(57)【要約】【課題】生成された水素を安定的に取り出して加圧する観点から有利な水素製造システムを提供する。【解決手段】  水素製造システム（１ａ）は、複数の水素生成セル（２０）と、リザーバー（１５）と、第一配管（１１）と、コンプレッサ（１６）と、第二配管（１２）と、第一圧力計（１７ａ）とを備える。水素生成セル（２０）は、光半導体電極（２６）及び電解液（２９）を有し、水素を生成する。リザーバー（１５）は、複数の水素生成セル（２０）で生成された水素を貯める。第一配管（１１）は、複数の水素生成セル（２０）で生成された水素をリザーバー（１５）に導く。コンプレッサ（１６）は、リザーバー（１５）に貯められた水素を加圧する。第二配管（１２）は、リザーバー（１５）に貯められた水素をコンプレッサ（１６）に導く。第一圧力計（１７ａ）は、リザーバー（１５）の内部の圧力を測定する。【選択図】図１
2018193600.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光半導体電極及び電解液を有し、水素を生成する複数の水素生成セルと、
前記複数の水素生成セルで生成された前記水素を貯めるリザーバーと、
前記複数の水素生成セルと前記リザーバーとを接続しており、前記複数の水素生成セルで生成された前記水素を前記リザーバーに導く第一配管と、
前記リザーバーに貯められた前記水素を加圧するコンプレッサと、
前記リザーバーと前記コンプレッサとを接続しており、前記リザーバーに貯められた前記水素を前記コンプレッサに導く第二配管と、
前記リザーバーの内部の圧力を測定する第一圧力計と、を備えた、
水素製造システム。
【請求項２】
前記リザーバーは、前記水素の流れに垂直な方向において、前記第一配管の断面積よりも大きい断面積を有する、請求項１に記載の水素製造システム。
【請求項３】
前記コンプレッサを制御して、前記第一圧力計によって測定される圧力を第一閾値以下に調節するコントローラをさらに備えた、請求項１又は２に記載の水素製造システム。
【請求項４】
前記コントローラは、前記コンプレッサを制御して、前記第一圧力計によって測定される圧力を前記第一閾値よりも低い第二閾値以上に調節する、請求項３に記載の水素製造システム。
【請求項５】
前記コントローラは、前記コンプレッサを制御して、前記第一圧力計によって測定される圧力を、前記第二閾値よりも前記第一閾値に近い圧力から前記第一閾値よりも前記第二閾値に近い圧力に繰り返し減少させる、請求項４に記載の水素製造システム。
【請求項６】
前記コントローラは、前記コンプレッサを制御して、前記第一圧力計によって測定される圧力が前記第一閾値よりも前記第二閾値に近い状態を所定期間継続させる、請求項４又は５に記載の水素製造システム。
【請求項７】
前記第一配管に取り付けられたon-off弁をさらに備え、
前記コントローラは、前記コンプレッサ及び前記on-off弁を制御することにより、前記第一圧力計によって測定される圧力を調節する、
請求項３〜６のいずれか１項に記載の水素製造システム。
【請求項８】
前記第一配管は、前記複数の水素生成セルのそれぞれに接続された複数の収集管と、前記水素の流れ方向において前記複数の収集管と前記リザーバーとの間に配置され、前記複数の収集管における前記水素の流れを合流させる合流管と、を有し、
前記on-off弁は、前記合流管に取り付けられている、
請求項７に記載の水素製造システム。
【請求項９】
前記第一配管は、前記複数の水素生成セルのそれぞれに接続された複数の収集管と、前記水素の流れ方向において前記複数の収集管と前記リザーバーとの間に配置され、前記複数の収集管における前記水素の流れを合流させる合流管と、を有し、
前記複数の収集管に又は前記水素の流れ方向において前記複数の収集管と前記合流管との間に取り付けられた複数の逆止弁をさらに備えた、
請求項１〜６のいずれか１項に記載の水素製造システム。
【請求項１０】
前記複数の水素生成セルに供給されるべき前記電解液を貯蔵するタンクと、
前記タンクと前記複数の水素生成セルとを接続しており、前記タンクに貯蔵された前記電解液を前記複数の水素生成セルに供給する第三配管と、を備えた、
請求項１〜９のいずれか１項に記載の水素製造システム。
【請求項１１】
前記リザーバーに接続されており、前記リザーバーの内部に含まれる水を排出する排水管をさらに備えた、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の水素製造システム。
【請求項１２】
前記複数の水素生成セルに供給されるべき前記電解液を貯蔵するタンクと、
前記タンクと前記複数の水素生成セルとを接続しており、前記タンクに貯蔵された前記電解液を前記複数の水素生成セルに供給する第三配管と、
前記リザーバーから前記タンクに向かって延びており、前記リザーバーの内部に含まれる水を排出して前記タンクに導く排水管をさらに備えた、
請求項１〜９のいずれか１項に記載の水素製造システム。
【請求項１３】
前記タンクの内部の圧力を測定する第二圧力計をさらに備えた、請求項１２に記載の水素製造システム。
【請求項１４】
前記コンプレッサで加圧された前記水素を貯蔵する高圧ガス容器をさらに備えた、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の水素製造システム。
【請求項１５】
前記コンプレッサで加圧された前記水素を受け入れる燃料電池をさらに備えた、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の水素製造システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、水素製造システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、太陽光から得られる光エネルギーを水素エネルギーに変換する機能を有する光水電解装置及びこの光水電解装置を備えた光水電解システムが知られている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、光水電解装置及び水素タンクを備えた光水電解システムが記載されている。光水電解装置は、複数の光水電解セルから構成されている。それぞれの光水電解セルは、透明なガラス板又は合成樹脂板からなる外壁によって囲まれた箱状のケーシングを有し、水平状態から所定の角度で傾斜して配置されている。光水電解セルの下部には電解液が収容されている。光水電解セルの厚さ方向中央には、光水電解セルの内部を２つの空間に画成する隔壁が設けられている。隔壁は、隔壁の上部側に配置されたガス分離膜と、隔壁の下部側に配置された光水電解電極膜接合体とが一体に接合されたものであり、生成された水素と生成された酸素とを分離する役割を果たす。光水電解電極膜接合体の厚さ方向中央部に配置されたイオン伝導膜であるナフィオン膜の両面に、光触媒電極と、白金で形成された対極とがそれぞれ形成されている。光水電解電極膜接合体では、太陽光の照射により光水電解が起こり、光触媒電極から酸素が生成され、対極から水素が生成される。隔壁の下端には、矩形状の貫通孔が形成されており、その貫通孔を介して光水電解セルの内部を電解液が流通できる。
【０００４】
