JP2008217999A - Operation method of high temperature type fuel cell system - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an operation method of a high temperature fuel cell system, capable of protecting an anode without requiring storage and replenishment of hydrogen. <P>SOLUTION: This operation method of the fuel cell system having a reformer to manufacture reformed gas from hydrocarbon-based fuel and a high temperature fuel cell generating power using the reformed gas obtained from the reformer, has a process to bring the anode into a reducing gas atmosphere by supplying hydrogen produced in the electrolysis of water to the anode of the fuel cell when the reformer cannot manufacture the reformed gas from the hydrocarbon-based fuel. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、灯油等の炭化水素系燃料を改質する改質器と、改質器から得られる改質ガスを用いて発電を行う高温型燃料電池を有する高温型燃料電池システムの運転方法に関する。   The present invention relates to a method for operating a high-temperature fuel cell system having a reformer that reforms a hydrocarbon-based fuel such as kerosene and a high-temperature fuel cell that generates power using reformed gas obtained from the reformer. .

固体酸化物形燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell。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。   In solid oxide fuel cells (Solid Oxide Fuel Cell, hereinafter referred to as SOFC in some cases), hydrocarbon fuels (reformed raw materials) such as kerosene and city gas are usually generated by reforming 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℃から1000℃程度の高温で作動させる。また、改質器は例えば400℃から1000℃程度で作動させる。このため、SOFCシステムでは、これら機器を起動時に所定の温度まで昇温し、停止時に所定の温度から降温する。   The SOFC is usually operated at a high temperature of about 550 to 1000 ° C. The reformer is operated at a temperature of, for example, about 400 ° C to 1000 ° C. For this reason, in the SOFC system, the temperature of these devices is increased to a predetermined temperature when starting up, and the temperature is decreased from the predetermined temperature when stopping.

特許文献1には、水電気分解槽で発生させた水素を改質器に供給し、改質触媒の劣化を防ぐことが記載される。   Patent Document 1 describes that hydrogen generated in a water electrolysis tank is supplied to a reformer to prevent deterioration of the reforming catalyst.

特許文献2には、通常のスタックとは別に起動用のスタックを有するSOFCシステムが記載され、起動用セルに供給する水素を水の電気分解により発生させることが記載される。
特開2006−8418号公報 特開2006−278074号公報
Patent Document 2 describes an SOFC system having an activation stack in addition to a normal stack, and describes that hydrogen supplied to the activation cell is generated by electrolysis of water.
JP 2006-8418 A JP 2006-278074 A

炭化水素系燃料を改質して用いるSOFCシステムの起動時には、改質器の温度が炭化水素系燃料を改質可能な温度に到達し、改質器で改質ガスを製造できるようになるまでの間、SOFCのアノードの酸化を防止するために、水素をアノードに供給することが行われる。改質ガスが製造できるようになったら、改質ガスをアノードに供給すればよい。なお、SOFCシステムの停止時にも、改質器で改質ガスが得られなくなった後に、水素をアノードに供給する。   When starting up an SOFC system that reforms and uses hydrocarbon fuel, the temperature of the reformer reaches a temperature at which the hydrocarbon fuel can be reformed, and the reformer can produce reformed gas. During this time, hydrogen is supplied to the anode in order to prevent oxidation of the SOFC anode. When the reformed gas can be produced, the reformed gas may be supplied to the anode. Even when the SOFC system is stopped, hydrogen is supplied to the anode after the reformer cannot obtain the reformed gas.

上記のようにSOFCのアノードを保護するための水素に、ボンベに貯蔵した水素を利用することができる。しかしこの場合、水素の貯蔵設備と水素の補給が必要になり、システム全体が大きくなったり、水素ボンベの調達に手間がかかり、これらはコストアップの要因となる。   As described above, hydrogen stored in a cylinder can be used as hydrogen for protecting the anode of the SOFC. However, in this case, hydrogen storage facilities and hydrogen replenishment are required, and the entire system becomes large and it takes time to procure hydrogen cylinders, which increases costs.

上記のように、起動時や停止時など、改質器が改質ガスを製造できない際に、水素を用いてアノードを還元雰囲気にすることによってアノードを保護することは、SOFCや溶融炭酸塩形燃料電池(以下場合により、MCFCと称す。)などの高温型燃料電池において行われている。   As mentioned above, when the reformer cannot produce reformed gas, such as at start-up or shut-down, protecting the anode by making the anode into a reducing atmosphere using hydrogen is an SOFC or molten carbonate type. It is performed in a high-temperature fuel cell such as a fuel cell (hereinafter referred to as MCFC).

本発明の目的は、水素の貯蔵や補給を必要とせずに、アノードを保護することのできる高温型燃料電池システムの運転方法を提供することである。   An object of the present invention is to provide a method for operating a high-temperature fuel cell system that can protect an anode without requiring storage or replenishment of hydrogen.

本発明により、炭化水素系燃料から改質ガスを製造する改質器と、該改質器から得られる改質ガスを用いて発電する高温型燃料電池とを有する燃料電池システムの運転方法であって、
該改質器が炭化水素系燃料から改質ガスを製造できない際に、水の電気分解によって発生させた水素を該高温型燃料電池のアノードに供給することにより、該アノードを還元ガス雰囲気にする工程を有する
高温型燃料電池システムの運転方法が提供される。
According to the present invention, there is provided a method of operating a fuel cell system having a reformer that produces reformed gas from a hydrocarbon-based fuel and a high-temperature fuel cell that generates electric power using the reformed gas obtained from the reformer. And
When the reformer cannot produce reformed gas from hydrocarbon fuel, hydrogen generated by electrolysis of water is supplied to the anode of the high-temperature fuel cell, so that the anode is brought into a reducing gas atmosphere. A method for operating a high-temperature fuel cell system having a process is provided.

該改質器が、炭化水素系燃料から改質ガスを製造可能な温度より低温である際に、前記工程を行うことができる。   The process can be performed when the reformer is at a temperature lower than the temperature at which the reformed gas can be produced from the hydrocarbon-based fuel.

前記水の電気分解によって発生させた水素を、前記改質器を経由して前記アノードに供給することができる。   Hydrogen generated by electrolysis of the water can be supplied to the anode via the reformer.

前記アノードに供給した水素をアノードから排出し、排出された水素を燃焼させて得た熱エネルギーによって前記高温型燃料電池および改質器の少なくとも一方を加熱することができる。   Hydrogen supplied to the anode is discharged from the anode, and at least one of the high-temperature fuel cell and the reformer can be heated by thermal energy obtained by burning the discharged hydrogen.

前記高温型燃料電池が、固体酸化物形燃料電池または溶融炭酸塩形燃料電池であることができる。   The high temperature fuel cell may be a solid oxide fuel cell or a molten carbonate fuel cell.

本発明により、水素の貯蔵や補給を必要とせずに、アノードを保護することのできる高温型燃料電池システムの運転方法が提供される。   The present invention provides a method of operating a high-temperature fuel cell system that can protect the anode without requiring storage or replenishment of hydrogen.

本発明は、炭化水素系燃料から改質ガスを製造する改質器と、この改質器から得られる改質ガスを用いて発電する高温型燃料電池とを有する燃料電池システムの運転方法に関する。   The present invention relates to a method of operating a fuel cell system having a reformer that produces reformed gas from a hydrocarbon-based fuel and a high-temperature fuel cell that generates power using the reformed gas obtained from the reformer.

本発明の方法は、改質器が炭化水素系燃料から改質ガスを製造できない際に、水の電気分解によって発生させた水素を高温型燃料電池のアノードに供給することにより、アノードを還元ガス雰囲気にする工程を有する。   When the reformer cannot produce reformed gas from hydrocarbon fuel, the method of the present invention supplies the hydrogen generated by electrolysis of water to the anode of the high-temperature fuel cell, thereby reducing the anode to the reducing gas. A step of creating an atmosphere.

