CN101485027B - 间接内部重整型固体氧化物型燃料电池系统 - Google Patents

间接内部重整型固体氧化物型燃料电池系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种能够不需要在起动时用于保护阳极的氢贮藏设备的间接内部重整型SOFC系统。本发明的间接内部重整型固体氧化物型燃料电池系统具有:间接内部重整型固体氧化物型燃料电池,其具有利用水蒸气重整反应从而从烃系燃料制造重整气体的第一重整器、使用在第一重整器中得到的重整气体进行发电的固体氧化物型燃料电池、以及收容第一重整器和固体氧化物型燃料电池的容器,其中,第一重整器被配置于从固体氧化物型燃料电池接受热辐射的位置;配置于该容器的外部的重整烃系燃料从而制造重整气体的第二重整器;以及从第二重整器向固体氧化物型燃料电池的阳极引导在第二重整器中得到的重整气体的管路。

Description

间接内部重整型固体氧化物型燃料电池系统
技术领域
本发明涉及一种具有将重整煤油等烃系燃料的重整器配置于固体氧化物型燃料电池附近的间接内部重整型固体氧化物型燃料电池的间接内部重整型固体氧化物型燃料电池系统。
背景技术
通常向固体氧化物型燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell。以下有时称为SOFC。)供给在重整器中重整煤油或民用煤气等烃系燃料(重整原料)而产生的含氢气体(重整气体)。在SOFC中,使该重整气体与空气发生电化学反应来进行发电。
通常使SOFC在550℃~1000℃左右的高温下工作。
在重整中被利用的水蒸气重整反应是伴随非常大的吸热的反应,另外,反应温度较高,从而必需高温的热源。因此,已知有在SOFC附近(接受来自SOFC的热辐射的位置)设置重整器,利用来自SOFC的辐射热加热重整器的间接内部重整型SOFC。另外,还可以使含有可燃成分的阳极排出气体(anode off gas)(从SOFC的阳极排出的气体)燃烧,将该燃烧热作为热源加热重整器。
关于间接内部重整型SOFC,如专利文献1所记载。
专利文献1:特开2002-358997号公报
在重整并使用烃系燃料的间接内部重整型SOFC系统起动时,重整器的温度达到可以重整烃系燃料的温度,在直至能够利用重整器制造重整气体之前的期间,为了防止SOFC的阳极的氧化,向阳极供给氢。为了能够制造重整气体,只要向阳极供给重整气体即可。此外,在SOFC系统停止时,在不能利用重整器得到重整气体之后,向阳极供给氢。
如上所述,可以利用贮藏于高压储气瓶中的氢作为用于保护SOFC的阳极的氢。但是,这种情况下,必需氢的贮藏设备和氢的补给,系统整体变大或者氢高压储气瓶的供应需要工夫。这些成为成本上升的主要原因。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够不需要用于在起动时等保护阳极的氢贮藏设备的间接内部重整型SOFC系统。
利用本发明,可以提供一种间接内部重整型固体氧化物型燃料电池系统,其中,
具有:
间接内部重整型固体氧化物型燃料电池,其具有利用水蒸气重整反应从而从烃系燃料制造重整气体的第一重整器、使用在该第一重整器中得到的重整气体进行发电的固体氧化物型燃料电池、和收容该第一重整器及固体氧化物型燃料电池的容器,且该第一重整器配置在从固体氧化物型燃料电池接受热辐射的位置;
配置于该容器的外部的重整烃系燃料从而制造重整气体的第二重整器(reformer);以及
从第二重整器向固体氧化物型燃料电池的阳极引导在该第二重整器中得到的重整气体的管路(line)。
所述第二重整器优选具备使可燃物燃烧的燃烧机构。
在该系统中,优选进而具有从该阳极向所述燃烧机构引导被从所述第二重整器向固体氧化物型燃料电池的阳极引导的重整气体的管路。
利用本发明,可以提供一种能够不需要用于在起动时等保护阳极的氢贮藏设备的间接内部重整型SOFC系统。
附图说明
图1是表示本发明的内部重整型SOFC系统的一例的概略的流程图。
