JP2010235348A - Self-heated oxidation reforming apparatus and fuel cell system - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an inexpensive self-heated oxidation reforming apparatus which can improve reforming efficiency and has a simple structure, and a fuel cell system capable of enhancing power generation efficiency. <P>SOLUTION: The self-heated oxidation reforming apparatus includes: a reaction tube having a reforming layer forming a reformed gas consisting essentially of hydrogen by the reforming reaction of a mixture of a raw material with water and an oxidation heat generating layer generating heat by the oxidation of the raw material or a part of the reformed gas; an oxidizing gas supply means for supplying an oxidizing gas to the oxidation heat generating layer; and a heating means for heating the inside of the reaction tube by bringing a high temperature combustion gas into contact with an outer periphery of the reaction tube. The reaction tube has an end closed and a double tube structure where an inner tube and an outer tube communicate with each other in the closed end, the oxidation heat generating layer is positioned in the inner tube, the reforming layer is positioned in a space part between the outer tube and the inner tube of the reaction tube, and the self-heated oxidation reforming apparatus is further provided with a mixture supply flow path for supplying the mixture into the inner tube of the reaction tube and a reformed gas discharge flow path for discharging the reformed gas from the space part. The fuel cell system is provided with the self-heated oxidation reforming apparatus. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、炭化水素または脂肪族アルコールと、水蒸気との混合物を改質触媒に接触させ、改質反応により水素を主成分とする改質ガスを製造するための改質装置に関し、特には、装置内での酸化熱を改質反応に利用し得る酸化自己熱型の改質装置に関するものである。また、本発明は、該酸化自己熱型改質装置を備える燃料電池システムに関するものである。   The present invention relates to a reformer for producing a reformed gas mainly composed of hydrogen by a reforming reaction by bringing a mixture of a hydrocarbon or an aliphatic alcohol and steam into contact with a reforming catalyst, and in particular, The present invention relates to an oxidation autothermal reforming apparatus that can utilize oxidation heat in the apparatus for a reforming reaction. The present invention also relates to a fuel cell system including the oxidation autothermal reformer.

従来、炭化水素または脂肪族アルコールと、水蒸気との混合物を改質触媒に接触させて水素を主成分とする改質ガスを製造するための改質装置として、改質触媒および酸化触媒からなる触媒層に炭化水素または脂肪族アルコールと、水蒸気と、酸素とを供給し、炭化水素または脂肪族アルコールの一部を酸化発熱させることで吸熱反応である改質反応に必要な熱量が供給されるようにした、酸化自己熱型の改質装置が知られている(例えば、特許文献1参照)。   Conventionally, a catalyst comprising a reforming catalyst and an oxidation catalyst is used as a reforming device for producing a reformed gas mainly composed of hydrogen by bringing a mixture of hydrocarbon or aliphatic alcohol and water vapor into contact with the reforming catalyst. By supplying hydrocarbon or aliphatic alcohol, water vapor, and oxygen to the layer, a part of the hydrocarbon or aliphatic alcohol is oxidatively exothermic so that the heat necessary for the reforming reaction, which is an endothermic reaction, is supplied. An oxidation self-heating type reformer is known (for example, see Patent Document 1).

また、上述したような酸化自己熱型の改質装置において、触媒層内の温度分布を緩やかなものとして、原料スリップの発生や、化学平衡上水素濃度の低い(比較的メタン濃度が高い)改質ガスの生成を防ぐことを可能にした改質装置として、内管および外管からなる2重管構造の改質管に改質触媒および酸化触媒を充填し、炭化水素または脂肪族アルコールと、水蒸気と、酸素とを、内管から外管にUターンするガスフローで流すようにした酸化自己熱型改質装置が知られている(例えば、特許文献2参照)。   Moreover, in the oxidation autothermal reformer as described above, the temperature distribution in the catalyst layer is made gentle so that raw material slip occurs and the hydrogen concentration is low due to chemical equilibrium (relatively high methane concentration). As a reformer capable of preventing the generation of quality gas, a reforming catalyst and an oxidation catalyst are filled in a reforming pipe having a double pipe structure consisting of an inner pipe and an outer pipe, and a hydrocarbon or an aliphatic alcohol, There is known an oxidation autothermal reformer in which water vapor and oxygen are allowed to flow in a U-turn gas flow from an inner pipe to an outer pipe (see, for example, Patent Document 2).

しかし、上述した2重管構造の改質管を用いた酸化自己熱型改質装置では、改質管入口側での酸化反応による発熱を外側(改質管出口側)の触媒層に伝えることで触媒層の温度分布発生を抑制することができるものの、炭化水素または脂肪族アルコールと、水蒸気と、酸素との混合物を触媒層に供給しているため、耐酸化性の劣る触媒、例えばRu系触媒を改質触媒として使用することが困難であった。また、改質反応の原料として供給する炭化水素または脂肪族アルコールの一部を燃焼させて改質に必要な熱量を得ているため、改質効率(水素発生量/原料供給量)が低下してしまうという問題があった。   However, in the oxidation autothermal reformer using the above-described double-tube structure reforming tube, heat generated by the oxidation reaction at the reforming tube inlet side is transmitted to the catalyst layer on the outside (reforming tube outlet side). Although the catalyst layer can suppress the temperature distribution of the catalyst layer, a mixture of hydrocarbon or aliphatic alcohol, water vapor, and oxygen is supplied to the catalyst layer. It has been difficult to use the catalyst as a reforming catalyst. In addition, since a part of the hydrocarbon or aliphatic alcohol supplied as the raw material for the reforming reaction is burned to obtain the amount of heat necessary for the reforming, the reforming efficiency (hydrogen generation amount / raw material supply amount) decreases. There was a problem that.

これに対し、固体酸化物形燃料電池(SOFC)と、改質装置とを備える固体酸化物形燃料電池モジュールにおいて、固体酸化物形燃料電池から発生する排熱を改質装置の改質反応に無駄なく使用しつつ、改質反応に要する熱量が不足する場合には改質装置内で酸化発熱反応を進行させて熱量を補うことで、固体酸化物形燃料電池モジュールを熱自立させる手法が開発されている(例えば、特許文献3参照)。   In contrast, in a solid oxide fuel cell module comprising a solid oxide fuel cell (SOFC) and a reformer, the exhaust heat generated from the solid oxide fuel cell is used as a reforming reaction of the reformer. Developed a method to make the solid oxide fuel cell module self-sustained by using a wasteless amount of heat required for the reforming reaction to compensate for the amount of heat by advancing the oxidation exothermic reaction in the reformer. (For example, see Patent Document 3).

そして、上述の固体酸化物形燃料電池モジュールでは、改質装置での改質反応に耐酸化性の劣る触媒を使用することができるように、改質装置として、3重円管構造を有し、円筒形状の2層の改質層(内側改質層および外側改質層)と、該改質層より下流側に位置する円筒形状の酸化発熱層とが、半径方向内側から内側改質層、酸化発熱層、外側改質層の順に配置されていると共に、酸化発熱層へ酸化性ガスを直接供給するための酸化性ガス導入管が設けられている改質装置が使用されている。   The above solid oxide fuel cell module has a triple tube structure as a reformer so that a catalyst having poor oxidation resistance can be used for the reforming reaction in the reformer. The cylindrical modified layer (inner modified layer and outer modified layer) and the cylindrical oxidation heating layer located downstream of the modified layer are formed from the radially inner side to the inner modified layer. In addition, a reforming apparatus is used in which an oxidation exothermic layer and an outer reforming layer are arranged in this order, and an oxidizing gas introduction pipe for directly supplying an oxidizing gas to the oxidizing exothermic layer is provided.

