発電装置、及びハイブリッド発電システム
【課題】ＮＯＸガスの排出量は低減し、発電効率を高めるとともに、電力を安定供給可能とする発電装置、及びこのような発電装置を用いたハイブリッド発電システムを提供する。
【解決手段】原動機７から伝達される回転エネルギーによって発電を行う発電機８を備えている発電装置１，３１，４１において、酸素イオンを透過する機能を有する酸素イオン透過膜５ａ，３３ａと、酸素イオン透過膜５ａ，３３ａに空気を供給することによって空気から分離された純酸素を貯蔵するリザーブタンク１４とを備え、リザーブタンク１４に貯蔵された純酸素を燃料とともに原動機７に供給かつ燃焼させて発生した燃焼エネルギーを、原動機７によって回転エネルギーに変換するように構成されていることを特徴とする発電装置１，３１，４１。
【解決手段】原動機７から伝達される回転エネルギーによって発電を行う発電機８を備えている発電装置１，３１，４１において、酸素イオンを透過する機能を有する酸素イオン透過膜５ａ，３３ａと、酸素イオン透過膜５ａ，３３ａに空気を供給することによって空気から分離された純酸素を貯蔵するリザーブタンク１４とを備え、リザーブタンク１４に貯蔵された純酸素を燃料とともに原動機７に供給かつ燃焼させて発生した燃焼エネルギーを、原動機７によって回転エネルギーに変換するように構成されていることを特徴とする発電装置１，３１，４１。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原動機の回転エネルギーによって発電を行う発電機を備えた発電装置、及びこのような発電装置を用いたハイブリッド発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
電気エネルギーを得るために、原動機と回転式発電機とを備えた発電装置が広く用いられている。この発電装置では、原動機にて、燃料を空気とともに燃焼させることにより高温の燃焼ガスを発生させ、この燃焼ガスの熱エネルギーを機械の回転動力に変換し、さらに発電機にて、この回転動力により得られた回転エネルギーを用いて発電を行なっている。このようにして得られる電力は、より効率的に発電され、かつ安定供給されることが望ましい。また、発電装置には、原動機にて燃料を燃焼させる際に発生するＮＯＸガスの排出量を低減することが要求され、原動機を高効率で作動させること等によって高効率で発電を行うことが要求され、かつ電力を安定供給することが要求される。
【０００３】
特許文献１では、ＮＯＸガスの排出量を低減するために、原動機にて、燃料を酸素富化ガスとともに燃焼させて、作動温度領域を低下させることにより希薄噴出温度を低下させた状態で高温の燃焼ガスを発生させており、このような燃焼ガスの熱エネルギーを機械の回転動力に変換している。ここで酸素富化ガスを生成する酸素富化ガス源には、圧力スイング吸着システム、電解槽、又は膜反応器が用いられており、特に膜反応器には、例えば、ペロブスカイト等のセラミックス材料から成る酸素透過膜が用いられている。
【０００４】
そこで、高純度の酸素富化ガスとして純酸素を生成するために、特許文献２のように酸素製造装置にて、ジルコニア等のセラミックス材料から成る固体電解質を設けた酸素イオン透過膜を用いることが考えられる。特許文献２では、このような酸素イオン透過膜の一方面に高温の酸素含有ガスを高圧で供給し、固体電解質を透過した酸素イオンを酸素イオン透過膜の他方面にて純酸素の状態で取り出している。
【０００５】
また、近年では地球環境問題を考慮して、より高効率で発電を行い、かつ安定して電力を供給できる発電方式が検討されている。このような発電方式の一例としては、ハイブリッド発電システムが挙げられる。ハイブリッド発電システムでは、原動機と発電機とを備えた発電装置に、二次電池が付設されている。このハイブリッド発電システムでは、原動機をできる限り一定の負荷により高効率で作動させ、かつ高効率な発電を行なうため、原動機の負荷が変動する場合には二次電池により電力を供給している。
【０００６】
ハイブリッド発電システムの利用例としては、自動車、風力発電機、燃料電池等が挙げられる。ハイブリッド発電システムを用いたハイブリッド自動車では、駆動車輪が原動機、及び二次電池に接続したモータのいずれかによって安定して駆動される構成となっている。さらに、ハイブリッド発電システムを用いた風力発電機では、風力の変化により発電電力が変動した場合に電力を安定供給可能とするため、風力発電機に二次電池が付設されている。ハイブリッド発電システムを用いた燃料電池でもまた、電力を安定供給可能とするため、燃料電池に二次電池が付設されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−２５５４２４号公報
【特許文献２】特開２０００−２０３８０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、原動機を高効率で作動させるためには、燃焼ガスの温度を高温にする必要がある。そのため、特許文献１の原動機では、ＮＯＸガスの排出量は低減されるが、作動温度領域を低下させることにより希薄噴出温度を低下させた状態で燃焼ガスを発生させているので、燃焼ガスの燃焼温度が十分に得られず、原動機を高効率で作動させることが困難となっている。従って、このような原動機を用いた発電装置では、高効率な発電を行うことが難しいという問題があった。
【０００９】
さらに、特許文献２のように製造した純酸素を用いた場合、酸素富化ガスには、酸素と結合することによりＮＯＸガスの排出量を増加させる不純物が含まれない。そのため、燃焼ガスをより高温で燃焼させることができ、原動機をより高効率で作動させることができる。この場合、純酸素を製造しながら発電を行なう必要があり、純酸素を原動機に安定供給することが難しいので、原動機が一定負荷かつ高効率で作動し難く、電力を安定供給することが困難となるという問題があった。
【００１０】
また、ハイブリッド発電システムについても、原動機をできる限り一定の負荷で、かつ高効率で作動させるために二次電池を用いて高効率化を図っているが、さらに発電効率を高めるためには十分でない。
【００１１】
本発明はこのような実状に鑑みてなされたものであって、その目的は、ＮＯＸガスの排出量を低減し、発電効率を高めるとともに、電力を安定供給可能とする発電装置、及びこのような発電装置を用いたハイブリッド発電システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
課題を解決するために本発明の発電装置は、原動機から伝達される回転エネルギーによって発電を行う発電機を備えている。当該発電装置は、酸素イオンを透過する機能を有する酸素イオン透過膜と、前記酸素イオン透過膜に空気を供給することによって前記空気から分離された純酸素を貯蔵するリザーブタンクとを備え、前記リザーブタンクに貯蔵された純酸素を燃料とともに前記原動機に供給かつ燃焼させて発生した燃焼エネルギーを、前記原動機によって前記回転エネルギーに変換するように構成されている。
【００１３】
本発明の発電装置では、前記酸素イオン透過膜に空気を供給する空気用経路に、前記原動機から発生する燃焼排ガスの熱を利用して空気を加熱可能に構成される加熱部を設け、前記加熱部によって、前記酸素イオン透過膜に供給される空気の温度が加熱されるように構成されている。
【００１４】
本発明の発電装置では、前記酸素イオン透過膜に、電子と酸素イオンとの混合導電性を有するＭ１−ｘＭ’ｘＣｏ１−ｙＭ’’ｙＯ３から成るペロブスカイト酸化物が用いられ、Ｍ及びＭ’がそれぞれＳｒ、Ｂａ、Ｌａ、Ｓｃ及びＹのいずれかであり、Ｍ’’がＦｅ、Ｎｂ、Ｎｉ及びＲｕのいずれかであり、ｘ及びｙがそれぞれ０〜０．３となっている。
【００１５】
本発明の発電装置では、前記酸素イオン透過膜に、酸化イオンを透過可能なイットリア安定化ジルコニア、又はスカンジア安定化ジルコニアが用いられている。
【００１６】
本発明のハイブリッド発電システムは、上述の発電装置に、前記発電機からの電力を蓄電するための二次電池を取付けている。
【００１７】
本発明のハイブリッド発電システムでは、前記発電機からの電力をすべて前記二次電池に蓄電するために使用し、前記二次電池から外部に電力を供給するように構成されている。
