JP2008287959A - Indirect internal reform type high-temperature type fuel cell - Google Patents
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Abstract
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 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。 A solid oxide fuel cell (Solid Oxide Fuel Cell, hereinafter referred to as SOFC in some cases) usually contains a hydrogen-containing gas generated by reforming a hydrocarbon fuel such as kerosene or city gas in a reformer ( Reformed gas) is supplied. In the SOFC, the reformed gas and air are reacted electrochemically to generate electricity. 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、得られる改質ガス中の水素濃度が高いことから主に水蒸気改質を行うことが多い。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が開発されている。特に、間接内部改質型SOFCにおいて、可燃分を含有するアノードオフガス(SOFCのアノードから排出されるガス)を間接内部改質型SOFCの容器(モジュール容器)内で燃焼させ、この燃焼熱を熱源として改質器を加熱することが行われている(特許文献1)。 Various reactions such as steam reforming and partial oxidation reforming are used for reforming, but steam reforming is often performed mainly because of the high hydrogen concentration in the resulting reformed gas. Steam reforming is a reaction that involves a very large endotherm, and the reaction temperature is relatively high at about 550 ° C. to 750 ° C., which requires a high temperature heat source. For this reason, an indirect internal reforming SOFC has been developed 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. In particular, in an indirect internal reforming SOFC, combustible anode off-gas (gas discharged from the SOFC anode) is combusted in an indirect internal reforming SOFC container (module container), and this combustion heat is used as a heat source. As described above, the reformer is heated (Patent Document 1).
そのため、SOFCの近傍に改質器を設置し、主にSOFCからの輻射熱を熱源として改質器を加熱する内部改質型モジュールが知られている。 For this reason, an internal reforming module is known in which a reformer is installed in the vicinity of the SOFC and the reformer is heated mainly using radiant heat from the SOFC as a heat source.
水蒸気改質反応を行うには、改質器に水蒸気を供給する必要があり、このために水(液体)を気化して水蒸気を発生させる水気化器が用いられる。 In order to perform the steam reforming reaction, it is necessary to supply steam to the reformer. For this purpose, a water vaporizer that vaporizes water (liquid) to generate steam is used.
特許文献2には、改質部の燃料電池から遠い側に水気化部を接合する改質器構造が示される。燃料電池からの輻射熱で加熱された改質部からの伝導熱を利用して、水が気化される。
しかしながら、水の蒸発潜熱は大きく、水気化部では大きな吸熱が生じる。従って、特許文献2のように、改質部からの伝導熱を利用して水を気化する場合、改質部の温度が低くなり、改質反応が良好に進行しなくなることがある。これを防ぐために改質触媒の量を増やすことは、改質器の大型化やコストの増大に繋がる。
However, the latent heat of vaporization of water is large, and a large endotherm is generated in the water vaporization section. Therefore, as in
本発明の目的は、水気化によって改質器の温度が低下することを防止しつつ、高温型燃料電池の熱を有効に利用して水を気化することができる、間接内部改質型高温型燃料電池を提供することである。 An object of the present invention is to provide an indirect internal reforming high-temperature type capable of vaporizing water by effectively utilizing the heat of a high-temperature fuel cell while preventing the temperature of the reformer from decreasing due to water vaporization. It is to provide a fuel cell.
本発明により、以下の間接内部改質型高温型燃料電池が提供される。 The present invention provides the following indirect internal reforming high temperature fuel cell.
