JP2005240701A - 温度差発電装置、潜水機及び温度差発電方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
船舶、特に潜水機におけるエネルギー効率を向上し、潜水機を小型化、軽量化する。
【解決手段】
船舶に搭載され、ポンプ３５と、加熱用熱交換部３１と、タービン３２と、放熱用熱交換部３４と、発電機３３とを具備する温度差発電装置３０を用いる。ポンプ３５は、液相の第０１状態である作動流体を昇圧して、液相での第０２状態にする。加熱用熱交換部３１は、第０２状態の作動流体を昇温して、気相の第０３状態にする。タービン３２は、第３状態の作動流体を膨張させて、気相の第０４状態にする。放熱用熱交換部３４は、第０４状態の作動流体を降温して、第０１状態にする。発電機３３は、タービン３２に連結され、発電を行う。そして、加熱用熱交換部３１は、船舶に搭載された燃料電池の排熱との熱交換により作動流体を昇温する。放熱用熱交換部３４は、船舶の周囲の内及び外の少なくとも一方に流れる船舶の周囲の水との熱交換により作動流体を降温する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、温度差発電装置、潜水機及び温度差発電方法に関し、特に、船舶に搭載された温度差発電装置及びそれを用いた温度差発電方法、それらを適用した潜水機に関する。

動力源として燃料電池を搭載した潜水機が知られている。例えば、特開平１０−１８１６８５号公報には、燃料電池搭載型深海潜水調査船運用システムの技術が開示されている。この技術の燃料電池搭載型深海潜水調査船運用システムは、深海潜水調査船と同調査船の支援母船とからなる。上記深海潜水調査船は、推進装置と、固体高分子型燃料電池と、高圧水素ガスボンベおよび高圧酸素ガスボンベと、生成水タンクと、上記燃料電池の制御装置とを備える。推進装置は、電力の供給を受け作動する。固体高分子型燃料電池は、同推進装置へ電力を供給する。高圧水素ガスボンベおよび高圧酸素ガスボンベは、同燃料電池へ水素ガスおよび酸素ガスをそれぞれ供給する。生成水タンクは、上記燃料電池における生成水を導いて船内に貯蔵する。上記支援母船は、上記の高圧水素ガスボンベおよび高圧酸素ガスボンベにそれぞれ補給するための水素ガスおよび酸素ガスを発生する水分解装置を備える。固体高分子型燃料電池では、一般に発電に伴い熱が発生する。このシステムにおける深海潜水調査船は、固体高分子型燃料電池の熱を放熱器から船外へ排熱している。

特開２００２−１８７５９５号公報には、潜水機用水素発生装置の技術が開示されている。この技術の潜水機用水素発生装置は、潜水機の動力源に用いる燃料電池等の水素供給発生装置のうち、金属水素化物に水素発生促進剤と接触させて水素を発生させる。金属水素化物若しくは水素発生促進剤の少なくとも一方が液状態にある。その液状態が貯留されている容器が機内に配置されている。そして、機外の水圧にほぼ均圧させている。潜水機における燃料電池の排熱は、この装置における水素発生促進剤の加熱又は温度調節に用いられる。

一方、発電に用いられる熱サイクルの１つとして、ランキンサイクルが知られている。図４は、ランキンサイクルにおける作動流体の圧力と体積との関係を示すグラフ（Ｐ−ｖ線図）である。縦軸は作動流体の圧力、横軸は作動流体の体積である。以下に、作動流体が水（蒸気）の場合のランキンサイクルについて説明する。図４において、状態＜０３＞の作動流体は過熱蒸気である。過程＜ｃ＞において断熱膨張しながら外部へ仕事をする。例えば、タービンを回転させる。それにより、タービンに結合した発電機は発電を行なう。過程＜ｃ＞を経た状態＜０４＞の作動流体は湿り蒸気である。過程＜ｄ＞において等圧冷却される。過程＜ｄ＞を経た状態＜０１＞の作動流体は飽和水である。過程＜ａ＞において断熱圧縮される。過程＜ａ＞を経た状態＜０２＞の作動流体は加圧水である。過程＜ｂ＞において、等圧加熱、蒸発、過熱される。過程＜ｂ＞を経た作動流体は再び状態＜０３＞になる。このような作動流体の変化のサイクルにより、発電が行われる。このサイクルでは、液体を圧縮するので、圧縮動力が小さくて済むという利点があり、その改良したサイクルが蒸気タービンに用いられている。

