(57)【要約】【課題】光合成微生物株の光合成反応と窒素固定反応を利用して効率よく水素を獲得できる水素製造システム、及び獲得した水素または培養液を用いた効率のよい発電装置を提供する。【解決手段】水素製造システムは、光合成微生物株が含まれる培養液が供給された複数の容器と、光の照射手段と、光合成反応と窒素固定反応により水素を発生させ、該水素を獲得する手段と、光合成微生物株の前記窒素固定反応により生成されるアミノ酸を含む培養液を獲得する手段とを備え、発電装置は、水素製造システムで獲得した水素を利用又は培養液を含む電気分解槽を利用することを特徴とする。【選択図】図３
2015082973.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光合成微生物株が含まれる培養液が供給された複数の容器と、
光の照射手段と、
光合成反応と窒素固定反応により水素を発生させ、該水素を獲得する手段と、
前記光合成微生物株の前記窒素固定反応により生成されるアミノ酸を含む培養液を獲得する手段と、
を備えることを特徴とする水素製造システム。
【請求項２】
請求項１に記載の水素製造システムであって、前記光合成微生物株は、シアノバクテリアであることを特徴とする水素製造システム。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の水素製造システムであって、第１の容器の光合成微生物株と培養液の一部を、第２の容器に移し、光合成反応と窒素固定反応を繰り返させる手段を有することを特徴とする水素製造システム。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１項に記載の水素製造システムにより発生した前記水素を収納する高圧タンクと、
前記水素と、酸素を化学反応させて発電させる燃料電池と、
前記燃料電池の出力電圧を変換するＤＣ−ＤＣコンバータと、
前記燃料電池から出力された直流電力を蓄える蓄電池と、
前記蓄電池の充放電を制御するチャージコントローラと、
前記蓄電池から出力された直流電圧を交流電圧に変換するインバータと、
を備えることを特徴とする発電装置。
【請求項５】
請求項４に記載の発電装置であって、前記高圧タンクは、二酸化ケイ素を燃焼合成して配合したシリコン合金からなることを特徴とする発電装置。
【請求項６】
請求項１から３のいずれか１項に記載の水素製造システムにより生成された前記アミノ酸を含む培養液を供給した電気分解槽と、
前記電気分解槽に電圧を加える外部電源と、
前記電気分解槽から発生する水素と酸素を化学反応させて発電させる燃料電池と、
前記燃料電池の出力電圧を変換するＤＣ−ＤＣコンバータと、
前記燃料電池から出力された直流電力を蓄える蓄電池と、
前記蓄電池の充放電を制御するチャージコントローラと、
前記蓄電池から出力された直流電圧を交流電圧に変換するインバータと、
を備えることを特徴とする発電装置。
【請求項７】
請求項６に記載の発電装置であって、前記電気分解槽の前記アミノ酸を含む分解液の濃度は０．４ｐＨ以上３．４ｐＨ以下であることを特徴とする発電装置。
【請求項８】
請求項６又は７に記載の発電装置であって、前記電気分解槽の前記アミノ酸を含む分解液は、ゼリー状であることを特徴とする発電装置。
【請求項９】
請求項６から８のいずれか１項に記載の発電装置であって、前記電気分解槽の電解用電極には、多層カーボンナノチューブが使用されることを特徴とする発電装置。
【請求項１０】
請求項６から９のいずれか１項に記載の発電装置であって、前記外部電源が前記蓄電池であることを特徴とする発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光合成微生物による光合成や代謝により生成される水素の製造システム及びそれを利用した発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、新エネルギーとして、水素エネルギーへの期待が高まっている。特に自動車用、家庭用の燃料電池の燃料として、水素のニーズは極めて大きい。燃料電池を使用した自動車は、燃料電池で水素と酸素の化学反応によって発電した電気エネルギーを使って、モーターを回して走る。従来のガソリン内燃機関自動車のエネルギー効率（１５〜２０％）と比較して、燃料電池を使用した自動車は、その２倍程度（３０％以上）と非常に高いエネルギー効率を実現し、低出力域でも高効率を維持できる。また、二酸化炭素のような有害大気汚染物質の排出がない。