1)水を気化する水気化器と、
水蒸気改質反応を利用して炭化水素系燃料から水素含有ガスを製造する改質器と、
該水素含有ガスを用いて発電する高温型燃料電池と、
該水気化器、改質器および高温型燃料電池を収容する筐体とを有し、
該高温型燃料電池が、該高温型燃料電池のアノードオフガスを燃焼させて火炎を形成可能な火炎形成部を有し、
該改質器が該火炎形成部に対向する位置に配され、
該水気化器が、該高温型燃料電池の火炎形成部以外の部分に対向する位置に配された
間接内部改質型高温型燃料電池。
1) a water vaporizer that vaporizes water;
A reformer that produces a hydrogen-containing gas from a hydrocarbon-based fuel using a steam reforming reaction;
A high-temperature fuel cell that generates electricity using the hydrogen-containing gas;
A housing for housing the water vaporizer, the reformer, and the high-temperature fuel cell;
The high-temperature fuel cell has a flame forming section capable of forming a flame by burning the anode off-gas of the high-temperature fuel cell,
The reformer is disposed at a position facing the flame forming section;
An indirect internal reforming high temperature fuel cell in which the water vaporizer is disposed at a position facing a portion other than the flame forming portion of the high temperature fuel cell.
2)前記水気化器と、高温型燃料電池との間に、断熱材が配された1)記載の間接内部改質型高温型燃料電池。 2) The indirect internal reforming high temperature fuel cell according to 1), wherein a heat insulating material is disposed between the water vaporizer and the high temperature fuel cell.
3)前記水気化器が、水の流路が折り返された折り返し流路を有する1)または2)記載の間接内部改質型高温型燃料電池。 3) The indirect internal reforming high temperature fuel cell according to 1) or 2), wherein the water vaporizer has a folded flow path in which a flow path of water is folded.
4)前記水気化器が、螺旋状の水の流路を有する1)または2)記載の間接内部改質型高温型燃料電池。 4) The indirect internal reforming high temperature fuel cell according to 1) or 2), wherein the water vaporizer has a spiral water flow path.
5)前記水気化器の少なくとも一部に粒子が充填された1)から4)の何れか一項記載の間接内部改質型高温型燃料電池。 5) The indirect internal reforming high temperature fuel cell according to any one of 1) to 4), wherein at least a part of the water vaporizer is filled with particles.
本発明により、水気化によって改質器の温度が低下することを防止しつつ、高温型燃料電池の熱を有効に利用して水を気化することができる、間接内部改質型高温型燃料電池が提供される。 INDUSTRIAL APPLICABILITY According to the present invention, an indirect internal reforming high-temperature fuel cell that can vaporize water by effectively using the heat of the high-temperature fuel cell while preventing the temperature of the reformer from being lowered due to water vaporization. Is provided.
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、本発明の間接内部改質型高温型燃料電池の一形態を模式的に示す側断面図である。ここでは高温型燃料電池としてSOFCを採用する。 FIG. 1 is a side sectional view schematically showing one embodiment of an indirect internal reforming high temperature fuel cell of the present invention. Here, SOFC is adopted as the high-temperature fuel cell.
この間接内部改質型SOFCは、水を気化する水気化器1と、水蒸気改質反応を利用して炭化水素系燃料から水素含有ガス(改質ガス)を製造する改質器2と、改質器で得られる水素含有ガスを用いて発電するSOFC3を有する。また間接内部改質型SOFCは、水気化器1、改質器2およびSOFC3を収容する筐体(以下場合によりモジュール容器という。)4を有する。
This indirect internal reforming SOFC includes a
ここでは水気化器、改質器、SOFC、モジュール容器ともに直方体状とする。また炭化水素系燃料として灯油を用いる。 Here, the water vaporizer, the reformer, the SOFC, and the module container have a rectangular parallelepiped shape. Kerosene is used as the hydrocarbon fuel.
