(57)【要約】【課題】  エネルギー源として利用可能な水素の製造に適用可能な電解発光装置、およびこの電解発光装置を利用した水素発生装置および水素発生方法、およびこのような装置によって得られた水素を用いた発電装置および発電方法を提供する。【解決手段】  図１に示した電解発光装置は、電解槽としての反応容器１と、この反応容器１の内部に保持される電解液４と、電解液４と接触するように配置され、高融点金属を含む白金陽極５および陰極端子２先端部と、電解発光反応手段としての電源１８および制御装置１７とを備える。電解液４は、電解質としてのアルカリ金属炭酸塩の濃度が０．０５モル／リットル以上となっている。白金陽極５は、陰極端子２の先端部の表面積の１０倍以上の表面積を有する。電源１８および制御装置１７は、陰極端子２の先端部および白金陽極５に１００Ｖ以上の電圧を印加することにより、電解発光反応を生じさせる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解槽と、
前記電解層の内部に保持され、電解質濃度が０．０５モル／リットル以上である電解液と、
前記電解液と接触するように配置され、高融点金属を含む陰極と、
前記電解液と接触するように配置され、高融点金属を含み、前記陰極の表面積の１０倍以上の表面積を有する陽極と、
前記陰極および前記陽極に、１００Ｖ以上の電圧を印加することにより、電解発光反応を生じさせる電解発光反応手段とを備える、電解発光装置。
【請求項２】
前記電解液における電解質濃度を調整する濃度調整部を備える、請求項１に記載の電解発光装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の電解発光装置と、
前記電解槽に接続され、前記電解発光反応により前記電解液が分解された結果発生する水素ガスを前記電解槽の外部に取出すガス取出部材とを備える、水素ガス発生装置。
【請求項４】
請求項３に記載の水素ガス発生装置と、
前記水素ガス発生装置から取出した水素ガスを燃料として発電する燃料電池とを備える、発電装置。
【請求項５】
前記水素ガス発生装置から取出された水素ガスから液体を除去するとともに、前記水素ガスの湿度を調整する調整装置を備える、請求項４に記載の発電装置。
【請求項６】
前記水素ガス発生装置は、前記電解発光反応により前記電解液が分解された結果発生する酸素ガスを前記電解槽の外部に取出す酸素ガス取出部材を含み、
前記水素ガス発生装置の前記ガス取出部材および前記酸素ガス取出部材から取出される前記水素ガスと前記酸素ガスとを燃料として前記燃料電池に供給する供給管路と、
前記燃料電池における発電の結果前記水素ガスと前記酸素ガスとから生成された水を前記水素ガス発生装置の前記電解槽に還流させるための還流管路とを備え、
前記水素ガス発生装置と前記燃料電池とが密閉回路を構成していることを特徴とする、請求項４または５に記載の発電装置。
【請求項７】
請求項４〜６のいずれか１項に記載の発電装置と、
前記発電装置から熱エネルギーを取出す熱エネルギー取出部材とを備える、コジェネレーションシステム。
【請求項８】
電解槽に電解質濃度が０．０５モル／リットル以上である電解液を配置する工程と、
高融点金属を含む陰極と、高融点金属を含み、前記陰極の表面積の１０倍以上の表面積を有する陽極とを、前記電解液に浸漬する工程と、
前記陰極および前記陽極に、３５０Ｖ以上の電圧を印加することにより、電解発光反応を生じさせる工程と、
前記電解発光反応により前記電解液が分解された結果発生する水素ガスを前記電解槽の外部に取出す工程とを備える、水素ガス発生方法。
【請求項９】
前記電解発光反応を生じさせる工程は、前記電解液の温度を７０℃以上１００℃以下とするように調整することを含む、請求項８に記載の水素ガス発生方法。
【請求項１０】
前記電解発光反応を生じさせる工程において、前記陰極および前記陽極に印加される電圧がパルス電圧である、請求項８または９に記載の水素ガス発生方法。
【請求項１１】
請求項８〜１０のいずれか１項に記載の水素ガス発生方法を実施することにより水素ガスを得る工程と、
前記水素ガスを燃料ガスとして用いて、燃料電池により発電する工程とを備える、発電方法。
【請求項１２】
前記燃料電池に供給される前記水素ガスから液体を除去するとともに、前記水素ガスの湿度を調整する工程をさらに備える、請求項１１に記載の発電方法。
【請求項１３】
請求項１１または１２に記載の発電方法を実施することにより電気エネルギーを前記燃料電池から外部へ供給する電気エネルギー供給工程と、
前記発電方法を実施することに伴って発生する熱エネルギーを前記電解槽および前記燃料電池の少なくともいずれか一方から外部へ供給する熱エネルギー供給工程とを備える、エネルギー供給方法。
【請求項１４】
電解液と接触するように配置され、電解発光反応を発生させるために用いられる電解発光装置用電極であって、
高融点金属を含む陰極と、
高融点金属を含み、前記陰極の表面積の１０倍以上の表面積を有する陽極とを備える、電解発光装置用電極。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、電解発光装置、電解発光装置用電極、水素ガス発生装置、発電装置、コジェネレーションシステム、水素ガス発生方法、発電方法およびエネルギー供給方法に関し、より特定的には、電解発光現象を安定して発生させることができる電解発光装置、電解発光装置用電極、当該電解発光装置を利用した水素ガス発生装置、発電装置、コジェネレーションシステム、水素ガス発生方法、発電方法およびエネルギー供給方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、電解発光現象を利用した熱エネルギー取出装置が知られている（たとえば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００１−１０８７７５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上述した電解発光現象を利用した熱エネルギー取出装置、およびこの熱エネルギー取出装置を利用した発電装置などのような、従来のエネルギー源（電力源）とは異なる新しいエネルギー源の開発が地球環境問題への対応といった観点から望まれている。以下、より具体的に説明する。
【０００４】
１．従来からのエネルギー技術（発電技術）の問題点
（現在用いられている主な発電方式の課題と問題点について）
現在、我々が利用している電気エネルギー（以下エネルギーともいう）は、以前に比べて原子力エネルギーの比率が増えてきてはいるものの、ほとんどが石油、石炭といった化石燃料に起因するものである。しかし、化石燃料を使用した場合には、二酸化炭素（ＣＯ2）の発生が避けられない。したがって、地球の温暖化を初めとする地球環境問題の顕在化が顕著になってきた現在、世界的な規模でのよりクリーンなエネルギーの導入が期待されている。
【０００５】
このため、資源量の豊かな石炭エネルギーなどの高効率、低環境負荷での利用を可能とするための技術の開発、導入を図ることが望まれている。また、将来的には、化石燃料への依存度を低減しつつ、世界に広くかつ豊富に存在する再生可能なエネルギーといったような、よりクリーンなエネルギーを地球規模で導入することが重要である。
【０００６】
現在主に用いられている発電方法は、原子力発電、火力発電、水力発電などがあり、また、その他さまざまな方式の発電方式が研究、あるいは実用化されている。ここで、原子力発電とは、濃縮ウランやプルトニウムのような核燃料を用いたものであり、核エネルギーをまず熱エネルギーに変換する。この熱エネルギーにより発生した高温の蒸気を蒸気タービンに導き発電機を回転させ、結果的に電気エネルギーを得るものである。また、火力発電は、気体燃料や液体燃料、石炭、その他の可燃物（ＲＤＦ（Refuse Derived Fuel）を含む）を燃焼させて、まず熱エネルギーを発生させる。この熱エネルギーにより高温の蒸気を発生させ、この高温の蒸気によって蒸気タービンを回し、結果的に発電機を駆動して電気エネルギーを得る。また、水力発電は、ダムに貯留した水がダムから流出するときの流れによりタービンを回し発電機を駆動して電気エネルギーを得るものである。また、その他の発電方式としては、たとえば地熱発電、風力発電、太陽電池発電、火力発電、燃料電池発電などが挙げられる。
【０００７】
上述した発電方式のうちで、現在主に用いられている発電方式としては、原子力発電、火力発電、水力発電が挙げられる。しかし、これらの発電方式においては、以下に述べるような課題がある。
【０００８】
まず、原子力発電については、放射線に対する安全性を確保するため、高額な設備が必要となる。また、放射性廃棄物の処理、対策が必要となる。また、ウラン燃料資源の有効利用という点からは、核燃料サイクルを確立することが必要であるが、現時点では当該核燃料サイクルはまだ確立した状態とはいえない。また、使用済み核燃料の再処理に伴って発生するプルトニウムを軽水炉において燃料として用いるプルサーマル計画も、大きく進展しているとはいえない。また、放射性物質の漏洩などの問題の発生を防ぎ、安全性を確保しなければならない。また、原子力発電所の維持のため、高額なメンテナンス費用が発生している。また、原子力発電所の設置に伴って、周辺環境への影響が懸念される（環境問題の発生が懸念される）。また、新規の原子力発電所を建設するための建設予定地を新しく確保することが困難になってきている。
【０００９】
また、火力発電においても、以下のような問題がある。すなわち、火力発電の設備を設置する場合に、排出ガスなどの規制からその立地条件が厳しく制限される。また、排出ガスに対して脱硫処理や、ＮＯX対策などを施す必要があるため、その設備投資が高額になる。また、石炭を燃料として用いる火力発電の場合には、燃焼後の石炭灰の処理の問題がある。また、発電によって発生する暖かい排水（温排水）を周辺に放出することによる環境への負荷が懸念される。また、石炭など化石燃料を燃焼させるために、二酸化炭素を大気中に放出することになり、結果的に地球温暖化の原因といわれる二酸化炭素ガスを発生させることになる。また、ＲＤＦを燃料とした発電（ＲＤＦ発電）に関しては、その発電効率がまだ十分高い状態ではなく、その発電効率を向上させることが求められている。また、ＲＤＦ発電においては、ダイオキシンなどの発生も懸念される。
【００１０】
また、水力発電においては、以下のような問題がある。すなわち、水力発電所の設置場所について、その条件が厳しいため、現実的に新たな設置が困難になってきている。また、水力発電のためにダムを建設するような場合には、環境に対する対策を施す必要がある。また、ダムの建設によって水没する集落などの住民に対して補償や新しい移住先などの確保といった対策が必要となる。また、水力発電のためのダムにおいては、長年の運用によりダム内に砂や泥などが堆積するため、ダムの容量が年々小さくなる。そのため、定期的にダム内に溜まった砂などを排出するといったメンテナンスが必要になり、運転コストの上昇要因となる。
