JPH09291832A - コンバインドサイクル利用液体水素製造装置 - Google Patents

コンバインドサイクル利用液体水素製造装置

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JPH09291832A
JPH09291832A JP8107504A JP10750496A JPH09291832A JP H09291832 A JPH09291832 A JP H09291832A JP 8107504 A JP8107504 A JP 8107504A JP 10750496 A JP10750496 A JP 10750496A JP H09291832 A JPH09291832 A JP H09291832A
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hydrogen
combined cycle
gas
compressor
generator
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Kazuichi Iwasaki
崎 和 市 岩
Takayuki Marume
目 隆 之 丸
Motoki Iwakata
片 基 樹 岩
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Toshiba Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 化石燃料に代るクリーンな燃料としての液体
水素を製造するためコンバインドサイクルと液化装置と
を組合わせ高効率に液体水素を製造すること。 【解決手段】 コンバインドサイクルプラント２１の燃
焼器６に水素発生装置２４からの水素を直接燃料として
供給するとともに、コンバインドサイクルプラントの出
力によって水素液化用圧縮機２８を駆動するようにし
た。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明はコンバインドサイク
ルを利用して水素液化を行うようにしたコンバインドサ
イクル利用液体水素製造装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】現在、人類が地球温暖化や酸性雨など地
球規模的環境問題と化石燃料の将来の枯渇問題に直面し
ている中で、水素は再生可能でＣＯ2 を排出しないクリ
ーンな燃料として注目されている。しかし、水素はその
ままでは天然に存在せず、その製造には何等かのエネル
ギー源を必要とする。
【０００３】水素の製造方法としては二通りに分類さ
れ、その一つは、天然ガス、石油、石炭等の化石燃料及
びそれらから作られる良質の電気を利用する方法で、も
う一つは太陽エネルギーを利用する方法である。生物を
利用した水素発生、人工的な光一水素発生変換有機シス
テム等は、後者に含まれる。ところで、近年人工的な高
性能な光一水素発生変換有機システムの広範な開発が進
められており、特に生物内に存在する水素発生酵素ヒド
ロゲナーゼの応用が代表としてあげられる。
【０００４】ところで、太陽光発電及び水素製造を南太
平洋の洋上或はオーストラリア等の砂漠で行い、その水
素を現在使用されている化石燃料の代りに使用するとい
う水素エネルギーシステムが提案されている。しかしな
がら、上記システムのためにはプラントが広大な面積を
必要とするため、実現されていない。
【０００５】また、上述のように洋上等で製造された水
素の輸送システムについても経済的に有利なシステムと
して船による海上輸送が考えられるが、その場合には輸
送媒体の選定が重要となる。水素ガスでは単位エネルギ
ー当りの容積が大きすぎるためエネルギー密度の高い形
に変える必要があり、また水素貯蔵合金は液体水素より
も吸蔵エネルギー当りの重量が大きくなりすぎる等の問
題がある。したがって、輸送に際しては水素を液化する
ことが必要である。
【０００６】ところで、上記水素を液化する液体水素製
造方法は技術的に確立されており、膨張エンジンによる
