(57)【要約】      （修正有）【課題】繰り返し使用しても貯蔵量が低下しない吸着式天然ガス燃料貯蔵装置を提供する。【解決手段】天然ガス貯蔵用タンクに、天然ガス供給口１１および天然ガス排出口１２を備えた吸着式天然ガス燃料貯蔵装置であって、天然ガス貯蔵用タンクは、最大細孔径を有する吸着材が充填された第１タンク３１、第１タンクに充填された吸着材に次ぐ細孔径を有する吸着材が充填された第２タンク３２、第２タンクに充填された吸着材に次ぐ細孔径を有する吸着材が充填された第３タンク３３、および最小細孔径を有する吸着材が充填された第４タンク３４を備え、天然ガス供給口および天然ガス排出口側から順に第１タンク、第２タンク、第３タンク、および第４タンクがガス通路を介して直列に接続されている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
天然ガス貯蔵用タンクに、天然ガス供給口および天然ガス排出口を備えた吸着式天然ガス燃料貯蔵装置であって、
上記天然ガス貯蔵用タンクは、最大細孔径を有する吸着材が充填された第１タンク、上記第１タンクに充填された吸着材に次ぐ細孔径を有する吸着材が充填された第２タンク、上記第２タンクに充填された吸着材に次ぐ細孔径を有する吸着材が充填された第３タンク、および最小細孔径を有する吸着材が充填された第４タンクを備え、
上記天然ガス供給口および上記天然ガス排出口側から順に上記第１タンク、上記第２タンク、上記第３タンク、および上記第４タンクがガス通路を介して直列に接続されていることを特徴とする吸着式天然ガス燃料貯蔵装置。
【請求項２】
前記第１タンク、前記第２タンク、および前記第３タンクのそれぞれに加熱手段を設けたことを特徴とする請求項１に記載の吸着式天然ガス燃料貯蔵装置。
【請求項３】
前記第１タンク内部には細孔径ピークが１．１０〜１．３０ｎｍである活性炭が充填され、前記第２タンク内部には細孔径ピークが０．９５〜１．０５ｎｍである活性炭が充填され、前記第３タンク内部には細孔径ピークが０．７５〜０．８５ｎｍである活性炭が充填されていることを特徴とする請求項１または２に記載の吸着式天然ガス燃料貯蔵装置。
【請求項４】
前記各タンクおよび前記ガス通路の内径比は、２：１〜４０：１であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の吸着式天然ガス燃料貯蔵装置。
【請求項５】
前記吸着式天然ガス燃料貯蔵装置は、天然ガス自動車用燃料タンク装置であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の吸着式天然ガス燃料貯蔵装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、吸着式天然ガス燃料タンクに係り、特に、天然ガスに含まれる複数のガス成分（炭素数２以上）を効率よく吸着して貯蔵する燃料タンク構成に関する。
【背景技術】
【０００２】
天然ガスは、産地等によって多少異なる場合はあるが、一般にメタン約８８％、エタン約７％、プロパン約２％、ブタン約３％等を含む混合ガスである。この天然ガスを高密度で貯蔵する方法として、天然ガスを冷却して液化天然ガス（ＬＮＧ）として貯蔵する方法、高圧下で圧縮して圧縮天然ガス（ＣＮＧ）として貯蔵する方法等が知られている。
【０００３】
しかしながら、ＬＮＧとして貯蔵する方法においては、大規模な冷却設備を必要とするので、設備費や冷却に要する燃料費等のコストがかかるという問題があり、また、燃料タンクとして自動車等に搭載する用途においてはシステムが複雑となる。
【０００４】
