JP4805735B2 - Indirect internal reforming type solid oxide fuel cell - Google Patents
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Description
本発明は改質器を燃料電池近傍に有する間接内部改質型固体酸化物形燃料電池に関する。 The present invention relates to an indirect internal reforming solid oxide fuel cell having a reformer in the vicinity of the fuel cell.
固体酸化物形燃料電池（Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌｓ。以下場合によりＳＯＦＣという。）には、通常、改質器において灯油や都市ガスなどの炭化水素系燃料（改質原料）を改質して発生させた水素含有ガス（改質ガス）が供給される。ＳＯＦＣにおいて、この改質ガスと空気を電気化学的に反応させて発電を行う。 Solid oxide fuel cells (hereinafter referred to as SOFC in some cases) are usually generated by reforming hydrocarbon fuels (reforming raw materials) such as kerosene and city gas in a reformer. Hydrogen-containing gas (reformed gas) is supplied. In the SOFC, the reformed gas and air are reacted electrochemically to generate electricity.
ＳＯＦＣは通常５５０℃〜１０００℃程度の高温で作動させる。 The SOFC is usually operated at a high temperature of about 550 ° C to 1000 ° C.
改質には、水蒸気改質、部分酸化改質など種々の反応が利用されるが、水蒸気改質は非常に大きな吸熱を伴う反応であり、また反応温度が５５０℃〜７５０℃程度と比較的高く、高温の熱源を必要とする。そのため、ＳＯＦＣの近傍（ＳＯＦＣからの熱輻射を受ける位置）に改質器を設置し、ＳＯＦＣからの輻射熱によって改質器を加熱する間接内部改質型ＳＯＦＣが知られている。また、ＳＯＦＣのアノードから排出される可燃分含有ガス（アノードオフガス）を燃焼させ、この燃焼熱を熱源として改質器を加熱することも行われている。 Various reactions such as steam reforming and partial oxidation reforming are used for the reforming, but steam reforming is a reaction accompanied by a very large endotherm, and the reaction temperature is comparatively as about 550 ° C. to 750 ° C. Requires a high and hot heat source. Therefore, an indirect internal reforming SOFC is known in which a reformer is installed in the vicinity of the SOFC (a position that receives heat radiation from the SOFC) and the reformer is heated by radiant heat from the SOFC. Further, a combustible component-containing gas (anode off gas) discharged from the anode of the SOFC is combusted, and the reformer is heated using this combustion heat as a heat source.
間接内部改質型ＳＯＦＣについては特許文献１に記載される。
上記のように間接内部改質型ＳＯＦＣでは、ＳＯＦＣを熱源として改質器を加熱する。しかし、起動時においては、ＳＯＦＣの熱が期待できないため、ＳＯＦＣ以外の手段により改質触媒が活性を発現する温度まで触媒を昇温することが求められる。 As described above, in the indirect internal reforming SOFC, the reformer is heated using SOFC as a heat source. However, since the heat of the SOFC cannot be expected at the time of startup, it is required to raise the temperature of the catalyst to a temperature at which the reforming catalyst exhibits activity by means other than the SOFC.
電気ヒーターによって暖めた気体を改質触媒に供給することにより、改質触媒を加熱することが考えられる。しかし、これでは改質触媒を改質可能な温度まで加熱するまでに多大な電力を必要とするうえに、昇温に長時間を要する。 It is conceivable to heat the reforming catalyst by supplying a gas heated by an electric heater to the reforming catalyst. However, this requires a great amount of electric power before heating the reforming catalyst to a temperature at which reforming can be performed, and it takes a long time to raise the temperature.
また、間接内部改質型ＳＯＦＣでは通常運転時（定格運転時または部分負荷運転時）には改質に要する熱をＳＯＦＣの排熱によってまかなうことが可能だが、負荷変動や外乱等によって改質熱が不足する可能性があり、改質が不十分になり、改質器下流のＳＯＦＣに悪影響が及ぶ可能性もある。特に、灯油のような高次炭化水素を用いる場合、改質器から高次炭化水素がリークすると、炭素析出によってＳＯＦＣの性能が劣化することがある。 Indirect internal reforming SOFCs can provide the heat required for reforming by exhaust heat of SOFC during normal operation (at rated operation or partial load operation). May be insufficient, the reforming may be insufficient, and the SOFC downstream of the reformer may be adversely affected. In particular, when a higher order hydrocarbon such as kerosene is used, if the higher order hydrocarbon leaks from the reformer, the performance of the SOFC may deteriorate due to carbon deposition.
本発明の目的は、起動時間の短縮が可能で、通常運転時においてより安定に運転できる間接内部改質型ＳＯＦＣを提供することである。 An object of the present invention is to provide an indirect internal reforming SOFC that can shorten the startup time and can be operated more stably during normal operation.
本発明の別の目的は、このような間接内部改質型ＳＯＦＣを好適に起動することのできる方法を提供することである。 Another object of the present invention is to provide a method capable of suitably starting such an indirect internal reforming SOFC.
本発明により、
分子中に炭素と水素を含む燃料を改質する改質反応管と、
可燃物を燃焼させて燃焼ガスを発生させるバーナーと、
該バーナーに接続された、該燃焼ガスを排気する複数の排気孔を管壁に有する排気管と、
該改質反応管から得られる改質ガスを用いて発電する固体酸化物形燃料電池を有し、
該排気管が、該排気孔から排出される燃焼ガスが該改質反応管に当たる位置に配され、
該改質反応管が固体酸化物形燃料電池から熱輻射を受ける位置に配された
間接内部改質型固体酸化物形燃料電池
が提供される。
According to the present invention,
A reforming reaction tube for reforming a fuel containing carbon and hydrogen in the molecule;
A burner that burns combustibles and generates combustion gases;
An exhaust pipe connected to the burner and having a plurality of exhaust holes in the pipe wall for exhausting the combustion gas;
A solid oxide fuel cell that generates power using the reformed gas obtained from the reforming reaction tube;
The exhaust pipe is disposed at a position where the combustion gas discharged from the exhaust hole hits the reforming reaction pipe;
The reforming reaction tube is disposed at a position to receive heat radiation from the solid oxide fuel cell.
An indirect internal reforming solid oxide fuel cell is provided.
前記改質反応管が、分子中に炭素と水素を含む燃料を水蒸気改質する水蒸気改質能を有する触媒を収容することが好ましい。 The reforming reaction tube preferably contains a catalyst having a steam reforming ability for steam reforming a fuel containing carbon and hydrogen in the molecule .
上記間接内部改質型固体酸化物形燃料電池において、前記改質反応管と排気管がいずれも直管であり、
該改質反応管を複数有し、
該改質反応管および排気管が互いに平行に配置されたことが好ましい。
In the indirect internal reforming solid oxide fuel cell , both the reforming reaction tube and the exhaust tube are straight tubes,
A plurality of the reforming reaction tubes;
The reforming reaction tube and the exhaust tube are preferably arranged in parallel to each other.
本発明により、
上記間接内部改質型固体酸化物形燃料電池を起動する方法であって、
前記バーナーで燃焼を行い、前記排気孔から排出される燃焼ガスを前記改質反応管に当てることによって、改質反応管を加熱する工程、
改質反応管が改質可能な温度になったら、分子中に炭素と水素を含む燃料を改質反応管に供給して改質ガスを製造し、改質ガスを前記固体酸化物形燃料電池に供給する工程、
固体酸化物形燃料電池が発電可能な温度になったら発電を開始し、発電に伴う発熱によって固体酸化物形燃料電池を加熱する工程、および、
固体酸化物形燃料電池からの熱によって改質反応管が加熱されて改質に必要な熱がまかなえるようになったら、前記バーナーの燃焼を停止する工程
を有する間接内部改質型固体酸化物形燃料電池の起動方法
が提供される。
According to the present invention,
A method of starting the indirect internal reforming solid oxide fuel cell,
A step of heating the reforming reaction tube by performing combustion with the burner and applying a combustion gas discharged from the exhaust hole to the reforming reaction tube;
When the reforming reaction tube reaches a reformable temperature, fuel containing carbon and hydrogen in the molecule is supplied to the reforming reaction tube to produce reformed gas, and the reformed gas is used as the solid oxide fuel cell. The process of supplying to
Starting the power generation when the solid oxide fuel cell reaches a temperature capable of generating power, and heating the solid oxide fuel cell by heat generated by the power generation; and
A step of stopping combustion of the burner when the reforming reaction tube is heated by the heat from the solid oxide fuel cell and the heat necessary for the reforming can be provided
A method for starting an indirect internal reforming solid oxide fuel cell is provided.