特開2001−192201号公報JP 2001-192201 A 特開2003−306306号公報JP 2003-306306 A 特開2007−227237号公報JP 2007-227237 A

ここで、上述した固体酸化物形燃料電池モジュールの改質装置では、触媒層を、改質触媒を含む改質層と、酸化触媒を含む酸化発熱層とに分離し、酸化発熱層のみに酸化性ガスを供給しているので、耐酸化性の劣る触媒を改質層に使用することができるが、酸化発熱層で発生した熱の伝熱性を高めるために3重円管構造を採用しているため、構造が複雑となり、小型化するのが困難であると共に、製造コストがかかるという問題があった。   Here, in the above-described reformer for a solid oxide fuel cell module, the catalyst layer is separated into a reforming layer containing a reforming catalyst and an oxidation heating layer containing an oxidation catalyst, and only the oxidation heating layer is oxidized. Since a reactive gas is supplied, a catalyst with inferior oxidation resistance can be used for the reforming layer, but a triple tube structure is adopted to enhance the heat transfer of the heat generated in the oxidation heating layer. Therefore, there is a problem that the structure is complicated, it is difficult to reduce the size, and the manufacturing cost is high.

また、化学平衡上、改質ガスの組成は触媒層出口の温度に影響を受け、触媒層出口の温度が高いほど改質ガスの水素含有量が高くなるところ、上述した固体酸化物形燃料電池モジュールの改質装置では、内側改質層および外側改質層と、酸化発熱層とが、半径方向内側から内側改質層、酸化発熱層、外側改質層の順に配置されており、改質ガスは中央の酸化発熱層を通って排出されている。従って、改質反応に要する熱量が不足している場合のみ酸化発熱反応を進行させる上記改質装置では、固体酸化物形燃料電池から発生する排熱の大部分が外側改質層での改質反応に利用されてしまい酸化発熱層および内側改質層まで充分に伝わらないという問題があった。そのため、該改質装置では、触媒層出口、即ち酸化発熱層の出口で改質ガスの温度が低下して改質ガスの水素含有量が低下することを防止すると共に、内側改質層での改質反応に必要な熱量を補うためには、結局酸化発熱層で酸化発熱反応を進行させなければならないという点で改良の余地があった。   In addition, the composition of the reformed gas is affected by the temperature at the outlet of the catalyst layer in terms of chemical equilibrium, and the hydrogen content of the reformed gas increases as the temperature at the outlet of the catalyst layer increases. In the module reforming apparatus, the inner reforming layer, the outer reforming layer, and the oxidation exothermic layer are arranged in the order of the inner reforming layer, the oxidizing exothermic layer, and the outer reforming layer from the inner side in the radial direction. The gas is exhausted through the central oxidation heating layer. Therefore, in the above reformer that advances the oxidation exothermic reaction only when the amount of heat required for the reforming reaction is insufficient, most of the exhaust heat generated from the solid oxide fuel cell is reformed in the outer reforming layer. There was a problem that it was used for the reaction and was not sufficiently transmitted to the oxidation exothermic layer and the inner modified layer. Therefore, in the reformer, the reformed gas temperature is prevented from lowering at the catalyst layer outlet, that is, the oxidation exothermic layer outlet, and the hydrogen content of the reformed gas is prevented from being lowered. In order to supplement the amount of heat necessary for the reforming reaction, there was room for improvement in that the oxidation exothermic reaction must eventually proceed in the oxidation exothermic layer.

そのため、安価で製造することが可能であると共に、外部から供給される熱を効率的に利用することで酸化発熱層での酸化発熱反応に使用される原料や改質ガスの量をより低減する(改質効率を向上させる)ことが可能な、構造が簡単な酸化自己熱型改質装置が求められていた。   Therefore, it can be manufactured at low cost, and the amount of raw materials and reformed gas used for the oxidation exothermic reaction in the oxidation exothermic layer is further reduced by efficiently using the heat supplied from the outside. There has been a demand for an oxidation autothermal reformer having a simple structure capable of (improving reforming efficiency).

また、一般に、固体酸化物形燃料電池(SOFC)等の燃料電池の燃料利用率(発電に使用された改質ガスの量/供給した改質ガスの量)は70〜85%程度であるところ、発電中の燃料電池からは未燃ガス(H、CO、CH)を含んだオフガスが必ず排出されることとなる。そのため、発電時に燃料電池自身から生じる熱や、オフガス中の未燃ガスを燃焼させることにより生じる燃焼熱を有効に利用することで発電効率(発電量/改質ガス供給量)を高めることが可能な燃料電池システムが求められていた。 In general, the fuel utilization rate (amount of reformed gas used for power generation / amount of reformed gas supplied) of a fuel cell such as a solid oxide fuel cell (SOFC) is about 70 to 85%. Thus, off-gas containing unburned gas (H 2 , CO, CH 4 ) is surely discharged from the fuel cell during power generation. Therefore, it is possible to increase power generation efficiency (power generation amount / reformed gas supply amount) by effectively using heat generated from the fuel cell itself during power generation and combustion heat generated by burning unburned gas in off-gas. Fuel cell systems have been demanded.

この発明は、上記課題を有利に解決することを目的とするものであり、本発明の酸化自己熱型改質装置は、炭化水素および脂肪族アルコールからなる群から選択される少なくとも一種の原料と水蒸気との混合物の改質反応により水素を主成分とする改質ガスを生成する改質層と、前記原料または前記改質ガスの一部を酸化して熱を発生させる酸化発熱層とを有する反応管と、前記酸化発熱層に酸化性ガスを供給する酸化性ガス供給手段と、前記反応管の外周に高温燃焼ガスを接触させて該反応管内を加熱する加熱手段とを備える酸化自己熱型の改質装置であって、前記反応管は、一端が閉じられ、且つ、該閉じられた端部において内管と外管とが連通する二重管構造を有し、前記酸化発熱層は、少なくとも一部に酸化触媒が充填されており、且つ、前記外管と前記内管との間隙部に位置し、前記改質層は、少なくとも一部に改質触媒が充填されており、且つ、前記内管内に位置し、前記反応管の前記内管内に前記混合物を供給する混合物供給流路と、前記間隙部から改質ガスを排出する改質ガス排出流路とを更に備えることを特徴とする。このように、改質層を酸化発熱層の前段側に配置すると共に酸化発熱層に酸化性ガスを供給する酸化性ガス供給手段を設ければ、改質層の改質触媒に酸化性ガスが直接接触することがないので、耐酸化性の劣る改質触媒を改質層に使用することができる。また、反応管を二重管構造とすれば、三重円管構造にする場合と比較して装置を小型化することができるだけでなく、装置を安価で製造することが可能となる。更に、反応管の半径方向内側に改質層を、半径方向外側に酸化発熱層を配置すると共に、反応管内を加熱する加熱手段を設ければ、酸化発熱層を効率的に加熱して酸化発熱層出口で水素含有量の多い高温の改質ガスを得ることができると共に、外部から供給される熱を改質層における改質反応に利用して改質効率を向上させることもできる。なお、本発明において、水素を主成分とするとは、改質ガスのうち、水分を除いたドライベースで、50体積%以上が水素であることを指す。   An object of the present invention is to advantageously solve the above problems, and the oxidation autothermal reformer of the present invention comprises at least one raw material selected from the group consisting of hydrocarbons and aliphatic alcohols. A reforming layer that generates a reformed gas mainly composed of hydrogen by a reforming reaction of a mixture with water vapor, and an oxidation exothermic layer that generates heat by oxidizing part of the raw material or the reformed gas. An oxidation self-heating type comprising a reaction tube, an oxidizing gas supply means for supplying an oxidizing gas to the oxidation heat generating layer, and a heating means for heating the inside of the reaction tube by bringing a high-temperature combustion gas into contact with the outer periphery of the reaction tube The reaction tube has a double tube structure in which one end is closed and an inner tube and an outer tube communicate with each other at the closed end, and the oxidation exothermic layer includes: At least partially filled with an oxidation catalyst, The reforming layer is located in a gap between the outer tube and the inner tube, and the reforming layer is at least partially filled with a reforming catalyst, and is located in the inner tube, and the reaction tube includes the reaction tube. It further comprises a mixture supply channel for supplying the mixture into the inner pipe, and a reformed gas discharge channel for discharging the reformed gas from the gap. As described above, when the reforming layer is disposed on the upstream side of the oxidation heat generating layer and the oxidizing gas supply means for supplying the oxidizing gas to the oxidation heat generating layer is provided, the oxidizing gas is supplied to the reforming catalyst of the reforming layer. Since there is no direct contact, a reforming catalyst having poor oxidation resistance can be used in the reforming layer. Further, if the reaction tube has a double tube structure, the apparatus can be reduced in size as compared with a triple tube structure, and the apparatus can be manufactured at low cost. Furthermore, if a reforming layer is disposed radially inside the reaction tube and an oxidation heat generation layer is disposed radially outside, and a heating means for heating the inside of the reaction tube is provided, the oxidation heat generation layer is efficiently heated to generate oxidation heat. A high-temperature reformed gas with a high hydrogen content can be obtained at the layer outlet, and the reforming efficiency can also be improved by utilizing the heat supplied from the outside for the reforming reaction in the reforming layer. In the present invention, hydrogen as a main component means that 50% by volume or more of hydrogen is a dry base excluding moisture in the reformed gas.

