水素ガスの供給方法およびシステム
【課題】都市ガス供給を行う導管を用いて水素ガスを需要家に供給することが可能な、水素ガスの供給方法およびシステムを提供する。
【解決手段】水素ガスと都市ガスとの混合ガスを導管に流す工程；および、導管によって供給される混合ガスから水素分離膜を用いて水素ガスを分離し分離した水素ガスを需要家に供給する工程を有する水素ガスの供給方法。水素ガスと都市ガスとの混合ガスを流す導管；導管に混合ガスを供給する混合ガス供給設備；混合ガス導管によって供給される混合ガスから水素ガスを分離する水素分離膜；および、水素分離膜で分離した水素ガスを需要家に供給する配管を有する水素ガスの供給システム。
【解決手段】水素ガスと都市ガスとの混合ガスを導管に流す工程；および、導管によって供給される混合ガスから水素分離膜を用いて水素ガスを分離し分離した水素ガスを需要家に供給する工程を有する水素ガスの供給方法。水素ガスと都市ガスとの混合ガスを流す導管；導管に混合ガスを供給する混合ガス供給設備；混合ガス導管によって供給される混合ガスから水素ガスを分離する水素分離膜；および、水素分離膜で分離した水素ガスを需要家に供給する配管を有する水素ガスの供給システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素ガスを需要家に供給する水素ガスの供給方法および供給システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、燃料電池をはじめとする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硫黄酸化物や窒素酸化物などの環境汚染物質が発生しない、もしくは発生量を抑えることができるだけでなく、地球温暖化の原因となる炭酸ガスも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、水素エンジン等の燃料として広く普及することが予想される。
【０００３】
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（特許文献１）。
【０００４】
しかし、特許文献１のように既存の導管網を用いて水素ガスを供給する場合、その導管網では都市ガスの供給を行えなくなってしまう。
【特許文献１】特開２００２−２３５９００号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、都市ガス供給を行う導管を用いて水素ガスを需要家に供給することが可能な、水素ガスの供給方法およびシステムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明により、
ａ）水素ガスと都市ガスとの混合ガスを導管に流す工程；および
ｂ）該導管によって供給される混合ガスから水素分離膜を用いて水素ガスを分離し、分離した水素ガスを需要家に供給する工程
を有する水素ガスの供給方法が提供される。
【０００７】
工程ｂ）で用いる水素分離膜が、パラジウム、ニオブまたはジルコニウムを含む金属からなり、かつ、多孔質体によって支持され、
工程ｂ）において水素ガスを分離する際に、通電によって発熱する通電発熱体を用いて、工程ｂ）で用いる水素分離膜を加熱する工程を有する
上記方法が好ましい。
【０００８】
上記方法において、
工程ｂ）で用いる水素分離膜が、前記混合ガスの流れ方向に対して垂直に配された平板状であることが好ましい。
【０００９】
上記方法が、
ｃ）前記導管によって供給される混合ガスから水素分離膜を用いて水素を分離し、該混合ガスから水素が分離された残りのガスを需要家に供給する工程
を有することが好ましい。
【００１０】
上記方法において、
工程ｃ）で用いる水素分離膜が、パラジウム、ニオブまたはジルコニウムを含む金属からなり、かつ、多孔質体によって支持され、
工程ｃ）において水素ガスを分離する際に、通電によって発熱する通電発熱体を用いて、工程ｃ）で用いる水素分離膜を加熱する
ことが好ましい。
【００１１】
工程ｃ）で用いる水素分離膜が、前記混合ガスの流れ方向に対して垂直に配された平板状であることが好ましい。
【００１２】
上記方法が、
ｄ）前記導管によって供給される混合ガスから、水素吸蔵材によって水素を除去し、該混合ガスから水素が除去された残りのガスを需要家に供給する工程
を有することが好ましい。
【００１３】
本発明により、
水素ガスと都市ガスとの混合ガスを流す導管；
該導管に、該混合ガスを供給する混合ガス供給設備；
該導管によって供給される混合ガスから水素ガスを分離する水素分離膜；および、
該水素分離膜で分離した水素ガスを需要家に供給する配管
を有する水素ガスの供給システムが提供される。
【００１４】
前記水素分離膜が、パラジウム、ニオブまたはジルコニウムを含む金属からなり、かつ、多孔質体によって支持され、
該水素分離膜を加熱するための、通電によって発熱する通電発熱体を有する
上記システムが好ましい。
【００１５】
上記システムにおいて、
前記水素分離膜が、前記混合ガスの流れ方向に対して垂直に配された平板状であることが好ましい。
【００１６】
上記システムが、
前記導管によって供給される混合ガスから水素ガスを分離する第二の水素分離膜；および、
該第二の水素分離膜によって該混合ガスから水素が分離された残りのガスを需要家に供給する配管
を有することが好ましい。
【００１７】
前記第二の水素分離膜が、パラジウム、ニオブまたはジルコニウムを含む金属からなり、かつ、多孔質体によって支持され、
該第二の水素分離膜を加熱するための、通電によって発熱する通電発熱体を有する上記システムが好ましい。
【００１８】
上記システムにおいて、
前記第二の水素分離膜が、前記混合ガスの流れ方向に対して垂直に配された平板状であることが好ましい。
【００１９】
上記システムが、
前記導管によって供給される混合ガスから水素を除去するための水素吸蔵材
を有することが好ましい。
【発明の効果】
【００２０】
本発明により、都市ガス供給を行う導管を用いて水素ガスを需要家に供給することが可能な、水素ガスの供給方法およびシステムが提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の実施の形態を、適宜図面を参照して具体的に説明するが、以下の実施の形態は例示であって、本発明は以下に説明する実施の形態に限定されるものではない。
【００２２】
本発明の水素ガス供給方法は、
ａ）水素ガスと都市ガスとの混合ガスを導管に流す工程；および
ｂ）該導管によって供給される混合ガスから水素分離膜を用いて水素ガスを分離し、分離した水素ガスを需要家に供給する工程
を有する。
【００２３】
〔混合ガス〕
水素と都市ガスとの混合ガスは、水素ガスと都市ガスとを適宜混合することによって得ることができる。混合ガスを導管（以下場合により、混合ガスを流す導管を混合ガス導管という）に供給するために、混合ガス供給設備を用いることができる。混合ガス供給設備は、上記混合ガスを供給可能な設備を適宜採用できるが、混合ガス供給設備として、水素製造装置もしくは水素貯蔵装置と、都市ガス製造装置もしくは都市ガス貯蔵装置とを備える設備を用いることができる。この設備は、水素ガスと都市ガスを混合する混合装置を適宜備えることができる。
【００２４】
水素ガスは、公知の水素製造技術によって製造することができる。例えば、太陽光発電、風力発電、波力発電等で得られた電力を用い、海水を電気分解して製造することができる。また、ナフサの水蒸気改質、石炭の部分酸化などの方法により化石燃料から水素を製造することもできる。このために、公知の電気分解装置や改質装置を利用することができる。