冷却及びジュール・トムソン効果による気体液化が一般
的である。
【０００７】図８は、一般的な水素液化装置を示す図で
あり、水素液化用圧縮機１によって高圧とされた気体水
素を、膨張タービン２で膨張された水素が供給される水
素液化用熱交換器３で冷却させた後、その冷却された気
体水素をジュール・トムソン弁４で断熱膨張させること
によって、ミスト状の液体水素が製造される。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】ところが、このように
液体水素を製造するには、他の気体と比較して多大なエ
ネルギーを必要とする。水素の特性を以下に示す。 １モル当りの質量：２．０１５９ｇ １気圧下の沸点 ：２０．３９７Ｋ ２７３Ｋ １気圧での気体密度：０．０８９８５ｇ／ｃｍ3 （参考値：空気は１．２９２８ｇ／ｃｍ3 ） １００℃での定圧比熱：１４．３５８Ｊ／ｇ・Ｋ ３．４３０Kcal／ｇ・Ｋ （参考値：空気は０．２４１５Kcal／ｇ・Ｋ） 同上比熱比：１．４０４ 液化に必要な理論：１６０３７ＫＪ／ｋｇ 最小エネルギー量：（３８３１．１Kcal／ｋｇ） 発熱量 ：２７７００Kcal／ｋｇ （参考値：ジェットエンジン燃料１０３００Kcal／ｋｇ） ところで、液化能力が小規模な場合は膨張エンジンを使
用する場合が多いが、大規模な場合は上述のように膨張
タービンが使用される。この膨張タービンでは回転軸は
玉軸受けで支えられる例もあるが、液体水素は極低温で
使用されるため妥当な潤滑剤がなく異常摩擦または焼き
付きが発生する等の問題がある。気体軸受けの使用例も
あるがミストを含むためその制御方式が複雑となる等の
不都合がある。
【０００９】また、水素をエネルギー源として使用する
例として、現在水素燃焼タービン、水素自動車、液体水
素燃料航空機の開発が盛んであるが、水素ガスの爆発性
によるバッグファイヤーの防御が技術的な課題として上
げられている。
【００１０】一方、発電効率の高いコンバインドサイク
ルプラントは現在電力需要に対応すべく多数計画され実
績も有している。すなわち、図９は単圧式の一般的なコ
ンバインドサイクルプラントの概略系統図であって、圧
縮機５で加圧された外気が燃焼器６に供給され、その燃
料器６に供給された燃料と混合されて燃焼し、その燃焼
ガスが圧縮機駆動用ガスタービン７及び発電用ガスター
ビン８に供給される。各ガスタービン７及び８に供給さ
れた燃焼ガスはそこで仕事を行い、圧縮機５或は発電機
９ａを駆動する。
【００１１】上記発電用ガスタービン８で仕事を行った
排ガスは排熱回収ボイラ１０に導入され、そこで給水と
熱交換して蒸気を発生させた後、排熱回収ボイラ１０の
出口からスタック１１を介して大気中へ放出される。
【００１２】一方、上記排熱回収ボイラ１０で発生した
蒸気は蒸気タービン１２へ送給され、そこで仕事を行
い、発電機９ｂを駆動する。そして、上記蒸気タービン
１２で仕事を行った蒸気は復水器１３で復水され、給水
ポンプ１４を介して上記排熱回収ボイラ１０に還流され
る。
【００１３】ところが、このようなコンバインドサイク
ルプラントにおいては化石燃料を使用していることか
ら、将来にわたって同じ方式で電力を得ることは必ずし
も可能とは考えられない。
【００１４】本発明はこのような点に鑑み、地球温暖化
や酸性雨など地球規模的環境問題の無い、また化石燃料
の将来の枯渇の問題のないクリーンな燃料を製造し得る
コンバインドサイクル利用液体水素製造装置を得ること
を目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】本発明は、コンバインド
サイクルプラントの燃焼器に水素発生装置からの水素を
直接燃料として供給するとともに、上記コンバインドサ
イクルプラントの出力によって水素液化用圧縮機を駆動
するようにしたことを特徴とする。
【００１６】また第２の発明は、第１の発明において、
コンバインドサイクルプラント発電用ガスタービンに水
素液化用圧縮機が直結されていることを特徴とする。
【００１７】第３の発明は、第１の発明において、水素
液化用圧縮機出口の高圧水素をガスタービンの燃焼器に
供給するようにしたことを特徴とする。
