(57)【要約】【課題】水素貯蔵装置の貯蔵能力を超えて水素が生成された場合等に、水素の生成・貯蔵・消費を制御し、エネルギーシステムを保護する。【解決手段】水を用いて水素を生成する水素生成装置と、水素生成装置で生成した水素を貯蔵する水素貯蔵装置と、水素貯蔵装置に貯蔵された水素を用いて発電する発電装置と、水素貯蔵装置に貯蔵されない水素を消費する水素消費装置と、を備えるエネルギーシステムであって、水素消費装置は、電気エネルギーに変換する以外の方法により、水素を安全に消費する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水を用いて水素を生成する水素生成装置と、
前記水素生成装置で生成した水素を貯蔵する水素貯蔵装置と、
前記水素貯蔵装置に貯蔵された水素を用いて発電する発電装置と、
前記発電装置における発電に用いられない水素を消費する水素消費装置と、
を備えることを特徴とする、エネルギーシステム。
【請求項２】
前記発電装置は、燃料電池である、
請求項１に記載の、エネルギーシステム。
【請求項３】
前記水素生成装置は、水を電気分解することにより水素を生成する、
請求項１または２に記載の、エネルギーシステム。
【請求項４】
前記水素生成装置は、光エネルギーや熱エネルギーを用いて水素を生成する、
請求項１または２に記載の、エネルギーシステム。
【請求項５】
前記水素消費装置は、酸性ガス存在下で触媒材料と接触させて燃焼することにより水素を消費する、
請求項１または２に記載の、エネルギーシステム。
【請求項６】
前記水素消費装置は、水素ガスを希釈して大気に放出することにより水素を消費する、
請求項１または２に記載の、エネルギーシステム。
【請求項７】
前記水素消費装置は、水素化合物に変換することにより水素を消費する、
請求項１または２に記載の、エネルギーシステム。
【請求項８】
前記燃料電池において生成した水を回収し、
前記水素生成装置での水素生成に利用する、
請求項２に記載の、エネルギーシステム。
【請求項９】
前記水素消費装置において生成した水を回収し、
前記水素生成装置での水素生成に利用する、
請求項５に記載の、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、燃料電池等の水素を用いて発電する装置で利用される水素を生成し、かかる水素をエネルギー貯蔵手段として貯蔵する水素貯蔵装置、および水素を消費する水素消費装置を備えたエネルギーシステムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、風力発電や太陽光発電は、エネルギー源として自然エネルギーを利用し、化石燃料を用いないクリーンな発電手段として注目され、世界中で活発に開発・導入が行われている。
【０００３】
しかしながら、自然エネルギーを利用した発電手段は、風力の変化もしくは太陽光照射強度の変化などの予測が困難で、発電量の予測や、調整が難しい。
【０００４】
そのような特徴のため、電力需要者の需要電力量に合わせて、発電量を調整することができず、時として、需要量に対して過剰の電力を発電してしまい、停電など、送電網に深刻な影響を与えてしまう場合もある。
【０００５】
このような課題を解決するため、発電手段が過剰に発電してしまった電力を利用して水電解を行い、水素を製造する水素製造設備と、製造した水素を貯蔵する水素貯蔵設備と、水素を電気エネルギーに変換する燃料電池からなるシステムが開示されている（例えば、特許文献１、２参照）。
【０００６】
また、従来のシステムにおいては、水素貯蔵設備から燃料電池へ水素ガスを放出する際の、タイミングの制御などが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００３−２５７４５８号公報
【特許文献２】特開２００４−７１４８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、従来のシステムでは、水素貯蔵設備の貯蔵能力を超えて水素が生成した場合の制御方法が考慮されていない。
