JP2004506575A - 海洋船舶上で水素を製造及び使用するシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、新しいインフラストラクチャの必要なしに、環境によい船舶の動力を生じる、全ての船舶用の一体型船上水素（Ｈ_２）製造及び利用システムに向けられる。水（Ｈ_２Ｏ）が、陸上、係留中または航行中の何れかである船舶に供給され、組織的に水素と酸素とに変換される。この処理に必要なエネルギーは任意の再生可能または再生不可能供給源によって提供されればよい。製造されたＨ_２はすぐに利用されるかまたは貯蔵される。エネルギーは１つかそれ以上の動力装置によってＨ_２から放出される。

Description

【０００１】
発明の分野
本発明は、海洋船舶上での水素の製造及び使用に関し、特に、船舶に供給された水を水素（Ｈ_２）に変換し、後で船舶の動力または推進力のためのエネルギー運搬体として使用するシステム及び方法に関する。
【０００２】
発明の背景
現在、非常に多くの海洋船舶は、動力及び推進力のために、ディーゼル、燃料油またはガソリンといった船上化石燃料エンジンを使用している。こうした船上化石燃料推進システム及び発電機は、空気及び水両方の汚染の大きな発生源となる。また、既存の化石燃料技術は騒音公害、振動及び悪臭をも発生する。さらに、燃料品質と細菌増殖がディーゼル及び燃料油のユーザにとって問題である一方、ガソリン・システムのユーザにとっては貯留気化燃料に起因する爆発が問題になる。
【０００３】
従って、化石燃料技術に関連するいくつかのこうした問題を緩和または除去する代替燃料の開発が必要となった。ガソリンまたはディーゼルと電気のハイブリッド動力システム、バッテリ及び燃料電池による電気駆動装置、金属水素化物吸蔵技術、圧縮天然ガス、メタノール及び水素の燃焼による内燃機関の使用といった、陸上車両における汚染、振動及び騒音を緩和する周知の技術が存在する。例えば、ガス・ハイブリッド・システムは、燃焼の前に化石燃料エンジンの燃料／空気吸入システムまたは燃焼室にＨ_２を添加するもので、汚染排出物を減らすことができる。また、金属水素化物タンクに吸蔵されたＨ_２を消費する燃料電池動力システムが、（火災及び爆発の危険に関して）安全で、生態環境的に「きれいな」動力を提供できることも周知である。
【０００４】
しかし、「代替」燃料産業における進歩の多くは陸上輸送システムを目的としており、陸上車両において上記の問題のいくつかを緩和または除去するものであるが、こうした同じ技術及びシステムは海洋環境への応用に関しても大きな将来性を示している。例えば、大型海洋船舶を推進する最もエネルギー効率がよく、振動がなく静かな方法が電動機によるものであることは周知である。電動機の中には、電気エネルギーを発生する発電機としても使用しうるというさらなる利点を有するものもある。例えば、ガスタービンを動力とする航空機の中には、ガスタービン・エンジンが始動すると始動電動機が逆に発電機になるものがある。
【０００５】
しかし、こうしたシステム全てについて、その実現を阻む唯一の最も重大な障害は、ガソリンを燃料とするハイブリッドを除いて、「代替」燃料を小売りする全国的なインフラストラクチャがないことである。こうしたインフラストラクチャを開発するには、数十億ドルの費用と十年越しの取り組みが必要であろうし、ガソリンを燃料とするハイブリッドが普及した場合には、気化燃料の爆発の危険があることや、ガソリンの再生不可能な性質のため、長期的なソリューションとして最適とはいえないものになってしまう。
【０００６】
こうして、海洋船舶において化石燃料エンジンの汚染作用を緩和し、またその一方で新しい燃料補給インフラストラクチャの必要を除去するシステムに対する開発のさらなる必要が発生した。現在、例えば、逆浸透によって海水または淡水を脱塩または他の方法で精製し、電気分解、すなわち電気エネルギーによってその水からＨ_２を発生することが周知であり、また、電気分解の最も費用効果的で環境によい方法が、太陽（太陽光発電すなわちＰＶ）、風力及び水中牽引発電機といった再生可能資源を使用するものであることも周知であり、さらにまた、船上電気分解での使用に適した電気エネルギーがエンジン及び補助陸上電源から得られることも周知であるが、こうした技術が、新しい外部インフラストラクチャを創設する必要なしに、電力または推進力エネルギーのすぐ間に合う供給源を提供するような形で海洋船舶上に組み込まれたことはなかった。
【０００７】
発明の概要
簡単に言うと、本発明は、新しい燃料補給インフラストラクチャの必要を除去しつつ、完全に海洋船舶上でＨ_２を製造及び利用するシステム及び方法に向けられる。
【０００８】
１つの実施形態では、本システムは、本発明によって製造したＨ_２を推進及び非推進動力要求のためのエネルギー運搬体として利用する。このシステムでは、Ｈ_２Ｏが海または他の水源から得られ、船上浄水装置に導入される。次に、精製されたＨ_２Ｏは任意の有効なＨ_２Ｏ−Ｈ_２変換装置によって水素（Ｈ_２）と酸素に変換される。発生したＨ_２は、船上動力装置によって直接使用されるか、または貯蔵される。
【０００９】
別の実施形態では、多数の再生可能及び再生不可能な資源からの、Ｈ_２ＯからＨ_２への変換及び他の本発明の処理（例えば、浄水）のため本システムが電力を使用する方法が提供される。
【００１０】
本発明の別の実施形態では、本システムは、可能な場合はいつでもＨ_２吸蔵のため固体金属水素化物タンク技術を使用することで、ガソリンを燃料とする動力及び推進システムの貯留気化燃料爆発の危険を除去する。
【００１１】
本発明の別の例示実施形態では、燃料電池の廃熱と凝結した排出蒸気を再生し、電気分解構成部分によって再使用することでシステムの効率を改善するシステムが提供される。
【００１２】
また別の実施形態では、本発明は、上記のシステムを利用して、海洋船舶上でＨ_２を製造及び利用する方法に向けられる。
