(57)【要約】  エネルギーシステムは、光触媒作用により水を分解して水素を生成する光水素生成部（１０１）と、光水素生成部（１０１）で発生した水素と酸化ガスの反応によって発電するとともに、反応生成物として水を排出する燃料電池（１０３）と、燃料電池（１０３）から排出された反応生成物である水を光水素生成部（１０１）に戻す水配送機構（１０４）と、を備える。かかる構成により、外部からの水の供給量を少量に抑えた、水収支のよいエネルギーシステムを提供することができる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光触媒作用により水を分解して水素を生成する光水素生成部と、
前記水素生成部で発生した水素と酸化ガスの反応によって発電するとともに、反応生成物として水を排出する燃料電池と、
前記燃料電池から排出された反応生成物である水を前記光水素生成部に戻す水配送機構と、を備えたエネルギーシステム。
【請求項２】
前記水配送機構は、前記燃料電池から排出された水を浄化する水浄化部を含む請求項１記載のエネルギーシステム。
【請求項３】
前記水配送機構は、外部から水を受け入れる水供給部を含み、前記水供給部から供給された水を前記燃料電池から排出された水とともに前記水浄化部で浄化し前記光水素生成部へ送る請求項２記載のエネルギーシステム。
【請求項４】
前記光水素生成部は、内部の水位を検知する水位センサを含み、
前記水位センサは、前記水位が予め設定された設定値まで低下すると制御部に信号を発し、
前記制御部は、前記信号の受信により所定の導水量の水を前記水供給部から前記水素生成部に供給する
請求項３記載のエネルギーシステム。
【請求項５】
前記設定値は、前記水素生成部の電極部が電解液から露出しない水位に設定されている
請求項４記載のエネルギーシステム。
【請求項６】
前記光水素生成部は、前記電解液を循環するための循環経路または水が分解して生成した水素および酸素と水分を分離するための気液分離装置をさらに含む
請求項４記載のエネルギーシステム。
【請求項７】
前記水位センサは、前記循環経路または前記気液分離装置に備えられた
請求項６記載のエネルギーシステム。
【請求項８】
前記燃料電池はスタックを有し、
前記水配送機構は、前記水浄化部で浄化した水の一部を前記燃料電池へ送り、前記燃料電池で発生した熱を冷却するとともに前記燃料電池のスタック内部を加湿する請求項２記載のエネルギーシステム。
【請求項９】
前記水配送機構は、前記燃料電池のスタック内部を加湿して残った水を前記燃料電池から排出された反応生成物である水とともに前記水浄化部で浄化する請求項８記載のエネルギーシステム。
【請求項１０】
前記光水素生成部は、水を水素と酸素とに分解する半導体材料を含む第１の電極と、前記第１の電極と電気的に接続された第２の電極と、少なくとも水を含む電解液を保持する筐体と、を有する請求項１記載のエネルギーシステム。
【請求項１１】
前記光水素生成部で生成した水素を貯蔵し、前記燃料電池へ水素を供給する水素貯蔵設備をさらに備えた請求項１記載のエネルギーシステム。
【請求項１２】
前記水配送機構は、前記燃料電池から排出された反応生成物である水を一時的に貯蔵する水貯蔵設備を有する請求項１記載のエネルギーシステム。
【請求項１３】
前記水配送機構は、前記水貯蔵設備から流出する水を冷却する第１の冷却器を有する請求項１２記載のエネルギーシステム。
【請求項１４】
前記第１の冷却器が、熱交換器であることを特徴とする請求項１３記載のエネルギーシステム。
【請求項１５】
前記水配送機構は、前記燃料電池から排出された反応生成物である水を冷却する第２の冷却器を有する請求項１記載のエネルギーシステム。
【請求項１６】
前記第２の冷却器が、熱交換器であることを特徴とする請求項１５記載のエネルギーシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくとも光触媒作用により水を分解して水素を生成する水素生成部と、水素をエネルギー源として発電を行う燃料電池とを備えたエネルギーシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
炭酸ガスの排出削減や、エネルギーのクリーン化の観点から、水素エネルギーが注目されている。水素は燃料電池等のエネルギー媒体として利用することにより、電気や熱に変換でき、また水素自身を直接燃焼することでも熱や動力として使用できる。また、水素を燃料電池に利用した場合及び直接燃焼させた場合のいずれにおいても、最終生成物は無害で安全な水となり、クリーンなエネルギー循環サイクルが創出できる。【０００３】
水素は、天然にも存在するが、ほとんどは、石油や天然ガスから触媒によるクラッキングにより製造される。また、水を電気分解することによって水素と酸素とを製造することも可能であるが、電気分解するための電気エネルギーが必要であり、一般的な電力を利用することを考えると、クリーンエネルギーとはいえない。【０００４】
なお、太陽電池によって光エネルギーを電気に変え、その電力で水を電気分解するシステムも考えられている。しかし、太陽電池の製造コスト、エネルギー消費量及び蓄電技術を考慮すると、このようなシステムを利用した水素の製造方法は、必ずしも有効な方法とはいえない。【０００５】
これに対し、半導体性光触媒を用いた水分解による水素の生成は、水と太陽光とから直接水素を製造する方法であり、太陽光エネルギーを有効に水素エネルギーに変換できる。【０００６】
従来、半導体性光触媒を用いた水素生成のためのデバイスや、そのデバイスを用いた水素生成システムの構成に関しては、いくつかの提案が成されている。【０００７】
