JP2020003005A - 水素ガス圧縮システムおよび水素ガス圧縮方法 - Google Patents

水素ガス圧縮システムおよび水素ガス圧縮方法 Download PDF

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正之介 周布
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正之介 周布
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Kentaro Otokubo
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Shinji Sassa
慎治 佐々
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Abstract

【課題】水素ガスの圧縮および貯蔵に要するコストを抑える。【解決手段】水素ガス圧縮システムは、水中において予め定められた水深に配置され、周囲の水と連通する水素貯蔵室と、前記水深における水圧よりも低い圧力で水素ガスが充填された水素収容容器と、水素ガスが充填された水素収容容器を、水深よりも上方から水素貯蔵室まで導くための移送部と、水素貯蔵室まで移送された水素収容容器から水素ガスを放出させて水素貯蔵室内に貯蔵させるガス放出部と、水深よりも上方に配置された水素回収装置と、水素貯蔵室内と水素回収装置とを連通する管と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、水素ガスの圧縮および貯蔵に関する。
燃料電池の発電のために用いられる燃料として、或いは、工業用原料として、水素の需要が高まっている。水素製造プラント等で製造された水素ガスは、水素製造プラントまたは水素ガスステーションにて圧縮された後に容器に貯蔵され、ディスペンサを介して燃料電池車両等の燃料消費装置に供給されることがある。特許文献１には、ガス製造装置にて製造された水素ガスが圧縮機において圧縮されて蓄圧器に一時的に貯留され、その後、ディスペンサを介して車両に充填される構成が開示されている。
特開２０１７−１３１８６２号公報
特許文献１のように、一般に水素ガスを貯蔵する際には、多量のガスを貯蔵するために例えば７０ＭＰａ（メガパスカル）という高圧ガスになるまで水素ガスが圧縮される。このため、圧縮機が必要となり、水素ガス供給の圧縮コストが大きいという問題がある。加えて、圧縮された高圧水素ガスを貯蔵するために、高圧に耐え得る容器が必要となり、貯蔵コストが大きいという問題もある。そこで、水素ガスの圧縮および貯蔵に要するコストを抑えることを可能な技術が望まれている。
本発明は、以下の形態として実現することが可能である。
（１）本発明の一形態によれば、水素ガス圧縮システムが提供される。この水素ガス圧縮システムは、水中において予め定められた水深に配置され、周囲の水と連通する水素貯蔵室と；前記水深における水圧よりも低い圧力で水素ガスが充填された水素収容容器と；水素ガスが充填された前記水素収容容器を、前記水深よりも上方から前記水素貯蔵室まで導くための移送部と；前記水素貯蔵室まで移送された前記水素収容容器から水素ガスを放出させて前記水素貯蔵室内に貯蔵させるガス放出部と；前記水深よりも上方に配置された水素回収装置と；前記水素貯蔵室内と前記水素回収装置とを連通する管と；を備える。
この形態の水素ガス圧縮システムによれば、予め定められた水深における水圧よりも低い圧力で水素ガスが充填された水素収容容器が水素貯蔵室まで移送されるので、移送の途中において水素収容容器が水圧によって圧縮され、これにより内部に充填されている水素ガスを圧縮できる。また、水素貯蔵室は周りの水と連通しているので、ガス放出部により水素収容容器から放出された圧縮後の水素ガスを、圧縮されたまま水素貯蔵室内に貯蔵することができる。このため、水素ガスの圧力に耐え得るほどの大掛かりな設備を要せず、水素ガスの貯蔵コストを抑えることができる。このように、本実施形態の水素ガス圧縮システムによれば、水素ガスの圧縮および貯蔵のために、圧縮機や高圧に耐えうる貯蔵設備を要しないので、水素ガスの圧縮および貯蔵に要するコストを抑えることができる。
