JP3784751B2 - Solid oxide fuel cell system - Google Patents

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partial oxidation
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雅之 横尾
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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体酸化物形燃料電池システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図５は、従来の固体酸化物形燃料電池システムを示す図である。
【０００３】
システムに供給された天然ガス（ＣＨ４：８８％、Ｃ２Ｈ６：６％、Ｃ３Ｈ８：４％、Ｃ４Ｈ１０：２％）は、昇温されてプレ改質器６に供給される。
【０００４】
プレ改質器６は、図６に示したように、複数の水蒸気改質型固体酸化物形燃料電池セルを重ねてなるセルスタック２２（水蒸気改質型固体酸化物形燃料電池セルセルスタック）とスタック改質器７とからなるセルモジュール２１に隣接して配置されている。このプレ改質器６では、Ｃ２Ｈ６、Ｃ３Ｈ８、Ｃ４Ｈ１０の全てとＣＨ４の一部が下記反応式（１）に示す水蒸気改質反応、
ＣｎＨ２ｎ＋２＋ｎＨ２Ｏ → ｎＣＯ＋(２ｎ＋１)Ｈ２ （１）
により水素（Ｈ２）と一酸化炭素（ＣＯ）とに変換される。水蒸気改質反応（１）は吸熱反応であり、この熱には隣接して配置された水蒸気改質型固体酸化物形燃料電池セルスタック２２からの排熱が利用される。プレ改質器６の触媒は、アルミナ担体にニッケルを担持したものである。
【０００５】
プレ改質器６の排出ガスは、スタック改質器７に供給され、プレ改質器６で未反応の全てのＣＨ４は水蒸気改質反応によりＨ２とＣＯに変換される。
【０００６】
スタック改質器７は、図６に示すように、水蒸気改質型酸化物形燃料電池セルスタック２２と入れ子状に配置されている。プレ改質器６とスタック改質器７は、ともに水蒸気を利用して炭化水素を改質する水蒸気改質器であり、両者の相違は、配置される場所の違いにあり、構造的には同種の触媒を主体としたものである。 スタック改質器７と水蒸気改質型酸化物形燃料電池セルスタック２２とが入れ子状に配置されていることにより、スタック改質器７で行う水蒸気改質に必要な熱を効率良く水蒸気改質型酸化物形燃料電池セルスタック２２からスタック改質器７に伝える。スタック改質器７の触媒は、プレ改質器６と同様にアルミナ担体にニッケルを担持したものである。
【０００７】
スタック改質器７の排出ガスは、水蒸気改質型酸化物形燃料電池セルスタック２２（図５においては、これをまとめて水蒸気改質型固体酸化物形燃料電池８で示す）に供給される。水蒸気改質型固体酸化物形燃料電池８では、下記反応式（２）に示す、プレ改質器６とスタック改質器７で生成した一酸化炭素の電気化学的酸化反応、
ＣＯ＋０.５Ｏ２ → ＣＯ２ （２）
及び下記反応式（３）に示す、プレ改質器６とスタック改質器７で生成した水素の電気化学的酸化反応、
Ｈ２＋０.５Ｏ２ → Ｈ２Ｏ （３）
を利用して発電が行われる。
【０００８】
水蒸気改質型固体酸化物形燃料電池８の排出ガスの一部はプレ改質器６に供給され、該排出ガス中に含まれる水蒸気は、プレ改質器６及びスタック改質器７の水蒸気改質反応に利用される。
【０００９】
このような固体酸化物形燃料電池システムにおいては、例えば、水蒸気改質型固体酸化物形燃料電池８での燃料利用率を８０％、発電電圧を０．６５Ｖとすると、その直流端の発電効率は５１％となる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
このように、システムに供給する全ての炭化水素を水蒸気と反応させることによって得られたＨ２とＣＯの電気化学的酸化反応を利用して発電を行う従来の固体酸化物形燃料電池システムでは、水蒸気改質反応により炭化水素からＨ２とＣＯを生成する過程において大きなエクセルギー損失を伴うめに、発電効率が低下するという問題があった。
【００１１】
本発明は上記の問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、エクセルギー損失が少なく、発電効率が高い固体酸化物形燃料電池システムを提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明においては、請求項１に記載のように、