图中,1-间接内部重整型SOFC,2-内部重整器(第一重整器),3-SOFC,4-模块(module)容器,11-外部重整器(第二重整器),11a-重整反应管,11b-燃烧器(burner),11c-燃烧催化剂层,A-SOFC的阳极,C-SOFC的阴极。
具体实施方式
以下使用附图对本发明的方式进行说明,但本发明不被其限定。
图1表示本发明的间接内部重整型SOFC系统的一例的概略。
该系统具有间接内部重整型SOFC1。间接内部重整型SOFC具有重整器(第一重整器)2和SOFC3(图中,A表示阳极,C表示阴极)。重整器与SOFC被配置于容器(模块容器)4中,被模块化。在以下情况下,将第一重整器称为内部重整器。另外,该系统具有配置于模块容器4以外的重整器(第二重整器)11。在以下情况下,将该重整器称为外部重整器。
外部重整器11具有进行重整反应的重整反应管11a。另外,作为可燃物燃烧机构,具有使可燃物(在此为煤油)燃烧的燃烧器11b。进而,在燃烧器11b的下游(对于燃烧器燃烧气体的流动而言)具有燃烧催化剂层11c。燃烧催化剂层也是可燃物燃烧机构。
在此处所示的系统中,在内部重整器中重整的烃系燃料、在外部重整器中重整的烃系燃料、在外部重整器的燃烧器中燃烧的可燃物的任意一种均使用煤油。另外,在内部重整器与外部重整器中均进行水蒸气重整。分别向内部重整器和外部重整器中导入预先气化的煤油和水蒸气,重整煤油。另外,作为向SOFC的阴极中供给的含氧气体以及为了燃烧而使用的含氧气体,使用空气。
另外,SOFC3的阳极、阴极的槽(cell)出口均在模块容器内开口。即,成为从阳极侧的槽出口排出的阳极排出气体(anode off gas)、从阴极侧的槽出口排出的阴极排出气体(cathode off gas)均被排到模块容器内的结构。接着,模块容器具有其内部不与外界(大气)连通的气密性。
[系统起动方法]
图1所示的系统例如可以如下所述地进行起动。
首先,向燃烧器11b供给煤油(液态)作为可燃物,另外还供给空气,使煤油燃烧。利用该燃烧热加热燃烧催化剂层11c和重整反应管11a。
重整反应管11a一旦变成可导入水蒸气的温度(不产生冷凝水的温度),则向重整反应管11a中导入水蒸气。也可以至此没有向重整反应管的内部导入任何物质。从重整反应管中出来的水蒸气可以从设置于重整器的下游的大气开放管路101排出到大气中。
可以利用另外设置的辅助燃烧器的燃烧热产生水蒸气,另外根据需要也可以过热(super heat)水蒸气。
导入水蒸气的同时,重整反应管11a一旦成为可以重整的温度则加入水蒸气,向外部重整器的重整反应管中导入预先气化的煤油,进行水蒸气重整。
可以利用另外设置的辅助燃烧器的燃烧热使煤油气化,另外根据需要也可以预热气化煤油。
接着,向SOFC3的阳极供给在外部重整器中得到的重整气体,在此经由催化剂燃烧器21向阳极供给重整气体。此时,可以停止大气开放管路101的使用,使用向阳极供给从外部重整器得到的重整气体的管路102。向阳极供给的气体只要具有可以保护阳极的程度的还原性即可,其氢浓度没有必要那么高。因而,可以通过在催化剂燃烧器21中使用空气燃烧重整气体中的可燃成分的一部分,来使向阳极供给的气体的温度上升并同时增加气体的体积。这样,可以实现SOFC的升温时间缩短。可以从管路103得到催化剂燃烧器21中的燃烧必需的空气。不一定必须设置催化剂燃烧器21。
根据需要,可以利用另外设置的辅助燃烧器的燃烧热,预热向催化剂燃烧器21中供给的空气。
另一方面,向阴极中供给空气。在该例中,在使用另外设置的辅助燃烧器(未图示)的燃烧热加热该空气的基础上向阴极供给,从而加热SOFC。加热SOFC后的空气从阴极的槽出口被排出,从而加热内部重整器。
从阳极的槽出口排出阳极排出气体,从阴极的槽出口排出阴极排出气体,在模块容器内混合它们(以下有时将该混合气体称为混合排出气体(offgas)。),从模块排出。该气体经由管路111,被供给到外部重整器的燃烧催化剂层11c的上游。利用燃烧催化剂层燃烧混合排出气体中的可燃成分,燃烧气体从外部重整器被排出到大气中。燃烧气体的温度高的情况下,也可以利用该燃烧气体进行其他流体的预热或气化。