（２）上記形態の水素ガス圧縮システムにおいて、前記水素収容容器は、樹脂により形成されていてもよい。この形態の水素ガス圧縮システムによれば、水素収容容器の耐食性を向上できる。このため、水素貯蔵室が海中に配置された構成において、水素収容容器の耐久性を向上できる。
（３）上記形態の水素ガス圧縮システムにおいて、前記管は、前記移送部として機能し；前記水素収容容器は、水素ガスが充填された水素ガス収容部を有する本体部と、前記本体部に接続された環状の取付部であって前記管を周方向に囲む取付部と、を有してもよい。この形態の水素ガス圧縮システムによれば、管をガイドとして水素収容容器を沈降させることができ、沈降方向をガイドするために別部材を設ける構成に比べて水素ガス圧縮システムの製造コストを抑えることができる。
本発明は、種々の形態で実現することも可能である。例えば、水素ガス貯蔵システム、水素ガス圧縮方法、水素ガス貯蔵方法等の形態で実現することができる。
本発明の一実施形態としての水素ガス圧縮システムの概略構成を示す説明図である。 水素収容容器および環状部材の構成を示す外観図である。 水素ガス圧縮処理の手順を示す工程図である。 第２実施形態における水素ガス圧縮システムの概略構成を示す説明図である。
Ａ．第１実施形態：
Ａ１．システム構成：
図１は、本発明の一実施形態としての水素ガス圧縮システム１０の概略構成を示す説明図である。水素ガス圧縮システム１０は、海中の水圧を利用して水素ガスを圧縮し、また圧縮された水素ガスを貯蔵する。水素ガス圧縮システム１０は、移送部１００と、ガス放出部１５０と、貯蔵部２００と、回収部３００とを備える。
移送部１００は、水素ガスが充填された水素収容容器１１０を、貯蔵部２００が備える水素貯蔵室２１０まで導く。
図２は、水素収容容器１１０の構成を示す外観図である。水素収容容器１１０は、本体部１１１と、取付部１１２と、重り部１１３とを備える。本体部１１１は、略球体状の外観形状を有し、内部に水素ガス収容部１１１ａが形成されている。本実施形態において、本体部１１１は、アルミニウムにより形成されている。本体部１１１の厚さは、図１に示す水深Ｄ１における水圧、具体的には、およそ７０．９ＭＰａよりも低い水圧により変形が生じ得る厚さであり、且つ、およそ７０．９ＭＰａの水圧でも亀裂が生じない程度の厚さに設計されている。本体部１１１には、図示しないガス充填口が形成されており、かかるガス充填口から水素ガス収容部１１１ａに水素ガスが充填される。なお、ガス充填口は、充填後において、図示しない蓋により封止される。取付部１１２は、環状の外観形状を有し、本体部１１１の外表面に接合されている。取付部１１２は、ニッケルおよびチタンを含む合金により形成されている。取付部１１２の中央の開口１１９には、後述のガイド支柱１２０が挿入される。詳細は後述するが、図１に示すように開口１１９にガイド支柱１２０が挿入されるようにして水素収容容器１１０がガイド支柱１２０に取り付けられた後、船５００から水素収容容器１１０が海面に投入されると、水素収容容器１１０は、ガイド支柱１２０にガイドされながら海底Ｂ１に向かって沈降する。図２に示す重り部１１３は、本体部１１１の外表面の一部に接合されている。重り部１１３は、水素ガス収容部１１１ａに水素が充填された状態において水素収容容器１１０が海水に沈むように重りの役割を果たす。重り部１１３は、例えば、ニッケルおよびチタンを含む合金や、鋼、鉛などの金属により形成されている。なお、取付部１１２の大きさや重量を調整して重りの役割を果たさせることにより、重り部１１３を省略してもよい。
