JP2015109218A - Hot module for solid oxide type fuel cell and solid oxide type fuel cell system including the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、固体酸化物形燃料電池用ホットモジュールおよびこれを備える固体酸化物形燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a solid oxide fuel cell hot module and a solid oxide fuel cell system including the hot module.
燃料電池システムは、発電部の本体である燃料電池スタックに、水素含有ガスと酸素含有ガスとを供給して、水素と酸素との電気化学反応を進行させることにより発生した化学的なエネルギーを、電気的なエネルギーとして取り出して発電するシステムである。燃料電池スタックは、燃料極、電解質、空気極から成るセルから構成される。燃料極には燃料であるメタン、改質器で改質された水素およびCO、および水蒸気が供給される。空気極には空気が供給され、電解質との界面で解離し、電解質中を拡散移動し、電解質と燃料極との界面で燃料極側の水素およびCOと反応し、水およびCO2を生成する。この反応の際に放出される電子による発電する。 The fuel cell system supplies chemical energy generated by supplying a hydrogen-containing gas and an oxygen-containing gas to the fuel cell stack, which is the main body of the power generation unit, to advance an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen. This system generates electricity as electrical energy and generates electricity. The fuel cell stack is composed of cells including a fuel electrode, an electrolyte, and an air electrode. Methane, which is fuel, hydrogen and CO reformed by a reformer, and water vapor are supplied to the fuel electrode. Air is supplied to the air electrode, dissociates at the interface with the electrolyte, diffuses and moves through the electrolyte, and reacts with hydrogen and CO on the fuel electrode side at the interface between the electrolyte and the fuel electrode to produce water and CO 2 . . Electricity is generated by electrons released during this reaction.
また、高効率発電が可能であり、発電運転の際に発生する熱エネルギーを簡単に利用することができるので、高いエネルギー利用効率を実現することが可能な分散型の発電システムとして開発が進められている。 In addition, high-efficiency power generation is possible, and heat energy generated during power generation operation can be easily used, so development is being promoted as a distributed power generation system that can achieve high energy use efficiency. ing.
水素含有ガスの原料としては、天然ガスを主成分とする都市ガス、又はLPG等の化石原料が用いられる。水素生成装置は、上記原料を、例えば600〜700℃の温度で、Ru触媒やNi触媒を用いて水蒸気と反応(改質反応)させることによって水素含有ガス(改質ガス)を生成させる改質器を備えている。 As the raw material for the hydrogen-containing gas, a city gas mainly composed of natural gas or a fossil raw material such as LPG is used. The hydrogen generator is a reformer that generates hydrogen-containing gas (reformed gas) by reacting the raw material with water vapor using a Ru catalyst or Ni catalyst at a temperature of, for example, 600 to 700 ° C. (reforming reaction). Equipped with a bowl.
都市ガス、又はLPG等の原料には、原料漏れを検出するため、硫黄成分を含む付臭剤が添加されている。また、原料由来の硫黄化合物も含まれることもある。これら硫黄系の付臭剤や天然由来の硫黄化合物(総称して「硫黄化合物」とする)は、改質器で用いられるRu触媒やNi触媒といった触媒を被毒し、改質反応を阻害したり、燃料電池スタックのアノードを被毒し、燃料電池の性能を阻害してしまう恐れがある。このため、水素生成装置には、一般に、改質器に導入する前の原料から硫黄化合物を除去するための脱硫器が設けられる。 An odorant containing a sulfur component is added to a raw material such as city gas or LPG in order to detect leakage of the raw material. Moreover, the sulfur compound derived from a raw material may be contained. These sulfur-based odorants and naturally-occurring sulfur compounds (collectively referred to as “sulfur compounds”) poison the catalysts such as Ru catalysts and Ni catalysts used in the reformer and inhibit the reforming reaction. Or poison the anode of the fuel cell stack, which may impair the performance of the fuel cell. For this reason, the hydrogen generator is generally provided with a desulfurizer for removing sulfur compounds from the raw material before being introduced into the reformer.
特許文献1は、原燃料を昇圧する圧縮機と、前記原燃料中のイオウ分を除去する脱硫器と、前記原燃料から水蒸気改質により水素リッチガスを生成する改質器と、前記水素リッチガスの一部を脱硫用水素として前記原燃料圧縮機の吸込側に戻す手段とを具備することを特徴とする燃料電池発電プラントを開示する(請求項1)。
特許文献2は、原燃料を脱硫する脱硫装置と脱硫された原燃料を水素主成分の燃料ガスに改質する水蒸気改質装置とを少なくとも有する燃料電池発電システムにおいて、脱硫装置が銅−亜鉛系脱硫剤を充填した脱硫装置で構成されることを特徴とする燃料電池発電システムを開示する(請求項1)。
特許文献3は、水素を含む原料ガスの硫黄成分を、水添脱硫により除去する第1脱硫器2と、第1脱硫器2により硫黄成分が除去された脱硫原料ガスを受け取り、該脱硫原料ガスを改質して燃料ガスを生成する第1改質器3と、第1改質器3で生成された燃料ガスを受け取り、この燃料ガスと外部から供給される空気とを発電反応させて発電する燃料電池4と、原料ガスを部分酸化反応により部分的に改質して水素を含む部分改質原料ガスを生成し、この生成した部分改質原料ガスを、水素を含む原料ガスとして脱硫器2に供給する第2改質器1と、を備える燃料電池システムを開示する(要約)。
Patent Document 3 receives a
特許文献4は、脱硫器に入れる脱硫剤の形状は、通常の触媒で用いられる球状あるいはペレット状でも良く、この材料をハニカム状,円筒状,円筒中空状に成型して用いることもできる旨の開示がある(段落0012)。 Patent Document 4 states that the shape of the desulfurizing agent to be put into the desulfurizer may be a spherical shape or a pellet shape used in a normal catalyst, and this material can also be used after being molded into a honeycomb shape, a cylindrical shape, or a hollow cylindrical shape. There is disclosure (paragraph 0012).
特許文献5は、外筒が、1枚の金属板をプレス絞り加工することによって一体的に作製された外筒上部、外筒中部および外筒下部を有する燃料処理装置が開示されている(請求項2)。ここで、金属板の材料は、オーステナイト系ステンレス鋼であることが好ましい。上述のように燃料処理装置は、運転時に高温になるので、外筒を構成する金属板の材料を、高温耐久性が高いオーステナイト系ステンレス鋼とすることで、燃料処理装置の高温耐久性が高まる。また、オーステナイト系ステンレス鋼は、他の種類のステンレス鋼(例えばフェライト系)よりも伸ばしやすい。このため、金属板の材料をオーステナイト系ステンレス鋼とすることは、成形加工性の観点からも好ましい(段落0037)。 Patent Document 5 discloses a fuel processing apparatus in which an outer cylinder has an outer cylinder upper part, an outer cylinder middle part, and an outer cylinder lower part, which are integrally manufactured by press-drawing a single metal plate. Item 2). Here, the material of the metal plate is preferably austenitic stainless steel. As described above, since the fuel processing device becomes high temperature during operation, the high temperature durability of the fuel processing device is increased by using austenitic stainless steel having high temperature durability as the material of the metal plate constituting the outer cylinder. . In addition, austenitic stainless steel is easier to extend than other types of stainless steel (for example, ferritic). For this reason, it is preferable from the viewpoint of forming processability that the material of the metal plate is austenitic stainless steel (paragraph 0037).
本発明は、固体酸化物形燃料電池用ホットモジュールおよびこれを備える固体酸化物形燃料電池システムの耐久性を向上させることを課題とする。 An object of the present invention is to improve the durability of a solid oxide fuel cell hot module and a solid oxide fuel cell system including the hot module.
本発明の固体酸化物形燃料電池用ホットモジュールの一態様(aspect)は、原料中の硫黄化合物を除去する水添脱硫器と、前記水添脱硫器から供給される原料を改質して水素含有ガスを生成する改質器と、前記改質器から供給される水素含有ガスを利用して発電する固体酸化物形燃料電池と、を備え、前記改質器および前記固体酸化物形燃料電池の流路がアルミニウムを含有するフェライト系ステンレス鋼で構成され、前記水添脱硫器の流路がフェライト系ステンレス鋼で構成されている。 An aspect of a hot module for a solid oxide fuel cell according to the present invention includes a hydrodesulfurizer that removes sulfur compounds in a raw material, and a hydrogen that is produced by reforming a raw material supplied from the hydrodesulfurizer. A reformer that generates a contained gas; and a solid oxide fuel cell that generates power using a hydrogen-containing gas supplied from the reformer, the reformer and the solid oxide fuel cell. The flow path is made of ferritic stainless steel containing aluminum, and the flow path of the hydrodesulfurizer is made of ferritic stainless steel.
