JP2013209735A - Sunlight utilization system - Google Patents

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Keiichi Hirose
敬一 廣瀬
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To improve durability of a photoelectrode in a sunlight utilization system in which water-electrolysis is performed using a photoelectrode having an optical semiconductor catalyst.SOLUTION: A sunlight utilization system includes a water-electrolysis part provided with a pair of electrodes with one side supporting an optical semiconductor catalyst and decomposing an electrolyte solution utilizing sunlight energy applied to the optical semiconductor catalyst, an oxygen storage part for storing oxygen generated by the water-electrolysis part, an electrolyte solution storage part for storing an electrolyte solution, a fluid passage for connecting the oxygen storage part, the water-electrolysis part and the electrolyte solution storage part, and a recovery condition determination part for determining whether or not a predetermined recovering condition has been met for recovering the electrolyte solution to the electrolyte solution storage part from the water-electrolysis part. When it is determined by the recovery condition determination part that the recovery condition has been met, the electrolyte solution is pushed out from the water-electrolysis part by the pressure of the oxygen stored in the oxygen storage part, the electrolyte solution is recovered to the electrolyte solution storage part through the fluid passage.

Description

本発明は新規な太陽光利用システムに関する。より詳しくは、本発明の太陽光利用システムは、太陽光で活性化される光半導体触媒を用いて水を分解し、得られた水素及び酸素を燃料電池反応などに利用するシステムの改良に関する。   The present invention relates to a novel sunlight utilization system. More specifically, the solar light utilization system of the present invention relates to improvement of a system that decomposes water using a photo-semiconductor catalyst activated by sunlight and uses the obtained hydrogen and oxygen for a fuel cell reaction or the like.

太陽光のエネルギーを利用して水を分解する光半導体触媒が知られている(特許文献1参照)。この光半導体触媒を用いれば、小さな電力で水を分解可能となり、水を分解した結果、純度の高い水素と酸素を得ることができる。
特許文献2及び3では、太陽光を利用して水を分解して得られた水素を燃料電池に供給するシステムが開示されている。
An optical semiconductor catalyst that decomposes water by using the energy of sunlight is known (see Patent Document 1). If this photo-semiconductor catalyst is used, water can be decomposed with small electric power, and as a result of decomposing water, hydrogen and oxygen with high purity can be obtained.
Patent Documents 2 and 3 disclose a system that supplies hydrogen obtained by decomposing water using sunlight to a fuel cell.

特開2006−299368号公報JP 2006-299368 A 特開2000−144464号公報JP 2000-144464 A 特開2000−333481号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2000-333481

上記の太陽光利用システムの例として、二酸化チタン(TiO2)、酸化鉄(Fe2O3)、酸化ニオビウム(Nb2O5)、チタン酸ストロンチウム(SrTiO3)、チタン酸バリウム(BaTiO3)、酸化タングステン(WO3)、ビスマスバナジウム酸化物(BiVO4)等の半導体を有する電極(以下、光電極とも呼ぶ)を用い、水を分解する技術を用いたものがある(例えば、特許文献2、特許文献3参照)。これらの光電極は水との親和性が非常に強い。そのため、光電極が電解液中に長時間浸漬される条件下においては、基盤電極の上に積層された光電極材料が剥離し、構造が崩壊し、結果として太陽光を電流に変換する量が著しく低下する虞がある。   Examples of the solar light utilization system include titanium dioxide (TiO2), iron oxide (Fe2O3), niobium oxide (Nb2O5), strontium titanate (SrTiO3), barium titanate (BaTiO3), tungsten oxide (WO3), and bismuth vanadium. There is a technique using an electrode having a semiconductor such as an oxide (BiVO4) (hereinafter also referred to as a photoelectrode) and using a technique for decomposing water (for example, see Patent Document 2 and Patent Document 3). These photoelectrodes have a very strong affinity for water. Therefore, under conditions where the photoelectrode is immersed in the electrolyte for a long time, the photoelectrode material laminated on the base electrode peels off, the structure collapses, and as a result, the amount of sunlight converted into current is small. There is a risk of significant reduction.

上記したようなシステムにおいては、電解液中の不純物を除去するために、電解液循環ラインに不純物除去フィルタを設置する場合がある。このような場合であっても、不純物除去フィルタによって除去し切れない電解液中の不純物が、光電極の電解液中への長時間の浸漬によって光電極上に堆積・付着することにより、光電極が本来の性能を発揮できなくなる虞がある。   In the system as described above, an impurity removal filter may be installed in the electrolyte circulation line in order to remove impurities in the electrolyte. Even in such a case, the impurities in the electrolyte solution that cannot be completely removed by the impurity removal filter are deposited and adhered on the photoelectrode by the immersion of the photoelectrode in the electrolyte solution for a long time. There is a possibility that the original performance cannot be exhibited.

そこで本発明の目的は、光半導体触媒を有する光電極を用いて水分解を行う太陽光利用システムにおいて、光電極の耐久性を向上させることにある。   Therefore, an object of the present invention is to improve the durability of a photoelectrode in a solar light utilization system in which water decomposition is performed using a photoelectrode having a photosemiconductor catalyst.

本発明の第1の局面による太陽光利用システムは、
一方に光半導体触媒が担持された一対の電極を有し、該光半導体触媒に照射された太陽光エネルギーを利用して電解液を分解する水分解部と、
前記水分解部で生成された酸素を貯蔵する酸素貯蔵部と、
前記電解液を貯蔵するための電解液貯蔵部と、
前記酸素貯蔵部、前記水分解部、前記電解液貯蔵部を接続する流体通路と、
前記電解液を前記水分解部から前記電解液貯蔵部に回収するための所定の回収条件が成立したか否かを判断する回収条件判断部と、を備える太陽光利用システムであって、
前記回収条件が成立したと前記回収条件判断部が判断した場合に、前記酸素貯蔵部に貯蔵された酸素の圧力により前記電解液を前記水分解部から押し出し、前記流体通路を介して前記電解液貯蔵部に回収する、太陽光利用システムである。
The solar light utilization system according to the first aspect of the present invention includes:
A water-splitting part having a pair of electrodes carrying a photo-semiconductor catalyst on one side and decomposing an electrolyte solution using solar energy irradiated to the photo-semiconductor catalyst;
An oxygen storage unit for storing oxygen generated in the water splitting unit;
An electrolytic solution storage unit for storing the electrolytic solution;
A fluid passage connecting the oxygen storage unit, the water decomposition unit, and the electrolyte storage unit;
A recovery condition determination unit that determines whether or not a predetermined recovery condition for recovering the electrolytic solution from the water splitting unit to the electrolytic solution storage unit is satisfied,
When the recovery condition determination unit determines that the recovery condition is satisfied, the electrolytic solution is pushed out from the water decomposition unit by the pressure of oxygen stored in the oxygen storage unit, and the electrolytic solution is passed through the fluid passage. It is a solar power utilization system that is collected in a storage unit.

上記の構成とすることにより、所定の回収条件が成立したと判断される場合に、電解液を水分解部から電解液貯蔵部に回収するので、光半導体触媒が担持された電極(光電極)が長時間、電解液に浸漬されたままとなる状況を回避することができる。よって、光電極の長寿命化に寄与することができる。更に、太陽光利用システムの稼動中(より詳しくは、水の分解中)に酸素貯蔵部に貯蔵した酸素の圧力を利用して電解液を回収するため、省エネルギーである。   With the above configuration, when it is determined that a predetermined recovery condition is established, the electrolytic solution is recovered from the water splitting unit to the electrolytic solution storage unit, so that the electrode (photoelectrode) on which the photo semiconductor catalyst is supported However, it is possible to avoid a situation in which the liquid remains immersed in the electrolytic solution for a long time. Therefore, it can contribute to the life extension of the photoelectrode. Furthermore, since the electrolytic solution is recovered by using the pressure of oxygen stored in the oxygen storage unit during operation of the solar light utilization system (more specifically, during the decomposition of water), energy is saved.

本発明の第2の局面によれば、前記太陽光利用システムは、
前記酸素貯蔵部内の圧力を検出する圧力検出部と、
前記流体通路に備えられた流体ポンプと、を備え、
前記回収条件が成立したと前記回収条件判断部が判断し、かつ、前記圧力検出部により検出された前記酸素貯蔵部内の圧力が所定圧力以下である場合に、前記流体ポンプを作動させ、前記水分解部から前記電解液を前記電解液貯蔵部に回収する。
このような構成によれば、酸素貯蔵部内の圧力が所定圧力以下となり、電解液を回収するための圧力が不足する場合に、流体ポンプを作動させることで、電解液の回収を継続して実行することができる。
According to the second aspect of the present invention, the solar light utilization system includes:
A pressure detection unit for detecting the pressure in the oxygen storage unit;
A fluid pump provided in the fluid passage,
When the recovery condition determination unit determines that the recovery condition is satisfied and the pressure in the oxygen storage unit detected by the pressure detection unit is equal to or lower than a predetermined pressure, the fluid pump is operated to The electrolytic solution is recovered from the decomposition unit into the electrolytic solution storage unit.
According to such a configuration, when the pressure in the oxygen storage unit becomes equal to or lower than a predetermined pressure and the pressure for recovering the electrolyte is insufficient, the fluid pump is operated to continuously execute the recovery of the electrolyte. can do.

