(57)【要約】【課題】  液化水素等の液化燃料の遠距離搬送および貯量技術を改良し、液化燃料自体が有するエネルギーの損失を最小限にとどめつつ、低温の液化燃料を効率的に搬送することができる液化燃料搬送システムを提供する。【解決手段】  液化燃料の搬送管路１に、流速が０．５ｍ／ｓ以下となるガスセパレータ１１を配置し、ガスセパレータ１１において液化燃料と液化燃料から気化した燃料ガスとを分離し、ガスセパレータ１１の上部に取出管１８と開閉弁１９を備え、開閉弁１９を開くことで気化した燃料ガスを取出管１８より取出すようにした。ガスセパレータ１１に液面計１６を備え、液面計１６により検出した液化燃料の液面位置に対応して開閉弁１９の開閉を制御することが好ましい。【選択図】図３
2005140173.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液化燃料の搬送管路に、流速が０．５ｍ／ｓ以下となるガスセパレータを配置し、該ガスセパレータにおいて前記液化燃料と該液化燃料から気化した燃料ガスとを分離し、前記ガスセパレータの上部に取出管と開閉弁を備え、該開閉弁を開くことで前記気化した燃料ガスを前記取出管より取出すようにしたことを特徴とする液化燃料搬送システム。
【請求項２】
前記ガスセパレータに液面計を備え、該液面計により検出した前記液化燃料の液面位置に対応して前記開閉弁の開閉を制御するようにしたことを特徴とする請求項１記載の液化燃料搬送システム。
【請求項３】
前記取出管より取出したガス成分の多い液化燃料を、燃料電池に供給するようにしたことを特徴とする請求項１記載の液化燃料搬送システム。
【請求項４】
前記ガスセパレータは、前記液化燃料の搬送管との接続部から緩やかに拡大する拡大部を備えたことを特徴とする請求項１記載の液化燃料搬送システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液化燃料搬送システムに係り、特に燃料電池の燃料として用いられる水素ガスを液化した液化燃料、或いは液化天然ガス等を、パイプライン（液化燃料の搬送管路）を用いて輸送する液化燃料搬送システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
水素ガスは燃焼しても全て水蒸気となるため炭酸ガスが発生せず、二酸化炭素による地球温暖化を防止する最良の無公害エネルギー源と考えられる。近年、エネルギー効率が４０〜６０％の燃料電池の製品化が近づいており、自動車用の駆動源として燃料電池を用いることが検討されている。しかしながら、水素を生産地から需要先まで搬送する手段の解決が大きな課題となり、利用が進んでいないのが実情である。エネルギー源としての水素をガスとして輸送する場合も液体として輸送する場合も、超高圧や超低温の輸送容器の製造が困難であり、パイプラインで輸送する場合にはさらにその設置コストが莫大なものとなる。水素がその無公害性の特徴を発揮できる最良の適用分野は燃料電池を搭載した自動車用と考えられるが、任意の場所で補給可能な大量の水素の配送、貯蔵技術、その経済的な設置方法についての妥当な解決策はまだ提案されていない。
【０００３】
液化燃料は水素ガスを圧縮し、冷却することにより製造される。この液化のための工程に投入されるエネルギーが大きいため、その利用が進んでいない側面がある。液化燃料（−２５３℃）をただ単に燃焼だけに利用する場合、顕熱、潜熱、燃焼のほんの１部のみ（主として燃焼のみ）の使用のため、液化のために投じたエネルギーの十分な回収がなされないこととなり、全体系のエネルギー効率が低いものとなり有効なエネルギー利用とは言えなかった。
【０００４】
たとえば、ガスパイプラインにガスを送るために、低温液をポンプにて適当な圧まで加圧の後に、大量の海水を汲み上げ（海水ポンプ）、低温液を海水によってほぼ常温近くまで昇温ガス化していた。また所内の各機器から発生するガス、タンクで発生するガス等はフレアースタックで何ら利用されることなく大量に燃焼消費されている。
【０００５】
