JPH08502879A - 水素を充填した電気機械からの水素の抽出方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 この発明は、水素を充填した電気機械（１）がら水素を取り出し、この水素を電気機械（１）から固体貯溜容器（２）に取り入れ、そこに蓄える方法に関する。その場合水素は不活性ガスの流れによって搬送される。固体貯溜容器（２）は特に吸収容器、好ましくは水素化物容器である。

Description

【発明の詳細な説明】 水素を充填した電気機械からの水素の抽出方法 この発明は、水素を充填した電気機械から水素を取り出し、この水素を固体貯 溜容器に取り入れる方法、この方法の利用方法、この方法を実施するための装置 並びにこの装置の使用方法に関する。 特定の種類の電気機械、特にターボ発電機のような大型発電電気機械を冷却す るために、水素ガスが、場合によっては水或いは油のような液状冷却媒体と組み 合わされて使用される。これが特に問題となる電気機械は出力範囲が２００ＭＶ Ａ乃至１０００ＭＶＡの間のターボ発電機である。１０００ＭＶＡ以上の出力の ターボ発電機においても水素ガスは主冷却媒体として使用される水に対する補助 的冷却媒体として使用される。水素を充填したターボ発電機に蓄えられる水素の 量は、常圧かつ常温のときの水素の容積と考えて、１００及び１０００Ｎｍ ³の 間である。 電気機械から水素を取り出すために、従来は一般に周囲へ放出することが考慮 されてきた。しかしこれは極めて重要なコスト上の要因となる。というのはいか なる場合でも電気機械から水素を取り出すのは水素の完全な損失と同等であるか らである。新たな充填のための必要なコストを除いても水素を周辺へ放出するこ とは、特に電気機械の周辺の火災を前提としなければならない点で安全技術上の 問題がある。このような前提に対しては、水素を充填した大型発電電気機械にお いて水素を充分短い時間で、典型的には約１０分間で、電気機械から取り出すこ とが考えられる。勿論、水素を短時間で取り出すのに付加的な危険、特に爆発の 危険が伴ってはならない。従来公知の対策は、電気機械の中の水素を不活性ガス 、特に二酸化炭素で希釈し、最終的には追いやることにより電気機械自体におけ る爆発の危険を大幅に締め出してはいる。しかしながら、どのような方法で機械 から取り出された水素が充分危険なく取り除かれるかについての問題は、従来総 括的な対処はなかった。 水素を充填した電気機械から水素を取り出し、この水素を固体貯溜容器に蓄積 することは日本特許出願公開公報平成１年第３１５２３８号明細書（日本特許抄 録、第１４巻、第１２０号（Ｅ−８９９）（４０６３）を参照）に記載されてい る。この場合電気機械からの水素の取り出しは電気機械に接続されている固体貯 溜容器を冷却する方法で行われる。水素を取り出した後電気機械は窒素或いは二 酸化炭素のような不活性ガスを充填される。この不活性ガスは新たに水素を充填 する前に吸引により取り除かれる。不活性ガスの除去後水素は、固体貯溜容器を 再び電気機械に接続して加熱することにより、固体貯溜容器から再び電気機械に 取り入れられる。この方法の効率は、電気機械内の圧力が水素を取り出す際絶え ず低下し、最後には水素を電気機械から完全に除去できなくなることにより損な われる。同様なことは不活性ガスの除去についても生じ、これにより電気機械内 の水素の汚損が生じて冷却効果を損なうことになる。このように公知の方法の有 効性は制約されているので事故時に水素を取り出す際の適合性も問題となる。 この発明の課題は、上述した問題から出発して、水素を充填した電気機械から 水素を取り出し、この水素を固体貯溜容器に取り入れる方法であって、水素の搬 送に伴う問題を大幅に解決し、電気機械を速やかに空にするとともに電気機械か ら取り出された水素をできるだけ安全に保存することを可能にするものを提供す ることにある。さらにこの方法の利用方法、この方法を実施するための装置及び この装置の使用方法を提示するものである。 水素を充填した電気機械から水素を取り出し、この水素を固体貯溜容器に取り 入れる本発明による方法は、水素が不活性ガスの流れによって搬送されることを 特徴とする。 本発明によれば水素ガスは電気機械からガスとしては簡単には排出されない。 従ってこの水素の完全な損失を回避しつつこれを行うことは不可能であり、寧ろ 水素は固体のマットにより吸収される。この発明はその場合中間的に水素を貯溜 するために使われる固体貯溜容器の性質を有効に利用する。