JP3702121B2 - 発電装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発電装置に関し、特に、水中ロボットや潜水艦などの水中航走体や水中基地などにおいて電力を供給する場合に適用すると有効なものである。
【０００２】
【従来の技術】
水中ロボットや潜水艦などの水中航走体や水中基地などで発電を行う発電装置においては、以下の条件を満たす必要がある。
（１）空気がないため、酸素発生装置が必要である。
（２）深度圧の影響を受けないようにクローズドサイクルにする必要がある。
（３）排ガス等の発生がない。
【０００３】
このため、水中等で使用される発電装置には、水素と酸素とを電気化学的に反応させて電力を得るようにした燃料電池を適用することが考えられている。燃料電池を適用した発電装置は、図４に示すように、酸素ボンベ１１内の酸素１が酸素調圧装置１２で作動圧力に調整されながら酸素調温装置１３で温度調整された後に燃料電池３１内に供給される一方、水素ボンベ１５内の水素２が水素調圧装置１６で作動圧力に調整されながら水素調温装置１７で温度調整された後に燃料電池１０１内に供給されることにより、酸素１と水素２とが電気化学的に反応して電力および水３を生じ、電気が二次電池１０２に蓄電されて各種電機系統の負荷１０３に使用され、上記水３が水タンク１０４内に貯蔵されるようになっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述したような発電装置では、以下のような問題がある。
【０００５】
（１）酸素１および水素２をガスで貯蔵しているため、十分な発電能力を得ようとすると、これら原料１，２の貯蔵にかかるスペースが非常に大きくなってしまい、発電能力の向上に限界があった。そこで、液化した酸素１および水素２を利用することにより、これら原料１，２の貯蔵密度を向上させることが考えらるものの、液体水素は、自然蒸発量が大きくて長期間の貯蔵が困難であるため、液体水素を実機に適用することは現実的に困難である。
【０００６】
（２）電気化学反応の効率を向上させるため、酸素１および水素２を各調温装置１３，１７で所定の温度（一般に１００℃前後）に加熱してから燃料電池１０１に供給する必要がある。この加熱に要するエネルギは、発電エネルギの数％にもなってしまい、エネルギ的に大きな無駄がある。
【０００７】
（３）反応で生じた水３を水タンク１０４内でそのまま保管するため、スペース的に無駄を生じてしまう。なぜなら、水中航走体に適用している場合に上記水３を外部へ排出してしまうと、排出した重量分だけ浮力が大きくなるため、浮力バランスが崩れたり重心位置がずれたりしてしまい、姿勢制御が困難となってしまうからである。
【０００８】
このようなことから、本発明は、コンパクトでエネルギ効率が高く長期使用が可能な発電装置を提供することを目的とした。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前述した課題を解決するための、本発明による発電装置は、酸素ガスを発生させる酸素ガス発生手段と、水素ガスを発生させる水素ガス発生手段と、前記酸素ガスと前記水素ガスとを反応させることで電力および水を生じる発電機器とを備えてなる発電装置であって、前記水素ガス発生手段が、水と反応することにより前記水素ガスを発生する金属燃料、水素化リチウム、水素化ナトリウムのうちのいずれかまたはこれらの組み合わせを保持する保持手段と、前記発電機器で生じた前記水を前記保持手段に供給する給水手段とを備えてなり、前記酸素ガス発生手段が、加熱分解することにより酸素ガスを発生する酸素発生剤を保持する保持手段と、前記酸素発生剤を加熱する加熱手段とを備えてなり、前記酸素ガス発生手段の前記加熱手段が、前記保持手段内の前記酸素発生剤を送給する送給ポンプと、前記保持手段内に設けられ、水平方向に沿って軸心を向けて一端側に前記送給ポンプを連結されると共に他端側を開放されると共に、上方側に複数の貫通孔を形成されたパイプ本体と、前記パイプ本体を加熱する起動ヒータとを備えてなることを特徴とする。
【００１３】
上述した発電装置において、前記酸素ガス発生手段の前記加熱手段が前記パイプ本体を包囲する保温材を備えていることを特徴とする。
【００１４】
上述した発電装置において、前記金属燃料がアルミニウム、マグネシウム、リチウム、ナトリウムのうちのいずれかまたはこれらの組み合わせからなることを特徴とする。
【００１５】
上述した発電装置において、前記酸素発生剤が過塩素酸塩類または無機過酸化物であることを特徴とする。
【００１６】
上述した発電装置において、前記発電機器が燃料電池であることを特徴とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明による発電装置の実施の形態を以下に説明するが、本発明は、これらの実施の形態に限定されるものではない。
【００１８】
［第一番目の実施の形態］
本発明による発電装置の第一番目の実施の形態を図１を用いて説明する。なお、図１は、その概略構成図である。
【００１９】
＜構成＞
〔全体〕
図１に示すように、本実施の形態の発電装置は、液状の酸素１を気化する酸素ガス発生装置１１０と、気化した酸素１の圧力を調整する酸素調圧装置１２０と、気化した酸素の温度を調整する酸素調温装置１３０と、気化した酸素１が規定の圧力および温度となるように酸素調圧装置１２０および酸素調温装置１３０を制御する酸素用制御装置１４０と、金属燃料４に水３を供給して水素２を発生させる水素ガス発生装置１５０と、発生した水素２の圧力を調整する水素調圧装置１６０と、発生した水素２の温度を調整する水素調温装置１７０と、発生した水素２が規定の圧力および温度となるように水素調圧装置１６０および水素調温装置１７０を制御する水素用制御装置１８０と、酸素１と水素２とを電気化学的に反応させることで電力および水３を生じる燃料電池１０１と、燃料電池１０１で発生した電気を蓄える二次電池１０２とを備えてなっている。
【００２０】
〔各部〕
《酸素ガス発生装置１１０》
酸素ガス発生手段である酸素ガス発生装置１１０は、液状の酸素１を極低温で貯蔵する貯蔵容器１１１と、この貯蔵容器１１１内に設けられて液状の酸素１を加熱して当該酸素１を気化させる熱交換器１１２と、この熱交換器１１２の熱媒６（例えば、ヘリウムガスや窒素ガス等のような不活性ガスなど）を循環させる循環ポンプ１１３と、水素ガス発生装置１５０での水３と金属燃料４との反応に伴って生じた熱で上記熱媒６を加熱する熱交換器１５２と、気化した酸素１中の異物等を除去するフィルタ１１６とを備えてなっている。
【００２１】
このような本実施の形態では、貯蔵容器１１１、フィルタ１１６などにより保持手段を構成し、熱交換器１１２、循環ポンプ１１３、熱交換器１５２などにより加熱手段を構成している。
【００２２】
《酸素調圧装置１２０》
酸素調圧手段である酸素調圧装置１２０は、前記フィルタ１１６を介して送給されてきた酸素１を加熱する熱交換器１２２と、この熱交換器１２２の熱媒６（例えば、ヘリウムガスや窒素ガス等のような不活性ガスなど）を循環させる循環ポンプ１２３と、水素ガス発生装置１５０での水３と金属燃料４との反応熱で上記熱媒６を加熱する熱交換器１５２と、加熱された酸素１を所定の圧力で送出する調圧弁１２４とを備えてなっている。
【００２３】
《酸素調温装置１３０》
酸素調温装置１３０は、内部に水３を蓄えられた貯水槽１３１と、この貯水槽１３１内の水３を冷媒７（例えば海水など）により冷却する熱交換器１３２と、貯水槽１３１と熱交換器１３２との間で上記水３を循環させる循環ポンプ１３３と、貯水槽１３１内に設けられて前記調圧弁１２４から送り出されてきた酸素１を当該水３内に噴射供給する噴射ノズル１３５とを備えてなっている。
【００２４】
《酸素用制御装置１４０》