炭化水素を含むガスを燃料とし、前記炭化水素の電気化学的部分酸化反応を利用して発電を行い、前記電気化学的部分酸化反応の生成物である一酸化炭素及び水素と未反応の炭化水素とを排出する部分酸化型固体酸化物形燃料電池と、前記未反応の炭化水素の水蒸気改質反応により一酸化炭素及び水素を発生させるスタック改質器と、前記部分酸化型固体酸化物形燃料電池での電気化学的部分酸化反応及び前記スタック改質器での水蒸気改質反応により生成した一酸化炭素及び水素の電気化学的酸化反応を利用して発電を行う水蒸気改質型固体酸化物形燃料電池とを有する固体酸化物形燃料電池システムであって、前記部分酸化型固体酸化物形燃料電池の前段に前記炭化水素の部分酸化反応により一酸化炭素及び水素を生成させる部分酸化型改質器を設置することを特徴とする固体酸化物形燃料電池システムを構成する。
【００１３】
また、本発明は、請求項２に記載のように、
炭化水素を含むガスを燃料とし、前記炭化水素の電気化学的完全酸化反応を利用して発電を行い、前記電気化学的完全酸化反応の生成物である二酸化炭素及び水蒸気と未反応の炭化水素とを排出する完全酸化型固体酸化物形燃料電池と、前記未反応の炭化水素の水蒸気改質反応により一酸化炭素及び水素を発生させるスタック改質器と、前記スタック改質器での水蒸気改質反応により生成した一酸化炭素及び水素の電気化学的酸化反応を利用して発電を行う水蒸気改質型固体酸化物形燃料電池とを有する固体酸化物形燃料電池システムであって、前記完全酸化型固体酸化物形燃料電池の前段に前記炭化水素の部分酸化反応により一酸化炭素及び水素を生成させる部分酸化型改質器を設置することを特徴とする固体酸化物形燃料電池システムを構成する。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態においては、炭化水素の直接的な電気化学的酸化反応を利用して発電を行う固体酸化物形燃料電池を用い、エクセルギー損失の大きい炭化水素の水蒸気改質反応の割合を減らすことによって、発電効率の高い固体酸化物形燃料電池システムを提供する。
【００１５】
以下、図面を用いて本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００１６】
実施の形態１
図１は本発明の第一の実施形態の固体酸化物形燃料電池発電システムを示す図である。
【００１７】
炭化水素を含み、水分を含まない、すなわちドライな燃料ガスである天然ガスは、炭化水素の部分酸化反応を利用してＨ２とＣＯを生成する部分酸化型改質器１に供給される。部分酸化型改質器１には空気も供給され、空気中の酸素を利用してＣ２Ｈ６、Ｃ３Ｈ８、Ｃ４Ｈ１０の全てが下記反応式（４）〜（６）に示す部分酸化反応により水素（Ｈ２）と一酸化炭素（ＣＯ）に変換される。
【００１８】
Ｃ２Ｈ６＋Ｏ２ → ３Ｈ２＋２ＣＯ （４）
Ｃ３Ｈ８＋１.５Ｏ２ → ４Ｈ２＋３ＣＯ （５）
Ｃ４Ｈ１０＋２Ｏ２ → ５Ｈ２＋４ＣＯ （６）
これらの部分酸化による改質反応は発熱反応なので、部分酸化改質器１に熱を供給する必要はないので、部分酸化型改質器１は、図３のように、セルモジュール１１と隣接して配置しても構わないし、図４のように、セルモジュール１１と独立して配置しても構わない。
【００１９】
部分酸化型改質器１の触媒は、プレ改質器６（図５）及びスタック改質器３の触媒と同様にアルミナ担体にニッケルを担持したものである。すなわち、この触媒に、水蒸気と炭化水素が供給されれば水蒸気改質が起こり、空気と炭化水素が供給されれば部分酸化による改質が起こる。
【００２０】
ＣＨ４、ＣＯ及びＨ２を含有する、部分酸化型改質器１の排出ガスは、下記反応式（７）に示すＣＨ４の電気化学的部分酸化反応、
ＣＨ４＋０.５Ｏ２ → ２Ｈ２＋ＣＯ （７）
を利用して発電を行う部分酸化型固体酸化物形燃料電池２に供給される。
【００２１】
部分酸化型固体酸化物形燃料電池２と、スタック改質器３と、水蒸気改質型固体酸化物形燃料電池４との配置は、図３及び図４に示したように、セルモジュール１１内で、部分酸化型固体酸化物形燃料電池２は、複数の部分酸化型固体酸化物形燃料電池セル又は完全酸化型固体酸化物形燃料電池セル（本実施形態においては前者）を重ねてなるセルスタック１２に分割され、水蒸気改質型固体酸化物形燃料電池４も同様にセルスタック１３に分割され、セルスタック１２とセルスタック１３とがスタック改質器３を挟んだ形で入れ子状の配置となっている。
【００２２】
部分酸化型固体酸化物形燃料電池２においては、ＣＨ４の一部について電気化学的に部分酸化反応が起こり、発電が行われる。部分酸化型固体酸化物形燃料電池２の発電温度は１０００℃程度である。
【００２３】
部分酸化型固体酸化物形燃料電池２の排出ガスはスタック改質器３に供給され、部分酸化型固体酸化物形燃料電池２で未反応の全てのＣＨ４は水蒸気改質反応によりＨ２とＣＯに変換される。このように、水蒸気改質反応によりＨ２とＣＯに変換される燃料ガスはＣＨ４のみであるので、従来技術に比べて、水蒸気改質反応の割合は少なくなり、エクセルギー損失も少なくなる。
【００２４】