改質器が炭化水素燃料から改質ガスを製造できない場合として、改質器が、炭化水素系燃料から改質ガスを製造可能な温度より低温である場合を挙げることができる。システムの起動時や停止時などにおいて、改質器、特には改質触媒層が改質可能温度より低く、アノードの酸化を防止する必要がある場合に、水の電気分解で得た水素によってアノードを還元雰囲気にすることができる。改質ガスを製造可能な温度は、使用する改質触媒や改質原料等に依存するが、予備試験を行うことによって知ることができる。   As a case where the reformer cannot produce reformed gas from hydrocarbon fuel, a case where the reformer is at a temperature lower than the temperature at which the reformed gas can be produced from hydrocarbon-based fuel can be cited. When the system is started or stopped, the reformer, especially the reforming catalyst layer, is lower than the reformable temperature, and it is necessary to prevent oxidation of the anode. Can be in a reducing atmosphere. The temperature at which the reformed gas can be produced depends on the reforming catalyst and reforming raw material to be used, but can be known by conducting a preliminary test.

また、改質器が炭化水素燃料から改質ガスを製造できない場合として、何らかの異常によって改質ガスが製造不能になった場合も挙げることができる。例えば、通常運転(定格運転や部分負荷運転)を行っていた際、異常によって改質ガスが製造不能になった場合に、水の電気分解で得た水素によってアノードを還元雰囲気にし、アノードを保護しつつ、停止操作に移ることができる。   In addition, as a case where the reformer cannot produce the reformed gas from the hydrocarbon fuel, a case where the reformed gas cannot be produced due to some abnormality can be cited. For example, when the reformed gas cannot be produced due to abnormalities during normal operation (rated operation or partial load operation), the anode is made a reducing atmosphere with hydrogen obtained by electrolysis of water, and the anode is protected. However, the operation can be stopped.

改質ガスを製造できない異常の例として、改質器の温度の低下を挙げることができる。このような異常に対応するために、改質器に設置された温度計により温度を測定し、例えば改質器温度が改質可能な温度を下回った場合、温度異常と検知することができる。また、改質ガスをアノードに供給するライン上において何らかの詰まりが生じ、改質ガスを供給できないことを挙げることができる。このような異常に対応するために、圧力計を設置することで、圧力異常を検知することができる。   An example of an abnormality in which the reformed gas cannot be produced is a decrease in the temperature of the reformer. In order to deal with such an abnormality, the temperature is measured by a thermometer installed in the reformer. For example, when the reformer temperature falls below a reformable temperature, it can be detected that the temperature is abnormal. Further, it can be mentioned that some clogging occurs on the line for supplying the reformed gas to the anode and the reformed gas cannot be supplied. In order to deal with such an abnormality, a pressure abnormality can be detected by installing a pressure gauge.

水の電気分解によって発生させた水素を、改質器を経由してアノードに供給することができる。より具体的には、前記水素を改質触媒層に通し、その後にアノードに供給することができる。これにより、アノードに加えて改質器に収容される改質触媒をも還元雰囲気にすることができ、改質触媒の酸化劣化を防止する必要がある場合に有用である。   Hydrogen generated by electrolysis of water can be supplied to the anode via a reformer. More specifically, the hydrogen can be passed through the reforming catalyst layer and then supplied to the anode. Thereby, in addition to the anode, the reforming catalyst accommodated in the reformer can also be in a reducing atmosphere, which is useful when it is necessary to prevent oxidative degradation of the reforming catalyst.

アノードに供給した水素をアノードから排出し、排出された水素を燃焼させて得た熱エネルギーによって高温型燃料電池および改質器の少なくとも一方を加熱することができる。これにより、可燃物処理ができると同時に熱の有効利用を図ることができる。   Hydrogen supplied to the anode is discharged from the anode, and at least one of the high-temperature fuel cell and the reformer can be heated by thermal energy obtained by burning the discharged hydrogen. Thereby, combustible material processing can be performed and at the same time effective use of heat can be achieved.

高温型燃料電池として、固体酸化物形燃料電池または溶融炭酸塩形燃料電池を用いることができる。   As the high-temperature fuel cell, a solid oxide fuel cell or a molten carbonate fuel cell can be used.

以下、図面を用いて本発明の形態について説明するが、本発明はこれによって限定されるものではない。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings, but the present invention is not limited thereto.

図1は、本発明の運転方法を実施することのできるSOFCシステム、特には間接内部改質型SOFCシステムの概略フロー図である。このシステムは、改質器3、SOFC4、および改質器とSOFCとを収容する容器であるモジュール容器10を有する間接内部改質型SOFCを備えている。図中、SOFCに付したAおよびCはそれぞれアノードおよびカソードを意味する。   FIG. 1 is a schematic flow diagram of an SOFC system, particularly an indirect internal reforming SOFC system, which can implement the operation method of the present invention. This system includes an indirect internal reforming SOFC having a reformer 3, a SOFC 4, and a module container 10 which is a container for housing the reformer and the SOFC. In the figure, A and C attached to SOFC mean an anode and a cathode, respectively.

間接内部改質型SOFCでは、改質器3は、水蒸気改質反応を利用して炭化水素系燃料から改質ガスを製造する。改質はオーバーオールで吸熱反応になっている。改質器はSOFCから熱輻射を受ける位置に配されており、改質に必要な熱を供給するために、SOFCからの輻射熱によって改質器を加熱することができる。図1に示したシステムでは改質器で水蒸気改質を行う。ただし、水蒸気改質に限られるものではなく、部分酸化改質、あるいは、オートサーマル改質によっても改質反応を行うことは可能である。   In the indirect internal reforming SOFC, the reformer 3 uses the steam reforming reaction to produce reformed gas from hydrocarbon fuel. The reforming is an overall endothermic reaction. The reformer is disposed at a position that receives heat radiation from the SOFC, and the reformer can be heated by radiant heat from the SOFC in order to supply heat necessary for reforming. In the system shown in FIG. 1, steam reforming is performed in a reformer. However, the reforming reaction is not limited to steam reforming, and the reforming reaction can be performed by partial oxidation reforming or autothermal reforming.

改質器3で製造された改質ガスがSOFC4のアノードに供給される。SOFCのカソードには酸素含有ガスとして空気が供給される。SOFCにおいて、アノードガスに含まれる水素とカソードガスに含まれる酸素とが、電気化学反応を起こし、発電が行われる。   The reformed gas produced by the reformer 3 is supplied to the anode of the SOFC 4. Air is supplied as an oxygen-containing gas to the cathode of the SOFC. In the SOFC, hydrogen contained in the anode gas and oxygen contained in the cathode gas cause an electrochemical reaction to generate power.

この間接内部改質型SOFCは、燃焼室5を備えている。モジュール容器の内部に、別途の容器を設け、その内部が燃焼室とされている。燃焼室にはSOFCのアノードから排出されるアノードオフガスと、カソードから排出されるカソードオフガスとが供給される。アノードオフガスに含まれる可燃分がカソードオフガスに含まれる酸素によって燃焼される。ただし、別途の容器を設けずに、容器モジュール容器内の少なくとも一部の領域において、この燃焼を行うこともできる。   This indirect internal reforming SOFC includes a combustion chamber 5. A separate container is provided inside the module container, and the interior serves as a combustion chamber. An anode off gas discharged from the anode of the SOFC and a cathode off gas discharged from the cathode are supplied to the combustion chamber. The combustible component contained in the anode off gas is combusted by oxygen contained in the cathode off gas. However, this combustion can be performed in at least a part of the region in the container module container without providing a separate container.

