JP5159064B2

JP5159064B2 - 気液混合流動体の送給装置

Info

Publication number: JP5159064B2
Application number: JP2006220349A
Authority: JP
Inventors: 彦一岩波; 貴之大崎
Original assignee: Cosmo Oil Co Ltd
Current assignee: Cosmo Oil Co Ltd
Priority date: 2006-08-11
Filing date: 2006-08-11
Publication date: 2013-03-06
Anticipated expiration: 2026-08-11
Also published as: JP2008043855A

Description

本発明は、気液混合の状態にある流動体を減圧して次工程に送給する方法及び装置に関する。

近年、定置型燃料電池の実用化が進められている。そして、定置型燃料電池には、燃料となる水素ガスを生成するための原料として、従来の天然ガスやメタノールに比べて入手が容易な原料、例えば灯油などの石油系炭化水素、あるいは都市ガスを用いることが検討されている。

都市ガスや、灯油などの石油系炭化水素から水素ガスを生成するには、一般に、水素生成効率に優れる水蒸気改質法が採られる。これは、原料と水蒸気とを混合して改質器に導入し、７００℃前後に保温された触媒上で反応させ、水素ガスを生成するものである。

ここで、原料となる都市ガスや、灯油などの石油系炭化水素には硫黄分が含まれており、この硫黄分が水蒸気改質器の触媒に悪影響を与えることから、それらの原料については水蒸気改質器に導入する前に脱硫器により硫黄分を除去する必要がある。

定置型燃料電池において、特に家庭用のものは設備に制限があるため、硫黄分の除去には、一般に、簡便な吸着脱硫法が採られる。例えば、反応温度１５０℃〜３００℃、加圧条件下でＮｉ系の脱硫剤を用いて除去するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開平２００４−５１８６４号公報

灯油などの液体状炭化水素を上記吸着脱硫法により脱硫すると、その一部は気化され、気体状炭化水素も生成される。ここで、改質反応が大気圧近くの加圧下で行われるのに対し脱硫反応は加圧条件下で行われるため、脱硫により生成された液体状炭化水素及び気体状炭化水素は、脱硫器と改質器との間の配管に設けられた調圧弁で減圧される。

しかし、液体状炭化水素及び気体状炭化水素が混在した状態で調圧弁で減圧されると、気体状炭化水素が突沸を起こし、改質器に移送される液体状炭化水素及び気体状炭化水素の流れに脈流が生じる。その結果、改質器へ送給される炭化水素量が増減し、未改質ガスが発生し、あるいは水素ガスの生成量に影響を及ぼす。

そして、未改質ガス（未改質重質炭化水素）が燃料電池本体へ流入した場合に、例えば電解質に用いられる固体高分子膜を劣化させ、燃料電池の寿命を低下させるおそれがある。また、水素ガス不足の状態で発電した場合にも、燃料電池の寿命を低下させるおそれがある。

さらに、改質器への炭化水素の送給量が脈流により著しく増加すると、改質器の触媒上への炭素の析出が顕著となり、触媒が劣化する可能性もある。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、気液混合の状態にある流動体を減圧して次工程に送給するにあたり、その送給量を安定させることができる気液混合流動体の送給方法及び送給装置を提供することを目的とする。

本発明者等は、気液混合の状態にある流動体を減圧した場合に、流動体の流れに脈流が生じる理由を下記（イ）若しくは（ロ）のように考察した。

（イ）気体と液体とでは体積膨張率が異なるため、気液混合のまま流動体が調圧弁を通過すると、気体状流動体が液体状流動体を押し出してしまい、液体状流動体が安定して流れなくなる。
（ロ）気体と液体とでは調圧弁を通過する際の性状（例えば、粘性、表面張力、密度、等）が異なり、気体状流動体は、液体状流動体に比べて調圧弁を通過し難く、換言すれば調圧弁を通過するために液体状流動体に比べて大きな圧力が必要となるから、調圧弁内部に滞留する。そして、図４（ａ）〜（ｅ）に示すように、所定量の気体状流動体Ｇ（液体状流動体中に存在する気泡）が調圧弁内部に蓄積されると（図４（ｂ），（ｃ）参照）、蓄積された気体状流動体Ｇが一気に調圧弁を通過して、突沸が起きる（図４（ｄ）参照）。蓄積された気体状流動体Ｇが放出されると圧力が低下し、調圧弁を通過するのに必要な圧力まで昇圧する間は気体状流動体及び液体状流動体が流れなくなる（図４（ｅ）参照）。尚、図中、矢印Ｆは流動体の流れ方向、符号３１、３２、３３はそれぞれ調圧弁を構成するポペット、スプリング、インサートを示している。

