(57)【要約】【課題】常に風の吹く場所で風力発電を行って安定した水素の製造が行えるようにして、所望の水素の供給が可能となる水素供給システムを提供することを目的とする。【解決手段】水素供給システムは、風力発電システム11aと、風力発電システム11aで得られた電力で水を電気分解して水素を生成する水素製造装置12と、水素製造装置12で得られた水素を貯留するタンク15とを備える水素製造船1と、水素製造船1で製造した水素を陸上に輸送する輸送手段であるタンカー18とを有する。風力発電システム11aは超電導発電機3を用い、水素製造装置12で得られた水素を液化して、超電導発電機3を冷却する。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
風力発電システムと、風力発電システムで得られた電力で水を電気分解して水素を生成する水素製造装置と、水素製造装置で得られた水素を貯留するタンクとを備える水素製造船と、水素製造船で製造した水素を陸上に輸送する輸送手段とを有することを特徴とする水素供給システム。
【請求項２】
水素製造装置で製造した気体水素を液化する液化装置を備え、
風力発電システムは、超電導発電機を備え、
液化装置で液化された液体水素を用いて超電導発電機を冷却する冷却機構を備えることを特徴とする請求項１に記載の水素供給システム。
【請求項３】
風力発電システムは、ブレードと、ブレードの回転で駆動する発電機と、ブレードが頂部に取り付けられる支柱とを備える風車を船上に搭載して構成され、風を受けてブレードが回転することにより発電機で発電を行うことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の水素供給システム。
【請求項４】
風力発電システムは、船に取り付けられる帆とスクリューと発電機とを備え、スクリューを水中に配置させて発電機に回転可能に接続し、帆で風を受けて船を走らせることにより、スクリューを回転させて発電機で発電することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の水素供給システム。
【請求項５】
風力発電システムは、船に取り付けられる帆と、船の底面に取り付けられる貫通した筒状ダクトと、ダクトの外周に配置される超電導コイルと、ダクト内に配置される長尺な電極とを備え、
帆で風を受けて船を走らせるとともに、超電導コイルで磁界を発生させることにより、ダクト内に水を流通させて、ダクト内の水を介して電極に電流を流して発電することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の水素供給システム。
【請求項６】
水素製造装置で製造した気体水素を液化する液化装置と、
液化装置で液化された液体水素を用いて超電導コイルを冷却する冷却機構を備えることを特徴とする請求項５に記載の水素供給システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風力発電を利用して、水素を製造する水素供給システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
水素は、水を分解して得られることから、一般に液体水素ステーション、液体水素プラントなどの液体水素供給箇所の多くは、海水を利用して水素を製造するために海に近い場所に建設される。
【０００３】
そして、水を水素と酸素に分解する装置を駆動させる電力として、火力発電所などで得られる商用電源を用いたり、風車型の風力発電装置を用いたりしている。風車型の風力発電装置は、支柱の上部に取り付けられるブレードと、このブレードの回転で駆動する発電機とを備える。風力発電装置を用いて水素を製造する技術は、特許文献１に記載されている。
【０００４】
【特許文献１】特開2001-304091号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、陸地、特に、日本では、常に風が吹いている地域は少ないので、水素を製造する工場の設置箇所は限られ、大量の水素を供給することが難しい。さらに、風力発電のみで水素を製造しようとすると、風が吹かない場合には電力が得られないので、安定した水素供給量が得られないという不具合もある。また、陸地の場合、常に強い風が吹く場所は、僻地が多いので、このような僻地で水素を製造した場合、水素を輸送することが難しい。
