(57)【要約】【課題】風力や太陽光などの自然エネルギーを利用した発電は、天候の変化による入出力の時間的不安定性と、発電した電気の貯蔵が低能力蓄電形態であることからバックアップ電源を必要とする。また従来の水素燃料を用いた燃料電池による発電は、水源と商用電源を必要とすることから発電場所が限定される。【解決手段】風力、太陽光、太陽熱の自然エネルギーを利用してハイブリッド発電をした電気と、大気中の水分を用いて低コストで生成された純水を電解して得た高純度の水素ガスおよび酸素ガスを使った燃料電池で発電をした電気を併用してレドックスフロー電池で貯蔵および払出しをする形態であることから、入出力の時間的不安定性を解決し、バックアップ電源を必要とせず電力自給ができる。また、水源と商用電源が全く無い地域、場所で発電ができる。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水源および商用電源が全く無い山頂や海上プラットホームなどの地域や場所において、大気中の水分を用いて発電、蓄電することを特徴とする発電装置。
【請求項２】
前記発電装置は、風力発電装置と太陽光、太陽熱複合発電装置を備えたハイブリッド発電装置で発電した電気を使い、大気中の水分から原水を生成する手段と、原水から純水を製造する手段と、純水から高純度水素ガスと高純度酸素ガスを製造する手段と、高純度水素ガスと高純度酸素ガスを使って発電する手段と、発電した電気を蓄電する手段を設けたことを特徴とする請求項１に記載の大気中の水分を用いた発電装置。
【請求項３】
請求項２のハイブリッド発電装置から供給される電気を使い大気中の水分から原水を生成する手段は、取湿原水製造装置および生成した原水を貯留する原水タンクを備えたことを特徴とする請求項１に記載の大気中の水分を用いた発電装置。
【請求項４】
請求項２、３の原水タンクの原水から純水を製造する手段は、
逆浸透膜純水製造装置および製造した純水を貯留する純水タンクを備えたことを特徴とする請求項１に記載の大気中の水分を用いた発電装置。
【請求項５】
請求項２、４の純水タンクの純水から高純度水素ガスと高純度酸素ガスを取り出す手段は、固体高分子電解質水電解方式水素酸素発生装置および製造した高純度水素ガスを貯留する水素ガスタンクと高純度酸素ガスを貯留する酸素ガスタンクを備えたことを特徴とする請求項１に記載の大気中の水分を用いた発電装置。
【請求項６】
請求項２、５の水素ガスタンクおよび酸素ガスタンクより供給する高純度水素ガスと高純度酸素ガスを使い発電する手段は、燃料電池を備えたことを特徴とする請求項１に記載の大気中の水分を用いた発電装置。
【請求項７】
請求項２のハイブリッド発電装置および請求項６の燃料電池が発電した電気を併用して貯蔵する手段は、充電放電の繰り返しによる劣化の要因がなく長サイクル寿命を達成できる蓄電装置として、レドックスフロー電池（９）を備えたことを特徴とする請求項１に記載の大気中の水分を用いた発電装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明に係る大気中の水分を用いた発電装置は、風力、太陽光、太陽熱といった自然エネルギーを利用してハイブリッド発電をした電気を使い、大気中の水分から生成した原水を用いて製造した純水を電解し、電解により取り出した高純度の水素ガスと酸素ガスを使用して燃料電池で発電を行い、ハイブリッド発電と併用して発電した電気を蓄電装置に貯蔵する構成であり、電力自給を目的とする技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の風力、太陽光などの自然エネルギーを利用した発電は、天候の変化による入出力の時間的不安定性と、発電した電気を貯蔵する従来の蓄電池は、充放電をくり返すことで、寿命が著しく短くなる低能力蓄電形態であることからバックアップ電源を必要とし、補助電源的な扱われ方がほとんどである。また純水を電解した水素燃料を用いて燃料電池で発電をするためには、純水製造用に原水を確保するための水道水の配水コストが必要である。更に、取水した水道水には、さまざまな化学消毒剤や不純物が含まれており、常に除去費用が必要である。又、原水に地下水を使用するとすれば、ボーリング調査、水質検査、掘削費用、給水設備費用など取水コストが大幅に増加する。また水源および商用電源の全く無い海上や山頂などの場所で、純水の電解による水素燃料と空気を用いて燃料電池による発電をすることは困難であった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
