JP5231857B2 - Oxidation autothermal reformer and solid oxide fuel cell system - Google Patents
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Description
本発明は、酸化自己熱型改質装置及びそれを備える固体酸化物形燃料電池システムに関し、特には、起動時において改質触媒の温度を短時間で効果的に昇温することが可能な酸化自己熱型改質装置と、該酸化自己熱型改質装置を備え、酸化自己熱型改質装置の起動時においても、アノード電極側を還元状態に維持することが可能な固体酸化物形燃料電池システムに関するものである。 The present invention relates to an oxidation autothermal reforming apparatus and a solid oxide fuel cell system including the same, and in particular, an oxidation capable of effectively raising the temperature of a reforming catalyst in a short time at the time of startup. A solid oxide fuel comprising an autothermal reformer and the oxidation autothermal reformer, and capable of maintaining the anode electrode side in a reduced state even when the oxidation autothermal reformer is started The present invention relates to a battery system.
通常、改質器を具え、該改質器に改質原料と水蒸気との混合物を供給し改質反応させて水素を主成分とする改質ガスを生成させる改質装置においては、改質器に改質原料を供給する前に、改質原料を改質できる温度まで改質器内部を昇温起動しておく必要がある。 In a reformer that normally includes a reformer and supplies the reformer with a mixture of a reforming raw material and steam and causes a reforming reaction to generate a reformed gas mainly containing hydrogen, the reformer Before the reforming material is supplied to the reactor, it is necessary to start up the temperature inside the reformer to a temperature at which the reforming material can be reformed.
例えば、水蒸気改質法を採用した改質器では加熱バーナー等を組み合わせ、改質原料を改質器外部で燃焼させて改質器を昇温するのが一般的である(例えば、特許文献1参照)。一方、酸化自己熱型改質装置では外熱バーナー等を持たないため、従来は電気ヒーター等で改質器を昇温したり、改質原料の燃焼ガスを改質器内部に供給し昇温起動したりしていた。しかしながら、電気ヒーター等を用いると昇温に時間を要し、改質器の容器外面が部分的に過熱される恐れがある。また、改質原料の燃焼ガスを改質器内部に送るためには特別な燃焼器が必要となり、コスト高となり、装置も複雑となる。更に、外部燃焼器から燃焼ガスを送るとガスを送る配管等がエネルギーロスの原因となりガスの温度が低下し、改質温度まで改質器を加熱するには長時間を要していた。 For example, in a reformer employing a steam reforming method, a heating burner or the like is generally combined, and the reforming raw material is combusted outside the reformer to raise the temperature of the reformer (for example, Patent Document 1). reference). On the other hand, since the oxidation autothermal reformer does not have an external heat burner or the like, the temperature of the reformer is conventionally raised by an electric heater or the like, or the combustion gas of the reforming raw material is supplied to the interior of the reformer. It was starting up. However, when an electric heater or the like is used, it takes time to raise the temperature, and the outer surface of the reformer container may be partially heated. Further, a special combustor is required to send the combustion gas of the reforming raw material into the reformer, resulting in high cost and complicated apparatus. Furthermore, when the combustion gas is sent from the external combustor, the piping for sending the gas causes energy loss, the temperature of the gas is lowered, and it takes a long time to heat the reformer to the reforming temperature.
また、改質器にメタノール等の改質燃料と空気等の酸化剤を供給して触媒による部分酸化反応を起こさせ、このときの反応熱により改質器を昇温させるとともに、部分酸化反応で生成したガスを更に燃焼器で燃焼させ改質器と同時に燃焼器の起動を行い、改質システムを短時間で昇温及び起動する方法も提案されている(特許文献2参照)。しかしながら、この方法では、起動時においては改質ガスを燃焼器に供給し、一方、定常運転時においては改質ガスを燃料電池スタックへ供給しており、高温に耐えるガス流路の切替バルブやそのための制御系などが必要となる。 In addition, a reforming fuel such as methanol and an oxidizing agent such as air are supplied to the reformer to cause a partial oxidation reaction by the catalyst. The temperature of the reformer is increased by the reaction heat at this time, and the partial oxidation reaction is performed. There has also been proposed a method in which the generated gas is further combusted in a combustor, the combustor is started at the same time as the reformer, and the reforming system is heated and started in a short time (see Patent Document 2). However, in this method, the reformed gas is supplied to the combustor during start-up, while the reformed gas is supplied to the fuel cell stack during steady operation. A control system for that purpose is required.