【００１８】第４の発明は、さらに第１の発明におい
て、水素液化装置の高速回転膨張タービンの回転軸が磁
気軸受によって軸支されていることを特徴とする。
【００１９】また第５の発明は、第４の発明において、
水素液化装置の高速回転膨張タービン、磁気軸受、及び
上記膨張タービンで駆動される発電機がユニット化され
ていることを特徴とする。
【００２０】
【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照して本発明
の実施の形態について説明する。
【００２１】図１は本発明のコンバインドサイクル利用
液体水素製造装置の一例を示す図であって、この液体水
素製造装置は大きく分けて水素供給系統２０、コンバイ
ンドサイクル発電系統２１、水素液化系統２２、及び冷
却系統２３から構成されている。
【００２２】水素供給系統２０は水素発生装置２４を有
しており、その水素発生装置２４では南太平洋または砂
漠地帯等で下記の手段で水素ガスが発生される。
【００２３】１） 太陽電池による水分解 ２） 高温太陽炉を用いて熱化学反応による水素ガス分
離 ３） 光半導体による水素発生方式 ４） 海洋温度差を利用し電力を発生させその電力で水
分解 ５） 遺伝子操作による人工的光水素変換系（有機組
織）の利用（ヒドロゲナーゼ等の酵素の利用） ６） 水素発生細菌・有機微生物・藻類の利用 ７） １）〜６）の組み合わせ このようにして水素発生装置２４で発生した水素は、不
純物ガスを除去するため機能分離膜または水素貯蔵合金
利用の高純度水素ガス精製装置２５に送られ、純粋な水
素ガスとして高純度水素ガス貯蔵タンク２６内に蓄えら
れる。ところで、水素と空気の混合物は容積で約５％か
ら約７０％までの広範囲にわたり爆発性があるため、運
転時に爆発性混合ガスが存在できないように水素濃度を
所定の濃度に維持させるため、水素ガス濃度制御装置２
７が上記高純度水素ガス貯蔵タンク２６に接続されてい
る。
【００２４】一方、コンバインドサイクル発電系統２１
は図９に示したとおりのものであって、ガスタービン
７，８で動力を発生した後の排熱を排熱回収ボイラ１０
で回収して蒸気を発生し、その蒸気によって蒸気タービ
ン１２が作動され、発電機９ｂによって発電され、その
電力は所内電源用として利用される。
【００２５】ところで、上記ガスタービン８には水素液
化系統２２の水素液化用圧縮機２８が直結されている。
しかして、ガスタービン８によって水素液化用圧縮機２
８が駆動されると、高純度水素ガス貯蔵タンク２６から
水素ガスが吸引され、上記水素液化用圧縮機２８により
約１５気圧に昇圧された後圧縮水素冷却器２９により冷
却される。このようにして圧縮水素冷却器２９で冷却さ
れた圧縮水素は、図８に示すものと同様な水素液化原理
にもとずき、膨張タービン３１ａ，３１ｂにより減圧・
冷却され、水素液化用熱交換器３２を介してジュール・
トムソン反転温度（２０５Ｋ）以下にされ、ジュール・
トムソン弁３３を通してジュール・トムソン効果により
１気圧下まで断熱膨張させることにより液化される。そ
して、液化された水素は液体水素貯蔵タンク３４に貯蔵
される。
【００２６】一方、上記圧縮水素冷却器２９には、冷却
塔３０或は海水熱交換器によって冷却された水が冷却水
として供給される。
【００２７】また、上記水素液化用圧縮機２８で約１５
気圧に昇圧された水素ガスの一部は、コンバインドサイ
クルプラントの燃焼器６に燃料として供給される。さら
に、上記膨張タービン３１ａ，３１ｂには発電機９ｃが
連結されており、そこで発生した回転エネルギーは発電
機９ｃにより電気エネルギーとして回収され、所内電源
用として利用される。
【００２８】前記膨張タービン３１ａ，３１ｂは、極低
温下で使用できる潤滑剤がないため、磁気軸受３５ａ，
３５ｂ，３５ｃ，３５ｄでスラスト方向とラジアル方向
が支持されており、回転部の変位は磁気軸受制御盤３６
で制御されるようにしてある。しかして、この磁気軸受
の利用により気体軸受で問題となるミストによる制御上
の外乱がなく、安定した運転を可能とする。
【００２９】図２は、上記磁気軸受の構成を示す図であ