【０００３】
そのため、燃料電池に補給する水素の効率のよい製造方法や製造装置が望まれている。従来、水素を製造する方法として、電解液を電気分解槽により、電気分解して水素を製造する方法が知られている。例えば、特許文献１には、電気分解による電気エネルギー発生システムが開示されている。そのシステムによると、必要とする電力を低減でき、かつ、水素リークが生じないということが記載されている。
【０００４】
また、別の方法として、いわゆるバイオ燃料による水素発電の方法がある。光合成微生物（バクテリア、藻等）の光合成と代謝により生成される水素を効率よく使用する方法であり、例えば特許文献２にバイオ燃料電池が記載されている。光合成微生物の中でもシアノバクテリア（ラン藻類）は、光合成によって、二酸化炭素を同化して、有機物（ＣＨ２Ｏ）を生産し、酸素を発生する。さらにニトロゲナーゼ反応により水素を発生するため、シアノバクテリアを使用した燃料電池や、水素発電装置が近年、注目されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−１１３２４６号公報
【特許文献２】特開２００６−１９０５０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述したように、水素を製造する方法として、電気分解槽を用いた電気分解による方法、シアノバクテリアを使用して水素を発生させる方法などある。特許文献１に記載の電気分解による方法では、電解液加圧手段により、必要とする電力を低減させるものであるが、電力を低減するためには、水素を多く発生する電解液を使用することがさらに望ましい。
【０００７】
また、特許文献２に記載のバイオ燃料電池は、シアノバクテリアを使用しているが、その光合成と代謝をそれぞれ光照射槽と酸化還元反応槽を使用して行うため、装置の構造が複雑である。また、特許文献２はバイオ燃料電池に関する発明であり、水素製造の技術に関するものではない。
【０００８】
本発明の目的は、より容易に、効率よく水素を獲得できる水素製造システムを提供し、また、それにより獲得した水素又は培養液を用いて、効率のよい発電装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
（１）請求項１に記載の発明は、光合成微生物株が含まれる培養液が供給された複数の容器と、光の照射手段と、光合成反応と窒素固定反応により水素を発生させ、該水素を獲得する手段と、前記光合成微生物株の前記窒素固定反応により生成されるアミノ酸を含む培養液を獲得する手段と、を備えることを特徴とする水素製造システムである。
（２）請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の水素製造システムであって、前記光合成微生物株は、シアノバクテリアであることを特徴とする。
（３）請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の水素製造システムであって、第１の容器の光合成微生物株と培養液の一部を、第２の容器に移し、光合成反応と窒素固定反応を繰り返させる手段を有することを特徴とする。
（４）請求項４に記載の発明は、請求項１から３のいずれか１項に記載の水素製造システムにより発生した前記水素を収納する高圧タンクと、前記水素と、酸素を化学反応させて発電させる燃料電池と、前記燃料電池の出力電圧を変換するＤＣ−ＤＣコンバータと、前記燃料電池から出力された直流電力を蓄える蓄電池と、前記蓄電池の充放電を制御するチャージコントローラと、前記蓄電池から出力された直流電圧を交流電圧に変換するインバータと、を備えることを特徴とする発電装置である。
