JP5248935B2 - Operation method of oxidation autothermal reformer - Google Patents

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Description

本発明は、酸化自己熱型改質装置の運転方法に関し、特には、燃料電池へ供給する水素を主成分とする改質ガスを製造するための酸化自己熱型改質装置の運転方法に関するものである。   The present invention relates to an operation method of an oxidation autothermal reformer, and more particularly to an operation method of an oxidation autothermal reformer for producing a reformed gas mainly composed of hydrogen supplied to a fuel cell. It is.

燃料電池へ水素を主成分とする改質ガスを供給するために、炭化水素又は脂肪族アルコールと水蒸気を原料とする水蒸気改質装置が多く利用されている。しかしながら、水蒸気改質反応は大きな吸熱反応であり、反応に必要な熱をバーナーやヒーターなどの付帯する加熱機器によって賄う必要があり、改質装置のコンパクト化や熱効率の向上が難しかった。   In order to supply reformed gas containing hydrogen as a main component to a fuel cell, many steam reforming apparatuses using hydrocarbons or aliphatic alcohols and steam as raw materials are used. However, the steam reforming reaction is a large endothermic reaction, and it is necessary to provide heat necessary for the reaction by an accompanying heating device such as a burner or a heater, and it is difficult to make the reformer compact and to improve the thermal efficiency.

一方、炭化水素又は脂肪族アルコールと水蒸気に加えて酸化性ガスである空気を供給し、改質装置の内部における部分酸化反応の発熱で水蒸気改質反応に必要な熱を賄うことができる酸化自己熱型改質装置は、熱効率が高く、付帯加熱機器を削減または不要にすることができるためコンパクト化し易い特徴を有している(特許文献1参照)。   On the other hand, by supplying air, which is an oxidizing gas, in addition to hydrocarbon or aliphatic alcohol and water vapor, the oxidation self that can cover the heat necessary for the water vapor reforming reaction by the heat generated by the partial oxidation reaction inside the reformer The thermal reformer has a high thermal efficiency and can easily reduce the size of ancillary heating equipment (see Patent Document 1).

特開2001−192201号公報JP 2001-192201 A

近年、開発の進む燃料電池では、高効率な発電を実現するために、定格負荷での一定運転だけでなく、電気の供給先の需要に合わせた部分負荷運転を行うことが一般的に行われつつある。そのため、燃料電池用の酸化自己熱型改質装置においても、燃料電池の発電状況に合わせて、燃料電池へ供給する改質ガスの流量をきめ細かく制御できる性能が求められている。   In recent years, in order to realize highly efficient power generation, fuel cells that have been developed are generally operated not only at a constant load at a rated load but also at a partial load that matches the demand of the electricity supplier. It's getting on. Therefore, even in the oxidation self-heat reforming apparatus for fuel cells, there is a demand for performance capable of finely controlling the flow rate of the reformed gas supplied to the fuel cells in accordance with the power generation status of the fuel cells.

これに対して、従来、酸化自己熱型改質装置における負荷変化時の運転条件の変更方法としては、炭化水素又は脂肪族アルコール、水蒸気、酸化性ガスの供給量を同時に変更することが一般的であった。しかしながら、本発明者らが検討したところ、これら各原料の供給量を同時に変更しようとしても、液体と気体の違い、ポンプやブロワなどの供給機器の違い、各原料の供給配管長さの違い、水から水蒸気に気化するタイムラグなどを原因として、酸化自己熱型改質装置内部の触媒層に各原料が実際に届くタイミングには差異が発生しており、各原料の供給量のバランスが崩れ、その結果、燃料電池へ供給する改質ガス流量の変動を招き、燃料電池の発電状況に悪影響を及ぼしたり、酸化自己熱型改質装置の触媒劣化を促進したりする問題があることが分かった。   On the other hand, conventionally, as a method of changing the operating conditions at the time of load change in the oxidation autothermal reformer, it is common to simultaneously change the supply amount of hydrocarbon or aliphatic alcohol, water vapor, and oxidizing gas. Met. However, when the present inventors examined, even if it tried to change the supply amount of each of these raw materials at the same time, the difference between liquid and gas, the difference in supply equipment such as a pump and a blower, the difference in the supply pipe length of each raw material, Due to the time lag that evaporates from water to steam, etc., there is a difference in the timing when each raw material actually reaches the catalyst layer inside the oxidation autothermal reformer, and the supply amount of each raw material is lost, As a result, it has been found that there is a problem in that the flow rate of reformed gas supplied to the fuel cell is changed, which adversely affects the power generation status of the fuel cell and promotes catalyst deterioration of the oxidation autothermal reformer. .

そこで、本発明の目的は、上記の従来技術の問題を解決し、酸化自己熱型改質装置の運転負荷の変更において、炭化水素又は脂肪族アルコール、水蒸気、酸化性ガスの供給量のバランスを適切に制御し、燃料電池及び酸化自己熱型改質装置自身に悪影響を与えないようにする酸化自己熱型改質装置の運転方法を提供することにある。   Accordingly, an object of the present invention is to solve the above-mentioned problems of the prior art and to balance the supply amount of hydrocarbons or aliphatic alcohols, water vapor, and oxidizing gas in changing the operation load of the oxidation autothermal reformer. An object of the present invention is to provide a method of operating an oxidation autothermal reformer that is appropriately controlled so as not to adversely affect the fuel cell and the oxidation autothermal reformer itself.

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、改質ガスの生成量を減少させる際に、(1)最初に炭化水素又は脂肪族アルコールの供給量を減らし、(2)次に酸化性ガスの供給量を減らし、(3)最後に水蒸気の供給量を減らす順序で運転条件の変更を行うことで、炭化水素又は脂肪族アルコール、水蒸気、酸化性ガスの供給量のバランスを適切に制御することができ、その結果として、反応温度の低下による改質触媒の劣化を防止すると共に、燃料電池へ供給する改質ガス流量の変動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 intensive studies to achieve the above object, the present inventors have (1) first reducing the supply amount of hydrocarbons or aliphatic alcohols when reducing the amount of reformed gas produced, and (2) Next, reduce the supply amount of oxidizing gas, and (3) balance the supply amount of hydrocarbons or aliphatic alcohol, water vapor, oxidizing gas by changing the operating conditions in the order of decreasing the supply amount of water vapor. As a result, it is found that the reforming catalyst flow rate can be prevented from deteriorating due to a decrease in the reaction temperature, and the flow rate of the reformed gas supplied to the fuel cell can be suppressed, thereby completing the present invention. It came to.

即ち、本発明の酸化自己熱型改質装置の運転方法は、
炭化水素又は脂肪族アルコールと水蒸気と酸化性ガスとを原料に用い、改質反応により水素を主成分とする改質ガスを製造するための酸化自己熱型改質装置の運転方法であって、
前記酸化自己熱型改質装置が燃料電池用酸化自己熱型改質装置であり、
前記改質ガスの生成量を減少させるときに、最初に前記炭化水素又は脂肪族アルコールの供給量を減らし、次に前記酸化性ガスの供給量を減らし、最後に前記水蒸気の供給量を減らす順序で運転条件の変更を行うことを特徴とする。
That is, the operation method of the oxidation autothermal reformer of the present invention is as follows:
An operation method of an oxidation autothermal reformer for producing a reformed gas mainly composed of hydrogen by a reforming reaction using a hydrocarbon or an aliphatic alcohol, water vapor and an oxidizing gas as raw materials,
The oxidation autothermal reformer is an oxidation autothermal reformer for fuel cells,
When reducing the amount of reformed gas produced, the order of decreasing the supply amount of the hydrocarbon or aliphatic alcohol first, then reducing the supply amount of the oxidizing gas, and finally decreasing the supply amount of the water vapor It is characterized by changing the operating conditions.

本発明の酸化自己熱型改質装置の運転方法の好適例においては、前記改質ガスの生成量を減少させるときに、改質ガス生成量の減少前に対する減少後のO/C比(炭化水素又は脂肪族アルコールに含まれる炭素のモル数に対する酸化性ガスに含まれる酸素分子のモル数の比率)を大きくする。 In a preferred embodiment of the operation method of the oxidation autothermal reformer of the present invention, when the amount of reformed gas produced is reduced, the O 2 / C ratio after reduction with respect to the amount before reformed gas production ( The ratio of the number of moles of oxygen molecules contained in the oxidizing gas to the number of moles of carbon contained in the hydrocarbon or aliphatic alcohol is increased.

本発明の酸化自己熱型改質装置の運転方法の他の好適例においては、前記改質ガス生成量の減少操作を複数回に分割して行う。この場合、酸化自己熱型改質装置に充填された触媒あるいは酸化自己熱型改質装置を構成する部材の使用上限温度を超えないように設定されたO/C比の上限値を超えぬように、改質ガス生成量の減少操作を行うことが容易になる。 In another preferred embodiment of the operation method of the oxidation autothermal reforming apparatus of the present invention, the operation of reducing the reformed gas generation amount is performed in a plurality of times. In this case, the upper limit value of the O 2 / C ratio set so as not to exceed the upper limit temperature of use of the catalyst charged in the oxidation autothermal reformer or the members constituting the oxidation autothermal reformer is not exceeded. Thus, it becomes easy to perform the reduction operation of the reformed gas generation amount.

本発明の酸化自己熱型改質装置の運転方法の他の好適例においては、前記炭化水素又は脂肪族アルコールの供給量を減らした後、触媒層温度の上昇開始を検知したら即座に前記酸化性ガスの供給量を減らす。   In another preferred embodiment of the operation method of the oxidation autothermal reformer of the present invention, the oxidation property is immediately detected when the start of the catalyst layer temperature increase is detected after the supply amount of the hydrocarbon or aliphatic alcohol is reduced. Reduce gas supply.

本発明の酸化自己熱型改質装置の運転方法においては、前記酸化性ガスが空気であることが好ましい。   In the operation method of the oxidation autothermal reforming apparatus of the present invention, the oxidizing gas is preferably air.