【０００９】
本発明は、かかる従来の課題を解決するもので、安全にかつ効率よく水素を制御するエネルギーシステム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】
【００１０】
従来の課題を解決するために、本発明のエネルギーシステムは、水を用いて水素を生成する水素生成装置と、水素生成装置で生成した水素を貯蔵する水素貯蔵装置と、水素貯蔵装置に貯蔵された水素を用いて発電する発電装置と、水素貯蔵設備の貯蔵能力を超えて生成された場合等により、水素貯蔵設備に貯蔵されない水素を、燃料電池等により電気エネルギーに変換する以外の方法で消費する、水素消費設備を備える。
【発明の効果】
【００１１】
本発明のエネルギーシステムによれば、水素を安全に貯蔵し、また効率よく生成し、さらに安全に消費することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施の形態１におけるエネルギーシステムの構成例を示す図である。
【図２】（ａ）は、本発明の実施の形態１における水素生成装置の一例の断面図である。（ｂ）は、本発明の実施の形態１における水素生成装置の他の一例の断面図である。
【図３】本発明の実施の形態２におけるエネルギーシステムの構成例を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態２における水素生成装置の一例の断面図である。
【図５】本発明の実施の形態３におけるエネルギーシステムの構成例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
（本発明の基礎となった知見）
従来のシステムにおいては、例えば、水素貯蔵設備の貯蔵能力を超えて水素が生成した場合の制御方法は考慮されていない。
【００１４】
そのため、水素貯蔵設備の貯蔵能力を超えた状態を放置したまま水素を生成し続け、水素ガスの圧力が上昇すると、水素生成設備の水電解効率の低下や、水素生成設備内部の破損により、酸素ガスと混合し爆発性の可燃ガスを生じる可能性もある。
【００１５】
また、水素貯蔵設備の貯蔵能力以下のレベルまで貯蔵された水素量を減少させるため、水素貯蔵設備から燃料電池へ水素を送出し、燃料電池の発電により水素を消費した場合、需要電力量に対して発電電力量が過剰な状態となり、停電などの危険な状態に陥ってしまう。
【００１６】
さらに、水素製造設備の運転を停止すると、特に水電解により水素を製造する設備の場合、通常加熱して運転されるため、再起動に時間がかかり好ましくない。
【００１７】
本発明者は、そのような場合における水素貯蔵設備に貯蔵されない水素を、安全にかつ効率よく制御することに着目し、かかる課題を解決することができるエネルギーシステムを創出した。
【００１８】
以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００１９】
（実施の形態１）
図１は、本実施の形態におけるエネルギーシステム１００の構成例を示す図である。
【００２０】
図１において、発電設備１０１は、火力発電、石炭発電、ガス発電、原子力発電など、化石燃料もしくは原子力をエネルギー源とする発電手段、または太陽光発電、風力発電、潮力発電、地熱発電など自然エネルギーをエネルギー源とする発電手段、またはそれらを組み合わせたものからなっており、地域社会もしくは、事業体、家庭などに構築された送電網に電力を供給している。
【００２１】
しかしながら、なんらかの原因により、発電設備１０１で発電される電力量の調整が追いつかず、発電される電力量が、送電網側から求められる需要電力量を上回り、許容される系統電圧を超過した場合、停電などの深刻な影響を送電網に与えることとなる。
【００２２】
かかる深刻な影響を回避するため、送電網側から求められる需要電力量を超過した余剰電力を水素生成装置１０２へ通電し、水を電解することにより水素を生成する。
【００２３】
水を電解する電力としては、余剰電力以外にも、電気料金の安い夜間電力などが用いられても良い。
