TWI385845B - 固體氧化物燃料電池系統及其運轉方法 - Google Patents

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Description

固體氧化物燃料電池系統及其運轉方法
本發明係關於一種以煤油為重組原料之固體氧化物燃料電池系統。
固體氧化物燃料電池系統(Solid Oxide Fuel Cell，以下有時簡稱SOFC。)係以煤油等的重組原料等經過重組變成含有氫氣的重組氣體，將重組氣體提供給SOFC作為燃料。
專利文獻1揭示一種在SOFC的附近配置重組器，將該重組器收容於罐體之構成，也就是所謂間接內部重組型的SOFC。
【專利文獻1】
日本特開2002－358997號公報
於SOFC，由於輸出的增加流過電池的電流亦隨之增大，電池的電阻導致之發熱量也增加。該發熱現象，在輸出增加時，電池的溫度有可能超過期望之溫度。
以甲烷作為燃料的SOFC時，係直接將甲烷供應至電池，在陽極電極表面的甲烷被重組而產生氫氣，進行發電。又，因為水蒸汽重組反應是同時會產生大量吸熱的反應，藉由甲烷在電池內部經過水蒸汽重組，於獲得氫氣的同時也能夠有效地將電池冷卻。
另一方面，在以例如煤油等碳氫化合物高碳數碳氫化合物作為重組原料時，未經過重組的碳氫化合物成分，一旦供應至動作溫度高的SOFC時，由於碳的析出有時將導致運轉安全性受損。因此，較理想為將煤油等碳氫化合物高碳數碳氫化合物完全轉化為C1化合物(碳的數量1之化合物)。因此，必須以高溫進行重組反應。重組氣體的成分受到在重組反應溫度之平衡所支配，以高溫進行重組反應，則成為甲烷濃度低的氣體成分。因此，以煤油經過重組過的重組氣體提供給SOFC時，幾乎無法期待能得到如前述因電池內部的甲烷重組所帶來的冷卻效果。
如果無法抑制輸出增加時的電池溫度上升，則電池的溫度分布增大，有可能因熱衝擊而導致電池損壞。為了抑制電池溫度的過度上升，可透過供應氣體，尤其是大量供應陰極氣體的方式將電池冷卻。但是，該情形由於大量供應陰極氣體將耗費許多的能源，也就是因為輔助設備的損失增加，導致SOFC系統的發電效率降低。
本發明的目的係提供一種以煤油為重組原料，藉由將電池有效的冷卻，在不降低效率的情況下能達到安定運轉的SOFC系統及其運轉方法。
本發明所提供的固體氧化物燃料電池系統，包含：重組機構，將煤油重組以獲得重組氣體；甲烷化觸媒層，配置於該重組機構的下游，可促進甲烷化反應；冷卻機構，將該甲烷化觸媒層冷卻；及固體氧化物燃料電池，配置於該甲烷化觸媒層下游。
前述重組機構，可包含能將煤油重組的重組觸媒層。
前述甲烷化觸媒層，可包含與前述重組觸媒層同種類的觸媒。
前述重組觸媒層可包含貴金屬類之重組觸媒，前述甲烷化觸媒層可包含鎳類之重組觸媒。
前述重組觸媒層與甲烷化觸媒層，可收容於個別的反應容器中。
本發明所提供的固體氧化物燃料電池系統的運轉方法包含：煤油重組獲得重組氣體的步驟說；藉由甲烷化反應，增加該重組氣體的甲烷量之甲烷化反應步驟；及將自該甲烷化反應步驟獲得的氣體供應至固體氧化物燃料電池的步驟。
藉由本發明，可提供一種以煤油為重組原料之SOFC系統及其運轉方法，藉由將電池有效的冷卻，在不降低效率的情況下能達到安定運轉。
現使用以下圖面說明本發明之一形態，但本發明並非侷限於此。
圖1為顯示本發明SOFC系統的概要之示意圖。如圖1所示，預先經過汽化的煤油與蒸汽供應至重組器1。重組器1具有重組觸媒層2，此重組觸媒層2充填有能在反應容器中將煤油重組的重組觸媒。
於此，將煤油重組以獲得重組氣體的重組機構，係使用能夠重組煤油的重組觸媒層。重組觸媒層可收容於反應容器中以供使用。但是，並一定不限於此形式。而且，並不必然須使用觸媒。例如，也可採用將煤油局部氧化重組用的燃燒器。此類的燃燒器，可至少將其前端收容於反應容器中以供使用。
於重組器，將重組原料的煤油施以水蒸汽重組，獲得含有氫氣的重組氣體。假設重組原料為Cn H2n＋2 (n為自然數)時，水蒸汽重組反應如公式(I)所示。又，重組反應若為局部氧化重組反應，則以公式(II)表示。
重組使用觸媒時，於重組之際有可能產生如公式(III)所示的轉換反應(shift reaction)。轉換反應，係一種亦可逆向進行的平衡反應。
