JP2005281716A - Electrolytic light-emitting device, electrode for electrolytic light-emitting device, hydrogen-gas-generating apparatus, power generator, cogeneration system, method for generating hydrogen gas, method for generating power and method for supplying energy - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electrolytic light-emitting device which can be applied to the production of hydrogen usable as an energy source; a hydrogen-gas-generating apparatus using the electrolytic light-emitting device; a method for generating hydrogen using the device; a power generator using hydrogen obtained by the apparatus; and a method for generating a power using the apparatus. <P>SOLUTION: The electrolytic light-emitting device comprises: a reaction vessel 1 of an electrolytic tank; an electrolytic solution 4 retained in the reaction vessel 1; a platinum anode 5 and the tip of a cathode terminal 2, which are placed so as to contact with the electrolytic solution 4 and contain a refractory metal; and a power source 18 and a control unit 17, which are electrolytic light-emitting reaction means. The electrolytic solution 4 contains 0.05 mol/liter or higher of an alkali metal carbonate as an electrolyte. The platinum anode 5 has a 10 times or larger surface area than the tip of the cathode terminal 2 has. The power source 18 and the control unit 17 cause an electrolytic luminescence reaction between the tip of the cathode terminal 2 and the platinum anode 5, through applying a voltage of 100 V or higher between them. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

この発明は、電解発光装置、電解発光装置用電極、水素ガス発生装置、発電装置、コジェネレーションシステム、水素ガス発生方法、発電方法およびエネルギー供給方法に関し、より特定的には、電解発光現象を安定して発生させることができる電解発光装置、電解発光装置用電極、当該電解発光装置を利用した水素ガス発生装置、発電装置、コジェネレーションシステム、水素ガス発生方法、発電方法およびエネルギー供給方法に関する。   The present invention relates to an electroluminescence device, an electrode for an electroluminescence device, a hydrogen gas generation device, a power generation device, a cogeneration system, a hydrogen gas generation method, a power generation method, and an energy supply method, and more specifically, stabilizes an electroluminescence phenomenon. The present invention relates to an electroluminescent device, an electrode for an electroluminescent device, a hydrogen gas generator using the electroluminescent device, a power generation device, a cogeneration system, a hydrogen gas generation method, a power generation method, and an energy supply method.

従来、電解発光現象を利用した熱エネルギー取出装置が知られている(たとえば、特許文献1参照)。
特開2001−108775号公報
Conventionally, a thermal energy extraction device using an electroluminescence phenomenon is known (see, for example, Patent Document 1).
JP 2001-108775 A

上述した電解発光現象を利用した熱エネルギー取出装置、およびこの熱エネルギー取出装置を利用した発電装置などのような、従来のエネルギー源(電力源)とは異なる新しいエネルギー源の開発が地球環境問題への対応といった観点から望まれている。以下、より具体的に説明する。   Development of new energy sources different from conventional energy sources (power sources) such as the thermal energy extraction device using the electroluminescence phenomenon described above and the power generation device using this thermal energy extraction device has become a global environmental problem It is desired from the viewpoint of the response. More specific description will be given below.

1.従来からのエネルギー技術(発電技術)の問題点
(現在用いられている主な発電方式の課題と問題点について)
現在、我々が利用している電気エネルギー(以下エネルギーともいう)は、以前に比べて原子力エネルギーの比率が増えてきてはいるものの、ほとんどが石油、石炭といった化石燃料に起因するものである。しかし、化石燃料を使用した場合には、二酸化炭素(CO2)の発生が避けられない。したがって、地球の温暖化を初めとする地球環境問題の顕在化が顕著になってきた現在、世界的な規模でのよりクリーンなエネルギーの導入が期待されている。
1. Problems with conventional energy technologies (power generation technologies) (About the problems and problems of the main power generation methods currently used)
Currently, the electrical energy we use (hereinafter also referred to as energy) is mostly derived from fossil fuels such as oil and coal, although the proportion of nuclear energy has increased compared to before. However, when fossil fuel is used, the generation of carbon dioxide (CO 2 ) is inevitable. Therefore, as the emergence of global environmental problems such as global warming has become prominent, the introduction of cleaner energy on a global scale is expected.

このため、資源量の豊かな石炭エネルギーなどの高効率、低環境負荷での利用を可能とするための技術の開発、導入を図ることが望まれている。また、将来的には、化石燃料への依存度を低減しつつ、世界に広くかつ豊富に存在する再生可能なエネルギーといったような、よりクリーンなエネルギーを地球規模で導入することが重要である。   For this reason, it is desired to develop and introduce a technology for enabling the use of coal resources with abundant resources such as high efficiency and low environmental load. In the future, it will be important to introduce cleaner energy on a global scale, such as renewable energy that is widely and abundant in the world, while reducing its dependence on fossil fuels.

現在主に用いられている発電方法は、原子力発電、火力発電、水力発電などがあり、また、その他さまざまな方式の発電方式が研究、あるいは実用化されている。ここで、原子力発電とは、濃縮ウランやプルトニウムのような核燃料を用いたものであり、核エネルギーをまず熱エネルギーに変換する。この熱エネルギーにより発生した高温の蒸気を蒸気タービンに導き発電機を回転させ、結果的に電気エネルギーを得るものである。また、火力発電は、気体燃料や液体燃料、石炭、その他の可燃物(RDF(Refuse Derived Fuel)を含む)を燃焼させて、まず熱エネルギーを発生させる。この熱エネルギーにより高温の蒸気を発生させ、この高温の蒸気によって蒸気タービンを回し、結果的に発電機を駆動して電気エネルギーを得る。また、水力発電は、ダムに貯留した水がダムから流出するときの流れによりタービンを回し発電機を駆動して電気エネルギーを得るものである。また、その他の発電方式としては、たとえば地熱発電、風力発電、太陽電池発電、火力発電、燃料電池発電などが挙げられる。   The power generation methods mainly used at present are nuclear power generation, thermal power generation, hydroelectric power generation, and various other types of power generation methods have been studied or put into practical use. Here, nuclear power generation uses nuclear fuel such as enriched uranium or plutonium, and first converts nuclear energy into thermal energy. The high-temperature steam generated by the heat energy is guided to the steam turbine, the generator is rotated, and as a result, electric energy is obtained. Thermal power generation burns gaseous fuel, liquid fuel, coal, and other combustible materials (including RDF (Refuse Derived Fuel)) to generate thermal energy first. High-temperature steam is generated by this thermal energy, the steam turbine is rotated by this high-temperature steam, and as a result, the generator is driven to obtain electric energy. Hydroelectric power generation is to obtain electric energy by driving a generator by turning a turbine according to a flow when water stored in a dam flows out of the dam. Examples of other power generation methods include geothermal power generation, wind power generation, solar cell power generation, thermal power generation, and fuel cell power generation.

上述した発電方式のうちで、現在主に用いられている発電方式としては、原子力発電、火力発電、水力発電が挙げられる。しかし、これらの発電方式においては、以下に述べるような課題がある。   Among the above-described power generation methods, currently used power generation methods include nuclear power generation, thermal power generation, and hydropower generation. However, these power generation methods have the following problems.

まず、原子力発電については、放射線に対する安全性を確保するため、高額な設備が必要となる。また、放射性廃棄物の処理、対策が必要となる。また、ウラン燃料資源の有効利用という点からは、核燃料サイクルを確立することが必要であるが、現時点では当該核燃料サイクルはまだ確立した状態とはいえない。また、使用済み核燃料の再処理に伴って発生するプルトニウムを軽水炉において燃料として用いるプルサーマル計画も、大きく進展しているとはいえない。また、放射性物質の漏洩などの問題の発生を防ぎ、安全性を確保しなければならない。また、原子力発電所の維持のため、高額なメンテナンス費用が発生している。また、原子力発電所の設置に伴って、周辺環境への影響が懸念される(環境問題の発生が懸念される)。また、新規の原子力発電所を建設するための建設予定地を新しく確保することが困難になってきている。   First, for nuclear power generation, expensive facilities are required to ensure safety against radiation. In addition, radioactive waste disposal and countermeasures are required. In addition, it is necessary to establish a nuclear fuel cycle from the viewpoint of effective use of uranium fuel resources, but at present this nuclear fuel cycle is not yet established. In addition, it cannot be said that the pull thermal plan using plutonium generated by reprocessing of spent nuclear fuel as fuel in light water reactors has made great progress. In addition, it is necessary to prevent problems such as leakage of radioactive materials and ensure safety. In addition, high maintenance costs are incurred to maintain the nuclear power plant. In addition, with the installation of nuclear power plants, there are concerns about the impact on the surrounding environment (environmental problems may occur). In addition, it is becoming difficult to secure a new construction site for constructing a new nuclear power plant.

また、火力発電においても、以下のような問題がある。すなわち、火力発電の設備を設置する場合に、排出ガスなどの規制からその立地条件が厳しく制限される。また、排出ガスに対して脱硫処理や、NOX対策などを施す必要があるため、その設備投資が高額になる。また、石炭を燃料として用いる火力発電の場合には、燃焼後の石炭灰の処理の問題がある。また、発電によって発生する暖かい排水(温排水)を周辺に放出することによる環境への負荷が懸念される。また、石炭など化石燃料を燃焼させるために、二酸化炭素を大気中に放出することになり、結果的に地球温暖化の原因といわれる二酸化炭素ガスを発生させることになる。また、RDFを燃料とした発電(RDF発電)に関しては、その発電効率がまだ十分高い状態ではなく、その発電効率を向上させることが求められている。また、RDF発電においては、ダイオキシンなどの発生も懸念される。 In addition, thermal power generation has the following problems. In other words, when installing thermal power generation facilities, the location conditions are severely restricted by regulations such as exhaust gas. In addition, since it is necessary to perform desulfurization treatment and NO X countermeasures on the exhaust gas, the capital investment is high. Moreover, in the case of thermal power generation using coal as fuel, there is a problem in the treatment of coal ash after combustion. In addition, there is a concern about the environmental load due to the discharge of warm wastewater (hot wastewater) generated by power generation to the surroundings. Moreover, in order to burn fossil fuels such as coal, carbon dioxide is released into the atmosphere, and as a result, carbon dioxide gas, which is said to cause global warming, is generated. Moreover, regarding power generation using RDF as fuel (RDF power generation), the power generation efficiency is not yet sufficiently high, and it is required to improve the power generation efficiency. In addition, in RDF power generation, there is a concern about the generation of dioxins.

また、水力発電においては、以下のような問題がある。すなわち、水力発電所の設置場所について、その条件が厳しいため、現実的に新たな設置が困難になってきている。また、水力発電のためにダムを建設するような場合には、環境に対する対策を施す必要がある。また、ダムの建設によって水没する集落などの住民に対して補償や新しい移住先などの確保といった対策が必要となる。また、水力発電のためのダムにおいては、長年の運用によりダム内に砂や泥などが堆積するため、ダムの容量が年々小さくなる。そのため、定期的にダム内に溜まった砂などを排出するといったメンテナンスが必要になり、運転コストの上昇要因となる。   In hydropower generation, there are the following problems. In other words, since the conditions for the installation location of the hydroelectric power plant are severe, it has become difficult to actually install a new one. In addition, when constructing a dam for hydroelectric power generation, it is necessary to take measures against the environment. In addition, it is necessary to take measures such as compensation for residents such as settlements submerged by the construction of dams and securing new resettlement sites. In addition, in a dam for hydroelectric power generation, sand and mud accumulate in the dam due to operation for many years, and the capacity of the dam becomes smaller year by year. Therefore, maintenance such as periodically discharging sand accumulated in the dam becomes necessary, which increases the operating cost.

上述のように、現在の主な発電方式にはさまざまな問題がある。また、上述したその他の発電方式は、環境への負荷および設置条件などを考慮して徐々に普及するものと考えられる。しかし、現状の原子力発電や火力発電のような大規模な電力を供給する主力の発電方式としてすぐに利用はできないと思われる。   As described above, there are various problems with the current main power generation methods. Further, the other power generation methods described above are considered to gradually spread in consideration of environmental loads and installation conditions. However, it seems that it cannot be used immediately as the main power generation method for supplying large-scale power like the current nuclear power generation and thermal power generation.

ここで、上述した発電方式のうち、燃料電池発電が近年注目されてきている。燃料電池発電は、アメリカの宇宙開発計画であるジェミニ計画やアポロ計画、スペースシャトル計画などにおいて、宇宙船用電源として開発、使用されてきている。これは、燃料電池が、高効率および高出力密度といった優れた特性を有しているためである。また、近年は、天然ガスやナフサなどの軽質油、またはメタノールなどを改質して得られる水素が主成分のガスまたは石炭ガスを燃料として、一般発電用の燃料電池を用いた発電システムが、商用化を目指して研究開発されている。しかし、このようなシステムはまだ価格が高く、その寿命も短いため、低価格化および長寿命化といった課題を解決するための研究が鋭意なされている。   Of the above-described power generation methods, fuel cell power generation has attracted attention in recent years. Fuel cell power generation has been developed and used as a power supply for spacecraft in the US space development program such as the Gemini, Apollo, and Space Shuttle projects. This is because the fuel cell has excellent characteristics such as high efficiency and high power density. Further, in recent years, a power generation system using a fuel cell for general power generation using light oil such as natural gas or naphtha or gas mainly composed of hydrogen obtained by reforming methanol or coal gas as a fuel, Researched and developed for commercialization. However, since such a system is still expensive and has a short life, research for solving the problems of low price and long life has been intensively conducted.

燃料電池は、水素と酸素の電気化学反応により直接電気を発生する発電システムである。そして、燃料である水素は、たとえば水を電気分解して製造する、あるいは上述した天然ガスなどの燃料を改質することによって得ている。   A fuel cell is a power generation system that directly generates electricity through an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen. Hydrogen, which is a fuel, is obtained, for example, by electrolyzing water or by reforming a fuel such as the natural gas described above.

しかし、上述のように水の電気分解によって水素を製造するといった方法は、エネルギー用燃料の確保方法としては経済的な問題がある。また、燃料から水素を得る方法についても、燃料改質プロセスを行なうことが必要であり、燃料電池を用いた発電システムの発電コストはまだ商用化レベルにまで至っていない。つまり、燃料電池を用いた発電システムにおいては、水素をどのように低コストで確保・供給できるかが一つの大きな課題である。   However, the method of producing hydrogen by electrolysis of water as described above has an economical problem as a method for securing energy fuel. Further, a method for obtaining hydrogen from fuel also requires a fuel reforming process, and the power generation cost of a power generation system using a fuel cell has not yet reached a commercialization level. That is, in a power generation system using a fuel cell, how to secure and supply hydrogen at a low cost is one major issue.

そこで、水素の製造方法について、現在までの製造方法と新たな製造方法について、以下簡単に述べる。   Accordingly, the hydrogen production method will be briefly described below with respect to the present production method and the new production method.

(現在までの水の電気分解による水素の製造技術)
水を分解して水素と酸素を作り、クリーンな二次エネルギーとして利用するシステムが従来から検討されている。水の電気分解は、化学原料としての水素を得る方法として以前から工業的に行なわれてきた。我が国においても、昭和30年代までは、肥料工業においてアンモニアを作る原料としての水素を生産するため、大規模な水電解槽が国内各地で稼働していた。しかし、石油化学の勃興とともに、炭化水素の水蒸気改質により水素を製造する方法が経済的に有利となった。このため、水の電気分解による水素の製造方法から、上述の炭化水素の水蒸気改質による水素の製造方法へと水素の製造方法は移行した。現在では、世界的に見ても水力発電によって比較的安価な電力の得られるような特殊な地域を除いて、大規模な水の電気分解による水素の製造はあまり行なわれていない。
(Hydrogen production technology using water electrolysis to date)
Conventionally, a system that decomposes water to produce hydrogen and oxygen and uses it as clean secondary energy has been studied. Water electrolysis has been industrially performed as a method for obtaining hydrogen as a chemical raw material. In Japan as well, until 1950s, large-scale water electrolyzers were operating in various parts of the country to produce hydrogen as a raw material for producing ammonia in the fertilizer industry. However, with the rise of petrochemistry, the method of producing hydrogen by steam reforming of hydrocarbons has become economically advantageous. For this reason, the method for producing hydrogen has shifted from the method for producing hydrogen by electrolysis of water to the method for producing hydrogen by steam reforming of the hydrocarbons described above. At present, hydrogen production by electrolysis of water on a large scale is rarely performed except in special areas where relatively low-cost electricity can be obtained by hydropower generation.

近年、水素エネルギーシステムが提唱されている。そして、このように水素がエネルギー媒体として見直されてきたことにより、電力から容易に水素を製造できる水の電気分解(水電解)に再び関心が持たれるようになってきている。水電解は、現在のところ、原子力および太陽エネルギーのような非化石エネルギー源から工業的に確立した唯一の水素製造技術である。このため、オイルショックの後に、各国で新しい水電解技術の開発が行なわれた。   In recent years, hydrogen energy systems have been proposed. And since hydrogen has been reconsidered as an energy medium in this way, interest in water electrolysis (water electrolysis), which can easily produce hydrogen from electric power, has come to regain interest. Water electrolysis is currently the only hydrogen production technology established industrially from non-fossil energy sources such as nuclear and solar energy. For this reason, new water electrolysis technology was developed in each country after the oil shock.

なお、エネルギーの媒体である水素を作る方法としての水電解は、上述のように工業的に確立された技術であるという利点があるが、電気という良質のエネルギー(動力)から水素という燃料(熱源)をつくるために、エネルギーの質を低下させる(効率を悪くする)という欠点がある。   Water electrolysis as a method for producing hydrogen, which is an energy medium, has the advantage that it is an industrially established technology as described above, but it uses hydrogen as a fuel (heat source) from high-quality energy (power) as electricity. ) Has the disadvantage of reducing the quality of energy (decreasing efficiency).

また、化学原料としての水素製造の場合と異なり、大量の水素を供給するためには、設備の規模が極めて大きくなり、また経済的な妥当性を確保するために、水素を製造する際のエネルギー効率が高いこと、つまり付加価値の低い燃料を製造することになるため、経済的に妥当な水準で(すなわち低コストで)実現できることが必要である。ここで、水電解槽は比較的大きな面積を必要としていた。このため、低コストで大容量の設備を作るためには、当該装置全体をコンパクトなものとして開発する必要がある。そして、水電解の装置を小型にするためには、電極板の面積当りの電流を大きくして単位面積当りの水素発生量を大きくするといったことが考えられる。しかし、電極板の面積当りの電流値を大きくすることは、必然的に電気抵抗などによるエネルギー損失を増加させることになる。この結果、エネルギーの変換効率が低下するという問題がある。   Also, unlike the case of hydrogen production as a chemical raw material, in order to supply a large amount of hydrogen, the scale of the facility becomes extremely large, and in order to ensure economic validity, the energy for producing hydrogen Since high efficiency, that is, low value-added fuel is produced, it is necessary to be able to realize it at an economically reasonable level (that is, at low cost). Here, the water electrolyzer required a relatively large area. For this reason, in order to make a large-capacity facility at a low cost, it is necessary to develop the entire apparatus as a compact one. In order to reduce the size of the water electrolysis apparatus, it is conceivable to increase the amount of hydrogen generated per unit area by increasing the current per area of the electrode plate. However, increasing the current value per area of the electrode plate inevitably increases energy loss due to electrical resistance. As a result, there is a problem that the energy conversion efficiency decreases.

上述のような問題を解決するため、従来、以下の3つの方向の技術開発が行なわれていた。すなわち、高温高圧水電解、固体高分子電解質(SPE)水電解、高温水蒸気水電解である。   In order to solve the above problems, the following three directions of technical development have been conventionally performed. That is, high temperature high pressure water electrolysis, solid polymer electrolyte (SPE) water electrolysis, and high temperature steam water electrolysis.

日本では、1974年からサンシャイン計画が当時の通商産業省(現在の経済産業省)工業技術院によって開始された。この計画の水素製造技術開発の一部として、高温高圧アルカリ水電解法の電解槽開発が行なわれた。このプロジェクトは10年間継続し、80kwのパイロットプラントが建設され、当該プラントの運転、研究が行なわれた。しかしながら、石油の需給が緩和してからは、新エネルギーの開発意欲が薄れたこと、および当面の技術的な目標を達成できたといった理由から、1980年代半ばまででほとんどのアルカリ水電解槽の大規模な開発計画は終了した。   In Japan, the Sunshine Project was started in 1974 by the Ministry of International Trade and Industry (now Ministry of Economy, Trade and Industry) Industrial Technology Institute. As part of this plan's hydrogen production technology development, an electrolytic cell was developed for high-temperature and high-pressure alkaline water electrolysis. This project lasted for 10 years, and an 80 kW pilot plant was constructed and operated and researched. However, since the supply and demand for oil has eased, the willingness to develop new energy has diminished and the immediate technical goals have been achieved. The large-scale development plan is over.