スタック改質器３の排出ガスは、水蒸気改質型固体酸化物形燃料電池４に供給され、部分酸化型改質器１、部分酸化型固体酸化物形燃料電池２、及びスタック改質器３で生成したＨ２とＣＯの電気化学的酸化反応（上記反応式（３）と（２））が起こり、発電が行われる。
【００２５】
水蒸気改質型固体酸化物形燃料電池４の排出ガスの一部は、図３及び図４に示したように、スタック改質器３の直前に戻され、水蒸気改質型固体酸化物形燃料電池４の排出ガスに含まれる水蒸気が、スタック改質器３の水蒸気改質反応に利用される。
【００２６】
このような固体酸化物形燃料電池システムにおいて、例えば、部分酸化型固体酸化物形燃料電池２で部分酸化型改質器１から供給されたＣＨ４の５０％が部分酸化反応により発電に利用され、水蒸気改質型固体酸化物形燃料電池４で部分酸化型改質器１、部分酸化型固体酸化物形燃料電池２、及びスタック改質器３で生成したＨ２とＣＯの８０％が発電に利用されたとする。このとき、部分酸化型固体酸化物形燃料電池２の発電電圧を１.０Ｖ、水蒸気改質型固体酸化物形燃料電池４の発電電圧を０.６５Ｖとすると、システムとしての発電効率は５２％となる。燃料電池として水蒸気改質型固体酸化物形燃料電池８のみを用いた従来の固体酸化物形燃料電池システム（図５）よりも発電効率が１％上昇する。
【００２７】
実施の形態２
図２は本発明の第二の実施形態の固体酸化物形燃料電池発電システムを示す図である。
【００２８】
炭化水素を含み、水分を含まない、すなわちドライな燃料ガスである天然ガスは、炭化水素の部分酸化反応を利用してＨ２とＣＯを生成する部分酸化型改質器１に供給される。部分酸化型改質器１には空気も供給され、空気中の酸素を利用してＣ２Ｈ６、Ｃ３Ｈ８、Ｃ４Ｈ１０の全てが上記反応式（４）〜（６）に示す部分酸化反応によりＨ２とＣＯに変換される。
【００２９】
これらの部分酸化による改質反応は発熱反応なので、部分酸化改質器１に熱を供給する必要はないので、部分酸化型改質器１は、図３のように、セルモジュール１１と隣接して配置しても構わないし、図４のように、セルモジュール１１と独立して配置しても構わない。
【００３０】
部分酸化型改質器１の触媒は、プレ改質器６（図５）及びスタック改質器３の触媒と同様にアルミナ担体にニッケルを担持したものである。すなわち、この触媒に、水蒸気と炭化水素が供給されれば水蒸気改質が起こり、空気と炭化水素が供給されれば部分酸化による改質が起こる。
【００３１】
ＣＨ４、ＣＯ及びＨ２を含有する、部分酸化型改質器１の排出ガスは、下記反応式（８）に示すＣＨ４の電気化学的完全酸化反応、
ＣＨ４＋２Ｏ２ → ２Ｈ２Ｏ＋ＣＯ２ （８）
を利用して発電を行う完全酸化型固体酸化物形燃料電池５に供給される。
【００３２】
完全酸化型固体酸化物形燃料電池５と、スタック改質器３と、水蒸気改質型固体酸化物形燃料電池４との配置は、図３及び図４に示したように、セルモジュール１１内で、完全酸化型固体酸化物形燃料電池５は、複数の部分酸化型固体酸化物形燃料電池セル又は完全酸化型固体酸化物形燃料電池セル（本実施形態においては後者）を重ねてなるセルスタック１２に分割され、水蒸気改質型固体酸化物形燃料電池４も同様にセルスタック１３に分割され、セルスタック１２とセルスタック１３とがスタック改質器３を挟んだ形で入れ子状の配置となっている。
【００３３】
完全酸化型固体酸化物形燃料電池５においては、ＣＨ４の一部について電気化学的完全酸化反応が起こり、発電が行われる。完全酸化型固体酸化物形燃料電池５の発電温度は、部分酸化型固体酸化物形燃料電池２と異なり、６００℃程度である。
【００３４】
完全酸化型固体酸化物形燃料電池５の排出ガスは、スタック改質器３に供給され、完全酸化型固体酸化物形燃料電池５で未反応の全てのＣＨ４は水蒸気改質反応によりＨ２とＣＯに変換される。この場合にも、水蒸気改質反応によりＨ２とＣＯに変換される燃料ガスはＣＨ４のみであるので、従来技術に比べて、水蒸気改質反応の割合は少なくなり、エクセルギー損失も少なくなる。
【００３５】
スタック改質器３の排出ガスは、水蒸気改質型固体酸化物形燃料電池４に供給される。部分酸化型改質器１及びスタック改質器３で生成したＨ２とＣＯの電気化学的酸化反応（上記反応式（３）と（２））が起こり、発電が行われる。
【００３６】
水蒸気改質型固体酸化物形燃料電池４の排出ガスの一部は、図３及び図４に示したように、スタック改質器３の直前に戻され、水蒸気改質型固体酸化物形燃料電池４の排出ガスに含まれる水蒸気が、スタック改質器３の水蒸気改質反応に利用される。
【００３７】
