JP2008180131A

JP2008180131A - 複合発電設備

Info

Publication number: JP2008180131A
Application number: JP2007013794A
Authority: JP
Inventors: Ryoichi Hagiwara; 良一萩原; Toru Nakazono; 徹中園; Yasuyoshi Fujii; 康義藤井
Original assignee: Yanmar Co Ltd
Current assignee: Yanmar Co Ltd
Priority date: 2007-01-24
Filing date: 2007-01-24
Publication date: 2008-08-07

Abstract

【課題】燃料電池と他の発電装置等を備えた複合発電設備において、設備をコンパクトにすると共に発電効率を向上させることを目的とする。
【解決手段】複合発電設備は、燃料電池３と、燃料電池３から排出されるオフガスを取り入れて燃焼する往復動内燃機関、たとえばガスエンジン５と、該ガスエンジン５により駆動する発電機４と、を備えている。好ましくは、前記燃料電池３から排出されるオフガスにより駆動すると共に発電機４２に連結されたランキンサイクル発電装置Ｒ１の動力発生部４１を、前記燃料電池３と前記ガスエンジン５との間に備え、前記ガスエンジン５は、前記動力発生部４１から排出される前記オフガスを取り入れて燃焼する。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池と、他の発電装置とを組み合わせた複合発電設備に関する。

図２２は従来の複合発電設備の一例であり（特許文献１）、直流／交流変換器１１３に電気的に接続された固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）１０１と、発電機１０３に連結されたガスタービン１０２と、ランキンサイクル発電装置Ｒと、を備えている。ランキンサイクル発電装置Ｒは、一般的に、蒸気発生器、膨張機及び凝縮器等からなる動力発生部１０５と、該動力発生部１０５に連結された発電機１０６から構成されている。

燃料電池１０１は、燃料極１１０と空気極１１１とを備え、燃料極１１０の燃料入口は燃料改質器１０７を介して燃料供給装置に接続され、空気極１１１の入口はガスタービン１０２のコンプレッサ部１０２ｂの圧縮空気出口に接続されている。燃料極１１０及び空気極１１１の両出口は、ガスタービン１０２のタービン部１０２ａに接続され、タービン部１０２ａの出口は、ランキンサイクル発電装置１０５に接続されている。また、燃料極１１０の出口は、熱交換器１１４を介して前記燃料改質器１０７に接続され、燃料改質器１０７を加熱し、また、オフガスを再利用するようになっている。

燃料電池１０１の燃料極１１０及び空気極１１１から排出されるオフガス等は高圧状態でタービン部１０２ａに供給され、ガスタービン１０２を回転させ、発電機１０３を駆動する。また、コンプレッサ部１０２ｂから排出される圧縮空気は、燃料電池１０１の空気極１１１に供給される。さらに、タービン部１０２ａから排出されるオフガスは、ランキンサイクル発電装置Ｒの動力発生部１０５に供給され、発電機１０６を駆動する。

なお、別の従来例として、図２２において、ランキンサイクル発電装置Ｒの代わりに、廃熱回収ボイラ又はスターリングエンジンを配設した構造もある。
特開２００４−１６９６９６号公報

図２２の従来技術では、次のような課題がある。
（１）ガスタービン１０２へ高圧のガスを送り込む必要があり、複合発電設備全体が高圧（０．４ＭＰａ程度）になるため、発電設備全体を高圧容器に収納しなければならず、設備コストが高くなると共に管理に手間がかかる。

（２）通常の都市ガスを使用する場合、供給圧力が数ＫＰａ程度であるので、ガスタービン１０２に燃料供給を行う際には、コンプレッサ等を使用して昇圧する必要があり、設備コストが高くなる。

（３）燃料電池１０１内に高圧ガスを流すことになるので、燃料電池１０１の耐久性が低下する。

（４）ガスタービン１０２は、小出力域では効率がかなり低いので、小形の発電設備では発電効率が低くなる。

[発明の目的]
本発明の目的は、複合発電設備全体を常圧状態で使用することができ、ガスタービンを利用した従来の複合発電設備よりも発電効率が高い複合発電設備を提供することである。

上記課題を解決するため、本願請求項１記載の発明による複合発電設備は、燃料電池と、該燃料電池から排出されるオフガスを取り入れて燃焼する往復動内燃機関と、該往復動内燃機関により駆動する発電機と、を備えている。

上記構成によると、（１）図２２のガスタービンを備えた従来例と比較して、設備全体を常圧で稼働させることができ、設備の高圧対策を行う必要がなく、たとえば設備を高圧収納容器等に収納する必要がなく、設備コストを廉価に抑えることができる。また、設備の設置面積も狭くできる。勿論、燃料電池のオフガスを利用して往復動内燃機関を駆動し、発電するため、燃料電池単体で発電するよりも高効率である。

（２）燃料電池の燃料を昇圧する必要がないので、燃料電池の耐久性を向上させることができ、また、コンプレッサ等の昇圧用の設備も不要となる。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の複合発電設備において、前記燃料電池から排出されるオフガスにより駆動するランキンサイクル発電装置を、前記燃料電池と前記往復動内燃機関との間に備え、前記往復動内燃機関は、前記ランキンサイクル発電装置から排出される前記オフガスを取り入れて燃焼する。

上記構成によると、燃料電池からのオフガスを、ランキンサイクル発電装置の駆動と往復動内燃機関の駆動とに利用でき、すなわち、２段構えで有効利用できるので、高効率・高性能を実現できる。しかも、オフガスを、ランキンサイクル発電装置に利用後に往復動内燃機関に利用するので、オフガスの往復動内燃機関の入口温度が下がり、吸気冷却装置が不要になる。

請求項３記載の発電設備は、請求項１記載の複合発電設備において、前記燃料電池から排出されるオフガスにより駆動する廃熱回収ボイラを、前記燃料電池と前記往復動内燃機関との間に備え、前記往復動内燃機関は、前記廃熱回収ボイラから排出される前記オフガスを取り入れて燃焼する。