水素タンクは、光水電解装置に水素ガス用配管によって接続されており、光水電解装置によって生成された水素を貯留する。
【０００５】
また、特許文献２には、光を用いて水を水素と酸素に分解することにより水素を得る水素生成デバイスが記載されている。水素生成デバイスは複数の水素生成セルによって構成され、複数の水素生成セルで生成された水素を収集及び貯蔵するために水素貯蔵部が設けられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−７５０９７号公報
【特許文献２】国際公開第２０１４／１２８８１３号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１及び２に記載の技術において、複数の水素生成セルで生成された水素を加圧することは想定されていない。特許文献１及び２に記載の技術は、複数の水素生成セルで生成された水素を安定的に取り出して加圧する観点から改良の余地を有する。そこで、本開示は、複数の水素生成セルで生成された水素を安定的に取り出して加圧する観点から有利な水素製造システムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本開示は、
光半導体電極及び電解液を有し、水素を生成する複数の水素生成セルと、
前記複数の水素生成セルで生成された前記水素を貯めるリザーバーと、
前記複数の水素生成セルと前記リザーバーとを接続しており、前記複数の水素生成セルで生成された前記水素を前記リザーバーに導く第一配管と、
前記リザーバーに貯められた前記水素を加圧するコンプレッサと、
前記リザーバーと前記コンプレッサとを接続しており、前記リザーバーに貯められた前記水素を前記コンプレッサに導く第二配管と、
前記リザーバーの内部の圧力を測定する第一圧力計と、を備えた、
水素製造システムを提供する。
【発明の効果】
【０００９】
上記の水素製造システムは、複数の水素生成セルで生成された水素を安定的に取り出して加圧する観点から有利である。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、本開示の水素製造システムの一例を示す構成図である。
【図２】図２は、図１の水素製造システムにおける水素生成セルを示す断面図である。
【図３Ａ】図３Ａは、図１の水素製造システムのリザーバーの内部の圧力の時間変化の一例を示す図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、図１の水素製造システムのリザーバーの内部の圧力の時間変化の別の一例を示す図である。
【図３Ｃ】図３Ｃは、図１の水素製造システムのリザーバーの内部の圧力の時間変化のさらに別の一例を示す図である。
【図４】図４は、変形例に係る水素製造システムを示す構成図である。
【図５】図５は、別の変形例に係る水素製造システムを示す構成図である。
【図６】図６は、さらに別の変形例に係る水素製造システムを示す構成図である。
【図７】図７は、さらに別の変形例に係る水素製造システムを示す構成図である。
【図８】図８は、さらに別の変形例に係る水素製造システムを示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
＜本発明者らの検討に基づく知見＞
燃料電池などの水素を利用する機器に水素を供給することを考えると、このような機器に供給される水素の圧力は、所定の圧力（例えば１０気圧）以上であることが多く、貯蔵される水素の圧力を高めることが実用上非常に重要である。一方、本発明者らの検討によれば、特許文献１に記載の技術において、光水電解装置と水素タンクとの間にはコンプレッサが配置されていないので、水素タンクの内部の圧力を光水電解装置の内部の圧力以上に高めることは不可能である。光水電解セルは、透明なガラス板又は合成樹脂板からなる外壁によって囲まれた箱状のケーシングを有する。このため、本発明者らの検討によれば、ケーシングの外壁の機械的強度を考慮すると、光水電解装置の内部の圧力を、例えば１０気圧以上に高めることは困難である。本発明者らは、水素生成セルの耐圧性に関わらずに水素生成セルで生成された水素を加圧できる技術を案出する必要があることに気付いた。
【００１２】
通常の電気分解による水素の生成においては、電気分解の電極に接続された電源を適切に制御することにより、電気分解槽における水素生成速度を調節できる。しかし、光半導体電極を有する複数の水素生成セルに太陽光を照射して水素を生成する場合、複数の水素生成セルにおける水素生成速度がばらつきやすく、水素生成速度を調節することは困難である。例えば、複数の水素生成セルの間で太陽光の照射量が異なると、複数の水素生成セルにおいて水素生成速度がばらつきやすい。加えて、複数の水素生成セルにおける、電極性能のばらつき、電極の劣化の程度のばらつき、及び電解液の流速のばらつき等によっても、複数の水素生成セルにおいて水素生成速度がばらつく可能性がある。また、太陽の雲隠れ等の事象により太陽光の照射量が常に時間的に変動することを考慮すると、特定の水素生成セルにおいても水素生成速度が時間的に変動する可能性がある。このような水素生成速度のばらつきは、複数の水素生成セルから生成された水素を取り出す場合に、水素の流れに脈流を引き起こす。水素の流れにおいて流速及び圧力の変動は少ないことが望ましく、水素の流れにおける脈流の発生は複数の水素生成セルで生成された水素を安定的に取り出して加圧する観点から望ましいこととは言い難い。
【００１３】
そこで、本発明者らは、複数の水素生成セルで生成された水素を安定的に取り出して加圧するのに有利な技術について日夜検討を重ね、本開示の水素製造システムを案出した。
【００１４】
本開示の第１態様は、
光半導体電極及び電解液を有し、水素を生成する複数の水素生成セルと、
前記複数の水素生成セルで生成された前記水素を貯めるリザーバーと、
前記複数の水素生成セルと前記リザーバーとを接続しており、前記複数の水素生成セルで生成された前記水素を前記リザーバーに導く第一配管と、
前記リザーバーに貯められた前記水素を加圧するコンプレッサと、
前記リザーバーと前記コンプレッサとを接続しており、前記リザーバーに貯められた前記水素を前記コンプレッサに導く第二配管と、
前記リザーバーの内部の圧力を測定する第一圧力計と、を備えた、
水素製造システムを提供する。
【００１５】
第１態様によれば、複数の水素生成セルで生成された水素は、コンプレッサに導かれる前にリザーバーに貯められる。加えて、リザーバーの内部の圧力が第一圧力計によって測定されるので、リザーバーの内部の圧力を考慮してコンプレッサを作動させることができる。このため、第１態様に係る水素製造システムは、水素生成速度にばらつきがあっても、複数の水素生成セルで生成された水素を安定的に取り出して加圧することができる。
【００１６】
本開示の第２態様は、第１態様に加えて、前記リザーバーは、前記水素の流れに垂直な方向において、前記第一配管の断面積よりも大きい断面積を有する、水素製造システムを提供する。第２態様によれば、リザーバーが、水素生成速度のばらつきを和らげるうえで適切な容積を有しやすい。
【００１７】
