(57)【要約】  水素生成システム（２Ａ）は、水を含む第１の液体を保持し、太陽光が照射されることによって、前記第１の液体に含まれる水の一部が水素と酸素とに分解され、かつ、前記第１の液体の少なくとも一部が加熱される水素生成部（２０１）と、水素生成部（２０１）において加熱された前記第１の液体と第２の液体との熱交換によって、前記第１の液体を冷却し、かつ、前記第２の液体を加熱する第１の熱交換器（２０７）と、第１の熱交換器（２０７）において冷却された前記第１の液体を水素生成部（２０１）に導入する機構（例えば、循環ライン（２０４）およびポンプ（２０５））と、を備えている。
2010134356.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水を含む第１の液体を保持し、太陽光が照射されることによって、前記第１の液体に含まれる水の一部が水素と酸素とに分解され、かつ、前記第１の液体の少なくとも一部が加熱される、水素生成部と、
前記水素生成部において加熱された前記第１の液体と第２の液体との熱交換によって、前記第１の液体を冷却し、かつ、前記第２の液体を加熱する、第１の熱交換器と、
前記第１の熱交換器において冷却された前記第１の液体を、前記水素生成部に導入する機構と、
を備えた、水素生成システム。
【請求項２】
前記第１の熱交換器は、前記水素生成部に隣接して設けられている、請求項１に記載の水素生成システム。
【請求項３】
燃料電池と、
前記水素生成部において生成された水素を前記燃料電池に供給する機構と、をさらに備えた、請求項１に記載の水素生成システム。
【請求項４】
燃料電池と、
前記燃料電池において発生した熱を回収して得られた湯を貯める貯湯槽と、をさらに備えた、請求項１に記載の水素生成システム。
【請求項５】
前記貯湯槽の湯が、前記水素生成部で発生した熱をさらに回収して得られた湯である、請求項４に記載の水素生成システム。
【請求項６】
前記第２の液体が水であり、
前記貯湯槽の湯と前記第２の液体とを合流させる機構をさらに備えた、請求項４に記載の水素生成システム。
【請求項７】
燃料電池と、
前記第１の熱交換器において加熱された前記第２の液体を、前記燃料電池との熱交換によって加熱する、第２の熱交換器と、
をさらに備えた、請求項１に記載の水素生成システム。
【請求項８】
前記第２の熱交換器において加熱された前記第２の液体から熱を回収して得られる湯を貯める貯湯槽をさらに備えた、請求項７に記載の水素生成システム。
【請求項９】
前記水素生成部は、水を水素と酸素とに分解し得る半導体材料を含む半導体電極と、前記半導体電極と電気的に接続された、導電性材料からなる対極と、前記半導体電極および前記対極と接する前記第１の液体と、前記半導体電極、前記対極および前記第１の液体を内部に保持する筐体部と、を備えており、
前記半導体電極に太陽光が照射されることによって、前記第１の液体に含まれる水の一部が水素と酸素とに分解されて水素が生成される、
請求項１に記載の水素生成システム。
【請求項１０】
前記第１の液体を前記水素生成部に導入する前に、前記半導体電極側の流路と前記対極側の流路とに分岐する、請求項９に記載の水素生成システム。
【請求項１１】
前記水素生成部において発生した水素と前記第１の液体との混合物を、水素と前記第１の液体とに分離する気液分離装置が、前記水素生成部の外に設けられている、請求項１に記載の水素生成システム。
【請求項１２】
燃料電池と、
前記第１の熱交換器において加熱された前記第２の液体を、前記燃料電池との熱交換によって加熱する、第２の熱交換器と、
前記第２の熱交換器において加熱された前記第２の液体と第３の液体との熱交換によって、前記第３の液体を加熱し、かつ、前記第２の液体を冷却する、第３の熱交換器と、をさらに備えた、請求項１に記載の水素生成システム。
【請求項１３】
前記燃料電池において発生した熱を回収して得られた湯を貯める貯湯槽をさらに備え、
前記第３の熱交換器は、前記貯湯槽の内部に設けられている、請求項１２に記載の水素生成システム。
【請求項１４】
前記第３の熱交換器によって冷却された前記第２の液体の一部を、前記第１の熱交換器により加熱された後であって、かつ、前記第２の熱交換器に導入される前の前記第２の液体に合流させる機構をさらに備えた、請求項１２に記載の水素生成システム。
【請求項１５】
前記第１の液体の温度が、前記第２の液体の温度および前記第３の液体の温度よりも低い場合に、前記第１の液体と前記第２の液体または前記第３の液体との熱交換によって、前記第１の液体を加熱可能とする機構をさらに備えた、請求項１２に記載の水素生成システム。
【請求項１６】
前記第１の液体と前記第２の液体または前記第３の液体との熱交換によって、前記第１の液体を加熱可能とする前記機構が、
前記第２の熱交換器により加熱された前記第２の液体を前記第１の液体に導入する機構、または、前記第３の熱交換器により加熱された前記第３の液体を前記第１の液体に導入する機構である、請求項１５に記載の水素生成システム。
【請求項１７】
前記第１の液体を流路から導出可能とする機構をさらに備えた、請求項１に記載の水素生成システム。
【請求項１８】
前記水素生成部で生成された水素を貯蔵する貯蔵設備をさらに備えた、請求項１に記載の水素生成システム。
【請求項１９】
燃料電池と、
貯湯槽と、
前記第２の液体が水であり、前記第１の熱交換器によって加熱された前記第２の液体を、前記貯湯槽の湯と合流させる、または、温水として供給する機構と、
前記燃料電池との熱交換により、第３の液体としての水を加熱する、第２の熱交換器と、
加熱された前記第３の液体を前記貯湯槽の湯と合流させる機構と、
をさらに備えた、請求項１に記載の水素生成システム。
【請求項２０】
燃料電池と、
貯湯槽と、
前記第２の液体が水であり、前記第１の熱交換器において加熱された前記第２の液体を、前記燃料電池との熱交換によって加熱する、第２の熱交換器と、
前記第２の熱交換器において加熱された前記第２の液体を前記貯湯槽の湯と合流させる機構と、
をさらに備えた、請求項１に記載の水素生成システム。
【請求項２１】
前記第１の熱交換器において加熱された後であって、かつ、前記第２の熱交換器において前記燃料電池との熱交換を行う前の前記第２の液体に対して、冷水を供給して前記第２の液体の温度を調整する機構をさらに備えた、請求項２０に記載の水素生成システム。
【請求項２２】
燃料電池と、
貯湯槽と、
前記第２の液体が水であり、前記第１の熱交換器によって加熱された前記第２の液体を、前記貯湯槽の湯と合流させる、または、温水として供給する機構と、
前記燃料電池との熱交換により、第３の液体としての水を加熱する、第２の熱交換器と、
加熱された前記第３の液体を前記貯湯槽の湯と合流させる機構と、
前記貯湯槽の内部に設けられ、当該貯湯槽内の湯と第４の液体としての水との熱交換によって前記第４の液体を加熱する、第３の熱交換器と、
をさらに備えた、請求項１に記載の水素生成システム。
【請求項２３】
燃料電池と、
貯湯槽と、
前記第２の液体が水であり、前記第１の熱交換器において加熱された前記第２の液体を、前記燃料電池との熱交換によって加熱する、第２の熱交換器と、
前記第２の熱交換器において加熱された前記第２の液体を前記貯湯槽の湯と合流させる機構と、
前記貯湯槽の内部に設けられ、当該貯湯槽内の湯と第３の液体としての水との熱交換によって前記第３の液体を加熱する、第３の熱交換器と、
をさらに備えた、請求項１に記載の水素生成システム。
【請求項２４】
前記第１の熱交換器において加熱された後であって、かつ、前記第２の熱交換器において前記燃料電池との熱交換を行う前の前記第２の液体に対して、冷水を供給して前記第２の液体の温度を調整する機構をさらに備えた、請求項２３に記載の水素生成システム。
【請求項２５】
第１の液体を保持し、太陽光が照射されることによって、前記第１の液体の少なくとも一部を加熱する太陽熱温水器と、
燃料電池と、
前記太陽熱温水器において加熱された前記第１の液体から回収された熱と、前記燃料電池で発生した熱とを利用して、湯を供給する機構と、
を備えた、温水生成システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光の照射により水素を生成するデバイスを備えた水素生成システムおよび温水生成システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体電極および対極を電解液と接触させ、かつ、半導体電極と対極とを電気的に接続した状態において、半導体電極に光を照射することにより、電解液中の水が分解されて水素と酸素とが発生することが知られている。（例えば、特許文献１参照）。【０００３】
特許文献１には、半導体電極としてｎ型半導体を用い、半導体電極と対極とを電気的に接続した状態で半導体電極に光を照射することにより、水を分解して水素および酸素を生成することが可能な装置が開示されている。【０００４】
また、従来、太陽光および光触媒として機能する半導体によって水を分解して水素を生成させる水素生成装置と、水素生成装置において発生した水素を貯蔵する水素貯蔵部と、水素貯蔵部に貯蔵された水素を電力に変換する燃料電池と、を備えたエネルギーシステムが提案されている。（例えば、特許文献２参照）。【０００５】
さらに、従来、太陽光および光触媒として機能する半導体によって水を分解して水素と酸素を生成させる水素生成装置を備えたエネルギーシステムにおいて、太陽光の照射により温暖となった水の熱量を、水循環経路中に設けられた蓄熱器に蓄積し、その熱量を温水の用途に供するシステムが開示されている。（例えば、特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開昭５０−１２４５８４号公報
【特許文献２】特開２０００−３３３４８１号公報
【特許文献３】特開昭５７−１９１２０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１および２に記載の構成は、水が半導体電極で分解されることによって発生した水素のみをエネルギー源として回収するシステムであり、太陽光により温められることで生成する温水に蓄積された熱エネルギーの利用までは考慮されていない。すなわち、特許文献１および２に記載の構成では、太陽光エネルギーの利用効率が不十分である。【０００８】
また、特許文献１および２に記載の構成は、太陽光照射により半導体電極での分解に供する水に熱が蓄積されて水温が上昇していくと、温度上昇により半導体を構成する原子間距離が増大することで半導体材料のエネルギーバンドギャップが変化し、半導体電極が設計どおりの性能を示さなくなる、という課題も有していた。【０００９】
また、特許文献３に記載のシステムは、半導体電極において分解に供する水を、直接温水の用途に利用するものである。半導体電極における水の分解現象は電気化学的なメカニズムに支配されており、分解効率は水の導電率やｐＨの影響を大きく受ける。特許文献３に記載のシステムでは、半導体電極において分解に供する水を直接温水の用途に利用するものであり、電解質およびｐＨ調整用のバッファー等を混入させることができず、半導体電極での水素発生の効率が非常に低くなるという課題を有していた。【００１０】
また、特許文献３に記載のシステムは、水素および酸素が混合した状態で生成されるため、水素と酸素との分離が困難である、また水素爆発の危険性が伴う、という課題も有していた。【００１１】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、高い水素発生効率を実現すると同時に、太陽光により温められた水の熱エネルギーを有効利用することを可能とした水素生成システムを提供することを目的とする。さらに、本発明は、太陽光エネルギーを利用した温水生成システムを提供することも目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の水素生成システムは、
水を含む第１の液体を保持し、太陽光が照射されることによって、前記第１の液体に含まれる水の一部が水素と酸素とに分解され、かつ、前記第１の液体の少なくとも一部が加熱される、水素生成部と、
前記水素生成部において加熱された前記第１の液体と第２の液体との熱交換によって、前記第１の液体を冷却し、かつ、前記第２の液体を加熱する、第１の熱交換器と、
前記第１の熱交換器において冷却された前記第１の液体を、前記水素生成部に導入する機構と、
を備えている。【００１３】
また、本発明の温水生成システムは、
第１の液体を保持し、太陽光が照射されることによって、前記第１の液体の少なくとも一部を加熱する太陽熱温水器と、
燃料電池と、
前記太陽熱温水器において加熱された前記第１の液体から回収された熱と、前記燃料電池で発生した熱とを利用して、湯を供給する機構と、
を備えた、システムである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の水素生成システムによれば、水素生成部において分解に供する水を含む第１の液体を、別の液体である第２の液体との間で熱交換させることによって当該第２の液体を加熱し、当該第２の液体を、熱を取り出す種々の用途に利用する。すなわち、水素生成部において水の分解に利用される第１の液体には、水素生成効率を高めるための電解質およびｐＨ調整液を混入させることが可能となる。それと同時に、水素生成部に供給される第１の液体の温度が上がりすぎないため、水素生成部に用いられる光半導体のバンドギャップのエネルギーが変動せず、設計どおりの高い量子効率を発揮することが可能となる。さらに、本発明の水素生成システムによれば、太陽光から得られた熱エネルギーまでも有効に利用することができる。一方、本発明の温水生成システムによれば、太陽光エネルギーに加えて、燃料電池から発せられる熱エネルギーも利用されるので、エネルギー効率の良い温水生成システムを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】光触媒の水分解メカニズムを示す図
【図２Ａ】本発明の実施の形態１における水素生成システムの一例を示すシステム構成図
【図２Ｂ】本発明の実施の形態１における水素生成システムの別の例を示すシステム構成図
【図２Ｃ】本発明の実施の形態１における水素生成システムのさらに別の例を示すシステム構成図
【図２Ｄ】本発明の実施の形態１における水素生成システムのさらに別の例を示すシステム構成図
【図２Ｅ】本発明の実施の形態１における水素生成システムのさらに別の例を示すシステム構成図
【図３Ａ】本発明の実施の形態１における水素生成システムの水素生成部の一構成例を示す図
【図３Ｂ】本発明の実施の形態１における水素生成システムの水素生成部の別の構成例を示す図
【図３Ｃ】本発明の実施の形態１における水素生成システムの水素生成部のさらに別の一構成例を示す図
【図４Ａ】本発明の実施の形態２における水素生成システムの一例を示すシステム構成図
【図４Ｂ】本発明の実施の形態２における水素生成システムの別の例を示すシステム構成図
【図４Ｃ】本発明の実施の形態２における水素生成システムのさらに別の例を示すシステム構成図
【図４Ｄ】本発明の実施の形態２における水素生成システムのさらに別の例を示すシステム構成図
【図５Ａ】本発明の実施の形態３における水素生成システムの一例を示すシステム構成図
【図５Ｂ】本発明の実施の形態３における水素生成システムの別の例を示すシステム構成図
【図５Ｃ】本発明の実施の形態３における水素生成システムのさらに別の例を示すシステム構成図
【図５Ｄ】本発明の実施の形態３における水素生成システムのさらに別の例を示すシステム構成図
【図６Ａ】本発明の実施の形態４における水素生成システムの一例を示すシステム構成図
【図６Ｂ】本発明の実施の形態４における水素生成システムの別の例を示すシステム構成図
【図６Ｃ】本発明の実施の形態４における水素生成システムのさらに別の例を示すシステム構成図
【図７Ａ】本発明の実施の形態５における水素生成システムの一例を示すシステム構成図
【図７Ｂ】本発明の実施の形態５における水素生成システムの別の例を示すシステム構成図
【図７Ｃ】本発明の実施の形態５における水素生成システムのさらに別の例を示すシステム構成図
【図８Ａ】本発明の実施の形態６における水素生成システムの一例を示すシステム構成図
【図８Ｂ】本発明の実施の形態６における水素生成システムの別の例を示すシステム構成図
【図８Ｃ】本発明の実施の形態６における水素生成システムのさらに別の例を示すシステム構成図
【図９Ａ】本発明の実施の形態７における水素生成システムの一例を示すシステム構成図
【図９Ｂ】本発明の実施の形態７における水素生成システムの別の例を示すシステム構成図
【図９Ｃ】本発明の実施の形態７における水素生成システムのさらに別の例を示すシステム構成図
【図１０Ａ】本発明の実施の形態８における水素生成システムの一例を示すシステム構成図
【図１０Ｂ】本発明の実施の形態８における水素生成システムの別の例を示すシステム構成図
【図１１Ａ】本発明の実施の形態９における水素生成システムの一例を示すシステム構成図
【図１１Ｂ】本発明の実施の形態９における水素生成システムの別の例を示すシステム構成図
【図１１Ｃ】本発明の実施の形態９における水素生成システムのさらに別の例を示すシステム構成図
【図１１Ｄ】本発明の実施の形態９における水素生成システムのさらに別の例を示すシステム構成図
【図１１Ｅ】本発明の実施の形態９における水素生成システムのさらに別の例を示すシステム構成図
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明における水素生成システムを構成する水素生成部の一例として、水を水素と酸素とに分解し得る半導体材料を含む半導体電極と、導電性の材料からなる対極とを有するデバイスが挙げられる。
【００１７】
光を照射することで、水を水素と酸素に分解する半導体材料は、別名「光触媒」とよばれる。
【００１８】
以下、光触媒による水分解のメカニズムを説明する。図１は、光触媒１０１のエネルギーバンド図である。
【００１９】
光触媒１０１にバンドギャップ１０２以上のエネルギーを持った光が照射されると、価電子帯１０３から伝導帯１０４へ電子１０５が励起し、価電子帯１０３に正孔１０６が生成する。
【００２０】
生成した正孔１０６は、光触媒１０１表面で下記反応式（１）により、水を分解し、酸素を生成する。
（化１）
４ｈ＋＋２Ｈ２Ｏ  →  Ｏ２↑＋４Ｈ＋      （１）
【００２１】
一方、伝導帯１０４に励起した電子１０５は、光触媒１０１表面で下記反応式（２）により、水を分解し、水素を生成する。
（化２）
４ｅ−＋４Ｈ＋  →  ２Ｈ２↑      （２）
【００２２】
この時、水素と酸素の発生場所が非常に近接しているため、下記反応式（３）に示される逆反応が課題となる。
（化３）
２Ｈ２＋Ｏ２  →  ２Ｈ２Ｏ      （３）
【００２３】
この課題を解決するために、本発明における水素生成システムを構成する水素生成部は、半導体電極と対極とを備えた構造を有することが好ましい。また、半導体電極と対極は外部回路によって電気的に連結されていることが好ましい。本構成において、一般に、半導体電極を構成する半導体材料がｎ型半導体である場合、照射光により励起された電子１０５は、半導体電極中を移動し、外部回路を経て、対極へ移動する。その後、対極の表面で反応式（２）の反応を起こし、水素を生成する。一方、電子１０５の励起により生成した正孔１０６は、半導体電極の表面で反応式（１）の反応を起こし、酸素を生成する。
【００２４】
半導体電極を構成する半導体材料がｐ型半導体の場合は、一般に、ｎ型半導体を用いた場合と回路を流れる電子の流れが逆になり、半導体電極の表面で反応式（２）の反応を起こし水素を、対極表面で反応式（１）の反応を起こし酸素を、それぞれ生成する。
【００２５】
このような構成の場合、水素が発生する部分と、酸素が発生する部分とが分離しているため、反応式（３）に示される逆反応は起こらない。
【００２６】
また、このような水の分解において、上記反応式（１）、（２）の反応を起こすためには、図１における伝導帯のバンドエッジの準位が、水素イオンの還元準位（０Ｖ（水素標準電位））以下であって、かつ、価電子帯のバンドエッジの準位が、水の酸化電位（１．２３Ｖ（水素標準電位））以上であることが好ましい。すなわち、図１において、バンドギャップ１０２は１．２３ｅＶ以上が好ましく、そのバンドギャップ１０２を飛び越えて電子１０５を励起させるためには、照射光の波長はおよそ１０１０ｎｍ以下であることが必要である。したがって、太陽光に含まれる光エネルギーのうち１０１０ｎｍ以上の波長域（バンドギャップ以下のエネルギーの光）は、熱エネルギーとして回収することが望ましい。
【００２７】
さらに、電子１０５は、吸収した光の波長に応じたエネルギーを獲得し、励起されると、すぐに伝導帯１０４の底まで緩和する。
【００２８】
また、励起された電子１０５のうち、光触媒１０１表面で水と反応できなかったものは、正孔１０６と再結合する。
【００２９】
これらの緩和過程および再結合過程においても、熱が発生する。この熱についても回収することが望ましい。
【００３０】