本発明の第3の局面によれば、前記太陽光利用システムは、
前記電解液の回収が終了した後に、前記流体ポンプを作動させることにより前記流体通路内部を負圧にする。
このような構成によれば、電解液の回収後に太陽光利用システムを再始動する際に、流体通路内部に形成した負圧を利用して、電解液貯蔵部から電解液を流体通路内部へと吸い出し水分解部へ供給することができる。これにより、システムの再立ち上げを迅速に行うことができる。
According to a third aspect of the present invention, the solar light utilization system is
After the recovery of the electrolytic solution is completed, the fluid pump is operated to bring the inside of the fluid passage to a negative pressure.
According to such a configuration, when the solar system is restarted after collecting the electrolyte, the electrolyte is transferred from the electrolyte storage unit to the inside of the fluid path using the negative pressure formed inside the fluid path. It can be supplied to the suction water decomposition unit. As a result, the system can be restarted quickly.

本発明の第4の局面によれば、前記太陽光利用システムは、
前記電極に対する日照度を検出する日照度検出部、を備え、
前記回収条件判断部は、前記日照度が所定照度以下となった場合に、前記回収条件が成立したと判断する。これにより、日照度が所定照度以下となって太陽光の利用による水分解が困難または不可能となった場合に、光電極が無用に電解液中に浸漬され続ける状況を回避することができる。
According to a fourth aspect of the present invention, the solar light utilization system is
A daily illuminance detector for detecting the daily illuminance for the electrode,
The said collection condition judgment part judges that the said collection conditions were satisfied, when the said day illumination intensity becomes below predetermined illumination intensity. Thereby, when the daily illuminance is equal to or lower than the predetermined illuminance and water decomposition by using sunlight becomes difficult or impossible, it is possible to avoid a situation in which the photoelectrode is unnecessarily immersed in the electrolytic solution.

本発明の第5の局面によれば、前記太陽光利用システムにおいて、
前記回収条件判断部は、所定時刻になった場合に前記回収条件が成立したと判断する。
所定時刻は任意に設定できるものとして良い。例えば、所定時刻を固定の時刻としても良い。あるいは、毎日の日没時刻のデータに基づき、毎日の日没の時刻が所定時刻として設定される構成としても良い。こうすることで、日没によって太陽光利用による水分解が困難または不可能となったときに電解液を回収することができる。これにより、光電極が無用に電解液中に浸漬され続ける状況を回避することができる。
According to a fifth aspect of the present invention, in the solar light utilization system,
The collection condition determination unit determines that the collection condition is satisfied when a predetermined time comes.
The predetermined time may be set arbitrarily. For example, the predetermined time may be a fixed time. Alternatively, the daily sunset time may be set as the predetermined time based on the daily sunset time data. By doing so, the electrolytic solution can be recovered when water splitting by using sunlight becomes difficult or impossible due to sunset. Thereby, the situation where a photoelectrode continues being immersed in electrolyte solution unnecessarily can be avoided.

本発明の第6の局面によれば、前記太陽光利用システムは、
前記電解液の回収を行う旨の指示を入力するための回収指示入力部、を備え、
前記回収条件判断部は、前記回収指示入力部に対して前記電解液の回収を行う旨の指示が入力された場合に、前記回収条件が成立したと判断する。
このような構成によれば、例えば、ユーザが手動により、電解液の回収を行う旨の指示を回収指示入力部に対して入力することで、電解液の回収を実行させることができる。これにより、太陽光利用システムによる水分解を行わない期間中、電解液を回収することにより、光電極が無用に電解液中に浸漬され続ける状況を回避することができる。
According to a sixth aspect of the present invention, the solar light utilization system includes:
A recovery instruction input unit for inputting an instruction to recover the electrolyte solution,
The recovery condition determination unit determines that the recovery condition is satisfied when an instruction to recover the electrolyte is input to the recovery instruction input unit.
According to such a configuration, for example, the user manually inputs an instruction to collect the electrolytic solution to the collection instruction input unit, whereby the electrolytic solution can be collected. Thereby, it is possible to avoid a situation where the photoelectrode is continuously immersed in the electrolytic solution unnecessarily by collecting the electrolytic solution during a period in which water splitting by the solar system is not performed.

本発明の第7の局面によれば、前記太陽光利用システムは、
気象情報を受け取る気象情報入力部、を備え、
前記回収条件判断部は、前記気象情報入力部が所定の気象情報を受け取った場合に、前記回収条件が成立したと判断する。
このような構成によれば、曇天や雨天により日照が減り、太陽光利用による水分解が十分に行えなくなったとき、あるいはそのような状況が予想される場合に、電解液を回収して光電極が無用に電解液中に浸漬され続ける状況を回避することができる。あるいは、降雪や気温の低下により電解液の凍結が予想される場合に電解液を回収して、電解液の凍結による機器の故障を未然に防ぐことが可能となる。
According to a seventh aspect of the present invention, the solar light utilization system is
A weather information input unit for receiving weather information,
The collection condition determination unit determines that the collection condition is satisfied when the weather information input unit receives predetermined weather information.
According to such a configuration, when the sunlight is reduced due to cloudy or rainy weather and water decomposition by using sunlight cannot be sufficiently performed, or when such a situation is expected, the electrolytic solution is recovered and the photoelectrode is recovered. It is possible to avoid a situation in which the film is unnecessarily immersed in the electrolytic solution. Alternatively, when the electrolytic solution is expected to freeze due to snowfall or a decrease in temperature, it is possible to collect the electrolytic solution and prevent malfunction of the device due to the freezing of the electrolytic solution.

本発明の第8の局面によれば、前記太陽光利用システムは、
前記電解液の温度を検出する温度検出部、を備え、
前記回収条件判断部は、前記温度検出部により検出された前記電解液の温度が所定温度以下の場合に、前記回収条件が成立したと判断する。
これによれば、電解液の温度が低下した場合に電解液を回収することで、電解液の凍結による機器の故障を未然に防ぐことが可能となる。
According to an eighth aspect of the present invention, the solar light utilization system is
A temperature detector for detecting the temperature of the electrolyte solution,
The recovery condition determination unit determines that the recovery condition is satisfied when the temperature of the electrolytic solution detected by the temperature detection unit is equal to or lower than a predetermined temperature.
According to this, by collecting the electrolytic solution when the temperature of the electrolytic solution is lowered, it becomes possible to prevent a failure of the device due to the freezing of the electrolytic solution.

本発明の第9の局面による制御方法は、
一方に光半導体触媒が担持された一対の電極を有し、該光半導体触媒に照射された太陽光エネルギーを利用して電解液を分解する太陽光利用システムの制御方法であって、
前記水分解部で生成された酸素を酸素貯蔵部に貯蔵するステップと、
前記電解液を前記水分解部から電解液貯蔵部に回収するための所定の回収条件が成立したか否かを判断する判断ステップと、
前記回収条件が成立したと判断した場合に、前記酸素貯蔵部に貯蔵された酸素の圧力により前記電解液を前記水分解部から押し出し、流体通路を介して前記電解液貯蔵部に回収するステップと、を有する制御方法である。
この方法により、上記第一の局面の効果と同様の効果を奏することができる。
The control method according to the ninth aspect of the present invention is:
A control method for a solar light utilization system having a pair of electrodes carrying a light semiconductor catalyst on one side and decomposing an electrolyte using solar energy irradiated to the light semiconductor catalyst,
Storing oxygen generated in the water splitting unit in an oxygen storage unit;
A determination step of determining whether or not a predetermined recovery condition for recovering the electrolytic solution from the water splitting unit to the electrolytic solution storage unit is satisfied;
When it is determined that the recovery condition is satisfied, the step of pushing out the electrolytic solution from the water splitting unit by the pressure of oxygen stored in the oxygen storage unit and recovering the electrolytic solution to the electrolytic solution storage unit through a fluid passage; And a control method.
By this method, the same effect as that of the first aspect can be obtained.

図1は本発明の実施例の太陽光利用システムの構成を示すブロック図である。FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a sunlight utilization system according to an embodiment of the present invention. 図2は加水量制御を示すフローチャートである。FIG. 2 is a flowchart showing the amount of water control. 図3は電解液回収制御を示すフローチャートである。FIG. 3 is a flowchart showing the electrolytic solution recovery control. 図4は太陽光利用システムの再始動ための制御を示すフローチャートである。FIG. 4 is a flowchart showing control for restarting the solar light utilization system.

