JP5150068B2 - Reformer and indirect internal reforming type solid oxide fuel cell - Google Patents

Reformer and indirect internal reforming type solid oxide fuel cell Download PDF

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Description

本発明は、灯油を改質して水素を含有する改質ガスを製造する改質器に関する。また本発明は、灯油を改質する改質器が固体酸化物形燃料電池近傍に配された間接内部改質型固体酸化物形燃料電池に関する。   The present invention relates to a reformer that reforms kerosene to produce a reformed gas containing hydrogen. The present invention also relates to an indirect internal reforming solid oxide fuel cell in which a reformer for reforming kerosene is disposed in the vicinity of the solid oxide fuel cell.

固体酸化物形燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell。以下場合によりSOFCという。)においては、灯油等の改質原料を改質して水素を含有する改質ガスとし、改質ガスをSOFCに燃料として供給して発電することが行われている。   In a solid oxide fuel cell (hereinafter sometimes referred to as SOFC), a reforming raw material such as kerosene is reformed into a reformed gas containing hydrogen, and the reformed gas is used as fuel for the SOFC. Supplying and generating electricity is performed.

SOFCは通常550℃〜1000℃程度の高温で作動させる。   The SOFC is usually operated at a high temperature of about 550 ° C to 1000 ° C.

改質に利用される水蒸気改質反応は非常に大きな吸熱を伴う反応であり、また反応温度が比較的高く、高温の熱源を必要とする。そのため、SOFCの近傍(SOFCからの熱輻射を受ける位置)に改質器を設置し、SOFCからの輻射熱によって改質器を加熱する間接内部改質型SOFCが知られている。
特開2002−358997号公報
The steam reforming reaction used for reforming is a reaction with a very large endotherm, and the reaction temperature is relatively high, requiring a high-temperature heat source. Therefore, an indirect internal reforming SOFC is known in which a reformer is installed in the vicinity of the SOFC (a position that receives heat radiation from the SOFC) and the reformer is heated by radiant heat from the SOFC.
JP 2002-358997 A

灯油のような高次炭化水素を改質原料に用いる場合、改質が進んでいない炭化水素成分を動作温度の高いSOFCに供給すると、SOFCにおける炭素析出により運転の安定性が損なわれる場合がある。よって、灯油のような高次炭化水素は、SOFCに供給する前に、C1化合物(炭素数1の化合物)まで完全転化させることが望まれる。このために、高温で改質反応を行うことが望まれる。   When using higher-order hydrocarbons such as kerosene as reforming raw materials, if hydrocarbon components that have not been reformed are supplied to SOFCs with high operating temperatures, the stability of operation may be impaired due to carbon deposition in SOFCs. . Therefore, it is desired that high-order hydrocarbons such as kerosene be completely converted to C1 compounds (compounds having 1 carbon atom) before being supplied to SOFC. For this reason, it is desired to perform the reforming reaction at a high temperature.

ところで、間接内部改質型SOFCでは、改質器がSOFCからの熱(主に輻射熱)によって加熱され、その結果改質触媒層が加熱される。つまりSOFCの運転の結果として改質器が加熱される。このような状況では、改質触媒層の温度を調節することは容易ではなく、定常運転(定格運転や部分負荷運転)時には改質触媒層の温度を高くして灯油を完全転化することができても、負荷変動時などの過渡的な状態において灯油がスリップする(C1まで転化されずに改質器から流出する)場合がある。例えば、SOFCの電力負荷を上昇させる場合、間接内部改質型SOFCに供給する燃料の流量を増加させる。このとき水蒸気改質反応による吸熱が大きくなり、改質触媒層への伝熱が間に合わなくなって改質触媒層の温度が低下し、未改質の灯油が改質器から流出する場合がある。   By the way, in the indirect internal reforming SOFC, the reformer is heated by heat (mainly radiant heat) from the SOFC, and as a result, the reforming catalyst layer is heated. That is, the reformer is heated as a result of the operation of the SOFC. Under such circumstances, it is not easy to adjust the temperature of the reforming catalyst layer, and during normal operation (rated operation or partial load operation), the temperature of the reforming catalyst layer can be increased to completely convert kerosene. However, kerosene may slip in a transient state such as when the load fluctuates (outflow from the reformer without being converted to C1). For example, when increasing the SOFC power load, the flow rate of fuel supplied to the indirect internal reforming SOFC is increased. At this time, the endothermic heat generated by the steam reforming reaction increases, heat transfer to the reforming catalyst layer becomes insufficient, the temperature of the reforming catalyst layer decreases, and unreformed kerosene may flow out of the reformer.

本発明の目的は、改質触媒層の温度低下を防止して灯油のスリップを防止し、もってSOFCのより安定な運転を可能とする間接内部改質型SOFCを提供することである。   An object of the present invention is to provide an indirect internal reforming SOFC that prevents the temperature reduction of the reforming catalyst layer and prevents the kerosene from slipping, thereby enabling more stable operation of the SOFC.

本発明により以下の間接内部改質型SOFCおよびその運転方法が提供される。 The present invention following indirect internal reforming SOFC and an operation method thereof are provided by.

)灯油を改質して改質ガスを製造する改質器と、前記改質ガスを用いて発電する固体酸化物形燃料電池とを有し、前記改質器が固体酸化物形燃料電池から熱輻射を受けることのできる位置に配置された間接内部改質型固体酸化物形燃料電池であって、
前記改質器が、
灯油を水蒸気改質する水蒸気改質能および灯油を部分酸化改質する部分酸化改質能を有する触媒層と、前記触媒層を収容する反応容器と有し、
前記触媒層の上流側端に酸素含有ガスを供給する第一の供給口を有し、
前記触媒層の上流側端より下流の部分に酸素含有ガスを供給する第二の供給口を有し、
前記触媒層が、空隙を挟んで改質ガスの流れについて上流側の触媒層と下流側の触媒層とを有し、
前記上流側の触媒層の上流側端に酸素含有ガスを供給する供給口と、前記空隙に酸素含有ガスを供給する供給口とを有する改質器であって、
前記反応容器が対向する二つの外壁面を有し、
二つの外壁面の間に反応容器の内部を二つの領域に区画する隔壁が設けられ、
前記二つの領域は隔壁の一端において連通し、
前記二つの外壁面のうちの一方の外壁面と前記隔壁との間に前記上流側の触媒層を有し、
他方の外壁面と前記隔壁との間に前記下流側の触媒層を有し、
前記二つの領域が連通する部分が前記空隙とされた改質器であり、
前記一方の外壁面側には固体酸化物形燃料電池が配置されず、前記他方の外壁面側に固体酸化物形燃料電池が配置された
間接内部改質型固体酸化物形燃料電池。
1) a reformer for producing reformed reformed gas of kerosene, the and a solid oxide fuel cell which generates electric power using the reformed gas, the reformer is a solid oxide fuel cell An indirect internal reforming solid oxide fuel cell disposed at a position where it can receive heat radiation from
The reformer is
A catalyst layer having a steam reforming ability for steam reforming kerosene and a partial oxidation reforming ability for partial oxidation reforming of kerosene, and a reaction vessel containing the catalyst layer,
A first supply port for supplying an oxygen-containing gas to an upstream end of the catalyst layer;
A second supply port for supplying an oxygen-containing gas to a portion downstream from an upstream end of the catalyst layer;
The catalyst layer has an upstream catalyst layer and a downstream catalyst layer with respect to the flow of the reformed gas across the gap,
A reformer having a supply port for supplying an oxygen-containing gas to an upstream end of the upstream catalyst layer, and a supply port for supplying an oxygen-containing gas to the gap;
The reaction vessel has two outer wall surfaces facing each other;
A partition partitioning the inside of the reaction vessel into two regions is provided between the two outer wall surfaces,
The two regions communicate with each other at one end of the partition wall,
The upstream catalyst layer is provided between one of the two outer wall surfaces and the partition wall,
Having the downstream catalyst layer between the other outer wall surface and the partition;
A portion where the two regions communicate with each other is a reformer in which the gap is formed,
A solid oxide fuel cell is not disposed on the one outer wall surface side, and a solid oxide fuel cell is disposed on the other outer wall surface side. Indirect internal reforming solid oxide fuel cell battery.