在该例中,阳极、阴极的槽出口均在模块容器内开口,但也可以分别将阳极排出气体和阴极排出气体取出到模块外。这种情况下,可以向外部重整器中导入阳极排出气体使其燃烧。阴极排出气体可以导入到外部重整器中,也可以不导入。
在能够利用混合排出气体或阳极排出气体的燃烧来维持在外部重整器中重整必需的热的情况下,可以停止燃烧器11b的燃烧。
这样地进行,可以使阳极处于还原气氛并同时加热SOFC和内部重整器。
内部重整器2一旦成为可以重整的温度则向内部重整器供给气化煤油和水蒸气,产生重整气体。也可以至此没有向内部重整器中供给任何物质。在为了保护在内部重整器中收容的重整催化剂而需要流动还原性气体的情况下,可以向内部重整器(存在重整催化剂的区域)导入催化剂燃烧器21的出口气体,向阳极供给从内部重整器被排出的气体。
向阳极供给在内部重整器中产生的重整气体。可以适当地利用点火器(igniter)点火从阳极的槽出口被排出的阳极排出气体(在该时刻重整气体实际上直接被排出),使其在槽出口附近燃烧。可以利用该燃烧热进一步加热SOFC。可以在阳极排出气体与阴极排出气体的混合排出气体燃烧后的基础上将其从模块容器排出。该气体可以在已适当地热利用向阴极供给的空气的预热等的基础上放出到大气中。此时,可以停止管路111的使用,经由管路112向大气中放出该气体。
在不使阳极排出气体在模块容器内燃烧而取出到模块容器外的情况下,可以将阳极排出气体引导至另外设置的燃烧机构中使其燃烧,使与该燃烧气体热交换从而加热向SOFC供给的空气,利用该空气加热SOFC。该燃烧气体可以根据需要适当地进一步进行热利用进而放出到大气中。
可以在向阳极供给在内部重整器中产生的重整气体的时刻,停止利用外部重整器制造重整气体。即,可以在停止向重整反应管11a供给煤油及水蒸气、向燃烧器11供给煤油及空气的情况下将其停止。在向外部重整器的燃烧催化剂层11c供给混合排出气体(或者阳极排出气体)进而使其燃烧的情况下,停止向外部重整器的燃烧机构供给混合排出气体(或者阳极排出气体)。
可以在SOFC成为可以发电的温度时开始发电,利用伴随发电的发热来加热SOFC。
在所述辅助燃烧器中,可以使向在外部重整器中具备的燃烧器中供给的可燃物等适当的可燃物燃烧。不必对水蒸气的发生或过热、煤油的气化或预热、空气的预热等每个用途一一设置辅助燃烧器,可以对多个用途、进而全部用途使用一个辅助燃烧器。
可以这样地进行起动间接内部重整型SOFC系统,常规运转(额定运转或部分负荷运转)成为可能。
[系统停止方法]
在停止SOFC系统时,例如可以如下所述地进行。
如果停止利用SOFC的发电,则起动外部重整器11,制造重整气体,该重整气体向阳极流动。在停止时,没有必要加热SOFC,所以即使在具有催化剂燃烧器21的系统中,也可以不进行利用催化剂燃烧器的燃烧。
另一方面,阴极侧流动空气。可以适当地停止空气的预热。
外部重整器的起动可以与系统起动时同样地进行。
可以在外部重整器中产生的重整气体向阳极中流动时停止向内部重整器2中供给气化煤油及水蒸气。如果停止它们的供给,则阳极排出气体的槽出口的燃烧停止。在外部重整器中产生的重整气体也可能在阳极槽出口燃烧,但在外部重整器中产生的重整气体的热量可以比在内部重整器中产生的重整气体的热量小,可以利用阴极侧的空气冷却SOFC、进而内部重整器。
混合排出气体(也可以为阳极排出气体)经由管路111被供给到外部重整器11,利用燃烧催化剂层11c对其燃烧处理,进而被排出到大气中。
在有必要在停止时保护收容于内部重整器中的重整催化剂的情况下,可以经由内部重整器(的重整催化剂存在的区域)向阳极供给在外部重整器中产生的重整气体。
[间接内部重整型SOFC]
间接内部重整型SOFC具有内部重整器和SOFC。它们被收容于一个模块容器中从而被模块化。内部重整器被配置于受到来自SOFC的热辐射的位置。通过这样,在发电时利用来自SOFC的热辐射加热内部重整器。另外,也可以通过使从SOFC排出的阳极排出气体在槽出口燃烧,来加热SOFC。