ここで、本発明の酸化自己熱型改質装置は、前記反応管の前記一端とは反対側の他端に、前記混合物供給流路および前記改質ガス排出流路を有する流路部を備え、前記他端では、前記混合物供給流路が前記内管に接続していると共に、前記改質ガス排出流路が前記間隙部に接続しており、前記流路部では、前記改質ガス排出流路が、前記混合物供給流路より前記外管と前記流路部との接続部に近い側に位置していることが好ましい。反応管の内管と外管とは閉じられた端部において連通しており、改質層での改質反応により生成した改質ガスは間隙部を通って排出されるところ、該閉じられた端部とは反対側の端部(他端)に混合物供給流路および改質ガス排出流路を設けた場合、原料の改質層への導入および改質ガスの間隙部からの排出のために複雑な配管を設ける必要がなく、装置を容易に製造することができるからである。   Here, the oxidation autothermal reforming apparatus of the present invention includes a flow path section having the mixture supply flow path and the reformed gas discharge flow path at the other end opposite to the one end of the reaction tube. At the other end, the mixture supply channel is connected to the inner pipe, and the reformed gas discharge channel is connected to the gap, and the reformed gas discharge is connected to the channel unit. It is preferable that the flow path is located closer to the connection part between the outer tube and the flow path part than the mixture supply flow path. The inner tube and the outer tube of the reaction tube communicate with each other at the closed end, and the reformed gas generated by the reforming reaction in the reforming layer is discharged through the gap, and the closed tube is closed. When the mixture supply channel and the reformed gas discharge channel are provided at the end (the other end) opposite to the end, the introduction of the raw material into the reformed layer and the discharge of the reformed gas from the gap This is because it is not necessary to provide complicated piping, and the apparatus can be easily manufactured.

また、本発明の酸化自己熱型改質装置は、前記反応管を複数本有し、各反応管の混合物供給流路と、改質ガス排出流路とがそれぞれ共通していることが好ましい。このようにすれば、改質装置のコンパクト化を図れると共に、装置の配置の自由度が高まるからである。また、反応管と高温燃焼ガスとの接触面積が増加し、改質層へ熱を充分に供給することができるからである。更に、改質装置を例えば燃料電池モジュールの内部に設置して使用する場合に、配置の自由度を生かして燃料電池と近接して配置することが可能で、燃料電池からの輻射熱を複数の反応管で有効に利用することができ、燃料電池モジュールの熱利用効率の向上に寄与することも可能となるからである。   In addition, the oxidation autothermal reforming apparatus of the present invention preferably has a plurality of the reaction tubes, and the mixture supply channel and the reformed gas discharge channel of each reaction tube are respectively common. This is because the reforming apparatus can be made compact and the degree of freedom in arrangement of the apparatus is increased. Further, the contact area between the reaction tube and the high-temperature combustion gas is increased, and heat can be sufficiently supplied to the reforming layer. Further, when the reformer is installed and used inside a fuel cell module, for example, it can be arranged close to the fuel cell by taking advantage of the degree of freedom of arrangement, and the radiant heat from the fuel cell can be reacted in a plurality of ways. This is because it can be used effectively in the pipe and can contribute to the improvement of the heat utilization efficiency of the fuel cell module.

更に、本発明の酸化自己熱型改質装置は、前記混合物供給流路への前記混合物の入口部と、前記改質ガス排出流路からの前記改質ガスの出口部とが、それぞれ前記反応管を挟んで反対側に位置していることが好ましい。このようにすれば、例えば複数の反応管を備えた酸化自己熱型改質装置であっても、各反応管に関し、入口部から出口部までの距離が等しくなるからである。即ち、各反応管について流体の流れる距離をほぼ等しくすることができ、全反応管に対して混合物をほぼ均一に供給分配することができ、改質反応をほぼ均一に進行させることができるからである。   Furthermore, in the oxidation autothermal reforming apparatus of the present invention, the mixture inlet to the mixture supply channel and the outlet of the reformed gas from the reformed gas discharge channel each have the reaction. It is preferable that it is located on the opposite side across the tube. This is because, for example, even in an oxidation autothermal reformer having a plurality of reaction tubes, the distance from the inlet portion to the outlet portion is equal for each reaction tube. That is, the distances through which the fluid flows can be made substantially equal for each reaction tube, the mixture can be supplied and distributed almost uniformly to all reaction tubes, and the reforming reaction can proceed almost uniformly. is there.

また、本発明の酸化自己熱型改質装置は、前記流路部を備えることに加え、前記加熱手段が、前記高温燃焼ガスを前記一端から前記他端へ向かう方向へ流して前記反応管内を加熱することが好ましい。改質ガスを固体酸化物形燃料電池等の高温で運転する燃料電池の燃料として使用する場合、改質ガスを高温(例えば700〜800℃)で改質装置から排出することが好ましいところ、高温燃焼ガスが供給される側に改質ガス排出流路が位置していれば、改質ガス排出流路中での改質ガスの温度低下を防止することができるからである。また、高温燃焼ガスの流れ方向に関し、改質ガス排出流路よりも下流側に混合物供給流路が位置しているので、混合物供給流路の温度が高くなり難く、混合物供給流路内でのコーキングの発生を防止できるからである。   Further, the oxidation self-heat reforming apparatus of the present invention includes the flow path section, and the heating means causes the high-temperature combustion gas to flow in the direction from the one end to the other end to pass through the reaction tube. It is preferable to heat. When the reformed gas is used as fuel for a fuel cell that operates at a high temperature such as a solid oxide fuel cell, the reformed gas is preferably discharged from the reformer at a high temperature (for example, 700 to 800 ° C.). This is because if the reformed gas discharge channel is located on the side where the combustion gas is supplied, it is possible to prevent the temperature of the reformed gas from decreasing in the reformed gas discharge channel. In addition, since the mixture supply flow path is located downstream of the reformed gas discharge flow path with respect to the flow direction of the high-temperature combustion gas, the temperature of the mixture supply flow path is unlikely to increase. This is because the occurrence of coking can be prevented.