そして、本発明者等は、上記（イ）、（ロ）の考察に基づき、調圧弁を通過する流動体が気体若しくは液体のいずれかであれば脈流が生じ難くなるものと考え、本発明に到った。

本発明に係る気液混合流体の送給装置は、気液混合の状態にある流動体を減圧して次工程に送給する装置であって、前記流動体から比重差により生じた液層と気層を貯留する貯留部と、該貯留部の内部に配置されるとともに、該貯留部の下方に貯留した前記流動体の液層に開口した開口端を有する第１導管と、該貯留部の上端部に接続されるとともに、該貯留部の上方に貯留した気層に開口した開口端を有する第２導管と、該第１導管及び該第２導管にそれぞれ設けられた調圧弁と、を備え、前記第１導管が前記第２導管の内部に存在するとともに、前記第１導管の開口端は、前記第２導管の開口端より低位置に存在し、前記第１導管が前記第２導管内を同軸に伸びており、前記流動体が脱硫された灯油であり、前記次工程が水蒸気改質である、ことを特徴とする。

本発明によれば、気液混合の状態にある流動体を減圧して次工程に送給するにあたり、その送給量を安定させることができる。

以下、本発明に係る気液混合流動体の送給方法及び送給装置の好適な実施形態を図面を参照して説明する。

（第１実施形態）
図１は本発明に係る気液混合流動体の送給装置の第１実施形態の概略構成を示す模式図、図２は気液混合の状態で移送される流動体を示す模式図である。

図１に示すように、第１実施形態の送給装置１は、気液混合の状態にある流動体を減圧して次工程に送給する装置であって、定置型燃料電池の燃料である水素ガスを生成するための脱硫器４と水蒸気改質器５との間に設けられており、脱硫器４において脱硫された原料を水蒸気改質器５に送給するものである。脱硫・改質される原料は、例えば灯油、ガソリン、ナフサ、軽油、等の液体状炭化水素燃料であるが、以下では灯油を例に説明する。

原料である灯油は、タンク２に貯留されており、ポンプ３によって脱硫器４に送給される。脱硫器４に移送された灯油は、脱硫器４の底部に導入され、そして、脱硫器４において硫黄分を除去されるが、ここでは吸着脱硫法が用いられており、一般的には反応温度１５０℃〜３００℃、０．０１ＭＰａＧ〜１．０ＭＰａＧの加圧条件下で脱硫剤の使用により硫黄分を除去される。

脱硫された灯油は、水蒸気と混合されて水蒸気改質器５に導入される。水蒸気が高温であるので液体状の灯油はほぼ気化し、そして、大気圧近くの加圧下、７００℃前後に保温された触媒上で反応が進み、水素を主成分とする改質ガスが生成される。

ここで、脱硫器４における脱硫反応では、灯油の一部が分解され、例えばメタンなどの気体状炭化水素が生成される。定置型燃料電池では、装置の小型化の要請により、脱硫器４と水蒸気改質器５とを連通する導管１１の内径は一般的には２ｍｍ〜９ｍｍである。かかる細径の配管では、図２に示すように、脱硫された灯油（液体状炭化水素）Ｌ及び気体状炭化水素Ｇは気液混合の状態で移送される。

改質反応が大気圧近くの加圧下で行われるのに対し脱硫反応は加圧条件下で行われるため、脱硫により生成された液体状炭化水素及び気体状炭化水素は、脱硫器４と水蒸気改質器５との間の配管に設けられた調圧弁で減圧されるが、上述の通り、液体状炭化水素及び気体状炭化水素が混在した状態で調圧弁で減圧すると、気体状炭化水素が突沸を起こし、水蒸気改質器５に移送される液体状炭化水素及び気体状炭化水素の流れに脈流が生じる。

そこで本実施形態の送給装置１では、脱硫により生成された液体状炭化水素及び気体状炭化水素を移送する導管１１と、導管１１から上下に分岐した２つの分岐管１２ａ，１２ｂを備え、各分岐管にそれぞれ調圧弁１３が設けられている。

