(57)【要約】【課題】水分解部と燃料電池部と備えてなる太陽光利用システムの燃料電池のエネルギー（電力及び熱源）の利用比率を個別に最適化できるようにする。【解決手段】この発明の太陽光利用システム１は水分解部３で生成された水素を貯蔵する水素貯蔵部３１と、水分解部３で生成された酸素を貯蔵する酸素貯蔵部３３と、水素貯蔵部３１に貯蔵された水素を燃料電池部２０の水素極へ供給する水素供給路４と、酸素貯蔵部３３に貯蔵された酸素を燃料電池部２０へ供給される空気へ混入させる酸素供給路６と、燃料電池部２０へ供給する水素の圧力を制御する水素圧力制御部Ｖ５，Ｖ１１，５０と、燃料電池部へ供給する酸素の圧力を制御する酸素圧力制御１３，Ｖ８，Ｖ１２，５０と、を備える。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方に光半導体触媒が担持された一対の電極と、該光半導体触媒に照射された太陽光エネルギーを利用して分解される電解液とを有する水分解部と、
前記水分解部が生成した水素を利用して発電する燃料電池部と、を備える太陽光利用システムであって、
前記水分解部で生成された水素を貯蔵する水素貯蔵部と、
前記水素分解部で生成された酸素を貯蔵する酸素貯蔵部と、
前記水素貯蔵部に貯蔵された水素を前記燃料電池部の水素極へ供給する水素供給路と、
前記酸素貯蔵部に貯蔵された酸素を前記燃料電池部へ供給される空気へ混入させる酸素供給路と、
前記燃料電池部へ供給する水素の圧力を制御する水素圧力制御部と、
前記燃料電池部へ供給する酸素の圧力を制御する酸素圧力制御と、
を備える、ことを特徴とする太陽光利用システム。
【請求項２】
前記燃料電池部へ供給する水素の第１の圧力と酸素の第１の圧力との第１のパターンを予め保存する第１の保存部と、
前記燃料電池部へ供給する水素の第２の圧力と酸素の第２の圧力との第２のパターンを予め保存する第２の保存部と、
前記第１のパターンと前記第２のパターンを選択する選択部とを、備える請求項１に記載の太陽光利用システム。
【請求項３】
前記選択部は気温、天候若しくは風力等の外部環境に応じてパターンを自動選択する請求項１又は２に記載の太陽光利用システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は新規な太陽光利用システムに関する。より詳しくは、この発明の太陽光利用システムは、太陽光で活性化される光半導体触媒を用いて水を分解し、得られた水素及び酸素を燃料電池反応などに利用するシステムの改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽光のエネルギーを利用して水を分解する光半導体触媒が知られている（特許文献１参照）。この光半導体触媒を用いれば、小さな電力で水を分解可能となり、水を分解した結果、純度の高い水素と酸素を得られる。
特許文献２及び３では、太陽光を利用して水を分解して得られた水素を燃料電池に供給するシステムが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−２９９３６８号公報
【特許文献２】特開２０００−１４４４６４号公報
【特許文献３】特開２０００−３３３４８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明者は、上記の太陽光利用システムを分散型のクリーンエネルギー源として利用することを検討してきた。その結果、下記の課題を見出した。
太陽光利用システムを家庭用に適用した場合、燃料電池から出力されるエネルギーを電力の形態及び熱源（温水、暖房）の形態として利用することができる。
家庭における電力及び熱源の利用比率は、例えば家族構成、季節、地方等によってまちまちであり、また、同一の家庭においても、その利用比率は変化することがある。
そこでこの発明は、太陽光利用システムの燃料電池のエネルギー（電力及び熱源）の利用比率を個別に最適化できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この発明の第１の局面は上記課題に鑑みてなされたものであり、次の通り規定される。即ち、
