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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B1)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-01-21
(45)【発行日】2022-01-31
(54)【発明の名称】発電装置及び発電方法
(51)【国際特許分類】
H02N 11/00 20060101AFI20220124BHJP
H01L 35/30 20060101ALI20220124BHJP
H02N 3/00 20060101ALI20220124BHJP
【ＦＩ】
H02N11/00 A
H01L35/30
H02N3/00
【請求項の数】
2
(21)【出願番号】P 2021100898
(22)【出願日】2021-06-17
【審査請求日】2021-06-17
【早期審査対象出願】
(73)【特許権者】
【識別番号】520155099
【氏名又は名称】石村 憲之
(74)【代理人】
【識別番号】100095407
【弁理士】
【氏名又は名称】木村 満
(74)【代理人】
【識別番号】100132883
【弁理士】
【氏名又は名称】森川 泰司
(74)【代理人】
【識別番号】100083127
【弁理士】
【氏名又は名称】恒田 勇
(74)【代理人】
【識別番号】100202957
【弁理士】
【氏名又は名称】金森 毅
(74)【代理人】
【識別番号】100173462
【弁理士】
【氏名又は名称】宮本 一浩
(74)【代理人】
【識別番号】100201684
【弁理士】
【氏名又は名称】橋爪 慎哉
(72)【発明者】
【氏名】石村 憲之
【審査官】池田 匡利
(56)【参考文献】
【文献】特開２００５－０３９９３７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１８－０９９００７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００３－０８６２２３（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１８／１８０１３１（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開平０２－２３８１０４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０２０－１４３６７０（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０２Ｎ １１／００
Ｈ０１Ｌ ３５／３０
Ｈ０２Ｎ ３／００
Ｆ０３Ｇ ７／００
Ｆ０１Ｋ ２３／０４，２５／１０
Ｃ２５Ｂ ９／７０
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
熱エネルギーを有する気体が第１の方向に進む熱交換室と、冷媒が、前記第１の方向と直交する面内に、リング状の経路を含む経路で前記熱交換室の内部を進む前記気体と熱透過壁を介して熱的に接して流れる配管と、
前記配管を流れる前記冷媒を減圧する減圧器と、
前記配管を流れる前記冷媒が前記気体から前記熱エネルギーを受け取り、減圧による前記冷媒の温度差に基づいて発電する経路内発電セルと、を備える、
発電装置。
【請求項2】
熱エネルギーを有する気体が第１の方向に進む熱交換室を備える復水器において前記熱エネルギーから発電する発電方法であって、冷媒を、配管の内部において、前記第１の方向と直交する面内に、リング状の経路を含む経路で前記熱交換室の内部を進む前記気体と熱透過壁を介して熱的に接して流すことと、
前記冷媒を減圧器で減圧することと、
前記配管を流れる前記冷媒が前記気体から前記熱エネルギーを受け取り、減圧による前記冷媒の温度差に基づいて、経路内発電セルに発電させることと、を含む、
発電方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、発電装置及び発電方法に関する。
【背景技術】
【0002】
火力発電又は原子力発電においては、石油、石炭などの化石燃料を燃焼させ、又はウラン、プルトニウムなどの核燃料を核分裂させて高温・高圧の水蒸気を発生させ、発電機に接続されているタービンを回すことにより発電が実現されている。
【0003】
このような発電においては、安定した発電を継続するため、水蒸気は、温度の低い冷却水で冷却され、液体の水に戻された上で再利用される。従来の発電では、冷却水の温度を上げることに使われた水蒸気の熱エネルギーは、通常、利用されずに捨てられる。
【0004】