特許文献１においては、光触媒により分解される電解液を、循環させるとともに、光触媒により分解されることで減少した水を、外部から追加する手段が開示されている。【０００８】
しかしながら、特許文献１に開示された水素生成システムにおいては、減少する電解液を上水等の外部から導入する機構となっているが、そのためにはシステム外部から水を供給するための機構が必要である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開昭５７−１９１２０２号公報
【発明の概要】
【００１０】
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、外部からの水の供給量を少量に抑えた、水収支のよいエネルギーシステムを提供することを目的とする。
【００１１】
光触媒作用により水を分解して水素を生成する水素生成部と、水素生成部で発生した水素と酸化ガスの反応によって発電するとともに、反応生成物として水を排出する燃料電池と、燃料電池から排出された反応生成物である水を水素生成部に戻す水配送機構と、を備えるエネルギーシステムを提供する。
【００１２】
本発明のエネルギーシステムは、水素生成部で水を分解することで生成する水素と外部の酸素を用いて燃料電池により発電を行うことができる。さらに、燃料電池で発電することで生成する水を回収し水配送機構により水素生成部に戻すことで、燃料電池で生成した水を利用して再度水素生成部で水素を生成することができる。よって、外部からの水の供給量を少量に抑えてエネルギーシステムを運転することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１Ａ】図１Ａは、本発明の実施の形態におけるエネルギーシステムの一構成例を示す図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、本発明の実施の形態におけるエネルギーシステムの他の一構成例を示す図である。
【図２】図２は、本発明の実施の形態における水素生成部の概略構成図である。
【図３】図３は、本発明の実施の形態におけるエネルギーシステムの一変形例を示す図である。
【図４】図４は、本発明の実施の形態におけるエネルギーシステムの一変形例を示す図である。
【図５Ａ】図５Ａは、本発明の実施の形態におけるエネルギーシステムの一変形例を示す図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、本発明の実施の形態におけるエネルギーシステムの一変形例を示す図である。
【図６】図６は、本発明の実施の形態におけるエネルギーシステムの一変形例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態について、図１Ａ及び図２を参照しながら説明する。なお、以下の実施の形態は一例であり、本発明は以下の実施の形態に限定されない。
【００１５】
図１Ａは、本発明の実施の形態におけるエネルギーシステムの一構成例を示す図である。図２は、本発明の実施の形態における光水素生成部の概略構成図である。エネルギーシステムは、光水素生成部１０１と燃料電池１０３と水素配送機構１０２と水配送機構１０４とを有する。光水素生成部１０１は、光を照射することにより水等の電解液を分解して水素を生成する。燃料電池１０３は、水素と酸素などの酸化ガスをエネルギー源として発電を行う。水素配送機構１０２は、光水素生成部１０１で生成した水素を燃料電池１０３に供給する。水配送機構１０４は、燃料電池１０３から排出される反応生成物である水を光水素生成部１０１に戻す。
【００１６】
図２に示すように、光水素生成部１０１は、筐体２０１と電極部２０２とを有する。筐体２０１は、略箱型形状であり、少なくともその一部が、石英ガラス等の、少なくとも可視光を透過する材料で構成されている。筐体２０１の内部には電解液２０５が保持されている。電解液２０５は、少なくとも水を含んでいる。電解液２０５には、必要に応じて、電解質、酸化還元物質及び／又は犠牲試薬等がさらに含まれていてもよい。筐体２０１には、その内部で生成する水素を燃料電池１０３へと配送するための水素配送機構１０２が接続されている。また、筐体２０１には、光水素生成部１０１の外部から電解液を筐体２０１内に配送する水配送機構１０４が接続されている。
【００１７】
電極部２０２は、水を分解することにより水素と酸素を生成する。電極部２０２は、光触媒性の半導体電極である第１の電極２０３と、対極である第２の電極２０４とを有する。
【００１８】
第１の電極２０３は、導電性基板２０３Ａと、導電性基板２０３Ａの導電面に形成された光触媒機能を有する光触媒性半導体層２０３Ｂとを有する。導電性基板２０３Ａとしては、金属箔や金属板で構成しても良いし、ガラス等の非導電性基板の表面にＩＴＯやＦＴＯ等の導電膜を製膜することで構成しても良い。第１の電極２０３は、少なくとも光触媒性半導体層２０３Ｂが、筐体２０１内の電解液２０５に浸漬されるように配置されている。また、第１の電極２０３は、筐体２０１内において光触媒性半導体層２０３Ｂに光が照射されるように配置されている。
【００１９】
光触媒性半導体層２０３Ｂは、太陽光等の紫外光や可視光が照射されることにより、励起電子と正孔とを生成する種々の半導体材料により形成される。半導体材料としては、主に酸化チタンや酸化タングステン等の酸化物や酸化物固溶体、酸窒化物等が用いられる。光触媒性半導体層２０３Ｂは、必ずしも単一の材料から構成されていなくても良く、複数の半導体材料から構成されていても良い。また、光触媒性半導体層２０３Ｂには、半導体材料の他に、白金等で形成される助触媒や光吸収を促進させる増感色素等を含んでいても良い。本実施の形態における光水素生成部１０１は、光触媒性半導体層２０３Ｂを含む第１の電極２０３を一つ有する構成であるが、これに限らず第１の電極２０３を２つ以上有していても良く、それぞれの第１の電極２０３が異なる種類の光触媒性半導体層２０３Ｂを有する構成としても良い。
