JP2001338672A

JP2001338672A - 家庭用電力供給システム

Info

Publication number: JP2001338672A
Application number: JP2000156141A
Authority: JP
Inventors: Takashi Sasaki; 隆佐々木; Koichi Ichinose; 孝一市野瀬
Original assignee: Shinko Pantec Co Ltd
Current assignee: Shinko Pantec Co Ltd
Priority date: 2000-05-26
Filing date: 2000-05-26
Publication date: 2001-12-07

Abstract

(57)【要約】【課題】昼間に太陽電池で発生した電力のうち、一部
を余剰分として貯蔵しておき、必要な時にその電力を使
用することができる家庭用電力供給システムを提供する
ことを課題とする。【解決手段】本発明は、太陽電池２と、該太陽電池２
から給電されて水素を生成する水電解装置１２と、該水
電解装置１２で生成した水素を貯蔵する水素貯蔵装置１
６と、該水素貯蔵装置１６から供給された水素を燃料と
して発電する発電装置１２，２０とを備えてなることを
特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、水素を利用して電
力を貯蔵する家庭用電力供給システムに関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】近年、
省エネルギーの観点から、太陽電池を設置し、太陽熱を
電力に変換して家庭内電力の一部に充当する家庭が増え
てきている。しかしながら、太陽電池は昼間にしか発電
できないため、夜間は商用電力に頼らざるを得ない。ま
た、昼夜を問わず、電力消費ピーク時に備えて、ある程
度の電力を確保しておく必要がある。

【０００３】そこで、本発明は上記従来の問題点に鑑み
てなされたもので、昼間に太陽電池で発生した電力のう
ち、一部を余剰分として貯蔵しておき、必要な時にその
電力を使用することができる家庭用電力供給システムを
提供することを課題とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題に鑑
みてなされたもので、太陽電池２と、該太陽電池２から
給電されて水素を生成する水電解装置１２と、該水電解
装置１２で生成した水素を貯蔵する水素貯蔵装置１６
と、該水素貯蔵装置１６から供給された水素を燃料とし
て発電する発電装置１２，２０とを備えてなることを特
徴とする。

【０００５】上記構成からなる家庭用電力供給システム
によれば、太陽電池２で発生した電力の一部が余剰電力
として水電解装置１２に供給される。水電解装置１２で
は、給電により水素と酸素が生成される。そのうち、水
素が水素貯蔵装置１６に貯蔵される。そして、太陽電池
２からの電力供給量が不足した時、貯蔵された水素が発
電装置１２，２０に供給され、発電装置１２，２０内で
発電が行なわれる。この発生した電力を必要に応じて使
用する。

【０００６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の第一実施形態につ
いて図面を参酌しつつ説明する。

【０００７】＜第一実施形態＞図１は、第一実施形態の
家庭用電力供給システムを示す系統図である。図２は、
水電解装置の詳細を示す系統図である。図３は、水電解
装置における電解セルの概略構成を示す説明図である。
図４は、燃料電池の概略構成を示す説明図である。図１
に示す家庭用電力供給システム１は、民生用として考案
されたもので、例えば一般住宅の屋根に設置される太陽
電池２と、純水の電気分解をなし得る水電解装置１２
と、該水電解装置１２で生成された酸素ガスを貯蔵する
酸素貯蔵タンク１４と、水電解装置１２で生成された水
素ガスを貯蔵する水素貯蔵タンク１６と、酸素及び水素
の化学反応を利用して電力を発生する燃料電池２０とを
備えている。前記太陽電池２としては、単結晶シリコ
ン、多結晶シリコン、アモルファスシリコン等の太陽電
池が使用できる。特に前記アモルファスシリコン太陽電
池は、低温で作成できるので、安価なガラス基板が使用
でき、低コストで量産に適している。また、アモルファ
ス構造のため、光吸収率が高く、太陽電池を薄膜化（軽
量化）できるので、一般住宅の屋根に設置する上で好適
である。