特許文献１には、火力発電所に設置される復水器の一例が記載されている。一般的な火力発電所又は原子力発電所は、数十万キロワットから数百万キロワットの発電能力を有するため、復水器において回収されない熱エネルギーも膨大なものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【文献】特開２０１３－１１３２１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
特許文献１に記載された蒸気配管路は、タービンを通った後の蒸気を加熱するヒータを備える。この技術は、火力発電所において、蒸気をヒータで加熱してボイラーに戻すことによって、熱効率を高めようとするものである。
【0007】
特許文献１に記載された技術においても、蒸気が有する熱エネルギーのうち発電に用いられないものが比較的多く残っているため、熱エネルギーを効率的に利用できないという問題がある。
【0008】
本発明は、上記の問題点に鑑み、捨てられる熱エネルギーを効率的に利用することのできる発電装置及び発電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】
【0009】
上記目的を達成するため、本発明の１つの観点に係る発電装置は、
熱エネルギーを有する気体が第１の方向に進む熱交換室と、
冷媒が、前記第１の方向と直交する面内に、リング状の経路を含む経路で前記熱交換室の内部を進む前記気体と熱透過壁を介して熱的に接して流れる配管と、
前記配管を流れる前記冷媒を減圧する減圧器と、
前記配管を流れる前記冷媒が前記気体から前記熱エネルギーを受け取り、減圧による前記冷媒の温度差に基づいて発電する経路内発電セルと、を備える。
熱エネルギーを有する気体が第１の方向に進む熱交換室と、
冷媒が、前記第１の方向と直交する面内に、リング状の経路を含む経路で前記熱交換室の内部を進む前記気体と熱透過壁を介して熱的に接して流れる配管と、
前記配管を流れる前記冷媒を減圧する減圧器と、
前記配管を流れる前記冷媒が前記気体から前記熱エネルギーを受け取り、減圧による前記冷媒の温度差に基づいて発電する経路内発電セルと、を備える。
【0010】
また、本発明の別の観点に係る発電方法は、
熱エネルギーを有する気体が第１の方向に進む熱交換室を備える復水器において前記熱エネルギーから発電する発電方法であって、
冷媒を、配管の内部において、前記第１の方向と直交する面内に、リング状の経路を含む経路で前記熱交換室の内部を進む前記気体と熱透過壁を介して熱的に接して流すことと、
前記冷媒を減圧器で減圧することと、
前記配管を流れる前記冷媒が前記気体から前記熱エネルギーを受け取り、減圧による前記冷媒の温度差に基づいて、経路内発電セルに発電させることと、を含む。
熱エネルギーを有する気体が第１の方向に進む熱交換室を備える復水器において前記熱エネルギーから発電する発電方法であって、
冷媒を、配管の内部において、前記第１の方向と直交する面内に、リング状の経路を含む経路で前記熱交換室の内部を進む前記気体と熱透過壁を介して熱的に接して流すことと、
前記冷媒を減圧器で減圧することと、
前記配管を流れる前記冷媒が前記気体から前記熱エネルギーを受け取り、減圧による前記冷媒の温度差に基づいて、経路内発電セルに発電させることと、を含む。
【発明の効果】
【0011】
本発明によれば、捨てられる熱エネルギーを効率的に利用することのできる発電装置及び発電方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【0012】
【発明を実施するための形態】
【0013】
（実施の形態）
以下に、本発明の一つの実施の形態に係る発電装置１を、図面を参照しつつ説明する。
以下に、本発明の一つの実施の形態に係る発電装置１を、図面を参照しつつ説明する。
【0014】
（発電装置１の全体的な説明）
図１に示すように、発電装置１は、火力発電所ＴＰＳの復水器ＤＣとして用いられるものである。
図１に示すように、発電装置１は、火力発電所ＴＰＳの復水器ＤＣとして用いられるものである。
【0015】
火力発電所ＴＰＳのボイラーＢＬは、石油、石炭などの化石燃料ＦＦを燃焼させ、液体の水ＬＷを加熱する。加熱された液体の水ＬＷは、状態変化して高温・高圧の水蒸気ＶＰとなり、タービンＴＢを回す。これにより、タービンＴＢに接続された発電機ＰＧがタービンＴＢの回転による運動エネルギーを電気エネルギーに変換して発電を行う。
【0016】
高温・高圧の水蒸気ＶＰが有していた熱エネルギーの大部分は、タービンＴＢを回転させることに消費される。しかし、タービンＴＢを回転させた後の水蒸気ＶＰは、まだ利用可能なエネルギーを保持している。
発電装置１は、水蒸気ＶＰが熱交換器１１ａ～１１ｆを通過して液体の水ＬＷに状態変化する過程で、水蒸気ＶＰが保持しているエネルギーを電気エネルギーに変換するものである。なお、液体の水ＬＷは、再びボイラーＢＬに供給され、火力発電所ＴＰＳ内を循環する。