ところで、超低温の冷媒により超伝導材料からなる電力線を冷却する超伝導ケーブルが知られている。このような超伝導ケーブルにおいては、超低温の冷媒は単に冷熱源として用いられているだけであるが、電力を長距離輸送する都合から、ケーブルを複数の区間に分割し、各区間毎に冷媒を冷却すると共に次の区間にポンプにより加圧して冷媒を送出する超伝導ケーブル線路が知られている（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００２−５６７２９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は上記事情に鑑みて為されたもので、液化水素等の液化燃料の遠距離搬送および貯量技術を改良し、液化燃料自体が有するエネルギーの損失を最小限にとどめつつ、超低温の液化燃料を効率的に長距離搬送することができる液化燃料搬送システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の液化燃料搬送システムは、液化燃料の搬送管路に、流速が０．５ｍ／ｓ以下となるガスセパレータを配置し、該ガスセパレータにおいて前記液化燃料と該液化燃料から気化した燃料ガスとを分離し、前記ガスセパレータの上部に取出管と開閉弁を備え、該開閉弁を開くことで前記気化した燃料ガスを前記取出管より取出すようにしたことを特徴とするものである。
【０００８】
超低温の液化燃料のパイプラインにおいては、液化燃料の搬送管路に局部的に生じる入熱等により液化燃料から気化した燃料ガス（ボイルオフガス）が発生する。この気化した燃料ガスの液化燃料に対する比率が増大すると、気液混合相が形成され、搬送管路内の圧力が上昇し、搬送中の液化燃料の圧力損失がさらに増大し、入熱量が増大し、ますます気化した燃料ガスの比率が増大することになる。このため、本発明においては搬送管路に流速が０．５ｍ／ｓ以下となるガスセパレータを配置することで、液化燃料と該液化燃料から気化した燃料ガスとを分離することができる。そして、分離した燃料ガスを取出管より開閉弁を開いて外部に取出すことで、搬送管路中に気化した燃料ガス成分を殆ど含まない状態で、ガスセパレータから液化燃料を送出することができる。これにより、液化燃料、たとえば液化水素（−２５３℃）を、遠距離のパイプライン（搬送管路）を用いて、気化した燃料ガス成分を除去しつつ効率的に搬送することが可能となる。なお、ガスセパレータから取出した燃料ガスは、燃料電池等によりその有するエネルギーを有効利用することができる。
【０００９】
ここで、前記ガスセパレータに液面計を備え、該液面計により検出した前記液化燃料の液面位置に対応して前記開閉弁の開閉を制御することが好ましい。これにより、ガスセパレータの上部に貯まる燃料ガス成分を有効に取出すことができる。
【００１０】
また、ガスセパレータは、前記液化燃料の搬送管との接続部から緩やかに拡大する拡大部を備えることが好ましい。これにより、緩やかに液化燃料の流速を低減することができ、有効に気化した燃料ガス成分をガスセパレータ上部の気化ガス層に貯留することができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、液体水素等の超低温の液化燃料のパイプラインによる効率的な長距離搬送が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、各図中、同一の機能を有する部材または要素には同一の符号を付して、その重複した説明を省略する。
【００１３】
図１は、本発明の一実施形態の液化燃料搬送システムを示す。この実施形態においては、液化水素や液化天然ガス等の液化燃料を輸送する断熱されたパイプライン（搬送管路）１が、パイプライン入口ステーション２とパイプライン出口ステーション３との間に敷設されている。入口ステーション２および出口ステーション３の間には、多数の接続部４を介して加圧冷却ステーション５が接続されている。ここで、加圧冷却ステーション５は、パイプライン１中を流れる液化燃料が管路の摩擦熱等により加温され、また送出圧力が徐々に減少するので、パイプライン１を流れる液化燃料を一旦取出して、冷却および加圧して再送出するためのものである。パイプライン１としては、例えば超電導送電線等に用いられる断熱構造を有する管路が用いられる。
【００１４】
このような断熱構造を有する管路をパイプライン（搬送管路）１として用いる場合には、加圧冷却ステーション５およびその接続部４の配置は、管路への入熱や摩擦損失を考慮すると、例えば約１ｋｍ乃至数ｋｍ毎に行うことが好適である。ここで、ステーション２は、液化水素製造プラント等により製造した液化水素等の液化燃料を送出するステーションの役割を果たし、ステーション３はパイプライン１により送られてきた液化燃料を受け取り、各需要家に供給する役割を果たす。なお、液化燃料製造プラントはステーション２の内部に設けてもよく、また外部に設け、車両等により外部の液化燃料製造プラントで製造した液化燃料をステーション２に搬送し、ステーション２からパイプライン１に送出するようにしてもよい。
【００１５】
搬送管路１中を流れる液化水素等の液化燃料は、断熱された加圧状態にあるので、基本的には液体の状態が維持されるが、搬送管路における管路壁面との摩擦等により加圧状態といえども局所的にガスの発生が存在する。すなわち、図２（ａ）（ｂ）は、加圧液の状態を示す圧力（Ｐ）−エンタルピ（ｉ）線図である。ここで状態“０”は飽和液の状態であり、状態“１”は、ポンプ加圧後の処理状態であり、状態“２”は、パイプラインを流れるにつれての入熱および圧力損失にて変化した状態点をそれぞれ示している。