本開示の第３態様は、第１態様又は第２態様に加えて、前記コンプレッサを制御して、前記第一圧力計によって測定される圧力を第一閾値以下に調節するコントローラをさらに備えた、水素製造システムを提供する。第３態様によれば、第一圧力計によって測定される圧力が第一閾値以下に調節されるので、水素生成セルの内部の圧力が耐圧基準を超える圧力になりにくい。その結果、水素生成セルの破損が防止され、生成された水素を安定的に取り出すことができる。
【００１８】
本開示の第４態様は、第３態様に加えて、前記コントローラは、前記コンプレッサを制御して、前記第一圧力計によって測定される圧力を前記第一閾値よりも低い第二閾値以上に調節する、水素製造システムを提供する。第４態様によれば、第一圧力計によって測定される圧力が第二閾値以上に調節されるので、水素生成セルの内部の圧力が低くなりすぎることを防止できる。これにより、例えば、水素生成セルの破損時に水素生成セルの外部空気が水素生成セルの内部に入り込みにくく、水素製造システムが高い信頼性を発揮できる。
【００１９】
本開示の第５態様は、第４態様に加えて、前記コントローラは、前記コンプレッサを制御して、前記第一圧力計によって測定される圧力を、前記第二閾値Ｔｌよりも前記第一閾値Ｔｈに近い圧力から前記第一閾値Ｔｈよりも前記第二閾値Ｔｌに近い圧力に繰り返し減少させる、水素製造システムを提供する。水素生成セルにおいて水素が生成されるとき、水素生成セルの電極や水素生成セルの内面に気泡が付着することがある。このような気泡の付着は水素を生成するための光半導体電極における反応を阻害するので、水素製造システムにおける水素の生成効率を考慮すると、気泡を消失させることが望ましい。第５態様によれば、第一圧力計によって測定される圧力を、第一閾値に近い圧力から第二閾値に近い圧力に繰り返し減少させることにより、水素生成セルにおいて発生した気泡を消失させることができる。その結果、水素製造システムにおける水素の生成効率を高めることができる。
【００２０】
本開示の第６態様は、第４態様又は第５態様に加えて、前記コントローラは、前記コンプレッサを制御して、前記第一圧力計によって測定される圧力が前記第一閾値よりも前記第二閾値に近い状態を所定期間継続させる、水素製造システムを提供する。第６態様によれば、水素生成セルの内部の圧力が低く保たれる期間が継続しやすいので、水素生成セルの耐久期間が長くなりやすい。これにより、水素製造システムが高い信頼性を発揮できる。
【００２１】
本開示の第７態様は、第３態様〜第６態様のいずれか１つの態様に加えて、前記第一配管に取り付けられたon-off弁をさらに備え、前記コントローラは、前記コンプレッサ及び前記on-off弁を制御することにより、前記第一圧力計によって測定される圧力を調節する、水素製造システムを提供する。第７態様において、例えば、コンプレッサの作動中にon-off弁を閉じ、かつ、コンプレッサの停止中にon-off弁を開くことを考える。この場合、コンプレッサの作動状況によらず、リザーバー内部の圧力のみに依存して複数の水素生成セルで生成された水素をリザーバーに供給できる。
【００２２】
本開示の第８態様は、第７態様に加えて、前記第一配管は、前記複数の水素生成セルのそれぞれに接続された複数の収集管と、前記水素の流れ方向において前記複数の収集管と前記リザーバーとの間に配置され、前記複数の収集管における前記水素の流れを合流させる合流管と、を有し、前記on-off弁は、前記合流管に取り付けられている、水素製造システムを提供する。第８態様によれば、複数の水素生成セルにおいて生成された水素のリザーバーへの供給を単一のon-off弁によって調節できる。
【００２３】
本開示の第９態様は、第１態様〜第６態様のいずれか１つの態様に加えて、前記第一配管は、前記複数の水素生成セルのそれぞれに接続された複数の収集管と、前記水素の流れ方向において前記複数の収集管と前記リザーバーとの間に配置され、前記複数の収集管における前記水素の流れを合流させる合流管と、を有し、前記複数の収集管に又は前記水素の流れ方向において前記複数の収集管と前記合流管との間に取り付けられた複数の逆止弁をさらに備えた、水素製造システムを提供する。第９態様によれば、例えば、水素生成セルの一部が破損しても、正常な水素生成セルで生成された水素が破損した水素生成セルに流れ込むことを逆止弁により防止できる。その結果、正常な水素生成セルで生成された水素がリザーバーに安定的に供給される。
【００２４】
本開示の第１０態様は、第１態様〜第９態様のいずれか１つの態様に加えて、前記複数の水素生成セルに供給されるべき前記電解液を貯蔵するタンクと、前記タンクと前記複数の水素生成セルとを接続しており、前記タンクに貯蔵された前記電解液を前記複数の水素生成セルに供給する第三配管と、を備えた、水素製造システムを提供する。第１０態様によれば、タンクに貯蔵された電解液が第三配管を通って複数の水素生成セルに供給される。
【００２５】
本開示の第１１態様は、第１態様〜第１０態様のいずれか１つの態様に加えて、前記リザーバーに接続されており、前記リザーバーの内部に含まれる水を排出する排水管をさらに備えた、水素製造システムを提供する。複数の水素生成セルからリザーバーへの水素の流れに水分が混ざって、リザーバーの内部に水が貯まることが想定される。第１１態様によれば、リザーバーの内部に貯まった水を排出管によって排出できる。
【００２６】
本開示の第１２態様は、第１態様〜第９態様のいずれか１つの態様に加えて、前記複数の水素生成セルに供給されるべき前記電解液を貯蔵するタンクと、前記タンクと前記複数の水素生成セルとを接続しており、前記タンクに貯蔵された前記電解液を前記複数の水素生成セルに供給する第三配管と、前記リザーバーから前記タンクに向かって延びており、前記リザーバーの内部に含まれる水を排出して前記タンクに導く排水管をさらに備えた、水素製造システムを提供する。第１２態様によれば、リザーバーから排出された水をタンクに貯蔵された電解液と混合でき、リザーバーから排出された水を有効に利用できる。
【００２７】
本開示の第１３態様は、第１２態様に加えて、前記タンクの内部の圧力を測定する第二圧力計をさらに備えた、水素製造システムを提供する。第１２態様によれば、第二圧力計によって測定されるタンクの内部の圧力に応じて第一圧力計によって測定されるリザーバーの内部の圧力を調節することにより、リザーバーに貯まった水がタンクに向かって適切に排出されやすい。
【００２８】
本開示の第１４態様は、第１態様〜第１３態様のいずれか１つの態様に加えて、前記コンプレッサで加圧された前記水素を貯蔵する高圧ガス容器をさらに備えた、水素製造システムを提供する。第１４態様によれば、複数の水素生成セルで生成された水素を実用上の適切な圧力で高圧ガス容器に貯蔵できる。
【００２９】
本開示の第１５態様は、第１態様〜第１３態様のいずれか１つの態様に加えて、前記コンプレッサで加圧された前記水素を受け入れる燃料電池をさらに備えた、水素製造システムを提供する。第１５態様によれば、複数の水素生成セルで生成された水素を燃料電池で利用できる。
【００３０】
以下、本開示の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明は本発明の一例に関するものであり、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００３１】
