JP4357008B2 - 電源装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する利用分野】
本発明は、宇宙往還機等に搭載される電源装置に関し、特に、燃料及び酸化剤をエネルギ源として電力を発生する電源装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の宇宙往還機等に搭載されている電源装置としては、主に搭載電子機器類に電力を供給する燃料電池と、帰還時等に使用する操舵翼類の駆動源に電力を供給する補助電源とを備えている。この燃料電池は、例えば、酸素と水素とにより発電を行うものであり、比較的に低電流を長時間に亘って必要とする場合に使用されるものである。一方、補助電源は、例えば、燃料と酸化剤とを燃焼器で混合燃焼させ、その燃焼ガスでタービンを回転させると共に発電機を駆動させて発電を行うガスタービン発電機であり、比較的に高電流を短時間に必要とする場合に使用されるものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の電源装置においては、燃料電池に対する燃料等の供給系と補助電源に対する燃料等の供給系とが、各々独立して設けられていたため、構造が複雑であり、装置の大型化あるいは信頼性等の面で問題があった。
【０００４】
また、ガスタービン発電機そのものが、発電能力に対して重量物であり、又、構造が複雑でコストが高い等の問題があった。
【０００５】
本発明は、上記従来技術の問題点に鑑みて達成されたものであり、その目的とするところは、全体としての構造の簡略化を図りつつ、軽量化、低コスト化等を図れる電源装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係る電源装置は、燃料及び酸化剤をエネルギ源として電力を発生するものであり、前記燃料と酸化剤との触媒による水素を含むガスを生成する部分酸化反応により高温のガスを発生するガス発生器と、前記ガス発生器により得られた水素を含む高温のガスを用いて外部を加熱することにより発電する熱電池と、前記熱電池内に設けられた複数の温度センサと、それら複数の温度センサにより検出される温度信号を処理するとともに、熱電池の温度設定信号に基づいて、流量調節器に、これの駆動手段を作動させる作動信号を出力する制御器と、制御器から出力された作動信号により、熱電池に向けて供給される水素を含む高温のガスの流量を、発電を安定した状態で行えるように調節する流量調節器とを備えたことを特徴としている。
【０００７】
本発明の請求項２に係る電源装置は、燃料及び酸化剤をエネルギ源として電力を発生するものであり、前記燃料と前記酸化剤との触媒による水素を含むガスを生成する部分酸化反応により高温のガスを発生するガス発生器と、前記ガス発生器により得られた水素を含む高温のガスと前記酸化剤のガスとにより発電する燃料電池と、前記ガス発生器により得られた水素を含む高温のガスを用いて外部を加熱することにより発電する熱電池と、前記熱電池内に設けられた複数の温度センサと、それら複数の温度センサにより検出される温度信号を処理するとともに、熱電池の温度設定信号に基づいて、流量調節器に、これの駆動手段を作動させる作動信号を出力する制御器と、制御器から出力された作動信号により、熱電池に向けて供給される水素を含む高温のガスの流量を、発電を安定した状態で行えるように調節する流量調節器とを備えたことを特徴としている。
【０００８】
本発明の請求項３に係る電源装置は、請求項１又は２に記載した流量調節器が、前記ガス発生器により得られた水素を含む高温のガスを前記熱電池に供給する通路を開閉する弁体を有する構成となっている。
【０００９】
本発明の請求項４に係る電源装置は、前記制御器が、前記熱電池の温度情報に基づいて前記弁体の弁開度を制御する構成となっている。
【００１０】
本発明の請求項５に係る電源装置は、請求項３又は４に記載した制御器が、前記熱電池に供給される水素を含む高温のガスの温度及び／又は圧力の情報に基づいて前記弁体の弁開度を制御する構成となっている。
【００１１】
本発明の請求項６に係る電源装置は、前記燃料としてメタノールを用い、前記酸化剤として酸素ガスを用いる構成となっている。
【００１２】
本発明の請求項１に係る電源装置によれば、燃料と酸化剤との触媒による水素を含むガスを生成する部分酸化反応により、ガス発生器において発生した水素を含む高温のガスを用いて、熱電池を加熱することにより活性化させて、電力を得ることができる。
【００１３】
また、流量調節器及び制御器の作用により、熱電池に供給される水素を含む高温のガスの流量をコントロールして、熱電池の発電時期、発電量等を調節することができる。
【００１４】
本発明の請求項２に係る電源装置によれば、請求項１の効果に加えて、燃料と酸化剤との触媒による水素を含むガスを生成する部分酸化反応により、ガス発生器において発生した水素を含む高温のガスと酸化剤のガスとにより、燃料電池を駆動させて定常的にも電力を得ることができる。
【００１５】
そして、熱電池により得られた電流は、例えば、宇宙往還機打ち上げ時の空気中の飛翔、大気圏への再突入、あるいは着陸時等の際の姿勢制御、すなわち操舵翼等の駆動のような高電流を短時間要する場合に用いることができ、一方、燃料電池により得られた電力は、宇宙往還機が空気抵抗のない宇宙空間にある場合等において、搭載電子機器等を駆動させるような低電流を長時間要する場合に用いることができる。
【００１６】
すなわち、共通のエネルギ源である燃料と酸化剤とを用いて、熱電池と燃料電池の両方を作動させることができ、熱電池と燃料電池に対する水素を含むガスの供給系を共通のものとすることで、構造の簡略化を達成することができ、又、従来のガスタービン発電機を用いるものに比べて、重量にして約１／１０以下という大幅な軽量化と共に、低コスト化をも達成することができる。さらに、構造の簡略化により、装置全体の機能上の信頼性を向上させることができる。
【００１７】
本発明の請求項３に係る電源装置によれば、弁体の弁開度を調節するだけで、容易に高温ガスの流量をコントロールすることができる。これにより、熱電池の加熱時期すなわち発電時期、あるいは、熱電池の加熱温度等を容易にコントロールすることができる。
【００１８】
本発明の請求項４に係る電源装置によれば、弁体の弁開度が、熱電池の温度情報に基づいて制御されることから、フィードバックされる熱電池の温度により、熱電池が異常に加熱されて許容温度を超えるような状態となった場合は、即座に弁体を作動させて高温ガスの流れを抑制あるいは停止させることにより、熱電池の破損等を未然に防止することができる。
【００１９】
また、熱電池の温度を監視することで、高温ガスの流量を制御して、常に安定した状態で効率良く発電させることができる。
【００２０】
本発明の請求項５に係る電源装置によれば、弁体の弁開度が、高温ガスの温度及び／又は圧力の情報に基づいて制御されることから、高温ガスの流量を高精度に制御することができる。
【００２１】
また、熱電池の温度情報と併せて弁体の弁開度が制御される場合は、熱電池をより安定した状態で発電させることができ、一層効率良く電力を得ることができる。
【００２２】
