(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
都市ガスを都市ガス導管網を介して需要家に供給するに際して、該導管網における一以上の需要家において、都市ガス中のメタンを分離して利用し、分離後の都市ガスの少なくとも一部を該導管網に戻入することを特徴とする都市ガス供給方法。
【請求項２】
前記メタン分離後の都市ガスのウォッベ指数（ＷＩ）と燃焼速度指数（ＭＣＰ）が、それぞれ所定の範囲内の値になるように都市ガス中のメタンの分離量を制御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。
【請求項３】
前記ＷＩが５２．７≦ＷＩ≦５７．８の範囲であり、かつ、前記ＭＣＰが３５≦ＭＣＰ≦４７の範囲となるように前記都市ガス中のメタンの分離量を制御することを特徴とする請求項２に記載の都市ガス供給方法。
【請求項４】
都市ガスを都市ガス導管網を介して需要家に供給するための装置であって、該導管網における一以上の需要家に都市ガス中のメタンを分離するメタン分離装置を設け、メタン分離後の都市ガスの少なくとも一部を該導管網に戻入するようにしてなることを特徴とする都市ガス供給装置。
【請求項５】
前記メタン分離装置によるメタン分離後の都市ガスのウォッベ指数（ＷＩ）と燃焼速度指数（ＭＣＰ）が、それぞれ所定の範囲内の値になるように都市ガス中のメタンの分離量を制御するようにしてなることを特徴とする請求項４に記載の都市ガス供給装置。
【請求項６】
前記ＷＩが５２．７≦ＷＩ≦５７．８の範囲であり、かつ、前記ＭＣＰが３５≦ＭＣＰ≦４７の範囲となるように前記都市ガス中のメタンの分離量を制御するようにしてなることを特徴とする請求項５に記載の都市ガス供給装置。
【発明の詳細な説明】
【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、より詳しくは都市ガス導管網、すなわち都市ガス導管ネットワークの都市ガス中から一つの成分を取り出して消費し、他の成分を該導管網に戻すようにしてなる都市ガス供給方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
都市ガスは、メタンを主成分とし、プロパン、ブタンなどの重質炭化水素ガスにより熱量や燃焼性が調節され、また漏洩保安上の目的、すなわち漏洩時に使用者などに気づかせるために付臭剤が添加されている。例えば１３Ａといわれる都市ガスの組成は、一例としてメタン＝８７．８％（容量％、以下同じ）、エタン＝５．９％、プロパン、ブタン等＝６．３％であり、付臭剤として数ｐｐｍレベルのＤＭＳ（ジメチルサルファイド）やＴＢＭ（ターシャリーブチルメルカプタン）、あるいはＴＨＴ（テトラヒドロチオフェン）等の硫黄化合物が添加されている。
【０００３】
都市ガスは、その製造工場からパイプライン（すなわち基幹パイプライン）を経て、都市ガス導管網の都市ガス供給ラインを通して供給され、工業用や家庭用の燃料として用いられるが、近年、その利用形態が多様化し、都市ガス中のある一成分、例えばメタンのみを利用したいという需要家も出現している。
【０００４】
固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）やリン酸型燃料電池（ＰＡＦＣ）では燃料として水素が使用される。これらの燃料電池を設置し、稼働させている需要家においては、都市ガスを水素の製造用原料として使用する。水素の工業的製造方法の一つである水蒸気改質法では、その改質器中、Ｎｉ系、Ｒｕ系等の触媒の存在下で都市ガスに水蒸気を加えて改質し、水素リッチな改質ガスに変えられる。
【０００５】
こうして得られる水素をそれらの燃料電池用の燃料として用いる場合は、改質器は燃料電池の上流側に配置される。このような、専ら都市ガスを燃料電池の燃料水素源として利用する需要家では、１００％水素が既存の導管網から得られれば最も都合がよいが、その場合同じ導管網に接続する既存の都市ガス消費機器が利用できなくなる、という問題がある。
