(57)【要約】【課題】水素の生成効率を低下させず、効率良く熱の回収も可能とした水素生成システムを提供する。【解決手段】本発明の水素生成システムは、光触媒性半導体を含む第１電極と水を含む電解液（第１電解液及び第２電解液）等とを含み、前記光触媒性半導体に光が照射されることによって前記水が分解されて水素が発生する水素生成デバイス１００と、前記第１電解液を水素生成デバイス１００外に導出し、且つ水素生成デバイス１００内に再び導入する第１循環経路２０１を含み、第１循環経路２０１を用いて前記第１電解液を循環させる機構と、第１循環経路２０１上に設けられた第１熱交換器２０４と、前記第１電解液の温度を計測する温度計測装置２０３と、を備える。第１電解液が所定の温度以上である場合に、第１熱交換器２０４において、第１循環経路２０１の第１電解液と第１水流ライン２０５の水との熱交換が行われて、第１電解液が冷却され且つ水が加熱される。【選択図】図２Ａ
2013076146.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光触媒性半導体を含む第１電極と、前記第１電極と電気的に接続された第２電極と、前記第１電極の表面及び前記第２電極の表面と接する、水を含む電解液と、前記第１電極と前記第２電極との間に配置され、前記電解液を前記第１電極の表面と接する第１電解液と前記第２電極の表面と接する第２電解液とに分割するセパレータと、前記第１電極、前記第２電極、前記電解液及び前記セパレータを収容する筐体と、を備え、前記第１電極の前記光触媒性半導体に光が照射されることによって前記水が分解されて水素が発生する、水素生成デバイスと、
前記第１電解液を前記水素生成デバイス外に導出し、且つ前記水素生成デバイス内に再び導入する第１循環経路を含み、前記第１循環経路を用いて前記第１電解液を循環させる機構と、
前記第１循環経路上に設けられた第１熱交換器と、
前記第１電解液の温度を計測する手段と、
を備え、
計測された前記第１電解液の温度が所定の温度以上である場合に、前記第１熱交換器において、前記第１循環経路の前記第１電解液と第１液体経路の第１液体との熱交換が行われて、前記第１電解液が冷却され且つ前記第１液体が加熱される、
水素生成システム。
【請求項２】
計測された前記第１電解液の温度が前記所定の温度未満である場合に、前記第１熱交換器において、実質的に、前記第１循環経路の前記第１電解液と前記第１液体経路の前記第１液体との熱交換が行われない、
請求項１に記載の水素生成システム。
【請求項３】
前記第１電解液の温度を計測する前記手段が、前記第１循環経路上に設けられる、
請求項１又は２に記載の水素生成システム。
【請求項４】
燃料電池と、
前記水素生成部において生成された水素を前記燃料電池に供給する機構と、
をさらに備えた、請求項１〜３の何れか１項に記載の水素生成システム。
【請求項５】
前記第１液体経路上であって、前記第１熱交換器よりも下流側に、前記第１液体を前記燃料電池との熱交換によって加熱する第２熱交換器をさらに備えた、
請求項４に記載の水素生成システム。
【請求項６】
前記第１液体経路において前記第１熱交換器よりも上流側の前記第１液体の温度を計測する手段をさらに備え、
計測された前記第１液体の温度に応じて、前記第１熱交換器における熱交換効率を制御する、
請求項５に記載の水素生成システム。
【請求項７】
前記第１熱交換器における熱交換効率の制御が、前記第１液体経路における前記第１液体の流量調整によって行われる、
請求項６に記載の水素生成システム。
【請求項８】
前記第１液体経路は、前記第１液体を前記第１熱交換器と前記第２熱交換器との間で循環させる第２循環経路を形成しており、
前記第２循環経路を含み、前記第２循環経路を用いて前記第１液体を循環させる機構と、
前記第２循環経路上であって、前記第１熱交換器よりも上流側で且つ前記第２熱交換器よりも下流側に設けられ、前記第２循環経路の前記第１液体と第２液体経路の第２液体との熱交換によって前記第１液体を冷却し、前記第２液体を加熱する、第３熱交換器と、
をさらに備えた、
請求項５〜７の何れか１項に記載の水素生成システム。
【請求項９】
前記第３熱交換器によって加熱された前記第２液体の熱を利用して得られた湯を貯める貯湯槽をさらに備えた、
請求項８に記載の水素生成システム。
【請求項１０】
前記貯湯槽は、前記第２液体経路上に設けられている、
請求項９に記載の水素生成システム。
【請求項１１】
前記第２循環経路の前記第１液体の温度を計測する手段をさらに備え、
計測された前記第１液体の温度に応じて、前記第３熱交換器における熱交換効率を制御する、
請求項８〜１０の何れか１項に記載の水素生成システム。
【請求項１２】
前記第３熱交換器における熱交換効率の制御が、前記第２液体経路における前記第２液体の流量調整によって行われる、
請求項１１に記載の水素生成システム。
【請求項１３】
前記第３熱交換器における熱交換効率の制御が、前記第２液体経路に冷水を供給することによって行われる、
請求項１１に記載の水素生成システム。
【請求項１４】
前記第１電解液の前記所定の温度が、前記燃料電池の温度情報によって決定される、
請求項４〜１３の何れか１項に記載の水素生成システム。
【請求項１５】
前記第１液体経路において前記第１熱交換器よりも上流側の前記第１液体の温度を計測する手段をさらに備え、