【０００８】前記太陽電池２に接続された結線３は、ス
イッチ４、ＤＣ／ＤＣコンバータ５を順次配設して水電
解装置１２の電極に接続される。一方、結線３から分岐
した、あるいは太陽電池２に接続された結線７は、スイ
ッチ８、ＤＣ／ＡＣインバータ９を順次配設して家庭内
のコンセント１０に接続される。そこで、スイッチ４を
閉じれば、太陽電池２で発電された電力がＤＣ／ＤＣコ
ンバータ５にて電力変換されて水電解装置１２に供給さ
れる一方、スイッチ８を閉じれば、前記電力がＤＣ／Ａ
Ｃインバータ９にて交流に変換されてコンセント１０か
ら供給可能となる。

【０００９】前記水電解装置１２は、図２に示す如く、
純水を貯蔵する純水貯蔵タンク１００と、純水の電気分
解をなし得る電解セル１０１と、該電解セル１０１を収
容するセル収容タンク１０２とを備えた、いわゆる高圧
型の水電解装置である。

【００１０】前記電解セル１０１は、図３に示す如く、
固体電解質膜１００１と、該固体電解質膜１００１の両
側に設けられた電極板１００２，１００３と、固体電解
質膜１００１と電極板１００２，１００３との間に設け
られた給電体１００４，１００５等を用いて構成され、
固体電解質膜１００１と第一電極板１００２とで挟まれ
た空間からなる第一電極室１００６と、固体電解質膜１
００１と第二電極板１００３とで挟まれた空間からなる
第二電極室１００７とが形成されている。

【００１１】固体電解質膜１００１としては、固体高分
子電解質膜、あるいはセラミック製固体電解質膜等を用
いることが可能であるが、例えば、固体高分子電解質を
膜状に形成したもの（以下「固体高分子電解質膜」とも
いう。）１００８の両面に貴金属、特に白金族金属から
成る多孔質層（電極触媒層１００９，１０１０）を形成
したものを用いることが好ましい。ここで、固体高分子
電解質膜１００８としては、例えば、カチオン交換膜
（フッ素樹脂系スルフォン酸カチオン交換膜（デュポン
社製「ナフィオン１１７」等））を用いることが好まし
い。

【００１２】また、電極触媒層１００９，１０１０は、
例えば、化学的に（無電解メッキ等によって）、固体高
分子電解質膜１００８の両面に形成されている。さら
に、この場合、電極触媒層１００９，１０１０を形成す
る多孔質層（多孔質メッキ層）としては、白金族金属の
うち白金を用いることが好ましく、特に、白金とイリジ
ウムとから成る二層構造とすることが好ましい。このよ
うな二層構造とすれば、８０℃の状況下において、２０
０Ａ／ｄｍ２の高電流密度で四年間の長期にわたって、
電気分解を行うことが可能である。

【００１３】前記電解セル１０１の第一電極室１００６
及び第二電極室１００７には、それぞれ前記結線３，３
を接続するための端子１１１，１１１が設けられている
（図２参照）。そこで、端子１１１に結線３を接続し、
第一電極板１００２を陽極、第二電極板１００３を陰極
とし、太陽電池２から電力供給を受ければ、第一電極室
１００６側（アノード）では、２Ｈ₂Ｏ → Ｏ₂ ＋４Ｈ⁺ ＋４ｅ^- なる反応が起こって酸素ガスが発生する。この反応によ
って第一電極室１００６側で発生した水素イオンは、少
量の水と共に固体電解質膜１００１を透過して第二電極
室１００７（カソード）に至り、第二電極室１００７側
では、４Ｈ⁺ ＋４ｅ^- → ２Ｈ₂ なる反応が起こって水素ガスが発生する。

