JP2013136801A - 再生可能エネルギー変換・貯蔵装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、再生可能エネルギー由来の変動電力から効率良く水素を生成、貯蔵が可能なエネルギー変換・貯蔵装置を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明は、再生可能エネルギー設備で発電した変動電力から水電解装置で水素を製造し、貯蔵する再生可能エネルギー変換・貯蔵装置であって、前記水電解装置の酸素発生極がＩｒとＭｎの合金酸化物であることを特徴とする。再生可能エネルギー由来の変動電力から水電解を行うことのできる電極の適用により、変動電力に対しても電極の劣化が少なく、長期間、高効率に水素を製造、貯蔵することが可能となる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、再生可能エネルギーを水素エネルギーに変換して貯蔵するシステムに関するものである。

近年、地球において資源の枯渇と環境破壊は大きな問題とされており、再生可能エネルギーによるゼロエミッション型社会の構築が求められている。これを解決するためには風力や太陽光などの自然エネルギー源の利用、自然界に存在する未だ利用されていない未利用エネルギーの活用も勧められている。また、利用時の排ガスが水だけである水素についても、化石燃料の代替エネルギーとして注目されている。

水素は水分子もしくは炭化水素分子の形で世界中に存在し、資源量もほぼ無限と言ってよく、各地の状況に応じて様々な手法で製造が可能な点に関しても、資源の偏在や枯渇が問題となる化石燃料に比べ、メリットといえる。

水素の利用に関しては、水素自動車、燃料電池自動車、分散電源としての燃料電池などの開発が進んでおり、これらの水素利用技術を支える水素スタンドなどの水素供給インフラの整備が必要となる。特に水素スタンドは、水素気体を圧縮または物理吸着し貯蔵・供給する方式、気体を冷却し液体状態で貯蔵・供給する方式、天然ガスなど、水素原子を化学的に貯蔵し、改質器などによって水素を供給する方式など様々な提案がなされている。

例えば、特許文献１には、水素吸蔵合金に水素を吸着させ、この水素吸蔵合金を車両で運搬することにより、水素貯留ステーションから給水素スタンドまで水素を大量かつ安全に搬送することができる給水素システム、水素貯留ステーション構造及び水素運搬用車両が提案されている。

また、特許文献２には、ベンゼン等の水素を貯蔵する芳香族化合物からなる水素貯蔵体とシクロヘキサン等の水素を放出して前記芳香族化合物に変化する水素供給体との間における水素付加反応及び脱水素反応を利用して水素の貯蔵及び供給を行う水素貯蔵・供給システムであって、水素付加反応又は脱水素反応の前に水素貯蔵体又は水素供給体を加熱するヒーターを備えた水素反応装置と、この水素反応装置に水素を供給する水素供給装置と、この水素反応装置で生成した水素を利用して発電する燃料電池等の発電装置とを備え、水素付加反応又は脱水素反応の反応効率を高めることができるようにした水素貯蔵・供給システム及び水素貯蔵・供給装置並びに水素貯蔵・供給用触媒が提案されている。

また、特許文献３には、ベンゼン等の水素を貯蔵する芳香族化合物からなる水素貯蔵体とシクロヘキサン等の水素を放出して前記芳香族化合物に変化する水素供給体との間における水素付加反応及び脱水素反応を利用して水素の貯蔵及び供給を行う水素貯蔵・供給システムであって、脱水素反応に必要な熱エネルギー供給するために、燃焼タービン発電装置の高温排ガスが有する廃熱で水素製造装置の脱水素反応に必要な熱量の一部／又は全部を賄いつつ、タービンの発電電力を用いて水素圧縮器などの付帯設備の電力を供給することで水素スタンドの熱効率を高める方法を提案されている。

特開平０７−１１２７９６号公報 特開２００２−１８４４３６号公報 特開２００４−１９７７０５号公報

上述したように、水素は様々な形態で存在し、作製方法も多岐にわたる。現状では化石燃料の水蒸気改質が水素製造手法として最も利用されているが、本手法では製造時に二酸化炭素が排出される。また水電解による水素製造では、製造時に生じるガスは水素と酸素のみであるが、入力電力に火力発電設備を利用した場合、やはり製造時に二酸化炭素を排出することとなる。

