JP2008007371A - 改質器および間接内部改質型固体酸化物形燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】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、およびこのような間接内部改質型ＳＯＦＣに好適に用いることのできる改質器を提供する。
【解決手段】炭化水素系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、このバーナーに接続された、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を有し、排気管が、排気孔から排出される燃焼ガスによって改質反応管を加熱可能な位置に配置された改質器。この改質器を有する間接内部改質型ＳＯＦＣ。
【選択図】図１

Description

本発明は灯油等の炭化水素系燃料を改質原料として用い、これを改質して水素を含む改質ガスを製造する改質器に関する。

また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。

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。

ＳＯＦＣは通常５５０℃〜１０００℃程度の高温で作動させる。

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。

間接内部改質型ＳＯＦＣについては特許文献１に記載される。
特開２００２−３５８９９７号公報

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。

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。

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。

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。

本発明の別の目的は、このような間接内部改質型ＳＯＦＣに好適に用いることのできる改質器を提供することである。

本発明により、炭化水素系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を有し、
該排気管が、該排気孔から排出される燃焼ガスによって該改質反応管を加熱可能な位置に配置された改質器が提供される。

前記改質反応管が、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収容することが好ましい。

上記改質器において、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。

本発明により、炭化水素系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によって該改質反応管を加熱可能な位置に配され、
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。

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。

本発明により、このような間接内部改質型ＳＯＦＣに好適に用いることのできる改質器が提供される。

本発明の改質器は、炭化水素系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（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。

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。

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。

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。

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。

〔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。

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。

〔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。

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。

〔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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

〔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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

〔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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

〔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。

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。

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。

〔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。

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。

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。

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。

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。

〔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。

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。

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。

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。

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。

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。

〔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。

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。

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。

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。

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。

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。

・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。

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。

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。

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。

〔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。

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。

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。

〔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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

〔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。

〔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。

〔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。

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。

本発明の間接内部改質型ＳＯＦＣの一例を示す模式図である。 本発明の間接内部改質型ＳＯＦＣの別の一例を示す模式図である。 本発明の間接内部改質型ＳＯＦＣの別の一例を示す模式図である。 本発明の間接内部改質型ＳＯＦＣの別の一例を示す模式図である。

符号の説明

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

Claims (4)

1. 炭化水素系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を有し、
   該排気管が、該排気孔から排出される燃焼ガスによって該改質反応管を加熱可能な位置に配置された改質器。
2. 前記改質反応管が、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収容する請求項１記載の改質器。
3. 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請求項１または２記載の改質器。
4. 炭化水素系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によって該改質反応管を加熱可能な位置に配され、
   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。

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