燃焼室5で発生した燃焼ガスは、熱交換によって改質器3を加熱する。ここで、燃焼ガスの有する熱によって、さらにSOFCへ供給するガスを加熱することや、この熱を熱利用機器で使用することも可能である。   The combustion gas generated in the combustion chamber 5 heats the reformer 3 by heat exchange. Here, it is possible to further heat the gas supplied to the SOFC by the heat of the combustion gas, or to use this heat in a heat utilization device.

水タンク1から水が、灯油タンク2から灯油が適宜気化されたうえで改質器3、特にはその内部に収容される改質触媒層に供給される。   Water is supplied from the water tank 1 and kerosene is appropriately vaporized from the kerosene tank 2 and then supplied to the reformer 3, particularly the reforming catalyst layer housed therein.

このシステムは、水電解水素製造装置21をさらに有する。水電解水素製造装置は、水を電気分解して水素を製造することができる装置から適宜選んで用いることができる。   This system further includes a water electrolysis hydrogen production apparatus 21. The water electrolysis hydrogen production apparatus can be appropriately selected from apparatuses capable of producing hydrogen by electrolyzing water.

水の電気分解により、水素とともに酸素も発生するが、この酸素はSOFCのカソードに流してもよく、あるいは系外に排出してもよい。   Water electrolysis generates oxygen as well as hydrogen. This oxygen may flow to the cathode of the SOFC or may be discharged out of the system.

水の電気分解に必要な電力として、二次電池に蓄えた電力を用いることができる。二次電池は、燃料電池発電時に、燃料電池で発電した電力を蓄えることができる。また、電気分解に必要な電力を、太陽電池や風力発電などの自然エネルギー利用発電装置から供給することもできる。あるいは、系統電力を用いて電気分解を行ってもよい。   As electric power necessary for electrolysis of water, electric power stored in the secondary battery can be used. The secondary battery can store the power generated by the fuel cell at the time of fuel cell power generation. Moreover, the electric power required for electrolysis can also be supplied from natural energy utilization power generators, such as a solar cell and wind power generation. Alternatively, electrolysis may be performed using system power.

このシステムは、改質器を加熱する加熱器22を有する。ここでは加熱器22は電気ヒータとし、電気ヒータによって加熱した空気を用いて改質器を加熱する。   The system has a heater 22 that heats the reformer. Here, the heater 22 is an electric heater, and the reformer is heated using air heated by the electric heater.

本発明は、外部改質型のSOFCシステム、内部改質型もしくは外部改質型のMCFCシステムなど、間接内部改質型SOFCシステム以外の高温型燃料電池システムにも適用できる。   The present invention can also be applied to high-temperature fuel cell systems other than the indirect internal reforming SOFC system, such as an external reforming SOFC system, an internal reforming type, or an external reforming MCFC system.

また、ここにはいわゆる常圧型のSOFCシステムを示しているが、運転圧力は任意であり、本発明は加圧型の燃料電池システムにも適用できる。   Although a so-called atmospheric pressure type SOFC system is shown here, the operating pressure is arbitrary, and the present invention can be applied to a pressurized fuel cell system.

水電解水素製造装置21を使用する状況について、図1に示したシステムにおいて説明する。   The situation where the water electrolysis hydrogen production apparatus 21 is used will be described in the system shown in FIG.

1)システムの起動時
ここでシステムの起動とは、システムの温度が常温の状態から、改質器により改質ガスを製造できる状態になり、SOFCにより発電を開始するまでである。起動時には、改質器、特には改質触媒およびSOFCはそれぞれ改質原料の改質が可能となる温度および発電が可能となる温度まで昇温する必要がある。
1) At system startup Here, the system startup is from when the system temperature is at room temperature until the reformed gas can be produced by the reformer and power generation is started by SOFC. At start-up, the reformer, particularly the reforming catalyst and the SOFC, must be heated to a temperature at which the reforming raw material can be reformed and a temperature at which power generation can be performed.

システムの昇温過程において、SOFCおよび改質器が加熱される。SOFCの昇温の際、アノードを還元雰囲気に保たないと酸化され、アノードを劣化させてしまうことがある。また、改質器の昇温の際、改質触媒を還元雰囲気にすることが改質触媒の性能を最大限発揮させるためには好ましい。   The SOFC and the reformer are heated during the temperature raising process of the system. When the temperature of SOFC is raised, oxidation may occur and the anode may be deteriorated unless the anode is kept in a reducing atmosphere. In order to maximize the performance of the reforming catalyst, it is preferable to bring the reforming catalyst into a reducing atmosphere at the time of raising the temperature of the reformer.

システムの起動時、特には改質器において改質ガスを製造できるようになるまでの間、水電解水素製造装置により水素ガスを製造し、システムに供給することにより、SOFCアノードおよび改質触媒の酸化を防止し、ひいては性能劣化を防止することができる。   The hydrogen gas is produced by the water electrolysis hydrogen production apparatus and supplied to the system at the time of starting the system, particularly until the reformer can produce the reformed gas. Oxidation can be prevented, and consequently performance degradation can be prevented.

具体的な方法としては、水タンク1より水電解水素製造装置21に水を供給し、水素ガスを製造する。水素ガスを改質器3に供給し、改質器の改質触媒層を経由してSOFC4のアノードに供給する。これによって改質触媒およびアノードが還元雰囲気に保たれ、改質触媒とアノードの酸化が防止される。また、水電解水素製造装置により製造した水素ガスを改質触媒層に供給する必要がない場合には、水素を直接SOFCアノードに供給することもできる。   As a specific method, water is supplied from the water tank 1 to the water electrolysis hydrogen production apparatus 21 to produce hydrogen gas. Hydrogen gas is supplied to the reformer 3 and supplied to the anode of the SOFC 4 via the reforming catalyst layer of the reformer. As a result, the reforming catalyst and the anode are maintained in a reducing atmosphere, and oxidation of the reforming catalyst and the anode is prevented. In addition, when it is not necessary to supply the hydrogen gas produced by the water electrolysis hydrogen production apparatus to the reforming catalyst layer, hydrogen can be directly supplied to the SOFC anode.

酸化を防止するという目的において、水電解水素製造装置から改質器およびアノードに供給する水素の量は、改質触媒層およびアノードにおいて還元雰囲気が保たれる程度でよい。また、改質触媒層およびアノードの酸化防止に加えて、水素を燃焼させてSOFCシステムを加熱するという目的がある場合、水電解水素製造装置により製造する水素ガスの量を適宜増やすことができる。   For the purpose of preventing oxidation, the amount of hydrogen supplied from the water electrolysis hydrogen production apparatus to the reformer and the anode may be such that the reducing atmosphere is maintained in the reforming catalyst layer and the anode. In addition to preventing oxidation of the reforming catalyst layer and the anode, when there is a purpose of burning the hydrogen and heating the SOFC system, the amount of hydrogen gas produced by the water electrolysis hydrogen production apparatus can be appropriately increased.

加熱器22により改質器3は加熱される。また、SOFC4のアノードを通過した水素ガスは、燃焼室5でSOFC4のカソードを通過してきた空気と混合されて燃焼される。その燃焼熱を利用することにより改質器を加熱することもできる。ここまでで、図2に示した状態になる。図2中、プロセスのラインを示す線を太線にした個所は、そのラインに流体が流れていることを示す。また、水電解水素製造装置に供給する直流電力用の配線を示す線を太線にしてある場合、直流電力が供給されていることを示す。(図3〜6においても同じ)。ただし、図2、4および5において、水電解水素製造装置21から改質器3を経由して水素をSOFCアノードに供給するラインと、水電解水素製造装置21から改質器3を経由せずに水素をSOFCアノードに供給するラインとの両方を太線にしてあるが、これらのラインは両方使用する必要はなく、一方のみ使用すればよい。   The reformer 3 is heated by the heater 22. The hydrogen gas that has passed through the anode of the SOFC 4 is mixed with the air that has passed through the cathode of the SOFC 4 in the combustion chamber 5 and burned. The reformer can be heated by using the combustion heat. Thus, the state shown in FIG. 2 is obtained. In FIG. 2, the portion where the line indicating the process line is bold indicates that a fluid is flowing through the line. Moreover, when the line which shows the wiring for direct-current power supplied to a water electrolysis hydrogen production apparatus is made into the thick line, it shows that direct-current power is supplied. (The same applies to FIGS. 3 to 6). However, in FIGS. 2, 4 and 5, a line for supplying hydrogen to the SOFC anode from the water electrolysis hydrogen production apparatus 21 via the reformer 3, and the water electrolysis hydrogen production apparatus 21 without passing through the reformer 3. Both of the lines for supplying hydrogen to the SOFC anode are shown in bold lines, but it is not necessary to use both of these lines.

