JP2022090955A - Adsorption storage system of fuel gas - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料ガスの吸着貯蔵システムに関する。 The present invention relates to a fuel gas adsorption and storage system.
特許文献1は、燃料ガス(天然ガス)を吸着・放出可能な吸着材が充填されたタンクを備え、当該タンクから供給された燃料ガスを燃料として駆動する車両において、燃料ガスが吸着材から放出される際の吸熱反応とそれに伴う燃料ガスの放出能力の低下を防止するため、エンジン用の冷却水を用いてタンクを加熱する技術を開示している。
特許文献1等の従来の車両では、タンクは車両後方に配置され、エンジン及びラジエータは車両前方に配置されることが一般的である。よって、タンクを加熱する場合、冷却水の配管を車両前方から車両後方まで延伸させる必要があり、熱交換システムが複雑になるだけでなく、冷却水を含めたシステムの重量が増加するという問題がある。
In a conventional vehicle such as
そこで、本発明は、簡易な熱交換を実現するとともにシステムの重量化を回避する燃料ガスの吸着貯蔵システムを提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a fuel gas adsorption storage system that realizes simple heat exchange and avoids weight reduction of the system.
本発明の一態様における燃料ガスの吸着貯蔵システムは、燃料ガスを貯蔵・放出可能な吸着材が充填された燃料ガス貯蔵部と、燃料ガス貯蔵部を循環するとともに二酸化炭素を貯蔵・放出可能な吸収液と、を含み、燃料ガス貯蔵部と吸収液が熱的に互いに接続されている。 The fuel gas adsorption storage system according to one aspect of the present invention circulates between a fuel gas storage unit filled with an adsorbent capable of storing and releasing fuel gas and a fuel gas storage unit, and can store and release carbon dioxide. It contains an absorber, and the fuel gas reservoir and the absorber are thermally connected to each other.
上記態様であれば、燃料ガスを吸着材に吸着させると吸着熱(発熱)が発生するが、これが燃料ガスの吸着能力を低下させる。また、燃料ガスを吸着材から放出させると放出熱(吸熱)が発生するが、これが燃料ガスの放出能力を低下させる。一方、二酸化炭素を吸収液に吸着させると吸着熱(発熱)が発生し、二酸化炭素を吸収液から放出させると放出熱(吸熱)を発生させる。よって、燃料ガスを充填する際に二酸化炭素を放出し、燃料ガスを放出する際に二酸化炭素を吸収することで、燃料ガス貯蔵部で発生した吸着熱と吸収液で発生した放出熱との熱交換、及び燃料ガス貯蔵部で発生した放出熱と吸収液で発生した吸着熱との熱交換が可能となる。従って、燃料ガスの吸着材への吸着時の吸着能力の低下、及び燃料ガスの吸着材からの放出時の放出能力の低下を抑制することができる。さらに、吸収液と吸着材は他の冷媒を介することなく直接熱交換が可能となるので、熱交換の効率を高めることができ、前記の他の冷媒及び二酸化炭素を貯蔵する設備も不要となる。以上より、簡易な熱交換を実現するとともにシステムの重量化を回避することができる。 In the above embodiment, when the fuel gas is adsorbed on the adsorbent, heat of adsorption (heat generation) is generated, which reduces the adsorption capacity of the fuel gas. Further, when the fuel gas is released from the adsorbent, heat release (endothermic) is generated, which reduces the release capacity of the fuel gas. On the other hand, when carbon dioxide is adsorbed on the absorption liquid, heat of adsorption (heat generation) is generated, and when carbon dioxide is released from the absorption liquid, heat of release (heat absorption) is generated. Therefore, by releasing carbon dioxide when filling the fuel gas and absorbing carbon dioxide when releasing the fuel gas, the heat between the heat of adsorption generated in the fuel gas storage and the heat of release generated by the absorbing liquid It is possible to exchange heat and exchange heat between the heat released from the fuel gas storage and the heat generated by the absorbed liquid. Therefore, it is possible to suppress a decrease in the adsorption capacity when the fuel gas is adsorbed on the adsorbent and a decrease in the release capacity when the fuel gas is released from the adsorbent. Further, since the absorbent liquid and the adsorbent can directly exchange heat without using other refrigerants, the efficiency of heat exchange can be improved, and the equipment for storing the other refrigerants and carbon dioxide is not required. .. From the above, it is possible to realize simple heat exchange and avoid weighting the system.
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[第1実施形態の概要]
図1は、第1実施形態の燃料ガスの吸着貯蔵システム100を簡易に説明するためのブロック図である。
[Outline of the first embodiment]
FIG. 1 is a block diagram for briefly explaining the fuel gas
第1実施形態の燃料ガスの吸着貯蔵システム100(以後、吸着貯蔵システム100と称す。)は、燃料ガス(天然ガス)を燃料とする車両に搭載されている。吸着貯蔵システム100は、燃料ガスが充填・放出可能な燃料ガス貯蔵部11と、二酸化炭素(CO2)を充填・放出可能な吸収液31を冷媒として燃料ガス貯蔵部11に循環させる循環経路3を備える。
The fuel gas adsorption storage system 100 (hereinafter referred to as the adsorption storage system 100) of the first embodiment is mounted on a vehicle using fuel gas (natural gas) as fuel. The
燃料ガス貯蔵部11は、燃料ガスの導入側がバルブV1を介して外部供給設備(不図示)に接続され、燃料ガスの放出側がバルブV2を介して燃料利用機器9(燃料電池、エンジン)に接続されている。
In the fuel
循環経路3には、吸収液31を循環させる循環ポンプ32と、外部から二酸化炭素を取りこんで吸収液31に二酸化炭素を吸収させる気液混合装置34と吸収液31から二酸化炭素を分離して外部に放出する第1気液分離装置33と、が配置されている。
The
気液混合装置34の二酸化炭素の導入側は、バルブV5を介して燃料利用機器9の排気ガスの排出側に接続している。
The carbon dioxide introduction side of the gas-
第1気液分離装置33の二酸化炭素の排出側は、バルブV7を介して外部(又はCO2タンク42(図5))に連通している。
The carbon dioxide discharge side of the first gas-
燃料ガス貯蔵部11には、外部供給設備から燃料ガスが所定の圧力(例えば3.5[Mpa])で充填されるとともに、充填した燃料ガスを燃料利用機器9(燃料電池、エンジン)側に供給することができる。すなわち、V2を閉じた状態でV1を開放すると燃料ガス貯蔵部11には燃料ガスが供給・貯蔵され、V1を閉じた状態でV2を開放すると燃料ガス貯蔵部11に貯蔵された燃料ガスが燃料利用機器9に供給される。
The fuel
燃料ガス貯蔵部11には、燃料ガスを吸着・放出(脱離)する吸着材111(図5等参照)が充填されている。よって、燃料ガス貯蔵部11に燃料ガスが供給されると吸着材111には燃料ガスが吸着される。燃料ガスの吸着量(吸着密度)は、燃料ガス貯蔵部11内の燃料ガスの圧力及び吸着材111の温度により変化する。
The fuel
ところで、V2を開放して燃料ガス貯蔵部11内の圧力が低下すると、吸着材111から燃料ガスが放出されるが、その際に吸着材111は放出熱(吸熱)を発生させる。この放出熱により吸着材111の温度が低下すると燃料ガスの放出効率が低下する。従って、燃料ガス貯蔵部11から燃料ガスを放出する際は、燃料ガスが吸着材111から放出する際に発生する放出熱に相当する熱量を外部から供給する必要がある。
By the way, when V2 is opened and the pressure in the fuel
また、V1を開放して燃料ガス貯蔵部11に燃料ガスを充填すると、吸着材111は燃料ガスを吸着するが、その際に吸着材111は吸着熱(発熱)を発生させる。この吸着熱により吸着材111の温度が上昇すると燃料ガスの吸着効率が低下する。従って、燃料ガス貯蔵部11に燃料ガスを充填する際は、燃料ガスが吸着材111に吸着する際に発生する吸着熱を外部から取り出す必要がある。
Further, when V1 is opened and the fuel
循環経路3には、二酸化炭素を吸収・放出(脱離)する吸収液31が充填されている。ここで、吸収液31の二酸化炭素の吸収量(吸着密度)は、吸収液31に印加される圧力及び吸収液31の温度により変化する。
The
ところで、V7を開放すると第1気液分離装置33において吸収液31から二酸化炭素が放出されるが、その際に吸収液31は放出熱(吸熱)を発生させる。この放出熱により吸収液31の温度が低下すると二酸化炭素の放出効率が低下する。従って、循環経路3から二酸化炭素を放出する際は、二酸化炭素が吸収液31から放出する際に発生する放出熱に相当する熱量を外部から供給する必要がある。
By the way, when V7 is opened, carbon dioxide is released from the
また、V5を開放すると、循環経路3に二酸化炭素が供給され吸収液31に二酸化炭素を吸収するが、その際に吸収液31は吸着熱(発熱)を発生させる。この吸着熱により吸収液31の温度が上昇すると二酸化炭素の吸着効率が低下する。従って、循環経路3に二酸化炭素を供給する際は、吸収液31が二酸化炭素を吸収する際に発生する吸着熱を外部から取り出す必要がある。
Further, when V5 is opened, carbon dioxide is supplied to the
ここで、燃料利用機器9が燃料電池である場合、燃料ガスを発電反応に用いて発電し二酸化炭素を排出する。また、燃料利用機器9がエンジンである場合、燃料ガスを燃焼して二酸化炭素を排出する。さらに、燃料ガス貯蔵部11と循環経路3は冷媒である吸収液31より互いに熱交換可能となっている。
Here, when the
よって、燃料ガス貯蔵部11から燃料ガスを放出する際に、循環経路3に二酸化炭素を供給することが好適である。これにより、燃料ガス貯蔵部11で発生する放出熱を相殺する熱量を吸収液31から直接受けることができ、燃料ガスの吸着材111からの放出能力の低下を抑制することができる。また同時に、循環経路3において吸収液31が二酸化炭素を吸収する際に発生する吸着熱を燃料ガス貯蔵部11の吸着材111が取り出すことができ、二酸化炭素の吸収液31への吸着効率の低下を抑制することができる。
Therefore, it is preferable to supply carbon dioxide to the
一方、燃料ガス貯蔵部11に燃料ガスを充填する際に、循環経路3から二酸化炭素を放出することが好適である。これにより、燃料ガス貯蔵部11で発生する吸着熱を吸収液31により直接取り出すことができ、燃料ガスの吸着材111への吸着能力の低下を抑制することができる。また同時に、循環経路3において二酸化炭素が吸収液31から放出する際に発生する放出熱を相殺する熱量を燃料ガス貯蔵部11の吸着材111が直接供給することができ、二酸化炭素の吸収液31からの放出効率の低下を抑制することができる。
On the other hand, when the fuel
吸着材111としては、例えば金属有機構造体(Metal Organic Flameworks,MOF、規則性多孔質金属錯体)や、多孔性配位高分子(Porous Coord ination Polymer,PCP)、活性炭、ゼオライト等のガス吸着材が適用される。 Examples of the adsorbent 111 include metal organic frameworks (MOF, regular porous metal complex), porous coordination polymers (Porous Coordination Polymer, PCP), activated carbon, and gas adsorbents such as zeolite. Is applied.