又，重組使用觸媒時，於重組之際可能產生甲烷化反應。甲烷化反應，係從氫氣與一氧化炭或二氧化碳，產生甲烷的反應，以公式(IV)或式(V)表示。公式(IV)及公式(V)的反應都是發熱反應，溫度低則甲烷量會增加。又，公式(IV)及公式(V)的反應，都是逆向亦能進行的平衡反應。又，例如蒸汽/碳的比值為3.0，重組溫度(重組觸媒層出口溫度)超過700℃以上，而反應壓力大約是一大氣壓時，於觸媒出口在潮濕狀態的重組氣體中的甲烷濃度低至0.3摩爾%以下左右。
[化學式1]Cn H2n＋2 ＋nH2 O → nCO＋(2n＋1)H2 (I) Cn H2n＋2 ＋(n/2)O2 → nCO＋(n＋1)H2 (Ⅱ) CO＋H2 O → CO2 ＋H2 (Ⅲ) CO＋3H2 → CH4 ＋H2 O (Ⅳ) CO2 ＋4H2 → CH4 ＋2H2 O (V)
重組機構的下游配置有甲烷化觸媒層。本發明在重組器的下游，除了重組器外另配置有甲烷化反應器3，此甲烷化反應器3係以管路連接。甲烷化反應器係於反應容器內設有甲烷化觸媒層4，甲烷化觸媒層4可促進用以產生甲烷的甲烷化反應。自重組機構獲得的重組氣體，由重組器排出，而被供應至甲烷化反應器3。此處所稱之下游，係指重組氣體流向的下游而言。
在甲烷化反應器中，藉由甲烷化反應來增加重組氣體中的甲烷量。為達此一目的，而冷卻甲烷化觸媒層，使甲烷化反應溫度(甲烷化觸媒層出口溫度)較重組溫度更低。
降低甲烷化觸媒層溫度用的冷卻機構，可利用能以熱煤體進行熱交換的構造。例如，可利用貫通甲烷化觸媒層內部的管子、或設於甲烷化觸媒層周圍的管子，或前述管子的組合作為冷卻機構。在該管子中流通冷卻煤體，藉由調整冷卻煤體的溫度和流量，即可將甲烷化觸媒層冷卻。
該冷卻機構，係在甲烷化反應器設置能夠冷卻甲烷化觸媒層的冷卻管5。更具體的例子，為設置貫通甲烷化觸媒層的管子。於該管流通冷卻煤體，即可達到甲烷化觸媒層冷卻的效果。
冷卻煤體可適當使用能夠冷卻甲烷化觸媒層的溫度之流體。例如，可使用空氣作為冷卻煤體，以空氣將甲烷化觸媒層冷卻的同時，將空氣預熱作為陰極氣體加以利用。或，冷卻煤體亦可使用蒸汽，於冷卻甲烷化觸媒層的同時，將供應至重組器的蒸汽予以預熱。
在甲烷化觸媒層的下游連接SOFC，特別是SOFC的陽極端。於本實施例中，在甲烷化反應器的下游配置SOFC，甲烷化反應器與SOFC的陽極以配管連接。於此，所謂下游係指重組氣體(包含甲烷量已增加的重組氣體)流向的下游端。藉由上述步驟所得之甲烷量已增加的重組氣體，作為陽極氣體提供給SOFC的陽極6a。另一方面，陰極氣體提供給陰極6c。陰極氣體可使用空氣等含氧氣體。陽極氣體中的氫氣和陰極氣體中的氧氣，透過固體氧化物電解質6b產生電化反應進行發電，而電池會發熱。
陽極氣體中的甲烷在SOFC內部，特別是陽極電極上被水蒸汽重組變成氫氣，提供作為電化反應之用。此時，藉由水蒸汽重組反應的大量吸熱，對電池作有效的冷卻。自陽極以及陰極所排出的氣體，經過熱利用等適當利用之後，排出系統外(未圖示)。
於此，重組器1中的水蒸汽重組反應所需之熱量，係利用來自SOFC的輻射熱。也就是說，於此係採用所謂的間接內部重組型SOFC。重組器，配置於接受來自SOFC之輻射熱的位置。SOFC和重組器可收容於罐體等容器中。此外，本發明亦可適用於間接內部重組型SOFC以外的SOFC。
甲烷化反應的溫度，是依由於電池內部的甲烷重組會產生何一程度之冷卻而進行調節。例如，若令甲烷化反應溫度(甲烷化觸媒層出口溫度)為500℃左右，於壓力大約為一大氣壓時，可使甲烷量增加的重組氣體中之甲烷濃度為10摩爾%(溼基)左右。
於縱然未增加甲烷，而SOFC的溫度仍在適當範圍時，可不增加甲烷。在此情況下，只要停止對冷卻管5的冷卻煤體供應等，以停止冷卻即可。例如，可監視SOFC的溫度，調節冷卻煤體的供應量以使該溫度達於規定溫度範圍內。
SOFC可就平板型或圓筒型等習知之SOFC中適當地選用。例如，SOFC的陽極電極通常都含有鎳。此類的SOFC，在陽極電極表面進行甲烷重組。於電池的溫度例如在800℃以上時，陽極電極表面上之甲烷重組的冷卻效果較顯著。依電池材質雖有不同，但從防止熱劣化的觀點，SOFC在大約1000℃以下的溫度運轉為宜。
