JP2014118618A

JP2014118618A - 水電解水素酸素エネルギー貯蔵システムおよび水電解水素酸素エネルギー貯蔵方法

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Publication number: JP2014118618A
Application number: JP2012276234A
Authority: JP
Inventors: Toshihiro Tani; 俊宏谷; Hiroki Irie; 弘毅入江
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2012-12-18
Filing date: 2012-12-18
Publication date: 2014-06-30

Abstract

【課題】水電解装置による水素及び酸素を液化して電力貯蔵を行う。
【解決手段】水電解水素酸素エネルギー貯蔵システムは、水電解装置１１と、酸素液化装置１２ａと、水素液化装置１２ｂと、液化ガス貯蔵装置１３とを具備する。水電解装置１１は、受電した電力を用いて水を電気分解し、高圧の水素ガス及び高圧の酸素ガスを生成する。酸素液化装置１２ａは、酸素ガスを、膨張減圧させて冷やし、液体酸素を生成する。水素液化装置１２ｂは、水素ガスを、液体酸素を用いて冷やし、かつ、膨張減圧させ、液体水素を生成する。液化ガス貯蔵装置１３は、液体酸素及び液体水素を貯蔵する。
【選択図】図１Ａ

Description

本発明は、水電解水素酸素エネルギー貯蔵システムおよび水電解水素酸素エネルギー貯蔵方法に関し、特に超高圧水電解で生成する水素及び酸素を用いた水電解水素酸素エネルギー貯蔵システムおよび水電解水素酸素エネルギー貯蔵方法に関する。

現在、電力需要としては冷房用の電力需要が非常に大きい。そのため、昼間の電力需要と夜間の電力需要との差が極めて大きくなっており、その平滑化が求められている。そのような電力需要の平滑化の用途では、エネルギー的な効率ばかりでなく、空間的な効率（体積効率）を高めることも求められる。それらを考慮すると、液化ガスによる大容量蓄電は極めて有利である。

液化ガスによりエネルギーを貯蔵するシステムとして、特許文献１（特許第３７６２３１２号公報）に液体空気エネルギー貯蔵システム及びその制御方法が開示されている。この液体空気エネルギー貯蔵システムは、蓄熱・蓄冷槽と、空気膨張器と、液体空気貯蔵タンクと、液体空気駆動ポンプと、燃焼器と、タービンと、発電機とを備えている。蓄熱・蓄冷槽は、空気圧縮機により圧縮された空気を冷却又は加熱する。空気膨張器は、蓄熱・蓄冷槽により冷却された空気を膨張させる。液体空気貯蔵タンクは、空気膨張器より製造された液体空気を貯蔵する。液体空気駆動ポンプは、液体空気を加圧して蓄熱・蓄冷槽に送る。燃焼器は、蓄熱・蓄冷槽で加熱された空気と燃料を混合して燃焼させる。タービンは、燃焼器からの燃焼ガスをエネルギーとして回収する。発電機は、タービンの回転エネルギーを電気に変える。その液体空気エネルギー貯蔵システムは、更に、空気圧力制御手段と、空気分離器を備えている。空気圧力制御手段は、冷却された空気の膨張後における圧力及び液体空気貯蔵タンクの圧力を大気圧より高く保つように制御する。空気分離器は、空気膨張器と液体空気貯蔵タンクとの間に配置した液体空気と液化しなかった空気とに分離する。液化しなかった空気を排出系統側の空気膨張手段で更に液体空気より低い温度になる圧力まで膨張させた後、液体空気貯蔵タンク内部の熱交換器に通し、液体空気の温度を飽和温度以下まで下げる。

また、特許文献２（特開平１０−２３８３６６号公報）にエネルギー貯蔵型ガスタービン発電システムが開示されている。このエネルギー貯蔵型ガスタービン発電システムは、液体空気貯蔵タンクと、気化設備と、燃焼器と、ガスタービンと、ガスタービン発電機とを備えている。液体空気貯蔵タンクは、液体空気を貯蔵する。気化設備は、液体空気貯蔵タンクに貯蔵される液体空気を気化する。燃焼器は、気化設備で気化された空気と燃料とを燃焼し燃焼ガスを発生する。ガスタービンは、燃焼器で発生した燃焼ガスにより駆動する。ガスタービン発電機は、ガスタービンに連結されて発電する。このエネルギー貯蔵型ガスタービン発電システムは、昇圧装置と、膨張タービンと、膨張タービン発電機とを備えている。昇圧装置は、燃焼器へ供給される空気よりも高い圧力まで液体空気貯蔵タンクに貯蔵される液体空気を昇圧して気化設備へ供給する。膨張タービンは、気化設備で気化された空気を膨張させて駆動する。膨張タービン発電機は、膨張タービンに連結されて発電する。

関連する技術として、非特許文献１（小林清和他、「能代ロケット実験場における液化水素供給設備」、宇宙科学研究所報告特集６，２９５−３１４，１９８３−０３）に水素液化装置が開示されている。また、非特許文献２（安永義博、「水素液化装置」、日立評論、ｖｏｌ．５３、Ｎｏ．８、３１−３６（１９７１））に水素液化装置が開示されている。また、特許文献３（特開２００５−３３０５１４号公報）に水電解装置が開示されている。また、特許文献４（特許第２８５８７５０号公報）に貯蔵したエネルギー利用の発電システム，方法およびその装置が開示されている。

特許第３７６２３１２号公報特開平１０−２３８３６６号公報特開２００５−３３０５１４号公報特許第２８５８７５０号公報

小林清和他、「能代ロケット実験場における液化水素供給設備」、宇宙科学研究所報告特集６，２９５−３１４，１９８３−０３安永義博、「水素液化装置」、日立評論、ｖｏｌ．５３、Ｎｏ．８、３１−３６（１９７１）

本発明の目的は、水電解装置による水素及び酸素を液化することが可能な水電解水素酸素エネルギー貯蔵システムおよび水電解水素酸素エネルギー貯蔵方法を提供することにある。

本発明の他の目的は、水電解装置による水素及び酸素を用いて電力貯蔵を行うことが可能な水電解水素酸素エネルギー貯蔵システムおよび水電解水素酸素エネルギー貯蔵方法を提供することにある。

この発明のこれらの目的とそれ以外の目的と利益とは以下の説明と添付図面とによって容易に確認することができる。

以下に、発明を実施するための形態で使用される番号・符号を用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの番号・符号は、特許請求の範囲の記載と発明を実施するための形態との対応関係を明らかにするために括弧付きで付加されたものである。ただし、それらの番号・符号を、特許請求の範囲に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。

本発明の水電解水素酸素エネルギー貯蔵システムは、水電解装置（１１）と、酸素液化装置（１２ａ）と、水素液化装置（１２ｂ）と、液化ガス貯蔵装置（１３）とを具備している。水電解装置（１１）は、受電した電力を用いて水を電気分解し、高圧の水素ガス及び高圧の酸素ガスを生成する。酸素液化装置（１２ａ）は、酸素ガスを、膨張減圧させて冷やし、液体酸素を生成する。水素液化装置（１２ｂ）は、水素ガスを、液体酸素を用いて冷やし、かつ、膨張減圧させ、液体水素を生成する。液化ガス貯蔵装置（１３）は、液体酸素及び液体水素を貯蔵する。

上記の水電解水素酸素エネルギー貯蔵システムにおいて、液体酸素または液体水素と熱媒体とを熱交換して、液体酸素または液体水素を気化させる熱交換器（８２、９２）をさらに具備していることが好ましい。

上記の水電解水素酸素エネルギー貯蔵システムにおいて、膨張タービン（８３、９３）と、発電機（８４、９４）とをさらに具備していることが好ましい。膨張タービン（８３、９３）は、液体酸素または液体水素が気化することにより増加する体積を用いて回転する。発電機（８４、９４）は、膨張タービンの回転に基づいて発電する。

上記の水電解水素酸素エネルギー貯蔵システムにおいて、膨張タービン（８３、９３）から送出される酸素ガス、水素ガス、酸素液化装置（１２ａ）から送出される酸素ガス、水素液化装置（１２ｂ）から送出される水素ガスのうちの少なくとも一つを用いて発電する燃料電池（１３０）をさらに具備していることが好ましい。