このような固体貯溜 容器は例えば「ウルマンの化学技術エンサイクロペディア」、ヒェミー出版社、 ワインハイム１９８３、第２４巻、２４３頁以下に記載されている。固体貯溜容 器としては水素の貯溜にその表面効果を利用した吸着性貯溜容器並びに水素の貯 溜を固体の内部で行う吸収性貯溜容器が使われる。その構成に応じて水素は、例 えばパラジウム固体においでそうであるように、吸収貯溜容器に原子の形で蓄積 されるか、或いは水素化物を形成して固体物との化学的な結合を行う。その中で 水素が水素化物を形成しで化学的に反応する吸収性容器は「水素化物貯溜容器」 と呼ばれる。水素化物貯溜容器は特定の金属合金、特にチタン、ジルコニウム、 バナジウム、鉄、クロム或いはマンガンを、場合によってはこれらの元素の複数 を含む合金を有している。 電気機械から水素をできるだけ完全に取り出すために、不活性ガス流は電気機 械及び固体マットを通して導かれ、電気機械から水素を洗い流す。その場合水素 は電気機械内において殆ど完全に不活性ガスによって置換される。不活性ガスと しては好ましくは酸素を含まないガスが挙げられる。純粋な窒素を使用するのが 特に好ましい。この最後の方策は水素化物貯溜容器との関連において特に好まし い。酸素を含むガスは水素化物の機能を損なうからである。 この発明によれば電気機械内の圧力の好ましくない低下が回避される。不活性 ガスの流れは電気機械内の水素を連れ去り漸次これと置換する。その際電気機械 内の充分な圧力、従っていかなる場合にも水素を搬送するため充分な大量の流れ が保証される。水素の取り出し或いは取り込みのために電気機械を真空にする必 要は最早なく、従って特別な真空ポンプも必要とせず、場合によって電気機械内 部において構成部品からガスが出るという危険をもたらすこともない。この意味 でこの発明による方法は電気機械内における水素の純度維持にも役立つ。 この方法の特別な利点は、水素が固体貯溜容器内において確実に環境から遮蔽 されており、特に酸素から遠ざけられていることである。このことは、水素化物 貯溜容器が火災等の際に熱に曝される場合ですら充分有効である。かかる場合固 体貯溜容器内における水素の結合が損なわれ、その際固体貯溜容器内に高い圧力 が発生するが、しかしこの圧力発生は固体貯溜容器の通常一般に必要なかなり大 きな質量により比較的ゆっくり進行するので、いかなる場合にも比較的長い時間 にわたってゆっくりした、安定した水素ガスの周辺への放出が可能になる。この ためには場合によっては小さい断面を持つ配管が必要である。このような配管は いかなる場合にも比較的簡単に遮蔽かつ冷却可能であるので、すべでの考えられ る場合に高い安全性が保証される。 水素を取り入れるための固体貯溜容器を冷却することは有効である。というの は固体貯溜容器の冷却は水素の蓄積を助長するからである。この冷却は固体貯溜 容器内に低圧を発生させ、これにより水素が電気機械から吸引される程度に行う のが有利である。このことは、比較的適度の冷却配管の場合ですら高い低圧が得 られる水素化物貯溜容器との関連において特に重要である。場合によっては、水 素以外の他のガスを除去するポンプは別としても、水素を取り出すためのポンプ の使用を省略することすらできる。固体貯溜容器の構成に応じてまた特に緊急時 において、具体的に課せられる要求に応じて、冷却は、固体貯溜容器に液化窒素 或いはドライアイスをふりかけることによって行われる。このような手段は同時 に酸素或いは可燃性ガスを固体貯溜容器の周囲、場合によっては電気機械の周囲 から追いやることから、特に火災の際に重要である。 通常は、勿論、水素を取り出すための固体貯溜容器の冷却はその温度が一般に １０℃である通常の冷却水を通すことで充分である。水素を電気機械に取り入れ るためには、通常、普通の温水装置からの温水、即ち約６０℃の温度の水で加熱 することで充分である。 この方法は、大型発電電気機械、特にターボ発電機から水素を取り出すために 特に良好に利用される。 水素を充填した電気機械から水素を取り出し、この水素を固体貯溜容器に取り 入れるための本発明による装置は、不活性ガスによって貫流され不活性ガスを周 辺へ排出するための手段とを備えかつ電気機械と接続される固体貯溜容器と、不 活性ガスを電気機械に導くための手段を備えることを特徴とする。不活性ガスを 周辺へ排出するための手段は特に、場合によっては阻止弁を備えた配管システム と煙突とを有し、不活性ガスを電気機械に導くための手段は不活性ガスの予備タ ンクとそのための配管及び弁システムとを含む。 固体貯溜容器は吸収性貯留容器、好ましくは水素化物貯溜容器であることが有 利である。 