図１に示す通り、水素製造システム１ａは、複数の水素生成セル２０と、リザーバー１５と、第一配管１１と、コンプレッサ１６と、第二配管１２と、第一圧力計１７ａとを備えている。図２に示す通り、各水素生成セル２０は、光半導体電極２６及び電解液２９を有し、水素を生成する。リザーバー１５は、複数の水素生成セル２０で生成された水素を貯める。第一配管１１は、複数の水素生成セル２０とリザーバー１５とを接続しており、複数の水素生成セル２０で生成された水素をリザーバー１５に導く。コンプレッサ１６は、リザーバー１５に貯められた水素を加圧する。第二配管１２は、リザーバー１５とコンプレッサ１６とを接続しており、リザーバー１５に貯められた水素をコンプレッサ１６に導く。第一圧力計１７ａは、リザーバー１５の内部の圧力を測定する。
【００３２】
水素生成セル２０は、例えば、筐体２１、セパレータ２２、導電性基板２５、対極２７、及び導電部２８をさらに有する。筐体２１の外面は、太陽光等の照射光Ｌが照射され、透光性を有する壁によって定められている照射面を含む。セパレータ２２は、筐体２１の照射面とほぼ平行に配置されている。セパレータ２２は、筐体２１の内部空間を第一空間２３と第二空間２４とに仕切っている。第二空間２４は、例えば、筐体２１の照射面を定める壁に接している。導電性基板２５は、第二空間２４において、筐体２１の照射面とほぼ平行に配置されている。光半導体電極２６は、典型的には導電性基板２５上に配置されている。対極２７は、第一空間２３に配置されている。導電部２８は、導電性基板２５と対極２７とを電気的に接続している。電解液２９は、典型的には水を含有しており、第一空間２３及び第二空間２４の双方に存在している。
【００３３】
例えば、照射光Ｌの進行方向に、筐体２１の照射面、電解液２９、光半導体電極２６、導電性基板２５、セパレータ２２、対極２７、電解液２９、及び筐体２１の照射面と反対側の外面がこの順番で位置している。導電性基板２５及びセパレータ２２は、互いに接触していてもよいし、離れていてもよい。加えて、対極２７及びセパレータ２２は、互いに接触していてもよいし、離れていてもよい。セパレータ２２は、第一空間２３に存在する電解液２９と第二空間２４に存在する電解液２９との間でイオンのやり取りを行わせる役割を担う。このため、セパレータ２２の少なくとも一部は、第一空間２３に存在する電解液２９及び第二空間２４に存在する電解液２９と接触している。
【００３４】
筐体２１の照射面を定める壁は、典型的には、電解液２９に対する耐腐食性、電気的絶縁性、及び可視光透過性を有する材料でできている。筐体２１の照射面を定める壁は、望ましくは、可視光に加えて、可視光の波長範囲に近い波長の光を透過させる特性を有する材料でできている。このような材料は、例えば、ガラス又は樹脂である。筐体２１の照射面以外の外面を定める壁は、電解液２９に対する耐腐食性及び電気的絶縁性を有する材料でできていればよく、可視光透過性を有する材料でできている必要はない。このような材料としては、ガラス及び樹脂に加えて、耐腐食処理及び電気的絶縁処理が施された表面を有する金属材料を例示できる。例えば、透光性を有する壁と筐体２１の別の壁との間はシール剤によってシールされている。
【００３５】
セパレータ２２は、電解液２９に含まれる電解質を透過させ、水素及び酸素の透過を抑制する機能を有する。セパレータ２２の材料は、例えば高分子固体電解質であり、ナフィオン等のイオン交換膜をセパレータ２２として利用できる。
【００３６】
導電性基板２５は、例えば、全体が導電性を有する基板又は基材と基材の表面に接する導電性材料の膜とを有する基板である。導電性基板２５は、例えば、白金板、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）膜付ガラス板、又はフッ素ドープ酸化スズ（ＦＴＯ）膜付ガラス板である。
【００３７】
光半導体電極２６は、ｎ型半導体又はｐ型半導体でできている。光半導体電極２６がｎ型半導体でできている場合、光半導体電極２６と電解液２９との界面において酸素が生成され、対極２７と電解液２９との界面において水素が生成される。光半導体電極２６がｐ型半導体でできている場合、光半導体電極２６と電解液２９との界面において水素が生成され、対極２７と電解液２９との界面において酸素が生成される。光半導体電極２６は、光照射に伴う電子の励起により水を分解させる。このため、光半導体電極２６は、望ましくは、伝導帯のバンドエッジ準位が０ｅＶ（ｖｓ．ＮＨＥ）以下であり、かつ、価電子帯のバンドエッジ準位が１．２３ｅＶ（ｖｓ．ＮＨＥ）以上である半導体でできている。ここで、水素イオンの標準還元電位が０ｅＶ（ｖｓ．ＮＨＥ）であり、水の標準酸化電位が１．２３ｅＶ（ｖｓ．ＮＨＥ）である。このような半導体としては、チタン、ジルコニウム、バナジウム、タンタル、ニオブ、タングステン、鉄、銅、亜鉛、カドミウム、ガリウム、インジウム、及びゲルマニウムの酸化物、酸窒化物、及び窒化物、これらの複合酸化物、複合酸窒化物、及び複合窒化物、これらにアルカリ金属イオン又はアルカリ土類金属イオンが添加された化合物が望ましく用いられる。また、光半導体電極２６は、伝導帯のバンドエッジ準位が０ｅＶ（ｖｓ．ＮＨＥ）以下の物質からなる膜と、価電子帯のバンドエッジ準位が１．２３ｅＶ（ｖｓ．ＮＨＥ）以上の物質からなる膜とを互いに接合した積層膜として構成されていてもよい。例えば、ＷＯ3／ＩＴＯ／Ｓｉ積層膜が望ましく用いられる。
【００３８】
対極２７は、導電性を有し、光半導体電極２６がｎ型半導体である場合には水素生成反応に活性な材料であり、光半導体電極２６がｐ型半導体である場合には酸素生成反応に活性な材料でできている。対極２７の材料は、例えば、水の電気分解用の電極として一般的に用いられるカーボン及び貴金属である。具体的には、対極２７の材料は、カーボン、白金、白金担持カーボン、パラジウム、イリジウム、ルテニウム、及びニッケル等の材料である。
【００３９】
導電部２８は、例えば、一般的な金属導線である。
【００４０】
電解液２９は、典型的には水を含有しており、酸性であってもよいし、中性であってもよいし、塩基性であってもよい。電解液２９は、例えば、硫酸、塩酸、塩化カリウム、塩化ナトリウム、硫酸カリウム、硫酸ナトリウム、炭酸水素ナトリウム、又は水酸化ナトリウム等の電解質の水溶液である。
【００４１】
光半導体電極２６がｎ型半導体である場合を例に、水素生成セル２０の動作を説明する。水素生成セル２０において、筐体２１及び第二空間２４の電解液２９を透過した照射光Ｌが光半導体電極２６に入射する。光半導体電極２６が照射光Ｌを吸収すると、電子の光励起が起こり、光半導体電極２６において伝導帯に電子が生じ、価電子帯に正孔が生じる。このとき、光半導体電極２６と電解液２９との接触により、光半導体電極２６の表面（光半導体電極２６と電解液２９との界面）近傍にはバンドベンディングが生じる。光励起によって生じた正孔は、バンドベンディングに従って光半導体電極２６の表面（光半導体電極２６と電解液２９との界面）に向かって移動する。下記の式（１）に示す通り、この正孔が光半導体電極２６の表面で水分子を酸化し、酸素が生成される。一方、伝導帯に生じた電子は導電性基板２５に向かって移動する。導電性基板２５に移動した電子は、導電部２８を通って対極２７に移動する。下記の式（２）に示す通り、対極２７の内部を移動して対極２７の表面（対極２７と電解液９との界面）に到達した電子は対極２７の表面でプロトンを還元し、水素が生成される。