風力、太陽光などの自然エネルギーを利用した発電および水を電解した水素を用いた燃料電池による発電に関しては、上記の問題を抱えている。本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、水源および商用電源が全く無い山岳部や離島および海上プラットホームなどの地域や場所において、また水源および商用電源が全く絶たれた自然災害時の緊急電力需要に対して、豊富なエネルギー媒体である風力および太陽光、太陽熱の自然エネルギーを用いてハイブリッド発電をした電気を使用して、地球上いたるところに存在する枯渇しない大気中の水分から簡単に低コストで原水を生成し、原水から純水を製造し、製造した純水を電解して得られた高純度の水素ガスと酸素ガスを燃料電池に供給して発電をする装置である。更に、ハイブリッド発電した電気と燃料電池で発電した電気を併用して、充電放電の繰り返しによる劣化の要因がない長サイクル寿命を達成できる蓄電装置に貯蔵、払出しをすることで入出力の時間的不安定性を解決できることから、バックアップ電源を使わずに電力自給を可能にした発電装置である。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明の発電装置は、風力と太陽光、太陽熱を用いてハイブリッド発電をした電気を使って、大気中の水分から原水を生成する手段と、原水から純水を製造する手段と、純水から高純度水素ガスと高純度酸素ガスを取り出す手段と、取り出した高純度水素ガスと高純度酸素ガスを使って発電する手段と、発電した電気を蓄電装置に貯蔵する手段を設けたことを特徴とする発電装置である。
【０００５】
装置の一部を構成している風力発電と太陽光、太陽熱複合発電を同時に行なうハイブリッド発電装置が発電した電気を、充電放電がイオン溶液の価数変化のみによる完全な可逆反応で、原理的に充電放電の繰り返しによる劣化の要因がなく長サイクル寿命を達成できる蓄電装置に貯蔵する。貯蔵した電気を使い、取湿原水製造装置を稼動して外気を吸い込み、大気中の水分から原水を生成する。生成した原水は、適切な形態の原水タンクに貯留する。
【０００６】
原水タンクから供給された原水は、高能力の逆浸透膜純水製造装置に通水して純水を製造する。製造した純水は、適切な形態の純水タンクに貯留する。
【０００７】
純水タンクから供給された純水は、固体高分子電解質水電解方式水素酸素発生装置で電解し、高純度水素ガスと高純度酸素ガスを製造する。製造した高純度水素ガスは、適切な形態の水素ガスタンクに、また高純度酸素ガスは、適切な形態の酸素ガスタンクに貯留する。
【０００８】
水素ガスタンクおよび酸素ガスタンクから供給された高純度水素ガスと高純度酸素ガスを燃料電池に供給し、発電を行なう。
【０００９】
燃料電池で発電した電気は、充電放電がイオン溶液の価数変化のみによる完全な可逆反応で、原理的に充電放電の繰り返しによる劣化の要因がなく長サイクル寿命を達成できる蓄電装置に貯蔵する。貯蔵後、必要に応じて払出しをする。
【００１０】
燃料電池は、水素と酸素を電気化学的に反応させて電気を作るため、発電過程で水が排出される。この排出された水は、再度原水タンクに注水し、純水製造用水として再び利用する。
【００１１】