このような固体酸化物形燃料電池システムにおいて、例えば、完全酸化型固体酸化物形燃料電池５で部分酸化型改質器１から供給されたＣＨ４の５０％が完全酸化反応により発電に利用され、水蒸気改質型固体酸化物形燃料電池４では、部分酸化型改質器１及びスタック改質器３で生成したＨ２とＣＯの８０％が発電に利用されたとする。このとき、完全酸化型固体酸化物形燃料電池５の発電電圧を０.９Ｖ、水蒸気改質型固体酸化物形燃料電池４の発電電圧を０.６５Ｖとすると、システムとしての発電効率は６２％となる。燃料電池として水蒸気改質型固体酸化物形燃料電池８のみを用いた従来の固体酸化物形燃料電池システム（図５）よりも発電効率が１０％向上する。
【００３８】
以上説明したように、本発明に依れば、炭化水素の電気化学的酸化反応を利用して発電を行う固体酸化物形燃料電池を用いることによって、高効率な固体酸化物形燃料電池システムを提供することができる。
【００３９】
【発明の効果】
本発明の実施により、エクセルギー損失が少なく、発電効率が高い固体酸化物形燃料電池システムを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一の実施形態の固体酸化物形燃料電池システムを示す図である。
【図２】本発明の第二の実施形態の固体酸化物形燃料電池システムを示す図である。
【図３】本発明の第一の実施形態及び第二の実施形態の固体酸化物形燃料電池システムの内部構成を示す図である。
【図４】本発明の第一の実施形態及び第二の実施形態の固体酸化物形燃料電池システムの内部構成を示す図である。
【図５】従来の固体酸化物形燃料電池システムを示す図である。
【図６】従来の固体酸化物形燃料電池システムの内部構成を示す図である。
【符号の説明】
１…部分酸化型改質器、２…部分酸化型固体酸化物形燃料電池、３…スタック改質器、４…水蒸気改質型固体酸化物形燃料電池、５…完全酸化型固体酸化物形燃料電池、６…プレ改質器、７…スタック改質器、８…水蒸気改質型固体酸化物形燃料電池、１１…セルモジュール、１２、１３…セルスタック、２１…セルモジュール、２２…セルスタック。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a solid oxide fuel cell system.
[0002]
[Prior art]
FIG. 5 is a diagram showing a conventional solid oxide fuel cell system.
[0003]
Natural gas (CH 4 : 88%, C 2 H 6 : 6%, C 3 H 8 : 4%, C 4 H 10 : 2%) supplied to the system is heated to the pre-reformer 6 Supplied.
[0004]
As shown in FIG. 6, the pre-reformer 6 includes a cell stack 22 (steam reformed solid oxide fuel cell stack) formed by stacking a plurality of steam reformed solid oxide fuel cells. It is arranged adjacent to the cell module 21 comprising the stack reformer 7. In this pre-reformer 6, all of C 2 H 6 , C 3 H 8 , C 4 H 10 and a part of CH 4 are steam reforming reaction shown in the following reaction formula (1),
C n H 2n + 2 + nH 2 O → nCO + (2n + 1) H 2 (1)
Is converted into hydrogen (H 2 ) and carbon monoxide (CO). The steam reforming reaction (1) is an endothermic reaction, and exhaust heat from the steam reforming solid oxide fuel cell stack 22 disposed adjacent to the steam reforming reaction (1) is utilized. The catalyst of the pre-reformer 6 is one in which nickel is supported on an alumina carrier.
[0005]
The exhaust gas from the pre-reformer 6 is supplied to the stack reformer 7, and all the unreacted CH 4 in the pre-reformer 6 is converted into H 2 and CO by the steam reforming reaction.