（５）請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の発電装置であって、前記高圧タンクは、二酸化ケイ素を燃焼合成して配合したシリコン合金からなることを特徴とする。
（６）請求項６に記載の発明は、請求項１から３のいずれか１項に記載の水素製造システムにより生成された前記アミノ酸を含む培養液を供給した電気分解槽と、前記電気分解槽に電圧を加える外部電源と、前記電気分解槽から発生する水素と酸素を化学反応させて発電させる燃料電池と、前記燃料電池の出力電圧を変換するＤＣ−ＤＣコンバータと、前記燃料電池から出力された直流電力を蓄える蓄電池と、前記蓄電池の充放電を制御するチャージコントローラと、前記蓄電池から出力された直流電圧を交流電圧に変換するインバータと、を備えることを特徴とする発電装置である。
（７）請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の発電装置であって、前記電気分解槽の前記アミノ酸を含む分解液の濃度は０．４ｐＨ以上３．４ｐＨ以下であることを特徴とする。
（８）請求項８に記載の発明は、請求項６又は７に記載の発電装置であって、前記電気分解槽の前記アミノ酸を含む分解液は、ゼリー状であることを特徴とする。
（９）請求項９に記載の発明は、請求項６から８のいずれか１項に記載の発電装置であって、前記電気分解槽の電解用電極には、多層カーボンナノチューブが使用されることを特徴とする。
（１０）請求項１０に記載の発明は、請求項６から９のいずれか１項に記載の発電装置であって、前記外部電源が前記蓄電池であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の水素製造システムは効率よく水素を獲得でき、また、獲得した水素または培養液を用いた効率のよい発電装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施例である水素製造システムの構成を示す説明図である。
【図２】図１に示す水素製造システムの水素を利用した発電装置の全体構成を示すブロック図である。
【図３】図１に示す水素製造システムの培養液を利用した発電装置の全体構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態（以下実施例と記す）を、図面に基づいて説明する。なお、以下の図において、共通する部分には同一の符号を付しており、同一符号の部分に対して重複した説明を省略する。
【００１３】
図１は、本発明の一実施例である水素製造システム１００の構成を示す説明図である。水素製造システム１００は、光合成微生物株が含まれる培養液が供給された容器１１０を複数個備えた培養ユニット１６０からなる。光合成微生物株としては、シアノバクテリアを用いる。本実施例では、図１に示すように３個の容器１１０を１つの培養ユニット１６０とし、２つの培養ユニット１６０が１つの台に設置されており、各台には給水タンク１３０と管理装置１４０が配置されている。１つの培養ユニット１６０に設置される容器１１０の数と、１つの台に設置される培養ユニットの数はいくつ設置してもよい。また、本実施例では、このような台が２つ設置された水素製造システム１００を示すが、台はいくつ設置してもよい。
【００１４】
３個の容器１１０は、容器１１０の底を支える底面と固定枠１５０により固定されており、それぞれが給水タンク１３０と給水ホース（図示せず）で繋がれている。また、本発明の水素製造システム１００を囲む溶媒ハウスは、全面がガラスからなるガラスハウスを想定しており、日中は太陽光を全面で透過し、利用できる構成となっている。
【００１５】
容器１１０も同様に、全面が光を透過し、かつ耐熱性のあるパイレックス（登録商標）ガラスなどで形成されることが好ましい。本実施例の容器１１０の形状は、均一に光を透過するよう球状にしてあるが、立方体などでもよい。容器１１０の大きさは、例えば直径４０ｃｍの球である。底面と固定枠１５０は、錆びにくいステンレス（例えばＳＵＳ３０６）で形成されることが好ましい。固定枠１５０の大きさは、３つの容器１１０を固定することができるよう、例えば、縦５０ｃｍ、横５０ｃｍ、高さ２００ｃｍである。
