JPS63159624A - 水素貯蔵合金を利用した発電方法及び装置 - 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】 〔技術分野〕 本発明は、水素貯蔵合金を利用した発電方法及び装置に
関するものである。

〔従来技術〕

従来、中低温レベルの熱源からガスタービンを用いて発
電するには、水、蒸気やフロンガスあるいは天然ガス等
の凝縮性熱媒体を加圧後、加熱により蒸発させた後、こ
の蒸気をガスタービンに導入してガスタービンを駆動さ
せた後、ガスタービンから排出された蒸気を冷却凝縮し
、次いでこの液状熱媒体を再度加熱し、加圧蒸気として
再びガスタービンに循環導入する方法が行われている。

しかしながら、このような方法では、ガスの沸点が一定
圧力のもとでは、一定温度のため排熱の入熱温度より、
沸点温度を相当低くとる必要があり、しかも、タービン
から排出された蒸気を効率よく凝縮させるために、凝縮
温度を冷却温度より相当高くする必要がある。従って、
加熱温度と冷却温度との温度差を相当に大きく（通常１
００℃以上）する必要があり、実際上１５０℃以下の中
低温度レベルの熱源及び１０〜３０℃程度の冷却源を用
いてガスタービンを駆動させることは熱効率が悪く、設
備費がかさむため困難であった。

〔目　　　的〕

本発明は、中低温レベルの熱源を用いて効率よくガスタ
ービンを駆動させて発電を行うことのできる発電方法及
び装置を提供することを目的とする。

〔構　　成〕

本発明の第１の発明によれば、水素を吸蔵した水素貯蔵
合金を加熱する工程と、吸蔵水素を放出した水素貯蔵合
金を冷却する工程とを同時に行うと共に、該加熱工程の
水素貯蔵合金から放出された水素を発電機を連結したガ
スタービンに導入して該ガスタービンを駆動させた後、
該冷却工程の水素貯蔵合金に吸蔵させることを特徴とす
る水素貯蔵合金を利用した発電方法が提供される。

本発明の第２の発明によれば、高圧水素導入口と低圧水
素導排出口を備えたガスタービンと該ガスタービンに連
結する発電機と備えたガスタービン装置系と、水素貯蔵
合金を収容させた複数の容器と、該容器内の水素貯蔵合
金を加熱又は冷却する熱交換器と、該容器に弁を介して
連結された高圧水素ラインと、該容器に弁を介して連結
された低圧水素ラインを備えた水素供給及び水素回収装
置系とからなる発電装置が提供される。

次に、本発明を図面により説明する。第１図は、本発明
の発電方法を実施するための原理を示す装置系統図であ
る。第１図において、１は水素を吸蔵した水素貯蔵合金
Ｍ１の入った容器、２は吸蔵水素を放出した水素貯蔵合
金Ｍ２の入った容器、３はガスタービン、４は回転軸１
６でガスタービンに連結する発電機を示す。

第１図に示した装置系において、３方弁１２及び１３を
閉じるとともに、ライン５を通して高温の熱媒体を容器
ｌ内に導入して水素貯蔵合金島を間接加熱し、同時にラ
イン６を通して低温の熱媒体を容器２に導入して水素貯
蔵合金Ｍ２を間接冷却する。

水素貯蔵合金Ｍ１の加熱により、それに吸蔵されていた
水素が放出され、容器１及びライン８．９内には、温度
Ｔ１及び圧力Ｐ８の水素が充満される０次に、３方弁１
２をライン８とライン１４とが連結するように、また３
方弁１３をライン１５とライン１１とが連結するように
それぞれ開く。その結果、温度Ｔユ及び圧力Ｐ１の水素
はガスタービン３に導入され、ここでガスタービン３及
びそれに連結された発電機４を駆動させた後、ライン１
１を通って容器２に入り、ここで温度Ｔ２、圧力Ｐ２の
条件で水素貯蔵合金Ｍ２に吸蔵される。この場合、ｐｌ
＞ｐ、、ｒ、：＞ｒ、の関係にあり、この関係は水素貯
蔵合金Ｈ１が加熱により水素を放出し、また水素貯蔵合
金Ｍ２が冷却により水素を吸蔵する間維持される。従っ
て、容器ｌと容器２との間には水素に関して圧力差が生
じ、この水素圧差によってガスタービン３は駆動され、
発電を得ることができる。

