JP5584022B2 - Fuel cell system and starting method thereof - Google Patents

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本発明は、燃料電池システム及び該燃料電池システムの起動方法に関し、特には、固体酸化物形燃料電池のアノードが酸化劣化することを防止しつつ、燃料電池システムを昇温することが可能な燃料電池システムの起動方法に関するものである。   The present invention relates to a fuel cell system and a method for starting the fuel cell system, and in particular, a fuel capable of raising the temperature of the fuel cell system while preventing the anode of the solid oxide fuel cell from being oxidized and deteriorated. The present invention relates to a battery system activation method.

一般に、燃料電池システムにおいては、固体酸化物形燃料電池のアノードが酸化するのを防止するため、固体酸化物形燃料電池の昇温起動時においてアノード側が還元状態を維持する必要のある温度領域(約400℃以上)では、アノードを不活性ガス又は還元性ガスの雰囲気に維持することが必要となる。また、燃料電池システムでは、発電用燃料となる水素を主成分とする改質ガスを製造するため、通常改質器が利用されるが、この場合、改質器から固体酸化物形燃料電池へ改質ガスを供給するためには、まず改質器が改質反応を行うことのできる温度まで昇温させておく必要がある。   In general, in a fuel cell system, in order to prevent the anode of a solid oxide fuel cell from being oxidized, a temperature range (where the anode side needs to maintain a reduced state at the start of temperature rising of the solid oxide fuel cell ( At about 400 ° C. or higher), it is necessary to maintain the anode in an atmosphere of an inert gas or a reducing gas. In a fuel cell system, a reformer is usually used to produce a reformed gas containing hydrogen as a main component for power generation. In this case, from the reformer to a solid oxide fuel cell. In order to supply the reformed gas, it is first necessary to raise the temperature to a temperature at which the reformer can perform the reforming reaction.

特開2005−285621号公報(特許文献1)では、燃料電池から排出されるガスの燃焼を行い、この燃焼熱によって、改質器及び燃料電池の双方を加熱すると共に、改質器が改質反応開始温度に達する前には、該燃焼熱により気化させた水蒸気を改質器へ供給する方法が提案されている。また、特開2005−293951号公報(特許文献2)では、水蒸気改質反応を利用した改質器と部分酸化改質反応を利用した改質器の二種類の改質器を備える燃料電池システムにおいて、固体酸化物形燃料電池の発電時、発電開始期及び発電停止期で使用する改質器を切り替える方法が提案されている。更に、特開2008−16277号公報(特許文献3)では、固体酸化物形燃料電池の容器内に設置される内部改質器に加えて、該固体酸化物形燃料電池の容器の外側に、可燃物の燃焼手段を備えた外部改質器を設置することで、内部改質器が改質可能な温度に達する前には、外部改質器により製造した改質ガスを固体酸化物形燃料電池へ供給し、内部改質器が改質可能な温度に達したら、外部改質器による改質ガスの製造を停止し、内部改質器により製造した改質ガスを固体酸化物形燃料電池へ供給することが可能な燃料電池システムが提案されている。   In Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-285621 (Patent Document 1), gas discharged from a fuel cell is combusted, and both the reformer and the fuel cell are heated by this combustion heat, and the reformer is reformed. Before reaching the reaction start temperature, a method for supplying steam reformed by the combustion heat to the reformer has been proposed. Japanese Patent Laying-Open No. 2005-293951 (Patent Document 2) discloses a fuel cell system including two types of reformers, a reformer using a steam reforming reaction and a reformer using a partial oxidation reforming reaction. Have proposed a method of switching the reformer used during the power generation start period and the power generation stop period during the power generation of the solid oxide fuel cell. Furthermore, in JP 2008-16277 A (Patent Document 3), in addition to the internal reformer installed in the container of the solid oxide fuel cell, on the outside of the container of the solid oxide fuel cell, By installing an external reformer equipped with a combustible material combustion means, the reformed gas produced by the external reformer is converted to a solid oxide fuel before the internal reformer reaches a reformable temperature. When the battery reaches the temperature at which the internal reformer can be reformed, the reformed gas produced by the external reformer is stopped and the reformed gas produced by the internal reformer is used as a solid oxide fuel cell. There has been proposed a fuel cell system that can be supplied to a vehicle.

特開2005−285621号公報JP 2005-285621 A 特開2005−293951号公報JP 2005-293951 A 特開2008−16277号公報JP 2008-16277 A

しかしながら、固体酸化物形燃料電池のアノードへ窒素ガス等の不活性ガスを流したり、改質器へ水蒸気を流したりしても、固体酸化物形燃料電池のアノードに微量の酸素が混入する可能性は高く、固体酸化物形燃料電池のアノードが酸化することを防止する手段としては十分でない。また、水素ガス等の還元性ガスを流すことは、アノードの酸化を防止する手段としては有効であるものの、発電用燃料としての水素を含む改質ガスを改質器から燃料電池へ供給する改質ガス供給手段とは異なる水素ガス供給手段を別途設けることは、燃料電池システムを複雑化させて、コストアップを招く要因にもなるため好ましくない。従って、固体酸化物形燃料電池システムの起動時に、上記改質ガス供給手段以外に、水素ガスを固体酸化物形燃料電池へ供給する手段を別途設けることなく、如何にして固体酸化物形燃料電池のアノードの酸化を防止するかが課題となる。   However, even if an inert gas such as nitrogen gas is flowed to the anode of the solid oxide fuel cell or water vapor is flowed to the reformer, a small amount of oxygen can be mixed into the anode of the solid oxide fuel cell. Therefore, it is not sufficient as a means for preventing the anode of the solid oxide fuel cell from being oxidized. Although flowing a reducing gas such as hydrogen gas is effective as a means for preventing oxidation of the anode, a reformed gas containing hydrogen as a power generation fuel is supplied from the reformer to the fuel cell. It is not preferable to separately provide a hydrogen gas supply unit different from the quality gas supply unit because it complicates the fuel cell system and causes a cost increase. Therefore, when the solid oxide fuel cell system is started up, there is no need to provide a means for supplying hydrogen gas to the solid oxide fuel cell in addition to the reformed gas supply means. The problem is whether to prevent oxidation of the anode.

そこで、本発明の目的は、固体酸化物形燃料電池のアノードが酸化劣化することを防止しつつ、燃料電池システムを昇温することが可能な燃料電池システム及び該燃料電池システムの起動方法を提供することにある。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of raising the temperature of the fuel cell system while preventing the anode of the solid oxide fuel cell from being oxidized and deteriorated, and a method for starting the fuel cell system. There is to do.

本発明者らは、上記目的を達成するために鋭意検討した結果、アノードが酸化する温度以上に固体酸化物形燃料電池が加熱される前に、水蒸気改質反応を開始できる温度以上に改質器を加熱して該改質器からアノードへの還元性を有する改質ガスの供給を開始することで、改質器から燃料電池へ改質ガスを供給する改質ガス供給手段以外に水素ガス供給手段を設置することなく、固体酸化物形燃料電池のアノードの酸化を防止できることを見出し、本発明を完成させるに至った。   As a result of intensive studies to achieve the above object, the present inventors have reformed at a temperature higher than the temperature at which the steam reforming reaction can be started before the solid oxide fuel cell is heated above the temperature at which the anode is oxidized. In addition to the reformed gas supply means for supplying the reformed gas from the reformer to the fuel cell by starting the supply of the reformed gas having reducibility from the reformer to the anode by heating the reformer, hydrogen gas It has been found that oxidation of the anode of a solid oxide fuel cell can be prevented without installing a supply means, and the present invention has been completed.

即ち、本発明の燃料電池システムは、
固体酸化物形燃料電池と、
原燃料を改質して改質ガスを製造する改質器と、
炭化水素及び脂肪族アルコールからなる群から選択される少なくとも一種の燃料を燃焼させて前記改質器を加熱するための第一燃焼手段と、
前記固体酸化物形燃料電池からのアノードオフガスを燃焼させて前記改質器を加熱するための第二燃焼手段と、
前記第一燃焼手段及び前記第二燃焼手段のうち少なくとも一方の燃焼手段により生成した燃焼ガスに前記固体酸化物形燃料電池が曝されることを防止するための燃焼ガス曝露防止手段と、
前記燃焼ガスの流れ方向において前記改質器の下流側に位置する水蒸発器であって、前記燃焼ガスとの熱交換により水蒸気を発生させる水蒸発器と
を備え
前記燃焼ガス曝露防止手段が、前記第一燃焼手段、前記第二燃焼手段及び前記改質器を囲うハウジングであることを特徴とする。
That is, the fuel cell system of the present invention is
A solid oxide fuel cell;
A reformer for reforming raw fuel to produce reformed gas;
First combustion means for burning at least one fuel selected from the group consisting of hydrocarbons and aliphatic alcohols to heat the reformer;
Second combustion means for combusting anode off-gas from the solid oxide fuel cell to heat the reformer;
Combustion gas exposure prevention means for preventing the solid oxide fuel cell from being exposed to combustion gas generated by at least one of the first combustion means and the second combustion means;
A water evaporator located downstream of the reformer in the flow direction of the combustion gas, and a water evaporator which generates steam by heat exchange with the combustion gas,
The combustion gas exposure preventing means, the first combustion means and the second combustion means and said housing der Rukoto surrounding the reformer.

本発明の燃料電池システムの好適例においては、前記固体酸化物形燃料電池が、前記第一燃焼手段、前記第二燃焼手段及び前記燃焼ガス曝露防止手段からなる群から選択される少なくとも一種の手段からの熱伝導及び熱輻射の少なくとも一方により加熱される。   In a preferred embodiment of the fuel cell system of the present invention, the solid oxide fuel cell is at least one means selected from the group consisting of the first combustion means, the second combustion means, and the combustion gas exposure prevention means. Is heated by at least one of heat conduction and heat radiation.

本発明の燃料電池システムの他の好適例においては、更に、前記燃焼ガスとの熱交換により前記固体酸化物形燃料電池に供給される酸素含有ガスを加熱する熱交換器を備える。   In another preferred embodiment of the fuel cell system of the present invention, the fuel cell system further includes a heat exchanger that heats the oxygen-containing gas supplied to the solid oxide fuel cell by heat exchange with the combustion gas.

本発明の燃料電池システムの他の好適例においては、改質ガスを製造する前に、前記原燃料を脱硫して脱硫原燃料とする脱硫器を更に備え、前記熱交換器により加熱された酸素含有ガスの一部を用いて前記脱硫器が加熱される。   In another preferred embodiment of the fuel cell system of the present invention, before producing the reformed gas, the fuel cell system further comprises a desulfurizer that desulfurizes the raw fuel to obtain a desulfurized raw fuel, and is heated by the heat exchanger. The desulfurizer is heated using a part of the contained gas.

本発明の燃料電池システムの他の好適例においては、更に、前記熱交換器による加熱から前記固体酸化物形燃料電池に供給される酸素含有ガスの一部を回避させるためのバイパス流路を備える。   In another preferred embodiment of the fuel cell system of the present invention, the fuel cell system further includes a bypass flow path for avoiding a part of the oxygen-containing gas supplied to the solid oxide fuel cell from heating by the heat exchanger. .

また、本発明の燃料電池システムの起動方法は、前記燃料電池システムの起動方法であって、
炭化水素及び脂肪族アルコールからなる群から選択される少なくとも一種の燃料を燃焼させて燃焼ガスを生成し、該燃焼ガスを用いて改質器を加熱する工程であって、前記燃焼ガスに固体酸化物形燃料電池が曝されることを防止する工程と、
前記燃焼ガスの流れ方向において前記改質器の下流側に位置する水蒸発器を前記燃焼ガスにより加熱し、水蒸気を発生させる工程と、
前記水蒸発器の温度が水蒸気を発生することが可能な温度以上に達し、かつ、前記改質器の温度が原燃料の改質反応を行うことが可能な温度以上に達した後、前記改質器に前記水蒸気と原燃料とを供給して改質反応を開始し、改質ガスを生成する工程と、
前記固体酸化物形燃料電池の温度が、該固体酸化物形燃料電池のアノードが酸化する温度に達する前に、前記固体酸化物形燃料電池のアノードに前記改質ガスを供給する工程と
を含むことを特徴とする。
Further, the start method of the fuel cell system of the present invention is the start method of the fuel cell system,
Combusting at least one fuel selected from the group consisting of hydrocarbons and aliphatic alcohols to generate a combustion gas, and heating the reformer using the combustion gas, the solid oxidation of the combustion gas A step of preventing the physical fuel cell from being exposed;
Heating a water evaporator located downstream of the reformer in the flow direction of the combustion gas with the combustion gas to generate water vapor;
After the temperature of the water evaporator reaches a temperature at which steam can be generated or higher, and the temperature of the reformer reaches a temperature at which the reforming reaction of raw fuel can be performed, the reforming is performed. Supplying the steam and raw fuel to a mass device to start a reforming reaction and generating a reformed gas;
Supplying the reformed gas to the anode of the solid oxide fuel cell before the temperature of the solid oxide fuel cell reaches a temperature at which the anode of the solid oxide fuel cell oxidizes. It is characterized by that.

本発明の燃料電池システムの起動方法の好適例においては、
前記燃焼ガスの流れ方向において前記改質器の下流側に位置する熱交換器において、前記燃焼ガスとの熱交換により、前記固体酸化物形燃料電池に供給される酸素含有ガスを加熱する工程と、
加熱された前記酸素含有ガスの一部を用いて、前記改質器に供給される原燃料を脱硫して脱硫原燃料とする脱硫器を加熱する工程と
を更に含む。
In a preferred example of the starting method of the fuel cell system of the present invention,
Heating the oxygen-containing gas supplied to the solid oxide fuel cell by heat exchange with the combustion gas in a heat exchanger located downstream of the reformer in the flow direction of the combustion gas; ,
And a step of heating a desulfurizer using a part of the heated oxygen-containing gas to desulfurize the raw fuel supplied to the reformer to obtain a desulfurized raw fuel.