そこで、本発明の第一の目的は、上記従来技術の問題を解決し、改質器内部の改質触媒の温度を改質原料の改質が可能な温度まで短時間で効果的に昇温することが可能な酸化自己熱型改質装置を提供することにある。また、本発明の第二の目的は、酸化自己熱型改質装置の下流側に固体酸化物形燃料電池を組み合わせた燃料電池システムにおいて、固体酸化物形燃料電池の昇温起動時において、アノード電極側を還元状態にする必要のある温度域(通常400℃以上)において、アノード電極に還元性ガスを供給することが可能な固体酸化物形燃料電池システムを提供することにある。 Accordingly, a first object of the present invention is to solve the above-mentioned problems of the prior art and to effectively raise the temperature of the reforming catalyst inside the reformer in a short time to a temperature at which the reforming raw material can be reformed. It is an object of the present invention to provide an oxidation autothermal reformer that can be used. The second object of the present invention is to provide a fuel cell system in which a solid oxide fuel cell is combined on the downstream side of an oxidation autothermal reformer, and at the start of temperature rising of the solid oxide fuel cell, the anode An object of the present invention is to provide a solid oxide fuel cell system capable of supplying a reducing gas to an anode electrode in a temperature range (usually 400 ° C. or higher) in which the electrode side needs to be reduced.
本発明者らは、上記目的を達成するために鋭意検討した結果、改質部と酸化発熱部とを有する酸化自己熱型改質装置において、酸化反応により発熱する物質(酸化発熱物質ということがある)を酸化発熱部に導入するためのラインと、酸素を含む酸化性ガスを酸化発熱部に導入するためのラインとを別個に設置し、それらの一端を酸化発熱部まで延在させ、該酸化発熱部において、酸化反応により発熱する物質と酸素を含む酸化性ガスとで部分酸化反応を行わせて水素及び/又は一酸化炭素を含むガスを生成及び/又は残存させ、該部分酸化反応で発生する熱により改質部を改質反応が可能となる温度以上に昇温することで、短時間で効果的に酸化自己熱型改質装置を昇温起動できる上、生成及び/又は残存させた水素及び/又は一酸化炭素を含むガスを固体酸化物形燃料電池のアノード電極側に供給することで、アノード電極側を還元雰囲気に維持することが可能となり、その結果として、固体酸化物形燃料電池システムの性能劣化を抑制できることを見出し、本発明を完成させるに至った。 As a result of diligent studies to achieve the above object, the present inventors have found that a substance that generates heat by an oxidation reaction (referred to as an oxidation exothermic substance) in an oxidation self-heating reformer having a reforming part and an oxidation heating part. And a line for introducing an oxidizing gas containing oxygen into the oxidation heat generating portion, and one end thereof is extended to the oxidation heat generation portion, In the oxidation exothermic part, a partial oxidation reaction is performed with a substance that generates heat by an oxidation reaction and an oxidizing gas containing oxygen to generate and / or remain a gas containing hydrogen and / or carbon monoxide. By raising the temperature of the reforming section to a temperature at which the reforming reaction can be performed by the generated heat, the oxidation self-heat reforming apparatus can be efficiently activated in a short time and generated and / or left. Hydrogen and / or carbon monoxide By supplying the contained gas to the anode electrode side of the solid oxide fuel cell, the anode electrode side can be maintained in a reducing atmosphere, and as a result, performance deterioration of the solid oxide fuel cell system can be suppressed. As a result, the present invention has been completed.
即ち、本発明の酸化自己熱型改質装置は、少なくとも一部に改質触媒が充填されており、該改質触媒に炭化水素又は脂肪族アルコールからなる群から選択される少なくとも一種の改質原料と水蒸気との混合物を接触させ改質反応により水素を主成分とする改質ガスを生成する改質部と、少なくとも一部に酸化触媒が充填されており、前記改質原料又は改質ガスの一部を酸化して熱を発生させる酸化発熱部とを備え、前記改質部が前記酸化発熱部の上流側に配置されており、
前記改質部及び前記酸化発熱部は、それぞれ円筒形状を有し、該改質部が半径方向内側に位置する内側改質層と半径方向外側に位置する外側改質層との2層からなると共に、該内側改質層と該外側改質層との間に前記酸化発熱部が配置されており、
前記酸化発熱部に酸化性ガスを供給するための手段として、一端が前記酸化発熱部まで延在する酸化性ガス導入ラインが設置されており、
更に、前記酸化発熱部に酸化反応により発熱する物質を供給するための手段として、一端が前記酸化発熱部まで延在する酸化発熱物質導入ラインが設置されていることを特徴とする。
That is, the oxidation autothermal reformer of the present invention is at least partially filled with a reforming catalyst, and the reforming catalyst is at least one reforming selected from the group consisting of hydrocarbons or aliphatic alcohols. A reforming section that generates a reformed gas mainly composed of hydrogen by a reforming reaction by contacting a mixture of the raw material and steam, and at least a part of which is filled with an oxidation catalyst, the reformed raw material or the reformed gas An oxidation heat generating part that oxidizes a part of the heat generating part to generate heat, and the reforming part is disposed on the upstream side of the oxidation heat generating part,
Each of the reforming part and the oxidation heating part has a cylindrical shape, and the reforming part is composed of two layers of an inner reforming layer located on the radially inner side and an outer reforming layer located on the radially outer side. And the oxidation heat generating portion is disposed between the inner modified layer and the outer modified layer,
As means for supplying an oxidizing gas to the oxidation heat generating part, an oxidizing gas introduction line having one end extending to the oxidation heat generating part is installed,
Further, as a means for supplying a substance that generates heat due to an oxidation reaction to the oxidation heat generating portion, an oxidation heat generating material introduction line having one end extending to the oxidation heat generating portion is installed.