酸素用制御装置１４０は、酸素調圧装置１２０の熱交換器１２２で加熱された酸素１の温度を計測する酸素温度計１４１と、この酸素温度計１４１での計測結果に基づいて当該酸素１を所定範囲の温度とするように酸素調圧装置１２０の循環ポンプ１２３を制御して上記熱交換器１２２の熱媒６の流通量を調整する熱媒量制御器１４２と、上記熱交換器１２２で加熱された酸素１の圧力を計測する一次圧力計１４３と、この一次圧力計１４３での計測結果に基づいて当該酸素１を所定範囲の圧力とするように酸素ガス発生装置１１０の循環ポンプ１１３を制御して熱交換器１１２の熱媒６の流通量を調整する熱媒量制御器１４４と、酸素調温装置１３０の貯水槽１３１内の水３の温度を計測する水温計１４５と、この水温計１４５での計測結果に基づいて当該水３を所定範囲の温度とするように酸素調温装置１３０の循環ポンプ１３３を制御して熱交換器１３２への水３の流通量を制御する水量制御器１４６と、酸素調温装置１３０の貯水槽１３１から送出されてきた酸素１の圧力を計測する二次圧力計１４７と、この二次圧力計１４７での計測結果に基づいて当該酸素１を所定の圧力で送給するように前記酸素調圧装置１２０の調圧弁１２４を制御する圧力制御器（調圧弁１２４に組み込まれている）とを備えてなっている。
【００２５】
《水素ガス発生装置１５０》
水素ガス発生手段である水素ガス発生装置１５０は、水３と反応することにより水素２を発生する金属燃料４（例えば、アルミニウム、マグネシウム、リチウム、水素化リチウム、ナトリウム、水素化ナトリウム等のうちのいずれかの単体またはこれらの組み合わせの混合物など）を水３と反応可能な温度状態（通常は溶融状態であるが、例えば水素化リチウムなどは溶融状態でなくても水素２を十分に発生させることができる。）に加熱保持する保持容器１５１と、この保持容器１５１内に設けられて上記金属燃料４に水３を噴射する噴射ノズル１５５と、詳しくは後述する水素調温装置１７０の貯水槽１７１内の水３を上記噴射ノズル１５５に送給する給水ポンプ１５３と、保持容器１５１に設けられて水３と金属燃料４との反応に伴って生じた熱を上述した酸素ガス発生装置１１０および酸素調圧装置１２０の熱交換器１１２，１２２の熱媒６に吸熱させる熱交換器１５２と、発生した水素２中の異物等を除去するフィルタ１５６とを備えてなっている。
【００２６】
このような本実施の形態では、保持容器１５１、フィルタ１５６などにより保持手段を構成し、給水ポンプ１５３、噴射ノズル１５５などにより給水手段を構成している。
【００２７】
《水素調圧装置１６０》
水素調圧装置１６０は、前記フィルタ１５６を介して送給されてきた高温高圧の水素２を冷媒７（例えば海水など）により冷却して当該水素２をある程度にまで減圧する熱交換器１６２と、減圧された水素２を所定の圧力で送出する調圧弁１６４とを備えてなっている。
【００２８】
《水素調温装置１７０》
水素調温装置１７０は、内部に水３を蓄えられた貯水槽１７１と、この貯水槽１７１内の水３を冷媒７（例えば海水など）により冷却する熱交換器１７２と、貯水槽１７１と熱交換器１７２との間で上記水３を循環させる循環ポンプ１７３と、貯水槽１７１内に設けられて前記調圧弁１６４から送り出されてきた水素２を当該水３内に噴射供給する噴射ノズル１７５とを備えてなっている。
【００２９】
《水素用制御装置１８０》
水素用制御装置１８０は、水素調圧装置１６０の熱交換器１６２で冷却された水素２の圧力を計測する一次圧力計１８３と、この一次圧力計１８３での計測結果に基づいて当該水素２を所定範囲の圧力とするように水素ガス発生装置１５０の給水ポンプ１５３を制御して保持容器１５１内に供給する水３の量を調整する給水量制御器１８４と、水素調温装置１７０の貯水槽１７１内の水３の温度を計測する水温計１８５と、この水温計１８５での計測結果に基づいて当該水３を所定範囲の温度とするように水素調温装置１７０の循環ポンプ１７３を制御して熱交換器１７２への水３の流通量を制御する水量制御器１８６と、水素調温装置１７０の貯水槽１７１から送出されてきた水素２の圧力を計測する二次圧力計１８７と、この二次圧力計１８７での計測結果に基づいて当該水素２を所定の圧力で送給するように前記水素調圧装置１６０の調圧弁１６４を制御する圧力制御器（調圧弁１６４に組み込まれている）とを備えてなっている。
【００３０】
《燃料電池１０１》
発電機器である燃料電池１０１は、酸素調温装置１３０の貯水槽１３１から送られてきた酸素１と水素調温装置１７０の貯水槽１７１から送られてきた水素２とを電気化学的に反応させることで電力および水３を生じ、この水３を水素調温装置１７０の貯水槽１７１に送給するようになっている。
【００３１】
《二次電池１０２》
二次電池１０２は、燃料電池１０１の出力を一時的にバッファし、負荷１０３の消費電力の急変に対応することができるようになっている。
【００３２】
＜作用・効果＞
図１に示したように、本実施の形態の発電装置では、酸素ガス発生装置１１０および水素ガス発生装置１５０を備えており、酸素１と水素２とが当量比になるようにこれらガス１，２の温度および圧力を調整しながら燃料電池１０１に供給することにより、燃料電池１０１で発電させる仕組みとなっている（制御上の限界から、酸素１および水素２の供給量が一時的にアンバランスになる場合があるものの、燃料電池１０１での酸素１と水素２との消費量が当量比によるため、酸素１や水素２が未反応のまま蓄積していくことはない。）。燃料電池１０１では当量反応が行われるため、反応生成物が水３だけである（下記化学式参照）。
【００３３】
［化１］
Ｈ2 ＋ 1/2Ｏ2 →Ｈ2 Ｏ
【００３４】
酸素ガス発生装置１１０は、貯蔵容器１１１内に液状の酸素１を貯蔵し、熱交換器１１２で酸素１を気化してシステム内に供給する。酸素ガス発生装置１１０および酸素調圧装置１２０の熱交換器１１２，１２２の熱媒６に必要な熱は、水素ガス発生装置１５０の保持容器１５１内での水３と金属燃料４との反応熱を熱交換器１５２により利用しているため、燃料電池１０１の出力の数％を要してしまう加熱電力が不要となる。
【００３５】
一方、水素ガス発生装置１５０は、保持容器１５１内に金属燃料４を溶融した状態で保持し、保持容器１５１内に噴射ノズル１５５から水３を噴射することにより、水３と金属燃料４とを反応させ、水素２を発生させてシステム内に供給する。水３と金属燃料４とが発熱反応を起こすため、保持容器１５１は、内部温度が上昇する（局所的に１０００℃以上に達してしまう。）。そこで、この反応熱を熱交換器１５２で回収することにより、保持容器１５１内の温度上昇を抑えると共に、酸素ガス発生装置１１０および酸素調圧装置１２０の熱交換器１１２，１２２の熱媒６の熱源として利用する。
【００３６】
各調温装置１３０，１７０を通過して供給される酸素１および水素２は、燃料電池１０１で電気化学的に反応して電力と水３を生じる。燃料電池１０１で生じた水３の量は、そのときの燃料電池１０１の出力で必要とされる水素２の消費量に対応してる。そこで、燃料電池１０１で発生した水３と同量の水３を水素ガス発生装置１５０の保持容器１５１内に送給して金属燃料４と反応させることにより、必要量の水素２を発生させることができると同時に、余計な水３を貯蔵しておく必要がなくなる。
【００３７】
すなわち、燃料電池１０１から発生する水３の量と当量反応に必要とされる水素２を含む水３の量とが等しいため、この水３から水素２を分離するようにしたことが本発明の基本思想なのである。
【００３８】
金属燃料４にアルミニウムを適用した場合、水素ガス発生装置１５０の保持容器１５１内では、下記の化学式に示した反応を生じる。
【００３９】
［化２］
2/3Ａｌ＋Ｈ2 Ｏ→ 1/3Ａｌ2 Ｏ3 ＋Ｈ2
【００４０】
つまり、本発明は、酸素ガス発生装置１１０からの酸素１が水素ガス発生装置１５０へ移動する過程で電力を発生させるシステムと見なすことができる。このため、系内の水３の量が増加するという現象を生じることはない。