一方、ＣＮＧとして貯蔵する方法においては、ＣＮＧのエネルギー密度がＬＮＧと比較して低いという問題があった。例えば２０ＭＰａ程度の圧力で圧縮したＣＮＧであっても、エネルギー密度はＬＮＧの１／３に過ぎない。現在、都市部に設置されているガス貯蔵設備における圧力は１ＭＰａ以下であるため、貯蔵密度はＬＮＧと比較して一層低く、大量の天然ガスを貯蔵するためには大規模な貯蔵設備を要し、その敷地確保が困難である。また、自動車等の燃料タンクの用途においても、搭載スペースが限られていることから、エネルギー密度の低さは致命的である。エネルギー密度を高めるためには、ＣＮＧの貯蔵圧力に耐えうる高圧容器や調圧弁等が必要となり、設備コストが著しく高くなるという問題があった。
【０００５】
このような問題に対し、タンク内に配された吸着材に天然ガスを吸着させて貯蔵し、使用時には吸着材から脱離させて供給する技術が提案された。この技術によれば、活性炭等に形成された細孔内にガス分子を吸着させるので、冷却または高圧で圧縮を行う必要がない。
【０００６】
しかしながら、上記技術においては、単一の活性炭を吸着材として使用し、すべての成分を吸着させていたので、活性炭に対する吸着力が強いブタン、プロパン、およびエタンといった高炭素数成分が活性炭に吸着されて脱離しなくなり、活性炭が目詰まりを起こすという問題があった。その結果、主要成分であるメタンの吸着量が低下し、繰り返しの使用に伴ってメタンガス貯蔵量が低下してしまう。
【０００７】
このような問題に対し、貯蔵タンク内に細孔径が異なる吸着材層を細孔径の大きい順に積層し、導入された天然ガスをそれぞれの層に分離して吸着させる貯蔵装置（例えば、特許文献１参照。）や、メタン以外の成分を吸着するための第１吸着容器およびメタンを吸着するための第２吸着容器を備え、さらにガスを脱離させるためのヒーターを備えた貯蔵装置（例えば、特許文献２参照。）等の技術が提案されている。
【０００８】
前者の貯蔵装置の模式図を図１に示す。この装置によれば、細孔径が異なる吸着材が順次積層されているので、導入された天然ガスがこれらの層を通過する際に、ブタン吸着材４１、プロパン吸着材４２、エタン吸着材４３、およびメタン吸着材４４に、各成分をそれぞれ吸着させることができる。また、後者の貯蔵装置によれば、メタン以外の吸着力の強い高炭素数成分を第１吸着容器に吸着させ、メタンのみを第２吸着容器に導入して吸着させることができる。
【０００９】
【特許文献１】特開２００３−２８３９７号公報（要約書）
【特許文献２】特開２００２−３２７８９７号公報（要約書）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、前者の貯蔵装置においては、図１に示すタンク中心部Ｃと周辺部Ｐとではガスの流速差が生じ、中心部Ｃおよび周辺部Ｐにおける吸着が不均一になってしまうという問題があった。また、後者の貯蔵装置においては、高炭素数成分とメタンの吸着容器が独立してはいるものの、複数のガス成分からなる高炭素数成分を一つの吸着容器によってトラップさせているため、メタン貯蔵量低下の原因となる高炭素数成分のトラップが不完全であったり、第１吸着容器が大型になるなどの問題を有していた。
【００１１】
本発明は、上記状況に鑑みてなされたものであり、繰り返し使用しても貯蔵量が低下しない吸着式天然ガス燃料貯蔵装置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】
【００１２】
本発明の吸着式天然ガス燃料貯蔵装置は、天然ガス貯蔵用タンクに、天然ガス供給口および天然ガス排出口を備えた吸着式天然ガス燃料貯蔵装置であって、天然ガス貯蔵用タンクは、最大細孔径を有する吸着材が充填された第１タンク、第１タンクに充填された吸着材に次ぐ細孔径を有する吸着材が充填された第２タンク、第２タンクに充填された吸着材に次ぐ細孔径を有する吸着材が充填された第３タンク、および最小細孔径を有する吸着材が充填された第４タンクを備え、天然ガス供給口および天然ガス排出口側から順に第１タンク、第２タンク、第３タンク、および第４タンクがガス通路を介して直列に接続されていることを特徴としている。
