JP2022080219A - システム及び船舶 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の課題は、大気中の二酸化炭素濃度の増加に伴う各種環境問題を解決するための技術として、二酸化炭素の排出を抑制した水素供給及び水素利用を可能とするシステムと、このシステムを備える船舶とを提供することである。【解決手段】上記課題を解決するために、水素によって駆動する駆動機関と、海水を電解する海水電解部と、を備え、海水電解部から発生する水素を駆動機関に供給するシステム及びこのシステムを備える船舶を提供する。本発明によれば、水素によって駆動する駆動機関に対し、海水の電解処理から得られる水素を供給することで、二酸化炭素の排出を伴うことなく水素供給及び水素利用が可能となる。また、本発明によれば、ゼロエミッションを実現する船舶を提供することが可能となる。【選択図】図４

Description

本発明は、システム及び船舶に関するものである。特に、本発明は、二酸化炭素の排出を抑制した水素供給及び水素利用が可能なシステム及び船舶に関するものである。

近年、地球温暖化などの環境問題に対して大きな影響を与えるとされる二酸化炭素について、環境への排出を抑制することが早急に対応すべき課題となっている。この課題に対し、二酸化炭素の排出量自体を削減する技術や、排出された二酸化炭素を回収し、固定化する技術に係る研究が進められている。

大気中への二酸化炭素の排出抑制の観点から、二酸化炭素の発生・排出を伴わないエネルギー源に係る技術に関する検討が進んでいる。このようなエネルギー源の一つとして、水素が挙げられる。水素は、酸素との反応による発電や、燃焼による熱回収など、エネルギーとしての利用時に二酸化炭素を排出しないという利点を有することから、次世代のエネルギー源として着目されている。水素は、様々な資源からつくることができるという利点を有するが、現在主流とされている化石燃料を用いた水蒸気改質では、水素を得る際に一酸化炭素や二酸化炭素の排出を伴うという問題が生じてしまう。

一方、二酸化炭素の回収・固定化に係る技術についても、様々な方法が検討されている。例えば、二酸化炭素含有ガスから二酸化炭素を回収する方法として、モノエタノールアミンなどの吸収液に二酸化炭素を溶解させる化学吸収法や、ガス吸着能を有する吸着剤に二酸化炭素を吸着させる物理吸着法のほか、膜を用いた膜分離法などが知られている。また、これらの方法以外に、大気中の二酸化炭素濃度を低減させるという観点から、海洋に二酸化炭素を供給することで、海洋中に二酸化炭素を貯留し、大気からは二酸化炭素を隔離するという海洋貯留に係る方法が検討されている。

例えば、特許文献１には、深層の海水を海面付近まで汲み上げ、汲み上げた海水に二酸化炭素を吸収させる二酸化炭素の固定化システムが記載されている。

特開２０００－２６２８８８号公報

特許文献１に記載されるように、海水に二酸化炭素を吸収させる場合、大気中の二酸化炭素を一時的に海水中に溶存させることができるが、大気中の二酸化炭素分圧との差分により海水中に溶存した二酸化炭素は再び大気中に放散されてしまう。さらに、海水中に効果的に二酸化炭素を溶存させ、海洋における二酸化炭素の貯留量を高めることができたとしても、海洋中に二酸化炭素が溶存することにより、海洋のｐＨが低下するという海洋酸性化を引き起こす可能性がある。

海洋酸性化は、様々な海洋生物の成長や繁殖等に関与し、生態系への影響が懸念されている。また、本来、自然環境下においても海洋には一定量の二酸化炭素が吸収されているが、海洋酸性化により、海洋が吸収できる二酸化炭素の量が減少し、大気中の二酸化炭素が増加する要因ともなり得る。そして、大気中の二酸化炭素濃度が増加すると、海洋表面に接触する二酸化炭素濃度が増加するため、海洋酸性化は解消されることなく進行し続けることになる。このため、海洋酸性化と大気中の二酸化炭素濃度増加という２つの問題が同時に深刻化していくというおそれがある。

つまり、大気中の二酸化炭素濃度の増加に伴う環境問題を解決するためには、二酸化炭素の排出抑制の面からは、新たなエネルギー源として着目される水素をカーボンフリーで得るための技術や、水素をエネルギー源として活用する際の二酸化炭素排出抑制に係る技術が求められている。一方、二酸化炭素の固定化に関しては、海水を利用することで大量の二酸化炭素を安価に固定できることが期待されるが、海洋酸性化の解消を考慮した技術が必要となる。

また、近年、船舶においては、駆動機関から排出される二酸化炭素削減のため、水素を燃料源とする駆動機関について提案がなされている。しかし、船舶という限られた空間内で、二酸化炭素の排出削減や水素供給を行うためには、さまざまな技術を効率的に複合化することが求められる。

本発明の課題は、大気中の二酸化炭素濃度の増加に伴う各種環境問題を解決するための技術として、二酸化炭素の排出を抑制した水素供給及び水素利用を可能とするシステムと、このシステムを備える船舶とを提供することである。

本発明者は、上記の課題について鋭意検討した結果、海水を電解する海水電解部により発生させた水素を、水素によって駆動する駆動機関に対して供給することで、二酸化炭素の排出を伴うことなく水素供給及び水素利用が可能となることを見出して、本発明を完成した。
すなわち、本発明は、以下のシステム及び船舶である。

上記課題を解決するための本発明のシステムは、水素によって駆動する駆動機関と、海水を電解する海水電解部と、を備え、海水電解部から発生する水素を駆動機関に供給するという特徴を有する。
本発明のシステムは、水素によって駆動する駆動機関に対し、海水の電解処理から得られる水素を供給することで、二酸化炭素の排出を伴うことなく水素供給及び水素利用が可能となる。また、本発明のシステムは、水蒸気改質とは異なり、水素の回収を常温・常圧下で行うこともできるため、運転に係るエネルギー及びコストを低減することが可能となる。