【００２４】
図２は、本実施の形態に用いられる一般的な水素生成装置である水電解装置の概略図である。
【００２５】
図２の（ａ）は、アルカリ水電解型の水電解装置の断面図である。アルカリ水電解型の電解装置は、筐体２０１とアノード電極２０３、カソード電極２０４、およびアノード電極２０３とカソード電極２０４に電圧を印加するための電源２０２、およびセパレーター２０５、とを有する。筐体２０１の内部には電解液２０６が収容されており、電解液２０６は、一般的には電解質として２０〜３０％の濃度で水酸化カリウムを溶解した水溶液が用いられる。
【００２６】
本実施の形態においては、電源２０２は、発電設備１０１が用いられる。発電設備１０１から出力される電力が交流の場合は、直流電力へ変換する整流装置（図示せず）などが、発電設備１０１と水素生成装置１０２の間に設置されても良い。
【００２７】
アノード電極２０３を構成する材料として、ニッケル系化合物、コバルト系化合物、鉄系化合物、貴金属酸化物などが知られており、カソード電極２０４を構成する材料としては、鉄系化合物、ニッケル系化合物などが知られている。
【００２８】
水電解は、４０〜２００℃程度に加熱した状態で行われることが一般的である。
【００２９】
電源２０２によりアノード電極２０３とカソード電極２０４に電圧が印加されると、アノード電極２０３上では、（１）に示した反応式により、水を電解して酸素ガスを生成し、カソード電極２０４上では、（２）に示した反応式により、水を電解して水素ガスが生成される。
【００３０】
２ＯＨ−  →  １／２Ｏ２＋Ｈ２Ｏ＋２ｅ−      （１）
２Ｈ２Ｏ＋２ｅ−  →  Ｈ２＋２ＯＨ−      （２）
生成した水素ガスと酸素ガスが混合状態で存在すると、爆発性のガスとなり危険である。爆発性のガスの生成を防止するため、アノード電極２０３を含む領域と、カソード電極２０４を含む領域を分離する、セパレーター２０５が設置されている。セパレーター２０５は、電解液に含まれるイオンは透過するが、気体は遮断するような材質からなっていることが好ましい。セパレーター２０５として、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）系材料、ニッケル系材料、アスベストなどが用いられる。
【００３１】
図２の（ｂ）は、固体高分子型（ＭＥＡ）の水電解装置の断面図である。固体高分子型の水電解装置は、筐体２０１とアノード電極２０７、カソード電極２０８、およびアノード電極２０７とカソード電極２０８に電圧を印加するための電源２０２、およびセパレーター２０９、とを有する。筐体２０１の内部には電解液２１０が収容されており、電解液２１０は、一般的には純水が用いられる。
【００３２】
固体高分子型の水電解装置においても、本実施の形態の場合、電源２０２は、発電設備１０１が用いられる。発電設備１０１から出力される電力が交流の場合は、直流電力へ変換する整流装置（図示せず）などが、発電設備１０１と水素生成装置１０２の間に設置されても良い。
【００３３】
アノード電極２０７を構成する材料として、イリジウム系化合物、ルテニウム系化合物などが知られており、カソード電極２０８を構成する材料としては、白金担持電極などが知られている。
【００３４】
水電解は、６０〜１００℃程度に加熱した状態で行われることが一般的である。
【００３５】
電源２０２によりアノード電極２０７とカソード電極２０８に電圧が印加されると、アノード電極２０７上では、（３）に示した反応式により、水を電解して酸素ガスを生成し、カソード電極２０８上では、（４）に示した反応式により、水を電解して水素ガスが生成される。
【００３６】
Ｈ２Ｏ  →  １／２Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−      （３）
２Ｈ＋＋２ｅ−  →  Ｈ２      （４）
