JP4530193B2

JP4530193B2 - 都市ガス供給方法及びシステム

Info

Publication number: JP4530193B2
Application number: JP2001037297A
Authority: JP
Inventors: 弘兼子
Original assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Current assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Priority date: 2001-02-14
Filing date: 2001-02-14
Publication date: 2010-08-25
Anticipated expiration: 2021-02-14
Also published as: JP2002243100A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は都市ガス供給方法及び装置に関し、特に水素ガスを含む都市ガスを供給する都市ガス供給方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、燃料電池が民生用としても実用化し、今後、広く普及することが予想されるが、燃料電池システムは水素を燃料とするタイプが主流である。一方、従来、都市ガス供給はメタンを主成分とするＬＮＧを気化し、さらにＬＰＧで増熱する１３Ａガスが主流である。都市ガスには１３Ａガス以外に他の低熱量ガス種があり、さらにＬＰＧによる簡易ガス供給もある。いずれの場合も都市ガスを用いて燃料電池システムを稼動させるためには、燃料電池の上流側に改質装置を設置して都市ガス中の炭化水素を水素に改質して燃料電池に供給することが必要となる。しかし、改質装置を需要家ごとに設置することはコストアップ、設備の大型化を招くため、都市ガスを用いた燃料電池の普及阻害要因となりうる。
【０００３】
また、既存の都市ガスパイプラインを利用して直接、水素を供給する技術として、天然ガスに水素を混合したいわゆる「ハイタン」（Hydrogen Methaneの略）に関する技術が開示されている（例えば、特開平１１−２２８１０１）が、この場合であっても燃料電池を使用する場合にメタン改質設備が必要であることに変わりはない。
【０００４】
さらに、１００％水素ガスを既存の都市ガスパイプラインを利用して供給するアイデアも公知であるが、この場合には水素を直接燃料とする機器（燃料電池等）については問題ないものの、既存の都市ガス用機器を使用できないという問題がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、既存の都市ガスパイプライン、導管ネットワークを利用して、水素燃料設備と既存の都市ガス燃焼機器が並存する場合に、両方の機器を支障なく利用することができる方法及びシステムを提供することにある。
【０００６】
本発明の他の目的は、既存の都市ガスパイプラインを利用して、改質装置を必要とすることなく燃料電池等の水素燃料設備の利用を可能とする方法及び装置を提供することにある。
【０００７】
本発明の他の目的は、天然ガス供給時代から水素供給時代への円滑な移行を担保するエネルギー供給形態を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、水素ガスと炭化水素系ガスとを含む混合ガスを、導管ネットワークを介して需要家群に供給する都市ガス供給方法であって、第一の需要家群においては、混合ガス中の水素ガスを分離して分離された水素ガスを使用するとともに、分離後ガスを導管ネットワークに戻入し、かつ、第二の需要家群においては、混合ガス中の水素ガスを分離して分離後ガスを使用するとともに、分離された水素ガスを導管ネットワークに戻入することを特徴とする都市ガス供給方法を提供する。
【０００９】
