JP3706737B2

JP3706737B2 - 炭化水素ガスの貯蔵装置

Info

Publication number: JP3706737B2
Application number: JP07552098A
Authority: JP
Inventors: 恭一丹下; 民夫篠澤; 徳彦中村; 智治奥井; 清人猪俣
Original assignee: Tokyo Gas Co Ltd; Toyota Motor Corp
Current assignee: Tokyo Gas Co Ltd; Toyota Motor Corp
Priority date: 1998-03-24
Filing date: 1998-03-24
Publication date: 2005-10-19
Anticipated expiration: 2018-03-24
Also published as: JPH11270794A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関あるいは燃料電池のエネルギ源等に使用される炭化水素ガスを貯蔵するための炭化水素ガスの貯蔵装置の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
炭化水素ガスには、従来より高圧貯蔵、冷却液化等の様々な貯蔵法があるが、特に車両等の動力源である内燃機関用においては、高圧タンクによる貯蔵が一般的である。しかし、高圧貯蔵においては法規制上圧力制限があり、十分な貯蔵量を確保することができない。
【０００３】
このため、活性炭にホストとなる化合物とともに吸着させる貯蔵方法が近年提案されている。このような貯蔵方法の例が、特開平９−２１０２９５号公報に開示されている。本従来技術においては、比表面積の大きい多孔質材料を吸着材として使用するとともに、水等のホストとなる化合物を共存させてメタン等の炭化水素ガスの包接化合物を形成し、この包接化合物を吸着材に吸着貯蔵するものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来技術においては、吸着材へ炭化水素ガスを吸着させる際のホストとなる水が吸着材の表面で凝縮する場合がある。このような水の凝縮が吸着材表面に発生すると、炭化水素ガスの吸着材への接触が阻害され、炭化水素ガスの吸着が困難になるという問題があった。
【０００５】
本発明は、上記従来の課題に鑑みなされたものであり、その目的は、吸着材表面における水の凝縮を抑制でき、炭化水素ガスの吸着を安定して行える炭化水素ガスの貯蔵装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、貯蔵タンク内に収容された吸着材に予め水を吸着させてから炭化水素ガスを吸着させる炭化水素ガスの貯蔵装置であって、前記貯蔵タンクと前記貯蔵タンク中から流出したガス中の水を分離するための分離器とが設けられたガス循環路を有することを特徴とする。
【０００７】
また、上記炭化水素ガスの貯蔵装置において、前記ガス循環路では、前記貯蔵タンクから流出したガスは、前記分離器にて水分が分離され、そののち前記貯蔵タンクの入口側に戻されることを特徴とする。
【０００９】
また、上記炭化水素ガスの貯蔵装置において、貯蔵タンク内の湿度を検出し、所定値以上の湿度の検出時に還流を実施することを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態（以下実施形態という）を、図面に従って説明する。
【００１１】
実施形態１．
図１には、本発明に係る炭化水素ガスの貯蔵装置の実施形態１の構成図が示される。図１において、貯蔵タンク１０には、炭化水素ガスを吸着貯蔵するための吸着材１２が収容されている。この吸着材１２としては、例えば活性炭等が好適である。本実施形態においては、吸着材１２に予め水を吸着させてから炭化水素ガスを吸着させる。
【００１２】
図１に示されるように、貯蔵タンク１０の入口側には、水供給槽１４が設けられており、この水供給槽１４から水蒸気状の水を貯蔵タンク１０に供給する。これにより、吸着材１２に水を吸着させる。また、貯蔵タンク１０は、ガス循環路中に配置されている。この循環路には、貯蔵タンク１０中のガスを入口側に還流させるためのポンプ１６及びガス中の水を分離するための分離器１８が設けられている。このような構成により、貯蔵タンク１０の中をガスが循環している状態で水蒸気または炭化水素ガスの吸着を行うことができる。これにより、水蒸気または炭化水素ガスは貯蔵タンク１０への充填中に常に吸着材１２に対して流れている状態となる。
【００１３】
一般に、吸着材１２に水蒸気または炭化水素ガスを吸着させると吸着熱が発生するが、このために吸着材１２に吸着されている水が部分的に蒸発する。この吸着材１２から蒸発した水蒸気あるいは水供給槽１４から供給された水蒸気は、他の吸着材１２等の温度の低い部分に移動し、ここで凝縮する。吸着材１２の表面に一旦凝縮が生じ、水滴がつくと、これが核となってここに水蒸気がさらに凝縮していき、吸着材１２の表面での凝縮が拡大していく。この現象は、吸着材１２の表面にガスの流れがないときに特に顕著となる。これに対して、本実施形態のように貯蔵タンク１０をガス循環路中に配置し、常にガスを貯蔵タンク１０中に通過させながら吸着、充填を行えば、吸着材１２の表面では常にガスが移動している状態となる。このため、吸着材１２表面での水の凝縮を抑制することができる。
【００１４】