SOFCは、アノードオフガス(アノードから排出されるガス)を燃焼させて火炎5を形成可能な火炎形成部3aを有する。ここでは火炎形成部は、SOFCのアノード出口を有する一側面とされる。
The SOFC has a
改質器2は火炎形成部3aに対向する位置に配される。つまり、上記一側面に対向する位置に改質器が配される。
The
水気化器1は、SOFC3の火炎形成部3a以外の部分に対向する位置に配される。ここでは、水気化器がSOFCの底面(上記一側面以外の側面または天面であってもよい)に対向するに対向する位置に配される。
The
水が水気化器1で気化されて水蒸気となり、水蒸気が予熱器6を経て改質器2に供給される。一方、灯油は予熱管7から改質器2に供給される。予熱器も直方体状とされ、水気化器1と改質器2とは予熱器6を介してL字状に接続され、一体化されている。予熱器6の中を予熱管7が貫通している。水気化器と予熱器とを隔てる壁に開口9が設けられ、この開口から水蒸気が予熱器に供給される。予熱器と改質器とを隔てる壁にも開口10が設けられ、この開口から水蒸気が改質器に供給され、またこの開口を通って予熱管7が改質器2内(改質触媒層2aが存在しない領域)まで延在している。灯油が予熱管7を通る際に、水蒸気の顕熱によって予熱される。予熱管には、灯油を液状で供給してもよいし、予め気化して気化灯油を供給してもよいし、気液混相で供給してもよい。灯油の一部もしくは全部が液体である場合には、予熱管出口から灯油の液滴が噴出し、水蒸気の流れと混合しながら液滴が気化するようにすることができる。
Water is vaporized by the
水蒸気と気化灯油との混合ガスが改質触媒層2aに供給され、ここで水蒸気改質反応によって改質され、改質ガスが改質器2からSOFC3のアノードに供給される。水蒸気改質反応には部分酸化反応が伴ってもよく、この場合部分酸化反応に必要な空気等の酸素含有ガスが適宜改質器に供給される(不図示)。また、図示しないが空気がカソードに供給され、SOFCにて発電が行われる。火炎形成部5において、アノードオフガス中の可燃分がカソードオフガス中の酸素によって燃焼され、火炎5が形成される。燃焼ガスは、モジュール容器4に設けられた不図示の排出口から排出される。
A mixed gas of steam and vaporized kerosene is supplied to the reforming
改質器が火炎形成部に対向する位置に配されることにより、SOFCからの輻射熱のみならず火炎5からの輻射熱によって改質器が効率的に加熱される。
By disposing the reformer at a position facing the flame forming portion, the reformer is efficiently heated not only by the radiant heat from the SOFC but also by the radiant heat from the
一方、水気化器は改質器より低温でよい。このため、SOFCの火炎形成部以外の部分に対向する位置に水気化器を配することによって、SOFCからの輻射熱によって水気化器を加熱可能とする。 On the other hand, the water vaporizer may be at a lower temperature than the reformer. For this reason, a water vaporizer can be heated by the radiant heat from SOFC by arrange | positioning a water vaporizer in the position facing parts other than the flame formation part of SOFC.
水がSOFCの輻射熱で急激に加熱されると、蒸発振動が発生し、その結果SOFCの電気出力が変動する可能性がある。これを抑制するために、水気化器1と、SOFC3との間に、断熱材8を配することが好ましい。つまり、水気化器は、断熱材を挟んで、SOFCと対向することができる。断熱材としては、使用環境に耐えうる公知の断熱材を適宜用いることができる。
When water is heated suddenly by the radiant heat of SOFC, evaporation vibration occurs, and as a result, the electrical output of SOFC may fluctuate. In order to suppress this, it is preferable to arrange the
また、蒸発振動低減のために、水気化器が、水の流路が折り返された折り返し流路、あるいは螺旋状の水の流路を有することが好ましい。ここでは、水気化器の内部に平板1aが配され、これによってSOFCから遠方の温度の低い部分から、SOFCに近い温度の高い部分に向けて流路が折り返されている。このように水気化器1は断面が矩形の折り返し流路を有している。
In order to reduce evaporation vibration, the water vaporizer preferably has a folded flow path in which the water flow path is folded or a spiral water flow path. Here, the
上記断熱材や折り返し流路によって、水を緩やかに加熱できる。また、蒸発振動低減のために、水気化器の少なくとも一部に粒子が充填することも好ましい。 Water can be heated gently by the heat insulating material and the folded channel. In order to reduce evaporation vibration, it is also preferable that at least a part of the water vaporizer is filled with particles.
