(57)【要約】【課題】より低速・長時間かつ高速・短時間運用を高速に切り換えることができる動力発生装置を提供することを目的とする。【解決手段】酸素ガスを発生させる酸素ガス発生装置３と、水素ガスを発生させる水素ガス発生装置２と、酸素ガスと前記水素ガスとによる電気化学反応により発電を行なう燃料電池２０と、水素ガスと酸素ガスとを反応させて水蒸気を発生させる燃焼器４と、水蒸気が供給されて動力を発生するタービン７と、燃料電池２０及び燃焼器４に対する酸素ガス及び水素ガスの供給を制御する制御部５０と、を備えたダイナミックレンジ向上型動力発生装置１を採用する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素ガスを発生させる酸素ガス発生手段と、
水素ガスを発生させる水素ガス発生手段と、
前記酸素ガスと前記水素ガスとによる電気化学反応により発電を行なう燃料電池と、
前記水素ガスと前記酸素ガスとを反応させて水蒸気を発生させる燃焼器と、
前記水蒸気が供給されて動力を発生するタービンと、
前記燃料電池及び前記燃焼器に対する前記酸素ガス及び前記水素ガスの供給を制御する制御部と、を備えた動力発生装置。
【請求項２】
前記燃焼器で反応しなかった未燃ガスとして前記酸素ガスまたは前記水素ガスが前記タービンを経由して前記燃料電池に導かれ、該燃料電池において前記未燃ガスが反応処理される、請求項１に記載の動力発生装置。
【請求項３】
前記燃料電池に対して前記酸素ガスを供給する酸素ガス供給路は、前記燃焼器及び前記タービンを経由してなる、請求項１または２に記載の動力発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水中航走体の動力源として適用可能な、水素ガスと酸素ガスを利用して燃料電池とタービンとを組み合わせて駆動する動力発生装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の動力発生装置としては、例えば、特許文献１にあるように、タービンを駆動源とした技術が知られている。また、水素と酸素とを電気化学的に反応させて電力を得るようにした燃料電池を適用した技術も開発されている（例えば、特許文献２参照。）。
【特許文献１】特開２０００−２７４２１３号公報
【特許文献２】特開２０００−２７７１４０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、従来においては、低速・長時間、もしくは高速・短時間運用しかできなかった。このため、より広い出力範囲で使用可能な動力発生装置の開発が望まれている。
【０００４】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、より低速・長時間かつ高速・短時間運用を高速に切り換えることができる動力発生装置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】
【０００５】
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
本発明は、酸素ガスを発生させる酸素ガス発生手段と、水素ガスを発生させる水素ガス発生手段と、前記酸素ガスと前記水素ガスとによる電気化学反応により発電を行なう燃料電池と、前記水素ガスと前記酸素ガスとを反応させて水蒸気を発生させる燃焼器と、前記水蒸気が供給されて動力を発生するタービンと、前記燃料電池及び前記燃焼器に対する前記酸素ガス及び前記水素ガスの供給を制御する制御部と、を備えた動力発生装置を採用する。
【０００６】
制御部により酸素ガス及び水素ガスの流れを燃焼器側（タービン側）と燃料電池側とに適宜制御することが可能であり、低出力時には燃料電池を駆動源として使用し、高出力時にはタービンを駆動源として使用することが可能となる。
【０００７】
上記発明において、前記燃焼器で反応しなかった未燃ガスとして前記酸素ガスまたは前記水素ガスが前記タービンを経由して前記燃料電池に導かれ、該燃料電池において前記未燃ガスが反応処理されることとしてもよい。
【０００８】
このようにすることで、燃料電池において燃焼器の未燃ガスが反応処理されるため、未燃ガス処理装置を別途設ける必要がない。
【０００９】
上記発明において、前記燃料電池に対して前記酸素ガスを供給する酸素ガス供給路は、前記燃焼器及び前記タービンを経由してなることとしてもよい。