【００１３】
本発明による処理のいくつかの有利な実施形態の好適な例は、本発明を適切に実行するために必要な本発明の固有の要素の好適実施形態と共に、添付の図と表に記載されている。
【００１４】
この処理と実施形態を説明する図及び表と以下の本文では、装置の要素と手順の概要は比較的単純化され一般に記号的な形で図示され説明される。実際の動作に適した構造細部とパラメータはこの処理の従来の態様について当業者に周知である。
【００１５】
発明の詳細な説明
本発明は、海洋船舶上で水素ガス（Ｈ_２）を製造及び利用するシステム及び方法に向けられる。
【００１６】
本発明の水素製造利用システム１０の１つの実施形態を図１に示す。水が、例えば、海洋、河川、湖水、河口、都市上水道等といった水源１２から得られる。システムへの水の取り入れは、例えば、標準海水コック、ホース連結装置または他の取水口によるなどといった、任意の標準的な方法によって達成すればよい。１つの実施形態では、水を濾過する、すなわち水を漉して漂積物を除去する前置濾過器１４と給水は流通する。
【００１７】
次に水源の水は付加的な船上浄水装置１６に導入されるが、これは一般に「水製造装置」と呼ばれ、水源１２と流通している。さらに、浄水装置１６は水を処理し、水を水−水素変換装置１８に導入する。補足処理の量は可変式であり、水−水素変換装置１８の製造業者によって提供される仕様に基づいている。補足水処理の中には、例えば、脱塩、鉱物質除去、及び／または脱イオンを含んでもよい。本システムでは、例えば、逆浸透法、浸漬管、多重効果、二段及び多段、及び真空蒸気圧縮式といった、任意の適切な浄水装置１６を利用すればよい。その結果得られる水を以下「生成水」と呼ぶが、これは浄水装置１６と流通する生成水タンク２０に貯蔵される。また、前置濾過及び精製された水を外部弁１５を通じて生成水貯蔵タンク２０に直接導入してもよい。
【００１８】
次に生成水は水−水素変換装置１８に送られ、任意の有効なＨ_２Ｏ−Ｈ_２変換技術によって水素と酸素（Ｏ_２）に変換される。本システムでは、例えば、電気分解装置（｛固体酸化物電解質を使用する｝アルカリ、ポリマー膜、蒸気、または他の任意の方法）、多光子光電気化学装置、多重バンドギャップ光電気化学電池、または光電気分解装置といった、任意の適切なＨ_２Ｏ−Ｈ_２変換技術を変換装置１８として利用すればよい。システムは１つかそれ以上の上記の装置を有してもよく、システムはこれらの技術を組み合わせて含んでもよい。
【００１９】
変換装置１８によって製造された気体Ｈ_２は、Ｈ_２ガスが内部を流れるようにした船上動力装置２２によって直接利用されるか、または、Ｈ_２ガスは動力装置２２が後で使用するためタンク２４に貯蔵されるかのどちらかであり、後者の場合タンク２４は変換装置１８及び動力装置２２と流通する。Ｈ_２はタンク２４に直接貯蔵するか、圧縮機（図示せず）によって圧縮して貯蔵するか、または液化システム（図示せず）によって圧縮及び液化し、液体水素（ＬＨ_２）または「スラッシュ（ｓｌｕｓｈ）」として船上タンク２４に貯蔵してもよい。使用される貯蔵タンクには、例えば、金属水素化物タンク技術、複合材料タンク技術、真空断熱複合材料タンク技術、カーボンナノチューブ、または任意の他の有効なＨ_２、ＬＨ_２、または「スラッシュ」貯蔵技術といった任意の適切な技術が含まれる。また、水素ガスは、外部供給源から弁（図示せず）を通じて直接的に水素貯蔵タンク２４に導入してもよい。
【００２０】
Ｈ_２Ｏ−Ｈ_２変換の際に発生した酸素は大気中に排出するか、または酸素貯蔵タンク２６に貯蔵してもよい。貯蔵された酸素は動力装置２２の性能を向上させるために消費するか、任意の他の適切な目的のために利用してもよい。Ｏ_２はタンク２６に直接貯蔵してもよく、また圧縮機（図示せず）によって圧縮して貯蔵するか、液化システム（図示せず）によって圧縮及び液化し、液体酸素（ＬＯ_２）として船上タンク２６に貯蔵してもよい。また、酸素ガスは、外部供給源から弁（図示せず）を通じて直接酸素貯蔵タンク２６に導入してもよい。
【００２１】
Ｈ_２Ｏ−Ｈ_２変換ステップで使用される、浄水装置１６及び変換装置１８といったシステム１０の電気構成部品の動力は、１つかそれ以上の電源２８から配電装置３０を介して供給すればよい。電源２８は、太陽電気システム（光電池）、太陽炉蒸気発電機、風力発電機、水中牽引発電機（水力電気）、人力発電機（例えば、「エクササイクル」に取り付けたもの）、船舶の主または補助エンジンからの電力、原子力発電機、または陸上電力（陸上電力または公益事業が提供する陸上電力）といった装置の１つかそれ以上を含む任意の適切な技術を備えてもよい。上記に記載されたような従来の再生可能エネルギー源は一般に低電圧ＤＣ電流を発生する。この動力は、例えば、変換装置１８または浄水装置１６といった、システムの他の構成部品によって直接使用するのに適さないことがある。この場合、電力調整装置（図示せず）を電源２８と配電装置３０との間や配電装置３０と少なくとも１つの電力を利用する構成部品との間に設置してもよく、また電力調整装置は電源２８または配電装置３０の何れかの一体的部分として含まれることもある。例えば、昇圧変圧器及びＡＣインバータといった、システムの他の電力消費型構成部品が使用するために、電源２８が発生した電力を調整するのに適した任意の電力調整装置を利用すればよい。
【００２２】
動力装置２２及び電源２８によって供給されるエネルギーは、直接または適当な調整の後ですぐ利用してもよく、また配電装置３０に電気的に接続されたエネルギー貯蔵装置３２に貯蔵してもよい。例えば、市販のディープサイクル船舶用バッテリまたは他の有効な電気貯蔵装置といった、任意の周知のエネルギー貯蔵技術を利用すればよい。本発明の任意の実施形態では、１つかそれ以上のこうしたエネルギー貯蔵装置３２、または任意の他の電気エネルギー貯蔵技術が存在してもよい。エネルギー貯蔵装置３２を電源２８からの電気エネルギーのバッファ貯蔵として利用し、そこに貯蔵されたエネルギーを、配電装置３０を介して、本発明の構成部品（例えば、浄水装置１６及び変換装置１８）の電力と、推進または他の要求のため必要な電力を提供するため使用してもよい。