って、膨張タービンロータ３７の外周には四個の電磁石
３８が周方向に配設されており、各電磁石３８により浮
上されたロータとステータのギャップはギャップセンサ
ー３９により検出され、そのギャップセンサー３９によ
り検出されたギャップの変位量がモニタ部４０で指示さ
れ、その変位量に対応してコントロール部４１でロータ
とステータ間のギャップの制御指示信号が出力され、こ
のコントロール部４１からの指令に応じてパワーアンプ
部４２から所定の電磁石用の電流が各電磁石３８に供給
される。また、上記パワーアンプ部４２には、停電時に
電磁石用電流がストップし電磁石の機能を損失すること
を防止するためのバックアップ用電源としてバックアッ
プシステム部４３が併設されている。
【００３０】図３は、膨張タービン３１ａ，３１ｂ、発
電機９ｃ、及び磁気軸受３５ａ，３５ｂ，３５ｃ，３５
ｄ、並びに水素液化用熱交換器３２をユニット化した状
態を示す図であり、このようにユニット化することによ
ってユニット部の工場製造ができ現地での組立、試運転
の省力化が可能となる。ここで、ラジアル磁気軸受３５
ａ，３５ｄ、スラスト軸受３５ｂ，３５ｃの位置は、振
動解析を行い最も振動が少ない位置に配置する。
【００３１】しかして、図示しない始動用モータ等を含
む付属補機である起動システムによりコンバインドサイ
クルプラントを停止の状態から起動し、着火、自動速度
まで昇速させ定常運転させると、ガスタービン８によっ
て水素液化用圧縮機２８が駆動され、高純度水素ガス貯
蔵タンク２６から供給された水素ガスが昇圧され、圧縮
水素冷却器２９で冷却された後、膨張タービン３１ａ，
３１ｂにより減圧・冷却され、ジュール・トムソン弁３
１を通じてジュール・トムソン効果により断熱膨張させ
ることにより液化され、液体水素が連続的に製造され
る。
【００３２】図４は、本発明の他の実施の形態を示す図
であって、コンバインドサイクルプラントにおけるガス
タービン８で発電機９ａを駆動し、そこで発電された電
力によって水素液化用圧縮機２８駆動用のモータ４４を
作動させるようにしてある。そして、上記水素液化用圧
縮機２８には膨張タービン３１ａ，３１ｂも連結されて
おり、膨張タービン３１ａ，３１ｂで回収されたエネル
ギーも水素液化用圧縮機２８の駆動源として使用され
る。
【００３３】図４に基づくコンバインドサイクル発電の
ヒートレートを２０００kcal/KWh（０．０７２２kg/KW
h）、水素液化系統の液体水素製造エネルギー（液体水
素１Kgに対して）を１２KWh/kg、冷却系統の搬送動力
（液体水素１kgに対して）を１KWh/kgとした場合、水素
発生装置より供給される水素ガスから液体水素単位重量
を製造させるための、マテリアルバランスを図５に示
す。
【００３４】水素供給系統２０で発生した気体水素は、
水素液化系統２２に供給されるとともに、コンバインド
サイクル発電系統２１に供給され電力を発生する。そし
て、発生した電力により水素液化系統２２及び冷却系統
２３の動力として使用される。すなわち、水素供給系統
２０から１９３．８６Kg/hの水素が水素液化系統２２に
供給されると、そのうち９３．８６Kg/hの水素がコンバ
インドサイクルプラントの燃焼器に燃料として供給さ
れ、１００Kg/hの液体水素が得られる。
【００３５】以上説明したように、図１及び図４のコン
バインドサイクル利用液体水素製造装置により水素発生
装置から直接効率よく液体水素を製造することができ
る。
【００３６】また、コンバインドサイクルとしては、図
１、図４に示すように発電所用ガスタービン７，８と蒸
気タービン１２が分離配置されたものに限らず、図６に
示す１軸型コンバインドサイクル、或は図７に示す多軸
型コンバインドサイクルに対しても応用が可能である。
【００３７】
【発明の効果】以上説明したように、本発明は、コンバ
インドサイクルプラントの燃焼器に水素発生装置からの
水素を直接燃料として供給するとともに、コンバインド
サイクルプラントの出力によって水素液化用圧縮機を駆
動するようにしたので、高効率で液体水素を製造でき、
しかも燃料としてＣＯ2 を排出しないクリーンな燃料を
使用するため地球環境に悪影響を与えることがなく、化