４ｈ+＋２Ｈ2Ｏ  →  Ｏ2↑＋４Ｈ+      （１）
４ｅ-＋４Ｈ+  →  ２Ｈ2↑            （２）
【００４２】
対極２７の表面で生成された水素の気泡は、第一空間２３に存在する電解液２９の中を浮上して電解液２９の液面上に達し、電解液２９の液面の上方が水素で満たされる。その後、水素は、水素生成セル２０から排出され、第一配管１１を通ってリザーバー１５に供給される。光半導体電極２６の表面で生成された酸素の気泡は、第二空間２４に存在する電解液２９の中を浮上して電解液２９の液面上に達し、電解液２９の液面の上方が酸素で満たされる。この酸素は、水素と同様の手段を用いて収集してもよいし、筐体２１の第二空間４に接した適切な位置に、孔を形成し、又は、管を接続して、その孔又は管を通して酸素を大気中に放出してもよい。
【００４３】
複数の水素生成セル２０における水素生成速度にはばらつきが発生する可能性がある。加えて、特定の水素生成セル２０における水素生成速度は時間的にばらつく可能性がある。しかし、このような水素生成速度のばらつきがあっても、水素製造システム１ａによれば、複数の水素生成セル２０で生成された水素を安定的に取り出して加圧できる。なぜなら、複数の水素生成セル２０で生成された水素は、コンプレッサ１６によって所定の圧力に加圧されるが、コンプレッサ１６に導かれる前にリザーバー１５に貯められるからである。加えて、リザーバー１５の内部の圧力が第一圧力計１７ａによって測定されるので、リザーバー１５の内部の圧力を考慮してコンプレッサ１６を作動させることができるからである。
【００４４】
リザーバー１５は、例えば、水素の流れに垂直な方向において、第一配管１１の断面積よりも大きい断面積を有する。この場合、リザーバー１５が水素生成速度のばらつきを和らげるうえで適切な容積を有しやすい。なお、第一配管１１は、典型的には、複数の水素生成セル２０のそれぞれに接続された複数の収集管１１ａを有し、第一配管１１の断面積は、複数の水素生成セル２０のそれぞれに接続された複数の収集管１１ａの断面積の総和を意味する。
【００４５】
図１に示す通り、第一配管１１は、例えば、複数の水素生成セル２０に接続された複数の管が水素の流れ方向における複数の水素生成セル２０とリザーバー１５との間で繋ぎ合わせられた構成である。例えば、第一配管１１は、複数の収集管１１ａと、合流管１１ｂとを有する。複数の収集管１１ａは、複数の水素生成セル２０のそれぞれに接続されている。合流管１１ｂは、水素の流れ方向における複数の収集管１１ａとリザーバー１５との間に配置され、複数の収集管１１ａにおける水素の流れを合流させる。第一配管１１は、一つの合流管１１ｂを有していてもよいし、複数の合流管１１ｂを有していてもよい。例えば、水素製造システム１ａが９個の水素生成セル２０を備え、第一配管１１が９本の収集管１１ａを有する場合を考える。この場合、９本の収集管１１ａが１本の合流管１１ｂにつながっていてもよいし、３本の収集管１１ａからなる３つの群のそれぞれが３本の合流管１１ｂのうちの異なる１本の合流管１１ｂにつながっていてもよい。このように、複数の収集管１１ａの全部が１本の合流管１１ｂにつながっていてもよいし、複数の収集管１１ａの一部が１本の合流管１１ｂにつながっており、かつ、複数の収集管１１ａの別の一部が別の１本の合流管１１ｂにつながっていてもよい。加えて、第一配管１１は、複数の水素生成セル２０に接続された複数の管のそれぞれがリザーバー１５に直接接続された構成であってもよい。
【００４６】
リザーバー１５は、タンク状に構成されていてもよいし、第一配管１１の内径より大きい内径を有する管によって構成されていてもよい。
【００４７】
リザーバー１５、第一配管１１、及び第二配管１２は、典型的には、大気圧又は大気圧近傍の圧力において、水素が透過しにくく、かつ、水を吸着しにくい材料でできている。リザーバー１５、第一配管１１、及び第二配管１２は、例えば、ガラス、樹脂、又は金属でできている。
【００４８】
図１に示す通り、水素製造システム１ａは、コントローラ３０をさらに備えている。コントローラ３０は、コンプレッサ１６を制御して、第一圧力計１７ａによって測定される圧力を第一閾値Ｔｈ以下に調節する。上記の通り、水素生成セル２０の筐体２１の一部は透光性を有する材料で構成されている必要があり、耐圧性を高めにくい。しかし、コントローラ３０により、リザーバー１５の内部の圧力が第一閾値Ｔｈ以下に調節されるので、水素生成セル２０の内部の圧力が耐圧基準を超える圧力になりにくい。その結果、水素生成セル２０の破損が防止され、生成された水素を安定的に取り出すことができる。
【００４９】
第一閾値Ｔｈは、水素生成セル２０の破損を防止する観点から決定される。第一閾値Ｔｈは、典型的には、水素生成セル２０が破損する圧力（破壊圧力：日本工業規格 JIS B 0142）未満であり、例えば水素生成セル２０の耐圧力（JIS B 0142）に等しい。多くの場合、水素生成セル２０において透光性を有する壁を定める部材の強度が弱いので、第一閾値Ｔｈは、例えば水素生成セル２０における透光性を有する壁の耐圧力に等しい。第一閾値Ｔｈは、水素生成セル２０の仕様により変動し得るが、例えば１．５気圧である。
【００５０】
コントローラ３０は、例えば、Digital signal processor (DSP)によって構成されており、第一圧力計１７ａにおける検出結果を示す信号を受信可能に第一圧力計１７ａと有線又は無線によって接続されている。また、コンプレッサ１６は、コントローラ３０からの制御信号を受信可能に有線又は無線によってコントローラ３０と接続されている。
【００５１】
コントローラ３０は、例えば、コンプレッサ１６を制御して、第一圧力計１７ａによって測定される圧力を第一閾値Ｔｈよりも低い第二閾値Ｔｌ以上に調節する。これにより、水素生成セル２０の内部の圧力が低くなりすぎることを防止できる。これにより、例えば、水素生成セル２０が破損したときに水素生成セル２０の外部空気が水素生成セル２０の内部に入り込みにくく、水素製造システム１ａが高い信頼性を発揮できる。
【００５２】
水素生成セル２０が破損したとき、又は、ガラス若しくは透明樹脂などの材料でできた透光性を有する壁と、この壁につながっている筐体２１の別の壁とのシール面が劣化したときに水素生成セル２０の外部空気が水素生成セル２０の内部に入り込みにくくする観点から、第二閾値Ｔｌは、例えば大気圧又は大気圧近傍の圧力であり、望ましくは大気圧以上の圧力である。コントローラ３０は、より望ましくは、コンプレッサ１６を制御して、第一圧力計１７ａによって測定される圧力を１．３気圧以下、かつ、大気圧以上に調節する。この場合、水素製造システム１ａに外部空気が混入することを防止でき、水素製造システム１ａが高い信頼性を発揮できる。
【００５３】