【００１８】
本発明のハイブリッド発電システムでは、前記酸化イオン透過膜が、アノード電極とカソード電極との間に配置され、前記アノード電極及びカソード電極の間に前記二次電池から電力を供給することによって、前記酸素イオン透過膜にて空気から純酸素を分離することを促すように構成されている。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、以下の効果を得ることができる。
本発明の発電装置は、原動機から伝達される回転エネルギーによって発電を行う発電機を備えており、酸素イオンを透過する機能を有する酸素イオン透過膜と、前記酸素イオン透過膜に空気を供給することによって前記空気から分離された純酸素を貯蔵するリザーブタンクとを備え、前記リザーブタンクに貯蔵された純酸素を燃料とともに前記原動機に供給かつ燃焼させて発生した燃焼エネルギーを、前記原動機によって前記回転エネルギーに変換するように構成されている。
そのため、純酸素が燃料とともに前記原動機に供給されることとなり、前記原動機にて発生する燃焼エネルギーを高めることができる。純酸素には、酸素と結合することによりＮＯＸガスを発生させるような物質（Ｎ２）が含まれないので、ＮＯＸガスの排出量を低減できる。また、純酸素は、前記リザーブタンクに貯められた状態から前記原動機に供給されるので、純酸素を含む燃料が安定供給されることとなる。よって、本発明の発電装置は、ＮＯＸガスの排出量を低減し、発電効率を高めるとともに、電力を安定供給できる。
【００２０】
本発明の発電装置では、前記酸素イオン透過膜に空気を供給する空気用経路に、前記原動機から発生する燃焼排ガスの熱を利用して空気を加熱可能に構成される加熱部を設け、前記加熱部によって、前記酸素イオン透過膜に供給される空気の温度が加熱されるように構成されているので、前記発電装置内で発生した燃焼排ガスが、純酸素生成の効率化のために循環されて再利用されることとなる。従って、発電効率を高めることができる。
【００２１】
本発明の発電装置では、前記酸素イオン透過膜に、電子と酸素イオンとの混合導電性を有するＭ１−ｘＭ’ｘＣｏ１−ｙＭ’’ｙＯ３から成るペロブスカイト酸化物が用いられ、Ｍ及びＭ’がそれぞれＳｒ、Ｂａ、Ｌａ、Ｓｃ及びＹのいずれかであり、Ｍ’’がＦｅ、Ｎｂ、Ｎｉ及びＲｕのいずれかであり、ｘ及びｙがそれぞれ０〜０．３となっている。
または、本発明の発電装置では、前記酸素イオン透過膜に、酸化イオンを透過可能なイットリア安定化ジルコニア、又はスカンジア安定化ジルコニアが用いられている。
そのため、このような酸素イオン透過膜によって純酸素が確実に生成されるので、ＮＯＸガスの排出量を低減し、発電効率を高めるとともに、電力を安定供給できる。
【００２２】
本発明のハイブリッド発電システムは、上述の発電装置に、前記発電機からの電力を蓄電するための二次電池を取付けている。
そのため、前記発電装置により発電された電力、又は前記二次電池に蓄電された電力を外部に供給できる。例えば、前記発電機からの電力が、外部機器の動作負荷等に対して多くなった場合には、前記二次電池に電力を供給して蓄電を行なう一方で、前記発電機からの電力が、外部機器の動作負荷等に対して少なくなった場合には、前記二次電池に蓄電した電力を外部機器に供給することができる。よって、電力を安定供給できる。
【００２３】
本発明のハイブリッド発電システムでは、前記発電機からの電力をすべて前記二次電池に蓄電するために使用し、前記二次電池から外部に電力を供給するように構成されているので、常に前記二次電池に一旦蓄電された電力が供給されることによって、電力を安定供給できる。
【００２４】
本発明のハイブリッド発電システムでは、前記酸化イオン透過膜が、アノード電極とカソード電極との間に配置され、前記アノード電極及びカソード電極の間に前記二次電池から電力を供給することによって、前記酸素イオン透過膜にて空気から純酸素を分離することを促すように構成されているので、前記酸素イオン透過膜に流れる電流を調節することによって酸素の透過量を正確かつ容易に調節できる。加えて、前記発電装置により発電され、かつ前記二次電池に一旦蓄電された電力を利用して、効率的に純酸素を生成できる。従って、さらに発電効率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】第１実施形態におけるハイブリッド発電システムを模式的に示す図である。
【図２】第２実施形態におけるハイブリッド発電システムを模式的に示す図である。
【図３】第３実施形態におけるハイブリッド発電システムを模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
［第１実施形態］
第１実施形態における発電装置、及び当該発電装置を備えるハイブリッド発電システムを説明する。図１に示すように、ハイブリッド発電システム１は、発電装置２と、この発電装置２と接続される二次電池３とを備えている。
【００２７】
第１実施形態の発電装置２の構成について説明する。発電装置２には、空気を供給するための空気供給部４が設けられている。発電装置２には、空気供給部４から供給される空気を用いて純酸素ガスを生成する酸素分離ユニット５が設けられている。発電装置２には、酸素分離ユニット５にて生成された純酸素ガスとともに燃料ガスを送る燃料供給部６が設けられている。発電装置２には、燃料供給部６から供給される純酸素ガスを含む燃料ガスを燃焼させることにより発生した燃焼エネルギーを回転エネルギーに変換する原動機７が設けられている。発電装置２には、原動機７の回転運動により得られる回転エネルギーを用いて発電する発電機８が設けられている。
【００２８】
空気供給部４について説明する。空気供給部４には、空気を供給する空気用経路９が設けられている。空気用経路９の中間部には、通過する空気を加熱する加熱部として熱交換器１０が設けられている。空気用経路９の熱交換器１０より下流側には温度センサ１１が設けられている。温度センサ１１は温度制御部１２に接続され、温度制御部１２は熱交換機１０に接続されている。
【００２９】
酸素分離ユニット５について説明する。酸素分離ユニット５は、酸素イオンを透過する機能を有する酸素イオン透過膜５ａを備えている。この酸素イオン透過膜５ａには、電子と酸素イオンとの混合導電性を有するＭ１−ｘＭ’ｘＣｏ１−ｙＭ’’ｙＯ３から成るペロブスカイト酸化物が用いられている。なお、Ｍ及びＭ’がそれぞれＳｒ、Ｂａ、Ｌａ、Ｓｃ及びＹのいずれかであり、Ｍ’’がＦｅ、Ｎｂ、Ｎｉ及びＲｕのいずれかであり、ｘ及びｙがそれぞれ０〜０．３となっている。なお、第１実施形態では、酸素イオン透過膜５ａには、Ｌａ０．８Ｓｒ０．２Ｃｏ０．７Ｆｅ０．３Ｏ３から成るペロブスカイト酸化物が用いられているものとする。
【００３０】
酸素イオン透過膜５ａの一方面には、酸素イオン透過膜５ａに透過する空気を供給する空気供給部５ｂが配置されている。この空気供給部５ｂに空気用経路９が接続され、熱交換器１０によって加熱された空気が空気供給部５ｂに供給されることとなる。酸素イオン透過膜５ａの他方面には、空気を酸素イオン透過膜５ａに透過させることによって生成された純酸素ガスを取り出す酸素取出部５ｃが配置されている。
【００３１】
燃料供給部６について説明する。酸素取出部５ｃに第１の酸素用経路１３が接続され、酸素取出部５ｃにて取り出された純酸素ガスが第１の酸素用経路１３に送られるように構成されている。さらに第１の酸素用経路１３は、純酸素を貯蔵するリザーブタンク１４に接続されており、リザーブタンク１４には貯蔵される純酸素の量を検出する貯蔵量検出センサ１５が設けられている。
【００３２】
