JP5307592B2 - Operation method of indirect internal reforming type solid oxide fuel cell system - Google Patents

Operation method of indirect internal reforming type solid oxide fuel cell system Download PDF

Info

Publication number
JP5307592B2
JP5307592B2 JP2009067776A JP2009067776A JP5307592B2 JP 5307592 B2 JP5307592 B2 JP 5307592B2 JP 2009067776 A JP2009067776 A JP 2009067776A JP 2009067776 A JP2009067776 A JP 2009067776A JP 5307592 B2 JP5307592 B2 JP 5307592B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
reforming
reformer
temperature
fuel cell
solid oxide
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP2009067776A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2010225285A (en
Inventor
友孝 石田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Eneos Corp
Original Assignee
JXTG Nippon Oil and Energy Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by JXTG Nippon Oil and Energy Corp filed Critical JXTG Nippon Oil and Energy Corp
Priority to JP2009067776A priority Critical patent/JP5307592B2/en
Publication of JP2010225285A publication Critical patent/JP2010225285A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP5307592B2 publication Critical patent/JP5307592B2/en
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Description

本発明は、改質器を燃料電池近傍に有する間接内部改質型固体酸化物形燃料電池を備える、間接内部改質型固体酸化物形燃料電池システムに関する。   The present invention relates to an indirect internal reforming solid oxide fuel cell system including an indirect internal reforming solid oxide fuel cell having a reformer in the vicinity of the fuel cell.

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

改質には、水蒸気改質、部分酸化改質など種々の反応が利用される。いずれも、ある一定以上の温度を必要とする。そのため、SOFCの近傍(SOFCからの熱輻射を受ける位置)に改質器を設置し、SOFCからの輻射熱によって改質器を加熱する間接内部改質型SOFCが開発されている(特許文献1参照)。また、間接内部改質型SOFCにおいて、可燃分を含有するアノードオフガス(SOFCのアノードから排出されるガス)を間接内部改質型SOFCの筐体(モジュール容器)内で燃焼させ、この燃焼熱を熱源として改質器を加熱することが行われている(特許文献2参照)。   Various reactions such as steam reforming and partial oxidation reforming are used for the reforming. Both require a certain temperature or higher. Therefore, an indirect internal reforming SOFC has been developed in which a reformer is installed in the vicinity of the SOFC (a position that receives heat radiation from the SOFC), and the reformer is heated by radiant heat from the SOFC (see Patent Document 1). ). Further, in the indirect internal reforming SOFC, combustible anode off-gas (gas discharged from the SOFC anode) is combusted in the indirect internal reforming SOFC casing (module container), and this combustion heat is burned. A reformer is heated as a heat source (see Patent Document 2).

特開2002−358997号公報JP 2002-358997 A 特開2004−319420号公報JP 2004-319420 A

このように、間接内部改質型SOFCでは、SOFCを熱源として改質器を加熱する。   Thus, in the indirect internal reforming SOFC, the reformer is heated using the SOFC as a heat source.

しかし、間接内部改質型SOFCの起動時においては、SOFCの熱が期待できないため、SOFC以外の手段により改質触媒が活性を発現する温度まで触媒を昇温することが求められる。改質器を昇温するために、部分酸化改質反応あるいは自己熱改質反応といった発熱を伴う改質反応を改質器にて行い、改質ガスをSOFCに供給し、アノードオフガスを燃焼することが考えられる。しかしながら、部分酸化改質反応や自己熱改質反応で生成した改質ガスは、窒素、二酸化炭素、水蒸気といった熱容量が大きい非燃焼成分を含む。このため、改質ガスを燃焼領域で燃焼させても所望の温度が得られない、あるいは燃焼領域で燃焼を維持できない場合がある。   However, since the heat of the SOFC cannot be expected at the time of starting the indirect internal reforming SOFC, it is required to raise the temperature of the catalyst to a temperature at which the reforming catalyst exhibits activity by means other than the SOFC. In order to raise the temperature of the reformer, a reforming reaction with heat generation such as a partial oxidation reforming reaction or an autothermal reforming reaction is performed in the reformer, the reformed gas is supplied to the SOFC, and the anode off-gas is combusted. It is possible. However, the reformed gas generated by the partial oxidation reforming reaction or the autothermal reforming reaction includes non-combustion components having a large heat capacity such as nitrogen, carbon dioxide, and steam. For this reason, even if the reformed gas is burned in the combustion region, a desired temperature may not be obtained, or combustion may not be maintained in the combustion region.

さらに、間接内部改質型SOFCの停止時には、SOFCの酸化劣化を抑制するため、SOFCが所定温度になるまで還元ガス(水素を含む改質ガス)をSOFCに供給しつつ、SOFCの温度を下げることが望まれる。このとき、未改質の燃料を含まない改質ガスを発生させるために、改質器への所定量の熱供給を維持することが望まれる。一方、SOFCを効果的に冷却するためには、比較的高温となる改質ガスの供給量を減少させることが望まれる。つまり、改質ガスの量を絞りつつも確実に改質することが望まれ、このような際に改質器の加熱を良好に行えなくなるおそれがある。
このように、間接内部改質型SOFCの起動時および停止時のような過度的な状態においては、改質器の加熱が不足し、その結果、改質器の昇温が良好に行えなくなったり確実な改質が行えなくなったりする場合がある。
Further, when the indirect internal reforming SOFC is stopped, in order to suppress the oxidative deterioration of the SOFC, the SOFC temperature is lowered while the reducing gas (reformed gas containing hydrogen) is supplied to the SOFC until the SOFC reaches a predetermined temperature. It is desirable. At this time, in order to generate a reformed gas that does not contain unreformed fuel, it is desired to maintain a predetermined amount of heat supply to the reformer. On the other hand, in order to effectively cool the SOFC, it is desired to reduce the supply amount of the reformed gas that becomes a relatively high temperature. That is, it is desired to reliably reform while reducing the amount of the reformed gas. In such a case, there is a possibility that heating of the reformer cannot be performed satisfactorily.
Thus, in an excessive state such as when the indirect internal reforming SOFC is started and stopped, the reformer is insufficiently heated, and as a result, the reformer cannot be heated well. There are cases where reliable reforming cannot be performed.

本発明の目的は、起動時、さらには停止時において、改質器の加熱不足を防止することが容易な間接内部改質型SOFCシステムの運転方法を提供することである。 An object of the present invention, during startup, even more during stop, is that it is possible to prevent insufficient heating of the reformer provide easy indirect internal reforming SOFC system operating method.

本発明により、次の間接内部改質型SOFCシステムの運転方法が提供される。 The present invention, a method of operating a next indirect internal reforming SOFC system is provided.