図３Ａに示す通り、コントローラ３０は、例えば、コンプレッサ１６を制御して、第一圧力計１７ａによって測定される圧力を、第二閾値Ｔｌよりも第一閾値Ｔｈに近い圧力から第一閾値Ｔｈよりも第二閾値Ｔｌに近い圧力に繰り返し減少させる。水素生成セル２０において水素が生成されるとき、水素生成セル２０の光半導体電極２６又は水素生成セル２０の内面に気泡が付着することがある。このような気泡は水素を生成するための光半導体電極２６における反応を阻害するので、気泡を消失させることが望ましい。コントローラ３０によるコンプレッサ１６の制御により、第一圧力計１７ａによって測定される圧力を図３Ａに示すように繰り返し減少させることで、水素生成セル２０の内圧を下げる。これにより、水素生成セル２０の内部の気泡が膨張し、電解液２９中の気泡の浮上が促進される。その結果、光半導体電極２６又は水素生成セル２０の内面に付着した気泡を消失させやすく、水素の製造効率を高めることができる。
【００５４】
図３Ａに示す通り、コントローラ３０は、例えば、第一圧力計１７ａによって測定される圧力の、第一閾値Ｔｈに近い圧力から第二閾値Ｔｌに近い圧力への減少を繰り返し出現させる。これにより、水素生成セル２０における気泡を定期的に消失させることができる。また、コントローラ３０は、第一圧力計１７ａによって測定される圧力の減少が出現する期間以外は、コンプレッサ１６を制御して、第一圧力計１７ａによって測定される圧力が第一閾値よりも第二閾値に近い状態を所定期間継続させる。これにより、水素生成セル２０の内部の圧力が低く保たれる期間が継続しやすいので、水素生成セル２０の耐久期間が長くなりやすい。これにより、水素製造システム１ａが高い信頼性を発揮できる。例えば、コントローラ３０は、コンプレッサ１６を制御して、第一圧力計１７ａによって測定される圧力を第一目標値Ａｈと第二目標値Ａｌとの間に収める。第一目標値Ａｈは、第一閾値Ｔｈよりも低く定められており、第二目標値Ａｌは、第一目標値Ａｈよりも低く、かつ、第二閾値Ｔｌよりも高く定められている。
【００５５】
水素製造システム１ａにおいて、コントローラ３０は、場合によっては、第一圧力計１７ａによって測定される圧力を繰り返し減少させなくてもよい。この場合、例えば、図３Ｂに示す通り、コントローラ３０は、コンプレッサ１６を制御して、第一圧力計１７ａによって測定される圧力が第一閾値よりも第二閾値に近い状態を所定期間継続させる。この所定期間は、図３Ａで示す場合に比べて長く定められている。コントローラ３０は、例えば、コンプレッサ１６を制御して、第一圧力計１７ａによって測定される圧力を第一目標値Ａｈと第二目標値Ａｌとの間に収める。
【００５６】
水素製造システム１ａにおいて、コントローラ３０は、コンプレッサ１６を断続的に作動させてもよい。例えば、コントローラ３０は、コンプレッサ１６が停止している状態でリザーバー１５の内部の圧力が上昇し、第一圧力計１７ａによって測定される圧力が第一目標値Ａｈよりも高くなったときに、コンプレッサ１６を作動させてもよい。第一目標値Ａｈは、例えば、第一閾値Ｔｈよりも低く定められている。加えて、コントローラ３０は、コンプレッサ１６が停止している状態でリザーバー１５の内部の圧力が低下し、第一圧力計１７ａによって測定される圧力が第二目標値Ａｌよりも低くなったときに、コンプレッサ１６を停止させてもよい。第二目標値Ａｌは、第一目標値Ａｈよりも低く、かつ、第二閾値Ｔｌよりも高く定められている。この場合、例えば、第一圧力計１７ａによって測定される圧力は、図３Ｃに示すように変動する。コンプレッサ１６が停止している状態では、第一圧力計１７ａによって測定される圧力は、水素生成セル２０において水素が生成されるに従って次第に増加する。コンプレッサ１６が作動すると第一圧力計１７ａによって測定される圧力は急速に低下する。これにより、リザーバー１５の内部の圧力を、第一閾値Ｔｈ以下かつ第二閾値Ｔｌ以上に調節しつつ、コンプレッサ１６の作動期間を短くできる。
【００５７】
図１に示す通り、水素製造システム１ａは、例えば、タンク６０と、第三配管１３とをさらに備えている。タンク６０は、例えば、複数の水素生成セル２０に供給されるべき電解液を貯蔵する。第三配管１３は、タンク６０と複数の水素生成セル２０とを接続しており、タンク６０に貯蔵された電解液を複数の水素生成セル２０に供給する。複数の水素生成セル２０において水素の生成及び酸素の生成が継続することにより、電解液２９の量が減少する。この電解液２９の減少を補うために、タンク６０に貯蔵された電解液２９が第三配管１３を通って複数の水素生成セル２０に供給される。
【００５８】
水素製造システム１ａは、例えば、回収配管１３ｂをさらに備えている。回収配管１３ｂは、複数の水素生成セル２０とタンク６０とを接続しており、複数の水素生成セル２０の第一空間２３及び第二空間２４に存在する電解液２９を、必要に応じて、タンク６０に回収する。この場合、複数の水素生成セル２０とタンク６０との間で電解液を循環させることができる。タンク６０は、例えば、第三配管１３に電解液２９を送り出すための機構及び複数の水素生成セル２０から電解液２９を回収するための機構を有する。
【００５９】
タンク６０、第三配管１３、及び回収配管１３ｂは、典型的には、電解液２９に対する耐腐食性を有する材料でできている。タンク６０、第三配管１３、及び回収配管１３ｂは、例えば、ガラス、樹脂、又は耐腐食処理及び電気的絶縁処理が施された表面を有する金属材料でできている。
【００６０】
例えば、タンク６０には水及び電解質の供給器（図示省略）が取付けられている。電解液２９の減少に応じて供給器によって水及び電解質がタンク６０に適宜補充される。これにより、複数の水素生成セル２０における電解質の濃度が所望の範囲に調節される。
【００６１】
コンプレッサ１６の出口には、高圧水素供給器１８が取付けられている。コンプレッサ１６において加圧された水素は、高圧水素供給器１８によって水素製造システム１ａの外部に供給される。
【００６２】
夜間等の水素生成セル２０に照射光Ｌが照射されない期間において、水素製造システム１ａは停止される。この場合、コンプレッサ１６並びにタンク６０における第三配管１３に電解液を送り出すための機構及び複数の水素生成セル２０から電解液を回収するための機構の動作も停止する。
【００６３】
＜変形例＞
水素製造システム１ａは、様々な観点から変更可能である。例えば、水素製造システム１ａは、図４に示す水素製造システム１ｂ、図５に示す水素製造システム１ｃ、図６に示す水素製造システム１ｄ、図７に示す水素製造システム１ｅ、又は図８に示す水素製造システム１ｆのように変更可能である。水素製造システム１ｂ〜１ｆは、特に説明する場合を除き、水素製造システム１ａと同様に構成されている。水素製造システム１ａの構成要素と同一又は対応する水素製造システム１ｂ〜１ｆの構成要素には同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。水素製造システム１ａに関する説明は、技術的に矛盾しない限り、水素製造システム１ｂ〜１ｆにもあてはまる。
【００６４】
図４に示す通り、水素製造システム１ｂは、高圧ガス容器４１をさらに備えている。高圧ガス容器４１は、コンプレッサ１６で加圧された水素を貯蔵する。高圧ガス容器４１は、例えば、高圧水素供給器１８に接続されている。
【００６５】