[0006]
As shown in FIG. 6, the stack reformer 7 is arranged in a nested manner with the steam reforming oxide fuel cell stack 22. Both the pre-reformer 6 and the stack reformer 7 are steam reformers for reforming hydrocarbons using steam. The difference between the two is in the location where they are placed. It is mainly composed of the same type of catalyst. By arranging the stack reformer 7 and the steam reforming oxide fuel cell stack 22 in a nested manner, the heat necessary for steam reforming performed in the stack reformer 7 is efficiently steam reformed. This is transmitted from the type oxide fuel cell stack 22 to the stack reformer 7. Similar to the pre-reformer 6, the catalyst of the stack reformer 7 is one in which nickel is supported on an alumina carrier.
[0007]
The exhaust gas from the stack reformer 7 is supplied to a steam reforming oxide fuel cell stack 22 (in FIG. 5, these are collectively shown as a steam reforming solid oxide fuel cell 8). . In the steam reforming solid oxide fuel cell 8, the electrochemical oxidation reaction of carbon monoxide generated by the pre-reformer 6 and the stack reformer 7 shown in the following reaction formula (2):
CO + 0.5O 2 → CO 2 (2)
And an electrochemical oxidation reaction of hydrogen generated by the pre-reformer 6 and the stack reformer 7 shown in the following reaction formula (3),
H 2 + 0.5O 2 → H 2 O (3)
Power is generated using
[0008]
A part of the exhaust gas of the steam reforming solid oxide fuel cell 8 is supplied to the pre-reformer 6, and the steam contained in the exhaust gas is the steam of the pre-reformer 6 and the stack reformer 7. Used for reforming reaction.
[0009]
In such a solid oxide fuel cell system, for example, when the fuel utilization rate in the steam reforming solid oxide fuel cell 8 is 80% and the power generation voltage is 0.65 V, the power generation efficiency at the DC end is Is 51%.
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, in the conventional solid oxide fuel cell system that generates power by using the electrochemical oxidation reaction of H 2 and CO obtained by reacting all hydrocarbons supplied to the system with water vapor, In the process of producing H 2 and CO from hydrocarbons by a steam reforming reaction, there is a problem that power generation efficiency is lowered due to a large exergy loss.
[0011]
The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a solid oxide fuel cell system with low exergy loss and high power generation efficiency.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, in the present invention, as described in claim 1,
A gas containing hydrocarbon is used as a fuel, and electricity is generated using an electrochemical partial oxidation reaction of the hydrocarbon, and carbon monoxide and hydrogen which are products of the electrochemical partial oxidation reaction are not reacted with hydrocarbon. A partially oxidized solid oxide fuel cell, a stack reformer that generates carbon monoxide and hydrogen by a steam reforming reaction of the unreacted hydrocarbon, and the partially oxidized solid oxide fuel Steam reforming solid oxide form for power generation using electrochemical partial oxidation reaction in battery and electrochemical oxidation reaction of carbon monoxide and hydrogen generated by steam reforming reaction in the stack reformer A solid oxide fuel cell system having a fuel cell, wherein a partial oxidation type in which carbon monoxide and hydrogen are generated by a partial oxidation reaction of the hydrocarbon at a preceding stage of the partial oxidation solid oxide fuel cell Constituting the solid oxide fuel cell system, characterized by installing a quality unit.
[0013]
Further, the present invention provides the following, as described in claim 2.
Using a gas containing hydrocarbon as a fuel, generating electricity using an electrochemical complete oxidation reaction of the hydrocarbon, carbon dioxide and water vapor, which are products of the electrochemical complete oxidation reaction, and unreacted hydrocarbons Oxidization type solid oxide fuel cell that discharges carbon, stack reformer that generates carbon monoxide and hydrogen by steam reforming reaction of the unreacted hydrocarbon, and steam reforming in the stack reformer A solid oxide fuel cell system having a steam reforming solid oxide fuel cell that generates electricity using an electrochemical oxidation reaction of carbon monoxide and hydrogen produced by the reaction, the fully oxidized fuel cell system A solid oxide fuel cell system comprising a partial oxidation reformer that generates carbon monoxide and hydrogen by a partial oxidation reaction of the hydrocarbon at a preceding stage of a solid oxide fuel cell. It is formed.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
In the embodiment of the present invention, the ratio of steam reforming reaction of hydrocarbons with high exergy loss using a solid oxide fuel cell that generates electricity using direct electrochemical oxidation reaction of hydrocarbons The solid oxide fuel cell system with high power generation efficiency is provided.
[0015]
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0016]
Embodiment 1
FIG. 1 is a diagram showing a solid oxide fuel cell power generation system according to a first embodiment of the present invention.