上記構成によると、燃料電池からのオフガスを、往復動内燃機関の駆動に利用できることに加え、燃料電池のオフガスの排熱を廃熱回収ボイラの熱源として有効利用できるので、高効率・高性能を実現できる。しかも、オフガスを、廃熱回収ボイラに利用後に往復動内燃機関に利用するので、オフガスの往復動内燃機関の入口温度が下がり、吸気冷却装置が不要になる。また、電気だけでなく、廃熱回収ボイラにより、温水、温風も供給することができる。

請求項４記載の発明は、請求項１記載の複合発電設備において、前記燃料電池から排出されるオフガスにより駆動すると共に発電機に連結されたスターリングエンジンを、前記燃料電池と前記往復動内燃機関との間に備え、前記往復動内燃機関は、前記スターリングエンジンから排出される前記オフガスを取り入れて燃焼する。

上記構成によると、燃料電池からのオフガスを、往復動内燃機関の駆動に利用できることに加え、燃料電池の排熱をスターリングエンジンの熱源としても有効利用できるので、高効率・高性能を実現できる。しかも、オフガスを、スターリングエンジンに利用後に往復動内燃機関に利用するので、オフガスの往復動内燃機関の入口温度が下がり、吸気冷却装置が不要になる。さらに、スターリングエンジンは、理論的にはカルノーサイクルであるので、より効率よく排熱を回収できる。

請求項５，６及び請求項７記載の発明は、請求項２記載の複合発電設備において、前記往復動内燃機関から排出される排気ガスにより駆動する第２のランキンサイクル発電装置、廃熱回収ボイラ又はスターリングエンジンを備えている。

上記構成によると、請求項２の効果に加え、往復動内燃機関の排気ガスの熱をさらに有効利用できるので、高効率・高性能を実現できる。廃熱回収ボイラを備えている場合には、電気だけでなく、温水、温風も供給することができ、スターリングエンジンを備えている場合には、スターリングエンジンは、理論的にはカルノーサイクルであるので、より高効率で排熱を回収できる。

請求項８、９及び１０記載の発明は、請求項３記載の複合発電設備において、前記往復動内燃機関から排出される排気ガスにより駆動するランキンサイクル発電装置、第２の廃熱回収ボイラ又はスターリングエンジンを備えている。

上記構成によると、請求項３の効果に加え、往復動機関の排気ガスの熱を有効利用できるので、高効率・高性能を実現できる。

請求項１１、１２及び１３記載の発明は、請求項４記載の複合発電設備において、前記往復動内燃機関から排出される排気ガスにより駆動するランキンサイクル発電装置、廃熱回収ボイラ又は第２のスターリングエンジンを備えている。

上記構成によると、請求項４の効果に加え、往復動機関の排気ガスの熱を有効利用できるので、高効率・高性能を実現できる。廃熱回収ボイラを備えている場合には、電気だけでなく、温水、温風も供給することができ、スターリングエンジンを備えている場合には、スターリングエンジンは、理論的にはカルノーサイクルであるので、より高効率で排熱を回収できる。

請求項１４記載の発明は、請求項１記載の複合発電設備において、前記往復動内燃機関は、前記燃料電池からのオフガスとは別の燃料を供給する燃料供給装置と、該燃料供給装置を制御する制御装置とを備え、前記燃料電池の起動時及び暖機運転時に、上記燃料供給装置からの燃料により前記往復動内燃機関を立ち上げると共に、前記往復動内燃機関の排気ガスの熱により前記燃料電池を加熱するようにしている。

上記構成によると、往復動内燃機関の排気ガスの熱により、燃料電池の起動及び暖機運転を速やかに行うことができ、しかも燃料電池の暖機中は、往復動内燃機関が発電を代替することできる。

請求項１５記載の発明は、請求項１記載の複合発電設備において、前記燃料電池のオフガス中の水素濃度を検知する水素濃度センサーを備え、前記往復動内燃機関は、前記燃料電池からのオフガスとは別の燃料を供給する燃料供給装置と、空気供給装置と、該空気供給装置及び前記燃料供給装置を制御する制御装置と、を備え、前記水素濃度センサーにより検出した水素濃度に基づき、前記往復動内燃機関が所定の空燃比を保つように前記空気供給装置による空気量及び又は前記燃料供給装置による燃料量を制御するようにしている。

上記構成によると、燃料電池から排出されるオフガスの水素濃度が変化した場合でも、オフガス中の水素濃度を検知することにより、往復動内燃機関にフィードバック制御をかけ、供給空気量を調節し、あるいは供給空気量と共に燃料供給装置からの供給燃料量を調節することにより、常に一定の空燃比を保ち、安定した運転を行うことができる。

請求項１６記載の発明は、請求項１記載の複合発電設備において、前記燃料電池のオフガス中のＣＯ濃度を検知するＣＯ濃度センサーを備えると共に、前記往復動内燃機関は、前記燃料電池からのオフガスとは別の燃料を供給する燃料供給装置と、空気供給装置と、該空気供給装置及び前記燃料供給装置を制御する制御装置と、を備え、前記ＣＯ濃度センサーにより検出したＣＯ濃度に基づき、前記往復動内燃機関が所定の空燃比を保つように前記空気供給装置による空気量及び又は前記燃料供給装置による燃料量を制御するようにしている。

上記構成によると、燃料電池から排出されるオフガスのＣＯ濃度が変化した場合でも、オフガス中のＣＯ濃度を検知することにより、往復動機関にフィードバック制御をかけ、常に一定の空燃比を保ち、供給空気量を調節し、あるいは供給空気量と共に燃料供給装置からの供給燃料量を調節することにより、常に一定の空燃比を保ち、安定した運転を行うことができる。

［本発明の第１の実施の形態］
図１は本発明による複合発電設備の第１の実施の形態であり、この図１において、複合発電設備は、主たる構成品として、燃料改質器１と、直流／交流変換器２に電気的に接続された固体酸化物型燃料電池（「ＳＯＦＣ」）３と、発電機４に連結された往復動内燃機関、たとえばガスエンジン５と、を備えている。実線で示す矢印は燃料電池３に供給される燃料（燃料ガス）の流れを示し、一点鎖線で示す矢印は燃料電池３に供給される空気の流れ並びにガスエンジン５に供給される燃料（燃料ガス）及び排気ガスの流れを示し、破線で示す矢印はオフガスの流れを示している。