高圧ガス容器４１は、水素が透過しにくく吸着しにくい特性を有する材料によって、真空から数１０気圧程度の内圧に耐えることができる形状に作られている。高圧ガス容器４１の材料は、例えば金属である。高圧ガス容器４１の内部には、水素吸蔵材料が配置されていてもよい。水素吸蔵材料は、例えば、水素吸蔵合金、活性炭、又はゼオライトである。高圧ガス容器４１は、貯蔵している水素のうち必要量を外部へ供給可能な供給器を有していてもよい。高圧ガス容器４１に貯蔵された水素の供給先は、例えば燃料電池である。この場合、燃料電池は、例えば、水素を負極活物質とする一般的な燃料電池である。燃料電池は、例えば、固体高分子形燃料電池、りん酸形燃料電池、溶融炭酸塩形燃料電池、固体酸化物形燃料電池、又はアルカリ電解質形燃料電池である。
【００６６】
複数の水素生成セル２０で生成され、コンプレッサ１６によって加圧された水素は、高圧水素供給器１８によって高圧ガス容器４１に送られる。高圧ガス容器４１に一旦貯蔵された水素は需要に応じて取り出される。例えば、水素を燃料電池用の燃料として使用する場合、燃料電池の作動状況に応じて、高圧ガス容器４１から燃料電池に水素が供給される。燃料電池には水素以外に、正極活物質を含んだ空気等の気体が送られ、燃料電池において発電及び給湯が行われる。消費された水素は、水等として燃料電池から排出される。
【００６７】
図５に示す通り、水素製造システム１ｃは、コンプレッサ１６で加圧された水素を受け入れる燃料電池４２をさらに備えている。
【００６８】
燃料電池４２は、例えば、水素を負極活物質とする一般的な燃料電池である。燃料電池４２は、例えば、固体高分子形燃料電池、りん酸形燃料電池、溶融炭酸塩形燃料電池、固体酸化物形燃料電池、又はアルカリ電解質形燃料電池等である。燃料電池４２は、高圧水素供給器１８に直接接続されている。
【００６９】
リザーバー１５に貯められた水素は、燃料電池４２の作動状況に応じて、コンプレッサ１６で加圧された後に高圧水素供給器１８によって燃料電池４２に供給される。燃料電池４２には水素以外に、正極活物質を含んだ空気等の気体が送られ、燃料電池４２において発電及び給湯が行われる。消費された水素は、水等として燃料電池４２から排出される。
【００７０】
図６に示す通り、水素製造システム１ｄは、on-off弁５１をさらに備えている。on-off弁５１は、第一配管１１に取り付けられている。コントローラ３０は、コンプレッサ１６及びon-off弁５１を制御することにより、第一圧力計１７ａによって測定される圧力を調節する。
【００７１】
on-off弁５１は、例えば電磁弁である。on-off弁５１は、コントローラ３０からの制御信号を受信可能に有線又は無線によってコントローラ３０と接続されている。on-off弁５１の水素に接触する部分は、大気圧付近の圧力において水素が透過しにくく吸着しにくい特性を有する材料によってできている。on-off弁５１の水素に接触する部分は、例えば、金属によってできている。on-off弁５１が開いていると、水素生成セル２０の水素が生成される空間とリザーバー１５とが第一配管１１によって連通している。一方、on-off弁５１が閉じていると、水素生成セル２０の水素が生成される空間からリザーバー１５への水素の流れが遮断される。
【００７２】
図６に示す通り、第一配管１１は、例えば、複数の収集管１１ａと、合流管１１ｂとを有する。複数の収集管１１ａは、複数の水素生成セル２０のそれぞれに接続されている。合流管１１ｂは、水素の流れ方向において複数の収集管１１ａとリザーバー１５との間に配置され、複数の収集管１１ａにおける水素の流れを合流させる。on-off弁５１は、合流管１１ｂに取り付けられている。この場合、複数の水素生成セル２０において生成された水素のリザーバー１５への供給を単一のon-off弁５１によって調節できる。
【００７３】
水素製造システム１ｄの動作の一例について説明する。コントローラ３０は、例えば、コンプレッサ１６の作動中にon-off弁５１を閉じ、かつ、コンプレッサ１６の停止中にon-off弁５１を開く。各水素生成セル２０で生成された水素は、on-off弁５１が開いていると、リザーバー１５に流入する。このとき、コンプレッサ１６は停止している。リザーバー１５への水素の流入が継続すると、第一圧力計１７ａによって測定される圧力が上昇する。第一圧力計１７ａによって測定される圧力が所定値（例えば第一目標値Ａｈ）より高くなったことをコントローラ３０が検知すると、コントローラ３０はon-off弁５１を閉じる。続いて、コントローラ３０は、コンプレッサ１６を作動させる。これにより、リザーバー１５に貯められた水素がコンプレッサ１６によって加圧されて高圧水素供給器１８に送り込まれる。コンプレッサ１６の作動が継続すると、第一圧力計１７ａによって測定される圧力が低下する。第一圧力計１７ａによって測定される圧力が別の所定値（例えば第二目標値Ａｌ）より低くなったことをコントローラ３０が検知すると、コントローラ３０は、コンプレッサ１６を停止させる。その後、コントローラ３０は、on-off弁５１を開き、水素生成セル２０の水素が生成される空間とリザーバー１５とを連通させる。
【００７４】
このようなサイクルが繰り返されることにより、水素生成セル２０で生成された水素が高圧水素供給器１８に運ばれる。一連のサイクルにおいて、コントローラ３０は、例えば、第一圧力計１７ａによって測定される圧力を大気圧よりも高くなるように調節する。この場合、水素製造システム１ｄの内部に外部空気が混入することを防止できる。水素製造システム１ｄに外部空気が混入してしまうと、その外部空気が最終的に高圧水素供給器１８に到達し、高純度の水素を供給できなくなってしまう。しかし、第一圧力計１７ａによって測定される圧力が大気圧よりも高くなるように調節されると、リザーバー１５の内部の圧力が大気圧よりも高くなる。加えて、コンプレッサ１６では水素が加圧されるので、コンプレッサ１６及び高圧水素供給器１８の内部の圧力は、リザーバー１５の内部の圧力よりも高い。このため、水素製造システム１ｄの内部の全体で大気圧以上の圧力に保たれる。これにより、仮に、水素製造システム１ｄのどこかで気体のリークが発生しても、水素製造システム１ｄの内部から外部へ水素が漏れることになる。その結果、水素製造システム１ｄの内部に外部空気が混入することを防止できる。例えば、一部の水素生成セル２０が破損した場合、水素製造システム１ｄの内部の圧力が大気圧以上に保たれているので、水素生成セル２０の破損箇所において、水素生成セル２０の内部への外部空気の流れ込みよりも、水素生成セル２０の内部の水素の外部への移動が圧倒的に優勢になる。このため、高圧水素供給器１８から供給される水素に外部空気が混入することが防止される。
【００７５】
図７に示す通り、水素製造システム１ｅにおいて、第一配管１１は、複数の収集管１１ａと、合流管１１ｂとを有する。複数の収集管１１ａは、複数の水素生成セル２０のそれぞれに接続されている。合流管１１ｂは、複数の収集管１１ａとリザーバー１５との間に配置され、複数の収集管１１ａにおける水素の流れを合流させる。水素製造システム１ｅは、複数の逆止弁５２をさらに備えている。複数の逆止弁５２は、複数の収集管１１ａに、又は、水素の流れ方向において複数の収集管１１ａと合流管１１ｂとの間に取り付けられている。