(水電解以外で水を分解する方法について)
上述のような水電解以外で水を酸素と水素へ分解する方法としては、1.直接熱分解法、2.放射線分解法、3.熱化学分解法、4.光分解法、の4つがある。
(About the method of decomposing water other than water electrolysis)
As a method of decomposing water into oxygen and hydrogen other than water electrolysis as described above, Direct pyrolysis, 2. 2. Radiolysis method, 3. thermochemical decomposition method; There are four photolysis methods.

直接熱分解法は、水を約2700℃以上の状態で加熱を継続することにより行なわれる。このような条件で水を加熱すると、以下に示す化学反応式、
2O→H2+1/2O2
のような反応が起きる。このように、直接熱分解法においては、水を酸素と水素とに直接分解する。
The direct pyrolysis method is performed by continuing the heating of water at a temperature of about 2700 ° C. or higher. When water is heated under such conditions, the chemical reaction formula shown below,
H 2 O → H 2 + 1 / 2O 2
The following reaction occurs. Thus, in the direct pyrolysis method, water is directly decomposed into oxygen and hydrogen.

ここで、標準状態にある水を分解し、標準状態の気体である水素と酸素とに分解するのに必要な全エネルギーは、理論的には次の式による。   Here, the total energy required for decomposing water in the standard state and decomposing it into hydrogen and oxygen, which are gases in the standard state, is theoretically according to the following equation.

ΔH=ΔG+T・ΔS
ここで、全エネルギーすなわちエンタルピーの変化ΔHは、ギブスの自由エネルギーΔGと、熱エネルギーΔQとからなる。この熱エネルギーΔQは、T・ΔSと等しい。ここで、Tは絶対温度を示し、ΔSはエントロピー変化を示す。
ΔH = ΔG + T · ΔS
Here, the total energy, that is, the change in enthalpy ΔH is composed of Gibbs free energy ΔG and thermal energy ΔQ. This thermal energy ΔQ is equal to T · ΔS. Here, T represents an absolute temperature, and ΔS represents an entropy change.

次に、放射線分解法は、ギブス自由エネルギーを放射線で充てる方法であり、たとえばベータ線を用いた場合には以下のような反応が起きる。   Next, the radiolysis method is a method of applying Gibbs free energy with radiation. For example, when beta rays are used, the following reaction occurs.

CO2+β→CO-+1/2O2
CO-+H2O→CO2+H2+e-
なお、ベータ線は電子(e-)であるため、上述した反応式によって示された反応は、一種の電気分解であるともいえる。
CO 2 + β → CO + 1 / 2O 2
CO + H 2 O → CO 2 + H 2 + e
In addition, since a beta ray is an electron (e < - >), it can be said that the reaction shown by the reaction formula mentioned above is a kind of electrolysis.

また、熱化学分解法は、全エネルギーΔHの中のギブス自由エネルギーΔGとして化学エネルギーを適用する方法である。たとえば、ある化学物質AとBとを水に混合した場合を考える。この混合液体を加熱すると、化学物質AとBと水との間に化学反応が起き、化学エネルギーが放出される。このような反応を化学式で書けば、以下のようなものとなる。   The thermochemical decomposition method is a method in which chemical energy is applied as the Gibbs free energy ΔG in the total energy ΔH. For example, consider a case where certain chemical substances A and B are mixed in water. When this mixed liquid is heated, a chemical reaction occurs between the chemical substances A and B and water, and chemical energy is released. If such a reaction is written in chemical formula, it becomes as follows.

A+B+H2O→AH2+BO
AH2→A+H2
BO→B+1/2O2
ここで、水を一気に分解するよりも、上述した化学式のように3つのプロセスに分けて分解する方が分解しやすくなる。この熱化学分解は、化学物質A、Bが触媒的作用をし、それら自身は排出も消耗もされない完全なリサイクル方式と言える。このため、理想的な水分解方式として注目を集めた。そして、世界中のエネルギー関連の研究所において独自の方式が提案され、熱化学サイクル法と呼ばれて大変盛んに研究された時期があった。
A + B + H 2 O → AH 2 + BO
AH 2 → A + H 2
BO → B + 1 / 2O 2
Here, rather than decomposing water all at once, it is easier to decompose by dividing into three processes as in the chemical formula described above. This thermochemical decomposition can be said to be a complete recycling method in which the chemical substances A and B act as a catalyst and are not discharged or consumed themselves. For this reason, it attracted attention as an ideal water splitting method. There was a time when energy-related research laboratories around the world proposed a unique method and was called the thermochemical cycle method and was actively researched.

しかし、化学反応自体は間違いなく進んでも、生成物の分離、熱伝達、生成物の輸送、貯蔵などの化学工学上の問題や、化学物質A、Bなどについての問題があった。特に、化学物質Aは、ハロゲンなどの腐食性の強いものを用いた場合しか所定の効果を得られなかった。この結果、このような熱化学サイクル法を実施する装置の材料に関して問題があった。このため、上述した熱化学分解法は実用化には至らず、まだ引続き研究が行なわれている。   However, even though the chemical reaction itself has definitely progressed, there have been chemical engineering problems such as product separation, heat transfer, product transport and storage, and chemical substances A and B. In particular, the chemical substance A can obtain a predetermined effect only when a highly corrosive substance such as halogen is used. As a result, there has been a problem regarding the material of the apparatus for carrying out such a thermochemical cycle method. For this reason, the thermochemical decomposition method described above has not been put into practical use, and research is still being conducted.

次に、光分解法では、PN接合半導体を使用する。PN結合で形成された拡散電解によって、光により生成された電子と正孔の対は半導体内部で分離する性質がある。この半導体を電解溶液に浸漬した場合には、その界面において拡散電解ができる。そして、この拡散電解を利用した水の水素と酸素への分解も可能である。たとえば、電極として酸化チタン半導体(TiO2)と白金(Pt)とを用い、水酸化カリウム(KOH)溶液中にこれらの電極を浸漬した装置において、酸化チタンに紫外線を当てる。すると、電子と正孔(P+)が生成する。そして、これが拡散電解で分離され、正孔は水分子に作用して以下の反応式に示すような反応を起こす。 Next, in the photolysis method, a PN junction semiconductor is used. A pair of electrons and holes generated by light is separated inside the semiconductor by diffusion electrolysis formed by PN bonds. When this semiconductor is immersed in an electrolytic solution, diffusion electrolysis can be performed at the interface. And the decomposition | disassembly to the hydrogen and oxygen of water using this diffusion electrolysis is also possible. For example, in an apparatus in which a titanium oxide semiconductor (TiO 2 ) and platinum (Pt) are used as electrodes and these electrodes are immersed in a potassium hydroxide (KOH) solution, ultraviolet rays are applied to the titanium oxide. Then, electrons and holes (P + ) are generated. And this is isolate | separated by diffusion electrolysis and a hole acts on a water molecule and raise | generates reaction as shown in the following Reaction Formula.

2O+2P+→2H++1/2O2
このような反応により、酸素が発生する。さらに、水素イオン(H+)は溶液中を移動してPt電極で電子と結合する。この結果、以下に示すような反応が起きる。
H 2 O + 2P + → 2H + + 1 / 2O 2
Such a reaction generates oxygen. Further, hydrogen ions (H + ) move through the solution and combine with electrons at the Pt electrode. As a result, the following reaction occurs.

2H++2e-→H2
この結果、水素が発生する。
2H + + 2e - → H 2
As a result, hydrogen is generated.

この方法では、半導体が大変重要な役割を果たす。半導体としては、TiO2の他、SrTiO3、Fe23、WO3などが考えられる。なお、このような光分解法において用いることができる半導体の条件としては、禁止帯幅が1.5〜2.5eVの範囲であること、および光起電力が十分大きいことなどが挙げられる。 In this method, the semiconductor plays a very important role. As the semiconductor, in addition to TiO 2 , SrTiO 3 , Fe 2 O 3 , WO 3 and the like can be considered. Note that semiconductor conditions that can be used in such a photolysis method include a forbidden band width in the range of 1.5 to 2.5 eV and a sufficiently large photovoltaic power.

水を分解する方法としては、以上のようなものが考えられてきた。しかし、特殊なケースを除いては、いずれもまだ主に経済的な理由から本格的な実用化には至っていないのが現状である。この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の目的は、エネルギー源として利用可能な水素の製造に適用可能な電解発光装置および電解発光装置用電極、およびこの電解発光装置を利用した水素発生装置および水素発生方法、およびこのような装置によって得られた水素を用いた発電装置および発電方法、さらにはコジェネレーションシステムおよびエネルギー供給方法を提供することである。   The above has been considered as a method for decomposing water. However, with the exception of special cases, all of them have not yet been put into practical use mainly for economic reasons. The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide an electroluminescent device and an electrode for an electroluminescent device that can be applied to the production of hydrogen that can be used as an energy source, and To provide a hydrogen generation apparatus and a hydrogen generation method using this electroluminescent device, a power generation apparatus and a power generation method using hydrogen obtained by such an apparatus, a cogeneration system, and an energy supply method.

この発明に従った電解発光装置は、電解槽と、この電解槽の内部に保持される電解液と、電解液と接触するように配置され、高融点金属を含む陽極および陰極と、電解発光反応手段とを備える。電解液は、電解質濃度が0.05モル/リットル以上となっている。陽極は、陰極の表面積の10倍以上の表面積を有する。電解発光反応手段は、陰極および陽極に100V以上の電圧を印加することにより、電解発光反応を生じさせる。   An electroluminescent device according to the present invention includes an electrolytic cell, an electrolytic solution held inside the electrolytic cell, an anode and a cathode that are arranged in contact with the electrolytic solution, and contain a refractory metal, and an electroluminescent reaction Means. The electrolytic solution has an electrolyte concentration of 0.05 mol / liter or more. The anode has a surface area that is at least 10 times the surface area of the cathode. The electroluminescence reaction means causes an electroluminescence reaction by applying a voltage of 100 V or more to the cathode and the anode.

このようにすれば、電解発光反応を連続的に安定して発生させることができる。したがって、電解発光反応を利用した水素ガスの発生工程への利用など、電解発光反応を工業的に安定的に利用することができる。   In this way, the electroluminescence reaction can be generated continuously and stably. Therefore, the electroluminescence reaction can be industrially used stably, such as the use of hydrogen gas generation process utilizing the electroluminescence reaction.

上記電解発光装置は、電解液における電解質濃度を調整する濃度調整部を備えていてもよい。   The electroluminescent device may include a concentration adjusting unit that adjusts an electrolyte concentration in the electrolytic solution.

この場合、電解発光反応を連続的に発生させるための条件の一つである電解液の電解質濃度を、上述した所定の数値範囲を満足するように調整することができる。この結果、長時間に渡って安定して電解発光反応を発生させることができる。   In this case, the electrolyte concentration of the electrolytic solution, which is one of the conditions for continuously generating the electroluminescence reaction, can be adjusted so as to satisfy the predetermined numerical range described above. As a result, the electroluminescence reaction can be stably generated over a long period of time.

この発明に従った水素ガス発生装置は、上記電解発光装置と、ガス取出部材とを備える。ガス取出部材は、上記電解発光装置の電解槽に接続され、電解発光反応により電解液が分解された結果発生する水素ガスを電解槽の外部に取出すものである。上記水素ガス発生装置では、電解発光反応により電解液が分解された結果発生する酸素ガスを電解槽の外部に取出す酸素ガス取出部材をさらに備えていてもよい。   A hydrogen gas generator according to the present invention includes the above electroluminescent device and a gas extraction member. The gas extraction member is connected to the electrolytic cell of the electroluminescent device, and extracts hydrogen gas generated as a result of the electrolytic solution being decomposed by the electroluminescent reaction to the outside of the electrolytic cell. The hydrogen gas generator may further include an oxygen gas extraction member that extracts oxygen gas generated as a result of decomposition of the electrolytic solution by electroluminescence reaction to the outside of the electrolytic cell.

このようにすれば、電解液を電解発光反応により直接的に熱分解することができるので、通常の電解液の電気分解を行なう場合より、より多くの水素ガスを発生させることができる。また、電解液を電解発光反応により直接的に熱分解するので、上述のように酸素ガス取出部材を備える場合には、通常の電解液の電気分解を行なう場合より、より多くの酸素ガスをも取出すことができる。   In this way, since the electrolytic solution can be directly thermally decomposed by an electroluminescence reaction, more hydrogen gas can be generated than in the case of electrolyzing a normal electrolytic solution. In addition, since the electrolytic solution is directly pyrolyzed by electroluminescence reaction, when the oxygen gas extraction member is provided as described above, a larger amount of oxygen gas is contained than when the normal electrolytic solution is electrolyzed. Can be taken out.

この発明に従った発電装置は、上記水素ガス発生装置と、燃料電池とを備える。燃料電池は、水素ガス発生装置から取出した水素ガスを燃料として発電する。また、上記水素ガス発生装置から酸素ガスが取出し可能な場合、上記発電装置は、水素ガス発生装置から取出した酸素ガスを、燃料電池の反応ガスとしても用いてもよい。   A power generation device according to the present invention includes the hydrogen gas generation device and a fuel cell. The fuel cell generates electricity using hydrogen gas taken out from the hydrogen gas generator as fuel. Further, when the oxygen gas can be taken out from the hydrogen gas generator, the power generation device may use the oxygen gas taken out from the hydrogen gas generator as a reaction gas of the fuel cell.

このようにすれば、水素ガス発生装置により発生させた水素ガスを燃料電池の燃料として用いるので、燃料電池へ供給するための水素吸蔵合金などを用いて水素を蓄積しておく必要が無い。また、燃料電池において水素ガスは酸素と反応し、水になるため、この水をまた水素ガス発生装置の電解液に再利用することができる。   In this case, since the hydrogen gas generated by the hydrogen gas generator is used as the fuel for the fuel cell, it is not necessary to accumulate hydrogen using a hydrogen storage alloy or the like for supplying the fuel cell. Further, in the fuel cell, hydrogen gas reacts with oxygen to become water, so that this water can also be reused for the electrolyte of the hydrogen gas generator.

上記発電装置は、水素ガス発生装置から取出された水素ガスから液体を除去するとともに、水素ガスの湿度を調整する調整装置を備えていてもよい。また、上記水素ガス発生装置から酸素ガスが取出し可能な場合、上記調整装置は、水素ガス発生装置から取出された酸素ガスから液体を除去するとともに、酸素ガスの湿度を調整する機能を有していてもよい。   The power generation device may include an adjustment device that removes the liquid from the hydrogen gas extracted from the hydrogen gas generation device and adjusts the humidity of the hydrogen gas. When the oxygen gas can be taken out from the hydrogen gas generator, the adjusting device has a function of removing the liquid from the oxygen gas taken out from the hydrogen gas generator and adjusting the humidity of the oxygen gas. May be.

この場合、水素ガス(あるいは、酸素ガスおよび水素ガス)の湿度を、燃料電池での反応に適した湿度となるように調整することができるので、燃料電池での反応をより効率的に行なうことができる。したがって、燃料電池での発電効率を向上させることができる。   In this case, since the humidity of the hydrogen gas (or oxygen gas and hydrogen gas) can be adjusted to a humidity suitable for the reaction in the fuel cell, the reaction in the fuel cell can be performed more efficiently. Can do. Therefore, the power generation efficiency in the fuel cell can be improved.

上記発電装置において、水素ガス発生装置は、電解発光反応により電解液が分解された結果発生する酸素ガスを電解槽の外部に取出す酸素ガス取出部材を含んでいてもよい。上記発電装置は、水素ガス発生装置と燃料電池とが密閉回路を構成していてもよい。すなわち、上記発電装置は、水素ガス発生装置のガス取出部材および酸素ガス取出部材から取出される水素ガスと酸素ガスとを燃料として燃料電池に供給する供給管路と、燃料電池における発電の結果水素ガスと酸素ガスとから生成された水を水素ガス発生装置の電解槽に還流させるための還流管路とを備えていてもよい。   In the above power generator, the hydrogen gas generator may include an oxygen gas extraction member that extracts oxygen gas generated as a result of decomposition of the electrolytic solution by electroluminescence reaction to the outside of the electrolytic cell. In the power generator, the hydrogen gas generator and the fuel cell may constitute a sealed circuit. That is, the power generation device includes a supply line for supplying hydrogen gas and oxygen gas extracted from the gas extraction member and oxygen gas extraction member of the hydrogen gas generation device to the fuel cell as fuel, and hydrogen generated as a result of power generation in the fuel cell. You may provide the recirculation | reflux pipe line for making the water produced | generated from gas and oxygen gas recirculate | reflux to the electrolytic cell of a hydrogen gas generator.

この場合、燃料電池で用いる水素ガスや酸素ガスなどの反応ガス(燃料ガス)を発電装置に外部から供給する必要が無いため、発電装置の設置場所や使用環境の選択の幅を広げることができる。   In this case, since there is no need to supply reaction gas (fuel gas) such as hydrogen gas and oxygen gas used in the fuel cell from the outside, the range of selection of the installation location and usage environment of the power generation device can be expanded. .

この発明に従ったコジェネレーションシステムは、上記発電装置と、発電装置から熱エネルギーを取出す熱エネルギー取出部材とを備える。   A cogeneration system according to the present invention includes the power generation device and a thermal energy extraction member that extracts thermal energy from the power generation device.

このようにすれば、発電装置から電気エネルギーを取出すとともに、発電や水素ガスの発生に伴う排熱を熱エネルギーとして取出すことができる。この結果、エネルギーの利用効率を向上させることができる。   If it does in this way, while taking out electrical energy from a power generator, exhaust heat accompanying generation of electricity or generation of hydrogen gas can be taken out as thermal energy. As a result, energy utilization efficiency can be improved.

この発明に従った水素ガス発生方法では、電解槽に電解質濃度が0.05モル/リットル以上である電解液を配置する工程を実施する。そして、陰極と陽極とを電解液に浸漬する工程を実施する。陰極および陽極はそれぞれ高融点金属を含む。陽極は、陰極の表面積の10倍以上の表面積を有する。陰極および陽極に、350V以上の電圧を印加することにより、電解発光反応を生じさせる工程を実施する。そして、電解発光反応により電解液が分解された結果発生する水素ガスを電解槽の外部に取出す工程を実施する。なお、上記水素ガス発生方法は、電解発光反応により電解液が分解された結果発生する酸素ガスを電解槽の外部に取出す酸素ガス取出し工程を備えていてもよい。   In the hydrogen gas generation method according to the present invention, a step of placing an electrolytic solution having an electrolyte concentration of 0.05 mol / liter or more in an electrolytic cell is performed. And the process of immersing a cathode and an anode in electrolyte solution is implemented. The cathode and anode each contain a refractory metal. The anode has a surface area that is at least 10 times the surface area of the cathode. A step of causing an electroluminescent reaction is performed by applying a voltage of 350 V or higher to the cathode and the anode. And the process which takes out the hydrogen gas which arises as a result of having decomposed | disassembled electrolyte solution by electroluminescent reaction out of an electrolytic vessel is implemented. The hydrogen gas generation method may include an oxygen gas extraction step of extracting oxygen gas generated as a result of the electrolytic solution being decomposed by the electroluminescence reaction to the outside of the electrolytic cell.

このようにすれば、電解発光反応を利用して電解液を構成する水を直接熱分解することができるので、通常の電解液の電気分解を行なう場合より、より多くの水素ガスを発生させることができる。   In this way, water constituting the electrolytic solution can be directly pyrolyzed using an electroluminescence reaction, so that more hydrogen gas is generated than when electrolysis of a normal electrolytic solution is performed. Can do.

上記水素ガス発生方法において、電解発光反応を生じさせる工程は、電解液の温度を70℃以上100℃以下とするように調整することを含んでいてもよい。   In the hydrogen gas generation method, the step of causing the electroluminescence reaction may include adjusting the temperature of the electrolytic solution to be 70 ° C. or higher and 100 ° C. or lower.

この場合、電解発光反応により水素ガスを安定して発生させることができる。   In this case, hydrogen gas can be stably generated by the electroluminescence reaction.

