JP5342001B2 - 発電及び電源用の水素及び酸素を製造するための方法及びシステム - Google Patents

Description

優先権主張
[0001]本願は、２００８年８月２７日出願の米国仮特許出願第６１／０９２，３５８号「発電及び電源用の水素及び酸素を製造するための方法及びシステム」に基づく優先権を主張し、その全開示内容はこの引用によって本明細書に援用する。

本発明の態様は、一般的に水素及び酸素を製造するための方法及びシステムに関し、さらに詳しくは、固体酸化物形燃料電池と共に使用するために設計された燃料システムに関する。

無人潜水艇（unmanned undersea vehicle, ＵＵＶ）、衛星、月面基地、及び無人航空機（unmanned aerial vehicle, ＵＡＶ）に使用されているような非空気吸込み型(non-air breathing)エンジン又はモーター用の最も一般的な電源は、従来式バッテリーである。しかしながら、従来式バッテリーはエネルギー密度が低いので、多くの望ましい用途にふさわしい十分なエネルギー容量が不足している。十分なエネルギー容量を提供しうる塩化チオニルリチウムのような数少ないタイプは法外な費用がかかる。

固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）は、ＵＵＶに求められる長期任務を支援しうる非空気吸込み型用途における電力システムの耐久性を増大させるための有望な電源として追求されてきた。水素を利用する固体酸化物形燃料電池システムは、コンパクトかつ軽量にでき、大きな可動部も持たない。さらに、固体酸化物形燃料電池には白金族金属又は合金のような入手しやすい触媒材料が使用できる。ＳＯＦＣは燃焼を伴わないので、理想的条件下でそれらを発電に使用でき、信頼性も従来式バッテリーよりはるかに高い。この理由は、それらが、簡素、高効率で、不純物に対する耐性があり、少なくとも部分的に炭化水素燃料を内部改質できるためである。

さらに大きい効率を達成するために、中型及び大型の固体酸化物形燃料電池がガスタービンと組み合わされている。固体酸化物形燃料電池は加圧されうるので、ガスタービンは燃料電池によって発生した余剰の排熱エネルギーから電気を生産する。

しかしながら、多くの場合、固体酸化物形燃料電池には圧縮及び／又は極低温の水素及び酸素の供給が必要とされるので、その結果、過度に重い格納容器及び／又は極低温を獲得し絶縁するための複雑で重い装置がもたらされることになる。

上記に鑑み、当該技術分野では、固体酸化物形燃料電池を用いる発電のための水素及び酸素の製造法及びシステムが求められている。

本発明の一態様は電力の生産法を含む。当該方法は、金属水素化物と水を水素化物リアクター内で反応させて、熱、金属酸化物、及び水素を製造し、過酸化水素を過酸化物リアクター内で分解して高温水と酸素を製造し、そして前記水素と酸素を少なくとも一つの固体酸化物形燃料電池内で変換して水と電気を製造することを含みうる。

本発明の別の態様は、水素化物リアクターと、過酸化物リアクターと、そして少なくとも一つの固体酸化物形燃料電池とを含む発電システムを含む。水素化物リアクターは、金属水素化物を水と反応させて金属酸化物と水素を製造するように構成されうる。過酸化物リアクターは、過酸化水素を分解して高温水と酸素を製造するように構成されうる。少なくとも一つの固体酸化物形燃料電池は、水素と酸素の経路中に配置され、水素と酸素を反応させることによって水と電気を製造するように構成されうる。

さらに別の態様において、本発明は水素及び酸素の製造法を含む。当該方法は、過酸化物リアクター内で過酸化水素を分解して高温水と酸素を製造し、前記高温水を酸素から分離し、水素化物リアクター内で金属水素化物を前記高温水の少なくとも一部と反応させて熱、金属酸化物、及び水素を製造することを含む。

本発明の更なる態様は、水素及び酸素の製造システムを含む。当該システムは、過酸化物リアクターと、分離装置と、そして水素化物リアクターとを含みうる。過酸化物リアクターは、過酸化水素を分解して高温水又は水蒸気と酸素を製造するように構成されうる。分離装置は、前記高温水を酸素から分離するように構成されうる。水素化物リアクターは、過酸化物リアクターによって製造された高温水を受け取るように構成され、そして金属水素化物を前記高温水と反応させて金属酸化物と水素を製造するように構成されうる。