内部重整器优选配置于可以直接从SOFC向内部重整器的外表面辐射传热的位置。因而,优选实际上不在内部重整器与SOFC之间配置遮蔽物,就是说内部重整器与SOFC之间为空隙。另外,还优选内部重整器与SOFC的距离极短。
在根据需要适当地预热各供给气体的基础上向内部重整器或SOFC供给。
作为模块容器,可以使用可收容SOFC和内部重整器的适当的容器。作为其材料,例如可以使用不锈钢等对使用的环境具有耐性的适当的材料。为了气体的协调等而在容器中适当地设置接续口。
在槽出口在模块容器内开口的情况下,尤其为了不使模块容器的内部与外界(大气)连通,优选模块容器具有气密性。
[内部重整器(第一重整器)]
内部重整器利用水蒸气重整反应从烃系燃料制造含有氢的重整气体。在内部重整器中,可以进行水蒸气重整反应,另外,也可以在水蒸气重整反应中进行伴随部分氧化反应的自热重整(auto-thermal reforming)。从SOFC的发电效率的观点出发,优选不发生部分氧化反应。即使在自热重整中,也使水蒸气重整在支配地位,因而重整反应整体上(overall)变成吸热。接着,从SOFC向重整反应供给必要的热。
内部重整器可以具备具有水蒸气重整能的重整催化剂。可以将具有水蒸气重整能且实际上不具有部分氧化重整能的水蒸气重整催化剂用作重整催化剂,或者,也可以使用同时具有部分氧化重整能和水蒸气重整能的自热重整催化剂。
可以分别单独或适当地混合烃系燃料(根据需要预先被气化)及水蒸气、进而根据需要混合的空气等含氧气体的基础上,向内部重整器(重整催化剂层)供给。另外,重整气体还被供给到SOFC的阳极。
[SOFC]
从内部重整器得到的重整气体被供给到SOFC的阳极。另一方面,向SOFC的阴极供给空气等含氧气体。伴随发电,SOFC发热,该热被从SOFC向重整器辐射传热。这样在重整反应的吸热中利用SOFC排热。适当地使用配管等进行气体的协调等。
作为SOFC,可以适当地选择采用平板型或圆筒型等各种形状的公知的SOFC。在SOFC中,通常将氧离子导电性陶瓷或质子离子(proton ion)导电性陶瓷用作电解质。
SOFC也可以为单槽,但实用上优选使用排列多个单槽而成的堆积结构(stack)(在为圆筒型的情况下,有时也被称为束(bundle),但在本说明书中所述的堆积结构也包含束)。这种情况下,堆积结构可以为1个或多个。
[外部重整器(第二重整器)]
外部重整器被配置于间接内部重整型SOFC的模块容器的外部。
外部重整器是为了如下所述的目的而使用的,即:在不能利用内部重整器制造作为还原性的重整气体时,重整烃系燃料来制造含有氢的重整气体,为了保护SOFC的阳极不被氧化而在阳极中流动。例如,在系统起动时内部重整器达到可以重整烃原料的温度为止的期间以及使其停止发电后使其系统停止为止的期间使用。
外部重整器可以具备使可燃物燃烧的燃烧机构。可以将该燃烧的热用于水蒸气重整(包含自热重整)所必需的热。另外,可以在外部重整器中使用部分氧化重整催化剂进行部分氧化重整,但即使在该情况下,为了将重整催化剂加热至显现催化剂活性的温度,可以利用所述燃烧机构中的燃烧热。
作为燃烧机构,可以适当地使用燃烧器或催化剂燃烧器(燃烧催化剂),也可以并用两种以上的燃烧机构。
外部重整器可以具备具有水蒸气重整能的催化剂或具有部分氧化重整能的催化剂。作为重整催化剂,可以使用具有水蒸气重整能且实际上不具有部分氧化重整能的水蒸气重整催化剂、具有部分氧化重整能且实际上不具有水蒸气重整能的部分氧化重整催化剂、或者同时具有部分氧化重整能和水蒸气重整能的自热重整催化剂。
在外部重整器中,只要能够制造足以保护阳极的还原性气体即可。例如,只要能够向阳极中供给氢浓度为5摩尔%以上程度的气体即可(摩尔%以干燥为基础(dry base))。
因而,外部重整器的容量小于内部重整器的容量即可。就是说,外部重整器的重整催化剂量小于内部重整器的重整催化剂量即可,外部重整器的重整催化剂量相对内部重整器的重整催化剂量的比为1/10~1/2左右即可。从缩短SOFC的加热需要的时间的观点出发,优选为1/10以上,从抑制系统整体的大小的观点出发,该比优选为1/2以下。