本発明の燃料電池システムの起動方法の他の好適例においては、更に、前記固体酸化物形燃料電池に供給される酸素含有ガスのうち前記燃焼ガスとの熱交換を行わない酸素含有ガスを用意し、該酸素含有ガスを固体酸化物形燃料電池に供給する工程を含む。   In another preferred embodiment of the method for starting the fuel cell system of the present invention, an oxygen-containing gas that does not exchange heat with the combustion gas is prepared from the oxygen-containing gas supplied to the solid oxide fuel cell. And supplying the oxygen-containing gas to the solid oxide fuel cell.

本発明の燃料電池システムの起動方法の他の好適例においては、更に、前記改質器に、酸素を含む酸化性ガスを導入して部分酸化反応を行う工程を含む。   In another preferred embodiment of the method for starting the fuel cell system of the present invention, the method further includes a step of introducing an oxidizing gas containing oxygen into the reformer to perform a partial oxidation reaction.

本発明の燃料電池システムによれば、固体酸化物形燃料電池、改質器、第一燃焼手段、第二燃焼手段、燃焼ガス曝露防止手段、及び水蒸発器を備えることで、固体酸化物形燃料電池のアノードが酸化劣化することを防止しつつ、燃料電池システムを昇温することができる。   According to the fuel cell system of the present invention, a solid oxide fuel cell, a reformer, a first combustion means, a second combustion means, a combustion gas exposure prevention means, and a water evaporator are provided. The temperature of the fuel cell system can be raised while preventing the anode of the fuel cell from being oxidized and deteriorated.

本発明の燃料電池システムの起動方法によれば、特に、燃焼ガスを用いて改質器を加熱する際に、該燃焼ガスに固体酸化物形燃料電池が曝されることを防止することで、固体酸化物形燃料電池の温度が該固体酸化物形燃料電池のアノードが酸化する温度に達する前に固体酸化物形燃料電池のアノードに改質ガスを供給することが可能となり、固体酸化物形燃料電池のアノードが酸化劣化することを防止しつつ、燃料電池システムを昇温することができる。   According to the starting method of the fuel cell system of the present invention, in particular, when the reformer is heated using the combustion gas, by preventing the solid oxide fuel cell from being exposed to the combustion gas, The reformed gas can be supplied to the anode of the solid oxide fuel cell before the temperature of the solid oxide fuel cell reaches the temperature at which the anode of the solid oxide fuel cell oxidizes. The temperature of the fuel cell system can be raised while preventing the anode of the fuel cell from being oxidized and deteriorated.

本発明の燃料電池システムの一例を示す概略図である。It is the schematic which shows an example of the fuel cell system of this invention. 本発明の燃料電池システムに好適な改質装置の一例を示す概略図である。It is the schematic which shows an example of the suitable reformer for the fuel cell system of this invention. 図2に示す改質装置を左側から見た概略図である。It is the schematic which looked at the reforming apparatus shown in FIG. 2 from the left side. 図2に示す改質装置の部分断面図である。It is a fragmentary sectional view of the reformer shown in FIG. 本発明の燃料電池システムの他の例を示す部分概略図である。It is the partial schematic which shows the other example of the fuel cell system of this invention.

以下に、図を参照しながら、本発明の燃料電池システムを詳細に説明する。図1は、本発明の燃料電池システムの一例を示す概略図である。図1に示す燃料電池システムは、固体酸化物形燃料電池1と、原燃料を改質して改質ガスを製造する改質器2と、炭化水素及び脂肪族アルコールからなる群から選択される少なくとも一種の燃料を燃焼させて改質器2を加熱するための第一燃焼手段3と、固体酸化物形燃料電池1からのアノードオフガスを燃焼させて改質器2を加熱するための第二燃焼手段4と、第一燃焼手段3及び第二燃焼手段4のうち少なくとも一方の燃焼手段により生成した燃焼ガスに固体酸化物形燃料電池1が曝されることを防止するための燃焼ガス曝露防止手段5と、上記燃焼ガスの流れ方向において改質器2の下流側に位置する水蒸発器6であって、上記燃焼ガスとの熱交換により水蒸気を発生させる水蒸発器6とを備えることを特徴とする。   Hereinafter, the fuel cell system of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic view showing an example of a fuel cell system of the present invention. The fuel cell system shown in FIG. 1 is selected from the group consisting of a solid oxide fuel cell 1, a reformer 2 that reforms raw fuel to produce a reformed gas, and a hydrocarbon and an aliphatic alcohol. First combustion means 3 for burning at least one type of fuel to heat the reformer 2 and second for burning the anode off-gas from the solid oxide fuel cell 1 to heat the reformer 2 Combustion gas exposure prevention for preventing the solid oxide fuel cell 1 from being exposed to the combustion gas generated by the combustion means 4 and at least one of the first combustion means 3 and the second combustion means 4 Means 5 and a water evaporator 6 located downstream of the reformer 2 in the flow direction of the combustion gas, the water evaporator 6 generating steam by heat exchange with the combustion gas. Features.

図示例の燃料電池システムにおいて、固体酸化物形燃料電池1は、特に限定されるものではなく、公知の構造を持った固体酸化物形燃料電池を採用することができる。なお、通常、固体酸化物形燃料電池1は、複数のセルを積層及び/又は連結して構成されるものが一般的である。また、固体酸化物形燃料電池は、通常、700〜800℃の高温で運転される。   In the illustrated fuel cell system, the solid oxide fuel cell 1 is not particularly limited, and a solid oxide fuel cell having a known structure can be adopted. In general, the solid oxide fuel cell 1 is generally configured by stacking and / or connecting a plurality of cells. The solid oxide fuel cell is usually operated at a high temperature of 700 to 800 ° C.

図示例の燃料電池システムにおいて、改質器2は、原燃料を改質して水素を含む改質ガスを製造するためのものであり、例えば、内部に既知の改質触媒を充填した改質器本体を備える。具体的には、改質器2として、水蒸気改質装置や酸化自己熱型改質装置(ATR)等の既知の改質器を用いることができる。ここで、改質触媒としては、Ru、Ni、W、Co、Rh、Pt等をアルミナ、シリカ、ジルコニア等の担体に担持した触媒を用いることができる。また、上記原燃料としては、特に限定されず、メタン、エタン、プロパン、ブタン等の気体炭化水素燃料、軽油、ガソリン、ナフサ、灯油等の液体炭化水素燃料、メタノール、エタノール等の脂肪族アルコール燃料を用いることができる。改質条件としては、例えば、原燃料となる液体炭化水素燃料供給量(LHSV):0.1〜10hr−1、水蒸気と原燃料に含まれる炭素のモル比(スチーム/カーボン比):2〜4mol/mol、反応圧力:大気圧〜1.0MPa未満、反応温度:400〜800℃であることが好ましい。 In the illustrated fuel cell system, the reformer 2 is for reforming raw fuel to produce reformed gas containing hydrogen. For example, the reformer 2 is filled with a known reforming catalyst. A vessel body is provided. Specifically, a known reformer such as a steam reformer or an oxidation autothermal reformer (ATR) can be used as the reformer 2. Here, as the reforming catalyst, a catalyst in which Ru, Ni, W, Co, Rh, Pt or the like is supported on a support such as alumina, silica, zirconia, or the like can be used. The raw fuel is not particularly limited, but is a gas hydrocarbon fuel such as methane, ethane, propane, or butane, a liquid hydrocarbon fuel such as light oil, gasoline, naphtha, or kerosene, or an aliphatic alcohol fuel such as methanol or ethanol. Can be used. The reforming conditions include, for example, a liquid hydrocarbon fuel supply amount (LHSV) as a raw fuel: 0.1 to 10 hr −1 , a molar ratio of steam and carbon contained in the raw fuel (steam / carbon ratio): 2 It is preferably 4 mol / mol, reaction pressure: atmospheric pressure to less than 1.0 MPa, and reaction temperature: 400 to 800 ° C.

図示例の燃料電池システムにおいて、第一燃焼手段3は、炭化水素及び脂肪族アルコールからなる群から選択される少なくとも一種の燃料を燃焼させて改質器2を加熱するための燃焼手段である。燃料電池システムの起動時においては、アノードが酸化する温度以上に該固体酸化物形燃料電池が加熱される前に、改質反応を開始できる温度以上に改質器を加熱して該改質器からアノードへの還元性を有する改質ガスの供給を開始することが望まれており、燃料電池システムに第一燃焼手段を設置することで、改質器の迅速な加熱が可能となる。第一燃焼手段としては、例えば、バーナ等の既知の燃焼装置を用いることができる。なお、特に限定されるものではないが、炭化水素燃料としては、メタン、エタン、プロパン、ブタン、LPガス等の気体炭化水素燃料、軽油、ガソリン、ナフサ、灯油等の液体炭化水素燃料を用いることができ、脂肪族アルコール燃料としては、メタノール、エタノール等を用いることができる。   In the illustrated fuel cell system, the first combustion means 3 is a combustion means for heating the reformer 2 by burning at least one fuel selected from the group consisting of hydrocarbons and aliphatic alcohols. At the start of the fuel cell system, the reformer is heated to a temperature at which the reforming reaction can be started before the solid oxide fuel cell is heated above the temperature at which the anode is oxidized. It is desired to start supply of reformed gas having reducibility from the anode to the anode, and by installing the first combustion means in the fuel cell system, the reformer can be heated quickly. For example, a known combustion device such as a burner can be used as the first combustion means. Although not particularly limited, as the hydrocarbon fuel, a gas hydrocarbon fuel such as methane, ethane, propane, butane, LP gas, or a liquid hydrocarbon fuel such as light oil, gasoline, naphtha, kerosene, or the like is used. As the aliphatic alcohol fuel, methanol, ethanol or the like can be used.

図示例の燃料電池システムにおいて、第二燃焼手段4は、固体酸化物形燃料電池1からのアノードオフガスを燃焼させて改質器2を加熱するための燃焼手段であり、アノードオフガス供給手段7とカソードオフガス供給手段8とを備える。ここで、上記第二燃焼手段によれば、カソードオフガス供給手段により供給されるカソードオフガスを支燃性ガスとして用いることで、アノードオフガス供給手段により供給されるアノードオフガスの燃焼ガスを生成することができる。本発明の燃料電池システムにおいては、燃料電池のアノードオフガス及びカソードオフガスを利用するため、燃料電池排熱の利用効率が高い。また、第二燃焼手段により改質器を加熱することができれば、上記第一燃焼手段を停止することができるため、第一燃焼手段の使用を燃料電池システムの起動時に限定することも可能となる。これにより、燃料電池システムの燃料消費量を低減することができる。   In the fuel cell system of the illustrated example, the second combustion means 4 is a combustion means for heating the reformer 2 by burning the anode offgas from the solid oxide fuel cell 1, and the anode offgas supply means 7 A cathode off-gas supply means 8. Here, according to the second combustion means, the combustion gas of the anode off gas supplied by the anode off gas supply means can be generated by using the cathode off gas supplied by the cathode off gas supply means as the combustion supporting gas. it can. In the fuel cell system of the present invention, the anode off-gas and cathode off-gas of the fuel cell are used, so that the utilization efficiency of the fuel cell exhaust heat is high. Further, if the reformer can be heated by the second combustion means, the first combustion means can be stopped, so that the use of the first combustion means can be limited at the time of starting the fuel cell system. . Thereby, the fuel consumption of a fuel cell system can be reduced.

上記第二燃焼手段のアノードオフガス供給手段7としては、上述のように燃料電池のアノードオフガスを供給するため、固体酸化物形燃料電池1のアノードに連結されたアノードオフガス供給流路を用いることが好ましい。また、上記第二燃焼手段のカソードオフガス供給手段8としては、燃料電池のカソードオフガスを供給するため、例えば、図1に示されるように、固体酸化物形燃料電池1のカソードに連結されたカソードオフガス供給流路を用いることができる。なお、アノードオフガス及びカソードオフガスは、それらの供給手段から排出され、燃焼ガスを形成することになる。   As the anode off-gas supply means 7 of the second combustion means, an anode off-gas supply passage connected to the anode of the solid oxide fuel cell 1 is used to supply the anode off-gas of the fuel cell as described above. preferable. Further, as the cathode offgas supply means 8 of the second combustion means, for example, as shown in FIG. 1, a cathode connected to the cathode of the solid oxide fuel cell 1 to supply the cathode offgas of the fuel cell. An off-gas supply channel can be used. Note that the anode off-gas and the cathode off-gas are discharged from their supply means to form combustion gas.

本発明の燃料電池システムにおいては、アノードオフガス供給手段から供給されるアノードオフガス及びカソードオフガス供給手段から供給されるカソードオフガスの少なくとも一方が、好ましくは高温であり、具体的には500℃以上である。該アノードオフガス及び該カソードオフガスが混合された状態で高温であれば、即ち約500℃以上であれば、自然着火するため、燃焼ガスを生成させるための点火装置等の設置が不要となる。   In the fuel cell system of the present invention, at least one of the anode offgas supplied from the anode offgas supply means and the cathode offgas supplied from the cathode offgas supply means is preferably a high temperature, specifically 500 ° C. or higher. . If the anode off-gas and the cathode off-gas are mixed and the temperature is high, that is, about 500 ° C. or higher, spontaneous ignition occurs, so that it is not necessary to install an ignition device or the like for generating combustion gas.

