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JP2011210648A - Indirect interior reforming type solid oxide fuel cell system and operation method for the same - Google Patents

Indirect interior reforming type solid oxide fuel cell system and operation method for the same Download PDF

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JP2011210648A
JP2011210648A JP2010078887A JP2010078887A JP2011210648A JP 2011210648 A JP2011210648 A JP 2011210648A JP 2010078887 A JP2010078887 A JP 2010078887A JP 2010078887 A JP2010078887 A JP 2010078887A JP 2011210648 A JP2011210648 A JP 2011210648A
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JP
Japan
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reformer
catalyst layer
reforming
reforming catalyst
temperature
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JP2010078887A
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Japanese (ja)
Inventor
Shinya Asaki
信也 浅木
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Eneos Corp
Original Assignee
JX Nippon Oil and Energy Corp
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Abstract

【課題】起動信頼性及び安全性を高めることができる間接内部改質型固体酸化物燃料電池システム及びその運転方法を提供する。
【解決手段】間接内部改質型SOFCシステム10は、炭化水素系燃料を用いて改質ガスを生成する改質触媒層を有する改質器1と、改質器1で得られる改質ガスを用いて発電するSOFC3と、SOFC3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4と、改質器1、SOFC3及び燃焼領域4を収容する筐体7と、を具備し、燃焼領域4で発生する燃焼熱を受熱可能な位置に改質器1が配されている。この間接内部改質型SOFCシステム10は、改質触媒層後段11xを加熱する改質触媒層後段ヒータ2と、改質触媒層後段11xの温度を検知する温度検知手段5と、温度検知手段5で検知された温度に基づき改質触媒層後段ヒータ2の動作を制御するヒータ制御手段6と、を備えている。
【選択図】図2
An indirect internal reforming solid oxide fuel cell system capable of improving start-up reliability and safety and an operation method thereof.
An indirect internal reforming SOFC system 10 includes a reformer 1 having a reforming catalyst layer that generates a reformed gas using a hydrocarbon-based fuel, and a reformed gas obtained by the reformer 1. SOFC 3 that generates electricity using, combustion region 4 that combusts anode off gas discharged from SOFC 3, and reformer 1, SOFC 3, and housing 7 that accommodates combustion region 4, and is generated in combustion region 4 The reformer 1 is disposed at a position where the combustion heat can be received. This indirect internal reforming SOFC system 10 includes a reforming catalyst layer post-stage heater 2 for heating the reforming catalyst layer post-stage 11x, a temperature detection means 5 for detecting the temperature of the reforming catalyst layer post-stage 11x, and a temperature detection means 5 Heater control means 6 for controlling the operation of the reforming catalyst layer latter stage heater 2 based on the temperature detected in step (b).
[Selection] Figure 2

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システム、及びその運転方法に関する。   The present invention relates to an indirect internal reforming solid oxide fuel cell system having a reformer in the vicinity of a fuel cell, and an operation method thereof.

通常、固体酸化物形燃料電池(Solid Oxide Fuel Cells:以下、「SOFC」ともいう)には、灯油や都市ガス等の炭化水素系燃料(改質原料)を改質器で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。そして、SOFCは、この改質ガスと空気とを電気化学的に反応させて発電を行う。このようなSOFCは、通常、550℃〜1000℃程度の高温で作動される。   Normally, solid oxide fuel cells (Solid Oxide Fuel Cells: hereinafter referred to as “SOFC”) are generated by reforming hydrocarbon fuels (reforming raw materials) such as kerosene and city gas with a reformer. The hydrogen-containing gas (reformed gas) is supplied. The SOFC generates electricity by electrochemically reacting the reformed gas and air. Such SOFC is usually operated at a high temperature of about 550 ° C to 1000 ° C.

改質には、水蒸気改質、部分酸化改質等の種々の反応が利用される。これらの何れの反においても一定以上の温度が必要とされるため、SOFCシステムとしては、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のものが開発されている(例えば、特許文献1参照)。   Various reactions such as steam reforming and partial oxidation reforming are used for the reforming. In any of these cases, a temperature above a certain level is required. Therefore, in the SOFC system, a reformer is installed in the vicinity of the SOFC (a position where heat radiation from the SOFC is received), and the SOFC system is modified by radiant heat from the SOFC. An indirect internal reforming type that heats the mass device has been developed (see, for example, Patent Document 1).

間接内部改質型SOFCシステムでは、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(例えば、特許文献2参照)。また、SOFCと改質器との間の燃焼領域内に着火用ヒータを設け、常時通電させることにより、着火信頼性を向上させる場合がある(例えば、特許文献3参照)。   In an indirect internal reforming SOFC system, combustible anode off-gas (gas discharged from the SOFC anode) is combusted in a casing (module container), and the reformer is heated using this combustion heat as a heat source. (For example, see Patent Document 2). In some cases, the ignition reliability is improved by providing an ignition heater in the combustion region between the SOFC and the reformer and energizing it constantly (see, for example, Patent Document 3).

