(57)【要約】【課題】光触媒部と水面との間の距離を制御し、エネルギー変換効率を向上させる【解決手段】光エネルギーを利用して水を電気分解することにより酸素を生成する光触媒部１１と、光触媒部１１における電気分解反応の対極反応を生じさせる水素発生触媒１５と、光触媒部１１と水素発生触媒１５とを連結する多孔質導電体１２と、水素発生触媒１５の鉛直上方に設けられ、水素発生触媒１５により発生した気体を貯留する水素貯留部３とを備え、水素の生成速度を検出し、水素の生成速度が最大になるように水面と光触媒部１１との間の距離を調整する。これにより、水による光吸収に伴う水素発生効率の低下と温度低下に伴う水素発生効率向上のバランス点を適正にとり、エネルギー変換効率を向上させることができる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光エネルギーを利用して水を電気分解することにより水素又は酸素の一方の気体を生成する光エネルギー変換部と、
前記エネルギー変換部における電気分解反応の対極反応を生じさせることにより水素又は酸素の他方の気体を生成する対極反応部と、
少なくとも一部が多孔質導電体により形成され、前記光エネルギー変換部と前記対極反応部とを連結する連結部と、
前記対極反応部の鉛直上方に設けられ、前記対極反応部より発生した気体を貯留する気体貯留部と、
前記対極反応部における気体の生成速度を検出し、当該生成速度が最大になるように水面と前記エネルギー変換部との間の距離を調整する制御部と
を備えることを特徴とする光水電解装置。
【請求項２】
請求項１に記載の光水電解装置であって、
前記制御部は、当該気体貯留部の単位時間あたりの気体貯留体積変化量に基づいて気体の生成速度を検出することを特徴とする光水電解装置。
【請求項３】
請求項１に記載の光水電解装置であって、
前記制御部は、前記対極反応部において気体が発生するのに応じて検出される光電流量に基づいて気体の生成速度を検出することを特徴とする光水電解装置。
【請求項４】
請求項１から請求項３のうち、いずれか１項に記載の光水電解装置であって、
前記制御部は、前記気体貯留部に貯留される気体量を調整することにより水面と前記エネルギー変換部との間の距離を調整することを特徴とする光水電解装置。
【請求項５】
請求項１乃至請求項３のうち、いずれか１項に記載の光水電解装置であって、
前記制御部は、昇降装置によって光水電解装置全体を昇降することにより水面と前記エネルギー変換部との間の距離を調整することを特徴とする光水電解装置。
【請求項６】
光エネルギーを利用して水を電気分解することにより水素又は酸素の一方の気体を生成する光エネルギー変換部と、エネルギー変換部における電気分解反応の対極反応を生じさせることにより水素又は酸素の他方の気体を生成する対極反応部と、少なくとも一部が多孔質導電体により形成され、光エネルギー変換部と対極反応部とを連結する連結部と、対極反応部の鉛直上方に設けられ、対極反応部より発生した気体を貯留する気体貯留部を備える光水電解装置の制御方法であって、
前記対極反応部における気体の生成速度を検出し、当該生成速度が最大になるように水面とエネルギー変換部との間の距離を調整するステップとを有することを特徴とする光水電解装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光エネルギーを利用して水を電気分解することにより水素と酸素を生成する光水電解装置及びその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
二酸化チタン（ＴｉＯ２）に代表される光触媒は、光エネルギーを吸収することにより電子と正孔（ホール）を生成し、この電子と正孔によって様々な化学反応を引き起こす。特に二酸化チタンの場合には、価電子帯のエネルギー準位が他の光触媒と比較して深い位置にあるために、光エネルギーを吸収することにより生成される正孔が有する酸化力は塩素やオゾンの酸化力にも勝るとされている。