また、本発明のシステムの一実施態様としては、海水電解部から発生する塩素含有成分及び／又はアルカリ性水溶液を、駆動機関の排気浄化に用いるという特徴を有する。
この特徴によれば、海水電解部で生成する水素以外の成分である塩素含有成分及び／又はアルカリ性水溶液を用い、駆動機関から排出される排気（ＮＯｘやＳＯｘ）を処理することが可能となる。また、二酸化炭素の排出を伴うことなく水素供給及び水素利用を行うとともに、海水電解部で生成する水素以外の成分を有効活用することが可能となる。

また、本発明のシステムの一実施態様としては、海水電解部から発生する塩素含有成分を、駆動機関の冷却水に供給するという特徴を有する。
この特徴によれば、海水電解部で生成する水素以外の成分である塩素含有成分を用い、駆動機関の過熱を抑制するための冷却水を処理することが可能となる。特に、冷却水として海水を用いる場合において、冷却水に対して塩素含有成分を添加することで、冷却水の殺菌及び生物付着抑制に係る処理が可能となる。また、二酸化炭素の排出を伴うことなく水素供給及び水素利用を行うとともに、海水電解部で生成する水素以外の成分を有効活用することが可能となる。

また、本発明のシステムの一実施態様としては、海水電解部から発生するアルカリ性水溶液を、二酸化炭素の固定化処理に用いるという特徴を有する。
この特徴によれば、海水電解部で生成するアルカリ性水溶液を用い、二酸化炭素の固定化処理を行うことが可能となる。特に、海洋に対して直接アルカリ性水溶液を放出することで、海洋中の二酸化炭素の固定化処理を行うとともに、海洋酸性化を解消する技術として活用することが可能となる。また、二酸化炭素の排出を伴うことなく水素供給及び水素利用を行うとともに、海水電解部で生成する水素以外の成分を有効活用し、二酸化炭素の排出抑制を一層推進することが可能となる。

また、本発明のシステムの一実施態様としては、海水電解部から発生するアルカリ性水溶液を、駆動機関の排気浄化に用いた後、さらに二酸化炭素の固定化処理に用いるという特徴を有する。
この特徴によれば、海水電解部で生成するアルカリ性水溶液を用い、駆動機関から排出される排気（主にＳＯｘ）の処理と併せ、二酸化炭素の固定化処理が可能となる。また、アルカリ性水溶液を先に排気処理に供することで、アルカリ性水溶液のｐＨ値を下げ、二酸化炭素の固定化処理に適したｐＨに調整することが容易となる。これにより、二酸化炭素の排出を伴うことなく水素供給及び水素利用を行うとともに、海水電解部で生成する水素以外の成分を有効活用し、複数の処理を一つのシステムで効率的に行うことが可能となる。

また、上記課題を解決するための本発明の船舶は、上記システムのいずれか一つを備えるという特徴を有する。
本発明の船舶は、水素によって駆動する駆動機関に対し、海水の電解処理から得られる水素を供給することで、二酸化炭素の排出を伴うことなく水素供給及び水素利用が可能となるシステムを備えることにより、ゼロエミッションを実現する船舶として活用することができる。また、海水電解部で生成した成分を有効活用することで、船舶で利用する海水（特にバラスト水）に対して適切な処理を行うことが容易となる。

本発明によれば、大気中の二酸化炭素濃度の増加に伴う各種環境問題を解決するための技術として、二酸化炭素の排出を抑制した水素供給及び水素利用を可能とするシステムと、このシステムを備える船舶とを提供することができる。

本発明の第１の実施態様におけるシステムの概略説明図である。 本発明の第１の実施態様のシステムにおける海水電解部の構造を示す概略説明図である。 本発明の第１の実施態様のシステムにおける水素生成及び回収に係る工程を示す概略説明図である。 本発明の第１の実施態様における船舶の概略説明図である。 本発明の第２の実施態様におけるシステム及び船舶の概略説明図である。 本発明の第２の実施態様におけるシステム及び船舶の別態様を示す概略説明図である。 本発明の第２の実施態様におけるシステム及び船舶の別態様を示す概略説明図である。 本発明の第３の実施態様におけるシステム及び船舶の概略説明図である。 本発明の第４の実施態様におけるシステム及び船舶の概略説明図である。 本発明の第４の実施態様におけるシステム及び船舶の別態様を示す概略説明図である。 本発明の第５の実施態様におけるシステム及び船舶の概略説明図である。

以下、図面を参照しつつ本発明に係るシステムの実施態様を詳細に説明する。また、本発明に係るシステムを備える船舶の実施態様についても説明する。
なお、実施態様に記載するシステム及び船舶については、本発明に係るシステム及び船舶を説明するために例示したにすぎず、これに限定されるものではない。

本発明のシステムは、二酸化炭素の排出を抑制した水素供給及び水素利用を可能とするものであり、より具体的には、水素の生成時に二酸化炭素の排出を抑制すること、及び、生成した水素を主たるエネルギー源として活用することで、駆動機関の駆動において二酸化炭素の排出を抑制することを可能とするものである。

〔第１の実施態様〕
図１は、本発明の第１の実施態様におけるシステムの構造を示す概略説明図である。
本実施態様におけるシステム１Ａは、図１に示すように、水素によって駆動する駆動機関１０と、海水電解部２０を有している。また、システム１Ａは、海水電解部２０に対して海水を供給するラインＬ１と、海水電解部２０で発生した水素を、駆動機関１０に供給するラインＬ２とを備えている。