【００１１】
上述のように、現在の主な発電方式にはさまざまな問題がある。また、上述したその他の発電方式は、環境への負荷および設置条件などを考慮して徐々に普及するものと考えられる。しかし、現状の原子力発電や火力発電のような大規模な電力を供給する主力の発電方式としてすぐに利用はできないと思われる。
【００１２】
ここで、上述した発電方式のうち、燃料電池発電が近年注目されてきている。燃料電池発電は、アメリカの宇宙開発計画であるジェミニ計画やアポロ計画、スペースシャトル計画などにおいて、宇宙船用電源として開発、使用されてきている。これは、燃料電池が、高効率および高出力密度といった優れた特性を有しているためである。また、近年は、天然ガスやナフサなどの軽質油、またはメタノールなどを改質して得られる水素が主成分のガスまたは石炭ガスを燃料として、一般発電用の燃料電池を用いた発電システムが、商用化を目指して研究開発されている。しかし、このようなシステムはまだ価格が高く、その寿命も短いため、低価格化および長寿命化といった課題を解決するための研究が鋭意なされている。
【００１３】
燃料電池は、水素と酸素の電気化学反応により直接電気を発生する発電システムである。そして、燃料である水素は、たとえば水を電気分解して製造する、あるいは上述した天然ガスなどの燃料を改質することによって得ている。
【００１４】
しかし、上述のように水の電気分解によって水素を製造するといった方法は、エネルギー用燃料の確保方法としては経済的な問題がある。また、燃料から水素を得る方法についても、燃料改質プロセスを行なうことが必要であり、燃料電池を用いた発電システムの発電コストはまだ商用化レベルにまで至っていない。つまり、燃料電池を用いた発電システムにおいては、水素をどのように低コストで確保・供給できるかが一つの大きな課題である。
【００１５】
そこで、水素の製造方法について、現在までの製造方法と新たな製造方法について、以下簡単に述べる。
【００１６】
（現在までの水の電気分解による水素の製造技術）
水を分解して水素と酸素を作り、クリーンな二次エネルギーとして利用するシステムが従来から検討されている。水の電気分解は、化学原料としての水素を得る方法として以前から工業的に行なわれてきた。我が国においても、昭和３０年代までは、肥料工業においてアンモニアを作る原料としての水素を生産するため、大規模な水電解槽が国内各地で稼働していた。しかし、石油化学の勃興とともに、炭化水素の水蒸気改質により水素を製造する方法が経済的に有利となった。このため、水の電気分解による水素の製造方法から、上述の炭化水素の水蒸気改質による水素の製造方法へと水素の製造方法は移行した。現在では、世界的に見ても水力発電によって比較的安価な電力の得られるような特殊な地域を除いて、大規模な水の電気分解による水素の製造はあまり行なわれていない。
【００１７】
近年、水素エネルギーシステムが提唱されている。そして、このように水素がエネルギー媒体として見直されてきたことにより、電力から容易に水素を製造できる水の電気分解（水電解）に再び関心が持たれるようになってきている。水電解は、現在のところ、原子力および太陽エネルギーのような非化石エネルギー源から工業的に確立した唯一の水素製造技術である。このため、オイルショックの後に、各国で新しい水電解技術の開発が行なわれた。
【００１８】
なお、エネルギーの媒体である水素を作る方法としての水電解は、上述のように工業的に確立された技術であるという利点があるが、電気という良質のエネルギー（動力）から水素という燃料（熱源）をつくるために、エネルギーの質を低下させる（効率を悪くする）という欠点がある。
【００１９】
また、化学原料としての水素製造の場合と異なり、大量の水素を供給するためには、設備の規模が極めて大きくなり、また経済的な妥当性を確保するために、水素を製造する際のエネルギー効率が高いこと、つまり付加価値の低い燃料を製造することになるため、経済的に妥当な水準で（すなわち低コストで）実現できることが必要である。ここで、水電解槽は比較的大きな面積を必要としていた。このため、低コストで大容量の設備を作るためには、当該装置全体をコンパクトなものとして開発する必要がある。そして、水電解の装置を小型にするためには、電極板の面積当りの電流を大きくして単位面積当りの水素発生量を大きくするといったことが考えられる。しかし、電極板の面積当りの電流値を大きくすることは、必然的に電気抵抗などによるエネルギー損失を増加させることになる。この結果、エネルギーの変換効率が低下するという問題がある。
【００２０】
上述のような問題を解決するため、従来、以下の３つの方向の技術開発が行なわれていた。すなわち、高温高圧水電解、固体高分子電解質（ＳＰＥ）水電解、高温水蒸気水電解である。
【００２１】
日本では、１９７４年からサンシャイン計画が当時の通商産業省（現在の経済産業省）工業技術院によって開始された。この計画の水素製造技術開発の一部として、高温高圧アルカリ水電解法の電解槽開発が行なわれた。このプロジェクトは１０年間継続し、８０ｋｗのパイロットプラントが建設され、当該プラントの運転、研究が行なわれた。しかしながら、石油の需給が緩和してからは、新エネルギーの開発意欲が薄れたこと、および当面の技術的な目標を達成できたといった理由から、１９８０年代半ばまででほとんどのアルカリ水電解槽の大規模な開発計画は終了した。
【００２２】
（水電解以外で水を分解する方法について）
上述のような水電解以外で水を酸素と水素へ分解する方法としては、１．直接熱分解法、２．放射線分解法、３．熱化学分解法、４．光分解法、の４つがある。
【００２３】
直接熱分解法は、水を約２７００℃以上の状態で加熱を継続することにより行なわれる。このような条件で水を加熱すると、以下に示す化学反応式、
Ｈ2Ｏ→Ｈ2＋１／２Ｏ2
のような反応が起きる。このように、直接熱分解法においては、水を酸素と水素とに直接分解する。
【００２４】
ここで、標準状態にある水を分解し、標準状態の気体である水素と酸素とに分解するのに必要な全エネルギーは、理論的には次の式による。
【００２５】
ΔＨ＝ΔＧ＋Ｔ・ΔＳ
ここで、全エネルギーすなわちエンタルピーの変化ΔＨは、ギブスの自由エネルギーΔＧと、熱エネルギーΔＱとからなる。この熱エネルギーΔＱは、Ｔ・ΔＳと等しい。ここで、Ｔは絶対温度を示し、ΔＳはエントロピー変化を示す。
【００２６】
次に、放射線分解法は、ギブス自由エネルギーを放射線で充てる方法であり、たとえばベータ線を用いた場合には以下のような反応が起きる。
【００２７】
ＣＯ2＋β→ＣＯ-＋１／２Ｏ2
ＣＯ-＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋Ｈ2＋ｅ-
なお、ベータ線は電子（ｅ-）であるため、上述した反応式によって示された反応は、一種の電気分解であるともいえる。
【００２８】
また、熱化学分解法は、全エネルギーΔＨの中のギブス自由エネルギーΔＧとして化学エネルギーを適用する方法である。たとえば、ある化学物質ＡとＢとを水に混合した場合を考える。この混合液体を加熱すると、化学物質ＡとＢと水との間に化学反応が起き、化学エネルギーが放出される。このような反応を化学式で書けば、以下のようなものとなる。
【００２９】
Ａ＋Ｂ＋Ｈ2Ｏ→ＡＨ2＋ＢＯ
ＡＨ2→Ａ＋Ｈ2
ＢＯ→Ｂ＋１／２Ｏ2
ここで、水を一気に分解するよりも、上述した化学式のように３つのプロセスに分けて分解する方が分解しやすくなる。この熱化学分解は、化学物質Ａ、Ｂが触媒的作用をし、それら自身は排出も消耗もされない完全なリサイクル方式と言える。このため、理想的な水分解方式として注目を集めた。そして、世界中のエネルギー関連の研究所において独自の方式が提案され、熱化学サイクル法と呼ばれて大変盛んに研究された時期があった。
【００３０】
しかし、化学反応自体は間違いなく進んでも、生成物の分離、熱伝達、生成物の輸送、貯蔵などの化学工学上の問題や、化学物質Ａ、Ｂなどについての問題があった。特に、化学物質Ａは、ハロゲンなどの腐食性の強いものを用いた場合しか所定の効果を得られなかった。この結果、このような熱化学サイクル法を実施する装置の材料に関して問題があった。このため、上述した熱化学分解法は実用化には至らず、まだ引続き研究が行なわれている。
【００３１】
次に、光分解法では、ＰＮ接合半導体を使用する。ＰＮ結合で形成された拡散電解によって、光により生成された電子と正孔の対は半導体内部で分離する性質がある。この半導体を電解溶液に浸漬した場合には、その界面において拡散電解ができる。そして、この拡散電解を利用した水の水素と酸素への分解も可能である。たとえば、電極として酸化チタン半導体（ＴｉＯ2）と白金（Ｐｔ）とを用い、水酸化カリウム（ＫＯＨ）溶液中にこれらの電極を浸漬した装置において、酸化チタンに紫外線を当てる。すると、電子と正孔（Ｐ+）が生成する。そして、これが拡散電解で分離され、正孔は水分子に作用して以下の反応式に示すような反応を起こす。
【００３２】
Ｈ2Ｏ＋２Ｐ+→２Ｈ+＋１／２Ｏ2
このような反応により、酸素が発生する。さらに、水素イオン（Ｈ+）は溶液中を移動してＰｔ電極で電子と結合する。この結果、以下に示すような反応が起きる。
【００３３】
２Ｈ+＋２ｅ-→Ｈ2
この結果、水素が発生する。
【００３４】
この方法では、半導体が大変重要な役割を果たす。半導体としては、ＴｉＯ2の他、ＳｒＴｉＯ3、Ｆｅ2Ｏ3、ＷＯ3などが考えられる。なお、このような光分解法において用いることができる半導体の条件としては、禁止帯幅が１．５〜２．５ｅＶの範囲であること、および光起電力が十分大きいことなどが挙げられる。
【００３５】
水を分解する方法としては、以上のようなものが考えられてきた。しかし、特殊なケースを除いては、いずれもまだ主に経済的な理由から本格的な実用化には至っていないのが現状である。この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の目的は、エネルギー源として利用可能な水素の製造に適用可能な電解発光装置および電解発光装置用電極、およびこの電解発光装置を利用した水素発生装置および水素発生方法、およびこのような装置によって得られた水素を用いた発電装置および発電方法、さらにはコジェネレーションシステムおよびエネルギー供給方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００３６】
この発明に従った電解発光装置は、電解槽と、この電解槽の内部に保持される電解液と、電解液と接触するように配置され、高融点金属を含む陽極および陰極と、電解発光反応手段とを備える。電解液は、電解質濃度が０．０５モル／リットル以上となっている。陽極は、陰極の表面積の１０倍以上の表面積を有する。電解発光反応手段は、陰極および陽極に１００Ｖ以上の電圧を印加することにより、電解発光反応を生じさせる。
【００３７】