二酸化炭素の1モル当たりの吸着熱/放出熱が、メタンや燃料ガス等の吸着熱/放出熱に比して高くなる吸着材111としては、MOF、活性炭、ゼオライト等の吸着材111が上げられる。Basolite C-300(登録商標)等の一般的に入手可能なMOFの多くは、メタン及び二酸化炭素の双方に高い吸着容量を有し、二酸化炭素の吸着熱も高い特性を有しており、システム全体の小型化を可能とする点からのその適用が好ましい。 As the adsorbent 111 in which the heat of adsorption / release per mol of carbon dioxide is higher than the heat of adsorption / release of methane, fuel gas, etc., the adsorbent 111 such as MOF, activated charcoal, and zeolite can be mentioned. .. Many of the commonly available MOFs, such as Basolite C-300®, have high adsorption capacities for both methane and carbon dioxide, and also have high heat of carbon dioxide adsorption. Its application is preferable from the viewpoint of enabling miniaturization of the whole.
例えば、吸着材111としてMOFを適用した場合、メタンの吸着熱/放出熱は12.5[kJ/mol]であり、二酸化炭素の吸着熱/放出熱は15[kJ/mol]である。また、1モルのメタンを燃焼すると1モルの二酸化炭素が生成される。従って、1モルのメタンの吸着熱/放出熱よりも1モルの二酸化炭素の放出熱/吸着熱の方が大きくなっている。 For example, when MOF is applied as the adsorbent 111, the heat of adsorption / release of methane is 12.5 [kJ / mol], and the heat of adsorption / release of carbon dioxide is 15 [kJ / mol]. Combustion of 1 mol of methane produces 1 mol of carbon dioxide. Therefore, the heat of release / heat of adsorption of 1 mol of carbon dioxide is larger than the heat of adsorption / heat of release of 1 mol of methane.
燃料ガス(天然ガス)は、その大部分がメタンにより構成されるが、その他エタン、プロパン、ブタンなどの炭化水素もわずかに含まれる。例えば、ブタン(nブタン)の吸着熱は、36[kJ/mol]であるが、ブタンを燃焼すると4モルの二酸化炭素が生成される。従って、1モルのブタンの吸着熱/放出熱(36[kJ/mol])よりも、4モルの二酸化炭素の放出熱/吸着熱(15×4=60[kJ/mol])の方が大きくなっている。 Most of the fuel gas (natural gas) is composed of methane, but it also contains a small amount of hydrocarbons such as ethane, propane, and butane. For example, the heat of adsorption of butane (n butane) is 36 [kJ / mol], but burning butane produces 4 mol of carbon dioxide. Therefore, the heat of release / heat of adsorption of 4 mol of carbon dioxide (15 × 4 = 60 [kJ / mol]) is larger than the heat of adsorption / release of 1 mol of butane (36 [kJ / mol]). It has become.
なお、上記の二酸化炭素、メタン、ブタン(nブタン)の吸着熱/放出熱の値は、非特許文献("Heats of Adsorption for Seven Gases in Three Metal - Organic Frameworks: Systematic Comparison of Experimental and Simulation", David Farrusseng etc, Langmuir 2009, 25(13), 7383-7388, Published on Web 06/04/2009)から引用した。 The values of heat of adsorption / heat of release of carbon dioxide, methane, and butane (n butane) are described in the non-patent document ("Heats of Adsorption for Seven Gases in Three Metal --Organic Frameworks: Systematic Comparison of Experimental and Simulation", Quoted from David Farrusseng etc, Langmuir 2009, 25 (13), 7383-7388, Published on Web 06/04/2009).
メタン及びブタンの吸着熱/放出熱を考慮すると、エタンの吸着熱/放出熱は約20[kJ/mol]、プロパンの吸着熱/放出熱は約28[kJ/mol]となる。また、1モルのエタンを燃焼すると2モルの二酸化炭素が生成され、1モルのプロパンを燃焼すると3モルの二酸化炭素が生成される。 Considering the heat of adsorption / release of methane and butane, the heat of adsorption / release of ethane is about 20 [kJ / mol], and the heat of adsorption / release of propane is about 28 [kJ / mol]. Combustion of 1 mol of ethane produces 2 mol of carbon dioxide, and combustion of 1 mol of propane produces 3 mol of carbon dioxide.
従って、1モルのエタンの吸着熱/放出熱(約20[kJ/mol])よりも、2モルの二酸化炭素の放出熱/吸着熱(15×2=30[kJ/mol])の方が大きくなっている。また、1モルのプロパンの吸着熱/放出熱(約28[kJ/mol])よりも、3モルの二酸化炭素の放出熱/吸着熱(15×3=45[kJ/mol])の方が大きくなっている。 Therefore, the heat of release / heat of adsorption of 2 mol of carbon dioxide (15 × 2 = 30 [kJ / mol]) is higher than the heat of adsorption / release of 1 mol of ethane (about 20 [kJ / mol]). It's getting bigger. Further, the heat of release / heat of adsorption of 3 mol of carbon dioxide (15 × 3 = 45 [kJ / mol]) is higher than the heat of adsorption / release of 1 mol of propane (about 28 [kJ / mol]). It's getting bigger.
前記のようにメタンの吸着熱/放出熱は12.5[kJ/mol]であり、二酸化炭素の吸着熱/放出熱は15[kJ/mol]である。燃料ガス中のメタンの割合は90[%]程度あるが、すべてメタンと仮定しても二酸化炭素の回収率が(12.5[kJ/mol])/(15[kJ/mol])×100=83.3[%]以上であれば、メタンの吸着熱/放出熱よりも二酸化炭素の放出熱/吸着熱の方が大きくなる。 As described above, the heat of adsorption / release of methane is 12.5 [kJ / mol], and the heat of adsorption / release of carbon dioxide is 15 [kJ / mol]. The ratio of methane in the fuel gas is about 90 [%], but the recovery rate of carbon dioxide is (12.5 [kJ / mol]) / (15 [kJ / mol]) × 100 even assuming that all methane is used. When = 83.3 [%] or more, the heat of emission / heat of carbon dioxide is larger than the heat of adsorption / heat of emission of methane.
吸収液31は、吸収する気体の種類にほぼ依存することなく吸収熱・放出熱が発生する物理吸収液と、二酸化炭素の吸収熱・放出熱が他の気体よりも大きな化学吸収液が適用される。物理吸収液としてはイオン性液体、ポリエチレングリコール、メタノール等が適用される。また、化学吸収液としては、アミン化合物、炭酸カリウム(水溶液)等が適用される。
As the
ここで、吸収液31の各種ガスの吸着熱/放出熱を吸着材111と同じと仮定すれば、吸着材111で発生した1モルのメタンの吸着熱/放出熱(12.5[kJ/mol])を、吸収液31で発生した1モルの二酸化炭素の放出熱/吸着熱(15.0[kJ/mol])により賄うことができる。
Here, assuming that the heat of adsorption / heat of release of various gases of the absorbing
吸着材111で発生した1モルのエタンの吸着熱/放出熱(約20[kJ/mol])を、吸収液31へ発生した2モルの二酸化炭素の放出熱/吸着熱(15×2=30[kJ/mol])により賄うことができる。 The heat of adsorption / release of 1 mol of ethane generated by the adsorbent 111 (about 20 [kJ / mol]) is converted into the heat of release / adsorption of 2 mol of carbon dioxide generated in the absorption liquid 31 (15 × 2 = 30). It can be covered by [kJ / mol]).
吸着材111で発生した1モルのプロパンの吸着熱/放出熱(約28[kJ/mol])を、吸収液31で発生した3モルの二酸化炭素の放出熱/吸着熱(15×3=45[kJ/mol])により賄うことができる。 The heat of adsorption / release of 1 mol of propane generated by the adsorbent 111 (about 28 [kJ / mol]) is converted into the heat of release / adsorption of 3 mol of carbon dioxide generated by the absorption liquid 31 (15 × 3 = 45). It can be covered by [kJ / mol]).
吸着材111で発生した1モルのブタンの吸着熱/放出熱(36[kJ/mol])を、吸収液31で発生した4モルの二酸化炭素の放出熱/吸着熱(15×4=60[kJ/mol])により賄うことができる。 The heat of adsorption / release of 1 mol of butane generated by the adsorbent 111 (36 [kJ / mol]) is converted into the heat of release / adsorption of 4 mol of carbon dioxide generated by the absorbent 31 (15 × 4 = 60 [15 × 4 = 60]. It can be covered by kJ / mol]).
上記のように、燃料ガスが全てメタンと仮定しても二酸化炭素の回収率が(12.5[kJ/mol])/(15[kJ/mol])×100=83.3[%]以上であれば、吸着材111発生したメタンの吸着熱/放出熱を、吸収液31で発生した二酸化炭素の放出熱/吸着熱により賄うことができる。
As described above, even if it is assumed that the fuel gas is all methane, the recovery rate of carbon dioxide is (12.5 [kJ / mol]) / (15 [kJ / mol]) × 100 = 83.3 [%] or more. If this is the case, the heat of adsorption / release of methane generated in the adsorbent 111 can be covered by the heat of release / heat of carbon dioxide generated in the absorbing
図2は、固体の吸着材111の二酸化炭素の吸着熱と二酸化炭素の圧力との関係、及び液体の吸収液31の二酸化炭素の吸着熱と二酸化炭素の圧力との関係、を示すグラフである。
FIG. 2 is a graph showing the relationship between the heat of adsorbing carbon dioxide of the
図2に示すように、固体の吸着材111(例えばBasolite C-300(登録商標))の二酸化炭素の吸着熱(放出熱)は、吸着材111の周囲の二酸化炭素の圧力の上昇とともに急激に上昇するが1[Mpa]付近で飽和し初め、3[Mpa]以上ではほとんど上昇しない。 As shown in FIG. 2, the heat of carbon dioxide adsorption (heat released) of a solid adsorbent 111 (for example, Basolite C-300 (registered trademark)) rapidly increases as the pressure of carbon dioxide around the adsorbent 111 increases. Although it rises, it begins to saturate near 1 [Mpa] and hardly rises above 3 [Mpa].
これに対して、液体の吸収液31(例えばアミン化合物)の二酸化炭素の吸着熱(放出熱)は、吸収液31に供給される二酸化炭素の圧力の上昇とともにほぼ線形に上昇し、3[Mpa]付近で吸着材111の吸着熱(放出熱)よりも大きくなる。そして、吸収液31の二酸化炭素の吸着熱(放出熱)と吸着材111の二酸化炭素の吸着熱(放出熱)との差は3[Mpa]以上では圧力上昇とともに広がっていく。
On the other hand, the heat of adsorption (heat of release) of carbon dioxide in the liquid absorption liquid 31 (for example, an amine compound) rises almost linearly with the increase in the pressure of the carbon dioxide supplied to the
図3は、燃料ガスの放出熱(吸着熱)と、二酸化炭素の吸着熱(放出熱)との間で熱交換を行う場合であって、燃料ガス及び二酸化炭素をそれぞれ固体吸着材に充填させる場合を説明する図である。図4は、第1実施形態において燃料ガスの放出熱(吸着熱)と、二酸化炭素の吸着熱(放出熱)との間で熱交換を行う場合を説明する図である。 FIG. 3 shows a case where heat is exchanged between the heat of fuel gas release (heat of adsorption) and the heat of carbon dioxide adsorption (heat of release), and the solid adsorbent is filled with the fuel gas and carbon dioxide, respectively. It is a figure explaining the case. FIG. 4 is a diagram illustrating a case where heat exchange is performed between the heat of emission of fuel gas (heat of adsorption) and the heat of adsorption of carbon dioxide (heat of emission) in the first embodiment.