【００４１】
また、各発生装置１１０，１５０から発生した酸素１および水素２は、各調圧装置１２０，１６０および各調温装置１３０，１７０を経由して、燃料電池１０１での使用に必要とされる条件に整えられる。燃料電池１０１に供給される酸素１および水素２は、燃料電池１０１の出力に応じた当量で消費されるので、当該出力に応じた圧力で送給すればよい（温度は出力に関係なく略一定である。）。そのため、各制御装置１４０，１８０により、酸素１および水素２を所定の圧力で送給できるように酸素１および水素２の発生量を制御するようにしたのである。
【００４２】
このような本実施の形態の発電装置によれば、以下のような効果を得ることができる。
【００４３】
（１）燃料電池１０１で生成した水３は、水素ガス発生装置１５０で再利用されるため、貯蔵する水３が増加してしまうことがない。
【００４４】
（２）水素２を発生させる金属燃料４は、常温で固体であるため、長期間の保管に優れると共に、高温にすると水３と容易に反応して水素２を発生するため、水素２の発生密度が極めて高い。このため、液化状態からガス化して水素２を発生させるシステムより軽量化および省スペース化を図ることができ、高効率発電や長時間発電が可能となる。
【００４５】
（３）水素２の発生量と水３の供給量とが比例関係にあるので、水３の供給量を制御することにより水素２の発生量を容易に調整することができる。
【００４６】
（４）金属燃料４と水との反応熱を利用して、液状の酸素１を気化させるようにしたので、システム内の消費電力を低減させ、発電効率を向上させることができる。
【００４７】
（５）アルミニウムおよび液体酸素は低価格であるため、運転費等のランニングコストが安く済む。
【００４８】
［第二番目の実施の形態］
本発明による発電装置の第二番目の実施の形態を図２，３を用いて説明する。なお、図２は、その概略構成図、図３は、酸素ガス発生装置の概略構成である。ただし、前述した第一番目の実施の形態と同様な部分については、前述した第一番目の実施の形態の説明で用いた符号と同様な符号を用いることにより、その説明を省略する。
【００４９】
＜構成＞
〔全体〕
図２に示すように、本実施の形態の発電装置は、酸素１を発生させる酸素ガス発生装置２１０と、発生した酸素１の圧力を調整する酸素調圧装置２２０と、気化した酸素の温度を調整する酸素調温装置１３０と、気化した酸素１が規定の圧力および温度となるように酸素調圧装置１２０および酸素調温装置１３０を制御する酸素用制御装置２４０と、金属燃料４に水３を供給して水素２を発生させる水素ガス発生装置１５０と、発生した水素２の圧力を調整する水素調圧装置１６０と、発生した水素２の温度を調整する水素調温装置１７０と、発生した水素２が規定の圧力および温度となるように水素調圧装置１６０および水素調温装置１７０を制御する水素用制御装置１８０と、酸素１と水素２とを電気化学的に反応させることで電力と水３とを生じる燃料電池１０１と、燃料電池１０１で発生した電気を蓄える二次電池１０２とを備えてなっている。
【００５０】
〔各部〕
《酸素ガス発生装置２１０》
酸素ガス発生手段である酸素ガス発生装置２１０は、常温で固体の酸素発生剤５（例えば、過塩素酸リチウム、過塩素酸ナトリウム、過塩素酸カリウム等の過塩素酸塩類や、過酸化リチウム、過酸化ナトリウム、過酸化カリウム等の無機過酸化物など）を溶融状態で保持する分割可能な保持容器２１１と、この溶融された酸素発生剤５を送給する送給ポンプ２１３と、この送給ポンプ２１３で送給された酸素発生剤５を加熱分解させて酸素１を発生させるホットパイプ２１７と、保持容器２１１内の上部に設けられた飛沫防止板２１８と、酸素１中の異物等を除去するフィルタ１１６とを備えてなっている。
【００５１】
上記ホットパイプ２１７は、図３に示すように、水平方向に沿って軸心を向けて一端側に前記送給ポンプ２１３を連結されると共に他端側を開放されて上方側に複数の貫通孔２１７ａａを形成されたパイプ本体２１７ａと、このパイプ本体２１７ａの外周面を包囲する保温材２１７ｂと、当該パイプ本体２１７ａを加熱する起動ヒータ２１７ｃとを備えてなっている。
【００５２】
このような本実施の形態では、保持容器２１１、飛沫防止板２１８、フィルタ１１６などにより保持手段を構成し、送給ポンプ２１３、ホットパイプ２１７などにより加熱手段を構成している。
【００５３】
《酸素調圧装置２２０》
酸素調圧装置２２０は、前記フィルタ１１６を介して送給されてきた高温高圧の酸素１を冷媒７（例えば海水など）により冷却して当該酸素１をある程度にまで減圧する熱交換器２２２と、減圧された酸素１を所定の圧力で送出する調圧弁１２４とを備えてなっている。
【００５４】
《酸素用制御装置２４０》
酸素用制御装置１４０は、酸素調圧装置２２０の熱交換器２２２で加熱された酸素１の圧力を計測する一次圧力計１４３と、この一次圧力計１４３での計測結果に基づいて当該酸素１を所定範囲の圧力とするように酸素ガス発生装置２１０の送給ポンプ２１３を制御してホットパイプ２１７への酸素発生剤５の送給量を調整する酸素発生剤量制御器２４４と、酸素調温装置１３０の貯水槽１３１内の水３の温度を計測する水温計１４５と、この水温計１４５での計測結果に基づいて当該水３を所定範囲の温度とするように酸素調温装置１３０の循環ポンプ１３３を制御して熱交換器１３２への水３の流通量を制御する水量制御器１４６と、酸素調温装置１３０の貯水槽１３１から送出されてきた酸素１の圧力を計測する二次圧力計１４７と、この二次圧力計１４７での計測結果に基づいて当該酸素１を所定の圧力で送給するように前記酸素調圧装置２２０の調圧弁１２４を制御する圧力制御器（調圧弁１２４に組み込まれている）とを備えてなっている。
【００５５】
＜作用・効果＞
本実施の形態の発電装置は、酸素ガス発生装置２１０で酸素発生剤５を加熱分解させて酸素１を発生させることが前述した実施の形態の発電装置と大きく異なっている。
【００５６】
具体的には、保持容器２１１内で図示しないヒータ等で融点にまで加熱された酸素発生剤５を送給ポンプ２１３でホットパイプ２１７のパイプ本体２１７ａの一端側から内部に送り込んで起動ヒータ２１７ｃで加熱して分解し、酸素１を発生させてパイプ本体２１７ａの貫通孔２１７ａａおよび他端側から送り出し、飛沫防止板２１８で迂回させることにより減速させながらフィルタ２１６を介して送り出すのである。
【００５７】
ここで、ホットパイプ２１７のパイプ本体２１７ａに貫通孔２１７ａａを形成したのは、酸素発生剤５を加熱分解する過程において、発生した酸素１が分解途中の酸素発生剤５を他端側から外部へ押し出さないようにするためである（つまり「逃がし孔」である。）。
【００５８】
なお、酸素発生剤５として過塩素酸リチウムを用いた場合には、ホットパイプ２１７内で以下の反応が起こる。
【００５９】
［化３］
ＬｉＣｌＯ4 →ＬｉＣｌ＋２Ｏ2
【００６０】
過塩素酸リチウムは、分解温度が４４０℃以上であるため、当該温度以上に加熱すると、分解して酸素１を発生しながら８００℃以上にまで発熱する。このため、ホットパイプ２１７内である程度まで分解反応が進行し始めると、起動ヒータ２１７ｃに給電しなくても分解温度以上の温度を保持することができる。また、ホットパイプ２１７のパイプ本体２１７ａを保温材２１７ｂで包囲しているため、パイプ本体２１７ａ内を分解温度以上の温度で保持することが容易となり、起動ヒータ２１７ｃの消費電力を削減することができ、その間は逐次再起動が可能となる。
【００６１】
酸素発生剤５の酸素１の放出後の残留物５ａ（酸素発生剤５として過塩素酸リチウムを用いた場合には塩化リチウム）は、ホットパイプ２１７のパイプ本体２１７ａの他端側から液状（融点６０８℃）で流出し、保持容器２１１内に滴下する。このとき、酸素発生剤５の溶融温度が分解温度と十分に差があるため、保持容器２１１内の酸素発生剤５が分解反応を起こしてしまうことはない。