【００１３】
上記構成の本発明の吸着式天然ガス燃料貯蔵装置によれば、最大細孔径を有する吸着材が充填されている第１タンクにおいて、天然ガス成分中最も吸着力の強いブタンが特に吸着されやすい傾向があり、第１タンク内にてそのほとんどが吸着され、残りのプロパン、エタン、およびメタンは次の第２タンクへと導入される。同様にして第２タンク内ではほとんどのプロパンが選択的に吸着され、第３タンク内ではほとんどのエタンが選択的に吸着される。最後の第４タンクには微量の他成分（ブタン、プロパン、およびエタン）を含むメタンが導入される。結果として、各タンクに各成分ごとに均一に吸着を行うことができる。また、各タンク内には各成分を吸着するのに適した細孔径を有する吸着材が充填されているので、同一タンク内で複数のガス成分を吸着させる従来の貯蔵装置のように、目的外の成分の吸着による吸着材の目詰まりを起こすことがなく、使用を繰り返しても貯蔵容量が低下することがない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の吸着式天然ガス燃料貯蔵装置について、詳細に説明する。
図２に本発明の吸着式天然ガス燃料貯蔵装置の模式図を示す。図２において、符号１１は、外部から天然ガスを取り入れるための天然ガス供給口であり、符号１２は、貯蔵装置に蓄えられた天然ガスを外部のエンジン等に供給するための天然ガス排出口である。符号２１および２２は、それぞれ天然ガス供給口１１および天然ガス排出口１２の開閉を行うコックである。
【００１５】
天然ガス供給口１１および排出口１２側から順に、第１タンク３１、第２タンク３２、第３タンク３３、および第４タンク３４がガス通路１３を介して連続的に接続されている。それぞれのタンクには、ブタン吸着材４１、プロパン吸着材４２、エタン吸着材４３、およびメタン吸着材４４がそれぞれ充填されている。また、第１タンク３１、第２タンク３２、および第３タンク３３には、ヒーター５０が設けられている。
【００１６】
供給口開閉コック２１を開放し、排出口開閉コック２２を閉鎖した状態で天然ガス供給口１１から供給された天然ガスは、まず、最上流側に設けられた第１タンク３１に導入され、このタンクに充填されたブタン吸着材４１によって、吸着力の最も強いブタンが主として吸着される。残りの成分であるプロパン、エタン、およびメタンは、ブタンよりも吸着力が弱く、また、分子量も小さいことからブタン吸着材４１にはほとんど吸着されずにこのタンクを通過し、ガス通路１３を経由して次の第２タンク３２に導入される。このタンクではブタン吸着材４１に次ぐ細孔径を有するプロパン吸着材４２によって主としてプロパンが選択的に吸着されやすく、それより吸着力が弱く分子量の小さいエタンおよびメタンはガス通路１３を経由して次の第３タンク３３に導入される。このタンクではプロパン吸着材４２に次ぐ細孔径を有するエタン吸着材４３によって主としてエタンが選択的に吸着され、最後に残った成分であるメタンおよび微量の他成分（ブタン、プロパン、およびエタン）が第４タンク３４内のメタン吸着材４４に吸着される。
【００１７】
貯蔵された天然ガスを外部のエンジン等に供給する際は、供給口開閉コック２１を閉鎖し、排出口開閉コック２２を開放した状態でヒーター５０によって加熱を行う。ヒーター５０によって各タンクの吸着材を加熱することによって、吸着材に吸着されているガス成分が脱離し、天然ガス排出口１２から外部にガスが供給される。ヒーター５０としては、電気式ヒーターや、ラジエーター液の廃熱をを利用したものなど、特に限定されない。
【００１８】