本発明の酸化自己熱型改質装置の運転方法においては、前記炭化水素又は脂肪族アルコールが、軽油、灯油、ガソリン、ナフサ、LPガス、エタノール及びメタノールからなる群から選択される少なくとも一種であることが好ましい。   In the operation method of the oxidation autothermal reformer of the present invention, the hydrocarbon or the aliphatic alcohol is at least one selected from the group consisting of light oil, kerosene, gasoline, naphtha, LP gas, ethanol and methanol. It is preferable.

本発明の酸化自己熱型改質装置の運転方法において、前記燃料電池としては、固体酸化物形燃料電池が好ましい。 In the method of operating the oxidation self thermal reforming apparatus of the present invention, as the fuel cell, preferably a solid oxide fuel cell.

本発明の酸化自己熱型改質装置の運転方法によれば、運転負荷の低減時の水蒸気、酸化性ガス、炭化水素または脂肪族アルコールの供給量の変更順序を定めることによって、一時的に発生しうる反応温度の低下を防止して改質触媒へのダメージを低減でき、長期間に渡って酸化自己熱型改質装置を安定的に運転することが可能になる。また、酸化自己熱型改質装置から生成する水素を主成分とする改質ガスの需要変化に対して良好に追従でき、特に燃料電池用酸化自己熱型改質装置では部分負荷運転時も含めた高効率な運転を実現することが可能となる。   According to the operation method of the oxidation autothermal reformer of the present invention, it is temporarily generated by determining the change order of the supply amount of water vapor, oxidizing gas, hydrocarbon or aliphatic alcohol when the operation load is reduced. Therefore, it is possible to prevent a decrease in the reaction temperature and reduce the damage to the reforming catalyst, and it is possible to stably operate the oxidation autothermal reformer for a long period of time. In addition, it can satisfactorily follow changes in the demand for reformed gas mainly composed of hydrogen generated from an oxidation autothermal reformer, and in particular, in the case of partial load operation in an oxidation autothermal reformer for fuel cells. It is possible to realize highly efficient operation.

以下に、本発明を詳細に説明する。本発明を適用する酸化自己熱型改質装置における水素を主成分とする改質ガスの製造では、炭化水素又は脂肪族アルコールと水蒸気を原料に用いる水蒸気改質と、炭化水素又は脂肪族アルコールと酸化性ガスを原料とする部分酸化改質とを組み合わせた反応を利用する。水蒸気改質反応は、炭化水素としてメタンを例にすると、下記反応式(I):
CH+HO→CO+3H ・・・ (I)
で表され、大きな吸熱反応であることが知られている。一方、部分酸化改質反応は、炭化水素としてメタン、酸化性ガスとして酸素を例にすると下記反応式(II):
CH+(1/2)O→CO+2H ・・・ (II)
で表される発熱反応である。そのため、酸化自己熱型改質装置では、部分酸化改質により発生する発熱と水蒸気改質に必要な吸熱を装置内部の反応場において相互に融通して利用することができ、高効率で水素を主成分とする改質ガスを製造できる特徴を有している。
The present invention is described in detail below. In the production of reformed gas mainly composed of hydrogen in the oxidation autothermal reformer to which the present invention is applied, steam reforming using hydrocarbon or aliphatic alcohol and steam as raw materials, and hydrocarbon or aliphatic alcohol A reaction combined with partial oxidation reforming using an oxidizing gas as a raw material is utilized. In the steam reforming reaction, when methane is taken as an example of hydrocarbon, the following reaction formula (I):
CH 4 + H 2 O → CO + 3H 2 (I)
And is known to be a large endothermic reaction. On the other hand, in the partial oxidation reforming reaction, when methane is used as the hydrocarbon and oxygen is used as the oxidizing gas, the following reaction formula (II):
CH 4 + (1/2) O 2 → CO + 2H 2 (II)
It is an exothermic reaction represented by For this reason, in the oxidation autothermal reformer, the heat generated by partial oxidation reforming and the endotherm necessary for steam reforming can be used interchangeably in the reaction field inside the device, and hydrogen can be efficiently used. It has a feature that a reformed gas having a main component can be produced.

水蒸気改質では、原料として供給される炭化水素又は脂肪族アルコールと水蒸気との供給量割合を定めて改質ガスの製造を行う。一般に、炭化水素又は脂肪族アルコールに含まれる炭素に対する水蒸気のモル比をスチーム/カーボン比(S/C比)と呼び、この比率が小さくなると触媒でのコーキング(炭素質析出)が発生し易くなり、コーキングが触媒の性能低下に大きく影響を及ぼす。そのため、一定値以上のS/C比となるように制御して、改質ガスの製造を行うことが好ましい。例えば、炭化水素として都市ガスを用いる場合はS/C比≧2.2程度、灯油を用いる場合はS/C比≧2.5程度の条件で運転を行うことが多く、一般的に高級な炭化水素又は高級な脂肪族アルコールを用いるほど高S/C比が必要とされる。一方、S/C比を必要以上に大きくすると、コーキング発生による触媒性能低下の恐れは小さくなるものの、過剰な水蒸気を供給することになるため、水蒸気を発生させるために余計なエネルギーを浪費することで効率が低下し、好ましくない。従って、水蒸気改質では、原料として用いる炭化水素又は脂肪族アルコールの種類と、使用する触媒の特性や性能から求められる最適なS/C比が存在し、そのS/C比を安定的に維持する運転を行うことによって効率的に改質ガスの製造を行うことができる。酸化自己熱型改質装置においても、水蒸気改質を利用するため、同様にS/C比を安定的に制御する必要がある。   In steam reforming, a reformed gas is produced by determining the ratio of the amount of hydrocarbon or aliphatic alcohol and steam supplied as raw materials. In general, the molar ratio of water vapor to carbon contained in hydrocarbons or aliphatic alcohols is called the steam / carbon ratio (S / C ratio). If this ratio is small, coking (carbonaceous deposition) in the catalyst tends to occur. In addition, coking has a significant effect on catalyst performance degradation. Therefore, it is preferable to manufacture the reformed gas while controlling the S / C ratio to be a certain value or more. For example, when using city gas as the hydrocarbon, operation is often performed under conditions of S / C ratio ≧ 2.2, and when kerosene is used, it is often operated under conditions of S / C ratio ≧ 2.5. Higher S / C ratios are required the more hydrocarbons or higher aliphatic alcohols are used. On the other hand, if the S / C ratio is increased more than necessary, the risk of reducing the catalyst performance due to the occurrence of coking is reduced, but excess steam is supplied, so that extra energy is wasted to generate steam. This is not preferable because the efficiency decreases. Therefore, in steam reforming, there is an optimum S / C ratio required from the type of hydrocarbon or aliphatic alcohol used as a raw material and the characteristics and performance of the catalyst used, and the S / C ratio is stably maintained. By performing the operation, the reformed gas can be efficiently produced. Also in the oxidation autothermal reformer, since steam reforming is used, the S / C ratio needs to be stably controlled similarly.

本発明を適用する酸化自己熱型改質装置には、炭化水素又は脂肪族アルコールと水蒸気に加えて酸化性ガスを供給する。酸化性ガスとしては酸素が代表的な物質であるが、入手し易さやコストの観点から空気が好適に用いられる。但し、空気には窒素が高濃度で含まれているため、製造した改質ガスに窒素が含まれることになる。そのため、予め空気に含まれる窒素と酸素を分離することによって高濃度の酸素を酸化性ガスとして酸化自己熱型改質装置に供給してもよい。酸素以外にも酸化性を有するガスであれば使用可能であり、オゾンなどを用いることもできる。   An oxidizing autothermal reformer to which the present invention is applied supplies an oxidizing gas in addition to a hydrocarbon or aliphatic alcohol and water vapor. As the oxidizing gas, oxygen is a typical substance, but air is preferably used from the viewpoint of availability and cost. However, since nitrogen contains nitrogen at a high concentration, the produced reformed gas contains nitrogen. Therefore, high concentration oxygen may be supplied as an oxidizing gas to the oxidation autothermal reformer by separating nitrogen and oxygen contained in the air in advance. Any gas having oxidizing properties other than oxygen can be used, and ozone or the like can also be used.

酸化自己熱型改質装置に酸化性ガスを供給することによって、水蒸気改質に要する反応熱の一部または全てを賄うことができる。バーナーやヒーターなどの加熱機器が付帯する酸化自己熱型改質装置では、酸化性ガスによる発熱を利用することによって、加熱機器を小型化したり削減したり、あるいは加熱量を低減したりすることができる。酸化性ガスの供給量を調節することによって発熱量を制御できるので、酸化性ガスの供給量を増やせば、付帯する加熱機器を全く稼動させない条件において酸化自己熱型改質装置を運転して改質ガスの製造を行うことも可能であり、更には、加熱機器を全く付帯させない酸化自己熱型改質装置も実現できる。   By supplying an oxidizing gas to the oxidation autothermal reformer, a part or all of the reaction heat required for steam reforming can be covered. In an oxidation self-heating reformer attached to a heating device such as a burner or a heater, the heating device can be reduced in size or reduced by using the heat generated by the oxidizing gas, or the heating amount can be reduced. it can. Since the calorific value can be controlled by adjusting the supply amount of the oxidizing gas, if the supply amount of the oxidizing gas is increased, the oxidation self-heating reformer is operated under the condition that the attached heating equipment is not operated at all. It is also possible to produce a quality gas, and it is also possible to realize an oxidation autothermal reformer that does not involve any heating equipment.

酸化性ガスとして空気または酸素を用いる場合、炭化水素又は脂肪族アルコールに含まれる炭素に対する酸化性ガスとして供給する酸素分子のモル比を酸素分子/カーボン比(O/C比)で表すことができる。酸化性ガスの供給量が多くなるとO/C比は高くなり、酸化性ガスの供給量が少なくなるとO/C比は低くなる。なお、脂肪族アルコールに含まれる酸素はO/C比の算出には関与しない。 When air or oxygen is used as the oxidizing gas, the molar ratio of the oxygen molecules supplied as the oxidizing gas to the carbon contained in the hydrocarbon or aliphatic alcohol can be expressed as an oxygen molecule / carbon ratio (O 2 / C ratio). it can. When the supply amount of the oxidizing gas increases, the O 2 / C ratio increases. When the supply amount of the oxidizing gas decreases, the O 2 / C ratio decreases. Note that oxygen contained in the aliphatic alcohol is not involved in the calculation of the O 2 / C ratio.