上記の水電解水素酸素エネルギー貯蔵システムにおいて、膨張タービン（８３、９３）から送出される酸素ガス、水素ガス、酸素液化装置（１２ａ）から送出される酸素ガス、水素液化装置（１２ｂ）から送出される水素ガスのうちの少なくとも一つを用いて発電するエンジン発電機（１２０）をさらに具備していることが好ましい。

上記の水電解水素酸素エネルギー貯蔵システムにおいて、膨張タービン（８３、９３）から送出される酸素ガス、水素ガス、酸素液化装置（１２ａ）から送出される酸素ガス、水素液化装置（１２ｂ）から送出される水素ガスのうちの少なくとも一つを用いて発電する燃焼タービン発電機（１１０）をさらに具備していることが好ましい。

上記の水電解水素酸素エネルギー貯蔵システムにおいて、高圧の水素ガス及び高圧の酸素ガスの圧力は１ＭＰａ以上であることが好ましい。

本発明の水電解水素酸素エネルギー貯蔵方法は、受電した電力を用いて水を電気分解し、高圧の水素ガス及び高圧の酸素ガスを生成するステップと、酸素ガスを、膨張減圧させて冷やし、液体酸素を生成するステップと、水素ガスを、液体酸素を用いて冷やし、かつ、膨張減圧させ、液体水素を生成するステップと、液体酸素及び液体水素を貯蔵するステップとを具備している。

上記の水電解水素酸素エネルギー貯蔵方法において、液体酸素または液体水素と熱媒体とを熱交換して、液体酸素または液体水素を気化させるステップをさらに具備していることが好ましい。

上記の水電解水素酸素エネルギー貯蔵方法において、液体酸素または液体水素が気化することにより増加する体積を用いて膨張タービン（８３、９３）を回転させて発電機（８４、９４）で発電するステップをさらに具備していることが好ましい。

上記の水電解水素酸素エネルギー貯蔵方法において、膨張タービン（８３、９３）から送出される酸素ガス、水素ガス、酸素液化装置（１２ａ）から送出される酸素ガス、水素液化装置（１２ｂ）から送出される水素ガスのうちの少なくとも一つを用いて燃料電池（１３０）で発電するステップをさらに具備していることが好ましい。

上記の水電解水素酸素エネルギー貯蔵方法において、膨張タービン（８３、９３）から送出される酸素ガス、水素ガス、酸素液化装置（１２ａ）から送出される酸素ガス、水素液化装置（１２ｂ）から送出される水素ガスのうちの少なくとも一つを用いてエンジン発電機（１２０）で発電するステップをさらに具備していることが好ましい。

上記の水電解水素酸素エネルギー貯蔵方法において、膨張タービン（８３、９３）から送出される酸素ガス、水素ガス、酸素液化装置（１２ａ）から送出される酸素ガス、水素液化装置（１２ｂ）から送出される水素ガスのうちの少なくとも一つを用いて燃焼タービン発電機（１１０）で発電するステップをさらに具備していることが好ましい。

上記の水電解水素酸素エネルギー貯蔵方法において、高圧の水素ガス及び高圧の酸素ガスの圧力は１ＭＰａ以上であることが好ましい。

本発明により、水電解装置による水素及び酸素を液化することが可能となる。また、水電解装置による水素及び酸素を用いてエネルギー貯蔵を行うことが可能となる。

図１Ａは、本発明の実施の形態に係る水電解水素酸素エネルギー貯蔵システムの構成を模式的に示す機能ブロック図である。図１Ｂは、本発明の実施の形態に係る水電解水素酸素エネルギー貯蔵システムの構成を模式的に示す機能ブロック図である。図２は、本発明の実施の形態に係る水電解水素酸素エネルギー貯蔵方法を示すフローチャートである。図３は、本実施例に係る水電解水素酸素エネルギー貯蔵システムの水電解装置の構成を模式的に示すブロック図である。図４は、本実施例に係る水電解水素酸素エネルギー貯蔵システムの酸素液化装置の構成を模式的に示すブロック図である。図５は、本実施例に係る水電解水素酸素エネルギー貯蔵システムの水素液化装置の構成を模式的に示すブロック図である。図６は、本実施例に係る水電解水素酸素エネルギー貯蔵システムの液化ガス利用装置の構成を模式的に示すブロック図である。図７は、本実施例に係る水電解水素酸素エネルギー貯蔵システムの液化ガス利用装置の一例としての燃料電池の構成を模式的に示すブロック図である。

以下、本発明の実施の形態に係る水電解水素酸素エネルギー貯蔵システムおよび水電解水素酸素エネルギー貯蔵方法に関して、添付図面を参照して説明する。

本実施の形態に係る水電解水素酸素エネルギー貯蔵システムの構成について説明する。図１Ａは、本実施の形態に係る水電解水素酸素エネルギー貯蔵システムの構成を模式的に示す機能ブロック図である。本実施の形態の水電解水素酸素エネルギー貯蔵システム１は、水電解装置１１と、液化装置１２と、液化ガス貯蔵装置１３とを備えている。

水電解装置１１は、受電した電力を用いて水を電気分解し、酸素ガスおよび水素ガスを生成する。水電解装置１１は、超高圧水電解部３１を備えている。超高圧水電解部３１は、高圧の水を供給され、高圧の酸素ガスおよび高圧の水素ガスを生成する。その圧力は、後述されるように、少なくとも１ＭＰａ以上であることが好ましく、例えば、６ＭＰａである。水電解装置１１（超高圧水電解部３１）は、外部から供給される電力を用いて水を酸素ガスおよび水素ガスに変えていることから、電力を酸素ガスおよび水素ガスに置き換えていると見ることができる。

液化装置１２は、水電解装置１１で生成された高圧の気体を液化する。液化装置１２は、酸素液化装置１２ａと水素液化装置１２ｂとを備えている。

酸素液化装置１２ａは、水電解装置１１で生成された高圧の酸素ガスを液化して、液体酸素を生成する。酸素液化装置１２ａは、除湿／精製部４１と、液化部４２を備えている。除湿／精製部４１は、酸素ガス中の水分を除去し（除湿）、酸素ガス中の不純物を除去する（精製）。液化部４２は、除湿／精製された酸素ガスを膨張減圧（例示：ジュール・トムソン膨張）させて冷やし、液体酸素を生成する。なお、除湿／精製部４１で生成される酸素ガスや、液化部４２の液化酸素が気化した酸素ガスは、ガス利用装置２２で利用しても良い（図１Ａ、図１Ｂ及び図２において（ａ）で表示）。

水素液化装置１２ｂは、水電解装置１１で生成された高圧の水素ガスを液化して、液体水素を生成する。水素液化装置１２ｂは、除湿／精製部５１と、オルト・パラ変換部５２と、液化部５３とを備えている。除湿／精製部５１は、水素ガス中の水分を除去し（除湿）、水素ガス中の不純物を除去する（精製）。オルト・パラ変換部５２は、直接的または間接的に液体酸素を低温冷媒として用いて除湿／精製された水素ガスを冷やし、触媒等を用いて、その水素ガス中のオルト水素とパラ水素との組成比が、低温で安定なパラ水素が多くなるように水素ガスを変換する。液化部５３は、オルト・パラ変換された水素ガスを、直接的または間接的に液体酸素を低温冷媒として用いて冷やし、かつ、膨張減圧（例示：ジュール・トムソン膨張）させて冷やし、液体水素を生成する。ただし、実際には、水素ガスのオルト・パラ変換をすることと水素ガスの温度を低下させることとは、交互に複数回にわたって行われる。なお、除湿／精製部５１で生成される水素ガスや、液化部５３の液化水素が気化した水素ガスは、ガス利用装置２２で利用しても良い（図１Ａ、図１Ｂ及び図２において（ｂ）で表示）。

ただし、直接的または間接的に液体酸素を低温冷媒として用いて水素ガスを冷やすことで、その水素ガスが所望の低温になるように、水電解装置１１へ供給される高圧の酸素ガス（、水素ガス）の圧力が具体的に設定される。その酸素ガス（、水素ガス）の圧力は、その設定条件を考慮すると、少なくとも１ＭＰａ以上であることが好ましく、例えば、６ＭＰａである。

液化ガス貯蔵装置１３は、液化装置１２で生成された液化ガスを貯蔵する。液化ガス貯蔵装置１３は、液体酸素タンク６１と液体水素タンク７１とを備えている。液体酸素タンク６１は、酸素液化装置１２ａで生成された液体酸素を貯蔵する。液体水素タンク７１は、水素液化装置１２ｂで生成された液体水素を貯蔵する。

