JPH01275401A - 水素圧縮装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ａ、　産業上の利用分野 本発明は、特許請求の範囲第１項の上位概念に記載の水
素ガス圧縮装置に関する。

ｂ、　従来の技術 西独特許出願公告第２６４１４８７号公報により、水素
ガスを水素化物貯蔵器により、水素ガスを先ず低い圧力
の下で水素化物貯蔵器の中に導入することにより圧縮す
ることは公知である。このようにして生成される水素化
物（ハイドロリングフェーズ）により発生する熱（化学
結合エンタルピー）は冷却剤により連続的に水素化物貯
蔵器から導出される。水素化物貯蔵器の充填量が最大値
に到達した後にこの水素化物貯蔵器は加熱され、その結
果、生成された水素化物は再び分解し始め（デバイドロ
リングフェーズ）、水素化物貯蔵器の中の水素ガス圧力
は最大値に上昇する（平衡圧力）。

圧縮水素は、この文献によれば、電気エネルギーを得る
目的で圧力減少ガスタービンを作動するために使用され
、閉じた循環路の中を循環する。水素化物貯蔵器を加熱
するために、２３２°Ｃ以下の既存の熱担体媒体の流れ
が使用される。公知の使用例では、冷却及び加熱媒体の
ための流体は存在し、技術的に見て、別の方法で使用さ
れることを好ましくないという考えから出発している。

例えば水素ガスの純粋性に対して特別の要求がある場合
には、水素化物貯蔵器を水素圧縮の目的のためにのみ作
動することが可能であることも公知である、何故ならば
機械的圧縮器においては、潤滑剤が必要であるために発
生する汚れをこの場合には回避することができるから、
である。

ハイドロリングフェーズのために必要な冷却剤（熱シン
ク）は通常は地表水又は湧き水の形で比較的廉価に得る
ことができるのに対して、デバイドロリングフェーズの
ための加熱媒体（熱ソース）を準備することは通常は一
次エネルギー又は電流の形の大きなコストが必要である
。何故ならば例えば、対応する熱除去流がほぼコゑトな
しに使用可能であることから出発することはできないか
らである０通常は従って熱ソースとして、温水を得るた
めの通常の加熱器（連続作動加熱器）使用する。この方
法の場合、エネルギーコストの他に水処理のためのコス
トも負担となる。

Ｃ０発明が解決しようとする課題 本発明の課題は、できるだけ少ないエネルギーコストで
作動する水素ガス圧縮装置を提供することにある。

ｄ、　課題を解決するための手段 上記課題は特許請求の範囲第１項記載の特徴部分に記載
の特許を有する装置により解決される。

本発明の有利な実施例は特許請求の範囲第２項ないし第
６項に記載されている。

本発明は、使用される水素化物貯蔵器を交互に冷却及び
加熱するための媒体流のための導管が、閉じた循環路と
して形成され、その結果、例えば水処理のための連続的
なコストは必要ではなくなる。加えて、熱ソースとして
使用される装置（熱ポンプ）は同時に熱シンクとして使
用される。このようにして、熱ポンプの通常の作動にお
いては好ましくない効果（環境汚染）と見做されていた
加熱装置としての熱ポンプの冷却過程は、ハイドロリン
グ／デバイドロリングの技術的プロセスのために直接使
用される。

金属水素化物の化学結合エンタルピーと、水素化物貯蔵
器の内部熱の熱量はハイドロリングとデバイドロリング
のフェーズの間を言わば“往復移動パするのに対して、
実際の圧縮動作に必要なエネルギー量のみが、熱ポンプ
のための駆動エネルギーの形で外部からプロセスの中に
供給されればよい。本発明による装置は、従来の装置に
比して、水素化物貯蔵器の充填量をより大きくする、何
故ならば熱シンクの温度を、熱ポンプの内部循環路のた
めに選択された冷却剤に依存して、例えば湧き水の温度
に比して著しく低下することが可能であるからである。