上記において、光半導体触媒は太陽光エネルギーを利用し、これに小さな電力のアシストを加えて、水を水素と酸素に分解できるものをいう。かかる半導体材料として、例えばTiO2(二酸化チタン)、Fe2O3(酸化鉄)、Nb2O5(酸化ニオビウム)、SrTiO3(チタン酸ストロンチウム)、BaTiO3(チタン酸バリウム)、ZrO(酸化亜鉛)、SnO2(二酸化スズ)、硫化カドミウム(CdS)、WO3(酸化タングステン)、BiVO4(ビスマスバナジウム酸化物)等を挙げることができる。かかる触媒を一対の電極の一方に付設して、電解液に浸漬し、電極へ所定の電圧を印加するとともに太陽光を照射すると、触媒表面で電解液中の水分が電気分解される。外部印加電圧は触媒により適宜設定される。この電圧は燃料電池から供給することができる。もちろん、バッテリ、太陽電池、系統電源等の外部電源を用いることもできる。電解液の電解質及びその濃度は半導体の種類、システムの用途等に応じて任意に選択できる。   In the above, the photo-semiconductor catalyst refers to a catalyst capable of decomposing water into hydrogen and oxygen by using solar energy and adding a small electric power assist thereto. Examples of such semiconductor materials include TiO2 (titanium dioxide), Fe2O3 (iron oxide), Nb2O5 (niobium oxide), SrTiO3 (strontium titanate), BaTiO3 (barium titanate), ZrO (zinc oxide), SnO2 (tin dioxide), Examples thereof include cadmium sulfide (CdS), WO3 (tungsten oxide), BiVO4 (bismuth vanadium oxide), and the like. When such a catalyst is attached to one of a pair of electrodes, immersed in an electrolytic solution, a predetermined voltage is applied to the electrodes and sunlight is irradiated, moisture in the electrolytic solution is electrolyzed on the surface of the catalyst. The externally applied voltage is appropriately set depending on the catalyst. This voltage can be supplied from the fuel cell. Of course, an external power source such as a battery, a solar cell, or a system power source can also be used. The electrolyte and the concentration of the electrolyte can be arbitrarily selected according to the type of semiconductor, the system application, and the like.

燃料電池部には固体高分子電解質型、固体酸化物型など周知のタイプの燃料電池を用いることができる。この燃料電池の水素極へ、水分解部で得られた水素を供給する。水分解部で得られた水素は水素吸蔵合金等からなる水素貯蔵部へ一旦貯蔵し、調圧して水素極へ供給される。水分解部で得られた酸素も酸素貯蔵部へ一旦貯蔵し、これを燃料電池の空気極へ供給される空気へ混入させることができる。空気極へ送られる空気の酸素量を制御することにより、燃料電池の出力特性を制御できる。   A known type of fuel cell such as a solid polymer electrolyte type or a solid oxide type can be used for the fuel cell portion. Hydrogen obtained in the water splitting section is supplied to the hydrogen electrode of the fuel cell. The hydrogen obtained in the water splitting part is temporarily stored in a hydrogen storage part made of a hydrogen storage alloy or the like, and the pressure is adjusted and supplied to the hydrogen electrode. Oxygen obtained in the water splitting unit can also be temporarily stored in the oxygen storage unit and mixed with the air supplied to the air electrode of the fuel cell. By controlling the amount of oxygen in the air sent to the air electrode, the output characteristics of the fuel cell can be controlled.

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。   The produced water produced by the fuel cell reaction is collected in the fuel cell part and appropriately added to the electrolyte in the water splitting part. An electrolytic solution circulation path is provided between the water splitting section and the fuel cell section, and the electrolytic solution is circulated in this circulation path, and fuel cell water is added continuously or intermittently to this circulation path. In addition, it is possible to supplement the decrease in water content of the electrolytic solution accompanying water splitting.

以下、この発明の実施例を説明する。図1は実施例の太陽光利用システム1の構成を示すブロック図である。太陽光利用システム1は水分解モジュール3、燃料電池20、熱交換器21、制御回路80を備える。
水分解モジュール3は、水分解装置の単位セルの複数個を連結したものである。水分解装置の単位セルは上述した酸化物からなる光半導体触媒を担持した電極、及び、気密かつ太陽光を透光可能な電解槽を備えており、電極は電解槽へ浸漬される。電解液にはアルカリ(例えば水酸化ナトリウム)や酸(例えば希硫酸)もしくは中性(例えば炭酸塩など)の電解液を用い、電極には電源がつながれており1.23V以下の電圧が印加される。
Examples of the present invention will be described below. FIG. 1 is a block diagram illustrating a configuration of a solar light utilization system 1 according to the embodiment. The sunlight utilization system 1 includes a water splitting module 3, a fuel cell 20, a heat exchanger 21, and a control circuit 80.
The water splitting module 3 is formed by connecting a plurality of unit cells of the water splitting device. The unit cell of the water splitting apparatus includes an electrode carrying the above-described oxide semiconductor catalyst made of an oxide and an electrolytic cell that is airtight and can transmit sunlight, and the electrode is immersed in the electrolytic cell. The electrolyte is an alkaline (eg, sodium hydroxide), acid (eg, dilute sulfuric acid) or neutral (eg, carbonate) electrolyte. The electrode is connected to a power source and a voltage of 1.23 V or less is applied. The

この例では、各単位セルに日照度計60を備え、照度に応じて電解液の流量をセル単位で制御可能とする。電解液の流量の調整は、制御装置80が流量制御バルブV10、V12,V14の開度を制御することにより行われる。水分解モジュール3には水位計50が取り付けられている。   In this example, each unit cell is provided with a daily illuminometer 60, and the flow rate of the electrolyte can be controlled in units of cells according to the illuminance. Adjustment of the flow rate of the electrolytic solution is performed by the control device 80 controlling the opening degree of the flow rate control valves V10, V12, and V14. A water level gauge 50 is attached to the water splitting module 3.

水分解モジュール3からは水素ライン4、酸素ライン6、及び、循環ライン40が引き出される。水分解モジュール3における水の分解で得られた水素ガスと酸素ガスとは分離されてそれぞれ水素ライン4及び酸素ライン6へ送られる。
水素ライン4へ送り出された水素は、除湿膜5で除湿された後、水素圧力容器31に蓄積される。水素圧力容器31には圧力計35が取り付けられている。水素圧力容器31と並列に脱着可能な水素容器32が備えられる。例えば、水素圧力容器31が満杯になったとき、バルブV16を開いて水素ガスライン4の水素ガスをこの容器32へ貯蔵する。脱着式の水素容器32は、例えば燃料電池自動車やバイク用または可搬式発電機等の水素ガス源として利用することができる。
A hydrogen line 4, an oxygen line 6, and a circulation line 40 are drawn from the water splitting module 3. Hydrogen gas and oxygen gas obtained by water decomposition in the water splitting module 3 are separated and sent to the hydrogen line 4 and the oxygen line 6, respectively.
The hydrogen fed to the hydrogen line 4 is dehumidified by the dehumidifying film 5 and then accumulated in the hydrogen pressure vessel 31. A pressure gauge 35 is attached to the hydrogen pressure vessel 31. A hydrogen container 32 detachable in parallel with the hydrogen pressure container 31 is provided. For example, when the hydrogen pressure vessel 31 is full, the valve V16 is opened and the hydrogen gas in the hydrogen gas line 4 is stored in the vessel 32. The detachable hydrogen container 32 can be used as a hydrogen gas source for, for example, a fuel cell vehicle, a motorcycle, or a portable generator.

水素圧力容器31へは外部水素源としての都市ガス改質ライン35が接続されている。水分解モジュール3由来の水素が不足したとき、外部水素源としての都市ガス改質ライン35から水素が燃料電池20や家庭用電気機器やガス機器といったガス利用機器70へ供給される。都市ガス改質ライン35には、バルブV18が設けられている。   A city gas reforming line 35 as an external hydrogen source is connected to the hydrogen pressure vessel 31. When the hydrogen derived from the water splitting module 3 is insufficient, hydrogen is supplied from the city gas reforming line 35 as an external hydrogen source to the gas utilization device 70 such as the fuel cell 20, household electric appliances, and gas appliances. The city gas reforming line 35 is provided with a valve V18.

水素圧力容器31の出口側の水素ライン4は2つに分岐して、燃料電池20と、ガス利用機器70にそれぞれ接続される。これにより、水素圧力容器31の水素は燃料電池20及びガス利用機器70に供給される。水素ライン4のうち、水素圧力容器31の出口から水素ライン4の分岐点までの部分にバルブV20が設けられている。バルブV20により、水素圧力容器31から燃料電池20及びガス利用機器70への水素の供給を制御することができる。水素ライン4のうち、その分岐点からガス利用機器70までの部分にバルブV22が設けられている。バルブV22により、水素圧力容器31からガス利用機器70への水素の供給を制御することができる。   The hydrogen line 4 on the outlet side of the hydrogen pressure vessel 31 branches into two and is connected to the fuel cell 20 and the gas utilization device 70, respectively. Thereby, the hydrogen in the hydrogen pressure vessel 31 is supplied to the fuel cell 20 and the gas utilization device 70. A valve V <b> 20 is provided in a portion of the hydrogen line 4 from the outlet of the hydrogen pressure vessel 31 to the branch point of the hydrogen line 4. The supply of hydrogen from the hydrogen pressure vessel 31 to the fuel cell 20 and the gas utilization device 70 can be controlled by the valve V20. A valve V22 is provided in the hydrogen line 4 from the branch point to the gas utilization device 70. The supply of hydrogen from the hydrogen pressure vessel 31 to the gas utilization device 70 can be controlled by the valve V22.