)灯油を改質して改質ガスを製造する改質器と、前記改質ガスを用いて発電する固体酸化物形燃料電池とを有し、前記改質器が固体酸化物形燃料電池から熱輻射を受けることのできる位置に配置された間接内部改質型固体酸化物形燃料電池の運転方法であって、
ただし、前記改質器が、
灯油を水蒸気改質する水蒸気改質能および灯油を部分酸化改質する部分酸化改質能を有する触媒層と、前記触媒層を収容する反応容器と有し、
前記触媒層の上流側端に酸素含有ガスを供給する第一の供給口を有し、
前記触媒層の上流側端より下流の部分に酸素含有ガスを供給する第二の供給口を有し、
前記触媒層が、空隙を挟んで改質ガスの流れについて上流側の触媒層と下流側の触媒層とを有し、
前記上流側の触媒層の上流側端に酸素含有ガスを供給する供給口と、前記空隙に酸素含有ガスを供給する供給口とを有する改質器であって、
前記反応容器が対向する二つの外壁面を有し、
二つの外壁面の間に反応容器の内部を二つの領域に区画する隔壁が設けられ、
前記二つの領域は隔壁の一端において連通し、
前記二つの外壁面のうちの一方の外壁面と前記隔壁との間に前記上流側の触媒層を有し、
他方の外壁面と前記隔壁との間に前記下流側の触媒層を有し、
前記二つの領域が連通する部分が前記空隙とされた改質器であり、
前記一方の外壁面側には固体酸化物形燃料電池が配置されず、前記他方の外壁面側に固体酸化物形燃料電池が配置され、
前記触媒層の温度が所定の温度を下回らないように、前記第一の供給口に供給する酸素含有ガスの流量および前記第二の供給口に供給する酸素含有ガスの流量のうちの少なくとも一方の流量を増加させる工程を有する間接内部改質型固体酸化物形燃料電池の運転方法。
2) a reformer for producing reformed reformed gas of kerosene, the and a solid oxide fuel cell which generates electric power using the reformed gas, the reformer is a solid oxide fuel cell A method of operating an indirect internal reforming solid oxide fuel cell arranged at a position where it can receive heat radiation from
However, the reformer
A catalyst layer having a steam reforming ability for steam reforming kerosene and a partial oxidation reforming ability for partial oxidation reforming of kerosene, and a reaction vessel containing the catalyst layer,
A first supply port for supplying an oxygen-containing gas to an upstream end of the catalyst layer;
A second supply port for supplying an oxygen-containing gas to a portion downstream from an upstream end of the catalyst layer;
The catalyst layer has an upstream catalyst layer and a downstream catalyst layer with respect to the flow of the reformed gas across the gap,
A reformer having a supply port for supplying an oxygen-containing gas to an upstream end of the upstream catalyst layer, and a supply port for supplying an oxygen-containing gas to the gap;
The reaction vessel has two outer wall surfaces facing each other;
A partition partitioning the inside of the reaction vessel into two regions is provided between the two outer wall surfaces,
The two regions communicate with each other at one end of the partition wall,
The upstream catalyst layer is provided between one of the two outer wall surfaces and the partition wall,
Having the downstream catalyst layer between the other outer wall surface and the partition;
A portion where the two regions communicate with each other is a reformer in which the gap is formed,
The solid oxide fuel cell is not disposed on the one outer wall surface side, and the solid oxide fuel cell is disposed on the other outer wall surface side,
The As temperature of the catalyst layer is not less than a predetermined temperature, the oxygen-containing gas supplied to the first supply port flow and the second at least one of the flow rate of the oxygen-containing gas supplied to the supply port of the A method for operating an indirect internal reforming solid oxide fuel cell comprising a step of increasing a flow rate.

本発明により、改質触媒層の温度低下を防止して灯油のスリップを防止し、もってSOFCのより安定な運転を可能とする間接内部改質型SOFCが提供される。   According to the present invention, an indirect internal reforming SOFC is provided that prevents the temperature reduction of the reforming catalyst layer and prevents the kerosene from slipping, thereby enabling more stable operation of the SOFC.

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

図1に本発明の間接内部改質型SOFCの一例(ただしこの例は参考用である)の概略を示す。SOFC11−1および11−2の間に、改質器1が配され、SOFCの輻射熱が改質器に伝わるようになっている。改質器およびSOFCは不図示の容器(モジュール容器)内に設けられてモジュール化されている。 FIG. 1 shows an outline of an example of the indirect internal reforming SOFC of the present invention (however, this example is for reference) . The reformer 1 is disposed between the SOFCs 11-1 and 11-2, and the radiant heat of the SOFC is transmitted to the reformer. The reformer and the SOFC are provided in a container (module container) (not shown) and modularized.

以下、酸素含有ガスとして空気を例にして説明する。なお、本明細書において改質器についていう上流、下流は、特に断りのない限り改質ガスの流れ方向についての上流、下流を意味する。   Hereinafter, air will be described as an example of the oxygen-containing gas. In the present specification, the terms upstream and downstream of the reformer mean upstream and downstream in the flow direction of the reformed gas unless otherwise specified.

改質器は、有底円筒状の反応容器2を有する。反応容器の内部に灯油の水蒸気改質能および部分酸化改質能を有する触媒層(改質触媒層)3が設けられる。   The reformer has a bottomed cylindrical reaction vessel 2. A catalyst layer (reforming catalyst layer) 3 having a steam reforming ability and a partial oxidation reforming ability of kerosene is provided inside the reaction vessel.

反応容器の上流側端(図1において紙面下端)に、空気の供給口(第一の供給口)4が設けられ、ここから改質触媒層3の上流側端に空気が供給可能とされる。同様に灯油蒸気と水蒸気を供給するための供給口がそれぞれ反応容器の上流側端に設けられる。これらの供給口はそれぞれ独立に設ける必要はなく、例えば一つの供給口に灯油蒸気、水蒸気および空気が予め混合された混合ガスが供給可能とされてもよい。   An air supply port (first supply port) 4 is provided at the upstream end of the reaction vessel (the lower end of the drawing in FIG. 1), and air can be supplied from here to the upstream end of the reforming catalyst layer 3. . Similarly, supply ports for supplying kerosene vapor and water vapor are respectively provided at the upstream end of the reaction vessel. These supply ports do not need to be provided independently. For example, a gas mixture in which kerosene vapor, water vapor, and air are mixed in advance may be supplied to one supply port.

改質触媒層の上流側端より下流の改質触媒層部分に空気を供給する供給口(第二の供給口)5が設けられる。ここでは第二の供給口は改質ガスの流れ方向に複数(図1では11個)設けられる。   A supply port (second supply port) 5 for supplying air to the reforming catalyst layer portion downstream from the upstream end of the reforming catalyst layer is provided. Here, a plurality (11 in FIG. 1) of second supply ports are provided in the flow direction of the reformed gas.

第二の供給口は、改質ガスの流れ方向に同じ位置に複数設けられてもよい。ここでは改質ガスの流れ方向に同じ位置に左右に二つの第二の供給口が設けられている。改質ガスの流れ方向に同じ位置に第二の供給口を複数設けることにより、改質触媒層の改質ガスの流れ方向と垂直な面における空気供給量の分布を小さくすることができる。これら第二の供給口にはそれぞれ空気供給管6が接続される。   A plurality of second supply ports may be provided at the same position in the flow direction of the reformed gas. Here, two second supply ports are provided on the left and right at the same position in the flow direction of the reformed gas. By providing a plurality of second supply ports at the same position in the flow direction of the reformed gas, the distribution of the air supply amount in the plane perpendicular to the flow direction of the reformed gas in the reforming catalyst layer can be reduced. An air supply pipe 6 is connected to each of these second supply ports.

第一の供給口4および各空気供給管6には不図示の空気供給手段(コンプレッサーやブロワ等)から、必要に応じて適宜予熱された空気が供給される。空気供給管6に空気が供給されれば第二の供給口5から改質触媒層に空気が供給される。なお、灯油蒸気および水蒸気も適宜予熱されて供給される。   The first supply port 4 and each air supply pipe 6 are supplied with preheated air as needed from an air supply means (not shown) (compressor, blower, etc.). If air is supplied to the air supply pipe 6, air is supplied from the second supply port 5 to the reforming catalyst layer. Kerosene vapor and water vapor are also appropriately preheated and supplied.

