JP2013181178A

JP2013181178A - 太陽光利用システム

Info

Publication number: JP2013181178A
Application number: JP2012043626A
Authority: JP
Inventors: Keiichi Hirose; 敬一廣瀬
Original assignee: Equos Research Co Ltd
Current assignee: Equos Research Co Ltd
Priority date: 2012-02-29
Filing date: 2012-02-29
Publication date: 2013-09-12

Abstract

【課題】燃料電池の生成水を水分解装置へ戻せば、水分解装置へ外部から水を供給することが不要になるか、若しくは極めて水の供給量が少なくて済み、もって、太陽光をエネルギー源として閉じたシステムができる。
【解決手段】この発明の太陽光利用システム１は一方に光半導体触媒が担持された一対の電極と、該光半導体触媒に照射された太陽光エネルギーを利用して分解される電解液とを有する水分解部３と、水分解部３が生成した水素を利用して発電する燃料電池部２０と、を備え、燃料電池部２０で生成された生成水を水分解部３へ供給する生成水供給ライン２３とを備える。
を備える
【選択図】図１

Description

この発明は新規な太陽光利用システムに関する。より詳しくは、この発明の太陽光利用システムは、太陽光で活性化される光半導体触媒を用いて水を分解し、得られた水素及び酸素を燃料電池反応などに利用するシステムの改良に関する。

太陽光のエネルギーを利用して水を分解する光半導体触媒が知られている（特許文献１参照）。この光半導体触媒を用いれば、小さな電力で水を分解可能となり、水を分解した結果、純度の高い水素と酸素を得られる。
特許文献２及び３では、太陽光を利用して水を分解して得られた水素を水素貯蔵装置に貯蔵し、その水素を燃料電池に供給するシステムが開示されている。

特開２００６−２９９３６８号公報特開２０００−１４４４６４号公報特開２０００−３３３４８１号公報

上記の太陽光利用システムでは、水分解装置で水から分解された水素が、燃料電池において酸素と結合して生成水となる。つまり、水に着目すれば、一旦分解された水が再生されることとなる。
本発明者は燃料電池の生成水を水分解装置へ戻せば、水分解装置へ外部から水を供給することが不要になるか、若しくは極めて水の供給量が少なくて済み、もって、太陽光をエネルギー源として閉じたシステムができるのではないかと考え、本発明に想到した。

この発明の第１の局面は上記課題に鑑みてなされたものであり、次の通り規定される。即ち、
一方に光半導体触媒が担持された一対の電極と、該光半導体触媒に照射された太陽光エネルギーを利用して分解される電解液とを有する水分解部と、
前記水分解部が生成した水素を利用して発電する燃料電池部と、
前記燃料電池部で生成された生成水を前記水分解部へ供給する生成水供給部と、
を備える太陽光利用システム。

このように規定される第１の局面の太陽光利用システムによれば、燃料電池部で生成された生成水が水分解部へ供給される。他方、水分解部では光半導体触媒による水電解によりその電解液中の水が常に消費されている。したがって、生成水を水分解部へ供給することにより、水電解部における電解液の減少が抑制され、もってそのメンテナンスが容易になる。

この発明の第２の局面は次のように規定される。即ち、
第１の局面に規定の太陽光利用システムにおいて、
前記水分解部における水の消費量を演算する水消費量演算部と、
前記燃料電池部から前記水分解部へ供給される生成水の量を演算する生成水供給量演算部と、
前記水消費量と前記生成水供給量とを比較し、前記水分解部へ外部から加える水量を演算する加水量演算部と、が更に備えられる。
このように規定される第２の局面の太陽光利用システムによれば、水分解部へ外部から加えるべき水の量が自動的に演算されるので、メンテナンスが容易になる。

この発明の第３の局面は次のように規定される。即ち、
第２の局面に規定の太陽光利用システムにおいて、更に、前記水分解部の実水量を検出する水量検出部と、
検出された前記実水量を所定のしきい値と比較する実水量比較部と、
検出された実水量が前記所定のしきい値から外れたとき、異常信号を出力するアラーム部と、が備えられる。
水分解部、燃料電池部及び生成水供給部が正常に稼働しておれば、第２の局面で規定するように外部からの加水により、水分解部内の水量は常に適正量に維持される。しかしながら、これらの要素及び各要素を繋ぐ配管に漏水等の異常があれば、水分解部の水量が減少し（即ち、水分解部における実水量がしきい値を超えて少なくなり）、異常事態となる。
このように規定される第３の局面の太陽光利用システムによれば、当該異常事態が自動的に察知されて異常信号が出力されるので、オペレータは異常事態に素早く対処でき、もって、メンテナンスが容易になる。