更に、本発明の酸化自己熱型改質装置は、前記酸化性ガス供給手段が、前記内管の内側に配置されて前記反応管の前記改質層より前記一端側まで延在する酸化性ガス供給管であることが好ましい。内管の内側に配置した酸化性ガス供給管から酸化性ガスを供給すれば、簡素な構成で酸化発熱層での酸化反応に必要な酸化性ガスを供給することができるからである。なお、本発明の酸化自己熱型改質装置においては、改質触媒として耐酸化性の劣る触媒を利用することができるよう、酸化性ガス供給管は閉じられた端部側まで延在していなければならない。即ち、酸化性ガス供給管からの酸化性ガスの噴き出し位置は改質層より下流側(酸化発熱層側)に位置していなければならない。   Furthermore, in the oxidation autothermal reforming apparatus of the present invention, the oxidizing gas supply means is disposed inside the inner tube and extends from the reforming layer of the reaction tube to the one end side. A supply pipe is preferred. This is because if the oxidizing gas is supplied from the oxidizing gas supply pipe disposed inside the inner pipe, the oxidizing gas necessary for the oxidation reaction in the oxidation heat generating layer can be supplied with a simple configuration. In the oxidation autothermal reformer of the present invention, the oxidizing gas supply pipe extends to the closed end side so that a catalyst having poor oxidation resistance can be used as the reforming catalyst. There must be. That is, the position where the oxidizing gas is ejected from the oxidizing gas supply pipe must be located on the downstream side (oxidation exothermic layer side) of the reforming layer.

また、本発明の酸化自己熱型改質装置は、前記改質触媒がRuを含んでいることが好ましい。本発明の酸化自己熱型改質装置では、酸化発熱層が改質層の後段側に位置しているので、耐酸化性は劣るものの活性が高く、コーキングを発生させ難い長寿命なRu系触媒を使用することができるからである。   In the oxidation autothermal reforming apparatus of the present invention, it is preferable that the reforming catalyst contains Ru. In the oxidation self-heat reforming apparatus of the present invention, the oxidation exothermic layer is located on the rear side of the reforming layer, so that the Ru-based catalyst has a long activity and high activity and is difficult to cause coking although it has poor oxidation resistance. It is because it can be used.

更に、本発明の酸化自己熱型改質装置は、前記原料が、軽油、灯油、ガソリンおよびナフサからなる群から選択される少なくとも一種であることが好ましい。これらの原料は、炭素数が大きいと共に、取り扱いおよび保管が容易で、且つ、安価で入手することができるからである。   Furthermore, in the oxidation autothermal reformer of the present invention, the raw material is preferably at least one selected from the group consisting of light oil, kerosene, gasoline and naphtha. This is because these raw materials have a large carbon number, are easy to handle and store, and can be obtained at low cost.

また、本発明の燃料電池システムは、上述した酸化自己熱型改質装置と、前記酸化自己熱型改質装置から排出された改質ガスを燃料として利用する燃料電池と、前記燃料電池から排出されるオフガスを燃焼してオフガス燃焼ガスを生じる燃焼装置とを備え、前記高温燃焼ガスが前記オフガス燃焼ガスであることを特徴とする。このように、燃料電池から排出されるオフガスを燃焼した際に生じるオフガス燃焼ガスを高温燃焼ガスとして改質反応に利用すれば、発電効率を高めることが可能となる。   Further, the fuel cell system of the present invention includes the above-described oxidation autothermal reformer, a fuel cell that uses the reformed gas discharged from the oxidation autothermal reformer as fuel, and an exhaust from the fuel cell. And a combustion device for generating off-gas combustion gas by burning off-gas generated, wherein the high-temperature combustion gas is the off-gas combustion gas. As described above, if the off-gas combustion gas generated when the off-gas discharged from the fuel cell is burned is used as a high-temperature combustion gas for the reforming reaction, the power generation efficiency can be increased.

そして、本発明の燃料電池システムは、上述した酸化自己熱型改質装置と、前記酸化自己熱型改質装置から排出された改質ガスを燃料として利用する燃料電池と、前記燃料電池から排出されるオフガスを燃焼してオフガス燃焼ガスを生じる第1の燃焼装置と、炭化水素または脂肪族アルコールを燃焼してバーナー燃焼ガスを生じる第2の燃焼装置とを備え、前記高温燃焼ガスが前記オフガス燃焼ガス及び/または前記バーナー燃焼ガスであることを特徴とする。このように、上述した酸化自己熱型改質装置を用いれば、燃料電池システムの省スペース化および低コスト化を図ることができる。また、炭化水素または脂肪族アルコールを燃焼してバーナー燃焼ガスを生じる第2の燃焼装置を設けることにより、燃料電池の運転状況に影響を受けることなく反応管を加熱することができる。なお、本発明において、第1の燃焼装置と第2の燃焼装置とは、別々の燃焼装置であっても良いし、オフガスと、炭化水素または脂肪族アルコールとの双方を燃焼することができる単一の燃焼装置であっても良い。   The fuel cell system of the present invention includes the above-described oxidation autothermal reformer, a fuel cell that uses the reformed gas discharged from the oxidation autothermal reformer as fuel, and an exhaust from the fuel cell. A first combustion device that burns off-gas generated to produce off-gas combustion gas, and a second combustion device that burns hydrocarbon or aliphatic alcohol to generate burner combustion gas, wherein the high-temperature combustion gas is the off-gas It is a combustion gas and / or the burner combustion gas. Thus, if the oxidation autothermal reformer described above is used, it is possible to save space and reduce the cost of the fuel cell system. Further, by providing the second combustion device that burns hydrocarbons or aliphatic alcohols to generate burner combustion gas, the reaction tube can be heated without being affected by the operating state of the fuel cell. In the present invention, the first combustion device and the second combustion device may be separate combustion devices, or a single combustion device that can burn both off-gas and hydrocarbon or aliphatic alcohol. One combustion device may be used.

ここで、本発明の燃料電池システムは、前記燃料電池が固体酸化物形燃料電池であることが好ましい。燃料電池として固体酸化物形燃料電池を用いた場合、発熱する固体酸化物形燃料電池からの輻射熱も酸化発熱層の加熱および改質層での改質反応に利用することができるからである。   Here, in the fuel cell system of the present invention, the fuel cell is preferably a solid oxide fuel cell. This is because, when a solid oxide fuel cell is used as the fuel cell, the radiant heat from the solid oxide fuel cell that generates heat can also be used for heating the oxidation exothermic layer and the reforming reaction in the reforming layer.

本発明の酸化自己熱型改質装置によれば、安価で製造することが可能であると共に、外部から供給される熱を効率的に利用することで改質効率を向上させることが可能な、構造が簡単な酸化自己熱型改質装置を提供することができる。また、本発明の燃料電池システムによれば、発電効率を高めることが可能な燃料電池システムを提供することができる。   According to the oxidation autothermal reforming apparatus of the present invention, it is possible to produce at a low cost and improve the reforming efficiency by efficiently using the heat supplied from the outside. An oxidation autothermal reformer having a simple structure can be provided. Moreover, according to the fuel cell system of the present invention, it is possible to provide a fuel cell system capable of increasing the power generation efficiency.

本発明の酸化自己熱型改質装置の一例を示す斜視図である。It is a perspective view which shows an example of the oxidation autothermal reforming apparatus of this invention. 図1に示す酸化自己熱型改質装置を断面で示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the oxidation autothermal reformer shown in FIG. 1 in a cross section.