固体高分子型の水電解装置においても、アノード電極２０７を含む空間と、カソード電極２０８を含む空間を分離する、セパレーター２０９が設置されている。セパレーター２０９は、ガスの透過は遮断し、かつプロトンを伝導する材料で構成されている。セパレーター２０９として、パーフルオロエチレンスルホン酸系カチオン交換膜などが用いられる。
【００３７】
アノード電極２０７とセパレーター２０９とカソード電極２０８は接した状態で設置されることが一般的である。
【００３８】
図２のような水電解装置による水素生成装置１０２で製造された水素は、水素生成装置１０２内部、もしくは水素生成装置１０２の外部に設置された気液分離装置や乾燥設備等の手段（図示せず）で、水分と分離、乾燥され、水素貯蔵装置１０３へ輸送される。輸送方法は水素ガス輸送ラインを敷設して行っても良いし、ガス運搬車のような手段によっても良い。
【００３９】
水素貯蔵装置１０３は、耐圧製の機構を有するガスタンク、化石燃料を採掘した後に地下に生じた空隙部、水素貯蔵合金などが用いられ、水素圧力や重量の計測により、水素貯蔵装置１０３に貯蔵された水素の量がモニターできる構成となっている。
【００４０】
水素生成装置１０２と水素貯蔵装置１０３の間に敷設された水素輸送ライン上や、水素貯蔵装置１０３には、コンプレッサー装置など水素圧力を昇圧するための機構（図示せず）が設置されていても良い。
【００４１】
水素貯蔵装置１０３に貯蔵された水素は、必要に応じて取り出され、燃料電池１０４へ供給され、電気エネルギーに変換される。ここで、燃料電池１０４は、水素を天然ガスなどの化石燃料と混合してタービンを回す動力として用いるなど、水素を電気エネルギーに変換する手段に置き換えられても良い。
【００４２】
燃料電池１０４で発電された電力は、地域社会もしくは、事業体、家庭などに構築された送電網に供給される。
【００４３】
送電網には、発電設備１０１および燃料電池１０４から電力が供給されるが、供給される電力の割合は、通常、送電網側（電力需要者側）からの要求、または水素貯蔵装置１０３内の水素残量により決定される。即ち、水素貯蔵装置１０３内の水素残量が多いときは、発電設備１０１からの電力供給量を低減し、水素貯蔵装置１０３内の水素残量が少ないときは、発電設備１０１からの電力供給量を増加させて運転する。
【００４４】
しかしながら、発電設備１０１が、風力発電など、自然エネルギーをエネルギー源として発電する発電手段を含んでいる場合、その発電量予測の困難さにより、大量の余剰電力が生じる場合があり、その大量の余剰電力により水素生成装置１０２において大量の水素が生成される。
【００４５】
発電設備１０１が、自然エネルギーをエネルギー源とする発電手段を含んでいない場合においても、突然の気象の変化などで想定外の事象が発生し、余剰電力が生じてしまう場合があり、同様の課題が生じる。
【００４６】
従来のエネルギーシステムは、例えば、予期せず大量の水素が製造され、水素貯蔵装置１０３の貯蔵能力を超過した場合に対応することができない。
【００４７】
水素貯蔵装置１０３の貯蔵能力を超えて製造された水素を、燃料電池１０４で発電することにより消費しようとすると、発電設備１０１で発電された電力量から、水素生成装置１０２で水素生成に使用された電力量を減じて得られる送電網への電力供給量と、送電網からの需要電力量が均衡している状態に、燃料電池１０４で発電された電力量が加わるので、急激な電力供給量超過の状態が生じ、停電の恐れが生じる。
【００４８】
また、水素貯蔵装置１０３の貯蔵能力を超過して水素を生成し続けると、水素生成装置１０２内の水素ガス圧が上昇する。
【００４９】
水素生成装置１０２内の水素ガス圧が上昇すると、カソード電極２０４または、カソード電極２０８上で生成した水素ガスが、電極表面から脱離しにくくなり、電極表面に滞留するため、電解液２０６および電解液２１０が十分に電極表面に拡散することができなくなるため、水電解の効率が低下する。
【００５０】
さらには、セパレーター２０５やセパレーター２０９が破損し、アノード電極２０３またはアノード電極２０７上で生成した酸素ガスと、カソード電極２０４またはカソード電極２０８上で生成した水素ガスが混合し、爆発性のガスが生じるため大変危険である。または、筐体２０１が水素ガス圧により破損し、特にアルカリ水電解型の水素生成装置１０２の場合、強アルカリ性電解液が漏出して環境にも甚大な影響を与えかねない。