この水電解水素酸素エネルギー貯蔵システム１は、外部から供給される電力を用いて水を液体酸素および液体水素に変えている。これら液体酸素および液体水素は、後述されるように、低温の熱媒体として用いることができ、かつ、各液化ガスの気化後には酸素ガスと水素ガスとを反応させる発電等に用いることができる。したがって、この水電解水素酸素エネルギー貯蔵システム１は電力を液体酸素および液体水素に置き換えて蓄積している、と見ることができる。言い換えると、この水電解水素酸素エネルギー貯蔵システム１はエネルギー変換貯蔵システムである、と見ることができる。

図１Ｂは、本実施の形態に係る水電解水素酸素エネルギー貯蔵システムの構成を模式的に示す機能ブロック図である。本実施の形態の水電解水素酸素エネルギー貯蔵システム１は、さらに、液化ガス利用装置２１と、ガス利用装置２２とを備えていてもよい。

液化ガス利用装置２１は、液化ガス貯蔵装置１３に貯蔵された相対的に低温の液化ガスを相対的に高温のガスにする過程で放出されるエネルギーを利用する。例えば、その液化ガスやそのガスを低温の熱媒体として用いたり、そのガスが膨張することにより放出するエネルギーで発電を行ったりする。すなわち、液化ガス利用装置２１は、液化ガスの極低温での物性と常温近傍での物性との差を利用していると見ることができる。得られる低温は、冷凍・冷蔵や冷房などに用いることができる。また、体積膨張によって得られる力学的エネルギーで発電や、その他機械を作動させたりすることができる。液化ガス利用装置２１は、液体酸素利用装置２１ａと液体水素利用装置２１ｂとを備えている。

液体酸素利用装置２１ａは、液体酸素タンク６１に貯蔵された相対的に低温の液体酸素を相対的に高温の酸素ガスにする過程で放出されるエネルギーを利用する。例えば、その液体酸素やその酸素ガスを低温の熱媒体として用いたり、その酸素ガスが膨張することにより放出するエネルギーで発電を行ったりする。液体酸素利用装置２１ａは、例えば、加圧ポンプ８１と、冷熱供給熱交換器８２、８５と、膨張タービン８３及び発電機８４とを備えている。加圧ポンプ８１は、液体酸素タンク６１に貯蔵された液体酸素を所望の圧力に加圧して送出する。冷熱供給熱交換器８２は、相対的に低温の液化酸素と相対的に高温の熱媒体との熱交換により、液化酸素を気化させて酸素ガスとし、相対的に低温の熱媒体を得る。膨張タービン８３は、液体酸素が気化することにより増加する体積を用いて回転する。発電機８４は、膨張タービン８３の回転を利用して発電する。冷熱供給熱交換器８５は、膨張タービン８３から送出された相対的に低温の酸素ガスと相対的に高温の熱媒体との熱交換により、相対的に低温の熱媒体を得る。なお、この例では、膨張タービンを用いているが、ピストン型であっても良い。

液体水素利用装置２１ｂは、液体水素タンク７１に貯蔵された相対的に低温の液体水素を相対的に高温の水素ガスにする過程で放出されるエネルギーを利用する。例えば、その液体水素やその水素ガスを低温の熱媒体として用いたり、その水素ガスが膨張することにより放出するエネルギーで発電を行ったりする。液体水素利用装置２１ｂは、例えば、加圧ポンプ９１と、冷熱供給熱交換器９２、９５と、膨張タービン９３及び発電機９４とを備えている。加圧ポンプ９１は、液体水素タンク７１に貯蔵された液体水素を所望の圧力に加圧して送出する。冷熱供給熱交換器９２は、相対的に低温の液化水素と相対的に高温の熱媒体との熱交換により、液化水素を気化させて水素ガスとし、相対的に低温の熱媒体を得る。膨張タービン９３は、液体水素が気化することにより増加する体積を用いて回転する。発電機９４は、膨張タービン９３の回転を利用して発電する。冷熱供給熱交換器９５は、膨張タービン９３から送出された相対的に低温の酸素ガスと相対的に高温の熱媒体との熱交換により、相対的に低温の熱媒体を得る。なお、この例では、膨張タービンを用いているが、ピストン型であっても良い。

液化ガス利用装置２１は、液体酸素および液体水素を利用して低温や電力を得た後、酸素ガスおよび水素ガスをそれぞれ別々に送出する。ここでは、液体酸素は、熱交換や発電に寄与した後、他のガス等と反応したり、混合されたりすることなく、酸素ガスとしてそのまま送出される。また、液体水素は、熱交換や発電に寄与した後、他のガスと反応したり、混合されたりすることなく、水素ガスとしてそのまま送出される。そのため、送出される酸素ガスおよび水素ガスは、そのまま酸素ガスおよび水素ガスとして用いることができる。なお、送出される酸素ガスおよび水素ガスは、それぞれ酸素ガスタンク（図示されず）および水素ガスタンク（図示されず）に貯蔵しても良い。

ガス利用装置２２は、液化ガス利用装置２１から送出される酸素ガスおよび水素ガスを混合して、反応させることにより得られるエネルギーを利用する。例えば、酸素ガスと水素ガスとを燃焼させたり、電気化学反応させたりする。すなわち、ガス利用装置２２は、酸素ガスおよび水素ガスの化学燃料としての性質を利用していると見ることができる。ガス利用装置２２は、例えば、水素・酸素燃焼タービン発電機１１０と、水素・酸素エンジン発電機１２０と、燃料電池１３０とを備えている。ただし、ガス利用装置２２は、水素・酸素燃焼タービン発電機１１０、水素・酸素エンジン発電機１２０及び燃料電池１３０のうちの少なくとも一つを備えていればよい。

水素・酸素燃焼タービン発電機１１０は、燃焼器で酸素ガスと水素ガスとを混合・燃焼させて得られる燃焼ガスでタービンを回転させ、その回転のエネルギーを用いて発電を行う。水素・酸素エンジン発電機１２０は、エンジンで酸素ガスと水素ガスとを混合・燃焼させてクランクシャフトを回転させ、その回転のエネルギーを用いて発電を行う。燃料電池１３０は、アノード側の水素ガスと、カソード側の酸素ガスとが電解質膜を介して電気化学反応を行うことにより、発電を行う。

この水電解水素酸素エネルギー貯蔵システム１は、外部から供給される電力を用いて水を液体酸素および液体水素にして貯蔵することによりエネルギーを貯蔵している。それに加えて、この水電解水素酸素エネルギー貯蔵システム１は、液体酸素および液体水素に置き換えて貯蔵されたエネルギーを、冷熱発電や膨張タービン発電や燃焼タービン発電やエンジン発電や燃料電池発電などを用いて電力に戻す手段を備えている。すなわち、この水電解水素酸素エネルギー貯蔵システム１は、エネルギーの貯蔵だけでなく、その貯蔵されたエネルギーを電力として再利用可能にすることも併せて行うことができる蓄電システムである。

図２は、本実施の形態に係る水電解水素酸素エネルギー貯蔵方法を示すフローチャートである。
水電解装置１１（超高圧水電解部３１）は、外部から供給される電力を用いて高圧の水を電気分解し、高圧の酸素ガスおよび高圧の水素ガスを生成する（ステップＳ０１）。その圧力は、例えば、６ＭＰａである。

次に、酸素液化装置１２ａは、水電解装置１１で生成された高圧の酸素ガスを液化して、液体酸素を生成する（ステップＳ０２）。具体的には、除湿／精製部４１は、酸素ガス中の水分を除去し（除湿）、酸素ガス中の不純物を除去する（精製）。液化部４２は、除湿／精製された酸素ガスを膨張減圧（例示：ジュール・トムソン膨張）させて冷やし、液体酸素を生成する。

