(57)【要約】  水素発生システム（１）は、支持体（１１）と、水素発生装置（２１）と、を備え、支持体（１１）は、太陽熱により昇温可能であり、水素発生装置（２１）は、水を電気分解することで水素ガスを発生し、支持体（１１）の熱が水素発生装置（２１）に伝達されるように、支持体（１１）と水素発生装置（２１）とが接続されてなる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持体と、水素発生装置と、を備える水素発生システムであって、
前記支持体は、太陽熱により昇温可能であり、
前記水素発生装置は、水を電気分解することで水素ガスを発生し、
前記支持体の熱が前記水素発生装置に伝達されるように、前記支持体と前記水素発生装置とが接続されてなる水素発生システム。
【請求項２】
前記支持体は、建築物の屋根である請求項１に記載の水素発生システム。
【請求項３】
前記支持体は、太陽光を電力に変換する太陽光発電装置であり、
前記水素発生装置は、前記太陽光発電装置の受光面の反対側の面に取付けられている請求項１又は２に記載の水素発生システム。
【請求項４】
前記支持体は、建築物の床、前記建築物の基礎、及び舗道の少なくとも１つである請求項１に記載の水素発生システム。
【請求項５】
前記支持体は、建築物の壁又は柱である請求項１に記載の水素発生システム。
【請求項６】
前記支持体は、移動体の屋根又は床である請求項１に記載の水素発生システム。
【請求項７】
前記水素発生装置はフィルム状である請求項１から６のいずれか一項に記載の水素発生システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素発生システムに関する。
本願は、２０１６年７月１５日に、日本に出願された日本国特願２０１６−１４０５８７号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
【背景技術】
【０００２】
従来、水素ガスを発生させる装置として、例えば非特許文献１及び２に記載されたような水の電気分解を用いた水素発生システムが知られている。
この種の水素発生システムは比較的大型であるため、室内のような外気温が比較的低い環境下に置かれている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】Diogo M. F. Santos et al., “Hydrogen production by alkaline water electrolysis”, 2016年7月4日検索、インターネット（http://dx.doi.org/10.1590/S0100-40422013000800017）
【非特許文献２】M. D’Orazio et al., “Performance assessment of different roof integrated photovoltaic modules under Mediterranean Climate”, The Mediterranean Green Energy Forum 2013, 2016年7月4日検索、インターネット（http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1876610213017207）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、この種の水素発生システムでは、水素ガスが発生する効率が低く改善の余地がある。【０００５】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであって、水素ガスを発生する効率を高めた水素発生システム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】
【０００６】
上記課題を解決するために、この発明は以下の手段を提案している。
本発明の一態様の水素発生システムは、支持体と、水素発生装置と、を備える水素発生システムであって、前記支持体は、太陽熱により昇温可能であり、前記水素発生装置は、水を電気分解することで水素ガスを発生し、前記支持体の熱が前記水素発生装置に伝達されるように、前記支持体と前記水素発生装置とが接続されてなることを特徴としている。
この態様によれば、支持体は太陽熱（太陽の熱）で加熱されることで温度が上昇する。支持体と水素発生装置とが接続されていることで、水素発生装置に用いられる水は、支持体の熱が伝達されることにより温度が上昇する。一般的に、水は温度が上昇するほど過電圧が下がり電気分解しやすくなるため、水素ガスを発生する効率を高めることができる。【０００７】
また、上記の水素発生システムにおいて、前記支持体は、建築物の屋根であってもよい。
この態様によれば、建築物の屋根は他の建築物等により太陽熱を遮られることが少なく、加熱されやすい。したがって、水素発生装置に用いられる水の温度を効率的に上昇させることができ、水素ガスを発生する効率をより高めることができる。【０００８】