本発明の固体酸化物形燃料電池システムの一態様(aspect)は、上記固体酸化物形燃料電池用ホットモジュールを備える。 An aspect of the solid oxide fuel cell system according to the present invention includes the above-described hot module for a solid oxide fuel cell.
本発明の一態様によれば、固体酸化物形燃料電池用ホットモジュールおよびこれを備える固体酸化物形燃料電池システムの耐久性を向上させることができるという効果を奏する。 According to one aspect of the present invention, it is possible to improve the durability of a solid oxide fuel cell hot module and a solid oxide fuel cell system including the same.
水添脱硫方法では、水添触媒を用いて硫黄化合物を高温で水添(水素添加)させて硫化水素とする水添反応と、その硫化水素を化学反応により除去する脱硫反応とを行う。これらの反応を合わせて水添脱硫反応と呼ぶ。水添脱硫方法では、化学反応を利用するので、例えば吸着剤を用いる吸着脱硫方法よりも、脱硫容量を大きくでき、脱硫器の小型化を実現できる。 In the hydrodesulfurization method, a hydrogenation reaction is performed by hydrogenating (hydrogenating) a sulfur compound at a high temperature using a hydrogenation catalyst to form hydrogen sulfide, and a desulfurization reaction in which the hydrogen sulfide is removed by a chemical reaction. These reactions are collectively called hydrodesulfurization reaction. Since the hydrodesulfurization method uses a chemical reaction, for example, the desulfurization capacity can be increased and the size of the desulfurizer can be reduced compared to the adsorption desulfurization method using an adsorbent.
固体酸化物形燃料電池は、作動温度が一般的に700℃〜1000℃と高温であり、高温部の構造体の強度を保つため、ステンレス鋼が使用される。ステンレス鋼には通常Crが含有されるが、高温部でCrを含有するステンレス鋼を使用すると、ステンレス鋼表面に形成したCr酸化物が蒸発し、セル空気極表面と反応しCr被毒と呼ばれる劣化が発生してしまう虞がある。 The solid oxide fuel cell generally has a high operating temperature of 700 ° C. to 1000 ° C., and stainless steel is used to maintain the strength of the structure in the high temperature part. Stainless steel usually contains Cr, but if stainless steel containing Cr is used in the high temperature part, Cr oxide formed on the stainless steel surface evaporates and reacts with the cell air electrode surface, which is called Cr poisoning. Deterioration may occur.
Cr被毒が発生する可能性を低減するために、固体酸化物形燃料電池のセルで金属材料が使用されるインターコネクタおよび集電材において、Alを含有したステンレス鋼を採用することが考えられる。Alを含有したステンレス鋼は、高温において材料最表面にAl酸化物被覆、その下層にCr酸化物被覆が形成され、母材の酸化進行を強固に保護する。このため、固体酸化物形燃料電池で懸念されるCr被毒を未然に防ぐ効果が期待される。 In order to reduce the possibility of Cr poisoning, it is conceivable to employ stainless steel containing Al in an interconnector and a current collector that use a metal material in a cell of a solid oxide fuel cell. Stainless steel containing Al is formed with an Al oxide coating on the outermost surface of the material and a Cr oxide coating on the lower layer at a high temperature, thereby strongly protecting the progress of oxidation of the base material. For this reason, the effect which prevents Cr poisoning concerned with a solid oxide fuel cell beforehand is anticipated.
また、固体酸化物形燃料電池を構成する改質器、スタック周辺構造体、および配管などにおいても、Cr酸化物の蒸発や飛散を未然に防ぐために、上記同様にAlを含有したステンレス鋼を使用することが考えられる。 In addition, the reformer, stack peripheral structure, and pipes that make up the solid oxide fuel cell also use Al-containing stainless steel to prevent Cr oxide from evaporating and scattering. It is possible to do.
そこで改質器および固体酸化物形燃料電池の流路がアルミニウムを含有するフェライト系ステンレス鋼で構成される固体酸化物形燃料電池用ホットモジュールを製作して実験を行った。この際、水添脱硫器については運転時の温度がそれほど高くないため、Cr酸化物の蒸発に由来するCr被毒は発生しにくいと考えられた。また、フェライト系ステンレス鋼よりもオーステナイト系ステンレス鋼の方が、製造コストも低くできる。そこで、水添脱硫器の流路については従来通り、オーステナイト系ステンレス鋼で構成した。 Therefore, an experiment was conducted by producing a hot module for a solid oxide fuel cell in which the flow path of the reformer and the solid oxide fuel cell is made of ferritic stainless steel containing aluminum. At this time, the hydrodesulfurizer was considered not to generate Cr poisoning due to evaporation of Cr oxide because the temperature during operation was not so high. In addition, the production cost of austenitic stainless steel can be lower than that of ferritic stainless steel. Therefore, the flow path of the hydrodesulfurizer is made of austenitic stainless steel as usual.
かかる構成では、触媒のCr被毒は低減されたものの、固体酸化物形燃料電池用ホットモジュールの耐久性に改善の余地があることが判明した。詳細に検討したところ、起動停止を繰り返すことにより、改質器と水添脱硫器との接続部分に劣化が特に集中することが判明した。さらに原因を検討した結果、水添脱硫器と改質器との間で流路を構成するステンレス鋼の組成が異なるために、線膨張係数に差が存在することが着目された。互いに接続された2つの部材の間で組成が異なると、膨張収縮時の応力が接続部に集中し、劣化の原因となりうるからである。 In such a configuration, although the Cr poisoning of the catalyst is reduced, it has been found that there is room for improvement in the durability of the hot module for a solid oxide fuel cell. As a result of detailed examination, it has been found that deterioration is particularly concentrated at the connecting portion between the reformer and the hydrodesulfurizer by repeated start-stop. As a result of further investigation of the cause, it was noted that there is a difference in the coefficient of linear expansion because the composition of the stainless steel constituting the flow path is different between the hydrodesulfurizer and the reformer. This is because if the composition is different between the two members connected to each other, the stress at the time of expansion and contraction is concentrated on the connection portion, which may cause deterioration.
かかる問題を低減するには、水添脱硫器の流路についてもフェライト系ステンレス鋼で構成することが考えられる。かかる構成により、Cr被毒を低減しつつ、水添脱硫器と改質器との接続部分の強度を高められることから、固体酸化物形燃料電池用ホットモジュールの耐久性を向上できるという課題を同時に解決できる。 In order to reduce such a problem, it is conceivable that the flow path of the hydrodesulfurizer is made of ferritic stainless steel. With such a configuration, the strength of the connection portion between the hydrodesulfurizer and the reformer can be increased while reducing Cr poisoning, and thus the problem that the durability of the hot module for a solid oxide fuel cell can be improved. It can be solved at the same time.
さらに、同じフェライト系ステンレス鋼であっても、Alの含有量が低いもの(Alを含有しないものを含む)は、Al含有量が高いものよりも廉価であるが、Al濃度によってフェライト系ステンレス鋼の線膨張係数はそれほど大きく変わらないことも判明した。そこで、水添脱硫器の流路についてはAl含有量が相対的に低いフェライト系ステンレス鋼で構成することで、Cr被毒の低減と固体酸化物形燃料電池用ホットモジュールの耐久性向上と製造コストの低減という課題を一挙に解決できる。 Further, even if the same ferritic stainless steel is used, one having a low Al content (including one not containing Al) is less expensive than one having a high Al content. It has also been found that the coefficient of linear expansion of the material does not change significantly. Therefore, the flow path of the hydrodesulfurizer is made of ferritic stainless steel with a relatively low Al content to reduce Cr poisoning and improve the durability and manufacture of hot modules for solid oxide fuel cells. The problem of cost reduction can be solved all at once.