図3に示すように、二酸化炭素の吸着・放出を、燃料ガスと同様に吸着材111で行う場合は、二酸化炭素を貯蔵するCO2貯蔵部11a内に吸着材111を配置し、燃料ガス貯蔵部11とCO2貯蔵部11aとの間において冷媒を循環させる構成が必要となる。この場合、CO2貯蔵部11aと燃料ガス貯蔵部11との間で等量の熱交換を行うためには、CO2貯蔵部11aは燃料ガス貯蔵部11とほぼ同じ容積(例えば50[L])が必要となる。システム全体としては、CO2貯蔵部11aの容量(50[L])、燃料ガス貯蔵部11の容量(50[L])、さらには別途冷媒用の容量(CO2貯蔵部11a及び燃料ガス貯蔵部11から離間している部分の容量)が必要となる。
As shown in FIG. 3, when carbon dioxide is adsorbed and released by the adsorbent 111 in the same manner as the fuel gas, the adsorbent 111 is arranged in the CO 2 storage unit 11a for storing carbon dioxide, and the fuel gas is stored. A configuration for circulating a refrigerant between the
一方、図4に示すように、二酸化炭素の吸収・放出を吸収液31で行う場合であって、例えば吸収液31(二酸化炭素)の圧力を5[Mpa]とした場合、二酸化炭素の吸着熱(放出熱)は約280[kJ/L]となるが、そのときの吸着材111の二酸化炭素の吸着熱(放出熱)は約170[kJ/L]となっている。従って、吸収液31の容積を((280-170)/280)×100=39[%]削減する、すなわち吸収液31の容量を約30[L]としても、吸収液31と吸着材111との間で等量の熱交換が可能であり、上記の冷媒も不要となる。さらに、例えば、燃料ガス貯蔵部11内の吸収液31の体積(連通路52(図13)の全容積)が10[L]であれば、循環経路3の燃料ガス貯蔵部11から露出する体積は20[L]となる。以上より、図3のシステムと比較して、本発明では、システム全体として、30[%]以上の容量の小型化を図ることができる。
On the other hand, as shown in FIG. 4, when the absorption / release of carbon dioxide is performed by the
[第1実施形態の主要構成]
図5は、第1実施形態の燃料ガスの吸着貯蔵システム100の主要構成を示すブロック図である。第1実施形態の吸着貯蔵システム100は、車両に配置されるとともに燃料ガスを消費して駆動する燃料利用機器9(燃料電池、バッテリ)に接続される。車両には燃料利用機器9のほか、バッテリ(不図示)、モータ(不図示)が搭載され、燃料利用機器9が発電した電力がバッテリに充電され、モータは、バッテリから電力を受けて車両の駆動輪を駆動させる。またモータは減速時に回生電力を発生させ、これをバッテリに充電することができる。もちろん、燃料利用機器9がエンジンである場合、エンジンの駆動力を駆動輪に伝達させることも可能である。
[Main configuration of the first embodiment]
FIG. 5 is a block diagram showing a main configuration of the fuel gas
第1実施形態の吸着貯蔵システム100は、外部から供給された燃料ガス(天然ガス)を貯蔵するとともに当該燃料ガスを燃料利用機器9の燃料ガスの導入側に供給する供給経路1と、燃料利用機器9の排気ガスの排出側から二酸化炭素を回収する回収経路2と、回収した二酸化炭素を吸収液31に吸収させ燃料ガス貯蔵部11に循環させる循環経路3と、循環経路3から二酸化炭素を分離する分離経路4と、を備える。
The
供給経路1は、燃料ガスを蓄える外部供給設備と着脱自在に接続可能となっている。供給経路1には、上流から順にバルブV1、圧力センサP1、燃料ガス貯蔵部11、バルブV2、圧力センサP2、バルブV3、圧力調整弁12が配置され、最終的に燃料利用機器9の燃料ガスの導入側に接続されている。また供給経路1の圧力センサP2とバルブV3の間となる位置において分岐経路1Aが分岐し、分岐経路1Aには上流からバルブV4、真空ポンプ13が配置され、最終的に供給経路1のバルブV3と圧力調整弁12の間となる位置で供給経路1に合流する。
The
圧力調整弁12は、燃料ガス貯蔵部11から供給される燃料ガスの圧力を燃料利用機器9が定格運転するための定格圧力に調整するものである。
The
真空ポンプ13は、例えばベーンポンプ、ロータリーポンプ等の周知のポンプであって、燃料ガス貯蔵部11から供給される燃料ガスの圧力が所定の下限値(P2min1、図6参照)に到達した場合に用いられる。
The
回収経路2は、燃料利用機器9の排気ガスの排出側に接続され、上流から分離装置21、第2昇圧器22、バルブV5が配置され、最終的に気液混合装置34の二酸化炭素導入側に接続される。また回収経路2は、分離装置21において分岐経路2Aが分岐し、分岐経路2AにはバルブV6が配置されるが、最終端は外部に開放されている。
The
分離装置21は、例えばリーン吸収液、アルカリ金属炭酸塩の溶液等の捕捉剤を備えた装置であり、排気ガスを捕捉剤に吹き付けて二酸化炭素を吸収させ、その後当該装置において捕捉剤を加熱することで二酸化炭素を回収する構成を有する。なお、捕捉剤としては、冷媒等として使用されるハイドロフルオロエーテル(HFE)(例えば、US9267415B2参照)も適用できる。
The
また、排気ガスから二酸化炭素を回収する他の構成としては、二酸化炭素分離用のFTポリマー(例えば、特開2015-536814号公報参照)に排気ガスを供給して二酸化炭素を排気ガスから分離する構成も適用できる。分離装置21は、排気ガスから分離した二酸化炭素を第2昇圧器22に排出する。
Further, as another configuration for recovering carbon dioxide from the exhaust gas, the exhaust gas is supplied to an FT polymer for carbon dioxide separation (see, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2015-536814) to separate the carbon dioxide from the exhaust gas. Configurations can also be applied. The
第2昇圧器22は、コンプレッサーであって、分離装置21から排出された二酸化炭素を昇圧して気液混合装置34の二酸化炭素の導入側に供給する。
The
バルブV5は、後述のコントローラ8(制御部)により、その開度が制御され、気液混合装置34に導入する二酸化炭素の流量を制御する。
The opening degree of the valve V5 is controlled by a controller 8 (control unit) described later, and the flow rate of carbon dioxide introduced into the gas-
循環経路3は、二酸化炭素を貯蔵・放出可能な吸収液31を循環させるものであり、循環方向から順に、循環ポンプ32、温度センサT1、温度センサT2、圧力センサP3、第1気液分離装置33、圧力センサP4、バルブV8、気液混合装置34、消泡装置35が配置され、循環ポンプ32に戻る。ここで、循環経路3のうち、温度センサT1と温度センサT2の間となる領域は燃料ガス貯蔵部11内に形成された連通路52と一体となっている。連通路52は、燃料ガスを貯蔵・放出可能な吸着材111と接触している。
The
また、循環経路3の圧力センサP4とバルブV8の間となる位置からは分岐経路3Aが分岐している。分岐経路3AにはバルブV9が配置されるが最終的に循環経路3の消泡装置35と循環ポンプ32の間となる位置で循環経路3に合流する。
Further, the
循環ポンプ32は、消泡装置35又はバルブV9から流入した吸収液31を燃料ガス貯蔵部11に供給し、且つ吸収液31を循環経路3に循環させるものである。循環ポンプ32は、少なくとも5Mpa以上の圧力の吸収液31を燃料ガス貯蔵部11に供給する。
The
第1気液分離装置33は、表面張力式、遠心力式等、様々な形式のものが適用でき、吸収液31に吸収された二酸化炭素を分離する。なお、後述のバルブV7が閉止している場合、第1気液分離装置33において二酸化炭素は吸収液31から分離されない。
As the first gas-
気液混合装置34は、エジェクター34a(第2実施形態参照)、ターボミキサー(商品名)、ウルトラファインバブル(登録商標)等の既知のものであり、吸収液31に二酸化炭素を混合させるものである。
The gas-
消泡装置35は、超音波消泡装置、剪断式消泡装置、遠心分離式消泡装置等、既知の装置を適用でき、吸収液31に残存する二酸化炭素(又は排ガスの他の成分)のキャビテーションを除去する。
As the defoaming device 35, known devices such as an ultrasonic defoaming device, a shear defoaming device, and a centrifugal defoaming device can be applied, and carbon dioxide (or other components of exhaust gas) remaining in the
分離経路4は、第1気液分離装置33の二酸化炭素排出側に接続され、上流からバルブV7、第1昇圧器41、CO2タンク42が配置される。バルブV7を開放することで第1気液分離装置33において吸収液31から二酸化炭素を分離される。また第1昇圧器41は第1気液分離装置33から排出された二酸化他炭素を昇圧してCO2タンク42に供給する。なお、第1昇圧器41、CO2タンク42を省略してバルブV7を通過した二酸化炭素を外部に放出してもよい。
The
圧力センサP1は、燃料ガス貯蔵部11に燃料ガスを充填する際に燃料ガス貯蔵部11内の圧力を検出するものである。
The pressure sensor P1 detects the pressure in the fuel
圧力センサP2は、燃料ガス貯蔵部11から放出される燃料ガスの圧力を検出するものである。
The pressure sensor P2 detects the pressure of the fuel gas released from the fuel
圧力センサP3は、循環経路3において燃料ガス貯蔵部11の吸収液31の排出側と第1気液分離装置33の吸収液31の導入側との間となる位置の圧力を検出するものである。
The pressure sensor P3 detects the pressure at a position between the discharge side of the
圧力センサP4は、循環経路3において第1気液分離装置33の吸収液31の排出側と気液混合装置34の吸収液31の導入側の間となる位置の圧力を検出するものである。
The pressure sensor P4 detects the pressure at a position between the discharge side of the
温度センサT1は、燃料ガス貯蔵部11に導入される直前の吸収液31の温度を検知するものである。
The temperature sensor T1 detects the temperature of the absorbing
温度センサT2は、燃料ガス貯蔵部11から排出された直後の吸収液31の温度を検知するものである。
The temperature sensor T2 detects the temperature of the absorbing
コントローラ8(制御部)は、例えば、中央演算装置(CPU)、読み出し専用メモリ(ROM)、ランダムアクセスメモリ(RAM)、及び入出力インタフェース(I/Oインタフェース)から構成されるコンピュータである。コントローラ8は、本実施形態の燃料ガスの吸着貯蔵システム100を構成し、システムを実行するプログラムを備えた構成要素である。また、コントローラ8は燃料利用機器9のオン・オフ及びその出力制御も可能であり、また車両全体を制御するECU等からの指令により動作することもできる。
The controller 8 (control unit) is, for example, a computer composed of a central processing unit (CPU), a read-only memory (ROM), a random access memory (RAM), and an input / output interface (I / O interface). The