本明細書は、本発明の態様と見なされる対象を特定して指摘し明確にクレームしている特許請求の範囲で締めくくられているが、本発明の利点は、添付の図面と合わせて読んだ場合、以下の本発明の記載からより容易に確認できるであろう。
複合水素／酸素供給システムを用いた発電システムの態様を示す簡易概略図である。 複合水素／酸素供給システムを用いた発電システムの態様を示す簡易概略図である。 複合水素／酸素供給システムを用いた発電システムの態様を示す簡易概略図である。 複合水素／酸素供給システムを用いた発電システムの態様を示す簡易概略図である。 複合水素／酸素供給システムを用いた発電システムの態様を示す簡易概略図である。 内蔵型モバイル電力システムとして使用できる複合水素／酸素供給システムのレイアウトを示す簡易断面図である。 複合水素／酸素供給システムを用いた発電システムの態様を様々な条件下及び様々な試薬で運転することによって得られたデータをまとめた表である。 複合水素／酸素供給システムを用いた発電システムの態様を様々な条件下及び様々な試薬で運転することによって得られたデータをまとめた表である。 複合水素／酸素供給システムを用いた発電システムの態様を様々な条件下及び様々な試薬で運転することによって得られたデータをまとめた表である。 複合水素／酸素供給システムを用いた発電システムの態様を様々な条件下及び様々な試薬で運転することによって得られたデータをまとめた表である。 複合水素／酸素供給システムを用いた発電システムの態様を様々な条件下及び様々な試薬で運転することによって得られたデータをまとめた表である。 図１Ａに示されているような発電システムで、任意のパラフィン改質装置が含まれている場合の使用と結果のまとめである。

水素及び酸素の製造法を提供する。水素及び酸素の複合(combined)供給システムは、過酸化水素（Ｈ_２Ｏ_２）を用いて酸素（Ｏ_２）を製造し、水（Ｈ_２Ｏ）と水素化マグネシウム（ＭｇＨ_２）を用いて純水素（Ｈ_２）を製造する。過酸化水素及び水素化マグネシウムを使用すると、高圧又は極低温システムのいずれかを伴うベースラインの水素／酸素システムと比べて、穏やかな温度及び圧力で高エネルギー密度システムが可能になる。過酸化水素から酸素と水への分解、及び水素化マグネシウムと水から酸化マグネシウム（ＭｇＯ）などのような金属酸化物と水素への反応は高発熱性なので、火力発電用の追加のエネルギー源として利用できる。これは、最終的には電力ユニットの総体的効率を増大させるのに使用できる。結果として生じる物質は水と酸化マグネシウムで、酸化マグネシウムは利用可能な静的エネルギー源を用いて水素化マグネシウムに戻すことができる。水は回収して、必要であれば、追加の水素及び酸素源として使用できる。

水素製造コンポーネント及び酸素製造コンポーネントを含む発電システムも提供する。非制限的例として、水素は高密度の金属水素化物として貯蔵でき、酸素は過酸化水素の接触分解によって得ることができる。一部の態様において、金属水素化物は炭化水素内のスラリーとして反応させてもよい。過酸化水素の発熱分解によって生じた熱は、水素化物リアクターに投入される反応物を予熱するのに使用できる。過酸化物分解によって製造された酸素と水素化物リアクターからの水素は、その後、固体酸化物形燃料電池を運転するのに使用できる。固体酸化物形燃料電池における反応生成物は、高圧水蒸気と、金属水素化物スラリー中に存在しうる炭化水素の酸化に由来する二酸化炭素（ＣＯ_２）を含む。反応生成物は蒸気タービンに送られうる。蒸気タービンはこのシステムから追加の仕事を引き出すのに使用できる。反応生成物は、その後、凝縮器を通過し、そこで水と二酸化炭素は金属水素化物含有タンクに回収される。金属水素化物は二酸化炭素と反応して貯蔵可能な金属炭酸塩を形成できる。

電力及び機械力の発生が完全内蔵型のシステムから提供できる。すなわち、システムが、システム自身の燃料と、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）で使用するための酸化剤をシステム内に貯蔵されている安全な成分から生み出す。水素燃料は、金属水素化物スラリーが液相又は気（水蒸気）相いずれかの水と反応して誘導される。金属水素化物は、水素化マグネシウム、水素化リチウム及び水素化アルミニウムなどである。水素化物の担体は鉱油などの液体炭化水素でよく、水素化物粉末が分散剤の使用によって懸濁状態で保持される。粒子凝集及び目詰まりを低減／排除するための撹拌装置が必要となるのであまり望ましくない代替ではあるが、スラリーの代わりに水素化物の粉末を使用してもよい。酸素は、過酸化水素の接触分解から誘導される。この反応は、水素化物から水素への反応に必要な水も生み出す。このように、空気などの外部成分が必要ないことが、このシステムを、非空気吸込み型用途、例えば無人潜水艇、衛星用電力、月面基地用電力、及び無人航空機、並びにその他の地下及び地球外用途に特にふさわしいものにしている。

当該発電システムは、電気化学的バッテリー又は圧縮酸素／極低温水素貯蔵システムを採用するシステムと比べて、著しく高いエネルギー密度及び／又は出力を有するように構成できる。輸送しやすい水素化マグネシウムのスラリーの使用で、複雑な粒子撹拌装置の必要性が除去され、粒子凝集及び目詰まりの危険性も排除される。高温の固体酸化物形燃料電池の使用は、トッピング及び／又はボトミングサイクルの追加を可能にし、出力及びエネルギー密度を増大する。固体酸化物形燃料電池は、固体高分子形（ＰＥＭ）燃料電池を使用する場合に必要な周囲への著しい排熱の必要性もなくする。