このようなランキンサイクルを他の発電システムと組み合わせた技術が、実開平５−１２６０３号公報に開示されている。この技術の複合発電装置は、発電ユニットと、高温蓄熱槽と、蒸気発生器と、予熱器と、蒸気機関と、発電機と、凝縮器と、冷却器とを具備する。発電ユニットは、内燃機関または燃料電池等を駆動源として発電を行なう。高温蓄熱槽は、この発電ユニットより出力される高位排熱を貯蔵する。蒸気発生器は、この高温蓄熱槽から熱を取り出して蒸気機関を作動させる作動媒体を蒸気化させる。予熱器は、前記発電ユニットより出力される低位排熱を回収して前記作動媒体を予熱する。蒸気機関は、前記蒸気発生器からの発生蒸気により作動する。発電機は、この蒸気機関を駆動源として発電を行なう。凝縮器は、前記蒸気機関からの戻り蒸気を冷却して液化する。冷却器は、この凝縮器を冷却する。この装置は、燃料電池の排熱を作動媒体の予熱あるいは蒸気化に用いている。

船舶、特に潜水機は、活動の拠点となる港や母船を離れた後は、できるだけ多くの活動を継続的に行うことが求められる。すなわち、機器に供給される電力の継続時間を伸ばすことや、航続距離を伸ばすことが求められる。それに対処するには、エネルギーを効率的に利用することや、より多くの燃料を搭載することが考えられる。ただし、潜水機は、容積や重量の面から、搭載できる機器や燃料が制限される。そのため、より多くの燃料を搭載しようとすれば、追加される燃料の重量に対応して、潜水機の浮力を大きくすることが必要となる。浮力を大きくしようとすれば、潜水機を大きくすることが必要となる。そうなると、より大きな動力が必要となるので、更に、燃料や機器を追加する必要が出て来てしまう。

このように、電力の継続時間や航続距離を伸ばす際に、潜水機を大きくしたり重くすることは、必ずしも有効な手段とはいえない。むしろ、小型化、軽量化を進めるとともに、エネルギー効率を向上させることがより有効な手段となる。船舶、特に潜水機におけるエネルギー効率を向上することが可能な技術が望まれる。潜水機を小型化、軽量化する技術が求められる。電力の継続時間や航続距離を伸ばす技術が求められる。

実開平５−１２６０３号公報 特開平１０−１８１６８５号公報 特開２００２−１８７５９５号公報

従って、本発明の目的は、船舶、特に潜水機におけるエネルギー効率を向上することが可能な温度差発電装置及び温度差発電方法、それらを適用した潜水機を提供することにある。

また、本発明の他の目的は、潜水機におけるスペースの利用効率を向上する温度差発電装置及び温度差発電方法、それらを適用した潜水機を提供することにある。

本発明の更に他の目的は、潜水機を小型化、軽量化することが可能な温度差発電装置及び温度差発電方法、それらを適用した潜水機を提供することにある。

本発明の別の目的は、潜水機の電力の継続時間や航続距離を伸ばすことが可能な温度差発電装置及び温度差発電方法、それらを適用した潜水機を提供することにある。

以下に、発明を実施するための最良の形態で使用される番号・符号を用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの番号・符号は、特許請求の範囲の記載と発明を実施するための最良の形態との対応関係を明らかにするために括弧付きで付加されたものである。ただし、それらの番号・符号を、特許請求の範囲に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。

従って、上記課題を解決するために、本発明の温度差発電装置は、船舶（１）に搭載された温度差発電装置（３０）であり、ポンプ（３５）と、加熱用熱交換部（３１）と、タービン（３２）と、放熱用熱交換部（３４）と、発電機（３３）とを具備する。ポンプ（３５）は、液相の第１状態（＜０１＞）である作動流体を昇圧（＜ａ＞）して、液相の第２状態（＜０２＞）にする。加熱用熱交換部（３１）は、第２状態（＜０２＞）の作動流体を昇温（＜ｂ＞）して、気相の第３状態（＜０３＞）にする。タービン（３２）は、第３状態（＜０３＞）の作動流体を膨張（＜ｃ＞）させて、気相の第４状態（＜０４＞）にする。放熱用熱交換部（３４）は、第４状態（＜０４＞）の作動流体を降温（＜ｄ＞）して、第１状態（＜０１＞）にする。発電機（３３）は、タービン（３２）に連結され、発電を行う。そして、加熱用熱交換部（３１）は、船舶（１）に搭載された燃料電池（１３）の排熱との熱交換により作動流体を昇温する。
本発明の温度差発電装置（３０）は、昇圧として断熱圧縮を行い、昇温として等圧加熱、蒸発、過熱を行い、膨張として断熱膨張を行い、降温として等圧冷却を行うことで、タービン（３２）でエネルギーを取り出し発電を行う。そして、船舶に搭載された燃料電池（１３）の排熱を用いるので、船舶（１）における燃料電池（１３）を含む発電の効率を向上させることができる。加えて、燃料電池システム（１０）の排熱の輸送は、例えば、燃料電池（１３）を冷却する冷却水により行うので、既存のポンプ（２８）等を用いることができる。それにより、単に発電装置を導入する場合に比較して、そのポンプ等の分の電力の消費および容積が少なく、電力効率やスペースの利用効率が向上する。