【００２０】
第２の電極２０４は、筐体２０１の内部において光触媒性半導体層２０３Ｂに対する太陽光の照射を妨げない位置に配置される。第１の電極２０３と第２の電極２０４とは、電気的に接続されている。第２の電極２０４は、対極として利用可能な材料で形成されており、例えば白金、ニッケル、コバルト、チタン等の金属、カーボン等を用いることができる。また、チタン等の金属板や導電性ガラスの表面に上記の金属の薄膜を蒸着したものを用いても良い。また、第２の電極２０４の形状としては種々の形状が適用可能であり、状況に応じて、棒状、板状、網状等の形状を適宜選択可能である。
【００２１】
なお図２に示すように、筐体２０１は内部で発生する水素及び酸素が交じり合わずに外部に放出されるように構成されているのが好ましい。具体的には、以下のように構成されると良い。筐体２０１内部は、少なくとも２つの部屋に分割されており、それぞれの部屋に第１の電極２０３と第２の電極２０４とがそれぞれ配置される。また、２つの部屋に分割するために例えば、イオン性物質のみを透過可能なイオン交換膜２０６を用いる。そして、２つの部屋のそれぞれに外部と接続可能な気体排出用の口を設ける。
【００２２】
図１Ａに示す燃料電池１０３は、固体高分子型、固体電解質型などいずれの形式でもよい。燃料電池１０３は、水素が導入されるアノード室と、酸化性の気体を含んだガスが導入されるカソード室とを備えている。水素配送機構１０２は、燃料電池１０３のアノード室入口側に連結されている。
【００２３】
水素配送機構１０２は、水素を配送可能な機構であれば特に限定されないが、例えば金属配管で構成される。また、経路上には被配送体を移動させるためのポンプを設けると良い。また、配管の経路上に適宜貯蔵タンク等を設ける構成としても良い。
【００２４】
水配送機構１０４は、水浄化部１０５と、第１の経路１０６と第２の経路１０７と第３の経路１０８と水供給部１０９とを有する。
【００２５】
水浄化部１０５は、第１の経路１０６により燃料電池１０３のカソード室の出口側と接続されている。水浄化部１０５は、燃料電池１０３から排出される水を浄化する。
【００２６】
また、水浄化部１０５は、第２の経路１０７により光水素生成部１０１の筐体２０１と接続されている。水浄化部１０５で浄化された水は、第２の経路１０７を通って筐体２０１内に送られる。
【００２７】
また、水浄化部１０５は、第３の経路１０８により、燃料電池１０３と接続されている。水浄化部１０５で浄化された水は、第３の経路１０８を通って燃料電池１０３に送られる。
【００２８】
また、水浄化部１０５には直接的または間接的に水供給部１０９から上水（例えば市水）が供給される。供給された上水は燃料電池１０３から排出された水とともに水浄化部１０５により浄化される。
【００２９】
第１の経路１０６、第２の経路１０７、第３の経路１０８とは、例えば金属配管で構成されている。
【００３０】
第１の経路１０６、第２の経路１０７、第３の経路１０８には、それぞれ第１のポンプ１１０、第２のポンプ１１１、第３のポンプ１１２が設けられている。第１のポンプ１１０、第２のポンプ１１１、第３のポンプ１１２は制御部（図示せず）に制御され、必要に応じて経路を流れる流体を加圧して送出する。
【００３１】
水浄化部１０５は、一般的な水浄化装置であれば特に限定はされないが、特にイオン交換樹脂を用いる方式や、バイアスを印加した電極を用いる方式などで水を浄化するものが好ましい。
【００３２】
次に、本実施の形態におけるエネルギーシステムの動作について説明する。まず、本実施の形態における光水素生成部１０１の動作原理について説明する。図２に示すように、筐体２０１における少なくとも可視光を透過する部分を介して、第１の電極２０３の光触媒性半導体層２０３Ｂに太陽光が照射されると、光触媒性半導体層２０３Ｂにおいて、励起電子（ｅ−）及び正孔（ｈ＋）が生成する。
【００３３】
例えば光触媒性半導体層２０３Ｂがｎ型半導体材料から成る場合、生成した正孔は、光触媒性半導体層２０３Ｂの表面で、反応式（１）に示す化学反応により水を分解して酸素を生成する。一方、生成した励起電子は、光触媒性半導体層２０３Ｂから導電性基板２０３Ａへ移動し、さらに導電性基板２０３Ａから第２の電極２０４に移動する。そして、第２の電極２０４上で反応式（２）に示す化学反応により、水を分解して水素を生成する。
【００３４】
【化１】
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【００３５】
【化２】
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【００３６】
発生した水素及び酸素は、筐体２０１内部で混合することなく、筐体２０１の外部へ導出される。特に水素は、水素配送機構１０２を介して、燃料電池１０３のアノード室へと送られる。
【００３７】
次に燃料電池１０３の動作原理について説明する。燃料電池１０３は、前述のように、水素が導入されるアノード室と、酸化性の気体を含んだガスが導入されるカソード室を備えている。
【００３８】
燃料電池１０３へ導入された水素は、酸化性のガスと反応式（３）に示す化学反応を起こし電気エネルギーと共に水を生成する。なお、このとき用いる水素は光水素生成部１０１により生成し、水素配送機構１０２により送られてきたものである。
【００３９】
【化３】
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【００４０】