本発明の請求項６に係る電源装置によれば、酸素ガスを酸化剤としかつメタノールを燃料とする主動力源を備えた宇宙往還機への適用が可能であり、この酸素ガス及びメタノールをエネルギ源として、熱電池及び燃料電池をも作動させることができ、エネルギ源が統合されたシステムを実現することができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を添付図面に基づいて説明する。
【００２４】
図１は、宇宙往還機等に搭載される場合の本発明に係る電源装置の概略構成を示す説明図であり、この電源装置は、図１に示すように、メタノール等の燃料１と酸素ガス等の酸化剤２とを触媒反応させて高温のガスを発生するガス発生器３と、ガス発生器３により得られたガス（例えば水素ガス）及び酸化剤のガス（例えば酸素ガス）と電解質との化学反応により起電力を生じて発電を行う燃料電池４と、ガス発生器３により得られた高温ガスを後述の熱電池に導くにあたりその流量を調節する流量制御器５と、流量調節器５を経て供給された高温ガスで外部を加熱することにより起電力を生じて発電を行う外部加熱型の熱電池６と、熱電池６の温度情報，電力制御システムからの熱電池起動／停止指令等を受信して流量調節器５を制御するコントローラ等を備えた制御器７等により構成されている。
【００２５】
そして、上記構成からなる電源装置においては、熱電池６により得られる電力は、宇宙往還機打ち上げ時の空気中の飛翔、大気圏への再突入、あるいは着陸時等の際の姿勢制御を行うための操舵翼等の駆動に利用される。すなわち、数秒ないし数十秒という短時間に高電流を要する場合に利用される。
【００２６】
一方、燃料電池４により得られた電力は、宇宙往還機が宇宙空間の軌道上に位置するような場合において、搭載電子機器等を駆動させるのに利用される。すなわち、長時間に亘って低電流を要するような場合に利用される。
【００２７】
図２は、本発明に係る電源装置の一実施例における具体的な構成を示す図である。この電源装置は、図２に示すように、液体メタノール１を蓄えた燃料タンク１０、酸化剤としての液体酸素２を蓄えた酸化剤タンク１１を備えると共に、ガス化した酸素およびメタノールの触媒反応により高温のガスを発生するガス発生器３、ガス発生器３で発生した高温のガスにより加熱されて発電を行う熱電池６、ガス発生器３で得られる水素ガスと酸化剤タンク１１から導かれる酸素ガスとにより発電を行う燃料電池４等を備えている。
【００２８】
また、この電源装置は、熱電池６に供給される高温ガスの流量を調節する流量調節器５、流量調節器を制御する制御器７、水素ガス及び酸素ガスを燃料電池４に個別に供給するためのデュアルレギュレータ１２、燃料電池４に対する加湿系１３及び冷却系１４等を備えている。
【００２９】
上記燃料タンク１０及び酸素タンク１１には、図外のタンクに蓄えられたヘリウムガスを供給する供給管１５ａ，１５ｂが接続してあり、ヘリウムガスの圧力によってメタノール１及び液体酸素２をガス発生器３や燃料電池４側に加圧供給するようになっている。
【００３０】
上記燃料タンク１０には、ガス発生器３に液体メタノール１を供給する燃料供給管１６が接続されている。そして、この燃料供給管１６には、その途中に、主動力源である推進装置（不図示）に液体メタノール１を供給する分岐管１６ａ及び調整バルブＶ１と、並列配置にした２つの流量制御バルブＶ２，Ｖ３とが設けられている。
【００３１】
上記酸化剤タンク１１には、ガス発生器３及び燃料電池４に酸素を供給する酸化剤供給管１７が接続されている。この酸化剤供給管１７には、宇宙往還機の主動力源である推進装置（不図示）に液体酸素２を供給する第１分岐管１７ａ及び調整バルブＶ４と、流量調整バルブＶ５と、液体酸素２をガス化する熱交換器１８と、熱交換器１８によりガス化された酸素ガスを蓄える酸素ガスタンク１９が順に設けられている。
【００３２】
また、酸化剤供給管１７は、酸素ガスタンク１９よりも下流の部分に、並列に配置された２つの流量制御バルブＶ６，Ｖ７を介してガス発生器３に至る第２分岐管１７ｂと、流量制御バルブＶ８を介してガス発生器３の下流に位置する酸化器２２に至る第３分岐管１７ｃと、デュアルレギュレータ１２の酸素ガス用調整バルブ１２ｂを介して燃料電池４に至る第４分岐管１７ｄを備えている。
【００３３】
上記ガス発生器３は、ガス化した酸素及びメタノールを触媒反応させて高温のガスを発生させるものであり、このガス発生器３の下流には、得られたガス中の一酸化炭素を除去するシフトコンバータ２が設けられている。
【００３４】
上記ガス発生器３は、その内部に、プラチナやパラジウム等の触媒を担持したベースを備えている。シフトコンバータ２１は、水によりガス中の一酸化炭素をシフト反応させるものであって、シフト反応後の微量の一酸化炭素をも完全に除去するために酸化器２２を備えている。
【００３５】
この酸化器２２には、デュアルレギュレータ１２の水素ガス用調整バルブ１２ａを介して燃料電池４に至るガス供給管２３が設けられている。
【００３６】
また、ガス発生器３には、熱電池６に向けて高温のガスを供給するガス供給管３１と、シフトコンバータ２１に高温のガスを供給するガス供給管３２とが設けられており、これら両ガス供給管３１，３２には遮断弁Ｖ９，Ｖ１０がそれぞれ設けられている。
【００３７】
また、上記の燃料タンク１０からガス発生器３に至る燃料供給管１６の中間部分には、酸化器２２及びガス発生器３の内部を通過する熱交換部１６ｂ、１６ｃが設けられており、又、熱交換部１６ｃを経て一旦ガス発生器３の外側に出た部分に対してはヒーター２４が設けられている。
【００３８】
上記燃料電池４に対して設けられた加湿系１３は、水２５を蓄えた水タンク２６と、水タンク２６からポンプＰ１を介してシフトコンバータ２１に至る水供給管２７と、水タンク２６からポンプＰ２及び燃料電池４を介して再び水タンク２６に戻る水循環管２８を備えている。また、冷却系１４は、ポンプＰ３及び燃料電池４に対する熱交換部２９ａを有する冷却液循環管２９と、冷却液循環管２９に対する熱交換器３０を備えている。
【００３９】
上記の構成を備えた電源装置において、燃料電池４を作動させる場合には、ガス発生器３からシフトコンバータ２１に至るガス供給管３２の遮断弁Ｖ１０を開いて、液体酸素２を熱交換器１８でガス化すると共に、初期においてヒーター２４で液体メタノール１をガス化する。そして、ガス化した酸素及びメタノールをガス発生器３に供給して触媒反応（部分酸化反応）させることにより水素ガスを得る。この反応は次の通りである。
【００４０】
ＣＨ３ＯＨ→ＣＯ＋２Ｈ２−２１．７ｋｃａｌ／ｍｏｌ（吸熱）
ＣＯ＋１／２Ｏ２→ＣＯ２＋６６．１ｋｃａｌ／ｍｏｌ（発熱）
よって、ガス発生器３での反応は発熱（＋４６．４ｋｃａｌ／ｍｏｌ）となる。
【００４１】
このガス発生器３で得られたガスには、水素ガスの他に一酸化炭素が含まれているため、シフトコンバータ２１において水を供給することにより、この一酸化炭素の酸化による除去が行われる。この反応は次の通りである。
【００４２】
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋Ｈ２＋９．８ｋｃａｌ／ｍｏｌ
よって、シフトコンバータ２１での反応は発熱である。