分岐管１２ａ，１２ｂの分岐点に気液混合の状態で流入した液体状炭化水素及び気体状炭化水素のうち、相対的に比重の小さい気体状炭化水素は上に向かう分岐管１２ａに、また、相対的に比重の大きい液体状炭化水素は下に向かう分岐管１２ｂに流入し、気体状炭化水素と液体状炭化水素とは互いに分離される。

ここで、分岐管１２ａ，１２ｂにおいて気体状炭化水素と液体状炭化水素とに十分に分離するには、分岐点近傍における分岐管１２ａ，１２ｂの内径Ｒは、導管１１の１．５倍以上であることが好ましい。これにより、液体状炭化水素である灯油の表面張力による分岐管１２ｂへの気体状炭化水素の混入や、飛沫同伴による分岐管１２ａへの液体状炭化水素の混入が防止される。

そして、互いに分離された気体状炭化水素及び液体状炭化水素は、分岐管１２ａ，１２ｂにそれぞれ設けられた調圧弁１３において、次の水蒸気改質器５に導入するために必要な圧力まで、それぞれ減圧される。各調圧弁１３を通過するのは気体状炭化水素若しくは液体状炭化水素のいずれかであるので、脈流の発生は防止され、水蒸気改質器５に安定して炭化水素が送給される。

尚、本実施形態の送給装置１では、分岐管１２ａ，１２ｂで互いに分離された気体状炭化水素及び液体状炭化水素は、調圧弁１３でそれぞれ減圧された後に再び混合されて水蒸気改質器５に移送されているが、必ずしも再び混合される必要はない。

（第２実施形態）
また、図３は本発明に係る気液混合流動体の送給装置の第２実施形態の概略構成を示す模式図である。尚、上述の第１実施形態の送給装置１と同様の部材については、同一符号を付すことで説明を省略する。

図３に示すように、第２実施形態の送給装置１´は、気液混合の状態にある流動体を減圧して次工程に送給する装置であって、定置型燃料電池の燃料である水素ガスを生成するための脱硫器４と水蒸気改質器５との間に設けられており、脱硫器４において脱硫された原料を水蒸気改質器５に送給するものである。

送給装置１´は、脱硫器４において生成された液体状炭化水素及び気体状炭化水素を貯留する貯留部２１を備えている。本実施形態では、貯留部２１は、底部より灯油が導入される脱硫器４の出口付近にあたる天井部とされている。気液混合の状態にある炭化水素は、気液の比重差により、貯留部２１において液層及びその上方に気層を形成する。

そして、送給装置１´は、貯留部２１に貯留された炭化水素の液層に開口端を有する第１導管２２ａ及び気層に開口端を有する第２導管２２ｂとを備えている。本実施形態では、脱硫器４の出口近傍においては、第１導管２２ａが第２導管２２ｂ内を同軸に伸びている２重管構造とされており、第２導管２２ｂは、その開口端を脱硫器４の天井壁に接続して炭化水素の気層に開口し、第１導管２２ａは、その開口端を脱硫器４の貯留部２１内に進入させて炭化水素の液層に開口している。

第１導管２２ａには液体状炭化水素が流入し、第２導管２２ｂには気体状炭化水素が流入し、気体状炭化水素と液体状炭化水素とは互いに分離される。第１導管２２ａ及び第２導管２２ｂにはそれぞれ調圧弁１３が設けられており、互いに分離された液体状炭化水素及び気体状炭化水素は、各調圧弁１３において、次の水蒸気改質器５に導入するために必要な圧力まで、それぞれ減圧される。各調圧弁１３を通過するのは気体状炭化水素若しくは液体状炭化水素のいずれかであるので、脈流の発生は防止され、水蒸気改質器５に安定して炭化水素が送給される。

尚、本実施形態の送給装置１´においても、第１導管２２ａ及び第２導管２２ｂにより互いに分離された気体状炭化水素及び液体状炭化水素は、調圧弁１３でそれぞれ減圧された後に再び混合されて水蒸気改質器５に移送されているが、必ずしも再び混合される必要はない。

また、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良、等が可能である。その他、上述した実施形態における各構成要素の材質、形状、寸法、数値、形態、数、配置箇所、等は本発明を達成できるものであれば任意であり、限定されない。