固体貯溜容器は過圧弁を備え、これにより固体貯溜容器が水素ガスを周囲へ排 出するための排出配管システム及び煙突に接続可能であるように構成するのが好 ましい。その場合の本質的な利点は、特に比較的小さい断面の配管システムが使 用可能であり、この配管システムは比較的簡単に特別な安全対策に組み込むこと ができるので、固体貯溜容器から排出された水素の点火が実際上排除されること にある。その場合大きな熱の発生を伴う大きな水素の炎が発生するというおそれ も決してない。 この装置はまた好ましくは固体貯溜容器を冷却するための手段を備える。冷却 は固体貯溜容器における水素の結合を著しく助けるからである。このような手段 は構成に応じて、水素を他の補助手段、特にポンプなしに電気機械から固体貯溜 容器へ送り込むためにも使用可能である。 電気機械と固体貯溜容器との間で水素の搬送を殆ど任意の方法で行うことがで きるように、固体貯溜容器は好ましくは温度調節のための手段、特に加熱手段を 備える。これにより特に、常に漏洩が起こりうるポンプを使用することなく、電 気機械と固体貯溜容器との間の化意の搬送が可能である。 この装置は、大型発電電気機械、特にターボ発電機から水素を取り出すための 使用に特に適している。その場合水素は要求に応じて約１Ｎｍ³／ｓｅｃまでの 流量で電気機械から取り出される。 この装置のさらに有利な使用は電気機械の点検中の水素の一時貯溜である。 この装置はまた、電気機械中に存在する水素を周期的に少なくとも部分的に電 気機械から取り出し、これを固体貯溜容器に蓄え、再び電気機械に還流すること によってこの水素を清浄化することにも適している。通常の固体貯溜容器は水素 以外の他のガス、特に空気の成分に対しても大きな吸収能力を持っているので、 貯溜機能の他に水素の清浄化にも使用され、その際水素から混合物が吸収される 。実際に固体貯溜容器により、市販のものでは得ることができない、例えば混合 物の成分が特に１０^-3以下である水素の純度が達成される。水素の純度は大型の 発電電気機械において特に重要である。この場合水素の純度が直接大型の発電電 気機械における回転部のガス摩擦を決定するからである。特に水素の純度を改善 することによってその皮相出力５００ＭＶＡを持つターボ発電機において１００ ｋＷ或いはそれ以上の出力増加が可能である。 この発明の実施例を図面において説明する。図１には電気機械１が接続配管３ を介して固体貯溜容器２に接続されている設備が示されている。この固体貯溜容 器２は、好ましくは、供給された水素を吸収することのできる金属或いは金属合 金からなる多孔性のマトリックスを含む水素化物貯溜容器である。電気機械１か らの水素の吸収もしくは電気機械１への水素の取り入れは固体貯溜容器２の温度 調節によって決定可能である。即ち、冷却により固体物貯溜容器２内に真空が形 成され、これにより水素は電気機械１から吸引され、加熱により固体物貯溜容器 ２に過圧が作られ、これにより水素を接続配管３を通して電気機械１へ圧入する ことができる。固体物貯溜容器２の温度調節のために固体貯溜容器２は熱交換器 １０を備え、この熱交換器は一方ではその付属の接続配管システム１１を介して 冷却装置１２、特に通常の冷却水系統に、他方では加熱装置１３、特に通常の温 水系統に接続されている。熱交換器１０、冷却装置１２及び加熱装置１３の構成 は当該関連の適用可能な原理を越えて何らの制約もない。しかしながら特に冷却 装置を適切に設計することによって固体貯溜容器２の過熱からの有効な保護が実 現されることが指摘される。特に火災の場合に対して、固体貯溜容器２が冷却装 置１２の適切な設計によって困難な条件下においても比較的低い温度に保たれる 。これにより水素が実際上完全に固体貯溜容器２内に拘束される。場合によって は固体貯溜容器２に液体窒素、ドライアイス等による冷却手段を設けることもで きる。電気機械１を場合によっては固体貯溜容器２から隔絶するために、接続配 管３には遮断弁１６が設けられている。 電気機械１には予備タンク４から制御弁６を備えた配管５を介して不活性ガス 、特に窒素が導入される。この不活性ガスにより水素は電気機械１から押し出さ れ固体貯溜容器２に送りこまれる。水素を固体貯溜容器２へ完全に取り出した後 は電気機械１は検査目的等のため開することができる。 電気機械１から水素を取り出すのは不活性ガスを導入することによって行われ る。その際不活性ガスと水素とが混ざり合う。このように不活性ガスと混合され た水素を蓄えるために、この混合ガスは固体貯溜容器２を通して吸引され、その 際水素が拘束され、これにより再び不活性ガスから分離される。