(57)【要約】【課題】  電気エネルギーによって水又は電解液の電気分解を行って得られる水素ガスと酸素ガスとの容量比が２：１の混合ガスを、長期間安全に貯蔵し、その貯蔵ガスを燃料として利用するシステムを提供すること。  【解決手段】  電気エネルギーによって水又は電解液の電気分解を行って、水素ガスと酸素ガスとの容量比が２：１の非爆発性混合ガス（安定な水酸素ガス）を得、その安定な水酸素ガスを貯蔵タンクに圧縮して貯蔵し、その貯蔵タンクから供給される安定な水酸素ガスを燃料ガス利用機器で燃料として使用する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電源から電気エネルギーの供給を受け、水又は電解液の電気分解を行う水電解装置と、該水電解装置によって得られた安定な水酸素ガスを圧縮して貯蔵する耐圧５００気圧以下の貯蔵タンクと、該貯蔵タンクから供給される安定な水酸素ガスを燃料として使用する燃料ガス利用機器からなることを特徴とする電気エネルギー貯蔵活用システム。
【請求項２】
前記電源が、自然エネルギーを使用した発電装置である請求項１に記載の電気エネルギー貯蔵活用システム。
【請求項３】
前記貯蔵タンクが、大型設備用、中型設備用及び小型設備用に分類されている請求項１又は２に記載の電気エネルギー貯蔵活用システム。
【請求項４】
前記燃料ガス利用機器が、燃料電池である請求項１ないし３のいずれかに記載の電気エネルギー貯蔵活用システム。
【請求項５】
前記貯蔵タンクに加えて天然ガス、LPGガス又は石化ガスを貯蔵する既存ガス貯蔵タンクをさらに備え、前記安定な水酸素ガスに代えて、前記既存ガス貯蔵タンクから供給される天然ガス、LPGガス又は石化ガスと、前記貯蔵タンクから供給される安定な水酸素ガスを混合したガスを燃料として使用可能である請求項１ないし４のいずれかに記載の電気エネルギー貯蔵活用システム。
【請求項６】
前記貯蔵タンクからの配管が結合される第１分岐管継手と、前記既存ガス貯蔵タンクからの配管が結合される第２分岐管継手及び燃料ガス利用機器からの配管が結合される第３分岐管継手を少なくとも有する分岐管を備え、前記第１分岐管継手と前記第２分岐管継手の合流部に前記第１分岐管継手を流れるガスの流量と前記第２分岐管継手を流れるガスの流量を制御するガス流量調節器を備えている請求項５に記載の電気エネルギー貯蔵活用システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気エネルギーを貯蔵し活用するシステム、詳しくは、自然再生エネルギーを利用して得た電気エネルギーや、電力需要の少ない時間帯において既存の発電所で得られる電力エネルギーを水又は電解液の電気分解に使用して得られた水素ガスと酸素ガスとの混合ガスを貯蔵し、これを燃料電池、マイクロガスタービン及びその他のエネルギー源として活用するためのシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、電気エネルギーを貯蔵するシステムとして、発電設備からの電力をバッテリーに充電してこの充電した電力を直接、電力使用用設備に供給するシステム、発電設備からの電力を他のエネルギー、例えば、燃料エネルギーに一旦変換し、この燃料エネルギーを貯蔵したのち、再度発電設備の作動エネルギーとして使用するシステムが知られている。
【０００３】
特に、太陽光発電、風力発電、地熱発電など自然エネルギー（再生可能エネルギー）を利用した発電においては、自然現象の変化を平準化するために、得られた電気エネルギーを、一旦、スマートグリッドのような蓄電池に貯蔵するシステム、あるいは、燃料エネルギーに変換して貯蔵するシステム等も考えられている。
【０００４】
一方、電気エネルギーを化学変換エネルギーとして水又は電解液の電気分解に利用し、それによって得た水素ガスと酸素ガスの混合ガスを燃料エネルギーとして利用することも、電力エネルギーのエネルギー変換技術として注目されるようになった。
