JP2018007288A

JP2018007288A - 時間帯による発電設備の余剰電力の有効利用方法

Info

Publication number: JP2018007288A
Application number: JP2016126152A
Authority: JP
Inventors: 芳信林; Yoshinobu Hayashi; 裕之片山; Hiroyuki Katayama
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2016-06-27
Filing date: 2016-06-27
Publication date: 2018-01-11

Abstract

【課題】発電所の時間帯による余剰電力を有効利用するとともに、システム内の副生物の循環使用によって排出物の環境への悪影響を防止する方法に関する。【解決手段】発電設備に余剰電力があるときに、水溶液から電解活性化液を製造して、電力が必要な時に、その電解活性化液を用いて、水素ガスを製造して発電する。装置は水溶液の電解活性化装置（装置Ａ）、電解活性化された水溶液の保留装置（装置Ｂ）、電解による水素ガス発生装置（装置Ｃ）、水素ガス保留装置（装置Ｄ）および水素ガスから電力への変換設備（装置Ｅ）からなる。循環使用する水溶液の浄化のため、白州土を含む粉あるいは成型物を添加する。電解活性化液を作る補助手段として、テラヘルツ領域波を発生するビーズを液に加える。【選択図】図１

Description

本発明は時間帯によって生じる発電設備の余剰電力を有効利用するとともに、システム内の副生物の循環使用により環境への排出物の悪影響を防止することに着眼した、水素ガス製造・発電を含むシステムに関する。

電力は貯蔵を効率的に行うことが難しいという問題がある。したがって、需要と供給をいかにしてマッチングさせるかということが課題であり、スマート・グリッド作りが種々の見地から検討されている。水力発電所では、夜間などの電力余剰時間帯の電力を用いて揚水し、電力の需要量が大きい時に水力発電するという方法が、電力変換効率は高くないが古くから用いられてきている。火力、原子力、太陽光、風力などの発電に適用する方法として、余剰時の電力を一旦、水素に変換して、その水素を用いて電力が必要な時に、燃料電池によって電力に変換する方法が注目されているが、この場合にも変換効率が低いことが問題とされている。水を電気分解すると陰極で水素ガスが、陽極では酸素ガスが発生するが、純水ではイオンの移動が起こりにくいので、電解質を加えることが行われる。自然条件でそれを満足させるものとして、海水を電気分解して水素ガスを得る方法では、陰極では水素ガスが発生するが、陽極では水の場合の酸素ガス発生とは異なって塩素ガスが発生し、それがナトリウムイオンを含む水と反応して次亜塩素酸ソーダを生成する。この次亜塩素酸ソーダが港湾などで有害な生物の除去に有効に用いられる場合には有効であるが、一般的には塩素含有物が環境に放出すると環境破壊に結びつくおそれがある。このように電力を用いて、水溶液を電気分解して水素ガスを得、その水素ガスを用いて燃料電池で電力にすることは原理的には可能であるが、その変換効率の低さが、電力の変換・蓄電の手段として水溶液・水素ガスを用いる場合の問題点である。

これに対して、特許文献１〜３においては、触媒を備えた第１槽と、第１の隔膜に仕切られた第１の正電極を備えた第１の区画と第１の負電極を備えた第２の区画とを有する第２槽とからなり、前記第１槽には酸性電解液が注入され、前記第２槽の第１区画には純水が供給され、前記第２槽の第２区画にはアルカリ性電解液が注入され、前記第１槽と前記第２槽の第１区画の間には第１配管を備え、電力エネルギーが前記第１の正、負の電極に印加されると、前記第１槽において水素ガスと純水が発生し、前記第２槽の第２区画において水素ガスが発生し、前記第２槽の第１区画において酸素ガスと酸性電解液が発生し、前記酸性電解液が前記第２槽の第１区画から前記第１配管を通じ前記第１槽に送られ、前記酸性電解液と前記アルカリ性電解液が、各々ｐＨ１〜４とｐＨ９〜１４の電解液であることを特徴とする水素発生装置を用いる方法が示されている。

