JP5197944B2 - Indirect internal reforming solid oxide fuel cell system - Google Patents

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Description

本発明は、灯油等の液体燃料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を有する間接内部改質型固体酸化物形燃料電池システムに関する。   The present invention relates to an indirect internal reforming solid oxide fuel cell having an indirect internal reforming solid oxide fuel cell in which a reformer for reforming liquid fuel such as kerosene is arranged in the vicinity of the solid oxide fuel cell. The present invention relates to a fuel cell system.

固体酸化物形燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell。以下場合によりSOFCという。)には、通常、改質器において灯油や都市ガスなどの炭化水素系燃料(原燃料)を改質して発生させた水素含有ガス(改質ガス)が供給される。SOFCにおいて、この改質ガスと空気を電気化学的に反応させて発電を行う。SOFCは通常550℃〜1000℃程度の高温で作動させる。   Solid oxide fuel cells (Solid Oxide Fuel Cell, sometimes referred to as SOFC) are usually generated by reforming hydrocarbon fuels (raw fuel) such as kerosene and city gas in a reformer. A hydrogen-containing gas (reformed gas) is supplied. In the SOFC, the reformed gas and air are reacted electrochemically to generate electricity. The SOFC is usually operated at a high temperature of about 550 ° C to 1000 ° C.

改質に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。間接内部改質型SOFCについては特許文献1に記載される。   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. An indirect internal reforming SOFC is described in Patent Document 1.

また、間接内部改質型SOFCにおいて、可燃分を含有するアノードオフガス(SOFCのアノードから排出されるガス)を間接内部改質型SOFCの容器(モジュール容器)内で燃焼させ、この燃焼熱を熱源として改質器を加熱することも行われている。このような間接内部改質型SOFC、またその起動方法について特許文献2に記載される。
特開2002−358997号公報 特開2004−319420号公報
In addition, in an indirect internal reforming SOFC, combustible anode off-gas (gas discharged from the SOFC anode) is combusted in an indirect internal reforming SOFC container (module container), and this combustion heat is used as a heat source. As mentioned above, the reformer is also heated. Such an indirect internal reforming SOFC and its starting method are described in Patent Document 2.
JP 2002-358997 A JP 2004-319420 A

間接内部改質型SOFCシステムにおいて、灯油等の液体燃料を原燃料として用いる場合と、都市ガスや液化石油ガス(LPG)を原燃料とする場合とでは、次のような点が異なる。   In the indirect internal reforming SOFC system, the following points are different between the case where liquid fuel such as kerosene is used as raw fuel and the case where city gas or liquefied petroleum gas (LPG) is used as raw fuel.

灯油等の液体燃料は高次炭化水素であるため、これを原燃料に用いる場合、改質が進んでいない原燃料が改質器から排出され(スリップという)SOFCに流入すると、例え短時間でも、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、灯油のような液体燃料は、SOFCに供給する前に、低次炭化水素まで確実に転化してくことが望まれる。   Since liquid fuel such as kerosene is a high-order hydrocarbon, when it is used as raw fuel, if raw fuel that has not undergone reforming is discharged from the reformer (called slip) and flows into the SOFC, even in a short time In some cases, the stability of operation may be impaired by carbon deposition in the SOFC. Therefore, it is desirable that liquid fuel such as kerosene be reliably converted to lower hydrocarbons before being supplied to the SOFC.

一方、都市ガスやLPGを原燃料に用いた場合は、例え原燃料が未改質のままSOFCに流入したとしても、SOFCの内部で原燃料が改質可能である。つまり、原燃料のスリップは許容される。   On the other hand, when city gas or LPG is used as raw fuel, the raw fuel can be reformed inside the SOFC even if the raw fuel flows into the SOFC without being reformed. That is, raw material slip is allowed.

特に、アノードオフガスをモジュール容器内で燃焼させその燃焼熱を利用して改質器やSOFCを加熱するタイプの間接内部改質型SOFCにおいて、原燃料が液体燃料である場合、原燃料のスリップが起こり得る状況下では、起動に際して原燃料をSOFCに供給しないことが望まれる。このため、外部改質器など別途の起動用機器を用いることが考えられるが、これはコストアップ要因となり得る。   In particular, in an indirect internal reforming SOFC of the type in which anode off gas is burned in a module container and the combustion heat is used to heat a reformer or SOFC, when the raw fuel is a liquid fuel, the slip of the raw fuel is reduced. Under possible circumstances, it is desirable not to supply raw fuel to the SOFC upon startup. For this reason, it is conceivable to use a separate start-up device such as an external reformer, but this can be a cost-up factor.

また、起動時に限らず、通常運転(定格運転や部分負荷運転)を行っている際にも、外乱などによって液体燃料の供給系に異常があった場合、例えそれが短時間であってもスリップに起因する問題を避けるために運転を停止せざるを得ない場合がある。   Also, not only at startup, but also during normal operation (rated operation or partial load operation), if there is an abnormality in the liquid fuel supply system due to disturbance or the like, even if it is a short time, slip In order to avoid the problems caused by the operation, the operation may be stopped.

本発明の目的は、アノードオフガスをモジュール容器内で燃焼させその燃焼熱を利用して改質器やSOFCを加熱するタイプの間接内部改質型SOFCを有するシステムを、別途の昇温用機器を必要とすることなく、スリップを防止しつつ、容易に起動可能な間接内部改質型SOFCシステムの起動方法を提供することである。
The purpose of the present invention, a system with a type of indirect internal reforming SOFC to heat the combustion heat reformer and SOFC utilizing the combustion of the anode off-gas in the module container, additional equipment for Atsushi Nobori It is an object of the present invention to provide a method for starting an indirect internal reforming SOFC system that can be easily started while preventing slipping.