また、上記の水素発生システムにおいて、前記支持体は、太陽光を電力に変換する太陽光発電装置であり、前記水素発生装置は、前記太陽光発電装置の受光面の反対側の面に取付けられていてもよい。
この態様によれば、水素発生装置は、使用する水の温度が高いことが好ましいが、太陽光を必要としない。一方で、太陽光発電装置は太陽光が必要であるが、温度が高過ぎると電力の変換効率が低下する。
太陽光発電装置は、太陽光をその受光面で受けて、電力に変換する。太陽光発電装置の受光面の反対側の面に水素発生装置を取付けることで、太陽熱で加熱された太陽光発電装置の熱で水素発生装置に用いられる水の温度を上昇させ、水素ガスを効率的に発生する。水素発生装置に例えば常温の水を供給するときに、この水は太陽熱で加熱された太陽光発電装置の熱を奪うため、太陽光発電装置の温度を下げて太陽光発電装置における電力の変換効率を高めることができる。【０００９】
また、上記の水素発生システムにおいて、前記支持体は、建築物の床、前記建築物の基礎、及び舗道の少なくとも１つであってもよい。
また、上記の水素発生システムにおいて、前記支持体は、建築物の床又は基礎、舗道であってもよい。
また、上記の水素発生システムにおいて、前記支持体は、建築物の壁又は柱であってもよい。
また、上記の水素発生システムにおいて、前記支持体は、移動体の屋根又は床であってもよい。【００１０】
また、上記の水素発生システムにおいて、前記水素発生装置はフィルム状であってもよい。
この態様によれば、水素発生装置を可撓性を有する材料で形成した場合に、水素発生装置を曲げやすくなるため、水素発生装置を様々な形状に変形させて容易に設置することができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の水素発生システムによれば、水素ガスを発生する効率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態の水素発生システムが取付けられる住宅の斜視図である。
【図２】同水素発生システムの要部の側面図である。
【図３】同水素発生システムの水素発生装置における一部を破断した模式図である。
【図４】水の温度による水の電気分解に要する各エネルギーの必要量の変化を表す図である。
【図５】本発明の変形例の実施形態における水素発生システムの要部の側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明に係る水素発生システムの一実施形態を、図１から図４図５を参照しながら説明する。なお、以下の全ての図面においては、図面を見やすくするため、各構成要素の厚さや寸法の比率は適宜異ならせてある。
図１及び図２に示すように、本実施形態の水素発生システム１は、太陽熱により昇温可能な太陽光発電装置（支持体）１１と、太陽光発電装置１１に接続された水素発生装置２１と、を備えている。
太陽光発電装置１１は、住宅（建築物）１２の屋根１３に支持部材１４を介して取付けられている。支持部材１４は、例えば、金属製の棒状部材であるアングル１４ａを、ボルト等の締結部材（不図示）で所定の形状に形成することで構成されている。
【００１４】
住宅１２の構成は特に限定されず、１階建て（平屋）でもよいし、２階建て以上でもよい。屋根１３の構成は、水平面に対してほぼ平坦な平屋根でもよいし、水平面に対して傾いた斜面を有する切妻屋根、寄棟屋根等でもよい。
【００１５】
太陽光発電装置１１は、受光面である表面１１ａに入射した太陽光を電力に変換する装置であれば特に限定されない。太陽光発電装置１１は、例えば太陽光を直流電圧による電力に変換する。太陽光発電装置１１としては、例えば色素増感太陽電池等の化合物系太陽電池や、単結晶、多結晶太陽電池等のようなシリコン系太陽電池を用いることができる。太陽光発電装置１１は、板状に形成されている。
太陽光発電装置１１には、発生した電力を外部に取出すための図示しないタブが設けられている。
太陽光発電装置１１は、表面１１ａが上方になるとともに太陽Ｓに対向するように、図示しない締結部材等により支持部材１４に固定されている。表面１１ａは、後述する太陽光Ｌが入射する受光面である。
【００１６】
図示はしないが、太陽光発電装置１１のタブは、配線を通して住宅１２に設けられたパワーコンディショナーに接続されている。パワーコンディショナーは、直流電圧を交流電圧に変換したり、交流電圧の電圧を調節したりする。パワーコンディショナーは、住宅１２の壁等に設けられたコンセントに接続されている。
【００１７】
水素発生装置２１の構成は、特に限定されない。水素発生装置２１はアルカリ型でもＰＥＭ（Proton Exchange Membrane）型でもどちらでもよいが、本実施形態では水素発生装置２１がアルカリ型であるとして説明する。