さらにリザーブタンク１４には第２の酸素用経路１６が接続され、リザーブタンク１４に貯蔵された純酸素が気体の状態で第２の酸素用経路１６に送られるように構成されている。第２の酸素用経路１６の中間部には酸素用制御弁１７が設けられている。第２の酸素用経路１６の酸素用制御弁１７より下流側には、酸素用流量センサ１８が設けられている。また、燃料ガスを供給する燃料用経路１９が設けられている。酸素用経路１６と燃料用経路１９とは、合流部２０にて合流して合流経路２１に接続され、さらに合流経路２１が原動機７と接続されている。燃料用経路１９の合流部２０より上流側には、燃料用制御弁２２が設けられている。燃料用経路１９の合流部２０と燃料用制御弁２２との間には、燃料用流量センサ２３が設けられている。リザーブタンク１４の貯蔵量検出センサ１５と、第２の酸素用経路１６の酸素用流量センサ１８と、燃料用経路１９の燃料用流量センサ２３とは、流量制御部２４に接続されている。さらに流量制御部２４は、第２の酸素用経路１６の酸素用制御弁１７と、燃料用経路１９の燃料用制御弁２２とに接続されている。
【００３３】
原動機７について説明する。原動機７は、内燃式の原動機となっており、合流経路２１から燃料ガス及び純酸素を供給されるように構成されている。さらに、原動機７は、供給される燃料ガス及び純酸素ガスを燃焼させることにより発生した燃焼エネルギーを、ピストン７ａの往復運動に変換し、さらにピストン７ａの往復運動をクランク７ｂの回転運動に変換する構成となっている。なお、原動機７には、燃料及び酸素の燃焼後に発生する排ガスを排出する排ガス用経路２５が設けられている。
【００３４】
発電機８について説明する。発電機８は、原動機７の回転運動を伝える伝動機構２６によって原動機７と連結されており、原動機７の回転運動により得られる回転エネルギーを用いて発電するように構成されている。
【００３５】
なお、第１実施形態におけるハイブリッド発電システム１では、このような発電装置２の発電機８と二次電池３とが接続され、発電機８により発電された電力が二次電池３に蓄電可能に構成されている。
【００３６】
第１実施形態のハイブリッド発電システム１、及び発電装置２を用いた発電方法について説明する。空気用経路９に空気を供給し、この空気を熱交換器１０によって加熱する。ここで熱交換器１０によって加熱される空気は温度センサ１１により検出され、検出された温度特性に関する情報が温度制御部１２に送られ、温度制御部１２によって熱交換器１０が空気を６００℃〜１０００℃に加熱するように制御される。
【００３７】
加熱された空気は、酸素分離ユニット５の空気供給部５ｂに送られる。その後、酸素イオン透過膜５ａの一方面側と他方面側との差圧によって、当該空気中の酸素イオンが酸素イオン透過膜５ａを透過する。酸素イオン透過膜５ａを通過した酸素イオンは、酸素取出部５ｃにて純酸素ガスの状態で取り出される。この純酸素ガスは第１の酸素用経路１３に送られる。
【００３８】
第１の酸素用経路１３に送られた純酸素ガスは、液化されて液体になった状態又は気体のままの状態で、リザーブタンク１４に所定量貯蔵される。その後、リザーブタンク１４に貯蔵された純酸素は気体の状態で第２の酸素用経路１６に送られる。このとき、第２の酸素用経路１６を通過する純酸素ガスの流量が流量センサ１８により検出され、検出された流量に関する情報が流量制御部２４に送られ、流量制御部２４によって酸素用制御弁１７が第２の酸素用経路１６を通過する純酸素ガスを所定の流量とするように制御される。また、燃料ガスは燃料用経路１９に供給される。このとき、燃料用経路１９を通過する燃料ガスの流量が燃料用流量センサ２３により検出され、検出された流量に関する情報が流量制御部２４に送られ、流量制御部２４によって燃料用制御弁２２が燃料用経路１９を通過する燃料ガスを所定の流量とするように制御される。
【００３９】
このような第２の酸素用経路１６の純酸素ガスと燃料用経路１９の燃料ガスとが合流経路２１に送られて、燃料ガスと純酸素ガスとが合流経路２１から原動機７に送られることとなる。原動機７では、燃料ガスと純酸素ガスとを燃焼させて発生した燃焼エネルギーをピストン７ａの往復運動に変換し、さらにピストン７ａの往復運動をクランク７ｂの回転運動に変換する。この原動機７の回転運動は、伝動機構２６によって発電機８に伝えられる。なお、原動機７にて、燃料ガスと純酸素ガスとを燃焼させて発生した排ガスは、排ガス用経路２５によって排出される。発電機８は、原動機７の回転運動により得られた回転エネルギーを用いて発電を行なう。発電機８により発電された電力は、外部機器（図示せず）に供給される。
【００４０】
ここで、発電機８からの電力が外部機器の動作負荷等に対して多くなった場合、二次電池３に電力を供給して蓄電を行なう。その一方で、発電機８からの電力が外部機器の動作負荷等に対して少なくなった場合、二次電池３に蓄電した電力を外部機器に供給する。
【００４１】
なお、リザーブタンク１４に貯蔵された純酸素の量が所定量以下であることを、貯蔵量検出センサ１５が検出した場合には、検出された純酸素の貯蔵量の情報が流量制御部２４に送られ、流量制御部２４によって、酸素用制御弁１７が純酸素ガスの供給を止めるように制御され、かつ燃料用制御弁２２が燃料ガスの供給を止めるように制御されると好ましい。純酸素ガスが十分に供給できない場合には、燃料ガス及び純酸素ガスの供給が止められるので、安定して一定量の純酸素を含む燃料ガスが、原動機７に安定供給されることとなる。さらに、燃料ガス及び純酸素ガスの供給を止めた場合、純酸素ガスがリザーブタンク１４に所定量貯蔵されるまでの間、原動機７の作動を停止して、二次電池３から外部機器に電力を供給するように構成すると好ましい。純酸素ガスの貯蔵中には、原動機７からの電力の供給が停止するが、二次電池３から電力が供給され、電力を安定供給できる。
【００４２】
以上、第１実施形態の発電装置２によれば、純酸素が燃料とともに原動機７に供給されることとなり、原動機７にて発生する燃焼エネルギーを高めることができる。純酸素は、酸素と結合することによりＮＯＸガスを発生させるような物質（Ｎ２等）を含まないので、ＮＯＸガスの排出量を低減できる。また、純酸素は、リザーブタンク１４に貯められた状態から原動機７に供給されるので、純酸素を含む燃料が安定供給されることとなる。よって、本発明の発電装置２は、ＮＯＸガスの排出量を低減し、発電効率を高めるとともに、電力を安定供給できる。
【００４３】
発電装置２では、酸素分離ユニット５の酸素イオン透過膜５ａに、電子と酸素イオンとの混合導電性を有するＭ１−ｘＭ’ｘＣｏ１−ｙＭ’’ｙＯ３から成るペロブスカイト酸化物（Ｍ及びＭ’がそれぞれＳｒ、Ｂａ、Ｌａ、Ｓｃ及びＹのいずれかであり、Ｍ’’がＦｅ、Ｎｂ、Ｎｉ及びＲｕのいずれかであり、ｘ及びｙがそれぞれ０〜０．３）が用いられている。従って、このような酸素イオン透過膜５ａによって純酸素が確実に生成されるので、ＮＯＸガスの排出量を低減し、発電効率を高めるとともに、電力を安定供給できる。
【００４４】
ハイブリッド発電システム１は、上述の発電装置２に発電機７からの電力を蓄電するための二次電池３を取付けているので、発電装置２により発電された電力、又は二次電池３に蓄電された電力を外部機器に供給できる。そのため、例えば、発電機７からの電力が、外部機器の動作負荷等に対して多くなった場合には、二次電池３に電力を供給して蓄電を行なう一方で、発電機７からの電力が、外部機器の動作負荷等に対して少なくなった場合、二次電池３に蓄電した電力を外部機器に供給できる。よって、電力を安定供給できる。
【００４５】
［第２実施形態］
第２実施形態の発電装置、及びハイブリッド発電システムを以下に説明する。第２実施形態の発電装置、及びハイブリッド発電システムの基本的な構成は、第１実施形態の発電装置、及びハイブリッド発電システムの構成と同様になっている。第１実施形態と同様な要素は、第１実施形態と同様の符号および名称を用いて説明する。ここでは、第１実施形態と異なる構成について説明する。
【００４６】
図２に示すように、第２実施形態のハイブリッド発電システム３１の発電装置３２では、空気用経路９に、通過する空気を加熱する加熱部として熱交換器３３が配置されている。この熱交換器３３と原動機７とは、循環路３４によって、原動機７で燃料及び酸素の燃焼後に発生する排ガスを熱交換器３３に送るように接続されている。さらに、熱交換器３３には供給された排ガスを排出する排出路３５が接続されている。
【００４７】