【００２５】
都市ガスとしては、従来から利用されている都市ガスを用いることができる。都市ガスは、天然ガスであってもよく、石油ガスであってもよい。あるいはこれらが混合されたガスであってもよい。例えば、都市ガス貯蔵装置としてはＬＮＧ（液化天然ガス）タンクやＬＰＧ（液化石油ガス）タンクを利用することができる。
【００２６】
混合ガス中の水素ガスと都市ガスとの混合比は各ガスの需要量に応じて決めることができる。
【００２７】
混合ガスの供給圧力は適宜決めればよいが、例えば、高圧（１ＭＰａ以上）、中圧（０．１ＭＰａ以上、１ＭＰａ未満）、低圧（０．１ＭＰａ未満）に分類される。
【００２８】
導管に供給される水素ガスの純度は高いほど良いが、化石燃料から製造される水素ガスを用いる場合、二酸化炭素、窒素など不活性ガスが混入していても導管に供給することもできる。
【００２９】
〔導管〕
従来、導管によって、特には導管が張り巡らされた導管網によって、都市ガスが需要家に供給されている。本発明はこのような既存の都市ガス導管を用いて、都市ガスと水素とを需要家に供給することを可能とする。
【００３０】
すなわち、混合ガス導管としては、従来都市ガス導管として用いられている種類の導管を適宜用いることができる。例えば、混合ガス導管の材質としてポリエチレン、ナイロン、塩化ビニルなどの樹脂管の他、ステンレス鋼、クロムモリブデン鋼、炭素鋼、インコネル、ステライトなどの鋼管、鋼管を樹脂で被覆した被覆鋼管を用いることができるが、浸炭による脆化、水素による脆化を防ぐため、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３１６Ｌ、ＳＣＭ４３５、ＳＮＣＭ４３９が好ましく、特にＳＵＳ３１６Ｌが好ましい。
【００３１】
〔水素分離膜〕
水素分離膜は、水素と都市ガスの混合ガスを輸送する導管に簡便に取り付けられる。またその操作も簡易であり、起動停止に要する時間も短くすることが容易である。水素を分離する技術として、ＰＳＡ（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｓｗｉｎｇ Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ）法などもあるが、大きく高価な装置が必要となってしまう。またこのような装置は稼動開始と停止に時間がかかるため、水素が必要な時に瞬時に稼動させ、かつ不要となった場合は瞬時に停止させることができない。
【００３２】
水素分離膜としては、水素を選択的に分離可能な膜を適宜採用できる。水素分離能の観点から水素化物を形成する元素であるパラジウム、ニオブ、マグネシウム、スカンジウム、イットリウム、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム、タンタルのいずれかを含む金属からなる水素分離膜が好ましい。特に好ましくはパラジウム、ニオブまたはジルコニウムを含む金属からなる水素分離膜（以下場合により、Ｐｄ／Ｎｂ／Ｚｒ膜という。）が好ましい。好適な水素透過能を得るために、Ｐｄ／Ｎｂ／Ｚｒ膜を加熱して水素分離を行うことができる。
【００３３】
Ｐｄ／Ｎｂ／Ｚｒ膜を用いると、混合ガス側で水素分子のみが解離吸着し、水素原子が金属中を固溶拡散して、さらに金属外にて水素分子として会合脱離することにより理論的には純度１００％の水素を得ることができる。膜厚が厚い場合には水素原子が金属中を固溶拡散する速度が遅くなって水素透過量が減少するため、膜厚を薄くすることが望まれる。しかしながら膜厚が１００μｍ未満、特に２０μｍ未満のＰｄ／Ｎｂ／Ｚｒ膜には０．５ｎｍ未満の微小なピンホール、クラックなどの欠陥が発生することがある。そのため、水素分子以外の分子も透過することがある。０．５ｎｍ未満の微小な欠陥から透過する混合ガス中の水素以外の分子としてはメタン、エタン、プロパン、ブタンが挙げられ、特にメタンが透過しやすい。この欠陥は水素透過量が増えるとともに増加するため、透過した水素の純度は９０％未満になることもある。しかしながら膜厚１００μｍ未満のＰｄ／Ｎｂ／Ｚｒ膜を、例えば孔径０．３ｎｍ以上１００μｍ以下の多孔質支持体と組み合わせることで、欠陥の増加を容易に抑制でき、その結果、９９．９％（体積％）以上の純度の水素を得ることが容易となる。
【００３４】
多孔質支持体の孔径は光学顕微鏡、電子顕微鏡などを用いて表面を観察することで測定できる。孔径が小さい場合、走査型電子顕微鏡を用いることが好ましい。
【００３５】
Ｐｄ／Ｎｂ／Ｚｒ膜により水素分離能を発現させる条件は、パラジウムを含む金属では２５０℃以上６００℃以下、特に３００℃以上５００℃以下が好ましく、ニオブまたはジルコニウムを含む金属では１００℃以上７００℃以下、特に１５０℃以上、５００℃以下が好ましい。パラジウムを含む金属に含まれてもよいパラジウム以外の元素としては銀、金、銅、ホウ素、ニッケル、ルテニウム、セリウム、イットリウムが挙げられる。その中でも銅を４０質量％含んだ金属、銀を２３質量％含んだ金属が優れている。
【００３６】
Ｐｄ／Ｎｂ／Ｚｒ膜が、多孔質体に支持された構造を利用することができる。Ｐｄ／Ｎｂ／Ｚｒ膜を支持する多孔質体（以下場合により、多孔質支持体という）は、Ｐｄ／Ｎｂ／Ｚｒ膜を透過した水素を通過させるために多孔質とする。
【００３７】
Ｐｄ／Ｎｂ／Ｚｒ膜を加熱するために、通電によって発熱する通電発熱体を用いることができる。多孔質支持体とは別に設けられた通電発熱体を用いることができる。あるいは、多孔質支持体を通電発熱体として用いることもできる。すなわち、通電によって発熱する多孔質支持体を用いれば、多孔質支持体とは別途の通電発熱体は不要である。多孔質支持体とは別途の通電発熱体を用いる場合、この通電発熱体は、Ｐｄ／Ｎｂ／Ｚｒ膜および／または多孔質支持体と接して設けることが好ましい。
【００３８】
多孔質支持体の材質としては、使用状況に耐性を有する材質を適宜用いることができる。Ｐｄ／Ｎｂ／Ｚｒ膜の膜厚が薄くなると、発熱体により直接Ｐｄ／Ｎｂ／Ｚｒ膜を加熱した場合、加熱によりピンホールなどの欠陥が生じる可能性がある。膜厚２０μｍ以上の金属圧延板を用いたＰｄ／Ｎｂ／Ｚｒ膜は、通電によって発熱可能な多孔質支持体を用いてＰｄ／Ｎｂ／Ｚｒ膜を加熱するに好適である。通電によって発熱する多孔質支持体の素材に特に制限はないが、炭素繊維、ステンレス、アルミニウム、ニッケルクロム、鉄クロム、銅マンガン、銅ニッケルが好ましい。一方、膜厚２０μｍ未満のＰｄ／Ｎｂ／Ｚｒ膜、例えば膜厚１５μｍ以下の金属圧延板を用いたＰｄ／Ｎｂ／Ｚｒ膜、多孔質支持体に無電解めっきおよび／または電解めっきして形成したＰｄ／Ｎｂ／Ｚｒ膜、多孔質支持体に化学的気相蒸着法やスパッタリングを用いて形成したＰｄ／Ｎｂ／Ｚｒ膜については、加熱による欠陥の生成を避ける観点から、多孔質支持体を通電により直接発熱させる方法よりも、通電によって発熱可能な通電発熱体からの伝熱によって、伝熱可能な多孔質支持体を加熱し、伝熱により加熱された多孔質支持体でＰｄ／Ｎｂ／Ｚｒ膜を加熱する方法が好ましい。
【００３９】
伝熱可能な多孔質支持体としては、例えば、炭素繊維、ステンレス、チタン、アルミニウム、銅、インコネルのいずれかまたはその複合体が挙げられ、特に熱伝導性に優れた炭素繊維、アルミニウム、銅が好ましい。多孔質支持体を加熱する通電発熱体としては、例えば、炭素繊維、ニッケルクロム、鉄クロム、銅マンガン、銅ニッケルが挙げられる。この時、発熱体である発熱線を多孔質支持体に組み合わせて発熱させる構造を用いることもできる。
