Power generation system

本発明は、海底における発電システムに関する。

従来から、海底に水圧等の物理量を測定するセンサを設けておき、海底の状態を監視することが行われている（例えば、特許文献１）。

海底に設けられるセンサ等の機器を動作させるための電力を供給する方法として、予め機器に電池を内蔵させておく方法がある。 しかし、この方法では電池の電力が切れた場合、機器を動作させることができず、また一般的に月単位や年単位での使用に耐えうるものではない。 また、海上や地上の電力の供給源と機器とをケーブルで接続して、ケーブルを介して機器に電力を供給する方法が考えられる。 しかしながら、この方法を実現するためには、機器を設置する場所が深いほど長いケーブルが必要となる等、極めて大きなコストが必要となる。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、海底での電力の供給を簡易かつ安定的に行うことができる発電システムを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明に係る発電システムは、海底面から、海底下に存在する熱水溜まりにまで至る掘削孔、及び海底面上のガイドベースを介して当該掘削孔内に設置されたケーシングを有する熱水井と、熱水井による熱水の流路上に設けられるアノードと、熱水井による熱水の流路以外の海水中に設けられるカソードと、アノードとカソードとにそれぞれ接続され、生じた電力を取り出す電力取出手段と、を備える。

海底下に存在する熱水溜まりからの熱水は、硫化物イオン等が含まれており、熱水以外の海水中と比べてアノード反応が起こりやすくなっている。 即ち、熱水中と熱水以外の海水中との間には電位勾配、即ち起電力が生じている。 従って、本発明に係る発電システムのように、アノードを熱水井による熱水の流路上に設け、カソードを熱水の流路以外の海水中に設け、それらを接続すれば電流が流れて電力を取り出すことができる。 本発明に係る発電システムは、海底に熱水井を設けて、アノード、カソード及び電力取出手段を所定の位置に設ければ実現することができるので容易に実現することができる。 また、本発明に係る発電システムは、熱水溜まりからの熱水によって自然に存在している起電力を用いて電力を取り出しており、熱水があれば電力を取り出すことができるので、安定的に電力の取り出しを行うことができる。 即ち、本発明に係る発電システムによれば、海底での電力の供給を簡易かつ安定的に行うことができる。

アノードはケーシングに対して着脱自在に設けられることとしてもよい。 この構成によれば、確実に熱水井による熱水の流路上にアノードを設けることができ、また、アノードのメンテナンスを容易に行うことができる。

アノード及びカソードの少なくとも何れかは、ブラシ状、ヒダ状及びスポンジ状の何れかの形状を有することとしてもよい。 また、アノード及びカソードの少なくとも何れかは、表面が多孔質粒子又は超微細粒子で覆われたものであることとしてもよい。 あるいは、アノード及びカソードの少なくとも何れかは、表面に触媒層を有することとしてもよい。 これら構成によれば、より確実かつ効率的に、アノード反応又はカソード反応を行わせることができ、電力の取り出しをより確実かつ効率的におこなうことができる。

ガイドベースは長さを調節可能な脚を有することとしてもよい。 この構成によれば、海底面が傾斜していたり凹凸があったりしても海底面上にガイドベースを適正に設置できる。

本発明は、海底に熱水井を設けて、アノード、カソード及び電力取出手段を所定の位置に設ければ実現することができるので容易に実現することができる。 また、本発明は、熱水溜まりからの熱水によって自然に存在している起電力を用いて電力を取り出しており、熱水があれば電力を取り出すことができるので、安定的に電力の取り出しを行うことができる。 即ち、本発明によれば、海底での電力の供給を簡易かつ安定的に行うことができる。

本発明の実施形態に係る発電システムの構成図である。

実施形態におけるアノードの一態様を示す図である。

本発明の実現性について説明するための図である。

以下、図面と共に本発明に係る発電システムの好適な実施形態について詳細に説明する。 なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。 また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。