図１はこの発明の実施例の太陽光利用システムの構成を示すブロック図である。図２は加水量制御部の動作を示すフローチャートである。図３は他の実施例の太陽光利用システムの構成を示すブロック図である。

上記において、光半導体触媒は太陽光エネルギーを利用し、これに小さな電力のアシストを加えて、水を水素と酸素に分解できるものをいう。かかる半導体材料として、例えばTiO2（二酸化チタン）SrTiO3（チタン酸ストロンチウム）
BaTiO3（チタン酸バリウム）ZrO （酸化亜鉛）SnO2（二酸化スズ）硫化カドミウム（CdS）WO3（酸化タングステン）等を挙げることができる。
かかる触媒を一対の電極の一方に付設して、電解質溶液に浸漬し、電極へ所定の電圧を印加するとともに太陽光を照射すると、触媒表面で電解液中の水分が電気分解される。
外部印加電圧は触媒により適宜設定される。この電圧は燃料電池から供給することができる。もちろん、バッテリ、太陽電池、系統電源等の外部電源を用いることもできる。
電解液の電解質及びその濃度は半導体の種類、システムの用途等に応じて任意に選択できる。

燃料電池部には固体高分子電解質型、リン酸型など周知のタイプの燃料電池を用いることができる。
この燃料電池の水素極へ、水分解部で得られた水素を供給する。水分解部で得られた水素は水素吸蔵合金等からなる水素タンクへ一旦貯蔵し、調圧して水素極へ供給することが好ましい。
水分解部で得られた酸素も酸素タンクへ一旦貯蔵し、これを燃料電池の空気極へ供給される空気へ混入させることができる。空気極へ送られる空気の酸素量を制御することにより、燃料電池の出力特性を制御できる。

燃料電池反応で生成される生成水は燃料電池部において集められ、適宜水分解部の電解液に加えられる。
水分解部と燃料電池部との間に電解液の循環経路を設け、電解液をこの循環経路内で循環させておいてこの循環経路へ燃料電池の生成水を連続的に若しくは間欠的に加え、水分解に伴う電解液の水分低下を補充することができる。

以下、この発明の実施例を説明する。
図１は実施例の太陽光利用システム１の構成を示すブロック図である。
この太陽光利用システム１は水分解装置３、ガス分配制御ユニット１０及び燃料電池２０を備えている。
水分解装置３は上述した酸化物からなる光半導体触媒を担持した電極を備える。この電極は気密かつ太陽光を透光可能な電解槽へ浸漬される。電解質にはアルカリ（例えば水酸化ナトリウム）や酸（例えば希硫酸）もしくは中性（例えば塩化カリウムなど）の電解液を用い、電極には電源がつながれており１．２３Ｖ以下の電圧が印加される。
水分解装置３からは水素ライン４と酸素ライン６とが引き出され、これらはガス分配制御ユニット１０につながれる。水分解装置３における水の電気分解で得られた水素ガスと酸素ガスとは分離されてそれぞれ水素ライン４及び酸素ライン６へ送られる。

ガス分配制御ユニット１０において、水素ライン４は水素圧力容器３１へ分岐され、また、外部水素源から第２の水素ライン３５が結合される。
酸素ライン６は酸素圧力容器３３へ分岐される。
符号１３は空気供給ラインを示し、符号１５はファン、符号１７は温度、湿度計を示す。
符号Ｖ１からＶ７はバルブであり、燃料電池２０へ適切に水素ガス、空気及び必要に応じて酸素ガスを供給する。
基本的には、バルブＶ１及びＶ２：開、バルブＶ３，Ｖ４及びＶ７：閉の状態で水分解装置３において生成された水素ガスと酸素ガスとをそれぞれ水素圧力容器３１と酸素圧力容器３３へ貯蔵する。
燃料電池２０を稼働させるときには、バルブＶ１、Ｖ２及びＶ７：閉、バルブＶ３，Ｖ４，Ｖ５及びＶ６：開とする。外部水素源からの水素ガスは水分解装置３由来の水素ガスが不足したときのみ使用するものとする。

