JP2005276634A - Power generation, power arrangement, and its operating method - Google Patents
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Abstract
Description
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と、その運転方法に関する。 The present invention uses, for example, a combination of an exhaust gas of an internal combustion engine equipped with a supercharger and a fuel cell (for example, a solid oxide fuel cell), from both the internal combustion engine and the fuel cell (for example, mechanical output and / or Or an apparatus configured to obtain a power generation output) and an operation method thereof.
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。
Conventionally, a supercharger is attached to an internal combustion engine (for example, a gas engine) as a power source or a power generation device, and a portion of the enthalpy possessed by high-temperature and high-pressure exhaust gas is used by the exhaust turbine to supercharge intake air. The output is improved.
The exhaust gas after passing through the exhaust turbine is purified by using a catalyst or the like and then used for generating steam, hot water supply, air conditioning, or the like using a heat exchanger or the like.
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。
FIG. 8 shows a lean combustion
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。
Moreover, in a power source or power generation device using a solid oxide fuel cell (hereinafter referred to as SOFC), a hydrocarbon-based fuel is reformed into a hydrogen-rich gas and used at a high temperature of 500 ° C. or higher. Internal reforming at the electrode is common, but when there are restrictions on electrode materials, a reformer is provided outside the battery, and the reformed gas is supplied to the SOFC fuel electrode after fuel reforming. Yes.
In order to alleviate the temperature gradient of the battery, the input air and fuel gas are often preheated and supplied by heat exchange with exhaust gas. Furthermore, in order to effectively use the enthalpy of the high-temperature exhaust gas from the battery, a method has been proposed in which a micro gas turbine is connected to the exhaust flow path of the battery and the enthalpy of the exhaust gas is recovered to improve the overall efficiency of the device. ing.
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。
FIG. 9 shows an example of the SOFC 5. The fuel is heat exchanged with the exhaust gas in the heat exchanger 6 and introduced into the fuel reformer 4. The fuel is reformed and introduced into the
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。 In supercharged engines, the enthalpy of the exhaust gas is used to drive the exhaust turbine and boost the engine to improve engine output. However, the exhaust gas after passing through the exhaust turbine is still at high temperature and high pressure. Is not fully utilized. Furthermore, there is a method of recovering enthalpy by heat exchange, but when used as a power generation device, it does not lead to improvement of power generation efficiency.
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。
Further, depending on the operating condition of the engine, there is a surplus in the energy of the exhaust gas with respect to the compression work of the supercharger, and supercharged air exceeding the demand of the engine is produced. Therefore, depending on the engine, as shown in the example shown in FIG. 8, a waste gate valve 2w is provided in the
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。 Since the SOFC operates at a high temperature of about 500 ° C. or higher, it cannot generate power satisfactorily until the temperature reaches a temperature range where the solid oxide has sufficient ionic conductivity. Therefore, it is necessary to raise the temperature of the SOFC for a long time until sufficient output is obtained, and an external heat source such as a combustor or an electric heater must be added to warm up the SOFC itself and the reformer in order to improve startability. In many cases, there is a problem that fuel and electric power are necessary.
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。
In addition, it is necessary to supply water vapor for SOFC fuel reforming, and it is very difficult to supply water vapor with an SOFC device alone.
Furthermore, in the low output operation of SOFC, the ratio of the fuel consumed for maintaining the high temperature of the battery becomes high, and there is a problem that efficiency and power generation output are reduced.
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。 In SOFC, about 15% of the input fuel does not react and is discharged in the form of high-temperature exhaust gas of about 600 ° C or higher, and the unburned gas passes through catalytic combustion or the like to supply air or It is often used for fuel preheating, but it does not contribute directly to power generation.
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。
Furthermore, when stopping the operation of the SOFC, it is necessary to purge the fuel electrode with a gas having a low oxygen partial pressure in order to prevent oxidation of the fuel electrode. Accordingly, in order to generate a gas having a low oxygen partial pressure, means with poor energy savings such as means for supplying a gas obtained by partially oxidizing fuel and means for supplying nitrogen gas are employed.
If the supplied air and fuel can be supplied under pressure, the power generation output and efficiency can be improved. However, such boosting means have not been generalized due to problems of energy consumption and gas leakage.