【００４０】
多孔質体でＰｄ／Ｎｂ／Ｚｒ膜が支持された構造として、例えば、多孔質支持体の表面をパラジウムもしくはパラジウム合金でめっきしたものを採用することができる。この多孔質支持体として、陽極酸化処理したアルミナ皮膜が好ましい（その表面がパラジウムもしくはパラジウム合金でめっきされる）。
【００４１】
このような構造を製造する方法として、次の方法が好ましい。すなわち、片面をマスキングしたアルミニウム金属板を用意し、この金属板のマスキングしていない片面を陽極酸化してアルミナ皮膜を作成したのち、無電解パラジウムめっきを行う方法である。
【００４２】
通電によって発熱可能な多孔質体に支持された構造として、通電発熱可能な多孔質支持体によって、パラジウム、ニオブまたはジルコニウムを含む合金の圧延板を支持したものを採用することもできる。
【００４３】
複数の多孔質支持体を積層して用いることもできる。この場合、一部の多孔質支持体を通電により発熱可能とし、他の多孔質支持体にはこのような機能は持たせないこともできる。
【００４４】
図２に、Ｐｄ／Ｎｂ／Ｚｒ膜が、通電により発熱可能な多孔質支持体によって支持された構造の例を示す。Ｐｄ／Ｎｂ／Ｚｒ膜２１が、第一の多孔質支持体２２で支持される。第一の多孔質支持体は、熱伝導性が高く、孔径０．３ｎｍ以上１００μｍ以下が好ましい。Ｐｄ／Ｎｂ／Ｚｒ膜と第一の多孔質支持体の積層体を、通電により発熱する孔径が好ましくは１ｍｍ未満、より好ましくは５００μｍ未満、さらに好ましくは１５０μｍ未満の第二の多孔質支持体２３でさらに支持する。単独でＰｄ／Ｎｂ／Ｚｒ膜を支持できるならば第二の多孔質支持体２３のみで支持してもよい。つまり、第一の多孔質支持体は補強のために用いられている。第二の多孔質支持体にはこれに通電するための電気配線２４が設けられ、また温度制御に用いる温度センサーとして熱電対２５が付設される。なお図２（ｂ）は上面図（第二の多孔質支持体２３側から見た図）であるが、図２（ｂ）には、第一の多孔質支持体２２が第一の多孔質支持体２３を通して透けて見えている状況が示されている。
【００４５】
このような水素分離膜は、水素と都市ガスの混合ガスを輸送する導管に極めて簡便に取り付けられる。また、通電加熱により温度を上げることで、短時間で簡単に水素透過能を発現させることができる。従って、水素が必要になった時に、混合ガスから短時間で水素ガスのみを分離抽出し、需要家における燃料電池等の水素利用設備へ供給することができる。
【００４６】
膜の設置の容易性およびコンパクト化の観点から、水素分離膜が、混合ガスの流れ方向に対して垂直に配された平板状であることが好ましい。このような水素分離膜の例について、図３を用いて説明する。多孔質支持体によって支持された水素分離膜（以下場合により、水素分離膜と多孔質支持体を含めて水素分離膜構造体という）１０が、水素と都市ガスとの混合ガス導管から分岐された配管１２と、需要家に水素ガスを供給する水素ガス配管１１との間に配される。分岐配管１２と水素ガス配管１１は円筒形であり、水素分離膜構造体は平板の円盤状である。分岐配管と水素ガス配管はそれぞれフランジ部を有し、両者のフランジ部が、ボルトナット等の接続器具３１によって接続される。水素分離膜構造体１０は、二つのパッキン３２の間に挟まれたうえで、フランジ部に挟まれる。
【００４７】
このような取り付け形態を用いれば、設置が極めて容易で、かつ、混合ガスからの水素ガスの分離を、別途の容器を用いることなく、配管の内部で行うことができ、コンパクト化が容易である。
【００４８】
〔水素ガス・都市ガスの利用〕
水素ガスの需要家には、水素ガスと都市ガスとの混合ガスから、水素分離膜によって分離した水素を供給する。一方、都市ガスの需要家には、混合ガスをそのまま供給してもよいが、混合ガスから水素ガスを分離した残りのガスを供給することもできる。この場合、分離した水素は混合ガス導管に戻せばよい。都市ガス需要家において、供給されるガスを空気と混合して使用する場合には、供給ガス中の水素ガス濃度を爆発限界である４体積％未満にして用いることが好ましいので、水素分離膜による水素ガスの分離もしくは水素吸蔵合金などの水素吸蔵材による水素ガスの除去を行なうことが好ましい。分離した水素ガスは、導管５に戻すことができる。水素吸蔵材を用いる場合は、混合ガス中の水素を水素吸蔵材に吸蔵させることによって混合ガスから水素を除去し、その後、吸蔵剤から水素を放出させることができる。放出した水素ガスも導管５に戻すことができる。
【００４９】
つまり、水素需要家のためには水素分離膜（水素を採取するために用いる水素分離膜。以下場合により第一の水素分離膜という）を用い、都市ガス需要家のためにも水素分離膜（水素が分離された残りのガスを採取するための水素分離膜。以下場合により第二の水素分離膜という）を用いることができる。第二の分離膜も、第一の分離膜と同様のものを用いることができる。
【００５０】
都市ガス需要家が水素ガスも必要とする場合には、一つの水素分離膜を用いて得た水素ガスと上記残りのガスとの両者を、この需要家に供給することもできる。すなわち第一の水素分離膜と第二の水素分離膜は一つの膜で兼用することもできる。
【００５１】
水素吸蔵材としては、水素吸蔵合金、ポーラス炭素など、水素を吸蔵できる公知の材料を適宜用いることができる。水素吸蔵合金としては、例えば、水素親和性の高い金属であるマグネシウム、チタン、バナジウム、ランタン等の元素を含む２種類以上の金属からなる合金が知られている。
【００５２】
図１は本発明の一実施形態に係る水素ガス供給システムを示す図である。水素ガス供給システムは、水素ガス製造装置１、都市ガス貯蔵装置２、および混合装置３を備えた混合ガス供給設備４を有する。水素ガス製造装置１で製造された水素ガスは、この装置に付設された貯蔵装置（不図示）に一旦貯蔵されたのち、需要に対応して送り出される。水素ガス製造装置において製造された水素ガスには適宜付臭剤を添加することができる。
【００５３】
水素ガス製造装置から送り出された水素ガスと、都市ガス貯蔵装置２から供給される都市ガスとが、適宜の混合装置３で混合され、混合ガスが導管５に供給される。
【００５４】
混合ガス導管５から、水素ガスが水素ガス需要家６および７に、水素を分離した後の残ガスが都市ガスとして都市ガス需要家８に供給される。
【００５５】
需要家６は水素ガス利用機器１５を備えている。導管５から分岐した分岐配管１２ａと、水素ガス利用機器１５に接続された水素ガス配管１１ａとの間に水素分離膜構造体（多孔質支持体に支持されたＰｄ／Ｎｂ／Ｚｒ膜）１０ａが取り付けられている。水素分離膜構造体は、通電発熱体によって加熱可能とされている。分岐配管から供給される混合ガスが、通電加熱により水素透過能を発現した水素分離膜に接し、実質的に水素ガスのみが水素分離膜を透過し、かつ多孔質支持体を通過し、水素ガス配管から水素ガス利用機器１５に供給される。通電加熱しても分離膜を透過しない残ガスは戻入ガス配管１３ａを通じて導管５に戻入される。水素ガス利用機器１５としては、例えば燃料電池システムがある。なお、水素分離膜構造体１０ａへの混合ガスの導入に際して昇圧装置を用いて昇圧を行ってもよい。
【００５６】
需要家７にも、導管５から分岐配管１２ｂ、水素分離膜構造体１０ｂおよび水素ガス配管１１ｂを経て、同様に水素ガスが供給される。残ガスは戻入ガス配管１３ｂから導管５に戻される。需要家７の構成が需要家６と異なる点は、水素ガス貯蔵設備として水素ガス供給スタンド１６を備えていることである。水素ガス供給スタンド１６には、水素ガスを水素吸蔵合金などの水素吸蔵材に貯蔵するタイプや、圧縮等により貯蔵するタイプのものを用いることができる。水素ガスは、水素ガス供給スタンドに貯蔵され、水素ガスを燃料とする自動車、例えば燃料電池自動車１７に供給するために用いられる。