さらに検討したところ、ハニカム構造の脱硫剤はハニカム状に形成された金属またはセラミックスから成る支持体表面に触媒を付着させて構成されるため、強度の観点からの耐久性が高いことから優れた構成である。しかしながら、その製造プロセスの複雑さから、製造コストが高いといった課題があり、安定して多量の製造を実現するためには、大きな課題がある。 Further investigation revealed that the desulfurization agent with a honeycomb structure is constructed by adhering a catalyst to the surface of a support made of metal or ceramics formed in a honeycomb shape, so it has an excellent structure because of its high durability in terms of strength. It is. However, due to the complexity of the manufacturing process, there is a problem that the manufacturing cost is high, and there is a big problem in order to stably realize a large amount of manufacturing.
一方、顆粒状の脱硫剤は、湿式または乾式成形法により製造された担持体表面に触媒を付着させることにより製造され、ハニカム構造の脱硫剤に比べて製造プロセスが簡素化され、安価に脱硫剤を量産することができる。 On the other hand, a granular desulfurizing agent is manufactured by attaching a catalyst to the surface of a support manufactured by a wet or dry molding method, and the manufacturing process is simplified compared to a desulfurizing agent having a honeycomb structure, and the desulfurizing agent is inexpensive. Can be mass-produced.
燃料電池システムは定期的な停止やエラー停止が発生するため、水添脱硫器を含む構成要素は停止状態での低温状態と運転状態の高温状態とを繰り返す。水添脱硫器においては、上記温度サイクルによって、高温状態において脱硫器を構成するステンレス鋼は熱膨張し、低温状態では高温状態と比較して収縮する。脱硫器の膨張収縮により、脱硫器に使用される顆粒状の脱硫剤は、繰り返して応力が負荷されて割れる可能性がある。顆粒状の脱硫剤が割れると、脱硫性能が低下したり、粉化した脱硫剤がガス流路を閉塞してしまい、圧力上昇の原因となる可能性がある。 Since the fuel cell system is periodically stopped or stopped in error, the components including the hydrodesulfurizer repeat a low temperature state in the stopped state and a high temperature state in the operating state. In the hydrodesulfurizer, the above-described temperature cycle causes the stainless steel constituting the desulfurizer to thermally expand in a high temperature state, and contracts in a low temperature state as compared to a high temperature state. Due to expansion and contraction of the desulfurizer, the granular desulfurization agent used in the desulfurizer may be cracked due to repeated stress. If the granular desulfurization agent breaks, the desulfurization performance may be reduced, or the powdered desulfurization agent may block the gas flow path, causing a pressure increase.
一般に、フェライト系ステンレス鋼はオーステナイト系ステンレス鋼に比べ、線膨張係数が小さい。水添脱硫器の流路をフェライト系ステンレス鋼で構成することは、流路の温度変化に伴う膨張収縮を低減することにつながる。よって、顆粒状の水添脱硫触媒が水添脱硫器の流路内に充填された構成において、流路の膨張収縮に起因する顆粒の崩壊を低減しうることも判明した。 Generally, ferritic stainless steel has a smaller coefficient of linear expansion than austenitic stainless steel. Constructing the flow path of the hydrodesulfurizer with ferritic stainless steel leads to a reduction in expansion and contraction associated with a temperature change of the flow path. Therefore, it was also found that in the configuration in which the granular hydrodesulfurization catalyst is filled in the flow path of the hydrodesulfurizer, the collapse of the granules due to the expansion and contraction of the flow path can be reduced.
以下、添付図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
以下で説明する実施形態は、いずれも本発明の一具体例を示すものである。以下の実施形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置および接続形態、ステップ、ステップの順序などは、あくまで一例であり、本発明を限定するものではない。また、以下の実施形態における構成要素のうち、本発明の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。また、図面において、同じ符号が付いたものは、説明を省略する場合がある。また、図面は理解しやすくするために、それぞれの構成要素を模式的に示したもので、形状および寸法比等については正確な表示ではない場合がある。また、製造方法においては、必要に応じて、各工程の順序等を変更でき、かつ、他の公知の工程を追加できる。 Each of the embodiments described below shows a specific example of the present invention. Numerical values, shapes, materials, components, arrangement positions and connection forms of components, steps, order of steps, and the like shown in the following embodiments are merely examples, and do not limit the present invention. In addition, among the constituent elements in the following embodiments, constituent elements that are not described in the independent claims indicating the highest concept of the present invention are described as optional constituent elements. In the drawings, the same reference numerals are sometimes omitted. In addition, the drawings schematically show the respective components for easy understanding, and there are cases where the shape, dimensional ratio, and the like are not accurately displayed. Moreover, in a manufacturing method, the order of each process etc. can be changed as needed, and another well-known process can be added.
(第1実施形態)
第1実施形態の固体酸化物形燃料電池用ホットモジュールは、原料中の硫黄化合物を除去する水添脱硫器と、水添脱硫器から供給される原料を改質して水素含有ガスを生成する改質器と、改質器から供給される水素含有ガスを利用して発電する固体酸化物形燃料電池と、を備え、改質器および固体酸化物形燃料電池の流路がアルミニウムを含有するフェライト系ステンレス鋼で構成され、水添脱硫器の流路がフェライト系ステンレス鋼で構成されている。
(First embodiment)
The hot module for a solid oxide fuel cell according to the first embodiment generates a hydrogen-containing gas by reforming a hydrodesulfurizer that removes sulfur compounds in the raw material and a raw material supplied from the hydrodesulfurizer. A reformer and a solid oxide fuel cell that generates electricity using a hydrogen-containing gas supplied from the reformer, and the flow path of the reformer and the solid oxide fuel cell contains aluminum It is made of ferritic stainless steel, and the flow path of the hydrodesulfurizer is made of ferritic stainless steel.
かかる構成では、Cr被毒を低減しつつ、水添脱硫器と改質器との接続部分の強度を高められることから、固体酸化物形燃料電池用ホットモジュールの耐久性を向上できる。 With such a configuration, the strength of the connecting portion between the hydrodesulfurizer and the reformer can be increased while reducing Cr poisoning, and therefore the durability of the hot module for a solid oxide fuel cell can be improved.
上記固体酸化物形燃料電池用ホットモジュールにおいて、水添脱硫器の流路を構成するフェライト系ステンレス鋼のアルミニウム含量が改質器および固体酸化物形燃料電池の流路を構成するフェライト系ステンレス鋼のアルミニウム含量よりも低くてもよい。 In the above hot module for a solid oxide fuel cell, the ferritic stainless steel in which the aluminum content of the ferritic stainless steel constituting the flow path of the hydrodesulfurizer constitutes the reformer and the flow path of the solid oxide fuel cell The aluminum content may be lower.
かかる構成では、Cr被毒を低減しつつ、固体酸化物形燃料電池用ホットモジュールの耐久性を向上できるのみならず、さらに製造コストを低減することもできる。 With such a configuration, it is possible not only to improve the durability of the hot module for a solid oxide fuel cell while reducing Cr poisoning, but also to reduce the manufacturing cost.
上記固体酸化物形燃料電池用ホットモジュールにおいて、水添脱硫器が、改質器と着脱可能に接続されていてもよい。 In the solid oxide fuel cell hot module, the hydrodesulfurizer may be detachably connected to the reformer.
かかる構成ではさらに、原料中の硫黄化合物の濃度に応じて水添脱硫器の容量(水添脱硫器を全く設けない場合を含む)を選択できることから、多様な原料組成に対応することができる。 Further, in this configuration, the capacity of the hydrodesulfurizer (including the case where no hydrodesulfurizer is provided) can be selected according to the concentration of the sulfur compound in the raw material, so that various raw material compositions can be handled.
第1実施形態の固体酸化物形燃料電池システムは、上記固体酸化物形燃料電池用ホットモジュールを備える。 The solid oxide fuel cell system according to the first embodiment includes the hot module for a solid oxide fuel cell.
図1は、第1実施形態にかかる固体酸化物形燃料電池用ホットモジュールの概略構成の一例を示すブロック図である。以下、図1を参照しつつ、第1実施形態の固体酸化物形燃料電池用ホットモジュール100について説明する。 FIG. 1 is a block diagram showing an example of a schematic configuration of a solid oxide fuel cell hot module according to the first embodiment. Hereinafter, the hot module 100 for a solid oxide fuel cell according to the first embodiment will be described with reference to FIG.