発電装置１は、水蒸気ＶＰが熱交換器１１ａ～１１ｆを通過して液体の水ＬＷに状態変化する過程で、水蒸気ＶＰが保持しているエネルギーを電気エネルギーに変換するものである。なお、液体の水ＬＷは、再びボイラーＢＬに供給され、火力発電所ＴＰＳ内を循環する。
【0017】
（蓄電装置２の全体的な説明）
蓄電装置２は、発電装置１が発電した電力を蓄える装置である。蓄電装置２は、ポンプ２１、蓄電池２２及び制御回路２３を備える。
熱交換器１１ａ～１１ｆを動作させるため、発電装置１と蓄電装置２は、配管Ｐ及び配線Ｗを介して接続されている。ポンプ２１は、後述する発電流体を循環させるため、配管Ｐ内の発電流体に圧力をかける。蓄電池２２は、熱交換器１１ａ～１１ｆによって得られた電気エネルギーを蓄えるものである。また、蓄電池２２は、ポンプ２１とも接続され、発電流体に圧力を加えるための電力を供給する。制御回路２３は、蓄電池２２と接続されており、充放電を制御する。また、制御回路２３は、ポンプ２１とも接続されており、発電流体に加える圧力を変化させる。制御回路２３は、レギュレータを備えており、後述する突端発電セル１８とリング間発電セル１７の種類に応じて異なる電圧を揃えて蓄電池２２に供給して充電を行う。
蓄電装置２は、発電装置１が発電した電力を蓄える装置である。蓄電装置２は、ポンプ２１、蓄電池２２及び制御回路２３を備える。
熱交換器１１ａ～１１ｆを動作させるため、発電装置１と蓄電装置２は、配管Ｐ及び配線Ｗを介して接続されている。ポンプ２１は、後述する発電流体を循環させるため、配管Ｐ内の発電流体に圧力をかける。蓄電池２２は、熱交換器１１ａ～１１ｆによって得られた電気エネルギーを蓄えるものである。また、蓄電池２２は、ポンプ２１とも接続され、発電流体に圧力を加えるための電力を供給する。制御回路２３は、蓄電池２２と接続されており、充放電を制御する。また、制御回路２３は、ポンプ２１とも接続されており、発電流体に加える圧力を変化させる。制御回路２３は、レギュレータを備えており、後述する突端発電セル１８とリング間発電セル１７の種類に応じて異なる電圧を揃えて蓄電池２２に供給して充電を行う。
【0018】
（発電装置１の詳細）
次に、水蒸気ＶＰの温度と発電装置１の各部の関係を示す図２を参照して、発電装置１の詳細を説明する。
発電装置１は、リング状の熱交換器１１ａ～１１ｆを上下方向に積み重ねたものである。発電装置１は、水蒸気ＶＰに、熱交換器１１ａ～１１ｆを循環する発電流体との間で熱交換させて、上下方向に隣接する各熱交換器１１ａ～１１ｆ間の温度差を利用して発電する。
以下、上方向をＺ方向とする。また、図２で定義した図面手前方向をＸ方向、図面右方向をＹ方向とする。
次に、水蒸気ＶＰの温度と発電装置１の各部の関係を示す図２を参照して、発電装置１の詳細を説明する。
発電装置１は、リング状の熱交換器１１ａ～１１ｆを上下方向に積み重ねたものである。発電装置１は、水蒸気ＶＰに、熱交換器１１ａ～１１ｆを循環する発電流体との間で熱交換させて、上下方向に隣接する各熱交換器１１ａ～１１ｆ間の温度差を利用して発電する。
以下、上方向をＺ方向とする。また、図２で定義した図面手前方向をＸ方向、図面右方向をＹ方向とする。
【0019】
発電装置１内部には熱透過壁１４としての円筒面ＣＳが設けられている。熱透過壁１４は、熱交換器１１ａ～１１ｆで連続しており、熱透過壁１４によって囲まれた区画は熱交換室１３となっている。熱交換器１１ａ～１１ｆの周囲は、Ｙ方向に突出する部分を除いて、断熱壁１９によって囲まれている。水蒸気ＶＰは、円筒面ＣＳの内側を、破線で示す－Ｚ方向に進む。円筒面ＣＳの入口と出口、すなわち、＋Ｚ方向と－Ｚ方向の端部には、発電装置１の分解、点検、補修等をしやすくするフランジ２０が形成されている。
【0020】
－Ｚ方向に進むにつれて、水蒸気ＶＰは、熱交換器１１ａ～１１ｆを循環する発電流体との間で熱交換をし、言い換えれば、発電流体によって冷やされて、温度が低下する。水蒸気ＶＰは、タービンＴＢを通過した直後においては、比較的高圧でも気体を維持する温度、例えば６００℃を超える温度を保っている。水蒸気ＶＰは、最終的には、１００℃未満の温度にまで下げられる。
【0021】
まず、最上層の熱交換器１１ａは、６００℃の水蒸気ＶＰが通る区画を含み、６００℃の水蒸気ＶＰの温度を５００℃まで下げる。
熱交換器１１ａの下にある熱交換器１１ｂは、５００℃の水蒸気ＶＰが通る区画を含み、５００℃の水蒸気ＶＰの温度を４００℃まで下げる。
熱交換器１１ｂの下にある熱交換器１１ｃは、４００℃の水蒸気ＶＰが通る区画を含み、４００℃の水蒸気ＶＰの温度を３００℃まで下げる。
熱交換器１１ｃの下にある熱交換器１１ｄは、３００℃の水蒸気ＶＰが通る区画を含み、３００℃の水蒸気ＶＰの温度を２００℃まで下げる。