本発明により、起動時間の短縮が可能で、通常運転時においてより安定に運転できる間接内部改質型ＳＯＦＣが提供される。 The present invention provides an indirect internal reforming SOFC that can shorten the startup time and can be operated more stably during normal operation.
本発明により、このような間接内部改質型ＳＯＦＣを好適に起動することのできる方法が提供される。 The present invention provides a method capable of suitably starting such an indirect internal reforming SOFC.
本発明で用いる改質器は、分子中に炭素と水素を含む燃料（本明細書において炭化水素系燃料という）を改質する改質反応管と、可燃物を燃焼させて燃焼ガスを発生させるバーナー（以下場合により、燃焼ガス発生用バーナーと称す。）と、このバーナーの燃焼ガスを排気する排気管とを有する。 The reformer used in the present invention generates a combustion gas by combusting combustible materials and a reforming reaction tube that reforms a fuel containing carbon and hydrogen in its molecule (referred to herein as a hydrocarbon-based fuel ) . It has a burner (hereinafter, referred to as a combustion gas generating burner) and an exhaust pipe for exhausting the combustion gas of this burner.
改質反応管には、炭化水素系燃料が供給される。改質反応管において、炭化水素系燃料が改質され、水素を含む改質ガスが得られる。 A hydrocarbon-based fuel is supplied to the reforming reaction tube. In the reforming reaction tube, the hydrocarbon-based fuel is reformed to obtain a reformed gas containing hydrogen.
燃焼ガス発生用バーナーには可燃物と空気等の酸素含有ガスが供給され、可燃物が燃焼して燃焼ガスが発生する。 The burner for generating combustion gas is supplied with combustible material and oxygen-containing gas such as air, and the combustible material is burned to generate combustion gas.
排気管は燃焼ガス発生用バーナーに接続され、このバーナーの燃焼ガスが導入可能とされる。排気管は、その管壁に燃焼ガスを排気する複数の排気孔を有する。排気管は、排気孔から排出される燃焼ガスによって改質反応管が加熱されることができる位置に配置される。 The exhaust pipe is connected to a burner for generating combustion gas, and the combustion gas of this burner can be introduced. The exhaust pipe has a plurality of exhaust holes for exhausting combustion gas on the pipe wall. The exhaust pipe is disposed at a position where the reforming reaction pipe can be heated by the combustion gas discharged from the exhaust hole.
本発明の間接内部改質型固体酸化物形燃料電池は、上述の改質反応管、燃焼ガス発生用バーナーおよび排気管に加えて、上記改質ガスを用いて発電するＳＯＦＣを有する。改質反応管は、ＳＯＦＣから熱輻射を受ける位置に配される。改質反応管、燃焼ガス発生用バーナー、排気管およびＳＯＦＣを一つの容器（モジュール容器）に収め、モジュールとすることができる。 The indirect internal reforming solid oxide fuel cell of the present invention has an SOFC that generates power using the reformed gas, in addition to the reforming reaction tube, the combustion gas generating burner, and the exhaust tube. The reforming reaction tube is disposed at a position that receives heat radiation from the SOFC. A reforming reaction tube, a combustion gas generating burner, an exhaust pipe, and an SOFC are housed in a single container (module container) to form a module.
〔炭化水素系燃料〕
炭化水素系燃料としては、改質ガスの原料としてＳＯＦＣの分野で公知の、分子中に炭素と水素を含む（酸素など他の元素を含んでもよい）化合物もしくはその混合物から適宜選んで用いることができ、炭化水素類、アルコール類など分子中に炭素と水素を有する化合物を用いることができる。例えばメタン、エタン、プロパン、ブタン、天然ガス、ＬＰＧ、都市ガス、ガソリン、ナフサ、灯油、軽油等の炭化水素燃料、また、メタノール、エタノール等のアルコール、ジメチルエーテル等のエーテル等である。
[Hydrocarbon fuel]
As the hydrocarbon-based fuel, as a reformed gas raw material, a compound known from the field of SOFC, containing carbon and hydrogen (may contain other elements such as oxygen) or a mixture thereof, or a mixture thereof may be used as appropriate. And compounds having carbon and hydrogen in the molecule such as hydrocarbons and alcohols can be used. For example, hydrocarbon fuels such as methane, ethane, propane, butane, natural gas, LPG, city gas, gasoline, naphtha, kerosene, and light oil, alcohols such as methanol and ethanol, ethers such as dimethyl ether, and the like.
なかでも灯油は工業用としても民生用としても入手容易であり、その取り扱いも容易である点で、好ましい。また、灯油の改質は比較的高い温度で行われるため起動に比較的長い時間を要し、また炭素析出の可能性も比較的高い。このため、炭化水素系燃料に灯油を用いる場合、本発明の効果が顕著である。 Of these, kerosene is preferable because it is easily available for industrial use and for consumer use, and is easy to handle. Further, since the kerosene is reformed at a relatively high temperature, it takes a relatively long time to start up, and the possibility of carbon deposition is also relatively high. For this reason, when kerosene is used for hydrocarbon fuel, the effect of the present invention is remarkable.
〔可燃物（燃焼ガス発生用バーナー燃料）〕
本発明では、起動時などにおいて、改質反応管を加熱するための熱源として、燃焼ガス発生用バーナーによる燃焼の熱を利用する。燃焼ガス発生用バーナーで燃焼させる可燃物は、バーナーで燃焼可能なものから適宜選ぶことができる。取り扱いの容易性の観点から、気体または液体の可燃物を用いることが好ましい。
[Combustible material (burner fuel for generating combustion gas)]
In the present invention, the heat of combustion by the burner for generating a combustion gas is used as a heat source for heating the reforming reaction tube at the time of startup or the like. The combustible material to be combusted by the combustion gas generating burner can be appropriately selected from those combustible by the burner. From the viewpoint of ease of handling, it is preferable to use a gas or liquid combustible material.
燃焼ガス発生用バーナーで燃焼させる可燃物に、改質の原料として用いる炭化水素系燃料と同種のものを用いると、供給源が一つですむので好ましい。 It is preferable to use the same type of hydrocarbon-based fuel as the reforming raw material for the combustibles to be combusted by the combustion gas generating burner because only one supply source is required.
〔改質反応管〕
改質反応管の内部で炭化水素系燃料が改質される。改質反応管は、改質反応を促進する触媒を収容することができる。
[Reforming reaction tube]
The hydrocarbon fuel is reformed inside the reforming reaction tube. The reforming reaction tube can accommodate a catalyst that promotes the reforming reaction.
間接内部改質型ＳＯＦＣでは、部分酸化改質より水蒸気改質の方が、ＳＯＦＣによる発電に、より好適な改質ガス組成を得ることができる。このため、改質反応管において水蒸気改質またはオートサーマルリフォーミング（水蒸気改質と部分酸化改質の両者を行う）を行うことが好ましい。オートサーマルリフォーミングにおいても、水蒸気改質が支配的になるようにされ、従って改質反応はオーバーオールで吸熱になる。そして、改質反応に必要な熱がＳＯＦＣから供給される。改質反応管は、ＳＯＦＣから熱輻射を受ける位置に配置される。 In an indirect internal reforming SOFC, steam reforming can provide a reformed gas composition more suitable for power generation by SOFC than partial oxidation reforming. Therefore, it is preferable to perform steam reforming or autothermal reforming (performing both steam reforming and partial oxidation reforming) in the reforming reaction tube. In autothermal reforming, steam reforming is dominant, and therefore the reforming reaction becomes endothermic in overall. Then, heat necessary for the reforming reaction is supplied from the SOFC. The reforming reaction tube is disposed at a position that receives heat radiation from the SOFC.
改質反応管には、水蒸気改質を行う場合（オートサーマルリフォーミングを行う場合を含む）には水蒸気が供給され、部分酸化改質を行う場合（オートサーマルリフォーミングを行う場合を含む）には空気等の酸素含有ガスが供給される。 Steam is supplied to the reforming reaction tube when steam reforming (including autothermal reforming) is performed, and when partial oxidation reforming (including autothermal reforming) is performed. Is supplied with an oxygen-containing gas such as air.
