JP2003028397A

JP2003028397A - ガス貯蔵タンク

Info

Publication number: JP2003028397A
Application number: JP2001214210A
Authority: JP
Inventors: Takahiro Hayashi; 高弘林; Mamoru Ishikiriyama; 守石切山; Yoshiaki Fukushima; 喜章福嶋; Norihiko Setoyama; 徳彦瀬戸山
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2001-07-13
Filing date: 2001-07-13
Publication date: 2003-01-29

Abstract

(57)【要約】【課題】複数の成分を有するガスの安定した吸着、放
出を可能とするガス貯蔵タンクを提供する。【解決手段】貯蔵タンクのタンク本体２０内に、天然
ガスを吸着する吸着材層１１〜１５を備える。吸着材層
１１〜１５は、それぞれノルマルブタン用、イソブタン
用、プロパン用、エタン用、メタン用である。吸着材層
１１、１２、１３、１４、１５は、この順に細孔径が小
さくなっている。このように異なる細孔径の吸着材層を
用いることにより、各層に成分を概ね分離して吸着させ
ることができ、この結果、各成分を他の成分の阻害なく
吸着、放出することができる。従って、吸着、放出され
るガスの組成を安定化させることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、複数の成分を含有
するガスを貯蔵するガス貯蔵タンクに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、環境への配慮から、車両の燃料と
して、圧縮天然ガス（以下、ＣＮＧと呼ぶ）が利用され
つつある。天然ガスを大量に貯蔵する技術として、活性
炭などの吸着材の細孔内に天然ガスを吸着する技術が提
案されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の吸着材
では、天然ガスを安定して吸着、放出することができな
かった。図１は従来の吸着材における天然ガスの吸着、
放出特性を示すグラフである。約０．６ｇ／ｃｃの密度
の活性炭に天然ガスの吸着（図中の実線）、放出（図中
の破線）を３回繰り返した場合の様子を示した。縦軸の
ＮＧ吸着量とは、吸着材の初期重量からの重量変動量を
示している。１回目の吸着では、ガスの吸着とともに、
グラフ中の矢印で示す方向に重量が増える。１回目の放
出では、ガスの放出とともに、グラフ中の矢印で示す方
向に重量が減少するが、初期の重量には戻らない。２回
目の吸着では、この状態を初期状態として吸着が行われ
る。２回目の吸着後の重量は、１回目の吸着後の重量よ
りも重くなる。３回目の吸着後の重量は、更に重くな
る。

【０００４】従来の吸着材では、吸着、放出の繰り返し
により、吸着材の重量が徐々に増加していた。この増加
は、次のことを意味する。天然ガスは、メタン、エタ
ン、プロパン、ブタンなどの成分が含まれている。従来
の吸着材では、これらの成分のうちエタン、プロパン、
ブタンのような重量成分が、放出後も脱離せずに細孔内
に蓄積していた。図１に示した重量変化は、このような
成分の蓄積によって生じていた。かかる成分の蓄積は、
吸着量の減少を招くとともに、放出されるガスの組成の
変動も招いていた。ガスの組成は、天然ガスの燃焼を不
安定にし、例えば、天然ガスを用いたエンジンでは、出
力の不安定化の要因となっていた。

【０００５】上述の課題は、天然ガスのみならず、複数
の成分を含むガスに共通の課題であった。本発明は、か
かる課題に鑑み、複数の成分を有するガスの安定した吸
着、放出を可能とするガス貯蔵タンクを提供することを
目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段およびその作用・効果】上
述の課題の少なくとも一部を解決するために、本発明で
は、複数の成分を含有するガスを貯蔵するガス貯蔵タン
クにおいて、ガス給排口を有するタンク本体と、ガスを
吸着する吸着材をタンク本体内に充填した吸着材部とを
備えるものとし、吸着材部は、細孔径が異なる複数の吸
着材層を有する構造とした。