第２実施形態のハイブリッド発電システム３１、及び発電装置３２を用いた発電方法について、第１実施形態と異なる部分について説明する。空気用経路９に空気を通して、酸素分離ユニット５の空気供給部５ｂに空気を供給する。このとき、熱交換器３３には原動機７から循環路３４により排ガスが送られて、この排ガスにより加熱された熱交換器３３によって、空気用経路９を通過する空気が、酸素分離ユニット５にて６００℃〜１０００℃となるように加熱される。熱交換器３３を加熱した排ガスは、排出路３５から排出されることとなる。
【００４８】
以上、第２実施形態のハイブリッド発電システム３１、及び発電装置３２によれば、第１実施形態と同様の効果が得られる。
【００４９】
第２実施形態のハイブリッド発電システム３１によれば、発電装置３２内で発生した燃焼排ガスが、純酸素生成の効率化のために循環されて、酸素イオン透過膜５ａに送られる空気を加熱するように再利用されている。従って、さらに発電効率を高めることができる
【００５０】
［第３実施形態］
第３実施形態の発電装置、及びハイブリッド発電システムを以下に説明する。第３実施形態の発電装置、及びハイブリッド発電システムの基本的な構成は、第２実施形態の発電装置、及びハイブリッド発電システムの構成と同様になっている。第２実施形態と同様な要素は、第２実施形態と同様の符号および名称を用いて説明する。ここでは、第２実施形態と異なる構成について説明する。
【００５１】
図３に示すように、第３実施形態のハイブリッド発電システム４１の発電装置４２にて、酸素分離ユニット４３は、酸素イオン透過膜４３ａの一方面にカソード電極４３ｂが配置され、酸素イオン透過膜４３ａの他方面にアノード電極４３ｃが配置されている。すなわち、酸素イオン透過膜４３ａは、カソード電極４３ｂとアノード電極４３ｃとの間に配置されている。さらに、カソード電極４３ｂの酸素イオン透過膜４３ａとの当接面と反対側の面には、空気供給部４３ｄが設けられている。アノード電極４３ｃの酸素イオン透過膜４３ａとの当接面と反対側の面には、酸素取出部４３ｅが設けられている。酸素分離ユニット４３の空気供給部４３ｄには、空気を供給するための空気用経路９が接続されている。また、酸素取出部４３ｅとリザーブタンク１４とは第１の酸素用経路１３によって接続されている。
【００５２】
このような発電装置４２を備えるハイブリッド発電システム４１にて、二次電池３は、アノード電極４３ｃを正電位、かつカソード電極４３ｂを負電位とするように、酸素分離ユニット４３と電気的に接続されている。
【００５３】
第３実施形態のハイブリッド発電システム４１、及び発電装置４２を用いた発電方法について、第２実施形態と異なる部分について説明する。空気用経路９に空気を通して、酸素分離ユニット４３の空気供給部４３ｄに空気を供給する。二次電池３によって、アノード電極４３ｃを正電位、かつカソード電極４３ｂを負電位とするように酸素分離ユニット４３に電力を加える。このとき、空気供給部４３ｄに供給された空気は、電解作用によって解離されるとともに、空気供給部４３ｄに供給された空気中の酸素イオンが酸素イオン透過膜４３ａを透過する。酸素イオン透過膜４３ａを通過した酸素イオンは、酸素取出部４３ｅにて純酸素ガスの状態で取り出される。
【００５４】
以上、第３実施形態のハイブリッド発電システム４１、及び発電装置４２によれば、第２実施形態と同様の効果が得られる。
【００５５】
第３実施形態のハイブリッド発電システム４１によれば、酸化イオン透過膜４３ａが、カソード電極４３ｂとアノード電極４３ｃとの間に配置され、カソード電極４３ｂとアノード電極４３ｃとの間に二次電池３から電力を供給することによって、酸素イオン透過膜４３ａにて空気から純酸素を分離することを促すように構成されている。そのため、酸素イオン透過膜４３ａに流れる電流を調節することによって酸素の透過量を正確かつ容易に調節できる。加えて、発電装置４２により発電されるとともに、二次電池３に一旦蓄電された電力を利用して、効率的に純酸素を生成できる。従って、さらに発電効率を高めることができる。
【００５６】
ここまで第１実施形態〜第３実施形態について述べたが、本発明は既述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づいて各種の変形および変更が可能である。
【００５７】
第１実施形態〜第３実施形態の第１変形例として、酸素イオン透過膜５ａ，３３ａに、酸化イオンを透過可能なイットリア安定化ジルコニア、又はスカンジア安定化ジルコニアが用いられてもよい。第１実施形態〜第３実施形態と同様の効果が得られる。
【００５８】
第１実施形態〜第３実施形態の第２変形例として、発電機８からの電力をすべて二次電池３に蓄電するために使用し、二次電池３から外部機器に電力を供給するように構成されていてもよい。常に二次電池３に一旦蓄電された電力が供給されることによって、電力を安定供給できる。
【００５９】
第１実施形態〜第３実施形態の第３変形例として、原動機７が、外燃式の原動機であってもよく、一例として、スターリングエンジン等であってもよい。第１実施形態〜第３実施形態と同様の効果が得られる。
【００６０】
第１実施形態〜第３実施形態の第４変形例として、発電装置２を単体で使用するように構成してもよい。ＮＯＸガスの排出量を低減し、発電効率を高めるとともに、電力を安定供給できる。
【符号の説明】
【００６１】
１，３１，４１ ハイブリッド発電システム
２，３２，４２ 発電装置
３ 二次電池
４ 空気供給部
５ 酸素分離ユニット
５ａ 酸素イオン透過膜
６ 燃料供給部
７ 原動機
８ 発電機
９ 空気用経路
１０ 熱交換器
１１ 燃料用経路
１２ 温度制御部
１３ 第１の酸素用経路
１４ リザーブタンク
１５ 貯蔵量検出センサ
１６ 第２の酸素用経路
１７ 酸素用制御弁
１８ 酸素用流量センサ
１９ 燃料用経路
２２ 燃料用制御弁
２３ 燃料用流量センサ
２４ 流量制御部
３３ 熱交換器
３４ 循環路
４３ 酸素分離ユニット
４３ａ 酸素イオン透過膜
４３ｂ カソード電極
４３ｃ アノード電極
４３ｄ 空気供給部
４３ｅ 酸素取出部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原動機の回転エネルギーによって発電を行う発電機を備えた発電装置、及びこのような発電装置を用いたハイブリッド発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
電気エネルギーを得るために、原動機と回転式発電機とを備えた発電装置が広く用いられている。この発電装置では、原動機にて、燃料を空気とともに燃焼させることにより高温の燃焼ガスを発生させ、この燃焼ガスの熱エネルギーを機械の回転動力に変換し、さらに発電機にて、この回転動力により得られた回転エネルギーを用いて発電を行なっている。このようにして得られる電力は、より効率的に発電され、かつ安定供給されることが望ましい。また、発電装置には、原動機にて燃料を燃焼させる際に発生するＮＯＸガスの排出量を低減することが要求され、原動機を高効率で作動させること等によって高効率で発電を行うことが要求され、かつ電力を安定供給することが要求される。
【０００３】
特許文献１では、ＮＯＸガスの排出量を低減するために、原動機にて、燃料を酸素富化ガスとともに燃焼させて、作動温度領域を低下させることにより希薄噴出温度を低下させた状態で高温の燃焼ガスを発生させており、このような燃焼ガスの熱エネルギーを機械の回転動力に変換している。ここで酸素富化ガスを生成する酸素富化ガス源には、圧力スイング吸着システム、電解槽、又は膜反応器が用いられており、特に膜反応器には、例えば、ペロブスカイト等のセラミックス材料から成る酸素透過膜が用いられている。
【０００４】
そこで、高純度の酸素富化ガスとして純酸素を生成するために、特許文献２のように酸素製造装置にて、ジルコニア等のセラミックス材料から成る固体電解質を設けた酸素イオン透過膜を用いることが考えられる。特許文献２では、このような酸素イオン透過膜の一方面に高温の酸素含有ガスを高圧で供給し、固体電解質を透過した酸素イオンを酸素イオン透過膜の他方面にて純酸素の状態で取り出している。
【０００５】