一方に光半導体触媒が担持された一対の電極と、該光半導体触媒に照射された太陽光エネルギーを利用して分解される電解液とを有する水分解部と、
前記水分解部が生成した水素を利用して発電する燃料電池部と、を備える太陽光利用システムであって、
前記水分解部で生成された水素を貯蔵する水素貯蔵部と、
前記水分解部で生成された酸素を貯蔵する酸素貯蔵部と、
前記水素貯蔵部に貯蔵された水素を前記燃料電池部の水素極へ供給する水素供給路と、
前記酸素貯蔵部に貯蔵された酸素を前記燃料電池部へ供給される空気へ混入させる酸素供給路と、
前記燃料電池部へ供給する水素の圧力を制御する水素圧力制御部と、
前記燃料電池部へ供給する酸素の圧力を制御する酸素圧力制御部と、
を備える、ことを特徴とする太陽光利用システム。
【０００６】
このように規定される第１の局面の太陽光利用システムによれば、水分解部における水分解反応により生成された水素と酸素がそれぞれ水素貯蔵部及び酸素貯蔵部に一旦貯蔵される。水素貯蔵部に貯蔵された水素は水素供給路を介して燃料電池部の水素極に供給され、酸素貯蔵部に貯蔵された酸素は酸素供給路を介して燃料電池へ供給される空気へ混入される。
燃料電池は、抵抗や濃度抵抗が無視できる領域では、ネルンストの式に従い、図１に示すように、供給される水素及び酸素のそれぞれの分圧が高いほど起電圧が高くなり、高効率運転が可能となる（即ち、発熱量は小さい）。他方、供給される水素及び酸素の圧力が低いと発電効率が低くなるがその半面として発熱量が大きくなる。
第１の局面の太陽光利用システムによれば、水分解部からの水素及び酸素が一旦それぞれの貯蔵部（水素貯蔵部及び酸素貯蔵部）に貯蔵され、そこから供給されるので、それぞれの圧力制御部（水素圧力制御部及び酸素圧力制御部）により燃料電池部へ供給される水素及び酸素の圧力の制御が容易にとなる。よって、図１の関係に従い、燃料電池部の発電効率を高くし、電力比率を高くした効率重視モードと、発電効率を低くして熱発生比率を高くした排熱重視モードとを容易に実行できる。
【０００７】
この発明の第２の局面は次のように規定される。即ち、
第１の局面に規定の太陽光利用システムにおいて、
前記燃料電池部へ供給する水素の第１の圧力と酸素の第１の圧力との第１のパターンを予め保存する第１の保存部と、
前記燃料電池部へ供給する水素の第２の圧力と酸素の第２の圧力との第２のパターンを予め保存する第２の保存部と、
前記第１のパターンと前記第２のパターンを選択する選択部とを、備える。
第１のパターンと第２のパターンにおいてそれぞれ水素の圧力と酸素の圧力とが予め定められているので、燃料電池部の出力エネルギーに占める電力と熱源との比率とが異なるものとなる。この第１のパターンと第２のパターンとが選択部で選択されるので、燃料電池部の出力モードを簡易に切り替えることができる。
ここに、選択部における選択の態様は、オペレータによるマニュアル選択はもとより、気温、天候、風力等の外部環境に応じて自動的に選択できる（第３の局面）。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は燃料電池の出力特性を示すグラフである。
【図２】図２はこの発明の実施例の太陽光利用システムの構成を示すブロック図である。
【図３】図３は水素圧力及び酸素圧力の制御を示すフローチャートである。
【図４】図４は他の実施例の太陽光利用システムの構成を示すブロック図である。
【図５】図５は加水量制御を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
上記において、光半導体触媒は太陽光エネルギーを利用し、これに小さな電力のアシストを加えて、水を水素と酸素に分解できるものをいう。かかる半導体材料として、例えばTiO2（二酸化チタン）SrTiO3（チタン酸ストロンチウム）
BaTiO3（チタン酸バリウム）ZrO （酸化亜鉛）SnO2（二酸化スズ）硫化カドミウム（CdS）WO3（酸化タングステン）等を挙げることができる。