貯蔵タンク１０に炭化水素ガスを貯蔵する手順は以下の通りとなる。まずバルブａ，ｃを開とし、その他のバルブを閉として図示しない真空ポンプにより貯蔵タンク１０内を減圧する。次にバルブａ，ｂ，ｄ，ｅ，ｆを開とし、バルブｃ，ｇを閉として、水供給槽１４から水蒸気状の水を貯蔵タンク１０に供給する。この場合、ポンプ１６を駆動し、貯蔵タンク１０に供給された水蒸気を循環させるのも好適である。この場合には、分離器１８の温度を、貯蔵タンク１０に供給される水蒸気の温度と同温に設定しておく。これは、分離器１８中の水温が水供給槽１４から供給される水蒸気の温度よりも高くなると、吸着材１２の温度は水供給槽１４から供給される水蒸気の温度とほぼ等しくなっているため、吸着材１２の表面で水の凝縮が発生するおそれがあるためである。なお、水蒸気の供給時には必ずしもガスの循環をかける必要はなく、ポンプ１６を起動するか否かは、ポンプ１６の動力損等を考慮して決定する。
【００１５】
次に、バルブｃ，ｆを閉とし、バルブａ，ｂ，ｄ，ｅ，ｇを開とし、メタン等の炭化水素ガスを貯蔵タンク１０に供給する。この場合には、ポンプ１６を起動し、貯蔵タンク１０に供給された炭化水素ガスを循環させる。貯蔵タンク１０に炭化水素ガスを導入すると、吸着材１２で吸着熱が発生するので、吸着材１２の温度が上昇し、吸着していた水の一部が蒸発する。この水蒸気は、ポンプ１６によって貯蔵タンク１０から引き出された炭化水素ガスに同伴しているので、分離器１８の水中を通過させることによりその一部を凝縮させる。このように、同伴している水蒸気の一部が凝縮され除去された炭化水素ガスは再び貯蔵タンク１０の入口側に還流され貯蔵タンク１０へ戻される。このように、本実施形態では、炭化水素ガスに同伴されてきた水蒸気は分離器１８で凝縮されるので、この点でも吸着材１２の表面での水の凝縮を抑制することができる。
【００１６】
なお、図１に示された例では、貯蔵タンク１０から流出したガスは、ポンプ１６により再び貯蔵タンク１０の入口側に還流させる構成となっているが、貯蔵タンク１０の中を炭化水素ガスが移動できる構成であればこれに限定されるものではない。
【００１７】
図２には、本発明に係る炭化水素ガスの貯蔵装置の実施形態１の変形参考例が示される。図２において、貯蔵タンク１０から取り出されたガスは、熱交換器２０で冷却され、再び貯蔵タンク１０の入口側に還流される。この熱交換器２０は、冷却水槽２２との間でポンプ２４により冷却水が循環される。これにより、貯蔵タンク１０中の吸着材１２への炭化水素ガスの吸着により発生する吸着熱を除去することができる。このため、貯蔵タンク１０中の温度上昇を小さくすることができ、貯蔵タンク１０内での温度を均一化することができる。吸着材１２への炭化水素ガスの吸着量は温度に依存するため、貯蔵タンク１０内の温度を均一化することにより吸着量のばらつきを小さくすることができる。また、吸着材１２への水の吸着量は、炭化水素ガスの吸着量に大きく影響を与えるが、この水の吸着量も均一化することができるので、炭化水素ガスの吸着を効率的に行うことができ、結果的に炭化水素ガスの吸着量を向上させることができる。更に、貯蔵タンク１０内の温度が均一化されるので、局部的な温度上昇が抑制され、高温部分で蒸発した水が低温部分に移動して凝縮するという現象を抑制でき、吸着材１２の表面での水の凝縮を大幅に抑制することもできる。
【００１８】
また、図２に示されるように、熱交換器２０は貯蔵タンク１０の外部に設けられているので、貯蔵タンク１０内の有効容積を減らすことなく冷却を行うことができる。
【００１９】
この熱交換器２０の冷却効果を調査するために、吸着材１２として粒状椰子殻活性炭１ｋｇを使用し、これに水蒸気及び炭化水素ガスを吸着した場合に、熱交換器２０の有無により温度差がどうなるかを調べた。その結果、水蒸気導入時においては、熱交換器２０がない場合に活性炭温度が３５℃上昇したのに対し、熱交換器２０を使用した場合には温度上昇は１０℃に留まった。この場合の冷却水温度は２５℃であった。また、炭化水素ガスとしてメタンを使用し、これを吸着させた場合には、熱交換器２０がないときに２７℃の温度上昇となったのに対し、熱交換器２０を使用した場合には８℃の上昇に留まった。
【００２０】
以上のとおり、本実施形態に係る熱交換器２０は吸着材１２の温度上昇を抑制する効果が大きいことがわかった。
【００２１】
図１及び図２に示された例においては、水蒸気あるいは炭化水素ガスの充填初期において還流用のポンプ１６の出力を上昇させ、貯蔵タンク１０を通過するガスの流速を上げることも好適である。これは、図３に示されるように、一般に吸着材１２への吸着により発生する吸着熱は、吸着の初期段階で最も大きくなる。この充填初期段階で、ポンプ１６の出力を通常の２〜１０倍程度に上昇させ、流速を上げれば、吸着材１２に吸着している水あるいは炭化水素ガスの脱離量も多くすることができる。このため、脱離により奪われる潜熱も多くなるが、吸着材１２への吸着速度は温度が低いほど高くなるので、ガスの吸着速度を上げることができるからである。
【００２２】
例えば、吸着材１２に水蒸気を吸着させる場合、始めの１０分間で通常は最高１０℃程度温度上昇するのに対し、ポンプ出力を５倍とした場合には温度上昇を最高７℃に抑制することができる。
【００２３】
また、貯蔵タンク１０内に湿度センサを設けておき、検出される湿度が所定値以上となったときのみ還流用のポンプ１６が起動するように構成しておくことも好適である。これにより、ポンプ１６の動力を節減できるとともに、タンク１０内の湿度が高くなり、吸着材１２の表面で水が凝縮しやすくなった場合のみポンプ１６を起動してこの凝縮を防止することができる。
【００２４】
実施形態２．
図２に示された例において、貯蔵タンク１０の温度が上昇するのは、貯蔵タンク１０に水蒸気及び炭化水素ガスを吸着貯蔵する際と貯蔵タンク１０が直射日光にさらされた場合である。しかし、図２に示された本発明に係る炭化水素ガスの貯蔵装置を自動車に適用する場合には、フォークリフト等の特殊用途を除いて通常貯蔵タンク１０が直接太陽光に照射される可能性は非常に小さい。したがって、水蒸気あるいは炭化水素ガスのガス充填時以外に貯蔵タンク１０の温度が上昇する可能性も非常に小さい。
