JP2014028985A - Energy system - Google Patents

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Kenichi Tokuhiro
憲一 徳弘
Yukio Nomura
幸生 野村
Kazuhito Hado
一仁 羽藤
Takahiro Suzuki
孝浩 鈴木
Satoshi Tamura
聡 田村
Yoshihiro Kozawa
宜裕 小澤
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To control generation, storage and consumption of hydrogen and to protect an energy system in a case in which hydrogen is generated exceeding storage capacity of a hydrogen storage apparatus.SOLUTION: An energy system includes: a hydrogen generation apparatus that generates hydrogen using water; a hydrogen storage apparatus that stores the hydrogen generated by the hydrogen generation apparatus; an electricity generation apparatus that generates electricity using the hydrogen stored in the hydrogen storage apparatus; and a hydrogen consumption apparatus that consumes the hydrogen not stored in the hydrogen storage apparatus, and the hydrogen consumption apparatus safely consumes the hydrogen by a method other than converting to electric energy.

Description

本発明は、燃料電池等の水素を用いて発電する装置で利用される水素を生成し、かかる水素をエネルギー貯蔵手段として貯蔵する水素貯蔵装置、および水素を消費する水素消費装置を備えたエネルギーシステムに関するものである。   The present invention relates to a hydrogen storage device that generates hydrogen used in a device that generates power using hydrogen, such as a fuel cell, and stores the hydrogen as energy storage means, and an energy system including a hydrogen consumption device that consumes hydrogen. It is about.

近年、風力発電や太陽光発電は、エネルギー源として自然エネルギーを利用し、化石燃料を用いないクリーンな発電手段として注目され、世界中で活発に開発・導入が行われている。   In recent years, wind power generation and solar power generation have attracted attention as a clean power generation means that uses natural energy as an energy source and does not use fossil fuel, and are being actively developed and introduced all over the world.

しかしながら、自然エネルギーを利用した発電手段は、風力の変化もしくは太陽光照射強度の変化などの予測が困難で、発電量の予測や、調整が難しい。   However, it is difficult for power generation means using natural energy to predict changes in wind power or changes in the intensity of sunlight irradiation, and it is difficult to predict and adjust the amount of power generation.

そのような特徴のため、電力需要者の需要電力量に合わせて、発電量を調整することができず、時として、需要量に対して過剰の電力を発電してしまい、停電など、送電網に深刻な影響を与えてしまう場合もある。   Because of such characteristics, the amount of power generation cannot be adjusted according to the amount of power demand of power consumers, and sometimes power is generated excessively with respect to the amount of demand, resulting in power transmission networks such as power outages. May be seriously affected.

このような課題を解決するため、発電手段が過剰に発電してしまった電力を利用して水電解を行い、水素を製造する水素製造設備と、製造した水素を貯蔵する水素貯蔵設備と、水素を電気エネルギーに変換する燃料電池からなるシステムが開示されている（例えば、特許文献１、２参照）。   In order to solve such problems, a hydrogen production facility for producing hydrogen by performing water electrolysis using the power generated excessively by the power generation means, a hydrogen storage facility for storing the produced hydrogen, and a hydrogen Has been disclosed (for example, see Patent Documents 1 and 2).

また、従来のシステムにおいては、水素貯蔵設備から燃料電池へ水素ガスを放出する際の、タイミングの制御などが開示されている。   Moreover, in the conventional system, timing control and the like when hydrogen gas is released from the hydrogen storage facility to the fuel cell are disclosed.

特開２００３−２５７４５８号公報JP 2003-257458 A 特開２００４−７１４８７号公報JP 2004-71487 A

しかしながら、従来のシステムでは、水素貯蔵設備の貯蔵能力を超えて水素が生成した場合の制御方法が考慮されていない。   However, the conventional system does not consider a control method when hydrogen is generated beyond the storage capacity of the hydrogen storage facility.

本発明は、かかる従来の課題を解決するもので、安全にかつ効率よく水素を制御するエネルギーシステムを提供することを目的とする。   An object of the present invention is to solve such a conventional problem and to provide an energy system that controls hydrogen safely and efficiently.

従来の課題を解決するために、本発明のエネルギーシステムは、水を用いて水素を生成する水素生成装置と、水素生成装置で生成した水素を貯蔵する水素貯蔵装置と、水素貯蔵装置に貯蔵された水素を用いて発電する発電装置と、水素貯蔵設備の貯蔵能力を超えて生成された場合等により、水素貯蔵設備に貯蔵されない水素を、燃料電池等により電気エネルギーに変換する以外の方法で消費する、水素消費設備を備える。   In order to solve the conventional problems, an energy system of the present invention is stored in a hydrogen generator that generates water using water, a hydrogen storage device that stores hydrogen generated by the hydrogen generator, and a hydrogen storage device. Consumption of hydrogen that is not stored in the hydrogen storage facility by means other than converting it into electrical energy using a fuel cell, etc. Equipped with hydrogen consuming equipment.

本発明のエネルギーシステムによれば、水素を安全に貯蔵し、また効率よく生成し、さらに安全に消費することができる。   According to the energy system of the present invention, hydrogen can be safely stored, efficiently generated, and further safely consumed.

本発明の実施の形態１におけるエネルギーシステムの構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the energy system in Embodiment 1 of this invention. （ａ）は、本発明の実施の形態１における水素生成装置の一例の断面図である。（ｂ）は、本発明の実施の形態１における水素生成装置の他の一例の断面図である。(A) is sectional drawing of an example of the hydrogen generator in Embodiment 1 of this invention. (B) is sectional drawing of the other example of the hydrogen generator in Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態２におけるエネルギーシステムの構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the energy system in Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施の形態２における水素生成装置の一例の断面図である。It is sectional drawing of an example of the hydrogen generator in Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施の形態３におけるエネルギーシステムの構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the energy system in Embodiment 3 of this invention.

（本発明の基礎となった知見）
従来のシステムにおいては、例えば、水素貯蔵設備の貯蔵能力を超えて水素が生成した場合の制御方法は考慮されていない。 (Knowledge that became the basis of the present invention)
In the conventional system, for example, a control method when hydrogen is generated exceeding the storage capacity of the hydrogen storage facility is not considered.

そのため、水素貯蔵設備の貯蔵能力を超えた状態を放置したまま水素を生成し続け、水素ガスの圧力が上昇すると、水素生成設備の水電解効率の低下や、水素生成設備内部の破損により、酸素ガスと混合し爆発性の可燃ガスを生じる可能性もある。   For this reason, if hydrogen is continuously generated while the storage capacity of the hydrogen storage facility is exceeded and the pressure of the hydrogen gas increases, the water electrolysis efficiency of the hydrogen generation facility decreases and the oxygen inside the hydrogen generation facility breaks down. May mix with gas to produce explosive combustible gas.

また、水素貯蔵設備の貯蔵能力以下のレベルまで貯蔵された水素量を減少させるため、水素貯蔵設備から燃料電池へ水素を送出し、燃料電池の発電により水素を消費した場合、需要電力量に対して発電電力量が過剰な状態となり、停電などの危険な状態に陥ってしまう。   In addition, in order to reduce the amount of hydrogen stored to a level below the storage capacity of the hydrogen storage facility, when hydrogen is sent from the hydrogen storage facility to the fuel cell and consumed by fuel cell power generation, As a result, the amount of generated power becomes excessive, resulting in a dangerous state such as a power failure.