一方、風力発電設備や太陽光発電設備などの再生可能エネルギーによる電力を利用した水電解では、水素製造時に排出される二酸化炭素は極めて低いレベルで抑えることができる。しかしながら、これらの再生可能エネルギーを利用した発電設備では電力が変動するため、そのまま変動電力を水電解装置に供給すると電極の劣化など電解装置に過大な負荷がかかる。

このように、再生可能エネルギー由来の変動電力から効率よく水素を生成し、貯蔵することは困難であった。

本発明は、再生可能エネルギー由来の変動電力から効率良く水素を生成、貯蔵が可能なエネルギー変換・貯蔵装置を提供することである。

上記課題を解決するため、本発明の要旨は以下である。

本発明は、再生可能エネルギー設備で発電した変動電力から水電解装置で水素を製造し、貯蔵する再生可能エネルギー変換・貯蔵装置であって、前記水電解装置の酸素発生極がＩｒとＭｎの合金酸化物であることを特徴とする。

本発明によれば、再生可能エネルギー由来の変動電力から効率良く水素を生成、貯蔵が可能なエネルギー変換・貯蔵装置を提供することができる。

本実施例のエネルギー変換・貯蔵システムの構成図。 ＩｒとＭｎの合金酸化物の酸素発生電流とＩｒに対するＭｎの比率の関係を示す図。 ＩｒとＭｎの合金酸化物のＸ線回折測定結果を示す図。 ＩｒとＭｎの合金酸化物の酸素発生電流と電圧サイクルとの関係を示す図。

図１は、本発明の実施例に係るエネルギー変換・貯蔵システムの構成図である。本実施例のエネルギー変換・貯蔵システムは、再生可能エネルギー発電設備、電力配電設備、変動電力を利用して水を水素と酸素に分解する水電解装置、水電解装置に水を供給する水タンク、水電解水素製造装置から供給される水素を液体の有機化合物に添加する水添装置、水素を添加した有機化合物を貯蔵する貯蔵タンクから構成される。

再生可能エネルギー発電設備としては風力発電、太陽光発電、太陽熱発電、水力発電などが好ましいがこの限りではなく、二酸化炭素を排出しない発電設備であれば何でもよい。また木材チップや発酵ガスなどのバイオマスやバイオエタノールなど実質的に二酸化炭素を排出しない燃料を利用した内燃機関発電機でもよい。再生可能エネルギー発電設備で発電された電力が配電設備に送られる。この際、発電電力は変動電力である。

電力配電設備は、再生可能エネルギー発電設備で発電された電力を直流電力に変換して水電解装置に供給するものである。水電解装置に直流電力を供給できればよく、電力を平準化するためのスーパーキャパシタや二次電池などの蓄電設備は必要としない。なお、太陽光発電設備のように直流電力での発電が可能な再生可能エネルギー発電設備を用いる場合には電力配電設備を省略して、再生可能エネルギー発電設備と水電解装置を直接連結する構成としてもよい。このため、本実施例のエネルギー変換・貯蔵システムでは、再生可能エネルギー発電設備で発電された変動電力が水電解装置に供給される構成となる。この構成では、上述のように電力を平準化するためのスーパーキャパシタや二次電池などの蓄電設備が不要となり、システムの簡素化、低コスト化が可能となる。

水電解装置は、電解質の性質によってアルカリ水型、固体高分子型、固体酸化物型などが存在するが、変動電力から水電解を行えればよく、特に種類は規定しない。ただし、メガソーラーやウィンドファームなどの大型の発電設備と連携する時には、大規模装置として実績のあるアルカリ水型が信頼性とコストの観点から好ましい。また塩水を用いるソーダ電解装置を用いてもよい。この場合、水素以外に発生する塩素およびアルカリ水溶液は化成品原料として販売可能である。

