(57)【要約】【課題】冷却媒体として液体水素を利用する超電導磁気エネルギー貯蔵装置において、エネルギー損失の増大を抑えるとともに、ボイルオフガスの発生を抑える技術を提供することを目的とする。【解決手段】超電導磁気エネルギー貯蔵装置１は、磁気エネルギーを貯蔵する超電導コイル２、超電導コイル２を収容するとともに液体水素を貯留する貯留槽４、及び、液体水素をオルト水素の多い状態に維持するオルト水素維持手段６，７，８を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超電導磁気エネルギー貯蔵装置であって、
磁気エネルギーを貯蔵する超電導コイルと、
前記超電導コイルを収容するとともに液体水素を貯留する貯留槽と、
前記液体水素をオルト水素の多い状態に維持するオルト水素維持手段と、を備える超電導磁気エネルギー貯蔵装置。
【請求項２】
前記オルト水素維持手段は、
前記貯留槽から前記液体水素を引き出して前記貯留槽に前記液体水素を戻すように構成されている循環装置と、
前記循環装置によって前記貯留槽から引き出された前記液体水素に磁場を印加するように構成されている磁場発生装置と、を有する、請求項１に記載の超電導エネルギー貯蔵装置。
【請求項３】
前記磁場発生装置は、前記超電導コイルが放電している期間において、磁場を印加するように制御される、請求項２に記載の超電導磁気エネルギー貯蔵装置。
【請求項４】
前記磁場発生装置は、前記超電導コイルが充電しているときの少なくとも一部の期間において、磁場の印加を停止するように制御される、請求項２又は３に記載の超電導磁気エネルギー貯蔵装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書は、超電導磁気エネルギー貯蔵装置（Superconducting Magnetic Energy Storage : SMES）に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１は、液体水素を利用して超電導磁気エネルギー貯蔵装置の超電導コイルを冷却するシステムを開示する。このシステムでは、エネルギーの有効利用を図るために、超電導コイルを冷却するために用いられる液体水素がガス化したボイルオフガスを、ガスタービン等で利用できるように構成されている。
【０００３】
ところで、水素分子は、２つの核スピンの向きが同じであるオルト水素と２つの核スピンの向きが逆であるパラ水素の２種類の核スピン異性体があることが知られている。オルト水素は、パラ水素よりもエネルギーが高い。このため、オルト水素からパラ水素へのオルト・パラ転換が発熱反応であり、パラ水素からオルト水素へのパラ・オルト転換が吸熱反応である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−４３７０８号公報（特に、図３，５を参照）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１のように、冷却媒体として液体水素を利用する超電導磁気エネルギー貯蔵装置では、超電導コイルが充電されると、超電導コイルが発生する磁場により、液体水素の核スピンの向きが一致し、パラ水素からオルト水素へのパラ・オルト転換が生じる。このパラ・オルト転換の吸熱反応により、磁場を通して超電導コイルからエネルギーが奪われる。一方、超電導コイルが放電すると、液体水素は平衡状態に戻るため、オルト水素からパラ水素へのオルト・パラ転換が生じる。このオルト・パラ転換の発熱反応により、液体水素が暖められ、ボイルオフガスが発生する。
【０００６】
このように、冷却媒体として液体水素を利用する超電導磁気エネルギー貯蔵装置では、超電導コイルの充放電が繰り返されると、エネルギー損失が増大するとともに、ボイルオフガスが大量に発生する。特許文献１は、発生するボイルオフガスをガスタービン等で利用するとしているが、ガスタービンの駆動を必要としないときは、ボイルオフガスを有効に利用することができない。
【０００７】