なお、燃料電池システムの燃料利用率は一般に60〜80%であり、燃料の20〜40%程度はアノードオフガスとして排出されるため、本発明の燃料電池システムに用いるアノードオフガスを十分に確保することができる。また、燃料電池の酸素含有ガス利用率は一般に20〜40%であり、供給される酸素含有ガスの60〜80%程度はカソードオフガスとして排出されるため、本発明の燃料電池システムに用いるカソードオフガスを十分に確保することもできる。   The fuel utilization rate of the fuel cell system is generally 60 to 80%, and about 20 to 40% of the fuel is discharged as the anode off gas. Therefore, sufficient anode off gas used in the fuel cell system of the present invention should be secured. Can do. Further, the utilization rate of oxygen-containing gas in the fuel cell is generally 20 to 40%, and about 60 to 80% of the supplied oxygen-containing gas is discharged as the cathode off-gas. Therefore, the cathode off-gas used in the fuel cell system of the present invention. Can be secured sufficiently.

図示例の燃料電池システムにおいて、燃焼ガス曝露防止手段5は、第一燃焼手段3及び第二燃焼手段4のうち少なくとも一方の燃焼手段により生成した燃焼ガスに固体酸化物形燃料電池1が曝されることを防止するための手段である。ここで、上記燃焼ガス曝露防止手段によれば、燃焼手段により生成した燃焼ガスが固体酸化物形燃料電池へ直接供給されないため、改質器が改質反応を開始できる温度に達する前に、固体酸化物形燃料電池がアノードの酸化する温度に達することを防止することができる。言い換えれば、アノードが酸化する温度以上に固体酸化物形燃料電池が加熱される前に、改質反応を開始できる温度以上に改質器を加熱して該改質器からアノードへの改質ガスの供給を開始できるため、固体酸化物形燃料電池のアノードが酸化劣化することを防止しつつ、燃料電池システムを昇温することが可能となる。   In the fuel cell system of the illustrated example, the combustion gas exposure prevention means 5 is such that the solid oxide fuel cell 1 is exposed to the combustion gas generated by at least one of the first combustion means 3 and the second combustion means 4. It is a means for preventing this. Here, according to the combustion gas exposure prevention means, since the combustion gas generated by the combustion means is not directly supplied to the solid oxide fuel cell, the solidification is performed before the reformer reaches a temperature at which the reforming reaction can be started. It is possible to prevent the oxide fuel cell from reaching the oxidation temperature of the anode. In other words, before the solid oxide fuel cell is heated above the temperature at which the anode oxidizes, the reformer is heated to a temperature above the temperature at which the reforming reaction can be started to reform gas from the reformer to the anode. Therefore, it is possible to raise the temperature of the fuel cell system while preventing the anode of the solid oxide fuel cell from being oxidized and deteriorated.

上記燃焼ガス曝露防止手段としては、例えば図2に示されるような第一燃焼手段、第二燃焼手段及び改質器を囲うハウジングを使用する。また、燃焼ガス曝露防止手段からの熱を伝導及び輻射の少なくとも一方により固体酸化物形燃料電池へ伝えたり、固体酸化物形燃料電池と改質器との間で熱授受を行ったりする観点から、燃焼ガス曝露防止手段に用いる材料としては、ステンレス鋼、ニッケル合金等の金属を用いることが好ましい。なお、図示例の燃料電池システムは、少なくとも固体酸化物形燃料電池1及び改質器2を覆うハウジング(以下、第一ハウジングともいう)9を備え、該ハウジング9と燃焼ガス曝露防止手段5としての隔壁により空間を形成することにより、該空間内で改質器2を効果的に加熱することができる。 As the combustion gas exposure preventing means, for example, using a housing enclosing the first combustion unit as shown in FIG. 2, the second combustion unit and the reformer. Also, from the viewpoint of transferring heat from the combustion gas exposure prevention means to the solid oxide fuel cell by at least one of conduction and radiation, and performing heat transfer between the solid oxide fuel cell and the reformer. The material used for the combustion gas exposure prevention means is preferably a metal such as stainless steel or nickel alloy. The illustrated fuel cell system includes a housing (hereinafter also referred to as a first housing) 9 that covers at least the solid oxide fuel cell 1 and the reformer 2, and the housing 9 and the combustion gas exposure prevention means 5 are provided. By forming a space with the partition walls, the reformer 2 can be effectively heated in the space.

本発明の燃料電池システムにおいては、固体酸化物形燃料電池が、第一燃焼手段、第二燃焼手段及び燃焼ガス曝露防止手段からなる群から選択される少なくとも一種の手段からの熱伝導及び熱輻射の少なくとも一方により加熱されることが好ましい。これにより、改質器を加熱しながら、固体酸化物形燃料電池を昇温させることが可能となり、短時間で効果的に燃料電池システムの起動を行うことができる。なお、第一燃焼手段及び第二燃焼手段に用いる材料としては、燃焼ガス曝露防止手段と同様の観点から、ステンレス鋼、ニッケル合金等の金属を用いることが好ましい。   In the fuel cell system of the present invention, the solid oxide fuel cell has heat conduction and heat radiation from at least one means selected from the group consisting of first combustion means, second combustion means and combustion gas exposure prevention means. It is preferable to be heated by at least one of the above. As a result, the temperature of the solid oxide fuel cell can be raised while heating the reformer, and the fuel cell system can be started up effectively in a short time. In addition, as a material used for a 1st combustion means and a 2nd combustion means, it is preferable to use metals, such as stainless steel and a nickel alloy, from a viewpoint similar to a combustion gas exposure prevention means.

図示例の燃料電池システムにおいて、水蒸発器6は、上記燃焼ガスの流れ方向において改質器2の下流側に位置し、原燃料との改質反応に用いるための水蒸気を燃焼ガスとの熱交換により発生させるものであり、既知の水蒸発器を用いることができる。また、図示例の燃料電池システムにおいては、水蒸気へ気化させるための水が、水供給ライン10及び水ポンプ11を用いて水タンク12から水蒸発器6へ供給され、一方、燃焼ガスは、燃焼ガス排気ライン13を用いて第一ハウジング9と隔壁(燃焼ガス曝露防止手段5)により形成された空間から水蒸発器6へ供給される。なお、水蒸発器に供給される水の温度は、5〜40℃であることが好ましく、一方、水蒸発器に供給される燃焼ガスの温度は、150〜600℃であることが好ましい。   In the fuel cell system of the illustrated example, the water evaporator 6 is located downstream of the reformer 2 in the flow direction of the combustion gas, and steam for use in the reforming reaction with the raw fuel is heated with the combustion gas. It is generated by replacement, and a known water evaporator can be used. In the illustrated fuel cell system, water for vaporization to water vapor is supplied from the water tank 12 to the water evaporator 6 using the water supply line 10 and the water pump 11, while the combustion gas is burned. The gas exhaust line 13 is used to supply the water evaporator 6 from the space formed by the first housing 9 and the partition wall (combustion gas exposure prevention means 5). In addition, it is preferable that the temperature of the water supplied to a water evaporator is 5-40 degreeC, on the other hand, it is preferable that the temperature of the combustion gas supplied to a water evaporator is 150-600 degreeC.

本発明の燃料電池システムは、更に、上記燃焼ガスとの熱交換により固体酸化物形燃料電池1に供給される酸素含有ガスを加熱する熱交換器14を備えることが好ましい。この場合、酸素含有ガスとの熱交換に燃焼ガスを利用するため、燃料電池システムの排熱利用効率を向上させることができる。上記熱交換器は、燃料電池のカソードに供給される酸素含有ガスを加熱するためのものであり、例えば、既知の熱交換器を用いることができ、熱交換器14には、例えば、固体酸化物形燃料電池1のカソードへ供給される酸素含有ガスが通過する酸素含有ガス供給ライン15と、燃焼ガスが通過する燃焼ガス排気ライン13とが連結され、熱交換器14内を通過する酸素含有ガスと燃焼ガスとの熱交換により、酸素含有ガスを加熱する。なお、上記酸素含有ガスは、例えば、空気ブロワ16等の送風機を用いて酸素含有ガス供給ライン15に導入され、また、熱が回収された燃焼ガスは、排ガスとして処理される。ここで、酸素含有ガスとしては、純酸素ガスも使用可能であるが、コスト等の観点から空気が好適である。また、熱交換器に供給される酸素含有ガスの温度は、通常、大気温度であり、一方、熱交換器に供給される燃焼ガスの温度は、通常、400〜750℃である。なお、図1に示されるように、熱交換器14を通過した燃焼ガスを排ガスとして排出する前に水蒸発器6へ供給し、水蒸気の発生に利用することができる。   The fuel cell system of the present invention preferably further includes a heat exchanger 14 for heating the oxygen-containing gas supplied to the solid oxide fuel cell 1 by heat exchange with the combustion gas. In this case, since the combustion gas is used for heat exchange with the oxygen-containing gas, the exhaust heat utilization efficiency of the fuel cell system can be improved. The heat exchanger is for heating an oxygen-containing gas supplied to the cathode of the fuel cell. For example, a known heat exchanger can be used. The oxygen-containing gas supply line 15 through which the oxygen-containing gas supplied to the cathode of the physical fuel cell 1 passes and the combustion gas exhaust line 13 through which the combustion gas passes are connected to each other, and the oxygen-containing gas passes through the heat exchanger 14. The oxygen-containing gas is heated by heat exchange between the gas and the combustion gas. The oxygen-containing gas is introduced into the oxygen-containing gas supply line 15 using a blower such as an air blower 16, and the combustion gas from which heat has been recovered is processed as exhaust gas. Here, as the oxygen-containing gas, pure oxygen gas can be used, but air is preferable from the viewpoint of cost and the like. In addition, the temperature of the oxygen-containing gas supplied to the heat exchanger is usually atmospheric temperature, while the temperature of the combustion gas supplied to the heat exchanger is usually 400 to 750 ° C. In addition, as FIG. 1 shows, before discharging | emitting the combustion gas which passed the heat exchanger 14 as exhaust gas, it can supply to the water evaporator 6, and can be utilized for generation | occurrence | production of water vapor | steam.

また、本発明の燃料電池システムは、更に、熱交換器14による加熱から固体酸化物形燃料電池1に供給される酸素含有ガスの一部を回避させるためのバイパス流路17を備えることが好ましい。熱交換器による加熱を受けていない酸素含有ガスを用意することで、カソードへ供給される酸素含有ガスの温度が上昇しすぎた場合に該酸素含有ガスを冷却することができる。ここで、燃料電池のカソードに供給される酸素含有ガスの一部を分離するには、燃焼ガスとの熱交換を行う前に、酸素含有ガス供給ライン15から分岐するバイパス流路17を設置すればよい。そして、燃焼ガスとの熱交換を行った後の酸素含有ガス供給ライン15にバイパス流路17を接続することで、酸素含有ガス供給ライン15を通過する酸素含有ガスの温度を下げることができる。なお、カソードへ供給される酸素含有ガスの温度が十分に確保されている場合には、その酸素含有ガス供給ラインには冷却用酸素含有ガスを導入する必要がないため、例えば、流路切替バルブ等を用いて、酸素含有ガス供給ライン15からバイパス流路17への流路又はバイパス流路17から酸素含有ガス供給ライン15への流路を塞いで、冷却用酸素含有ガスの流通を停止すればよい。   In addition, the fuel cell system of the present invention preferably further includes a bypass passage 17 for avoiding a part of the oxygen-containing gas supplied to the solid oxide fuel cell 1 from the heating by the heat exchanger 14. . By preparing the oxygen-containing gas that has not been heated by the heat exchanger, the oxygen-containing gas can be cooled when the temperature of the oxygen-containing gas supplied to the cathode rises excessively. Here, in order to separate a part of the oxygen-containing gas supplied to the cathode of the fuel cell, a bypass channel 17 branched from the oxygen-containing gas supply line 15 is installed before heat exchange with the combustion gas. That's fine. The temperature of the oxygen-containing gas passing through the oxygen-containing gas supply line 15 can be lowered by connecting the bypass flow path 17 to the oxygen-containing gas supply line 15 after heat exchange with the combustion gas. When the temperature of the oxygen-containing gas supplied to the cathode is sufficiently secured, there is no need to introduce a cooling oxygen-containing gas into the oxygen-containing gas supply line. Or the like to block the flow path from the oxygen-containing gas supply line 15 to the bypass flow path 17 or the flow path from the bypass flow path 17 to the oxygen-containing gas supply line 15 to stop the flow of the oxygen-containing gas for cooling. That's fine.