【００５７】
需要家８には、水素分離膜で水素を分離した残りの残ガスが供給される。導管５から分岐配管１２ｃを経て混合ガスが水素分離膜構造体１０ｃに供給される。水素分離膜を透過した水素ガスは戻入ガス配管１３ｃによって導管５に戻される。このとき、水素ガスを適宜昇圧した上で導管に戻すことができる。水素分離膜を透過しなかった残ガスは、残ガス配管１４から都市ガス利用機器１８に供給される。都市ガス利用機器としては、例えば、給湯設備などがある。
【００５８】
なお、水素ガス供給システムは上記機器もしくは設備以外にも昇圧器、蓄圧器、ガスホルダー等、適宜の補機類を有することができる。また、通例導管はネットワークを構成しているが、以上の説明においては導管５で代表させている。さらに導管には通例多数の需要家群が接続されているが、需要家６、７、８により代表させている。
【００５９】
また、図１に示した水素ガス供給システムは、残ガスの戻入ガス配管１３ａおよび１３ｂを有しているが、図３に示したように、戻入ガス配管が無くてもよい。
【００６０】
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都市ガスとともに水素ガスを供給することが可能となるため、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。
【００６１】
また、水素分離膜の取り付けが容易であるため、工事費用が少なくてすむ。
【００６２】
さらに、水素分離膜としてＰｄ／Ｎｂ／Ｚｒ膜を用い、水素分離膜を加熱するために通電発熱体を用いれば、設置場所をコンパクトにすることができ、工事費用が少なくてすみ、かつ迅速に温度を上げることができる。つまり、ＰＳＡなどのように複雑なシステムを組み込んだ大きな装置とならずにすむ。また、Ｐｄ／Ｎｂ／Ｚｒ膜が水素透過能を発現する温度（例えば２５０℃以上）までバーナーなどを用いた外部加熱により膜を昇温する場合、バーナーなどを組み込んだ大きな装置を用いることになるのに対して、通電発熱体によって膜を加熱する場合には、例えば水素分離膜を導管の接続部に簡便に取り付けることができ、設置場所をよりコンパクトにすることができる。また、外部加熱により昇温する内部に水素分離膜を含んだ水素分離装置では外部加熱による熱が膜を加熱するためだけではなく装置に組み込まれた配管などヒートパイプとなる部品を加熱するためにも用いられ、放熱が大きいために、水素透過能を発現する温度に達するまで例えば５分以上かかるのに対し、上記水素分離膜では通電発熱体による発熱の多くが水素分離膜の昇温に用いられるため、迅速に例えば５分未満で水素透過能を発現する温度まで昇温することができる。
【００６３】
水素を需要家に供給することができれば、例えば需要家が燃料電池を保有する場合に、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。また、水素供給のための専用スタンドが無くても家庭や事業所において燃料電池自動車に水素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】
【００６４】
【図１】本発明の水素供給システムの一形態につき、その概要を示すフロー図である。
【図２】多孔質支持体によって支持された水素分離膜を説明するための模式図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は上面図である。
【図３】水素分離膜の取り付け形態を説明するための模式的断面図である。
【符号の説明】
【００６５】
１：水素ガス製造装置
２：都市ガス貯蔵装置
３：混合装置
４：混合ガス供給設備
５：導管
６、７：水素ガス需要家
８：都市ガス需要家
１０：水素分離膜構造体
１１：水素ガス配管
１２：分岐配管
１３：戻入ガス配管
１４：残ガス配管
１５：水素ガス利用機器
１６：水素ガス供給スタンド
１７：燃料電池自動車
１８：都市ガス利用機器
２１：パラジウム、ニオブまたはジルコニウムを含む金属からなる水素分離膜
２２：伝熱可能な多孔質支持体
２３：通電加熱により発熱する多孔質支持体
２４：電気配線
２５：熱電対
３１：接続器具
３２：パッキン
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素ガスを需要家に供給する水素ガスの供給方法および供給システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、燃料電池をはじめとする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硫黄酸化物や窒素酸化物などの環境汚染物質が発生しない、もしくは発生量を抑えることができるだけでなく、地球温暖化の原因となる炭酸ガスも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、水素エンジン等の燃料として広く普及することが予想される。
【０００３】
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（特許文献１）。
【０００４】
しかし、特許文献１のように既存の導管網を用いて水素ガスを供給する場合、その導管網では都市ガスの供給を行えなくなってしまう。
【特許文献１】特開２００２−２３５９００号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、都市ガス供給を行う導管を用いて水素ガスを需要家に供給することが可能な、水素ガスの供給方法およびシステムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明により、
ａ）水素ガスと都市ガスとの混合ガスを導管に流す工程；および
ｂ）該導管によって供給される混合ガスから水素分離膜を用いて水素ガスを分離し、分離した水素ガスを需要家に供給する工程
を有する水素ガスの供給方法が提供される。
【０００７】
工程ｂ）で用いる水素分離膜が、パラジウム、ニオブまたはジルコニウムを含む金属からなり、かつ、多孔質体によって支持され、
工程ｂ）において水素ガスを分離する際に、通電によって発熱する通電発熱体を用いて、工程ｂ）で用いる水素分離膜を加熱する工程を有する
上記方法が好ましい。
【０００８】
上記方法において、
工程ｂ）で用いる水素分離膜が、前記混合ガスの流れ方向に対して垂直に配された平板状であることが好ましい。
【０００９】
上記方法が、
ｃ）前記導管によって供給される混合ガスから水素分離膜を用いて水素を分離し、該混合ガスから水素が分離された残りのガスを需要家に供給する工程
を有することが好ましい。
【００１０】
上記方法において、
工程ｃ）で用いる水素分離膜が、パラジウム、ニオブまたはジルコニウムを含む金属からなり、かつ、多孔質体によって支持され、
工程ｃ）において水素ガスを分離する際に、通電によって発熱する通電発熱体を用いて、工程ｃ）で用いる水素分離膜を加熱する
ことが好ましい。
【００１１】
工程ｃ）で用いる水素分離膜が、前記混合ガスの流れ方向に対して垂直に配された平板状であることが好ましい。
【００１２】
上記方法が、
ｄ）前記導管によって供給される混合ガスから、水素吸蔵材によって水素を除去し、該混合ガスから水素が除去された残りのガスを需要家に供給する工程
を有することが好ましい。
【００１３】