酸素ライン6には除湿膜7が備えられている。酸素ライン6は酸素圧力容器33へ接続され、酸素ライン6の酸素は酸素圧力容器33に貯蔵される。酸素圧力容器33には圧力計36が取り付けられている。酸素圧力容器33の出口側の酸素ライン6は2つに分岐して、燃料電池20とガス利用機器70とにそれぞれ接続される。酸素ライン6のうち、酸素圧力容器33の出口から酸素ライン6の分岐点までの部分に、バルブV24が設けられている。酸素ライン6のうち、その分岐点から燃料電池20までの部分にはバルブV26が設けられ、該分岐点からガス利用機器70までの酸素ライン6にはバルブV28が設けられている。   The oxygen line 6 is provided with a dehumidifying film 7. The oxygen line 6 is connected to the oxygen pressure vessel 33, and oxygen in the oxygen line 6 is stored in the oxygen pressure vessel 33. A pressure gauge 36 is attached to the oxygen pressure vessel 33. The oxygen line 6 on the outlet side of the oxygen pressure vessel 33 branches into two and is connected to the fuel cell 20 and the gas utilization device 70, respectively. In the oxygen line 6, a valve V <b> 24 is provided at a portion from the outlet of the oxygen pressure vessel 33 to the branch point of the oxygen line 6. A valve V26 is provided in the oxygen line 6 from the branch point to the fuel cell 20, and a valve V28 is provided in the oxygen line 6 from the branch point to the gas utilization device 70.

酸素圧力容器33の出口側の酸素ライン6はバルブV24を介して、電解液の循環ライン40とも接続している。バルブV24は、酸素圧力容器33と燃料電池20及び/又はガス利用機器70とを連通させる状態(以下、通常稼動状態と呼ぶ)と、酸素圧力容器33と循環ライン40とを連通させる状態(以下、パージ状態と呼ぶ)とを切り替えるように構成されている。
バルブV24を通常稼動状態とし、バルブV26を開くことで、酸素圧力容器33の酸素を燃料電池20への供給空気に混入させ、その出力特性を調整することができる。バルブV24を通常稼動状態とし、バルブV28を開くことで、この酸素をガス利用機器70へ供給することができる。
The oxygen line 6 on the outlet side of the oxygen pressure vessel 33 is also connected to the electrolyte circulation line 40 via the valve V24. The valve V24 communicates the oxygen pressure vessel 33 with the fuel cell 20 and / or the gas utilization device 70 (hereinafter referred to as a normal operation state), and communicates the oxygen pressure vessel 33 with the circulation line 40 (hereinafter referred to as a normal operation state). , Referred to as a purge state).
By setting the valve V24 to a normal operation state and opening the valve V26, oxygen in the oxygen pressure vessel 33 can be mixed into the supply air to the fuel cell 20 and the output characteristics thereof can be adjusted. The oxygen can be supplied to the gas utilization device 70 by setting the valve V24 to the normal operation state and opening the valve V28.

このシステム1において、電解液が循環ライン40を介して熱交換器21と水分解モジュール3との間で循環されている。循環した電解液は各単位セルに対して独立して供給可能とされている。また、循環ライン40は、燃料電池20で生成された生成水を回収して電解液に混入させることで水分解モジュール3へ供給する。これにより、水分解モジュール3において水の電気分解に伴う電解液の水分低下を補充できる。   In this system 1, the electrolytic solution is circulated between the heat exchanger 21 and the water splitting module 3 via the circulation line 40. The circulating electrolyte can be supplied independently to each unit cell. Further, the circulation line 40 collects the generated water generated in the fuel cell 20 and supplies it to the water splitting module 3 by mixing it with the electrolyte. Thereby, in the water decomposition module 3, the water fall of the electrolyte solution accompanying the electrolysis of water can be supplemented.

循環ライン40の途中には循環ポンプ41、バルブV30、V32、フィルタ45、液温センサ46、圧力センサ47が設置されている。更に、循環ライン40に対して、電解液濃度センサ(pHセンサ)42、電解液リザーブタンク43、外部水源としての水供給部44が接続されている。循環ポンプ41は、システム1の通常稼働状態における循環ライン40中の電解液の流れ方向において、水分解モジュール3の下流側かつ、電解液リザーブタンク43の上流側に設置されている。バルブV32は大気解放弁であり、循環ポンプ41の下流側かつ、電解液リザーブタンク43の上流側に設置されている。液温センサ46は、循環ライン40中の電解液の温度を計測するために用いる。圧力センサ47は循環ポンプ41の直上流側における循環ライン40内の圧力を計測するために用いる。   In the middle of the circulation line 40, a circulation pump 41, valves V30 and V32, a filter 45, a liquid temperature sensor 46, and a pressure sensor 47 are installed. Furthermore, an electrolytic solution concentration sensor (pH sensor) 42, an electrolytic solution reserve tank 43, and a water supply unit 44 as an external water source are connected to the circulation line 40. The circulation pump 41 is installed downstream of the water splitting module 3 and upstream of the electrolyte reserve tank 43 in the flow direction of the electrolyte in the circulation line 40 in the normal operation state of the system 1. The valve V <b> 32 is an air release valve and is installed on the downstream side of the circulation pump 41 and the upstream side of the electrolyte reserve tank 43. The liquid temperature sensor 46 is used to measure the temperature of the electrolytic solution in the circulation line 40. The pressure sensor 47 is used to measure the pressure in the circulation line 40 immediately upstream of the circulation pump 41.

循環ライン40と電解液リザーブタンク43はバルブV30を介して接続されている。バルブV30は循環ライン40上流側のポート(以下、上流側ポートと呼ぶ)、循環ライン40下流側のポート(以下、下流側ポートと呼ぶ)、及び、電解液リザーブタンク43側のポート(以下、タンク側ポートと呼ぶ)を有している。これら3つのポートのうち、上流側ポートと下流側ポートを連通させタンク側ポートを閉鎖する状態(以下、通常稼動状態と呼ぶ)、上流側ポートと下流側ポートをタンク側ポートにそれぞれ連通させ、上流側ポートと下流側ポートの間を閉鎖する状態(以下、パージ/再始動状態と呼ぶ)、上流側ポートとタンク側ポートを連通させ下流側ポートを外気と連通させる状態(以下、ポンプパージ状態と呼ぶ)、及び、上流側ポートとタンク側ポートを連通させ下流側ポートを閉鎖する状態(以下、負圧付加状態と呼ぶ)の各状態を切り替え可能とされている。電解液リザーブタンク43には電解液水位を計測するための水位計48が備えられている。水供給部44は、バルブV34を介して循環ライン40に接続されている。   The circulation line 40 and the electrolyte reserve tank 43 are connected via a valve V30. The valve V30 includes a port on the upstream side of the circulation line 40 (hereinafter referred to as an upstream port), a port on the downstream side of the circulation line 40 (hereinafter referred to as a downstream port), and a port on the electrolyte reserve tank 43 side (hereinafter referred to as a port). A tank side port). Among these three ports, the upstream port and the downstream port communicate with each other and the tank side port is closed (hereinafter referred to as a normal operation state), and the upstream port and the downstream port communicate with the tank side port, A state where the upstream port and the downstream port are closed (hereinafter referred to as a purge / restart state), a state where the upstream port and the tank side port are communicated and the downstream port is communicated with the outside air (hereinafter, pump purge state) And a state in which the upstream port and the tank port are in communication with each other and the downstream port is closed (hereinafter referred to as a negative pressure application state). The electrolyte reserve tank 43 is provided with a water level gauge 48 for measuring the electrolyte water level. The water supply unit 44 is connected to the circulation line 40 via the valve V34.

燃料電池20には固体高分子型や固体酸化物型のものを利用できる。燃料電池20の空気供給ライン30にはファン15及び温度計17、18が備えられている。燃料電池20の出力電力はDC/ACコンバータ23を通じて売電され、また、ガス利用機器70へ給電される。また、燃料電池20の電力を水分解モジュール3へ給電することも可能である。排熱用途や水素として貯蔵する必要性の無いときには、水分解モジュール3の背面にタンデム形式で接合された太陽電池電源から電気を直接切り替え機器を通して供給できるエネルギーシステムとすることも可能である。燃料電池20は、水素極側からの排出ライン78を有する。   The fuel cell 20 may be a solid polymer type or a solid oxide type. The air supply line 30 of the fuel cell 20 is provided with a fan 15 and thermometers 17 and 18. The output power of the fuel cell 20 is sold through the DC / AC converter 23 and supplied to the gas utilization device 70. It is also possible to supply power from the fuel cell 20 to the water splitting module 3. When there is no need to store as hydrogen heat or hydrogen, it is possible to provide an energy system that can supply electricity through a switching device directly from a solar cell power source joined in tandem to the back of the water splitting module 3. The fuel cell 20 has a discharge line 78 from the hydrogen electrode side.

燃料電池20の生成水ドレイン25に溜まった生成水は給水ライン26を介して循環ライン40へ供給される。符号V36は逆止バルブである。この例では、循環ライン40における電解液の流れに生成水が吸い込まれるようにしているが、ポンプにより生成水を循環ライン40内へ送り込むようにしてもよい。   The generated water accumulated in the generated water drain 25 of the fuel cell 20 is supplied to the circulation line 40 via the water supply line 26. Reference sign V36 is a check valve. In this example, the generated water is sucked into the flow of the electrolytic solution in the circulation line 40, but the generated water may be sent into the circulation line 40 by a pump.

