WO2010116800A1 - 送液システム及び燃料電池システム - Google Patents

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長谷川　隆
裕朗 渡辺
丈 井深
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    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a liquid feeding system for feeding liquid fuel and a fuel cell system including the liquid feeding system.
  • liquid feeding system used in a fuel cell system
  • a system described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2008-36523 is known.
  • the liquid fuel and the gas are dissolved to stabilize the feeding amount by providing a staying part for retaining the gas in the pipe through which the liquid fuel after desulfurization passes.
  • Japanese Patent Application Laid-Open No. 2008-106172 is known.
  • desulfurized liquid fuel is stored in a buffer tank, and the drive pump is controlled in accordance with the amount of liquid fuel stored in the buffer tank, so that the liquid fuel stays in the desulfurizer. It is possible to prevent and perform a stable desulfurization treatment.
  • liquid fuel when liquid fuel is desulfurized at a high temperature (100 ° C. or higher) or high pressure (20 kPa or higher) in a desulfurizer, a gas such as hydrogen or methane is generated during the desulfurization. Even if a system for degassing these gases is installed, the liquid fuel is cooled (60 ° C. or lower), and when the pressure is reduced, the solubility of the gas decreases. Become. Further, a part of the dissolved gas becomes bubbles by being temporarily pressurized and decompressed inside the pump. Therefore, in the above-described liquid feeding system, bubbles generated in the liquid fuel may cause cavitation, pressure fluctuation, flow fluctuation, and the like of the pump disposed downstream of the desulfurizer, which may prevent stable control of the pump. It was.
  • an object of the present invention is to provide a liquid feeding system capable of stably controlling a pump downstream of a desulfurizer and capable of efficiently feeding liquid fuel, and a fuel cell system including the liquid feeding system.
  • the liquid feeding system includes a cooling / depressurizing means for cooling and / or depressurizing liquid fuel desulfurized at a high temperature and / or high pressure, a pump for feeding the cooled and / or depressurized liquid fuel, and a pump.
  • Gas-liquid separation means for separating the gas from the liquid fuel by passing the cooled and / or depressurized liquid fuel, and the gas-liquid separation means arranged on the upstream side of the pump.
  • a gas-liquid separation tank that stores the liquid fuel and separates it into gas and liquid.
  • the dissolved gas and bubbles in the liquid fuel can be sufficiently separated by allowing the liquid fuel to pass through the gas-liquid separation means and storing it in the gas-liquid separation tank on the upstream side of the pump. As described above, the dissolved gas and the bubbles in the liquid fuel are sufficiently separated, so that the pump can be stably controlled, and the liquid fuel can be fed efficiently.
  • the fuel cell system according to the present invention preferably includes the above-described liquid feeding system.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a fuel cell system 1 and a liquid delivery system 100 according to an embodiment of the present invention.
  • the fuel cell system 1 includes a pressure pump 2 that supplies the supplied raw fuel to the fuel cell system, a desulfurization device 3 that removes sulfur from the raw fuel, and a desulfurization device 3 that provides sulfur.
  • the reformer 4 that reforms the liquid fuel from which the components have been removed to generate reformed gas
  • the liquid feed system 100 that feeds the liquid fuel from the desulfurizer 3 to the reformer 4, and the reformer 4
  • a fuel cell stack 5 that generates electric power using the generated reformed gas.
  • the fuel cell system 1 is used as, for example, a household power supply source, and can be easily obtained and stored independently, so that kerosene, light oil or naphtha is used as raw fuel. Is used.
  • the desulfurization apparatus 3 includes a desulfurizer 11 that removes sulfur from the raw fuel supplied from the pressure pump 2, and a temperature raising mechanism 12 that heats the desulfurizer 11.
  • the raw fuel contains about 80 ppm or less of sulfur such as sulfur and sulfur compounds.
