JPS63148840A - 電気エネルギ−変換・貯蔵利用設備 - 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】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、夜間等電力需要の少ない時間帯の電力を、
エネルギー源とし、冷暖房設備、冷凍冷蔵設備、植物栽
培設備等に熱や電力を供給することが出来、非常電源設
備としても活用しうる熱併給発電設備に関する。

〔従来の技術〕

夜間等電力需要の少ない時間帯の電力利用に於ては、従
来から蓄熱、超電導による電力貯蔵あるいは揚水発電に
よる方法があるが１本発明はこれらと発想を全く異にす
る新たな技術的思想に基づくものである。

〔発明が解決しようとする問題点〕

本発明は９次の課穎を解決した電気エネルギー変換・貯
蔵利用設備を提供することを目的としたものである。

（１）夜間等電力需要の少ない時間帯の電力金一旦物質
に変換・貯蔵し、これを思量等電力需要の多い時間帯に
、効率よく電力及び温熱源又は冷熱源として取り出せる
ことが不可決である。

（２）高純度水素を高純度酸素で燃焼させると。

その断熱火焔温度は、およそ４１００’Ｃ〜４２００°
Ｃとなるため、燃焼器における燃焼温度の緩和が不可欠
である。

（３）酸素と水素の燃焼反応は理論ｆ′であることが望
ましいが、実装置においては、この調節は不可能であり
、生成した水蒸気中には酸素もしくは水素のいずれか一
方が残る形となる。

水素が残ると高温部にて水素による金属材料の膣：化が
問題となる一方、酸素が残ると水蒸気が凝縮し始める低
−製部での腐食が問題となる。

（４）　　ビルや地域冷暖房等を対象とする熱併給発Ｔ
設備として利用する場合、高効率である真と同時にエネ
ルギー消費場所の中あるいは近傍に設置できることが不
可決である。

従って排水、排ガス等の出ない無公害設備であることが
重要な課題となる。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は電気エネルギーにより水を電気分解するで気分
解手段と、該電気分解手段から発生する水素及び酸素を
夫々貯蔵する貯蔵手段と。

該貯蔵手段からの水素を、酸素により燃焼させ。

熱及び又は電気エネルギーを発生１回収するエネルギー
回収手段と、該エネルギー回収手段から導かれる水を前
記電気分解手段に循環する手段とにより構成されたこと
を特徴とする電気エネルギー変換・貯蔵利用設備を提案
するものである。

その実施態様例としてはっぎのものが挙げられる。すな
わち、電気エネルギーを用いる水の電気分解装置、この
装置から発生する水素及び酸素を各々貯蔵する装置、貯
蔵されている水素を酸素で燃焼させて水蒸気を得る燃焼
装置、この燃焼装置で生ずる高温の水蒸気を駆動媒体と
するタービンと発電機からなる発電装置、あるいは高温
の水蒸気を直接熱回収する装置、又はこの２ツの装置を
組合せて構成した熱エネルギー回収装置、エネルギー回
収後の凝縮水を貯蔵する復水貯蔵装置、凝縮水を前記電
気分解装置への供給水として再循環させる装置からなり
。

電気エネルギーを一旦物質に変換保存し、任意時に電気
エネルギー及び熱エネルギーとして利用できることを特
徴とする電気エネルギー変換・貯蔵利用設備がある。ま
た上記の設備において。

エネルギー回収手段として、燃焼装置及びタービンと発
電機からなる発電装置に替えて、燃料電池を用いること
もできる。

以下１本発明の電気エネルギー変換・貯蔵利用設備につ
いて更に詳細に説明する。

（１）本発明は、夜間等電力需要の少ない時間帯の電力
を、昼間等電力需要の多い時間帯迄。

一旦電力を貯蔵する技術的手段として、夜間の電力で水
を電気分解し、生じた水素ガスと酸素ガスを、夫々高圧
ガスとして、あるいは。

低温の液体として貯蔵することにより、水の電気分解に
要した電力を、物質の形で貯蔵できることに着目したも
のである。

一方、夜間において貯蔵された酸素と水素は、電力需要
の高い昼間等に、需要の増減に応じて取出され、これを
燃焼することによって直接又は間接的に電気エネルギー
と熱エネルギーに変換することを可能にしたものである
。