灯油などの常温常圧（２５℃、０．１０１ＭＰａ）で液状の炭化水素系燃料を用いる場合、改質反応管に気体状の炭化水素系燃料を供給するために、改質反応管の上流（炭化水素系燃料の流れについて）に炭化水素系燃料を気化する気化器を設けることができる。また改質反応管に水蒸気を供給するために、改質反応管の上流（水の流れについて）に水を気化する気化器を設けることができる。気化の熱源としては、例えばＳＯＦＣから排出されるガスを用いることができる。また、ＳＯＦＣからの輻射熱を用いることもでき、この場合は気化器を間接内部改質型ＳＯＦＣの内部（モジュール容器内部）に設ける。起動時など、ＳＯＦＣの温度が低く、これらの熱では気化熱が足りない場合は、例えば、別途設けた補助バーナーにて燃焼熱を発生させ、その熱を利用して気化を行うことができる。 When using a liquid hydrocarbon fuel at room temperature and normal pressure (25 ° C., 0.101 MPa) such as kerosene, in order to supply a gaseous hydrocarbon fuel to the reforming reaction tube, upstream of the reforming reaction tube ( A vaporizer for vaporizing the hydrocarbon fuel can be provided in the flow of the hydrocarbon fuel). Further, in order to supply water vapor to the reforming reaction tube, a vaporizer for vaporizing water can be provided upstream of the reforming reaction tube (with respect to the flow of water). As a heat source for vaporization, for example, a gas discharged from SOFC can be used. Also, radiant heat from the SOFC can be used. In this case, a vaporizer is provided inside the indirect internal reforming SOFC (inside the module container). When the temperature of the SOFC is low such as at the time of start-up and the heat of vaporization is insufficient, for example, combustion heat can be generated by an auxiliary burner provided separately, and vaporization can be performed using the heat.
また、改質反応管への供給物を予熱することもでき、そのための予熱器が必要に応じて適宜備えられる。予熱の熱源としては、例えばＳＯＦＣから排出されるガスを用いることができ、また、ＳＯＦＣからの輻射熱を用いることもできる。起動時など、ＳＯＦＣの温度が低く、これらの熱では所望の予熱を行えない場合は、例えば、別途設けた補助バーナーにて燃焼熱を発生させ、その熱を利用して気化を行うことができる。 In addition, the feed to the reforming reaction tube can be preheated, and a preheater for that purpose is provided as needed. As a heat source for preheating, for example, gas discharged from SOFC can be used, and radiant heat from SOFC can also be used. If the SOFC temperature is low, such as during startup, and the desired preheating cannot be performed with these heats, for example, combustion heat can be generated by an auxiliary burner provided separately, and the heat can be used for vaporization. .
炭化水素系燃料、水蒸気、空気等の酸素含有ガスなど、改質反応管への供給物を昇圧するコンプレッサー、ブロワ、ポンプなどの昇圧手段が必要に応じて適宜備えられる。 Pressure boosting means such as a compressor, a blower, and a pump for boosting the supply to the reforming reaction tube, such as hydrocarbon-based fuel, oxygen-containing gas such as water vapor and air, are appropriately provided as necessary.
改質反応管として、直管を用いることができるがその限りではなく、場合によっては螺旋状の管や蛇腹状の管を用いることもできる。また、改質反応管は単管（一重管）であってもよく、二重管構造を有していてもよい。改質反応管の断面は円に限らず、従って改質反応管に、円管の他にも方形管などを適宜用いることができる。 As the reforming reaction tube, a straight tube can be used, but not limited thereto, and in some cases, a spiral tube or a bellows tube can also be used. The reforming reaction tube may be a single tube (single tube) or may have a double tube structure. The cross section of the reforming reaction tube is not limited to a circle, and accordingly, a rectangular tube or the like can be used as the reforming reaction tube in addition to the circular tube.
改質反応管の温度を監視するために、温度検知手段を適宜設けることができる。例えば、改質反応管に改質触媒が充填されてなる改質触媒層の中に、熱電対を設けることができる。 In order to monitor the temperature of the reforming reaction tube, temperature detection means can be provided as appropriate. For example, a thermocouple can be provided in the reforming catalyst layer in which the reforming reaction tube is filled with the reforming catalyst.
〔燃焼ガス発生用バーナー〕
燃焼ガス発生用バーナーには、使用する可燃物を燃焼させることのできる公知のバーナーを適宜利用することができる。
[Burner for generating combustion gas]
As the combustion gas generating burner, a known burner capable of burning the combustible material to be used can be appropriately used.
灯油などの常温常圧（２５℃、０．１０１ＭＰａ）で液状の可燃物を用いる場合、燃焼ガス発生用バーナーに気体状の可燃物を供給するために、燃焼ガス発生用バーナーの上流（可燃物の流れについて）に可燃物を気化する気化器を設けることができる。気化の熱源としては、例えばＳＯＦＣから排出されるガスを用いることができる。また、ＳＯＦＣからの輻射熱を用いることもでき、この場合は気化器を間接内部改質型ＳＯＦＣの内部（モジュール容器内部）に設ける。起動時など、ＳＯＦＣの温度が低く、これらの熱では気化熱が足りない場合は、例えば、別途設けた補助バーナーにて燃焼熱を発生させ、その熱を利用して気化を行うことができる。 When using a liquid combustible material such as kerosene at room temperature and normal pressure (25 ° C., 0.101 MPa), in order to supply the gaseous combustible material to the combustion gas generating burner, upstream of the combustion gas generating burner (combustible material A vaporizer for vaporizing combustible materials can be provided. As a heat source for vaporization, for example, a gas discharged from SOFC can be used. Also, radiant heat from the SOFC can be used. In this case, a vaporizer is provided inside the indirect internal reforming SOFC (inside the module container). When the temperature of the SOFC is low such as at the time of start-up and the heat of vaporization is insufficient, for example, combustion heat can be generated by an auxiliary burner provided separately, and vaporization can be performed using the heat.
あるいは、液状の可燃物をそのまま燃焼ガス発生用バーナーにて燃焼させることができる。 Alternatively, the liquid combustible material can be directly burned by a combustion gas generating burner.
燃焼ガス発生用バーナーの着火のために、適宜イグナイターを設けることができる。 An igniter can be provided as appropriate for the ignition of the combustion gas generating burner.
燃焼ガス発生用バーナーに液状の可燃物を供給して燃焼させる場合、例えば、石油ストーブに用いられるイグナイターと同様のイグナイターを用いて着火させることができる。 When a liquid combustible material is supplied to the combustion gas generating burner and burned, it can be ignited using, for example, an igniter similar to an igniter used in an oil stove.
燃焼ガス発生用バーナーは、間接内部改質型ＳＯＦＣモジュールの内部にあっても、外部にあってもよい。燃焼ガス発生用バーナーの燃焼ガスからの熱ロスを抑える観点からは、燃焼ガス発生用バーナーがモジュール容器内部にあることが好ましく、燃焼ガス発生用バーナーが排気管に極力近いことが好ましい。 The burner for generating combustion gas may be inside or outside the indirect internal reforming SOFC module. From the viewpoint of suppressing the heat loss from the combustion gas of the combustion gas generating burner, the combustion gas generating burner is preferably inside the module container, and the combustion gas generating burner is preferably as close as possible to the exhaust pipe.
気体状可燃物（液状可燃物が気化されたものでもよい）と酸素含有ガスを燃焼ガス発生用バーナーに供給する際、必要に応じてこれらを予混合したうえで燃焼ガス発生用バーナーに供給することができる。また、酸素含有ガスの流れの中に液状可燃物を滴下して燃焼させることもできる。 When supplying a gaseous combustible material (which may be a vaporized liquid combustible material) and an oxygen-containing gas to the combustion gas generation burner, they are premixed as necessary and then supplied to the combustion gas generation burner be able to. Moreover, a liquid combustible material can be dropped into the flow of oxygen-containing gas and burned.