図１に示すように、移送部１００は、ガイド支柱１２０を備える。ガイド支柱１２０は、断面が円形状の棒状の構造物であり、一端が船５００に取り付けられ、他端が海底Ｂ１に設けられた水素貯蔵室２１０の内側において海底Ｂ１の近傍に配置されている。本実施形態において、海底Ｂ１までの水深Ｄ１は、およそ７０００ｍ（メートル）である。本実施形態においてガイド支柱１２０は、ニッケルおよびチタンを含む合金により形成され、海底Ｂ１における水圧に耐え得る強度を有する。ガイド支柱１２０は、例えば、所定の長さの棒状部材を多数継ぎ合わせて形成してもよい。ガイド支柱１２０は、水素収容容器１１０を水素貯蔵室２１０まで導く際のガイドの役割を果たす。本実施形態では、ガイド支柱１２０は、海底Ｂ１近傍まで略鉛直方向に沿って配置され、海底Ｂ１近傍において、下降するにつれて次第に水素貯蔵室２１０に近づくように曲げられている。
ガス放出部１５０は、海底Ｂ１に設置されており、海底Ｂ１近傍まで移送された水素収容容器１１０に対して損傷を与えて水素ガス収容部１１１ａから水素収容容器１１０の外部へと水素ガスを放出させる。ガス放出部１５０としては、例えば、ニッケルおよびチタンを含む合金により形成された針状の部材と、かかる針状部材を、水素収容容器１１０に向かって突き刺す動作を行う駆動部とを備える構成としてもよい。また、ハンマー部材と、かかるハンマー部材を水素収容容器１１０に打ち当てる動作を行う駆動部とを備える構成としてもよい。
貯蔵部２００は、ガス放出部１５０を囲むように海底Ｂ１に固定されており、水素収容容器１１０内から放出された水素ガスを貯蔵する。貯蔵部２００は、水素ガスを貯蔵する水素貯蔵室２１０を備える。水素貯蔵室２１０の内部には、水素ガス貯蔵部２１２としての空間が形成されている。水素貯蔵室２１０には導入口２１１が形成されている。水素ガス貯蔵部２１２の内部は、導入口２１１を介して周りの海水と連通している。このため、水素貯蔵室２１０の内圧と外圧の圧力差は無く、水素貯蔵室２１０自体の耐久性としては、水深Ｄ１における水圧であるおよそ７０．９ＭＰａの圧力に耐え得るほどの耐久性は求められない。そこで、本実施形態において、水素貯蔵室２１０は、耐食性に優れた樹脂により形成されている。ガイド支柱１２０の先端部分が、導入口２１１から水素ガス貯蔵部２１２内に挿入されている。このため、ガイド支柱１２０にガイドされて沈降する水素収容容器１１０は、導入口２１１から水素ガス貯蔵部２１２内に進入する。
回収部３００は、水素貯蔵室２１０内の水素ガスを回収する。回収部３００は、管３２０と、水素回収装置３３０とを備える。管３２０は、一端が水素貯蔵室２１０の天井部に接続され、他端が水素回収装置３３０に接続されている。管３２０は、水素ガス貯蔵部２１２と水素回収装置３３０とを連通し、水素ガス貯蔵部２１２内の水素ガスを水素回収装置３３０に導く。本実施形態において、管３２０は、内圧と外圧の差圧に耐え得るように設計されている。具体的には、管３２０の内圧は、水素貯蔵室２１０内の水素ガスの圧力と一致し、およそ７０．９ＭＰａである。これに対して、管３２０の外圧は、水面上が最も小さくおよそ０．１ＭＰａであり、水素貯蔵室２１０の設置部分において最も大きくおよそ７０．９ＭＰａである。したがって、管３２０は、最大差圧である７０．９ＭＰａと０．１ＭＰａとの差圧（７０．８ＭＰａ）に耐え得るように設計されている。本実施形態において、管３２０は、ニッケルおよびチタンを含む合金により形成されている。管３２０は、例えば、複数の部分管を継ぎ合わせて形成してもよい。
水素回収装置３３０は、船５００に搭載されており、管３２０を介して送られる水素ガスを回収する。水素回収装置３３０は、遮断弁３３２と、水素処理部３３４とを備える。遮断弁３３２は、電磁弁であり、図示しない制御部からの制御信号に基づき、管３２０の開閉を行う。水素処理部３３４は、管３２０を介して水素貯蔵室２１０から送られてきた水素ガスを処理する。かかる処理としては、例えば、水素ガスの検査処理や、図示しない水素ガスタンクに水素ガスを充填する処理などが該当する。
Ａ２．水素ガス圧縮処理：