[燃料ガス放出時の制御フロー]
図6は、第1実施形態の燃料ガスの吸着貯蔵システム100において燃料ガスを燃料ガス貯蔵部11から放出するとともに、吸収液31に二酸化炭素を吸収させる際のフロー図である。初期状態において、バルブV1乃至バルブV9は閉止している。
[Control flow when releasing fuel gas]
FIG. 6 is a flow chart when the fuel gas is discharged from the fuel
ステップS101において、コントローラ8はバルブV2及びバルブV3を開放する。これにより燃料ガス貯蔵部11から燃料ガスが燃料利用機器9に供給される。また、このとき、燃料ガスが吸着材111から離脱し始め、放出熱(吸熱)が発生する。
In step S101, the
ステップS102において、コントローラ8(又はECU)は、燃料利用機器9を起動する。これにより、燃料利用機器9では燃料ガスが消費され、排気ガスが分離装置21に供給される。排気ガスは、少なくとも二酸化炭素を包含するとともに、NOx、H2O、O2等のガスを包含する。
In step S102, the controller 8 (or ECU) activates the
ステップS103において、コントローラ8は、第2昇圧器22を起動するとともにバルブV5を所定の開度で開放し、バルブV6を開放する。これにより、分離装置21において排気ガスが二酸化炭素と二酸化炭素以外に残留ガスに分離され、二酸化炭素が第2昇圧器22に供給され、残留ガスがバルブV6を介して外部に放出される。また、第2昇圧器22は二酸化炭素を昇圧して気液混合装置34に供給する。
In step S103, the
ステップS104において、コントローラ8は、バルブV8を開放して、循環ポンプ32を起動する。これにより、吸収液31が循環し、気液混合装置34において二酸化炭素を吸収することで吸着熱(発熱)を発生させる。また、吸収液31は燃料ガス貯蔵部11内の吸着材111と熱交換を行い、吸着材111で発生した放出熱を相殺する熱量を吸着材111に供給する。
In step S104, the
ステップS105において、コントローラ8は、燃料利用機器9が停止したか否かを判断し、YESであればステップS106に移行し、NOであればステップS113に移行する。
In step S105, the
ステップS106において、コントローラ8は、温度センサT1が検知する温度から温度センサT2が検知する温度を差し引いた温度差が所定の温度差ΔT1(例えば10[℃])以上であるか判断し、YESであればステップS107に移行し、NOであればステップS108に移行する。
In step S106, the
燃料ガス貯蔵部11から燃料ガスを放出する場合、吸収液31は燃料ガス貯蔵部11内の循環経路3(連通路52)を流通していくほど熱交換が進行してその温度が低下する。このため、温度センサT1が検知する温度よりも温度センサT2が検知する温度が低くなる。
When the fuel gas is discharged from the fuel
ステップS107において、コントローラ8は、循環ポンプ32の出力を所定量増加させる、及び/又は、バルブV5の開度を所定量増加させる。循環ポンプ32の出力を増加させることで、吸収液31と吸着材111との熱交換を促進させ、吸着材111における燃料ガスの放出ムラを低減することができる。また、バルブV5の開度を増加させることで、吸収液31への二酸化炭素の吸収量を増加させて吸収液31で発生する吸着熱を増加させ、吸着材111全体における燃料ガスの放出量を増加させることができる。なお、コントローラ8は、ステップS103でバルブV5の開度を初めから全開にし、ステップS107において、第2昇圧器22の出力を循環ポンプ32の出力の増加に連動して増加させる制御を行ってもよい。
In step S107, the
ステップS108において、コントローラ8は、圧力センサP3が検知する圧力が所定お上限値(P3max、例えば8[Mpa])に到達したか否かを判断し、YESであればステップS109に移行し、NOであればステップS110に移行する。前記の上限値(P3max)は、例えば循環経路3の上限耐圧として設定される。
In step S108, the
ステップS109において、コントローラ8は、バルブV7を開放し、第1昇圧器41を起動する。これにより、第1気液分離装置33に導入された吸収液31から二酸化炭素が分離され、二酸化炭素は第2昇圧器22で所定の圧力に昇圧されてCO2タンク42に供給される。
In step S109, the
また、コントローラ8は、圧力センサP4が検出する圧力が所定の下限値(P4min)以下となった場合には、循環ポンプ32の出力を増加する。これにより気液混合装置34が二酸化炭素の混合に必要とする吸収液31の圧力を確保することができる。
Further, the
ステップS110において、コントローラ8は、圧力センサP2が検知する圧力が第1下限値(P2min1、例えば0.3[Mpa])以下であるか否か判断し、YESであればステップS111に移行し、NOであればステップS105に移行する。
In step S110, the
ステップS111において、コントローラ8は、バルブV3を閉止し、バルブV4を開放し真空ポンプ13を起動する。これにより圧力調整弁12には第1下限値(P2min1)以上の圧力で燃料ガスが引き続き供給される。
In step S111, the
ステップS112において、コントローラ8は、圧力センサP2が検知する圧力が第2下限値(P2min2)であるか否か判断し、YESであればステップS114に移行し、NOであればステップS105に移行する。第2下限値(P2min2)は、圧力調整弁12の燃料ガス排出側の圧力が燃料利用機器9が定格圧力(例えば0.3[Mpa])よりも低くなるときに圧力センサP2が検知する圧力値であり、例えば0.1[Mpa]に設定される。
In step S112, the
ステップS113において、コントローラ8は、燃料利用機器9が停止したことで、第2昇圧器22、第1昇圧器41を停止し、全バルブを閉止することでシステムを停止する。ここで、燃料利用機器9が停止する場合とは、燃料利用機器9が発電機として機能する場合において、例えばモータを駆動するバッテリのSOCが所定の上限値に到達した場合である。また燃料利用機器9がエンジンであってその駆動力を駆動輪に伝達する場合において、例えば車両が一時停止(アイドリングストップ)したとき、又は車両(システム)が完全停止する場合である。
In step S113, the
ステップS114において、コントローラ8は、燃料ガス貯蔵部11に貯蔵された燃料ガスが不足していると判断して、ドライバーが識別可能な警告信号を出力する。
In step S114, the
[燃料ガス放出時のエネルギー収支]
図7は、燃料ガスを燃料ガス貯蔵部11から放出する際に発生する放出熱を外部から供給する場合のエネルギー収支であって、二酸化炭素の回収率をパラメータとして吸収液31から燃料ガス貯蔵部11に供給可能な熱量と車速に依存した関係を示すグラフと、二酸化炭素の吸着熱と第1実施形態の燃料ガスの吸着貯蔵システム100を構成する補機(第2昇圧器22、循環ポンプ32)の消費電力との割合を示す円グラフである。
[Energy balance at the time of fuel gas release]
FIG. 7 is an energy balance in the case of supplying the released heat generated when the fuel gas is discharged from the fuel
ここでも、吸収液31の二酸化炭素の吸着熱が吸着材111の吸着熱に等しいという前提で説明する。前記のように、二酸化炭素の回収率が近似的に=83.3[%]以上であれば、メタンの吸着熱/放出熱を二酸化炭素の放出熱/吸着熱により賄うことができる。よって、熱収支という観点でいえば、二酸化炭素の回収率が前記の値以上であれば、燃料ガス貯蔵部11から燃料ガスを放出する際に燃料ガス貯蔵部11に供給すべき熱量を循環経路3に供給される二酸化炭素の吸着熱により賄うことが可能である。
Here, too, the description will be made on the premise that the heat of adsorption of carbon dioxide in the absorbing
しかし、消費電力を含むエネルギー収支という観点でいえば、二酸化炭素を吸収した吸収液31を循環経路3に循環させる際に、第2昇圧器22による二酸化炭素の昇圧(第2昇圧器22の消費電力)と循環ポンプ32の出力(消費電力)を除いて考える必要がある。
However, from the viewpoint of the energy balance including power consumption, when the absorbing
また、燃料ガスの放出中は、車両が走行しているが、車速が上がると、燃料ガスの流量、すなわち燃料ガスが吸着材111から放出する際の放出熱が増加する。これに対応して第2昇圧器22及び循環ポンプ32の消費電力が増加し、二酸化炭素が吸収液31に吸着する際の吸着熱が増加する。
Further, the vehicle is running during the release of the fuel gas, but as the vehicle speed increases, the flow rate of the fuel gas, that is, the heat released when the fuel gas is released from the adsorbent 111 increases. Correspondingly, the power consumption of the
また、車速が上がると、燃料ガス貯蔵部11に供給すべき熱量(放出熱)が増加するのに伴い循環経路3で発生させるべき吸着熱も増加するが二酸化炭素の吸収液31への吸着効率の低下を抑制するために吸収液31を冷却すべき熱量も増加する。このため、双方の熱バランスをとる(燃料ガス貯蔵部11の温度と吸収液31の温度を近づける)必要があり、第2昇圧器22及び循環ポンプ32の出力(消費電力)が増加させる必要がある。
Further, as the vehicle speed increases, the amount of heat to be supplied to the fuel gas storage unit 11 (heat released) increases, and the heat of adsorption to be generated in the
以上より、燃料ガスを燃料ガス貯蔵部11から放出し、且つ二酸化炭素を吸収液31に吸収させる際のエネルギー収支を計算すると以下のようになる。なお、図7に示す消費電力(Power)は、第2昇圧器22と循環ポンプ32の消費電力の和である。
From the above, the energy balance when the fuel gas is released from the fuel
図7に示すように、エネルギー収支を示す線は。車速が増加するほどマイナス方向に増加している。α=0の線は、二酸化炭素の吸着熱を全く利用しない場合のエネルギー収支を示すものであり、例えば車速が180km/hの位置では-567[W]である。しかし、この場合は循環ポンプ32を使用しないことと同義であり、第2昇圧器22及び循環ポンプ32の消費電力をゼロとすることができる。また、この場合、燃料ガス貯蔵部11に供給すべき熱量を全て例えば燃料ガス貯蔵部11に取り付けたヒータ(不図示)で賄う場合は、ヒータ(不図示)が567[W]消費することになる。
As shown in FIG. 7, the line showing the energy balance is. As the vehicle speed increases, it increases in the negative direction. The line of α = 0 shows the energy balance when the heat of adsorption of carbon dioxide is not used at all, and is, for example, −567 [W] at a position where the vehicle speed is 180 km / h. However, in this case, it is synonymous with not using the
