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波力発電兼エネルギー運搬船  


<目的>

水素自動車用の水素タンクは700気圧が主流になりつつあるが1気圧から圧縮するためにはかなりのエネルギーが必要になる。そこでこの圧縮のためのエネルギーが不要となる水素ガス発生装置を提供し、省エネに貢献する。

<装置の概要>
垂直な回転軸の側面に一端が軸に固定されて2本のパイプが左右対称に取り付けられている。パイプ内には水が満たされ、またパイプの底部には電気分解用電極が取り付けられている。発生した水素ガスおよび酸素ガスはそれぞれ電極の真上にある二つの容器に溜まるようになっており、その容器からは別の細いパイプが高圧水素ガス貯蔵用タンクに繋がっている。
あるいは底部の固体高分子電解質膜の両面に電気分解用電極を接合し、水素ガスおよび酸素ガスを分離して回収貯蔵する。
<作動>

垂直な回転軸が回転すれば遠心分離器のようにパイプ内の水には回転加速度が働く。そのためパイプの底部にある容器には大きな水圧をかけることができ、電気分解で発生した水素ガスおよび酸素ガスは膨張することができないので貯蔵用タンク内に高圧のガスを集めることができる。

<圧縮能力の計算>

パイプの長さをr、回転角速度をωとすると回転加速度はrωとなる。また単位体積当たりの水の重さは密度(1000kg/m)×加速度なので回転軸からrm離れた場所の水の重さは1mあたり1000×rωキログラムである。水圧は水面との間にある水の重さによるものなのでrm離れたパイプの底部の水圧は0〜r間で重さを積分しP=∫1000×rωdr=1000×1/2rωとなる。したがって1気圧を10Paとすると例えばr=10m、ω=40rad/secのときP=800×10Paとなりこの場合に発生するガスは800気圧になる。r=3m、ω=124.7rad/secのときは約700気圧になる。

<使用方法>
(1) 水素ステーションにて高圧水素ガスを製造するときは水酸化ナトリウム水溶液あるいは固体高分子電解質膜を使用するときは純水を電気分解することになるが電気分解は吸熱反応なので連続して製造するときは溶液が凍結しないように加熱する必要がある。つまり1モルの水を電気分解するには233kJの電気エネルギーが必要であるがそれ以外に46kJ程度の加熱用電力が必要なので毎秒1モルの水素ガスの生産には279kw程度の電力を要する。この加熱は電解質などの電気抵抗によるジュール熱によっても行うことができる。

このガスは1気圧では22.4Lになるが温度が変化しない場合はボイルシャルルの法則により圧力×体積が一定なので700気圧では0.032Lとなる。つまり1時間で115Lの高圧水素を生産できる。ファラデーの電気分解の法則により水圧にかかわらず電気分解に必要な電力は変わらない。またパイプを回転させるときには別にエネルギーが必要であるが一旦高速回転させれば摩擦ロスがない限り回転のためのエネルギーは必要ない。そこで空気摩擦を減らすためパイプの回転面には円盤状のカバーを取り付けるのが望ましい。水素ガスを回転中心から外部に取り出すため回転軸は回転筒としその中を水素ガスおよび酸素ガスパイプが上方または下方に設置された貯蔵用タンクに回転継手を介して接続する構造とする。又この生産を続けるためには毎秒18ccの水(1.08L/min)を補給する必要があるが電気分解用液に満たされたパイプに接続するように回転筒の周囲に取り付けられた水槽に外部から水を注ぎ込む構造にする。
波力発電などで得たエネルギーを水素ガスとして運搬する目的で高圧水素ガスを生産するときは本装置を船倉に設置する。装置は高圧水素ガスを製造するとともに高圧酸素ガスの気泡の浮力によるエアーリフトポンプで水流を生じさせ、さらなる発電もしくは船の推進力を得ることができる。

<従来の高圧水素製造装置より優れた点>
@ アルカリ水を電気分解する方式の場合は高価な白金電極を必要とせず、また一旦高速回転させれば圧縮しなくてもその遠心力で大量の高圧水素ガスの製造を続けることができるので生産コストが安価になる。
A 電解セルに固体高分子電解質膜を使用する場合、装置の回転速度を調節することにより膜の両面に同じくらいの高圧が掛かる状態を維持しながら運転できるので電解質膜を薄く広くできる。そのため超高圧の水素ガスを大量に生産し蓄えることにより水素自動車へのガス充填速度を速めることができる。
B 陰極側に発生する高圧水素ガスだけでなく副次的に陽極側から高圧酸素ガスを回収し利用できる。例えば空気タービンによって発電できるほか上述したように船舶に搭載する場合には酸素ガスの気泡による浮力によって水流を発生させ、船の推進力を得ることができる。
 



 



 

<コスト削減効果の概算>

(1) 水素ガスステーションの場合
 

25度C、1気圧で製造された1モルの水素ガスを700気圧まで圧縮するためには断熱圧縮による気体の温度上昇があるため
W=R/(γ―1)×(T−T)でありT/P=T/Pなので水素の比熱比γ=1.41、R=8.3、T=298KとするとT=31042Kとなる。そのため圧縮に必要なW=―8.3/0.41×(298−31042)≒622.4KJが必要である。
これは0.173kwhになるので1kwh当たりの電気料金が10円とすると1モルの水素ガスを圧縮するのに1.73円かかる計算になる。
そのため自動車用に700気圧の水素ガスを100Lタンク満杯にするには100L÷0.032L×1.73円≒5406円かかることになり、この装置を使用すればこの費用を節約することができる。
(ちなみにこの量の水素ガスを電気分解で製造するには100÷0.032×279kJ≒8.7×10kJが必要でありこれは242.2kwhなので2422円かかる。)
半径3m、高さ1mの円盤内に複数のパイプのある装置で固体高分子電解質膜を使用して毎秒水5モルの電気分解が可能と仮定すると1時間当たり115L×5の高圧水素ガスが生産できるので24時間で100Lの自動車用高圧水素タンク(700気圧)を138台分生産できることになる。1日100台のガスタンクを充填するとして1台分の水素ガスを13000円で販売し、その電気分解と装置の回転に要する電気量を3000円とすれば1日10000円×100台=100万円の利益がある。そのため装置の償却期間を5年、メンテナンス費用を5年間で1億円とするとこの装置を17億円以下で製造できれば採算が合うことになる。


(2) 水素ガス運搬船の場合
  船に搭載された高圧水素ガス貯蔵用タンクが半径15m長さ100mとすると容量は7.065×10であり700気圧での1モルの水素は0.032×10なので約2.2×10モル貯蔵できる。この水素ガスを製造するためには約4万トンの真水が必要で船に搭載していくことになるが海水を淡水化することによっても補充できる。
この水素ガスの1気圧からの圧縮に必要な費用は(1)と同様に1mあたり5万4000円かかるので7.065×10×5万4000円≒37億8千万円になり、船に搭載する貯蔵用タンクを多数にして大型車両の高圧水素ガスタンクをタンクごと交換する方式にすればこの費用が節約できることになる。
ちなみにこの水素ガスを製造するには2.2×10×279kJの電力が必要であり、平均15000kwの発電能力のある波力発電船の場合の発電量は5.4×10kJ/hなのでこれは約11367時間分(1.3か年)に相当する。そのためこの運搬船は十分にエネルギーを蓄え運搬する能力がある。


  出願特許の内容 : 特願・2013-045256号 特許・5297567号



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住所
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