(57)【要約】【課題】  ガスタービンエンジンと固体電解質型酸素分離膜とを用いて高純度の酸素を製造可能な酸素製造装置において、高純度の酸素を効率良く製造可能であると共に、上記固体電解質型酸素分離膜への水の付着を防止することができる酸素製造装置を提供する。【解決手段】  ガスタービンエンジン１を用いて高純度の酸素を製造可能な酸素製造装置３において、固体電解質型酸素分離膜１１によって仕切られた第１空間１３と第２空間１５とを具備し、ガスタービンエンジン１のコンプレッサ７によって圧縮された空気を上記第１空間１３に導入し、上記圧縮空気中に存在している酸素を、上記固体電解質型酸素分離膜１１を用いて上記第２空間１５に分離可能な酸素分離膜ユニット５と、上記第２空間１５を減圧可能なエゼクタ２３とを有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービンエンジンを用いて高純度の酸素を製造可能な酸素製造装置において、
固体電解質型酸素分離膜によって仕切られた第１空間と第２空間とを具備し、上記ガスタービンエンジンのコンプレッサによって圧縮された空気を上記第１空間に導入し、上記圧縮空気中に存在している酸素を、上記固体電解質型酸素分離膜を用いて上記第２空間に分離可能な酸素分離膜ユニットと；
上記第２空間を減圧可能なエゼクタと；
を有することを特徴とする酸素製造装置。
【請求項２】
請求項１に記載の酸素製造装置において、
上記コンプレッサによって圧縮された空気に燃料を加えて燃焼させる第１燃焼器と；
上記第１空間に供給された空気のうちで、上記固体電解質型酸素分離膜を通過しない残りの空気に、燃料を加えて燃焼させる第２燃焼器と；
を有し、上記第１空間へは、上記第１燃焼器で生成された燃焼ガスを含む空気が供給され、上記ガスタービンエンジンのタービンへは、上記第２燃焼器で生成された燃焼ガスを含む空気が供給されるように構成されていることを特徴とする酸素製造装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の酸素製造装置において、
上記エゼクタは、上記ガスタービンエンジンの排熱ボイラによって生成された蒸気、上記第２空間へ分離された高温の酸素によって生成された蒸気のうちの少なくとも一方を用いて駆動されることを特徴とする酸素製造装置。
【請求項４】
請求項３に記載の酸素製造装置において、
上記エゼクタの駆動に使用された蒸気と上記第２空間から排出された酸素とが混合されている流体を、酸素と蒸気とに分離可能なコンデンサを有することを特徴とする酸素製造装置。
【請求項５】
請求項４に記載の酸素製造装置において、
上記コンデンサで分離された酸素を圧縮可能な圧縮機を有することを特徴とする酸素製造装置。
【請求項６】
請求項５に記載の酸素製造装置において、
上記圧縮機は、上記ガスタービンエンジンの排熱ボイラによって生成された蒸気、上記第２空間へ分離された高温の酸素によって生成された蒸気のうちの少なくとも一方を用いて駆動されることを特徴とする酸素製造装置。
【請求項７】
ガスタービンエンジンを用いて高純度の酸素を製造可能な酸素製造装置において、
固体電解質型酸素分離膜によって仕切られた第１空間と第２空間とを具備し、上記ガスタービンエンジンのコンプレッサによって圧縮された空気を上記第１空間に導入し、上記圧縮空気中に存在している酸素を、上記固体電解質型酸素分離膜を用いて上記第２空間に分離可能な酸素分離膜ユニットと；
上記第２空間を減圧可能な真空ポンプと；
を有することを特徴とする酸素製造装置。
【請求項８】
請求項７に記載の酸素製造装置において、
上記コンプレッサによって圧縮された空気に燃料を加えて燃焼させる第１燃焼器と；
上記第１空間に供給された空気のうちで、上記固体電解質型酸素分離膜を通過しない残りの空気に、燃料を加えて燃焼させる第２燃焼器と；
を有し、上記第１空間へは、上記第１燃焼器で生成された燃焼ガスを含む空気が供給され、上記ガスタービンエンジンのタービンへは、上記第２燃焼器で生成された燃焼ガスを含む空気が供給されるように構成されていることを特徴とする酸素製造装置。
【請求項９】
請求項７または請求項８に記載の酸素製造装置において、
上記真空ポンプは、上記ガスタービンエンジンの排熱ボイラによって生成された蒸気、上記第２空間へ分離された高温の酸素によって生成された蒸気のうちの少なくとも一方を用いて駆動されることを特徴とする酸素製造装置。
【請求項１０】
請求項７〜請求項９のいずれか１項に記載の酸素製造装置において、
上記真空ポンプによって上記第２空間から吸引され上記真空ポンプから排出された酸素を圧縮可能な圧縮機を有することを特徴とする酸素製造装置。
【請求項１１】
請求項１０に記載の酸素製造装置において、
上記圧縮機は、上記ガスタービンエンジンの排熱ボイラによって生成された蒸気、上記第２空間へ分離された高温の酸素によって生成された蒸気のうちの少なくとも一方を用いて駆動されることを特徴とする酸素製造装置。
【請求項１２】
ガスタービンエンジンを用いて高純度の酸素を製造可能な酸素製造方法において、