燃料電池３は、燃料極１１と空気極１２とを備え、燃料極１１の入口は燃料通路３１を介して燃料改質器１に接続され、空気極１２の入口は、空気通路３２を介して図示しない空気供給装置に接続されている。燃料改質器１の入口は、燃料通路３３を介して、たとえばメタンガス（ＣＨ４等）を供給する燃料供給装置に接続されている。燃料極１１の出口は、オフガス通路３４を介して吸気冷却装置１４に接続され、前記オフガス通路３４の途中は、分岐通路３６及び熱交換器１８を介して燃料改質器１に接続し、オフガスの一部を燃料改質器１の加熱に利用すると共に、燃料としても再利用するようになっている。また、前記オフガス通路３４の途中には、前記分岐通路３６との分岐点よりも下流側の箇所において、空気極１２の出口に接続された空気通路３５が合流し、さらに該記合流点よりも下流側には排水ドレン１９が設けられている。吸気冷却装置１４はガスエンジン５の吸気通路及び燃料混合器等を介してガスエンジン５内の燃焼室に連通している。

ガスエンジン５には、空気供給装置２０と、前記オフガスとは別に燃料を供給するための燃料供給装置２１とが接続されている。

（作用）
（１）燃料供給装置から燃料通路３３を介して燃料改質器１内にメタンガス（ＣＨ４）等の燃料を供給し、燃料改質器１内で所定の温度に加熱することにより、Ｈ２及びＣＯ等を生成し、これらＨ₂及びＣＯを主成分とする燃料ガスを、燃料ガス通路３１を介して燃料電池３の燃料極１１に供給する。一方、空気極１２には、空気供給装置から空気通路３２を介して空気（酸素）を供給する。燃料電池３内における発電作用は従来の固体酸化物型燃料電池と同様であり、空気極（陽極）１２で発生した酸化物イオン（Ｏ2−)がジルコニア系セラミックス等の電解質を通って燃料極（陰極）１１に移動し、燃料極１１に到達した酸化物イオンは、燃料ガス中のＨ₂やＣＯと反応して、反応生成物Ｈ₂Ｏ及びＣＯ2等を生成し、燃料極１１に電子を放出する。これにより発電が行われる。

燃料電池３により発生した電力は、直流／交流交換器２により交流に変換され、適宜の電力供給装置に供給される。

（２）燃料極１１の出口からオフガス通路３４にはオフガスが排出されるが、オフガス中には、前記反応物（Ｈ₂Ｏ、ＣＯ2等）と共に、反応に用いられなかったＨ₂及びＣＯが含まれており、これらＨ₂及びＣＯを含むオフガスは、一部が、分岐通路３６及び熱交換器１８を介して燃料改質器１に戻され、燃料改質器１を加熱すると共に再度発電に利用される。残りのオフガスは、オフガス通路３４の途中において、空気極１２からの排出空気と合流し、水分を排水ドレン１９に排出した後、吸気冷却装置１４に送り込まれ、冷却され、ガスエンジン５の燃焼室に供給される。

（３）ガスエンジン５内では、燃料電池３からのオフガスと、空気供給装置２０から供給される空気とが混合し、この混合ガスが燃焼室で燃焼される。これによりガスエンジン５を運転し、発電機４を駆動して、発電する。発電機４により発電された電力は、たとえば前記直流／交流交換器２から電力を供給する電気供給装置と同じ電気供給装置に供給される。

該実施の形態によると、設備全体が常圧で稼働するので、設備の高圧対策を行う必要がなく、たとえば設備を高圧収納容器等に収納する必要がなく、設備コストを廉価に抑えることができ、設備の設置面積も狭くできる。勿論、燃料電池３のオフガスを利用してガスエンジン５を駆動し、発電するため、燃料電池３単体で発電するよりも高効率である。また、燃料電池３に供給する燃料ガスを昇圧する必要がないので、燃料電池３の耐久性を向上させることができ、コンプレッサ等の昇圧用の設備も不要となる。

［第２の実施の形態］
図２は本発明による複合発電設備の第２の実施の形態であり、前記図１の第１の実施の形態と異なる構成は、吸気冷却装置の代わりに、ランキンサイクル発電装置Ｒ１をオフガス通路３４に配設していることである。その他の構成は前記第１の実施の形態と同様であり、同じ部品には、同じ符号（番号）を付し、詳しい説明は省略する。

ランキンサイクル発電装置Ｒ１は、蒸気発生器、膨張機及び凝縮器等からなる動力発生部４１と、該動力発生部４１の膨張機に連結された発電機４２から構成されており、前記膨張機は、たとえば作動媒体の膨張を利用して駆動するスクロール形膨張機である。ランキンサイクル発電装置Ｒ１の基本的な構成は周知であり、蒸気発生器において、前記燃料電池３から排出される高温のオフガスの熱により作動媒体の蒸気を発生させ、この蒸気を膨張機に供給することにより、該膨張機を回転させ、発電機４２を駆動するようになっている。膨張機で使用後の作動媒体は、凝縮器により液相に変換させ、再び蒸気発生器に供給される。

（作用）
燃料電池３の燃料極１１から通路３４に排出される高温のオフガスは、まず、ランキンサイクル発電装置Ｒ１の動力発生部４１を駆動して、発電機４２により発電し、動力発生部４１から排出されたオフガスを、ガスエンジン５の燃料とし、ガスエンジン５を駆動し、発電機４により発電する。

該実施の形態によると、燃料電池３からの高温のオフガスを、ランキンサイクル発電装置Ｒ１とガスエンジン５との駆動に、２段構えで有効利用しているので、発電設備の高効率・高性能を実現できる。しかも、ランキンサイクル発電装置Ｒ１により、オフガスのガスエンジン５の入口温度が下がるので、前記第１の実施の形態における吸気冷却装置を省略することができる。