図1に示す例において、固体酸化物形燃料電池用ホットモジュール100は、水添脱硫器2と、改質器4と、固体酸化物形燃料電池6とを備えている。
In the example shown in FIG. 1, a solid oxide fuel cell hot module 100 includes a
水添脱硫器2は、原料中の硫黄化合物を除去する。水添脱硫器2の流路は、フェライト系ステンレス鋼で構成されている。水添脱硫器2の流路を構成するフェライト系ステンレス鋼のアルミニウム含量は、改質器4および固体酸化物形燃料電池6の流路を構成するフェライト系ステンレス鋼のアルミニウム含量よりも低くてもよい。ここにおいて、「改質器4および固体酸化物形燃料電池6の流路を構成するフェライト系ステンレス鋼のアルミニウム含量よりも低い」とは、水添脱硫器2の流路を構成するフェライト系ステンレス鋼のアルミニウム含量がゼロである場合を含む。
The
本明細書において、「流路が所定の材料で構成されている」と述べられているところは、より具体的に言えば、「流路のうち少なくとも該流路を流れる流体が接触する部分が所定の材料で構成されている」ことを意味しうる(以下同様)。 In this specification, the phrase “the flow path is made of a predetermined material” more specifically means that “at least a portion of the flow path that contacts the fluid flowing through the flow path is in contact with the flow path. It may mean “consisting of a predetermined material” (the same applies hereinafter).
具体的には、例えば、水添脱硫器2の流路を構成するフェライト系ステンレス鋼のアルミニウムの含有量は、0重量%以上2.0重量%未満とすることができる。水添脱硫器2の流路を構成するフェライト系ステンレス鋼のアルミニウムの含有量は、0重量%以上1.0重量%未満であってもよい。水添脱硫器2の流路を構成するフェライト系ステンレス鋼のアルミニウムの含有量は、不可避的不純物濃度以下であってもよい。
Specifically, for example, the aluminum content of the ferritic stainless steel constituting the flow path of the
水添脱硫器2および水添脱硫器2の流路を構成するフェライト系ステンレス鋼の0℃〜400℃の範囲における線膨張係数が12×10−6/℃よりも小さくてもよい。かかる構成では、ホットモジュールの起動停止による温度サイクルに伴う、膨張収縮による水添脱硫剤の粉化を抑制することが出来る。
The linear expansion coefficient in the range of 0 ° C. to 400 ° C. of the ferritic stainless steel constituting the
水添脱硫器2は、原料中の硫黄化合物に水素を添加して除去する。水素は、例えば、改質器4および固体酸化物形燃料電池6等から排出されるガスに含まれる水素を利用しうる。具体的には例えば、改質器4から排出された水素含有ガスが、改質器4と固体酸化物形燃料電池6のアノードとを結ぶアノードガス供給流路から分岐するリサイクルガス流路と、該リサイクルガス流路に設けられてリサイクルガスの供給量を調整するリサイクルガス供給ユニットとを経由して、原料供給流路へと供給されてもよい。原料供給流路は、水添脱硫器2に原料を供給する流路である。
The
原料は、例えば、メタンを主成分とする都市ガス、天然ガス、LPGなどの少なくとも炭素及び水素を構成元素とする有機化合物を含むガス、灯油、及びメタノール、エタノール等のアルコールとすることができる。都市ガスとは、ガス会社から配管を通じて各家庭などに供給されるガスをいう。 The raw material can be, for example, city gas containing methane as a main component, natural gas, gas containing an organic compound containing carbon and hydrogen as constituent elements, such as LPG, kerosene, and alcohol such as methanol and ethanol. City gas refers to gas supplied from gas companies to households through piping.
硫黄化合物は、付臭成分として人為的に原料へ添加されるものであってもよいし、原料自体に由来する天然の硫黄化合物であってもよい。具体的には、ターシャリブチルメルカプタン(TBM:tertiary-butylmercaptan)、ジメチルスルフィド(DMS:dimethyl sulfide)、テトラヒドロチオフェン(THT:Tetrahydrothiophene)、硫化カルボニル(COS:carbonyl sulfide)、硫化水素(hydrogen sulfide)等が例示される。 The sulfur compound may be artificially added to the raw material as an odorant component, or may be a natural sulfur compound derived from the raw material itself. Specifically, tertiary butylmercaptan (TBM), dimethyl sulfide (DMS), tetrahydrothiophene (THT), carbonyl sulfide (COS), hydrogen sulfide, etc. Is exemplified.
水添脱硫器2の流路には、顆粒状の水添脱硫剤が充填されていてもよい。水添脱硫剤としては、例えば、水添反応により硫黄化合物を硫化水素に変換する機能と硫化水素を吸着する機能を共に有するCuZn系触媒(例えば、Cu−Zn−Ni系触媒、及び、Cu−Zn−Fe系触媒等)を用いることができる。水添脱硫剤は、本例に限定されるものではなく、原料ガス中の硫黄化合物を硫化水素に変換するCoMo系触媒と、その下流に設けられる、硫化水素を吸着除去する硫黄吸着剤であるZnO系触媒、またはCuZn系触媒とで構成してもよい。水添脱硫剤は、所定の温度まで加熱されて用いられる。固体酸化物形燃料電池用ホットモジュールの動作時における水添脱硫器2の温度(水添脱硫剤の温度)は、例えば、摂氏150〜320度、あるいは摂氏180〜320度、あるいは250〜300度とすることができる。
The flow path of the
顆粒状の水添脱硫剤は脱硫容器に充填される。脱硫容器は水添脱硫反応が十分に進行する温度である200℃〜300℃に保持され、そこに原料ガスと水素を含有するガスとを流すことで、原料ガス中に含まれる硫黄化合物の脱硫を行う。所望する脱硫性能を発揮させ、高い耐久性能を有するためには、脱硫器の温度分布が小さく、一定に保たれることが望ましい。フェライト系ステンレス鋼は、オーステナイト系ステンレス鋼と比較して、熱伝導率が高いという特徴を有する。フェライト系ステンレス鋼は、熱伝導率が高いため、温度分布の均一化が期待される。 The granular hydrodesulfurization agent is filled in a desulfurization vessel. The desulfurization vessel is maintained at 200 ° C. to 300 ° C., which is a temperature at which the hydrodesulfurization reaction proceeds sufficiently, and a sulfur gas contained in the raw material gas is desulfurized by flowing a raw material gas and a hydrogen-containing gas therein. I do. In order to exhibit the desired desulfurization performance and to have high durability performance, it is desirable that the temperature distribution of the desulfurizer is small and kept constant. Ferritic stainless steel is characterized by high thermal conductivity compared to austenitic stainless steel. Ferritic stainless steel is expected to have a uniform temperature distribution because of its high thermal conductivity.
水添脱硫器2が、改質器4と着脱可能に接続されていてもよい。水添脱硫器2と改質器4とを着脱可能に接続する具体的な構成としては、例えば、市販されている管継ぎ手等(例えば、ナットで締め付ける継ぎ手等)を採用することができる。原料中の硫黄化合物の濃度に応じて水添脱硫器2の容量を選択できる(水添脱硫器2を全く設けない場合を含む)ことから、多様な原料組成に対応することができる。また、水添脱硫器2の脱硫性能が低下した場合に、容易に水添脱硫器2を交換することができる。
The
この場合において、水添脱硫器2は、水添脱硫器2と改質器4との接続部に至る配管を含みうる。また、改質器4は、水添脱硫器2と改質器4との接続部に至る配管を含みうる。
In this case, the
改質器4は、水添脱硫器2から供給される原料を改質して水素含有ガスを生成する。改質器4の流路は、アルミニウムを含有するフェライト系ステンレス鋼で構成されている。具体的には、例えば、改質器4の流路を構成するフェライト系ステンレス鋼のアルミニウムの含有量は、2.0重量%以上3.0重量%以下とすることができる。
The reformer 4 reforms the raw material supplied from the
改質器4で進行する改質反応は、いずれの形態であってもよく、例えば、水蒸気改質反応、オートサーマル反応及び部分酸化反応等が挙げられる。固体酸化物形燃料電池用ホットモジュールの動作時における改質器4の温度(改質触媒の温度)は、例えば、摂氏500〜700度、あるいは摂氏550〜650度とすることができる。 The reforming reaction that proceeds in the reformer 4 may take any form, and examples thereof include a steam reforming reaction, an autothermal reaction, and a partial oxidation reaction. The temperature of the reformer 4 (the temperature of the reforming catalyst) during operation of the solid oxide fuel cell hot module may be, for example, 500 to 700 degrees Celsius, or 550 to 650 degrees Celsius.