上記水素ガス発生方法では、電解発光反応を生じさせる工程において、陰極および陽極に印加される電圧がパルス電圧であってもよい。   In the hydrogen gas generation method, the voltage applied to the cathode and the anode in the step of causing the electroluminescence reaction may be a pulse voltage.

この場合、電極の損耗を低減しながら、電解発光反応を継続させることができる。したがって、水素ガスを安定して発生させることができる。   In this case, the electroluminescence reaction can be continued while reducing electrode wear. Therefore, hydrogen gas can be generated stably.

この発明に従った発電方法は、上記水素ガス発生方法を実施することにより水素ガスを得る工程と、当該水素ガスを燃料ガスとして用いて燃料電池により発電する工程とを備える。なお、上記発電方法では、上記水素ガス発生方法を実施することにより酸素ガスも得ることができるときには、上記発電する工程において、当該酸素ガスを燃料電池の反応ガスとして用いてもよい。   The power generation method according to the present invention includes a step of obtaining hydrogen gas by performing the hydrogen gas generation method, and a step of generating power with a fuel cell using the hydrogen gas as a fuel gas. In the power generation method, when oxygen gas can also be obtained by performing the hydrogen gas generation method, the oxygen gas may be used as a reaction gas for the fuel cell in the power generation step.

このようにすれば、水素ガス発生装置により発生させた水素ガスを燃料電池の燃料として用いるので、燃料電池へ供給するための水素吸蔵合金などを用いて水素を蓄積しておく必要が無い。また、燃料電池において水素ガスは酸素と反応し、水になるため、この水を水素ガス発生装置の電解液に再利用することができる。また、水素ガス発生装置から取出された酸素ガスを燃料電池の反応ガスとして用いる場合、燃料電池へ供給するための酸素ガスを別途確保する必要が無いので、水素ガス発生装置と燃料電池とで閉鎖回路を構成することが可能になる。   In this case, since the hydrogen gas generated by the hydrogen gas generator is used as the fuel for the fuel cell, it is not necessary to accumulate hydrogen using a hydrogen storage alloy or the like for supplying the fuel cell. Further, in the fuel cell, hydrogen gas reacts with oxygen to become water, so that this water can be reused as the electrolyte of the hydrogen gas generator. In addition, when oxygen gas extracted from the hydrogen gas generator is used as the reaction gas of the fuel cell, it is not necessary to separately secure oxygen gas to be supplied to the fuel cell, so the hydrogen gas generator and the fuel cell are closed. A circuit can be configured.

上記発電方法は、燃料電池に供給される水素ガスから液体を除去するとともに、水素ガスの湿度を調整する工程をさらに備えていてもよい。また、上記発電方法では、上記水素ガス発電方法を実施することにより酸素ガスも得ることができるときには、当該酸素ガスから液体を除去するとともに、酸素ガスの湿度を調整する工程をさらに備えていてもよい。   The power generation method may further include a step of removing the liquid from the hydrogen gas supplied to the fuel cell and adjusting the humidity of the hydrogen gas. In the above power generation method, when oxygen gas can also be obtained by performing the hydrogen gas power generation method, the method may further include a step of removing liquid from the oxygen gas and adjusting the humidity of the oxygen gas. Good.

この場合、水素ガス(または水素ガスおよび酸素ガス)の湿度を、燃料電池での反応に適した湿度となるように調整することができるので、燃料電池での反応をより効率的に行なうことができる。したがって、燃料電池での発電効率を向上させることができる。   In this case, since the humidity of hydrogen gas (or hydrogen gas and oxygen gas) can be adjusted to a humidity suitable for the reaction in the fuel cell, the reaction in the fuel cell can be performed more efficiently. it can. Therefore, the power generation efficiency in the fuel cell can be improved.

この発明に従ったエネルギー供給方法は、上記発電方法を実施することにより電気エネルギーを燃料電池から外部へ供給する電気エネルギー供給工程と、上記発電方法を実施することに伴って発生する熱エネルギーを電解槽および燃料電池の少なくともいずれか一方から外部へ供給する熱エネルギー供給工程とを備える。   An energy supply method according to the present invention includes an electric energy supply step of supplying electric energy from a fuel cell to the outside by performing the power generation method, and electrolysis of thermal energy generated in accordance with the execution of the power generation method. And a thermal energy supply step of supplying the outside from at least one of the tank and the fuel cell.

このようにすれば、発電装置から電気エネルギーを取出すとともに、発電や水素ガスの発生に伴う排熱を熱エネルギーとして取出すことができる。この結果、エネルギーの利用効率を向上させることができる。   If it does in this way, while taking out electrical energy from a power generator, exhaust heat accompanying generation of electricity or generation of hydrogen gas can be taken out as thermal energy. As a result, energy utilization efficiency can be improved.

この発明に従った電解発光装置用電極は、電解液と接触するように配置され、電解発光反応を発生させるために用いられる電解発光装置用電極であって、高融点金属を含む陰極と、高融点金属を含み、陰極の表面積の10倍以上の表面積を有する陽極とを備える。   An electrode for an electroluminescent device according to the present invention is an electrode for an electroluminescent device that is disposed so as to be in contact with an electrolytic solution and used to generate an electroluminescent reaction, and includes a cathode containing a refractory metal, An anode containing a melting point metal and having a surface area of 10 times or more the surface area of the cathode.

このような電解発光装置用電極を用いれば、電解発光装置において効率的に電解発光反応を発生させることができる。   By using such an electrode for an electroluminescence device, an electroluminescence reaction can be efficiently generated in the electroluminescence device.

このように、本発明によれば、電解発光反応を工業的に安定して利用することができる。この結果、電解発光反応を利用した水素の発生、また、当該発生させた水素を用いた燃料電池発電やコジェネレーションシステムを実現できる。   Thus, according to the present invention, the electroluminescence reaction can be utilized industrially stably. As a result, it is possible to realize the generation of hydrogen using the electroluminescence reaction, and the fuel cell power generation and cogeneration system using the generated hydrogen.

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面においては同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰返さない。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and description thereof will not be repeated.

(実施の形態1)
発明者は、さまざまな研究の結果、以下に説明する電解発光現象を利用して水素を製造する方法を完成するに至った。
(Embodiment 1)
As a result of various studies, the inventor has completed a method for producing hydrogen using the electroluminescence phenomenon described below.

従来、水の電気分解を行なう場合には、水に電解質を溶かして電解溶液とし、この電解溶液に浸漬した陽極および陰極に1.7Vから3.0Vの直流電圧をかけていた。このように電圧をかけた結果、陰極側において水素、陽極側において酸素が発生する。   Conventionally, when electrolyzing water, an electrolyte is dissolved in water to form an electrolytic solution, and a DC voltage of 1.7 V to 3.0 V is applied to an anode and a cathode immersed in the electrolytic solution. As a result of applying such a voltage, hydrogen is generated on the cathode side and oxygen is generated on the anode side.

このような通常の電気分解に対して、電極の材料として高融点金属を用い、電極に印加する電圧を100V以上として、電流密度を増加させると以下のような状態となる。すなわち、電解溶液中において上述した条件で電気分解を継続すると、徐々に電解溶液の温度が上昇する。そして、所定の温度および電流密度に達すると、電極の形状や配置によって、通常の電気分解とは全く違う反応に遷移する。   For such normal electrolysis, when a high-melting-point metal is used as the electrode material and the voltage applied to the electrode is set to 100 V or more and the current density is increased, the following state is obtained. That is, when electrolysis is continued in the electrolytic solution under the above-described conditions, the temperature of the electrolytic solution gradually increases. When a predetermined temperature and current density are reached, the reaction changes to a completely different reaction from that of normal electrolysis depending on the shape and arrangement of the electrodes.

通常の電気分解では、陰極から水素が発生し、電流密度を増やしても水素発生量が増えるだけである。一方、陰極の表面積に対して十分大きな表面積を有する陽極を用い、電極に印加する電圧を上げていくと、所定の電圧となった場合に電流密度が急速に減少し、見掛け上電解溶液の抵抗が増加する。その後、陰極の一部から放電反応が発生し、陰極近傍から発光現象が起きる。この現象は電解発光として既に60年以上も前から報告されている。しかし、この電解発光現象については、理論的な機構が解明されてはいなかった。   In normal electrolysis, hydrogen is generated from the cathode, and even if the current density is increased, only the amount of hydrogen generation is increased. On the other hand, when an anode having a sufficiently large surface area with respect to the surface area of the cathode is used and the voltage applied to the electrode is increased, the current density rapidly decreases when the voltage reaches a predetermined voltage, and the resistance of the electrolytic solution apparently appears. Will increase. Thereafter, a discharge reaction occurs from a part of the cathode, and a light emission phenomenon occurs from the vicinity of the cathode. This phenomenon has already been reported for more than 60 years as electroluminescence. However, the theoretical mechanism of this electroluminescence phenomenon has not been elucidated.

電解発光現象が生じる条件としては、発生した水素の泡で陰極の表面が覆われるようになり、さらに電極に流される電流を増加させることにより、陰極表面の一部が局所的に加熱され、供給された電力の一部が水素気泡の中で直接グロー放電に費やされるといったことが必要である。すると、このようなグロー放電が起きた場合には、その熱によって陰極表面が水素だけではなく水蒸気によっても覆われることになる。この結果、陰極表面全体に、一様な薄い気体の被膜が生じる。そして、放電はこの気体の被膜中で連続して起こるようになり、安定する。なお、この放電のスペクトルは、放電の電圧、電極金属、電解溶液の温度、電極の表面状態や電解液の種類などによって変化する。   As conditions for the electroluminescence phenomenon, the surface of the cathode is covered with the generated hydrogen bubbles, and by further increasing the current flowing through the electrode, a part of the cathode surface is locally heated and supplied. It is necessary that a part of the generated electric power is directly consumed for glow discharge in hydrogen bubbles. Then, when such glow discharge occurs, the cathode surface is covered not only with hydrogen but also with water vapor. This results in a uniform thin gas coating on the entire cathode surface. And discharge comes to occur continuously in this gas coat, and is stabilized. The discharge spectrum varies depending on the discharge voltage, the electrode metal, the temperature of the electrolytic solution, the surface state of the electrode, the type of the electrolytic solution, and the like.

発明者が実験した結果、常圧下で連続的に電解発光現象を起こす条件としては、以下のような条件が必要であることがわかった。すなわち、1.電解溶液としてアルカリ金属炭酸塩を0.05モル/リットル以上含む水溶液を用いる。2.上記水溶液中に、高融点金属でできた陰極と陽極とを浸漬する。3.上記電極に100V以上の直流電圧を印加する。4.陽極の表面積の値は、陰極の表面積の値の10倍以上とする。   As a result of experiments conducted by the inventor, it has been found that the following conditions are necessary as conditions for causing the electroluminescence phenomenon continuously under normal pressure. That is: An aqueous solution containing 0.05 mol / liter or more of alkali metal carbonate is used as the electrolytic solution. 2. A cathode and an anode made of a refractory metal are immersed in the aqueous solution. 3. A DC voltage of 100 V or higher is applied to the electrode. 4). The value of the surface area of the anode is 10 times or more the value of the surface area of the cathode.

このような条件を満足すれば、連続して陰極の周囲にグロー放電を発生させることができる。すなわち、連続的に電解発光現象を発生させることができる。そして、発明者は、このような電解発光現象を連続的に発生させることができる装置(電解発光装置)を用いて、水を熱分解することにより水素を供給する装置を考案した。以下その構成を、図1を参照しながら説明する。図1は、本発明による水素発生装置を示す模式図である。   If such conditions are satisfied, glow discharge can be continuously generated around the cathode. That is, the electroluminescence phenomenon can be continuously generated. The inventor has devised a device that supplies hydrogen by thermally decomposing water using a device (electroluminescent device) that can continuously generate such an electroluminescent phenomenon. The configuration will be described below with reference to FIG. FIG. 1 is a schematic view showing a hydrogen generator according to the present invention.

図1に示すように、本発明による電解発光装置を利用した水素発生装置は、電解液4を保持する反応容器1と、この反応容器1の内部に挿入された陰極端子2と、陽極端子3と、この陰極端子2および陽極端子3に電力を供給する電源18とを備える。電源18と陰極端子2および陽極端子3とは制御装置17および導電線16a、16bを介して接続されている。陰極端子2の外周は被覆材10によって覆われている。陰極端子2において導電線16bが接続された一方端部と反対側に位置する他方端部の表面には被覆材10は配置されていない。この陰極端子2の他方端部では、陰極端子2の表面が露出した状態となっている。この陰極端子2の表面が露出した他方端部が陰極として作用する。また、陽極端子3の外周にも被覆材11が配置されている。陽極端子3において導電線16aが接続された一方端部と反対側に位置する他方端部には、メッシュ状の白金陽極5が接続されている。白金陽極5は、陰極端子2を囲むような円環状の形状を有している。反応容器1の内部には、陰極端子2を囲むような円筒状の隔壁6が配置されている。この隔壁6の内側に陰極端子2が配置され、隔壁6の外側に白金陽極5が配置されている。つまり、隔壁6は陰極端子2の先端部(陰極)と白金陽極5との間に位置し、陰極と白金陽極5とを分離するように配置されている。   As shown in FIG. 1, a hydrogen generator using an electroluminescent device according to the present invention includes a reaction vessel 1 that holds an electrolytic solution 4, a cathode terminal 2 inserted into the reaction vessel 1, and an anode terminal 3. And a power source 18 for supplying power to the cathode terminal 2 and the anode terminal 3. The power source 18 is connected to the cathode terminal 2 and the anode terminal 3 via a control device 17 and conductive wires 16a and 16b. The outer periphery of the cathode terminal 2 is covered with a covering material 10. In the cathode terminal 2, the covering material 10 is not disposed on the surface of the other end located on the opposite side of the one end connected to the conductive wire 16b. At the other end of the cathode terminal 2, the surface of the cathode terminal 2 is exposed. The other end of the exposed surface of the cathode terminal 2 acts as a cathode. A covering material 11 is also disposed on the outer periphery of the anode terminal 3. A mesh-shaped platinum anode 5 is connected to the other end portion of the anode terminal 3 which is located on the opposite side of the one end portion to which the conductive wire 16a is connected. The platinum anode 5 has an annular shape surrounding the cathode terminal 2. A cylindrical partition wall 6 surrounding the cathode terminal 2 is disposed inside the reaction vessel 1. The cathode terminal 2 is disposed inside the partition wall 6, and the platinum anode 5 is disposed outside the partition wall 6. That is, the partition wall 6 is positioned between the tip (cathode) of the cathode terminal 2 and the platinum anode 5 and is disposed so as to separate the cathode and the platinum anode 5.

反応容器1を囲むように熱交換器容器15が配置されている。反応容器1と熱交換器容器15とは図示しない支柱などの強度部材により接続固定されている。熱交換器容器15と陰極端子2および陽極端子3とは固定部材14により接続固定されている。固定部材14は、熱交換器容器と陰極端子2および陽極端子3との接続部の封止材としての機能も有する。また、反応容器1と陰極端子2および陽極端子3との接続部も封止材により固定・密封されている。   A heat exchanger vessel 15 is arranged so as to surround the reaction vessel 1. The reaction vessel 1 and the heat exchanger vessel 15 are connected and fixed by a strength member such as a support (not shown). The heat exchanger container 15 and the cathode terminal 2 and the anode terminal 3 are connected and fixed by a fixing member 14. The fixing member 14 also has a function as a sealing material for a connection portion between the heat exchanger container and the cathode terminal 2 and the anode terminal 3. Moreover, the connection part of the reaction container 1 and the cathode terminal 2 and the anode terminal 3 is also fixed and sealed with the sealing material.

反応容器1と熱交換器容器15との間には、図示しない流通口から導入される熱交換媒体23(たとえば水などの液体、または空気や不活性ガスなどの気体)が配置され、流通している。   Between the reaction vessel 1 and the heat exchanger vessel 15, a heat exchange medium 23 (for example, a liquid such as water or a gas such as air or an inert gas) introduced from a circulation port (not shown) is disposed and circulated. ing.

なお、制御装置17は、電源18から供給される電力の周波数、電圧、電流などを変更可能に制御するものである。そして、陰極端子2に隣接する位置(隔壁6の内周側の位置)において、反応容器1の内部に通じるように水素酸素混合ガス取出管9が接続されている。水素酸素混合ガス取出管9は、熱交換器容器15と固定部材14により接続固定されている。水素酸素混合ガス取出管9の反応容器1内に面した開口端部は、反応容器1内に配置された電解液4の液面7と所定の距離を保った状態となっている。   The control device 17 controls the frequency, voltage, current, and the like of power supplied from the power supply 18 so as to be changeable. A hydrogen-oxygen mixed gas take-out pipe 9 is connected so as to communicate with the inside of the reaction vessel 1 at a position adjacent to the cathode terminal 2 (position on the inner peripheral side of the partition wall 6). The hydrogen-oxygen mixed gas extraction pipe 9 is connected and fixed by a heat exchanger container 15 and a fixing member 14. The open end of the hydrogen-oxygen mixed gas take-out pipe 9 facing the reaction vessel 1 is in a state of maintaining a predetermined distance from the liquid surface 7 of the electrolytic solution 4 arranged in the reaction vessel 1.

また、白金陽極5に隣接する位置、すなわち隔壁6の外周側においては、反応容器1の上面に酸素ガス取出管8が反応容器1の内部と通じるように接続されている。酸素ガス取出管8はその開口端部が反応容器1内部に繋がるように配置されるとともに、熱交換器容器15と固定部材14を介して接続固定されている。なお、図1では、水素酸素混合ガス取出管9は、測定のため管路20を介して流量計19および質量分析器22と接続された状態を示している。また、流量計19と質量分析器22との間の管路20にはバルブ21が設置されている。しかし、得られる水素酸素混合ガスを後述するように燃料電池などで用いる場合、水素酸素混合ガス取出管9および酸素ガス取出管8は、当該燃料電池などの他の部材へ接続された配管と連結されることになる。   Further, at a position adjacent to the platinum anode 5, that is, on the outer peripheral side of the partition wall 6, an oxygen gas extraction pipe 8 is connected to the upper surface of the reaction container 1 so as to communicate with the inside of the reaction container 1. The oxygen gas take-out pipe 8 is arranged so that the opening end portion thereof is connected to the inside of the reaction vessel 1, and is connected and fixed via a heat exchanger vessel 15 and a fixing member 14. In FIG. 1, the hydrogen-oxygen mixed gas extraction pipe 9 is shown connected to the flow meter 19 and the mass analyzer 22 via the pipe line 20 for measurement. In addition, a valve 21 is installed in the pipe line 20 between the flow meter 19 and the mass analyzer 22. However, when the obtained hydrogen-oxygen mixed gas is used in a fuel cell or the like as will be described later, the hydrogen-oxygen mixed gas take-out pipe 9 and the oxygen gas take-out pipe 8 are connected to piping connected to other members such as the fuel cell. Will be.

反応容器1の側壁には、電解液補給管12および電解液排出管13がそれぞれ電解液4を反応容器1の内部へ流通可能なように接続されている。電解液補給管12および電解液排出管13はそれぞれ熱交換器容器15と固定部材14により接続固定されている。この電解液補給管12および電解液排出管13は、図示しない管路およびポンプを介して電解液タンクと接続されている。上述したポンプは、反応容器1内の電解液4の量が所定の範囲内となるように図示しない制御装置によって(たとえばポンプのオンオフ、あるいは回転数などの動作条件などが)制御されている。   An electrolyte solution supply pipe 12 and an electrolyte solution discharge pipe 13 are connected to the side wall of the reaction container 1 so that the electrolyte solution 4 can flow into the reaction container 1. The electrolyte replenishment pipe 12 and the electrolyte discharge pipe 13 are connected and fixed by a heat exchanger container 15 and a fixing member 14, respectively. The electrolytic solution supply pipe 12 and the electrolytic solution discharge pipe 13 are connected to an electrolytic solution tank through a conduit and a pump (not shown). The pump described above is controlled by a control device (not shown) (for example, operating conditions such as on / off of the pump or the number of revolutions) so that the amount of the electrolytic solution 4 in the reaction vessel 1 is within a predetermined range.

上述のような水素発生装置を用いて、以下述べるように電解発光現象を利用して水の熱分解により水素を発生させることができる。   Using the above-described hydrogen generator, hydrogen can be generated by thermal decomposition of water using an electroluminescence phenomenon as described below.