【０００５】
例えば、特許文献１〜４には、水を電気分解して得られる酸素と水素とからなる酸水素ガスを燃焼してワークを予熱し、ワークの予熱された部分に噴射される切断ガスとによりワークを切断する酸水素ガス切断方法が開示されている。この酸水素ガスは、その燃焼に際しては、燃焼カロリーが比較的高く、燃焼に際しての酸素ガスの外部からの供給を必要とせず、さらには、燃焼ガスも水そのものであって、雰囲気、大気への汚染も生じないという利点がある。
【０００６】
また、非特許文献１には、水を電気分解して得た酸素ガスと水素ガスを水構成の分子割合で混合する混合ガスの爆発性についての研究報告がなされており、約7.6GPa(7.6万気圧)の高圧の下では安定であり、爆発性に対する安全性が確保できることが記載されている。
【０００７】
さらに、特許文献５には、電解槽内に収容される水に１０Ｈｚ〜２００Ｈｚの振動を付与することによって、電極間の間隔を２０ｍｍ以下にしても電解が良好に行なわれ、結果として水素−
酸素ガスの発生効率を大幅に向上させることが開示され、特許文献６には、従来の通称ブラウンガスと呼ばれる水素−酸素の混合ガス発生装置の電極板、スペーサ及び電解槽仕上板の構成を工夫することにより、望ましい放熱効果を有し、かつ連続的な稼動による高純度，高品質の水素−酸素ガスを得ることが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１０−１２６８０９
【特許文献２】特開２０１０−２０２９６８
【特許文献３】特開２０１０−９０４７３
【特許文献４】特開２００２−６６７３６
【特許文献５】特許第３９７５４６７号
【特許文献６】登録実用新案第３０３７６３３号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】Paul Loubeyre& ReneLeToullec, Nature, Vol.378,2Nov.1995        Stability ofO2/H2 mixturesat high pressure
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
従来から、電気エネルギーの貯蔵システムとして知られている発電量の平準化のためのスマートグリッドのような直接蓄電法は、電力の総消費量は逆に増大して貯蔵効率が悪く高価となり、また、電気エネルギーを水の電気分解に適用し、水素と酸素とのガスとして貯蔵する電気エネルギーのエネルギー変換による貯蔵は、発生ガスの爆発燃焼による危険性を伴うという問題がある。
【００１１】
本発明の課題は、電気エネルギーを燃料エネルギーに変換し、この燃料エネルギーを長期間安全に貯蔵し、この貯蔵した燃料エネルギーを、そのまま熱量使用機器、燃料電池等の燃料として利用できる電気エネルギー貯蔵活用システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、電気エネルギーによる水又は電解液の電気分解によって得られた水素ガスと酸素ガスとの容量比が２：１の混合ガスに、非爆発性のガス（以下「安定な水酸素ガス」という。）と、爆発性のあるガス（一般に「ブラウンガス」又は「爆鳴気」と呼ばれる。）が存在し、安定な水酸素ガスが、８０℃以下の温度及び５０MPa（約５００気圧）以下の圧力の下でも、爆発の危険なしに安定な状態で、安全に長期貯蔵が可能な燃料エネルギーとなり得ることを知見し、安定な水酸素ガスを再利用可能に貯蔵し、熱量使用機器、燃料電池等の燃料として利用するシステムを構築したものである。
【００１３】
すなわち、本発明は、水又は電解液の電気分解によって得られた安定な水酸素ガスを常温に近い温度下で圧縮して貯蔵し、熱エネルギーとして使用する電気エネルギー貯蔵活用システムである。