改質器、特には改質触媒の温度が改質原料である灯油を改質できる温度になったら、灯油タンク2より灯油を、水タンク1より水を改質器に供給し、改質ガスを製造する。この改質ガスはSOFCアノードに供給される。   When the temperature of the reformer, particularly the reforming catalyst reaches a temperature at which kerosene as the reforming raw material can be reformed, kerosene is supplied from the kerosene tank 2 and water is supplied from the water tank 1 to the reformer. Manufacturing. This reformed gas is supplied to the SOFC anode.

アノードを改質ガスにより還元雰囲気にすることができる状態になったら、水電解水素製造装置による水素ガスの製造を停止する。また、改質器を加熱器で加熱する必要がなくなったら加熱器を停止することができる。SOFCが発電可能な所定の温度になったら発電を開始する。ここまでで、図3に示した状態になり、起動が完了する。   When the anode can be brought into a reducing atmosphere with the reformed gas, the production of hydrogen gas by the water electrolysis hydrogen production apparatus is stopped. Further, the heater can be stopped when it is no longer necessary to heat the reformer with the heater. When the SOFC reaches a predetermined temperature at which power can be generated, power generation is started. Up to this point, the state shown in FIG.

システムの起動時には、上記のように水電解水素製造装置を利用することにより、改質触媒およびSOFCアノードの酸化劣化を防止して、システムを起動することができる。   When the system is started, the system can be started by preventing the oxidative deterioration of the reforming catalyst and the SOFC anode by using the water electrolysis hydrogen production apparatus as described above.

2)システムの停止時
ここでシステムの停止時とは、SOFCで発電を行っている状態から、SOFCの発電と改質器による改質ガスの製造を停止し、システムの温度が常温の状態になるまでである。停止時にはSOFCの発電を停止し、改質器において製造する改質ガスの量を減らすことで、SOFCの発熱が停止し、SOFCおよび改質器への熱供給を減少させる。これによりシステムを降温する。
2) When the system is shut down Here, when the system is shut down, the SOFC power generation and the reformed gas production by the reformer are stopped, and the system temperature is at room temperature. Until. When the engine is stopped, power generation of the SOFC is stopped, and the amount of reformed gas produced in the reformer is reduced, so that the heat generation of the SOFC is stopped and the heat supply to the SOFC and the reformer is reduced. This lowers the temperature of the system.

システムの降温過程において、改質器の温度が低下し、改質原料を改質できない温度になると改質ガスをアノードに供給できなくなる。SOFCが高温の際、アノードを還元雰囲気に保たないと酸化され、アノードを劣化させてしまう可能性がある。また、改質器の降温の際、改質触媒を還元雰囲気にすることが改質触媒の性能を最大限に発揮させるためには好ましい。   In the temperature lowering process of the system, when the temperature of the reformer decreases and reaches a temperature at which the reforming raw material cannot be reformed, the reformed gas cannot be supplied to the anode. When the SOFC is hot, it may be oxidized if the anode is not kept in a reducing atmosphere, and the anode may be deteriorated. Further, when the temperature of the reformer is lowered, it is preferable that the reforming catalyst is in a reducing atmosphere in order to maximize the performance of the reforming catalyst.

システムの停止時、特には改質器において改質ガスを製造できなくなる前より、水電解水素製造装置により水素ガスを製造し、システムに供給することにより、SOFCアノードおよび改質触媒の酸化を防止し、ひいては性能劣化を防止することができる。   Prevents oxidation of SOFC anode and reforming catalyst by producing hydrogen gas with water electrolysis hydrogen production equipment and supplying it to the system when the system is shut down, especially before the reformer can no longer produce the reformed gas As a result, performance degradation can be prevented.

具体的な方法としては、SOFCによる発電を停止し、改質器で製造する改質ガスの量を減らし、SOFCに供給する改質ガスの量を減らすことにより、システムの降温過程に入る。改質器の温度が低下し、改質器において改質ガスを製造できなくなる前に、水タンク1より水電解水素製造装置21に水を供給し、水素ガスを製造する。水素ガスを改質器3に供給し、改質器の改質触媒層を経由してSOFC4のアノードに供給する。これによって改質触媒およびアノードが還元雰囲気に保たれ、改質触媒とアノードの酸化が防止される。また、水電解水素製造装置により製造した水素ガスを改質触媒層に供給する必要がない場合には、水素を直接SOFCアノードに供給することもできる。ただし、水電解水素製造装置による改質触媒およびSOFCへの水素ガスの供給はSOFCの発電を停止する前より行ってもよく、SOFCアノードへの改質ガスの供給が停止する以前の任意の時点に水素ガスの供給を開始することができる。ここまでで、図4に示した状態になる。   As a specific method, power generation by the SOFC is stopped, the amount of reformed gas produced by the reformer is reduced, and the amount of reformed gas supplied to the SOFC is reduced, so that the system temperature falls. Before the reformer temperature decreases and the reformer cannot produce reformed gas, water is supplied from the water tank 1 to the water electrolysis hydrogen production device 21 to produce hydrogen gas. Hydrogen gas is supplied to the reformer 3 and supplied to the anode of the SOFC 4 via the reforming catalyst layer of the reformer. As a result, the reforming catalyst and the anode are maintained in a reducing atmosphere, and oxidation of the reforming catalyst and the anode is prevented. In addition, when it is not necessary to supply the hydrogen gas produced by the water electrolysis hydrogen production apparatus to the reforming catalyst layer, hydrogen can be directly supplied to the SOFC anode. However, the supply of hydrogen gas to the reforming catalyst and SOFC by the water electrolysis hydrogen production apparatus may be performed before the power generation of the SOFC is stopped, or at any time before the supply of the reformed gas to the SOFC anode is stopped. The supply of hydrogen gas can be started. Up to this point, the state shown in FIG. 4 is obtained.

酸化を防止するという目的において、水電解水素製造装置から改質器およびアノードに供給する水素の量は、改質触媒層およびアノードにおいて還元雰囲気が保たれる程度でよい。   For the purpose of preventing oxidation, the amount of hydrogen supplied from the water electrolysis hydrogen production apparatus to the reformer and the anode may be such that the reducing atmosphere is maintained in the reforming catalyst layer and the anode.

アノードを水電解水素製造装置により製造される水素ガスにより還元雰囲気にすることができる状態になったら、改質器による改質ガスの製造を停止する。ここまでで、図5に示した状態になる。   When the anode can be brought into a reducing atmosphere by the hydrogen gas produced by the water electrolysis hydrogen production apparatus, production of the reformed gas by the reformer is stopped. Thus, the state shown in FIG. 5 is obtained.