【００２３】
変換装置１８で製造された水素は直接または水素貯蔵装置２４を介して動力装置２２に送られ、そこで適切に消費され利用可能なエネルギーに変換される。Ｈ_２のエネルギー・ポテンシャルを海洋船舶上での推進または非推進利用のために機械または電気エネルギーに変換できる任意の動力装置２２を利用すればよい。水素の用途には、性能を改善し望ましくない排出物を減らすため、ガソリン、ディーゼル、圧縮天然ガス、メタノール、エタノール等といった任意の化石燃料または代替燃料動力装置２２の燃料／空気吸入システムにＨ_２を追加することを含めてもよい。
【００２４】
本発明の元で使用するよう考慮された動力装置２２には、燃料電池、または水素消費型燃料電池が供給する電気によって動力が提供される任意の直流または交流電動機といった電気式動力装置と、水素または化石燃料を消費または燃焼する（「動力とする」）内燃ピストンエンジン、水素または化石燃料を動力とする希薄混合気燃焼火花点火エンジン、水素または化石燃料を動力とする蒸気ピストンエンジン、水素または化石燃料を動力とする蒸気タービンエンジン、水素または化石燃料を動力とするガス（ジェット）タービンエンジン、水素または化石燃料を動力とするロータリーエンジン、及び上記に記載のない任意の他の水素または化石燃料を動力とする機械式エンジンといった機械式動力装置と、上記記載の何れかのような水素または化石燃料を消費または燃焼する機械式動力装置を動力とする発電機から電気の提供を受ける直流または交流電気電動機といった電気／機械式「ハイブリッド」動力装置とが含まれるが、これらに制限されない。
【００２５】
推進力は、プロペラ、ウォータージェット、船内／船外伝動装置、または他の任意の水上推進システム３４に提供される。本発明の任意の例では、（艀舟の場合のように）推進システムがないこともあり、１つかそれ以上の推進システムがあることもある。こうした推進システム３４は上記で説明された任意の動力装置２２から推進力を導出できる。例えば、電気式動力装置２２は、燃料電池によってＨ_２を直接電気に変換し、それを電気式推進システム３４（例えば、電動機）の動力とすることから推進力を導出する。利用可能な電気エネルギーは動力装置２２から配電装置３０を介して直接電気式推進システム３４に供給してもよいし、バッテリまたは一組のバッテリといったエネルギー貯蔵装置３２から配電装置３０を介して推進システム３４に供給してもよい。
【００２６】
機械式動力装置２２は推進システム３４を直接、または伝動装置（図示せず）によって駆動する。動力は、燃料エネルギーから機械エネルギー、次いで推進エネルギーへの変換から得られる。
【００２７】
電気／機械式（ハイブリッド）動力装置２２は、Ｈ_２を消費する「機械式」動力装置２２によってＨ_２を機械エネルギーに変換することから推進力を導出する。一方この動力装置は発電機（図示せず）を駆動し、それによって発生する交流または直流電気エネルギーが配電装置３０を介して電気式推進システム３４（例えば、電動機）によって消費され船舶を移動させる。
【００２８】
上記の本発明のシステム及び方法のいくつかの代替実施形態の概略を図２から図７に示す。
【００２９】
図２は、Ｈ_２エネルギー変換の主要手段が、配電装置３０に電気的に接続された１つかそれ以上の燃料電池動力装置２２によって提供される、通常の帆走または動力船舶における上記の配置のシステム及び方法の代替実施形態の概略図を示す。この代替実施形態では、燃料電池動力装置２２から排出される廃熱及び水蒸気は熱交換器３６によって再生され、追加生成水の製造および／または他の船内用水（シャワー、流し台等）の加熱のために、または、暖房及び換気、金属水素化物Ｈ_２貯蔵タンクの解離または蒸気電気分解のために必要な蒸気を含むがそれらに制限されない加熱を必要とする他の任意の目的のために必要なエネルギーを低減する。
【００３０】
燃料電池動力装置２２の構成は何れも、図２に示すような「閉Ｈ_２Ｏループ」システムを備えてもよく、燃料電池「排出物」（Ｈ_２Ｏ／水蒸気）はＨ_２Ｏ−Ｈ_２変換装置１８のための生成Ｈ_２Ｏに再凝縮され、廃熱は熱交換器３６で取り込まれ有効に利用される。この閉ループ・システムでは、生成Ｈ_２Ｏは変換装置１８でＨ_２とＯ_２とに変換され、その後Ｈ_２は水素貯蔵装置２４に貯蔵されて燃料電池動力装置２２によって消費されるか、または燃料電池動力装置２２によって直接消費される。燃料電池動力装置２２によって消費される際、Ｈ_２はＯ_２と結合し蒸気の形態のＨ_２Ｏを生じる。その後この蒸気は熱交換器３６で凝縮されて液状Ｈ_２Ｏとなり、処理が再び開始される。
【００３１】
図３は、Ｈ_２エネルギー変換の主要手段が、配電装置３０に電気的に接続された発電機３８に動力を供給するＨ_２消費型内燃機関動力装置２２によって提供される、通常の帆走または動力船舶における配置の本発明の構成部品及び方法の概略図を示す。また、この構成は、配電装置３０及び熱交換器３６に電気的に接続され「閉Ｈ_２Ｏループ」システムを提供する推進以外の必要のための船舶動力の補助供給源として使用される燃料電池動力装置２２ａをも例示する。
【００３２】
図４は、Ｈ_２エネルギー変換の主要手段が、配電装置３０に電気的に接続された交流発電機３９と、１つかそれ以上の推進システム３４に動力を伝動する機械的手段とに動力を供給するＨ_２消費型内燃機関動力装置２２によって提供される、通常の帆走または動力船舶における配置の本発明の構成部品及び方法の概略図を示す。また、この構成は、配電装置３０及び熱交換器３６に電気的に接続され「閉Ｈ_２Ｏループ」システムを提供する推進以外の必要のための船舶動力の補助供給源として使用される燃料電池動力装置２２ａをも例示する。