【００１０】
酸素ガスがタービンを経由する構成であり、酸素ガス発生手段から燃料電池に直接酸素ガスを導く流路を設ける必要が無く、構成が簡略化される。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、燃料電池とタービンとを駆動源として切り換えて使用することが可能となり、より広い出力範囲において高速に切り換え可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
〔第１の実施形態〕
図１は本発明の第１の実施形態に係るダイナミックレンジ向上型動力発生装置の構成図である。図１に示すように、本実施の形態のダイナミックレンジ向上型動力発生装置１は、タービン系１Ａと燃料電池系１Ｂとを組み合わせてなるものである。
【００１３】
タービン系１Ａは、金属燃料と水とを反応させて水素を発生させる水素発生装置２と、酸素発生剤を加熱分解して酸素を発生させる酸素発生装置３と、酸素と水素とを燃焼反応させて水蒸気を発生させる燃焼器４と、水蒸気が供給されることにより動力を発生させ、減速器５を介して推進器６を回転させるタービン７と、タービン７から排出された水蒸気を冷却して水に戻す復水器８と、復水器８からの水を貯溜する気水分離器９と、水素発生装置２への気水分離器９内の水の送給量を制御する給水ポンプ１０と、気水分離器９内に貯溜した残ガスを処理する未燃ガス処理装置１１とを備えている。さらに、減速器５と推進器６との間には発電機１２が介装され、発電機１２の出力を蓄電する二次電池１３が設けられている。発電機１２は二次電池１３から電力を受けて駆動するモータを兼ねている。
【００１４】
燃料電池系１Ｂは、水素発生装置２から供給される水素と酸素発生装置３から供給される酸素とを用い、水素ガス及び酸化ガスの電気化学反応により、電力を発生する燃料電池２０を備えている。燃料電池２０は出力が二次電池１３を介して発電機１２に与えられ、また、燃料電池２０内部で発生する水が排水路２１を経て気水分離器９へ導入されるようになっている。
【００１５】
次に、配管系について説明する。水素発生装置２からは、燃焼器４、燃料電池２０、及び未燃ガス処理装置１１に対して水素供給管３１，３２、３３がそれぞれ接続し、水素供給管３１には弁Ｖｈｃ、水素供給管３２には弁Ｖｈｆ、水素供給管３３には弁Ｖｈｅが介装されている。酸素発生装置３からは、燃焼器４、燃料電池２０、及び未燃ガス処理装置１１に酸素供給管３５，３６，３７がそれぞれ接続し、酸素供給管３５には弁Ｖｏｃ、酸素供給管３６には弁Ｖｏｆ、酸素供給管３７には弁Ｖｏｅが介装されている。これら各弁Ｖｈｃ、Ｖｈｆ、Ｖｈｅ、Ｖｏｃ、Ｖｏｆ、Ｖｏｅ、及び他の構成要素は、制御部５０により制御される。
【００１６】
このように構成されたダイナミックレンジ向上型動力発生装置１では、タービン系１Ａにおいては、水素発生装置２及び酸素発生装置３から供給されたガスにより燃焼器４で水蒸気を発生させ、タービン７を駆動して推進力を得る。タービン７から出てくる水蒸気は、復水器８で冷却されて水に戻された後に気水分離器９に送り込まれる。未反応の残ガスが、気水分離器９から未燃ガス処理装置１１に送られ、水素ガスまたは酸素ガスを用いて処理される。また二次電池１３の充電が行なわれる。
燃料電池系１Ｂでは、水素発生装置２及び酸素発生装置３から供給されたガスにより燃料電池２０において電気化学反応により発電が行なわれ、二次電池１３への充電及び発電機１２を介して推進力に変換される。
燃料電池２０で電気化学反応の結果生じた水は、排水路２１を介して気水分離器９へ送られる。
【００１７】
図２に制御部５０による作動シーケンスを示した。
起動（圧力上昇）時Ａは、二次電池１３を駆動源とする。低出力時には弁Ｖｈｆ，Ｖｏｆを開き、燃料電池を駆動源とする（符号Ｂ）。符号Ｃの高出力時には、弁Ｖｈｆ，Ｖｏｆを閉じて燃料電池２０の出力を停止するとともに、弁Ｖｈｃ，Ｖｏｃを開き、タービン７を駆動させる。このとき、弁Ｖｈｅ、Ｖｏｅを開閉しながら、未燃ガス（水素ガスまたは酸素ガス）を未燃ガス処理装置１１で反応処理する。その後出力を下げる場合には符号Ｄのように燃料電池を駆動源とする。
このように、二次電池（Ａ）、燃料電池（Ｂ）、タービン（Ｃ）と、切り換えることができるため、起動時から高出力時まで幅広い出力範囲に高速に切り換えることができる。