また、本発明の固体酸化物形燃料電池システムは、上記の酸化自己熱型改質装置と、該酸化自己熱型改質装置の下流側に設置された固体酸化物形燃料電池とを備えることを特徴とする。 The solid oxide fuel cell system of the present invention comprises the above oxidation autothermal reformer and a solid oxide fuel cell installed downstream of the oxidation autothermal reformer. It is characterized by.
本発明の酸化自己熱型改質装置によれば、起動時において、酸化自己熱型改質装置の酸化発熱部に酸化反応により発熱する物質と酸素を含む酸化性ガスとを導入して、その酸化発熱により改質原料と水蒸気との混合物の改質反応が可能となる温度以上に改質部を昇温することにより、外熱ヒーターなどを用いることなく、また酸化自己熱型改質装置内の触媒にダメージを与えることなく、短時間で酸化自己熱型改質装置を起動することが可能となる。 According to the oxidation autothermal reforming apparatus of the present invention, at the time of start-up, a substance that generates heat due to an oxidation reaction and an oxidizing gas containing oxygen are introduced into the oxidation heat generating portion of the oxidation autothermal reforming apparatus. By raising the temperature of the reforming section above the temperature at which the reforming reaction of the mixture of the reforming raw material and water vapor becomes possible due to oxidation heat generation, without using an external heater, etc., and in the oxidation autothermal reformer It is possible to start the oxidation autothermal reformer in a short time without damaging the catalyst.
また、酸化自己熱型改質装置と固体酸化物形燃料電池とを備える固体酸化物形燃料電池システムにおいて、起動時において、前記酸化自己熱型改質装置での反応ガス中に水素及び/又は一酸化炭素を含むガスが生成及び/又は残存する条件で部分酸化反応を行わせることにより、水素及び/又は一酸化炭素を含む還元性ガスを固体酸化物形燃料電池のアノード電極側に供給することが可能となり、また、固体酸化物形燃料電池の昇温起動時においてアノード電極側を還元雰囲気に維持することが可能となり、その結果として、固体酸化物形燃料電池システムの性能劣化を抑制することができる。 Further, in a solid oxide fuel cell system including an oxidation autothermal reformer and a solid oxide fuel cell, hydrogen and / or in the reaction gas in the oxidation autothermal reformer at startup A reducing gas containing hydrogen and / or carbon monoxide is supplied to the anode electrode side of the solid oxide fuel cell by performing a partial oxidation reaction under conditions where a gas containing carbon monoxide is generated and / or remains. In addition, it becomes possible to maintain the anode electrode side in a reducing atmosphere at the start of temperature rising of the solid oxide fuel cell, and as a result, the performance deterioration of the solid oxide fuel cell system is suppressed. be able to.
以下に、図1を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。図1は、本発明の酸化自己熱型改質装置を備えた固体酸化物形燃料電池システムの一例の概略図である。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIG. FIG. 1 is a schematic view of an example of a solid oxide fuel cell system equipped with an oxidation autothermal reformer of the present invention.
図1に示す固体酸化物形燃料電池システムは、酸化自己熱型改質装置1と、その下流側に設置された固体酸化物形燃料電池2とを備える。本発明の酸化自己熱型改質装置は、少なくとも一部に改質触媒が充填されており、該改質触媒に炭化水素又は脂肪族アルコールからなる群から選択される少なくとも一種の改質原料と水蒸気との混合物を接触させ改質反応により水素を主成分とする改質ガスを生成する改質部1Aと、少なくとも一部に酸化触媒が充填されており、前記改質原料又は改質ガスの一部を酸化して熱を発生させるための酸化発熱部1Bとを備え、ここで、前記改質部1Aは前記酸化発熱部1Bの上流側に配置されている。 The solid oxide fuel cell system shown in FIG. 1 includes an oxidation autothermal reformer 1 and a solid oxide fuel cell 2 installed downstream thereof. The oxidation autothermal reformer of the present invention is at least partially filled with a reforming catalyst, and the reforming catalyst includes at least one reforming raw material selected from the group consisting of hydrocarbons or aliphatic alcohols. A reforming section 1A that generates a reformed gas mainly composed of hydrogen by a reforming reaction by contacting with a mixture with water vapor, and at least a portion is filled with an oxidation catalyst. An oxidizing heat generating part 1B for oxidizing a part to generate heat is provided. Here, the reforming part 1A is arranged on the upstream side of the oxidizing heat generating part 1B.