不活性ガスは、 固体貯溜容器２を貫流した後、排出配管システム７を通して煙突１５に供給され る。排出配管システム７は分岐されている。一方の分路には過圧弁９がある。こ の弁は、特に、加熱によって水素の固体貯溜容器２における結合が分離され、障 害を回避するために制限されねばならない過圧が生ずる場合に重要である。分岐 配管システム７の他方の分路には真空ポンプ１４が配置され、これと固体貯溜容 器２との間には制御弁８、特に遮断弁がある。この真空ポンプ１４により制御弁 ８を開いた状態で不活性ガスが吸引され煙突１５に導かれる。真空ポンプ１４は また、電気機械１に導入された水素を存在するおそれのある不活性ガスの残りを 取り去るためにも利用される。このために混合ガスは電気機械１から固体貯溜容 器２に、冷却によって或いは図示してない他のポンプによって吸引される。それ により水素は混合ガスから固体貯溜容器２に蓄えられ、従って不活性ガスから分 離される。不活性ガスは真空ポンプ１４を介して吸引される。電気機械１におけ るガスの浄化の可能性は水素以外の他のガス、特に酸素を含むガスに対する固体 貯溜容器２の吸収能力を利用することによって実現される。電気機械１と固体貯 溜容器２との間で水素を周期的に出したり入れたりすることによって水素の不純 物は固体貯溜容器２内に取り込まれそこで吸収される。このようにして市販で得 られる水素の純度、通常混合比０．１％までの純度を に越えた水素純度が得ら れる。 この発明は水素を充填した電気機械からの水素の取り出しを、水素をガス相か ら固体相に移行させて行うものに関する。その場合大量の水素ガスを導入、排出 する従来必要であった装置は必要でなくなる。この発明によればそれ故、水素を 含む電気機械の設備において運転安全性が著しく向上される。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 シエーンフエルト、ペーター ドイツ連邦共和国 デー‐45259 エツセ ン ベクムスフエルト ７

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．水素を充填した電気機械（１）から水素を取り出し、この水素を固体貯溜容 器（２）に取り入れる方法において、水素を不活性ガスの流れによって搬送する ことを特徴とする水素を充填した電気機械からの水素の抽出方法。 ２．不活性ガスが酸素を含まない請求項１記載の方法。 ３．不活性ガスが窒素である請求項２記載の方法。 ４．不活性ガスを取り入れるための固体貯溜容器（２）を冷却する上記の請求項 の１つに記載の方法。 ５．固体貯溜容器（２）における冷却により低圧を発生し、これにより水素を電 気機械（１）から吸引する請求項４記載の方法。 ６．水素を電気機械（１）内において殆ど完全に不活性ガスによって置換する上 記の請求項の１つに記載の方法。 ７．上記の請求項の１つに記載の方法を大型発電電気機械、特にターボ発電機か ら水素を取り出すために利用する方法。 ８．不活性ガスにより貫流され不活性ガスを周辺へ排出するための手段（７、８ 、１４、１５）を備えかつ電気機械（１）と接続される固体貯溜容器（２）と、 不活性ガスを電気機械（１）に導入するための手段（４、５、６）とを備えたこ とを特徴とする請求項１乃至６の１つに記載の方法を実施するための装置。 ９．固体貯溜容器（２）が吸収貯溜容器、好ましくは水素化物貯溜容器である請 求項８記載の装置。 １０．固体貯溜容器（２）が過圧弁（９）を備え、これにより容器が水素を周辺 へ排出するための手段（７、１５）に接続される請求項８又は９記載の装置。 １１．固体貯溜容器（２）の冷却のための手段（１０、１１、１２）を備える請 求項８乃至１０の１つに記載の装置。 １２．固体貯溜容器（２）の温度調節、特に加熱のための手段（１０、１１、１ ３）を備える請求項８乃至１１の１つに記載の装置。 １３．大型発電電気機械、特にターボ発電機から水素を取り出すために請求項８ 乃至１２の１つに記載の装置を使用する方法。 １４．水素が約１Ｎｍ³／ｓｅｃの流量で取り出される請求項１３記載の方法。 １５．電気機械（１）の点検の間水素を中間的に貯溜するために請求項３乃至１ ２の１つに記載の装置を使用する方法又は請求項１３及び１４の１つに記載の使 用方法。 １６．水素を周期的に少なくとも部分的に電気機械（１）から取り出し、固体貯 溜容器（２）に蓄え、再び電気機械（１）に送り返すことによって、電気機械（ １）内の水素を清浄化するために請求項８乃至１２の１つに記載の装置を使用す る方法又は請求項１３乃至１５の１つに記載の使用方法。