上記の温度差発電装置において、放熱用熱交換部（３４）は、船舶（１）の内及び外の少なくとも一方に流れる船舶（１）の周囲の水との熱交換により作動流体を降温する。
本発明において、等圧冷却の際、船舶（１）の周囲に流れる水又は船舶内に流入する水を用いる。それにより、冷却用の冷却媒体（水）を流通させるポンプ等が不要となる。従って、単に発電装置を導入する場合に比較して、そのポンプ等の分の電力の消費および容積が少なく、電力効率やスペースの利用効率が向上する。水としては、湖の水、河を流れる水および海の水（海水）が例示される。それらは、船舶（１）の周囲を流れている水でも良いし、船舶（１）に設けられた水の流入および流出が可能な領域にある水でも良い。

上記の温度差発電装置において、作動流体は、その水の温度よりも高い温度で第４状態（＜０４＞）から第１状態（＜０１＞）になる。
本発明において、作動流体が水の温度よりも高い温度で状態変化が可能であれば、作動流体をさらに冷却するための構成を用意する必要が無く、構造が簡素化し、スペースの利用効率が向上する。

上記の温度差発電装置において、船舶（１）は潜水機（１）である。
本発明において、潜水機（１）は海水中を航行するので、水として海水を利用することができる。潜水機（１）の潜行する領域では、海水温度がより低く、冷却効率が向上する。加えて、作動流体の温度差を大きく取れるので、発電効率を向上することができる。

上記の温度差発電装置において、燃料電池（１３）は、固体高分子型燃料電池である。作動流体は、固体高分子型燃料電池（１３）の作動温度よりも低い温度で第２状態（＜０２＞）から第３状態（＜０３＞）になる。
本発明において、作動流体が固体高分子型燃料電池（１３）の作動温度よりも低い温度で状態変化が可能であれば、固体高分子型燃料電池（１３）の排熱以外に熱源の必要がなく、構造が簡素化し、スペースの利用効率が向上する。

上記の温度差発電装置において、第１状態（＜０１＞）は、第１圧力、第１温度及び第１体積である。第２状態（＜０２＞）は、第２圧力、第２温度及び第２体積である。第３状態（＜０３＞）は、第３圧力、第３温度及び第３体積である。第４状態（＜０４＞）は、第４圧力、第４温度及び第４体積である。第１圧力と第４圧力とは概ね等しく、第２圧力と第３圧力とは概ね等しく第１圧力及び第４圧力以上である。第１温度と第４温度とは概ね等しく、第２温度は第１温度及び第４温度以上の温度であり、第３温度は第２温度以上の温度である。第１体積と第２体積とは概ね等しく、第３体積は第１体積及び第２体積以上の体積であり、第４体積は第３体積以上の体積である。
本発明において、このような状態にすることで、ランキンサイクルの発電を効率的に実施することができる。

上記課題を解決するために本発明の潜水機（１）は、燃料電池（１３）と、上記の温度差発電装置（３０）とを具備する。
本発明の潜水機（１）は、エネルギー効率やスペースの利用効率が向上し、より小型化、軽量化ができ、電力の継続時間や航続距離を伸ばすことが可能となる。

上記課題を解決するために本発明の温度差発電方法は、潜水機（１）に搭載された温度差発電装置（３０）を用いる温度差発電方法であり、（ａ）〜（ｅ）ステップを具備する。（ａ）ステップは、液相の第１状態（＜０１＞）である作動流体を昇圧（＜ａ＞）して、液相での第２状態（＜０２＞）にする。（ｂ）ステップは、第２状態（＜０２＞）の作動流体を、潜水機（１）に搭載された固体高分子型燃料電池（１３）の排熱により昇温（＜ｂ＞）して、気相の第３状態（＜０３＞）にする。（ｃ）ステップは、第３状態（＜０３＞）の作動流体を膨張（＜ｃ＞）させて、気相の第４状態（＜０４＞）にする。（ｄ）ステップは、作動流体が膨張する際に放出するエネルギーに基づいて発電を行う。（ｅ）ステップは、第４状態（＜０４＞）の作動流体を、潜水機（１）の内及び外の少なくとも一方に流れる海水との熱交換により降温（＜ｄ＞）して、液相の第１状態（＜０１＞）にする。