【０００６】
そこで本出願人は、水素を所定割合で含む都市ガスを既存の導管網を通じて供給し、水素が必要な需要家において水素を分離して利用し、水素分離後の残りのガスを導管網に戻す方法を先に開発し、出願している（特願２００１−１２２５１）。この発明では、都市ガスの製造工場での製造過程で水素を都市ガスの燃焼性の範囲等に収まるように混入し、これを都市ガス導管網で輸送する。そして、例えば水素を燃料とする燃料電池を用いている需要家、すなわち、専ら水素を必要としている需要家において、都市ガス導管から水素を含む都市ガスを引き込み、分離装置で水素を選択的に分離して燃料電池に使用し、水素を分離した後の残りのガスを都市ガス導管網に戻入する。その際、戻入後の都市ガス導管網内の都市ガスが、都市ガスとして予め定められている燃焼性等の範囲内となるように水素の分離量を制御する。
【０００７】
上記出願に係る発明によれば、現在の都市ガス導管網をそのまま利用して都市ガスを供給し、既存の都市ガス消費機器が問題なく使用でき、かつ、水素が必要な需要家には水素を供給できるが、都市ガス製造工場での都市ガス製造過程の中において水素の製造、混入のための設備を別途必要とするという問題がある。
【０００８】
そこで、既存の都市ガス供給の形態を前提にした場合、都市ガスからメタンのみを得て改質して水素を製造し、都市ガス中の他の成分を改質器に導入することがなければ、改質用の触媒が都市ガスに混入されている付臭剤によって性能劣化をきたす、という問題も回避でき、燃料電池の需要家にとって便宜である。
【０００９】
また、都市ガスを燃料として走行する自動車について考えてみると、燃料である都市ガスは自動車に積載する燃料タンクに圧縮して貯蔵され、その貯蔵量によって走行距離が決まってしまう。この走行距離を延ばすためには積載燃料の増量が求められるが、一方で燃料タンクの体積には限度がある。この限られた体積内に燃料を更に多く貯蔵する方法の一つとして、燃料タンク内に吸着剤を充填し、より多量の燃料用都市ガスを貯蔵するという技術が開発されている。
【００１０】
例えば活性炭等の吸着剤の吸着作用は、主としてその中の細孔を利用することから、吸着される分子の大きさと細孔径との関係により定まるが、都市ガスを吸着させる場合、細孔径の均一性（バラツキ）その他の条件如何によっては都市ガスの主成分であるメタン以外の重質成分が吸着され、重質成分の吸着は都市ガスの吸着、脱着、つまり「燃料充填−走行による燃料消費−燃料充填」の繰り返しの中で燃料タンクへの貯蔵効率の低下を引き起こすことが知られている。
【００１１】
そこで、既存の都市ガス供給の形態を前提にした場合、都市ガスからメタンのみを得て自動車用燃料として用い、他の重質成分を燃料タンクに導入することがなければ、吸着剤を充填した燃料タンクにおいて上記のような貯蔵効率の低下を引き起こすことがなくなり、都市ガスを燃料として走行する自動車の需要家において便宜である。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、これまで、既存の都市ガス消費機器を使用する需要家と、都市ガス中の特定成分であるメタンのみを利用したい需要家が混在した場合に、それら双方の需要家に対応できる都市ガスの供給方法、供給装置はないのが現状である。
本発明は、以上のような要請に応えるとともに、以上のような問題を解決し、しかも都市ガスの利用形態をさらに多様化させることができる、都市ガス供給方法及び都市ガス供給装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、都市ガスを都市ガス導管網を介して需要家に供給するに際して、該導管網における一以上の需要家において、都市ガス中のメタンを分離して利用し、分離後の都市ガスの少なくとも一部を該導管網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。