計測された前記第１電解液の温度が、計測された前記第１液体の温度よりも高く且つ前記所定の温度以上である場合に、前記第１熱交換器において、前記第１循環経路の前記第１電解液と第１液体経路の第１液体との熱交換が行われて、前記第１電解液が冷却され且つ前記第１液体が加熱される、
請求項５〜１４の何れか１項に記載の水素生成システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光の照射により水素を生成するデバイスを備えた水素生成システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、光により電解質を水素へ開裂するための光電気化学システムにおいて、前記電解質から熱を引き出し、熱を家庭用温水等に供給するよう構成された熱交換器を備えたシステムが開示されている（例えば、特許文献１参照）。この光電気化学システムは、太陽熱により熱を得た電解質から、熱交換器を介して熱を回収し、回収された熱を家庭用温水等に供給するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特表２００８−５０７４６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来、太陽熱を利用して水を加熱する際の課題として、太陽熱から得られる熱エネルギーは大きいものの、水の比熱の大きさ及び太陽エネルギー密度の希薄さにより、高温の水を得るためには時間を要するという課題がある。
【０００５】
特許文献１に記載の光電気化学システムにおいては、電解質は、その温度が十分に上がるよりも前に熱交換器で熱を奪われて冷却されてしまうため、電解質の温度が高温に達することはなかった。したがって、このシステムは、高温の熱を得ることができないという課題を有していた。
【０００６】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、水素の生成効率を低下させることなく、併せて効率良く熱の回収も可能とした、水素生成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】
【０００７】
本発明の水素生成システムは、
光触媒性半導体を含む第１電極と、前記第１電極と電気的に接続された第２電極と、前記第１電極の表面及び前記第２電極の表面と接する、水を含む電解液と、前記第１電極と前記第２電極との間に配置され、前記電解液を前記第１電極の表面と接する第１電解液と前記第２電極の表面と接する第２電解液とに分割するセパレータと、前記第１電極、前記第２電極、前記電解液及び前記セパレータを収容する筐体と、を備え、前記第１電極の前記光触媒性半導体に光が照射されることによって前記水が分解されて水素が発生する、水素生成デバイスと、
前記第１電解液を前記水素生成デバイス外に導出し、且つ前記水素生成デバイス内に再び導入する第１循環経路を含み、前記第１循環経路を用いて前記第１電解液を循環させる機構と、
前記第１循環経路上に設けられた第１熱交換器と、
前記第１電解液の温度を計測する手段と、
を備え、
計測された前記第１電解液の温度が所定の温度以上である場合に、前記第１熱交換器において、前記第１循環経路の前記第１電解液と第１液体経路の第１液体との熱交換が行われて、前記第１電解液が冷却され且つ前記第１液体が加熱される。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の水素生成システムを構成する水素生成デバイスでは、第１電極に含まれる光触媒性半導体に光（一般的には太陽光）が照射されることによって水素が発生する。したがって、このような水素生成デバイスは、第１電極が光照射側となる向きで設置されることが一般的であり、光照射によって第１電極と接する第１電解液の温度が上昇する。本発明の水素生成システムによれば、第１電解液の熱を別の液体（第１液体）を介して取り出し、種々の用途に利用できる。ただし、本発明の水素生成システムでは、第１電解液の温度が所定の温度以上となった場合に、第１熱交換器において、第１電解液と第１液体との間で熱交換が行われる。したがって、本発明の水素生成デバイスによれば、第１電解液に十分な量の熱を蓄積させて第１電解液の温度を十分に上昇させてから、第１電解液から熱を効率良く回収できる。また、本発明の水素生成システムでは、第１電解液は第１循環経路を流動し続けることができるので、電解液中のイオンの拡散が妨げられない。その結果、本発明の水素生成システムによれば、水素生成効率を低下させることなく、併せて効率良く熱を回収できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施の形態１における水素生成システムを構成する水素生成デバイスの一構成例を示す概略図
【図２Ａ】本発明の実施の形態１における水素生成システムの例を示す構成図
【図２Ｂ】実施の形態１の水素生成システムにおいて、熱が回収される際の制御部による処理の流れを示すフローチャート
【図３Ａ】本発明の実施の形態２における水素生成システムの例を示す構成図
【図３Ｂ】実施の形態２の水素生成システムにおいて、熱が回収される際の制御部による処理の流れを示すフローチャート
【図４Ａ】本発明の実施の形態３における水素生成システムの例を示す構成図
【図４Ｂ】実施の形態３の水素生成システムにおいて、熱が回収される際の制御部による処理の流れを示すフローチャート
【図５Ａ】本発明の実施の形態４における水素生成システムの例を示す構成図
【図５Ｂ】実施の形態４の水素生成システムにおいて、熱が回収される際の制御部による処理の流れを示すフローチャート