水蒸気改質反応はおよそ500〜800℃の温度範囲において進み、改質ガスとして、水蒸気のほかに水素、一酸化炭素、二酸化炭素及びメタンが生成する。水蒸気改質は平衡反応であるため、触媒反応が十分に進んでいれば改質ガス中の各成分の濃度は反応温度で規定される。一般に反応温度が高いほど、一酸化炭素の濃度が高くなり且つメタンの濃度が低くなる傾向がある。触媒反応が進行する温度範囲よりも反応温度が下がると、炭化水素としてメタンを用いた場合を除き、即ち、炭化水素又は脂肪族アルコールとして炭素数2以上の化合物を原料に用いた場合に、水蒸気改質が十分進まなかった結果として、メタン以外の炭化水素や脂肪族アルコールが改質ガスに混入する。燃料電池の発電用燃料ガスとしては、改質ガスにメタン以外の炭化水素や脂肪族アルコールが含まれることは好ましくないため、水蒸気改質が十分に進行する反応温度を確保する必要がある。従って、酸化自己熱型改質装置では、加熱機器の付帯状況に依存するものの、原料に用いる炭化水素又は脂肪族アルコールの種類や組成、使用する触媒の性能、酸化自己熱型改質装置からの放熱ロス、原料の投入温度、改質ガスの排出温度などによって、酸化性ガス供給量の下限に制約が存在する。即ち、酸化性ガスとして空気または酸素を用いる場合には、運転条件としてO/C比の下限値が存在し、該下限値よりも高いO/C比で運転する必要がある。 The steam reforming reaction proceeds in a temperature range of about 500 to 800 ° C., and hydrogen, carbon monoxide, carbon dioxide, and methane are generated as reformed gas in addition to steam. Since steam reforming is an equilibrium reaction, the concentration of each component in the reformed gas is defined by the reaction temperature if the catalytic reaction is sufficiently advanced. Generally, the higher the reaction temperature, the higher the concentration of carbon monoxide and the lower the concentration of methane. When the reaction temperature falls below the temperature range in which the catalytic reaction proceeds, except when methane is used as the hydrocarbon, that is, when a compound having 2 or more carbon atoms as the hydrocarbon or aliphatic alcohol is used as the raw material, As a result of insufficient reforming, hydrocarbons and aliphatic alcohols other than methane are mixed into the reformed gas. As the fuel gas for power generation of the fuel cell, it is not preferable that the reformed gas contains hydrocarbons or aliphatic alcohols other than methane, so it is necessary to ensure a reaction temperature at which steam reforming proceeds sufficiently. Therefore, in the oxidation autothermal reformer, although depending on the incidental situation of the heating equipment, the type and composition of the hydrocarbon or aliphatic alcohol used as a raw material, the performance of the catalyst used, the oxidation autothermal reformer There are restrictions on the lower limit of the oxidizing gas supply amount due to heat dissipation loss, raw material input temperature, reformed gas discharge temperature, and the like. That is, when air or oxygen is used as the oxidizing gas, there is a lower limit value of the O 2 / C ratio as an operating condition, and it is necessary to operate at an O 2 / C ratio higher than the lower limit value.

一方、上記下限値よりも高いO/C比の条件で運転を行うと、反応温度が高く水蒸気改質にとって好ましい運転条件となるが、O/C比が高くなり過ぎると、触媒や改質装置を構成する材質の耐熱性との兼ね合いから問題となる。さらに、酸化性ガスは、改質ガスとして得られるはずの一部の水素、一酸化炭素、メタンなどと燃焼反応を起こして消費するため、必要以上に高いO/C比で運転を行うと、酸化自己熱型改質装置の効率を低下させるだけでなく、酸化自己熱型改質装置を組み込んだ燃料電池システムの発電効率を損なうことになる。従って、上述のS/C比と同様に、酸化自己熱型改質装置には最適なO/C比が存在し、該O/C比において運転を行うことによって、効率的に改質ガスの製造を行うことができる。 Meanwhile, when driven at high O 2 / C ratio than the above lower limit, the reaction temperature is preferred operating conditions for high steam reforming, the O 2 / C ratio becomes too high, the catalyst and reforming This is a problem in view of the heat resistance of the material constituting the quality device. Furthermore, since the oxidizing gas is consumed by causing a combustion reaction with some of the hydrogen, carbon monoxide, methane, and the like that should be obtained as the reformed gas, if the operation is performed at an O 2 / C ratio higher than necessary. In addition to reducing the efficiency of the oxidation autothermal reformer, the power generation efficiency of the fuel cell system incorporating the oxidation autothermal reformer is impaired. Therefore, similar to the above-described S / C ratio, there is an optimum O 2 / C ratio in the oxidation autothermal reformer, and the reforming is efficiently performed by operating at the O 2 / C ratio. Gas production can be performed.

なお、発電を行う燃料電池からは排熱が発生するため、該排熱を酸化自己熱型改質装置へ取り込んで有効利用することで、酸化性ガス供給量の低減、即ち、O/C比を下げた条件での運転が可能になる。特に、700〜1,000℃程度の高温で作動する固体酸化物形燃料電池などでは排熱利用の余地が大きく、酸化自己熱型改質装置のO/C比を大幅に低減できる。但し、燃料電池から利用できる排熱量は有限であるため、酸化自己熱型改質装置が運転可能となるO/C比には下限値が存在する。 In addition, since exhaust heat is generated from the fuel cell that generates power, the exhaust heat is taken into the oxidation self-heat reforming apparatus and effectively used to reduce the amount of oxidizing gas supplied, that is, O 2 / C. Operation under conditions with a reduced ratio becomes possible. In particular, a solid oxide fuel cell or the like that operates at a high temperature of about 700 to 1,000 ° C. has a large room for using exhaust heat, and can greatly reduce the O 2 / C ratio of the oxidation autothermal reformer. However, since the amount of exhaust heat available from the fuel cell is finite, there is a lower limit for the O 2 / C ratio at which the oxidation autothermal reformer can be operated.

ところで、近年、燃料電池の開発による進展が著しいが、高効率な発電を実現するために、定格負荷での一定運転だけでなく、電力の供給先の需要に合わせた部分負荷運転を行うことが一般的に行われつつある。そのため、燃料電池用の酸化自己熱型改質装置においても、燃料電池の発電状況に合わせて、燃料電池へ供給する改質ガスの流量をきめ細かく制御できる性能が求められている。   By the way, in recent years, there has been remarkable progress due to the development of fuel cells, but in order to realize highly efficient power generation, not only constant operation at the rated load but also partial load operation that matches the demand of the power supply destination can be performed. It is generally done. Therefore, even in the oxidation self-heat reforming apparatus for fuel cells, there is a demand for performance capable of finely controlling the flow rate of the reformed gas supplied to the fuel cells in accordance with the power generation status of the fuel cells.

従来、酸化自己熱型改質装置における負荷変化時の運転条件の変更方法としては、炭化水素又は脂肪族アルコール、水蒸気、酸化性ガスの供給量の総てを同時に変更することが一般的であった。例えば、100%定格運転条件から90%部分負荷運転条件へ運転条件を変更する場合、100%定格運転条件で設定されていた炭化水素又は脂肪族アルコール、水蒸気、酸化性ガスの供給量の総てを、同時に、90%部分負荷運転条件で設定されるべき供給量へ一斉変更する方法が採られている。この変更方法は最も単純で且つ簡便であり、炭化水素又は脂肪族アルコール、水蒸気、酸化性ガスの供給量の総てを瞬間的に正確に変更できれば問題は生じないが、本発明者らが検討したところ、現実には各供給量の変更タイミングや供給量変化の追従性に差があり、問題があることが分かった。実際に、これら各原料の供給量を同時に変更しようとしても、液体と気体の違い、ポンプやブロワなどの供給機器の違い、各原料の供給ルート長さの違い、水から水蒸気に気化するタイムラグなどを原因として、酸化自己熱型改質装置内部の触媒層に各原料が実際に届くタイミングに差異が発生しており、各原料の供給量のバランスが崩れ、その結果、燃料電池へ供給する改質ガス流量の変動を招き、燃料電池の発電状況に悪影響を及ぼしたり、酸化自己熱型改質装置の触媒劣化を促進したりする問題があることが分かった。   Conventionally, as a method of changing the operating conditions at the time of load change in an oxidation autothermal reformer, it has been common to change all the supply amounts of hydrocarbons, aliphatic alcohols, water vapor, and oxidizing gases at the same time. It was. For example, when the operating condition is changed from the 100% rated operating condition to the 90% partial load operating condition, all the supply amounts of hydrocarbons, aliphatic alcohols, water vapor, and oxidizing gas set under the 100% rated operating condition are set. Are simultaneously changed to the supply amount to be set under the 90% partial load operation condition. This change method is the simplest and simplest, and no problem arises if all the supply amounts of hydrocarbon or aliphatic alcohol, water vapor, and oxidizing gas can be changed instantaneously and accurately. As a result, in reality, there was a difference in the change timing of each supply amount and the followability of the supply amount change, and it was found that there was a problem. In fact, even if you try to change the supply amount of each raw material at the same time, the difference between liquid and gas, the supply equipment such as pumps and blowers, the difference in the supply route length of each raw material, the time lag that vaporizes from water As a result, there is a difference in the timing at which each raw material actually arrives at the catalyst layer inside the oxidation autothermal reformer, resulting in an imbalance in the supply amount of each raw material. It has been found that there is a problem that the flow rate of the gas is changed, which adversely affects the power generation status of the fuel cell and promotes catalyst deterioration of the oxidation autothermal reformer.