以下、本発明の実施の形態を、図面に基づき詳細に説明する。ここに、図1は、本発明の酸化自己熱型改質装置の一例を示す斜視図であり、図2は、図1に示す酸化自己熱型改質装置100の断面を示す説明図である。そして、図1および図2に示す酸化自己熱型改質装置100は、例えば、燃料電池の燃料となる改質ガスの製造に用いることができ、本実施形態では、酸化自己熱型改質装置100は、固体酸化物形燃料電池を用いた燃料電池システムの一部に用いられている。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a perspective view showing an example of the oxidation autothermal reforming apparatus of the present invention, and FIG. 2 is an explanatory view showing a cross section of the oxidation autothermal reforming apparatus 100 shown in FIG. . The oxidation autothermal reformer 100 shown in FIGS. 1 and 2 can be used, for example, for the production of reformed gas as fuel for a fuel cell. In this embodiment, the oxidation autothermal reformer is used. 100 is used in a part of a fuel cell system using a solid oxide fuel cell.

ここで、図1および2に示すように、酸化自己熱型改質装置100は、3本の反応管110と、該反応管110の下部に設けられた流路部としてのマニホールド120とを備えており、原料および水蒸気の混合物を改質して水素を主成分とする改質ガスを生成するために用いられる。そして、この酸化自己熱型改質装置100の反応管110は、加熱手段としての燃焼装置(図示せず)から排出される燃焼ガスと、固体酸化物形燃料電池からの輻射熱により加熱される。なお、本発明の酸化自己熱型改質装置において、反応管の数は任意の数とすることができ、また、マニホールドの形状およびマニホールド上の反応管の配置も任意の形とすることができる。具体的には、マニホールド上の反応管の配置は、直線、L字形、V字形、U字形、波形、円形、三角形、四角形、五角形、六角形、その他の多角形、ジグザグ形などとすることができる。或いは、反応管は、マニホールド上に複数列に配置しても良い。更に、マニホールドの平面形状(反応管側から見た形状)は、上記の反応管の配置に応じて適当な形状とすることができ、例えば、正方形、長方形、三角形、円形、L字形、V字形、U字形、ジグザグ形などとすることができる。なお、反応管の大きさは、必要な触媒量および燃焼ガスを用いた加熱に必要な表面積に応じて決定することができる。   Here, as shown in FIGS. 1 and 2, the oxidation autothermal reforming apparatus 100 includes three reaction tubes 110 and a manifold 120 as a flow path provided at the lower portion of the reaction tubes 110. It is used to generate a reformed gas mainly composed of hydrogen by reforming a mixture of raw materials and steam. The reaction tube 110 of the oxidation autothermal reformer 100 is heated by combustion gas discharged from a combustion device (not shown) as heating means and radiant heat from the solid oxide fuel cell. In the oxidation autothermal reforming apparatus of the present invention, the number of reaction tubes can be any number, and the shape of the manifold and the arrangement of the reaction tubes on the manifold can also be any shape. . Specifically, the arrangement of the reaction tubes on the manifold may be straight, L-shaped, V-shaped, U-shaped, corrugated, circular, triangular, quadrangular, pentagonal, hexagonal, other polygons, zigzag, etc. it can. Alternatively, the reaction tubes may be arranged in a plurality of rows on the manifold. Furthermore, the planar shape of the manifold (the shape seen from the reaction tube side) can be an appropriate shape depending on the arrangement of the reaction tubes, for example, square, rectangular, triangular, circular, L-shaped, V-shaped. , U-shape, zigzag shape, etc. The size of the reaction tube can be determined according to the required catalyst amount and the surface area required for heating using the combustion gas.

この酸化自己熱型改質装置100の反応管110は、図2に示すように、上側の端部が閉じた外管111と、内管112とを備えた二重管構造を有しており、内管112が下方に突出した逆凸字状をしている。また、反応管110の内管112より内側には、酸化性ガスとしての空気や酸素を供給するための酸化性ガス供給管118が設けられている。そして、外管111と内管112との間の間隙部には酸化触媒からなる酸化触媒層114と、伝熱粒子からなる伝熱粒子層115とで構成された酸化発熱層116が設けられており、内管112内には改質触媒からなる改質層113が設けられている。なお、改質触媒、酸化触媒および伝熱粒子は、外管111および内管112の下部に設けられたメッシュ117により支持されており、このメッシュ117は、改質触媒、酸化触媒および伝熱粒子は通過させないが、原料、水蒸気および改質ガスは通過させるように構成されている。また、外管111および内管112からなる二重管構造は、直径の異なる2つの管を後に詳細に説明するマニホールド120に溶接し固定することで形成されている。   As shown in FIG. 2, the reaction tube 110 of the oxidation autothermal reformer 100 has a double tube structure including an outer tube 111 having an upper end closed and an inner tube 112. The inner tube 112 has an inverted convex shape protruding downward. Further, an oxidizing gas supply pipe 118 for supplying air or oxygen as an oxidizing gas is provided inside the inner pipe 112 of the reaction pipe 110. An oxidation heat generation layer 116 composed of an oxidation catalyst layer 114 made of an oxidation catalyst and a heat transfer particle layer 115 made of heat transfer particles is provided in a gap between the outer tube 111 and the inner tube 112. In the inner pipe 112, a reforming layer 113 made of a reforming catalyst is provided. The reforming catalyst, the oxidation catalyst, and the heat transfer particles are supported by a mesh 117 provided below the outer tube 111 and the inner tube 112. The mesh 117 is formed by the reforming catalyst, the oxidation catalyst, and the heat transfer particles. Is not allowed to pass through, but the raw material, water vapor and reformed gas are allowed to pass through. Further, the double pipe structure including the outer pipe 111 and the inner pipe 112 is formed by welding and fixing two pipes having different diameters to a manifold 120 described in detail later.

ここで、改質層113を構成する改質触媒としては、通常使用されている水蒸気改質触媒を用いることができ、例えば、Ru、Ni、W、Co、Rh、Pt等をアルミナ、シリカ、ジルコニア等の担体に担持した触媒を内管112内に充填して改質層113とすることができる。   Here, as the reforming catalyst constituting the reforming layer 113, a conventionally used steam reforming catalyst can be used. For example, Ru, Ni, W, Co, Rh, Pt and the like are made of alumina, silica, A catalyst supported on a carrier such as zirconia can be filled into the inner tube 112 to form the modified layer 113.

また、酸化発熱層116の一部を構成する酸化触媒としては、高温で劣化しにくいPt、Pd等を上記担体に担持した酸化触媒等を用いることができ、該酸化触媒の添加量は、改質による吸熱を補い酸化自己熱型改質装置100を熱自立させるのに必要で、且つ、酸化性ガスを完全に反応させられる量以上とすることが好ましい。更に、伝熱粒子としては、酸化触媒を用いた酸化反応により生じた熱を伝熱することが可能な粒子、例えばSiC粒子などを用いることができる。なお、図2に示す酸化自己熱型改質装置100の酸化発熱層116では、伝熱粒子を充填した上に酸化触媒を充填して酸化触媒層114および伝熱粒子層115からなる酸化発熱層116を形成したが、本発明の酸化自己熱型改質装置の酸化発熱層はこれに限定されることはない。具体的には、酸化発熱層は、(1)上述した酸化触媒と、NiやRh等を担持した改質触媒との混合物を外管と内管との間隙部に充填して形成しても良く、(2)酸化触媒と、伝熱粒子との混合物を外管と内管との間隙部に充填して形成しても良く、(3)酸化触媒と、改質触媒と、伝熱粒子との混合物を外管と内管との間隙部に充填して形成しても良い。   Further, as the oxidation catalyst constituting a part of the oxidation heat generation layer 116, an oxidation catalyst or the like in which Pt, Pd or the like that hardly deteriorates at a high temperature is supported on the carrier can be used, and the addition amount of the oxidation catalyst is changed. It is preferable to make the oxidation self-heating reformer 100 more than the amount that is necessary for supplementing the endotherm due to the quality and allowing the oxidizing self-heating reformer 100 to be thermally self-reacted and that allows the oxidizing gas to be completely reacted. Furthermore, as the heat transfer particles, particles capable of transferring heat generated by an oxidation reaction using an oxidation catalyst, such as SiC particles, can be used. In the oxidation heat generation layer 116 of the oxidation self-heat reforming apparatus 100 shown in FIG. 2, the oxidation heat generation layer is formed of the oxidation catalyst layer 114 and the heat transfer particle layer 115 by filling the heat transfer particles and then the oxidation catalyst. 116 is formed, but the oxidation exothermic layer of the oxidation autothermal reforming apparatus of the present invention is not limited to this. Specifically, the oxidation exothermic layer may be formed by (1) filling a gap between the outer tube and the inner tube with a mixture of the above-described oxidation catalyst and a reforming catalyst supporting Ni, Rh, or the like. (2) The mixture of the oxidation catalyst and the heat transfer particles may be filled in the gap between the outer tube and the inner tube, and (3) the oxidation catalyst, the reforming catalyst, and the heat transfer particles. May be formed by filling the gap between the outer tube and the inner tube.