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。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。また、以下の実施の形態では、同一部材に同一の符号を付して、重複する説明を省略する場合がある。
【００３１】
（実施の形態１）
図２Ａ〜図２Ｅは、本発明の実施の形態１における水素生成システムの各構成例を示す。
【００３２】
図２Ａに示す本実施の形態の水素生成システム２Ａは、水素生成部２０１と、水素生成部２０１で加熱された水（第１の液体）と、別の経路である水流ライン２０６で導入された水（第２の液体）とで熱交換し、前者の水（第１の液体としての水）を冷却し、後者の水（第２の液体としての水）を加熱する熱交換器２０７と、熱交換器２０７で冷却された水を再度水素生成部２０１に導入する機構とを有する。この機構は、熱交換器２０７で冷却された水を再度水素生成部２０１に導入するための水経路と、当該水経路において水を循環させるためのポンプ２０５とを含んでいる。この水経路は、水素生成部２０１と熱交換器２０７を繋ぐ循環ライン２０４の一部を形成しており、ポンプ２０５は循環ライン２０４上に設けられている。なお、熱交換器２０７において、循環ライン２０４を流れる循環水（第１の液体）と加熱される水流ライン２０６を流れる水（第２の液体）とは交じり合うことは無く、熱交換が行われるだけである。なお、本実施の形態では、循環ライン２０４を流れる第１の液体として水を用いているが、第１の液体は通常の水に限定されず、水と水以外のものとの混合物および水溶液を含む。
【００３３】
水素生成部２０１では、太陽光が照射されることにより、光触媒反応により水が分解されて水素および酸素が発生するとともに、水が太陽光により加熱される。水素生成部２０１には、水素生成部２０１内部での水分解により生成した水素ガスおよび酸素ガスを水素生成部２０１の外部に導出するための水素導出管２０２および酸素導出管２０３が設けられている。
【００３４】
水素生成部２０１は、少なくとも半導体電極および対極から構成されており、水素生成部２０１に供給される水は、半導体電極側ならびに対極側に分離された構造となっている。水素生成部２０１の具体例は後で図３Ａ〜図３Ｃを用いて説明するが、本実施の形態の水素生成部２０１は、水を水素と酸素とに分解し得る半導体材料を含む半導体電極と、前記半導体電極と電気的に接続された、導電性材料からなる対極と、前記半導体電極および前記対極と接する第１の液体（ここでは、循環ライン２０４の循環水）と、前記半導体電極、前記対極および前記第１の液体を内部に保持する筐体部と、を備えており、前記半導体電極に太陽光が照射されることによって、前記第１の液体に含まれる水の一部が水素と酸素とに分解されて水素が生成される構成を有している。
【００３５】
なお、本実施の形態では、水素生成部２０１を構成する半導体電極側に酸素導出管２０３が設けられ、対極側に水素導出管２０２が設けられる構成を例に挙げて説明しているが、これに限定されない。水素生成部２０１を構成する半導体電極および対極間を流れる電子の方向に応じて、水素導出管２０１および酸素導出管２０２の設置位置を決定すればよい。したがって、水素生成部２０１を構成する半導体電極および対極間を流れる電子の方向によっては、半導体電極側に水素導出管２０２が設けられ、対極側に酸素導出管２０３が設けられていてもよい。
【００３６】
水素生成システム２Ａにおいては、ポンプ２０５の動力により循環ライン２０４を流れる循環水は、水素生成部２０１の内部で、半導体電極側を流れる水流と対極側を流れる水流とに分岐される。太陽光照射により生成した水素ガスおよび酸素ガスは、水素導出管２０２および酸素導出管２０３から水素生成部２０１の外部に導出される。同時に循環水は太陽光により加熱され、その後、熱交換器２０７により、水流ライン２０６を流れる水と熱交換される。その後、循環水は、循環ライン２０４を導通し、再び水素生成部２０１に供給される。なお、循環水が減少してきた場合は、適宜外部から水を供給してもよい。
【００３７】
水流ライン２０６を流れる水は、熱交換器２０７において循環ライン２０４を流れる循環水から熱を受け取って温水となる。水流ライン２０６上に、たとえば弁２１０を設け、この弁を開閉することにより、必要なときに温水を取り出せる構成にしてもよい。
【００３８】
熱エネルギーの損失を抑制するために、水素生成部２０１と熱交換器２０７とは互いに隣接して設けられることが好ましい。水素生成部２０１と熱交換器２０７の間の水の配管は、外気と断熱され、水温が低下しない構造となっていることが好ましい。
【００３９】
水素生成部２０１の内部において、半導体電極側と対極側に分離して水を流すための循環ライン２０４の分岐は、必ずしも水素生成部２０１の内部で行われる必要はない。図２Ｂに示す、本実施の形態の別の例である水素生成システム２Ｂのように、水素生成部２０１に導入される手前で分岐する構造としてもよい。
【００４０】
水素生成部２０１において生成した水素ガスおよび酸素ガスが、それぞれ分離された状態で水素生成部２０１から導出される必要はない。図２Ｃに示す、本実施の形態のさらに別の例である水素生成システム２Ｃのように、太陽光照射により生成した水素ガスおよび酸素ガスが、循環水と共に水素生成部２０１の外部に輸送される構成であってもよい。水素生成部２０１を構成する、太陽光が照射されない電極側（対極側）から外部に導出された水素を含んだ循環水は、気液分離装置２０８ａに導入され、液体と気体に分離される。液体と分離された気体は、水素導出管２０２により、循環ライン２０４から導出される。一方、水素生成部２０１を構成する太陽光が照射される電極側（半導体電極側）から外部に導出された酸素を含んだ循環水は、熱交換器２０７に導入され、水流ライン２０６を流れる水と熱交換される。熱交換器２０７を出た循環水は、もう一方の電極側を流れた循環水と合流し、気液分離装置２０８ｂへ導入され、液体と気体に分離される。分離した気体は、酸素導出管２０３により、循環水から導出される。その後、循環水は循環ライン２０４を導通し、再び水素生成部２０１に供給される。なお、ここでは、対極側から外部に導出された循環水に水素が、半導体電極側から外部に導出された循環水に酸素が含まれる例について説明している。しかし、水素生成部２０１を構成する半導体電極および対極間を流れる電子の方向によっては、半導体電極側から水素が発生し、対極側から酸素が発生する場合もあるため、必ずしも対極側から外部に導出された循環水に水素が、半導体電極側から外部に導出された循環水に酸素が含まれる構成に限定されない。水素生成部２０１を構成する半導体電極および対極間を流れる電子の方向によっては、半導体電極側の循環水に水素が含まれており、対極側の循環水に酸素が含まれていてもよい。その場合は、気液分離装置２０８ａで分離された気体は酸素となり、気液分離装置２０８ｂで分離された気体は水素となるため、水素導出管２０２と酸素導出管２０３との設置位置が逆となる。
【００４１】
なお、半導体電極側および対極側を流れた水流の合流箇所は、図２Ｄ示す水素生成システム２Ｄのように、半導体電極側の水が気液分離装置２０８ｂを通過し、かつ、対極側の水が気液分離装置２０８ａを通過した後でもよい。
【００４２】
また、本実施の形態の水素生成システムは、図２Ｅに示す水素生成システム２Ｅのように、水素導出管２０２上に水素ガスを貯蔵する貯蔵設備２０９をさらに設けた構成であってもよい。貯蔵設備２０９を設けることにより、昼間生成した水素を、夜間にも使えるようになる。
【００４３】
なお、図２Ａ〜図２Ｄに示したいずれの構成にも、貯蔵設備２０９を設けることができる。
【００４４】
また、貯蔵設備２０９には、気体圧縮機構が付随していることが望ましい。貯蔵設備２０９としては、タンク様の容器でも可能であるが、水素貯蔵を行う場合は、水素吸蔵合金からなる貯蔵設備でもよい。必要に応じて、貯蔵設備２０９に水素を導入する前に、水素を乾燥させる設備（除湿装置）を設けてもよい。
【００４５】
また、循環ライン２０４には、内部の水量を調整するための水導入口が設けられていてもよい。
【００４６】
以下、水素生成部２０１の構成例を説明するが、本発明における水素生成システムは、以下に述べる水素生成部２０１の各構成例に限るものではない。
【００４７】
［構成例１］
図３Ａに、水素生成部２０１の一構成例である水素生成部２０１Ａを示す。水素生成部２０１Ａは、図２Ａに示す水素生成システム２Ａに好適に用いられる構成である。水素生成部２０１Ａは、光触媒である半導体材料を導電基板の上に配置した半導体電極３０１と、導電性材料からなる対極（金属および炭素等の導体物質からなる対極、もしくは、導電基材に金属を担持した構造を有した対極）３０２と、半導体電極３０１と対極３０２とを連結する外部回路３０３と、を有する。半導体電極３０１を構成する半導体は、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。半導体電極３０１および対極３０２は第１の液体としての循環水３０５と接しており、半導体電極３０１、対極３０２および循環水３０５は、筐体部３０４の内部に保持されている。
【００４８】
また、半導体電極３０１と対極３０２との間にバイアスを印加できるような機構（図示せず）が設けられていてもよい。
【００４９】
筐体部３０４の内部には、水素生成部２０１Ａにおいて分解に供する循環水３０５が流通している。循環水３０５は、水素生成部２０１Ａの外部においては、循環ライン２０４内部を流れる。循環水３０５は、支持電解質、酸化還元材料および犠牲試薬等を含んでいてもよい。
【００５０】
筐体部３０４の半導体電極３０１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。
【００５１】
半導体電極３０１と対極３０２との間は、セパレーター３０６により分離されている。セパレーター３０６は、液体とそれ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３０６で水素生成部２０１Ａの内部を半導体電極３０１側の領域と対極３０２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じり合うことを防止できる。水素生成部２０１Ａでは、セパレーター３０６で半導体電極３０１側と対極３０２側とを完全に分離せず、水の流路を低い位置に設けている。ガスは高所へ浮上していくため、流路を低位置に設けることで、ガスの混合を防止できる。また、この構造にすることで、一つの水導入口３０７から、半導体電極３０１側および対極３０２側の双方に、潤滑に循環水３０５を供給することが可能となる。水導入口３０７は半導体電極側、対極側のいずれに設けてもよい。
【００５２】
循環水３０５は、水導入口３０７より水素生成部２０１Ａに導入される。半導体電極３０１を構成する半導体がｎ型半導体の場合、半導体電極３０１側に流れた循環水３０５は太陽光が照射された電極上で上記反応式（１）の反応により酸素を生成する。一方、励起された電子は、外部回路３０３を伝導して、対極３０２上で上記反応式（２）の反応により水素を生成する。この時、半導体電極３０１により吸収されなかった光、特に赤外光や、半導体電極３０１により吸収されたものの、反応式（１）および（２）の化学反応に使われなかった場合に放出される熱エネルギーにより、循環水３０５は加熱される。
【００５３】
循環水３０５において、半導体電極３０１側を流れたものは、半導体電極３０１側の水排出口３０８から水素生成部２０１の外部へ排出される。一方、対極３０２側を流れたものは、対極３０２側の水排出口３０９から排出される。上記反応式（１）および（２）の反応により、半導体電極３０１および対極３０２上で生成した酸素および水素は、それぞれ酸素ガス排出口３１０および水素ガス排出口３１１から水素生成部２０１の外部に排出される。
【００５４】
半導体電極３０１側の水排出口３０８から排出された、太陽光により加熱された循環水３０５は、循環ライン２０４を通って、図２Ａに示す熱交換器２０７に導入される。熱交換器２０７において、水分解の用途に供した循環水３０５と、水流ライン２０６を流れる熱量を蓄積する用途に供する第２の液体（ここでは水）との間で熱交換される。したがって、熱量を蓄積する用途に供する液体には、支持電解質、酸化還元材料および犠牲試薬等の化学物質が混入することはない。よって、第１の液体としての循環水３０５を、水分解に最も適した液性に調整することができ、また熱量を蓄積した第２の液体をそのまま生活に用いることもできる。熱交換器２０７において熱交換された後、半導体電極３０１側の水排出口３０８および対極３０２側の水排出口３０９から水素生成部２０１Ａの外部に排出された２系統の水流は、合流し、再び水素生成部２０１Ａに供給される。
【００５５】
半導体電極３０１側の水排出口３０８と対極３０２側の水排出口３０９から排出された水流は、熱交換器２０７の上流側および下流側のどちら側で合流しても構わないが、図２Ａに示すように、半導体電極３０１側の水排出口３０８から排出された水流が熱交換器２０７を通過した後に、対極３０２側の水排出口３０９から排出された水流と合流することが好ましい。熱交換器２０７の上流側で両者の水流を合流させると、半導体電極３０１側の水排出口３０８から排出された水流に蓄えられている太陽光の熱エネルギーの一部が損なわれてしまうためである。
【００５６】
［構成例２］
図３Ｂに、水素生成部２０１の別の構成例である水素生成部２０１Ｂを示す。水素生成部２０１Ｂは、図２Ｂに示す水素生成システム２Ｂに好適に用いられる構成である。図３Ｂにおいて、図３Ａ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。
【００５７】
水素生成部２０１Ｂにおいては、半導体電極３０１側の領域と対極３０２側の領域とが、セパレーター３０６によって完全に分離されている。半導体電極３０１側および対極３０２側に、それぞれ、水導入口３０７および３１２が設けられている。
【００５８】
また、半導体電極３０１と対極３０２との間にバイアスを印加できるような機構（図示せず）が設けられていてもよい。
【００５９】
したがって、水素生成部２０１Ｂの構成の場合、半導体電極３０１側および対極３０２側双方への水路を設けるために、図２Ｂに示すように循環ライン２０４を分岐する必要がある。水素生成部２０１Ｂのような構造にすることで、生成した酸素および水素の混合をより確実に防ぎ、上記反応式（３）の逆反応を防止すると共に、水素爆発をより確実に防止することが可能となる。
【００６０】
水導入口３０７および３１２から導入された循環水３０５は、それぞれ半導体電極３０１および対極３０２上で、上記反応式（１）および（２）の反応により酸素と水素とを生成した後、水排出口３０８および３０９から排出される。
【００６１】
排出された後の過程は、構成例１における水素生成部２０１Ａの場合と同様であるので、省略する。
【００６２】
［構成例３］
図３Ｃに、水素生成部２０１のさらに別の構成例である水素生成部２０１Ｃを示す。水素生成部２０１Ｃは、図２Ｃ〜２Ｅに示す水素生成システム２Ｃ〜２Ｅに好適に用いられる構成である。図３Ｃにおいて、図３Ａおよび図３Ｂ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。
【００６３】
水素生成部２０１Ｃは、その内部に酸素導出管および水素導出管が設けられていない構成となっている。半導体電極３０１および対極３０２上で生成した酸素および水素は、それぞれ循環水３０５と共に半導体電極３０１側の水排出口３０８および対極３０２側の水排出口３０９から排出される。
【００６４】
排出された循環水３０５と気体の混合物は、図２Ｃ〜２Ｅに示すように、それぞれ気液分離装置２０８ａ，２０８ｂに導入され、気体と液体とに分離される。分離された気体は、それぞれ、水素導出管２０２および酸素導出管２０３から導出される。分離の方法は、加熱、振動、超音波、攪拌、遠心分離などいずれの方法でもよく、確実に分離するために、気液分離装置を直列に複数個配置してもよい。
【００６５】
対極３０２側の水排出口３０９から排出された水と水素との分離は、図２Ｃおよび図２Ｅに示す構成のように、半導体電極３０１側の水排出口３０８から排出された水流と合流する前に行なわれることが望ましい。
【００６６】
一方、半導体電極３０１側の水排出口３０８から排出された水の流路にあっては、気液分離装置２０８ｂの設置は、熱交換器２０７において熱交換される前でも構わないが、熱損失をできる限り小さくするために、水素生成システム２Ｃ〜２Ｅのように熱交換後が好ましい。特に、余分の残留気体を水循環ライン２０４から完全に除去するために、水素生成システム２Ｃ，２Ｅのように、対極３０２側の水排出口３０９から排出された水との合流後に気液分離装置２０８ｂが設けられることが望ましい。
【００６７】
なお、合流前後の双方に気液分離装置が設けられていてもよい。
【００６８】
（実施の形態２）
図４Ａ〜図４Ｄは、本発明の実施の形態２における水素生成システムの各構成例を示す。図４Ａ〜図４Ｄにおいて、図２Ａ〜図２Ｅ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、水素生成部２０１の構成は、実施の形態１に示した構成に限るものではない。
【００６９】
図４Ａに示す水素生成システム４Ａは、実施の形態１の水素生成システム２Ａ〜２Ｅに燃料電池４０１をさらに組み込み、水素生成部２０１において生成した水素を外部へ導出する水素導出管２０２を燃料電池４０１に接続するとともに、熱交換器２０７で循環ライン２０４と熱交換を行い加熱された水流ライン２０６を燃料電池４０１に導通させた構成となっている。本実施の形態では、燃料電池４０１に接続された水素導出管２０２によって、水素生成部２０１において生成された水素を燃料電池４０１に供給する機構が実現されている。かかる構成によれば、水素生成部２０１において発生した水素を電気エネルギーに変換することが可能となると共に、熱交換器２０７により加熱され、水流ライン２０６を流れてきた液体を、燃料電池４０１内部に設置された熱交換器（第２の熱交換器）４０２でさらに加熱することができる。
【００７０】
燃料電池４０１は、固体高分子型、固体酸化物型、リン酸型燃料電池などいずれの発電形式のものを用いてもよい。
【００７１】
燃料電池４０１において水素と酸素とが反応すると、電気エネルギーと水が生成すると同時に反応エネルギーが熱として放出される。また、燃料電池４０１においては、発電した電流と内部抵抗に由来するジュール熱も生じる。この反応エネルギーおよびジュール熱を回収・利用することで、水素生成部２０１において吸収した熱エネルギーのみを回収・利用した場合と比較して、飛躍的に効率的なエネルギー利用が可能になる。
【００７２】
また、必要に応じて、水素導出管２０２および酸素導出管２０３上に、貯蔵設備を設けてもよい。貯蔵設備には気体圧縮機構が付随していることが望ましい。貯蔵設備としては、タンク様の容器でも可能であるが、水素貯蔵を行う場合は、水素吸蔵合金からなる貯蔵設備でもよい。また、循環ライン２０４には、内部の水量を調整するための水導入口が設けられていてもよい。
【００７３】
水流ライン２０６上には、例えば燃料電池４０１で加熱された後の部分に、弁４０５が設置されていてもよい。この弁４０５を開閉することにより、必要なときに温水を得ることができる。
【００７４】
図４Ｂに示す、本実施の形態の別の例である水素生成システム４Ｂのように、水流ライン２０６を流れる水であって、熱交換器２０７により熱交換される前の水を、熱交換器２０７を通さずに、再び水流ライン２０６と、熱交換器２０７と燃料電池４０１との間とで合流させる、バイパスライン４０３を設けた構造としてもよい。バイパスライン４０３は必要に応じて用いられるものであるため、弁４０４を設ける。
【００７５】
従来、燃料電池を構成するスタック部の温度が不安定になると、燃料電池の性能も不安定になるという課題があった。本発明においても、熱交換器２０７で加熱された水流ライン２０６を流れる液体の温度がばらつくことで、燃料電池４０１の性能も不安定になるという課題を有している。これに対し、水素生成システム４Ｂの構成によれば、熱交換器２０７において熱交換された水の温度が高すぎる場合に、弁４０４を開けることにより、冷水により燃料電池４０１へ導入される水の温度を調整することができる。
【００７６】
図４Ｃに示す、本実施の形態の別の例である水素生成システム４Ｃのように、水素および酸素と水との分離を水素生成部２０１では行わず、水流とともに外部に導出して、別途設けられた気液分離装置２０８ａ，２０８ｂで分離する構成とすることもできる。
【００７７】
水素生成システム４Ｃにおいて、バイパスライン４０３および弁４０４は設置してもよいし、しなくてもよい。
【００７８】
気液分離装置２０８ａ，２０８ｂの設置方法については、実施の形態１と同様であるため、説明は省略する。
【００７９】
図４Ｄに示す、本実施の形態の別の例である水素生成システム４Ｄのように、水素導出管２０２上に貯蔵設備２０９を設けてもよい。貯蔵設備２０９には、気体圧縮機構が付随していることが望ましい。貯蔵設備２０９としては、タンク様の容器でも可能であるが、水素貯蔵を行う場合は、水素吸蔵合金からなる貯蔵設備でもよい。必要に応じて、貯蔵設備２０９に水素を導入する前に、水素を乾燥させる設備（除湿装置）を設けてもよい。