水素化物貯蔵器の温度が低いことにより、充填圧力が同
一の場合には水素濃度が高くなる。

水素凝縮のための水素化物貯蔵器がそれぞれ１対で使用
され、１対における個々の水素化物貯蔵器がプッシュプ
ルで動作される。「プッシュプルで動作するＪとは本明
細書中においては次のことを意味する。一方の水素化物
貯蔵器のハイドロリングフェーズにおいて放出された化
学結合エンタルピーが同一の時間に、他方の水素化物貯
蔵器のデバイドロリングフェーズにおいて使用される。

これに対して水素化物貯蔵器が１つの場合、又は、複数
であるがこれらがプッシュプルで作動されない場合には
冷却又は加熱のためにそれぞれ１つの中間貯蔵器が冷却
又加熱循環路の中に挿入接続されなければならない。こ
の場合に熱ポンプは間接的にこれらの中間貯蔵器を介し
て両方のＶＩｉ環路と結合している。

熱交換に関して特に効果的な解決方法は、熱ポンプの内
部循環路の冷却媒体を、プッシュプルで作動されている
水素化物貯蔵器対の外被を直接貫流させて導くことによ
り得られる。この場合には水素化物貯蔵器の冷却循環路
及び加熱循環路は熱ポンプの内部循環路と統合されて、
単一の循環路を形成し、その結果水素化物貯蔵器の外被
は交互に熱ポンプのコンデンサ又は蒸発器となる。

最大の圧縮圧力を得るために、本発明による装置を多段
式に構成することも可能である。この場合には、１つの
後置段の水素化物貯蔵器に水素が既に高圧下で前置水素
化物貯蔵器から供給され、その結果非常に高い一水素濃
度が得られる。このようにして高度に充填された水素化
物貯蔵器を加熱することにより、非常に高い平衡圧力が
得られる。

水素化物金属を適切に選択することにより、そして加熱
及び冷却循環器の温度状態により圧力レベルを制御する
ことができるのは自明である。

特に効果的な作動が、対になっている水素化物貯蔵器を
有する圧縮装置の場合に、弁により開くべき短絡導管が
プッシュプルで作動される水素化物貯蔵器の間に設けら
れるときに得られる。

通常は１つのデバイドロリングフェーズの終わりに、圧
縮されていない使用可能な水素ガスの圧力に比して高い
圧力を有する水素ガスが多量に°′非排出れた“水素化
物貯蔵器の中に残存しており使用可能である。その時点
で“充填された゛°水素化物貯蔵器の水素供給導管の中
の水素流入弁を閉じた後にこの短絡導管の弁を開くと、
両方の貯蔵器の間で圧力補償が行われる。即ち、既に“
排出された”水素化物貯蔵器から“充填された”水素化
物貯蔵器の中に更に水素が流入する。このようにして、
１つの充填／排出サイクルの中で、圧縮された水素とし
て使用可能な量は著しく増加する。この“°短絡”の間
に冷却及び加熱循環路が遮断されると、両方の水素化物
貯蔵器の次の作動周期にとって次のような利点が得られ
る。即ち、°“排出された”水素化物貯蔵器の中の水素
圧力が低下することにより、水素ガスが更に放出され（
平衡圧力の低下）、従って自動的にそして著しく迅速に
、前に加熱されたこの水素化物貯蔵器が冷却され、その
結果この水素化物貯蔵器は、次の再充填動作のための冷
却フェーズに既に移行することが可能である。

逆に、“充填され”°、このために冷却された水素化物
貯蔵器において、高い圧力下で付加的に水素を供給する
ことにより、（平衡圧力が増加するので）付加的に充填
が行われ、その結果ハイドロリングの際に発生した熱に
よりこの水素化物貯蔵器は非常に迅速に加熱される。こ
のようにして両方の水素化物貯蔵器をハイドロリングと
デバイドロリングの間で行なう切換えが非常に加速され
る。

ｅ、　実施例 第１図に示されている装置の圧縮部分は、２つの並列に
接続している水素化物貯蔵器５及び１２から成り、水素
化物貯蔵器５及び１２はそれらの充填及び排出リズムに
関してプッシュプルで作動される。両者の構造は同一で
あり、従って、水素化物生成エンタルピーによる熱量は
両者にとって同一の大きさである。