特開2002−358997号公報JP 2002-358997 A 特開2004−319420号公報JP 2004-319420 A 特開2008−243592号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2008-243592

図1は、改質ガス平衡組成の温度依存性を示すグラフである。図1に示すように、改質ガスにおける水素濃度は改質温度に大きく依存しており、改質温度が低いときには水素濃度は低く、改質温度の増大とともに水素濃度は大きく増大する。   FIG. 1 is a graph showing the temperature dependence of the reformed gas equilibrium composition. As shown in FIG. 1, the hydrogen concentration in the reformed gas greatly depends on the reforming temperature. When the reforming temperature is low, the hydrogen concentration is low, and the hydrogen concentration increases greatly as the reforming temperature increases.

この点、間接内部改質型SOFCシステムの起動時には、改質器の温度が低くて改質反応が不十分であることや、前述したように改質ガス平衡組成の水素濃度が低いことから、燃焼継続に十分なアノードオフガスを燃焼領域に供給することが困難となり、燃焼領域においてしばしば失火する場合がある。失火すると、モジュールを加熱する熱源がないため、発電開始所定温度までSOFCを昇温できないことや、失火するアノードオフガス中の一酸化炭素が燃焼領域で燃焼されずに装置外に一酸化炭素のまま排出されるおそれがある。よって、間接内部改質型SOFCシステムでは、起動時に燃焼領域での燃焼を継続させ、起動信頼性及び安全性を高めることが求められている。   In this respect, when the indirect internal reforming SOFC system is started, the reformer temperature is low and the reforming reaction is insufficient, and the hydrogen concentration of the reformed gas equilibrium composition is low as described above. It may be difficult to supply enough anode off-gas to the combustion zone to continue combustion, and misfires may often occur in the combustion zone. If there is a misfire, there is no heat source to heat the module, so the SOFC cannot be heated up to the predetermined temperature at which power generation starts, and the carbon monoxide in the misfired anode off-gas is not burned in the combustion region but remains as carbon monoxide outside the device. There is a risk of being discharged. Therefore, the indirect internal reforming SOFC system is required to continue the combustion in the combustion region at the time of start-up, and to improve the start-up reliability and safety.

そこで、本発明は、起動信頼性及び安全性を高めることができる間接内部改質型固体酸化物燃料電池システム及びその運転方法を提供することを課題とする。   Then, this invention makes it a subject to provide the indirect internal reforming type solid oxide fuel cell system which can improve starting reliability and safety | security, and its operating method.

上記課題を解決するため、本発明に係る間接内部改質型固体酸化物燃料電池システムは、炭化水素系燃料を用いて改質ガスを生成する改質触媒層を有する改質器と、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、固体酸化物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燃焼領域と、該改質器、固体酸化物形燃料電池及び燃焼領域を収容する筐体と、を具備し、燃焼領域で発生する燃焼熱を受熱可能な位置に改質器が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であって、改質触媒層の後段を加熱する電気ヒータと、改質触媒層の後段の温度を検知する温度検知手段と、温度検知手段で検知された温度に基づいて、電気ヒータの動作を制御するヒータ制御手段と、を備えたことを特徴とする。   In order to solve the above problems, an indirect internal reforming solid oxide fuel cell system according to the present invention includes a reformer having a reforming catalyst layer that generates a reformed gas using a hydrocarbon-based fuel, and a reformer. A solid oxide fuel cell that generates electricity using the reformed gas obtained from the reformer, a combustion region for burning anode off-gas discharged from the solid oxide fuel cell, the reformer, the solid oxide fuel cell, and An indirect internal reforming solid oxide fuel cell system comprising a housing for housing a combustion region, and having a reformer disposed at a position capable of receiving combustion heat generated in the combustion region. Electric heater for heating the latter stage of the catalyst catalyst layer, temperature detecting means for detecting the temperature of the latter stage of the reforming catalyst layer, and heater control means for controlling the operation of the electric heater based on the temperature detected by the temperature detecting means And.