まず、電解液として、アルカリ金属炭酸塩を溶かした水溶液を準備する。アルカリ金属炭酸塩の濃度としては、上述のように0.05モル/リットル以上の任意の値とする。そして、この水溶液中で、陰極端子2および陽極端子3に350V以上の電圧をかける。この結果、陰極端子2の先端部(陰極部)においては、グロー放電が起き、いわゆる電解発光現象が発生している。このようなグロー放電が起きている近傍では、温度が3500℃以上となっている。したがって、このような高温部においては、水が直接熱分解する。この結果、通常の電気分解によっては考えられないほどの大量の水素と酸素とが発生する。これは、陰極端子2側で発生したガス(水素酸素混合ガス取出管9によって取出されたガス)中に、水素以外に酸素が一定割合で含まれていることからも、陰極端子2先端部(陰極部)での電解発光現象(グロー放電)による熱で水が直接分解していることがわかる。   First, an aqueous solution in which an alkali metal carbonate is dissolved is prepared as an electrolytic solution. The concentration of the alkali metal carbonate is an arbitrary value of 0.05 mol / liter or more as described above. In this aqueous solution, a voltage of 350 V or higher is applied to the cathode terminal 2 and the anode terminal 3. As a result, glow discharge occurs at the tip portion (cathode portion) of the cathode terminal 2, and a so-called electroluminescence phenomenon occurs. In the vicinity where such glow discharge occurs, the temperature is 3500 ° C. or higher. Therefore, water is directly pyrolyzed in such a high temperature part. As a result, a large amount of hydrogen and oxygen that cannot be considered by ordinary electrolysis are generated. This is because the gas generated on the cathode terminal 2 side (the gas extracted by the hydrogen-oxygen mixed gas extraction tube 9) contains oxygen at a certain rate in addition to hydrogen. It can be seen that water is directly decomposed by heat due to the electroluminescence phenomenon (glow discharge) at the cathode part).

なお、発明者の実験によれば、この現象は、電解液4の代わりに水蒸気を用いた電気分解の場合にも確認できた。そして、熱分解によって発生する水素の量は、上述した陰極端子2および陽極端子3へと印加される電圧の大きさや、印加される電圧をさまざまなパルス電圧とするなどその条件を変更することにより、通常の電気分解によって発生する水素の量より多くできる。具体的には、通常の電気分解によって発生する水素および酸素の量に比べて、本発明による装置では1.35倍以上の水素および酸素が発生する。   According to the inventors' experiment, this phenomenon was confirmed even in the case of electrolysis using water vapor instead of the electrolyte solution 4. The amount of hydrogen generated by pyrolysis is changed by changing the conditions such as the magnitude of the voltage applied to the cathode terminal 2 and the anode terminal 3 described above and various applied pulse voltages. , More than the amount of hydrogen generated by normal electrolysis. More specifically, the apparatus according to the present invention generates 1.35 times more hydrogen and oxygen than the amount of hydrogen and oxygen generated by normal electrolysis.

このような実験を繰返し、発明者が研究した結果、電解発光現象によって水素を発生させる場合の条件に関して、以下のようなことがわかった。すなわち、1.陰極端子2および陽極端子3に印加する電圧は、350V以上であることが好ましい。2.陰極端子2および陽極端子3へと印加する電圧をパルス電圧とすれば、電極の消耗も少なく電解発光が継続して発生する。この結果、熱分解によって発生する水素の量も増やすことができる。3.上述したパルス電圧のパルス幅を0.1秒〜10秒、パルス間隔を0.001秒〜5秒でさまざまな変更し調整することにより、効率よく水の熱分解反応を継続させることができる。4.電解液4の温度を70℃以上100℃以下という温度範囲に保つことによって、より安定した水の熱分解反応を継続して起こすことができる。5.陽極端子3および陰極端子2に印加される電圧が350V以上の条件では、印加される電圧の99%以上が陰極端子2の端部(陰極部)表面に加えられた状態となる。この結果、電圧損失を少なくすることができる。6.上述のような高電圧の条件で電解発光反応を継続させた場合には、陰極端子2を構成する材料(電極を構成する金属材料)と水素とが反応した生成物が形成される。7.電解発光反応により発生する熱のほとんどが、水の熱分解反応のためのエネルギーとして使われている。8.上述したような条件の高電圧下での電解発光反応において発生する光子は、電極金属の原子核に吸収され多光子吸収現象を起こしていると考えられる。9.光子を大量に吸収した電極(陽極端子3)を構成する金属の原子核は、励起状態となる。このような励起された金属の原子核は、中性子に起因する励起状態と比較するとエネルギーが非常に低い状態である。この結果、中性子による励起状態に起因した分解(核分裂)の場合よりも、極めて遅い分解をしていると考えられる。10.上述したように、原子核の分解が極めて遅いため、分解した結果生成された核は安定した核である。このため、通常の核分裂反応の結果生成されるような放射性物質はほとんど発生しない。11.このような低エネルギー状態の核分解によって、電解発光現象は継続すると考えられる。すなわち、外部から見ると、電気による入力エネルギー以上の過剰なエネルギーが電解発光現象が起きている部分において発生しているように見えるが、実際には陰極端子2を構成する金属の電子核の分解(非常に遅い安全な核分裂反応)に起因するエネルギーが利用されていると考えられる。   As a result of repeating the above experiments and researched by the inventor, it was found that the conditions for generating hydrogen by the electroluminescence phenomenon were as follows. That is: The voltage applied to the cathode terminal 2 and the anode terminal 3 is preferably 350 V or higher. 2. If the voltage applied to the cathode terminal 2 and the anode terminal 3 is a pulse voltage, the consumption of the electrode is reduced and electroluminescence is continuously generated. As a result, the amount of hydrogen generated by thermal decomposition can be increased. 3. The thermal decomposition reaction of water can be continued efficiently by variously changing and adjusting the pulse width of the pulse voltage described above from 0.1 seconds to 10 seconds and the pulse interval from 0.001 seconds to 5 seconds. 4). By maintaining the temperature of the electrolytic solution 4 in a temperature range of 70 ° C. or more and 100 ° C. or less, a more stable thermal decomposition reaction of water can be continuously caused. 5). Under the condition that the voltage applied to the anode terminal 3 and the cathode terminal 2 is 350 V or more, 99% or more of the applied voltage is applied to the end (cathode part) surface of the cathode terminal 2. As a result, voltage loss can be reduced. 6). When the electroluminescence reaction is continued under the high voltage condition as described above, a product in which the material constituting the cathode terminal 2 (metal material constituting the electrode) and hydrogen are reacted is formed. 7). Most of the heat generated by the electroluminescence reaction is used as energy for the thermal decomposition reaction of water. 8). It is considered that photons generated in the electroluminescence reaction under the high voltage under the above-described conditions are absorbed by the nuclei of the electrode metal and cause a multiphoton absorption phenomenon. 9. The atomic nucleus of the metal constituting the electrode (anode terminal 3) that has absorbed a large amount of photons is in an excited state. Such excited metal nuclei have a very low energy compared to the excited state caused by neutrons. As a result, it is considered that decomposition is extremely slower than the case of decomposition (fission) caused by the excited state by neutrons. 10. As described above, since the decomposition of nuclei is extremely slow, the nuclei generated as a result of the decomposition are stable nuclei. For this reason, almost no radioactive material is generated as a result of normal fission reactions. 11. It is considered that the electroluminescence phenomenon continues due to such low energy nuclear decomposition. That is, when viewed from the outside, it seems that excessive energy more than the input energy by electricity is generated in the portion where the electroluminescence phenomenon occurs, but in reality, the electron nucleus of the metal constituting the cathode terminal 2 is decomposed. It is thought that energy resulting from (a very slow safe fission reaction) is used.

(実施の形態2)
図2は、本発明による水素発生装置を適用した電解発光コジェネレーションシステムの構成を示す模式図である。また、図3は、図2に示した電解発光コジェネレーションシステムにおける物質収支と熱収支とを説明するための模式図である。図2および図3を参照して、本発明による電解発光コジェネレーションシステムを説明する。
(Embodiment 2)
FIG. 2 is a schematic diagram showing the configuration of an electroluminescence cogeneration system to which the hydrogen generator according to the present invention is applied. FIG. 3 is a schematic diagram for explaining a material balance and a heat balance in the electroluminescence cogeneration system shown in FIG. An electroluminescent cogeneration system according to the present invention will be described with reference to FIGS.

図2に示すように、本発明による電解発光コジェネレーションシステムでは、水素発生装置としての電解発光装置32によって発生した水素および酸素を湿度調節器/気液分離器33を通して湿度調整などを行なった後、燃料電池31に供給し、この燃料電池31において電力を発生させる。燃料電池31において電気を発生させる反応により水素ガスと酸素ガスとから水が生成されるが、この水は再び電解発光装置32へ戻り配管を介して供給される。なお、湿度調節器/気液分離器33において水素ガスおよび酸素ガスから分離された液体(水)も、同様に電解発光装置32へと再び供給される。   As shown in FIG. 2, in the electroluminescence cogeneration system according to the present invention, after hydrogen and oxygen generated by an electroluminescence device 32 as a hydrogen generation device are subjected to humidity adjustment through a humidity controller / gas-liquid separator 33. Then, the fuel cell 31 is supplied and electric power is generated in the fuel cell 31. Water is generated from hydrogen gas and oxygen gas by a reaction that generates electricity in the fuel cell 31, and this water is returned to the electroluminescent device 32 and supplied via a pipe. Note that the liquid (water) separated from the hydrogen gas and the oxygen gas in the humidity controller / gas-liquid separator 33 is also supplied to the electroluminescence device 32 in the same manner.

燃料電池31において発生した電力は、電力変換装置37を介して分電装置36へと供給される。分電装置36は、電源装置60(図3参照)を介して電解発光装置32へと電解発光現象を発生させるために必要な電力を供給するとともに、余剰の電力を外部へ電力供給として送出する。このようにして、電解発光コジェネレーションシステムから外部へと電力供給を行なうことができる。   The electric power generated in the fuel cell 31 is supplied to the power distribution device 36 via the power conversion device 37. The power distribution device 36 supplies power necessary for causing the electroluminescence phenomenon to the electroluminescence device 32 via the power supply device 60 (see FIG. 3), and sends surplus power to the outside as power supply. . In this way, electric power can be supplied from the electroluminescence cogeneration system to the outside.

なお、電解発光装置32において最初に電解発光現象を発生させるまでには、外部電源34からの電力が必要となる。このため、外部電源34は、電力量計35を介して分電装置36へと接続された状態となっている。電解発光装置において電解発光現象を最初に立上げる際には、外部電源34から電力量計35を介して分電装置36に供給された電力が、導電線を介して電解発光装置32へと供給されることになる。   Note that power from the external power source 34 is required before the electroluminescence phenomenon is first generated in the electroluminescence device 32. For this reason, the external power supply 34 is in a state of being connected to the power distribution device 36 via the watt-hour meter 35. When the electroluminescent phenomenon is first activated in the electroluminescent device, the electric power supplied from the external power source 34 to the power distribution device 36 via the watt hour meter 35 is supplied to the electroluminescent device 32 via the conductive wire. Will be.

一方、電解発光装置32および燃料電池31においては、それぞれその反応の過程で熱が発生する。この発生した熱は、管路49内をポンプ41によって循環する水により回収され、貯湯タンク40内に蓄積された熱媒体としての水の温度を上げる(お湯を沸す)ために用いられる。この貯湯タンク40には、給水源38がバルブ39を介して接続されている。そして、この貯湯タンク40内において、管路49の露出した部分からの熱で温められたお湯は、貯湯タンク40の外部へ温水として供給されることになる。また、電解発光コジェネレーションシステムには、図示するように低温水吸収冷凍機43、放熱用熱交換器42および冷却塔44が配置され、所定の管路によって接続されている。   On the other hand, in the electroluminescent device 32 and the fuel cell 31, heat is generated in the course of the reaction. The generated heat is recovered by the water circulating in the pipe line 49 by the pump 41, and is used to raise the temperature of water as a heat medium accumulated in the hot water storage tank 40 (boiling hot water). A water supply source 38 is connected to the hot water storage tank 40 via a valve 39. In the hot water storage tank 40, hot water heated by heat from the exposed portion of the conduit 49 is supplied to the outside of the hot water storage tank 40 as hot water. Further, in the electroluminescence cogeneration system, as shown in the figure, a low-temperature water absorption refrigerator 43, a heat-dissipating heat exchanger 42, and a cooling tower 44 are arranged and connected by a predetermined pipe line.

この低温水吸収冷凍機43から後述するようにたとえば7℃程度の冷水を外部に供給することができる。また、この電解発光コジェネレーションシステムにおいては、貯湯タンク40内を通過する管路と接続された温水供給用熱交換器47が設置されている。この温水供給用熱交換器47において、貯湯タンク内のお湯の熱エネルギーを外部へ温水として供給するための熱交換を行なう。なお、このような冷水の供給、あるいは温水(お湯)の供給のための配管路においては、ポンプ45、46、48が設置され、所定の方向に媒体を送出している。   As will be described later, for example, cold water of about 7 ° C. can be supplied to the outside from the low-temperature water absorption refrigerator 43. In the electroluminescence cogeneration system, a hot water supply heat exchanger 47 connected to a pipe passing through the hot water storage tank 40 is installed. In this hot water supply heat exchanger 47, heat exchange is performed for supplying the heat energy of hot water in the hot water storage tank to the outside as hot water. In such a pipe for supplying cold water or hot water (hot water), pumps 45, 46, and 48 are installed to feed the medium in a predetermined direction.

図2に示した電解発光コジェネレーションシステムについて、以下各構成部材ごとに簡単に説明する。   The electroluminescent cogeneration system shown in FIG. 2 will be briefly described below for each component.

まず、電源装置について、電解発光装置32を起動させるときには、電源装置として外部電源34が必要となる。外部電源34として電力会社が供給している100Vの交流電源を用いる場合、サイリスタと直流変換器とを介して250V前後(より好ましくは350V以上)の直流電気として電解発光装置32へと供給する。また、電解発光装置32を起動する際に用いる電源装置としてバッテリを用いる場合には、バッテリからの直流電気を昇圧させ250V前後とした後、当該昇圧後の電流を供給するようにしてもよい。また、このような電源装置には、パルス発生装置を組込み、パルス電圧を電解発光装置32へと供給することが好ましい。このようにすれば、継続して安定した電解発光反応を起こすことができる。この結果、安定して水の電気分解および熱分解を促進することができる。   First, regarding the power supply device, when the electroluminescence device 32 is activated, an external power supply 34 is required as the power supply device. When a 100 V AC power source supplied by an electric power company is used as the external power source 34, it is supplied to the electroluminescence device 32 as DC electricity of about 250 V (more preferably 350 V or more) via a thyristor and a DC converter. Moreover, when using a battery as a power supply device used when starting the electroluminescent device 32, the DC current from the battery may be boosted to about 250 V, and then the boosted current may be supplied. Further, such a power supply device preferably incorporates a pulse generator and supplies a pulse voltage to the electroluminescence device 32. In this way, a stable electroluminescent reaction can be caused continuously. As a result, water electrolysis and thermal decomposition can be promoted stably.

そして、電解発光装置32から供給された水素ガスおよび酸素ガスを用いて燃料電池31において発電が開始されれば、後述するように電解発光装置32へと供給するのに十分な電力を確保することができるため、外部電源34は遮断される。外部電源34としてバッテリを用いる場合には、上述の電解発光装置32の起動時に消費した電力量を燃料電池31で発生した電力によって充電してもよい。   Then, if power generation is started in the fuel cell 31 using the hydrogen gas and oxygen gas supplied from the electroluminescent device 32, sufficient electric power to be supplied to the electroluminescent device 32 is secured as will be described later. Therefore, the external power supply 34 is shut off. When a battery is used as the external power source 34, the amount of power consumed when the above electroluminescent device 32 is activated may be charged with the power generated in the fuel cell 31.

電解発光装置32は、図2に示した電解発光コジェネレーションシステムにおいて水素ガスおよび酸素ガスの発生装置として作用する。電解発光装置32の構成としては、たとえば図1に示したような装置構成を用いることができる。図1に示したような構造の装置を用いる場合、たとえば密閉された反応容器1の内部に電解液4を保持する。電解液4の量としては、反応容器1の内容積の70%程度とすることができる。この反応容器1には、水素ガスおよび酸素ガスを取出すための排出管(水素酸素混合ガス取出管9など)、水素ガスと酸素ガスとが燃料電池31において再結合した結果生成された水の戻り配管(たとえば電解液補給管12に接続される配管)、反応容器で発生する熱を回収するための熱交換器が備えられている。この熱交換器としては、図1に示すように、反応容器1の周囲を囲むような熱交換器容器15を配置し、この反応容器1と熱交換器容器15との間の間隙に熱交換媒体23を流通させるといった手法を用いることができる。また、熱交換の方法として、反応容器1内部において電解液4に浸漬された状態となるように熱交換器用の配管を配置し、この熱交換器の配管内を熱交換媒体23が流通するようにしてもよい。電解液中においては、図1において説明したように、陰極端子2と、この陰極端子2において陰極として作用する先端部(陰極部)の表面積の10倍以上の表面積を持つ白金陽極5とを配置する。そして、陰極端子2および陽極端子3はそれぞれ分電装置36(図2参照)から供給される電源電圧が印加されるようになっている。   The electroluminescent device 32 functions as a hydrogen gas and oxygen gas generator in the electroluminescent cogeneration system shown in FIG. As the configuration of the electroluminescence device 32, for example, a device configuration as shown in FIG. 1 can be used. When the apparatus having the structure as shown in FIG. 1 is used, for example, the electrolytic solution 4 is held inside the sealed reaction vessel 1. The amount of the electrolytic solution 4 can be about 70% of the internal volume of the reaction vessel 1. The reaction vessel 1 is provided with a discharge pipe (such as a hydrogen-oxygen mixed gas take-out pipe 9) for taking out hydrogen gas and oxygen gas, and a return of water generated as a result of recombination of the hydrogen gas and oxygen gas in the fuel cell 31. A pipe (for example, a pipe connected to the electrolyte solution supply pipe 12) and a heat exchanger for recovering heat generated in the reaction vessel are provided. As this heat exchanger, as shown in FIG. 1, a heat exchanger vessel 15 surrounding the reaction vessel 1 is arranged, and heat exchange is performed in a gap between the reaction vessel 1 and the heat exchanger vessel 15. A technique of distributing the medium 23 can be used. Further, as a heat exchange method, a pipe for the heat exchanger is disposed so as to be immersed in the electrolyte solution 4 inside the reaction vessel 1 so that the heat exchange medium 23 flows through the pipe of the heat exchanger. It may be. In the electrolytic solution, as described with reference to FIG. 1, the cathode terminal 2 and the platinum anode 5 having a surface area of 10 times or more of the surface area of the tip (cathode part) acting as the cathode in the cathode terminal 2 are arranged. To do. The cathode terminal 2 and the anode terminal 3 are each applied with a power supply voltage supplied from a power distribution device 36 (see FIG. 2).

分電装置36は、燃料電池31で発生した直流電気を、連続的な電解発光を伴う電気分解が行なわれるように、直流のまま電解発光装置32へ送る機能と、コジェネレーションシステムの外部へと100Vの交流電気に変換して出力する機能とを有する。   The power distribution device 36 has a function of sending direct current electricity generated in the fuel cell 31 to the electrolytic light emission device 32 as direct current so that electrolysis with continuous electrolytic light emission is performed, and to the outside of the cogeneration system. It has a function of converting to 100V AC electricity and outputting.

また、図2に示した電解発光コジェネレーションシステムにおいては、電解発光装置32における熱交換器により電解発光装置32において発生する熱を回収する。また、燃料電池31で水素と酸素との再結合の際に発生する反応熱を燃料電池31に設置された熱交換器(たとえば燃料電池31を囲むように設置された、熱交換媒体を流通させることが可能な配管など)によって回収する。それぞれの熱交換器には、図2の管路49に示すような配管を介して熱交換媒体としての冷却水を循環させる。そして、これらの熱交換器によって回収した排熱は貯湯タンク40において温水を作るために用いられる。   In the electroluminescence cogeneration system shown in FIG. 2, the heat generated in the electroluminescence device 32 is recovered by the heat exchanger in the electroluminescence device 32. Further, a heat exchanger installed in the fuel cell 31 (for example, a heat exchange medium installed so as to surround the fuel cell 31 is circulated) reaction heat generated when hydrogen and oxygen are recombined in the fuel cell 31. It is possible to collect by piping etc. that can be. In each heat exchanger, cooling water as a heat exchange medium is circulated through a pipe as shown by a pipe line 49 in FIG. The exhaust heat recovered by these heat exchangers is used to make hot water in the hot water storage tank 40.

