(57)【要約】【課題】光半導体触媒を有する光電極を用いて水分解を行う太陽光利用システムにおいて、光電極の耐久性を向上させる。【解決手段】太陽光利用システムは、一方に光半導体触媒が担持された一対の電極を有し、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電解液を分解する水分解部と、水分解部で生成された酸素を貯蔵する酸素貯蔵部と、電解液を貯蔵するための電解液貯蔵部と、酸素貯蔵部、水分解部、電解液貯蔵部を接続する流体通路と、電解液を水分解部から電解液貯蔵部に回収するための所定の回収条件が成立したか否かを判断する回収条件判断部と、を備える。回収条件が成立したと回収条件判断部が判断した場合に、酸素貯蔵部に貯蔵された酸素の圧力により電解液を水分解部から押し出し、流体通路を介して電解液貯蔵部に回収する。【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を有し、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電解液を分解する水分解部と、
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、
前記電解液を貯蔵するための電解液貯蔵部と、
前記酸素貯蔵部、前記水分解部、前記電解液貯蔵部を接続する流体通路と、
前記電解液を前記水分解部から前記電解液貯蔵部に回収するための所定の回収条件が成立したか否かを判断する回収条件判断部と、を備える太陽光利用システムであって、
前記回収条件が成立したと前記回収条件判断部が判断した場合に、前記酸素貯蔵部に貯蔵された酸素の圧力により前記電解液を前記水分解部から押し出し、前記流体通路を介して前記電解液貯蔵部に回収する、ことを特徴とする太陽光利用システム。
【請求項２】
前記酸素貯蔵部内の圧力を検出する圧力検出部と、
前記流体通路に備えられた流体ポンプと、を備え、
前記回収条件が成立したと前記回収条件判断部が判断し、かつ、前記圧力検出部により検出された前記酸素貯蔵部内の圧力が所定圧力以下である場合に、前記流体ポンプを作動させ、前記水分解部から前記電解液を前記電解液貯蔵部に回収する、ことを特徴とする請求項１に記載の太陽光利用システム。
【請求項３】
前記電解液の回収が終了した後に、前記流体ポンプを作動させることにより前記流体通路内部を負圧にする、ことを特徴とする請求項２に記載の太陽光利用システム。
【請求項４】
前記電極に対する日照度を検出する日照度検出部、を備え、
前記回収条件判断部は、前記日照度が所定照度以下となった場合に、前記回収条件が成立したと判断する、ことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の太陽光利用システム。
【請求項５】
前記回収条件判断部は、所定時刻になった場合に前記回収条件が成立したと判断する、ことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の太陽光利用システム。
【請求項６】
前記電解液の回収を行う旨の指示を入力するための回収指示入力部、を備え、
前記回収条件判断部は、前記回収指示入力部に対して前記電解液の回収を行う旨の指示が入力された場合に、前記回収条件が成立したと判断する、ことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の太陽光利用システム。
【請求項７】
気象情報を受け取る気象情報入力部、を備え、
前記回収条件判断部は、前記気象情報入力部が所定の気象情報を受け取った場合に、前記回収条件が成立したと判断する、ことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の太陽光利用システム。
【請求項８】
前記電解液の温度を検出する温度検出部、を備え、
前記回収条件判断部は、前記温度検出部により検出された前記電解液の温度が所定温度以下の場合に、前記回収条件が成立したと判断する、ことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の太陽光利用システム。
【請求項９】
一方に光半導体触媒が担持された一対の電極を有し、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電解液を分解する太陽光利用システムの制御方法であって、
前記水分解部で生成された酸素を酸素貯蔵部に貯蔵するステップと、
前記電解液を前記水分解部から電解液貯蔵部に回収するための所定の回収条件が成立したか否かを判断する判断ステップと、