固体電解質型酸素分離膜によって仕切られた第１空間と第２空間とを具備している酸素分離膜ユニットの上記第１空間に上記ガスタービンエンジンのコンプレッサによって圧縮された空気を供給して上記第２空間へ酸素を分離する酸素分離段階と；
エゼクタを用いて上記第２空間を減圧する減圧段階と；
を有することを特徴とする酸素製造方法。
【請求項１３】
請求項１２に記載の酸素製造方法において、
上記酸素分離段階は、上記コンプレッサによって圧縮された空気に燃料を加えて第１の燃焼をさせることによって発生した燃焼ガスを含む空気を、上記酸素分離膜ユニットに供給して酸素を分離する段階であり、
上記第１空間に供給された空気のうちで、上記固体電解質型酸素分離膜を通過しない残りの空気に燃料を加えて第２の燃焼をさせることによって発生した燃焼ガスを含む空気を用いて、上記ガスタービンエンジンのタービンを駆動していることを特徴とする酸素製造方法。
【請求項１４】
請求項１２または請求項１３に記載の酸素製造方法において、
上記エゼクタは、上記ガスタービンエンジンの排熱ボイラによって生成された蒸気、上記第２空間へ分離された高温の酸素によって生成された蒸気のうちの少なくとも一方を用いて駆動されることを特徴とする酸素製造方法。
【請求項１５】
請求項１４に記載の酸素製造方法において、
上記エゼクタに使用された蒸気と、上記第２空間から排出された酸素とが混合されている流体を、酸素と水とに分離する分離段階を有することを特徴とする酸素製造方法。
【請求項１６】
請求項１５に記載の酸素製造方法において、
上記分離された酸素を圧縮する酸素圧縮段階を有することを特徴とする酸素製造方法。
【請求項１７】
ガスタービンエンジンを用いて高純度の酸素を製造可能な酸素製造方法において、
固体電解質型酸素分離膜によって仕切られた第１空間と第２空間とを具備している酸素分離膜ユニットの上記第１空間に上記ガスタービンエンジンのコンプレッサによって圧縮された空気を供給して上記第２空間へ酸素を分離する酸素分離段階と；
真空ポンプを用いて上記第２空間を減圧する減圧段階と；
を有することを特徴とする酸素製造方法。
【請求項１８】
請求項１７に記載の酸素製造方法において、
上記酸素分離段階は、上記コンプレッサによって圧縮された空気に燃料を加えて第１の燃焼をさせることによって発生した燃焼ガスを含む空気を、上記酸素分離膜ユニットに供給して酸素を分離する段階であり、
上記第１空間に供給された空気のうちで、上記固体電解質型酸素分離膜を通過しない残りの空気に燃料を加えて第２の燃焼をさせることによって発生した燃焼ガスを含む空気を用いて、上記ガスタービンエンジンのタービンを駆動していることを特徴とする酸素製造方法。
【請求項１９】
請求項１７または請求項１８に記載の酸素製造方法において、
上記真空ポンプは、上記ガスタービンエンジンの排熱ボイラによって生成された蒸気、上記第２空間へ分離された高温の酸素によって生成された蒸気のうちの少なくとも一方を用いて駆動されることを特徴とする酸素製造方法。
【請求項２０】
請求項１７〜請求項１９のいずれか１項に記載の酸素製造方法において、
上記分離された酸素を圧縮する酸素圧縮段階を有することを特徴とする酸素製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、酸素製造装置および酸素製造方法に係り、特に、ガスタービンエンジンのコンプレッサによって圧縮された圧縮空気から、固体電解質型酸素分離膜を用いて高純度（高濃度）の酸素を製造可能な酸素製造装置および酸素製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ガスタービンエンジンのコンプレッサによって圧縮された圧縮空気を、固体電解質型酸素分離膜によって仕切られた第１空間と第２空間とを備えた酸素分離膜ユニットの上記第１空間に供給し、酸素のみ通過させる上記固体電解質型酸素分離膜を用いて上記第２空間に高い純度の酸素を抽出すると共に、蒸気スイープ法を用いて上記第２空間の酸素分圧を低下させ、上記酸素の抽出を促進する方法が知られている（たとえば特許文献１参照）。
【０００３】
上記固体電解質型酸素分離膜を通過する単位時間あたりの純酸素の量（酸素の透過速度）は、上記第１空間の酸素の分圧値Ｐ１と上記第２空間の酸素の分圧値Ｐ２との比Ｐ１／Ｐ２の関数で表され、上記比Ｐ１／Ｐ２の値が大きいほど上記酸素の透過速度が速くなる。
【０００４】
上記従来の方法では、上記第２空間に蒸気を流すことによって、上記第２空間における酸素の滞留を防ぎ、上記第２空間における酸素の分圧の値を低下させて、上記酸素の透過速度を速めているものである。
【特許文献１】米国特許第５５６２７５４号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上記従来の方法では、上記第２空間の酸素の分圧を下げることで純度の高い酸素を効率良く製造することができるが、上記第２空間に蒸気を供給することで酸素分離膜ユニットの固体電解質型酸素分離膜に蒸気が直接接し、たとえば、上記ガスタービンエンジンを停止したときに、蒸気が凝結して水になり、この水が上記固体電解質型酸素分離膜に付着するという問題がある。
【０００６】