【００１４】
本発明のシステムは、図１に示すように、電源１からの電気エネルギーを水電解装置２に供給し、水電解装置２内に配置した負極と正極のそれぞれに、水素ガスと酸素ガスを２：１の比率で発生せしめ、これを混合状態で収集して得られる安定な水酸素ガスを６０℃以下の温度及び５０．０MPa（約５００気圧）以下の圧力の下で貯蔵タンク３に貯蔵し、貯蔵タンク３内の安定な水酸素ガスを燃料エネルギーとして燃料ガス利用機器４の駆動用として利用するシステムである。
【００１５】
本発明に適用できる電源１としては、通常の家庭用・工業用の給電設備、自家発電設備等を利用することができるが、水電解装置２は電気エネルギーの供給量によらず動作し、供給が止まれば電気分解が止まるだけであって他に不都合を及ぼすことがないから、電気エネルギーの変動調整手段として適している。
そのため、本発明は自然エネルギー利用サイクルの一環として用い、小規模、かつ、発電能力が一定しない風力発電設備や太陽光発電設備等には特に好適なものである。
【００１６】
また、水電解装置２としては、安定な水酸素ガスを効率よく発生する特許文献５に記載の微振動を適用した電解装置が好適に使用できる。
【００１７】
また、貯蔵タンク３としては、耐圧５００気圧以下、通常は耐圧１０〜３００気圧程度の高圧タンク又はボンベを利用可能であるが、その用途により、電気エネルギーとして１００万kW単位の大型設備用、１０〜３０万kWの中型設備用、さらには、１０００〜１万kWの小型設備用に分類することによって、使用する貯蔵タンク３を標準化し、様々なタイプの設備に対して常時自由に供給できるようにするとより好適である。
【００１８】
この貯蔵タンク３内に貯蔵された水素と酸素とからなる安定な水酸素ガスは、天然ガス、LPGガス又は石化ガス等、既存の燃料ガスに混合して燃焼させることができる。
そして、安定な水酸素ガスの燃焼に伴う二酸化炭素の発生はないから、既存の燃料ガスのみを燃焼させた場合に比べ、安定な水酸素ガスを混合して燃焼させた場合の方が、燃焼による発生熱量あたりの二酸化炭素排出量を低減することができる。
さらに、用途によっては、既存の燃料ガスと安定な水酸素ガスを混合して燃焼させると燃焼効率が上がる場合もある。
そのため、少なくとも貯蔵タンク３からの配管が結合される第１分岐管継手と、天然ガス、LPGガス又は石化ガス等を貯蔵する既存ガス貯蔵タンクからの配管が結合される第２分岐管継手及び燃料ガス利用機器４からの配管が結合される第３分岐管継手を有する分岐管を用いると便利であり、その混合度合いは用途やガスの残量によって、変化させることが望ましいため、第１分岐管継手と第２分岐管継手のそれぞれ又は２つの継手の合流部に、第１分岐管継手を流れるガスの流量と第２分岐管継手を流れるガスの流量を制御するガス流量調節器を備えると、さらに好適である。
【発明の効果】
【００１９】
本発明に係る水又は電解液の電気分解によって得られた安定な水酸素ガスは、加圧状態で安全に貯蔵でき、燃料ガスとしてそのまま利用することができ、燃料電池のような発電機器をはじめ、安価かつ安全なクリーンエネルギーとして通常のエンジンへの適用も可能であるから、請求項１に係る発明である電気エネルギー貯蔵活用システムが確立する。
このシステムの確立により、夜間における余剰電力や様々な電力供給設備からの電力を、安全な燃料エネルギーに効率よく変換し、電力不足や化石燃料の枯渇対策として有効に利用することが可能となった。
そして、安定な水酸素ガスは安全であり、しかも一般に用いられている高圧タンク又はボンベ等を利用して貯蔵できるので、システム設置場所の自由度が高く、システムの整備に必要なコストを低く抑えることができるという顕著な効果がある。
【００２０】