図１に本実施形態に係る発電システム１を示す。 発電システム１は、海底に設けられて、海底において電力を取り出す（発電する）システムである。 取り出された電力は、例えば、海底下で動作する海底機器６０を動作させるために用いられる。 図１に示すように、発電システム１は、熱水井１０と、ガイドベース３０と、アノード４０と、カソード５０と、海底機器６０と、ケーブル７０とを備えて構成されている。 なお、図１に示される熱水井１０は断面である。

熱水井１０は、海底面Ｆから、海底下に存在する熱水溜まりＨにまで至る掘削孔１０ａ、及び当該掘削孔１０ａ内に設置されたケーシングパイプ（ケーシング）１０ｂを有する。 熱水井１０は、例えば、海洋研究開発機構が運用する地球深部探査船「ちきゅう」によって設置できる。 熱水井１０の深さは熱水溜まりＨの位置や岩石の硬度、水深等にもよるが３０〜１０００ｍとすることができる。

ガイドベース３０は、掘削の際にドリルビット及びドリリングパイプが「ちきゅう」等の掘削船に対して垂直に挿入できるように設けられるものであり、さらにドリルビットによって掘削された掘削孔にケーシングパイプ１０ｂを挿入し、固定するために海底面Ｆに設置されるものである。 ガイドベース３０は長さを調節可能な３本の脚３０ａを有している。 脚３０ａの長さを調節することで、海底面Ｆの傾斜や凹凸に対してもドリルビット及びドリリングパイプ、さらにはケーシングパイプを掘削船に対して垂直に海底下に挿入できるようになる。

なお、ガイドベース３０には、熱水井１０の坑口１０ｃから噴出される熱水から鉱物を析出させるために、図１に示す状態で上側に鉱物養殖器が設置させるようになっていてもよい。 具体的には、ガイドベース３０は、鉱物養殖器を設置するための拡径部３０ｂを上部に有していてもよい。

アノード４０は、熱水井１０による、熱水溜まりＨからの熱水の流路上に設けられる電極（負極）である。 熱水井１０が設けられると熱水溜まりＨの熱水は、図１の矢印Ｄに示すように、熱水井を上昇して海水中に流出する。 熱水は、硫化物イオン等が含まれており、熱水以外の海水中と比べてアノード反応が起こりやすくなっている。 アノード４０は、発電システム１においてアノード反応を起こさせるためのものである。 例えば、アノード４０では、熱水中の硫化物イオン（Ｓ ^２− ）から電子が流入して、硫化物イオンが硫黄（Ｓ ^０ ）等の無機硫黄中間酸化物となる。

アノード４０は、熱水の流路となっている熱水井１０のケーシングパイプ１０ｂ内に設けられる。 アノード４０は、熱水との接触効率を高め、広範囲に渡ってアノード反応を起こさせるため、例えば、長尺状の部材を用い、ケーシングパイプ１０ｂの軸方向に沿うように設置することとするのがよい。 アノード４０は、熱水の流れによって移動しないようにケーシングパイプ１０ｂに固定されることとするのがよい。 また、アノード４０は、劣化した場合に交換できるように、ケーシングパイプ１０ｂに対して着脱自在に設けられることとするのがよい。 このような構成を取ることによって、確実に熱水井１０による熱水の流路上にアノード４０を設けることができ、また、アノード４０のメンテナンスを容易に行うことができる。

なお、アノード４０の配置位置は、必ずしもケーシングパイプ１０ｂの内部である必要はなく、熱水の流路（海水中における流路も含む）であれば任意の位置をアノード４０の配置位置とすることができる。

カソード５０は、熱水井１０による熱水の流路以外の海水中に設けられる電極（正極）である。 カソード５０は、海底機器６０を介してケーブル７０によってアノード４０と接続されている。 カソード５０は、発電システム１においてカソード反応を起こさせるためのものである。 例えば、カソード５０では、海水中の酸素（Ｏ _２ ）によって電子が受け取られて、水（Ｈ _２ Ｏ）や過酸化水素（Ｈ _２ Ｏ _２ ）が生成される。