【００１４】そして、第一電極板１００２には、純水供
給孔１００２ａと、酸素抽出孔１００２ｂとが形成され
ており、純水供給孔１００２ａを介して、電解セル１０
１外部から第一電極室１００６に対して純水が供給さ
れ、酸素抽出孔１００２ｂを介して、第一電極室１００
６にて生成された酸素が電解セル１０１外部に抽出され
る。第二電極板１００７には、水素抽出孔１００３ｂが
形成されており、この水素抽出孔１００３ｂを介して、
第二電極室１００７にて生成された水素が電解セル１０
１外部に抽出される。

【００１５】ここで、図２に戻り、前記純水貯蔵タンク
１００から、純水を第一電極室１００６に供給する純水
供給配管１０８が接続されている。さらに、一旦供給さ
れた純水を循環させるための純水循環配管１０９が純水
供給配管１０８の途中位置とセル収容タンク１０２との
間に配設されている。

【００１６】酸素生成処理により得られた酸素ガスは、
セル収容タンク１０２に接続された酸素取り出し配管１
１３を介して酸素貯蔵タンク１４に送られて貯蔵され
る。一方、水素生成処理により得られた水素ガスは、セ
ル収容タンク１０２（電解セル１０１）に接続された水
素取り出し配管１１４を介して気液分離タンク１１５に
送られ、そこで液分（純水）が分離された後、気液分離
タンク１１５に接続された水素取り出し配管１１６を介
して水素貯蔵タンク１６に送られて貯蔵される。尚、気
液分離タンク１１５内の純水は、返送配管１１７を介し
て純水貯蔵タンク１００に送られて再貯蔵される。

【００１７】図１に戻り、酸素貯蔵タンク１４から、生
成された酸素ガスを燃料電池２０に供給する酸素供給配
管２２が接続される一方、水素貯蔵タンク１６から、生
成された水素ガスを燃料電池２０に供給する水素供給配
管２３が接続されている。

【００１８】前記燃料電池２０は、図４に示す如く、最
も実用化が進んでいる、いわゆるリン酸型の燃料電池２
０であり、プラスの電極板（空気極）１５０とマイナス
の電極板（燃料極）１５１とがリン酸電解質膜１５２を
挟んだ構造となっている。燃料極１５１側では、水素供
給配管２３から供給された水素ガスが、２Ｈ₂ → ４Ｈ⁺ ＋４ｅ^- なる反応を起こして水素イオンと電子を発生する。そし
て、発生した水素イオンはリン酸電解質膜を透過して空
気極１５０に至り、空気極１５０側では、この水素イオ
ンと、酸素供給配管２２から供給された酸素ガスと、燃
料極１５１から結線１５３を通じて送られてきた電子と
が、Ｏ₂ ＋４Ｈ⁺ ＋４ｅ^- → ２Ｈ₂Ｏなる反応を起こす。

【００１９】図１に戻り、燃料電池２０の結線１５３
は、前記ＤＣ／ＡＣインバータ９を配設して家庭内のコ
ンセント１０に接続されている。即ち、燃料電池２０に
おける水素ガスの酸化及び酸素ガスの還元により発生し
た電力がＤＣ／ＡＣインバータ９にて交流に変換されて
コンセント１０から供給可能となる。

【００２０】第一実施形態に係る家庭用電力供給システ
ムは以上の構成からなり、これによると、昼間は、スイ
ッチ４及びスイッチ８の両方を閉じておくことにより、
太陽電池２で発電された電力の一部が余剰電力として水
電解装置１２に供給され、残りの電力が家庭内の家電製
品等に供給される。次いで、水電解装置１２では、供給
電力により水の電気分解が行なわれ、水素ガス及び酸素
ガスが生成される。尚、本実施形態においては、太陽電
池２で約３ｋＷの発電を行ない、このうちの約２ｋＷを
水電解装置１２に供給し、約１ｋＷを家電製品、照明機
器に供給するようにしている。