例えば、二酸化炭素の回収率α=0.5であって時速180km/hにおけるエネルギー収支は-391[W]である。これにより、燃料ガス貯蔵部11に供給できる正味の熱量は-391-(-567)=176[W]と算出される。一方、循環ポンプ32の消費電力は164[W]と算出される。よって、図7の円グラフ(中央)に示すように、第2昇圧器22及び循環ポンプ32の消費電力(Power)よりも燃料ガス貯蔵部11に供給する正味の熱量(Heat)の方が上回っている。
For example, the energy balance at a carbon dioxide recovery rate α = 0.5 and a speed of 180 km / h is -391 [W]. As a result, the net amount of heat that can be supplied to the fuel
また、この場合、燃料ガス貯蔵部11に供給すべき熱量のうち、前記のヒータ(不図示)が賄う分は391[W]であり、全てヒータ(不図示)が賄う場合よりも((567-391)/567)×100=31[%]削減できる。
Further, in this case, of the amount of heat to be supplied to the fuel
例えば、二酸化炭素の回収率α=0.9であって時速180km/hにおけるエネルギー収支は-250[W]である。これにより、燃料ガス貯蔵部11に供給できる正味の熱量は-250-(-567)=317[W]と算出される。一方、の消費電力は295[W]と算出される。よって、図7の円グラフ(右)に示すように、循環ポンプ32の消費電力(Power)よりも燃料ガス貯蔵部11に供給する正味の熱量(Heat)の方が上回っている。
For example, the recovery rate of carbon dioxide is α = 0.9, and the energy balance at a speed of 180 km / h is −250 [W]. As a result, the net amount of heat that can be supplied to the fuel
また、この場合、燃料ガス貯蔵部11に供給すべき熱量のうち、前記のヒータ(不図示)が賄う分は391[W]であり、全て前記のヒータ(不図示)が賄う場合よりも((567-250)/567)×100=56[%]削減できる。
Further, in this case, of the amount of heat to be supplied to the fuel
例えば、二酸化炭素の回収率α=0であって時速20km/hにおけるエネルギー収支は-63[W]である。また二酸化炭素の回収率α=0.5であって時速20km/hにおけるエネルギー収支は-43[W]である。これにより、燃料ガス貯蔵部11に供給できる正味の熱量は-43-(-63)=20[W]と算出される。一方、第2昇圧器22及び循環ポンプ32の消費電力は18[W]と算出される。よって、図7の円グラフ(左)に示すように、第2昇圧器22及び循環ポンプ32の消費電力(Power)よりも燃料ガス貯蔵部11に供給する正味の熱量(Heat)の方が上回っている。
For example, the energy balance at a carbon dioxide recovery rate α = 0 and a speed of 20 km / h is −63 [W]. Further, the recovery rate of carbon dioxide is α = 0.5, and the energy balance at a speed of 20 km / h is −43 [W]. As a result, the net amount of heat that can be supplied to the fuel
また、この場合、燃料ガス貯蔵部11に供給すべき熱量のうち、前記のヒータ(不図示)が賄う分は43[W]であり、全て前記のヒータ(不図示)が賄う場合(63[W])よりも((63-43)/63)×100=32[%]削減できる。従って、いずれの場合でもヒータ等で燃料ガス貯蔵部11(吸着材111)を直接加熱する場合よりもエネルギー収支が向上し、またエネルギー消費も削減できることがわかる。
Further, in this case, of the amount of heat to be supplied to the fuel
[燃料ガス充填時の制御フロー]
図8は、第1実施形態の燃料ガスの吸着貯蔵システム100において燃料ガスを燃料ガス貯蔵部11に充填するとともに吸収液31から二酸化炭素を放出する際のフロー図である。初期状態においてバルブV1乃至バルブV9は閉止している。また供給経路1は外部供給設備と接続している。
[Control flow when filling fuel gas]
FIG. 8 is a flow chart when the fuel gas is filled in the fuel
ステップS201において、コントローラ8は、バルブV1を開放する。これにより、燃料ガス貯蔵部11に燃料ガスが供給され、燃料ガスが吸着材111に吸着されることで吸着熱が発生する。
In step S201, the
ステップS202において、コントローラ8は、バルブV9(又はバルブV8)を開放し、バルブV7を所定開度で開放し、循環ポンプ32及び第1昇圧器41を起動する。これにより、吸収液31が循環経路3を循環するとともに第1気液分離装置33において吸収液31から二酸化炭素が離脱し、その際に放出熱(吸熱)が発生する。よって、吸収液31は吸着材111で発生した吸着熱を取り出すことができる。
In step S202, the
また吸収液31から離脱した二酸化炭素は第1昇圧器41により昇圧されCO2タンク42に供給される。
Further, the carbon dioxide separated from the
なお、バルブV9を開放し、バルブV8を閉止した状態において、循環経路3は気液混合装置34及び消泡装置35を迂回して巡回する経路となる。この場合、気液混合装置34、及び消泡装置35で発生する吸収液31の圧力損失を回避でき、これにより循環ポンプ32の負担を軽減することができる。もちろん、バルブV8、分岐経路3A、バルブV9を省略して、二酸化炭素の放出時においても循環経路3が気液混合装置34、及び消泡装置35を包含するようにしてもよい。
In the state where the valve V9 is opened and the valve V8 is closed, the
ステップS203において、コントローラ8は、圧力センサP1の圧力が所定の上限値(P1max、例えば3.5[Mpa])に到達したか否かを判断し、YESであればステップS206に移行し、NOであればステップS204に移行する。
In step S203, the
ステップS204において、コントローラ8は、温度センサT2が検知する温度から温度センサT1が検知する温度を差し引いた温度差が所定の温度差ΔT2(例えば10[℃])以上であるか判断し、YESであればステップS205に移行し、NOであればステップS203に移行する。
In step S204, the
燃料ガス貯蔵部11に燃料ガスを充填する場合、吸収液31は燃料ガス貯蔵部11内の循環経路3(連通路52)を流通していくほど熱交換が進行してその温度が高くなる。このため、温度センサT2が検知する温度よりも温度センサT1が検知する温度が低くなる。
When the fuel
ステップS205において、コントローラ8は、循環ポンプ32の出力を増加させる、及び/又は、バルブV7の開度を増加させる。循環ポンプ32の出力を増加させることで、吸収液31と吸着材111との熱交換を促進させ、吸着材111における燃料ガスの吸着ムラを低減することができる。また、バルブV7の開度を増加させることで、吸収液31からの二酸化炭素の放出量を増加させて吸収液31で発生する放出熱を増加させ、吸着材111全体における燃料ガスの吸着量を増加させることができる。
In step S205, the
ステップS206において、コントローラ8は、燃料ガス貯蔵部11に燃料ガスが十分に充填されたと判断し、循環ポンプ32及び第1昇圧器41を停止し、全バルブを閉止することでシステムを停止させる。
In step S206, the
なお、CO2タンク42に貯蔵された二酸化炭素は、例えば外部供給設備に供出することができ、当該二酸化炭素は油田における石油抽出等の工業用途に利用される。 The carbon dioxide stored in the CO 2 tank 42 can be supplied to an external supply facility, for example, and the carbon dioxide is used for industrial purposes such as oil extraction in an oil field.
[燃料ガスの急速充填と二酸化炭素の回収率との関係]
図9は、燃料ガスを燃料ガス貯蔵部11に充填する際に燃料ガス貯蔵部11から取り出すべき熱量を二酸化炭素の回収率をパラメータとしたときの二酸化炭素の放出熱により賄う場合であって、燃料ガスの充填量、燃料ガスの充填時間、及び燃料ガス貯蔵部11の温度の関係を示すグラフである。
[Relationship between rapid filling of fuel gas and carbon dioxide recovery rate]
FIG. 9 shows a case where the amount of heat to be taken out from the fuel
図9では、燃料ガス貯蔵部11に燃料ガスを短時間(例えば10分)で急速充填する場合を想定し、その時間内において燃料ガスが吸着材111に急速に吸着可能な上限温度(例えば40[℃])超えないようにするための二酸化炭素の回収率を検討した。なお、回収率は、前記のように燃料利用機器9からの二酸化炭素の回収率を表すが、燃料ガス貯蔵部11に充填する燃料ガスの流量と、吸収液31から放出する二酸化炭素の流量のモル比と同義となる。また、燃料ガス貯蔵部11の温度の演算に際しては燃料ガス貯蔵部11から外部への放熱分を考慮している。また、吸収液31の二酸化炭素の吸着熱/放出熱は、吸着材111の吸着熱/放出熱に等しく、また吸収液31の体積が吸着材111の体積に等しいことを前提として説明する。
In FIG. 9, it is assumed that the fuel
回収率α=0、すなわち、燃料ガス貯蔵部11に燃料ガスを充填する場合に、吸収液31との間で熱交換を全く行わない場合、充填開始から約1分後、充填率が約10[%]となった段階で燃料ガス貯蔵部11の温度が上限温度(例えば40[℃])に到達し、これ以上の急速充填は困難になることがわかる。
Recovery rate α = 0, that is, when the fuel
回収率α=0.75の場合、充填開始から約5分後、約50[%]充填が完了した段階で燃料ガス貯蔵部11の温度が上限温度(例えば40[℃])に到達し、これ以上の急速充填は困難になることがわかる。
When the recovery rate α = 0.75, the temperature of the fuel
回収率α=0.80の場合、充填開始から約9分後、約90[%]充填が完了した段階で燃料ガス貯蔵部11の温度が上限温度(例えば40[℃])に到達し、これ以上の急速充填は困難になることがわかる。
When the recovery rate α = 0.80, the temperature of the fuel
回収率α=0.90の場合、充填を開始した直後から燃料ガス貯蔵部11の温度がゆるやかながら単調に減少する。そして充填開始から約10分後、約100[%]充填が完了した段階でも燃料ガス貯蔵部11の温度が上限温度(例えば40[℃])を超えることはない。従って、回収率α=0.90であれば急速充填は十分に可能であることがわかる。
When the recovery rate α = 0.90, the temperature of the fuel
なお、前記のように、二酸化炭素の回収率が83.3[%]以上であれば、図7に示す曲線が充填時間とともに単調増加することはなく、急速充填が可能と考える。 As described above, when the recovery rate of carbon dioxide is 83.3 [%] or more, the curve shown in FIG. 7 does not monotonically increase with the filling time, and it is considered that rapid filling is possible.