そして、上記固体電解質型酸素分離膜への水の付着によって、上記固体電解質型酸素分離膜に不具合が発生し上記酸素分離膜ユニットに故障が発生するおそれがある。
【０００７】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、ガスタービンエンジンと固体電解質型酸素分離膜とを用いて高純度の酸素を製造可能な酸素製造装置において、高純度の酸素を効率良く製造可能であると共に、上記固体電解質型酸素分離膜への水の付着を防止することができる酸素製造装置および酸素製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１に記載の発明は、ガスタービンエンジンを用いて高純度の酸素を製造可能な酸素製造装置において、固体電解質型酸素分離膜によって仕切られた第１空間と第２空間とを具備し、上記ガスタービンエンジンのコンプレッサによって圧縮された空気を上記第１空間に導入し、上記圧縮空気中に存在している酸素を、上記固体電解質型酸素分離膜を用いて上記第２空間に分離可能な酸素分離膜ユニットと、上記第２空間を減圧可能なエゼクタとを有する酸素製造装置である。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の酸素製造装置において、上記コンプレッサによって圧縮された空気に燃料を加えて燃焼させる第１燃焼器と、上記第１空間に供給された空気のうちで、上記固体電解質型酸素分離膜を通過しない残りの空気に、燃料を加えて燃焼させる第２燃焼器とを有し、上記第１空間へは、上記第１燃焼器で生成された燃焼ガスを含む空気が供給され、上記ガスタービンエンジンのタービンへは、上記第２燃焼器で生成された燃焼ガスを含む空気が供給されるように構成されている酸素製造装置である。
【００１０】
請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の酸素製造装置において、上記エゼクタは、上記ガスタービンエンジンの排熱ボイラによって生成された蒸気、上記第２空間へ分離された高温の酸素によって生成された蒸気のうちの少なくとも一方を用いて駆動される酸素製造装置である。
【００１１】
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の酸素製造装置において、上記エゼクタの駆動に使用された蒸気と上記第２空間から排出された酸素とが混合されている流体を、酸素と蒸気とに分離可能なコンデンサを有する酸素製造装置である。
【００１２】
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の酸素製造装置において、上記コンデンサで分離された酸素を圧縮可能な圧縮機を有する酸素製造装置である。
【００１３】
請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の酸素製造装置において、上記圧縮機は、上記ガスタービンエンジンの排熱ボイラによって生成された蒸気、上記第２空間へ分離された高温の酸素によって生成された蒸気のうちの少なくとも一方を用いて駆動される酸素製造装置である。
【００１４】
請求項７に記載の発明は、ガスタービンエンジンを用いて高純度の酸素を製造可能な酸素製造装置において、
固体電解質型酸素分離膜によって仕切られた第１空間と第２空間とを具備し、上記ガスタービンエンジンのコンプレッサによって圧縮された空気を上記第１空間に導入し、上記圧縮空気中に存在している酸素を、上記固体電解質型酸素分離膜を用いて上記第２空間に分離可能な酸素分離膜ユニットと、上記第２空間を減圧可能な真空ポンプとを有する酸素製造装置である。
【００１５】
請求項８に記載の発明は、請求項７に記載の酸素製造装置において、上記コンプレッサによって圧縮された空気に燃料を加えて燃焼させる第１燃焼器と、上記第１空間に供給された空気のうちで、上記固体電解質型酸素分離膜を通過しない残りの空気に、燃料を加えて燃焼させる第２燃焼器とを有し、上記第１空間へは、上記第１燃焼器で生成された燃焼ガスを含む空気が供給され、上記ガスタービンエンジンのタービンへは、上記第２燃焼器で生成された燃焼ガスを含む空気が供給されるように構成されている酸素製造装置である。
【００１６】
請求項９に記載の発明は、請求項７または請求項８に記載の酸素製造装置において、上記真空ポンプは、上記ガスタービンエンジンの排熱ボイラによって生成された蒸気、上記第２空間へ分離された高温の酸素によって生成された蒸気のうちの少なくとも一方を用いて駆動される酸素製造装置である。
【００１７】
請求項１０に記載の発明は、請求項７〜請求項９のいずれか１項に記載の酸素製造装置において、上記真空ポンプによって上記第２空間から吸引され上記真空ポンプから排出された酸素を圧縮可能な圧縮機を有する酸素製造装置である。
【００１８】
請求項１１に記載の発明は、請求項１０に記載の酸素製造装置において、上記圧縮機は、上記ガスタービンエンジンの排熱ボイラによって生成された蒸気、上記第２空間へ分離された高温の酸素によって生成された蒸気のうちの少なくとも一方を用いて駆動される酸素製造装置である。
【００１９】