この本発明では、起動時において、改質触媒層の後段の温度に基づき電気ヒータの動作が制御されることから、例えば改質触媒層の後段の温度が低い場合、電気ヒータを制御して改質触媒層後段の温度を上昇させることができる。これにより、起動時において、自己熱改質反応、水蒸気改質反応の活性化及び改質ガス平衡組成の水素濃度の増大を図り、失火を防止して燃焼を確実に継続させることができる。特に、改質触媒層後段の温度を高めると、平衡組成の水素濃度を一層高めることができ、失火の頻発を抑制することが可能となる。従って、本発明によれば、起動信頼性及び安全性を高めることが可能となる。   In the present invention, since the operation of the electric heater is controlled based on the temperature at the subsequent stage of the reforming catalyst layer at the time of start-up, for example, when the temperature at the latter stage of the reforming catalyst layer is low, the electric heater is controlled to improve the operation. The temperature of the latter stage of the catalyst catalyst layer can be raised. Thereby, at the time of start-up, activation of the autothermal reforming reaction and steam reforming reaction and increase of the hydrogen concentration of the reformed gas equilibrium composition can be achieved, and misfire can be prevented and combustion can be continued reliably. In particular, when the temperature at the rear stage of the reforming catalyst layer is increased, the hydrogen concentration of the equilibrium composition can be further increased, and the frequent occurrence of misfires can be suppressed. Therefore, according to the present invention, start-up reliability and safety can be improved.

ここで、ヒータ制御手段は、電気ヒータに対する通電量を可変制御可能に構成されている場合がある。   Here, the heater control means may be configured to be able to variably control the energization amount to the electric heater.

また、本発明に係る間接内部改質型固体酸化物燃料電池システムの運転方法は、ヒータ制御手段を用いて、温度検知手段で検知した温度に基づき電気ヒータに対し通電することにより、改質触媒層の温度を管理する工程を含むことを特徴とする。   The indirect internal reforming solid oxide fuel cell system operating method according to the present invention includes a heater control unit that energizes an electric heater based on a temperature detected by a temperature detection unit, thereby providing a reforming catalyst. It includes the step of controlling the temperature of the layer.

この本発明でも、起動時において、失火を防止して燃焼を確実に継続させ、且つ失火の頻発を抑制することができるため、起動信頼性及び安全性を高めることが可能となる。   Even in the present invention, at the time of start-up, misfire can be prevented, combustion can be continued reliably, and frequent occurrence of misfire can be suppressed, so that start-up reliability and safety can be improved.

本発明によれば、起動信頼性及び安全性を高めることが可能となる。   According to the present invention, it is possible to improve start-up reliability and safety.

改質触媒層における改質ガス平衡組成の温度依存性を示すグラフである。It is a graph which shows the temperature dependence of the reformed gas equilibrium composition in a reforming catalyst layer. 本発明の一実施形態に係る間接内部改質型固体酸化物形燃料電池システムの概要を示す模式図である。1 is a schematic diagram showing an outline of an indirect internal reforming solid oxide fuel cell system according to an embodiment of the present invention.

以下、図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明では、同一又は相当要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the following description, the same or equivalent elements will be denoted by the same reference numerals, and redundant description will be omitted.

[間接内部改質型SOFCシステム]
図2は、本発明の一実施形態に係る間接内部改質型固体酸化物形燃料電池システムの概要を示す模式図である。図2に示すように、本実施形態の間接内部改質型固体酸化物形燃料電池システム(以下、「間接内部改質型SOFCシステム」という)10は、改質器1、SOFC3、燃焼領域4及び筐体7を備えている。
[Indirect internal reforming SOFC system]
FIG. 2 is a schematic diagram showing an overview of an indirect internal reforming solid oxide fuel cell system according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 2, the indirect internal reforming solid oxide fuel cell system (hereinafter referred to as “indirect internal reforming SOFC system”) 10 of the present embodiment includes a reformer 1, SOFC 3, combustion region 4. And a housing 7.

改質器1は、炭化水素系燃料から改質ガスを生成するものであり、改質触媒層11をその内部に有している。改質器1は、SOFC3から受熱可能な位置に配されている。ここでの改質器1は、燃焼領域4で発生する燃焼熱を受熱可能な位置に配されている。この改質器1には、炭化水素系燃料が供給されると共に、必要に応じて空気等の酸素含有ガスや水蒸気も改質器1に供給される。改質器1から得られる改質ガスは、SOFC3のアノードに供給される。   The reformer 1 generates reformed gas from hydrocarbon fuel and has a reforming catalyst layer 11 therein. The reformer 1 is arranged at a position where heat can be received from the SOFC 3. The reformer 1 here is arranged at a position where it can receive the combustion heat generated in the combustion region 4. The reformer 1 is supplied with a hydrocarbon-based fuel, and an oxygen-containing gas such as air and water vapor are also supplied to the reformer 1 as necessary. The reformed gas obtained from the reformer 1 is supplied to the anode of the SOFC 3.