スラリー状の炭化水素担体は、炭化水素を追加の発電サイクルの燃料に使用することによってシステムのエネルギー密度を増大させる可能性を導入する。エネルギー密度の更なる増大は、二酸化炭素（発電サイクルに炭化水素担体を使用することによって生じる）を金属粒子と反応させることによって達成可能になる。本発明は発電の解決策をもたらす。

本発明の発電システム１００の態様例を図１Ａに図示された簡易概略図に示す。発電システム１００は、以下にさらに詳細に記載するように、水素化物リアクター１１２、過酸化物リアクター１１４、一つ又は複数の固体酸化物形燃料電池１１６、及び所望により、熱交換装置１１８及びタービン発電機１２０を含む。発電システム１００は、例えばガスセル、ガス放電セル、又はマイクロ波リアクターなどの任意のタイプの水素化物リアクター、又は金属水素化物を金属酸化物と水素に変換できる任意のその他のタイプの装置を含みうる。

発電システム１００の水素化物リアクター１１２は、金属水素化物１２２と水流１２４を受け取って反応させ、金属酸化物１２８と水素１３０を形成するように構成されうる。水素化物リアクター１１２は、金属水素化物１２２と水流１２４を反応１ａ及び１ｂに従って変換できる。式中、Ｍは金属である。

ｘＨ_２Ｏ＋２ＭＨ_ｘ→２ｘＨ_２＋Ｍ_２Ｏ_ｘ （奇数ｘ） （反応１ａ）
ｘＨ_２Ｏ＋２ＭＨ_ｘ→２ｘＨ_２＋２ＭＯ_ｘ／２ （偶数ｘ） （反応１ｂ）
金属水素化物１２２は、例えば、水素化物リアクター１１２に供給するように構成された金属水素化物供給タンク１２２を用いて貯蔵できる。水流１２４は、本明細書中で詳細に説明するように、高温水又は水蒸気として水素化物リアクター１１２に供給されうる。金属水素化物１２２は、粉末として、又は約２０％〜約８５％の金属水素化物１２２と例えば鉱油又はパラフィンのような炭化水素との混合物を含むスラリーとして水素化物リアクター１１２に供給されうる。非制限的例を挙げると、金属水素化物１２２は、水素化マグネシウム、水素化リチウム及び水素化アルミニウムの少なくとも一つを含みうる。所望により、水素化物リアクター１１６は、本明細書中で詳細に説明するように、過剰の冷水を反応チャンバに送ることによって冷却してもよい。

非制限的例として、金属水素化物１２２は７０％粉砕水素化マグネシウムスラリーであろう。その粘度は発電システム１００の構成に基づいて予め決定できる。金属水素化物が水素化マグネシウム（ＭｇＨ_２）の場合、水との反応で約２８３．３ｋＪ／ｇｍｏｌ水素化マグネシウム（水素化マグネシウム１ｇｍｏｌあたり約２８３．３ｋＪ）が生じうる。反応の副産物として生成する金属酸化物（ＭＯ）材料は回収タンク１２９に貯蔵されうる。金属水素化物の変換と過酸化水素の分解に由来する熱反応は電力を作り出す。これらの反応の副産物はリサイクル可能であるか又は環境上安全に埋め立てられる。所望によりパラフィン改質装置（図示せず）をシステム１００に含めてもよく、例えば、以下にさらに詳細に説明するように、金属水素化物スラリー中に存在する炭化水素を水素と二酸化炭素に変換するのに使用してもよい。

過酸化物リアクター１１４は、過酸化水素を分解するための当該技術分野で公知の任意の適切な装置又は器具でよい。例を挙げると、ＧＮＩＩＣＨＴＥＯＳ（ロシア・モスクワ）から入手できる過酸化水素分解リアクターである。過酸化水素は、高密度酸素を製造するのに利用できるほか、貯水のためにも利用できる。過酸化物リアクター１１４は、過酸化水素（Ｈ_２Ｏ_２）１３２を受け取って分解し、水と酸素を含む生成物ストリーム１３４を形成するように構成されうる。非制限的例として挙げると、過酸化水素は４０重量％〜１００重量％の過酸化水素と０重量％〜６０重量％の水、さらに特定的には５５％の過酸化水素と４５％の水を含みうる。水素化物リアクター１１２は、金属水素化物１２２と反応２による水流１２４を変換しうる。

Ｈ_２Ｏ_２→Ｈ_２Ｏ＋１／２Ｏ_２ （反応２）
過酸化水素１３２は、過酸化物供給タンク１３４に貯蔵され、そこから過酸化物リアクター１１４に供給される。分離装置１３６のような装置を用いると、過酸化物リアクター１１４によって製造された酸素１３８と水１４０を分離できる。過酸化水素の総体的分解反応（反応２）は約１０５．７ｋＪ／ｇｍｏｌ過酸化水素（過酸化水素１ｇｍｏｌあたり約１０５．７ｋＪ）を生じる発熱反応なので、高温水１４０と高温酸素１３８が製造されうる。一部の態様では、高温水１４０は、分離装置１３６から水素化物リアクター１１２に供給されて、水と水素化物との反応の効率を増大する。これは水素製造の増大をもたらしうる。このように、高温水１４０は、水素化物リアクターでの製造を、それに供給される高温水又は水蒸気１４０の量を制御することによって自己調節するのに使用できる。さらに、高温水１４０の一部は固体酸化物形燃料電池１１６の熱源としても使用できる。これは熱交換装置１１８によって促進されうる。非制限的例を挙げると、固体酸化物形燃料電池１１６は従来型ジャケットを用いて冷却してもよい。