即ち、この発明は、電気で水を水素と酸素に電気分解す
る時に必要なエネルギー（夜間に操作）と、生じた水素
と酸素が燃焼して再び水になる時に放出するエネルギー
（昼間に操作）が同一であるという原理に立脚したもの
である。

（２）高純度水素を、高純度酸素で燃焼させるとその火
焔温度は、極めて高いものとなる。本発明は、水素と酸
素による燃焼温度を実機として耐え得る温度迄緩和する
技術手段として。

燃焼器に水、又は水蒸気、あるいは水と水蒸気とを同時
に供給することにより燃焼温度を緩和させると同時に、
自からは高温の熱媒体として作用し、燃焼で生じた熱エ
ネルギーを損失することなく、熱回収部へ導くことが可
能である。

（３）燃焼器における酸素と水素の燃焼は理論当量であ
ることが望ましいが、このような燃焼を実現するのは、
事実上困難である。即ち。

燃焼後のガス中には、酸素もしくは水素のいずれか一方
が量論的に反応できず燃焼排ガス中に残る。水素が若干
残った場合には、燃焼器出口でおよそ８００°Ｃ以上の
高温状態となり。

又タービン出口においてもおよそ５００°Ｃ前後の温度
となるため、高温領域での水素による金属材料脆化の問
題が生じる。

一方、酸素が燃焼ガス中に存在すると、水蒸気が凝縮し
始める低温領域において、酸素が金属材料を腐食させる
問題が残される。そこで、上述の問題を解決する技術的
手段として。

（イ）　燃焼器では酸素を理論当量より過剰に供給し、
燃焼ガス中に夕景の酸素を残すことにより高温部での水
素脆化を防ぎ。

（ロ）　次に、燃焼ガスがタービンにより動力回収され
、タービンから排気された後１次の熱回収部で蒸気が凝
縮し始めるまでの間の適当な位置に、酸素を完全に燃焼
させるに必要な理論量以上の水素を導入し、燃焼反応を
起こさせ、酸素を容積で７　ｐｐｍ以下とすることによ
り、酸素による威食を防ぐ。

このように上記の（イ）及び（ロ）の手段を用いること
により、高温部での水素による脆化問題及び低温部での
酸素による腐食問題を解決することができる。

（４）本発明は熱媒体の基本を水（Ｈ２Ｏ）に求めたも
のであり、夜間、水を電気分解することで。

水を水素と酸素に一旦変換・貯蔵し、これを昼間に燃焼
させて水蒸気に変え、このときに生じた熱エネルギーを
電力及び冷暖房用熱源等として有効に回収する。それに
より水蒸気は凝縮し再び水となる。この水は昼間に生成
されるため、一旦貯蔵し、夜間に再び電気分解する工程
を繰返すため、水素と酸素からなる水は、完全な閉鎖系
の中に閉じ込められた形となっている。

従って運転中に系外へ排出される物質１例えば排水や排
気ガスがなく、且つ本設備への入力が電気のみであり、
−力出力が電気と冷暖房用等の熱源ということからみて
本設備を無公害設備とすることを可能としたものである
。

（５）夜間等電力需要の少ない時間帯の電力を用いて電
気分解された水素と酸素は、電力需要の高くなる昼間ま
で夫々に貯蔵されることになる。この貯蔵方法には、電
気分解手段で生成した酸素と水素は夫々に圧縮され、夫
々の高圧ガスタンクで貯蔵されるが、この時の貯蔵圧力
は昼間に使用される圧力より十分に高い圧力であること
が必要となる。このため。