【０００３】
ところで、近年、このような光触媒を利用して水を電気分解することにより水素と酸素を生成する光水電解装置が開発されている（例えば、特許文献１を参照）。具体的には、この装置は、水中に分散させた光触媒粉末に太陽光を照射することにより、光触媒の価電子帯に存在する電子を伝導帯に励起し、価電子帯に正孔を生成する。そして、この装置は、価電子帯に生成された正孔によって水を酸化することにより酸素を生成するのと同時に、伝導帯に励起された電子によって水中のプロトンを還元することにより水素を生成する。
【０００４】
しかしながら、従来の光水電解装置では、水素と酸素の取出口が一つになっているために、電気分解反応によって生成された水素と酸素が混合してしまい、水素と酸素をエネルギーとして有効利用するためには、水素と酸素を別途分離する必要があった。また、従来の光水電解装置では、水素と酸素が同じ系内で発生するために、電気分解反応の逆反応が生じることによって、エネルギー効率（水素のエンタルピー／太陽光エネルギー量）が非常に低くなってしまう。
【０００５】
このような背景から、最近では、垂直に配列された光触媒電極とその対極とをイオン交換膜又は塩橋で仕切ると共に、白金薄膜を介して光触媒電極とその対極を導通させた光水電解装置が開発されている（例えば、特許文献２を参照）。具体的には、この装置は、水槽の透過窓を通じて水平方向から入射した太陽光を光触媒電極に当てることにより、光触媒の価電子帯に存在する電子を伝導帯に励起し、価電子帯に正孔を生成する。そして、この装置では、価電子帯に生成された正孔は、水と光触媒界面に形成されるショットキー障壁によって生じた界面準位の傾き（電位差）によって光触媒と水の界面へと移動し、酸素を生成する。
【０００６】
一方、伝導帯に励起された電子は、白金薄膜中を伝導して対極に移動する。また、光触媒で発生したプロトンは、ナフィオン等のパーフルオロスルホン酸系のポリマーから成るイオン交換膜を介して対極側の水貯留部へ輸送される。そして、対極に移動してきた電子とプロトンは水貯留部と白金薄膜の界面に塗布されている白金等の水素発生触媒によって反応し、水素が生成される。従って、このような光水電解装置によれば、水素と酸素は白金薄膜及びイオン交換膜によって仕切られた２つの水電解槽においてそれぞれ発生するために、水素と酸素を分離する必要がなく、逆反応によるエネルギー効率低下の恐れが無くなる。
【特許文献１】特開平１０−２１８６０１号公報
【特許文献２】特開２００１−２１３６０８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、本願発明の発明者は、上記のような光水電解装置では、光触媒と水面との間の距離に応じてエネルギー変換効率が変化することを知見した。すなわち、光触媒と水面との間の距離が長い場合には、水によって光が吸収されるために、エネルギー変換効率は低下する。一方、光触媒と水面との間の距離が短い場合には、半導体により形成されている光触媒の温度が上昇することによって光が照射されていない時に流れる電流（暗電流）が増加するために、エネルギー変換効率が低下する。しかしながら、従来の光水電解装置では、光触媒と水面との間の距離を制御する処理が行われていないために、エネルギー変換効率が低下することがあった。
【０００８】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、光エネルギー変換部と水面との間の距離を制御し、エネルギー変換効率を向上させることが可能な光水電解装置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】
【０００９】
