本発明の制御手段の構成を示すブロック図。
【図６】本発明の燃料電池のホットスタンバイ方法を示すフロー図。
【図７】本発明の運転制御方法を示すフロー図。
【図８】従来の過給内燃機関による発電（または動力源）装置の構成を示すブロック図。
【図９】従来の固体酸化物型燃料電池の構成を示すブロック図。
【符号の説明】
【００４９】
１・・・ストイキエンジン
１Ａ・・・希薄燃焼エンジン
２・・・過給機
２ｃ・・・過給機コンプレッサ
２ｔ・・・排気タービン
２ｗ・・・ウエイストゲート弁
３・・・燃料混合手段
４・・・燃料改質器
５・・・ＳＯＦＣスタック
５ｐ・・・空気極
５ｍ・・・燃料極
６、６Ａ・・・熱交換器
７・・・オフガス燃焼室
８・・・ガスタービン
１０・・・制御装置
１１・・・インバータ
１２・・・発電機
１５・・・第１の燃料流量調整弁
１６・・・第２の燃料流量調整弁
１７・・・抽気弁
【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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【図８】
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【図９】
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