駆動機関１０は、水素によって駆動する駆動機関であればよく、特に限定されない。例えば、水素を燃料とする水素エンジンと呼ばれるものや、水素を用いた燃料電池を駆動エネルギー源とするモーターなどが挙げられる。
また、駆動機関１０は、駆動に係るエネルギー源の一つとして水素を利用するものであればよく、水素以外のエネルギー源も併せて利用するハイブリッド式の駆動機関を用いるものとしてもよい。このような駆動機関としては、例えば、水素のほかに燃料油を用いる水素混焼エンジンなどが挙げられる。

また、駆動機関１０として水素を燃料として用いる場合、このときの水素の燃焼方式については特に限定されない。例えば、直接燃焼やアルゴン循環燃焼などが挙げられる。なお、直接燃焼の場合、アルゴン循環燃焼と比較して装置構成が簡易であり、ランニングコストを抑えることが可能となる。一方、アルゴン循環燃焼の場合、駆動機関１０の高効率化が可能になるとともに、駆動機関１０から発生する排気に窒素酸化物（ＮＯｘ）を含まないという利点がある。

海水電解部２０は、海水を電解して、水素を発生させるとともに、発生した水素を回収するものである。特に、本実施態様におけるシステム１Ａを船舶に適用する場合、海水電解部２０はバラスト水を電解処理する設備と兼用してもよい。これにより、限られた空間内においてシステム１Ａを効率的に適用することが可能となる。

海水電解部２０に導入する海水の供給源（以下、「海水源」と呼ぶ）は、特に限定されない。例えば、自然環境（海洋）を海水源とし、海水電解部２０に海洋から直接海水を導入するものとしてもよく、二酸化炭素の海洋貯留処理や船舶のバラスト水として用いられる海水など、人為的に一時貯留された海水を海水源として用いるものとしてもよい。
なお、海水の原料調達にかかるコストは、主として海水の搬送に係るコストとなる。例えば、本発明のシステム１Ａを海に近い陸地あるいは海上に設置することにより、最小限の搬送コストで海水を利用することが可能となる。特に、本発明のシステム１Ａを船舶に適用した場合、海水電解部２０に導入する海水の調達にかかるコスト及びエネルギーを大幅に低減させることが可能になる。

図２は、本実施態様における海水電解部２０の構造を示す概略説明図である。
図２に示すように、本実施態様における海水電解部２０は、処理槽２１内に、一対の電極（電極２２ａ、２２ｂ）と、隔膜２３が設けられている。なお、図２に示すように、処理槽２１内は、隔膜２３を介して、２つの空間を形成している（空間２４ａ、２４ｂ）。
また、処理槽２１には、海水源から海水電解部２０に海水を供給するラインＬ１と、駆動機関１０に水素を供給するラインＬ２が接続されている。なお、図２では、ラインＬ１は、空間２４ａ、２４ｂと接続するように配置され、ラインＬ２は、空間２４ｂと接続するように配置されている。さらに、ラインＬ２は、海水電解部２０で生成した水素（Ｈ_２）の回収手段を兼ねるものである。

処理槽２１に海水を供給するラインＬ１上には、海水中の夾雑物や生物が処理槽２１内に混入することを防ぐための手段を備えることが好ましい。例えば、海水中の夾雑物や生物を捕捉するためのフィルターやネットをラインＬ１上に設けることが挙げられる。
また、処理槽２１で生成した水素を駆動機関１０に供給するラインＬ２上に、水素以外の気体（水蒸気など）を除去するための手段を設けるものとしてもよい。これにより、純度の高い水素を駆動機関１０に供給することができるようになる。また、ラインＬ２と駆動機関１０の間に、水素を貯留するための設備や水素の供給量を制御するための設備を設けるものとしてもよい。これにより、生成した水素を適宜駆動機関１０に供給することが可能となり、駆動機関１０における運転効率の最適化が容易となる。

処理槽２１は、海水を安定して貯留可能となるように形成されているものであればよく、特に素材や形状は問わない。例えば、電解槽や電気透析槽として知られている構造に用いられる素材や形状を使用すること等が挙げられる。

電極２２ａ、２２ｂは、それぞれ空間２４ａ、２４ｂ内に設けられ、導線を用いて接続されている。なお、電極２２ａ、２２ｂは、隔膜２３の表面あるいは近傍に設け、電極２２ａ、２２ｂ及び隔膜２３を一体化したユニットとして扱うものとしてもよい。
電極２２ａ、２２ｂとしては、アノードまたはカソードとして機能するものであればよく、材質及び形状については特に限定されない。電極２２ａ、２２ｂの材質の例としては、例えば、電気化学分野で電極材料として広く用いられている炭素や金属（ステンレス、白金、銅等）が挙げられる。また、電極２２ａ、２２ｂの形状の例としては、例えば、平板状、棒状、メッシュ状などが挙げられる。なお、電極２２ａ、２２ｂを隔膜２３の表面あるいは近傍に設ける場合、隔膜２３に対する物質移動の阻害を抑制できる形状とすることが好ましい。このような形状としては、例えば、メッシュ状や針金等の細い棒状などが挙げられる。さらに、電極２２ａ、２２ｂの別の例としては、メッキ処理などの手法により、隔膜２３の表面に直接電極パターンを作成するもの等が挙げられる。このとき、電極パターンの形状は特に限定されないが、隔膜２３に対する物質移動の阻害を抑制できるものとすることが好ましい。