【００６２】
また、前述した実施の形態では、酸素ガス発生装置１１０で発生した酸素１を酸素調圧装置１２０の熱交換器１２１で加熱したが、本実施の形態では、酸素ガス発生装置２１０から発生した酸素１の温度が数百℃に達するため、酸素調圧装置２２０の熱交換器２２２で冷却する必要がある。
【００６３】
このような本実施の形態の発電装置によれば、前述した実施の形態の場合と同様な効果を得ることができると共に、以下のような効果を得ることができる。
【００６４】
（１）酸素１を発生させる酸素発生剤５は、常温で固体であるため、長期間の保管に優れると共に、酸素１の発生密度が極めて高い。このため、液化状態からガス化して酸素１を発生させるシステムより軽量化および省スペース化を図ることができ、容積効率に優れ、高効率発電や長時間発電が可能となる。
【００６５】
（２）酸素１の発生量と酸素発生剤５の加熱分解量とが比例関係にあるので、酸素発生剤５のホットパイプ２１７への供給量を制御する（送給ポンプ２１３を調整する）ことにより酸素１の発生量を容易に調整することができる。
【００６６】
（３）ホットパイプ２１７のパイプ本体２１７ａを保温材２１７ｂで包囲したので、酸素発生剤５の分解反応に伴う発熱を保温することができ、短時間の停止状態であれば、起動ヒータ２１７ｃを再起動させなくても酸素１を発生させることができる。
【００６７】
（４）ホットパイプ２１７のパイプ本体２１７ａの軸心方向を水平方向に沿って向けると共に、当該パイプ本体２１７ａの上方側に複数の貫通孔２１７ａａを形成することにより、酸素発生剤５のパイプ本体２１７ａとの接触時間を長く稼ぐことができるようにしたので、ホットパイプ２１７へ供給された酸素発生剤５の加熱分解効率を高めることができる。
【００６８】
（５）酸素発生剤５は、水溶性であるものがほとんどであり、酸素ガス発生装置２１０の保持容器２１１は、水洗するだけで再利用することができ、コスト性に優れている。
【００６９】
【発明の効果】
本発明による発電装置は、酸素ガスを発生させる酸素ガス発生手段と、水素ガスを発生させる水素ガス発生手段と、前記酸素ガスと前記水素ガスとを反応させることで電力および水を生じる発電機器とを備えてなる発電装置であって、前記水素ガス発生手段が、水と反応することにより前記水素ガスを発生する金属燃料、水素化リチウム、水素化ナトリウムのうちのいずれかまたはこれらの組み合わせを保持する保持手段と、前記発電機器で生じた前記水を前記保持手段に供給する給水手段とを備えてなるので、コンパクトでエネルギ効率が高く長期使用が可能になると共に、（１）発電機器で生成した水を水素ガス発生手段で再利用することができ、貯蔵する水の増加を防止することができる。（２）水素の発生量と水の供給量とが比例関係にあるので、水の供給量を制御することにより水素の発生量を容易に調整することができる。
【００７１】
また、前記酸素ガス発生手段が、加熱分解することにより酸素ガスを発生する酸素発生剤を保持する保持手段と、前記酸素発生剤を加熱する加熱手段とを備えてなるので、さらに、コンパクトでエネルギ効率が高く長期使用が可能な発電装置を提供することができる。
【００７２】
また、前記酸素ガス発生手段の前記加熱手段が、前記保持手段内の前記酸素発生剤を送給する送給ポンプと、前記保持手段内に設けられ、水平方向に沿って軸心を向けて一端側に前記送給ポンプを連結されると共に他端側を開放されると共に、上方側に複数の貫通孔を形成されたパイプ本体と、前記パイプ本体を加熱する起動ヒータとを備えてなるので、（１）酸素の発生量と酸素発生剤の加熱分解量とが比例関係になり、酸素発生剤のパイプ本体への供給量を制御する（送給ポンプを調整する）ことにより酸素の発生量を容易に調整することができる。（２）酸素発生剤のパイプ本体との接触時間を長く稼ぐことができ、パイプ本体へ供給された酸素発生剤の加熱分解効率を高めることができる。
【００７３】
また、前記酸素ガス発生手段の前記加熱手段が前記パイプ本体を包囲する保温材を備えているので、酸素発生剤の分解反応に伴う発熱を保温することができ、短時間の停止状態であれば、起動ヒータを再起動させなくても酸素を発生させることができる。
【００７４】
また、前記金属燃料がアルミニウム、マグネシウム、リチウム、ナトリウムのうちのいずれかまたはこれらの組み合わせからなるので、常温で固体であることから長期間の保管に優れると共に、高温にすると水と容易に反応して水素を発生するため、水素の発生密度が極めて高い。このため、液化状態からガス化して水素を発生させるシステムより軽量化および省スペース化を図ることができ、高効率発電や長時間発電が可能となる。
【００７５】
また、前記酸素発生剤が過塩素酸塩類または無機過酸化物であるので、常温で固体であることから長期間の保管に優れると共に、酸素の発生密度が極めて高い。このため、液化状態からガス化して酸素を発生させるシステムより軽量化および省スペース化を図ることができ、容積効率に優れ、高効率発電や長時間発電が可能となる。
【００７６】
また、前記発電機器が燃料電池であるので、上記効果をより有効に発現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による発電装置の第一番目の実施の形態の概略構成図である。
【図２】本発明による発電装置の第二番目の実施の形態の概略構成図である。
【図３】図２の酸素ガス発生装置の概略構成である。
【図４】従来の発電装置の一例の概略構成図である。
【符号の説明】
１ 酸素
２ 水素
３ 水
４ 金属燃料
５ 酸素発生剤
５ａ 残留物
６ 熱媒
７ 冷媒
１０１ 燃料電池
１０２ 二次電池
１０３ 負荷
１１０ 酸素ガス発生装置
１１１ 貯蔵容器
１１２ 熱交換器
１１３ 循環ポンプ
１１６ フィルタ
１２０ 酸素調圧装置
１２２ 熱交換器
１２３ 循環ポンプ
１２４ 調圧弁
１３０ 酸素調温装置
１３１ 貯水槽
１３２ 熱交換器
１３３ 循環ポンプ
１３５ 噴射ノズル
１４０ 酸素用制御装置
１４１ 酸素温度計
１４２ 熱媒量制御器
１４３ 一次圧力計
１４４ 熱媒量制御器
１４５ 水温計
１４６ 水量制御器
１４７ 二次圧力計
１５０ 水素ガス発生装置
１５１ 保持容器
１５２ 熱交換器
１５３ 循環ポンプ
１５５ 噴射ノズル
１５６ フィルタ
１６０ 水素調圧装置
１６２ 熱交換器
１６４ 調圧弁
１７０ 水素調温装置
１７１ 貯水槽
１７２ 熱交換器
１７３ 循環ポンプ
１７５ 噴射ノズル
１８０ 水素用制御装置
１８３ 一次圧力計
１８４ 給水量制御器
１８５ 水温計
１８６ 水量制御器
１８７ 二次圧力計
２１０ 酸素ガス発生装置
２１１ 保持容器
２１３ 送給ポンプ
２１６ フィルタ
２１７ ホットパイプ
２１７ａ パイプ本体
２１７ａａ 貫通孔
２１７ｂ 保温材
２１７ｃ 起動ヒータ
２１８ 飛沫防止板
２２０ 酸素調圧装置
２２２ 熱交換器
２２４ 調圧弁
２４０ 酸素用制御装置
２４４ 酸素発生剤量制御器
【発明の属する技術分野】
本発明は、発電装置に関し、特に、水中ロボットや潜水艦などの水中航走体や水中基地などにおいて電力を供給する場合に適用すると有効なものである。
【０００２】
【従来の技術】
水中ロボットや潜水艦などの水中航走体や水中基地などで発電を行う発電装置においては、以下の条件を満たす必要がある。
（１）空気がないため、酸素発生装置が必要である。
（２）深度圧の影響を受けないようにクローズドサイクルにする必要がある。
（３）排ガス等の発生がない。
【０００３】