1)炭化水素系燃料から改質ガスを製造する、改質触媒層を備える改質器と、
前記改質器で得られる改質ガスを用いて発電する固体酸化物形燃料電池と
前記改質触媒層を加熱する電気ヒーターであって、それぞれ独立して通電可能な複数の抵抗体を含む電気ヒーターと、
改質触媒層の相異なる複数個所の温度をそれぞれ検知する複数の温度検知手段と、
前記温度検知手段で検知された温度に基づいて、前記複数の抵抗体のうちの任意の個所および数の抵抗体に選択的に通電することができるヒーター制御手段であって、前記複数の抵抗体のそれぞれへの通電量を可変制御可能なヒーター制御手段と、
前記固体酸化物形燃料電池から排出されるアノードオフガスを燃焼させるための燃焼領域と、
前記改質器、固体酸化物形燃料電池および燃焼領域を収容する筐体と、
を有し、
前記改質器が、前記固体酸化物形燃料電池から受熱可能な位置に配され、かつ、前記燃焼領域で発生する燃焼熱を受熱可能な位置に配された、
間接内部改質型固体酸化物形燃料電池システムの運転方法であって、
前記改質触媒層が、炭化水素系燃料を自己熱改質可能であり、
間接内部改質型固体酸化物形燃料電池システムを起動する際に、
改質触媒層の温度状態を検知し、加熱不足により比較的温度が低い部位を選択的に加熱する工程であって、前記ヒーター制御手段を用いて、前記温度検知手段によって検知した温度に基づいて、前記複数の抵抗体のうちの一以上の抵抗体を選択して通電することにより、前記改質触媒層の熱不足を補う熱アシスト工程を有し、かつ、
a)前記改質触媒層の温度が炭化水素系燃料の自己熱改質反応開始温度以上になったら、前記改質器で炭化水素系燃料を自己熱改質し、得られた改質ガスを前記固体酸化物形燃料電池に導入し、アノードオフガスを前記燃焼領域で燃焼させる工程を有し、
工程aにおいて前記熱アシスト工程を行なう
間接内部改質型固体酸化物形燃料電池システムの運転方法。
1) a reformer having a reforming catalyst layer for producing reformed gas from a hydrocarbon-based fuel;
A solid oxide fuel cell which generates electric power using the reformed gas obtained in the reformer,
An electrical heater for heating the reforming catalyst layer, and the electric heater including a plurality of resistors that can be energized independently,
A plurality of temperature detecting means for detecting the temperatures of a plurality of different locations of the reforming catalyst layer,
On the basis of the temperature detected by the detection means temperature, a heater control means capable of selectively energizing the arbitrary location and number of resistors of the plurality of resistors, said plurality of resistors Heater control means capable of variably controlling the energization amount to each of the
A combustion region for burning anode off-gas discharged from the solid oxide fuel cell;
A housing for housing the reformer, the solid oxide fuel cell and the combustion region;
I have a,
The reformer is disposed at a position where heat can be received from the solid oxide fuel cell, and is disposed at a position where heat from combustion generated in the combustion region can be received.
A method for operating an indirect internal reforming solid oxide fuel cell system, comprising:
The reforming catalyst layer is capable of self-thermal reforming hydrocarbon fuel,
When starting up an indirect internal reforming solid oxide fuel cell system,
A step of detecting the temperature state of the reforming catalyst layer and selectively heating a portion having a relatively low temperature due to insufficient heating, based on the temperature detected by the temperature detection unit using the heater control unit. A heat assist step for compensating for the heat shortage of the reforming catalyst layer by selecting and energizing one or more of the plurality of resistors, and
a) When the temperature of the reforming catalyst layer becomes equal to or higher than the self-thermal reforming reaction start temperature of the hydrocarbon fuel, the hydrocarbon fuel is self-heat reformed by the reformer, and the resulting reformed gas is Introducing into the solid oxide fuel cell and combusting anode off gas in the combustion region;
The heat assist step is performed in step a.
A method for operating an indirect internal reforming solid oxide fuel cell system.

)前記改質触媒層が炭化水素系燃料を部分酸化改質可能であり、
前記工程aより前に、
b)前記改質触媒層の温度が炭化水素系燃料の部分酸化改質反応開始温度以上になったら、前記改質器で炭化水素系燃料を部分酸化改質し、得られた改質ガスを前記固体酸化物形燃料電池に導入し、アノードオフガスを前記燃焼領域で燃焼させる工程
を有し、
工程bにおいて前記熱アシスト工程を行なう
)記載の方法。
2 ) The reforming catalyst layer is capable of partial oxidation reforming of hydrocarbon fuel,
Prior to step a,
b) When the temperature of the reforming catalyst layer becomes equal to or higher than the partial oxidation reforming reaction start temperature of the hydrocarbon fuel, the hydrocarbon fuel is partially oxidized and reformed by the reformer, and the resulting reformed gas is Introducing into the solid oxide fuel cell and combusting anode off gas in the combustion region;
In step b, the heat assist step is performed.
1 ) The method described.

)前記改質触媒層が前記炭化水素系燃料を水蒸気改質可能であり、
前記工程aより後に、
c)前記改質触媒層の温度が炭化水素系燃料の水蒸気改質反応開始温度以上になったら、前記改質器で炭化水素系燃料を水蒸気改質し、得られた改質ガスを前記固体酸化物形燃料電池に導入し、アノードオフガスを前記燃焼領域で燃焼させる工程
を有し、
工程cにおいて前記熱アシスト工程を行なう
)記載の方法。
3 ) The reforming catalyst layer is capable of steam reforming the hydrocarbon fuel,
After step a,
c) When the temperature of the reforming catalyst layer becomes equal to or higher than the steam reforming reaction start temperature of the hydrocarbon fuel, the reforming device steam reforms the hydrocarbon fuel and converts the resulting reformed gas into the solid fuel. Introducing into the oxide fuel cell and burning the anode off gas in the combustion region;
In step c, the heat assist step is performed.
2 ) The method described.

4)間接内部改質型固体酸化物形燃料電池システムを停止させる際に、
i)前記固体酸化物型燃料電池の発電を停止させ、かつ、前記改質器に供給する炭化水素系燃料の流量を減らして相対的に小流量の炭化水素系燃料を改質器に供給し、もって前記固体酸化物型燃料電池に供給する改質ガス量を減らして前記燃焼領域でのアノードオフガスの燃焼量を減らし、前記固体酸化物形燃料電池を降温する工程、および、
ii)前記固体酸化物型燃料電池が改質ガスを必要としない温度まで降温した後、前記改質器に供給する炭化水素系燃料の供給を停止する工程
をこの順に有し、
工程iにおいて前記熱アシスト工程を行なう
1)〜3)の何れかに記載の方法。
4) indirect internal reforming-type solid oxide fuel cell system when stopping,
i) Stop the power generation of the solid oxide fuel cell and reduce the flow rate of the hydrocarbon-based fuel supplied to the reformer to supply a relatively small flow rate of hydrocarbon-based fuel to the reformer. , have to reduce the firing rate of the anode off-gas in the solid oxide fuel cell for supplying the reformed gas amount was reduced by the combustion region, step of cooling the solid oxide fuel cell and,
ii) after the solid oxide fuel cell is lowered to a temperature that does not require the reformed gas, comprising the step of stopping the supply of the hydrocarbon-based fuel supplied to the reformer in this order,
The heat assist step is performed in step i.
The method according to any one of 1) to 3) .

本発明により、起動時、さらには停止時において、改質器の加熱不足を防止することが容易な間接内部改質型SOFCシステムの運転方法が提供される。 The present invention, during startup, even more during stop, easy indirect internal reforming SOFC system method of operation to prevent insufficient heating of the reformer is provided.

本発明の間接内部改質型固体酸化物形燃料電池システムの一形態につき、その概要を示す模式図である。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is a schematic diagram which shows the outline | summary about one form of the indirect internal reforming type solid oxide fuel cell system of this invention. 図1に示したシステムの改質器部分を示した模式図である。It is the schematic diagram which showed the reformer part of the system shown in FIG.

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

〔間接内部改質型SOFC〕
図1に、本発明の間接内部改質型SOFCシステムの一形態を模式的に示す。また図2にそのシステムの改質器部分を模式的に示す。
[Indirect internal reforming SOFC]
FIG. 1 schematically shows an embodiment of the indirect internal reforming SOFC system of the present invention. FIG. 2 schematically shows the reformer part of the system.

間接内部改質型SOFCは、炭化水素系燃料から改質ガスを製造する改質器2を有する。改質器2は、改質触媒層3をその内部に備える。また、間接内部改質型SOFCは、改質器2で得られる改質ガスを用いて発電するSOFC1を有し、そしてSOFC1から排出されるアノードオフガスを燃焼させる燃焼領域9を有する。改質器2はSOFCから受熱可能な位置に配される。また、間接内部改質型SOFCは、改質器、SOFCおよび燃焼領域を収容する筐体10を有する。そして、改質器が、燃焼領域で発生する燃焼熱を受熱可能な位置に配される。   The indirect internal reforming SOFC has a reformer 2 that produces reformed gas from hydrocarbon fuel. The reformer 2 includes a reforming catalyst layer 3 therein. The indirect internal reforming SOFC has a SOFC 1 that generates power using the reformed gas obtained in the reformer 2, and has a combustion region 9 in which anode off-gas discharged from the SOFC 1 is burned. The reformer 2 is disposed at a position where heat can be received from the SOFC. The indirect internal reforming SOFC has a housing 10 that houses the reformer, the SOFC, and the combustion region. The reformer is arranged at a position where it can receive the combustion heat generated in the combustion region.

炭化水素系燃料が改質器2に供給される。このとき、必要に応じて酸素含有ガス(空気など)や水蒸気も改質器に供給される。改質器2から得られる改質ガスが、SOFC1のアノードに供給される。アノードから排出されるアノードオフガスは、燃焼領域で燃焼可能である。   A hydrocarbon fuel is supplied to the reformer 2. At this time, oxygen-containing gas (such as air) and water vapor are also supplied to the reformer as necessary. The reformed gas obtained from the reformer 2 is supplied to the anode of the SOFC 1. The anode off gas discharged from the anode can be combusted in the combustion region.

