(57)【要約】【課題】太陽光で活性化される光半導体触媒を用いて水を分解する水分解装置の作動効率を向上する。【解決手段】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を貯蔵する電解液槽と有する水分解装置３と該水分解装置３に対して外部から電解液を循環させる電解液循環装置１０とを備える水分解システム１において、水分解装置３に対する太陽光の日照度を日照度計２０で特定し、特定された太陽光の日照度に応じて水分解装置３に対する電解液の循環量を電解液循環制御部３０で制御する。【選択図】  図１
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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を貯蔵する電解液槽と有する水分解装置と、
前記水分解装置に対し外部から電解液を循環させる電解液循環装置と、
前記水分解装置に対する太陽光の日照度を特定する日照度特定部と、
前記日照度特定部で特定された太陽光の日照度に応じて、前記水分解装置に対する前記電解液の循環量を制御する、電解液循環制御部と、
を備えてなることを特徴とする水分解システム。
【請求項２】
請求項１に記載の水分解システムと、
前記水分解装置から得られた水素を利用して発電する燃料電池部と、
前記電解液循環装置へ前記燃料電池部の生成水を供給する生成水供給部と、
を備えたことを特徴とする太陽光利用システム。
【請求項３】
電極に担持された光半導体触媒に太陽光を照射して電解液を分解する水分解装置と該水分解装置に対して前記電解液を循環させる電解液循環装置とを備える水分解システムの制御方法であって、
前記水分解装置に対する太陽光の日照度を特定するステップと、
特定された太陽光の日照度に応じて、前記水分解装置に対する前記電解液の循環量を制御するステップと、
を含むことを特徴とする水分解システムの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明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する水分解装置の改良に関する。
【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。この光半導体触媒を利用した水分解装置は、気密かつ太陽光を透過可能な電解槽内の電解液へ光半導体触媒を担持した電極を浸漬し、この電極に小さな電力を供給することで、電解液の水分を分解する。
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、上記の水分解装置の実用化を検討するに、下記の課題を見出した。
水の分解が進むと、電解液中の水分が消費されるので電解液自体若しくは水分の補給が必要となる。独立した電解液槽へこれらの補給をすることも可能であるが、電解液の容量を大きくしかつ常に電極に接する電解液をフレッシュなものとする観点から、水分解装置に対して外部から電解液を循環させることが好適である。
他方、水分解装置における水分解能はその電極に照射される太陽光の量（日照度）に依存する。即ち、太陽光が強く照射される場合と弱く照射される場合とでは、光半導体触媒の活性化度が異なり、もって、単位時間あたりに分解される水の量が異なる。
したがって、電解液の循環量が一定の場合、高い日照度により強く活性化された光半導体触媒に対しては電解液が好適な濃度から外れるおそれがある。他方、低い日照度により活性化度の低い光半導体触媒に対しては電解液の循環に用いるエネルギーが過剰となるおそれがある。また水分解反応すなわち電気化学反応が電極面で平均的でない場合には、すなわち局所的に水分解反応が継続するとそのセルへの負荷が高くなり、システム自体の耐久性が著しく低下する恐れがある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
以上より、本発明者は、照射される太陽光の量に応じて電解液の循環量を制御し、電極の周囲の電解液を常に最適な状態に維持することに想到した。
即ち、この発明の第１の局面は次のように規定される。
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を貯蔵する電解液槽と有する水分解装置と、
前記水分解装置に対し外部から電解液を循環させる電解液循環装置と、
前記水分解装置に対する太陽光の日照度を特定する日照度特定部と、
前記日照度特定部で特定された太陽光の日照度に応じて、前記水分解装置に対する前記電解液の循環量を制御する、電解液循環制御部と、
を備えてなることを特徴とする水分解システム。
このように規定される水分解システムによれば、水分解装置に対する太陽光の照射度が高くなれば、電解液の循環量を多くし、活発に分解される電解液を常にフレッシュに保つ。他方、太陽光の照射度が低くなれば、水の分解に支障の出ない範囲で電解液の循環量を少なくして、電解液の循環に要するエネルギーを低減して、システムとしての作動効率を向上させる。
【０００６】
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の局面で規定される水分解システムと、前記水分解装置から得られた水素を利用して発電する燃料電池部と、
前記電解液循環装置へ前記燃料電池部の生成水を供給する生成水供給部と、
を備えたことを特徴とする太陽光利用システム。
水分解装置と太陽電池部とを併用する太陽光利用システムでは、水分解装置で水から分解された水素が、燃料電池部において酸素と結合して生成水となる。つまり、水に着目すれば、一旦分解された水が再生されることとなる。このとき、第２の局面の太陽光利用システムで規定するように、燃料電池部の生成水を水分解装置へ戻せば、水分解装置へ外部から水を供給することが不要になるか、若しくは極めて水の供給量が少なくて済み、持ってメンテナンスが容易になる。
【０００７】
この発明の第３の局面は次のように規定される。
電極に担持された光半導体触媒に太陽光を照射して電解液を分解する水分解装置と該水分解装置に対して前記電解液を循環させる電解液循環装置とを備える水分解システムの制御方法であって、
前記水分解装置に対する太陽光の日照度を特定するステップと、
特定された太陽光の日照度に応じて、前記水分解装置に対する前記電解液の循環量を制御するステップと、
を含むことを特徴とする水分解システムの制御方法。
このように規定される水分解システムの制御方法によれば、第１の局面に規定の発明と同様に、水分解システムの作動効率が向上する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１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２】図２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３】図３は加水量制御を説明する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に一方に担持させ、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】