請求項１２に記載の発明は、ガスタービンエンジンを用いて高純度の酸素を製造可能な酸素製造方法において、固体電解質型酸素分離膜によって仕切られた第１空間と第２空間とを具備している酸素分離膜ユニットの上記第１空間に上記ガスタービンエンジンのコンプレッサによって圧縮された空気を供給して上記第２空間へ酸素を分離する酸素分離段階と、エゼクタを用いて上記第２空間を減圧する減圧段階とを有する酸素製造方法である。
【００２０】
請求項１３に記載の発明は、請求項１２に記載の酸素製造方法において、上記酸素分離段階は、上記コンプレッサによって圧縮された空気に燃料を加えて第１の燃焼をさせることによって発生した燃焼ガスを含む空気を、上記酸素分離膜ユニットに供給して酸素を分離する段階であり、上記第１空間に供給された空気のうちで、上記固体電解質型酸素分離膜を通過しない残りの空気に燃料を加えて第２の燃焼をさせることによって発生した燃焼ガスを含む空気を用いて、上記ガスタービンエンジンのタービンを駆動している酸素製造方法である。
【００２１】
請求項１４に記載の発明は、請求項１２または請求項１３に記載の酸素製造方法において、上記エゼクタは、上記ガスタービンエンジンの排熱ボイラによって生成された蒸気、上記第２空間へ分離された高温の酸素によって生成された蒸気のうちの少なくとも一方を用いて駆動される酸素製造方法である。
【００２２】
請求項１５に記載の発明は、請求項１４に記載の酸素製造方法において、上記エゼクタに使用された蒸気と、上記第２空間から排出された酸素とが混合されている流体を、酸素と水とに分離する分離段階を有する酸素製造方法である。
【００２３】
請求項１６に記載の発明は、請求項１５に記載の酸素製造方法において、上記分離された酸素を圧縮する酸素圧縮段階を有する酸素製造方法である。
【００２４】
請求項１７に記載の発明は、ガスタービンエンジンを用いて高純度の酸素を製造可能な酸素製造方法において、固体電解質型酸素分離膜によって仕切られた第１空間と第２空間とを具備している酸素分離膜ユニットの上記第１空間に上記ガスタービンエンジンのコンプレッサによって圧縮された空気を供給して上記第２空間へ酸素を分離する酸素分離段階と、真空ポンプを用いて上記第２空間を減圧する減圧段階とを有する酸素製造方法である。
【００２５】
請求項１８に記載の発明は、請求項１７に記載の酸素製造方法において、上記酸素分離段階は、上記コンプレッサによって圧縮された空気に燃料を加えて第１の燃焼をさせることによって発生した燃焼ガスを含む空気を、上記酸素分離膜ユニットに供給して酸素を分離する段階であり、上記第１空間に供給された空気のうちで、上記固体電解質型酸素分離膜を通過しない残りの空気に燃料を加えて第２の燃焼をさせることによって発生した燃焼ガスを含む空気を用いて、上記ガスタービンエンジンのタービンを駆動している酸素製造方法である。
【００２６】
請求項１９に記載の発明は、請求項１７または請求項１８に記載の酸素製造方法において、上記真空ポンプは、上記ガスタービンエンジンの排熱ボイラによって生成された蒸気、上記第２空間へ分離された高温の酸素によって生成された蒸気のうちの少なくとも一方を用いて駆動される酸素製造方法である。
【００２７】
請求項２０に記載の発明は、請求項１７〜請求項１９のいずれか１項に記載の酸素製造方法において、上記分離された酸素を圧縮する酸素圧縮段階を有する酸素製造方法である。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、ガスタービンエンジンと固体電解質型酸素分離膜とを用いて高純度の酸素を製造可能な酸素製造装置において、高純度の酸素を効率良く製造可能であると共に、上記固体電解質型酸素分離膜への水の付着を防止することができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
［第１の実施形態］
図1は、本発明の第１の実施形態に係る酸素製造装置３とこの酸素製造装置３が設けられているガスタービンエンジン１との概略構成を示すブロック図である。
【００３０】
酸素製造装置３は、ガスタービンエンジン１を用いて高純度の酸素を製造可能な装置であり、酸素分離膜ユニット５を備えている。また、ガスタービンエンジン１は、コンプレッサ７とこのコンプレッサ７に連動連結されているタービン９とを備えている。
【００３１】
上記酸素分離膜ユニット５は、固体（固形）電解質型酸素分離膜（メンブレン）１１によって仕切られた第１空間（第１の部屋）１３と第２空間（第２の部屋）１５とを具備し、上記ガスタービンエンジン１のコンプレッサ７によって圧縮された高温の空気を上記第１空間１３に導入し、上記圧縮空気中に存在している酸素の一部を、上記固体電解質型酸素分離膜１１を用いて上記第２空間１５に分離可能なように構成されている。
【００３２】
なお、上記酸素分離膜ユニット５は、筐体１７を備え、この筐体１７によって外部とは仕切られた内部空間内に上記固体電解質型酸素分離膜１１が設けられ、上記内部空間内に、上記第１空間１３と上記第２空間１５とが形成されている。
【００３３】