【００２５】
以上の通りであるので、図２に示されたポンプ１６、熱交換器２０、冷却水槽２２、ポンプ２４等は、ガス充填時のみ使用されることになる。このため、車両側には、貯蔵タンク１０とこれにガスを供給するためのガス供給口及びガスを排出するためのガス排出口のみ設けておけばよい。この場合、バルブａが本発明に係るガス供給口に相当し、バルブｂがガス排出口に相当する。
【００２６】
また、上述したポンプ１６、熱交換器２０、冷却水槽２２、ポンプ２４等は、ガス供給口であるバルブａ及びガス排出口であるバルブｂに接続され、本発明に係るガス還流手段を構成する。また、ガス供給口であるバルブａに接続される水供給槽１４、バルブｃ，ｅ，ｆ，ｇは本発明に係るガス供給手段を構成する。これらのガス供給手段とガス還流手段とは車両の外に設置することができる。なお、前述したガス供給手段とガス還流手段とにより本発明に係るガス供給設備が構成される。
【００２７】
以上のようなガス供給設備は、例えば燃料スタンド側に設置すればよい。このような構成により、車両側には、コンパクトでシンプルな設備のみ搭載すればよくなる。また、還流用のポンプ１６を駆動するための動力エネルギを車両のバッテリから供給する必要がなくなるので、バッテリの早期劣化を防止することもできる。
【００２８】
実施形態３．
図４には、本発明に係る炭化水素ガスの貯蔵装置の実施形態３の構成図が示される。図４において、貯蔵タンク１０に水蒸気及び炭化水素ガスを導入する際には、導入されるガスの一部を回収タンク２６に流しながら行う。炭化水素ガスを貯蔵タンク１０に導入する場合には、レギュレータ２８により貯蔵タンク１０内の圧力を管理しながら上記ガス導入を行う。
【００２９】
このような構成により、図１、図２に示された実施形態と同様に、貯蔵タンク１０に収容された吸着材１２への水蒸気あるいは炭化水素ガスの吸着を、吸着材１２に対してガスを流しながら行うことができる。このため、前述したように、吸着材１２の表面での水の凝縮を抑制することができる。また、炭化水素ガスの導入時には貯蔵タンク１０の圧力をレギュレータ２８で管理しているので、貯蔵タンク１０の圧力を高くする必要がある場合にも本実施形態に係る充填方法を適用することが可能である。
実施形態４．
【００３０】
図５には、本発明に係る炭化水素ガスの貯蔵装置の実施形態４に使用される貯蔵タンク１０の例が示される。図５において、貯蔵タンク１０は回転しない外部ケース３０と、外部ケース３０に回転可能に収容された回転ドラム３２とで構成されている。この外部ケース３０及び回転ドラム３２は円筒形状となっているが、回転ドラム３２が回転できる構成であれば形状はこれに限られるものではない。
【００３１】
回転ドラム３２の軸方向の両端には、多孔質板３４が設置され、内部に吸着材１２が収容されている。この吸着材１２の収容量は、回転ドラム３２を１００％充填する量ではなく、およそ８０〜９０％程度の充填量となっている。したがって、回転ドラム３２が回転した場合、中に収容された吸着材１２が流動可能な状態となっている。なお、外部ケース３０は、炭化水素ガスの高圧充填を可能とするため、耐圧容器とするのが好適である。
【００３２】
回転ドラム３２は、軸３６を介しモータ３８に接続されており、モータ３８によって図５に示された矢印Ａ方向に回転される。軸３６が外部ケース３０の壁を通過する部分には耐圧用のシール４０が施され、ガス漏れを防止している。また、外部ケース３０には、ガス導入口４２が設けられており、このガス導入口４２から水蒸気及び炭化水素ガスが導入される。
【００３３】
このような構成により、水蒸気及び炭化水素ガスをガス導入口４２から導入する際に、モータ３８により回転ドラム３２を回転させると、前述したように吸着材１２の充填量が１００％となっていないので、吸着材１２が流動しながらガスの吸着が行われる。このため、吸着材１２に対してガスを流しながら吸着させる場合と同じ効果を得ることができる。したがって、水蒸気及び炭化水素ガスを吸着材１２に吸着させる際に、吸着材１２の温度分布等に起因して発生する吸着材１２の表面の水の凝縮を抑制することができる。
【００３４】
図６には、図５に示された回転ドラム３２の参考例の断面図が示される。図６において、回転ドラム３２の内部には、吸着材１２を攪拌するための羽根４４が設けられている。この羽根４４により、回転ドラム３２の回転に伴い内部に収容された吸着材１２の攪拌効果を高めることができる。
【００３５】
図７には、図５に示された外部ケース３０の変形参考例の断面図が示される。図７において、外部ケース３０には回転ドラム３２が収容されていない。この代わりに、モータ３８によって回転される軸３６に回転体４６が取り付けられている。回転体４６は、軸３６の回転とともに外部ケース３０内で回転し、中に収容されている吸着材１２を攪拌する。なお、この回転体４６には、図７に示されるように、熱交換用のフィン４８を取り付けるのも好適である。
【００３６】
図６及び図７に示されるように、貯蔵タンク１０内に収容された吸着材１２は、回転ドラム３２の羽根４４あるいは回転体４６で攪拌されるので、水蒸気及び炭化水素ガスの充填時に、ガスと吸着材１２とが相対的に移動する状態となるので、図１に示されたようにガスを吸着材１２に対して流しながら吸着を行う場合と同じ効果を得ることができる。なお、回転ドラム３２及び回転体４６が本発明の参考例に係る攪拌手段を構成する。
【００３７】
参考実施形態１．
図８には、本発明に係る炭化水素ガスの貯蔵装置の参考実施形態１に使用される貯蔵タンク１０の例が示される。図８において、貯蔵タンク１０には複数の通気性容器５０が設けられている。図８に示された例では、通気性容器５０は、重力方向（図の上下方向）に二段に配置されている。この通気性容器５０は、重力方向の上下の壁が通気性を有する材料で構成されており、この方向にガスを流せるようになっている。