【００１４】
また本発明は、都市ガスを都市ガス導管網を介して需要家に供給するための装置であって、該導管網における一以上の需要家に都市ガス中のメタンを分離するメタン分離装置を設け、メタン分離後の都市ガスの少なくとも一部を該導管網に戻入するようにしてなることを特徴とする都市ガス供給装置を提供するものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明は、都市ガスを都市ガス導管網を介して需要家に供給することを前提とし、該導管網における一以上の需要家、すなわち一または複数の需要家において都市ガス中のメタンを分離して利用し、分離後の都市ガスの少なくとも一部を該導管網に戻入することを特徴とする。この場合、分離後の都市ガスが戻入された都市ガスの組成や熱量等は分離されるメタン量により変動する。そこで分離するメタン量は、分離後の都市ガスが戻入された都市ガスの組成や熱量等が所定の範囲内に収まるように制御する。
【００１６】
本発明を実施する装置としては、都市ガスの供給を受ける需要家において、都市ガスからメタンのみ、あるいは実質上メタンのみを分離する分離装置を設ける。そして、当該メタンの需要家は、分離装置で分離したメタンのみ、あるいは実質上メタンのみを消費し、分離されないで残る都市ガスの少なくとも一部、すなわち分離装置で分離されないで残る都市ガスの一部ないし全部を都市ガス導管に戻すようにする。ここで実質上メタンのみとは、分離装置の性能に起因してメタンに近似するエタン等の分子が幾分含まれる場合があるからである。
【００１７】
分離装置としては、都市ガスからメタンのみ、あるいは実質上メタンのみを分離できる装置であればいずれも用いられ、高分子膜法による分離装置、吸着剤を用いる分離装置など適宜の手段を用いることができる。一例として高分子膜法による場合、例えばポリイミド系、ポリオレフィン系、酢酸セルローズ等のセルロース系、あるいはシリコーン系などの高分子で構成された平膜や管状膜などの形の高分子膜を用い、都市ガスからメタンのみ、あるいは実質上メタンのみを透過させて分離する。この場合、メタンの透過率は都市ガス導入側とメタン導出側との圧力差に左右されるので、その圧力差をコントロールすることにより、メタンの分離量を制御することができる。
【００１８】
次に、メタン分離後の都市ガスについては、その燃焼性、すなわちその組成、燃焼速度及び熱量が所定範囲内に収まるように制御する。すなわち、分離後の都市ガスの組成、燃焼速度及び熱量は分離されるメタン量により変動する。そこで、都市ガスから分離するメタン量は、分離後の都市ガスの組成、燃焼速度及び熱量が所定範囲内に収まるように制御する。
【００１９】
都市ガスの燃焼性については、燃焼速度（ＭＣＰ）、ウォッベ指数（ＷＩ）が規定されている。このうち燃焼速度（ＭＣＰ）はガスの組成によって決まり、下記式（１）〜（２）によって算出される。またウォッベ指数（ＷＩ）はガスの熱量及び比重によって決まり、下記式（３）によって得られる指数である。
【００２０】
【数    １】
0004489326.tif 000002
【００２１】
【数    ２】
0004489326.tif 000003
【００２２】
都市ガスのうちガス種１３Ａでは、ＭＣＰについては３５≦ＭＣＰ≦４７の範囲、ＷＩについては５２．７≦ＷＩ≦５７．８の範囲と規定されている。そこで本発明においては、分離後の都市ガスが戻入された都市ガスのＭＣＰ及びＷＩが、それぞれ３５≦ＭＣＰ≦４７及び５２．７≦ＷＩ≦５７．８の範囲となるようにメタン分離量を制御する。これにより分離後の都市ガスが戻入された都市ガスにおいても規定された燃焼性となり、メタンのみを利用する需要家の下流側に位置する需要家の都市ガスの利用について問題が生じることがない。
【００２３】
【実施例】
以下、実施例に基づき本発明をさらに詳しく説明するが、本発明がこれら実施例により制限されないことはもちろんである。
【００２４】
〈実施例１〉