改質器4には、内部に改質触媒が配設されている。この改質触媒によって、改質反応が進行し、例えば原料及び水から水素含有ガスを生成することができる。改質反応に要する熱は例えば燃焼器(図示せず)から供給されてもよい。改質触媒には、一般的に、Pt、Ru、Rh等の貴金属系触媒及びNiからなる群の中から選択される少なくとも1種が好適に用いられる。本実施の形態の水素生成装置では、Ruを含む改質触媒が用いられる。 A reforming catalyst is disposed inside the reformer 4. By this reforming catalyst, the reforming reaction proceeds, and for example, a hydrogen-containing gas can be generated from the raw material and water. The heat required for the reforming reaction may be supplied from, for example, a combustor (not shown). In general, as the reforming catalyst, at least one selected from the group consisting of noble metal catalysts such as Pt, Ru and Rh and Ni is preferably used. In the hydrogen generator of the present embodiment, a reforming catalyst containing Ru is used.
固体酸化物形燃料電池6は、改質器から供給される水素含有ガスを利用して発電する。固体酸化物形燃料電池6の流路は、アルミニウムを含有するフェライト系ステンレス鋼で構成されている。具体的には、例えば、固体酸化物形燃料電池6の流路を構成するフェライト系ステンレス鋼のアルミニウムの含有量は、2.0重量%以上3.0重量%以下とすることができる。
The solid
固体酸化物形燃料電池6は、アノードとカソードとを備える。固体酸化物形燃料電池6は、アノードに供給される水素含有ガスと、カソードに供給される酸素含有ガスと、の間で発電反応を行う。水素含有ガスは、改質器8から供給される。酸素含有ガスは、例えば、空気とすることができる。酸素含有ガスは、固体酸化物形燃料電池システムの外部から供給されてもよいし、ブロワおよびポンプ等からなる酸素含有ガス供給器(図示せず)から供給されてもよい。
The solid
固体酸化物形燃料電池6は、例えば、アノードとカソードとの間で発電反応を行って発電する複数の燃料電池単セルを直列に接続したスタックを含むように構成される。スタックは、アノードオフガスとカソードオフガスとがそれぞれ混合されることなく排出される密閉型であってもよいし、アノードオフガスとカソードオフガスとが混合された後に排出される開放型であってもよい。開放型スタックの場合、アノードオフガスとカソードオフガスは混合されたのち、スタック直後の燃焼器で燃焼されてもよい。
The solid
固体酸化物形燃料電池用ホットモジュールの動作時における固体酸化物形燃料電池6の温度(セル温度)は、例えば、摂氏500〜700度とすることができる。
The temperature (cell temperature) of the solid
燃料電池単セルには、例えば、イットリア安定化ジルコニア(YSZ)を電解質等に用いた公知の構成を採用しうる。燃料電池単セルの材料としては、イットリビウムやスカンジウムをドープしたジルコニア、あるいはランタンガレート系の固体電解質を用いることもできる。イットリア安定化ジルコニアを用いた燃料電池単セルでは、電解質の厚みにも依存するが、例えば、摂氏600度から摂氏1000度程度の温度範囲で発電反応が行われる。 For example, a known configuration in which yttria-stabilized zirconia (YSZ) is used as an electrolyte may be employed for the single fuel cell. As a material for the fuel cell unit cell, it is also possible to use zirconia doped with yttrium or scandium, or a lanthanum gallate solid electrolyte. In a fuel cell unit cell using yttria-stabilized zirconia, for example, a power generation reaction is performed in a temperature range of about 600 degrees Celsius to 1000 degrees Celsius, depending on the thickness of the electrolyte.
固体酸化物形燃料電池6の発電により得られた電力は、図示されない端子を介して外部負荷へと供給される。
The electric power obtained by the power generation of the solid
表1に、各種ステンレス鋼における熱膨張係数の例を挙げる。出典は以下の通りである。 Table 1 gives examples of thermal expansion coefficients of various stainless steels. The sources are as follows.
ステンレス協会http://www.jssa.gr.jp/contents/faq-article/q6/
NCA-1 http://products.nisshin-steel.co.jp/pdfs/stainless_fe_nca_1.pdf
NSSC http://ns-sc.co.jp/pdf/product/stainless_sheet_j_12-03.pdf
SUS405 http://nsfellowslibrary.web.fc2.com/catalog-nissin-Sus.pdf
Stainless Steel Association http://www.jssa.gr.jp/contents/faq-article/q6/
NCA-1 http://products.nisshin-steel.co.jp/pdfs/stainless_fe_nca_1.pdf
NSSC http://ns-sc.co.jp/pdf/product/stainless_sheet_j_12-03.pdf
SUS405 http://nsfellowslibrary.web.fc2.com/catalog-nissin-Sus.pdf
表1に示す通り、一般的に、オーステナイト系ステンレス鋼(熱膨張係数:14.4〜18.7×10−6[/℃])よりもフェライト系ステンレス鋼(熱膨張係数:10.0〜14.2×10−6[/℃])の方が、熱膨張係数が小さい。かかる傾向は、表1に示す通り、フェライト系ステンレス鋼がアルミニウムを含有していても変わることがない。よって、水添脱硫器2および改質器4および固体酸化物形燃料電池6の流路をいずれもフェライト系ステンレス鋼で構成することにより、水添脱硫器2と改質器4との接続部分の強度が高められ、固体酸化物形燃料電池用ホットモジュール100の耐久性が向上する。
As shown in Table 1, generally, ferritic stainless steel (thermal expansion coefficient: 10.0-) is higher than austenitic stainless steel (thermal expansion coefficient: 14.4 to 18.7 × 10 −6 [/ ° C.]). 14.2 × 10 −6 [/ ° C.]) has a smaller coefficient of thermal expansion. As shown in Table 1, this tendency does not change even if the ferritic stainless steel contains aluminum. Therefore, the flow path of the
また、改質器4および固体酸化物形燃料電池6の流路を、アルミニウムを含有するフェライト系ステンレス鋼で構成した場合において、水添脱硫器2の流路をフェライト系ステンレス鋼で構成すると、水添脱硫器2の流路をオーステナイト系ステンレス鋼で構成した場合に比べ、それぞれの流路の熱膨張係数の差は小さくなることが期待される。従って、Cr被毒を低減しつつ、水添脱硫器と改質器との接続部分の強度を高められることから、固体酸化物形燃料電池用ホットモジュールの耐久性を向上できる。
Further, when the flow path of the reformer 4 and the solid
フェライト系ステンレス鋼は、アルミニウム含量が低い方が安価である。よって、水添脱硫器2の流路を構成するフェライト系ステンレス鋼のアルミニウム含量が、改質器4および固体酸化物形燃料電池6の流路を構成するフェライト系ステンレス鋼のアルミニウム含量よりも低い場合には、そうでない場合よりも固体酸化物形燃料電池用ホットモジュールの製造コストを低減できる。
Ferritic stainless steel is cheaper when the aluminum content is lower. Therefore, the aluminum content of the ferritic stainless steel constituting the flow path of the
(第2実施形態)
第2実施形態の固体酸化物形燃料電池用ホットモジュールは、第1実施形態の固体酸化物形燃料電池用ホットモジュールであって、さらに、固体酸化物形燃料電池から排出される排気ガスにより水添脱硫器を加熱する加熱器を備え、加熱器の流路がフェライト系ステンレス鋼で構成されている。
(Second Embodiment)
The hot module for a solid oxide fuel cell according to the second embodiment is the hot module for a solid oxide fuel cell according to the first embodiment, and further, water is generated by exhaust gas discharged from the solid oxide fuel cell. A heater for heating the desulfurizer is provided, and the flow path of the heater is made of ferritic stainless steel.