かかる触媒を一対の電極の一方に付設して、電解液に浸漬し、電極へ所定の電圧を印加するとともに太陽光を照射すると、触媒表面で電解液中の水分が電気分解される。
外部印加電圧は触媒により適宜設定される。この電圧は燃料電池から供給することができる。もちろん、バッテリ、太陽電池、系統電源等の外部電源を用いることもできる。
電解液の電解質及びその濃度は半導体の種類、システムの用途等に応じて任意に選択できる。
【００１０】
燃料電池部には固体高分子電解質型、リン酸型など周知のタイプの燃料電池を用いることができる。
この燃料電池の水素極へ、水分解部で得られた水素を供給する。水分解部で得られた水素は水素吸蔵合金等からなる水素貯蔵部へ一旦貯蔵し、調圧して水素極へ供給される。
水分解部で得られた酸素も酸素貯蔵部へ一旦貯蔵し、これを燃料電池の空気極へ供給される空気へ混入させることができる。空気極へ送られる空気の酸素量を制御することにより、燃料電池の出力特性を制御できる。
【００１１】
燃料電池反応で生成される生成水は燃料電池部において集められ、適宜水分解部の電解液に加えられる。
水分解部と燃料電池部との間に電解液の循環経路を設け、電解液をこの循環経路内で循環させておいてこの循環経路へ燃料電池の生成水を連続的に若しくは間欠的に加え、水分解に伴う電解液の水分低下を補充することができる。
【実施例】
【００１２】
以下、この発明の実施例を説明する。
図２は実施例の太陽光利用システム１の構成を示すブロック図である。
この太陽光利用システム１は水分解装置３、燃料電池２０及び圧力制御ユニット５０を備えている。
水分解装置３は上述した酸化物からなる光半導体触媒を担持した電極を備える。この電極は気密かつ太陽光を透光可能な電解槽へ浸漬される。電解質にはアルカリ（例えば水酸化ナトリウム）や酸（例えば希硫酸）もしくは中性（例えば塩化カリウムなど）の電解液を用い、電極には電源がつながれており１．２３Ｖ以下の電圧が印加される。
水分解装置３からは水素ライン４と酸素ライン６とが引き出される。水分解装置３における水の分解で得られた水素ガスと酸素ガスとは分離されてそれぞれ水素ライン４及び酸素ライン６へ送られる。
【００１３】
水素ライン４は水素圧力容器３１へ分岐され、また、外部水素源から第２の水素ライン３５が結合される。
酸素ライン６は酸素圧力容器３３へ分岐され、空気供給ライン１３へ繋がれて、空気流へ酸素を混入させる。
符号１３は空気供給ラインを示し、符号１５はファン、符号１７は温度、湿度計を示す。
符号Ｖ１からＶ８はバルブであり、燃料電池２０へ適切に水素ガス、空気及び必要に応じて酸素ガスを供給する。
基本的には、バルブＶ１及びＶ２：開、バルブＶ３，Ｖ４及びＶ７：閉の状態で水分解装置３において生成された水素ガスと酸素ガスとをそれぞれ水素圧力容器３１と酸素圧力容器３３へ貯蔵する。
燃料電池２０を稼働させるときには、バルブＶ１、Ｖ２及びＶ７：閉、バルブＶ３，Ｖ４及びＶ６：開とする。バルブＶ５及びＶ８は調圧弁であり、それぞれ水素ガス及び酸素ガスの圧力を調整する。
【００１４】
この調圧弁Ｖ５，Ｖ８とリリース弁Ｖ１１，Ｖ１２は圧力制御ユニット５０により制御される。これにより、燃料電池２０の水素極へ供給される水素の圧力や燃料電池の空気極へ送風される空気中の酸素圧力（酸素分圧）が制御される。制御ユニット５０には日照計５１が連結される。
外部水素源からの水素ガスは水分解装置３由来の水素ガスが不足したときのみ使用するものとする。
【００１５】
燃料電池２０にはリン酸型のものを利用できる。符号２１は熱交換器であり、水等の熱媒体を燃料電池２０と水分解装置をも含み水循環させて、燃料電池２０を冷却するともに燃料電池反応に伴う熱を温水として外部へ取り出している。ここで燃料電池排熱量は、外部出力電圧に依存し、また水分解装置廃熱は、赤外光吸収エネルギー量に依存する。
符号４０は生成水回収ラインであり、燃料電池２０で生成した生成水を回収して水分解装置３へ供給する。
これにより、水分解装置３において水の電気分解に伴う電解質の水分低下を補充できる。
【００１６】