SOFC3は、改質器1で得られる改質ガスを用いて発電を行う。燃焼領域4は、SOFC3のアノードから排出されるアノードオフガスを燃焼させる領域である。換言すると、アノードから排出されるアノードオフガスは、燃焼領域4で燃焼可能とされている。筐体7は、改質器1、SOFC3及び燃焼領域4を収容するモジュール容器である。   The SOFC 3 generates power using the reformed gas obtained from the reformer 1. The combustion region 4 is a region where the anode off gas discharged from the anode of the SOFC 3 is combusted. In other words, the anode off-gas discharged from the anode is combustible in the combustion region 4. The casing 7 is a module container that houses the reformer 1, the SOFC 3, and the combustion region 4.

また、間接内部改質型SOFCシステム10は、改質触媒層後段ヒータ2、温度検知手段5及びヒータ制御手段6をさらに備えている。改質触媒層後段ヒータ2は、改質器1に充填された改質触媒層11の後半部分、すなわち改質器1の出口付近を構成する改質触媒層後段11xを加熱する。   The indirect internal reforming SOFC system 10 further includes a reforming catalyst layer post-stage heater 2, a temperature detection unit 5, and a heater control unit 6. The reforming catalyst layer post-stage heater 2 heats the rear half of the reforming catalyst layer 11 filled in the reformer 1, that is, the reforming catalyst layer post-stage 11x constituting the vicinity of the outlet of the reformer 1.

温度検知手段5は、改質触媒層後段11xの温度を検知するものであり、改質器1において改質ガスの出口付近に設けられている。温度検知手段5としては、改質触媒層後段11xの温度を検知できるものであれば、例えば熱電対等の公知の温度センサを適宜用いることができる。   The temperature detecting means 5 detects the temperature of the reforming catalyst layer rear stage 11x, and is provided in the reformer 1 near the outlet of the reformed gas. As the temperature detection means 5, a known temperature sensor such as a thermocouple can be appropriately used as long as it can detect the temperature of the reforming catalyst layer rear stage 11 x.

ヒータ制御手段6は、温度検知手段5で検知された温度に基づいて改質触媒層後段ヒータ2に通電することで、改質触媒層後段ヒータ2の動作を制御する。これにより、改質触媒層後段11xの温度を上昇させ、自己熱改質反応、水蒸気改質反応の活性化及び改質ガス平衡組成の水素濃度の増大を図り、燃焼継続の信頼性を向上させることが可能とされる。   The heater control means 6 controls the operation of the reforming catalyst layer latter stage heater 2 by energizing the reforming catalyst layer latter stage heater 2 based on the temperature detected by the temperature detection means 5. As a result, the temperature of the reforming catalyst layer rear stage 11x is raised, the autothermal reforming reaction, the steam reforming reaction are activated, the hydrogen concentration of the reformed gas equilibrium composition is increased, and the reliability of continued combustion is improved. It is possible.

改質触媒層後段ヒータ2は、改質触媒層後段11xの温度を450℃以上、特に500℃以上にすることが好ましい。改質触媒層後段11xの温度が450℃未満では、平衡組成における水素濃度が低いため、SOFC3上部の燃焼領域4において、失火が頻発する可能性がある。   In the reforming catalyst layer post-stage heater 2, the temperature of the post-reforming catalyst layer post-stage 11x is preferably 450 ° C. or higher, particularly 500 ° C. or higher. When the temperature of the rear stage 11x of the reforming catalyst layer is lower than 450 ° C., the hydrogen concentration in the equilibrium composition is low, and therefore misfires may frequently occur in the combustion region 4 above the SOFC 3.

ここでの改質触媒層後段ヒータ2としては、棒状のヒータ(例えばシースヒータ等)が用いられている。改質触媒層後段ヒータ2は、その軸方向が改質器1内部にて改質ガスの流路と平行となるように設置されている。このように、改質触媒層後段ヒータ2を改質器1内部に設置することで、改質触媒層後段ヒータ2の発熱の略全てを改質触媒層11に与えることができ、熱のロスを少なくすることが可能となる。これと共に、燃焼領域4の火炎に改質触媒層後段ヒータ2が直接さらされることはなくなるため、その過昇温を防止でき、改質触媒層後段ヒータ2の低コスト化及び長寿命化も可能となる。   As the reforming catalyst layer post-stage heater 2 here, a rod-shaped heater (for example, a sheath heater) is used. The reforming catalyst layer latter stage heater 2 is installed so that its axial direction is parallel to the flow path of the reformed gas inside the reformer 1. Thus, by installing the reforming catalyst layer rear heater 2 inside the reformer 1, almost all of the heat generated by the reforming catalyst layer rear heater 2 can be given to the reforming catalyst layer 11, resulting in heat loss. Can be reduced. At the same time, since the reforming catalyst layer rear heater 2 is not directly exposed to the flame of the combustion region 4, the excessive temperature rise can be prevented, and the cost and life of the reforming catalyst layer rear heater 2 can be reduced. It becomes.