改質器2には、改質触媒層3を加熱する電気ヒーター4が搭載される。電気ヒーター4は複数の抵抗体を含む。図においては、9個の抵抗体4−1〜4−9が設けられる(抵抗体4−3〜4−8については、符号の図示を省略する)。複数の抵抗体は、それぞれ独立して通電可能とされる。   An electric heater 4 for heating the reforming catalyst layer 3 is mounted on the reformer 2. The electric heater 4 includes a plurality of resistors. In the figure, nine resistors 4-1 to 4-9 are provided (reference numerals are omitted for the resistors 4-3 to 4-8). The plurality of resistors can be independently energized.

電気ヒーター4は、これら複数の抵抗体のうちの、任意の箇所かつ任意の数の抵抗体に、選択的に通電する(負荷をかける)ことが出来る機構を有する。この機構は、適宜の配線によって形成することができる。例えば、図示のように各抵抗体にそれぞれ独立に接続した配線によってこの機構を形成することができる。このような配線および抵抗体に対して通電をオンオフするスイッチングが可能なヒーター制御手段、あるいは、このような配線および抵抗体に対する通電量を制御できるヒーター制御手段を用いることができる(ヒーター制御手段については後述する)。   The electric heater 4 has a mechanism capable of selectively energizing (loading) an arbitrary place and an arbitrary number of resistors among the plurality of resistors. This mechanism can be formed by appropriate wiring. For example, as shown in the figure, this mechanism can be formed by wirings connected to each resistor independently. Heater control means capable of switching to turn on / off energization to such wiring and resistor, or heater control means capable of controlling the energization amount to such wiring and resistor can be used (about the heater control means). Will be described later).

抵抗体としては、例えば抵抗線を用いることができる。   For example, a resistance wire can be used as the resistor.

改質器2には、改質触媒層の相異なる複数個所の温度をそれぞれ検知する複数の温度検知手段(改質触媒層温度検知手段)5が設けられる。図においては、9個の温度検知手段5−1〜5−9が設けられる(温度検知手段5−3〜5−8については符号の図示を省略する)。   The reformer 2 is provided with a plurality of temperature detecting means (reforming catalyst layer temperature detecting means) 5 for detecting temperatures at different positions of the reforming catalyst layer. In the figure, nine temperature detection means 5-1 to 5-9 are provided (reference numerals are omitted for the temperature detection means 5-3 to 5-8).

温度検知手段としては、改質触媒層の温度を検知できる、熱電対などの公知の温度センサーを適宜用いることができる。   As the temperature detection means, a known temperature sensor such as a thermocouple that can detect the temperature of the reforming catalyst layer can be appropriately used.

ヒーター制御手段6は、温度検知手段で検知された温度に基づいて、複数の抵抗体のうちの任意の個所および数の抵抗体に選択的に通電することを可能とする。つまり、ヒーター制御手段は、複数の抵抗体のうちの一部もしくは全部を選択し、選択された抵抗体には通電し、選択されない抵抗体には通電しないという制御を行なう。これにより、改質触媒層に部分的な熱不足があった場合に、熱が不足している部分を選択的に加熱し、部分的な熱不足を補うことができる。つまり、改質触媒層がヒーター4以外の熱源によって加熱されているときに、部分的に加熱不足となることがあっても、その部分を選択的に加熱して、不足した熱を補うことができる。   Based on the temperature detected by the temperature detection means, the heater control means 6 can selectively energize any location and number of resistors among the plurality of resistors. That is, the heater control means performs control such that a part or all of the plurality of resistors are selected, the selected resistors are energized, and the unselected resistors are not energized. Thereby, when there is a partial lack of heat in the reforming catalyst layer, a portion where the heat is insufficient can be selectively heated to compensate for the partial lack of heat. That is, even when the reforming catalyst layer is heated by a heat source other than the heater 4, even if the heating is partially insufficient, the portion can be selectively heated to compensate for the insufficient heat. it can.

ヒーター制御手段が、それぞれの抵抗体への通電を単にオンオフすることもできるが、通電量を可変制御できることが、改質器の負荷量の変化や外乱に対して随意対応できること及びヒーターの電力消費量を削減できる観点から好ましい。   The heater control means can simply turn on and off the energization of each resistor, but the ability to variably control the energization can respond to changes in the load amount and disturbance of the reformer, and the power consumption of the heater It is preferable from the viewpoint of reducing the amount.

具体的には、検知された改質触媒層温度は、信号としてヒーター制御手段6に送られる。ヒーター制御手段6は、これら信号を利用して、改質器2に搭載された電気ヒーター4の抵抗体4−1〜4−9のうちの、通電する抵抗体およびその通電量を制御する。   Specifically, the detected reforming catalyst layer temperature is sent to the heater control means 6 as a signal. The heater control means 6 uses these signals to control the resistor to be energized and the energization amount among the resistors 4-1 to 4-9 of the electric heater 4 mounted on the reformer 2.

以下、場合により、改質触媒層の熱不足を補うことを「熱アシスト」という。また熱アシストを行なう電気ヒーターを熱アシスト用電気ヒーターと呼ぶことがある。   Hereinafter, supplementing the heat shortage of the reforming catalyst layer in some cases is referred to as “thermal assist”. An electric heater that performs heat assist may be referred to as a heat assist electric heater.

ヒーター制御手段としては、制御用コンピュータやシーケンサ、インバータなど、間接内部改質型SOFCもしくはSOFCシステムにおいて、制御に用いられる公知の制御手段を適宜用いることができる。   As the heater control means, known control means used for control in an indirect internal reforming SOFC or SOFC system such as a control computer, a sequencer, and an inverter can be appropriately used.

前述したように、本発明による間接内部改質型SOFCシステムは、改質器に熱アシスト用電気ヒーターを搭載しており、このヒーターはそれぞれ独立して通電可能な複数個の抵抗体の集まりとすることができる。また、間接内部改質型SOFCシステムは、複数の抵抗体のうちの、任意の箇所および数の抵抗体に選択的に負荷をかけることが出来る機構を有する。これにより、触媒の温度状態を観察しつつ、適切で、かつ、消費電力が少ないヒーターによる熱アシストを行なう運転が可能となる。   As described above, the indirect internal reforming SOFC system according to the present invention is equipped with a heat assist electric heater in the reformer, and this heater includes a group of a plurality of resistors that can be energized independently. can do. Further, the indirect internal reforming SOFC system has a mechanism that can selectively apply a load to any number and number of resistors among the plurality of resistors. Accordingly, it is possible to perform an operation that performs heat assist with a heater that is appropriate and consumes less power while observing the temperature state of the catalyst.

例えば、起動運転または停止運転において、改質触媒層において燃焼を行なうことで改質触媒層を加熱する際に、触媒層の上流側部分で燃焼が完了し、触媒層の下流側部分では燃焼がおきないことがある。このような場合に、燃焼の起こっている触媒層の上流側部分には電気ヒーターによる熱アシストを掛けずに、燃焼の起こっていない下流側部分に選択的に電気ヒーターによる熱アシストを掛け、起動または停止時のヒーター消費電力を削減することが可能となる。   For example, in starting operation or stopping operation, when the reforming catalyst layer is heated by performing combustion in the reforming catalyst layer, the combustion is completed in the upstream portion of the catalyst layer and the combustion is performed in the downstream portion of the catalyst layer. Sometimes it does n’t happen. In such a case, the upstream part of the catalyst layer where combustion occurs is not subjected to thermal assistance by the electric heater, but the downstream part where combustion does not occur is selectively subjected to thermal assistance by the electric heater, and the starting is started. Or it becomes possible to reduce the heater power consumption at the time of a stop.

〔炭化水素系燃料〕
炭化水素系燃料としては、改質ガスの原料としてSOFCの分野で公知の、分子中に炭素と水素を含む(酸素など他の元素を含んでもよい)化合物もしくはその混合物から適宜選んで用いることができ、炭化水素類、アルコール類など分子中に炭素と水素を有する化合物を用いることができる。例えばメタン、エタン、プロパン、ブタン、天然ガス、LPG(液化石油ガス)、都市ガス、ガソリン、ナフサ、灯油、軽油等の炭化水素燃料、また、メタノール、エタノール等のアルコール、ジメチルエーテル等のエーテル等である。
[Hydrocarbon fuel]
As the hydrocarbon-based fuel, as a reformed gas raw material, a compound known from the field of SOFC, containing carbon and hydrogen (may contain other elements such as oxygen) or a mixture thereof, or a mixture thereof may be used as appropriate. And compounds having carbon and hydrogen in the molecule such as hydrocarbons and alcohols can be used. For example, hydrocarbon fuels such as methane, ethane, propane, butane, natural gas, LPG (liquefied petroleum gas), city gas, gasoline, naphtha, kerosene, light oil, etc., alcohols such as methanol and ethanol, ethers such as dimethyl ether, etc. is there.