  • the desulfurizer 13 removes sulfur from the raw fuel to produce liquid fuel having a sulfur concentration of about 50 ppb or less.
  • the inside of the desulfurizer 13 is maintained at a high temperature and a high pressure, and the desulfurization reaction proceeds at a high temperature and a high pressure.
  • the high temperature is specifically 100 ° C. or higher, and the high pressure is specifically 20 kPa or higher. Thereby, the liquid fuel after desulfurization is supplied to the liquid feeding system 100 in a high temperature and high pressure state.
  • the reformer 4 includes a reformer 16 that generates a hydrogen-rich reformed gas by steam reforming a liquid fuel, and a burner 17 that heats a reforming catalyst accommodated in the reformer 16. I'm.
  • the burner 17 heats the reforming catalyst that promotes the steam reforming reaction, thereby supplying the reforming catalyst with heat necessary for effectively exhibiting the catalytic reaction.
  • the fuel for the burner 17 is mainly raw fuel and oxygen.
  • the liquid fuel desulfurized by the desulfurization apparatus 3 is vaporized to become a raw material gas, and the reforming catalyst promotes the steam reforming reaction between the raw material gas and steam (water), thereby improving the hydrogen-rich reforming. A quality gas is produced.
  • the fuel cell stack 5 is a polymer electrolyte fuel cell stack configured by stacking a plurality of battery cells, and generates power using the reformed gas obtained by the reformer 4.
  • Each battery cell has an anode, a cathode, and a polymer ion exchange membrane that is an electrolyte disposed between the anode and the cathode.
  • the reformed gas is introduced into the anode and air is introduced into the cathode, and an electrochemical power generation reaction is performed.
  • the liquid feeding system 100 includes a cooling mechanism (cooling / decompression unit) 101 that cools liquid fuel desulfurized at high temperature and high pressure, and a decompression mechanism (cooling / decompression unit) 102 that depressurizes liquid fuel desulfurized at high temperature and high pressure.
  • a pump 105 for feeding the liquid fuel stored in the tank 104 to the reformer 4.
  • the cooling mechanism 101 of the liquid feeding system 100 includes a heat exchanger. For example, by passing a high-temperature / high-pressure liquid fuel through a heat exchanger provided in the vicinity of a pipe on the upstream side of the desulfurization device 3, Heat exchange can be performed with the raw fuel supplied to the desulfurization apparatus 3. As a result, the liquid fuel after desulfurization can be cooled (60 ° C. or lower), and the raw fuel can be heated and used effectively.
  • the decompression mechanism 102 specifically, a capillary composed of a thin coiled tube is employed. The pressure reducing mechanism 102 can reduce the pressure to atmospheric pressure.
  • the gas-liquid separation unit 103 has a function of separating a gas such as hydrogen or methane from the liquid fuel by allowing the liquid fuel cooled and decompressed by the cooling mechanism 101 and the decompression mechanism 102 to pass therethrough.
  • the gas-liquid separation unit 103 is configured by, for example, a filter, a mesh, or an orifice.
  • FIG. 2A is a diagram showing a specific example of the gas-liquid separation unit 103
  • FIG. 2B is a cross-sectional perspective view of a portion indicated by B in FIG. As shown in FIG.
  • the gas-liquid separation unit 103 is configured by locally forming a narrow tube part 113 having a diameter smaller than the pipes 111 and 112 before and after the gas-liquid separation part 103. Further, as shown in FIG. 2 (b), it is configured by forming a porous through hole 114 inside the narrow tube portion 113.
  • a gas-liquid separator 103 when the flow rate of the liquid is increased by passing through a thin tube, the pressure decreases, so that the dissolved gas can be separated as a gas and grown as a bubble.
  • a sintered metal filter mesh having an outer diameter of 10 to 15 mm and an inner pore diameter of 2 to 60 ⁇ m (2 ⁇ m is optimal) can be used.