本発明により、気化した液体燃料を部分酸化改質および水蒸気改質可能な改質触媒層を備える改質器と、該改質器で得られる改質ガスを用いて発電する固体酸化物形燃料電池と、該改質器および固体酸化物形燃料電池を収容する容器とを有し、該改質器が固体酸化物形燃料電池から熱輻射を受ける位置に配され、該固体酸化物形燃料電池のアノードから排出されるアノードオフガスを該容器内で燃焼可能な間接内部改質型固体酸化物形燃料電池;該改質器に液体燃料を気化したうえで供給する液体燃料気化供給手段;および、気体燃料を該改質器に供給する気体燃料供給手段を有する間接内部改質型固体酸化物形燃料電池システムの起動方法であって、
a)気体燃料を該改質器を経て固体酸化物形燃料電池に導入し、アノードオフガスを該容器内で燃焼させ、アノードオフガスの燃焼熱を用いて該改質器および固体酸化物形燃料電池を加熱する工程、
b)改質触媒層の温度が気体燃料の部分酸化改質反応開始温度以上になったら、該改質器において気体燃料を部分酸化改質したうえで固体酸化物形燃料電池に導入し、アノードオフガスを該容器内で燃焼させ、部分酸化改質反応熱およびアノードオフガスの燃焼熱を用いて該改質器および固体酸化物形燃料電池を加熱する工程、
c)改質触媒層の温度が550℃以上になったら、改質器に供給する燃料を該気体燃料から、気化した液体燃料に切り替え、気化した液体燃料を部分酸化改質したうえで固体酸化物形燃料電池に導入し、アノードオフガスを該容器内で燃焼させ、部分酸化改質反応熱およびアノードオフガスの燃焼熱を用いて該改質器および固体酸化物形燃料電池を加熱する工程
をこの順に有する間接内部改質型固体酸化物形燃料電池システムの起動方法が提供される。
According to the present invention, a reformer having a reforming catalyst layer capable of partial oxidation reforming and steam reforming of vaporized liquid fuel, and a solid oxide fuel that generates power using the reformed gas obtained by the reformer A battery and a container for containing the reformer and the solid oxide fuel cell, wherein the reformer is disposed at a position to receive heat radiation from the solid oxide fuel cell, and the solid oxide fuel An indirect internal reforming solid oxide fuel cell capable of combusting anode off-gas discharged from the anode of the cell in the vessel; liquid fuel vaporization supply means for supplying the reformer after vaporizing the liquid fuel; and A method for starting an indirect internal reforming solid oxide fuel cell system having a gaseous fuel supply means for supplying gaseous fuel to the reformer,
a) Gas fuel is introduced into the solid oxide fuel cell through the reformer, the anode off gas is combusted in the vessel, and the reformer and the solid oxide fuel cell are burned using the combustion heat of the anode off gas. Heating the step,
b) When the temperature of the reforming catalyst layer becomes equal to or higher than the partial oxidation reforming reaction start temperature of the gaseous fuel, the gaseous fuel is partially oxidized and reformed in the reformer and then introduced into the solid oxide fuel cell. Combusting offgas in the vessel and heating the reformer and the solid oxide fuel cell using partial oxidation reforming reaction heat and anode offgas combustion heat;
c) When the temperature of the reforming catalyst layer reaches 550 ° C. or higher, the fuel supplied to the reformer is switched from the gaseous fuel to the vaporized liquid fuel, and the vaporized liquid fuel is partially oxidized and reformed before solid oxidation. The step of introducing the fuel into the physical fuel cell, combusting the anode off gas in the vessel, and heating the reformer and the solid oxide fuel cell using the heat of partial oxidation reforming reaction and the combustion heat of the anode off gas. A starting method for an indirect internal reforming solid oxide fuel cell system is provided.

上記起動方法が、さらに、前記工程c)の後に、
d)前記改質器において気化した液体燃料を部分酸化改質せずに水蒸気改質したうえで固体酸化物形燃料電池に導入し、アノードオフガスを前記容器内で燃焼させ、アノードオフガスの燃焼熱を用いて該改質器および固体酸化物形燃料電池を加熱する工程
を有することができる。
The start-up method further includes after step c)
d) The liquid fuel vaporized in the reformer is steam reformed without partial oxidation reforming and then introduced into the solid oxide fuel cell, the anode off gas is burned in the vessel, and the combustion heat of the anode off gas And heating the reformer and the solid oxide fuel cell.

本発明により、アノードオフガスをモジュール容器内で燃焼させその燃焼熱を利用して改質器やSOFCを加熱するタイプの間接内部改質型SOFCを有するシステムを、別途の昇温用機器を必要とすることなく、スリップを防止しつつ、容易に起動可能な間接内部改質型SOFCシステムの起動方法が提供される。
According to the present invention, a system having an indirect internal reforming SOFC of a type in which anode off gas is combusted in a module vessel and the combustion heat is used to heat the SOFC, and a separate heating device is required. Thus, there is provided a method for starting an indirect internal reforming SOFC system that can be easily started while preventing slipping.

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.

〔システム構成〕
図1に、本発明の間接内部改質型SOFCシステムの一例の概略を示す。ここでは液体燃料として灯油を、気体燃料として都市ガス(メタンが主成分)を用いる。また、SOFCにおける電気化学反応、アノードオフガスの燃焼反応、改質器における部分酸化改質反応のいずれにも酸素含有ガスが用いられるが、ここではこれらの全てに空気を用いる。
〔System configuration〕
FIG. 1 shows an outline of an example of the indirect internal reforming SOFC system of the present invention. Here, kerosene is used as the liquid fuel, and city gas (methane is the main component) is used as the gaseous fuel. In addition, an oxygen-containing gas is used for any of the electrochemical reaction in the SOFC, the combustion reaction of the anode off gas, and the partial oxidation reforming reaction in the reformer. Here, air is used for all of these.

このシステムは、間接内部改質型SOFC1を有する。間接内部改質型SOFCは、改質器2と、SOFC3とを有する(図1において、AはSOFCのアノードを、CはSOFCのカソードを表す)。改質器2は気化した液体燃料を部分酸化改質および水蒸気改質可能な改質触媒層2aを備える。SOFC3は、改質器2で得られる改質ガスを用いて発電を行うことができる。改質器およびSOFCは容器(モジュール容器)4内に収容されてモジュール化される。そして改質器が固体酸化物形燃料電池から熱輻射を受ける位置に配される。モジュール容器4は、その内部と外界(大気)が連通しないよう、気密性を持つ。   This system has an indirect internal reforming SOFC1. The indirect internal reforming SOFC has a reformer 2 and a SOFC 3 (in FIG. 1, A represents the anode of the SOFC, and C represents the cathode of the SOFC). The reformer 2 includes a reforming catalyst layer 2a capable of partially oxidizing and steam reforming vaporized liquid fuel. The SOFC 3 can generate power using the reformed gas obtained from the reformer 2. The reformer and the SOFC are accommodated in a container (module container) 4 and modularized. The reformer is disposed at a position where it receives heat radiation from the solid oxide fuel cell. The module container 4 is airtight so that the inside and the outside (atmosphere) do not communicate with each other.

また、SOFCのアノードから排出されるガス(アノードオフガス)をモジュール容器4内で燃焼させることができる。例えばSOFCのアノード、カソードともセル出口がモジュール容器内で開口し、アノード側のセル出口から排出されるアノードオフガス、カソード側のセル出口から排出されるカソードオフガスが、モジュール容器内に排出される構造を採用することができる。そして、セル出口にイグナイターなどの着火手段を適宜設け、セル出口においてアノードオフガスを燃焼させることができる。   Further, a gas (anode off gas) discharged from the anode of the SOFC can be burned in the module container 4. For example, the SOFC anode and cathode have cell outlets that open in the module container, and anode off-gas discharged from the anode-side cell outlet and cathode off-gas discharged from the cathode-side cell outlet are discharged into the module container. Can be adopted. An ignition means such as an igniter is appropriately provided at the cell outlet, and the anode off gas can be burned at the cell outlet.

また、このSOFCシステムは、改質器2に液体燃料を気化したうえで供給する液体燃料気化供給手段を備える。液体燃料気化供給手段は、液体燃料を貯蔵する灯油タンク11、灯油を昇圧する灯油ポンプ12、灯油を気化する灯油気化器13を有し、また灯油タンクから改質器入口までを適宜接続する配管部材を有する。また、流量調節弁や止め弁などのバルブを有することができる。灯油気化器においては、灯油を気化する熱源としてモジュール容器4から排出されるガスを利用できる。   The SOFC system also includes liquid fuel vaporization supply means for supplying the reformer 2 after vaporizing the liquid fuel. The liquid fuel vaporization supply means has a kerosene tank 11 for storing liquid fuel, a kerosene pump 12 for boosting kerosene, and a kerosene vaporizer 13 for vaporizing kerosene, and a pipe for appropriately connecting the kerosene tank to the reformer inlet. It has a member. Moreover, it can have valves, such as a flow control valve and a stop valve. In the kerosene vaporizer, gas discharged from the module container 4 can be used as a heat source for vaporizing kerosene.