かかる都市ガス供給方法を採用することにより、支障なく水素ガス混合都市ガス供給を行うことが可能となる。すなわち、導管ネットワークに既存のガス利用機器需要家と水素ガス利用機器需要家が並存する場合、需要家の炭化水素系ガスと水素ガスの使用量推移に応じて両ガスの混合比を変化させていくことにより、全ての需要家に安定的に必要なガスの供給ができる。具体的には、水素ガス利用機器需要家が少ないステージでは、炭化水素系ガスの比率を高くし、水素ガス利用機器需要家が増加するに伴い、水素ガスの比率を高くする。これにより、導管中の水素ガスと炭化水素系ガスの成分比率が一方に偏することなく、常に全ての需要家に必要なガスを供給することが可能となる。
【００１０】
炭化水素系ガスとしては、メタンが代表的であるが、プロパン、ブタン等、又はこれらの混合ガス等を用いることができる。
【００１１】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、導管ネットワーク内の所定の箇所において水素ガスを補充供給することを特徴とする都市ガス供給方法を提供する。
【００１２】
また、請求項３の発明は、請求項１の発明において、導管ネットワーク内の所定の箇所において炭化水素系ガスを補充供給することを特徴とする都市ガス供給方法を提供する。
【００１３】
これらの発明により、導管ネットワーク内の需要家が消費する水素ガスと既存の炭化水素系ガスの消費量バランスが水素ガス側、又は炭化水素系ガス側に傾いた場合に支障なく供給できる。すなわち、盲腸管等の導管末端部で一方のガス成分が極端に減少する場合がありうる。このような場合、当該導管末端部で水素ガス又は炭化水素系ガスを補充供給することにより、両ガスの需給バランスをとることができる。補充供給ポイントとしては、例えば需要家の機器構成、ガス使用量等を予め知り、これに基づいて導管網解析を行うことにより設定することもできる。
【００１４】
請求項４の発明は、第二の需要家群中の少なくとも一部の需要家において、分離後ガスのウオッベ指数と燃焼速度指数とを、それぞれ所定の範囲内の値になるように、水素ガスの分離を制御することを特徴とする都市ガス供給方法を提供する。
【００１５】
かかる制御を行うことにより、分離後ガスの燃焼性を一定の範囲に維持することが可能となり、既存の都市ガス燃焼機器の中で安定燃焼域が極端に狭いものであっても、安定燃焼を確保することが可能となる。
【００１６】
現在、全国の都市ガスは、ガス事業法によりウオッベ指数及び燃焼速度指数がそれぞれ所定の範囲内の１４種類のガスグループに分類されている。都市ガス事業者は、特定したガス種の都市ガスを供給域内の需要家に対して供給することが義務付けられている。ここにウオッベ指数（ＷＩ）は、ガスの発熱量Ｈ（ＭＪ／ｍ３）をガスの空気に対する比重ｓの平方根で割った数値であり、次式で表される。ウオッベ指数は、ＷＩ＝Ｈ／√ｓで示され、ガス機器のインプットとノズルによる一次空気吸引量の関係を表し、ガス機器が完全燃焼可能か否かに関する指標となる。
また、燃焼速度指数（ＭＣＰ）は次式で表される。
【００１７】
【数１】

【００１８】
ここに、Ｓ１、ｆ１はそれぞれ都市ガス中の各可燃性ガスの燃焼速度及び係数、Ａ１は都市ガス中の各可燃性ガスの含有率（体積百分率）、Ｋは減衰係数であって、次式により算出した値である。
【００１９】
【数２】

【００２０】
式中、α１は、各可燃性ガスの補正係数、ＣＯ２、Ｎ２、Ｏ２は、それぞれガス中の二酸化炭素、窒素、酸素の含有量（体積百分率）である。なお、Ｓ１、ｆ１、α１の具体的数値についてはガス事業法に示されている。
【００２１】
ＷＩとＭＣＰによりガス機器の燃焼特性を表現することが可能となる。図４はこれを概念的に示すものであり、ガス機器の互換域を示している。機器の互換域とは、全てのガス機器について不完全燃焼、バック、リフト等に関して良好燃焼域を求め、これらの限界線で囲まれた部分をいう。同図において▲１▼は不完全燃焼限界、▲２▼はリフト限界、▲３▼はバック限界、▲４▼は赤外線バーナ赤熱限界、▲５▼は赤外線バーナバック限界を示している。互換域内であれば供給ガスの組成が変動しても、全てのガス機器を良好に燃焼させることができる。