再表２００８−０４４４９９号公報特開２００６−２１７６９８号公報特開２００９−０４１０８６号公報

本発明は発電設備で時間帯によって生じる余剰電力を効率的に転換して需要ピーク時に利用できるようにするとともに、システム内の副生物の循環使用によって外部排出物による環境への悪影響を防止することに着眼した水素ガス製造・発電を含むシステムに関する。

本発明の課題を解決するための具体的手段の第１は、発電設備に余剰電力があるときに、水溶液から電解活性化液を製造して、電力が必要な時に、その電解活性化液を用いて、水素ガスを製造して発電することである。

具体的手段の第２は、０００６において、発電設備に併設する施設が、水溶液の電解活性化装置（装置Ａ）、電解活性化された水溶液の保管装置（装置Ｂ）、電解による水素ガス発生装置（装置Ｃ），水素ガス保留装置（装置Ｄ）および水素ガスから電力への変換設備（装置Ｅ）からなり、発電設備の発電力が需要を超えている場合はその電力を用いて装置Ａで水溶液の電解活性化が行なわれ、その生成物である電解活性化液は装置Ｂに保管され、発電が必要な場合には、電解活性化液は、装置Ｃに送られて水素ガスの発生が行われ、その水素ガスを用いて装置Ｅで発電が行われ、電解による水素ガス発生装置（装置Ｃ）で副生した液は、装置Ａに循環使用されることである。

具体的手段の第３は、０００７乃至０００８において、循環使用する水溶液の浄化のため、白州土を含む粉あるいは成型物を添加することである。

具体的手段の第４は、０００７乃至０００９において、水溶液の電気分解装置（装置Ａ）乃至電解活性化液の保留装置（装置Ｂ）において、水溶液にテラヘルツ波を加えて活性化するために、液体中にセラミックス成型物を浸漬することである。

具体的手段の第５は、０００９においてテラヘルツ波を発生する鉱物として、原子番号が５７以上の元素が１種あるいはそれ以上含まれているもの、とくに好ましくはランタノイド系元素、アクチノイド系元素が含まれているものを用いることである。

具体的手段の第６は、０００９乃至００１０において、テラヘルツ領域波を発生するものとして天照石、モナザイト、甦生石のいずれか、あるいはその混合物を用いることである。

０００６、０００７の方法によって、発電所で時間帯によって生じる余剰電力を効率的に転換して電力需要ピーク時に利用できるようにすることができる。０００８の方法によって、外部への液の排出によらずに長期間稼動時の水溶液の汚染進行の問題を回避することができる。また、０００９，００１０，００１１の方法によって、発電量をさらに増加することができる。

本発明のプロセスフローの説明図である。

本発明は、火力発電所やごみ焼却による発電所など、時間帯によって発電量を変更することが効率的でない発電設備において、たとえば深夜などの電力使用量が少ない時間帯における予剰電力（（発電可能電力）−（外部供給電力））を有効に利用して、効率的の外部供給電力が多いことが求められる時間での供給電力を増やすための方法である。図１に本発明のプロセスフローの１例を示す。装置Ａは、余剰電力を利用して水溶液を活性化し、電解分解された水溶液と１部水素ガスを得ることを目的にしている。得られた電気分解水溶液は保留装置Ｂ、水素ガスは水素ガスの保留装置（装置Ｄ）に送られる。なお、水溶液として海水を使用した場合には塩素ガスを生成するので、その貯蔵、利用設備が敷設される。塩素ガスの生成を好まない場合は、水溶液として、苛性ソーダ溶液を用いる。