水素化物リアクター１１４によって製造された酸素１３８と水素化物リアクター１１２によって製造された水素１３０は、固体酸化物形燃料電池１１６に誘導できる。これは、反応３に従って酸素１３８と水素１３０を反応させて水と電気エネルギーを製造する。

２Ｈ_２＋Ｏ_２→２Ｈ_２Ｏ＋電気 （反応３）
固体酸化物形燃料電池１１６は、約２０ａｔｍ未満の圧力で運転されうる。各固体酸化物形燃料電池１１６は約１ｋＷ〜約３ｋＷの範囲の電力密度を有しうる。各固体酸化物形燃料電池１１６は０．６０Ｗ／ｃｍ^２のセル密度を有し、５０〜５５％の運転効率を有しうる。非制限的例として挙げると、固体酸化物形燃料電池１１６は、横寸法約１４．５ｃｍ〜約２２．２ｃｍ、厚さ約８．３ｃｍを有するスタック状に配列されうるので、結果としてスタックは約２．０リットルの体積と約５．０ｋｇの重量を有する。固体酸化物形燃料電池１１６は、直流（ＤＣ）を発生させるのに使用できる。金属水素化物反応中に生じた高温水１４０は、例えば熱交換装置１１８を用いて熱伝達することによって固体酸化物形燃料電池１１６の熱源として使用できる。

水素と酸素を固体酸化物形燃料電池１１６を用いて反応させることによって生成した水蒸気の形態の熱エネルギーは、排気流１１９として出て行き、タービン発電機１２０のようなエンジンに向かい、その動力源として利用され、交流（ＡＣ）の形態の追加の電気エネルギーを製造するのに使用できる。その電気エネルギーは固体酸化物形燃料電池１１６に供給されうる。一部の態様において、タービン発電機１２０は、スターリングエンジンのような再生熱機関(regenerative heat engine)などでありうる。排気流の形態の高温蒸気はタービン発電機１２０の効率を増大する。固体酸化物形燃料電池１１６とタービン発電機１２０の逐次使用(sequential use)は、固体酸化物形燃料電池における水素と酸素の反応による水蒸気のエネルギーを増大し、並行してこの化学エネルギーの約５０パーセントを電気エネルギーに変換する。

排気流１１９中の廃熱は、タービン発電機１２０の動力に使用された後、凝縮器１４４を用いて冷却されうる。非制限的例を挙げると、凝縮器１４４には海水のような低い温度を有する水が供給されうる。さらに、排気流１１９中の廃熱は、例えば熱交換装置１１８及び１４２、又は任意のその他の従来型熱伝達装置又はプロセスを用いて、固体酸化物形燃料電池１１６又は水素化物リアクター１１２によって実施される反応を促進するために再循環されてもよい。システム１００からの熱エネルギーを排気流１１９として利用した後、排気流１１９は、例えば従来型凝縮器１４６を通過し冷却された後、回収タンク１４８に貯蔵されうる。

一部の態様では、金属水素化物スラリー中に存在する炭化水素を反応させることによって追加の電気エネルギーを生み出すこともできる。例えば、水素化マグネシウムと鉱油を含むスラリーが使用される場合、水素化物リアクターを約７００℃を超える温度、さらに詳しくは約７００℃〜約８００℃の範囲の温度で運転し、鉱油を水素と水蒸気の存在下で反応させるとメタンと水素を形成させることができる。水素化物リアクターによって鉱油と水との反応時に生成したメタンと水素は、固体酸化物形燃料電池に送られて反応させられ、追加の電気エネルギーを生成できる。

追加の態様では、鉱油などの炭化水素は、水素化物リアクターによって製造された水素ストリームから分離されて、白金のような触媒上で反応させ、追加の水素を製造することもできる。例えば、炭化水素は、従来の水蒸気改質法及び水性ガスシフト反応を用いて分離できる。非制限的例として、炭化水素がデカンの場合、デカンは反応４に従って二酸化炭素と水素に変換されうる。

Ｃ_１０Ｈ_２２＋２０Ｈ_２Ｏ→１０ＣＯ_２＋３１Ｈ_２ （反応４）
そのような態様では、デカンと水との反応は約１２０２．７ｋＪ／ｇｍｏｌデカン（デカン１ｇｍｏｌあたり約１２０２．７ｋＪ）を生成しうる。あるいは、金属水素化物中の炭化水素は、分離、回収及び貯蔵されてもよい。

追加の水素を得るために使用される場合、上記の総体的反応は二酸化炭素が生じることを示している。本発明で想定されているいくつかの用途の場合（例えばＵＵＶ）、二酸化炭素は、隔離されるか、又は容易に貯蔵できる物質及び後にリサイクル又は廃棄できる物質に変換することができる。非制限的例としては、二酸化炭素は、反応５及び６に従って、マグネシウム粒子と反応させて酸化マグネシウムにすることができる。