【００４３】
ここで、シフトコンバータ２１では、一酸化炭素の酸化反応が進行すると、水素ガスによる還元反応が活性化して一酸化炭素濃度が上昇に転じることがある。そこで、酸化器２２において酸素ガスにより一酸化炭素を酸化させ、水素ガス中に残留した微量の一酸化炭素を完全に除去する。
【００４４】
以上のように、ガス化したメタノールは、ガス発生器３、シフトコンバータ２１及び酸化器２２を通ることにより、所定温度（１２０℃程度）の水素ガスおよび二酸化炭素に完全に変化し、デュアルレギュレータ１２の水素ガス用調整バルブ１２ａにより規定圧（５〜６ｋｇｆ／ｃｍ２）に調整されて燃料電池４に供給される。なお、得られた二酸化炭素については、水に吸収させて除去するか、あるいは、外部に排気する。
【００４５】
また、燃料電池４には、上記の水素ガスに加えて、デュアルレギュレータ１２の酸素ガス用調整バルブ１２ｂで規定圧（５〜６ｋｇｆ／ｃｍ２）に調整されかつ所定温度（１２０℃程度）に制御された酸素ガスを供給する。
【００４６】
これにより、燃料電池４は、その内部に設けられた電解質と水素ガス及び酸素ガスとの電気化学反応により、起電力を生じて発電を行うことになる。
【００４７】
尚、上記電源装置では、燃料電池４の作動開始後においてはヒーター２４の作動を停止し、ガス発生器３の自己発熱により熱交換部１６ｃで液体メタノール１のガス化を継続する。つまり、液体メタノール１をガス化するための別の熱源が不要になり、その分エネルギを節約し得るものとなっている。
【００４８】
また、燃料電池４において発生した水は、気水分離器（酸素ポンプ）により酸素から分離して水タンク２６に貯蔵され、シフトコンバータ２１における一酸化炭素の除去等に用いられる。
【００４９】
次に、外部加熱型の熱電池６を作動させる場合には、ガス発生器３から熱電池６に至るガス供給管３１の遮断弁１Ｖ９を開いた状態にし、燃料電池２のみを作動させる場合に比べて大流量のガスを熱電池６に供給する。ここで、ガス発生器３は、メタノール１と酸素２との触媒反応により高温・高圧のガスを発生し、この高温・高圧のガスは、ガス供給管３１を通り、流量調節器５による流量の調節を経て、熱電池６の外部に供給され、熱電池６を加熱することになる。
【００５０】
ここで、上記流量調節器５、熱電池６、及び制御器７について、詳細に説明する。
【００５１】
図３は、上記流量調節器５、熱電池６、及び制御器７により構成される熱電装置の一実施例を示す構成図である。この熱電装置は、図３に示すように、外部からの加熱により活性化されて起電力を生じる熱電池６と、この熱電池６を収容するガスマニホールド３４と、このガスマニホールド３４内に高温ガスを導く連結管４０と、通路の一部を形成すると共に高温ガスの流量を調節する流量調節器５の一部としての弁体７０，この弁体７０を駆動する駆動手段８０等を収容する保持部材５０と、ガス発生器３から伸びるガス供給管３１に接続される接続管６０と、流量調節器５の動作を制御する制御器７等により構成されている。
【００５２】
ここで、上記熱電池６は、図４に示すように、径の異なる２つの同心状の円筒６１ａ，６１ｂ及び上面６１ｃ，下面６１ｄにより形成される金属製外部ケース６１の内部空間に、複数個の発電セル６２を積層し、これら積層された発電セル６２のまわりを電気絶縁層６３で覆うと共に、上端の発電セルと下端の発電セルとから、それぞれリード線６４ａ，６４ｂを引き出して、外部ケース６１の下面から突出する正極端子６５ａ，負極端子６５ｂにそれぞれ接続した構成となっている。
【００５３】
また、上記発電セル６２は、図５に示すように、薄板の円環形状をなしており、負極と正極との間に電解質層６２ｄを挟んだ構造からなっている。ここで、負極は、鉄製カップ６２ａにリチウムシート６２ｂを挿着した後、鉄粉６２ｃを充填し、鉄製カップ６２ａの外周縁を内側に向けてかしめ成形し、次いで約５５０℃の熱板に挟んでリチウムを溶融し鉄粉成形体に含浸させたものである。
また、電解質層６２ｄは、塩化カリウムと塩化リチウムの共融塩を無機吸着材の酸化マグネシウム粉末に吸着させたものを成形したものであり、共融塩すなわち電解質と無機吸着材との混合比は重量比で１：１である。
さらに、正極は、活物質の二硫化鉄に、上記電解質と無機吸着材とを混合し成形したものに、鉄製の正極集電板６２ｆを貼着したものであり、活物質と電解質との混合比は重量比で７：３である。
【００５４】
上記ガスマニホールド３４は、上記熱電池６を収容するような円柱状の輪郭をなし、側壁に高温ガスを流入させる流入口３４ａが形成され、又、底面に開口３４ｂが形成されている。従って、開口３４ｂから熱電池６の本体部分をガスマニホールド３４内に挿入し、熱電池６の下面６１ｄ外周部分をガスマニホールド３４の底面に当接させて、ボルト等の締結手段（不図示）により締結することで、熱電池６はマニホールド内に完全に収容された状態で固定されることになる。
【００５５】
また、図３及び図６に示すように、上記ガスマニホールド３４の内部でかつ熱電池６のまわりを取り囲む領域には、ガスマニホールド内に流れ込んだ高温ガスを分散させて流れを調整する流れ調整部材３５が配置されている。この流れ調整部材３５は、円筒状をなし、その壁面には複数の孔３５ａが設けられている。
【００５６】
このような流れ調整部材３５を設けることで、ガスマニホールド３４の一側部にある流入口３４ａから流れ込んできた高温ガスは、熱電池６の一側部にのみ衝突するのではなく、流れ調整部材３５に形成された孔３５ａを通って、熱電池６の外周全域から均一に熱電池６に接するようになる。これにより、熱電池６は、斑なく均一に加熱されることになり、内部の発電セル６２全体が効率良くスムーズに活性化されることになる。
【００５７】
上記流れ調整部材としては、上述実施例の他に、流入口３０ａから遠ざかるにつれて、孔の径を大きくしたり、又、孔の数を多くしたり、あるいは、孔の形状を適宜変化させて流入抵抗を減らすようにすることも可能である。
【００５８】
上記連結管４０は、図３に示すように、両端に取り付け用のフランジ部をもち、高温ガスを通す内部通路４０ａを形成するものである。この内部通路４０ａの略中央部には、オリフィス部４０ｂが形成されており、このオリフィス部４０ｂには、高温ガスの温度を検出するための温度センサ１００が設けられており、又、オリフィス部４０ｂを挟んだ両側には、高温ガスの圧力を検出するための圧力センサ１０１，１０２がそれぞれ設けられている。
【００５９】
そして、これら温度センサ１００，及び圧力センサ１０１，１０２により検出された高温ガスの温度情報及び圧力情報は、後述のコントローラへ送られて、流量調節手段の制御等に用いられる。
【００６０】
上記保持部材５０は、図３に示すように、高温ガスが流入する流入室５０ａを形成して、通路の一部を形成すると共に、高温ガスの流量を調節する弁体７０をその軸方向に往復動自在に案内する案内通路５０ｂ、及び弁体７０を駆動する駆動手段８０を収容する駆動手段収容室５０ｃ等を形成している。
【００６１】
ここで、高温ガスの流量を調節する流量調節器５としての弁体７０及び駆動手段８０について説明すると、図３に示すように、弁体７０は、略長尺な円柱形状をなし、その一端部に円錐形状の弁部７０ａが設けられ、他端側領域に雄ねじ部分７０ｂが設けられて、中間領域が保持部材５０の案内孔５０ｂに往復動自在に支持されている。