本発明に係る光水電解装置は、光エネルギーを利用して水を電気分解することにより水素又は酸素の一方の気体を生成する光エネルギー変換部と、エネルギー変換部における電気分解反応の対極反応を生じさせることにより水素又は酸素の他方の気体を生成する対極反応部と、少なくとも一部が多孔質導電体により形成され、光エネルギー変換部と対極反応部とを連結する連結部と、対極反応部の鉛直上方に設けられ、対極反応部において発生した気体を貯留する気体貯留部と、対極反応部における気体の生成速度を検出し、生成速度が最大になるように水面とエネルギー変換部との間の距離を調整する制御部とを備える。
【００１０】
また、本発明に係る光水電解装置の制御方法は、光エネルギーを利用して水を電気分解することにより水素又は酸素の一方の気体を生成する光エネルギー変換部と、エネルギー変換部における電気分解反応の対極反応を生じさせることにより水素又は酸素の他方の気体を生成する対極反応部と、少なくとも一部が多孔質導電体により形成され、光エネルギー変換部と対極反応部とを連結する連結部と、対極反応部の鉛直上方に設けられ、対極反応部において発生した気体を貯留する気体貯留部を備える光水電解装置の制御方法であって、対極反応部における気体の生成速度を検出し、生成速度が最大になるように水面とエネルギー変換部との間の距離を調整するステップとを有する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係る光水電解装置及びその制御方法によれば、対極反応部における気体の発生速度が最大になるように光エネルギー変換部と水面との間の距離を調整するので、エネルギー変換効率を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、図面を参照して、本発明の第１及び第２の実施形態となる光水電解システムの構成について説明する。
【実施例１】
【００１３】
〔光水電解システムの構成〕
本発明の第１の実施形態となる光水電解システムは、図１に示すように、電気分解の対象となる水を貯留する水貯留槽１と、水貯留槽１内部に設けられ、太陽光エネルギーを利用して水貯留槽１内に蓄えられた水を電気分解することにより水素と酸素を生成する光水電解装置２と、光水電解装置２の内部に設けられ、電気分解反応によって生成された水素を貯留する複数の水素貯留部３と、水素貯留部３毎に設置され、水素貯留部３内の水位を検出することにより水素貯留部３内の水素量を検出する複数の超音波式の水位センサ４と、水素配管５を介して水素貯留部３内に貯留された水素をコンプレッサ７に供給する複数の水素ポンプ６と、水素ポンプ６から供給された水素を吐出するコンプレッサ７と、水位センサ４の検出結果に基づいて水素ポンプ６とコンプレッサ７の動作を制御するコントローラ８とを主な構成要素として備える。
【００１４】
〔光水電解装置の構成〕
上記光水電解装置２は、図２に示すように凹凸形状を有し、凹部表面が水貯留槽１内の水面より低い位置になる（水で覆われる）ように水貯留槽１内部に配置されている。また、凹部表面には、図２，３に示すように、鉛直上方から入射した太陽光（入射光）を利用して価電子帯にある電子を励起し、水との界面において以下の反応式（１）に示す反応を生じさせることにより酸素を発生する光触媒部１１が設けられている。ここで、光触媒部１１としては、価電子帯準位が酸素の酸化還元準位（1.23V vs. NHE）よりも低い半導体、例えば、二酸化チタン（ＴｉＯ２），酸化鉄（Ｆｅ２Ｏ３），酸化ニオビウム（Ｎｂ２Ｏ５），チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３），チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３），酸化亜鉛（ＺｒＯ），二酸化スズ（ＳｎＯ２），又は硫化カドミウム（ＣｄＳ），ＩｎＴａＯ４，Ｉｎ１−ｘＮｉｘＴａＯ４，Ｒｂ２Ｌａ２Ｔｉ３Ｏ１０，Ｔａ２Ｏ５，ＴａＯＮ，Ｔａ３Ｎ５を例示することができる。なお、本実施形態では、光触媒部１１としてＴｉＯ２を用いる。
【００１５】
２Ｈ２０→４Ｈ＋＋Ｏ２＋４ｅ−            …（１）