ところで、図2に示すように、吸収液31に接触させる二酸化炭素の圧力を5[Mpa]とすると、吸収液31の二酸化炭素の吸着熱/放出熱が約280[kJ/L]であり、吸着材111の吸着熱/放出熱が約170[kJ/L]である。よって、吸収液31と吸着材111の体積が同じである場合、二酸化炭素の回収率が83.3(170/280)=50.6[%]以上であれば、上記の急速充填が可能になる。
By the way, as shown in FIG. 2, when the pressure of carbon dioxide in contact with the
また、二酸化炭素の回収率が83.3[%]以上の場合、少なくとも吸収液31の容積を((280-170)/280)×100=39[%]削減することが可能であり、例えば燃料ガス貯蔵部11の容積(吸着材111の体積)が50[L]であれば、吸収液31の体積を約30[L]に設定することができる。
Further, when the recovery rate of carbon dioxide is 83.3 [%] or more, it is possible to reduce at least the volume of the absorbing
[第1実施形態の効果]
第1実施形態の燃料ガスの吸着貯蔵システム100によれば、燃料ガスを貯蔵・放出可能な吸着材111が充填された燃料ガス貯蔵部11と、燃料ガス貯蔵部11を循環するとともに二酸化炭素を貯蔵・放出可能な吸収液31と、を含み、燃料ガス貯蔵部11と吸収液31が熱的に互いに接続されている。
[Effect of the first embodiment]
According to the fuel gas
上記構成により、燃料ガスを吸着材111に吸着させると吸着熱(発熱)が発生するが、これが燃料ガスの吸着能力を低下させる。また、燃料ガスを吸着材111から放出させると放出熱(吸熱)が発生するが、これが燃料ガスの放出能力を低下させる。一方、二酸化炭素を吸収液31に吸着させると吸着熱(発熱)が発生し、二酸化炭素を吸収液31から放出させると放出熱(吸熱)を発生させる。よって、燃料ガスを充填する際に二酸化炭素を放出し、燃料ガスを放出する際に二酸化炭素を吸収することで、燃料ガス貯蔵部11で発生した吸着熱と吸収液31で発生した放出熱との熱交換、及び燃料ガス貯蔵部11で発生した放出熱と吸収液31で発生した吸着熱との熱交換が可能となる。従って、燃料ガスの吸着材111への吸着時の吸着能力の低下、及び燃料ガスの吸着材111からの放出時の放出能力の低下を抑制することができる。さらに、吸収液31と吸着材111は他の冷媒を介することなく熱交換が可能となるので、熱交換の効率を高めることができ、前記の他の冷媒及び二酸化炭素を貯蔵する設備(CO2貯蔵部11a)も不要となる。以上より、簡易な熱交換を実現するとともにシステムの重量化を回避することができる。
With the above configuration, when the fuel gas is adsorbed on the adsorbent 111, heat of adsorption (heat generation) is generated, which reduces the adsorption capacity of the fuel gas. Further, when the fuel gas is released from the adsorbent 111, heat release (endothermic) is generated, which reduces the release capacity of the fuel gas. On the other hand, when carbon dioxide is adsorbed on the
本実施形態において、燃料ガス貯蔵部11の内部の連通路52が組み込まれるとともに吸収液31が充填された循環経路3と、循環経路3において吸収液31を循環させる循環ポンプ32と、を含む。これにより、簡易な構成で燃料ガス貯蔵部11(吸着材111)と吸収液31との熱交換を効率的に行うことができる。
In the present embodiment, a
本実施形態において、循環経路3には、二酸化炭素を吸収するための気液混合装置34が配置されている。これにより、簡易な構成で循環経路3に二酸化炭素を取り込むことができる。
In the present embodiment, a gas-
本実施形態において、循環ポンプ32は、循環経路3の気液混合装置34の吸収液31の排出側と燃料ガス貯蔵部11の吸収液31の導入側の間に配置され、循環経路3の気液混合装置34の吸収液31の排出側と循環ポンプ32の吸収液31の導入側の間となる位置には、キャビテーション防止用の消泡装置35が配置されている。これにより、二酸化炭素を吸収液31への吸収効率を高めることができる。
In the present embodiment, the
本実施形態において、燃料ガスを消費して二酸化炭素を包含する排気ガスを排出する燃料利用機器9に接続された燃料ガスの吸着貯蔵システム100において、燃料利用機器9の燃料ガスの導入側と燃料ガス貯蔵部11の燃料ガスの放出側とを連通する経路(供給経路1)に配置された燃料供給バルブ(バルブV2、バルブV3)と、燃料利用機器9から排出された排気ガスから二酸化炭素を抽出する分離装置21と、分離装置21の二酸化炭素の排出側と気液混合装置34の二酸化炭素の導入側とを接続する経路(回収経路2)に配置された二酸化炭素導入バルブ(バルブV5)と、循環経路3の循環ポンプ32の吸収液31の排出側と燃料ガス貯蔵部11の吸収液31の導入側との間の温度を測定する第1温度センサ(温度センサT1)と、循環経路3の燃料ガス貯蔵部11の吸収液31の排出側と気液混合装置34の吸収液31の導入側との間の温度を測定する第2温度センサ(温度センサT2)と、第1温度センサ(温度センサT1)及び第2温度センサ(温度センサT2)の温度の情報がそれぞれ入力されるとともに、循環ポンプ32、燃料供給バルブ(バルブV2、バルブV3)、二酸化炭素導入バルブ(バルブV5)を制御する制御部(コントローラ8)と、を備え、制御部(コントローラ8)は、燃料供給バルブ(バルブV2、バルブV3)及び二酸化炭素導入バルブ(バルブV5)を開放するとともに、第1温度センサ(温度センサT1)が検知する温度と、第2温度センサ(温度センサT2)が検知する温度と、の温度差が所定温度差(ΔT1)以下となるように、循環ポンプ32の出力を制御する、又は二酸化炭素導入バルブ(バルブV5)の開度を制御する。これにより、燃料ガス貯蔵部11から燃料ガスを排出する際に、燃料ガスを吸着材111から効率的、且つムラなく放出させることができる。
In the present embodiment, in the fuel gas
本実施形態において、循環経路3の燃料ガス貯蔵部11の吸収液31の排出側と気液混合装置34の吸収液31の導入側の間となる位置に配置された第1気液分離装置33と、第1気液分離装置33の二酸化炭素の排出側に配置された排気バルブ(バルブV7)と、循環経路3の燃料ガス貯蔵部11の吸収液31の排出側と第1気液分離装置33の吸収液31の導入側の間となる位置に配置された圧力センサ(圧力センサP3)と、を備え、制御部(コントローラ8)は、圧力センサ(圧力センサP3)が検知する圧力が所定圧力(P3max)を超えると排気バルブ(V7)を開放する。これにより循環経路3の耐圧保護を行うことができる。
In the present embodiment, the first gas-
本実施形態において、燃料ガス貯蔵部11の燃料ガスの導入側と燃料ガスが貯蔵された外部供給設備(不図示)とを接続する経路(供給経路1)に配置された燃料充填バルブ(バルブV1)と、循環経路3の燃料ガス貯蔵部11の吸収液31の排出側と気液混合装置34の吸収液31の導入側との間に配置された第1気液分離装置33と、第1気液分離装置33の二酸化炭素の排出側に配置された排気バルブ(バルブV7)と、循環経路3の循環ポンプ32の吸収液31の排出側と燃料ガス貯蔵部11の吸収液31の導入側との間の温度を測定する第1温度センサ(温度センサT1)と、循環経路3の燃料ガス貯蔵部11の吸収液31の排出側と第1気液分離装置33の吸収液31の導入側との間の温度を測定する第2温度センサ(温度センサT2)と、第1温度センサ(温度センサT1)及び第2温度センサ(温度センサT2)の温度の情報がそれぞれ入力されるとともに、循環ポンプ32、燃料充填バルブ(バルブV1)、排気バルブ(バルブV7)を制御する制御部(コントローラ8)と、を備え、制御部(コントローラ8)は、燃料充填バルブ(バルブV1)及び排気バルブ(バルブV7)を開放するとともに、第1温度センサ(温度センサT1)が検知する温度と、第2温度センサ(温度センサT2)が検知する温度と、の温度差が所定温度差(ΔT2)以下となるように、循環ポンプ32の出力を制御する、又は排気バルブ(バルブV7)の開度を制御する。これにより、燃料ガス貯蔵部11に燃料ガスを充填する際に、燃料ガスを吸着材111に効率的、且つムラなく吸着させることができる。
In the present embodiment, a fuel filling valve (valve V1) arranged in a path (supply path 1) connecting the fuel gas introduction side of the fuel
本実施形態において、排気バルブ(バルブV7)の二酸化炭素の排出側に接続され二酸化炭素を貯蔵可能な二酸化炭素貯蔵タンク(CO2タンク42)と、排気バルブ(バルブV7)と二酸化炭素貯蔵タンク(CO2タンク42)の間に介装され排気バルブ(バルブV7)から排出された二酸化炭素を昇圧して二酸化炭素貯蔵タンク(CO2タンク42)に供給する第1昇圧器41と、を備える。これにより、二酸化炭素を外部に排出することなく保持することができる。
In the present embodiment, a carbon dioxide storage tank (CO 2 tank 42) connected to the carbon dioxide emission side of the exhaust valve (valve V7) and capable of storing carbon dioxide, an exhaust valve (valve V7), and a carbon dioxide storage tank ( It is provided with a
本実施形態において、吸収液31は、二酸化炭素の吸着熱が他のガスの吸着熱よりも高く二酸化炭素を選択的に吸収可能である。これにより、二酸化炭素を効率的に吸収することができる。
In the present embodiment, the absorbing
[第2実施形態]
図10は、第2実施形態の燃料ガスの吸着貯蔵システム100の主要構成を示すブロック図である。なお、以下の実施形態において第1実施形態と共通する構成要素には同一の番号を付し、必要な場合を除いてその説明を省略する。
[Second Embodiment]
FIG. 10 is a block diagram showing a main configuration of the fuel gas
第2実施形態の吸着貯蔵システム100は、第1実施形態とほぼ同様であるが、気液混合装置34がエジェクター34aとなっている。エジェクター34aは、ノズルにより吸収液31を筐体内で高速噴射し、筐体内に低圧空間を生成することで二酸化炭素を吸引して、二酸化炭素を吸収液31に混合させるものである。
The
循環ポンプ32は、循環経路3において、第1気液分離装置33とバルブV8(バルブV9)の間となる位置に配置されている。なお、第2実施形態(及び後述の第3実施形態)において、燃料ガスを燃料ガス貯蔵部11に充填する制御、及び燃料ガスを燃料ガス貯蔵部11から放出する制御は、第1実施形態と同様である。
The
第2実施形態では、循環ポンプ32がエジェクター34aに対して大きな圧力の吸収液31を供給できるので、エジェクター34aにおける吸収液31の噴射速度を高めるができ、これによりエジェクター34aにおいて低圧空間を容易に形成してエジェクター34aにおける二酸化炭素の吸収効率を高めることができる。
In the second embodiment, since the
[第3実施形態]
図11は、第3実施形態の燃料ガスの吸着貯蔵システム100の主要構成を示すブロック図である。第3実施形態では、吸収液31は、例えばアミン化合物のように、二酸化炭素の吸着熱・放出熱が他のガスよりも高く、このため二酸化炭素を他のガスよりも選択的に吸収可能となっているものが適用される。このため、吸収液31に二酸化炭素やNOx等と含む排ガスを吸収液31に接触させた場合、二酸化炭素は効率的に吸収液31に吸収されるが、他のガスの吸収効率は低く吸収液31から離脱しやすい。
[Third Embodiment]
FIG. 11 is a block diagram showing a main configuration of the fuel gas
そこで、第3実施形態では、分離装置21の代わりに除湿器21aが配置され、除湿器21aは、水分(H2O)を除去した排気ガスを第2昇圧器22に供給する。
Therefore, in the third embodiment, the
また、循環経路3の消泡装置35と循環ポンプ32との間には、第2気液分離装置36が配置されている。第2気液分離装置36は、第1気液分離装置33と同様の構造であってもよいが、二酸化炭素を吸収液31から離脱させない程度の効率に設定されたものが適用される。
Further, a second gas-
これにより、循環経路3において気液混合装置34の吸収液31の排出側と第2気液分離装置36の吸収液31の導入側との間にある吸収液31にはNOx、O2等のガスが混入しているが、それ以外の部分にある吸収液31にはほぼ二酸化炭素のみが吸収された形となる。
As a result, NOx, O 2 and the like are added to the
第3実施形態によれば、燃料ガスを消費して二酸化炭素を包含する排気ガスを排出する燃料利用機器9に接続され、且つ吸収液31の二酸化炭素の吸着熱が他のガスの吸着熱よりも高く二酸化炭素を選択的に吸収可能な燃料ガスの吸着貯蔵システム100において、燃料利用機器9の排気ガスの排出側と気液混合装置34の排気ガスの導入側とを接続する経路(回収経路2)に配置され排気ガスから水分を除去する除湿器21aと、循環経路3において消泡装置35の吸収液31の排出側と循環ポンプ32の吸収液31の導入側との間となる位置に配置され、吸収液31に混在している排気ガスであって二酸化炭素を除く成分を除去する第2気液分離装置36と、を備える。これにより、燃料利用機器9から排気された排気ガスを、分離装置21を用いずに気液混合装置34に導入できるので、その分システムの大型化を回避できる。
According to the third embodiment, it is connected to a
[第4実施形態]