【００６２】
そして、この弁体７０の雄ねじ部分７０ｂには、雌ねじが形成されかつ外周部に環状のモータロータ８２が一体的に設けられたボールナット８１が螺合されている。このボールナット８１は、弁体７０の軸線方向への移動が規制される一方で、ベアリング８３により軸まわりに回動自在に支持されている。さらに、モータロータ８２の外周には、所定間隔をおいて、モータステータ８４が対向するように配置されている。
【００６３】
従って、後述のコントローラ及びモータドライバを介して、所定電流がモータステータ８４に流されると、発生した磁界により、モータロータ８２すなわちボールナット８１が所定方向に回転し、このボールナット８１と螺合関係にある弁体７０は、その軸線方向に移動することになる。
【００６４】
上記ボールナット８１、モータロータ８２、モータステータ８４等により、弁体７０を駆動する駆動手段８０が構成されている。尚、上記駆動手段８０は、高温ガスの流れを止める際には、弁部７０ａの円錐表面が流入室５０ａの通路縁部５０ｄに当接するように駆動されて、弁体７０を図３中右向きに移動させ、逆に高温ガスを流す際には、弁部７０ａが通路縁部５０ｄから離脱するように駆動されて、弁体７０を図３中左向きに移動させる。
【００６５】
また、上記のように弁体７０が案内通路５０ｂに沿って移動しても、案内通路５０ｂとの接触面にシール部材７１が設けてあるため、流入室５０ａに流入してきた高温ガスが案内通路５０ｂと弁体７０の外周部との狭間を通って洩れでるのを防止することができる。
【００６６】
さらに、上記弁体７０の他端側には、その変位を検出する変位センサ１０３が設けられており、この変位センサ１０３により検出された弁体７０の変位情報すなわち弁開度情報は、後述のコントローラに送られる。
【００６７】
上記流量調節器５を制御する制御器７は、図３に示すように、上記温度センサ１００、圧力センサ１０１，１０２により検出される信号を処理するシグナルコンディショナ９１、熱電池６内に設けられた複数の温度センサ１０４により検出される温度信号を処理して熱電池６の平均温度、最大温度等を出力するシグナルコンディショナ９２、駆動手段８０への作動信号を出力するモータドライブ９３、上記シグナルコンディショナ９１，９２、変位センサ１０３等からの情報信号、又、熱電池の起動（活性化）指令，停止（冷却）指令、熱電池の温度設定信号等に基づいて種々の計算を行い、駆動手段８０を駆動するための信号をモータドライブ９３へ出力するコントローラ９４等により構成されている。
【００６８】
上記のような構成からなる装置においては、ガス供給管３１の遮断弁Ｖ９を開けた状態で弁体７０を移動させて内部通路を開くと、ガス発生器３で発生した高温ガスは、ガス供給管３１、接続管６０、保持部材の流入室５０ａから、連結管４０を通って、ガスマニホールド３４内に流れ込む。そして、流れ調整部材３５により、高温ガスの流れが分散調整されて、熱電池６の外周面６１ａに均一に接触し、さらに、空洞部６１ｂを通って、排出ノズル３６からガスマニホールド３４の外部に流出する。
【００６９】
これにより、熱電池６は加熱されて活性化状態となり、所定の電力を発生することになる。一方、熱電池６による発電を停止させる場合は、熱電池停止（冷却）指令により弁体７０を移動させて内部通路を閉塞し、ガスマニホールド３４内への高温ガスの流入を止める。
【００７０】
尚、上記排出ノズル３６内に絞り弁（不図示）を設けて、所望の弁開度にコントロールすることで、ガスマニホールド３４内のガスの圧力等を調節するような構成を採用することも可能である。
【００７１】
これによれば、ガスマニホールド３４内のガスの温度を調節することができ、効率良くエネルギを取り出すことができる。
【００７２】
以上述べた実施例において、弁体７０を移動させて高温ガスの流量を制御する制御方法としては、熱電池６の温度を監視して制御を行う温度レギュレータ型制御系、あるいは、熱電池６に導かれる高温ガスの流量を監視して制御を行うガスフローレギュレータ型制御系等を採用することができる。
【００７３】
また、上記実施例では、高温ガスの流量を調節する弁体として、往復動する形式のものを示したが、これに限定されるものではなく、回動動作あるいはスライド動作により、内部通路を横断して開閉するようなものであってもよい。
【００７４】
さらに、上述実施例では、弁体を駆動する駆動手段として、電気式のものを示したが、これに限定されるものではなく、機械式のものであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る電源装置の概略構成を説明するためのブロック図である。
【図２】 本発明に係る電源装置の一実施例を示す構成図である。
【図３】 本発明に係る電源装置の一部をなす流量調節器、熱電池、及び制御器を示す構成図である。
【図４】 本発明に係る電源装置の一部をなす熱電池を示す断面図である。
【図５】 図４に示す熱電池の発電セルを示す断面図である。
【図６】 図３中のＡ−Ａ部における断面図である。
【符号の説明】
１ 燃料（メタノール）
２ 酸化剤（液体酸素）
３ ガス発生器
４ 燃料電池
５ 流量調節器
６ 熱電池
７ 制御器
１０ 燃料タンク
１１ 酸化剤タンク
１２ デュアルレギュレータ
１３ 加湿系
１４ 冷却系
１６ 燃料供給管
１７ 酸化剤供給管
１８ 熱交換器
１９ 酸素ガスタンク
２１ シフトコンバータ
２２ 酸化器
２３ ガス供給管
２４ ヒーター
２５ 水
２６ 水タンク
２７ 水供給管
２８ 水循環管
２９ 冷却液循環管
３０ 熱交換器
３１，３２ ガス供給管
３４ ガスマニホールド
３５ 流れ調整部材
３６ 排出ノズル
４０ 連結管
５０ 保持部材
６０ 接続管
７０ 弁体
８０ 駆動手段
９１，９２ シグナルコンディショナ
９３ モータドライブ
９４ コントローラ
１００ 温度センサ
１０１，１０２ 圧力センサ
１０３ 変位センサ
１０４ 温度センサ
【発明の属する利用分野】
本発明は、宇宙往還機等に搭載される電源装置に関し、特に、燃料及び酸化剤をエネルギ源として電力を発生する電源装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の宇宙往還機等に搭載されている電源装置としては、主に搭載電子機器類に電力を供給する燃料電池と、帰還時等に使用する操舵翼類の駆動源に電力を供給する補助電源とを備えている。この燃料電池は、例えば、酸素と水素とにより発電を行うものであり、比較的に低電流を長時間に亘って必要とする場合に使用されるものである。一方、補助電源は、例えば、燃料と酸化剤とを燃焼器で混合燃焼させ、その燃焼ガスでタービンを回転させると共に発電機を駆動させて発電を行うガスタービン発電機であり、比較的に高電流を短時間に必要とする場合に使用されるものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の電源装置においては、燃料電池に対する燃料等の供給系と補助電源に対する燃料等の供給系とが、各々独立して設けられていたため、構造が複雑であり、装置の大型化あるいは信頼性等の面で問題があった。
【０００４】