【００８０】
水素生成システム４Ｄの構成によれば、従来太陽光が水素生成部２０１に照射していない時間帯には水素を生成することができなかったが、太陽光が照射している時間帯に水素を貯蔵設備２０９に貯蔵することで、照射していない時間帯であっても燃料電池４０１に水素を供給することが可能となる。
【００８１】
水素生成システム４Ｄには、バイパスライン４０３および弁４０４が設置されているが、これらは必ずしも設置する必要はない。また、水素生成システム４Ｄでは、水素と酸素との分離を、水素生成部２０１の外部に設けられた気液分離装置２０８ａ，２０８ｂによって行っているが、水素生成システム４Ａ，４Ｂのように水素生成部２０１の内部で行ってもよい。
【００８２】
（実施の形態３）
図５Ａ〜図５Ｄは、本発明の実施の形態３における水素生成システムの各構成例を示す。図５Ａ〜図５Ｄにおいて、図２Ａ〜図２Ｅおよび図４Ａ〜図４Ｄ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、水素生成部２０１の構成は、実施の形態１に示した構成に限るものではない。
【００８３】
図５Ａに示す水素生成システム５Ａは、実施の形態１および実施の形態２の水素生成システムの構成に、燃料電池４０１において発生した熱と水素生成部２０１で発生した熱とを回収して得られた湯を貯める貯湯槽５０１をさらに設けた構成を有する。水素生成システム５Ａは、熱交換器（第１の熱交換器）２０７と、燃料電池４０１に設けられた熱交換器（第２の熱交換器）４０２とにおいて得られた熱量を、貯湯槽５０１に設けられた熱交換器（第３の熱交換器）５０２において水流ライン５０３を流れてきた液体（第３の液体）と交換して蓄積する構成となっている。この時、熱交換器２０７および４０２において得られた熱量は、水流ライン２０６を流れる液体（第２の液体）によって輸送される。水流ライン２０６は、貯湯槽５０１に設けられた熱交換器５０２において水流ライン５０３と熱交換を行なった後、再び熱交換器２０７へ流通する循環ラインを構成している。
【００８４】
水流ライン２０６は、水を循環させるためのポンプ５０４をさらに備えている。水流ライン２０６を流れる液体は、燃料電池４０１を腐食から防止するために純水が好ましいが、不凍液等の液体であってもよい。貯湯槽５０１において、蓄えられた温水は、水流ライン５０３上に、例えば弁５０５が設けられていて、必要に応じて弁５０５を開閉することにより、水流ライン５０３を通じて分配される。
【００８５】
水素生成システム５Ａの構成によれば、水素生成部２０１において、太陽光の照射時間の少ない時間帯、すなわち夜間、悪天候時、冬季に安定的に温水を供給できなくなるという従来の課題を解決することができる。
【００８６】
すなわち、貯湯槽５０１を設ける構成とすることにより、太陽光が照射している時間帯に水素生成部２０１および燃料電池４０１において生成した熱を、一度貯湯槽５０１に蓄積することが可能となり、夜間、悪天候時、冬季といった太陽光の照射時間が少なくなる時間帯においても安定的に温水を供給することが可能となる。
【００８７】
貯湯槽５０１は、断熱材等で被覆されていることが望ましい。
【００８８】
また、必要に応じて、水素導出管２０２および酸素導出管２０３上に、貯蔵設備を設けてもよい。貯蔵設備には気体圧縮機構が付随していることが望ましい。貯蔵設備としては、タンク様の容器でも可能であるが、水素貯蔵を行う場合は、水素吸蔵合金からなる貯蔵設備でもよい。必要に応じて、貯蔵設備に水素又は酸素を導入する前に、水素又は酸素を乾燥させる設備（除湿装置）を設けてもよい。
【００８９】
また、循環ライン２０４には、内部の水量を調整するための水導入口が設けられていてもよい。
【００９０】
図５Ｂに示す、本実施の形態の別の例である水素生成システム５Ｂのように、水素生成システム５Ａの構成に対して、実施の形態２の水素生成システム４Ｂと同様に、水流ライン２０６にバイパスライン４０３と弁４０４とを設置した構成とすることもできる。
【００９１】
実施の形態２で説明したとおり、従来、燃料電池を構成するスタック部の温度が不安定になると、燃料電池の性能も不安定になるという課題があった。本発明においても、熱交換器２０７で加熱された水流ライン２０６を流れる液体の温度がばらつくことで燃料電池４０１の性能も不安定になるという課題を有している。この構造によれば、熱交換器２０７において熱交換された水の水温が高すぎる場合に、弁４０４を開けることにより、冷水により燃料電池４０１へ導入される水の温度を調整することができる。
【００９２】
なお、燃料電池４０１へ導入される水の温度調整に用いられる冷水は、必ずしも水流ライン２０６に設けられたバイパスライン４０３で行う必要はなく、例えば市水を導入する機構などを設けることにより行なってもよい。
【００９３】
図５Ｃに示す、本実施の形態の別の例である水素生成システム５Ｃは、水素生成システム５Ｂにおいて、水素および酸素と水との分離を水素生成部２０１では行わずに、水素および酸素を水流とともに外部に導出して気液分離装置２０８ａ、２０８ｂで分離する構成を有している。
【００９４】
水素生成システム５Ｃにおいてもバイパスライン４０３および弁４０４を設けているが、これらは必ずしも設置する必要はない。
【００９５】
気液分離装置２０８ａ，２０８ｂの設置方法については、実施の形態１と同様であるため、説明は省略する。
【００９６】
図５Ｄに示す、本実施の形態の別の例である水素生成システム５Ｄは、水素生成システム５Ｃにおいて、水素導出管２０２上に貯蔵設備２０９をさらに設けた構成を有する。貯蔵設備２０９には、気体圧縮機構が付随していることが望ましい。貯蔵設備２０９としては、タンク様の容器でも可能であるが、水素貯蔵を行う場合は、水素吸蔵合金からなる貯蔵設備でもよい。必要に応じて、貯蔵設備２０９に水素を導入する前に、水素を乾燥させる設備（除湿装置）を設けてもよい。
【００９７】
水素生成システム５Ｄによれば、従来太陽光が水素生成部２０１に照射していない時間帯には水素を生成することができなかったが、太陽光が照射している時間帯に水素を貯蔵設備２０９に貯蔵することで、照射していない時間帯であっても燃料電池４０１に水素を供給することが可能となる。
【００９８】
なお、水素生成システム５Ｄにおいてもバイパスライン４０３および弁４０４を設けているが、これらは必ずしも設置する必要はない。
【００９９】
（実施の形態４）
図６Ａ〜図６Ｃは、本発明の実施の形態４における水素生成システムの各構成例を示す。図６Ａ〜図６Ｃにおいて、図２Ａ〜図２Ｅ、図４Ａ〜図４Ｄおよび図５Ａ〜図５Ｄ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。
【０１００】
図６Ａに示す水素生成システム６Ａは、実施の形態３の水素生成システムと同様に、実施の形態１の水素生成システムに燃料電池４０１および貯湯槽５０１をさらに設けた構成であるが、水流ライン２０６、燃料電池４０１および貯湯槽５０１の関係が実施の形態３の水素生成システムとは異なる。
【０１０１】
図６Ａに示す水素生成システム６Ａにおいては、熱交換器２０７において循環ライン２０４と熱交換をする水流ライン２０６は、貯湯槽５０１の内部の水の温度が低い温度域の部分から供給され、熱交換器２０７において循環ライン２０４と熱交換を行い、貯湯槽５０１内部で中間の温度域の部分に供給される。水流ライン２０６を流れる水は、水流ライン２０６上に設けられたポンプ５０４の動力により流通する。また、貯湯槽５０１内部の低温部には、好ましくは市水がライン６０１を通じて導入される。
【０１０２】
さらに、燃料電池４０１における熱交換は、水流ライン６０２を流れる水によって行なわれる。水流ライン６０２を流れる水は、貯湯槽５０１内部の低温域の部分から供給され、熱交換器（第２の熱交換器）４０２を介して燃料電池４０１と熱交換を行い、貯湯槽５０１内部の水が高温の部分に供給される。水流ライン６０２を流れる水は、水流ライン６０２上に設けられたポンプ６０３の動力により行なわれる。
【０１０３】
すなわち、水素生成システム６Ａは、水素生成部２０１で発生した熱の回収と、燃料電池４０１で発生した熱の回収とが、水流ライン２０６および水流ライン６０２を介して並列的に行われる構成を有する。
【０１０４】
貯湯槽５０１に蓄積された高温域の水は、水流ライン６０４を通って取り出される。取り出された温水は、バイパスライン６０５により供給される低温水と混合され、使用する目的に適した温度に調節される。この時、供給される低温水は、必ずしも図６Ａが示すように、水流ライン２０６から分岐して行う必要はなく、水流ライン６０１から分岐しても、また別に低温水が流れる水流ラインを設けて行なってもよい。
【０１０５】
貯湯槽５０１からの高温域の温水の取り出し、および、バイパスライン６０５を流れる水の流通は、それぞれ、ポンプ６０９およびポンプ６１０の動力により行われる。
【０１０６】
水流ライン６０１、水流ライン６０４およびバイパスライン６０５にはそれぞれ弁６０６、弁６０７および弁６０８が設けられ、この弁を開閉することにより、必要なときだけ水が流通するような機構にする方が好ましい。
【０１０７】
図６Ｂに示す、本実施の形態の別の例である水素生成システム６Ｂは、水素生成システム６Ａにおいて、循環ライン２０４上に放熱器６１１がさらに設置された構成を有している。
【０１０８】
たとえば、夏期において、湯の需要が少なく、かつ熱交換器２０７において得られる太陽熱が豊富にあるときなど、貯湯槽５０１内において中温域の水量が過剰になる。その際、貯湯槽５０１内の水の温度分布を破壊しないようにするための方法の一つとして、ポンプ５０４の運転を停止し、中温域の水の生成を止めたほうがよい場合がある。
【０１０９】
しかしながらこの際、熱交換器２０７において、循環ライン２０４と水流ライン２０６の間で熱交換が行なわれなくなるため、水素生成部２０１の温度が上昇していく。水素生成部２０１の温度上昇により、半導体電極に用いられている半導体のバンド構造が変動し、半導体の物性が設計どおりの特性を示さなくなる。
【０１１０】
この際、水素生成システム６Ｂのように、循環ライン２０４上に放熱器６１１を設置することにより、循環ライン２０４の温度上昇を抑制することができ、前記課題を解決することができる。
【０１１１】
放熱器６１１の設置場所は、循環ライン２０４上であれば特に限定されないが、水素生成部２０１にできる限り温度の低い水を導入するためにも、循環ライン２０４上であって、水素生成部２０１に循環水が導入される直前が望ましい。
【０１１２】
また、図６Ｃに示す、本実施の形態の別の例である水素生成システム６Ｃは、水素生成システム６Ａにおいて、水流ライン２０６は熱交換器２０７で熱交換を行なった後、貯湯槽５０１に戻ることなく、貯湯槽５０１から取り出された高温域の温水と混合される構成を有している。本構成の場合も、水素生成システム６Ａと同様に、取り出された温水は、バイパスライン６０５により供給される低温水と混合され、使用する目的に適した温度に調節される。この時、供給される低温水は、必ずしも図６Ｃに示すように、水流ライン２０６から分岐して行う必要はなく、水流ライン６０１から分岐しても、また別に低温水が流れる水流ラインを設けて行なってもよい。この構成においても、水素生成システム６Ｂと同様に、循環ライン２０４上に放熱器６１１を設置することも可能である。
【０１１３】
水素生成システム６Ｃの構成によれば、貯湯槽５０１内の温度分布が低温部と高温部のみとなり、温度境界層の形成および維持が容易になる。
【０１１４】
実施の形態４においても、実施の形態１〜３のように、水から水素と酸素を分離するための気液分離装置２０８ａ，２０８ｂを設置する構成、また、水素を貯蔵するための貯蔵設備２０９を水素導出ライン２０２上に設置する構成を適用できる。設置の方法は前述のとおりであるため、ここでは省略する。
【０１１５】
以上のように、本実施の形態の水素生成システムは、本発明の水素生成システムの必須構成である水素生成部（ここでは水素生成部２０１）、第１の熱交換器（ここでは熱交換器２０７）、前記第１の熱交換器において冷却された第１の液体（ここでは、循環ライン２０４の循環水）を前記水素生成部に導入する機構（ここでは循環ライン２０４およびポンプ２０５）に対し、さらに、燃料電池（ここでは燃料電池４０１）と、貯湯槽（ここでは貯湯槽５０１）と、前記第１の熱交換器によって加熱された第２の液体（ここでは水流ライン２０６の水）を、前記貯湯槽の湯と合流させる、または、温水として供給する機構（ここでは、水流ライン２０６およびポンプ５０４）と、前記燃料電池との熱交換により、第３の液体としての水（ここでは水流ライン６０２の水）を加熱する、第２の熱交換器（ここでは熱交換器４０２）と、加熱された前記第３の液体を前記貯湯槽の湯と合流させる機構（ここでは水流ライン６０２およびポンプ６０３）と備えた構成を有するといえる。
【０１１６】
（実施の形態５）
図７Ａ〜図７Ｃは、本発明の実施の形態５における水素生成システムの各構成例を示す。図７Ａ〜図７Ｃにおいて、図２Ａ〜図２Ｅ、図４Ａ〜図４Ｄ、図５Ａ〜図５Ｄおよび図６Ａ〜図６Ｃ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。
【０１１７】
図７Ａに示す水素生成システム７Ａは、実施の形態４の水素生成システムと同様に、実施の形態１の水素生成システムに燃料電池４０１および貯湯槽５０１をさらに設けた構成であるが、水流ライン２０６、燃料電池４０１および貯湯槽５０１の関係が実施の形態４の水素生成システムとは異なる。
【０１１８】
図７Ａに示す水素生成システム７Ａにおいて、水流ライン２０６は、水流ライン２０６上に設置されたポンプ５０４の動力により、貯湯槽５０１内部の低温の部分から水が供給され、熱交換器２０７において循環ライン２０４と熱交換を行い加熱された後、熱交換器４０２において燃料電池４０１と熱交換を行い、貯湯槽５０１内部の水が高温の部分に流入する構成となっている。
【０１１９】
すなわち、水素生成システム７Ａは、水素生成部２０１で発生した熱の回収と、燃料電池４０１で発生した熱の回収とが、水流ライン２０６を介して直列的に行われる構成を有する。
【０１２０】
貯湯槽の低温の部分には、水流ライン６０１を通じて冷水（好ましくは市水）を導入する。
【０１２１】
貯湯槽５０１に蓄積された高温域の水は、ポンプ６０９の動力により、水流ライン６０４を通って取り出される。取り出された温水は、バイパスライン６０５により供給される低温水と混合され、使用する目的に適した温度に調節される。この時、供給される低温水は、必ずしも図６Ａに示すように水流ライン２０６から分岐して行う必要はなく、水流ライン６０１から分岐しても、また別に低温水が流れる水流ラインを設けて行なってもよい。
【０１２２】
水流ライン６０１、水流ライン６０４、水流ライン６０５にはそれぞれ弁６０６、弁６０７および弁６０８が設置され、必要に応じて弁の開閉を行い、水が導通する構成にすることが望ましい。
【０１２３】
図７Ｂに示す、本実施の形態の別の例である水素生成システム７Ｂは、水素生成システム７Ａにおいて、水流ライン２０６を流れる水であって、熱交換器２０７により熱交換される前の水を、熱交換器２０７を通さずに、再び水流ライン２０６と、熱交換器２０７と燃料電池４０１の間で合流させるバイパスライン４０３を設ける構成を有する。バイパスライン４０３は必要に応じて用いられるものであるため、弁４０４が設けてある。
【０１２４】
水素生成システム７Ｂの構成によれば、熱交換器２０７において熱交換された水の水温が高すぎる場合に、弁４０４を開けることにより、冷水により燃料電池４０１へ導入される水の温度を調整できる。
【０１２５】
この時、水の温度調整に用いられる水は、必ずしもバイパスライン４０３により供給される必要はなく、水流ライン６０１から分岐させて供給される構成でもよいし、また別に低温水が流れる水流ラインを設けて供給される構成としてもよい。
【０１２６】
図７Ｃに示す、本実施の形態の別の例である水素生成システム７Ｃは、水素生成システム７Ｂにおいて、循環ライン２０４上に放熱器６１１をさらに設けた構成を有している。本構成により、例えば温水の需要が少なく、貯湯槽５０１内部の高温の湯が増えすぎた場合などにおいて、ポンプ５０４の運転を止める必要が生じた場合などに、放熱器６１１で循環ライン２０４を流れる水の温度を下げることができる。放熱器６１１の設置方法については、実施の形態４で説明したとおりである。
【０１２７】
実施の形態５においても、実施の形態１〜４のように、水から水素と酸素とを分離するための気液分離装置２０８ａ，２０８ｂを設置する構成、また、水素を貯蔵するための貯蔵設備２０９を水素導出ライン２０２上に設置する構成を適用できる。設置の方法は前述のとおりであるため、ここでは省略する。
【０１２８】
以上のように、本実施の形態の水素生成システムは、本発明の水素生成システムの必須構成である水素生成部（ここでは水素生成部２０１）、第１の熱交換器（ここでは熱交換器２０７）、前記第１の熱交換器において冷却された第１の液体（ここでは、循環ライン２０４の循環水）を前記水素生成部に導入する機構（ここでは循環ライン２０４およびポンプ２０５）に対し、さらに、燃料電池（ここでは燃料電池４０１）と、貯湯槽（ここでは貯湯槽５０１）と、前記第１の熱交換器において加熱された第２の液体（ここでは水流ライン２０６の水）を、前記燃料電池との熱交換によって加熱する、第２の熱交換器（ここでは熱交換器４０２）と、前記第２の熱交換器において加熱された前記第２の液体を前記貯湯槽の湯と合流させる機構（ここでは水流ライン２０６およびポンプ５０４）と備えた構成といえる。
【０１２９】
（実施の形態６）
図８Ａ〜図８Ｃは、本発明の実施の形態６における水素生成システムの各構成例を示す。図８Ａ〜図８Ｃにおいて、図２Ａ〜図２Ｅ、図４Ａ〜図４Ｄ、図５Ａ〜図５Ｄ、図６Ａ〜図６Ｃおよび図７Ａ〜図７Ｃ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。
【０１３０】
図８Ａに示す水素生成システム８Ａは、実施の形態４の水素生成システムと同様に、実施の形態１の水素生成システムに燃料電池４０１および貯湯槽５０１をさらに設けた構成であるが、貯湯槽５０１の構成および貯水槽５０１内部の水の利用方法が実施の形態４の水素生成システムとは異なる。
【０１３１】
水素生成システム８Ａにおいては、好ましくは市水が流れる水流ライン６０１を、貯湯槽５０１に入る手前で水流ライン２０６と水流ライン６０４を流れる水流に分岐する。
【０１３２】
水流ライン２０６を流れる水流は、熱交換器２０７において、循環ライン２０４と熱交換した後、貯湯槽５０１の水温が中温域の部分に供給される。
【０１３３】
一方、水流ライン６０４を流れる水流は、貯湯槽５０１内部において、内部に設置された熱交換器（第３の熱交換器）８０１において、加熱される。加熱された水は、そのまま水流ライン６０４を通って、外部に導出され、生活などに用いられる。
【０１３４】
水流ライン２０６および水流ライン６０４には、それぞれ弁８０２および弁６０７が設けられており、これらの弁を開閉することにより、必要に応じて流通させることができることが望ましい。
【０１３５】
また、燃料電池４０１との熱交換は、水流ライン６０２を流れる水によって行なわれる。水流ライン６０２を流れる水は、貯湯槽５０１内部の中温域の部分、もしくは直接水流ライン６０１から分岐することにより供給され、熱交換器（第２の熱交換器）４０２を介して燃料電池４０１と熱交換を行い、貯湯槽５０１内部の水が高温の部分に供給する。水流ライン６０２を流れる水の流通は、ポンプ６０３の動力により行なわれる。
【０１３６】
ここでは、水流ライン６０１を分岐させて貯湯槽５０１の内部に供給することで、貯湯槽５０１の内部に低温域の層を設け、この低温の部分から水流ライン６０２に水を供給する構成にしてもよい。
【０１３７】
貯湯槽５０１内部の高温の部分の水は、ポンプ８０３の動力を用いて、水流ライン８０４を通じて、貯湯槽５０１の外部へ排出される。排出された温水は主として暖房用途などに用いられることが望ましい。水流ライン８０４には弁８０５が設けられており、必要に応じて取り出される構成になっていることが望ましい。
【０１３８】
このような構成にすることにより、生活用途に使う水流ライン６０４を流れる水を長期間にわたり貯湯槽に貯蔵しておくことがなくなるため、雑菌等の混入等の危険性が少なくなる。
【０１３９】
水流ライン６０４および水流ライン８０４には、水流ライン２０６または水流ライン６０１からバイパスライン６０５が連結している構造になっており、得られた温水と低温水とを混合することで、水を使用する目的に適した温度に調節することができる構成になっている。
【０１４０】
バイパスライン６０５上には弁８０６および弁８０７が設置されていて、水流ライン６０４および水流ライン８０４と混合される低温水の水量を調節できる構成になっていることが望ましい。
【０１４１】