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。
However, the solid oxide fuel cell system is not intended to solve the various problems described above.
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及びその運転方法の提案を目的とする。
The present invention addresses the above-described problems, and proposes a configuration in which high-temperature exhaust gas of a supercharged internal combustion engine is introduced into a solid oxide fuel cell so that the maximum power generation efficiency can be obtained as a whole device. For the purpose.
It is another object of the present invention to propose an additional heating device and a configuration that can reduce fuel consumption that are required for preheating when the fuel cell is stopped or during low-power operation, and an operation method thereof.
本発明によれば、過給機を具備した内燃機関(例えば、ガスエンジン1)の排気ガスを燃料電池(例えば、固体酸化物型燃料電池5)に供給する様に構成されており、前記内燃機関(1)は、理論空気比或いはそれよりも燃料リッチな状態(過濃な状態:例えば空気比≦1)で運転する様に構成されており、内燃機関(1)の排気ガスに気体燃料(燃料ガス)を混合する燃料混合手段(3)を備え、該燃料混合手段(3)で気体燃料が混合された水蒸気を含む高温燃料ガスを理論空気比或いはそれよりも燃料リッチな状態(過濃な状態:例えば、空気比≦1)で燃料電池の燃料極(5m)側に投入する様に構成されている(請求項1:図1参照)。 According to the present invention, the exhaust gas of an internal combustion engine (for example, gas engine 1) provided with a supercharger is supplied to a fuel cell (for example, solid oxide fuel cell 5). The engine (1) is configured to operate at a stoichiometric air ratio or a fuel rich state (excessive state: for example, air ratio ≦ 1), and gaseous fuel is used as the exhaust gas of the internal combustion engine (1). A fuel mixing means (3) for mixing (fuel gas), and a high temperature fuel gas containing water vapor mixed with gaseous fuel in the fuel mixing means (3) In a rich state: for example, the air ratio is ≦ 1) so that the fuel cell is charged to the fuel electrode (5 m) side (Claim 1: see FIG. 1).
また、本発明は、過給機を具備した内燃機関(例えば、ガスエンジン1A)の排気ガスを燃料電池(例えば、固体酸化物型燃料電池5)に供給する様に構成されており、前記内燃機関(1A)は、理論空気比或いはそれよりも希薄な状態(燃料リーンな状態:例えば空気比≧1)で運転する様に構成されており、内燃機関(1)の排気ガスに気体燃料(燃料ガス)を混合する燃料混合手段(3)を備え、該燃料混合手段(3)で気体燃料が混合された水蒸気を含む高温燃料ガスを理論空気比或いはそれよりも燃料リッチな状態(過濃な状態:例えば、空気比≦1)で燃料電池の燃料極(5m)側に投入する様に構成されている(請求項2:図2参照)。
Further, the present invention is configured to supply exhaust gas of an internal combustion engine (for example,
そして本発明は、過給機を具備した内燃機関(例えば、ガスエンジン1、1A)の排気ガスを燃料電池(例えば固体酸化物型燃料電池5)に供給する様に構成されており、前記内燃機関(1、1A)は炭化水素系の燃料を使用する内燃機関であり、該内燃機関(1、1A)の排気ガスに気体燃料(燃料ガス)を混合する燃料混合手段(3)を備え、(燃料混合手段3で排気ガスに混合されるべき)気体燃料及び/又は空気を予熱する熱交換器(6)を備えている(請求項3:図1参照)。
The present invention is configured to supply exhaust gas of an internal combustion engine (for example,
本発明において、前記燃料電池(例えば、固体酸化物型燃料電池5)の燃料極(5m)側に(改質器4を介して)供給される高温燃料ガスは、内燃機関の過給機(2)における排気タービン(2t)よりも下流側(固体酸化物型燃料電池5側)を流れる燃焼生成ガス(内燃機関1、1Aの排気ガス)に燃料混合手段(3)で気体燃料を混合されたガスであるのが好ましい(請求項4:図1参照)。
In the present invention, the high-temperature fuel gas supplied (via the reformer 4) to the fuel electrode (5m) side of the fuel cell (for example, the solid oxide fuel cell 5) is a supercharger ( 2) The gaseous fuel is mixed by the fuel mixing means (3) with the combustion product gas (exhaust gas of the
また、内燃機関(1、1A)の排気マニホールド(1m)集合管の出口が前記燃料電池(例えば、固体酸化物型燃料電池5)の燃料極(5m)側に(改質器4を介して)接続されており、前記燃料電池(例えば、固体酸化物型燃料電池5)の排気流路(7E)が内燃機関の過給機(2)における排気タービン(2t)の流入口に接続されているのが好ましい(請求項5:図3)。 Further, the outlet of the exhaust manifold (1 m) collecting pipe of the internal combustion engine (1, 1A) is on the fuel electrode (5m) side of the fuel cell (for example, the solid oxide fuel cell 5) (via the reformer 4). And an exhaust passage (7E) of the fuel cell (for example, the solid oxide fuel cell 5) is connected to an inlet of the exhaust turbine (2t) in the supercharger (2) of the internal combustion engine. (Claim 5: FIG. 3).