さらに、水素製造設備の運転を停止すると、特に水電解により水素を製造する設備の場合、通常加熱して運転されるため、再起動に時間がかかり好ましくない。   Furthermore, when the operation of the hydrogen production facility is stopped, particularly in the case of the facility for producing hydrogen by water electrolysis, since it is usually operated by heating, restarting takes time, which is not preferable.

本発明者は、そのような場合における水素貯蔵設備に貯蔵されない水素を、安全にかつ効率よく制御することに着目し、かかる課題を解決することができるエネルギーシステムを創出した。   The present inventor has paid attention to safely and efficiently controlling hydrogen that is not stored in the hydrogen storage facility in such a case, and has created an energy system that can solve such a problem.

以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

（実施の形態１）
図１は、本実施の形態におけるエネルギーシステム１００の構成例を示す図である。 (Embodiment 1)
FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration example of an energy system 100 according to the present embodiment.

図１において、発電設備１０１は、火力発電、石炭発電、ガス発電、原子力発電など、化石燃料もしくは原子力をエネルギー源とする発電手段、または太陽光発電、風力発電、潮力発電、地熱発電など自然エネルギーをエネルギー源とする発電手段、またはそれらを組み合わせたものからなっており、地域社会もしくは、事業体、家庭などに構築された送電網に電力を供給している。   In FIG. 1, a power generation facility 101 is a power generation means using fossil fuel or nuclear power as an energy source, such as thermal power generation, coal power generation, gas power generation, and nuclear power generation, or natural power generation such as solar power generation, wind power generation, tidal power generation, and geothermal power generation. It consists of power generation means using energy as an energy source, or a combination thereof, and supplies power to a power transmission network constructed in a local community, business entity, or home.

しかしながら、なんらかの原因により、発電設備１０１で発電される電力量の調整が追いつかず、発電される電力量が、送電網側から求められる需要電力量を上回り、許容される系統電圧を超過した場合、停電などの深刻な影響を送電網に与えることとなる。   However, for some reason, the adjustment of the amount of power generated by the power generation facility 101 cannot catch up, and the amount of power generated exceeds the amount of power demanded from the transmission network side and exceeds the allowable system voltage. This will have a serious impact on the power grid, such as a power outage.

かかる深刻な影響を回避するため、送電網側から求められる需要電力量を超過した余剰電力を水素生成装置１０２へ通電し、水を電解することにより水素を生成する。   In order to avoid such a serious influence, surplus power exceeding the amount of power demanded from the power transmission network side is energized to the hydrogen generator 102 to generate hydrogen by electrolyzing water.

水を電解する電力としては、余剰電力以外にも、電気料金の安い夜間電力などが用いられても良い。   As electric power for electrolyzing water, night electric power with a low electricity charge may be used in addition to surplus electric power.

図２は、本実施の形態に用いられる一般的な水素生成装置である水電解装置の概略図である。   FIG. 2 is a schematic diagram of a water electrolysis apparatus which is a general hydrogen generator used in the present embodiment.

図２の（ａ）は、アルカリ水電解型の水電解装置の断面図である。アルカリ水電解型の電解装置は、筐体２０１とアノード電極２０３、カソード電極２０４、およびアノード電極２０３とカソード電極２０４に電圧を印加するための電源２０２、およびセパレーター２０５、とを有する。筐体２０１の内部には電解液２０６が収容されており、電解液２０６は、一般的には電解質として２０〜３０％の濃度で水酸化カリウムを溶解した水溶液が用いられる。   FIG. 2A is a cross-sectional view of an alkaline water electrolysis type water electrolysis apparatus. The alkaline water electrolysis type electrolysis apparatus includes a casing 201, an anode electrode 203, a cathode electrode 204, a power source 202 for applying a voltage to the anode electrode 203 and the cathode electrode 204, and a separator 205. An electrolytic solution 206 is accommodated in the housing 201. The electrolytic solution 206 is generally an aqueous solution in which potassium hydroxide is dissolved at a concentration of 20 to 30% as an electrolyte.

本実施の形態においては、電源２０２は、発電設備１０１が用いられる。発電設備１０１から出力される電力が交流の場合は、直流電力へ変換する整流装置（図示せず）などが、発電設備１０１と水素生成装置１０２の間に設置されても良い。   In the present embodiment, the power generation facility 101 is used as the power source 202. In the case where the power output from the power generation facility 101 is alternating current, a rectifier (not shown) that converts the power into direct current power may be installed between the power generation facility 101 and the hydrogen generator 102.

アノード電極２０３を構成する材料として、ニッケル系化合物、コバルト系化合物、鉄系化合物、貴金属酸化物などが知られており、カソード電極２０４を構成する材料としては、鉄系化合物、ニッケル系化合物などが知られている。   Nickel compounds, cobalt compounds, iron compounds, noble metal oxides and the like are known as materials constituting the anode electrode 203, and iron compounds, nickel compounds and the like are known as materials constituting the cathode electrode 204. Are known.

水電解は、４０〜２００℃程度に加熱した状態で行われることが一般的である。   Water electrolysis is generally performed in a state heated to about 40 to 200 ° C.

電源２０２によりアノード電極２０３とカソード電極２０４に電圧が印加されると、アノード電極２０３上では、（１）に示した反応式により、水を電解して酸素ガスを生成し、カソード電極２０４上では、（２）に示した反応式により、水を電解して水素ガスが生成される。   When a voltage is applied to the anode electrode 203 and the cathode electrode 204 by the power source 202, water is electrolyzed on the anode electrode 203 by the reaction equation shown in (1) to generate oxygen gas, and on the cathode electrode 204, According to the reaction formula shown in (2), water is electrolyzed to generate hydrogen gas.

２ＯＨ− → １／２Ｏ２＋Ｈ２Ｏ＋２ｅ− （１）
２Ｈ２Ｏ＋２ｅ− → Ｈ２＋２ＯＨ− （２）
生成した水素ガスと酸素ガスが混合状態で存在すると、爆発性のガスとなり危険である。爆発性のガスの生成を防止するため、アノード電極２０３を含む領域と、カソード電極２０４を含む領域を分離する、セパレーター２０５が設置されている。セパレーター２０５は、電解液に含まれるイオンは透過するが、気体は遮断するような材質からなっていることが好ましい。セパレーター２０５として、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）系材料、ニッケル系材料、アスベストなどが用いられる。 2OH − → 1/2 O 2 + H 2 O + 2e − (1)
2H 2 O + 2e − → H 2 + 2OH − (2)
If the generated hydrogen gas and oxygen gas are present in a mixed state, the gas becomes explosive and dangerous. In order to prevent the generation of explosive gas, a separator 205 that separates a region including the anode electrode 203 and a region including the cathode electrode 204 is provided. The separator 205 is preferably made of a material that transmits ions contained in the electrolytic solution but blocks gas. As the separator 205, polytetrafluoroethylene (PTFE) -based material, nickel-based material, asbestos, or the like is used.

図２の（ｂ）は、固体高分子型（ＭＥＡ）の水電解装置の断面図である。固体高分子型の水電解装置は、筐体２０１とアノード電極２０７、カソード電極２０８、およびアノード電極２０７とカソード電極２０８に電圧を印加するための電源２０２、およびセパレーター２０９、とを有する。筐体２０１の内部には電解液２１０が収容されており、電解液２１０は、一般的には純水が用いられる。   FIG. 2B is a cross-sectional view of a polymer electrolyte (MEA) water electrolysis apparatus. The solid polymer type water electrolysis apparatus includes a casing 201, an anode electrode 207, a cathode electrode 208, a power source 202 for applying a voltage to the anode electrode 207 and the cathode electrode 208, and a separator 209. An electrolytic solution 210 is accommodated in the housing 201, and pure water is generally used as the electrolytic solution 210.