【００２２】
ガス事業法ではこのような理論に基づいてガスグループを定めている。他方、同法は、ＷＩ、ＭＣＰが一定の範囲内にある限り、都市ガスの組成については規制していない。従って、都市ガスに水素ガスを添加して供給する場合においても、都市ガス中の水素濃度を各ガス種について定められたＷＩ及びＭＣＰの範囲内に制御すれば、当該ガス種に適合する機器の燃焼性が確保される。
【００２３】
請求項５の発明は、水素ガスと炭化水素系ガスとを含む混合ガスを需要家群に供給する導管ネットワークを備えて成り、前記需要家群は混合ガス中の水素ガスを分離するための水素ガス分離手段と、分離後ガスを導管ネットワークに戻入するための分離後ガス戻入手段とを備えた第一の需要家群と、混合ガス中の水素ガスを分離するための水素ガス分離手段と、分離された水素ガスを導管ネットワークに戻入するための水素ガス戻入手段とを備えた第二の需要家群と、を含むことを特徴とする都市ガス供給システムを提供する。
【００２４】
ここに、「水素ガス分離手段」としては水素分離膜を備えた装置を用いることができる（請求項８）。水素分離膜の材質としては公知のパラジウム、パラジウム合金膜、高分子膜等を用いることができる。「水素ガス分離手段」としては水素分離膜以外にもＰＳＡ（Pressure Swing Absorption）装置を用いることもできる。なお、水素ガス分離手段として燃料電池の水素極を用いることもできる
また、上記水素ガス分離手段は、分離後ガスのウオッベ指数と燃焼速度指数とをそれぞれ所定の範囲内の値に制御する分離制御手段を備えたものとすることができる（請求項９）。
【００２５】
このような手段を用いることにより、分離後ガスの燃焼性を所定の範囲内に維持することが可能となり、燃焼域が極端に狭い既存の都市ガス燃焼機器についても、安定燃焼を確保することが可能となる。
【００２６】
請求項６の発明は上記発明において、第一の需要家群は、分離された水素ガスを貯蔵するための水素ガス貯蔵手段を備えた需要家を含んで成ることを特徴とする都市ガス供給システムを提供する。
【００２７】
また、請求項７の発明は上記発明において、第二の需要家群は、分離後ガスを貯蔵するための分離後ガス貯蔵手段を備えた需要家を含んで成ることを特徴とする都市ガス供給システムを提供する。
【００２８】
請求項１０の発明は、上記水素ガス分離手段を備えたことを特徴とするガスメータを提供する。
【００２９】
都市ガスのガスメータにはマイコンが搭載されているため、ガスメータに水素分離膜のような水素ガス分離手段を設けることにより、水素分離量を制御してウオッベ指数（ＷＩ）と燃焼速度指数（ＭＣＰ）を所定の範囲に制御することができる。また、ガスメータ中に各種センサーを設けることができ、水素ガス分離手段をコンパクト化、コストダウンを図ることが可能となる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して具体的に説明する。ここで、図面において同一構成には同一の符号を付し、重複説明を省略する。また、以下の実施の形態は例示であって、本発明の範囲は各実施の形態に限定されるものではない。
【００３１】
図1は、本実施の形態に係る都市ガス製造供給システムを示す図である。図１において都市ガス製造供給システム１は、都市ガス製造工場２、導管３ａ乃至３ｃより構成される導管ネットワーク３、都市ガス製造工場２と導管ネットワーク３とを結ぶパイプライン１２、導管ネットワーク３に接続する需要家４ａ乃至４ｃを含んで構成されている。実際の製造供給システムにおいては、これ以外にも昇圧器、付臭装置、ガスホルダー、ガバナー、ガスメータ等、他の製造供給設備が存在するが、図では省略してある。
【００３２】
まず、都市ガス製造工場２の構成について説明する。都市ガス製造工場２は、１３Ａガスと水素を混合した混合ガスを製造する工場であり、ＬＮＧタンク７、ＬＰＧタンク６、気化装置９、水素ガス貯蔵装置１０を主構成とする。
【００３３】