装置Ｃは、装置Ａから電解活性化液と、発電装置から送られてくる電力を直流電力に変換したものを受けて、水素ガスを製造するためのものである。その構成と機能の１例は次の通りである。水溶液を納める槽は２つ（Ｃ−１、Ｃ−２）からなり、Ｃ−１はイオン交換膜（陽イオンを通さない）によって２つに仕切られている（Ｃ−１−１、Ｃ−１−２）。Ｃ−１−１には陰極、Ｃ−１−２には陽極が設置され、直流電力が印加される。装置Ｃ−１−１には装置Ａから電解活性化液が供給され、陰イオンはイオ交換膜を通過して装置Ｃ−１−２に移動する。Ｃ−１−１では電解によって水素ガスが生し、水素ガスは装置Ｃに送られる。このように装置Ｃ−１−１では装置Ｃ−１−２で発生した水素イオンを受け入れて水素ガスにする。装置Ｃ−２は、Ｈイオンを含む液を受け入れて、触媒の作用で水素ガスを発生する。このように機能を分担することで、電力消費量あたりの発生する水素ガス、酸素ガスの量を多くできる。

本発明において、水素ガス発生効率をさらに高めるための方法は、水溶液の電気分解装置装置（装置Ａ）、電解による水素ガス発生装置（装置Ｃ）の水溶液にテラヘルツ領域波を加えるために、液体中にセラミックスボールのようなセラミックス成型物を浸漬することである。テラヘルツ波とは、周波数が０．１〜１０ＴＨｚの領域の電磁波で、電波と光の一種である赤外線の中間の領域にあり、光と電波の性質を併せもっている。これを照射することによって、分子を振動させることによって活性化することができる。本発明では、それによって炭酸カルシウムと塩素分との反応による塩素イオン濃度の効率的を行う。さらにその照射は、微生物などを活性化しその増殖を促進して土壌を耕作に適したものにすることに寄与する。テラヘルツ波の発生法としては、ジャオロトロン、後進波管、遠赤外線レーザー、量子カスケードレーザー、自由電子レーザー、シンクロトロン放射、フォトミキシングソースなどがある。また、いくつかの物質からも発生するが、ほとんどの場合にきわめて微弱である。そこで、本発明では、原子番号が５７以上の元素が１種あるいはそれ以上含まれている鉱物、とくに好ましくは、ランタノイド系元素、アクチノイド系元素が２種類以上含まれている鉱物を含む微粉に、シリカ分を主体とする粗めの粉を混合してボンドを加えて２５０℃以上、６００℃以下の温度で焼成したもの径が１〜４ｍｍに砕いたものを炭酸カルシウム分を主成分とするカルシウム化合物に、重量比で２〜６％配合する。これによって、元素から発生する電磁波が相互作用することによって、効率的にテラヘルツ波を発生させることができる。

水溶液は循環使用を続けるうちに、水分の蒸発などによるナトリウムや塩素の濃縮などが進行して、電解効率に悪影響を及ぼす。また、何らかの事情で系内の水溶液を外部に排出しなければならなくなった場合に、外部環境に悪影響を及ぼすおそれがある。本発明ではその問題を防ぐために、循環使用する水溶液に含まれる成分濃度が許容値を超えるおそれが生じた場合に、その成分調整を、白州土を含む粉あるいは成型物を加えることによって行う。この方法は、なんらかの事情で、循環使用していた水溶液を外部に排出しなければならならなくなった場合にも、その含まれている成分濃度を低下するのに用いることができる。白州土とは火山灰の一種で、日本では阿蘇山の麓の鹿児島県地方などに産する鉱物である。この一帯は白州大地と呼ばれ原料は豊富に存在する。吸着力の高い鉱物で、本発明では、この高い吸着力を利用する。白州土は、粉末、微粒子（０．５ミリ位から５ミリ程度）、採石クラッシュ状態、あるいは成型して２００〜１１００℃の温度範囲で加熱・焼成したものであってもよい。その添加量は、除去しようとする物質の量に応じて設定する。なお、この白州土を麦飯石に置き換えることも可能である。麦飯石は、石英斑岩の一種で熱水作用、風化作用などを受け、多孔質で吸着作用がある、淡黄色のものである。また、水素と酸素が反応してできた純水は、装置Ａ、装置Ｂの水溶液に戻される。