このようにすれば、電解発光反応を連続的に安定して発生させることができる。したがって、電解発光反応を利用した水素ガスの発生工程への利用など、電解発光反応を工業的に安定的に利用することができる。
【００３８】
上記電解発光装置は、電解液における電解質濃度を調整する濃度調整部を備えていてもよい。
【００３９】
この場合、電解発光反応を連続的に発生させるための条件の一つである電解液の電解質濃度を、上述した所定の数値範囲を満足するように調整することができる。この結果、長時間に渡って安定して電解発光反応を発生させることができる。
【００４０】
この発明に従った水素ガス発生装置は、上記電解発光装置と、ガス取出部材とを備える。ガス取出部材は、上記電解発光装置の電解槽に接続され、電解発光反応により電解液が分解された結果発生する水素ガスを電解槽の外部に取出すものである。上記水素ガス発生装置では、電解発光反応により電解液が分解された結果発生する酸素ガスを電解槽の外部に取出す酸素ガス取出部材をさらに備えていてもよい。
【００４１】
このようにすれば、電解液を電解発光反応により直接的に熱分解することができるので、通常の電解液の電気分解を行なう場合より、より多くの水素ガスを発生させることができる。また、電解液を電解発光反応により直接的に熱分解するので、上述のように酸素ガス取出部材を備える場合には、通常の電解液の電気分解を行なう場合より、より多くの酸素ガスをも取出すことができる。
【００４２】
この発明に従った発電装置は、上記水素ガス発生装置と、燃料電池とを備える。燃料電池は、水素ガス発生装置から取出した水素ガスを燃料として発電する。また、上記水素ガス発生装置から酸素ガスが取出し可能な場合、上記発電装置は、水素ガス発生装置から取出した酸素ガスを、燃料電池の反応ガスとしても用いてもよい。
【００４３】
このようにすれば、水素ガス発生装置により発生させた水素ガスを燃料電池の燃料として用いるので、燃料電池へ供給するための水素吸蔵合金などを用いて水素を蓄積しておく必要が無い。また、燃料電池において水素ガスは酸素と反応し、水になるため、この水をまた水素ガス発生装置の電解液に再利用することができる。
【００４４】
上記発電装置は、水素ガス発生装置から取出された水素ガスから液体を除去するとともに、水素ガスの湿度を調整する調整装置を備えていてもよい。また、上記水素ガス発生装置から酸素ガスが取出し可能な場合、上記調整装置は、水素ガス発生装置から取出された酸素ガスから液体を除去するとともに、酸素ガスの湿度を調整する機能を有していてもよい。
【００４５】
この場合、水素ガス（あるいは、酸素ガスおよび水素ガス）の湿度を、燃料電池での反応に適した湿度となるように調整することができるので、燃料電池での反応をより効率的に行なうことができる。したがって、燃料電池での発電効率を向上させることができる。
【００４６】
上記発電装置において、水素ガス発生装置は、電解発光反応により電解液が分解された結果発生する酸素ガスを電解槽の外部に取出す酸素ガス取出部材を含んでいてもよい。上記発電装置は、水素ガス発生装置と燃料電池とが密閉回路を構成していてもよい。すなわち、上記発電装置は、水素ガス発生装置のガス取出部材および酸素ガス取出部材から取出される水素ガスと酸素ガスとを燃料として燃料電池に供給する供給管路と、燃料電池における発電の結果水素ガスと酸素ガスとから生成された水を水素ガス発生装置の電解槽に還流させるための還流管路とを備えていてもよい。
【００４７】
この場合、燃料電池で用いる水素ガスや酸素ガスなどの反応ガス（燃料ガス）を発電装置に外部から供給する必要が無いため、発電装置の設置場所や使用環境の選択の幅を広げることができる。
【００４８】
この発明に従ったコジェネレーションシステムは、上記発電装置と、発電装置から熱エネルギーを取出す熱エネルギー取出部材とを備える。
【００４９】
このようにすれば、発電装置から電気エネルギーを取出すとともに、発電や水素ガスの発生に伴う排熱を熱エネルギーとして取出すことができる。この結果、エネルギーの利用効率を向上させることができる。
【００５０】
この発明に従った水素ガス発生方法では、電解槽に電解質濃度が０．０５モル／リットル以上である電解液を配置する工程を実施する。そして、陰極と陽極とを電解液に浸漬する工程を実施する。陰極および陽極はそれぞれ高融点金属を含む。陽極は、陰極の表面積の１０倍以上の表面積を有する。陰極および陽極に、３５０Ｖ以上の電圧を印加することにより、電解発光反応を生じさせる工程を実施する。そして、電解発光反応により電解液が分解された結果発生する水素ガスを電解槽の外部に取出す工程を実施する。なお、上記水素ガス発生方法は、電解発光反応により電解液が分解された結果発生する酸素ガスを電解槽の外部に取出す酸素ガス取出し工程を備えていてもよい。
【００５１】
このようにすれば、電解発光反応を利用して電解液を構成する水を直接熱分解することができるので、通常の電解液の電気分解を行なう場合より、より多くの水素ガスを発生させることができる。
【００５２】
上記水素ガス発生方法において、電解発光反応を生じさせる工程は、電解液の温度を７０℃以上１００℃以下とするように調整することを含んでいてもよい。
【００５３】
この場合、電解発光反応により水素ガスを安定して発生させることができる。
【００５４】
上記水素ガス発生方法では、電解発光反応を生じさせる工程において、陰極および陽極に印加される電圧がパルス電圧であってもよい。
【００５５】
この場合、電極の損耗を低減しながら、電解発光反応を継続させることができる。したがって、水素ガスを安定して発生させることができる。
【００５６】
この発明に従った発電方法は、上記水素ガス発生方法を実施することにより水素ガスを得る工程と、当該水素ガスを燃料ガスとして用いて燃料電池により発電する工程とを備える。なお、上記発電方法では、上記水素ガス発生方法を実施することにより酸素ガスも得ることができるときには、上記発電する工程において、当該酸素ガスを燃料電池の反応ガスとして用いてもよい。
【００５７】
このようにすれば、水素ガス発生装置により発生させた水素ガスを燃料電池の燃料として用いるので、燃料電池へ供給するための水素吸蔵合金などを用いて水素を蓄積しておく必要が無い。また、燃料電池において水素ガスは酸素と反応し、水になるため、この水を水素ガス発生装置の電解液に再利用することができる。また、水素ガス発生装置から取出された酸素ガスを燃料電池の反応ガスとして用いる場合、燃料電池へ供給するための酸素ガスを別途確保する必要が無いので、水素ガス発生装置と燃料電池とで閉鎖回路を構成することが可能になる。
【００５８】
上記発電方法は、燃料電池に供給される水素ガスから液体を除去するとともに、水素ガスの湿度を調整する工程をさらに備えていてもよい。また、上記発電方法では、上記水素ガス発電方法を実施することにより酸素ガスも得ることができるときには、当該酸素ガスから液体を除去するとともに、酸素ガスの湿度を調整する工程をさらに備えていてもよい。
【００５９】
この場合、水素ガス（または水素ガスおよび酸素ガス）の湿度を、燃料電池での反応に適した湿度となるように調整することができるので、燃料電池での反応をより効率的に行なうことができる。したがって、燃料電池での発電効率を向上させることができる。
【００６０】
この発明に従ったエネルギー供給方法は、上記発電方法を実施することにより電気エネルギーを燃料電池から外部へ供給する電気エネルギー供給工程と、上記発電方法を実施することに伴って発生する熱エネルギーを電解槽および燃料電池の少なくともいずれか一方から外部へ供給する熱エネルギー供給工程とを備える。
【００６１】
このようにすれば、発電装置から電気エネルギーを取出すとともに、発電や水素ガスの発生に伴う排熱を熱エネルギーとして取出すことができる。この結果、エネルギーの利用効率を向上させることができる。
【００６２】
この発明に従った電解発光装置用電極は、電解液と接触するように配置され、電解発光反応を発生させるために用いられる電解発光装置用電極であって、高融点金属を含む陰極と、高融点金属を含み、陰極の表面積の１０倍以上の表面積を有する陽極とを備える。
【００６３】
このような電解発光装置用電極を用いれば、電解発光装置において効率的に電解発光反応を発生させることができる。
【発明の効果】
【００６４】
このように、本発明によれば、電解発光反応を工業的に安定して利用することができる。この結果、電解発光反応を利用した水素の発生、また、当該発生させた水素を用いた燃料電池発電やコジェネレーションシステムを実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００６５】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面においては同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰返さない。
【００６６】
（実施の形態１）
発明者は、さまざまな研究の結果、以下に説明する電解発光現象を利用して水素を製造する方法を完成するに至った。
【００６７】
従来、水の電気分解を行なう場合には、水に電解質を溶かして電解溶液とし、この電解溶液に浸漬した陽極および陰極に１．７Ｖから３．０Ｖの直流電圧をかけていた。このように電圧をかけた結果、陰極側において水素、陽極側において酸素が発生する。
【００６８】
このような通常の電気分解に対して、電極の材料として高融点金属を用い、電極に印加する電圧を１００Ｖ以上として、電流密度を増加させると以下のような状態となる。すなわち、電解溶液中において上述した条件で電気分解を継続すると、徐々に電解溶液の温度が上昇する。そして、所定の温度および電流密度に達すると、電極の形状や配置によって、通常の電気分解とは全く違う反応に遷移する。
【００６９】
通常の電気分解では、陰極から水素が発生し、電流密度を増やしても水素発生量が増えるだけである。一方、陰極の表面積に対して十分大きな表面積を有する陽極を用い、電極に印加する電圧を上げていくと、所定の電圧となった場合に電流密度が急速に減少し、見掛け上電解溶液の抵抗が増加する。その後、陰極の一部から放電反応が発生し、陰極近傍から発光現象が起きる。この現象は電解発光として既に６０年以上も前から報告されている。しかし、この電解発光現象については、理論的な機構が解明されてはいなかった。
【００７０】
電解発光現象が生じる条件としては、発生した水素の泡で陰極の表面が覆われるようになり、さらに電極に流される電流を増加させることにより、陰極表面の一部が局所的に加熱され、供給された電力の一部が水素気泡の中で直接グロー放電に費やされるといったことが必要である。すると、このようなグロー放電が起きた場合には、その熱によって陰極表面が水素だけではなく水蒸気によっても覆われることになる。この結果、陰極表面全体に、一様な薄い気体の被膜が生じる。そして、放電はこの気体の被膜中で連続して起こるようになり、安定する。なお、この放電のスペクトルは、放電の電圧、電極金属、電解溶液の温度、電極の表面状態や電解液の種類などによって変化する。