上記改質部1Aの少なくとも一部には、改質触媒が充填され、該改質触媒に炭化水素及び脂肪族アルコールからなる群から選択される少なくとも一種の改質原料と水蒸気との混合物を接触させることで、改質反応によって水素を主成分とする改質ガスが製造される。また、酸化発熱部1Bの少なくとも一部には、酸化触媒が充填されており、上記改質原料又は上記改質ガスの一部が酸化されて熱が発生する。 At least a part of the reforming section 1A is filled with a reforming catalyst, and the reforming catalyst is contacted with a mixture of at least one reforming raw material selected from the group consisting of hydrocarbons and aliphatic alcohols and steam. Thus, a reformed gas containing hydrogen as a main component is produced by the reforming reaction. Further, at least a part of the oxidation heat generating portion 1B is filled with an oxidation catalyst, and a part of the reforming raw material or the reformed gas is oxidized to generate heat.
一方、本発明の固体酸化物形燃料電池システムの固体酸化物形燃料電池は、特に限定されるものではなく、公知の構造を持った固体酸化物形燃料電池を採用することができる。なお、通常、固体酸化物形燃料電池2は、複数のセルを積層及び/又は連結して構成されるものが一般的である。 On the other hand, the solid oxide fuel cell of the solid oxide fuel cell system of the present invention is not particularly limited, and a solid oxide fuel cell having a known structure can be adopted. In general, the solid oxide fuel cell 2 is generally configured by stacking and / or connecting a plurality of cells.
また、本発明の固体酸化物形燃料電池は、改質部1Aに原料を供給するための手段として、原料導入ライン3が設置されていることに加え、酸化発熱部1Bに酸化性ガスを供給するための手段として、一端が酸化発熱部1Bまで延在する酸化性ガス導入ライン4が設置されている。そして、通常、改質反応時は原料導入ライン3から炭化水素及び脂肪族アルコールからなる群から選択される少なくとも一種の改質原料と水蒸気を改質部1Aに供給し、また、酸化性ガス導入ライン4から酸化性ガス、特には空気を酸化発熱部1Bに導入し、改質部1Aにて改質反応を、酸化発熱部1Bにて部分酸化反応を行い、生成した改質ガスをアノード燃料導入ライン5を介して固体酸化物形燃料電池2のアノード電極へ供給する。このとき、カソード空気導入ライン6から空気を固体酸化物形燃料電池2のカソード電極へ供給し、固体酸化物形燃料電池2で電気化学的に発電を行う。この発電には、通常固体酸化物形燃料電池2が700℃から1000℃に維持されている必要がある。なお、アノード電極へ供給されたものの発電に寄与しなかった水素や一酸化炭素や窒素及び発電反応で生成した水や二酸化炭素は、アノード排ガス出口7から排出され、一方、カソード排ガス出口8からは、発電に寄与しなかった空気中の窒素と残留酸素が排出される。
In addition, the solid oxide fuel cell of the present invention supplies an oxidizing gas to the oxidation heating unit 1B in addition to the raw material introduction line 3 being installed as a means for supplying the raw material to the reforming unit 1A. As a means for doing this, an oxidizing
ここで、本発明の酸化自己熱型改質装置においては、上述のように酸化発熱部1Bに酸化性ガスを供給するための手段として、一端が酸化発熱部1Bまで延在する酸化性ガス導入ライン4が設置されていることに加え、更に、酸化発熱部1Bに酸化反応により発熱する物質を供給するための手段として、一端が酸化発熱1B部まで延在する酸化発熱物質導入ライン9が設置されている。そのため、本発明の酸化自己熱型改質装置においては、起動時において、酸化発熱物質導入ライン9から酸化反応により発熱する物質を導入すると共に、酸化性ガス導入ライン4から酸素を含む酸化性ガスを導入して、部分酸化反応を行わせることで、改質部1A内部の改質触媒の温度が改質原料を改質可能な温度以上になるまで、短時間で効果的に酸化自己熱型改質装置1を昇温起動することができる。なお、目標とする改質部1A内部の改質触媒の温度は、改質原料に依存し、特に限定されるものではない。
Here, in the oxidation autothermal reforming apparatus of the present invention, as described above, as the means for supplying the oxidizing gas to the oxidation heat generating portion 1B, an oxidizing gas introduction whose one end extends to the oxidation heat generating portion 1B is introduced. In addition to the
上記酸化反応により発熱する物質としては、水素及び/又は一酸化炭素を含むガスや、炭化水素及び/又は脂肪族アルコール等が好ましく、ここで、炭化水素としては、メタン、エタン、プロパン、ブタン、LPガス、天然ガス、都市ガス等のガス、軽油、ガソリン、ナフサ、灯油等の液体燃料を用いることができ、脂肪族アルコールとしては、メタノール、エタノール等を用いることができる。これらの中でも、本発明では、常温でガス状の物質、より具体的には、水素及び/又は一酸化炭素を含むガスや、炭素数の小さい炭化水素、即ち、メタン、エタン、プロパン、LPガス、天然ガス、都市ガス等が好ましい。また、酸化発熱物質導入ライン9の前段に改質装置を設けて、前記炭化水素及び脂肪族アルコールからなる群から選択される少なくとも一種を、一旦改質した後に導入することも可能であり、この場合は、常温で液体の物質も好適に使用できる。なお、常温でガス状の物質を改質した後に、酸化発熱物質導入ライン9から導入することも勿論可能である。 As the substance that generates heat by the oxidation reaction, a gas containing hydrogen and / or carbon monoxide, a hydrocarbon and / or an aliphatic alcohol, and the like are preferable. Here, as the hydrocarbon, methane, ethane, propane, butane, Gases such as LP gas, natural gas, and city gas, and liquid fuels such as light oil, gasoline, naphtha, and kerosene can be used, and methanol, ethanol, and the like can be used as the aliphatic alcohol. Among these, in the present invention, a gaseous substance at room temperature, more specifically, a gas containing hydrogen and / or carbon monoxide, or a hydrocarbon having a small carbon number, that is, methane, ethane, propane, LP gas. Natural gas, city gas and the like are preferable. It is also possible to provide a reformer before the oxidation exothermic substance introduction line 9 and introduce at least one selected from the group consisting of the hydrocarbon and the aliphatic alcohol after once reformed. In such a case, a substance that is liquid at room temperature can also be suitably used. Of course, after the gaseous substance is reformed at room temperature, it can be introduced from the oxidation exothermic substance introduction line 9.