上記の温度差発電方法において、作動流体は、その海水の温度よりも高い温度で第４状態（＜０４＞）から第１状態（＜０１＞）になる。加えて、固体高分子型燃料電池（１３）の作動温度よりも低い温度で第２状態（＜０２＞）から第３状態（＜０３＞）になる。

本発明により、船舶、特に潜水機におけるエネルギー効率およびスペースの利用効率を向上し、潜水機を小型化、軽量化することができる。それにより、潜水機の電力の継続時間や航続距離を伸ばすことが可能となる。

以下、本発明の温度差発電装置及び温度差発電方法、それらを適用した潜水機の実施の形態に関して、添付図面を参照して説明する。本実施の形態では、潜水機について説明するが、他の船舶についても本発明の温度差発電装置及び温度差発電方法を適用可能である。

先ず、本発明の潜水機の実施の形態について説明する。この潜水機は、本発明の温度差発電装置及び温度差発電方法を適用している。図１は、本発明の潜水機の実施の形態における構成を示す図である。潜水機１は、操縦室２、前探ソナー５、送受信機６、電気式推進装置７、投光器８、覗き窓９、固体高分子型燃料電池システム１０、配電部１７を具備する。

耐圧容器（殻）の操縦室２の操縦者は、投光器８で前方を照らしつつ、前探ソナー５や覗き窓９からの視界を参照しながら潜水機１を操縦する。配電部１７を介して固体高分子型燃料電池システム１０の電力を電気式推進装置７へ供給することで潜水機１は航行する。潜水機１は、送受信機６で外部（例示：洋上の母船）と連絡可能である。

固体高分子型燃料電池システム１０は、燃料供給部１１、酸化剤供給部１２、固体高分子型燃料電池本体１３、燃料電池制御装置１４、生成水タンク１５、温度差発電装置３０を備える。それらは、それぞれ耐圧容器（殻）に収められている。各構成間は、バルブを介した流体用の配管や配線用の配管で接続されている（本図において図示せず）。

潜水機１における固体高分子型燃料電池システム１０や操縦室２を含む主な構成は、耐圧容器（殻）に収められているもの以外は、配管やバルブを除くと、潜水機１の周囲の海水と同圧になっている。すなわち、通常の潜水機は、最外殻を構成する一つの耐圧容器（殻）の内部に所定の圧力（例示：大気圧）で主な構成が収められている。しかし、本潜水機１は、主な構成をそれぞれ独立の耐圧容器（殻）に収めている。そして、潜水機１におけるそれ以外の領域には海水の浸入（出入り）可能な状況になっている。そのため、最外殻を耐圧容器（殻）にする必要が無いので、強度を強くする必要はなくなり、厚みを薄く出来る。それにより、潜水機１を軽量化することができる。加えて、個々の耐圧容器（殻）の大きさを小さくすることが出来る。すなわち、耐圧容器（殻）の数は増えるが、それらは小型、軽量であるため、全てを一つの耐圧容器（殻）に収める場合に比較して、潜水機１を全体として小型、軽量とすることができる。

固体高分子型燃料電池システム１０について更に説明する。
図２は、本発明の潜水機の実施の形態における固体高分子型燃料電池システムの構成を示す図である。固体高分子型燃料電池システム１０は、詳細には、燃料供給部１１、圧力調整弁１１ａ、燃料加湿器１９、冷却水タンク２０、燃料配管２２−１〜２２−３、冷却水配管２４−１〜２４−３、送液ポンプ２８、酸化剤供給部１２、圧力調整弁１２ａ、酸化剤加湿器１８、生成水タンク１５、酸化剤配管２３−１〜２３−３、生成水配管２５、固体高分子型燃料電池本体１３、燃料電池制御装置１４、温度差発電装置３０を備える。

固体高分子型燃料電池本体１３は、電解質膜１３ａと、電解質膜１３ａの一方の側に設けられたアノード１３ｂと、他方の側に設けられたカソード１３ｃとを含む。燃料電池制御装置１４は、固体高分子型燃料電池システム１０の動作を制御する。

燃料供給部１１は、水素のような燃料ガスを固体高分子型燃料電池本体１３のアノード１３ｂへ供給する。燃料供給部１１は、高圧水素ガスボンベや水素吸蔵合金を用いた水素供給システム、液状水素タンクに例示される。圧力調整弁１１ａは、燃料配管２２−１の途中に設けられ、燃料供給部１１から供給される燃料ガスの圧力を調整する。燃料加湿器１９は、供給される燃料ガスに所定の量の水蒸気を添加する。燃料配管２２−１は燃料供給部１１と燃料加湿器１９とを接続し、燃料配管２２−２は燃料加湿器１９と固体高分子型燃料電池本体１３（のアノード１３ｂ）とを接続し、燃料配管２２−３は固体高分子型燃料電池本体１３（のアノード１３ｂ）と燃料配管２２−１とを接続する。