また、ガスタービン発電機そのものが、発電能力に対して重量物であり、又、構造が複雑でコストが高い等の問題があった。
【０００５】
本発明は、上記従来技術の問題点に鑑みて達成されたものであり、その目的とするところは、全体としての構造の簡略化を図りつつ、軽量化、低コスト化等を図れる電源装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係る電源装置は、燃料及び酸化剤をエネルギ源として電力を発生するものであり、前記燃料と酸化剤との触媒による水素を含むガスを生成する部分酸化反応により高温のガスを発生するガス発生器と、前記ガス発生器により得られた水素を含む高温のガスを用いて外部を加熱することにより発電する熱電池と、前記熱電池内に設けられた複数の温度センサと、それら複数の温度センサにより検出される温度信号を処理するとともに、熱電池の温度設定信号に基づいて、流量調節器に、これの駆動手段を作動させる作動信号を出力する制御器と、制御器から出力された作動信号により、熱電池に向けて供給される水素を含む高温のガスの流量を、発電を安定した状態で行えるように調節する流量調節器とを備えたことを特徴としている。
【０００７】
本発明の請求項２に係る電源装置は、燃料及び酸化剤をエネルギ源として電力を発生するものであり、前記燃料と前記酸化剤との触媒による水素を含むガスを生成する部分酸化反応により高温のガスを発生するガス発生器と、前記ガス発生器により得られた水素を含む高温のガスと前記酸化剤のガスとにより発電する燃料電池と、前記ガス発生器により得られた水素を含む高温のガスを用いて外部を加熱することにより発電する熱電池と、前記熱電池内に設けられた複数の温度センサと、それら複数の温度センサにより検出される温度信号を処理するとともに、熱電池の温度設定信号に基づいて、流量調節器に、これの駆動手段を作動させる作動信号を出力する制御器と、制御器から出力された作動信号により、熱電池に向けて供給される水素を含む高温のガスの流量を、発電を安定した状態で行えるように調節する流量調節器とを備えたことを特徴としている。
【０００８】
本発明の請求項３に係る電源装置は、請求項１又は２に記載した流量調節器が、前記ガス発生器により得られた水素を含む高温のガスを前記熱電池に供給する通路を開閉する弁体を有する構成となっている。
【０００９】
本発明の請求項４に係る電源装置は、前記制御器が、前記熱電池の温度情報に基づいて前記弁体の弁開度を制御する構成となっている。
【００１０】
本発明の請求項５に係る電源装置は、請求項３又は４に記載した制御器が、前記熱電池に供給される水素を含む高温のガスの温度及び／又は圧力の情報に基づいて前記弁体の弁開度を制御する構成となっている。
【００１１】
本発明の請求項６に係る電源装置は、前記燃料としてメタノールを用い、前記酸化剤として酸素ガスを用いる構成となっている。
【００１２】
本発明の請求項１に係る電源装置によれば、燃料と酸化剤との触媒による水素を含むガスを生成する部分酸化反応により、ガス発生器において発生した水素を含む高温のガスを用いて、熱電池を加熱することにより活性化させて、電力を得ることができる。
【００１３】
また、流量調節器及び制御器の作用により、熱電池に供給される水素を含む高温のガスの流量をコントロールして、熱電池の発電時期、発電量等を調節することができる。
【００１４】
本発明の請求項２に係る電源装置によれば、請求項１の効果に加えて、燃料と酸化剤との触媒による水素を含むガスを生成する部分酸化反応により、ガス発生器において発生した水素を含む高温のガスと酸化剤のガスとにより、燃料電池を駆動させて定常的にも電力を得ることができる。
【００１５】
そして、熱電池により得られた電流は、例えば、宇宙往還機打ち上げ時の空気中の飛翔、大気圏への再突入、あるいは着陸時等の際の姿勢制御、すなわち操舵翼等の駆動のような高電流を短時間要する場合に用いることができ、一方、燃料電池により得られた電力は、宇宙往還機が空気抵抗のない宇宙空間にある場合等において、搭載電子機器等を駆動させるような低電流を長時間要する場合に用いることができる。
【００１６】
すなわち、共通のエネルギ源である燃料と酸化剤とを用いて、熱電池と燃料電池の両方を作動させることができ、熱電池と燃料電池に対する水素を含むガスの供給系を共通のものとすることで、構造の簡略化を達成することができ、又、従来のガスタービン発電機を用いるものに比べて、重量にして約１／１０以下という大幅な軽量化と共に、低コスト化をも達成することができる。さらに、構造の簡略化により、装置全体の機能上の信頼性を向上させることができる。
【００１７】
本発明の請求項３に係る電源装置によれば、弁体の弁開度を調節するだけで、容易に高温ガスの流量をコントロールすることができる。これにより、熱電池の加熱時期すなわち発電時期、あるいは、熱電池の加熱温度等を容易にコントロールすることができる。
【００１８】
本発明の請求項４に係る電源装置によれば、弁体の弁開度が、熱電池の温度情報に基づいて制御されることから、フィードバックされる熱電池の温度により、熱電池が異常に加熱されて許容温度を超えるような状態となった場合は、即座に弁体を作動させて高温ガスの流れを抑制あるいは停止させることにより、熱電池の破損等を未然に防止することができる。
【００１９】
また、熱電池の温度を監視することで、高温ガスの流量を制御して、常に安定した状態で効率良く発電させることができる。
【００２０】
本発明の請求項５に係る電源装置によれば、弁体の弁開度が、高温ガスの温度及び／又は圧力の情報に基づいて制御されることから、高温ガスの流量を高精度に制御することができる。
【００２１】
また、熱電池の温度情報と併せて弁体の弁開度が制御される場合は、熱電池をより安定した状態で発電させることができ、一層効率良く電力を得ることができる。
【００２２】
本発明の請求項６に係る電源装置によれば、酸素ガスを酸化剤としかつメタノールを燃料とする主動力源を備えた宇宙往還機への適用が可能であり、この酸素ガス及びメタノールをエネルギ源として、熱電池及び燃料電池をも作動させることができ、エネルギ源が統合されたシステムを実現することができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を添付図面に基づいて説明する。
【００２４】
図１は、宇宙往還機等に搭載される場合の本発明に係る電源装置の概略構成を示す説明図であり、この電源装置は、図１に示すように、メタノール等の燃料１と酸素ガス等の酸化剤２とを触媒反応させて高温のガスを発生するガス発生器３と、ガス発生器３により得られたガス（例えば水素ガス）及び酸化剤のガス（例えば酸素ガス）と電解質との化学反応により起電力を生じて発電を行う燃料電池４と、ガス発生器３により得られた高温ガスを後述の熱電池に導くにあたりその流量を調節する流量制御器５と、流量調節器５を経て供給された高温ガスで外部を加熱することにより起電力を生じて発電を行う外部加熱型の熱電池６と、熱電池６の温度情報，電力制御システムからの熱電池起動／停止指令等を受信して流量調節器５を制御するコントローラ等を備えた制御器７等により構成されている。
【００２５】