本発明において、電気分解による水素ガス、酸素ガスの発生効率をさらに高めるための方法は、水溶液の電気分解装置（装置Ａ）乃至電解による水素発生装置（装置Ｂ）の水溶液にテラヘルツ領域波を加えるために、液体中にセラミックスボールのようなセラミックス成型物を浸漬することである。テラヘルツ波とは、周波数が０．１〜１０ＴＨｚの領域の電磁波で、電波と、光の一種である赤外線の中間の領域にあり、光と電波の性質を併せもっている。これを照射することによって、分子を振動させることによって活性化することができる。本発明では、それによって炭酸カルシウムと塩素分との反応による塩素イオン濃度の調整を効率的を行う。さらにその照射は、微生物などを活性化しその増殖を促進して土壌を耕作に適したものにすることに寄与する。テラヘルツ波の発生法としては、ジャオロトロン、後進波管、遠赤外線レーザー、量子カスケードレーザー、自由電子レーザー、シンクロトロン放射、フォトミキシングソースなどがある。また、いくつかの物質からも発生するが、ほとんどの場合にきわめて微弱である。そこで、本発明では、原子番号が５７以上の元素が１種あるいはそれ以上含まれている鉱物、とくに好ましくは、ランタノイド系元素、アクチノイド系元素が２種類以上含まれている鉱物を含む微粉に、シリカ分を主体とする粗めの粉を混合してボンドを加えて２５０℃以上、６００℃以下の温度で焼成したものを径が１〜４ｍｍに砕く、それに炭酸カルシウム分を主成分とするカルシウム化合物を重量比で２〜６％配合する。これによって、元素から発生する電磁波が相互作用することによって、効率的にテラヘルツ波を発生させることができる。

水溶液は循環使用を続けるうちに、水分の蒸発などによるナトリウムや塩素の濃縮などが進行して電解効率に悪影響を及ぼす。また、何らかの事情で系内の水溶液を外部に排出しなければならなくなった場合に、外部環境に悪影響を及ぼすおそれがある。本発明ではその問題を防ぐために、循環使用する水溶液に含まれる成分濃度が許容値を超えるおそれが生じた場合に、その成分調整を白州土を含む粉あるいは成型物を加えることによって行う。この方法は、なんらかの事情で循環使用していた水溶液を外部に排出しなければならならなくなった場合にも、その含まれている成分を低下するのに用いることができる。白州土とは火山灰の一種で、日本では阿蘇山の麓の鹿児島県地方などに産する鉱物である。この一帯は白州大地と呼ばれ原料は豊富に存在する。吸着力の高い鉱物で、本発明では、この高い吸着力を利用する。白州土は、粉末、微粒子（０．５ミリ位から５ミリ程度）、採石クラッシュ状態、あるいは成型して２００〜１１００℃の温度範囲で加熱・焼成したものであってもよい。その添加量は、除去しようとする物質の量に応じて設定する。なお、この白州土を麦飯石に置き換えることも可能である。麦飯石は、石英斑岩の一種で熱水作用、風化作用などを受け、多孔質で吸着作用がある、淡黄色のものである。

木質バイオマスをガス化して、得られガスを燃焼して、ガスエンジン法で発電する１２００ｋＷの方式に、００１２，００１３で述べた、水溶液から電解活性化液を製造して、電力が必要な時に、その電解活性化液を用いて、水素ガスを製造して発電する装置を併設した。５〜２４（０）時の間は、発電された電力を外部に供給し、０〜５時の間は、電力を電解活性化液の製造（発生した水素ガスは回収・保留）し、その電解活性化液（および保留された水素ガス）を用いて、水素ガス発電を行った。テラヘルツ波発生物は用いていない。これによって、０〜５時の発生電力の４２％を５〜２４（０）時の間の発電量に加えることができた。