本発明の燃料電池システムは、改質ガスを製造する前に、原燃料を脱硫して脱硫原燃料とする脱硫器18を更に備えることが好ましい。上記脱硫器18は、原燃料中に含まれる硫黄分を除去するものであり、例えば、内部に吸着脱硫剤を充填した脱硫器本体と、該脱硫器本体を加熱する熱交換器やヒーター等の加熱手段とを備える。ここで、吸着脱硫剤としては、従来脱硫用に用いられている吸着脱硫剤を用いることができ、例えば、ニッケル系脱硫剤、アルミナ系脱硫剤等を用いることが好ましい。なお、脱硫条件としては、例えば、液体原燃料供給量(LHSV):0.1〜5.0hr−1、反応圧力:0.1MPa以上1.0MPa未満、反応温度:100℃以上300℃以下であることが好ましい。そして、この脱硫器18では、原燃料を吸着脱硫剤存在下で加熱することで、原燃料中の硫黄分が吸着脱硫剤に吸着され、脱硫した原燃料を生成する。なお、図示例の燃料電池システムにおいて、上記原燃料は、原燃料供給ライン19及び原燃料ポンプ20を用いて原燃料タンク21から脱硫器18へ供給される。 The fuel cell system of the present invention preferably further includes a desulfurizer 18 that desulfurizes the raw fuel to produce a desulfurized raw fuel before producing the reformed gas. The desulfurizer 18 removes sulfur contained in the raw fuel. For example, a desulfurizer body filled with an adsorbent desulfurization agent, a heat exchanger or a heater for heating the desulfurizer body, and the like. Heating means. Here, as the adsorptive desulfurizing agent, an adsorptive desulfurizing agent conventionally used for desulfurization can be used, and for example, a nickel-based desulfurizing agent, an alumina-based desulfurizing agent, or the like is preferably used. In addition, as desulfurization conditions, for example, liquid raw fuel supply amount (LHSV): 0.1 to 5.0 hr −1 , reaction pressure: 0.1 MPa to less than 1.0 MPa, reaction temperature: 100 ° C. to 300 ° C. Preferably there is. In the desulfurizer 18, the raw fuel is heated in the presence of the adsorbing desulfurizing agent, so that the sulfur content in the raw fuel is adsorbed by the adsorbing desulfurizing agent to generate desulfurized raw fuel. In the illustrated fuel cell system, the raw fuel is supplied from the raw fuel tank 21 to the desulfurizer 18 using the raw fuel supply line 19 and the raw fuel pump 20.

更に、本発明の燃料電池システムにおいては、熱交換器14により加熱された酸素含有ガスの一部を用いて脱硫器18を加熱することが好ましい。上記熱交換器14により加熱された酸素含有ガスの一部を脱硫器18の熱源として利用することで、燃料電池システムの熱利用効率を向上させることができる。また、燃料電池オフガスを脱硫器に直接供給するのではなく、燃料電池のカソードに供給される酸素含有ガスの一部を脱硫器に供給するため、燃料電池システムの運転条件を変えることによって燃料電池オフガスの温度や量が変化しても、安定的に脱硫の熱源を確保することが可能となる。図示例の燃料電池システムにおいては、燃焼ガスとの熱交換を行った後に、酸素含有ガス供給ライン15から分岐する脱硫器加熱用ガス供給ライン22が設置されている。   Furthermore, in the fuel cell system of the present invention, it is preferable to heat the desulfurizer 18 using a part of the oxygen-containing gas heated by the heat exchanger 14. By using a part of the oxygen-containing gas heated by the heat exchanger 14 as a heat source of the desulfurizer 18, the heat utilization efficiency of the fuel cell system can be improved. In addition, the fuel cell off-gas is not directly supplied to the desulfurizer, but a part of the oxygen-containing gas supplied to the cathode of the fuel cell is supplied to the desulfurizer. Even if the temperature or amount of off-gas changes, it is possible to stably secure a heat source for desulfurization. In the fuel cell system of the illustrated example, a desulfurizer heating gas supply line 22 branched from the oxygen-containing gas supply line 15 is installed after heat exchange with the combustion gas.

本発明の燃料電池システムは、通常、原燃料(又は脱硫原燃料)と水蒸気とを混合する混合装置23を備え、該混合装置23で原燃料と水蒸気とを混合して得られた原燃料・水蒸気混合ガスを改質器2へ供給して、改質ガスを生成する。図示例の燃料電池システムにおいて、混合装置23は、原燃料と、水蒸発器6で製造した水蒸気とを混合するものであり、例えば、既知のミキサー等を用いることができる。具体的に、混合装置23には、例えば、脱硫器18から混合装置23へ脱硫原燃料を供給する脱硫原燃料供給ライン24と、水蒸発器6から混合装置23へ水蒸気を供給する水蒸気供給ライン25とが連結されている。なお、混合装置に供給される水蒸気の温度は、300〜600℃であることが好ましく、一方、混合装置に供給される脱硫原燃料の温度は、10〜200℃であることが好ましい。また、図示例の燃料電池システムにおいて、上記原燃料・水蒸気混合ガスは、原燃料・水蒸気混合ガス供給ライン26を用いて混合装置23から改質器2へ供給され、該改質器2により製造される改質ガスは、改質ガス供給ライン27を用いて改質器2から固体酸化物形燃料電池1のアノードへ供給される。   The fuel cell system of the present invention usually includes a mixing device 23 that mixes raw fuel (or desulfurized raw fuel) and steam, and the raw fuel and steam obtained by mixing the raw fuel and steam in the mixing device 23. A steam mixed gas is supplied to the reformer 2 to generate a reformed gas. In the fuel cell system of the illustrated example, the mixing device 23 mixes raw fuel and water vapor produced by the water evaporator 6, and for example, a known mixer or the like can be used. Specifically, the mixing device 23 includes, for example, a desulfurization raw fuel supply line 24 that supplies desulfurization raw fuel from the desulfurizer 18 to the mixing device 23, and a water vapor supply line that supplies water vapor from the water evaporator 6 to the mixing device 23. 25 are connected. In addition, it is preferable that the temperature of the water vapor | steam supplied to a mixing apparatus is 300-600 degreeC, On the other hand, it is preferable that the temperature of the desulfurization raw fuel supplied to a mixing apparatus is 10-200 degreeC. In the illustrated fuel cell system, the raw fuel / steam mixed gas is supplied from the mixing device 23 to the reformer 2 using the raw fuel / steam mixed gas supply line 26, and is produced by the reformer 2. The reformed gas is supplied from the reformer 2 to the anode of the solid oxide fuel cell 1 using the reformed gas supply line 27.

次に、図2を参照しながら、本発明の燃料電池システムに好適な改質装置を詳細に説明する。図2は、本発明の燃料電池システムに用いる改質装置の一例を示す概略図である。図2に示す改質装置は、少なくとも一部に改質触媒が充填された反応管101と、上記反応管101を加熱するための手段として、該反応管101の側面側に設置された伝熱用部材102と、上記伝熱用部材102に燃焼ガスを供給するための手段として、アノードオフガス供給手段103及びカソードオフガス供給手段を備える燃焼装置とを備え、該燃焼装置を上記反応管の少なくとも片方の底面側に設置することを特徴とする。なお、反応管の底面とは、反応管の長手方向の両端(両端部)に位置する面(上面及び下面)を指し、反応管の側面とは、反応管の底面以外の面を指す。また、反応管の底面側に設置するとは、反応管の上面の上方又は反応管の下面の下方に設置すること意味し、反応管の側面側に設置するとは、反応管の側面の少なくとも一部に対向するように設置することを意味する。   Next, a reformer suitable for the fuel cell system of the present invention will be described in detail with reference to FIG. FIG. 2 is a schematic view showing an example of a reformer used in the fuel cell system of the present invention. The reformer shown in FIG. 2 has a reaction tube 101 at least partially filled with a reforming catalyst, and heat transfer installed on the side of the reaction tube 101 as means for heating the reaction tube 101. And a combustion device comprising an anode off-gas supply means 103 and a cathode off-gas supply means as means for supplying combustion gas to the heat transfer member 102, the combustion device being connected to at least one of the reaction tubes It is characterized by being installed on the bottom side. The bottom surface of the reaction tube refers to surfaces (upper surface and lower surface) located at both ends (both ends) in the longitudinal direction of the reaction tube, and the side surface of the reaction tube refers to a surface other than the bottom surface of the reaction tube. Further, installing on the bottom surface side of the reaction tube means installing on the upper surface of the reaction tube or below the lower surface of the reaction tube, and installing on the side surface of the reaction tube means at least a part of the side surface of the reaction tube. It means to install so as to face.

図示例の改質装置において、反応管101は、本発明の燃料電池システムの改質器を構成し、少なくとも一部に改質触媒が充填されており、該改質触媒に、改質原料と水蒸気との混合物を接触させ、改質反応により水素を主成分とする改質ガスを生成することができる。なお、上記改質装置において、反応管の本数は任意であり、例えば、図2に示す改質装置は、5本の反応管101を備えている。また、上記改質装置が複数本の反応管を備える場合、伝熱用部材からの均一な熱伝導及び/又は熱輻射を達成するため、図2に示されるように、反応管101を並列に配置するのが好ましい。   In the reforming apparatus of the illustrated example, the reaction tube 101 constitutes a reformer of the fuel cell system of the present invention, and at least a part thereof is filled with the reforming catalyst. A reformed gas containing hydrogen as a main component can be generated by a reforming reaction by contacting a mixture with water vapor. In the above reformer, the number of reaction tubes is arbitrary. For example, the reformer shown in FIG. 2 includes five reaction tubes 101. Further, when the reformer includes a plurality of reaction tubes, the reaction tubes 101 are arranged in parallel as shown in FIG. 2 in order to achieve uniform heat conduction and / or heat radiation from the heat transfer member. It is preferable to arrange.

図示例の改質装置においては、上記燃焼装置が、本発明の燃料電池システムの第二燃焼手段を構成し、ここで、燃焼装置のアノードオフガス供給手段103にガス排出用の孔又はスリットを設けたものが好ましい。   In the reformer of the illustrated example, the combustion device constitutes the second combustion means of the fuel cell system of the present invention, and here, the anode off-gas supply means 103 of the combustion device is provided with a gas discharge hole or slit. Are preferred.

図示例の改質装置において、伝熱用部材102は、反応管101を加熱するための手段として、該反応管101の側面側に設置されており、後述する燃焼装置により供給される燃焼ガスによって加熱され、これにより、反応管101への熱伝導及び熱輻射が起こり、反応管101内での改質反応に必要な熱を供給することができる。なお、上記改質装置において、伝熱用部材の数は、任意であるが、例えば、図2に示されるように、複数本の反応管101が並列に配置される場合においては、複数の伝熱用部材102(図2では、二組の伝熱用部材102)で該複数本の反応管101を挟むように、複数の伝熱用部材102が設置されている。このように伝熱用部材102間で反応管101を挟むことで、反応管101への均一な熱伝導及び熱輻射が可能となり、反応管101内の改質触媒を均一に加熱することができる。なお、伝熱用部材の温度は、650〜1000℃の範囲に調整されることが好ましい。   In the reformer of the illustrated example, the heat transfer member 102 is installed on the side surface side of the reaction tube 101 as a means for heating the reaction tube 101, and is heated by a combustion gas supplied by a combustion device described later. As a result, heat conduction and heat radiation to the reaction tube 101 occur, and heat necessary for the reforming reaction in the reaction tube 101 can be supplied. In the above reformer, the number of heat transfer members is arbitrary. For example, when a plurality of reaction tubes 101 are arranged in parallel as shown in FIG. A plurality of heat transfer members 102 are installed so that the plurality of reaction tubes 101 are sandwiched between the heat members 102 (two heat transfer members 102 in FIG. 2). By sandwiching the reaction tube 101 between the heat transfer members 102 in this way, uniform heat conduction and heat radiation to the reaction tube 101 are possible, and the reforming catalyst in the reaction tube 101 can be uniformly heated. . In addition, it is preferable that the temperature of the member for heat transfer is adjusted to the range of 650-1000 degreeC.

また、上記改質装置においては、燃焼装置により供給される燃焼ガスが伝熱用部材と接触しながら流れることによって該伝熱用部材を加熱するため、燃焼ガスの接触効率を向上させ、かつ圧力損失が少なく、燃焼ガスの流れ方向に沿った流路を持つため整流効果を持っている点から、プレートフィン型の伝熱用部材102を用いることが好ましい。なお、プレートフィンの形状は、例えば、平板状、波状、オフセット型等が挙げられる。更に、上記改質装置においては、燃焼ガスの圧力損失を少なくし、かつ伝熱用部材に効率良く燃焼ガスを供給するため、言い換えれば、伝熱用部材が効率よく燃焼ガスを回収するため、図2に示されるように、伝熱用部材102は、積層構造を有することが好ましい。なお、上記伝熱用部材の材料としては、例えば、ステンレス鋼、ニッケル合金、その他の耐熱金属を用いることができる。   In the reformer, the combustion gas supplied by the combustion device flows while contacting the heat transfer member to heat the heat transfer member, so that the contact efficiency of the combustion gas is improved and the pressure is increased. It is preferable to use the plate fin type heat transfer member 102 because it has a flow path along the flow direction of the combustion gas with little loss and has a rectifying effect. Examples of the shape of the plate fin include a flat plate shape, a wave shape, and an offset type. Furthermore, in the above reformer, in order to reduce the pressure loss of the combustion gas and efficiently supply the combustion gas to the heat transfer member, in other words, the heat transfer member efficiently recovers the combustion gas. As shown in FIG. 2, the heat transfer member 102 preferably has a laminated structure. In addition, as a material of the said member for heat transfer, stainless steel, a nickel alloy, and another heat-resistant metal can be used, for example.