また、凹部は、図２，４に示すように、多孔質導電体１２によって形成され、この多孔質導電体１２は、光触媒部１１において発生した電子を後述する水素発生部基材１６に伝導する経路の役割と、多孔質を介して下面の水との間でイオン交換を行うイオン交換体の役割とを兼ねている。ここで、多孔質導電体１２としては、光触媒部１１を全面に担持することが可能で、且つ、光触媒部１１と水素発生部基材１６とを電気的に導通させることができ、且つ、水中のプロトンが光触媒部１１から水素発生部基材１６に移動する通路となる孔が形成されているものであれば、どのような材料であっても構わない。但し、長時間の使用、すなわち耐久性を考えると、金属チタン（Ｔｉ）やＳＵＳ等の腐蝕に強い材料を用いることが望ましい。また、多孔質導電体１２の孔径は、ある程度のイオン伝導が可能な大きさであればよいが、数十μｍ程度の大きさを有することが望ましい。なお、本実施形態では、多孔質導電体１２として金属チタンを用いる。
【００１６】
一方、凸部表面には、図２，３に示すように、太陽光エネルギーを電気エネルギーに変換する太陽電池１３が形成され、また、凸部の側面には、図２に示すように、斜め方向から入射した太陽光を反射して光触媒部１１に太陽光を導く反射鏡１４が形成されている。また、凸部の下面には、図２，４に示すように溝が形成され、この溝は上述の水素貯留部３として機能する。また、溝の上面には、溝内部の水面方向に向けて超音波を発振する超音波発振部４ａと水面において反射された超音波を受信することにより溝の上面と水面との間の距離（水位）を計測する超音波受信部４ｂとから成る上述の水位センサ４が設けられている。
【００１７】
また、溝内部の水中には、図２，４に示すように、光触媒部１１において発生した電子と多孔質導電体１２と水貯留槽１の水中を伝導してきたプロトンを用いて以下の反応式（２）に示す反応によって水素を発生させる水素発生触媒１５と、外部短絡線１７と水素発生触媒１５とを連通し、反応式（２）において用いられる電子の通り道となる円柱状の水素発生部基材１６が設けられている。なお、上記外部短絡線１７は、図４，５に示すように、多孔質導電体１２と水素貯留部３の壁面３ａ（図４参照）とを太陽電池１３を介して短絡させる。また、水素発生触媒１５としては、水素発生の活性化エネルギーを低減する材料、例えば、白金（Ｐｔ），酸化ルテニウム（ＲｕＯ２），酸化ニッケル（ＮｉＯｘ），酸化セリウム（ＣｅＯ２），その他白金系合金を例示することができる。なお、本実施形態では、水素発生触媒１５としてＰｔを用いる。
【００１８】
２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２                  …（２）
そして、このような構成を有する光水電解装置２では、太陽光が光水電解装置２の鉛直上方から入射した場合、光触媒部１１及び太陽電池１３に太陽光が照射され、太陽光エネルギーを利用して水素を発生する。一方、太陽光が光水電解装置２に対して斜め方向から入射した場合には、単位面積あたりの光エネルギー密度は低下するものの、光触媒部１１及び太陽電池１３に太陽光が照射されると共に、反射鏡１４が斜め方向から入射した太陽光を反射して光触媒１１に導き、太陽光エネルギーを利用して水素を発生する。従って、この光水電解装置２によれば、太陽光の入射方向を変換する光学系を用いることなく、照射された太陽光を入射方向に関係なく全て水電解反応に利用し、効率よく水素と酸素を生成することができる。
【００１９】
〔光水電解装置の動作〕