SOFC4のアノードを通過した水素ガスは、可燃物処理のため、燃焼室5でSOFC4のカソードを通過してきた空気と混合されて燃焼されるが、供給する水素ガスは改質触媒層およびアノードの酸化を防止できる最小限の量とすることで、自然放熱などによりシステムを降温させることができる。   The hydrogen gas that has passed through the anode of the SOFC 4 is mixed with the air that has passed through the cathode of the SOFC 4 in the combustion chamber 5 and combusted for the treatment of combustible materials, but the supplied hydrogen gas is oxidized in the reforming catalyst layer and the anode. The system can be cooled down by natural heat dissipation or the like by setting the minimum amount to prevent the above.

SOFCアノードおよび改質触媒が酸化劣化しない温度まで降温したら、水電解水素製造装置による水素ガスの供給を停止し、水タンクから水電解水素製造装置への水供給を停止する。システムの運転を停止する。   When the temperature of the SOFC anode and the reforming catalyst is lowered to a temperature at which the SOFC anode and the reforming catalyst are not deteriorated, the supply of hydrogen gas by the water electrolysis hydrogen production apparatus is stopped, and the water supply from the water tank to the water electrolysis hydrogen production apparatus is stopped. Stop system operation.

システムの停止時には、上記のように水電解水素製造装置を利用することにより、改質触媒およびSOFCアノードの酸化劣化を防止して、システムを停止することができる。   When the system is stopped, the system can be stopped by preventing the oxidative deterioration of the reforming catalyst and the SOFC anode by using the water electrolysis hydrogen production apparatus as described above.

3)異常による改質ガス供給不可能時
ここで異常による改質ガス供給不可能時とは、何らかの異常によって改質器が改質原料から改質ガスを製造できない、あるいは製造できてもSOFCのアノードに供給できない状態である。
3) When the reformed gas cannot be supplied due to an abnormality Here, when the reformed gas cannot be supplied due to an abnormality, the reformer cannot produce the reformed gas from the reforming raw material due to some abnormality or the SOFC It is in a state where it cannot be supplied to the anode.

改質ガスを製造できない異常の例としては、改質器の温度の低下により改質反応が行えない場合や改質器への改質原料の供給が停止した場合が挙げられる。また、改質ガスを供給できない異常の例としては、改質ガスをアノードに供給するライン上において何らかの詰まりが生じた場合が挙げられる。   Examples of abnormalities in which the reformed gas cannot be produced include a case where the reforming reaction cannot be performed due to a decrease in the temperature of the reformer, or a case where the supply of the reforming raw material to the reformer is stopped. Further, as an example of an abnormality in which the reformed gas cannot be supplied, there is a case where some clogging occurs on the line for supplying the reformed gas to the anode.

例えば通常運転(定格運転や部分負荷運転)を行っていた際、異常により改質ガスのアノードへの供給が不可能になると、SOFC4のアノードが還元雰囲気に保たれず、酸化され、アノードを劣化させてしまう可能性がある。   For example, during normal operation (rated operation or partial load operation), if the reformed gas cannot be supplied to the anode due to an abnormality, the SOFC4 anode is not kept in the reducing atmosphere, but is oxidized and deteriorates the anode. There is a possibility of letting you.

異常による改質ガス供給不可能時、水電解水素製造装置により水素ガスを製造し、SOFCアノードに供給することにより、アノードの酸化を防止し、ひいては性能劣化を防止することができる。   When the reformed gas cannot be supplied due to an abnormality, hydrogen gas is produced by the water electrolysis hydrogen production apparatus and supplied to the SOFC anode, whereby the anode can be prevented from being oxidized and performance degradation can be prevented.

具体的な方法としては、水タンク1より水電解水素製造装置21に水を供給し、水素ガスを製造する。水素ガスの供給の経路として、改質器を経由してSOFCアノードに供給することができない場合には、直接SOFCアノードに供給する。これによって、アノードが還元雰囲気に保たれ、アノードの酸化が防止される。この状態を図6に示す。   As a specific method, water is supplied from the water tank 1 to the water electrolysis hydrogen production apparatus 21 to produce hydrogen gas. When the hydrogen gas cannot be supplied to the SOFC anode via the reformer as the hydrogen gas supply path, the hydrogen gas is supplied directly to the SOFC anode. This keeps the anode in a reducing atmosphere and prevents anode oxidation. This state is shown in FIG.

また、水素ガスの供給の経路として改質器の改質触媒層を経由してSOFCアノードに供給することができる場合には、必要に応じて水素ガスは改質器を経由してアノードに供給することができる。これによって、改質触媒とアノードの酸化が防止される。   In addition, when hydrogen gas can be supplied to the SOFC anode via the reforming catalyst layer of the reformer as a hydrogen gas supply path, hydrogen gas is supplied to the anode via the reformer as necessary. can do. This prevents oxidation of the reforming catalyst and the anode.

酸化を防止するという目的において、水電解水素製造装置から改質器およびアノードに供給する水素の量は、改質触媒層およびアノードにおいて還元雰囲気が保たれる程度でよい。   For the purpose of preventing oxidation, the amount of hydrogen supplied from the water electrolysis hydrogen production apparatus to the reformer and the anode may be such that the reducing atmosphere is maintained in the reforming catalyst layer and the anode.

SOFC4のアノードを通過した水素ガスは、可燃物処理のため、燃焼室5でSOFC4のカソードを通過してきた空気と混合されて燃焼されるが、供給する水素ガスは改質触媒層およびアノード、少なくともアノードの酸化を防止できる最小限の量とすることで、自然放熱などによりシステムを降温させることができる。   The hydrogen gas that has passed through the anode of the SOFC 4 is mixed with the air that has passed through the cathode of the SOFC 4 in the combustion chamber 5 and combusted for the treatment of combustible materials. The hydrogen gas to be supplied is at least the reforming catalyst layer and the anode, By setting the minimum amount that can prevent the oxidation of the anode, the system can be cooled by natural heat dissipation or the like.

SOFCアノードおよび改質触媒が酸化劣化しない温度まで降温したら、水電解水素製造装置による水素ガスの供給を停止し、水タンクから水電解水素製造装置への水供給を停止する。システムの運転を停止する。   When the temperature of the SOFC anode and the reforming catalyst is lowered to a temperature at which the SOFC anode and the reforming catalyst are not deteriorated, the supply of hydrogen gas by the water electrolysis hydrogen production apparatus is stopped, and the water supply from the water tank to the water electrolysis hydrogen production apparatus is stopped. Stop system operation.

異常による改質ガス供給不可能時には、上記のように水電解水素製造装置を利用することにより、改質触媒およびSOFCアノード、あるいは少なくともSOFCアノードの酸化劣化を防止して、システムを停止することができる。   When the reformed gas cannot be supplied due to an abnormality, the system can be stopped by preventing the oxidative deterioration of the reforming catalyst and the SOFC anode, or at least the SOFC anode, by using the water electrolysis hydrogen production apparatus as described above. it can.

〔高温型燃料電池〕
本発明は、アノードの酸化劣化防止が必要な高温型燃料電池を備えるシステムに適用することができる。アノードに金属電極が用いられる場合、例えば200℃程度でアノードの酸化劣化が起きることがある。このような燃料電池としては、SOFCやMCFCがある。
[High-temperature fuel cell]
The present invention can be applied to a system including a high-temperature fuel cell that requires prevention of oxidative deterioration of the anode. When a metal electrode is used for the anode, the oxidative degradation of the anode may occur at about 200 ° C., for example. Such fuel cells include SOFC and MCFC.

SOFCとしては、平板型や円筒型などの各種形状の公知のSOFCから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, various known shapes such as a flat plate type and a cylindrical type can be appropriately selected and used. In the SOFC, oxygen ion conductive ceramics or proton ion conductive ceramics are generally used as an electrolyte.

MCFCについても、公知のMCFCから適宜選んで採用できる。   The MCFC can be appropriately selected from known MCFCs.

SOFCやMCFC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。   The SOFC or MCFC 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, it may be called a bundle, but the stack referred to in this specification also includes a bundle) Is preferably used. In this case, one or more stacks may be used.