【００７１】
発明者が実験した結果、常圧下で連続的に電解発光現象を起こす条件としては、以下のような条件が必要であることがわかった。すなわち、１．電解溶液としてアルカリ金属炭酸塩を０．０５モル／リットル以上含む水溶液を用いる。２．上記水溶液中に、高融点金属でできた陰極と陽極とを浸漬する。３．上記電極に１００Ｖ以上の直流電圧を印加する。４．陽極の表面積の値は、陰極の表面積の値の１０倍以上とする。
【００７２】
このような条件を満足すれば、連続して陰極の周囲にグロー放電を発生させることができる。すなわち、連続的に電解発光現象を発生させることができる。そして、発明者は、このような電解発光現象を連続的に発生させることができる装置（電解発光装置）を用いて、水を熱分解することにより水素を供給する装置を考案した。以下その構成を、図１を参照しながら説明する。図１は、本発明による水素発生装置を示す模式図である。
【００７３】
図１に示すように、本発明による電解発光装置を利用した水素発生装置は、電解液４を保持する反応容器１と、この反応容器１の内部に挿入された陰極端子２と、陽極端子３と、この陰極端子２および陽極端子３に電力を供給する電源１８とを備える。電源１８と陰極端子２および陽極端子３とは制御装置１７および導電線１６ａ、１６ｂを介して接続されている。陰極端子２の外周は被覆材１０によって覆われている。陰極端子２において導電線１６ｂが接続された一方端部と反対側に位置する他方端部の表面には被覆材１０は配置されていない。この陰極端子２の他方端部では、陰極端子２の表面が露出した状態となっている。この陰極端子２の表面が露出した他方端部が陰極として作用する。また、陽極端子３の外周にも被覆材１１が配置されている。陽極端子３において導電線１６ａが接続された一方端部と反対側に位置する他方端部には、メッシュ状の白金陽極５が接続されている。白金陽極５は、陰極端子２を囲むような円環状の形状を有している。反応容器１の内部には、陰極端子２を囲むような円筒状の隔壁６が配置されている。この隔壁６の内側に陰極端子２が配置され、隔壁６の外側に白金陽極５が配置されている。つまり、隔壁６は陰極端子２の先端部（陰極）と白金陽極５との間に位置し、陰極と白金陽極５とを分離するように配置されている。
【００７４】
反応容器１を囲むように熱交換器容器１５が配置されている。反応容器１と熱交換器容器１５とは図示しない支柱などの強度部材により接続固定されている。熱交換器容器１５と陰極端子２および陽極端子３とは固定部材１４により接続固定されている。固定部材１４は、熱交換器容器と陰極端子２および陽極端子３との接続部の封止材としての機能も有する。また、反応容器１と陰極端子２および陽極端子３との接続部も封止材により固定・密封されている。
【００７５】
反応容器１と熱交換器容器１５との間には、図示しない流通口から導入される熱交換媒体２３（たとえば水などの液体、または空気や不活性ガスなどの気体）が配置され、流通している。
【００７６】
なお、制御装置１７は、電源１８から供給される電力の周波数、電圧、電流などを変更可能に制御するものである。そして、陰極端子２に隣接する位置（隔壁６の内周側の位置）において、反応容器１の内部に通じるように水素酸素混合ガス取出管９が接続されている。水素酸素混合ガス取出管９は、熱交換器容器１５と固定部材１４により接続固定されている。水素酸素混合ガス取出管９の反応容器１内に面した開口端部は、反応容器１内に配置された電解液４の液面７と所定の距離を保った状態となっている。
【００７７】
また、白金陽極５に隣接する位置、すなわち隔壁６の外周側においては、反応容器１の上面に酸素ガス取出管８が反応容器１の内部と通じるように接続されている。酸素ガス取出管８はその開口端部が反応容器１内部に繋がるように配置されるとともに、熱交換器容器１５と固定部材１４を介して接続固定されている。なお、図１では、水素酸素混合ガス取出管９は、測定のため管路２０を介して流量計１９および質量分析器２２と接続された状態を示している。また、流量計１９と質量分析器２２との間の管路２０にはバルブ２１が設置されている。しかし、得られる水素酸素混合ガスを後述するように燃料電池などで用いる場合、水素酸素混合ガス取出管９および酸素ガス取出管８は、当該燃料電池などの他の部材へ接続された配管と連結されることになる。
【００７８】
反応容器１の側壁には、電解液補給管１２および電解液排出管１３がそれぞれ電解液４を反応容器１の内部へ流通可能なように接続されている。電解液補給管１２および電解液排出管１３はそれぞれ熱交換器容器１５と固定部材１４により接続固定されている。この電解液補給管１２および電解液排出管１３は、図示しない管路およびポンプを介して電解液タンクと接続されている。上述したポンプは、反応容器１内の電解液４の量が所定の範囲内となるように図示しない制御装置によって（たとえばポンプのオンオフ、あるいは回転数などの動作条件などが）制御されている。
【００７９】
上述のような水素発生装置を用いて、以下述べるように電解発光現象を利用して水の熱分解により水素を発生させることができる。
【００８０】
まず、電解液として、アルカリ金属炭酸塩を溶かした水溶液を準備する。アルカリ金属炭酸塩の濃度としては、上述のように０．０５モル／リットル以上の任意の値とする。そして、この水溶液中で、陰極端子２および陽極端子３に３５０Ｖ以上の電圧をかける。この結果、陰極端子２の先端部（陰極部）においては、グロー放電が起き、いわゆる電解発光現象が発生している。このようなグロー放電が起きている近傍では、温度が３５００℃以上となっている。したがって、このような高温部においては、水が直接熱分解する。この結果、通常の電気分解によっては考えられないほどの大量の水素と酸素とが発生する。これは、陰極端子２側で発生したガス（水素酸素混合ガス取出管９によって取出されたガス）中に、水素以外に酸素が一定割合で含まれていることからも、陰極端子２先端部（陰極部）での電解発光現象（グロー放電）による熱で水が直接分解していることがわかる。
【００８１】
なお、発明者の実験によれば、この現象は、電解液４の代わりに水蒸気を用いた電気分解の場合にも確認できた。そして、熱分解によって発生する水素の量は、上述した陰極端子２および陽極端子３へと印加される電圧の大きさや、印加される電圧をさまざまなパルス電圧とするなどその条件を変更することにより、通常の電気分解によって発生する水素の量より多くできる。具体的には、通常の電気分解によって発生する水素および酸素の量に比べて、本発明による装置では１．３５倍以上の水素および酸素が発生する。
【００８２】
このような実験を繰返し、発明者が研究した結果、電解発光現象によって水素を発生させる場合の条件に関して、以下のようなことがわかった。すなわち、１．陰極端子２および陽極端子３に印加する電圧は、３５０Ｖ以上であることが好ましい。２．陰極端子２および陽極端子３へと印加する電圧をパルス電圧とすれば、電極の消耗も少なく電解発光が継続して発生する。この結果、熱分解によって発生する水素の量も増やすことができる。３．上述したパルス電圧のパルス幅を０．１秒〜１０秒、パルス間隔を０．００１秒〜５秒でさまざまな変更し調整することにより、効率よく水の熱分解反応を継続させることができる。４．電解液４の温度を７０℃以上１００℃以下という温度範囲に保つことによって、より安定した水の熱分解反応を継続して起こすことができる。５．陽極端子３および陰極端子２に印加される電圧が３５０Ｖ以上の条件では、印加される電圧の９９％以上が陰極端子２の端部（陰極部）表面に加えられた状態となる。この結果、電圧損失を少なくすることができる。６．上述のような高電圧の条件で電解発光反応を継続させた場合には、陰極端子２を構成する材料（電極を構成する金属材料）と水素とが反応した生成物が形成される。７．電解発光反応により発生する熱のほとんどが、水の熱分解反応のためのエネルギーとして使われている。８．上述したような条件の高電圧下での電解発光反応において発生する光子は、電極金属の原子核に吸収され多光子吸収現象を起こしていると考えられる。９．光子を大量に吸収した電極（陽極端子３）を構成する金属の原子核は、励起状態となる。このような励起された金属の原子核は、中性子に起因する励起状態と比較するとエネルギーが非常に低い状態である。この結果、中性子による励起状態に起因した分解（核分裂）の場合よりも、極めて遅い分解をしていると考えられる。１０．上述したように、原子核の分解が極めて遅いため、分解した結果生成された核は安定した核である。このため、通常の核分裂反応の結果生成されるような放射性物質はほとんど発生しない。１１．このような低エネルギー状態の核分解によって、電解発光現象は継続すると考えられる。すなわち、外部から見ると、電気による入力エネルギー以上の過剰なエネルギーが電解発光現象が起きている部分において発生しているように見えるが、実際には陰極端子２を構成する金属の電子核の分解（非常に遅い安全な核分裂反応）に起因するエネルギーが利用されていると考えられる。
【００８３】
（実施の形態２）
図２は、本発明による水素発生装置を適用した電解発光コジェネレーションシステムの構成を示す模式図である。また、図３は、図２に示した電解発光コジェネレーションシステムにおける物質収支と熱収支とを説明するための模式図である。図２および図３を参照して、本発明による電解発光コジェネレーションシステムを説明する。
【００８４】
図２に示すように、本発明による電解発光コジェネレーションシステムでは、水素発生装置としての電解発光装置３２によって発生した水素および酸素を湿度調節器／気液分離器３３を通して湿度調整などを行なった後、燃料電池３１に供給し、この燃料電池３１において電力を発生させる。燃料電池３１において電気を発生させる反応により水素ガスと酸素ガスとから水が生成されるが、この水は再び電解発光装置３２へ戻り配管を介して供給される。なお、湿度調節器／気液分離器３３において水素ガスおよび酸素ガスから分離された液体（水）も、同様に電解発光装置３２へと再び供給される。
【００８５】
燃料電池３１において発生した電力は、電力変換装置３７を介して分電装置３６へと供給される。分電装置３６は、電源装置６０（図３参照）を介して電解発光装置３２へと電解発光現象を発生させるために必要な電力を供給するとともに、余剰の電力を外部へ電力供給として送出する。このようにして、電解発光コジェネレーションシステムから外部へと電力供給を行なうことができる。
【００８６】
なお、電解発光装置３２において最初に電解発光現象を発生させるまでには、外部電源３４からの電力が必要となる。このため、外部電源３４は、電力量計３５を介して分電装置３６へと接続された状態となっている。電解発光装置において電解発光現象を最初に立上げる際には、外部電源３４から電力量計３５を介して分電装置３６に供給された電力が、導電線を介して電解発光装置３２へと供給されることになる。