熱交換器21は、水分解モジュール3と燃料電池20の排熱を取り込める構造になっている。燃料電池20と熱交換機21との間には水等の熱媒体を循環させる循環ライン75が設けられ、ポンプ76及びバルブV38で熱媒体の循環が制御される。一方、上述した通り、熱交換器21と水分解モジュール3とは電解液用の循環ライン40により繋がれている。熱交換器21へ電解液を通すことにより電解液の温度を制御できる。熱交換により、熱交換器21は燃料電池20を冷却するとともに、燃料電池反応に伴う熱を温水として外部へ取り出している。燃料電池20の排熱量は外部出力電圧に依存する。水分解モジュール3の排熱量は、赤外光吸収エネルギー量に依存する。熱交換が成立しないときには、循環ライン40は熱交換器21から分離されていてもよい。   The heat exchanger 21 has a structure that can take in the exhaust heat of the water splitting module 3 and the fuel cell 20. A circulation line 75 for circulating a heat medium such as water is provided between the fuel cell 20 and the heat exchanger 21, and the circulation of the heat medium is controlled by a pump 76 and a valve V38. On the other hand, as described above, the heat exchanger 21 and the water splitting module 3 are connected by the circulation line 40 for the electrolyte. By passing the electrolytic solution through the heat exchanger 21, the temperature of the electrolytic solution can be controlled. By heat exchange, the heat exchanger 21 cools the fuel cell 20 and takes out heat accompanying the fuel cell reaction as hot water to the outside. The amount of exhaust heat from the fuel cell 20 depends on the external output voltage. The amount of heat exhausted from the water splitting module 3 depends on the amount of energy absorbed by infrared light. When heat exchange is not established, the circulation line 40 may be separated from the heat exchanger 21.

制御回路80は、電解液における水分の消費量、供給可能な生成水量を演算して水供給部44からの加水量を制御する。制御装置80は、ガス利用機器70の負荷に応じてバルブV22、V28を制御し、また、DC/ACコンバータ23を介したガス利用機器70への給電量を制御する。   The control circuit 80 calculates the amount of water consumed in the electrolytic solution and the amount of generated water that can be supplied to control the amount of water supplied from the water supply unit 44. The control device 80 controls the valves V <b> 22 and V <b> 28 according to the load of the gas utilization device 70 and also controls the amount of power supplied to the gas utilization device 70 via the DC / AC converter 23.

水供給部44からの加水量の制御について図2のフローチャートに基づいて説明する。
水分解モジュール3における水の分解量Aは、例えば、水素圧力容器31及び/又は酸素圧力容器33の圧力変化(即ち、水素及び又は酸素の発生量)から求めることができる(図2、ステップ101(S101)参照)。
他方、燃料電池20のドレイン25に蓄積される水の量は次の様に計算できる。
まず、燃料電池反応による生成水の発生量Wfcは、
Wfc=9.34×10−8×Pe/Vc[kg/sec]である。
ここで、Pe:出力[W] Vc: セル電圧である。
Control of the amount of water added from the water supply unit 44 will be described based on the flowchart of FIG.
The water decomposition amount A in the water decomposition module 3 can be obtained from, for example, the pressure change in the hydrogen pressure vessel 31 and / or the oxygen pressure vessel 33 (that is, the generation amount of hydrogen and / or oxygen) (FIG. 2, step 101). (Refer to (S101)).
On the other hand, the amount of water accumulated in the drain 25 of the fuel cell 20 can be calculated as follows.
First, the amount Wfc of water generated by the fuel cell reaction is
Wfc = 9.34 × 10 −8 × Pe / Vc [kg / sec].
Here, Pe: Output [W] Vc: Cell voltage.

他方、燃料電池20では空気排気にともない水分が持ち去られる。その持ち去り量Waは、燃料電池20へ送り込まれる空気の温度・湿度と排気される空気の温度・湿度、及び供給される空気量に基づき計算できる。
したがって、燃料電池20のドレイン25に蓄積される水の量(即ち、供給できる生成水の量)Bは
B=Wfc − Waとなる(ステップ103)。
運転条件によって燃料電池20はドライアップすることもあり、ドレイン25に蓄積される生成水の量は水分解モジュール3で消費された水分量に満たないことがある。
そこで、水分解モジュール3で消費された水分量Aと供給可能な生成水の量Bとの差(C)を演算し(ステップ105)、これを補充するように、制御回路80は外部水源からのバルブV34を制御して(ステップ107)、電解液へ外部水源から水を補給する。
On the other hand, in the fuel cell 20, moisture is taken away with the air exhaust. The carry-away amount Wa can be calculated based on the temperature / humidity of the air sent to the fuel cell 20, the temperature / humidity of the exhausted air, and the amount of air supplied.
Therefore, the amount of water accumulated in the drain 25 of the fuel cell 20 (that is, the amount of generated water that can be supplied) B is B = Wfc−Wa (step 103).
The fuel cell 20 may dry up depending on the operating conditions, and the amount of generated water accumulated in the drain 25 may be less than the amount of water consumed by the water splitting module 3.
Therefore, the control circuit 80 calculates the difference (C) between the amount A of water consumed in the water splitting module 3 and the amount B of generated water that can be supplied (step 105). The valve V34 is controlled (step 107) to supply water to the electrolyte from an external water source.

制御回路80の動作により、理論的には電解液の量は常に一定に保持される。
この実施例では、水分解モジュール3へ水位計50を設けて電解液槽の水位を測定する(ステップ109)。制御回路80は電解液槽における電解液の水位と所定のしきい値とを比較し(ステップ111)、電解液の水位が所定のしきい値範囲外になったとき(ステップ111:NO)、漏水等の異常事態が生じたものとして、アラームを動作させる(ステップ113)。
電解槽の水位に基づくフィードバック制御によりこの水位が一定になるようにバルブV34を制御することも可能である。ただし、かかる制御ではシステムにおいて漏水等の異常事態が発生していることの把握が困難になる。
循環ライン40は熱交換器21から分離されていてもよい。
The operation of the control circuit 80 theoretically keeps the amount of the electrolyte constant.
In this embodiment, a water level meter 50 is provided in the water splitting module 3 to measure the water level in the electrolyte bath (step 109). The control circuit 80 compares the electrolyte level in the electrolyte bath with a predetermined threshold value (step 111), and when the electrolyte level falls outside the predetermined threshold range (step 111: NO), An alarm is activated as an abnormal situation such as water leakage has occurred (step 113).
It is also possible to control the valve V34 so that this water level becomes constant by feedback control based on the water level of the electrolytic cell. However, such control makes it difficult to grasp that an abnormal situation such as water leakage occurs in the system.
The circulation line 40 may be separated from the heat exchanger 21.

次に、図3を参照して、本発明による電解液回収制御について説明する。本発明の電解液回収制御は、日没や曇天等により十分な太陽エネルギーの確保ができなくなった場合や、システムを意図的に稼動停止させる場合に、光電極が長時間にわたって電解液に無用に浸漬されたままとなることを回避するため、あるいは、電解液の循環系内での凍結を回避するために行われる制御であり、制御回路80により実行される。   Next, electrolyte solution recovery control according to the present invention will be described with reference to FIG. The electrolytic solution recovery control according to the present invention makes the photoelectrode unnecessary for the electrolytic solution for a long time when sufficient solar energy cannot be secured due to sunset or cloudy weather or when the system is intentionally shut down. This control is performed in order to avoid remaining immersed or to avoid freezing of the electrolyte in the circulation system, and is executed by the control circuit 80.

制御装置80は、タイマー制御により、または所定周期ごとに図3の制御フローの実行を開始する。まずステップ201において、日照度計60を用いて日照度を計測する。次に、ステップ203において、液温センサ46によって計測した循環ライン40内の電解液温度が0℃以下であるか否かを判断する。電解液温度が0℃以下である場合には、電解液が凍結する可能性があるため、ステップS207に進み、電解液回収へと移行する。電解液温度が0℃より高い場合には、ステップS205に進み、計測した日照度が所定照度lx以下であるかどうかを判断する。計測した日照度が所定照度lxより大である場合は、電解液の回収を行う必要はないと判断して、ステップ201へ戻る。計測した日照度が所定照度lx以下である場合は、ステップ207へ進む。
ステップ207では、外部電源から水分解モジュール3への電力供給を停止し、循環ポンプ41の作動を停止し、かつ、酸素圧力容器33出口側のバルブV24を通常稼動状態からパージ状態へ切り替える。これにより、酸素圧力容器33の出口側の酸素ライン6は循環ライン40と連通し、該酸素ライン6は燃料電池20及びガス利用機器70とは連通しない状態となる。
The control device 80 starts executing the control flow of FIG. 3 by timer control or at predetermined intervals. First, in step 201, the daily illuminance is measured using the daily illuminometer 60. Next, in step 203, it is determined whether or not the electrolyte temperature in the circulation line 40 measured by the liquid temperature sensor 46 is 0 ° C. or less. When the electrolytic solution temperature is 0 ° C. or lower, the electrolytic solution may freeze, and thus the process proceeds to step S207 and the electrolytic solution is recovered. When the electrolyte temperature is higher than 0 ° C., the process proceeds to step S205, and it is determined whether or not the measured daily illuminance is equal to or less than a predetermined illuminance lx. If the measured daily illuminance is greater than the predetermined illuminance lx, it is determined that there is no need to recover the electrolyte, and the process returns to step 201. If the measured daily illuminance is less than or equal to the predetermined illuminance lx, the process proceeds to step 207.
In step 207, power supply from the external power source to the water splitting module 3 is stopped, the operation of the circulation pump 41 is stopped, and the valve V24 on the outlet side of the oxygen pressure vessel 33 is switched from the normal operation state to the purge state. As a result, the oxygen line 6 on the outlet side of the oxygen pressure vessel 33 communicates with the circulation line 40, and the oxygen line 6 does not communicate with the fuel cell 20 and the gas utilization device 70.

