(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素ガスと不燃性ガスとを含み、かつ、水素ガスの燃焼限界以下に調整した混合ガスを導管により供給する水素ガス供給方法であって、前記導管内の１以上の地点において前記混合ガス中の水素ガスを分離し、分離後の不燃性ガス成分に富むガス（以下、分離後ガスという）を再度、前記導管に戻入することを特徴とする水素ガス供給方法
【請求項２】
請求項１において、さらに前記分離後ガスを１以上の所定の地点において回収することを特徴とする水素ガス供給方法。
【請求項３】
回収した前記分離後ガスを、前記混合ガスの調整工程に戻すことを特徴とする請求項２に記載の水素ガス供給方法。
【請求項４】
前記不燃性ガスが不活性ガスを含むことを特徴とする請求項１乃至３に記載の水素ガス供給方法。
【請求項５】
前記不活性ガスが窒素ガスであることを特徴とする請求項４に記載の水素ガス供給方法。
【請求項６】
前記不活性ガスが二酸化炭素ガスであることを特徴とする請求項４に記載の水素ガス供給方法。
【請求項７】
前記不燃性ガスがハロゲン系消火剤を含むことを特徴とする請求項１乃至３に記載の水素ガス供給方法。
【請求項８】
前記ハロゲン系消火剤がハロン１１４Ｂ２であることを特徴とする請求項７に記載の水素ガス供給方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は水素ガス供給方法に関し、特に既存の都市ガス導管ネットワークを利用可能な水素ガス供給方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、水素を燃料とするシステムが注目されている。これは、水素ガスを燃焼させても地球温暖化の原因となる炭酸ガスを発生することがないためである。このため、将来的に水素ガスは家庭用燃料電池システム、燃料電池自動車等の燃料として広く普及することが予想される。このような長所に着目して、水素ガスを既存の都市ガス導管網を利用して供給する技術が提案されている（例えば、特開平１１−２２８１０１等）。しかし、水素ガスは燃焼範囲が広いため（空気中で４．０％乃至７５．０％が可燃範囲）、漏洩した場合に従来の都市ガスと比較すると爆発の危険性が高い。このため、従来の都市ガス導管網をそのまま利用することは困難であるという問題がある。一方、新たに水素ガス専用の導管を敷設するためには莫大な投資を必要とするという問題がある。
【０００３】
【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利用可能な水素ガス供給方法を提供することにある。
【０００４】
本発明の他の目的は、爆発の危険性のない水素ガス供給方法を提供することにある。
【０００５】
本発明の他の目的は、地球環境に優しい都市ガス供給形態を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、水素ガスと不燃性ガスとを含み、かつ、水素ガスの燃焼限界以下に調整した混合ガスを導管により供給する水素ガス供給方法であって、導管の１以上の地点において混合ガス中の水素ガスを分離し、さらに分離後ガスを再度、導管に戻入することを特徴とする水素ガス供給方法を提供する。
【０００７】
かかる供給方法の採用により、混合ガス中の水素ガス濃度を常に燃焼限界以下に維持できるため、万一、導管網のいずれかの地点において工事等の際に配管からの漏洩が発生したとしても、供給ガスの爆発の危険性を回避することが可能となる。
【０００８】
さらに、分離後の不燃性ガス成分を再度導管に戻入するため、導管の末端に至るまで導管網内を常に水素ガスの燃焼限界以下に維持することが可能となる。
【０００９】
本発明において、需要家における燃料電池等の水素燃料設備への水素の供給は、需要家先において混合ガス中の水素ガスを分離し、分離された水素ガスを設備に供給することにより行われる。
【００１０】
ここにいう「不燃性ガス」は、窒素ガス、炭酸ガス、アルゴンガス等、燃焼反応に関与しない不活性ガス（請求項４乃至６）、及び燃焼反応を妨げるように積極的に関与するハロゲン系消火剤（請求項７、８）を含む概念である。
【００１１】