【００５１】
したがって、本実施の形態においては、水素生成装置１０２、水素貯蔵装置１０３、または水素生成装置１０２と水素貯蔵装置１０３とをつなぐ水素ガス輸送ライン上、または水素貯蔵装置１０３と燃料電池１０４とをつなぐ水素輸送ライン上から分岐して、または、燃料電池１０４上であってスタックに導入される前に、水素消費装置１０５が設けられている。
【００５２】
水素貯蔵装置１０３に設置された、水素圧力や重量の計測により、水素貯蔵装置１０３に貯蔵された水素の量が水素貯蔵装置１０３の貯蔵能力を超過したことが検知されると、水素生成装置１０２で製造された水素、または水素貯蔵装置１０３に貯蔵された水素は、水素消費装置１０５へ導入されて消費されるため、エネルギーシステム１００を安全に制御することが可能となる。
【００５３】
送電網からの電力需要者の需用電力量が増加するなどして、水素貯蔵装置１０３の水素量が貯蔵能力以下に減少したことが検知された場合には、水素消費装置１０５への水素導入は停止され、水素生成装置１０２で製造された水素は、水素貯蔵装置１０３で貯蔵され、必要に応じて燃料電池１０４に供給されて電気エネルギーに変換された後、送電網へ供給される。
【００５４】
また、燃料電池１０４で水素と酸化性ガスとの反応により発電する際に生じた水は、不純物の含有が少なく、水素生成装置１０２を汚染する恐れも低いため、回収されて水素生成装置１０２で再利用されてもよい。
【００５５】
水素消費装置１０５が行う水素の消費方法としては、触媒燃焼法、空気希釈法、さらには水素化合物合成などがよい。
【００５６】
水素消費装置１０５として、触媒燃焼法を用いた設備を設置した場合、水素ガスの燃焼速度が大きく、大量の燃料を燃焼することができ、かつ燃焼効率も高いため、未燃水素ガスの排出が抑制される、また火炎が発生しない燃焼方法なので、安全であるという特徴がある。
【００５７】
加熱雰囲気中で、酸素ガスなどの酸化性ガス存在下において白金などの触媒を用いて行われる。反応生成物は水であり、きわめてクリーンな水素消費設備といえる。
【００５８】
反応生成物として得られた水は回収して、水素生成装置１０２で再利用されてもよい。
【００５９】
水素消費装置１０５として、空気希釈法を用いた設備を設置した場合、大掛かりな水素処理設備を必要とせず、きわめて安価である。外部から空気を水素消費装置１０５内部へ導入し、空気で水素ガスの爆発下限界である４％以下まで水素ガスを希釈し、大気へ放出される。
【００６０】
海上もしくは人里はなれた場所に水素消費装置１０５が設置されている場合など、安全が十分に確認されている場合などには、爆発下限界以上の濃度で大気中に放出されることも考えられる。
【００６１】
また、水素消費装置１０５として、水素化合物合成設備を設置した場合、加熱しながら水素ガスを二酸化炭素ガスと触媒存在下で、昇圧させた状態で反応させることにより、メタノール、ジメチルエーテル、エタノール、メタンなどの水素化合物に変換することができる。
【００６２】
メタノールやジメチルエーテルを生成するときにはＣｕＯ−ＺｎＯ系、もしくはパラジウム系の触媒が、エタノールを合成する際にはロジウム系の触媒が、メタンを生成するときにはニッケル系、ルテニウム系の触媒が一般的には用いられる。
【００６３】
生成した水素化合物は燃料として再利用しても良いし、化成品などの合成の原料として用いられても良い。
【００６４】
なお、水素消費装置１０５は、これらの消費手段を複数組み合わせたのもでもよい。
【００６５】
（実施の形態２）
図３は、本実施の形態におけるエネルギーシステム３００の構成例を示す図である。
【００６６】
図３において、水素生成装置３０１は水素を生成する主要なエネルギー源として、発電設備１０１等からの電力を用いない。水素生成装置３０１においては、例えば、太陽光や、熱エネルギーが用いられる。太陽光を利用した水素生成装置としては、光触媒の還元力を用いた方式が、熱エネルギーを利用した水素生成装置としては、工場の廃熱を利用した方式などが用いられる。