一方、酸化性ガス導入ライン4から導入する酸素を含む酸化性ガスとしては、純酸素ガスも使用可能であるが、コスト等の観点から空気が好適である。
On the other hand, as the oxidizing gas containing oxygen introduced from the oxidizing
ここで、酸化発熱物質と酸化性ガスの導入量は適宜変更可能であるが、アノード燃料導入ライン5を介して固体酸化物形燃料電池2へ導入されるガス中、すなわち酸化自己熱型改質装置内部での部分酸化反応後のガス中に水素や一酸化炭素等の還元性ガスが存在する必要がある。なお、酸化反応により発熱する物質が水素及び/又は一酸化炭素を含む場合は、完全酸化させることなく酸化反応を部分的に行って水素及び/又は一酸化炭素を残存させ、一方、酸化反応により発熱する物質が水素及び/又は一酸化炭素を含まない場合は、部分酸化反応で水素及び/又は一酸化炭素を生成させる。 Here, the introduction amounts of the oxidizing exothermic substance and the oxidizing gas can be changed as appropriate, but in the gas introduced into the solid oxide fuel cell 2 via the anode fuel introduction line 5, that is, the oxidation autothermal reforming. A reducing gas such as hydrogen or carbon monoxide needs to be present in the gas after the partial oxidation reaction inside the apparatus. When the substance that generates heat by the oxidation reaction contains hydrogen and / or carbon monoxide, the oxidation reaction is partially performed without complete oxidation to leave hydrogen and / or carbon monoxide. When the exothermic substance does not contain hydrogen and / or carbon monoxide, hydrogen and / or carbon monoxide is generated by a partial oxidation reaction.
部分酸化反応後のガス中の水素及び/又は一酸化炭素の総含有量は、部分酸化反応後のガスが還元性の状態となる量であれば特に限定されるものではないが、通常、0.5体積%以上が好ましい。部分酸化反応後のガス中の水素及び/又は一酸化炭素の総含有量が少なすぎると固体酸化物形燃料電池のアノード電極全体に還元性ガスが行き届かなくなり、部分的に電極が酸化する恐れがある。また、酸化自己熱型改質装置の起動時間短縮のためには、酸化触媒の反応性などを考慮した上で、極力短時間で多くの酸素を消費し、部分酸化の発熱量が多くなるように反応を進めることが好ましい。 The total content of hydrogen and / or carbon monoxide in the gas after the partial oxidation reaction is not particularly limited as long as the gas after the partial oxidation reaction is in a reducing state. 0.5 volume% or more is preferable. If the total content of hydrogen and / or carbon monoxide in the gas after the partial oxidation reaction is too small, the reducing gas cannot reach the whole anode electrode of the solid oxide fuel cell, and the electrode may be partially oxidized. There is. In addition, in order to shorten the start-up time of the oxidation autothermal reformer, taking into account the reactivity of the oxidation catalyst, etc., it consumes as much oxygen as possible in a short time so that the calorific value of partial oxidation increases. It is preferable to proceed the reaction.
次に、本発明の酸化自己熱型改質装置を、図2〜4を参照しながら更に詳細に説明する。図2は、本発明の酸化自己熱型改質装置の好適例の概略図であり、図3は、図2のIII−III線に沿う断面図であり、図4は、図2のIV−IV線に沿う断面図である。この酸化自己熱型改質装置は、全体として円筒形状を有しており、各要素は、環状に形成され且つ同心円状に配置されている。 Next, the oxidation autothermal reforming apparatus of the present invention will be described in more detail with reference to FIGS. 2 is a schematic view of a preferred example of the oxidation autothermal reformer of the present invention, FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line III-III in FIG. 2, and FIG. It is sectional drawing which follows an IV line. This oxidation autothermal reformer has a cylindrical shape as a whole, and each element is formed in an annular shape and arranged concentrically.