また、改質触媒層後段ヒータ2の発熱部は、改質器1において改質ガス出口側の端に対し少し手前側(改質ガス入口側)に位置している。これにより、改質ガスの流れによる熱輸送を好適に利用でき、より高効率な改質触媒層後段11xの温度上昇を図ることができる。   Further, the heat generating portion of the reforming catalyst layer latter stage heater 2 is located slightly in front of the reforming gas outlet side end (reforming gas inlet side) in the reformer 1. Thereby, heat transport by the flow of the reformed gas can be suitably used, and the temperature of the reforming catalyst layer rear stage 11x can be increased more efficiently.

このヒータ制御手段6は、改質触媒層後段ヒータ2への通電をオンオフ制御すると共に、この通電量を可変制御可能とする。可変制御では、具体的には、温度検知手段5により検知された改質触媒層後段11xの温度がヒータ制御手段6に信号として送られ、そして、ヒータ制御手段6は、この信号を利用して改質触媒層後段ヒータ2の通電量を制御する。このような可変制御によって、改質器1の負荷量の変化や外乱に対して随意対応でき、また、改質触媒層後段ヒータ2の電力消費量を削減できる。   The heater control means 6 performs on / off control of energization to the reforming catalyst layer latter stage heater 2 and enables variable control of the energization amount. In the variable control, specifically, the temperature of the reforming catalyst layer rear stage 11x detected by the temperature detection means 5 is sent as a signal to the heater control means 6, and the heater control means 6 uses this signal. The energization amount of the rear heater 2 of the reforming catalyst layer is controlled. By such variable control, it is possible to respond arbitrarily to changes in the load of the reformer 1 and disturbances, and it is possible to reduce the power consumption of the reforming catalyst layer latter stage heater 2.

ヒータ制御手段6としては、SOFC3若しくは間接内部改質型SOFCシステム10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。ここでは、ヒータ制御手段6として、制御用コンピュータ、シーケンサ又はインバータ等が用いられている。   As the heater control means 6, known control means used for control in the SOFC 3 or the indirect internal reforming SOFC system 10 can be appropriately used. Here, a control computer, a sequencer, an inverter, or the like is used as the heater control means 6.

[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分野で公知の、分子中に炭素と水素を含む(酸素等の他の元素を含んでもよい)化合物若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、アルコール類等の分子中に炭素及び水素を有する化合物を用いることができる。例えば、炭化水素系燃料としては、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、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が挙げられる。
[Hydrocarbon fuel]
As the hydrocarbon-based fuel, it is appropriately selected from compounds known as SOFC field containing carbon and hydrogen (may contain other elements such as oxygen) or a mixture thereof as a raw material for reformed gas. And compounds having carbon and hydrogen in the molecule such as hydrocarbons and alcohols can be used. For example, hydrocarbon fuels include hydrocarbon fuels such as methane, ethane, propane, butane, natural gas, LPG (liquefied petroleum gas), city gas, gasoline, naphtha, kerosene, light oil, alcohols such as methanol and ethanol, Examples include ethers such as dimethyl ether.

なかでも灯油やLPGは、入手容易であり好ましい。また、灯油やLPGは、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SOFC3は、非常用電源として有用である。特に、取り扱いも容易である点で、灯油がより好ましい。   Of these, kerosene and LPG are preferred because they are readily available. Moreover, since kerosene and LPG can be stored independently, they are useful in areas where city gas lines are not widespread. Furthermore, SOFC3 using kerosene or LPG is useful as an emergency power source. In particular, kerosene is more preferable in terms of easy handling.

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上で改質器1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、適宜気化した上で改質器1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 1 after being desulfurized as necessary. Further, when the hydrocarbon fuel is liquid, it can be supplied to the reformer 1 after being appropriately vaporized.

[改質器]
改質器1は、炭化水素系燃料から水素を含む改質ガスを生成(製造)する。改質器1においては、水蒸気改質、部分酸化改質、及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。
[Reformer]
The reformer 1 generates (produces) a reformed gas containing hydrogen from a hydrocarbon fuel. In the reformer 1, 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1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。改質器1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。   The reformer 1 includes 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. It can be used as appropriate. As the structure of the reformer 1, 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1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。改質器1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。改質器1(改質触媒層11)には、炭化水素系燃料(必要に応じて予め気化される)及び水蒸気、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、若しくは適宜混合した上で供給することができる。   The material of the reformer 1 can be appropriately selected and adopted from materials known as reformers in consideration of resistance in the use environment. The shape of the reformer 1 can be an appropriate shape such as a rectangular parallelepiped shape or a circular tube shape. In the reformer 1 (reformed catalyst layer 11), hydrocarbon-based fuel (which is vaporized in advance if necessary) and water vapor, and further, if necessary, oxygen-containing gas such as air are individually or appropriately mixed. Can be supplied.