また、このような貯湯タンク40に保持される温水は、低温水(70℃〜90℃)を熱源にして稼働する低温水吸収冷凍機43の熱源として利用される。低温水吸収冷凍機43では、蒸発器で冷媒を蒸発させることによって、5℃〜9℃の冷水を作ることができる。そして、ファンコイルやエアハンドリングユニットにこのような冷水を送れば、たとえば居住空間の冷房などを行なうことができる。   Moreover, the hot water held in such a hot water storage tank 40 is used as a heat source of the low-temperature water absorption refrigerator 43 that operates using low-temperature water (70 ° C. to 90 ° C.) as a heat source. In the low-temperature water absorption refrigerator 43, cold water at 5 ° C. to 9 ° C. can be produced by evaporating the refrigerant with an evaporator. And if such cold water is sent to a fan coil or an air handling unit, the living space can be cooled, for example.

ここで、図2に示した電解発光コジェネレーションシステムは、上述のように電解発光現象を利用して発生した水素と酸素とを燃料電池31に導き燃料として利用するシステムである。水素や酸素は純粋な燃料であるため、発電効率の良いアルカリ型の燃料電池や炭酸溶融塩型燃料電池に湿度調節器/気液分離器33(気液分離装置/乾燥装置ともいう)を経由してこの水素ガスや酸素ガスを供給すれば、理論的には83%の発電効率を確保することができる。   Here, the electroluminescence cogeneration system shown in FIG. 2 is a system in which hydrogen and oxygen generated by utilizing the electroluminescence phenomenon as described above are guided to the fuel cell 31 and used as fuel. Since hydrogen and oxygen are pure fuels, they pass through a humidity controller / gas-liquid separator 33 (also referred to as a gas-liquid separator / dryer) to an alkaline fuel cell or a carbonated carbonate fuel cell with good power generation efficiency. If this hydrogen gas or oxygen gas is supplied, it is theoretically possible to ensure a power generation efficiency of 83%.

ここで、燃料電池の発電効率を高い効率で維持するための重要な要因の1つとして、燃料電池における電解質膜の水分管理がある。この理由は燃料電池における反応原理から説明できる。すなわち、アノードから水素イオンがカソードに移動する際、水素イオンといくつかの水分子が結びつき、その水分子とともに水素イオンは移動する。このことから、燃料電池の発電効率を高い効率で保つためには、燃料ガスとなる水素ガスと酸素ガス中には常に適正な水分が含まれている必要がある。そして、水素ガスや酸素ガス中の水分が多すぎると、水が反応場である三相界面(電極触媒、燃料ガス、電解質膜の界面)を覆ってしまい、燃料電池の発電性能を低下させることになる。このように、燃料電池では燃料ガス中の水分の含有状態(湿潤状態)を一定に保ち、その発電効率を維持することが重要である。   Here, one important factor for maintaining the power generation efficiency of the fuel cell with high efficiency is the moisture management of the electrolyte membrane in the fuel cell. This reason can be explained from the reaction principle in the fuel cell. That is, when hydrogen ions move from the anode to the cathode, the hydrogen ions and some water molecules are combined, and the hydrogen ions move together with the water molecules. For this reason, in order to maintain the power generation efficiency of the fuel cell with high efficiency, it is necessary that hydrogen gas and oxygen gas as fuel gas always contain appropriate moisture. And if there is too much water in hydrogen gas or oxygen gas, water will cover the three-phase interface (electrode catalyst, fuel gas, electrolyte membrane interface) that is the reaction field, and reduce the power generation performance of the fuel cell. become. As described above, in the fuel cell, it is important to keep the moisture content (humid state) in the fuel gas constant and maintain the power generation efficiency.

燃料電池における発電効率を83%とした場合、図3に示すように、電解発光装置32から発生した4.62Nm3/hの水素ガスを燃料として用いた燃料電池31における発電量は11.5kw/hになる。この電力のうち、10kw/hを電解発光装置32に供給する。この結果、電解発光装置32に当初供給した電力が不要となる。そして同時に、燃料電池31によって発電された電力のうち1.5kw/hの電力は外部に供給できることになる。この結果、電解発光コジェネレーションシステムは、技術的に電解発光現象を維持しながら外部へと余剰電力を供給することができる。すなわち、これまで利用できなかったエネルギーが利用できるシステムであると見ることもできる。 When the power generation efficiency in the fuel cell is 83%, as shown in FIG. 3, the power generation amount in the fuel cell 31 using 4.62 Nm 3 / h hydrogen gas generated from the electroluminescence device 32 as the fuel is 11.5 kW. / H. Of this electric power, 10 kw / h is supplied to the electroluminescent device 32. As a result, the power initially supplied to the electroluminescence device 32 is not necessary. At the same time, 1.5 kW / h of the power generated by the fuel cell 31 can be supplied to the outside. As a result, the electroluminescence cogeneration system can supply surplus power to the outside while technically maintaining the electroluminescence phenomenon. In other words, it can be seen that the system can use energy that could not be used until now.

また、図3に示すように、燃料電池内で再結合した水は、ドレイン回収61を介して電解発光装置32に戻すことができる。この結果、電解液中の水が水素と酸素に分解することによる電解液の減少を補充できる。この結果、電解発光装置と燃料電池との間で水を再利用することができ、閉サイクルとすることができる。   Further, as shown in FIG. 3, the water recombined in the fuel cell can be returned to the electroluminescent device 32 via the drain recovery 61. As a result, it is possible to supplement the decrease in the electrolytic solution due to the decomposition of water in the electrolytic solution into hydrogen and oxygen. As a result, water can be reused between the electroluminescence device and the fuel cell, and a closed cycle can be achieved.

図2に示した電解発光コジェネレーションシステムでは、既に説明したように、電解発光装置32や燃料電池31から発熱があるため、その発生した熱を温水として回収し、上述のように温水として供給(給湯)したり、ファンコイルやエアハンドリングユニットや床暖房コイルに導き暖房に利用するといった熱エネルギーの利用が可能となる。また、この温水を低温水吸収冷凍機43の熱源として利用して、5℃〜9℃の冷水を作ることにより、ファンコイルやエアハンドリングユニットに導き冷房に用いることもできる。   In the electroluminescent cogeneration system shown in FIG. 2, as already described, since heat is generated from the electroluminescent device 32 and the fuel cell 31, the generated heat is recovered as hot water and supplied as hot water as described above ( It is possible to use heat energy, such as hot water supply, or by leading to a fan coil, an air handling unit or a floor heating coil. In addition, by using this hot water as a heat source for the low-temperature water absorption refrigerator 43 to produce cold water at 5 ° C. to 9 ° C., it can be led to a fan coil or an air handling unit and used for cooling.

図3に示すように、電解発光装置32で電解発光を生じさせるために最初に投入される初期電力投入量を10kw/hとした場合、電解発光装置32においては水素が4.62Nm3/h発生する。また、このとき電解発光装置32での発熱量(排熱回収62の熱量)は図3に示すように2249kcal/hとなり、装置内の管路49を循環する冷却水(たとえば、図1に示した熱交換器容器15内を流通する冷却水)を用いて90℃の温水として回収することができる。また、電解発光装置32で発生した4.62Nm3/hの水素(水素ガス)と、2.31Nm3/hの酸素(酸素ガス)は、アルカリ型や炭酸溶融塩型の燃料電池31に送られる。 As shown in FIG. 3, when the initial power input amount that is initially input to cause electroluminescence in the electroluminescence device 32 is 10 kw / h, hydrogen is 4.62 Nm 3 / h in the electroluminescence device 32. Occur. Further, at this time, the amount of heat generated by the electroluminescence device 32 (the amount of heat of the exhaust heat recovery 62) is 2249 kcal / h as shown in FIG. 3, and cooling water (for example, shown in FIG. In addition, it can be recovered as hot water at 90 ° C. using cooling water flowing through the heat exchanger vessel 15. Further, 4.62 Nm 3 / h hydrogen (hydrogen gas) and 2.31 Nm 3 / h oxygen (oxygen gas) generated in the electroluminescence device 32 are sent to the alkaline or carbonate molten salt fuel cell 31. It is done.

燃料電池31内では、水素と酸素とが再結合することによって発電する。燃料電池31における発電効率を83%とすると、上述した水素と酸素から、11.5kw/hの電力と、5.75kg/hの水と、4236kcal/hの熱とが発生することになる。この熱は、燃料電池31内を循環する冷却水(管路49を循環する冷却水)を用いて、90℃の温水として回収できる。そして、このように回収された熱量(排熱回収63の熱量)は、トータルで6472kcal/hとなる。この熱を温水として回収した場合、約80℃〜85℃のお湯を貯湯タンク40(給湯タンク)に貯めることができる。   In the fuel cell 31, power is generated by recombination of hydrogen and oxygen. If the power generation efficiency in the fuel cell 31 is 83%, 11.5 kw / h electric power, 5.75 kg / h water, and 4236 kcal / h heat are generated from the hydrogen and oxygen described above. This heat can be recovered as 90 ° C. hot water using cooling water circulating in the fuel cell 31 (cooling water circulating in the pipe line 49). The amount of heat recovered in this way (the amount of heat of the exhaust heat recovery 63) is 6472 kcal / h in total. When this heat is recovered as hot water, hot water of about 80 ° C. to 85 ° C. can be stored in the hot water storage tank 40 (hot water supply tank).

また、上述のように居住用の部屋に設置されたファンコイルやエアハンドリングユニットや床暖房コイルにこれらの熱を送れば暖房に用いることができる。また、夏季には、温水の全量を低温水吸収冷凍機の発生器の熱源として利用すると、成績係数が約0.6〜0.7の効率で7℃の冷水を得ることができる。そして、この冷水を、暖房時に用いたファンコイルやエアハンドリングユニットに送ることにより、冷房運転が可能となる。なお、このような低温水吸収冷凍機の冷凍能力は3883kcal/h〜4530kcal/hとなり、26m2から30m2の部屋の冷房が可能である。そして、夜間は給湯し、昼間は冷房や暖房用としてこれらの熱を利用すれば、効率的な発電、給湯、冷房、暖房の可能なコジェネレーションシステムとすることができる。なお、図3に示すように、低温水吸収冷凍機43から冷却水への放熱は10355kcal/hとなる。 Moreover, if these heats are sent to the fan coil, the air handling unit, or the floor heating coil installed in the residential room as described above, they can be used for heating. Further, in summer, when the entire amount of hot water is used as a heat source for the generator of the low-temperature water absorption refrigerator, cold water of 7 ° C. can be obtained with an efficiency of about 0.6 to 0.7. Then, the cooling operation can be performed by sending the cold water to the fan coil or the air handling unit used at the time of heating. In addition, the refrigerating capacity of such a low-temperature water absorption refrigerator is 3883 kcal / h to 4530 kcal / h, and a room of 26 m 2 to 30 m 2 can be cooled. Then, by supplying hot water at night and using these heats for cooling and heating during the day, a cogeneration system capable of efficient power generation, hot water supply, cooling and heating can be obtained. In addition, as shown in FIG. 3, the heat radiation from the low-temperature water absorption refrigerator 43 to the cooling water is 10355 kcal / h.

ここで、図3に示した電解発光コジェネレーションシステムの物質収支と熱収支のそれぞれの数値について説明する。   Here, the numerical values of the material balance and the heat balance of the electroluminescence cogeneration system shown in FIG. 3 will be described.

まず、燃料電池のエネルギー収支について考える。燃料電池の中での反応は、水素の燃焼反応である。燃焼は一般的に燃料と酸素との発熱反応であって、安定な酸化物H2O、CO2、COなどを生じる燃焼過程における反応熱を燃焼熱という。そして、通常、燃料1Kgまたは1Nm3当たりの燃焼熱の絶対値を燃料の発熱量という。燃焼ガスがH2Oを含むときには、燃焼した後の状態で、H2Oが気体であるか液体であるかによって発熱量にH2Oの気化潜熱分の違いを生じる。H2Oが凝縮して潜熱が含まれる場合の発熱量を総発熱量または高位発熱量という。一方、H2Oが水蒸気のままで潜熱を含まない場合の発熱量を真発熱量または低位発熱量という。 First, consider the energy balance of the fuel cell. The reaction in the fuel cell is a hydrogen combustion reaction. Combustion is generally an exothermic reaction between fuel and oxygen, and reaction heat in a combustion process that generates stable oxides H 2 O, CO 2 , CO, etc. is called combustion heat. Usually, the absolute value of the combustion heat per 1 kg of fuel or 1 Nm 3 is referred to as the calorific value of the fuel. When the combustion gas comprises of H 2 O, in a state after the combustion, H 2 O results in a difference in H 2 O vaporization latent heat of the heating value depending on whether a liquid or a gas. The amount of heat generated when H 2 O condenses and contains latent heat is referred to as total heat generation or higher heat generation. On the other hand, the calorific value when H 2 O remains steam and does not contain latent heat is referred to as the true calorific value or the lower calorific value.

燃料電池における燃料の燃焼反応のエンタルピー変化の減少量(−ΔH)に相当するエネルギーが、利用できる全エネルギーである。電気化学反応で利用できる最大エネルギーは、反応による自由エネルギー変化の減少量(−ΔG)に相当するエネルギーである。ここで、自由エネルギー変化の減少量は、以下の式によって示される。   The energy corresponding to the reduction amount (−ΔH) of the change in the enthalpy of the fuel combustion reaction in the fuel cell is the total available energy. The maximum energy that can be used in the electrochemical reaction is energy corresponding to a reduction amount (−ΔG) of a free energy change due to the reaction. Here, the amount of decrease in free energy change is expressed by the following equation.

−ΔG=nFE
ここで、Eは電池の最大電圧を示し、Fはファラデー定数:9.65×104A・s(クーロン)、nは反応電子数を示す。一方、エンタルピー変化の減少量は、以下の式によって示される。
-ΔG = nFE
Here, E represents the maximum voltage of the battery, F represents Faraday constant: 9.65 × 10 4 A · s (Coulomb), and n represents the number of reaction electrons. On the other hand, the amount of decrease in enthalpy change is expressed by the following equation.

−ΔH=−ΔG−TΔS
したがって、上述した式の(−TΔS)に相当するエネルギーは利用することができない。そして、以下に示す化学反応式
2H2+O2=2H2
における燃料電池反応のエントロピー変化(ΔS)は負である。そのため、(−TΔS)に相当する分は熱として系外に放出されることになる。水素、酸素、水蒸気の分圧がすべて1atmの場合、燃料電池での反応の(−ΔH)はほぼ250kJ・mol-1である。このため、(−ΔG)は、200℃のときに224kJ・mol-1となり、温度が1000℃のときには178kJ・mol-1となる。
−ΔH = −ΔG−TΔS
Therefore, energy corresponding to (−TΔS) in the above-described formula cannot be used. And the chemical reaction formula shown below 2H 2 + O 2 = 2H 2 O
The entropy change (ΔS) of the fuel cell reaction at is negative. Therefore, the amount corresponding to (−TΔS) is released out of the system as heat. When the partial pressures of hydrogen, oxygen, and water vapor are all 1 atm, (−ΔH) of the reaction in the fuel cell is approximately 250 kJ · mol −1 . Thus, (- ΔG) is, 224kJ · mol -1 next at 200 ° C., a 178kJ · mol -1 when the temperature is 1000 ° C..

したがって、理論的に求められるエネルギー変換効率(ΔG/ΔH)は、温度が200℃である場合に89.6%となり、温度が1000℃である場合には71.2%となる。なお、実際には、電極反応の遅れにより生じる分極や電極や電解質の抵抗によって消費される非可逆的なエネルギー損失が含まれている。これらは、放電の電流密度を増加させれば増大する。また、このようなエネルギー損失は、電池作動温度を高くすれば減少する。現状では、電気エネルギーへの変換効率は、40%〜最大83%程度である。そして、その他のエネルギーはすべて熱として系外に放出される。   Therefore, the theoretically required energy conversion efficiency (ΔG / ΔH) is 89.6% when the temperature is 200 ° C., and 71.2% when the temperature is 1000 ° C. Actually, it includes irreversible energy loss consumed by polarization caused by delay of electrode reaction and resistance of electrodes and electrolytes. These increase if the current density of the discharge is increased. Further, such energy loss decreases as the battery operating temperature is increased. At present, the conversion efficiency into electric energy is about 40% to a maximum of 83%. All other energy is released out of the system as heat.

次に、水素ガス4.62Nm3/hを用いた場合での燃料電池での発電量を検討する。なお、この水素ガスの量は、電解発光装置32(図3参照)において発生する水素ガスの量(実験的に求めた量)であって、電気分解によって3.4Nm3/h、熱分解反応によって1.22Nm3/h発生すると考えられる。燃料電池31において燃料である水素が反応した後、生成される水は水蒸気状態である。そのため、発熱量は低位発熱量を用いる。水素の低位発熱量は2570kcal/Nm3である。したがって、燃料電池発電に利用できるエネルギーは、
2570kcal/Nm3×4.26Nm3/h=11873kcal/h
となる。また、燃料電池31の発電効率を83%とすると、発電量は以下の式によって示される。
Next, the amount of power generated by the fuel cell when hydrogen gas 4.62 Nm 3 / h is used will be examined. The amount of hydrogen gas is the amount of hydrogen gas generated in the electroluminescent device 32 (see FIG. 3) (experimentally determined amount), which is 3.4 Nm 3 / h by electrolysis, and the thermal decomposition reaction. It is considered that 1.22 Nm 3 / h is generated. After hydrogen, which is a fuel, reacts in the fuel cell 31, the generated water is in a water vapor state. Therefore, the lower heating value is used as the heating value. The lower heating value of hydrogen is 2570 kcal / Nm 3 . Therefore, the energy available for fuel cell power generation is
2570kcal / Nm 3 × 4.26Nm 3 / h = 11873kcal / h
It becomes. If the power generation efficiency of the fuel cell 31 is 83%, the power generation amount is expressed by the following equation.

11873kcal/h×0.83=9855kcal/h
ここで、1kw/h=860kcal/kwhであるため、燃料電池発電での発電量は以下の式によって示される。
11873 kcal / h x 0.83 = 9855 kcal / h
Here, since 1 kw / h = 860 kcal / kwh, the power generation amount in the fuel cell power generation is expressed by the following equation.

9855kcal/h÷860kcal/kwh=11.5kw/h
次に、水蒸気損失による排熱量を検討する。発電に利用できなかったエネルギーは、熱利用が可能である。そのため、その熱量(水蒸気損失による排熱量)を計算する。水素の持つ総発熱量が3050kcal/Nm3であるため、発熱量は以下の式によって示される。
9855 kcal / h ÷ 860 kcal / kwh = 11.5 kw / h
Next, the amount of exhaust heat due to water vapor loss is examined. Energy that could not be used for power generation can be used for heat. Therefore, the amount of heat (the amount of exhaust heat due to water vapor loss) is calculated. Since the total calorific value of hydrogen is 3050 kcal / Nm 3 , the calorific value is expressed by the following equation.

3050kcal/Nm3×4.62Nm3/h=14091kcal/h
そして、発電に利用されたエネルギーを上述した計算式によって得られた値から差し引くと、
14091kcal/h−11873kcal/h=2218kcal/h
となる。この2218kcal/hという熱量は、排熱として空調用や給湯用として利用できるエネルギーである。
3050kcal / Nm 3 × 4.62Nm 3 / h = 14091kcal / h
And when subtracting the energy used for power generation from the value obtained by the above formula,
14091 kcal / h-11873 kcal / h = 2218 kcal / h
It becomes. The amount of heat of 2218 kcal / h is energy that can be used as exhaust heat for air conditioning or hot water supply.

次に発電効率差からの排熱量について検討する。ここで、燃料電池31に燃料である水素から供給されるエネルギーは、上述したように11873kcal/hである。そして、発電効率が83%の燃料電池31からの排熱量は、以下の式によって示される。   Next, the amount of exhaust heat from the difference in power generation efficiency is examined. Here, the energy supplied from the fuel hydrogen to the fuel cell 31 is 11873 kcal / h as described above. The amount of heat exhausted from the fuel cell 31 with a power generation efficiency of 83% is expressed by the following equation.