この光水電解装置２では、光触媒部１１に太陽光が照射されると、光触媒部１１の価電子帯と伝導帯のバンドギャップ幅に対応する波長の光が吸収される。ここで、価電子帯と伝導帯のバンドギャップ幅Ｅと光の吸収波長の関係は、ｈ，ｃをそれぞれプランク定数，光速度とすると、Ｅ＝ｈυ，λ＝ｃ／υのように表される。つまり、波長λ以下の光は価電子帯から伝導帯に電子（ｅ−）が励起するためのエネルギーとして用いられる。そして、このようにして励起された電子は、多孔質導電体１２を介して外部短絡線１７に至り、外部短絡線１７上に設置されている太陽電池１３によりバイアス電圧を印加されることによってエネルギー状態が水素の酸化還元準位よりも高くなり、水素発生触媒１５に供給される。また、光触媒部１１の価電子帯にはホール（ｈ）が形成され、上述の反応式（１）の反応によって水を酸化して酸素が生成される。なお、本実施形態では、太陽電池１３によりバイアス電圧を印加したが、外部から電力を供給することにより、安定的に水分解ができるようにしてもよい。また、電池を設け、この電池から電力を供給するようにしてもよい。電池から電力を供給することにより、光水電解装置２を電力網に接続する必要がなくなるので、光水電解装置２の移動が容易になる。
【００２０】
一方、光触媒部１１で発生したプロトンは、濃度勾配を駆動力として水素発生触媒１５に向かって拡散する。そして、プロトンと電子は、水素発生触媒１５上で上述の反応式（２）の反応によって水素となる。なお、反応式（２）に示す反応は、活性化エネルギーが低下する水素発生触媒１５上でしか起こらないために、水素発生触媒１５を設置する場所を決めることで、水素発生箇所を限定することができる。そして、水素発生触媒１５上で発生した水素は浮力によって水素貯留部３内部に貯留される。なお、水素貯留部３に貯留された水素は、水素ポンプ６及びコンプレッサ７を介して外部に供給されるが、水位センサ４によって水素貯留部３内の水位を常時検出することによって、水位が高すぎることによって水素ポンプ６に水が流入する、及び水位が低すぎることによって水素貯留部３から水素が漏れることを防止できる。
【００２１】
そして、このような構成を有する光水電解システムは、以下に示す距離調整処理を実行することにより、太陽光の入射角度の変化や温度の変化等の外部変化因子に対してエネルギー変換効率を向上させる。以下、図６に示すフローチャートを参照して、この距離調整処理を実行する際の光水電解システムの動作について説明する。
【００２２】
〔距離調整処理〕
図６に示すフローチャートは、光水電解システムが起動されるのに応じて開始となり、距離調整処理はステップＳ１の処理に進む。なお、この距離調整処理は所定の制御周期毎に繰り返し実行されるものとする。また、以下では、水素貯留部３の上面と水面との間の距離をｘと定義し、この距離ｘの値は水位センサ４によって所定の制御周期毎に検出されるものとする。また、水素貯留部３の底面積Ｓを予め算出しておくことにより、水素貯留部３の水素貯留量は底面積Ｓと距離ｘの積により算出できるものとする。
【００２３】
ステップＳ１の処理では、コントロールユニット８が、水素発生量と水素吐出量の差（水素貯留速度）として距離ｘの時間微分値ｄｘ／ｄｔの絶対値を算出し、算出された絶対値が所定の閾値ａ以上であるか否かを判別する。そして、絶対値が所定の閾値ａ以上である場合、コントロールユニット８は、水素貯留速度が最適な値ではないと判断し、距離調整処理をステップＳ２の処理に進める。なお、以下では、水素貯留速度が増加している場合（ｄｘ／ｄｔ＞ａ）の場合の処理について説明するが、同様の方法により水素貯留速度が減少している場合（ｄｘ／ｄｔ＜ａ）にも対応できることは勿論である。
【００２４】
ステップＳ２の処理では、コントロールユニット８が、水素吐出量ＱＨ２が最大値ＱＨ２ｍａｘになるように水素ポンプ６とコンプレッサ７を制御し、水素貯留部３内に貯留されている水素を外部に吐出する。なお、最大値ＱＨ２ｍａｘは光水電解装置２において最大取得可能な水素量として予め設定されているものとする。従って、光水電解システムが起動されると、水素貯留部３の上面と水面との間の距離ｘは、図７に示すように、時間経過と共に予め設定されている距離ｘの許容最低値ｘ１まで低下する。これにより、ステップＳ２の処理は完了し、距離調整処理はステップＳ３の処理に進む。
【００２５】
ステップＳ３の処理では、コントロールユニット８が、距離ｘが許容最低値ｘ１になったか否かを判別する。そして、距離ｘが許容最低値ｘ１になるのに応じて（図７に示す時刻ｔ＝ｔ２）、コントロールユニット８は、この調整処理をステップＳ４の処理に進める。