次に、ステップ209において、電解液リザーブタンク43と循環ライン40とを接続するバルブV30を通常稼動状態からパージ/再始動状態へ切り替える。これにより、酸素圧力容器内に蓄積されていた高圧の酸素が、循環ライン40及び水分解モジュール3の内部の電解液を、電解液リザーブタンク43内へと押し出すこととなる。   Next, in step 209, the valve V30 connecting the electrolyte reserve tank 43 and the circulation line 40 is switched from the normal operation state to the purge / restart state. As a result, the high-pressure oxygen accumulated in the oxygen pressure vessel pushes out the electrolytic solution in the circulation line 40 and the water splitting module 3 into the electrolytic solution reserve tank 43.

次に、ステップ211において、電解液リザーブタンク43に設置された水位計48による計測に基づき、電解液リザーブタンク43内の電解液量が所定量以上となったか否かを判断する。この所定量は、電解液がその循環経路から完全に回収された場合の量として、予め設定されている。ステップ211で電解液リザーブタンク43内の電解液量が所定量以上であると判断した場合には、循環経路からの電解液の回収が完了したと判断して、ステップ213に進み、バルブV30を負圧付加状態に切り替え、循環ポンプ41を作動させる。その後、ステップ223に進む。   Next, at step 211, based on the measurement by the water level gauge 48 installed in the electrolyte reserve tank 43, it is determined whether or not the amount of electrolyte in the electrolyte reserve tank 43 has become a predetermined amount or more. This predetermined amount is set in advance as an amount when the electrolytic solution is completely recovered from the circulation path. If it is determined in step 211 that the amount of the electrolyte in the electrolyte reserve tank 43 is equal to or greater than the predetermined amount, it is determined that the recovery of the electrolyte from the circulation path is completed, and the process proceeds to step 213 where the valve V30 is turned on. Switching to the negative pressure application state, the circulation pump 41 is operated. Thereafter, the process proceeds to step 223.

ステップ211で電解液リザーブタンク43内の電解液量が所定量未満であると判断した場合には、ステップ215に進み、酸素圧力容器33内の圧力が大気圧以下か否かを判断する。酸素圧力容器33内の圧力が大気圧より高いと判断した場合には、制御はステップ211に戻り、酸素の圧力による電解液の押し出しを継続する。
ステップ215で酸素圧力容器33内の圧力が大気圧以下であると判断した場合には、酸素圧力容器33内の圧力では電解液を押し出すことができないため、ステップ217に進んで、バルブV30をポンプパージ状態に切り替え、循環ポンプ41を作動させ、これにより電解液の回収を行う。このとき、循環ライン40から酸素ライン6に電解液が逆流しないよう、酸素ライン6と循環ライン40との間に逆止弁が設けられていても良い。
If it is determined in step 211 that the amount of the electrolyte in the electrolyte reserve tank 43 is less than the predetermined amount, the process proceeds to step 215, and it is determined whether or not the pressure in the oxygen pressure vessel 33 is equal to or lower than atmospheric pressure. If it is determined that the pressure in the oxygen pressure vessel 33 is higher than the atmospheric pressure, the control returns to step 211 and continues to push out the electrolyte solution by the oxygen pressure.
If it is determined in step 215 that the pressure in the oxygen pressure vessel 33 is equal to or lower than the atmospheric pressure, the electrolyte cannot be pushed out by the pressure in the oxygen pressure vessel 33. Therefore, the process proceeds to step 217, and the valve V30 is pumped. Switching to the purge state, the circulation pump 41 is operated, and thereby the electrolytic solution is recovered. At this time, a check valve may be provided between the oxygen line 6 and the circulation line 40 so that the electrolyte does not flow backward from the circulation line 40 to the oxygen line 6.

次のステップ219では、ステップ211と同様に、電解液リザーブタンク43内の電解液量が所定量以上となったか否かを判断する。電解液リザーブタンク43内の電解液量が所定量以上となるまで、ステップ219が繰り返される。
ステップ219で電解液リザーブタンク43内の電解液量が所定量以上となったと判断すると、循環経路からの電解液の回収が完了したと判断して、ステップ221に進み、バルブV30を負圧付加状態に切り替える。次に、ステップ223に進む。
ステップ223では、バルブV32を開く。この状態で循環ポンプ41が作動を継続することにより、循環ライン40を含む電解液の循環経路内部が負圧となる。
In the next step 219, as in step 211, it is determined whether or not the amount of the electrolyte in the electrolyte reserve tank 43 has become a predetermined amount or more. Step 219 is repeated until the amount of electrolyte in the electrolyte reserve tank 43 reaches a predetermined amount or more.
If it is determined in step 219 that the amount of the electrolyte in the electrolyte reserve tank 43 has reached a predetermined amount or more, it is determined that the recovery of the electrolyte from the circulation path has been completed, and the process proceeds to step 221 where negative pressure is applied to the valve V30. Switch to state. Next, the process proceeds to step 223.
In step 223, the valve V32 is opened. In this state, when the circulation pump 41 continues to operate, the inside of the electrolyte circulation path including the circulation line 40 becomes negative pressure.

次に、ステップ225において、所定時間T以内に循環ライン40内部の圧力P1が所定圧力αより低くなったか否かを、圧力センサ47による計測に基づき判断する。所定時間T以内に循環ライン40内部の圧力P1が所定圧力αより小さくなったと判断した場合には、ステップ229に進み、循環ポンプ41を停止し、更にステップ231においてバルブV32を閉じる。こうして、図3の制御を終了する。
ステップ225において所定時間Tが経過しても循環ライン40内部の圧力P1がαより低くならない場合は、循環系内の漏れや循環ポンプ41の性能劣化等の異常が発生したと判断して、ステップ227に進み、全てのバルブを安全側に作動させるとともにシステム1の全電源を停止し、異常報知(アラーム)を行う。
Next, in step 225, it is determined based on the measurement by the pressure sensor 47 whether or not the pressure P1 inside the circulation line 40 has become lower than the predetermined pressure α within the predetermined time T. If it is determined that the pressure P1 inside the circulation line 40 has become smaller than the predetermined pressure α within the predetermined time T, the process proceeds to step 229, the circulation pump 41 is stopped, and the valve V32 is closed in step 231. Thus, the control of FIG. 3 is finished.
If the pressure P1 in the circulation line 40 does not become lower than α even after the predetermined time T has elapsed in step 225, it is determined that an abnormality such as leakage in the circulation system or performance deterioration of the circulation pump 41 has occurred. Proceeding to 227, all the valves are operated to the safe side, and all the power sources of the system 1 are stopped, and an abnormality notification (alarm) is performed.

次に、図3の制御により電解液を電解液リザーブタンク43に回収した後に、システム1を再始動する場合の制御について、図4を参照しながら説明する。図4の制御フローは制御回路80によって、タイマー設定に基づき、及び/又は所定周期ごとに実行される。まずステップ301において、日照度計60を用いて日照度を計測する。次のステップ303において、計測した日照度が所定照度lx以上であるか否かを判断する。計測した日照度が所定照度lxより低い場合には、ステップ301へ戻って、再度、日照度の計測を行う。ステップ303において日照度が所定照度lx以上であると判断された場合には、ステップ305へ進み、外気温センサ(図示略)により計測した外気温度が0℃より高いか否かを判断する。計測した外気温度が0℃以下の場合は、電解液の凍結による機器の破壊の可能性があるため、システム1の再始動へ移行せず、再度ステップ301に戻って日照度を計測する。外気温度が0℃より高いと判断された場合には、ステップ307へ進み、バルブV24を通常稼動状態に切り替え、バルブV30をパージ/再始動状態へ切り替え、循環ポンプ41を作動させる。   Next, the control when the system 1 is restarted after the electrolytic solution is collected in the electrolytic solution reserve tank 43 by the control of FIG. 3 will be described with reference to FIG. The control flow of FIG. 4 is executed by the control circuit 80 based on timer settings and / or at predetermined intervals. First, in step 301, the daily illuminance is measured using the daily illuminometer 60. In the next step 303, it is determined whether or not the measured daily illuminance is greater than or equal to a predetermined illuminance lx. When the measured daily illuminance is lower than the predetermined illuminance lx, the process returns to step 301 and the daily illuminance is measured again. If it is determined in step 303 that the daily illuminance is greater than or equal to the predetermined illuminance lx, the process proceeds to step 305, where it is determined whether or not the outside air temperature measured by the outside air temperature sensor (not shown) is higher than 0 ° C. When the measured outside air temperature is 0 ° C. or lower, there is a possibility of destruction of the equipment due to freezing of the electrolytic solution. Therefore, the process does not proceed to restart of the system 1 but returns to step 301 again to measure the daily illuminance. If it is determined that the outside air temperature is higher than 0 ° C., the process proceeds to step 307, the valve V24 is switched to the normal operation state, the valve V30 is switched to the purge / restart state, and the circulation pump 41 is operated.