なかでも灯油やLPGは、入手容易であり好ましい。また、独立して貯蔵可能であるため、都市ガスのラインが普及していない地域において有用である。さらに、灯油やLPGを利用したSOFC発電装置は、非常用電源として有用である。特には、取り扱いも容易である点で、灯油が好ましい。   Of these, kerosene and LPG are preferred because they are readily available. Moreover, since it can be stored independently, it is useful in an area where the city gas line is not widespread. Furthermore, SOFC power generators using kerosene or LPG are useful as emergency power supplies. In particular, kerosene is preferable because it is easy to handle.

改質原料として用いる炭化水素系燃料は、必要に応じて脱硫したうえで改質器に供給することができる。また、炭化水素系燃料が液体である場合には、適宜気化したうえで改質器に供給することができる。   The hydrocarbon fuel used as the reforming raw material can be supplied to the reformer after being desulfurized as necessary. When the hydrocarbon fuel is a liquid, it can be appropriately vaporized and then supplied to the reformer.

〔改質器〕
改質器は、炭化水素系燃料から水素を含む改質ガスを製造する。
[Reformer]
The reformer produces a reformed gas containing hydrogen from a hydrocarbon fuel.

改質器においては、水蒸気改質、部分酸化改質、および、水蒸気改質反応に部分酸化反応が伴う自己熱改質のいずれを行ってもよい。   In the reformer, any of steam reforming, partial oxidation reforming, and autothermal reforming accompanied by partial oxidation reaction in the steam reforming reaction may be performed.

改質器には、水蒸気改質能を有する水蒸気改質触媒、部分酸化改質能を有する部分酸化改質触媒、部分酸化改質能と水蒸気改質能とを併せ持つ自己熱改質触媒を適宜用いることができる。   The reformer is appropriately equipped with a steam reforming catalyst having steam reforming ability, a partial oxidation reforming catalyst having partial oxidation reforming ability, and a self-thermal reforming catalyst having both partial oxidation reforming ability and steam reforming ability. Can be used.

改質器の構造は、改質器として公知の構造を適宜採用できる。例えば、密閉可能な容器内に改質触媒を収容する領域を有し、改質に必要な流体の導入口と改質ガスの排出口を有する構造とすることができる。   As the structure of the reformer, a structure known as a reformer can be appropriately adopted. For example, it is possible to have a structure having a region for accommodating the reforming catalyst in a sealable container and having an inlet for fluid necessary for reforming and an outlet for reforming gas.

改質器の材質は、改質器として公知の材質から、使用環境における耐性を考慮して適宜選んで採用できる。   The material of the reformer can be appropriately selected and adopted from materials known as reformers in consideration of resistance in the use environment.

改質器の形状は、直方体状や円管状など適宜の形状とすることができる。   The shape of the reformer can be an appropriate shape such as a rectangular parallelepiped or a circular tube.

炭化水素系燃料(必要に応じて予め気化される)および水蒸気、さらに必要に応じて空気等の酸素含有ガスをそれぞれ単独で、もしくは適宜混合した上で改質器(改質触媒層)に供給することができる。また、改質ガスはSOFCのアノードに供給される。   Supply hydrocarbon-based fuel (pre-vaporized if necessary), water vapor, and oxygen-containing gas such as air, if necessary, individually or appropriately mixed to the reformer (reforming catalyst layer) can do. The reformed gas is supplied to the anode of the SOFC.

改質器から得られる改質ガスが、SOFCのアノードに供給される。一方、SOFCのカソードには空気などの酸素含有ガスが供給される。発電時には、発電に伴いSOFCが発熱し、その熱がSOFCから改質器へと、輻射伝熱などにより伝わる。こうしてSOFC排熱が改質器を加熱するために利用される。ガスの取り合い等は適宜配管等を用いて行う。   The reformed gas obtained from the reformer is supplied to the anode of the SOFC. On the other hand, an oxygen-containing gas such as air is supplied to the cathode of the SOFC. During power generation, the SOFC generates heat with power generation, and the heat is transmitted from the SOFC to the reformer by radiant heat transfer or the like. Thus, the SOFC exhaust heat is used to heat the reformer. Gas exchange and the like are appropriately performed using piping or the like.

〔SOFC〕
SOFCとしては、公知のSOFCを適宜選んで採用できる。SOFCでは、一般的に、酸素イオン導電性セラミックスもしくはプロトンイオン導電性セラミックスが電解質として利用される。
[SOFC]
As the SOFC, a known SOFC can be appropriately selected and employed. In the SOFC, oxygen ion conductive ceramics or proton ion conductive ceramics are generally used as an electrolyte.

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

SOFCの形状も、立方体状スタックに限らず、適宜の形状を採用できる。   The shape of the SOFC is not limited to the cubic stack, and an appropriate shape can be adopted.

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

モジュール容器の内部と外界(大気)とが連通しないように、モジュール容器が気密性を持つことが好ましい。   The module container is preferably airtight so that the interior of the module container does not communicate with the outside (atmosphere).

〔燃焼領域〕
燃焼領域は、SOFCのアノードから排出されるアノードオフガスを燃焼可能な領域である。例えば、アノード出口を筐体内に開放し、アノード出口近傍の空間を燃焼領域とすることができる。酸素含有ガスとして例えばカソードオフガスを用いてこの燃焼を行なうことができる。このために、カソード出口を筐体内に開放することができる。
(Combustion area)
The combustion region is a region where the anode off gas discharged from the anode of the SOFC can be combusted. For example, the anode outlet can be opened in the housing, and the space near the anode outlet can be used as a combustion region. This combustion can be performed using, for example, a cathode off gas as the oxygen-containing gas. For this purpose, the cathode outlet can be opened in the housing.

アノードオフガスを燃焼させるために、イグナイターなどの着火手段を適宜用いることができる。   In order to burn the anode off gas, ignition means such as an igniter can be appropriately used.

〔改質器の配置〕
間接内部改質型SOFCでは、改質器がSOFCから受熱可能な位置に配置する。このために、改質器をSOFCから熱輻射を受ける位置に配置することができるが、その熱輻射を最も受ける位置に改質器を置くことが熱エネルギーロスの観点から好ましい。
[Arrangement of reformer]
In the indirect internal reforming SOFC, the reformer is disposed at a position where heat can be received from the SOFC. For this reason, the reformer can be disposed at a position that receives heat radiation from the SOFC, but it is preferable from the viewpoint of thermal energy loss to place the reformer at a position that receives the most heat radiation.

改質器が、燃焼領域で発生する燃焼熱を受熱可能な位置に配されることが好ましい。このために、改質器を燃焼領域から熱輻射を受ける位置に配置することができる。このとき、燃焼領域と改質器の間に遮蔽物を配置しないことが好ましい。つまり、燃焼領域と改質器とが、遮蔽物を挟むことなく対向することが好ましい。ただし、必要な配管等は適宜配置される。改質器と燃焼領域とを、できるだけ近い位置に配することが好ましい。   The reformer is preferably disposed at a position where it can receive the combustion heat generated in the combustion region. For this purpose, the reformer can be arranged at a position that receives heat radiation from the combustion region. At this time, it is preferable not to arrange a shield between the combustion region and the reformer. That is, it is preferable that the combustion region and the reformer face each other without sandwiching the shield. However, necessary piping and the like are appropriately arranged. It is preferable to arrange the reformer and the combustion region as close as possible.

〔改質触媒〕
改質器で用いることのできる水蒸気改質触媒、部分酸化改質触媒、自己熱改質触媒のいずれも、それぞれ公知な非貴金属もしくは貴金属改質触媒を用いることができる。
[Reforming catalyst]
Any of the steam reforming catalyst, the partial oxidation reforming catalyst, and the autothermal reforming catalyst that can be used in the reformer can be a known non-noble metal or noble metal reforming catalyst.