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００１１】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における水素生成システムを構成する、水素生成デバイス１００の一構成例を示す。
【００１２】
水素生成デバイス１００は、半導体電極（第１電極）１０１と、対極（第２電極）１０２と、半導体電極１０１と対極１０２とを電気的に接続する外部回路１０３と、を備える。これらは、筐体１０４の内部に収容されている。半導体電極１０１は、光触媒として機能する光触媒性半導体を含んでいればよい。例えば、半導体電極１０１は、導電基板と、当該導電基板上に設けられた、光触媒として機能する光触媒性半導体の層と、によって形成されることができる。半導体電極１０１に含まれる光触媒性半導体は、必ずしも単相の半導体である必要はなく、複数種類の半導体からなる複合体でもよい。対極１０２は、金属及び炭素材料等の導体物質から形成されていてもよいし、導電基材に金属が担持された構造を有していてもよい。ここで、外部回路１０３は、必ずしも設けられなくてもよい。半導体電極１０１と対極１０２とが直接接している場合等、外部回路１０３を用いずに半導体電極１０１と対極１０２との電気的な接続が得られる場合は、外部回路１０３を設ける必要はない。また、半導体電極１０１と対極１０２との間には、バイアスを印加できるような機構が設けられていてもよい。
【００１３】
水素生成デバイス１００の筐体１０４の内部には、少なくとも分解に用いられる水を含んだ電解液（後述の第１電解液１０６及び第２電解液１０７）が、さらに収容されている。筐体１０４の内部は、電解液を循環させるための循環経路（図示せず）と連通している。したがって、電解液は、筐体１０４の内部を流通している。電解液は、水素生成を効率的に行なうために、支持電解質、酸化還元材料、犠牲試薬及びｐH調整材料等を含んでいてもよい。
【００１４】
筐体１０４の半導体電極１０１側の面の一部は、太陽光を透過する部材で構成されている。また、筐体１０４は、例えば図１に示すように半導体電極１０１が効率的に太陽光を受光することが可能となるような角度、もしくは、例えば建築物の屋根等の設置する面の勾配に合わせて設置されることが望ましい。
【００１５】
筐体１０４において、半導体電極１０１と対極１０２との間には、セパレータ１０５が配置されている。このセパレータ１０５は、筐体１０４内部を、半導体電極１０１側の領域と対極１０２側の領域とに分離している。セパレータ１０５によって、前記電解液は、半導体電極１０１の表面と接する第１電解液１０６と、対極１０２の表面と接する第２電解液１０７とに分割される。セパレータ１０５は、電解液に含まれるイオンは透過するが、気体は遮断するような材質からなっていることが好ましい。セパレータ１０５で筐体１０４内を半導体電極１０１側の領域と対極１０２側の領域とに分離することにより、生成した水素ガスおよび酸素ガスが混合することが防止される。
【００１６】
第１電解液１０６は、第１電解液導入口１０８より筐体１０４の内部に導入される。半導体電極１０１に含まれる光触媒性半導体がｎ型半導体の場合、半導体電極１０１に太陽光が照射されると、第１電解液導入口１０８より導入された第１電解液１０６中の水の一部は、半導体電極１０１上で以下の反応式（１）の反応に用いられる。その結果、酸素が生成する。一方、励起された電子は、半導体電極１０１を構成する導電基板及び外部回路１０３を伝導して、対極１０２上で以下の反応式（２）の反応に用いられる。その結果、水素が生成する。この時、半導体電極１０１により吸収されなかった光、特に赤外光、及び、光が半導体電極１０１により吸収されたものの、反応式（１）の化学反応に使われなかった場合に放出される熱エネルギーにより、第１電解液１０６は加熱される。第１電解液１０６は流動しており、第１電解液導出口１０９から筐体１０４の外部に導出される。
【００１７】
４ｈ+＋２Ｈ2Ｏ  →  Ｏ2↑＋４Ｈ+      （１）
４ｅ-＋４Ｈ+  →  ２Ｈ2↑      （２）
【００１８】
半導体電極１０１上で発生した酸素は、第１電解液１０６と共に、第１電解液導出口１０９から筐体１０４の外部へ導出される。なお、筐体１０４に酸素を導出する機構を別途設けて、この機構を利用して、半導体電極１０１上で発生した酸素を筐体１０４の外部に導出することも可能である。
【００１９】
一方、対極１０２と接する第２電解液１０７は、第２電解液導入口１１０から、筐体１０４の内部に導入される。導入された第２電解液１０７中の水の一部は、対極１０２上で反応式（２）の反応に用いられる。その結果、水素が生成する。第２電解液１０７は流動しており、第２電解液導出口１１１から筐体１０４の外部へと導出される。
【００２０】
対極１０２上で発生した水素は、第２電解液１０７と共に、第２電解液導出口１１１から筐体１０４の外部へ導出される。なお、筐体１０４に水素を導出する機構を別途設けて、この機構を利用して、対極１０２上で発生した水素を筐体１０４の外部に導出することも可能である。
【００２１】
また、半導体電極１０１に含まれる光触媒性半導体がｐ型半導体の場合、半導体電極１０１上では反応式(２)の反応により水素が、対極１０２上では反応式（１）の反応により酸素が、それぞれ発生する。
【００２２】
図２Ａに、実施の形態１における水素生成システムの構成を示す。
【００２３】