このため、水中等で使用される発電装置には、水素と酸素とを電気化学的に反応させて電力を得るようにした燃料電池を適用することが考えられている。燃料電池を適用した発電装置は、図４に示すように、酸素ボンベ１１内の酸素１が酸素調圧装置１２で作動圧力に調整されながら酸素調温装置１３で温度調整された後に燃料電池３１内に供給される一方、水素ボンベ１５内の水素２が水素調圧装置１６で作動圧力に調整されながら水素調温装置１７で温度調整された後に燃料電池１０１内に供給されることにより、酸素１と水素２とが電気化学的に反応して電力および水３を生じ、電気が二次電池１０２に蓄電されて各種電機系統の負荷１０３に使用され、上記水３が水タンク１０４内に貯蔵されるようになっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述したような発電装置では、以下のような問題がある。
【０００５】
（１）酸素１および水素２をガスで貯蔵しているため、十分な発電能力を得ようとすると、これら原料１，２の貯蔵にかかるスペースが非常に大きくなってしまい、発電能力の向上に限界があった。そこで、液化した酸素１および水素２を利用することにより、これら原料１，２の貯蔵密度を向上させることが考えらるものの、液体水素は、自然蒸発量が大きくて長期間の貯蔵が困難であるため、液体水素を実機に適用することは現実的に困難である。
【０００６】
（２）電気化学反応の効率を向上させるため、酸素１および水素２を各調温装置１３，１７で所定の温度（一般に１００℃前後）に加熱してから燃料電池１０１に供給する必要がある。この加熱に要するエネルギは、発電エネルギの数％にもなってしまい、エネルギ的に大きな無駄がある。
【０００７】
（３）反応で生じた水３を水タンク１０４内でそのまま保管するため、スペース的に無駄を生じてしまう。なぜなら、水中航走体に適用している場合に上記水３を外部へ排出してしまうと、排出した重量分だけ浮力が大きくなるため、浮力バランスが崩れたり重心位置がずれたりしてしまい、姿勢制御が困難となってしまうからである。
【０００８】
このようなことから、本発明は、コンパクトでエネルギ効率が高く長期使用が可能な発電装置を提供することを目的とした。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前述した課題を解決するための、本発明による発電装置は、酸素ガスを発生させる酸素ガス発生手段と、水素ガスを発生させる水素ガス発生手段と、前記酸素ガスと前記水素ガスとを反応させることで電力および水を生じる発電機器とを備えてなる発電装置であって、前記水素ガス発生手段が、水と反応することにより前記水素ガスを発生する金属燃料、水素化リチウム、水素化ナトリウムのうちのいずれかまたはこれらの組み合わせを保持する保持手段と、前記発電機器で生じた前記水を前記保持手段に供給する給水手段とを備えてなり、前記酸素ガス発生手段が、加熱分解することにより酸素ガスを発生する酸素発生剤を保持する保持手段と、前記酸素発生剤を加熱する加熱手段とを備えてなり、前記酸素ガス発生手段の前記加熱手段が、前記保持手段内の前記酸素発生剤を送給する送給ポンプと、前記保持手段内に設けられ、水平方向に沿って軸心を向けて一端側に前記送給ポンプを連結されると共に他端側を開放されると共に、上方側に複数の貫通孔を形成されたパイプ本体と、前記パイプ本体を加熱する起動ヒータとを備えてなることを特徴とする。
【００１３】
上述した発電装置において、前記酸素ガス発生手段の前記加熱手段が前記パイプ本体を包囲する保温材を備えていることを特徴とする。
【００１４】
上述した発電装置において、前記金属燃料がアルミニウム、マグネシウム、リチウム、ナトリウムのうちのいずれかまたはこれらの組み合わせからなることを特徴とする。
【００１５】
上述した発電装置において、前記酸素発生剤が過塩素酸塩類または無機過酸化物であることを特徴とする。
【００１６】
上述した発電装置において、前記発電機器が燃料電池であることを特徴とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明による発電装置の実施の形態を以下に説明するが、本発明は、これらの実施の形態に限定されるものではない。
【００１８】
［第一番目の実施の形態］
本発明による発電装置の第一番目の実施の形態を図１を用いて説明する。なお、図１は、その概略構成図である。
【００１９】
＜構成＞
〔全体〕
図１に示すように、本実施の形態の発電装置は、液状の酸素１を気化する酸素ガス発生装置１１０と、気化した酸素１の圧力を調整する酸素調圧装置１２０と、気化した酸素の温度を調整する酸素調温装置１３０と、気化した酸素１が規定の圧力および温度となるように酸素調圧装置１２０および酸素調温装置１３０を制御する酸素用制御装置１４０と、金属燃料４に水３を供給して水素２を発生させる水素ガス発生装置１５０と、発生した水素２の圧力を調整する水素調圧装置１６０と、発生した水素２の温度を調整する水素調温装置１７０と、発生した水素２が規定の圧力および温度となるように水素調圧装置１６０および水素調温装置１７０を制御する水素用制御装置１８０と、酸素１と水素２とを電気化学的に反応させることで電力および水３を生じる燃料電池１０１と、燃料電池１０１で発生した電気を蓄える二次電池１０２とを備えてなっている。
【００２０】
〔各部〕
《酸素ガス発生装置１１０》
酸素ガス発生手段である酸素ガス発生装置１１０は、液状の酸素１を極低温で貯蔵する貯蔵容器１１１と、この貯蔵容器１１１内に設けられて液状の酸素１を加熱して当該酸素１を気化させる熱交換器１１２と、この熱交換器１１２の熱媒６（例えば、ヘリウムガスや窒素ガス等のような不活性ガスなど）を循環させる循環ポンプ１１３と、水素ガス発生装置１５０での水３と金属燃料４との反応に伴って生じた熱で上記熱媒６を加熱する熱交換器１５２と、気化した酸素１中の異物等を除去するフィルタ１１６とを備えてなっている。
【００２１】
このような本実施の形態では、貯蔵容器１１１、フィルタ１１６などにより保持手段を構成し、熱交換器１１２、循環ポンプ１１３、熱交換器１５２などにより加熱手段を構成している。
【００２２】
《酸素調圧装置１２０》
酸素調圧手段である酸素調圧装置１２０は、前記フィルタ１１６を介して送給されてきた酸素１を加熱する熱交換器１２２と、この熱交換器１２２の熱媒６（例えば、ヘリウムガスや窒素ガス等のような不活性ガスなど）を循環させる循環ポンプ１２３と、水素ガス発生装置１５０での水３と金属燃料４との反応熱で上記熱媒６を加熱する熱交換器１５２と、加熱された酸素１を所定の圧力で送出する調圧弁１２４とを備えてなっている。
【００２３】
《酸素調温装置１３０》
酸素調温装置１３０は、内部に水３を蓄えられた貯水槽１３１と、この貯水槽１３１内の水３を冷媒７（例えば海水など）により冷却する熱交換器１３２と、貯水槽１３１と熱交換器１３２との間で上記水３を循環させる循環ポンプ１３３と、貯水槽１３１内に設けられて前記調圧弁１２４から送り出されてきた酸素１を当該水３内に噴射供給する噴射ノズル１３５とを備えてなっている。
【００２４】
《酸素用制御装置１４０》
酸素用制御装置１４０は、酸素調圧装置１２０の熱交換器１２２で加熱された酸素１の温度を計測する酸素温度計１４１と、この酸素温度計１４１での計測結果に基づいて当該酸素１を所定範囲の温度とするように酸素調圧装置１２０の循環ポンプ１２３を制御して上記熱交換器１２２の熱媒６の流通量を調整する熱媒量制御器１４２と、上記熱交換器１２２で加熱された酸素１の圧力を計測する一次圧力計１４３と、この一次圧力計１４３での計測結果に基づいて当該酸素１を所定範囲の圧力とするように酸素ガス発生装置１１０の循環ポンプ１１３を制御して熱交換器１１２の熱媒６の流通量を調整する熱媒量制御器１４４と、酸素調温装置１３０の貯水槽１３１内の水３の温度を計測する水温計１４５と、この水温計１４５での計測結果に基づいて当該水３を所定範囲の温度とするように酸素調温装置１３０の循環ポンプ１３３を制御して熱交換器１３２への水３の流通量を制御する水量制御器１４６と、酸素調温装置１３０の貯水槽１３１から送出されてきた酸素１の圧力を計測する二次圧力計１４７と、この二次圧力計１４７での計測結果に基づいて当該酸素１を所定の圧力で送給するように前記酸素調圧装置１２０の調圧弁１２４を制御する圧力制御器（調圧弁１２４に組み込まれている）とを備えてなっている。