【００３８】
また、通気性容器５０の上下には、図８に示されるように、ガスを通すためのマニホールド５２が形成されている。通気性容器５０の下側に形成されたマニホールド５２にはガス入口管５４が接続されており、通気性容器５０の上側に形成されたマニホールド５２にはガス出口管５６が接続されている。
【００３９】
本参考実施形態において、ガス入口管５４から水蒸気あるいは炭化水素ガスを供給すると、通気性容器５０中を図の矢印方向にガスが流れ、ガス出口管５６から排出される。本参考実施形態では、通気性容器５０の内部にその重力方向上部に空間を残した状態で吸着材１２が収容されている。したがって、ガスを吸着材１２に吸着させる際に、通気性容器５０中に収容された吸着材１２をガスの流れによって流動させることができる。すなわち、各通気性容器５０が流動床と同様に機能することになる。これにより、吸着材１２へのガスの吸着中に、ガスと吸着材１２とが相対的に移動することになるので、図１に示されたガスを流しながら吸着する場合と同様の効果を得ることができる。
【００４０】
なお、通気性容器５０のガス通過長さ及び断面積は、吸着させるガスの流速によって吸着材１２を十分流動できるような寸法とする必要がある。このため、使用する吸着材１２の重量、形状等によりガス通過長さ及び断面積を決定する。例えば、吸着材１２として関西熱化学社製の粉末状の活性炭マックスソーブを使用した場合には、通気性容器５０の断面積を３ｃｍ²とし、ガス通過長さを１０ｃｍとし、また通気性容器５０の上部空間高さが０．５〜１ｃｍとなるように上記活性炭を充填すれば好適な流動性を得ることができた。また、活性炭としてキャタラ製粒状椰子殻活性炭を使用した場合には、通気性容器５０の断面積を３ｃｍ²とし、ガス通過長さを１ｃｍ以内とし、上部空間高さを０．２〜０．５ｃｍとすると良好な流動性を得ることができた。
【００４１】
参考実施形態２．
以上に説明した各実施形態及び参考実施形態では、吸着材１２中を吸着ガスを流したり攪拌手段を用いて吸着材１２を攪拌する等の方法により吸着材１２と吸着させるガスとを相対的に移動させるように構成されている。このように、吸着材１２と吸着されるガスとを相対的に移動させる手段として、貯蔵タンク１０に振動を与える方法も考えられる。このような振動付与手段としては、例えば超音波振動発生装置が考えられる。発生される超音波振動の強度しては、貯蔵タンク１０に収容された吸着材１２にほぼ均等な振動を与えることができる程度のものが望ましい。実験の結果、貯蔵タンク１０に超音波振動を与えた場合、水蒸気及び炭化水素ガスを吸着材１２に吸着させる際に、吸着材１２の表面に発生する水の凝縮を防止する効果が十分確保されることがわかった。
【００４２】
参考実施形態３．
図９には、本発明に係る炭化水素ガスの貯蔵装置の参考実施形態３に使用される貯蔵タンク１０の例が示される。図９において、貯蔵タンク１０には、吸着材１２を収容するためのハニカム構造体５８が収容されている。このハニカム構造体５８は、図１０に示されるように、断面が六角形状の空洞部分をハチの巣状に積層した構造となっている。吸着材１２は、上記断面が六角形状の空洞部分に収容される。このハニカム構造体５８の前後には、多孔質膜６０が配置されており、ガスの吸着、脱離時に、吸着材１２が外部に飛散することを防止している。
【００４３】
一般に、活性炭等の吸着材１２は熱伝導率が低いが、本参考実施形態のように、ハニカム構造体５８の中に分散し、ハニカム構造体５８を銅やアルミニウム等の熱伝導率の高い金属で構成しておけば、吸着材１２の加熱及び冷却を効率よく行うことができる。すなわち、吸着材１２としては、活性炭、ＦＳＭ等の粒状、粉末状、繊維状のものがあるが、上述のとおりハニカム構造体５８としては、これらよりも高熱伝導率の銅あるいはアルミニウム等の金属によって構成される。
【００４４】
ハニカム構造体５８は、上記図１０に示されるように、断面が六角形状の空洞部分をハチの巣状に積層した構造となっているが、この六角形状のｄ値すなわち中心からの距離が最も長い部分の長さとしては、５ｍｍ以内とするのが好適である。特に、１〜３ｍｍ程度とするのが望ましい。このｄ値が５ｍｍより大きくなった場合、中に収容されている吸着材１２について六角形の中心部と壁部との間で大きな温度差が生じてしまう。吸着材１２に温度差が生じることにより、高温部分で吸着材１２に吸着された水が蒸発し低温部分に移動して吸着材１２の表面に凝縮が生じるおそれがある。
【００４５】
また、ハニカム構造体５８の長手方向の長さｌとしては、上述のｄ値に対し２０倍以内とすることが望ましい。この長手方向の長さｌが長くなると、特に貯蔵タンク１０内の圧力が０．３×１０⁵Ｐａ〜０．５×１０⁵Ｐａ程度まで上昇した場合、水蒸気あるいは炭化水素ガスがハニカム構造体５８の奥まで拡散せず、十分に吸着を行わせることができないという問題が生じる。
【００４６】
上述のとおり、吸着材１２は、ハニカム構造体５８中に収容されており、水蒸気又は炭化水素ガスがガス入口管５４から多孔質膜６０を介してハニカム構造体５８に供給されると、ここで吸着材１２へのガスの吸着が行われる。なお、余剰のガスはガス出口管５６から排出される。したがって、本参考実施形態においても、ガスが吸着材１２に吸着される際には、吸着材１２に対してガスが流れる状態を維持することができる。これにより、吸着材１２の表面での水の凝縮を抑制することができる。
【００４７】
また、ハニカム構造体５８には、冷却及び加熱を行うための冷却水、温水供給配管６２が接続されている。この冷却水・温水供給配管６２により供給された冷却水又は温水は、ハニカム構造体５８の周囲側を流れ、ハニカム構造体５８と熱交換した後冷却水・温水出口配管６４から排出される。
【００４８】