〔他の機器〕
間接内部改質型SOFCシステムの公知の構成要素は、必要に応じて適宜設けることができる。具体例を挙げれば、液体を気化させる気化器、各種流体を加圧するためのポンプ、圧縮機、ブロワなどの昇圧手段、流体の流量を調節するため、あるいは流体の流れを遮断/切り替えるためのバルブ等の流量調節手段や流路遮断/切り替え手段、熱交換・熱回収を行うための熱交換器、気体を凝縮する凝縮器、スチームなどで各種機器を外熱する加熱/保温手段、炭化水素系燃料(改質原料)や燃焼用燃料の貯蔵手段、計装用の空気や電気系統、制御用の信号系統、制御装置、出力用や動力用の電気系統、燃料中の硫黄分濃度を低減する脱硫器などである。
[Other equipment]
Known components of the indirect internal reforming SOFC system can be appropriately provided as necessary. Specific examples include a vaporizer for vaporizing liquid, a pump for pressurizing various fluids, a pressure increasing means such as a compressor and a blower, a valve for adjusting the flow rate of the fluid, or for blocking / switching the flow of the fluid. Such as flow rate control means, flow path blocking / switching means, heat exchanger for heat exchange / recovery, condenser for condensing gas, heating / heat-retaining means for externally heating various devices with steam, etc., hydrocarbon system Fuel (reforming raw materials) and combustion fuel storage means, instrumentation air and electrical systems, control signal systems, control devices, output and power electrical systems, desulfurization to reduce the concentration of sulfur in the fuel Such as a vessel.

〔間接内部改質型SOFCシステムの運転方法〕
本発明の間接内部改質型SOFCシステムの運転方法は、間接内部改質型SOFCシステムを起動もしくは停止する方法であって、
前記ヒーター制御手段を用いて、前記温度検知手段によって検知した温度に基づいて、前記複数の抵抗体のうちの一以上の抵抗体を選択して通電することにより、前記改質触媒層の熱不足を補う熱アシスト工程を有する。
[Indirect internal reforming SOFC system operation method]
The operation method of the indirect internal reforming SOFC system of the present invention is a method of starting or stopping the indirect internal reforming SOFC system,
Using the heater control means, based on the temperature detected by the temperature detection means, selecting one or more resistors among the plurality of resistors and energizing them, the reforming catalyst layer lacks heat. A heat assist process to compensate for

〔間接内部改質型SOFCシステムの起動運転〕
間接内部改質型SOFCシステムの起動においては、先ず改質触媒層を加熱して昇温する。この加熱のために、電気ヒーターなどの加熱手段を用いることができる。この電気ヒーターには起動専用の起動用ヒーター(不図示)、もしくは、熱アシスト用電気ヒーター4を用いることができる。また、これら両者を併用することもできる。この他、炭化水素系燃料(改質原料)がガス体の場合、改質器2およびSOFC1を経て炭化水素系燃料(改質原料)を燃焼領域9に供給し、燃焼領域で改質原料を燃焼させ、その燃焼熱をこの加熱のために用いることができる。
[Startup operation of indirect internal reforming SOFC system]
In starting up the indirect internal reforming SOFC system, the reforming catalyst layer is first heated to raise the temperature. A heating means such as an electric heater can be used for this heating. As this electric heater, a start-up heater (not shown) dedicated to start-up or a heat assist electric heater 4 can be used. Moreover, both of these can also be used together. In addition, when the hydrocarbon fuel (reformed raw material) is a gas body, the hydrocarbon fuel (reformed raw material) is supplied to the combustion region 9 via the reformer 2 and the SOFC 1, and the reformed raw material is supplied in the combustion region. The combustion heat can be used for this heating.

そして、改質触媒層が炭化水素系燃料を自己熱改質可能な場合、工程aを行うことができる。すなわち、改質触媒層が自己熱改質することが可能な温度以上になったら、改質器で炭化水素系燃料(改質原料)を自己熱改質し、得られた改質ガスをSOFCに導入し、アノードオフガスを燃焼領域で燃焼させる。   Then, when the reforming catalyst layer can autothermally reform the hydrocarbon-based fuel, step a can be performed. In other words, when the temperature of the reforming catalyst layer reaches a temperature at which self-thermal reforming is possible, the reformer reforms the hydrocarbon-based fuel (reforming raw material) by self-thermal reforming, and converts the resulting reformed gas into SOFC. And the anode off gas is burned in the combustion zone.

炭化水素系燃料(改質原料)に加えて自己熱改質に必要な水蒸気や酸素含有ガス(空気や酸素ガスなど)は適宜改質器に供給する。   In addition to the hydrocarbon fuel (reforming raw material), water vapor and oxygen-containing gas (air, oxygen gas, etc.) necessary for autothermal reforming are appropriately supplied to the reformer.

工程aにおいては、自己熱改質反応による発熱と燃焼領域で発生する燃焼熱により、改質器2、特には改質触媒層3が加熱される。なお、この際、改質器に搭載された改質器温度検知手段5により検知した改質触媒層の温度に基づいて、複数の抵抗体のうちの一以上の抵抗体を選択して通電することにより、改質触媒層の熱不足を補う(熱アシストを行なう)。つまり加熱不足により比較的温度が低い部位を選択的に加熱する。具体的には、改質器に搭載された改質器温度検知手段により改質触媒層の温度状態を検知し、検知された改質触媒層温度は信号としてヒーター制御手段6に送られる。ヒーター制御手段は、これら信号を利用して、改質器に搭載された熱アシスト用電気ヒーター4の出力箇所および負荷量(通電する抵抗体およびその通電量)を制御し、改質器の任意の場所における熱不足を補う熱アシスト工程が実施される。   In step a, the reformer 2, particularly the reforming catalyst layer 3, is heated by heat generated by the autothermal reforming reaction and combustion heat generated in the combustion region. At this time, based on the temperature of the reforming catalyst layer detected by the reformer temperature detecting means 5 mounted on the reformer, one or more resistors among the plurality of resistors are selected and energized. Thus, the heat shortage of the reforming catalyst layer is compensated (thermal assist is performed). That is, a portion having a relatively low temperature is selectively heated due to insufficient heating. Specifically, the temperature state of the reforming catalyst layer is detected by the reformer temperature detecting means mounted on the reformer, and the detected reforming catalyst layer temperature is sent to the heater control means 6 as a signal. The heater control means uses these signals to control the output location and the load amount (the resistor to be energized and its energization amount) of the heat assist electric heater 4 mounted on the reformer, so that any reformer can be used. A heat assist process is performed to compensate for the lack of heat at the location.

改質触媒層が、炭化水素系燃料(改質原料)を部分酸化改質することもできる場合、工程aより前に、工程bを行うこともできる。すなわち、改質触媒層の温度が炭化水素系燃料(改質原料)の部分酸化改質反応開始温度以上になったら、改質器で炭化水素系燃料(改質原料)を部分酸化改質し、得られた改質ガスをSOFC1に導入し、アノードオフガスを燃焼領域9で燃焼させる。   When the reforming catalyst layer can also partially oxidize and reform the hydrocarbon fuel (reforming raw material), the step b can be performed before the step a. That is, when the temperature of the reforming catalyst layer becomes equal to or higher than the partial oxidation reforming reaction start temperature of the hydrocarbon fuel (reforming raw material), the hydrocarbon fuel (reforming raw material) is partially oxidized and reformed by the reformer. Then, the obtained reformed gas is introduced into the SOFC 1 and the anode off gas is burned in the combustion region 9.

一般的に、部分酸化改質反応開始温度の方が、自己熱改質反応開始温度より低温であり、また部分酸化改質は吸熱反応を伴わないので、工程bを行うことは起動時間短縮のために好ましい。   In general, the partial oxidation reforming reaction starting temperature is lower than the autothermal reforming reaction starting temperature, and the partial oxidation reforming does not involve an endothermic reaction. Therefore, it is preferable.

炭化水素系燃料(改質原料)に加えて部分酸化改質に必要な酸素含有ガス(空気や酸素ガスなど)は適宜改質器に供給する。   In addition to the hydrocarbon fuel (reforming raw material), an oxygen-containing gas (such as air or oxygen gas) necessary for partial oxidation reforming is appropriately supplied to the reformer.

工程bにおいては、部分酸化改質による発熱と燃焼領域で発生する燃焼熱により、改質器2、特には改質触媒層3が加熱される。なお、この際、改質器に搭載された改質器温度検知手段5により改質触媒層の温度状態を検知し、加熱不足により比較的温度が低い部位を選択的に加熱する熱アシスト工程を行う。すなわち、工程bにおいても熱アシストを行なう。具体的には、改質器に搭載された改質器温度検知手段により改質触媒層の温度状態を検知し、検知された改質触媒層温度は信号としてヒーター制御手段6に送られる。ヒーター制御手段は、これら信号を利用して、改質器に搭載された熱アシスト用電気ヒーター4の出力箇所および負荷量(通電する抵抗体およびその通電量)を制御し、改質器の任意の場所における熱不足を補う熱アシスト工程が実施される。   In step b, the reformer 2, particularly the reforming catalyst layer 3, is heated by heat generated by partial oxidation reforming and combustion heat generated in the combustion region. At this time, a heat assist step is performed in which the temperature state of the reforming catalyst layer is detected by the reformer temperature detecting means 5 mounted on the reformer, and a portion having a relatively low temperature is selectively heated due to insufficient heating. Do. That is, heat assist is also performed in step b. Specifically, the temperature state of the reforming catalyst layer is detected by the reformer temperature detecting means mounted on the reformer, and the detected reforming catalyst layer temperature is sent to the heater control means 6 as a signal. The heater control means uses these signals to control the output location and the load amount (the resistor to be energized and its energization amount) of the heat assist electric heater 4 mounted on the reformer, so that any reformer can be used. A heat assist process is performed to compensate for the lack of heat at the location.