反応式（３）に示す化学反応により生成した水は、燃料電池１０３のカソード室側より、燃料電池１０３の外部に液体または水蒸気の形態で排出される。排出された水分は水回収部（図示せず）によって回収され、燃料電池１０３のカソード室側と、水浄化部１０５を連結する第１の経路１０６を介して、水浄化部１０５に送られる。水回収部は、水浄化部１０５よりも上流側に設けられていれば良く、第１の経路１０６上に設けてあっても良いし、燃料電池１０３や水浄化部１０５と一体に形成されていても良い。この時、凝縮器などを設置することにより、液化して輸送しても良い。
【００４１】
次に水配送機構１０４における動作について説明する。燃料電池１０３のカソード室側より排出された水は第１のポンプ１１０に加圧されて、第１の経路１０６を通り水浄化部１０５に送られる。水浄化部１０５は、第１の経路１０６を通って送られてきた水に含まれる重金属イオンやハロゲンイオン等の不純物を除去する。水浄化部１０５により不純物が除去された水は、第２のポンプ１１１に加圧されて第２の経路１０７を通り光水素生成部１０１の筐体２０１内へ送られる。
【００４２】
また、水浄化部１０５で浄化された水は、第３のポンプ１１２に圧縮されて第３の経路１０８を通り燃料電池１０３に送られる。燃料電池１０３に送られた水は、燃料電池１０３のスタックの冷却や電解質膜の加湿等に利用され水回収部に回収される。
【００４３】
また、水浄化部１０５には外部から上水等の水を供給する水供給部１０９が直接的または間接的に接続されている。水供給部１０９は、必要に応じて水浄化部１０５に水を供給する。水供給部１０９から供給された水も、燃料電池１０３から排出された水と同様に水浄化部１０５で浄化される。そして、浄化された水は、第２の経路１０７及び第３の経路１０８を通って光水素生成部１０１及び燃料電池１０３に送られる。なお、水供給部１０９は、本実施の形態では水浄化部１０５に接続されているが、これに限らず第１の経路１０６に接続される構成としても良い。
【００４４】
ここで、水供給部１０９からの水の供給についてさらに詳しく説明する。水供給部１０９からの水の供給は、エネルギーシステム内の水量が一定値を下回った場合に行われる。エネルギーシステム内の水量の検知は、種々の方法が適用可能であるが、例えば、光水素生成部１０１に水位や水の重量から水量を検知するセンサ（図示せず）を設けたり、水配送機構１０４上に水配送機構１０４を通過する水量を検知するセンサ（図示せず）を設け、燃料電池１０３で発電した電気量との比較により、再利用できずに外部に漏洩した水量を推定したりすることができる。そして、エネルギーシステム内の水量が一定値を下回ったことがセンサにより検知された場合、制御部（図示せず）は水供給部１０９と上水ライン（図示せず）とを接続する弁（図示せず）を開放する。そして、水供給部１０９から水浄化部１０５に上水が供給される。
【００４５】
かかる水供給部１０９からの水の供給については、例えば、下記のような構成により、自動的な制御が可能である。
【００４６】
光水素生成部１０１内部には、内部の水位を測定する水位センサが設けられている。この水位センサには、フロート式、超音波式、静電容量式、圧力式、などが用いられる。
【００４７】
光水素生成部１０１において、水素生成効率を低下させないためには、内部に格納された光触媒性の半導体電極である第１の電極２０３、および対極である第２の電極２０４が、電解液２０５中に全体が浸漬している必要がある。第１の電極２０３、および第２の電極２０４に、電解液２０５から露出した部分があると、露出し電解液２０５に接していない部分は、水を分解することができず、水素の生成に寄与しないためである。したがって、水位センサは、これらの電極が電解液２０５から露出しないような水位に設定されていることが好ましい。
【００４８】
例えば、燃料電池１０３で生成した水を全て回収できずに、一部をシステムの外部へ漏出させると、光水素生成部１０１内部の電解液２０５の液面位置は低下する。そして、外部へ漏出した水がある値に達し、電解液２０５の液面が水位センサの設定値まで低下すると、水位センサは信号を発し、かかる信号を受けた制御部が水供給部１０９から上水を導入する。
【００４９】
このとき、水位センサの設定値は、水が分解されて減少する速度と、水供給部１０９から導入され、水浄化部１０５で浄化処理される処理速度とを勘案し、電極部が電解液２０５から露出しないように設定されていることが好ましい。また、上水の導入量は、あらかじめ設定された一定量でも良いし、目標導入量時に達する電解液２０５の液面位置を第２の水位センサを設けて検知し、第２の水位センサが検知したところで上水の導入を停止することで、導入量を調節しても良い。そして、水位センサは、光触媒性の半導体電極である第１の電極２０３に太陽光が照射されるのを妨げない場所に設置されていることが好ましい。
【００５０】
さらに、光水素生成部１０１には、電解液２０５を循環するための循環経路、または、水が分解して生成した水素および酸素と水分を分離するための気液分離装置が設置されていても良い。
【００５１】
循環経路は、発生した水素および酸素を電極からスムーズに取り除き、また光水素生成部１０１で獲得された太陽熱を利用するために設けられており、場合により、循環経路上には熱交換器が設置されていても良い。また、光水素生成部１０１で生成した水素を回収する一つの手段として、発生した水素を循環し流動する電解液２０５と共に光水素生成部１０１の外部に排出し、連結された気液分離装置内で液体と水素を分離し回収する。
【００５２】
そして、水位センサは、循環経路上もしくは気液分離装置内に設置されている。循環経路上に設置する場合には、光水素生成部１０１内部の水量と対応して水位が変動する、水位を測定するための場所を特別に設けても良い。水位センサは、光水素生成部１０１内部に格納された電極部が、電解液２０５から露出する手前で信号を発し、水供給部１０９から上水が導入されるように設定されることが好ましい。