【０００７】本発明者は、吸着材の細孔径によって、吸
着されやすい成分が異なることを見いだした。本発明の
ガス貯蔵タンクによれば、細孔径の異なる吸着材層が備
えられているため、成分の少なくとも一部をこれらの層
に分離して貯蔵することができる。成分を分離して貯蔵
することにより、成分ごとに吸着、放出特性を向上する
ことができ、ガス全体を安定した組成で吸着、放出する
ことができる。

【０００８】本発明において、吸着材部は、その少なく
とも一部において、ガス給排口から遠いほど細孔径が小
さくなっていることが望ましい。本発明者の検討によれ
ば、小さい細孔径の吸着材層は、小さい分子径の成分の
吸着に適しており、大きい細孔径の吸着材層は、大きい
分子径の成分の吸着に適していることが見いだされた。
例えば、細孔径の小さい吸着材層をガス給排口の近くに
配置し、細孔径の大きい吸着材層をガス給排口の遠くに
配置すれば、細孔径内に吸着された成分が、分子量の大
きい成分の通過を妨げ、ガスの吸着、放出特性を阻害す
る可能性がある。逆の配置とすることにより、かかる阻
害要因を回避することができ、ガスの吸着、放出特性を
向上することができる。かかる観点から、吸着材層は、
タンク内全体で、ガス給排口から遠いほど細孔径が小さ
くなるよう配置されることがより望ましい。

【０００９】本発明においては、吸着材部が、成分の分
子径に応じた細孔径の吸着材層を有することが望まし
い。先に説明した通り、細孔径によって、吸着しやすい
成分が相違する。かかる相違は、成分の分子径によって
生じる。従って、成分の分子径に応じた細孔径の吸着材
層を用意することにより、成分ごとの分離を効率的に実
現することができる。

【００１０】また、このように成分の分子径に応じて用
意された吸着材層の体積比は、その吸着材層に対応する
成分の成分比に基づいて設定されていることが望まし
い。こうすれば、成分の分離吸着を実現しつつ、タンク
内の容積を効率的に使用することができる。

【００１１】本発明は、複数の成分を含有する種々のガ
スに適用可能である。かかるガスとしては、例えば、天
然ガスが挙げられる。天然ガスの貯蔵タンクとして構成
する場合、吸着材は、ゼオライト、活性炭、およびシリ
カの少なくとも一つを用いることができる。

【００１２】本発明は、上述のガス貯蔵タンクとしての
態様の他、ガス貯蔵タンクの製造方法として構成するこ
ともできる。本発明のガス貯蔵タンクの製造方法は、細
孔径が異なる複数の吸着材層を積層した積層体を形成す
る工程と、積層体をタンク基材で被覆してタンクを形成
する工程とを備える。こうすることにより、細孔径の異
なる吸着材を備えたガス貯蔵タンクを形成することがで
きる。

【００１３】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態について、以
下の項目に分けて説明する。Ａ．タンクの構成：Ｂ．タンクの製造方法：Ｃ．効果：

【００１４】Ａ．タンクの構成：図２は実施例としての
貯蔵タンクの内部構成を示す断面図である。天然ガスを
貯蔵するタンクとして構成した場合を例示した。本実施
例の貯蔵タンクは、軸対称形としたが、かかる形状に限
定されるものではない。

【００１５】この貯蔵タンクのタンク本体２０は、タン
ク基材で形成されている。タンク基材の材質および厚さ
は、天然ガスの貯蔵圧力、容積などを考慮して適宜選択
することができる。タンク本体２０の入り口には、ガス
給排口２１が設けられている。本実施例では、タンク本
体２０と一体的に成形されている場合を例示したが、別
体として形成されたものを溶接等しても構わない。

【００１６】タンク内には、天然ガスを吸着する吸着材
層１１〜１５が備えられている。天然ガスは、周知の通
り、メタン、エタン、プロパン、イソブタン、ノルマル
ブタンという５種類の成分を含んでいる。吸着材層１１
〜１５は、これらの各成分に対応して設けられている。
吸着材層１１はノルマルブタン用、吸着材層１２はイソ
ブタン用、吸着材層１３はプロパン用、吸着材層１４は
エタン用、吸着材層１５はメタン用である。イソブタン
用とノルマルブタン用の吸着材層１１，１２は、分離せ
ず共通する単一の吸着材層として構成してもよい。