次に、圧力制御ユニット５０の動作を図３のフローチャートを参照しながら説明する。
ステップ１では、日照計５１の出力にもとづき太陽光の日照度を測定し、十分な日照度がないときは（即ち、昼間の晴れ以外のときは）、水分解部３で十分な水素が得られないおそれがあるので、外部水素源の利用をする（ステップ１１、バルブ７：開）。
他方十分な日照度が得られるときはステップ３においてユーザにより設定されたお湯利用レベルを確認する。
そのレベルが、予め定められたしきい値レベルＬを超えているときは、多量のお湯を得るために多量の熱が必要となる。従って、燃料電池２０へ供給する水素圧力及び酸素圧力が図１に示すパターンＢとなるように、調圧バルブＶ５，Ｖ８，Ｖ１１，Ｖ１２を制御する。これにより、燃料電池２０は排熱重視モードで作動する。
他方、そのレベルが予め定められたしきい値レベルＬまで届かないときは、多量の熱は不要となる。従って、燃料電池２０へ供給する水素圧力及び酸素圧力が図１示すパターンＡとなるように、調圧バルブＶ５，Ｖ８，Ｖ１１，Ｖ１２を制御する。これにより、燃料電池２０は効率重視モードで作動する。
【００１７】
次に、図４を用いて、他の実施例の太陽光利用システム１０１の説明をする。
このシステム１０１において、電解液が循環ライン１４０を介して熱交換器１２１と水分解装置モジュール１０３との間で循環されている。
この水分解装置モジュール１０３は、水分解装置の単位セルの複数個を連結したものである。ここに、水分解装置の単位セルは電極及び電解槽を備えている。循環した電解液は各単位セルに対して独立して供給可能とする。この例では、各単位セルに日照度センサ１６０を備え、照度に応じて電解質の流量をセル単位で制御可能とする。符号Ｖ１６１、Ｖ１６２，Ｖ１６３は当該流量制御バルブであるであり、制御装置１８０でその開度を制御し、もって電解質の流量を調整する。
【００１８】
水分解装置モジュール１０３で生成された水素は水素ライン１０４へ送り出され、除湿膜１０５で除湿された後、水素圧力容器１３１へ蓄積される。この水素圧力容器１３１と並列に脱着可能な水素容器１３２が備えられる。例えば、水素圧力容器１３１が満杯になったとき、バルブＶ１１０を開いて水素ガスライン１０４の水素ガスをこの容器１３２へ貯蔵する。脱着式の水素容器１３２は、例えば燃料電池自動車やバイク用または可搬式発電機等の水素ガス源として利用することができる。
酸素ライン１０６にも除湿膜１０７が備えられる。酸素ライン１０５の酸素は酸素圧力容器１３３に貯蔵される。
各容器１３１、１３３には圧力計１３５、１３６が取り付けられている。
【００１９】
水素圧力容器１３１の水素は燃料電池１２０へ供給されるとともに、バルブＶ１０１，Ｖ１７１その他の燃焼装置１７０へ送られる。水電解モジュール由来の水素が不足したとき、外部水素源としての都市ガス改質ラインから水素が燃料電池１２０やその他の燃焼装置１７０へ供給される。
バルブＶ１０２，Ｖ１７３：開、バルブＶ１７４：閉として、酸素圧力容器１３３の酸素を燃料電池１２０へ供給し、その出力特性を調整できる。この酸素は燃焼装置１７０へも供給可能である（バルブＶ１０２，Ｖ１７４：開、バルブＶ１７３：閉）。
燃料電池１２０の空気供給ライン１３０にはファン１１５及び温度計１１７，１１８が備えられる。
燃料電池２０の出力電力はＤＣ／ＡＣコンバータ１２３で売電され、また、各種の電気機器１７０へ給電される。勿論、燃料電池２０の電力を水分解装置１０３へ給電することもできる。また排熱用途や水素として貯蔵する必要性の無いときには、水分解装置１０３の背面にタンデム形式で接合された太陽電池電源から電気を直接切り替え機器を通して供給できるエネルギーシステムとすることも可能である。
燃料電池１２０と熱交換機１２１との間には熱媒体を循環させる循環ライン１７５が設けられ、ポンプ１７６及びバルブ１７７で熱媒体の循環が制御される。
符号１７８は水素極側からの排出ラインである。
【００２０】