SOFCには比較的高温の改質ガスが供給されるので、SOFCも加熱される。加えて、燃焼領域で発生する燃焼熱によってSOFCを加熱することもできる。   Since the SOFC is supplied with a relatively high temperature reformed gas, the SOFC is also heated. In addition, the SOFC can be heated by the combustion heat generated in the combustion region.

改質触媒層が、炭化水素系燃料(改質原料)を水蒸気改質することも可能である場合には、工程aの後に工程cを行うこともできる。すなわち、改質触媒層の温度が炭化水素系燃料(改質原料)の水蒸気改質反応開始温度以上になったら、改質器で炭化水素系燃料を水蒸気改質し、得られた改質ガスを固体酸化物形燃料電池に導入し、アノードオフガスを燃焼領域で燃焼させる。   When the reforming catalyst layer can also steam reform the hydrocarbon fuel (reforming raw material), step c can be performed after step a. That is, when the temperature of the reforming catalyst layer becomes equal to or higher than the steam reforming reaction start temperature of the hydrocarbon fuel (reforming raw material), the reformed gas obtained by steam reforming the hydrocarbon fuel with the reformer. Is introduced into the solid oxide fuel cell, and the anode off-gas is combusted in the combustion region.

炭化水素系燃料(改質原料)に加えて、水蒸気改質に必要な水蒸気は適宜改質器に供給する。工程aでは自己熱改質を行っており、従って水蒸気と酸素含有ガスが改質器に供給される。よって、酸素含有ガスの供給を停止することによって、工程aから工程cに移行することができる。   In addition to the hydrocarbon fuel (reforming raw material), steam necessary for steam reforming is appropriately supplied to the reformer. In step a, autothermal reforming is performed, so that steam and oxygen-containing gas are supplied to the reformer. Therefore, the process a can be shifted to the process c by stopping the supply of the oxygen-containing gas.

工程cにおいては、燃焼領域で発生する燃焼熱により、改質器2、特には改質触媒層3が加熱される。SOFC1には比較的高温の改質ガスが供給されるので、SOFCも加熱される。加えて、燃焼領域9で発生する燃焼熱によってSOFCを加熱することもできる。なお、この際、改質器に搭載された改質器温度検知手段5により改質触媒層の温度状態を検知し、加熱不足により比較的温度が低い部位を選択的に加熱する熱アシスト工程を行う。すなわち、工程cにおいても熱アシストを行なう。具体的には、改質器に搭載された改質器温度検知手段により改質触媒層の温度状態を検知し、検知された改質触媒層温度は信号としてヒーター制御手段6に送られる。ヒーター制御手段は、これら信号を利用して、改質器に搭載された熱アシスト用電気ヒーター4の出力箇所および負荷量(通電する抵抗体およびその通電量)を制御し、改質器の任意の場所における熱不足を補う熱アシスト工程が実施される。   In step c, the reformer 2, particularly the reforming catalyst layer 3 is heated by the combustion heat generated in the combustion region. Since the relatively high temperature reformed gas is supplied to the SOFC 1, the SOFC is also heated. In addition, the SOFC can be heated by the combustion heat generated in the combustion region 9. At this time, a heat assist step is performed in which the temperature state of the reforming catalyst layer is detected by the reformer temperature detecting means 5 mounted on the reformer, and a portion having a relatively low temperature is selectively heated due to insufficient heating. Do. That is, heat assist is also performed in step c. Specifically, the temperature state of the reforming catalyst layer is detected by the reformer temperature detecting means mounted on the reformer, and the detected reforming catalyst layer temperature is sent to the heater control means 6 as a signal. The heater control means uses these signals to control the output location and the load amount (the resistor to be energized and its energization amount) of the heat assist electric heater 4 mounted on the reformer, so that any reformer can be used. A heat assist process is performed to compensate for the lack of heat at the location.

水蒸気改質は、改質ガス中の水素濃度を高めやすい改質方法である。よって、工程cによって、改質ガス中の水素濃度を高めておくことが容易である。このうえでSOFCにて発電を行えば発電効率の点で有利である。   Steam reforming is a reforming method that easily increases the hydrogen concentration in the reformed gas. Therefore, it is easy to increase the hydrogen concentration in the reformed gas by the step c. On top of this, power generation by SOFC is advantageous in terms of power generation efficiency.

〔間接内部改質型SOFCシステムの停止運転〕
次に、停止の際の運転方法、すなわち、間接内部改質型SOFCシステムで発電を行っている状態から、停止させる際の運転方法について述べる。間接内部改質型SOFCの停止時には、SOFCの酸化劣化を抑制するため、SOFCが所定温度になるまで還元ガス(水素を含む改質ガス)をSOFCに供給し、SOFCの温度を下げる。この際に、未改質の燃料を含まない改質ガスを発生させるために、改質器への所定量の熱供給を維持することが望まれる。一方、SOFCを効果的に冷却するためには、比較的高温となる改質ガスの供給量を減少させる必要がある。すなわち、停止の際には改質ガスの量を絞りつつも確実に改質することが求められ、このような際に改質器の加熱を良好に行えなくなる可能性がある。そのため、改質触媒層の温度状態を把握し、加熱不足の箇所を効率的に加熱することが望まれる。
[Stop operation of indirect internal reforming SOFC system]
Next, an operation method at the time of stopping, that is, an operation method at the time of stopping from a state where power generation is performed by the indirect internal reforming SOFC system will be described. When the indirect internal reforming SOFC is stopped, reducing gas (reformed gas containing hydrogen) is supplied to the SOFC until the SOFC reaches a predetermined temperature in order to suppress the oxidative degradation of the SOFC, and the temperature of the SOFC is lowered. At this time, in order to generate reformed gas that does not contain unreformed fuel, it is desired to maintain a predetermined amount of heat supply to the reformer. On the other hand, in order to effectively cool the SOFC, it is necessary to reduce the supply amount of the reformed gas that is relatively high in temperature. That is, when stopping, it is required to reliably reform while reducing the amount of reformed gas. In such a case, there is a possibility that heating of the reformer cannot be performed satisfactorily. For this reason, it is desired to grasp the temperature state of the reforming catalyst layer and efficiently heat the insufficiently heated portion.

停止運転では、工程iおよびiiをこの順に行う。工程iにおいて、改質器2に搭載された改質器温度検知手段5により改質触媒層3の温度状態を検知し、加熱不足により比較的温度が低い部位を選択的に加熱する熱アシスト工程を行う。
i)SOFCの発電を停止させ、かつ、改質器に供給されている炭化水素系燃料量を減らして相対的に小流量の炭化水素系燃料を改質器に供給し、もってSOFCに供給する改質ガス量を減らして燃焼領域でのアノードオフガスの燃焼量を減らし、間接内部改質型SOFCを降温する工程。
ii)SOFCが改質ガスを必要としない温度まで降温した後、改質器に供給されている炭化水素系燃料の供給を停止する工程。
In the stop operation, steps i and ii are performed in this order. In step i, the temperature state of the reforming catalyst layer 3 is detected by the reformer temperature detecting means 5 mounted on the reformer 2, and a heat assist step of selectively heating a portion having a relatively low temperature due to insufficient heating. I do.
i) Stop the power generation of the SOFC and reduce the amount of hydrocarbon fuel supplied to the reformer to supply a relatively small flow rate of hydrocarbon fuel to the reformer, and then supply it to the SOFC The process of reducing the amount of reformed gas to reduce the amount of anode off-gas combustion in the combustion region and lowering the temperature of the indirect internal reforming SOFC.
ii) A step of stopping the supply of the hydrocarbon-based fuel supplied to the reformer after the temperature of the SOFC is lowered to a temperature that does not require the reformed gas.