例えば水素化物貯蔵器５を充填するためには、図示され
ていない予備容器から、（例えば２バールである）小さ
い圧力を有する水素ガスが取出され、導管ｌを介して圧
縮器の中に供給される。弁３．４及び１５は閉成されて
いるので、水素ガスは、開放されている弁２を介して水
素化物貯蔵器５の中に流入し、生成熱を発生しながら、
金属である貯蔵器充填物質と化学結合して金属水素化物
を生成する。同時に、水素が充填されている水素化物貯
蔵器１２が、開放されている弁１３を介して例えば圧力
容器１４を充填するために排出される。圧力容器１４は
即ち、圧縮された水素のための負荷機器と見做すことが
できる。水素化物生成を支持する（ハイドロリング・フ
ェーズ）ために、発生熱が排出される、即ち水素化物貯
蔵器５は冷却されなければならない。これに対して、水
素化物貯蔵器１２の中ではデバイドロリング、即ち圧力
を増加して水素ガスを生成するために熱が必要である。

この加熱及び冷却の需要に対応するために加熱循環路１
１と冷却循環路ｌＯが設けられ、両者は共にそれ自体の
中で閉鎖しているシステムである。冷却循環路１０は熱
ポンプ９の、外部からの熱を吸収する熱交換器２３（蒸
発器）に接続しているのに対して、加熱循環器１１はこ
のポンプ９の、熱を外部へ放出する熱交換器１９に接続
している。加熱及び冷却媒体として、両方の循環に、凍
結防止剤の入った水が使用される。冷却水は循環ポンプ
２０を介して蒸発器２３から導かれ、熱ポンプ９の内部
循環の冷却剤と間接的に接触してこの冷却剤を蒸発させ
る、即ち熱を放出し、熱交換器２３を出る際には低い温
度（例えば−１０’Ｃ）を有する。弁７を介して冷却水
は導管２６を通過して、その時点に丁度充填中の水素化
物貯蔵器５の外被の中に導入され、水素化物貯蔵器５を
冷却し、従って温度が上昇した状態で水素化物貯蔵器５
の外被を去って導管２８を通過し、弁８を通過して蒸発
器２３に到達し、蒸発器２３で、吸収した熱を再び放出
する。この熱は、凝縮器１８及び絞り弁２１を有する熱
ポンプ９の冷却剤循内部環路を介しより高い温度レベル
にされ、熱交換器１９　（コンデンサ）により、循環ポ
ンプ６により作動が保持されている加熱循環路１１に供
給される。コンデンサ１９においてより高い温度（例え
ば６０°Ｃ）にされた水は弁１７及び導管２７を介して
水素化物貯蔵器１２の外被の中に入り、その熱を水素化
物貯蔵器１２の内容物に与えて、この内容物をデバイド
ロリングする。加熱水は、対応して低下した温度で水素
化物貯蔵器１２の外被を去り、導管２５及び弁１６を通
過してコンデンサ１９に到達し、コンデンサ１９で再び
熱を吸収する。水素化物貯蔵器５から熱ポンプ９を介し
て水素化物貯蔵器１２へのこのような熱移動は、水素化
物貯蔵器５が、この水素化物貯蔵器の冷却能力が可能最
大値であり、そして、水素ガス予備容器の供給圧力が使
用可能な最大値である場合に最大充填量に達するまで維
持される。水素化物貯蔵器１２の温度が高いのでその排
出圧力は非常に高い（例えば５０−２００バール）。純
粋の化学結合エンタルピー上回る、水素を圧縮するのに
必要なエネルギーは熱ポンプ９の駆動出力を介してシス
テムの中に供給される。その他の場合には、余分の熱は
光性水素化物貯蔵器から、熱を必要とする別の水素化物
貯蔵器へ搬送される。

充填及び排出動作が終了すると弁７及び８及び１６及び
１７は切換えられ、その結果水素化物貯蔵器５は加熱循
環器１１に接続し、水素化物貯蔵器１２は冷却循環路１
０に接続する。同時に水素ガス弁２及び３及び４及び１
３も切換えられ、その結果圧縮水素が水素化物貯蔵器５
から弁３を介して排出され、同時に水素化物貯蔵器１２
が新たに充填される。加熱循環路１１を補償するために
伸縮容器２２及び２４が設けられている。