燃料電池２０にはリン酸型のものを利用できる。符号２１は熱交換器であり、水等の熱媒体を燃料電池２０と水分解装置をも含み水循環させて、燃料電池２０を冷却するともに燃料電池反応に伴う熱を温水として外部へ取り出している。ここで燃料電池排熱量は、外部出力電圧に依存し、また水分解装置廃熱は、赤外光吸収エネルギー量に依存する。
符号２３は生成水回収ラインであり、燃料電池２０で生成した生成水をポンプ２５により水分解装置３へ供給する。燃料電池２０の下部に設けられたドレインの水位を水位計２６で計測し、そこに一定以上の水がたまった後に、ポンプ２５を稼働してその水を水分解装置３の電解槽内へ供給する。
これにより、水分解装置３において水の電気分解に伴う電解質の水分低下を補充できる。

次に、加水量制御部４０の動作を説明する。
水分解装置３における水の分解量Ａは、例えば、水素圧力容器３１及び／又は酸素圧力容器３３の圧力変化（即ち、水素及び又は酸素の発生量）から求めることができる（図２、ステップ１参照）。
他方、燃料電池２０のドレインに蓄積される水の量は次の様に計算できる。
まず、燃料電池反応による生成水の発生量Ｗfcは
Ｗfc＝９．３４×１０^−８×Ｐe/Ｖc[kg/sec]である。
ここに、Ｐe：出力[W] Ｖc:セル電圧[V]である。

他方、燃料電池では空気排気にともない水分が持ち去られる。その持ち去り量Ｗaは、燃料電池２０へ送り込まれる空気の温度と排気される空気の温度、及び供給される空気量に基づき計算できる。
したがって、燃料電池２０のドレインに蓄積される水の量（即ち、供給できる生成水の量ＢはＢ＝Ｗfc − Ｗaとなる（ステップ３）。
運転条件によって燃料電池はドライアップすることもあり、ドレインに蓄積される生成水の量は水分解部３で消費された水分量に満たないことがある。
そこで、水分解部１０で消費された水分量Ａと供給可能な生成水の量Ｂとの差（Ｃ）を演算し（ステップ５）、これを補充するように、加水量制御部４０は外部水源からのバルブＶ９を制御して（ステップ７）、水分解装置３の電解槽へ外部水源から水を補給する。

加水量制御装置４０の動作により、理論的には水分解部３の電解液の量は常に一定に保持されるものである。
この実施例では、水分解部３へ水位計５０を設けて電解槽の水位を測定する（ステップ９）、比較部５２において電解槽における電解質の水位と所定のしきい値とを比較し（ステップ１１）、電解質の水位が所定のしきい値範囲外になったとき（ステップ１１：ＮＯ）、漏水等の異常事態が生じたものとして、アラーム５４を動作させる（ステップ１３）。
電解槽の水位に基づき、フィードバック制御によりこの水位が一定になるようにバルブ９を制御することも可能である。ただし、かかる制御ではシステムにおいて漏水等の異常事態が発生していることの把握が困難になる。

次に、図３を用いて、他の実施例の太陽光利用システム１０１の説明をする。なお、図３において図１と同一の作用を奏する要素には同一の符号を付してその説明を省略する。
このシステム１０１において、電解液が循環ライン１４０介して熱交換器１２１と水分解モジュール１０３との間で循環されている。
この水分解モジュール１０３は、水分解装置の単位セルの複数個を連結したものである。ここに、水分解装置の単位セルは電極及び電解槽を備えている。循環した電解液は各単位セルに対して独立して供給可能とする。この例では、各単位セルに照度センサ１６０を備え、照度に応じて電解質の流量をセル単位で制御可能とする。符号Ｖ１６１、Ｖ１６２，Ｖ１６３は当該流量制御バルブであるであり、制御装置１８０でその開度を制御し、もって電解質の流量を調整する。

水分解モジュール１０３で生成された水素は水素ライン１０４へ送り出され、除湿膜１０５で除湿された後、水素圧力容器１３１へ蓄積される。この水素圧力容器１３１に並列に脱着可能な水素容器１３２が備えられる。例えば、水素圧力容器１３１が満杯になったとき、バルブＶ１１０を開いて水素ガスライン１０４の水素ガスをこの容器１３２へ貯蔵する。脱着式の水素ガス容器は、例えば燃料自動車用やバイク用または可搬式発電機等の水素ガス源として利用することができる。
酸素ライン１０６にも除湿膜１０７が備えられる。酸素ライン１０５の酸素は酸素圧力容器１３３に貯蔵される。
各容器１３１、１３３には圧力計１３５、１３６が取り付けられている。