【００６７】
図４は、本実施の形態における、太陽光を利用して水を分解し、水素を生成する装置の一例の断面図である。
【００６８】
筐体４０１の内部に、光触媒として機能する光触媒性半導体を含んでいる半導体電極４０２と、対極４０３が収容されている。
【００６９】
光触媒性半導体材料としては、金属酸化物、金属窒化物、また金属酸窒化物などが、一般的に用いられる。半導体電極４０２と対極４０３とは、外部回路４０４で電気的に接続されている。例えば、半導体電極４０２は、導電基板と、当該導電基板上に設けられた、機能する光触媒性半導体の層と、によって形成されることができる。半導体電極４０２に含まれる光触媒性半導体は、必ずしも単相の半導体である必要はなく、複数種類の半導体からなる複合体でもよい。対極４０３は、金属及び炭素材料等の導体物質から形成されていてもよいし、導電基材に金属が担持された構造を有していてもよい。ここで、外部回路４０４は、必ずしも設けられなくてもよい。半導体電極４０２と対極４０３とが直接接している場合等、外部回路４０４を用いずに半導体電極４０２と対極４０３との電気的な接続が得られる場合は、外部回路４０４を設ける必要はない。また、半導体電極４０２と対極４０３との間には、補助的にバイアスを印加できるような機構が設けられていてもよい。
【００７０】
筐体４０１の内部には、少なくとも分解に用いられる水を含んだ電解液４０５がさらに収容されている。電解液４０５は、水素生成を効率的に行なうために、支持電解質、酸化還元材料、犠牲試薬及びｐＨ調整材料等を含んでいてもよい。
【００７１】
筐体４０１の半導体電極４０２側の面の一部は、太陽光を透過する部材で構成されている。筐体４０１において、半導体電極４０２と対極４０３との間には、セパレーター４０６が配置されている。このセパレーター４０６は、筐体４０１内部を、半導体電極４０２側の領域と対極４０３側の領域とに分離している。セパレーター４０６は、電解液に含まれるイオンは透過するが、気体は遮断するような材質からなっていることが好ましい。セパレーター４０６で筐体４０１内を半導体電極４０２側の領域と対極４０３側の領域とに分離することにより、生成した水素ガスおよび酸素ガスが混合され、爆発性のガスが生成することが防止される。
【００７２】
半導体電極４０２に含まれる光触媒性半導体がｎ型半導体の場合、半導体電極４０２に太陽光が照射されると、電解液４０５中の水の一部は、半導体電極４０２上で、（５）示した反応式により、酸素ガスが生成する。一方、励起された電子は、半導体電極４０２を構成する導電基板及び外部回路４０４を伝導して、対極４０３上で、（６）示した反応式により、水素ガスが生成する。
【００７３】
４ｈ＋＋２Ｈ２Ｏ  →  Ｏ２＋４Ｈ＋      （５）
４ｅ−＋４Ｈ＋  →  ２Ｈ２      （６）
図４に示す水素生成装置３０１で製造された水素は、水素生成装置３０１内部、もしくは水素生成装置３０１の外部に設置された気液分離装置や乾燥設備等の手段（図示せず）で、水分と分離、乾燥され、水素貯蔵装置１０３へ輸送される。輸送方法は水素輸送ラインを敷設して行っても良いし、ガス運搬車のような手段によっても良い。
【００７４】
水素貯蔵装置１０３は、耐圧製の機構を有するガスタンク、化石燃料を採掘した後に地下に生じた空隙部、水素貯蔵合金などが用いられ、水素圧力や重量の計測により、水素貯蔵装置１０３に貯蔵された水素の量がモニターできる構成となっている。
【００７５】
水素生成装置３０１と水素貯蔵装置１０３の間に敷設された水素輸送ライン上や、水素貯蔵装置１０３には、コンプレッサー装置など水素圧力を昇圧するための機構（図示せず）が設置されていても良い。
【００７６】
水素貯蔵装置１０３に貯蔵された水素は、必要に応じて取り出され、燃料電池１０４へ供給され、電気エネルギーに変換される。ここで、燃料電池１０４は、水素を天然ガスなどの化石燃料と混合してタービンを回す動力として用いるなど、水素を電気エネルギーに変換する手段に置き換えられても良い。