図１は都市ガス製造工場における都市ガス製造過程、図２は都市ガスが製造工場から需要家に至るまでの供給系統の概略を示す図である。都市ガスは、通常ＬＮＧが主原料であり、これに熱量調整のためＬＰＧが加えられる。ＬＮＧとＬＰＧはそれぞれＬＮＧタンクとＬＰＧタンクから配管を経て混合部（混合装置）に送られる。混合部で混合された後、気化装置へ送られる。気化装置で気化された都市ガスは昇圧器で昇圧され、パイプラインから導管網の都市ガス供給ラインを経て各需要家へ供給される。
【００２５】
図３は需要家導管網の一部、すなわち水素を燃料とする燃料電池（ＰＥＦＣ）を備えた需要家への配管系統を示す図である。需要家用配管は導管網の都市ガス供給ラインから分岐されている。都市ガスは該分岐配管から流量制御弁を経てメタン分離装置に供給される。メタン分離装置では高分子膜法等によりメタンが分離される。メタン分離装置で得られたメタンは改質器に供給され、ここで改質されて水素を主成分とする改質ガスとなり、燃料電池の燃料として利用される。
【００２６】
一方、メタン分離装置でメタンが分離された後の都市ガスは、都市ガス供給ラインに戻入配管を通して戻される。メタンが分離された後の都市ガスはメタンが分離される前の都市ガスと比べてメタン量が減少し、相対的に重質の炭化水素ガスの量が増加しているので、燃焼速度等も変化している。このため、メタンが分離された後の都市ガスが都市ガス供給ラインに戻入された場合、戻入された地点より下流側の都市ガスにおいてガス種１３Ａとしての許容領域から逸脱する危険がある。そこで分離後の都市ガスが戻入された都市ガスにおいてもガス種１３Ａの範囲内に収まるようメタン分離量を制御する。
【００２７】
図４はこの分離制御系を示す図である。この制御系は、メタン分離装置において分離後の都市ガスが戻入された都市ガスにおいて所定の燃焼性を保持し得る範囲内でメタンを分離するよう制御する機構であり、記憶装置、演算部、制御部等を備えたコンピュータを利用した制御コントローラを備え、メタン分離装置でのメタン分離量を、分離後の都市ガスを戻入した都市ガスがその燃焼性の範囲内に収まるよう制御するように構成されている。
【００２８】
記憶装置には、予めメタン分離量とメタン分離後の都市ガスが戻入された都市ガスの燃焼性との関係、すなわちメタン分離量とメタン分離後の都市ガスが戻入された都市ガスの燃焼速度（ＭＣＰ）、ウォッベ指数（ＷＩ）との関係を記憶させておく。具体的には、都市ガス：１３ＡのＭＣＰは３５≦ＭＣＰ≦４７の範囲、ＷＩは５２．７≦ＷＩ≦５７．８の範囲と規定されているので、分離後の都市ガスが戻入された都市ガスのＭＣＰ及びＷＩが、それぞれ、上記範囲に収まるようにメタンの分離量を制御する。
【００２９】
メタン分離装置の使用時において、分岐配管からの都市ガス中のメタン量を分岐配管に設置したメタンセンサで検知し、その検知値を図４中点線で示すように導線等を介して逐次制御コントローラに入力する。ここで得られたメタン量は都市ガス供給ラインの分岐配管の上流側と等しいと考えられるが、別途都市ガス製造工場からメタン量等都市ガスの組成データについて適宜通信手段等を利用して提供を受けてもよく、また組成等が安定していれば定数として制御コントローラで保持してもよく、それらを検知値と併用してもよい。これにより都市ガス中のメタン量をより高精度で把握することができる。
【００３０】
メタンの分離量を決定すると、メタン分離後の残りの都市ガスを戻入した下流における都市ガス供給ラインの組成が決定する。そこで、演算部ではその検知値とメタン分離量とメタン分離後の都市ガスが戻入された都市ガスの燃焼性との関係を基にメタン分離量を算出する。この算出値に対応して流量制御弁の開度を調整、制御し、またはメタン分離装置の下流にあるポンプの能力を調整、制御して、或いはこれを併用することで、メタン分離装置に導入する都市ガスの圧力を制御する。その際、メタンセンサでの検知に代えるか、またはその検知と併用して、都市ガス供給ラインを流れる組成データとして都市ガス製造工場等からの組成データを取り込んで利用するようにしてもよい。