燃焼器で酸素と水素を！！Ｓ焼するときの圧力を高くす
れば高くする程、高圧のガスタンクが必要となり実際的
ではなくなる恐れがある。

このような場合は、電気分解手段からの、酸素と水素と
を一旦液化して貯蔵することが可能である。液化貯蔵の
場合は、貯蔵時の圧力がはソ一定であることと、酸素と
水素が液体、であることから容易にポンプにより、必要
時に必要な圧力まで昇圧し、燃焼器Ｖｃで１例えば１５
０気圧等の高圧扁温の水蒸気？得ることができる。

このことにより、タービンの出力を容易に高めることが
できる一方、液体酸素と液体水素の温度は極めで低く９
例えば常圧で貯蔵した場合の温度は液体酸素が一１８８
°Ｃ９液僻水素が一２５３°Ｃ１この寒冷は夏期の冷房
用熱源トシて、あるいは、後述するフロンタービンのコ
ンデンサーの冷熱源等に有効利用することができる上、
更に液化したことにょる貯蔵タンクの容量を、ガスタン
クに比べ格段の比で小型化できる。

（６）夜間に貯蔵された水素と酸素は昼間に燃焼器によ
って高温の水蒸気となりこのエネルギーとタービンで回
収し５発電機を駆動することにより電力を発生させるが
、この時の発電量は、タービンの入口圧力と温度及びタ
ービン個有の効率によって定まる性質のものである。一
般にこのようなシステムでは、タービンの排気温度は、
まだ十分に高いにもか＼わらず排気圧力が低下してしま
うことにより電力としての回収比率は必ずしも十分とは
云えない。このため９本発明の設備では、タービンの高
温排気を利用し、これを熱源として別の熱媒体９例えば
フロン（Ｒ−１１、Ｒ−１２等）を用いて、これを蒸発
、過熱し別に設けたフロンタービンで１発電機を廻転さ
せ爽に電力金得ることも可能である。

この場合フロンタービン系のフロンコンデンサー（凝縮
器）の冷却用の冷源の一部として、水素と酸素を液体で
貯蔵した場合はこれをフロンコンデンサーの最終寒冷源
として使用することにより、一層の出力増大を計ること
が可能となる。

（７）当該設備において、タービンと発電機からなる発
電設備の代りに、燃料電池１例えば燐酸電解質燃料電池
や溶融炭酸塩電解質燃料電池及び固体電解質型燃料電池
を使用することが可能である。

夜間に貯蔵された酸素と水素は、昼間に取り呂され、燃
焼器で燃焼することなく、酸素と水素を直接燃料電池に
供給することにより直接電力として回収できる利点があ
る。

燃料電池全使用した場合の電気エネルギーへの変換効率
が例えば４０％であると、残りの６０％は熱に変るので
、この熱を有効利用するだめ内部に生じた熱を外部１ｔ
Ｃ取り出し、これを冷・暖房用の熱源等として利用する
ことも可能である。

〔作用〕

１、水の電気分解装置 水の分子は、水素の原子と酸素１原子から構成されてい
る。本装置では、この水を水素と酸素に分解するために
電気分解装置を採用したものである。この分解に要した
電気エネルギーは物質という形で貯蔵できつる。

２、昇圧、貯蔵 水の電気分解装置には、常圧法と高圧法（例えば２０気
圧）があるが、これらの方法により電気分解発生した酸
素と水素は圧縮機にて少くとも５０気圧以上に昇圧され
６ガス体で貯蔵する方法と、又は電気分解装置からの水
素と酸素を冷却して常圧以上で、低温の液体として貯蔵
する方法があるが、いずれの方法も夜間等電力需要の少
ない時間帯の電力を利用して、昼間等の電力需要の増大
する時間帯まで貯蔵しておく作用を有する。

３、燃焼器 夜間に貯えられた水素と酸素は、昼間に取り出され燃焼
器にて燃焼することにより、燃焼熱として、夜間に水の
電気分解に要した電気エネルギーを取り出す作用を有す
る。