図3の制御によって、電解液回収後の循環ライン40内は負圧になっているため、バルブ30をパージ/再始動状態に切り替えることで、電解液を電解液リザーブタンク43内から循環ライン40内へと迅速に吸引することができ、循環ポンプ41との協働により、循環ライン40内に電解液を迅速に充満させ、もって、システム1の再始動を迅速に行うことができる。次のステップ309では、水位計50による計測に基づき、水分解モジュール3内の電解液の水位が、通常の稼動時に設定されている所定水位β以上になったか否かを判断する。水分解モジュール3内の電解液の水位が所定水位β以上になるまでステップ309を繰り返し、所定水位β以上になった時点で次のステップ311に進む。ステップ311では、水分解モジュール3に対する給電を開始し、バルブV30を通常稼働状態に切り替える。もって水分解を含む通常の運転を開始することで、図4の制御を終了する。   Since the inside of the circulation line 40 after the electrolytic solution recovery is negative pressure by the control of FIG. 3, the electrolytic solution is supplied from the inside of the electrolytic solution reserve tank 43 to the circulation line 40 by switching the valve 30 to the purge / restart state. The circulation line 40 can be quickly filled with the electrolyte solution, and thus the system 1 can be restarted quickly. In the next step 309, based on the measurement by the water level meter 50, it is determined whether or not the water level of the electrolyte in the water splitting module 3 has become equal to or higher than a predetermined water level β set during normal operation. Step 309 is repeated until the water level of the electrolyte in the water splitting module 3 becomes equal to or higher than the predetermined water level β. When the water level becomes equal to or higher than the predetermined water level β, the process proceeds to the next step 311. In step 311, power supply to the water splitting module 3 is started, and the valve V30 is switched to a normal operation state. Thus, the normal operation including water splitting is started, thereby completing the control in FIG.

上記実施例の図3の制御においては、日照時計60で計測した日照度、及び、液温センサ46で計測した電解液温度を、ステップ207以降の電解液回収のための制御の実行条件として用いたが、本発明はこれに限定されない。
例えば、これに代えて、所定時刻になったときに、電解液回収制御の実行条件が成立したと判断する構成としても良い。所定時刻は固定的な時刻としても良く、あるいは国立天文台等の機関により提供される毎日の暦データに基づく日没の時刻(あるいはその近辺の時刻)を所定時刻として毎日更新する構成としても良い。こうすることで、日没によって太陽光利用による水分解が困難又は不可能となった際に電解液を回収することができる。
In the control of FIG. 3 of the above embodiment, the illuminance measured by the sunshine clock 60 and the electrolyte temperature measured by the liquid temperature sensor 46 are used as execution conditions for the control for recovering the electrolyte after step 207. However, the present invention is not limited to this.
For example, instead of this, it may be determined that the execution condition of the electrolyte solution recovery control is satisfied when a predetermined time comes. The predetermined time may be a fixed time, or may be configured such that the sunset time (or a time in the vicinity thereof) based on daily calendar data provided by an organization such as the National Astronomical Observatory is updated daily as the predetermined time. By doing so, the electrolytic solution can be collected when water splitting by using sunlight becomes difficult or impossible due to sunset.

また、上記の実行条件に代えて、あるいはそれらに加えて、気象台又は気象情報提供サービス会社等から提供される気象情報を電解液回収制御の実行条件として用いても良い。このような構成によれば、曇天や雨天により日照が減り、太陽光利用による水分解が十分に行えなくなったときや、そのような状況が予想される場合に電解液を回収して、光電極が無用に電解液中に浸漬され続ける状況を回避することができる。あるいは、降雪や気温の低下により電解液の凍結が予想される場合に電解液を回収して、電解液の凍結による機器の故障を未然に防ぐことができる。   Further, instead of or in addition to the above execution conditions, weather information provided from a meteorological observatory or a weather information providing service company may be used as an execution condition for electrolyte recovery control. According to such a configuration, when the sunshine is reduced due to cloudy or rainy weather and water decomposition by using sunlight is not sufficiently performed, or when such a situation is expected, the electrolytic solution is recovered and the photoelectrode It is possible to avoid a situation in which the film is unnecessarily immersed in the electrolytic solution. Alternatively, when the electrolytic solution is expected to be frozen due to snowfall or a decrease in temperature, the electrolytic solution can be collected to prevent a malfunction of the device due to the freezing of the electrolytic solution.

更には、ユーザの指示入力によりS207以降の電解液回収制御を実行開始するようにしても良い。これにより、太陽光利用システムによる水分解を行わない期間中、電解液を回収することにより、光電極が無用に電解液中に浸漬され続ける状況を回避することができる。指示入力は制御回路80に対して行うものとしても良く、あるいは、入力のための装置を別途設けるものとしても良い。   Furthermore, execution of the electrolytic solution recovery control in and after S207 may be started by an instruction input from the user. Thereby, it is possible to avoid a situation where the photoelectrode is continuously immersed in the electrolytic solution unnecessarily by collecting the electrolytic solution during a period in which water splitting by the solar system is not performed. The instruction input may be performed on the control circuit 80, or a device for input may be provided separately.

なお、図4のS307以降の、電解液を再循環させ通常の運転を開始させる制御についても、所定時刻(一定の時刻、暦データに基づく日の出の時刻、またはその近辺の時刻)に実行を開始したり、ユーザの指示入力により実行を開始したり、あるいは気象情報を実行条件として用いたりしても良い。
上記実施例では、電極間に電圧を印加する電源を接続した場合について説明したが、太陽光エネルギーのみで水を水素と酸素に分解できる光半導体触媒を用いれば、電源を接続する必要は無い。
上記実施例において、システム1の通常稼動中の電解液の循環経路に電解液リザーブタンク43を含めても良い場合には、バルブV30の通常稼動状態に代えて、パージ/再始動状態を用いても良い。
また、システム1の通常稼動時以外の期間中、水分解モジュール3と水素ライン4の間の連通を遮断するための手段を設けても良い。
Note that the control for recirculating the electrolyte and starting normal operation after S307 in FIG. 4 is also started at a predetermined time (a fixed time, a sunrise time based on calendar data, or a time in the vicinity thereof). Or execution may be started by a user instruction input, or weather information may be used as an execution condition.
In the above embodiment, the case where a power source for applying a voltage between electrodes is connected has been described. However, if a photo semiconductor catalyst capable of decomposing water into hydrogen and oxygen with only solar energy is used, it is not necessary to connect a power source.
In the above embodiment, when the electrolyte reserve tank 43 may be included in the electrolyte circulation path during normal operation of the system 1, the purge / restart state is used instead of the normal operation state of the valve V30. Also good.
Further, means for blocking communication between the water splitting module 3 and the hydrogen line 4 may be provided during a period other than during normal operation of the system 1.

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。   The present invention is not limited to the description of the embodiment and examples of the invention. Various modifications are also included in the present invention as long as those skilled in the art can easily conceive without departing from the scope of the claims.

1 太陽光利用システム
3 水分解モジュール
20 燃料電池
21 熱交換器
31 水素圧力容器
33 酸素圧力容器
35、36 圧力計
V24、V30、V32 バルブ
40 循環ライン
41 循環ポンプ
43 電解液リザーブタンク
46 液温センサ
47 圧力センサ
48、50 水位計
60 日照度計
80 制御回路
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Solar power utilization system 3 Water splitting module 20 Fuel cell 21 Heat exchanger 31 Hydrogen pressure vessel 33 Oxygen pressure vessel 35, 36 Pressure gauge V24, V30, V32 Valve 40 Circulation line 41 Circulation pump 43 Electrolyte reserve tank 46 Liquid temperature sensor 47 Pressure sensor 48, 50 Water level meter 60 Day light meter 80 Control circuit

Claims (16)