【００１７】各吸着材層１１〜１５は、それぞれ対応す
る成分の分子径に応じて細孔径が異なっている。細孔径
の設定については、後述するが、ガス給排口２１に近い
側から順に、つまり、吸着材層１１、１２、１３、１
４、１５の順に細孔径が小さくなるよう設定されてい
る。各吸着材層内で細孔径を変化させるものとしても構
わないが、層内では一定の細孔径とすることがガスの吸
着、放出特性上、好ましい。また、各吸着材層１１〜１
５は、その体積比が天然ガスの各成分比と同等になるよ
う設定されている。

【００１８】図３は材質と細孔径の関係を示す説明図で
ある。ここでは、天然ガスの吸着材として使用可能な３
種類の材料、ゼオライト、活性炭、ＦＳＭについて細孔
径を示した。ＦＳＭとは、シリカによる多孔質材料の一
種である。図示する通り、ゼオライトの細孔径は０〜約
１ｎｍ（ナノメートル）、活性炭の細孔径は０〜約２ｎ
ｍ、ＦＳＭの細孔径は約１ｎｍ以上である。これらの材
料を使い分けることにより、各吸着材層１１〜１５に要
求される細孔径を実現することができる。

【００１９】細孔径の設定について説明する。図４は細
孔径と成分吸着量との関係を示すグラフである。メタン
（ＣＨ_４）、エタン（Ｃ_２Ｈ_６）、プロパン（Ｃ
_３Ｈ_８）、ブタン（Ｃ_４Ｈ_１０）の各成分について、細
孔径が０．９ｎｍ、１．８ｎｍの２種類の吸着材への吸
着量を示した。各成分を単体で吸着させた場合の特性を
示すグラフである。吸着材としては、クラレケミカル製
の活性炭繊維、ＣＨ９００−１０（細孔径＝０．９ｎ
ｍ）、ＣＨ９００−２０（細孔径＝１．６ｎｍ）を用い
た。

【００２０】図示する通り、メタンを除く各成分につい
て、吸着材の細孔径が大きい方が吸着量が増大する。し
かしながら、０．９ｎｍの細孔径ではエタンが最も吸着
量が大きく、１．６ｎｍの細孔径ではプロパンが最も吸
着量が大きくなっている。従って、０．９ｎｍの細孔径
の吸着材に天然ガスを吸着させれば、エタンが優先的に
吸着され、１．６ｎｍの細孔径の吸着材に天然ガスを吸
着させれば、プロパンが優先的に吸着される。

【００２１】細孔径は各成分の放出特性にも影響を与え
る。図５はメタン、エタンの放出特性と細孔径との関係
を示すグラフである。実験の都合上、図４に示した材質
とは細孔径が異なっている。ここでは、細孔径０．８ｎ
ｍ、２ｎｍの２種類の素材について、メタン、エタンの
混合ガスを吸着、放出させた場合の結果を示した。前者
はＣＨ９００−１５、後者はＦＳＭを吸着材として使用
した。図示する通り、細孔径０．８ｎｍの吸着材からは
メタンが優先的に放出され、２ｎｍの吸着材からはエタ
ンが優先的に放出される。

【００２２】ガスの放出特性については、温度も影響を
与える。図６はエタンの放出特性と温度との関係を示す
グラフである。エタンを単体で吸着させ、温度を１０℃
／ｍｉｎの速度で徐々に上昇させた場合の放出量の推移
を示したグラフである。細孔径０．９ｎｍ、１．６ｎｍ
の２種類の吸着材についての結果を示した。縦軸は、１
分間あたりの吸着材の重量変化を示している。負値は、
ガスが放出されることにより吸着材の重量が減ったこと
を意味している。放出のピークは、絶対値が最大となる
温度で生じる。図示する通り、細孔径が大きい方が、放
出のピークを迎えることがわかる。これは、放出特性の
観点からは、細孔径は大きい値に設定することが好まし
いことを意味している。