図８Ｂに示す、本実施の形態の別の例である水素生成システム８Ｂは、水素生成システム８Ａにおいて、循環ライン２０４上に放熱器６１１をさらに設けた構成を有している。本構成により、例えば温水の需要が少なく、貯湯槽５０１内部の中温の湯が増えすぎた場合などにおいて、弁８０２を閉め、熱交換器２０７において熱交換を停止する必要が生じた場合などに、放熱器６１１で、循環ライン２０４を流れる水の温度を下げることができる。放熱器６１１の設置方法については、前述のとおりであるので、ここでは省略する。
【０１４２】
また、図８Ｃに示す、本実施の形態の別の例である水素生成システム８Ｃは、水素生成システム８Ａにおいて、水流ライン２０６は熱交換器２０７で熱交換を行なった後、貯湯槽５０１に戻ることなく、貯湯槽５０１から取り出された高温域の温水と混合される構成を有している。本構成の場合も、水素生成システム８Ａと同様に、取り出された温水は、バイパスライン６０５により供給される低温水と混合され、使用する目的に適した温度に調節される。この時、供給される低温水は、必ずしも図８Ａに示すように水流ライン２０６から分岐されて供給される必要はなく、水流ライン６０１から分岐しても、また別に低温水が流れる水流ラインを設けて供給されてもよい。
【０１４３】
水素生成システム８Ｃにおいても、バイパスライン６０５上には弁８０６および弁８０７が設置されていて、水流ライン６０１および水流ライン８０４と混合される低温水の水量を調節できる構成になっていることが望ましい。
【０１４４】
また、燃料電池４０１と熱交換する水流ライン６０２を流れる水は、図８Ｃのように、水流ライン６０１から分岐させてもよいし、一度水流ライン６０１から分岐させた水流ラインを設け、貯湯槽５０１に低温域の層を形成させて、そこから供給してもよい。水流ライン６０２には弁８０８が設けられていることが望ましい。
【０１４５】
水素生成システム８Ｃの構成によれば、貯湯槽５０１内の温度分布が高温部のみ、または、低温部と高温部のみとなり、温度境界層の形成および維持が容易になる。
【０１４６】
実施の形態６においても、実施の形態１〜５のように、水から水素と酸素を分離するための気液分離装置２０８ａ，２０８ｂを設置する構成、また、水素を貯蔵するための貯蔵設備２０９を水素導出ライン２０２上に設置する構成を適用できる。設置の方法は前述のとおりであるので、ここでは省略する。
【０１４７】
以上のように、本実施の形態の水素生成システムは、本発明の水素生成システムの必須構成である水素生成部（ここでは水素生成部２０１）、第１の熱交換器（ここでは熱交換器２０７）、前記第１の熱交換器において冷却された第１の液体（ここでは、循環ライン２０４の循環水）を前記水素生成部に導入する機構（ここでは循環ライン２０４およびポンプ２０５）に対し、さらに、燃料電池（ここでは燃料電池４０１）と、貯湯槽（ここでは貯湯槽５０１）と、前記第１の熱交換器によって加熱された第２の液体（ここでは水流ライン２０６の水）を、前記貯湯槽の湯と合流させる、または、温水として供給する機構（ここでは水流ライン２０６およびポンプ８０２）と、前記燃料電池との熱交換により、第３の液体としての水（ここでは水流ライン６０２の水）を加熱する、第２の熱交換器（ここでは熱交換器４０２）と、加熱された前記第３の液体を前記貯湯槽の湯と合流させる機構（ここでは水流ライン６０２およびポンプ６０３）と、前記貯湯槽の内部に設けられ、当該貯湯槽内の湯と第４の液体としての水（ここでは水流ライン６０１の水）との熱交換によって前記第４の液体を加熱する、第３の熱交換器（ここでは熱交換器８０１）と備えた構成といえる。
【０１４８】
（実施の形態７）
図９Ａ〜図９Ｃは、本発明の実施の形態７における水素生成システムの各構成例を示す。図９Ａ〜図９Ｃにおいて、図２Ａ〜図２Ｅ、図４Ａ〜図４Ｄ、図５Ａ〜図５Ｄ、図６Ａ〜図６Ｃ、図７Ａ〜図７Ｃおよび図８Ａ〜図８Ｃ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。
【０１４９】
図９Ａに示す水素生成システム９Ａは、実施の形態５の水素生成システムと同様に、実施の形態１の水素生成システムに燃料電池４０１および貯湯槽５０１をさらに設けた構成であるが、貯湯槽５０１の構成および貯水槽５０１内部の水の利用方法が実施の形態５の水素生成システムとは異なる。
【０１５０】
水素生成システム９Ａにおいては、好ましくは市水が流れる水流ライン６０１を、貯湯槽５０１に入る手前で、水流ライン２０６と、水流ライン６０４を流れる水流とに分岐する。
【０１５１】
水流ライン２０６は、水流ライン６０１から分岐した後、熱交換器２０７において循環ライン２０４と熱交換を行う。熱交換器２０７において加熱された後、燃料電池４０１と熱交換器４０２を介して熱交換を行い、さらに加熱された後、貯湯槽５０１の高温領域に流入する。
【０１５２】
また、水流ライン６０４は、貯湯槽５０１の内部において、熱交換器８０１を介して加熱される。
【０１５３】
貯湯槽５０１の内部に蓄積された温水は、ポンプ８０３の動力を用いて水流ライン８０４により暖房用途に、水流ライン６０４を流れ、貯湯槽５０１内部で加熱された温水は給湯用途に、それぞれ用いられることが望ましい。
【０１５４】
水流ライン６０４および水流ライン８０４には、それぞれ弁６０７および弁８０５が設置されていて、必要に応じて取り出せる構成になっていることが望ましい。
【０１５５】
さらに、水流ライン６０４および水流ライン８０４には、それぞれ、水流ライン２０６の熱交換器２０７において加熱される手前の部分（熱交換器２０７よりも上流の部分）で分岐したバイパスライン６０５が連結している構造になっており、得られた温水と低温水とを混合することで、水温を使用する目的に適した温度に調節することができる構成になっている。
【０１５６】
バイパスライン６０５上には弁８０６および弁８０７が設置されていて、水流ライン６０４および水流ライン８０４と混合する低温水の水量を調節できる構成になっていることが望ましい。
【０１５７】
また、図９Ｂに示す、本実施の形態の別の例である水素生成システム９Ｂは、水素生成システム９Ａにおいて、水流ライン２０６を流れる水であって、熱交換器２０７により熱交換される前の水（熱交換器２０７よりも上流の水）を、熱交換器２０７を通さずに、再び水流ライン２０６と、熱交換器２０７と燃料電池４０１の間で合流させるバイパスライン４０３を設けた構造となっている。バイパスライン４０３は必要に応じて用いられるものであるため、弁４０４が設けてある。
【０１５８】
水素生成システム９Ｂの構造により、熱交換器２０７において熱交換された水の水温が高すぎる場合に、弁４０４を開けることにより、冷水により燃料電池４０１へ導入される水の温度を調整することができる。
【０１５９】
この時、水の温度調整に用いられる水は、必ずしもバイパスライン４０３により供給される必要はなく、水流ライン６０１から分岐させて供給される構成でもよいし、また別に低温水が流れる水流ラインを設けて供給される構成としてもよい。
【０１６０】
図９Ｃに示す、本実施の形態の別の例である水素生成システム９Ｃは、水素生成システム９Ｂにおいて、循環ライン２０４上に放熱器６１１をさらに設けた構成となっている。本構成により、例えば温水の需要が少なく、貯湯槽５０１内部の高温の湯が増えすぎた場合などにおいて、ポンプ５０４の運転を止める必要が生じた場合などに、放熱器６１１で循環ライン２０４を流れる水の温度を下げることができる。放熱器６１１の設置方法については、実施の形態４で説明したとおりである。
【０１６１】
実施の形態７においても、実施の形態１〜６のように、水から水素と酸素とを分離するための気液分離装置２０８ａ，２０８ｂを設置する構成、また、水素を貯蔵するための貯蔵設備２０９を水素導出ライン２０２上に設置する構成を適用できる。設置の方法は前述のとおりであるため、ここでは省略する。
【０１６２】
以上のように、本実施の形態の水素生成システムは、本発明の水素生成システムの必須構成である水素生成部（ここでは水素生成部２０１）、第１の熱交換器（ここでは熱交換器２０７）、前記第１の熱交換器において冷却された第１の液体（ここでは、循環ライン２０４の循環水）を前記水素生成部に導入する機構（ここでは循環ライン２０４およびポンプ２０５）に対し、さらに、燃料電池（ここでは燃料電池４０１）と、貯湯槽（ここでは貯湯槽５０１）と、前記第１の熱交換器において加熱された第２の液体（ここでは水流ライン２０６の水）を、前記燃料電池との熱交換によって加熱する、第２の熱交換器（ここでは熱交換器４０２）と、前記第２の熱交換器において加熱された前記第２の液体を前記貯湯槽の湯と合流させる機構（ここでは水流ライン２０６およびポンプ８０２）と、前記貯湯槽の内部に設けられ、当該貯湯槽内の湯と第３の液体としての水（ここでは水流ライン６０１の水）との熱交換によって前記第３の液体を加熱する、第３の熱交換器（ここでは熱交換器８０１）とを備えた構成といえる。
【０１６３】
（実施の形態８）
図１０Ａおよび図１０Ｂは、本発明の実施の形態８における水素生成システムの各構成例を示す。図１０Ａおよび図１０Ｂにおいて、図２Ａ〜図２Ｅ、図４Ａ〜図４Ｄ、図５Ａ〜図５Ｄ、図６Ａ〜図６Ｃ、図７Ａ〜図７Ｃ、図８Ａ〜図８Ｃおよび図９Ａ〜図９Ｃ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。
【０１６４】
図１０Ａに示す水素生成システム１０Ａにおいては、熱交換器（第１の熱交換器）２０７において、循環ライン２０４、水流ライン１００１および水流ライン１００２の間で熱交換を行う。
【０１６５】
ここで、水流ライン１００１は主として暖房用途に用いる水流ラインであり、水流ライン１００２は、貯湯槽５０１の高温域部分から低温域部分もしくは中温域部分へ流れる水流ラインである。
【０１６６】
水流ライン１００１および水流ライン１００２は、それぞれ動力源として、ポンプ１００３およびポンプ１００４を備えている。
【０１６７】
また、水流ライン６０１は、貯湯槽５０１の低温域部分と連結されている。水流ライン６０１には、必要に応じて流せる仕組みにするために、弁６０６が設けられていることが望ましい。
【０１６８】
燃料電池４０１との熱交換は、水流ライン６０２を流れる水との間で、熱交換器（第２の熱交換器）４０２において行う。水流ライン６０２には、動力源としてポンプ６０３が設置されている。
【０１６９】
水流ライン６０２は、貯湯槽５０１の低温域部分または水流ライン６０１を分岐することにより、低温水を流す構成となっている。水流ライン６０２は、燃料電池４０１と熱交換を行なった後、貯湯槽５０１の高温域部分に流れる構成となっている。
【０１７０】
貯湯槽５０１の高温域の温水は、ポンプ８０３の動力により、水流ライン６０４を通じて、給湯の用途に用いられる。水流ライン６０４には、弁６０７が設けられていて、必要に応じて取り出せる構成になっていることが望ましい。
【０１７１】
水流ライン６０４および水流ライン１００１には、それぞれバイパスライン６０５およびバイパスライン１００５が設けられており、得られた温水と低温水を混合することで、水温を使用する目的に適した温度に調節することができる構成になっている。
【０１７２】
バイパスライン６０５は、水流ライン１００２において熱交換器２０７で熱を与えた後の低温部分からのライン、貯湯槽の低温域部分からのラインまたは水流ライン６０１を分岐してなるラインである。バイパスライン１００５も同様のラインまたはバイパスライン６０５を分岐してなるラインである。
【０１７３】
バイパスライン６０５およびバイパスライン１００５には、必要に応じて流せる構成とするために、弁８０６および弁８０７が設けられていることが望ましい。
【０１７４】
水流ライン１００１上にも、必要に応じて流せる構成とするために、弁１００６が設置されている。
【０１７５】
図１０Ｂに示す、本実施の形態の別の例である水素生成システム１０Ｂは、水素生成システム１０Ａにおいて、循環ライン２０４上に放熱器６１１をさらに設けた構成となっている。本構成により、何らかの理由で、熱交換器２０７において、熱交換ができなくなった場合などにおいても、放熱器６１１で、循環ライン２０４を流れる水の温度を下げることができる。放熱器６１１の設置方法については、前述したとおりであるので、ここでは省略する。
【０１７６】
実施の形態８においても、実施の形態１〜７のように、水から水素と酸素とを分離するための気液分離装置２０８ａ，２０８ｂを設置する構成、また、水素を貯蔵するための貯蔵設備２０９を水素導出ライン２０２上に設置する構成を適用できる。設置の方法は前述のとおりであるため、ここでは省略する。
【０１７７】
（実施の形態９）
図１１Ａ〜図１１Ｅは、本発明の実施の形態９における水素生成システムの各構成例とそれらの運転方法を示す。図１１Ａ〜図１１Ｅにおいて、図２Ａ〜図２Ｅ、図４Ａ〜図４Ｄ、図５Ａ〜図５Ｄ、図６Ａ〜図６Ｃ、図７Ａ〜図７Ｃ、図８Ａ〜図８Ｃ、図９Ａ〜図９Ｃ、図１０Ａおよび図１０Ｂ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。
【０１７８】
図１１Ａに示す水素生成システム１１Ａは、実施の形態３の水素生成システム５Ａと同様の構成を有しているが、その運転方法が異なる。なお、水素生成部２０１の構成は、実施の形態１に示した構成に限るものではない。
【０１７９】
水素生成システムは内部に液体を包含する。そのため、液体の温度が低下し凍結すると、水素生成システムが破損してしまう恐れがある。また、積雪により水素生成部が雪で被覆されてしまうと、水素生成部に太陽光が照射されず、水分解反応を起こすことができなくなる。
【０１８０】
このような課題に対し、本実施の形態の水素生成システム１１Ａは、循環ライン２０４の循環水（第１の液体）の温度が水流ライン２０６の液体（第２の液体）および水流ライン５０３の水（貯湯槽５０１の湯（第３の液体））の温度よりも低い場合に、循環ライン２０４の循環水と水流ライン２０６の液体または水流ライン５０３の水との熱交換によって、循環ライン２０４の循環水を加熱可能とする機構を備えている。具体的には、通常運転時に循環ライン２０４から貯湯槽５０１の方向へ流れている熱量を、逆に循環ライン２０４へ戻すことにより、凍結防止や融雪を行うことを可能としている。
【０１８１】
このような運転を実現する方法の一つとして、循環ライン２０６を流れる液体が、熱交換器５０２→熱交換器４０２→熱交換器２０７となるように、水流ライン２０６を流れる水を逆流させればよい。
【０１８２】
本運転方法によれば、熱交換器５０２において貯湯槽５０１内に蓄積されている熱量が、水流ライン２０６を流れる液体に与えられ、さらに熱交換器２０７において循環ライン２０６を流れる液体から循環ライン２０４を流れる液体に与えられる。
【０１８３】
したがって、降雪量の多い地域において冬季に雪により水素生成部２０１が被覆されることにより太陽光が照射されなくなる、また、厳寒地域において水素生成システム１１Ａ内部の水が凍結する、という課題を解決することができる。
【０１８４】
水素生成システム１１Ａの構成は、実施の形態１〜８の水素生成システムと併用することができる。
【０１８５】
図１１Ｂに示す、本実施の形態の別の例である水素生成システム１１Ｂは、貯湯槽５０１から、循環ライン２０４に温水を配給することを可能とした、バイパスライン１１０１を設けた構成となっている。
【０１８６】
本構成によれば、積雪により水素生成部２０１が被覆されることにより太陽光が照射されなくなる、また、水素生成システム１１Ｂ内部の水が凍結する恐れが出た場合に、バイパスライン1１０１上に設けた弁１１０２を操作し、温水を循環ライン２０４に導入することで、凍結を防止しまたは融雪することができる。
【０１８７】
バイパスライン１１０１には、動力源として、ポンプ１１０３が設置された構成となっている。
【０１８８】
水素生成システム１１Ｂの構成は、実施の形態１〜８のシステムと併用することができる。
【０１８９】
図１１Ｃに示す、本実施の形態の別の例である水素生成システム１１Ｃは、水素生成システム１１Ｂにおいて、循環ライン２０４上に弁１１０４および導出ライン１１０５をさらに設け、循環ライン２０４内部の液体を外部に排出できる構成を有している。
【０１９０】
本構成によれば、冬季に循環ライン２０４内部の液体が凍結し、水素生成システム１１Ｃが破損する恐れが生じたときに、弁１１０４を操作し、導出ライン１１０５から循環ライン２０４内部の液体を外部に排出することで、水素生成システム１１Ｃの破損を防止することができる。
【０１９１】
循環ライン２０４内部の液体を外部に排出してしまった場合には、詰め替え用の液体を用意し、充填しなおすことで、水素生成システム１１Ｃは容易に復帰させることができる。
【０１９２】
水素生成システム１１Ｃの構成は、実施の形態１〜８の水素生成システムおよび本実施の形態の水素生成システム１１Ａ，１１Ｂと併用することができる。
【０１９３】
実施の形態９においても、実施の形態１〜８のように、水から水素と酸素を分離するための気液分離装置２０８ａ，２０８ｂを設ける構成（図１１Ｄ参照）、また、水素を貯蔵するための貯蔵設備２０９を水素導出ライン２０２上に設置する構成（図１１Ｅ参照）を適用できる。設置の方法は前述のとおりであるため、ここでは省略する。
【０１９４】
以上に説明した実施の形態１〜９の水素生成システムは、水素を生成するシステムであると同時に、温水をも生成するシステムである。したがって、実施の形態１〜９の水素生成システムの構成およびそれらの説明は、同時に、本発明の温水生成システムの実施の形態の構成およびそれらの説明としても適用できる。なお、本発明の温水生成システムとは、第１の液体を保持し、太陽光が照射されることによって、前記第１の液体の少なくとも一部を加熱する太陽熱温水器と、燃料電池と、前記太陽熱温水器において加熱された前記第１の液体から回収された熱と、前記燃料電池で発生した熱とを利用して、湯を供給する機構と、を備えたシステムである。本発明の温水システムは、前記太陽熱温水器と、前記燃料電池と、前記太陽熱温水器において加熱された前記第１の液体を、第２の液体との熱交換によって冷却し、かつ、前記第２の液体を加熱する、第１の熱交換器と、前記第１の熱交換器において加熱された前記第２の液体と前記燃料電池との熱交換により、前記第２の液体をさらに加熱する第２の熱交換器と、を備え、前記第２の熱交換器において加熱された前記第２の液体を利用して湯を供給するシステムとすることもできる。実施の形態１〜９の水素生成システムの構成およびそれらの説明を本発明の温水生成システムの実施の形態の構成およびそれらの説明としても適用する場合、水素生成部が本発明の温水生成システムにおける太陽熱温水器に相当する。
【産業上の利用可能性】
【０１９５】
本発明にかかる水素生成システムは、太陽光照射により水を分解することにより得られる水素エネルギーのみならず、太陽光により加熱された循環水から熱エネルギーを回収し、温水を得ることが可能となるため、太陽エネルギーを高い効率で利用することが可能であり、家庭用の発電システム等として有用である。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図２Ｅ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図５Ｄ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１１Ｃ】
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【図１１Ｄ】
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【図１１Ｅ】
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【手続補正書】
【提出日】平成22年12月2日(2010.12.2)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光の照射により水素を生成するデバイスを備えた水素生成システムおよび温水生成システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体電極および対極を電解液と接触させ、かつ、半導体電極と対極とを電気的に接続した状態において、半導体電極に光を照射することにより、電解液中の水が分解されて水素と酸素とが発生することが知られている。（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
特許文献１には、半導体電極としてｎ型半導体を用い、半導体電極と対極とを電気的に接続した状態で半導体電極に光を照射することにより、水を分解して水素および酸素を生成することが可能な装置が開示されている。
【０００４】
また、従来、太陽光および光触媒として機能する半導体によって水を分解して水素を生成させる水素生成装置と、水素生成装置において発生した水素を貯蔵する水素貯蔵部と、水素貯蔵部に貯蔵された水素を電力に変換する燃料電池と、を備えたエネルギーシステムが提案されている。（例えば、特許文献２参照）。
【０００５】
さらに、従来、太陽光および光触媒として機能する半導体によって水を分解して水素と酸素を生成させる水素生成装置を備えたエネルギーシステムにおいて、太陽光の照射により温暖となった水の熱量を、水循環経路中に設けられた蓄熱器に蓄積し、その熱量を温水の用途に供するシステムが開示されている。（例えば、特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開昭５０−１２４５８４号公報