前記の方法では、プッシュプルで作動される、同一構造
の水素化物貯蔵器の間で°”熱シフト”が直接に行われ
るが、これとは異なり、ただ１つ水素化物貯蔵器、又は
互いにプッシュプルで作動する複数の水素化物貯蔵器に
おいて１つの熱ポンプを、その加熱動作及び冷却動作の
双方を利用して省エネルギーで使用する方法も実現する
こともできる。このためには、冷却循環路又は加熱循環
路を有する熱ポンプの蒸発器とコンデンサとを、それぞ
れ１つの冷却中間貯蔵器又は１つの加熱中間貯蔵器を挿
入接続して、加熱需要と冷却需要とを時間的に切離する
ことにより、間接的に結合するだけでよい。第３図では
、熱ポンプ３２の蒸発器３０を有するこのような冷却中
間貯蔵器３３と、熱ポンプ３２のコンデンサ３１を存す
る加熱貯蔵器３４とが互いに接続して循環路を形成して
いる。

第１図に示されている弁１５により、２つの水素化物貯
蔵器５と１２の間の圧力補償が可能となる。

この補償が行われる場合、より高い平衡圧力を有する水
素化物貯蔵器からの水素ガスは、より低い平衡圧力を有
する水素化物貯蔵器の中に流れ、後者の水素化物貯蔵器
の中ではハイドロリングが引き続き行われ、その際に熱
が発生し、前者の水素化物貯蔵器の中ではデバイドロリ
ングが引き続き行われ、その際に冷却が行われる。従っ
て充填及び排出サイクルの終わりに、弁２及び３及び４
及び１３が閉じている状態で弁１５を開くと好適である
。

既にほぼ排出された水素化物貯蔵器の中の圧力は通常は
、丁度充填し終えた水素化物貯蔵器の中の圧力より未だ
大幅に大きいので、後者の水素化物貯蔵器の充填量は更
に大きくされ、このようにして、排出の際には放出され
る水素ガス量はこの値だけ大きくなる。別の１つの有利
な効果は、水素化物の化学結合エンタルピが放出又は吸
収される結果、水素化物貯蔵器の温度が、冷却及び加熱
循環路をそれぞれの他方の水素化物貯蔵器へ切り換える
ことを必要とする動作サイクルのために必要な方向へ非
常に迅速の変化する点である。この効果を乱さないため
に両循環路は、−時的な水素側の短絡の間にわたり中断
されたり、切換えられたりしてはならない。

第２図に示されている装置の原理図は、第１図に示され
ているものとほぼ同一である。異なる点は、第２図の場
合には、加熱循環路及び冷却循環路のための媒体として
水を使用してはいない点である。その代わりに熱ポンプ
９からの冷却剤が直接に、水素化物貯蔵器５及び１２の
加熱及び冷却のために使用されている。第２図の場合に
は加熱循環路１１と冷却循環路１０は互いに分離されて
おらず、熱ポンプの元の冷却内部循環路と共働して１つ
の共通の循環路を形成している。蒸発器及びコンデンサ
の機能は両水素化物貯蔵器の外被の中に移行されている
。即ち冷却剤は圧縮器から例えば弁１７を介して、コン
デンサとして動作する、水素化物貯蔵器の外被の中に流
入し、熱を放出し、水素化物貯蔵器１２の外被から流出
し、弁１６を介して絞り弁２−１に到達し、絞り弁２１
で冷却剤が更に冷却されて、その圧力が減少する。次い
で弁７を介して、蒸発器として動作する、水素化物貯蔵
器５の外被の中に導入され、加熱される。次いで、加熱
された冷却剤は水素化物貯蔵器５の外被から流出し、弁
８を介して熱ポンプ９の圧縮器１８に戻る。

第３図は、順次に配列されている水素化物貯蔵器３７及
び３８を有する２段式圧縮器装置を示している。導管５
０を介して、圧縮されていない水素は、弁４７は開いて
おり、弁４９は閉じている状態において水素化物貯蔵器
３７の中に導入され、水素化物として貯蔵される。弁３
９及び４０を介して水素化物貯蔵器３７は、冷却中間貯
蔵器３３を備えている冷却循環路３５に、充填が終了す
るまで接続している。