水素生成システムを構成する水素生成デバイス１００の説明は前述したので省略する。以下、半導体電極１０１を構成する光触媒性半導体がｎ型半導体である場合について説明する。
【００２４】
なお、図２Ａには図示されていないが、本実施の形態の水素生成システムには制御部が設けられている。この制御部は、本システムの全体を制御するものであって、本システムを構成する各部分を制御できる。この制御部は、本発明の特徴部分である、第１電解液１０６の温度情報に応じて熱交換が行われるか否かの判断（詳細は後述する）も行う。
【００２５】
本実施の形態の水素生成システムには、第１電解液１０６を水素生成デバイス１００の外に導出し、且つ水素生成デバイス１００内に再び導入する第１電解液循環経路（第１循環経路）２０１が設けられている。したがって、水素生成デバイス１００の第１電解液１０６は、第１電解液導出口１０９から筐体１０４の外部へ導出されて、第１電解液循環経路２０１を流通して、第１電解液導入口１０８から再び筐体１０４内部へ導入される。
【００２６】
第１電解液循環経路２０１上には、第１電解液１０６を循環させるためのポンプ２０２と、第１電解液循環経路２０１を流れる第１電解液１０６の温度を計測するための第１温度計測装置（第１電解液１０６の温度を計測する手段）２０３が設置されている。
【００２７】
第１電解液循環経路２０１上には第１熱交換器２０４が設置されている。第１温度計測装置２０３により計測された第１電解液１０１の温度が所定の温度以上の場合に、第１熱交換器２０４において、第１電解液循環経路２０１の第１電解液１０６と第１水流ライン（第１液体経路）２０５の水（第１液体）との熱交換が行われる。第１水流ライン２０５上には、弁２０６が設置されており、第１水流ライン２０５の水量を制御することができる。本実施の形態の水素生成システムでは、前記制御部は、第１温度計測装置２０３から第１電解液１０６の温度の情報を受け、それを所定の温度と比較する。そして、第１電解液１０６の温度が所定の温度以上であれば、弁２０６を制御して弁２０６を開き、第１水流ライン２０５に水を流すことによって、熱交換を実施する。この熱交換により、第１電解液循環経路２０１を流れる第１電解液１０６が冷却され、第１水流ライン２０５を流れる水が加熱される。
【００２８】
なお、所定の温度は、工場出荷時に設定されていてもよいし、季節や天気、外気温や日射量等の動作環境に応じて動的に設定されてもよい。また、外部のサーバー等の装置からの通知により設定されてもよい。
【００２９】
なお、第１温度計測装置２０３は、第１電解液１０６の温度を計測できればよい。したがって、第１温度計測装置２０３は、水素生成デバイス１００の内部に設置されていてもよいし、第１熱交換器２０４の内部に設置されていてもよいし、そのいずれでもない第１循環経路２０１上に設置されていてもよい。
【００３０】
第１温度計測装置２０３により計測された第１電解液１０６の温度が所定の温度未満の場合には、弁２０６が操作されて第１水流ライン２０５を流れる水量を減量する、好ましくはほぼゼロにすることによって、第１熱交換器２０４において実質的な熱交換が行われないようにする。これにより、第１電解液循環経路２０１を流れる第１電解液１０６は、十分に温度が上昇していない段階で第１熱交換器２０４において熱を大幅に失うことがなく、水素生成デバイス１００において獲得した熱を所定の温度に到達するまで蓄積することが可能となる。その結果、第１水流ライン２０５を介して、高温の湯を得ることができる。
【００３１】
第１水流ライン２０５の水量の制御は、弁２０６を設置しなくても、例えばポンプ等の動力源を第１水流ライン２０５上に設置し、その出力を制御することによっても行うことができる。
【００３２】
半導体電極１０１上で発生し、第１電解液導出口１０９から水素生成デバイス１００の外部へと導出された酸素は、第１循環経路２０１上に設けられた第１気液分離装置２０７により、第１電解液循環経路２０１を流れる第１電解液１０６から分離され、除去される。
【００３３】
一方、対極１０２上で発生した水素は、第２電解液導出口１１１から第２電解液１０７と共に水素生成デバイス１００の外部へ導出された後、第２電解液循環経路２０８を流通し、第２気液分離装置２０９において第２電解液１０７から分離される。
【００３４】
第２電解液循環経路２０８を流れる第２電解液１０７は、水素が除去された後、第２電解液導入口１１０から再び水素生成デバイス１００に導入される。第２電解液循環経路２０８上には、第２電解液１０７を流動させる動力源として、ポンプ２１０が設置されている。
【００３５】
また、第２電解液循環経路２０８は、必ずしも直接第２電解液導入口１１０に連結されている必要はなく、一度、第１電解液循環２０１と合流した後、再び分岐して第２電解液導入口１１０と連結する構成となっていてもよい。
【００３６】
次に、本実施の形態の水素生成システムにおいて、第１電解液１０６の熱が回収される際の前記制御部による処理の流れを、図２Ｂに示されたフローチャートに沿って説明する。なお、ここでは、第１電解液１０６の温度が所定の温度未満の場合には、第１熱交換器２０４における熱交換が行われない例について説明する。
【００３７】
制御部は、まず第１温度計測装置２０３から第１電解液１０６の温度の情報を取得する（Ｓ１１）。次に、取得した第１電解液１０６の温度と所定の温度とを比較する（Ｓ１２）。第１電解液１０６の温度が所定の温度未満の場合は、第１水流ライン２０５の弁２０６は開かれずに、第１熱交換器２０４における熱交換は行われない。一方、第１電解液１０６の温度が所定の温度以上の場合、制御部は第１水流ライン２０５の弁２０６を開く（Ｓ１３）。これにより、第１熱交換器２０４において、第１電解液循環経路２０１の第１電解液１０６と第１水流ラインの水との間で熱交換が行われる。