【００２６】
ステップＳ４の処理では、コントロールユニット８が、水素吐出量ＱＨ２が０になるように水素ポンプ６とコンプレッサ７を制御し、発生した水素を全て水素貯留部３に貯留するように制御する。発生した水素を全て水素貯留部３に貯留することにより、時間微分値ｄｘ／ｄｔは水素発生量に比例した値となる。これにより、ステップＳ４の処理は完了し、距離調整処理はステップＳ５の処理に進む。
【００２７】
ステップＳ５の処理では、コントロールユニット８が、距離ｘの時間微分値ｄｘ／ｄｔを算出する。これにより、ステップＳ５の処理は完了し、距離調整処理はステップＳ６の処理に進む。
【００２８】
ステップＳ６の処理では、コントロールユニット８が、時間微分値ｄｘ／ｄｔが最大になる距離ｘ３（図７参照）を算出することにより、最大水素発生量を得ることができる水位ｘ３を算出する。また、コントロールユニット８は、時間微分ｄｘ／ｄｔの最大値ｄｘ／ｄｔｍａｘに水素貯留部３の底面積Ｓを乗算することにより水位ｘ３の時の水素生成量ＱＨ２Ａを算出する。これにより、ステップＳ６の処理は完了し、距離調整処理はステップＳ７の処理に進む。
【００２９】
ステップＳ７の処理では、コントロールユニット８が、距離ｘが予め定められている許容最高値ｘ２になったか否かを判別する。そして、距離ｘが許容最高値ｘ２になっていない場合、コントロールユニット８は距離調整処理をステップＳ５の処理に戻す。一方、距離ｘが許容最高値ｘ２になった場合には、コントロールユニット８は距離調整処理をステップＳ８の処理に進める。
【００３０】
ステップＳ８の処理では、コントロールユニット８が、水素吐出量ＱＨ２が水素生成量ＱＨ２Ａになるように水素ポンプ６とコンプレッサ７を制御する。このような処理によれば、図７に示すように、距離ｘが許容最高値ｘ２になった（時刻ｔ＝ｔ３）後の時刻ｔ＝ｔ４の時点で距離ｘの値が一定になり、以後、一定のエネルギー変換効率で水素を生成することができる。これにより、このステップＳ８の処理は完了し、一連の距離調整処理は終了する。
【００３１】
以上の説明から明らかなように、本発明の第１の実施形態となる光水電解システムによれば、光エネルギーを利用して水を電気分解することにより酸素を生成する光触媒部１１と、光触媒部１１における電気分解反応の対極反応を生じさせる水素発生触媒１５と、光触媒部１１と水素発生触媒１５とを連結する多孔質導電体１２と、水素発生触媒１５の鉛直上方に設けられ、水素発生触媒１５により発生した気体を貯留する水素貯留部３とを備え、コントロールユニット８が、水素の生成速度を検出し、水素の生成速度が最大になるように水面と光触媒部１１との間の距離を調整するので、水による光吸収に伴う水素発生効率の低下と温度低下に伴う水素発生効率向上のバランス点を適正にとり、エネルギー変換効率を向上させることができる。
【００３２】
また、本発明の第１の実施形態となる光水電解システムによれば、コントロールユニット８は、水素貯留部３の単位時間あたりの貯留体積変化量ｄｘ／ｄｔに基づいて水素生成速度を検出するので、エネルギー変換効率を直接的に測定することができる。また、本発明の第１の実施形態となる光水電解システムによれば、コントロールユニット８は、水素貯留部３に貯留される水素量を調整することにより、水素の浮力によって水面と光触媒部１１との間の距離を調整するので、比較的簡便に水面と光触媒部１１との間の距離を最適化し、エネルギー変換効率を向上させることができる。
【実施例２】
【００３３】
〔光水電解システムの構成〕