事施例１と異なるのは、００１６で述べたテラヘルツ波発生物として、装置Ａ、Ｂに、テラヘルツ領域波を発生するセラミックビーズ、具体的には、ランタノイド系元素を２．５重量％、アクチノイド系元素を１．４が重量％含む混合物を硅石分と混合して直径５ｍｍの粒に成型したものを６５０℃で焼成したものを、２ｋｇ／ｍ³の割合で加えたことである。これによって、０〜５時の発生電力の５２％を５〜２４（０）時の間の発電量に加えることができた。

実施例１において、槽Ｃから排出される液を、鹿児島県産の白州土を５ｍｍ径の粒に成型して最高温度７５０℃で２時間焼成したものを充填した層を通過させることによって、ナトリウム濃度を１／５、塩素濃度を１／８に低下することができ外部に液を排出せずトラブルなく、操業を続けることができた。

実施例１において、装置Ａ、装置Ｂに、００１６で述べたテラヘルツ波を発生するセラミック成型物（ランタノイド系元素を２．５重量％、アクチノイド系元素を１．４が重量％含む混合物を硅石分と混合して直径５ｍｍの粒に成型し６５０℃で焼成したもの）を、２ｋｇ／ｍ³の割合で加えることによって、非使用時にくらべて系全体の発生電力量を１２．５％高めることができた。

本発明の実施により、大型火力発電所、ごみ焼却の熱発生熱を利用した発電設備などで、夜間などに電力余剰分を生じる場合に電解活性化液の製造を行い、電力が必要な時にそれを用いて発電量の増加を効率的に行うことができるとともに、液の排出による環境への悪影響を防止することができる。なお、風力発電所に併設して外部供給電力の調整に利用することもできる。

Claims

発電設備に余剰電力があるときに、水溶液から電解活性化液を製造して、電力が必要な時には、その電解活性化液を用いて、水素ガスを製造して発電することを特徴とする時間帯による余剰電力の有効利用方法。
請求項１において、発電設備に併設する施設が、水溶液の電解活性化装置（装置Ａ）、電解活性化された水溶液の保留装置（装置Ｂ）、電解による水素ガス発生装置（装置Ｃ）水素ガス保留装置（装置Ｄ）および水素ガスから電力への変換設備（装置Ｅ）からなり、発電設備の発電力が需要を超えている場合はその電力を用いて装置Ａを用いて水溶液の電解活性化が行なわれ、その生成物である電解活性化液は装置Ｂに保管され、発電が必要な場合には、電解活性化液は、装置Ｃに送られて水素ガスの発生が行われ、その水素ガスを用いて装置Ｅで発電が行われ、電解による水素ガス発生装置（装置Ｃ）で副生した液は、装置Ａに循環使用されることを特徴とする時間帯による余剰電力の有効利用方法。
請求項１又は請求項２において、循環使用する水溶液の浄化のため、白州土を含む粉あるいは成型物を添加することを特徴とする時間帯による余剰電力の有効利用方法。
請求項１乃至請求項３において、水溶液の電解活性化装置（装置Ａ）乃至電解活性化液の保管装置（装置Ｂ）において、水溶液にテラヘルツ波を加えて活性化するために、液体中にセラミックス成型物を浸漬することを特徴とする時間帯による余剰電力の有効利用方法。
請求項４においてテラヘルツ波を発生する鉱物として、原子番号が５７以上の元素が１種あるいはそれ以上含まれているもの、とくに好ましくはランタノイド系元素、アクチノイド系元素が含まれているものを用いることを特徴とする時間帯による余剰電力の有効利用方法。
請求項４又は請求項５において、テラヘルツ領域波を発生するものとして天照石、モナザイト、甦生石のいずれか、あるいはその混合物を用いることを特徴とする時間帯による余剰電力の有効利用方法。