さらに、このSOFCシステムは、気体燃料を改質器2に供給する気体燃料供給手段を有する。気体燃料供給手段は、都市ガスを昇圧するブロワ21を有し、また系外の都市ガスラインから改質器入口までを適宜接続する配管部材を有する。また、流量調節弁や止め弁などのバルブを有することができる。   Furthermore, this SOFC system has a gaseous fuel supply means for supplying gaseous fuel to the reformer 2. The gaseous fuel supply means has a blower 21 that boosts the city gas, and has a piping member that appropriately connects the city gas line outside the system to the reformer inlet. Moreover, it can have valves, such as a flow control valve and a stop valve.

この他にも、空気をカソードに供給するライン、空気を改質器に供給するライン、水蒸気を改質器に供給するラインなどが適宜設けられる。   In addition, a line for supplying air to the cathode, a line for supplying air to the reformer, a line for supplying water vapor to the reformer, and the like are appropriately provided.

さらに、改質触媒層の温度を検知する温度計として、改質触媒層の入口温度Tinを検知する温度計103と、改質触媒層の出口温度Toutを検知する温度計104とが設けられる。 Further, as a thermometer for detecting the temperature of the reforming catalyst layer, provided with thermometer 103 for detecting the inlet temperature T in of the reforming catalyst layer, and a thermometer 104 for detecting the outlet temperature T out of the reforming catalyst layer It is done.

制御手段100は、温度計で検知された温度(例えばTinまたはTout)に応じて、前記気体燃料供給手段からの改質器への気体燃料の供給から、前記液体燃料気化供給手段からの改質器への液体燃料の供給に切り替える機能を有する。制御手段には、温度計で検知された温度に対応する信号が入力され、この温度が所定の温度以上であるか否かを制御手段にて判断する。所定の温度以上であると判断された場合、制御手段は、例えば都市ガスブロワ21に停止信号を出力するとともに灯油ポンプ12に起動信号を出力する。 The control means 100 is configured to supply the gaseous fuel from the gaseous fuel supply means to the reformer according to the temperature detected by the thermometer (for example, T in or T out ), from the liquid fuel vaporization supply means. It has a function of switching to supply of liquid fuel to the reformer. A signal corresponding to the temperature detected by the thermometer is input to the control means, and the control means determines whether or not this temperature is equal to or higher than a predetermined temperature. When it is determined that the temperature is equal to or higher than the predetermined temperature, the control unit outputs a stop signal to the city gas blower 21 and outputs a start signal to the kerosene pump 12, for example.

また、灯油流量計101が灯油ポンプの下流、かつ灯油気化器の上流に設けられる。灯油流量計は、改質器に供給される灯油の流量を検知可能であればよい。ここでは灯油流量計は液体状態の灯油の流量を検知するが、その限りではなく、気体状の灯油の流量を検知してもよい。その場合には、灯油流量計は灯油気化器の下流に設けることができる。   A kerosene flow meter 101 is provided downstream of the kerosene pump and upstream of the kerosene vaporizer. The kerosene flow meter only needs to be able to detect the flow rate of kerosene supplied to the reformer. Here, the kerosene flow meter detects the flow rate of kerosene in a liquid state, but is not limited thereto, and may detect the flow rate of gaseous kerosene. In that case, the kerosene flow meter can be provided downstream of the kerosene vaporizer.

また、改質器の圧力を検知するため圧力計102が設けられる。圧力計の圧力取り出し口は改質器(例えば改質器の改質触媒層上流)に設けてもよいが、その限りではない。実質的に改質器内部の圧力を検知できればよいので、圧力取り出し口は、図示するように改質器の上流の配管、特にはモジュール容器外に設けてもよい。   A pressure gauge 102 is provided to detect the pressure of the reformer. The pressure outlet of the pressure gauge may be provided in the reformer (for example, upstream of the reforming catalyst layer of the reformer), but is not limited thereto. Since it is sufficient if the pressure inside the reformer can be detected substantially, the pressure outlet may be provided on the upstream side of the reformer, particularly outside the module container, as shown.

制御手段100は、前述の機能に加え、灯油流量計101で検知された流量および圧力計102で検知された圧力の異常を判定し、少なくとも一方に異常があった場合に、気体燃料供給手段からの改質器への気体燃料の供給量を増加させ(ゼロから増加させる場合、すなわち気体燃料の供給を開始する場合を含む)、前記液体燃料気化供給手段からの改質器への液体燃料の供給を停止する機能を持つ。このため、この制御手段には灯油流量に対応する信号と改質器圧力に対応する信号が入力される。また制御手段から、例えば、灯油ポンプ12に停止信号を出力するとともに都市ガスブロワ21に起動信号を出力する。   In addition to the above-described function, the control means 100 determines whether the flow rate detected by the kerosene flow meter 101 and the pressure detected by the pressure gauge 102 are abnormal. The amount of gaseous fuel supplied to the reformer is increased (including the case where the gaseous fuel is increased from zero, that is, the supply of gaseous fuel is started), and the liquid fuel is supplied from the liquid fuel vaporization supply means to the reformer. Has the function to stop supply. For this reason, a signal corresponding to the kerosene flow rate and a signal corresponding to the reformer pressure are input to this control means. Further, for example, a stop signal is output from the control means to the kerosene pump 12 and an activation signal is output to the city gas blower 21.

制御手段としては、シーケンサーやコンピュータなどのプロセス制御において公知の制御手段を用いることができる。   As the control means, known control means can be used in process control such as a sequencer or a computer.

液体燃料や気体燃料の供給量を調節するために、自動流量調節弁を用いることができる。また、ポンプやブロワに流量調節機能が備わる場合にはそれを利用してもよい。このために制御手段から自動流量調節弁に信号を送ることができ、またポンプやブロワに備わる制御装置に信号を送ることができる。液体燃料や気体燃料の供給を開始もしくは停止するために、制御手段から、止め弁(自動弁)を制御することができ、ポンプやブロワのオン/オフ制御を行うことができる。   An automatic flow control valve can be used to adjust the supply amount of liquid fuel or gaseous fuel. If the pump or blower has a flow rate adjustment function, it may be used. For this purpose, a signal can be sent from the control means to the automatic flow control valve, and a signal can be sent to the control device provided in the pump or blower. In order to start or stop the supply of liquid fuel or gaseous fuel, a stop valve (automatic valve) can be controlled from the control means, and on / off control of the pump and blower can be performed.

〔システム起動方法〕
上記SOFCシステムは、次の工程a)〜c)をこの順に行うことによって常温から起動することができる。
a)気体燃料を改質器を経てSOFCに導入し、アノードオフガスをモジュール容器内で燃焼させ、アノードオフガスの燃焼熱を用いて改質器およびSOFCを加熱する工程。
b)改質触媒層の温度が気体燃料の部分酸化改質反応開始温度以上になったら、改質器において気体燃料を部分酸化改質したうえでSOFCに導入し、アノードオフガスをモジュール容器内で燃焼させ、部分酸化改質反応熱およびアノードオフガスの燃焼熱を用いて改質器およびSOFCを加熱する工程。
c)改質触媒層の温度が550℃以上になったら、改質器に供給する燃料を気体燃料から、気化した液体燃料に切り替え、気化した液体燃料を部分酸化改質したうえでSOFCに導入し、アノードオフガスをモジュール容器内で燃焼させ、部分酸化改質反応熱およびアノードオフガスの燃焼熱を用いて改質器およびSOFCを加熱する工程。
[System startup method]
The SOFC system can be started from room temperature by performing the following steps a) to c) in this order.
a) introducing gaseous fuel into the SOFC via the reformer, burning the anode off-gas in the module container, and heating the reformer and the SOFC using the combustion heat of the anode off-gas;
b) When the temperature of the reforming catalyst layer becomes equal to or higher than the partial oxidation reforming reaction start temperature of the gaseous fuel, the gaseous fuel is partially oxidized and reformed in the reformer and then introduced into the SOFC, and the anode off-gas is introduced into the module container. Combusting and heating the reformer and the SOFC using the partial oxidation reforming reaction heat and the combustion heat of the anode off gas.
c) When the temperature of the reforming catalyst layer reaches 550 ° C or higher, the fuel supplied to the reformer is switched from gaseous fuel to vaporized liquid fuel, and the vaporized liquid fuel is partially oxidized and reformed before being introduced into the SOFC. And heating the reformer and the SOFC using the partial oxidation reforming reaction heat and the combustion heat of the anode off gas by burning the anode off gas in the module container.

まず工程a)を行う。具体的には、灯油ポンプ12は停止したまま、都市ガスブロワ21を起動し、適宜流量調節を行う。また、SOFCカソードに空気を供給する。この工程では改質器へは空気は供給しないでよい。   First, step a) is performed. Specifically, with the kerosene pump 12 stopped, the city gas blower 21 is started and the flow rate is adjusted as appropriate. In addition, air is supplied to the SOFC cathode. In this step, air may not be supplied to the reformer.

配管や機器が、水蒸気凝縮による問題を回避できる温度になった際には、改質触媒層における炭素析出防止などの目的で、水蒸気を改質器に供給することができる。   When the temperature of the pipe or device reaches a temperature at which the problem due to steam condensation can be avoided, steam can be supplied to the reformer for the purpose of preventing carbon deposition in the reforming catalyst layer.

都市ガスが改質器2およびSOFC3をこの順に通過し、アノードから都市ガスがアノードオフガスとして排出される。セル出口近傍において、アノードオフガスがカソードセル出口から排出された空気によって燃焼する。セル出口近傍において適宜イグナイターなどの着火手段を用いて着火させることができる。この燃焼熱によってSOFCとともに改質器が加熱され、これらが昇温される。燃焼熱は輻射によってSOFC、さらには改質器に伝えることができる。また、燃焼ガスがSOFCや改質器に接触することによりSOFCや改質器が加熱されてもよい。   The city gas passes through the reformer 2 and the SOFC 3 in this order, and the city gas is discharged from the anode as an anode off gas. In the vicinity of the cell outlet, the anode off gas is burned by the air discharged from the cathode cell outlet. In the vicinity of the cell outlet, ignition can be appropriately performed using ignition means such as an igniter. With this combustion heat, the reformer is heated together with the SOFC, and these are heated. The combustion heat can be transferred to the SOFC and further to the reformer by radiation. Further, the SOFC or the reformer may be heated by contacting the combustion gas with the SOFC or the reformer.

改質触媒層2aの温度が、都市ガスの部分酸化改質反応開始温度以上になったら、改質器2に必要に応じて適宜予熱した空気を供給し、改質器において気体燃料を部分酸化改質する。改質器から得られる改質ガスをSOFC3に導入し、セル出口におけるアノードオフガスの燃焼は継続させる。部分酸化改質反応は発熱反応であり、これによって改質触媒層にて熱が発生する。従って改質器内部を直接加熱することが可能である。また、改質ガスはSOFCの内部を通過するので、改質ガスによってSOFCを内部から加熱することもできる。従って、部分酸化改質を行うことは改質器さらにはSOFCを昇温するうえで効果的である。   When the temperature of the reforming catalyst layer 2a becomes equal to or higher than the partial oxidation reforming reaction start temperature of city gas, the preheated air is appropriately supplied to the reformer 2 as necessary, and the gaseous fuel is partially oxidized in the reformer. Reform. The reformed gas obtained from the reformer is introduced into the SOFC 3 and the anode off-gas combustion at the cell outlet is continued. The partial oxidation reforming reaction is an exothermic reaction, which generates heat in the reforming catalyst layer. Therefore, it is possible to heat the inside of the reformer directly. Moreover, since the reformed gas passes through the inside of the SOFC, the SOFC can be heated from the inside by the reformed gas. Therefore, performing partial oxidation reforming is effective in raising the temperature of the reformer and also the SOFC.

気体燃料の部分酸化改質反応開始温度(Tgas,poxと表す)とは、使用する条件(改質触媒の種類や気体燃料の種類)下で部分酸化改質を行うことが可能な温度の下限値を意味する。Tgas,poxは予備試験などによって適宜予め知ることができる。Tgas,poxは一般的には都市ガスを燃料とした場合は400℃〜500℃程度、LPGを燃料とした場合は300℃〜400℃程度である。 The partial oxidation reforming reaction start temperature (represented as T gas, pox ) of gaseous fuel is the temperature at which partial oxidation reforming can be performed under the conditions used (type of reforming catalyst and type of gaseous fuel). Means the lower limit. T gas, pox can be known in advance by a preliminary test or the like. T gas, pox is generally about 400 ° C. to 500 ° C. when city gas is used as fuel, and about 300 ° C. to 400 ° C. when LPG is used as fuel.

このように、改質触媒層温度(Tcat,1と表す)が、Tgas,pox未満の場合には工程a)の操作を行い、この改質触媒層温度がTgas,pox以上になったら工程b)の操作に移る。Tcat,1は、例えば改質触媒層の入口側端部で測定することができる。改質触媒層の入口側端部の温度がTgas,pox以上であれば、改質触媒層の入口側端部にて発熱が起こり、改質触媒層全体を部分酸化反応による発熱によって加熱することが可能となるので好ましい。ただしこの限りではなく、Tcat,1を測定する位置は、改質触媒層の少なくとも一部で部分酸化改質を行うことが可能であることを判定できる位置であればよい。 As described above, when the reforming catalyst layer temperature (denoted as T cat, 1 ) is lower than T gas, pox , the operation of step a) is performed, and the reforming catalyst layer temperature becomes equal to or higher than T gas, pox. Then, the operation proceeds to step b). T cat, 1 can be measured, for example, at the inlet end of the reforming catalyst layer. If the temperature at the inlet side end of the reforming catalyst layer is equal to or higher than T gas, pox , heat is generated at the inlet side end of the reforming catalyst layer, and the entire reforming catalyst layer is heated by heat generated by the partial oxidation reaction. This is preferable. However, the position for measuring T cat, 1 is not limited to this, and may be a position where it can be determined that partial oxidation reforming can be performed in at least a part of the reforming catalyst layer.

例えば、この改質触媒層温度Tcat,1として温度計103で測定される改質触媒層の入口側端部温度Tinを採用し、Tgas,poxが400℃である場合、温度計103でTinを監視しつつ工程a)の操作を行い、Tinとして400℃以上の値が検知された場合に工程b)の操作を行えばよい。ただし、Tinが400℃以上となって直ちに工程b)に移る必要はなく、例えばTinが450℃あるいは500℃など、400℃以上の所望の温度以上になってから工程b)に移ることもできる。 For example, the reforming catalyst layer temperature T cat, 1 the inlet side end portion temperature T in the reforming catalyst layer measured in the thermometer 103 is adopted as if T gas, pox is 400 ° C., a temperature gauge 103 The operation of step a) is performed while monitoring T in, and the operation of step b) may be performed when a value of 400 ° C. or higher is detected as T in . However, it is not necessary to immediately proceed to step b) when T in is 400 ° C. or higher. For example, when T in reaches 450 ° C. or higher, such as 450 ° C. or higher, a desired temperature of 400 ° C. or higher. You can also.

工程b)を行い、改質触媒層2aの温度が550℃以上になったら改質器2に供給する燃料を気体燃料から液体燃料(予め気化したもの)に切り替える(工程c))。具体的には、灯油ポンプ12を起動し、灯油気化器13において灯油を気化し、気化灯油を改質器2に供給する。また都市ガスブロワ21を停止し、都市ガスの供給を停止する。   Step b) is performed, and when the temperature of the reforming catalyst layer 2a becomes 550 ° C. or higher, the fuel supplied to the reformer 2 is switched from gaseous fuel to liquid fuel (previously vaporized) (step c)). Specifically, the kerosene pump 12 is started, kerosene is vaporized in the kerosene vaporizer 13, and vaporized kerosene is supplied to the reformer 2. Also, the city gas blower 21 is stopped, and the supply of city gas is stopped.

これにより、液体燃料が部分酸化改質され、その改質ガスがSOFCに供給され、アノードオフガスがセル出口近傍において燃焼する。燃料の種類は変更されたが、部分酸化改質による発熱とアノードオフガスの燃焼熱によって改質器およびSOFCが加熱されることは工程b)と同様である。   As a result, the liquid fuel is partially oxidized and reformed, the reformed gas is supplied to the SOFC, and the anode off gas burns in the vicinity of the cell outlet. Although the type of fuel is changed, the reformer and the SOFC are heated by the heat generated by partial oxidation reforming and the combustion heat of the anode off gas, as in step b).

改質触媒層の温度が550℃以上であれば、好ましくは600℃以上であれば、液体燃料のスリップをより確実に防止しつつ、液体燃料の部分酸化改質および水蒸気改質の何れかもしくは両方を行うことができる。   If the temperature of the reforming catalyst layer is 550 ° C. or higher, preferably 600 ° C. or higher, either the partial oxidation reforming and the steam reforming of the liquid fuel or more reliably preventing the liquid fuel from slipping or You can do both.

なお、コーキング防止の観点から、改質触媒層の温度は最も高温の部分でも850℃以下にすることが好ましい。   From the viewpoint of preventing coking, the temperature of the reforming catalyst layer is preferably 850 ° C. or lower even at the highest temperature.

工程b)から工程c)に移る判断に用いる改質触媒層の温度(Tcat,2と表す)は、前述のTcat,1と同じ位置で測定してもよい。つまり、Tcat,1とTcat,2とは同一であってもよい。あるいはTcat,2は、Tcat,1とは異なる位置で測定してもよい。改質触媒層の少なくとも一部が550℃以上になっていれば、より好ましくは600℃以上であれば、液体燃料のスリップは防止できるので、Tcat,2は改質触媒層の中の最高温度が発生する個所で測定すればよく、この観点から改質触媒層の出口側端部の温度をTcat,2として採用することができる。 The temperature of the reforming catalyst layer (denoted as T cat, 2 ) used for the determination to move from step b) to step c) may be measured at the same position as T cat, 1 described above. That is, T cat, 1 and T cat, 2 may be the same. Alternatively, T cat, 2 may be measured at a position different from T cat, 1 . If at least a part of the reforming catalyst layer is 550 ° C. or higher, more preferably 600 ° C. or higher, the liquid fuel can be prevented from slipping. Therefore, T cat, 2 is the highest in the reforming catalyst layer. The temperature may be measured at a location where the temperature is generated. From this viewpoint, the temperature at the outlet side end of the reforming catalyst layer can be adopted as T cat, 2 .

例えば、Tcat,2として温度計104で測定される改質触媒層の出口側端部温度Toutを採用した場合、Toutを監視しつつ工程b)の操作を行い、Toutとして550℃以上の値が検知された場合に工程c)の操作を行えばよい。ただし、Toutが550℃以上となって直ちに工程c)に移る必要はなく、例えばToutが600℃あるいは650℃など、550℃以上の所望の温度以上になってから工程c)に移ることもできる。 For example, when adopting the T cat, the second reforming catalyst layer measured in the thermometer 104 as an outlet side end portion temperature T out, do the step b) while monitoring the T out, 550 ° C. as T out When the above values are detected, the operation of step c) may be performed. However, it is not necessary to immediately go to step c) when T out becomes 550 ° C. or higher. For example, after T out becomes 600 ° C. or 650 ° C. or higher, a desired temperature of 550 ° C. or higher, then go to step c). You can also.

燃料の切り替えは、一度に行ってもよく、あるいは徐々に行ってもよい。   The fuel switching may be performed at once or may be performed gradually.

工程b)において、水蒸気が改質器に供給されている場合、改質触媒層において部分酸化改質に加えて水蒸気改質が進行することもある。気体燃料の水蒸気改質反応開始温度は一般的にはおおよそ400℃〜450℃程度である。また、工程c)において、水蒸気が改質器に供給されている場合、改質触媒層において部分酸化改質に加えて水蒸気改質が進行することもある。あるいは、工程b)や工程c)において、所望により水蒸気改質を利用して改質ガスの組成を調整することもできる。   In step b), when steam is supplied to the reformer, steam reforming may proceed in addition to partial oxidation reforming in the reforming catalyst layer. The steam reforming reaction start temperature of the gaseous fuel is generally about 400 ° C to 450 ° C. Further, in step c), when steam is supplied to the reformer, steam reforming may proceed in addition to partial oxidation reforming in the reforming catalyst layer. Alternatively, in step b) or step c), the reformed gas composition can be adjusted using steam reforming as desired.

SOFCにおける発電は、発電可能な状況にあれば適宜行ってよい。   Power generation in the SOFC may be performed as appropriate as long as power generation is possible.

工程a)〜c)によって、通常運転(定格運転および部分負荷運転)が可能な温度まで改質器およびSOFCを昇温することができる。このとき間接内部改質型SOFCに投入する流体、特には燃料の流量を適宜調節することによって昇温速度や到達温度を調節することができる。   Through the steps a) to c), the reformer and the SOFC can be heated to a temperature at which normal operation (rated operation and partial load operation) is possible. At this time, the rate of temperature rise and the reached temperature can be adjusted by appropriately adjusting the flow rate of the fluid, particularly the fuel, supplied to the indirect internal reforming SOFC.

あわせて、投入する空気や水蒸気の量を適宜調節することによって、部分酸化改質や水蒸気改質の反応量を適宜調節することができ、また部分酸化改質反応およびアノードオフガス燃焼による発熱、水蒸気改質による吸熱を調節し、昇温速度や到達温度を調節することができる。   In addition, the amount of reaction of partial oxidation reforming and steam reforming can be adjusted as appropriate by appropriately adjusting the amount of air and steam to be added, and the heat generated by partial oxidation reforming reaction and anode off-gas combustion, steam It is possible to adjust the temperature increase rate and the ultimate temperature by adjusting the endotherm due to reforming.

SOFCの発電効率の観点からは、改質として水蒸気改質のみを行う方が好ましい。従って通常運転においては改質として液体燃料の水蒸気改質のみを行うことが好ましく、工程c)の後、部分酸化改質を停止して、液体燃料の水蒸気改質のみを行うこともできる。すなわち、工程c)の後に、
d)改質器において気化した液体燃料を部分酸化改質せずに水蒸気改質したうえでSOFCに導入し、アノードオフガスをモジュール容器内で燃焼させ、アノードオフガスの燃焼熱を用いて改質器およびSOFCを加熱する工程
を行うことができる。
From the viewpoint of SOFC power generation efficiency, it is preferable to perform only steam reforming as reforming. Therefore, it is preferable to perform only steam reforming of the liquid fuel as reforming in normal operation, and after step c), partial oxidation reforming can be stopped and only steam reforming of the liquid fuel can be performed. That is, after step c)
d) The liquid fuel vaporized in the reformer is steam reformed without partial oxidation reforming and then introduced into the SOFC, the anode off gas is burned in the module vessel, and the reformer is used by using the combustion heat of the anode off gas. And a step of heating the SOFC.

これにより、通常運転の前に、液体燃料の水蒸気改質を行う条件下においてプロセスを安定させておくことができる。すなわち熱バランスを安定させ、また改質ガス組成を調整しておくことができる。この場合、アノードオフガスの燃焼熱によってSOFCや改質器が加熱される。発電を行っている場合は発電に伴うSOFCの発熱も熱源となる。   Thereby, before normal operation, the process can be stabilized under conditions for performing steam reforming of the liquid fuel. That is, the heat balance can be stabilized and the reformed gas composition can be adjusted. In this case, the SOFC and the reformer are heated by the combustion heat of the anode off gas. When power generation is performed, the heat generated by SOFC accompanying power generation also becomes a heat source.

改質器やSOFCを加熱するために別途バーナを用いてモジュール容器内で燃焼を行ってもよい。   In order to heat the reformer and the SOFC, combustion may be performed in the module container using a separate burner.

前述のように、配管や機器が水蒸気凝縮による問題を回避できる温度になった段階では、水蒸気を改質器に供給することができる。例えば、気体燃料を改質器に供給している場合には、改質触媒層における炭素析出防止のために、400℃以上において、S/Cが2.0〜4.0となるように水蒸気を供給することが好ましい。また、液体燃料を改質器に供給している場合は、550℃以上において、S/Cが2.5〜5.0となるように水蒸気を供給することが好ましい。   As described above, water vapor can be supplied to the reformer at a stage where the temperature of the pipes and equipment reaches a temperature at which problems due to water vapor condensation can be avoided. For example, when gaseous fuel is supplied to the reformer, steam is prevented so that the S / C is 2.0 to 4.0 at 400 ° C. or higher in order to prevent carbon deposition in the reforming catalyst layer. Is preferably supplied. Further, when liquid fuel is supplied to the reformer, it is preferable to supply water vapor so that the S / C is 2.5 to 5.0 at 550 ° C. or higher.

従って、気体燃料から液体燃料に切り替える際には、水蒸気供給量を増加させることが好ましい。このとき、燃料切り替えと同時に水蒸気供給量を増加させることもできるが、燃料切り替えに先立って水蒸気供給量を増加させておくことが好ましい。例えばTcat,2が550℃以上となった際に、まず水蒸気供給量を増加させ、改質器に供給される水蒸気供給量が所望の量になるのを待って、燃料切り替え操作を開始することができる。実際には配管容量等を考慮し、改質器に供給される水蒸気供給量が所望の量になるに十分な時間を計算しておき、その時間だけ水蒸気供給開始より燃料切り替え操作開始を遅らせることができる。 Therefore, when switching from gaseous fuel to liquid fuel, it is preferable to increase the amount of water vapor supplied. At this time, the water vapor supply amount can be increased simultaneously with the fuel switching, but it is preferable to increase the water vapor supply amount prior to the fuel switching. For example, when T cat, 2 exceeds 550 ° C., the steam supply amount is first increased, and the fuel switching operation is started after waiting for the steam supply amount supplied to the reformer to reach a desired amount. be able to. In actuality, taking into account the piping capacity, etc., calculate the time sufficient for the amount of steam supplied to the reformer to reach the desired amount, and delay the start of fuel switching operation from the start of steam supply by that amount of time. Can do.

水蒸気の発生および灯油の気化は、モジュール容器から排出されるガスが保有する熱などシステム内の熱を利用したり、場合によっては改質の原燃料として用意される液体燃料や気体燃料を別途燃焼させた燃焼熱を利用したりして、適宜行うことができる。水蒸気発生器、灯油気化器はモジュール容器の外にあってもよいし、モジュール容器内に収容されていてもよい。   The generation of water vapor and the vaporization of kerosene use the heat in the system, such as the heat held by the gas discharged from the module container, or in some cases separately burn liquid fuel or gaseous fuel prepared as a reforming raw fuel It is possible to appropriately carry out by using the generated combustion heat. The steam generator and the kerosene vaporizer may be outside the module container or may be accommodated in the module container.

〔システム停止方法〕
上記SOFCシステムを停止する場合、液体燃料のスリップ防止のために、改質触媒層の温度Tcat,2が550℃未満である場合には改質器に液体燃料を供給しないようにすることができる。停止に際して改質器への燃料供給を全て停止する方法、改質器への燃料供給を継続しながら降温する方法など、適宜の方法を採用してSOFCシステムを停止することができる。機器の保護の観点からは、改質器への燃料供給を継続しながら降温することが好ましい。
[System stop method]
When the SOFC system is stopped, in order to prevent the liquid fuel from slipping, when the temperature T cat, 2 of the reforming catalyst layer is less than 550 ° C., the liquid fuel may not be supplied to the reformer. it can. The SOFC system can be stopped by adopting an appropriate method such as a method of stopping all the fuel supply to the reformer at the time of stop and a method of lowering the temperature while continuing the fuel supply to the reformer. From the viewpoint of protecting the equipment, it is preferable to lower the temperature while continuing to supply the fuel to the reformer.

〔異常時対応〕
気化した液体燃料を改質器2へ供給している際に、改質器への液体燃料の供給に異常があった場合、改質器への液体燃料の供給を停止し、改質器への気体燃料の供給量を増加させる(気体燃料供給を開始する場合も含む)ことができる。
(Abnormality response)
When there is an abnormality in the supply of liquid fuel to the reformer while supplying the vaporized liquid fuel to the reformer 2, the supply of the liquid fuel to the reformer is stopped and the reformer is supplied. It is possible to increase the supply amount of the gaseous fuel (including the case of starting the gaseous fuel supply).

改質器への液体燃料の供給の異常は、改質器に供給される液体燃料の流量および改質器の圧力の少なくとも一方が許容範囲を外れたことで判定できる。例えば、流量計101および圧力計102にて液体燃料流量と改質器圧力(実際には改質器の上流ラインの圧力)を監視し、これらの値が所定範囲から外れた場合に液体燃料供給の異常と判断し、灯油ポンプ12を停止して改質器への液体燃料の供給を停止し、都市ガスブロワからの都市ガス供給量を増加させる。   Abnormality in the supply of liquid fuel to the reformer can be determined by determining that at least one of the flow rate of liquid fuel supplied to the reformer and the pressure of the reformer is outside the allowable range. For example, the flow rate of the liquid fuel and the reformer pressure (actually the pressure in the upstream line of the reformer) are monitored by the flow meter 101 and the pressure gauge 102, and the liquid fuel is supplied when these values are out of a predetermined range. The kerosene pump 12 is stopped to stop the supply of liquid fuel to the reformer, and the amount of city gas supplied from the city gas blower is increased.