燃料電池稼動時の排熱は、取湿原水製造装置に吸い込んだ大気中の水分の冷却用に熱交換器を介して再び利用する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施例を図面に基づいて説明する。図１は本発明の第１の実施例である大気中の水分を用いた発電装置を示す概略正面図である。図１に示すごとく、実施例の大気中の水分を用いた発電装置は、発電と蓄電両装置の本体上に載置した風力発電と太陽光、太陽熱複合発電を同時に行なうハイブリッド発電装置を構成する垂直軸型サボニウス風車型風力発電装置１０、太陽電池１１および太陽光（熱）集束ディッシュスターリング多気筒型発電装置１２もしくは、発電と蓄電両装置の本体以外の場所に別置きされた図示していない風力発電と太陽光、太陽熱複合発電を同時に行なうハイブリッド発電装置を構成する垂直軸型サボニウス風車型風力発電装置１０、太陽電池１１および太陽光（熱）集束ディッシュスターリング多気筒型発電装置１２と蓄電装置であるレドックスフロー電池９の電源で駆動を開始する取湿原水製造装置１、取湿原水製造装置１で生成された原水を貯留する原水タンク２、原水を逆浸透膜純水製造装置３に通水して製造した純水を貯留する純水タンク４、純水を使って高純度水素ガスと高純度酸素ガスを製造する固体高分子電解質水電解方式水素酸素発生装置５、固体高分子電解質水電解方式水素酸素発生装置５で製造した高純度水素ガスを貯留する水素ガスタンク６と高純度酸素ガスを貯留する酸素ガスタンク７、高純度水素ガスと高純度酸素ガスを使って発電する燃料電池８、燃料電池８により発電した電気を貯蔵するレドックスフロー電池９と制御盤１３により構成される。
【００１３】
このように構成された発電形態で大気中の水分を用いて発電をする場合、燃料電池８が発電過程で排出する処理されるべき水は図示していない循環ポンプと排水パイプを介して取湿原水製造装置１の原水タンク２に再び戻る。
【００１４】
また、燃料電池８が発電時に排出する排熱は、取湿原水製造装置内１に吸いこんだ大気中の水分の冷却用に図示していない、取湿原水製造装置１内の熱交換器で再利用する。
【００１５】
図１に示すように、風力発電と太陽光、太陽熱複合発電を同時に行なうハイブリッド発電装置は、垂直軸型サボニウス風車型風力発電装置１０、太陽電池１１および太陽光（熱）集束ディッシュスターリング多気筒型発電装置１２で構成され発電をする。このハイブリッド発電装置によって得た電気は、図６に示すように、長サイクル寿命を達成できる蓄電装置であるレドックスフロー電池９に貯蔵する。
【００１６】
図２に示すように、取湿原水製造装置１は、レドックスフロー電池９から交流電源を供給して駆動し、外気を吸い込み、除湿機の原理を応用して大気中の水分を冷却し、露点に達した水滴を集め原水を生成する。
【００１７】
取湿原水製造装置１を用いて大気中の水分から生成された原水は不純物が少なく、不純物除去工程が必要な水道水や河川水、地下水の原水製造方法と比較して低コストで簡素な装置である。取湿原水製造装置１で生成された原水は、原水タンク２に貯留する。
【００１８】
図３に示すように、逆浸透膜純水製造装置３は、原水タンク２からポンプで送られた原水を、逆浸透膜純水製造装置３の内部に取り付た０．０００１ミクロン（１０００万分の１ミリ）以上の超微細な浸透膜を備えた逆浸透膜分子分離フィルター１４を介して高純度の小クラスター水（分子集団又は水和構造）を製造する。逆浸透膜純水製造装置３で製造した純水は、適切な形態の純水タンク４に貯留する。
【００１９】
従来は、水をイオン交換樹脂を通して脱イオン化した水や、水を加熱蒸留した蒸留水を指して純水と呼んでいた。ここでいう純水は、超ＬＳＩの製造に使用されている超純水を製造する高能力逆浸透膜純水製造装置と同等の純水製造装置で造られた水であり、ほぼ純粋のＨ２Ｏと等しく、電離以外のイオンはゼロで、無機塩類やＣＯ２など、すべての溶存電解質が除去されていて、Ｈ２Ｏの電気伝導率５．５×１０の８乗Ｓ／ｃｍの近似値を示す。このような電気伝導率になると水の内部で静電気を起こしやすい状態になり、放電すれば水の分子（Ｈ２Ｏ）は、水素イオン（Ｈプラス）と水酸化物イオン（ＯＨマイナス）に分離し、高純度水素ガスと高純度酸素ガスが発生する。
【００２０】
しかし水の電離は僅かで、生成したイオンの量は少量である。水はそのままでは電気を通さないため、電気分解を起こさない。そこで、たとえば電解質として水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）を水に添加してイオンの数を増やして水の電気分解を起こす。水に溶存する電解質の電気分解に伴って、水の電気分解が惹起される。この電解質水の代替の役割を固体高分子電解質膜１５が行なう。