通常、燃料電池用の酸化自己熱型改質装置において運転負荷を下げるときには、まず燃料電池に通電する電流値を下げることによって燃料電池からの発電出力を減らし、その後、酸化自己熱型改質装置における改質ガスの生成量を減少させることによって対応する。逆に、燃料電池用の酸化自己熱型改質装置において運転負荷を上げるときには、まず酸化自己熱型改質装置における改質ガスの生成量を増加させ、その後、燃料電池に通電する電流値を上げることによって燃料電池からの発電出力を増やす。   Normally, when reducing the operating load in an oxidation autothermal reforming device for a fuel cell, first, the power generation output from the fuel cell is reduced by lowering the current value to be supplied to the fuel cell, and then the oxidation autothermal reforming device. This is dealt with by reducing the amount of reformed gas produced. Conversely, when increasing the operating load in an oxidation autothermal reformer for a fuel cell, first, the amount of reformed gas generated in the oxidation autothermal reformer is increased, and then the current value for energizing the fuel cell is increased. Increase the power generation output from the fuel cell.

本発明者らが検討したところ、酸化自己熱型改質装置で改質ガスの生成量を減少させる場合において、酸化性ガスよりも炭化水素や脂肪族アルコールの減量タイミングが遅いと、一時的にせよO/C比が低下し、適切な範囲のO/C比の下限値を下回るとメタン以外の炭化水素や脂肪族アルコールが改質ガスに混入し、燃料電池へダメージを与えてしまうことが分かった。高効率運転のために酸化自己熱型改質装置で最適O/C比の下限に近い条件で運転している場合には、特に影響が顕著である。また、電力需要に合わせて頻繁に燃料電池の運転負荷を変更する場合には、ダメージの蓄積が速く燃料電池の劣化が加速されてしまう。 As a result of studies by the present inventors, when reducing the amount of reformed gas produced by an oxidation autothermal reformer, if the timing of reducing hydrocarbons or aliphatic alcohols is slower than that of oxidizing gas, If the O 2 / C ratio falls and falls below the lower limit of the appropriate range of O 2 / C ratio, hydrocarbons and aliphatic alcohols other than methane will be mixed into the reformed gas and damage the fuel cell. I understood that. The influence is particularly remarkable when the oxidation autothermal reformer is operated under conditions close to the lower limit of the optimum O 2 / C ratio for high efficiency operation. Further, when the operation load of the fuel cell is frequently changed in accordance with the power demand, the damage is accumulated quickly and the deterioration of the fuel cell is accelerated.

更に検討したところ、酸化自己熱型改質装置で改質ガスの生成量を減少させる場合において、炭化水素又は脂肪族アルコールの減量タイミング及び水蒸気の減量タイミングよりも酸化性ガスの減量タイミングが遅いと、改質ガスの生成量が過度に減少する期間が長くなり、燃料電池における燃料利用率Ufが上昇することによってセル電圧Vが必要以上に低下することが分かった。このように、一時的にせよ発電出力が必要以上に低下することは燃料電池の運転方法として問題がある。   Further examination revealed that when reducing the amount of reformed gas produced by the oxidation autothermal reformer, the timing of reducing the oxidizing gas is later than the timing of reducing hydrocarbons or aliphatic alcohol and the timing of reducing steam. It has been found that the cell voltage V decreases more than necessary as the period during which the amount of reformed gas produced decreases excessively increases and the fuel utilization rate Uf in the fuel cell increases. As described above, it is a problem as an operation method of the fuel cell that the power generation output is lowered more than necessary even temporarily.

また、更に検討を進めたところ、水蒸気改質装置に限らず酸化自己熱型改質装置においても、改質ガスの生成量を減少させる場合において、水蒸気よりも炭化水素や脂肪族アルコールの減量タイミングが遅いとS/C比が低下し、適切な範囲のS/C比の下限値を下回ると触媒上にコーキングが発生して触媒活性や触媒寿命の低下を招くことが分かった。   Furthermore, as a result of further investigation, not only in the steam reformer but also in the oxidation autothermal reformer, when reducing the amount of reformed gas produced, the timing for reducing the amount of hydrocarbons or aliphatic alcohol rather than steam. It was found that when the S / C ratio was slow, the S / C ratio was lowered, and when the S / C ratio was below the lower limit of an appropriate range, coking was generated on the catalyst, leading to a reduction in catalyst activity and catalyst life.

以上の知見を基として、本発明の酸化自己熱型改質装置の運転方法においては、改質ガスの生成量を減少させる場合に、炭化水素又は脂肪族アルコール、水蒸気、酸化性ガスの供給量減少を同時に行うのではなく、敢えてタイミングをずらし、(1)最初に炭化水素又は脂肪族アルコールの供給量を減らし、(2)次に酸化性ガスの供給量を減らし、(3)最後に水蒸気の供給量を減らす順序で運転条件の変更を行うことを特徴とする。この順序で、各原料の供給量を減らすことで、O/C比が下限値を下回ること、セル電圧Vが必要以上に低下すること、S/C比が下限値を下回ることの総てを防止することができ、燃料電池及び酸化自己熱型改質装置自体に悪影響を与えないように、改質ガスの生成量を減少させることができる。 Based on the above knowledge, in the operation method of the oxidation autothermal reforming apparatus of the present invention, when reducing the amount of reformed gas produced, the supply amount of hydrocarbon or aliphatic alcohol, water vapor, oxidizing gas Rather than simultaneously reducing, deliberately shift the timing, (1) reduce the supply of hydrocarbon or aliphatic alcohol first, (2) reduce the supply of oxidizing gas, and (3) finally reduce the water vapor The operating conditions are changed in the order of decreasing the supply amount. By reducing the supply amount of each raw material in this order, the O 2 / C ratio falls below the lower limit, the cell voltage V falls more than necessary, and the S / C ratio falls below the lower limit. The generation amount of reformed gas can be reduced so as not to adversely affect the fuel cell and the oxidation autothermal reformer itself.

また、特に限定されるものではないが、改質ガスの生成量を増加させる場合も、炭化水素又は脂肪族アルコール、水蒸気、酸化性ガスの供給量増加を同時に行うのではなく、敢えてタイミングをずらすことが好ましく、具体的には、最初に水蒸気の供給量を増やし、次に酸化性ガスの供給量を増やし、最後に炭化水素又は脂肪族アルコールの供給量を増やす順序で運転条件の変更を行うことが好ましい。   Further, although not particularly limited, when increasing the amount of reformed gas produced, the timing of the reformed gas is not intentionally increased, but the timing is deliberately shifted instead of simultaneously increasing the supply amount of hydrocarbon or aliphatic alcohol, water vapor, and oxidizing gas. More specifically, the operating conditions are changed in the order of increasing the supply amount of water vapor first, then increasing the supply amount of oxidizing gas, and finally increasing the supply amount of hydrocarbons or aliphatic alcohols. It is preferable.

酸化自己熱型改質装置は、定格の100%負荷運転条件に対して、通常、20〜120%程度の範囲で運転を行うことが可能であるが、本発明の運転方法では運転負荷変更における変化幅は特に限定されず、20%以上の比較的大きな変化幅であっても構わない。1回の運転負荷変更において1ステップの運転条件変更で対応してもよく、複数回のステップに細分化して運転負荷の変更を行ってもよい。特に、変化幅が大きいときには、O/C比が一時的に上昇する際に酸化自己熱型改質装置に充填された触媒あるいは酸化自己熱型改質装置を構成する部材の使用上限温度を超える恐れがあるため、その場合には変化幅が小さくなるように複数回のステップに細分化することが好ましい。また、改質ガス消費の需要にできるだけ追従して高効率な運転を実現するためには、0.1〜10%の変化幅できめ細かく制御することが好ましい。 The oxidation autothermal reformer can normally be operated in a range of about 20 to 120% with respect to the rated 100% load operation condition. However, in the operation method of the present invention, the operation load can be changed. The change width is not particularly limited, and may be a relatively large change width of 20% or more. One operation load change may be handled by one step operation condition change, or the operation load may be changed by subdividing into a plurality of steps. In particular, when the change width is large, when the O 2 / C ratio temporarily rises, the upper limit temperature of use of the catalyst charged in the oxidation autothermal reformer or the member constituting the oxidation autothermal reformer is set. In this case, it is preferable to subdivide into a plurality of steps so that the change width is small. Further, in order to follow the demand for reformed gas consumption as much as possible and realize high-efficiency operation, it is preferable to finely control the variation width of 0.1 to 10%.

改質ガスの生成量を変化させるとき、一定のO/C比で酸化自己熱型改質装置の運転条件変更を行うと、運転負荷が低いときに比べて運転負荷が高いときの方が酸化自己熱型改質装置の反応温度が高くなる傾向がある。酸化自己熱型改質装置の断熱を強化しても少なからず放熱ロスがあり、その放熱量は運転負荷に関わらず概ね一定であると考えられることから、O/C比一定運転で運転負荷が高いときには部分酸化改質による発熱量に対してその放熱量が相対的に小さくなるためである。従って、酸化自己熱型改質装置を高効率で運転するためには、運転負荷を低くするとき、即ち、改質ガスの生成量を減少させる場合には、運転負荷の変更前よりもO/C比を上げることが好ましく、逆に、運転負荷を高くするとき、即ち、改質ガスの生成量を増加させる場合には、運転負荷の変更前よりもO/C比を下げることが好ましい。 When changing the production amount of reformed gas, if the operating conditions of the oxidation autothermal reformer are changed at a constant O 2 / C ratio, the operating load is higher than when the operating load is low. The reaction temperature of the oxidation autothermal reformer tends to increase. There is oxidized self thermal reforming insulation reinforced no small heat radiation loss even if the device, since it is believed that the heat radiation amount is constant substantially irrespective of the operating load, O 2 / C ratio stabilization driven at a driving load This is because the amount of heat released is relatively small with respect to the amount of heat generated by partial oxidation reforming when the value is high. Therefore, in order to operate the oxidation autothermal reformer with high efficiency, when the operating load is lowered, that is, when the amount of reformed gas generated is reduced, the O 2 is changed from that before the change of the operating load. It is preferable to increase the / C ratio, and conversely, when the operating load is increased, that is, when the amount of reformed gas generated is increased, the O 2 / C ratio may be decreased more than before the operating load is changed. preferable.