  • the gas-liquid separation tank 104 has a function of further performing gas-liquid separation by storing the liquid fuel that has passed through the gas-liquid separation unit 103.
  • the liquid fuel stored in the gas-liquid separation tank 104 is stored on the bottom surface side of the gas-liquid separation tank 104, and the gas contained in the liquid fuel rises in the liquid fuel and is stored in the gas-liquid separation tank 104. Accumulate on top side.
  • the liquid fuel is gas-liquid separated in the gas-liquid separation tank 104, and the separated gas is supplied to the burner 17 as fuel for the reformer 4 through the pipe 106, and the liquid from which the gas has been sufficiently removed.
  • the fuel is supplied to the reformer 16 of the reformer 4 via the pump 105.
  • the conventional liquid delivery system does not include the gas-liquid separation unit 103 or the gas-liquid separation tank 104 as in the liquid delivery system 100 according to the present embodiment, and the liquid fuel that has been cooled and decompressed is directly used as the pump 105. It is set as the structure which flows in into. Even if a desulfurization device 3 desulfurizes liquid fuel at a high temperature (100 ° C. or higher) or high pressure (20 kPa or higher), a gas such as hydrogen or methane is generated at the time of desulfurization. When the liquid fuel is cooled (60 ° C. or lower) and depressurized, the solubility of the gas decreases, so that part of the gas component solubilized in the liquid fuel becomes bubbles.
  • part of the dissolved gas becomes bubbles by being temporarily pressurized and depressurized inside the pump 105. Therefore, in the conventional liquid delivery system, bubbles generated in the liquid fuel cause cavitation, pressure fluctuation, flow fluctuation and the like of the pump 105 disposed downstream of the desulfurization device 3, and the pump 105 cannot be stably controlled. There was a case.
  • liquid fuel is allowed to pass through the gas-liquid separation unit 103 and stored in the gas-liquid separation tank 104 on the upstream side of the pump 105.
  • the dissolved gas and bubbles in the liquid fuel can be sufficiently separated.