【００８７】
一方、電解発光装置３２および燃料電池３１においては、それぞれその反応の過程で熱が発生する。この発生した熱は、管路４９内をポンプ４１によって循環する水により回収され、貯湯タンク４０内に蓄積された熱媒体としての水の温度を上げる（お湯を沸す）ために用いられる。この貯湯タンク４０には、給水源３８がバルブ３９を介して接続されている。そして、この貯湯タンク４０内において、管路４９の露出した部分からの熱で温められたお湯は、貯湯タンク４０の外部へ温水として供給されることになる。また、電解発光コジェネレーションシステムには、図示するように低温水吸収冷凍機４３、放熱用熱交換器４２および冷却塔４４が配置され、所定の管路によって接続されている。
【００８８】
この低温水吸収冷凍機４３から後述するようにたとえば７℃程度の冷水を外部に供給することができる。また、この電解発光コジェネレーションシステムにおいては、貯湯タンク４０内を通過する管路と接続された温水供給用熱交換器４７が設置されている。この温水供給用熱交換器４７において、貯湯タンク内のお湯の熱エネルギーを外部へ温水として供給するための熱交換を行なう。なお、このような冷水の供給、あるいは温水（お湯）の供給のための配管路においては、ポンプ４５、４６、４８が設置され、所定の方向に媒体を送出している。
【００８９】
図２に示した電解発光コジェネレーションシステムについて、以下各構成部材ごとに簡単に説明する。
【００９０】
まず、電源装置について、電解発光装置３２を起動させるときには、電源装置として外部電源３４が必要となる。外部電源３４として電力会社が供給している１００Ｖの交流電源を用いる場合、サイリスタと直流変換器とを介して２５０Ｖ前後（より好ましくは３５０V以上）の直流電気として電解発光装置３２へと供給する。また、電解発光装置３２を起動する際に用いる電源装置としてバッテリを用いる場合には、バッテリからの直流電気を昇圧させ２５０Ｖ前後とした後、当該昇圧後の電流を供給するようにしてもよい。また、このような電源装置には、パルス発生装置を組込み、パルス電圧を電解発光装置３２へと供給することが好ましい。このようにすれば、継続して安定した電解発光反応を起こすことができる。この結果、安定して水の電気分解および熱分解を促進することができる。
【００９１】
そして、電解発光装置３２から供給された水素ガスおよび酸素ガスを用いて燃料電池３１において発電が開始されれば、後述するように電解発光装置３２へと供給するのに十分な電力を確保することができるため、外部電源３４は遮断される。外部電源３４としてバッテリを用いる場合には、上述の電解発光装置３２の起動時に消費した電力量を燃料電池３１で発生した電力によって充電してもよい。
【００９２】
電解発光装置３２は、図２に示した電解発光コジェネレーションシステムにおいて水素ガスおよび酸素ガスの発生装置として作用する。電解発光装置３２の構成としては、たとえば図１に示したような装置構成を用いることができる。図１に示したような構造の装置を用いる場合、たとえば密閉された反応容器１の内部に電解液４を保持する。電解液４の量としては、反応容器１の内容積の７０％程度とすることができる。この反応容器１には、水素ガスおよび酸素ガスを取出すための排出管（水素酸素混合ガス取出管９など）、水素ガスと酸素ガスとが燃料電池３１において再結合した結果生成された水の戻り配管（たとえば電解液補給管１２に接続される配管）、反応容器で発生する熱を回収するための熱交換器が備えられている。この熱交換器としては、図１に示すように、反応容器１の周囲を囲むような熱交換器容器１５を配置し、この反応容器１と熱交換器容器１５との間の間隙に熱交換媒体２３を流通させるといった手法を用いることができる。また、熱交換の方法として、反応容器１内部において電解液４に浸漬された状態となるように熱交換器用の配管を配置し、この熱交換器の配管内を熱交換媒体２３が流通するようにしてもよい。電解液中においては、図１において説明したように、陰極端子２と、この陰極端子２において陰極として作用する先端部（陰極部）の表面積の１０倍以上の表面積を持つ白金陽極５とを配置する。そして、陰極端子２および陽極端子３はそれぞれ分電装置３６（図２参照）から供給される電源電圧が印加されるようになっている。
【００９３】
分電装置３６は、燃料電池３１で発生した直流電気を、連続的な電解発光を伴う電気分解が行なわれるように、直流のまま電解発光装置３２へ送る機能と、コジェネレーションシステムの外部へと１００Ｖの交流電気に変換して出力する機能とを有する。
【００９４】
また、図２に示した電解発光コジェネレーションシステムにおいては、電解発光装置３２における熱交換器により電解発光装置３２において発生する熱を回収する。また、燃料電池３１で水素と酸素との再結合の際に発生する反応熱を燃料電池３１に設置された熱交換器（たとえば燃料電池３１を囲むように設置された、熱交換媒体を流通させることが可能な配管など）によって回収する。それぞれの熱交換器には、図２の管路４９に示すような配管を介して熱交換媒体としての冷却水を循環させる。そして、これらの熱交換器によって回収した排熱は貯湯タンク４０において温水を作るために用いられる。
【００９５】
また、このような貯湯タンク４０に保持される温水は、低温水（７０℃〜９０℃）を熱源にして稼働する低温水吸収冷凍機４３の熱源として利用される。低温水吸収冷凍機４３では、蒸発器で冷媒を蒸発させることによって、５℃〜９℃の冷水を作ることができる。そして、ファンコイルやエアハンドリングユニットにこのような冷水を送れば、たとえば居住空間の冷房などを行なうことができる。
【００９６】
ここで、図２に示した電解発光コジェネレーションシステムは、上述のように電解発光現象を利用して発生した水素と酸素とを燃料電池３１に導き燃料として利用するシステムである。水素や酸素は純粋な燃料であるため、発電効率の良いアルカリ型の燃料電池や炭酸溶融塩型燃料電池に湿度調節器／気液分離器３３（気液分離装置／乾燥装置ともいう）を経由してこの水素ガスや酸素ガスを供給すれば、理論的には８３％の発電効率を確保することができる。
【００９７】
ここで、燃料電池の発電効率を高い効率で維持するための重要な要因の１つとして、燃料電池における電解質膜の水分管理がある。この理由は燃料電池における反応原理から説明できる。すなわち、アノードから水素イオンがカソードに移動する際、水素イオンといくつかの水分子が結びつき、その水分子とともに水素イオンは移動する。このことから、燃料電池の発電効率を高い効率で保つためには、燃料ガスとなる水素ガスと酸素ガス中には常に適正な水分が含まれている必要がある。そして、水素ガスや酸素ガス中の水分が多すぎると、水が反応場である三相界面（電極触媒、燃料ガス、電解質膜の界面）を覆ってしまい、燃料電池の発電性能を低下させることになる。このように、燃料電池では燃料ガス中の水分の含有状態（湿潤状態）を一定に保ち、その発電効率を維持することが重要である。
【００９８】
燃料電池における発電効率を８３％とした場合、図３に示すように、電解発光装置３２から発生した４．６２Ｎｍ3／ｈの水素ガスを燃料として用いた燃料電池３１における発電量は１１．５ｋｗ／ｈになる。この電力のうち、１０ｋｗ／ｈを電解発光装置３２に供給する。この結果、電解発光装置３２に当初供給した電力が不要となる。そして同時に、燃料電池３１によって発電された電力のうち１．５ｋｗ／ｈの電力は外部に供給できることになる。この結果、電解発光コジェネレーションシステムは、技術的に電解発光現象を維持しながら外部へと余剰電力を供給することができる。すなわち、これまで利用できなかったエネルギーが利用できるシステムであると見ることもできる。
【００９９】
また、図３に示すように、燃料電池内で再結合した水は、ドレイン回収６１を介して電解発光装置３２に戻すことができる。この結果、電解液中の水が水素と酸素に分解することによる電解液の減少を補充できる。この結果、電解発光装置と燃料電池との間で水を再利用することができ、閉サイクルとすることができる。
【０１００】
図２に示した電解発光コジェネレーションシステムでは、既に説明したように、電解発光装置３２や燃料電池３１から発熱があるため、その発生した熱を温水として回収し、上述のように温水として供給（給湯）したり、ファンコイルやエアハンドリングユニットや床暖房コイルに導き暖房に利用するといった熱エネルギーの利用が可能となる。また、この温水を低温水吸収冷凍機４３の熱源として利用して、５℃〜９℃の冷水を作ることにより、ファンコイルやエアハンドリングユニットに導き冷房に用いることもできる。
【０１０１】
図３に示すように、電解発光装置３２で電解発光を生じさせるために最初に投入される初期電力投入量を１０ｋｗ／ｈとした場合、電解発光装置３２においては水素が４．６２Ｎｍ3／ｈ発生する。また、このとき電解発光装置３２での発熱量（排熱回収６２の熱量）は図３に示すように２２４９ｋｃａｌ／ｈとなり、装置内の管路４９を循環する冷却水（たとえば、図１に示した熱交換器容器１５内を流通する冷却水）を用いて９０℃の温水として回収することができる。また、電解発光装置３２で発生した４．６２Ｎｍ3／ｈの水素（水素ガス）と、２．３１Ｎｍ3／ｈの酸素（酸素ガス）は、アルカリ型や炭酸溶融塩型の燃料電池３１に送られる。
【０１０２】
燃料電池３１内では、水素と酸素とが再結合することによって発電する。燃料電池３１における発電効率を８３％とすると、上述した水素と酸素から、１１．５ｋｗ／ｈの電力と、５．７５ｋｇ／ｈの水と、４２３６ｋｃａｌ／ｈの熱とが発生することになる。この熱は、燃料電池３１内を循環する冷却水（管路４９を循環する冷却水）を用いて、９０℃の温水として回収できる。そして、このように回収された熱量（排熱回収６３の熱量）は、トータルで６４７２ｋｃａｌ／ｈとなる。この熱を温水として回収した場合、約８０℃〜８５℃のお湯を貯湯タンク４０（給湯タンク）に貯めることができる。
【０１０３】
また、上述のように居住用の部屋に設置されたファンコイルやエアハンドリングユニットや床暖房コイルにこれらの熱を送れば暖房に用いることができる。また、夏季には、温水の全量を低温水吸収冷凍機の発生器の熱源として利用すると、成績係数が約０．６〜０．７の効率で７℃の冷水を得ることができる。そして、この冷水を、暖房時に用いたファンコイルやエアハンドリングユニットに送ることにより、冷房運転が可能となる。なお、このような低温水吸収冷凍機の冷凍能力は３８８３ｋｃａｌ／ｈ〜４５３０ｋｃａｌ／ｈとなり、２６ｍ2から３０ｍ2の部屋の冷房が可能である。そして、夜間は給湯し、昼間は冷房や暖房用としてこれらの熱を利用すれば、効率的な発電、給湯、冷房、暖房の可能なコジェネレーションシステムとすることができる。なお、図３に示すように、低温水吸収冷凍機４３から冷却水への放熱は１０３５５ｋｃａｌ／ｈとなる。
【０１０４】
ここで、図３に示した電解発光コジェネレーションシステムの物質収支と熱収支のそれぞれの数値について説明する。