また、電極２２ａ及び２２ｂを導線により接続する際、電極間に電気エネルギーを供給するための直流電源を設けることが好ましい。このとき、一対の電極に接続される直流電源に対する給電手段については特に限定されないが、太陽光、風力、波力などの再生可能エネルギーを利用した給電設備や他の施設における余剰電力を利用するものとすることが好ましい。これにより、水素の生成及び回収において使用するエネルギーを低減させることが可能となる。特に、発電に際して二酸化炭素を排出しない再生可能エネルギーを用いた給電手段を採用することで、二酸化炭素の排出抑制を推進することができるという効果も奏する。

隔膜２３は、処理槽２１を区画し、アノード側（空間２４ａ）からカソード側（空間２４ｂ）へ、陽イオンを選択的に透過することができる膜である。特に、本実施態様における隔膜２３としては、水素イオン（Ｈ^＋）を透過することができる膜であることが好ましい。これにより、処理槽２１での電解処理により発生した水素イオンを、カソード側（空間２４ｂ）に移動させ、カソード側（空間２４ｂ）における水素生成効率を高めることが可能となる。
本実施態様においては、隔膜２３としては、少なくとも水素イオンを透過させる機能を有するものであればよく、具体的な成分や構造については特に限定されず、一価の陽イオンを選択的に透過できるように処理したもの（いわゆる一価イオン選択膜）や、二価の陽イオンを含む陽イオン交換膜として公知のものを用いることができる。

本実施態様における海水電解部２０は、隔膜２３によって区画された処理槽２１を用いて、海水の電解処理を行い、水素の生成及び回収を行うものである。
以下、海水電解部２０における水素の生成及び回収に係る工程について、図３に基づき説明する。
図３は、本実施態様のシステム１Ａに係る海水電解部２０における水素の生成及び回収工程を示す概略説明図である。図３における処理槽２１内の構成は、図２に示した構成と同じである。なお、図３には、主に水素の生成及び回収に関わるイオンや分子の移動について示しており、一部のイオンや分子については図示を省略している。

図３に示すように、ラインＬ１を介して処理槽２１内に導入された海水に対し、直流電源により電極２２ａ、２２ｂ間に電圧を印加する。
このとき、空間２４ａ内の電極２２ａにおける反応（アノード側の反応）は、以下の式で示される。

ここで、式１により発生した水素イオンは、図３に示すように、隔膜２３を介して空間２４ｂ側に移動する。

一方、空間２４ｂ内の電極２２ｂにおける反応（カソード側の反応）は、以下の式で示される。

また、空間２４ａから空間２４ｂに移動した水素イオンは、電極２２ｂにおける反応により水素が生成する（式３）。

式１～式３に示すように、海水電解部２０により、海水から水素を発生させ、ラインＬ２を介して水素を駆動機関１０に供給することが可能となる。
また、式１～式３に示すように、水素の生成及び回収に係る工程で二酸化炭素が生じないため、二酸化炭素の排出抑制が可能となる。

また、海水電解部２０における電極２２ａ（アノード側）で生じる反応としては、式１以外に式４が挙げられる。

式４において生成した塩素（Ｃｌ_２）はガス化して系外に放出することは少なく、空間２４ａ内では、以下の式５及び式６が進行する。

上記した式５及び式６に基づき、空間２４ａ内に生成した各成分は、システム１Ａ内外で活用するものとしてもよい。なお、これら成分の活用の一例については後述する。

なお、システム１Ａにおける海水電解部２０は、図２及び図３で示した構造に限定するものではなく、水素生成及び回収を効率的に行うための各種手段を追加するものとしてもよい。このような手段の一例としては、例えば、電極２２ａ、２２ｂの表面で析出物が生成することを抑制するための手段や、隔膜２３のイオン透過効率が低減することを抑制するための手段などが挙げられる。

以上のように、本実施態様のシステム１Ａにより、水素によって駆動する駆動機関に対し、海水の電解処理から得られる水素を供給することで、二酸化炭素の排出を伴うことなく水素供給及び水素利用が可能となる。また、本実施態様におけるシステム１Ａは、水蒸気改質とは異なり、水素の回収を常温・常圧下で行うこともできるため、運転に係るエネルギー及びコストを低減することが可能となる。

上述したシステム１Ａのような本発明に係るシステムは、主たるエネルギー源として水素を利用する駆動機関を備えるものに対し、適用することが好ましい。また、本発明のシステムは、海水利用を前提とする設備を備えるものや、海水利用が容易であるものに適用することが好ましい。例えば、本発明のシステムは、船舶のほか、沿岸部に設けられた発電プラントや、海水を原料として用いる製造プラント（アルカリ金属塩や塩素の製造プラント等）などに適用することが挙げられる。特に、本発明のシステムは、限られた空間で水素供給及び水素利用を行う必要がある船舶に対し、好適に利用することができる。

図４は、本発明の第１の実施態様における船舶を示す概略説明図である。
図４に示すように、本実施態様における船舶１００Ａは、船舶本体１０１内に、上述したシステム１Ａ（駆動機関１０及び海水電解部２０）と、バラスト水タンク３０を備え、海水電解部２０とバラスト水タンク３０をラインＬ３により接続している。

このとき、駆動機関１０としては、水素燃料電池とモーターの組み合わせや、水素エンジンのうち、アルゴン循環燃焼方式でイグナイター点火手段を備えるものなどが挙げられる。これにより、駆動機関１０からの排気には二酸化炭素（ＣＯ_２）、窒素酸化物（ＮＯｘ）、硫黄酸化物（ＳＯｘ）が含まれないため、駆動機関１０からの排気浄化が不要になるという利点がある。

本実施態様における船舶１００Ａは、システム１Ａにより、二酸化炭素の排出を抑制した駆動が可能となる。これにより、本実施態様における船舶１００Ａは、ゼロエミッションを実現する船舶として活用することができる。