そして、上記構成からなる電源装置においては、熱電池６により得られる電力は、宇宙往還機打ち上げ時の空気中の飛翔、大気圏への再突入、あるいは着陸時等の際の姿勢制御を行うための操舵翼等の駆動に利用される。すなわち、数秒ないし数十秒という短時間に高電流を要する場合に利用される。
【００２６】
一方、燃料電池４により得られた電力は、宇宙往還機が宇宙空間の軌道上に位置するような場合において、搭載電子機器等を駆動させるのに利用される。すなわち、長時間に亘って低電流を要するような場合に利用される。
【００２７】
図２は、本発明に係る電源装置の一実施例における具体的な構成を示す図である。この電源装置は、図２に示すように、液体メタノール１を蓄えた燃料タンク１０、酸化剤としての液体酸素２を蓄えた酸化剤タンク１１を備えると共に、ガス化した酸素およびメタノールの触媒反応により高温のガスを発生するガス発生器３、ガス発生器３で発生した高温のガスにより加熱されて発電を行う熱電池６、ガス発生器３で得られる水素ガスと酸化剤タンク１１から導かれる酸素ガスとにより発電を行う燃料電池４等を備えている。
【００２８】
また、この電源装置は、熱電池６に供給される高温ガスの流量を調節する流量調節器５、流量調節器を制御する制御器７、水素ガス及び酸素ガスを燃料電池４に個別に供給するためのデュアルレギュレータ１２、燃料電池４に対する加湿系１３及び冷却系１４等を備えている。
【００２９】
上記燃料タンク１０及び酸素タンク１１には、図外のタンクに蓄えられたヘリウムガスを供給する供給管１５ａ，１５ｂが接続してあり、ヘリウムガスの圧力によってメタノール１及び液体酸素２をガス発生器３や燃料電池４側に加圧供給するようになっている。
【００３０】
上記燃料タンク１０には、ガス発生器３に液体メタノール１を供給する燃料供給管１６が接続されている。そして、この燃料供給管１６には、その途中に、主動力源である推進装置（不図示）に液体メタノール１を供給する分岐管１６ａ及び調整バルブＶ１と、並列配置にした２つの流量制御バルブＶ２，Ｖ３とが設けられている。
【００３１】
上記酸化剤タンク１１には、ガス発生器３及び燃料電池４に酸素を供給する酸化剤供給管１７が接続されている。この酸化剤供給管１７には、宇宙往還機の主動力源である推進装置（不図示）に液体酸素２を供給する第１分岐管１７ａ及び調整バルブＶ４と、流量調整バルブＶ５と、液体酸素２をガス化する熱交換器１８と、熱交換器１８によりガス化された酸素ガスを蓄える酸素ガスタンク１９が順に設けられている。
【００３２】
また、酸化剤供給管１７は、酸素ガスタンク１９よりも下流の部分に、並列に配置された２つの流量制御バルブＶ６，Ｖ７を介してガス発生器３に至る第２分岐管１７ｂと、流量制御バルブＶ８を介してガス発生器３の下流に位置する酸化器２２に至る第３分岐管１７ｃと、デュアルレギュレータ１２の酸素ガス用調整バルブ１２ｂを介して燃料電池４に至る第４分岐管１７ｄを備えている。
【００３３】
上記ガス発生器３は、ガス化した酸素及びメタノールを触媒反応させて高温のガスを発生させるものであり、このガス発生器３の下流には、得られたガス中の一酸化炭素を除去するシフトコンバータ２が設けられている。
【００３４】
上記ガス発生器３は、その内部に、プラチナやパラジウム等の触媒を担持したベースを備えている。シフトコンバータ２１は、水によりガス中の一酸化炭素をシフト反応させるものであって、シフト反応後の微量の一酸化炭素をも完全に除去するために酸化器２２を備えている。
【００３５】
この酸化器２２には、デュアルレギュレータ１２の水素ガス用調整バルブ１２ａを介して燃料電池４に至るガス供給管２３が設けられている。
【００３６】
また、ガス発生器３には、熱電池６に向けて高温のガスを供給するガス供給管３１と、シフトコンバータ２１に高温のガスを供給するガス供給管３２とが設けられており、これら両ガス供給管３１，３２には遮断弁Ｖ９，Ｖ１０がそれぞれ設けられている。
【００３７】
また、上記の燃料タンク１０からガス発生器３に至る燃料供給管１６の中間部分には、酸化器２２及びガス発生器３の内部を通過する熱交換部１６ｂ、１６ｃが設けられており、又、熱交換部１６ｃを経て一旦ガス発生器３の外側に出た部分に対してはヒーター２４が設けられている。
【００３８】
上記燃料電池４に対して設けられた加湿系１３は、水２５を蓄えた水タンク２６と、水タンク２６からポンプＰ１を介してシフトコンバータ２１に至る水供給管２７と、水タンク２６からポンプＰ２及び燃料電池４を介して再び水タンク２６に戻る水循環管２８を備えている。また、冷却系１４は、ポンプＰ３及び燃料電池４に対する熱交換部２９ａを有する冷却液循環管２９と、冷却液循環管２９に対する熱交換器３０を備えている。
【００３９】
上記の構成を備えた電源装置において、燃料電池４を作動させる場合には、ガス発生器３からシフトコンバータ２１に至るガス供給管３２の遮断弁Ｖ１０を開いて、液体酸素２を熱交換器１８でガス化すると共に、初期においてヒーター２４で液体メタノール１をガス化する。そして、ガス化した酸素及びメタノールをガス発生器３に供給して触媒反応（部分酸化反応）させることにより水素ガスを得る。この反応は次の通りである。
【００４０】
ＣＨ３ＯＨ→ＣＯ＋２Ｈ２−２１．７ｋｃａｌ／ｍｏｌ（吸熱）
ＣＯ＋１／２Ｏ２→ＣＯ２＋６６．１ｋｃａｌ／ｍｏｌ（発熱）
よって、ガス発生器３での反応は発熱（＋４６．４ｋｃａｌ／ｍｏｌ）となる。
【００４１】
このガス発生器３で得られたガスには、水素ガスの他に一酸化炭素が含まれているため、シフトコンバータ２１において水を供給することにより、この一酸化炭素の酸化による除去が行われる。この反応は次の通りである。
【００４２】
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋Ｈ２＋９．８ｋｃａｌ／ｍｏｌ
よって、シフトコンバータ２１での反応は発熱である。
【００４３】
ここで、シフトコンバータ２１では、一酸化炭素の酸化反応が進行すると、水素ガスによる還元反応が活性化して一酸化炭素濃度が上昇に転じることがある。そこで、酸化器２２において酸素ガスにより一酸化炭素を酸化させ、水素ガス中に残留した微量の一酸化炭素を完全に除去する。
【００４４】
以上のように、ガス化したメタノールは、ガス発生器３、シフトコンバータ２１及び酸化器２２を通ることにより、所定温度（１２０℃程度）の水素ガスおよび二酸化炭素に完全に変化し、デュアルレギュレータ１２の水素ガス用調整バルブ１２ａにより規定圧（５〜６ｋｇｆ／ｃｍ２）に調整されて燃料電池４に供給される。なお、得られた二酸化炭素については、水に吸収させて除去するか、あるいは、外部に排気する。
【００４５】
また、燃料電池４には、上記の水素ガスに加えて、デュアルレギュレータ１２の酸素ガス用調整バルブ１２ｂで規定圧（５〜６ｋｇｆ／ｃｍ２）に調整されかつ所定温度（１２０℃程度）に制御された酸素ガスを供給する。
【００４６】
これにより、燃料電池４は、その内部に設けられた電解質と水素ガス及び酸素ガスとの電気化学反応により、起電力を生じて発電を行うことになる。
【００４７】
尚、上記電源装置では、燃料電池４の作動開始後においてはヒーター２４の作動を停止し、ガス発生器３の自己発熱により熱交換部１６ｃで液体メタノール１のガス化を継続する。つまり、液体メタノール１をガス化するための別の熱源が不要になり、その分エネルギを節約し得るものとなっている。