工程iでは、SOFCの発電を停止させ、かつ、改質器に供給されている炭化水素系燃料(改質原料)量を減らして、相対的に小流量の炭化水素系燃料を改質器に供給する。つまり、停止運転開始時における改質器への炭化水素系燃料供給量より少ない流量(ゼロではない)の炭化水素系燃料を改質器に供給する。これにより、SOFCに供給する改質ガス量を減らし(ゼロにはしない)、燃焼領域でのアノードオフガスの燃焼量を減らし(ゼロにはしない)、間接内部改質型SOFCを降温する。   In step i, SOFC power generation is stopped and the amount of hydrocarbon fuel (reforming raw material) supplied to the reformer is reduced, so that a relatively small flow rate of hydrocarbon fuel is used as the reformer. Supply. That is, a hydrocarbon-based fuel having a flow rate (not zero) smaller than the hydrocarbon-based fuel supply amount to the reformer at the start of the stop operation is supplied to the reformer. As a result, the amount of reformed gas supplied to the SOFC is reduced (not zero), the amount of anode off-gas combustion in the combustion region is reduced (not zero), and the temperature of the indirect internal reforming SOFC is lowered.

工程iにおいて、SOFCの酸化劣化を防止するために、相対的に小流量の炭化水素系燃料を改質器に供給し、改質器において改質を行って還元性ガスである改質ガスを製造する。そして、改質ガスをSOFCに供給しながら、間接内部改質型SOFCを降温する。   In step i, in order to prevent oxidative degradation of the SOFC, a relatively small flow rate of hydrocarbon-based fuel is supplied to the reformer, and reforming is performed in the reformer so that the reformed gas, which is a reducing gas, is supplied. To manufacture. Then, the temperature of the indirect internal reforming SOFC is lowered while supplying the reformed gas to the SOFC.

工程iにおいて、改質に必要な酸素含有ガスや水蒸気は適宜供給する。なお、工程iにおいては適宜の改質方法を採用することができ、水蒸気改質、自己熱改質、部分酸化改質のいずれの改質方法を採用してもよい。   In step i, oxygen-containing gas and water vapor necessary for reforming are supplied as appropriate. Note that an appropriate reforming method can be employed in step i, and any reforming method of steam reforming, autothermal reforming, or partial oxidation reforming may be employed.

間接内部改質型SOFCを降温する際、つまり工程iにおいて、加熱不足により比較的温度が低い部位を選択的に加熱する熱アシスト工程を行う。すなわち、改質器2に搭載された改質器温度検知手段5により改質触媒層3の温度状態を検知し、検知された改質触媒層温度は信号としてヒーター制御手段6に送られる。ヒーター制御手段は、これら信号を利用して、改質器に搭載された熱アシスト用電気ヒーター4の出力箇所および負荷量(通電する抵抗体およびその通電量)を制御し、改質器の任意の場所における熱不足を補う熱アシスト工程を実施する。改質器の熱アシスト工程により、改質の確実性を向上させることができ、改質器の必要熱量を維持しながら、SOFCの冷却を効果的に行なうことができる。   When the temperature of the indirect internal reforming SOFC is lowered, that is, in step i, a heat assist step is performed in which a portion having a relatively low temperature due to insufficient heating is selectively heated. That is, the temperature state of the reforming catalyst layer 3 is detected by the reformer temperature detecting means 5 mounted on the reformer 2, and the detected reforming catalyst layer temperature is sent as a signal to the heater control means 6. The heater control means uses these signals to control the output location and the load amount (the resistor to be energized and its energization amount) of the heat assist electric heater 4 mounted on the reformer, so that any reformer can be used. A heat assist process is implemented to compensate for the lack of heat at the location. Through the heat assist process of the reformer, the reliability of reforming can be improved, and the SOFC can be cooled effectively while maintaining the required heat quantity of the reformer.

そして、SOFCが改質ガスを必要としない温度まで降温したら、改質器に供給されている炭化水素系燃料の供給を停止する(工程ii)。また、この際に改質器に搭載されたヒーター出力を停止し、熱アシスト工程を停止する。   Then, when the temperature of the SOFC is lowered to a temperature that does not require the reformed gas, the supply of the hydrocarbon-based fuel supplied to the reformer is stopped (step ii). At this time, the heater output mounted on the reformer is stopped and the heat assist process is stopped.

SOFCが改質ガスを必要としない温度はSOFC温度検知手段8によりヒーター制御手段6が適宜判断する。   The heater control means 6 appropriately determines the temperature at which the SOFC does not require the reformed gas by the SOFC temperature detection means 8.

温度検知手段としては、改質触媒層の温度を検知できる、熱電対などの公知の温度センサーを適宜用いることができる。   As the temperature detection means, a known temperature sensor such as a thermocouple that can detect the temperature of the reforming catalyst layer can be appropriately used.

以上説明したように、本発明によって、起動および停止時において、改質器の温度を安定にかつ適切に維持するための機構を有する間接内部改質型SOFCシステムを得ることができる。またそれを好適に運転する方法、特には起動方法および停止方法が開示される。   As described above, according to the present invention, it is possible to obtain an indirect internal reforming SOFC system having a mechanism for stably and appropriately maintaining the temperature of the reformer at the time of starting and stopping. Also disclosed are methods for suitably operating it, in particular starting and stopping methods.

本発明は、例えば定置用もしくは移動体用の発電装置やコージェネレーションシステムに利用される間接内部改質型固体酸化物形燃料電池システムに適用できる。   The present invention can be applied to an indirect internal reforming solid oxide fuel cell system used in, for example, a stationary or moving power generator or a cogeneration system.

1…固体酸化物形燃料電池
2…改質器
3…改質触媒
4…熱アシスト用電気ヒーター
5…改質触媒層温度検知手段
6…ヒーター制御手段
7…ヒーター電源
8…SOFC温度検知手段
9…燃焼領域
10…筐体
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Solid oxide fuel cell 2 ... Reformer 3 ... Reforming catalyst 4 ... Heat heater 5 for heat assist ... Reforming catalyst layer temperature detection means 6 ... Heater control means 7 ... Heater power supply 8 ... SOFC temperature detection means 9 ... combustion region 10 ... casing

Claims (4)