前記回収条件が成立したと判断した場合に、前記酸素貯蔵部に貯蔵された酸素の圧力により前記電解液を前記水分解部から押し出し、流体通路を介して前記電解液貯蔵部に回収するステップと、を有する制御方法。
【請求項１０】
前記酸素貯蔵部内の圧力を検出するステップと、
前記回収条件が成立したと前記判断ステップが判断し、かつ、前記圧力検出部により検出された前記酸素貯蔵部内の圧力が所定圧力以下である場合に、前記前記流体通路に備えられた流体ポンプを作動させることにより、前記水分解部から前記電解液を前記電解液貯蔵部に回収するステップ、を備える請求項９に記載の制御方法。
【請求項１１】
前記電解液の回収が終了した後に、前記流体ポンプを作動させることにより前記流体通路内部を負圧にするステップ、を備える請求項１０に記載の制御方法。
【請求項１２】
前記電極に対する日照度を検出するステップを備え、
前記判断ステップは、前記日照度が所定照度以下となった場合に、前記回収条件が成立したと判断する、ことを特徴とする請求項９〜１１のいずれかに記載の制御方法。
【請求項１３】
前記判断ステップは、所定時刻になった場合に前記回収条件が成立したと判断する、ことを特徴とする請求項９〜１１のいずれかに記載の制御方法。
【請求項１４】
前記電解液の回収を行う旨の指示を入力するステップ、を備え、
前記判断ステップは、前記回収指示入力部に対して前記電解液の回収を行う旨の指示が入力された場合に、前記回収条件が成立したと判断する、ことを特徴とする請求項９〜１１のいずれかに記載の制御方法。
【請求項１５】
気象情報を受け取る気象情報受け取りステップ、を備え、
前記判断ステップは、気象情報受け取りステップにおいて所定の気象情報を受け取った場合に、前記回収条件が成立したと判断する、ことを特徴とする請求項９〜１１のいずれかに記載の制御方法。
【請求項１６】
前記電解液の温度を検出する温度検出ステップ、を備え、
前記判断ステップは、前記温度検出ステップにおいて検出された前記電解液の温度が所定温度以下の場合に、前記回収条件が成立したと判断する、ことを特徴とする請求項９〜１１のいずれかに記載の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本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、本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ることができる。
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】
上記の太陽光利用システムの例として、二酸化チタン（ＴｉＯ２）、酸化鉄（Ｆｅ２Ｏ３）、酸化ニオビウム（Ｎｂ２Ｏ５）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）、酸化タングステン（ＷＯ３）、ビスマスバナジウム酸化物（ＢｉＶＯ４）等の半導体を有する電極（以下、光電極とも呼ぶ）を用い、水を分解する技術を用いたものがある（例えば、特許文献２、特許文献３参照）。これらの光電極は水との親和性が非常に強い。そのため、光電極が電解液中に長時間浸漬される条件下においては、基盤電極の上に積層された光電極材料が剥離し、構造が崩壊し、結果として太陽光を電流に変換する量が著しく低下する虞がある。
【０００５】
上記したようなシステムにおいては、電解液中の不純物を除去するために、電解液循環ラインに不純物除去フィルタを設置する場合がある。このような場合であっても、不純物除去フィルタによって除去し切れない電解液中の不純物が、光電極の電解液中への長時間の浸漬によって光電極上に堆積・付着することにより、光電極が本来の性能を発揮できなくなる虞がある。
【０００６】
そこで本発明の目的は、光半導体触媒を有する光電極を用いて水分解を行う太陽光利用システムにおいて、光電極の耐久性を向上させることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第１の局面による太陽光利用システムは、
一方に光半導体触媒が担持された一対の電極を有し、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電解液を分解する水分解部と、
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、
前記電解液を貯蔵するための電解液貯蔵部と、
前記酸素貯蔵部、前記水分解部、前記電解液貯蔵部を接続する流体通路と、
前記電解液を前記水分解部から前記電解液貯蔵部に回収するための所定の回収条件が成立したか否かを判断する回収条件判断部と、を備える太陽光利用システムであって、