さらに、本発明において、前記内燃機関(1、1A)の過給機(2)におけるコンプレッサ(2c)から抽気された加圧空気が流れる空気ライン(ライン8A2、合流点B、ライン8A1)が、前記燃料電池(例えば、固体酸化物型燃料電池5)の空気極(5p)側に連通しているのが好ましい(請求項6:図1参照)。 Furthermore, in the present invention, an air line (line 8A2, confluence B, line 8A1) through which pressurized air extracted from the compressor (2c) in the supercharger (2) of the internal combustion engine (1, 1A) flows, It is preferable that the fuel cell (for example, solid oxide fuel cell 5) communicates with the air electrode (5p) side (Claim 6: see FIG. 1).
ここで、前記内燃機関(1、1A)の過給機(2)に(過給機2の回転軸を介して)発電機(12)が接続されているのが好ましい(請求項7:図1、2、4参照)。 Here, it is preferable that a generator (12) is connected to the supercharger (2) of the internal combustion engine (1, 1A) (via the rotating shaft of the supercharger 2). 1, 2, 4).
本発明の実施に際して、前記内燃機関(1、1A)の排気管路(1E:排気マニホールド1mを含む)に熱交換構造(熱交換器6)を設け、該熱交換構造(熱交換器6)は、内燃機関(1、1A)の排気ガスが保有する熱量が前記燃料電池(例えば、固体酸化物型燃料電池5)の空気極(5p)側に供給される空気へ投入されて、該空気を予熱する様に構成されているのが好ましい(請求項8:図1〜4参照)。
In carrying out the present invention, a heat exchange structure (heat exchanger 6) is provided in an exhaust pipe line (1E: including the
また、前記内燃機関(1、1A)の過給機(2)における排気タービン(2t)の(流入口の)上流側(内燃機関1、1A側)から抽気された排気ガスが流れるバイパスラインを設け、該パイパスラインは(該パイパスライン流れる排気ガスの流量の調整を行う)ウエイストゲート弁(2w)を介装しており、排気タービン(2t)下流側(SOFC5側)に連通しているのが好ましい(請求項9:図1〜3参照)。
In addition, a bypass line through which exhaust gas extracted from the upstream side (
或いは、過給機(2)における排気タービン(2t)上流側(内燃機関1、1A側)で前記内燃機関(1、1A)の排気系(1E)から分岐した分岐系統(排気バイパス系統1E2)を設け、該分岐系統(排気バイパス系統1E2)は(排気バイパス系統1E2を流れる排気ガス流量の調整を行う)ウエイストゲート弁(2w)を介装しており、燃料電池(例えば、固体酸化物型燃料電池5)の燃料極側(2m)に連通しているのが好ましい(請求項10:図4参照)
Alternatively, a branch system (exhaust bypass system 1E2) branched from the exhaust system (1E) of the internal combustion engine (1, 1A) on the upstream side (
さらに、燃料供給量制御手段(10)を有し、該燃料供給量制御手段(10)は、前記燃料混合手段(3)に供給する燃料流量を少なくとも理論混合比よりも燃料リッチ(濃厚)な状態とせしめ、且つ、燃料電池(例えば、固体酸化物型燃料電池5)の出力が所望の数値となる流量に調整制御する様に構成されているのが好ましい(請求項11)。 Further, the fuel supply amount control means (10) has a fuel flow rate to be supplied to the fuel mixing means (3) so that the fuel flow is richer (richer) than at least the theoretical mixing ratio. It is preferable to adjust the flow rate so that the output of the fuel cell (for example, the solid oxide fuel cell 5) becomes a desired numerical value.