【０１０５】
まず、燃料電池のエネルギー収支について考える。燃料電池の中での反応は、水素の燃焼反応である。燃焼は一般的に燃料と酸素との発熱反応であって、安定な酸化物Ｈ2Ｏ、ＣＯ2、ＣＯなどを生じる燃焼過程における反応熱を燃焼熱という。そして、通常、燃料１Ｋｇまたは１Ｎｍ3当たりの燃焼熱の絶対値を燃料の発熱量という。燃焼ガスがＨ2Ｏを含むときには、燃焼した後の状態で、Ｈ2Ｏが気体であるか液体であるかによって発熱量にＨ2Ｏの気化潜熱分の違いを生じる。Ｈ2Ｏが凝縮して潜熱が含まれる場合の発熱量を総発熱量または高位発熱量という。一方、Ｈ2Ｏが水蒸気のままで潜熱を含まない場合の発熱量を真発熱量または低位発熱量という。
【０１０６】
燃料電池における燃料の燃焼反応のエンタルピー変化の減少量（−ΔＨ）に相当するエネルギーが、利用できる全エネルギーである。電気化学反応で利用できる最大エネルギーは、反応による自由エネルギー変化の減少量（−ΔＧ）に相当するエネルギーである。ここで、自由エネルギー変化の減少量は、以下の式によって示される。
【０１０７】
−ΔＧ＝ｎＦＥ
ここで、Ｅは電池の最大電圧を示し、Ｆはファラデー定数：９．６５×１０4Ａ・ｓ（クーロン）、ｎは反応電子数を示す。一方、エンタルピー変化の減少量は、以下の式によって示される。
【０１０８】
−ΔＨ＝−ΔＧ−ＴΔＳ
したがって、上述した式の（−ＴΔＳ）に相当するエネルギーは利用することができない。そして、以下に示す化学反応式
２Ｈ2＋Ｏ2＝２Ｈ2Ｏ
における燃料電池反応のエントロピー変化（ΔＳ）は負である。そのため、（−ＴΔＳ）に相当する分は熱として系外に放出されることになる。水素、酸素、水蒸気の分圧がすべて１ａｔｍの場合、燃料電池での反応の（−ΔＨ）はほぼ２５０ｋＪ・ｍｏｌ-1である。このため、（−ΔＧ）は、２００℃のときに２２４ｋＪ・ｍｏｌ-1となり、温度が１０００℃のときには１７８ｋＪ・ｍｏｌ-1となる。
【０１０９】
したがって、理論的に求められるエネルギー変換効率（ΔＧ／ΔＨ）は、温度が２００℃である場合に８９．６％となり、温度が１０００℃である場合には７１．２％となる。なお、実際には、電極反応の遅れにより生じる分極や電極や電解質の抵抗によって消費される非可逆的なエネルギー損失が含まれている。これらは、放電の電流密度を増加させれば増大する。また、このようなエネルギー損失は、電池作動温度を高くすれば減少する。現状では、電気エネルギーへの変換効率は、４０％〜最大８３％程度である。そして、その他のエネルギーはすべて熱として系外に放出される。
【０１１０】
次に、水素ガス４．６２Ｎｍ3／ｈを用いた場合での燃料電池での発電量を検討する。なお、この水素ガスの量は、電解発光装置３２（図３参照）において発生する水素ガスの量（実験的に求めた量）であって、電気分解によって３．４Ｎｍ3／ｈ、熱分解反応によって１．２２Ｎｍ3／ｈ発生すると考えられる。燃料電池３１において燃料である水素が反応した後、生成される水は水蒸気状態である。そのため、発熱量は低位発熱量を用いる。水素の低位発熱量は２５７０ｋｃａｌ／Ｎｍ3である。したがって、燃料電池発電に利用できるエネルギーは、
２５７０ｋｃａｌ／Ｎｍ3×４．２６Ｎｍ3／ｈ＝１１８７３ｋｃａｌ／ｈ
となる。また、燃料電池３１の発電効率を８３％とすると、発電量は以下の式によって示される。
【０１１１】
１１８７３ｋｃａｌ／ｈ×０．８３＝９８５５ｋｃａｌ／ｈ
ここで、１ｋｗ／ｈ＝８６０ｋｃａｌ／ｋｗｈであるため、燃料電池発電での発電量は以下の式によって示される。
【０１１２】
９８５５ｋｃａｌ／ｈ÷８６０ｋｃａｌ／ｋｗｈ＝１１．５ｋｗ／ｈ
次に、水蒸気損失による排熱量を検討する。発電に利用できなかったエネルギーは、熱利用が可能である。そのため、その熱量（水蒸気損失による排熱量）を計算する。水素の持つ総発熱量が３０５０ｋｃａｌ／Ｎｍ3であるため、発熱量は以下の式によって示される。
【０１１３】
３０５０ｋｃａｌ／Ｎｍ3×４．６２Ｎｍ3／ｈ＝１４０９１ｋｃａｌ／ｈ
そして、発電に利用されたエネルギーを上述した計算式によって得られた値から差し引くと、
１４０９１ｋｃａｌ／ｈ−１１８７３ｋｃａｌ／ｈ＝２２１８ｋｃａｌ／ｈ
となる。この２２１８ｋｃａｌ／ｈという熱量は、排熱として空調用や給湯用として利用できるエネルギーである。
【０１１４】
次に発電効率差からの排熱量について検討する。ここで、燃料電池３１に燃料である水素から供給されるエネルギーは、上述したように１１８７３ｋｃａｌ／ｈである。そして、発電効率が８３％の燃料電池３１からの排熱量は、以下の式によって示される。
【０１１５】
１１８７３ｋｃａｌ／ｈ×（１．００−０．８３）＝２０１８ｋｃａｌ／ｈ
次に燃料電池３１からのトータル排熱量を検討する。上述した水蒸気損失と発電効率差とからの燃料電池３１の総排熱量は以下の式によって示される。
【０１１６】
２２１８ｋｃａｌ／ｈ＋２０１８ｋｃａｌ／ｈ＝４２３６ｋｃａｌ／ｈ
そして、電解発光装置３２と燃料電池３１とからの総排熱量を検討すると、総発熱量は以下の式によって示される。
【０１１７】
２２４９ｋｃａｌ／ｈ＋４２３６ｋｃａｌ／ｈ＝６４７２ｋｃａｌ／ｈ
上述のような排熱を、既に述べたように低温水吸収冷凍機４３を用いて利用することができる。たとえば、上述した排熱を熱源として利用し、冷媒に水、吸収溶液に臭化リチウム水溶液を使用した低温水吸収冷凍機を用いれば、冷房用の７℃の冷水を作ることができる。また、熱源として７０℃〜９０℃の温水を供給することによって、成績係数０．６〜０．７の効率で７℃の冷水を作ることができる。
【０１１８】
（実施の形態３）
上述した電解発光現象を利用したコジェネレーションシステムのようなエネルギー供給システム（発電システム）は、さまざまな分野に応用可能である。ここで、地球温暖化防止に大きく貢献して、原子力の新規立地に代替できるエネルギーの柱は水素エネルギーであると考えられる。「２１世紀は水素の時代」とも言われる。水素を燃料に化学的に発電する燃料電池は、自動車をはじめとする交通機関にも利用するべく研究が進められ、実用化が目前に迫っている。ガソリンエンジンやディーゼルエンジンに代わるクリーンなエネルギー源としてこのような燃料電池が普及する時代が近づいていると思われる。
【０１１９】
そして、本発明による発電システムは、このような自動車などの移動体の動力源としても利用できる。ここで、このような自動車（水素利用自動車ともいう）の開発状況を簡単に述べる。現在開発が進められている水素利用自動車は、燃料電池の性能、大きさ、重量、コストおよび燃料である水素の貯蔵タンク方式や燃料補給ステーション（水素ステーション）の地域的な配置等のインフラ整備が問題となっている。水素ステーションは、２００２年に３００Ｎｍ3／ｈの実用機の１０分の１のステーションを２箇所作り実証運転が行なわれた。１つは天然ガス改質で水素を作り水素吸蔵合金に貯蔵する形式のステーションであって、もう１つは固体高分子水電解による水素を水素吸蔵合金に貯蔵した形式のステーションである。そして、２００３年度には、この水素ステーションを利用して、燃料電池自動車による走行テストが公道を使って実施される。
【０１２０】
このように、従来からの技術であれば、燃料電池自動車の最終的な姿は水素供給型となると予想される。水素質量１００ｋｇ以下の加圧水素だけのステーションでは、水素を自動車の吸蔵合金に貯蔵する時間の目標として１０分以内としている。しかし、現在ではこの時間として３０分程度はかかるため、この時間をどのように短縮するかが課題となっている。
【０１２１】
また、自動車に搭載される水素吸蔵合金タンクは、水素吸蔵合金が粉体となるため、当該タンク内の冷却装置などの設計をどうするかといった課題もある。
【０１２２】
ここで、水素吸蔵合金については、これまでにトヨタ自動車が１００ｋｇの質量で２質量％の水素吸蔵に成功した。２質量％では、自動車は２５０ｋｍの走行が可能である。しかし、自動車は１回の水素の充填で４５０〜５００ｋｍ程度の走行が可能となることが好ましい。したがって、このような走行距離の実現のためには、水素吸蔵合金の水素吸蔵能力をどの程度まで高めることができるかがキーとなる。
【０１２３】
ここで、燃料電池車に搭載される水素吸蔵合金は、水素を吸蔵するときに発熱反応を起こす。また、水素を放出するときは８０℃以下の温度条件とすることが必要である。ところが、マグネシウムの水素吸蔵合金では、水素を７０質量％程度まで吸蔵できるが、水素を放出するときには３５０℃の温度が必要となる。このように高温となるため、マグネシウムを用いた水素吸蔵合金の実用化は困難である。そして、安全面などを考えれば、室温で水素を放出することが可能な合金が必要とされる。
【０１２４】
このように水素の貯蔵をどのようにするかといったことについてもさまざまな課題があるため、実際には、水素利用自動車としての燃料電池車に、水素吸蔵合金を搭載するのか、また、その水素源としてエタノール改質を用いるのか、ガソリン改質を用いるのか、また、水素吸蔵合金を配置するタンクとして高圧タンクを用いるのかといったような具体的な方向性はまだ定まっていない現状である。
【０１２５】
ここで、本発明による電解発光装置を水素利用自動車に搭載したシステムを考える。本発明による電解発光装置（たとえば図１に示したような水素発生装置）を自動車に搭載して、水素と酸素とを発生させ燃料電池に供給すれば、水素の貯蔵タンクが必要なくなる。また、水素ステーションも必要ない。電解発光装置を起動するときには、たとえば現在の自動車と同様にバッテリを用いて起動させ、水素と酸素の供給を開始してもよい。そして、自動車の走行時には、余剰の電気をバッテリに充電しておけば、現在の自動車と全く同じような使用方法とすることができる。この場合、電解発光装置が１００％の能力を発揮するのに必要な時間の水素と酸素とを貯蔵するようにしてもよい。あるいはハイブリッドカーのように大きなバッテリを搭載しておけば、即時に電解発光装置を起動することができる。また、電解発光装置や燃料電池から発生する熱は、水素と酸素の乾燥のために使用した後、現在の自動車と同様に暖房用として使用する、あるいはラジエータから大気へと放出することができる。
【０１２６】
なお、上述のように水素利用自動車に本発明による電解発光装置を利用することの他に、他の交通機関へ本発明による電解発光装置（水素発生装置）を応用することも考えられる。すなわち、船舶等の交通機関や、電化されていない区間を走行する長距離列車へ、本発明による電解発光装置（水素発生装置）と燃料電池とを組合わせた発電システムを搭載することが考えられる。このような場合、燃料の補給を特に考える必要がなく、排気ガスを出さないクリーンで環境にやさしい交通機関を実現できる。また、電化されていない区間についても、送電線を設置しなくても電化が可能である。このため、長距離について電流を移送する必要もないため、送電ロスもなく、大幅な設備投資の削減や送電線の冬における事故、メンテナンスなども必要なくなる。
【０１２７】