酸化剤供給部１２は、酸素のような酸化剤ガスを、固体高分子型燃料電池本体１３のカソード１３ｃへ供給する。酸化剤供給部１２は、高圧酸素ガスボンベに例示される。圧力調整弁１２ａは、酸化剤配管２３−１の途中に設けられ、酸化剤供給部１２から供給される酸化剤ガスの圧力を調整する。酸化剤加湿器１８は、供給される酸化剤ガスに所定の量の水蒸気を添加する。酸化剤配管２３−１は酸化剤供給部１２と酸化剤加湿器１８とを接続し、酸化剤配管２３−２は酸化剤加湿器１８と固体高分子型燃料電池本体１３（のカソード１３ｃ）とを接続し、酸化剤配管２３−３は固体高分子型燃料電池本体１３（のカソード１３ｃ）と酸化剤配管２３−１とを接続する。生成水タンク１５は、固体高分子型燃料電池本体１３（のカソード１３ｃ）で生成する生成水を貯蔵する。生成水配管２５は、固体高分子型燃料電池本体１３（のカソード１３ｃ）と生成水タンク１５とを接続する。

冷却水タンク２０は、固体高分子型燃料電池本体１３を冷却する冷却水を貯蔵する。送液ポンプ２８は、冷却水配管２４−１の途中に設けられ、冷却水を固体高分子型燃料電池本体１３と冷却水タンク２０と温度差発電装置３０との間で循環させる。冷却水配管２４−１は冷却水タンク２０と固体高分子型燃料電池本体１３とを接続し、冷却水配管２４−２は固体高分子型燃料電池本体１３と温度差発電装置３０とを接続し、冷却水配管２４−３は、温度差発電装置３０と冷却水タンク２０とを接続する。

温度差発電装置３０は、ランキンサイクルを用いた発電装置である。冷却水配管２４−２を流れる冷却水を介して、加熱用熱交換器３１（後述）において固体高分子型燃料電池本体１３で発生した排熱を受け取る。その排熱は発電に用いられる。一方、温度差発電装置３０での発電により発生した熱は、放熱用熱交換器３４（後述）において、海水で冷却される。

温度差発電装置３０について更に説明する。
図３は、本発明の温度差発電装置の実施の形態の構成を示す図である。温度差発電装置３０は、加熱用熱交換器３１、タービン３２、発電機３３、放熱用熱交換器３４、ポンプ３５、インバータ３６、配管４０−１〜４０−４を備える。

加熱用熱交換器３１は、蒸発器としての機能を果たす熱交換器である。熱交換器の高温側に供給されるものは、既述の冷却水配管２４−２を介して供給される冷却水である。冷却水は、固体高分子型燃料電池本体１３で発生した排熱を吸収し、高温になっている。低温側に供給されるものは、配管４０−２経由で供給される作動流体としての液相で高圧、低温の第２状態＜０２＞（図４参照）の作動流体である。そして、作動流体は、加熱された冷却水と熱交換を行ない、昇温されて等圧加熱、蒸発、過熱され、気相で高圧、高温の第３状態＜０３＞の作動流体となる。第３状態＜０３＞の作動流体は、配管４０−３へ送出される。

タービン３２は、配管４０−３経由で供給される気相で高圧、高温の第３状態＜０３＞の作動流体を断熱膨張させて、そのとき仕事を得る。その仕事により、タービン３２が回転する。そして、第３状態＜０３＞の作動流体は、気相で低圧、低温の第４状態＜０４＞の作動流体となる。タービン３２は、発電機３３と同軸に連結されている（一体化されている）。第４状態＜０４＞の作動流体は、配管４０−４へ送出される。

放熱用熱交換器３４は、凝縮器としての機能を果たす熱交換器である。熱交換器の高温側に供給されるものは、配管４０−４経由で供給される第４状態＜０４＞の作動流体である。熱交換器の低温側に供給されるものは、海水である。すなわち、温度差発電装置３０の耐圧容器（殻）の外側に配管が飛び出しており、その配管の周囲を流れる海水が、その配管内を流れる第４状態＜０４＞の作動流体を冷却する。そして、第４状態＜０４＞の作動流体は、海水と熱交換を行ない、等圧で冷却されて、液相で低圧、低温の第１状態＜０１＞の作動流体となる。第１状態＜０１＞の作動流体は、配管４０−１へ送出される。