図2に、間接内部改質型SOFCの別の例を示す。この例は、図1に示した例とは異なり、予熱器7がない。また、水気化器1と改質器2とが一体化されず、互いに離間して設けられる。灯油は予め気化されたうえで供給される。
FIG. 2 shows another example of the indirect internal reforming SOFC. Unlike the example shown in FIG. 1, this example does not have the preheater 7. Further, the
水気化器、改質器、SOFC、さらには予熱器とも図1および2に示した例では直方体状としたが、その限りではない。 Although the water vaporizer, the reformer, the SOFC, and the preheater have a rectangular parallelepiped shape in the examples shown in FIGS. 1 and 2, this is not restrictive.
図3に、間接内部改質型SOFCの別の例を示す。図1および図2に示した例では、改質器が火炎形成部の全体と対向しているが、これとは異なり、本例では改質器2が火炎形成部3aの一部に対向している。また、断熱材8が、水気化器1のSOFCと対向しない面にも設けられている。
FIG. 3 shows another example of the indirect internal reforming SOFC. In the example shown in FIGS. 1 and 2, the reformer is opposed to the entire flame forming unit. However, in this example, the
図4に、間接内部改質型SOFCの別の例を示す。この例では、改質器2の一部が火炎形成部3aに対向している。また、改質器の別の一部、がSOFCの火炎形成部以外の部分に対向している。
FIG. 4 shows another example of the indirect internal reforming SOFC. In this example, a part of the
図5に、間接内部改質型SOFCの別の例を示す。この例では、SOFC3が二つ設けられている。そして、それぞれのSOFCの火炎形成部3aの一部に対向する位置に改質器2が配されている。また、水気化器1は、その一部が2つのSOFC3の火炎形成部3a以外の部分に対向しており、断面(水の流れに対して垂直な断面)が円形の螺旋状流路を有している。これによってSOFCから遠方の温度の低い部分から、SOFCに近い温度の高い部分に向けて水が供給される。また、断熱材8が、水気化器1のSOFCと対向しない面にも設けられている。
FIG. 5 shows another example of the indirect internal reforming SOFC. In this example, two
図6に、間接内部改質型SOFCの別の例を示す。図5に示した例と同様、この例でもSOFC3が二つ設けられる。しかし図5に示した例では、それぞれのSOFCの内側にも外側にも火炎形成部が存在したが、これとは異なり、この例ではそれぞれのSOFCの内側のみに火炎形成部が存在する。2つのSOFC3の火炎形成部3aに対向する位置に改質器2が配されている。また、2つのSOFC3の周囲(火炎形成部3a以外の部分に対向する位置)に水気化器1が配されている。水気化器1は2重の螺旋状流路を有している。水は外側の螺旋状流路を上方に流通し、その後、内側の流路を下方に流通して改質器2に供給される。これによってSOFCから遠方の温度の低い部分から、SOFCに近い温度の高い部分に向けて水が供給される。
FIG. 6 shows another example of the indirect internal reforming SOFC. Similar to the example shown in FIG. 5, two
〔水気化器〕
水気化器としては、水を気化可能な公知の構造および材質を適宜採用することができる。前述のように、水気化器が水の流路が折り返された折り返し流路、あるいは螺旋状流路を有することが好ましい。折り返し流路を有する水気化器の構造としては、前述の例に限られず、管が折り返された構造を採用することもできる。螺旋状流路を有する水気化器の構造としては、前述の例に限られず、平板により螺旋状流路を形成された構造を採用することもできる。また、折り返し流路、螺旋状流路いずれの場合にも、前述の例に限られず、並列に複数の流路を有する構造を採用することもできる。
[Water vaporizer]
As the water vaporizer, a known structure and material capable of vaporizing water can be appropriately employed. As described above, it is preferable that the water vaporizer has a folded flow path in which the flow path of water is folded, or a spiral flow path. The structure of the water vaporizer having the folded flow path is not limited to the above-described example, and a structure in which the tube is folded may be employed. The structure of the water vaporizer having a spiral channel is not limited to the above-described example, and a structure in which the spiral channel is formed by a flat plate can also be adopted. Further, in any case of the folded flow path and the spiral flow path, the structure is not limited to the above example, and a structure having a plurality of flow paths in parallel can also be adopted.