【０００６】
また、海岸近くの海上に風力発電装置を設置し、陸地に水素製造工場を設置して、海上の風力発電装置で得られた電力を海底ケーブルを介して水素製造工場に供給することも考えられるが、風力発電装置の建設作業が海上工事となり、設置費用が高くなるという不具合が生じるし、景観も悪くなる。
【０００７】
従って、本発明は、常に風の吹く場所で風力発電を行って安定した水素の製造が行えるようにして、所望の水素の供給が可能となる水素供給システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の水素供給システムは、風力発電システムと、風力発電システムで得られた電力で水を電気分解して水素を生成する水素製造装置と、水素製造装置で得られた水素を貯留するタンクとを備える水素製造船と、水素製造船で製造した水素を陸上に輸送する輸送手段とを有することを特徴とする。
【０００９】
風力発電システムとしては、発電機を備える風車や、スクリューを備える帆船、超電導推進船の技術を利用した超電導磁石を備える帆船などが挙げられる。
【００１０】
風力発電システムで発電した電力は、水素製造装置に用いるだけでなく、気体水素を液化する液化装置を備える場合にはこの液化装置、海水を淡水化する淡水装置を備える場合には淡水装置、その他、船に装備される電気機器に供給することもできる。さらに、二次電池を備える場合には、二次電池に蓄電しておき、二次電池から前記した各機器に適宜電力を供給することもできる。
【００１１】
水素製造装置で水素を製造する際に海水を用いる場合には、海水から塩分を取り除くために、海水を淡水化する淡水装置を備えることが好ましい。さらに、水素製造装置で製造された水素は、気体のままタンクに貯蔵してもよいし、液化した液体水素としてタンクに貯蔵してもよい。なお、水素は、高圧状態でタンクに貯蔵させるようにしてもよい。さらに、液体水素をタンクに貯蔵する場合には、タンクを冷却する冷却装置が必要となる。タンクに貯蔵された水素は、水素製造船をそのまま輸送手段として用いて、陸地まで輸送してもよいし、タンクに貯留されている水素をタンカーで回収して、このタンカーで水素を陸地まで輸送するようにしてもよい。
【００１２】
そして、水素製造装置で得られた水素は、船に燃料電池を搭載する場合には、その一部を燃料電池に使用してもよい。液体水素を燃料電池に用いる場合には、この燃料電池で発電される電力を船に装備されている各電気機器や各装置を駆動させるための電力として利用することができる。
【００１３】
本発明の水素供給システムでは、複数の水素製造船で船団を組み、これら船を貿易風地帯に配置させる。このように貿易風地帯に水素製造船を配置させることにより、安定した風が得られるので、安定した発電が行え、安定した水素の製造が行える。
【００１４】
そして、水素の輸送手段としてタンカーを用いる場合には、タンカーに予め二酸化炭素を貯留して水素製造船まで移動し、タンカーに水素を回収する際、貯留している二酸化炭素に水素を反応させて、安定性の良いメタンに変化させた状態で陸地まで輸送することもできる。
【００１５】
なお、水素製造船は、安全性を考慮して、精密な天気予報に基づいて、嵐を避けながら移動させるようにする。さらに、貿易風地帯は、人類の公共財産であるため、航行、発電の権利を適切な競争入札で決定することが好ましい。
【００１６】
また、風力発電システムが超電導発電機や超電導磁石を備える場合には、これらの機器を冷却する必要がある。そこで、本発明では、超電導機器を備える場合には、水素製造装置で得られた気体水素を液化する液化装置と、超電導機器を冷却するための冷却機構を備えるようにすることが好ましい。冷却機構は、液化装置から超電導機器に液体水素を供給して超電導機器を冷却し、冷却後の水素を液化装置に回収する冷媒循環機構で構成することができる。なお、超電導機器を冷却する液体水素を冷媒循環機構の循環路を循環させるためにはポンプが必要となる。ポンプを駆動させるためには、電力が必要となるが、本発明では、ポンプを駆動させるためにも超電導発電機で発電した電力をそのまま用いることができる。
【００１７】