改質器1から得られる改質ガスは、SOFC3のアノードに供給される。一方、SOFC3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SOFC3が発熱し、その熱がSOFC3から改質器1へと、輻射伝熱等により伝わる。このようにSOFC3における排熱は、改質器1を加熱するために利用される。ガスの取り合い等は、配管等が適宜用いられる。   The reformed gas obtained from the reformer 1 is supplied to the anode of the SOFC 3. On the other hand, an oxygen-containing gas such as air is supplied to the cathode of the SOFC 3. At the time of power generation, the SOFC 3 generates heat with power generation, and the heat is transmitted from the SOFC 3 to the reformer 1 by radiant heat transfer or the like. Thus, the exhaust heat in the SOFC 3 is used for heating the reformer 1. For gas exchange and the like, piping or the like is used as appropriate.

[SOFC]
SOFC3としては、公知のSOFCを適宜採用できる。SOFC3では、一般的に、酸素イオン導電性セラミックス若しくはプロト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 3, a known SOFC can be appropriately employed. In SOFC3, oxygen ion conductive ceramics or proton conductive ceramics are generally used as an electrolyte.

SOFC3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、ここでのスタックにはバンドルも含む)が好ましいとして用いられる。この場合、スタックは1つでも複数でもよい。SOFC3の形状は、立方体状スタックに限らず、適宜の形状を採用できる。   The SOFC3 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 called a bundle, but the stack here also includes a bundle) is preferable. Used. In this case, one or more stacks may be used. The shape of the SOFC 3 is not limited to a cubic stack, and an appropriate shape can be adopted.

[筐体]
筐体7としては、SOFC3、改質器1及び燃焼領域4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等、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。筐体7には、ガスの取り合い等のために、接続口が適宜設けられる。
[Case]
As the casing 7, an appropriate container that can accommodate the SOFC 3, the reformer 1, and the combustion region 4 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 casing 7 is appropriately provided with a connection port for gas exchange and the like.

この筐体7は、その内部と外界(大気)とが連通しないように気密性を有することが好ましい。   The casing 7 is preferably airtight so that the interior and the outside (atmosphere) do not communicate with each other.

[燃焼領域]
燃焼領域4は、SOFC3のアノードから排出されるアノードオフガスが燃焼ガスとして燃焼される領域である。例えば、アノード出口を筐体7内の改質器1側に開放し、改質器1とSOFC3との間におけるアノード出口近傍の空間を燃焼領域4とすることができる。なお、アノードオフガスを燃焼させるためには、イグナイター等の着火手段を適宜用いることができる。
[Combustion area]
The combustion region 4 is a region where the anode off gas discharged from the anode of the SOFC 3 is combusted as a combustion gas. For example, the anode outlet can be opened to the reformer 1 side in the casing 7 and the space near the anode outlet between the reformer 1 and the SOFC 3 can be used as the combustion region 4. In order to burn the anode off gas, ignition means such as an igniter can be used as appropriate.

[改質器の配置]
間接内部改質型SOFCシステム10では、改質器1がSOFC3から受熱可能な位置に配置されている。ここでは、筐体7内においてSOFC3の上部に該SOFC3に対向するよう設けられている。特に、改質器1は、SOFC3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低減の観点から好ましい。また、燃焼領域4と改質器1の間には、遮蔽物を配置しないことが好ましい。つまり、燃焼領域4と改質器1とが、遮蔽物を挟むことなく対向することが好ましい。但し、必要な配管等は適宜配置される。さらにまた、改質器1と燃焼領域4とを、できるだけ近い位置に配することが好ましい。
[Arrangement of reformer]
In the indirect internal reforming SOFC system 10, the reformer 1 is disposed at a position where heat can be received from the SOFC 3. Here, the housing 7 is provided on the top of the SOFC 3 so as to face the SOFC 3. In particular, the reformer 1 is preferably placed at a position where it receives the most heat radiation of the SOFC 3 from the viewpoint of reducing thermal energy loss. Moreover, it is preferable not to arrange a shield between the combustion region 4 and the reformer 1. That is, it is preferable that the combustion region 4 and the reformer 1 face each other without sandwiching a shielding object. However, necessary piping and the like are appropriately arranged. Furthermore, it is preferable to arrange the reformer 1 and the combustion region 4 as close as possible.