【００２１】また、夜間は、太陽電池２からの電力供給
が受けられないから、燃料電池２０による自家発電に切
り替える。燃料となる水素ガスは、昼間に水電解装置１
２により生成され、水素貯蔵タンク１６に貯蔵されてい
るものを使用する。同様に、酸素ガスも、昼間に水電解
装置１２により生成され、酸素貯蔵タンク１４に貯蔵さ
れているものを使用する。但し、酸素ガスは、空気を代
用することも可能である。このように酸素ガスの代わり
に空気を使用すれば、酸素貯蔵タンク１４が不要となる
ので、システム全体を簡略化、コンパクト化することが
できる。

【００２２】以上の如く、本実施形態に係る家庭用電力
供給システムによれば、電解セル１０１を気密性のある
収容容器（セル収容タンク）１０２内に収容した、いわ
ゆる高圧式水電解装置１２を採用した結果、該水電解装
置１２からの酸素ガス及び水素ガスの吐出圧力が高くな
るため、酸素貯蔵タンク１４、水素貯蔵タンク１６に一
般家庭用の低圧式圧力ボンベ（例えば、内圧１０ｋｇ／
ｃｍ²以下、内容量約１ｍ³）を採用すれば、酸素取り出
し配管１１３、水素取り出し配管１１６にポンプ等を設
ける必要が無くなる。従って、システムの構造が簡潔に
なるため、家庭用電力供給システムとして構築すること
ができる。

【００２３】尚、水素貯蔵タンク１６以外にも、水素吸
蔵合金を備えた水素貯蔵装置を採用することができる
が、かかる場合、水素を吸収させる際の水素吸蔵合金の
冷却、及び水素を放出させる際の水素吸蔵合金の加温を
実施するための手段が必要となり、また、水素貯蔵装置
自体が高価であることを鑑みると、民生用の家庭用電力
供給システムには、不向きであると言える。

【００２４】また、燃料電池２０としては、リン酸型に
限らず、溶融炭酸塩型、固体電解質型、固体高分子型、
アルカリ型等、公知の燃料電池を採用することができ
る。特に固体高分子型は小型軽量であり、運転温度が常
温から約１００度の比較的低温であり、また、起動時間
が短い点で、家庭用電力供給システムの燃料電池として
好適である。また、燃料電池以外にも、水素エンジン発
電機等、水素を燃料とする発電装置を採用することがで
きる。

【００２５】次に、本発明の第二実施形態について図面
を参酌しつつ説明する。尚、第一実施形態と同一概念、
同一構成については、同一番号を付するものとし、第一
実施形態と相違する点について重点的に説明するものと
する。

【００２６】＜第二実施形態＞図５は、第二実施形態に
係る家庭用電力供給システムを示す系統図である。図６
は、は、発電機能を備えた水電解装置の詳細を示す系統
図である。図５に示す家庭用電力供給システム１は、太
陽電池２と、純水の電気分解並びに水素ガスの酸化及び
酸素ガスの還元をなし得る水電解装置１２と、該水電解
装置１２で生成された酸素ガスを貯蔵する酸素貯蔵タン
ク１４と、水電解装置１２で生成された水素ガスを貯蔵
する水素貯蔵タンク１６とを備えている。

【００２７】前記水電解装置１２は、図６に示す如く、
第一実施形態に係る水電解装置１２に対して次の構成を
付加したものである。即ち、第二実施形態に係る水電解
装置１２は、酸素貯蔵タンク１４から酸素ガスを第二電
極室１００７へ供給する酸素供給配管１２０と、水素貯
蔵タンク１６から水素ガスを第一電極室１００６へ供給
する水素供給配管１２とを備えている。従って、発電処
理時には、ガス生成処理時と同様に、第一電極室１００
６がアノードとなり、第二電極室１００７がカソードと
なり、第一電極室１００６側では、２Ｈ₂ → ４Ｈ⁺ ＋４ｅ^- なる反応を起こり、この反応によって生じた水素イオン
は固体電解質膜１００１を透過して第二電極室１００７
に至り、電子は結線１５３を通って第二電極室１００７
に至る。そして、第二電極室１００７側では、Ｏ₂ ＋４Ｈ⁺ ＋４ｅ^- → ２Ｈ₂Ｏなる反応が起こって水が発生する。