固体高分子型の水電解装置においても、本実施の形態の場合、電源２０２は、発電設備１０１が用いられる。発電設備１０１から出力される電力が交流の場合は、直流電力へ変換する整流装置（図示せず）などが、発電設備１０１と水素生成装置１０２の間に設置されても良い。   Also in the solid polymer type water electrolysis apparatus, in the present embodiment, the power source 202 uses the power generation equipment 101. In the case where the power output from the power generation facility 101 is alternating current, a rectifier (not shown) that converts the power into direct current power may be installed between the power generation facility 101 and the hydrogen generator 102.

アノード電極２０７を構成する材料として、イリジウム系化合物、ルテニウム系化合物などが知られており、カソード電極２０８を構成する材料としては、白金担持電極などが知られている。   Known materials for the anode electrode 207 include iridium compounds and ruthenium compounds, and known materials for the cathode electrode 208 include platinum-supported electrodes.

水電解は、６０〜１００℃程度に加熱した状態で行われることが一般的である。   Water electrolysis is generally performed in a state heated to about 60 to 100 ° C.

電源２０２によりアノード電極２０７とカソード電極２０８に電圧が印加されると、アノード電極２０７上では、（３）に示した反応式により、水を電解して酸素ガスを生成し、カソード電極２０８上では、（４）に示した反応式により、水を電解して水素ガスが生成される。   When a voltage is applied to the anode electrode 207 and the cathode electrode 208 by the power source 202, water is electrolyzed on the anode electrode 207 according to the reaction formula shown in (3) to generate oxygen gas, and on the cathode electrode 208 According to the reaction formula shown in (4), water is electrolyzed to generate hydrogen gas.

Ｈ２Ｏ → １／２Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ− （３）
２Ｈ＋＋２ｅ− → Ｈ２ （４）
固体高分子型の水電解装置においても、アノード電極２０７を含む空間と、カソード電極２０８を含む空間を分離する、セパレーター２０９が設置されている。セパレーター２０９は、ガスの透過は遮断し、かつプロトンを伝導する材料で構成されている。セパレーター２０９として、パーフルオロエチレンスルホン酸系カチオン交換膜などが用いられる。 H 2 O → 1 / 2O 2 + 2H + + 2e − (3)
2H + + 2e − → H 2 (4)
Also in the solid polymer type water electrolysis apparatus, a separator 209 for separating a space including the anode electrode 207 and a space including the cathode electrode 208 is provided. The separator 209 is made of a material that blocks gas permeation and conducts protons. As the separator 209, a perfluoroethylenesulfonic acid cation exchange membrane or the like is used.

アノード電極２０７とセパレーター２０９とカソード電極２０８は接した状態で設置されることが一般的である。   In general, the anode electrode 207, the separator 209, and the cathode electrode 208 are placed in contact with each other.

図２のような水電解装置による水素生成装置１０２で製造された水素は、水素生成装置１０２内部、もしくは水素生成装置１０２の外部に設置された気液分離装置や乾燥設備等の手段（図示せず）で、水分と分離、乾燥され、水素貯蔵装置１０３へ輸送される。輸送方法は水素ガス輸送ラインを敷設して行っても良いし、ガス運搬車のような手段によっても良い。   The hydrogen produced by the hydrogen generator 102 using a water electrolysis apparatus as shown in FIG. 2 is a means such as a gas-liquid separator or a drying facility installed inside the hydrogen generator 102 or outside the hydrogen generator 102 (not shown). In this case, it is separated from moisture, dried, and transported to the hydrogen storage device 103. The transportation method may be performed by laying a hydrogen gas transportation line, or by means such as a gas transporter.

水素貯蔵装置１０３は、耐圧製の機構を有するガスタンク、化石燃料を採掘した後に地下に生じた空隙部、水素貯蔵合金などが用いられ、水素圧力や重量の計測により、水素貯蔵装置１０３に貯蔵された水素の量がモニターできる構成となっている。   The hydrogen storage device 103 uses a gas tank having a pressure-resistant mechanism, a void formed in the basement after mining fossil fuel, a hydrogen storage alloy, etc., and is stored in the hydrogen storage device 103 by measuring hydrogen pressure and weight. It is configured to monitor the amount of hydrogen.

水素生成装置１０２と水素貯蔵装置１０３の間に敷設された水素輸送ライン上や、水素貯蔵装置１０３には、コンプレッサー装置など水素圧力を昇圧するための機構（図示せず）が設置されていても良い。   Even if a mechanism (not shown) for increasing the hydrogen pressure, such as a compressor device, is installed on the hydrogen transport line laid between the hydrogen generator 102 and the hydrogen storage device 103 or in the hydrogen storage device 103. good.

水素貯蔵装置１０３に貯蔵された水素は、必要に応じて取り出され、燃料電池１０４へ供給され、電気エネルギーに変換される。ここで、燃料電池１０４は、水素を天然ガスなどの化石燃料と混合してタービンを回す動力として用いるなど、水素を電気エネルギーに変換する手段に置き換えられても良い。   Hydrogen stored in the hydrogen storage device 103 is taken out as necessary, supplied to the fuel cell 104, and converted into electric energy. Here, the fuel cell 104 may be replaced with a means for converting hydrogen into electric energy, such as using hydrogen as a power for rotating a turbine by mixing it with fossil fuel such as natural gas.

燃料電池１０４で発電された電力は、地域社会もしくは、事業体、家庭などに構築された送電網に供給される。   The electric power generated by the fuel cell 104 is supplied to a power transmission network constructed in a local community, business entity, or home.

送電網には、発電設備１０１および燃料電池１０４から電力が供給されるが、供給される電力の割合は、通常、送電網側（電力需要者側）からの要求、または水素貯蔵装置１０３内の水素残量により決定される。即ち、水素貯蔵装置１０３内の水素残量が多いときは、発電設備１０１からの電力供給量を低減し、水素貯蔵装置１０３内の水素残量が少ないときは、発電設備１０１からの電力供給量を増加させて運転する。   Electric power is supplied to the power transmission network from the power generation facility 101 and the fuel cell 104, and the ratio of the supplied power is normally determined by a request from the power transmission network side (power consumer side) or in the hydrogen storage device 103. Determined by the remaining amount of hydrogen. That is, when the remaining amount of hydrogen in the hydrogen storage device 103 is large, the power supply amount from the power generation facility 101 is reduced, and when the remaining hydrogen amount in the hydrogen storage device 103 is small, the power supply amount from the power generation facility 101 is reduced. Increase the driving speed.

しかしながら、発電設備１０１が、風力発電など、自然エネルギーをエネルギー源として発電する発電手段を含んでいる場合、その発電量予測の困難さにより、大量の余剰電力が生じる場合があり、その大量の余剰電力により水素生成装置１０２において大量の水素が生成される。   However, when the power generation facility 101 includes a power generation means that generates power using natural energy as an energy source, such as wind power generation, a large amount of surplus power may be generated due to difficulty in predicting the amount of power generation. A large amount of hydrogen is generated in the hydrogen generator 102 by the electric power.