【００３８】
本実施の形態の水素生成システムでは、第１熱交換器２０１における熱交換の実施の有無の制御が、第１水流ライン２０５の弁２０６の開閉という、簡素な構成によって行われる。したがって、本実施の形態の水素生成システムは、効率の良い熱の回収を非常に簡素な構成によって実現できる。
【００３９】
（実施の形態２）
実施の形態２の水素生成システムにおいて、水素生成デバイス１００の構成は、実施の形態１の場合と同様である。したがって、ここではその説明を省略する。
【００４０】
図３Ａに、実施の形態２の水素生成システムの構成例を示す。図３Ａにおいて、図１および図２Ａと同じ構成要素については同じ符号を用い、説明は省略する。なお、図３Ａには図示されていないが、本実施の形態の水素生成システムにも、実施の形態１と同様に、制御部が設けられている。この制御部は、本システムの全体を制御するものであって、本システムを構成する各部分を制御できる。この制御部は、本発明の特徴部分である、第１電解液１０６の温度情報に応じて熱交換が行われるか否かの判断（詳細は後述する）も行う。
【００４１】
本実施の形態の水素生成システムは、第１電解液循環経路２０１上に、第１熱交換器２０４を経由しない第１バイパスライン２１１が設けられた構成を有する。第１バイパスライン２１１上には弁２１２が設けられている。第１電解液循環経路２０１上であって、且つ第１バイパスライン２１１が分岐した後の経路上には、弁２１３が設けられている。
【００４２】
第１温度計測装置２０３により計測された第１電解液１０６の温度が所定の温度以上である場合、前記制御部は、第１バイパスライン２１１上の弁２１２を閉め、第１電解液循環経路２０１上の弁２１３を開ける。これにより、第１電解液循環経路２０１を流れる第１電解液１０６は、第１熱交換器２０４において、第１水流ライン２０５を流れる水と熱交換を行う。その結果、第１電解液循環経路２０１の第１電解液１０６は冷却されて、第１水流ライン２０５の水は加熱される。
【００４３】
一方、第１温度計測装置２０３により計測された第１電解液１０６の温度が所定の温度未満の場合には、前記制御部は、弁２１２を開けて、弁２１３を閉める。これにより、第１電解液循環経路２０１を流れる第１電解液１０６は、第１熱交換器２０４を経由しないので、第１熱交換器２０４で冷却されることはない。これにより、第１電解液循環経路２０１を流れる第１電解液１０６は、十分に温度が上昇していない段階で第１熱交換器２０４において熱を失うことがなく、水素生成デバイス１００において獲得した熱を所定の温度に到達するまで蓄積することが可能となる。その結果、第１水流ライン２０５を介して、高温の湯を得ることができる。ここで、第１バイパスライン２１１と熱交換器２０４側の流路との切り替えを、弁２１２と弁２１３とを用いる方法以外の方法で行うことも可能である。例えば、第１バイパスライン２１１と熱交換器２０４側の流路との分岐点に、三方コックを設けて、流路を切り替えてもよい。
【００４４】
なお、気液分離装置２０７は、第１電解液循環経路２０１上であって、第１バイパスライン２１１が合流した後に設置されていることが望ましい。
【００４５】
次に、本実施の形態の水素生成システムにおいて、第１電解液１０６の熱が回収される際の前記制御部による処理の流れを、図３Ｂに示されたフローチャートに沿って説明する。
【００４６】
制御部は、まず第１温度計測装置２０３から第１電解液１０６の温度の情報を取得する（Ｓ２１）。次に、取得した第１電解液１０６の温度と所定の温度とを比較する（Ｓ２２）。第１電解液１０６の温度が所定の温度未満の場合は、制御部は、弁２１２を開き、弁２１３を閉じる（Ｓ２３）。したがって、第１熱交換器２０４における熱交換は行われない。一方、第１電解液１０６の温度が所定の温度以上の場合、制御部は、弁２１２を閉じて、弁２１３を開く（Ｓ２４）。これにより、第１熱交換器２０４において、第１電解液循環経路２０１の第１電解液１０６と第１水流ラインの水との間で熱交換が行われる。
【００４７】
本実施の形態の水素生成システムでは、第１熱交換器２０１における熱交換の実施の有無の制御が、第１バイパスライン２１１と、第１バイパスライン２１１上に設けられた弁２１２と、第１電解液循環経路２０１上の弁２１３とを利用して行われる。これにより、効率の良い熱の回収という効果に加え、例えば諸事情により第１水流ライン２０５の水流を止めることができない場合でも、第１熱交換器２０１における熱交換の実施の有無を制御できるという効果も得られる。
【００４８】
（実施の形態３）
実施の形態３の水素生成システムにおいて、水素生成デバイス１００の構成は、実施の形態１の場合と同様である。したがって、ここではその説明を省略する。
【００４９】
図４Ａに、実施の形態３の水素生成システムの構成例を示す。図４Ａにおいて、図１、図２Ａ及び図３Ａと同じ構成要素については同じ符号を用い、説明は省略する。なお、図４Ａには図示されていないが、本実施の形態の水素生成システムにも、実施の形態１と同様に、制御部が設けられている。この制御部は、本システムの全体を制御するものであって、本システムを構成する各部分を制御できる。この制御部は、本発明の特徴部分である、第１電解液１０６の温度情報に応じて熱交換が行われるか否かの判断（詳細は後述する）も行う。