水添装置は、有機化合物に水素を添加できればよく、既存の石油化学プラントの技術を転用してもよい。水素貯蔵体として好ましいものは、シクロヘキサン、メチルシクロヘキサン、デカリンなど水素を容易に添加、生成する炭化水素系燃料およびその混合燃料がある。水素貯蔵体としてメチルシクロヘキサンを使用した場合の反応式を式（１）に示す。
Ｃ₇Ｈ₈(トルエン)＋３Ｈ₂(水素)⇒Ｃ₇Ｈ₁₄(メチルシクロヘキサン)＋２０５ｋＪ
…式（１）

式（１）は発熱反応であり、トルエンと水素を、触媒を内蔵した水添装置に導入すれば、反応は自発的に進行する。仮に熱が不足した場合は、太陽熱発発電設備や内燃機関発電機ならば排熱を供給すればよく、また発電した電力の一部をヒーターに用いてもよい。水素貯蔵体にシクロヘキサン、メチルシクロヘキサン、デカリンを用いた場合、脱水素体はベンゼン、ナフタレン、トルエンとなる。それぞれタンクに貯蔵し、発生する水素量に応じて脱水素体を水添装置に供給し、生成した水素貯蔵体をタンクに貯蔵する。シクロヘキサン、メチルシクロヘキサン、デカリンは常温、常圧で液体であるため貯蔵が容易である。またこれらの炭化水素系燃料は戦略備蓄品として長距離輸送、長期貯蔵が既に行われているものであり、エネルギーの貯蔵媒体としては好適である。

発生した水素の貯蔵形態としては、冷却して液体水素とするか、圧縮して高圧ガスとして貯蔵する形態も挙げられる。しかし、冷却もしくは圧縮にエネルギーが必要となる。特に大規模貯蔵に適している液体水素では、冷却に必要なエネルギーが水素自体の発熱量の約２５％に達し、またボイルオフと呼ばれる液体水素の蒸発により、長期間の貯蔵では徐々に液体水素が失われる。これに対して、有機化合物に水素を添加し貯蔵する形態では、排熱利用によって効率よく水素貯蔵形態に変換でき、安定して貯蔵することが可能であり、液体水素、高圧ガスの貯蔵形態よりも好ましい。

本実施例は、再生可能エネルギー特有の変動電力を利用して水の電気分解を行い、水素を製造するエネルギー変換・貯蔵システムを対象とする。一般的に、入力電力の変動は電極の劣化を招くため好ましくないとされている。このため、水電解では平準化された電力を利用する。しかしながら、再生可能エネルギー発電設備の変動電力を平準化するには、二次電池などの蓄電設備や複数の電力変換設備が必要となり、非常に高コストとなる。

そこで本実施例の水電解装置では変動電力でも劣化の生じにくい電極材料を用いたことを特徴とする。具体的には、水電解装置の酸素発生極として、イリジウム（Ｉｒ）とマンガン（Ｍｎ）の合金酸化物を適用した。本実施例の酸素発生極は以下のように作製した。

電極基板には純Ｔｉ板を使用した。表面活性化処理としては、Ｔｉ板を２０ｗｔ％のシュウ酸水溶液で９５℃、４５分間浸漬した。塩化マンガン四水和物およびヘキサクロロイリジウム(IV)ｎ水和物をそれぞれ溶かしたブタノール溶液にＴｉ板を浸漬して含浸した後、１６０℃で３０分乾燥し、さらに空気中において５００℃で１０分間焼成して電極を得た。

図２に作製したＩｒとＭｎの合金酸化物の酸素発生電流とＩｒに対するＭｎの比率の関係を示す。溶液は３ＭのＮａＯＨ水溶液を使用した。すべて酸素発生電流が計測できたが、Ｍｎの比率が高くなるに従い酸素発生電流値は増加し、Ｉｒに対するＭｎの比率が２：３の時に最も高い数値が得られた。さらにＭｎの比率を高くすると電流値は低下傾向をとった。以上の結果から、Ｉｒに対するＭｎの比率としては、０.２〜０.９が好ましく、０.５〜０.７がより好ましい。