図１１には、図１０に示されたハニカム構造体５８を貯蔵タンク１０に収容し、加熱、冷却を実施する場合の例が示される。図１１において、ハニカム構造体５８は円筒形状の収容管６６中に収容され、この収容管６６が断面六角形状のハニカム収容管６８中に収容されている。したがって、収容管６６とハニカム収容管６８との間には隙間７０が生じている。このため、図９に示された冷却水・温水供給配管６２から供給された冷却水あるいは温水は、この隙間７０を流れることができる。前述したように、ハニカム構造体５８は、吸着材１２よりも熱伝導率が高いので、隙間７０に冷却水あるいは温水を流せば、ハニカム構造体５８の六角形状の壁を伝熱し、中に収容された吸着材１２の加熱あるいは冷却を十分に行うことができる。
【００４９】
以上のようなハニカム構造体５８を採用した場合、ハニカム構造体５８の材料としてアルミニウムあるいは銅を使用し、壁の厚さを０．１〜０．３ｍｍ程度とした場合、ハニカム構造体５８全体での熱伝導率は、１０Ｗ／℃・ｍ程度を確保することができる。この場合、ハニカム構造体５８の占める容積は全体の２％程度であり吸着材１２の充填率として９８％程度を確保することができる。
【００５０】
このようなハニカム構造体５８に対して、図１１に示されたような冷却方法を使用した場合、ハニカム構造体５８の中心部にある吸着材１２の温度は、吸着熱の大きい炭化水素ガスの吸着時で、最高冷却水温度に対して１１℃上昇することが確認された。この程度に温度差が生じた場合、吸着材１２への炭化水素ガスの吸着量のばらつきが生じ、結果として吸着量を低下させる原因となる可能性がある。したがって、このようなハニカム構造体５８に対し、図２に示されたインタークーラータイプの熱交換器２０をあわせて使用すれば、更に冷却効率を上げることができる。実験の結果、ハニカム構造体５８の中心部分の吸着材１２の温度を冷却水温度に対して３℃以内の上昇に抑えることができた。
【００５１】
なお、吸着材１２の表面で水の凝縮が生じやすいのは、特に再充填時における水導入の初期段階及び炭化水素ガス導入の初期段階である。これは、水蒸気あるいは炭化水素ガスの導入初期では、図３に示されるように発生する吸着熱が大きいので、この吸着熱により吸着材１２に吸着している水の一部が蒸発し、これが低温部分に移動して凝縮するためと考えられる。
【００５２】
したがって、吸着熱の発生量の大きい水蒸気及び炭化水素ガスの導入初期段階において、前述した冷却能力を大きくすることが望ましい。すなわち、図１１に示された隙間７０に冷却水を流す方法及び図２に示されたインタークーラーである熱交換器２０を使用する方法を併用する場合には、上記吸着の初期段階において最も冷却能力が高くなるように運転するのがよい。図１２は、吸着材１２への水蒸気及び炭化水素ガスの吸着脱離の１サイクル目及び２サイクル目以降すなわち再充填時における、隙間７０へ冷却水の供給の有無及び熱交換器２０へ冷却水を循環させるためのポンプ２４の起動状況の一例を示したものである。図１２において、１サイクル目の水蒸気導入時においては、隙間７０への冷却水の供給は行わず、ポンプ２４のみ起動している。また、炭化水素ガス導入時においては、隙間７０への冷却水の供給も行うが、吸着量が３０％を越えた時点以降は吸着熱の発生量が低下するので隙間７０への冷却水の供給を停止する。これに対して、２サイクル目以降では、水蒸気導入時及び炭化水素導入時とも初期段階では隙間７０への冷却水供給及びポンプ２４の起動を行っている。ただし、隙間７０への冷却水供給はそれぞれ吸着量が３０％を越えた時点以降で停止している。これは、上述したように吸着熱の発生量が低下するためである。
【００５３】
このように、特に２サイクル目以降において、水蒸気および炭化水素ガスの導入初期段階で系の冷却能力を高くし、吸着材１２の表面への水の凝縮を防止している。一方、吸着量が一定レベルを越えた時点以降においては、吸着熱の発生が減るので隙間７０への冷却水供給を停止している。このような方法により、吸着材１２の温度を均一化でき、吸着材１２の表面での水の凝縮を抑制できるとともに、隙間７０へ供給する冷却水製造用エネルギを節減することもでき、全体としてエネルギコストを３０〜４０％低減することが可能となる。
【００５４】
図１３には、図１０に示されたハニカム構造体の変形参考例が示される。図１３においては、ハニカム構造体５８は金属製であり、その長手方向の一端側と他端側に電極７２が設けられている。この電極７２に通電することにより、電流が金属製のハニカム構造体５８中を流れ、これにより発熱させることができる。このため、ハニカム構造体５８中の吸着材１２を急速に加熱することができ、炭化水素ガスの脱離を促進させることができる。
【００５５】
なお、本参考実施形態に係るハニカム構造体５８は、長手方向に伸ばすことが可能であるので、一般的に円筒形状である貯蔵タンク１０に収容するには好適な形状となっている。
【００５６】
参考実施形態４．
図１４には、本発明に係る炭化水素ガスの貯蔵装置の参考実施形態４に使用されるハニカム構造体５８の例が示される。図１４において、ハニカム構造体５８には、その長手方向にそれぞれ等しい間隔を隔てて複数の電極７２が設けられている。図１４に示された例では、その両端を含めて６箇所に電極７２が設けられているが、必ずしもこれに限られるものではなく、ハニカム構造体５８の長手方向の一端側と他端側を含む３箇所以上に電極７２が設けられていればよい。
【００５７】