【００５０】
本実施の形態の水素生成システムは、水素生成デバイス１００において生成した水素を電気エネルギーに変換するための燃料電池３０１が設けられた構成を有する。第２気液分離装置２０９からは水素ライン３０２が分岐しており、得られた水素は燃料電池３０１に供給される。水素ライン３０２上には、水素を貯蔵するための設備、及び、水素を高圧にするための圧縮機構等が設置されていてもよい。
【００５１】
燃料電池３０１には、燃料電池３０１の運転時に発生する余分の熱を回収して、燃料電池３０１を冷却するための、第２熱交換器３０３が設けられている。この第２熱交換器３０３と第１熱交換器２０４との間で液体を循環させる循環経路（第２循環経路）３０５が設けられている。すなわち、この第２循環経路３０５は、第１熱交換器２０４において、第１電解液１０６から熱を受け取る第１液体が流れる第１液体経路によって形成されている。この第１液体が燃料電池３０１を冷却する液体としても機能し、第２循環経路を循環する。
【００５２】
第１温度計測装置２０３により計測された第１電解液１０６の温度が所定の温度以上の場合、第２循環経路２０５を流れる第１液体は、第１熱交換器２０４において第１電解液１０６からの熱で加熱され、さらに、第２熱交換器３０３において加熱される。第２循環経路３０５上には、第１熱交換器２０４よりも上流側で且つ第２熱交換器３０３よりも下流側に設けられた第３熱交換器３０４が設けられている。第３熱交換器３０４は、第２循環経路３０５を流れる第１液体と、第３水流ライン（第２液体経路）の水（第２液体）との熱交換によって、第１液体を冷却し、第３水流ラインの水を加熱する。したがって、第２熱交換器３０３を通過した第１液体は、第３熱交換器３０４において冷却され、その後再び第１熱交換器２０４において加熱される。
【００５３】
ただし、本実施の形態の水素生成システムの場合、第１熱交換器２０４において熱交換を行うか否かの判断には、第１電解液１０６と所定の温度との大小関係に加えて、燃料電池３０３側の循環経路（第２循環経路）３０５を流れる第１液体の温度も考慮する必要がある。第１熱交換器２０４における熱交換は、第２循環経路３０５上において、第１熱交換器２０４よりも上流側であって、且つ第３熱交換器３０４よりも下流側の第１液体の温度が、第１電解液１０６の温度よりも低い場合に行われる。
【００５４】
第２循環経路３０５上には、第２循環経路３０５を流れる第１液体を循環させるためのポンプ３０６が設置されている。なお、第２循環経路３０５を流れる第１液体は、水に限定されるものではなく、不凍液、その他の熱媒でもよい。
【００５５】
第１温度計測装置２０３により計測された第１電解液１０６の温度が所定の温度未満の場合に、第３熱交換器３０４において冷却された、第２循環経路３０５を流れる第１液体が、第１熱交換器２０４において熱交換を行なわないようにするために、第２バイパスライン３０７が設けられている。
【００５６】
第２循環経路３０５上であって、且つ第２バイパスライン３０７が分岐した後の経路上に、弁３０８が設けられている。第２バイパスライン上には、弁３０９が設けられている。
【００５７】
第１温度計測装置２０３により計測された第１電解液１０６の温度が所定の温度以上の場合には、前記制御部は、弁３０８を開け、弁３０９を閉める。これにより、第１熱交換器２０４で熱交換が行われる。
【００５８】
一方、第１温度計測装置２０３により計測された第１電解液１０６の温度が所定の温度未満の場合には、前記制御部は、弁３０８を閉め、弁３０９を開ける。これにより、第１熱交換器２０４において熱交換が行われない。
【００５９】
第３熱交換器３０４において、第２循環経路３０５と熱交換を行ない、加熱される第３水流ライン３１０上には、貯湯槽３１１が設置されている。第３水流ライン３１０を流れる水は、貯湯槽３１１中の低温域部から供給され、第３熱交換器３０４において加熱され、貯湯槽３１１中の高温域部に供給される。
【００６０】
貯湯槽３１１には、使用されて減少した湯を補うため、もしくは貯湯槽３１１の低温域部の温度が上がりすぎた場合の冷却のために、市水ライン３１２が連結されている。これにより、必要に応じて、貯湯槽３１１の低温域部に市水が供給される。
【００６１】
第３水流ライン３１０を流れる水の動力源として、第３水流ライン３１０上には、ポンプ３１３が設置されている。
【００６２】
また、第２循環経路３０５の第１液体が燃料電池３０１の冷却機能を損なわないようにするため、第２循環経路３０５上にも、第２温度計測装置３１４が設置される。第２温度計測装置３１４によって測定された第１液体の温度に応じて、第３水流ライン３１０を流れる水の流量を制御する、又は、市水ライン３１２から市水を供給する、等による第３熱交換器３０４における熱交換効率を制御する機構をさらに設けてもよい。
【００６３】
また、第２温度計測装置３１４によって計測された第１液体の温度に応じて、第２循環経路３０５を流れる第１液体の流量制御などにより、第１熱交換器２０４における熱交換効率を制御して、第２循環経路３０５を流れる第１液体の温度制御を行なう機構をさらに設けてもよい。
【００６４】
また、第１温度計測装置２０３で計測された第１電解液１０６の温度と比較する所定の温度は、燃料電池３０１の温度情報により決定することが望ましい。第２循環経路３０５の第１液体は、燃料電池３０１の冷却に用いられる。したがって、前記所定の温度を燃料電池３０１の温度よりも低い温度に設定することにより、燃料電池３０１の冷却機能を損なうことなく、第１電解液１０６の熱を第２循環経路３０５を介して回収することが可能となる。
