(57)【要約】【課題】純水を電解し水素を製造するために地下水を使用するとすれば、取水コスト、水道水を使用するとすれば、配水コストが必要である。また、商用電源および水源の確保が困難な地域で、純水を電解して水素を製造することは困難であった。【解決手段】商用電源と水源の確保が困難な地域や場所で、太陽熱、風力、太陽光の自然エネルギーを利用してハイブリッド発電をした電気を、レドックスフロー電池に貯蔵し、その電気を使って大気中の水分を用いて低コストで製造した純水を電解して高純度の水素を製造する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽熱発電装置と風力発電装置および太陽光発電装置を備えたハイブリッド発電装置で発電をする手段と、前記ハイブリッド発電した電気を蓄電池に貯蔵する手段と、前記貯蔵した電気を使って、大気中の水分から原水を生成する手段と、前記原水から純水を製造する手段と、前記純水から高純度の水素を製造する手段を設けたことを特徴とする大気中の水分を用いた水素製造装置。
【請求項２】
前記太陽熱発電装置、風力発電装置と太陽光発電装置でハイブリッド発電をする手段は、太陽熱集束ディッシュスターリング多気筒型発電装置、垂直軸型サボニウス風車式風力発電装置および太陽電池を備えたことを特徴とする請求項１に記載の大気中の水分を用いた水素製造装置。
【請求項３】
請求項２に記載のハイブリッド発電した電気を蓄電池に貯蔵する手段は、レドックスフロー電池を備えたことを特徴とする請求項１に記載の大気中の水分を用いた水素製造装置。
【請求項４】
請求項３に記載のレドックスフロー電池から供給される電気を使い大気中の水分から原水を生成する手段は、取湿原水製造装置と製造した原水を貯留する原水タンクを備えたことを特徴とする請求項１に記載の大気中の水分を用いた水素製造装置。
【請求項５】
請求項４に記載の原水タンクの原水から純水を製造する手段は、逆浸透膜純水製造装置および製造した純水を貯留する純水タンクを備えたことを特徴とする請求項１に記載の大気中の水分を用いた水素製造装置。
【請求項６】
請求項５に記載の純水タンクの純水から高純度の水素を取り出す手段は、固体高分子電解質水電解方式水素発生装置を備えたことを特徴とする請求項１に記載の大気中の水分を用いた水素製造装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明に係る大気中の水分を用いた水素製造装置は、太陽熱、風力、太陽光といった自然エネルギーを利用してハイブリッド発電をした電気を使い、大気中の水分から生成した原水を用いて製造した純水を電解し、高純度の水素を製造することを目的とする技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、純水製造用の原水を確保し、原水から純水を生成し、純水を電解し水素を製造する。（例えば、特許文献１参照）商用電源と水源の確保が困難な砂漠、山岳地帯、離島および海上プラットフォームなどの場所で原水を確保することは困難であった。又、地下水、水道水などの水源が確保できるとしても、原水に地下水を使用するとすれば、ボーリング調査、掘削費用、給水設備、水質検査費用などの取水コストが必要である。また水道水を使用するとすれば配水コストが必要である。更に、取水した水道水は、家庭排水、農業排水、工業排水、家畜排水の流入した河川から大半は取水するために、化学消毒剤や不純物が含まれており、常に除去費用が必要である。
【０００３】
【特許文献１】
特開平０８−０８５８９２
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
純水を電解する水素製造に関しては、上記の問題を抱えている。本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、商用電源と水源の確保が困難な砂漠や山岳地帯、離島および海上プラットホームなどの地域や場所において、豊富なエネルギー媒体である風力と太陽の自然エネルギーを用いて発電をし、発電した電気は蓄電池に貯蔵し、その蓄電池から供給される電気を使用して、地球上いたるところに存在する枯渇しない大気中の水分から簡単に低コストで原水を生成し、原水から純水を製造し、製造した純水を電解して高純度の水素を製造する装置である。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の水素製造装置は、太陽熱と風力と太陽光を用いてハイブリッド発電をする手段と、発電した電気を電池に蓄電する手段と、その電池から供給する電気を使って大気中の水分から原水を生成し原水タンクに貯留する手段と、原水から純水を製造し純水タンクに貯留する手段と、純水タンクから供給する純水を電解して、高純度の水素を取り出す手段を設けたことを特徴とする。
【０００６】