【００１６】
図２（ａ）は管路中を流れる液化燃料の平均的な状態を示す。搬送される液化燃料がパイプラインを流れるにつれて、多少の入熱および圧力損失が生じて圧力Ｐが低下し、またエンタルピｉが増加する。しかしながら、平均的な状態として見た場合には状態“２”は液相にあり、ガス化は認められない状態を示している。これに対して、図２（ｂ）は管路中を流れる液化燃料は管路外部からの入熱により、エンタルピｉが増大する部分が局部的に発生する。従って、管路を流れる液化燃料は局部的に状態“２”となり、気液混合相に入り、気化ガスが発生する。
【００１７】
そして、ガス化した成分が増大し、気相と液相が混在すると、気液混合相となり圧力が上昇し、搬送損失が増大する。すなわち、気体部分の存在により液体部分の圧力が更に低くなり、搬送管路を流れる液が、ますますガス化しやすい状況になっていく。このようなガス化した成分を取り除くため、搬送管路１にはガス化した成分を取り除くためのガスセパレータ１１が配置されている。このガスセパレータ１１は、パイプライン１中の加圧冷却ステーション５の接続部４に近い部分に設けられることが好ましい。これにより、ガスセパレータ１１で気化したガス成分を取り除き、ガス成分を殆ど含まない状態で、加圧冷却ステーション５に導入し、液化燃料を加圧および冷却して再度、パイプライン１に送出することができる。
【００１８】
図３は、搬送管路に配置したガスセパレータの概要を示す。ガスセパレータ１１は、例えば搬送管路１が１５ｃｍφ程度の直径であるとすると、例えば内径１００ｃｍφ程度の拡大部を有する拡大流路である。これにより、搬送管路１内を流れる液化燃料の流速が数ｍ／ｓ（秒）である場合では、ガスセパレータ１１の内部では、流速は面積比に反比例するので、０．１〜０．２ｍ／ｓ（秒）となる。なお、ガスセパレータ１１は気化ガスを分離して取出すためのものであるので、セパレータ内部の流速が０．５ｍ／ｓ（秒）以下となることが好ましい。
【００１９】
一般的に、気化したガス成分の上昇速度は０．５ｍ／ｓ（秒）以下程度と考えられる。このため、ガスセパレータ内部の流速を少なくとも０．５ｍ／ｓ（秒）以下に抑えることで、効率的に気化したガス成分をガスセパレータ上部のガス層領域（ガス貯留部）１２に集めることができる。したがって、ガスセパレータ１１の内部では上部にガス層領域１２とその下部に液体層領域１３とが形成され、気液分離層が形成される。
【００２０】
ガスセパレータ１１には、バルブ１４，１５を介して液面計１６が取り付けられている。そして、ガスセパレータ１１の上部には取出管１８が備えられ、ガス化した成分を外部に取出すようになっている。すなわち、取出管１８には開閉弁１９が配置され、この開閉弁１９はコントローラ２０からの信号により開閉するようになっている。液面計１６の液面位置を示す信号がコントローラ２０に入力され、コントローラ２０では液面計の液面位置信号に基づいて開閉弁１９を制御する。
【００２１】
したがって、液体層領域１３において気化したガス成分が、ガスセパレータ１１の上部のガス層領域（ガス貯留部）１２に溜まっていくと、液面位置が徐々に低下していく。そして、所定位置まで低下すると、この信号をコントローラ２０が受けて、開閉弁１９を開く。これによりガスセパレータ１１内部のガス層領域（ガス貯留部）１２に貯留されたガス成分が取出管１８を介して外部に取出される。ガス成分が取出されると、これに対応して液面位置が上昇していく。そして、貯留されたガス成分が十分に取出され、液面位置が所定位置まで上昇すると、コントローラ２０はこの液面位置検出信号を受けて開閉弁１９を閉じる。
【００２２】
このようにして、ガスセパレータ１１においては、その内部に貯留されたガス成分を定期的に外部に排出することができ、ガス成分が取り除かれた液化燃料が再び搬送管路１を通り、目的地に向けて移送されていく。そして、ガスセパレータ１１を通過した液化燃料はガス成分を殆ど含まないので、気液分離層の形成に伴う圧力損失の増大を防止でき、スムーズな液化燃料の搬送を行うことが可能となる。なお、開閉弁１９の制御は、液面位置を一定に保つように弁開度をアナログ的に制御してもよい。
【００２３】
つぎに、図４を参照して取出管より取出した気化ガス（液相成分を含む）の利用について説明する。まず、開閉弁１９を介して取出管１８から取出された気化ガス（液相成分を含む）は気液混合貯槽２１に貯留される。そして、気液混合貯槽２１は、配管２２および開閉弁２３を介して気化器２４に接続され、気化器２４において低温の燃料ガスは水と熱交換され常温の燃料ガスとなる。ここで、低温の燃料ガスを加温する冷媒は熱交換により低温となり、冷熱の需要家に供給され、冷暖房等の冷熱源として利用される。また、当然気化器は大気を高熱源としてもよい。