本発明の第２の実施形態となる光水電解システムでは、光水電解装置２は、図８に示すように、多孔質導電体１２と、多孔質導電体１２の上面全体に形成された光触媒部１１とを備え、多孔質導電体１２の下面には、水素貯留部３として機能する溝が形成されている。また、水素貯留部３の壁面の下部部分には、水素発生触媒１５が塗布され、水素貯留部３の上部には、超音波発振部４ａと超音波受信部４ｂとから成る水位センサ４が設けられている。また、この光水電解装置２の端部には、昇降機２１が取り付けられており、この昇降機２１によって水面に対する光水電解装置２の高さｙを調整可能なように構成されている。なお、この光水電解装置２では、光触媒部１１のバンドキャップ幅は水電解に十分な幅を有しているものとする。従って、この光水電解装置２では、バイアス電圧を印加することなく、水電解を行うことができる。そして、このような構成を有する光水電解システムは、以下に示す距離調整処理を実行することにより、太陽光の入射角度の変化や温度の変化等の外部変化因子に対してエネルギー変換効率を向上させる。以下、図９に示すフローチャートを参照して、この距離調整処理を実行する際の光水電解システムの動作について説明する。
【００３４】
〔距離調整処理〕
図９に示すフローチャートは、光水電解システムが起動されるのに応じて開始となり、距離調整処理はステップＳ１１の処理に進む。なお、この距離調整処理は所定の制御周期毎に繰り返し実行されるものとする。また、以下では、水素貯留部３の上面と水面との間の距離をｘと定義し、この距離ｘの値は水位センサ４によって所定の制御周期毎に検出されるものとする。また、水素貯留部３の底面積Ｓを予め算出しておくことにより、水素貯留部３の水素貯留量は底面積Ｓと距離ｘの積により算出できるものとする。また、図９に示すステップＳ１１乃至ステップＳ１４の処理は、図６に示すステップＳ１乃至ステップＳ４の処理と同じであるので、以下ではステップＳ１５以後の処理についてのみ説明する。
【００３５】
ステップＳ１５の処理では、コントロールユニット８が、昇降機２１を制御することにより光触媒部１１と水面との間の距離ｙを０から一定速度で増加させる。なお、距離ｙを一定速度で増加させると、距離ｘの時間微分値ｄｘ／ｄｔが最大になる値が存在する。そしてこの時、距離ｙの時間微分値ｄｙ／ｄｔは一定の値であるために、時間微分値ｄｘ／ｄｔが最大になった時がエネルギー変換効率が最も高い距離ｙの最適値になった時点である。これにより、ステップＳ１５の処理は完了し、距離調整処理はステップＳ１６の処理に進む。
【００３６】
ステップＳ１６の処理では、コントロールユニット８が、距離ｘの時間微分値ｄｘ／ｄｔを算出する。これにより、ステップＳ１６の処理は完了し、距離調整処理はステップＳ１７の処理に進む。
【００３７】
ステップＳ１７の処理では、コントロールユニット８が、距離ｘの二階時間微分値ｄｘ２／ｄｔ２が最大になる距離ｙ１を算出することにより、エネルギー効率が最も高い距離ｙ１及びその時の距離ｘ３を算出する。また、コントロールユニット８は、その時の時間微分値ｄｘ／ｄｔに水素貯留部３の底面積Ｓを乗算することにより水位ｘ３の時の水素生成量ＱＨ２Ａを算出する。これにより、ステップＳ１７の処理は完了し、距離調整処理はステップＳ１８の処理に進む。
【００３８】
ステップＳ１８の処理では、コントロールユニット８が、時間微分値ｄｘ／ｄｔが負になったか否かを判別する。そして、時間微分値ｄｘ／ｄｔが負になっていない場合、コントロールユニット８は距離調整処理をステップＳ１７の処理に戻す。一方、時間微分値ｄｘ／ｄｔが負になった場合には、コントロールユニット８は距離調整処理をステップＳ１９の処理に進める。
【００３９】
ステップＳ１９の処理では、コントロールユニット８が、昇降機２１を制御することにより光触媒部１１と水面との間の距離ｙをステップＳ１７の処理により算出された距離ｙ１に設定する。これにより、ステップＳ１９の処理は完了し、距離調整処理はステップＳ２０の処理に進む。
【００４０】
ステップＳ２０の処理では、コントローラ８が、水素吐出量ＱＨ２が水素生成量ＱＨ２Ａになるように水素ポンプ６とコンプレッサ７を制御する。このような処理によれば、図１０に示すように、光触媒部１１と水面との間の距離ｙが距離ｙ１になった（時刻ｔ＝ｔ３）後の時点で距離ｘの値が一定になり、以後、一定のエネルギー変換効率で水素を生成することができる。これにより、このステップＳ２０の処理は完了し、一連の距離調整処理は終了する。