  • the pump 105 can be stably controlled, and the liquid fuel can be fed efficiently.
  • the liquid supply system 100 that can efficiently supply liquid fuel is provided, it is possible to stably generate electric power, Efficiency can be improved.
  • the present invention is not limited to the embodiment described above.
  • the desulfurization apparatus 3 desulfurizes the raw fuel at a high temperature and a high pressure, and the liquid feeding system 100 performs gas-liquid separation after cooling and depressurization.
  • the apparatus 3 may be configured to desulfurize the raw fuel only in one of a high temperature state and a high pressure state, and accordingly, the liquid feeding system may perform only one of cooling or decompression.
  • the present invention can be used when liquid fuel is fed.

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Abstract

　脱硫器下流のポンプの安定制御を可能とし、効率よく液体燃料を送液することのできる送液システム及びそれを備える燃料電池システムを提供する。ポンプ１０５の上流側において、気液分離部１０３に液体燃料を通過させることにより、冷却機構１０１で冷却され、減圧機構１０２で減圧されることで溶解度が低下した液体燃料中の気泡を取り除き、液体燃料から気体を分離する。更に、気液分離部１０３を通過した液体燃料を気液分離槽１０４に貯留することによって、液体燃料中に含まれていた気体を液体中で上昇させて気液分離槽１０４の上部側に溜め、液体を底部側に溜める。このように、液体燃料を気液分離することで、気体が十分に除去された液体燃料をポンプ１０５に供給することを可能とする。

Description

送液システム及び燃料電池システム
　本発明は、液体燃料を送液する送液システム、及びその送液システムを備える燃料電池システムに関するものである。
　燃料電池システムに用いられる送液システムとして、例えば、特開２００８－３６５２３号公報に記載されたものが知られている。この送液システムでは、脱硫後の液体燃料を通過させる配管に気体を滞留させる滞留部を設けることによって、液体燃料と気体を溶解させて送給量を安定させている。また、特開２００８－１０６１７２号公報に記載されたものが知られている。この送液システムでは、脱硫された液体燃料をバッファタンクに貯留し、このバッファタンク内の液体燃料の貯留量に応じて駆動ポンプを制御することによって、脱硫器内で液体燃料が滞留することを防止し、安定した脱硫処理を行うことを可能とする。
特開２００８－３６５２３号公報 特開２００８－１０６１７２号公報
　ここで、燃料電池システムにおいては、脱硫器で高温（１００℃以上）や高圧（２０ｋＰａ以上）で液体燃料を脱硫すると、脱硫の際に水素やメタンなどの気体が生成される。これらの気体を脱気するシステムを搭載したとしても、液体燃料を冷却（６０℃以下）、減圧すると気体の溶解度が低下することによって、液体燃料に可溶化された気体成分の一部が気泡となる。また、溶存ガスの一部はポンプ内部で一時的に加圧減圧されることによって気泡となる。従って、上述の送液システムでは、液体燃料の内部に発生した気泡が脱硫器の下流に配置されたポンプのキャビテーション、圧力変動、流量変動等の原因となり、ポンプの安定制御が行えなくなる場合があった。
　そこで、本発明は、脱硫器下流のポンプの安定制御を可能とし、効率よく液体燃料を送液することのできる送液システム及びそれを備える燃料電池システムを提供することを目的とする。
　本発明に係る送液システムは、高温及び／又は高圧で脱硫された液体燃料を冷却及び／又は減圧する冷却／減圧手段と、冷却及び／又は減圧された液体燃料を送液するポンプと、ポンプの上流側に配置され、冷却及び／又は減圧された液体燃料を通過させることによって、当該液体燃料から気体を分離する気液分離手段と、ポンプの上流側に配置され、気液分離手段を通過した液体燃料を貯留して気液分離する気液分離槽と、を備えることを特徴とする。