如果在外部重整器中重整的烃系燃料使用与在内部重整器中用作重整的原料的烃系燃料为同种的原料,则可以共有供给源,所以优选。
[从外部重整器向SOFC的阳极引导外部重整器的重整气体的管路]
利用该管路向SOFC的阳极供给在外部重整器中产生的作为还原性气体的重整气体。也可以直接从外部重整器向阳极供给在外部重整器中产生的重整气体。或者,根据需要,也可以为了保护内部重整器的重整催化剂而经由内部重整器的内部(重整催化剂存在的区域)向阳极供给。
该管路可以通过适当地使用公知的配管构件接续外部重整器的重整反应管出口与SOFC的阳极(例如SOFC堆积结构的阳极侧气体协调口)来形成。
[从阳极向外部重整器的燃烧机构引导被引导至外部重整器的重整气体的管路]
在外部重整器产生并引导至阳极的重整气体被从阳极排出。该阳极排出气体也可以在模块内与阴极排出气体混合成为混合排出气体。该混合排出气体或阳极排出气体可以在利用另外设置的排气处理装置(燃烧装置等)处理之后排出到大气中。但是,优选通过在外部重整器中具备的燃烧机构中使该混合排出气体或阳极排出气体燃烧来处理。这是因为,可以不另外设置排气处理装置而有效地利用该气体具有的热量并同时处理该气体。
在混合排出气体或阳极排出气体的可燃成分浓度薄而可能不能在燃烧器中稳定地燃烧的情况下,可以在外部重整器中具备的燃烧机构中使用燃烧催化剂。作为燃烧催化剂,可以从公知的燃烧催化剂适当地选择使用。
也可以在外部重整器中设置作为燃烧机构的燃烧器和燃烧催化剂的两者。例如,可以在燃烧器的下游(对于燃烧器燃烧气体的流动而言)设置燃烧催化剂层,使燃烧器的燃烧气体通过燃烧催化剂层。利用这样的结构,可以在起动的初期使用燃烧器,外部重整器一旦产生重整气体,则向阳极供给该重整气体,使混合排出气体或阳极排出气体回到燃烧催化剂层,使其进行催化剂燃烧。此时,在只利用混合排出气体或阳极排出气体的燃烧就重整热足够的情况下,可以停止燃烧器的燃烧。
该管路可以通过适当地使用公知的配管构件接续阳极(例如SOFC堆积结构的没有导入外部重整器的重整气体的阳极侧气体协调口)与外部重整器具备的燃烧机构来形成。在阳极的槽出口在已被模块化的间接内部重整型SOFC内部开口的情况下,接续模块容器的出口和外部重整器具备的燃烧机构即可。
[烃系燃料]
作为利用内部重整器及外部重整器重整的烃系燃料,可以适当地使用分别作为重整气体的原料而在SOFC系统的领域公知的在分子中含有碳和氢(也可以含有氧等其他元素)的化合物或其混合物,可以使用烃类、醇类等在分子中具有碳和氢的混合物。例如甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、天然气、LPG(液化石油气)、民用煤气、汽油(gasoline)、石脑油(naphtha)、煤油、轻油等烃燃料,另外还有甲醇、乙醇等醇,二甲醚等醚等。其中,煤油对于工业用和民用而言均容易获得,其操作也容易,所以优选。另外,由于煤油在较高温度下被重整,所以在重整器(内部重整器)的起动中需要较长时间。因此,在烃系燃料使用煤油的情况下,本发明的效果特别显著。
[可燃物(外部重整器的燃烧机构中的燃料)]
作为利用外部重整器的燃烧机构使其燃烧的可燃物,可以从可以利用使用的燃烧机构使其燃烧的可燃物中适当地选择使用。从操作的容易性的观点出发,优选使用气体或液体的可燃物。尤其煤油等液体可燃物容易操作及贮藏,所以优选。在使用气体状的可燃物的情况下,优选使用民用煤气等从外部连续地供给且不必需贮藏设备的可燃物。
利用外部重整器的燃烧机构使其燃烧的可燃物如果使用与在内部重整器中作为重整的原料使用的烃系燃料、或者在外部重整器中作为重整的原料使用的烃系燃料为同种的可燃物,则能够共有供给源,所以优选。
[重整催化剂]
在内部重整器中使用的水蒸气重整催化剂或自热重整催化剂、在外部重整器中使用的部分氧化重整催化剂、水蒸气重整催化剂或自热重整催化剂均可以分别使用公知的催化剂。作为部分氧化重整催化剂的例子,可以举出铂系催化剂,作为水蒸气重整催化剂的例子,可以举出钌系及镍系催化剂,作为自热重整催化剂的例子,可以举出铑系催化剂。