【００１６】
本実施例では、さらに固定枠１５０の各容器１１０付近に光を照射するライト１２０（蛍光灯）が設置されており、太陽光が利用できない場合にも、光を照射することができる。ライト１２０は固定枠１５０ではなく、他の部分（例えばガラスハウスの内壁面）に設置されていてもよい。
【００１７】
容器１１０のシアノバクテリアの増殖（育成）には、栄養塩類（リン酸、カルシウムなど）、二酸化炭素、窒素と水が必要である。本実施例では、給水タンク１３０から容器に水を供給し、水を供給した容器にシアノバクテリアと栄養塩類を入れて培養液を作り、空気中の二酸化炭素と窒素を利用してシアノバクテリアを育成する。二酸化炭素の供給には、二酸化炭素ボンベを使用してもよい。管理装置１５０内の温度制御装置が、室内温度を制御する。光合成の速度は、室内温度に依存し、また二酸化炭素の量や照射する光の強度にも依存する。室内温度が所定の範囲内（例えば２０°Ｃから４０°Ｃ）になるように、手動で設定してもよいし、管理装置１５０内に二酸化炭素測定器や光強度測定器などを設置して、自動的に最適な温度になるようにコンピュータで制御してもよい。
【００１８】
シアノバクテリアは光合成により、酸素を発生し、有機物（ＣＨ２Ｏ）を生産する。さらにシアノバクテリアのニトロゲナーゼ反応により、窒素分子をアンモニアへと変換する窒素固定が起こり、その副産物として水素が発生する。本実施例では、この発生した水素を獲得する。
【００１９】
なお、ニトロゲナーゼ反応は、光を照射しなくても起きるため、太陽光が当たるときには光合成反応を起こさせ、太陽光が照射されないときには、ニトロゲナーゼ反応を起こさせるようにしてもよい。その場合には、ライト１２０を点灯する必要がなくなり、より節電効果が高い。
【００２０】
固定された窒素はアンモニアを経て、グルタミンとなり周辺の栄養細胞に送られ、シアノバクテリアの細胞の生育に利用される。そのため、栄養塩類（リン酸、カルシウムなど）は水素生産期には必要ではなく、また二酸化炭素（ＣＯ２）は循環的に利用されるので、環境に対して負荷の低い、省力化された水素生産が可能である。本実施例では、水素を獲得する他、窒素固定反応により生成されるアミノ酸（グルタミン）を含む培養液を獲得する。
【００２１】
水素の獲得方法としては、各容器１１０をそれぞれ柔軟性プラスチックバックで囲いこみ、水素を獲得し、圧縮してタンク２６０（図２参照）に収納する方法や、容器１１０それ自体に蓋とホースなどでガス流路をとりつけ、水素を獲得し、圧縮して高圧タンク２６０に収納する方法などがある。本実施例では、容器１１０それ自体に蓋とガス流路をつけて、水素を獲得し、圧縮して高圧タンク２６０に入れる方法をとる（図示せず）。本実施例では、前述のように３つの容器１１０からなる培養ユニット１６０が４つ設置されており、合計１２個の容器１１０から、同時に多量の水素を獲得することができる。具体的には、１つの培養ユニット１６０を一週間使用して、５０リットルの高圧タンク２６０に８００〜９００気圧の圧力をかけた水素を充填できる。図１に示すように４つの培養ユニット１６０を同時に使用すれば、約２日間で５０リットルの高圧タンク２６０に高圧の水素を充填することができ、効率的である。このような高圧タンク２６０を燃料電池自動車に搭載して使用すれば、６００ｋｍ程度の走行が可能となる。
【００２２】
高圧タンク２６０は、例えば、水素漏れを少なくするため箱型又は円筒型（両端が鏡板のものを含む）とし、材料にはシリコン合金を用いる。このシリコン合金内にステンレス２ｍｍ鋼板入り又はステンレス丸棒５ｍｍを升５ｍｍ四角に編んだものをシリコン合金内の５０ｍｍ厚内に充填挿入する。シリコン合金だけで厚さ５ｃｍ厚の場合、重さ１３３ｋｇ、ステンレスを入れた場合には約２００ｋｇとなり、利用するのは難しいが、シリコン合金のみで１ｃｍ厚さの場合には、約２７ｋｇとなり、利用可能である。
【００２３】