次に導管ネットワーク３の構成について説明する。導管３ｂには需要家４ａ乃至４ｃが接続されており、都市ガス製造工場２から供給される都市ガスを利用できるように構成されている。導管３ａ乃至３ｃには多数の需要家が接続されているが、煩雑を避けるため３需要家のみ例示してある。
【００３４】
需要家４ａは燃料電池１６ａを備えており、さらに燃料電池１６ａに水素ガスを供給するための水素分離装置１５ａを備えている。都市ガスは導管３ｂから分岐され、配管１３ａ、１７ａを介して水素分離装置１５ａに導かれるように構成されている。なお、配管１３ａ経路中にはガスメータが設置されているが、簡単のため省略してある。水素分離装置１５ａの下流側には水素貯蔵装置２１が備えられている。水素貯蔵装置２１内部には水素貯蔵合金が充填されており、分離された水素ガスの一部を貯蔵するように構成されている。
【００３５】
需要家４ｂは、需要家４ａと同様に燃料電池１６ｂ、水素分離装置１５ｂを備えている。需要家４ｂが需要家４ａの構成と異なる点は、都市ガス利用機器として、燃料電池１６ｂの他に既存の１３Ａガス専用ガス機器１８及び１９を備えていることである。既存の１３Ａガス専用ガス機器としては、例えば給湯器、ガステーブル、ガスファンヒータ等の機種がある。
【００３６】
次に需要家４ｃの構成について説明する。需要家４ｃが需要家４ａ、４ｂと異なる点は、燃料電池を備えていないことである。さらに需要家４ｃにおいては、水素分離装置がガスメータ２２内部に搭載されている点が他の需要家と異なっている。すなわち、図２において、ガスメータ２２は通常の流量計測手段（図示せず）に加えて水素分離装置１５ｃ、制御装置２３、水素濃度センサー２４を内蔵している。また、配管１７ｃの経路中に真空ポンプ２５を備えている。さらに、ガス機器２０が、燃焼互換性域が狭い機器（例えばガラス加工用バーナ）である点についても他の需要家と異なっている。以上が都市ガス製造供給システム１の構成である。
【００３７】
次に、本実施の形態における都市ガス製造供給方法について説明する。まず、製造工場２における１３Ａ都市ガスと水素ガスの混合及び都市ガスの供給について説明する。ＬＮＧタンク７から配管７ａを介して供給されるＬＮＧと、ＬＰＧタンク６から配管６ａを介して供給されるＬＰＧは、混合部８において所定の混合比で混合され、さらに気化装置９でガス体となって１３Ａガスが製造される。さらに混合器１１で水素ガス貯蔵装置１０から供給される水素が混合される。水素ガスの混合量は、需要家における水素ガスと１３Ａガスの使用実績に基づいて予め決定されている。調整された水素混合都市ガスは、導管１２を介して導管ネットワーク３に供給される。供給圧力は任意の値を選択しうるが、従来の都市ガスと同様に高圧（１ＭＰａ以上）、中圧（０．１ＭＰａ以上、１ＭＰａ未満）、低圧（０．１ＭＰａ未満）の３段階とすることもできる。
【００３８】
次に、需要家４ａにおける都市ガス中の水素分離及び炭化水素系ガスを主成分とするガス（分離後ガス）の導管ネットワークへの戻入について説明する。導管３ｂ内を流れる水素混合都市ガスは、水素分離装置１５ａ内に設けられた真空ポンプ（図示せず）により吸引され、配管１３ａを経由して水素分離装置１５ａに供給される。水素分離装置１５ａ内部には水素分離膜（図示せず）が設けられており、混合ガス中の水素ガスは分離膜を通過して、さらに配管１７ａを介して燃料電池１６ａに供給される。また、燃料電池１６ａが稼動停止している場合、又は稼動負荷が小さい場合等には、分離された水素ガスは水素分離装置１５ａの下流側に設けられた水素貯蔵装置２１に貯蔵される。そして、燃料電池１６ａが稼動した場合には、貯蔵された水素ガスが優先的に利用される。
【００３９】
一方、水素ガス以外のメタン、プロパン等の成分は分離膜を通過することなく、ガス配管１４ａを介して導管３ｂに戻入される。なお、導管３ｂへの戻入には必要に応じて昇圧装置等を介して行うこともできる。
【００４０】
次に需要家４ｂにおける都市ガス利用形態について説明する。水素分離及び導管ネットワークへの戻入については、需要家４ａと同一であるので省略する。需要家４ｂにおいては、さらにガス配管１４ｂにより導管３ｂに戻入される分離後ガスの一部が、ガス配管２１を介してガス機器１８，１９に導かれる。分離後ガスは１３Ａガスであるため、既存のガス機器１８，１９は正常に燃焼する。