空気等の酸素含有ガスや可燃物を燃焼ガス発生用バーナーに供給するために、これらを昇圧するコンプレッサー、ブロワ、ポンプなどの昇圧手段が必要に応じて適宜備えられる。 In order to supply an oxygen-containing gas such as air or a combustible material to the burner for generating combustion gas, a pressure increasing means such as a compressor, a blower or a pump for increasing the pressure is appropriately provided as necessary.
〔排気管〕
排気管に燃焼ガス発生用バーナーの燃焼ガスが供給され、その燃焼ガスが排気管の管壁に設けられた排気孔から排出される。排気孔は管壁に設けられた貫通孔である。排気孔から排出される燃焼ガスによって改質反応管が加熱される。
〔Exhaust pipe〕
The combustion gas of the combustion gas generating burner is supplied to the exhaust pipe, and the combustion gas is discharged from the exhaust hole provided in the pipe wall of the exhaust pipe. The exhaust hole is a through hole provided in the tube wall. The reforming reaction tube is heated by the combustion gas discharged from the exhaust hole.
排気管として、直管を用いることができるがその限りではなく、場合によっては螺旋状の管や蛇腹状の管を用いることもできる。例えば、一端が閉じられた直管の側壁に排気孔を複数設けることができる。排気管の断面は円に限らず、従って排気管に、円管の他にも方形管などを適宜用いることができる。 As the exhaust pipe, a straight pipe can be used, but not limited thereto, and in some cases, a spiral pipe or a bellows pipe can also be used. For example, a plurality of exhaust holes can be provided on the side wall of a straight pipe whose one end is closed. The cross section of the exhaust pipe is not limited to a circle, and therefore, a square pipe or the like can be used as appropriate for the exhaust pipe in addition to the circular pipe.
排気管は、排気孔から排出される燃焼ガスによって改質反応管を加熱可能な位置に配される。 The exhaust pipe is disposed at a position where the reforming reaction pipe can be heated by the combustion gas discharged from the exhaust hole.
排気孔が改質管に向かう方向を向いていることが好ましい。これによって排気孔から排出された燃焼ガスが改質反応管に当たるようにすることができ、改質反応管を効率よく加熱することが可能となる。 It is preferable that the exhaust holes face the direction toward the reforming pipe. As a result, the combustion gas discharged from the exhaust hole can be made to strike the reforming reaction tube, and the reforming reaction tube can be efficiently heated.
改質反応管と排気管にいずれも直管を用い、改質反応管および排気管を互いに平行に配置することが、排気孔から排出される燃焼ガスによって改質反応管を一様に効率よく加熱する観点から好ましい。 By using straight pipes for the reforming reaction pipe and the exhaust pipe, and arranging the reforming reaction pipe and the exhaust pipe in parallel with each other, the reforming reaction pipe is uniformly and efficiently used by the combustion gas discharged from the exhaust holes. It is preferable from the viewpoint of heating.
ＳＯＦＣから改質反応管への熱移動を効率的に行うために、複数の改質反応管を用いることが好ましい。この場合も、いずれの改質反応管も直管とし、排気管も直管とし、これら全ての管が互いに平行に配置することが、排気孔から排出される燃焼ガスによって改質反応管を一様に効率よく加熱する観点から好ましい。 In order to efficiently perform heat transfer from the SOFC to the reforming reaction tube, it is preferable to use a plurality of reforming reaction tubes. In this case as well, all the reforming reaction tubes are straight pipes, the exhaust pipes are also straight pipes, and all these pipes are arranged in parallel to each other, so that the reforming reaction pipes are unified by the combustion gas discharged from the exhaust holes. It is preferable from the viewpoint of efficient heating.
排気管の数は、加熱しようとする改質反応管を効率よく加熱することができるように、適宜決めることができる。排気管が複数ある場合、一つのバーナーから燃焼ガスを分岐して各反応管に燃焼ガスを供給することができる。 The number of exhaust pipes can be determined as appropriate so that the reforming reaction pipe to be heated can be efficiently heated. When there are a plurality of exhaust pipes, the combustion gas can be branched from one burner and supplied to each reaction pipe.
改質反応管を極力一様に加熱するために、一つの排気管に排気孔を複数設ける。特に、改質反応管を軸方向に極力一様に加熱するために、改質反応管と平行に配した排気管の軸方向に複数の排気孔を設けることが好ましい。また一つの排気管のまわりに複数の改質反応管が存在する場合、各改質反応管に向けて燃焼ガスを排出できるように、排気管の周方向に排気孔を複数設けることもできる。 In order to heat the reforming reaction tube as uniformly as possible, a plurality of exhaust holes are provided in one exhaust pipe. In particular, in order to heat the reforming reaction tube as uniformly as possible in the axial direction, it is preferable to provide a plurality of exhaust holes in the axial direction of the exhaust pipe arranged in parallel with the reforming reaction tube. When a plurality of reforming reaction tubes exist around one exhaust pipe, a plurality of exhaust holes can be provided in the circumferential direction of the exhaust pipe so that the combustion gas can be discharged toward each reforming reaction tube.
複数の排気孔の大きさ（孔径）は、互いに同一である必要はない。また一つの排気管の軸方向に三つ以上の排気孔を設ける場合、排気孔を等間隔で設ける必要もない。排気孔の大きさや配置は、改質反応管を極力一様に効率よく加熱する観点から、適宜決めればよい。 The sizes (hole diameters) of the plurality of exhaust holes need not be the same. Further, when three or more exhaust holes are provided in the axial direction of one exhaust pipe, it is not necessary to provide the exhaust holes at equal intervals. The size and arrangement of the exhaust holes may be appropriately determined from the viewpoint of heating the reforming reaction tube as uniformly and efficiently as possible.
〔改質触媒〕
改質反応管において水蒸気改質またはオートサーマルリフォーミングを行うために、改質触媒として水蒸気改質触媒やオートサーマルリフォーミング触媒（水蒸気改質能および部分酸化改質能を有する触媒）を用いることができる。すなわち、改質触媒として炭化水素系燃料を水蒸気改質する水蒸気改質能を有する触媒を用いることができる。
[Reforming catalyst]
To perform steam reforming or autothermal reforming in the reforming reaction tube, use a steam reforming catalyst or autothermal reforming catalyst (a catalyst having steam reforming ability and partial oxidation reforming ability) as a reforming catalyst. Can do. That is, a catalyst having steam reforming ability for steam reforming hydrocarbon fuel can be used as the reforming catalyst.
水蒸気改質触媒、オートサーマルリフォーミング触媒のいずれも、公知のそれぞれの触媒から適宜選んで使用することができる。水蒸気改質触媒の例としてはルテニウム系およびニッケル系、オートサーマル改質触媒の例としてはロジウム系触媒を挙げることができる。また、オートサーマル改質触媒については、特開２０００−８４４１０号公報、特開２００１−８０９０７号公報、「２０００ Ａｎｎｕａｌ Ｐｒｏｇｒｅｓｓ Ｒｅｐｏｒｔｓ（Ｏｆｆｉｃｅ ｏｆ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ）」、米国特許５，９２９，２８６号公報などに記載されるようにニッケルおよび白金、ロジウム、ルテニウムなどの貴金属等がこれら活性を持つことが知られている。触媒形状としては、ペレット状、ハニカム状、その他従来公知の形状を適宜採用することができる。 Both the steam reforming catalyst and the autothermal reforming catalyst can be used by appropriately selecting from known respective catalysts. Examples of the steam reforming catalyst include ruthenium-based and nickel-based catalysts, and examples of the autothermal reforming catalyst include rhodium-based catalysts. As for the autothermal reforming catalyst, JP 2000-84410 A, JP 2001-80907 A, “2000 Annual Progress Reports (Office of Transportation Technologies)”, US Pat. No. 5,929,286, and the like. As described, nickel and noble metals such as platinum, rhodium and ruthenium are known to have these activities. As the catalyst shape, a pellet shape, a honeycomb shape, or other conventionally known shapes can be appropriately employed.
なお、改質反応管において部分酸化改質を行う場合（水蒸気改質は行わない）、部分酸化改質反応は発熱反応なので、基本的には改質反応管を加熱する必要はない。しかし、部分酸化改質触媒を用いる場合には、部分酸化改質触媒の活性が発現する温度まで触媒を昇温する必要があり、そのために排気管の排気孔から排出される燃焼ガスを用いて改質反応管を加熱することができる。 When partial oxidation reforming is performed in the reforming reaction tube (steam reforming is not performed), the partial oxidation reforming reaction is an exothermic reaction, and thus it is basically unnecessary to heat the reforming reaction tube. However, when a partial oxidation reforming catalyst is used, it is necessary to raise the temperature of the catalyst to a temperature at which the activity of the partial oxidation reforming catalyst is manifested. For this purpose, the combustion gas discharged from the exhaust hole of the exhaust pipe is used. The reforming reaction tube can be heated.
〔改質条件〕
以下、水蒸気改質、オートサーマル改質のそれぞれにつき、発電時の条件について説明する。
[Reforming conditions]
Hereinafter, conditions during power generation will be described for each of steam reforming and autothermal reforming.
水蒸気改質の反応温度は例えば４５０℃〜９００℃、好ましくは５００℃〜８５０℃、さらに好ましくは５５０℃〜８００℃の範囲とすることができる。 The reaction temperature of the steam reforming can be, for example, in the range of 450 ° C to 900 ° C, preferably 500 ° C to 850 ° C, and more preferably 550 ° C to 800 ° C.
反応系に導入するスチームの量は、改質原料に含まれる炭素原子モル数に対する水分子モル数の比（スチーム／カーボン比）として定義され、この値は好ましくは０．５〜１０、より好ましくは１〜７、さらに好ましくは２〜５とされる。改質原料が液体の場合、この時の空間速度（ＬＨＳＶ）は改質原料の液体状態での流速をＡ（Ｌ／ｈ）、触媒層体積をＢ（Ｌ）とした場合Ａ／Ｂで表すことができ、この値は好ましくは０．０５〜２０ｈ-1、より好ましくは０．１〜１０ｈ-1、さらに好ましくは０．２〜５ｈ-1の範囲で設定される。 The amount of steam introduced into the reaction system is defined as the ratio of the number of moles of water molecules to the number of moles of carbon atoms contained in the reforming raw material (steam / carbon ratio), and this value is preferably 0.5 to 10, more preferably. Is 1-7, more preferably 2-5. When the reforming raw material is liquid, the space velocity (LHSV) at this time is represented by A / B when the flow rate in the liquid state of the reforming raw material is A (L / h) and the catalyst layer volume is B (L). This value is preferably set in the range of 0.05 to 20 h −1 , more preferably 0.1 to 10 h −1 , still more preferably 0.2 to 5 h −1 .
オートサーマル改質反応の反応温度は例えば４５０℃〜９００℃、好ましくは５００℃〜８５０℃、さらに好ましくは５５０℃〜８００℃の範囲で設定される。 The reaction temperature of the autothermal reforming reaction is set in the range of, for example, 450 ° C to 900 ° C, preferably 500 ° C to 850 ° C, and more preferably 550 ° C to 800 ° C.
オートサーマル改質ではスチームの他に酸素含有ガスが原料に添加される。酸素含有ガスとしては純酸素でも良いが入手容易性から空気が好ましい。所望の発熱量が得られるように酸素含有ガスを添加することができる。酸素含有ガスの添加量は、改質原料に含まれる炭素原子モル数に対する酸素分子モル数の比（酸素／カーボン比）として好ましくは０．０５〜１、より好ましくは０．１〜０．７５、さらに好ましくは０．２〜０．６とされる。改質原料が液体の場合、この時の空間速度（ＬＨＳＶ）は、好ましくは０．１〜３０、より好ましくは０．５〜２０、さらに好ましくは１〜１０の範囲で選ばれる。反応系に導入するスチームの量は、スチーム／カーボン比として好ましくは０．３〜１０、より好ましくは０．５〜５、さらに好ましくは１〜３とされる。 In autothermal reforming, an oxygen-containing gas is added to the raw material in addition to steam. The oxygen-containing gas may be pure oxygen, but air is preferred because of its availability. An oxygen-containing gas can be added so as to obtain a desired calorific value. The addition amount of the oxygen-containing gas is preferably 0.05 to 1, more preferably 0.1 to 0.75, as a ratio of the number of moles of oxygen molecules to the number of moles of carbon atoms contained in the reforming raw material (oxygen / carbon ratio). More preferably, it is 0.2 to 0.6. When the reforming raw material is liquid, the space velocity (LHSV) at this time is preferably selected in the range of 0.1 to 30, more preferably 0.5 to 20, and still more preferably 1 to 10. The amount of steam introduced into the reaction system is preferably 0.3 to 10, more preferably 0.5 to 5, and still more preferably 1 to 3 as a steam / carbon ratio.
〔ＳＯＦＣ〕
改質器から、特には改質反応管から得られる改質ガスが、ＳＯＦＣのアノード（燃料極）に供給される。一方、ＳＯＦＣのカソード（空気極）には空気などの酸素含有ガスが供給される。発電に伴いＳＯＦＣが発熱し、その熱がＳＯＦＣから改質器へと輻射伝熱する。こうしてＳＯＦＣ排熱が改質反応の吸熱に利用される。ガスの取り合い等は適宜配管等を用いて行う。
[SOFC]
The reformed gas obtained from the reformer, particularly from the reforming reaction tube, is supplied to the anode (fuel electrode) of the SOFC. On the other hand, an oxygen-containing gas such as air is supplied to the cathode (air electrode) of the SOFC. The SOFC generates heat with power generation, and the heat is radiated from the SOFC to the reformer. Thus, the SOFC exhaust heat is utilized for the endothermic reaction of the reforming reaction. Gas exchange and the like are appropriately performed using piping or the like.
ＳＯＦＣとしては、平板型や円筒型などの各種形状の公知のＳＯＦＣを適宜選んで採用できる。ＳＯＦＣでは、一般的に、酸素イオン導電性セラミックスもしくはプロトンイオン導電性セラミックスが電解質として利用される。 As the SOFC, known SOFCs of various shapes such as a flat plate type and a cylindrical type can be appropriately selected and employed. In the SOFC, oxygen ion conductive ceramics or proton ion conductive ceramics are generally used as an electrolyte.
ＳＯＦＣは単セルであってもよいが、実用上は複数の単セルを配列させたスタック（円筒型の場合はバンドルと呼ばれることもあるが、本明細書でいうスタックはバンドルも含む）が好ましく用いられる。この場合、スタックは１つでも複数でもよい。ＳＯＦＣ、および改質器を缶体等の容器の中に収容してモジュール化することができる。 The SOFC may be a single cell, but in practice, a stack in which a plurality of single cells are arranged (in the case of a cylindrical type, sometimes referred to as a bundle, but the stack in this specification includes a bundle) is preferable. Used. In this case, one or more stacks may be used. The SOFC and the reformer can be accommodated in a container such as a can and modularized.
改質反応管は、ＳＯＦＣから改質反応管の外表面へと直接輻射伝熱可能な位置に配することが好ましい。従って改質反応管とＳＯＦＣとの間には実質的に遮蔽物は配置しないこと、つまり改質反応管とＳＯＦＣとの間は空隙にすることが好ましい。また、改質反応管とＳＯＦＣとの距離は極力短くすることが好ましい。 The reforming reaction tube is preferably arranged at a position where direct heat transfer from the SOFC to the outer surface of the reforming reaction tube is possible. Therefore, it is preferable that a shielding object is not substantially disposed between the reforming reaction tube and the SOFC, that is, a gap is provided between the reforming reaction tube and the SOFC. Moreover, it is preferable to shorten the distance between the reforming reaction tube and the SOFC as much as possible.
各供給ガスは必要に応じて適宜予熱されたうえで改質反応管もしくはＳＯＦＣに供給される。 Each supply gas is appropriately preheated as necessary, and then supplied to the reforming reaction tube or the SOFC.
本発明では、いわば、固体酸化物型燃料電池の近傍に設置された多管型改質器の内の一部の管をバーナー燃焼ガスの排気管と置き換える構造とした改質器を用いる。排気管は、例えば片側を封じて側壁面にいくつかの穴を開けた管構造とし、その穴より燃焼ガスがでる構造としている。 In the present invention, a reformer having a structure in which a part of the multi-tube reformer installed in the vicinity of the solid oxide fuel cell is replaced with an exhaust pipe for burner combustion gas is used. The exhaust pipe has, for example, a structure in which one side is sealed and several holes are formed in the side wall surface, and combustion gas is generated from the holes.
排気管より燃焼ガスが周囲に出、好ましくは排気管の周囲に平行に設置してある改質反応管が燃焼ガスの熱を受けとることにより、改質反応管が早期に均等に暖められることが可能となる。また、このような改質器を用いる場合、組み合わせる固体酸化物燃料電池の形状は特に問わなくてよく、任意の形状に対応可能となる。本発明においては、任意形状のＳＯＦＣに即した形状の改質反応管を用いることができ、それに対し軸方向に平行になるような排気管を用いることが可能である。 Combustion gas comes out from the exhaust pipe, and preferably the reforming reaction pipe installed in parallel around the exhaust pipe receives the heat of the combustion gas, so that the reforming reaction pipe can be warmed evenly at an early stage. It becomes possible. Further, when such a reformer is used, the shape of the solid oxide fuel cell to be combined is not particularly limited, and any shape can be supported. In the present invention, it is possible to use a reforming reaction tube having a shape in conformity with the SOFC having an arbitrary shape, and it is possible to use an exhaust pipe that is parallel to the axial direction.
〔起動運転〕
・可燃物（燃焼ガス発生用バーナーの燃料）を気化する場合
灯油などの常温常圧（２５℃、０．１０１ＭＰａ）で液状の可燃物を気化したうえで燃焼ガス発生用バーナーに供給する場合、起動運転においては燃焼ガス発生用バーナーで燃焼を行う前に、液状可燃物の気化器を液状可燃物を気化可能な温度まで加熱し、液状可燃物を気化することができる。このような場合には、燃焼ガス発生用バーナーとは別に補助バーナーを設け、補助バーナーで液状可燃物を燃焼してその熱を利用して液状可燃物用気化器を加熱することができる。具体的には、補助バーナーの燃焼ガスを液状可燃物用気化器に導くことができる。
[Start-up operation]
・ When vaporizing combustibles (fuel for combustion gas generation burner) When vaporizing liquid combustibles at room temperature and normal pressure (25 ° C, 0.101 MPa) such as kerosene and supplying it to the combustion gas generation burner, In the start-up operation, the liquid combustible material can be vaporized by heating the liquid combustible material vaporizer to a temperature at which the liquid combustible material can be vaporized before combustion by the combustion gas generating burner. In such a case, an auxiliary burner can be provided separately from the combustion gas generating burner, and the liquid combustible can be heated by using the auxiliary combustor to burn the liquid combustible and using the heat. Specifically, the combustion gas of the auxiliary burner can be led to the liquid combustible vaporizer.
補助バーナーによって液状可燃物用気化器を加熱し、液状可燃物を気化して燃焼ガス発生用バーナーに供給して燃焼させ、その燃焼熱によって改質反応管を加熱できる。改質反応管が改質可能な温度になったら炭化水素系燃料と必要に応じて水蒸気等を改質反応管に供給して改質ガスを製造し、改質ガスをＳＯＦＣに供給することができる。 The liquid combustible material vaporizer is heated by the auxiliary burner, and the liquid combustible material is vaporized and supplied to the combustion gas generating burner for combustion, and the reforming reaction tube can be heated by the combustion heat. When the reforming reaction tube reaches a reformable temperature, hydrocarbon-based fuel and steam as required are supplied to the reforming reaction tube to produce reformed gas, and the reformed gas is supplied to the SOFC. it can.
なお、炭化水素系燃料や水などの改質反応管への供給物を気化させる必要がある場合、これらを気化する気化器を加熱するためにも補助バーナーの燃焼熱を用いることができる。さらに、炭化水素系燃料や水などの改質反応管への供給物を予熱する場合も、この予熱のために補助バーナーの燃焼熱を利用することができる。排気管から排出され、改質反応管を加熱した後の燃焼ガスを用いて改質反応管への供給物の気化や予熱を行えることもある。 When it is necessary to vaporize the feed to the reforming reaction tube such as hydrocarbon fuel or water, the combustion heat of the auxiliary burner can be used to heat the vaporizer that vaporizes them. Furthermore, when preheating the feed to the reforming reaction tube such as hydrocarbon fuel or water, the combustion heat of the auxiliary burner can be used for this preheating. The combustion gas discharged from the exhaust pipe and heating the reforming reaction pipe may be used to vaporize or preheat the feed to the reforming reaction pipe.
ＳＯＦＣのアノードから排出されるアノードオフガス（発電を行っていない際には、アノードオフガスは実質的に改質ガスと同じである）を燃焼させた燃焼熱を用いてＳＯＦＣを加熱することができる。例えば、ＳＯＦＣから排出されるアノードオフガスをセル出口で燃焼させることにより、ＳＯＦＣを加熱することができる。同時に、アノードオフガスのセル出口での燃焼によって改質反応管を加熱することもできる。ＳＯＦＣのアノード出口近傍に着火のためにイグナイターを適宜設けることができる。あるいはアノードオフガスを間接内部改質型ＳＯＦＣモジュールの外部に取り出したうえで燃焼させ、その燃焼ガスを間接内部改質型ＳＯＦＣモジュール内に導いてＳＯＦＣを加熱すること、さらには改質反応管を加熱することもできる。 The SOFC can be heated using combustion heat obtained by burning anode off-gas discharged from the anode of the SOFC (when the power generation is not performed, the anode off-gas is substantially the same as the reformed gas). For example, the SOFC can be heated by burning the anode off-gas discharged from the SOFC at the cell outlet. At the same time, the reforming reaction tube can be heated by combustion of the anode off gas at the cell outlet. An igniter can be appropriately provided near the anode outlet of the SOFC for ignition. Alternatively, the anode off gas is taken out of the indirect internal reforming SOFC module and combusted, and the combustion gas is introduced into the indirect internal reforming SOFC module to heat the SOFC, and further the reforming reaction tube is heated. You can also
ＳＯＦＣが発電可能な温度になったら発電を開始し、発電に伴う発熱によってＳＯＦＣを加熱することができる。 When the SOFC reaches a temperature at which power generation is possible, power generation is started, and the SOFC can be heated by heat generated by power generation.
ＳＯＦＣからの熱によって改質反応管が加熱され、改質に必要な熱がまかなえるようになったら、燃焼ガス発生用バーナーの燃焼は停止することができる。 When the reforming reaction tube is heated by the heat from the SOFC and the heat necessary for reforming can be covered, the combustion of the combustion gas generating burner can be stopped.
・可燃物（燃焼ガス発生用バーナーの燃料）を気化しない場合
燃焼ガス発生用バーナーの燃料として用いる可燃物がもともと気体状である場合、あるいは液状の可燃物を液状のままで燃焼ガス発生用バーナーで燃焼させる場合、この可燃物を気化する必要がない。
・ When combustible material (fuel for combustion gas generation burner) is not vaporized When the combustible material used as the fuel for combustion gas generation burner is originally in the gaseous state, or when the liquid combustible material remains liquid, the combustion gas generation burner When burning with, this combustible material does not need to be vaporized.
この場合、起動運転の当初から燃焼ガス発生用バーナーで燃焼を行うことが可能である。燃焼ガス発生用バーナーで燃焼を行い、その燃焼ガスによって改質反応管を加熱し、改質反応管が改質可能な温度になったら炭化水素系燃料と水蒸気等を改質反応管に供給して改質ガスを製造し、改質ガスをＳＯＦＣに供給することができる。 In this case, it is possible to perform combustion with a combustion gas generating burner from the beginning of the starting operation. Combustion is performed with a combustion gas generating burner, and the reforming reaction tube is heated with the combustion gas. When the reforming reaction tube reaches a temperature at which reforming is possible, hydrocarbon fuel and steam are supplied to the reforming reaction tube. Thus, the reformed gas can be produced and the reformed gas can be supplied to the SOFC.
なお、炭化水素系燃料や水などの改質反応管への供給物を気化させる必要がある場合、これらを気化する気化器を加熱するために補助バーナーの燃焼熱を用いることができる。さらに、炭化水素系燃料や水などの改質反応管への供給物を予熱する場合も、この予熱のために補助バーナーの燃焼熱を利用することができる。排気管から排出され、改質反応管を加熱した後の燃焼ガスを用いて改質反応管への供給物の気化や予熱を行えることもある。 When it is necessary to vaporize the feed to the reforming reaction tube such as hydrocarbon fuel or water, the combustion heat of the auxiliary burner can be used to heat the vaporizer that vaporizes them. Furthermore, when preheating the feed to the reforming reaction tube such as hydrocarbon fuel or water, the combustion heat of the auxiliary burner can be used for this preheating. The combustion gas discharged from the exhaust pipe and heating the reforming reaction pipe may be used to vaporize or preheat the feed to the reforming reaction pipe.
ＳＯＦＣの加熱については、上述の可燃物（燃焼ガス発生用バーナーの燃料）を気化する場合におけるＳＯＦＣの加熱と同様に行うことができる。 The heating of the SOFC can be performed in the same manner as the heating of the SOFC in the case where the combustible material (fuel of the combustion gas generating burner) is vaporized.
〔通常運転〕
通常運転（定格運転や部分負荷運転）において、何らかの要因により、改質反応に必要な熱が不足した場合、燃焼ガス発生用バーナーを作動させ、排気孔から排出される燃焼ガスによって改質反応管を加熱することができる。
〔Normal operation〕
In normal operation (rated operation or partial load operation), if the heat required for the reforming reaction is insufficient for some reason, the combustion gas generation burner is activated and the reforming reaction tube is driven by the combustion gas discharged from the exhaust hole. Can be heated.
燃焼ガス発生用バーナーの燃料として用いる可燃物を気化する必要がある場合、この可燃物を気化する気化器を、通常運転時に常に加熱される個所に設けておくことができる。例えば、この気化器を間接内部改質型ＳＯＦＣモジュール内部に設けておくことができる。こうすることで、必要になった際にすぐに可燃物の気化を行うことが可能となる。 When it is necessary to vaporize the combustible material used as the fuel for the combustion gas generating burner, a vaporizer for vaporizing the combustible material can be provided at a location that is always heated during normal operation. For example, this vaporizer can be provided inside the indirect internal reforming SOFC module. By doing so, it becomes possible to vaporize combustibles immediately when necessary.
炭化水素系燃料と同種の可燃物を用いる場合には、炭化水素系燃料は気化されたうえで改質反応管に供給されるので、この気化された炭化水素系燃料を分岐して燃焼ガス発生用バーナーの燃料として用いることもできる。 When using the same type of combustible material as the hydrocarbon fuel, the hydrocarbon fuel is vaporized and then supplied to the reforming reaction tube. This vaporized hydrocarbon fuel is branched to generate combustion gas. It can also be used as fuel for industrial burners.
〔実施例１〕
図１に、本発明の間接内部改質型ＳＯＦＣの例を模式的に示す。ここでは炭化水素系燃料に灯油を用い、灯油を水蒸気改質する。バーナーでは気化した灯油を、空気を用いて燃焼させる。
[Example 1]
FIG. 1 schematically shows an example of the indirect internal reforming SOFC of the present invention. Here, kerosene is used as the hydrocarbon fuel, and the kerosene is steam reformed. The burner burns the vaporized kerosene using air.
ＳＯＦＣスタック１１から熱輻射を受けることのできる位置に複数の改質反応管１が配される。改質反応管は直管かつ単管であり、内部に水蒸気改質触媒が充填された触媒層を有する。改質反応管の一端（紙面右端）から予め気化された灯油と水蒸気が供給され、他端（紙面左端）から改質ガスが排出される。改質ガスは不図示の配管によってＳＯＦＣのアノードに供給される。
A plurality of reforming
燃焼ガス発生用バーナー２には、予め気化された灯油と空気が供給管５から供給される。バーナーに複数の排気管３が接続され、バーナーの燃焼ガスが排気管に導入される。排気管は一端（紙面左端）が閉じられ、他端（紙面右端）がバーナーに接続され、その側壁には軸方向に複数の排気孔４が設けられている。また、周方向にも複数の排気孔が設けられ、隣接する複数の改質反応管に向けて燃焼ガスを排出可能になっている。
The combustion
本例では、管（改質反応管と排気管）が互いに平行に二列に並べられ、ＳＯＦＣスタックに近い側の管列が改質反応管のみで構成され、遠い側の管列の一部が排気管とされた構造となっている。遠い側の管列において、排気管は反応管に挟まれる位置に設けられている。 In this example, the pipes (reforming reaction pipes and exhaust pipes) are arranged in two rows parallel to each other, the tube row on the side close to the SOFC stack is composed of only the reforming reaction tubes, and part of the far side tube row Has a structure that is an exhaust pipe. In the far side tube row, the exhaust pipe is provided at a position sandwiched between the reaction tubes.
また、改質ガスの流れ方向と、燃焼ガスの流れ方向とが同じ方向とされる。 Further, the flow direction of the reformed gas and the flow direction of the combustion gas are the same direction.
改質反応管１、燃焼ガス発生用バーナー２、排気管３およびＳＯＦＣスタック１１は、不図示の容器（モジュール容器）に収められモジュール化されている。
The reforming
また、灯油を気化する灯油気化器、気化した灯油を予熱して改質反応管に供給するための灯油予熱器、水を気化させる水気化器、および水気化器で発生した水蒸気を予熱して改質反応管に供給するための水蒸気予熱器、空気極に供給される空気を予熱する空気予熱器（いずれも不図示）もモジュール容器内に設けられ、ＳＯＦＣから輻射熱によって加熱され、所望の気化および予熱が可能となっている。 In addition, a kerosene vaporizer that vaporizes kerosene, a kerosene preheater that preheats vaporized kerosene and supplies it to the reforming reaction tube, a water vaporizer that vaporizes water, and water vapor generated in the water vaporizer is preheated. A steam preheater for supplying to the reforming reaction tube and an air preheater (both not shown) for preheating the air supplied to the air electrode are also provided in the module container and heated by radiant heat from the SOFC to achieve the desired vaporization. And preheating is possible.
通常運転時においては、ＳＯＦＣから改質反応管に熱輻射によって熱が供給される。また、ＳＯＦＣのアノードから排出されるアノードオフガスが、ＳＯＦＣのセル出口近傍で燃焼し、その燃焼熱によって改質反応管が加熱されてもよい。このようにＳＯＦＣから供給される熱によって、水蒸気改質反応に必要な熱がまかなわれる場合、燃焼ガス発生用バーナー２における燃焼は不要である。
During normal operation, heat is supplied from the SOFC to the reforming reaction tube by heat radiation. Further, the anode off gas discharged from the SOFC anode may burn near the SOFC cell outlet, and the reforming reaction tube may be heated by the combustion heat. Thus, when the heat required for the steam reforming reaction is provided by the heat supplied from the SOFC, the combustion in the combustion
起動の際には不図示の補助バーナーの燃焼ガスを灯油気化器、灯油予熱器、水気化器および水蒸気予熱器に導き、これらを加熱する。灯油気化器が灯油を気化できる温度になったら灯油気化器に灯油を導いて灯油を気化し、気化した灯油と空気を燃焼ガス発生用バーナーに導いて燃焼を行う。その燃焼排ガスを排気孔４から排出して改質反応管１を加熱する。
When starting up, combustion gas of an auxiliary burner (not shown) is led to a kerosene vaporizer, a kerosene preheater, a water vaporizer, and a steam preheater to heat them. When the kerosene vaporizer reaches a temperature at which kerosene can be vaporized, the kerosene is led to the kerosene vaporizer to vaporize the kerosene, and the vaporized kerosene and air are led to the combustion gas generating burner for combustion. The combustion exhaust gas is discharged from the
なお、灯油気化器に供給される灯油を、予め脱硫することができる。 The kerosene supplied to the kerosene vaporizer can be desulfurized in advance.