Ｍｇ＋ＣＯ_２→ＭｇＯ＋ＣＯ （反応５）
Ｍｇ＋ＣＯ→ＭｇＯ＋Ｃ（ｓ） （反応６）
前述のように、酸化マグネシウムの貯蔵は既に水素化物−水の反応で行われていることであり、固体炭素も容易に捕獲及び貯蔵される。この手法は、一定量のマグネシウム粉末をシステム内に用意しておく必要がある。しかしながら、これらの反応は総体的に発熱性であるので、エネルギー放出は水素化物−水の反応に必要な水の温度をさらに上げて反応性を改良するのに使用できる。

様々な目的（ミッション）の要件に対応する本発明の柔軟性を示すために、代表的な構成を以下に示す。

図１Ｂに、水素化物リアクター１１２、過酸化物リアクター１１４、熱交換装置１１８、燃焼器１１７、及びタービン発電機１２０を含む発電システム１００’の別の態様例を示す。このシステム１００’は、図１Ａに関して先に記載したように構成されうるが、固体酸化物形燃料電池１１６の代わりに燃焼器１１７が使用される。十分な水をシステム１００’に導入して燃焼室を冷却し、出力(output)が約１３００℃になるようにした。示されたシステム１００’は約３０％の総体的効率を有しうる。理想的なブレイトンサイクル(Brayton cycle)を運転することによって（すなわち凝縮器１４４を除く）、約４４％の効率を得ることができる。システム１００’は二酸化炭素を生成するので、二酸化炭素を水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）と反応させるような隔離プロセスが含まれうる。水酸化ナトリウムは水受けタンクに入れておき、約１００℃の温度の水蒸気を用いて水酸化ナトリウムを溶解し、二酸化炭素と反応させて炭酸ナトリウム（Ｎａ_２ＣＯ_３）を形成させる。余剰の水蒸気は、非凝縮サイクルを支持するためにシステム１００’に戻せばよい。

発電システム２００の別の態様例を、図２に図示された簡易概略図に示す。水素化物リアクター１１２、過酸化物リアクター１１４、熱交換装置１１８及び一つ又は複数の固体酸化物形燃料電池１１６が、図１Ａに関して先に述べたように構成されうる。非制限的例として挙げると、固体酸化物形燃料電池１１６は１ａｔｍより高い圧力で運転されうる。固体酸化物形燃料電池１１６で水素と酸素の反応中に発生し、排気流１１９に蓄えられた熱は、例えば熱交換装置１１８を用いて固体酸化物形燃料電池１１６にリサイクルできる。非制限的例として、排気流１１９は、凝縮器１４４を通過後、熱交換装置１１８に向かいうる。排気流１１９からの熱を固体酸化物形燃料電池１１６に送ることによって、熱エネルギーはシステム２００の効率の増大に利用される。排気流１１９の熱を、固体酸化物形燃料電池１１６及び水素化物リアクター１１２などのシステム２００内のプロセス促進に使用した後、排気流１１９は凝縮器１４６を用いて冷却され、回収タンク１４８に貯蔵されうる。金属水素化物スラリー中の炭化水素と水及び水素との反応の副産物として二酸化炭素が生成するが、後のリサイクル又は廃棄のために貯蔵すればよい。非制限的例として、システム２００は潜水艦に使用でき、過剰熱は海水に廃棄できる。

図３を参照すると、発電システム３００の別の態様例を図示する簡易概略図が示されている。システム３００は、図１Ａに関して先に述べたように構成された水素化物リアクター１１２、過酸化物リアクター１１４、熱交換装置１１８、一つ又は複数の固体酸化物形燃料電池１１６、及びタービン発電機１２０ａを含みうる。例えば、システム４００で利用される固体酸化物形燃料電池１１６は高圧（すなわち約３ａｔｍ〜約１５ａｔｍ）又は低圧（すなわち約１ａｔｍ）で運転されうる。固体酸化物形燃料電池１１６によって発生した排気流１１９は、固体酸化物形燃料電池１１６で使用された圧力とは無関係の圧力を有する閉ループブレイトンサイクルへの入力として使用できる。排気流１１９は、図１Ａに関して記載したように、タービン発電機１２０ａの動力に使用された後、別のタービン発電機１２０ｂに送られうる。所望によりコンプレッサー１４４を通過する前に熱交換装置１４２を通ってもよい。その後、排気流１１９は凝縮器１４６を通って、貯蔵のために回収タンク１４８に供給されうる。さらに、排気流１１９の一部１１９’は、凝縮器１４４と凝縮器１４６の両方を通った後、回収タンク１４８に送られてもよい。非制限的例を挙げると、システム４００は、固体酸化物形燃料電池１１６を冷却するヒートジャケットによって、及び冷却された過剰水を水素化物リアクター１１６に送ることによって冷却されてもよい。金属水素化物スラリー中の炭化水素と水及び水素との反応の副産物として二酸化炭素が生成しうるので、隔離及び貯蔵される。