特に、補強充填剤として二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）を燃焼合成されて、配合させたシリコン合金が好ましい。本実施例の重量３２ｇにおけるシリコン合金は、高温強度が鉄の３倍、強度が鉄の２倍、耐熱性は鉄の４倍、耐久性、耐摩擦性は鉄の２倍、耐食性は鉄の４倍であり、鉄よりも強度、耐熱性、耐久性などの面で優れている。さらに重さは鉄の４０％で鉄と比べて軽く、比重は３．２である。また、製造面においても、製造コストが低く、有害廃棄物が少なく鉄鋼並に量産が可能であるという利点がある。
【００２４】
次に前述した窒素固定反応により生成されるアミノ酸を含む培養液の獲得方法について説明する。シアノバクテリアのニトロゲナーゼ反応により固定された窒素はアンモニアを経て、グルタミンとなる。そして、グルタミンは培養液を介して周辺のシアノバクテリアの栄養細胞に送られ、細胞の生育に利用されてシアノバクテリアが増殖する。第１の容器で増殖したシアノバクテリアの一部を培養液ごと第２の容器１１０に移すことにより、第２の容器１１０でのシアノバクテリアの量が増え、そこでさらに増殖したシアノバクテリアの一部を培養液ごと他の容器１１０に移すということを繰り返すことで、グルタミンなどのアミノ酸の濃度（すなわち水素イオン濃度）が高い培養液ができる。その高濃度の培養液を獲得する。水素イオン濃度（ｐＨ）の具体的な数値は後述する。
【００２５】
本実施例では、例えば培養ユニット１６０の一番上の容器１００（第１の容器）からシアノバクテリアの一部を培養液ごとその下の容器１１０（第２の容器）に移し、さらに増殖したシアノバクテリアの一部を培養液ごと一番下の容器１１０に移す。このようにすることで、一番下の容器１１０の培養液がシアノバクテリアの濃度の一番高い培養液であることが容易にわかり、高濃度のアミノ酸を含む培養液を獲得することができる。
【００２６】
この培養液は、後述する電気分解槽２１０（図３参照）の電気分解液に入れる目的で獲得するため、獲得する量は、使用する電気分解槽２１０の大きさに依存して変更する。本実施例では、前記の方法で水素を獲得した後に、培養ユニット１６０の一番下の容器１００からアミノ酸を含む培養液を、手動で計量容器などを用いて獲得する。容器１１０に液体流路を取り付けて、自動的に所定の量だけ獲得できるようにしてもよい。また、培養液を獲得後は、容器１１０内に収容されている水が、光合成や窒素固定のために消費され、所定量以下になったときは、給水タンク１３０から、容器１１０内に水を補充することができる。このようにして、シアノバクテリアの光合成や窒素固定が繰り返し起きる。以上のように、本発明の水素製造システムでは、複数個の容器１１０を使用することにより、簡単なシステムで同時に多量の水素を獲得することが可能となり、また副産物として、発電装置に使用する高濃度のアミノ酸を含む培養液を獲得することができる。
〔発電装置１〕
【００２７】
次に、水素製造システムで生産した水素を利用した発電装置の一実施例を説明する。図２は、水素を利用した発電装置の全体構成を示すブロック図である。発電装置２００は、水素と酸素の燃料供給源２６０、２７０と、燃料電池２２０と、ＤＣ−ＤＣコンバータ２３０と、チャージコントローラ２４０と、スイッチ２０２で接続される補助電源２０１と、インバータ２５０で構成される。
【００２８】
水素の供給源は、前述の水素が収納されている高圧タンク２６０であり、酸素の供給源としては、大気中の酸素を用いてもよいし、窒素などの不純物を排除するために図２に示すように、酸素ボンベ２７０などを用いてもよい。水素と酸素は、配管やチューブなどのガス流路２１５を介して、燃料電池２２０に接続される。
【００２９】
本実施例では、燃料電池２２０として固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）を用いる。固体酸化物形燃料電池は、固体電解質２２１には酸化物イオンの透過性が高い安定化ジルコニアやランタン、ガリウムのペロブスカイト酸化物などのイオン伝導性セラミックスが用いられる。本実施例では、固体電解質２２１に安定化ジルコニアを用いる。固体酸化物形燃料電池は、固体高分子型燃料電池に比べて高効率であり、触媒を不要とする利点がある。
【００３０】