【００３３】
図５は、推進システム３４に動力を供給する主要手段が推進システム３４に機械的に接続された化石燃料消費型内燃機関動力装置２２によって生じる、通常の帆走または動力船舶における配置の本発明の構成部品及び方法の概略図を示す。化石燃料は、内燃機関動力装置２２と流通する独立した燃料タンク４０によって供給される。また、内燃機関動力装置は、配電装置３０に電気的に接続された交流発電機３９にも動力を供給する。本実施形態は、燃焼の前に動力装置２２の燃料／空気吸入システムまたは燃焼室にＨ_２を添加することによって内燃機関動力装置２２からの汚染排出物を減少させる。動力装置２２の燃料／空気吸入システムおよび機械式動力伝動システムは本発明の一部ではないのでわかりやすくするため省略する。また、この構成は、配電装置３０および熱交換器３６に電気的に接続され「閉Ｈ_２Ｏループ」システムを提供する推進以外の必要のための船舶動力の補助供給源として使用される燃料電池動力装置２２ａをも例示する。
【００３４】
図６は、非推進力のためのＨ_２エネルギー変換の主要手段が配電装置３０に電気的に接続された１つかそれ以上の燃料電池動力装置２２によって提供される、通常の帆走または動力船舶における配置の本発明の構成部品および方法の概略図を示す。
【００３５】
図７は、非推進力のためのＨ_２エネルギー変換の主要手段が、配電装置３０に電気的に接続された発電機３８に動力を供給するＨ_２消費型内燃機関動力装置２２によって提供される、通常の帆走または動力船舶における配置の本発明の構成部品及び方法の概略図を示す。
【００３６】
上記の実施形態は何れも本発明で利用されうるが、好適実施形態は図２に示す実施形態に基づいており、燃料電池動力装置２２が、帆走船舶で、いくつかの修正を伴って利用される。タンク貯蔵容積と圧縮機の必要を減らすようにＨ_２を貯蔵するため、金属水素化物水素吸蔵タンク２４を使用してもよい。電源２８は、船上水中牽引、太陽エネルギー及び風力発電機を組み合わせて備えてもよい。好適には、この船舶はまた、（航行中の）効率的な低電力変換と（陸上電源に接続された時の）高電力変換とを可能にする「二重モード」電気分解Ｈ_２Ｏ−Ｈ_２変換装置１８を備えてもよい。
【００３７】
現在の水中牽引発電機の大部分は専用独立型システムである。好適実施形態の電源２８で利用される水中牽引発電機は好適には電動機を推進力発生源と水中牽引発電機という２つの役目で使用する。これは船舶に搭載される構成部品の合計数を減らし、水中牽引発電機の電気出力を増大し、動作を単純化してシステムの費用を下げる。しかし、本発明は、専用水中牽引発電機が好適構成である適用業務があることも予見しており、そのような専用構成部品の最適化と改善をも予見している。
【００３８】
好適実施形態の電源２８の太陽光発電（ＰＶ）太陽電池板は、海洋船舶に「組み込み」してもよく、または「不都合の最も少ない」方法で設置される「アフターマーケット」品目として追加してもよい。例えば、ＰＶシステムは、船体、帆柱、窓または舷窓、船楼、甲板に設置してもよく、かつ「硬い帆」として帆布に組み込んでもよい。また、こうした海洋「太陽電池アレイ」は、宇宙船の場合と同様の方法で構成してもよい。最も好適には、本実施形態は「組み込み型」太陽エネルギーを広範に使用する。この例では、光電材料を船体、帆柱、甲板に設置してもよく、帆に組み込んでもよい。
【００３９】
電源２８の風力発電機は利用可能な場合、ミズンマストに設置すればよい。不可能な場合、出力を増大するため、船舶の後部舷墻上に伸縮式支柱を設置してもよい。こうした支柱は上向きに船尾方向に延在し、水面からの高さが増大し、後方を向くことで船舶の艤装に遮られないために得られるであろう大量の風力エネルギーに風力発電機をさらす。
【００４０】
表１のデータは、３．４５×１０^７Ｐａ（５０００ｐｓｉ）に圧縮されたＨ_２と市販の非最適化構成部品を使用する改装済９．１４ｍ（３０’）長帆走艇の動作特性を示す。この例では、元の構成では船体内に設置した約１８６４２．５Ｗ（２５　ｈｏｒｓｅｐｏｗｅｒ）の内燃機関が提供されたと想定する。燃料タンクの容積はこの例では１００ガロン相当に制限されている。２０ｋＷの燃料電池を搭載していると想定する。燃料電池効率は控えめに見て５０％と推定するが、これはもっと高いこともある。
【００４１】
船舶が新造船であれば、圧縮Ｈ_２を使用しても、ここで例示された１００ガロンを越える量を貯蔵し、有用な移動距離を拡大することもできる。
【００４２】
貯蔵技術を金属水素化物に変更することで、現在の金属水素化物タンク技術は同じ量のＨ_２に対して必要な容積を重量比で５０％減らすことができる。また、金属水素化物タンクを使用すると、Ｈ_２を圧縮するのに必要なエネルギーも減少する。これによって、エネルギーのｋＷ数は、例示された数値である製造時間１時間当たり７．５ｋＷから、電気分解１時間当たり約２〜３ｋＷに低下する。しかし、金属水素化物は使用する水素を解離する熱エネルギー源が必要なため、金属水素化物タンク技術を使用すると、システムの重量と複雑さは増大する。また、金属水素化物を使用する場合も、当座に燃料電池または他の動力装置を使用するため圧縮Ｈ_２の小型タンクが必要である。
【表１】

【００４３】
追加好適実施形態では、動力艇または動力船は、図２で例示された実施形態に基づいており、いくつかの修正と共に燃料電池動力装置２２を利用する。Ｈ_２を貯蔵する金属水素化物水素貯蔵タンク２４が使用されるので、タンクの貯蔵容積と圧縮機の必要が減少する。専用電動機と電源２８として使用する独立型水中牽引発電機との代わりに、前に言及されたように、二重用途電動機／水中牽引発電機電源２８を利用してもよい。また、好適実施形態は「組み込み型」太陽エネルギーおよび風力電源２８を広範に使用する。光電材料は、船体、船楼、帆柱、甲板に設置すればよく、また透明ＰＶフィルム材料で窓または舷窓を覆ってもよい。風力発電機は利用可能な場合レーダマストに設置され、できれば有効な高速使用のため船楼に組み込んでもよい。また、この船舶は（航行中の）効率的な低電力変換と（陸上電源に接続された時の）高電力変換とを可能にする「二重モード」電気分解Ｈ_２Ｏ−Ｈ_２変換装置１８を備えてもよい。