図４は、発電システム４００のさらに別の態様例を図示する簡易概略図である。システム４００は、図１Ａに関して先に述べたように構成された水素化物リアクター１１２、過酸化物リアクター１１４、熱交換装置１１８、一つ又は複数の固体酸化物形燃料電池１１６、及びタービン発電機１２０ａを含みうる。非制限的例として、固体酸化物形燃料電池１１６から発生した排気流１１９は、固体酸化物形燃料電池１１６で使用された圧力とは無関係の圧力を有する閉ループランキン(Rankine)サイクルへの入力として使用できる。前述のように、システム４００で利用されている固体酸化物形燃料電池１１６は、高圧又は低圧で運転できる。排気流１１９は、図１Ａに関して記載したように、タービン発電機１２０ａの動力に使用された後、凝縮器１４４を通って別のタービン発電機１２０ｂに送られうる。次に、排気流１１９はポンプ１５０によって凝縮器１４２に送られうる。その後、排気流１１９は、凝縮器１４６を通って、貯蔵のために回収タンク１４８に供給されうる。さらに、排気流１１９の一部１１９’は、凝縮器１４４と凝縮器１４６の両方を通った後、回収タンク１４８に送られてもよい。非制限的例として、システム４００は潜水艦に使用でき、過剰熱は周囲の海水に廃棄できる。

図５に図示された簡易概略図に示されている発電システム５００は、図１〜４に示されたシステムをまとめたものである。

図６は、複合水素酸素供給システム６００のレイアウトを示す簡易概略図である。該システムは、固体酸化物形燃料電池１１６、過酸化物貯蔵室６３４、過酸化物リアクター６１４、熱交換装置６１８、タービン６２０、トランスミッション６１７、発電機６２１、金属水素化物貯蔵室６２６、水素化物リアクター６１２、及び金属酸化物貯蔵室６２９を含み、それぞれ外箱（アウターケーシング）６０２内に配置されている。複合水素酸素供給システム６００は、図１Ａ及び図２〜７に関して述べたように、エネルギーを生産するのに使用できる。

当業者には分かる通り、発電システムのパラメーター及び仕様は、異なる用途のため及び特別の目的要件を満足するために構成されうる。当該方法を使用すれば、例えば１００時間までの長時間使用でき、そして大気外で高出力燃料電池ユニットに供給するために使用できる高体積エネルギー密度を有する水素及び酸素を提供することができる。当該方法はさらに、乗組員又はその他の使用のために水を供給するのに利用することもできる。

乗り物の燃料電池用の水素と酸素をオンデマンドで製造し、酸素及び使用可能な水を供給するための過酸化水素及び水素化マグネシウムの反応は発熱性である。これらの発熱反応を利用して、システムの追加電力の約３分の１（１／３）を提供できる。当該発電システムを用いて製造された水素と酸素は、従来使用されていた圧縮水素及び酸素の約２倍のエネルギー密度を有する。さらに、圧縮水素と酸素の貯蔵及び使用に伴う安全性の問題も解決される。当該システムは、燃料電池用に適切な水素と酸素だけでなく、必要であれば、乗組員のための呼吸可能な酸素及び飲用可能な水も提供できる。

物質交換のための最小の可動部と、貯蔵物質単位当たりの貯蔵／発電システムエネルギーのエネルギー密度、約３ＭＪ／ｋｇ〜約６ＭＪ／ｋｇまでを有する供給とを備えたコンパクトシステムが開発できる。システム１００で生成した熱エネルギー、タービンによって製造された電気エネルギー、及び熱交換器−スターリング／タービンを統合することによって、熱エネルギーから電力への変換が必要に応じて最大化又は制御できる。

熱エネルギー変換及び燃料電池の効率が推定より高いため、当該システムはさらに高いエネルギー密度パラメーターを達成することができる。ユニットの運転中、環境中に放出される廃棄物ストリームは、あったとしても最小限である（水と熱エネルギーのみ）。システムの高い効率のため、その熱エネルギーの散逸もさらに削減されうる。当該システムは、大気外の乗り物のために効率的な燃料源と、必要であれば乗組員のために酸素と水を提供するはずである。燃料貯蔵、リアクター、熱交換器、及びエネルギー変換器は、熱管理及びエネルギー変換を最適化して環境への熱放出を最小にし、そして総体的なシステム効率を最大化するために、コンパクトで統合された様式に設計することができる。このシステムの操作性を示すのに何の外来物質もサブシステムも必要ない。燃料消費率（グラム／分）が非常に低いために、熱管理及び化学プロセス制御に関する多くの課題は生じないと思われる。

以下の実施例は、本発明の態様をより詳細に示すのに役立つ。本実施例は、本発明の範囲に関して包括的又は排他的であると解釈されてはならない。

実施例１：発電システムのエネルギー効率
以下に、水素と酸素を製造し、その水素と酸素を発電に利用する能力を有するシステムの非制限的例を提供する。図７〜１２に示すように、モデル化はシステムの電力生産量と効率を評価するために実施された。