次いで弁４７は閉成され、弁４９は開放される。弁４８
は閉成されいる。水素化物貯蔵器３７を排出するために
、弁３９及び４０及び４３及び４４を作動することによ
り冷却循環路３４を遮断し、加熱循環路３６を接続し、
その結果水素化物貯蔵器３７が加熱され、その平衡圧力
が強く上昇するようにする。この場合の１つの可能な状
態が第４図に略示されている。

充填が、例えば約１バールの圧力と、水素化物貯蔵器３
７の温度が約−１０’Ｃの下で行われた場合、水素濃度
は約１．７重量％に達する。温度が６０°Ｃに上昇する
と平衡圧力は約２００バールに上昇する。水素化物貯蔵
器３７が弁４９を介して水素化物貯蔵器３８の中に排出
すると、約０．２％への水素濃度の減少に伴いその平衡
圧力は約１０バールに低下する。水素化物貯蔵器３７が
加熱循環路３６に接続しているのに対して、水素化物貯
蔵器３８は弁４１及び４２を介して冷却循環路３５に接
続している。例えば−１０“Ｃの冷却温度と１０バール
の充填圧力においては、第５図に示されているように、
水素化物貯蔵器３８の中の別の種類の金属は水素濃度は
約１．７重量％になる。水素化物貯蔵器３８の充填が終
了すると弁４９は再び閉じられ、水素化物貯蔵器３７の
新しい充填サイクルが再び開始する。この時点で水素化
物貯蔵器３８は、高度に凝縮された水素ガスを弁４８を
介して排出する１！備が整っている状態にある。その金
属水素化物は、水素化物貯蔵器３７の場合と異なり、弁
４５及び４６を介して加熱循環路３６へ供給された後、
同様に６０°Ｃの貯蔵器温度と、１．７重量％の水素濃
度において、数百バールの平衡圧力に達し、この平衡圧
力は、水素濃度が約０．３％に達すると初めて、なおも
高い値である１００バールに低下する。

この実施例は、水素化物貯蔵器は、順次に接続している
段の数が僅かな場合であっても、大きいエネルギーコス
トや装置技術的コストを必要とせずに、水素ガスを非常
に高度に凝縮して供給することができることを示してい
る。この場合に、種種の圧力段で動作する金属水素化物
を熱技術的に、同一の熱ソースと熱シンクから取出して
使用することは容易に可能である。種々の材料の化学結
合エンタルピーにおける差、ひいては、加熱及び冷却需
要における時間的変動は、加熱用及び冷却用の図示され
ている中間貯蔵器により容易に克服することができる。

本発明は、水素化物貯蔵器をベースとした凝縮器装置を
作動するためのエネルギーコストを、従来の作動方式に
比して約２０％低下させることを可能にする。

【図面の簡単な説明】

第１図は互いに分離されている加熱循環路と冷却循環路
を有する本発明による圧縮器設備の原理図、第２図は加
熱循環路と冷却循環路が統合されている第１図に示され
ている装置の変形の原理図、第３図は加熱中間貯蔵器及
び冷却中間貯蔵器を有する２段式圧縮装置の原理図、第
４図及び第５図は所定の温度において種々の水素化物金
属における水素濃度に対する平衡圧力の依存性を示す線
図である。 ｌ・・・導管、　　　　　　２，３．４・・・弁、５・
・・水素化物貯蔵器、　６・・・循環ポンプ、７．８・
・・弁、　　　　　　　９・・・熱ポンプ、ｌＯ・・・
冷却ポンプ、　　　１１・・・加熱循環路、１２・・・
水素化物貯蔵器、　１３・・・弁、１４・・・圧力容器
、　　　　１５，１６．１７・・・弁、１８・・・圧縮
器、　　　　　１９・・・熱交換器、２０・・・循環ポ
ンプ、　　　２１・・・絞り弁、２２・・・伸縮容器、
　　　　２３・・・蒸発器、２４・・・伸縮容器、　　
　　２５，２６．２７・・・導管、２８・・・外被、　
　　　　　３０・・・蒸発器、３１・・・コンデンサ、
３２・・・熱ポンプ、３３・・・冷却中間貯蔵器、　３
４・・・加熱中間貯蔵器、３５・・・冷却循環路、　　
　３６・・・加熱循環路、３７．３８・・・水素化物貯
蔵器 ３９．４０，４１，４２，４３，４４，４５．４６，４
７，４８．４９・・・弁、５０・・・導管、　　　　　
　５１・・・導管。 Ｆ　ｉ　ｇ、４ Ｈ２− Ｆｉｇ、５ ）１２゛