【００４４】
表２のデータは、３．４５×１０^７Ｐａ（５０００ｐｓｉ）に圧縮されたＨ_２と市販の非最適化構成部品を使用する新造９．１４ｍ（３０’）長の、流体力学的効率のよい高速動力艇の動作特性を示す。この例では、化石燃料を使用する場合船体内に設置した４１０１３５Ｗ（５５０　ｈｏｒｓｅｐｏｗｅｒ）の動力装置が必要になると想定する。燃料タンクの容積はこの例では１，２５０ガロン相当に制限されている。４１０ｋＷの燃料電池を搭載していると想定する。燃料電池効率は控えめに見て５０％と推定するが、これはもっと高いこともある。
【００４５】
貯蔵技術を金属水素化物に変更することで、現在の金属水素化物タンク技術は同じ量のＨ_２に対して必要な容積を重量比で５０％減らすことができる。また、金属水素化物タンクを使用すると、Ｈ_２を圧縮するのに必要なエネルギーも減少し、これによって、エネルギーのｋＷ数は、例示された数値である製造時間１時間当たり３０ｋＷから、電気分解１時間当たり約８〜１２ｋＷに低下する。しかし、前に論じたように、熱エネルギーの追加供給源と、おそらくは当座に使用する圧縮Ｈ_２の小型タンクが必要になるため、金属水素化物タンク技術を使用するとシステムの重量と複雑さは増大する。
【００４６】
予想されるように、本発明は、推進力としての使用に伴うものとしても、また従来の「ホテル負荷」及び他の船上での電力要求を満たす船舶用発電機（ＳＳＧ）として単独でも、非推進力の供給源として使用してもよい。
【表２】

【００４７】
表３のデータは、３．４５×１０^７Ｐａ（５０００ｐｓｉ）に圧縮されたＨ_２と市販の非最適化構成部品を使用する９．１４ｍ（３０’）長船艇用に合わせて設計された船舶用発電機システムの動作特性を示す。この例では、非推進用途のための容量は２ｋＷで十分であると想定する。燃料タンクの容積はこの例では２０ガロン相当に制限されている。２０ｋＷの燃料電池を搭載していると想定する。燃料電池の効率は控えめに見て７０％と推定する。
【表３】

【００４８】
上記で論じたように、金属水素化物タンクを使用すると、Ｈ_２を圧縮するのに必要なエネルギーも減少し、これによって、エネルギーのｋＷ数は、例示された数値である製造時間１時間当たり７．５ｋＷから、電気分解１時間当たり約２〜３ｋＷに低下する。しかし、前に論じたように、熱エネルギーの追加供給源と、おそらくは当座に使用する圧縮Ｈ_２の小型タンクが必要になるため、金属水素化物タンク技術を使用するとシステムの重量と複雑さは増大する。
【００４９】
停泊中及び航行中の９．１４ｍ（３０’）帆走艇の平均非推進エネルギーの使用及び製造の例を表４に示す。認識されるように、これらの数値は、記載された機器を収容する標準船舶についての大まかな計算を意味しているにすぎず、何らかの意味で本発明の範囲の制限を意図するものではない。当業者は、示された方法を使用して任意の船舶のための同様の動力使用チャートを計算することができるだろう。
【表４】

【００５０】
わかりやすく簡単にするため、本発明は上記の例ではいかなる場合でも陽子交換膜（ＰＥＭ）燃料電池によって説明している。本発明は任意のＨ_２消費型燃料電池技術を使用してよい。
【００５１】
また、わかりやすく簡単にするため、本発明は市販の水変換構成部品によって説明している。本発明の予想によれば、水変換技術は今後も改良が続けられ、その製造業者は本発明で使用するよう最適化した技術を提案すると思われる。すなわち、本発明は、再生可能エネルギー供給源と共に使用するよう最適化された高効率蒸気電気分解水変換システム及び低電力電気分解水変換システムの出現を予想している。本発明の予想によれば、構成によっては、１つは低電力及び低製造速度、もう１つは陸上電源と共に使用され高製造速度を提供するものといった、二重モードまたは１つより多い変換装置または技術を使用してもよい。
【００５２】
またさらに、わかりやすく簡単にするため、本発明は市販の再生可能エネルギー供給源によって説明している。しかし、主要な再生可能電気製造技術において重要な改善がなされ、それによって本発明の実用性、費用効果及び総合システム効率が改善されると期待される。
【００５３】
わかりやすくするため、これらの例は陸上商用電力によって提供される電気エネルギーによる水素製造だけを例示している。本発明の固有の特徴は、航行中に消費されたＨ_２またはＬＨ_２または「スラッシュ」を部分的に補給する能力にある。帆走艇または動力帆走艇及び帆走船舶は、晴れた風のある条件下で航行するならば、消費するより多くの「スラッシュ」、Ｈ_２またはＬＨ_２を製造できることもある。また、再生可能エネルギー・システムだけを使用するか、または再生可能構成部品によって提供されるエネルギーと組み合わせてＨ_２を製造してもよく、この場合Ｈ_２の費用が低下する。これは、（陸上電源がある場合もない場合も）電源が供給する電力を使用する停泊中または係留中に変換機器の動作によって達成される。また、本発明を備えた船舶の実際の移動距離は、再生可能電気供給源が、航行中にその目的でのＨ_２の消費を回避せずに船舶の非推進要求を満たす範囲で拡大しうることにも注意されたい。
【００５４】