【００４８】
また、燃料電池４において発生した水は、気水分離器（酸素ポンプ）により酸素から分離して水タンク２６に貯蔵され、シフトコンバータ２１における一酸化炭素の除去等に用いられる。
【００４９】
次に、外部加熱型の熱電池６を作動させる場合には、ガス発生器３から熱電池６に至るガス供給管３１の遮断弁１Ｖ９を開いた状態にし、燃料電池２のみを作動させる場合に比べて大流量のガスを熱電池６に供給する。ここで、ガス発生器３は、メタノール１と酸素２との触媒反応により高温・高圧のガスを発生し、この高温・高圧のガスは、ガス供給管３１を通り、流量調節器５による流量の調節を経て、熱電池６の外部に供給され、熱電池６を加熱することになる。
【００５０】
ここで、上記流量調節器５、熱電池６、及び制御器７について、詳細に説明する。
【００５１】
図３は、上記流量調節器５、熱電池６、及び制御器７により構成される熱電装置の一実施例を示す構成図である。この熱電装置は、図３に示すように、外部からの加熱により活性化されて起電力を生じる熱電池６と、この熱電池６を収容するガスマニホールド３４と、このガスマニホールド３４内に高温ガスを導く連結管４０と、通路の一部を形成すると共に高温ガスの流量を調節する流量調節器５の一部としての弁体７０，この弁体７０を駆動する駆動手段８０等を収容する保持部材５０と、ガス発生器３から伸びるガス供給管３１に接続される接続管６０と、流量調節器５の動作を制御する制御器７等により構成されている。
【００５２】
ここで、上記熱電池６は、図４に示すように、径の異なる２つの同心状の円筒６１ａ，６１ｂ及び上面６１ｃ，下面６１ｄにより形成される金属製外部ケース６１の内部空間に、複数個の発電セル６２を積層し、これら積層された発電セル６２のまわりを電気絶縁層６３で覆うと共に、上端の発電セルと下端の発電セルとから、それぞれリード線６４ａ，６４ｂを引き出して、外部ケース６１の下面から突出する正極端子６５ａ，負極端子６５ｂにそれぞれ接続した構成となっている。
【００５３】
また、上記発電セル６２は、図５に示すように、薄板の円環形状をなしており、負極と正極との間に電解質層６２ｄを挟んだ構造からなっている。ここで、負極は、鉄製カップ６２ａにリチウムシート６２ｂを挿着した後、鉄粉６２ｃを充填し、鉄製カップ６２ａの外周縁を内側に向けてかしめ成形し、次いで約５５０℃の熱板に挟んでリチウムを溶融し鉄粉成形体に含浸させたものである。
また、電解質層６２ｄは、塩化カリウムと塩化リチウムの共融塩を無機吸着材の酸化マグネシウム粉末に吸着させたものを成形したものであり、共融塩すなわち電解質と無機吸着材との混合比は重量比で１：１である。
さらに、正極は、活物質の二硫化鉄に、上記電解質と無機吸着材とを混合し成形したものに、鉄製の正極集電板６２ｆを貼着したものであり、活物質と電解質との混合比は重量比で７：３である。
【００５４】
上記ガスマニホールド３４は、上記熱電池６を収容するような円柱状の輪郭をなし、側壁に高温ガスを流入させる流入口３４ａが形成され、又、底面に開口３４ｂが形成されている。従って、開口３４ｂから熱電池６の本体部分をガスマニホールド３４内に挿入し、熱電池６の下面６１ｄ外周部分をガスマニホールド３４の底面に当接させて、ボルト等の締結手段（不図示）により締結することで、熱電池６はマニホールド内に完全に収容された状態で固定されることになる。
【００５５】
また、図３及び図６に示すように、上記ガスマニホールド３４の内部でかつ熱電池６のまわりを取り囲む領域には、ガスマニホールド内に流れ込んだ高温ガスを分散させて流れを調整する流れ調整部材３５が配置されている。この流れ調整部材３５は、円筒状をなし、その壁面には複数の孔３５ａが設けられている。
【００５６】
このような流れ調整部材３５を設けることで、ガスマニホールド３４の一側部にある流入口３４ａから流れ込んできた高温ガスは、熱電池６の一側部にのみ衝突するのではなく、流れ調整部材３５に形成された孔３５ａを通って、熱電池６の外周全域から均一に熱電池６に接するようになる。これにより、熱電池６は、斑なく均一に加熱されることになり、内部の発電セル６２全体が効率良くスムーズに活性化されることになる。
【００５７】
上記流れ調整部材としては、上述実施例の他に、流入口３０ａから遠ざかるにつれて、孔の径を大きくしたり、又、孔の数を多くしたり、あるいは、孔の形状を適宜変化させて流入抵抗を減らすようにすることも可能である。
【００５８】
上記連結管４０は、図３に示すように、両端に取り付け用のフランジ部をもち、高温ガスを通す内部通路４０ａを形成するものである。この内部通路４０ａの略中央部には、オリフィス部４０ｂが形成されており、このオリフィス部４０ｂには、高温ガスの温度を検出するための温度センサ１００が設けられており、又、オリフィス部４０ｂを挟んだ両側には、高温ガスの圧力を検出するための圧力センサ１０１，１０２がそれぞれ設けられている。
【００５９】
そして、これら温度センサ１００，及び圧力センサ１０１，１０２により検出された高温ガスの温度情報及び圧力情報は、後述のコントローラへ送られて、流量調節手段の制御等に用いられる。
【００６０】
上記保持部材５０は、図３に示すように、高温ガスが流入する流入室５０ａを形成して、通路の一部を形成すると共に、高温ガスの流量を調節する弁体７０をその軸方向に往復動自在に案内する案内通路５０ｂ、及び弁体７０を駆動する駆動手段８０を収容する駆動手段収容室５０ｃ等を形成している。
【００６１】
ここで、高温ガスの流量を調節する流量調節器５としての弁体７０及び駆動手段８０について説明すると、図３に示すように、弁体７０は、略長尺な円柱形状をなし、その一端部に円錐形状の弁部７０ａが設けられ、他端側領域に雄ねじ部分７０ｂが設けられて、中間領域が保持部材５０の案内孔５０ｂに往復動自在に支持されている。
【００６２】
そして、この弁体７０の雄ねじ部分７０ｂには、雌ねじが形成されかつ外周部に環状のモータロータ８２が一体的に設けられたボールナット８１が螺合されている。このボールナット８１は、弁体７０の軸線方向への移動が規制される一方で、ベアリング８３により軸まわりに回動自在に支持されている。さらに、モータロータ８２の外周には、所定間隔をおいて、モータステータ８４が対向するように配置されている。
【００６３】
従って、後述のコントローラ及びモータドライバを介して、所定電流がモータステータ８４に流されると、発生した磁界により、モータロータ８２すなわちボールナット８１が所定方向に回転し、このボールナット８１と螺合関係にある弁体７０は、その軸線方向に移動することになる。
【００６４】
上記ボールナット８１、モータロータ８２、モータステータ８４等により、弁体７０を駆動する駆動手段８０が構成されている。尚、上記駆動手段８０は、高温ガスの流れを止める際には、弁部７０ａの円錐表面が流入室５０ａの通路縁部５０ｄに当接するように駆動されて、弁体７０を図３中右向きに移動させ、逆に高温ガスを流す際には、弁部７０ａが通路縁部５０ｄから離脱するように駆動されて、弁体７０を図３中左向きに移動させる。
【００６５】