【００２５】
《水素ガス発生装置１５０》
水素ガス発生手段である水素ガス発生装置１５０は、水３と反応することにより水素２を発生する金属燃料４（例えば、アルミニウム、マグネシウム、リチウム、水素化リチウム、ナトリウム、水素化ナトリウム等のうちのいずれかの単体またはこれらの組み合わせの混合物など）を水３と反応可能な温度状態（通常は溶融状態であるが、例えば水素化リチウムなどは溶融状態でなくても水素２を十分に発生させることができる。）に加熱保持する保持容器１５１と、この保持容器１５１内に設けられて上記金属燃料４に水３を噴射する噴射ノズル１５５と、詳しくは後述する水素調温装置１７０の貯水槽１７１内の水３を上記噴射ノズル１５５に送給する給水ポンプ１５３と、保持容器１５１に設けられて水３と金属燃料４との反応に伴って生じた熱を上述した酸素ガス発生装置１１０および酸素調圧装置１２０の熱交換器１１２，１２２の熱媒６に吸熱させる熱交換器１５２と、発生した水素２中の異物等を除去するフィルタ１５６とを備えてなっている。
【００２６】
このような本実施の形態では、保持容器１５１、フィルタ１５６などにより保持手段を構成し、給水ポンプ１５３、噴射ノズル１５５などにより給水手段を構成している。
【００２７】
《水素調圧装置１６０》
水素調圧装置１６０は、前記フィルタ１５６を介して送給されてきた高温高圧の水素２を冷媒７（例えば海水など）により冷却して当該水素２をある程度にまで減圧する熱交換器１６２と、減圧された水素２を所定の圧力で送出する調圧弁１６４とを備えてなっている。
【００２８】
《水素調温装置１７０》
水素調温装置１７０は、内部に水３を蓄えられた貯水槽１７１と、この貯水槽１７１内の水３を冷媒７（例えば海水など）により冷却する熱交換器１７２と、貯水槽１７１と熱交換器１７２との間で上記水３を循環させる循環ポンプ１７３と、貯水槽１７１内に設けられて前記調圧弁１６４から送り出されてきた水素２を当該水３内に噴射供給する噴射ノズル１７５とを備えてなっている。
【００２９】
《水素用制御装置１８０》
水素用制御装置１８０は、水素調圧装置１６０の熱交換器１６２で冷却された水素２の圧力を計測する一次圧力計１８３と、この一次圧力計１８３での計測結果に基づいて当該水素２を所定範囲の圧力とするように水素ガス発生装置１５０の給水ポンプ１５３を制御して保持容器１５１内に供給する水３の量を調整する給水量制御器１８４と、水素調温装置１７０の貯水槽１７１内の水３の温度を計測する水温計１８５と、この水温計１８５での計測結果に基づいて当該水３を所定範囲の温度とするように水素調温装置１７０の循環ポンプ１７３を制御して熱交換器１７２への水３の流通量を制御する水量制御器１８６と、水素調温装置１７０の貯水槽１７１から送出されてきた水素２の圧力を計測する二次圧力計１８７と、この二次圧力計１８７での計測結果に基づいて当該水素２を所定の圧力で送給するように前記水素調圧装置１６０の調圧弁１６４を制御する圧力制御器（調圧弁１６４に組み込まれている）とを備えてなっている。
【００３０】
《燃料電池１０１》
発電機器である燃料電池１０１は、酸素調温装置１３０の貯水槽１３１から送られてきた酸素１と水素調温装置１７０の貯水槽１７１から送られてきた水素２とを電気化学的に反応させることで電力および水３を生じ、この水３を水素調温装置１７０の貯水槽１７１に送給するようになっている。
【００３１】
《二次電池１０２》
二次電池１０２は、燃料電池１０１の出力を一時的にバッファし、負荷１０３の消費電力の急変に対応することができるようになっている。
【００３２】
＜作用・効果＞
図１に示したように、本実施の形態の発電装置では、酸素ガス発生装置１１０および水素ガス発生装置１５０を備えており、酸素１と水素２とが当量比になるようにこれらガス１，２の温度および圧力を調整しながら燃料電池１０１に供給することにより、燃料電池１０１で発電させる仕組みとなっている（制御上の限界から、酸素１および水素２の供給量が一時的にアンバランスになる場合があるものの、燃料電池１０１での酸素１と水素２との消費量が当量比によるため、酸素１や水素２が未反応のまま蓄積していくことはない。）。燃料電池１０１では当量反応が行われるため、反応生成物が水３だけである（下記化学式参照）。
【００３３】
［化１］
Ｈ2 ＋ 1/2Ｏ2 →Ｈ2 Ｏ
【００３４】
酸素ガス発生装置１１０は、貯蔵容器１１１内に液状の酸素１を貯蔵し、熱交換器１１２で酸素１を気化してシステム内に供給する。酸素ガス発生装置１１０および酸素調圧装置１２０の熱交換器１１２，１２２の熱媒６に必要な熱は、水素ガス発生装置１５０の保持容器１５１内での水３と金属燃料４との反応熱を熱交換器１５２により利用しているため、燃料電池１０１の出力の数％を要してしまう加熱電力が不要となる。
【００３５】
一方、水素ガス発生装置１５０は、保持容器１５１内に金属燃料４を溶融した状態で保持し、保持容器１５１内に噴射ノズル１５５から水３を噴射することにより、水３と金属燃料４とを反応させ、水素２を発生させてシステム内に供給する。水３と金属燃料４とが発熱反応を起こすため、保持容器１５１は、内部温度が上昇する（局所的に１０００℃以上に達してしまう。）。そこで、この反応熱を熱交換器１５２で回収することにより、保持容器１５１内の温度上昇を抑えると共に、酸素ガス発生装置１１０および酸素調圧装置１２０の熱交換器１１２，１２２の熱媒６の熱源として利用する。
【００３６】
各調温装置１３０，１７０を通過して供給される酸素１および水素２は、燃料電池１０１で電気化学的に反応して電力と水３を生じる。燃料電池１０１で生じた水３の量は、そのときの燃料電池１０１の出力で必要とされる水素２の消費量に対応してる。そこで、燃料電池１０１で発生した水３と同量の水３を水素ガス発生装置１５０の保持容器１５１内に送給して金属燃料４と反応させることにより、必要量の水素２を発生させることができると同時に、余計な水３を貯蔵しておく必要がなくなる。
【００３７】
すなわち、燃料電池１０１から発生する水３の量と当量反応に必要とされる水素２を含む水３の量とが等しいため、この水３から水素２を分離するようにしたことが本発明の基本思想なのである。
【００３８】
金属燃料４にアルミニウムを適用した場合、水素ガス発生装置１５０の保持容器１５１内では、下記の化学式に示した反応を生じる。
【００３９】
［化２］
2/3Ａｌ＋Ｈ2 Ｏ→ 1/3Ａｌ2 Ｏ3 ＋Ｈ2
【００４０】
つまり、本発明は、酸素ガス発生装置１１０からの酸素１が水素ガス発生装置１５０へ移動する過程で電力を発生させるシステムと見なすことができる。このため、系内の水３の量が増加するという現象を生じることはない。
【００４１】
また、各発生装置１１０，１５０から発生した酸素１および水素２は、各調圧装置１２０，１６０および各調温装置１３０，１７０を経由して、燃料電池１０１での使用に必要とされる条件に整えられる。燃料電池１０１に供給される酸素１および水素２は、燃料電池１０１の出力に応じた当量で消費されるので、当該出力に応じた圧力で送給すればよい（温度は出力に関係なく略一定である。）。そのため、各制御装置１４０，１８０により、酸素１および水素２を所定の圧力で送給できるように酸素１および水素２の発生量を制御するようにしたのである。
【００４２】
このような本実施の形態の発電装置によれば、以下のような効果を得ることができる。
【００４３】
（１）燃料電池１０１で生成した水３は、水素ガス発生装置１５０で再利用されるため、貯蔵する水３が増加してしまうことがない。
【００４４】