かかる構成では、Cr被毒を低減しつつ、水添脱硫器と改質器との接続部分のみならず、固体酸化物形燃料電池と加熱器との接続部分の強度を高められることから、固体酸化物形燃料電池用ホットモジュールの耐久性を向上できる。 In such a configuration, the strength of not only the connecting portion between the hydrodesulfurizer and the reformer but also the connecting portion between the solid oxide fuel cell and the heater can be increased while reducing Cr poisoning. The durability of the oxide fuel cell hot module can be improved.
上記固体酸化物形燃料電池用ホットモジュールにおいて、加熱器の流路を構成するフェライト系ステンレス鋼のアルミニウム含量が改質器および固体酸化物形燃料電池の流路を構成するフェライト系ステンレス鋼のアルミニウム含量よりも低くてもよい。 In the above-mentioned hot module for a solid oxide fuel cell, the aluminum content of the ferritic stainless steel constituting the flow path of the heater is the aluminum of the ferritic stainless steel constituting the flow path of the reformer and the solid oxide fuel cell. It may be lower than the content.
かかる構成では、Cr被毒を低減しつつ、固体酸化物形燃料電池用ホットモジュールの耐久性を向上できるのみならず、さらに製造コストを低減することもできる。 With such a configuration, it is possible not only to improve the durability of the hot module for a solid oxide fuel cell while reducing Cr poisoning, but also to reduce the manufacturing cost.
上記固体酸化物形燃料電池用ホットモジュールにおいて、水添脱硫器が、改質器に着脱可能に取り付けられ、加熱器が、固体酸化物形燃料電池に着脱可能に取り付けられていてもよい。 In the hot module for a solid oxide fuel cell, the hydrodesulfurizer may be detachably attached to the reformer, and the heater may be detachably attached to the solid oxide fuel cell.
かかる構成ではさらに、水添脱硫器が加熱器により加熱される構成において、原料中の硫黄化合物の濃度に応じて水添脱硫器の容量(水添脱硫器を全く設けない場合を含む)とこれに対応する加熱器とを選択できることから、多様な原料組成に対応することができる。 In this configuration, the hydrodesulfurizer is heated by the heater, and the hydrodesulfurizer capacity (including the case where no hydrodesulfurizer is provided) according to the concentration of the sulfur compound in the raw material and this Since the heater corresponding to can be selected, it can respond to various raw material compositions.
第2実施形態の固体酸化物形燃料電池システムは、上記固体酸化物形燃料電池用ホットモジュールを備える。 A solid oxide fuel cell system according to a second embodiment includes the hot module for a solid oxide fuel cell.
図2は、第2実施形態にかかる固体酸化物形燃料電池用ホットモジュールの概略構成の一例を示すブロック図である。以下、図2を参照しつつ、第1実施形態の固体酸化物形燃料電池用ホットモジュール200について説明する。 FIG. 2 is a block diagram showing an example of a schematic configuration of a solid oxide fuel cell hot module according to the second embodiment. Hereinafter, the solid oxide fuel cell hot module 200 according to the first embodiment will be described with reference to FIG.
図2に示す例において、固体酸化物形燃料電池用ホットモジュール200は、加熱器8を備えている。加熱器8により、水添脱硫器2の温度を好適な範囲に維持することができる。
In the example shown in FIG. 2, the solid oxide fuel cell hot module 200 includes a heater 8. The heater 8 can maintain the temperature of the
加熱器8は、固体酸化物形燃料電池6から排出される排気ガスにより水添脱硫器2を加熱する。加熱器8の流路は、フェライト系ステンレス鋼で構成されている。加熱器8の流路を構成するフェライト系ステンレス鋼のアルミニウム含量は、改質器4および固体酸化物形燃料電池6の流路を構成するフェライト系ステンレス鋼のアルミニウム含量よりも低くてもよい。ここにおいて、「改質器4および固体酸化物形燃料電池6の流路を構成するフェライト系ステンレス鋼のアルミニウム含量よりも低い」とは、加熱器8の流路を構成するフェライト系ステンレス鋼のアルミニウム含量がゼロである場合を含む。
The heater 8 heats the
具体的には、例えば、加熱器8の流路を構成するフェライト系ステンレス鋼のアルミニウムの含有量は、0重量%以上2.0重量%未満とすることができる。加熱器8の流路を構成するフェライト系ステンレス鋼のアルミニウムの含有量は、0重量%以上1.0重量%未満であってもよい。加熱器8の流路を構成するフェライト系ステンレス鋼のアルミニウムの含有量は、不可避的不純物濃度以下であってもよい。 Specifically, for example, the content of aluminum of ferritic stainless steel constituting the flow path of the heater 8 can be 0 wt% or more and less than 2.0 wt%. The aluminum content of the ferritic stainless steel constituting the flow path of the heater 8 may be not less than 0% by weight and less than 1.0% by weight. The content of aluminum in the ferritic stainless steel constituting the flow path of the heater 8 may be inevitable impurity concentration or less.
その他の構成要素は、図1に示す固体酸化物形燃料電池用ホットモジュール100と同様とすることができるので、図1と図2とで共通する構成要素については、同一の符号および名称を付して説明を省略する。 Since the other components can be the same as those of the solid oxide fuel cell hot module 100 shown in FIG. 1, the same reference numerals and names are used for the same components in FIG. 1 and FIG. Therefore, the description is omitted.
本実施形態の構成では、Cr被毒を低減しつつ、水添脱硫器と改質器との接続部分のみならず、固体酸化物形燃料電池と加熱器との接続部分の強度を高められることから、固体酸化物形燃料電池用ホットモジュールの耐久性を向上できる。 In the configuration of this embodiment, the strength of not only the connecting portion between the hydrodesulfurizer and the reformer but also the connecting portion between the solid oxide fuel cell and the heater can be increased while reducing Cr poisoning. Therefore, the durability of the hot module for a solid oxide fuel cell can be improved.
加熱器8の流路を構成するフェライト系ステンレス鋼のアルミニウム含量が改質器4および固体酸化物形燃料電池6の流路を構成するフェライト系ステンレス鋼のアルミニウム含量よりも低くてもよい。この場合には、Cr被毒を低減しつつ、固体酸化物形燃料電池用ホットモジュールの耐久性を向上できるのみならず、さらに製造コストを低減することもできる。
The aluminum content of the ferritic stainless steel constituting the flow path of the heater 8 may be lower than the aluminum content of the ferritic stainless steel constituting the flow path of the reformer 4 and the solid
水添脱硫器2が、改質器4に着脱可能に取り付けられ、加熱器8が、固体酸化物形燃料電池6に着脱可能に取り付けられていてもよい。この場合には、さらに、水添脱硫器2が加熱器8により加熱される構成において、原料中の硫黄化合物の濃度に応じて水添脱硫器2の容量(水添脱硫器2を全く設けない場合を含む)とこれに対応する加熱器8とを選択できることから、多様な原料組成に対応することができる。
The
第2実施形態においても、第1実施形態と同様の変形が可能である。 Also in the second embodiment, the same modifications as in the first embodiment are possible.
(第1実施例)
図3は、第1実施例にかかる固体酸化物形燃料電池用ホットモジュールの概略構成の一例を示すブロック図である。
(First embodiment)
FIG. 3 is a block diagram showing an example of a schematic configuration of the solid oxide fuel cell hot module according to the first embodiment.
図3に示すように、第1実施例にかかる固体酸化物形燃料電池用ホットモジュール300は、水添脱硫器1と水添脱硫器1を加熱するために備えられた加熱器7と、原料ガスを改質する改質器3と、発電するための燃料電池スタック5と、水添脱硫器1で硫黄化合物を除去した原料ガスを改質器に送るための第1配管11と、改質ガスを燃料電池スタック5に送るための第3配管13と、改質ガスの一部を水添脱硫器に送るための第4配管14と、燃料電池スタック5から排出される排気ガスを加熱器7に送るための第2配管12と、を備える。
As shown in FIG. 3, the solid oxide fuel cell hot module 300 according to the first embodiment includes a
第1配管11および第4配管14は、水添脱硫器1の一部であってもよいし、改質器3の一部であってもよい。第1配管11および第4配管14は、その一部が水添脱硫器1の一部であり、他の一部が改質器3の一部であってもよい。第1配管11および第4配管14のうち、水添脱硫器1の一部である部分は、水添脱硫器1の流路の一部となる。第1配管11および第4配管14のうち、改質器3の一部である部分は、改質器3の流路の一部となる。
The first pipe 11 and the fourth pipe 14 may be a part of the
第2配管12は、加熱器7の一部であってもよいし、燃料電池スタック5の一部であってもよい。第2配管12は、その一部が加熱器7の一部であり、他の一部が燃料電池スタック5の一部であってもよい。第2配管12のうち、加熱器7の一部である部分は、加熱器7の流路の一部となる。第2配管12のうち、燃料電池スタック5の一部である部分は、燃料電池スタック5の流路の一部となる。 The second pipe 12 may be a part of the heater 7 or a part of the fuel cell stack 5. A part of the second pipe 12 may be a part of the heater 7, and the other part may be a part of the fuel cell stack 5. A part of the second pipe 12 that is a part of the heater 7 is a part of a flow path of the heater 7. A portion of the second pipe 12 that is a part of the fuel cell stack 5 becomes a part of the flow path of the fuel cell stack 5.