炭化水素系燃料から改質ガスを製造する、改質触媒層を備える改質器と、
前記改質器で得られる改質ガスを用いて発電する固体酸化物形燃料電池と
前記改質触媒層を加熱する電気ヒーターであって、それぞれ独立して通電可能な複数の抵抗体を含む電気ヒーターと、
改質触媒層の相異なる複数個所の温度をそれぞれ検知する複数の温度検知手段と、
前記温度検知手段で検知された温度に基づいて、前記複数の抵抗体のうちの任意の個所および数の抵抗体に選択的に通電することができるヒーター制御手段であって、前記複数の抵抗体のそれぞれへの通電量を可変制御可能なヒーター制御手段と、
前記固体酸化物形燃料電池から排出されるアノードオフガスを燃焼させるための燃焼領域と、
前記改質器、固体酸化物形燃料電池および燃焼領域を収容する筐体と、
を有し、
前記改質器が、前記固体酸化物形燃料電池から受熱可能な位置に配され、かつ、前記燃焼領域で発生する燃焼熱を受熱可能な位置に配された、
間接内部改質型固体酸化物形燃料電池システムの運転方法であって、
前記改質触媒層が、炭化水素系燃料を自己熱改質可能であり、
間接内部改質型固体酸化物形燃料電池システムを起動する際に、
改質触媒層の温度状態を検知し、加熱不足により比較的温度が低い部位を選択的に加熱する工程であって、前記ヒーター制御手段を用いて、前記温度検知手段によって検知した温度に基づいて、前記複数の抵抗体のうちの一以上の抵抗体を選択して通電することにより、前記改質触媒層の熱不足を補う熱アシスト工程を有し、かつ、
a)前記改質触媒層の温度が炭化水素系燃料の自己熱改質反応開始温度以上になったら、前記改質器で炭化水素系燃料を自己熱改質し、得られた改質ガスを前記固体酸化物形燃料電池に導入し、アノードオフガスを前記燃焼領域で燃焼させる工程を有し、
工程aにおいて前記熱アシスト工程を行なう
間接内部改質型固体酸化物形燃料電池システムの運転方法。
A reformer comprising a reforming catalyst layer for producing a reformed gas from a hydrocarbon-based fuel;
A solid oxide fuel cell which generates electric power using the reformed gas obtained in the reformer,
An electrical heater for heating the reforming catalyst layer, and the electric heater including a plurality of resistors that can be energized independently,
A plurality of temperature detecting means for detecting the temperatures of a plurality of different locations of the reforming catalyst layer,
On the basis of the temperature detected by the detection means temperature, a heater control means capable of selectively energizing the arbitrary location and number of resistors of the plurality of resistors, said plurality of resistors Heater control means capable of variably controlling the energization amount to each of the
A combustion region for burning anode off-gas discharged from the solid oxide fuel cell;
A housing for housing the reformer, the solid oxide fuel cell and the combustion region;
I have a,
The reformer is disposed at a position where heat can be received from the solid oxide fuel cell, and is disposed at a position where heat from combustion generated in the combustion region can be received.
A method for operating an indirect internal reforming solid oxide fuel cell system, comprising:
The reforming catalyst layer is capable of self-thermal reforming hydrocarbon fuel,
When starting up an indirect internal reforming solid oxide fuel cell system,
A step of detecting the temperature state of the reforming catalyst layer and selectively heating a portion having a relatively low temperature due to insufficient heating, based on the temperature detected by the temperature detection unit using the heater control unit. A heat assist step for compensating for the heat shortage of the reforming catalyst layer by selecting and energizing one or more of the plurality of resistors, and
a) When the temperature of the reforming catalyst layer becomes equal to or higher than the self-thermal reforming reaction start temperature of the hydrocarbon fuel, the hydrocarbon fuel is self-heat reformed by the reformer, and the resulting reformed gas is Introducing into the solid oxide fuel cell and combusting anode off gas in the combustion region;
The heat assist step is performed in step a.
A method for operating an indirect internal reforming solid oxide fuel cell system.
前記改質触媒層が炭化水素系燃料を部分酸化改質可能であり、
前記工程aより前に、
b)前記改質触媒層の温度が炭化水素系燃料の部分酸化改質反応開始温度以上になったら、前記改質器で炭化水素系燃料を部分酸化改質し、得られた改質ガスを前記固体酸化物形燃料電池に導入し、アノードオフガスを前記燃焼領域で燃焼させる工程
を有し、
工程bにおいて前記熱アシスト工程を行なう
請求項記載の方法。
The reforming catalyst layer is capable of partially oxidizing and reforming a hydrocarbon-based fuel;
Prior to step a,
b) When the temperature of the reforming catalyst layer becomes equal to or higher than the partial oxidation reforming reaction start temperature of the hydrocarbon fuel, the hydrocarbon fuel is partially oxidized and reformed by the reformer, and the resulting reformed gas is Introducing into the solid oxide fuel cell and combusting anode off gas in the combustion region;
The method of claim 1, wherein performing the thermal assist step in step b.
前記改質触媒層が前記炭化水素系燃料を水蒸気改質可能であり、
前記工程aより後に、
c)前記改質触媒層の温度が炭化水素系燃料の水蒸気改質反応開始温度以上になったら、前記改質器で炭化水素系燃料を水蒸気改質し、得られた改質ガスを前記固体酸化物形燃料電池に導入し、アノードオフガスを前記燃焼領域で燃焼させる工程
を有し、
工程cにおいて前記熱アシスト工程を行なう
請求項記載の方法。
The reforming catalyst layer is capable of steam reforming the hydrocarbon-based fuel;
After step a,
c) When the temperature of the reforming catalyst layer becomes equal to or higher than the steam reforming reaction start temperature of the hydrocarbon fuel, the reforming device steam reforms the hydrocarbon fuel and converts the resulting reformed gas into the solid fuel. Introducing into the oxide fuel cell and burning the anode off gas in the combustion region;
The method according to claim 2 , wherein the heat assist step is performed in step c.
接内部改質型固体酸化物形燃料電池システムを停止させる際に、
i)前記固体酸化物型燃料電池の発電を停止させ、かつ、前記改質器に供給する炭化水素系燃料の流量を減らして相対的に小流量の炭化水素系燃料を改質器に供給し、もって前記固体酸化物型燃料電池に供給する改質ガス量を減らして前記燃焼領域でのアノードオフガスの燃焼量を減らし、前記固体酸化物形燃料電池を降温する工程、および、
ii)前記固体酸化物型燃料電池が改質ガスを必要としない温度まで降温した後、前記改質器に供給する炭化水素系燃料の供給を停止する工程
をこの順に有し、
工程iにおいて前記熱アシスト工程を行なう
請求項1〜3の何れかに記載の方法。
The indirect internal reforming-type solid oxide fuel cell system when stopping,
i) Stop the power generation of the solid oxide fuel cell and reduce the flow rate of the hydrocarbon-based fuel supplied to the reformer to supply a relatively small flow rate of hydrocarbon-based fuel to the reformer. , have to reduce the firing rate of the anode off-gas in the solid oxide fuel cell for supplying the reformed gas amount was reduced by the combustion region, step of cooling the solid oxide fuel cell and,
ii) after the solid oxide fuel cell is lowered to a temperature that does not require the reformed gas, comprising the step of stopping the supply of the hydrocarbon-based fuel supplied to the reformer in this order,
The heat assist step is performed in step i.
The method according to claim 1 .
JP2009067776A 2009-03-19 2009-03-19 Operation method of indirect internal reforming type solid oxide fuel cell system Expired - Fee Related JP5307592B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2009067776A JP5307592B2 (en) 2009-03-19 2009-03-19 Operation method of indirect internal reforming type solid oxide fuel cell system

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2009067776A JP5307592B2 (en) 2009-03-19 2009-03-19 Operation method of indirect internal reforming type solid oxide fuel cell system

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2010225285A JP2010225285A (en) 2010-10-07
JP5307592B2 true JP5307592B2 (en) 2013-10-02

Family

ID=43042287

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2009067776A Expired - Fee Related JP5307592B2 (en) 2009-03-19 2009-03-19 Operation method of indirect internal reforming type solid oxide fuel cell system

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP5307592B2 (en)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5651277B1 (en) * 2013-04-11 2015-01-07 パナソニックIpマネジメント株式会社 Hydrogen generator and fuel cell system provided with the same

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3564214B2 (en) * 1995-11-17 2004-09-08 三菱重工業株式会社 Polymer electrolyte fuel cell
JP5134250B2 (en) * 2007-01-18 2013-01-30 Jx日鉱日石エネルギー株式会社 Reformer system, fuel cell system, and operation method thereof
JP5325403B2 (en) * 2007-08-29 2013-10-23 Jx日鉱日石エネルギー株式会社 Starting method of fuel cell system

Also Published As

Publication number Publication date
JP2010225285A (en) 2010-10-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5164441B2 (en) Starting method of fuel cell system
EP2124282B1 (en) Reformer system, fuel cell system, and their operation method
JP5269447B2 (en) High-temperature fuel cell system and operation method thereof
EP2278650B1 (en) Method for operating indirect internal reforming solid oxide fuel cell system
EP2246926B1 (en) Indirect internally reforming solid oxide fuel cell and a method of stopping same
JP5065628B2 (en) Indirect internal reforming solid oxide fuel cell system
JP2009051712A (en) Method of starting fuel cell system
TWI422095B (en) A reformer system, a fuel cell system and a method of operation
JP2009295380A (en) Shutdown method of indirect internal reforming solid oxide fuel cell
JP5325666B2 (en) Method for stopping indirect internal reforming solid oxide fuel cell
JP2010044909A (en) Shutdown method of indirect internally reformed solid oxide fuel cell
JP5197944B2 (en) Indirect internal reforming solid oxide fuel cell system
JP2008217999A (en) Operation method of high temperature type fuel cell system
JP5291915B2 (en) Indirect internal reforming type solid oxide fuel cell and operation method thereof
JP5307592B2 (en) Operation method of indirect internal reforming type solid oxide fuel cell system
JP2009059657A (en) Indirect interior-reformed solid oxide fuel cell
JP2008186759A (en) Indirect internal reforming solid oxide fuel cell system and method for operating indirect internal reforming solid oxide fuel cell
JP2011210648A (en) Indirect interior reforming type solid oxide fuel cell system and operation method for the same
JP2010225284A (en) Operation method of indirect interior reforming type solid oxide fuel cell system
JP5325661B2 (en) Method for stopping indirect internal reforming solid oxide fuel cell

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20110428

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20130125

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20130305

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20130425

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20130604

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20130627

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

Ref document number: 5307592

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

S531 Written request for registration of change of domicile

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313531

S533 Written request for registration of change of name

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313533

R350 Written notification of registration of transfer

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

S111 Request for change of ownership or part of ownership

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313113

R360 Written notification for declining of transfer of rights

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R360

R360 Written notification for declining of transfer of rights

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R360

R371 Transfer withdrawn

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R371

S111 Request for change of ownership or part of ownership

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313113

R350 Written notification of registration of transfer

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees