JP2012031805A - Plunger pump and fuel cell electric power generation system with plunger pump - Google Patents

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To prevent deterioration of performance due to the wear between a plunger and a cylinder.SOLUTION: A plunger pump includes: a cylinder having a cylinder chamber with a cylindrical space and a suction port and a discharge port communicating with the cylinder chamber through a suction passage and a discharge passage, respectively; and a plunger having a columnar shaft part which rotates while advancing and retracting with respect to the cylinder chamber. A cut part is formed on an outer periphery of a distal end of the shaft part for alternately communicating the suction port and the discharge port with the cylinder chamber by the rotation of the plunger. The periphery of the distal end of the shaft part and the periphery of the cut part are formed of curved surfaces, thereby reducing the wear between the plunger and the cylinder.

Description

本発明は、シリンダ内のプランジャを回転させながら往復動させ、吸込口と吐出口を交互にシリンダ室に連通させることにより液体の移送を行うプランジャポンプと、上記プランジャポンプを有している燃料電池発電システムと、に関するものである。   The present invention relates to a plunger pump that reciprocates while rotating a plunger in a cylinder and makes a suction port and a discharge port alternately communicate with a cylinder chamber to transfer a liquid, and a fuel cell having the plunger pump. And a power generation system.

高効率な小規模発電が可能である燃料電池発電システムは、発電の際に発生する熱エネルギーを利用するためのシステムの構築が容易であるため、高いエネルギー利用効率を実現可能な分散型の発電システムとして開発が進められている。   A fuel cell power generation system capable of high-efficiency small-scale power generation makes it easy to build a system that uses thermal energy generated during power generation, so distributed power generation that can achieve high energy use efficiency Development as a system is underway.

燃料電池発電システムは、その発電部の本体として、燃料電池を備えている。この燃料電池の発電のための燃料は、通常、水素（水素ガス）が用いられる。燃料となる水素は、改質器において天然ガス等が改質されて生成される。   The fuel cell power generation system includes a fuel cell as a main body of the power generation unit. Usually, hydrogen (hydrogen gas) is used as a fuel for power generation of the fuel cell. Hydrogen as a fuel is generated by reforming natural gas or the like in a reformer.

上記の改質反応は一般的に水蒸気改質反応である。この水蒸気改質反応において、化石燃料が水蒸気と反応して改質されることにより、化石燃料から燃料ガス（水素）が生成される。したがって、燃料電池発電システムが発電を行い水素が消費されているとき、消費される水素を改質器で生成するために、水蒸気を発生させるための水が改質器に供給される。つまり、燃料電池発電システムが所定の電力を発電するためには、発電量に合わせて改質器への水の供給を精密に制御する必要がある。改質器への精密な水の供給のために、プランジャポンプが用いられていた（例えば特許文献１参照）。   The above reforming reaction is generally a steam reforming reaction. In this steam reforming reaction, the fossil fuel reacts with steam to be reformed, so that fuel gas (hydrogen) is generated from the fossil fuel. Therefore, when the fuel cell power generation system generates power and hydrogen is consumed, water for generating water vapor is supplied to the reformer in order to generate consumed hydrogen in the reformer. That is, in order for the fuel cell power generation system to generate predetermined power, it is necessary to precisely control the water supply to the reformer according to the amount of power generation. A plunger pump has been used for precise water supply to the reformer (see, for example, Patent Document 1).

また、プランジャポンプは、耐久性があり改質水への成分溶出が無いセラミック製のシリンダとプランジャによって構成されている（例えば特許文献２参照）。   Further, the plunger pump is constituted by a ceramic cylinder and a plunger that are durable and do not elute components into the reformed water (see, for example, Patent Document 2).

従来のプランジャポンプは、シリンダの先端部に相対向してシリンダ室につながるバルブレスの吸入口と吐出口が設けられ、先端部外周にカット部が形成されたプランジャ１０１をシリンダ内を回転させながら往復動させて吸入口及び吐出口を交互にシリンダ室に連通させることにより、流体の移送を行う構成になっている。   The conventional plunger pump is provided with a valveless suction port and a discharge port that are opposed to the tip of the cylinder and connect to the cylinder chamber, and a plunger 101 having a cut portion formed on the outer periphery of the tip is reciprocated while rotating in the cylinder. The fluid is transferred by moving the suction port and the discharge port alternately to the cylinder chamber.

特開２００５−２７６５４４号公報JP 2005-276544 A 特開２０１０−４３６１８号公報JP 2010-43618 A

上記構成においてはシリンダとプランジャの間は回転および往復運動を行うための数十ミクロンの隙間があり、プランジャがシリンダに対してこの隙間の範囲で傾くとシリンダとプランジャの間で偏った局部的な磨耗が発生する。   In the above configuration, there is a gap of several tens of microns for rotating and reciprocating between the cylinder and the plunger, and when the plunger is tilted with respect to the cylinder in the range of the gap, a local deviation is caused between the cylinder and the plunger. Wear occurs.

特に、従来のプランジャポンプにおいて、プランジャの先端の周囲とカット部の周囲のエッジとがシリンダ（図示せず）の内面に接触すると接触圧が上昇し、プランジャがシリンダ内面を引っかくようにシリンダ内を回転運動と往復運動とを行うことになる。   In particular, in a conventional plunger pump, when the periphery of the tip of the plunger and the edge of the cut portion contact the inner surface of a cylinder (not shown), the contact pressure rises, and the plunger moves inside the cylinder so as to scratch the cylinder inner surface. A rotational motion and a reciprocating motion are performed.

上記従来技術のプランジャポンプは、これによって、シリンダ内面の平滑度は低下し、
ポンプの吐出性能が悪化するという課題を有していた。 With the above-described conventional plunger pump, the smoothness of the cylinder inner surface is thereby reduced.
It had the subject that the discharge performance of a pump deteriorated.

また、上記従来技術のプランジャポンプは、シリンダとプランジャの摩擦によって生じ磨耗粉が生じ、この磨耗粉がシリンダとプランジャの隙間に咬みこむと、ポンプの動作停止が引き起こる、という課題を有していた。   In addition, the above-described conventional plunger pump has a problem that wear powder is generated due to friction between the cylinder and the plunger, and if the wear powder bites into the gap between the cylinder and the plunger, the pump operation is stopped. It was.

本発明は、上記従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、プランジャとシリンダの磨耗による性能低下を防ぐことを目的とする。   The present invention has been made in view of the above-described problems of the prior art, and an object thereof is to prevent performance degradation due to wear of the plunger and the cylinder.

この発明に係るプランジャポンプは、シリンダ先端部に相対向してシリンダ室につながるバルブレスの吸込口と吐出口が設けシリンダ室に対して進退しながら回転動作する円柱状の軸部を有するプランジャとを有し、軸部は、先端部外周に、前記プランジャの回転動作により前記吸入口及び前記吐出口を交互に前記シリンダ室に連通させるためのカット部を有し、前記軸部の先端の周囲と前記カット部の周囲とは、曲面で形成されている。   A plunger pump according to the present invention includes a valveless suction port connected to a cylinder chamber opposite to a cylinder tip and a plunger having a cylindrical shaft portion that rotates and moves forward and backward with respect to the cylinder chamber. And the shaft portion has a cut portion for allowing the suction port and the discharge port to communicate with the cylinder chamber alternately by rotation of the plunger on the outer periphery of the tip portion, The periphery of the cut portion is a curved surface.

これにより、エッジでシリンダ内面を引っかくことが抑制され、シリンダとプランジャとの磨耗を低減させ、円滑な往復運動と回転運動が実現でき、ポンプ寿命を長くすることができる。   As a result, it is possible to suppress the inner surface of the cylinder from being scratched by the edge, reduce wear between the cylinder and the plunger, realize a smooth reciprocating motion and a rotational motion, and extend the pump life.

本発明のプランジャポンプは、シリンダとプランジャとの磨耗を低減させ、吐出量の低下を抑制することができ、長寿命で信頼性が高いプランジャポンプを得ることができる。   The plunger pump of the present invention can reduce wear of the cylinder and the plunger, suppress a decrease in the discharge amount, and can obtain a long-life and highly reliable plunger pump.

本発明の実施の形態１におけるプランジャポンプ断面図Sectional view of plunger pump in Embodiment 1 of the present invention （ａ）本発明の実施の形態１におけるプランジャポンプのプランジャ斜視図、（ｂ）（ａ）のプランジャポンプのＸ軸の直角方向の断面図(A) Plunger perspective view of the plunger pump in Embodiment 1 of the present invention, (b) Cross-sectional view in the direction perpendicular to the X axis of the plunger pump of (a) 本発明の実施の形態１における燃料電池システムの構成を示すブロック図1 is a block diagram showing a configuration of a fuel cell system according to Embodiment 1 of the present invention. 従来例のプランジャポンプのプランジャ斜視図Plunger perspective view of a conventional plunger pump

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to the present embodiment.

（実施の形態１）
先ず、本発明の実施の形態に係るプランジャポンプの構成について、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は本発明の第１の実施形態におけるプランジャポンプ断面図を示すものである。図２（ａ）本発明の実施の形態１におけるプランジャポンプのプランジャ斜視図、図２（ｂ）は図２（ａ）のプランジャポンプのＸ軸の直角方向の断面図である。図３は本発明の第２の実施形態における燃料電池システムの構成を示すブロック図である。 (Embodiment 1)
First, the configuration of the plunger pump according to the embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 shows a cross-sectional view of a plunger pump in the first embodiment of the present invention. FIG. 2 (a) is a plunger perspective view of the plunger pump in the first embodiment of the present invention, and FIG. 2 (b) is a cross-sectional view in the direction perpendicular to the X axis of the plunger pump of FIG. 2 (a). FIG. 3 is a block diagram showing the configuration of the fuel cell system according to the second embodiment of the present invention.

図１〜図３において、燃料電池システム１１は、天然ガス等の化石燃料の原料ガス１７と不純物が除去された改質水１８から水素リッチな燃料ガス１２を生成する改質器１５と、燃料ガス１２と酸化剤ガス１３を用いて発電を行う燃料電池１４と、改質水１８を貯水する水タンク１６と、この水タンク１６に蓄えられた改質水１８を改質器１５へ送出するプランジャポンプ１０と、を有している。   1 to 3, a fuel cell system 11 includes a reformer 15 that generates a hydrogen-rich fuel gas 12 from a raw gas 17 of fossil fuel such as natural gas and reformed water 18 from which impurities have been removed, and a fuel. A fuel cell 14 that generates power using the gas 12 and the oxidant gas 13, a water tank 16 that stores the reformed water 18, and the reformed water 18 stored in the water tank 16 is sent to the reformer 15. A plunger pump 10.

プランジャポンプ１０は、シリンダ４とプランジャ６とを有している。シリンダ４は、
円筒状の空間を有するセラミック製のシリンダ室１と、シリンダ室に吸入経路２１及び吐出経路２２を介しそれぞれ連通している吸入口２及び吐出口３と、を有している。プランジャ６は、シリンダ室に対して進退しながら回転する円柱状でセラミック製の軸部５を有している。また、プランジャ６の回転により吸入口２及び吐出口３を交互にシリンダ室１に連通させるためのカット部８が、軸部５の先端部外周に形成されている。カット部８は、軸部５の先端を軸部５の中心軸と平行にカットするとともに、軸部５の中心軸と垂直にカットされて、形成される。軸部５の先端の周囲７とカット部８の周囲９とは、全ての角部が曲面で形成されている。よって、プランジャ６の先端部から、エッジを有する角部は存在しなくなる。 The plunger pump 10 has a cylinder 4 and a plunger 6. Cylinder 4 is
It has a ceramic cylinder chamber 1 having a cylindrical space, and a suction port 2 and a discharge port 3 communicating with the cylinder chamber via a suction path 21 and a discharge path 22, respectively. The plunger 6 has a cylindrical ceramic shaft portion 5 that rotates while moving forward and backward with respect to the cylinder chamber. Further, a cut portion 8 for alternately connecting the suction port 2 and the discharge port 3 to the cylinder chamber 1 by the rotation of the plunger 6 is formed on the outer periphery of the distal end portion of the shaft portion 5. The cut portion 8 is formed by cutting the tip end of the shaft portion 5 in parallel with the central axis of the shaft portion 5 and cutting perpendicularly to the central axis of the shaft portion 5. All corners of the periphery 7 of the tip of the shaft part 5 and the periphery 9 of the cut part 8 are formed as curved surfaces. Therefore, there is no corner having an edge from the tip of the plunger 6.

以上のように構成されたプランジャポンプ１０とそれを搭載した燃料電池システム１１について、以下その動作と作用を説明する。   About the plunger pump 10 comprised as mentioned above and the fuel cell system 11 which mounts it, the operation | movement and an effect | action are demonstrated below.

おおよそ燃料電池システム１１の発電量は３００Ｗから１０００Ｗの間で運転され、家庭などの需要家の電力の需要に応じて制御され、燃料電池システム１１は約１０年間ほど運転される。さらに燃料電池システム１１の発電量に応じて燃料ガス１２の供給量が制御され、その燃料ガス１２の供給量に応じて改質器１５へ供給される改質水１８の量は１０ｍＬ／分程度の少量が安定して供給されなければならない。   In general, the power generation amount of the fuel cell system 11 is operated between 300 W and 1000 W, and is controlled according to the power demand of consumers such as households. The fuel cell system 11 is operated for about 10 years. Further, the supply amount of the fuel gas 12 is controlled in accordance with the power generation amount of the fuel cell system 11, and the amount of the reforming water 18 supplied to the reformer 15 in accordance with the supply amount of the fuel gas 12 is about 10 mL / min. A small amount of must be supplied stably.

また燃料ガス１２は純度の高い水素ガスが必要とされるため、燃料ガス１２の水素純度を低下させる成分がプランジャポンプ１０を含む改質水１８の経路から溶出することを、避けなければならない。このためシリンダ４とプランジャ６の摺動面に潤滑油等を使用することはできず、セラミック製の内面を持つシリンダ４とプランジャ６とは、表面がきわめて平滑に仕上げられており、シリンダ４とプランジャ６との間の空間は数ミクロンになるように形成されている。プランジャポンプ１０はシリンダ４の先端部の相対向してシリンダ室１につながる吸入口２および吐出口３に対し、プランジャ６が回転しながら進退運動をする。プランジャ６の軸部５の先端部にあるカット部８が吸入口２と吐出口３とをシリンダ室１と交互に連通することになり改質水１８の吸い込み、吐き出しが交互に行われる。   Further, since the fuel gas 12 requires high-purity hydrogen gas, it must be avoided that a component that lowers the hydrogen purity of the fuel gas 12 elutes from the path of the reforming water 18 including the plunger pump 10. For this reason, lubricating oil or the like cannot be used for the sliding surfaces of the cylinder 4 and the plunger 6, and the cylinder 4 and the plunger 6 having a ceramic inner surface have a very smooth surface. The space between the plunger 6 is formed to be several microns. The plunger pump 10 advances and retreats while the plunger 6 rotates with respect to the suction port 2 and the discharge port 3 facing the cylinder chamber 1 opposite to each other at the tip of the cylinder 4. The cut portion 8 at the tip of the shaft portion 5 of the plunger 6 causes the suction port 2 and the discharge port 3 to communicate with the cylinder chamber 1 alternately, so that the reforming water 18 is alternately sucked and discharged.

本実施の形態のプランジャ６の軸部５の先端の周囲７とカット部の周囲９とは、鋭利なエッジではなく曲面で形成されているので、シリンダ４の中心軸とプランジャ６の回転軸の不一致によって生じる相互の接触圧力は分散され、接触圧を低減することができる。   Since the periphery 7 of the tip end of the shaft portion 5 and the periphery 9 of the cut portion of the plunger 6 of the present embodiment are formed with curved surfaces rather than sharp edges, the center axis of the cylinder 4 and the rotation axis of the plunger 6 are The mutual contact pressure caused by the mismatch is distributed and the contact pressure can be reduced.