前記回収条件が成立したと前記回収条件判断部が判断した場合に、前記酸素貯蔵部に貯蔵された酸素の圧力により前記電解液を前記水分解部から押し出し、前記流体通路を介して前記電解液貯蔵部に回収する、太陽光利用システムである。
【０００８】
上記の構成とすることにより、所定の回収条件が成立したと判断される場合に、電解液を水分解部から電解液貯蔵部に回収するので、光半導体触媒が担持された電極（光電極）が長時間、電解液に浸漬されたままとなる状況を回避することができる。よって、光電極の長寿命化に寄与することができる。更に、太陽光利用システムの稼動中（より詳しくは、水の分解中）に酸素貯蔵部に貯蔵した酸素の圧力を利用して電解液を回収するため、省エネルギーである。
【０００９】
本発明の第２の局面によれば、前記太陽光利用システムは、
前記酸素貯蔵部内の圧力を検出する圧力検出部と、
前記流体通路に備えられた流体ポンプと、を備え、
前記回収条件が成立したと前記回収条件判断部が判断し、かつ、前記圧力検出部により検出された前記酸素貯蔵部内の圧力が所定圧力以下である場合に、前記流体ポンプを作動させ、前記水分解部から前記電解液を前記電解液貯蔵部に回収する。
このような構成によれば、酸素貯蔵部内の圧力が所定圧力以下となり、電解液を回収するための圧力が不足する場合に、流体ポンプを作動させることで、電解液の回収を継続して実行することができる。
【００１０】
本発明の第３の局面によれば、前記太陽光利用システムは、
前記電解液の回収が終了した後に、前記流体ポンプを作動させることにより前記流体通路内部を負圧にする。
このような構成によれば、電解液の回収後に太陽光利用システムを再始動する際に、流体通路内部に形成した負圧を利用して、電解液貯蔵部から電解液を流体通路内部へと吸い出し水分解部へ供給することができる。これにより、システムの再立ち上げを迅速に行うことができる。
【００１１】
本発明の第４の局面によれば、前記太陽光利用システムは、
前記電極に対する日照度を検出する日照度検出部、を備え、
前記回収条件判断部は、前記日照度が所定照度以下となった場合に、前記回収条件が成立したと判断する。これにより、日照度が所定照度以下となって太陽光の利用による水分解が困難または不可能となった場合に、光電極が無用に電解液中に浸漬され続ける状況を回避することができる。
【００１２】
本発明の第５の局面によれば、前記太陽光利用システムにおいて、
前記回収条件判断部は、所定時刻になった場合に前記回収条件が成立したと判断する。
所定時刻は任意に設定できるものとして良い。例えば、所定時刻を固定の時刻としても良い。あるいは、毎日の日没時刻のデータに基づき、毎日の日没の時刻が所定時刻として設定される構成としても良い。こうすることで、日没によって太陽光利用による水分解が困難または不可能となったときに電解液を回収することができる。これにより、光電極が無用に電解液中に浸漬され続ける状況を回避することができる。
【００１３】
本発明の第６の局面によれば、前記太陽光利用システムは、
前記電解液の回収を行う旨の指示を入力するための回収指示入力部、を備え、
前記回収条件判断部は、前記回収指示入力部に対して前記電解液の回収を行う旨の指示が入力された場合に、前記回収条件が成立したと判断する。
このような構成によれば、例えば、ユーザが手動により、電解液の回収を行う旨の指示を回収指示入力部に対して入力することで、電解液の回収を実行させることができる。これにより、太陽光利用システムによる水分解を行わない期間中、電解液を回収することにより、光電極が無用に電解液中に浸漬され続ける状況を回避することができる。
【００１４】
本発明の第７の局面によれば、前記太陽光利用システムは、
気象情報を受け取る気象情報入力部、を備え、
前記回収条件判断部は、前記気象情報入力部が所定の気象情報を受け取った場合に、前記回収条件が成立したと判断する。
このような構成によれば、曇天や雨天により日照が減り、太陽光利用による水分解が十分に行えなくなったとき、あるいはそのような状況が予想される場合に、電解液を回収して光電極が無用に電解液中に浸漬され続ける状況を回避することができる。あるいは、降雪や気温の低下により電解液の凍結が予想される場合に電解液を回収して、電解液の凍結による機器の故障を未然に防ぐことが可能となる。
【００１５】
本発明の第８の局面によれば、前記太陽光利用システムは、
前記電解液の温度を検出する温度検出部、を備え、
前記回収条件判断部は、前記温度検出部により検出された前記電解液の温度が所定温度以下の場合に、前記回収条件が成立したと判断する。
これによれば、電解液の温度が低下した場合に電解液を回収することで、電解液の凍結による機器の故障を未然に防ぐことが可能となる。
【００１６】
本発明の第９の局面による制御方法は、