４、発電設備 燃焼器で生じた高温、高圧の水蒸気のもつ熱エネルギー
をタービンを介することによって発電機を廻転し、電気
エネルギーとして取り出す作用を有する。一方、このタ
ービンと発電機からなる発電装置に代えて、燃料電池に
よる発電設備によっても電気エネルギーを取り出すこと
ができる。

５、排熱利用 発電後の熱媒体、即ちタービンからの水蒸気あるいは燃
料電池からの熱水は、冷暖房用の熱源および給湯用の熱
源として又は他の熱媒体を用いて電力として回収する働
きをもつ。

６、復水貯蔵装置 昼間に生成した復水は、夜間に水の電気分解装置で使用
されるまで一旦この装置に保管される働きをもつ。

７０本発明の設備への入力となる電気エネルギーは、水
の分解エネルギーとして作用し、このエネルギーは水素
及び酸素という物質の形で保存されるのでエネルギーの
貯蔵が容易である。

８、　これらの物質は、任意の時、任意の量を燃焼させ
ることにより水蒸気の生成熱としてエネルギーの回収が
できる。

９、上記の作用により、夜間等電力需要の少ない時間帯
の電力を夜間に貯蔵し、昼間の電力や冷暖房および給湯
等の有効なエネルギーに変換することができる。

１０、酸素と水素による高温の燃焼反応を系外から他の
冷媒を使用することなく、閉鎖系内部にある循環媒体と
しての水もしくは水蒸気あるいはこの両方を利用するこ
とにより燃焼温度を緩和することができる。

１１、高温燃焼ガス中には酸素を残し、低温ガス中には
水素を残すことにより、装置材料の劣化に対する問題が
解決された。

〔実施例〕

実施例１ 第１図は、水の電気分解により発生した水素及び酸素を
気体の状態で貯蔵する場合の実施例の例示図である。第
１図において、水の電気分解装置１に供給された水は、
電気エネルギーにより水素及び酸素に電気分解される。

水蒸気回収装置２は電気分解装置１において生じだ熱エ
ネルギー及び電解槽より蒸発した水蒸気を回収する水蒸
気回収装置である。電気分解装置１で発生した水素は水
素圧縮装置４により加圧され。

熱交換器３により冷却された後に水素貯蔵装置５に貯蔵
される。一方水素と同時に電気分解装置１で発生した酸
素は同様にして、酸素圧縮装置７によって加圧され熱交
換器６により冷却された後に酸素貯蔵装置８にだくわえ
られる。燃焼器９で水素を酸素で燃焼させ、同時に燃焼
反応生成物として水蒸気を発生させる。燃焼後に水素が
残存すると高温部における装置の水素脆化を起こすため
燃焼器９人口で水素と酸素の容積比率は２対１以下の酸
素過剰状態に保たれる。

さらに燃焼器９内での急激な燃焼温度を緩和させるため
に燃焼器９に水又は水蒸気、あるいは水と水蒸気の混合
物を注入する。燃焼器９で発生した水蒸気はタービン１
０へ送られこれを駆動しタービン１０と直結された発電
機１１により電力を得る。タービン１０を出た低圧高温
の水蒸気は熱交換器２７へ導かれ、ここで燃焼器９への
高圧水蒸気を発生させる。一方燃焼器９に水蒸気を供給
しない場合熱交換器２７は復水器１２と共に他の熱源と
して利用される。熱交換器２７を出た低温水蒸気中には
燃焼時の未反応過剰酸素が存在している。水蒸気が復水
となった時に酸素が存在していると装置に腐食が起こる
ため過剰の水素をライン中に注入して残存酸素と反応さ
せる。その後水蒸気は復水器１２へ導かれ凝縮水となる
。過剰水素は復水器１２の後流の水素復水分離器２３で
分離された後、循環水素圧縮装置２６により加圧され燃
焼器９へ供給される。生じた復水の一部はポンプ１８に
よね昇圧され燃焼器９又は熱交換器２７あるいは両方へ
供給される。残りの復水はポンプ２８により昇圧され復
水貯蔵装置２５へ送られる。