次に、水素貯蔵合金Ｎ０からの水素の放出が終った後、
３方弁１２及び１３を閉じるとともに、逆に。

ライン６を通して高温の熱媒体を容器２に導入して水素
貯蔵合金阿２を間接加熱し、同時にライン５を通して低
温の熱媒体を容器１に導入して水素貯蔵合金Ｍ１を間接
冷却する。水素貯蔵合金阿、は、その加熱により吸蔵し
ていた水素を放出し、容器２及びライン１０，１１内に
は温度１２′、圧力Ｐ２′の水素が充満される。次に、
３方弁１２をライン１０とライン１４とが連結するよう
に、また３方弁１３をライン１５とライン９とが連結す
るようにそれぞれ開く。その結果、温度Ｔ２Ｚ、圧力２
２′の水素はガスタービン３に導入され、ここでガスタ
ービン３及びそれに連結された発電機４を駆動させた後
、ライン９を通って容器１に入り、ここで温度１１′、
圧力Ｐ工′の条件で水素貯蔵合金Ｍ１に吸蔵される。こ
の場合、２２′〉Ｐ１′、Ｔ２′〉丁、′の関係にあり
、ガスタービン３は、この水素圧力差によって駆動され
る。

前記のような操作を繰返し行うことによってガスタービ
ン３を駆動させ、発電を得ることができる。

なお、前記発電装置系においては、ガスタービンの熱効
率は水素の入口温度と出口温度により決まることから、
ライン１４を通る水素を加熱してより高い温度でガスタ
ービン３に導入することによって、ガスタービンの熱効
率を高めることができる。

第１図に示した発電装置系は、本発明の発電原理を示す
もので、平準化された発電を連続的に得ることができな
いが、水素貯蔵合金の入った多数の容器を組合せること
により、平準化された発電を連続的に得ることができる
。その例を第２図に示す。

第２図（ａ）は、ガスタービン装置系統図を示す。

第２図（ａ）において、２０はガスタービン（水素ター
ビン）、２１は発電機、２２はスーパーヒータ、２３は
リヒータ、２６は制御装置を各示す。

第２図（ｂ）は水素放出及び水素吸蔵を行う水素供給及
び水素回収装置系統図を示す、第２図（ｂ）において、
Ａ、Ｂ、Ｃ，Ｄ、Ｅ及びＦは、水素貯蔵合金Ｍａ＝Ｍｆ
　（図示されず）がそれぞれ収容されている容器であり
、またこの容器Ａ−Ｆには熱交換器ａ−ｆがそれぞれ配
置されている。また、ライン１２０は低温熱媒体導入ラ
イン、ライン１３０は高温熱媒体導入ライン、ライン１
５０は高圧水素ライン、ライン１４０は低圧水素ライン
を各示す。

第２図に示した装置系において、先ず、水素の放出及び
吸蔵工程について詳述する（第２図（ｂ））。

第２図（ｂ）の装置系は、水素放出及び水素吸蔵が連続
的に行われるように、所定時間間隔を置いて、各容器を
、予熱、第１水素放出、第２水素放出、予冷、第１水素
吸蔵、第２水素吸蔵の６エ程を順次繰返し行わせるよう
にしたものである。今、容器Ｃで予熱、容器Ｂで第１水
素放出、容器Ａで第２水素放出、容器Ｆで予冷、容器Ｅ
で第１水素吸蔵、容器りで第２水素吸蔵の各工程を行わ
せるとすると、この場合、各弁の開閉を次の通り行う。

〔第１回の弁の開閉操作〕 開放カベ８０．７１．７２．８５、１０６．７４．７５
．１１．１．４０．４１．５３．５４゜ 閉鎖弁：前記開放弁以外の全て。

即ち、前記の如き弁の開閉操作を行うことにより、ライ
ン１３０からの高温熱媒体は、容器Ａ、容器Ｂ及び容器
Ｃを順次流通した後、ライン１３２から系外へ排出され
、一方、ライン１２０からの低温熱媒体は、容器Ｄ、容
器Ｅ及び容器Ｆを順次流通した後。

ライン１２２から系外へ排出される。また、容器Ａ及び
容器Ｂでは水素貯蔵合金からの水素の放出が行われるが
、この放出水素は、高圧水素ライン１５０を通って、第
２図（ａ）に示す高圧水素ライン１５０を通ってタービ
ン装置系に送られる。一方、容器り及び容器Ｅでは水素
貯蔵合金による低圧水素の吸蔵が行われるが、この場合
の低圧水素は、第１図（８）の低圧水素ライン１４０か
ら供給され、第１２図（ｂ）の低圧水素ライン１４０を
通って容器り及び容器Ｅに導入される。

前記のようにして一定時間水素放出及び水素吸蔵操作を
続けると、容器Ａにおける水素貯蔵合金からの水素放出
が実質上終了すると共に、容器りにおける水素貯蔵合金
による水素吸蔵が実質上終了し、また、容器Ｃにおける
水素貯蔵合金の予熱及び容器Ｆにおける水素貯蔵合金の
予冷が終了する。一方、容器口における水素貯蔵合金は
未だ水素放出能を有し、容器Ｅにおける水素貯蔵合金は
未だ水素吸蔵能を有する。