圖1所示，係重組器和甲烷化反應器個別設置的例子。基於甲烷化觸媒層的溫度和重組溫度個別獨立較容易控制的理由，此一例子有其優點。但是本發明並不侷限於此，亦可在一反應容器內部，設置重組觸媒層和甲烷化觸媒層，甲烷化觸媒層的內部設置冷卻管等之冷卻機構。於重組觸媒能促進甲烷化反應的情形時，重組觸媒和甲烷化反應觸媒可以使用相同的觸媒。此時，不須將重組觸媒和甲烷化觸媒層作明確地劃分，亦可在一反應容器內部充填觸媒，觸媒層的下游端部分設置冷卻機構，上游部分進行煤油的重組，下游部分進行甲烷化反應。
圖1所示例子中，關於重組反應係以水蒸汽重組反應作為例示，但本發明並不侷限於此。關於可重組煤油的重組觸媒，可使用水蒸汽重組觸媒、自發熱重組觸媒(具有水蒸汽重組能及局部氧化重組能的觸媒)或局部氧化重組觸媒。
水蒸汽重組觸媒、自發熱重組觸媒、局部氧化重組觸媒，都可從能進行煤油重組的習知之各別觸媒中適當地選擇使用。舉例而言，局部氧化重組觸媒的例子有白金類觸媒，水蒸汽重組觸媒的例子有釕類以及鎳類觸媒，自發熱重組觸媒的例子有銠類觸媒等。又，關於自發熱重組觸媒，習知者有如日本國專利特開第2000－84410號公報、特開第2001－80907號公報、「2000 Annual Progress Reports(Office of Transportation technologies)」、美國專利第5,929,286號公報中所記載般，鎳以及白金、銠、釕等貴金屬類均具有這種活性。關於觸媒的形狀，可適當選用顆粒狀、蜂巢狀及其他習知形狀。
甲烷化觸媒，可適當選用能夠促進甲烷化反應的習知觸媒。例如，可利用水蒸汽重組觸媒或自發熱重組觸媒作為甲烷化反應觸媒。也就是，重組觸媒與甲烷化反應觸媒可使用相同種類的觸媒。尤其，重組觸媒層與甲烷化觸媒層可由同一種觸媒構成。如此，可有效減少使用材料之種類。或是，重組觸媒使用貴金屬類重組觸媒，甲烷化觸媒使用鎳類觸媒。貴金屬類重組觸媒，係含有白金、銠或釕的觸媒，具有優越的煤油重組功能。鎳類觸媒雖然含鎳，但是由於不含貴金屬，價格上較為便宜。因此，基於煤油重組功能以及成本的觀點，宜將這些加以組合使用。
甲烷化反應器的冷卻機構，較佳為設置貫穿管的形態，或為改善熱傳導，粒狀觸媒較為適當。該粒狀觸媒，以一般被採用作為甲烷化觸媒之在氧化鋁等形成為粒狀的載體上載持貴金屬或鎳者較為適合。
基於將煤油完全轉化的觀點，使用觸媒時的重組溫度(重組觸媒層出口溫度)宜設為600℃以上，較佳為650℃以上、更佳為700℃以上。另外，從抑制重組觸媒的熱劣化觀點，重組溫度宜設為900℃以下，較佳為850℃以下、更佳為800℃以下。
水蒸汽重組反應的反應溫度可設為450℃~900℃，較佳為500℃~850℃，更佳為550℃~800℃的範圍內進行。反應系統所導入的蒸汽量，係定義為製造氫氣用原料中所含水分子摩爾數對於碳原子的摩爾數的比值(蒸汽/碳的比值)，該值宜設為0.5~10，較佳為1~7，更佳為2~5。製造氫氣用原料為液體時，此時的液時空速(liquid hourly space velocity,LHSV)，假設製造氫氣的原料在液體狀態下的流速為A(L/h)、觸媒層體積為B(L)時，得以A/B表示。該值可設定在0.05~20h－1 ，較佳為0.1~10h－1 ，更佳為0.2~5h－1 的範圍內。
自發熱重組時，蒸汽之外還添加含氧氣體至原料中。含氧氣體，雖然可使用純氧，但是從容易取得的觀點，較佳為使用空氣。為了平衡水蒸汽重組反應所伴隨發生的吸熱反應，並獲得發熱量以使重組觸媒層和SOFC的溫度維持或將其升溫，可添加含氧氣體。含氧氣體的添加量，應使含於重組原料中的氧原子摩爾數對碳分子摩爾數之比(氧氣/碳的比值)為0.05~1，較佳為0.1~0.75，更佳為0.2~0.6。自發熱重組重組反應的反應溫度，可設定為例如450℃~900℃，較佳為500℃~850℃，更佳為550℃~800℃的範圍。當重組原料為液體時，此時的液時空速(LHSV)宜選擇設在0.1~30，較佳為0.5~20，更佳為1~10的範圍。在反應系統中導入的蒸汽量，其蒸汽/碳的比值可設為0.3~10，較佳為0.5~5，更佳為1~3。
局部氧化重組時，添加含氧氣體於原料中。含氧氣體，雖然可使用純氧，但是從容易取得的觀點，較佳為使用空氣。為確保進行反應的溫度，可依照熱損失等狀況適當地決定出添加量。該添加量可設成使製造氫氣的原料所含的氧氣原子摩爾數相對於碳分子摩爾數之比(氧氣/碳的比值)為0.1~3，更佳為0.2~0.7。局部氧化反應的反應溫度，在不使用觸媒時，反應溫度可設定在1,000~1,300℃的範圍內。於使用觸媒時，可設定在450℃~900℃，較佳為500℃~850℃，更佳為550℃~800℃的範圍內。製造氫用的原料為液體時，此時的液時空速(LHSV)在0.1~30的範圍內選擇。進行局部氧化反應時，為了抑制在反應系統產生的煤灰，可導入蒸汽，其導入量可設定為蒸汽/碳的比值0.1~5，較佳為0.1~3，更佳為1~2。