上記固体電解質型酸素分離膜１１は、たとえば、固形電解質イオン伝導体膜（ｓｏｌｉｄ  ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ  ｉｏｎｉｃ）または、混合型伝導体膜（ｍｉｘｅｄ  ｃｏｎｄｕｃｔｏｒｍｅｍｂｒａｎｅ）で構成されており、これらをセリック（ＳＥＬＩＣ）膜という場合がある。
【００３４】
そして、上記固体電解質型酸素分離膜１１の高酸素分圧側の表面（上記第１空間１３に接する面）では、Ｏ２＋４ｅ−→２Ｏ２−の反応がおこり、この反応によって生成された酸素イオン（２Ｏ２−）が、上記固体電解質型酸素分離膜１１内を通って上記固体電解質型酸素分離膜１１の低酸素分圧側の表面（上記第２空間１５に接する面）まで移動し、上記低酸素分圧側の表面で、２Ｏ２−→Ｏ２＋４ｅ−の反応がおこり、この反応によって生成された酸素（酸素分子）Ｏ２が、上記固体電解質型酸素分離膜１１の低酸素分圧側の表面（第２空間１５に接する面）から離反して、上記第２空間１５内に放出されるようになっている。
【００３５】
また、上記固体電解質型酸素分離膜１１の低酸素分圧側の表面（上記第２空間１５に接する面）で生成された電子（４ｅ−）は、上記固体電解質型酸素分離膜１１内を通って上記固体電解質型酸素分離膜１１の高酸素分圧側の表面（上記第１空間１３に接する面）まで移動し、上記固体電解質型酸素分離膜１１の高酸素分圧側での酸素Ｏ２のイオン化に使用される。
【００３６】
すなわち、上記固体電解質型酸素分離膜１１の高酸素分圧側の表面から低酸素分圧側の表面に向かう方向に、酸素イオンが移動し、これとは逆方向、すなわち、低酸素分圧側の表面から高酸素分圧側の表面に向かう方向に電子が移動して、上記固体電解質型酸素分離膜１１の高酸素分圧側から低酸素分圧側へ（第１空間１３から第２空間１５へ）酸素が移動するものである。
【００３７】
ガスタービンエンジン１のコンプレッサ７の下流側（コンプレッサ７と酸素分離膜ユニット５との間）には、上記コンプレッサ７によって圧縮された空気に燃料を加えて燃焼させる第１燃焼器１９が設けられており、上記酸素分離膜ユニット５の下流側（上記酸素分離膜ユニット５とタービン９との間）には、上記酸素分離膜ユニット５の上記第１空間１３に供給された空気のうちで、上記固体電解質型酸素分離膜１１を通過しない残りの空気、すなわち、上記酸素分離膜ユニット５によって高純度の酸素（体積比で９９％以上の酸素で構成された気体）が分離されて酸素の割合が減少した空気に燃料を加えて燃焼させる第２燃焼器２１が設けられている。
【００３８】
そして、上記コンプレッサ７で圧縮された圧縮空気が上記第１燃焼器１９に供給され、上記第１燃焼器１９から排出された燃焼ガスを含む空気（たとえば、８５０℃〜９００℃であって体積比（分圧の比）で約１６〜１８％の酸素を含む空気）が、上記酸素分離膜ユニット５の第１空間１３に供給されて、酸素が上記第１空間１３から上記第２空間１５へ上記固体電解質型酸素分離膜１１を介して分離されるようになっている。
【００３９】
また、上記第１空間１３から排出された空気（上記酸素分離膜ユニット５によって高純度の酸素が分離されて酸素の割合がたとえば約１３％〜１５％に減少した空気）が上記第２燃焼器２１に供給され、上記第２燃焼器２１から排出された燃焼ガスを含む空気（たとえば、１１００℃〜１４００℃であって体積比で約１１〜１３％の酸素を含む空気）が、上記タービン９に供給されて上記タービン９が回転する。
【００４０】
なお、酸素分離膜ユニット５で純度の高い酸素を分離し、上記タービン９を回転駆動させることができるのであれば、上記各燃焼器１９、２１についての構成を変更してもよい。
【００４１】
たとえば、上記各燃焼器１９、２１のうちいずれか一方の燃焼器を削除してもよい。
【００４２】
また、たとえば、上記第２燃焼器２１を削除し、第１燃焼器１９から排出される燃焼ガスを含む空気の一部を上記酸素分離膜ユニット５に供給し、残りを上記タービン９に供給してもよい。この場合、上記酸素分離膜ユニット５に供給された空気は、酸素の一部が分離された後、上記タービン９に供給されるものとする。
【００４３】
さらに、たとえば、上記第２燃焼器２１を削除し、コンプレッサから排出される圧縮空気の一部を上記酸素分離膜ユニット５に供給し、残りを上記第１燃焼器１９に供給し、上記第１燃焼器１９から排出される燃焼ガスを含む空気を上記タービン９に供給するようにしてもよい。この場合、上記酸素分離膜ユニット５に供給された空気は、酸素の一部が分離された後、上記第１燃焼器１９または上記タービン９に供給されるものとする。
【００４４】
また、酸素製造装置３には、上記酸素分離膜ユニット５の上記第２空間１５の酸素を吸引して上記第２空間１５の酸素の分圧を減圧可能なエゼクタ２３が設けられていると共に、上記第２の空間１５と上記エゼクタ２３との間には、排熱ボイラ（上記第２空間１５へ分離された高温の酸素を用いて蒸気を生成する排熱ボイラ）３０が設けられている。
【００４５】
上記排熱ボイラ３０を設けたことによって、上記第２空間１５へ分離された酸素を効率良く冷却することができる。
【００４６】
上記エゼクタ２３は、図１に示すように、上記ガスタービンエンジン１の排熱ボイラ（上記ガスタービンエンジン１のタービン９を駆動するために使用された燃焼ガスを含む空気で蒸気を発生することができるボイラ）２４によって生成された蒸気（たとえば水蒸気）、上記排熱ボイラ３０で生成された蒸気（たとえば水蒸気）で駆動するようになっている。