装置の一部を構成している太陽熱、風力発電および太陽光発電を同時に行なうハイブリッド発電装置が発電した電気を、原理的に充電、放電の繰り返しによる劣化の要因がない蓄電装置に貯蔵する。貯蔵した蓄電池の電気を使い、原水製造装置を稼動して外気を吸い込み、大気中の水分から原水を生成する。生成した原水は原水タンクに貯留する。
【０００７】
原水タンクから供給された原水は、貯蔵した蓄電池の電気を使い、高能力の逆浸透膜純水製造装置に通水して純水を製造する。製造した純水は純水タンクに貯留する。
【０００８】
純水タンクから供給された純水は、貯蔵した蓄電池の電気を使い、水電解装置で電解し、高純度の水素を製造する。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施例を図面に基づいて説明する。図１は本発明の第１の実施例である大気中の水分を用いた水素製造装置を示す概略正面図である。図１に示すごとく、実施例の大気中の水分を用いた水素製造装置は、水素製造装置および蓄電装置の両装置の本体上に載置した太陽熱発電、風力発電および太陽光発電を同時に行なうハイブリッド発電装置を構成する太陽熱集束ディッシュスターリング多気筒型発電装置１、垂直軸型サボニウス風車式風力発電装置２、太陽電池３もしくは、水素製造装置および蓄電装置の両装置の本体上以外に別置きされた、図示していない太陽熱発電、風力発電および太陽光発電を同時に行なうハイブリッド発電装置を構成する太陽熱集束ディッシュスターリング多気筒型発電装置１、垂直軸型サボニウス風車式風力発電装置２、太陽電池３と蓄電装置であるレドックスフロー電池４、レドックスフロー電池４の電源で駆動を開始する取湿原水製造装置５、取湿原水製造装置５で生成された原水を貯留する原水タンク６、原水を逆浸透膜純水製造装置７に通水して製造した純水を貯留する純水タンク８、純水を使って高純度の水素を製造する固体高分子電解質水電解方式水素発生装置９と制御盤１０により構成される。
【００１０】
図１に示すように、太陽熱発電、風力発電および太陽光発電を同時に行なうハイブリッド発電装置は、太陽熱集束ディッシュスターリング多気筒型発電装置１、垂直軸型サボニウス風車式風力発電装置２、太陽電池３で構成され発電をする。
【００１１】
図２に示すように、太陽熱集束ディッシュスターリング多気筒型発電装置１、垂直軸型サボニウス風車式風力発電装置２および太陽電池３のハイブリッド発電装置で発電された直流（ＤＣ）電気は、電気を化学的に貯蔵する技術で、充電放電による劣化の要因がない長サイクル寿命を達成できることを特徴とするレドックスフロー電池４に貯蔵する。電子の出し入れという基本原理は、すべての化学電池において生じるがレドックスフロー電池４では、電子の出し入れ、すなわち充電放電を酸化還元状態をとる鉄、クロム、バナジウム、チタン、アクチナイドなどを溶かした二種類の電解液タンクのレドックスイオン溶液を利用して行なう。一例としてレドックスイオン溶液にバナジウムを使用した場合は、電解液タンク内の電解液の一つは４価のバナジウム希硫酸電解液で正極液タンク１１、電解液のもう一つは３価のバナジウム希硫酸電解液で負極液タンク１２である。正極液と負極液の両極液タンクの中間に、イオン交換膜１３を挟んで炭素繊維電極材料からなる正極１４と負極１５で構成されたセル１６（電極部）が配置されている。セル１６（電極部）と電解液タンク１１、１２は、分離して設置できる。図１の太陽熱集束ディッシュスターリング多気筒型発電装置１、垂直軸型サボニウス風車式風力発電装置２および太陽電池３のハイブリッド発電装置で発電した電気を蓄電する場合、レドックスイオン溶液にバナジウムを使用した場合は、レドックスフロー電池４のセル１６内の炭素繊維正極１４・負極１５上でバナジウムの電極反応を利用して充電、放電をする。充電時に正極１４で発生する水素イオンは、イオン交換膜１３を通って負極１５側に移動して電解液の電気的中性条件を満たす。充電により正極液タンク１１内の正極液は４価から５価のバナジウムに、負極液タンク１２内の負極液は３価から２価のバナジウムに変換される。電解液が電池セル内を循環する際のイオン価数変化による可逆反応で、充電、放電を繰り返えすことによる電気エネルギーの貯蔵、払出しをする。
【００１２】
図３に示すように、取湿原水製造装置５は、レドックスフロー電池４から交流電源を供給して駆動し、外気を吸い込み、室内用の除湿装置の原理を応用して大気中の水分から水滴を集め原水を生成する。室内用の除湿装置としては、例えば特開平１０−０４７７０５号で出願されたものがある。この出願の除湿装置および一般的な除湿機は、室内の適度な除湿を目的のために発明されたものであり、除湿装置内の回収した結露水を再利用する目的で構成されたものではないことから、回収した結露水には室内に浮遊する塵埃が含まれている。本発明の水素製造装置の一部を構成する取湿原水製造装置５は、回収した結露水を集めた原水から水素を製造する目的で装置を構成するために、装置内に吸入した空気に含まれる塵埃を除去するための集塵フィルター機能を備える。装置内に吸入した空気に含まれる湿気を極限まで取りこみ、不純物の少ない原水を生成する。