〔其他設備〕
除了上述設備之外，設有重組器的燃料電池習知的構成元件，可依須要而適當地設置。具體而言，有：水蒸汽產生器，用以產生使供應至燃料電池的氣體加濕用的水蒸汽；冷卻系統，用以冷卻燃料電池等各種設備；幫浦，用以加壓各種流體；壓縮機、鼓風機等的加壓機構；用以調節流體的流量，或切斷/切換流體流通的閥等流量調節機構或流道切斷/切換機構；熱交換器，用以進行熱交換、熱回收；用以將液體汽化的汽化器；用以使氣體凝結的凝結器；用以利用蒸汽等對各種設備進行外部加熱的加熱/保溫機構；各種流體的儲藏機構；儀錶用空氣或電氣系統；控制用的訊號系統；控制裝置，輸出用或動力用的電力系統等。
【產業上利用性】
本發明的SOFC系統，例如可應用在固定式或移動式的發電系統，或汽電共生系統。
1．．．重組器
2．．．重組觸媒層
3．．．甲烷化反應器
4．．．甲烷化觸媒層
5．．．冷卻機構
6．．．固體氧化物燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell,SOFC)
6a．．．固體氧化物燃料電池的陽極
6b．．．固體氧化物燃料電池的固體氧化物電解質
6c．．．固體氧化物燃料電池的陰極
【圖1】係顯示本發明SOFC系統之一例的概略之示意圖。
1．．．重組器
2．．．重組觸媒層
3．．．甲烷化反應器
4．．．甲烷化觸媒層
5．．．冷卻機構
6．．．固體氧化物燃料電池
6a．．．固體氧化物燃料電池的陽極
6b．．．固體氧化物燃料電池的固體氧化物電解質
6c．．．固體氧化物燃料電池的陰極

Claims (6)

  1. 一種固體氧化物燃料電池系統，包含：重組機構，將煤油在550℃~800℃且在蒸氣/碳的比值為2~5的條件下利用水蒸氣重組以獲得重組氣體；甲烷化觸媒層，配置於該重組機構的下游，可促進甲烷化反應；冷卻機構，將該甲烷化觸媒層冷卻；及固體氧化物燃料電池，配置於該甲烷化觸媒層下游。
  2. 如申請專利範圍第1項之固體氧化物燃料電池系統，其中該重組機構包含可重組煤油的重組觸媒層。
  3. 如申請專利範圍第2項之固體氧化物燃料電池系統，其中，該甲烷化觸媒層包含與該重組觸媒層相同種類的觸媒。
  4. 如申請專利範圍第2項之固體氧化物燃料電池系統，其中，該重組觸媒層包含貴金屬類之重組觸媒，該甲烷化觸媒層包含鎳類之重組觸媒。
  5. 如申請專利範圍第2至4項中任一項之固體氧化物燃料電池系統，其中，該重組觸媒層和甲烷化觸媒層係收容於各別的反應容器中。
  6. 一種固體氧化物燃料電池系統的運轉方法，係用於如申請專利範圍第1項之固體氧化物燃料電池系統，包含：將煤油在550℃~800℃且在蒸氣/碳的比值為2~5的條件下利用水蒸氣重組以獲得重組氣體的重組步驟；藉由甲烷化反應，增加該重組氣體中的甲烷量之甲烷化反應步驟；及將由該甲烷化反應步驟獲得的氣體供應至固體氧化物燃料電池的步驟。
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Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103199967B (zh) 2007-08-13 2016-04-20 知识产权之桥一号有限责任公司 无线通信装置及无线通信方法
JP5140443B2 (ja) * 2008-01-17 2013-02-06 Ｊｘ日鉱日石エネルギー株式会社 燃料電池モジュール及び燃料電池モジュールの運転方法
JP5964082B2 (ja) * 2012-02-29 2016-08-03 三菱日立パワーシステムズ株式会社 発電システム及び燃料電池の冷却方法
FR3034570B1 (fr) 2015-03-30 2019-06-28 Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives Systeme de production d'electricite par pile a combustible sofc avec circulation des especes carbonees en boucle fermee