可以进行部分氧化重整反应的温度例如为200℃以上,可以进行水蒸气重整反应的温度例如为400℃以上。
以下对水蒸气重整、自热重整的各自的额定运转的条件进行说明。
水蒸气重整的反应温度例如可以在450℃~900℃、优选在500℃~850℃、进而优选在550℃~800℃的范围内进行。向反应体系中导入的水蒸气(steam)的量被定义为氢制造用原料中含有的水分子摩尔数相对碳原子摩尔数的比(水蒸气/碳比),该值优选为1~10,更优选为1.5~7,进而优选为2~5。在氢制造用原料为液体的情况下,在将氢制造用原料的液体状态下的流速设为A(L/h)、将催化剂层体积设为B(L)的情况下,此时的空间速度(LHSV)可以用A/B表示,该值优选在0.05~20h- 1、更优选在0.1~10h-1、进而优选在0.2~5h-1的范围内设定。
在自热重整中,除了水蒸气以外,还向原料中添加含氧气体。作为含氧气体,可以为纯氧,但从获得容易性出发,优选空气。为了平衡伴随水蒸气重整反应的吸热反应而且可以获得能够保持重整催化剂层或SOFC的温度或将它们升温的发热量,可以添加含氧气体。含氧气体的添加量作为氢制造用原料中含有的氧分子摩尔数相对碳原子摩尔数的比(氧/碳比),优选为0.005~1,更优选为0.01~0.75,进而优选为0.02~0.6。自热重整的反应温度例如可以在400℃~900℃、优选在450℃~850℃、进而优选在500℃~800℃的范围内设定。在氢制造用原料为液体的情况下,此时的空间速度(LHSV)优选在0.05~20、更优选在0.1~10、进而优选在0.2~5的范围中选择。向反应体系中导入的水蒸气(steam)的量,作为水蒸气/碳比优选为1~10,更优选为1.5~7,进而优选为2~5。
[其他机器]
除了所述机器以外,可以根据需要适当地设定SOFC系统的公知的构成要素。具体例可以举出用于对烃系燃料进行脱硫的脱硫器;气化液体的气化器;用于对各种流体进行加压的泵(pump)、压缩机、鼓风机(blower)等升压机构;用于调节流体的流量或者用于断开/切换流体的流动的阀(valve)等流量调节机构或流道断开/切换机构;用于进行热交换·热回收的热交换器;凝结气体的凝结器;利用水蒸气等外热各种仪器的加热/保温机构;烃系燃料或可燃物的贮藏机构;器械操作用的空气或电气系统;控制用的信号系统、控制装置;输出用或动力用的电系统等。
如以上所述,在将烃系燃料作为原料的间接内部重整型固体氧化物型燃料电池系统中,通过在起动及停止时从外部重整器向固体氧化物型燃料电池供给重整气体,不利用在其他场所纯化的氢等且保护固体氧化物型燃料电池的阳极不被氧化成为可能。可以不用另外设置排气处理装置,而在外部重整器将从固体氧化物型燃料电池排出的重整气体作为热源进行燃烧处理进而无害化。
产业上的可利用性
本发明的间接内部重整型SOFC例如可以用于固定用或移动体用的的发电系统或热电同时供给系统(cogeneration)。

Claims (3)

1.一种间接内部重整型固体氧化物型燃料电池系统,其中,具有:
间接内部重整型固体氧化物型燃料电池,其具有利用水蒸气重整反应由烃系燃料制造重整气体的第一重整器、使用在该第一重整器中得到的重整气体进行发电的固体氧化物型燃料电池和收容该第一重整器及固体氧化物型燃料电池的容器,且该第一重整器配置在从固体氧化物型燃料电池接受热辐射的位置;
第二重整器,其配置于该容器的外部,在系统起动时至所述第一重整器达到能够重整烃系燃料的温度为止的期间以及使发电停止至使系统停止为止的期间内,重整烃系燃料而制造重整气体;以及
从第二重整器向固体氧化物型燃料电池的阳极引导在该第二重整器中得到的重整气体的管路。
2.根据权利要求1所述的间接内部重整型固体氧化物型燃料电池系统,其中,
所述第二重整器具备使可燃物燃烧的燃烧机构。
3.根据权利要求2所述的间接内部重整型固体氧化物型燃料电池系统,其中,