【００４１】
以上の説明から明らかなように、本発明の第２の実施形態となる光水電解システムによれば、コントロールユニット８が、昇降機２１によって光水電解装置２全体を昇降することにより水面と光触媒部１１との間の距離ｙを調整するので、水面と光触媒部１１との間の距離ｙを正確に最適化し、エネルギー変換効率を向上させることができる。
【００４２】
以上、本発明者によってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、この実施の形態による本発明の開示の一部をなす論述及び図面により本発明は限定されることはない。例えば、上記実施形態では、水素発生量を計測する指標として距離ｘの時間変化量ｄｘ／ｄｔを用いたが、光電流を測定可能な電流計を適当な位置に設置し、電流計の検出値に基づいて水素発生量を計測するようにしてもよい。このような構成によれば、水素貯留部３の断面積が常にＳである必要が無くなるので、水素貯留部３の形状に任意性を持たせることができる。また、比較的簡便にエネルギー変換効率を測定することができる。また、距離ｘと水素貯留部３に貯留されている水素体積Ｖの関係Ｖ＝ｆ（ｘ）を予め算出するようにしてもよい。このような構成によれば、予め算出された関係に基づいて距離ｘを水素体積Ｖに常に換算可能になるので、距離ｘの動きから水素体積Ｖの時間変化量ｄＶ／ｄｔが最大となる時点を観察することができようになり、水素貯留部３の形状に任意性を持たせることができる。また、光触媒部１１と水面との間の距離ｙの最適点として、第１の実施形態では距離ｘの時間変化量ｄｘ／ｄｔが最大になる状態、第２の実施形態では距離ｘの二階時間微分値ｄｘ２／ｄｔ２が０となる状態を規定したが、これらの使い分けは装置構成によるものではなく、同様の考え方を互いの実施形態の装置構成に用いても構わない。また、本発明は、水素発生量を最適に保つものであるので、水素貯留量を適正値（実施例１におけるｘ１＜ｘ＜ｘ２）に保つ制御ロジックについては触れなかったが、この制御ロジックも別個に本発明に係る制御ロジックに加わることは言うまでもない。このように、上記実施の形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれることは勿論であることを付け加えておく。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の第１の実施形態となる光水電解システムの構成を示す模式図である。
【図２】本発明の第１の実施形態となる光水電解装置の構成を示す横方向断面図である。
【図３】本発明の第１の実施形態となる光水電解装置の構成を示す上面図である。
【図４】本発明の第１の実施形態となる光水電解装置の構成を示す下面図である。
【図５】本発明の第１の実施形態となる光水電解装置の動作を説明するためのエネルギー準位図である。
【図６】本発明の第１の実施形態となる距離調整処理の流れを示すフローチャート図である。
【図７】時間経過に伴う水素貯留部内の水位変化を示す図である。
【図８】本発明の第２の実施形態となる光水電解装置の構成を示す横方向断面図である。
【図９】本発明の第２の実施形態となる距離調整処理の流れを示すフローチャート図である。
【図１０】時間経過に伴う水素貯留部内の水位及び水面と光触媒部間の距離の変化を示す図である。
【符号の説明】
【００４４】
１：水貯留槽
２：光水電解装置
３：水素貯留部
４：水位センサ
５：水素配管
６：水素ポンプ
７：コンプレッサ
８：コントローラ
１１：光触媒部
１２：多孔質導電体
１３：太陽電池
１４：反射鏡
１５：水素発生触媒
１６：水素発生部基材
２１：昇降機
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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