不燃性ガスによる可燃性ガス（水素）の不燃化の原理は以下の通りである。図２は、可燃性ガス、不燃性ガス及び空気を３成分とする混合ガスの燃焼限界を概念的に示す三角図である。三角図の各辺はこれを挟んで対峙する２つの頂点に位置する、異なる種類のガスの混合割合を示している。また、三角図内の任意の点と、その点から各辺に平行に伸ばした線が１辺に到るまでの距離は、前記３成分の混合割合を示している。例えば点Ｐ１における可燃性ガス、不活性ガス及び空気の混合比は、Ｘ１：Ｘ２：Ｘ３（ここに、Ｘ１＋Ｘ２＋Ｘ３≡１００％）である。また、三角図中の斜線で囲まれた部分Ｔは、当該可燃性ガスの燃焼範囲を示している。すなわち、可燃性ガス、不活性ガス及び空気の混合比が大気中でＴ内の混合比となった場合、燃焼域に入り、爆発のおそれがあることになる。
【００１２】
本発明のように可燃性ガスと不燃性ガスの混合ガスを導管内に流す場合には、図２において空気成分が０の場合に該当する。従って、導管内における可燃性ガスと不燃性ガスの混合比は、可燃性ガスと不燃性ガスの頂点を結ぶ辺上の点として示される。例えば、導管内のガス組成がＰ２、すなわち、可燃性ガスと不燃性ガスの混合比をＸ１’：Ｘ２’とするとき、この２成分系ガスが大気中に拡散した場合には、大気中における空気を含む３成分系混合ガスの混合比は、Ｐ２とＰ１を結ぶ直線に従い変化する。変化に伴い空気の割合が増加して点Ｐ３に至り、領域Ｔ内に入ると燃焼限界内の混合比となる。
【００１３】
このことから、可燃性ガスと不活性ガスの混合ガスが大気中に拡散しても、常に可燃性ガスの領域Ｔに入らないような混合比であれば、爆発の危険性はないことが分かる。そのような混合比は、図２において三角形ＬＭＮ内部の点である。すなわち、供給ガスの製造過程で可燃性ガスと不燃性ガスの混合比をＸ１”：Ｘ２”以下となるように調整すれば、混合ガスが空気中に拡散しても常に燃焼範囲外であるため、万一、導管から漏洩したとしても大気中で爆発することはない。
【００１４】
図３は、可燃性ガスとしてＨ２（水素ガス）、不燃性ガスとしてＮ２（窒素ガス）又はＣＯ２（炭酸ガス）を用いた場合の三角図である。同図において曲線Ｑは窒素ガス、曲線Ｒは炭酸ガスの爆発限界線である。同図より、窒素ガスの場合は３成分が△Ｌ´Ｍ´Ｎ´内の任意の点で示される混合比であれば、常に燃焼限界以下に維持することが可能となる。水素ガス−窒素ガスの２成分系ガスの場合のそのような混合比は、水素ガスの割合が常に約３０％（点Ｍ´）以下になるような範囲である。この範囲内の混合比であれば、万一、大気中に漏洩しても爆発するおそれはない。同様に、炭酸ガスの場合には、その値は約４３％（点Ｐ４）以下である。
【００１５】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、さらに分離後ガスを導管の１以上の所定の地点において回収することを特徴とする水素ガス供給方法を提供する。
【００１６】
請求項１の発明では、各需要家において混合ガスを分離して水素を利用するため、供給末端に行くに従って戻入される分離後ガスは不燃性ガスの割合が高いものとなる。これに伴って導管中のガス組成も不燃性ガス濃度が高いものとなる。不燃性ガスの濃度が所定の値以上になる導管の末端地点で供給ガスを回収すれば、不燃性ガスを再利用することが可能となる。これにより、不燃性ガスがたとえ高価なガスであっても、実用可能となる。また、不燃性ガスが地球温暖化の原因となるガス（例えば炭酸ガス）であっても、大気中に放出することがないため、使用上問題がない。
【００１７】
分離後ガスの回収には、例えば導管の末端部に回収タンクを設けることにより行うことができる。回収タンクの設置ポイントとしては、例えば需要家の水素ガス使用量実績、導管網解析等により適切なポイントを選択することができる。また、導管内の複数の個所を回収ポイントとしておき、各ポイントにおいて定期的にガス成分分析を行って、不燃性ガスが高い個所から分離後ガスを回収することもできる。
【００１８】
さらに、請求項４の発明は、請求項１又は２に記載の発明において、回収した分離後ガスを前記混合ガスの製造工程に戻すことを特徴とする水素ガス供給方法を提供する。回収には、例えば回収用導管を用いれば連続的に不燃性ガスを回収でき、貯蔵用の大型ホルダーが不要となる。
【００１９】
また、回収ポイントで不燃性ガスを主成分とするガスの液化、圧縮等を行い、車両等で回収することも可能である。
【００２０】
【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、各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。
【００２１】