【００１３】
取湿原水製造装置５を用いて大気中の水分から生成された原水は、不純物が少なく、不純物除去工程が必要な水道水や河川水および地下水の原水製造方法と比較して低コストで簡素な装置である。取湿原水製造装置５で製造された原水は、原水タンク６に貯留する。
【００１４】
図４に示すように、逆浸透膜純水製造装置７は、原水タンク６からポンプで送られた原水を、逆浸透膜純水製造装置７の内部に取り付た０．０００１ミクロン（１０００万分の１ミリ）以上の超微細な浸透膜を備えた逆浸透膜フィルター１７を介して高純度の純水を製造する。逆浸透膜純水製造装置７で製造した純水は、適切な形態の純水タンク８に貯留する。
【００１５】
従来は、水をイオン交換樹脂を通して脱イオン化した水や、水を加熱蒸留した蒸留水を指して純水と呼んでいた。ここでいう純水は、超ＬＳＩの製造に使用されている超純水を製造する高能力逆浸透膜純水製造装置と同等の純水製造装置で造られた水であり、ほぼ純粋のＨ２Ｏと等しく、電離以外のイオンはゼロで、無機塩類やＣＯ２など、すべての溶存電解質が除去されていて、Ｈ２Ｏの電気伝導率５．５×１０の８乗Ｓ／ｃｍの近似値を示す。このような電気伝導率になると水の内部で静電気を起こしやすい状態になり、放電すれば水の分子（Ｈ２Ｏ）は、水素イオン（Ｈプラス）と水酸化物イオン（ＯＨマイナス）に分離し、高純度の水素が発生する。
【００１６】
しかし水はそのままでは電気を通さないため、電気分解を起こさない。そこで、たとえば電解質として水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）を水に添加して、水の電気分解を起こす。水に溶存する電解質の電気分解に伴って、水の電気分解が惹起される。この電解質水の代替の役割を固体高分子電解質膜１８が行なう。
【００１７】
図５に示すように固体高分子電解質水電解方式水素発生装置９は、純水タンク８から取水した純水の水（Ｈ２Ｏ）を固体高分子電解質膜１８で解離して、水素イオン（Ｈプラス）と水酸化物イオン（ＯＨマイナス）を生成する。固体高分子膜の両面に張られた電極触媒層１９、２０を接合し、陽極側に純水を供給し通電すると、陽極の電解触媒層１９で水が分解され、Ｈプラスイオンが生成される。生成されたＨプラスイオンは、電場の働きで固体高分子電解質膜１８内を移動し、陰極の電極触媒層２０で電子を得て高純度の水素を発生する。
【００１８】
本発明の具体例に対して、本発明の真髄から逸脱することなく実施の形態例から以下の改良ができる。具体的好例として、垂直軸型サボニウス風車式風力発電装置の代替として、水平軸プロペラ型定翼式風力発電装置を利用することは、容易に理解できる。更に商用電源により配電がされている場所や地域では、商用電源を使って本発明の大気中の水分を用いた水素製造装置を稼動できることも容易に理解できる。
【００１９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の大気中の水分を用いた水素製造装置は、設置の一例として、商用電源と水源の確保が困難な砂漠、山岳地帯、離島および海上プラットホームなどの地域や場所において自然エネルギーによる発電をし、発電した電気を使用して、大気中の水分から水素を製造できる。製造された水素は燃料電池や水素エンジンなどに供給することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例である大気中の水分を用いた水素製造装置を示す概略正面図である。
【図２】同水素製造装置に用いられるレドックスフロー電池を示す流れ図である。
【図３】同水素製造装置に用いられる取湿原水製造装置、原水タンクを示す流れ図である。
【図４】同水素製造装置に用いられる逆浸透膜純水製造装置と純水タンクを示す流れ図である。
【図５】同水素製造装置に用いられる固体高分子電解質水電解方式水素発生装置を示す流れ図である。
【符号の説明】
１  太陽熱集束ディッシュスターリング多気筒型発電装置
２  垂直軸型サボニウス風車式風力発電装置
３  太陽電池
４  レドックスフロー電池
５  取湿原水製造装置
６  原水タンク
７  逆浸透膜純水製造装置
８  純水タンク
９  固体高分子電解質水電解方式水素発生装置
１０  制御盤
１１  正極液タンク
１２  負極液タンク
１３  イオン交換膜
１４  正極
１５  負極
１６  セル
１７  逆浸透膜フィルター
１８  固体高分子電解質膜
１９  陽極触媒層
２０  陰極触媒層
【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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