請求項２に係る発明によれば、電気エネルギーの供給量が不安定な自然エネルギーを使用した発電装置を電源として利用しても、水電解装置の動作に支障が生じることがないので、システムの制御や保守に手間取ることなく、安定的にシステムを運用することができるという効果がある。
【００２１】
請求項３に係る発明によれば、貯蔵タンクが、大型設備用、中型設備用及び小型設備用に分類されているので、設備の大小を問わず様々なタイプの設備に対して適宜必要な貯蔵タンクを供給し易いという効果があり、量産効果によりコストを抑えることができるという副次的効果もある。
【００２２】
請求項５又は６に係る発明によれば、安定な水酸素ガスと天然ガス、LPGガス又は石化ガス等、既存の燃料ガスを併用することができるので、安定な水酸素ガスを補助的な燃料として利用することが可能となり、二酸化炭素排出量を減らすことができる。
さらに、何らかの原因により安定な水酸素ガス及び既存の燃料ガスいずれかの供給が停止した場合においてもシステムを稼働し続けることができるので、システムの安定性及び信頼性を高めることができる。
この効果は、請求項２を引用する請求項５に係る発明においては、電源の稼働が不安定であるため、特に重要である。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明に係るシステムを示す。
【図２】本発明のシステムにおいて使用した安定な水酸素ガス製造のための水電解装置を示す。
【図３】安定な水酸素ガスのセル内における温度と気圧の変化を示すグラフ。
【図４】安定な水酸素ガスの水クラスター量を示すグラフ。
【図５】ブラウンガスの水クラスター量を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、実施例によって本発明の実施形態を説明する。
【実施例】
【００２５】
図１に示す本発明の電気エネルギー貯蔵活用システムにおいて、水電解装置２として、特許文献５に示す電解液に微振動を与える装置を用いた。
【００２６】
図２は、安定な水酸素ガスの製造に使用した水電解装置２の基本構造を示す。同図において、２１は電解槽、２２は電極板、２３は振動板、２４はシールポット、２５は製出ガス取り出し口、２６は整流器、そして、２７は振動板を振動させる振動モーターを示す。
【００２７】
電解槽２１は、縦横２７０ｍｍ×１６６０ｍｍ、高さ３９０ｍｍのサイズでステンレススチール製である。また、電解槽２１の上部には同じくステンレススチール製の蓋がかぶせてあり、その蓋のほぼ中央にはガス採取管が接続される穴が備えられている。
電解槽２１には、蒸留水中に電解質として水溶性のアルカリ金属水酸化物（例えばＫＯＨ、ＮａＯＨなど）、アルカリ土類金属水酸化物（例えばＢａ（ＯＨ）２、Ｍｇ（ＯＨ）２、Ｃａ（ＯＨ）２など）又は第４級アルキルアンモニウムなどを含む電解液が溜められている。電解質の含有量は５〜１０重量％が好ましく、電解質としてはＫＯＨが最も好ましい。
【００２８】
電極板２２は絶縁体枠、陽極板、絶縁体枠、陰極板の順で積み重ねたものを１組として、２５〜５０組を積層したものとする。陽極板の材料としては、二酸化鉛、マグネタイト、フェライト、黒鉛、白金、Ｐｔ−Ｉｒ合金、チタン合金、貴金属被覆チタンなどが例示でき、多数の小孔を設けたものも電解液を流動させるのに好適である。陰極板の材料としては、ロジウム、ニッケル、ニッケル合金（Ｎｉ−Ｍｏ２，Ｎｉ−Ｃｏ，Ｎｉ−Ｆｅ，Ｎｉ−Ｍｏ−Ｃｄ，Ｎｉ−Ｓｘ，ラネーニッケル等）、チタン合金等の貴金属が例示でき、陽極板と同様に多数の小孔を設けたものも電解液を流動させるのに好適である。絶縁体枠の材料としては、天然ゴム、合成ゴム、合成樹脂などが例示でき、その厚みにより陽極板と陰極板との間の距離が設定される。絶縁体枠の厚さは１ｍｍ〜２０ｍｍが好ましく、更に好ましくは１ｍｍ〜５ｍｍの範囲である。
【００２９】