風力発電システムに超電導発電機を用いる場合には、超電導発電機は、小型な発電機でありながら、大きな電力を得ることができる。超電導発電機としては、例えば、ブレードの回転軸に連結される回転体と、回転体の周りに配設される電機子コイルと、この電機子コイルの外周に配置される磁気シールドと、回転体の内部中心に液体水素が充填される冷却室と、この冷却室の外周囲に配置される超電導磁界コイルとを備えるものが挙げられる。
【００１８】
このように、風力発電に用いる発電機として超電導発電機を用いることにより、通常の超電導(磁界)コイルを用いない発電機と比較して小型で軽量でありながら、発電効率が非常に良くなる。
【００１９】
さらに、風力発電システムは、ブレードと、ブレードの回転で駆動する発電機と、ブレードが頂部に取り付けられる支柱とを備える風車を船体上に搭載して構成することができる。風車による風力発電システムの場合、風を受けてブレードが回転することにより発電機で発電が行われる。
【００２０】
ところで、船上に風車が設置されるため、風車を用いて発電すると同時に多少の推力が発生する。水素製造船は、この推力や波の影響で移動しようとするため、本発明では、シーアンカーを流すなど、移動方向に対して大きな抵抗を与えて、指定海域にできるだけ留まれるようにすることが好ましい。そして、指定海域から外れた場合には、発電を一旦中止して、シーアンカーを引き上げて、自力航行して指定海域に戻るようにする。
【００２１】
また、シーアンカーを用いない場合には、水中でスクリューを回して一定海域に留まりながら風力発電を行うようにしてもよい。このように、対水速度をゼロとすれば、造波抵抗によるエネルギーロスはほぼ無い。
【００２２】
また、風力発電システムは、船に配置される帆とスクリューと発電機とを備える構成とすることもできる。この構成の場合、スクリューを水中に配置させて発電機に回転可能に接続し、帆で風を受けて船体を走らせることにより、スクリューを回転させて発電機で発電を行う。
【００２３】
水素製造船を帆船とする場合、帆船は、風上に向かっても帆走できるので、ジグザグに帆走すれば、結果として同じ海域内で帆走し続けることができる。その結果、帆船でありながら常に発電が行える。ところで、帆走する場合には、造波抵抗によるエネルギーロスが生じる。造波抵抗によるエネルギーロスは、速度の２〜３乗に比例して大きくなるため、高速になるとエネルギーロスがかなり大きくなり、折角得た風力エネルギーが造波エネルギーとして消費されてしまう。そこで、帆船による風力発電を行う場合には、帆船を低速で帆走させることが好ましい。
【００２４】
また、風力発電システムは、船に取り付けられる帆と、船の底面に取り付けられる貫通した筒状ダクトと、ダクトの外周に配置される超電導コイルと、ダクト内に配置される長尺な電極とを備える構成とすることができる。この構成は、超電導推進船の原理を逆にとらえて、電磁流体力学を利用した発電を行う。
【００２５】
この構成の風力発電システムによれば、帆で風を受けて船を走らせるとともに、超電導コイルを励磁して磁界を発生させることにより、ダクト内に水が流通すると、この水の流れで、ダクト内の水を介して電極に電流が流れて発電が行える。理論上、発電機とモータとは、表裏一体であるため、同じく超電導推進船においても船を走らせる推進部は、超電導推進船を風力で走らせれば発電機となる。
【００２６】
また、帆船を利用した風力発電を行う場合には、風向き、波の方向、造波抵抗などを勘案し、最適な帆の角度を設定する。そして、帆走方向を決定して発電するには、コンピュータ制御を行って、最大の電力が得られるように最適化することが好ましい。
【００２７】
超電導推進船の技術を利用した風力発電を行う場合には、水素製造装置で製造した気体水素を液化する液化装置と、液体水素で超電導コイルを冷却する冷却機構を備えるようにすることが好ましい。この場合も、液体水素を液化装置と超電導コイルとの間で循環させる冷媒循環機構を用いて冷却機構を構成することができる。
【発明の効果】
【００２８】
本発明の水素供給システムによれば、水素製造船は、風のある広い海域を航行して、常に風のある場所に移動できるので、常に安定した風力発電を行え、常に安定した水素の製造が行える。その結果、風力エネルギーを形態安定性の良い水素に変換して貯蔵できるので、安定したエネルギー供給が可能となる。
【００２９】
水素の輸送は、海上を航行する船で行うことにより、大量輸送が可能となり、輸送効率が良くなる。
【００３０】