燃料電池２２０は、中央部に固体電解質２２１が配置され、両側に酸素が供給される空気極（正極）２２３、水素が供給される燃料極（負極）２２２が配置される。さらにその両側には水素が供給される燃料供給層２２５と、酸素が供給される酸素供給層２２４が配置されている。また、それらの外側には、酸素と水素が外部へ漏洩する事を防ぐ為に、セパレータ２２６が配置されている。また、空気極２２３の材料としては導電性セラミックス、燃料極２２２の材料としては、ニッケルと電解質セラミックスによるサーメットなどが用いられる。
【００３１】
酸素供給層２２４の酸素原子が空気極２２３で電子（ｅ−）を受け取り、Ｏ２−イオンとなり、固体電解質２２１に運ばれる。この化学反応を化学式で示すと以下の通りである。
【００３２】
【化１】
2015082973.tif 000003
【００３３】
燃料極２２２側では、固体電解質２２１を介して燃料極２２２に到達したＯ２−イオンと、燃料供給層２２５から供給された水素が化学反応を起こし、電子（ｅ−）を放出し、水（Ｈ２Ｏ）を生成する。
【００３４】
【化２】
2015082973.tif 000004
【００３５】
このようにして、電気の流れが作られ、放出された電子（ｅ−）により、外部に接続される電子機器（例えばＤＣ−ＤＣコンバータ）が発電する。生成された水は液体口（図示せず）などを介して外部に排出される。
【００３６】
次にＤＣ−ＤＣコンバータ２３０について説明する。ＤＣ−ＤＣコンバータ２３０は、前述の燃料電池２２０とチャージコントローラ２４０に接続されている。ＤＣ−ＤＣコンバータ２３０は、燃料電池２２０から入力された直流（ＤＣ）電圧を要求される直流（ＤＣ）電圧に変換する装置であり、これにより出力電圧を一定に保つことができる。ＤＣ−ＤＣコンバータは、電子スイッチ、ダイオード、及びインダクタンスを基本素子とし、電子スイッチのスイッチング動作によって電圧を変換する（図示せず）。本実施例では、燃料電池２２０からの入力電圧（１０．５〜１６Ｖ）を出力電圧１２Ｖ（４０Ａ）に変換するＤＣ−ＤＣコンバータ２３０を使用する。
【００３７】
チャージコントローラ（充放電コントローラ）２４０は、ＤＣ−ＤＣコンバータ２３０からの電力を蓄電池２０１に充電するとき、過充電を防ぐ目的で取り付けられる。本実施例で使用するチャージコントローラ２４０は、ＤＣ−ＤＣコンバータ２３０からの入力電圧の確認、蓄電池２０１の電圧の確認、蓄電池２０１へ充放電の管理、インバータ２５０への電力供給などである。これらの確認や管理は、チャージコントローラ２４０の表示画面（例えば液晶モニタなど）に電圧、電流、電力などを表示させて行うことができる。また、パソコンに接続して、確認や管理を行ってもよい。
【００３８】
本実施例では、蓄電池２０１の電圧が、過充電を防ぐため所定の電圧（例えば１４Ｖ）に至った場合に充電を停止するように設定できる。また、蓄電池２０１の電圧が、所定の電圧（例えば１２〜１３Ｖ）の時にインバータ２５０への電力供給を許可し、所定の電圧（例えば１２Ｖ未満）の時にインバータ２５０への電力供給を停止するように設定することもできる。蓄電池２０１の過充電を防ぐための充電停止やインバータ２５０への電力供給の停止は、図２に示すスイッチ２０２によって行うこともできる。
【００３９】
蓄電池２０１は、例えば１２Ｖ２００Ａの蓄電池を４個直列につないで蓄電池容量を９６００Ｗｈとする。また、１２Ｖ２００Ａの蓄電池を１０個直列につないで蓄電池容量を２４ｋＷｈとする大容量の蓄電池２０１としてもよい。この場合には、蓄電池２０１の重量は非常に重くなる（約６００ｋｇ）。
【００４０】
インバータ２５０は、蓄電池２０１からの直流電圧を交流電圧に変換する。例えば、例えば１２Ｖ２００Ａの蓄電池を４個直列につないだ場合には、インバータ２５０の出力電圧を約２．８ｋＷ（ＡＣ１００Ｖ）となる。また、１２Ｖ２００Ａの蓄電池を１０個直列につないだ場合には、インバータ２５０への出力電圧は約４．８ｋＷ（ＡＣ１００Ｖ）となる。このように、蓄電池の数を調整することで、必要とする出力電力が得られる。
【００４１】