発電設備１０１が、自然エネルギーをエネルギー源とする発電手段を含んでいない場合においても、突然の気象の変化などで想定外の事象が発生し、余剰電力が生じてしまう場合があり、同様の課題が生じる。   Even when the power generation facility 101 does not include power generation means using natural energy as an energy source, an unexpected event may occur due to a sudden change in weather or the like, and surplus power may be generated. Occurs.

従来のエネルギーシステムは、例えば、予期せず大量の水素が製造され、水素貯蔵装置１０３の貯蔵能力を超過した場合に対応することができない。   The conventional energy system cannot cope with a case where a large amount of hydrogen is produced unexpectedly and the storage capacity of the hydrogen storage device 103 is exceeded, for example.

水素貯蔵装置１０３の貯蔵能力を超えて製造された水素を、燃料電池１０４で発電することにより消費しようとすると、発電設備１０１で発電された電力量から、水素生成装置１０２で水素生成に使用された電力量を減じて得られる送電網への電力供給量と、送電網からの需要電力量が均衡している状態に、燃料電池１０４で発電された電力量が加わるので、急激な電力供給量超過の状態が生じ、停電の恐れが生じる。   When hydrogen produced beyond the storage capacity of the hydrogen storage device 103 is to be consumed by generating electricity with the fuel cell 104, it is used for hydrogen generation by the hydrogen generation device 102 from the amount of power generated by the power generation facility 101. The amount of power generated by the fuel cell 104 is added to the state in which the amount of power supplied to the power transmission network obtained by reducing the amount of power and the amount of power demanded from the power transmission network are balanced. An excess condition occurs and a power outage may occur.

また、水素貯蔵装置１０３の貯蔵能力を超過して水素を生成し続けると、水素生成装置１０２内の水素ガス圧が上昇する。   Further, if hydrogen is continuously generated beyond the storage capacity of the hydrogen storage device 103, the hydrogen gas pressure in the hydrogen generation device 102 increases.

水素生成装置１０２内の水素ガス圧が上昇すると、カソード電極２０４または、カソード電極２０８上で生成した水素ガスが、電極表面から脱離しにくくなり、電極表面に滞留するため、電解液２０６および電解液２１０が十分に電極表面に拡散することができなくなるため、水電解の効率が低下する。   When the hydrogen gas pressure in the hydrogen generator 102 increases, the hydrogen gas generated on the cathode electrode 204 or the cathode electrode 208 becomes difficult to desorb from the electrode surface and stays on the electrode surface. Since 210 cannot sufficiently diffuse to the electrode surface, the efficiency of water electrolysis is reduced.

さらには、セパレーター２０５やセパレーター２０９が破損し、アノード電極２０３またはアノード電極２０７上で生成した酸素ガスと、カソード電極２０４またはカソード電極２０８上で生成した水素ガスが混合し、爆発性のガスが生じるため大変危険である。または、筐体２０１が水素ガス圧により破損し、特にアルカリ水電解型の水素生成装置１０２の場合、強アルカリ性電解液が漏出して環境にも甚大な影響を与えかねない。   Further, the separator 205 or the separator 209 is damaged, and the oxygen gas generated on the anode electrode 203 or the anode electrode 207 and the hydrogen gas generated on the cathode electrode 204 or the cathode electrode 208 are mixed to generate an explosive gas. Therefore it is very dangerous. Alternatively, the housing 201 is damaged by the hydrogen gas pressure, and particularly in the case of the alkaline water electrolysis type hydrogen generator 102, the strong alkaline electrolyte may leak and have a great influence on the environment.

したがって、本実施の形態においては、水素生成装置１０２、水素貯蔵装置１０３、または水素生成装置１０２と水素貯蔵装置１０３とをつなぐ水素ガス輸送ライン上、または水素貯蔵装置１０３と燃料電池１０４とをつなぐ水素輸送ライン上から分岐して、または、燃料電池１０４上であってスタックに導入される前に、水素消費装置１０５が設けられている。   Therefore, in the present embodiment, the hydrogen generator 102, the hydrogen storage device 103, or the hydrogen gas transport line connecting the hydrogen generator 102 and the hydrogen storage device 103, or the hydrogen storage device 103 and the fuel cell 104 are connected. A hydrogen consuming device 105 is provided branched from the hydrogen transport line or before being introduced into the stack on the fuel cell 104.

水素貯蔵装置１０３に設置された、水素圧力や重量の計測により、水素貯蔵装置１０３に貯蔵された水素の量が水素貯蔵装置１０３の貯蔵能力を超過したことが検知されると、水素生成装置１０２で製造された水素、または水素貯蔵装置１０３に貯蔵された水素は、水素消費装置１０５へ導入されて消費されるため、エネルギーシステム１００を安全に制御することが可能となる。   When it is detected that the amount of hydrogen stored in the hydrogen storage device 103 exceeds the storage capacity of the hydrogen storage device 103 by measuring the hydrogen pressure or weight installed in the hydrogen storage device 103, the hydrogen generation device 102. Since the hydrogen produced in step 1 or the hydrogen stored in the hydrogen storage device 103 is introduced into the hydrogen consumption device 105 and consumed, the energy system 100 can be safely controlled.

送電網からの電力需要者の需用電力量が増加するなどして、水素貯蔵装置１０３の水素量が貯蔵能力以下に減少したことが検知された場合には、水素消費装置１０５への水素導入は停止され、水素生成装置１０２で製造された水素は、水素貯蔵装置１０３で貯蔵され、必要に応じて燃料電池１０４に供給されて電気エネルギーに変換された後、送電網へ供給される。   When it is detected that the amount of hydrogen in the hydrogen storage device 103 has decreased below the storage capacity due to an increase in the amount of power demanded by power consumers from the power transmission network, hydrogen is introduced into the hydrogen consumption device 105. The hydrogen produced in the hydrogen generator 102 is stored in the hydrogen storage device 103, supplied to the fuel cell 104 as necessary, converted into electrical energy, and then supplied to the power grid.

また、燃料電池１０４で水素と酸化性ガスとの反応により発電する際に生じた水は、不純物の含有が少なく、水素生成装置１０２を汚染する恐れも低いため、回収されて水素生成装置１０２で再利用されてもよい。   In addition, the water generated when the fuel cell 104 generates power by the reaction between hydrogen and the oxidizing gas contains less impurities and is less likely to contaminate the hydrogen generator 102. Therefore, the water is recovered and used in the hydrogen generator 102. It may be reused.

水素消費装置１０５が行う水素の消費方法としては、触媒燃焼法、空気希釈法、さらには水素化合物合成などがよい。   As a method of consuming hydrogen performed by the hydrogen consuming apparatus 105, a catalytic combustion method, an air dilution method, and a hydrogen compound synthesis are preferable.

水素消費装置１０５として、触媒燃焼法を用いた設備を設置した場合、水素ガスの燃焼速度が大きく、大量の燃料を燃焼することができ、かつ燃焼効率も高いため、未燃水素ガスの排出が抑制される、また火炎が発生しない燃焼方法なので、安全であるという特徴がある。   When equipment using a catalytic combustion method is installed as the hydrogen consuming device 105, the combustion speed of hydrogen gas is large, a large amount of fuel can be combusted, and the combustion efficiency is also high, so that unburned hydrogen gas is discharged. Since it is a combustion method that is suppressed and does not generate a flame, it is characterized by safety.