つぎに、実施例及び比較例により、本発明を具体的に説明する。

市販灯油を１５ｍｌ／ｈの流量で脱硫器に導入し、反応温度２２０℃、圧力０．３ＭＰａＧの条件下で脱硫を行った。脱硫器出口付近での液体状炭化水素及び気体状炭化水素の温度は２２０℃、圧力は０．３ＭＰａＧであり、これを調圧弁で０．１３ＭＰａＧまで減圧して水蒸気改質器に移送する。

実施例１及び実施例２は、脱硫により生成された液体状炭化水素及び気体状炭化水素を移送する導管に上下に分岐した２つの分岐管を設け、これら分岐管で液体状炭化水素及び気体状炭化水素を分離し、各分岐管に設けられた調圧弁でそれぞれ減圧する。減圧後、液体状炭化水素と気体状炭化水素とを図１の調圧弁１３以降の配管を通じて再度混合し、水蒸気改質器５に導入する。尚、導管の内径は２．１７ｍｍであり、分岐管の内径は導管の２倍である４．３５ｍｍである。また、実施例１は、第１実施形態の送給装置１と同様にアップフローで脱硫器に導入するのに対し、実施例２はダウンフローで脱硫器に導入する。

実施例３は、脱硫により生成された液体状炭化水素及び気体状炭化水素を貯留する貯留部と、該貯留部に貯留された炭化水素の液層に開口端を有する第１導管及び気層に開口端を有する第２導管とを設け、これら第１導管及び第２導管で液体状炭化水素及び気体状炭化水素を分離し、各導管に設けられた調圧弁でそれぞれ減圧する。減圧後、液体状炭化水素と気体状炭化水素とを図３の調圧弁１３以降の配管を通じて再度混合し、水蒸気改質器５に導入する。尚、実施例３は、第２実施形態の送給装置１´と同様に２重管構造であって、内側の第１導管の内径は２．１７ｍｍ、外側の第２導管の内径は４．３５ｍｍである。

比較例は、脱硫により生成された液体状炭化水素及び気体状炭化水素を気液混合の状態で調圧弁で減圧する。

実施例１，２，３については、調圧弁１３で減圧後の液体状炭化水素と気体状炭化水素とが再度混合された直後の流量を、比較例については、前記のとおり脱硫により生成された液体状炭化水素及び気体状炭化水素を気液混合の状態で調圧弁で減圧した直後の流量を、それぞれ測定した。流量測定については、脱硫器および水蒸気改質器の起動開始５時間後からの連続運転途上で各流量を測定した。実施例及び比較例それぞれについて、流量の測定を複数回実施し、複数の測定流量の平均値、各測定流量がその平均値から該平均値の±１０％以内に含まれる割合を表１に示す。

表１から、各測定流量がその平均値から該平均値の±１０％以内に含まれる割合が、比較例については２０％であるのに対し、実施例では７０〜９５％と向上しており、即ち、液体状炭化水素及び気体状炭化水素を分離し、それぞれ減圧する実施例１〜３は、気液混合の状態で減圧する比較例に比べて、調圧弁から水蒸気改質器まで流量が安定していることがわかる。

本発明に係る気液混合流動体の送給装置の第１実施形態の概略構成を示す模式図である。気液混合の状態で移送される流動体を示す模式図である。本発明に係る気液混合流動体の送給装置の第２実施形態の概略構成を示す模式図である。調圧弁における突沸の発生過程を示す模式図である。

符号の説明

１送給装置
２タンク
３ポンプ
４脱硫器
５水蒸気改質器
１１導管
１２ａ分岐管
１２ｂ分岐管
１３調圧弁

Claims

気液混合の状態にある流動体を減圧して次工程に送給する装置であって、
前記流動体から比重差により生じた液層と気層を貯留する貯留部と、
該貯留部の内部に配置されるとともに、該貯留部の下方に貯留した前記流動体の液層に開口した開口端を有する第１導管と、
該貯留部の上端部に接続されるとともに、該貯留部の上方に貯留した気層に開口した開口端を有する第２導管と、
該第１導管及び該第２導管にそれぞれ設けられた調圧弁と、を備え、
前記第１導管が前記第２導管の内部に存在するとともに、前記第１導管の開口端は、前記第２導管の開口端より低位置に存在し、
前記第１導管が前記第２導管内を同軸に伸びており、
前記流動体が脱硫された灯油であり、前記次工程が水蒸気改質である、ことを特徴とする気液混合流動体の送給装置。