还具有从该阳极向所述燃烧机构引导被从所述第二重整器向固体氧化物型燃料电池的阳极引导的重整气体的管路。
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Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5446095B2 (ja) * 2008-01-22 2014-03-19 カシオ計算機株式会社 燃料電池システム並びにその制御装置及び動作方法
JP5396718B2 (ja) * 2008-02-20 2014-01-22 カシオ計算機株式会社 発電装置、その制御装置、動作方法及び電子機器
JP5435191B2 (ja) * 2008-03-25 2014-03-05 Toto株式会社 燃料電池モジュール、及びそれを備える燃料電池
DE102010023392A1 (de) * 2010-06-10 2011-12-15 J. Eberspächer GmbH & Co. KG Betriebsverfahren für ein Brennstoffzellensystem
KR101429652B1 (ko) * 2012-09-19 2014-08-14 충남대학교산학협력단 열 활용도가 향상된 고온형 연료전지 시스템
JP6239229B2 (ja) * 2012-12-04 2017-11-29 三菱日立パワーシステムズ株式会社 燃料電池システムおよび燃料電池運転方法
CN108091907B (zh) 2016-11-22 2020-09-25 通用电气公司 燃料电池系统及其停机方法
US10483566B2 (en) 2018-03-20 2019-11-19 Cummins Enterprise Llc Method and control sub-system for operating a power generation system having a fuel-cell
AT523488B1 (de) * 2020-02-06 2021-12-15 Avl List Gmbh Schutz-Reformervorrichtung zum Schutz eines Anodenabschnitts eines Brennstoffzellenstapels
CN114361538B (zh) * 2022-01-18 2023-10-24 山东科技大学 一种高效能量耦合的固体氧化物燃料电池发电系统

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1276921A (zh) * 1997-10-01 2000-12-13 阿库门特里斯公司 整体固体氧化物燃料电池及其改进型
CN1567633A (zh) * 2003-06-17 2005-01-19 乐金电子(天津)电器有限公司 燃料电池反应堆的加热装置

Family Cites Families (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH07109773B2 (ja) * 1989-02-28 1995-11-22 石川島播磨重工業株式会社 燃料電池を用いた発電装置
JPH04101364A (ja) * 1990-08-20 1992-04-02 Mitsubishi Electric Corp 燃料電池
JP2929034B2 (ja) * 1990-09-19 1999-08-03 石川島播磨重工業株式会社 溶融炭酸塩型燃料電池発電装置
US5221586A (en) * 1990-09-19 1993-06-22 Ishikawajima-Harima Heavy Industries Co., Ltd. Power generation system using fuel cells