【００５３】
前述と同様に、この水位センサの設定値は、水が分解されて減少する速度と、水供給部１０９から導入され、水浄化部１０５で浄化処理される処理速度とを勘案し、電極部が電解液２０５から露出しないように設定されていることが好ましい。信号が発信され、上水が導入され始めた後の運転についても、前述のとおりである。
【００５４】
なお、本実施の形態のエネルギーシステムにおいて、外部からの水の供給をほとんど行わずに発電を行う。すなわち、光水素生成部１０１で発生した水素を利用して燃料電池１０３で発電を行うとともに、燃料電池１０３で生成する水を利用して光水素生成部１０１で水素を生成する。例えば、１日あたり必要な電力量である約１５ｋＷｈを燃料電池１０３で発電するとする。その場合、光水素生成部１０１においては１日あたり約５Ｌの水を分解できる能力を有していれば、上述の電力量を発電するための水素を燃料電池１０３に供給できる。よって、外部からの水の供給をほぼ行うことなくエネルギーシステムを運転することができる。よって、水配送機構１０４や光水素生成部１０１は上述の水を分解することが可能でかつシステム内を流動させることが可能な範囲でサイズや効率を設定されるのが好ましい。
【００５５】
なお、本実施の形態においては上述のような水配送機構１０４を説明したが、水配送機構１０４は燃料電池１０３で生成した水を光水素生成部１０１へ配送可能な構成であれば良く、水浄化部１０５、水供給部１０９や第１〜３の経路１０６〜１０８及び第１〜３のポンプ１１０〜１１２は必要に応じて適宜、選択して利用されれば良い。
【００５６】
特に、水浄化部１０５に関しては、燃料電池１０３から排出される水に含まれる不純物が少ない場合には、燃料電池１０３と光水素生成部１０１の間に敢えて設ける必要はない。図１Ｂは、本発明の実施の形態におけるエネルギーシステムの他の一構成例を示す図である。すなわち、燃料電池１０３から排出された水を、水浄化部１０５を経由させることなく、光水素生成部１０１に直接供給しても良い。このような構成とすることで、水配送機構１０４をより簡素化できるとともに、水浄化部１０５のフィルタ（例えば、イオン交換樹脂カートリッジ）の劣化を防止することができる。また、水浄化部１０５において圧損が生じないため、より少ないエネルギーで、光水素生成部１０１に水を供給することができるため、水の供給能力をさらに高めることができる。
【００５７】
また、水浄化部１０５と光水素生成部１０１を連結する第２の経路１０７の光水素生成部１０１側の接点は、光水素生成部１０１を構成する筐体２０１上にあっても良いし、光水素生成部１０１中の電解液が外部の循環経路を循環している場合は、循環経路上にあっても良い。
【００５８】
以上のように、本実施の形態のエネルギーシステムは、光触媒作用により水を分解して水素を生成する光水素生成部１０１と、光水素生成部１０１で発生した水素と酸化ガスの反応によって発電するとともに、反応生成物として水を排出する燃料電池１０３と、燃料電池から排出された反応生成物である水を光水素生成部１０１に戻す水配送機構１０４とを有する。これにより、光水素生成部１０１で水を分解することで生成する水素と外部の酸素を用いて燃料電池１０３により発電を行うことができる。さらに、燃料電池１０３で発電することで生成する水を回収し水配送機構１０４により光水素生成部１０１に戻すことで、燃料電池で生成した水を利用して再度、光水素生成部１０１で水素を生成することができる。よって、外部から水の供給量を少量に抑えてエネルギーシステムを運転することができる。
【００５９】
また、水配送機構１０４は、燃料電池から排出された水を浄化する水浄化部１０５を含む。これにより、燃料電池１０３から排出された水に含まれる不純物を取り除くことができるので、より好適な状態で光水素生成部１０１に水を供給することができる。よって、光水素生成部１０１での水分解反応の効率が向上し、さらにエネルギーシステムの効率を向上できる。また、通常の上水に比べ不純物が少ない燃料電池１０３から排出された水を用いて光水素生成部１０１により水素を生成するため、水浄化部１０５を通常の上水を浄化するための水浄化部に比べて浄化力が低いもので構成可能となる。よって、より小型で安価な水浄化部１０５を利用できる。また、水から、重金属イオンやハロゲン系のイオン、および光の透過を阻害する物質を除去することにより、光水素生成部１０１の電極部２０２およびシステムの劣化を抑制することが可能になるとともに、光の透過度が向上し、光触媒反応の促進にも寄与する。なお、一般的に燃料電池１０３から１日に排出される水（約５Ｌ）に含まれる不純物は１０数μｇ程度であり、同量の一般的な上水に含まれる不純物の量（約１ｇ）と比較すると非常に微量である。
【００６０】
また、水配送機構１０４は、エネルギーシステム外部から水を受け入れる水供給部１０９をさらに含む。そして、水供給部１０９から供給された水は燃料電池１０３から排出された水とともに水浄化部１０５で浄化され光水素生成部１０１へ送られる。これにより、万が一エネルギーシステム内の水量が一定値以下になった場合でも、外部から自動的に水を供給することができるので、エネルギーシステムを安定して稼動させることができる。
【００６１】
なお、本実施の形態のエネルギーシステムを通常運転した場合、エネルギーシステムを循環する水量は約５Ｌ／日である。そのうち、エネルギーシステム内からロスする水量は最大で約２７０ｍＬ／日が想定される。よって、水供給部１０９から供給されるべき水量は最大で約２７０ｍＬ／日である。よって、一般的なイオン交換樹脂等を用いたとしても、１０年程度の長期間の利用が想定できる。よって、エネルギーシステムを安定かつ長期的に稼動させることできる。