[改質触媒]
改質器1の改質触媒11として用いることのできる水蒸気改質触媒、部分酸化改質触媒、自己熱改質触媒の何れについても、公知な非貴金属若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 as the reforming catalyst 11 of the reformer 1 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10の構成要素は、必要に応じて適宜設けることができる。具体的には、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の(或いは、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、スチーム等で各種機器を外熱する加熱/保温手段、炭化水素系燃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等が挙げられる。
[Other devices]
The components of the indirect internal reforming SOFC system 10 can be appropriately provided as necessary. Specifically, a vaporizer for vaporizing a liquid, a pump for pressurizing various fluids, a pressurizing means such as a compressor, a blower, etc., for adjusting the flow rate of the fluid (or for blocking / switching the fluid flow) ) Flow rate control means such as valves, flow path shutoff / switching means, heat exchangers for heat exchange and heat recovery, condensers for condensing gas, heating / heat retention means for externally heating various devices with steam, etc., carbonization Hydrogen fuel and combustion fuel storage means, instrumentation air and electrical systems, control signal systems, control devices, output and power electrical systems, desulfurizers that reduce the concentration of sulfur in the fuel, etc. Can be mentioned.

以上のように構成された本実施形態の間接内部改質型SOFCシステム10では、例えば起動時において、炭化水素系燃料、空気及び水蒸気が改質器1に供給され、改質器1により改質ガスが生成されてSOFC3へ供給される。そして、アノードオフガス及び空気がSOFC3から燃焼領域4に供給されて該燃焼領域4にて燃焼され、この燃焼熱を熱源に改質器1が加熱される。その後、燃焼領域4の排ガスが外部へ排気される。   In the indirect internal reforming SOFC system 10 of the present embodiment configured as described above, for example, at the time of start-up, hydrocarbon-based fuel, air, and steam are supplied to the reformer 1, and reforming is performed by the reformer 1. Gas is generated and supplied to the SOFC 3. Then, the anode off gas and air are supplied from the SOFC 3 to the combustion region 4 and burned in the combustion region 4, and the reformer 1 is heated using this combustion heat as a heat source. Thereafter, the exhaust gas in the combustion region 4 is exhausted to the outside.

このとき、温度検知手段5によって改質触媒層後段11xの温度が検知され、改質触媒層後段11xの温度が監視される。そして、この改質触媒層後段11xの温度に基づいて、改質触媒層後段ヒータ2がヒータ制御手段6によってオンオフ制御され、又はその通電量が可変制御(電流値可変制御)される。その結果、起動時に改質触媒層後段11xの温度が低い場合、改質触媒層後段ヒータ2によって改質触媒層後段11xの温度が上昇され、かかる温度が例えば450℃(450℃以上)に維持されることとなる。換言すると、温度検知手段5で検知した温度に基づき改質触媒層後段ヒータ2が通電され、改質触媒層11の温度が管理されることとなる。   At this time, the temperature of the reforming catalyst layer rear stage 11x is detected by the temperature detecting means 5, and the temperature of the reforming catalyst layer rear stage 11x is monitored. Then, based on the temperature of the reforming catalyst layer rear stage 11x, the reforming catalyst layer rear stage heater 2 is on / off controlled by the heater control means 6, or the energization amount thereof is variably controlled (current value variable control). As a result, when the temperature of the rear stage 11x of the reforming catalyst layer is low at the time of startup, the temperature of the rear stage 11x of the reforming catalyst layer is increased by the reforming catalyst layer rear stage heater 2 and this temperature is maintained at 450 ° C. (450 ° C. or higher) Will be. In other words, the reforming catalyst layer post-stage heater 2 is energized based on the temperature detected by the temperature detecting means 5, and the temperature of the reforming catalyst layer 11 is managed.

従って、本実施形態では、起動時において、自己熱改質反応、水蒸気改質反応の活性化及び改質ガス平衡組成の水素濃度の増大を図り、失火を防止して燃焼を確実に継続させることができる。特に、改質触媒層後段11xの温度を高めると、平衡組成の水素濃度を一層高めることができ、失火の頻発を抑制することが可能となる。その結果、発電開始所定温度までSOFC3を確実に昇温できると共に、アノードオフガス中の一酸化炭素が外部に一酸化炭素のまま排出されるのを防止することが可能となる。従って、本実施形態によれば、起動信頼性及び安全性を高めることが可能となる。   Therefore, in this embodiment, at the time of start-up, activation of the autothermal reforming reaction, steam reforming reaction, and increase of the hydrogen concentration of the reformed gas equilibrium composition are aimed at preventing misfire and continuing combustion reliably. Can do. In particular, when the temperature of the reforming catalyst layer rear stage 11x is increased, the hydrogen concentration of the equilibrium composition can be further increased, and the frequent occurrence of misfires can be suppressed. As a result, it is possible to reliably raise the temperature of the SOFC 3 to a predetermined temperature at which power generation is started, and it is possible to prevent carbon monoxide in the anode off gas from being discharged to the outside as carbon monoxide. Therefore, according to the present embodiment, it is possible to improve start-up reliability and safety.