電解発光装置（水素発生装置）と燃料電池とを組合わせたシステムのその他の応用例としては、たとえば、ビルや一般家庭などにこのシステムを設置することにより、小規模な発電設備が従来と比較して安価にかつ大量に設置することができる。この結果、大規模な発電所の建設の必要性が低下する。さらに、この場合送電ロスの非常に少ないシステムの構築が可能となる。
【０１２８】
また、このような小規模発電設備を実現できるので、たとえば離島における電力供給、無人灯台の電源、交通信号の電源、僻地における電力供給等さまざまな応用が考えられる。
【０１２９】
なお、本発明による電解発光装置の陰極を構成する材料としては、ニオブ（Ｎｂ）、モリブデン（Ｍｏ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）などの高融点金属を用いることができるが、他の金属も利用可能である。たとえば、陰極を構成する材料として、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）などの遷移金属、あるいは純鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、ステンレス鋼などの鉄系金属などを用いることができる。
【実施例１】
【０１３０】
本発明の効果を検証するため、以下のような実験を行なった。まず、図１に示すような構成の実験装置を準備した。ここで、反応容器として、直径が１０ｃｍ、高さが１７ｃｍ、容積が１０００ｃｃの反応容器を準備した。反応容器を構成する材料としては、パイレックス（登録商標）を用いた。この反応容器の蓋として、フッ素樹脂合成の蓋を用いた。この蓋の直径は７ｃｍである。蓋には３本の白金製測温体、冷却水の入口、出口、また直径２ｃｍの孔をあけた。この孔に、下向きに水素捕集用のパイレックス（登録商標）製、直径が５ｃｍ、長さ１２ｃｍの捕集管を取付けた。捕集管上部には別のフッ素樹脂ゴムで蓋をした。そして、この蓋に孔をあけ、水冷凝縮器の入口のガラス接続部を取付けた。
【０１３１】
反応容器から排出された水素および酸素ガスと水蒸気との混合ガスは、上述したガラス接続部を介して水冷凝縮器に通される。この水冷凝縮器を通過する際、混合ガスが冷却されて水のみが凝縮することによって取除かれる。そして、水冷凝縮器の出口にタイゴン（登録商標）チューブをつなぎ、当該チューブは水素流量検出器（流量計１９）に接続される。水素流量検出器としては、Kofloc社（登録商標）の型３１００系を用い、測定器は型番：ＣＲ−７００という装置を用いた。測定器部の形式は、Heated tube thermal flow meter式である。最小検出量は０．０１ｃｃ／ｍｉｎである。なお、通常の測定値範囲は１０００ｃｃ／ｍｉｎ〜１０ｃｃ／ｍｉｎである。なお、この流量計の測定精度は１％以上である。
【０１３２】
反応容器内の水素捕集管には、フッ素樹脂製の冷却管を螺旋状に巻きつけた。そして、水素捕集管よりも外側には、陽極である白金陽極５（白金網電極）を円環状に配置した。また、冷却管の入口と出口とには、それぞれ水温測定用の白金測温体が取付けられている。さらに、反応容器内の温度の測定は、それぞれ蓋からの距離（深さ）を変えた３箇所において行なっている。反応容器内の溶液は、磁気攪拌機によって攪拌されている。入力電力に対する発熱量は、上述したすべての測定器からのデータを５秒ごとに集めて継続的に測定することにより計測される。
【０１３３】
陰極の電極としては、太さ１．５ｍｍ、長さ１５ｃｍのタングステン製の電極を用いた。このタングステン製の電極は、反応容器内に挿入される先端部分（陰極部）を２ｃｍ露出した状態で、その他の部分（上部）は収縮性フッ素樹脂で覆っている。また、反応容器内に保持される電解液は特級のＫ2ＣＯ3で、０．２Ｍの濃度の軽水溶液を調製した。電源１８としては、Takasago（登録商標）の型番ＥＨ１５００Ｈという機器を使用し、測定装置としてはYokogawa（登録商標）の型番ＰＺ４０００を使用した。そして、５秒ごとに入力電圧、電流、電力を測定した。電力のサンプリング時間は４０μｓ、データ長は１００ｋ、すなわち４秒間に１０００００点を測定した。そして、電圧電流等の４０μｓごとの積分値を電力データとして入力した。このときの測定精度は０．１％である。
【０１３４】
また、反応容器内の温度の測定は、ネツシン社（登録商標）製の白金測温センサ（型番ＰＬＡＭＩＣ  Ｐｔ−１００Ω）であって、外径が１．５ｍｍのものを用いた。このセンサの測定精度は０．０１％以上である。反応容器を冷却するための冷却水は、水道水からの水をタイゴン（登録商標）チューブ（管）に通し、その管を恒温槽に浸して一定温度とした。そして、タービンメータによって液量を測定した。このタービンメータの流量測定精度は０．０１％である。データの収集はAgilent（登録商標）のデータロガー（型番３４９７０Ａ）によって行なった。温度の測定箇所としては反応容器内について３箇所および恒温室内について１箇所、また、冷却水量、入口温度、出口温度、入力電圧、入力電流、電力さらに発生水素量といったデータを測定した。これらのデータを最終的にコンピュータによって５秒ごとに取込んだ。
【０１３５】
ここで、水の電気分解における水素の理論電気分解電力量は、２．９４ｋｗｈ／Ｎｍ3であり、以下に示すようにファラデーの法則から明らかである。すなわち、水に直流電圧を印加すると、下記の反応が起こって水素と酸素に分解される。なお、純水は導電性が良くないため、硫酸化水酸化アルカリの溶液が電解液として用いられる。
【０１３６】
（陰極）  ２Ｈ2Ｏ＋２ｅ-  →  ２ＯＨ-＋Ｈ2
（陽極）  ２ＯＨ-  →  Ｈ2Ｏ＋２ｅ-＋１／２Ｏ2
全体で    ２Ｈ2Ｏ  →  Ｈ2＋1／２Ｏ2＋Ｈ2Ｏ
上述した反応で、陽極側の２分子の水が失われ、水素が発生する。そして、陽極側では、酸素が発生すると同時に水１分子が生成する。結果的には、水１分子が分解し、水１分子が水素側（陰極側）から酸素側（陽極側）に移動したことになる。
【０１３７】
この反応の理論電解電圧は以下の式で示される。
【０１３８】
Ｅr＝Ｅ0−ＲＴ／２ＦｌｎＰ／Ｐ0
ここで、Ｅrは理論電解電圧、Ｅ0は標準理論電解電圧、Ｐ0、Ｐはそれぞれ純水および電解液の水蒸気張力である。Ｅ0はΔＧ0／２Ｆで与えられ、２５℃、大気圧が１ａｔｍの条件下では１．２２６Ｖである。この場合の理論電解電圧は１．２２９Ｖで同温度の純水を分割する電圧よりも若干高い。水素１ｍ3を生成するのに必要な電気量は、ファラデーの法則から２３９３Ａｈである。そして、この反応は事実上定量的に進行するので、必要な最小の電気エネルギーは２．９４Ｗｈ／ｍ3である。
【０１３９】
そして、実験に用いたシステムでは、電解発光現象を利用した熱分解を伴う電気分解において、１０ｋｗ／ｈという電力投入量に対して、水素発生量は４．６２Ｎｍ3／ｈと理論電気分解水素発生量の１．３５倍を超えた発生量が確認された。また、通常の電気分解では起こり得ない陽極からの酸素の発生が確認された。このことから高温下において陰極近傍で熱分解が起きていることがわかる。
【０１４０】
上述した実験の測定結果を図４に示す。図４は、本発明の効果を確認するための実験結果を示すグラフである。図４に示したグラフにおいて、横軸は時間（単位：Ｓ）であり、縦軸が入力電力（単位：ｋｗ）、水素発生量（単位：ｋｗ）である。図４からもわかるように、入力電力は放電開始時が約４５０Ｗであったが、その後電極の消耗とともに減少し、１０００秒後には１００Ｗとなっていた。一方、水素の発生量は、１ｋｗ当たり０．４６２すなわち１０ｋｗ／ｈ当たり４．６２Ｎｍ3／ｈとなる。また、電解発光現象が継続しているときに、電解発光装置からの発熱量を測定すると２２４９ｋｃａｌ／ｈという値が測定された。
【０１４１】
また、このような実験において、電解発光装置からの中性子の発生についても測定・検討した。電解発光装置においては、金属電極は非常に遅い金属核分解を起こしていると考えられ、このときに発生する中性子は約１個／ｃｍ2・秒である。これは、自然界において測定される中性子が０．５〜０．６個／ｃｍ2・秒、また原子力基本法による規制値が１０16個／ｃｍ2・秒という値であることから考え、中性子の発生は低いレベルであり、問題ないことがわかる。なお、中性子の遮蔽手段としては、パラフィンが最適であって、実験で厚さ１０ｃｍ程度のパラフィンで保護すれば十分に安全性は確保することができる。
【０１４２】
上述した本発明に従った電解発光装置一例としての水素ガス発生装置を構成する電解発光装置の特徴的な構成を要約すれば、図１に示した電解発光装置は、電解槽としての反応容器１と、この反応容器１の内部に保持される電解液４と、電解液４と接触するように配置され、高融点金属を含む陽極としての白金陽極５および陰極としての陰極端子２の先端部（陰極端子２において電解液４に浸漬されるとともに被覆材１０によっては被覆されず露出した先端部）と、電解発光反応手段としての電源１８および制御装置１７とを備える。電解液４は、電解質としてのアルカリ金属炭酸塩の濃度が０．０５モル／リットル以上となっている。白金陽極５は、陰極端子２の先端部の表面積の１０倍以上の表面積を有する。電源１８および制御装置１７は、陰極端子２の先端部および白金陽極５に１００Ｖ以上の電圧を印加することにより、電解発光反応を生じさせる。なお、陰極端子２の先端部および白金陽極５に印加される電圧は、より好ましくは３５０Ｖ以上である。
【０１４３】
このようにすれば、電解発光反応を連続的に安定して発生させることができる。したがって、電解発光反応を利用した水素ガスの発生工程への利用など、電解発光反応を工業的に安定して利用することができる。
【０１４４】
上記電解発光装置は、電解液４における電解質濃度（アルカリ金属炭酸塩の濃度）を調整する濃度調整部としての電解液補給管１２、電解液排出管１３、管路、ポンプおよび電解液タンクを備えていてもよい。
【０１４５】
この場合、電解発光反応を連続的に発生させるための条件の一つである電解液４の電解質濃度（アルカリ金属炭酸塩の濃度）を、上述した所定の数値範囲を満足するように調整することができる。この結果、長時間に渡って安定して電解発光反応を発生させることができる。
【０１４６】
この発明に従った水素ガス発生装置は、上記電解発光装置と、ガス取出部材としての水素酸素混合ガス取出管９とを備える。水素酸素混合ガス取出管９は、上記電解発光装置の電解槽としての反応容器１に接続され、電解発光反応により電解液４が分解された結果発生する水素ガスを反応容器１の外部に取出すものである。上記水素ガス発生装置では、電解発光反応により電解液４が分解された結果発生する酸素ガスを電解槽としての反応容器１の外部に取出す酸素ガス取出部材としての酸素ガス取出管８をさらに備えていてもよい。
【０１４７】