石燃料の将来の枯渇問題にも対応できる。また、コンバ
インドサイクルと水素液化装置とを組み合わせたもので
あるため、南太平洋の洋上或は砂漠地帯等においても直
接液体水素を製造できるため、液体水素輸送タンカーで
海上輸送することができ、輸送システムも経済的なもの
とすることができる。
【００３８】また、燃料として水素を使用するためター
ビン入り口温度が高くなりサイクル効率が従来のＬＮＧ
を燃料とした場合より高くすることができ、さらに、圧
縮機出口の高圧な水素を燃焼器に供給するようにしたも
のにおいては、バックファイヤといった不具合を解消す
ることができ、安定な連続運転が可能である。
【００３９】さらに、膨張タービンに磁気軸受を採用し
た場合には、軸受部を無潤滑油とすることができ、極低
温環境下での回転軸の摩耗、焼き付けを防ぐことができ
る。また潤滑油を使用していないので、メンテナンスフ
リーの連続運転が可能となる。したがって、洋上または
砂漠に設置した場合でも頻繁なメンテナンスの省略化が
できる。また、膨張タービン、発電機、磁気軸受部をユ
ニット化することにより、工場製作が可能となり、発電
機を極低温下に設けることにより発電機効率を上げるこ
とができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のコンバインドサイクル利用液体水素製
造装置の系統図。
【図２】本発明装置に使用する磁気軸受の構成を示す
図。
【図３】発電機、膨張タービン、及び磁気軸受のユニッ
ト化図。
【図４】本発明のコンバインドサイクル利用液体水素製
造装置の他の例を示す系統図。
【図５】水素マテリアルバランスを示す図・。
【図６】１軸型コンバインドサイクルを利用した応用例
を示す図。
【図７】多軸型コンバインドサイクルを利用した応用例
を示す図。
【図８】従来の液化装置を示す図。
【図９】一般的なコンバインドサイクル発電プラントの
系統図。
【符号の説明】
５ 圧縮機 ６ 燃焼器 ７，８ ガスタービン ９ａ，９ｂ，９ｃ 発電機 １０ 排熱回収ボイラ ２０ 水素供給系統 ２１ コンバインドサイクル発電系統 ２２ 水素液化系統 ２３ 冷却系統 ２４ 水素発生装置 ２６ 高純度水素ガス貯蔵タンク ２８ 水素液化用圧縮機 ２９ 圧縮水素冷却器 ３１ａ，３１ｂ 膨張タービン ３２ 水素液化用熱交換器 ３３ ジュール・トムソン弁 ３４ 液体水素貯蔵装置 ３８ 電磁石
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｆ２５Ｊ 1/00 Ｆ２５Ｊ 1/00 Ｃ

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】コンバインドサイクルプラントの燃焼器に
    水素発生装置からの水素を直接燃料として供給するとと
    もに、上記コンバインドサイクルプラントの出力によっ
    て水素液化用圧縮機を駆動するようにしたことを特徴と
    する、コンバインドサイクル利用液体水素製造装置。
  2. 【請求項２】コンバインドサイクルプラント発電用ガス
    タービンに水素液化用圧縮機が直結されていることを特
    徴とする、請求項１記載のコンバインドサイクル利用液
    体水素製造装置。
  3. 【請求項３】水素液化用圧縮機出口の高圧水素をガスタ
    ービンの燃焼器に供給するようにしたことを特徴とす
    る、請求項１または２記載のコンバインドサイクル利用
    液体水素製造装置。
  4. 【請求項４】水素液化装置の高速回転膨張タービンの回
    転軸が磁気軸受によって軸支されていることを特徴とす
    る、請求項１乃至３のいずれかに記載のコンバインドサ
    イクル利用液体水素製造装置。
  5. 【請求項５】水素液化装置の高速回転膨張タービン、磁
    気軸受、及び上記膨張タービンで駆動される発電機がユ
    ニット化されていることを特徴とする、請求項４記載の
    コンバインドサイクル利用液体水素製造装置。
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