〔改質器〕
改質器は、炭化水素系燃料から水素を含む改質ガスを製造する。改質器においては、水蒸気改質、部分酸化改質、および、水蒸気改質反応に部分酸化反応が伴うオートサーマルリフォーミングのいずれを行ってもよい。
[Reformer]
The reformer produces a reformed gas containing hydrogen from a hydrocarbon fuel. In the reformer, any of steam reforming, partial oxidation reforming, and autothermal reforming accompanied by a partial oxidation reaction in the steam reforming reaction may be performed.

改質器は、水蒸気改質能を有する水蒸気改質触媒、部分酸化改質能を有する部分酸化改質触媒、部分酸化改質能と水蒸気改質能とを併せ持つオートサーマル改質触媒を適宜用いることができる。   The reformer appropriately uses a steam reforming catalyst having steam reforming ability, a partial oxidation reforming catalyst having partial oxidation reforming ability, and an autothermal reforming catalyst having both partial oxidation reforming ability and steam reforming ability. be able to.

炭化水素系燃料(必要に応じて予め気化される)および水蒸気、さらに必要に応じて空気等の酸素含有ガスをそれぞれ単独で、もしくは適宜混合した上で改質器(改質触媒層)に供給することができる。また、改質ガスはSOFCのアノードに供給される。   Supply hydrocarbon-based fuel (pre-vaporized if necessary), water vapor, and oxygen-containing gas such as air, if necessary, individually or appropriately mixed to the reformer (reforming catalyst layer) can do. The reformed gas is supplied to the anode of the SOFC.

高温型燃料電池のなかでも、間接内部改質型SOFCはシステムの熱効率を高めることができる点で優れている。間接内部改質型SOFCは、水蒸気改質反応を利用して炭化水素系燃料から水素を含む改質ガスを製造する改質器と、SOFCとを有する。この改質器では、水蒸気改質反応を行うことができ、また、水蒸気改質反応に部分酸化反応が伴うオートサーマルリフォーミングを行ってもよい。SOFCの発電効率の観点からは部分酸化反応は起きない方が好ましい。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。改質器とSOFCが一つのモジュール容器に収容されモジュール化される。改質器はSOFCから熱輻射を受ける位置に配される。こうすることによって、発電時にSOFCからの熱輻射によって改質器が加熱される。また、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を加熱することもできる。   Among high temperature fuel cells, the indirect internal reforming SOFC is superior in that it can increase the thermal efficiency of the system. The indirect internal reforming SOFC includes a reformer that produces a reformed gas containing hydrogen from a hydrocarbon-based fuel using a steam reforming reaction, and the SOFC. In this reformer, a steam reforming reaction can be performed, and autothermal reforming accompanied by a partial oxidation reaction in the steam reforming reaction may be performed. From the viewpoint of power generation efficiency of SOFC, it is preferable that the partial oxidation reaction does not occur. 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 reformer and SOFC are accommodated in one module container and modularized. The reformer is disposed at a position that receives heat radiation from the SOFC. By doing so, the reformer is heated by heat radiation from the SOFC during power generation. In addition, the SOFC can be heated by burning the anode off-gas discharged from the SOFC at the cell outlet.

間接内部改質型SOFCにおいて、改質器は、SOFCから改質器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。従って改質器とSOFCとの間には実質的に遮蔽物は配置しないこと、つまり改質器とSOFCとの間は空隙にすることが好ましい。また、改質器とSOFCとの距離は極力短くすることが好ましい。   In the indirect internal reforming SOFC, the reformer is preferably arranged at a position where direct heat transfer from the SOFC to the outer surface of the reformer is possible. Therefore, it is preferable that a shielding object is not substantially disposed between the reformer and the SOFC, that is, a gap is provided between the reformer and the SOFC. Further, it is preferable to shorten the distance between the reformer 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器もしくはSOFCに供給される。   Each supply gas is appropriately preheated as necessary and then supplied to the reformer or SOFC.

モジュール容器としては、SOFCと改質器とを収容可能な適宜の容器を用いることができる。その材料としては、例えばステンレス鋼など、使用する環境に耐性を有する適宜の材料を用いることができる。容器には、ガスの取り合い等のために、適宜接続口が設けられる。   As the module container, an appropriate container capable of accommodating the SOFC and the reformer can be used. As the material, for example, an appropriate material having resistance to the environment to be used, such as stainless steel, can be used. The container is appropriately provided with a connection port for gas exchange and the like.

セル出口がモジュール容器内で開口している場合は特に、モジュール容器の内部と外界(大気)とが連通しないように、モジュール容器が気密性を持つことが好ましい。   In particular, when the cell outlet is open in the module container, the module container is preferably airtight so that the inside of the module container and the outside (atmosphere) do not communicate with each other.

〔水電解水素製造装置〕
水電解水素製造装置は、還元性である改質ガスを改質器によって製造できない際に、水の電気分解により水素ガスを製造し、SOFCのアノードを酸化から保護するためにアノードに流すために用いられる。また、必要に応じて改質触媒を酸化から保護するために改質触媒層に流すために用いられる。例えば、システム起動時に改質器が炭化水素原料を改質可能な温度に到達するまでの間、およびシステム停止時に改質器が炭化水素原料を改質可能な温度より低温になった際に用いられる。
[Water electrolysis hydrogen production equipment]
Water electrolysis hydrogen production equipment is used to produce hydrogen gas by water electrolysis and flow to the anode to protect the SOFC anode from oxidation when the reformed reformed gas cannot be produced by the reformer. Used. Further, it is used to flow through the reforming catalyst layer in order to protect the reforming catalyst from oxidation as required. For example, when the reformer reaches a temperature at which the hydrocarbon feedstock can be reformed when the system starts up, and when the reformer becomes lower than the temperature at which the hydrocarbon feedstock can be reformed when the system is shut down It is done.

水電解水素製造装置では、アノード(必要であれば改質触媒も)の保護に足る最小限の水素ガスを製造できればよい。また、改質器、あるいはSOFCの加熱に水素の燃焼熱を用いる場合は、必要分をさらに製造、供給すればよい。製造量はSOFCモジュールの種類、システムの構造や規模により異なるため一概には決められないが、予備試験により知ることができる。   The water electrolysis hydrogen production apparatus only needs to produce a minimum amount of hydrogen gas sufficient to protect the anode (and the reforming catalyst if necessary). In addition, when hydrogen combustion heat is used to heat the reformer or SOFC, the necessary amount may be further manufactured and supplied. The production amount varies depending on the type of SOFC module, the structure and scale of the system, and cannot be determined unconditionally, but can be known by preliminary tests.

〔加熱器〕
加熱器は、高温型燃料電池システム内の機器を加熱するために用いられる。加熱器の種類としては、電気加熱器、バーナ、あるいは触媒燃焼器(燃焼触媒)などから適宜選択することができる。電気加熱器は、機器に設置して直接加熱してもよいし、流体を加熱して加熱流体により機器を加熱してもよい。バーナや触媒燃焼器は、可燃物を燃焼させて燃焼ガスを発生させ、この燃焼ガスによって機器を加熱するために用いられる。バーナあるいは触媒燃焼器に替えて、可燃物を燃焼させることのできる公知の燃焼手段を用いることができる。
〔Heater〕
The heater is used to heat equipment in the high temperature fuel cell system. The type of the heater can be appropriately selected from an electric heater, a burner, a catalytic combustor (combustion catalyst), and the like. The electric heater may be installed in the device and directly heated, or the fluid may be heated to heat the device with the heating fluid. Burners and catalytic combustors are used to burn combustible materials to generate combustion gases and to heat equipment with the combustion gases. Instead of the burner or the catalytic combustor, known combustion means capable of burning combustible materials can be used.