本発明の酸化自己熱型改質装置の運転方法の実施によって生成する改質ガスの用途は特に限定されないが、本発明の運転方法は、燃料電池用酸化自己熱型改質装置に適用され、高温作動型燃料電池用酸化自己熱型改質装置に適用すること好ましく、固体酸化物形燃料電池用酸化自己熱型改質装置に適用することが特に好ましい。
The use of the reformed gas generated by the implementation of the operation method of the oxidation autothermal reformer of the present invention is not particularly limited, but the operation method of the present invention is applied to an oxidation autothermal reformer for fuel cells, It is preferably applied to an oxidation autothermal reformer for high temperature operation type fuel cells, and particularly preferably applied to an oxidation autothermal reformer for solid oxide fuel cells.

なお、上述のように、燃料電池用酸化自己熱型改質装置において改質ガスの生成量を減少させる場合は、酸化自己熱型改質装置の運転条件を変更する前に、燃料電池に通電する電流値を低下させることによって燃料電池からの発電出力を減らすことが通常行われる。燃料電池では発電条件として適切な燃料利用率Ufの範囲が決められており、この範囲を超えないようにするために、酸化自己熱型改質装置において改質ガスの生成量を減少させる操作を行う前に燃料電池の電流値を低めて燃料利用率Ufを下げる。その後、酸化自己熱型改質装置において、まず炭化水素又は脂肪族アルコールの供給量を減らすと、改質ガス流量が減って燃料電池の燃料利用率Ufが上昇する結果、セル電圧Vが低下することによって実際に炭化水素又は脂肪族アルコールの供給量が減ったことを把握できる。また、酸化自己熱型改質装置内部の改質触媒層の温度をモニターしている場合には、当該温度の上昇によっても実際に炭化水素又は脂肪族アルコールの供給量が減ったことを把握できる。次に酸化性ガスの供給量を減らすと、炭化水素又は脂肪族アルコールの供給量が減って一旦減った改質ガス流量が増えて燃料電池の燃料利用率Ufが低下する結果、セル電圧Vが上昇することによって実際に酸化性ガスの供給量が減ったことを把握できる。酸化自己熱型改質装置内部の改質触媒層の温度をモニターしている場合には、当該温度の低下によっても実際に酸化性ガスの供給量が減ったことを把握できる。最後に水蒸気の供給量を減らすと、酸化性ガスの供給量が減って一旦増えた改質ガス流量が再び減って燃料電池の燃料利用率Ufが上昇する結果、セル電圧Vが低下することによって実際に水蒸気の供給量が減ったことを把握できる。   As described above, when reducing the amount of reformed gas produced in an oxidation autothermal reformer for a fuel cell, the fuel cell must be energized before changing the operating conditions of the oxidation autothermal reformer. Usually, the power generation output from the fuel cell is reduced by lowering the current value. In the fuel cell, an appropriate range of the fuel utilization rate Uf is determined as a power generation condition. In order to avoid exceeding this range, an operation for reducing the amount of reformed gas generated in the oxidation autothermal reformer is performed. Before the operation, the current value of the fuel cell is lowered to lower the fuel utilization rate Uf. Thereafter, in the oxidation autothermal reformer, when the supply amount of hydrocarbon or aliphatic alcohol is first reduced, the reformed gas flow rate is decreased and the fuel utilization rate Uf of the fuel cell is increased, resulting in a decrease in the cell voltage V. Thus, it can be grasped that the supply amount of hydrocarbon or aliphatic alcohol actually decreased. In addition, when the temperature of the reforming catalyst layer inside the oxidation autothermal reformer is monitored, it can be grasped that the supply amount of hydrocarbons or aliphatic alcohol has actually decreased even when the temperature rises. . Next, when the supply amount of the oxidizing gas is decreased, the supply amount of hydrocarbon or aliphatic alcohol is decreased, the reformed gas flow rate once decreased is increased, and the fuel utilization rate Uf of the fuel cell is decreased. It can be grasped that the supply amount of the oxidizing gas has actually decreased by the increase. When the temperature of the reforming catalyst layer inside the oxidation autothermal reforming apparatus is monitored, it can be grasped that the supply amount of the oxidizing gas has actually decreased due to the decrease in the temperature. Finally, when the supply amount of water vapor is reduced, the supply amount of the oxidizing gas is reduced and the reformed gas flow rate once increased is reduced again, and as a result, the fuel utilization rate Uf of the fuel cell rises. As a result, the cell voltage V decreases. It can be understood that the amount of steam supplied has actually decreased.

なお、本発明においては、炭化水素又は脂肪族アルコールの供給量を減らした後、触媒層温度の上昇開始を検知したら即座に酸化性ガスの供給量を減らすことが好ましい。ここで、即座とは、10秒以下を指し、好ましくは5秒以下である。このようにして、炭化水素又は脂肪族アルコール供給量の減量開始から酸化性ガス供給量の減量開始までの時間を短くすることで、改質ガス生成量の過度の減少を抑制することができる。   In the present invention, it is preferable to reduce the supply amount of the oxidizing gas immediately after detecting the start of the rise in the catalyst layer temperature after reducing the supply amount of hydrocarbon or aliphatic alcohol. Here, “immediately” refers to 10 seconds or less, preferably 5 seconds or less. In this way, by reducing the time from the start of the decrease in the hydrocarbon or aliphatic alcohol supply amount to the start of the decrease in the oxidizing gas supply amount, an excessive decrease in the reformed gas generation amount can be suppressed.

本発明においては、S/C比が1.5〜4.5、O/C比が0.001〜0.5の範囲で酸化自己熱改質装置の運転を行うことができ、S/C比が1.8〜4.0、O/C比が0.002〜0.4の運転条件範囲が好ましく、S/C比が2.0〜3.5、O/C比が0.003〜0.3の運転条件範囲がさらに好ましい。 In the present invention, the oxidation autothermal reformer can be operated in a range of S / C ratio of 1.5 to 4.5 and O 2 / C ratio of 0.001 to 0.5. An operating condition range in which the C ratio is 1.8 to 4.0 and the O 2 / C ratio is 0.002 to 0.4 is preferable, the S / C ratio is 2.0 to 3.5, and the O 2 / C ratio is An operating condition range of 0.003 to 0.3 is more preferable.

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、都市ガス等の炭化水素ガス、ガソリン、ナフサ、灯油、軽油等の液体炭化水素を用いることができ、一方、脂肪族アルコールとしては、メタノール、エタノール、プロパノール等を用いることができる。   As hydrocarbons, hydrocarbon gases such as methane, ethane, propane, butane, LP gas, natural gas, city gas, etc., and liquid hydrocarbons such as gasoline, naphtha, kerosene, and light oil can be used. As such, methanol, ethanol, propanol or the like can be used.

本発明の実施に用いる酸化自己熱型改質装置は、炭化水素又は脂肪族アルコールと水蒸気との混合物の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水蒸気改質部と、少なくとも一部に酸化触媒が充填されており、前記混合物又は前記改質ガスの一部を酸化して熱を発生させる部分酸化改質部とを有することが好ましい。ここで、水蒸気改質部の少なくとも一部には、通常、改質触媒が充填され、該改質触媒に炭化水素又は脂肪族アルコール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、部分酸化改質部の少なくとも一部には、酸化触媒が充填されており、上記混合物又は上記改質ガスの一部が酸化されて熱が発生する。なお、本発明の実施に用いる酸化自己熱型改質装置は、特に限定されるものではなく、公知の酸化自己熱型改質装置を採用することができる。   The oxidation autothermal reformer used in the practice of the present invention includes a steam reforming unit that generates a reformed gas mainly composed of hydrogen by a reforming reaction of a mixture of hydrocarbon or aliphatic alcohol and steam, and at least It is preferable that a part is filled with an oxidation catalyst, and a partial oxidation reforming unit that generates heat by oxidizing a part of the mixture or the reformed gas is provided. Here, at least a part of the steam reforming section is usually filled with a reforming catalyst, and by contacting the reforming catalyst with a mixture of hydrocarbon or aliphatic alcohol and steam, hydrogen is reformed. A reformed gas containing as a main component is produced. Further, at least a part of the partial oxidation reforming part is filled with an oxidation catalyst, and a part of the mixture or the reformed gas is oxidized to generate heat. In addition, the oxidation autothermal reforming apparatus used for carrying out the present invention is not particularly limited, and a known oxidation autothermal reforming apparatus can be adopted.

以下に、本発明の実施に好適に利用できる3重円管構造を有する酸化自己熱型改質装置を、図を参照しながら詳細に説明する。図1は、本発明の実施に好適な酸化自己熱型改質装置の一例の概略図であり、図2は、図1のII−II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。   Hereinafter, an oxidation autothermal reformer having a triple tube structure that can be suitably used in the practice of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic view of an example of an oxidation autothermal reforming apparatus suitable for carrying out the present invention, and FIG. 2 is a sectional view taken along the line II-II in FIG. 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1は、水蒸気改質層2と、部分酸化改質層3とを備え、水蒸気改質層2が部分酸化改質層3よりも上流側に位置している。また、水蒸気改質層2及び部分酸化改質層3は、それぞれ円筒形状を有し、水蒸気改質層2が半径方向内側に位置する内側水蒸気改質層2Aと半径方向外側に位置する外側水蒸気改質層2Bとの2層からなると共に、該内側水蒸気改質層2Aと外側水蒸気改質層2Bとの間に部分酸化改質層3が配置されており、半径方向内側から内側水蒸気改質層2A、部分酸化改質層3、外側水蒸気改質層2Bの順に配置された3重円管構造をなしている。   The oxidation autothermal reforming apparatus 1 in the illustrated example includes a steam reforming layer 2 and a partial oxidation reforming layer 3, and the steam reforming layer 2 is located upstream of the partial oxidation reforming layer 3. Yes. The steam reforming layer 2 and the partial oxidation reforming layer 3 each have a cylindrical shape, and the steam reforming layer 2 is an inner steam reforming layer 2A positioned radially inside and an outer steam positioned radially outward. The reforming layer 2B is composed of two layers, and the partial oxidation reforming layer 3 is disposed between the inner steam reforming layer 2A and the outer steam reforming layer 2B. A triple tube structure in which the layer 2A, the partial oxidation reforming layer 3, and the outer steam reforming layer 2B are arranged in this order is formed.