参考実施形態３で説明した図１３に示された例では、ハニカム構造体５８の両端に電極７２が設けられているので、常にハニカム構造体５８の全体部分に電流を流すこととなり、エネルギコストが高くなる。これに対して、本参考実施形態の構成によれば、必要な部分にのみ電流を流すことができ、電力消費量を低減させることが可能となる。例えば、図の右側から脱離された炭化水素ガスが排出されていく場合、まず電極７２のうちＥとＦの間に電流を流し、その間に吸着されている炭化水素ガスを脱離する。次に電極７２のうちＤとＦの間に電流を流し、ＤとＥとの間に吸着されている炭化水素ガスを脱離する。このように、ハニカム構造体５８の長手方向の出口側から加熱を行い炭化水素ガスを脱離させていくのは、吸着材１２の表面での水の凝縮を防止するためである。すなわち、もしも出口から最も遠いＡとＢの間で電極７２に通電した場合には、ＡＢ間に吸着されていた炭化水素ガスが脱離され、このガスがＣ→Ｄ→Ｅ→Ｆの順でハニカム構造体５８中を通過していく。この時、出口側に近い電極７２（Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ）には通電されていないため、この部分での吸着材１２の温度が低くなっている。この温度の低い吸着材１２の表面で、ＡＢ間で蒸発した炭化水素ガスに同伴されてきた水が凝縮する可能性が高いからである。
【００５８】
以上のような構成及び出口側の電極７２から通電するという通電順序を実施することにより吸着材１２の表面での水の凝縮を抑制することができるとともに電力消費量の節減も図ることができる。
【００５９】
参考実施形態５．
図１５には、本発明に係る炭化水素ガスの貯蔵装置の参考実施形態５に使用される貯蔵タンク１０の断面図が示される。参考実施形態４の図１４においては、ハニカム構造体５８の長手方向に電極７２を並べていたが、図１５では、貯蔵タンク１０の内部に、同心円状に電極７２の取り付けられたパイプＡ、Ｂ、Ｃが配置されている。また、各パイプＡ、Ｂ、Ｃの間には、補強部材７４が橋渡しされており、各パイプＡ、Ｂ、Ｃを支持している。なお、パイプＡ、Ｂ、Ｃは、必ずしも同心円状に配置される必要はなく、貯蔵タンク１０の内部を分離する隔壁であればよい。このように本参考実施形態では、隔壁すなわちパイプＡ、Ｂ、Ｃにより貯蔵タンク１０の内部を分離する金属製層状構造体が貯蔵タンク１０に収容されており、各パイプの間の空洞部分に吸着材１２が充填されている。
【００６０】
このような構成とすることにより、貯蔵タンク１０の長手方向については、温度を均一にしやすくなる。このため、吸着材１２の表面での水の凝縮を抑制することができる。また、吸着材１２を加熱して炭化水素ガスを脱離させる際には、パイプＡ、Ｂ、Ｃの順序で各々通電させ、貯蔵タンク１０の外周部分から順次脱離させるか、あるいはこの逆の順序でパイプＣ、Ｂ、Ａに通電し、ハニカム構造体５８の最内周部分から炭化水素ガスを順次脱離させていく方法が好適である。これにより、図１４に示した参考実施形態と同様に部分的な通電で、水の凝縮を発生させずに炭化水素ガスの脱離を行うことができるので、電力消費量の節減も図ることができる。
【００６１】
参考実施形態６．
炭化水素ガスとして例えばメタンを使用した場合、特定の温度、圧力条件においては、水とメタンとがメタンハイドレートを形成し、シャーベット状の結晶となることが知られている。このようなメタンハイドレートが形成されると、炭化水素ガスの供給配管を詰まらせたり、メタンハイドレート形成時の体積膨張により、貯蔵タンク１０等に加重がかかり、耐久性等に悪影響が及ぼされるという問題がある。したがって、貯蔵タンク１０内の圧力を高圧として炭化水素ガスを貯蔵する場合には、このメタンハイドレートの形成を抑制する対策が必要である。
【００６２】
図１６には、メタンガスと水との温度及び圧力に対して、メタンハイドレートが形成される領域が示される。図１６において、直線αよりも上の領域で上述のメタンハイドレートが形成される。図１６に示されるように、圧力が高いほどメタンハイドレートが形成されやすく、また温度が高いほどメタンハイドレートの形成が抑制される。したがって、貯蔵タンク１０中の吸着材１２から炭化水素ガスを脱離させる際等には、吸着材１２の温度が低下するのでメタンハイドレートがより形成されやすくなる。また、炭化水素ガスの脱離時ではなくても、例えば冬場等に貯蔵タンク１０を外気温の状態で放置している場合にもメタンハイドレート形成領域に入る可能性がある。
【００６３】
このため、貯蔵タンク１０の温度と圧力とを検出し、図１６に示されるメタンハイドレート形成領域に入る場合には、貯蔵タンク１０の加熱を実行する必要がある。この加熱方法としては、図２に示された熱交換器２０を使用する方法、図１１に示された隙間７０に温水を流す方法、図１３、図１４、図１５に示された通電により加熱する方法等を使用することができる。
【００６４】
参考実施形態７．
図９に示された貯蔵タンク１０の例では、ハニカム構造体５８中に充填された吸着材１２の飛散を防止するために、その入口側及び出口側に多孔質膜６０が配置されている。この多孔質膜６０の孔径は、吸着材１２の径よりも小さくする必要があるが、加工上の制約から、上記孔径は１０μｍ程度が限界となっている。このように、多孔質膜６０の孔径は非常に小さくする必要があるので、吸着材１２に水蒸気を吸着させたり、あるいは吸着材１２から炭化水素ガスを脱離させる際にこれに同伴される水蒸気が多孔質膜６０の孔で凝縮する場合がある。これを防ぐためには、例えば上述した多孔質膜６０の孔径を大きくすることが考えられるが、これに伴い吸着材１２の径も大きくする必要がある。しかし、吸着材１２の径を大きくするのは、炭化水素ガスの吸着量を増やす必要がある点からいって得策ではない。
【００６５】
また、吸着材１２の粉末をペレット状に固めて使用する方法も考えられるが、使用中にペレットが崩れ粉末状になって飛散する可能性があるので、この粉が多孔質膜６０の孔を塞ぎ、かえって水の凝縮を促進してしまう場合がある。
【００６６】
そこで、多孔質膜６０を金属製とし、これに電極を取り付けて電流を流すことにより多孔質膜６０を加熱する方法が有効である。この場合、通過するガスよりも５℃程度温度を高くすればよい。なお、図９に示された貯蔵タンク１０では、その入口側及び出口側に２つの多孔質膜６０があるが、凝縮が生じやすいのは特に入口側であるので、上述した対策は少なくとも入口側の多孔質膜６０に実施するのがよい。
