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波力発電兼エネルギー運搬船  


<目的>
水道水と電気があれば高圧水素ガスを大量に製造できるだけでなく同じ装置を 燃料電池として使用して発電でき、さらにタンク内の高圧を利用して高温運転 を可能にすることにより発電効率が高まる装置を発案した。この装置は以下の目的に使用できる。
(1) 水素ステーションが不要の燃料電池車
 

 水素ステーションがなくても自宅の車庫などに駐車中に水道ホースと電源を車輌に繋ぐだけで高圧水素ガスを充てんできる。そのため水素ステーションが整備されていない国や地域でも燃料電池車が使用可能になる。

 

(2

オンサイト型移動式水素ステーション
 

 大型の高圧式可逆燃料電池を装備したトラックに蓄圧容器とディスペンサーを搭載すれば移動式の水素ステーションになる。この高圧式可逆燃料電池では昇圧ポンプを使用しなくても高圧水素ガスの現場製造が可能なため小型のトラック型装置で良く、安価な装置での高圧水素ガス供給が可能になる。そのためこれを水と電気設備のある複数の駐車場などに定期的に巡回させることにより、広範囲の水素ガス充填需要に対応できる。これは高圧水素ガスを製造・補充しながらの作業ができるので圧差による急速充てんを続けることが可能である。また水素ステーションまで出向く時間的余裕のない燃料電池車の使用者向けには高圧水素ガスの出張販売も可能になる。

 
(3) 電気エネルギー輸送と再発電
 

 砂漠地帯や離島を含む送電インフラのない地域にある太陽光発電や風力発電などで得られた電力をこの装置により高圧水素ガスに一旦変換して貯蔵・運搬し、必要な場所で再度発電できる。この高圧水素ガスタンクの運搬は装置を搭載したトラックだけでなく船舶によっても行うことができ、そのまま発電機能を持つことになる。なお船舶にこの装置を搭載する場合はさほどの高圧ではない大型の貯蔵用水素タンクを船内に積み込むことが容易なので装置の水素ガス製造圧力もさほど高圧でなくてもよい。また船舶の場合は高圧素ガスの製造と同時に発生する高圧酸素ガスも捨てずに貯蔵し、発電時に空気ではなくこの純粋酸素ガスを使用することによりさらに発電効率を上げることができる。
太陽光発電などで余剰となった電力をその場で再発電する場合も定置型の大型水素タンクを使用できるので船舶と同様に水素ガス製造圧力がさほど高圧でないものでよく、高圧酸素ガスも貯蔵し発電に使用できる。

<装置の概要>
(1) 高圧水素ガスの製造
 

 この装置は従来と同様な固体高分子電解質膜を使用した水電解セルを高圧タンク内で横に多数並べることにより電気分解による大量の水素製造を可能にする。タンク内に水素ガスが大量に蓄積することによりタンク内は高圧になるが電流を流し続ければファラデーの電気分解の法則により、圧力に関わりなく水素ガスが製造されるのでタンクの耐圧限界まで水素ガスを高圧にすることができる。またこの装置は小型にするのでこの高圧ガスを自動車に搭載されている従来の高圧水素タンク(70MPa)に蓄えることにより長距離走行に必要な水素ガス積載量を確保する。
 この装置には高圧ポンプが付属しており「高圧水素製造タンク」と同様に家庭の駐車場などで水道と電源を使用して水電解セルに水道水および電気分解用電流を送り込んで高圧水素ガスを製造するがこの過程では圧力調整弁により高圧ポンプで注入される水の圧力とこのタンク内の圧力がほぼ同じに保たれているので固体高分子膜が破損することはない。この高圧ポンプ側の圧力調整弁は高圧ポンプの停止時に水や発生した酸素ガスが逆流するのを防止する逆止弁の役割もしている。またタンク内圧が耐圧限界に近づくと安全弁が開いて減圧する仕組みになっているがこの安全弁には水素ガスセンサーが付属しており、水素ガスの排出を感知するとコントローラに信号を送ることにより電気分解用電流および高圧ポンプが停止する。ただしこの装置からは水素車両に搭載されている高圧水素タンクに水素ガスが流入する構造になっているので安全弁が開くのは当然この高圧水素タンクも満タンになってからである。
 この装置内に高圧ポンプで注入される水道水は電気分解により消費され、また水素イオンの移動に伴い固体高分子電解質膜を通過して水素貯蔵スペースに浸透する分もあるので水道水の不純物が濃縮されることによる膜などの障害を防ぐために電気分解に要する量の数倍程度とする。またタンクの底部に溜まった水を排出するために、安全弁につながるパイプはタンクの底部に接しており、この水が排出されたのちに水素ガスが排出されと上記センサーが感知するようになっている。