11873kcal/h×(1.00−0.83)=2018kcal/h
次に燃料電池31からのトータル排熱量を検討する。上述した水蒸気損失と発電効率差とからの燃料電池31の総排熱量は以下の式によって示される。
11873 kcal / h × (1.00−0.83) = 2018 kcal / h
Next, the total amount of exhaust heat from the fuel cell 31 is examined. The total exhaust heat amount of the fuel cell 31 from the above-described water vapor loss and power generation efficiency difference is expressed by the following equation.

2218kcal/h+2018kcal/h=4236kcal/h
そして、電解発光装置32と燃料電池31とからの総排熱量を検討すると、総発熱量は以下の式によって示される。
2218 kcal / h + 2018 kcal / h = 4236 kcal / h
Then, considering the total amount of heat exhausted from the electroluminescence device 32 and the fuel cell 31, the total heat generation amount is represented by the following equation.

2249kcal/h+4236kcal/h=6472kcal/h
上述のような排熱を、既に述べたように低温水吸収冷凍機43を用いて利用することができる。たとえば、上述した排熱を熱源として利用し、冷媒に水、吸収溶液に臭化リチウム水溶液を使用した低温水吸収冷凍機を用いれば、冷房用の7℃の冷水を作ることができる。また、熱源として70℃〜90℃の温水を供給することによって、成績係数0.6〜0.7の効率で7℃の冷水を作ることができる。
2249 kcal / h + 4236 kcal / h = 6472 kcal / h
The exhaust heat as described above can be used by using the low-temperature water absorption refrigerator 43 as described above. For example, by using the above-described exhaust heat as a heat source and using a low-temperature water absorption refrigerator using water as a refrigerant and a lithium bromide aqueous solution as an absorption solution, 7 ° C. cold water for cooling can be produced. Further, by supplying hot water of 70 ° C. to 90 ° C. as a heat source, 7 ° C. cold water can be made with an efficiency of a coefficient of performance of 0.6 to 0.7.

(実施の形態3)
上述した電解発光現象を利用したコジェネレーションシステムのようなエネルギー供給システム(発電システム)は、さまざまな分野に応用可能である。ここで、地球温暖化防止に大きく貢献して、原子力の新規立地に代替できるエネルギーの柱は水素エネルギーであると考えられる。「21世紀は水素の時代」とも言われる。水素を燃料に化学的に発電する燃料電池は、自動車をはじめとする交通機関にも利用するべく研究が進められ、実用化が目前に迫っている。ガソリンエンジンやディーゼルエンジンに代わるクリーンなエネルギー源としてこのような燃料電池が普及する時代が近づいていると思われる。
(Embodiment 3)
An energy supply system (power generation system) such as a cogeneration system using the above-described electroluminescence phenomenon can be applied to various fields. Here, it is considered that hydrogen energy is a pillar of energy that can greatly contribute to the prevention of global warming and can be replaced with a new location of nuclear power. It is also said that the 21st century is an era of hydrogen. Fuel cells that use hydrogen as a fuel for chemical power generation are being studied for use in automobiles and other transportation systems, and their practical application is imminent. It seems that the era of the spread of such fuel cells as a clean energy source to replace gasoline engines and diesel engines is approaching.

そして、本発明による発電システムは、このような自動車などの移動体の動力源としても利用できる。ここで、このような自動車(水素利用自動車ともいう)の開発状況を簡単に述べる。現在開発が進められている水素利用自動車は、燃料電池の性能、大きさ、重量、コストおよび燃料である水素の貯蔵タンク方式や燃料補給ステーション(水素ステーション)の地域的な配置等のインフラ整備が問題となっている。水素ステーションは、2002年に300Nm3/hの実用機の10分の1のステーションを2箇所作り実証運転が行なわれた。1つは天然ガス改質で水素を作り水素吸蔵合金に貯蔵する形式のステーションであって、もう1つは固体高分子水電解による水素を水素吸蔵合金に貯蔵した形式のステーションである。そして、2003年度には、この水素ステーションを利用して、燃料電池自動車による走行テストが公道を使って実施される。 And the electric power generation system by this invention can be utilized also as motive power sources of such moving bodies, such as a motor vehicle. Here, the development status of such an automobile (also called a hydrogen-using automobile) will be briefly described. Currently developed hydrogen-powered vehicles are equipped with infrastructure such as fuel cell performance, size, weight, cost, fuel storage tank system for hydrogen, and regional arrangement of refueling stations (hydrogen stations). It is a problem. In 2002, two hydrogen stations, one-tenth of a 300 Nm 3 / h commercial machine, were put into operation. One is a station in which hydrogen is generated by natural gas reforming and stored in a hydrogen storage alloy, and the other is a station in which hydrogen from solid polymer water electrolysis is stored in a hydrogen storage alloy. And in 2003, a running test by a fuel cell vehicle will be carried out on public roads using this hydrogen station.

このように、従来からの技術であれば、燃料電池自動車の最終的な姿は水素供給型となると予想される。水素質量100kg以下の加圧水素だけのステーションでは、水素を自動車の吸蔵合金に貯蔵する時間の目標として10分以内としている。しかし、現在ではこの時間として30分程度はかかるため、この時間をどのように短縮するかが課題となっている。   Thus, if it is conventional technology, the final appearance of the fuel cell vehicle is expected to be a hydrogen supply type. In a station using only pressurized hydrogen having a hydrogen mass of 100 kg or less, the target time for storing hydrogen in the storage alloy of the automobile is set to be within 10 minutes. However, since this time currently takes about 30 minutes, how to reduce this time is an issue.

また、自動車に搭載される水素吸蔵合金タンクは、水素吸蔵合金が粉体となるため、当該タンク内の冷却装置などの設計をどうするかといった課題もある。   Moreover, since the hydrogen storage alloy tank mounted in a motor vehicle becomes a powder, there is a problem of how to design a cooling device or the like in the tank.

ここで、水素吸蔵合金については、これまでにトヨタ自動車が100kgの質量で2質量%の水素吸蔵に成功した。2質量%では、自動車は250kmの走行が可能である。しかし、自動車は1回の水素の充填で450〜500km程度の走行が可能となることが好ましい。したがって、このような走行距離の実現のためには、水素吸蔵合金の水素吸蔵能力をどの程度まで高めることができるかがキーとなる。   Here, as for the hydrogen storage alloy, Toyota Motor has succeeded in storing 2 mass% of hydrogen at a mass of 100 kg. At 2% by mass, the car can travel 250 km. However, it is preferable that the automobile can travel about 450 to 500 km with one filling of hydrogen. Therefore, in order to realize such a travel distance, the key is how much the hydrogen storage capacity of the hydrogen storage alloy can be increased.

ここで、燃料電池車に搭載される水素吸蔵合金は、水素を吸蔵するときに発熱反応を起こす。また、水素を放出するときは80℃以下の温度条件とすることが必要である。ところが、マグネシウムの水素吸蔵合金では、水素を70質量%程度まで吸蔵できるが、水素を放出するときには350℃の温度が必要となる。このように高温となるため、マグネシウムを用いた水素吸蔵合金の実用化は困難である。そして、安全面などを考えれば、室温で水素を放出することが可能な合金が必要とされる。   Here, the hydrogen storage alloy mounted on the fuel cell vehicle causes an exothermic reaction when storing hydrogen. Moreover, when releasing hydrogen, it is necessary to set it as the temperature conditions of 80 degrees C or less. However, magnesium hydrogen storage alloy can store up to about 70% by mass of hydrogen, but a temperature of 350 ° C. is required to release hydrogen. Because of such high temperatures, it is difficult to put hydrogen storage alloys using magnesium into practical use. In consideration of safety, an alloy capable of releasing hydrogen at room temperature is required.

このように水素の貯蔵をどのようにするかといったことについてもさまざまな課題があるため、実際には、水素利用自動車としての燃料電池車に、水素吸蔵合金を搭載するのか、また、その水素源としてエタノール改質を用いるのか、ガソリン改質を用いるのか、また、水素吸蔵合金を配置するタンクとして高圧タンクを用いるのかといったような具体的な方向性はまだ定まっていない現状である。   Since there are various issues regarding how to store hydrogen in this way, in fact, whether a hydrogen storage alloy is mounted on a fuel cell vehicle as a hydrogen-using vehicle, and the hydrogen source The specific direction, such as whether to use ethanol reforming, gasoline reforming, or to use a high-pressure tank as a tank in which a hydrogen storage alloy is placed, has not yet been determined.

ここで、本発明による電解発光装置を水素利用自動車に搭載したシステムを考える。本発明による電解発光装置(たとえば図1に示したような水素発生装置)を自動車に搭載して、水素と酸素とを発生させ燃料電池に供給すれば、水素の貯蔵タンクが必要なくなる。また、水素ステーションも必要ない。電解発光装置を起動するときには、たとえば現在の自動車と同様にバッテリを用いて起動させ、水素と酸素の供給を開始してもよい。そして、自動車の走行時には、余剰の電気をバッテリに充電しておけば、現在の自動車と全く同じような使用方法とすることができる。この場合、電解発光装置が100%の能力を発揮するのに必要な時間の水素と酸素とを貯蔵するようにしてもよい。あるいはハイブリッドカーのように大きなバッテリを搭載しておけば、即時に電解発光装置を起動することができる。また、電解発光装置や燃料電池から発生する熱は、水素と酸素の乾燥のために使用した後、現在の自動車と同様に暖房用として使用する、あるいはラジエータから大気へと放出することができる。   Here, a system in which the electroluminescence device according to the present invention is mounted on a hydrogen-utilizing vehicle is considered. If an electroluminescent device according to the present invention (for example, a hydrogen generator as shown in FIG. 1) is mounted on an automobile, hydrogen and oxygen are generated and supplied to a fuel cell, a hydrogen storage tank is not necessary. There is no need for a hydrogen station. When starting the electroluminescence device, for example, it may be started using a battery in the same manner as in the current automobile, and supply of hydrogen and oxygen may be started. When the automobile is running, if the battery is charged with surplus electricity, it can be used in exactly the same way as the current automobile. In this case, hydrogen and oxygen may be stored for a time required for the electroluminescent device to exhibit 100% capacity. Or if a large battery is mounted like a hybrid car, an electroluminescence device can be started immediately. The heat generated from the electroluminescent device and the fuel cell can be used for drying hydrogen and oxygen, and then used for heating as in the current automobile, or can be released from the radiator to the atmosphere.

なお、上述のように水素利用自動車に本発明による電解発光装置を利用することの他に、他の交通機関へ本発明による電解発光装置(水素発生装置)を応用することも考えられる。すなわち、船舶等の交通機関や、電化されていない区間を走行する長距離列車へ、本発明による電解発光装置(水素発生装置)と燃料電池とを組合わせた発電システムを搭載することが考えられる。このような場合、燃料の補給を特に考える必要がなく、排気ガスを出さないクリーンで環境にやさしい交通機関を実現できる。また、電化されていない区間についても、送電線を設置しなくても電化が可能である。このため、長距離について電流を移送する必要もないため、送電ロスもなく、大幅な設備投資の削減や送電線の冬における事故、メンテナンスなども必要なくなる。   In addition to using the electroluminescent device according to the present invention in a hydrogen-using vehicle as described above, it is also conceivable to apply the electroluminescent device (hydrogen generating device) according to the present invention to other transportation facilities. That is, it is conceivable that a power generation system combining an electroluminescent device (hydrogen generator) and a fuel cell according to the present invention is mounted on a transportation system such as a ship or a long-distance train that travels in a section that is not electrified. . In such a case, there is no need to consider refueling, and a clean and environmentally friendly transportation system that does not emit exhaust gas can be realized. In addition, it is possible to electrify a section that is not electrified without installing a transmission line. For this reason, there is no need to transfer current over a long distance, so there is no power transmission loss, and there is no need to significantly reduce capital investment, accidents in the winter of power transmission lines, maintenance, or the like.

電解発光装置(水素発生装置)と燃料電池とを組合わせたシステムのその他の応用例としては、たとえば、ビルや一般家庭などにこのシステムを設置することにより、小規模な発電設備が従来と比較して安価にかつ大量に設置することができる。この結果、大規模な発電所の建設の必要性が低下する。さらに、この場合送電ロスの非常に少ないシステムの構築が可能となる。   As another application example of a system that combines an electroluminescence device (hydrogen generator) and a fuel cell, for example, a small-scale power generation facility can be compared with a conventional system by installing this system in a building or general home. Thus, it can be installed inexpensively and in large quantities. As a result, the need for large-scale power plant construction is reduced. Further, in this case, it is possible to construct a system with very little power transmission loss.

また、このような小規模発電設備を実現できるので、たとえば離島における電力供給、無人灯台の電源、交通信号の電源、僻地における電力供給等さまざまな応用が考えられる。   In addition, since such a small-scale power generation facility can be realized, various applications such as power supply in remote islands, power supply for unmanned lighthouses, power supply for traffic signals, and power supply in remote areas can be considered.

なお、本発明による電解発光装置の陰極を構成する材料としては、ニオブ(Nb)、モリブデン(Mo)、タンタル(Ta)、タングステン(W)などの高融点金属を用いることができるが、他の金属も利用可能である。たとえば、陰極を構成する材料として、チタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)などの遷移金属、あるいは純鉄(Fe)、ニッケル(Ni)、ステンレス鋼などの鉄系金属などを用いることができる。   As a material constituting the cathode of the electroluminescent device according to the present invention, refractory metals such as niobium (Nb), molybdenum (Mo), tantalum (Ta), tungsten (W) can be used. Metals are also available. For example, as a material constituting the cathode, a transition metal such as titanium (Ti) or zirconium (Zr), or an iron-based metal such as pure iron (Fe), nickel (Ni), or stainless steel can be used.

本発明の効果を検証するため、以下のような実験を行なった。まず、図1に示すような構成の実験装置を準備した。ここで、反応容器として、直径が10cm、高さが17cm、容積が1000ccの反応容器を準備した。反応容器を構成する材料としては、パイレックス(登録商標)を用いた。この反応容器の蓋として、フッ素樹脂合成の蓋を用いた。この蓋の直径は7cmである。蓋には3本の白金製測温体、冷却水の入口、出口、また直径2cmの孔をあけた。この孔に、下向きに水素捕集用のパイレックス(登録商標)製、直径が5cm、長さ12cmの捕集管を取付けた。捕集管上部には別のフッ素樹脂ゴムで蓋をした。そして、この蓋に孔をあけ、水冷凝縮器の入口のガラス接続部を取付けた。   In order to verify the effect of the present invention, the following experiment was conducted. First, an experimental apparatus configured as shown in FIG. 1 was prepared. Here, a reaction vessel having a diameter of 10 cm, a height of 17 cm, and a volume of 1000 cc was prepared as a reaction vessel. Pyrex (registered trademark) was used as a material constituting the reaction vessel. A fluororesin synthetic lid was used as the lid of the reaction vessel. The diameter of this lid is 7 cm. Three lids made of platinum, a cooling water inlet and outlet, and a hole with a diameter of 2 cm were formed in the lid. A collection tube made of Pyrex (registered trademark) for collecting hydrogen and having a diameter of 5 cm and a length of 12 cm was attached to the hole downward. The upper part of the collection tube was covered with another fluororesin rubber. And the hole was made in this lid | cover and the glass connection part of the inlet_port | entrance of a water-cooled condenser was attached.

反応容器から排出された水素および酸素ガスと水蒸気との混合ガスは、上述したガラス接続部を介して水冷凝縮器に通される。この水冷凝縮器を通過する際、混合ガスが冷却されて水のみが凝縮することによって取除かれる。そして、水冷凝縮器の出口にタイゴン(登録商標)チューブをつなぎ、当該チューブは水素流量検出器(流量計19)に接続される。水素流量検出器としては、Kofloc社(登録商標)の型3100系を用い、測定器は型番:CR−700という装置を用いた。測定器部の形式は、Heated tube thermal flow meter式である。最小検出量は0.01cc/minである。なお、通常の測定値範囲は1000cc/min〜10cc/minである。なお、この流量計の測定精度は1%以上である。   The mixed gas of hydrogen and oxygen gas and water vapor discharged from the reaction vessel is passed through the water-cooled condenser through the glass connecting portion described above. When passing through this water-cooled condenser, the mixed gas is cooled and removed by condensing only water. A Tygon (registered trademark) tube is connected to the outlet of the water-cooled condenser, and the tube is connected to a hydrogen flow rate detector (flow meter 19). As a hydrogen flow rate detector, a model 3100 system of Kofloc (registered trademark) was used, and an apparatus of model number: CR-700 was used as a measuring device. The form of the measuring instrument part is a Heated tube thermal flow meter type. The minimum detection amount is 0.01 cc / min. The normal measurement value range is 1000 cc / min to 10 cc / min. The measurement accuracy of this flow meter is 1% or more.

反応容器内の水素捕集管には、フッ素樹脂製の冷却管を螺旋状に巻きつけた。そして、水素捕集管よりも外側には、陽極である白金陽極5(白金網電極)を円環状に配置した。また、冷却管の入口と出口とには、それぞれ水温測定用の白金測温体が取付けられている。さらに、反応容器内の温度の測定は、それぞれ蓋からの距離(深さ)を変えた3箇所において行なっている。反応容器内の溶液は、磁気攪拌機によって攪拌されている。入力電力に対する発熱量は、上述したすべての測定器からのデータを5秒ごとに集めて継続的に測定することにより計測される。   A fluororesin cooling tube was spirally wound around the hydrogen collection tube in the reaction vessel. And the platinum anode 5 (platinum net electrode) which is an anode was arrange | positioned circularly outside the hydrogen collection pipe | tube. In addition, platinum temperature detectors for measuring the water temperature are respectively attached to the inlet and the outlet of the cooling pipe. Furthermore, the temperature in the reaction vessel is measured at three locations where the distance (depth) from the lid is changed. The solution in the reaction vessel is stirred by a magnetic stirrer. The amount of heat generated with respect to the input power is measured by collecting data from all the measuring instruments described above every 5 seconds and continuously measuring the data.

陰極の電極としては、太さ1.5mm、長さ15cmのタングステン製の電極を用いた。このタングステン製の電極は、反応容器内に挿入される先端部分(陰極部)を2cm露出した状態で、その他の部分(上部)は収縮性フッ素樹脂で覆っている。また、反応容器内に保持される電解液は特級のK2CO3で、0.2Mの濃度の軽水溶液を調製した。電源18としては、Takasago(登録商標)の型番EH1500Hという機器を使用し、測定装置としてはYokogawa(登録商標)の型番PZ4000を使用した。そして、5秒ごとに入力電圧、電流、電力を測定した。電力のサンプリング時間は40μs、データ長は100k、すなわち4秒間に100000点を測定した。そして、電圧電流等の40μsごとの積分値を電力データとして入力した。このときの測定精度は0.1%である。 As the cathode electrode, a tungsten electrode having a thickness of 1.5 mm and a length of 15 cm was used. This tungsten electrode has a tip portion (cathode portion) inserted into the reaction vessel exposed 2 cm, and the other portion (upper portion) is covered with a shrinkable fluororesin. Further, the electrolytic solution held in the reaction vessel at a grade of K 2 CO 3, and prepared a light aqueous solution having a concentration of 0.2 M. As the power source 18, a Takasago (registered trademark) model number EH1500H was used, and as a measuring device, a Yokogawa (registered trademark) model number PZ4000 was used. The input voltage, current, and power were measured every 5 seconds. The power sampling time was 40 μs, the data length was 100 k, that is, 100,000 points were measured in 4 seconds. Then, an integrated value such as voltage and current every 40 μs was input as power data. The measurement accuracy at this time is 0.1%.