本出願に記載の例は例示的なものにすぎず、他の用途はこの開示を検討すれば当業者に明らかになるだろう。本システムは、軍用船舶、潜水艦、海洋調査船、警察船、捜索救助船、港湾水先案内船、環境浄化舟艇／船舶等といった官用船舶と、旅客輸送船、水上バス／タクシー、巡航船、連絡船、チャーター船、観光船、パーティ船、スキューバダイビング船、貨物輸送船、コンテナ船、沿岸貨物船、自動車運搬船、油送船等のばら積み貨物船、タグボート、石油掘削作業／支援船、漁船及び支援（加工・工場）船等といった商用船舶と、４．５７ｍ（１５フィート）以上の動力船、４．５７ｍ（１５フィート）未満の小型船（ジェットスキー、シードゥ（ＳｅａＤｏｏ）等）、帆走艇等のレクリエーション船と、他の全ての海洋、湖沼、河川等の水上輸送手段とを含むありうる全ての海上船舶で利用してよい。
【００５５】
装置の要素と構成部品の概要は、比較的単純化され一般に記号的な形で図示され説明される。実際の動作に適した構造細部とパラメータはこの処理の従来の態様について当業者に周知である。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明の１つの実施形態による主要処理方法及びステップの処理流れ図である。
【図２】
Ｈ_２エネルギー変換の主要手段が１つかそれ以上の燃料電池によって提供される、本発明の別の例示実施形態による主要処理方法及びステップの処理流れ図である。
【図３】
Ｈ_２エネルギー変換が、発電機に動力を供給するＨ_２消費型内燃機関によって提供される、本発明の別の例示実施形態による主要処理方法及びステップの処理流れ図である。
【図４】
Ｈ_２エネルギー変換が、１つかそれ以上の推進システムへの動力伝動装置の機械的手段に動力を供給するＨ_２消費型内燃機関によって提供される、本発明の別の例示実施形態による主要処理方法及びステップの処理流れ図である。
【図５】
燃焼の前に燃料／空気吸入システムまたは燃焼室にＨ_２が添加される、化石燃料消費型内燃機関によって推進力が発生する、本発明の別の例示実施形態による主要処理方法及びステップの処理流れ図である。
【図６】
非推進力のためのＨ_２エネルギー変換の主要手段が１つかそれ以上の燃料電池によって提供される、本発明の別の例示実施形態による主要処理方法及びステップの処理流れ図である。
【図７】
非推進力のためのＨ_２エネルギー変換の主要手段が、発電機に動力を供給するＨ_２消費型内燃機関によって提供される、本発明の別の例示実施形態による主要処理方法及びステップの処理流れ図である。

Claims (89)

1. 海洋適用業務で水素を製造及び利用するシステムであって、
   水の供給源と、
   電力の供給源と、
   前記水を水素ガスと酸素ガスとに変換する水−水素変換装置であって、前記変換装置が前記水の供給源と流通し前記電力供給源に電気的に接続された水−水素変換装置と、
   前記水素ガスを利用可能なエネルギーに変換する、前記変換装置と流通する水素動力装置と、
   前記電力供給源と、前記変換装置と、前記動力装置とに電気的に接続された配電装置とを備えるシステム。
2. 前記水の供給源がさらに、
   未精製水の供給源と、
   前記未精製水供給源と流通し前記配電装置に電気的に接続された、前記未精製水を精製する浄水装置とを備える、請求項１に記載の水素を製造及び利用するシステム。
3. さらに、入口と出口とを有する水素貯蔵装置を備え、その際前記入口が前記変換装置と流通し、前記出口が前記水素動力装置と流通する、請求項１に記載の水素を製造及び利用するシステム。
4. さらに、前記動力装置と前記電力供給源との少なくとも１つによって製造されるエネルギーを貯蔵するエネルギー貯蔵装置であって、前記エネルギー貯蔵装置が前記配電装置に電気的に接続されたエネルギー貯蔵装置を備える、請求項１に記載の水素を製造及び利用するシステム。
5. さらに、
   前記水の供給源と流通する入口と前記変換装置と流通する出口とを有する水貯蔵タンクを備える、請求項１に記載の水素を製造及び利用するシステム。
6. さらに、原動力を海洋船舶に提供する推進装置であって、前記推進装置が前記配電装置に電気的に接続された推進装置を備える、請求項１に記載の水素を製造及び利用するシステム。
7. 前記浄水装置が、前記配電装置に電気的に接続された逆浸透浄水装置である、請求項２に記載の水素を製造及び利用するシステム。
8. さらに、前記未精製水の供給源と前記浄水装置との間に配置され水を通過させる前置濾過器を備える、請求項２に記載の水素を製造及び利用するシステム。
9. 前記水−水素変換装置が電気分解装置である、請求項１に記載の水素を製造及び利用するシステム。
10. 前記電気分解装置が固体酸化物電気分解装置かまたは蒸気電気分解装置の何れか１つである、請求項９に記載の水素を製造及び利用するシステム。
11. 前記水−水素変換装置が多光子光化学装置である、請求項１に記載の水素を製造及び利用するシステム。
12. 前記水−水素変換装置が多重バンドギャップ光電気化学電池である、請求項１に記載の水素を製造及び利用するシステム。
13. 前記水−水素変換装置が光電気分解装置である、請求項１に記載の水素を製造及び利用するシステム。
14. 前記水素貯蔵装置がさらに圧縮機と貯蔵タンクとを備える、請求項３に記載の水素を製造及び利用するシステム。
15. 前記貯蔵タンクが複合材料タンクである、請求項１４に記載の水素を製造及び利用するシステム。
16. 前記貯蔵タンクが金属水素化物タンクである、請求項３に記載の水素を製造及び利用するシステム。
17. 前記貯蔵タンクがカーボンナノチューブ・タンクである、請求項３に記載の水素を製造及び利用するシステム。
18. 前記水素貯蔵装置がさらに液化システムを備える，請求項１４に記載の水素を製造及び利用するシステム。
19. 前記貯蔵タンクが真空断熱複合材料タンクである、請求項１８に記載の水素を製造及び利用するシステム。
20. 前記貯蔵タンクがスラッシュ貯蔵タンクである、請求項１８に記載の水素を製造及び利用するシステム。
21. 前記電力供給源が太陽電気装置である、請求項１に記載の水素を製造及び利用するシステム。
22. 前記電力供給源が太陽炉蒸気電源である、請求項１に記載の水素を製造及び利用するシステム。