【００２８】図５に戻り、水電解装置１２の結線１５３
は、前記ＤＣ／ＡＣインバータ９を配設して家庭内のコ
ンセント１０に接続されている。即ち、水電解装置１２
における水素ガスの酸化及び酸素ガスの還元により発生
した電力がＤＣ／ＡＣインバータ９にて交流に変換され
てコンセント１０から供給可能となる。

【００２９】第二実施形態に係る家庭用電力供給システ
ムは以上の構成からなり、これによると、昼間は、スイ
ッチ４及びスイッチ８の両方を閉じておくことにより、
太陽電池２で発電された電力の一部が余剰電力として水
電解装置１２に供給され、残りの電力が家庭内の家電製
品等に供給される。次いで、水電解装置１２では、供給
電力により水の電気分解が行なわれ、水素ガス及び酸素
ガスが生成される。

【００３０】そして、夜間は、太陽電池２からの電力供
給が受けられないから、水電解装置１２による自家発電
に切り替える。燃料となる水素ガスは、昼間に水電解装
置１２により生成され、水素貯蔵タンク１６に貯蔵され
ているものを使用する。同様に、酸素ガスも、昼間に水
電解装置１２により生成され、酸素貯蔵タンク１４に貯
蔵されているものを使用する。

【００３１】尚、ガス生成処理時には、酸素取り出し配
管１１３に配設されたバルブＶ１を開く一方、酸素供給
配管１２０に配設されたバルブＶ２を閉じ、また、水素
取り出し配管１１６に配設されたバルブＶ３を開く一
方、水素供給配管１２４に配設されたバルブＶ４を閉じ
ておく。発電処理時には、バルブＶ１を閉じる一方、バ
ルブＶ２を開き、また、バルブＶ３を閉じる一方、バル
ブＶ４を開いておく。これらバルブＶ１〜Ｖ４の切替
は、手動であっても自動であってもよい。自動である場
合は、太陽電池２からの電力が所定値よりも低くなった
時や、タイマーに設定された時間になった時に切替操作
する方法が考えられる。

【００３２】以上の如く、本実施形態に係る家庭用電力
供給システムによれば、酸素ガスと燃料である水素ガス
とを生成する機能と、これらガス同士の反応による化学
エネルギーを電気エネルギーに変換する燃料電池として
の機能とを一台の装置に集約することにより、第一実施
形態に比してさらにシステムの構造が簡潔になるため、
家庭用電力供給システムとして最適である。

【００３３】尚、酸素供給配管１２０は、酸素貯蔵タン
ク１４から酸素ガスを第一電極室１００６へ供給し、ま
た、水素供給配管１２４は、水素貯蔵タンク１６から水
素ガスを第二電極室１００７へ供給するように配管して
もよい。かかる場合、第一電極室１００６がカソードと
なり、第二電極室１００７がアノードとなる。

【００３４】また、ガス発生処理並びに発電処理を円滑
に行ない得るために、セル収容タンク１０２、酸素取り
出し配管１１３、気液分離タンク１１５、水素取り出し
配管１１６、酸素供給配管１２０、水素供給配管１２４
の各所に圧力検出器（圧力検出手段）を設けると共に、
酸素供給配管１２０、水素供給配管１２４のそれぞれに
流量調整弁を設けて、酸素ガス及び水素ガスの流量をそ
れぞれ制御することが好ましい。

【００３５】さらに、第一、第二の両実施形態につい
て、水電解装置１２又は燃料電池２０が発電するタイミ
ングは夜間にのみ限定されず、例えば昼間の電力消費ピ
ーク時に発電を行なうようにしてもよい。

【００３６】また、純水が入手できない場合には、水道
水であってもよい。かかる場合、家庭内の水栓器具に純
水供給配管１０８を接続し、返送配管１１７の水をドレ
ンに流すようにすれば、さらにシステム構成を簡素化す
ることができる。