カソード５０は、例えば、熱水井１０から数メートル離れた、熱水の影響を受けない海水中に設けられる。 カソード５０は、海水との接触効率を高め、広範囲に渡ってカソード反応を起こさせるため、例えば、ブラシ状の部材を用いて海底面Ｆより上方の空間上に広めに展開するように設置することとするのがよい。 カソード５０は、海水の流れによって移動しないように海底面Ｆに固定されることとするのがよい。

アノード４０及びカソード５０の素材（材質）としては、例えば、炭素材（グラファイト、グラフェン、カーボンナノチューブ）、チタン、白金、白金グラファイト、白金パラジウム、金属炭化物（タングステンカーバイド、モリブデンカーバイド等）、金属酸化物（コバルトオキサイド、マンガンオキサイド、ニッケルオキサイド）、金属硫化物（硫化鉄、硫化銅、硫化銀、硫化亜鉛等）を利用することができる。 また、アノード４０及びカソード５０は、上記以外でも、電極として用いることができる任意の素材（材質）で構成することができる。 アノード４０及びカソード５０（何れか一方だけでもよい）は、反応をより効果的に行わせるため、上記の素材の表面に触媒層（金属ポルフィリン等）を有することとしてもよい。

アノード４０及びカソード５０（何れか一方だけでもよい）の形状は、表面積を広くして反応をより効率的に行わせるため、ブラシ状、ヒダ状及びスポンジ状の何れかの形状をしていてもよい。 例えば、図２にアノード４０の形状の例を示す。 図２は、ケーシングパイプ１０ｂの軸方向と垂直な面での断面図を示す。 図２に示すようにアノード４０は、シート状の部材を折り曲げてヒダ状にして、ケーシングパイプ１０ｂ内に設けることとしてもよい。 あるいは、アノード４０は、シート状にしてケーシングパイプ１０ｂの内周面に張り付ける構成としてもよい。 また、アノード４０及びカソード５０は、表面が多孔質粒子又は超微細粒子で覆われたものを用いて、表面積を大きくすることとしてもよい。 上述した工夫を施すこととすれば、より確実かつ効率的に、アノード反応又はカソード反応を行わせることができ、電力の取り出しをより確実かつ効率的におこなうことができる。

深海の熱水噴出域では電極の腐食が激しいと予想される。 しかしながら、本発明の発明者は熱水孔に沈殿、結晶化してできる硫化鉱物それ自体が電極として優れた特性を持つことを確認している。 即ち、熱水井１０に設置した電極（アノード４０）には、どんどん硫化鉱物が付着するが、その付着物がオリジナルの電極と同等かそれ以上の優れた電極特性を示すことにより、発電システム１の能力は維持される。

海底機器６０は、アノード４０及びカソード５０それぞれにおける反応によって生じた電力を取り出す電力取出手段である。 海底機器６０は、アノード４０及びカソード５０それぞれにおける反応による電流が流れるケーブル７０に接続されている。 海底機器６０は、アノード４０におけるアノード反応、及びカソード５０におけるカソード反応によって生じ、ケーブル７０を流れる電流から電力を取り出す。 海底機器６０は、例えば、熱水井１０の周囲を監視（観測）するための、当該電力で動作する装置であり、具体的には、カメラ、ライト及びセンサ（熱水井１０の周囲の硫化水素、酸素、温度、ｐｈ等を測定する）等である。 海底機器６０は、機器の種類によっては海水の流れによって移動しないように海底面Ｆに固定されることとするのがよい。

なお、電力取出手段としては、必ずしも海底で動作する海底機器６０とする必要はなく、例えば、海底機器に電力を供給する電源として構成されていてもよい。 あるいは、海上や地上に電力を供給する電源として用いされてもよい。 また、取り出された電力はバッテリー等に一時的に格納されていてもよい。 また、ＡＵＶ（Autonomous Underwater Vehicle）やＲＯＶ（RemotelyOperated Vehicle）等の電力源として用いられてもよい。