23. 前記電力供給源が風力電力供給源である、請求項１に記載の水素を製造及び利用するシステム。
24. 前記電力供給源が水中牽引電力供給源である、請求項１に記載の水素を製造及び利用するシステム。
25. 前記電力供給源が原子力電力供給源である、請求項１に記載の水素を製造及び利用するシステム。
26. 前記電力供給源が人力電力供給源である、請求項１に記載の水素を製造及び利用するシステム。
27. 前記電力供給源が陸上電力供給源である、請求項１に記載の水素を製造及び利用するシステム。
28. 前記動力装置が水素消費型燃料電池である、請求項１に記載の水素を製造及び利用するシステム。
29. さらに、前記配電装置に電気的に接続された電動機を備える、請求項２８に記載の水素を製造及び利用するシステム。
30. 前記動力装置が、
    水素を機械エネルギーに変換する水素燃焼型機械式エンジンと、
    前記機械式エンジンの機械エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機であって、前記発電機が前記機械式エンジンに機械的に接続され前記配電装置に電気的に接続された発電機とを備える、請求項１に記載の水素を製造及び利用するシステム。
31. 前記機械式エンジンが水素燃焼型内燃機関である、請求項３０に記載の水素を製造及び利用するシステム。
32. 前記機械式エンジンが水素燃焼型蒸気エンジンである、請求項３０に記載の水素を製造及び利用するシステム。
33. 前記機械式エンジンが混合水素化石燃料燃焼型エンジンである、請求項３０に記載の水素を製造及び利用するシステム。
34. 前記機械式エンジンが混合水素／バイオディーゼル（ｂｉｏｄｉｅｓｅｌ）燃料燃焼型エンジンである、請求項３０に記載の水素を製造及び利用するシステム。
35. 前記動力装置が水素消費型燃料電池と水素消費型機械式エンジンとの両方を備える、請求項１に記載の水素を製造及び利用するシステム。
36. 前記推進装置が前記配電装置に電気的に接続された電動機である、請求項６に記載の水素を製造及び利用するシステム。
37. 前記推進装置が前記動力装置に機械的に接続された機械式伝動装置である、請求項６に記載の水素を製造及び利用するシステム。
38. さらに、余熱を除去しそれによって気化した水を凝縮して液体の水にする熱交換器であって、前記熱交換器が前記燃料電池の出口と流通する入口と前記変換装置の入口と流通する出口とを有する熱交換器を備える、請求項２８に記載の水素を製造及び利用するシステム。
39. さらに、前記熱交換器出口と前記変換装置入口との間に配置された生成水貯蔵タンクを備える、請求項３８に記載の水素を製造及び利用するシステム。
40. 前記エネルギー貯蔵装置が少なくとも１つのディープサイクル（ｄｅｅｐ−ｃｙｃｌｅ）船舶用バッテリである、請求項４に記載の水素を製造及び利用するシステム。
41. 前記変換装置がさらに、水を水素ガスと酸素ガスとに変換することから製造された酸素ガスを貯蔵する、変換装置と流通する酸素貯蔵装置を備える、請求項１に記載の水素を製造及び利用するシステム。
42. 前記電力供給源が前記動力装置である、請求項１に記載の水素を製造及び利用するシステム。
43. 海洋適用業務で水素を製造及び利用する方法であって、
    水の供給源を提供するステップと、
    前記水を水素ガスと酸素ガスとに変換するステップと、
    前記水素ガスを利用可能なエネルギーに変換するステップと、
    前記エネルギーを少なくとも１つの動力消費型構成部品に分配するステップとを含む方法。
44. 請求項１に記載の水素を利用及び製造するシステムを利用するステップを含む海洋適用業務で水素を製造及び利用する方法。
45. 海洋適用業務で水素を連続製造及び利用するシステムであって、
    精製水の供給源と、
    電力の供給源と、
    電力を貯蔵するエネルギー貯蔵装置と、
    前記水を水素ガスと酸素ガスとに変換する水−水素変換装置であって、前記変換装置が前記水の供給源と流通し前記電力供給源に電気的に接続された水−水素変換装置と、
    前記水素及び酸素ガスを利用可能なエネルギーに変換する、前記変換装置と流通する動力装置と、
    入口と出口とを有する水素貯蔵装置であって、前記入口が前記変換装置と流通し前記出口が前記水素動力装置と流通する水素貯蔵装置と、
    入口と出口とを有する酸素貯蔵装置であって、前記入口が前記変換装置と流通し前記出口が前記水素動力装置と流通する酸素貯蔵装置と、
    前記電力供給源と、前記エネルギー貯蔵装置と、前記変換装置と、前記動力装置とに電気的に接続された配電装置とを備えるシステム。
46. 前記精製水の供給源がさらに、
    未精製水の供給源と、
    前記未精製水供給源と流通し、前記未精製水を精製する浄水装置とを備える、請求項４５に記載の水素を製造及び利用するシステム。
47. さらに、
    前記水の供給源と流通する入口と前記変換装置と流通する出口とを有する水貯蔵タンクを備える、請求項４５に記載の水素を製造及び利用するシステム。
48. さらに、原動力を海洋船舶に提供する推進装置であって、前記推進装置が前記配電装置に電気的に接続された推進装置を備える、請求項４５に記載の水素を製造及び利用するシステム。
49. 前記浄水装置が、前記配電装置に電気的に接続された逆浸透浄水装置である、請求項４６に記載の水素を製造及び利用するシステム。
50. さらに、前記未精製水の供給源と前記浄水装置との間に配置され水を通過させる前置濾過器を備える、請求項４６に記載の水素を製造及び利用するシステム。
51. 前記水−水素変換装置が電気分解装置である、請求項４５に記載の水素を製造及び利用するシステム。
52. 前記電気分解装置が固体酸化物電気分解装置かまたは蒸気電気分解装置の何れか１つである、請求項５０に記載の水素を製造及び利用するシステム。