また、反応容器内の温度の測定は、ネツシン社(登録商標)製の白金測温センサ(型番PLAMIC Pt−100Ω)であって、外径が1.5mmのものを用いた。このセンサの測定精度は0.01%以上である。反応容器を冷却するための冷却水は、水道水からの水をタイゴン(登録商標)チューブ(管)に通し、その管を恒温槽に浸して一定温度とした。そして、タービンメータによって液量を測定した。このタービンメータの流量測定精度は0.01%である。データの収集はAgilent(登録商標)のデータロガー(型番34970A)によって行なった。温度の測定箇所としては反応容器内について3箇所および恒温室内について1箇所、また、冷却水量、入口温度、出口温度、入力電圧、入力電流、電力さらに発生水素量といったデータを測定した。これらのデータを最終的にコンピュータによって5秒ごとに取込んだ。   The temperature in the reaction vessel was measured using a platinum temperature sensor (model number PLAMIC Pt-100Ω) manufactured by Nethsin (registered trademark) having an outer diameter of 1.5 mm. The measurement accuracy of this sensor is 0.01% or more. As cooling water for cooling the reaction vessel, water from tap water was passed through a Tygon (registered trademark) tube (tube), and the tube was immersed in a thermostatic bath to a constant temperature. And the liquid quantity was measured with the turbine meter. This turbine meter has a flow rate measurement accuracy of 0.01%. Data collection was performed with an Agilent® data logger (model number 34970A). The temperature was measured at three points in the reaction vessel and at one point in the temperature-controlled room, and data such as the amount of cooling water, the inlet temperature, the outlet temperature, the input voltage, the input current, the power, and the amount of generated hydrogen were measured. These data were finally captured every 5 seconds by the computer.

ここで、水の電気分解における水素の理論電気分解電力量は、2.94kwh/Nm3であり、以下に示すようにファラデーの法則から明らかである。すなわち、水に直流電圧を印加すると、下記の反応が起こって水素と酸素に分解される。なお、純水は導電性が良くないため、硫酸化水酸化アルカリの溶液が電解液として用いられる。 Here, the theoretical electrolysis electric energy of hydrogen in the electrolysis of water is 2.94 kwh / Nm 3, which is apparent from Faraday's law as shown below. That is, when a direct current voltage is applied to water, the following reaction occurs and it is decomposed into hydrogen and oxygen. Since pure water has poor conductivity, a sulfated alkali hydroxide solution is used as the electrolyte.

(陰極) 2H2O+2e- → 2OH-+H2
(陽極) 2OH- → H2O+2e-+1/2O2
全体で 2H2O → H2+1/2O2+H2
上述した反応で、陽極側の2分子の水が失われ、水素が発生する。そして、陽極側では、酸素が発生すると同時に水1分子が生成する。結果的には、水1分子が分解し、水1分子が水素側(陰極側)から酸素側(陽極側)に移動したことになる。
(Cathode) 2H 2 O + 2e → 2OH + H 2
(Anode) 2OH → H 2 O + 2e + 1 / 2O 2
Overall 2H 2 O → H 2 + 1 / 2O 2 + H 2 O
In the reaction described above, two molecules of water on the anode side are lost and hydrogen is generated. On the anode side, one molecule of water is generated simultaneously with the generation of oxygen. As a result, one molecule of water was decomposed and one molecule of water moved from the hydrogen side (cathode side) to the oxygen side (anode side).

この反応の理論電解電圧は以下の式で示される。   The theoretical electrolysis voltage of this reaction is shown by the following equation.

r=E0−RT/2FlnP/P0
ここで、Erは理論電解電圧、E0は標準理論電解電圧、P0、Pはそれぞれ純水および電解液の水蒸気張力である。E0はΔG0/2Fで与えられ、25℃、大気圧が1atmの条件下では1.226Vである。この場合の理論電解電圧は1.229Vで同温度の純水を分割する電圧よりも若干高い。水素1m3を生成するのに必要な電気量は、ファラデーの法則から2393Ahである。そして、この反応は事実上定量的に進行するので、必要な最小の電気エネルギーは2.94Wh/m3である。
E r = E 0 -RT / 2FlnP / P 0
Here, E r is the theoretical electrolysis voltage, E 0 is the standard theoretical electrolysis voltage, and P 0 and P are the water vapor tensions of pure water and electrolyte, respectively. E 0 is given by ΔG 0 / 2F, and is 1.226 V under the conditions of 25 ° C. and atmospheric pressure of 1 atm. The theoretical electrolysis voltage in this case is 1.229 V, which is slightly higher than the voltage for dividing pure water at the same temperature. The amount of electricity required to produce 1 m 3 of hydrogen is 2393 Ah from Faraday's law. And since this reaction proceeds quantitatively in practice, the minimum electric energy required is 2.94 Wh / m 3 .

そして、実験に用いたシステムでは、電解発光現象を利用した熱分解を伴う電気分解において、10kw/hという電力投入量に対して、水素発生量は4.62Nm3/hと理論電気分解水素発生量の1.35倍を超えた発生量が確認された。また、通常の電気分解では起こり得ない陽極からの酸素の発生が確認された。このことから高温下において陰極近傍で熱分解が起きていることがわかる。 In the system used for the experiment, in the electrolysis accompanied by thermal decomposition using the electroluminescence phenomenon, the hydrogen generation amount is 4.62 Nm 3 / h with respect to the power input amount of 10 kw / h, and the theoretical electrolysis hydrogen generation. A generation amount exceeding 1.35 times the amount was confirmed. In addition, it was confirmed that oxygen was generated from the anode, which could not be generated by ordinary electrolysis. This shows that thermal decomposition occurs near the cathode at high temperatures.

上述した実験の測定結果を図4に示す。図4は、本発明の効果を確認するための実験結果を示すグラフである。図4に示したグラフにおいて、横軸は時間(単位:S)であり、縦軸が入力電力(単位:kw)、水素発生量(単位:kw)である。図4からもわかるように、入力電力は放電開始時が約450Wであったが、その後電極の消耗とともに減少し、1000秒後には100Wとなっていた。一方、水素の発生量は、1kw当たり0.462すなわち10kw/h当たり4.62Nm3/hとなる。また、電解発光現象が継続しているときに、電解発光装置からの発熱量を測定すると2249kcal/hという値が測定された。 The measurement results of the above-described experiment are shown in FIG. FIG. 4 is a graph showing experimental results for confirming the effects of the present invention. In the graph shown in FIG. 4, the horizontal axis represents time (unit: S), and the vertical axis represents input power (unit: kw) and hydrogen generation amount (unit: kw). As can be seen from FIG. 4, the input power was about 450 W at the start of discharge, but then decreased with the consumption of the electrode, and after 1000 seconds, it was 100 W. On the other hand, the amount of hydrogen generated is 0.462 per 1 kW, that is, 4.62 Nm 3 / h per 10 kW / h. Further, when the amount of heat generated from the electroluminescence device was measured while the electroluminescence phenomenon continued, a value of 2249 kcal / h was measured.

また、このような実験において、電解発光装置からの中性子の発生についても測定・検討した。電解発光装置においては、金属電極は非常に遅い金属核分解を起こしていると考えられ、このときに発生する中性子は約1個/cm2・秒である。これは、自然界において測定される中性子が0.5〜0.6個/cm2・秒、また原子力基本法による規制値が1016個/cm2・秒という値であることから考え、中性子の発生は低いレベルであり、問題ないことがわかる。なお、中性子の遮蔽手段としては、パラフィンが最適であって、実験で厚さ10cm程度のパラフィンで保護すれば十分に安全性は確保することができる。 In such experiments, we also measured and studied the generation of neutrons from the electroluminescence device. In the electroluminescent device, it is considered that the metal electrode undergoes very slow metal nucleolysis, and the number of neutrons generated at this time is about 1 / cm 2 · sec. This is thought to be due to the fact that the neutrons measured in nature are 0.5 to 0.6 / cm 2 · sec, and the regulation value according to the Basic Law for Nuclear Energy is 10 16 / cm 2 · sec. Is a low level, and it turns out that there is no problem. As neutron shielding means, paraffin is optimal, and if it is protected with paraffin having a thickness of about 10 cm in an experiment, sufficient safety can be ensured.

上述した本発明に従った電解発光装置一例としての水素ガス発生装置を構成する電解発光装置の特徴的な構成を要約すれば、図1に示した電解発光装置は、電解槽としての反応容器1と、この反応容器1の内部に保持される電解液4と、電解液4と接触するように配置され、高融点金属を含む陽極としての白金陽極5および陰極としての陰極端子2の先端部(陰極端子2において電解液4に浸漬されるとともに被覆材10によっては被覆されず露出した先端部)と、電解発光反応手段としての電源18および制御装置17とを備える。電解液4は、電解質としてのアルカリ金属炭酸塩の濃度が0.05モル/リットル以上となっている。白金陽極5は、陰極端子2の先端部の表面積の10倍以上の表面積を有する。電源18および制御装置17は、陰極端子2の先端部および白金陽極5に100V以上の電圧を印加することにより、電解発光反応を生じさせる。なお、陰極端子2の先端部および白金陽極5に印加される電圧は、より好ましくは350V以上である。   To summarize the characteristic configuration of the electroluminescent device constituting the hydrogen gas generator as an example of the electroluminescent device according to the present invention described above, the electroluminescent device shown in FIG. And an electrolyte solution 4 held inside the reaction vessel 1, a platinum anode 5 as an anode containing a refractory metal, and a tip of a cathode terminal 2 as a cathode (which is arranged in contact with the electrolyte solution 4 ( The cathode terminal 2 is immersed in the electrolytic solution 4 and exposed without being covered with the covering material 10), and a power source 18 and a control device 17 as electroluminescence reaction means. The electrolytic solution 4 has an alkali metal carbonate concentration of 0.05 mol / liter or more as an electrolyte. The platinum anode 5 has a surface area that is 10 times or more the surface area of the tip of the cathode terminal 2. The power source 18 and the control device 17 cause an electroluminescence reaction by applying a voltage of 100 V or more to the tip of the cathode terminal 2 and the platinum anode 5. In addition, the voltage applied to the front-end | tip part of the cathode terminal 2 and the platinum anode 5 becomes like this. More preferably, it is 350V or more.

このようにすれば、電解発光反応を連続的に安定して発生させることができる。したがって、電解発光反応を利用した水素ガスの発生工程への利用など、電解発光反応を工業的に安定して利用することができる。   In this way, the electroluminescence reaction can be generated continuously and stably. Therefore, the electroluminescent reaction can be industrially used stably, such as for the hydrogen gas generation process using the electroluminescent reaction.

上記電解発光装置は、電解液4における電解質濃度(アルカリ金属炭酸塩の濃度)を調整する濃度調整部としての電解液補給管12、電解液排出管13、管路、ポンプおよび電解液タンクを備えていてもよい。   The electroluminescent device includes an electrolytic solution supply pipe 12, an electrolytic solution discharge pipe 13, a conduit, a pump, and an electrolytic solution tank as a concentration adjusting unit that adjusts an electrolyte concentration (concentration of alkali metal carbonate) in the electrolytic solution 4. It may be.

この場合、電解発光反応を連続的に発生させるための条件の一つである電解液4の電解質濃度(アルカリ金属炭酸塩の濃度)を、上述した所定の数値範囲を満足するように調整することができる。この結果、長時間に渡って安定して電解発光反応を発生させることができる。   In this case, the electrolyte concentration (concentration of the alkali metal carbonate) of the electrolytic solution 4 which is one of the conditions for continuously generating the electroluminescence reaction is adjusted so as to satisfy the predetermined numerical range described above. Can do. As a result, the electroluminescence reaction can be stably generated over a long period of time.

この発明に従った水素ガス発生装置は、上記電解発光装置と、ガス取出部材としての水素酸素混合ガス取出管9とを備える。水素酸素混合ガス取出管9は、上記電解発光装置の電解槽としての反応容器1に接続され、電解発光反応により電解液4が分解された結果発生する水素ガスを反応容器1の外部に取出すものである。上記水素ガス発生装置では、電解発光反応により電解液4が分解された結果発生する酸素ガスを電解槽としての反応容器1の外部に取出す酸素ガス取出部材としての酸素ガス取出管8をさらに備えていてもよい。   A hydrogen gas generator according to the present invention includes the above electroluminescent device and a hydrogen-oxygen mixed gas extraction pipe 9 as a gas extraction member. The hydrogen-oxygen mixed gas extraction pipe 9 is connected to the reaction vessel 1 as an electrolytic tank of the electroluminescence device, and takes out hydrogen gas generated as a result of the decomposition of the electrolytic solution 4 by the electroluminescence reaction to the outside of the reaction vessel 1. It is. The hydrogen gas generator further includes an oxygen gas extraction pipe 8 as an oxygen gas extraction member for extracting oxygen gas generated as a result of decomposition of the electrolytic solution 4 by electroluminescence reaction to the outside of the reaction vessel 1 as an electrolytic cell. May be.

このようにすれば、電解液4を構成する水を電解発光反応により直接的に熱分解することができるので、通常の電解液の電気分解を行なう場合より、より多くの水素ガスを発生させることができる。また、電解液4を電解発光反応により直接的に熱分解するので、上述のように酸素ガス取出管8を備えることにより、通常の電解液4の電気分解を行なう場合より、より多くの酸素ガスをも取出すことができる。   In this way, water constituting the electrolyte solution 4 can be directly thermally decomposed by electroluminescence reaction, so that more hydrogen gas can be generated than when electrolysis of a normal electrolyte solution is performed. Can do. Further, since the electrolytic solution 4 is directly pyrolyzed by electroluminescence reaction, more oxygen gas is provided by providing the oxygen gas take-out pipe 8 as described above than when electrolyzing the normal electrolytic solution 4. Can also be taken out.

この発明に従った発電装置は、図1に示したような水素ガス発生装置(図2に示した電解発光装置32)と、図2に示した燃料電池31とを備える。燃料電池31は、電解発光装置32から取出した水素ガスを燃料として発電する。また、上記水素ガス発生装置から酸素ガスが取出し可能な場合、上記発電装置は、水素ガス発生装置から取出した酸素ガスを、燃料電池31の反応ガス(燃料ガス)としても用いてもよい。   The power generator according to the present invention includes a hydrogen gas generator (electrolytic light emitting device 32 shown in FIG. 2) as shown in FIG. 1 and a fuel cell 31 shown in FIG. The fuel cell 31 generates power using the hydrogen gas extracted from the electroluminescence device 32 as fuel. Moreover, when oxygen gas can be taken out from the hydrogen gas generator, the power generator may use the oxygen gas taken out from the hydrogen gas generator as a reaction gas (fuel gas) of the fuel cell 31.

このようにすれば、水素ガス発生装置(電解発光装置32)により発生させた水素ガスを燃料電池31の燃料として用いるので、燃料電池31へ供給するための水素吸蔵合金などを用いて水素を蓄積しておく必要が無い。また、燃料電池31において水素ガスは酸素と反応し、水になるため、この水をまた電解発光装置32の電解液に再利用することができる。   In this way, since hydrogen gas generated by the hydrogen gas generator (electroluminescence device 32) is used as fuel for the fuel cell 31, hydrogen is stored using a hydrogen storage alloy or the like for supplying to the fuel cell 31. There is no need to keep it. In the fuel cell 31, the hydrogen gas reacts with oxygen to become water, so that this water can be reused as the electrolytic solution of the electroluminescence device 32.

上記発電装置は、水素ガス発生装置(電解発光装置32)から取出された水素ガスから液体を除去するとともに、水素ガスの湿度を調整する調整装置としての湿度調節器/気液分離器33(図2参照)を備えていてもよい。また、上記水素ガス発生装置から酸素ガスが取出し可能な場合、湿度調節器/気液分離器33は、水素ガス発生装置(電解発光装置32)から取出された酸素ガスから液体を除去するとともに、当該酸素ガスの湿度を調整する機能を有していてもよい。この場合、水素ガス(あるいは、酸素ガスおよび水素ガス)の湿度を、燃料電池31での反応に適した湿度となるように調整することができるので、燃料電池31での反応をより効率的に行なうことができる。したがって、燃料電池31での発電効率を向上させることができる。   The power generator removes liquid from the hydrogen gas taken out from the hydrogen gas generator (electrolytic light emitting device 32) and also adjusts the humidity of the hydrogen gas as a humidity controller / gas-liquid separator 33 (see FIG. 2). When oxygen gas can be taken out from the hydrogen gas generator, the humidity controller / gas-liquid separator 33 removes liquid from the oxygen gas taken out from the hydrogen gas generator (electroluminescence device 32), It may have a function of adjusting the humidity of the oxygen gas. In this case, since the humidity of the hydrogen gas (or oxygen gas and hydrogen gas) can be adjusted to a humidity suitable for the reaction in the fuel cell 31, the reaction in the fuel cell 31 is more efficiently performed. Can be done. Therefore, the power generation efficiency in the fuel cell 31 can be improved.

上記発電装置において、水素ガス発生装置(電解発光装置)は、電解発光反応により電解液4が分解された結果発生する酸素ガスを電解槽としての反応容器1の外部に取出す酸素ガス取出部材としての酸素ガス取出管8を含んでいてもよい。上記発電装置は、水素ガス発生装置(電解発光装置32)と燃料電池31とが密閉回路(図2において電解発光装置32から湿度調節器/気液分離器33を介して燃料電池31に繋がる水素ガスおよび酸素ガスの供給配管と、燃料電池31から電解発光装置32へ水を還流させる配管と、上記電解発光装置32、湿度調節器/気液分離器33および燃料電池31とにより構成される循環管路)を構成していてもよい。すなわち、上記発電装置は、水素ガス発生装置のガス取出部材(水素酸素混合ガス取出管9)および酸素ガス取出部材(酸素ガス取出管8)から取出される水素ガスと酸素ガスとを燃料として燃料電池31に供給する供給管路(電解発光装置32から湿度調節器/気液分離器33を介して燃料電池31に繋がる水素ガスおよび酸素ガスの供給配管)と、燃料電池31における発電の結果水素ガスと酸素ガスとから生成された水を水素ガス発生装置(電解発光装置32)の反応容器1に還流させるための還流管路(燃料電池31から電解発光装置32へ水を還流させる配管)とを備えていてもよい。   In the above power generator, the hydrogen gas generator (electroluminescent device) serves as an oxygen gas extraction member that extracts oxygen gas generated as a result of decomposition of the electrolytic solution 4 by electroluminescence reaction to the outside of the reaction vessel 1 as an electrolytic cell. An oxygen gas extraction pipe 8 may be included. In the power generation device, a hydrogen gas generator (electrolytic light emitting device 32) and a fuel cell 31 are connected to the fuel cell 31 via a sealed circuit (in FIG. 2, from the electrolytic light emitting device 32 via a humidity controller / gas-liquid separator 33). A circulation constituted by a gas and oxygen gas supply pipe, a pipe for refluxing water from the fuel cell 31 to the electroluminescent device 32, the electroluminescent device 32, the humidity controller / gas-liquid separator 33, and the fuel cell 31. Pipe line). That is, the power generation apparatus uses hydrogen gas and oxygen gas extracted from the gas extraction member (hydrogen-oxygen mixed gas extraction tube 9) and the oxygen gas extraction member (oxygen gas extraction tube 8) of the hydrogen gas generator as fuel. A supply line (hydrogen and oxygen gas supply pipes connected to the fuel cell 31 from the electroluminescence device 32 via the humidity controller / gas-liquid separator 33) to be supplied to the battery 31, and hydrogen generated as a result of power generation in the fuel cell 31 A reflux line (pipe for refluxing water from the fuel cell 31 to the electroluminescence device 32) for refluxing water generated from the gas and oxygen gas to the reaction vessel 1 of the hydrogen gas generator (electroluminescence device 32); May be provided.

この場合、燃料電池31で用いる水素ガスや酸素ガスなどの反応ガス(燃料ガス)を発電装置に外部から供給する必要が無いため、発電装置の設置場所や使用環境の選択の幅を広げることができる。   In this case, since there is no need to supply a reaction gas (fuel gas) such as hydrogen gas or oxygen gas used in the fuel cell 31 from the outside to the power generation device, the range of selection of the installation location and use environment of the power generation device can be expanded. it can.

この発明に従ったコジェネレーションシステムとしての図2に示した電解発光コジェネレーションシステムは、上記発電装置と、発電装置から熱エネルギーを取出す熱エネルギー取出部材としての熱交換器容器15、管路49、貯湯タンク40、放熱用熱交換器42、低温水吸収冷凍機43、冷却塔44、温水供給用熱交換器47などを備える。   The electroluminescence cogeneration system shown in FIG. 2 as a cogeneration system according to the present invention includes the power generator, a heat exchanger container 15 as a thermal energy extraction member that extracts thermal energy from the power generator, a pipe line 49, The hot water storage tank 40, the heat exchanger 42 for heat radiation, the low-temperature water absorption refrigerator 43, the cooling tower 44, the heat exchanger 47 for hot water supply, etc. are provided.

このようにすれば、発電装置を構成する燃料電池31から電気エネルギーを取出すとともに、発電や水素ガスの発生に伴う排熱を熱エネルギーとして取出すことができる。この結果、エネルギーの利用効率を向上させることができる。   If it does in this way, while taking out electric energy from fuel cell 31 which constitutes a power generator, exhaust heat accompanying generation of electricity or generation of hydrogen gas can be taken out as thermal energy. As a result, energy utilization efficiency can be improved.