ここで、水蒸気改質層2の少なくとも一部には、通常、改質触媒が充填され、また、部分酸化改質層3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、特に炭化水素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 steam reforming layer 2 is usually filled with a reforming catalyst, and at least a part of the partial oxidation reforming layer 3 is filled with an oxidation catalyst. As the reforming catalyst, a catalyst conventionally used for reforming can be used. For example, Ru, Ni, W, Co, Rh, Pt may be used alone or in plural on a support such as alumina, silica, zirconia. A supported one is used. Among these, especially when kerosene is selected as the hydrocarbon, a catalyst supporting Ru is preferable. Although a catalyst supporting Ru is generally low in oxidation resistance, it is excellent in reforming characteristics of a liquid fuel having a large number of carbon atoms. On the other hand, as the oxidation catalyst, a catalyst supporting Pt, Pd, Rh or the like which is not easily deteriorated at high temperature is preferable.

水蒸気改質層2及び部分酸化改質層3は、酸化自己熱型改質装置1の内筒4及び外筒5、並びに内筒4及び外筒5の間に位置する2枚の管状隔壁6(半径方向内側の隔壁6Aと半径方向外側の隔壁6B)とによって隔てられており、内筒4と半径方向内側の隔壁6Aとの間の空間が内側水蒸気改質層2Aをなし、半径方向内側の隔壁6Aと半径方向外側の隔壁6Bとの間の空間が部分酸化改質層3をなし、半径方向外側の隔壁6Bと外筒5との間の空間が外側水蒸気改質層2Bをなしている。図2に詳しく示すように、内筒4、半径方向内側の隔壁6A、半径方向外側の隔壁6B、及び外筒5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水蒸気改質層2A、部分酸化改質層3、及び外側水蒸気改質層2Bが3重円管構造をなしている。   The steam reforming layer 2 and the partial oxidation reforming layer 3 include an inner cylinder 4 and an outer cylinder 5 of the oxidation autothermal reforming apparatus 1, and two tubular partition walls 6 positioned between the inner cylinder 4 and the outer cylinder 5. (The inner partition wall 6A and the radially outer partition wall 6B) are separated from each other, and the space between the inner cylinder 4 and the radially inner partition wall 6A forms the inner steam reforming layer 2A. The space between the partition wall 6A and the radially outer partition wall 6B forms the partial oxidation reforming layer 3, and the space between the radially outer partition wall 6B and the outer cylinder 5 forms the outer steam reforming layer 2B. Yes. As shown in detail in FIG. 2, the inner cylinder 4, the radially inner partition 6 </ b> A, the radially outer partition 6 </ b> B, and the outer cylinder 5 form an annular and concentric circular tube structure. The inner steam reforming layer 2A, the partial oxidation reforming layer 3 and the outer steam reforming layer 2B, which are respectively positioned between them, form a triple tube structure.

また、図1に示す酸化自己熱型改質装置1は、内側水蒸気改質層2A及び外側水蒸気改質層2Bの双方に原料を供給するための原料導入管7と、部分酸化改質層3からの改質ガスを排出するための改質ガス排出管8とが、外筒5の下部に連結されている。原料導入管7が連結される位置より上部で且つ内側水蒸気改質層2A、部分酸化改質層3、外側水蒸気改質層2Bの下部には、仕切り受け9A,9B,9Cがそれぞれ配設されており、該仕切り受け9A,9B,9C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7が連結される位置より下部で且つ改質ガス排出管8が連結される位置より上部には、隔壁10が配設されており、該隔壁10には、部分酸化改質層3に連通する開口11が設けられている。更に、図示例の酸化自己熱型改質装置1は、外筒5の上端部を貫通して部分酸化改質層3まで至る酸化性ガス導入管12を備え、該酸化性ガス導入管12の先端には、酸化性ガス噴出し口が複数設けられた管状リング13が設置されている。   1 includes a raw material introduction pipe 7 for supplying raw materials to both the inner steam reforming layer 2A and the outer steam reforming layer 2B, and the partial oxidation reforming layer 3. A reformed gas discharge pipe 8 for discharging the reformed gas from the outer cylinder 5 is connected to the lower portion of the outer cylinder 5. Partition receivers 9A, 9B, and 9C are provided above the position where the raw material introduction pipe 7 is connected and below the inner steam reforming layer 2A, the partial oxidation reforming layer 3, and the outer steam reforming layer 2B. The partition receptacles 9A, 9B, and 9C allow a mixture of a hydrocarbon or an aliphatic alcohol and water vapor and a reformed gas to pass through while preventing the catalyst or the like filled in each layer from falling. A partition wall 10 is disposed below the position where the raw material introduction pipe 7 is connected and above the position where the reformed gas discharge pipe 8 is connected. The partition wall 10 is partially oxidized and reformed. An opening 11 communicating with the layer 3 is provided. Furthermore, the oxidation autothermal reforming apparatus 1 in the illustrated example includes an oxidizing gas introduction pipe 12 that penetrates the upper end portion of the outer cylinder 5 to reach the partial oxidation reforming layer 3. A tubular ring 13 provided with a plurality of oxidizing gas ejection ports is installed at the tip.

定常運転時においては、図1中の原料導入管7から原料流路14に導入された水蒸気を含む原料は、仕切り受け9A,9Cを通過して、内側水蒸気改質層2A及び外側水蒸気改質層2B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、部分酸化改質層3で起こる酸化発熱による顕熱が、隔壁6A,6Bを経て内側水蒸気改質層2A及び外側水蒸気改質層2Bへ伝達されることによって賄われる。   During steady operation, the raw material containing water vapor introduced from the raw material introduction pipe 7 in FIG. 1 into the raw material flow path 14 passes through the partition receivers 9A and 9C, and the inner steam reforming layer 2A and the outer steam reforming. The layer 2B is reformed while flowing uniformly through an upflow, and becomes a reformed gas mainly composed of hydrogen. At this time, the heat required for reforming is transmitted by sensible heat due to oxidation heat generated in the partial oxidation reforming layer 3 to the inner steam reforming layer 2A and the outer steam reforming layer 2B through the partition walls 6A and 6B. Be covered.

酸化自己熱型改質装置1に導入された原料は、内側水蒸気改質層2A及び外側水蒸気改質層2B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15に入る。この時のC1転化率は、炭化水素又は脂肪族アルコールの種類、運転条件によっても異なるが、通常90%以上である。   The raw material introduced into the oxidation autothermal reformer 1 is partly or completely reformed in the inner steam reforming layer 2A and the outer steam reforming layer 2B, and becomes a reformed gas mainly composed of hydrogen. Enters the reformed gas flow path 15. The C1 conversion at this time is usually 90% or more, although it varies depending on the type of hydrocarbon or aliphatic alcohol and the operating conditions.

更に、改質ガスは、Uターンしてダウンフローで部分酸化改質層3に入る。該部分酸化改質層3には、酸化性ガスを供給するための手段として、酸化性ガス導入管12が連結されており、該酸化性ガス導入管12の先端には、酸化性ガス噴出し口を複数設けた管状リング13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、酸化性ガス導入管12を通って、管状リング13の複数の酸化性ガス噴出し口から噴出される。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 makes a U-turn and enters the partial oxidation reformed layer 3 in a down flow. The partial oxidation reforming layer 3 is connected with an oxidizing gas introduction pipe 12 as means for supplying an oxidizing gas, and an oxidizing gas jet is blown to the tip of the oxidizing gas introduction pipe 12. A tubular ring 13 having a plurality of ports is provided. An oxidizing gas for oxidizing part of the reformed gas to generate heat is ejected from the plurality of oxidizing gas ejection ports of the tubular ring 13 through the oxidizing gas introduction pipe 12. Here, as the kind of oxidizing gas to be used, pure oxygen can be used, but it is generally preferable to use air from the viewpoint of cost.

部分酸化改質層3では、内側水蒸気改質層2A及び外側水蒸気改質層2Bでの吸熱を補うために、部分酸化改質層3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。   The partial oxidation reforming layer 3 oxidizes with hydrogen, methane, etc. in the reformed gas introduced into the partial oxidation reforming layer 3 in order to supplement the endothermic heat in the inner steam reforming layer 2A and the outer steam reforming layer 2B. It is essential to perform an oxidation reaction (exothermic reaction) with a reactive gas, and the oxidation reaction is promoted by an oxidation catalyst.

上記部分酸化改質層3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、部分酸化改質層3に使用される改質触媒は、部分酸化改質層3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 partial oxidation reforming layer 3 can be filled with a mixture of an oxidation catalyst and a reforming catalyst. Here, the reforming catalyst used for the partial oxidation reforming layer 3 is methane and / or C2 + component (component having 2 or more carbon atoms) remaining in the reformed gas led to the partial oxidation reforming layer 3. The endotherm for this reforming is provided directly from the heat generated by the oxidation reaction promoted by the mixed oxidation catalyst, as if reforming and oxidation proceed simultaneously. Created.

また、上記部分酸化改質層3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。部分酸化改質層3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、部分酸化改質層3に、一部伝熱粒子を使用することで、部分酸化改質層3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部分酸化改質層3全体に伝熱するものであり、これにより部分酸化改質層3と隣り合う内側水蒸気改質層2A及び外側水蒸気改質層2Bの上流側において、管状の隔壁6A,6Bを通しての伝熱量が大きくなり、内側水蒸気改質層2A及び外側水蒸気改質層2B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。   Second, the partial oxidation reforming layer 3 can be filled with a mixture of an oxidation catalyst and heat transfer particles. In the partial oxidation reforming layer 3, the temperature immediately below the outlet of the oxidizing gas tends to be the highest, and the temperature decreases as it goes downstream. Therefore, by using partially heat transfer particles in the partial oxidation reforming layer 3, the temperature difference between the upstream side and the downstream side of the partial oxidation reforming layer 3 can be reduced. Here, the heat transfer particles transfer heat generated by the oxidation reaction to the entire partial oxidation reforming layer 3, and thereby the inner steam reforming layer 2 </ b> A and the outer steam adjacent to the partial oxidation reforming layer 3. On the upstream side of the reforming layer 2B, the amount of heat transfer through the tubular partition walls 6A and 6B increases, and the temperature difference between the upstream and downstream of the inner steam reforming layer 2A and the outer steam reforming layer 2B can be reduced. It becomes.