【００４７】
なお、上記各排熱ボイラ２４、３０で生成された蒸気の供給経路（図１に示されている蒸気の経路）を適宜変更し、上記排熱ボイラ２４によって生成された蒸気、上記排熱ボイラ３０によって生成された蒸気のうちの少なくとも一方の蒸気を用いて上記エゼクタ２３を駆動するようにしてもよい。
【００４８】
図２は、エゼクタ２３の概略構成を示す断面図である。
【００４９】
上記エゼクタ２３は、内部に空間２５を具備した筐体２７を備え、この筐体２７には、駆動流体（たとえば蒸気）を供給するための駆動流体供給孔２９と、流体（たとえば酸素）を吸入するための流体吸入孔３１と、流体（たとえば、蒸気と酸素とが混合された気体）を吐出するための流体吐出孔３３とが設けられている。
【００５０】
また、上記駆動流体供給孔２９から上記筐体の内部空間２５にかけて、ノズル３５が設けられており、上記流体吐出孔３３には、ディフューザ３７が設けられている。なお、上記ノズル３５と上記ディフューザ３７とは、ほぼ同一直線状にそれぞれが延伸して設けられており、上記ノズル３５の出口３５Ａと上記ディフューザ３７の入口３７Ａとは互いが対向している。
【００５１】
また、図１に示すように、上記駆動流体供給孔２９は、上記排熱ボイラ２４に接続されており、上記流体吸入孔３１は、排熱ボイラ３０を介して上記第２空間１５に接続されており、上記ディフューザ３７の出口３７Ｂは、コンデンサ３９に接続されている。
【００５２】
なお、上記排熱ボイラ２４で生成された蒸気や上記排熱ボイラ３０で生成された蒸気の一部を、プロセス蒸気として使用してもよい。
【００５３】
上記駆動流体供給孔２９に、排熱ボイラ２４で生成された蒸気や上記排熱ボイラ３０で生成された蒸気を供給すると、この蒸気が上記ノズル３５から吐出し、この吐出によるベンチェリ効果で、上記空間２５に負圧が発生し、この負圧によって、上記第２空間１５内の酸素を吸引することができるようになっている。
【００５４】
また、上記筐体２７の内部空間２５内における上記ノズル３５の出口近傍で、上記駆動流体供給孔２９から供給された蒸気と上記流体吸入孔３１で吸引した酸素とが混合され、この混合された流体が上記ディフューザ３７を通って上記ディフューザの出口３７Ｂから吐出され、上記コンデンサ３９に供給されるようになっている。
【００５５】
なお、上記混合された流体の流速は、上記ディフューザ３７の出口３７Ｂよりも入口３７Ａのほうで速く、一方、上記混合された流体の圧力は、上記ディフューザ３７の入口３７Ａよりも出口３７Ｂのほうで高い。つまり、上記ディフューザ３７によって、上記混合された流体の速度が圧力に変換されるようになっている。
【００５６】
コンデンサ３９は、上記エゼクタ２３の駆動に使用された蒸気と、上記エゼクタ２３によって上記第２空間１５から排出された（吸引された）酸素とが混合されている流体（気体）を、酸素（たとえば気体状態の酸素）と蒸気（たとえば蒸気が液化した状態の水）とに分離可能なものである。
【００５７】
なお、上記コンデンサ３９で分離された酸素は、圧縮機４１に送られて、この圧縮機４１で圧縮されるようになっている。上記圧縮機４１は、たとえば、上記ガスタービンエンジン１の排熱ボイラ２４によって生成された蒸気、上記第２空間１５へ分離された高温の酸素によって生成された蒸気（排熱ボイラ３０で生成された蒸気）で駆動するようになっている。より詳しく説明すると、上記蒸気で蒸気タービン４３を駆動しこの蒸気タービン４３で圧縮機４１を駆動するようになっている。
【００５８】
なお、上記エゼクタ２３を駆動する場合と同様に、上記排熱ボイラ２４によって生成された蒸気、上記排熱ボイラ３０によって生成された蒸気のうちの少なくとも一方の蒸気を用いて、蒸気圧縮機４１を駆動するようにしてもよい。
【００５９】
次に、酸素製造装置３の動作について説明する。
【００６０】
ガスタービンエンジン１が稼動している状態において、ガスタービンエンジン１のコンプレッサ７によって圧縮された空気に燃料を加えて、第１燃焼器１９で第１の燃焼をさせている。
【００６１】
上記第１の燃焼によって発生した燃焼ガスを含む空気が、上記酸素分離膜ユニット５の第１空間１３に供給され、固体電解質型酸素分離膜１１を介して、第２空間１５へ、上記第１空間１３に存在している酸素の一部が分離されている。
【００６２】
上記酸素を分離しているときに、エゼクタ２３を用いて上記第２空間１５内を減圧している。すなわち、上記第２空間１５の酸素を吸引して上記第２空間１５の酸素の分圧を減じている
なお、上記エゼクタ２３は、上記ガスタービンエンジン１の排熱ボイラ２４によって生成された蒸気、上記第２空間１５へ分離された高温の酸素によって生成された蒸気のうちの少なくとも一方を用いて駆動されている。
【００６３】
また、上記第１空間１３に供給された空気のうちで、上記固体電解質型酸素分離膜１１を通過しない残りの空気を第２燃焼器２１に導き、この第２燃焼器２１で燃料を加えて第２の燃焼をさせることによって発生した燃焼ガスを含む空気を用いて、上記ガスタービンエンジン１のタービン９が駆動されている。