【特許文献２】特開２０００−３３３４８１号公報
【特許文献３】特開昭５７−１９１２０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１および２に記載の構成は、水が半導体電極で分解されることによって発生した水素のみをエネルギー源として回収するシステムであり、太陽光により温められることで生成する温水に蓄積された熱エネルギーの利用までは考慮されていない。すなわち、特許文献１および２に記載の構成では、太陽光エネルギーの利用効率が不十分である。
【０００８】
また、特許文献１および２に記載の構成は、太陽光照射により半導体電極での分解に供する水に熱が蓄積されて水温が上昇していくと、温度上昇により半導体を構成する原子間距離が増大することで半導体材料のエネルギーバンドギャップが変化し、半導体電極が設計どおりの性能を示さなくなる、という課題も有していた。
【０００９】
また、特許文献３に記載のシステムは、半導体電極において分解に供する水を、直接温水の用途に利用するものである。半導体電極における水の分解現象は電気化学的なメカニズムに支配されており、分解効率は水の導電率やｐＨの影響を大きく受ける。特許文献３に記載のシステムでは、半導体電極において分解に供する水を直接温水の用途に利用するものであり、電解質およびｐＨ調整用のバッファー等を混入させることができず、半導体電極での水素発生の効率が非常に低くなるという課題を有していた。
【００１０】
また、特許文献３に記載のシステムは、水素および酸素が混合した状態で生成されるため、水素と酸素との分離が困難である、また水素爆発の危険性が伴う、という課題も有していた。
【００１１】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、高い水素発生効率を実現すると同時に、太陽光により温められた水の熱エネルギーを有効利用することを可能とした水素生成システムを提供することを目的とする。さらに、本発明は、太陽光エネルギーを利用した温水生成システムを提供することも目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の水素生成システムは、
水を含む第１の液体を保持し、太陽光が照射されることによって、前記第１の液体に含まれる水の一部が水素と酸素とに分解され、かつ、前記第１の液体の少なくとも一部が加熱される、水素生成部と、
前記水素生成部において加熱された前記第１の液体と第２の液体との熱交換によって、前記第１の液体を冷却し、かつ、前記第２の液体を加熱する、第１の熱交換器と、
前記第１の熱交換器において冷却された前記第１の液体を、前記水素生成部に導入する機構と、
を備えている。
【００１３】
また、本発明の温水生成システムは、
第１の液体を保持し、太陽光が照射されることによって、前記第１の液体の少なくとも一部を加熱する太陽熱温水器と、
燃料電池と、
前記太陽熱温水器において加熱された前記第１の液体から回収された熱と、前記燃料電池で発生した熱とを利用して、湯を供給する機構と、
を備えた、システムである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の水素生成システムによれば、水素生成部において分解に供する水を含む第１の液体を、別の液体である第２の液体との間で熱交換させることによって当該第２の液体を加熱し、当該第２の液体を、熱を取り出す種々の用途に利用する。すなわち、水素生成部において水の分解に利用される第１の液体には、水素生成効率を高めるための電解質およびｐＨ調整液を混入させることが可能となる。それと同時に、水素生成部に供給される第１の液体の温度が上がりすぎないため、水素生成部に用いられる光半導体のバンドギャップのエネルギーが変動せず、設計どおりの高い量子効率を発揮することが可能となる。さらに、本発明の水素生成システムによれば、太陽光から得られた熱エネルギーまでも有効に利用することができる。一方、本発明の温水生成システムによれば、太陽光エネルギーに加えて、燃料電池から発せられる熱エネルギーも利用されるので、エネルギー効率の良い温水生成システムを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】光触媒の水分解メカニズムを示す図
【図２Ａ】本発明の実施の形態１における水素生成システムの一例を示すシステム構成図
【図２Ｂ】本発明の実施の形態１における水素生成システムの別の例を示すシステム構成図
【図２Ｃ】本発明の実施の形態１における水素生成システムのさらに別の例を示すシステム構成図
【図２Ｄ】本発明の実施の形態１における水素生成システムのさらに別の例を示すシステム構成図
【図２Ｅ】本発明の実施の形態１における水素生成システムのさらに別の例を示すシステム構成図
【図３Ａ】本発明の実施の形態１における水素生成システムの水素生成部の一構成例を示す図
【図３Ｂ】本発明の実施の形態１における水素生成システムの水素生成部の別の構成例を示す図
【図３Ｃ】本発明の実施の形態１における水素生成システムの水素生成部のさらに別の一構成例を示す図
【図４Ａ】本発明の実施の形態２における水素生成システムの一例を示すシステム構成図
【図４Ｂ】本発明の実施の形態２における水素生成システムの別の例を示すシステム構成図
【図４Ｃ】本発明の実施の形態２における水素生成システムのさらに別の例を示すシステム構成図
【図４Ｄ】本発明の実施の形態２における水素生成システムのさらに別の例を示すシステム構成図
【図５Ａ】本発明の実施の形態３における水素生成システムの一例を示すシステム構成図
【図５Ｂ】本発明の実施の形態３における水素生成システムの別の例を示すシステム構成図
【図５Ｃ】本発明の実施の形態３における水素生成システムのさらに別の例を示すシステム構成図
【図５Ｄ】本発明の実施の形態３における水素生成システムのさらに別の例を示すシステム構成図
【図６Ａ】本発明の実施の形態４における水素生成システムの一例を示すシステム構成図
【図６Ｂ】本発明の実施の形態４における水素生成システムの別の例を示すシステム構成図
【図６Ｃ】本発明の実施の形態４における水素生成システムのさらに別の例を示すシステム構成図
【図７Ａ】本発明の実施の形態５における水素生成システムの一例を示すシステム構成図
【図７Ｂ】本発明の実施の形態５における水素生成システムの別の例を示すシステム構成図
【図７Ｃ】本発明の実施の形態５における水素生成システムのさらに別の例を示すシステム構成図
【図８Ａ】本発明の実施の形態６における水素生成システムの一例を示すシステム構成図
【図８Ｂ】本発明の実施の形態６における水素生成システムの別の例を示すシステム構成図
【図８Ｃ】本発明の実施の形態６における水素生成システムのさらに別の例を示すシステム構成図
【図９Ａ】本発明の実施の形態７における水素生成システムの一例を示すシステム構成図
【図９Ｂ】本発明の実施の形態７における水素生成システムの別の例を示すシステム構成図
【図９Ｃ】本発明の実施の形態７における水素生成システムのさらに別の例を示すシステム構成図
【図１０Ａ】本発明の実施の形態８における水素生成システムの一例を示すシステム構成図
【図１０Ｂ】本発明の実施の形態８における水素生成システムの別の例を示すシステム構成図
【図１１Ａ】本発明の実施の形態９における水素生成システムの一例を示すシステム構成図
【図１１Ｂ】本発明の実施の形態９における水素生成システムの別の例を示すシステム構成図
【図１１Ｃ】本発明の実施の形態９における水素生成システムのさらに別の例を示すシステム構成図
【図１１Ｄ】本発明の実施の形態９における水素生成システムのさらに別の例を示すシステム構成図
【図１１Ｅ】本発明の実施の形態９における水素生成システムのさらに別の例を示すシステム構成図
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明における水素生成システムを構成する水素生成部の一例として、水を水素と酸素とに分解し得る半導体材料を含む半導体電極と、導電性の材料からなる対極とを有するデバイスが挙げられる。
【００１７】
光を照射することで、水を水素と酸素に分解する半導体材料は、別名「光触媒」とよばれる。
【００１８】
以下、光触媒による水分解のメカニズムを説明する。図１は、光触媒１０１のエネルギーバンド図である。
【００１９】
光触媒１０１にバンドギャップ１０２以上のエネルギーを持った光が照射されると、価電子帯１０３から伝導帯１０４へ電子１０５が励起し、価電子帯１０３に正孔１０６が生成する。
【００２０】
生成した正孔１０６は、光触媒１０１表面で下記反応式（１）により、水を分解し、酸素を生成する。
４ｈ+＋２Ｈ2Ｏ  →  Ｏ2↑＋４Ｈ+      （１）
【００２１】
一方、伝導帯１０４に励起した電子１０５は、光触媒１０１表面で下記反応式（２）により、水を分解し、水素を生成する。
４ｅ-＋４Ｈ+  →  ２Ｈ2↑      （２）
【００２２】
この時、水素と酸素の発生場所が非常に近接しているため、下記反応式（３）に示される逆反応が課題となる。
２Ｈ2＋Ｏ2  →  ２Ｈ2Ｏ      （３）
【００２３】
この課題を解決するために、本発明における水素生成システムを構成する水素生成部は、半導体電極と対極とを備えた構造を有することが好ましい。また、半導体電極と対極は外部回路によって電気的に連結されていることが好ましい。本構成において、一般に、半導体電極を構成する半導体材料がｎ型半導体である場合、照射光により励起された電子１０５は、半導体電極中を移動し、外部回路を経て、対極へ移動する。その後、対極の表面で反応式（２）の反応を起こし、水素を生成する。一方、電子１０５の励起により生成した正孔１０６は、半導体電極の表面で反応式（１）の反応を起こし、酸素を生成する。
【００２４】
半導体電極を構成する半導体材料がｐ型半導体の場合は、一般に、ｎ型半導体を用いた場合と回路を流れる電子の流れが逆になり、半導体電極の表面で反応式（２）の反応を起こし水素を、対極表面で反応式（１）の反応を起こし酸素を、それぞれ生成する。
【００２５】
このような構成の場合、水素が発生する部分と、酸素が発生する部分とが分離しているため、反応式（３）に示される逆反応は起こらない。
【００２６】
また、このような水の分解において、上記反応式（１）、（２）の反応を起こすためには、図１における伝導帯のバンドエッジの準位が、水素イオンの還元準位（０Ｖ（水素標準電位））以下であって、かつ、価電子帯のバンドエッジの準位が、水の酸化電位（１．２３Ｖ（水素標準電位））以上であることが好ましい。すなわち、図１において、バンドギャップ１０２は１．２３ｅＶ以上が好ましく、そのバンドギャップ１０２を飛び越えて電子１０５を励起させるためには、照射光の波長はおよそ１０１０ｎｍ以下であることが必要である。したがって、太陽光に含まれる光エネルギーのうち１０１０ｎｍ以上の波長域（バンドギャップ以下のエネルギーの光）は、熱エネルギーとして回収することが望ましい。
【００２７】
さらに、電子１０５は、吸収した光の波長に応じたエネルギーを獲得し、励起されると、すぐに伝導帯１０４の底まで緩和する。
【００２８】
また、励起された電子１０５のうち、光触媒１０１表面で水と反応できなかったものは、正孔１０６と再結合する。
【００２９】
これらの緩和過程および再結合過程においても、熱が発生する。この熱についても回収することが望ましい。
【００３０】
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。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。また、以下の実施の形態では、同一部材に同一の符号を付して、重複する説明を省略する場合がある。
【００３１】
（実施の形態１）
図２Ａ〜図２Ｅは、本発明の実施の形態１における水素生成システムの各構成例を示す。
【００３２】
図２Ａに示す本実施の形態の水素生成システム２Ａは、水素生成部２０１と、水素生成部２０１で加熱された水（第１の液体）と、別の経路である水流ライン２０６で導入された水（第２の液体）とで熱交換し、前者の水（第１の液体としての水）を冷却し、後者の水（第２の液体としての水）を加熱する熱交換器２０７と、熱交換器２０７で冷却された水を再度水素生成部２０１に導入する機構とを有する。この機構は、熱交換器２０７で冷却された水を再度水素生成部２０１に導入するための水経路と、当該水経路において水を循環させるためのポンプ２０５とを含んでいる。この水経路は、水素生成部２０１と熱交換器２０７を繋ぐ循環ライン２０４の一部を形成しており、ポンプ２０５は循環ライン２０４上に設けられている。なお、熱交換器２０７において、循環ライン２０４を流れる循環水（第１の液体）と加熱される水流ライン２０６を流れる水（第２の液体）とは交じり合うことは無く、熱交換が行われるだけである。なお、本実施の形態では、循環ライン２０４を流れる第１の液体として水を用いているが、第１の液体は通常の水に限定されず、水と水以外のものとの混合物および水溶液を含む。
【００３３】
水素生成部２０１では、太陽光が照射されることにより、光触媒反応により水が分解されて水素および酸素が発生するとともに、水が太陽光により加熱される。水素生成部２０１には、水素生成部２０１内部での水分解により生成した水素ガスおよび酸素ガスを水素生成部２０１の外部に導出するための水素導出管２０２および酸素導出管２０３が設けられている。
【００３４】
水素生成部２０１は、少なくとも半導体電極および対極から構成されており、水素生成部２０１に供給される水は、半導体電極側ならびに対極側に分離された構造となっている。水素生成部２０１の具体例は後で図３Ａ〜図３Ｃを用いて説明するが、本実施の形態の水素生成部２０１は、水を水素と酸素とに分解し得る半導体材料を含む半導体電極と、前記半導体電極と電気的に接続された、導電性材料からなる対極と、前記半導体電極および前記対極と接する第１の液体（ここでは、循環ライン２０４の循環水）と、前記半導体電極、前記対極および前記第１の液体を内部に保持する筐体部と、を備えており、前記半導体電極に太陽光が照射されることによって、前記第１の液体に含まれる水の一部が水素と酸素とに分解されて水素が生成される構成を有している。
【００３５】
なお、本実施の形態では、水素生成部２０１を構成する半導体電極側に酸素導出管２０３が設けられ、対極側に水素導出管２０２が設けられる構成を例に挙げて説明しているが、これに限定されない。水素生成部２０１を構成する半導体電極および対極間を流れる電子の方向に応じて、水素導出管２０１および酸素導出管２０２の設置位置を決定すればよい。したがって、水素生成部２０１を構成する半導体電極および対極間を流れる電子の方向によっては、半導体電極側に水素導出管２０２が設けられ、対極側に酸素導出管２０３が設けられていてもよい。
【００３６】
水素生成システム２Ａにおいては、ポンプ２０５の動力により循環ライン２０４を流れる循環水は、水素生成部２０１の内部で、半導体電極側を流れる水流と対極側を流れる水流とに分岐される。太陽光照射により生成した水素ガスおよび酸素ガスは、水素導出管２０２および酸素導出管２０３から水素生成部２０１の外部に導出される。同時に循環水は太陽光により加熱され、その後、熱交換器２０７により、水流ライン２０６を流れる水と熱交換される。その後、循環水は、循環ライン２０４を導通し、再び水素生成部２０１に供給される。なお、循環水が減少してきた場合は、適宜外部から水を供給してもよい。
【００３７】
水流ライン２０６を流れる水は、熱交換器２０７において循環ライン２０４を流れる循環水から熱を受け取って温水となる。水流ライン２０６上に、たとえば弁２１０を設け、この弁を開閉することにより、必要なときに温水を取り出せる構成にしてもよい。
【００３８】
熱エネルギーの損失を抑制するために、水素生成部２０１と熱交換器２０７とは互いに隣接して設けられることが好ましい。水素生成部２０１と熱交換器２０７の間の水の配管は、外気と断熱され、水温が低下しない構造となっていることが好ましい。
【００３９】
水素生成部２０１の内部において、半導体電極側と対極側に分離して水を流すための循環ライン２０４の分岐は、必ずしも水素生成部２０１の内部で行われる必要はない。図２Ｂに示す、本実施の形態の別の例である水素生成システム２Ｂのように、水素生成部２０１に導入される手前で分岐する構造としてもよい。
【００４０】
水素生成部２０１において生成した水素ガスおよび酸素ガスが、それぞれ分離された状態で水素生成部２０１から導出される必要はない。図２Ｃに示す、本実施の形態のさらに別の例である水素生成システム２Ｃのように、太陽光照射により生成した水素ガスおよび酸素ガスが、循環水と共に水素生成部２０１の外部に輸送される構成であってもよい。水素生成部２０１を構成する、太陽光が照射されない電極側（対極側）から外部に導出された水素を含んだ循環水は、気液分離装置２０８ａに導入され、液体と気体に分離される。液体と分離された気体は、水素導出管２０２により、循環ライン２０４から導出される。一方、水素生成部２０１を構成する太陽光が照射される電極側（半導体電極側）から外部に導出された酸素を含んだ循環水は、熱交換器２０７に導入され、水流ライン２０６を流れる水と熱交換される。熱交換器２０７を出た循環水は、もう一方の電極側を流れた循環水と合流し、気液分離装置２０８ｂへ導入され、液体と気体に分離される。分離した気体は、酸素導出管２０３により、循環水から導出される。その後、循環水は循環ライン２０４を導通し、再び水素生成部２０１に供給される。なお、ここでは、対極側から外部に導出された循環水に水素が、半導体電極側から外部に導出された循環水に酸素が含まれる例について説明している。しかし、水素生成部２０１を構成する半導体電極および対極間を流れる電子の方向によっては、半導体電極側から水素が発生し、対極側から酸素が発生する場合もあるため、必ずしも対極側から外部に導出された循環水に水素が、半導体電極側から外部に導出された循環水に酸素が含まれる構成に限定されない。水素生成部２０１を構成する半導体電極および対極間を流れる電子の方向によっては、半導体電極側の循環水に水素が含まれており、対極側の循環水に酸素が含まれていてもよい。その場合は、気液分離装置２０８ａで分離された気体は酸素となり、気液分離装置２０８ｂで分離された気体は水素となるため、水素導出管２０２と酸素導出管２０３との設置位置が逆となる。
【００４１】
なお、半導体電極側および対極側を流れた水流の合流箇所は、図２Ｄ示す水素生成システム２Ｄのように、半導体電極側の水が気液分離装置２０８ｂを通過し、かつ、対極側の水が気液分離装置２０８ａを通過した後でもよい。
【００４２】
また、本実施の形態の水素生成システムは、図２Ｅに示す水素生成システム２Ｅのように、水素導出管２０２上に水素ガスを貯蔵する貯蔵設備２０９をさらに設けた構成であってもよい。貯蔵設備２０９を設けることにより、昼間生成した水素を、夜間にも使えるようになる。
【００４３】
なお、図２Ａ〜図２Ｄに示したいずれの構成にも、貯蔵設備２０９を設けることができる。
【００４４】
また、貯蔵設備２０９には、気体圧縮機構が付随していることが望ましい。貯蔵設備２０９としては、タンク様の容器でも可能であるが、水素貯蔵を行う場合は、水素吸蔵合金からなる貯蔵設備でもよい。必要に応じて、貯蔵設備２０９に水素を導入する前に、水素を乾燥させる設備（除湿装置）を設けてもよい。
【００４５】
また、循環ライン２０４には、内部の水量を調整するための水導入口が設けられていてもよい。
【００４６】
以下、水素生成部２０１の構成例を説明するが、本発明における水素生成システムは、以下に述べる水素生成部２０１の各構成例に限るものではない。
【００４７】
［構成例１］
図３Ａに、水素生成部２０１の一構成例である水素生成部２０１Ａを示す。水素生成部２０１Ａは、図２Ａに示す水素生成システム２Ａに好適に用いられる構成である。水素生成部２０１Ａは、光触媒である半導体材料を導電基板の上に配置した半導体電極３０１と、導電性材料からなる対極（金属および炭素等の導体物質からなる対極、もしくは、導電基材に金属を担持した構造を有した対極）３０２と、半導体電極３０１と対極３０２とを連結する外部回路３０３と、を有する。半導体電極３０１を構成する半導体は、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。半導体電極３０１および対極３０２は第１の液体としての循環水３０５と接しており、半導体電極３０１、対極３０２および循環水３０５は、筐体部３０４の内部に保持されている。
【００４８】
また、半導体電極３０１と対極３０２との間にバイアスを印加できるような機構（図示せず）が設けられていてもよい。
【００４９】
筐体部３０４の内部には、水素生成部２０１Ａにおいて分解に供する循環水３０５が流通している。循環水３０５は、水素生成部２０１Ａの外部においては、循環ライン２０４内部を流れる。循環水３０５は、支持電解質、酸化還元材料および犠牲試薬等を含んでいてもよい。
【００５０】