本発明による燃料電池(例えば、固体酸化物型燃料電池5)のホットスタンバイ方法は、請求項1〜9いずれかの発電及び動力装置において、燃料電池(5)の運転休止を検知し、内燃機関(1)へはその出力に必要な燃料量のみを供給し、燃料電池(5)へは過給機コンプレッサ(2c)から抽気された空気を高温排気ガスと熱交換して投入することを特徴としている(請求項12:図6参照)。 A hot standby method of a fuel cell (for example, a solid oxide fuel cell 5) according to the present invention is the power generation and power plant according to any one of claims 1 to 9, wherein the operation stop of the fuel cell (5) is detected, and the internal combustion engine Only the amount of fuel necessary for the output is supplied to (1), and the air extracted from the supercharger compressor (2c) is supplied to the fuel cell (5) by exchanging heat with the high-temperature exhaust gas. (Claim 12: see FIG. 6).
本発明による発電及び動力装置の運転方法は、請求項1〜9いずれかの発電及び動力装置において、過給機を備えた内燃機関(例えば、ガスエンジン1)の発電出力と燃料電池(例えば、固体酸化物型燃料電池5)の発電出力と過給機軸に接続された発電機(12)の発電出力の各々を検知する工程と、その検知結果に応じて内燃機関(1)と固体酸化物型燃料電池(5)のそれぞれの供給燃料流量を調整制御する工程と、内燃機関(1)、固体酸化物型燃料電池(5)及び過給機軸に接続の発電機(12)の合計出力とそれらへの燃料供給量の合計とから発電装置全体の発電効率を算出する工程と、その算出結果に基づいて装置全体の発電効率が最大となるように供給燃料流量を調整制御する工程、とを含むことを特徴としている(請求項13:図7参照)。 The power generation and power plant operating method according to the present invention is the power generation and power plant according to any one of claims 1 to 9, wherein the power generation output of an internal combustion engine (for example, gas engine 1) provided with a supercharger and a fuel cell (for example, A step of detecting each of the power generation output of the solid oxide fuel cell 5) and the power generation output of the generator (12) connected to the turbocharger shaft, and the internal combustion engine (1) and the solid oxide according to the detection result A step of adjusting and controlling the flow rate of each supplied fuel of the fuel cell (5), and the total output of the internal combustion engine (1), the solid oxide fuel cell (5) and the generator (12) connected to the turbocharger shaft, A step of calculating the power generation efficiency of the entire power generation device from the total amount of fuel supply to them, and a step of adjusting and controlling the flow rate of the supplied fuel so that the power generation efficiency of the entire device is maximized based on the calculation result (Claims) 3: see Figure 7).
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。
According to the present invention, there are excellent effects as described below.
1. The enthalpy of the high-temperature exhaust gas discharged from the engine is used in the SOFC, and the high-temperature exhaust gas enthalpy from the SOFC is also effectively used in the turbocharger or the turbocharger shaft-connected generator. Output and efficiency.
2. The SOFC can be maintained at a high temperature by the engine exhaust gas during low-power operation or shutdown of the SOFC, and it is possible to reduce the fuel consumption and the addition of a heating device that was required for maintaining the high temperature and preheating. .
3. In the case of a stoichiometric engine, the exhaust gas is high temperature and contains a large amount of water vapor, so that it is possible to procure water vapor which is usually difficult, and the fuel reforming means can be easily configured.
4). Since both the pressurized air after passing through the turbocharger compressor and the high-temperature gas mixed with fuel in the engine exhaust gas are supplied to the SOFC by pressurization with the turbocharger, In addition, it is not necessary to use a fuel gas booster, and auxiliary power can be reduced.
5). While detecting the output of each of the engine, SOFC, and turbocharger shaft-connected generator, and centrally managing them, the fuel supply amount of each engine and SOFC, the exhaust gas utilization ratio, and the extraction By making the air amount controllable independently, the engine and the SOFC can be controlled to the optimum operating state, respectively, and the maximum power generation efficiency can be controlled as the entire apparatus.