シールポット２４は、電解槽２１の蓋に接続されるガス採取管が内部に溜められているアルコール等の液体中に引き込まれるように構成され、電解層２１で発生した安定な水酸素ガスをアルコール等の液体を通した後、製出ガス取り出し口２５に導出するものである。
そして、シールポット２４を通って製出ガス取り出し口２５に導出してきた安定な水酸素ガスは、燃焼させたとき混入したアルコール等が一緒に燃焼し炎に色をつけることができるので、安定な水酸素ガスのみを燃焼させる場合において、特に有用である。
よって、安定な水酸素ガスの燃焼中に炎を確認する必要がない場合や、他のガスと混合して燃焼させるため燃焼中の炎が確認できる場合においては、シールポット２４を省略しても良い。
【００３０】
上記のような水電解装置２を用い、次のような条件の下で電解液を約３０〜５０Hzの低周波振動下で撹拌しながら電気分解したとき、安定な水酸素ガスの回収量は１０００リットル／時であった。
電極板２２：白金めっきチタン合金製陽極板、チタン合金製陰極板、厚さ５ｍｍの合成ゴム製絶縁体枠を５０組積層
電解液：蒸留水中に電解質としてＫＯＨを８重量％添加（温度５５℃、ｐＨ１０）
陽極−陰極間の印加電圧：２．０Ｖ（直流）
電流密度：５Ａ／ｄｍ２
【００３１】
発生した気体をセル温度が約600℃の検知管を使用した質量分析計(MS9600:BURUKERaxs)による観察した結果、発生ガスは水素と酸素の混合比が２：１であり、その組成％はガスクラマトグラフによる成分分析の結果、表１に示すとおりであった。
【００３２】
【表１】
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【００３３】
また、セル温度が約20℃となる検知管Diodeを使用した質量分析計(EMD-05K:Electronic  Science)による観察では、安定な水酸素ガスから、水素分子や酸素分子だけではなく水酸分子や水素原子さらには酸素原子が観察された。
【００３４】
図３は、安定な水酸素ガスの液化温度を計測するための観察装置における、セル内の温度と気圧の変化を計測した結果を示すものである。
この観察装置は、セル内に液化温度を計測する気体を封入した後、温度を常温から徐々に降下させ、セル内の温度と気圧を計測できるようにしたものであり、同時に目視によりセル内の気体が液化する状態を観察できるようになっている。
そして、図３のグラフに示すとおり、安定な水酸素ガスにおいては、97K（-176.15℃）で19.5kPaであった気圧が95K（-178.15℃）では13.0kPaと急激に下がったことから、同ガスは酸素の液化温度である90.18K（-182.97℃）より約3Kから7K高い温度で液化することが明らかとなった。液体の色は液化酸素のブルーではなく無色透明であった。
また、凝固温度は、同じく酸素の融点である50.35K（-222.8℃）より40K以上低いことが分かった。
【００３５】
これらの分析、測定及び観察から、安定な水酸素ガスは、単純な水素と酸素の混合気体ではなく、水素と酸素が何らの形態で複合体となっているものと予想された。
そこで、水クラスター（Ｈ２Ｏ）ｎの分子組成分布が測定できる方法である液体イオン化質量分析法を用いて、安定な水酸素ガスとブラウンガスの両者について分析を行った。
その結果、図４及び図５に示されるように、安定な水酸素ガスでは多数の様々な大きさの水クラスターが観測されたのに対し、ブラウンガスではほとんど観測されずバックグラウンド観測とほとんど変わらないという結果であった。
この結果は、上記の予想をある程度裏付けているものと考えられる。
【００３６】
安定な水酸素ガスが常温大気圧下においてもブラウンガスのような爆発的燃焼を引き起こさない原因は、今後のさらなる研究によって明らかにされるであろうが、安定な水酸素ガスに多く存在する様々な大きさの水クラスター（Ｈ２Ｏ）ｎが何らかの影響を与えている可能性があり、原因解明の足がかりになるものと期待される。