加熱雰囲気中で、酸素ガスなどの酸化性ガス存在下において白金などの触媒を用いて行われる。反応生成物は水であり、きわめてクリーンな水素消費設備といえる。   In a heating atmosphere, a catalyst such as platinum is used in the presence of an oxidizing gas such as oxygen gas. The reaction product is water, which is a very clean hydrogen consuming equipment.

反応生成物として得られた水は回収して、水素生成装置１０２で再利用されてもよい。   The water obtained as a reaction product may be recovered and reused in the hydrogen generator 102.

水素消費装置１０５として、空気希釈法を用いた設備を設置した場合、大掛かりな水素処理設備を必要とせず、きわめて安価である。外部から空気を水素消費装置１０５内部へ導入し、空気で水素ガスの爆発下限界である４％以下まで水素ガスを希釈し、大気へ放出される。   When a facility using an air dilution method is installed as the hydrogen consuming device 105, a large-scale hydrogen treatment facility is not required and it is extremely inexpensive. Air is introduced into the hydrogen consuming apparatus 105 from the outside, and the hydrogen gas is diluted with air to 4% or less, which is the lower limit of hydrogen gas explosion, and released to the atmosphere.

海上もしくは人里はなれた場所に水素消費装置１０５が設置されている場合など、安全が十分に確認されている場合などには、爆発下限界以上の濃度で大気中に放出されることも考えられる。   When safety is sufficiently confirmed, such as when the hydrogen consuming device 105 is installed at sea or in a remote location, it may be released into the atmosphere at a concentration above the lower explosion limit. .

また、水素消費装置１０５として、水素化合物合成設備を設置した場合、加熱しながら水素ガスを二酸化炭素ガスと触媒存在下で、昇圧させた状態で反応させることにより、メタノール、ジメチルエーテル、エタノール、メタンなどの水素化合物に変換することができる。   In addition, when a hydrogen compound synthesis facility is installed as the hydrogen consuming apparatus 105, methanol, dimethyl ether, ethanol, methane, etc. can be produced by reacting hydrogen gas in the presence of carbon dioxide gas and a catalyst while increasing the pressure while heating. Can be converted to

メタノールやジメチルエーテルを生成するときにはＣｕＯ−ＺｎＯ系、もしくはパラジウム系の触媒が、エタノールを合成する際にはロジウム系の触媒が、メタンを生成するときにはニッケル系、ルテニウム系の触媒が一般的には用いられる。   CuO-ZnO-based or palladium-based catalysts are generally used for producing methanol and dimethyl ether, rhodium-based catalysts are used for synthesizing ethanol, and nickel-based and ruthenium-based catalysts are generally used for generating methane. It is done.

生成した水素化合物は燃料として再利用しても良いし、化成品などの合成の原料として用いられても良い。   The produced hydrogen compound may be reused as a fuel, or may be used as a raw material for synthesis of a chemical product or the like.

なお、水素消費装置１０５は、これらの消費手段を複数組み合わせたのもでもよい。   The hydrogen consuming apparatus 105 may be a combination of a plurality of these consuming means.

（実施の形態２）
図３は、本実施の形態におけるエネルギーシステム３００の構成例を示す図である。 (Embodiment 2)
FIG. 3 is a diagram illustrating a configuration example of the energy system 300 according to the present embodiment.

図３において、水素生成装置３０１は水素を生成する主要なエネルギー源として、発電設備１０１等からの電力を用いない。水素生成装置３０１においては、例えば、太陽光や、熱エネルギーが用いられる。太陽光を利用した水素生成装置としては、光触媒の還元力を用いた方式が、熱エネルギーを利用した水素生成装置としては、工場の廃熱を利用した方式などが用いられる。   In FIG. 3, the hydrogen generator 301 does not use power from the power generation equipment 101 or the like as a main energy source for generating hydrogen. In the hydrogen generator 301, for example, sunlight or thermal energy is used. As a hydrogen generator using sunlight, a method using the reducing power of a photocatalyst is used. As a hydrogen generator using heat energy, a method using waste heat from a factory is used.

図４は、本実施の形態における、太陽光を利用して水を分解し、水素を生成する装置の一例の断面図である。   FIG. 4 is a cross-sectional view of an example of an apparatus for decomposing water using sunlight and generating hydrogen in the present embodiment.

筐体４０１の内部に、光触媒として機能する光触媒性半導体を含んでいる半導体電極４０２と、対極４０３が収容されている。   Inside the housing 401, a semiconductor electrode 402 including a photocatalytic semiconductor functioning as a photocatalyst and a counter electrode 403 are accommodated.

光触媒性半導体材料としては、金属酸化物、金属窒化物、また金属酸窒化物などが、一般的に用いられる。半導体電極４０２と対極４０３とは、外部回路４０４で電気的に接続されている。例えば、半導体電極４０２は、導電基板と、当該導電基板上に設けられた、機能する光触媒性半導体の層と、によって形成されることができる。半導体電極４０２に含まれる光触媒性半導体は、必ずしも単相の半導体である必要はなく、複数種類の半導体からなる複合体でもよい。対極４０３は、金属及び炭素材料等の導体物質から形成されていてもよいし、導電基材に金属が担持された構造を有していてもよい。ここで、外部回路４０４は、必ずしも設けられなくてもよい。半導体電極４０２と対極４０３とが直接接している場合等、外部回路４０４を用いずに半導体電極４０２と対極４０３との電気的な接続が得られる場合は、外部回路４０４を設ける必要はない。また、半導体電極４０２と対極４０３との間には、補助的にバイアスを印加できるような機構が設けられていてもよい。   As the photocatalytic semiconductor material, a metal oxide, a metal nitride, a metal oxynitride, or the like is generally used. The semiconductor electrode 402 and the counter electrode 403 are electrically connected by an external circuit 404. For example, the semiconductor electrode 402 can be formed by a conductive substrate and a functioning photocatalytic semiconductor layer provided on the conductive substrate. The photocatalytic semiconductor included in the semiconductor electrode 402 is not necessarily a single-phase semiconductor, and may be a composite made of a plurality of types of semiconductors. The counter electrode 403 may be formed of a conductive substance such as a metal and a carbon material, or may have a structure in which a metal is supported on a conductive base material. Here, the external circuit 404 is not necessarily provided. When electrical connection between the semiconductor electrode 402 and the counter electrode 403 is obtained without using the external circuit 404, such as when the semiconductor electrode 402 and the counter electrode 403 are in direct contact with each other, it is not necessary to provide the external circuit 404. Further, a mechanism capable of supplementarily applying a bias may be provided between the semiconductor electrode 402 and the counter electrode 403.

筐体４０１の内部には、少なくとも分解に用いられる水を含んだ電解液４０５がさらに収容されている。電解液４０５は、水素生成を効率的に行なうために、支持電解質、酸化還元材料、犠牲試薬及びｐＨ調整材料等を含んでいてもよい。   In the housing 401, an electrolytic solution 405 containing at least water used for decomposition is further accommodated. The electrolytic solution 405 may include a supporting electrolyte, a redox material, a sacrificial reagent, a pH adjusting material, and the like in order to efficiently generate hydrogen.