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）圧縮する水素ガスのための供給導管と、圧縮された
   水素ガスのための排出導管と、自身の外被に、水素化物
   貯蔵器を交互に冷却及び加熱するための媒体のための供
   給導管及び排出導管とを具備し、前記加熱媒体及び前記
   冷却媒体の前記供給導管及び前記排出導管がそれぞれ閉
   じている加熱又は冷却循環路の一部であり、加熱／冷却
   媒体のための少なくとも１つの循環ポンプと、前記水素
   ガス及び前記加熱／冷却媒体のための前記供給導管及び
   前記排出導管の中に設けられ、前記水素化物貯蔵器を交
   互に充填及び排出するための遮断弁を作動するための制
   御装置とを更に具備している水素ガス凝縮装置において
   、前記冷却循環路（１０）と前記加熱循環路（１１）と
   が、熱ポンプ（９）の外部から熱を吸収する熱交換器（
   ２３）（蒸発器）の熱と、同一の熱ポンプ（９）の熱を
   外部へ放出する熱交換器（１９）（コンデンサ）の熱と
   により結合していることを特徴とする水素ガス圧縮装置
   。 ２）少なくとも１対の水素化物貯蔵器（５、１２）が設
   けられ、前記水素化物貯蔵器（５、１２）はその充填及
   び排出特性に関して同一の構造を有し、水素ガスの充填
   及び排出に関しては時間的にプッシュプルで作動される
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の水素ガス
   圧縮装置。 ３）前記熱ポンプ（３２）の前記コンデンサ（３０）が
   熱中間貯蔵器（３３）を介して前記加熱循環路（３５）
   と結合し、前記蒸発器（３１）が冷却中間貯蔵器（３４
   ）を介して前記冷却循環路（３６）と間接的に結合して
   いることを特徴とする特許請求の範囲第１項又は第２項
   記載の水素ガス圧縮装置。 ４）前記冷却循環路（１０）と前記冷却循環路（１１）
   が前記熱ポンプ（９）の冷却剤内部循環路の中に統合さ
   れ、水素化物貯蔵器（５、１２）の前記外被が交互に前
   記熱ポンプ（９）の前記蒸発器又は前記コンデンサとし
   て作動可能であることを特徴とする特許請求の範囲第１
   項又は第２項記載の水素圧縮装置。 ５）前記水素ガス圧縮装置が、より高い水素ガス圧縮度
   を達成するために、水素化物貯蔵器（３７）の水素ガス
   排出導管がそれぞれ、水素化物貯蔵器（３８）の水素ガ
   ス供給導管を有する１つの段に接続されることにより、
   ２段又はそれより多い段で形成されることと、順次に続
   く段の、接続されている水素化物貯蔵器（３７、３８）
   がそれぞれプッシュプルで作動可能であることと、水素
   化物貯蔵器（３７）の水素化物材料が、温度と充填が同
   一の場合に、後置接続されている水素化物貯蔵器の水素
   化物材料に比して低い平衡圧力を有することを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項ないし第４項のうちいずれか１
   項に記載の水素ガス圧縮装置。 ６）プッシュプルで作動され、並列に接続されている水
   素化物貯蔵器（５、１２）が充填／排出サイクルの終わ
   りに弁（１５）を介して水素側で互いに短絡可能である
   ことを特徴とする特許請求の範囲第２項ないし第５項の
   うちいずれか１項に記載の水素ガス圧縮装置。