図12は、第4実施形態の燃料ガスの吸着貯蔵システム100の主要構成を示すブロック図である。第4実施形態の吸着貯蔵システム100は、循環経路3における吸収液31の循環を第1実施形態等よりも低圧で実施する場合の構成となっている。このように、循環経路3全体を低圧に設定することにより、循環経路3を形成する配管及び燃料ガス貯蔵部11(連通路52)の必要強度を小さくすることができ、その分、循環経路3及び連通路52の軽量化及び小型化を実現できる。なお、図12では、分岐経路3A、バルブV8、バルブV9の図示を省略している。
[Fourth Embodiment]
FIG. 12 is a block diagram showing a main configuration of the fuel gas
第4実施形態は、循環経路3の燃料ガス貯蔵部11の吸収液31の排出側と第1気液分離装置33の吸収液31の導入側の間となる位置に第1調圧弁37が配置され、循環経路3の第1気液分離装置33の吸収液31の排出側と気液混合装置34の吸収液31の導入側の間となる位置に第2調圧弁38が配置されている。
In the fourth embodiment, the first pressure regulating valve 37 is arranged at a position between the discharge side of the
ここで、循環ポンプ32は、吸収液31を燃料ガス貯蔵部11に供給する際の吸収液31の圧力が1-5[Mpa]となるように設定されている。これにより、循環ポンプ32の消費電力を削減できる。
Here, the
第4実施形態では、第1実施形態と同様にバルブV2、バルブV3を開放して燃料ガス貯蔵部11から燃料ガスを放出するとともに、気液混合装置34に二酸化炭素を導入するが、バルブV7及び第1昇圧器41を当初から起動して第1気液分離装置33において二酸化炭素をほとんど分離させる制御を行っている。
In the fourth embodiment, as in the first embodiment, the valves V2 and V3 are opened to release the fuel gas from the fuel
第1調圧弁37は、燃料ガス貯蔵部11から排出された吸収液31を例えば0.3-0.5[Mpa]に減圧して第1気液分離装置33に供給するものである。また、第1調圧弁37は、第1気液分離装置33側の吸収液31の圧力が燃料ガス貯蔵部11側の吸収液31の圧力よりも高くなった場合には循環経路3を閉止する逆止弁構造を備える。第1調圧弁37で吸収液31を減圧することで、吸収液31から二酸化炭素を効率的に分離させることができる。
The first pressure regulating valve 37 reduces the pressure of the absorbing
第2調圧弁38は、第1気液分離装置33から排出された吸収液31を例えば0.15-0.20[Mpa]に減圧して気液混合装置34に供給するものである。また、第2調圧弁38は、気液混合装置34側の吸収液31の圧力が第1気液分離装置33側の吸収液31の圧力よりも高くなった場合には循環経路3を閉止する逆止弁構造を備える。
The second
第2調圧弁38で吸収液31をさらに減圧することで、気液混合装置34における吸収液31の圧力は0.15-0.20[Mpa]にまで減圧される。このため、気液混合装置34に供給する二酸化炭素の圧力も小さくすることができ、その分、第2昇圧器22の消費電力を削減することができる。
By further reducing the pressure of the absorbing
第4実施形態によれば、燃料ガスを消費して二酸化炭素を包含する排気ガスを排出する燃料利用機器9に接続された燃料ガスの吸着貯蔵システム100において、燃料利用機器9から排出された排気ガスから二酸化炭素を抽出する分離装置21と、分離装置21から供給された二酸化炭素を昇圧して気液混合装置34に供給する第2昇圧器22と、循環経路3の燃料ガス貯蔵部11の吸収液31の排出側と気液混合装置34の吸収液31の導入側との間に配置された第1気液分離装置33と、循環経路3の燃料ガス貯蔵部11の吸収液31の排出側と第1気液分離装置33の吸収液31の導入側との間に配置され燃料ガス貯蔵部11から排出された吸収液31を減圧して第1気液分離装置33に供給する第1調圧弁37と、を備える。これにより、第1調圧弁37で吸収液31を減圧することで、吸収液31から二酸化炭素を効率的に分離させることができる。
According to the fourth embodiment, in the fuel gas
第4実施形態によれば、循環経路3の第1気液分離装置33の吸収液31の排出側と気液混合装置34の吸収液31の導入側との間に配置され第1気液分離装置33から排出された吸収液31を減圧して気液混合装置34に供給する第2調圧弁38を備える。これにより、第2調圧弁38で吸収液31をさらに減圧することで、気液混合装置34に供給する二酸化炭素の圧力も小さくすることができ、その分、第2昇圧器22の消費電力を削減することができる。
According to the fourth embodiment, the first gas-liquid separation is arranged between the discharge side of the
[燃料ガス貯蔵部11と循環経路3]
図13は、燃料ガス貯蔵部11の断面図(縦方向)である。図14は、燃料ガス貯蔵部11の断面図(水平方向)である。図15は、燃料ガス貯蔵部11における吸収液31の循環経路3(連通路52)を示す模式図である。なお、燃料ガス貯蔵部11の周囲の構成は第1実施形態等と同様であるが、その一部のみを図示している。
[
FIG. 13 is a cross-sectional view (longitudinal direction) of the fuel
図13に示すように、燃料ガス貯蔵部11は、複数(10個)のチューブ状の分室に分割されている。そして、各分室に吸着材111が充填されることで、複数(10個、図14では5個のみ図示)の分割貯蔵部5A-5Jが形成されている。
As shown in FIG. 13, the fuel
分割貯蔵部5A-5Jは、中心部において、チューブの長手方向(水平方向)に沿って燃料ガスが流通するガス流路51が形成されている。このガス流路51に燃料ガスが流通することで燃料ガスがガス流路51から吸着材111に拡散して吸着材111に吸着する。また、吸着材111から放出した燃料ガスはガス流路51に導かれ、燃料ガス貯蔵部11の外部に放出される。
In the divided
ガス流路51は、例えば、図14に示すように、隣接する他のガス流路51と直列に接続することで、ガス流路51に関して分割貯蔵部5A-5Jを直列に接続することができる。なお、ガス流路51は、一部又はすべてを並列に接続することも可能である。
By connecting the
また、燃料ガス貯蔵部11には、冷媒である吸収液31が流通する連通路52も形成されている。連通路52は、循環経路3(図5等参照)の一部を構成するものである。また連通路52は、ガス流路51と同様に、隣接する他の連通路52と直列に接続することで、連通路52に関して分割貯蔵部5A-5Jを直列に接続することができる。なお、連通路52は分室を形成する壁の厚みを適宜設計することで、当該壁の内部に多数配置することも可能であり、分割貯蔵部5A-5Jと熱交換できるように隣接して配置される。このように、連通路52が分割貯蔵部5A-5Jに隣接している構成であっても、以後の説明では、例えば「分割貯蔵部5Aに隣接する連通路52」を「分割貯蔵部5Aに配置された連通路52」と表現する。
Further, the fuel
図15に示すように、燃料ガス貯蔵部11において、連通路52は、分割貯蔵部5Jを吸収液31の入口とするとともに分割貯蔵部5Iを吸収液31の出口とし、分割貯蔵部5J、分割貯蔵部5E、分割貯蔵部5D、分割貯蔵部5C、分割貯蔵部5B、分割貯蔵部5A、分割貯蔵部5F、分割貯蔵部5G、分割貯蔵部5H、分割貯蔵部5Iの順に全て直列に経由するように配置されている。
As shown in FIG. 15, in the fuel
図15において、燃料ガス貯蔵部11中のガス流路51(図15では不図示)は任意に接続されているが、燃料ガス貯蔵部11の図中の右下の分割貯蔵部5Jがガス流路51の最も上流となり、図中の左上の分割貯蔵部5Aがガス流路51の最も下流となっている。
In FIG. 15, the gas flow path 51 (not shown in FIG. 15) in the fuel
前記のように、エタン、プロパン、ブタン(以後、ブタン等と称す。)の吸着熱/放出熱は、メタンの吸着熱/放出熱よりも高い。このためブタン等は、メタンよりも吸着材111に吸着しやすく且つ放出しにくい。 As described above, the heat of adsorption / release of ethane, propane, butane (hereinafter referred to as butane, etc.) is higher than the heat of adsorption / release of methane. Therefore, butane and the like are more easily adsorbed on the adsorbent 111 and less likely to be released than methane.
例えば、図15のように燃料ガスを燃料ガス貯蔵部11に充填すると、ブタン等は分割貯蔵部5Jに集中的に吸着するが、分割貯蔵部5Jには大きな吸着熱が発生する。しかし、燃料ガスを燃料ガス貯蔵部11に充填する際は吸収液31からから二酸化炭素が放出され、その際の放出熱により吸収液31が冷却されている。よって、当該吸収液31が燃料ガス貯蔵部11において分割貯蔵部5Jに配置された連通路52に最初に供給されるので、低温の吸収液31により吸着材111で発生した吸着熱を効率的に取り出してブタン等の吸着効率の低下を抑制することができる。
For example, when the fuel gas is filled in the fuel
逆に、燃料ガス貯蔵部11から燃料ガスを放出する際は、分割貯蔵部5Jからブタン等を放出させるには大きな熱量が必要となる。しかし、このとき吸収液31には二酸化炭素が充填され、その際の吸着熱により吸収液31が加熱されている。よって、当該吸収液31が燃料ガス貯蔵部11において分割貯蔵部5Jに配置された連通路52に最初に供給されるので高温の吸収液31により吸着材111からブタン等を放出するために必要な熱量を効率的に賄うことができ、ブタン等の放出効率の低下を抑制することができる。
On the contrary, when the fuel gas is discharged from the fuel
[燃料ガス貯蔵部11と循環経路3の変形例]
図16は、燃料ガス貯蔵部11と循環経路3(連通路52)の変形例を示す模式図である。
[Modification example of fuel
FIG. 16 is a schematic diagram showing a modified example of the fuel
図16に示す変形例において、連通路52は、燃料ガス貯蔵部11において、分割貯蔵部5Jを吸収液31の入口とするとともに分割貯蔵部5Fを吸収液31の出口とし、分割貯蔵部5J、分割貯蔵部5E、分割貯蔵部5D、分割貯蔵部5C、分割貯蔵部5B、分割貯蔵部5A、分割貯蔵部5Fの順に直列に経由するように配置されている。
In the modified example shown in FIG. 16, in the fuel
さらに、燃料ガス貯蔵部11には連通路52aが配置されている。連通路52aは、燃料ガス貯蔵部11において、分割貯蔵部5Iを吸収液31の入口とするとともに分割貯蔵部5Gを吸収液31の出口とし、分割貯蔵部5I、分割貯蔵部5H、分割貯蔵部5Gの順に直列に経由するように配置されている。連通路52aは連通路52と径が同一であってもよく、また異なってもよい。
Further, a
これに対応して、循環経路3の温度センサT1と燃料ガス貯蔵部11の吸収液31の導入側との間からは循環経路3aが分岐し、循環経路3の温度センサT2と燃料ガス貯蔵部11の吸収液31の排出側との間からは循環経路3bが分岐している。
Correspondingly, the
そして、循環経路3aは、連通路52aの分割貯蔵部5Iに配置された端部に接続され、循環経路3bは、連通路52aの分割貯蔵部5Gに配置された端部に接続されている。
Then, the
連通路52aは連通路52よりも経路長が短い。このため連通路52の下流付近と、連通路52aの下流付近とでは熱交換の量が異なるので、両者の間の温度が互いに異なる。よって、図16においては、少なくとも分割貯蔵部5Fと分割貯蔵部5Gの温度は互いに異なる。このように経路長の互いに異なる連通路52、連通路52aを形成することで、燃料ガス貯蔵部11内に任意の温度分布を形成することが可能となる。また、ここでは、連通路52、連通路52aの2つに分岐させていたが3つ以上に分岐させて、連通路52を複数に分岐させてもよい。また、循環経路3bを流通する吸収液31の温度と、循環経路3において分割貯蔵部5Fから排出された直後の吸収液31の温度が同じになるように、連通路52aの径を連通路52の径よりも小さくてもよい。
The
また、前記のように循環経路3を複数に分岐させた場合において、燃料ガス貯蔵部11の外部(例えば循環経路3a、循環経路3b)、燃料ガス貯蔵部11の内部(例えば連通路52b)のいずれかに流量調整バルブ(不図示)を配置し、循環経路3(連通路52)を流れる吸収液31の流量と循環経路3a及び循環経路3b(連通路52a)を流れる吸収液31の流量の割合を任意に設定可能な構成(整流機構)を構築してもよい。
Further, when the
よって、変形例によれば、連通路52は、複数に分岐しているとともに、連通路52又は循環経路3には、複数に分岐した連通路52(連通路52a)における吸収液31の流量の割合を調整可能な整流機構が設けられている。これにより、燃料ガス貯蔵部11内に任意の温度分布を形成することが可能となる。
Therefore, according to the modification, the
11 燃料ガス貯蔵部
111 吸着材
31 吸収液
100 吸着貯蔵システム
11
Claims (15)
前記燃料ガス貯蔵部を循環するとともに二酸化炭素を貯蔵・放出可能な吸収液と、を含み、
前記燃料ガス貯蔵部と前記吸収液が熱的に互いに接続されている燃料ガスの吸着貯蔵システム。 A fuel gas storage unit filled with an adsorbent that can store and release fuel gas,
Contains an absorbent that circulates in the fuel gas storage and can store and release carbon dioxide.