また、近年では地球環境問題を考慮して、より高効率で発電を行い、かつ安定して電力を供給できる発電方式が検討されている。このような発電方式の一例としては、ハイブリッド発電システムが挙げられる。ハイブリッド発電システムでは、原動機と発電機とを備えた発電装置に、二次電池が付設されている。このハイブリッド発電システムでは、原動機をできる限り一定の負荷により高効率で作動させ、かつ高効率な発電を行なうため、原動機の負荷が変動する場合には二次電池により電力を供給している。
【０００６】
ハイブリッド発電システムの利用例としては、自動車、風力発電機、燃料電池等が挙げられる。ハイブリッド発電システムを用いたハイブリッド自動車では、駆動車輪が原動機、及び二次電池に接続したモータのいずれかによって安定して駆動される構成となっている。さらに、ハイブリッド発電システムを用いた風力発電機では、風力の変化により発電電力が変動した場合に電力を安定供給可能とするため、風力発電機に二次電池が付設されている。ハイブリッド発電システムを用いた燃料電池でもまた、電力を安定供給可能とするため、燃料電池に二次電池が付設されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−２５５４２４号公報
【特許文献２】特開２０００−２０３８０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、原動機を高効率で作動させるためには、燃焼ガスの温度を高温にする必要がある。そのため、特許文献１の原動機では、ＮＯＸガスの排出量は低減されるが、作動温度領域を低下させることにより希薄噴出温度を低下させた状態で燃焼ガスを発生させているので、燃焼ガスの燃焼温度が十分に得られず、原動機を高効率で作動させることが困難となっている。従って、このような原動機を用いた発電装置では、高効率な発電を行うことが難しいという問題があった。
【０００９】
さらに、特許文献２のように製造した純酸素を用いた場合、酸素富化ガスには、酸素と結合することによりＮＯＸガスの排出量を増加させる不純物が含まれない。そのため、燃焼ガスをより高温で燃焼させることができ、原動機をより高効率で作動させることができる。この場合、純酸素を製造しながら発電を行なう必要があり、純酸素を原動機に安定供給することが難しいので、原動機が一定負荷かつ高効率で作動し難く、電力を安定供給することが困難となるという問題があった。
【００１０】
また、ハイブリッド発電システムについても、原動機をできる限り一定の負荷で、かつ高効率で作動させるために二次電池を用いて高効率化を図っているが、さらに発電効率を高めるためには十分でない。
【００１１】
本発明はこのような実状に鑑みてなされたものであって、その目的は、ＮＯＸガスの排出量を低減し、発電効率を高めるとともに、電力を安定供給可能とする発電装置、及びこのような発電装置を用いたハイブリッド発電システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
課題を解決するために本発明の発電装置は、原動機から伝達される回転エネルギーによって発電を行う発電機を備えている。当該発電装置は、酸素イオンを透過する機能を有する酸素イオン透過膜と、前記酸素イオン透過膜に空気を供給することによって前記空気から分離された純酸素を貯蔵するリザーブタンクとを備え、前記リザーブタンクに貯蔵された純酸素を燃料とともに前記原動機に供給かつ燃焼させて発生した燃焼エネルギーを、前記原動機によって前記回転エネルギーに変換するように構成されている。
【００１３】
本発明の発電装置では、前記酸素イオン透過膜に空気を供給する空気用経路に、前記原動機から発生する燃焼排ガスの熱を利用して空気を加熱可能に構成される加熱部を設け、前記加熱部によって、前記酸素イオン透過膜に供給される空気の温度が加熱されるように構成されている。
【００１４】
本発明の発電装置では、前記酸素イオン透過膜に、電子と酸素イオンとの混合導電性を有するＭ１−ｘＭ’ｘＣｏ１−ｙＭ’’ｙＯ３から成るペロブスカイト酸化物が用いられ、Ｍ及びＭ’がそれぞれＳｒ、Ｂａ、Ｌａ、Ｓｃ及びＹのいずれかであり、Ｍ’’がＦｅ、Ｎｂ、Ｎｉ及びＲｕのいずれかであり、ｘ及びｙがそれぞれ０〜０．３となっている。
【００１５】
本発明の発電装置では、前記酸素イオン透過膜に、酸化イオンを透過可能なイットリア安定化ジルコニア、又はスカンジア安定化ジルコニアが用いられている。
【００１６】
本発明のハイブリッド発電システムは、上述の発電装置に、前記発電機からの電力を蓄電するための二次電池を取付けている。
【００１７】
本発明のハイブリッド発電システムでは、前記発電機からの電力をすべて前記二次電池に蓄電するために使用し、前記二次電池から外部に電力を供給するように構成されている。
【００１８】
本発明のハイブリッド発電システムでは、前記酸化イオン透過膜が、アノード電極とカソード電極との間に配置され、前記アノード電極及びカソード電極の間に前記二次電池から電力を供給することによって、前記酸素イオン透過膜にて空気から純酸素を分離することを促すように構成されている。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、以下の効果を得ることができる。
本発明の発電装置は、原動機から伝達される回転エネルギーによって発電を行う発電機を備えており、酸素イオンを透過する機能を有する酸素イオン透過膜と、前記酸素イオン透過膜に空気を供給することによって前記空気から分離された純酸素を貯蔵するリザーブタンクとを備え、前記リザーブタンクに貯蔵された純酸素を燃料とともに前記原動機に供給かつ燃焼させて発生した燃焼エネルギーを、前記原動機によって前記回転エネルギーに変換するように構成されている。
そのため、純酸素が燃料とともに前記原動機に供給されることとなり、前記原動機にて発生する燃焼エネルギーを高めることができる。純酸素には、酸素と結合することによりＮＯＸガスを発生させるような物質（Ｎ２）が含まれないので、ＮＯＸガスの排出量を低減できる。また、純酸素は、前記リザーブタンクに貯められた状態から前記原動機に供給されるので、純酸素を含む燃料が安定供給されることとなる。よって、本発明の発電装置は、ＮＯＸガスの排出量を低減し、発電効率を高めるとともに、電力を安定供給できる。
【００２０】
本発明の発電装置では、前記酸素イオン透過膜に空気を供給する空気用経路に、前記原動機から発生する燃焼排ガスの熱を利用して空気を加熱可能に構成される加熱部を設け、前記加熱部によって、前記酸素イオン透過膜に供給される空気の温度が加熱されるように構成されているので、前記発電装置内で発生した燃焼排ガスが、純酸素生成の効率化のために循環されて再利用されることとなる。従って、発電効率を高めることができる。
【００２１】
本発明の発電装置では、前記酸素イオン透過膜に、電子と酸素イオンとの混合導電性を有するＭ１−ｘＭ’ｘＣｏ１−ｙＭ’’ｙＯ３から成るペロブスカイト酸化物が用いられ、Ｍ及びＭ’がそれぞれＳｒ、Ｂａ、Ｌａ、Ｓｃ及びＹのいずれかであり、Ｍ’’がＦｅ、Ｎｂ、Ｎｉ及びＲｕのいずれかであり、ｘ及びｙがそれぞれ０〜０．３となっている。
または、本発明の発電装置では、前記酸素イオン透過膜に、酸化イオンを透過可能なイットリア安定化ジルコニア、又はスカンジア安定化ジルコニアが用いられている。
そのため、このような酸素イオン透過膜によって純酸素が確実に生成されるので、ＮＯＸガスの排出量を低減し、発電効率を高めるとともに、電力を安定供給できる。
【００２２】
本発明のハイブリッド発電システムは、上述の発電装置に、前記発電機からの電力を蓄電するための二次電池を取付けている。
そのため、前記発電装置により発電された電力、又は前記二次電池に蓄電された電力を外部に供給できる。例えば、前記発電機からの電力が、外部機器の動作負荷等に対して多くなった場合には、前記二次電池に電力を供給して蓄電を行なう一方で、前記発電機からの電力が、外部機器の動作負荷等に対して少なくなった場合には、前記二次電池に蓄電した電力を外部機器に供給することができる。よって、電力を安定供給できる。
【００２３】
本発明のハイブリッド発電システムでは、前記発電機からの電力をすべて前記二次電池に蓄電するために使用し、前記二次電池から外部に電力を供給するように構成されているので、常に前記二次電池に一旦蓄電された電力が供給されることによって、電力を安定供給できる。
【００２４】