一般的に、船舶においては、バラスト水タンク３０内に海水を貯留し、船舶の浮力調整が行われている。このとき、バラスト水タンク３０内に貯留される海水（以下、「バラスト水」とも呼ぶ）中に含まれる微生物、藻類の繁殖に伴う生物付着が生じると、タンク内の清掃など船舶のメンテナンス作業が煩雑となるという問題がある。
一方、上述した式５及び式６に示すように、システム１Ａの海水電解部２０では次亜塩素酸（ＨＣｌＯ）や次亜塩素酸イオン（ＣｌＯ^－）のような塩素含有成分が発生する。この塩素含有成分が溶解した水（以下、「塩素水」と呼ぶ）をラインＬ３を介してバラスト水タンク３０に供給することで、バラスト水の殺菌やバラスト水タンク３０内での生物付着抑制が可能となる。
したがって、本実施態様における船舶１００Ａは、二酸化炭素の排出を抑制した水素供給及び水素利用と併せ、バラスト水に係る設備に関するメンテナンス作業を容易とすることが可能となる。

本実施態様における船舶１００Ａは、船舶本体１０１、システム１Ａ及びバラスト水タンク３０以外に、一般的な船舶における各種設備を備えるものとする。例えば、船舶１００Ａの針路変更に係る操舵装置のほか、駆動機関１０を制御する制御部や、駆動機関１０から排出される排気を船舶本体１０１外に放出する排気口などが挙げられる。

また、本実施態様における船舶１００Ａは、海水電解部２０で生成した成分を貯留する設備を設けることが好ましい。より具体的には、図４に示すように、ラインＬ２上に海水電解部２０で生成した水素を貯留する水素貯留タンク４０を設けることや、ラインＬ３上に海水電解部２０で生成した塩素水を貯留する塩素水貯留タンク５０を設けることなどが挙げられる。これら各種タンク４０、５０を設けることで、海水電解部２０で生成した成分を各設備（駆動機関１０やバラスト水タンク３０）に供給する際に、適量を供給するように制御することが容易となる。

さらに、本実施態様における船舶１００Ａは、システム１Ａなどへの給電手段として再生可能エネルギーを用いることが好ましい。このような給電手段としては、船舶本体１０１に太陽光パネルなどの直接給電設備を設けることや、洋上風力や海流発電など海洋エネルギーを用いた発電設備から非接触で給電を受けることができる非接触給電設備を設けることなどが挙げられる。これにより、本実施態様における船舶１００Ａは、ゼロエミッションの実現性をより高くすることが可能となる。

本発明のシステムは、水素供給及び水素利用と併せて、二酸化炭素の削減に係る処理を可能としてもよい。具体的には、本発明のシステムとしては、水素供給及び水素利用に加え、排気浄化や二酸化炭素固定を可能とする構成を備えることが挙げられる。
以下、本発明のシステムの別態様を示すとともに、このシステムを船舶に適用したものについて説明する。

〔第２の実施態様〕
第２の実施態様に係るシステム１Ｂ及び船舶１００Ｂは、第１の実施態様における駆動機関１０の駆動に伴い生じる排気の浄化を可能とする構成を備えるものである。より具体的には、海水電解部２０で生成する水素以外の成分を用い、駆動機関１０からの排気浄化を行うものである。なお、第１の実施態様の構成と同じものについては、説明を省略する。

図５は、本発明の第２の実施態様におけるシステム及びこのシステムを備える船舶を示す概略説明図である。
図５に示すように、本実施態様のシステム１Ｂ及び船舶１００Ｂは、駆動機関１０から排出される排気をラインＬ４を介して回収し処理を行う排気浄化部６０を備えている。また、排気浄化部６０には、海水電解部２０で生成した成分を供給するラインＬ５及びラインＬ６が接続されている。

駆動機関１０として、水素エンジンを用いた場合、燃焼方式や点火手段によっては駆動機関１０からＮＯｘ及び／又はＳＯｘを含む排気が排出されることがある。したがって、本実施態様におけるシステム１Ｂ及び船舶１００Ｂでは、このような排気を排気浄化部６０で処理して系外に放出する。

排気浄化部６０で行う処理としては、湿式処理が挙げられる。より具体的には、塩素含有成分を用いたＮＯｘ浄化処理や、海水を利用した湿式スクラバ（Ｅｎｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｃｌｅａｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍｓ：ＥＧＣＳ）によるＳＯｘ浄化処理などが挙げられる。
ここで、塩素含有成分を用いたＮＯｘ浄化処理とは、ＮＯｘを含む排気と塩素含有成分を含む水溶液とを反応させることで、ＮＯｘをイオン化し、水溶液に溶解させて処理を行うものである。
また、ＥＧＣＳによるＳＯｘ浄化処理とは、ＳＯｘを含む排気と炭酸水素イオンや炭酸イオンを含む水溶液とを反応させることで、ＳＯｘをイオン化し、水溶液に溶解させて処理を行うものである。このとき、ＳＯｘと接触させる水溶液をアルカリ化することで、水溶液中の炭酸水素イオンや炭酸イオンの存在比が高くなり、処理が促進されることが知られている。