なお、改質触媒層後段11xの温度が450℃以上あれば、燃焼継続のための水素が十分供給できていると考えられるため、本実施形態では、改質触媒層後段11xの温度が例えば450℃となるように改質触媒層後段ヒータ2を制御したが、これに限定されるものではない。制御目標となる改質触媒層後段11xの温度は、改質器1の構造、触媒性能、原燃料種及び空燃比等の少なくとも1つに応じて種々の温度に設定してもよい。   If the temperature of the reforming catalyst layer rear stage 11x is 450 ° C. or higher, it is considered that hydrogen for continuation of combustion can be sufficiently supplied. In this embodiment, the temperature of the reforming catalyst layer rear stage 11x is, for example, 450 Although the reforming catalyst layer post-stage heater 2 is controlled so as to be at ° C., it is not limited to this. The temperature of the reforming catalyst layer rear stage 11x as a control target may be set to various temperatures according to at least one of the structure of the reformer 1, the catalyst performance, the raw fuel type, the air-fuel ratio, and the like.

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明に係る間接内部改質型固体酸化物燃料電池システム及びその運転方法は、上記実施形態に限られるものではなく、各請求項に記載した要旨を変更しない範囲で変形し、又は他のものに適用したものであってもよい。   The preferred embodiments of the present invention have been described above. However, the indirect internal reforming solid oxide fuel cell system and the operation method thereof according to the present invention are not limited to the above embodiments, and are described in each claim. It may be modified without changing the gist, or applied to other things.

1…改質器、2…改質触媒層後段ヒータ(電気ヒータ)、3…SOFC(固体酸化物形燃料電池)、4…燃焼領域、5…温度検知手段、6…ヒータ制御手段、7…筐体、10…間接内部改質型SOFCシステム(間接内部改質型固体酸化物形燃料電池システム)、11…改質触媒層、11x…改質触媒層後段(改質触媒層の後段)。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Reformer, 2 ... Reformation catalyst layer latter stage heater (electric heater), 3 ... SOFC (solid oxide fuel cell), 4 ... Combustion area, 5 ... Temperature detection means, 6 ... Heater control means, 7 ... Housing, 10... Indirect internal reforming SOFC system (indirect internal reforming solid oxide fuel cell system), 11... Reforming catalyst layer, 11x.

Claims (3)

炭化水素系燃料を用いて改質ガスを生成する改質触媒層を有する改質器と、
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、
前記固体酸化物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燃焼領域と、
前記該改質器、前記固体酸化物形燃料電池及び前記燃焼領域を収容する筐体と、を具備し、前記燃焼領域で発生する燃焼熱を受熱可能な位置に前記改質器が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であって、
前記改質触媒層の後段を加熱する電気ヒータと、
前記改質触媒層の後段の温度を検知する温度検知手段と、
前記温度検知手段で検知された温度に基づいて、前記電気ヒータの動作を制御するヒータ制御手段と、を備えたことを特徴とする間接内部改質型固体酸化物形燃料電池システム。
A reformer having a reforming catalyst layer for generating reformed gas using a hydrocarbon-based fuel;
A solid oxide fuel cell that generates power using the reformed gas obtained in the reformer;
A combustion region for burning anode off-gas discharged from the solid oxide fuel cell;
The reformer, the solid oxide fuel cell, and a housing that accommodates the combustion region, and the reformer is disposed at a position capable of receiving combustion heat generated in the combustion region. An indirect internal reforming solid oxide fuel cell system,
An electric heater for heating the latter stage of the reforming catalyst layer;
Temperature detecting means for detecting the temperature of the latter stage of the reforming catalyst layer;
An indirect internal reforming solid oxide fuel cell system, comprising: heater control means for controlling the operation of the electric heater based on the temperature detected by the temperature detection means.
前記ヒータ制御手段は、前記電気ヒータに対する通電量を可変制御可能に構成されていることを特徴とする請求項1記載の間接内部改質型固体酸化物形燃料電池システム。   The indirect internal reforming solid oxide fuel cell system according to claim 1, wherein the heater control means is configured to be able to variably control an energization amount to the electric heater. 請求項1又は2記載の固体酸化物形燃料電池システムを起動するための運転方法であって、
前記ヒータ制御手段を用いて、前記温度検知手段で検知した温度に基づき前記電気ヒータに対し通電することにより、前記改質触媒層の温度を管理する工程を含むことを特徴とする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。
An operation method for starting up the solid oxide fuel cell system according to claim 1 or 2,
Indirect internal reforming comprising the step of managing the temperature of the reforming catalyst layer by energizing the electric heater based on the temperature detected by the temperature detecting means using the heater control means Type solid oxide fuel cell system operation method.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2016025005A (en) * 2014-07-22 2016-02-08 株式会社デンソー Fuel cell device
JP2021022573A (en) * 2017-03-30 2021-02-18 森村Sofcテクノロジー株式会社 Solid oxide fuel battery system

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