筐体部３０４の半導体電極３０１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。
【００５１】
半導体電極３０１と対極３０２との間は、セパレーター３０６により分離されている。セパレーター３０６は、液体とそれ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３０６で水素生成部２０１Ａの内部を半導体電極３０１側の領域と対極３０２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じり合うことを防止できる。水素生成部２０１Ａでは、セパレーター３０６で半導体電極３０１側と対極３０２側とを完全に分離せず、水の流路を低い位置に設けている。ガスは高所へ浮上していくため、流路を低位置に設けることで、ガスの混合を防止できる。また、この構造にすることで、一つの水導入口３０７から、半導体電極３０１側および対極３０２側の双方に、潤滑に循環水３０５を供給することが可能となる。水導入口３０７は半導体電極側、対極側のいずれに設けてもよい。
【００５２】
循環水３０５は、水導入口３０７より水素生成部２０１Ａに導入される。半導体電極３０１を構成する半導体がｎ型半導体の場合、半導体電極３０１側に流れた循環水３０５は太陽光が照射された電極上で上記反応式（１）の反応により酸素を生成する。一方、励起された電子は、外部回路３０３を伝導して、対極３０２上で上記反応式（２）の反応により水素を生成する。この時、半導体電極３０１により吸収されなかった光、特に赤外光や、半導体電極３０１により吸収されたものの、反応式（１）および（２）の化学反応に使われなかった場合に放出される熱エネルギーにより、循環水３０５は加熱される。
【００５３】
循環水３０５において、半導体電極３０１側を流れたものは、半導体電極３０１側の水排出口３０８から水素生成部２０１の外部へ排出される。一方、対極３０２側を流れたものは、対極３０２側の水排出口３０９から排出される。上記反応式（１）および（２）の反応により、半導体電極３０１および対極３０２上で生成した酸素および水素は、それぞれ酸素ガス排出口３１０および水素ガス排出口３１１から水素生成部２０１の外部に排出される。
【００５４】
半導体電極３０１側の水排出口３０８から排出された、太陽光により加熱された循環水３０５は、循環ライン２０４を通って、図２Ａに示す熱交換器２０７に導入される。熱交換器２０７において、水分解の用途に供した循環水３０５と、水流ライン２０６を流れる熱量を蓄積する用途に供する第２の液体（ここでは水）との間で熱交換される。したがって、熱量を蓄積する用途に供する液体には、支持電解質、酸化還元材料および犠牲試薬等の化学物質が混入することはない。よって、第１の液体としての循環水３０５を、水分解に最も適した液性に調整することができ、また熱量を蓄積した第２の液体をそのまま生活に用いることもできる。熱交換器２０７において熱交換された後、半導体電極３０１側の水排出口３０８および対極３０２側の水排出口３０９から水素生成部２０１Ａの外部に排出された２系統の水流は、合流し、再び水素生成部２０１Ａに供給される。
【００５５】
半導体電極３０１側の水排出口３０８と対極３０２側の水排出口３０９から排出された水流は、熱交換器２０７の上流側および下流側のどちら側で合流しても構わないが、図２Ａに示すように、半導体電極３０１側の水排出口３０８から排出された水流が熱交換器２０７を通過した後に、対極３０２側の水排出口３０９から排出された水流と合流することが好ましい。熱交換器２０７の上流側で両者の水流を合流させると、半導体電極３０１側の水排出口３０８から排出された水流に蓄えられている太陽光の熱エネルギーの一部が損なわれてしまうためである。
【００５６】
［構成例２］
図３Ｂに、水素生成部２０１の別の構成例である水素生成部２０１Ｂを示す。水素生成部２０１Ｂは、図２Ｂに示す水素生成システム２Ｂに好適に用いられる構成である。図３Ｂにおいて、図３Ａ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。
【００５７】
水素生成部２０１Ｂにおいては、半導体電極３０１側の領域と対極３０２側の領域とが、セパレーター３０６によって完全に分離されている。半導体電極３０１側および対極３０２側に、それぞれ、水導入口３０７および３１２が設けられている。
【００５８】
また、半導体電極３０１と対極３０２との間にバイアスを印加できるような機構（図示せず）が設けられていてもよい。
【００５９】
したがって、水素生成部２０１Ｂの構成の場合、半導体電極３０１側および対極３０２側双方への水路を設けるために、図２Ｂに示すように循環ライン２０４を分岐する必要がある。水素生成部２０１Ｂのような構造にすることで、生成した酸素および水素の混合をより確実に防ぎ、上記反応式（３）の逆反応を防止すると共に、水素爆発をより確実に防止することが可能となる。
【００６０】
水導入口３０７および３１２から導入された循環水３０５は、それぞれ半導体電極３０１および対極３０２上で、上記反応式（１）および（２）の反応により酸素と水素とを生成した後、水排出口３０８および３０９から排出される。
【００６１】
排出された後の過程は、構成例１における水素生成部２０１Ａの場合と同様であるので、省略する。
【００６２】
［構成例３］
図３Ｃに、水素生成部２０１のさらに別の構成例である水素生成部２０１Ｃを示す。水素生成部２０１Ｃは、図２Ｃ〜２Ｅに示す水素生成システム２Ｃ〜２Ｅに好適に用いられる構成である。図３Ｃにおいて、図３Ａおよび図３Ｂ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。
【００６３】
水素生成部２０１Ｃは、その内部に酸素導出管および水素導出管が設けられていない構成となっている。半導体電極３０１および対極３０２上で生成した酸素および水素は、それぞれ循環水３０５と共に半導体電極３０１側の水排出口３０８および対極３０２側の水排出口３０９から排出される。
【００６４】
排出された循環水３０５と気体の混合物は、図２Ｃ〜２Ｅに示すように、それぞれ気液分離装置２０８ａ，２０８ｂに導入され、気体と液体とに分離される。分離された気体は、それぞれ、水素導出管２０２および酸素導出管２０３から導出される。分離の方法は、加熱、振動、超音波、攪拌、遠心分離などいずれの方法でもよく、確実に分離するために、気液分離装置を直列に複数個配置してもよい。
【００６５】
対極３０２側の水排出口３０９から排出された水と水素との分離は、図２Ｃおよび図２Ｅに示す構成のように、半導体電極３０１側の水排出口３０８から排出された水流と合流する前に行なわれることが望ましい。
【００６６】
一方、半導体電極３０１側の水排出口３０８から排出された水の流路にあっては、気液分離装置２０８ｂの設置は、熱交換器２０７において熱交換される前でも構わないが、熱損失をできる限り小さくするために、水素生成システム２Ｃ〜２Ｅのように熱交換後が好ましい。特に、余分の残留気体を水循環ライン２０４から完全に除去するために、水素生成システム２Ｃ，２Ｅのように、対極３０２側の水排出口３０９から排出された水との合流後に気液分離装置２０８ｂが設けられることが望ましい。
【００６７】
なお、合流前後の双方に気液分離装置が設けられていてもよい。
【００６８】
（実施の形態２）
図４Ａ〜図４Ｄは、本発明の実施の形態２における水素生成システムの各構成例を示す。図４Ａ〜図４Ｄにおいて、図２Ａ〜図２Ｅ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、水素生成部２０１の構成は、実施の形態１に示した構成に限るものではない。
【００６９】
図４Ａに示す水素生成システム４Ａは、実施の形態１の水素生成システム２Ａ〜２Ｅに燃料電池４０１をさらに組み込み、水素生成部２０１において生成した水素を外部へ導出する水素導出管２０２を燃料電池４０１に接続するとともに、熱交換器２０７で循環ライン２０４と熱交換を行い加熱された水流ライン２０６を燃料電池４０１に導通させた構成となっている。本実施の形態では、燃料電池４０１に接続された水素導出管２０２によって、水素生成部２０１において生成された水素を燃料電池４０１に供給する機構が実現されている。かかる構成によれば、水素生成部２０１において発生した水素を電気エネルギーに変換することが可能となると共に、熱交換器２０７により加熱され、水流ライン２０６を流れてきた液体を、燃料電池４０１内部に設置された熱交換器（第２の熱交換器）４０２でさらに加熱することができる。
【００７０】
燃料電池４０１は、固体高分子型、固体酸化物型、リン酸型燃料電池などいずれの発電形式のものを用いてもよい。
【００７１】
燃料電池４０１において水素と酸素とが反応すると、電気エネルギーと水が生成すると同時に反応エネルギーが熱として放出される。また、燃料電池４０１においては、発電した電流と内部抵抗に由来するジュール熱も生じる。この反応エネルギーおよびジュール熱を回収・利用することで、水素生成部２０１において吸収した熱エネルギーのみを回収・利用した場合と比較して、飛躍的に効率的なエネルギー利用が可能になる。
【００７２】
また、必要に応じて、水素導出管２０２および酸素導出管２０３上に、貯蔵設備を設けてもよい。貯蔵設備には気体圧縮機構が付随していることが望ましい。貯蔵設備としては、タンク様の容器でも可能であるが、水素貯蔵を行う場合は、水素吸蔵合金からなる貯蔵設備でもよい。また、循環ライン２０４には、内部の水量を調整するための水導入口が設けられていてもよい。
【００７３】
水流ライン２０６上には、例えば燃料電池４０１で加熱された後の部分に、弁４０５が設置されていてもよい。この弁４０５を開閉することにより、必要なときに温水を得ることができる。
【００７４】
図４Ｂに示す、本実施の形態の別の例である水素生成システム４Ｂのように、水流ライン２０６を流れる水であって、熱交換器２０７により熱交換される前の水を、熱交換器２０７を通さずに、再び水流ライン２０６と、熱交換器２０７と燃料電池４０１との間とで合流させる、バイパスライン４０３を設けた構造としてもよい。バイパスライン４０３は必要に応じて用いられるものであるため、弁４０４を設ける。
【００７５】
従来、燃料電池を構成するスタック部の温度が不安定になると、燃料電池の性能も不安定になるという課題があった。本発明においても、熱交換器２０７で加熱された水流ライン２０６を流れる液体の温度がばらつくことで、燃料電池４０１の性能も不安定になるという課題を有している。これに対し、水素生成システム４Ｂの構成によれば、熱交換器２０７において熱交換された水の温度が高すぎる場合に、弁４０４を開けることにより、冷水により燃料電池４０１へ導入される水の温度を調整することができる。
【００７６】
図４Ｃに示す、本実施の形態の別の例である水素生成システム４Ｃのように、水素および酸素と水との分離を水素生成部２０１では行わず、水流とともに外部に導出して、別途設けられた気液分離装置２０８ａ，２０８ｂで分離する構成とすることもできる。
【００７７】
水素生成システム４Ｃにおいて、バイパスライン４０３および弁４０４は設置してもよいし、しなくてもよい。
【００７８】
気液分離装置２０８ａ，２０８ｂの設置方法については、実施の形態１と同様であるため、説明は省略する。
【００７９】
図４Ｄに示す、本実施の形態の別の例である水素生成システム４Ｄのように、水素導出管２０２上に貯蔵設備２０９を設けてもよい。貯蔵設備２０９には、気体圧縮機構が付随していることが望ましい。貯蔵設備２０９としては、タンク様の容器でも可能であるが、水素貯蔵を行う場合は、水素吸蔵合金からなる貯蔵設備でもよい。必要に応じて、貯蔵設備２０９に水素を導入する前に、水素を乾燥させる設備（除湿装置）を設けてもよい。
【００８０】
水素生成システム４Ｄの構成によれば、従来太陽光が水素生成部２０１に照射していない時間帯には水素を生成することができなかったが、太陽光が照射している時間帯に水素を貯蔵設備２０９に貯蔵することで、照射していない時間帯であっても燃料電池４０１に水素を供給することが可能となる。
【００８１】
水素生成システム４Ｄには、バイパスライン４０３および弁４０４が設置されているが、これらは必ずしも設置する必要はない。また、水素生成システム４Ｄでは、水素と酸素との分離を、水素生成部２０１の外部に設けられた気液分離装置２０８ａ，２０８ｂによって行っているが、水素生成システム４Ａ，４Ｂのように水素生成部２０１の内部で行ってもよい。
【００８２】
（実施の形態３）
図５Ａ〜図５Ｄは、本発明の実施の形態３における水素生成システムの各構成例を示す。図５Ａ〜図５Ｄにおいて、図２Ａ〜図２Ｅおよび図４Ａ〜図４Ｄ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、水素生成部２０１の構成は、実施の形態１に示した構成に限るものではない。
【００８３】
図５Ａに示す水素生成システム５Ａは、実施の形態１および実施の形態２の水素生成システムの構成に、燃料電池４０１において発生した熱と水素生成部２０１で発生した熱とを回収して得られた湯を貯める貯湯槽５０１をさらに設けた構成を有する。水素生成システム５Ａは、熱交換器（第１の熱交換器）２０７と、燃料電池４０１に設けられた熱交換器（第２の熱交換器）４０２とにおいて得られた熱量を、貯湯槽５０１に設けられた熱交換器（第４の熱交換器）５０２において水流ライン５０３を流れてきた液体（第４の液体）と交換して蓄積する構成となっている。この時、熱交換器２０７および４０２において得られた熱量は、水流ライン２０６を流れる液体（第２の液体）によって輸送される。水流ライン２０６は、貯湯槽５０１に設けられた熱交換器５０２において水流ライン５０３と熱交換を行なった後、再び熱交換器２０７へ流通する循環ラインを構成している。
【００８４】
水流ライン２０６は、水を循環させるためのポンプ５０４をさらに備えている。水流ライン２０６を流れる液体は、燃料電池４０１を腐食から防止するために純水が好ましいが、不凍液等の液体であってもよい。貯湯槽５０１において、蓄えられた温水は、水流ライン５０３上に、例えば弁５０５が設けられていて、必要に応じて弁５０５を開閉することにより、水流ライン５０３を通じて分配される。
【００８５】
水素生成システム５Ａの構成によれば、水素生成部２０１において、太陽光の照射時間の少ない時間帯、すなわち夜間、悪天候時、冬季に安定的に温水を供給できなくなるという従来の課題を解決することができる。
【００８６】
すなわち、貯湯槽５０１を設ける構成とすることにより、太陽光が照射している時間帯に水素生成部２０１および燃料電池４０１において生成した熱を、一度貯湯槽５０１に蓄積することが可能となり、夜間、悪天候時、冬季といった太陽光の照射時間が少なくなる時間帯においても安定的に温水を供給することが可能となる。
【００８７】
貯湯槽５０１は、断熱材等で被覆されていることが望ましい。
【００８８】
また、必要に応じて、水素導出管２０２および酸素導出管２０３上に、貯蔵設備を設けてもよい。貯蔵設備には気体圧縮機構が付随していることが望ましい。貯蔵設備としては、タンク様の容器でも可能であるが、水素貯蔵を行う場合は、水素吸蔵合金からなる貯蔵設備でもよい。必要に応じて、貯蔵設備に水素又は酸素を導入する前に、水素又は酸素を乾燥させる設備（除湿装置）を設けてもよい。
【００８９】
また、循環ライン２０４には、内部の水量を調整するための水導入口が設けられていてもよい。
【００９０】
図５Ｂに示す、本実施の形態の別の例である水素生成システム５Ｂのように、水素生成システム５Ａの構成に対して、実施の形態２の水素生成システム４Ｂと同様に、水流ライン２０６にバイパスライン４０３と弁４０４とを設置した構成とすることもできる。
【００９１】
実施の形態２で説明したとおり、従来、燃料電池を構成するスタック部の温度が不安定になると、燃料電池の性能も不安定になるという課題があった。本発明においても、熱交換器２０７で加熱された水流ライン２０６を流れる液体の温度がばらつくことで燃料電池４０１の性能も不安定になるという課題を有している。この構造によれば、熱交換器２０７において熱交換された水の水温が高すぎる場合に、弁４０４を開けることにより、冷水により燃料電池４０１へ導入される水の温度を調整することができる。
【００９２】
なお、燃料電池４０１へ導入される水の温度調整に用いられる冷水は、必ずしも水流ライン２０６に設けられたバイパスライン４０３で行う必要はなく、例えば市水を導入する機構などを設けることにより行なってもよい。
【００９３】
図５Ｃに示す、本実施の形態の別の例である水素生成システム５Ｃは、水素生成システム５Ｂにおいて、水素および酸素と水との分離を水素生成部２０１では行わずに、水素および酸素を水流とともに外部に導出して気液分離装置２０８ａ、２０８ｂで分離する構成を有している。
【００９４】
水素生成システム５Ｃにおいてもバイパスライン４０３および弁４０４を設けているが、これらは必ずしも設置する必要はない。
【００９５】
気液分離装置２０８ａ，２０８ｂの設置方法については、実施の形態１と同様であるため、説明は省略する。
【００９６】
図５Ｄに示す、本実施の形態の別の例である水素生成システム５Ｄは、水素生成システム５Ｃにおいて、水素導出管２０２上に貯蔵設備２０９をさらに設けた構成を有する。貯蔵設備２０９には、気体圧縮機構が付随していることが望ましい。貯蔵設備２０９としては、タンク様の容器でも可能であるが、水素貯蔵を行う場合は、水素吸蔵合金からなる貯蔵設備でもよい。必要に応じて、貯蔵設備２０９に水素を導入する前に、水素を乾燥させる設備（除湿装置）を設けてもよい。
【００９７】
水素生成システム５Ｄによれば、従来太陽光が水素生成部２０１に照射していない時間帯には水素を生成することができなかったが、太陽光が照射している時間帯に水素を貯蔵設備２０９に貯蔵することで、照射していない時間帯であっても燃料電池４０１に水素を供給することが可能となる。
【００９８】
なお、水素生成システム５Ｄにおいてもバイパスライン４０３および弁４０４を設けているが、これらは必ずしも設置する必要はない。
【００９９】
（実施の形態４）
図６Ａ〜図６Ｃは、本発明の実施の形態４における水素生成システムの各構成例を示す。図６Ａ〜図６Ｃにおいて、図２Ａ〜図２Ｅ、図４Ａ〜図４Ｄおよび図５Ａ〜図５Ｄ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。
【０１００】
図６Ａに示す水素生成システム６Ａは、実施の形態３の水素生成システムと同様に、実施の形態１の水素生成システムに燃料電池４０１および貯湯槽５０１をさらに設けた構成であるが、水流ライン２０６、燃料電池４０１および貯湯槽５０１の関係が実施の形態３の水素生成システムとは異なる。
【０１０１】
図６Ａに示す水素生成システム６Ａにおいては、熱交換器２０７において循環ライン２０４と熱交換をする水流ライン２０６は、貯湯槽５０１の内部の水の温度が低い温度域の部分から供給され、熱交換器２０７において循環ライン２０４と熱交換を行い、貯湯槽５０１内部で中間の温度域の部分に供給される。水流ライン２０６を流れる水は、水流ライン２０６上に設けられたポンプ５０４の動力により流通する。また、貯湯槽５０１内部の低温部には、好ましくは市水がライン６０１を通じて導入される。
【０１０２】
さらに、燃料電池４０１における熱交換は、水流ライン６０２を流れる水によって行なわれる。水流ライン６０２を流れる水は、貯湯槽５０１内部の低温域の部分から供給され、熱交換器（第２の熱交換器）４０２を介して燃料電池４０１と熱交換を行い、貯湯槽５０１内部の水が高温の部分に供給される。水流ライン６０２を流れる水は、水流ライン６０２上に設けられたポンプ６０３の動力により行なわれる。
【０１０３】
すなわち、水素生成システム６Ａは、水素生成部２０１で発生した熱の回収と、燃料電池４０１で発生した熱の回収とが、水流ライン２０６および水流ライン６０２を介して並列的に行われる構成を有する。
【０１０４】
貯湯槽５０１に蓄積された高温域の水は、水流ライン６０４を通って取り出される。取り出された温水は、バイパスライン６０５により供給される低温水と混合され、使用する目的に適した温度に調節される。この時、供給される低温水は、必ずしも図６Ａが示すように、水流ライン２０６から分岐して行う必要はなく、水流ライン６０１から分岐しても、また別に低温水が流れる水流ラインを設けて行なってもよい。
【０１０５】
貯湯槽５０１からの高温域の温水の取り出し、および、バイパスライン６０５を流れる水の流通は、それぞれ、ポンプ６０９およびポンプ６１０の動力により行われる。
【０１０６】
水流ライン６０１、水流ライン６０４およびバイパスライン６０５にはそれぞれ弁６０６、弁６０７および弁６０８が設けられ、この弁を開閉することにより、必要なときだけ水が流通するような機構にする方が好ましい。
【０１０７】
図６Ｂに示す、本実施の形態の別の例である水素生成システム６Ｂは、水素生成システム６Ａにおいて、循環ライン２０４上に放熱器６１１がさらに設置された構成を有している。
【０１０８】