このような構成において、安定して原料ガス１７と改質水１８が改質器１５に導かれ、水素リッチな燃料ガス１２が生成され、この燃料ガス１２と酸化剤ガス１３により燃料電池１４で発電が安定的に行われる。   In such a configuration, the raw material gas 17 and the reformed water 18 are stably guided to the reformer 15, and the hydrogen-rich fuel gas 12 is generated. The fuel gas 12 and the oxidant gas 13 are used in the fuel cell 14. Power generation is performed stably.

この実施の形態のプランジャポンプ１０によると、プランジャ６の軸部５でシリンダ内面を傷つけて磨耗することが抑制され、円滑な往復運動と回転運動が実現することができ、ポンプ寿命が長くすることができる。したがって、上記プランジャポンプを搭載した燃料電池システムは水素ガスの精製を安定的に維持し、長期間にわたって運転を継続することが出来る。   According to the plunger pump 10 of this embodiment, it is possible to prevent the inner surface of the cylinder from being damaged and worn by the shaft portion 5 of the plunger 6, and to realize smooth reciprocating motion and rotational motion, thereby extending the pump life. Can do. Therefore, the fuel cell system equipped with the plunger pump can stably maintain the purification of hydrogen gas and can continue to operate for a long period of time.

本発明のプランジャポンプによれば、プランジャとシリンダの磨耗を低減し長寿命で信頼性を高くすることができる。そのため本発明のプランジャポンプは、燃料電池システムなどに好適に適用することができる。   According to the plunger pump of the present invention, the wear of the plunger and the cylinder can be reduced, and the lifetime can be increased and the reliability can be increased. Therefore, the plunger pump of the present invention can be suitably applied to a fuel cell system or the like.

１ シリンダ室
２ 吸入口
３ 吐出口
４ シリンダ
５ 軸部
６ プランジャ
７ 軸部の先端の周囲
８ カット部
９ カット部の周囲
１０ プランジャポンプ
１１ 燃料電池システム
１２ 燃料ガス
１３ 酸化剤ガス
１４ 燃料電池
１５ 改質器
１６ 水タンク
２１ 吸入経路
２２ 吐出経路 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Cylinder chamber 2 Suction port 3 Discharge port 4 Cylinder 5 Shaft part 6 Plunger 7 Around the tip of the shaft part 8 Cut part 9 Around the cut part 10 Plunger pump 11 Fuel cell system 12 Fuel gas 13 Oxidant gas 14 Fuel cell 15 Modification Quality device 16 Water tank 21 Suction route 22 Discharge route

Claims (2)

円筒状の空間を有するシリンダ室と、前記シリンダ室に吸入経路及び吐出経路を介しそれぞれ連通している吸入口及び吐出口と、を有するシリンダと、
前記シリンダ室に対して進退しながら回転する円柱状の軸部を有するプランジャと、
を有し、
前記プランジャの回転により前記吸入口及び前記吐出口を交互に前記シリンダ室に連通させるためのカット部が、前記軸部の先端部外周に形成されており、
前記軸部の先端の周囲と前記カット部の周囲とは、曲面で形成されている、
プランジャポンプ。 A cylinder chamber having a cylindrical space, and a cylinder having a suction port and a discharge port respectively communicating with the cylinder chamber via a suction path and a discharge path;
A plunger having a cylindrical shaft portion that rotates while moving forward and backward with respect to the cylinder chamber;
Have
A cut portion for alternately connecting the suction port and the discharge port to the cylinder chamber by rotation of the plunger is formed on the outer periphery of the tip portion of the shaft portion,
The periphery of the tip of the shaft portion and the periphery of the cut portion are formed with curved surfaces.
Plunger pump. 請求項１に記載のプランジャポンプと、
燃料ガスと酸化剤ガスとを電気化学反応させて発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池に燃料ガスを供給する改質器と、
前記改質器に供給する水を貯める水タンクと、
を有し、前記プランジャポンプは、前記水タンクの水を前記改質器に供給する、
燃料電池システム。 A plunger pump according to claim 1;
A fuel cell that generates electricity by electrochemically reacting a fuel gas and an oxidant gas; and
A reformer for supplying fuel gas to the fuel cell;
A water tank for storing water to be supplied to the reformer;
The plunger pump supplies water from the water tank to the reformer.
Fuel cell system.