図１は本実施形態に係る水素ガス供給システムを示す図である。本発明に係る水素ガス供給システム１は、水素ガス製造プラント２、不燃性ガス貯蔵装置３を備えた供給ガス製造工揚４、導管５、水素分離装置及び水素ガス利用機器を備えた需要家６及び７、不燃性ガス回収装置８、不燃性ガス回収配管９から構成されている。不燃性ガス貯蔵装置２には、炭酸ガスが貯蔵されている。水素ガス供給システム１は、上記設備以外にも昇圧器、付臭装置、ガスホルダー、ガバナー等、必要な製造供給設備が存在するが、省略してある。また、導管はネットワークを構成しているが、導管５で代表させている。さらに導管には多数の需要家群が接続されているが、需要家６、７により代表させている。
【００２２】
次に需要家５の構成について説明する。需要家５は水素分離装置１５ａ及び水素ガス利用機器１６ａを備えている。水素ガス分離装置１５ａは供給される混合ガスから水素を選択的に分離、抽出する装置である。混合ガスから水素ガスを分離するために、水素分離装置１５ａ内部には水素分離膜（図示せず）が設けられている。水素分離膜の材質として公知のパラジウム、パラジウム合金膜、高分子膜等を用いることができる。また、水素ガス分離装置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。また、水素ガス利用機器１６ａとしては、例えば燃料電池システムがある。
【００２３】
次に需要家７の構成について説明する。水素分離装置１５ｂ、分離後ガスを導管５に戻入するための戻入ガス配管１４ｂを備えている点については需要家６と同一である。需要家７の構成が需要家６と異なる点は、水素ガス供給スタンド１８を備えていることである。水素ガス供給スタンド１８は、水素ガスを水素吸蔵合金、圧縮等により貯蔵するタイプのものを用いることもできる。
【００２４】
次に、供給ガス製造工揚４における供給ガスの製造工程、及び導管５による供給工程について説明する。水素ガスは水素ガス製造プラント２で製造される。水素ガスの製造方法としては、例えば太陽光発電、風力、波力等による海水の電気分解によることができる。また、化石燃料、例えば天然ガスの水蒸気改質により水素を製造することもできる。水素ガス製造プラント２において製造された水素ガスは、図示しない貯蔵装置に一旦貯蔵されたのち、需要に対応して導管５を介して供給される。貯蔵装置から供給される水素ガスは混合装置１１において不燃性ガス貯蔵装置２から供給される炭酸ガスと混合され、さらに例えばＴＢＭ等の付臭剤を添加された後、導管５を介して需要家６、７に供給される。
【００２５】
混合ガス中の水素ガスと炭酸ガスの混合比は４４：５６に調整されている（すなわち図３の点Ｐ５の組成）。供給ガス中にはこれ以外にごく微量の付臭剤が含まれている。供給ガスの供給圧力は任意の値を取り得るが、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段階とすることができる。
【００２６】
次に需要家６における供給ガスの利用形態について説明する。導管５から配管１３ａにより分岐された混合ガスは、水素分離装置１５ａに供給される。混合ガスは、水素分離装置１５ａ内の真空ポンプ（図示せず）により装置内部に吸引され、水素分離膜（図示せず）の作用により水素ガスと分離後ガス（不燃性ガス及び不臭剤）に分離される。水素ガスは分離膜を通過して燃料電池１６ａに供給され、一方、水素ガス以外の成分は分離膜を通過できないため滞留し、ガス配管１４ｂを介して導管５に戻入される。なお、水素分離装置１５ａへの混合ガスの導入は昇圧装置を用いてもよい。分離後ガスの導管５への戻入についても、必要に応じて昇圧装置等を介して行うことができる。
【００２７】
次に需要家７における供給ガスの利用形態について説明する。水素分離装置１５ｂにおいて分離抽出された水素ガスは、配管２０を介して水素ガス供給スタンド１８に一旦貯蔵され、水素ガスを燃料とする自動車、例えば燃料電池自動車１９に水素ガスを供給する。
【００２８】
次に不燃性ガスの回収方法について説明する。上述のように、導管５と配管を介して接続された需要家６、７、その他図示しない多数の需要家群において、供給ガスに含まれる水素ガス成分は水素分離装置で分離され、さらに水素ガス利用機器において利用される。一方、供給ガスの成分構成は、導管５に戻入される分離後ガスにより導管５の末端に行くに従って不燃性ガス成分（炭酸ガス）及び不臭剤成分が濃縮されたものとなる。不燃性ガスを主成分とする供給ガスは、不燃性ガス回収装置８に貯蔵される。不燃性ガス回収装置８には圧縮機（図示せず）が併設されており、ＣＯ２成分に富む分離後ガスを高圧で貯蔵するように構成されている。
【００２９】