6). The engine output can be operated in the main and SOFC subordinate configurations, or vice versa. Therefore, for example, the engine is always operated and the SOFC is hot-standby with high-temperature exhaust gas, and fuel corresponding to the required output is supplied to the SOFC at daytime demand peak to obtain additional output and high efficiency power generation at peak time Operation that obtains output is also possible.
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。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the components equivalent to the motive power and power generator by the supercharging gas engine 1 (1A) and SOFC5 which were shown to the said FIG.8 and FIG.9, and duplication description is abbreviate | omitted.
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。
FIG. 1 shows a supercharged engine and a SOFC stack and their associated devices constituting the first embodiment, and flow paths for fuel gas, exhaust gas, and the like.
In the figure, reference numeral 1 denotes a supercharged engine using a hydrocarbon (gas) fuel, which is a stoichiometric gas engine. The intake air supercharged by the
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。
Exhaust gas from the gas engine 1 (temperature 500 to 700 ° C .: including steam) flows through the
In the heat exchanger 6, the fuel sent to the mixing means 3 and the air supplied to the fuel
The fuel reformed by the fuel reformer 4 is fed to the
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G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。
Air compressed by the gas turbine 8 is supplied to the
Here, the air flowing through the air line 8A2 is extracted from the
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。
As will be described later, the gas turbine 8 is driven by SOFC exhaust. As described above, the air flowing through the branched air line 8A1 is heated by the heat exchanger 6 and supplied to the
The exhaust from the
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
The output of the gas engine 1 in the apparatus of FIG. 1 is used for power generation by a generator (not shown in FIG. 1). The power generation output of the
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。
The above-described output means of the gas engine 1,
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。
Next, 2nd Embodiment shown in FIG. 2 is embodiment which made the gas engine which has a supercharger the lean combustion engine (1A). Hereinafter, with reference to FIG. 2, a configuration different from the embodiment of FIG. 1 will be mainly described.
Since the
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。
The exhaust gas temperature flowing through the
Other configurations in the embodiment of FIG. 2 are the same as those of the embodiment shown in FIG.
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。
The third embodiment shown in FIG. 3 includes a supercharger, and is configured with an
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。
The exhaust gas flowing down the
The exhaust gas mixed with the fuel gas is reformed into a hydrogen rich gas in the fuel reformer 4 and supplied to the
Exhaust gas from the
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。
In the embodiment of FIG. 3, the enthalpy recovery function of the gas turbine is performed by the
Other configurations in the embodiment of FIG. 3 are the same as those of the embodiment of FIGS.
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。
The fourth embodiment shown in FIG. 4 has a configuration in which exhaust gas that bypasses the
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。
In FIG. 4, a wastegate valve 2w is interposed in an exhaust bypass system 1E2 that branches from the
The exhaust gas mixed with the fuel gas is sent to the fuel reformer 4 through the heat exchanger 6 and is input to the
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。
Exhaust gas from the
In the configuration of FIG. 4, extraction from the
Other configurations and effects in the embodiment of FIG. 4 are the same as those of the embodiment of FIGS.
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。
Hereinafter, modes of control by the
As described above, output information is input to the
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。
The fuel supply amount control means 10a controls the fuel flow rate according to the output of the gas engine 1 (1A) from the first fuel flow
Further, the fuel supply amount control means 10a is configured such that the fuel concentration of the exhaust gas supplied to the line communicating with the fuel electrode of the SOFC 5 (or the fuel reformer 4 interposed in the line) is higher than the stoichiometric air-fuel ratio. Or, the opening degree of the second fuel flow
Furthermore, the fuel supply amount control means 10a controls the
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)。
Next, the control of the SOFC hot standby method by the
First, when the operation stop state of the
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)。
Next, an operation control method by the
First, the outputs of the output means of the gas engine 1, the
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。
The illustrated embodiment is merely an example, and is not intended to limit the technical scope of the present invention.
For example, in the illustrated embodiment, a power generation device according to a combination of a gas engine equipped with a supercharger and a solid oxide fuel cell has been described. However, other internal combustion engines and other types of fuel cells are used. You may combine.
Further, the present invention is not limited to the power generation device, and can be similarly applied to various power sources.
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
1 ...
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