[0017]
Natural gas that contains hydrocarbons and does not contain moisture, that is, a dry fuel gas, is supplied to a partial oxidation reformer 1 that generates H 2 and CO using a partial oxidation reaction of hydrocarbons. Air is also supplied to the partial oxidation reformer 1, and all of C 2 H 6 , C 3 H 8 , and C 4 H 10 are converted into the following reaction formulas (4) to (6) using oxygen in the air. It is converted into hydrogen (H 2 ) and carbon monoxide (CO) by the partial oxidation reaction shown.
[0018]
C 2 H 6 + O 2 → 3H 2 + 2CO (4)
C 3 H 8 + 1.5O 2 → 4H 2 + 3CO (5)
C 4 H 10 + 2O 2 → 5H 2 + 4CO (6)
Since the reforming reaction by partial oxidation is an exothermic reaction, it is not necessary to supply heat to the partial oxidation reformer 1. Therefore, the partial oxidation reformer 1 is adjacent to the cell module 11 as shown in FIG. Alternatively, they may be arranged independently of the cell module 11 as shown in FIG.
[0019]
The catalyst of the partial oxidation reformer 1 is one in which nickel is supported on an alumina carrier in the same manner as the catalyst of the pre-reformer 6 (FIG. 5) and the stack reformer 3. That is, steam reforming occurs when steam and hydrocarbons are supplied to the catalyst, and reforming by partial oxidation occurs when air and hydrocarbons are supplied.
[0020]
The exhaust gas of the partial oxidation reformer 1 containing CH 4 , CO, and H 2 is an electrochemical partial oxidation reaction of CH 4 shown in the following reaction formula (7),
CH 4 + 0.5O 2 → 2H 2 + CO (7)
Is supplied to the partially oxidized solid oxide fuel cell 2 that generates electric power using.
[0021]
As shown in FIGS. 3 and 4, the partial oxidation solid oxide fuel cell 2, the stack reformer 3, and the steam reforming solid oxide fuel cell 4 are arranged in the cell module 11. The partially oxidized solid oxide fuel cell 2 is a cell in which a plurality of partially oxidized solid oxide fuel cells or fully oxidized solid oxide fuel cells (the former in the present embodiment) are stacked. Similarly, the steam reforming solid oxide fuel cell 4 is divided into cell stacks 13, and the cell stack 12 and the cell stack 13 are arranged in a nested manner with the stack reformer 3 interposed therebetween. It has become.
[0022]
In the partially oxidized solid oxide fuel cell 2, a partial oxidation reaction occurs electrochemically for a part of CH 4 to generate power. The power generation temperature of the partially oxidized solid oxide fuel cell 2 is about 1000 ° C.
[0023]
The exhaust gas from the partially oxidized solid oxide fuel cell 2 is supplied to the stack reformer 3, and all the unreacted CH 4 in the partially oxidized solid oxide fuel cell 2 is converted to H 2 by the steam reforming reaction. Converted to CO. As described above, since the fuel gas that is converted into H 2 and CO by the steam reforming reaction is only CH 4 , the ratio of the steam reforming reaction is reduced and the exergy loss is also reduced as compared with the prior art.
[0024]
The exhaust gas from the stack reformer 3 is supplied to the steam reforming solid oxide fuel cell 4, and the partial oxidation reformer 1, the partial oxidation solid oxide fuel cell 2, and the stack reformer 3. The electrochemical oxidation reaction of H 2 and CO generated in step (the above reaction formulas (3) and (2)) occurs, and power generation is performed.
[0025]
A part of the exhaust gas of the steam reforming solid oxide fuel cell 4 is returned immediately before the stack reformer 3 as shown in FIGS. The steam contained in the exhaust gas of the battery 4 is used for the steam reforming reaction of the stack reformer 3.
[0026]
In such a solid oxide fuel cell system, for example, 50% of CH 4 supplied from the partial oxidation reformer 1 in the partial oxidation solid oxide fuel cell 2 is used for power generation by the partial oxidation reaction. The steam reforming solid oxide fuel cell 4 generates 80% of H 2 and CO generated by the partial oxidation reformer 1, the partial oxidation solid oxide fuel cell 2, and the stack reformer 3. Suppose that it was used. At this time, if the power generation voltage of the partially oxidized solid oxide fuel cell 2 is 1.0 V and the power generation voltage of the steam reforming solid oxide fuel cell 4 is 0.65 V, the power generation efficiency of the system is 52%. It becomes. The power generation efficiency is increased by 1% compared with the conventional solid oxide fuel cell system (FIG. 5) using only the steam reforming solid oxide fuel cell 8 as the fuel cell.
[0027]
Embodiment 2
FIG. 2 is a diagram showing a solid oxide fuel cell power generation system according to a second embodiment of the present invention.