バーナ等の燃焼手段で燃焼させる可燃物としては、使用する燃焼手段で燃焼可能な可燃物から適宜選んで用いることができる。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。特に灯油等の液体可燃物は、取り扱いおよび貯蔵が容易であるため好ましい。気体状の可燃物を用いる場合は、都市ガスなど外部から連続して供給され、貯蔵設備を必要としないものを用いることが好ましい。   As a combustible material combusted by a combustion means such as a burner, a combustible material combustible by a combustion means to be used can be appropriately selected and used. From the viewpoint of ease of handling, it is preferable to use a gas or liquid combustible material. In particular, liquid combustibles such as kerosene are preferable because they are easy to handle and store. When using a gaseous combustible material, it is preferable to use what is supplied continuously from the outside, such as city gas, and does not require a storage facility.

バーナ等の燃焼手段で燃焼させる可燃物として、改質器において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、供給源を共有できるので好ましい。図1に示したシステムでは改質原料に灯油を用いており、加熱器としてバーナを用いて、バーナの燃料としても灯油を用いることができる。   It is preferable to use the same combustible material as the combustible material to be combusted by a combustion means such as a burner as a raw material for reforming in the reformer because the supply source can be shared. In the system shown in FIG. 1, kerosene is used as a reforming raw material, and a burner can be used as a heater, and kerosene can be used as fuel for the burner.

〔炭化水素系燃料〕
改質器で改質する炭化水素系燃料としては、改質ガスの原料として高温型燃料電池システムの分野で公知の、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を適宜用いることができ、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(液化石油ガス)、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 a hydrocarbon fuel reformed by a reformer, carbon and hydrogen are contained in a molecule known in the field of a high-temperature fuel cell system as a raw material of reformed gas (may contain other elements such as oxygen). A compound or a mixture thereof can be used as appropriate, and compounds having carbon and hydrogen in the molecule such as hydrocarbons and alcohols can be used. For example, hydrocarbon fuel such as methane, ethane, propane, butane, natural gas, LPG (liquefied petroleum gas), city gas, gasoline, naphtha, kerosene, light oil, etc., alcohol such as methanol and ethanol, ether such as dimethyl ether, etc. is there.

なかでも灯油、LPG、都市ガスは入手容易である点で好ましい。また灯油は比較的高い温度で改質されるため、改質器(内部改質器)の起動に比較的長時間かかる。このため、炭化水素系燃料に灯油を用いる場合、水素貯蔵手段を使用しないで済む本発明の効果が特に顕著である。   Of these, kerosene, LPG, and city gas are preferable because they are easily available. Since kerosene is reformed at a relatively high temperature, it takes a relatively long time to start the reformer (internal reformer). For this reason, when kerosene is used as the hydrocarbon-based fuel, the effect of the present invention that does not require the use of hydrogen storage means is particularly remarkable.

〔改質触媒〕
改質器で用いる水蒸気改質触媒、部分酸化改質触媒、オートサーマル改質触媒のいずれも、それぞれ公知の触媒を用いることができる。部分酸化改質触媒の例としては白金系触媒、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。
[Reforming catalyst]
Any of the steam reforming catalyst, partial oxidation reforming catalyst, and autothermal reforming catalyst used in the reformer can be a known catalyst. Examples of the partial oxidation reforming catalyst include platinum-based 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.

部分酸化改質反応が進行可能な温度は例えば200℃以上、水蒸気改質反応が進行可能な温度は例えば400℃以上である。   The temperature at which the partial oxidation reforming reaction can proceed is, for example, 200 ° C. or higher, and the temperature at which the steam reforming reaction can proceed is, for example, 400 ° C. or higher.

以下、水蒸気改質、オートサーマル改質、部分酸化改質のそれぞれにつき、改質器における定格運転の条件について説明する。   Hereinafter, rated operation conditions in the reformer will be described for each of steam reforming, autothermal reforming, and partial oxidation reforming.

水蒸気改質では、灯油等の改質原料にスチームが添加される。水蒸気改質の反応温度は例えば400℃〜1000℃、好ましくは500℃〜850℃、さらに好ましくは550℃〜800℃の範囲で行うことができる。反応系に導入するスチームの量は、水素製造用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1〜10、より好ましくは1.5〜7、さらに好ましくは2〜5とされる。水素製造用原料が液体の場合、この時の空間速度(LHSV)は水素製造用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。 In steam reforming, steam is added to reforming raw materials such as kerosene. The steam reforming reaction temperature is, for example, 400 ° C to 1000 ° C, preferably 500 ° C to 850 ° C, more preferably 550 ° C to 800 ° C. 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 raw material for hydrogen production (steam / carbon ratio), and this value is preferably 1-10, more preferably 1.5-7, more preferably 2-5. When the raw material for hydrogen production is liquid, the space velocity (LHSV) at this time is A / B when the flow rate in the liquid state of the raw material for hydrogen production is A (L / h) and the volume of the catalyst layer 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 , and still more preferably 0.2 to 5 h −1 .

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改質原料に添加される。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。水蒸気改質反応に伴う吸熱反応をバランスし、かつ、改質触媒層やSOFCの温度を保持もしくはこれらを昇温できる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、水素製造用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0.005〜1、より好ましくは0.01〜0.75、さらに好ましくは0.02〜0.6とされる。オートサーマル改質反応の反応温度は例えば400℃〜1000℃、好ましくは450℃〜850℃、さらに好ましくは500℃〜800℃の範囲で設定される。水素製造用原料が液体の場合、この時の空間速度(LHSV)は、好ましくは0.05〜20、より好ましくは0.1〜10、さらに好ましくは0.2〜5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1〜10、より好ましくは1.5〜7、さらに好ましくは2〜5とされる。   In autothermal reforming, an oxygen-containing gas is added to the reforming 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 that the endothermic reaction accompanying the steam reforming reaction is balanced, and a heat generation amount capable of maintaining the temperature of the reforming catalyst layer and SOFC or raising the temperature thereof can be obtained. The addition amount of the oxygen-containing gas is preferably 0.005 to 1, more preferably 0.01 to 0.00 as the ratio of the number of moles of oxygen molecules to the number of moles of carbon atoms contained in the raw material for hydrogen production (oxygen / carbon ratio). 75, more preferably 0.02 to 0.6. The reaction temperature of the autothermal reforming reaction is set, for example, in the range of 400 ° C to 1000 ° C, preferably 450 ° C to 850 ° C, and more preferably 500 ° C to 800 ° C. When the raw material for hydrogen production is liquid, the space velocity (LHSV) at this time is preferably selected in the range of 0.05 to 20, more preferably 0.1 to 10, and still more preferably 0.2 to 5. The amount of steam introduced into the reaction system is preferably 1 to 10, more preferably 1.5 to 7, and still more preferably 2 to 5 as a steam / carbon ratio.

部分酸化改質では酸素含有ガスが改質原料に添加される。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。反応を進めるための温度を確保するため、熱のロス等において適宜添加量は決定される。その量は、水素製造用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0.1〜3、より好ましくは0.2〜0.7とされる。部分酸化反応の反応温度は、例えば450℃〜1000℃、好ましくは500℃〜850℃、さらに好ましくは550℃〜800℃の範囲で設定することができる。水素製造用原料が液体の場合、この時の空間速度(LHSV)は、好ましくは0.1〜30の範囲で選ばれる。反応系においてすすの発生を抑制するためにスチームを導入することができ、その量は、スチーム/カーボン比として好ましくは0.1〜5、より好ましくは0.1〜3、さらに好ましくは1〜2とされる。   In partial oxidation reforming, an oxygen-containing gas is added to the reforming raw material. The oxygen-containing gas may be pure oxygen, but air is preferred because of its availability. In order to secure a temperature for proceeding the reaction, the amount added is appropriately determined in terms of heat loss and the like. The amount is preferably 0.1 to 3, more preferably 0.2 to 0.7 as the ratio of the number of moles of oxygen molecules to the number of moles of carbon atoms contained in the raw material for hydrogen production (oxygen / carbon ratio). . The reaction temperature of the partial oxidation reaction can be set, for example, in the range of 450 ° C to 1000 ° C, preferably 500 ° C to 850 ° C, and more preferably 550 ° C to 800 ° C. When the raw material for hydrogen production is liquid, the space velocity (LHSV) at this time is preferably selected in the range of 0.1-30. In order to suppress the generation of soot in the reaction system, steam can be introduced, and the amount thereof is preferably 0.1 to 5, more preferably 0.1 to 3, more preferably 1 to 1, as a steam / carbon ratio. 2.