不燃性ガス回収装置８に回収された不燃性ガスは、不燃性ガス回収配管９により不燃性ガス貯蔵装置２に還流され、再度、水素ガスと混合して供給ガスとして需要家に供給される。
【００３０】
本実施の形態では、炭酸ガスを用いた例を示したが、不燃性ガスとして窒素ガスを用いた場合には、製造段階における水素ガスと窒素ガスの混合比を３０：７０以下にするように調整することにより（すなわち図３の点Ｐ４の組成）、燃焼限界以下に維持することが可能となる。
【００３１】
さらに不燃性ガスとしてハロゲン系消火剤を用いれば、不燃性ガスの混合比をより小さくすることができる。すなわち、図４において、曲線１は空気中のハロン１１４B２の燃焼限界を示す図である。（出典：Prevention of detonation burning in hydrogen-air mixtures with high efficient inhibitor,  Hydrogen Energy Prog. XII, Proc. World Hydrogen Energy Conf., 12th (1998), Vol., 1965-1976）。
【００３２】
同図において、横軸は不燃剤、縦軸は水素の体積比（％）を示し、空気の比率は１００％から任意の点における水素と不燃剤の割合を減じた値である。また、曲線の内部が燃焼範囲である。従って、曲線１において、Ｐ６より右側の混合比ではいかなる場合にも混合ガスが空気中で爆発することはない。Ｐ６における水素ガスとハロン１１４B２の限界混合比は、約２０：１６であるから、上述の炭酸ガス、窒素ガスを用いるより使用する不燃性ガスの量を減少できることが分かる。
【００３３】
参考のため、図４にはＡＫＡＭ−３の爆発限界（曲線２）をも示してある。不燃性ガスとしてＡＫＡＭ−３を用いれば、さらに水素の混合比を増加させることができる（この場合の限界混合比は、約１３：１０となる）。
【００３４】
なお、ハロゲン系消火剤としては、上記消火剤の他にも例えばＣＦ３Ｂｒ、ＣＨＦ３ガスを用いてもよい。
【００３５】
【発明の効果】
本発明によれば、新たなパイプラインの敷設を必要とせず、既存の都市ガス供給パイプラインを利用して水素ガス供給が可能となるため、将来的に予想される水素ガス供給への円滑な移行が低コストで可能となる。
【００３６】
また、万が一漏洩しても、爆発・燃焼しないので、より高圧でのガス輸送が可能となる。高圧でのガス供給の利点の例として、現在のガス管をそのまま使用しつつ、供給熱量を上げることが出来るという効果がある。例えば、現在の１３Aガス供給において、末端の低圧ガス管は２００mm水柱で供給されているが、これを欧米並の２０００mm水柱で供給できれば、輸送ガス量は１桁増加し、窒素ガスが容積比で５６％あったとして、水素輸送量は２００mm水柱供給のときの４．４倍となる。
【００３７】
さらに、非燃焼性ガスなので、ガス供給を遮断することなくガス管の切断、加工が可能となり、工事費用が少なくてすむという効果がある。
【００３８】
さらに、需要家単位に水素分離装置を設けたため、燃料電池の稼動に負担となる天然ガス改質装置が不要となり、燃料電池のクイックスタートが可能となる。
【００３９】
各家庭、事業所等において水素の供給が可能となるため、専用スタンド無しに水素燃料の燃料電池自動車の水素源を供給することが可能となり、その普及促進に資する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の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２】３成分系混合ガスの燃焼限界を概念的に示す三角図である。
【図３】水素−３成分系混合ガス（水素−窒素又は炭酸ガス−空気）の燃焼限界を示す三角図である。
【図４】水素−ハロゲン系消火剤（ハロン１１４Ｂ２）の燃焼限界を示す図である。
【符号の説明】
１……水素ガス供給システム、２……水素ガス製造プラント、３……不燃性ガス貯蔵装置、４……供給ガス製造工揚、５……導管、６、７……需要家、８……不燃性ガス回収装置、９……不燃性ガス回収配管、１０・５５……水素ガス貯蔵装置、１２……パイプライン、１４ａ・１４ｂ……戻入ガス配管、１５ａ・１５ｂ……水素分離装置、１６ａ……水素ガス利用機器、１８……水素ガス供給スタンド
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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