53. 前記水−水素変換装置が多光子光化学装置である、請求項４５に記載の水素を製造及び利用するシステム。
54. 前記水−水素変換装置が多重バンドギャップ光電気化学電池である、請求項４５に記載の水素を製造及び利用するシステム。
55. 前記水−水素変換装置が光電気分解装置である、請求項４５に記載の水素を製造及び利用するシステム。
56. 前記水素貯蔵装置がさらに圧縮機と貯蔵タンクとを備える、請求項４５に記載の水素を製造及び利用するシステム。
57. 前記貯蔵タンクが複合材料タンクである、請求項５６に記載の水素を製造及び利用するシステム。
58. 前記貯蔵タンクが金属水素化物タンクである、請求項４５に記載の水素を製造及び利用するシステム。
59. 前記貯蔵タンクがカーボンナノチューブ・タンクである、請求項４５に記載の水素を製造及び利用するシステム。
60. 前記水素貯蔵装置がさらに液化システムを備える，請求項５６に記載の水素を製造及び利用するシステム。
61. 前記貯蔵タンクが真空断熱複合材料タンクである、請求項６０に記載の水素を製造及び利用するシステム。
62. 前記貯蔵タンクがスラッシュ（ｓｌｕｓｈ）貯蔵タンクである、請求項６０に記載の水素を製造及び利用するシステム。
63. 前記電力供給源が太陽電気装置である、請求項４５に記載の水素を製造及び利用するシステム。
64. 前記電力供給源が太陽炉蒸気電源である、請求項４５に記載の水素を製造及び利用するシステム。
65. 前記電力供給源が風力電力供給源である、請求項４５に記載の水素を製造及び利用するシステム。
66. 前記電力供給源が水中牽引電力供給源である、請求項４５に記載の水素を製造及び利用するシステム。
67. 前記電力供給源が原子力電力供給源である、請求項４５に記載の水素を製造及び利用するシステム。
68. 前記電力供給源が人力電力供給源である、請求項４５に記載の水素を製造及び利用するシステム。
69. 前記電力供給源が陸上電力供給源である、請求項４５に記載の水素を製造及び利用するシステム。
70. 前記動力装置が水素消費型燃料電池である、請求項４５に記載の水素を製造及び利用するシステム。
71. さらに、前記配電装置に電気的に接続された電動機を備える、請求項７０に記載の水素を製造及び利用するシステム。
72. 前記動力装置が、
    水素を機械エネルギーに変換する水素燃焼型機械式エンジンと、
    前記機械式エンジンの機械エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機であって、前記発電機が前記機械式エンジンに機械的に接続され前記配電装置に電気的に接続された発電機とを備える、請求項４５に記載の水素を製造及び利用するシステム。
73. 前記機械式エンジンが水素燃焼型内燃機関である、請求項７２に記載の水素を製造及び利用するシステム。
74. 前記機械式エンジンが水素燃焼型蒸気エンジンである、請求項７２に記載の水素を製造及び利用するシステム。
75. 前記機械式エンジンが混合水素化石燃料燃焼型エンジンである、請求項７２に記載の水素を製造及び利用するシステム。
76. 前記機械式エンジンが混合水素／バイオディーゼル（ｂｉｏｄｉｅｓｅｌ）燃料燃焼型エンジンである、請求項７２に記載の水素を製造及び利用するシステム。
77. 前記動力装置が水素消費型燃料電池と水素消費型機械式エンジンとの両方を備える、請求項４５に記載の水素を製造及び利用するシステム。
78. 前記推進装置が前記配電装置に電気的に接続された電動機である、請求項４８に記載の水素を製造及び利用するシステム。
79. 前記推進装置が前記動力装置に機械的に接続された機械式伝動装置である、請求項４８に記載の水素を製造及び利用するシステム。
80. さらに、余熱を除去しそれによって気化した水を凝縮して液体の水にする熱交換器であって、前記熱交換器が前記燃料電池の出口と流通する入口と前記変換装置の入口と流通する出口とを有する熱交換器を備える、請求項７０に記載の水素を製造及び利用するシステム。
81. さらに、前記熱交換器出口と前記変換装置入口との間に配置された生成水貯蔵タンクを備える、請求項８０に記載の水素を製造及び利用するシステム。
82. 前記エネルギー貯蔵装置が少なくとも１つのディープサイクル（ｄｅｅｐ−ｃｙｃｌｅ）船舶用バッテリである、請求項４５に記載の水素を製造及び利用するシステム。
83. 前記電力供給源が前記動力装置である、請求項４５に記載の水素を製造及び利用するシステム。
84. さらに、前記配電装置に電気的に接続され、前記電力を調整する電力調整装置を備える、請求項４５に記載の水素を製造及び利用するシステム。
85. 前記電力調整装置がインバータ／変圧器を備える、請求項８４に記載の水素を製造及び利用するシステム。
86. 海洋適用業務で水素を製造及び利用する方法であって、
    精製水の供給源を提供するステップと、
    電力を生成するステップと、
    前記電力を貯蔵するステップと、
    前記生成された電力を利用して前記水を水素ガスと酸素ガスとに変換するステップと、
    前記水素ガス及び酸素ガスを利用可能なエネルギーに変換するステップと、
    前記エネルギーを少なくとも１つの動力消費型構成部品に分配するステップとを含む方法。
87. 請求項１に記載の水素を利用及び製造するシステムを利用するステップを含む海洋適用業務で水素を製造及び利用する方法。
88. 前記電動機が、前記配電装置に電気的に接続された水中牽引電力供給源としても機能する、請求項２９に記載の水素を製造及び利用するシステム。
89. 前記電動機が、前記配電装置に電気的に接続された水中牽引電力供給源としても機能する、請求項７８に記載の水素を製造及び利用するシステム。

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