例えば、海水電解部２０で生成した塩素含有成分を含む溶液（塩素水）を排気浄化部６０に供給することで、ＮＯｘ浄化処理を効果的に行うことが可能となる。このとき、海水電解部２０のアノード側と排気浄化部６０を直接接続するものとしてもよいが、図５に示すように、塩素水貯留タンク５０からラインＬ５を介して塩素水を排気浄化部６０に供給することが挙げられる。これにより、塩素水貯留タンク５０内の塩素水を、バラスト水の処理と排気浄化に効率的に活用することが可能となる。
また、海水電解部２０のカソード側では、式１に基づき水酸化物イオン（ＯＨ^－）が生成するため、空間２４ｂ内の溶液はアルカリ化している。したがって、この空間２４ｂ内のアルカリ性水溶液を排気浄化部６０に供給することで、ＳＯｘ浄化処理を効果的に行うことが可能となる。このとき、図５に示すように、海水電解部２０のカソード側と排気浄化部６０をラインＬ６を介して直接接続し、アルカリ性水溶液を供給するものとしてもよく、海水電解部２０で電解処理した後のカソード側の溶液を貯留するタンクを別途設け、そのタンクと排気浄化部６０を接続するものとしてもよい。

なお、排気浄化部６０は、上述したＮＯｘ浄化処理及び／又はＳＯｘ浄化処理を行うことができるものであればよい。したがって、本実施態様におけるシステム１Ｂ及び船舶１００Ｂは、駆動機関１０の種類に応じ、海水電解部２０から排気浄化部６０に供給する成分の種類をあらかじめ特定した構造とするものとしてもよい。これにより、システム１Ｂ及び船舶１００Ｂの構成に係る部品点数を減らすことが可能となる。
すなわち、本実施態様におけるシステム１Ｂ及び船舶１００Ｂは、図５に示すように、排気浄化部６０に対してラインＬ５及びラインＬ６を備えるものに限定されない。

図６及び図７は、本実施態様におけるシステム１Ｂ及び船舶１００Ｂの別態様を示す概略説明図である。
例えば、本実施態様におけるシステム１Ｂは、図６や図７に示すように、ラインＬ５又はラインＬ６を省略するものとしてもよい。

例えば、駆動機関１０が水素エンジンや水素混焼エンジンであり、直接燃焼方式かつパイロット燃料油を使用した点火手段を備える場合、駆動機関１０からの排気にはＮＯｘ及びＳＯｘが含まれることが想定される。したがって、図５に示すように、ラインＬ５及びラインＬ６を介して排気浄化部６０に塩素水及びアルカリ性水溶液を供給する構造とすることが好ましい。
一方、駆動機関１０が水素エンジンであり、直接燃焼方式かつイグナイター点火手段を備える場合、駆動機関１０からの排気にはＳＯｘは含まれないが、ＮＯｘが含まれることが想定される。したがって、図６に示すように、ラインＬ５を介して排気浄化部６０に塩素水を供給する構造とすることが好ましい。
また、駆動機関１０が水素エンジンであり、アルゴン循環燃焼方式かつパイロット燃料を使用した点火手段を備える場合、駆動機関１０からの排気にはＮＯｘは含まれないが、ＳＯｘが含まれることが想定される。したがって、図７に示すように、ラインＬ６を介して排気浄化部６０にアルカリ性水溶液を供給する構造とすることが好ましい。
このように、駆動機関１０に応じて排気浄化部６０に供給する成分を選択した構造とすることで、部品点数を必要最小限とすることができ、かつ効率的な排気処理を行うことが可能となる。

また、ラインＬ５やラインＬ６を介して排気浄化部６０に供給される海水電解部２０で生成した成分は、排気浄化部６０における排気の湿式処理に利用するほか、排気浄化部６０において生じた廃液の処理を行うために利用するものとしてもよい。例えば、ラインＬ６を介して排気浄化部６０で生じた廃液にアルカリ性水溶液を供給することで、廃液のｐＨ調整を行うことなどが挙げられる。

以上のように、本実施態様のシステム１Ｂ及び船舶１００Ｂにより、水素供給及び水素利用と併せて、駆動機関からの排気処理についても効率的に行うことが可能となる。

〔第３の実施態様〕
第３の実施態様に係るシステム１Ｃ及び船舶１００Ｃは、第１の実施態様における駆動機関１０に供給される冷却水を処理する構成を備えるものである。より具体的には、海水電解部２０で生成する水素以外の成分を用い、駆動機関１０に供給する冷却水に対する殺菌や生物付着抑制に係る処理を行うものである。なお、第１の実施態様の構成と同じものについては、説明を省略する。

図８は、本発明の第３の実施態様におけるシステム及びこのシステムを備える船舶を示す概略説明図である。
図８に示すように、本実施態様のシステム１Ｃ及び船舶１００Ｃは、駆動機関１０に対して冷却水を供給するラインＬ７を備えている。また、ラインＬ７には、海水電解部２０で生成した成分を供給するラインＬ８が接続されている。

駆動機関１０として、水素エンジンを用いた場合、エンジンの過熱を防止するために、冷却水が用いられる。冷却水は多量の水を必要とすることから、安価及び簡便に取得できる水を用いることが好ましい。このため、特に船舶の場合は、海洋から直接取水した海水を冷却水とすることが行われている。
しかし、冷却水として海洋から取水した海水を用いた場合、バラスト水と同様に、海水中の微生物や藻類による不具合が生じるおそれがある。

本実施態様におけるシステム１Ｃ及び船舶１００Ｃでは、ラインＬ７中の冷却水に、海水電解部２０で生成した塩素水を添加する。より具体的には、図８に示すように、塩素水貯留タンク５０と接続したラインＬ８を介し、塩素水をラインＬ７中の冷却水に添加することや、海水電解部２０のアノード側（空間２４ａ）とラインＬ８を接続し、塩素水をラインＬ７中の冷却水に添加することなどが挙げられる。これにより、塩素水による冷却水の殺菌や生物付着抑制に係る処理を行うことができる。また、冷却水に対する処理を行うことで、駆動機関１０に対して冷却水を安定供給することが可能となり、駆動機関１０の駆動効率低下を抑制することが可能となる。