熱交換器１１ｄの下にある熱交換器１１ｅは、２００℃の水蒸気ＶＰが通る区画を含み、２００℃の水蒸気ＶＰの温度を１００℃まで下げる。
最下層の熱交換器１１ｆは、１００℃の水蒸気ＶＰが通る区画を含み、１００℃の水蒸気ＶＰの温度を１００℃を下回る温度まで下げる。熱交換器１１ｆにおいては、水蒸気ＶＰの温度は１００℃を下回るため、水蒸気ＶＰは液体の水ＬＷに状態変化する。
熱交換器１１ａの下にある熱交換器１１ｂは、５００℃の水蒸気ＶＰが通る区画を含み、５００℃の水蒸気ＶＰの温度を４００℃まで下げる。
熱交換器１１ｂの下にある熱交換器１１ｃは、４００℃の水蒸気ＶＰが通る区画を含み、４００℃の水蒸気ＶＰの温度を３００℃まで下げる。
熱交換器１１ｃの下にある熱交換器１１ｄは、３００℃の水蒸気ＶＰが通る区画を含み、３００℃の水蒸気ＶＰの温度を２００℃まで下げる。
熱交換器１１ｄの下にある熱交換器１１ｅは、２００℃の水蒸気ＶＰが通る区画を含み、２００℃の水蒸気ＶＰの温度を１００℃まで下げる。
最下層の熱交換器１１ｆは、１００℃の水蒸気ＶＰが通る区画を含み、１００℃の水蒸気ＶＰの温度を１００℃を下回る温度まで下げる。熱交換器１１ｆにおいては、水蒸気ＶＰの温度は１００℃を下回るため、水蒸気ＶＰは液体の水ＬＷに状態変化する。
【0022】
（熱交換器１１ａ～１１ｆ）
次に、図３（Ａ）を参照して、熱交換器１１ａを例として、熱交換器１１ａの構造、及び発電流体ＰＦが熱交換器１１ａ～１１ｆの内部を循環する過程を説明する。
熱交換器１１ａは、発電流体ＰＦが循環するリング状の閉じた発電流体配管１２ｃを備える。この発電流体配管１２ｃは、Ｙ方向に突出する部分である突端部１２ｄを有し、＋Ｙ方向と－Ｙ方向のそれぞれの突端部１２ｄの末端において折り返されている。また、左右の突端部１２ｄには、それぞれ、発電流体の圧力を下げて温度を下げる減圧器１２ａ、１２ｂが接続されている。発電流体配管１２ｃは、熱交換器１１ａ内で、閉じた経路を形成している。発電流体ＰＦは、前述したポンプ２１によって、発電流体配管１２ｃ内を循環させられる。
次に、図３（Ａ）を参照して、熱交換器１１ａを例として、熱交換器１１ａの構造、及び発電流体ＰＦが熱交換器１１ａ～１１ｆの内部を循環する過程を説明する。
熱交換器１１ａは、発電流体ＰＦが循環するリング状の閉じた発電流体配管１２ｃを備える。この発電流体配管１２ｃは、Ｙ方向に突出する部分である突端部１２ｄを有し、＋Ｙ方向と－Ｙ方向のそれぞれの突端部１２ｄの末端において折り返されている。また、左右の突端部１２ｄには、それぞれ、発電流体の圧力を下げて温度を下げる減圧器１２ａ、１２ｂが接続されている。発電流体配管１２ｃは、熱交換器１１ａ内で、閉じた経路を形成している。発電流体ＰＦは、前述したポンプ２１によって、発電流体配管１２ｃ内を循環させられる。
【0023】
突端部１２ｄには、突端発電セル１８が配置されている。発電流体配管１２ｃは突端発電セル１８を貫いている。また、配管が折り返されている部分の直前に、リング間発電セル１７が配置されている。リング間発電セル１７は、熱交換器１１ａと熱交換器１１ｂとの間に挟まれて配置されている。突端発電セル１８及びリング間発電セル１７については、詳しくは後述する。
【0024】
熱交換器１１ｂ～１１ｆも熱交換器１１ａと同様の構造を有している。
熱交換器１１ａ～１１ｆの配管内を循環する間、発電流体ＰＦの温度は、上昇と下降を繰り返す。例えば、熱交換器１１ａにおいて減圧器１２ａ、１２ｂを通る前の発電流体ＰＦの温度が０℃であるとすると、熱透過壁１４を介して発電流体ＰＦは水蒸気ＶＰから熱を得て、減圧器１２ａ、１２ｂの直前における発電流体ＰＦの温度は０度より高くなる。
このため、発電流体配管１２ｃを通る直前と直後で、発電流体ＰＦには温度差が生じている。突端発電セル１８は、この温度差を利用して発電を行う。
熱交換器１１ａ～１１ｆの配管内を循環する間、発電流体ＰＦの温度は、上昇と下降を繰り返す。例えば、熱交換器１１ａにおいて減圧器１２ａ、１２ｂを通る前の発電流体ＰＦの温度が０℃であるとすると、熱透過壁１４を介して発電流体ＰＦは水蒸気ＶＰから熱を得て、減圧器１２ａ、１２ｂの直前における発電流体ＰＦの温度は０度より高くなる。
このため、発電流体配管１２ｃを通る直前と直後で、発電流体ＰＦには温度差が生じている。突端発電セル１８は、この温度差を利用して発電を行う。
【0025】
発電流体ＰＦが水蒸気ＶＰから受け取る熱量は、温度差に応じたものになるため、各熱交換器１１ａ～１１ｆにおいて、発電流体ＰＦの最高温度は、例えば、１２０℃、１００℃、８０℃、６０℃、４０℃、２０℃となる。このため、上下の隣接する熱交換器１１ａと１１ｂ、熱交換器１１ｂと１１ｃ等の間においても、発電流体ＰＦには温度差が生じている。
リング間発電セル１７は、この温度差を利用して発電を行う。
リング間発電セル１７は、この温度差を利用して発電を行う。
【0026】