この操作は、起動運転、通常運転および停止運転のいずれを行っている場合でも、液体燃料を改質器に供給している場合には実施可能である。   This operation can be performed when liquid fuel is supplied to the reformer, regardless of whether the operation is a start operation, a normal operation, or a stop operation.

これによって、液体燃料の供給に異常があった場合でも、気体燃料を用いて運転を継続することが可能である。   As a result, even when there is an abnormality in the supply of liquid fuel, it is possible to continue operation using gaseous fuel.

〔内部改質型SOFC〕
内部改質型SOFCにおいて、改質器は、SOFCから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。従って内部改質器と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。
[Internal reforming SOFC]
In the internal reforming SOFC, the reformer is preferably disposed at a position where radiation heat can be directly transferred from the SOFC to the outer surface of the device. Accordingly, it is preferable that no shielding material is disposed between the internal reformer and the SOFC, that is, a gap is provided between the reformer and the SOFC. Further, it is preferable to shorten the distance between the reformer and the SOFC as much as possible.

各供給ガスは必要に応じて適宜予熱されたうえで改質器もしくはSOFCに供給される。   Each supply gas is appropriately preheated as necessary and then supplied to the reformer or SOFC.

モジュール容器としては、SOFCと内部改質器とを収容可能な適宜の容器を用いることができる。その材料としては、例えばステンレス鋼など、使用する環境に耐性を有する適宜の材料を用いることができる。容器には、ガスの取り合い等のために、適宜接続口が設けられる。   As the module container, an appropriate container capable of accommodating the SOFC and the internal reformer can be used. As the material, for example, an appropriate material having resistance to the environment to be used, such as stainless steel, can be used. The container is appropriately provided with a connection port for gas exchange and the like.

〔SOFC〕
SOFCとしては、平板型や円筒型などの各種形状の公知のSOFC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。
[SOFC]
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.

〔原燃料〕
改質器で改質する原燃料として、本発明では液体燃料と気体燃料の両者を用いる。
[Raw fuel]
In the present invention, both liquid fuel and gaseous fuel are used as the raw fuel to be reformed by the reformer.

液体燃料は常温常圧(25℃、0.10MPa)で液体である燃料であり、液体燃料として、SOFCシステムの分野で原燃料として公知の液体燃料を用いることができる。例えば、分子中に炭素と水素を含む(酸素など他の元素を含んでもよい)化合物もしくはその混合物を適宜用いることができ、炭化水素類(例えば炭素数6以上)、アルコール類などを用いることができる。例えばガソリン、ナフサ、灯油、軽油等の炭化水素燃料、また、メタノール、エタノール等のアルコール、ジメチルエーテル等のエーテル等である。なかでも灯油は工業用としても民生用としても入手容易であり、その取り扱いも容易なため、好ましい。   The liquid fuel is a fuel that is liquid at normal temperature and normal pressure (25 ° C., 0.10 MPa). As the liquid fuel, a known liquid fuel can be used as a raw fuel in the field of the SOFC system. For example, a compound containing carbon and hydrogen (may contain other elements such as oxygen) in the molecule or a mixture thereof can be used as appropriate, and hydrocarbons (for example, having 6 or more carbon atoms), alcohols, or the like can be used. it can. For example, hydrocarbon fuels such as gasoline, naphtha, kerosene, and light oil, alcohols such as methanol and ethanol, ethers such as dimethyl ether, and the like. Of these, kerosene is preferable because it is easily available for industrial use and consumer use, and is easy to handle.

気体燃料は常温常圧(25℃、0.10MPa)で気体である燃料であり、液体燃料として、SOFCシステムの分野で原燃料として公知の気体燃料を用いることができる。例えば、メタン、エタン、プロパン、ブタン等の炭素数4以下の炭化水素類を挙げることができ、工業的には、天然ガス、都市ガス、液化石油ガス(LPG)などを用いることができる。   The gaseous fuel is a fuel that is gaseous at normal temperature and normal pressure (25 ° C., 0.10 MPa). As the liquid fuel, a known gaseous fuel can be used as a raw fuel in the field of the SOFC system. For example, hydrocarbons having 4 or less carbon atoms such as methane, ethane, propane, and butane can be used, and industrially, natural gas, city gas, liquefied petroleum gas (LPG), and the like can be used.

〔改質器〕
改質器は、部分酸化改質反応および/または水蒸気改質反応を利用して炭化水素系燃料から水素を含む改質ガスを製造する。改質器においては、部分酸化改質反応または水蒸気改質反応を行うことができ、また、水蒸気改質反応に部分酸化反応が伴うオートサーマルリフォーミングを行ってもよい。特に通常運転においては、SOFCの発電効率の観点からは部分酸化反応は起きない方が好ましい。オートサーマルリフォーミングにおいても、水蒸気改質が支配的になるようにされ、従って改質反応はオーバーオールで吸熱になる。そして、改質反応に必要な熱がSOFCから供給される。
[Reformer]
The reformer produces a reformed gas containing hydrogen from a hydrocarbon fuel using a partial oxidation reforming reaction and / or a steam reforming reaction. In the reformer, a partial oxidation reforming reaction or a steam reforming reaction can be performed, and autothermal reforming accompanied by a partial oxidation reaction in the steam reforming reaction may be performed. In particular, in normal operation, it is preferable that the partial oxidation reaction does not occur from the viewpoint of power generation efficiency of SOFC. 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.

改質触媒層は、部分酸化改質能を有する改質触媒と水蒸気改質能を有する改質触媒とを備えることができる。また、部分酸化改質能と水蒸気改質能とを併せ持つオートサーマル改質触媒を改質触媒層に用いてもよい。   The reforming catalyst layer can include a reforming catalyst having partial oxidation reforming ability and a reforming catalyst having steam reforming ability. An autothermal reforming catalyst having both partial oxidation reforming ability and steam reforming ability may be used for the reforming catalyst layer.

〔改質触媒〕
水蒸気改質触媒、部分酸化改質触媒、オートサーマル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。部分酸化改質触媒の例としては白金系触媒、水蒸気改質触媒の例としてはルテニウム系およびニッケル系、オートサーマル改質触媒の例としてはロジウム系触媒を挙げることができる。
[Reforming catalyst]
A known catalyst can be used for each of the steam reforming catalyst, the partial oxidation reforming catalyst, and the autothermal reforming catalyst. Examples of the partial oxidation reforming catalyst include platinum-based catalysts, examples of the steam reforming catalyst include ruthenium-based and nickel-based catalysts, and examples of the autothermal reforming catalyst include rhodium-based catalysts.

〔定常時の運転条件〕
以下、水蒸気改質、オートサーマル改質のそれぞれにつき、液体燃料を原燃料として用いた場合の定格運転の条件について説明する。
[Operating conditions during normal operation]
Hereinafter, rated operation conditions when liquid fuel is used as raw fuel for each of steam reforming and autothermal reforming will be described.