［第３の実施の形態］
図３は本発明による複合発電設備の第３の実施の形態であり、前記図１の第１の実施の形態と異なる構成は，吸気冷却装置の代わりに、廃熱回収ボイラ４３を、オフガス通路３４に配設していることである。その他の構成は前記第１の実施の形態と同様であり、同じ部品には、同じ符号（番号）を付し、詳しい説明は省略する。

燃料電池３の燃料極１１からオフガス通路３４に排出される高温のオフガスは、まず、廃熱回収ボイラ４３を加熱して該廃熱回収ボイラ４３を駆動させ、その後ガスエンジン５の燃料として利用され、ガスエンジン５を駆動し、発電機４により発電する。

該実施の形態によると、燃料電池３から排出される高温のオフガスを、廃熱回収ボイラ４３の加熱源及びガスエンジン５の駆動源として、２段構えで有効利用しているので、設備の高効率・高性能を実現できる。しかも、廃熱回収ボイラ４３により、オフガスのガスエンジン５の入口温度が下がるので、前記第１の実施の形態における吸気冷却装置を省略することができる。また、廃熱回収ボイラ４３により、電気だけでなく、温水、温風も供給することができる。

［第４の実施の形態］
図４は本発明による複合発電設備の第４の実施の形態であり、前記図１の第１の実施の形態と異なる構成は，吸気冷却装置の代わりに、スターリングエンジン４５を、オフガス通路３４に配設していることである。その他の構成は前記第１の実施の形態と同様であり、同じ部品には、同じ符号（番号）を付し、詳しい説明は省略する。

スターリングエンジン４５の動力取出部には２つ目の発電機４６が連結されている。

燃料電池３の燃料極１１からオフガス通路３４に排出される高温のオフガスは、まず、スターリングエンジン４５を加熱することにより該スターリングエンジン４５を駆動し、発電機４６により発電し、スターリングエンジン４５から排出されたオフガスを、ガスエンジン５の燃料とし、発電機４により発電する。

上記構成によると、燃料電池３からの高温のオフガスを、ガスエンジン５の駆動に利用できることに加え、燃料電池３の排熱をスターリングエンジン４５の燃料（加熱源）としても有効利用できるので、設備の高効率・高性能を実現できる。また、スターリングエンジン４５により、オフガスのガスエンジン５の入口温度が下がるので、前記第１の実施の形態における吸気冷却装置を省略することができる。また、スターリングエンジン４５は、理論的にはカルノーサイクルであるので、より効率よく排熱を回収できる。

［第５の実施の形態］
図５は本発明による複合発電設備の第５の実施の形態であり、前記図２の第２の実施の形態の構成に加え、ガスエンジン５の排気装置５０に、第２のランキンサイクル発電装置Ｒ２を配置していることである。その他の構成は前記図２の第２の実施の形態と同様であり、同じ部品には、同じ符号（番号）を付し、詳しい説明は省略する。

第２のランキンサイクル発電装置Ｒ２は、前記オフガス通路３４のランキンサイクル発電装置（第１のランキンサイクル発電装置）の構成と同様であり、蒸気発生器、膨張機及び凝縮器等からなる動力発生部５１と、該動力発生部５１の膨張機に連結された発電機５２から構成されており、ガスエンジン５から排出された排気ガスの熱により作動媒体の蒸気を発生させ、この蒸気を膨張機に供給することにより、該膨張機を回転させ、発電機５２を駆動するようになっている。膨張機で使用後の作動媒体は、凝縮器により液相に変換させ、再び蒸気発生器に供給される。

（作用）
燃料電池３の燃料極１１からオフガス通路３４に排出される高温のオフガスは、まず、第１のランキンサイクル発電装置Ｒ１の動力発生部４１を駆動して、発電機４２により発電し、動力発生部４１から排出されたオフガスを、ガスエンジン５の燃料とし、発電機４により発電する。さらに、ガスエンジン５から排気装置５０に排出された排気ガスの熱により、第２のランキンサイクル発電装置Ｒ２の動力発生部５１を駆動し、３つ目の発電機５２により発電する。

該実施の形態によると、燃料電池３のオフガスを利用することに加え、ガスエンジン５の排気ガスの熱を有効利用できるので、設備の高効率・高性能を実現できる。

［第６の実施の形態］
図６は本発明による複合発電設備の第６の実施の形態であり、前記図２の第２の実施の形態の構成に加え、ガスエンジン５の排気装置５０に、廃熱回収ボイラ５４を配置していることである。その他の構成は前記図２の第２の実施の形態と同様であり、同じ部品には、同じ符号（番号）を付し、詳しい説明は省略する。

（作用）
燃料電池３の燃料極１１からオフガス通路３４に排出される高温のオフガスは、まず、ランキンサイクル発電装置Ｒ１の動力発生部４１を駆動して、発電機４２により発電し、動力発生部４１から排出されたオフガスを、ガスエンジン５の燃料とし、発電機４により発電する。さらに、ガスエンジン５の排気ガスの熱により、廃熱回収ボイラ５４を加熱する。

該実施の形態によると、燃料電池３のオフガスを利用することに加え、ガスエンジン５の排気ガスの熱を有効利用できるので、高効率・高性能を実現できる。また、電気だけでなく、温水、温風も供給することができる。

［第７の実施の形態］
図７は本発明による複合発電設備の第７の実施の形態であり、前記図２の第２の実施の形態の構成に加え、ガスエンジン５の排気装置５０に、スターリングエンジン５７を配置していることである。その他の構成は前記図２の第２の実施の形態と同様であり、同じ部品には、同じ符号（番号）を付し、詳しい説明は省略する。

スターリングエンジン５７には３つ目の発電機５８が連結されている。

（作用）
燃料電池３の燃料極１１からオフガス通路３４に排出されるオフガスは、まず、ランキンサイクル発電装置Ｒ１の動力発生部４１を駆動して、発電機４２により発電し、動力発生部４１から排出されたオフガスを、ガスエンジン５の燃料とし、発電機４により発電する。そして、ガスエンジン５の排気ガスを、スターリングエンジン５７に供給し、スターリングエンジン５７を駆動して、３つ目の発電機５８により発電する。