（発電流体ＰＦ）
発電流体ＰＦは、以下で説明する酸化還元対とイオン液体を含む。酸化還元対は、水蒸気ＶＰが液体と気体の間で状態変化をする温度の範囲で酸化又は還元される化合物である。
発電流体ＰＦは、以下で説明する酸化還元対とイオン液体を含む。酸化還元対は、水蒸気ＶＰが液体と気体の間で状態変化をする温度の範囲で酸化又は還元される化合物である。
【0027】
酸化還元対は、例えば、ＣｏＩＩ（ｂｐｙ）３（ＮＴｆ２）２とＣｏＩＩＩ（ｂｐｙ）３（ＮＴｆ２）３とを含む。
ｂｐｙは、２，２’－ビピリジン（2,2'-bipyridine）である。ＮＴｆ２は、ビストリフルオロメチルスルホニルアミド（bis(trifluoromethylsulfonyl)amide）である。
ｂｐｙは、２，２’－ビピリジン（2,2'-bipyridine）である。ＮＴｆ２は、ビストリフルオロメチルスルホニルアミド（bis(trifluoromethylsulfonyl)amide）である。
【0028】
イオン液体は、例えば、［Ｃ２ｍｉｍ］［ＮＴｆ２］である。
Ｃ２ｍｉｍは、１－エチル－３－メチルイミダゾリウム（1-ethyl-3-methylimidazolium）である。
Ｃ２ｍｉｍは、１－エチル－３－メチルイミダゾリウム（1-ethyl-3-methylimidazolium）である。
【0029】
（突端発電セル１８）
図３（Ｂ）を参照して、突端発電セル１８の詳細を説明する。
発電流体ＰＦは、矢印で示した経路で、突端発電セル１８の内部を流れる。
具体的には、まず、発電流体ＰＦは、流体流入口１８ｄから流入し、発電流体配管１２ｃの内部を、陽極１８ａに沿って、図面向かって右から左へ流れる。前述したように、突端部１２ｄの直前においては、発電流体ＰＦの温度は高く、突端部１２ｄの直後においては、発電流体ＰＦの温度は低い。
突端部１２ｄの内壁にぶつかると、発電流体ＰＦはＸ方向に流れを変え、陰極１８ｂの下側に回り込み、陽極１８ａとは反対側をＹ方向に流れる。
最後に、発電流体ＰＦは、流体流出口１８ｅから出て図３（Ａ）に示した発電流体配管１２ｃに戻る。
図３（Ｂ）を参照して、突端発電セル１８の詳細を説明する。
発電流体ＰＦは、矢印で示した経路で、突端発電セル１８の内部を流れる。
具体的には、まず、発電流体ＰＦは、流体流入口１８ｄから流入し、発電流体配管１２ｃの内部を、陽極１８ａに沿って、図面向かって右から左へ流れる。前述したように、突端部１２ｄの直前においては、発電流体ＰＦの温度は高く、突端部１２ｄの直後においては、発電流体ＰＦの温度は低い。
突端部１２ｄの内壁にぶつかると、発電流体ＰＦはＸ方向に流れを変え、陰極１８ｂの下側に回り込み、陽極１８ａとは反対側をＹ方向に流れる。
最後に、発電流体ＰＦは、流体流出口１８ｅから出て図３（Ａ）に示した発電流体配管１２ｃに戻る。
【0030】
（リング間発電セル１７）
リング間発電セル１７は、突端発電セル１８と同様の内部構造を有する。以下、突端発電セル１８と異なる部分を中心に説明する。
リング間発電セル１７は、突端発電セル１８と同様の内部構造を有する。以下、突端発電セル１８と異なる部分を中心に説明する。
【0031】
図４（Ａ）～（Ｃ）に、熱交換器１１ａと熱交換器１１ｂとの間に配置されているリング間発電セル１７を示す。
図４（Ａ）、（Ｂ）に示すように、リング間発電セル１７は、陽極１７ａと陰極１７ｂを備える。図４（Ａ）に示したように、陽極１７ａはリング間発電セル１７の上面に配置されている。図４（Ｂ）に示したように、陰極１７ｂは発電流体を囲むチャンバ１７ｃの内部で突出している。図４（Ｃ）に示すように、陰極１７ｂはチャンバ１７ｃ内に広がっているが、陽極１７ａと接触していない。流体流入口１７ｄと流体流出口１７ｅには、配管Ｐが接続されている。
図４（Ａ）、（Ｂ）に示すように、リング間発電セル１７は、陽極１７ａと陰極１７ｂを備える。図４（Ａ）に示したように、陽極１７ａはリング間発電セル１７の上面に配置されている。図４（Ｂ）に示したように、陰極１７ｂは発電流体を囲むチャンバ１７ｃの内部で突出している。図４（Ｃ）に示すように、陰極１７ｂはチャンバ１７ｃ内に広がっているが、陽極１７ａと接触していない。流体流入口１７ｄと流体流出口１７ｅには、配管Ｐが接続されている。
【0032】
発電流体ＰＦは、図４（Ｂ）において矢印で示した経路で、リング間発電セル１７の内部を流れる。
具体的には、まず、発電流体ＰＦは、流体流入口１７ｄから流入し、チャンバ１７ｃの下部を図面向かって右から左へ流れる。リング間発電セル１７の上面と下面は、高い温度の熱交換器１１ａと低い温度の熱交換器１１ｂとそれぞれ接している。このため、チャンバ１７ｃの下部を流れる発電流体ＰＦは、熱交換器１１ｂによって冷やされて熱エネルギーを奪われる。