前記の状態に達すると１次のように弁の開閉操作を行う
。

〔第２回の弁の開閉操作〕 開放弁：８２．７２．７３．８７．１０８．７５．７０
．１０１．４１．４２．５４．５５゜ 閉鎖弁：前記以外の全ての弁。

即ち、前記の如き弁の開閉操作を行うことにより、ライ
ン１３０からの高温熱媒体はライン１３１経由で、容器
Ｂ、容器Ｃ及び容器りを順次流通し、一方、ライン１２
０、ライン１２１経山からの低温熱媒体は、容器Ｅ、容
器Ｆ及び容器Ａを順次流通し、容器Ａで予冷、容器Ｂで
第２水素放出、容器Ｃで第１水素放出、容器りで予熱、
容器Ｅで第２水素吸蔵、容器Ｆで第１水素吸蔵が行われ
るようになる。そして、前記の弁の開閉操作の間におい
ても、弁の開閉操作前の第１水素放出を行っていた容器
Ｂの水素貯蔵合金からの水素放出及び同じく第１水素吸
蔵を行っていた容器Ｅの水素貯蔵合金による水素吸蔵は
それぞれ継続して行われることから、高圧水素ライン１
５０を通してのガスタービン装置系への高圧水素供給及
び低圧水素ライン１４０を通してのガスタービン装置系
からの低圧水素の回収は連続的に行われる。

第２図（ｂ）に示した如き水素供給及び水素回収装置系
において、前記のような弁の開閉操作を順次繰返し行う
ことにより、第２１Ｉｌ（ａ）に示したガスタービン装
置系に必要な高圧水素供給と、ガスタービン装置系から
の低圧水素回収を連続的に行うことができ、これによっ
て発電機からは平準化された電力を連続的に得ることが
できる。

また、第２図（ｂ）において示した弁６０．６１．６２
．６３．６４及び６５は、必ずしも必要とはされるもの
ではないが、予熱過程に入る直前の容器と予冷過程に入
る直前の容器とを連絡し、両容器内の水素圧力を均圧化
するために設けられたものである。このような両容器内
の水素圧力を均圧化するための弁操作は次の通りである
。

今、容器Ａにおいて第２水素放出が終了し、容器りにお
いて第２水素吸蔵が終了し、前者が次の予冷工程及び後
者が次の予熱工程に入る状態であるとすると、開放状態
にあった弁４０を閉にし、かつ同じく開放状態にあった
弁５３を閉じると共に、均圧弁６０及び６３を開放する
。このような弁操作により。

容器Ａと容器りは、他の容器とは独立して連絡し、容器
Ａに存在する残存高圧水素は低圧水素を含む容器０に流
入し、容器Ａ及び容器Ｂの水素圧は均圧化され中圧の水
素圧となる。このような条件に一定時間保持すると、容
器Ａでは中圧水素の放出が起り、容器りで中圧水素の吸
蔵が起り、その結果、この両容器の水素圧を均圧化しな
い場合に比して、容器Ａでの水素貯蔵合金の水素吸蔵量
はより小さくなり、一方、容器りでの水素吸蔵量はより
多くなり、単位重量当りの水素貯蔵合金による水素吸蔵
及び水素放出効率が高められ、効率的な水素供給及び水
素回収装置系が得られる。

また、前記両容器の均圧化工程の終了後、前記第１回弁
の開閉操作を行って、容器Ａを予冷、容器Ｂを第２水素
放出、容器Ｃを第１水素放出、容器りを予熱、容器Ｅを
第２水素吸蔵、容器Ｆを第１水素吸蔵の各状態にする。

以上の説明から、第２図（ｂ）に示した如き水素供給及
び水素回収装置系を用いることにより、第２図（ａ）に
示したガスタービン装置系に対し、高圧水素を連続的に
供給し、またこのガスタービン装置系から排出される低
圧水素を連続的に回収し得ることがわかる。