また水気化器の少なくとも一部に粒子が充填されることが好ましい。このための粒子としては、温度および雰囲気に耐える材料から適宜選ぶことができ、例えばアルミナやシリカなどのセラミックス、あるいはステンレスなどの金属を挙げることができる。粒の形状としては、球、円柱、楔、直方体など、適宜の形状を採用することができる。 Moreover, it is preferable that at least a part of the water vaporizer is filled with particles. The particles for this purpose can be appropriately selected from materials that can withstand temperature and atmosphere, and examples thereof include ceramics such as alumina and silica, and metals such as stainless steel. As the shape of the grains, an appropriate shape such as a sphere, a cylinder, a wedge, a rectangular parallelepiped or the like can be adopted.
〔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高温型燃料電池の分野で公知の、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(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]
The hydrocarbon-based fuel is appropriately selected from compounds or mixtures thereof containing carbon and hydrogen (may contain other elements such as oxygen) known in the field of high-temperature fuel cells as a reformed gas raw material. 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.
なかでも灯油やLPGは、入手容易であり好ましい。また独立して貯蔵可能であるため、都市ガスのラインが普及していない地域において有用である。さらに、灯油やLPGを利用した高温型燃料電池は、非常用電源として有用である。特には、取り扱いも容易である点で、灯油が好ましい。 Of these, kerosene and LPG are preferred because they are readily available. Moreover, since it can be stored independently, it is useful in areas where city gas lines are not widespread. Furthermore, a high-temperature fuel cell using kerosene or LPG is useful as an emergency power source. In particular, kerosene is preferable because it is easy to handle.
〔高温型燃料電池〕
本発明は、燃料電池からの熱輻射によって改質器を加熱可能な間接内部改質型高温型燃料電池に好適に適用することができる。高温型燃料電池としてはSOFCの他に、溶融炭酸塩型燃料電池(MCFC)を挙げることができる。
[High-temperature fuel cell]
The present invention can be suitably applied to an indirect internal reforming high-temperature fuel cell that can heat the reformer by heat radiation from the fuel cell. Examples of the high temperature fuel cell include a molten carbonate fuel cell (MCFC) in addition to SOFC.
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の形状は、平板形SOFCを積層した直方体(立方体を含む)状のスタック、円筒体状のSOFCスタック、管状のSOFCセルをまとめたバンドル、あるいは筒状円筒形SOFCなど、適宜の形状を採用できる。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. The shape of the SOFC is an appropriate shape such as a rectangular parallelepiped (including cube) stack of flat SOFCs, a cylindrical SOFC stack, a bundle of tubular SOFC cells, or a cylindrical cylindrical SOFC. it can. 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もしくはバンドルが好ましく用いられる。この場合、スタックもしくはバンドルは1つでも複数でもよい。 The SOFC or MCFC may be a single cell, but in practice, a stack or bundle in which a plurality of single cells are arranged is preferably used. In this case, the stack or bundle may be one or plural.
〔改質器〕
改質器では、水蒸気改質能を有する改質触媒を用いることができる。水蒸気改質能を有する改質触媒としては、水蒸気改質能を有する水蒸気改質触媒、および、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から適宜選んで用いることができる。
[Reformer]
In the reformer, a reforming catalyst having steam reforming ability can be used. As the reforming catalyst having steam reforming ability, a steam reforming catalyst having steam reforming ability and an autothermal reforming catalyst having both partial oxidation reforming ability and steam reforming ability may be used as appropriate. it can.
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、改質ガスは高温型燃料電池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 high temperature fuel cell.
間接内部改質型高温型燃料電池のなかでも、間接内部改質型SOFCは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 the indirect internal reforming high temperature fuel cells, the indirect internal reforming SOFC is excellent in that it can increase the thermal efficiency. 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.