【００６５】
次に、本実施の形態の水素生成システムにおいて、第１電解液１０６の熱が回収される際の前記制御部による処理の流れを、図４Ｂに示されたフローチャートに沿って説明する。
【００６６】
制御部は、まず、第２温度計測装置３１４から、第２循環経路３０５を流れる第１液体の温度の情報を取得する（Ｓ３１）。制御部は、次に、第１温度計測装置２０３から第１電解液１０６の温度の情報を取得する（Ｓ３２）。次に、取得した第１液体の温度と、第１電解液１０６の温度とを比較する（Ｓ３３）。第１電解液１０６の温度が第１液体の温度よりも高い場合は、第１電解液１０６の温度と所定の温度とを比較する（Ｓ３４）。第１電解液１０６の温度が所定の温度以上の場合、制御部は、弁３０９を閉じて、弁３０８を開く（Ｓ３５）。これにより、第１熱交換器２０４において、第１電解液循環経路２０１の第１電解液１０６と第２循環経路３０５の第１液体との間で熱交換が行われる。一方、Ｓ３３において第１液体の温度が第１電解液１０６の温度以上である場合と、Ｓ３４において第１電解液１０６の温度が所定の温度未満の場合は、制御部は、弁３０９を開き、弁３０８を閉じる（Ｓ３６）。すなわち、第１熱交換器２０４における熱交換は行われない。
【００６７】
（実施の形態４）
実施の形態４の水素生成システムにおいて、水素生成デバイス１００の構成は、実施の形態１の場合と同様である。したがって、ここではその説明を省略する。
【００６８】
図５Ａに、実施の形態４の水素生成システムの構成例を示す。図５Ａにおいて、図１、図２Ａ、図３Ａ及び図４Ａと同じ構成要素については同じ符号を用い、説明は省略する。なお、図５Ａには図示されていないが、本実施の形態の水素生成システムにも、実施の形態１と同様に、制御部が設けられている。この制御部は、本システムの全体を制御するものであって、本システムを構成する各部分を制御できる。この制御部は、本発明の特徴部分である、第１電解液１０６の温度情報に応じて熱交換が行われるか否かの判断（詳細は後述する）も行う。
【００６９】
本実施の形態の水素生成システムにおいても、実施の形態３と同様に、水素生成デバイス１００において生成した水素を電気エネルギーに変換するための燃料電池３０１が設けられている。第２気液分離装置２０９からは水素ライン３０２が分岐しており、得られた水素は燃料電池３０１に供給される。水素ライン３０２上には、水素を貯蔵するための設備、および水素を高圧にするための圧縮機構など、が設置されていてもよい。
【００７０】
本実施の形態の水素生成システムは、第１電解液循環経路２０１上に、第１熱交換器２０４を経由しない第１バイパスライン２１１が設けられた構成を有する。第１バイパスライン２１１上には弁２１２が設けられている。第１電解液循環経路２０１上であって、且つ第１バイパスライン２１１が分岐した後の経路上には、弁２１３が設けられている。
【００７１】
第１温度計測装置２０３により計測された第１電解液１０６の温度が所定の温度以上だった場合、前記制御部は、第１バイパスライン２１１上の弁２１２を閉め、第１電解液循環経路２０１上の弁２１３を開ける。これにより、第１電解液循環経路２０１を流れる第１電解液１０６は、第１熱交換器２０４において、第２循環経路３０５を流れる第１液体と熱交換を行う。その結果、第１電解液循環経路２０１の第１電解液１０６は冷却されて、第２循環経路３０５の第１液体は加熱される。
【００７２】
一方、第１温度計測装置２０３により計測された第１電解液１０６の温度が所定の温度に達していない場合には、前記制御部は、弁２１２を開けて、弁２１３を閉める。これにより、第１電解液循環経路２０１を流れる第１電解液１０６は、第１熱交換器２０４を経由しないので、第１熱交換器２０４で冷却されることはない。これにより、第１電解液循環経路２０１を流れる第１電解液１０６は、十分に温度が上昇していない段階で第１熱交換器２０４において熱を失うことがなく、水素生成デバイス１００において獲得した熱を所定の温度に到達するまで蓄積することが可能となる。その結果、第１水流ライン２０５を介して、高温の湯を得ることができる。
【００７３】
ただし、本実施の形態の水素生成システムの場合、第１熱交換器２０４において熱交換を行うか否かの判断は、第１電解液１０６と所定の温度との大小関係に加えて、燃料電池３０３側の循環経路（第２循環経路）３０５を流れる第１液体の温度も考慮する必要がある。第１熱交換器２０４における熱交換は、第２循環経路３０５上において、第１熱交換器２０４よりも上流側であって、且つ第３熱交換器３０４よりも下流側の第１液体の温度が、第１電解液１０６の温度よりも低い場合に行われる。
【００７４】
第２循環経路２０５を流れる第１液体は、第１熱交換器２０４を経由した後、第２熱交換器３０３において加熱される。第２循環経路３０５上には、第１熱交換器２０４よりも上流側で且つ第２熱交換器３０３よりも下流側に設けられた第３熱交換器３０４が設けられている。第３熱交換器３０４は、第２循環経路３０５を流れる第１液体と、第３水流ライン（第２液体経路）の水（第２液体）との熱交換によって、第１液体を冷却し、第３水流ラインの水を加熱する。したがって、第２熱交換器３０３を通過した第１液体は、第３熱交換器３０４において冷却され、その後再び第１熱交換器２０４において加熱される。
【００７５】