本発明により、
水素ガスと都市ガスとの混合ガスを流す導管；
該導管に、該混合ガスを供給する混合ガス供給設備；
該導管によって供給される混合ガスから水素ガスを分離する水素分離膜；および、
該水素分離膜で分離した水素ガスを需要家に供給する配管
を有する水素ガスの供給システムが提供される。
【００１４】
前記水素分離膜が、パラジウム、ニオブまたはジルコニウムを含む金属からなり、かつ、多孔質体によって支持され、
該水素分離膜を加熱するための、通電によって発熱する通電発熱体を有する
上記システムが好ましい。
【００１５】
上記システムにおいて、
前記水素分離膜が、前記混合ガスの流れ方向に対して垂直に配された平板状であることが好ましい。
【００１６】
上記システムが、
前記導管によって供給される混合ガスから水素ガスを分離する第二の水素分離膜；および、
該第二の水素分離膜によって該混合ガスから水素が分離された残りのガスを需要家に供給する配管
を有することが好ましい。
【００１７】
前記第二の水素分離膜が、パラジウム、ニオブまたはジルコニウムを含む金属からなり、かつ、多孔質体によって支持され、
該第二の水素分離膜を加熱するための、通電によって発熱する通電発熱体を有する上記システムが好ましい。
【００１８】
上記システムにおいて、
前記第二の水素分離膜が、前記混合ガスの流れ方向に対して垂直に配された平板状であることが好ましい。
【００１９】
上記システムが、
前記導管によって供給される混合ガスから水素を除去するための水素吸蔵材
を有することが好ましい。
【発明の効果】
【００２０】
本発明により、都市ガス供給を行う導管を用いて水素ガスを需要家に供給することが可能な、水素ガスの供給方法およびシステムが提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の実施の形態を、適宜図面を参照して具体的に説明するが、以下の実施の形態は例示であって、本発明は以下に説明する実施の形態に限定されるものではない。
【００２２】
本発明の水素ガス供給方法は、
ａ）水素ガスと都市ガスとの混合ガスを導管に流す工程；および
ｂ）該導管によって供給される混合ガスから水素分離膜を用いて水素ガスを分離し、分離した水素ガスを需要家に供給する工程
を有する。
【００２３】
〔混合ガス〕
水素と都市ガスとの混合ガスは、水素ガスと都市ガスとを適宜混合することによって得ることができる。混合ガスを導管（以下場合により、混合ガスを流す導管を混合ガス導管という）に供給するために、混合ガス供給設備を用いることができる。混合ガス供給設備は、上記混合ガスを供給可能な設備を適宜採用できるが、混合ガス供給設備として、水素製造装置もしくは水素貯蔵装置と、都市ガス製造装置もしくは都市ガス貯蔵装置とを備える設備を用いることができる。この設備は、水素ガスと都市ガスを混合する混合装置を適宜備えることができる。
【００２４】
水素ガスは、公知の水素製造技術によって製造することができる。例えば、太陽光発電、風力発電、波力発電等で得られた電力を用い、海水を電気分解して製造することができる。また、ナフサの水蒸気改質、石炭の部分酸化などの方法により化石燃料から水素を製造することもできる。このために、公知の電気分解装置や改質装置を利用することができる。
【００２５】
都市ガスとしては、従来から利用されている都市ガスを用いることができる。都市ガスは、天然ガスであってもよく、石油ガスであってもよい。あるいはこれらが混合されたガスであってもよい。例えば、都市ガス貯蔵装置としてはＬＮＧ（液化天然ガス）タンクやＬＰＧ（液化石油ガス）タンクを利用することができる。
【００２６】
混合ガス中の水素ガスと都市ガスとの混合比は各ガスの需要量に応じて決めることができる。
【００２７】
混合ガスの供給圧力は適宜決めればよいが、例えば、高圧（１ＭＰａ以上）、中圧（０．１ＭＰａ以上、１ＭＰａ未満）、低圧（０．１ＭＰａ未満）に分類される。
【００２８】
導管に供給される水素ガスの純度は高いほど良いが、化石燃料から製造される水素ガスを用いる場合、二酸化炭素、窒素など不活性ガスが混入していても導管に供給することもできる。
【００２９】
〔導管〕
従来、導管によって、特には導管が張り巡らされた導管網によって、都市ガスが需要家に供給されている。本発明はこのような既存の都市ガス導管を用いて、都市ガスと水素とを需要家に供給することを可能とする。
【００３０】
すなわち、混合ガス導管としては、従来都市ガス導管として用いられている種類の導管を適宜用いることができる。例えば、混合ガス導管の材質としてポリエチレン、ナイロン、塩化ビニルなどの樹脂管の他、ステンレス鋼、クロムモリブデン鋼、炭素鋼、インコネル、ステライトなどの鋼管、鋼管を樹脂で被覆した被覆鋼管を用いることができるが、浸炭による脆化、水素による脆化を防ぐため、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３１６Ｌ、ＳＣＭ４３５、ＳＮＣＭ４３９が好ましく、特にＳＵＳ３１６Ｌが好ましい。
【００３１】
〔水素分離膜〕
水素分離膜は、水素と都市ガスの混合ガスを輸送する導管に簡便に取り付けられる。またその操作も簡易であり、起動停止に要する時間も短くすることが容易である。水素を分離する技術として、ＰＳＡ（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｓｗｉｎｇ Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ）法などもあるが、大きく高価な装置が必要となってしまう。またこのような装置は稼動開始と停止に時間がかかるため、水素が必要な時に瞬時に稼動させ、かつ不要となった場合は瞬時に停止させることができない。
【００３２】
水素分離膜としては、水素を選択的に分離可能な膜を適宜採用できる。水素分離能の観点から水素化物を形成する元素であるパラジウム、ニオブ、マグネシウム、スカンジウム、イットリウム、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム、タンタルのいずれかを含む金属からなる水素分離膜が好ましい。特に好ましくはパラジウム、ニオブまたはジルコニウムを含む金属からなる水素分離膜（以下場合により、Ｐｄ／Ｎｂ／Ｚｒ膜という。）が好ましい。好適な水素透過能を得るために、Ｐｄ／Ｎｂ／Ｚｒ膜を加熱して水素分離を行うことができる。
【００３３】
Ｐｄ／Ｎｂ／Ｚｒ膜を用いると、混合ガス側で水素分子のみが解離吸着し、水素原子が金属中を固溶拡散して、さらに金属外にて水素分子として会合脱離することにより理論的には純度１００％の水素を得ることができる。膜厚が厚い場合には水素原子が金属中を固溶拡散する速度が遅くなって水素透過量が減少するため、膜厚を薄くすることが望まれる。しかしながら膜厚が１００μｍ未満、特に２０μｍ未満のＰｄ／Ｎｂ／Ｚｒ膜には０．５ｎｍ未満の微小なピンホール、クラックなどの欠陥が発生することがある。そのため、水素分子以外の分子も透過することがある。０．５ｎｍ未満の微小な欠陥から透過する混合ガス中の水素以外の分子としてはメタン、エタン、プロパン、ブタンが挙げられ、特にメタンが透過しやすい。この欠陥は水素透過量が増えるとともに増加するため、透過した水素の純度は９０％未満になることもある。しかしながら膜厚１００μｍ未満のＰｄ／Ｎｂ／Ｚｒ膜を、例えば孔径０．３ｎｍ以上１００μｍ以下の多孔質支持体と組み合わせることで、欠陥の増加を容易に抑制でき、その結果、９９．９％（体積％）以上の純度の水素を得ることが容易となる。
【００３４】