さらに、風力発電システムに超電導発電機や超電導磁石を用いた場合には、水素製造装置で製造した水素を液化することにより、これら超電導機器の冷却に液体水素を用いることができる。さらに、液体水素としてタンクに貯蔵し、かつ、陸地に輸送することにより、この液体水素を電気自動車などの燃料として使用することができる。
【００３１】
風力発電システムに超電導発電機を用いることにより、電気エネルギーの生成効率を良くすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
＜第１実施形態＞
以下、本発明の水素供給システムの第１実施形態について図１および図２に基づいて説明する。
【００３３】
本実施形態の水素供給システムは、水素製造船1と輸送手段であるタンカー18とを有する。そして、図1,2に示すように、水素製造船1には、複数台の風車10で構成される風力発電システム11aを搭載している。さらに、本発明の水素供給システムの水素製造船1には、図２に示すように、船1に、風車10だけでなく、水素製造装置12、気体水素を液化する液化装置13、海水を淡水化する淡水装置14、水素が貯留されるタンク15、二次電池16、燃料電池17が搭載されている。
【００３４】
本実施形態の水素供給システムでは、水素製造装置12で製造された水素をタンク15に貯留していき、この製造された水素を輸送手段であるタンカー18に回収し、このタンカー18で水素を陸地まで輸送するようになっている。
【００３５】
前記風力発電システム11aは、ブレード2、ブレード2が回転可能に取り付けられる超電導発電機3、超電導発電機3が収納されるナセル4、ナセル4が頂部に取り付けられる支柱5を備える風車10で構成され、超電導発電機3と液化装置13とを循環する冷媒循環機構6(冷却機構)を備える。風力発電システム11aは、ブレード2が風を受けて回転することにより超電導発電機3で発電が行なわれる。
【００３６】
超電導発電機3は図2に示すように、ブレード2の回転軸21に連結される回転体31と、回転体31の周りに配設される電機子コイル32と、この電機子コイル32の外周に配置される磁気シールド33とを備える。さらに、回転体31の内部中心に液冷媒（液体水素）が充填される冷却室34を設け、その冷却室34の外周囲に超電導磁界コイル35を配置させている。
【００３７】
本実施形態では、超電導発電機3で発電した電力は、水素製造装置12、液化装置13、淡水装置14、冷媒循環機構6のポンプ61を駆動するために用いたり、二次電池16に蓄電したりする。さらに、二次電池16に蓄電した電力も、前記した各装置と超電導発電機3を駆動するために用いる。二次電池16としては、リチウムイオン電池、レドックスフロー電池、鉛蓄電池などが挙げられる。
【００３８】
水素製造装置12は、風力発電システム11aで得られた電力で水を電気分解して水素を製造するようになっている。液化装置13は、水素製造装置12で製造された気体水素を液化する。水素製造装置12で水を電気分解するには、海水のままでは塩分を含むので、海水から塩分を取り除く作業を行う必要がある。本実施形態では、淡水装置14で、汲み上げられた海水から塩分を取り除いて淡水化する。なお、水素製造装置12、液化装置13、淡水装置14は、市販されている装置を用いている。
【００３９】
タンク15には、液化装置13で液化された液体水素が貯留される。タンク15に貯留した液体水素は、タンカー18に回収され、タンカー18で陸地に設置される水素ステーションなどの水素供給箇所に輸送する。また、タンク15に貯留した液体水素の一部は、船に搭載される燃料電池17にも供給する。燃料電池17で発生した電力も船に搭載される各電気機器や装置を駆動させるために用いる。
【００４０】
本実施形態では、液化装置13で液化された液体水素の一部を利用して超電導発電機3の超電導磁界コイル35を冷却し、超電導磁界コイル35の超電導状態を維持するようにしている。即ち、液体水素が冷媒循環機構6により液化装置13から超電導発電機3に送られ、超電導発電機3の超電導磁界コイル35が液体水素で冷却される。
【００４１】
冷媒循環機構6は、具体的には、超電導発電機3に設ける冷却室34と液化装置13とを連通する往路配管62と復路配管63を備えると共に、往路配管62に設けるポンプ61を備えている。本実施形態では、このポンプ61の駆動により、液化装置13で液化された液体水素を往路配管62から超電導発電機3の冷却室34に供給して超電導磁界コイル35を冷却し、復路配管63から液化装置13に戻すようになっている。なお、液化装置13は、水素製造装置12で製造された水素ガスを液化するだけでなく、超電導発電機3を冷却したときに気化した水素ガスも液化する。