本発明のハイブリッド発電システムでは、前記酸化イオン透過膜が、アノード電極とカソード電極との間に配置され、前記アノード電極及びカソード電極の間に前記二次電池から電力を供給することによって、前記酸素イオン透過膜にて空気から純酸素を分離することを促すように構成されているので、前記酸素イオン透過膜に流れる電流を調節することによって酸素の透過量を正確かつ容易に調節できる。加えて、前記発電装置により発電され、かつ前記二次電池に一旦蓄電された電力を利用して、効率的に純酸素を生成できる。従って、さらに発電効率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】第１実施形態におけるハイブリッド発電システムを模式的に示す図である。
【図２】第２実施形態におけるハイブリッド発電システムを模式的に示す図である。
【図３】第３実施形態におけるハイブリッド発電システムを模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
［第１実施形態］
第１実施形態における発電装置、及び当該発電装置を備えるハイブリッド発電システムを説明する。図１に示すように、ハイブリッド発電システム１は、発電装置２と、この発電装置２と接続される二次電池３とを備えている。
【００２７】
第１実施形態の発電装置２の構成について説明する。発電装置２には、空気を供給するための空気供給部４が設けられている。発電装置２には、空気供給部４から供給される空気を用いて純酸素ガスを生成する酸素分離ユニット５が設けられている。発電装置２には、酸素分離ユニット５にて生成された純酸素ガスとともに燃料ガスを送る燃料供給部６が設けられている。発電装置２には、燃料供給部６から供給される純酸素ガスを含む燃料ガスを燃焼させることにより発生した燃焼エネルギーを回転エネルギーに変換する原動機７が設けられている。発電装置２には、原動機７の回転運動により得られる回転エネルギーを用いて発電する発電機８が設けられている。
【００２８】
空気供給部４について説明する。空気供給部４には、空気を供給する空気用経路９が設けられている。空気用経路９の中間部には、通過する空気を加熱する加熱部として熱交換器１０が設けられている。空気用経路９の熱交換器１０より下流側には温度センサ１１が設けられている。温度センサ１１は温度制御部１２に接続され、温度制御部１２は熱交換機１０に接続されている。
【００２９】
酸素分離ユニット５について説明する。酸素分離ユニット５は、酸素イオンを透過する機能を有する酸素イオン透過膜５ａを備えている。この酸素イオン透過膜５ａには、電子と酸素イオンとの混合導電性を有するＭ１−ｘＭ’ｘＣｏ１−ｙＭ’’ｙＯ３から成るペロブスカイト酸化物が用いられている。なお、Ｍ及びＭ’がそれぞれＳｒ、Ｂａ、Ｌａ、Ｓｃ及びＹのいずれかであり、Ｍ’’がＦｅ、Ｎｂ、Ｎｉ及びＲｕのいずれかであり、ｘ及びｙがそれぞれ０〜０．３となっている。なお、第１実施形態では、酸素イオン透過膜５ａには、Ｌａ０．８Ｓｒ０．２Ｃｏ０．７Ｆｅ０．３Ｏ３から成るペロブスカイト酸化物が用いられているものとする。
【００３０】
酸素イオン透過膜５ａの一方面には、酸素イオン透過膜５ａに透過する空気を供給する空気供給部５ｂが配置されている。この空気供給部５ｂに空気用経路９が接続され、熱交換器１０によって加熱された空気が空気供給部５ｂに供給されることとなる。酸素イオン透過膜５ａの他方面には、空気を酸素イオン透過膜５ａに透過させることによって生成された純酸素ガスを取り出す酸素取出部５ｃが配置されている。
【００３１】
燃料供給部６について説明する。酸素取出部５ｃに第１の酸素用経路１３が接続され、酸素取出部５ｃにて取り出された純酸素ガスが第１の酸素用経路１３に送られるように構成されている。さらに第１の酸素用経路１３は、純酸素を貯蔵するリザーブタンク１４に接続されており、リザーブタンク１４には貯蔵される純酸素の量を検出する貯蔵量検出センサ１５が設けられている。
【００３２】
さらにリザーブタンク１４には第２の酸素用経路１６が接続され、リザーブタンク１４に貯蔵された純酸素が気体の状態で第２の酸素用経路１６に送られるように構成されている。第２の酸素用経路１６の中間部には酸素用制御弁１７が設けられている。第２の酸素用経路１６の酸素用制御弁１７より下流側には、酸素用流量センサ１８が設けられている。また、燃料ガスを供給する燃料用経路１９が設けられている。酸素用経路１６と燃料用経路１９とは、合流部２０にて合流して合流経路２１に接続され、さらに合流経路２１が原動機７と接続されている。燃料用経路１９の合流部２０より上流側には、燃料用制御弁２２が設けられている。燃料用経路１９の合流部２０と燃料用制御弁２２との間には、燃料用流量センサ２３が設けられている。リザーブタンク１４の貯蔵量検出センサ１５と、第２の酸素用経路１６の酸素用流量センサ１８と、燃料用経路１９の燃料用流量センサ２３とは、流量制御部２４に接続されている。さらに流量制御部２４は、第２の酸素用経路１６の酸素用制御弁１７と、燃料用経路１９の燃料用制御弁２２とに接続されている。
【００３３】
原動機７について説明する。原動機７は、内燃式の原動機となっており、合流経路２１から燃料ガス及び純酸素を供給されるように構成されている。さらに、原動機７は、供給される燃料ガス及び純酸素ガスを燃焼させることにより発生した燃焼エネルギーを、ピストン７ａの往復運動に変換し、さらにピストン７ａの往復運動をクランク７ｂの回転運動に変換する構成となっている。なお、原動機７には、燃料及び酸素の燃焼後に発生する排ガスを排出する排ガス用経路２５が設けられている。
【００３４】
発電機８について説明する。発電機８は、原動機７の回転運動を伝える伝動機構２６によって原動機７と連結されており、原動機７の回転運動により得られる回転エネルギーを用いて発電するように構成されている。
【００３５】
なお、第１実施形態におけるハイブリッド発電システム１では、このような発電装置２の発電機８と二次電池３とが接続され、発電機８により発電された電力が二次電池３に蓄電可能に構成されている。
【００３６】
第１実施形態のハイブリッド発電システム１、及び発電装置２を用いた発電方法について説明する。空気用経路９に空気を供給し、この空気を熱交換器１０によって加熱する。ここで熱交換器１０によって加熱される空気は温度センサ１１により検出され、検出された温度特性に関する情報が温度制御部１２に送られ、温度制御部１２によって熱交換器１０が空気を６００℃〜１０００℃に加熱するように制御される。
【００３７】
加熱された空気は、酸素分離ユニット５の空気供給部５ｂに送られる。その後、酸素イオン透過膜５ａの一方面側と他方面側との差圧によって、当該空気中の酸素イオンが酸素イオン透過膜５ａを透過する。酸素イオン透過膜５ａを通過した酸素イオンは、酸素取出部５ｃにて純酸素ガスの状態で取り出される。この純酸素ガスは第１の酸素用経路１３に送られる。
【００３８】
第１の酸素用経路１３に送られた純酸素ガスは、液化されて液体になった状態又は気体のままの状態で、リザーブタンク１４に所定量貯蔵される。その後、リザーブタンク１４に貯蔵された純酸素は気体の状態で第２の酸素用経路１６に送られる。このとき、第２の酸素用経路１６を通過する純酸素ガスの流量が流量センサ１８により検出され、検出された流量に関する情報が流量制御部２４に送られ、流量制御部２４によって酸素用制御弁１７が第２の酸素用経路１６を通過する純酸素ガスを所定の流量とするように制御される。また、燃料ガスは燃料用経路１９に供給される。このとき、燃料用経路１９を通過する燃料ガスの流量が燃料用流量センサ２３により検出され、検出された流量に関する情報が流量制御部２４に送られ、流量制御部２４によって燃料用制御弁２２が燃料用経路１９を通過する燃料ガスを所定の流量とするように制御される。
【００３９】