第２循環経路３０５上には、第２循環経路３０５を流れる第１液体を循環させるためのポンプ３０６が設置されている。第２循環経路３０５を流れる第１液体は、水に限定されるものではなく、不凍液、その他の熱媒でもよい。
【００７６】
第３熱交換器３０４において、第２循環経路３０５と熱交換を行ない、加熱される第３水流ライン３１０上には、貯湯槽３１１が設置されている。第３水流ライン３１０を流れる水は、貯湯槽３１１中の低温域部から供給され、第３熱交換器３０４において加熱され、貯湯槽３１１中の高温域部に供給される。
【００７７】
貯湯槽３１１には、使用されて減少した湯を補うため、もしくは貯湯槽３１１の低温域部の温度が上がりすぎた場合の冷却のために、市水ライン３１２が連結されている。これにより、必要に応じて、貯湯槽３１１の低温域部に市水が供給される。
【００７８】
第３水流ライン３１０を流れる水の動力源として、第３水流ライン３１０上には、ポンプ３１３が設置されている。
【００７９】
また、第２循環経路３０５の第１液体が燃料電池３０１の冷却機能を損なわないようにするため、第２循環経路３０５上にも、第２温度計測装置３１４が設置される。第２温度計測装置３１４によって測定された第１液体の温度に応じて、第３水流ライン３１０を流れる水の流量を制御する、又は、市水ライン３１２から市水を供給する、等による第３熱交換器３０４における熱交換効率を制御する機構をさらに設けてもよい。
【００８０】
また、第２温度計測装置３１４によって測定された第１液体の温度に応じて、第２循環経路３０５を流れる第１液体の流量制御などにより、第１熱交換器２０４における熱交換効率を制御して、第２循環経路３０５を流れる第１液体の温度制御を行なう機構をさらに設けてもよい。
【００８１】
また、第１温度計測装置２０３で計測された第１電解液１０６の温度と比較する所定の温度は、燃料電池３０１の温度情報により決定することが望ましい。第２循環経路３０５の第１液体は、燃料電池３０１の冷却に用いられる。したがって、前記所定の温度を燃料電池３０１の温度よりも低い温度に設定することにより、燃料電池３０１の冷却機能を損なうことなく、第１電解液１０６の熱を第２循環経路３０５を介して回収することが可能となる。
【００８２】
次に、本実施の形態の水素生成システムにおいて、第１電解液１０６の熱が回収される際の前記制御部による処理の流れを、図５Ｂに示されたフローチャートに沿って説明する。
【００８３】
制御部は、まず、第２温度計測装置３１４から、第２循環経路３０５を流れる第１液体の温度の情報を取得する（Ｓ４１）。制御部は、次に、第１温度計測装置２０３から第１電解液１０６の温度の情報を取得する（Ｓ４２）。次に、取得した第１液体の温度と、第１電解液１０６の温度とを比較する（Ｓ４３）。第１電解液１０６の温度が第１液体よりも高い場合は、第１電解液１０６の温度と所定の温度とを比較する（Ｓ４４）。第１電解液１０６の温度が所定の温度以上の場合、制御部は、弁２１２を閉じて、弁２１３を開く（Ｓ４５）。これにより、第１熱交換器２０４において、第１電解液循環経路２０１の第１電解液１０６と第２循環経路３０５の第１液体との間で熱交換が行われる。一方、Ｓ４３において第１液体の温度が第１電解液１０６の温度以上である場合と、Ｓ４４において第１電解液１０６の温度が所定の温度未満の場合は、制御部は、弁２１２を開き、弁２１３を閉じる（Ｓ４６）。すなわち、第１熱交換器２０４における熱交換は行われない。
【産業上の利用可能性】
【００８４】
本発明にかかる水素生成システムは、太陽光照射により水を分解することにより得られる水素エネルギーのみならず、太陽光により加熱された循環水から熱エネルギーを回収し、高温の温水を得ることが可能となるため、太陽エネルギーを高い効率で利用することが可能であり、家庭用のみならず、業務用の発電システム等としても有用である。
【符号の説明】
【００８５】
１００  水素生成デバイス
１０１  半導体電極（第１電極）
１０２  対極（第２電極）
１０３  外部回路
１０４  筐体
１０５  セパレータ
１０６  第１電解液
１０７  第２電解液
１０８  第１電解液導入口
１０９  第１電解液導出口
１１０  第２電解液導入口
１１１  第２電解液導出口
２０１  第１電解液循環経路（第１循環経路）
２０２  ポンプ
２０３  第１温度計測装置
２０４  第１熱交換器
２０５  第１水流ライン（第１液体経路）
２０６  弁
２０７  第１気液分離装置
２０８  第２電解液循環経路
２０９  第２気液分離装置
２１０  ポンプ
２１１  第１バイパスライン
２１２  弁
２１３  弁
３０１  燃料電池
３０２  水素ライン
３０３  第２熱交換器
３０４  第３熱交換器
３０５  第２循環経路
３０６  ポンプ
３０７  第２バイパスライン
３０８  弁
３０９  弁
３１０  第３水流ライン（第２液体経路）
３１１  貯湯槽
３１２  市水ライン
３１３  ポンプ
３１４  第２温度計測装置
【図１】
2013076146.tif 000003
【図２Ａ】
2013076146.tif 000004
【図２Ｂ】
2013076146.tif 000005
【図３Ａ】
2013076146.tif 000006
【図３Ｂ】
2013076146.tif 000007
【図４Ａ】
2013076146.tif 000008
【図４Ｂ】
2013076146.tif 000009
【図５Ａ】
2013076146.tif 000010
【図５Ｂ】
2013076146.tif 000011