水素圧力容器１３１の水素は燃料電池１２０へ供給されるとともに、バルブ１７１を介してその他の燃焼装置１７０へ送られる。水電解モジュール由来の水素が不足したとき、外部水素源としての都市ガス改質ラインから水素が燃料電池１２０やその他の燃焼装置１７０へ供給される。
バルブ１０２，１７３：開、バルブ１７４：閉として、酸素圧力容器１３３の酸素を燃料電池１２０へ供給し、その出力特性を調整できる。この酸素は燃焼装置１７０へも供給可能である（バルブ１０２，１７４：開、バルブ１７３：閉）。
燃料電池１２０の空気供給ライン１３０にはファン１１５及び温湿度計１１７，１１８が備えられる。
燃料電池２０の出力電力はＤＣ／ＡＣコンバータ１２３で売電され、また、各種の電気機器１７０へ給電される。勿論、燃料電池２０の電力を水分解装置１０３へ給電することもできる。また排熱用途や水素として貯蔵する必要性の無いときには、水分解装置１０３の背面にタンデム形式で接合された太陽電池電源から電気を直接切り替え機器を通して供給できるエネルギーシステムとすることも可能である。
燃料電池１２０と熱交換機１２１との間には熱媒体を循環させる循環ライン１７５が設けられ、ポンプ１７６及びバルブ１７７で熱媒体の循環が制御される。
符号１７８は水素極側からの排出ラインである。

この熱交換器１２１は、水分解モジュール１０３と燃料電池１２０の排熱をとりこめる構造になっており、それらは電解液用の循環ライン１４０がつながれている。熱交換器１２１へ電解液を通すことにより電解液の温度を制御できる。燃料電池１２０の生成水ドレイン１２５に溜まった生成水は給水ライン１２６を介して循環ライン１４０へ供給される。符号１２７は逆止バルブである。この例では、循環ライン１４０における電解液の流れに生成水が吸い込まれるようにしているが、ポンプにより生成水を循環ライン１４０内へ送り込むようにしてもよい。
符号１４１は循環ポンプ、符号１４２は電解液の濃度センサ（ｐＨセンサ）、符号１４３は電解液のリザーブタンク、符号１４４は外部水源としての水供給部、符号１４５はフィルタである。
制御回路１８０が、電解質における水分の消費量、供給可能な生成水量を演算して水供給部１４４からの加水量を制御することは、図２のフローチャートに示した処理と同様である。
熱交換が成立しないときには、循環ライン１４１は熱交換器１２１から分離されていてもよい。

なお、本実施の形態では、電極間に電圧を印加する電源を接続した場合について説明したが、太陽光エネルギーのみで水を水素と酸素に分解できる光半導体触媒を用いれば、電源を接続する必要は無い。

また、本発明は、上記発明の実施の形態及び実施例の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様も本発明に含まれる。

Claims

一方に光半導体触媒が担持された一対の電極と、該光半導体触媒に照射された太陽光エネルギーを利用して分解される電解液とを有する水分解部と、
前記水分解部が生成した水素を利用して発電する燃料電池部と、
前記燃料電池部で生成された生成水を前記水分解部へ供給する生成水供給部と、
を備えることを特徴とする太陽光利用システム。
前記水分解部における水の消費量を演算する水消費量演算部と、
前記燃料電池部から前記水分解部へ供給される生成水の量を演算する生成水供給量演算部と、
前記水消費量と前記生成水供給量とを比較し、前記水分解部へ外部から加える水量を演算する加水量演算部と、
を備える請求項１に記載の太陽光利用システム。
前記水分解部の実水量を検出する水量検出部と、
検出された前記実水量を所定のしきい値と比較する実水量比較部と、
検出された実水量が前記所定のしきい値から外れたとき、異常信号を出力するアラーム部と、
を備える請求項２に記載の太陽光利用システム。
前記水分解部には電解質を循環させる循環ラインが備えられ、
前記燃料電池部の生成水は該循環ラインへ導入される、請求項１〜３のいずれかに記載の太陽光利用システム。