CN107163989A (zh) * 2017-06-14 2017-09-15 大连理工大学 一种中高温含焦油/烃类原料气甲烷化方法
DE102017215964A1 (de) 2017-09-11 2019-03-14 Contitech Schlauch Gmbh Mehrschichtiger flexibler Schlauch
JP7173776B2 (ja) * 2018-07-23 2022-11-16 東京瓦斯株式会社 燃料電池システム及び発電方法
CN115275287B (zh) * 2022-09-28 2023-02-14 广东佛燃科技有限公司 一种用于sofc系统的反应器及其运行方法

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2002067351A1 (en) * 2001-02-21 2002-08-29 Ceramic Fuel Cells Limited Fuel cell system

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6110861A (en) 1997-06-02 2000-08-29 The University Of Chicago Partial oxidation catalyst
JP2000084410A (ja) 1998-07-14 2000-03-28 Idemitsu Kosan Co Ltd オ―トサ―マルリフォ―ミング触媒および水素または合成ガスの製造方法
EP1077198A3 (en) 1999-08-19 2001-03-07 Haldor Topsoe A/S Process for pre-reforming of oxygen-containing gas
AU7953500A (en) * 1999-10-21 2001-04-30 Ebara Corporation Method of producing hydrogen by gasification of combustibles and electric power generation using fuel cell
JP4620230B2 (ja) * 2000-08-31 2011-01-26 出光興産株式会社 水素含有ガス中の一酸化炭素除去触媒及び該触媒を用いる水素含有ガス中の一酸化炭素の除去方法
JP4460126B2 (ja) * 2000-08-31 2010-05-12 出光興産株式会社 水素含有ガス中の一酸化炭素の除去方法
JP2002100388A (ja) * 2000-09-21 2002-04-05 Mitsubishi Kakoki Kaisha Ltd 燃料電池用の水素製造方法及びその製造装置
JP2002326803A (ja) * 2001-05-07 2002-11-12 Matsushita Electric Ind Co Ltd 水素精製装置
JP3539562B2 (ja) 2001-05-31 2004-07-07 日本電信電話株式会社 固体酸化物形燃料電池スタック
JP3863774B2 (ja) * 2001-12-19 2006-12-27 三洋電機株式会社 燃料電池システム
JP4135871B2 (ja) * 2002-03-25 2008-08-20 丸紅株式会社 排熱を熱源として灯油または軽油を改質する装置及び方法
AUPS244802A0 (en) * 2002-05-21 2002-06-13 Ceramic Fuel Cells Limited Fuel cell system

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2002067351A1 (en) * 2001-02-21 2002-08-29 Ceramic Fuel Cells Limited Fuel cell system

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