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、原燃料に含まれる炭素原子モル数に対する水分子モル数の比(スチーム/カーボン比)として定義され、この値は好ましくは1〜10、より好ましくは1.5〜7、さらに好ましくは2〜5とされる。この時の空間速度(LHSV)は原燃料の液体状態での流速をA(L/h)改質、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 fuel (steam / carbon ratio), and this value is preferably 1 to 10, more preferably 1. 5 to 7, more preferably 2 to 5. The space velocity (LHSV) at this time can be expressed by A / B when the flow rate in the liquid state of the raw fuel is A (L / h) reforming and the catalyst layer volume is B (L). Preferably, it is 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、原燃料に含まれる炭素原子モル数に対する酸素分子モル数の比(酸素/カーボン比)として好ましくは0.005〜1、より好ましくは0.01〜0.75、さらに好ましくは0.02〜0.6とされる。オートサーマル改質反応の反応温度は例えば400℃〜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。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 0.75 as the ratio of the number of moles of oxygen molecules to the number of moles of carbon atoms contained in the raw fuel (oxygen / carbon ratio). More preferably, it is 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. 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.

〔他の機器〕
SOFCシステムの公知の構成要素は、必要に応じて適宜設けることができる。具体例を挙げれば、液体燃料および/または気体燃料を脱硫するための脱硫器、液体を気化させる気化器(水蒸気発生器を含む)、各種流体を加圧するためのポンプ、圧縮機、ブロワなどの昇圧手段、流体の流量を調節するため、あるいは流体の流れを遮断/切り替えるためのバルブ等の流量調節手段や流路遮断/切り替え手段、熱交換・熱回収を行うための熱交換器、気体を凝縮する凝縮器、スチームなどで各種機器を外熱する加熱/保温手段、気体燃料や液体燃料の貯蔵手段、計装用の空気や電気系統、制御用の信号系統、制御装置、出力用や動力用の電気系統などである。
[Other equipment]
Known components of the SOFC system can be appropriately provided as necessary. Specific examples include desulfurizers for desulfurizing liquid fuels and / or gaseous fuels, vaporizers for vaporizing liquids (including steam generators), pumps for pressurizing various fluids, compressors, blowers, etc. Pressure increasing means, flow rate adjusting means such as a valve for adjusting the flow rate of fluid or shutting off / switching the flow of fluid, flow path shutting / switching means, heat exchanger for heat exchange / heat recovery, gas Condensing condenser, heating / heat-retaining means for externally heating various devices with steam, storage means for gaseous fuel and liquid fuel, instrumentation air and electrical system, control signal system, control device, output and power The electrical system.

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。   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.

本発明の間接内部改質型SOFCシステムの一例の概略を示すフロー図である。It is a flowchart which shows the outline of an example of the indirect internal reforming type | mold SOFC system of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1:間接内部改質型SOFC
2:改質器
3:SOFC
4:モジュール容器
11:灯油タンク
12:灯油ポンプ
13:灯油気化器
21:都市ガスブロワ
100:制御手段
101:流量計
102:圧力計
103:温度計
104:温度計
A:SOFCのアノード
C:SOFCのカソード
1: Indirect internal reforming SOFC
2: Reformer 3: SOFC
4: Module container 11: Kerosene tank 12: Kerosene pump 13: Kerosene vaporizer 21: City gas blower 100: Control means 101: Flow meter 102: Pressure gauge 103: Thermometer 104: Thermometer A: SOFC anode C: SOFC Cathode

Claims (2)

気化した液体燃料を部分酸化改質および水蒸気改質可能な改質触媒層を備える改質器と、該改質器で得られる改質ガスを用いて発電する固体酸化物形燃料電池と、該改質器および固体酸化物形燃料電池を収容する容器とを有し、該改質器が固体酸化物形燃料電池から熱輻射を受ける位置に配され、該固体酸化物形燃料電池のアノードから排出されるアノードオフガスを該容器内で燃焼可能な間接内部改質型固体酸化物形燃料電池;該改質器に液体燃料を気化したうえで供給する液体燃料気化供給手段;および、気体燃料を該改質器に供給する気体燃料供給手段を有する間接内部改質型固体酸化物形燃料電池システムの起動方法であって、
a)気体燃料を該改質器を経て固体酸化物形燃料電池に導入し、アノードオフガスを該容器内で燃焼させ、アノードオフガスの燃焼熱を用いて該改質器および固体酸化物形燃料電池を加熱する工程、
b)改質触媒層の温度が気体燃料の部分酸化改質反応開始温度以上になったら、該改質器において気体燃料を部分酸化改質したうえで固体酸化物形燃料電池に導入し、アノードオフガスを該容器内で燃焼させ、部分酸化改質反応熱およびアノードオフガスの燃焼熱を用いて該改質器および固体酸化物形燃料電池を加熱する工程、
c)改質触媒層の温度が550℃以上になったら、改質器に供給する燃料を該気体燃料から、気化した液体燃料に切り替え、気化した液体燃料を部分酸化改質したうえで固体酸化物形燃料電池に導入し、アノードオフガスを該容器内で燃焼させ、部分酸化改質反応熱およびアノードオフガスの燃焼熱を用いて該改質器および固体酸化物形燃料電池を加熱する工程
をこの順に有する間接内部改質型固体酸化物形燃料電池システムの起動方法。
A reformer comprising a reforming catalyst layer capable of partially oxidizing and steam reforming the vaporized liquid fuel, a solid oxide fuel cell for generating electric power using the reformed gas obtained from the reformer, and A reformer and a container containing the solid oxide fuel cell, and the reformer is disposed at a position where the reformer receives heat radiation from the solid oxide fuel cell, from the anode of the solid oxide fuel cell An indirect internal reforming solid oxide fuel cell capable of combusting discharged anode off-gas in the vessel; liquid fuel vaporization supply means for supplying the reformer after vaporizing the liquid fuel; and gaseous fuel A method for starting an indirect internal reforming solid oxide fuel cell system having a gaseous fuel supply means for supplying to the reformer,
a) Gas fuel is introduced into the solid oxide fuel cell through the reformer, the anode off gas is combusted in the vessel, and the reformer and the solid oxide fuel cell are burned using the combustion heat of the anode off gas. Heating the step,
b) When the temperature of the reforming catalyst layer becomes equal to or higher than the partial oxidation reforming reaction start temperature of the gaseous fuel, the gaseous fuel is partially oxidized and reformed in the reformer and then introduced into the solid oxide fuel cell. Combusting offgas in the vessel and heating the reformer and the solid oxide fuel cell using partial oxidation reforming reaction heat and anode offgas combustion heat;
c) When the temperature of the reforming catalyst layer reaches 550 ° C. or higher, the fuel supplied to the reformer is switched from the gaseous fuel to the vaporized liquid fuel, and the vaporized liquid fuel is partially oxidized and reformed before solid oxidation. The step of introducing the fuel into the physical fuel cell, combusting the anode off gas in the vessel, and heating the reformer and the solid oxide fuel cell using the heat of partial oxidation reforming reaction and the combustion heat of the anode off gas. A method for starting up an indirect internal reforming solid oxide fuel cell system in order.
さらに、前記工程c)の後に、
d)前記改質器において気化した液体燃料を部分酸化改質せずに水蒸気改質したうえで固体酸化物形燃料電池に導入し、アノードオフガスを前記容器内で燃焼させ、アノードオフガスの燃焼熱を用いて該改質器および固体酸化物形燃料電池を加熱する工程
を有する請求項記載の方法。
Furthermore, after said step c)
d) The liquid fuel vaporized in the reformer is steam reformed without partial oxidation reforming and then introduced into the solid oxide fuel cell, the anode off gas is burned in the vessel, and the combustion heat of the anode off gas reformer and method of claim 1, further comprising the step of heating the solid oxide fuel cell using the.
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