続いて、チャンバ１７ｃの内壁にぶつかると、発電流体ＰＦは上向きに流れを変え、陰極１７ｂとチャンバ１７ｃの隙間を通ってチャンバ１７ｃ内の上側に達し、陽極１７ａ付近を図面向かって左から右へ流れる。
その後、チャンバ１７ｃの上部を流れる発電流体ＰＦは、温度の高い熱交換器１１ａに温められて熱エネルギーを受け取る。
最後に、発電流体ＰＦは、流体流出口１７ｅから出て図３（Ａ）に示した発電流体配管１２ｃに戻る。
具体的には、まず、発電流体ＰＦは、流体流入口１７ｄから流入し、チャンバ１７ｃの下部を図面向かって右から左へ流れる。リング間発電セル１７の上面と下面は、高い温度の熱交換器１１ａと低い温度の熱交換器１１ｂとそれぞれ接している。このため、チャンバ１７ｃの下部を流れる発電流体ＰＦは、熱交換器１１ｂによって冷やされて熱エネルギーを奪われる。
続いて、チャンバ１７ｃの内壁にぶつかると、発電流体ＰＦは上向きに流れを変え、陰極１７ｂとチャンバ１７ｃの隙間を通ってチャンバ１７ｃ内の上側に達し、陽極１７ａ付近を図面向かって左から右へ流れる。
その後、チャンバ１７ｃの上部を流れる発電流体ＰＦは、温度の高い熱交換器１１ａに温められて熱エネルギーを受け取る。
最後に、発電流体ＰＦは、流体流出口１７ｅから出て図３（Ａ）に示した発電流体配管１２ｃに戻る。
【0033】
発電流体ＰＦは、高温で還元され、低温で酸化される性質を有するから、陽極１７ａ、１８ａに近い側では、還元された発電流体ＰＦの割合が酸化された発電流体ＰＦの割合よりも高く、陰極１７ｂ、１８ｂに近い側では、還元された発電流体ＰＦの割合が酸化された発電流体ＰＦの割合よりも高い。
なお、図３（Ｂ）、図４（Ｂ）に示した破線は、酸化された発電流体ＰＦと還元された発電流体ＰＦの割合が等しい領域の境界ＢＤを例示したものである。境界ＢＤより上側では、酸化された発電流体ＰＦが還元された発電流体ＰＦより多く、境界ＢＤより下側の領域では、還元された発電流体ＰＦが酸化された発電流体ＰＦより多い。
なお、図３（Ｂ）、図４（Ｂ）に示した破線は、酸化された発電流体ＰＦと還元された発電流体ＰＦの割合が等しい領域の境界ＢＤを例示したものである。境界ＢＤより上側では、酸化された発電流体ＰＦが還元された発電流体ＰＦより多く、境界ＢＤより下側の領域では、還元された発電流体ＰＦが酸化された発電流体ＰＦより多い。
【0034】
発電流体ＰＦは、還元される際に、陽極１７ａ、１８ａから電子を奪い、酸化される際に、陰極１７ｂ、１８ｂに電子を渡すため、陽極１７ａ、１８ａと陰極１７ｂ、１８ｂとの間に電位差が発生する。
このようにして陽極１７ａ、１８ａと陰極１７ｂ、１８ｂとの間に生じた電位差は、配線Ｗを通して接続された蓄電池２２に蓄えられる。
このようにして陽極１７ａ、１８ａと陰極１７ｂ、１８ｂとの間に生じた電位差は、配線Ｗを通して接続された蓄電池２２に蓄えられる。
【0035】
突端発電セル１８は、請求項における経路内発電セルの一例であり、リング間発電セル１７は、請求項における経路間発電セルの一例である。
突端発電セル１８は、熱交換器１１ａ～１１ｆの全てに配置されていてもよく、そのうちの一部に配置されていてもよい。突端発電セル１８は、発電流体ＰＦに温度差が生じる部分であって、突端部１２ｄ以外の部分に配置されていてもよい。
リング間発電セル１７は、隣接する全ての熱交換器１１ａ～１１ｆの間に配置されていてもよく、そのうちの一部にのみ配置されていてもよい。リング間発電セル１７は、熱交換器１１ａ～１１ｆのうち、隣接しないもの同士の間に配置されていてもよい。
発電装置１は、リング間発電セル１７と突端発電セル１８の何れか一方を備えなくてもよい。
突端発電セル１８は、熱交換器１１ａ～１１ｆの全てに配置されていてもよく、そのうちの一部に配置されていてもよい。突端発電セル１８は、発電流体ＰＦに温度差が生じる部分であって、突端部１２ｄ以外の部分に配置されていてもよい。
リング間発電セル１７は、隣接する全ての熱交換器１１ａ～１１ｆの間に配置されていてもよく、そのうちの一部にのみ配置されていてもよい。リング間発電セル１７は、熱交換器１１ａ～１１ｆのうち、隣接しないもの同士の間に配置されていてもよい。
発電装置１は、リング間発電セル１７と突端発電セル１８の何れか一方を備えなくてもよい。
【0036】
発電流体ＰＦの成分及び添加物は、温度付近の温度で活発に酸化還元反応を行うものに最適化されている。
熱エネルギーを有する水蒸気ＶＰは、エネルギー源の一例である。
熱交換器１１ａの発電流体配管１２ｃは第１の配管の一例であり、その発電流体配管１２ｃの経路は第１の経路の一例であり、その経路を流れる発電流体ＰＦは第１の冷媒の一例である。
熱交換器１１ｂの発電流体配管１２ｃは第２の配管の一例であり、その発電流体配管１２ｃの経路は第２の経路の一例であり、その経路を流れる発電流体ＰＦは第２の冷媒の一例である。
熱エネルギーを有する水蒸気ＶＰは、エネルギー源の一例である。