（２）水素２を発生させる金属燃料４は、常温で固体であるため、長期間の保管に優れると共に、高温にすると水３と容易に反応して水素２を発生するため、水素２の発生密度が極めて高い。このため、液化状態からガス化して水素２を発生させるシステムより軽量化および省スペース化を図ることができ、高効率発電や長時間発電が可能となる。
【００４５】
（３）水素２の発生量と水３の供給量とが比例関係にあるので、水３の供給量を制御することにより水素２の発生量を容易に調整することができる。
【００４６】
（４）金属燃料４と水との反応熱を利用して、液状の酸素１を気化させるようにしたので、システム内の消費電力を低減させ、発電効率を向上させることができる。
【００４７】
（５）アルミニウムおよび液体酸素は低価格であるため、運転費等のランニングコストが安く済む。
【００４８】
［第二番目の実施の形態］
本発明による発電装置の第二番目の実施の形態を図２，３を用いて説明する。なお、図２は、その概略構成図、図３は、酸素ガス発生装置の概略構成である。ただし、前述した第一番目の実施の形態と同様な部分については、前述した第一番目の実施の形態の説明で用いた符号と同様な符号を用いることにより、その説明を省略する。
【００４９】
＜構成＞
〔全体〕
図２に示すように、本実施の形態の発電装置は、酸素１を発生させる酸素ガス発生装置２１０と、発生した酸素１の圧力を調整する酸素調圧装置２２０と、気化した酸素の温度を調整する酸素調温装置１３０と、気化した酸素１が規定の圧力および温度となるように酸素調圧装置１２０および酸素調温装置１３０を制御する酸素用制御装置２４０と、金属燃料４に水３を供給して水素２を発生させる水素ガス発生装置１５０と、発生した水素２の圧力を調整する水素調圧装置１６０と、発生した水素２の温度を調整する水素調温装置１７０と、発生した水素２が規定の圧力および温度となるように水素調圧装置１６０および水素調温装置１７０を制御する水素用制御装置１８０と、酸素１と水素２とを電気化学的に反応させることで電力と水３とを生じる燃料電池１０１と、燃料電池１０１で発生した電気を蓄える二次電池１０２とを備えてなっている。
【００５０】
〔各部〕
《酸素ガス発生装置２１０》
酸素ガス発生手段である酸素ガス発生装置２１０は、常温で固体の酸素発生剤５（例えば、過塩素酸リチウム、過塩素酸ナトリウム、過塩素酸カリウム等の過塩素酸塩類や、過酸化リチウム、過酸化ナトリウム、過酸化カリウム等の無機過酸化物など）を溶融状態で保持する分割可能な保持容器２１１と、この溶融された酸素発生剤５を送給する送給ポンプ２１３と、この送給ポンプ２１３で送給された酸素発生剤５を加熱分解させて酸素１を発生させるホットパイプ２１７と、保持容器２１１内の上部に設けられた飛沫防止板２１８と、酸素１中の異物等を除去するフィルタ１１６とを備えてなっている。
【００５１】
上記ホットパイプ２１７は、図３に示すように、水平方向に沿って軸心を向けて一端側に前記送給ポンプ２１３を連結されると共に他端側を開放されて上方側に複数の貫通孔２１７ａａを形成されたパイプ本体２１７ａと、このパイプ本体２１７ａの外周面を包囲する保温材２１７ｂと、当該パイプ本体２１７ａを加熱する起動ヒータ２１７ｃとを備えてなっている。
【００５２】
このような本実施の形態では、保持容器２１１、飛沫防止板２１８、フィルタ１１６などにより保持手段を構成し、送給ポンプ２１３、ホットパイプ２１７などにより加熱手段を構成している。
【００５３】
《酸素調圧装置２２０》
酸素調圧装置２２０は、前記フィルタ１１６を介して送給されてきた高温高圧の酸素１を冷媒７（例えば海水など）により冷却して当該酸素１をある程度にまで減圧する熱交換器２２２と、減圧された酸素１を所定の圧力で送出する調圧弁１２４とを備えてなっている。
【００５４】
《酸素用制御装置２４０》
酸素用制御装置１４０は、酸素調圧装置２２０の熱交換器２２２で加熱された酸素１の圧力を計測する一次圧力計１４３と、この一次圧力計１４３での計測結果に基づいて当該酸素１を所定範囲の圧力とするように酸素ガス発生装置２１０の送給ポンプ２１３を制御してホットパイプ２１７への酸素発生剤５の送給量を調整する酸素発生剤量制御器２４４と、酸素調温装置１３０の貯水槽１３１内の水３の温度を計測する水温計１４５と、この水温計１４５での計測結果に基づいて当該水３を所定範囲の温度とするように酸素調温装置１３０の循環ポンプ１３３を制御して熱交換器１３２への水３の流通量を制御する水量制御器１４６と、酸素調温装置１３０の貯水槽１３１から送出されてきた酸素１の圧力を計測する二次圧力計１４７と、この二次圧力計１４７での計測結果に基づいて当該酸素１を所定の圧力で送給するように前記酸素調圧装置２２０の調圧弁１２４を制御する圧力制御器（調圧弁１２４に組み込まれている）とを備えてなっている。
【００５５】
＜作用・効果＞
本実施の形態の発電装置は、酸素ガス発生装置２１０で酸素発生剤５を加熱分解させて酸素１を発生させることが前述した実施の形態の発電装置と大きく異なっている。
【００５６】
具体的には、保持容器２１１内で図示しないヒータ等で融点にまで加熱された酸素発生剤５を送給ポンプ２１３でホットパイプ２１７のパイプ本体２１７ａの一端側から内部に送り込んで起動ヒータ２１７ｃで加熱して分解し、酸素１を発生させてパイプ本体２１７ａの貫通孔２１７ａａおよび他端側から送り出し、飛沫防止板２１８で迂回させることにより減速させながらフィルタ２１６を介して送り出すのである。
【００５７】
ここで、ホットパイプ２１７のパイプ本体２１７ａに貫通孔２１７ａａを形成したのは、酸素発生剤５を加熱分解する過程において、発生した酸素１が分解途中の酸素発生剤５を他端側から外部へ押し出さないようにするためである（つまり「逃がし孔」である。）。
【００５８】
なお、酸素発生剤５として過塩素酸リチウムを用いた場合には、ホットパイプ２１７内で以下の反応が起こる。
【００５９】
［化３］
ＬｉＣｌＯ4 →ＬｉＣｌ＋２Ｏ2
【００６０】
過塩素酸リチウムは、分解温度が４４０℃以上であるため、当該温度以上に加熱すると、分解して酸素１を発生しながら８００℃以上にまで発熱する。このため、ホットパイプ２１７内である程度まで分解反応が進行し始めると、起動ヒータ２１７ｃに給電しなくても分解温度以上の温度を保持することができる。また、ホットパイプ２１７のパイプ本体２１７ａを保温材２１７ｂで包囲しているため、パイプ本体２１７ａ内を分解温度以上の温度で保持することが容易となり、起動ヒータ２１７ｃの消費電力を削減することができ、その間は逐次再起動が可能となる。
【００６１】
酸素発生剤５の酸素１の放出後の残留物５ａ（酸素発生剤５として過塩素酸リチウムを用いた場合には塩化リチウム）は、ホットパイプ２１７のパイプ本体２１７ａの他端側から液状（融点６０８℃）で流出し、保持容器２１１内に滴下する。このとき、酸素発生剤５の溶融温度が分解温度と十分に差があるため、保持容器２１１内の酸素発生剤５が分解反応を起こしてしまうことはない。
【００６２】
また、前述した実施の形態では、酸素ガス発生装置１１０で発生した酸素１を酸素調圧装置１２０の熱交換器１２１で加熱したが、本実施の形態では、酸素ガス発生装置２１０から発生した酸素１の温度が数百℃に達するため、酸素調圧装置２２０の熱交換器２２２で冷却する必要がある。
【００６３】
このような本実施の形態の発電装置によれば、前述した実施の形態の場合と同様な効果を得ることができると共に、以下のような効果を得ることができる。
【００６４】
（１）酸素１を発生させる酸素発生剤５は、常温で固体であるため、長期間の保管に優れると共に、酸素１の発生密度が極めて高い。このため、液化状態からガス化して酸素１を発生させるシステムより軽量化および省スペース化を図ることができ、容積効率に優れ、高効率発電や長時間発電が可能となる。
【００６５】
（２）酸素１の発生量と酸素発生剤５の加熱分解量とが比例関係にあるので、酸素発生剤５のホットパイプ２１７への供給量を制御する（送給ポンプ２１３を調整する）ことにより酸素１の発生量を容易に調整することができる。