図１Ａに示されているような発電システムの、固体酸化物形燃料電池を利用しない使用と結果のまとめを図７に示す。発電システムが、金属水素化物１２２として１００％水素化マグネシウムと、５５％過酸化水素１３２を用いて運転された場合、システムは約１．５ｋＷの全出力と約０．５ｋＷの電力を約２０時間の間に生産できる。システム効率は約４２％となる。

図８は、図１Ａに示されているような発電システムの、固体酸化物形燃料電池を利用しない使用と結果をまとめたものである。発電システムは、金属水素化物１２２として約７０％水素化マグネシウムと約３０％の鉱油を含むスラリーと、５５％過酸化水素１３２を用いて運転される。システムは約１．５ｋＷの全出力と約０．５ｋＷの電力を約２０時間の間に生産できる。総システム効率は約３８％となる。

図９に、図１Ａに示されているような発電システムの、固体酸化物形燃料電池を利用しない使用と結果のまとめを提供する。発電システムは、金属水素化物１２２として約７０％水素化マグネシウムと約３０％の鉱油を含むスラリーと、５５％過酸化水素１３２を用いて運転される。パラフィン改質指数によって示されているように、パラフィン改質装置をシステムに含めた。システムは約１．５ｋＷの全出力と約０．５ｋＷの電力を約２０時間の間に生産できる。総システム効率は約３８％となる。

図１Ａに示されているような発電システムの使用と結果のまとめを図１０に提供する。このシステムでは固体酸化物形燃料電池１１６が運転され、約５０％の効率を有している。発電システムは、金属水素化物１２２として７０％水素化マグネシウムと、５５％過酸化水素１３２を用いて運転される。システムは約１．５ｋＷの全出力と約０．５ｋＷの電力を約２０時間の間に生産できる。総システム効率は約４２％となる。

図１１に、図１Ａに示されているような発電システムで、任意のパラフィン改質装置が含まれている場合の使用と結果のまとめを提供する。このシステムでは固体酸化物形燃料電池１１６が運転され、約５０％の効率を有している。発電システムは、金属水素化物１２２として７０％水素化マグネシウムと、５５％過酸化水素１３２を用いて運転される。システムは約１．５ｋＷの全出力と約０．５ｋＷの電力を約２０時間の間に生産できる。総システム効率は約４２％となる。

図１２に、図１Ａに示されているような発電システムで、任意のパラフィン改質装置が含まれている場合の使用と結果のまとめを提供する。このシステムでは固体酸化物形燃料電池１１６が運転され、約６０％の効率を有している。発電システムは、金属水素化物１２２として８０％水素化マグネシウムと、５５％過酸化水素１３２を用いて運転される。システムは約１．５ｋＷの全出力と約０．５ｋＷの電力を約２０時間の間に生産できる。総システム効率は約６０％となる。

図７〜１２に示されているように、固体酸化物形燃料電池とパラフィン改質装置の利用は最高の総システム効率を提供した。さらに、金属水素化物の含有量の増加も、総システム効率の増大を提供しうる。

実施例２：発電システムのサイクル効率の比較
図５に示されたシステムと同様に構成された発電システムを、様々な金属水素化物材料を用いて運転する。高密度水素／酸素の製造は、図１Ａに関連して記載したように、金属水素化物の反応と過酸化水素の分解によって実施された。比較のために、固体高分子形燃料電池（“ＰＥＭＦＣ”）を、図５に示された固体酸化物形燃料電池（“ＳＯＦＣ”）の代わりに、又はそれに加えて使用する。表１に、水素化マグネシウム、水素化リチウム及び水素化アルミニウムの一つを用い、水素／酸素製造なしのＳＯＦＣ又はＰＥＭＦＣの一つ、水素／酸素製造と組み合わせたＳＯＦＣ、及び水素／酸素製造と組み合わせたＰＥＭＦＣを含む発電システムにおけるシステム効率の比較を示す。

表１に示されているように、図１Ａに関連して記載した水素／酸素製造を固体酸化物形燃料電池と組み合わせて利用すると、最高のエネルギー効率（ｌｂ／ｈｐ−ｈｒ）が提供される。驚くべきことに、水素／酸素製造と組み合わせた固体酸化物形燃料電池は、水素／酸素製造と組み合わせた固体高分子形燃料電池より高いエネルギー効率を提供する。

特定の態様を図中の例によって示し、本明細書中で詳細に記載してきた。しかしながら、本発明は様々な変更及び代替の形態が可能である。本発明を開示された特定の形態に制限する意図はないことは理解されるべきである。それどころか、本発明は、以下の添付の特許請求の範囲によって定義される本発明の精神及び範囲内に入るすべての変更、等価物、及び代替も含むものとする。