〔他の機器〕
上記機器の他にも、高温型燃料電池システムの公知の構成要素は、必要に応じて適宜設けることができる。具体例を挙げれば、炭化水素系燃料を脱硫するための脱硫器、液体を気化させる気化器、各種流体を加圧するためのポンプ、圧縮機、ブロワなどの昇圧手段、流体の流量を調節するため、あるいは流体の流れを遮断/切り替えるためのバルブ等の流量調節手段や流路遮断/切り替え手段、熱交換・熱回収を行うための熱交換器、気体を凝縮する凝縮器、スチームなどで各種機器を外熱する加熱/保温手段、炭化水素系燃料や可燃物の貯蔵手段、計装用の空気や電気系統、制御用の信号系統、制御装置、出力用や動力用の電気系統などである。
[Other equipment]
In addition to the above devices, known components of the high-temperature fuel cell system can be appropriately provided as necessary. Specific examples include desulfurizers for desulfurizing hydrocarbon fuels, vaporizers for vaporizing liquids, pumps for pressurizing various fluids, pressurizing means such as compressors and blowers, and for adjusting the flow rate of fluids. Various devices such as flow rate control means such as valves for shutting off / switching fluid flow and flow path shutting / switching means, heat exchangers for heat exchange and heat recovery, condensers for condensing gas, steam, etc. These include heating / heat-retaining means for externally heating the fuel, storage means for hydrocarbon fuels and combustibles, instrumentation air and electrical systems, control signal systems, control devices, output and power electrical systems, and the like.

以上説明したように、炭化水素系燃料を改質器で改質した改質ガスを用いて発電を行う高温型燃料電池システムにおいて、起動時や停止時など改質ガスが得られない際に、水を電気分解して得た水素を高温型燃料電池に供給することにより、他場所で精製した水素等を利用することなく、燃料電池のアノード、さらに必要であれば改質触媒を酸化から保護することが可能となる。   As described above, in a high-temperature fuel cell system that generates power using a reformed gas obtained by reforming a hydrocarbon-based fuel with a reformer, when the reformed gas cannot be obtained at the time of starting or stopping, By supplying hydrogen obtained by electrolyzing water to the high-temperature fuel cell, the anode of the fuel cell and, if necessary, the reforming catalyst are protected from oxidation without using hydrogen etc. purified elsewhere. It becomes possible to do.

また、図1に示したように、改質器に供給する炭化水素系燃料として灯油を用い、さらにはバーナ等の燃焼手段の燃焼用の燃料として灯油を用いる場合、灯油は容易にタンクに貯蔵できる。そして、水を水タンクに貯蔵し、水電解水素製造装置に電力を供給するために二次電池を用いれば、外部からの燃料と水の供給ラインや電力供給がなくてもSOFCによる発電を行うことができ、非常用電源等として有用である。灯油に替えてLPGを用いても同様である。この場合、ボンベにLPGを貯蔵すればよい。   Also, as shown in FIG. 1, when kerosene is used as the hydrocarbon-based fuel supplied to the reformer and kerosene is used as the fuel for combustion of a combustion means such as a burner, the kerosene is easily stored in the tank. it can. If a secondary battery is used to store water in the water tank and supply power to the water electrolysis hydrogen production apparatus, power generation by SOFC is performed even if there is no external fuel and water supply line or power supply. It is useful as an emergency power source. The same applies when LPG is used instead of kerosene. In this case, LPG may be stored in a cylinder.

本発明は、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される高温型燃料電池システムに適用できる。   The present invention can be applied to, for example, a stationary or mobile power generation system, and a high-temperature fuel cell system used for a cogeneration system.

本発明の運転方法を実施することのできる間接内部改質型SOFCシステムの一例の概略を示すフロー図である。It is a flowchart which shows the outline of an example of the indirect internal reforming type | mold SOFC system which can implement the operating method of this invention. 本発明の運転方法の例を説明するための概略フロー図である。It is a schematic flowchart for demonstrating the example of the driving | running method of this invention. 本発明の運転方法の例を説明するための概略フロー図である。It is a schematic flowchart for demonstrating the example of the driving | running method of this invention. 本発明の運転方法の例を説明するための概略フロー図である。It is a schematic flowchart for demonstrating the example of the driving | running method of this invention. 本発明の運転方法の例を説明するための概略フロー図である。It is a schematic flowchart for demonstrating the example of the driving | running method of this invention. 本発明の運転方法の例を説明するための概略フロー図である。It is a schematic flowchart for demonstrating the example of the driving | running method of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1:水タンク
2:灯油タンク
3:改質器
4:SOFC
5:燃焼室
10:モジュール容器
21:水電解水素製造装置
22:加熱器
1: Water tank 2: Kerosene tank 3: Reformer 4: SOFC
5: Combustion chamber 10: Module container 21: Water electrolysis hydrogen production device 22: Heater

Claims (5)

炭化水素系燃料から改質ガスを製造する改質器と、該改質器から得られる改質ガスを用いて発電する高温型燃料電池とを有する燃料電池システムの運転方法であって、
該改質器が炭化水素系燃料から改質ガスを製造できない際に、水の電気分解によって発生させた水素を該高温型燃料電池のアノードに供給することにより、該アノードを還元ガス雰囲気にする工程を有する
高温型燃料電池システムの運転方法。
A method for operating a fuel cell system, comprising: a reformer that produces reformed gas from a hydrocarbon-based fuel; and a high-temperature fuel cell that generates electric power using the reformed gas obtained from the reformer,
When the reformer cannot produce reformed gas from hydrocarbon fuel, hydrogen generated by electrolysis of water is supplied to the anode of the high-temperature fuel cell, so that the anode is brought into a reducing gas atmosphere. A method for operating a high-temperature fuel cell system having a process.
該改質器が、炭化水素系燃料から改質ガスを製造可能な温度より低温である際に、前記工程を行う請求項1記載の方法。   The method according to claim 1, wherein the step is performed when the reformer is at a temperature lower than a temperature at which the reformed gas can be produced from the hydrocarbon-based fuel. 前記水の電気分解によって発生させた水素を、前記改質器を経由して前記アノードに供給する請求項1または2記載の方法。   The method according to claim 1 or 2, wherein hydrogen generated by electrolysis of water is supplied to the anode via the reformer. 前記アノードに供給した水素をアノードから排出し、排出された水素を燃焼させて得た熱エネルギーによって前記高温型燃料電池および改質器の少なくとも一方を加熱する請求項1から3のいずれか一項記載の方法。   The hydrogen supplied to the anode is discharged from the anode, and at least one of the high-temperature fuel cell and the reformer is heated by thermal energy obtained by burning the discharged hydrogen. The method described. 前記高温型燃料電池が、固体酸化物形燃料電池または溶融炭酸塩形燃料電池である請求項1から4のいずれか一項記載の方法。   The method according to any one of claims 1 to 4, wherein the high-temperature fuel cell is a solid oxide fuel cell or a molten carbonate fuel cell.
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