【００６４】
また、上記エゼクタ２３に使用された蒸気と上記エゼクタ２３によって上記第２空間１５から排出された酸素とが混合されている気体が、コンデンサ３９で酸素と水とに分離され、分離された水が上記コンデンサ３９から排出され、分離された酸素が圧縮機４１に供給されている。
【００６５】
そして、上記分離されて上記圧縮機４１に供給された酸素が、上記圧縮機４１によって圧縮され、たとえば、圧縮された酸素を蓄えることが可能な酸素貯蔵器に蓄えられる。
【００６６】
酸素製造装置３によれば、上記第２空間１５に蒸気が供給されているわけではなく、酸素分離膜ユニット５の上記第２空間１５（低酸素分圧側の空間）に存在している酸素をエゼクタ２３で吸引し上記第２空間１５内の酸素分圧を下げているので、効率良く純度の高い酸素を製造することができると共に、たとえば、上記酸素製造装置３の運転を停止しても、上記エゼクタ２３の駆動に使用している蒸気が上記第２空間１５に入り込むおそれがなく、上記固体電解質型酸素分離膜１１への水の付着を防止することができる。
【００６７】
また、酸素製造装置３によれば、上記第２空間１５の減圧に、構成が簡素であるエゼクタ２３を用いているので、装置全体の構成が簡素になっている。
【００６８】
また、上記コンプレッサ７で圧縮された４００℃〜５００℃の圧縮空気に燃料を加えて上記第１燃焼器１９で燃焼させ、この燃焼で生成された燃焼ガスを含む８５０℃〜９００℃の空気を、８５０℃〜９００℃の温度で最も効率良く働く上記酸素分離膜ユニット５に供給するので、効率良く酸素を分離することができ、また、上記酸素分離膜ユニット５から出てきた空気に燃料を加えて上記第２燃焼器２１で燃焼させ、この燃焼で生成された燃焼ガスを含む１１００℃〜１４００℃の空気でタービン９を駆動するので、効率良く上記ガスタービンエンジン１を運転することができる。
【００６９】
また、エゼクタ２３の駆動を、上記ガスタービンエンジン１の排熱ボイラ２４によって生成される蒸気によって行うので、ガスタービンエンジン１を効率良く運転することができる。
【００７０】
つまり、ガスタービンエンジン１のタービン９の回転力を上記第２空間１５を減圧するために用いてはいないので、ガスタービンエンジン１のタービン９の回転力を発電等の本来の目的に効率良く用いることができる。
【００７１】
なお、上記排熱ボイラ２４によって生成された蒸気に代えてまたは加えて上記第２空間１５へ分離された高温の酸素によって生成された蒸気を用いて、換言すれば、上記排熱ボイラ２４によって生成された蒸気、上記第２空間１５へ分離された高温の酸素によって（高温の酸素とたとえばボイラを用いて）生成された蒸気の少なくとも一方を用いて上記エゼクタ２３を駆動するようにしてもよい。
【００７２】
このように上記第２空間１５へ分離された高温の酸素で蒸気を生成すれば、上記第２空間１５へ分離された酸素の温度を下げることができ、上記第２空間１５へ分離された酸素の温度を下げる装置を別途設ける必要がなく、装置の構成を簡素化することができる。
【００７３】
また、酸素分離製造装置３によれば、コンデンサ３９を設けているので、エゼクタ２３（ディフューザ３７の出口３７Ｂ）から、蒸気を含んだ酸素が出てきても、蒸気と酸素とを分離することができ、酸素のみを得ることができる。
【００７４】
また、酸素製造装置３によれば、コンデンサ３９によって分離された酸素を圧縮機４１で圧縮するので、体積が減少することによって取り扱い容易になった酸素を得ることができる。
【００７５】
なお、上記圧縮機４１を、上記エゼクタ２３の場合と同様に、上記ガスタービンエンジン１の排熱ボイラ２４によって生成された蒸気、上記第２空間１５へ分離された高温の酸素によって生成された蒸気のうちの少なくとも一方を用いて駆動すれば、エゼクタ２３を用いた場合と同様に、ガスタービンエンジン１のタービン９の回転力を発電等の本来の目的に効率良く用いることができ、さらに、上記第２空間１５へ分離された高温の酸素によって生成された蒸気を使用すれば、上記第２空間１５へ分離された酸素の温度を下げることができる。
【００７６】
［第２の実施形態］
次に、本発明の第２の実施形態に係る酸素製造装置３Ａとこの酸素製造装置３Ａが設けられているガスタービンエンジン１Ａについて説明する。
【００７７】
図３は、本発明の第２の実施形態に係る酸素製造装置３Ａとこの酸素製造装置３Ａが設けられているガスタービンエンジン１Ａとの概略構成を示すブロック図である。
【００７８】
酸素製造装置３Ａは、エゼクタ２３とコンデンサ３９とが削除され、代わりに真空ポンプ４５を設け、この真空ポンプ４５で、酸素分離膜ユニット５の第２空間１５の酸素を吸引するようになっている点が、第１の実施形態に係る酸素製造装置３とは異なり、その他の点は、酸素製造装置３とほぼ同様に構成されている。なお、図３に示した各構成部品のうちで、第１の実施形態に係る構成部品と同じものには、図１の場合と同じ番号を付してある。
【００７９】
すなわち、酸素製造装置３Ａは、ガスタービンエンジン１Ａを用いて高純度の酸素を製造可能な装置であり、酸素分離膜ユニット５を備えている。
【００８０】