熱交換器１１ａの発電流体配管１２ｃは第１の配管の一例であり、その発電流体配管１２ｃの経路は第１の経路の一例であり、その経路を流れる発電流体ＰＦは第１の冷媒の一例である。
熱交換器１１ｂの発電流体配管１２ｃは第２の配管の一例であり、その発電流体配管１２ｃの経路は第２の経路の一例であり、その経路を流れる発電流体ＰＦは第２の冷媒の一例である。
【0037】
図１に示したポンプ２１は、蓄電池２２に蓄えられたエネルギーを用いて、発電流体ＰＦを循環させる。ポンプ２１は、図１においては蓄電装置２に設けられているが、発電流体配管１２ｃが閉じた経路を形成している熱交換器１１ａ～１１ｆのそれぞれに設けられていてもよい。発電装置１又は蓄電装置２以外の装置がポンプ２１を備えていてもよい。
リング間発電セル１７及び突端発電セル１８によって生成された電気エネルギーは、蓄電池２２に蓄積される。蓄積されたエネルギーの少なくとも一部は、ポンプ２１に供給されて、発電流体ＰＦを循環させるエネルギーとして用いられる。
リング間発電セル１７及び突端発電セル１８によって生成された電気エネルギーは、蓄電池２２に蓄積される。蓄積されたエネルギーの少なくとも一部は、ポンプ２１に供給されて、発電流体ＰＦを循環させるエネルギーとして用いられる。
【0038】
図１に示したボイラーＢＬが水蒸気ＶＰを加熱する限り、リング間発電セル１７及び突端発電セル１８は発電を行うため、蓄電池２２に電気エネルギーが供給され、ポンプ２１にも電力が供給される。このようにして、リング間発電セル１７及び突端発電セル１８による発電と、生成された電気エネルギーの蓄電池２２への蓄積、蓄積されたエネルギーの一部のポンプ２１への供給が繰り返される。
【0039】
蓄電池２２に蓄積されたエネルギーを外部に取り出して、図示しない負荷の運転に用いることができる。
なお、蓄電池２２を介さず、直接蓄電装置２から電力を取り出して負荷に供給してもよい。
なお、蓄電池２２を介さず、直接蓄電装置２から電力を取り出して負荷に供給してもよい。
【0040】
（発電装置１の効果）
発電装置１は、突端発電セル１８及びリング間発電セル１７の両方を利用して水蒸気ＶＰが有する熱エネルギーを回収する。このため、突端発電セル１８とリング間発電セル１７の何れか一方しか用いない場合に比べて、水蒸気ＶＰが有する熱エネルギーを効率的に利用することができる。
発電装置１は、突端発電セル１８及びリング間発電セル１７の両方を利用して水蒸気ＶＰが有する熱エネルギーを回収する。このため、突端発電セル１８とリング間発電セル１７の何れか一方しか用いない場合に比べて、水蒸気ＶＰが有する熱エネルギーを効率的に利用することができる。
【0041】
また、発電装置１によれば、従来の火力発電所において、復水器ＤＣを循環する冷却水によって奪われていた熱エネルギーを回収することができる。
このため、発電装置１によれば、冷却水に熱エネルギーを捨てることになる場合、例えば、特許文献１に示した技術に比べて、より多くのエネルギーを回収することができ、高いエネルギー効率を達成することができる。
このため、発電装置１によれば、冷却水に熱エネルギーを捨てることになる場合、例えば、特許文献１に示した技術に比べて、より多くのエネルギーを回収することができ、高いエネルギー効率を達成することができる。
【0042】
その上、リング間発電セル１７は、熱交換器１１ａ～１１ｆの間に設けられているため、比較的小さい温度差から発電することができる。このため、発電装置１によれば、発電流体ＰＦの温度変化に起因するエネルギーの損失を小さくすることができる。
また、リング間発電セル１７を備えることにより、発電装置１によれば、リング間発電セル１７を備えない場合に比べて、減圧器１２ａ、１２ｂへの負荷を軽減することができる。
また、リング間発電セル１７を備えることにより、発電装置１によれば、リング間発電セル１７を備えない場合に比べて、減圧器１２ａ、１２ｂへの負荷を軽減することができる。
【0043】
なお、上記の説明においては、熱交換器１１ａ～１１ｆは、それぞれ２つの減圧器１２ａ、１２ｂを備えるものとしたが、減圧器１２ａ、１２ｂの数は、３以上であってもよい。
【0044】
また、本発明の応用は、火力発電所ＴＰＳに限られない。本発明は、例えば、より小さな発電所、小規模なプラント、温暖な地域を走行する自動車に取り付けた空冷ダクトなどに応用されてもよい。
【0045】
（変形例）
発電装置１は、発電流体を循環させて発電を行うものであるが、発電を行う素子は、発電流体を用いるものに限られず、固体素子でもよい。
変形例に係る発電セル１１７は、固体素子によって発電を行うものである。
以下、発電装置１のリング間発電セル１７又は突端発電セル１８と異なる部分について説明する。
発電装置１は、発電流体を循環させて発電を行うものであるが、発電を行う素子は、発電流体を用いるものに限られず、固体素子でもよい。