　この送液システムでは、ポンプの上流側において、気液分離手段に液体燃料を通過させるとともに気液分離槽に貯留することによって、液体燃料中の溶存ガス及び気泡を十分に分離することができる。このように、液体燃料中の溶存ガス及び気泡が十分に分離されることによりポンプの安定制御が可能となり、効率よく液体燃料を送液することができる。
　また、本発明に係る燃料電池システムは、上述の送液システムを備えることが好ましい。
　この燃料電池システムによれば、効率よく液体燃料を送液することのできる送液システムを備えているため、安定して電力を発生させることができ、システム全体の効率を向上させることができる。
　本発明によれば、脱硫器下流のポンプの安定制御を可能とし、効率よく液体燃料を送液することができる。
本発明の実施形態に係る燃料電池システム及び送液システムの構成を示す図である。 気液分離部の具体例を示す図である。
　以下、図面を参照して、本発明に係る燃料電池システム及び送液システムの好適な実施形態について詳細に説明する。
　まず、本発明の実施形態の燃料電池システム及び送液システムの構成を説明する。図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１及び送液システム１００の構成を示す図である。図１に示されるように、燃料電池システム１は、供給された原燃料を燃料電池システムへ供給する加圧ポンプ２と、原燃料から硫黄分を除去する脱硫装置３と、脱硫装置３によって硫黄分が除去された液体燃料を改質して改質ガスを生成する改質装置４と、脱硫装置３から改質装置４へ液体燃料を送液する送液システム１００と、改質装置４によって生成された改質ガスを用いて発電を行う燃料電池スタック５と、を備えている。燃料電池システム１は、例えば、家庭用の電力供給源として利用されるものであり、容易に入手することができ且つ独立して貯蔵することができるという観点から、原燃料として灯油や軽油やナフサが用いられている。
　脱硫装置３は、加圧ポンプ２から供給された原燃料から硫黄分を除去する脱硫器１１と、脱硫器１１を加熱する昇温機構１２とを備えて構成されている。原燃料は、約８０ppm以下の硫黄や硫黄化合物等の硫黄分を含んでいる。脱硫器１３は、原燃料から硫黄分を除去して、硫黄濃度を約５０ｐｐｂ以下とした液体燃料を生成する。脱硫器１３内は高温・高圧状態に保たれ、高温・高圧状態で脱硫反応が進む。高温とは具体的には１００℃以上、高圧とは具体的には２０ｋＰａ以上である。これによって、脱硫後の液体燃料は高温・高圧の状態で送液システム１００へ供給される。
　改質装置４は、液体燃料を水蒸気改質して水素リッチな改質ガスを生成する改質器１６と、改質器１６内に収容された改質触媒を加熱するバーナ１７とから構成されてる。バーナ１７は、水蒸気改質反応を促進する改質触媒を加熱することで、触媒反応を効果的に発揮させるために必要な熱を改質触媒に供給する。バーナ１７の燃料は、主に、原燃料と酸素である。改質器１６では、脱硫装置３によって脱硫された液体燃料が気化して原料ガスとなり、改質触媒によって、原料ガスと水蒸気（水）との水蒸気改質反応が促進されて、水素リッチな改質ガスが生成される。
　燃料電池スタック５は、複数の電池セルが積み重ねられて構成された固体高分子形燃料電池スタックであり、改質装置４で得られた改質ガスを用いて発電を行う。各電池セルは、アノードと、カソードと、このアノードとカソードとの間に配置された電解質である高分子のイオン交換膜と、を有している。各電池セルにおいては、アノードに改質ガスが導入されると共にカソードに空気が導入されて、電気化学的な発電反応が行われる。
　送液システム１００は、高温・高圧で脱硫された液体燃料を冷却する冷却機構（冷却／減圧手段）１０１と、高温・高圧で脱硫された液体燃料を減圧する減圧機構（冷却／減圧手段）１０２と、液体燃料を気液分離する気液分離部（気液分離手段）１０３と、気液分離部１０３を通過した液体燃料を貯留して気液分離する気液分離槽１０４と、気液分離槽１０４に貯留された液体燃料を改質装置４へ送液するポンプ１０５とを備えて構成されている。
　送液システム１００の冷却機構１０１は、熱交換器から構成されており、例えば、高温・高圧の液体燃料を脱硫装置３の上流側の配管付近に設けられた熱交換器を通過させることによって、脱硫装置３に供給される原燃料との間で熱交換を行うことができる。これによって、脱硫後の液体燃料を冷却（６０℃以下）することができると共に、その熱で原燃料を加熱して有効利用することができる。減圧機構１０２としては、具体的には、細いコイル状の管から構成されるキャピラリーが採用される。この減圧機構１０２によって、大気圧まで減圧することができる。