この熱交換器１２１は、水分解モジュール１０３と燃料電池１２０の排熱をとりこめる構造になっており、それらは電解液用の循環ライン１４０がつながれている。熱交換器１２１へ電解液を通すことにより電解液の温度を制御できる。燃料電池１２０の生成水ドレイン１２５に溜まった生成水は給水ライン１２６を介して循環ライン１４０へ供給される。符号１２７は逆止バルブである。この例では、循環ライン１４０における電解液の流れに生成水が吸い込まれるようにしているが、ポンプにより生成水を循環ライン１４０内へ送り込むようにしてもよい。
符号１４１は循環ポンプ、符号１４２は電解液の濃度センサ（ｐＨセンサ）、符号１４３は電解液のリザーブタンク、符号１４４は外部水源としての水供給部、符号１４５はフィルタである。
制御回路１８０が、電解質における水分の消費量、供給可能な生成水量を演算して水供給部１４４からの加水量を制御する。
熱交換が成立しないときには、循環ライン１４１は熱交換器１２１から分離されていてもよい。
【００２１】
この制御について図５のフローチャートに基づいて説明する。
水分解装置モジュール１０３における水の分解量Ａは、例えば、水素圧力容器１３１及び／又は酸素圧力容器１３３の圧力変化（即ち、水素及び又は酸素の発生量）から求めることができる（図５、ステップ１０１参照）。
他方、燃料電池１２０のドレインに蓄積される水の量は次の様に計算できる。
まず、燃料電池反応による生成水の発生量Ｗfcは
Ｗfc＝９．３４×１０−８×Ｐe/Ｖc[kg/sec]である。
ここで、Ｐe：出力[W]  Ｖc: セル電圧である。
【００２２】
他方、燃料電池１２０では空気排気にともない水分が持ち去られる。その持ち去り量Ｗaは、燃料電池１２０へ送り込まれる空気の温度・湿度と排気される空気の温度・湿度、及び供給される空気量に基づき計算できる。
したがって、燃料電池１２０のドレイン１２５に蓄積される水の量（即ち、供給できる生成水の量Ｂは  Ｂ＝Ｗfc  −  Ｗaとなる（ステップ１０３）。
運転条件によって燃料電池１２０はドライアップすることもあり、ドレイン１２５に蓄積される生成水の量は水分解装置モジュール１０３で消費された水分量に満たないことがある。
そこで、水分解装置モジュール１０３で消費された水分量Ａと供給可能な生成水の量Ｂとの差（Ｃ）を演算し（ステップ１０５）、これを補充するように、制御回路１８０は外部水源からのバルブＶ１４９を制御して（ステップ１０７）、電解液へ外部水源から水を補給する。
【００２３】
制御回路１８０の動作により、理論的には電解液の量は常に一定に保持される。
この実施例では、水分解装置モジュール１０３へ水位計１５０を設けて電解液槽の水位を測定する（ステップ１０９）、比較部５２において電解液槽における電解液の水位と所定のしきい値とを比較し（ステップ１１１）、電解液の水位が所定のしきい値範囲外になったとき（ステップ１１１：ＮＯ）、漏水等の異常事態が生じたものとして、アラームを動作させる（ステップ１１３）。
電解槽の水位に基づき、フィードバック制御によりこの水位が一定になるようにバルブ１４９を制御することも可能である。ただし、かかる制御ではシステムにおいて漏水等の異常事態が発生していることの把握が困難になる。
循環ライン１４１は熱交換器１２１から分離されていてもよい。
【００２４】
なお、本実施の形態では、電極間に電圧を印加する電源を接続した場合について説明したが、太陽光エネルギーのみで水を水素と酸素に分解できる光半導体触媒を用いれば、電源を接続する必要は無い。
【００２５】
また、本発明は、上記発明の実施の形態及び実施例の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様も本発明に含まれる。
【符号の説明】
【００２６】
１  水分解システム
３、１０３  水分解装置
３１、１３１  水素圧力容器
３３、１３３  酸素圧力容器
４０、１４０  電解液循環ライン
５０  圧力制御ユニット
【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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