本明細書は、冷却媒体として液体水素を利用する超電導磁気エネルギー貯蔵装置において、エネルギー損失の増大を抑えるとともに、ボイルオフガスの発生を抑える技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本明細書が開示する超電導磁気エネルギー貯蔵装置の一実施形態は、磁気エネルギーを貯蔵する超電導コイル、その超電導コイルを収容するとともに液体水素を貯留する貯留槽、及び、液体水素をオルト水素の多い状態に維持するオルト水素維持手段を備える。この超電導磁気エネルギー貯蔵装置では、オルト水素維持手段によって液体水素がオルト水素の多い状態に維持されているので、超電導コイルの充放電が繰り返されても、パラ・オルト転換の吸熱反応及びオルト・パラ転換の発熱反応の双方が抑えられる。このため、この超電導磁気エネルギー貯蔵装置では、エネルギー損失の増大が抑えられるとともに、ボイルオフガスの発生が抑えられる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】超伝導磁気エネルギー貯蔵装置の構成の概略を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本明細書で開示される技術の特徴を整理する。なお、以下に記載する技術要素は、それぞれ独立した技術要素であって、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。
【００１１】
本明細書が開示する超電導磁気エネルギー貯蔵装置の一実施形態は、磁気エネルギーを貯蔵する超電導コイル、その超電導コイルを収容するとともに液体水素を貯留する貯留槽、及び、液体水素をオルト水素の多い状態に維持するオルト水素維持手段を備えていてもよい。ここで、本明細書で記載する「オルト水素の多い状態に維持する」とは、パラ水素からオルト水素へのパラ・オルト転換を促進させることにより、貯留槽内の環境下におけるオルト水素とパラ水素の平衡状態よりも、パラ水素に対するオルト水素の存在比が高い状態に液体水素を維持させることをいう。超電導コイルの線材には、液体水素の温度である約−２５３℃（２０．４Ｋ）よりも高い温度に臨界温度を有する高温超電導体が用いられ、例えばＭｇＢ２、ＹＢＣＯ、ＢＳＣＣＯ、Ｈｇ-１２２３及びＬａＦｅＡｓ（Ｏ，Ｆ）が例示される。オルト水素維持手段には、パラ水素からオルト水素へのパラ・オルト転換を促進させる様々な手段を採用することができ、例えば液体水素に磁場を印加してパラ・オルト転換を促進する手段を採用することができる。オルト水素維持手段は、貯留槽内に配置されていてもよく、貯留槽とは別体の構造体に配置されていてもよい。
【００１２】
オルト水素維持手段は、循環装置及び磁場発生装置を有していてもよい。循環装置は、貯留槽から液体水素を引き出して貯留槽に液体水素を戻すように構成されている。磁場発生装置は、循環装置によって貯留槽から引き出された液体水素に磁場を印加するように構成されている。この態様によると、磁場発生装置がパラ水素からオルト水素へのパラ・オルト転換を行うことにより、貯留槽内の液体水素がオルト水素の多い状態に維持される。さらに、磁場発生装置は、超電導コイルが放電している期間において、磁場を印加するように制御されてもよい。これにより、超電導コイルが磁場を発生させない期間において、磁場発生装置が貯留槽内に貯留されている液体水素をオルト水素の多い状態に維持することができる。また、磁場発生装置は、超電導コイルが充電しているときの少なくとも一部の期間において、磁場の印加を停止するように制御されてもよい。超電導コイルが充電している期間では、超電導コイルが発生する磁場によって貯留槽内に貯留されている液体水素がオルト水素の多い状態に維持される。このため、この期間の一部において磁場発生装置を停止することにより、超電導磁気エネルギー貯蔵装置のエネルギー効率を向上させることができる。
【実施例１】
【００１３】
図１に示されるように、超電導磁気エネルギー貯蔵装置１は、超電導コイル２、貯留槽４、循環装置６、磁場発生装置７及び制御装置８を備える。循環装置６、磁場発生装置７及び制御装置８は、オルト水素維持手段として機能する。
【００１４】
超電導コイル２は、例えば系統の交流電源がインバータ装置を介して接続しており、直流電流が流れるように構成されている。超電導コイル２は、直流電流が流れているときに両端を短絡させるスイッチ回路（図示省略）を有する。これにより、超電導磁気エネルギー貯蔵装置１は、超電導コイル２を含む閉ループに直流電流を還流させ、電気エネルギーを磁気エネルギーとして貯蔵することができる。超電導コイル２の線材には、ＹＢＣＯが用いられている。
【００１５】
貯留槽４は、超電導コイル２を収容するとともに液体水素を貯留するように構成されている。後述するように、貯留槽４に貯留されている液体水素は、超電導コイル２が充放電を繰り返すときに、オルト水素の多い状態に維持されている。
【００１６】
循環装置６は、貯留槽４から液体水素を引き出して貯留槽４に液体水素を戻すように構成されている。
【００１７】
磁場発生装置７は、循環装置６の循環経路に設けられており、循環経路を循環する液体水素に磁場を印加するように構成されている。磁場発生装置７は、液体水素に対して０．１Ｔ（テスラ）以上の強さの磁場を印加可能に構成されている。このような強磁場が印加されると、液体水素では、パラ水素からオルト水素へのパラ・オルト水素転換が促進される。また、液体水素を冷却する冷却装置が循環装置６の循環経路に設けられていてもよい。