[0028]
Natural gas that contains hydrocarbons and does not contain moisture, that is, a dry fuel gas, is supplied to a partial oxidation reformer 1 that generates H 2 and CO using a partial oxidation reaction of hydrocarbons. Air is also supplied to the partial oxidation reformer 1, and all of C 2 H 6 , C 3 H 8 , and C 4 H 10 are converted into the above reaction formulas (4) to (6) using oxygen in the air. It is converted to H 2 and CO by the partial oxidation reaction shown.
[0029]
Since the reforming reaction by partial oxidation is an exothermic reaction, it is not necessary to supply heat to the partial oxidation reformer 1. Therefore, the partial oxidation reformer 1 is adjacent to the cell module 11 as shown in FIG. Alternatively, they may be arranged independently of the cell module 11 as shown in FIG.
[0030]
The catalyst of the partial oxidation reformer 1 is one in which nickel is supported on an alumina carrier in the same manner as the catalyst of the pre-reformer 6 (FIG. 5) and the stack reformer 3. That is, steam reforming occurs when steam and hydrocarbons are supplied to the catalyst, and reforming by partial oxidation occurs when air and hydrocarbons are supplied.
[0031]
The exhaust gas of the partial oxidation reformer 1 containing CH 4 , CO and H 2 is an electrochemical complete oxidation reaction of CH 4 shown in the following reaction formula (8),
CH 4 + 2O 2 → 2H 2 O + CO 2 (8)
Is supplied to a fully oxidized solid oxide fuel cell 5 that generates electricity using
[0032]
The arrangement of the fully oxidized solid oxide fuel cell 5, the stack reformer 3, and the steam reforming solid oxide fuel cell 4 is arranged in the cell module 11 as shown in FIGS. The fully oxidized solid oxide fuel cell 5 is a cell in which a plurality of partially oxidized solid oxide fuel cells or fully oxidized solid oxide fuel cells (the latter in the present embodiment) are stacked. Similarly, the steam reforming solid oxide fuel cell 4 is divided into cell stacks 13, and the cell stack 12 and the cell stack 13 are arranged in a nested manner with the stack reformer 3 interposed therebetween. It has become.
[0033]
In the fully oxidized solid oxide fuel cell 5, an electrochemical complete oxidation reaction occurs for a part of CH 4 to generate power. Unlike the partially oxidized solid oxide fuel cell 2, the power generation temperature of the fully oxidized solid oxide fuel cell 5 is about 600 ° C.
[0034]
The exhaust gas of the fully oxidized solid oxide fuel cell 5 is supplied to the stack reformer 3, and all the unreacted CH 4 in the fully oxidized solid oxide fuel cell 5 is H 2 by the steam reforming reaction. And converted to CO. Also in this case, since the fuel gas that is converted into H 2 and CO by the steam reforming reaction is only CH 4 , the proportion of the steam reforming reaction is reduced and the exergy loss is also reduced as compared with the prior art. .
[0035]
The exhaust gas from the stack reformer 3 is supplied to the steam reforming solid oxide fuel cell 4. Electrochemical oxidation reaction of H 2 and CO generated in the partial oxidation reformer 1 and the stack reformer 3 (the above reaction formulas (3) and (2)) occurs, and power generation is performed.
[0036]
A part of the exhaust gas of the steam reforming solid oxide fuel cell 4 is returned immediately before the stack reformer 3 as shown in FIGS. The steam contained in the exhaust gas of the battery 4 is used for the steam reforming reaction of the stack reformer 3.
[0037]
In such a solid oxide fuel cell system, for example, 50% of CH 4 supplied from the partial oxidation reformer 1 in the fully oxidized solid oxide fuel cell 5 is used for power generation by a complete oxidation reaction. In the steam reforming solid oxide fuel cell 4, it is assumed that 80% of H 2 and CO generated by the partial oxidation reformer 1 and the stack reformer 3 are used for power generation. At this time, if the power generation voltage of the fully oxidized solid oxide fuel cell 5 is 0.9 V and the power generation voltage of the steam reforming solid oxide fuel cell 4 is 0.65 V, the power generation efficiency of the system is 62%. It becomes. The power generation efficiency is improved by 10% over the conventional solid oxide fuel cell system (FIG. 5) using only the steam reforming solid oxide fuel cell 8 as the fuel cell.
[0038]
As described above, according to the present invention, a highly efficient solid oxide fuel cell system can be obtained by using a solid oxide fuel cell that generates electricity using an electrochemical oxidation reaction of hydrocarbons. Can be provided.
[0039]
【The invention's effect】
By implementing the present invention, it is possible to provide a solid oxide fuel cell system with low exergy loss and high power generation efficiency.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a solid oxide fuel cell system according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a solid oxide fuel cell system according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a diagram showing an internal configuration of a solid oxide fuel cell system according to a first embodiment and a second embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a diagram showing an internal configuration of a solid oxide fuel cell system according to a first embodiment and a second embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a diagram showing a conventional solid oxide fuel cell system.