図３に示すように、水素発生装置２１は、電解槽２２と、隔膜２３と、給水配管２４と、気液分離器２５と、を有する。電解槽２２は、離間して対向する２枚の基材２８と、基材２８の周縁を液密に封止する封止材２９とを備える。
電解槽２２内には、隔膜２３が設けられている。電解槽２２内は、隔膜２３によって、陽極室２２ａと陰極室２２ｂとに仕切られている。陽極室２２ａには陽極３１が備えられ、陰極室２２ｂには陰極３２が備えられている。陽極３１と陰極３２とは、隔膜２３を介して対向している。
陽極室２２ａ及び陰極室２２ｂには、電解液３４が備えられている。
【００１８】
電解槽２２は、給水配管２４によって気液分離器２５と接続されている。給水配管２４は、第一の分岐配管２４ａと第二の分岐配管２４ｂとを備える。第一の分岐配管２４ａは、陽極室２２ａの端部に接続され、第二の分岐配管２４ｂは、陰極室２２ｂの端部に接続されている。
陰極室２２ｂの上部には、酸素排出管３５が設けられている。
気液分離器２５は、水源３８及び水素貯留部３９と接続されている。
【００１９】
基材２８は、絶縁性を有し、かつ電解液３４で変性しない材質であれば特に限定されない。基材２８には、例えば、樹脂製板や樹脂製フィルム等が用いられる。
隔膜２３は、イオン透過性を有しかつ水素ガス及び酸素ガスを透過しない膜であればよい。隔膜２３には、従来公知の隔膜が用いられ、例えば、炭化水素系の陰イオン交換膜等が用いられる。
【００２０】
陽極３１には、従来公知の陰極が用いられる。陽極３１には、例えば、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｉｒ等の白金族、Ｎｉ、Ｆｅ等、及びこれらの合金等が用いられる。
陰極３２には、従来公知の陽極が用いられる。陰極３２には、Ｎｉ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｔｉ、Ｓｎ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｖ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｕ、及びこれらの合金並びにこれらの酸化物が用いられる。
電解液３４には、例えば、ＮａＯＨ水溶液、ＫＯＨ水溶液等のアルカリ金属水酸化物の水溶液が用いられる。
アルカリ金属水酸化物の水溶液を電解液３４として用いる場合、該水溶液中のアルカリ金属水酸化物の含有量は、０．１〜５０質量％が好ましく、１〜４０質量％がより好ましい。
【００２１】
このように構成された水素発生装置２１の電解槽２２は、フィルム状（シート状）で可撓性を有することが好ましい。図２に示すように、電解槽２２は、太陽光発電装置１１の裏面（下面、太陽光発電装置１１における表面１１ａの反対側の面）１１ｂに、例えば図示しないボルト等の締結部材により直接接続されている。
【００２２】
図３に示す気液分離器２５は、水中の水素を分離できるものであればよく、例えば、気液分離器２５には、加圧タンク等の容器、水素吸着材が充填された分離塔等が用いられる。
水源３８は、特に限定されず、例えば、水源３８には水道、イオン交換水製造器、純水製造器等が用いられる。
水素貯留部３９は、特に限定されず、水素貯留部３９には加圧タンク、水素吸着剤が充填されたボンベ等、水素を貯留し得る容器が用いられる。
【００２３】
このように構成された水素発生装置２１は、以下のように動作する。
陽極３１と陰極３２との間に直流電圧を印加する。水を水源３８から気液分離器２５、給水配管２４の順で通流させ、電解槽２２内に流入させる。水は、水源３８において例えば２℃〜４０℃程度の常温になっている。なお、常温は、夏期や冬期等の季節等により変わる。
陽極３１と陰極３２との間に電圧を印加すると、陽極３１では下記（１）式の反応が生じ、陰極３２では下記（２）式の反応が生じる。
陽極：４Ｈ＋＋４ｅ−→２Ｈ２  ・・・（１）
陰極：４ＯＨ−→２Ｈ２Ｏ＋Ｏ２＋４ｅ−  ・・・（２）
これにより水が電気分解し、陽極室２２ａに水素ガスが発生するとともに、陰極室２２ｂに酸素ガスが生じる。
【００２４】
陰極室２２ｂで発生した酸素ガスは、陰極室２２ｂ内を上昇し、酸素排出管３５から外部に排出される。
陽極室２２ａで発生した水素ガスは、陽極室２２ａ内を上昇し、第一の分岐配管２４ａから給水配管２４に流入する。
給水配管２４に流入した水素ガスは、給水配管２４中で水を曝気する。水が水素ガスで曝気されると、水中に溶存していた二酸化炭素の分圧が下がり、二酸化炭素が水から排出される。こうして、電解槽２２に供給される水は、予め水素ガスで曝気され、二酸化炭素が除去される。
水から排出された二酸化炭素、及び、水を曝気した水素ガスは、給水配管２４内を通流し、気液分離器２５に流入する。
気液分離器２５に流入した水素ガスは、気液分離器２５で水と分離され、水素貯留部３９に流入する。
【００２５】