以上のように、本実施態様のシステム１Ｃ及び船舶１００Ｃにより、水素供給及び水素利用と併せて、駆動機関に供給される冷却水処理を行うことが可能となる。

〔第４の実施態様〕
第４の実施態様に係るシステム１Ｄ及び船舶１００Ｄは、二酸化炭素の排出を抑制した水素供給及び水素利用に加え、二酸化炭素の固定化処理を可能とする構成を備えるものである。より具体的には、海水電解部２０で生成する水素以外の成分を用い、二酸化炭素の固定化処理を行うものである。なお、第１の実施態様の構成と同じものについては、説明を省略する。

図９は、本発明の第４の実施態様におけるシステム及びこのシステムを備える船舶を示す概略説明図である。
図９に示すように、本実施態様のシステム１Ｄ及び船舶１００Ｄは、海水電解部２０で生成した成分を用いて、二酸化炭素の固定化処理を行うＣＯ_２固定化処理部７０を備えている。

一般的に、二酸化炭素を水に溶解したとき、以下の式７に示すような化学平衡式が成り立っている。

式７において生成した炭酸イオン（ＣＯ_３ ^２－）は、式８に示すように、二価の金属イオン（カルシウムイオン）と反応させて炭酸塩化する。これにより、二酸化炭素の固定化処理が進行する。

なお、式８には、二価の金属イオンとしてカルシウムイオンを示しているが、本実施態様の二酸化炭素の固定化処理においては、これに限定されるものではない。例えば、Ｃａ以外の第２族元素の二価イオン（Ｍｇ^２＋等）や、遷移金属の二価イオン（Ｆｅ^２＋、Ｃｏ^２＋、Ｎｉ^２＋等）を用いることが挙げられる。特に、二価の金属イオンとしては第２族元素の二価イオンを用いることが好ましい。第２族元素の炭酸塩は水への溶解度が低く、かつ無害であるため、生成した炭酸塩について更に処理を行う必要はない。また、生成した炭酸塩は回収が容易であるとともに、回収した炭酸塩を資源として様々な用途に利用することが可能であるという利点を有する。

式７及び式８から、炭酸イオンを生成する方向に化学平衡反応を進行させることで、二酸化炭素の固定化処理に係る効率化が可能になることが分かる。つまり、二酸化炭素を水に溶解させる際、水素イオンを消費する条件下にすることで、式７の化学平衡を右側に向かって進行させ、式８における炭酸イオン量を増加させることで、二酸化炭素の固定化処理に係る効率向上が可能となる。

本実施態様におけるＣＯ_２固定化処理部７０は、式７に基づく化学平衡反応を右側に進行させるためのものである。より具体的には、ＣＯ_２固定化処理部７０は、二酸化炭素が溶解した水に対し、アルカリ性水溶液を添加することで水素イオンを消費する条件を満たすものである。

ここで、二酸化炭素が溶解した水とは、貯留した水に対し、二酸化炭素を強制的に接触させるなど人為的に処理されたもののほか、海洋（海水）のように自然環境下で二酸化炭素と水が接触しているものを含んでいる。

本実施態様におけるＣＯ_２固定化処理部７０の一例としては、図９に示すように、海水電解部２０で生成したアルカリ性水溶液を直接海洋に放出するラインＬ９を設けることが挙げられる。海水には大気中の二酸化炭素が一部溶解しており、かつ海水中には、一定量のＭｇやＣａがイオンの状態で含まれている。したがって、ラインＬ９を介してアルカリ性水溶液を海洋に放出することにより、海洋（海水）中に含まれる二酸化炭素の固定化処理が可能となる。また、海洋中に含まれる二酸化炭素を直接固定化処理することで、海洋中の二酸化濃度が減少する。これにより、大気中の二酸化炭素が海洋へ溶解することを促進し、さらに二酸化炭素の排出抑制が可能となる。そして、本実施態様におけるＣＯ_２固定化処理部７０による処理は、海洋酸性化を解消する技術としても有用となる。
なお、海水電解部２０で生成したアルカリ性水溶液を直接海洋に放出する場合、強アルカリ（ｐＨ９．０以上）を海洋放出することがないように、ラインＬ９上に一時貯留部やｐＨ検出器を設け、海洋に放出するアルカリ性水溶液のｐＨを監視及び調整する設備を設けるものとしてもよい。

また、ＣＯ_２固定化処理部７０の他の例としては、二酸化炭素が溶解した水を貯留する貯水部を設け、そこに海水電解部２０で生成したアルカリ性水溶液を供給することが挙げられる。なお、このとき貯水部に貯留するのは、バラスト水や冷却水として利用した海水の一部などが挙げられる。これにより、貯水部に対し、二価の金属イオンを別途添加することなく二酸化炭素の固定化処理を行うことが可能となる。また、システム１Ｄ及び船舶１００Ｄに取り入れた海水を最大限活用することが可能となる。

本実施態様におけるシステム１Ｄ及び船舶１００Ｄは、二酸化炭素の固定化処理以外の処理を組み合わせるものとしてもよい。
図１０は、本実施態様におけるシステム１Ｄ及び船舶１００Ｄの別態様を示す概略説明図である。
図１０に示すように、駆動機関１０から排出される排気の浄化を行う排気浄化部６０に対し、ラインＬ６を介してアルカリ性水溶液を供給した後、排気浄化部６０で用いたアルカリ性水溶液をＣＯ_２固定化処理部７０（ラインＬ９）を介して海洋に放出することで、排気浄化及び二酸化炭素の固定化処理を組み合わせることができる。これにより、複数の処理を一つのシステム内で可能にするとともに、海水電解部２０で生成したアルカリ性水溶液を一度排気浄化部６０で用いることにより、アルカリ性水溶液のｐＨ値を下げ、強アルカリの海洋放出を抑制することが可能となる。