筐体４０１の半導体電極４０２側の面の一部は、太陽光を透過する部材で構成されている。筐体４０１において、半導体電極４０２と対極４０３との間には、セパレーター４０６が配置されている。このセパレーター４０６は、筐体４０１内部を、半導体電極４０２側の領域と対極４０３側の領域とに分離している。セパレーター４０６は、電解液に含まれるイオンは透過するが、気体は遮断するような材質からなっていることが好ましい。セパレーター４０６で筐体４０１内を半導体電極４０２側の領域と対極４０３側の領域とに分離することにより、生成した水素ガスおよび酸素ガスが混合され、爆発性のガスが生成することが防止される。   Part of the surface of the housing 401 on the semiconductor electrode 402 side is formed of a member that transmits sunlight. In the housing 401, a separator 406 is disposed between the semiconductor electrode 402 and the counter electrode 403. The separator 406 separates the inside of the housing 401 into a region on the semiconductor electrode 402 side and a region on the counter electrode 403 side. The separator 406 is preferably made of a material that transmits ions contained in the electrolytic solution but blocks gas. Separating the inside of the housing 401 into a region on the semiconductor electrode 402 side and a region on the counter electrode 403 side by the separator 406 prevents the generated hydrogen gas and oxygen gas from being mixed and generating explosive gas. .

半導体電極４０２に含まれる光触媒性半導体がｎ型半導体の場合、半導体電極４０２に太陽光が照射されると、電解液４０５中の水の一部は、半導体電極４０２上で、（５）示した反応式により、酸素ガスが生成する。一方、励起された電子は、半導体電極４０２を構成する導電基板及び外部回路４０４を伝導して、対極４０３上で、（６）示した反応式により、水素ガスが生成する。   In the case where the photocatalytic semiconductor contained in the semiconductor electrode 402 is an n-type semiconductor, when the semiconductor electrode 402 is irradiated with sunlight, a part of the water in the electrolytic solution 405 is shown on the semiconductor electrode 402 as shown in (5). Oxygen gas is generated according to the reaction formula. On the other hand, the excited electrons are conducted through the conductive substrate constituting the semiconductor electrode 402 and the external circuit 404, and hydrogen gas is generated on the counter electrode 403 according to the reaction formula (6).

４ｈ＋＋２Ｈ２Ｏ → Ｏ２＋４Ｈ＋ （５）
４ｅ−＋４Ｈ＋ → ２Ｈ２ （６）
図４に示す水素生成装置３０１で製造された水素は、水素生成装置３０１内部、もしくは水素生成装置３０１の外部に設置された気液分離装置や乾燥設備等の手段（図示せず）で、水分と分離、乾燥され、水素貯蔵装置１０３へ輸送される。輸送方法は水素輸送ラインを敷設して行っても良いし、ガス運搬車のような手段によっても良い。 4h + + 2H 2 O → O 2 + 4H + (5)
4e − + 4H + → 2H 2 (6)
Hydrogen produced by the hydrogen generator 301 shown in FIG. 4 is converted into moisture by means (not shown) such as a gas-liquid separator or a drying facility installed inside the hydrogen generator 301 or outside the hydrogen generator 301. And dried and transported to the hydrogen storage device 103. The transportation method may be carried out by laying a hydrogen transportation line or by means such as a gas transporter.

水素貯蔵装置１０３は、耐圧製の機構を有するガスタンク、化石燃料を採掘した後に地下に生じた空隙部、水素貯蔵合金などが用いられ、水素圧力や重量の計測により、水素貯蔵装置１０３に貯蔵された水素の量がモニターできる構成となっている。   The hydrogen storage device 103 uses a gas tank having a pressure-resistant mechanism, a void formed in the basement after mining fossil fuel, a hydrogen storage alloy, etc., and is stored in the hydrogen storage device 103 by measuring hydrogen pressure and weight. It is configured to monitor the amount of hydrogen.

水素生成装置３０１と水素貯蔵装置１０３の間に敷設された水素輸送ライン上や、水素貯蔵装置１０３には、コンプレッサー装置など水素圧力を昇圧するための機構（図示せず）が設置されていても良い。   Even if a mechanism (not shown) for increasing the hydrogen pressure such as a compressor device is installed on the hydrogen transport line laid between the hydrogen generator 301 and the hydrogen storage device 103 or on the hydrogen storage device 103. good.

水素貯蔵装置１０３に貯蔵された水素は、必要に応じて取り出され、燃料電池１０４へ供給され、電気エネルギーに変換される。ここで、燃料電池１０４は、水素を天然ガスなどの化石燃料と混合してタービンを回す動力として用いるなど、水素を電気エネルギーに変換する手段に置き換えられても良い。   Hydrogen stored in the hydrogen storage device 103 is taken out as necessary, supplied to the fuel cell 104, and converted into electric energy. Here, the fuel cell 104 may be replaced with a means for converting hydrogen into electric energy, such as using hydrogen as a power for rotating a turbine by mixing it with fossil fuel such as natural gas.

燃料電池１０４で発電された電力は、発電設備１０１で発電された電力とともに、地域社会もしくは、事業体、家庭などに構築された送電網に供給される。   The electric power generated by the fuel cell 104 is supplied together with the electric power generated by the power generation facility 101 to a power transmission network constructed in a local community, business entity, or home.

送電網には、発電設備１０１および燃料電池１０４から電力が供給されるが、供給される電力の割合は、通常、送電網側（電力需要者側）からの要求、または水素貯蔵装置１０３内の水素残量により決定される。即ち、水素貯蔵装置１０３内の水素残量が多いときは、発電設備１０１からの電力供給量を低減し、水素貯蔵装置１０３内の水素残量が少ないときは、発電設備１０１からの電力供給量を増加させて運転する。   Electric power is supplied to the power transmission network from the power generation facility 101 and the fuel cell 104, and the ratio of the supplied power is normally determined by a request from the power transmission network side (power consumer side) or in the hydrogen storage device 103. Determined by the remaining amount of hydrogen. That is, when the remaining amount of hydrogen in the hydrogen storage device 103 is large, the power supply amount from the power generation facility 101 is reduced, and when the remaining hydrogen amount in the hydrogen storage device 103 is small, the power supply amount from the power generation facility 101 is reduced. Increase the driving speed.

しかしながら、前述の光触媒性半導体を用いた水素生成装置３０１の場合、一般的に太陽光が照射されている限り、水素を製造し続けてしまうため、水素の製造量の調整が困難な場合がある。   However, in the case of the hydrogen generator 301 using the photocatalytic semiconductor described above, as long as it is generally irradiated with sunlight, hydrogen will continue to be produced, so it may be difficult to adjust the amount of hydrogen produced. .

従来のエネルギーシステムは、予期せず大量の水素が製造され、水素貯蔵装置１０３の貯蔵能力を超過した場合に対応することができない。   The conventional energy system cannot cope with a case where a large amount of hydrogen is produced unexpectedly and the storage capacity of the hydrogen storage device 103 is exceeded.

水素貯蔵装置１０３の貯蔵能力を超えて製造された水素を、燃料電池１０４で発電することにより消費しようとすると、発電設備１０１で発電された電力供給量と、送電網からの電力需要が均衡している状態に、燃料電池１０４で発電された電力量が加わるので、急激な電力供給量超過の状態が生じ、停電の恐れが生じる。   If hydrogen produced beyond the storage capacity of the hydrogen storage device 103 is to be consumed by generating electricity with the fuel cell 104, the power supply generated by the power generation facility 101 and the power demand from the transmission network are balanced. Since the amount of power generated by the fuel cell 104 is added to the current state, a sudden power supply amount excess state occurs, and a power failure may occur.

また、水素貯蔵装置１０３の貯蔵能力を超過して水素を製造し続けると、水素生成装置３０１内の水素ガス圧が上昇する。   In addition, if hydrogen production continues to exceed the storage capacity of the hydrogen storage device 103, the hydrogen gas pressure in the hydrogen generation device 301 increases.