〔改質触媒〕
改質器で用いる水蒸気改質触媒、オートサーマル改質触媒のいずれも、それぞれの触媒として公知の触媒を用いることができる。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。
[Reforming catalyst]
Any of the steam reforming catalyst and the autothermal reforming catalyst used in the reformer can be a known catalyst. Examples of the steam reforming catalyst include ruthenium-based and nickel-based catalysts, and examples of the autothermal reforming catalyst include rhodium-based catalysts.
以下、水蒸気改質、オートサーマル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, the conditions of rated operation in the reformer will be described for each of steam reforming and autothermal reforming.
水蒸気改質では、灯油等の炭化水素系燃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、炭化水素系燃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。炭化水素系燃料が液体の場合、この時の空間速度(LHSV)は炭化水素系燃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 a hydrocarbon fuel 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 hydrocarbon fuel (steam / carbon ratio), and this value is preferably 1 to 10, more preferably 1.5-7, more preferably 2-5. When the hydrocarbon fuel is liquid, the space velocity (LHSV) at this time is A / B when the flow rate in the liquid state of the hydrocarbon fuel 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 , 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炭化水素系燃料に添加される。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、炭化水素系燃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。炭化水素系燃料が液体の場合、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 hydrocarbon fuel 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 hydrocarbon fuel (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 hydrocarbon fuel 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 further 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.
〔他の機器〕
本発明の間接内部改質型高温型燃料電池に、高温型燃料電池システムの公知の構成要素を必要に応じて適宜付設して用いることができる。このような構成要素の具体例を挙げれば、炭化水素系燃料に含まれる硫黄分を低減する脱硫器、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]
The indirect internal reforming high-temperature fuel cell of the present invention can be used by appropriately adding known components of the high-temperature fuel cell system as necessary. Specific examples of such components include desulfurizers that reduce the sulfur content in hydrocarbon fuels, vaporizers that vaporize liquids, pumps for pressurizing various fluids, compressors, blowers, etc. Means, a flow rate adjusting means such as a valve for adjusting the flow rate of the fluid, or shutting off / switching the fluid flow, a flow path shutting / switching means, a heat exchanger for performing heat exchange / heat recovery, condensing the gas Condenser / steam, heating / heat-retaining means for external heating of various devices, storage means for hydrocarbon fuels and combustibles, instrumentation air and electrical system, control signal system, control device, output and power For example, the electrical system.
本発明の間接内部改質型高温型燃料電池は、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することができる。 The indirect internal reforming high-temperature fuel cell of the present invention can be used for, for example, a stationary or moving power generation system and a cogeneration system.
1 水気化器
1a 平板
2 改質器
2a 改質触媒層
3 SOFC
3a SOFCの火炎形成部
4 筐体(モジュール容器)
5 火炎
6 予熱器
7 予熱管
8 断熱材
9 開口
10 開口
DESCRIPTION OF
3a SOFC flame formation part 4 Case (module container)
5 Flame 6 Preheater 7
Claims (5)
水蒸気改質反応を利用して炭化水素系燃料から水素含有ガスを製造する改質器と、
該水素含有ガスを用いて発電する高温型燃料電池と、
該水気化器、改質器および高温型燃料電池を収容する筐体とを有し、
該高温型燃料電池が、該高温型燃料電池のアノードオフガスを燃焼させて火炎を形成可能な火炎形成部を有し、
該改質器が該火炎形成部に対向する位置に配され、
該水気化器が、該高温型燃料電池の火炎形成部以外の部分に対向する位置に配された
間接内部改質型高温型燃料電池。 A water vaporizer to vaporize the water;
A reformer that produces a hydrogen-containing gas from a hydrocarbon-based fuel using a steam reforming reaction;
A high-temperature fuel cell that generates electricity using the hydrogen-containing gas;
A housing for housing the water vaporizer, the reformer, and the high-temperature fuel cell;
The high-temperature fuel cell has a flame forming section capable of forming a flame by burning the anode off-gas of the high-temperature fuel cell,
The reformer is disposed at a position facing the flame forming section;
An indirect internal reforming high temperature fuel cell in which the water vaporizer is disposed at a position facing a portion other than the flame forming portion of the high temperature fuel cell.
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