該実施の形態によると、燃料電池３のオフガスを利用することに加え、ガスエンジン５の排気熱をさらに有効利用できるので、高効率・高性能を実現できる。また、スターリングエンジン５７は、理論的にはカルノーサイクルであるので、より高効率で排熱を回収できる。

［第８の実施の形態］
図８は本発明による複合発電設備の第８の実施の形態であり、前記図３の第３の実施の形態の構成に加え、ガスエンジン５の排気装置５０に、ランキンサイクル発電装置Ｒ３の膨張機６０を配置していることである。その他の構成は前記図３の第３の実施の形態と同様であり、同じ部品には、同じ符号（番号）を付し、詳しい説明は省略する。

ランキンサイクル発電装置Ｒ３は、前記図１の前記オフガス通路３４のランキンサイクル発電装置（第１のランキンサイクル発電装置）Ｒ１の構成と同様であり、蒸気発生器、膨張機及び凝縮器等からなる動力発生部６０と、該動力発生部６０の膨張機に連結された発電機６１とから構成されており、ガスエンジン５から排出された排気ガスの熱により作動媒体の蒸気を発生させ、この蒸気を膨張機に供給することにより、該膨張機を回転させ、発電機６１を駆動するようになっている。膨張機で使用後の作動媒体は、凝縮器により液相に変換させ、再び蒸気発生器に供給される。

（作用）
燃料電池３の燃料極１１からオフガス通路３４に排出される高温のオフガスは、まず、廃熱回収ボイラ４３を加熱し、廃熱回収ボイラ４３から排出されたオフガスを、ガスエンジン５の燃料とし、発電機４により発電する。そして、ガスエンジン５の排気ガスを、ランキンサイクル発電装置Ｒ３の動力発生部６０に供給し、動力発生部６０を駆動して、３つ目の発電機６１により発電する。

該実施の形態によると、燃料電池３のオフガスを利用することに加え、ガスエンジン５の排気ガスの熱を有効利用できるので、高効率・高性能を実現できる。

［第９の実施の形態］
図９は本発明による複合発電設備の第９の実施の形態であり、前記図３の第３の実施の形態の構成に加え、ガスエンジン５の排気装置５０に、第２の廃熱回収ボイラ６３を配置していることである。その他の構成は前記図３の第３の実施の形態と同様であり、同じ部品には、同じ符号（番号）を付し、詳しい説明は省略する。

燃料電池３の燃料極１１からオフガス通路３４に排出される高温のオフガスは、まず、廃熱回収ボイラ４３を加熱し、廃熱回収ボイラ４３から排出されたオフガスを、ガスエンジン５の燃料とし、発電機４により発電する。さらに、ガスエンジン５の排気ガスを、廃熱回収ボイラ６３に供給する。

［第１０の実施の形態］
図１０は本発明による複合発電設備の第１０の実施の形態であり、前記図３の第３の実施の形態の構成に加え、ガスエンジン５の排気装置５０に、スターリングエンジン６５を配置していることである。その他の構成は前記図３の第３の実施の形態と同様であり、同じ部品には、同じ符号（番号）を付し、詳しい説明は省略する。

燃料電池３の燃料極１１からオフガス通路３４に排出される高温のオフガスは、まず、廃熱回収ボイラ４３を加熱し、該廃熱回収ボイラ４３から排出されたオフガスを、ガスエンジン５の燃料とし、発電機４により発電する。さらに、ガスエンジン５の排気ガスを、スターリングエンジン６５に供給し、スターリングエンジン６５を駆動して、２つ目の発電機６６により発電する。

該実施の形態によると、燃料電池３のオフガスを利用することに加え、ガスエンジン５の排気熱を有効利用できるので、高効率・高性能を実現できる。

［第１１の実施の形態］
図１１は本発明による複合発電設備の第１１の実施の形態であり、前記図４の第４の実施の形態の構成に加え、ガスエンジン５の排気装置５０に、ランキンサイクル発電装置Ｒ４を配置していることである。その他の構成は前記図４の第４の実施の形態と同様であり、同じ部品には、同じ符号（番号）を付し、詳しい説明は省略する。

ランキンサイクル発電装置Ｒ４は、前記図１のオフガス通路３４のランキンサイクル発電装置（第１のランキンサイクル発電装置）Ｒ１の構成と同様であり、蒸気発生器、膨張機及び凝縮器等からなる動力発生部６８と、該動力発生部６８の膨張機に連結された発電機６９とから構成されており、ガスエンジン５から排出された排気ガスの熱により作動媒体の蒸気を発生させ、この蒸気を膨張機に供給することにより、該膨張機を回転させ、発電機６９を駆動するようになっている。膨張機で使用後の作動媒体は、凝縮器により液相に変換させ、再び蒸気発生器に供給される。

（作用）
燃料電池３の燃料極１１からオフガス通路３４に排出される高温のオフガスは、まず、スターリングエンジン４５を加熱することにより該スターリングエンジン４５を駆動し、発電機４６により発電し、スターリングエンジン４５から排出されたオフガスを、ガスエンジン５の燃料とし、発電機４により発電する。さらに、ガスエンジン５から排気装置５０に排出される排気ガスをランキンサイクル発電装置Ｒ４の動力発生部６８に供給し、該動力発生部６８を駆動して、３つ目の発電機６９により発電する。

［第１２の実施の形態］
図１２は本発明による複合発電設備の第１２の実施の形態であり、前記図４の第４の実施の形態の構成に加え、ガスエンジン５の排気装置５０に、廃熱回収ボイラ７０を配置していることである。その他の構成は前記図４の第４の実施の形態と同様であり、同じ部品には、同じ符号（番号）を付し、詳しい説明は省略する。