水素生成装置３０１内の水素ガス圧が上昇すると、対極４０３上で生成した水素ガスが、電極表面から脱離しにくくなり、電極表面に滞留するため、電解液４０５が十分に電極表面に拡散することができなくなるため、水素生成の効率が低下する。   When the hydrogen gas pressure in the hydrogen generator 301 increases, the hydrogen gas generated on the counter electrode 403 becomes difficult to desorb from the electrode surface and stays on the electrode surface, so that the electrolyte 405 is sufficiently diffused to the electrode surface. As a result, the efficiency of hydrogen generation decreases.

さらには、セパレーター４０６が破損し、半導体電極４０２上で生成した酸素ガスと、対極４０３上で生成した水素ガスが混合し、爆発性のガスが生じるため大変危険である。または、筐体４０１が水素ガス圧により破損し、電解質などを含んだ電解液４０５が漏出し、環境にも甚大な影響を与えかねない。   Further, the separator 406 is broken, and oxygen gas generated on the semiconductor electrode 402 and hydrogen gas generated on the counter electrode 403 are mixed to generate explosive gas, which is very dangerous. Alternatively, the housing 401 is damaged by the hydrogen gas pressure, and the electrolyte solution 405 containing an electrolyte leaks out, which may have a great influence on the environment.

したがって、本実施の形態においては、水素生成装置３０１、水素貯蔵装置１０３、または水素生成装置３０１と水素貯蔵装置１０３とをつなぐ水素ガス輸送ライン上、または水素貯蔵装置１０３と燃料電池１０４とをつなぐ水素ガス輸送ライン上から分岐して、または、燃料電池１０４上であってスタックに導入される前に、水素消費装置１０５が設けられている。   Therefore, in the present embodiment, the hydrogen generator 301, the hydrogen storage device 103, or the hydrogen gas transport line connecting the hydrogen generator 301 and the hydrogen storage device 103, or the hydrogen storage device 103 and the fuel cell 104 are connected. A hydrogen consuming device 105 is provided branched from the hydrogen gas transport line or before being introduced into the stack on the fuel cell 104.

水素貯蔵装置１０３に設置された、水素圧力や重量の計測により、水素貯蔵装置１０３に貯蔵された水素の量が水素貯蔵装置１０３の貯蔵能力を超過したことが検知されると、水素生成装置３０１で製造された水素、または水素貯蔵装置１０３に貯蔵された水素は、水素消費装置１０５へ導入されて消費され、エネルギーシステム３００を安全に制御することが可能となる。   When it is detected that the amount of hydrogen stored in the hydrogen storage device 103 exceeds the storage capacity of the hydrogen storage device 103 by measuring the hydrogen pressure or weight installed in the hydrogen storage device 103, the hydrogen generation device 301. The hydrogen produced in step 1 or the hydrogen stored in the hydrogen storage device 103 is introduced into the hydrogen consumption device 105 and consumed, and the energy system 300 can be controlled safely.

送電網からの電力需要者の需用電力量が増加するなどして、水素貯蔵装置１０３の水素量が貯蔵能力以下に減少したことが検知された場合には、水素消費装置１０５への水素導入は停止され、水素生成装置３０１で製造された水素は、水素貯蔵装置１０３で貯蔵され、必要に応じて燃料電池１０４に供給されて電気エネルギーに変換された後、送電網へ供給される。   When it is detected that the amount of hydrogen in the hydrogen storage device 103 has decreased below the storage capacity due to an increase in the amount of power demanded by power consumers from the power transmission network, hydrogen is introduced into the hydrogen consumption device 105. The hydrogen produced by the hydrogen generator 301 is stored in the hydrogen storage device 103, supplied to the fuel cell 104 as necessary, converted into electrical energy, and then supplied to the power grid.

また、燃料電池１０４で水素ガスと酸化性ガスとの反応により発電する際に生じた水は、不純物の含有が少なく、水素生成装置３０１を汚染する恐れも低いため、回収されて水素生成装置３０１で再利用されてもよい。   In addition, the water generated when the fuel cell 104 generates power by the reaction between the hydrogen gas and the oxidizing gas has little impurities and is less likely to contaminate the hydrogen generator 301. Therefore, the water is collected and recovered. May be reused.

水素消費装置１０５が行う水素の消費方法としては、触媒燃焼法、空気希釈法、さらには水素化合物合成などがよい。   As a method of consuming hydrogen performed by the hydrogen consuming apparatus 105, a catalytic combustion method, an air dilution method, and a hydrogen compound synthesis are preferable.

水素消費装置１０５として、触媒燃焼法を用いた設備を設置した場合、水素ガスの燃焼速度が大きく、大量の燃料を燃焼することができ、かつ燃焼効率も高いため、未燃水素ガスの排出が抑制される、また火炎が発生しない燃焼方法なので、安全であるという特徴がある。   When equipment using a catalytic combustion method is installed as the hydrogen consuming device 105, the combustion speed of hydrogen gas is large, a large amount of fuel can be combusted, and the combustion efficiency is also high, so that unburned hydrogen gas is discharged. Since it is a combustion method that is suppressed and does not generate a flame, it is characterized by safety.

加熱雰囲気中で、酸素ガスなどの酸化性ガス存在下において白金などの触媒を用いて行われる。反応生成物は水であり、きわめてクリーンな水素消費設備といえる。   In a heating atmosphere, a catalyst such as platinum is used in the presence of an oxidizing gas such as oxygen gas. The reaction product is water, which is a very clean hydrogen consuming equipment.

反応生成物として得られた水は回収して、水素生成装置１０２で再利用されてもよい。   The water obtained as a reaction product may be recovered and reused in the hydrogen generator 102.

水素消費装置１０５として、空気希釈法を用いた設備を設置した場合、大掛かりな水素処理設備を必要とせず、きわめて安価である。外部から空気を水素消費装置１０５内部へ導入し、空気で水素ガスの爆発下限界である４％以下まで水素ガスを希釈し、大気へ放出される。   When a facility using an air dilution method is installed as the hydrogen consuming device 105, a large-scale hydrogen treatment facility is not required and it is extremely inexpensive. Air is introduced into the hydrogen consuming apparatus 105 from the outside, and the hydrogen gas is diluted with air to 4% or less, which is the lower limit of hydrogen gas explosion, and released to the atmosphere.

海上もしくは人里はなれた場所に水素消費装置１０５が設置されている場合など、安全が十分に確認されている場合などには、爆発下限界以上の濃度で大気中に放出されることも考えられる。   When safety is sufficiently confirmed, such as when the hydrogen consuming device 105 is installed at sea or in a remote location, it may be released into the atmosphere at a concentration above the lower explosion limit. .

また、水素消費装置１０５として、化合物合成設備を設置した場合、加熱しながら水素ガスを二酸化炭素ガスと触媒存在下で、昇圧させた状態で反応させることにより、メタノール、ジメチルエーテル、エタノール、メタンなどの水素化合物に変換することができる。   In addition, when a compound synthesis facility is installed as the hydrogen consuming device 105, hydrogen gas is reacted with carbon dioxide gas and a catalyst in the presence of a catalyst while being heated, so that methanol, dimethyl ether, ethanol, methane, etc. Can be converted to a hydrogen compound.