図３は、水素ガス圧縮処理の手順を示す工程図である。この水素ガス圧縮処理は、およそ７０．９ＭＰａの高圧水素ガスを生成する際に実行される。
水素ガスが充填された水素収容容器１１０を準備する（工程Ｐ１０５）。本実施形態では、図示しない陸上の水素製造プラントにおいて、水素ガスの生成および水素収容容器１１０への充填が行われる。本実実施形態では、水素収容容器１１０への充填時において、水素ガスは圧縮されずに充填される。なお、水素ガス圧縮処理における目標圧力である７０．９ＭＰａよりも低い圧力まで圧縮されて、水素収容容器１１０に充填されてもよい。水素ガスが充填された多数の水素収容容器１１０は、船５００に積載されて水素貯蔵室２１０が配置された場所まで運ばれる。
水素収容容器１１０を水素貯蔵室２１０まで移送する（工程Ｐ１１０）。水素収容容器１１０の取付部１１２の開口１１９にガイド支柱１２０が通され、水素収容容器１１０が水中に投入される。水素収容容器１１０の重力が浮力に勝り、水素収容容器１１０は、ガイド支柱１２０にガイドされながら海底Ｂ１に向かって沈降する。沈降するにしたがって水圧が上昇し、水素収容容器１１０は、内側に凹むように変形する。このため、図１に模式的に示すように、水素収容容器１１０は、沈降するにしたがって次第に縮小する。その結果、水素ガス収容部１１１ａに充填されている水素ガスは圧縮されることとなる。水素収容容器１１０は、海底Ｂ１の近傍において、導入口２１１から水素ガス貯蔵部２１２の内部へと進入する。
図３に示すように、ガス放出部１５０により水素収容容器１１０から水素ガスを放出させて水素貯蔵室２１０に貯蔵する（工程Ｐ１１５）。水素ガス貯蔵部２１２に進入した水素収容容器１１０は、ガス放出部１５０により損傷を受ける。これにより、水素収容容器１１０内に充填されていた水素ガスは、水素ガス貯蔵部２１２内へと放出される。水素ガス収容部１１１ａ内に充填されていた水素ガスは、上記工程Ｐ１１０において、水圧により圧縮されており、およそ７０．９ＭＰａの圧力に達している。水素ガス貯蔵部２１２内へと放出された高圧の水素ガスは、図１に示すように、水素ガス貯蔵部２１２における天井部分に集まって貯蔵される。
図３に示すように、水素貯蔵室２１０内に貯蔵されている水素ガスを、管３２０を用いて水素回収装置に導く（工程Ｐ１２０）。遮断弁３３２を閉弁状態から開弁状態に変化させることにより、水素ガス貯蔵部２１２に貯蔵されている高圧の水素ガスは、管３２０を介して水素処理部３３４へと送られる。水素処理部３３４に送られた水素ガスは、水素処理部３３４において、検査や、水素ガスタンクへの充填等の処理に用いられる。
以上述べた第１実施形態の水素ガス圧縮システム１０によれば、水深Ｄ１の水圧よりも低い圧力で水素ガスが充填された水素収容容器１１０が水素貯蔵室２１０まで移送されるので、移送の途中において水素収容容器１１０が水圧によって圧縮されることにより、内部に充填されている水素ガスを圧縮できる。また、水素貯蔵室２１０は周りの水と連通しているので、ガス放出部１５０により水素収容容器１１０から放出された圧縮後の水素ガスを、圧縮されたまま水素貯蔵室２１０内に貯蔵することができる。このため、水素ガスの圧力に耐え得るほどの大掛かりな設備を要せず、水素ガスの貯蔵コストを抑えることができる。このように、本実施形態の水素ガス圧縮システム１０によれば、水素ガスの圧縮および貯蔵のために、圧縮機や高圧に耐えうる保管設備を要しないので、水素ガスの圧縮および貯蔵に要するコストを抑えることができる。
Ｂ．第２実施形態：
図４は、第２実施形態における水素ガス圧縮システム１０ａの概略構成を示す説明図である。第２実施形態の水素ガス圧縮システム１０ａは、移送部１００および回収部３００に代えて、移送回収部４００を備える点において、図１に示す第１実施形態の水素ガス圧縮システム１０と異なる。第２実施形態の水素ガス圧縮システム１０ａにおけるその他の構成は、第１実施形態の水素ガス圧縮システム１０と同じであるので、同一の構成要素には同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