【００６６】
（３）ホットパイプ２１７のパイプ本体２１７ａを保温材２１７ｂで包囲したので、酸素発生剤５の分解反応に伴う発熱を保温することができ、短時間の停止状態であれば、起動ヒータ２１７ｃを再起動させなくても酸素１を発生させることができる。
【００６７】
（４）ホットパイプ２１７のパイプ本体２１７ａの軸心方向を水平方向に沿って向けると共に、当該パイプ本体２１７ａの上方側に複数の貫通孔２１７ａａを形成することにより、酸素発生剤５のパイプ本体２１７ａとの接触時間を長く稼ぐことができるようにしたので、ホットパイプ２１７へ供給された酸素発生剤５の加熱分解効率を高めることができる。
【００６８】
（５）酸素発生剤５は、水溶性であるものがほとんどであり、酸素ガス発生装置２１０の保持容器２１１は、水洗するだけで再利用することができ、コスト性に優れている。
【００６９】
【発明の効果】
本発明による発電装置は、酸素ガスを発生させる酸素ガス発生手段と、水素ガスを発生させる水素ガス発生手段と、前記酸素ガスと前記水素ガスとを反応させることで電力および水を生じる発電機器とを備えてなる発電装置であって、前記水素ガス発生手段が、水と反応することにより前記水素ガスを発生する金属燃料、水素化リチウム、水素化ナトリウムのうちのいずれかまたはこれらの組み合わせを保持する保持手段と、前記発電機器で生じた前記水を前記保持手段に供給する給水手段とを備えてなるので、コンパクトでエネルギ効率が高く長期使用が可能になると共に、（１）発電機器で生成した水を水素ガス発生手段で再利用することができ、貯蔵する水の増加を防止することができる。（２）水素の発生量と水の供給量とが比例関係にあるので、水の供給量を制御することにより水素の発生量を容易に調整することができる。
【００７１】
また、前記酸素ガス発生手段が、加熱分解することにより酸素ガスを発生する酸素発生剤を保持する保持手段と、前記酸素発生剤を加熱する加熱手段とを備えてなるので、さらに、コンパクトでエネルギ効率が高く長期使用が可能な発電装置を提供することができる。
【００７２】
また、前記酸素ガス発生手段の前記加熱手段が、前記保持手段内の前記酸素発生剤を送給する送給ポンプと、前記保持手段内に設けられ、水平方向に沿って軸心を向けて一端側に前記送給ポンプを連結されると共に他端側を開放されると共に、上方側に複数の貫通孔を形成されたパイプ本体と、前記パイプ本体を加熱する起動ヒータとを備えてなるので、（１）酸素の発生量と酸素発生剤の加熱分解量とが比例関係になり、酸素発生剤のパイプ本体への供給量を制御する（送給ポンプを調整する）ことにより酸素の発生量を容易に調整することができる。（２）酸素発生剤のパイプ本体との接触時間を長く稼ぐことができ、パイプ本体へ供給された酸素発生剤の加熱分解効率を高めることができる。
【００７３】
また、前記酸素ガス発生手段の前記加熱手段が前記パイプ本体を包囲する保温材を備えているので、酸素発生剤の分解反応に伴う発熱を保温することができ、短時間の停止状態であれば、起動ヒータを再起動させなくても酸素を発生させることができる。
【００７４】
また、前記金属燃料がアルミニウム、マグネシウム、リチウム、ナトリウムのうちのいずれかまたはこれらの組み合わせからなるので、常温で固体であることから長期間の保管に優れると共に、高温にすると水と容易に反応して水素を発生するため、水素の発生密度が極めて高い。このため、液化状態からガス化して水素を発生させるシステムより軽量化および省スペース化を図ることができ、高効率発電や長時間発電が可能となる。
【００７５】
また、前記酸素発生剤が過塩素酸塩類または無機過酸化物であるので、常温で固体であることから長期間の保管に優れると共に、酸素の発生密度が極めて高い。このため、液化状態からガス化して酸素を発生させるシステムより軽量化および省スペース化を図ることができ、容積効率に優れ、高効率発電や長時間発電が可能となる。
【００７６】
また、前記発電機器が燃料電池であるので、上記効果をより有効に発現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による発電装置の第一番目の実施の形態の概略構成図である。
【図２】本発明による発電装置の第二番目の実施の形態の概略構成図である。
【図３】図２の酸素ガス発生装置の概略構成である。
【図４】従来の発電装置の一例の概略構成図である。
【符号の説明】
１ 酸素
２ 水素
３ 水
４ 金属燃料
５ 酸素発生剤
５ａ 残留物
６ 熱媒
７ 冷媒
１０１ 燃料電池
１０２ 二次電池
１０３ 負荷
１１０ 酸素ガス発生装置
１１１ 貯蔵容器
１１２ 熱交換器
１１３ 循環ポンプ
１１６ フィルタ
１２０ 酸素調圧装置
１２２ 熱交換器
１２３ 循環ポンプ
１２４ 調圧弁
１３０ 酸素調温装置
１３１ 貯水槽
１３２ 熱交換器
１３３ 循環ポンプ
１３５ 噴射ノズル
１４０ 酸素用制御装置
１４１ 酸素温度計
１４２ 熱媒量制御器
１４３ 一次圧力計
１４４ 熱媒量制御器
１４５ 水温計
１４６ 水量制御器
１４７ 二次圧力計
１５０ 水素ガス発生装置
１５１ 保持容器
１５２ 熱交換器
１５３ 循環ポンプ
１５５ 噴射ノズル
１５６ フィルタ
１６０ 水素調圧装置
１６２ 熱交換器
１６４ 調圧弁
１７０ 水素調温装置
１７１ 貯水槽
１７２ 熱交換器
１７３ 循環ポンプ
１７５ 噴射ノズル
１８０ 水素用制御装置
１８３ 一次圧力計
１８４ 給水量制御器
１８５ 水温計
１８６ 水量制御器
１８７ 二次圧力計
２１０ 酸素ガス発生装置
２１１ 保持容器
２１３ 送給ポンプ
２１６ フィルタ
２１７ ホットパイプ
２１７ａ パイプ本体
２１７ａａ 貫通孔
２１７ｂ 保温材
２１７ｃ 起動ヒータ
２１８ 飛沫防止板
２２０ 酸素調圧装置
２２２ 熱交換器
２２４ 調圧弁
２４０ 酸素用制御装置
２４４ 酸素発生剤量制御器
Claims (5)
- 酸素ガスを発生させる酸素ガス発生手段と、
水素ガスを発生させる水素ガス発生手段と、
前記酸素ガスと前記水素ガスとを反応させることで電力および水を生じる発電機器と
を備えてなる発電装置であって、
前記水素ガス発生手段が、
水と反応することにより前記水素ガスを発生する金属燃料、水素化リチウム、水素化ナトリウムのうちのいずれかまたはこれらの組み合わせを保持する保持手段と、
前記発電機器で生じた前記水を前記保持手段に供給する給水手段と
を備えてなり、
前記酸素ガス発生手段が、
加熱分解することにより酸素ガスを発生する酸素発生剤を保持する保持手段と、
前記酸素発生剤を加熱する加熱手段と
を備えてなり、
前記酸素ガス発生手段の前記加熱手段が、
前記保持手段内の前記酸素発生剤を送給する送給ポンプと、
前記保持手段内に設けられ、水平方向に沿って軸心を向けて一端側に前記送給ポンプを連結されると共に他端側を開放されると共に、上方側に複数の貫通孔を形成されたパイプ本体と、
前記パイプ本体を加熱する起動ヒータと
を備えてなることを特徴とする発電装置。 - 請求項１に記載の発電装置において、
前記酸素ガス発生手段の前記加熱手段が
前記パイプ本体を包囲する保温材を備えている
ことを特徴とする発電装置。 - 請求項１又は２に記載の発電装置において、
前記金属燃料がアルミニウム、マグネシウム、リチウム、ナトリウムのうちのいずれかまたはこれらの組み合わせからなることを特徴とする発電装置。 - 請求項１から３のいずれかに記載の発電装置において、
前記酸素発生剤が過塩素酸塩類または無機過酸化物であることを特徴とする発電装置。 - 請求項１から４のいずれかに記載の発電装置において、
前記発電機器が燃料電池であることを特徴とする発電装置。
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