【００６７】
このように、貯蔵タンク１０の構成体である多孔質膜６０等の少なくとも一部を加熱する方法は水の凝縮を抑制するうえで有効である。
【００６８】
参考実施形態８．
貯蔵タンク１０に収容された吸着材１２に水蒸気を吸着させた後、炭化水素ガスを急速に導入すると、吸着材１２の表面で水の凝縮が発生しやすいことが実験の結果判明した。これは、炭化水素ガスが吸着材１２に吸着する際に発生する吸着熱により、先に吸着していた水が蒸発し、この水蒸気が低温部分に移動して凝縮を起こすためと考えられる。
【００６９】
図１７には、貯蔵タンク１０中の活性炭単位重量当たりへの炭化水素ガスの吹き込み流量に対する水の凝縮を引き起こす確率の関係が示される。図１７においてφは、吸着材１２の最大水吸着量に対する実際に吸着している水の割合を示す。図１７からわかるように、いかなるφの値においても、炭化水素ガスの吹き込み流量を３０〜３００ｃｃ／分・ｇとすれば水の凝縮が発生しないことがわかる。なお、この値は、吸着材１２として活性炭を使用した場合のものであるが、使用する活性炭の種類が変わったり、あるいは他の種類の吸着材例えばＦＳＭ等を使用すれば異なった値となる。したがって、各吸着材１２の種類に応じた最適値をあらかじめ測定しておき、炭化水素ガスの吹き込み速度をその値よりも小さい値に維持するようにすればよい。
【００７０】
炭化水素ガスの吹き込み流量を３０〜３００ｃｃ／分・ｇとする方法としては、例えば炭化水素ガスの吹き込み時の吹き込み圧力と貯蔵タンク１０の圧力との差圧を０．０３〜１．０気圧（３．０３９×１０³〜１．０１３×１０⁵Ｐａ）以下で導入することが考えられる。また、貯蔵タンク１０の入口側にバッファタンクを設け、これに続いて焼結体フィルタを通し、この絞り効果により炭化水素ガスの吹き込み速度を抑制する方法も考えられる。
【００７１】
参考実施形態９．
図１８には、本発明に係る炭化水素ガスの貯蔵装置の参考実施形態９の構成例が示される。図１８において、貯蔵タンク１０内には、吸着材１２の加熱をおこなうための内部熱交換器７６が設けられている。内部熱交換器７６には、温水槽７８が接続されており、ポンプ２４により温水が循環される構成となっている。これにより、貯蔵タンク１０内の吸着材１２を加熱し、炭化水素ガスの脱離を促進することができる。
【００７２】
更に、貯蔵タンク１０のガスの入口側には、空気送りポンプ８０がバルブｈ、レギュレータ８２を介して接続されている。この空気送りポンプ８０により、レギュレータ８２で圧力調整されながら空気が貯蔵タンク１０に吹き込まれる。空気が貯蔵タンク１０に吹き込まれると、空気がメタン等の炭化水素ガスよりも吸着材１２に吸着されやすいため、炭化水素ガスと空気とが置換され、これにより炭化水素ガスの脱離を促進することができる。なお、空気の代わりに水蒸気を吹き込むのも好適である。水蒸気を吹き込んだ場合には、水蒸気の吸着熱により貯蔵タンク１０内の吸着材１２の温度が上昇し、炭化水素ガスの脱離を促進させることができる。
【００７３】
以上より、ポンプ２４を起動し、内部熱交換器７６に温水槽７８からの温水を循環させることに加え、空気による吸着材１２への置換を行えば、炭化水素ガスの脱離がさらに促進される。これにより、貯蔵タンク１０内を内部熱交換器７６により加熱することのみの場合よりも炭化水素ガスの脱離量を増加させることができる。
【００７４】
なお、内部熱交換器７６で貯蔵タンク１０内を加熱した場合に、貯蔵タンク１０内の圧力が上昇するので、この圧力を圧力計８４で監視しながらレギュレータ８６で圧力調整しつつバルブｂから利用システム側に炭化水素ガスを供給することになる。
【００７５】
図１９には、本実施形態に係る炭化水素ガスの貯蔵装置の変形参考例が示される。図１９においては、貯蔵タンク１０内に熱交換器は設けられておらず、その代わりに空気の供給ラインに空気加熱器８８が設けられている。この空気加熱器には、温水槽７８からポンプ２４により温水が供給され、空気送りポンプ８０によって送られてきた空気を加熱する。この加熱空気は、バルブａを介して貯蔵タンク１０内に吹き込まれる構成となっている。
【００７６】
このような構成により、加熱された空気を貯蔵タンク１０に吹き込むことにより、空気による置換作用と加熱作用とを同時に与えることができ、吸着材１２からの炭化水素ガスの脱離を促進させることができる。
【００７７】
以上に述べた図１８及び図１９の例では、貯蔵タンク１０内に空気を吹き込む構成となっているので、圧力計８４によって検出したタンク内の圧力に応じて、空気の吹き込み量を調整し、貯蔵タンク１０から排出される炭化水素ガスを、その燃焼範囲の混合気体として取り出すことも可能である。例えば、炭化水素ガスとしてメタンを使用した場合、その燃焼範囲はメタンが５〜１５％であるので、このような割合の混合ガスとなるように、空気の吹き込み量を調整する。
【００７８】
このような構成により、炭化水素ガスを内燃機関に使用する場合には、キャブレターを介さずに直接貯蔵タンク１０から内燃機関に炭化水素ガスを供給することが可能となる。
【００７９】
また、図１９の構成によれば、貯蔵タンク１０内に内部熱交換器７６がないので、そのぶん有効スペースを多く確保することができ、貯蔵タンク１０内の炭化水素ガスの貯蔵量を増加させることもできる。
【００８０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、貯蔵タンクがガス循環路中に配置されることにより、炭化水素ガスの吸着中に流速が付与されるので、吸着材表面での水の凝縮を抑制することができる。また、貯蔵タンクから排出されたガスを一部貯蔵タンクの入口側に還流させ、その際に冷却を行うので、吸着材で発生している吸着熱を除去でき貯蔵タンク内の吸着材の温度を低下させることができるので、炭化水素ガスの吸着量を増加させることができる。また、吸着材の温度を均一化でき、吸着材の温度分布により生じる吸着材表面の水の凝縮も抑制できる。更に、貯蔵タンクの入口側に還流させるガスに含まれる余分な水分を除去するので、吸着材表面での水分の凝縮を一層抑制することができる。