上記改質装置においては、伝熱用部材が、反応管の一方の端部又は両方の端部より内側に位置するように設置されていることが好ましい。このように、伝熱用部材を反応管の一方の端部又は両方の端部より内側に位置するように配置することで、反応管の一方の端部又は両方の端部の温度過上昇を避けることができる。改質装置の反応管に充填される改質触媒は使用温度領域が決められており、このような伝熱用部材の配置は好適である。また、上記改質装置においては、伝熱用部材に燃焼ガスを効率よく流す観点から、燃焼装置が好ましくは伝熱用部材より上方に設置されるため、図2では、伝熱用部材102が、反応管101の上端より下方に設置されている。更に、反応管には、通常、原燃料・水蒸気混合ガス供給ラインや改質ガス供給ライン等が連結されており、これら流路内の温度過上昇を避ける観点からも、伝熱用部材を反応管の一方の端部又は両方の端部より内側に位置するように配置することは好ましい。その上、上記改質装置の好適な実施態様においては、後述するように、上記原燃料・水蒸気混合ガス供給ライン及び改質ガス供給ラインが、燃焼装置が設置される側の反応管端部と反対側の端部に設置されるため、図2に示されるように、伝熱用部材102は、反応管101の上端より下方に設置され且つ反応管101の下端より上方に設置されている。従って、上記改質装置においては、上記伝熱用部材が、反応管の両端部より内側に位置するように設置されていることが特に好ましい。なお、図3に示されるように、反応管の長さをLとすると、反応管の端部Pからの直線距離が(1/20)L以上の位置に伝熱用部材を設置することが好ましい。ここで、図3は、図2に示す改質装置を左側から見た概略図である。   In the above reformer, it is preferable that the heat transfer member is installed so as to be located inside one end portion or both end portions of the reaction tube. In this way, by arranging the heat transfer member so as to be located inside one end or both ends of the reaction tube, it is possible to prevent an excessive increase in temperature at one end or both ends of the reaction tube. Can be avoided. The temperature range of the reforming catalyst filled in the reaction tube of the reforming apparatus is determined, and such arrangement of the heat transfer member is suitable. Further, in the above reformer, from the viewpoint of efficiently flowing the combustion gas to the heat transfer member, the combustion device is preferably installed above the heat transfer member. Therefore, in FIG. It is installed below the upper end of the reaction tube 101. In addition, the reaction tube is usually connected to a raw fuel / steam mixed gas supply line, a reformed gas supply line, and the like. From the viewpoint of avoiding an excessive increase in temperature in these flow paths, the heat transfer member is reacted. It is preferable to arrange the tube so that it is located inside one or both ends of the tube. In addition, in a preferred embodiment of the reformer, as will be described later, the raw fuel / steam mixed gas supply line and the reformed gas supply line are connected to a reaction tube end on the side where the combustion device is installed. Since it is installed at the opposite end, the heat transfer member 102 is installed below the upper end of the reaction tube 101 and above the lower end of the reaction tube 101 as shown in FIG. Therefore, in the reformer, it is particularly preferable that the heat transfer member is installed so as to be located inside both ends of the reaction tube. As shown in FIG. 3, when the length of the reaction tube is L, the heat transfer member may be installed at a position where the linear distance from the end P of the reaction tube is (1/20) L or more. preferable. Here, FIG. 3 is a schematic view of the reformer shown in FIG. 2 as viewed from the left side.

また、上記改質装置において、複数の反応管を均等に加熱するには、伝熱用部材を反応管と平行に設置することが好ましく、また、図2に示されるように、複数の反応管101が並列に配置される場合には、該伝熱用部材102を反応管101の並列方向と平行な方向に設置することが好ましい。   Further, in the above reformer, in order to uniformly heat the plurality of reaction tubes, it is preferable to install a heat transfer member in parallel with the reaction tubes. Also, as shown in FIG. When 101 is arrange | positioned in parallel, it is preferable to install this heat transfer member 102 in the direction parallel to the parallel direction of the reaction tube 101.

更に、上記改質装置においては、上記伝熱用部材を介して燃焼装置と反対側に位置するように設置された燃焼ガス集合部を備えることが好ましい。ここで、燃焼ガス集合部とは、伝熱用部材に供給される燃焼ガスの流れ方向に垂直な断面が、該伝熱用部材に供給される燃焼ガスの流路断面積より大きく、燃焼ガスを集合させる部分である。燃焼ガス集合部を燃焼装置と反対側に設置することで、燃焼ガスを改質装置から安定且つスムーズに排出することができる。即ち、燃焼ガス排出手段として燃焼ガス排出流路を設けた場合、燃焼ガス排出流路内を通過する燃焼ガスのガス流の乱れを低減することができる。また、燃焼ガス排出手段を設けた場合、燃焼ガス排出手段からの距離に応じて、伝熱用部材と接触しながら流れる燃焼ガスの流速に違いが生じるおそれがあるものの、上記燃焼ガス集合部を設置すれば、該燃焼ガスの流速を一定に保つことが可能である。なお、図2に示す改質装置においては、伝熱用部材102の下方に位置する空間が、燃焼ガス集合部に相当する。また、図3は、図2に示す改質装置を左側から見た概略図であり、燃焼ガス集合部109を示す。   Furthermore, it is preferable that the reformer includes a combustion gas collecting unit installed so as to be located on the opposite side of the combustion device via the heat transfer member. Here, the combustion gas collecting part means that the cross section perpendicular to the flow direction of the combustion gas supplied to the heat transfer member is larger than the cross-sectional area of the flow path of the combustion gas supplied to the heat transfer member. It is a part to gather. By installing the combustion gas collecting part on the side opposite to the combustion device, the combustion gas can be discharged stably and smoothly from the reformer. That is, when the combustion gas discharge passage is provided as the combustion gas discharge means, the disturbance of the gas flow of the combustion gas passing through the combustion gas discharge passage can be reduced. Further, when the combustion gas discharge means is provided, the flow rate of the combustion gas flowing while contacting the heat transfer member may vary depending on the distance from the combustion gas discharge means. If installed, the flow rate of the combustion gas can be kept constant. In the reformer shown in FIG. 2, the space located below the heat transfer member 102 corresponds to the combustion gas collecting portion. FIG. 3 is a schematic view of the reformer shown in FIG. 2 as viewed from the left side, and shows the combustion gas collecting part 109.

図2に示す改質装置において、燃焼装置は、伝熱用部材102に燃焼ガスを供給するための手段として、アノードオフガス供給手段103及びカソードオフガス供給手段を備える。ここで、上記燃焼装置によれば、カソードオフガス供給手段により供給されるカソードオフガスを支燃性ガスとして用いることで、アノードオフガス供給手段により供給されるアノードオフガスの燃焼ガスを生成することができる。また、特に限定されるものではないが、図2に示されるように、伝熱用部材102の上方にアノードオフガス供給手段103を配置することで、伝熱用部材102に燃焼ガスを容易に供給することができる。上記改質装置においては、反応管に燃焼ガスを直接接触させるのではなく、反応管の加熱には、伝熱用部材からの熱伝導及び熱輻射を利用するため、反応管を安定且つ均一に加熱することが可能であり、反応管を効果的に加熱することができる。   In the reformer shown in FIG. 2, the combustion apparatus includes an anode offgas supply means 103 and a cathode offgas supply means as means for supplying combustion gas to the heat transfer member 102. Here, according to the combustion apparatus, by using the cathode offgas supplied by the cathode offgas supply means as the combustion-supporting gas, the combustion gas of the anode offgas supplied by the anode offgas supply means can be generated. Further, although not particularly limited, as shown in FIG. 2, the anode off gas supply means 103 is disposed above the heat transfer member 102 so that the combustion gas can be easily supplied to the heat transfer member 102. can do. In the above reformer, the combustion tube is not brought into direct contact with the reaction tube, but the reaction tube is heated stably and uniformly because the reaction tube is heated using heat conduction and heat radiation from the heat transfer member. It is possible to heat and the reaction tube can be heated effectively.

上記燃焼装置のアノードオフガス供給手段103としては、燃料電池のアノードに連結されたアノードオフガス供給流路を用いることが好ましい。なお、アノードオフガス供給流路は、ガス流れの乱れを低減するため、管状であることが好ましく、また、該管の側面には、アノードオフガスを排出するための複数のガス排出口を備えることが好ましい。複数のガス排出口を備えることで、排気口近傍で燃焼がおこり、この燃焼ガスを均等に伝熱用部材へ供給することができる。なお、上記アノードオフガス供給流路が、その管の側面に複数のガス排出口を有する場合、燃料電池への連結部と反対側の端部Eは、燃焼ガスをより均等に伝熱用部材へ供給する観点から、閉じていることが好ましい。更に、複数の反応管への伝導及び輻射の少なくとも一方による熱をより均等に分配するには、伝熱用部材を流れる燃焼ガスの流れ方向と反応管の長手方向とが平行であることが好ましく、また、図2に示されるように、複数の反応管101が並列に配置される場合には、アノードオフガス供給手段103を反応管101の並列方向と平行な方向に延在させることが好ましい。   As the anode off gas supply means 103 of the combustion apparatus, it is preferable to use an anode off gas supply channel connected to the anode of the fuel cell. The anode off-gas supply channel is preferably tubular in order to reduce gas flow turbulence, and a plurality of gas discharge ports for discharging the anode off-gas are provided on the side of the tube. preferable. By providing a plurality of gas discharge ports, combustion occurs in the vicinity of the exhaust ports, and this combustion gas can be evenly supplied to the heat transfer member. When the anode off gas supply channel has a plurality of gas discharge ports on the side surface of the pipe, the end E on the side opposite to the connecting portion to the fuel cell is more evenly distributed to the heat transfer member. From the viewpoint of supply, it is preferably closed. Furthermore, in order to more evenly distribute the heat generated by at least one of conduction and radiation to the plurality of reaction tubes, it is preferable that the flow direction of the combustion gas flowing through the heat transfer member and the longitudinal direction of the reaction tube are parallel. In addition, as shown in FIG. 2, when a plurality of reaction tubes 101 are arranged in parallel, it is preferable to extend the anode off gas supply means 103 in a direction parallel to the parallel direction of the reaction tubes 101.

上記燃焼装置のカソードオフガス供給手段は、支燃性ガスとしてのカソードオフガスをアノードオフガスへ供給するための手段である。例えば、アノードオフガス供給手段103と同様に、カソードオフガス供給流路をカソードオフガス供給手段として設けてカソードオフガスを供給することもできるが、図2に示されるように、少なくともアノードオフガス供給手段103の一部(即ち、アノードオフガス供給流路のガス排出口)、後述する燃焼ガス供給手段105の一部(即ち、燃焼ガス供給流路のガス排出口)、伝熱用部材102及び反応管101を囲うようにハウジング(以下、第二ハウジングともいう)104を設けて、ハウジング104内に酸素含有ガスを供給する手段を採用することもできる。ハウジング104内にカソードオフガスが供給されていれば、アノードオフガスは、アノードオフガス供給手段103から排出されると同時に、好ましくは上述の複数のガス排出口から排出されると同時に、アノードオフガスと混合され、燃焼ガスを生成することができる。なお、図2に示す改質装置においては、第二ハウジング104の上部が開放されており、燃料電池のカソードから排出されたカソードオフガスは、第二ハウジング104内に導入される。また、カソードオフガスは実質的に継続して第二ハウジング104に導入されるため、燃焼ガスが第二ハウジング104の上部から逆流することはない。   The cathode off-gas supply means of the combustion apparatus is means for supplying cathode off-gas as a combustion-supporting gas to the anode off-gas. For example, as with the anode offgas supply means 103, a cathode offgas supply channel may be provided as the cathode offgas supply means to supply the cathode offgas. However, as shown in FIG. A portion (that is, a gas discharge port of the anode off-gas supply channel), a part of a combustion gas supply means 105 described later (that is, a gas discharge port of the combustion gas supply channel), a heat transfer member 102, and the reaction tube 101. As described above, a housing (hereinafter also referred to as a second housing) 104 may be provided to supply oxygen-containing gas into the housing 104. If the cathode offgas is supplied into the housing 104, the anode offgas is mixed with the anode offgas at the same time as being discharged from the anode offgas supply means 103, preferably at the same time as being discharged from the plurality of gas discharge ports. Combustion gas can be generated. In the reformer shown in FIG. 2, the upper portion of the second housing 104 is opened, and the cathode offgas discharged from the cathode of the fuel cell is introduced into the second housing 104. Further, since the cathode off gas is substantially continuously introduced into the second housing 104, the combustion gas does not flow backward from the upper part of the second housing 104.

なお、図3に示されるように、第二ハウジング104により囲いを形成する場合、上述の燃焼ガス集合部109を容易に形成することができる。また、第二ハウジング104により囲いを形成した場合、図2に示されるように、伝熱用部材102を介して燃焼装置と反対側に燃焼ガス排出手段106の設置が必要となるが、燃焼ガス排出手段としては、例えば、第二ハウジングの一部に穴部を形成し、該穴部から第二ハウジング外部へ燃焼ガスを排出する手段や、第二ハウジングに連結された燃焼ガス排出流路を用いることができる。なお、燃焼ガス排出手段106は、図2に示されるように、伝熱用部材102を介して燃焼装置と反対側の位置に設置されることに加えて、アノードオフガス供給手段103の第二ハウジングへの挿入口107と燃焼ガス排出手段106とが伝熱用部材102の対角方向に対向するように設置されることが好ましい。このようにすれば、伝熱用部材102への燃焼ガスの流れを均一にすることができる。   As shown in FIG. 3, when the enclosure is formed by the second housing 104, the above-described combustion gas collecting portion 109 can be easily formed. When the enclosure is formed by the second housing 104, as shown in FIG. 2, it is necessary to install the combustion gas discharge means 106 on the side opposite to the combustion device via the heat transfer member 102. As the discharge means, for example, a hole is formed in a part of the second housing, and a means for discharging the combustion gas from the hole to the outside of the second housing, or a combustion gas discharge passage connected to the second housing is provided. Can be used. As shown in FIG. 2, the combustion gas discharge means 106 is installed at a position opposite to the combustion device via the heat transfer member 102, and in addition, the second housing of the anode off gas supply means 103 It is preferable that the insertion port 107 and the combustion gas discharge means 106 be installed so as to face the diagonal direction of the heat transfer member 102. In this way, the flow of the combustion gas to the heat transfer member 102 can be made uniform.