本発明の発電装置は、水素１２４０リットルを燃料として発電４．４ｋＷｈに相当する電力が得られている。このように本発明の発電装置を使用することにより、既存の化石燃料や原子力による発電を代替、補完することができる。しかし、長時間にわたり電気を使用したい場合には、蓄電池からの電気量が足りなくなる場合もある。そのような場合には外部電源と組み合わせて、使用できるようにしてもよい。
【００４２】
本発明の発電装置は、特に停電などの非常時においても非常用バッテリーとして自動車用や家庭用発電に使用できる。また、本発明の発電装置で使用されるのは水素と酸素のみであり、排出されるのは水だけであることから、環境への負荷が少ない発電装置である。
〔発電装置２〕
【００４３】
次に本発明の別の発電装置について図３を用いて説明する。図１に示す水素製造システムの培養液を利用した発電装置の全体構成を示すブロック図である。以下、図２で説明した発電装置２００と異なる構成部分を説明し、同じ構成部分については説明を省略する。
【００４４】
図３に示す発電装置３００は、前述の燃料電池２２０に水素と酸素を供給する方法として、高圧タンク２６０ではなく電気分解槽２１０を用いる。電気分解槽２１０に使用する電解液２１１は、精製水に前述の水素製造システム１００で生産したアミノ酸を含む培養液を加えたものを使用する。電気分解槽２１０に入れる培養液は、綿などを使用して濾した後の液体のみを使用してもよい。電気分解液の濃度は０．４ｐＨから３．４ｐＨまでの電気分解液を使用する。本実施例では、２．４ｐＨの電気分解液を用いる。水素イオン濃度の測定は、例えばＰＨメーター（水質測定器）などを利用することができる。また、本実施例では、寒天などを溶かしたゼリー状の電気分解液を用いる。それにより電気分解液の蒸発を防ぐことができる。
【００４５】
本実施例の電気分解槽２１０は、箱型の電解槽に、電解液に接触して水素を発生させる電解用電極２１２（陰極）と、電解液に接触して酸素を発生させる電解用電極２１３（陽極）とを隔壁２１４を挟んで並んで設置させている。また、発生した水素と酸素を排出させて、燃料電池２２０に送り出すガス流路２１５を電解槽の上面に設けることができる。
【００４６】
電解用電極２１２、２１３に電圧を印加するために、電解用電極２１２、２１３は、配線とスイッチを介して外部電源２０１に接続されている。外部電源２０１により電解用電極２１２と電解用電極２１３との間に電圧を印加すると、電解液に含まれるアミノ酸と水を含む電解液を電気分解し、水素および酸素を発生させることができる。
【００４７】
電気分解槽２１０内の電解液が、電気分解のために消費され、所定量以下になったときは、給水タンク１３０から、電気分解槽２１０内に水を補充する。本実施例では、２つの電解用電極２１２、２１３を用いるが、短時間で水素と酸素の発生量を増やしたい場合には、２つの電解用電極２１２、２１３だけでなく、複数の電解用電極を用いてもよい。その場合には、電気分解槽２１０内の電解液が、電気分解のためにより早く消費され、所定量以下になるのが早くなる。
【００４８】
電解用電極２１２、２１３は、安定して水素と酸素を発生させるために、電解液に対する耐食性および遮液性を有する材質であることが好ましい。例えば、電解液に対して耐食性を有する白金や金などの貴金属電極が使用される。また、電解用電極２１２、２１３のうち少なくとも一方は、触媒が担持された多孔質の導電体を使用することもできる。本実施例では、特に導電性と耐食性が高く、表面積が大きい多層カーボンナノチューブ（２〜７層）を使用する。
【００４９】
外部電源２０１により電解用電極２１２と電解用電極２１３との間に電圧を印加すると、陰極の電解用電極２１２では、電解液中の水素イオン（Ｈ＋）が反応して、水素（Ｈ２）が発生する。本実施例の電解液には、シアノバクテリアの窒素固定反応により生成されたアミノ酸（グルタミン）を含む培養液が入っているため、水素イオン（Ｈ＋）が多く含まれている。そのため、通常の水（１リットル）による電解水の水素発生量（１，２４０リットル）と比べて、１リットルの水に１００ｇのアミノ酸培養液を溶かして、２．４ｐＨの電解液を使用した場合には、９００倍もの水素（１１１６，０００リットル）が発生する。