第3配管13は、改質器3の一部であってもよいし、燃料電池スタック5の一部であってもよい。第3配管13は、その一部が改質器3の一部であり、他の一部が燃料電池スタック5の一部であってもよい。第3配管13のうち、改質器3の一部である部分は、改質器3の流路の一部となる。第3配管13のうち、燃料電池スタック5の一部である部分は、燃料電池スタック5の流路の一部となる。 The third pipe 13 may be a part of the reformer 3 or a part of the fuel cell stack 5. Part of the third pipe 13 may be part of the reformer 3, and the other part may be part of the fuel cell stack 5. A portion of the third pipe 13 that is a part of the reformer 3 becomes a part of the flow path of the reformer 3. A portion of the third pipe 13 that is a part of the fuel cell stack 5 becomes a part of the flow path of the fuel cell stack 5.
以上の点の他は、水添脱硫器1は第1実施形態の水添脱硫器2と同様の構成とすることができ、改質器3は第1実施形態の改質器4と同様の構成とすることができ、燃料電池スタック5は固体酸化物形燃料電池6と同様の構成とすることができ、加熱器7は第2実施形態の加熱器8と同様の構成とすることができる。よって詳細な説明は省略する。
Except for the above points, the
第1実施例においても、第1実施形態および第2実施形態と同様の変形が可能である。 Also in the first example, the same modifications as those of the first and second embodiments are possible.
(第2実施例)
図4は、第2実施例にかかる固体酸化物形燃料電池用ホットモジュールの概略構成の一例を示すブロック図である。
(Second embodiment)
FIG. 4 is a block diagram showing an example of a schematic configuration of the solid oxide fuel cell hot module according to the second embodiment.
図4に示すように、第2実施例にかかる固体酸化物形燃料電池用ホットモジュール400は、水添脱硫器1で硫黄化合物を除去した原料ガスを改質器3に送るための第1配管11と、改質ガスの一部を水添脱硫器1に送るための第4配管14と、燃料電池スタック5で発生する排気ガスを加熱器7に送るための第2配管12とに、着脱可能な機構(配管を途中で切り離して上流側と下流側とを分離する機構)として、それぞれ、第1接続部21、第2接続部22、第3接続部23を備えている。かかる機構としては、例えば、市販されている管継ぎ手等(例えば、ナットで締め付ける継ぎ手等)が使用できる。
As shown in FIG. 4, the hot module 400 for a solid oxide fuel cell according to the second embodiment is a first pipe for sending the raw material gas from which the sulfur compound has been removed by the
第1配管11のうち、第1接続部21の上流側(水添脱硫器側)の部分は、フェライト系ステンレス鋼で構成されていてもよい。第1配管11のうち、第1接続部21の上流側の部分を構成するフェライト系ステンレス鋼のアルミニウム含量は、改質器3および燃料電池スタック5の流路を構成するフェライト系ステンレス鋼のアルミニウム含量よりも低くてもよい。 In the first pipe 11, a portion on the upstream side (hydrogenation desulfurizer side) of the first connection portion 21 may be made of ferritic stainless steel. Of the first pipe 11, the aluminum content of the ferritic stainless steel constituting the upstream portion of the first connection portion 21 is the ferritic stainless steel aluminum constituting the flow path of the reformer 3 and the fuel cell stack 5. It may be lower than the content.
具体的には、例えば、第1配管11のうち、第1接続部21の上流側の部分を構成するフェライト系ステンレス鋼のアルミニウムの含有量は、0重量%以上2.0重量%未満とすることができる。第1配管11のうち、第1接続部21の上流側の部分を構成するフェライト系ステンレス鋼のアルミニウムの含有量は、0重量%以上1.0重量%未満であってもよい。第1配管11のうち、第1接続部21の上流側の部分の流路を構成するフェライト系ステンレス鋼のアルミニウムの含有量は、不可避的不純物濃度以下であってもよい。 Specifically, for example, the content of aluminum in the ferritic stainless steel constituting the upstream portion of the first connecting portion 21 in the first pipe 11 is 0 wt% or more and less than 2.0 wt%. be able to. The content of aluminum in the ferritic stainless steel constituting the upstream portion of the first connection portion 21 in the first pipe 11 may be 0 wt% or more and less than 1.0 wt%. In the first pipe 11, the content of aluminum in the ferritic stainless steel constituting the flow path in the upstream portion of the first connection portion 21 may be inevitable impurity concentration or less.
第1配管11のうち、第1接続部21の下流側(改質器側)の部分は、アルミニウムを含有するフェライト系ステンレス鋼で構成されていてもよい。具体的には、例えば、第1配管11のうち、第1接続部21の下流側の部分を構成するフェライト系ステンレス鋼のアルミニウムの含有量は、2.0重量%以上3.0重量%以下とすることができる。 In the first pipe 11, a portion on the downstream side (reformer side) of the first connection portion 21 may be made of ferritic stainless steel containing aluminum. Specifically, for example, the content of aluminum of ferritic stainless steel constituting the downstream portion of the first connection portion 21 in the first pipe 11 is 2.0 wt% or more and 3.0 wt% or less. It can be.
第2配管12のうち、第3接続部23の下流側(加熱器側)の部分は、フェライト系ステンレス鋼で構成されていてもよい。第2配管12のうち、第3接続部23の下流側の部分を構成するフェライト系ステンレス鋼のアルミニウム含量は、改質器4および固体酸化物形燃料電池6の流路を構成するフェライト系ステンレス鋼のアルミニウム含量よりも低くてもよい。
In the second pipe 12, the portion on the downstream side (heater side) of the third connection portion 23 may be made of ferritic stainless steel. Of the second pipe 12, the aluminum content of the ferritic stainless steel constituting the downstream portion of the third connecting portion 23 is the ferritic stainless steel constituting the flow path of the reformer 4 and the solid
具体的には、例えば、第2配管12のうち、第3接続部23の下流側の部分を構成するフェライト系ステンレス鋼のアルミニウムの含有量は、0重量%以上2.0重量%未満とすることができる。第2配管12のうち、第3接続部23の下流側の部分を構成するフェライト系ステンレス鋼のアルミニウムの含有量は、0重量%以上1.0重量%未満であってもよい。第2配管12のうち、第3接続部23の下流側の部分の流路を構成するフェライト系ステンレス鋼のアルミニウムの含有量は、不可避的不純物濃度以下であってもよい。 Specifically, for example, the content of aluminum in the ferritic stainless steel constituting the downstream portion of the third connection portion 23 in the second pipe 12 is 0 wt% or more and less than 2.0 wt%. be able to. In the second pipe 12, the content of aluminum in the ferritic stainless steel constituting the downstream portion of the third connection portion 23 may be 0 wt% or more and less than 1.0 wt%. In the second pipe 12, the content of aluminum in the ferritic stainless steel constituting the flow path in the downstream portion of the third connection portion 23 may be inevitable impurity concentration or less.
第2配管12のうち、第3接続部23の上流側(燃料電池スタック側)の部分は、アルミニウムを含有するフェライト系ステンレス鋼で構成されていてもよい。具体的には、例えば、第1配管11のうち、第1接続部21の下流側の部分を構成するフェライト系ステンレス鋼のアルミニウムの含有量は、2.0重量%以上3.0重量%以下とすることができる。 In the second pipe 12, a portion on the upstream side (fuel cell stack side) of the third connection portion 23 may be made of ferritic stainless steel containing aluminum. Specifically, for example, the content of aluminum of ferritic stainless steel constituting the downstream portion of the first connection portion 21 in the first pipe 11 is 2.0 wt% or more and 3.0 wt% or less. It can be.