また、上記のように弁体７０が案内通路５０ｂに沿って移動しても、案内通路５０ｂとの接触面にシール部材７１が設けてあるため、流入室５０ａに流入してきた高温ガスが案内通路５０ｂと弁体７０の外周部との狭間を通って洩れでるのを防止することができる。
【００６６】
さらに、上記弁体７０の他端側には、その変位を検出する変位センサ１０３が設けられており、この変位センサ１０３により検出された弁体７０の変位情報すなわち弁開度情報は、後述のコントローラに送られる。
【００６７】
上記流量調節器５を制御する制御器７は、図３に示すように、上記温度センサ１００、圧力センサ１０１，１０２により検出される信号を処理するシグナルコンディショナ９１、熱電池６内に設けられた複数の温度センサ１０４により検出される温度信号を処理して熱電池６の平均温度、最大温度等を出力するシグナルコンディショナ９２、駆動手段８０への作動信号を出力するモータドライブ９３、上記シグナルコンディショナ９１，９２、変位センサ１０３等からの情報信号、又、熱電池の起動（活性化）指令，停止（冷却）指令、熱電池の温度設定信号等に基づいて種々の計算を行い、駆動手段８０を駆動するための信号をモータドライブ９３へ出力するコントローラ９４等により構成されている。
【００６８】
上記のような構成からなる装置においては、ガス供給管３１の遮断弁Ｖ９を開けた状態で弁体７０を移動させて内部通路を開くと、ガス発生器３で発生した高温ガスは、ガス供給管３１、接続管６０、保持部材の流入室５０ａから、連結管４０を通って、ガスマニホールド３４内に流れ込む。そして、流れ調整部材３５により、高温ガスの流れが分散調整されて、熱電池６の外周面６１ａに均一に接触し、さらに、空洞部６１ｂを通って、排出ノズル３６からガスマニホールド３４の外部に流出する。
【００６９】
これにより、熱電池６は加熱されて活性化状態となり、所定の電力を発生することになる。一方、熱電池６による発電を停止させる場合は、熱電池停止（冷却）指令により弁体７０を移動させて内部通路を閉塞し、ガスマニホールド３４内への高温ガスの流入を止める。
【００７０】
尚、上記排出ノズル３６内に絞り弁（不図示）を設けて、所望の弁開度にコントロールすることで、ガスマニホールド３４内のガスの圧力等を調節するような構成を採用することも可能である。
【００７１】
これによれば、ガスマニホールド３４内のガスの温度を調節することができ、効率良くエネルギを取り出すことができる。
【００７２】
以上述べた実施例において、弁体７０を移動させて高温ガスの流量を制御する制御方法としては、熱電池６の温度を監視して制御を行う温度レギュレータ型制御系、あるいは、熱電池６に導かれる高温ガスの流量を監視して制御を行うガスフローレギュレータ型制御系等を採用することができる。
【００７３】
また、上記実施例では、高温ガスの流量を調節する弁体として、往復動する形式のものを示したが、これに限定されるものではなく、回動動作あるいはスライド動作により、内部通路を横断して開閉するようなものであってもよい。
【００７４】
さらに、上述実施例では、弁体を駆動する駆動手段として、電気式のものを示したが、これに限定されるものではなく、機械式のものであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る電源装置の概略構成を説明するためのブロック図である。
【図２】 本発明に係る電源装置の一実施例を示す構成図である。
【図３】 本発明に係る電源装置の一部をなす流量調節器、熱電池、及び制御器を示す構成図である。
【図４】 本発明に係る電源装置の一部をなす熱電池を示す断面図である。
【図５】 図４に示す熱電池の発電セルを示す断面図である。
【図６】 図３中のＡ−Ａ部における断面図である。
【符号の説明】
１ 燃料（メタノール）
２ 酸化剤（液体酸素）
３ ガス発生器
４ 燃料電池
５ 流量調節器
６ 熱電池
７ 制御器
１０ 燃料タンク
１１ 酸化剤タンク
１２ デュアルレギュレータ
１３ 加湿系
１４ 冷却系
１６ 燃料供給管
１７ 酸化剤供給管
１８ 熱交換器
１９ 酸素ガスタンク
２１ シフトコンバータ
２２ 酸化器
２３ ガス供給管
２４ ヒーター
２５ 水
２６ 水タンク
２７ 水供給管
２８ 水循環管
２９ 冷却液循環管
３０ 熱交換器
３１，３２ ガス供給管
３４ ガスマニホールド
３５ 流れ調整部材
３６ 排出ノズル
４０ 連結管
５０ 保持部材
６０ 接続管
７０ 弁体
８０ 駆動手段
９１，９２ シグナルコンディショナ
９３ モータドライブ
９４ コントローラ
１００ 温度センサ
１０１，１０２ 圧力センサ
１０３ 変位センサ
１０４ 温度センサ
Claims (6)
- 燃料及び酸化剤をエネルギ源として電力を発生する電源装置であって、
前記燃料と酸化剤との触媒による水素を含むガスを生成する部分酸化反応により高温のガスを発生するガス発生器と、
前記ガス発生器により得られた水素を含む高温のガスを用いて外部を加熱することにより発電する熱電池と、
前記熱電池内に設けられた複数の温度センサと、
それら複数の温度センサにより検出される温度信号を処理するとともに、熱電池の温度設定信号に基づいて、流量調節器に、これの駆動手段を作動させる作動信号を出力する制御器と、
制御器から出力された作動信号により、熱電池に向けて供給される水素を含む高温のガスの流量を、発電を安定した状態で行えるように調節する流量調節器とを備えたことを特徴とする電源装置。 - 燃料及び酸化剤をエネルギ源として電力を発生する電源装置であって、
前記燃料と前記酸化剤との触媒による水素を含むガスを生成する部分酸化反応により高温のガスを発生するガス発生器と、
前記ガス発生器により得られた水素を含む高温のガスと前記酸化剤のガスとにより発電する燃料電池と、
前記ガス発生器により得られた水素を含む高温のガスを用いて外部を加熱することにより発電する熱電池と、
前記熱電池内に設けられた複数の温度センサと、
それら複数の温度センサにより検出される温度信号を処理するとともに、熱電池の温度設定信号に基づいて、流量調節器に、これの駆動手段を作動させる作動信号を出力する制御器と、
制御器から出力された作動信号により、熱電池に向けて供給される水素を含む高温のガスの流量を、発電を安定した状態で行えるように調節する流量調節器とを備えたことを特徴とする電源装置。 - 前記流量調節器は、前記ガス発生器により得られた水素を含む高温ガスを前記熱電池に供給する通路を開閉する弁体を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の電源装置。
- 前記制御器は、前記熱電池の温度情報に基づいて前記弁体の弁開度を制御することを特徴とする請求項３に記載の電源装置。
- 前記制御器は、前記熱電池に供給される水素を含む高温のガスの温度及び／又は圧力の情報に基づいて前記弁体の弁開度を制御することを特徴とする請求項３又は４に記載の電源装置。
- 前記燃料がメタノールであり、前記酸化剤が酸素ガスであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の電源装置。
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