【００３１】
高分子膜法による分離装置でのメタン分離量は、入側都市ガスの圧力及び分離メタン側（メタンが透過した側）の圧力と相関関係があるので、分離メタン側の圧力を一定とすると、流量制御弁の開度を調整、制御することによりメタン分離装置でのメタン分離量が制御される。本例では、こうして、メタン分離後の都市ガスが戻入された都市ガスの燃焼速度（ＭＣＰ）、ウォッベ指数（ＷＩ）を都市ガス：１３Ａとして許容される前記範囲内に収めることができる。
【００３２】
〈実施例２〉
本例は、表１に示す組成の都市ガスが流れている都市ガス供給ラインにおいて、本発明を実施する例である。図５に示すように、都市ガス供給ラインにループなどがなく、複数の需要家が直列に都市ガス供給ラインに存在している。ここで都市ガス供給ライン内の流量は１,０００Ｎｍ3/ｈである。需要家１において１０Ｎｍ3/ｈ分岐して、表２に示す性能をもつ分離膜（ポリイミド系分離膜）を使用してメタンを分離し、残りを都市ガス供給ラインに戻す。表２中、分離係数とは、物質が当該膜をどのくらい通過するかの割合を意味し、メタンは分離係数１、すなわちすべて膜を通過し、ブタンは膜を通過せず、エタンとプロパンはそれぞれ３３％、３．３％膜を通過する。
【００３３】
【表    １】
0004489326.tif 000004
【００３４】
【表    ２】
0004489326.tif 000005
【００３５】
需要家１の上流（Ａ）では表１に示す組成の都市ガスが流れている。需要家１においてメタンを使用し、残りのガスを都市ガスラインに戻すと、需要家１の下流（Ｂ）における組成は、メタン＝８８．４１％、エタン＝４．６３％、プロパン＝５．４５％、ブタン＝１．５１％、流量＝９９１Ｎｍ3/ｈとなる。都市ガスから需要家１において専らメタンを取り出して消費し、残りのガスを戻入させているためメタン濃度は減少し、消費されずに戻されるブタンの濃度は相対的に上昇する。戻入箇所の下流（Ｂ）において、ＷＩ＝５６．９、ＭＣＰ＝３７．１であり、これは１３Ａガスの範囲内であることから、前述の条件で本発明を実施することができ、下流側の需要家がガスレンジなどの既存の都市ガス消費機器を専ら使用する需要家であっても問題が生じることはない。
【００３６】
また、需要家１において分岐量を２６０Ｎｍ3/ｈとし、前述の条件でメタンを使用し、残りを戻入すると、下流（Ｂ）において、ＷＩ＝５７．８、ＭＣＰ＝３７．３となる。これ以上分岐してしまうと、ＷＩが１３Ａガスの範囲外となるため、下流側に専ら既存の都市ガス消費機器を使用する需要家が存在すると問題が生じるため、本条件では最も上流側の需要家における最大の分岐量が２６０Ｎｍ3/ｈとなる。
【００３７】
〈実施例３〉
本例は、実施例２と同じく、表１に示す組成の都市ガスが流れている都市ガス供給ラインにおいて、本発明を実施する別の例である。ここで都市ガス供給ライン内の流量は１,０００Ｎｍ3/ｈである。図５に示すように、需要家１〜ｎにおいて、順次、それぞれ１０Ｎｍ3/ｈ分岐し、表２に示す性能をもつ分離膜を使用してメタンを分離し、残りを都市ガス供給ラインに戻す。図６は、こうして各需要家の下流側におけるＷＩをプロットしていった図である。２６番目の需要家の下流側におけるガス組成は、メタン＝８５．６６％、エタン＝５．４３％、プロパン＝６．９６％、ブタン＝１．９５％、流量＝７６８.４Ｎｍ3/ｈ、ＷＩ＝５７．７７（図６）、ＭＣＰ＝３７．３となる。２７番目の需要家の上流側におけるＷＩ＝５７．７７であるので、２７番目の需要家が既存の都市ガス消費機器を専ら使用する需要家であれば問題はないが、２７番目の需要家がメタンの需要家であれば、下流側でＷＩ＝５７．８を超えるので、本実施例の条件においては２６のメタンの需要家が直列に存在し得ることになる。
【００３８】
〈実施例４〉