多孔質支持体の孔径は光学顕微鏡、電子顕微鏡などを用いて表面を観察することで測定できる。孔径が小さい場合、走査型電子顕微鏡を用いることが好ましい。
【００３５】
Ｐｄ／Ｎｂ／Ｚｒ膜により水素分離能を発現させる条件は、パラジウムを含む金属では２５０℃以上６００℃以下、特に３００℃以上５００℃以下が好ましく、ニオブまたはジルコニウムを含む金属では１００℃以上７００℃以下、特に１５０℃以上、５００℃以下が好ましい。パラジウムを含む金属に含まれてもよいパラジウム以外の元素としては銀、金、銅、ホウ素、ニッケル、ルテニウム、セリウム、イットリウムが挙げられる。その中でも銅を４０質量％含んだ金属、銀を２３質量％含んだ金属が優れている。
【００３６】
Ｐｄ／Ｎｂ／Ｚｒ膜が、多孔質体に支持された構造を利用することができる。Ｐｄ／Ｎｂ／Ｚｒ膜を支持する多孔質体（以下場合により、多孔質支持体という）は、Ｐｄ／Ｎｂ／Ｚｒ膜を透過した水素を通過させるために多孔質とする。
【００３７】
Ｐｄ／Ｎｂ／Ｚｒ膜を加熱するために、通電によって発熱する通電発熱体を用いることができる。多孔質支持体とは別に設けられた通電発熱体を用いることができる。あるいは、多孔質支持体を通電発熱体として用いることもできる。すなわち、通電によって発熱する多孔質支持体を用いれば、多孔質支持体とは別途の通電発熱体は不要である。多孔質支持体とは別途の通電発熱体を用いる場合、この通電発熱体は、Ｐｄ／Ｎｂ／Ｚｒ膜および／または多孔質支持体と接して設けることが好ましい。
【００３８】
多孔質支持体の材質としては、使用状況に耐性を有する材質を適宜用いることができる。Ｐｄ／Ｎｂ／Ｚｒ膜の膜厚が薄くなると、発熱体により直接Ｐｄ／Ｎｂ／Ｚｒ膜を加熱した場合、加熱によりピンホールなどの欠陥が生じる可能性がある。膜厚２０μｍ以上の金属圧延板を用いたＰｄ／Ｎｂ／Ｚｒ膜は、通電によって発熱可能な多孔質支持体を用いてＰｄ／Ｎｂ／Ｚｒ膜を加熱するに好適である。通電によって発熱する多孔質支持体の素材に特に制限はないが、炭素繊維、ステンレス、アルミニウム、ニッケルクロム、鉄クロム、銅マンガン、銅ニッケルが好ましい。一方、膜厚２０μｍ未満のＰｄ／Ｎｂ／Ｚｒ膜、例えば膜厚１５μｍ以下の金属圧延板を用いたＰｄ／Ｎｂ／Ｚｒ膜、多孔質支持体に無電解めっきおよび／または電解めっきして形成したＰｄ／Ｎｂ／Ｚｒ膜、多孔質支持体に化学的気相蒸着法やスパッタリングを用いて形成したＰｄ／Ｎｂ／Ｚｒ膜については、加熱による欠陥の生成を避ける観点から、多孔質支持体を通電により直接発熱させる方法よりも、通電によって発熱可能な通電発熱体からの伝熱によって、伝熱可能な多孔質支持体を加熱し、伝熱により加熱された多孔質支持体でＰｄ／Ｎｂ／Ｚｒ膜を加熱する方法が好ましい。
【００３９】
伝熱可能な多孔質支持体としては、例えば、炭素繊維、ステンレス、チタン、アルミニウム、銅、インコネルのいずれかまたはその複合体が挙げられ、特に熱伝導性に優れた炭素繊維、アルミニウム、銅が好ましい。多孔質支持体を加熱する通電発熱体としては、例えば、炭素繊維、ニッケルクロム、鉄クロム、銅マンガン、銅ニッケルが挙げられる。この時、発熱体である発熱線を多孔質支持体に組み合わせて発熱させる構造を用いることもできる。
【００４０】
多孔質体でＰｄ／Ｎｂ／Ｚｒ膜が支持された構造として、例えば、多孔質支持体の表面をパラジウムもしくはパラジウム合金でめっきしたものを採用することができる。この多孔質支持体として、陽極酸化処理したアルミナ皮膜が好ましい（その表面がパラジウムもしくはパラジウム合金でめっきされる）。
【００４１】
このような構造を製造する方法として、次の方法が好ましい。すなわち、片面をマスキングしたアルミニウム金属板を用意し、この金属板のマスキングしていない片面を陽極酸化してアルミナ皮膜を作成したのち、無電解パラジウムめっきを行う方法である。
【００４２】
通電によって発熱可能な多孔質体に支持された構造として、通電発熱可能な多孔質支持体によって、パラジウム、ニオブまたはジルコニウムを含む合金の圧延板を支持したものを採用することもできる。
【００４３】
複数の多孔質支持体を積層して用いることもできる。この場合、一部の多孔質支持体を通電により発熱可能とし、他の多孔質支持体にはこのような機能は持たせないこともできる。
【００４４】
図２に、Ｐｄ／Ｎｂ／Ｚｒ膜が、通電により発熱可能な多孔質支持体によって支持された構造の例を示す。Ｐｄ／Ｎｂ／Ｚｒ膜２１が、第一の多孔質支持体２２で支持される。第一の多孔質支持体は、熱伝導性が高く、孔径０．３ｎｍ以上１００μｍ以下が好ましい。Ｐｄ／Ｎｂ／Ｚｒ膜と第一の多孔質支持体の積層体を、通電により発熱する孔径が好ましくは１ｍｍ未満、より好ましくは５００μｍ未満、さらに好ましくは１５０μｍ未満の第二の多孔質支持体２３でさらに支持する。単独でＰｄ／Ｎｂ／Ｚｒ膜を支持できるならば第二の多孔質支持体２３のみで支持してもよい。つまり、第一の多孔質支持体は補強のために用いられている。第二の多孔質支持体にはこれに通電するための電気配線２４が設けられ、また温度制御に用いる温度センサーとして熱電対２５が付設される。なお図２（ｂ）は上面図（第二の多孔質支持体２３側から見た図）であるが、図２（ｂ）には、第一の多孔質支持体２２が第一の多孔質支持体２３を通して透けて見えている状況が示されている。
【００４５】
このような水素分離膜は、水素と都市ガスの混合ガスを輸送する導管に極めて簡便に取り付けられる。また、通電加熱により温度を上げることで、短時間で簡単に水素透過能を発現させることができる。従って、水素が必要になった時に、混合ガスから短時間で水素ガスのみを分離抽出し、需要家における燃料電池等の水素利用設備へ供給することができる。
【００４６】
膜の設置の容易性およびコンパクト化の観点から、水素分離膜が、混合ガスの流れ方向に対して垂直に配された平板状であることが好ましい。このような水素分離膜の例について、図３を用いて説明する。多孔質支持体によって支持された水素分離膜（以下場合により、水素分離膜と多孔質支持体を含めて水素分離膜構造体という）１０が、水素と都市ガスとの混合ガス導管から分岐された配管１２と、需要家に水素ガスを供給する水素ガス配管１１との間に配される。分岐配管１２と水素ガス配管１１は円筒形であり、水素分離膜構造体は平板の円盤状である。分岐配管と水素ガス配管はそれぞれフランジ部を有し、両者のフランジ部が、ボルトナット等の接続器具３１によって接続される。水素分離膜構造体１０は、二つのパッキン３２の間に挟まれたうえで、フランジ部に挟まれる。
【００４７】
このような取り付け形態を用いれば、設置が極めて容易で、かつ、混合ガスからの水素ガスの分離を、別途の容器を用いることなく、配管の内部で行うことができ、コンパクト化が容易である。
【００４８】
〔水素ガス・都市ガスの利用〕
水素ガスの需要家には、水素ガスと都市ガスとの混合ガスから、水素分離膜によって分離した水素を供給する。一方、都市ガスの需要家には、混合ガスをそのまま供給してもよいが、混合ガスから水素ガスを分離した残りのガスを供給することもできる。この場合、分離した水素は混合ガス導管に戻せばよい。都市ガス需要家において、供給されるガスを空気と混合して使用する場合には、供給ガス中の水素ガス濃度を爆発限界である４体積％未満にして用いることが好ましいので、水素分離膜による水素ガスの分離もしくは水素吸蔵合金などの水素吸蔵材による水素ガスの除去を行なうことが好ましい。分離した水素ガスは、導管５に戻すことができる。水素吸蔵材を用いる場合は、混合ガス中の水素を水素吸蔵材に吸蔵させることによって混合ガスから水素を除去し、その後、吸蔵剤から水素を放出させることができる。放出した水素ガスも導管５に戻すことができる。