FIG. 6 is a diagram showing an internal configuration of a conventional solid oxide fuel cell system.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Partial oxidation type reformer, 2 ... Partial oxidation type solid oxide fuel cell, 3 ... Stack reformer, 4 ... Steam reforming type solid oxide fuel cell, 5 ... Full oxidation type solid oxide type Fuel cell, 6 ... Pre-reformer, 7 ... Stack reformer, 8 ... Steam reforming solid oxide fuel cell, 11 ... Cell module, 12, 13 ... Cell stack, 21 ... Cell module, 22 ... Cell stack.

Claims (2)

炭化水素を含むガスを燃料とし、前記炭化水素の電気化学的部分酸化反応を利用して発電を行い、前記電気化学的部分酸化反応の生成物である一酸化炭素及び水素と未反応の炭化水素とを排出する部分酸化型固体酸化物形燃料電池と、前記未反応の炭化水素の水蒸気改質反応により一酸化炭素及び水素を発生させるスタック改質器と、前記部分酸化型固体酸化物形燃料電池での電気化学的部分酸化反応及び前記スタック改質器での水蒸気改質反応により生成した一酸化炭素及び水素の電気化学的酸化反応を利用して発電を行う水蒸気改質型固体酸化物形燃料電池とを有する固体酸化物形燃料電池システムであって、前記部分酸化型固体酸化物形燃料電池の前段に前記炭化水素の部分酸化反応により一酸化炭素及び水素を生成させる部分酸化型改質器を設置することを特徴とする固体酸化物形燃料電池システム。A gas containing hydrocarbon is used as a fuel, and electricity is generated using an electrochemical partial oxidation reaction of the hydrocarbon, and carbon monoxide and hydrogen which are products of the electrochemical partial oxidation reaction are not reacted with hydrocarbon. A partially oxidized solid oxide fuel cell, a stack reformer that generates carbon monoxide and hydrogen by a steam reforming reaction of the unreacted hydrocarbon, and the partially oxidized solid oxide fuel Steam reforming solid oxide form for power generation using electrochemical partial oxidation reaction in battery and electrochemical oxidation reaction of carbon monoxide and hydrogen generated by steam reforming reaction in the stack reformer A solid oxide fuel cell system having a fuel cell, wherein a partial oxidation type in which carbon monoxide and hydrogen are generated by a partial oxidation reaction of the hydrocarbon at a preceding stage of the partial oxidation solid oxide fuel cell Solid oxide fuel cell system, characterized by installing a quality unit. 炭化水素を含むガスを燃料とし、前記炭化水素の電気化学的完全酸化反応を利用して発電を行い、前記電気化学的完全酸化反応の生成物である二酸化炭素及び水蒸気と未反応の炭化水素とを排出する完全酸化型固体酸化物形燃料電池と、前記未反応の炭化水素の水蒸気改質反応により一酸化炭素及び水素を発生させるスタック改質器と、前記スタック改質器での水蒸気改質反応により生成した一酸化炭素及び水素の電気化学的酸化反応を利用して発電を行う水蒸気改質型固体酸化物形燃料電池とを有する固体酸化物形燃料電池システムであって、前記完全酸化型固体酸化物形燃料電池の前段に前記炭化水素の部分酸化反応により一酸化炭素及び水素を生成させる部分酸化型改質器を設置することを特徴とする固体酸化物形燃料電池システム。Using a gas containing hydrocarbon as a fuel, generating electricity using an electrochemical complete oxidation reaction of the hydrocarbon, carbon dioxide and water vapor, which are products of the electrochemical complete oxidation reaction, and unreacted hydrocarbons Oxidization type solid oxide fuel cell that discharges carbon, stack reformer that generates carbon monoxide and hydrogen by steam reforming reaction of the unreacted hydrocarbon, and steam reforming in the stack reformer A solid oxide fuel cell system having a steam reforming solid oxide fuel cell that generates electricity using an electrochemical oxidation reaction of carbon monoxide and hydrogen produced by the reaction, the fully oxidized fuel cell system A solid oxide fuel cell system, wherein a partial oxidation reformer that generates carbon monoxide and hydrogen by a partial oxidation reaction of the hydrocarbon is installed in a preceding stage of the solid oxide fuel cell.
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JP5818502B2 (en) * 2011-04-28 2015-11-18 本田技研工業株式会社 Fuel cell module
KR101695933B1 (en) * 2014-04-22 2017-01-13 한국과학기술연구원 Solid oxide cell system and method for manufacturing the same
JP6291372B2 (en) * 2014-07-07 2018-03-14 東京瓦斯株式会社 Fuel cell system
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