以上のように、本実施態様のシステム１Ｄ及び船舶１００Ｄにより、水素供給及び水素利用と併せて、二酸化炭素の固定化処理についても効果的に推進することが可能となる。

〔第５の実施態様〕
第５の実施態様に係るシステム１Ｅ及び船舶１００Ｅは、上述した第１～第４の実施態様における構造を全て備えるものである。なお、システム１Ｅ及び船舶１００Ｅの各構造については、第１～第４の実施態様に係る構造と同じであるため、詳細な説明については省略する。

図１１は、本発明の第５の実施態様におけるシステム及びこのシステムを備える船舶を示す概略説明図である。
図１１に示すように、本実施態様におけるシステム１Ｅ及び船舶１００Ｅは、駆動機関１０、海水電解部２０、バラスト水タンク３０、水素貯留タンク４０、塩素水貯留タンク５０、排気浄化部６０、ＣＯ_２固定化処理部７０を備えている。
また、本実施態様におけるシステム１Ｅ及び船舶１００Ｅは、海水を海水電解部２０に供給するラインＬ１と、海水電解部２０で生成した水素を水素貯留タンク４０を経由して駆動機関１０に供給するラインＬ２と、海水電解部２０で生成した塩素水を塩素水貯留タンク５０を経由してバラスト水タンク３０に供給するラインＬ３と、駆動機関１０から排出される排気を排気浄化部６０に導入するラインＬ４と、塩素水を排気浄化部６０に供給するラインＬ５と、アルカリ性水溶液を排気浄化部６０に供給するラインＬ６と、冷却水を駆動機関１０に供給するラインＬ７と、ラインＬ７内の冷却水にアルカリ性水溶液を供給するラインＬ８と、ＣＯ_２固定化処理部７０としてアルカリ性水溶液を海洋へ放出するラインＬ９とを備えている。
なお、ラインＬ５及びラインＬ８は、図１１に示すように、それぞれ独立したラインとしてもよいが、１つのライン上に分岐を設けるものとしてもよい。これにより、システム１Ｅ及び船舶１００Ｅ内に設けられるライン（配管）の総延長を短くすることができ、部品点数を削減するとともに、メンテナンス作業に係る負担を軽減することが可能となる。

本実施態様におけるシステム１Ｅ及び船舶１００Ｅは、二酸化炭素の排出を抑制した水素供給及び水素利用とともに、バラスト水の殺菌や生物付着抑制に係る処理、駆動機関１０からの排気処理、駆動機関１０に供給される冷却水の処理、二酸化炭素の固定化処理を同時に行うことが可能となる。
これにより、二酸化炭素の排出に係る環境問題に対する複数のアプローチを一つのシステムで行うことが可能となる。特に、本実施態様におけるシステム１Ｅを備える船舶１００Ｅは、ゼロエミッションを実現し、環境問題に最大限配慮した機能を備える船舶として活用することができるものとなる。

なお、上述した実施態様は、システム及び船舶の一例を示すものである。本発明に係るシステム及び船舶は、上述した実施態様に限られるものではなく、請求項に記載した要旨を変更しない範囲で、上述した実施態様に係るシステム及び船舶を変形してもよい。

例えば、本実施態様のシステムにおける海水電解部２０は、処理槽２１を１枚の隔膜２３で区切った２室式とし、空間２４ａ及び２４ｂに海水を満たすものを示しているが、これに限定されない。海水電解部２０の他の構造としては、例えば、海水電解部２０の空間２４ｂ側に気体を導入し、電極２２ｂを隔膜２３表面に設けたエアカソードとすることや、処理槽２１を３室以上に区切られたものとすることなどが挙げられる。

本発明のシステムは、水素によって駆動する駆動機関を備える設備（船舶やプラント等）に対し、好適に用いることができる。特に、本発明のシステムは、水素によって駆動する駆動機関を備える船舶に対し、好適に用いることができる。

また、本発明の船舶は、二酸化炭素の排出を抑制することができる船舶として好適に利用される。特に、本発明の船舶は、ゼロエミッションを実現する船舶として好適に利用することができる。

１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅ システム、１０ 駆動機関、２０ 海水電解部、２１ 処理槽、２２ａ，２２ｂ 電極、２３ 隔膜、２４ａ，２４ｂ 空間、３０ バラスト水タンク、４０ 水素貯留タンク、５０ 塩素水貯留タンク、６０ 排気浄化部、７０ ＣＯ_２固定化処理部、１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ，１００Ｄ，１００Ｅ 船舶、１０１ 船舶本体、Ｌ１～Ｌ９ ライン

Claims (6)

1. 水素によって駆動する駆動機関と、
   海水を電解する海水電解部と、を備え、
   前記海水電解部から発生する水素を前記駆動機関に供給することを特徴とする、システム。
2. 前記海水電解部から発生する塩素含有成分及び／又はアルカリ性水溶液を、前記駆動機関の排気浄化に用いることを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
3. 前記海水電解部から発生する塩素含有成分を、前記駆動機関の冷却水に供給することを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
4. 前記海水電解部から発生するアルカリ性水溶液を、二酸化炭素の固定化処理に用いることを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
5. 前記海水電解部から発生するアルカリ性水溶液を、前記駆動機関の排気浄化に用いた後、さらに二酸化炭素の固定化処理に用いることを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
6. 請求項１～５のいずれか一項に記載のシステムを備えることを特徴とする、船舶。
   
   
   
   

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