【００８１】
また、本発明の参考例では、貯蔵タンク内に攪拌手段を設け、吸着材を攪拌するので、吸着材に、水蒸気及び炭化水素ガスに対して相対的に流速が与えられ、水の凝縮を抑制することができる。また、貯蔵タンク内に通気性容器を備え、この通気性容器中に吸着材を収容するとともに通気性容器の下部からガスを導入するので、吸着材が流動して、ガスとの間で相対的に流速が付与され、これによっても水の凝縮を抑制することができる。
【００８２】
更に、本発明の参考例では、貯蔵タンクを振動付与手段によって振動させても、ガスとの間で相対的に流速が付与され、同様に水の凝縮を抑制することができる。
【００８３】
また、本発明を車両に応用する場合、貯蔵タンクのみを車両に搭載すればよいので、車両に搭載すべき設備をコンパクトにすることができる。
【００８４】
また、吸着材を高熱伝導率材料で形成されたハニカム構造体中に充填すれば、吸着材の熱放出を促進でき、温度分布を均一にできるので、低温部分での水の凝縮を抑制することができる。
【００８５】
また、ハニカム構造体の長手方向の一端側と他端側に電極を設け、通電により加熱すれば、ハニカム構造体の全体を均一に加熱でき、炭化水素ガスの脱離放出を促進することができる。このとき、電極を３個以上設け、ハニカム構造体の出口側から順次加熱することにより、加熱脱離された炭化水素ガスが低温部分を通らないようにでき、炭化水素ガスに同伴された水の凝縮を抑制することができる。
【００８６】
また、貯蔵タンクに、その内部を隔壁により分離する金属製層状構造体が収容されることにより、これに通電すれば貯蔵タンクの長手方向での温度を均一化することができ、水の凝縮を抑制しながら炭化水素ガスの脱離を行うことができる。
【００８７】
また、あらかじめハイドレート形成領域となる所定の条件を検出し、貯蔵タンク内を適宜加熱することにより、ハイドレートの形成を防止でき、配管の詰まりや貯蔵タンクへの有害な負荷を防止することができる。
【００８８】
また、貯蔵タンクの構成体の少なくとも一部を加熱しあるいは充填時に充填ガスの流量を３０〜３００ｃｃ／分・ｇとすることにより、水の凝縮を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る炭化水素ガスの貯蔵装置の実施形態１の構成図である。
【図２】本発明に係る炭化水素ガスの貯蔵装置の実施形態１の変形参考例を示す構成図である。
【図３】吸着材にガスを吸着させる際に発生する吸着熱の時間変化を示す図である。
【図４】本発明に係る炭化水素ガスの貯蔵装置の実施形態３の構成を示す図である。
【図５】本発明に係る炭化水素ガスの貯蔵装置の実施形態４に使用される貯蔵タンクの構成を示す図である。
【図６】図５に示された貯蔵タンクに設けられる回転ドラムの構成を示す断面図である。
【図７】図５に示された貯蔵タンクに設けられる回転体の構成を示す断面図である。
【図８】本発明に係る炭化水素ガスの貯蔵装置の参考実施形態１に使用される貯蔵タンクの構成を示す図である。
【図９】本発明に係る炭化水素ガスの貯蔵装置の参考実施形態３に使用される貯蔵タンクの構成を示す図である。
【図１０】図９に示された貯蔵タンクに使用されるハニカム構造体の構成を示す図である。
【図１１】図１０に示されるハニカム構造体を収容するハニカム収容管の構成を示す断面図である。
【図１２】図１０に示された貯蔵タンクの使用方法の例を示す説明図である。
【図１３】図１０に示されるハニカム構造体の変形参考例を示す図である。
【図１４】本発明に係る炭化水素ガスの貯蔵装置の参考実施形態４に使用される貯蔵タンクの構成を示す図である。
【図１５】本発明に係る炭化水素ガスの貯蔵装置の参考実施形態５に使用される貯蔵タンクの構成を示す断面図である。
【図１６】メタンハイドレートの形成領域を示す説明図である。
【図１７】活性炭単位重量当たりへの炭化水素ガスの吹き込み流量に対する吸着材表面での水の凝縮を引き起こす確率を示す説明図である。
【図１８】本発明に係る炭化水素ガスの貯蔵装置の参考実施形態９の構成を示す図である。
【図１９】本発明に係る炭化水素ガス貯蔵装置の参考実施形態９の変形参考例を示す図である。
【符号の説明】
１０貯蔵タンク、１２吸着材、１４水供給槽、１６ポンプ、１８分離器、２０熱交換器、２２冷却水槽、２４ポンプ、２６回収タンク、２８レギュレータ、３０外部ケース、３２回転ドラム、３４多孔質膜、３６軸、３８モータ、４０シール、４２ガス導入口、４４羽根、４６回転体、４８フィン、５０通気性容器、５２マニホールド、５４ガス入口管、５６ガス出口管、５８ハニカム構造体、６０多孔質膜、６２冷却水・温水供給配管、６４冷却水・温水出口配管、６６収容管、６８ハニカム収容管、７０隙間、７２電極、７４補強部材、７６内部熱交換器、７８温水槽、８０空気送りポンプ、８２レギュレータ、８４圧力計、８６レギュレータ、８８空気加熱器。

Claims

貯蔵タンク内に収容された吸着材に予め水を吸着させてから炭化水素ガスを吸着させる炭化水素ガスの貯蔵装置であって、
前記貯蔵タンクと前記貯蔵タンク中から流出したガス中の水を分離するための分離器とが設けられたガス循環路を有し、
前記ガス循環路において、前記貯蔵タンクから流出したガスは、前記分離器にて水分が分離され、そののち前記貯蔵タンクの入口側に戻されることを特徴とする炭化水素ガスの貯蔵装置。
請求項１記載の炭化水素ガスの貯蔵装置において、前記貯蔵タンク内の湿度を検出し、所定値以上の湿度の検出時に前記還流を実施することを特徴とする炭化水素ガスの貯蔵装置。