【００４２】
本実施形態では、風力発電システム11aを構成する発電機に超電導発電機3を用いているので、風力発電装置全体を軽量・小型化できながら発電効率も良くすることができる。しかも、超電導発電機3で発電した電力を利用して、気体水素の製造、気体水素の液化、海水の淡水化を行えるので、発電した電力が無駄となることなく、有効に活用できる。しかも、風力エネルギーを電気エネルギーに変換したのち、さらに、電気エネルギーに比べて形態安定性の良い水素に変換するので、エネルギーの無駄がさらに無くなる。
【００４３】
このように、第１実施形態では、軽量・小型で発電効率の良い風力発電システムで発電された電力を、需要者側に供給するだけでなく、水素ガスおよび液体水素を製造するためにも用いることができる。
【００４４】
本実施形態の水素供給システムでは、複数の水素製造船1で船団を組み、これら船を貿易風地帯に配置させる。このように貿易風地帯に水素製造船1を配置させることにより、安定した風が得られるので、安定した発電が行え、安定した水素の製造が行える。
【００４５】
そして、タンク15に貯留されている水素は、タンカー18で回収し、このタンカー18で水素を陸地まで輸送する。
【００４６】
＜第２実施形態＞
次に、本発明の水素供給システムの第２実施形態について図３および図４に基づいて説明する。第２実施形態の水素供給システムは、第１実施形態とは風力発電システムの構成のみが異なる。
【００４７】
第２実施形態は図３に示すように、水素製造船1が帆7を有する帆船で構成される。さらに、第２実施形態の水素供給システムは、図４に示すように、船1に、スクリュー8、超電導発電機3、水素製造装置12、気体水素を液化する液化装置13、海水を淡水化する淡水装置14、水素が貯留されるタンク15、二次電池16、燃料電池17が搭載されている。また、船1は、超電導発電機3と液化装置13との間で液体水素を循環させる冷媒循環機構6も備える。
【００４８】
本実施形態では、超電導発電機3、水素製造装置12、液化装置13、淡水装置14、タンク15、二次電池16、燃料電池17、冷媒循環機構6の構成は、第１実施形態と同じであるので、同符号で示す部材については説明を省略する。
【００４９】
第２実施形態では、風力発電システム11bは、帆7とスクリュー8と超電導発電機3とにより構成されている。さらに、スクリュー8は、水中に配置させ、スクリュー8の回転軸81を超電導発電機3に回転可能に接続している。超電導発電機3は、第１実施形態と同じものを使用している。また、この超電導発電機3は、ナセル4(図2)の代わりにケース36に収納している。そして、帆7で風を受けて船を走らせることにより、スクリュー8を回転させて超電導発電機3で発電するようになっている。
【００５０】
本実施形態も、超電導発電機3で発電した電力は、各装置の駆動に用いたり、二次電池16に蓄電するようになっている。二次電池16に蓄電される電力も各装置および超電導発電機3の駆動に用いる。
【００５１】
本実施形態の水素供給システムも、複数の水素製造船1で船団を組み、これら船を貿易風地帯の海域内で水素製造船1を搬送させる。本実施形態の水素供給システムでも安定した発電が行え、安定した水素の製造が行える。そして、タンク15に貯留されている水素は、タンカー18で回収し、このタンカー18で水素を陸地まで輸送する。
【００５２】
＜第３実施形態＞
次に、本発明の水素供給システムの第３実施形態について図３および図５に基づいて説明する。第３実施形態の水素供給システムは、第１実施形態、第２実施形態とは風力発電システムの構成のみが異なる。
【００５３】
第３実施形態は、図３に示すように、第２実施形態と同様に、水素製造船1が帆7を有する帆船で構成される。そして、第２実施形態の水素供給システムとは、風力発電システム11cの構成部分のうち次の部分で構成が異なる。即ち、図５に示すように、第３実施形態の風力発電システム11cは、帆7の他に、船1の底面に、貫通した筒状ダクト91と、ダクト91の外周に配置される超電導コイル92と、ダクト91内に配置される長尺な電極93とを備える。