一方に光半導体触媒が担持された一対の電極を有し、該光半導体触媒に照射された太陽光エネルギーを利用して電解液を分解する水分解部と、
前記水分解部で生成された酸素を貯蔵する酸素貯蔵部と、
前記電解液を貯蔵するための電解液貯蔵部と、
前記酸素貯蔵部、前記水分解部、前記電解液貯蔵部を接続する流体通路と、
前記電解液を前記水分解部から前記電解液貯蔵部に回収するための所定の回収条件が成立したか否かを判断する回収条件判断部と、を備える太陽光利用システムであって、
前記回収条件が成立したと前記回収条件判断部が判断した場合に、前記酸素貯蔵部に貯蔵された酸素の圧力により前記電解液を前記水分解部から押し出し、前記流体通路を介して前記電解液貯蔵部に回収する、ことを特徴とする太陽光利用システム。
A water-splitting part having a pair of electrodes carrying a photo-semiconductor catalyst on one side and decomposing an electrolyte solution using solar energy irradiated to the photo-semiconductor catalyst;
An oxygen storage unit for storing oxygen generated in the water splitting unit;
An electrolytic solution storage unit for storing the electrolytic solution;
A fluid passage connecting the oxygen storage unit, the water decomposition unit, and the electrolyte storage unit;
A recovery condition determination unit that determines whether or not a predetermined recovery condition for recovering the electrolytic solution from the water splitting unit to the electrolytic solution storage unit is satisfied,
When the recovery condition determination unit determines that the recovery condition is satisfied, the electrolytic solution is pushed out from the water decomposition unit by the pressure of oxygen stored in the oxygen storage unit, and the electrolytic solution is passed through the fluid passage. A solar light utilization system characterized by being collected in a storage unit.
前記酸素貯蔵部内の圧力を検出する圧力検出部と、
前記流体通路に備えられた流体ポンプと、を備え、
前記回収条件が成立したと前記回収条件判断部が判断し、かつ、前記圧力検出部により検出された前記酸素貯蔵部内の圧力が所定圧力以下である場合に、前記流体ポンプを作動させ、前記水分解部から前記電解液を前記電解液貯蔵部に回収する、ことを特徴とする請求項1に記載の太陽光利用システム。
A pressure detection unit for detecting the pressure in the oxygen storage unit;
A fluid pump provided in the fluid passage,
When the recovery condition determination unit determines that the recovery condition is satisfied and the pressure in the oxygen storage unit detected by the pressure detection unit is equal to or lower than a predetermined pressure, the fluid pump is operated to The solar light utilization system according to claim 1, wherein the electrolytic solution is recovered from the decomposition unit into the electrolytic solution storage unit.
前記電解液の回収が終了した後に、前記流体ポンプを作動させることにより前記流体通路内部を負圧にする、ことを特徴とする請求項2に記載の太陽光利用システム。   The solar light utilization system according to claim 2, wherein after the recovery of the electrolytic solution is completed, the fluid pump is operated to make the inside of the fluid passage have a negative pressure. 前記電極に対する日照度を検出する日照度検出部、を備え、
前記回収条件判断部は、前記日照度が所定照度以下となった場合に、前記回収条件が成立したと判断する、ことを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の太陽光利用システム。
A daily illuminance detector for detecting the daily illuminance for the electrode,
The solar light utilization system according to any one of claims 1 to 3, wherein the collection condition determination unit determines that the collection condition is satisfied when the daily illuminance is equal to or less than a predetermined illuminance. .
前記回収条件判断部は、所定時刻になった場合に前記回収条件が成立したと判断する、ことを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の太陽光利用システム。   The solar light utilization system according to any one of claims 1 to 3, wherein the recovery condition determination unit determines that the recovery condition is satisfied when a predetermined time comes. 前記電解液の回収を行う旨の指示を入力するための回収指示入力部、を備え、
前記回収条件判断部は、前記回収指示入力部に対して前記電解液の回収を行う旨の指示が入力された場合に、前記回収条件が成立したと判断する、ことを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の太陽光利用システム。
A recovery instruction input unit for inputting an instruction to recover the electrolyte solution,
The recovery condition determination unit determines that the recovery condition is satisfied when an instruction to recover the electrolyte is input to the recovery instruction input unit. The solar light utilization system in any one of -3.
気象情報を受け取る気象情報入力部、を備え、
前記回収条件判断部は、前記気象情報入力部が所定の気象情報を受け取った場合に、前記回収条件が成立したと判断する、ことを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の太陽光利用システム。
A weather information input unit for receiving weather information,
The sun according to any one of claims 1 to 3, wherein the recovery condition determination unit determines that the recovery condition is satisfied when the weather information input unit receives predetermined weather information. Light utilization system.
前記電解液の温度を検出する温度検出部、を備え、
前記回収条件判断部は、前記温度検出部により検出された前記電解液の温度が所定温度以下の場合に、前記回収条件が成立したと判断する、ことを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の太陽光利用システム。
A temperature detector for detecting the temperature of the electrolyte solution,
The said collection condition judgment part judges that the said collection condition was satisfied when the temperature of the said electrolyte solution detected by the said temperature detection part is below predetermined temperature, The any one of Claims 1-3 characterized by the above-mentioned. The solar power utilization system described in Crab.
一方に光半導体触媒が担持された一対の電極を有し、該光半導体触媒に照射された太陽光エネルギーを利用して電解液を分解する太陽光利用システムの制御方法であって、
前記水分解部で生成された酸素を酸素貯蔵部に貯蔵するステップと、
前記電解液を前記水分解部から電解液貯蔵部に回収するための所定の回収条件が成立したか否かを判断する判断ステップと、
前記回収条件が成立したと判断した場合に、前記酸素貯蔵部に貯蔵された酸素の圧力により前記電解液を前記水分解部から押し出し、流体通路を介して前記電解液貯蔵部に回収するステップと、を有する制御方法。
A control method for a solar light utilization system having a pair of electrodes carrying a light semiconductor catalyst on one side and decomposing an electrolyte using solar energy irradiated to the light semiconductor catalyst,
Storing oxygen generated in the water splitting unit in an oxygen storage unit;
A determination step of determining whether or not a predetermined recovery condition for recovering the electrolytic solution from the water splitting unit to the electrolytic solution storage unit is satisfied;
When it is determined that the recovery condition is satisfied, the step of pushing out the electrolytic solution from the water splitting unit by the pressure of oxygen stored in the oxygen storage unit and recovering the electrolytic solution to the electrolytic solution storage unit through a fluid passage; And a control method.
前記酸素貯蔵部内の圧力を検出するステップと、
前記回収条件が成立したと前記判断ステップが判断し、かつ、前記圧力検出部により検出された前記酸素貯蔵部内の圧力が所定圧力以下である場合に、前記前記流体通路に備えられた流体ポンプを作動させることにより、前記水分解部から前記電解液を前記電解液貯蔵部に回収するステップ、を備える請求項9に記載の制御方法。
Detecting the pressure in the oxygen reservoir;
When the determination step determines that the recovery condition is satisfied, and the pressure in the oxygen storage unit detected by the pressure detection unit is equal to or lower than a predetermined pressure, a fluid pump provided in the fluid passage is provided. The control method according to claim 9, further comprising a step of recovering the electrolyte solution from the water splitting unit to the electrolyte storage unit by being operated.
前記電解液の回収が終了した後に、前記流体ポンプを作動させることにより前記流体通路内部を負圧にするステップ、を備える請求項10に記載の制御方法。   The control method according to claim 10, further comprising the step of setting the inside of the fluid passage to a negative pressure by operating the fluid pump after the recovery of the electrolytic solution is completed. 前記電極に対する日照度を検出するステップを備え、
前記判断ステップは、前記日照度が所定照度以下となった場合に、前記回収条件が成立したと判断する、ことを特徴とする請求項9〜11のいずれかに記載の制御方法。
Detecting a daily illuminance for the electrode,
The control method according to claim 9, wherein the determining step determines that the collection condition is satisfied when the daily illuminance is equal to or less than a predetermined illuminance.
前記判断ステップは、所定時刻になった場合に前記回収条件が成立したと判断する、ことを特徴とする請求項9〜11のいずれかに記載の制御方法。   The control method according to claim 9, wherein the determination step determines that the collection condition is satisfied when a predetermined time comes. 前記電解液の回収を行う旨の指示を入力するステップ、を備え、
前記判断ステップは、前記回収指示入力部に対して前記電解液の回収を行う旨の指示が入力された場合に、前記回収条件が成立したと判断する、ことを特徴とする請求項9〜11のいずれかに記載の制御方法。
Inputting an instruction to collect the electrolyte solution,
The determination step determines that the recovery condition is satisfied when an instruction to recover the electrolytic solution is input to the recovery instruction input unit. The control method in any one of.
気象情報を受け取る気象情報受け取りステップ、を備え、
前記判断ステップは、気象情報受け取りステップにおいて所定の気象情報を受け取った場合に、前記回収条件が成立したと判断する、ことを特徴とする請求項9〜11のいずれかに記載の制御方法。
A weather information receiving step for receiving weather information,
The control method according to claim 9, wherein the determination step determines that the recovery condition is satisfied when predetermined weather information is received in the weather information reception step.
前記電解液の温度を検出する温度検出ステップ、を備え、
前記判断ステップは、前記温度検出ステップにおいて検出された前記電解液の温度が所定温度以下の場合に、前記回収条件が成立したと判断する、ことを特徴とする請求項9〜11のいずれかに記載の制御方法。
A temperature detection step of detecting the temperature of the electrolyte solution,
The determination step determines that the recovery condition is satisfied when the temperature of the electrolytic solution detected in the temperature detection step is equal to or lower than a predetermined temperature. The control method described.
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