より詳しく説明すると、コンプレッサ７によって圧縮された空気に燃料を加えて第１燃焼器１９で燃焼させ、上記第１燃焼器１９で生成された燃焼ガスを含む空気が上記酸素分離膜ユニット５の第１空間１３に供給され、上記酸素分離膜ユニット５の第２空間１５へ酸素が分離されるようになっている。
【００８１】
また、上記ガスタービンエンジン１Ａの排熱ボイラ２４によって生成された蒸気、上記第２空間１５へ分離された高温の酸素によって生成された蒸気（上記排熱ボイラ３０で生成された蒸気）を用いて真空ポンプ４５を駆動し、上記第２空間１５を減圧可能なように構成されている。なお、上記真空ポンプ４５は、たとえば、上記排熱ボイラ２４からの蒸気、上記排熱ボイラ３０で生成された蒸気で蒸気タービン４７を駆動し、この蒸気タービン４７で駆動されるようになっている。
【００８２】
なお、上記第１の実施形態に係る酸素製造装置３と同様に、上記排熱ボイラ２４によって生成された蒸気、上記排熱ボイラ３０によって生成された蒸気のうちの少なくとも一方の蒸気を用いて、上記真空ポンプ４５を駆動するようにしてもよい。
【００８３】
また、上記第１空間１３に供給された空気のうちで、上記固体電解質型酸素分離膜１１を通過しない残りの空気に燃料を加えて、第２燃焼器２１で燃焼させ、この第２燃焼器で生成された燃焼ガスを含む空気が、上記ガスタービンエンジン１Ａのタービン９に供給されるように構成されている。
【００８４】
さらに、上記排熱ボイラ２４によって生成された蒸気、上記第２空間１５へ分離された高温の酸素によって生成された蒸気（上記排熱ボイラ３０で生成された蒸気）を用いて、上記真空ポンプ４５によって上記第２空間１５から吸引され上記真空ポンプ４５から排出された酸素を、圧縮機４１で圧縮可能なように構成されている。
【００８５】
なお、上記第１の実施形態に係る酸素製造装置３と同様に、上記排熱ボイラ２４によって生成された蒸気、上記排熱ボイラ３０によって生成された蒸気のうちの少なくとも一方の蒸気を用いて、上記圧縮機４１を駆動するようにしてもよい。
【００８６】
次に、酸素製造装置３Ａの動作について説明する。
【００８７】
酸素製造装置３Ａは、酸素分離膜ユニット５の第２空間１５の酸素分圧を、真空ポンプ４５を用いて減じており、さらに、コンデンサで蒸気と酸素とを分離していない点が、上記第１の実施形態に係る酸素製造装置３とは異なり、その他の点は、酸素製造装置３とほぼ同様に動作する。
【００８８】
すなわち、ガスタービンエンジン１Ａが稼動している状態において、ガスタービンエンジン１Ａのコンプレッサ７によって圧縮された空気に燃料を加えて、第１燃焼器１９で第１の燃焼をさせている。
【００８９】
上記第１の燃焼によって発生した燃焼ガスを含む空気が、上記酸素分離膜ユニット５の第１空間１３に供給され、固体電解質型酸素分離膜１１を介して、第２空間１５へ、上記第１空間１３に存在している酸素の一部が分離されている。
【００９０】
上記酸素を分離しているときに、真空ポンプ４５を用いて上記第２空間１５内を減圧する。すなわち、上記第２空間１５の酸素を吸引して上記第２空間１５の酸素の分圧を減じている。
【００９１】
また、上記第１空間１３に供給された空気のうちで、上記固体電解質型酸素分離膜１１を通過しない残りの空気を第２燃焼器２１に導き、この第２燃焼器２１で燃料を加えて第２の燃焼をさせることによって発生した燃焼ガスを含む空気を用いて、上記ガスタービンエンジン１のタービン９が駆動されている。
【００９２】
また、酸素分離膜ユニットで分離されて上記真空ポンプ４５で吸引された酸素が、上記圧縮機４１に供給されて圧縮され、たとえば、圧縮された酸素を蓄えることが可能な酸素貯蔵器に蓄えられる。
【００９３】
酸素製造装置３Ａによれば、第１の実施形態に係る酸素製造装置３とほぼ同様の効果を奏すると共に、真空ポンプ４５で酸素を吸引しているので、吸引された酸素に蒸気が付加されることがなく、第１の実施形態に係る酸素製造装置３のように蒸気を分離するためのコンデンサを設置しなくても、純度の高い酸素を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００９４】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る酸素製造装置とこの酸素製造装置が設けられているガスタービンエンジンとの概略構成を示すブロック図である。
【図２】エゼクタの概略構成を示す断面図である。
【図３】本発明の第２の実施形態に係る酸素製造装置とこの酸素製造装置が設けられているガスタービンエンジンとの概略構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００９５】
１、１Ａ  ガスタービンエンジン
３、３Ａ  酸素製造装置
５  酸素分離膜ユニット
７  コンプレッサ
９  タービン
１１  固体電解質型酸素分離膜
１３  第１空間
１５  第２空間
１９  第１燃焼器
２１  第２燃焼器
２３  エゼクタ
２４  排熱ボイラ
３９  コンデンサ
４１  圧縮機
４３  真空ポンプ
【図１】
2005281027.tif 000003
【図２】
2005281027.tif 000004
【図３】
2005281027.tif 000005