【００４１】
なお、上記実施の形態では分離された水素ガスを燃料電池１６ａに供給しているが、供給されるガスが燃料電池１６ａの水素極（図示せず）の白金触媒を被毒させる成分、例えばＣＯを含まない場合には、水素分離装置を置かずに直接、都市ガスを燃料電池に供給することもできる。水素極において水素ガスのみが選択的にイオン化して電解質を通過し、他の成分は残留するから、残留ガス成分を導管３ｂに戻入することにより上記と同様な機能を果たすことができる。この場合には、燃料電池１６ａの水素極（図示せず）が水素分離装置として機能することになる。
【００４２】
また、水素貯蔵装置２１についても、水素分離供給量が確保できれば必ずしも設置する必要はない。
【００４３】
次に需要家４ｃにおける都市ガス利用形態について説明する。図２において、導管３ｂから分岐された都市ガスは、配管１３ｃを経由して水素分離装置１５ｃに導かれる。混合ガス中の水素ガスは、水素分離装置１５ｃ内部の水素分離膜（図示せず）を通過して配管１７ｃを介して再度、導管３ｂに戻入される。
【００４４】
一方、分離後ガスは配管１４ｃを通過する際に水素濃度センサー２４においてガス中に残存する水素濃度が計測される。計測データは制御装置２３に送られ、ここで分離後ガスのウオッベ指数（ＷＩ）と燃焼速度指数（MＣＰ）が計算され、ガス機器２０の良好燃焼範囲に入っているかが判断される。良好燃焼域から外れるおそれがある場合には真空ポンプ２５の能力を変化させ、水素分離レベルを調節してガス機器２０の良好燃焼域に収まるように制御される。
【００４５】
なお、需要家４ｃにおいては、水素分離装置１５ｃ、制御装置２３、流量制御弁２５、水素濃度センサー２４はガスメータ２２内部に搭載されているが、これらを独立に備えることも可能である。
【００４６】
図３は、本発明の他の実施の形態を示す図である。本実施の形態は、水素利用機器と既存の都市ガス利用機器とのバランスが水素利用機器側に傾き、導管末端で水素ガスが不足気味となる場合に適した実施形態である。本実施の形態が上述の実施の形態と異なる点は、本実施の形態に係る都市ガス製造供給システム５０は、導管３ｂの末端部に水素ガスホルダー２６を備えている点である。その他の構成については上述の実施の形態と同一である。都市ガスの製造供給方法、各需要家における都市ガスの利用形態についても同様である。なお、水素ガスホルダー２６に替えて液化水素を貯蔵するものであってもよい。
【００４７】
導管３ｂに接続される需要家が消費する水素、１３Ａガス量情報は、需要家に設置されているガスメータ（図示せず）において把握できるため、これらの情報に基づいて水素ガスホルダー２６の設置ポイントが決定される。そして、所定のインターバルで導管３ｂに水素ガスが供給される。
【００４８】
なお、水素ガスホルダー２６は移動式のものであってもよい。この場合、所定の時間間隔で導管中の複数のポイントにおいてガス成分分析を行い、水素ガスホルダー２６の設置ポイントを定めることができる。
【００４９】
なお、本実施の形態は導管末端で水素ガスが不足気味となる場合の実施の形態であるが、逆に需要家における水素利用機器が少なく導管末端で１３Ａガスが不足となる場合については、水素ガスホルダーに替えて１３Ａガスホルダーを設置してもよい。さらに、ＬＮＧタンク、ＬＰＧタンクを設置して、オンサイトで１３Ａガスを製造するタイプとしてもよい。
【００５０】
上記各実施の形態では、１３ＡガスはＬＮＧにＬＰＧを添加して製造するタイプを示したが、これに限らずパイプラインからメタンをストレート供給するタイプのものとすることもできる。さらに、都市ガスは１３Ａガスに限らず、他のガス種に水素を混合するものであってもよい。
【００５１】
【発明の効果】
本発明によれば、既存の都市ガスに任意の混合比で水素ガスを混合して供給することができるため、将来予想される水素ガス供給への円滑な移行が可能となる。
【００５２】