一方に光半導体触媒が担持された一対の電極を有し、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電解液を分解する太陽光利用システムの制御方法であって、
前記水分解部で生成された酸素を酸素貯蔵部に貯蔵するステップと、
前記電解液を前記水分解部から電解液貯蔵部に回収するための所定の回収条件が成立したか否かを判断する判断ステップと、
前記回収条件が成立したと判断した場合に、前記酸素貯蔵部に貯蔵された酸素の圧力により前記電解液を前記水分解部から押し出し、流体通路を介して前記電解液貯蔵部に回収するステップと、を有する制御方法である。
この方法により、上記第一の局面の効果と同様の効果を奏することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は本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は加水量制御を示すフローチャートである。
【図３】図３は電解液回収制御を示すフローチャートである。
【図４】図４は太陽光利用システムの再始動ための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】
【００１８】
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）、Fe2O3（酸化鉄）、Nb2O5（酸化ニオビウム）、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）、BiVO4（ビスマスバナジウム酸化物）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。
【００１９】
燃料電池部には固体高分子電解質型、固体酸化物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。
【００２０】
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】
【００２１】
以下、この発明の実施例を説明する。図１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。太陽光利用システム１は水分解モジュール３、燃料電池２０、熱交換器２１、制御回路８０を備える。
水分解モジュール３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。水分解装置の単位セル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、及び、気密かつ太陽光を透光可能な電解槽を備えており、電極は電解槽へ浸漬される。電解液にはアルカリ（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（例えば炭酸塩など）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。
【００２２】
この例では、各単位セルに日照度計６０を備え、照度に応じて電解液の流量をセル単位で制御可能とする。電解液の流量の調整は、制御装置８０が流量制御バルブＶ１０、Ｖ１２，Ｖ１４の開度を制御することにより行われる。水分解モジュール３には水位計５０が取り付けられている。
【００２３】
水分解モジュール３からは水素ライン４、酸素ライン６、及び、循環ライン４０が引き出される。水分解モジュール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。
水素ライン４へ送り出された水素は、除湿膜５で除湿された後、水素圧力容器３１に蓄積される。水素圧力容器３１には圧力計３５が取り付けられている。水素圧力容器３１と並列に脱着可能な水素容器３２が備えられる。例えば、水素圧力容器３１が満杯になったとき、バルブＶ１６を開いて水素ガスライン４の水素ガスをこの容器３２へ貯蔵する。脱着式の水素容器３２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。
【００２４】
水素圧力容器３１へは外部水素源としての都市ガス改質ライン３５が接続されている。水分解モジュール３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３５から水素が燃料電池２０や家庭用電気機器やガス機器といったガス利用機器７０へ供給される。都市ガス改質ライン３５には、バルブＶ１８が設けられている。
【００２５】