【００２３】各吸着材層１１〜１５の細孔径は、以上の
事項を総合的に勘案して設定される。第１に、各層で吸
着すべき成分を、他の成分よりも優先的に吸着可能な細
孔径を実験等により設定する。こうして設定された細孔
径が一定の幅を有している場合には、放出特性を考慮し
て、その中でできるだけ大きい値の細孔径を選択する。
本実施例では、吸着材層１１の細孔径を約２ｎｍ、吸着
材層１５の細孔径を約０．７ｎｍに設定した。細孔径
は、かかる値に限定されず、貯蔵するガスの成分、圧
力、容積等に応じて種々設定可能である。

【００２４】Ｂ．タンクの製造方法：図７は貯蔵タンク
の製造方法を示す工程図である。この製造方法では、細
孔径の異なる吸着材を積層し、吸着材の半成形品を生成
する（ステップＳ１０）。次に、こうして生成された吸
着材をタンク基材で被覆するようにして外力を加え、タ
ンクの形成を行う（ステップ１２）。この形成には、押
し出し、深絞りなどの成形技術を利用することができ
る。この成形と併せて、タンク内の吸着材の高密度化を
図ることができる。

【００２５】製造方法は、他にも種々の方法を採りうる
が、例示した方法によれば、タンク製造とともに吸着材
の充填が完了するため、製造コストの低減等を図ること
ができる利点がある。また、タンク製造時の外力を利用
することにより、比較的容易に吸着材の高密度充填が可
能となる利点がある。

【００２６】Ｃ．効果：図８は天然ガスの吸着、放出特
性を示すグラフである。図の中央に天然ガスの成分比、
左側に従来の活性炭から放出されたガスの成分比、右側
に本実施例の貯蔵タンクから放出されたガスの成分比を
示した。図示する通り、活性炭からの放出ガスには、イ
ソブタン、ノルマルブタンが含まれておらず、ガスの組
成が天然ガスの組成から大きくずれている。これに対
し、本実施例の貯蔵タンクからの放出ガスは、天然ガス
の組成がほぼ保たれている。この結果、本実施例の貯蔵
タンクによれば、天然ガスを安定した組成で供給するこ
とが可能となる。

【００２７】かかる効果が得られる理由については、完
全に解明されている訳ではないが、細孔径と吸着特性な
どの検討から、概ね次の通りと推測される。図９は従来
の活性炭における天然ガスの吸着の様子を模式的に示す
説明図である。従来は、一様な細孔径の吸着材が用いら
れていた。従って、吸着材の各細孔には、天然ガス中の
大きい分子、小さい分子が混在して吸着されていた。大
きい分子とは、例えば、ブタンであり、小さい分子と
は、例えば、メタンである。ところが、このような状態
では、小さい分子の方が放出特性に優れることが多いた
め、メタンのように小さい分子が主として放出され、ブ
タンのように大きい分子が細孔内に蓄積していた。図８
に示した組成の差違は、かかる原因によって生じていた
ものと推測される。

【００２８】図１０は実施例における天然ガスの吸着の
様子を模式的に示す説明図である。本実施例では、細孔
径の異なる吸着材層を備えている。ここでは、大小２種
類の細孔径の吸着材層を例示した。先に説明した通り、
細孔径に応じて、吸着しやすい分子が異なる。細孔径の
大きい吸着材には、比較的大きい分子が吸着され、細孔
径の小さい吸着材には、比較的小さい分子が吸着され
る。このため、本実施例では、天然ガスの各成分がそれ
ぞれの吸着材層に概ね分離して吸着される。このように
成分が概ね分離して吸着されることにより、各層の成分
は、他の成分によって阻害されることなく放出され、組
成を安定化させることができる。