　気液分離部１０３は、冷却機構１０１・減圧機構１０２で冷却・減圧された液体燃料を通過させることによって、液体燃料から水素やメタンなどの気体を分離する機能を有している。気液分離部１０３は、例えば、フィルタ、メッシュあるいはオリフィスから構成されている。気液分離部１０３の具体的構成の一例を図２を参照して説明する。図２（ａ）は気液分離部１０３の具体例を示す図であり、図２（ｂ）は（ａ）においてＢで示す部分の断面斜視図である。図２（ａ）に示すように、気液分離部１０３は、当該気液分離部１０３の前後の配管１１１，１１２よりも径の細い細管部１１３を局所的に形成することによって構成される。更に、図２（ｂ）に示すように、細管部１１３の内部に多孔状の貫通孔１１４を形成することによって構成される。このような気液分離機１０３においては、細管を通すことによって液体の流速を上げると圧力が低下するため、溶存するガスが気体として分離し、気泡として成長させることができる。このような気液分離部１０３として、例えば、外径１０～１５ｍｍ、内部細孔径２～６０μｍ（２μｍが最適である）の焼結金属フィルタメッシュを用いることができる。
　気液分離槽１０４は、気液分離部１０３を通過した液体燃料を貯留することによって、更に気液分離する機能を有している。この気液分離槽１０４に貯留された液体燃料は、気液分離槽１０４の底面側に溜められると共に、液体燃料内に含まれる気体は、当該液体燃料内を上昇して気液分離槽１０４の上面側に溜まる。このように、液体燃料は気液分離槽１０４内で気液分離され、分離された気体は配管１０６を介して改質装置４の燃料としてバーナ１７へ供給され、気体が十分に除去された液体燃料はポンプ１０５を介して改質装置４の改質器１６へ供給される。
　ここで、従来の送液システムでは、本実施形態に係る送液システム１００のように気液分離部１０３や気液分離槽１０４を備えておらず、冷却・減圧された液体燃料がそのままポンプ１０５に流入する構成とされている。脱硫装置３で高温（１００℃以上）や高圧（２０ｋＰａ以上）で液体燃料を脱硫すると、脱硫の際に水素やメタンなどの気体が生成され、これらの気体を脱気するシステムを搭載したとしても、液体燃料を冷却（６０℃以下）、減圧すると気体の溶解度が低下することによって、液体燃料に可溶化された気体成分の一部が気泡となる。また、溶存ガスの一部はポンプ１０５内部で一時的に加圧減圧されることによって気泡となる。従って、従来の送液システムでは、液体燃料の内部に発生した気泡が脱硫装置３の下流に配置されたポンプ１０５のキャビテーション、圧力変動、流量変動等の原因となり、ポンプ１０５の安定制御が行えなくなる場合があった。
　しかしながら、上述のように構成された本実施形態に係る送液システム１００によれば、ポンプ１０５の上流側において、気液分離部１０３に液体燃料を通過させるとともに気液分離槽１０４に貯留することによって、液体燃料中の溶存ガス及び気泡を十分に分離することができる。このように、液体燃料中の溶存ガス及び気泡が十分に分離されることによりポンプ１０５の安定制御が可能となり、効率よく液体燃料を送液することができる。
　また、本実施形態に係る燃料電池システム１によれば、効率よく液体燃料を送液することのできる送液システム１００を備えているため、安定して電力を発生させることができ、システム全体の効率を向上させることができる。
　本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。
　例えば、上述の実施形態においては、脱硫装置３は原燃料を高温及び高圧状態で脱硫し、それに伴い送液システム１００は冷却及び減圧を行ったのち気液分離したが、これに代えて、脱硫装置３は原燃料を高温状態あるいは高圧状態の一方のみの状態で脱硫を行い、それに伴い送液システムは冷却あるいは減圧の一方のみを行う構成としてもよい。
　本発明は、液体燃料を送液する際に利用可能である。
　１…燃料電池システム、１００…送液システム、１０１…冷却機構（冷却／減圧手段）、１０２…減圧手段（冷却／減圧手段）、１０３…気液分離部（気液分離手段）、１０４…気液分離槽、１０５…ポンプ。

Claims (2)

  1. 　高温及び／又は高圧で脱硫された液体燃料を冷却及び／又は減圧する冷却／減圧手段と、
    　冷却及び／又は減圧された前記液体燃料を送液するポンプと、
    　前記ポンプの上流側に配置され、前記冷却及び／又は減圧された前記液体燃料を通過させることによって、当該液体燃料から気体を分離する気液分離手段と、
    　前記ポンプの上流側に配置され、前記気液分離手段を通過した前記液体燃料を貯留して気液分離する気液分離槽と、を備えることを特徴とする送液システム。
  2. 　請求項１に記載の送液システムを備えることを特徴とする燃料電池システム。
PCT/JP2010/052449 2009-03-30 2010-02-18 送液システム及び燃料電池システム Ceased WO2010116800A1 (ja)

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