一方、水素液化装置１２ｂは、水電解装置１１で生成された高圧の水素ガスを液化して、液体水素を生成する（ステップＳ０３）。具体的には、除湿／精製部５１は、水素ガス中の水分を除去し（除湿）、水素ガス中の不純物を除去する（精製）。オルト・パラ変換部５２は、直接的または間接的に液体酸素を低温冷媒として用いて除湿／精製された水素ガスを冷やし、触媒等を用いて、その水素ガス中のオルト水素とパラ水素との組成比が、低温で安定なパラ水素が多くなるように水素ガスを変換する。液化部５３は、オルト・パラ変換された水素ガスを、直接的または間接的に液体酸素を低温冷媒として用いて冷やし、かつ、膨張減圧（例示：ジュール・トムソン膨張）させて冷やし、液体水素を生成する。ただし、水素ガスのオルト・パラ変換をすることと水素ガスの温度を低下させることとは、交互に複数回にわたって行われる。

酸素液化装置１２ａで生成された液体酸素は、液体酸素タンク６１に貯蔵される（ステップＳ０４）。また、液水素液化装置１２ｂで生成された液体水素は、液体水素タンク７１に貯蔵される（ステップＳ０５）。ステップＳ０１〜Ｓ０５は、電力を液体酸素および液体水素に変換して貯蔵するエネルギー貯蔵の工程と考えることができる。

液体酸素利用装置２１ａは、液体酸素タンク６１に貯蔵された相対的に低温の液体酸素を相対的に高温の酸素ガスにする過程で放出されるエネルギーを利用する（ステップＳ０６）。例えば、その液体酸素やその酸素ガスを低温の熱媒体として用い、または、その酸素ガスが膨張することにより放出するエネルギーで発電を行う。具体的には、加圧ポンプ８１は、液体酸素タンク６１に貯蔵された液体酸素を加圧して送出する。冷熱供給熱交換器８２は、相対的に低温の液化酸素と相対的に高温の熱媒体との熱交換により、液化酸素を気化させて酸素ガスとし、相対的に低温の熱媒体を得る。膨張タービン８３は、液体酸素が気化することにより増加する体積を用いて回転する。発電機８４は、膨張タービン８３の回転を利用して発電する。冷熱供給熱交換器８５は、膨張タービン８３から送出された相対的に低温の酸素ガスと相対的に高温の熱媒体との熱交換により、相対的に低温の熱媒体を得る。

液体水素利用装置２１ｂは、液体水素タンク７１に貯蔵された相対的に低温の液体水素を相対的に高温の水素ガスにする過程で放出されるエネルギーを利用する（ステップＳ０７）。例えば、その液体水素やその水素ガスを低温の熱媒体として用い、または、その水素ガスが膨張することにより放出するエネルギーで発電を行う。具体的には、加圧ポンプ９１は、液体水素タンク７１に貯蔵された液体水素を加圧して送出する。冷熱供給熱交換器９２は、相対的に低温の液化水素と相対的に高温の熱媒体との熱交換により、液化水素を気化させて水素ガスとし、相対的に低温の熱媒体を得る。膨張タービン９３は、液体水素が気化することにより増加する体積を用いて回転する。発電機９４は、膨張タービン９３の回転を利用して発電する。冷熱供給熱交換器９５は、膨張タービン９３から送出された相対的に低温の酸素ガスと相対的に高温の熱媒体との熱交換により、相対的に低温の熱媒体を得る。

ガス利用装置２２は、液化ガス利用装置２１から送出される酸素ガスおよび水素ガスを混合して、反応させることにより得られるエネルギーを利用して発電を行う（ステップＳ０８）。例えば、水素・酸素燃焼タービン発電機１１０や、水素・酸素エンジン発電機１２０や、燃料電池１３０を用いて発電を行う。ステップＳ０６〜Ｓ０８は、液体酸素および液体水素で貯蔵された電力を電力として利用可能にする電力変換の工程と考えることができる。

以上のようにして、本実施の形態に係る水電解水素酸素エネルギー貯蔵方法が実施される。

本実施の形態により、水電解装置による水素及び酸素を液化することが可能となる。また、水電解装置による水素及び酸素を用いてエネルギー貯蔵を行うことが可能となる。さらに、貯蔵されたエネルギーと電力として再利用可能にすることができる。

（実施例）
以下、上述された水電解水素酸素エネルギー貯蔵システム（図１Ａおよび図１Ｂ）の実施例について説明する。

図３は、本実施例に係る水電解水素酸素エネルギー貯蔵システムの水電解装置１１の構成を模式的に示すブロック図である。水電解装置１１は、超高圧水電解部３１と、酸素気液分離部３２と、水素気液分離部３３と、ポンプ３４と、ポンプ３５とを具備している。これらの各構成は、例えば、配管３６、３７により接続されている。

酸素気液分離部３２は、水供給装置（図示されず）から水電解用の高圧の水を供給され、貯蔵する。ポンプ３４は、酸素気液分離部３２の水を、超高圧水電解部３１のアノード側へ供給する。その水は、超高圧水電解部３１の各水電解セル（後述）のアノード側に供給される。酸素気液分離部３２は、超高圧水電解部３１の各水電解セルで生成された高圧の酸素ガスと余剰水とを受け取る。そして、生成された酸素ガスを水から分離する。分離された酸素ガスは、外部へ送出される（Ａ１）。

水素気液分離部３３は、水供給装置（図示されず）から水電解用の高圧の水を供給され、貯蔵する。ポンプ３５は、水素気液分離部３３の水を、超高圧水電解部３１のカソード側へ供給する。その水は、水電解反応に直接的には寄与しないが、超高圧水電解部３１の各水電解セルのカソード側に供給される。水素気液分離部３３は、超高圧水電解部３１の各水電解セルで生成された高圧の水素ガスと余剰水と、陽極から来るプロトンに同伴する水分とを受け取る。そして、生成された水素ガスを水から分離する。分離された水素ガスは、外部へ送出される（Ｂ１）。増加した水は、酸素気液分離部３２に戻すか、排水される。

超高圧水電解部３１は、例えば直列接続された、複数の水電解セルを備えた超高圧水電解スタックである。水電解セルは、電解質膜（例示：固体高分子電解質膜）と、その一方の面に設けられたアノードと、他方の面に設けられたカソードとを備えている。超高圧水電解部３１は、各水電解セルのアノードとカソードとの間に、外部電源（図示されず）からの電力（電圧）を印加する。それにより、各水電解セルにおいて、アノード側に供給された水が電気分解されて、アノード側に酸素ガスが生成され、カソード側に水素ガスが生成される。各水電解セルのアノード側の酸素ガスおよび未反応の水（余剰水）、カソード側の水素ガス、電解質膜を透過した水および供給された水（余剰水）は、水素気液分離部３３へ送出される。

なお、水電解装置１１は、水の電気分解で酸素及び水素を同時に生成できれば、上記構成に限定されるものではない。例えば、特許文献３（特開２００５−３３０５１４号公報）に開示された水電解装置を用いても良い。その場合、特許文献３の図１に記載のように、水電解装置１１が容器本体及び浄化層（図示されず）を備え、酸素気液分離部３２及び水素気液分離部３３がそれぞれ容器本体の第２の部屋及び第１の部屋として一体に設けられている。

図４は、本実施例に係る水電解水素酸素エネルギー貯蔵システムの酸素液化装置１２ａの構成を模式的に示すブロック図である。酸素液化装置１２ａは、上述のように、除湿／精製部４１と、液化部４２とを備えている。

除湿／精製部４１は、第１酸素冷却器２０１と、第１酸素気液分離器２０２と、第１酸素バルブ群２０３と、酸素除湿吸着塔２０４と、第１酸素熱交換器２０６と、第２酸素冷却器２０７と、第２酸素気液分離器２０８と、酸素循環ブロア２０９と、第２酸素バルブ群２０５とを備えている。これらの各構成は、例えば配管２５１〜２５５により接続されている。

第１酸素冷却器２０１は、水電解装置１１から送出される酸素ガス（Ａ１）を冷却水により冷却する。第１酸素気液分離器２０２は、第１酸素冷却器２０１で冷却された酸素ガス中の水分を気液分離により除去する。酸素除湿吸着塔２０４は、第１酸素バルブ群２０３を介して供給される第１酸素気液分離器２０２からの酸素ガスを除湿して、第２酸素バルブ群２０５から液化部４２へ送出する。以上の各構成により、除湿／精製部４１は、酸素ガスの除湿および精製を行う。