【００５４】
筒状ダクト91はプラスチック製のものを使用する。そして、ダクト91の外周に超電導コイル92を配置し、この超電導コイル92を、ダクト91の両端開口部は塞がないように、ケース37で覆っている。このケース37内には、液体水素が液化装置13から冷媒循環機構6を介して供給される。
【００５５】
超電導コイル92は、励磁用電源94から電気を流すことにより励磁されて磁界が発生するようになっている。
【００５６】
ダクト91の内面側には、陽極となる長尺な電極と、陰極となる長尺な電極とがダクト91の長手方向に沿って配置されている。これら電極が接続されている導線95は、図示していないが水素製造装置などの各装置に接続されている。
【００５７】
なお、第３実施形態も、第１実施形態と同様に、水素製造装置、気体水素を液化する液化装置13、海水を淡水化する淡水装置、水素が貯留されるタンク、二次電池、燃料電池が搭載されている。なお、水素製造装置、淡水装置、タンク、二次電池、燃料電池は省略して図示していないが、電極93を流れる電流は、導線95を介して各装置に供給されて、第１実施形態と同様に海水から水素が製造される。また、超電導コイル92と液化装置13との間には液体水素を循環させる冷媒循環機構6を備える。
【００５８】
本実施形態では、液化装置13、冷媒循環機構6の構成は、第１実施形態と同じであるので、同符号で示す部材については説明を省略する。
【００５９】
第３実施形態の風力発電システム11cによれば、帆7で風を受けて船を走らせるとともに、超電導コイル92を励磁して磁界を発生させることにより、ダクト91内に水が流通すると、この水の流れで、ダクト91内の水を介して電極93に電流が流れて発電が行える。
【００６０】
本実施形態も、風力発電システム11cで発電した電力は、各電気機器および装置の駆動に用いたり、二次電池に蓄電するようになっている。二次電池に蓄電される電力も各装置および超電導発電機の駆動に用いる。
【００６１】
本実施形態の水素供給システムも、複数の水素製造船1で船団を組み、これら船を貿易風地帯の海域内で水素製造船1を搬送させる。本実施形態の水素供給システムでも安定した発電が行え、安定した水素の製造が行える。そして、タンクに貯留されている水素は、タンカーで回収し、このタンカーで水素を陸地まで輸送する。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
本発明の水素供給システムは、風が得られる陸地が少ない日本において適用する場合に好適である。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明水素供給システムの第1実施形態に係る水素製造船の全体を示す概略説明図である。
【図２】第１実施形態の水素供給システムの構成の概略を示す説明図である。
【図３】本発明水素供給システムの第２実施形態および第３実施形態に係る水素製造船の全体を示す概略説明図である。
【図４】第２実施形態の水素供給システムの構成の概略を示す説明図である。
【図５】第３実施形態の水素供給システムにおける風力発電システムの一部の構成を示す説明図である。
【符号の説明】
【００６４】
1  水素製造船
11a,11b,11c  風力発電システム
2  ブレード      21  回転軸
3  超電導発電機
31  回転体      32  電機子コイル      33  磁気シールド
34  冷却室      35  超電導磁界コイル
36,37  ケース
4  ナセル      5  支柱  
6  冷媒循環機構
61  ポンプ      62  往路配管      63  復路配管      
7  帆  
8  スクリュー
81  回転軸
91  筒状ダクト      92  超電導コイル      93  電極
94  励磁用電源      95  導線
12  水素製造装置      13  液化装置      14  淡水装置      15  タンク
16  二次電池      17  燃料電池      18  タンカー
【図１】
2006177264.tif 000003
【図２】
2006177264.tif 000004
【図３】
2006177264.tif 000005
【図４】
2006177264.tif 000006
【図５】
2006177264.tif 000007