【００６２】
また、燃料電池１０３はスタックを有し、水配送機構１０４は、水浄化部１０５で浄化した水の一部を燃料電池１０３へ送り、燃料電池１０３で発生した熱を冷却するとともに燃料電池１０３のスタック内部を加湿する。これにより、水浄化部１０５で浄化した水を燃料電池１０３の冷却やスタック内部の加湿にも利用することができる。よって、水浄化部１０５を、光水素生成部１０１に水を送ることと燃料電池１０３へ水を送ることの両方に活用することができ、部品点数の削減や省スペースができる。
【００６３】
また、水配送機構１０４は、燃料電池１０３のスタック内部を加湿して残った水を燃料電池１０３から排出された反応生成物である水とともに水浄化部１０５で浄化する。これにより、燃料電池１０３の冷却やスタック内部の加湿に利用された水を浄化し再度、光水素生成部１０１や燃料電池１０３に送ることができる。よって、水収支が向上し、エネルギーシステムの効率をさらに向上させることができる。
【００６４】
なお、本実施の形態の光水素生成部１０１は筐体２０１内に光触媒性半導体層２０３Ｂを有する第１の電極２０３を有する構成としているが、これに限定されない。例えば、筐体２０１内に光触媒性半導体を含む粉末を分散させた構成としても構わない。
【００６５】
（変形例１）
以下、本実施の形態のエネルギーシステムの変形例１について図３を参照しながら説明する。図３において、図１Ａと同じ構成要素については同じ符号を用い、説明は省略する。なお、以下の実施の形態は一例であり、本発明は以下の実施の形態に限定されない。
【００６６】
図３は、本発明の実施の形態におけるエネルギーシステムの一変形例を示す図である。水素配送機構１０２は、水素貯蔵設備３０１を含む。水素貯蔵設備３０１は光水素生成部１０１で生成した水素を貯蔵し、燃料電池１０３へ水素を供給する。水素貯蔵設備３０１は、タンクのような容器でもよいし、水素吸蔵合金のような化学的な手法を用いた貯蔵形式でも良い。
【００６７】
光触媒性半導体電極を用いた水分解による水素生成においては、太陽光が照射されている間しか水分解をすることができない。すなわち、太陽光が照射しない夜間や悪天候の日は、効率的に水素を生成することができない。
【００６８】
そこで、光水素生成部１０１で発生した水素を貯蔵することができる水素貯蔵設備３０１を設けることで、太陽光が照射する時間帯に発生した余剰の水素を、水素貯蔵設備３０１に貯蔵できる。これにより、太陽光が照射しない時間帯は水素貯蔵設備３０１に貯蔵した水素を用いて、燃料電池１０３で電気エネルギーに変換することができるため、時間や天候に左右されない安定したエネルギーシステムとすることができる。
【００６９】
水素配送機構１０２は、水素貯蔵設備３０１を設けるとともに、水素貯蔵設備３０１の入口部に、貯蔵効率を向上させるためのコンプレッサー等水素ガスの圧縮装置を設けても良い。また、水素貯蔵設備３０１の上流側に、水素から水分を除去する除湿部を設置してもよい。
【００７０】
（変形例２）
以下、本実施の形態の変形例２について、図４を参照しながら説明する。図４において、図１Ａおよび図３と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明は省略する。
【００７１】
なお、以下の実施の形態は一例であり、本発明は以下の実施の形態に限定されない。
【００７２】
図４は、本発明の実施の形態におけるエネルギーシステムの一構成例を示す図である。本変形例におけるエネルギーシステムは、水配送機構１０４がさらに水貯蔵設備４０１を有する。水貯蔵設備４０１は、燃料電池１０３から排出された反応生成物である水を一時的に貯蔵できる。水貯蔵設備４０１は、水配送機構１０４において、燃料電池１０３のカソード室の下流側と、水浄化部１０５との間の第１の経路１０６上に設けられている。
【００７３】
本エネルギーシステムにおいては、太陽光が照射されない夜間や悪天候の時間帯においては、光水素生成部１０１は水を分解して水素を生成することができない。したがって、光水素生成部１０１において水が減少しないため、水配送機構１０４から水を供給する必要がない。
【００７４】
一方、燃料電池１０３は、光水素生成部１０１が動作しているか否かに関わり無く、夜間などに動作する場合がある。その場合、実施の形態１に記載の化学式（３）で示される化学反応により燃料電池１０３において水が生成し、また冷却水なども燃料電池１０３から排出される。
【００７５】
本変形例においては、光水素生成部１０１が動作していない時に燃料電池１０３が動作するような場合に、燃料電池１０３から生じた水及び燃料電池１０３の冷却等に利用された水を貯蔵する水貯蔵設備４０１を、水配送機構１０４の特に第１の経路１０６上に設けている。これにより、光水素生成部１０１が動作していない状態で燃料電池１０３が動作した場合でも、燃料電池１０３から生成した水等を水貯蔵設備４０１に貯蔵できる。よって、次に、光水素生成部１０１が動作した場合に水貯蔵設備４０１に貯蔵されている水を利用でき、無駄なく水を利用できる。よって、エネルギーシステムの効率をさらに向上できる。
【００７６】
また、水配送機構１０４の第１の経路１０６上には、水流ポンプ４０２が設置されている。水流ポンプ４０２は、燃料電池１０３からの水を回収し、水貯蔵設備４０１へ水を送り込む動力源となる。
【００７７】
水貯蔵設備４０１に貯蔵された水は、水浄化部１０５で浄化され、第２の経路１０７および第３の経路１０８を介して、光水素生成部１０１及び燃料電池１０３に供給される。
【００７８】
この時、燃料電池１０３の冷却用途に用いられた水と、燃料電池１０３のスタックの加湿に用いられた水および、反応式（３）に示す化学反応により発生した水は、水貯蔵設備４０１よりも上流側の第１の経路１０６上、もしくは水貯蔵設備４０１で合流する。