水素圧力容器３１の出口側の水素ライン４は２つに分岐して、燃料電池２０と、ガス利用機器７０にそれぞれ接続される。これにより、水素圧力容器３１の水素は燃料電池２０及びガス利用機器７０に供給される。水素ライン４のうち、水素圧力容器３１の出口から水素ライン４の分岐点までの部分にバルブＶ２０が設けられている。バルブＶ２０により、水素圧力容器３１から燃料電池２０及びガス利用機器７０への水素の供給を制御することができる。水素ライン４のうち、その分岐点からガス利用機器７０までの部分にバルブＶ２２が設けられている。バルブＶ２２により、水素圧力容器３１からガス利用機器７０への水素の供給を制御することができる。
【００２６】
酸素ライン６には除湿膜７が備えられている。酸素ライン６は酸素圧力容器３３へ接続され、酸素ライン６の酸素は酸素圧力容器３３に貯蔵される。酸素圧力容器３３には圧力計３６が取り付けられている。酸素圧力容器３３の出口側の酸素ライン６は２つに分岐して、燃料電池２０とガス利用機器７０とにそれぞれ接続される。酸素ライン６のうち、酸素圧力容器３３の出口から酸素ライン６の分岐点までの部分に、バルブＶ２４が設けられている。酸素ライン６のうち、その分岐点から燃料電池２０までの部分にはバルブＶ２６が設けられ、該分岐点からガス利用機器７０までの酸素ライン６にはバルブＶ２８が設けられている。
【００２７】
酸素圧力容器３３の出口側の酸素ライン６はバルブＶ２４を介して、電解液の循環ライン４０とも接続している。バルブＶ２４は、酸素圧力容器３３と燃料電池２０及び／又はガス利用機器７０とを連通させる状態（以下、通常稼動状態と呼ぶ）と、酸素圧力容器３３と循環ライン４０とを連通させる状態（以下、パージ状態と呼ぶ）とを切り替えるように構成されている。
バルブＶ２４を通常稼動状態とし、バルブＶ２６を開くことで、酸素圧力容器３３の酸素を燃料電池２０への供給空気に混入させ、その出力特性を調整することができる。バルブＶ２４を通常稼動状態とし、バルブＶ２８を開くことで、この酸素をガス利用機器７０へ供給することができる。
【００２８】
このシステム１において、電解液が循環ライン４０を介して熱交換器２１と水分解モジュール３との間で循環されている。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されている。また、循環ライン４０は、燃料電池２０で生成された生成水を回収して電解液に混入させることで水分解モジュール３へ供給する。これにより、水分解モジュール３において水の電気分解に伴う電解液の水分低下を補充できる。
【００２９】
循環ライン４０の途中には循環ポンプ４１、バルブＶ３０、Ｖ３２、フィルタ４５、液温センサ４６、圧力センサ４７が設置されている。更に、循環ライン４０に対して、電解液濃度センサ（ｐＨセンサ）４２、電解液リザーブタンク４３、外部水源としての水供給部４４が接続されている。循環ポンプ４１は、システム１の通常稼働状態における循環ライン４０中の電解液の流れ方向において、水分解モジュール３の下流側かつ、電解液リザーブタンク４３の上流側に設置されている。バルブＶ３２は大気解放弁であり、循環ポンプ４１の下流側かつ、電解液リザーブタンク４３の上流側に設置されている。液温センサ４６は、循環ライン４０中の電解液の温度を計測するために用いる。圧力センサ４７は循環ポンプ４１の直上流側における循環ライン４０内の圧力を計測するために用いる。
【００３０】
循環ライン４０と電解液リザーブタンク４３はバルブＶ３０を介して接続されている。バルブＶ３０は循環ライン４０上流側のポート（以下、上流側ポートと呼ぶ）、循環ライン４０下流側のポート（以下、下流側ポートと呼ぶ）、及び、電解液リザーブタンク４３側のポート（以下、タンク側ポートと呼ぶ）を有している。これら３つのポートのうち、上流側ポートと下流側ポートを連通させタンク側ポートを閉鎖する状態（以下、通常稼動状態と呼ぶ）、上流側ポートと下流側ポートをタンク側ポートにそれぞれ連通させ、上流側ポートと下流側ポートの間を閉鎖する状態（以下、パージ／再始動状態と呼ぶ）、上流側ポートとタンク側ポートを連通させ下流側ポートを外気と連通させる状態（以下、ポンプパージ状態と呼ぶ）、及び、上流側ポートとタンク側ポートを連通させ下流側ポートを閉鎖する状態（以下、負圧付加状態と呼ぶ）の各状態を切り替え可能とされている。電解液リザーブタンク４３には電解液水位を計測するための水位計４８が備えられている。水供給部４４は、バルブＶ３４を介して循環ライン４０に接続されている。
【００３１】
燃料電池２０には固体高分子型や固体酸化物型のものを利用できる。燃料電池２０の空気供給ライン３０にはファン１５及び温度計１７、１８が備えられている。燃料電池２０の出力電力はＤＣ／ＡＣコンバータ２３を通じて売電され、また、ガス利用機器７０へ給電される。また、燃料電池２０の電力を水分解モジュール３へ給電することも可能である。排熱用途や水素として貯蔵する必要性の無いときには、水分解モジュール３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２０は、水素極側からの排出ライン７８を有する。