【００４９】
つまり、水素需要家のためには水素分離膜（水素を採取するために用いる水素分離膜。以下場合により第一の水素分離膜という）を用い、都市ガス需要家のためにも水素分離膜（水素が分離された残りのガスを採取するための水素分離膜。以下場合により第二の水素分離膜という）を用いることができる。第二の分離膜も、第一の分離膜と同様のものを用いることができる。
【００５０】
都市ガス需要家が水素ガスも必要とする場合には、一つの水素分離膜を用いて得た水素ガスと上記残りのガスとの両者を、この需要家に供給することもできる。すなわち第一の水素分離膜と第二の水素分離膜は一つの膜で兼用することもできる。
【００５１】
水素吸蔵材としては、水素吸蔵合金、ポーラス炭素など、水素を吸蔵できる公知の材料を適宜用いることができる。水素吸蔵合金としては、例えば、水素親和性の高い金属であるマグネシウム、チタン、バナジウム、ランタン等の元素を含む２種類以上の金属からなる合金が知られている。
【００５２】
図１は本発明の一実施形態に係る水素ガス供給システムを示す図である。水素ガス供給システムは、水素ガス製造装置１、都市ガス貯蔵装置２、および混合装置３を備えた混合ガス供給設備４を有する。水素ガス製造装置１で製造された水素ガスは、この装置に付設された貯蔵装置（不図示）に一旦貯蔵されたのち、需要に対応して送り出される。水素ガス製造装置において製造された水素ガスには適宜付臭剤を添加することができる。
【００５３】
水素ガス製造装置から送り出された水素ガスと、都市ガス貯蔵装置２から供給される都市ガスとが、適宜の混合装置３で混合され、混合ガスが導管５に供給される。
【００５４】
混合ガス導管５から、水素ガスが水素ガス需要家６および７に、水素を分離した後の残ガスが都市ガスとして都市ガス需要家８に供給される。
【００５５】
需要家６は水素ガス利用機器１５を備えている。導管５から分岐した分岐配管１２ａと、水素ガス利用機器１５に接続された水素ガス配管１１ａとの間に水素分離膜構造体（多孔質支持体に支持されたＰｄ／Ｎｂ／Ｚｒ膜）１０ａが取り付けられている。水素分離膜構造体は、通電発熱体によって加熱可能とされている。分岐配管から供給される混合ガスが、通電加熱により水素透過能を発現した水素分離膜に接し、実質的に水素ガスのみが水素分離膜を透過し、かつ多孔質支持体を通過し、水素ガス配管から水素ガス利用機器１５に供給される。通電加熱しても分離膜を透過しない残ガスは戻入ガス配管１３ａを通じて導管５に戻入される。水素ガス利用機器１５としては、例えば燃料電池システムがある。なお、水素分離膜構造体１０ａへの混合ガスの導入に際して昇圧装置を用いて昇圧を行ってもよい。
【００５６】
需要家７にも、導管５から分岐配管１２ｂ、水素分離膜構造体１０ｂおよび水素ガス配管１１ｂを経て、同様に水素ガスが供給される。残ガスは戻入ガス配管１３ｂから導管５に戻される。需要家７の構成が需要家６と異なる点は、水素ガス貯蔵設備として水素ガス供給スタンド１６を備えていることである。水素ガス供給スタンド１６には、水素ガスを水素吸蔵合金などの水素吸蔵材に貯蔵するタイプや、圧縮等により貯蔵するタイプのものを用いることができる。水素ガスは、水素ガス供給スタンドに貯蔵され、水素ガスを燃料とする自動車、例えば燃料電池自動車１７に供給するために用いられる。
【００５７】
需要家８には、水素分離膜で水素を分離した残りの残ガスが供給される。導管５から分岐配管１２ｃを経て混合ガスが水素分離膜構造体１０ｃに供給される。水素分離膜を透過した水素ガスは戻入ガス配管１３ｃによって導管５に戻される。このとき、水素ガスを適宜昇圧した上で導管に戻すことができる。水素分離膜を透過しなかった残ガスは、残ガス配管１４から都市ガス利用機器１８に供給される。都市ガス利用機器としては、例えば、給湯設備などがある。
【００５８】
なお、水素ガス供給システムは上記機器もしくは設備以外にも昇圧器、蓄圧器、ガスホルダー等、適宜の補機類を有することができる。また、通例導管はネットワークを構成しているが、以上の説明においては導管５で代表させている。さらに導管には通例多数の需要家群が接続されているが、需要家６、７、８により代表させている。
【００５９】
また、図１に示した水素ガス供給システムは、残ガスの戻入ガス配管１３ａおよび１３ｂを有しているが、図３に示したように、戻入ガス配管が無くてもよい。
【００６０】
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都市ガスとともに水素ガスを供給することが可能となるため、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。
【００６１】
また、水素分離膜の取り付けが容易であるため、工事費用が少なくてすむ。
【００６２】
さらに、水素分離膜としてＰｄ／Ｎｂ／Ｚｒ膜を用い、水素分離膜を加熱するために通電発熱体を用いれば、設置場所をコンパクトにすることができ、工事費用が少なくてすみ、かつ迅速に温度を上げることができる。つまり、ＰＳＡなどのように複雑なシステムを組み込んだ大きな装置とならずにすむ。また、Ｐｄ／Ｎｂ／Ｚｒ膜が水素透過能を発現する温度（例えば２５０℃以上）までバーナーなどを用いた外部加熱により膜を昇温する場合、バーナーなどを組み込んだ大きな装置を用いることになるのに対して、通電発熱体によって膜を加熱する場合には、例えば水素分離膜を導管の接続部に簡便に取り付けることができ、設置場所をよりコンパクトにすることができる。また、外部加熱により昇温する内部に水素分離膜を含んだ水素分離装置では外部加熱による熱が膜を加熱するためだけではなく装置に組み込まれた配管などヒートパイプとなる部品を加熱するためにも用いられ、放熱が大きいために、水素透過能を発現する温度に達するまで例えば５分以上かかるのに対し、上記水素分離膜では通電発熱体による発熱の多くが水素分離膜の昇温に用いられるため、迅速に例えば５分未満で水素透過能を発現する温度まで昇温することができる。
【００６３】
水素を需要家に供給することができれば、例えば需要家が燃料電池を保有する場合に、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。また、水素供給のための専用スタンドが無くても家庭や事業所において燃料電池自動車に水素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】
【００６４】
【図１】本発明の水素供給システムの一形態につき、その概要を示すフロー図である。
【図２】多孔質支持体によって支持された水素分離膜を説明するための模式図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は上面図である。
【図３】水素分離膜の取り付け形態を説明するための模式的断面図である。
【符号の説明】
【００６５】
１：水素ガス製造装置
２：都市ガス貯蔵装置
３：混合装置
４：混合ガス供給設備
５：導管
６、７：水素ガス需要家
８：都市ガス需要家
１０：水素分離膜構造体
１１：水素ガス配管
１２：分岐配管
１３：戻入ガス配管
１４：残ガス配管
１５：水素ガス利用機器
１６：水素ガス供給スタンド
１７：燃料電池自動車
１８：都市ガス利用機器
２１：パラジウム、ニオブまたはジルコニウムを含む金属からなる水素分離膜
２２：伝熱可能な多孔質支持体
２３：通電加熱により発熱する多孔質支持体
２４：電気配線
２５：熱電対
３１：接続器具
３２：パッキン