（作用）
燃料電池３の燃料極１１からオフガス通路３４に排出される高温のオフガスは、まず、スターリングエンジン４５を加熱することにより該スターリングエンジン４５を駆動し、発電機４６により発電し、スターリングエンジン４５から排出されたオフガスを、ガスエンジン５の燃料とし、発電機４により発電する。さらに、ガスエンジン５から排出される排気ガスを廃熱回収ボイラ７０に供給し、該廃熱回収ボイラ７０を加熱する。

該実施の形態によると、燃料電池３のオフガスを利用することに加え、ガスエンジン５の排気ガスの熱を有効利用できるので、設備の高効率・高性能を実現できる。また、電気だけでなく、温水、温風も供給することができる。

［第１３の実施の形態］
図１３は本発明による複合発電設備の第１３の実施の形態であり、前記図４の第４の実施の形態の構成に加え、ガスエンジン５の排気装置５０に、第２のスターリングエンジン７２を配置していることである。その他の構成は前記図４の第４の実施の形態と同様であり、同じ部品には、同じ符号（番号）を付し、詳しい説明は省略する。

第２のスターリングエンジン７２の動力取出部には、３つ目の発電機７３が連結されている。

（作用）
燃料電池３の燃料極１１からオフガス通路３４に排出される高温のオフガスは、まず、スターリングエンジン４５を加熱することにより該スターリングエンジン４５を駆動し、発電機４６により発電し、スターリングエンジン４５から排出されたオフガスを、ガスエンジン５の燃料とし、発電機４により発電する。さらに、ガスエンジン５から排気装置５０に排出される排気ガスを第２のスターリングエンジン７２に供給し、第２のスターリングエンジン７２を駆動して、３つ目の発電機７３により発電する。

該実施の形態によると、燃料電池３のオフガスを利用することに加え、ガスエンジン５の排気ガスの熱を有効利用できるので、設備の高効率・高性能を実現できる。また、また、スターリングエンジン４５、７２は、理論的にはカルノーサイクルであるので、より高効率で排熱を回収できる。

［第１４の実施の形態］
図１４、図１５及び図１６は本発明による複合発電設備の第１４の実施の形態であり、図１の第１の実施の形態の複合発電設備の構成に加え、ガスエンジン５の空気供給装置２０及び燃料供給装置２１を、制御装置８０に電気的に接続して、空気供給装置２０からガスエンジン５に供給される空気量及び燃料供給装置２１からガスエンジン５に供給される燃料量を制御できるように構成されている。さらに、ガスエンジン５の排気装置５０を、熱交換器８１を介して燃料改質器１に接続し、ガスエンジン５の排気ガスの熱により、燃料改質器１を加熱するように構成されている。その他の構成は前記図１の第１の実施の形態と同じ部品には、同じ符号（番号）を付しており、詳しい説明は省略する。

前記制御装置８０は、燃料電池３の起動時並びに暖機運転時に、燃料電池３からのオフガスとは別に、ガスエンジン５の燃料供給装置２１から燃料をガスエンジン５に供給するようにプログラムされている。

通常運転時の設備全体の作用は、前記図１の第１の実施の形態と同様であるので、省略し、燃料電池３の起動時の作用を説明する。

燃料電池３の起動時には、まず、ガスエンジン５に、燃料供給装置２１から燃料を供給すると共に空気供給装置２０から空気を供給することにより、ガスエンジン５を運転し、発電機４による発電を開始すると共に、ガスエンジン５の排気ガスを燃料改質器１及び燃料電池３に導き、燃料改質器１及び燃料電池３を予加熱し、燃料電池３の暖機の補助を行う。

燃料電池３及び燃料改質器１が、所定の作動温度（たとえば８００℃程度）に達すると、燃料改質器１においては燃料（メタンガス等）が改質され、Ｈ₂水素及びＣＯが生成され、燃料電池３の燃料極１１に供給されることより、燃料電池３による発電が開始する。

図１５は、ガスエンジン５により燃料電池３の起動を支援した場合の総電力量を示す共に、総電力量のうち、送電線等から供給される系統電力量（一定）と、ガスエンジン５に連結された発電機４により発電された電力量と、燃料電池３により発電された電力量との割合の変化を示すグラフである。最下段のクロスハッチングの領域Ｘ１は、送電線等から供給される系統電力量（一定）であり、ハッチングの領域Ｘ２（下から２段目の領域と最上段の領域）は、ガスエンジン５に連結された発電機４により発電された電力量であり、ハッチングを施していない領域Ｘ３は、燃料電池３により発電された電力量である。

この図１５において、前述のように、燃料電池起動期間Ｔ１では、系統電力及びガスエンジン５による電力によって、発電設備の機能を果たし、燃料電池３が発電開始（点Ｐ1）した後は、系統電力、ガスエンジン５による電力及び燃料電池３による電力によって、総電力量が構成される。

また、図１６は、ガスエンジン５により燃料電池３の起動を支援した場合において、ガスエンジン５の出力、燃料改質器１の温度（改質温度）、燃料改質器１の出口の水素量、燃料電池３の出力（電力）、燃料電池３の出口の水素量及びＣＯ量のそれぞれの変化を示すグラフである。

図１６において、点Ｐ０がガスエンジン５の運転開始時、点Ｐ１が前述のように燃料電池３の発電開始時であり、点Ｐ０と点Ｐ１との間の起動時間Ｔ１内で、燃料改質器１はガスエンジン５の排気ガスの熱により加熱され、所定温度まで上昇し、それにより燃料改質器１から排出される燃料の水素濃度（及びＣＯ濃度）が一定量まで増加する。また、起動時間Ｔ１内では、燃料電池３による発電が行われていないことから、燃料改質器１で生成されたＨ2水素及びＣＯは、燃料電池３内を素通りして、燃料電池から排出されるため、燃料電池３の発電開始点Ｐ１までは、水素及びＣＯ排出量は一定量まで増加する。