【００３７】さらに、電極触媒層は上記構成に限定され
るものではなく、例えば、イリジウムの他に、二種類以
上の白金族金属をメッキした多層構造の電極触媒層を形
成して、これを固体高分子電解質膜１００８の両面に形
成することによって、固体電解質膜１００１を構成して
もよい。また、白金族触媒と結着剤（ＰＴＦＥ）等を混
合塗布したシートを熱圧着により固体高分子電解質膜に
接合して、固体電解質膜を構成してもよい。特に、酸化
イリジウムを熱圧着により固体高分子電解質膜に接合し
た固体電解質膜であれば、電解電圧を低減するため、消
費電力が少なく、太陽電池から供給される限られた電力
で有効に水素ガスを発生させることができる。

【００３８】また、上記実施形態においては、固体電解
質膜１０の両側に、第一電極板１００２と第二電極板１
００３とが設けられ、電極板１００２，１００３は、そ
れぞれ単極式電極として構成されている。しかし、電極
板としては、複極式電極板を用いることが好ましい。す
なわち、陽極側電極板においては、固体電解質膜に近接
する面が陽極となって、他面が陰極となり、また、陰極
側電極板においては、固体電解質膜に近接する面が陰極
となって、他面が陽極となる構成が好ましい。このよう
な複極式電極板を用いた電解セルであれば、複数個直列
的に配設して、より高い処理能力を実現可能な電解装置
を得ることが可能となる。

【００３９】

【発明の効果】以上の如く、本発明に係る家庭用電力供
給システムは、太陽電池から得られた電力の一部を水素
に変換しておき、必要に応じてこの水素から電力を得る
ように構成しているため、一般家庭内における電力供給
の安定化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第一実施形態に係る家庭用電力供給システムの
系統図を示す。

【図２】同実施形態の水電解装置の系統図を示す。

【図３】同実施形態の電解セルの概略構成説明図を示
す。

【図４】同実施形態の燃料電池の概略構成説明図を示
す。

【図５】第二実施形態に係る家庭用電力供給システムの
系統図を示す。

【図６】同実施形態の水電解装置の系統図を示す。

【符号の説明】

１…家庭用電力供給システム、２…太陽電池、５…ＤＣ
／ＤＣコンバータ、９…ＤＣ／ＡＣインバータ、１０…
コンセント（電気配線器具）、１２…水電解装置、１４
…酸素貯蔵タンク（酸素貯蔵装置）、１６…水素貯蔵タ
ンク（水素貯蔵装置）、２０…燃料電池（水素燃料発電
装置）、１０１…電解セル、１０２…セル収容タンク
（収容容器）、１００１…固体電解質膜

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考） // Ｈ０１Ｍ 8/12 Ｈ０１Ｌ 31/04 Ｋ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】太陽電池（２）と、該太陽電池（２）か
ら給電されて水素を生成する水電解装置（１２）と、該
水電解装置（１２）で生成した水素を貯蔵する水素貯蔵
装置（１６）と、該水素貯蔵装置（１６）から供給され
た水素を燃料として発電する発電装置（１２，２０）と
を備えてなることを特徴とする家庭用電力供給システ
ム。
【請求項２】前記水電解装置（１２）と燃料電池（１
２）とが一体になって可逆式の燃料電池を構成してなる
請求項１記載の家庭用電力供給システム。
【請求項３】前記水電解装置（１２）が、水素生成処
理から発電処理への切り替え、及び発電処理から水素生
成処理への切り替えを所定条件に基づいて自動的に行な
うよう構成されてなる請求項２記載の家庭用電力供給シ
ステム。
【請求項４】前記水電解装置（１２）が、電解セル
（１０１）を気密性のある収容容器（１０２）内に収容
した構成である請求項１乃至３の何れかに記載の家庭用
電力供給システム。
【請求項５】前記水素貯蔵装置（１６）が、低圧式圧
力ボンベである請求項１乃至４の何れかに記載の家庭用
電力供給システム。