【００５０】
一方、陽極の電解用電極２１３では、電解液中の水（Ｈ２Ｏ）が反応して、酸素（Ｏ２）が発生する。陰極の電解用電極２１２の水素の発生と、陽極の電解用電極２１３の酸素の発生量は、外部電源２０１のスイッチ２０２で調整することができる。すなわち、両方の気体の発生量を多くしたい場合には、スイッチ２０２を入れ、減らしたい場合には、スイッチ２０２を切ることができる。どちらか一方（例えば水素）の気体だけ増やしたい（減らしたい）ときには、片方のスイッチ２０２だけを入れる（切る）こともできる。
【００５１】
隔壁２１４は、電解用電極２１２による水素が発生している空間と、電解用電極２１３
を仕切るように設けることができる。これにより、水素と酸素が混合することを防止できる。隔壁２１４は、例えば、多孔質ガラス、多孔質ジルコニア、多孔質アルミナ等の無機膜あるいは各空間の電解液のイオン濃度を一定に保つようにするために、イオン交換体を含んでもよい。本実施例では、隔壁２１４にイオン交換樹脂を膜状にしたイオン交換膜を使用する。
【００５２】
電気分解槽２１０で発生した水素と酸素は、ガス流路２１５を介して燃料電池２２０の燃料供給層２２５と酸素供給層２２４にそれぞれ排出される。燃料電池２２０と、ＤＣ−ＤＣコンバータ２３０と、チャージコントローラ２４０と、蓄電池２０１と、インバータ２５０の構成は、前述の発電装置２００と同じ構成のため、説明を省略する。
【００５３】
電気分解槽２１０で使用される外部電源２０１は、任意の外部電源、例えば家庭用電源を交流から直流に変換したものや、既存の電池などでもよいし、前述の燃料電池２２０から出力された電力を蓄える蓄電池２０１でもよい。本実施例では、外部電源２０１を蓄電池としている。このようにすることで、外部からの電源の供給がなくても、発電装置３００だけで発電が可能である。しかし、長時間にわたり電気を使用する場合などには、蓄電池からの電気量が足りなくなる場合もあり、そのようなときには、両方の電源（蓄電池、外部電源）を組み合わせて、場合によって使い分けるようにしてもよい。
【００５４】
以上、説明してきた本発明の水素製造システムでは、複数個の容器１１０を使用することにより、簡単なシステムで同時に多量の水素を獲得することが可能となる。また、複数個の容器１１０を使用することにより、シアノバクテリアの光合成、窒素固定反応により、高濃度のアミノ酸を含む培養液を獲得することができる。
【００５５】
また、水素製造システムで獲得した水素を用いて、効率のよい発電装置２００を提供することができる。本発明の水素収納タンク（高圧タンク）は、二酸化ケイ素を燃焼合成して配合したシリコン合金からなることにより、水素漏れが少なく、強度、耐熱性、耐久性などが優れており、また利用可能な重さになっていることから、例えばキャンピングカーなどに載せて使用することができる。
【００５６】
さらに、発電装置３００は、電気分解槽２１０に高濃度のアミノ酸を含む培養液を使用しているため、従来の電気分解槽と比べて水素発生率が高く、効率よく水素を獲得でき、発電させることができる。
【００５７】
本発明の発電装置は、特に非常時においても非常用バッテリーとして自動車用や家庭用発電に利用でき、さらに中小企業で使用する電力としても利用できる。
【符号の説明】
【００５８】
１００…水素発電システム、１１０…容器、１２０…ライト、１３０…給水タンク、１４０…管理装置、１５０…固定枠、１６０…培養ユニット、２００，３００…発電装置、２０１…蓄電池、２０２…スイッチ、２１０…電気分解槽、２１１…電解液、２１２…電解用電極（陰極）、２１３…電解用電極（陽極）、２１４…隔壁、２１５…ガス流路、２２０…燃料電池、２２１…固体電解質、２２２…燃料極、２２３…空気極、２２４…酸素供給層、２２５…燃料供給層、２２６…セパレータ、２３０…ＤＣ−ＤＣコンバータ、２４０…チャージコントローラ、２５０…インバータ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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