【００１８】
このように、タービンと燃料電池とを組み合わせることにより、低出力時に燃料電池により高い効率得ることができると共に、高出力エンジンとしてのタービンの特質を両立することができる。燃料は同じ水素と酸素を利用しているため、例えば、エンジンと二次電池を組み合わせたシステムでは、それぞれのエネルギ配分を設計段階で決定するため、長時間運用時間が十分でなくても高出力エンジンに切り換える必要があるなどの問題がない。
【００１９】
〔第２の実施形態〕
図３は本発明の第２の実施形態に係るダイナミックレンジ向上型動力発生装置の構成図である。本実施の形態のダイナミックレンジ向上型動力発生装置６０は、タービン系６０Ａと燃料電池系６０Ｂとを組み合わせてなるものである。
【００２０】
タービン系６０Ａは、金属燃料と水とを反応させて水素を発生させる水素発生装置６２と、酸素発生剤を加熱分解して酸素を発生させる酸素発生装置６３と、酸素と水素とを燃焼反応させて水蒸気を発生させる燃焼器６４と、水蒸気が供給されることにより動力を発生させ、減速器６５を介して推進器６６を回転させるタービン６７と、タービン６７から排出された水蒸気を冷却して水に戻す復水器６８と、復水器６８からの水を貯溜する気水分離器６９と、水素発生装置６２への気水分離器６９内の水の送給量を制御する給水ポンプ７０と、を備えている。さらに、減速器６５と推進器６６との間には発電機７２が介装され、発電機７２の出力を蓄電する二次電池７３が設けられている。発電機７２は二次電池７３から電力を受けて駆動するモータを兼ねている。
【００２１】
燃料電池系６０Ｂは、水素発生装置６２から供給される水素と酸素発生装置６３から供給される酸素とを用い、水素ガス及び酸化ガスの電気化学反応により、電力を発生する燃料電池８０を備えている。燃料電池８０は出力が二次電池７３を介して発電機７２に与えられ、また、燃料電池８０内部で発生する水が排水路９１を経て気水分離器６９へ導入されるようになっている。
【００２２】
次に、配管系について説明する。水素発生装置６２からは、燃焼器６４及び燃料電池８０に対して水素供給管１０１，１０２がそれぞれ接続し、水素供給管１０１には弁Ｖｈｃ、水素供給管１０２には弁Ｖｈｆが介装されている。酸素発生装置６３からは、燃焼器６４と燃料電池８０とに酸素供給管１０５、１０６が接続している。酸素供給管１０５には弁Ｖｏｃが、酸素供給管１０６には弁Ｖｏｆがそれぞれ介装している。さらに、気水分離器６９から未反応の酸素ガスを燃料電池８０に導く未燃ガス路９２が設けられている。これら各弁Ｖｈｃ、Ｖｈｆ、Ｖｏｃ、Ｖｏｆ及び他の構成要素は、制御部１１０により制御される。
【００２３】
このように構成されたダイナミックレンジ向上型動力発生装置６０では、タービン系６０Ａにおいては、水素発生装置６２及び酸素発生装置６３から供給されたガスにより燃焼器６４で水蒸気を発生させ、タービン６７を駆動して推進力を得る。タービン６７から出てくる水蒸気は、復水器６８で冷却されて水に戻された後に気水分離器６９に送り込まれる。また二次電池７３の充電が行なわれる。
【００２４】
燃料電池系６０Ｂでは、水素発生装置６２及び酸素発生装置６３から供給されたガスにより燃料電池８０において電気化学反応により発電が行なわれ、二次電池７３の充電及び発電機７２を介して推進力に変換される。
燃料電池８０で電気化学反応の結果生じた水は、排水路９１を介して気水分離器６９へ送られる。
なお、本例では、未燃ガス路９２を介して燃料電池８０に対して送られる未燃ガスは、水素ガスではなく酸素ガスである必要があるため、酸素ガスリッチ状態となるようにガス量が制御される。
【００２５】
図４に制御部１１０による作動シーケンスを示した。起動（圧力上昇）時Ａは、二次電池７３を駆動源とする。低出力時には弁Ｖｈｆ，Ｖｏｆを開き、燃料電池を駆動源とする（符号Ｂ）。符号Ｃの高出力時には、弁Ｖｈｆ，Ｖｏｆを閉じて燃料電池２０の出力を停止するとともに、弁Ｖｈｃ，Ｖｏｃを開き、タービン７を駆動させる。このとき、弁Ｖｈｆを開閉することで、燃料電池８０に対して水素ガスを適切な量供給し、未燃ガス路９２を経て燃料電池８０に導かれた酸素ガスを反応処理する。その後出力を下げる場合には符号Ｄのように燃料電池を駆動源とする。
このように、二次電池（Ａ）、燃料電池（Ｂ）、タービン（Ｃ）と、切り換えることができるため、起動時から高出力時まで幅広い出力範囲に高速に切り換えることができる。