【００３７】
安定な水酸素ガスが常温大気圧下においても爆発的燃焼を引き起こさない原因はともかく、本発明は安定な水酸素ガスの性態を利用して、電気エネルギーによる水又は電解液の電気分解によって発生した安定な水酸素ガスを、通常の燃料ガス用の耐圧ボンベに貯蔵できる点が最も大きな特徴である。
【００３８】
その貯蔵試験においては、15MPa（約150気圧）まで圧縮し、液化して１年以上保存したが、その間、ガスが耐圧ボンベを透過して漏れてしまう現象はほとんどみられなかった。
この点でも、漏洩性の高い純水素ガスやブラウンガスとは全く異なる特性を示している。
【００３９】
安定な水酸素ガスを充填した耐圧ボンベに落下試験による衝撃やトラック輸送による振動を与えたが、爆発を起こすことはなく全く変化がなかった。
【００４０】
また、上記の貯蔵試験後に、安定な水酸素ガスを抜いて耐圧ボンベを空にし、切断してボンベの内面を観察した。
その結果、純水素ガスやブラウンガスを通常の燃料ガス用の耐圧ボンベに長期間貯蔵すると、水素脆化によって容器内部がぼろぼろになってしまうのに対して、安定な水酸素ガスではこのような現象もほとんど発生していないことが分かった。
【００４１】
さらに、圧縮液化して１年以上保存した後、再気化させることもでき、再気化させた安定な水酸素ガスを燃焼させたところ、タンタルを融解させる3000℃以上の高温燃焼挙動を示した。
【００４２】
次に、安定な水酸素ガスのエネルギー収支について調査した。
【００４３】
図２に示す水電解装置２においては、電解液の振動流動に要するエネルギーを含む電力量１kWh(3,600kJ)当たり、安定な水酸素ガスが約250〜330リットル(0.1MPa)が発生した。
【００４４】
表１に示す安定な水酸素ガスの組成を基に発熱量を計算すると、以下のとおりとなる。
低位(真)発熱量:7,460kJ/Nｍ３
高位(総)発熱量:8,850kJ/Nｍ３
【００４５】
電力量１kWh(3,600kJ)当たり、低位(真)発熱量は、7,460kJ/Nｍ３であるから、エネルギー収支は、7,460kJ/Nｍ３×(250〜330)/1,000÷(3,600kJ)=0.52〜0.68となる。
すなわち、COP=0.52〜0.68である。また、高位(総)発熱量を用いてCOPを計算すると、0.61〜0.81となり、この値はNEDOの海外レポートで紹介されている米国における電気分解システムのHHV効率と同等の高い効率を示している。
【００４６】
以上のとおり、本発明に係る安定な水酸素ガスは、ブラウンガスとは全く異なる安全な性質を有し、天然ガス、LPGガス又は石化ガス等、既存の燃料ガスと比較しても同等又はそれ以上に安全である。そして、燃焼性能や変換効率でも十分実用に耐えるものである。
本発明は安定な水酸素ガスの優れた安全性、燃焼性能等を活用して電気エネルギー貯蔵活用システムの実用化を実現したものである。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
安定な水酸素ガスは、余剰電力や自然エネルギー由来の電力を利用した水又は電解液の電気分解によって得られ、通常の燃料ガス用の耐圧ボンベに長期貯蔵でき、自在に取り出して熱量使用機器や燃料電池等の燃料として利用するシステムであるから、産業上利用可能なものである。
【符号の説明】
【００４８】
１  電源
２  水電解装置
２１  電解槽          ２２  電極板      ２３  振動板
２４  シールポット    ２５  製出ガス取り出し口
２６  整流器          ２７  振動モーター
３  貯蔵タンク
４  燃料ガス利用機器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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