ポンプ３５は、配管４０−１経由で供給される液相で低圧、低温の第１状態＜０１＞の作動流体を加圧して、液相で高圧、やや高温の第２状態＜０２＞の作動流体とする。第２状態＜０２＞の作動流体は、配管４０−２へ送出される。

作動流体は、海水の温度（０〜３０℃）よりも高い温度で第４状態＜０４＞から第１状態＜０１＞に変化可能であることが好ましい。潜水機１の場合、航行する深度が深いので、海水の温度は０〜５℃となる。すなわち、０〜５℃よりも高い温度で第４状態＜０４＞から第１状態＜０１＞に変化可能であることがより好ましい。
一方、作動流体は、固体高分子型燃料電池本体１３の運転温度（６０〜１００℃）よりも低い温度で第２状態＜０２＞から第３状態＜０３＞に変化可能であることが好ましい。潜水機１の場合、周辺の海水の温度が低いため、排熱を含む冷却水の熱が奪われやすい。すなわち、６０〜１００℃よりも低い温度で第２状態＜０２＞から第３状態＜０３＞に変化可能であることがより好ましい。
このような作動流体としては、代替フロンが例示される。代替フロンとしては、ＨＣＦＣ−１２３（ＣＦ_３ＣＨＣｌ_２）、ＨＣＦＣ−１４１ｂ（ＣＨ_３ＣＣｌ_２Ｆ）、ＨＣＦＣ−２２５ｃａ（ＣＨ_３ＣＦ_２ＣＨＣｌ_２）、ＨＣＦＣ−２２５ｃｂ（ＣＣｌＦ_２ＣＦ_２ＣＨＣｌＦ）が例示される。

ここで、本温度差発電装置３０が潜水機１ではなく船に搭載されている場合、放熱用熱交換器３４の低温側に供給されるものは、船の周囲に流れる海水、湖水又は川水である。

発電機３３は、タービン３２の回転により回転し、発電を行なう。発電機３３は、同期発電機や誘導発電機に例示される。発電された電力は、インバータ３６により所定の直流電力に変換されて、潜水機１の動作に用いられる。

次に、本発明の温度差発電装置の実施の形態における動作（温度差発電方法の実施の形態）について図３、図４および図５を参照して説明する。ただし、図５は、本発明の温度差発電装置の実施の形態における動作を示すフローチャートである。図４は、前述のように、ランキンサイクルにおける作動流体の圧力と体積との関係を示すグラフ（Ｐ-ｖ線図）である。縦軸は作動流体の圧力、横軸は作動流体の体積である。ここでの作動流体は、代替フロンである。

代替フロンは、配管４０−１を介して放熱用熱交換器３４からポンプ３５へ供給される。このときの代替フロンの状態は、図４における第１状態＜０１＞である。ここでは、例えば、代替フロンは液体であり、約５℃、約１気圧である。

次に、代替フロンは、ポンプ３５により断熱圧縮される。この過程は、図４における過程＜ａ＞である。そして、代替フロンは、図４における第２状態＜０２＞となる（ステップＳ１）。ここでは、例えば、代替フロンは液体であり、約２０℃、約３気圧である。代替フロンは、配管４０−２へ送出される。

続いて、代替フロンは、配管４０−２を介してポンプ３５から加熱用熱交換器３１へ供給される。代替フロンは、加熱用熱交換器３１において固体高分子型燃料電池本体１３からの排熱（例示：６０℃）により等圧加熱、蒸発、過熱される。この過程は、図４における過程＜ｂ＞である。そして、代替フロンは、図４における第３状態＜０３＞となる（ステップＳ２）。ここでは、例えば、代替フロンは気体であり、約６０℃、約３気圧である。代替フロンは、配管４０−３へ送出される。

次に、代替フロンは、配管４０−３を介してタービン３２へ供給される。代替フロンは、タービン３２により断熱膨張する。この過程は、図４における過程＜ｃ＞である。そして、代替フロンは、図４における第４状態＜０４＞となる。ここでは、例えば、代替フロンは気体または湿り蒸気であり、１気圧、５℃である。代替フロンは、配管４０−４へ送出される。このとき、代替フロンの断熱膨張に伴う仕事により、タービン３２が回転する。発電機３３は、その回転のエネルギーを用いて発電を行なう（ステップＳ３）。発電された電力は、インバータ３６を介して外部へ取り出される。

続いて、代替フロンは、配管４０−４を介して放熱用熱交換器３４へ供給される。代替フロンは、放熱用熱交換器３４において海水（例示：５℃）より等圧冷却される。この過程は、図４における過程＜ｄ＞である。そして、代替フロンは、図４に示す第１状態＜０１＞となる（ステップＳ４）。
そして、上記の４つの過程が繰り返される。