たとえば、夏期において、湯の需要が少なく、かつ熱交換器２０７において得られる太陽熱が豊富にあるときなど、貯湯槽５０１内において中温域の水量が過剰になる。その際、貯湯槽５０１内の水の温度分布を破壊しないようにするための方法の一つとして、ポンプ５０４の運転を停止し、中温域の水の生成を止めたほうがよい場合がある。
【０１０９】
しかしながらこの際、熱交換器２０７において、循環ライン２０４と水流ライン２０６の間で熱交換が行なわれなくなるため、水素生成部２０１の温度が上昇していく。水素生成部２０１の温度上昇により、半導体電極に用いられている半導体のバンド構造が変動し、半導体の物性が設計どおりの特性を示さなくなる。
【０１１０】
この際、水素生成システム６Ｂのように、循環ライン２０４上に放熱器６１１を設置することにより、循環ライン２０４の温度上昇を抑制することができ、前記課題を解決することができる。
【０１１１】
放熱器６１１の設置場所は、循環ライン２０４上であれば特に限定されないが、水素生成部２０１にできる限り温度の低い水を導入するためにも、循環ライン２０４上であって、水素生成部２０１に循環水が導入される直前が望ましい。
【０１１２】
また、図６Ｃに示す、本実施の形態の別の例である水素生成システム６Ｃは、水素生成システム６Ａにおいて、水流ライン２０６は熱交換器２０７で熱交換を行なった後、貯湯槽５０１に戻ることなく、貯湯槽５０１から取り出された高温域の温水と混合される構成を有している。本構成の場合も、水素生成システム６Ａと同様に、取り出された温水は、バイパスライン６０５により供給される低温水と混合され、使用する目的に適した温度に調節される。この時、供給される低温水は、必ずしも図６Ｃに示すように、水流ライン２０６から分岐して行う必要はなく、水流ライン６０１から分岐しても、また別に低温水が流れる水流ラインを設けて行なってもよい。この構成においても、水素生成システム６Ｂと同様に、循環ライン２０４上に放熱器６１１を設置することも可能である。
【０１１３】
水素生成システム６Ｃの構成によれば、貯湯槽５０１内の温度分布が低温部と高温部のみとなり、温度境界層の形成および維持が容易になる。
【０１１４】
実施の形態４においても、実施の形態１〜３のように、水から水素と酸素を分離するための気液分離装置２０８ａ，２０８ｂを設置する構成、また、水素を貯蔵するための貯蔵設備２０９を水素導出ライン２０２上に設置する構成を適用できる。設置の方法は前述のとおりであるため、ここでは省略する。
【０１１５】
以上のように、本実施の形態の水素生成システムは、本発明の水素生成システムの必須構成である水素生成部（ここでは水素生成部２０１）、第１の熱交換器（ここでは熱交換器２０７）、前記第１の熱交換器において冷却された第１の液体（ここでは、循環ライン２０４の循環水）を前記水素生成部に導入する機構（ここでは循環ライン２０４およびポンプ２０５）に対し、さらに、燃料電池（ここでは燃料電池４０１）と、貯湯槽（ここでは貯湯槽５０１）と、前記第１の熱交換器によって加熱された第２の液体（ここでは水流ライン２０６の水）を、前記貯湯槽の湯と合流させる、または、温水として供給する機構（ここでは、水流ライン２０６およびポンプ５０４）と、前記燃料電池との熱交換により、第３の液体としての水（ここでは水流ライン６０２の水）を加熱する、第２の熱交換器（ここでは熱交換器４０２）と、加熱された前記第３の液体を前記貯湯槽の湯と合流させる機構（ここでは水流ライン６０２およびポンプ６０３）と備えた構成を有するといえる。
【０１１６】
（実施の形態５）
図７Ａ〜図７Ｃは、本発明の実施の形態５における水素生成システムの各構成例を示す。図７Ａ〜図７Ｃにおいて、図２Ａ〜図２Ｅ、図４Ａ〜図４Ｄ、図５Ａ〜図５Ｄおよび図６Ａ〜図６Ｃ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。
【０１１７】
図７Ａに示す水素生成システム７Ａは、実施の形態４の水素生成システムと同様に、実施の形態１の水素生成システムに燃料電池４０１および貯湯槽５０１をさらに設けた構成であるが、水流ライン２０６、燃料電池４０１および貯湯槽５０１の関係が実施の形態４の水素生成システムとは異なる。
【０１１８】
図７Ａに示す水素生成システム７Ａにおいて、水流ライン２０６は、水流ライン２０６上に設置されたポンプ５０４の動力により、貯湯槽５０１内部の低温の部分から水が供給され、熱交換器２０７において循環ライン２０４と熱交換を行い加熱された後、熱交換器４０２において燃料電池４０１と熱交換を行い、貯湯槽５０１内部の水が高温の部分に流入する構成となっている。
【０１１９】
すなわち、水素生成システム７Ａは、水素生成部２０１で発生した熱の回収と、燃料電池４０１で発生した熱の回収とが、水流ライン２０６を介して直列的に行われる構成を有する。
【０１２０】
貯湯槽の低温の部分には、水流ライン６０１を通じて冷水（好ましくは市水）を導入する。
【０１２１】
貯湯槽５０１に蓄積された高温域の水は、ポンプ６０９の動力により、水流ライン６０４を通って取り出される。取り出された温水は、バイパスライン６０５により供給される低温水と混合され、使用する目的に適した温度に調節される。この時、供給される低温水は、必ずしも図６Ａに示すように水流ライン２０６から分岐して行う必要はなく、水流ライン６０１から分岐しても、また別に低温水が流れる水流ラインを設けて行なってもよい。
【０１２２】
水流ライン６０１、水流ライン６０４、水流ライン６０５にはそれぞれ弁６０６、弁６０７および弁６０８が設置され、必要に応じて弁の開閉を行い、水が導通する構成にすることが望ましい。
【０１２３】
図７Ｂに示す、本実施の形態の別の例である水素生成システム７Ｂは、水素生成システム７Ａにおいて、水流ライン２０６を流れる水であって、熱交換器２０７により熱交換される前の水を、熱交換器２０７を通さずに、再び水流ライン２０６と、熱交換器２０７と燃料電池４０１の間で合流させるバイパスライン４０３を設ける構成を有する。バイパスライン４０３は必要に応じて用いられるものであるため、弁４０４が設けてある。
【０１２４】
水素生成システム７Ｂの構成によれば、熱交換器２０７において熱交換された水の水温が高すぎる場合に、弁４０４を開けることにより、冷水により燃料電池４０１へ導入される水の温度を調整できる。
【０１２５】
この時、水の温度調整に用いられる水は、必ずしもバイパスライン４０３により供給される必要はなく、水流ライン６０１から分岐させて供給される構成でもよいし、また別に低温水が流れる水流ラインを設けて供給される構成としてもよい。
【０１２６】
図７Ｃに示す、本実施の形態の別の例である水素生成システム７Ｃは、水素生成システム７Ｂにおいて、循環ライン２０４上に放熱器６１１をさらに設けた構成を有している。本構成により、例えば温水の需要が少なく、貯湯槽５０１内部の高温の湯が増えすぎた場合などにおいて、ポンプ５０４の運転を止める必要が生じた場合などに、放熱器６１１で循環ライン２０４を流れる水の温度を下げることができる。放熱器６１１の設置方法については、実施の形態４で説明したとおりである。
【０１２７】
実施の形態５においても、実施の形態１〜４のように、水から水素と酸素とを分離するための気液分離装置２０８ａ，２０８ｂを設置する構成、また、水素を貯蔵するための貯蔵設備２０９を水素導出ライン２０２上に設置する構成を適用できる。設置の方法は前述のとおりであるため、ここでは省略する。
【０１２８】
以上のように、本実施の形態の水素生成システムは、本発明の水素生成システムの必須構成である水素生成部（ここでは水素生成部２０１）、第１の熱交換器（ここでは熱交換器２０７）、前記第１の熱交換器において冷却された第１の液体（ここでは、循環ライン２０４の循環水）を前記水素生成部に導入する機構（ここでは循環ライン２０４およびポンプ２０５）に対し、さらに、燃料電池（ここでは燃料電池４０１）と、貯湯槽（ここでは貯湯槽５０１）と、前記第１の熱交換器において加熱された第２の液体（ここでは水流ライン２０６の水）を、前記燃料電池との熱交換によって加熱する、第２の熱交換器（ここでは熱交換器４０２）と、前記第２の熱交換器において加熱された前記第２の液体を前記貯湯槽の湯と合流させる機構（ここでは水流ライン２０６およびポンプ５０４）と備えた構成といえる。
【０１２９】
（実施の形態６）
図８Ａ〜図８Ｃは、本発明の実施の形態６における水素生成システムの各構成例を示す。図８Ａ〜図８Ｃにおいて、図２Ａ〜図２Ｅ、図４Ａ〜図４Ｄ、図５Ａ〜図５Ｄ、図６Ａ〜図６Ｃおよび図７Ａ〜図７Ｃ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。
【０１３０】
図８Ａに示す水素生成システム８Ａは、実施の形態４の水素生成システムと同様に、実施の形態１の水素生成システムに燃料電池４０１および貯湯槽５０１をさらに設けた構成であるが、貯湯槽５０１の構成および貯水槽５０１内部の水の利用方法が実施の形態４の水素生成システムとは異なる。
【０１３１】
水素生成システム８Ａにおいては、好ましくは市水が流れる水流ライン６０１を、貯湯槽５０１に入る手前で水流ライン２０６と水流ライン６０４を流れる水流に分岐する。
【０１３２】
水流ライン２０６を流れる水流は、熱交換器２０７において、循環ライン２０４と熱交換した後、貯湯槽５０１の水温が中温域の部分に供給される。
【０１３３】
一方、水流ライン６０４を流れる水流は、貯湯槽５０１内部において、内部に設置された熱交換器（第３の熱交換器）８０１において、加熱される。加熱された水は、そのまま水流ライン６０４を通って、外部に導出され、生活などに用いられる。
【０１３４】
水流ライン２０６および水流ライン６０４には、それぞれ弁８０２および弁６０７が設けられており、これらの弁を開閉することにより、必要に応じて流通させることができることが望ましい。
【０１３５】
また、燃料電池４０１との熱交換は、水流ライン６０２を流れる水によって行なわれる。水流ライン６０２を流れる水は、貯湯槽５０１内部の中温域の部分、もしくは直接水流ライン６０１から分岐することにより供給され、熱交換器（第２の熱交換器）４０２を介して燃料電池４０１と熱交換を行い、貯湯槽５０１内部の水が高温の部分に供給する。水流ライン６０２を流れる水の流通は、ポンプ６０３の動力により行なわれる。
【０１３６】
ここでは、水流ライン６０１を分岐させて貯湯槽５０１の内部に供給することで、貯湯槽５０１の内部に低温域の層を設け、この低温の部分から水流ライン６０２に水を供給する構成にしてもよい。
【０１３７】
貯湯槽５０１内部の高温の部分の水は、ポンプ８０３の動力を用いて、水流ライン８０４を通じて、貯湯槽５０１の外部へ排出される。排出された温水は主として暖房用途などに用いられることが望ましい。水流ライン８０４には弁８０５が設けられており、必要に応じて取り出される構成になっていることが望ましい。
【０１３８】
このような構成にすることにより、生活用途に使う水流ライン６０４を流れる水を長期間にわたり貯湯槽に貯蔵しておくことがなくなるため、雑菌等の混入等の危険性が少なくなる。
【０１３９】
水流ライン６０４および水流ライン８０４には、水流ライン２０６または水流ライン６０１からバイパスライン６０５が連結している構造になっており、得られた温水と低温水とを混合することで、水を使用する目的に適した温度に調節することができる構成になっている。
【０１４０】
バイパスライン６０５上には弁８０６および弁８０７が設置されていて、水流ライン６０４および水流ライン８０４と混合される低温水の水量を調節できる構成になっていることが望ましい。
【０１４１】
図８Ｂに示す、本実施の形態の別の例である水素生成システム８Ｂは、水素生成システム８Ａにおいて、循環ライン２０４上に放熱器６１１をさらに設けた構成を有している。本構成により、例えば温水の需要が少なく、貯湯槽５０１内部の中温の湯が増えすぎた場合などにおいて、弁８０２を閉め、熱交換器２０７において熱交換を停止する必要が生じた場合などに、放熱器６１１で、循環ライン２０４を流れる水の温度を下げることができる。放熱器６１１の設置方法については、前述のとおりであるので、ここでは省略する。
【０１４２】
また、図８Ｃに示す、本実施の形態の別の例である水素生成システム８Ｃは、水素生成システム８Ａにおいて、水流ライン２０６は熱交換器２０７で熱交換を行なった後、貯湯槽５０１に戻ることなく、貯湯槽５０１から取り出された高温域の温水と混合される構成を有している。本構成の場合も、水素生成システム８Ａと同様に、取り出された温水は、バイパスライン６０５により供給される低温水と混合され、使用する目的に適した温度に調節される。この時、供給される低温水は、必ずしも図８Ａに示すように水流ライン２０６から分岐されて供給される必要はなく、水流ライン６０１から分岐しても、また別に低温水が流れる水流ラインを設けて供給されてもよい。
【０１４３】
水素生成システム８Ｃにおいても、バイパスライン６０５上には弁８０６および弁８０７が設置されていて、水流ライン６０１および水流ライン８０４と混合される低温水の水量を調節できる構成になっていることが望ましい。
【０１４４】
また、燃料電池４０１と熱交換する水流ライン６０２を流れる水は、図８Ｃのように、水流ライン６０１から分岐させてもよいし、一度水流ライン６０１から分岐させた水流ラインを設け、貯湯槽５０１に低温域の層を形成させて、そこから供給してもよい。水流ライン６０２には弁８０８が設けられていることが望ましい。
【０１４５】
水素生成システム８Ｃの構成によれば、貯湯槽５０１内の温度分布が高温部のみ、または、低温部と高温部のみとなり、温度境界層の形成および維持が容易になる。
【０１４６】
実施の形態６においても、実施の形態１〜５のように、水から水素と酸素を分離するための気液分離装置２０８ａ，２０８ｂを設置する構成、また、水素を貯蔵するための貯蔵設備２０９を水素導出ライン２０２上に設置する構成を適用できる。設置の方法は前述のとおりであるので、ここでは省略する。
【０１４７】
以上のように、本実施の形態の水素生成システムは、本発明の水素生成システムの必須構成である水素生成部（ここでは水素生成部２０１）、第１の熱交換器（ここでは熱交換器２０７）、前記第１の熱交換器において冷却された第１の液体（ここでは、循環ライン２０４の循環水）を前記水素生成部に導入する機構（ここでは循環ライン２０４およびポンプ２０５）に対し、さらに、燃料電池（ここでは燃料電池４０１）と、貯湯槽（ここでは貯湯槽５０１）と、前記第１の熱交換器によって加熱された第２の液体（ここでは水流ライン２０６の水）を、前記貯湯槽の湯と合流させる、または、温水として供給する機構（ここでは水流ライン２０６およびポンプ８０２）と、前記燃料電池との熱交換により、第３の液体としての水（ここでは水流ライン６０２の水）を加熱する、第２の熱交換器（ここでは熱交換器４０２）と、加熱された前記第３の液体を前記貯湯槽の湯と合流させる機構（ここでは水流ライン６０２およびポンプ６０３）と、前記貯湯槽の内部に設けられ、当該貯湯槽内の湯と第４の液体としての水（ここでは水流ライン６０１の水）との熱交換によって前記第４の液体を加熱する、第３の熱交換器（ここでは熱交換器８０１）と備えた構成といえる。
【０１４８】
（実施の形態７）
図９Ａ〜図９Ｃは、本発明の実施の形態７における水素生成システムの各構成例を示す。図９Ａ〜図９Ｃにおいて、図２Ａ〜図２Ｅ、図４Ａ〜図４Ｄ、図５Ａ〜図５Ｄ、図６Ａ〜図６Ｃ、図７Ａ〜図７Ｃおよび図８Ａ〜図８Ｃ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。
【０１４９】
図９Ａに示す水素生成システム９Ａは、実施の形態５の水素生成システムと同様に、実施の形態１の水素生成システムに燃料電池４０１および貯湯槽５０１をさらに設けた構成であるが、貯湯槽５０１の構成および貯水槽５０１内部の水の利用方法が実施の形態５の水素生成システムとは異なる。
【０１５０】
水素生成システム９Ａにおいては、好ましくは市水が流れる水流ライン６０１を、貯湯槽５０１に入る手前で、水流ライン２０６と、水流ライン６０４を流れる水流とに分岐する。
【０１５１】
水流ライン２０６は、水流ライン６０１から分岐した後、熱交換器２０７において循環ライン２０４と熱交換を行う。熱交換器２０７において加熱された後、燃料電池４０１と熱交換器４０２を介して熱交換を行い、さらに加熱された後、貯湯槽５０１の高温領域に流入する。
【０１５２】
また、水流ライン６０４は、貯湯槽５０１の内部において、熱交換器８０１を介して加熱される。
【０１５３】
貯湯槽５０１の内部に蓄積された温水は、ポンプ８０３の動力を用いて水流ライン８０４により暖房用途に、水流ライン６０４を流れ、貯湯槽５０１内部で加熱された温水は給湯用途に、それぞれ用いられることが望ましい。
【０１５４】
水流ライン６０４および水流ライン８０４には、それぞれ弁６０７および弁８０５が設置されていて、必要に応じて取り出せる構成になっていることが望ましい。
【０１５５】
さらに、水流ライン６０４および水流ライン８０４には、それぞれ、水流ライン２０６の熱交換器２０７において加熱される手前の部分（熱交換器２０７よりも上流の部分）で分岐したバイパスライン６０５が連結している構造になっており、得られた温水と低温水とを混合することで、水温を使用する目的に適した温度に調節することができる構成になっている。
【０１５６】
バイパスライン６０５上には弁８０６および弁８０７が設置されていて、水流ライン６０４および水流ライン８０４と混合する低温水の水量を調節できる構成になっていることが望ましい。
【０１５７】
また、図９Ｂに示す、本実施の形態の別の例である水素生成システム９Ｂは、水素生成システム９Ａにおいて、水流ライン２０６を流れる水であって、熱交換器２０７により熱交換される前の水（熱交換器２０７よりも上流の水）を、熱交換器２０７を通さずに、再び水流ライン２０６と、熱交換器２０７と燃料電池４０１の間で合流させるバイパスライン４０３を設けた構造となっている。バイパスライン４０３は必要に応じて用いられるものであるため、弁４０４が設けてある。
【０１５８】
水素生成システム９Ｂの構造により、熱交換器２０７において熱交換された水の水温が高すぎる場合に、弁４０４を開けることにより、冷水により燃料電池４０１へ導入される水の温度を調整することができる。
【０１５９】
この時、水の温度調整に用いられる水は、必ずしもバイパスライン４０３により供給される必要はなく、水流ライン６０１から分岐させて供給される構成でもよいし、また別に低温水が流れる水流ラインを設けて供給される構成としてもよい。
【０１６０】
図９Ｃに示す、本実施の形態の別の例である水素生成システム９Ｃは、水素生成システム９Ｂにおいて、循環ライン２０４上に放熱器６１１をさらに設けた構成となっている。本構成により、例えば温水の需要が少なく、貯湯槽５０１内部の高温の湯が増えすぎた場合などにおいて、ポンプ５０４の運転を止める必要が生じた場合などに、放熱器６１１で循環ライン２０４を流れる水の温度を下げることができる。放熱器６１１の設置方法については、実施の形態４で説明したとおりである。
【０１６１】
実施の形態７においても、実施の形態１〜６のように、水から水素と酸素とを分離するための気液分離装置２０８ａ，２０８ｂを設置する構成、また、水素を貯蔵するための貯蔵設備２０９を水素導出ライン２０２上に設置する構成を適用できる。設置の方法は前述のとおりであるため、ここでは省略する。
【０１６２】
以上のように、本実施の形態の水素生成システムは、本発明の水素生成システムの必須構成である水素生成部（ここでは水素生成部２０１）、第１の熱交換器（ここでは熱交換器２０７）、前記第１の熱交換器において冷却された第１の液体（ここでは、循環ライン２０４の循環水）を前記水素生成部に導入する機構（ここでは循環ライン２０４およびポンプ２０５）に対し、さらに、燃料電池（ここでは燃料電池４０１）と、貯湯槽（ここでは貯湯槽５０１）と、前記第１の熱交換器において加熱された第２の液体（ここでは水流ライン２０６の水）を、前記燃料電池との熱交換によって加熱する、第２の熱交換器（ここでは熱交換器４０２）と、前記第２の熱交換器において加熱された前記第２の液体を前記貯湯槽の湯と合流させる機構（ここでは水流ライン２０６およびポンプ８０２）と、前記貯湯槽の内部に設けられ、当該貯湯槽内の湯と第３の液体としての水（ここでは水流ライン６０１の水）との熱交換によって前記第３の液体を加熱する、第３の熱交換器（ここでは熱交換器８０１）とを備えた構成といえる。
【０１６３】
（実施の形態８）
図１０Ａおよび図１０Ｂは、本発明の実施の形態８における水素生成システムの各構成例を示す。図１０Ａおよび図１０Ｂにおいて、図２Ａ〜図２Ｅ、図４Ａ〜図４Ｄ、図５Ａ〜図５Ｄ、図６Ａ〜図６Ｃ、図７Ａ〜図７Ｃ、図８Ａ〜図８Ｃおよび図９Ａ〜図９Ｃ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。
【０１６４】
図１０Ａに示す水素生成システム１０Ａにおいては、熱交換器（第１の熱交換器）２０７において、循環ライン２０４、水流ライン１００１および水流ライン１００２の間で熱交換を行う。
【０１６５】
ここで、水流ライン１００１は主として暖房用途に用いる水流ラインであり、水流ライン１００２は、貯湯槽５０１の高温域部分から低温域部分もしくは中温域部分へ流れる水流ラインである。
【０１６６】