【００７７】
燃料電池１０４で発電された電力は、発電設備１０１で発電された電力とともに、地域社会もしくは、事業体、家庭などに構築された送電網に供給される。
【００７８】
送電網には、発電設備１０１および燃料電池１０４から電力が供給されるが、供給される電力の割合は、通常、送電網側（電力需要者側）からの要求、または水素貯蔵装置１０３内の水素残量により決定される。即ち、水素貯蔵装置１０３内の水素残量が多いときは、発電設備１０１からの電力供給量を低減し、水素貯蔵装置１０３内の水素残量が少ないときは、発電設備１０１からの電力供給量を増加させて運転する。
【００７９】
しかしながら、前述の光触媒性半導体を用いた水素生成装置３０１の場合、一般的に太陽光が照射されている限り、水素を製造し続けてしまうため、水素の製造量の調整が困難な場合がある。
【００８０】
従来のエネルギーシステムは、予期せず大量の水素が製造され、水素貯蔵装置１０３の貯蔵能力を超過した場合に対応することができない。
【００８１】
水素貯蔵装置１０３の貯蔵能力を超えて製造された水素を、燃料電池１０４で発電することにより消費しようとすると、発電設備１０１で発電された電力供給量と、送電網からの電力需要が均衡している状態に、燃料電池１０４で発電された電力量が加わるので、急激な電力供給量超過の状態が生じ、停電の恐れが生じる。
【００８２】
また、水素貯蔵装置１０３の貯蔵能力を超過して水素を製造し続けると、水素生成装置３０１内の水素ガス圧が上昇する。
【００８３】
水素生成装置３０１内の水素ガス圧が上昇すると、対極４０３上で生成した水素ガスが、電極表面から脱離しにくくなり、電極表面に滞留するため、電解液４０５が十分に電極表面に拡散することができなくなるため、水素生成の効率が低下する。
【００８４】
さらには、セパレーター４０６が破損し、半導体電極４０２上で生成した酸素ガスと、対極４０３上で生成した水素ガスが混合し、爆発性のガスが生じるため大変危険である。または、筐体４０１が水素ガス圧により破損し、電解質などを含んだ電解液４０５が漏出し、環境にも甚大な影響を与えかねない。
【００８５】
したがって、本実施の形態においては、水素生成装置３０１、水素貯蔵装置１０３、または水素生成装置３０１と水素貯蔵装置１０３とをつなぐ水素ガス輸送ライン上、または水素貯蔵装置１０３と燃料電池１０４とをつなぐ水素ガス輸送ライン上から分岐して、または、燃料電池１０４上であってスタックに導入される前に、水素消費装置１０５が設けられている。
【００８６】
水素貯蔵装置１０３に設置された、水素圧力や重量の計測により、水素貯蔵装置１０３に貯蔵された水素の量が水素貯蔵装置１０３の貯蔵能力を超過したことが検知されると、水素生成装置３０１で製造された水素、または水素貯蔵装置１０３に貯蔵された水素は、水素消費装置１０５へ導入されて消費され、エネルギーシステム３００を安全に制御することが可能となる。
【００８７】
送電網からの電力需要者の需用電力量が増加するなどして、水素貯蔵装置１０３の水素量が貯蔵能力以下に減少したことが検知された場合には、水素消費装置１０５への水素導入は停止され、水素生成装置３０１で製造された水素は、水素貯蔵装置１０３で貯蔵され、必要に応じて燃料電池１０４に供給されて電気エネルギーに変換された後、送電網へ供給される。
【００８８】
また、燃料電池１０４で水素ガスと酸化性ガスとの反応により発電する際に生じた水は、不純物の含有が少なく、水素生成装置３０１を汚染する恐れも低いため、回収されて水素生成装置３０１で再利用されてもよい。
【００８９】
水素消費装置１０５が行う水素の消費方法としては、触媒燃焼法、空気希釈法、さらには水素化合物合成などがよい。
【００９０】
水素消費装置１０５として、触媒燃焼法を用いた設備を設置した場合、水素ガスの燃焼速度が大きく、大量の燃料を燃焼することができ、かつ燃焼効率も高いため、未燃水素ガスの排出が抑制される、また火炎が発生しない燃焼方法なので、安全であるという特徴がある。
