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波力発電兼エネルギー運搬船  


<目的および特徴>

水素ガスと酸素ガスを混合して得られる酸水素ガスを燃焼させてその高温で水を急速に気化することにより発生する水蒸気爆発の衝撃波で岩石を粉砕し掘削する。さらに高温高圧下では海水や泥水を超臨界状態にすることにより岩石を水に溶融させることができる。この作用によりこの掘削機はドリルを使用しないのでビット交換をせずに連続して稼働が可能であり、高水圧の下では製造する酸水素ガスを高圧にできるのでその威力が高まる。そのため深部地熱発電用の大深度の坑井の掘削に使用すれば効果的であり、また深海での硬いマンガンクラストの採掘やメタンハイドレートなどの海底資源の採掘に適している。

<作動原理>

海底で使用する場合は陽極にマンガン系複合酸化物を使用すれば海水の電気分解で酸素ガスおよび陰極で水素ガスを生成でき、深海底の高圧下で電気分解すれば圧力容器にはその高水圧よりさらに高圧の酸素ガスおよび水素ガスを蓄えることができる。このガスを混合して高圧酸水素ガスとして海洋底の泥・岩石に向けて噴射し着火すれば水中でも燃焼して高温のトーチとなる。このトーチは高圧のガスを使用しているため通常のトーチよりもエネルギー密度が高いのでその燃焼部は2,000〜3,000度以上の極めて高温になり、高熱による岩石の熔融だけでなく、海水との反応によりそこにある海水を瞬間的に蒸発させて水蒸気爆発による衝撃波を発生させることができ、海洋底の岩石を破壊できる。また臨界点以上の高温高圧下では海水(泥水)を超臨界水に変えることができる。そのため岩石を海水に熔融させる作用によりやはりドリルを使わないでも深い穴を穿つことができる。これはレーザー掘削と異なり浮遊泥で不透明になる掘削部でも同じ効果を発揮でき、より効果的な掘削方法になる。

<構造>

円筒状の掘削機内にカソード電極およびアノード電極(マンガン系複合酸化物)で挟まれた固体高分子電解質膜およびアノード電極が設置されている。この掘削機内貯蔵タンクには袋状膜でできたカソード電極面で発生した水素ガスを貯蔵するスペースがあり、またその内部にはアノード電極で発生した酸素ガスを貯蔵するため水素ガススペースの二分の一量の内部タンクがありこの中に酸素ガスが貯蔵されるようになっている。アノード電極面のあるスペースには逆止弁付給水ポンプによって掘削機外から海水がフィルターでろ過されて引き込まれ、このスペースを満たした後、発生した酸素ガスとともに酸素ガス貯蔵タンクに排出されるようになっている。またカソード電極に面した水素ガススペースは膜構造で仕切られているがその外側にある貯蔵タンク内には水深によりその水圧で海水の流入または排出が可能になっている。これらの酸素ガス貯蔵タンクおよび水素ガス貯蔵タンクかからは下方に排出管が伸びており排出弁(ガス排出制御弁)と着火装置に接続している。この排出弁や着火装置には電気分解用電源やポンプとともに作業船からコントローラーを介して電力が供給されている。
またこの円筒状掘削機は掘削用パイプの下部に収められており、作業船からワイヤーで吊り下げられている。

<作動>

この掘削機はマンガン団塊(マンガン・クラスト)掘削用では海底の浅い部分を掘削するだけなので容積変動型高圧水素タンクの付属設備としてロボットアームに単独で取り付けられるがメタンハイドレートや石油、天然ガスなどの採掘のために海底で深い立て坑を掘削する場合は作業船(波力発電船)から延びる掘削用パイプ内にこの酸水素ガス掘削機が吊り下げられ、パイプ内には海水(または泥水)が作業船のポンプによって送り込まれて掘削機との間隙を通ってパイプ下方から放出される。また陸上で泥水を使った深部地熱発電用の坑井の掘削に使用すれば地熱が高くてもドリルビットの頻繁な交換が不要なためコストの低減が期待できる。
この掘削機には海底での水圧が掛かるが掘削機内で水素ガスおよび酸素ガススペースが水圧に応じて容積を変えることにより水圧と同じ圧力で蓄積することができる。また掘削機内のガス圧が高まり海水をすべて排出すれば密閉状態下でのガスはさらに高圧になり、水圧以上の高圧にすることができる。またこのガスの蓄積や掘削機の引き上げにより掘削機内のガス圧が水圧よりかなり高くなれば(10気圧程度の圧差を想定)安全弁を兼ねた排出弁(ガス排出制御弁)から水素ガスおよび酸素ガスが排出されガス圧が下がるのでどの様な水深でも掘削機が破損することはない。
また酸素ガス用内部タンクに酸素ガスとともに溜まった電気分解後の海水はここに海水が溜まっているときは酸素ガス排出制御弁が開放された状態に設定されているためポンプでの給水によりこの海水が増えても酸素ガスに押されて弁から排出し、内部タンクの酸素ガススペースは水素ガススペースとともに周囲の海水圧と同じになる。酸素ガス圧が高まりこの酸素ガス排出弁からの酸素ガスが排出すれば流路の電気抵抗が増えることなどによりこれを感知してコントローラーでこの排出弁を10気圧の安全弁に切り替える。その後海水の電気分解が進み、10気圧に設定された水素ガス排出弁からの排ガスを感知することでコントローラーにより海水の電気分解が中止される。また電気分解により海水が濃縮して塩が析出しないように電気分解用海水はフィルターでろ過後アノード電極面を流れるがそのための給水ポンプも停止される。しかしこの給水ポンプには逆止弁がついているので酸素ガススペースに取込まれた電気分解用海水が逆流してタンク内圧が下がることはなく、またこの給水ポンプは海水圧とタンク内圧で10気圧以上の圧力差を発生させる必要があるが流量が少ない(掘削機の4Lのガススペース内に電気分解で672気圧の酸素および水素ガスを満たすには海水1.44Lが必要)ので小型でもよい。
掘削機内のガスを満タンにしてからコントローラーを介した電気的指令により給水ポンプや電気分解の再開とともに下部の水素ガスおよび酸素ガス排出弁を開方状態に設定し、10気圧差で海水中に噴射した水素ガスと酸素ガスを2対1の割合で混合した高圧酸水素ガスに着火すると高温のトーチとなり穴底の岩石を熔融する。熔融した岩石と反応した海水、トーチ周囲の海水および酸素ガスとともに噴射される電気分解後の海水は急速に気化し、その水蒸気爆発による衝撃で穴底周囲の岩石を破壊する。または超臨界水となった海水は岩石を熔融し、この海水や粉砕された岩石は水流とともにパイプの外側に沿って穴外に排出され、その結果掘削用パイプをさらに深く地中に沈めることができる。




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  出願特許の内容 :特許・5704589号



 詳しい内容は下記にお問い合わせください。


住所
 宮城県仙台市太白区茂庭字人来田西8−13
 杜都千愛病院 内 理事長 安ヵ川  誠
TEL
 022−281−0033
FAX
 022−281−0585
E-MAIL  rijityou@midorijuji.or.jp

 

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