点Ｐ３は、燃料電池３による定格発電開始時を示しており、前記点Ｐ１から発電量が増加して、点Ｐ３において定格発電量に至り、その後は、定格発電量により運転される。

点Ｐ１から点Ｐ３までの間では、燃料電池３内で発電に使用されるＨ₂及びＣＯが増加するので、燃料電池３から排出されるオフガス中のＨ₂量及びＣＯ量は減少する。また、ガスエンジン５には、燃料電池３から排出されるオフガスが、ガスエンジン５の燃料として利用され始め、一方、燃料供給装置２１からの燃料は減少し、エンジン出力は低下する。

該実施の形態によると、設備の運転開始時、ガスエンジン５を燃料供給装置２１から供給される燃料のみで運転し、それにより発電機４で発電を行うと共に、ガスエンジン５の排気ガスの熱により、燃料改質器１及び燃料電池３を予熱するので、燃料電池３の起動及び暖機運転を速やかに行うことができ、かつ燃料電池３の暖機中は、ガスエンジン５が発電を代替することできる。

［第１５の実施の形態］
図１７は本発明による複合発電設備の第１５の実施の形態であり、請求項１記載の複合発電設備の構成に加え、ガスエンジン５の空気供給装置２０及び燃料供給装置２１を、制御装置８０に電気的に接続して、空気供給装置２０からガスエンジン５に供給される空気量及び燃料供給装置２１からガスエンジン５に供給される燃料量を制御できるように構成すると共に、ガスエンジン５の入口に水素濃度センサー８３を配置し、該水素濃度センサー８３を制御装置８０に電気的に接続し、水素濃度センサー８３で検出した水素濃度に応じて、最適な空燃比となるように、空気供給装置２０及び燃料供給装置２１を制御するように構成する。その他の構成は前記図１の第１の実施の形態と同じ部品には、同じ符号（番号）を付しており、詳しい説明は省略する。

制御装置８０による制御を、図１８のフロー図並びに図１９のガスエンジン５における理論空燃比と水素濃度との関係のグラフにより説明する。図１９に示すように、ガスエンジン５において、理論空燃比と燃料中の水素濃度とは一定の比例関係にあり、水素濃度が決まれば、理論空燃比も決定される。かかる理論空燃比と水素濃度との関係を、理論空燃比マップとして、制御装置８０の記憶装置に記憶させておく。

図１８のフロー図において、まず、ステップＳ１において、水素濃度センサー８３により、ガスエンジン５の入口の水素濃度を検出し、制御装置８０に入力する。ステップＳ２において、制御装置８０の演算部により、前記入力された水素濃度から、理論空燃比マップに基づき、理論空燃比を演算する。そして、ステップＳ３において、前記演算された理論空燃比から目標空燃比を設定し、空気供給装置２０による供給空気量を調節する。または、空気量と共に、燃料供給装置２１により供給燃料も併せて調節し、目標空燃比に近づける。

該実施の形態によると、燃料電池３から排出されるオフガスの水素濃度が変化した場合でも、オフガス中の水素濃度を検知することにより、ガスエンジン５にフィードバック制御をかけ、空気供給装置２０からの供給空気量を調節し、あるいは空気量と共に燃料供給装置２１からの供給燃料量を調節することにより常に一定の空燃比を保ち、安定した運転を行うことができる。

［第１６の実施の形態］
図２０は本発明による複合発電設備の第１６の実施の形態であり、図１の第１の実施の形態の複合発電設備の構成に加え、ガスエンジン５の空気供給装置２０及び燃料供給装置２１を、制御装置８０に電気的に接続して、空気供給装置２０からガスエンジン５に供給される空気量及び燃料供給装置２０からガスエンジン５に供給される燃料量を制御できるように構成すると共に、ガスエンジン５の入口にＣＯ濃度センサー８４を配置し、該ＣＯ濃度センサー８４を制御装置８０に電気的に接続し、ＣＯ濃度センサー８４で検出したＣＯ濃度に応じて、最適な空燃比となるように、空気供給装置２０及び燃料供給装置２１を制御するように構成する。その他の構成は前記図１の第１の実施の形態と同じ部品には、同じ符号（番号）を付しており、詳しい説明は省略する。

該第１６の実施の形態は、前記第１５の実施の形態と比較して、ガスエンジン５の入口の水素成分を検出する代わりに、ＣＯ成分を検出して、ガスエンジン５の空燃比を理論空燃比の近づけるように構成したものである。したがって、基本的な作用は前記第１５の実施の形態と同様であり、図２１に該実施の形態における作用をフロー図で示し、詳しい説明は省略する。

該実施の形態によると、燃料電池３から排出されるオフガスのＣＯ濃度が変化した場合でも、オフガス中のＣＯ濃度を検知することにより、ガスエンジン５にフィードバック制御をかけ、空気供給装置２０からの供給空気量を調節し、あるいは空気量と共に燃料供給装置２１からの供給燃料量を調節することにより常に一定の空燃比を保ち、安定した運転を行うことができる。
［他の実施の形態］

往復動内燃機関としては、ガスとガソリンとを併用する往復動内燃機関を備えることもできる。

本発明による複合発電設備の第１の実施の形態の配管略図である。本発明による複合発電設備の第２の実施の形態の配管略図である。本発明による複合発電設備の第３の実施の形態の配管略図である。本発明による複合発電設備の第４の実施の形態の配管略図である。本発明による複合発電設備の第５の実施の形態の配管略図である。本発明による複合発電設備の第６の実施の形態の配管略図である。本発明による複合発電設備の第７の実施の形態の配管略図である。本発明による複合発電設備の第８の実施の形態の配管略図である。本発明による複合発電設備の第９の実施の形態の配管略図である。本発明による複合発電設備の第１０の実施の形態の配管略図である。本発明による複合発電設備の第１１の実施の形態の配管略図である。本発明による複合発電設備の第１２の実施の形態の配管略図である。本発明による複合発電設備の第１３の実施の形態の配管略図である。本発明による複合発電設備の第１４の実施の形態の配管略図である。第１４の実施の形態における総電力量の変化及び電力割合の変化を示す図である。第１４の実施の形態におけるエンジン出力、改質温度、改質器出口温度、燃料電池出力、燃料電池出口のＨ₂量及び燃料電池出口のＣＯ量の変化を示す図である。本発明による複合発電設備の第１５の実施の形態の配管略図である。第１５の実施の形態の制御を示すフロー図である。ガスエンジンの燃料の水素濃度と理論空燃比との関係を示す図である。本発明による複合発電設備の第１６の実施の形態の配管略図である。第１６の実施の形態の制御を示すフロー図である。従来例の配管略図である。