また、図2に示す改質装置は、炭化水素及び脂肪族アルコールからなる群から選択される少なくとも一種の燃料を燃焼させて反応器101を加熱するための燃焼ガス供給手段105を備えており、該燃焼ガス供給手段105が、本発明の燃料電池システムの第一燃焼手段を構成する。なお、上記燃焼ガス供給手段としては、例えば、液体燃料バーナやガスバーナ等が挙げられ、該バーナにより発生させた燃焼ガスを用いることができる。該燃焼ガス供給手段の好適な形状、配置位置等は、上述のアノードオフガス供給流路の場合と同様である。なお、上記燃焼ガス供給手段は、燃料を予め燃焼させてから、伝熱用部材に該燃焼ガスを供給するものである。   The reformer shown in FIG. 2 includes combustion gas supply means 105 for heating at least one fuel selected from the group consisting of hydrocarbons and aliphatic alcohols to heat the reactor 101. The combustion gas supply means 105 constitutes the first combustion means of the fuel cell system of the present invention. Examples of the combustion gas supply means include a liquid fuel burner and a gas burner, and the combustion gas generated by the burner can be used. A suitable shape, arrangement position, and the like of the combustion gas supply means are the same as those in the above-described anode off-gas supply flow path. The combustion gas supply means supplies the combustion gas to the heat transfer member after previously burning the fuel.

上記改質装置においては、反応管の上方又は下方に伝熱用部材が配設されないため、燃焼装置のアノードオフガス供給手段及び/又は燃焼ガス供給手段が、反応管の端部近傍(上端近傍又は下端近傍)に設置されることがある。この場合、アノードオフガス供給手段及び/又は燃焼ガス供給手段と反応管との間に断熱部材が設置されるのが好ましい。アノードオフガス供給手段及び/又は燃焼ガス供給手段と反応管との間に断熱部材を設置すれば、アノードオフガス供給手段及び/又は燃焼ガス供給手段からの輻射熱を反応管が直接受けることを回避することができる。上記断熱部材の形状は、反応管の端部を覆う蓋のような形状であることが好ましく、また、図2に示されるように、複数の反応管101が並列に配置され、それら反応管101の上方にアノードオフガス供給手段103及び燃焼ガス供給手段105が設置されている場合においては、反応管の配列の隙間に燃焼ガスが流入することを防ぐため、全ての反応管の端部を覆う蓋のような形状であることが好ましい。また、断熱部材の材料としては、特に限定されるものではないが、シリカアルミナ系ボード、セラミックファイバー等を用いることができる。なお、ここでいう反応管の端部近傍とは、図3に示されるように、反応管の長さをLとした場合、反応管の端部Pからアノードオフガス供給手段又は燃焼ガス供給手段までの最短距離が(1/2)L以内の領域を意味する。   In the above reformer, since no heat transfer member is disposed above or below the reaction tube, the anode off-gas supply means and / or the combustion gas supply means of the combustion device are located near the end of the reaction tube (the vicinity of the upper end or It may be installed near the lower end. In this case, it is preferable to install a heat insulating member between the anode off-gas supply means and / or the combustion gas supply means and the reaction tube. By installing a heat insulating member between the anode off-gas supply means and / or the combustion gas supply means and the reaction tube, it is possible to avoid the reaction tube from directly receiving the radiant heat from the anode off-gas supply means and / or the combustion gas supply means. Can do. The shape of the heat insulating member is preferably a shape like a lid that covers the end of the reaction tube, and a plurality of reaction tubes 101 are arranged in parallel as shown in FIG. In the case where the anode off-gas supply means 103 and the combustion gas supply means 105 are installed above the lid, in order to prevent the combustion gas from flowing into the gaps in the arrangement of the reaction tubes, a lid that covers the ends of all the reaction tubes It is preferable that the shape is as follows. Further, the material of the heat insulating member is not particularly limited, but a silica alumina board, ceramic fiber or the like can be used. As used herein, the vicinity of the end of the reaction tube refers to the reaction tube from the end P of the reaction tube to the anode off-gas supply means or the combustion gas supply means, as shown in FIG. Means the region where the shortest distance is within (1/2) L.

上記改質装置は、燃焼ガスの反応管への接触をより確実に回避するため、図3に示されるように、反応管101と伝熱用部材102との間に、隔壁108を備えることが好ましい。また、伝熱用部材からの熱を伝導及び輻射の少なくとも一方により反応管へ伝える必要があるため、該隔壁の材料としては、ステンレス鋼、ニッケル合金等を用いることができる。   The reformer includes a partition wall 108 between the reaction tube 101 and the heat transfer member 102 as shown in FIG. 3 in order to more reliably avoid contact of the combustion gas with the reaction tube. preferable. Moreover, since it is necessary to transmit the heat from the heat transfer member to the reaction tube by at least one of conduction and radiation, stainless steel, nickel alloy, or the like can be used as the material of the partition wall.

また、上記改質装置は、装置内での酸化熱を改質反応に利用し得る酸化自己熱型の改質装置として好適である。なお、該酸化自己熱型改質装置とは、少なくとも一部に改質触媒が充填されており、該改質触媒に原燃料と水蒸気との混合物を接触させて改質反応により水素を主成分とする改質ガスを生成する改質層と、少なくとも一部に酸化触媒が充填されており、上記原燃料又は改質ガスの一部を酸化して熱を発生させる酸化発熱層とを備える改質装置である。ここで、上記改質装置の反応管は、一端が閉じられ、閉じられた端部において内管と外管とが連通する二重管構造を有することが好ましい。反応管を二重管構造とすれば、酸化自己熱型改質装置を小型化できるだけでなく、装置を安価で製造することが可能となると共に、簡素な構造の酸化性ガス供給手段で酸化性ガスを酸化発熱層へ均一に供給することができる。また、上記改質装置は、上記反応管の上記一端とは反対側の他端に、反応管の外管と内管との間の間隙部へ原燃料及び水蒸気の混合物を供給するための原燃料・水蒸気混合ガス供給ライン及び内管から改質ガスを排出して該改質ガスを燃料電池へ供給するための改質ガス供給ラインを備えることが好ましい。反応管の内管と外管とは閉じられた端部において連通しており、改質層での改質反応により生成した改質ガスは内管を通って排出される。該閉じられた端部とは反対側の端部(他端)に原燃料・水蒸気混合ガス供給ライン及び改質ガス供給ラインを設けた場合、原燃料の改質層への導入及び改質ガスの内管からの排出のために複雑な配管を設ける必要がなく、装置を容易に製造することができるからである。   The reformer is suitable as an oxidation autothermal reformer that can utilize the heat of oxidation in the apparatus for the reforming reaction. The oxidation autothermal reformer is at least partially filled with a reforming catalyst, and a mixture of raw fuel and water vapor is brought into contact with the reforming catalyst to form hydrogen as a main component. A reforming layer for generating a reformed gas, and an oxidation exothermic layer that is at least partially filled with an oxidation catalyst and oxidizes part of the raw fuel or reformed gas to generate heat. Quality equipment. Here, the reaction tube of the reformer preferably has a double tube structure in which one end is closed and the inner tube and the outer tube communicate with each other at the closed end. If the reaction tube has a double-pipe structure, not only can the oxidation autothermal reforming apparatus be reduced in size, but the apparatus can be manufactured at a low cost, and the oxidizing gas supply means with a simple structure can be used for oxidation. Gas can be uniformly supplied to the oxidation heat generating layer. Further, the reformer is provided with a raw material for supplying a mixture of raw fuel and water vapor to the gap between the outer tube and the inner tube of the reaction tube at the other end opposite to the one end of the reaction tube. It is preferable to provide a reformed gas supply line for discharging the reformed gas from the fuel / steam mixed gas supply line and the inner pipe and supplying the reformed gas to the fuel cell. The inner tube and the outer tube of the reaction tube communicate with each other at a closed end, and the reformed gas generated by the reforming reaction in the reforming layer is discharged through the inner tube. When the raw fuel / steam mixed gas supply line and the reformed gas supply line are provided at the end (the other end) opposite to the closed end, introduction of the raw fuel into the reformed layer and the reformed gas This is because it is not necessary to provide complicated piping for discharging from the inner pipe, and the apparatus can be easily manufactured.

図4は、図2に示す改質装置の部分断面図であり、反応管101の断面を詳細に説明する。図4に示す反応管101は、上側の端部が閉じた外管111と、内管112とを備えた二重管構造を有しており、内管112が下方に突出した逆凸字状をしている。また、反応管101の内管112より内側には、酸化性ガスとしての空気や酸素を供給する酸化性ガス供給手段として酸化性ガス供給管118が設けられている。そして、外管111と内管112との間の間隙部には改質触媒からなる改質層113が設けられており、内管112内には酸化触媒からなる酸化触媒層114と、伝熱粒子からなる伝熱粒子層115とで構成された酸化発熱層116が設けられている。なお、改質触媒、酸化触媒及び伝熱粒子は、外管111及び内管112の下部に設けられたメッシュ117により支持されており、このメッシュ117は、改質触媒、酸化触媒及び伝熱粒子は通過させないが、改質原料、水蒸気及び改質ガスは通過させるように構成されている。また、外管111及び内管112からなる二重管構造は、直径の異なる2つの管を後に詳細に説明するマニホールド120に溶接し固定することで形成されている。   FIG. 4 is a partial cross-sectional view of the reformer shown in FIG. 2, and the cross section of the reaction tube 101 will be described in detail. The reaction tube 101 shown in FIG. 4 has a double tube structure including an outer tube 111 whose upper end is closed and an inner tube 112, and an inverted convex shape in which the inner tube 112 protrudes downward. I am doing. Further, inside the inner tube 112 of the reaction tube 101, an oxidizing gas supply pipe 118 is provided as an oxidizing gas supply means for supplying air or oxygen as an oxidizing gas. A reforming layer 113 made of a reforming catalyst is provided in the gap between the outer pipe 111 and the inner pipe 112. The inner pipe 112 has an oxidation catalyst layer 114 made of an oxidation catalyst, and heat transfer. An oxidation exothermic layer 116 composed of a heat transfer particle layer 115 made of particles is provided. The reforming catalyst, the oxidation catalyst, and the heat transfer particles are supported by a mesh 117 provided below the outer tube 111 and the inner tube 112. The mesh 117 is formed by the reforming catalyst, the oxidation catalyst, and the heat transfer particles. Is not allowed to pass through, but the reforming raw material, steam and reformed gas are allowed to pass through. Further, the double pipe structure including the outer pipe 111 and the inner pipe 112 is formed by welding and fixing two pipes having different diameters to a manifold 120 described in detail later.

ここで、酸化発熱層116の一部を構成する酸化触媒としては、高温で劣化しにくいPt、Pd等をアルミナ、シリカ、ジルコニア等の担体に担持した酸化触媒等を用いることができ、該酸化触媒の添加量は、酸化性ガスを完全に反応させられる量以上とすることが好ましい。更に、伝熱粒子としては、酸化触媒を用いた酸化反応により生じた熱を伝熱することが可能な粒子、例えばSiC粒子等を用いることができる。なお、図4に示す改質装置の酸化発熱層116では、伝熱粒子を充填した上に酸化触媒を充填して酸化触媒層114及び伝熱粒子層115からなる酸化発熱層116を形成したが、上記改質装置に用い得る酸化発熱層はこれに限定されることはない。具体的には、酸化発熱層は、(1)上述した酸化触媒と、NiやRh等を担持した改質触媒との混合物を内管内に充填して形成しても良く、(2)酸化触媒と、伝熱粒子との混合物を内管内に充填して形成しても良く、(3)酸化触媒と、改質触媒と、伝熱粒子との混合物を内管内に充填して形成しても良い。   Here, as the oxidation catalyst constituting a part of the oxidation heat generation layer 116, an oxidation catalyst or the like in which Pt, Pd, etc., which hardly deteriorate at high temperatures, are supported on a carrier such as alumina, silica, zirconia, etc. can be used. The addition amount of the catalyst is preferably not less than an amount that allows the oxidizing gas to be completely reacted. Furthermore, as the heat transfer particles, particles capable of transferring heat generated by an oxidation reaction using an oxidation catalyst, such as SiC particles, can be used. In the oxidation exothermic layer 116 of the reformer shown in FIG. 4, the oxidation exothermic layer 116 including the oxidation catalyst layer 114 and the heat transfer particle layer 115 is formed by filling the heat transfer particles and then the oxidation catalyst. The oxidation heat generating layer that can be used in the reformer is not limited to this. Specifically, the oxidation exothermic layer may be formed by filling the inner tube with a mixture of (1) the above-described oxidation catalyst and a reforming catalyst supporting Ni, Rh or the like, and (2) the oxidation catalyst. And a mixture of heat transfer particles may be filled in the inner tube, or (3) a mixture of the oxidation catalyst, the reforming catalyst, and the heat transfer particles may be filled in the inner tube. good.

酸化性ガス供給管118は、酸化反応に用いる酸化性ガスを酸化発熱層116の酸化触媒に供給できるものであれば特に制限はないが、改質層113の改質触媒が酸化性ガスにより劣化しないように、改質層113の後段側に酸化性ガスの噴出し口を設けることが好ましい。そして、図4に示す改質装置では、酸化性ガス供給管118は、その先端が酸化触媒層114内に位置し、該先端には酸化性ガス噴出し口が設けられている。   The oxidizing gas supply pipe 118 is not particularly limited as long as it can supply the oxidizing gas used for the oxidation reaction to the oxidation catalyst of the oxidation heat generation layer 116, but the reforming catalyst of the reforming layer 113 is deteriorated by the oxidizing gas. In order to avoid this, it is preferable to provide an outlet for oxidizing gas on the rear side of the modified layer 113. In the reformer shown in FIG. 4, the oxidizing gas supply pipe 118 has a tip positioned in the oxidation catalyst layer 114, and an oxidizing gas ejection port is provided at the tip.