また、各需要家には、それぞれが所有する機器の燃焼域に対応したガスを供給できるため、機器の互換性を考慮することなく、都市ガスの供給が可能となる。
【００５３】
また、既存の導管ネットワークを利用して、水素ガスを直接、燃料電池システムに供給できるため、燃料電池に改質装置を併設する必要がなくなり、燃料電池システムの小型化が可能となる。さらに改質装置が不要となるため、燃料電池のクイックスタートが可能となるという効果もある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る都市ガス製造供給システムの実施の形態を示す図である。
【図２】本発明に係るガスメータを示す図である。
【図３】本発明に係る都市ガス利用需要家の設備構成例を示す図である。
【図４】ガス機器の互換域の概念を示す図である。
【符号の説明】
１……都市ガス製造供給システム、２……都市ガス製造工場、３……導管ネットワーク、３ａ・３ｂ・３ｃ……導管、４ａ・４ｂ・４ｃ……需要家、６……ＬＰＧタンク、７……ＬＮＧタンク、８……混合装置、９……気化装置、１０、２６……水素ガスホルダー、１２……パイプライン、１５ａ・１５ｂ・１５ｃ……水素分離装置、１６ａ・１６ｂ……燃料電池、１８・１９・２０……既存ガス機器、２２…ガスメータ、２３……水素分離制御装置、２４……水素濃度センサー、２５……真空ポンプ

Claims

水素ガスと炭化水素系ガスとを含む混合ガスを、導管ネットワークを介して需要家群に供給する都市ガス供給方法であって、
前記需要家群中の一部需要家（以下、第一の需要家群という）においては、前記混合ガス中の水素ガスを分離して、水素ガスを使用するとともに、
分離後の炭化水素系ガスを主成分とするガス（以下、分離後ガスという）を前記導管ネットワークに戻入し、かつ、
前記需要家群中の他の一部需要家（以下、第二の需要家群という）においては、前記混合ガス中の水素ガスを分離して、分離後ガスを使用するとともに、分離された水素ガスを前記導管ネットワークに戻入する、
ことを特徴とする都市ガス供給方法。
前記導管ネットワーク内の所定の箇所において、水素ガスを補充供給することを特徴とする請求項１に記載の都市ガス供給方法。
前記導管ネットワーク内の所定の箇所において、炭化水素系ガスを補充供給することを特徴とする請求項１に記載の都市ガス供給方法。
前記第二の需要家群中の少なくとも一部の需要家において、分離後ガスのウオッベ指数と燃焼速度指数とを、それぞれ所定の範囲内の値になるように、水素ガスの分離を制御することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかにに記載の都市ガス供給方法。
水素ガスと炭化水素系ガスとを含む混合ガスを需要家群に供給する導管ネットワークを備えて成り、前記需要家群は、
前記混合ガス中の水素ガスを分離するための水素ガス分離手段と、分離後ガスを前記導管ネットワークに戻入するための分離後ガス戻入手段と、を備えた第一の需要家群と、
前記混合ガス中の水素ガスを分離するための水素ガス分離手段と、分離された水素ガスを前記導管ネットワークに戻入するための水素ガス戻入手段と、を備えた第二の需要家群と、
を含んで成ることを特徴とする都市ガス供給システム。
前記第一の需要家群は、分離された水素ガスを貯蔵するための水素ガス貯蔵手段を備えた需要家を含んで成ることを特徴とする請求項５に記載の都市ガス供給システム。
前記第二の需要家群は、分離後ガスを貯蔵するための分離後ガス貯蔵手段を備えた需要家を含んで成ることを特徴とする請求項５又は６のいずれかに記載の都市ガス供給システム。
前記水素ガス分離手段は、水素分離膜を備えて成ることを特徴とする請求項５乃至７のいずれかに記載の都市ガス供給システムに用いるための水素ガス分離手段。
前記水素ガス分離手段は、分離後ガスのウオッベ指数と燃焼速度指数とを、それぞれ所定の範囲内の値に制御する分離制御手段を備えて成ることを特徴とする請求項５乃至８のいずれかに記載の都市ガス供給システムに用いるための水素ガス分離手段。
請求項８又は９に記載の水素ガス分離手段を備えたガスメータ。