移送回収部４００は、第１実施形態における移送部１００と回収部３００とを合わせた機能部である。すなわち、移送回収部４００は、水素ガスが充填された水素収容容器１１０を、水素貯蔵室２１０まで導くと共に、水素貯蔵室２１０内の水素ガスを回収する。移送回収部４００は、上述の水素回収装置３３０に加えて、管３２０ａを備える。
管３２０ａは、第１実施形態の管３２０と同様に、ニッケルおよびチタンを含む合金により形成されている。管３２０ａの一端は、水素回収装置３３０に接続されている。また、管３２０ａの他方の端部３２１は、図４に示すように、海底Ｂ１の近傍から鉛直上方に延びた構成を有する。端部３２１の端の開口は、水素ガス貯蔵部２１２内の天井近傍に位置している。
図４に示すように、管３２０ａにガイドされながら海底Ｂ１に向かって沈降する水素収容容器１１０は、第１実施形態と同様に、水圧で圧縮されながら水素貯蔵室２１０へと向かう。導入口２１１から水素貯蔵室２１０内に進入した水素収容容器１１０は、ガス放出部１５０により損傷を受ける。これにより、水素ガス収容部１１１ａに充填された水素ガスは、水素ガス貯蔵部２１２内に放出される。水素ガス貯蔵部２１２内に貯蔵されている高圧の水素ガスは、管３２０ａの端部３２１の端の開口から管３２０ａの内部を通って水素回収装置３３０へと導かれる。
以上説明した第２実施形態の水素ガス圧縮システム１０ａは、第１実施形態の水素ガス圧縮システム１０と同様な効果を有する。加えて、管３２０ａをガイドとして水素収容容器１１０を沈降させることができるので、沈降方向をガイドするために別部材を設ける構成に比べて水素ガス圧縮システム１０ａの製造コストを抑えることができる。
Ｃ．他の実施形態：
Ｃ１．他の実施形態１：
各実施形態において、水素収容容器１１０の本体部１１１は、アルミニウムにより形成されていたが、アルミニウムに限らず、他の任意の種類の金属により形成されてもよい。また、耐食性の向上を目的として、本体部１１１を樹脂により形成されてもよい。かかる構成においても、本体部１１１を、およそ７０．９ＭＰａよりも低い水圧環境下において変形が生じ、且つ、かかる水圧環境下でも亀裂が生じない程度の強度を有する構造とすることにより、各実施形態と同様な効果を奏する。このような水素収容容器１１０の本体部１１１として、例えば、水素ガス貯蔵用の燃料タンクに用いられる樹脂製のライナーを用いてもよい。
Ｃ２．他の実施形態２：
第１実施形態において移送部１００は、ガイド支柱１２０を備えていたが、本発明はこれに限定されない。海流が少ない領域では、ガイド支柱１２０を省略して、水素収容容器１１０を海中に投入して自重で沈降する構成としてもよい。また、他の構成として、例えば、ガイド支柱１２０に電動のリフトを備え付け、かかるリフトを用いて水素収容容器１１０を水素貯蔵室２１０まで導いてもよい。すなわち、一般には、水素ガスが充填された水素収容容器１１０を、水素貯蔵室２１０まで導くことが可能な任意の構成を有する移送部を、本開示における移送部として用いてもよい。
Ｃ３．他の実施形態３：
各実施形態において、水素貯蔵室２１０は、水深７０００ｍの海底に配置されていたが、海底に限らず、任意の水深位置に配置されてもよい。また、海に限らず、湖や沼など、任意の水環境に配置されてもよい。
Ｃ４．他の実施形態４：
各実施形態において、水素収容容器１１０への水素ガスの充填は、陸上において行われていたが、本開示はこれに限定されない。例えば、船５００においてかかる充填が行われてもよい。また、ヘリコプターや飛行機など航空機内において飛行中に充填が行われ、船５００に搬送されてもよい。また、例えば、潜水艦内において、水深Ｄ１よりも上方の水深において充填されて船５００に搬送されてもよい。なお、かかる構成においては、潜水艦から直接、水素貯蔵室２１０に水素収容容器１１０が移送されてもよい。また、水素収容容器１１０の海への投入は、船５００からに限らず、陸上や空中から行なわれてもよい。