ただし、第１状態＜０１＞の代替フロンは、第１圧力、第１温度及び第１体積である。第２状態＜０２＞の代替フロンは、第２圧力、第２温度及び第２体積である。第３状態＜０３＞の代替フロンは、第３圧力、第３温度及び第３体積である。第４状態＜０４＞の代替フロンは、第４圧力、第４温度及び第４体積である。そして、第１圧力と第４圧力とは概ね等しく、第２圧力と第３圧力とは概ね等しく第１圧力及び前記第４圧力以上である。第１温度と第４温度とは概ね等しく、第２温度は第１温度及び第４温度以上の温度であり、第３温度は第２温度以上の温度である。第１体積と第２体積とは概ね等しく、第３体積は第１体積及び第２体積以上の体積であり、第４体積は第３体積以上の体積である。

温度差発電装置３０の効率を評価すると、例えば以下のように見積もられる。作動流体の各状態＜０３＞＜０４＞＜０１＞のエンタルピーをそれぞれｉ_３、ｉ_４、ｉ_１［Ｊ／ｍｏｌ］とし、固体高分子型燃料電池本体１３の排熱を含む冷却水の温度Ｔ_Ｈ［Ｋ］、海水の温度Ｔ_Ｌ［Ｋ］とおくと、ランキンサイクルの理論効率ηは、
η＝（ｉ_３−ｉ_４）／（ｉ_３−ｉ_１）≒（Ｔ_Ｈ−Ｔ_Ｌ）／Ｔ_Ｈ （１）
で表される。各熱交換器の効率を０．８、タービン３２（インバータ３６を含む）の効率を０．８、ポンプ３５の効率を０．８とし、Ｔ_Ｈ＝６０℃＝３３３Ｋ、海水の温度Ｔ_Ｌ＝５℃＝２７８℃とすれば、送値の発電効率η_ＧＥＮは、
η_ＧＥＮ＝（３３３−２７８）／３３３×０．８×０．８×０．８×１００＝８．５％ （２）
となる。海水の温度は深度による変動や、固体高分子型燃料電池本体１３からの排熱の固体高分子型燃料電池本体１３の運転状態による変動を考慮すれば、発電効率η_ＧＥＮは概ね１０％なる。この場合、燃料電池の排熱量Ｐ_ＬＯＳＳ［Ｗ］を４０００Ｗとすると、取り出せる電力Ｐ_ＧＥＮ［Ｗ］は、
Ｐ_ＧＥＮ＝Ｐ_ＬＯＳＳ×η_ＧＥＮ≒４００Ｗ （３）
となる。この電力は、固体高分子型燃料電池システム１０の燃料電池制御装置１４を作動させるのに十分な電力である。

上記の評価に基づけば、例えば、温度差発電装置３０を用いない場合における固体高分子型燃料電池システム１０の発電効率が約５０％のとき、そのうち発電に必要な電力（例示：制御装置用、ポンプ用、バルブ用など）として約１５％が使用されるとすれば、有効電力は約３５％となる。しかし、本発明の温度差発電装置３０を用いることで、熱などにより損失となった約５０％のうちの上記約１０％が取り戻せれば、有効電力を約４０％とすることができる。

すなわち、本発明の温度差発電装置３０を用いれば、排熱として捨てていたエネルギーを回収することが可能となり、船舶、特に潜水機１におけるエネルギー効率を向上することが可能となる。

有効電力が増加することから、同じ航続距離をより少ない燃料の量で達成することができるようになる。この場合、燃料供給部１１の大きさ及び重さを小さくすることが出来、潜水機１におけるスペースを他の目的に有効に利用することができる。そして、潜水機１の小型化、軽量化を進めることができる。

有効電力が増加することから、同じ燃料の量で、より多い航続距離を達成することができるようになる。この場合、電力の継続時間や航続距離を伸ばすことができる。

本実施例では、ランキンサイクルを用いているが、ランキンサイクルを応用した再生サイクルや再熱サイクルを用いることも可能である。

図１は、本発明の潜水機の実施の形態における構成を示す図である。 図２は、本発明の潜水機の実施の形態における固体高分子型燃料電池システムの構成を示す図である。 図３は、本発明の温度差発電装置の実施の形態の構成を示す図である。 図４は、ランキンサイクルにおける作動流体の圧力と体積との関係を示すグラフ（Ｐ-ｖ線図）である。 図５は、本発明の温度差発電装置の実施の形態における動作を示すフローチャートである。