【００３２】
燃料電池２０の生成水ドレイン２５に溜まった生成水は給水ライン２６を介して循環ライン４０へ供給される。符号Ｖ３６は逆止バルブである。この例では、循環ライン４０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４０内へ送り込むようにしてもよい。
【００３３】
熱交換器２１は、水分解モジュール３と燃料電池２０の排熱を取り込める構造になっている。燃料電池２０と熱交換機２１との間には水等の熱媒体を循環させる循環ライン７５が設けられ、ポンプ７６及びバルブＶ３８で熱媒体の循環が制御される。一方、上述した通り、熱交換器２１と水分解モジュール３とは電解液用の循環ライン４０により繋がれている。熱交換器２１へ電解液を通すことにより電解液の温度を制御できる。熱交換により、熱交換器２１は燃料電池２０を冷却するとともに、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。燃料電池２０の排熱量は外部出力電圧に依存する。水分解モジュール３の排熱量は、赤外光吸収エネルギー量に依存する。熱交換が成立しないときには、循環ライン４０は熱交換器２１から分離されていてもよい。
【００３４】
制御回路８０は、電解液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４４からの加水量を制御する。制御装置８０は、ガス利用機器７０の負荷に応じてバルブＶ２２、Ｖ２８を制御し、また、ＤＣ／ＡＣコンバータ２３を介したガス利用機器７０への給電量を制御する。
【００３５】
水供給部４４からの加水量の制御について図２のフローチャートに基づいて説明する。
水分解モジュール３における水の分解量Ａは、例えば、水素圧力容器３１及び／又は酸素圧力容器３３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２、ステップ１０１（Ｓ１０１）参照）。
他方、燃料電池２０のドレイン２５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。
【００３６】
他方、燃料電池２０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２０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２０のドレイン２５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２０はドライアップすることもあり、ドレイン２５に蓄積される生成水の量は水分解モジュール３で消費された水分量に満たないことがある。
そこで、水分解モジュール３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８０は外部水源からのバルブＶ３４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。
【００３７】
制御回路８０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、水分解モジュール３へ水位計５０を設けて電解液槽の水位を測定する（ステップ１０９）。制御回路８０は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く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Ｖ３４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４０は熱交換器２１から分離されていてもよい。
【００３８】
次に、図３を参照して、本発明による電解液回収制御について説明する。本発明の電解液回収制御は、日没や曇天等により十分な太陽エネルギーの確保ができなくなった場合や、システムを意図的に稼動停止させる場合に、光電極が長時間にわたって電解液に無用に浸漬されたままとなることを回避するため、あるいは、電解液の循環系内での凍結を回避するために行われる制御であり、制御回路８０により実行される。
【００３９】
制御装置８０は、タイマー制御により、または所定周期ごとに図３の制御フローの実行を開始する。まずステップ２０１において、日照度計６０を用いて日照度を計測する。次に、ステップ２０３において、液温センサ４６によって計測した循環ライン４０内の電解液温度が０℃以下であるか否かを判断する。電解液温度が０℃以下である場合には、電解液が凍結する可能性があるため、ステップＳ２０７に進み、電解液回収へと移行する。電解液温度が０℃より高い場合には、ステップＳ２０５に進み、計測した日照度が所定照度ｌｘ以下であるかどうかを判断する。計測した日照度が所定照度ｌｘより大である場合は、電解液の回収を行う必要はないと判断して、ステップ２０１へ戻る。計測した日照度が所定照度ｌｘ以下である場合は、ステップ２０７へ進む。