なお、酸素除湿吸着塔２０４を再生する場合、酸素除湿吸着塔２０４をヒータで加熱する。それにより、吸着剤中に吸着された水分および酸素ガスが放出されて、第１酸素バルブ群２０３から送出される。その場合、第１酸素熱交換器２０６は、第１酸素バルブ群２０３を経由した酸素ガス（高温側）と循環ブロア２０９から送出される酸素ガス（低温側）とを熱交換する。第２酸素冷却器２０７は、第１酸素熱交換器２０６で温度が下がった酸素ガスを冷却水によりさらに冷却する。第２酸素気液分離器２０８は、第２酸素冷却器２０７で冷却された酸素ガス中の水分を気液分離により除去する。第２酸素気液分離器２０８で気液分離された酸素ガスは、循環ブロア２０９により第１酸素熱交換器２０６で熱交換をして、第２酸素バルブ群２０５へ供給される。なお、第２酸素気液分離器２０８で気液分離された酸素ガスは、調圧弁２１０を介して外部の機器（例示：ガス利用装置２２）へ供給されてもよい（ＧＯＸ）。

液化部４２は、第２酸素熱交換器２１１と、第１酸素Ｊ−Ｔ弁（ジュール・トムソン膨張弁）２１２と、第３酸素熱交換器２１３と、第４酸素熱交換器２１４と、第２酸素Ｊ−Ｔ弁（ジュール・トムソン膨張弁）２１５と、液体酸素タンク６１とを備えている。これらの各構成は、例えば配管２５６〜２５７により接続されている。

第２酸素熱交換器２１１は、第２酸素バルブ群２０５から送出される酸素ガス（高温側）と第４酸素熱交換器２１４から送出される酸素ガス（低温側）とを熱交換する。第１酸素Ｊ−Ｔ弁２１２は、第２酸素熱交換器２１１で温度が下がった酸素ガスをジュール・トムソン膨張でさらに低温にする。第３酸素熱交換器２１３は、第１酸素Ｊ−Ｔ弁２１２で低温にされた酸素ガス（低温側）と、窒素循環圧縮機４からの窒素ガス（高温側）とを熱交換する。第４酸素熱交換器２１４は、第３酸素熱交換器２１３を経由した酸素ガス（高温側）と液体酸素タンク６１からの酸素ガス（低温側）とを熱交換する。また同時に、液体酸素タンク６１からの酸素ガス（低温側）は、第３酸素熱交換器２１３を経由した窒素ガス（高温側）とも熱交換する。第２酸素Ｊ−Ｔ弁２１５は、第４酸素熱交換器２１４で温度が下がった酸素ガスをジュール・トムソン膨張でさらに低温にして液化する。液体酸素タンク６１は、第２酸素Ｊ−Ｔ弁２１５で液化した液体酸素を貯蔵する。なお、液体酸素タンク６１で気化した酸素ガスは、第４酸素熱交換器２１４および第２酸素熱交換器２１１で熱交換（低温側）をして、温度が高くなって外部の機器（例示：ガス利用装置２２）へ供給される。以上の各構成により、液化部４２は、酸素ガスの液化を行う。液体酸素タンク６１の液体酸素も液体酸素タンク６１から外部の機器（例示：ガス利用装置２２）へ供給される。

また、上記酸素ガスを液化する液化部４２の構成には、上記液体酸素を熱媒体（冷媒）として用いる窒素ガスに関わる構成が含まれている。具体的には、窒素循環圧縮機４は、圧縮した高圧の窒素ガスを供給する。窒素循環圧縮機４から供給される窒素ガスは、液化部４２の第３酸素熱交換器２１３で熱交換（高温側）されて、温度が低くなる。さらに、第３酸素熱交換器２１３で温度が低くなった窒素ガスは、第４酸素熱交換器２１４へ供給される。第４酸素熱交換器２１４でさらに温度を下げられ、他へ供給される（Ｃ１）。このように、液化部４２は、その酸素ガス及びその液体酸素を、窒素ガスの温度を下げるための熱媒体（冷媒）として用いている。この窒素ガスとそれを液化した液体窒素とは、後述されるように、水素ガスを液化するための低温の熱媒体（冷媒）として用いられる。したがって、水電解水素酸素エネルギー貯蔵システム１は、液化部４２で液化された液体酸素を、水素ガスを液化するための低温の熱媒体（冷媒）として用いている、ということができる。

図５は、本実施例に係る水電解水素酸素エネルギー貯蔵システムの水素液化装置１２ｂの構成を模式的に示すブロック図である。水素液化装置１２ｂは、上述のように、除湿／精製部５１と、オルト・パラ変換部５２と、液化部５３とを備えている。

除湿／精製部５１は、第１水素冷却器３０１と、第１水素気液分離器３０２と、第１水素バルブ群３０３と、水素除湿吸着塔３０４と、第１水素熱交換器３０６と、第２水素冷却器３０７と、第２水素気液分離器３０８と、水素循環ブロア３０９と、第２水素バルブ群３０５とを備えている。これらの各構成は、例えば配管３５１〜３５５により接続されている。

第１水素冷却器３０１は、水電解装置１１から送出される水素ガス（Ｂ１）を冷却水により冷却する。第１水素気液分離器３０２は、第１水素冷却器３０１で冷却された水素ガス中の水分を気液分離により除去する。水素除湿吸着塔３０４は、第１水素バルブ群３０３を介して供給される第１水素気液分離器３０２からの水素ガスを除湿して、第２水素バルブ群３０５から液化部５３へ送出する。以上の各構成により、除湿／精製部５１は、水素ガスの除湿および精製を行う。

なお、水素除湿吸着塔３０４を再生する場合、水素除湿吸着塔３０４をヒータで加熱する。それにより、吸着剤中に吸着された水分および水素ガスが放出されて、第１水素バルブ群３０３から送出される。その場合、第１水素熱交換器３０６は、第１水素バルブ群３０３を経由した水素ガス（高温側）と循環ブロア３０９から送出される水素ガス（低温側）とを熱交換する。第２水素冷却器３０７は、第１水素熱交換器３０６で温度が下がった水素ガスを冷却水によりさらに冷却する。第２水素気液分離器３０８は、第２水素冷却器３０７で冷却された水素ガス中の水分を気液分離により除去する。第２水素気液分離器３０８で気液分離された水素ガスは、循環ブロア３０９により第１水素熱交換器３０６で熱交換をして、第２水素バルブ群３０５へ供給される。なお、第２水素気液分離器３０８で気液分離された水素ガスは、調圧弁３１０を介して外部の機器（例示：ガス利用装置２２）へ供給されても良い（ＧＨ２）。

オルト・パラ変換部５２は、例えば常磁性物質を用いたオルト・パラ変換触媒を用いて、水素ガス中のオルト水素とパラ水素との組成比を所望の組成比になるように水素ガスを変換する。オルト・パラ変換部５２は、第１オルト・パラ変換部３１３と、第２オルト・パラ変換部３１７と、第３オルト・パラ変換部３２０とを備えている。第１オルト・パラ変換部３１３は、例えば、約８０Ｋにおいて、パラ水素の濃度を約５０％とする。第２オルト・パラ変換部３１７は、例えば、約５０Ｋにおいて、パラ水素の濃度を約８０％とする。第３オルト・パラ変換部３２０は、例えば、約２０Ｋにおいて、パラ水素の濃度を約９５％以上とする。各オルト・パラ変換部の位置は、動作温度を考慮して、液化部４２内の適切な位置に配置される。その配置の例については後述される。

液化部５３は、第２水素熱交換器３１１と、第３水素熱交換器３１２と、第４水素熱交換器３１４と、膨張機３１５と、第５水素熱交換器３１６と、第６水素熱交換器３１８と、水素Ｊ−Ｔ弁（ジュール・トムソン膨張弁）３１９と、第７水素熱交換器３２１と、ヘリウムＪ−Ｔ弁（ジュール・トムソン膨張弁）３２３と、液体水素タンク７１と、液体窒素タンク３３０と、窒素熱交換器３３１と、窒素Ｊ−Ｔ弁（ジュール・トムソン膨張弁）３３２とを備えている。これらの各構成（オルト・パラ変換部５２を含む）は、例えば配管３５６〜３６２、３７１〜３７３、３８１〜３８２により接続されている。