本発明の吸着式天然ガス燃料貯蔵装置においては、各成分用のタンクが独立して設けられているので、同一タンク内で各ガスを吸着させる従来の貯蔵装置で生じていた不均一なガス流が解消されている。また、成分ごとに細孔径を調整した専用の吸着材が充填されているので、各成分、特に炭素数２以上の成分の吸着を確実に行うことができる。したがって、高炭素数成分が第４タンク（メタン用タンク）に流入することを抑制し、メタン用吸着材の目詰まりを防止することができ、結果として従来の貯蔵装置のように使用を繰り返しても貯蔵容量が低下することがない。
【００１９】
本発明の吸着式天然ガス燃料貯蔵装置を構成する各吸着タンクのうち、高炭素数成分（ブタン、プロパン、およびエタン）を吸着させる第１タンク３１〜第２タンク３３の詳細な構造図を図３に示す。図３に示すように、第１タンク３１〜第３タンク３３には、天然ガスの出入り口であるガス通路１３が接続されている。第１タンク３１〜第３タンク３３の内部は、隔壁６０によって複数の空間に区切られており、各空間には吸着材４１〜４３がそれぞれ充填されている。隔壁６０にはガスの流路となる穴が複数形成されている。隣り合う隔壁の穴は互いにオフセットされており、ガスが隔壁間を通過する時により多くガス分子が吸着材と接触するようになっている。また、向かい合う隔壁６０毎にヒーター５０を挟み込んで固定している。
【００２０】
隔壁の材質としては、アルミニウムや銅等に代表される熱伝導性が良好な金属や、ＳｉＣに代表されるセラミック等を用いることが好ましい。熱伝導性が良好であれば、ヒーターの熱を隔壁全体に伝わらせることができ、吸着材を均一に加熱することができる。結果として、高炭素成分の脱離に大きな効果を発揮する。
【００２１】
図４には、ガス通路およびタンクの接続部分の模式図を示す。図４に示すように、タンク端部の内面をテーパー構造とすることで、中心部および周辺部のガス流速が均一になり、ガスをタンク内部に均一に分散させることができて好適である。
【００２２】
本発明に用いられるタンクの容積比は、供給される天然ガスの成分比に応じて適宜選択される。例えば日本の天然ガス１３Ａの場合は、メタン用１００Ｌ、エタン用１０．２〜１１．２Ｌ、プロパン用０．８〜０．９Ｌ、ブタン用０．８〜０．９Ｌの比率が必要である。
【００２３】
本発明においては、第１タンク内には細孔径ピーク１．１０〜１．３０ｎｍの活性炭を、第２タンク内には細孔径ピーク０．９５〜１．０５ｎｍの活性炭を、第３タンク内には細孔径ピーク０．７５〜０．８５ｎｍの活性炭をそれぞれ充填することが好ましい。この範囲に細孔径ピークを有する活性炭は、各ガスを好適に吸着させることができる。図５に、活性炭の細孔径ピークとガストラップ（吸着）能力の関係を示す。
【００２４】
本発明の吸着材として用いられる活性炭について説明する。
活性炭の原料としては、木質、ヤシ殻、石炭、フェノール樹脂等、広範囲なものを挙げることができる。製造方法としては、水蒸気賦活や炭酸ガス賦活等のガス賦活、およびリン酸賦活やＫＯＨ賦活等の薬品賦活の２種類がある。ガス賦活を行う場合は、まず原料を炭素化する炭化工程および内部に細孔を成長させる賦活工程を連続的に行う。薬品賦活の場合は、原料に薬品を添加して加熱し、炭化と賦活を一括して行い、続いて洗浄および中和を行う。水蒸気賦活を行う場合は６００〜１０００℃の範囲で時間は１〜８時間程度行い、炭酸ガス賦活の場合は６００〜１０００℃で１〜１０時間、リン酸賦活およびＫＯＨ賦活の場合は５００〜９００℃で１〜８時間程度である。
【００２５】
本発明の吸着式天然ガス燃料貯蔵装置においては、図２に示すタンクの内径Ａおよびガス通路の内径Ｂ比は、２：１〜４０：１の範囲であることが好ましい。このような構成とすることで、タンクとガス通路で圧損が発生し、各ガス成分の吸着をより一層均一に行うことができる。
【００２６】