図３に本実施例で作製したＩｒとＭｎの合金酸化物のＸ線回折測定の結果（ａ）と、比較として作製した結晶体のＩｒとＭｎの合金酸化物の結果（ｂ）を示す。比較として作製したＩｒとＭｎの合金酸化物は、塩化マンガン四水和物とヘキサクロロイリジウム(IV)ｎ水和物を混合して溶かしたブタノール溶液にＴｉ板を浸漬して含浸・焼成して得た。他の条件は本実施例と同じである。Ｔｉ由来のピークは双方ともに観測できた。一方、ＩｒとＭｎの酸化物由来のピークが確認できた（ｂ）の結果に比べ、本発明によるＩｒとＭｎの合金酸化物ではＸＲＤの計測結果は、非晶質状態を示すブロードなピークとなった。この結果、本実施例のＩｒとＭｎの合金酸化物が非晶質であることが確認できた。

図４に本実施例のＩｒとＭｎの合金酸化物の酸素発生電流と電圧サイクルとの関係を示す。横軸は電圧サイクル数であり、入力電力の変動を模擬したものである。計測方法としては、３ＭのＮａＯＨ水溶液中で２Ｖの電圧変動を１０ｓごとに与え続け、既定の回数に達した段階で、参照電極に対する所定の電位をかけた時の酸素発生電流を計測したものである。また、比較として、従来から水電解の酸素極として広く用いられているＩｒの酸素発生電流と電圧サイクルの関係も図３に示す。

図４の結果から、本実施例のＩｒとＭｎの合金酸化物を酸素発生極によれば、従来のＩｒに比べ電圧サイクルに伴う電流値の低下を抑制することが可能になる。

このように、再生可能エネルギー特有の変動電力から水電解装置で水の電気分解を行うエネルギー変換・貯蔵装置において、水電解装置の酸素発生極に本実施例のＩｒとＭｎの合金酸化物を適用することによって、変動電力に対しても電極の劣化が少なく、長期間、高効率に水素を製造、貯蔵することが可能となる。

また、本実施例のエネルギー変換・貯蔵装置によれば、製造時の二酸化炭素の排出を極力抑えた水素の製造が可能となるため、環境に配慮したシステムとすることができる。

Claims (6)

1. 再生可能エネルギー設備で発電した変動電力から水電解装置で水素を製造し、貯蔵する再生可能エネルギー変換・貯蔵装置であって、
   前記水電解装置の酸素発生極がＩｒとＭｎの合金酸化物であることを特徴とする再生可能エネルギー変換・貯蔵装置。
2. 請求項１に記載の再生可能エネルギー変換・貯蔵装置であって、前記ＩｒとＭｎの合金酸化物が非晶質であることを特徴とする再生可能エネルギー変換・貯蔵装置。
3. 請求項１に記載の再生可能エネルギー変換・貯蔵装置であって、前記再生可能エネルギー発電設備で発電した変動電力が前記水電解装置に入力されることを特徴とする再生可能エネルギー変換・貯蔵装置。
4. 請求項３に記載の再生可能エネルギー変換・貯蔵装置であって、前記発電設備で発電した電力を直流電力に変換し、前記水電解装置に直流の変動電力を入力する配電設備を備えることを特徴とする再生可能エネルギー変換・貯蔵装置。
5. 請求項４に記載の再生可能エネルギー変換・貯蔵装置であって、前記水電解装置で製造した水素を有機化合物に添加して液化する水添装置を備えることを特徴とする再生可能エネルギー変換・貯蔵装置。
6. 請求項１に記載の再生可能エネルギー変換・貯蔵装置であって、前記再生可能エネルギー発電設備は、風力発電、太陽光発電、太陽熱発電、水力発電のうちいずれか一つを備えることを特徴とする再生可能エネルギー変換・貯蔵装置。