メタノールやジメチルエーテルを生成するときにはＣｕＯ−ＺｎＯ系、もしくはパラジウム系の触媒が、エタノールを合成する際にはロジウム系の触媒が、メタンを生成するときにはニッケル系、ルテニウム系の触媒が一般的には用いられる。   CuO-ZnO-based or palladium-based catalysts are generally used to produce methanol and dimethyl ether, rhodium-based catalysts are used to synthesize ethanol, and nickel-based and ruthenium-based catalysts are generally used to generate methane. It is done.

生成した水素化合物は燃料として再利用しても良いし、化成品などの合成の原料として用いられても良い。   The produced hydrogen compound may be reused as a fuel, or may be used as a raw material for synthesis of a chemical product or the like.

なお、水素消費装置１０５は、これらの消費手段を複数組み合わせたのもでもよい。   The hydrogen consuming apparatus 105 may be a combination of a plurality of these consuming means.

（実施の形態３）
図５は、本実施の形態におけるエネルギーシステム５００の構成例を示す図である。 (Embodiment 3)
FIG. 5 is a diagram showing a configuration example of the energy system 500 in the present embodiment.

図５に示すように、水素生成装置としては、水素製造のエネルギー源として電気エネルギーを利用した水素生成装置１０２と、主として太陽光や熱エネルギーを利用した水素生成装置３０１を組み合わせた構成であっても良い。   As shown in FIG. 5, the hydrogen generator has a configuration in which a hydrogen generator 102 that uses electrical energy as an energy source for hydrogen production and a hydrogen generator 301 that mainly uses sunlight or thermal energy are combined. Also good.

本構成により、太陽エネルギーが照射される昼間は水素生成装置３０１で、太陽エネルギーが照射されない夜間は、余剰電力または価格の安い夜間電力をエネルギー源として水素生成装置１０２で水素の生成を行うことが可能となり、安価で効率的に水素の生成と貯蔵を行うことができる。   With this configuration, hydrogen can be generated by the hydrogen generator 301 in the daytime when solar energy is irradiated, and by the hydrogen generator 102 at night when the solar energy is not irradiated, using surplus power or cheap nighttime power as an energy source. This makes it possible to produce and store hydrogen efficiently at low cost.

このとき、水素生成装置１０２で生成された水素と水素生成装置３０１で生成された水素は、水素生成装置１０２と水素貯蔵装置１０３を連結する水素のパイプライン上で水素貯蔵装置１０３に導入される前に合流しても良いし、水素貯蔵装置１０３の内部で合流する構成でも良い。   At this time, the hydrogen generated by the hydrogen generator 102 and the hydrogen generated by the hydrogen generator 301 are introduced into the hydrogen storage device 103 on a hydrogen pipeline connecting the hydrogen generator 102 and the hydrogen storage device 103. It may be merged before or may be merged inside the hydrogen storage device 103.

水素消費装置１０５は、水素生成装置１０２上、水素生成装置３０１上にそれぞれ設けられても良いが、水素生成装置１０２で生成された水素と、水素生成装置３０１で生成された水素が合流した点よりも下流側で、かつ燃料電池１０４のスタックに導入される点よりも上流側に設置されていることが望ましい。   The hydrogen consuming apparatus 105 may be provided on the hydrogen generating apparatus 102 and the hydrogen generating apparatus 301, respectively. However, the hydrogen generated by the hydrogen generating apparatus 102 and the hydrogen generated by the hydrogen generating apparatus 301 merge. It is desirable that it is installed further downstream than the point introduced into the stack of the fuel cell 104.

本発明にかかるエネルギーシステムは、水素消費装置を有し、余剰電力から送電網を保護しつつ、水素生成装置の安全で高効率な運転を可能とし、家庭向け、業務向け、地域向けのエネルギーシステムとして有用である。   The energy system according to the present invention has a hydrogen consuming device, enables a safe and highly efficient operation of the hydrogen generating device while protecting the power transmission network from surplus power, and is an energy system for homes, businesses, and regions Useful as.

１００，３００，５００ エネルギーシステム
１０１ 発電設備
１０２，３０１ 水素生成装置
１０３ 水素貯蔵装置
１０４ 燃料電池
１０５ 水素消費装置
２０１ 筐体
２０２ 電源
２０３，２０７ アノード電極
２０４，２０８ カソード電極
２０５，２０９，４０６ セパレーター
２０６，２１０，４０５ 電解液
４０１ 筐体
４０２ 半導体電極
４０３ 対極
４０４ 外部回路 100, 300, 500 Energy system 101 Power generation facility 102, 301 Hydrogen generator 103 Hydrogen storage device 104 Fuel cell 105 Hydrogen consumption device 201 Case 202 Power source 203, 207 Anode electrode 204, 208 Cathode electrode 205, 209, 406 Separator 206, 210, 405 Electrolytic solution 401 Housing 402 Semiconductor electrode 403 Counter electrode 404 External circuit

Claims (9)

水を用いて水素を生成する水素生成装置と、
前記水素生成装置で生成した水素を貯蔵する水素貯蔵装置と、
前記水素貯蔵装置に貯蔵された水素を用いて発電する発電装置と、
前記発電装置における発電に用いられない水素を消費する水素消費装置と、
を備えることを特徴とする、エネルギーシステム。 A hydrogen generator for generating hydrogen using water;
A hydrogen storage device for storing hydrogen generated by the hydrogen generation device;
A power generation device that generates power using hydrogen stored in the hydrogen storage device;
A hydrogen consuming device that consumes hydrogen that is not used for power generation in the power generating device;
An energy system comprising: 前記発電装置は、燃料電池である、
請求項１に記載の、エネルギーシステム。 The power generator is a fuel cell.
The energy system according to claim 1. 前記水素生成装置は、水を電気分解することにより水素を生成する、
請求項１または２に記載の、エネルギーシステム。 The hydrogen generator generates hydrogen by electrolyzing water,
The energy system according to claim 1 or 2. 前記水素生成装置は、光エネルギーや熱エネルギーを用いて水素を生成する、
請求項１または２に記載の、エネルギーシステム。 The hydrogen generator generates hydrogen using light energy or thermal energy.
The energy system according to claim 1 or 2. 前記水素消費装置は、酸性ガス存在下で触媒材料と接触させて燃焼することにより水素を消費する、
請求項１または２に記載の、エネルギーシステム。 The hydrogen consuming device consumes hydrogen by burning in contact with a catalyst material in the presence of an acid gas.
The energy system according to claim 1 or 2. 前記水素消費装置は、水素ガスを希釈して大気に放出することにより水素を消費する、
請求項１または２に記載の、エネルギーシステム。 The hydrogen consuming device consumes hydrogen by diluting hydrogen gas and releasing it into the atmosphere.
The energy system according to claim 1 or 2. 前記水素消費装置は、水素化合物に変換することにより水素を消費する、
請求項１または２に記載の、エネルギーシステム。 The hydrogen consuming device consumes hydrogen by converting it into a hydrogen compound.
The energy system according to claim 1 or 2. 前記燃料電池において生成した水を回収し、
前記水素生成装置での水素生成に利用する、
請求項２に記載の、エネルギーシステム。 Recovering water produced in the fuel cell;
Used for hydrogen generation in the hydrogen generator,
The energy system according to claim 2. 前記水素消費装置において生成した水を回収し、
前記水素生成装置での水素生成に利用する、
請求項５に記載の、エネルギーシステム。 Recovering water produced in the hydrogen consuming apparatus;
Used for hydrogen generation in the hydrogen generator,
The energy system according to claim 5.
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