更に、上記部分酸化改質層3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、部分酸化改質層3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, the partial oxidation reforming layer 3 can be filled with a mixture of an oxidation catalyst, a reforming catalyst, and heat transfer particles. In this case, the partial oxidation reforming layer 3 simultaneously exhibits the action of the second case in the first case.

上記部分酸化改質層3に用いる改質触媒としては、上記水蒸気改質層2に用いる改質触媒を使用することも可能であるが、部分酸化改質層3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、上記部分酸化改質層3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 partial oxidation reforming layer 3, it is possible to use the reforming catalyst used for the steam reforming layer 2, but since the partial oxidation reforming layer 3 is in an oxidizing atmosphere, A catalyst in which Ni or Rh is supported alone or in plural is suitable. Moreover, the material of the heat transfer particles used for the partial oxidation modified layer 3 is not particularly limited, but a material having higher thermal conductivity is preferable, and porous silicon carbide particles are preferable.

酸化性ガス噴出し用の管状リング13の設置位置は、部分酸化改質層3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、内側水蒸気改質層2A及び外側水蒸気改質層2Bより高い位置が好ましい。また、酸化性ガス噴出し用の管状リング13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 tubular ring 13 for ejecting the oxidizing gas is preferably a relatively upper portion in the partial oxidation reforming layer 3, but is not particularly limited, and considering the gas flow and the direction of heat transfer, A position higher than the inner steam reforming layer 2A and the outer steam reforming layer 2B is preferable. Further, the upper and lower sides of the tubular ring 13 for ejecting the oxidizing gas can be filled with the same mixture, but different ones can also be filled.

部分酸化改質層3に酸化性ガス噴出し用の管状リング13から供給される酸化性ガスの量は、原料の種類によっても異なるが、O/C比=0.001〜0.5程度が好適である。これにより、部分酸化改質層3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 the oxidizing gas supplied from the tubular ring 13 for ejecting the oxidizing gas to the partial oxidation reforming layer 3 varies depending on the type of raw material, but the O 2 / C ratio is about 0.001 to 0.5. Is preferred. Thereby, the highest temperature part of the partial oxidation reforming layer 3 becomes about 650-850 degreeC. Therefore, it is not necessary to use a particularly expensive material for the oxidation autothermal reformer.

部分酸化改質層3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9Bを通過して、改質ガス流路16に導かれ、改質ガス排出管8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等に供給することが可能である。   The reformed gas partially oxidized and / or reformed in the partially oxidized reformed layer 3 passes through the partition receiver 9B, is guided to the reformed gas channel 16, and is discharged from the reformed gas discharge pipe 8. Is done. Thereafter, the discharged reformed gas can be supplied to a solid oxide fuel cell or the like as it is.

例えば、改質ガスを固体酸化物形燃料電池に利用する場合は、生成した改質ガスをアノード燃料導入ラインを介して固体酸化物形燃料電池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から空気を固体酸化物形燃料電池のカソード電極へ供給し、固体酸化物形燃料電池で電気化学的に発電を行う。Niサーメット等からなるアノード電極において、改質ガスに含まれるメタンが改質反応を受けてさらに水素や一酸化炭素が生成し、発電用の燃料ガスとなる。この発電には、通常固体酸化物形燃料電池が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から排出され、一方、カソード排ガス出口からは、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。高温のアノード排ガスやカソード排ガスを利用したり、アノード排ガスに含まれる水素、一酸化炭素やメタンを燃焼させたりすることによって、酸化自己熱型改質装置に必要な熱の一部を賄うこともできる。   For example, when the reformed gas is used in a solid oxide fuel cell, the generated reformed gas is supplied to the anode electrode of the solid oxide fuel cell via the anode fuel introduction line. At this time, air is supplied from the cathode air introduction line to the cathode electrode of the solid oxide fuel cell, and electric power is generated electrochemically in the solid oxide fuel cell. In the anode electrode made of Ni cermet or the like, methane contained in the reformed gas undergoes a reforming reaction, and further hydrogen and carbon monoxide are generated to become a fuel gas for power generation. This power generation usually requires that the solid oxide fuel cell be maintained at 700 to 1000 ° C. Hydrogen, carbon monoxide, nitrogen, and water and carbon dioxide generated by the power generation reaction that were supplied to the anode electrode but did not contribute to power generation are discharged from the anode exhaust gas outlet, while from the cathode exhaust gas outlet, power generation is performed. Nitrogen and residual oxygen in the air that did not contribute to air are discharged. Part of the heat required for the oxidation autothermal reformer can be provided by using high-temperature anode exhaust gas or cathode exhaust gas, or by burning hydrogen, carbon monoxide, or methane contained in the anode exhaust gas. it can.

そして、かかる燃料電池に対して、本発明の運転方法を適用した酸化自己熱型改質装置から改質ガスを供給することで、燃料電池に供給される改質ガス流量の変動を抑制できるため、燃料電池の発電状況への悪影響を防止できる。   And, by supplying the reformed gas to the fuel cell from the oxidation autothermal reformer to which the operation method of the present invention is applied, fluctuations in the flow rate of the reformed gas supplied to the fuel cell can be suppressed. This can prevent adverse effects on the power generation status of the fuel cell.

以下に、実施例を挙げて本発明を更に詳しく説明するが、本発明は下記の実施例に何ら限定されるものではない。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples. However, the present invention is not limited to the following examples.

図1に示す1kW級固体酸化物形燃料電池用の酸化自己熱型改質装置において、加熱した蒸発器にイオン交換水をポンプで送液することによって水蒸気を供給し、炭化水素として灯油を送液ポンプで供給し、酸化性ガスとして空気をブロアで供給することによって、S/C比=3.0、定格運転時のO/C比=0.191の条件で改質ガスの製造を行った。灯油としては、予め硫黄含有量を1質量ppm未満まで低減した脱硫灯油を用い、改質触媒層の上流において水蒸気と気化した灯油を混合させてから供給した。水蒸気、灯油及び空気をそれぞれ所定量供給して改質ガスが安定的に生成し始めた後、酸化自己熱型改質装置の昇温に使用した電気ヒーターを切った。負荷100%の定格運転状態において改質ガスの組成は、水分を除いたドライベースとして、水素48モル%、一酸化炭素4モル%、メタン6モル%、二酸化炭素20モル%、窒素22モル%であった。 In the oxidation autothermal reformer for a 1 kW class solid oxide fuel cell shown in FIG. 1, steam is supplied by pumping ion exchange water to a heated evaporator, and kerosene is sent as hydrocarbons. By supplying with a liquid pump and supplying air as an oxidizing gas with a blower, the reformed gas can be produced under conditions of S / C ratio = 3.0 and O 2 / C ratio = 0.191 during rated operation. went. As kerosene, desulfurized kerosene having a sulfur content reduced to less than 1 mass ppm in advance was used, and was supplied after mixing steam and vaporized kerosene upstream of the reforming catalyst layer. After supplying predetermined amounts of water vapor, kerosene, and air, and the reformed gas began to be stably generated, the electric heater used to raise the temperature of the oxidation autothermal reformer was turned off. The composition of the reformed gas in the rated operating state with a load of 100% is 48 mol% hydrogen, 4 mol% carbon monoxide, 6 mol% methane, 20 mol% carbon dioxide, 22 mol% nitrogen, as a dry base excluding moisture. Met.

酸化自己熱型改質装置の運転負荷を100%から95%へ、さらに95%から90%へ変更する改質ガス生成量の減少操作において、表7に示す6パターンの運転条件変更順序に沿って、水蒸気、空気及び灯油の供給量を変更し、酸化自己熱型改質装置の水蒸気改質触媒層及び部分酸化改質触媒層の温度変化と、各運転負荷において一定電流値で通電されている固体酸化物形燃料電池(SOFC)のセル電圧の変化をモニターした。   In the operation of reducing the amount of reformed gas generated by changing the operation load of the oxidation autothermal reformer from 100% to 95%, and further from 95% to 90%, the operation condition change order of 6 patterns shown in Table 7 is followed. The supply amount of steam, air and kerosene is changed, the temperature of the steam reforming catalyst layer and the partial oxidation reforming catalyst layer of the oxidation autothermal reformer is changed, and the current is energized at a constant current value at each operating load. The change in cell voltage of a solid oxide fuel cell (SOFC) was monitored.

(実施例1)
最初に固体酸化物形燃料電池に通電する電流値を減らして発電出力を定格負荷の100%から95%へ減少させた後、酸化自己熱型改質装置において表1に示す運転条件に従って、まず灯油の供給量を減らし、部分酸化改質触媒層の温度が上昇を始めた直後に空気の供給量を減らし、次に水蒸気の供給量を減らすことによって酸化自己熱型改質装置の運転負荷を減少させたとき、表7の実施例1の欄に示すように、酸化自己熱型改質装置の水蒸気改質触媒層の温度が運転条件変更前よりも低下することはなく、また固体酸化物形燃料電池のセル電圧が運転条件変更終了後よりも明らかに低下することもなく、良好に運転負荷の変更を行うことができた。さらに運転負荷を95%から90%へ変更したときも同様の結果であった。
Example 1
First, after reducing the value of the current applied to the solid oxide fuel cell to reduce the power generation output from 100% to 95% of the rated load, first, according to the operating conditions shown in Table 1 in the oxidation autothermal reformer, The operating load of the oxidation autothermal reformer is reduced by reducing the kerosene supply, reducing the air supply immediately after the temperature of the partial oxidation reforming catalyst layer starts to rise, and then reducing the steam supply. When reduced, as shown in the column of Example 1 in Table 7, the temperature of the steam reforming catalyst layer of the oxidation autothermal reformer does not decrease more than before the change of the operating conditions, and the solid oxide The cell voltage of the fuel cell was not significantly decreased after the change of the operating conditions, and the operating load could be changed satisfactorily. The same result was obtained when the operating load was changed from 95% to 90%.