Ｃ５．他の実施形態５：
各実施形態における水素ガス圧縮システム１０、１０ａの構成は、あくまでも一例であり、それぞれ様々に変更可能である。例えば、各実施形態において、ガイド支柱１２０、および管３２０，３２０ａは、いずれもニッケルおよびチタンを含む合金により形成されていたが、他の任意の種類の金属、樹脂、セラミックスなど任意の材料により形成してもよい。また、水素回収装置３３０が圧縮機を備える構成としてもよい。かかる構成においては、例えば、水素貯蔵室２１０が水深７０００ｍよりも浅い位置に配置されている場合に、水圧により圧縮された水素ガスを、圧縮機を用いてさらに７０．９ＭＰａまで圧縮することができる。このような構成においても、水圧により圧縮されていない水素ガスを圧縮する構成に比べて、例えば、多段に圧縮する複数の圧縮機のうちの一部を省略できる、或いは、圧縮に要する電力を抑えることができる、といった効果を奏する。また、各実施形態において、工程Ｐ１２０を省略してもよい。すなわち、水素ガス圧縮処理から回収工程を省略し、別処理として回収処理を実行してもよい。また、各実施形態において、水素回収装置３３０は、水素ガス貯蔵部２１２内の水素ガスを管３２０、３２０ａを介して水素処理部３３４に送るためのポンプを備えてもよい。
本発明は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
１０、１０ａ…水素ガス圧縮システム、１００…移送部、１１０…水素収容容器、１１１…本体部、１１１ａ…水素ガス収容部、１１２…取付部、１１３…重り部、１１９…開口、１２０…ガイド支柱、１５０…ガス放出部、２００…貯蔵部、２１０…水素貯蔵室、２１１…導入口、２１２…水素ガス貯蔵部、３００…回収部、３２０、３２０ａ…管、３２１…端部、３３０…水素回収装置、３３２…遮断弁、３３４…水素処理部、４００…移送回収部、５００…船、Ｂ１…海底

Claims (4)

  1. 水素ガス圧縮システムであって、
    水中において予め定められた水深に配置され、周囲の水と連通する水素貯蔵室と、
    前記水深における水圧よりも低い圧力で水素ガスが充填された水素収容容器と、
    水素ガスが充填された前記水素収容容器を、前記水深よりも上方から前記水素貯蔵室まで導くための移送部と、
    前記水素貯蔵室まで移送された前記水素収容容器から水素ガスを放出させて前記水素貯蔵室内に貯蔵させるガス放出部と、
    前記水深よりも上方に配置された水素回収装置と、
    前記水素貯蔵室内と前記水素回収装置とを連通する管と、
    を備える、水素ガス圧縮システム。
  2. 請求項１に記載の水素ガス圧縮システムにおいて、
    前記水素収容容器は、樹脂により形成されている、水素ガス圧縮システム。
  3. 請求項１または請求項２に記載の水素ガス圧縮システムにおいて、
    前記管は、前記移送部として機能し、
    前記水素収容容器は、水素ガスが充填された水素ガス収容部を有する本体部と、前記本体部に接続された環状の取付部であって前記管を周方向に囲む取付部と、を有する、水素ガス圧縮システム。
  4. 水素ガス圧縮方法であって、
    予め定められた水深における水圧よりも低い圧力で水素ガスが充填された水素収容容器を用意する工程と、
    水素ガスが充填された前記水素収容容器を、水中において前記水深に配置され、周囲の水と連通する水素貯蔵室まで移送する工程と、
    前記水素貯蔵室まで移送された前記水素収容容器から水素ガスを放出させて前記水素貯蔵室内に貯蔵する工程と、
    前記水深よりも上方に配置された水素回収装置と前記水素貯蔵室とを連通する管を介して、前記水素貯蔵室内に貯蔵された水素ガスを、前記水素回収装置に送る工程と、
    を備える、水素ガス圧縮方法。
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