符号の説明

１燃料改質器
３固形酸化物型燃料電池
４発電機
５ガスエンジン（往復動形内燃機関の一例）
２０空気供給装置
２１燃料供給装置
４１ランキンサイクル発電装置の動力発生部
４２ランキンサイクル発電装置の発電機
４３廃熱回収ボイラ
４５スターリングエンジン
４６スターリングエンジンに連結された発電機
５０ガスエンジンの排気装置
５１ランキンサイクル発電装置の動力発生部
５２ランキンサイクル発電装置の発電機
５４廃熱回収ボイラ
６０ランキンサイクル発電装置の動力発生部
６１ランキンサイクル発電装置の発電機
６３廃熱回収ボイラ
６５スターリングエンジン
６６スターリングエンジンに連結された発電機
６８ランキンサイクル発電装置
６９ランキンサイクル発電装置の動力発生部
７０廃熱回収ボイラ
７２スターリングエンジン
７３スターリングエンジンに連結された発電機
８０制御装置
８３水素濃度センサー
８４ＣＯ濃度センサー
Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４ランキンサイクル発電装置

Claims

燃料電池と、該燃料電池から排出されるオフガスを取り入れて燃焼する往復動内燃機関と、該往復動内燃機関により駆動する発電機と、を備えたことを特徴とする複合発電設備。
請求項１記載の複合発電設備において、
前記燃料電池から排出されるオフガスにより駆動するランキンサイクル発電装置を、前記燃料電池と前記往復動内燃機関との間に備え、前記往復動内燃機関は、前記ランキンサイクル発電装置から排出される前記オフガスを取り入れて燃焼することを特徴とする複合発電設備。
請求項１記載の複合発電設備において、
前記燃料電池から排出されるオフガスにより駆動する廃熱回収ボイラを、前記燃料電池と前記往復動内燃機関との間に備え、前記往復動内燃機関は、前記廃熱回収ボイラから排出される前記オフガスを取り入れて燃焼することを特徴とする複合発電設備。
請求項１記載の複合発電設備において、
前記燃料電池から排出されるオフガスにより駆動すると共に発電機に連結されたスターリングエンジンを、前記燃料電池と前記往復動内燃機関との間に備え、前記往復動内燃機関は、前記スターリングエンジンから排出される前記オフガスを取り入れて燃焼することを特徴とする複合発電設備。
請求項２記載の複合発電設備において、
前記往復動内燃機関から排出される排気ガスにより駆動する第２のランキンサイクル発電装置を備えたことを特徴とする複合発電設備。
請求項２記載の複合発電設備において、
前記往復動内燃機関から排出される排気ガスにより駆動する廃熱回収ボイラを備えたことを特徴とする複合発電設備。
請求項２記載の複合発電設備において、
前記往復動内燃機関から排出される排気ガスにより駆動するスターリングエンジンを備えたことを特徴とする複合発電設備。
請求項３記載の複合発電設備において、
前記往復動内燃機関から排出される排気ガスにより駆動するランキンサイクル発電装置を備えたことを特徴とする複合発電設備。
請求項３記載の複合発電設備において、
前記往復動内燃機関から排出される排気ガスにより駆動する第２の廃熱回収ボイラを備えたことを特徴とする複合発電設備。
請求項３記載の複合発電設備において、
前記往復動内燃機関から排出される排気ガスにより駆動するスターリングエンジンを備えたことを特徴とする複合発電設備。
請求項４記載の複合発電設備において、
前記往復動内燃機関から排出される排気ガスにより駆動するランキンサイクル発電装置を備えたことを特徴とする複合発電設備。
請求項４記載の複合発電設備において、
前記往復動内燃機関から排出される排気ガスにより駆動する廃熱回収ボイラを備えたことを特徴とする複合発電設備。
請求項４記載の複合発電設備において、
前記往復動内燃機関から排出されるオフガスにより駆動する第２のスターリングエンジンを備えたことを特徴とする複合発電設備。
請求項１記載の複合発電設備において、
前記往復動内燃機関は、前記燃料電池からのオフガスとは別の燃料を供給する燃料供給装置と、該燃料供給装置を制御する制御装置とを備え、前記燃料電池の起動時及び暖機運転時に、上記燃料供給装置からの燃料により前記往復動内燃機関を立ち上げると共に、前記往復動内燃機関の排気ガスの熱により前記燃料電池を加熱するようにしたことを特徴とする複合発電設備。
請求項１記載の複合発電設備において、
前記燃料電池のオフガス中の水素濃度を検知する水素濃度センサーを備え、前記往復動内燃機関は、前記燃料電池からのオフガスとは別の燃料を供給する燃料供給装置と、空気供給装置と、該空気供給装置及び前記燃料供給装置を制御する制御装置と、を備え、前記水素濃度センサーにより検出した水素濃度に基づき、前記往復動内燃機関が所定の空燃比を保つように前記空気供給装置による空気量及び又は前記燃料供給装置による燃料量を制御するようにしたことを特徴とする複合発電設備。
請求項１記載の複合発電設備において、
前記燃料電池のオフガス中のＣＯ濃度を検知するＣＯ濃度センサーを備え、前記往復動内燃機関は、前記燃料電池からのオフガスとは別の燃料を供給する燃料供給装置と、空気供給装置と、該空気供給装置及び前記燃料供給装置を制御する制御装置と、を備え、前記ＣＯ濃度センサーにより検出したＣＯ濃度に基づき、前記往復動内燃機関が所定の空燃比を保つように前記空気供給装置による空気量及び又は前記燃料供給装置による燃料量を制御するようにしたことを特徴とする複合発電設備。