酸化性ガス供給管118は、酸化反応に用いる酸化性ガスを酸化発熱層116の酸化触媒に供給できるものであれば特に制限はないが、改質層113の改質触媒が酸化性ガスにより劣化しないように、改質層113の後段側に酸化性ガスの噴出し口を設けることが好ましい。そして、この酸化自己熱型改質装置100では、酸化性ガス供給管118は、その先端が改質層113の上端から上に突出する長さとされており、該先端には酸化性ガス噴出し口が設けられている。   The oxidizing gas supply pipe 118 is not particularly limited as long as it can supply the oxidizing gas used for the oxidation reaction to the oxidation catalyst of the oxidation heat generation layer 116, but the reforming catalyst of the reforming layer 113 is deteriorated by the oxidizing gas. In order to avoid this, it is preferable to provide an outlet for oxidizing gas on the rear side of the modified layer 113. In this oxidation self-heating reformer 100, the oxidizing gas supply pipe 118 has a length that protrudes upward from the upper end of the reforming layer 113, and an oxidizing gas jet is ejected from the leading end. Mouth is provided.

反応管110の下部に設けられたマニホールド120は、反応管110の外管111と内管112との間の間隙部から改質ガスを排出するための改質ガス排出流路121と、反応管110の内管112へ原料および水蒸気の混合物を供給するための混合物供給流路122と、酸化性ガス供給管118を介して酸化発熱層116へ酸化性ガスを供給するための酸化性ガス供給流路123とからなる。そして、図2に示すように、このマニホールド120の改質ガス排出流路121、混合物供給流路122および酸化性ガス供給流路123は、3本の反応管110に共通した流路となっている。なお、改質ガス排出流路121は反応管110の外管111と内管112との間の間隙部と連通しており、混合物供給流路122は内管112と連通しており、酸化性ガス供給流路123は酸化性ガス供給管118と連通している。   A manifold 120 provided at the lower portion of the reaction tube 110 includes a reformed gas discharge channel 121 for discharging the reformed gas from a gap between the outer tube 111 and the inner tube 112 of the reaction tube 110, and a reaction tube. 110, a mixture supply channel 122 for supplying a mixture of the raw material and water vapor to the inner pipe 112, and an oxidizing gas supply flow for supplying an oxidizing gas to the oxidation heating layer 116 via the oxidizing gas supply pipe 118. Road 123. As shown in FIG. 2, the reformed gas discharge channel 121, the mixture supply channel 122, and the oxidizing gas supply channel 123 of the manifold 120 are channels common to the three reaction tubes 110. Yes. The reformed gas discharge channel 121 communicates with a gap between the outer tube 111 and the inner tube 112 of the reaction tube 110, and the mixture supply channel 122 communicates with the inner tube 112. The gas supply passage 123 communicates with the oxidizing gas supply pipe 118.

また、マニホールド120は、上側から順に改質ガス排出流路121、混合物供給流路122、酸化性ガス供給流路123が一体的に積層した構造を有しているので、反応管110の外管111とマニホールド120との接続部124までの距離は、改質ガス排出流路121が最も近く、次に混合物供給流路122が近く、酸化性ガス供給流路123が最も遠い。なお、上記接続部124までの距離の比較は、例えば、マニホールド120の鉛直方向同位置で、各流路の高さ方向中心(図2の点A,B,C参照)からの距離を比較することにより行うことができる。   In addition, the manifold 120 has a structure in which the reformed gas discharge channel 121, the mixture supply channel 122, and the oxidizing gas supply channel 123 are integrally laminated in order from the upper side. The distance to the connecting portion 124 between 111 and the manifold 120 is the closest to the reformed gas discharge channel 121, the closest to the mixture supply channel 122, and the farthest to the oxidizing gas supply channel 123. The distance to the connecting portion 124 is compared, for example, by comparing the distance from the center in the height direction (see points A, B, and C in FIG. 2) at the same position in the vertical direction of the manifold 120. Can be done.

更に、マニホールド120では、混合物供給流路122内へ混合物が供給される入口部と、改質ガス排出流路121から改質ガスが排出される出口部とが、反応管110を挟んでマニホールド120のそれぞれ反対側に位置している。このようにすれば、各反応管110への混合物の分配を概ね均一にすることができる。   Further, in the manifold 120, an inlet portion through which the mixture is supplied into the mixture supply passage 122 and an outlet portion through which the reformed gas is discharged from the reformed gas discharge passage 121 are sandwiched between the manifold 120 and the reaction tube 110. Are located on opposite sides of each other. In this way, the distribution of the mixture to each reaction tube 110 can be made substantially uniform.

また、マニホールド120では、酸化性ガス供給流路123内へ酸化性ガスが供給される入口部も、改質ガス排出流路121の出口部とは反対側、即ち混合物供給流路122の入口部と同じ側に位置している。このようにすることは、各反応管110への酸化性ガスの分配を均一にすることができるという観点から好ましい。   In the manifold 120, the inlet portion where the oxidizing gas is supplied into the oxidizing gas supply passage 123 is also opposite to the outlet portion of the reformed gas discharge passage 121, that is, the inlet portion of the mixture supply passage 122. Located on the same side as This is preferable from the viewpoint that the distribution of the oxidizing gas to each reaction tube 110 can be made uniform.

反応管110を加熱する燃焼ガスを生成する燃焼装置(図示せず)としては、既知の燃焼装置を用いることができる。そして、この燃焼装置から排出された高温(500℃以上。好ましくは、500℃以上1000℃以下)の燃焼ガスは、反応管110の上方から下方へ向けて吹き付けられ、酸化発熱層116出口での改質ガスの温度を高温に維持するための熱や、反応管110内の改質層113における改質反応に必要な熱を供給するのに用いられる。なお、上記燃焼装置において燃焼ガスを生成する際に燃焼させるものとしては、炭化水素、脂肪族アルコール、燃料電池から排出されるオフガスが挙げられ、発電効率の向上という観点からは、燃料電池の運転時にはオフガスを用い、燃料電池の始動時や停止時のみ、炭化水素や、脂肪族アルコールを用いることが好ましい。   A known combustion apparatus can be used as a combustion apparatus (not shown) that generates combustion gas for heating the reaction tube 110. The high-temperature (500 ° C. or higher, preferably 500 ° C. or higher and 1000 ° C. or lower) combustion gas discharged from this combustion apparatus is blown from the upper side of the reaction tube 110 to the lower side, and the oxidation heat generation layer 116 exits It is used to supply heat for maintaining the temperature of the reformed gas at a high temperature and heat necessary for the reforming reaction in the reforming layer 113 in the reaction tube 110. Examples of the combustion apparatus that burns when generating the combustion gas include hydrocarbons, aliphatic alcohols, and off-gas discharged from the fuel cell. From the viewpoint of improving power generation efficiency, the operation of the fuel cell is exemplified. It is sometimes preferable to use off-gas and use hydrocarbons or aliphatic alcohols only when the fuel cell is started or stopped.