水流ライン１００１および水流ライン１００２は、それぞれ動力源として、ポンプ１００３およびポンプ１００４を備えている。
【０１６７】
また、水流ライン６０１は、貯湯槽５０１の低温域部分と連結されている。水流ライン６０１には、必要に応じて流せる仕組みにするために、弁６０６が設けられていることが望ましい。
【０１６８】
燃料電池４０１との熱交換は、水流ライン６０２を流れる水との間で、熱交換器（第２の熱交換器）４０２において行う。水流ライン６０２には、動力源としてポンプ６０３が設置されている。
【０１６９】
水流ライン６０２は、貯湯槽５０１の低温域部分または水流ライン６０１を分岐することにより、低温水を流す構成となっている。水流ライン６０２は、燃料電池４０１と熱交換を行なった後、貯湯槽５０１の高温域部分に流れる構成となっている。
【０１７０】
貯湯槽５０１の高温域の温水は、ポンプ８０３の動力により、水流ライン６０４を通じて、給湯の用途に用いられる。水流ライン６０４には、弁６０７が設けられていて、必要に応じて取り出せる構成になっていることが望ましい。
【０１７１】
水流ライン６０４および水流ライン１００１には、それぞれバイパスライン６０５およびバイパスライン１００５が設けられており、得られた温水と低温水を混合することで、水温を使用する目的に適した温度に調節することができる構成になっている。
【０１７２】
バイパスライン６０５は、水流ライン１００２において熱交換器２０７で熱を与えた後の低温部分からのライン、貯湯槽の低温域部分からのラインまたは水流ライン６０１を分岐してなるラインである。バイパスライン１００５も同様のラインまたはバイパスライン６０５を分岐してなるラインである。
【０１７３】
バイパスライン６０５およびバイパスライン１００５には、必要に応じて流せる構成とするために、弁８０６および弁８０７が設けられていることが望ましい。
【０１７４】
水流ライン１００１上にも、必要に応じて流せる構成とするために、弁１００６が設置されている。
【０１７５】
図１０Ｂに示す、本実施の形態の別の例である水素生成システム１０Ｂは、水素生成システム１０Ａにおいて、循環ライン２０４上に放熱器６１１をさらに設けた構成となっている。本構成により、何らかの理由で、熱交換器２０７において、熱交換ができなくなった場合などにおいても、放熱器６１１で、循環ライン２０４を流れる水の温度を下げることができる。放熱器６１１の設置方法については、前述したとおりであるので、ここでは省略する。
【０１７６】
実施の形態８においても、実施の形態１〜７のように、水から水素と酸素とを分離するための気液分離装置２０８ａ，２０８ｂを設置する構成、また、水素を貯蔵するための貯蔵設備２０９を水素導出ライン２０２上に設置する構成を適用できる。設置の方法は前述のとおりであるため、ここでは省略する。
【０１７７】
（実施の形態９）
図１１Ａ〜図１１Ｅは、本発明の実施の形態９における水素生成システムの各構成例とそれらの運転方法を示す。図１１Ａ〜図１１Ｅにおいて、図２Ａ〜図２Ｅ、図４Ａ〜図４Ｄ、図５Ａ〜図５Ｄ、図６Ａ〜図６Ｃ、図７Ａ〜図７Ｃ、図８Ａ〜図８Ｃ、図９Ａ〜図９Ｃ、図１０Ａおよび図１０Ｂ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。
【０１７８】
図１１Ａに示す水素生成システム１１Ａは、実施の形態３の水素生成システム５Ａと同様の構成を有しているが、その運転方法が異なる。なお、水素生成部２０１の構成は、実施の形態１に示した構成に限るものではない。
【０１７９】
水素生成システムは内部に液体を包含する。そのため、液体の温度が低下し凍結すると、水素生成システムが破損してしまう恐れがある。また、積雪により水素生成部が雪で被覆されてしまうと、水素生成部に太陽光が照射されず、水分解反応を起こすことができなくなる。
【０１８０】
このような課題に対し、本実施の形態の水素生成システム１１Ａは、循環ライン２０４の循環水（第１の液体）の温度が水流ライン２０６の液体（第２の液体）および水流ライン５０３の水（貯湯槽５０１の湯（第４の液体））の温度よりも低い場合に、循環ライン２０４の循環水と水流ライン２０６の液体または水流ライン５０３の水との熱交換によって、循環ライン２０４の循環水を加熱可能とする機構を備えている。具体的には、通常運転時に循環ライン２０４から貯湯槽５０１の方向へ流れている熱量を、逆に循環ライン２０４へ戻すことにより、凍結防止や融雪を行うことを可能としている。
【０１８１】
このような運転を実現する方法の一つとして、循環ライン２０６を流れる液体が、熱交換器５０２→熱交換器４０２→熱交換器２０７となるように、水流ライン２０６を流れる水を逆流させればよい。
【０１８２】
本運転方法によれば、熱交換器５０２において貯湯槽５０１内に蓄積されている熱量が、水流ライン２０６を流れる液体に与えられ、さらに熱交換器２０７において循環ライン２０６を流れる液体から循環ライン２０４を流れる液体に与えられる。
【０１８３】
したがって、降雪量の多い地域において冬季に雪により水素生成部２０１が被覆されることにより太陽光が照射されなくなる、また、厳寒地域において水素生成システム１１Ａ内部の水が凍結する、という課題を解決することができる。
【０１８４】
水素生成システム１１Ａの構成は、実施の形態１〜８の水素生成システムと併用することができる。
【０１８５】
図１１Ｂに示す、本実施の形態の別の例である水素生成システム１１Ｂは、貯湯槽５０１から、循環ライン２０４に温水を配給することを可能とした、バイパスライン１１０１を設けた構成となっている。
【０１８６】
本構成によれば、積雪により水素生成部２０１が被覆されることにより太陽光が照射されなくなる、また、水素生成システム１１Ｂ内部の水が凍結する恐れが出た場合に、バイパスライン1１０１上に設けた弁１１０２を操作し、温水を循環ライン２０４に導入することで、凍結を防止しまたは融雪することができる。
【０１８７】
バイパスライン１１０１には、動力源として、ポンプ１１０３が設置された構成となっている。
【０１８８】
水素生成システム１１Ｂの構成は、実施の形態１〜８のシステムと併用することができる。
【０１８９】
図１１Ｃに示す、本実施の形態の別の例である水素生成システム１１Ｃは、水素生成システム１１Ｂにおいて、循環ライン２０４上に弁１１０４および導出ライン１１０５をさらに設け、循環ライン２０４内部の液体を外部に排出できる構成を有している。
【０１９０】
本構成によれば、冬季に循環ライン２０４内部の液体が凍結し、水素生成システム１１Ｃが破損する恐れが生じたときに、弁１１０４を操作し、導出ライン１１０５から循環ライン２０４内部の液体を外部に排出することで、水素生成システム１１Ｃの破損を防止することができる。
【０１９１】
循環ライン２０４内部の液体を外部に排出してしまった場合には、詰め替え用の液体を用意し、充填しなおすことで、水素生成システム１１Ｃは容易に復帰させることができる。
【０１９２】
水素生成システム１１Ｃの構成は、実施の形態１〜８の水素生成システムおよび本実施の形態の水素生成システム１１Ａ，１１Ｂと併用することができる。
【０１９３】
実施の形態９においても、実施の形態１〜８のように、水から水素と酸素を分離するための気液分離装置２０８ａ，２０８ｂを設ける構成（図１１Ｄ参照）、また、水素を貯蔵するための貯蔵設備２０９を水素導出ライン２０２上に設置する構成（図１１Ｅ参照）を適用できる。設置の方法は前述のとおりであるため、ここでは省略する。
【０１９４】
以上に説明した実施の形態１〜９の水素生成システムは、水素を生成するシステムであると同時に、温水をも生成するシステムである。したがって、実施の形態１〜９の水素生成システムの構成およびそれらの説明は、同時に、本発明の温水生成システムの実施の形態の構成およびそれらの説明としても適用できる。なお、本発明の温水生成システムとは、第１の液体を保持し、太陽光が照射されることによって、前記第１の液体の少なくとも一部を加熱する太陽熱温水器と、燃料電池と、前記太陽熱温水器において加熱された前記第１の液体から回収された熱と、前記燃料電池で発生した熱とを利用して、湯を供給する機構と、を備えたシステムである。本発明の温水システムは、前記太陽熱温水器と、前記燃料電池と、前記太陽熱温水器において加熱された前記第１の液体を、第２の液体との熱交換によって冷却し、かつ、前記第２の液体を加熱する、第１の熱交換器と、前記第１の熱交換器において加熱された前記第２の液体と前記燃料電池との熱交換により、前記第２の液体をさらに加熱する第２の熱交換器と、を備え、前記第２の熱交換器において加熱された前記第２の液体を利用して湯を供給するシステムとすることもできる。実施の形態１〜９の水素生成システムの構成およびそれらの説明を本発明の温水生成システムの実施の形態の構成およびそれらの説明としても適用する場合、水素生成部が本発明の温水生成システムにおける太陽熱温水器に相当する。
【産業上の利用可能性】
【０１９５】
本発明にかかる水素生成システムは、太陽光照射により水を分解することにより得られる水素エネルギーのみならず、太陽光により加熱された循環水から熱エネルギーを回収し、温水を得ることが可能となるため、太陽エネルギーを高い効率で利用することが可能であり、家庭用の発電システム等として有用である。
【手続補正２】
【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】
水を含む第１の液体を保持し、太陽光が照射されることによって、前記第１の液体に含まれる水の一部が水素と酸素とに分解され、かつ、前記第１の液体の少なくとも一部が加熱される、水素生成部と、
前記水素生成部において加熱された前記第１の液体と、水である第２の液体との熱交換によって、前記第１の液体を冷却し、かつ、前記第２の液体を加熱する、第１の熱交換器と、
前記第１の熱交換器において冷却された前記第１の液体を、前記水素生成部に導入する機構と、
燃料電池と、
貯湯槽と、
前記第１の熱交換器において加熱された前記第２の液体を、前記燃料電池との熱交換によって加熱する、第２の熱交換器と、
前記第２の熱交換器において加熱された前記第２の液体を前記貯湯槽の湯と合流させる機構と、
前記第１の熱交換器において加熱された後であって、かつ、前記第２の熱交換器において前記燃料電池との熱交換を行う前の前記第２の液体に対して、冷水を供給して前記第２の液体の温度を調整する機構と、
を備えた、水素生成システム。
【請求項２】
水を含む第１の液体を保持し、太陽光が照射されることによって、前記第１の液体に含まれる水の一部が水素と酸素とに分解され、かつ、前記第１の液体の少なくとも一部が加熱される、水素生成部と、
前記水素生成部において加熱された前記第１の液体と、水である第２の液体との熱交換によって、前記第１の液体を冷却し、かつ、前記第２の液体を加熱する、第１の熱交換器と、
前記第１の熱交換器において冷却された前記第１の液体を、前記水素生成部に導入する機構と、
燃料電池と、
貯湯槽と、
前記第１の熱交換器において加熱された前記第２の液体を、前記燃料電池との熱交換によって加熱する、第２の熱交換器と、
前記第２の熱交換器において加熱された前記第２の液体を前記貯湯槽の湯と合流させる機構と、
前記貯湯槽の内部に設けられ、当該貯湯槽内の湯と第３の液体としての水との熱交換によって前記第３の液体を加熱する、第３の熱交換器と、
前記第１の熱交換器において加熱された後であって、かつ、前記第２の熱交換器において前記燃料電池との熱交換を行う前の前記第２の液体に対して、冷水を供給して前記第２の液体の温度を調整する機構と、
を備えた、水素生成システム。
【請求項３】
前記第１の熱交換器は、前記水素生成部に隣接して設けられている、請求項１又は２に記載の水素生成システム。
【請求項４】
前記水素生成部において生成された水素を前記燃料電池に供給する機構をさらに備えた、請求項１又は２に記載の水素生成システム。
【請求項５】
前記貯湯槽の湯が、前記水素生成部で発生した熱をさらに回収して得られた湯である、請求項１又は２に記載の水素生成システム。
【請求項６】
前記貯湯槽の湯と前記第２の液体とを合流させる機構をさらに備えた、請求項１又は２に記載の水素生成システム。
【請求項７】
前記水素生成部は、水を水素と酸素とに分解し得る半導体材料を含む半導体電極と、前記半導体電極と電気的に接続された、導電性材料からなる対極と、前記半導体電極および前記対極と接する前記第１の液体と、前記半導体電極、前記対極および前記第１の液体を内部に保持する筐体部と、を備えており、
前記半導体電極に太陽光が照射されることによって、前記第１の液体に含まれる水の一部が水素と酸素とに分解されて水素が生成される、
請求項１又は２に記載の水素生成システム。
【請求項８】
前記第１の液体を前記水素生成部に導入する前に、前記半導体電極側の流路と前記対極側の流路とに分岐する、請求項７に記載の水素生成システム。
【請求項９】
前記水素生成部において発生した水素と前記第１の液体との混合物を、水素と前記第１の液体とに分離する気液分離装置が、前記水素生成部の外に設けられている、請求項１又は２に記載の水素生成システム。
【請求項１０】
前記第２の熱交換器において加熱された前記第２の液体と第４の液体との熱交換によって、前記第４の液体を加熱し、かつ、前記第２の液体を冷却する、第４の熱交換器をさらに備えた、請求項１又は２に記載の水素生成システム。
【請求項１１】
前記第４の熱交換器は、前記貯湯槽の内部に設けられている、請求項１０に記載の水素生成システム。
【請求項１２】
前記第４の熱交換器によって冷却された前記第２の液体の一部を、前記第１の熱交換器により加熱された後であって、かつ、前記第２の熱交換器に導入される前の前記第２の液体に合流させる機構をさらに備えた、請求項１０に記載の水素生成システム。
【請求項１３】
前記第１の液体の温度が、前記第２の液体の温度および前記第４の液体の温度よりも低い場合に、前記第１の液体と前記第２の液体または前記第４の液体との熱交換によって、前記第１の液体を加熱可能とする機構をさらに備えた、請求項１０に記載の水素生成システム。
【請求項１４】
前記第１の液体と前記第２の液体または前記第４の液体との熱交換によって、前記第１の液体を加熱可能とする前記機構が、
前記第２の熱交換器により加熱された前記第２の液体を前記第１の液体に導入する機構、または、前記第４の熱交換器により加熱された前記第４の液体を前記第１の液体に導入する機構である、請求項１３に記載の水素生成システム。
【請求項１５】
前記第１の液体を流路から導出可能とする機構をさらに備えた、請求項１に記載の水素生成システム。
【請求項１６】
前記水素生成部で生成された水素を貯蔵する貯蔵設備をさらに備えた、請求項１に記載の水素生成システム。
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2010134356.tif 000039
【図２Ａ】
2010134356.tif 000040
【図２Ｂ】
2010134356.tif 000041
【図２Ｃ】
2010134356.tif 000042
【図２Ｄ】
2010134356.tif 000043
【図２Ｅ】
2010134356.tif 000044
【図３Ａ】
2010134356.tif 000045
【図３Ｂ】
2010134356.tif 000046
【図３Ｃ】
2010134356.tif 000047
【図４Ａ】
2010134356.tif 000048
【図４Ｂ】
2010134356.tif 000049
【図４Ｃ】
2010134356.tif 000050
【図４Ｄ】
2010134356.tif 000051
【図５Ａ】
2010134356.tif 000052
【図５Ｂ】
2010134356.tif 000053
【図５Ｃ】
2010134356.tif 000054
【図５Ｄ】
2010134356.tif 000055
【図６Ａ】
2010134356.tif 000056
【図６Ｂ】
2010134356.tif 000057
【図６Ｃ】
2010134356.tif 000058
【図７Ａ】
2010134356.tif 000059
【図７Ｂ】
2010134356.tif 000060
【図７Ｃ】
2010134356.tif 000061
【図８Ａ】
2010134356.tif 000062
【図８Ｂ】
2010134356.tif 000063
【図８Ｃ】
2010134356.tif 000064
【図９Ａ】
2010134356.tif 000065
【図９Ｂ】
2010134356.tif 000066
【図９Ｃ】
2010134356.tif 000067
【図１０Ａ】
2010134356.tif 000068
【図１０Ｂ】
2010134356.tif 000069
【図１１Ａ】
2010134356.tif 000070
【図１１Ｂ】
2010134356.tif 000071
【図１１Ｃ】
2010134356.tif 000072
【図１１Ｄ】
2010134356.tif 000073
【図１１Ｅ】
2010134356.tif 000074
【手続補正書】
【提出日】平成23年3月30日(2011.3.30)
【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】
水を含む第１の液体を保持し、太陽光が照射されることによって、前記第１の液体に含まれる水の一部が水素と酸素とに分解され、かつ、前記第１の液体の少なくとも一部が加熱される、水素生成部と、
前記水素生成部において加熱された前記第１の液体と、水である第２の液体との熱交換によって、前記第１の液体を冷却し、かつ、前記第２の液体を加熱する、第１の熱交換器と、
前記第１の熱交換器において冷却された前記第１の液体を、前記水素生成部に導入する機構と、
燃料電池と、
貯湯槽と、
前記第１の熱交換器において加熱された前記第２の液体を、前記燃料電池との熱交換によって加熱する、第２の熱交換器と、
前記第２の熱交換器において加熱された前記第２の液体を前記貯湯槽の湯と合流させる機構と、
前記第１の熱交換器において加熱された後であって、かつ、前記第２の熱交換器において前記燃料電池との熱交換を行う前の前記第２の液体に対して、冷水を供給して前記第２の液体の温度を調整する機構と、
を備えた、水素生成システム。
【請求項２】
水を含む第１の液体を保持し、太陽光が照射されることによって、前記第１の液体に含まれる水の一部が水素と酸素とに分解され、かつ、前記第１の液体の少なくとも一部が加熱される、水素生成部と、
前記水素生成部において加熱された前記第１の液体と、水である第２の液体との熱交換によって、前記第１の液体を冷却し、かつ、前記第２の液体を加熱する、第１の熱交換器と、
前記第１の熱交換器において冷却された前記第１の液体を、前記水素生成部に導入する機構と、
燃料電池と、
貯湯槽と、
前記第１の熱交換器において加熱された前記第２の液体を、前記燃料電池との熱交換によって加熱する、第２の熱交換器と、
前記第２の熱交換器において加熱された前記第２の液体を前記貯湯槽の湯と合流させる機構と、
前記貯湯槽の内部に設けられ、当該貯湯槽内の湯と第３の液体としての水との熱交換によって前記第３の液体を加熱する、第３の熱交換器と、
前記第１の熱交換器において加熱された後であって、かつ、前記第２の熱交換器において前記燃料電池との熱交換を行う前の前記第２の液体に対して、冷水を供給して前記第２の液体の温度を調整する機構と、
を備えた、水素生成システム。
【請求項３】
前記第１の熱交換器は、前記水素生成部に隣接して設けられている、請求項１又は２に記載の水素生成システム。
【請求項４】
前記水素生成部において生成された水素を前記燃料電池に供給する機構をさらに備えた、請求項１又は２に記載の水素生成システム。
【請求項５】
前記貯湯槽の湯が、前記水素生成部で発生した熱をさらに回収して得られた湯である、請求項１又は２に記載の水素生成システム。
【請求項６】
前記水素生成部は、水を水素と酸素とに分解し得る半導体材料を含む半導体電極と、前記半導体電極と電気的に接続された、導電性材料からなる対極と、前記半導体電極および前記対極と接する前記第１の液体と、前記半導体電極、前記対極および前記第１の液体を内部に保持する筐体部と、を備えており、
前記半導体電極に太陽光が照射されることによって、前記第１の液体に含まれる水の一部が水素と酸素とに分解されて水素が生成される、
請求項１又は２に記載の水素生成システム。
【請求項７】
前記第１の液体を前記水素生成部に導入する前に、前記半導体電極側の流路と前記対極側の流路とに分岐する、請求項６に記載の水素生成システム。
【請求項８】
前記水素生成部において発生した水素と前記第１の液体との混合物を、水素と前記第１の液体とに分離する気液分離装置が、前記水素生成部の外に設けられている、請求項１又は２に記載の水素生成システム。
【請求項９】
前記第１の液体を流路から導出可能とする機構をさらに備えた、請求項１に記載の水素生成システム。
【請求項１０】
前記水素生成部で生成された水素を貯蔵する貯蔵設備をさらに備えた、請求項１に記載の水素生成システム。
【国際調査報告】
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