ステップ２０７では、外部電源から水分解モジュール３への電力供給を停止し、循環ポンプ４１の作動を停止し、かつ、酸素圧力容器３３出口側のバルブＶ２４を通常稼動状態からパージ状態へ切り替える。これにより、酸素圧力容器３３の出口側の酸素ライン６は循環ライン４０と連通し、該酸素ライン６は燃料電池２０及びガス利用機器７０とは連通しない状態となる。
【００４０】
次に、ステップ２０９において、電解液リザーブタンク４３と循環ライン４０とを接続するバルブＶ３０を通常稼動状態からパージ／再始動状態へ切り替える。これにより、酸素圧力容器内に蓄積されていた高圧の酸素が、循環ライン４０及び水分解モジュール３の内部の電解液を、電解液リザーブタンク４３内へと押し出すこととなる。
【００４１】
次に、ステップ２１１において、電解液リザーブタンク４３に設置された水位計４８による計測に基づき、電解液リザーブタンク４３内の電解液量が所定量以上となったか否かを判断する。この所定量は、電解液がその循環経路から完全に回収された場合の量として、予め設定されている。ステップ２１１で電解液リザーブタンク４３内の電解液量が所定量以上であると判断した場合には、循環経路からの電解液の回収が完了したと判断して、ステップ２１３に進み、バルブＶ３０を負圧付加状態に切り替え、循環ポンプ４１を作動させる。その後、ステップ２２３に進む。
【００４２】
ステップ２１１で電解液リザーブタンク４３内の電解液量が所定量未満であると判断した場合には、ステップ２１５に進み、酸素圧力容器３３内の圧力が大気圧以下か否かを判断する。酸素圧力容器３３内の圧力が大気圧より高いと判断した場合には、制御はステップ２１１に戻り、酸素の圧力による電解液の押し出しを継続する。
ステップ２１５で酸素圧力容器３３内の圧力が大気圧以下であると判断した場合には、酸素圧力容器３３内の圧力では電解液を押し出すことができないため、ステップ２１７に進んで、バルブＶ３０をポンプパージ状態に切り替え、循環ポンプ４１を作動させ、これにより電解液の回収を行う。このとき、循環ライン４０から酸素ライン６に電解液が逆流しないよう、酸素ライン６と循環ライン４０との間に逆止弁が設けられていても良い。
【００４３】
次のステップ２１９では、ステップ２１１と同様に、電解液リザーブタンク４３内の電解液量が所定量以上となったか否かを判断する。電解液リザーブタンク４３内の電解液量が所定量以上となるまで、ステップ２１９が繰り返される。
ステップ２１９で電解液リザーブタンク４３内の電解液量が所定量以上となったと判断すると、循環経路からの電解液の回収が完了したと判断して、ステップ２２１に進み、バルブＶ３０を負圧付加状態に切り替える。次に、ステップ２２３に進む。
ステップ２２３では、バルブＶ３２を開く。この状態で循環ポンプ４１が作動を継続することにより、循環ライン４０を含む電解液の循環経路内部が負圧となる。
【００４４】
次に、ステップ２２５において、所定時間Ｔ以内に循環ライン４０内部の圧力Ｐ１が所定圧力αより低くなったか否かを、圧力センサ４７による計測に基づき判断する。所定時間Ｔ以内に循環ライン４０内部の圧力Ｐ１が所定圧力αより小さくなったと判断した場合には、ステップ２２９に進み、循環ポンプ４１を停止し、更にステップ２３１においてバルブＶ３２を閉じる。こうして、図３の制御を終了する。
ステップ２２５において所定時間Ｔが経過しても循環ライン４０内部の圧力Ｐ１がαより低くならない場合は、循環系内の漏れや循環ポンプ４１の性能劣化等の異常が発生したと判断して、ステップ２２７に進み、全てのバルブを安全側に作動させるとともにシステム１の全電源を停止し、異常報知（アラーム）を行う。
【００４５】
次に、図３の制御により電解液を電解液リザーブタンク４３に回収した後に、システム１を再始動する場合の制御について、図４を参照しながら説明する。図４の制御フローは制御回路８０によって、タイマー設定に基づき、及び／又は所定周期ごとに実行される。まずステップ３０１において、日照度計６０を用いて日照度を計測する。次のステップ３０３において、計測した日照度が所定照度ｌｘ以上であるか否かを判断する。計測した日照度が所定照度ｌｘより低い場合には、ステップ３０１へ戻って、再度、日照度の計測を行う。ステップ３０３において日照度が所定照度ｌｘ以上であると判断された場合には、ステップ３０５へ進み、外気温センサ（図示略）により計測した外気温度が０℃より高いか否かを判断する。計測した外気温度が０℃以下の場合は、電解液の凍結による機器の破壊の可能性があるため、システム１の再始動へ移行せず、再度ステップ３０１に戻って日照度を計測する。外気温度が０℃より高いと判断された場合には、ステップ３０７へ進み、バルブＶ２４を通常稼動状態に切り替え、バルブＶ３０をパージ／再始動状態へ切り替え、循環ポンプ４１を作動させる。