(比較例1)
最初に固体酸化物形燃料電池に通電する電流値を減らして発電出力を定格負荷の100%から95%へ減少させた後、酸化自己熱型改質装置において表2に示す運転条件に従って、最初に灯油の供給量を減らし、次に水蒸気の供給量を減らし、その次に空気の供給量を減らして酸化自己熱型改質装置の運転負荷を減少させたとき、表7の比較例1の欄に示すように、酸化自己熱型改質装置の水蒸気改質触媒層の温度が運転条件変更前よりも低下することはなかったが、固体酸化物形燃料電池のセル電圧が運転条件変更終了後よりも低下する現象が認められた。これは、固体酸化物形燃料電池への燃料ガス量が長時間必要以上に減少したことに起因するものと考えられる。さらに運転負荷を95%から90%へ変更したときも同様の結果であった。
(Comparative Example 1)
First, after reducing the value of the current applied to the solid oxide fuel cell to reduce the power generation output from 100% to 95% of the rated load, the oxidation autothermal reformer was first operated according to the operating conditions shown in Table 2. When the kerosene supply amount was reduced, the water vapor supply amount was reduced, and then the air supply amount was reduced to reduce the operating load of the oxidation autothermal reformer, As shown in the column, the temperature of the steam reforming catalyst layer of the oxidation autothermal reformer did not decrease from before the change of the operating conditions, but the cell voltage of the solid oxide fuel cell was changed A phenomenon of lowering was observed. This is considered to be due to the fact that the amount of fuel gas to the solid oxide fuel cell has decreased more than necessary for a long time. The same result was obtained when the operating load was changed from 95% to 90%.

(比較例2)
最初に固体酸化物形燃料電池に通電する電流値を減らして発電出力を定格負荷の100%から95%へ減少させた後、酸化自己熱型改質装置において表3に示す運転条件に従って、最初に空気の供給量を減らし、次に灯油の供給量を減らし、その次に水蒸気の供給量を減らして酸化自己熱型改質装置の運転負荷を減少させたとき、表7の比較例2の欄に示すように、固体酸化物形燃料電池のセル電圧が運転条件変更終了後よりも低下することはなかったが、空気の供給量を減らした際にO/C比が低下して酸化自己熱型改質装置の水蒸気改質触媒層の温度が低下する現象が認められた。さらに運転負荷を95%から90%へ変更したときも同様の結果であった。
(Comparative Example 2)
First, after reducing the value of the current supplied to the solid oxide fuel cell to reduce the power generation output from 100% to 95% of the rated load, the oxidation autothermal reformer was first operated according to the operating conditions shown in Table 3. When the air supply amount is reduced, the kerosene supply amount is then reduced, and then the steam supply amount is reduced to reduce the operating load of the oxidation autothermal reformer, the comparative example 2 of Table 7 As shown in the column, the cell voltage of the solid oxide fuel cell did not decrease after the change of the operating condition, but when the supply amount of air was reduced, the O 2 / C ratio decreased and oxidation occurred. A phenomenon was observed in which the temperature of the steam reforming catalyst layer of the autothermal reformer decreased. The same result was obtained when the operating load was changed from 95% to 90%.

(比較例3〜5)
更に、酸化自己熱型改質装置において表4から表6に示す運転条件に従って酸化自己熱型改質装置の運転負荷を100%から95%に変更したときには、表7の比較例3から比較例5の欄に示すように、酸化自己熱型改質装置のS/C比が運転負荷の変更前後の値よりも低くなる現象が認められ、長期的に運転を行った場合、水蒸気改質触媒の耐久性が低下することが予想された。また、比較例3及び5の運転条件の変更手順では、酸化自己熱型改質装置の水蒸気改質触媒層の温度が運転条件変更前よりも低下したり、固体酸化物形燃料電池のセル電圧が運転条件変更終了後よりも低下したりする現象が認められた。さらに運転負荷を95%から90%へ変更したときも同様の結果であった。
(Comparative Examples 3-5)
Further, in the oxidation autothermal reformer, when the operating load of the oxidation autothermal reformer was changed from 100% to 95% according to the operating conditions shown in Tables 4 to 6, Comparative Example 3 to Comparative Example in Table 7 As shown in the column 5, the phenomenon that the S / C ratio of the oxidation autothermal reformer becomes lower than the value before and after the change of the operation load is recognized. It was expected that the durability of the would decrease. In the procedure for changing the operating conditions of Comparative Examples 3 and 5, the temperature of the steam reforming catalyst layer of the oxidation autothermal reformer is lower than before the operating conditions are changed, or the cell voltage of the solid oxide fuel cell is changed. However, there was a phenomenon that it was lower than after the change of operating conditions. The same result was obtained when the operating load was changed from 95% to 90%.

Figure 0005248935
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本発明の実施に好適な酸化自己熱型改質装置の一例の概略図である。It is the schematic of an example of the oxidation autothermal reforming apparatus suitable for implementation of this invention. 図1のII−II線に沿う断面図である。It is sectional drawing which follows the II-II line | wire of FIG.

符号の説明Explanation of symbols

1 酸化自己熱型改質装置
2 水蒸気改質層
2A 内側水蒸気改質層
2B 外側水蒸気改質層
3 部分酸化改質層
4 内筒
5 外筒
6 管状隔壁
6A 半径方向内側の隔壁
6B 半径方向外側の隔壁
7 原料導入管
8 改質ガス排出管
9A,9B,9C 仕切り受け
10 隔壁
11 開口
12 酸化性ガス導入管
13 管状リング
14 原料流路
15,16 改質ガス流路
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Oxidation autothermal reformer 2 Steam reforming layer 2A Inner steam reforming layer 2B Outer steam reforming layer 3 Partial oxidation reforming layer 4 Inner cylinder 5 Outer cylinder 6 Tubular partition 6A Radial inner partition 6B Radial outer Partition wall 7 raw material introduction pipe 8 reformed gas discharge pipe 9A, 9B, 9C partition receptacle 10 partition 11 opening 12 oxidizing gas introduction pipe 13 tubular ring 14 raw material flow path 15, 16 reformed gas flow path

Claims (7)

炭化水素又は脂肪族アルコールと水蒸気と酸化性ガスとを原料に用い、改質反応により水素を主成分とする改質ガスを製造するための酸化自己熱型改質装置の運転方法であって、
前記酸化自己熱型改質装置が燃料電池用酸化自己熱型改質装置であり、
前記改質ガスの生成量を減少させるときに、最初に前記炭化水素又は脂肪族アルコールの供給量を減らし、次に前記酸化性ガスの供給量を減らし、最後に前記水蒸気の供給量を減らす順序で運転条件の変更を行うことを特徴とする酸化自己熱型改質装置の運転方法。
An operation method of an oxidation autothermal reformer for producing a reformed gas mainly composed of hydrogen by a reforming reaction using a hydrocarbon or an aliphatic alcohol, water vapor and an oxidizing gas as raw materials,
The oxidation autothermal reformer is an oxidation autothermal reformer for fuel cells,
When reducing the amount of reformed gas produced, the order of decreasing the supply amount of the hydrocarbon or aliphatic alcohol first, then reducing the supply amount of the oxidizing gas, and finally decreasing the supply amount of the water vapor The operating method of the oxidation autothermal reformer is characterized in that the operating conditions are changed in step (b).
前記改質ガスの生成量を減少させるときに、改質ガス生成量の減少前に対する減少後のO/C比(炭化水素又は脂肪族アルコールに含まれる炭素のモル数に対する酸化性ガスに含まれる酸素分子のモル数の比率)を大きくすることを特徴とする請求項1に記載の酸化自己熱型改質装置の運転方法。 When the amount of reformed gas produced is reduced, the O 2 / C ratio after reduction with respect to the amount before reformed gas production is reduced (included in the oxidizing gas relative to the number of moles of carbon contained in the hydrocarbon or aliphatic alcohol). The method of operating an oxidation autothermal reformer according to claim 1, wherein the ratio of the number of moles of oxygen molecules generated is increased. 前記改質ガス生成量の減少操作を複数回に分割して行うことを特徴とする請求項1又は2に記載の酸化自己熱型改質装置の運転方法。   The operation method of the oxidation autothermal reformer according to claim 1, wherein the operation of reducing the reformed gas generation amount is performed in a plurality of times. 前記炭化水素又は脂肪族アルコールの供給量を減らした後、触媒層温度の上昇開始を検知したら即座に前記酸化性ガスの供給量を減らすことを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の酸化自己熱型改質装置の運転方法。   4. The supply amount of the oxidizing gas is reduced immediately after detecting the start of an increase in catalyst layer temperature after reducing the supply amount of the hydrocarbon or aliphatic alcohol. 5. Operation method of the oxidation autothermal reformer. 前記酸化性ガスが空気であることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の酸化自己熱型改質装置の運転方法。   The method for operating an oxidation autothermal reformer according to any one of claims 1 to 4, wherein the oxidizing gas is air. 前記炭化水素又は脂肪族アルコールが、軽油、灯油、ガソリン、ナフサ、LPガス、エタノール及びメタノールからなる群から選択される少なくとも一種であることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の酸化自己熱型改質装置の運転方法。   The said hydrocarbon or aliphatic alcohol is at least one selected from the group consisting of light oil, kerosene, gasoline, naphtha, LP gas, ethanol and methanol, according to any one of claims 1 to 5. Operation method of oxidation autothermal reformer. 前記燃料電池が固体酸化物形燃料電池であることを特徴とする請求項1に記載の酸化自己熱型改質装置の運転方法。 The method for operating an oxidation autothermal reformer according to claim 1 , wherein the fuel cell is a solid oxide fuel cell.
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