以上、吸着式天然ガス燃料貯蔵装置について説明したが、本発明の本発明の吸着式天然ガス燃料貯蔵装置の用途としては特に限定されず、例えば、据付型の燃料貯蔵装置や、天然ガス自動車用燃料タンク装置等、任意の用途に供することが可能である。
【実施例】
【００２７】
以下、実施例によって本発明の吸着式天然ガス燃料貯蔵装置を詳細に説明する。
下記の性質を有する活性炭をそれぞれのタンク内に充填し、図２に模式的に示す順に各タンクを直列接続した。
・ブタン用活性炭（ピーク細孔径１．２±０．１ｎｍ）
・プロパン用活性炭（同１．０±０．０５ｎｍ）
・エタン用活性炭（同０．８±０．０５ｎｍ）
【００２８】
この吸着式天然ガス燃料貯蔵装置に、メタン：８７．６％、エタン：５．４４％、プロパン：４．６９％、ブタン：１．７６％（ｉ−ブタンとｎ−ブタンの合計）の組成比を有する混合ガスを導入した。第１タンク、第２タンク、および第３タンク（以上３つのタンクを合わせてフィルタと称する）を通過し、第４タンクに導入された混合ガスの組成比を調べたところ、メタン：９９．４％、エタン：０．２５％、プロパン：０．２１％、およびブタン：０．１３％となっており、メタンの純度が９９．４％まで向上することが分かる（図６の分析時間０〜１６分の範囲参照）。
【００２９】
１ＭＰａの加圧下で、これら混合ガスが吸着されたタンクに対して図６のヒーター温度および活性炭温度で示すように加熱（フィルタ再生過程）を行った。図６の分析時間１６〜４０分の範囲に示すように、加熱に伴って吸着されていたガスが脱離し、活性炭温度が５０℃に到達した際の脱離ガス組成比はメタン：８８．６％、エタン５．８１％、プロパン３．９１％、およびブタン１．６５％となっており、これは、吸着前の混合ガスの組成比にほぼ等しい。以上のように、本発明の吸着式天然ガス燃料貯蔵装置によれば、ガス導入時にはほぼ全ての高炭素数成分を吸着させ、ガス脱離時にはこれら吸着成分をほぼ完全に脱離させてフィルタを再生することができる。
【００３０】
なお、１ＭＰａにおいて必要とされる加熱温度は、エタン：３５℃、プロパン：４５℃、およびブタン：５０℃であり、実用を考えた場合、３．５ＭＰａにおいてはそれぞれ５５℃、６５℃、および７０℃である。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】従来の燃料貯蔵装置を示す模式図である。
【図２】本発明の吸着式天然ガス燃料貯蔵装置を示す模式図である。
【図３】本発明の吸着式天然ガス燃料貯蔵装置における高炭素数成分用のタンクを示す模式図である。
【図４】図２のタンクにおけるガス導入口を示す模式図である。
【図５】吸着材の細孔径と成分ガストラップ能力の関係を示すグラフである。
【図６】実施例における燃料タンク内ガス組成と、フィルタ再生過程での脱離ガス組成の経時変化を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３２】
１１  天然ガス供給口
１２  天然ガス排出口
１３  ガス通路
２１  供給口開閉コック
２２  排出口開閉コック
３１  第１タンク
３２  第２タンク
３３  第３タンク
３４  第４タンク
４１  ブタン吸着材
４２  プロパン吸着材
４３  エタン吸着材
４４  メタン吸着材
５０  ヒーター
６０  隔壁
Ａ    タンク径
Ｂ    ガス通路径
Ｃ    タンク中心部
Ｐ    タンク周辺部
【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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【図６】
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