第１図において温熱回収装置５０．６０は熱回収を行な
い、ここで回収された熱は例えば冷房や暖房および給湯
用の熱源として利用されるが。

特に熱回収装置６０については他の熱媒体を用いて電気
エネルギーに転換することもできる。

第１図においてＡの部分は主として夜間に運転され、Ｂ
の部分は主として昼間に運転されることを特徴とする。

第１図における主要点の流体番号ばΦから豪で示されて
おり、その操作条件組成を第１表に示す。

第１表　操作条件及び組成 注！二＊１は温度圧力における飽和水分を示す。

上記操作条件にて夜間８時間水の電気分解装置４−１万
閏の電力を供給した場合の水素・酸素生成量、及び貯蔵
した水素・酸素を昼間８時間燃焼器に供給した場合の発
電機１１で発生する電力を第２表に示す。発生電力には
温熱回収装置６０において、他の熱媒体を用いて電気エ
ネルギーに転換した場合の電力発生量は含まれない。

第２表　電気・熱エネルギー転換例 実施例２ 第２図は貯蔵方法が第１図と同一であるが。

燃焼器及びタービンと発電機からなる発電装置の代りに
燃料電池による発電装置を用いた実施例の例示図である
。第２図においてＡの部分は第１図のＡの部分と同一で
ある。図中Ｂの部分について説明を加える。

貯蔵された水素と酸素は常温加圧状態で２対１の容積比
率で燃料電池装置２９へ供給され、ここで電気エネルギ
ーに転換される。当該装置内で生じた水蒸気は凝縮し９
例えば８０〜１５０°Ｃの熱水として取出され熱交換器
２７で熱を回収した後ポンプ２８により復水貯蔵装置２
５へ送られる。

燃料電池装置２９における電気エネルギー転換時の熱ロ
スは燃料電池内を循環するガスにより熱交換器３３で熱
回収される。熱水は熱交換器３３出口で例えば５０’Ｃ
〜２００°Ｃとなり燃料電池装置２９に戻る。

第２図に示しだ実施例は水素と酸素の燃焼器を必要とせ
ず直接燃料電池で電力として取り出すことができること
を特徴とする。

実施例３ 第３図は電気分解した水素及び酸素を液体の状態で貯蔵
する実施例の例示図である。

水の電気分解装置１で発生した水素は水素圧縮装置４で
昇圧され熱交換器３で冷却されて水素エキスパンダ１５
に併給されて断熱膨張させた後水素液化装置１６によっ
て液化され１気圧。

−２５３°Ｃで水素貯蔵装置５へ送られる。酸素も同様
に酸素エキスパンダ２０及び酸素液化装置２２を用いて
液化し１気圧、−１８８°Ｃで酸素貯蔵装置８で貯えら
れる。液化された水素は水素ポンプ１８によって１８ｋ
ｇ／ｃｒＡＡｂｓに昇圧した後に水素気化装置１９によ
って気化され、４０°Ｃ気体水素となり燃焼器９に送ら
れる。一方液化された酸素は酸素ポンプ２３によって１
８気圧に昇圧した後に酸素気化装置２４によって気化さ
れ４０’Ｃ気体酸素となり燃焼器９へ供給される。

第３図の実施例では液体にて貯蔵することにより貯蔵装
置の小型化が計れると同時に夏期等。

冷熱回収装置６１にて容易に冷熱を回収できる一方、液
体貯蔵であるためポンプによる昇圧が可能となり燃焼器
による高圧（最大約１００気圧）の水蒸気発生を容易な
らしめるため相対的に電力発生比率が増大することを特
徴とする。

〔発明の効果〕

本発明の設備によれば次の効果を奏することができる。

（１）本設備は閉じた系から構成されており、系内を循
環する物質が水、水蒸気、水素および酸素であり、電気
と熱以外系外と出入りするものを無くしだことにより無
公害装置とすることができ、且つ、設備からの自然放熱
以外のエネルギーは全て回収が可能である。