この発明に従った水素ガス発生方法では、電解槽としての反応容器1(図1参照)に電解質濃度(アルカリ金属炭酸塩の濃度)が0.05モル/リットル以上である電解液4を配置する工程を実施する。そして、陰極としての陰極端子2先端部と陽極としての白金陽極5とを電解液4に浸漬する工程を実施する。陰極端子2先端部および白金陽極5はそれぞれ高融点金属を含む。白金陽極5は、陰極端子2先端部の表面積の10倍以上の表面積を有する。陰極端子2先端部および白金陽極5に、350V以上の電圧を印加することにより、電解発光反応を生じさせる工程を実施する。そして、電解発光反応により電解液4を構成する水が分解された結果発生する水素ガスを電解槽としての反応容器1の外部に水素酸素混合ガス取出管9を介して取出す工程を実施する。なお、上記水素ガス発生方法では、電解発光反応により電解液4が分解された結果発生する酸素ガスを反応容器1の外部に酸素ガス取出管8を介して取出す酸素ガス取出し工程を実施してもよい。   In the hydrogen gas generation method according to the present invention, an electrolytic solution 4 having an electrolyte concentration (alkali metal carbonate concentration) of 0.05 mol / liter or more is disposed in a reaction vessel 1 (see FIG. 1) as an electrolytic cell. Perform the process. And the process of immersing the cathode terminal 2 front-end | tip part as a cathode, and the platinum anode 5 as an anode in the electrolyte solution 4 is implemented. The tip of the cathode terminal 2 and the platinum anode 5 each contain a refractory metal. The platinum anode 5 has a surface area that is 10 times or more the surface area of the tip of the cathode terminal 2. A step of causing an electroluminescence reaction is performed by applying a voltage of 350 V or more to the tip of the cathode terminal 2 and the platinum anode 5. And the process which takes out the hydrogen gas which arises as a result of having decomposed | disassembled the water which comprises the electrolyte solution 4 by an electroluminescent reaction out of the reaction container 1 as an electrolytic vessel through the hydrogen oxygen mixed gas extraction pipe | tube 9 is implemented. In the hydrogen gas generation method, an oxygen gas extraction step of extracting oxygen gas generated as a result of the decomposition of the electrolytic solution 4 by electroluminescence reaction to the outside of the reaction vessel 1 through the oxygen gas extraction pipe 8 may be performed. Good.

このようにすれば、電解発光反応を利用して電解液4を構成する水を直接熱分解することができるので、通常の電解液4の電気分解を行なう場合より、より多くの水素ガスを発生させることができる。   In this way, water constituting the electrolytic solution 4 can be directly thermally decomposed using electroluminescence reaction, so that more hydrogen gas is generated than when the electrolytic solution 4 is electrolyzed. Can be made.

上記水素ガス発生方法において、電解発光反応を生じさせる工程は、電解液4の温度を70℃以上100℃以下とするように調整することを含んでいてもよい。この場合、電解発光反応により水素ガスを安定して発生させることができる。   In the hydrogen gas generation method, the step of causing the electroluminescence reaction may include adjusting the temperature of the electrolytic solution 4 to be 70 ° C. or higher and 100 ° C. or lower. In this case, hydrogen gas can be stably generated by the electroluminescence reaction.

上記水素ガス発生方法では、電解発光反応を生じさせる工程において、陰極端子2先端部および白金陽極5に印加される電圧がパルス電圧であってもよい。この場合、陰極端子2先端部や白金陽極5などの電極の損耗を低減しながら、電解発光反応を継続させることができる。したがって、水素ガスを安定して発生させることができる。   In the hydrogen gas generation method, the voltage applied to the tip of the cathode terminal 2 and the platinum anode 5 in the step of causing the electroluminescence reaction may be a pulse voltage. In this case, the electroluminescence reaction can be continued while reducing the wear of the electrodes such as the tip of the cathode terminal 2 and the platinum anode 5. Therefore, hydrogen gas can be generated stably.

この発明に従った発電方法は、上記水素ガス発生方法を実施することにより水素ガスを得る工程と、当該水素ガスを燃料ガスとして用いて燃料電池31により発電する工程とを備える。なお、上記発電方法では、上記水素ガス発生方法を実施することにより酸素ガスも得ることができるときには、上記発電する工程において、当該酸素ガスを燃料電池31の反応ガスとして用いてもよい。このようにすれば、水素ガス発生装置としての電解発光装置32(図2参照)により発生させた水素ガス(または水素ガスおよび酸素ガス)を燃料電池31の燃料として用いるので、燃料電池31へ供給するための水素吸蔵合金などを用いて水素を蓄積しておく必要が無い。また、燃料電池31において水素ガスは酸素と反応し、水になるため、この水をまた電解発光装置32の電解液に再利用することができる。また、電解発光装置32から取出された酸素ガスを燃料電池31の反応ガスとして用いる場合、燃料電池31へ供給するための酸素ガスを別途確保する必要が無いので、電解発光装置32と燃料電池31とで閉鎖回路を構成することが可能になる。   The power generation method according to the present invention includes a step of obtaining hydrogen gas by performing the hydrogen gas generation method, and a step of generating power by the fuel cell 31 using the hydrogen gas as a fuel gas. In the power generation method, when oxygen gas can be obtained by performing the hydrogen gas generation method, the oxygen gas may be used as a reaction gas for the fuel cell 31 in the power generation step. In this way, the hydrogen gas (or hydrogen gas and oxygen gas) generated by the electroluminescence device 32 (see FIG. 2) as the hydrogen gas generator is used as the fuel for the fuel cell 31, so that it is supplied to the fuel cell 31. There is no need to store hydrogen using a hydrogen storage alloy or the like. In the fuel cell 31, the hydrogen gas reacts with oxygen to become water, so that this water can be reused as the electrolytic solution of the electroluminescence device 32. In addition, when the oxygen gas extracted from the electroluminescence device 32 is used as the reaction gas of the fuel cell 31, it is not necessary to separately secure the oxygen gas to be supplied to the fuel cell 31, so that the electroluminescence device 32 and the fuel cell 31 are used. It becomes possible to constitute a closed circuit.

上記発電方法は、湿度調節器/気液分離器33を用いて、燃料電池31に供給される水素ガスから水などの液体を除去するとともに、水素ガスの湿度を調整する工程をさらに備えていてもよい。また、上記発電方法では、上記水素ガス発電方法を実施することにより酸素ガスも得ることができるときには、湿度調節器/気液分離器33を用いて当該酸素ガスから液体を除去するとともに、酸素ガスの湿度を調整する工程をさらに備えていてもよい。この場合、電解発光装置32から燃料電池31へ供給される水素ガス(または水素ガスおよび酸素ガス)の湿度を、燃料電池31での反応に適した湿度となるように調整することができるので、燃料電池31での反応をより効率的に行なうことができる。したがって、燃料電池31での発電効率を向上させることができる。   The power generation method further includes a step of removing a liquid such as water from the hydrogen gas supplied to the fuel cell 31 using the humidity controller / gas-liquid separator 33 and adjusting the humidity of the hydrogen gas. Also good. In the power generation method, when oxygen gas can also be obtained by performing the hydrogen gas power generation method, the liquid is removed from the oxygen gas using the humidity controller / gas-liquid separator 33, and the oxygen gas A step of adjusting the humidity may be further provided. In this case, since the humidity of the hydrogen gas (or hydrogen gas and oxygen gas) supplied from the electroluminescent device 32 to the fuel cell 31 can be adjusted to a humidity suitable for the reaction in the fuel cell 31, The reaction in the fuel cell 31 can be performed more efficiently. Therefore, the power generation efficiency in the fuel cell 31 can be improved.

この発明に従ったエネルギー供給方法は、上記発電方法を実施することにより電気エネルギーを燃料電池31から外部へ供給する電気エネルギー供給工程と、上記発電方法を実施することに伴って発生する熱エネルギーを電解槽としての反応容器1(図1参照)および燃料電池31(図2参照)の少なくともいずれか一方から、熱交換器容器15(図1参照)や管路49、貯湯タンク40などを用いて外部へ供給する熱エネルギー供給工程とを備える。このようにすれば、燃料電池31を含む発電装置から電気エネルギーを取出すとともに、発電や水素ガスの発生に伴う排熱を熱エネルギーとして取出すことができる。この結果、エネルギーの利用効率を向上させることができる。   The energy supply method according to the present invention includes an electric energy supply step of supplying electric energy from the fuel cell 31 to the outside by executing the power generation method, and thermal energy generated in accordance with the execution of the power generation method. From at least one of the reaction vessel 1 (see FIG. 1) as an electrolytic cell and the fuel cell 31 (see FIG. 2), the heat exchanger vessel 15 (see FIG. 1), the pipe line 49, the hot water storage tank 40, and the like are used. And a heat energy supply step for supplying to the outside. If it does in this way, while taking out electrical energy from the power generator containing fuel cell 31, exhaust heat accompanying generation of electricity or generation of hydrogen gas can be taken out as thermal energy. As a result, energy utilization efficiency can be improved.

この発明に従った電解発光装置用電極は、電解液4と接触するように配置され、電解発光反応を発生させるために用いられる電解発光装置用電極であって、高融点金属を含む陰極としての陰極端子2の先端部(陰極端子2において電解液4に浸漬されるとともに被覆材10によっては被覆されず露出した先端部)と、高融点金属を含み、陰極端子2の先端部の表面積の10倍以上の表面積を有する陽極としての白金陽極5とを備える。   An electrode for an electroluminescence device according to the present invention is an electrode for an electroluminescence device which is disposed so as to be in contact with the electrolyte solution 4 and used for generating an electroluminescence reaction, and serves as a cathode containing a refractory metal. The tip of the cathode terminal 2 (the tip that is immersed in the electrolyte solution 4 and exposed without being covered with the coating material 10 in the cathode terminal 2), and the surface area of the tip of the cathode terminal 2 is 10 And a platinum anode 5 as an anode having a surface area more than doubled.

このような電解発光装置用電極を用いれば、電解発光装置32において効率的に電解発光反応を発生させることができる。   By using such an electrode for an electroluminescence device, an electroluminescence reaction can be efficiently generated in the electroluminescence device 32.

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した実施の形態および実施例ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。   The embodiment disclosed this time should be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is shown not by the embodiments and examples described above but by the scope of claims for patent, and is intended to include all modifications within the meaning and scope equivalent to the scope of claims for patent.

本発明による水素発生装置を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the hydrogen generator by this invention. 本発明による水素発生装置を適用した電解発光コジェネレーションシステムの構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structure of the electroluminescent cogeneration system to which the hydrogen generator by this invention is applied. 図2に示した電解発光コジェネレーションシステムにおける物質収支と熱収支とを説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the material balance and heat balance in the electroluminescence cogeneration system shown in FIG. 本発明の効果を確認するための実験結果を示すグラフである。It is a graph which shows the experimental result for confirming the effect of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 反応容器、2 陰極端子、3 陽極端子、4 電解液、5 白金陽極、6 隔壁、7 液面、8 酸素ガス取出管、9 水素酸素混合ガス取出管、10,11 被覆材、12 電解液補給管、13 電解液排出管、14 固定部材、15 熱交換器容器、16a,16b 導電線、17 制御装置、18 電源、19 流量計、20,49 管路、21,39 バルブ、22 質量分析器、23 熱交換媒体、31 燃料電池、32 電解発光装置、33 湿度調節器/気液分離器、34 外部電源、35 電力量計、36 分電装置、37 電力変換装置、38 給水源、40 貯湯タンク、41,45,46,48 ポンプ、42 放熱用熱交換器、43 低温水吸収冷凍機、44 冷却塔、47 温水供給用熱交換器、60 電源装置、61 ドイン回収、62,63 排熱回収。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Reaction container, 2 Cathode terminal, 3 Anode terminal, 4 Electrolyte, 5 Platinum anode, 6 Partition, 7 Liquid surface, 8 Oxygen gas extraction pipe, 9 Hydrogen oxygen mixed gas extraction pipe, 10, 11 Coating material, 12 Electrolyte Replenishment pipe, 13 Electrolyte discharge pipe, 14 Fixing member, 15 Heat exchanger vessel, 16a, 16b Conductor wire, 17 Control device, 18 Power supply, 19 Flow meter, 20, 49 Pipe line, 21, 39 Valve, 22 Mass spectrometry 23, heat exchange medium, 31 fuel cell, 32 electroluminescence device, 33 humidity controller / gas-liquid separator, 34 external power source, 35 watt-hour meter, 36 power distribution device, 37 power conversion device, 38 water supply source, 40 Hot water storage tank, 41, 45, 46, 48 pump, 42 heat exchanger for heat dissipation, 43 low temperature water absorption refrigerator, 44 cooling tower, 47 heat exchanger for hot water supply, 60 power supply, 61 doin recovery, 6 2,63 Waste heat recovery.

Claims (14)

電解槽と、
前記電解層の内部に保持され、電解質濃度が0.05モル/リットル以上である電解液と、
前記電解液と接触するように配置され、高融点金属を含む陰極と、
前記電解液と接触するように配置され、高融点金属を含み、前記陰極の表面積の10倍以上の表面積を有する陽極と、
前記陰極および前記陽極に、100V以上の電圧を印加することにより、電解発光反応を生じさせる電解発光反応手段とを備える、電解発光装置。
An electrolytic cell;
An electrolytic solution held inside the electrolytic layer and having an electrolyte concentration of 0.05 mol / liter or more;
A cathode disposed in contact with the electrolyte and comprising a refractory metal;
An anode disposed in contact with the electrolyte, comprising a refractory metal and having a surface area greater than or equal to 10 times the surface area of the cathode;
An electroluminescent device comprising: an electroluminescent reaction means that causes an electroluminescent reaction by applying a voltage of 100 V or more to the cathode and the anode.
前記電解液における電解質濃度を調整する濃度調整部を備える、請求項1に記載の電解発光装置。   The electroluminescent device according to claim 1, further comprising a concentration adjusting unit that adjusts an electrolyte concentration in the electrolytic solution. 請求項1または2に記載の電解発光装置と、
前記電解槽に接続され、前記電解発光反応により前記電解液が分解された結果発生する水素ガスを前記電解槽の外部に取出すガス取出部材とを備える、水素ガス発生装置。
The electroluminescent device according to claim 1 or 2,
A hydrogen gas generator, comprising: a gas extraction member connected to the electrolytic cell and configured to extract hydrogen gas generated as a result of decomposition of the electrolytic solution by the electroluminescence reaction to the outside of the electrolytic cell.
請求項3に記載の水素ガス発生装置と、
前記水素ガス発生装置から取出した水素ガスを燃料として発電する燃料電池とを備える、発電装置。
A hydrogen gas generator according to claim 3;
A power generation device comprising: a fuel cell that generates power using hydrogen gas extracted from the hydrogen gas generation device as fuel.
前記水素ガス発生装置から取出された水素ガスから液体を除去するとともに、前記水素ガスの湿度を調整する調整装置を備える、請求項4に記載の発電装置。   The power generation device according to claim 4, further comprising an adjustment device that removes a liquid from the hydrogen gas taken out of the hydrogen gas generation device and adjusts a humidity of the hydrogen gas. 前記水素ガス発生装置は、前記電解発光反応により前記電解液が分解された結果発生する酸素ガスを前記電解槽の外部に取出す酸素ガス取出部材を含み、
前記水素ガス発生装置の前記ガス取出部材および前記酸素ガス取出部材から取出される前記水素ガスと前記酸素ガスとを燃料として前記燃料電池に供給する供給管路と、
前記燃料電池における発電の結果前記水素ガスと前記酸素ガスとから生成された水を前記水素ガス発生装置の前記電解槽に還流させるための還流管路とを備え、
前記水素ガス発生装置と前記燃料電池とが密閉回路を構成していることを特徴とする、請求項4または5に記載の発電装置。
The hydrogen gas generator includes an oxygen gas extraction member that extracts oxygen gas generated as a result of decomposition of the electrolytic solution by the electroluminescence reaction to the outside of the electrolytic cell,
A supply line for supplying the fuel cell with the hydrogen gas and the oxygen gas extracted from the gas extraction member and the oxygen gas extraction member of the hydrogen gas generator;
A reflux line for returning water generated from the hydrogen gas and the oxygen gas as a result of power generation in the fuel cell to the electrolytic cell of the hydrogen gas generator;
The power generator according to claim 4 or 5, wherein the hydrogen gas generator and the fuel cell constitute a closed circuit.
請求項4〜6のいずれか1項に記載の発電装置と、
前記発電装置から熱エネルギーを取出す熱エネルギー取出部材とを備える、コジェネレーションシステム。
The power generation device according to any one of claims 4 to 6,
A cogeneration system comprising: a thermal energy extraction member that extracts thermal energy from the power generation device.
電解槽に電解質濃度が0.05モル/リットル以上である電解液を配置する工程と、
高融点金属を含む陰極と、高融点金属を含み、前記陰極の表面積の10倍以上の表面積を有する陽極とを、前記電解液に浸漬する工程と、
前記陰極および前記陽極に、350V以上の電圧を印加することにより、電解発光反応を生じさせる工程と、
前記電解発光反応により前記電解液が分解された結果発生する水素ガスを前記電解槽の外部に取出す工程とを備える、水素ガス発生方法。
Placing an electrolytic solution having an electrolyte concentration of 0.05 mol / liter or more in an electrolytic cell;
A step of immersing a cathode containing a refractory metal and an anode containing a refractory metal and having a surface area of 10 times or more the surface area of the cathode in the electrolytic solution;
A step of causing electroluminescence reaction by applying a voltage of 350 V or more to the cathode and the anode;
And a step of taking out hydrogen gas generated as a result of decomposition of the electrolytic solution by the electroluminescence reaction to the outside of the electrolytic cell.
前記電解発光反応を生じさせる工程は、前記電解液の温度を70℃以上100℃以下とするように調整することを含む、請求項8に記載の水素ガス発生方法。   The method for generating hydrogen gas according to claim 8, wherein the step of causing the electroluminescence reaction includes adjusting the temperature of the electrolytic solution to be 70 ° C. or higher and 100 ° C. or lower. 前記電解発光反応を生じさせる工程において、前記陰極および前記陽極に印加される電圧がパルス電圧である、請求項8または9に記載の水素ガス発生方法。   The method for generating hydrogen gas according to claim 8 or 9, wherein, in the step of causing the electroluminescence reaction, a voltage applied to the cathode and the anode is a pulse voltage. 請求項8〜10のいずれか1項に記載の水素ガス発生方法を実施することにより水素ガスを得る工程と、
前記水素ガスを燃料ガスとして用いて、燃料電池により発電する工程とを備える、発電方法。
A step of obtaining hydrogen gas by carrying out the method for generating hydrogen gas according to any one of claims 8 to 10,
Using the hydrogen gas as a fuel gas and generating electricity with a fuel cell.
前記燃料電池に供給される前記水素ガスから液体を除去するとともに、前記水素ガスの湿度を調整する工程をさらに備える、請求項11に記載の発電方法。   The power generation method according to claim 11, further comprising a step of removing a liquid from the hydrogen gas supplied to the fuel cell and adjusting a humidity of the hydrogen gas. 請求項11または12に記載の発電方法を実施することにより電気エネルギーを前記燃料電池から外部へ供給する電気エネルギー供給工程と、
前記発電方法を実施することに伴って発生する熱エネルギーを前記電解槽および前記燃料電池の少なくともいずれか一方から外部へ供給する熱エネルギー供給工程とを備える、エネルギー供給方法。
An electric energy supply step of supplying electric energy from the fuel cell to the outside by carrying out the power generation method according to claim 11 or 12,
An energy supply method comprising: a heat energy supply step of supplying heat energy generated by performing the power generation method from at least one of the electrolytic cell and the fuel cell to the outside.
電解液と接触するように配置され、電解発光反応を発生させるために用いられる電解発光装置用電極であって、
高融点金属を含む陰極と、
高融点金属を含み、前記陰極の表面積の10倍以上の表面積を有する陽極とを備える、電解発光装置用電極。
An electrode for an electroluminescent device that is disposed in contact with an electrolytic solution and is used to generate an electroluminescent reaction,
A cathode containing a refractory metal;
An electrode for an electroluminescence device, comprising an anode containing a refractory metal and having a surface area of 10 times or more the surface area of the cathode.
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