改質反応管が改質可能な温度になり（改質触媒が活性が発現する温度になり）、灯油予熱器、水気化器、水蒸気予熱器が所望の温度になったら、予熱された気化灯油（灯油気化器および灯油予熱器を経た灯油）と予熱された水蒸気（水気化器および水蒸気予熱器を経た水蒸気）とを改質反応管に導く。排気孔４からの燃焼排ガスによる改質反応管の加熱を継続し、改質反応管で改質ガスを製造する。
When the reforming reaction tube reaches a temperature at which reforming can be performed (the temperature at which the reforming catalyst becomes active) and the kerosene preheater, water vaporizer, and steam preheater reach the desired temperature, preheated vaporized kerosene (Kerose through the kerosene vaporizer and kerosene preheater) and preheated steam (steam through the water vaporizer and steam preheater) are introduced into the reforming reaction tube. Heating of the reforming reaction tube with the combustion exhaust gas from the
改質ガスをＳＯＦＣに導き、ＳＯＦＣのセルのアノード出口から改質ガスが排出されたら、イグナイター（不図示）を用いてこれに着火する。アノード出口近傍にて改質ガスが燃焼し、ＳＯＦＣが加熱される。 The reformed gas is guided to the SOFC, and when the reformed gas is discharged from the anode outlet of the SOFC cell, it is ignited using an igniter (not shown). The reformed gas burns near the anode outlet, and the SOFC is heated.
ＳＯＦＣが所望の温度になったら、発電を開始できる。ＳＯＦＣカソードに供給する空気は、補助バーナーで発生する熱やＳＯＦＣから排出されるガスが保有する熱によって適宜予熱できる。必要に応じて発電に伴う発熱によってＳＯＦＣをさらに加熱し、通常運転可能となる。 When the SOFC reaches the desired temperature, power generation can be started. The air supplied to the SOFC cathode can be appropriately preheated by the heat generated by the auxiliary burner or the heat held by the gas discharged from the SOFC. If necessary, the SOFC is further heated by the heat generated by power generation, and normal operation becomes possible.
通常運転時に、何らかの要因で改質反応管（改質触媒）の温度が低下した場合、灯油気化器から気化灯油を燃焼ガス発生用バーナーに供給し、空気を用いて燃焼を行い、改質反応管を加熱する。灯油気化器は間接内部改質型ＳＯＦＣモジュールの内部にあるので加熱されており、必要に応じてすぐに気化灯油を燃焼ガス発生用バーナーに供給することができる。 During normal operation, if the temperature of the reforming reaction tube (reforming catalyst) decreases due to any factor, the vaporized kerosene is supplied from the kerosene vaporizer to the combustion gas generation burner, and combustion is performed using air to perform the reforming reaction. Heat the tube. The kerosene vaporizer is heated because it is inside the indirect internal reforming SOFC module, and the vaporized kerosene can be immediately supplied to the combustion gas generating burner as needed.
〔実施例２〕
図２に本発明の間接内部改質型ＳＯＦＣの別の例を示す。本例では、改質ガスの流れと燃焼ガスの流れが逆向きである。燃焼ガス発生用バーナー２が紙面左側に配され、燃焼ガスが紙面左から右に向かって排気管の中を流れる。これ以外は図１に示した例と同様である。実施例１および２に示すように、燃焼ガス発生用バーナーの位置を選ぶことができるので、他の不図示の機器の配置設計の自由度が高い。
[Example 2]
FIG. 2 shows another example of the indirect internal reforming SOFC of the present invention. In this example, the flow of reformed gas and the flow of combustion gas are opposite. The combustion
〔実施例３〕
図３に本発明の間接内部改質型ＳＯＦＣのさらに別の例を示す。管列が３列あり、中間の管列の一部が排気管とされ、残りの管は改質反応管とされる。図１の例に、紙面上方に一列の管列を追加した構造となっている。紙面上方の管列に向かって燃焼ガスが排出されるよう、排気管に排気孔が追加されている。これ以外は図１に示した例と同様である。実施例１および３に示すように、管列の数を変更することができるため、改質触媒量の設計に自由度が増すことが期待される。
Example 3
FIG. 3 shows still another example of the indirect internal reforming SOFC of the present invention. There are three tube rows, a part of the intermediate tube row is an exhaust pipe, and the remaining tubes are reforming reaction tubes. In the example of FIG. 1, a structure in which one row of tube rows is added above the plane of the drawing. An exhaust hole is added to the exhaust pipe so that the combustion gas is discharged toward the tube row above the paper surface. The rest is the same as the example shown in FIG. As shown in Examples 1 and 3, since the number of tube rows can be changed, it is expected that the degree of freedom in designing the amount of reforming catalyst is increased.
〔実施例４〕
図４に本発明の間接内部改質型ＳＯＦＣのさらに別の例を示す。図３に示した例とは、改質ガスの流れと燃焼ガスの流れが逆向きである。燃焼ガス発生用バーナー２が紙面左側に配され、燃焼ガスが紙面左から右に向かって排気管の中を流れる。これ以外は図３に示した例と同様である。
Example 4
FIG. 4 shows still another example of the indirect internal reforming SOFC of the present invention. In the example shown in FIG. 3, the flow of the reformed gas and the flow of the combustion gas are opposite to each other. The combustion
本発明の間接内部改質型ＳＯＦＣは、例えば定置用もしくは移動体用の発電システムに、またコージェネレーションシステムに利用できる。本発明の改質器は、このような間接内部改質型ＳＯＦＣに好適に利用できる。 The indirect internal reforming SOFC of the present invention can be used for, for example, a stationary or moving power generation system and a cogeneration system. The reformer of the present invention can be suitably used for such an indirect internal reforming SOFC.
１ 改質反応管
２ バーナー
３ 排気管
４ 排気孔
５ 供給管
１１ ＳＯＦＣ
DESCRIPTION OF
Claims (4)
可燃物を燃焼させて燃焼ガスを発生させるバーナーと、
該バーナーに接続された、該燃焼ガスを排気する複数の排気孔を管壁に有する排気管と、
該改質反応管から得られる改質ガスを用いて発電する固体酸化物形燃料電池を有し、
該排気管が、該排気孔から排出される燃焼ガスが該改質反応管に当たる位置に配され、
該改質反応管が固体酸化物形燃料電池から熱輻射を受ける位置に配された
間接内部改質型固体酸化物形燃料電池。 A reforming reaction tube for reforming a fuel containing carbon and hydrogen in the molecule ;
A burner that burns combustibles and generates combustion gases;
An exhaust pipe connected to the burner and having a plurality of exhaust holes in the pipe wall for exhausting the combustion gas;
A solid oxide fuel cell that generates power using the reformed gas obtained from the reforming reaction tube;
Exhaust pipe is, the combustion gas discharged from the exhaust pore is disposed in the position corresponding to the reforming reaction tube,
An indirect internal reforming solid oxide fuel cell in which the reforming reaction tube is disposed at a position where it receives heat radiation from the solid oxide fuel cell.
該改質反応管を複数有し、
該改質反応管および排気管が互いに平行に配置された請求項１または２記載の間接内部改質型固体酸化物形燃料電池。 Both the reforming reaction pipe and the exhaust pipe are straight pipes,
A plurality of the reforming reaction tubes;
The indirect internal reforming solid oxide fuel cell according to claim 1 or 2, wherein the reforming reaction tube and the exhaust tube are arranged in parallel to each other.
前記バーナーで燃焼を行い、前記排気孔から排出される燃焼ガスを前記改質反応管に当てることによって、改質反応管を加熱する工程、 A step of heating the reforming reaction tube by performing combustion with the burner and applying a combustion gas discharged from the exhaust hole to the reforming reaction tube;
改質反応管が改質可能な温度になったら、分子中に炭素と水素を含む燃料を改質反応管に供給して改質ガスを製造し、改質ガスを前記固体酸化物形燃料電池に供給する工程、 When the reforming reaction tube reaches a reformable temperature, fuel containing carbon and hydrogen in the molecule is supplied to the reforming reaction tube to produce reformed gas, and the reformed gas is used as the solid oxide fuel cell. The process of supplying to
固体酸化物形燃料電池が発電可能な温度になったら発電を開始し、発電に伴う発熱によって固体酸化物形燃料電池を加熱する工程、および、 Starting the power generation when the solid oxide fuel cell reaches a temperature capable of generating power, and heating the solid oxide fuel cell by heat generated by the power generation; and
固体酸化物形燃料電池からの熱によって改質反応管が加熱されて改質に必要な熱がまかなえるようになったら、前記バーナーの燃焼を停止する工程 A step of stopping combustion of the burner when the reforming reaction tube is heated by the heat from the solid oxide fuel cell and the heat necessary for the reforming can be provided
を有する間接内部改質型固体酸化物形燃料電池の起動方法。A method for starting an indirect internal reforming solid oxide fuel cell comprising:
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