このようにすれば、電解液４を構成する水を電解発光反応により直接的に熱分解することができるので、通常の電解液の電気分解を行なう場合より、より多くの水素ガスを発生させることができる。また、電解液４を電解発光反応により直接的に熱分解するので、上述のように酸素ガス取出管８を備えることにより、通常の電解液４の電気分解を行なう場合より、より多くの酸素ガスをも取出すことができる。
【０１４８】
この発明に従った発電装置は、図１に示したような水素ガス発生装置（図２に示した電解発光装置３２）と、図２に示した燃料電池３１とを備える。燃料電池３１は、電解発光装置３２から取出した水素ガスを燃料として発電する。また、上記水素ガス発生装置から酸素ガスが取出し可能な場合、上記発電装置は、水素ガス発生装置から取出した酸素ガスを、燃料電池３１の反応ガス（燃料ガス）としても用いてもよい。
【０１４９】
このようにすれば、水素ガス発生装置（電解発光装置３２）により発生させた水素ガスを燃料電池３１の燃料として用いるので、燃料電池３１へ供給するための水素吸蔵合金などを用いて水素を蓄積しておく必要が無い。また、燃料電池３１において水素ガスは酸素と反応し、水になるため、この水をまた電解発光装置３２の電解液に再利用することができる。
【０１５０】
上記発電装置は、水素ガス発生装置（電解発光装置３２）から取出された水素ガスから液体を除去するとともに、水素ガスの湿度を調整する調整装置としての湿度調節器／気液分離器３３（図２参照）を備えていてもよい。また、上記水素ガス発生装置から酸素ガスが取出し可能な場合、湿度調節器／気液分離器３３は、水素ガス発生装置(電解発光装置３２）から取出された酸素ガスから液体を除去するとともに、当該酸素ガスの湿度を調整する機能を有していてもよい。この場合、水素ガス（あるいは、酸素ガスおよび水素ガス）の湿度を、燃料電池３１での反応に適した湿度となるように調整することができるので、燃料電池３１での反応をより効率的に行なうことができる。したがって、燃料電池３１での発電効率を向上させることができる。
【０１５１】
上記発電装置において、水素ガス発生装置（電解発光装置）は、電解発光反応により電解液４が分解された結果発生する酸素ガスを電解槽としての反応容器１の外部に取出す酸素ガス取出部材としての酸素ガス取出管８を含んでいてもよい。上記発電装置は、水素ガス発生装置（電解発光装置３２）と燃料電池３１とが密閉回路（図２において電解発光装置３２から湿度調節器／気液分離器３３を介して燃料電池３１に繋がる水素ガスおよび酸素ガスの供給配管と、燃料電池３１から電解発光装置３２へ水を還流させる配管と、上記電解発光装置３２、湿度調節器／気液分離器３３および燃料電池３１とにより構成される循環管路）を構成していてもよい。すなわち、上記発電装置は、水素ガス発生装置のガス取出部材（水素酸素混合ガス取出管９）および酸素ガス取出部材（酸素ガス取出管８）から取出される水素ガスと酸素ガスとを燃料として燃料電池３１に供給する供給管路（電解発光装置３２から湿度調節器／気液分離器３３を介して燃料電池３１に繋がる水素ガスおよび酸素ガスの供給配管）と、燃料電池３１における発電の結果水素ガスと酸素ガスとから生成された水を水素ガス発生装置(電解発光装置３２）の反応容器１に還流させるための還流管路（燃料電池３１から電解発光装置３２へ水を還流させる配管）とを備えていてもよい。
【０１５２】
この場合、燃料電池３１で用いる水素ガスや酸素ガスなどの反応ガス（燃料ガス）を発電装置に外部から供給する必要が無いため、発電装置の設置場所や使用環境の選択の幅を広げることができる。
【０１５３】
この発明に従ったコジェネレーションシステムとしての図２に示した電解発光コジェネレーションシステムは、上記発電装置と、発電装置から熱エネルギーを取出す熱エネルギー取出部材としての熱交換器容器１５、管路４９、貯湯タンク４０、放熱用熱交換器４２、低温水吸収冷凍機４３、冷却塔４４、温水供給用熱交換器４７などを備える。
【０１５４】
このようにすれば、発電装置を構成する燃料電池３１から電気エネルギーを取出すとともに、発電や水素ガスの発生に伴う排熱を熱エネルギーとして取出すことができる。この結果、エネルギーの利用効率を向上させることができる。
【０１５５】
この発明に従った水素ガス発生方法では、電解槽としての反応容器１（図１参照）に電解質濃度（アルカリ金属炭酸塩の濃度）が０．０５モル／リットル以上である電解液４を配置する工程を実施する。そして、陰極としての陰極端子２先端部と陽極としての白金陽極５とを電解液４に浸漬する工程を実施する。陰極端子２先端部および白金陽極５はそれぞれ高融点金属を含む。白金陽極５は、陰極端子２先端部の表面積の１０倍以上の表面積を有する。陰極端子２先端部および白金陽極５に、３５０Ｖ以上の電圧を印加することにより、電解発光反応を生じさせる工程を実施する。そして、電解発光反応により電解液４を構成する水が分解された結果発生する水素ガスを電解槽としての反応容器１の外部に水素酸素混合ガス取出管９を介して取出す工程を実施する。なお、上記水素ガス発生方法では、電解発光反応により電解液４が分解された結果発生する酸素ガスを反応容器１の外部に酸素ガス取出管８を介して取出す酸素ガス取出し工程を実施してもよい。
【０１５６】
このようにすれば、電解発光反応を利用して電解液４を構成する水を直接熱分解することができるので、通常の電解液４の電気分解を行なう場合より、より多くの水素ガスを発生させることができる。
【０１５７】
上記水素ガス発生方法において、電解発光反応を生じさせる工程は、電解液４の温度を７０℃以上１００℃以下とするように調整することを含んでいてもよい。この場合、電解発光反応により水素ガスを安定して発生させることができる。
【０１５８】
上記水素ガス発生方法では、電解発光反応を生じさせる工程において、陰極端子２先端部および白金陽極５に印加される電圧がパルス電圧であってもよい。この場合、陰極端子２先端部や白金陽極５などの電極の損耗を低減しながら、電解発光反応を継続させることができる。したがって、水素ガスを安定して発生させることができる。
【０１５９】
この発明に従った発電方法は、上記水素ガス発生方法を実施することにより水素ガスを得る工程と、当該水素ガスを燃料ガスとして用いて燃料電池３１により発電する工程とを備える。なお、上記発電方法では、上記水素ガス発生方法を実施することにより酸素ガスも得ることができるときには、上記発電する工程において、当該酸素ガスを燃料電池３１の反応ガスとして用いてもよい。このようにすれば、水素ガス発生装置としての電解発光装置３２（図２参照）により発生させた水素ガス（または水素ガスおよび酸素ガス）を燃料電池３１の燃料として用いるので、燃料電池３１へ供給するための水素吸蔵合金などを用いて水素を蓄積しておく必要が無い。また、燃料電池３１において水素ガスは酸素と反応し、水になるため、この水をまた電解発光装置３２の電解液に再利用することができる。また、電解発光装置３２から取出された酸素ガスを燃料電池３１の反応ガスとして用いる場合、燃料電池３１へ供給するための酸素ガスを別途確保する必要が無いので、電解発光装置３２と燃料電池３１とで閉鎖回路を構成することが可能になる。
【０１６０】
上記発電方法は、湿度調節器／気液分離器３３を用いて、燃料電池３１に供給される水素ガスから水などの液体を除去するとともに、水素ガスの湿度を調整する工程をさらに備えていてもよい。また、上記発電方法では、上記水素ガス発電方法を実施することにより酸素ガスも得ることができるときには、湿度調節器／気液分離器３３を用いて当該酸素ガスから液体を除去するとともに、酸素ガスの湿度を調整する工程をさらに備えていてもよい。この場合、電解発光装置３２から燃料電池３１へ供給される水素ガス（または水素ガスおよび酸素ガス）の湿度を、燃料電池３１での反応に適した湿度となるように調整することができるので、燃料電池３１での反応をより効率的に行なうことができる。したがって、燃料電池３１での発電効率を向上させることができる。
【０１６１】
この発明に従ったエネルギー供給方法は、上記発電方法を実施することにより電気エネルギーを燃料電池３１から外部へ供給する電気エネルギー供給工程と、上記発電方法を実施することに伴って発生する熱エネルギーを電解槽としての反応容器１（図１参照）および燃料電池３１（図２参照）の少なくともいずれか一方から、熱交換器容器１５（図１参照）や管路４９、貯湯タンク４０などを用いて外部へ供給する熱エネルギー供給工程とを備える。このようにすれば、燃料電池３１を含む発電装置から電気エネルギーを取出すとともに、発電や水素ガスの発生に伴う排熱を熱エネルギーとして取出すことができる。この結果、エネルギーの利用効率を向上させることができる。
【０１６２】
この発明に従った電解発光装置用電極は、電解液４と接触するように配置され、電解発光反応を発生させるために用いられる電解発光装置用電極であって、高融点金属を含む陰極としての陰極端子２の先端部（陰極端子２において電解液４に浸漬されるとともに被覆材１０によっては被覆されず露出した先端部）と、高融点金属を含み、陰極端子２の先端部の表面積の１０倍以上の表面積を有する陽極としての白金陽極５とを備える。
【０１６３】
このような電解発光装置用電極を用いれば、電解発光装置３２において効率的に電解発光反応を発生させることができる。
【０１６４】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した実施の形態および実施例ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【０１６５】
【図１】本発明による水素発生装置を示す模式図である。
【図２】本発明による水素発生装置を適用した電解発光コジェネレーションシステムの構成を示す模式図である。
【図３】図２に示した電解発光コジェネレーションシステムにおける物質収支と熱収支とを説明するための模式図である。
【図４】本発明の効果を確認するための実験結果を示すグラフである。
【符号の説明】
【０１６６】
１  反応容器、２  陰極端子、３  陽極端子、４  電解液、５  白金陽極、６  隔壁、７  液面、８  酸素ガス取出管、９  水素酸素混合ガス取出管、１０，１１  被覆材、１２  電解液補給管、１３  電解液排出管、１４  固定部材、１５  熱交換器容器、１６ａ，１６ｂ  導電線、１７  制御装置、１８  電源、１９  流量計、２０，４９  管路、２１，３９  バルブ、２２  質量分析器、２３  熱交換媒体、３１  燃料電池、３２  電解発光装置、３３  湿度調節器／気液分離器、３４  外部電源、３５  電力量計、３６  分電装置、３７  電力変換装置、３８  給水源、４０  貯湯タンク、４１，４５，４６，４８  ポンプ、４２  放熱用熱交換器、４３  低温水吸収冷凍機、４４  冷却塔、４７  温水供給用熱交換器、６０  電源装置、６１  ドイン回収、６２，６３  排熱回収。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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