【００２９】しかも本実施例では、細孔径の大きい吸着
材層ほどガス給排口２１の付近に配置している。こうす
ることにより、ガス給排口２１近傍の浅層では、ブタ
ン、プロパンなどの重質成分を吸着させつつ、メタン、
エタンなどの小さい分子をガス給排口２１から遠い深層
に効率的に浸透させることができる。この結果、本実施
例の貯蔵タンクでは、成分同士が阻害することなく、ガ
スを吸着、放出することができる。

【００３０】本実施例では、各成分に対応して吸着材層
を設けたが、必ずしも各成分に対応させる必要はなく、
メタン、エタンなどの小径分子向けの層、プロパン、ブ
タンなどの大径分子向けの層のように複数成分に一つの
層を対応させてもよい。

【００３１】本実施例では、ガス給排口２１から遠ざか
る程、細孔径が小さくなるように配置した。必ずしもタ
ンク全体でかかる関係が維持されている必要はなく、少
なくとも一部で成立していればよい。もちろん、ガスの
吸着、放出という観点からは、実施例で例示したように
細孔径が単調に変化するように各層を配置することが好
ましい。

【００３２】実施例では、天然ガスを貯蔵するタンクを
例示したが、本発明は天然ガスに限らず複数の成分を含
むガスの貯蔵に適用可能である。

【００３３】以上、本発明の種々の実施例について説明
したが、本発明はこれらの実施例に限定されず、その趣
旨を逸脱しない範囲で種々の構成を採ることができるこ
とはいうまでもない。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の吸着材における天然ガスの吸着、放出特
性を示すグラフである。

【図２】実施例としての貯蔵タンクの内部構成を示す断
面図である。

【図３】材質と細孔径の関係を示す説明図である。

【図４】細孔径と成分吸着量との関係を示すグラフであ
る。

【図５】メタン、エタンの放出特性と細孔径との関係を
示すグラフである。

【図６】エタンの放出特性と温度との関係を示すグラフ
である。

【図７】貯蔵タンクの製造方法を示す工程図である。

【図８】天然ガスの吸着、放出特性を示すグラフであ
る。

【図９】従来の活性炭における天然ガスの吸着の様子を
模式的に示す説明図である。

【図１０】実施例における天然ガスの吸着の様子を模式
的に示す説明図である。

【符号の説明】

１１〜１５…吸着材層２０…タンク本体２１…ガス給排口

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者福嶋喜章愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番地の１株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者瀬戸山徳彦愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番地の１株式会社豊田中央研究所内Ｆターム(参考） 3E072 AA03 EA01

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数の成分を含有するガスを貯蔵するガ
ス貯蔵タンクであって、ガス給排口を有するタンク本体と、前記ガスを吸着する吸着材を該タンク本体内に充填した
吸着材部とを備え、該吸着材部は、細孔径が異なる複数の吸着材層を有する
ガス貯蔵タンク。
【請求項２】請求項１記載のガス貯蔵タンクであっ
て、前記吸着材部は、その少なくとも一部において、前記ガ
ス給排口から遠いほど細孔径が小さくなっているガス貯
蔵タンク。
【請求項３】請求項１記載のガス貯蔵タンクであっ
て、前記吸着材部は、前記成分の分子径に応じた細孔径の吸
着材層を有するガス貯蔵タンク。
【請求項４】請求項３記載のガス貯蔵タンクであっ
て、前記各吸着材層の体積比は、該吸着材層に対応する成分
の成分比に基づいて設定されているガス貯蔵タンク。
【請求項５】請求項１〜４記載のガス貯蔵タンクであ
って、前記ガスは、天然ガスであり、前記吸着材は、ゼオライト、活性炭、およびシリカの少
なくとも一つで構成されるガス貯蔵タンク。
【請求項６】複数の成分を含有するガスを貯蔵するガ
ス貯蔵タンクの製造方法であって、細孔径が異なる複数の吸着材層を積層した積層体を形成
する工程と、前記積層体をタンク基材で被覆してタンクを形成する工
程とを備えるガス貯蔵タンクの製造方法。