図７は導管網における天然ガス自動車スタンドを備える需要家への配管系統を示す図である。需要家用配管は導管網の都市ガス供給ラインから分岐され、都市ガスは該分岐配管から流量制御弁を経てメタン分離装置に供給される。メタン分離装置では高分子膜法等によりメタンが分離され、メタン分離装置で分離されたメタンはタンクに貯えられる。
【００３９】
メタン分離装置の使用時において、（１）分岐配管からの都市ガス中のメタン量をメタンセンサで検知すること、（２）その検知値を基にして制御コントローラで流量制御弁の開度を調整、制御し、メタン分離装置に導入する都市ガスの圧力を制御すること、（３）流量制御弁の開度を調整、制御することにより（またはメタン分離装置の下流にあるポンプの能力を調整、制御して、或いはこれを併用して）メタン分離装置でのメタン分離量を制御すること、（４）こうして、メタン分離後の都市ガスが戻入された都市ガスの燃焼速度（ＭＣＰ）、ウォッベ指数（ＷＩ）を都市ガス：１３Ａとして許容される範囲内に収めること、等については実施例１と同様である。
【００４０】
メタン分離装置より得られ、タンクに一旦貯蔵されたメタンは、都市ガスを燃料として走行する自動車に搭載された燃料タンクに供給され、充填される。ここで、充填の速度や該タンクの貯蔵時の圧力等の関係から、適宜充填用の昇圧器を使用して充填することが望ましい。タンクにはメタンのみが貯えられていることから、自動車に搭載された燃料タンクが前述の吸着剤を充填した形式の場合、重質の炭化水素ガスの妨害なく充填できるので充填量を増やすことができる。
【００４１】
本実施例の場合、都市ガスから一度にメタンを分離して前述のタンクに貯蔵してもよいが、常時都市ガスから少しずつメタンを分離して貯めておくか、あるいは他の需要家が使用していないか、他の需要家の使用量が少ない時間帯、例えば深夜から早朝にかけてメタンを分離してタンクに貯めておき、需要に応じてタンクから自動車に搭載された燃料タンクに充填するようにしてもよい。
【００４２】
【発明の効果】
本発明によれば、メタンのみ、あるいは実質上メタンのみを必要とする需要家において、既設の都市ガス供給ラインをそのまま利用し、都市ガスからメタンのみ、あるいは実質上メタンのみを分離して利用し得るようにすることにより、都市ガスの利用態様を多様化させることができるなど各種効果が得られる。既設の都市ガス供給ラインをそのまま利用できることから実用上も非常に有用である。
【００４３】
さらに、燃料電池の需要家においては、メタン分離装置の部分においてメタンのみを取り出し、都市ガス中の他成分を改質装置に導入することがなければ、改質用の触媒が都市ガスに混入されている付臭剤によって性能劣化を来す、という問題も回避できる点で有用である。
【００４４】
また、現在都市ガスを燃料として走行する自動車においては、燃料が単一の成分となることで効率の向上や排気ガス中の有害成分の抑制のためのエンジン等の調整がしやすくなるという点でも有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】都市ガス製造工場における都市ガス製造過程を示す図
【図２】都市ガス製造工場から需要家に至るまでの供給系統の概略を示す図
【図３】導管網における水素を燃料とする燃料電池を備えた需要家サイドの配管系統を示す図（実施例１）
【図４】需要家でのメタン分離装置の制御系統を示す図（実施例１）
【図５】実施例２〜３を示す図
【図６】実施例３における需要家１〜ｎにおいて、各需要家の下流側におけるＷＩをプロットした図
【図７】導管網における天然ガス自動車スタンドを備える需要家への配管系統を示す図（実施例４）
【図１】
0004489326.tif 000006
【図２】
0004489326.tif 000007
【図３】
0004489326.tif 000008
【図４】
0004489326.tif 000009
【図５】
0004489326.tif 000010
【図６】
0004489326.tif 000011
【図７】
0004489326.tif 000012