ケーブル７０は、海底機器６０を介してアノード４０とカソード５０との間を接続し、アノード４０及びカソード５０それぞれにおける反応による電流が流れる導体である。 以上が、発電システム１の構成である。

上述したように、熱水中と熱水以外の海水中との間には電位勾配、即ち起電力が生じている。 例えば、熱水内外で８００ｍＶ程度の起電力が生じている。 これにより、アノード４０とカソード５０との間には電流が流れて電力を取り出すことができる。

図３を用いて、本発明の発明者によって、発電システム１において電流が流れることが確認された実験例を示す。 一方の容器には、海底下に存在する熱水溜まりＨの熱水を模した溶液８１を入れている。 この溶液８１は、０．６ＭのＮａＣｌ、０．１ＭのＮａ _２ Ｓ、ｐＨ７．５の溶液である。 もう一方の容器には海水を模した溶液８２を入れている。 この溶液８１は、０．６ＭのＮａＣｌ、ｐＨ７．５の溶液である。 なお、それぞれの容器は、電池用の膜８３によって隔てられている。

各溶液中には電極８４，８５が入れられている。 また、互いの電極８４，８５は、導線８６によって接続されている。 これらの電極８４，８５は、海底から析出する熱水に含まれる金属等が析出、沈殿してできるチムニーである。 このような例において、電極８４，８５の間には、０．５３８Ｖの電圧及び２．３１ｍＡの電流が生じていることが確認された。

上記の例からも分かるように本実施形態に係る発電システム１では、電圧及び電流が生じて電力を取り出すことができる。 また、上述したように熱水からの析出物が電極として利用できることも分かる。

上述した実施形態に係る発電システム１では、アノード４０及びカソード５０の面積１ｍ ^２あたり、２．４Ｗの電力が取り出される（生成される）。 一つの熱水井１０（人工熱水）では、５００Ｗ程度、一つの熱水フィールドでは、５０ｋＷ程度の電力が取り出される（生成される）。

また、本実施形態に係る発電システム１は、海底に熱水井１０を設けて、互いに接続されるアノード４０、カソード５０及び電力取出手段である海底機器６０を所定の位置に設ければ実現することができるので容易に実現することができる。 また、本実施形態に係る発電システム１は、熱水溜まりからの熱水によって自然に存在している起電力を用いて電力を取り出しており熱水があれば電力を取り出すことができるので、安定的に電力の取り出しを行うことができる。 即ち、本実施形態に係る発電システム１によれば、海底での電力の供給を簡易かつ安定的に行うことができる。

また、アノード４０側の熱水もカソード５０側の海水も連続的に新鮮なものと交換されるため起電力の低下が起らない。 従って、本実施形態に係る発電システム１では高い電力供給能が維持される。

また、本実施形態に係る発電システム１を実施するにあたり、設備を設置する以外には熱水溜まりＨの部分を掘削するだけであるので、海底及び海中環境に対する影響を極めて軽微に留めることが可能である。 更に、熱水井１０からの熱水活動が続く限り、持続的に熱水を噴出し続ける。 従って、例えば、上述した実施形態のように電力取出手段を海底機器６０とすれば、海上や地上からの電力の供給を行う必要や（従来の）電池等を備える必要がなく、持続的に（例えば、１０年間ノーメンテナンスで）熱水井１０の周囲を監視することが可能となる。

本発明によれば、海底での電力の供給を簡易かつ安定的に行うことができる。

１…発電システム、１０…熱水井、１０ａ…掘削孔、１０ｂ…ケーシングパイプ、１０ｃ…坑口、３０…ガイドベース、４０…アノード、５０…カソード、６０…海底機器、７０…ケーブル、Ｆ…海底面、Ｈ…熱水溜まり。