従って、夜間等電力需要の少ない時間帯の電力を利用し
て水の電気分解手段を夜間運転し、貯蔵したエネルギー
をエネルギー回収手段で回収し需要の高い昼間に使うこ
とにより。

夜間の電力を昼間において有効に活用できるすぐれた特
長がある。

（２）実施例から明らかなように燃焼器に水又は水蒸気
、あるいは水と水蒸気を混合することで燃焼生成物の水
蒸気温度を約８００°Ｃに下げることにより、容易に装
置化することが可能である。

（３）本発明の設備では、高温での水素脆化及び水蒸気
が凝縮したときの酸素による装置属食をつぎの手段によ
り解決することができる。

すなわち、高温での水素脆化は、燃焼器を１〜５容積パ
ーセントの過剰酸素の状態で操作することにより１反応
後に残存する未反応の水素をなりシ、それによって解決
する。

また、水蒸気凝縮時の酸素による腐食は。

電気・熱エネルギー回収後の低温水蒸気（約２００°Ｃ
）には上記過剰酸素が含まれている。

この酸素を反応させるために理論燃焼量以上の水素をラ
イン注入（１〜５％過剰率）して。

未反応の酸素をなくすことによって解決する。

このような手段を採用することにより装置材料は安価な
ものを選択でき、建設費を低減することができる。

（４）低温レベル（約２００°Ｃ以下）まで電気・熱エ
ネルギーとして回収された後の水蒸気は従来冷却水等を
用いて冷却凝縮されてきたが。

低温でも蒸発凝縮が容易な他の熱媒体（Ｒ−１１゜几−
１２等）を用いて９発電を行なうことにより、凝縮熱を
電気エネルギーとして有効利用を計ることができる。

（５）水の電気分解により生成した水素・酸素を気体に
て貯蔵する場合は、液化装置を必要とせず、常温にて貯
蔵できるので保冷対策を必要としない。

液体にて貯蔵する場合は貯蔵装置が小型化でき大容量の
貯蔵に適している。

（６）燃焼器及びタービンと発電機からなる発電装置を
使用した場合は、電気エネルギーと共に中低温の水蒸気
を冷暖房用の熱源に利用し得る等８本発明による設備の
利用地域の需要に応じた形で電気エネルギーと熱エネル
ギーの割合を変えることができる。

（７）燃料電池による発電装置を使用する場合は。

燃焼器及び高温のタービンが少なくなり、運転・保守が
容易である。

（８）　　タービンと発電機からなる発電装置の代りに
、燃料電池による発電設備を設けた場合。

高温の燃焼器やそれに続くタービン等の回転機械を使用
する必要がなくなることにより。

騒音の発生を防ぐことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、水素と酸素を気体として貯蔵し。 燃焼器とタービン及び発電機からなる発電装置を用いた
実施例１の例示図、第２図は、水素と酸素を気体として
貯蔵し、燃料電池による発電装置を用いた実施例２の例
示図、第３図は水素と酸素を液体として貯蔵する実施例
３の例示図である。 １・・・電気分解装置、５・・・水素貯蔵装置、８・・
・酸素貯蔵装置、９・・・燃焼器、１０・・・タービン
。 １１・・・発電機、１２・・・復水器、１５・・・水素
エキスパンダ、１６・・・水素液化装置、１９・・・水
素気化装置。 ２０・・・酸素エキスパンダ、２２・・・酸素液化装置
。 ２４・・・酸素気化装置、２５・・・復水貯蔵装置、２
９・・・燃料亀池装ｂ１

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 電気エネルギーにより水を電気分解する電気分解手段と
   、該電気分解手段から発生する水素及び酸素を夫々貯蔵
   する貯蔵手段と、該貯蔵手段からの水素を、酸素により
   燃焼させ、熱及び又は電気エネルギーを発生、回収する
   エネルギー回収手段と、該エネルギー回収手段から導か
   れる水を前記電気分解手段に循環する手段とにより構成
   されたことを特徴とする電気エネルギー変換・貯蔵利用
   設備。