【００２４】
常温となった燃料ガスは必要に応じて加圧され、燃料電池２５に導入される。燃料電池２５では水素ガスと空気中の酸素ガスとが反応し、発電が行われ、得られた電力はＤＣ／ＤＣコンバータおよびインバータ２８等を介して交流電源系統等に送出される。そして、余剰電力が蓄電装置２７に蓄えられる。ここで、燃料電池の排熱は気化器２４に加温源として導入され、低温の気化ガス（液相成分を含む）の加温に利用することが好ましい。また、燃料ガスは開閉弁２９，３１を開き、開閉弁３０を閉じることで、燃料電池２４とは別の外部へのラインに供給される。このラインでは、燃料ガスは例えば水素ガスステーションから燃料電池搭載自動車に充填され、自動車の燃料ガスとして利用することも可能である。また、気化器２４で１部または全部気化したガスは燃料電池の排熱を利用し常温まで加温し、燃料電池に供給することが可能である。
【００２５】
また、燃料電池２５には燃料電池の運転に必要なガス量を算出する演算装置２６を備え、上記コントローラ２０に情報を送出し、これによりガスセパレータ１１から供給するガス量を開閉弁１９の操作により調整するようにしてもよい。
【００２６】
このようにガスセパレータ１１により取出した気化ガス成分を燃料電池２５の燃料として用いることで、搬送管路１中において生じるボイルオフガス成分を有効に利用することができる。そして、搬送管路中を流通する液化燃料から気化したガス成分が取り除かれるので、搬送管路中における気液混合相の存在に伴う液化燃料の実質上の通路が狭くなって搬送損失が増大し、送出圧力が低下することを防止することができる。
【００２７】
図５は、本発明の他の実施形態のガスセパレータを示す。このガスセパレータ１１は、搬送管路１との接続部から緩やかに拡大する拡大部３２を備え、搬送管路１から滑らかに流路断面積を増加するように形成されている。これにより、緩やかに液化燃料の流速を低減することができ、有効に気化した燃料ガス成分をガスセパレータ上部のガス層領域（ガス貯留部）１２に貯留することができる。
【００２８】
なお、パイプライン１としては、例えば超伝導材料の送電線（超伝導ケーブル）を断熱構造の管路に収容したものを用いることができる。この場合には、超伝導ケーブルは超伝導材料である送電線を冷却するための極低温の冷却媒体中に配置されるようになっており、管路の外部に対して十分な断熱構造が得られる。そして、冷却媒体の流通路をそのまま液化燃料の輸送路として用いるとともに、電力の輸送路として用いることができる。
【００２９】
また、上記実施形態においては、主として液化水素の場合について説明したが、液化天然ガスの場合等にも、勿論同様に適用が可能である。なお、液化天然ガスのボイルオフガスを燃料電池の燃料として用いる場合には、改質装置を用いて水素ガスに変換することが必要である。
【００３０】
なお、上記実施形態は本発明の実施例の一態様を述べたもので、本発明の趣旨を逸脱することなく種々の変形実施例が可能なことは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の一実施形態のパイプラインの構成例を示す図である。
【図２】搬送管路中の液化燃料の状態例を示す圧力（Ｐ）−エンタルピ（ｉ）線図であり、（ａ）は平均的な状態を示す図であり、（ｂ）は局部的な状態を示す図である。
【図３】図１に示すガスセパレータの構造例を示す図である。
【図４】ガスセパレータから取出された気化ガスの利用例を示すブロック図である。
【図５】本発明の他の実施形態のガスセパレータの構造例を示す図である。
【符号の説明】
【００３２】
１    パイプライン(搬送管路)
２    パイプライン入口ステーション
３    パイプライン出口ステーション
４    接続部
５    加圧冷却ステーション
１１    ガスセパレータ
１２    ガス層領域（貯留部）
１３    液体層領域
１４，１５    バルブ
１６    液面計
１８    取出管
１９    開閉弁
２０    コントローラ
２１    気液混合貯槽
２２    配管
２３，２９，３０，３１    開閉弁
２４    気化器
２５    燃料電池
２６    演算装置
２７    蓄電装置
２８    インバータ
３２    拡大部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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