【００２１】
図４に示すように固体高分子電解質水電解方式水素酸素発生装置５は、純水タンク４から取水した純水の水（Ｈ２Ｏ）を固体高分子電解質膜１５で解離して、水素イオン（Ｈプラス）と水酸化物イオン（ＯＨマイナス）を生成する。固体高分子膜の両面に張られた電極触媒層１６ａ、１６ｂを接合し、陽極側に純水を供給し通電すると、陽極の電解触媒層１６ａで水が分解され、Ｈプラスイオンが生成される。生成されたＨプラスイオンは、電場の働きで固体高分子電解質膜１５内を移動し、陰極の電極触媒層１６ｂで電子を得て高純度水素ガスを発生する。陽極側からは高純度酸素ガスが発生する。
【００２２】
製造した高純度水素ガスは、一旦適切な形態の水素ガスタンク６に貯蔵する。高純度水素ガス貯蔵技術としては、気体貯蔵（水素を圧縮する）、液体貯蔵（水素を液体化する）、水素吸蔵合金（合金の結晶内に水素吸着）、水素吸蔵物質（カーボンナノチューブなどの中に水素吸着）やケミカルハイドライド（水素含有化合物）利用などの方式がある。同じく製造した高純度酸素ガスも適切な形態の酸素ガスタンク７に貯留する。
【００２３】
図５に示す高純度水素ガスと高純度酸素ガスという化学エネルギーを直接に電気エネルギーに変換する燃料電池８は、運動部品を持たない、無重力状態でも動きが変わらない、排出物は水のみという特徴がある。
【００２４】
燃料電池の種類として、固体高分子形（ＰＥＦＣ）と固体酸化物形（ＳＯＦＣ）、溶融炭酸塩形（ＭＣＦＣ）、りん酸形（ＰＡＦＣ）などがある。
【００２５】
図５は、燃料電池の一例として、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）の基本構造図である。図４で製造した高純度水素ガスを水素ガスタンク６から図５のセル・スタック１７に送出し、一方酸素ガスタンク７の高純度酸素ガスをエアコンプレッサーと加湿器を介し、セル・スタック１７に送出する。
【００２６】
図５で示すように、単セル１８は、燃料電池が発電を行なう最小単位で、二つのセパレーター１９ａ、１９ｂ、二つの電極（燃料極２０ａと空気極２０ｂ）、電解質膜２１からなる。複数の単セル１８を積層し、セル・スタック１７とすることで高い直流電圧を得る。
【００２７】
図５で示すように、セル・スタック１７に送出した高純度水素ガスは、単セル内の一つ目のセパレーター１９ａと燃料極２０ａの間に流入し、水素ガス分子は、陽子（水素イオン）と電子に分かれ、電子が導体を伝わる。電子は仕事を行い、空気極２０ｂに伝わる。陽子は、電解質膜２１を通過して空気極２０ｂに伝わる。空気極に伝わった陽子（水素イオン）電子、空気極と二つ目のセパレーター１９ｂの間に供給される酸素の酸素原子が反応して水ができる。この反応で電気が流れる。
【００２８】
発電された直流（ＤＣ）電気は、図６に示すように、電気を化学的に貯蔵する技術で、充電・放電による劣化の要因がない長サイクル寿命を達成できることを特徴とするレドックスフロー電池９に貯蔵する。酸化と還元すなわち電子の出し入れという基本原理は、すべての化学電池において生じるがレドックスフロー電池９では、電子の出し入れ、すなわち充電放電を酸化還元状態をとる鉄、クロム、バナジウム、チタン、アクチナイドなどを溶かした二種類の電解液タンク２２、２３のレドックスイオン溶液を利用して行なう。
【００２９】
一例としてレドックスイオン溶液にバナジウムを使用した場合は、電解液タンク内の電解液の一つは４価のバナジウム希硫酸電解液で正極液タンク２２、電解液のもう一つは３価のバナジウム希硫酸電解液で負極液タンク２３である。正極液と負極液の両極液タンクの中間に、イオン交換膜２４を挟んで炭素繊維電極材料からなる正極２５と負極２６で構成されたセル２７（電極部）が配置されている。セル２７（電極部）と電解液タンク２２、２３は、分離して設置できる。
【００３０】