図示例の酸化自己熱型改質装置10は、改質層11と、酸化発熱層12とを備え、改質層11が酸化発熱層12よりも上流側に位置している。また、改質層11及び酸化発熱層12は、それぞれ円筒形状を有し、改質層11が半径方向内側に位置する内側改質層11Aと半径方向外側に位置する外側改質層11Bとの2層からなると共に、該内側改質層11Aと外側改質層11Bとの間に酸化発熱層12が配置されており、半径方向内側から内側改質層11A、酸化発熱層12、外側改質層11Bの順に配置された3重円管構造をなしている。
The illustrated oxidation self-heating
ここで、改質層11の少なくとも一部には、改質触媒が充填され、また、酸化発熱層12の少なくとも一部には、酸化触媒が充填される。改質触媒としては、従来改質用に用いられている触媒を用いることができ、例えば、アルミナ、シリカ、ジルコニア等の担体に、Ru、Ni、W、Co、Rh、Ptを単独または複数で担持したものが用いられる。これらの中でも、特に改質原料として灯油を選択した場合は、Ruを担持した触媒が好ましい。Ruを担持した触媒は、一般に耐酸化性が低いものの、炭素数の多い液体燃料の改質特性に優れる。一方、酸化触媒としては、高温で劣化しにくいPt、Pd、Rh等を担持した触媒が好ましい。
Here, at least a part of the reforming
改質層11及び酸化発熱層12は、酸化自己熱型改質装置10の内筒13及び外筒14、並びに内筒13及び外筒14の間に位置する2枚の管状隔壁15(半径方向内側の隔壁15Aと半径方向外側の隔壁15B)とによって隔てられており、内筒13と半径方向内側の隔壁15Aとの間の空間が内側改質層11Aをなし、半径方向内側の隔壁15Aと半径方向外側の隔壁15Bとの間の空間が酸化発熱層12をなし、半径方向外側の隔壁15Bと外筒14との間の空間が外側改質層11Bをなしている。図3に詳しく示すように、内筒13、半径方向内側の隔壁15A、半径方向外側の隔壁15B、及び外筒14は、環状で且つ同心円状に配置された4重円管構造をなしており、その間にそれぞれ位置する内側改質層11A、酸化発熱層12、及び外側改質層11Bが3重円管構造をなしている。
The reforming
また、図2に示す酸化自己熱型改質装置10は、内側改質層11A及び外側改質層11Bの双方に原料を供給するための原料導入管16と、酸化発熱層12からの改質ガスを排出するための改質ガス排出管17とが、外筒14の下部に連結されている。原料導入管16が連結される位置より上部で且つ内側改質層11A、酸化発熱層12、外側改質層11Bの下部には、仕切り受け18A,18B,18Cがそれぞれ配設されており、該仕切り受け18A,18B,18Cは、これら各層に充填される触媒等の落下を防止しつつ、炭化水素又は脂肪族アルコールと水蒸気との混合物並びに改質ガスの通過を可能とする。また、原料導入管16が連結される位置より下部で且つ改質ガス排出管17が連結される位置より上部には、隔壁19が配設されており、該隔壁19には、酸化発熱層12に連通する開口20が設けられている。
Further, the oxidation
更に、図示例の酸化自己熱型改質装置10は、外筒14の上端部を貫通して酸化発熱層12まで至る酸化性ガス導入ライン21を備え、該酸化性ガス導入ライン21の先端には、管状リング22が設置されている。また、該管状リング22には、図4に示すように、酸化性ガス噴出し口23が複数設けられている。
Furthermore, the oxidation self-
同様に、図示例の酸化自己熱型改質装置10は、外筒14の上端部を貫通して酸化発熱層12まで至る酸化発熱物質導入ライン24を備え、該酸化発熱物質導入ライン24の先端にも、管状リング25が設置されている。また、該管状リング25にも、図4に示すように、酸化発熱物質噴出し口26が複数設けられている。
Similarly, the oxidation self-heating
定常運転時においては、図2中の原料導入管16から原料ガス流路27に導入された水蒸気を含む改質原料は、仕切り受け18A,18Cを通過して、内側改質層11A及び外側改質層11Bをアップフローで均一に流れつつ改質され、水素を主成分とする改質ガスとなる。この時、改質に要する熱は、酸化発熱層12で起こる酸化発熱による顕熱が、隔壁15A,15Bを経て内側改質層11A及び外側改質層11Bへ伝達されることによって賄われる。
At the time of steady operation, the reforming raw material containing water vapor introduced from the raw
酸化自己熱型改質装置10に導入された改質原料は、内側改質層11A及び外側改質層11Bで一部又は完全に改質され、水素を主成分とする改質ガスとなって、改質ガス流路28に入る。この時のC1転化率は、改質原料、運転条件によっても異なるが、通常90%以上である。
The reforming raw material introduced into the oxidation
更に、改質ガスは、リターンしてダウンフローで酸化発熱層12に入る。該酸化発熱層12には、上述のように、酸化性ガスを供給するための手段として、酸化性ガス導入ライン21が連結されており、該酸化性ガス導入ライン21の先端には、酸化性ガス噴出し口23を複数設けた管状リング22が設置されている。改質ガスの一部を酸化して熱を発生させるための酸化性ガスは、酸化性ガス導入ライン21を通って、管状リング22の複数の酸化性ガス噴出し口23から噴出される。ここで、使用する酸化性ガスの種類としては、純酸素を使用することも可能であるが、一般的にはコストの観点から空気を使用することが好ましい。
Further, the reformed gas returns and enters the oxidation
酸化発熱層12では、内側改質層11A及び外側改質層11Bでの吸熱を補うために、酸化発熱層12に導入された改質ガス中の水素、メタン等と酸化性ガスとの酸化反応(発熱反応)を行うことが必須であり、該酸化反応は、酸化触媒により促進される。
In the oxidation