次に、第２図（ａ）に示されたガスタービン装置系につ
いて詳述すると、ライン１５０から供給された高圧水素
は、スーパーヒータ２２により加熱された後、弁２８及
び弁２９を通った後、多段膨張型ガスタービン２０に入
り、ここでタービン駆動力として使用された後、ライン
３２を通って抜出され、リヒータ２３で再加熱された後
、タービン２０に再導入され、水素タービン駆動力とし
て利用される。その後、低圧水素ライン１４０を通って
第２図（ｂ）の装置系に送られる。ガスタービン２０で
得られた動力は１回転軸２５を介して発電機２１に伝達
される。ガスタービン２０としては１通常、多段膨張型
のものが用いられる。この場合、第２図（ａ）に示すよ
うに、ガスタービン２０から排出された水素は、これを
ガスタービン２０に再導入する前にリヒータ２３により
加熱する。この加熱温度は高い程好ましい。リヒータｚ
３の加熱は、ライン３０及びライン３１を通る高温熱媒
体により行われる。

スーパーヒータ２２においても加熱温度は高い程好まし
く、高圧水素ライン１５０を通る水素温度よりも、高い
温度にするのがよい。スーパーヒータ２２の加熱は、ラ
イン３０を通る高温熱媒体により行われる。

第２図（ｂ）において、２６は調速調圧機構（Ｓ、Ｃ，
ＧＯＶ、）であり、２７は圧力検知調節器、２９は調速
調圧弁である。

第２図（ａ）及び（ｂ）に示した発電装置系において、
容器Ａ〜容器Ｆに収容させる水素貯蔵合金は、従来各種
のものが知られており、水素放出温度に対して種々の平
衡水素圧を示すものが数多（知られている。本発明で用
いるその具体的種類は、その加熱に利用される熱源温度
に応じて適当に選ばれる。

また、容器Ａ〜容器Ｆに収容させる水素貯蔵合金は。

通常は、同一のものが用いられる。

本発明の発電装置系は、低温熱源〜高温熱源に対して任
意に適用することができるが、殊に、従来、廃熱として
有効に利用されていない１５０℃以下の中低温熱源に対
して有利に適用することができる。

〔実施例〕

次に、低温熱源に対して第２図に示す本発明装置を適用
した場合の主要操作条件について示す。

水素貯蔵合金の種類　　　　　：希土類系（水素貯蔵合
金） 熱源温度（水素放出温度）　　　　：１１０〜９０℃冷
却温度（水素吸蔵温度）　　　　：３０−４５℃高圧水
素圧力（ライン１ｓｏ）　　　：１０気圧低圧水素圧力
（ライン１４０）　　　＝ｘ気圧スーパーヒータ温度（
水素温度）　：１４０℃リヒータ一温度（水素温度）　
　　：１３５℃水素循環量　　　　　　　　　＝１にｇ
／ｓ発　　　　電　　　　量　　　　　　　　：２３０
０ｋｗ【効　　果〕 本発明によれば、従来発電に供することのできなかった
低レベルの熱源を用いて効率的に発電を行うことができ
る上、従来の発電方式とは異なり、昇圧にポンプ動力が
不要であり、タービンから排出されるガスの凝縮器や凝
縮ガスの循環装置等が不要であるため１発電装置系は簡
単になり、かつ経済的である。

本発明は、化学工場やその他の生産工場で生成される低
レベルの廃熱や、地熱を利用して有利に発電を行うこと
ができ、その産業的意義は多大である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の発電源環を示す発電装置系統図である
。第２図は、本発明の実施例についての発電装置系統図
を示し、第２図（ａ）は、ガスタービン装置系、第２図
（ｂ）は、水素貯蔵合金を含む水供給及び水素回収装置
系を示す。 ３．２０・・・ガスタービン、　４．２１・・・発電機
。 ５、１３０・・・高温熱媒体ライン、６．１２０・・・
低温熱媒体ライン、１５０・・・高圧水素ライン、１４
０・・・低圧水素ライン、Ａ−Ｆ・・・水素貯蔵合金を
収容した容器、　ａ−ｆ・・・熱交換器。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）水素を吸蔵した水素貯蔵合金を加熱する工程と、
   吸蔵水素を放出した水素貯蔵合金を冷却する工程とを同
   時に行い、該加熱工程の水素貯蔵合金から放出された水
   素を発電機に連結したガスタービンに導入して該ガスタ
   ービンを駆動させた後、該冷却工程の水素貯蔵合金に吸
   蔵させることを特徴とする水素貯蔵合金を利用した発電
   方法。
2. （２）該ガスタービンに導入する水素を加熱する特許請
   求の範囲第１項の方法。
3. （３）高圧水素導入口と低圧水素導排出口を備えたガス
   タービンと該ガスタービンに連結する発電機を備えたガ
   スタービン装置系と、水素貯蔵合金を収容させた複数の
   容器と、該容器内の水素貯蔵合金を加熱又は冷却する熱
   交換器と、該容器に弁を介して連結された高圧水素ライ
   ンと、該容器に弁を介して連結された低圧水素ラインを
   備えた水素供給及び水素回収装置系とからなる発電装置
   。