変形例に係る発電セル１１７は、固体素子によって発電を行うものである。
以下、発電装置１のリング間発電セル１７又は突端発電セル１８と異なる部分について説明する。
【0046】
図５に示す発電セル１１７は、固体素子であるペルチェ素子である。発電セル１１７は、陽極１１７ａ及び陰極１１７ｂを含む。ペルチェ素子は、板状に形成された素子の両面の温度差に基づいて電気エネルギーを発生させる素子であり、電気エネルギーは、陽極１１７ａ及び陰極１１７ｂを介して取り出される。
【0047】
発電セル１１７においては、リング間発電セル１７又は突端発電セル１８と異なり、発電流体を循環させる必要がない。このため、発電セル１１７には、配管Ｐは接続されない。
配管Ｐが接続されないため、発電セル１１７をリング間発電セル１７及び突端発電セル１８よりも小さくすることができ、発電セル１１７を含む発電装置１全体をより小さくすることができる。
配管Ｐが接続されないため、発電セル１１７をリング間発電セル１７及び突端発電セル１８よりも小さくすることができ、発電セル１１７を含む発電装置１全体をより小さくすることができる。
【0048】
以上説明したように、本発明は、従来利用しなかったエネルギーを利用するものである。
このため、本発明は、二酸化炭素を排出することとなる火力発電による電力需要を減らすことにつながり得る点で、環境に優しく、持続可能な開発目標の達成に寄与するものである。
このため、本発明は、二酸化炭素を排出することとなる火力発電による電力需要を減らすことにつながり得る点で、環境に優しく、持続可能な開発目標の達成に寄与するものである。
【0049】
本発明は、本発明の広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施の形態及び変形が可能とされるものである。また、上述した実施の形態は、この発明を説明するためのものであり、本発明の範囲を限定するものではない。すなわち、本発明の範囲は、実施の形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。そして、特許請求の範囲内及びそれと同等の発明の意義の範囲内で施される様々な変形が、この発明の範囲内とみなされる。
【符号の説明】
【0050】
１ 発電装置
２ 蓄電装置
１１ａ～１１ｆ 熱交換器
１２ａ、１２ｂ 減圧器
１２ｃ 発電流体配管
１２ｄ 突端部
１３ 熱交換室
１４ 熱透過壁
１７ リング間発電セル
１７ａ、１１７ａ、１８ａ 陽極
１７ｂ、１１７ｂ、１８ｂ 陰極
１７ｃ チャンバ
１７ｄ、１８ｄ 流体流入口
１７ｅ、１８ｅ 流体流出口
１８ 突端発電セル
１９ 断熱壁
２０ フランジ
２１ ポンプ
２２ 蓄電池
２３ 制御回路
１１７ 発電セル
ＢＤ 境界
ＢＬ ボイラー
ＣＳ 円筒面
ＤＣ 復水器
ＦＦ 化石燃料
ＬＷ 液体の水
Ｐ 配管
ＰＦ 発電流体
ＰＧ 発電機
ＴＢ タービン
ＴＰＳ 火力発電所
ＶＰ 水蒸気
Ｗ 配線
２ 蓄電装置
１１ａ～１１ｆ 熱交換器
１２ａ、１２ｂ 減圧器
１２ｃ 発電流体配管
１２ｄ 突端部
１３ 熱交換室
１４ 熱透過壁
１７ リング間発電セル
１７ａ、１１７ａ、１８ａ 陽極
１７ｂ、１１７ｂ、１８ｂ 陰極
１７ｃ チャンバ
１７ｄ、１８ｄ 流体流入口
１７ｅ、１８ｅ 流体流出口
１８ 突端発電セル
１９ 断熱壁
２０ フランジ
２１ ポンプ
２２ 蓄電池
２３ 制御回路
１１７ 発電セル
ＢＤ 境界
ＢＬ ボイラー
ＣＳ 円筒面
ＤＣ 復水器
ＦＦ 化石燃料
ＬＷ 液体の水
Ｐ 配管
ＰＦ 発電流体
ＰＧ 発電機
ＴＢ タービン
ＴＰＳ 火力発電所
ＶＰ 水蒸気
Ｗ 配線
【要約】
【課題】捨てられる熱エネルギーを効率的に利用することのできる発電装置及び発電方法を提供する。
【解決手段】発電装置１は、発電流体が第１の経路で流れる熱交換器１１ａの第１の配管と、第１の配管を流れる発電流体が、水蒸気ＶＰからエネルギーを受け取る前後の温度差に基づいて発電する突端発電セル１８と、熱交換器１１ａに隣接する熱交換器１１ｂの発電流体が第２の経路で流れる第２の配管と、第１の配管を流れる発電流体の温度と第２の配管を流れる発電流体の温度との差に基づいて発電するリング間発電セル１７と、を備える。
【選択図】図２
【解決手段】発電装置１は、発電流体が第１の経路で流れる熱交換器１１ａの第１の配管と、第１の配管を流れる発電流体が、水蒸気ＶＰからエネルギーを受け取る前後の温度差に基づいて発電する突端発電セル１８と、熱交換器１１ａに隣接する熱交換器１１ｂの発電流体が第２の経路で流れる第２の配管と、第１の配管を流れる発電流体の温度と第２の配管を流れる発電流体の温度との差に基づいて発電するリング間発電セル１７と、を備える。
【選択図】図２
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】