図２に示すように、水素発生装置２１は、電解槽２２が太陽光発電装置１１の裏面１１ｂに接触した状態で、太陽光発電装置１１に取付けられていることが好ましい。電解槽２２が太陽光発電装置１１に取付けられていることで、太陽光発電装置１１の熱が電解槽２２に伝達され、電解槽２２内の水が、常温よりも高い例えば５０℃〜９５℃程度に加熱される。
なお、水源３８から供給された水が電解槽２２内で加熱されることで、この水は太陽熱により昇温した太陽光発電装置１１の熱を奪う。
【００２６】
次に、以上のように構成された水素発生システム１の動作について説明する。
太陽Ｓが発した太陽光Ｌが太陽光発電装置１１の表面１１ａに入射すると、太陽光発電装置１１は直流電圧による電力を発生する。住宅１２の屋根１３に取付けられた太陽光発電装置１１は、他の建築物等により太陽光Ｌ及び太陽熱を遮られることが少ない。
太陽光発電装置１１が発生した電力は、太陽光発電装置１１のタブ、及び配線を通してパワーコンディショナーに送られる。パワーコンディショナーにおいて、太陽光発電装置１１から送られた電力は、交流電圧に変換されるとともに電圧が調節される。変換された電力は各コンセントに送られ、このコンセントに接続された電気製品等で使用される。
【００２７】
一方で、太陽Ｓが発した熱（太陽熱）により、太陽光発電装置１１の温度が上昇する。
水素発生装置２１に用いられる水は、太陽光発電装置１１の熱で加熱されて温度が上昇する。一般的に、水は温度が上昇するほど過電圧が下がり電気分解しやすくなるため、水素ガスが発生しやすくなる。
電解槽２２が太陽光発電装置１１に接触しているため、電解槽２２内の水は、電解槽２２を介して太陽光発電装置１１の熱で効率的に加熱される。
電解槽２２の陽極室２２ａで発生した水素ガスは、前述のように給水配管２４内を流れて気液分離器２５で処理され、水素貯留部３９で蓄えらえる。電解槽２２の陰極室２２ｂで発生した酸素ガスは、酸素排出管３５から外部に排出される。
【００２８】
なお、このように構成された水素発生システム１は、水素ガスだけでなく電力も発生させるため、水素・電力発生システムとなる。
【００２９】
（実施例）
以下では、本発明の実施例を具体的に示してより詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
前述の水素発生システムにおいて、下記のものを用いた。
・陰極及び陽極は、株式会社ニラコ製のニッケルフォーム（nickel foam）とした。
・電解液は、３０ｗｔ％のＫＯＨ水溶液とした。
電解槽内の水の温度を一定の温度に設定し、陰極と陽極との間に流す電流を１００ｍＡ／ｃｍ２とした。この状態で１時間安定させた後で、過電圧を測定した。
水の温度を２５℃、５０℃、７０℃、９０℃に設定してそれぞれ安定させたときの、過電圧は、２．３８Ｖ、２．２９Ｖ、２．１５Ｖ、２．０８Ｖとなった。
このことから、水は温度が上昇するほど過電圧が下がり、電気分解しやすくなることが確認できた。
【００３０】
図４に、Lei Bi, Samir Boulfrad et al., “Steam electrolysis by solid oxide electrolysis cells (SOECs) with proton-conducting oxides”  Chem. Soc. Rev., 2014, 43, p.8255-8270で開示されたシミュレーション結果を示す。図４の横軸は水の温度を表し、縦軸は水１ｍｏｌ（モル）を電気分解するのに必要なエネルギーを表す。
【００３１】
点線で示す線Ｌ６は、水の電気分解において必要な電気エネルギーである。一点鎖線で示す線Ｌ７は、水の電気分解において必要な熱エネルギーである。実線で示す線Ｌ８は、線Ｌ６の値と線Ｌ７の値との合計である。温度が１００℃未満では、水は液体の状態であり、温度が１００℃を超えると、水は蒸気になる。
水の温度が上昇するほど、必要な電気エネルギーは大幅に小さくなる。一方で、水の温度が上昇するほど、必要な熱エネルギーは大幅に大きくなり、必要な全エネルギーの大きさが相殺される。
【００３２】
水の電気分解に必要な全エネルギーを表す線Ｌ８から、表１のようにエネルギー効率が求められる。水の温度が５０℃のときのエネルギー効率は１５．６％であり、水の温度が８５℃のときのエネルギー効率は１７．０％である。
なお、水の温度がＴ℃のときのエネルギー効率は、図４において、水の温度がＴ℃のときの線Ｌ７（熱エネルギー）の値を、水の温度がＴ℃のときの線Ｌ８（エネルギーの合計）の値で除した値である。
以上のことから、水は温度が上昇するほどエネルギー効率が高くなることが分かった。
【００３３】
【表１】
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【００３４】
なお、熱源が１００％の効率で作動する場合に、表１に示すエネルギー効率になる。実際に熱源として用いられるヒータ及び給湯機等の効率は１００％よりも低いため、本実施形態の水素発生システムのエネルギー効率は、表１に示すエネルギー効率の値以上になると考えられる。なお、一般的に、熱源の効率が１００％に近づくほど、熱源のコストが高くなる。