 
(2) 燃料電池としての作動
 

 このようにして装置の内部空間および高圧水素タンクを高圧水素ガスで満たすことができるが水素車両を走らせ、水素ガスを燃料として使用する場合にはこの装置内に高圧ポンプで水ではなく空気(酸素)を注入する。又このとき流路切換え弁により注入された空気は水電解セルの上方より流れ込み、水素ガスと酸素ガスで生成する水と残った空気はセルの下方より排出されるのでこの反応は継続して行われる。すなわちこの過程では水電解セルは装置の内部で燃料電池として使用されることになるが、圧力調整弁の働きにより装置の内圧と注入された空気圧はほぼ同圧に保たれているので固体高分子膜が破損することはない。
 流量調整弁が閉じた状態でこの燃料電池を作動させ、装置タンク内の水素ガスを消費するか安全弁を介して水素ガスを放出することにより水素ガス圧を低下させることができ、流量調整により水素ガスの圧力を一定に保ちながら燃料電池を稼働することができるようになる。この状態では注入する空気圧も低圧にできるので空気圧縮に必要なエネルギーを低減できる。また燃料電池スタック内とラジエーターに冷却水を送り込むことによりこの燃料電池の温度を調節することができる。なお水素ガスのタンクからの上記の放出を少なくするためこの装置のタンク内の空隙は充填剤などで満たし、出来るだけ少なくするのが望ましい。

 
(3) 発電効率の向上
 

 この装置では流量調整により装置内の水素ガス圧を一定の高圧に保ちながら燃料電池を稼働させることができるが、この高圧の条件では水の沸点を上昇させることができる。そのため例えば5気圧では150Cでも固体高分子電解質膜内の水分が気化しないようにできるので高圧、高温での運転が可能になり、イオン導電性の向上により通常の80〜90Cでの運転に比べて発電効率を高めることができる。

   参考資料1

   参考資料2


<高圧水素ガス製造コストおよび燃費改善の効果>

ホームページに掲載されている特許装置「高圧水素製造タンク」の収支概算の項と同じ計算根拠により1kwhが15円とすると約53円/Nmで提供でき、100Lタンクを3,710円で満タンにできる。またこの「高圧式可逆燃料電池」を使用することにより発電効率が通常の35パーセントから40パーセントに向上すれば走行距離当たりに必要な水素ガスは10パーセント以上削減できることになる。そのためこの装置が従来の燃料電池より高価になったとしても燃費改善により毎回の充填ごとに約370円の回収が可能である。
<試作機の概要>
・容器の耐圧能力;10気圧
・水の電気分解能力;30V×40A=1200W(1気圧の水素ガス5.4L/min)
・燃料電池発電能力;500W
その他、詳細については連絡先に問い合わせてください。




  出願特許の内容 :特願・2015-154798号 (特許・第5846520号)



 詳しい内容は下記にお問い合わせください。


住所
 宮城県仙台市太白区茂庭字人来田西8−13
 杜都千愛病院 内 理事長 安ヵ川  誠
TEL
 022−281−0033
FAX
 022−281−0585
E-MAIL  rijityou@midorijuji.or.jp

 

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