【００１８】
制御装置８は、磁場発生装置７が液体水素に磁場を印加するタイミングを制御するように構成されている。制御装置８は、超電導コイル２が放電している期間において、磁場発生装置７が磁場を印加するように制御する。また、制御装置８は、超電導コイル２が充電されているときの少なくとも一部の期間において、磁場発生装置７が磁場を印加するのを停止するように制御する。
【００１９】
次に、超電導磁気エネルギー貯蔵装置１の動作を説明する。なお、超電導磁気エネルギー貯蔵装置１が動作する前の段階では、貯留槽４内に貯留されている液体水素は、オルト水素とパラ水素が平衡状態にあり、特定のパラ水素が多い存在比でオルト水素とパラ水素が存在する。
【００２０】
まず、超電導磁気エネルギー貯蔵装置１は、初期充電動作を実行する。初期充電動作では、スイッチ回路（図示省略）が、超電導コイル２に直流電流が流れているときに、超電導コイル２の両端を短絡させて超電導コイル２を含む閉ループを構成する。これにより、超電導コイル２を含む閉ループを直流電流が還流し、超電導コイル２が充電される。超電導コイル２が充電されると、超電導コイル２が発生する磁場により、貯留槽４内に貯留されている液体水素の核スピンの向きが一致し、パラ水素からオルト水素へのパラ・オルト転換が生じる。パラ・オルト転換は吸熱反応であり、この吸熱反応により磁場を通して超電導コイル２からエネルギーが奪われる。なお、この初期充電に先立って、循環装置６が液体水素を循環させるとともに制御装置８が磁場発生装置７を駆動して循環する液体水素に磁場を印加し、液体水素にパラ・オルト転換を生じさせておいてもよい。このように、初期充電が完了すると、貯留槽４内に貯留されている液体水素は、平衡状態に比して、パラ水素に対するオルト水素の存在比が高い状態となる。
【００２１】
次に、超電導磁気エネルギー貯蔵装置１は、外部負荷の要求に応じて、放電動作を実行する。放電動作では、スイッチ回路（図示省略）が、超電導コイル２の両端を開放して超電導コイル２を外部負荷に接続させる。これにより、超電導コイル２に貯蔵されていた磁気エネルギーが電気エネルギーとして外部負荷に供給される。この超電導コイル２の放電動作に先立って、循環装置６が液体水素を循環させるとともに制御装置８が磁場発生装置７を駆動して循環する液体水素に磁場を印加する。これにより、超電導コイル２が放電して超電導コイル２が磁場を発生しなくなった後でも、磁場発生装置７が液体水素に対して磁場を印加し続けるので、貯留槽４内に貯留されている液体水素は、オルト水素の多い状態に維持される。これにより、液体水素がオルト水素からパラ水素にオルト・パラ転換することが抑えられる。液体水素のオルト・パラ転換は発熱反応であり、この発熱反応が抑えられるので、ボイルオフガスの発生が抑えられる。
【００２２】
次に、超電導磁気エネルギー貯蔵装置１は、充電動作を実行する。充電動作では、スイッチ回路（図示省略）が、超電導コイル２に直流電流が流れているときに、超電導コイル２の両端を短絡させて超電導コイル２を含む閉ループを構成する。これにより、超電導コイル２を含む閉ループを直流電流が還流し、超電導コイル２が充電される。貯留槽４内に貯留されている液体水素がオルト水素の多い状態に維持されているので、この充電動作では、パラ水素からオルト水素へのパラ・オルト転換が抑えられる。このため、パラ・オルト転換の吸熱反応によるエネルギー損失が低減される。超電導コイル２が充電されると、制御装置８は、磁場発生装置７の駆動を停止し、循環する液体水素に磁場を印加するのを停止する。超電導コイル２が充電されると、超電導コイル２が発生する磁場により、貯留槽４内に貯留されている液体水素は、オルト水素の多い状態に維持される。このため、磁場発生装置７の駆動を停止することにより、超電導磁気エネルギー貯蔵装置１のエネルギー効率を向上させることができる。
【００２３】
その後、上記の放電動作と充電動作が繰り返されるが、貯留槽４内に貯留されている液体水素がオルト水素の多い状態に維持されているので、オルト・パラ転換の発熱反応とパラ・オルト転換の吸熱反応の双方が抑えられる。このように、超電導磁気エネルギー貯蔵装置１では、超電導コイル２の充放電が繰り返されても、エネルギー損失の増大が抑えられるとともに、ボイルオフガスの発生が抑えられる。
【００２４】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【符号の説明】
【００２５】
１：超電導磁気エネルギー貯蔵装置
２：超電導コイル
４：貯留槽
６：循環装置
７：磁場発生装置
８：制御装置
【図１】
2018068089.tif 000003