【００９１】
加熱雰囲気中で、酸素ガスなどの酸化性ガス存在下において白金などの触媒を用いて行われる。反応生成物は水であり、きわめてクリーンな水素消費設備といえる。
【００９２】
反応生成物として得られた水は回収して、水素生成装置１０２で再利用されてもよい。
【００９３】
水素消費装置１０５として、空気希釈法を用いた設備を設置した場合、大掛かりな水素処理設備を必要とせず、きわめて安価である。外部から空気を水素消費装置１０５内部へ導入し、空気で水素ガスの爆発下限界である４％以下まで水素ガスを希釈し、大気へ放出される。
【００９４】
海上もしくは人里はなれた場所に水素消費装置１０５が設置されている場合など、安全が十分に確認されている場合などには、爆発下限界以上の濃度で大気中に放出されることも考えられる。
【００９５】
また、水素消費装置１０５として、化合物合成設備を設置した場合、加熱しながら水素ガスを二酸化炭素ガスと触媒存在下で、昇圧させた状態で反応させることにより、メタノール、ジメチルエーテル、エタノール、メタンなどの水素化合物に変換することができる。
【００９６】
メタノールやジメチルエーテルを生成するときにはＣｕＯ−ＺｎＯ系、もしくはパラジウム系の触媒が、エタノールを合成する際にはロジウム系の触媒が、メタンを生成するときにはニッケル系、ルテニウム系の触媒が一般的には用いられる。
【００９７】
生成した水素化合物は燃料として再利用しても良いし、化成品などの合成の原料として用いられても良い。
【００９８】
なお、水素消費装置１０５は、これらの消費手段を複数組み合わせたのもでもよい。
【００９９】
（実施の形態３）
図５は、本実施の形態におけるエネルギーシステム５００の構成例を示す図である。
【０１００】
図５に示すように、水素生成装置としては、水素製造のエネルギー源として電気エネルギーを利用した水素生成装置１０２と、主として太陽光や熱エネルギーを利用した水素生成装置３０１を組み合わせた構成であっても良い。
【０１０１】
本構成により、太陽エネルギーが照射される昼間は水素生成装置３０１で、太陽エネルギーが照射されない夜間は、余剰電力または価格の安い夜間電力をエネルギー源として水素生成装置１０２で水素の生成を行うことが可能となり、安価で効率的に水素の生成と貯蔵を行うことができる。
【０１０２】
このとき、水素生成装置１０２で生成された水素と水素生成装置３０１で生成された水素は、水素生成装置１０２と水素貯蔵装置１０３を連結する水素のパイプライン上で水素貯蔵装置１０３に導入される前に合流しても良いし、水素貯蔵装置１０３の内部で合流する構成でも良い。
【０１０３】
水素消費装置１０５は、水素生成装置１０２上、水素生成装置３０１上にそれぞれ設けられても良いが、水素生成装置１０２で生成された水素と、水素生成装置３０１で生成された水素が合流した点よりも下流側で、かつ燃料電池１０４のスタックに導入される点よりも上流側に設置されていることが望ましい。
【産業上の利用可能性】
【０１０４】
本発明にかかるエネルギーシステムは、水素消費装置を有し、余剰電力から送電網を保護しつつ、水素生成装置の安全で高効率な運転を可能とし、家庭向け、業務向け、地域向けのエネルギーシステムとして有用である。
【符号の説明】
【０１０５】
１００，３００，５００    エネルギーシステム
１０１    発電設備
１０２，３０１    水素生成装置
１０３    水素貯蔵装置
１０４    燃料電池
１０５    水素消費装置
２０１    筐体
２０２    電源
２０３，２０７    アノード電極
２０４，２０８    カソード電極
２０５，２０９，４０６    セパレーター
２０６，２１０，４０５    電解液
４０１    筐体
４０２    半導体電極
４０３    対極
４０４    外部回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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