第3配管13は、アルミニウムを含有するフェライト系ステンレス鋼で構成されている。具体的には、例えば、第3配管13を構成するフェライト系ステンレス鋼のアルミニウムの含有量は、2.0重量%以上3.0重量%以下とすることができる。 The third pipe 13 is made of ferritic stainless steel containing aluminum. Specifically, for example, the content of aluminum in the ferritic stainless steel constituting the third pipe 13 can be 2.0 wt% or more and 3.0 wt% or less.
第4配管14のうち、第2接続部22の下流側(水添脱硫器側)の部分は、フェライト系ステンレス鋼で構成されていてもよい。第4配管14のうち、第2接続部22の下流側の部分を構成するフェライト系ステンレス鋼のアルミニウム含量は、改質器3および燃料電池スタック5の流路を構成するフェライト系ステンレス鋼のアルミニウム含量よりも低くてもよい。 In the fourth pipe 14, the portion on the downstream side (hydrogenation desulfurizer side) of the second connection portion 22 may be made of ferritic stainless steel. Of the fourth pipe 14, the aluminum content of the ferritic stainless steel constituting the downstream portion of the second connecting portion 22 is the aluminum content of the ferritic stainless steel constituting the flow path of the reformer 3 and the fuel cell stack 5. It may be lower than the content.
具体的には、例えば、第4配管14のうち、第2接続部22の下流側の部分を構成するフェライト系ステンレス鋼のアルミニウムの含有量は、0重量%以上2.0重量%未満とすることができる。第4配管14のうち、第2接続部22の下流側の部分を構成するフェライト系ステンレス鋼のアルミニウムの含有量は、0重量%以上1.0重量%未満であってもよい。第4配管14のうち、第2接続部22の下流側の部分の流路を構成するフェライト系ステンレス鋼のアルミニウムの含有量は、不可避的不純物濃度以下であってもよい。 Specifically, for example, the aluminum content of the ferritic stainless steel constituting the downstream portion of the second connection portion 22 in the fourth pipe 14 is 0 wt% or more and less than 2.0 wt%. be able to. In the fourth pipe 14, the aluminum content of the ferritic stainless steel constituting the downstream portion of the second connection portion 22 may be 0 wt% or more and less than 1.0 wt%. In the fourth pipe 14, the content of aluminum in the ferritic stainless steel constituting the flow path in the downstream portion of the second connection portion 22 may be inevitable impurity concentration or less.
第4配管14のうち、第2接続部22の上流側(改質器側)の部分は、アルミニウムを含有するフェライト系ステンレス鋼で構成されていてもよい。具体的には、例えば、第4配管14のうち、第2接続部22の上流側の部分を構成するフェライト系ステンレス鋼のアルミニウムの含有量は、2.0重量%以上3.0重量%以下とすることができる。 In the fourth pipe 14, the upstream (reformer side) portion of the second connection portion 22 may be made of ferritic stainless steel containing aluminum. Specifically, for example, the content of aluminum of ferritic stainless steel constituting the upstream portion of the second connection portion 22 in the fourth pipe 14 is 2.0 wt% or more and 3.0 wt% or less. It can be.
以上の点の他は、固体酸化物形燃料電池用ホットモジュール400は、第1実施例にかかる固体酸化物形燃料電池用ホットモジュール300と同様の構成とすることができる。よって、図4と図3とで共通する構成要素には同一の符号および名称を付して詳細な説明を省略する。 Except for the above points, the solid oxide fuel cell hot module 400 can have the same configuration as the solid oxide fuel cell hot module 300 according to the first embodiment. Therefore, the same reference numerals and names are given to the same components in FIG. 4 and FIG.
第2実施例の構成では、水添脱硫器1の脱硫性能が低下した場合に、容易に水添脱硫器1を新しいものに交換することができ、さらには当該構成のような水添脱硫器1が必要でない水素生成装置の場合には、水添脱硫器1と加熱器7とを除いた水素生成装置および固体酸化物形燃料電池用ホットモジュールを提供することができる。
In the configuration of the second embodiment, when the desulfurization performance of the
第2実施例においても、第1実施形態および第2実施形態および第1実施例と同様の変形が可能である。 Also in the second example, the same modifications as those of the first embodiment, the second embodiment, and the first example are possible.
上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造および/又は機能の詳細を実質的に変更できる。 From the foregoing description, many modifications and other embodiments of the present invention are obvious to one skilled in the art. Accordingly, the foregoing description should be construed as illustrative only and is provided for the purpose of teaching those skilled in the art the best mode of carrying out the invention. The details of the structure and / or function may be substantially changed without departing from the spirit of the invention.
本発明の一態様は、固体酸化物形燃料電池用ホットモジュールの耐久性を向上できる固体酸化物形燃料電池用ホットモジュールとして有用である。 One embodiment of the present invention is useful as a solid oxide fuel cell hot module that can improve the durability of the solid oxide fuel cell hot module.
1 水添脱硫器
2 水添脱硫器
3 改質器
4 改質器
5 燃料電池スタック
6 固体酸化物形燃料電池
7 加熱器
8 加熱器
11 第1配管
12 第2配管
13 第3配管
14 第4配管
21 第1接続部
22 第2接続部
23 第3接続部
100 固体酸化物形燃料電池用ホットモジュール
200 固体酸化物形燃料電池用ホットモジュール
300 固体酸化物形燃料電池用ホットモジュール
400 固体酸化物形燃料電池用ホットモジュール
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記水添脱硫器から供給される原料を改質して水素含有ガスを生成する改質器と、
前記改質器から供給される水素含有ガスを利用して発電する固体酸化物形燃料電池と、を備え、
前記改質器および前記固体酸化物形燃料電池の流路がアルミニウムを含有するフェライト系ステンレス鋼で構成され、
前記水添脱硫器の流路がフェライト系ステンレス鋼で構成されている、
固体酸化物形燃料電池用ホットモジュール。 A hydrodesulfurizer that removes sulfur compounds in the raw material;
A reformer for reforming the raw material supplied from the hydrodesulfurizer to generate a hydrogen-containing gas;
A solid oxide fuel cell that generates electricity using the hydrogen-containing gas supplied from the reformer,
The flow path of the reformer and the solid oxide fuel cell is composed of ferritic stainless steel containing aluminum,
The flow path of the hydrodesulfurizer is made of ferritic stainless steel,
Hot module for solid oxide fuel cells.
請求項1に記載の固体酸化物形燃料電池用ホットモジュール。 The aluminum content of the ferritic stainless steel constituting the flow path of the hydrodesulfurizer is lower than the aluminum content of the ferritic stainless steel constituting the flow path of the reformer and the solid oxide fuel cell,
The hot module for a solid oxide fuel cell according to claim 1.
請求項1または2に記載の固体酸化物形燃料電池用ホットモジュール。 The hydrodesulfurizer is detachably connected to the reformer,
The hot module for a solid oxide fuel cell according to claim 1 or 2.
前記加熱器の流路がフェライト系ステンレス鋼で構成されている、
請求項1ないし3のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池用ホットモジュール。 And a heater for heating the hydrodesulfurizer with exhaust gas discharged from the solid oxide fuel cell,
The flow path of the heater is made of ferritic stainless steel,
The hot module for a solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 3.
請求項4に記載の固体酸化物形燃料電池用ホットモジュール。 The aluminum content of the ferritic stainless steel constituting the flow path of the heater is lower than the aluminum content of the ferritic stainless steel constituting the flow path of the reformer and the solid oxide fuel cell,
The hot module for solid oxide fuel cells according to claim 4.
前記加熱器が、前記固体酸化物形燃料電池に着脱可能に取り付けられている、
請求項4または5に記載の固体酸化物形燃料電池用ホットモジュール。 The hydrodesulfurizer is detachably attached to the reformer,
The heater is detachably attached to the solid oxide fuel cell.
The hot module for a solid oxide fuel cell according to claim 4 or 5.
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