１００ 発電システム
１１２ 水素化物リアクター
１１４ 過酸化物リアクター
１１６ 固体酸化物形燃料電池
１１７ 燃焼器
１１８ 熱交換装置（熱交換器）
１１９ 排気流
１２０ タービン発電機
１２２ 金属水素化物
１２４ 水流
１２６ 金属水素化物供給タンク
１２８ 金属酸化物
１２９ 回収タンク
３０ 水素
１３２ 過酸化水素
１３４ 生成物ストリーム、過酸化物供給タンク
１３６ 分離装置
１３８ 酸素
１４０ 水
１４２ 熱交換装置（熱交換器）
１４４ 凝縮器
１４６ 凝縮器
１４８ 回収タンク
１４７
１５０ ポンプ
２００ 発電システムの別の態様例
３００ 発電システムの別の態様例
４００ 発電システムの別の態様例
６００ 複合水素酸素供給システム
６０２ 外箱（アウターケーシング）
６１２ 水素化物リアクター
６１４ 過酸化物リアクター
６１６ 固体酸化物形燃料電池
６１７ トランスミッション
６１８ 熱交換装置（熱交換器）
６２０ タービン
６２１ 発電機
６２６ 金属水素化物貯蔵室
６２９ 金属酸化物貯蔵室
６３４ 過酸化物貯蔵室

Claims (17)

1. 電力の製造法であって、
   金属水素化物と水を水素化物リアクター内で反応させて、熱、金属酸化物、及び水素を製造し；
   過酸化水素を過酸化物リアクター内で分解して高温水と酸素を製造し；
   金属水素化物と水との反応によって製造された水素と、過酸化水素の分解によって製造された酸素を、少なくとも一つの固体酸化物形燃料電池に導入し；
   熱交換装置を用いて前記高温水から前記少なくとも一つの固体酸化物形燃料電池に熱を伝達し；
   前記少なくとも一つの固体酸化物形燃料電池を用いて前記水素と酸素を反応させて水と電気を製造し；そして
   前記高温水の少なくとも一部を前記水素化物リアクターに供給して前記金属水素化物と反応させることを含む方法。
2. 少なくとも一つの固体酸化物形燃料電池からタービンに排蒸気を送ることによって発電することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
3. 高温水の少なくとも一部を水素化物リアクターに供給して金属水素化物と反応させることが、水素化物リアクターに供給される高温水の量を制御することによって水素の製造を調節することを含む、請求項１に記載の方法。
4. 金属水素化物と水を水素化物リアクター内で反応させて、熱、金属酸化物、及び水素を製造することが、炭化水素担体とのスラリー中にある金属水素化物を反応させることを含む、請求項１に記載の方法。
5. 金属水素化物と水を水素化物リアクター内で反応させて、熱、金属酸化物、及び水素を製造することが、水素化マグネシウム、水素化リチウム、及び水素化アルミニウムの少なくとも一つと水を水素化物リアクター内で反応させることを含む、請求項１に記載の方法。
6. 発電システムであって、
   金属水素化物を水と反応させて金属酸化物と水素を製造するように構成された水素化物リアクターと；
   過酸化水素を分解して高温水と酸素を製造するように構成された過酸化物リアクターと；
   前記水素と酸素の経路中に配置され、前記水素と酸素を反応させることによって水と電気を製造するように構成された少なくとも一つの固体酸化物形燃料電池と；
   前記過酸化物リアクター及び前記少なくとも一つの固体酸化物形燃料電池に結合された熱交換装置であって、熱交換装置を用いて前記高温水から前記少なくとも一つの固体酸化物形燃料電池に熱を伝達するように構成された熱交換装置と；そして
   前記高温水の少なくとも一部を前記水素化物リアクターに供給して前記金属水素化物と反応させるように構成された装置とを含む発電システム。
7. 少なくとも一つの固体酸化物形燃料電池からの水蒸気を含む排気ガスを受け取り、前記排気から発電するように構成されたタービンをさらに含む、請求項６に記載のシステム。
8. 金属水素化物が、金属水素化物と炭化水素を含むスラリーとして供給される、請求項６又は請求項７に記載のシステム。
9. 高温水と酸素を分離するように構成された分離装置をさらに含む、請求項６又は請求項７に記載のシステム。
10. 高温水を供給する装置が、過酸化物リアクターで製造された高温水を水素化物リアクターに供給し、そして過酸化物リアクターで製造された酸素を少なくとも一つの固体酸化物形燃料電池に導入するように構成された分離装置を含む、請求項６又は請求項７に記載のシステム。
11. 炭化水素担体が、鉱油及びパラフィンの少なくとも一つを含む、請求項４に記載の方法。
12. パラフィン改質装置を用いて炭化水素担体中の炭化水素を水素と二酸化炭素に酸化することをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
13. 固体酸化物形燃料電池を用いてメタン及び追加の水素を反応させ、高圧水蒸気と二酸化炭素を形成させることをさらに含み、ここでメタン及び追加の水素は炭化水素担体と水素化物リアクター中の水との反応で製造される、請求項４に記載の方法。
14. 高圧水蒸気と二酸化炭素を蒸気タービンに供給して電気を製造することをさらに含む、請求項１３に記載の方法。
15. 炭化水素スラリー中の炭化水素を酸化することによって製造された二酸化炭素を回収タンク中の追加の金属水素化物と反応させて金属炭酸塩を形成させることをさらに含む、請求項４に記載の方法。
16. 炭化水素を追加の水素と二酸化炭素に変換するためのリアクターをさらに含む、請求項６に記載のシステム。
17. リアクターが、炭化水素を追加の水素と二酸化炭素に変換するための触媒を有する、請求項１６に記載のシステム。