上述した酸化自己熱型改質装置100に供給する原料としては、炭化水素および脂肪族アルコールからなる群から選択される少なくとも一種の原料を用いることができ、炭化水素及び脂肪族アルコールとしては、特に限定されるものではなく、炭化水素としては、メタン、エタン、プロパン、ブタン等のガス、軽油、ガソリン、ナフサ、灯油等の液体燃料を用いることができ、脂肪族アルコールとしては、メタノール、エタノール等を用いることができる。なお、原料としては、これらの中でも、炭素数の大きい炭化水素、即ち、軽油、ガソリン、ナフサ、灯油が好ましく、灯油が特に好ましい。また、原料と混合する水蒸気は、熱交換器などを用いて水を蒸発させて得ることができる。そして、これら原料および水蒸気は、図示しない混合器で混合した後に酸化自己熱型改質装置100へと供給することができる。   As a raw material supplied to the oxidation autothermal reforming apparatus 100 described above, at least one raw material selected from the group consisting of hydrocarbons and aliphatic alcohols can be used. The hydrocarbon is not limited, and gas such as methane, ethane, propane, and butane, liquid fuel such as light oil, gasoline, naphtha, and kerosene can be used, and aliphatic alcohol includes methanol, ethanol, and the like. Can be used. Of these, hydrocarbons having a large carbon number, that is, light oil, gasoline, naphtha, and kerosene are preferable, and kerosene is particularly preferable. Further, the water vapor mixed with the raw material can be obtained by evaporating water using a heat exchanger or the like. And these raw materials and water vapor | steam can be supplied to the oxidation autothermal reforming apparatus 100, after mixing with the mixer which is not shown in figure.

そして、酸化自己熱型改質装置100では、混合物供給流路122を介して供給された原料および水蒸気の混合物を改質層113において例えば温度400〜800℃で改質することにより、水素を主成分とする改質ガスが製造される。具体的には、図2に示す通り、反応管110に供給された混合物は、改質層113をアップフローで通り改質された後、反応管110上部の閉じた端部で折り返して外管111と内管112との間の間隙部内に入り、酸化発熱層116をダウンフローで通って改質ガス排出流路121から排出される。ここで、改質層113における改質反応に必要な熱量は、上述した燃焼ガス等により外部から供給され得るが、燃料電池の始動時や急激な負荷変動時など熱量が不足する場合には、酸化発熱層116に酸化性ガスを供給し、混合物の改質により生じた改質ガスや原料の一部を酸化させて得た熱を利用しても良い。   In the oxidation autothermal reformer 100, hydrogen is mainly produced by reforming the mixture of the raw material and water vapor supplied through the mixture supply channel 122 in the reforming layer 113 at a temperature of 400 to 800 ° C., for example. A reformed gas as a component is produced. Specifically, as shown in FIG. 2, the mixture supplied to the reaction tube 110 is reformed by passing through the reforming layer 113 and then folded at the closed end of the upper portion of the reaction tube 110, and then the outer tube. 111 enters the gap between the inner pipe 112 and the oxidation exothermic layer 116 through the down flow and is discharged from the reformed gas discharge passage 121. Here, the amount of heat necessary for the reforming reaction in the reforming layer 113 can be supplied from the outside by the above-described combustion gas or the like, but when the amount of heat is insufficient, such as when the fuel cell is started or when a sudden load change occurs, It is also possible to use heat obtained by supplying an oxidizing gas to the oxidation heat generating layer 116 and oxidizing part of the reformed gas or raw material generated by reforming the mixture.

なお、酸化自己熱型改質装置100で生成した改質ガスは、複数のセルを積み重ねてなる通常の固体酸化物形燃料電池に供給され、燃料として利用される。ここで、固体酸化物形燃料電池は、700〜800℃の高温で運転するため、酸化自己熱型改質装置100を適当な位置に配置すれば、固体酸化物形燃料電池からの輻射熱も反応管110の加熱に用いることができる。また、上述した通り、固体酸化物形燃料電池から排出されるオフガスは燃焼装置での燃焼ガスの生成に利用することができる。   The reformed gas generated by the oxidation autothermal reformer 100 is supplied to a normal solid oxide fuel cell in which a plurality of cells are stacked and used as fuel. Here, since the solid oxide fuel cell is operated at a high temperature of 700 to 800 ° C., the radiant heat from the solid oxide fuel cell also reacts if the oxidation autothermal reformer 100 is disposed at an appropriate position. It can be used to heat the tube 110. Further, as described above, the off-gas discharged from the solid oxide fuel cell can be used for generating combustion gas in the combustion apparatus.

上述したような酸化自己熱型改質装置100によれば、反応管110内の酸化発熱層116が反応管110の表面側に位置しているので、外部から供給される熱を効率的に利用し、水素含有量が高い、高温の改質ガスを排出することができる。また、燃焼ガスを用いて反応管110の改質層113にも熱を供給しており、燃料電池の始動時や急激な負荷変動時などの改質反応に必要な熱量が不足する場合にのみ酸化発熱層116で原料や改質ガスを酸化すれば良いので、酸化性ガスを常に供給する必要が無く、改質効率を向上させることができる。更に、反応管110は二重管構造であるので、酸化自己熱型改質装置100は低コストで容易に製造することができる。   According to the oxidation autothermal reforming apparatus 100 as described above, the oxidation heat generation layer 116 in the reaction tube 110 is located on the surface side of the reaction tube 110, so that the heat supplied from the outside is efficiently used. In addition, a high-temperature reformed gas having a high hydrogen content can be discharged. Also, heat is supplied to the reforming layer 113 of the reaction tube 110 using the combustion gas, and only when the amount of heat necessary for the reforming reaction is insufficient, such as when the fuel cell is started or when a sudden load change occurs. Since it is sufficient to oxidize the raw material and the reformed gas in the oxidation heat generation layer 116, it is not always necessary to supply the oxidizing gas, and the reforming efficiency can be improved. Furthermore, since the reaction tube 110 has a double tube structure, the oxidation autothermal reformer 100 can be easily manufactured at low cost.

また、上述したような酸化自己熱型改質装置100を備える燃料電池システムによれば、オフガスを燃焼させて酸化自己熱型改質装置へ熱を供給しているので、発電効率を向上させることができる。   Further, according to the fuel cell system including the oxidation autothermal reformer 100 as described above, the off-gas is burned and heat is supplied to the oxidation autothermal reformer, so that power generation efficiency is improved. Can do.

なお、本発明の酸化自己熱型改質装置は、上記実施形態に何ら限定されることはなく、例えば、酸化性ガスは、反応管の上部側から供給するようにしても良い。また、酸化性ガスを、反応管1本に対し複数本の配管で供給するようにしても良い。更に、酸化性ガスを、反応管の側面から挿入した配管を用いて供給するようにしても良い。   Note that the oxidation autothermal reforming apparatus of the present invention is not limited to the above embodiment, and for example, the oxidizing gas may be supplied from the upper side of the reaction tube. Moreover, you may make it supply oxidizing gas with multiple piping with respect to one reaction tube. Furthermore, you may make it supply oxidizing gas using piping inserted from the side surface of the reaction tube.