反応管101の下部に設けられたマニホールド120は、反応管101の外管111と内管112との間の間隙部へ原燃料及び水蒸気の混合物を供給するための原燃料・水蒸気混合ガス供給ライン121と、反応管101の内管112から改質ガスを排出して該改質ガスを燃料電池へ供給するための改質ガス供給ライン122と、酸化性ガス供給管118を介して酸化発熱層116へ酸化性ガスを供給するための酸化性ガス供給ライン123とからなる。そして、図2に示すように、このマニホールド120の原燃料・水蒸気混合ガス供給ライン121、改質ガス供給ライン122及び酸化性ガス供給ライン123は、5本の反応管101に共通した流路となっている。なお、原燃料・水蒸気混合ガス供給ライン121は反応管101の外管111と内管112との間の間隙部と連通しており、改質ガス供給ライン122は内管112と連通しており、酸化性ガス供給ライン123は酸化性ガス供給管118と連通している。   A manifold 120 provided at a lower portion of the reaction tube 101 is a raw fuel / steam mixed gas supply line for supplying a mixture of raw fuel and steam to a gap between the outer tube 111 and the inner tube 112 of the reaction tube 101. 121, a reformed gas supply line 122 for discharging the reformed gas from the inner tube 112 of the reaction tube 101 and supplying the reformed gas to the fuel cell, and an oxidizing heat generating layer via the oxidizing gas supply tube 118 And an oxidizing gas supply line 123 for supplying an oxidizing gas to 116. As shown in FIG. 2, the raw fuel / steam mixed gas supply line 121, the reformed gas supply line 122, and the oxidizing gas supply line 123 of the manifold 120 have a flow path common to the five reaction tubes 101. It has become. The raw fuel / steam mixed gas supply line 121 communicates with a gap between the outer tube 111 and the inner tube 112 of the reaction tube 101, and the reformed gas supply line 122 communicates with the inner tube 112. The oxidizing gas supply line 123 communicates with the oxidizing gas supply pipe 118.

また、マニホールド120では、原燃料・水蒸気混合ガス供給ライン121内へ混合物が供給される入口部と、改質ガス供給ライン122から改質ガスが排出される出口部とが、反応管101を挟んでマニホールド120の反対側に位置している。このようにすれば、各反応管1への混合物の分配を均一にすることができる。更に、マニホールド120では、酸化性ガス供給ライン123内へ酸化性ガスが供給される入口部も、改質ガス供給ライン122の出口部とは反対側、即ち原燃料・水蒸気混合ガス供給ライン121の入口部と同じ側に位置している。このようにすることは、各反応管101への酸化性ガスの分配を均一にすることができるという観点から好ましい。   Further, in the manifold 120, an inlet portion through which the mixture is supplied into the raw fuel / steam mixed gas supply line 121 and an outlet portion through which the reformed gas is discharged from the reformed gas supply line 122 sandwich the reaction tube 101. And located on the opposite side of the manifold 120. In this way, the distribution of the mixture to each reaction tube 1 can be made uniform. Further, in the manifold 120, the inlet portion where the oxidizing gas is supplied into the oxidizing gas supply line 123 is also opposite to the outlet portion of the reformed gas supply line 122, that is, the raw fuel / steam mixed gas supply line 121. Located on the same side as the entrance. This is preferable from the viewpoint that the distribution of the oxidizing gas to each reaction tube 101 can be made uniform.

なお、マニホールドの形状及びマニホールド上の反応管の配置も任意の形とすることができる。具体的には、マニホールドの平面形状(反応管側から見た形状)は、反応管の配置に応じて適当な形状とすることができ、例えば、正方形、長方形、三角形、円形、L字形、V字形、U字形、ジグザグ形等とすることができる。また、マニホールド上の反応管は、マニホールドの平面に対して垂直であることが好ましい。   In addition, the shape of the manifold and the arrangement of the reaction tubes on the manifold can be any shape. Specifically, the planar shape of the manifold (the shape seen from the reaction tube side) can be an appropriate shape depending on the arrangement of the reaction tubes, for example, square, rectangle, triangle, circle, L-shape, V It can be a letter shape, a U shape, a zigzag shape, or the like. The reaction tube on the manifold is preferably perpendicular to the plane of the manifold.

そして、図4に示す改質装置では、原燃料・水蒸気混合ガス供給ライン121を介して供給された原燃料及び水蒸気の混合物を改質層113において例えば温度400〜800℃で改質することにより、水素を主成分とする改質ガスが製造される。具体的には、図4に示す通り、反応管101に供給された混合物は、改質層113をアップフローで通り改質された後、反応管101上部の閉じた端部で折り返して内管112内に入り、酸化発熱層116をダウンフローで通って改質ガス供給ライン122から排出される。ここで、改質層113における改質反応に必要な熱量は、上述した伝熱用部材102からの伝導及び輻射により供給されるが、燃料電池の起動時や急激な負荷変動時等の熱量が不足する場合には、酸化発熱層116に酸化性ガスを供給し、混合物の改質により生じた改質ガスや原燃料の一部を酸化させて得た熱を利用しても良い。なお、上記改質装置で生成した改質ガスは、燃料電池に供給され、発電用燃料として利用される。   In the reforming apparatus shown in FIG. 4, the mixture of raw fuel and steam supplied via the raw fuel / steam mixed gas supply line 121 is reformed in the reforming layer 113 at a temperature of 400 to 800 ° C., for example. A reformed gas containing hydrogen as a main component is produced. Specifically, as shown in FIG. 4, the mixture supplied to the reaction tube 101 is reformed through the reforming layer 113 by upflow, and then folded at the closed end of the upper portion of the reaction tube 101 to return to the inner tube. 112, passes through the oxidation heat generation layer 116 in a down flow, and is discharged from the reformed gas supply line 122. Here, the amount of heat necessary for the reforming reaction in the reforming layer 113 is supplied by conduction and radiation from the heat transfer member 102 described above, but the amount of heat at the time of starting the fuel cell or at the time of a sudden load change or the like. When the amount is insufficient, an oxidizing gas may be supplied to the oxidation heat generating layer 116, and heat obtained by oxidizing a part of the reformed gas or raw fuel generated by reforming the mixture may be used. The reformed gas generated by the reformer is supplied to the fuel cell and used as power generation fuel.

次に、図5を参照しながら、図2に示す改質装置を用いた燃料電池システムを詳細に説明する。図5は、本発明の燃料電池システムの他の例を示す部分概略図である。図5に示す燃料電池システムは、固体酸化物形燃料電池のセルを複数組み合わせた燃料電池スタック201と、図2に示す改質装置と、該燃料電池スタック201及び該改質装置を囲う第一ハウジング202とを備える。この場合、燃料電池スタック201から排出されるカソードオフガスは、第二ハウジング104内に導入される。また、第二ハウジング104は、本発明の燃料電池システムの燃焼ガス曝露防止手段として作用している。   Next, the fuel cell system using the reformer shown in FIG. 2 will be described in detail with reference to FIG. FIG. 5 is a partial schematic view showing another example of the fuel cell system of the present invention. A fuel cell system shown in FIG. 5 includes a fuel cell stack 201 in which a plurality of cells of a solid oxide fuel cell are combined, a reformer shown in FIG. 2, and a first that surrounds the fuel cell stack 201 and the reformer. And a housing 202. In this case, the cathode off gas discharged from the fuel cell stack 201 is introduced into the second housing 104. Further, the second housing 104 functions as a combustion gas exposure prevention means of the fuel cell system of the present invention.

また、本発明の燃料電池システムの起動方法は、炭化水素及び脂肪族アルコールからなる群から選択される少なくとも一種の燃料を燃焼させて燃焼ガスを生成し、該燃焼ガスを用いて改質器を加熱する工程であって、上記燃焼ガスに固体酸化物形燃料電池が曝されることを防止する工程と、上記燃焼ガスの流れ方向において上記改質器の下流側に位置する水蒸発器を上記燃焼ガスにより加熱し、水蒸気を発生させる工程と、上記水蒸発器の温度が水蒸気を発生することが可能な温度以上に達し、かつ、上記改質器の温度が原燃料の改質反応を行うことが可能な温度以上に達した後、上記改質器に上記水蒸気と原燃料とを供給して改質反応を開始し、改質ガスを生成する工程と、上記固体酸化物形燃料電池の温度が、該固体酸化物形燃料電池のアノードが酸化する温度に達する前に、上記固体酸化物形燃料電池のアノードに上記改質ガスを供給する工程とを含むことを特徴としており、上述の燃料電池システムによって達成することができる。   Further, the method for starting the fuel cell system of the present invention generates a combustion gas by burning at least one fuel selected from the group consisting of hydrocarbons and aliphatic alcohols, and uses the combustion gas to form a reformer. A step of preventing the solid oxide fuel cell from being exposed to the combustion gas, and a water evaporator located downstream of the reformer in the flow direction of the combustion gas. The process of heating with combustion gas to generate water vapor, and the temperature of the water evaporator reaches a temperature higher than the temperature at which water vapor can be generated, and the temperature of the reformer performs the reforming reaction of the raw fuel After the temperature reaches a temperature higher than possible, the steam and raw fuel are supplied to the reformer to start a reforming reaction to generate a reformed gas, and the solid oxide fuel cell The temperature of the solid oxide fuel cell Before reaching the temperature at which the node is oxidized, and characterized by including a step for supplying the reformed gas to the anode of the solid oxide fuel cell can be achieved by the above-described fuel cell system.

本発明の燃料電池システムの起動方法においては、炭化水素及び脂肪族アルコールからなる群から選択される少なくとも一種の燃料を燃焼させて燃焼ガスを生成し、該燃焼ガスを用いて改質器を加熱することを要し、更に、上記燃焼ガスに固体酸化物形燃料電池が曝されることを防止する。これにより、改質器を優先的に加熱することが可能となり、アノードが酸化する温度以上に固体酸化物形燃料電池が加熱される前に、水蒸気改質反応を開始できる温度以上に改質器を加熱することができる。なお、燃料電池のアノードの酸化は、通常400℃以上で起こり、一方、水蒸気改質反応は、通常600℃以上で行うことが可能となる。   In the start-up method of the fuel cell system of the present invention, at least one fuel selected from the group consisting of hydrocarbons and aliphatic alcohols is combusted to generate combustion gas, and the reformer is heated using the combustion gas. In addition, the solid oxide fuel cell is prevented from being exposed to the combustion gas. As a result, the reformer can be preferentially heated, and the reformer exceeds the temperature at which the steam reforming reaction can be started before the solid oxide fuel cell is heated above the temperature at which the anode is oxidized. Can be heated. In addition, the oxidation of the anode of the fuel cell usually occurs at 400 ° C. or higher, while the steam reforming reaction can be normally performed at 600 ° C. or higher.

本発明の燃料電池システムの起動方法においては、燃焼ガスの流れ方向において改質器の下流側に位置する水蒸発器を燃焼ガスにより加熱し、水蒸気を発生させることを要する。これにより、燃料電池システムの排熱利用効率を高めつつ、十分に加熱された改質器へ直ちに水蒸気を供給できるため、短時間で効果的に燃料電池システムの起動を行うことが可能となる。   In the start-up method of the fuel cell system of the present invention, it is necessary to heat the water evaporator located downstream of the reformer in the flow direction of the combustion gas with the combustion gas to generate water vapor. As a result, it is possible to immediately supply water vapor to the sufficiently heated reformer while improving the exhaust heat utilization efficiency of the fuel cell system, so that the fuel cell system can be started up effectively in a short time.

本発明の燃料電池システムの起動方法においては、水蒸発器の温度が水蒸気を発生することが可能な温度以上に達し、かつ、改質器の温度が原燃料の改質反応を行うことが可能な温度以上に達した後、改質器に水蒸気と原燃料とを供給して改質反応を開始し、改質ガスを生成させることを要する。これにより、改質器内での改質反応を確実に行うことが可能となり、固体酸化物形燃料電池へ改質ガスを確実に供給することができる。   In the fuel cell system start-up method of the present invention, the temperature of the water evaporator reaches or exceeds the temperature at which water vapor can be generated, and the reformer temperature can perform the reforming reaction of the raw fuel. After reaching a certain temperature or higher, it is necessary to supply steam and raw fuel to the reformer to start the reforming reaction and generate reformed gas. As a result, the reforming reaction in the reformer can be reliably performed, and the reformed gas can be reliably supplied to the solid oxide fuel cell.

本発明の燃料電池システムの起動方法においては、固体酸化物形燃料電池の温度が、該固体酸化物形燃料電池のアノードが酸化する温度に達する前に、固体酸化物形燃料電池のアノードに改質ガスを供給することを要する。これにより、固体酸化物形燃料電池のアノードの酸化を防止することができる。   In the start-up method of the fuel cell system of the present invention, the temperature of the solid oxide fuel cell is changed to the anode of the solid oxide fuel cell before reaching the temperature at which the anode of the solid oxide fuel cell is oxidized. It is necessary to supply quality gas. Thereby, the oxidation of the anode of the solid oxide fuel cell can be prevented.