【００７６】
複数の逆止弁５２のそれぞれは、例えば、単一の水素生成セル２０で生成された水素のみが通過する位置に配置されている。また、複数の水素生成セル２０が、複数の水素生成セル２０の一部として２以上の水素生成セル２０からなる群を含む場合、少なくとも一つの逆止弁５２は、その群に含まれる２以上の水素生成セル２０で生成された水素のみが通過する位置に配置されていてもよい。
【００７７】
水素製造システム１ｅの動作の一例について説明する。各水素生成セル２０で生成された水素は、逆止弁５２を順方向に通過してリザーバー１５に流入する。コンプレッサ１６が停止している状態で、リザーバー１５への水素の流入が継続すると、第一圧力計１７ａによって測定される圧力が上昇する。第一圧力計１７ａによって測定される圧力が所定値（例えば第一目標値Ａｈ）より高くなったことをコントローラ３０が検知すると、コンプレッサ１６を作動させる。これにより、リザーバー１５に貯められた水素がコンプレッサ１６によって加圧されて高圧水素供給器１８に送り込まれる。コンプレッサ１６の作動が継続すると、第一圧力計１７ａによって測定される圧力が低下する。第一圧力計１７ａによって測定される圧力が別の所定値（例えば第二目標値Ａｌ）より低くなったことをコントローラ３０が検知すると、コントローラ３０は、コンプレッサ１６を停止させる。
【００７８】
このようなサイクルが繰り返されることにより、水素生成セル２０で生成された水素が高圧水素供給器１８に運ばれる。一連のサイクルにおいて、コントローラ３０は、例えば、第一圧力計１７ａによって測定される圧力を大気圧よりも高くなるように調節する。この場合、一部の水素生成セル２０が破損した場合に、正常な水素生成セル２０のみを用いて水素製造システム１ｅの稼働を継続できる。一部の水素生成セル２０が破損し、水素生成セル２０の破損箇所からこの水素生成セル２０の内部に外部空気が混入すると、外部空気は最終的に高圧水素供給器１８に到達し、高純度の水素を供給できなくなってしまう。しかし、コントローラ３０が第一圧力計１７ａによって測定される圧力を大気圧よりも高くなるように調節すれば、大気圧よりも高い内圧を有する水素生成セル２０のみからリザーバー１５に水素が流入する。正常な水素生成セル２０は、その内部で水素が生成されるので、リザーバー１５の内圧よりも高い内圧を有する。このため、正常な水素生成セル２０の内圧とリザーバー１５の内圧との圧力差を駆動力として、正常な水素生成セル２０で生成された水素が逆止弁５２を順方向に通過する。一方、破損した水素生成セル２０の内部は、破損箇所を通じて大気と連通するので、破損した水素生成セル２０の内圧は、大気圧と等しくなり、リザーバー１５の内圧よりも低くなる。この場合、逆止弁５２の入口における圧力よりも逆止弁５２の出口における圧力が高くなるので、逆止弁５２の働きによって破損した水素生成セル２０からリザーバー１５に外部空気が流入することを防止できる。このように、リザーバー１５へは正常な水素生成セル２０のみから水素が供給されるので、水素生成セル２０の一部が破損していても、水素製造システム１ｅの稼働を継続できる。
【００７９】
図８に示す通り、水素製造システム１ｆは、排水管１４をさらに備えている。排水管１４は、リザーバー１５に接続されており、リザーバー１５の内部に含まれる水を排出する。複数の水素生成セル２０からリザーバー１５への水素の流れに水分が混ざり、リザーバー１５の内部に水が貯まることが想定される。水素製造システム１ｆによれば、リザーバー１５の内部に貯まった水を排水管１４によって排出できる。
【００８０】
排水管１４は、例えば、リザーバー１５の底面又は底面近傍においてリザーバー１５の内部に対して開口している。この場合、リザーバー１５の下方に水分は溜りやすいので、リザーバー１５に溜まった水を効率良く排出できる。第一配管１１は、例えば、リザーバー１５の底面から離れた位置に開口している。これにより、リザーバー１５に供給される水素がリザーバー１５の底面に溜まった水の中を通過しにくい。例えば、第一配管１１の端部は、リザーバー１５の内部においてリザーバー１５の底面から上方に突出している。
【００８１】
排水管１４は、例えば、リザーバー１５からタンク６０に向かって延びており、リザーバー１５の内部に含まれる水を排出してタンク６０に導く。この場合、リザーバー１５から排出された水をタンク６０に貯蔵された電解液２９と混合でき、リザーバー１５から排出された水を有効に利用できる。
【００８２】
水素製造システム１ｆは、第二圧力計１７ｂをさらに備えている。第二圧力計１７ｂは、タンク６０の内部の圧力を測定する。第二圧力計１７ｂによって測定されるタンク６０の内部の圧力に応じて第一圧力計１７ａによって測定されるリザーバー１５の内部の圧力を調節することにより、リザーバー１５に貯まった水がタンク６０に向かって適切に排出されやすい。
【産業上の利用可能性】
【００８３】
本開示の水素製造システムは、光の照射によって電解液を分解して水素を生成できるので、燃料電池への水素供給源として望ましく利用できる。
【符号の説明】
【００８４】
１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｆ    水素製造システム
１１                            第一配管
１１ａ                          収集管
１１ｂ                          合流管
１２                            第二配管
１３                            第三配管
１４                            排水管
１５                            リザーバー
１６                            コンプレッサ
１７ａ                          第一圧力計
１７ｂ                          第二圧力計
２０                            水素生成セル
２６                            光半導体電極
２９                            電解液
３０                            コントローラ
４１                            高圧ガス容器
４２                            燃料電池
５１                            on-off弁
５２                            逆止弁
６０                            タンク
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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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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