100 酸化自己熱型改質装置
110 反応管
111 外管
112 内管
113 改質層
114 酸化触媒層
115 伝熱粒子層
116 酸化発熱層
117 メッシュ
118 酸化性ガス供給管
120 マニホールド
121 改質ガス排出流路
122 混合物供給流路
123 酸化性ガス供給流路
124 接続部
100 oxidation autothermal reformer 110 reaction tube 111 outer tube 112 inner tube 113 reformed layer 114 oxidation catalyst layer 115 heat transfer particle layer 116 oxidation exothermic layer 117 mesh 118 oxidizing gas supply tube 120 manifold 121 reformed gas discharge flow Channel 122 Mixture supply channel 123 Oxidizing gas supply channel 124 Connection

Claims (11)

炭化水素および脂肪族アルコールからなる群から選択される少なくとも一種の原料と水蒸気との混合物の改質反応により水素を主成分とする改質ガスを生成する改質層と、前記原料または前記改質ガスの一部を酸化して熱を発生させる酸化発熱層とを有する反応管と、
前記酸化発熱層に酸化性ガスを供給する酸化性ガス供給手段と、
前記反応管の外周に高温燃焼ガスを接触させて該反応管内を加熱する加熱手段と、
を備える酸化自己熱型の改質装置であって、
前記反応管は、一端が閉じられ、且つ、該閉じられた端部において内管と外管とが連通する二重管構造を有し、
前記酸化発熱層は、少なくとも一部に酸化触媒が充填されており、且つ、前記外管と前記内管との間隙部に位置し、
前記改質層は、少なくとも一部に改質触媒が充填されており、且つ、前記内管内に位置し、
前記反応管の前記内管内に前記混合物を供給する混合物供給流路と、前記間隙部から改質ガスを排出する改質ガス排出流路とを更に備えることを特徴とする、酸化自己熱型改質装置。
A reforming layer that generates a reformed gas mainly composed of hydrogen by a reforming reaction of a mixture of at least one raw material selected from the group consisting of hydrocarbons and aliphatic alcohols and steam; and the raw material or the reforming A reaction tube having an oxidation exothermic layer that oxidizes part of the gas to generate heat;
An oxidizing gas supply means for supplying an oxidizing gas to the oxidation heat generating layer;
Heating means for heating the inside of the reaction tube by bringing a high-temperature combustion gas into contact with the outer periphery of the reaction tube;
An oxidation autothermal reformer comprising:
The reaction tube has a double tube structure in which one end is closed and an inner tube and an outer tube communicate with each other at the closed end.
The oxidation heat generation layer is at least partially filled with an oxidation catalyst, and is located in a gap between the outer tube and the inner tube,
The reforming layer is at least partially filled with a reforming catalyst, and is located in the inner pipe,
The oxidation self-heat type reformer further comprising: a mixture supply channel for supplying the mixture into the inner tube of the reaction tube; and a reformed gas discharge channel for discharging the reformed gas from the gap. Quality equipment.
前記反応管の前記一端とは反対側の他端に、前記混合物供給流路および前記改質ガス排出流路を有する流路部を備え、
前記他端では、前記混合物供給流路が前記内管に接続していると共に、前記改質ガス排出流路が前記間隙部に接続しており、
前記流路部では、前記改質ガス排出流路が、前記混合物供給流路より前記外管と前記流路部との接続部に近い側に位置していることを特徴とする、請求項1に記載の酸化自己熱型改質装置。
The other end of the reaction tube opposite to the one end is provided with a channel portion having the mixture supply channel and the reformed gas discharge channel,
At the other end, the mixture supply channel is connected to the inner pipe, and the reformed gas discharge channel is connected to the gap,
The said flow path part WHEREIN: The said reformed gas discharge flow path is located in the side near the connection part of the said outer tube and the said flow path part from the said mixture supply flow path. An oxidation autothermal reformer described in 1.
前記反応管を複数本有し、
各反応管の混合物供給流路と、改質ガス排出流路とがそれぞれ共通していることを特徴とする、請求項1または2に記載の酸化自己熱型改質装置。
Having a plurality of the reaction tubes,
The oxidation autothermal reforming apparatus according to claim 1 or 2, wherein the mixture supply channel and the reformed gas discharge channel of each reaction tube are common.
前記混合物供給流路への前記混合物の入口部と、前記改質ガス排出流路からの前記改質ガスの出口部とが、それぞれ前記反応管を挟んで反対側に位置していることを特徴とする、請求項1〜3の何れかに記載の酸化自己熱型改質装置。   An inlet portion of the mixture to the mixture supply channel and an outlet portion of the reformed gas from the reformed gas discharge channel are located on opposite sides of the reaction tube, respectively. The oxidation autothermal reformer according to any one of claims 1 to 3. 前記加熱手段が、前記高温燃焼ガスを前記一端から前記他端へ向かう方向へ流して前記反応管内を加熱することを特徴とする、請求項2〜4の何れかに記載の酸化自己熱型改質装置。   5. The oxidation self-heating reforming according to claim 2, wherein the heating means heats the inside of the reaction tube by flowing the high-temperature combustion gas in a direction from the one end toward the other end. Quality equipment. 前記酸化性ガス供給手段が、前記内管の内側に配置されて前記反応管の前記改質層より前記一端側まで延在する酸化性ガス供給管であることを特徴とする、請求項1〜5の何れかに記載の酸化自己熱型改質装置。   The oxidizing gas supply means is an oxidizing gas supply pipe disposed inside the inner pipe and extending from the reformed layer of the reaction pipe to the one end side. 6. The oxidation autothermal reformer according to any one of 5 above. 前記改質触媒がRuを含んでいることを特徴とする、請求項1〜6の何れかに記載の酸化自己熱型改質装置。   The oxidation autothermal reformer according to any one of claims 1 to 6, wherein the reforming catalyst contains Ru. 前記原料が、軽油、灯油、ガソリンおよびナフサからなる群から選択される少なくとも一種であることを特徴とする、請求項1〜7の何れかに記載の酸化自己熱型改質装置。   The oxidation autothermal reformer according to any one of claims 1 to 7, wherein the raw material is at least one selected from the group consisting of light oil, kerosene, gasoline, and naphtha. 請求項1〜8の何れかに記載の酸化自己熱型改質装置と、
前記酸化自己熱型改質装置から排出された改質ガスを燃料として利用する燃料電池と、
前記燃料電池から排出されるオフガスを燃焼してオフガス燃焼ガスを生じる燃焼装置と、
を備え、
前記高温燃焼ガスが前記オフガス燃焼ガスであることを特徴とする燃料電池システム。
An oxidation autothermal reformer according to any one of claims 1 to 8,
A fuel cell that uses the reformed gas discharged from the oxidation autothermal reformer as fuel; and
A combustion apparatus that burns off-gas discharged from the fuel cell to generate off-gas combustion gas;
With
The fuel cell system, wherein the high-temperature combustion gas is the off-gas combustion gas.
請求項1〜8の何れかに記載の酸化自己熱型改質装置と、
前記酸化自己熱型改質装置から排出された改質ガスを燃料として利用する燃料電池と、
前記燃料電池から排出されるオフガスを燃焼してオフガス燃焼ガスを生じる第1の燃焼装置と、
炭化水素または脂肪族アルコールを燃焼してバーナー燃焼ガスを生じる第2の燃焼装置と、
を備え、
前記高温燃焼ガスが前記オフガス燃焼ガス及び/または前記バーナー燃焼ガスであることを特徴とする燃料電池システム。
An oxidation autothermal reformer according to any one of claims 1 to 8,
A fuel cell that uses the reformed gas discharged from the oxidation autothermal reformer as fuel; and
A first combustion device that burns off-gas discharged from the fuel cell to produce off-gas combustion gas;
A second combustion device that burns hydrocarbons or aliphatic alcohols to produce burner combustion gases;
With
The fuel cell system, wherein the high-temperature combustion gas is the off-gas combustion gas and / or the burner combustion gas.
前記燃料電池が固体酸化物形燃料電池であることを特徴とする、請求項9または10に記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to claim 9 or 10, wherein the fuel cell is a solid oxide fuel cell.
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