【００３５】
以上説明したように、本実施形態の水素発生システム１によれば、太陽光発電装置１１は太陽熱（太陽の熱）で加熱されることで温度が上昇する。太陽光発電装置１１と水素発生装置２１とが接続されていることで、水素発生装置２１に用いられる水は、太陽光発電装置１１の熱が伝達されることにより温度が上昇する。一般的に、水は温度が上昇するほど過電圧が下がり電気分解しやすくなるため、水素発生システム１において水素ガスを発生する効率を高めることができる。
水の過電圧が下がることで、水素発生システム１が高電流密度で作動可能になる。
【００３６】
水素発生装置２１は、使用する水の温度が高いことが好ましいが、太陽光を必要としない。一方で、太陽光発電装置１１は太陽光が必要であるが、温度が高過ぎると電力の変換効率が低下する。
太陽光発電装置１１は、太陽光Ｌをその受光面で受けて、電力に変換する。太陽光発電装置１１の裏面１１ｂに水素発生装置２１を取付けることで、太陽熱で加熱された太陽光発電装置１１の熱で水素発生装置２１に用いられる水の温度を上昇させ、水素ガスを効率的に発生する。
水素発生装置２１に例えば常温の水を供給するときに、この水は太陽熱で加熱された太陽光発電装置１１の熱を奪うため、太陽光発電装置１１の温度を下げて太陽光発電装置１１における電力の変換効率を高めることができる。
【００３７】
水素発生装置２１は屋根１３の上に設置されているため、設置スペースを有効活用できるとともに、住宅１２のデザイン性に影響を与えずに水素発生装置２１を設置することができる。
水素発生装置２１は可撓性を有するフィルム状であるため、水素発生装置２１が曲げやすくなり、水素発生装置２１を様々な形状に変形させて容易に設置することができる。水素発生装置２１が変形させやすいことで、設置スペースを有効活用できるとともに、水素発生装置２１のデザイン性を向上させることができる。
水素発生装置２１をフィルム状にして、軽くすることができる。フィルム状の水素発生装置２１は、連続的製造方法（一端側でロール状にした基材を引き出しつつ各工程の加工を施し、他端側でロール状に巻き取りながら作業を行う、いわゆるRoll  to  Roll方式の製造方法）で製造することができ、この場合、水素発生装置２１の製造に要するコストを抑えることができる。
【００３８】
以上、本発明の一実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の構成の変更、組み合わせ、削除等も含まれる。
例えば、前記実施形態では、支持体は太陽光発電装置１１であるとしたが、支持体はこれに限定されない。例えば、図５に示す水素発生システム２のように、支持体は住宅１２の屋根１３であってもよい。住宅１２の屋根１３は他の建築物等により太陽熱を遮られることが少なく、昇温しやすい。したがって、水素発生装置２１に用いられる水の温度を効率的に上昇させることができ、水素ガスを発生する効率をより高めることができる。
【００３９】
支持体が住宅１２の屋根１３である場合、建築物は住宅１２に限られず、倉庫、工場、カーパーク等でもよい。また、太陽熱で加熱され得る支持体は、建築物の外壁（壁）、床（縁側）、柱、窓、屋根裏、コンクリート製の基礎、コンクリート製やアスファルト製の舗道、自動車、船（移動体）の屋根、甲板（床）等、太陽熱で加熱され得るものであって、水素発生装置２１の電解槽２２を取付け可能なものであれば、特に限定されない。
コンクリート製の支持体としては、上記のもの以外に、建築物の屋根、外壁（壁）、柱、床等を挙げることができる。
水素発生装置２１は、フィルム状に形成されず、厚く形成されていてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本発明の水素発生システムによれば、水素発生装置を支持体に取付けて用いる水素発生システムに広く適用することができる。
【符号の説明】
【００４１】
１、２  水素発生システム
１１  太陽光発電装置（支持体）
１１ａ  表面（受光面）
１１ｂ  裏面（受光面の反対側の面）
１２  住宅（建築物）
１３  屋根（支持体）
２１  水素発生装置
【図１】
2018012152.tif 000004
【図２】
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【図３】
2018012152.tif 000006
【図４】
2018012152.tif 000007
【図５】
2018012152.tif 000008
【国際調査報告】
2018012152.tif 000009
2018012152.tif 000010
2018012152.tif 000011
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