上記酸化発熱層12には、第一に、酸化触媒と改質触媒との混合物を充填することが可能である。ここで、酸化発熱層12に使用される改質触媒は、酸化発熱層12に導かれた改質ガス中に残存するメタン及び/又はC2+成分(炭素数2以上の成分)の改質を更に進めるためのものであり、この改質のための吸熱は、混合された酸化触媒によって促進される酸化反応の発熱から直接賄われ、あたかも改質と酸化とが同時に進行する状態が作りだされる。
First, the oxidation
また、上記酸化発熱層12には、第二に、酸化触媒と伝熱粒子との混合物を充填することが可能である。酸化発熱層12は、酸化性ガスの噴出し口の直下付近が一番高温になり易く、下流にいくに従い温度が低下する。そこで、酸化発熱層12に、一部伝熱粒子を使用することで、酸化発熱層12の上流側と下流側との温度差を低減することができる。ここで、伝熱粒子は、酸化反応によって発生した熱を酸化発熱層12全体に伝熱するものであり、これにより酸化発熱層12と隣り合う内側改質層11A及び外側改質層11Bの上流側において、管状の隔壁15A,15Bを通しての伝熱量が大きくなり、内側改質層11A及び外側改質層11Bの上流と下流との温度差を小さくすることが可能となる。
Secondly, the oxidation
更に、上記酸化発熱層12には、第三に、酸化触媒と改質触媒と伝熱粒子との混合物を充填することが可能である。この場合、酸化発熱層12は、上述した第一の場合、第二の場合の作用を同時に発揮する。
Furthermore, thirdly, the oxidation
上記酸化発熱層12に用いる改質触媒としては、上記改質層11に用いる改質触媒を使用することも可能であるが、酸化発熱層12が酸化雰囲気にあることから、Ni、Rhを単独または複数で担持した触媒が好適である。また、上記酸化発熱層12に用いる伝熱粒子の材質は、特に規定されないが、熱伝導度の高いものほど好ましく、ポーラス状の炭化珪素粒子が好適である。
As the reforming catalyst used for the oxidation
酸化性ガス噴出し用の管状リング22及び酸化発熱物質噴出し用の管状リング25の設置位置は、酸化発熱層12内の比較的上部が好ましいが、特に限定されるものではなく、ガスの流れ及び伝熱の方向を考慮すると、内側改質層11A及び外側改質層11Bより高い位置が好ましい。また、管状リング22,25の上下には、同一の混合物を充填することが可能であるが、異なったものを充填することも可能である。
The installation position of the
酸化発熱層12に酸化性ガス噴出し用の管状リング22から供給される酸化性ガスの量は、改質原料の種類によっても異なるが、酸素/炭素の比(O2/C)=0.1〜0.5程度が好適である。これにより、酸化発熱層12の最高温部が650〜850℃程度となる。従って、該酸化自己熱型改質装置には、特段高価な材質を使用する必要がない。
The amount of oxidizing gas supplied to the oxidizing
酸化発熱層12で部分的に酸化及び/又は改質が進行した改質ガスは、仕切り受け18Bを通過して、改質ガス流路29に導かれ、改質ガス排出管17から排出される。その後、排出された改質ガスは、そのまま固体酸化物形燃料電池2に供給することが可能である。
The reformed gas partially oxidized and / or reformed in the oxidation
また、本発明の酸化自己熱型改質装置においては、起動時において、図2中の酸化発熱層12に酸化性ガス導入ライン21を介して酸素を含む酸化性ガスを導入すると共に、酸化発熱層12に酸化発熱物質導入ライン24を介して酸化反応により発熱する物質を導入し、部分酸化反応させることで、水素及び/又は一酸化炭素を含むガスを生成及び/又は残存させることができる。ここで、酸化発熱層12における部分酸化反応で発生する酸化熱によって、改質層11が加熱され、改質原料と水蒸気との混合物の改質反応が可能となる温度以上に改質層11を昇温することができる。また、本発明の酸化自己熱型改質装置によれば、部分酸化反応により、水素及び/又は一酸化炭素を含むガスを生成及び/又は残存させることができるため、仕切り受け18Bを通過して改質ガス流路29に導かれ改質ガス排出管17から排出されるガスに、水素及び/又は一酸化炭素を含ませることができる。そのため、本発明の酸化自己熱型改質装置を用い、起動時において、改質ガス排出管17から排出されるガスに水素及び/又は一酸化炭素を含ませるることで、改質ガス排出管17から排出されるガスをアノード電極側に直接供給しても、アノード電極側を還元雰囲気に維持することが可能であり、固体酸化物形燃料電池2の性能劣化を抑制することができる。
In addition, in the oxidation self-heat reforming apparatus of the present invention, at the time of start-up, an oxidizing gas containing oxygen is introduced into the oxidizing
なお、図2〜図4に示す例では、改質装置の下部から原料ガスを導入し、改質装置の上部から酸化性ガス及び酸化発熱物質を別個に導入し、改質装置の下部から改質ガスを排出したが、本発明の酸化自己熱型改質装置は、これに限られるものではなく、例えば、改質装置の上部から原料ガスを導入し、改質装置の下部から酸化性ガス及び酸化発熱物質を別個に導入し、改質装置の上部から改質ガスを排出する構成とすることもできる。 2 to 4, the raw material gas is introduced from the lower part of the reformer, the oxidizing gas and the oxidizing exothermic substance are separately introduced from the upper part of the reformer, and the reforming is performed from the lower part of the reformer. However, the oxidizing autothermal reforming apparatus of the present invention is not limited to this. For example, the raw material gas is introduced from the upper part of the reforming apparatus, and the oxidizing gas is introduced from the lower part of the reforming apparatus. In addition, the oxidation exothermic substance may be separately introduced, and the reformed gas may be discharged from the upper part of the reformer.