【００４６】
図３の制御によって、電解液回収後の循環ライン４０内は負圧になっているため、バルブ３０をパージ／再始動状態に切り替えることで、電解液を電解液リザーブタンク４３内から循環ライン４０内へと迅速に吸引することができ、循環ポンプ４１との協働により、循環ライン４０内に電解液を迅速に充満させ、もって、システム１の再始動を迅速に行うことができる。次のステップ３０９では、水位計５０による計測に基づき、水分解モジュール３内の電解液の水位が、通常の稼動時に設定されている所定水位β以上になったか否かを判断する。水分解モジュール３内の電解液の水位が所定水位β以上になるまでステップ３０９を繰り返し、所定水位β以上になった時点で次のステップ３１１に進む。ステップ３１１では、水分解モジュール３に対する給電を開始し、バルブＶ３０を通常稼働状態に切り替える。もって水分解を含む通常の運転を開始することで、図４の制御を終了する。
【００４７】
上記実施例の図３の制御においては、日照時計６０で計測した日照度、及び、液温センサ４６で計測した電解液温度を、ステップ２０７以降の電解液回収のための制御の実行条件として用いたが、本発明はこれに限定されない。
例えば、これに代えて、所定時刻になったときに、電解液回収制御の実行条件が成立したと判断する構成としても良い。所定時刻は固定的な時刻としても良く、あるいは国立天文台等の機関により提供される毎日の暦データに基づく日没の時刻（あるいはその近辺の時刻）を所定時刻として毎日更新する構成としても良い。こうすることで、日没によって太陽光利用による水分解が困難又は不可能となった際に電解液を回収することができる。
【００４８】
また、上記の実行条件に代えて、あるいはそれらに加えて、気象台又は気象情報提供サービス会社等から提供される気象情報を電解液回収制御の実行条件として用いても良い。このような構成によれば、曇天や雨天により日照が減り、太陽光利用による水分解が十分に行えなくなったときや、そのような状況が予想される場合に電解液を回収して、光電極が無用に電解液中に浸漬され続ける状況を回避することができる。あるいは、降雪や気温の低下により電解液の凍結が予想される場合に電解液を回収して、電解液の凍結による機器の故障を未然に防ぐことができる。
【００４９】
更には、ユーザの指示入力によりＳ２０７以降の電解液回収制御を実行開始するようにしても良い。これにより、太陽光利用システムによる水分解を行わない期間中、電解液を回収することにより、光電極が無用に電解液中に浸漬され続ける状況を回避することができる。指示入力は制御回路８０に対して行うものとしても良く、あるいは、入力のための装置を別途設けるものとしても良い。
【００５０】
なお、図４のＳ３０７以降の、電解液を再循環させ通常の運転を開始させる制御についても、所定時刻（一定の時刻、暦データに基づく日の出の時刻、またはその近辺の時刻）に実行を開始したり、ユーザの指示入力により実行を開始したり、あるいは気象情報を実行条件として用いたりしても良い。
上記実施例では、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。
上記実施例において、システム１の通常稼動中の電解液の循環経路に電解液リザーブタンク４３を含めても良い場合には、バルブＶ３０の通常稼動状態に代えて、パージ／再始動状態を用いても良い。
また、システム１の通常稼動時以外の期間中、水分解モジュール３と水素ライン４の間の連通を遮断するための手段を設けても良い。
【００５１】
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】
【００５２】
１  太陽光利用システム
３  水分解モジュール
２０  燃料電池
２１  熱交換器
３１  水素圧力容器
３３  酸素圧力容器
３５、３６  圧力計
Ｖ２４、Ｖ３０、Ｖ３２  バルブ
４０  循環ライン
４１  循環ポンプ
４３  電解液リザーブタンク
４６  液温センサ
４７  圧力センサ
４８、５０  水位計
６０  日照度計
８０  制御回路
【図１】
2013209735.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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