このような第２の酸素用経路１６の純酸素ガスと燃料用経路１９の燃料ガスとが合流経路２１に送られて、燃料ガスと純酸素ガスとが合流経路２１から原動機７に送られることとなる。原動機７では、燃料ガスと純酸素ガスとを燃焼させて発生した燃焼エネルギーをピストン７ａの往復運動に変換し、さらにピストン７ａの往復運動をクランク７ｂの回転運動に変換する。この原動機７の回転運動は、伝動機構２６によって発電機８に伝えられる。なお、原動機７にて、燃料ガスと純酸素ガスとを燃焼させて発生した排ガスは、排ガス用経路２５によって排出される。発電機８は、原動機７の回転運動により得られた回転エネルギーを用いて発電を行なう。発電機８により発電された電力は、外部機器（図示せず）に供給される。
【００４０】
ここで、発電機８からの電力が外部機器の動作負荷等に対して多くなった場合、二次電池３に電力を供給して蓄電を行なう。その一方で、発電機８からの電力が外部機器の動作負荷等に対して少なくなった場合、二次電池３に蓄電した電力を外部機器に供給する。
【００４１】
なお、リザーブタンク１４に貯蔵された純酸素の量が所定量以下であることを、貯蔵量検出センサ１５が検出した場合には、検出された純酸素の貯蔵量の情報が流量制御部２４に送られ、流量制御部２４によって、酸素用制御弁１７が純酸素ガスの供給を止めるように制御され、かつ燃料用制御弁２２が燃料ガスの供給を止めるように制御されると好ましい。純酸素ガスが十分に供給できない場合には、燃料ガス及び純酸素ガスの供給が止められるので、安定して一定量の純酸素を含む燃料ガスが、原動機７に安定供給されることとなる。さらに、燃料ガス及び純酸素ガスの供給を止めた場合、純酸素ガスがリザーブタンク１４に所定量貯蔵されるまでの間、原動機７の作動を停止して、二次電池３から外部機器に電力を供給するように構成すると好ましい。純酸素ガスの貯蔵中には、原動機７からの電力の供給が停止するが、二次電池３から電力が供給され、電力を安定供給できる。
【００４２】
以上、第１実施形態の発電装置２によれば、純酸素が燃料とともに原動機７に供給されることとなり、原動機７にて発生する燃焼エネルギーを高めることができる。純酸素は、酸素と結合することによりＮＯＸガスを発生させるような物質（Ｎ２等）を含まないので、ＮＯＸガスの排出量を低減できる。また、純酸素は、リザーブタンク１４に貯められた状態から原動機７に供給されるので、純酸素を含む燃料が安定供給されることとなる。よって、本発明の発電装置２は、ＮＯＸガスの排出量を低減し、発電効率を高めるとともに、電力を安定供給できる。
【００４３】
発電装置２では、酸素分離ユニット５の酸素イオン透過膜５ａに、電子と酸素イオンとの混合導電性を有するＭ１−ｘＭ’ｘＣｏ１−ｙＭ’’ｙＯ３から成るペロブスカイト酸化物（Ｍ及びＭ’がそれぞれＳｒ、Ｂａ、Ｌａ、Ｓｃ及びＹのいずれかであり、Ｍ’’がＦｅ、Ｎｂ、Ｎｉ及びＲｕのいずれかであり、ｘ及びｙがそれぞれ０〜０．３）が用いられている。従って、このような酸素イオン透過膜５ａによって純酸素が確実に生成されるので、ＮＯＸガスの排出量を低減し、発電効率を高めるとともに、電力を安定供給できる。
【００４４】
ハイブリッド発電システム１は、上述の発電装置２に発電機７からの電力を蓄電するための二次電池３を取付けているので、発電装置２により発電された電力、又は二次電池３に蓄電された電力を外部機器に供給できる。そのため、例えば、発電機７からの電力が、外部機器の動作負荷等に対して多くなった場合には、二次電池３に電力を供給して蓄電を行なう一方で、発電機７からの電力が、外部機器の動作負荷等に対して少なくなった場合、二次電池３に蓄電した電力を外部機器に供給できる。よって、電力を安定供給できる。
【００４５】
［第２実施形態］
第２実施形態の発電装置、及びハイブリッド発電システムを以下に説明する。第２実施形態の発電装置、及びハイブリッド発電システムの基本的な構成は、第１実施形態の発電装置、及びハイブリッド発電システムの構成と同様になっている。第１実施形態と同様な要素は、第１実施形態と同様の符号および名称を用いて説明する。ここでは、第１実施形態と異なる構成について説明する。
【００４６】
図２に示すように、第２実施形態のハイブリッド発電システム３１の発電装置３２では、空気用経路９に、通過する空気を加熱する加熱部として熱交換器３３が配置されている。この熱交換器３３と原動機７とは、循環路３４によって、原動機７で燃料及び酸素の燃焼後に発生する排ガスを熱交換器３３に送るように接続されている。さらに、熱交換器３３には供給された排ガスを排出する排出路３５が接続されている。
【００４７】
第２実施形態のハイブリッド発電システム３１、及び発電装置３２を用いた発電方法について、第１実施形態と異なる部分について説明する。空気用経路９に空気を通して、酸素分離ユニット５の空気供給部５ｂに空気を供給する。このとき、熱交換器３３には原動機７から循環路３４により排ガスが送られて、この排ガスにより加熱された熱交換器３３によって、空気用経路９を通過する空気が、酸素分離ユニット５にて６００℃〜１０００℃となるように加熱される。熱交換器３３を加熱した排ガスは、排出路３５から排出されることとなる。
【００４８】
以上、第２実施形態のハイブリッド発電システム３１、及び発電装置３２によれば、第１実施形態と同様の効果が得られる。
【００４９】
第２実施形態のハイブリッド発電システム３１によれば、発電装置３２内で発生した燃焼排ガスが、純酸素生成の効率化のために循環されて、酸素イオン透過膜５ａに送られる空気を加熱するように再利用されている。従って、さらに発電効率を高めることができる
【００５０】
［第３実施形態］
第３実施形態の発電装置、及びハイブリッド発電システムを以下に説明する。第３実施形態の発電装置、及びハイブリッド発電システムの基本的な構成は、第２実施形態の発電装置、及びハイブリッド発電システムの構成と同様になっている。第２実施形態と同様な要素は、第２実施形態と同様の符号および名称を用いて説明する。ここでは、第２実施形態と異なる構成について説明する。
【００５１】
図３に示すように、第３実施形態のハイブリッド発電システム４１の発電装置４２にて、酸素分離ユニット４３は、酸素イオン透過膜４３ａの一方面にカソード電極４３ｂが配置され、酸素イオン透過膜４３ａの他方面にアノード電極４３ｃが配置されている。すなわち、酸素イオン透過膜４３ａは、カソード電極４３ｂとアノード電極４３ｃとの間に配置されている。さらに、カソード電極４３ｂの酸素イオン透過膜４３ａとの当接面と反対側の面には、空気供給部４３ｄが設けられている。アノード電極４３ｃの酸素イオン透過膜４３ａとの当接面と反対側の面には、酸素取出部４３ｅが設けられている。酸素分離ユニット４３の空気供給部４３ｄには、空気を供給するための空気用経路９が接続されている。また、酸素取出部４３ｅとリザーブタンク１４とは第１の酸素用経路１３によって接続されている。
【００５２】
このような発電装置４２を備えるハイブリッド発電システム４１にて、二次電池３は、アノード電極４３ｃを正電位、かつカソード電極４３ｂを負電位とするように、酸素分離ユニット４３と電気的に接続されている。
【００５３】
第３実施形態のハイブリッド発電システム４１、及び発電装置４２を用いた発電方法について、第２実施形態と異なる部分について説明する。空気用経路９に空気を通して、酸素分離ユニット４３の空気供給部４３ｄに空気を供給する。二次電池３によって、アノード電極４３ｃを正電位、かつカソード電極４３ｂを負電位とするように酸素分離ユニット４３に電力を加える。このとき、空気供給部４３ｄに供給された空気は、電解作用によって解離されるとともに、空気供給部４３ｄに供給された空気中の酸素イオンが酸素イオン透過膜４３ａを透過する。酸素イオン透過膜４３ａを通過した酸素イオンは、酸素取出部４３ｅにて純酸素ガスの状態で取り出される。
【００５４】
以上、第３実施形態のハイブリッド発電システム４１、及び発電装置４２によれば、第２実施形態と同様の効果が得られる。
【００５５】
第３実施形態のハイブリッド発電システム４１によれば、酸化イオン透過膜４３ａが、カソード電極４３ｂとアノード電極４３ｃとの間に配置され、カソード電極４３ｂとアノード電極４３ｃとの間に二次電池３から電力を供給することによって、酸素イオン透過膜４３ａにて空気から純酸素を分離することを促すように構成されている。そのため、酸素イオン透過膜４３ａに流れる電流を調節することによって酸素の透過量を正確かつ容易に調節できる。加えて、発電装置４２により発電されるとともに、二次電池３に一旦蓄電された電力を利用して、効率的に純酸素を生成できる。従って、さらに発電効率を高めることができる。