本発明の燃料電池システムの起動方法は、更に、上記燃焼ガスの流れ方向において改質器の下流側に位置する熱交換器において、燃焼ガスとの熱交換により、固体酸化物形燃料電池に供給される酸素含有ガスを加熱する工程を含むことが好ましい。これにより、燃料電池システムの排熱利用効率を高めつつ、加熱された酸素含有ガスを固体酸化物形燃料電池に供給できるため、短時間で効果的に燃料電池システムの起動を行うことが可能となる。ここで、本発明の燃料電池システムの起動方法は、上記加熱された酸素含有ガスの一部を用いて、改質器に供給される原燃料を脱硫して脱硫原燃料とする脱硫器を加熱する工程を含むことが更に好ましい。この場合、燃料電池システムの排熱利用効率を更に向上させつつ、安定的に脱硫の熱源を確保することが可能となる。   The fuel cell system start-up method of the present invention is further supplied to the solid oxide fuel cell by heat exchange with the combustion gas in the heat exchanger located downstream of the reformer in the flow direction of the combustion gas. It is preferable to include a step of heating the oxygen-containing gas. As a result, it is possible to supply the heated oxygen-containing gas to the solid oxide fuel cell while improving the exhaust heat utilization efficiency of the fuel cell system, so that the fuel cell system can be started up effectively in a short time. Become. Here, the fuel cell system start-up method of the present invention uses a part of the heated oxygen-containing gas to heat the desulfurizer to desulfurize the raw fuel supplied to the reformer and use it as a desulfurized raw fuel. More preferably, the method includes the step of: In this case, it is possible to stably secure a heat source for desulfurization while further improving the exhaust heat utilization efficiency of the fuel cell system.

本発明の燃料電池システムの起動方法は、更に、固体酸化物形燃料電池に供給される酸素含有ガスのうち燃焼ガスとの熱交換を行わない酸素含有ガスを用意し、該酸素含有ガスを固体酸化物形燃料電池に供給する工程を含むことが好ましい。これにより、上記熱交換により加熱された酸素含有ガスを固体酸化物形燃料電池へ供給することで、該固体酸化物形燃料電池の温度が上昇しすぎることを防止することができる。なお、熱交換を行わない酸素含有ガスは、固体酸化物形燃料電池へ直接供給されてもよいし、図1に示されるように、バイパス流路17を用いて加熱された酸素含有ガスと混合して固体酸化物形燃料電池へ供給してもよい。   The fuel cell system startup method of the present invention further provides an oxygen-containing gas that does not exchange heat with the combustion gas among the oxygen-containing gas supplied to the solid oxide fuel cell, and the oxygen-containing gas is solidified. It is preferable to include a step of supplying the oxide fuel cell. Thereby, it can prevent that the temperature of this solid oxide fuel cell rises too much by supplying the oxygen containing gas heated by the said heat exchange to a solid oxide fuel cell. The oxygen-containing gas that is not subjected to heat exchange may be directly supplied to the solid oxide fuel cell, or mixed with the oxygen-containing gas heated using the bypass channel 17 as shown in FIG. Then, it may be supplied to the solid oxide fuel cell.

本発明の燃料電池システムの起動方法は、更に、改質器に酸素を含む酸化性ガスを導入して部分酸化反応を行う工程を含むことが好ましい。これにより、改質器内で部分酸化反応が行われ、該部分酸化反応の反応熱により改質器を昇温させることが可能となる。   The start-up method of the fuel cell system of the present invention preferably further includes a step of introducing an oxidizing gas containing oxygen into the reformer to perform a partial oxidation reaction. Thereby, the partial oxidation reaction is performed in the reformer, and the temperature of the reformer can be raised by the reaction heat of the partial oxidation reaction.

1 固体酸化物形燃料電池
2 改質器
3 第一燃焼手段
4 第二燃焼手段
5 燃焼ガス曝露防止手段
6 水蒸発器
7 アノードオフガス供給手段
8 カソードオフガス供給手段
9 ハウジング
10 水供給ライン
11 水ポンプ
12 水タンク
13 燃焼ガス排気ライン
14 熱交換器
15 酸素含有ガス供給ライン
16 空気ブロワ
17 バイパス流路
18 脱硫器
19 原燃料供給ライン
20 原燃料ポンプ
21 原燃料タンク
22 脱硫器加熱用ガス供給ライン
23 混合装置
24 脱硫原燃料供給ライン
25 水蒸気供給ライン
26 原燃料・水蒸気混合ガス供給ライン
27 改質ガス供給ライン
101 反応管
102 伝熱用部材
103 アノードオフガス供給手段
104 ハウジング
105 燃焼ガス供給手段
106 燃焼ガス排出手段
107 アノードオフガス供給手段の第二ハウジングへの挿入口
108 隔壁
109 燃焼ガス集合部
111 外管
112 内管
113 改質層
114 酸化触媒層
115 伝熱粒子層
116 酸化発熱層
117 メッシュ
118 酸化性ガス供給管
120 マニホールド
121 原燃料・水蒸気混合ガス供給ライン
122 改質ガス供給ライン
123 酸化性ガス供給ライン
201 燃料電池スタック
202 第一ハウジング
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Solid oxide fuel cell 2 Reformer 3 First combustion means 4 Second combustion means 5 Combustion gas exposure prevention means 6 Water evaporator 7 Anode off gas supply means 8 Cathode off gas supply means 9 Housing 10 Water supply line 11 Water pump 12 Water tank 13 Combustion gas exhaust line 14 Heat exchanger 15 Oxygen-containing gas supply line 16 Air blower 17 Bypass flow path 18 Desulfurizer 19 Raw fuel supply line 20 Raw fuel pump 21 Raw fuel tank 22 Gas supply line for desulfurizer heating 23 Mixing device 24 Desulfurization raw fuel supply line 25 Steam supply line 26 Raw fuel / steam mixed gas supply line 27 Reformed gas supply line 101 Reaction tube 102 Heat transfer member 103 Anode off-gas supply means 104 Housing 105 Combustion gas supply means 106 Combustion gas Discharge means 107 Anode Insertion port of the off-gas supply means into the second housing 108 Partition 109 Combustion gas collecting part 111 Outer tube 112 Inner tube 113 Modified layer 114 Oxidation catalyst layer 115 Heat transfer particle layer 116 Oxidation heat generation layer 117 Mesh 118 Oxidizing gas supply tube 120 Manifold 121 Raw fuel / steam mixed gas supply line 122 Reformed gas supply line 123 Oxidizing gas supply line 201 Fuel cell stack 202 First housing

Claims (9)

固体酸化物形燃料電池と、
原燃料を改質して改質ガスを製造する改質器と、
炭化水素及び脂肪族アルコールからなる群から選択される少なくとも一種の燃料を燃焼させて前記改質器を加熱するための第一燃焼手段と、
前記固体酸化物形燃料電池からのアノードオフガスを燃焼させて前記改質器を加熱するための第二燃焼手段と、
前記第一燃焼手段及び前記第二燃焼手段のうち少なくとも一方の燃焼手段により生成した燃焼ガスに前記固体酸化物形燃料電池が曝されることを防止するための燃焼ガス曝露防止手段と、
前記燃焼ガスの流れ方向において前記改質器の下流側に位置する水蒸発器であって、前記燃焼ガスとの熱交換により水蒸気を発生させる水蒸発器と
を備え
前記燃焼ガス曝露防止手段が、前記第一燃焼手段、前記第二燃焼手段及び前記改質器を囲うハウジングであることを特徴とする燃料電池システム。
A solid oxide fuel cell;
A reformer for reforming raw fuel to produce reformed gas;
First combustion means for burning at least one fuel selected from the group consisting of hydrocarbons and aliphatic alcohols to heat the reformer;
Second combustion means for combusting anode off-gas from the solid oxide fuel cell to heat the reformer;
Combustion gas exposure prevention means for preventing the solid oxide fuel cell from being exposed to combustion gas generated by at least one of the first combustion means and the second combustion means;
A water evaporator located downstream of the reformer in the flow direction of the combustion gas, and a water evaporator which generates steam by heat exchange with the combustion gas,
The fuel cell system wherein the combustion gas exposure prevention means, according to the first combustion unit, the second combustion means and said housing der Rukoto surrounding the reformer.
更に、前記改質器の側面側に設置された伝熱用部材を備えることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。The fuel cell system according to claim 1, further comprising a heat transfer member installed on a side surface of the reformer. 前記固体酸化物形燃料電池が、前記第一燃焼手段、前記第二燃焼手段及び前記燃焼ガス曝露防止手段からなる群から選択される少なくとも一種の手段からの熱伝導及び熱輻射の少なくとも一方により加熱されることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。   The solid oxide fuel cell is heated by at least one of heat conduction and heat radiation from at least one means selected from the group consisting of the first combustion means, the second combustion means, and the combustion gas exposure prevention means. The fuel cell system according to claim 1, wherein: 更に、前記燃焼ガスとの熱交換により前記固体酸化物形燃料電池に供給される酸素含有ガスを加熱する熱交換器と、改質ガスを製造する前に、前記原燃料を脱硫して脱硫原燃料とする脱硫器とを備え
前記熱交換器により加熱された酸素含有ガスの一部を用いて前記脱硫器が加熱されることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。
Furthermore, a heat exchanger for heating the oxygen-containing gas supplied to the solid oxide fuel cell by heat exchange with the combustion gas, and desulfurizing the raw fuel before producing the reformed gas, A desulfurizer as a fuel ,
The fuel cell system of claim 1 wherein the desulfurizer is characterized by Rukoto is heated using a portion of the oxygen-containing gas heated by said heat exchanger.
更に、前記熱交換器による加熱から前記固体酸化物形燃料電池に供給される酸素含有ガスの一部を回避させるためのバイパス流路を備えることを特徴とする請求項4に記載の燃料電池システム。 5. The fuel cell system according to claim 4 , further comprising a bypass flow path for avoiding a part of the oxygen-containing gas supplied to the solid oxide fuel cell from the heating by the heat exchanger. . 請求項1〜5のいずれかに記載の燃料電池システムの起動方法であって、
炭化水素及び脂肪族アルコールからなる群から選択される少なくとも一種の燃料を燃焼させて燃焼ガスを生成し、該燃焼ガスを用いて改質器を加熱する工程であって、前記燃焼ガスに固体酸化物形燃料電池が曝されることを防止する工程と、
前記燃焼ガスの流れ方向において前記改質器の下流側に位置する水蒸発器を前記燃焼ガスにより加熱し、水蒸気を発生させる工程と、
前記水蒸発器の温度が水蒸気を発生することが可能な温度以上に達し、かつ、前記改質器の温度が原燃料の改質反応を行うことが可能な温度以上に達した後、前記改質器に前記水蒸気と原燃料とを供給して改質反応を開始し、改質ガスを生成する工程と、
前記固体酸化物形燃料電池の温度が、該固体酸化物形燃料電池のアノードが酸化する温度に達する前に、前記固体酸化物形燃料電池のアノードに前記改質ガスを供給する工程と
を含むことを特徴とする燃料電池システムの起動方法。
A method for starting a fuel cell system according to any one of claims 1 to 5,
Combusting at least one fuel selected from the group consisting of hydrocarbons and aliphatic alcohols to generate a combustion gas, and heating the reformer using the combustion gas, the solid oxidation of the combustion gas A step of preventing the physical fuel cell from being exposed;
Heating a water evaporator located downstream of the reformer in the flow direction of the combustion gas with the combustion gas to generate water vapor;
After the temperature of the water evaporator reaches a temperature at which steam can be generated or higher, and the temperature of the reformer reaches a temperature at which the reforming reaction of raw fuel can be performed, the reforming is performed. Supplying the steam and raw fuel to a mass device to start a reforming reaction and generating a reformed gas;
Supplying the reformed gas to the anode of the solid oxide fuel cell before the temperature of the solid oxide fuel cell reaches a temperature at which the anode of the solid oxide fuel cell oxidizes. And a starting method of the fuel cell system.
前記燃焼ガスの流れ方向において前記改質器の下流側に位置する熱交換器において、前記燃焼ガスとの熱交換により、前記固体酸化物形燃料電池に供給される酸素含有ガスを加熱する工程と、
加熱された前記酸素含有ガスの一部を用いて、前記改質器に供給される原燃料を脱硫して脱硫原燃料とする脱硫器を加熱する工程と
を更に含むことを特徴とする請求項6に記載の燃料電池システムの起動方法。
Heating the oxygen-containing gas supplied to the solid oxide fuel cell by heat exchange with the combustion gas in a heat exchanger located downstream of the reformer in the flow direction of the combustion gas; ,
The method further comprises: heating a desulfurizer that uses a part of the heated oxygen-containing gas to desulfurize the raw fuel supplied to the reformer to obtain a desulfurized raw fuel. 6. A starting method of the fuel cell system according to 6.
更に、前記固体酸化物形燃料電池に供給される酸素含有ガスのうち前記燃焼ガスとの熱交換を行わない酸素含有ガスを用意し、該酸素含有ガスを固体酸化物形燃料電池に供給する工程を含むことを特徴とする請求項7に記載の燃料電池システムの起動方法。   Further, a step of preparing an oxygen-containing gas that does not exchange heat with the combustion gas among the oxygen-containing gas supplied to the solid oxide fuel cell, and supplying the oxygen-containing gas to the solid oxide fuel cell The start method of the fuel cell system according to claim 7, comprising: 更に、前記改質器に、酸素を含む酸化性ガスを導入して部分酸化反応を行う工程を含むことを特徴とする請求項6に記載の燃料電池システムの起動方法。   The method of starting a fuel cell system according to claim 6, further comprising a step of introducing an oxidizing gas containing oxygen into the reformer to perform a partial oxidation reaction.
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