JP3257604B2 (ja) * 1992-09-18 2002-02-18 石川島播磨重工業株式会社 燃料電池発電装置
US5976724A (en) * 1997-07-15 1999-11-02 Niagara Mohawk Power Corporation Fuel cell power plant with electrochemical autothermal reformer
US6609582B1 (en) * 1999-04-19 2003-08-26 Delphi Technologies, Inc. Power generation system and method
PL365693A1 (en) 2000-07-31 2005-01-10 Nuvant Systems, Inc. Hydrogen permeable membrane for use in fuel cells, and partial reformate fuel cell system having reforming catalysts in the anode fuel cell compartment
JP3539562B2 (ja) 2001-05-31 2004-07-07 日本電信電話株式会社 固体酸化物形燃料電池スタック
JP3917838B2 (ja) * 2001-10-12 2007-05-23 三菱重工業株式会社 燃料電池システム及び複合発電システム
US20030192251A1 (en) * 2002-04-12 2003-10-16 Edlund David J. Steam reforming fuel processor
JP4265173B2 (ja) * 2002-08-23 2009-05-20 日産自動車株式会社 発電装置
JP4991087B2 (ja) * 2003-11-26 2012-08-01 京セラ株式会社 燃料電池組立体
TWI220804B (en) * 2003-12-02 2004-09-01 Ind Tech Res Inst Mixing unit for reformer in fuel cell system
US7326482B2 (en) * 2004-03-04 2008-02-05 Delphi Technologies, Inc. Apparatus and method for operation of a high temperature fuel cell system using recycled anode exhaust
US20060057444A1 (en) * 2004-09-13 2006-03-16 Ebara Ballard Corporation Fuel processing apparatus and method and fuel cell power generation system
TWI257191B (en) * 2005-08-19 2006-06-21 Tatung Co Fuel cell system

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1276921A (zh) * 1997-10-01 2000-12-13 阿库门特里斯公司 整体固体氧化物燃料电池及其改进型
CN1567633A (zh) * 2003-06-17 2005-01-19 乐金电子(天津)电器有限公司 燃料电池反应堆的加热装置

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
JP平4-101364A 1992.04.02

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Publication number Publication date
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