窒素熱交換器３３１は、配管２６０からの窒素ガス（Ｃ１：高温側）と液体窒素タンク３３０で気化した窒素ガス（低温側）とを熱交換する。窒素Ｊ−Ｔ弁３３２は、窒素熱交換器３３１で温度が下がった窒素ガスをジュール・トムソン膨張でさらに低温にして液化する。液体窒素タンク３３０は、窒素Ｊ−Ｔ弁３３２で液化した液体窒素を貯蔵する。液体窒素タンク３３０で気化した窒素ガスは、窒素熱交換器３３１（低温側）で熱交換され、さらに、第３水素熱交換器３１２（低温側）で水素ガス（高温側）と熱交換されて、窒素循環圧縮機４へ送出される。

このように、窒素ガスは、窒素循環圧縮機４−第３酸素熱交換器２１３−第４酸素熱交換器２１４−（Ｃ１）−窒素熱交換器３３１−窒素Ｊ−Ｔ弁３３２−液体窒素タンク３３０−窒素熱交換器３３１−第３水素熱交換器３１２−窒素循環圧縮機４の経路で循環している。そして、その窒素ガスは、液体酸素を熱媒体（冷媒）として用いて冷却されて低温となり、第３水素熱交換器３１２で液化プロセス途中の水素ガスを冷却している。さらに、後述されるように、その窒素ガスは、液体窒素となり、液体窒素タンク３３０で液化プロセス途中の水素ガスを冷却している。すなわち、液体酸素は、窒素ガスや液体窒素を介して間接的に水素ガスを液化するプロセスに用いられていると見ることができる。

第２水素熱交換器３１１は、第２水素バルブ群３０５から送出される水素ガス（高温側）と第４水素熱交換器３１４から送出される水素ガス（低温側）とを熱交換する。第３水素熱交換器３１２は、第２水素熱交換器３１１で低温化された水素ガス（高温側）と、窒素熱交換器３３１からの窒素ガス（低温側）とを熱交換する。第３水素熱交換器３１２で低温化された水素ガスは、液体窒素タンク３３０へ供給される。液体窒素タンク３３０へ供給された水素ガスは、液体窒素タンク３３０の液体窒素内を経由する配管３５６を通るとき、配管３５６の外側の液体窒素（低温側）と熱交換をされる。すなわち、その水素ガスは、液体酸素で冷やされた窒素ガスを用いた液体窒素で冷却される。液体窒素内の配管３５６でさらに低温化された水素ガスは、液体窒素内に配置された第１オルト・パラ変換部３１３へ供給される。第１オルト・パラ変換部３１３は、約８０Ｋ程度の温度になった水素ガスに対して１回目のオルト・パラ変換を行う。その結果、水素ガスは、パラ水素の濃度が約５０％となる。

第４水素熱交換器３１４は、第１オルト・パラ変換部３１３から送出された水素ガス（温度Ｔ１）と、主に液体窒素タンク３３０内を経由したヘリウム循環圧縮機５からのヘリウムガス（温度Ｔ２）と、第５水素熱交換器３１６からのヘリウムガス（温度Ｔ３）と、第６水素熱交換器３１８からの水素ガス（温度Ｔ４）とを互いに熱交換する。このとき、概ね温度Ｔ１、温度Ｔ２＞温度Ｔ３、温度Ｔ４となる。したがって、第４水素熱交換器３１４では、主に、第１オルト・パラ変換部３１３からの水素ガス（高温側）およびヘリウム循環圧縮機５からのヘリウムガス（高温側）が、第５水素熱交換器３１６からのヘリウムガス（低温側）および第６水素熱交換器３１８からの水素ガス（低温側）と熱交換する。膨張機３１５は、第４水素熱交換器３１４で低温化された水素ガスを減圧膨張させる。

第５水素熱交換器３１６は、第４水素熱交換器３１４からのヘリウムガス（温度Ｔ６）と、第７水素熱交換器３２１からのヘリウムガス（温度Ｔ７）とを互いに熱交換する。このとき、概ね温度Ｔ６＞温度Ｔ７となる。したがって、第５水素熱交換器３１６では、主に、第４水素熱交換器３１４からのヘリウムガス（高温側）が第７水素熱交換器３２１からのヘリウムガス（低温側）と熱交換すると考えることができる。第２オルト・パラ変換部３１７は、膨張機３１５からの約５０Ｋになった水素ガスに対して２回目のオルト・パラ変換を行う。その結果、水素ガスは、パラ水素の濃度が約８０％となる。

第６水素熱交換器３１８は、第２オルト・パラ変換部３１７から送出された水素ガス（温度Ｔ８）と、第５水素熱交換器３１６からのヘリウムガス（温度Ｔ９）と、液体水素タンク７１からの水素ガス（温度Ｔ１１）とを互いに熱交換する。このとき、概ね温度Ｔ８、温度Ｔ９＞温度Ｔ１１となる。したがって、第６水素熱交換器３１８では、主に、第２オルト・パラ変換部３１７からの水素ガス（高温側）および第５水素熱交換器３１６からのヘリウムガス（高温側）が、液体水素タンク７１からの水素ガス（低温側）と熱交換すると考えることができる。水素Ｊ−Ｔ弁３１９は、第６水素熱交換器３１８で温度が下がった水素ガスをジュール・トムソン膨張でさらに低温にし、液化する。第３オルト・パラ変換部３２０は、水素Ｊ−Ｔ弁３１９からの約２０Ｋになった液体水素に対して３回目のオルト・パラ変換を行う。その結果、水素ガスは、パラ水素の濃度が約９５％以上となる。

第７水素熱交換器３２１は、第３オルト・パラ変換部３２０から送出された液体水素（高温側）と、ヘリウムＪ−Ｔ弁３２３からのヘリウムガス（低温側）とを熱交換することによって第３オルト・パラ変換部３２０で蒸発した水素ガスを再液化する。第７水素熱交換器３２１で再液化された液体水素は液体水素タンク７１へ送出される。

液体水素タンク７１で気化した水素ガスは、上述されたように、第６水素熱交換器３１８（低温側）、第４水素熱交換器３１４（低温側）、第２水素熱交換器３１１（低温側）、で熱交換する。そして、外部の機器（例示：ガス利用装置２２）へ供給される。

また、上記水素ガスを液化する液化部５３の構成には、ヘリウムガスに関わる構成が含まれている。具体的には、ヘリウム循環圧縮機５は、圧縮した高圧のヘリウムガスを供給する。ヘリウム循環圧縮機５から供給されるヘリウムガスは、液体窒素タンク３３０の液体窒素内を経由する配管３７１を通るとき、配管３７１の外側の液体窒素（低温側）と熱交換をして温度を下げられる。液体窒素タンク３３０内で低温化されたヘリウムガスは、第４水素熱交換器３１４（高温側）、第５水素熱交換器３１６（高温側）および第６水素熱交換器３１８（高温側）で熱交換する。その結果、そのヘリウムガスは、さらに、徐々に温度を低下させる。さらに、そのヘリウムガスは、ヘリウムＪ−Ｔ弁３２３でジュール・トムソン膨張により低温にされる。その後、ヘリウムＪ−Ｔ弁３２３で温度が下がったヘリウムガスは、第７水素熱交換器３２１（低温側）、第５水素熱交換器３１６（低温側）および第４水素熱交換器３１４（低温側）で熱交換する。その結果、そのヘリウムガスは、徐々に温度を上昇させる。そして、そのヘリウムガスは、ヘリウム循環圧縮機５へ送出される。

このように、ヘリウムガスは、ヘリウム循環圧縮機５−液体窒素タンク３３０（配管３７１）−第４水素熱交換器３１４−第５水素熱交換器３１６−第６水素熱交換器３１８−ヘリウムＪ−Ｔ弁３２３−第７水素熱交換器３２１−第５水素熱交換器３１６−第４水素熱交換器３１４−ヘリウム循環圧縮機５の経路を循環している。そして、そのヘリウムガスは、液体窒素や液体水素を熱媒体（冷媒）として用いて冷却されて低温となり、上記各水素熱交換器で液化プロセス途中の水素ガスを冷却している。

したがって、液化部５３は、ヘリウムガスを、水素ガスを液化するための低温の熱媒体（冷媒）として用いている。そのヘリウムガスの温度を下げるための熱媒体（冷媒）として、液体窒素が用いられている。その液体窒素は、窒素ガスの温度を下げるための熱媒体（冷媒）として酸素ガス及び液体酸素を用いている。したがって、水電解水素酸素エネルギー貯蔵システム１は、液化部４２で液化された液体酸素を、液化部５３で水素ガスを液化するための低温の熱媒体（冷媒）として用いている、ということができる。