符号の説明

１ 潜水機
２ 操縦室
５ 前探ソナー
６ 送受信機
７ 電気式推進装置
８ 投光器
９ 覗き窓
１０ 固体高分子型燃料電池システム
１１ 燃料供給部
１１ａ 圧力調整弁
１２ 酸化剤供給部
１２ａ 圧力調整弁
１３ 固体高分子型燃料電池本体
１３ａ 電解質膜
１３ｂ アノード
１３ｃ カソード
１４ 燃料電池制御装置
１５ 生成水タンク
１７ 配電部
１８ 酸化剤加湿器
１９ 燃料加湿器
２０ 冷却水タンク
２２−１〜２２−３ 燃料配管
２４−１〜２４−３ 冷却水配管
２３−１〜２３−３ 酸化剤配管
２５ 生成水配管
２８ 送液ポンプ
３０ 温度差発電装置
３１ 加熱用熱交換器、
３２ タービン
３３ 発電機
３４ 放熱用熱交換器
３５ ポンプ
３６ インバータ
４０−１〜４０−４ 配管

Claims (9)

1. 船舶に搭載された温度差発電装置であって、
   液相の第１状態である作動流体を昇圧して、液相の第２状態にするポンプと、
   前記第２状態の前記作動流体を昇温して、気相の第３状態にする加熱用熱交換部と、
   前記第３状態の前記作動流体を膨張させて、気相の第４状態にするタービンと、
   前記第４状態の前記作動流体を降温して、前記第１状態にする放熱用熱交換部と、
   前記タービンに連結され、発電を行う発電機と
   を具備し、
   前記加熱用交換部は、前記船舶に搭載された燃料電池の排熱との熱交換により前記作動流体を昇温する
   温度差発電装置。
2. 請求項１に記載の温度差発電装置において、
   前記放熱用熱交換部は、前記船舶の内及び外の少なくとも一方に流れる前記船舶の周囲の水との熱交換により前記作動流体を降温する
   温度差発電装置。
3. 請求項２に記載の温度差発電装置において、
   前記作動流体は、前記水の温度よりも高い温度で前記第４状態から前記第１状態になる
   温度差発電装置。
4. 請求項１乃至３のいずれか一項に記載の温度差発電装置において、
   前記船舶は、潜水機である
   温度差発電装置。
5. 請求項１乃至４のいずれか一項に記載の温度差発電装置において、
   前記燃料電池は、固体高分子型燃料電池であり、
   前記作動流体は、前記固体高分子型燃料電池の作動温度よりも低い温度で前記第２状態から前記第３状態になる
   温度差発電装置。
6. 請求項１乃至５のいずれか一項に記載の温度差発電装置において、
   前記第１状態は、第１圧力、第１温度及び第１体積であり、
   前記第２状態は、第２圧力、第２温度及び第２体積であり、
   前記第３状態は、第３圧力、第３温度及び第３体積であり、
   前記第４状態は、第４圧力、第４温度及び第４体積であり、
   前記第１圧力と前記第４圧力とは概ね等しく、前記第２圧力と前記第３圧力とは概ね等しく前記第１圧力及び前記第４圧力以上であり、
   前記第１温度と前記第４温度とは概ね等しく、前記第２温度は前記第１温度及び前記第４温度以上の温度であり、前記第３温度は前記第２温度以上の温度であり、
   前記第１体積と前記第２体積とは概ね等しく、前記第３体積は前記第１体積及び前記第２体積以上の体積であり、前記第４体積は前記第３体積以上の体積である
   温度差発電装置。
7. 燃料電池と、
   請求項１乃至６のいずれか一項に記載の温度差発電装置と
   を具備する
   潜水機。
8. 潜水機に搭載された温度差発電装置を用いる温度差発電方法であって、
   （ａ）液相の第１状態である作動流体を昇圧して、液相での第２状態にするステップと、
   （ｂ）前記第２状態の前記作動流体を、前記潜水機に搭載された固体高分子型燃料電池の排熱により昇温して、気相の第３状態にするステップと、
   （ｃ）前記第３状態の前記作動流体を膨張させて、気相の第４状態にするステップと、
   （ｄ）前記作動流体が膨張する際に放出するエネルギーに基づいて発電を行うステップと、
   （ｅ）前記第４状態の前記作動流体を、前記潜水機の内及び外の少なくとも一方に流れる海水との熱交換により降温して、液相の前記第１状態にするステップと
   を具備する
   温度差発電方法。
9. 請求項８に記載の温度差発電方法において、
   前記作動流体は、前記海水の温度よりも高い温度で前記第４状態から前記第１状態になり、前記固体高分子型燃料電池の作動温度よりも低い温度で前記第２状態から前記第３状態になる
   温度差発電装置。

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