【００７９】
本変形例においても、変形例１と同様、水素配送機構１０２上に、水素貯蔵設備３０１やコンプレッサー、除湿装置などを設けても良い。
【００８０】
また、水貯蔵設備４０１は、第１の経路１０６上に設置されることが望ましいが、スペースなどの問題で設置できない場合は、第２の経路１０７上に設置しても良い。また、水供給部１０９を水貯蔵設備４０１に接続するようにしても良い。
【００８１】
（変形例３）
以下、本実施の形態の変形例３について、図５Ａおよび図５Ｂを参照しながら説明する。図５Ａおよび図５Ｂにおいて、図１Ａ、図３〜４と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明は省略する。
【００８２】
なお、以下の実施の形態は一例であり、本発明は以下の実施の形態に限定されない。
【００８３】
図５Ａおよび図５Ｂは、本発明の実施の形態におけるエネルギーシステムの一変形例を示す図である。
【００８４】
図５Ａにおいて、水配送機構１０４における第１の経路１０６上には、第１の冷却器５０１が設けられている。第１の冷却器５０１は燃料電池１０３から排出された反応生成物である水を冷却する。
【００８５】
燃料電池１０３から排出される水は、燃料電池１０３の発電の際に発生した熱により、高温となっている。一方、光水素生成部１０１内部に設置されている第１の電極２０３の光触媒性半導体のバンドギャップは、高温環境において縮小し、水分解に必要な過電圧を得られなくなるなど、水分解効率が低下する。
【００８６】
そこで、燃料電池１０３から排出された高温の水を第１の冷却器５０１により冷却し光水素生成部１０１に供給することにより、光水素生成部１０１内の温度上昇を抑制でき、水分解効率の低下を防止できる。
【００８７】
この時、燃料電池１０３の冷却用途に用いられた水と、燃料電池１０３のスタックの加湿に用いられた水および、反応式（３）に示す化学反応により発生した水は、第１の冷却器５０１よりも上流側の例えば第１の経路１０６上で合流する。第１のポンプ１１０は、第１の冷却器５０１の上流側に設置しても良いし、下流側に設置しても良い。
【００８８】
図５Ｂにおいては、第１の経路１０６上に変形例２と同様、水貯蔵設備４０１と水流ポンプ４０２を設置した構造となっている。さらに、水配送機構１０４は、第２の冷却器５０２を有する。第２の冷却器５０２は、水貯蔵設備４０１から流出する水を冷却する。第２の冷却器５０２は、第１の経路１０６において水貯蔵設備４０１よりも下流側に設けられている。
【００８９】
水貯蔵設備４０１に水を貯蔵する際には常温近辺で貯蔵すると雑菌等が発生し、水浄化部１０５などシステム全体を汚染する虞がある。したがって、燃料電池１０３から排出された水は少なくとも６０℃程度以上高温の状態で水貯蔵設備４０１に貯蔵されることが好ましい。よって、水貯蔵設備４０１から送られる水も基本的には６０℃程度の高温となっており、この水をそのまま用いると上述したように、水分解効率等の低下を招く。
【００９０】
そこで、水貯蔵設備４０１から流出する水を第２の冷却器５０２により冷却して利用することで、光水素生成部１０１の温度上昇を抑制でき、水分解効率の低下を防止できる。
【００９１】
なお、第１の冷却器５０１及び第２の冷却器５０２は、熱交換器で構成されるのが好ましい。また、第１の冷却器５０１及び第２の冷却器５０２において回収された熱エネルギーは、温水用途や暖房用途などに用いられても良い。
【００９２】
本変形例においても、変形例１と同様、水素配送機構１０２上に、水素貯蔵設備３０１やコンプレッサー、除湿装置などを設けても良い。
【００９３】
また、第１の冷却器５０１及び第２の冷却器５０２の代わりに、放熱器を設置して燃料電池１０３から排出された水を冷却しても良い。
【００９４】
（変形例４）
以下、本実施の形態の変形例４について、図６を参照しながら説明する。図６において、図１Ａ、図３〜５と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明は省略する。
【００９５】
なお、以下の実施の形態は一例であり、本発明は以下の実施の形態に限定されない。
【００９６】
図６は、本発明の実施の形態におけるエネルギーシステムの一変形例を示す図である。本変形例においては、燃料電池１０３が、特にＳＯＦＣ（Ｓｏｌｉｄ  Ｏｘｉｄｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）型の燃料電池である。また、水配送機構１０４の経路６０３上には凝縮器６０１が設けられている。凝縮器６０１は、燃料電池１０３から排出される高温の水蒸気を凝縮する。さらに水配送機構１０４は凝縮器６０１よりも下流側に第３の冷却器６０４を有する。第３の冷却器６０４は凝縮器６０１により流出する高温の水を冷却する。冷却された水は、ポンプ６０２により加圧され、光水素生成部１０１へ送られる。
【００９７】
ＳＯＦＣ型の燃料電池は一般的なＰＥＦＣ型の燃料電池等に比べ高温の約４００〜１０００度程度の温度で駆動する。よって、発電により燃料電池のアノード側からは高温の水蒸気を含むガスが排出される。このガスに含まれる水蒸気は、通常燃料電池から排出される水に含まれる不純物である重金属やハロゲンイオン等をほとんど含んでいない。
【００９８】
よってこの水蒸気を凝縮することにより、本変形例におけるエネルギーシステムは水浄化部１０５を設けなくても不純物の少ない水を光水素生成部１０１へ供給できる。よって、エネルギーシステムの構成をより簡易にでき、システムの効率も向上できる。
【００９９】