また、この液化部５３および液化部４２では、熱媒体として窒素やヘリウム（双方又は一方）を用いて酸素の冷熱を水素に伝達している。それにより、酸素と水素とが混合する可能性を排除し、危険を防止することができる。すなわち、本実施例に係る水電解水素酸素エネルギー貯蔵システムは、より安全に配慮して、液化（エネルギー貯蔵）を行うことができる。

なお、液化できなかったオフガスからは、冷熱を回収すると共に、最終的には後述されるガス利用装置２２へ供給して発電することにより、効率化を図ることができる。

図６は、本実施例に係る水電解水素酸素エネルギー貯蔵システムの液化ガス利用装置２１の構成を模式的に示すブロック図である。液体酸素利用装置２１ａは、上述のように、加圧ポンプ８１と、冷熱供給熱交換器８２、８５と、膨張タービン８３及び発電機８４とを備えている。加圧ポンプ８１は、液体酸素タンク６１に貯蔵された液体酸素を加圧して送出する。冷熱供給熱交換器８２は、その液化酸素（低温側）と熱媒体（高温側）との熱交換により、液化酸素を気化させて酸素ガスとするとともに、低温の熱媒体を得る。この低温の熱媒体は、例えば、他の冷熱発電や冷凍機器や冷房機器などに用いることができる。膨張タービン８３は、液体酸素が気化することにより増加する体積を用いて回転する。発電機８４は、膨張タービン８３の回転を利用して発電する。冷熱供給熱交換器８５は、膨張タービン８３から送出された酸素ガス（低温側）と熱媒体（高温側）との熱交換により、低温の熱媒体を得る。この低温の熱媒体も、例えば、他の冷熱発電や冷凍機器や冷房機器などに用いることができる。熱交換され温度が上がった酸素ガスは、外部の機器（例示：ガス利用装置２２）に送出される（Ａ２）。これらの各構成は、例えば配管８７〜８８により接続されている。

液体水素利用装置２１ｂは、上述のように、加圧ポンプ９１と、冷熱供給熱交換器９２、９５と、膨張タービン９３及び発電機９４とを備えている。加圧ポンプ９１は、液体水素タンク７１に貯蔵された液体水素を加圧して送出する。冷熱供給熱交換器９２は、その液化水素（低温側）と熱媒体（高温側）との熱交換により、液化水素を気化させて水素ガスとするとともに、低温の熱媒体を得る。この低温の熱媒体は、例えば、他の冷熱発電や冷凍機器や冷房機器などに用いることができる。膨張タービン９３は、液体水素が気化することにより増加する体積を用いて回転する。発電機９４は、膨張タービン９３の回転を利用して発電する。冷熱供給熱交換器９５は、冷熱供給熱交換器９５は、膨張タービン９３から送出された水素ガス（低温側）と熱媒体（高温側）との熱交換により、低温の熱媒体を得る。この低温の熱媒体も、例えば、他の冷熱発電や冷凍機器や冷房機器などに用いることができる。熱交換され温度が上がった水素ガスは、外部の機器（例示：ガス利用装置２２）に送出される（Ｂ２）。これらの各構成は、例えば配管９７〜９８により接続されている。

図７は、本実施例に係る水電解水素酸素エネルギー貯蔵システムの液化ガス利用装置２１の一例としての燃料電池１３０の構成を模式的に示すブロック図である。燃料電池１３０は、燃料電池本体１３１と、酸素ガス供給部１３２と、水素ガス供給部１３３と、燃料電池冷却部１３４とを備えている。

燃料電池１３０で使用される酸素は、液体酸素利用装置２１ａから酸素ガス供給部１３２を介して供給される（Ａ２）。酸素ガス供給部１３２は、酸素熱交換器４０１と、酸素加湿器４０２と、酸素ドレンポット４０３と、酸素循環ブロア４０４とを備えている。これらの各構成は、例えば配管４６１〜４６３、４８０により接続されている。酸素熱交換器４０１は、液体酸素利用装置２１ａからの酸素ガス（低温側）と冷却水（高温側）とを熱交換する。酸素加湿器４０２は、酸素熱交換器４０１から供給された酸素ガス及び酸素循環ブロア４０４から供給された酸素ガスを加湿して燃料電池本体１３１のカソード側に供給する。酸素ドレンポット４０３は、燃料電池本体１３１から送出された酸素ガスと水とを分離し、酸素ガスを送出する。酸素循環ブロア４０４は、酸素ドレンポット４０３からの酸素ガスを酸素加湿器４０２へ送出する。

燃料電池１３０で使用される水素は、液体水素利用装置２１ｂから水素ガス供給部１３３を介して供給される（Ｂ２）。水素ガス供給部１３３は、水素熱交換器４４１と、水素加湿器４４２と、水素ドレンポット４４３と、水素循環ブロア４４４とを備えている。これらの各構成は、例えば配管４６５〜４６７、４９０により接続されている。水素熱交換器４４１は、液体水素利用装置２１ｂからの水素ガス（低温側）と冷却水（高温側）とを熱交換する。水素加湿器４４２は、水素熱交換器４４１から供給された水素ガス及び水素循環ブロア４４４から供給された水素ガスを加湿して燃料電池本体１３１のアノード側に供給する。水素ドレンポット４４３は、燃料電池本体１３１から送出された水素ガスと水とを分離し、水素ガスを送出する。水素循環ブロア４４４は、水素ドレンポット４４３からの水素ガスを水素加湿器４４２へ送出する。

燃料電池本体１３１は、酸素加湿器４０２から加湿された酸素ガスをカソード側に供給され、水素加湿器４４２から加湿された水素ガスをアノード側に供給される。そして、燃料電池本体１３１は、それら酸素ガスと水素ガスとが電解質膜を介して電気化学反応を行うことにより、電力を発生する。燃料電池本体１３１は、固体高分子型燃料電池や固体電解質型燃料電池などに例示される。

燃料電池本体１３１は、燃料電池冷却部１３４で冷却される。燃料電池冷却部１３４は、冷却水熱交換器４２５と、冷却水タンク４２６と、燃料電池冷却ポンプ４２７とを備えている。これらの各構成は、例えば配管４７０〜４７１により接続されている。冷却水タンク４２６は、燃料電池本体１３１の冷却用の水（冷却水）を貯蔵している。燃料電池冷却ポンプ４２７は、冷却水を冷却水タンク４２６から燃料電池本体１３１へ送出する。冷却水熱交換器４２５は、燃料電池本体１３１から送出された冷却水（高温側）と熱媒体（低温側）とを熱交換する。温度を下げられた冷却水は、冷却水タンク４２６へ送出される。したがって、燃料電池本体１３１の冷却水は、冷却水タンク４２６−燃料電池冷却ポンプ４２７−燃料電池本体１３１−冷却水熱交換器４２５−冷却水タンク４２６の経路を循環している。

本実施例の水電解水素酸素エネルギー貯蔵システム１は、電力を水電解装置１１に供給することにより、水を液体酸素および液体水素に変えている。これら液体酸素および液体水素は低温の熱媒体として用いることができる。すなわち、電力を液体酸素および液体水素に置き換えて貯蔵するエネルギー貯蔵システムとして、この水電解水素酸素エネルギー貯蔵システム１を用いることができる。ここで、液体酸素および液体水素は、貯蔵するための体積が小さくて済み、他所へ輸送することも可能である。このように、この水電解水素酸素エネルギー貯蔵システム１は、空間的な効率（体積効率）が高く、かつ利便性も高いと考えられる。また、液化できなかったオフガスから冷熱を回収すると共に、最終的にはガス利用装置２２へ供給して発電することにより、エネルギーの効率化を図ることができる。

また、この水電解水素酸素エネルギー貯蔵システム１は、さらに、液体酸素および液体水素に置き換えて貯蔵されたエネルギーを、冷熱発電や膨張タービン発電や燃焼タービン発電やエンジン発電や燃料電池発電などを用いて電力に戻す手段を備えている。すなわち、この水電解水素酸素エネルギー貯蔵システム１では、エネルギーの貯蔵だけでなく、その貯蔵されたエネルギーを電力として再利用可能にすることも併せて行うことが可能となる。