第一の供給口4および第二の供給口5の全ての供給口に供給する空気流量を一括で調節することができる。第一の供給口に供給する空気流量と、第二の供給口に供給する空気の総流量とを独立して調節することもできる。また、第二の供給口が三つ以上ある場合、空気供給管6をグループ分けしてグループごとに空気流量を調節すれば、第二の供給口に供給する空気流量をグループごとに調節することもできる。全ての第二の供給口に流す空気流量をそれぞれ独立に制御することもできる。   The flow rate of air supplied to all the supply ports of the first supply port 4 and the second supply port 5 can be adjusted collectively. The air flow rate supplied to the first supply port and the total flow rate of air supplied to the second supply port can also be adjusted independently. In addition, when there are three or more second supply ports, if the air supply pipe 6 is divided into groups and the air flow rate is adjusted for each group, the air flow rate supplied to the second supply port is adjusted for each group. You can also. It is also possible to independently control the flow rate of air flowing through all the second supply ports.

空気流量調節手段として、流量調節弁や送風量を調節できる空気ブロワを用いるなど、公知の流量調節手段を利用することができる。   As the air flow rate adjusting means, a known flow rate adjusting means such as a flow rate adjusting valve or an air blower capable of adjusting the air flow rate can be used.

空気供給管6は、反応容器壁近傍に空気が偏流することを抑制する観点から、第二の供給口5を貫通して改質触媒層3の内部まで挿入されていることが好ましい。   The air supply pipe 6 is preferably inserted through the second supply port 5 and into the reforming catalyst layer 3 from the viewpoint of suppressing air from drifting in the vicinity of the reaction vessel wall.

改質触媒層3から改質ガスが流出し、分岐されてSOFC11−1および11−2のアノードに供給される。図中、SOFCについてのAはアノードを、Cはカソードを示す。カソードには空気が適宜予熱されて供給され、SOFCにおいて発電が行われる。発電時にSOFCからの熱輻射によって改質器が加熱される。ここでは、モジュール容器(不図示)内でアノードおよびカソードのセル出口が開口しており、アノードオフガス(アノードから排出されるガス)がセル出口で燃焼し、この燃焼熱によってSOFC、さらには改質器が加熱される。   The reformed gas flows out from the reforming catalyst layer 3, branches and is supplied to the anodes of the SOFCs 11-1 and 11-2. In the figure, A for SOFC indicates an anode, and C indicates a cathode. Air is appropriately preheated and supplied to the cathode, and power generation is performed in the SOFC. The reformer is heated by heat radiation from the SOFC during power generation. Here, the anode and cathode cell outlets are opened in a module container (not shown), and anode off-gas (gas discharged from the anode) burns at the cell outlet, and this combustion heat causes SOFC and further reforming. The vessel is heated.

以下、本発明において改質触媒層の温度を調節する方法について説明する。   Hereinafter, a method for adjusting the temperature of the reforming catalyst layer in the present invention will be described.

本発明では、改質触媒層の温度が所定の温度を下回らないように、第一の供給口に供給する酸素含有ガスの流量および第二の供給口に供給する酸素含有ガスの流量のうちの少なくとも一方の流量を増加させる(酸素含有ガス流量をゼロからある流量にする場合も含む)。   In the present invention, of the flow rate of the oxygen-containing gas supplied to the first supply port and the flow rate of the oxygen-containing gas supplied to the second supply port so that the temperature of the reforming catalyst layer does not fall below a predetermined temperature. At least one of the flow rates is increased (including the case where the oxygen-containing gas flow rate is changed from zero to a certain flow rate).

例えば、間接内部改質型SOFCの部分負荷運転を行っていて、改質器においてはSOFCからの熱供給により水蒸気改質反応のみ行っていたとする。すなわち改質触媒層に空気は供給されず、部分酸化改質反応は起きていない状態である。そしてSOFCの電力負荷を上昇させた際に、改質触媒層の温度が所定の範囲を下回りそうであれば、第一の供給口4および第二の供給口5の何れか一方もしくは両方から空気を供給することにより部分酸化反応の発熱によって、改質触媒層の温度低下を防止することができる。   For example, it is assumed that a partial load operation of an indirect internal reforming SOFC is performed and only a steam reforming reaction is performed in the reformer by supplying heat from the SOFC. That is, no air is supplied to the reforming catalyst layer and no partial oxidation reforming reaction occurs. If the temperature of the reforming catalyst layer is likely to fall below a predetermined range when the SOFC power load is increased, air is supplied from one or both of the first supply port 4 and the second supply port 5. The temperature of the reforming catalyst layer can be prevented from decreasing due to the heat generated by the partial oxidation reaction.

オートサーマルリフォーミング(部分酸化改質反応と水蒸気改質反応の両者を行う改質)を行っていて、改質触媒層の温度が所定の範囲を下回りそうな場合も、第一の供給口および第二の供給口の何れか一方もしくは両方から空気を供給することにより部分酸化反応の発熱によって、改質触媒層の温度低下を防止することができる。   Even when autothermal reforming (reforming that performs both partial oxidation reforming reaction and steam reforming reaction) is performed and the temperature of the reforming catalyst layer is likely to fall below a predetermined range, the first supply port and By supplying air from one or both of the second supply ports, it is possible to prevent the temperature of the reforming catalyst layer from decreasing due to heat generated by the partial oxidation reaction.

第一の供給口から空気を供給すれば、改質触媒層の上流側端から部分酸化改質反応(灯油の酸化)が起こり、その反応熱によって改質触媒層全体の温度低下を防止することができる。第二の供給口から空気を供給すれば、第二の供給口の下流に存在する改質触媒層の温度低下を防止することができる。第一および第二の供給口の両方から空気を供給すれば、改質触媒層全体の温度低下を防止しつつ、第二の供給口の下流に存在する改質触媒層をさらに加熱することができる。   If air is supplied from the first supply port, a partial oxidation reforming reaction (kerosene oxidation) occurs from the upstream end of the reforming catalyst layer, and the heat of reaction prevents the temperature reduction of the entire reforming catalyst layer. Can do. If air is supplied from the second supply port, the temperature reduction of the reforming catalyst layer existing downstream of the second supply port can be prevented. If air is supplied from both the first and second supply ports, the reforming catalyst layer existing downstream of the second supply port can be further heated while preventing the temperature of the entire reforming catalyst layer from decreasing. it can.

第一の供給口に供給する空気の流量と、第二の供給口に供給する空気の流量とを独立に調節可能としておけば、例えば第二の供給口から下流側のみ加熱することができる。   If the flow rate of air supplied to the first supply port and the flow rate of air supplied to the second supply port can be adjusted independently, for example, only the downstream side from the second supply port can be heated.

改質触媒層の上流側端近傍においては、条件によっては、灯油蒸気から炭素が析出するコーキングが発生する場合がある。このコーキングは触媒劣化の原因となるが、温度が低い方が発生しにくい。このコーキング防止のためには、改質触媒層の温度を比較的低くした方がよい。従って、コーキング防止のために改質触媒層の入り口部温度を比較的低くしつつ、灯油を完全に転化するためにその下流側において改質触媒層の温度を比較的高くすることが望まれる場合がある。   In the vicinity of the upstream end of the reforming catalyst layer, coking in which carbon is deposited from kerosene vapor may occur depending on conditions. This coking causes catalyst deterioration, but is less likely to occur at lower temperatures. In order to prevent this coking, the temperature of the reforming catalyst layer should be relatively low. Therefore, when it is desired that the temperature of the reforming catalyst layer is relatively low on the downstream side in order to completely convert kerosene while keeping the inlet temperature of the reforming catalyst layer relatively low to prevent coking. There is.

このような場合に、第一の供給口への空気供給量をゼロもしくは比較的少量にし、第二の供給口に比較的多量の空気を供給することが効果的である。このために第一の供給口に供給する空気の流量と、第二の供給口に供給する空気の流量とを独立に調節可能としておくことが好ましい。   In such a case, it is effective to reduce the amount of air supplied to the first supply port to zero or a relatively small amount and supply a relatively large amount of air to the second supply port. Therefore, it is preferable that the flow rate of air supplied to the first supply port and the flow rate of air supplied to the second supply port can be adjusted independently.

第二の供給口が改質ガスの流れ方向に複数ある場合、一部の第二の供給口に供給する空気の流量と、他の第二の供給口に供給する空気の流量とを独立に調節することで、改質触媒層の加熱をさらに細かく調節できる。   When there are a plurality of second supply ports in the flow direction of the reformed gas, the flow rate of air supplied to some second supply ports and the flow rate of air supplied to other second supply ports are independently set. By adjusting, the heating of the reforming catalyst layer can be adjusted more finely.

また、第一の供給口および第二の供給口の何れか一方もしくは両方から空気を供給してオートサーマルリフォーミングを行っていて、改質触媒層の温度を低下させたい場合もしくは温度上昇を抑えたい場合、空気の供給量を減らすことで部分酸化反応の発熱を抑えることもできる。   In addition, when autothermal reforming is performed by supplying air from one or both of the first supply port and the second supply port, the temperature of the reforming catalyst layer is to be decreased or the temperature increase is suppressed. If desired, the heat generation of the partial oxidation reaction can be suppressed by reducing the air supply amount.

改質触媒層の温度を測定する位置としては、改質触媒層における最高温度を示す位置を選ぶことが好ましい。灯油が完全転化するか否かは改質触媒層の最高温度に大きく影響されるからである。改質触媒層の温度分布は通常上流側が低く、下流に行くに従って上昇するので、最高温度を示す位置は通常改質触媒層の出口側端近傍となる。加えて、第一の供給口への空気供給量と第二の供給口への空気供給量とを別々に調節可能な場合などにおいて、さらに改質触媒層上流側端近傍の温度を測定し、この温度に基づいて第一の供給口への空気供給量を調節することもできる。改質触媒層の上流側端から下流側端までの間において、さらに温度測定個所を増やし、改質触媒層の温度分布を監視することもできる。第二の供給口が複数あり、そのそれぞれに供給する空気流量を個別にもしくはグループ毎に調節可能である場合、それぞれの供給口もしくはそれぞれのグループの下流の改質触媒層温度を監視し、そこに供給する空気流量を調節することによって、きめ細かな温度管理が可能となる。   As a position for measuring the temperature of the reforming catalyst layer, it is preferable to select a position showing the maximum temperature in the reforming catalyst layer. This is because whether or not kerosene is completely converted is greatly influenced by the maximum temperature of the reforming catalyst layer. Since the temperature distribution of the reforming catalyst layer is usually low on the upstream side and rises as it goes downstream, the position showing the highest temperature is usually near the outlet side end of the reforming catalyst layer. In addition, in the case where the air supply amount to the first supply port and the air supply amount to the second supply port can be adjusted separately, the temperature near the upstream end of the reforming catalyst layer is further measured, The air supply amount to the first supply port can be adjusted based on this temperature. Between the upstream end and the downstream end of the reforming catalyst layer, the temperature measurement points can be further increased to monitor the temperature distribution of the reforming catalyst layer. When there are a plurality of second supply ports and the flow rate of air supplied to each of the second supply ports can be adjusted individually or for each group, the temperature of the reforming catalyst layer downstream of each supply port or each group is monitored. By adjusting the flow rate of air supplied to the air, fine temperature control is possible.

実際に改質器を設計する際には、予備試験やシミュレーションによって条件に応じた改質触媒層の温度分布を予め知ることができる。   When actually designing the reformer, it is possible to know in advance the temperature distribution of the reforming catalyst layer according to the conditions by preliminary tests and simulations.

改質触媒層の最高温度は、灯油の完全転化の観点から、650℃以上とすることが好ましい。従って、例えば、所定の温度としてこの温度を採用し、改質触媒層の下流側端の温度がこの温度を下回らないように、第一の供給口および/または第二の供給口に供給する空気の流量を増加させることができる。   The maximum temperature of the reforming catalyst layer is preferably 650 ° C. or higher from the viewpoint of complete conversion of kerosene. Therefore, for example, this temperature is adopted as the predetermined temperature, and the air supplied to the first supply port and / or the second supply port so that the temperature at the downstream end of the reforming catalyst layer does not fall below this temperature. The flow rate can be increased.

具体的には、空気を供給する触媒層領域の測定温度の代表値が所定の温度となるよう、PLC(プログラマブルコントローラ)あるいはマイコンボードなどを用いて空気供給のON/OFF制御、あるいはP制御(比例制御)、あるいはPI制御(比例・積分制御)、あるいはPID制御(比例・積分・微分制御)、あるいはファジー制御などが行える制御機器を用いて空気流量を調整するのが望ましい。各制御に必要となるパラーメータは予備実験あるいはシミュレーションにより得ることができる。   Specifically, air supply ON / OFF control or P control using a PLC (programmable controller) or a microcomputer board so that the representative value of the measured temperature in the catalyst layer region for supplying air becomes a predetermined temperature. It is desirable to adjust the air flow rate using a control device capable of performing proportional control), PI control (proportional / integral control), PID control (proportional / integral / differential control), or fuzzy control. The parameters required for each control can be obtained by preliminary experiments or simulations.

なお、改質触媒層の上流側端温度は、灯油からのコーキング防止の観点から、550℃以下にすることが好ましい。   The upstream end temperature of the reforming catalyst layer is preferably 550 ° C. or lower from the viewpoint of preventing coking from kerosene.

以下、本発明の他の形態について説明する。ただし図2〜6に示す例は参考用であり、図7に示す例は本発明の例である。 Hereinafter, other embodiments of the present invention will be described. However, the examples shown in FIGS. 2 to 6 are for reference, and the example shown in FIG. 7 is an example of the present invention.

図2に改質器の別の例を示す。また、その模式的な部分拡大断面図を図3に示す。この改質器の反応容器は、内管2aと外管2bとで形成される円筒状の二重管構造を有する。内管は有底円筒状である。外管は、内管の側壁(円筒面)の少なくとも一部を覆い、内管の側壁とともに空気供給流路を形成する。   FIG. 2 shows another example of the reformer. Moreover, the typical partial expanded sectional view is shown in FIG. The reaction vessel of this reformer has a cylindrical double tube structure formed by an inner tube 2a and an outer tube 2b. The inner tube has a bottomed cylindrical shape. The outer tube covers at least a part of the side wall (cylindrical surface) of the inner tube and forms an air supply flow path together with the side wall of the inner tube.

内管の内側が内管部であり、内管の側壁と外管との間が外管部である。内管部と外管部は内管の側壁によって区画される。内管の側壁に第二の供給口5が設けられる。   The inside of the inner tube is an inner tube portion, and the space between the side wall of the inner tube and the outer tube is an outer tube portion. The inner tube portion and the outer tube portion are partitioned by the side wall of the inner tube. A second supply port 5 is provided on the side wall of the inner tube.

内管2aの内部に、灯油の水蒸気改質能および部分酸化改質能を有する改質触媒層3が設けられる。   A reforming catalyst layer 3 having a steam reforming ability and a partial oxidation reforming ability of kerosene is provided inside the inner pipe 2a.

外管2bには空気供給管6が接続される。空気は空気供給管から外管部の空気供給流路に導入され、供給口5から改質触媒層に供給される。   An air supply pipe 6 is connected to the outer pipe 2b. Air is introduced from the air supply pipe into the air supply flow path of the outer pipe portion, and is supplied from the supply port 5 to the reforming catalyst layer.

内管の上流側端(図において紙面下端)には、第一の供給口4が設けられ、ここから空気が供給される。灯油蒸気および水蒸気も内管の上流側端から供給される。   A first supply port 4 is provided at the upstream end of the inner tube (the lower end of the drawing in the drawing), and air is supplied from here. Kerosene vapor and water vapor are also supplied from the upstream end of the inner tube.

この改質器においても前述と同様に改質触媒層の温度を調節することができる。ただし、この改質器では、第二の供給口5が五つあるが、それぞれに供給する空気の流量を独立して調節することはできない。第一の供給口4から供給する空気の流量と、五つの第二の供給口に供給する空気の総流量すなわち空気供給管6に供給する空気の流量を、独立して調節することが可能である。このためには、第一の供給口4に空気を供給するラインと、空気供給管6に空気を供給するラインのそれぞれに空気流量調節手段を設ければよい。   Also in this reformer, the temperature of the reforming catalyst layer can be adjusted as described above. However, in this reformer, although there are five second supply ports 5, the flow rate of the air supplied to each cannot be adjusted independently. The flow rate of air supplied from the first supply port 4 and the total flow rate of air supplied to the five second supply ports, that is, the flow rate of air supplied to the air supply pipe 6 can be adjusted independently. is there. For this purpose, an air flow rate adjusting means may be provided in each of the line for supplying air to the first supply port 4 and the line for supplying air to the air supply pipe 6.

図2には、内管部に改質触媒層を配した例を示したが、その限りではない。外管部に改質触媒層を設け、内管部を空気の供給流路とすることもできる。SOFCから伝わる熱によって改質触媒層を加熱する観点からは、外管部に改質触媒層を設けることが好ましい。   Although FIG. 2 shows an example in which the reforming catalyst layer is disposed in the inner pipe portion, this is not restrictive. A reforming catalyst layer may be provided in the outer tube portion, and the inner tube portion may be used as an air supply channel. From the viewpoint of heating the reforming catalyst layer with heat transmitted from the SOFC, it is preferable to provide the reforming catalyst layer in the outer tube portion.

図2に示した例においては、複数の第二の供給口の開口面積は同じとしてあるが、この限りではない。上記のような二重管構造の反応器において、複数の第二の供給口のうちに開口面積が相異なる供給口が存在してもよい。その例を図4に示す。   In the example shown in FIG. 2, the opening areas of the plurality of second supply ports are the same, but this is not restrictive. In the reactor having the double tube structure as described above, supply ports having different opening areas may exist among the plurality of second supply ports. An example is shown in FIG.

図4に示した例は、図2に示した改質器の第二の供給口の大きさを改質ガスの流れ方向に沿って順次大きくした例である。第二の供給口5−1から5−5まで、その開口面積が徐々に大きくなっている。このように第二の供給口の開口面積を変化させることにより、第二の供給口相互間の空気流量比を調節することができる。   The example shown in FIG. 4 is an example in which the size of the second supply port of the reformer shown in FIG. 2 is sequentially increased along the flow direction of the reformed gas. From the second supply ports 5-1 to 5-5, the opening area gradually increases. Thus, the air flow ratio between the second supply ports can be adjusted by changing the opening area of the second supply port.

図5には、複数の第二の供給口に空気を供給する流路とされた外管部が、複数の部分に区画され、区画された何れの部分も複数の第二の供給口の少なくとも一つに空気を供給する流路とされた改質器の例を示す。   In FIG. 5, the outer tube portion that is a flow path for supplying air to the plurality of second supply ports is divided into a plurality of portions, and any of the divided portions is at least one of the plurality of second supply ports. An example of a reformer having a flow path for supplying air is shown.

この例では、外管が、第一部分2b−1と第二部分2b−2とを有し、外管の第一部分と内管の側壁との間が第一の外管部とされ、外管の第二部分と内管の側壁との間が第二の外管部とされる。つまり外管部は二つに区画されている。外管の第一部分2b−1および第二部分2b−2にはそれぞれ空気供給管6−1と6−2が接続される。第一の外管部は第二の供給口5−1、5−2および5−3に空気を供給する流路とされ、第二の外管部は第二の供給口5−4および5−5に空気を供給する流路とされる。   In this example, the outer tube has a first portion 2b-1 and a second portion 2b-2, and the space between the first portion of the outer tube and the side wall of the inner tube is the first outer tube portion, and the outer tube A portion between the second portion and the side wall of the inner tube is a second outer tube portion. That is, the outer tube part is divided into two. Air supply pipes 6-1 and 6-2 are connected to the first part 2b-1 and the second part 2b-2 of the outer pipe, respectively. The first outer pipe part is a flow path for supplying air to the second supply ports 5-1, 5-2 and 5-3, and the second outer pipe part is the second supply ports 5-4 and 5 The flow path supplies air to -5.

空気供給管6−1および6−2に空気を供給するラインのそれぞれに流量調節弁などの空気流量調節手段を設けることにより、空気供給管6−1に供給する空気の流量と空気供給管6−2に供給する空気の流量とを独立して調節することができる。   By providing an air flow rate adjusting means such as a flow rate adjusting valve in each of the lines supplying air to the air supply tubes 6-1 and 6-2, the flow rate of air supplied to the air supply tube 6-1 and the air supply tube 6 -2 can be independently adjusted.

図5に示した例とは逆に、内管部が第二の供給口に空気を供給する流路とされた場合(外管部に改質触媒層が設けられる)、内管部を区画することができる。   Contrary to the example shown in FIG. 5, when the inner pipe portion is a flow path for supplying air to the second supply port (a reforming catalyst layer is provided on the outer pipe portion), the inner pipe portion is partitioned. can do.

図6に、本発明の改質器および間接内部改質型SOFCの別の例を示す。この改質器では、改質触媒層が、空隙7を挟んで改質ガスの流れについて上流側の改質触媒層3−1と下流側の触媒層3−2とを有する。上流側改質触媒層3−1の上流側端に空気を供給する第一の供給口4が設けられ、空隙7に空気を供給する第二の供給口5が設けられる。第二の供給口から空気を空隙7に供給することにより、上流側改質触媒層3−2に空気が供給される。   FIG. 6 shows another example of the reformer and the indirect internal reforming SOFC of the present invention. In this reformer, the reforming catalyst layer includes the reforming catalyst layer 3-1 on the upstream side and the catalyst layer 3-2 on the downstream side with respect to the flow of the reformed gas with the gap 7 interposed therebetween. A first supply port 4 that supplies air to the upstream end of the upstream reforming catalyst layer 3-1 is provided, and a second supply port 5 that supplies air to the gap 7 is provided. By supplying air from the second supply port to the gap 7, air is supplied to the upstream reforming catalyst layer 3-2.

有底円筒状の反応容器2の内部に、改質触媒層3−1、空隙7および改質触媒層3−2が、改質ガスの流れ方向にこの順に配置される。   Inside the bottomed cylindrical reaction vessel 2, the reforming catalyst layer 3-1, the void 7 and the reforming catalyst layer 3-2 are arranged in this order in the flow direction of the reformed gas.

空隙7は空気を触媒層3−2内に均一に供給し、空気が偏流することによる灯油スリップを防止する効果がある。   The air gap 7 has the effect of supplying air uniformly into the catalyst layer 3-2 and preventing kerosene slip due to air drifting.

図7に、本発明の改質器および間接内部改質型SOFCのさらに別の例を示す。この例における改質器は、いわば、図6に示した改質器を直方体状にして空隙部において折り返した構造を有する。   FIG. 7 shows still another example of the reformer and the indirect internal reforming SOFC of the present invention. In other words, the reformer in this example has a structure in which the reformer shown in FIG.

直方体状の反応容器2は対向する二つの外壁面8−1および8−2を有する。外壁面8−2はSOFC11に面する。外壁面8−1は、その反対側の外壁面である。これら二つの外壁面の間に反応容器の内部を二つの領域に区画する平板状の隔壁9が設けられる。外壁面8−1および8−2ならびに隔壁9は互いに平行とされる。   The rectangular parallelepiped reaction container 2 has two outer wall surfaces 8-1 and 8-2 facing each other. The outer wall surface 8-2 faces the SOFC 11. The outer wall surface 8-1 is the opposite outer wall surface. Between these two outer wall surfaces, a flat plate-like partition wall 9 that partitions the inside of the reaction vessel into two regions is provided. The outer wall surfaces 8-1 and 8-2 and the partition wall 9 are parallel to each other.

二つの領域は隔壁の一端において連通し、この部分は空隙7とされる。   The two regions communicate with each other at one end of the partition wall, and this portion is a gap 7.

外壁面8−1と隔壁9との間に上流側の改質触媒層3−1が配され、外壁面8−2と隔壁9との間に下流側の触媒層3−2が配される。   An upstream reforming catalyst layer 3-1 is disposed between the outer wall surface 8-1 and the partition wall 9, and a downstream catalyst layer 3-2 is disposed between the outer wall surface 8-2 and the partition wall 9. .

この例では、改質器の一方の側(外壁8−2側)にSOFCが設けられ、他方の側(外壁8−1側)にはSOFCが設けられない。こうすることによって、上流側改質触媒層3−1の温度を比較的低温に、下流側触媒層3−2の温度を比較的高温にすることができる。従って、改質触媒層の上流側端近傍におけるコーキングを防止しつつ、灯油を完全転化するに好適である。   In this example, the SOFC is provided on one side (outer wall 8-2 side) of the reformer, and the SOFC is not provided on the other side (outer wall 8-1 side). By so doing, the temperature of the upstream reforming catalyst layer 3-1 can be made relatively low, and the temperature of the downstream catalyst layer 3-2 can be made relatively high. Therefore, it is suitable for complete conversion of kerosene while preventing coking near the upstream end of the reforming catalyst layer.

〔改質器〕
改質器は、水蒸気改質反応を利用して灯油から水素を含む改質ガスを製造する。改質器においては、水蒸気改質反応を行うことができ、また、水蒸気改質反応に部分酸化反応が伴うオートサーマルリフォーミングを行うことができる。オートサーマルリフォーミングにおいても、水蒸気改質が支配的になるようにされ、従って改質反応はオーバーオールで吸熱になる。そして、改質反応に必要な熱がSOFCから供給される。
[Reformer]
The reformer produces a reformed gas containing hydrogen from kerosene using a steam reforming reaction. In the reformer, a steam reforming reaction can be performed, and autothermal reforming accompanied by a partial oxidation reaction in the steam reforming reaction can be performed. In autothermal reforming, steam reforming is dominant, and therefore the reforming reaction becomes endothermic in overall. Then, heat necessary for the reforming reaction is supplied from the SOFC.

〔反応容器〕
反応容器の形状は、代表的には円筒状(単管でもよいし、二重管構造を有していてもよい)や直方体状であるが、この限りではない。反応容器として、触媒層を収容できる構造を適宜選択して使用することができる。
[Reaction vessel]
The shape of the reaction vessel is typically a cylindrical shape (which may be a single tube or a double tube structure) or a rectangular parallelepiped shape, but is not limited thereto. As the reaction vessel, a structure capable of accommodating the catalyst layer can be appropriately selected and used.

反応容器の材料としては、改質器の反応容器に用いられる公知の材料、例えばステンレス鋼などを適宜用いることができる。   As a material for the reaction vessel, a known material used for the reaction vessel of the reformer, such as stainless steel, can be appropriately used.

〔触媒層〕
改質触媒層は、灯油を水蒸気改質する反応と灯油を部分酸化改質する反応の両者を促進する。改質触媒層の全体にオートサーマルリフォーミング触媒を用いてもよいし、一部を水蒸気改質触媒、残部をオートサーマルリフォーミング触媒としてもよい。あるいは水蒸気改質触媒層またはオートサーマルリフォーミング触媒と、部分酸化触媒層とを交互に重ねることもできる。
(Catalyst layer)
The reforming catalyst layer promotes both a reaction for steam reforming kerosene and a reaction for partial oxidation reforming of kerosene. An autothermal reforming catalyst may be used for the entire reforming catalyst layer, or a part of the reforming catalyst layer may be a steam reforming catalyst and the remaining may be an autothermal reforming catalyst. Alternatively, the steam reforming catalyst layer or autothermal reforming catalyst and the partial oxidation catalyst layer can be alternately stacked.

酸化に対する耐性の観点からは、水蒸気改質触媒よりオートサーマルリフォーミングの方が好ましい。   From the viewpoint of resistance to oxidation, autothermal reforming is preferable to the steam reforming catalyst.

〔供給口〕
第一の供給口、第二の供給口とも、その形状は限定されず、円、楕円、長方形、正方形、アール付き長方形など、適宜の形状を選択することができる。
[Supply port]
The shapes of the first supply port and the second supply port are not limited, and an appropriate shape such as a circle, an ellipse, a rectangle, a square, or a rectangle with a radius can be selected.

第二の供給口の大きさは特に、改質触媒が通過不能な大きさとすることが好ましい。   In particular, the size of the second supply port is preferably set such that the reforming catalyst cannot pass therethrough.

第二の供給口の数は、酸素含有ガスを改質触媒層に均一に供給したい場合は多い方が好ましいが、反応管の強度や加工コスト、また改質触媒層の望ましい温度分布などを考慮して適宜決めることができる。   The number of the second supply ports is preferably large when it is desired to uniformly supply the oxygen-containing gas to the reforming catalyst layer. However, considering the strength of the reaction tube, the processing cost, the desired temperature distribution of the reforming catalyst layer, etc. And can be determined as appropriate.

改質触媒層の上流側端に酸素含有ガスを供給する第一の供給口は、改質触媒層の上流端より上流において反応容器に設ければよい。   The first supply port for supplying the oxygen-containing gas to the upstream end of the reforming catalyst layer may be provided in the reaction vessel upstream from the upstream end of the reforming catalyst layer.

改質触媒層の上流側端より下流の部分に酸素含有ガスを供給する第二の供給口は、改質触媒層の上流側端より下流、かつ下流側端より上流において反応容器に設ければよい。   If the second supply port for supplying the oxygen-containing gas to the portion downstream from the upstream end of the reforming catalyst layer is provided in the reaction vessel downstream from the upstream end of the reforming catalyst layer and upstream from the downstream end. Good.

〔酸素含有ガス〕
第一の供給口から供給する酸素含有ガス、第二の供給口から供給する酸素含有ガス、さらにはSOFCのカソードに供給する酸素含有ガスとしては、SOFCシステム内に存在する酸素を含有するガスや、空気(大気)、酸素富化空気などを適宜利用することができるが、入手が容易で組成が安定している空気を用いることが好ましい。
[Oxygen-containing gas]
Examples of the oxygen-containing gas supplied from the first supply port, the oxygen-containing gas supplied from the second supply port, and the oxygen-containing gas supplied to the cathode of the SOFC include gases containing oxygen present in the SOFC system, Air (atmosphere), oxygen-enriched air, and the like can be used as appropriate, but it is preferable to use air that is easily available and has a stable composition.

〔間接内部改質型SOFC〕
間接内部改質型SOFCは、改質器とSOFCを有する。これらを一つのモジュール容器に収容しモジュール化することができる。改質器はSOFCから熱輻射を受ける位置に配される。こうすることによって、発電時にSOFCからの熱輻射によって改質器が加熱される。また、SOFCから排出されるアノードオフガスをセル出口で燃焼させることにより、SOFCを加熱することもできる。
[Indirect internal reforming SOFC]
The indirect internal reforming SOFC has a reformer and an SOFC. These can be accommodated in one module container and modularized. The reformer is disposed at a position that receives heat radiation from the SOFC. By doing so, the reformer is heated by heat radiation from the SOFC during power generation. In addition, the SOFC can be heated by burning the anode off-gas discharged from the SOFC at the cell outlet.

改質器は、SOFCから内部改質器の外表面へと直接輻射伝熱可能な位置に配することが好ましい。従って改質器とSOFCとの間には実質的に遮蔽物は配置しないこと、つまり改質器とSOFCとの間は空隙にすることが好ましい。また、改質器とSOFCとの距離は極力短くすることが好ましい。   The reformer is preferably disposed at a position where direct heat transfer from the SOFC to the outer surface of the internal reformer is possible. Therefore, it is preferable that a shielding object is not substantially disposed between the reformer and the SOFC, that is, a gap is provided between the reformer and the SOFC. Further, it is preferable to shorten the distance between the reformer and the SOFC as much as possible.

間接内部改質型SOFCに供給される各流体は必要に応じて適宜予熱されたうえで内部改質器もしくはSOFCに供給される。   Each fluid supplied to the indirect internal reforming SOFC is appropriately preheated as necessary, and then supplied to the internal reformer or the SOFC.

モジュール容器としては、SOFCと改質器とを収容可能な適宜の容器を用いることができる。その材料としては、例えばステンレス鋼など、使用する環境に耐性を有する適宜の材料を用いることができる。   As the module container, an appropriate container capable of accommodating the SOFC and the reformer can be used. As the material, for example, an appropriate material having resistance to the environment to be used, such as stainless steel, can be used.

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

モジュール容器には、ガスの取り合い等のために、適宜接続口が設けられる。   The module container is appropriately provided with a connection port for gas exchange and the like.

〔SOFC〕
改質器から得られる改質ガスが、SOFCのアノードに供給される。一方、SOFCのカソードには空気などの酸素含有ガスが供給される。発電に伴いSOFCが発熱し、その熱がSOFCから改質器へと輻射伝熱する。こうしてSOFC排熱が改質反応の吸熱に利用される。ガスの取り合い等は適宜配管等を用いて行う。
[SOFC]
The reformed gas obtained from the reformer is supplied to the anode of the SOFC. On the other hand, an oxygen-containing gas such as air is supplied to the cathode of the SOFC. The SOFC generates heat with power generation, and the heat is radiated from the SOFC to the reformer. Thus, the SOFC exhaust heat is utilized for the endothermic reaction of the reforming reaction. Gas exchange and the like are appropriately performed using piping or the like.

SOFCとしては、平板型や円筒型などの各種形状の公知のSOFCを適宜選んで採用できる。SOFCでは、一般的に、酸素イオン導電性セラミックスもしくはプロトンイオン導電性セラミックスが電解質として利用される。   As the SOFC, known SOFCs of various shapes such as a flat plate type and a cylindrical type can be appropriately selected and employed. In the SOFC, oxygen ion conductive ceramics or proton ion conductive ceramics are generally used as an electrolyte.

SOFCは単セルであってもよいが、実用上は複数の単セルを配列させたスタック(円筒型の場合はバンドルと呼ばれることもあるが、本明細書でいうスタックはバンドルも含む)が好ましく用いられる。この場合、スタックは1つでも複数でもよい。   The SOFC may be a single cell, but in practice, a stack in which a plurality of single cells are arranged (in the case of a cylindrical type, sometimes referred to as a bundle, but the stack in this specification includes a bundle) is preferable. Used. In this case, one or more stacks may be used.

〔改質触媒〕
水蒸気改質触媒、オートサーマル改質触媒、部分酸化改質触媒のいずれも、それぞれ公知の触媒を用いることができる。水蒸気改質触媒の例としてはルテニウム系およびニッケル系触媒、オートサーマル改質触媒の例としてはロジウム系触媒を挙げることができる。部分酸化改質触媒の例としては、白金系触媒を挙げることができる。
[Reforming catalyst]
Any of the steam reforming catalyst, the autothermal reforming catalyst, and the partial oxidation reforming catalyst may be a known catalyst. Examples of steam reforming catalysts include ruthenium and nickel catalysts, and examples of autothermal reforming catalysts include rhodium catalysts. An example of the partial oxidation reforming catalyst is a platinum catalyst.

以下、水蒸気改質、オートサーマル改質のそれぞれにつき、定格運転の条件について説明する。   Hereinafter, conditions for rated operation will be described for each of steam reforming and autothermal reforming.

水蒸気改質の反応温度は例えば450℃〜900℃、好ましくは500℃〜850℃、さらに好ましくは550℃〜800℃の範囲で行うことができる。反応系に導入するスチームの量は、水素製造用原料に含まれる炭素原子モル数に対する水分子モル数の比(スチーム/カーボン比)として定義され、この値は好ましくは1〜10、より好ましくは1.5〜7、さらに好ましくは2〜5とされる。水素製造用原料が液体の場合、この時の空間速度(LHSV)は水素製造用原料の液体状態での流速をA(L/h)、触媒層体積をB(L)とした場合A/Bで表すことができ、この値は好ましくは0.05〜20h-1、より好ましくは0.1〜10h-1、さらに好ましくは0.2〜5h-1の範囲で設定される。 The reaction temperature of the steam reforming can be performed, for example, in the range of 450 ° C to 900 ° C, preferably 500 ° C to 850 ° C, and more preferably 550 ° C to 800 ° C. The amount of steam introduced into the reaction system is defined as the ratio of the number of moles of water molecules to the number of moles of carbon atoms contained in the raw material for hydrogen production (steam / carbon ratio), and this value is preferably 1-10, more preferably 1.5-7, more preferably 2-5. When the raw material for hydrogen production is liquid, the space velocity (LHSV) at this time is A / B when the flow rate in the liquid state of the raw material for hydrogen production is A (L / h) and the volume of the catalyst layer is B (L). This value is preferably set in the range of 0.05 to 20 h −1 , more preferably 0.1 to 10 h −1 , and still more preferably 0.2 to 5 h −1 .

オートサーマル改質ではスチームの他に酸素含有ガスが原料に添加される。酸素含有ガスとしては純酸素でも良いが入手容易性から空気が好ましい。水蒸気改質反応に伴う吸熱反応をバランスし、かつ、改質触媒層やSOFCの温度を保持もしくはこれらを昇温できる発熱量が得られるように酸素含有ガスを添加することができる。酸素含有ガスの添加量は、水素製造用原料に含まれる炭素原子モル数に対する酸素分子モル数の比(酸素/カーボン比)として好ましくは0.005〜1、より好ましくは0.01〜0.75、さらに好ましくは0.02〜0.6とされる。オートサーマル改質反応の反応温度は例えば400℃〜900℃、好ましくは450℃〜850℃、さらに好ましくは500℃〜800℃の範囲で設定される。水素製造用原料が液体の場合、この時の空間速度(LHSV)は、好ましくは0.05〜20、より好ましくは0.1〜10、さらに好ましくは0.2〜5の範囲で選ばれる。反応系に導入するスチームの量は、スチーム/カーボン比として好ましくは1〜10、より好ましくは1.5〜7、さらに好ましくは2〜5とされる。   In autothermal reforming, an oxygen-containing gas is added to the raw material in addition to steam. The oxygen-containing gas may be pure oxygen, but air is preferred because of its availability. An oxygen-containing gas can be added so that the endothermic reaction accompanying the steam reforming reaction is balanced, and a heat generation amount capable of maintaining the temperature of the reforming catalyst layer and SOFC or raising the temperature thereof can be obtained. The addition amount of the oxygen-containing gas is preferably 0.005 to 1, more preferably 0.01 to 0.00 as the ratio of the number of moles of oxygen molecules to the number of moles of carbon atoms contained in the raw material for hydrogen production (oxygen / carbon ratio). 75, more preferably 0.02 to 0.6. The reaction temperature of the autothermal reforming reaction is set, for example, in the range of 400 ° C to 900 ° C, preferably 450 ° C to 850 ° C, and more preferably 500 ° C to 800 ° C. When the raw material for hydrogen production is liquid, the space velocity (LHSV) at this time is preferably selected in the range of 0.05 to 20, more preferably 0.1 to 10, and still more preferably 0.2 to 5. The amount of steam introduced into the reaction system is preferably 1 to 10, more preferably 1.5 to 7, and still more preferably 2 to 5 as a steam / carbon ratio.

〔起動方法〕
本発明の間接内部改質型SOFCを起動する際には、例えば次のようにすることができる。別途設けたバーナー等を利用して適宜加熱した空気をSOFCのカソードに供給してSOFCスタックを加熱し、さらにカソードセル出口から排出される空気によって改質器を加熱する。このとき必要に応じて適宜SOFCのアノードや改質触媒層に還元性ガスを流すことができる。さらに、水気化器および灯油気化器も適宜加熱し、水蒸気および灯油蒸気を発生可能としておく。
〔starting method〕
When starting up the indirect internal reforming SOFC of the present invention, for example, the following can be performed. Air heated appropriately using a burner or the like provided separately is supplied to the cathode of the SOFC to heat the SOFC stack, and the reformer is heated by the air discharged from the cathode cell outlet. At this time, a reducing gas can be appropriately passed through the anode and the reforming catalyst layer of the SOFC as necessary. Furthermore, the water vaporizer and the kerosene vaporizer are also appropriately heated so that water vapor and kerosene vapor can be generated.

改質触媒層が改質可能な温度になったら、水蒸気および灯油蒸気を改質器に供給して改質を行う。このとき、空気を改質触媒層に供給してオートサーマルリフォーミングを行うことにより、水蒸気改質に必要な熱を発生させることができる。改質ガスが発生したら、改質ガスをSOFCスタックに供給する。   When the temperature of the reforming catalyst layer reaches a reformable temperature, reforming is performed by supplying steam and kerosene steam to the reformer. At this time, heat necessary for steam reforming can be generated by supplying air to the reforming catalyst layer and performing autothermal reforming. When the reformed gas is generated, the reformed gas is supplied to the SOFC stack.

セル出口においてアノードオフガスを燃焼させ、その熱でSOFCスタックおよび改質器をさらに加熱することができる。あるいはアノードオフガスを間接内部改質型SOFCの外部に取り出して別途設けた燃料手段で燃焼させ、その熱を利用して(カソードガスと熱交換などして)SOFCおよび改質器を加熱することもできる。   The anode off-gas can be burned at the cell outlet and the heat can further heat the SOFC stack and reformer. Alternatively, the anode off-gas may be taken out of the indirect internal reforming SOFC and burned by a separately provided fuel means, and the SOFC and reformer may be heated using the heat (such as heat exchange with the cathode gas). it can.

SOFCが発電可能な温度になったら、発電を開始し、発電に伴う熱によってSOFCをさらに加熱することができる。   When the SOFC reaches a temperature at which power can be generated, power generation is started, and the SOFC can be further heated by heat generated by the power generation.

こうして定常運転(定格運転や部分負荷運転)が可能となる。定常運転においてオートサーマルリフォーミングを行わなくても熱が足りる場合は、改質器への空気の供給を停止して水蒸気改質反応のみによる改質を行うことができる。   Thus, steady operation (rated operation or partial load operation) becomes possible. When heat is sufficient even if autothermal reforming is not performed in the steady operation, it is possible to stop the supply of air to the reformer and perform reforming only by the steam reforming reaction.

本発明の間接内部改質型SOFCは、例えば定置用もしくは移動体用の発電システムに、またコージェネレーションシステムに利用できる。本発明の改質器は、このような間接内部改質型SOFCに好適に利用できる。   The indirect internal reforming SOFC of the present invention can be used for, for example, a stationary or moving power generation system and a cogeneration system. The reformer of the present invention can be suitably used for such an indirect internal reforming SOFC.

質器および間接内部改質型SOFCの参考例を説明するための模式図である。It is a schematic diagram for explaining the reformer and a reference example of the indirect internal reforming-type SOFC. 質器の参考例を説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the reference example of a reformer . 図2の改質器の模式的部分拡大図である。FIG. 3 is a schematic partial enlarged view of the reformer of FIG. 2. 質器の別の参考例を説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating another reference example of a reformer . 質器の別の参考例を説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating another reference example of a reformer . 質器および間接内部改質型SOFCの別の参考例を説明するための模式図である。It is a schematic diagram for explaining the reformer and another reference example of the indirect internal reforming-type SOFC. 本発明の間接内部改質型SOFCの例を説明するための模式図である。It is a schematic diagram for explaining an example of indirect internal reforming SOFC of the present invention.

符号の説明Explanation of symbols

1:改質器
2:反応容器
2a:内管
2b:外管
3:改質触媒層
4:第一の供給口
5:第二の供給口
6:空気供給管
7:空隙(ヘッダー)
8:反応容器の外壁面
9:隔壁
11:固体酸化物形燃料電池
1: reformer 2: reaction vessel 2a: inner tube 2b: outer tube 3: reforming catalyst layer 4: first supply port 5: second supply port 6: air supply tube 7: gap (header)
8: Outer wall surface of reaction vessel 9: Partition wall 11: Solid oxide fuel cell

Claims (2)

灯油を改質して改質ガスを製造する改質器と、前記改質ガスを用いて発電する固体酸化物形燃料電池とを有し、前記改質器が固体酸化物形燃料電池から熱輻射を受けることのできる位置に配置された間接内部改質型固体酸化物形燃料電池であって、
前記改質器が
灯油を水蒸気改質する水蒸気改質能および灯油を部分酸化改質する部分酸化改質能を有する触媒層と、前記触媒層を収容する反応容器と有し、
前記触媒層の上流側端に酸素含有ガスを供給する第一の供給口を有し、
前記触媒層の上流側端より下流の部分に酸素含有ガスを供給する第二の供給口を有し、
前記触媒層が、空隙を挟んで改質ガスの流れについて上流側の触媒層と下流側の触媒層とを有し、
前記上流側の触媒層の上流側端に酸素含有ガスを供給する供給口と、前記空隙に酸素含有ガスを供給する供給口とを有する改質器であって、
前記反応容器が対向する二つの外壁面を有し、
二つの外壁面の間に反応容器の内部を二つの領域に区画する隔壁が設けられ、
前記二つの領域は隔壁の一端において連通し、
前記二つの外壁面のうちの一方の外壁面と前記隔壁との間に前記上流側の触媒層を有し、
他方の外壁面と前記隔壁との間に前記下流側の触媒層を有し、
前記二つの領域が連通する部分が前記空隙とされた改質器であり、
前記一方の外壁面側には固体酸化物形燃料電池が配置されず、前記他方の外壁面側に固体酸化物形燃料電池が配置された
間接内部改質型固体酸化物形燃料電池。
A reformer kerosene is reformed to produce a reformed gas, wherein and a solid oxide fuel cell which generates electric power using the reformed gas, the thermal reformer from the solid oxide fuel cell An indirect internal reforming solid oxide fuel cell disposed at a position where radiation can be received,
The reformer,
A catalyst layer having a steam reforming ability for steam reforming kerosene and a partial oxidation reforming ability for partial oxidation reforming of kerosene, and a reaction vessel containing the catalyst layer,
A first supply port for supplying an oxygen-containing gas to an upstream end of the catalyst layer;
A second supply port for supplying an oxygen-containing gas to a portion downstream from an upstream end of the catalyst layer;
The catalyst layer has an upstream catalyst layer and a downstream catalyst layer with respect to the flow of the reformed gas across the gap,
A reformer having a supply port for supplying an oxygen-containing gas to an upstream end of the upstream catalyst layer, and a supply port for supplying an oxygen-containing gas to the gap;
The reaction vessel has two outer wall surfaces facing each other;
A partition partitioning the inside of the reaction vessel into two regions is provided between the two outer wall surfaces,
The two regions communicate with each other at one end of the partition wall,
The upstream catalyst layer is provided between one of the two outer wall surfaces and the partition wall,
Having the downstream catalyst layer between the other outer wall surface and the partition;
A portion where the two regions communicate with each other is a reformer in which the gap is formed,
A solid oxide fuel cell is not disposed on the one outer wall surface side, and a solid oxide fuel cell is disposed on the other outer wall surface side. Indirect internal reforming solid oxide fuel cell battery.
灯油を改質して改質ガスを製造する改質器と、前記改質ガスを用いて発電する固体酸化物形燃料電池とを有し、前記改質器が固体酸化物形燃料電池から熱輻射を受けることのできる位置に配置された間接内部改質型固体酸化物形燃料電池の運転方法であって、
ただし、前記改質器が
灯油を水蒸気改質する水蒸気改質能および灯油を部分酸化改質する部分酸化改質能を有する触媒層と、前記触媒層を収容する反応容器と有し、
前記触媒層の上流側端に酸素含有ガスを供給する第一の供給口を有し、
前記触媒層の上流側端より下流の部分に酸素含有ガスを供給する第二の供給口を有し、
前記触媒層が、空隙を挟んで改質ガスの流れについて上流側の触媒層と下流側の触媒層とを有し、
前記上流側の触媒層の上流側端に酸素含有ガスを供給する供給口と、前記空隙に酸素含有ガスを供給する供給口とを有する改質器であって、
前記反応容器が対向する二つの外壁面を有し、
二つの外壁面の間に反応容器の内部を二つの領域に区画する隔壁が設けられ、
前記二つの領域は隔壁の一端において連通し、
前記二つの外壁面のうちの一方の外壁面と前記隔壁との間に前記上流側の触媒層を有し、
他方の外壁面と前記隔壁との間に前記下流側の触媒層を有し、
前記二つの領域が連通する部分が前記空隙とされた改質器であり、
前記一方の外壁面側には固体酸化物形燃料電池が配置されず、前記他方の外壁面側に固体酸化物形燃料電池が配置され、
前記触媒層の温度が所定の温度を下回らないように、前記第一の供給口に供給する酸素含有ガスの流量および前記第二の供給口に供給する酸素含有ガスの流量のうちの少なくとも一方の流量を増加させる工程を有する間接内部改質型固体酸化物形燃料電池の運転方法。
A reformer kerosene is reformed to produce a reformed gas, wherein and a solid oxide fuel cell which generates electric power using the reformed gas, the thermal reformer from the solid oxide fuel cell A method for operating an indirect internal reforming solid oxide fuel cell disposed at a position where radiation can be received,
However, the reformer,
A catalyst layer having a steam reforming ability for steam reforming kerosene and a partial oxidation reforming ability for partial oxidation reforming of kerosene, and a reaction vessel containing the catalyst layer,
A first supply port for supplying an oxygen-containing gas to an upstream end of the catalyst layer;
A second supply port for supplying an oxygen-containing gas to a portion downstream from an upstream end of the catalyst layer;
The catalyst layer has an upstream catalyst layer and a downstream catalyst layer with respect to the flow of the reformed gas across the gap,
A reformer having a supply port for supplying an oxygen-containing gas to an upstream end of the upstream catalyst layer, and a supply port for supplying an oxygen-containing gas to the gap;
The reaction vessel has two outer wall surfaces facing each other;
A partition partitioning the inside of the reaction vessel into two regions is provided between the two outer wall surfaces,
The two regions communicate with each other at one end of the partition wall,
The upstream catalyst layer is provided between one of the two outer wall surfaces and the partition wall,
Having the downstream catalyst layer between the other outer wall surface and the partition;
A portion where the two regions communicate with each other is a reformer in which the gap is formed,
The solid oxide fuel cell is not disposed on the one outer wall surface side, and the solid oxide fuel cell is disposed on the other outer wall surface side,
The As temperature of the catalyst layer is not less than a predetermined temperature, the oxygen-containing gas supplied to the first supply port flow and the second at least one of the flow rate of the oxygen-containing gas supplied to the supply port of the A method for operating an indirect internal reforming solid oxide fuel cell comprising a step of increasing a flow rate.
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