【００２６】
このように、タービンと燃料電池とを組み合わせることにより、低出力時に燃料電池により高い効率得ることができると共に、高出力エンジンとしてのタービンの特質を両立することができる。燃料は同じ水素と酸素を利用しているため、例えば、エンジンと二次電池を組み合わせたシステムでは、それぞれのエネルギ配分を設計段階で決定するため、長時間運用時間が十分でなくても高出力エンジンに切り換える必要があるなどの問題がない。
また本実施形態では燃料電池８０を未燃ガス処理装置として使用するため、系統が簡略化され、切り換えバルブの数を減らすことができる。
【００２７】
〔第３の実施形態〕
図５は本発明の第３の実施形態に係るダイナミックレンジ向上型動力発生装置１２０の構成図である。本実施形態は、上記第２実施形態と比較し、燃料電池８０に対する酸素供給管１０６及び弁Ｖｏｆを備えていない。燃料電池８０に対して酸素ガスは燃焼器６４、タービン６７、復水器６８、気水分離器６９、未燃ガス路９２を介して供給される構成である。他の構成は上記第２実施形態と同様であるため、説明を省略する。
【００２８】
図６に制御部１１０による作動シーケンスを示した。
起動（圧力上昇）時Ａは、二次電池７３を駆動源とする。低出力時には弁Ｖｈｆを開き、燃料電池を駆動源とする（符号Ｂ）。酸素ガスはタービン６７、復水器６８等を経由して燃料電池８０に供給される。
符号Ｃの高出力時には、弁Ｖｈｃを開いてタービンを駆動するとともに、弁Ｖｈｆを開閉することで、タービン６７排ガス中の未燃ガスを燃料電池８０にて反応処理させる。すなわち、本実施形態では燃料電池８０は未燃ガス処理装置として機能する。その後出力を下げる場合には符号Ｄのように燃料電池を駆動源とする。
このように、二次電池（Ａ）、燃料電池（Ｂ）、タービン（Ｃ）と、切り換えることができるため、起動時から高出力時まで幅広い出力範囲に高速に切り換えることができる。
【００２９】
このように、タービンと燃料電池とを組み合わせることにより、低出力時に燃料電池により高い効率得ることができると共に、高出力エンジンとしてのタービンの特質を両立することができる。燃料は同じ水素と酸素を利用しているため、例えば、エンジンと二次電池を組み合わせたシステムでは、それぞれのエネルギ配分を設計段階で決定するため、長時間運用時間が十分でなくても高出力エンジンに切り換える必要があるなどの問題がない。
また本実施形態では燃料電池８０を未燃ガス処理装置として使用し、さらにタービン系６０Ａを介して燃料電池８０に酸素を供給する構成であるため、系統が簡略化され、切り換えバルブの数を減らすことができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明に係るダイナミックレンジ向上型動力発生装置の第１の実施形態を概略的に示したシステム構成図である。
【図２】図１のダイナミックレンジ向上型動力発生装置の作動シーケンスである。
【図３】本発明に係るダイナミックレンジ向上型動力発生装置の第２の実施形態を概略的に示したシステム構成図である。
【図４】図３のダイナミックレンジ向上型動力発生装置の作動シーケンスである。
【図５】本発明に係るダイナミックレンジ向上型動力発生装置の第３の実施形態を概略的に示したシステム構成図である。
【図６】図５のダイナミックレンジ向上型動力発生装置の作動シーケンスである。
【符号の説明】
【００３１】
１…ダイナミックレンジ向上型動力発生装置、１Ａ…タービン系、１Ｂ…燃料電池系、２…水素発生装置、３…酸素発生装置、４…燃焼器、７…タービン、１１…未燃ガス処理装置、２０…燃料電池、５０…制御部、６０…ダイナミックレンジ向上型動力発生装置、６０Ａ…タービン系、６０Ｂ…燃料電池系、６２…水素発生装置、６３…酸素発生装置、６４…燃焼器、６７…タービン、８０…燃料電池、９２…未燃ガス路、１１０…制御部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2009211836.tif 000006
【図５】
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【図６】
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