【００５６】
ここまで第１実施形態〜第３実施形態について述べたが、本発明は既述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づいて各種の変形および変更が可能である。
【００５７】
第１実施形態〜第３実施形態の第１変形例として、酸素イオン透過膜５ａ，３３ａに、酸化イオンを透過可能なイットリア安定化ジルコニア、又はスカンジア安定化ジルコニアが用いられてもよい。第１実施形態〜第３実施形態と同様の効果が得られる。
【００５８】
第１実施形態〜第３実施形態の第２変形例として、発電機８からの電力をすべて二次電池３に蓄電するために使用し、二次電池３から外部機器に電力を供給するように構成されていてもよい。常に二次電池３に一旦蓄電された電力が供給されることによって、電力を安定供給できる。
【００５９】
第１実施形態〜第３実施形態の第３変形例として、原動機７が、外燃式の原動機であってもよく、一例として、スターリングエンジン等であってもよい。第１実施形態〜第３実施形態と同様の効果が得られる。
【００６０】
第１実施形態〜第３実施形態の第４変形例として、発電装置２を単体で使用するように構成してもよい。ＮＯＸガスの排出量を低減し、発電効率を高めるとともに、電力を安定供給できる。
【符号の説明】
【００６１】
１，３１，４１ ハイブリッド発電システム
２，３２，４２ 発電装置
３ 二次電池
４ 空気供給部
５ 酸素分離ユニット
５ａ 酸素イオン透過膜
６ 燃料供給部
７ 原動機
８ 発電機
９ 空気用経路
１０ 熱交換器
１１ 燃料用経路
１２ 温度制御部
１３ 第１の酸素用経路
１４ リザーブタンク
１５ 貯蔵量検出センサ
１６ 第２の酸素用経路
１７ 酸素用制御弁
１８ 酸素用流量センサ
１９ 燃料用経路
２２ 燃料用制御弁
２３ 燃料用流量センサ
２４ 流量制御部
３３ 熱交換器
３４ 循環路
４３ 酸素分離ユニット
４３ａ 酸素イオン透過膜
４３ｂ カソード電極
４３ｃ アノード電極
４３ｄ 空気供給部
４３ｅ 酸素取出部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
原動機から伝達される回転エネルギーによって発電を行う発電機を備えている発電装置において、
酸素イオンを透過する機能を有する酸素イオン透過膜と、
前記酸素イオン透過膜に空気を供給することによって前記空気から分離された純酸素を貯蔵するリザーブタンクと
を備え、
前記リザーブタンクに貯蔵された純酸素を燃料とともに前記原動機に供給かつ燃焼させて発生した燃焼エネルギーを、前記原動機によって前記回転エネルギーに変換するように構成されていることを特徴とする発電装置。
【請求項２】
前記酸素イオン透過膜に空気を供給する空気用経路に、前記原動機から発生する燃焼排ガスの熱を利用して空気を加熱可能に構成される加熱部を設け、
前記加熱部によって、前記酸素イオン透過膜に供給される空気の温度が加熱されるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の発電装置。
【請求項３】
前記酸素イオン透過膜に、電子と酸素イオンとの混合導電性を有するＭ１−ｘＭ’ｘＣｏ１−ｙＭ’’ｙＯ３から成るペロブスカイト酸化物が用いられ、
Ｍ及びＭ’がそれぞれＳｒ、Ｂａ、Ｌａ、Ｓｃ及びＹのいずれかであり、Ｍ’’がＦｅ、Ｎｂ、Ｎｉ及びＲｕのいずれかであり、ｘ及びｙがそれぞれ０〜０．３となっていることを特徴とする請求項１又は２に記載の発電装置。
【請求項４】
前記酸素イオン透過膜に、酸化イオンを透過可能なイットリア安定化ジルコニア、又はスカンジア安定化ジルコニアが用いられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の発電装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載の発電装置に、前記発電機からの電力を蓄電するための二次電池を取付けていることを特徴とするハイブリッド発電システム。
【請求項６】
前記発電機からの電力をすべて前記二次電池に蓄電するために使用し、
前記二次電池から外部に電力を供給するように構成されていることを特徴とする請求項５に記載のハイブリッド発電システム。
【請求項７】
前記酸化イオン透過膜が、アノード電極とカソード電極との間に配置され、
前記アノード電極及びカソード電極の間に前記二次電池から電力を供給することによって、前記酸素イオン透過膜にて空気から純酸素を分離することを促すように構成されていることを特徴とする請求項５又は６に記載のハイブリッド発電システム。
【請求項１】
原動機から伝達される回転エネルギーによって発電を行う発電機を備えている発電装置において、
酸素イオンを透過する機能を有する酸素イオン透過膜と、
前記酸素イオン透過膜に空気を供給することによって前記空気から分離された純酸素を貯蔵するリザーブタンクと
を備え、
前記リザーブタンクに貯蔵された純酸素を燃料とともに前記原動機に供給かつ燃焼させて発生した燃焼エネルギーを、前記原動機によって前記回転エネルギーに変換するように構成されていることを特徴とする発電装置。
【請求項２】
前記酸素イオン透過膜に空気を供給する空気用経路に、前記原動機から発生する燃焼排ガスの熱を利用して空気を加熱可能に構成される加熱部を設け、
前記加熱部によって、前記酸素イオン透過膜に供給される空気の温度が加熱されるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の発電装置。
【請求項３】
前記酸素イオン透過膜に、電子と酸素イオンとの混合導電性を有するＭ１−ｘＭ’ｘＣｏ１−ｙＭ’’ｙＯ３から成るペロブスカイト酸化物が用いられ、
Ｍ及びＭ’がそれぞれＳｒ、Ｂａ、Ｌａ、Ｓｃ及びＹのいずれかであり、Ｍ’’がＦｅ、Ｎｂ、Ｎｉ及びＲｕのいずれかであり、ｘ及びｙがそれぞれ０〜０．３となっていることを特徴とする請求項１又は２に記載の発電装置。
【請求項４】
前記酸素イオン透過膜に、酸化イオンを透過可能なイットリア安定化ジルコニア、又はスカンジア安定化ジルコニアが用いられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の発電装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載の発電装置に、前記発電機からの電力を蓄電するための二次電池を取付けていることを特徴とするハイブリッド発電システム。
【請求項６】
前記発電機からの電力をすべて前記二次電池に蓄電するために使用し、
前記二次電池から外部に電力を供給するように構成されていることを特徴とする請求項５に記載のハイブリッド発電システム。
【請求項７】
前記酸化イオン透過膜が、アノード電極とカソード電極との間に配置され、
前記アノード電極及びカソード電極の間に前記二次電池から電力を供給することによって、前記酸素イオン透過膜にて空気から純酸素を分離することを促すように構成されていることを特徴とする請求項５又は６に記載のハイブリッド発電システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１２−１３０４２（Ｐ２０１２−１３０４２Ａ）
【公開日】平成２４年１月１９日（２０１２．１．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１５２２６９（Ｐ２０１０−１５２２６９）
【出願日】平成２２年７月２日（２０１０．７．２）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【公開日】平成２４年１月１９日（２０１２．１．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年７月２日（２０１０．７．２）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
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