電解液循環装置は水分解装置と別体に配置される。
電解液循環装置を水分解装置の外部へ設けることにより、より多くの電解液の使用が可能となる。よって、電解液の濃度その他の特性が変化し難くなる。
太陽光の日照度は、水分解部の太陽光受光領域において単位体積当たりにかつ単位時間当たりに照射される太陽光の光量を指す。この日照度が高いほど電極に担持された光半導体触媒は強く活性化される。
日照度を特定するには汎用的な光量計を用いることができる。気温変化の小さい環境では太陽光受光領域の温度変化から日照度を推定することもできる。
更には、固定型の水分解装置の場合、その太陽光受光領域に対する太陽光の入射角度は日単位及び年単位で規則的に変化するので、その入射角度は演算により求められる。この場合、太陽光受光領域に対する太陽光の入射角度ひいては年月日時から日照度を推定することもできる。
電解液循環制御部は、日照度特定部で特定された日照度に応じて、電解液の流量、即ち循環量を制御する。例えば、日照度を大、中、小、ゼロの四段階に分類し、それぞれ循環量を予め定めた量（多、中、少、ゼロ）とする。電解液の循環量は循環ポンプの回転数制御もしくは循環ラインに設けられたバルブの開度調整により行える。
【００１１】
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タンクへ一旦貯蔵し、調圧して水素極へ供給することが好ましい。
水分解部で得られた酸素も酸素タンクへ一旦貯蔵し、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。
【００１２】
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路を設け、電解液をこの循環路内で循環させておいてこの循環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】
【００１３】
以下、この発明の実施例を説明する。
図１は実施例の水分解システム１の構成を示すブロック図である。
この水分解システム１は水分解装置モジュール３、電解液循環装置１０、日照計モジュール２０及び電解液循環制御ユニット３０を備えてなる。
水分解装置モジュール３は複数の水分解装置の単位セル（この例では３つＡ，Ｂ，Ｃ）を集合したものである。各水分解装置の単位セルは一対の電極を備え、その一方に光半導体触媒が担持されているこの電極は気密かつ太陽光を透光可能な電解液へ浸漬される。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。
【００１４】
電解液循環装置１０は電解液の循環ライン１１と循環ポンプ１３とを備える。循環ライン１１は、モジュール３の上流側において３つに分岐して各単位セルＡ，Ｂ，Ｃへ繋がれる。この電解液循環装置１０には系内を循環する電解液の特性を維持するため、電解液補充ライン１５と水補充ライン１６とが備えられる。符号１７、１８は逆止バルブである。循環ライン１１を循環する電解液の濃度（ｐＨ）を常にｐＨメータ１９でモニタし、水分解装置モジュール３により電解液の水分が分解され電解液の濃度が高くなると、バルブ１７及び／又はバルブ１８を開放して電解液自体及び／又は水を電解液循環装置１０へ送り込む。
【００１５】
電解液循環制御装置３０は流量制御弁ＶＡ、ＶＢ及びＶＣを備え、分岐された電解液の循環ライン１１にそれぞれ設けられている。
各単位ユニットＡ，Ｂ，Ｃの下流には、それぞれ流量計ＦＡ，ＦＢ，ＦＣが設けられ、各単位ユニットＡ，Ｂ，Ｃを流れる電解液の実流量が測定される。
各流量計ＦＡ，ＦＢ，ＦＣの出力は制御ユニット３１へ入力され、制御ユニット３１は各流量計ＦＡ，ＦＢ，ＦＣの流量が所望量となるように、流量制御弁ＶＡ，ＶＢ，ＶＣの開度を制御する。
なお、この制御ユニット３１にはｐＨメータ１９の出力も入力され、電解液の濃度が一定に維持されるように電解液補充ライン１５及び水供給ライン１６に配設された制御バルブ１７、１８の開度を制御する。
日照度特定部としての日照計モジュール２０は水分解装置モジュール３における各単位セルＡ，Ｂ、Ｃに付設して設けられる。実施例の日照計モジュール２０として、各単位セルＡ，Ｂ，Ｃに対応して配置され、かつ独立した日照計ａ、ｂ、ｃの集合体を用いる。なお、各単位セルＡ，Ｂ，Ｃに対する太陽光照射の遮蔽とならないように、各日照計ａ、ｂ、ｃは各単位セルＡ，Ｂ，Ｃの近傍に配置することが好ましい。
【００１６】
次に、実施例の水分解システム１の動作について説明する。
日照計モジュール２０における各日照計ａ、ｂ、ｃの出力が制御ユニット３１に入力される。制御ユニット３１は、水分解装置モジュー３ルの単位セルＡ，Ｂ，Ｃ毎に日照度に応じて好適な電解液の流量と当該流量に対応する流量制御バルブＶＡ，ＶＢ、ＶＣの開度を保存するメモリ部を備え、その演算部(図示せず)は日照計毎に特定された日照度に応じた電解液流量となるように流量制御バルブＶＡ，ＶＢ，ＶＣの開度調整を行う。更に演算部は流量計ＦＡ，ＦＢ，ＦＣの出力をモニタリングして、各単位セルにおける電解液の流量が好適な範囲から外れていたときは、流用制御バルブの開度を補正して、その流量が好適範囲に収まるようにする。
【００１７】
次に、図２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１２０の電力を水分解モジュール１０３へ給電可能である。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３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３、ステップ１参照）。
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[V]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３）。
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５）、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７）、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９）、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１１）、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１１：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１３）。
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  水分解装置モジュール
１０  電解液循環装置
１１，１４０  電解液循環ライン
２０  日照度計
１２０  燃料電池
【図１】
2013181179.tif 000003
【図２】
2013181179.tif 000004
【図３】
2013181179.tif 000005