図１の垂直軸型サボニウス風車型風力発電装置１０、太陽電池１１および太陽光（熱）集束ディッシュスターリング多気筒型発電装置１２のハイブリッド発電装置および燃料電池８で発電した電気を併用して蓄電する場合、一例としてレドックスイオン溶液にバナジウムを使用した場合は、レドックスフロー電池９のセル２７内の炭素繊維正極２５・負極２６上でバナジウムの電極反応を利用して充電放電をする。充電時に正極２５で発生する水素イオンは、イオン交換膜２３を通って負極２５側に移動して電解液の電気的中性条件を満たす。充電により正極液タンク２２内の正極液は４価から５価のバナジウムに、負極液タンク２３内の負極液は３価から２価のバナジウムに変換される。電解液が電池セル内を循環する際のイオン価数変化による可逆反応で、充電放電を繰り返えすことによる電気エネルギーの貯蔵、払出しをする。
【００３１】
レドックスフロー電池に貯蔵された電力を外部の電源および本発明の装置の駆動電源に使用するときは、出力をインバータ（図示せず）により交流電源（ＡＣ）に変換したものを使う。
【００３２】
レドックスフロー電池９の特徴は、充電放電がイオン溶液の価数変化のみによる完全な可逆反応であるために原理的に充電放電の繰り返しによる劣化の要因がなく長サイクル寿命、室温で作動する、爆発・引火性が無く、活物質が液体で外部タンクに貯蔵されるので大型化が容易、電解液組成をモニターすることにより正確に充電状態が把握できることで充放電制御が容易、電解液は半永久的にリサイクルが可能であり、資源の有効活用が可能なことである。
【００３３】
本発明の具体例に対して、本発明の真髄から逸脱することなく実施の形態例から以下の改良ができる。具体的好例として、大気中の水分から生成された原水を、太陽光（熱）集束ディッシュスターリング多気筒型発電装置のスターリングエンジンの冷却用に利用することも容易に理解できる。更に垂直軸型サボニウス風車型風力発電装置の代替として、水平軸プロペラ型定翼式風力発電装置を利用して発電することは、容易に理解できる。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の大気中の水分を用いた発電装置は、設置の一例として、水源と商用電源が全く無い海上プラットホーム、山岳地帯、離島などの地域や場所において発電をし、電力自給ができる。
【００３５】
また水源と商用電源が全く無い地域、場所で発電できることから、地震などの自然災害により水源と商用電源が全く絶たれた医療施設、行政施設、大型建築物、集合住宅地域、公園などに配置して、ライフラインの最重要な要素の電力のインフラが復興するまでの間の緊急電力需要に対応できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例である大気中の水分を用いた発電装置を示す概略正面図である。
【図２】同発電装置に用いられる取湿原水製造装置、原水タンクを示す流れ図である。
【図３】同発電装置に用いられる逆浸透膜純水製造装置と純水タンクを示す流れ図である。
【図４】同発電装置に用いられる固体高分子電解質水電解方式水素酸素発生装置と水素ガスタンクおよび酸素ガスタンクを示す流れ図である。
【図５】同発電装置に用いられる固体高分子形燃料電池内のセル・スタックの構造斜視図である
【図６】同発電装置に用いられるレドックスフロー電池を示す流れ図である。
【符号の説明】
１　取湿原水製造装置
２　原水タンク
３　逆浸透膜純水製造装置
４　純水タンク
５　固体高分子電解質水電解方式水素酸素発生装置
６　水素ガスタンク
７　酸素ガスタンク
８　燃料電池
９　レドックスフロー電池
１０　垂直軸型サボニウス風車型風力発電装置
１１　太陽電池
１２　太陽光（熱）集束ディッシュスターリング多気筒型発電装置
１３　制御盤
１４　逆浸透膜分子分離フィルター
１５　固体高分子電解質膜
１６ａ　陽極触媒層、１６ｂ　陰極触媒層
１７　セル・スタック
１８　単セル
１９　セパレーター
２０ａ　燃料極、２０ｂ　空気極
２１　電解質膜
２２　正極液タンク
２３　負極液タンク
２４　イオン交換膜
２５　正極
２６　負極
２７　セル
【図１】
2004135366.tif 000003
【図２】
2004135366.tif 000004
【図３】
2004135366.tif 000005
【図４】
2004135366.tif 000006
【図５】
2004135366.tif 000007
【図６】
2004135366.tif 000008