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ）水素ガスと都市ガスとの混合ガスを導管に流す工程；および
ｂ）該導管によって供給される混合ガスから水素分離膜を用いて水素ガスを分離し、分離した水素ガスを需要家に供給する工程
を有する水素ガスの供給方法。
【請求項２】
工程ｂ）で用いる水素分離膜が、パラジウム、ニオブまたはジルコニウムを含む金属からなり、かつ、多孔質体によって支持され、
工程ｂ）において水素ガスを分離する際に、通電によって発熱する通電発熱体を用いて、工程ｂ）で用いる水素分離膜を加熱する工程を有する
請求項１記載の方法。
【請求項３】
工程ｂ）で用いる水素分離膜が、前記混合ガスの流れ方向に対して垂直に配された平板状である請求項１または２記載の方法。
【請求項４】
ｃ）前記導管によって供給される混合ガスから水素分離膜を用いて水素を分離し、該混合ガスから水素が分離された残りのガスを需要家に供給する工程
を有する請求項１から３の何れか一項記載の方法。
【請求項５】
工程ｃ）で用いる水素分離膜が、パラジウム、ニオブまたはジルコニウムを含む金属からなり、かつ、多孔質体によって支持され、
工程ｃ）において水素ガスを分離する際に、通電によって発熱する通電発熱体を用いて、工程ｃ）で用いる水素分離膜を加熱する
請求項４記載の方法。
【請求項６】
工程ｃ）で用いる水素分離膜が、前記混合ガスの流れ方向に対して垂直に配された平板状である請求項４または５記載の方法。
【請求項７】
ｄ）前記導管によって供給される混合ガスから、水素吸蔵材によって水素を除去し、該混合ガスから水素が除去された残りのガスを需要家に供給する工程
を有する請求項１から６の何れか一項記載の方法。
【請求項８】
水素ガスと都市ガスとの混合ガスを流す導管；
該導管に、該混合ガスを供給する混合ガス供給設備；
該導管によって供給される混合ガスから水素ガスを分離する水素分離膜；および、
該水素分離膜で分離した水素ガスを需要家に供給する配管
を有する水素ガスの供給システム。
【請求項９】
前記水素分離膜が、パラジウム、ニオブまたはジルコニウムを含む金属からなり、かつ、多孔質体によって支持され、
該水素分離膜を加熱するための、通電によって発熱する通電発熱体を有する
請求項８記載のシステム。
【請求項１０】
前記水素分離膜が、前記混合ガスの流れ方向に対して垂直に配された平板状である請求項８または９記載のシステム。
【請求項１１】
前記導管によって供給される混合ガスから水素ガスを分離する第二の水素分離膜；および、
該第二の水素分離膜によって該混合ガスから水素が分離された残りのガスを需要家に供給する配管
を有する請求項８から１０の何れか一項記載のシステム。
【請求項１２】
前記第二の水素分離膜が、パラジウム、ニオブまたはジルコニウムを含む金属からなり、かつ、多孔質体によって支持され、
該第二の水素分離膜を加熱するための、通電によって発熱する通電発熱体を有する請求項１１記載のシステム。
【請求項１３】
前記第二の水素分離膜が、前記混合ガスの流れ方向に対して垂直に配された平板状である請求項１１または１２記載のシステム。
【請求項１４】
前記導管によって供給される混合ガスから水素を除去するための水素吸蔵材
を有する請求項８から１３の何れか一項記載のシステム。
【請求項１】
ａ）水素ガスと都市ガスとの混合ガスを導管に流す工程；および
ｂ）該導管によって供給される混合ガスから水素分離膜を用いて水素ガスを分離し、分離した水素ガスを需要家に供給する工程
を有する水素ガスの供給方法。
【請求項２】
工程ｂ）で用いる水素分離膜が、パラジウム、ニオブまたはジルコニウムを含む金属からなり、かつ、多孔質体によって支持され、
工程ｂ）において水素ガスを分離する際に、通電によって発熱する通電発熱体を用いて、工程ｂ）で用いる水素分離膜を加熱する工程を有する
請求項１記載の方法。
【請求項３】
工程ｂ）で用いる水素分離膜が、前記混合ガスの流れ方向に対して垂直に配された平板状である請求項１または２記載の方法。
【請求項４】
ｃ）前記導管によって供給される混合ガスから水素分離膜を用いて水素を分離し、該混合ガスから水素が分離された残りのガスを需要家に供給する工程
を有する請求項１から３の何れか一項記載の方法。
【請求項５】
工程ｃ）で用いる水素分離膜が、パラジウム、ニオブまたはジルコニウムを含む金属からなり、かつ、多孔質体によって支持され、
工程ｃ）において水素ガスを分離する際に、通電によって発熱する通電発熱体を用いて、工程ｃ）で用いる水素分離膜を加熱する
請求項４記載の方法。
【請求項６】
工程ｃ）で用いる水素分離膜が、前記混合ガスの流れ方向に対して垂直に配された平板状である請求項４または５記載の方法。
【請求項７】
ｄ）前記導管によって供給される混合ガスから、水素吸蔵材によって水素を除去し、該混合ガスから水素が除去された残りのガスを需要家に供給する工程
を有する請求項１から６の何れか一項記載の方法。
【請求項８】
水素ガスと都市ガスとの混合ガスを流す導管；
該導管に、該混合ガスを供給する混合ガス供給設備；
該導管によって供給される混合ガスから水素ガスを分離する水素分離膜；および、
該水素分離膜で分離した水素ガスを需要家に供給する配管
を有する水素ガスの供給システム。
【請求項９】
前記水素分離膜が、パラジウム、ニオブまたはジルコニウムを含む金属からなり、かつ、多孔質体によって支持され、
該水素分離膜を加熱するための、通電によって発熱する通電発熱体を有する
請求項８記載のシステム。
【請求項１０】
前記水素分離膜が、前記混合ガスの流れ方向に対して垂直に配された平板状である請求項８または９記載のシステム。
【請求項１１】
前記導管によって供給される混合ガスから水素ガスを分離する第二の水素分離膜；および、
該第二の水素分離膜によって該混合ガスから水素が分離された残りのガスを需要家に供給する配管
を有する請求項８から１０の何れか一項記載のシステム。
【請求項１２】
前記第二の水素分離膜が、パラジウム、ニオブまたはジルコニウムを含む金属からなり、かつ、多孔質体によって支持され、
該第二の水素分離膜を加熱するための、通電によって発熱する通電発熱体を有する請求項１１記載のシステム。
【請求項１３】
前記第二の水素分離膜が、前記混合ガスの流れ方向に対して垂直に配された平板状である請求項１１または１２記載のシステム。
【請求項１４】
前記導管によって供給される混合ガスから水素を除去するための水素吸蔵材
を有する請求項８から１３の何れか一項記載のシステム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２００８−２４８９３４（Ｐ２００８−２４８９３４Ａ）
【公開日】平成２０年１０月１６日（２００８．１０．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−８８１５８（Ｐ２００７−８８１５８）
【出願日】平成１９年３月２９日（２００７．３．２９）
【出願人】（０００００４４４４）新日本石油株式会社 (1,898)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１０月１６日（２００８．１０．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年３月２９日（２００７．３．２９）
【出願人】（０００００４４４４）新日本石油株式会社 (1,898)
【Ｆターム（参考）】
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