このように、本実施の形態では、水電解装置による水素及び酸素を液化することが可能となる。また、水電解装置による水素及び酸素を用いて電力貯蔵を行うことが可能となる。

本発明は上記各実施の形態に限定されず、本発明の技術思想の範囲内において、各実施の形態は適宜変形又は変更され得ることは明らかである。

１：水電解水素酸素エネルギー貯蔵システム
４：窒素循環圧縮機
５：ヘリウム循環圧縮機
１１：水電解装置
１２：液化装置
１２ａ：酸素液化装置
１２ｂ：水素液化装置
１３：液化ガス貯蔵装置
２１：液化ガス利用装置
２１ａ：液体酸素利用装置
２１ｂ：液体水素利用装置
２２：ガス利用装置
３１：超高圧水電解部
３２：酸素気液分離部
３３：水素気液分離部
３４：ポンプ
３５：ポンプ
４１：除湿／精製部
４２：液化部
５１：除湿／精製部
５２：オルト・パラ部
５３：液化部
６１：液体酸素タンク
７１：液体水素タンク
８１：加圧ポンプ
８２：冷熱供給熱交換器
８３：膨張タービン
８４：発電機
８５：冷熱供給熱交換器
９１：加圧ポンプ
９２：冷熱供給熱交換器
９３：膨張タービン
９４：発電機
９５：冷熱供給熱交換器
１１０：水素・酸素燃焼タービン発電機
１２０：水素・酸素エンジン発電機
１３０：燃料電池
１３１：燃料電池本体
１３２：酸素ガス供給部
１３３：水素ガス供給部
１３４：燃料電池冷却部
２０１：第１酸素冷却器
２０２：第１酸素気液分離器
２０３：第１酸素バルブ群
２０４：酸素除湿吸着塔
２０５：第２酸素バルブ群
２０６：第１酸素熱交換器
２０７：第２酸素冷却器
２０８：第２酸素気液分離器
２０９：循環ブロア
２１０：調圧弁
２１１：第２酸素熱交換器
２１２：第１酸素Ｊ−Ｔ弁
２１３：第３酸素熱交換器
２１４：第４酸素熱交換器
２１５：第２酸素Ｊ−Ｔ弁
３０１：第１水素冷却器
３０２：第１水素気液分離器
３０３：第１水素バルブ群
３０４：水素除湿吸着塔
３０５：第２水素バルブ群
３０６：第１水素熱交換器
３０７：第２水素冷却器
３０８：第２水素気液分離器
３０９：循環ブロア
３１０：調圧弁
３１１：第２水素熱交換器
３１２：第３水素熱交換器
３１３：第１オルト・パラ変換部
３１４：第４水素熱交換器
３１５：膨張機
３１６：第５水素熱交換器
３１７：第２オルト・パラ変換部
３１８：第６水素熱交換器
３１９：水素Ｊ−Ｔ弁
３２０：第３オルト・パラ変換部
３２１：第７水素熱交換器
３２３：ヘリウムＪ−Ｔ弁
３３０：液体窒素タンク
３３１：窒素熱交換器
３３２：窒素Ｊ−Ｔ弁
４０１：酸素熱交換器
４０２：酸素素加湿器
４０３：ドレンポット
４０４：酸素循環ブロア
４２５：冷却水熱交換器
４２６：冷却水タンク
４２７：燃料電池冷却ポンプ
４４１：水素熱交換器
４４２：水素加湿器
４４３：ドレンポット
４４４：水素循環ブロア

Claims

受電した電力を用いて水を電気分解し、高圧の水素ガス及び高圧の酸素ガスを生成する水電解装置と、
前記酸素ガスを、膨張減圧させて冷やし、液体酸素を生成する酸素液化装置と、
前記水素ガスを、前記液体酸素を用いて冷やし、かつ、膨張減圧させ、液体水素を生成する水素液化装置と、
前記液体酸素及び前記液体水素を貯蔵する液化ガス貯蔵装置と
を具備する
水電解水素酸素エネルギー貯蔵システム。
請求項１に記載の水電解水素酸素エネルギー貯蔵システムにおいて、
前記液体酸素または前記液体水素と熱媒体とを熱交換して、前記液体酸素または前記液体水素を気化させる熱交換器をさらに具備する
水電解水素酸素エネルギー貯蔵システム。
請求項２に記載の水電解水素酸素エネルギー貯蔵システムにおいて、
前記液体酸素または前記液体水素が気化することにより増加する体積を用いて回転する膨張タービンと、
前記膨張タービンの回転に基づいて発電する発電機と
をさらに具備する
水電解水素酸素エネルギー貯蔵システム。
請求項３に記載の水電解水素酸素エネルギー貯蔵システムにおいて、
前記膨張タービンから送出される酸素ガス、水素ガス、前記酸素液化装置から送出される酸素ガス、前記水素液化装置から送出される水素ガスのうちの少なくとも一つを用いて発電する燃料電池をさらに具備する
水電解水素酸素エネルギー貯蔵システム。
請求項３に記載の水電解水素酸素エネルギー貯蔵システムにおいて、
前記膨張タービンから送出される酸素ガス、水素ガス、前記酸素液化装置から送出される酸素ガス、前記水素液化装置から送出される水素ガスのうちの少なくとも一つを用いて発電するエンジン発電機をさらに具備する
水電解水素酸素エネルギー貯蔵システム。
請求項３に記載の水電解水素酸素エネルギー貯蔵システムにおいて、
前記膨張タービンから送出される酸素ガス、水素ガス、前記酸素液化装置から送出される酸素ガス、前記水素液化装置から送出される水素ガスのうちの少なくとも一つを用いて発電する燃焼タービン発電機をさらに具備する
水電解水素酸素エネルギー貯蔵システム。
請求項１乃至６のいずれか一項に記載の水電解水素酸素エネルギー貯蔵システムにおいて、
前記高圧の水素ガス及び前記高圧の酸素ガスの圧力は１ＭＰａ以上である
水電解水素酸素エネルギー貯蔵システム。
受電した電力を用いて水を電気分解し、高圧の水素ガス及び高圧の酸素ガスを生成するステップと、
前記酸素ガスを、膨張減圧させて冷やし、液体酸素を生成するステップと、
前記水素ガスを、前記液体酸素を用いて冷やし、かつ、膨張減圧させ、液体水素を生成するステップと、
前記液体酸素及び前記液体水素を貯蔵するステップと
を具備する
水電解水素酸素エネルギー貯蔵方法。
請求項８に記載の水電解水素酸素エネルギー貯蔵方法において、
前記液体酸素または前記液体水素と熱媒体とを熱交換して、前記液体酸素または前記液体水素を気化させるステップをさらに具備する
水電解水素酸素エネルギー貯蔵方法。
請求項９に記載の水電解水素酸素エネルギー貯蔵方法において、
前記液体酸素または前記液体水素が気化することにより増加する体積を用いて膨張タービンを回転させて発電機で発電するステップをさらに具備する
水電解水素酸素エネルギー貯蔵方法。
請求項１０に記載の水電解水素酸素エネルギー貯蔵方法において、
前記膨張タービンから送出される酸素ガス、水素ガス、前記酸素液化装置から送出される酸素ガス、前記水素液化装置から送出される水素ガスのうちの少なくとも一つを用いて燃料電池で発電するステップをさらに具備する
水電解水素酸素エネルギー貯蔵方法。
請求項１０に記載の水電解水素酸素エネルギー貯蔵方法において、
前記膨張タービンから送出される酸素ガス、水素ガス、前記酸素液化装置から送出される酸素ガス、前記水素液化装置から送出される水素ガスのうちの少なくとも一つを用いてエンジン発電機で発電するステップをさらに具備する
水電解水素酸素エネルギー貯蔵方法。
請求項１０に記載の水電解水素酸素エネルギー貯蔵方法において、
前記膨張タービンから送出される酸素ガス、水素ガス、前記酸素液化装置から送出される酸素ガス、前記水素液化装置から送出される水素ガスのうちの少なくとも一つを用いて燃焼タービン発電機で発電するステップをさらに具備する
水電解水素酸素エネルギー貯蔵方法。
請求項８乃至１３のいずれか一項に記載の水電解水素酸素エネルギー貯蔵方法において、
前記高圧の水素ガス及び前記高圧の酸素ガスの圧力は１ＭＰａ以上である
水電解水素酸素エネルギー貯蔵方法。