なお、いうまでもなく水浄化部１０５を有する構成としても構わない。水浄化部１０５を設けることでより不純物の少ない水を光水素生成部１０１へ供給することができる。
【０１００】
また、本変形例においても実施の形態に記載の各構成を適宜設けるようにしても構わない。また、変形例１と同様、水素配送機構１０２上に、水素貯蔵設備３０１やコンプレッサー、除湿装置などを設けても良い。
【産業上の利用可能性】
【０１０１】
本発明にかかるエネルギーシステムは、燃料電池で発生する水を回収し、それを浄化して光水素生成部で再利用するとともに、光水素生成部で生成した水素を利用して燃料電池で発電を行う。これにより、外部からの水の供給ほぼ必要とせずに発電可能な水資源的に独立したエネルギーシステムを構築できる。燃料電池を用いたエネルギーシステムに有用である。
【符号の説明】
【０１０２】
１０１    光水素生成部
１０２    水素配送機構
１０３    燃料電池
１０４    水配送機構
１０５    水浄化部
１０６    第１の経路
１０７    第２の経路
１０８    第３の経路
１０９    水供給部
１１０    第１のポンプ
１１１    第２のポンプ
１１２    第３のポンプ
２０１    筐体
２０２    電極部
２０３    第１の電極
２０３Ａ    導電性基板
２０３Ｂ    光触媒性半導体層
２０４    第２の電極
２０５    電解液
２０６    イオン交換膜
３０１    水素貯蔵設備
４０１    水貯蔵設備
４０２    水流ポンプ
５０１    第１の冷却器
５０２    第２の冷却器
６０１    凝縮器
６０２    ポンプ
６０３    経路
６０４    第３の冷却器
【図１Ａ】
2012120835.tif 000006
【図１Ｂ】
2012120835.tif 000007
【図２】
2012120835.tif 000008
【図３】
2012120835.tif 000009
【図４】
2012120835.tif 000010
【図５Ａ】
2012120835.tif 000011
【図５Ｂ】
2012120835.tif 000012
【図６】
2012120835.tif 000013
【手続補正書】
【提出日】平成24年7月31日(2012.7.31)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光触媒作用により水を分解して水素を生成する光水素生成部と、前記光水素生成部で発生した水素と酸化ガスの反応によって発電するとともに、反応生成物として水を排出する燃料電池と、
前記燃料電池から排出された反応生成物である水を前記光水素生成部に戻す水配送機構と、を備え、
前記水配送機構は、前記燃料電池から排出された水を浄化する水浄化部と、外部から水を受け入れる水供給部とを含み、前記水供給部から供給された水を前記燃料電池から排出された水とともに前記水浄化部で浄化し前記光水素生成部へ送るエネルギーシステム。
【請求項２】
（削除）
【請求項３】
（削除）
【請求項４】
前記光水素生成部は、内部の水位を検知する水位センサを含み、前記水位センサは、前記水位が予め設定された設定値まで低下すると制御部に信号を発し、
前記制御部は、前記信号の受信により所定の導水量の水を前記水供給部から前記光水素生成部に供給する
請求項１記載のエネルギーシステム。
【請求項５】
前記設定値は、前記水素生成部の電極部が電解液から露出しない水位に設定されている
請求項４記載のエネルギーシステム。
【請求項６】
前記光水素生成部は、前記電解液を循環するための循環経路または水が分解して生成した水素および酸素と水分を分離するための気液分離装置をさらに含む
請求項４記載のエネルギーシステム。
【請求項７】
前記水位センサは、前記循環経路または前記気液分離装置に備えられた
請求項６記載のエネルギーシステム。
【請求項８】
前記燃料電池はスタックを有し、
前記水配送機構は、前記水浄化部で浄化した水の一部を前記燃料電池へ送り、前記燃料電池で発生した熱を冷却するとともに前記燃料電池のスタック内部を加湿する請求項１記載のエネルギーシステム。
【請求項９】
前記水配送機構は、前記燃料電池のスタック内部を加湿して残った水を前記燃料電池から排出された反応生成物である水とともに前記水浄化部で浄化する請求項８記載のエネルギーシステム。
【請求項１０】
前記光水素生成部は、水を水素と酸素とに分解する半導体材料を含む第１の電極と、前記第１の電極と電気的に接続された第２の電極と、少なくとも水を含む電解液を保持する筐体と、を有する請求項１記載のエネルギーシステム。
【請求項１１】
前記光水素生成部で生成した水素を貯蔵し、前記燃料電池へ水素を供給する水素貯蔵設備をさらに備えた請求項１記載のエネルギーシステム。
【請求項１２】
前記水配送機構は、前記燃料電池から排出された反応生成物である水を一時的に貯蔵する水貯蔵設備を有する請求項１記載のエネルギーシステム。
【請求項１３】
前記水配送機構は、前記水貯蔵設備から流出する水を冷却する第１の冷却器を有する請求項１２記載のエネルギーシステム。
【請求項１４】
前記第１の冷却器が、熱交換器であることを特徴とする請求項１３記載のエネルギーシステム。
【請求項１５】
前記水配送機構は、前記燃料電池から排出された反応生成物である水を冷却する第２の冷却器を有する請求項１記載のエネルギーシステム。
【請求項１６】
前記第２の冷却器が、熱交換器であることを特徴とする請求項１５記載のエネルギーシステム。
【国際調査報告】
2012120835.tif 000014
2012120835.tif 000015
2012120835.tif 000016
2012120835.tif 000017
2012120835.tif 000018
2012120835.tif 000019