1 酸化自己熱型改質装置
1A 改質部
1B 酸化発熱部
2 固体酸化物形燃料電池
3 原料導入ライン
4,21 酸化性ガス導入ライン
5 アノード燃料導入ライン
6 カソード空気導入ライン
7 アノード排ガス出口
8 カソード排ガス出口
9,24 酸化発熱物質導入ライン
10 酸化自己熱型改質装置
11 改質層
11A 内側改質層
11B 外側改質層
12 酸化発熱層
13 内筒
14 外筒
15 管状隔壁
15A 半径方向内側の隔壁
15B 半径方向外側の隔壁
16 原料導入管
17 改質ガス排出管
18A,18B,18C 仕切り受け
19 隔壁
20 開口
22,25 管状リング
23 酸化性ガス噴出し口
26 酸化発熱物質噴出し口
27 原料ガス流路
28,29 改質ガス流路
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Oxidation autothermal reformer 1A Reforming part 1B Oxidation heat generation part 2 Solid oxide fuel cell 3 Raw
Claims (2)
前記改質部及び前記酸化発熱部は、それぞれ円筒形状を有し、該改質部が半径方向内側に位置する内側改質層と半径方向外側に位置する外側改質層との2層からなると共に、該内側改質層と該外側改質層との間に前記酸化発熱部が配置されており、
前記酸化発熱部に酸化性ガスを供給するための手段として、一端が前記酸化発熱部まで延在する酸化性ガス導入ラインが設置されており、
更に、前記酸化発熱部に酸化反応により発熱する物質を供給するための手段として、一端が前記酸化発熱部まで延在する酸化発熱物質導入ラインが設置されていることを特徴とする酸化自己熱型改質装置。 At least a part of the reforming catalyst is filled, and the reforming catalyst is brought into contact with a mixture of at least one reforming raw material selected from the group consisting of hydrocarbons or aliphatic alcohols and steam to generate hydrogen by reforming reaction. A reforming section for generating a reformed gas containing as a main component, and an oxidation heating section for generating heat by oxidizing at least a part of the reforming raw material or the reformed gas, at least partially filled with an oxidation catalyst And the reforming part is disposed on the upstream side of the oxidation heat generating part,
Each of the reforming part and the oxidation heating part has a cylindrical shape, and the reforming part is composed of two layers of an inner reforming layer located on the radially inner side and an outer reforming layer located on the radially outer side. And the oxidation heat generating portion is disposed between the inner modified layer and the outer modified layer,
As means for supplying an oxidizing gas to the oxidation heat generating part, an oxidizing gas introduction line having one end extending to the oxidation heat generating part is installed,
In addition, as a means for supplying a substance that generates heat by an oxidation reaction to the oxidation heat generating portion, an oxidation heat generating material introduction line having one end extending to the oxidation heat generating portion is installed. Reformer.
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