A fuel gas adsorption storage system in which the fuel gas storage unit and the absorption liquid are thermally connected to each other.
前記循環経路において前記吸収液を循環させる循環ポンプと、を含む請求項1に記載の燃料ガスの吸着貯蔵システム。 A circulation path in which a communication passage inside the fuel gas storage unit is incorporated and filled with the absorption liquid, and
The fuel gas adsorption and storage system according to claim 1, further comprising a circulation pump for circulating the absorption liquid in the circulation path.
前記循環経路の前記気液混合装置の前記吸収液の排出側と前記循環ポンプの前記吸収液の導入側の間となる位置には、キャビテーション防止用の消泡装置が配置されている請求項4に記載の燃料ガスの吸着貯蔵システム。 The circulation pump is arranged between the outlet side of the gas-liquid mixing device of the circulation path and the introduction side of the absorption liquid of the fuel gas storage unit.
4. A defoaming device for preventing cavitation is arranged at a position of the circulation path between the discharge side of the absorption liquid of the gas-liquid mixing device and the introduction side of the absorption liquid of the circulation pump. The fuel gas adsorption and storage system described in.
前記燃料利用機器の前記燃料ガスの導入側と前記燃料ガス貯蔵部の前記燃料ガスの放出側とを連通する経路に配置された燃料供給バルブと、
前記燃料利用機器から排出された排気ガスから二酸化炭素を抽出する分離装置と、
前記分離装置の二酸化炭素の排出側と前記気液混合装置の二酸化炭素の導入側とを接続する経路に配置された二酸化炭素導入バルブと、
前記循環経路の前記循環ポンプの前記吸収液の排出側と前記燃料ガス貯蔵部の前記吸収液の導入側との間の温度を測定する第1温度センサと、
前記循環経路の前記燃料ガス貯蔵部の前記吸収液の排出側と前記気液混合装置の前記吸収液の導入側との間の温度を測定する第2温度センサと、
前記第1温度センサ及び前記第2温度センサの温度の情報がそれぞれ入力されるとともに、前記循環ポンプ、前記燃料供給バルブ、前記二酸化炭素導入バルブを制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、
前記燃料供給バルブ及び前記二酸化炭素導入バルブを開放するとともに、前記第1温度センサが検知する温度と、前記第2温度センサが検知する温度と、の温度差が所定温度差以下となるように、前記循環ポンプの出力を制御する、又は前記二酸化炭素導入バルブの開度を制御する燃料ガスの吸着貯蔵システム。 The fuel gas adsorption and storage system according to claim 4 or 5, which is connected to a fuel utilization device that consumes the fuel gas and emits an exhaust gas containing carbon dioxide. In
A fuel supply valve arranged in a path communicating the fuel gas introduction side of the fuel utilization device and the fuel gas discharge side of the fuel gas storage unit.
A separation device that extracts carbon dioxide from the exhaust gas discharged from the fuel utilization equipment, and
A carbon dioxide introduction valve arranged in a path connecting the carbon dioxide discharge side of the separation device and the carbon dioxide introduction side of the gas-liquid mixing device.
A first temperature sensor that measures the temperature between the discharge side of the absorption liquid of the circulation pump and the introduction side of the absorption liquid of the fuel gas storage unit in the circulation path.
A second temperature sensor that measures the temperature between the discharge side of the absorption liquid of the fuel gas storage portion of the circulation path and the introduction side of the absorption liquid of the gas-liquid mixing device.
The temperature information of the first temperature sensor and the second temperature sensor is input, and the circulation pump, the fuel supply valve, and the control unit for controlling the carbon dioxide introduction valve are provided.
The control unit
The fuel supply valve and the carbon dioxide introduction valve are opened, and the temperature difference between the temperature detected by the first temperature sensor and the temperature detected by the second temperature sensor is equal to or less than a predetermined temperature difference. A fuel gas adsorption and storage system that controls the output of the circulation pump or controls the opening degree of the carbon dioxide introduction valve.
前記第1気液分離装置の二酸化炭素の排出側に配置された排気バルブと、
前記循環経路の前記燃料ガス貯蔵部の前記吸収液の排出側と前記第1気液分離装置の前記吸収液の導入側の間となる位置に配置された圧力センサと、を備え、
前記制御部は、前記圧力センサが検知する圧力が所定圧力を超えると前記排気バルブを開放する請求項6に記載の燃料ガスの吸着貯蔵システム。 A first gas-liquid separation device arranged at a position between the discharge side of the absorption liquid of the fuel gas storage unit of the circulation path and the introduction side of the absorption liquid of the gas-liquid mixing device.
An exhaust valve arranged on the carbon dioxide exhaust side of the first gas-liquid separator,
A pressure sensor arranged at a position between the discharge side of the absorption liquid of the fuel gas storage portion of the circulation path and the introduction side of the absorption liquid of the first gas-liquid separation device is provided.
The fuel gas adsorption and storage system according to claim 6, wherein the control unit opens the exhaust valve when the pressure detected by the pressure sensor exceeds a predetermined pressure.
前記循環経路の前記燃料ガス貯蔵部の前記吸収液の排出側と前記気液混合装置の前記吸収液の導入側との間に配置された第1気液分離装置と、
前記第1気液分離装置の二酸化炭素の排出側に配置された排気バルブと、
前記循環経路の前記循環ポンプの前記吸収液の排出側と前記燃料ガス貯蔵部の前記吸収液の導入側との間の温度を測定する第1温度センサと、
前記循環経路の前記燃料ガス貯蔵部の前記吸収液の排出側と前記第1気液分離装置の前記吸収液の導入側との間の温度を測定する第2温度センサと、
前記第1温度センサ及び前記第2温度センサの温度の情報がそれぞれ入力されるとともに、前記循環ポンプ、前記燃料充填バルブ、前記排気バルブを制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、
前記燃料充填バルブ及び前記排気バルブを開放するとともに、前記第1温度センサが検知する温度と、前記第2温度センサが検知する温度と、の温度差が所定温度差以下となるように、前記循環ポンプの出力を制御する、又は前記排気バルブの開度を制御する請求項4又は請求項5に記載の燃料ガスの吸着貯蔵システム。 A fuel filling valve arranged in a path connecting the fuel gas introduction side of the fuel gas storage unit and the external supply facility in which the fuel gas is stored.
A first gas-liquid separator arranged between the absorption liquid discharge side of the fuel gas storage unit of the circulation path and the absorption liquid introduction side of the gas-liquid mixing device.
An exhaust valve arranged on the carbon dioxide exhaust side of the first gas-liquid separator,
A first temperature sensor that measures the temperature between the discharge side of the absorption liquid of the circulation pump and the introduction side of the absorption liquid of the fuel gas storage unit in the circulation path.
A second temperature sensor that measures the temperature between the discharge side of the absorption liquid of the fuel gas storage portion of the circulation path and the introduction side of the absorption liquid of the first gas-liquid separation device.
The temperature information of the first temperature sensor and the second temperature sensor is input, and the circulation pump, the fuel filling valve, and the control unit for controlling the exhaust valve are provided.
The control unit
While opening the fuel filling valve and the exhaust valve, the circulation is such that the temperature difference between the temperature detected by the first temperature sensor and the temperature detected by the second temperature sensor is equal to or less than a predetermined temperature difference. The fuel gas adsorption and storage system according to claim 4 or 5, wherein the output of the pump is controlled or the opening degree of the exhaust valve is controlled.
前記排気バルブと前記二酸化炭素貯蔵タンクの間に介装され前記排気バルブから排出された二酸化炭素を昇圧して前記二酸化炭素貯蔵タンクに供給する第1昇圧器と、を備える請求項7又は請求項8に記載の燃料ガスの吸着貯蔵システム。 A carbon dioxide storage tank that is connected to the carbon dioxide emission side of the exhaust valve and can store carbon dioxide,
7. The claim 7 or claim includes a first booster interposed between the exhaust valve and the carbon dioxide storage tank to boost the carbon dioxide discharged from the exhaust valve and supply the carbon dioxide to the carbon dioxide storage tank. 8. The fuel gas adsorption and storage system according to 8.
前記燃料利用機器の排気ガスの排出側と前記気液混合装置の排気ガスの導入側とを接続する経路に配置され排気ガスから水分を除去する除湿器と、
前記循環経路において前記消泡装置の前記吸収液の排出側と前記循環ポンプの前記吸収液の導入側との間となる位置に配置され、前記吸収液に混在している排気ガスであって二酸化炭素を除く成分を前記吸収液から分離可能な第2気液分離装置と、を備える燃料ガスの吸着貯蔵システム。 The fuel gas adsorption and storage system according to claim 5, which is connected to a fuel utilization device that consumes fuel gas and emits exhaust gas containing carbon dioxide, and the heat of adsorption of carbon dioxide in the absorption liquid is generated. In a fuel gas adsorption and storage system that can selectively absorb carbon dioxide higher than the heat of adsorption of other gases.
A dehumidifier that is arranged in a path connecting the exhaust gas discharge side of the fuel utilization device and the exhaust gas introduction side of the gas-liquid mixing device to remove water from the exhaust gas.
Exhaust gas mixed in the absorption liquid, which is arranged at a position between the discharge side of the absorption liquid of the defoaming device and the introduction side of the absorption liquid of the circulation pump in the circulation path, is dioxide. A fuel gas adsorption and storage system comprising a second gas-liquid separation device capable of separating components other than carbon from the absorption liquid.
前記燃料利用機器から排出された排気ガスから二酸化炭素を抽出する分離装置と、
前記分離装置から供給された二酸化炭素を昇圧して前記気液混合装置に供給する第2昇圧器と、
前記循環経路の前記燃料ガス貯蔵部の前記吸収液の排出側と前記気液混合装置の前記吸収液の導入側との間に配置された第1気液分離装置と、
前記循環経路の前記燃料ガス貯蔵部の前記吸収液の排出側と前記第1気液分離装置の前記吸収液の導入側との間に配置され前記燃料ガス貯蔵部から排出された前記吸収液を減圧して前記第1気液分離装置に供給する第1調圧弁と、を備える燃料ガスの吸着貯蔵システム。 The fuel gas adsorption and storage system according to claim 5, wherein the fuel gas adsorption and storage system is connected to a fuel utilization device that consumes the fuel gas and emits an exhaust gas containing carbon dioxide.
A separation device that extracts carbon dioxide from the exhaust gas discharged from the fuel utilization equipment, and
A second booster that boosts carbon dioxide supplied from the separation device and supplies it to the gas-liquid mixing device.
A first gas-liquid separator arranged between the absorption liquid discharge side of the fuel gas storage unit of the circulation path and the absorption liquid introduction side of the gas-liquid mixing device.
The absorption liquid disposed between the discharge side of the absorption liquid of the fuel gas storage unit of the circulation path and the introduction side of the absorption liquid of the first gas-liquid separation device and discharged from the fuel gas storage unit. A fuel gas adsorption and storage system including a first pressure regulating valve that reduces pressure and supplies it to the first gas-liquid separation device.
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