JP6040512B2 - 太陽光利用システム - Google Patents
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Description
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。
上記した太陽光利用システムのように、水の分解によって得られた水素に着目し、それを燃料電池にて活用しようとする技術の提案はなされている。しかしながら、水の分解によって得られた酸素に着目して、これを効率良く活用することについての検討は十分とは言えず、また、水素及び酸素の活用という点についても、未だ多分に検討及び改善の余地が残されていると考えられる。
前記電解液の分解により生成された水素及び酸素を、それらの少なくとも一方を利用する複数のガス利用機器に対して供給するための経路を有するガス供給部と、を備えた太陽光利用システムであって、
前記ガス供給部は、前記複数のガス利用機器に対して供給する水素及び酸素の量を、前記複数のガス利用機器のそれぞれの水素及び酸素の要求量に応じて分配する、太陽光利用システムである。
前記ガス供給部は、空気を前記発電装置に対して供給するための経路を有し、前記発電装置の排熱回収要求量に応じて、前記発電装置に対して供給する酸素及び空気の量を調節する。
これによれば、例えば、発電装置の排熱回収要求量が多い場合には、発電装置に対して供給する酸素の量を低下させ空気の量を増加させる調節を行うことで、排ガス損失を意図的に増加させ、もって排ガスからの排熱回収量を増加させることができる。
これによれば、ユーザの望む態様、またはユーザの生活により適した態様で、水素及び酸素を効率よく活用することができる。
前記ガス供給部は、外部からのガス燃料を前記ガス利用機器に対して供給するための経路を有し、
前記ガス供給部は、前記日照度計測部が計測した日照度に応じて、前記外部からのガス燃料を前記ガス利用機器に対して供給する量を調節する。
これによれば、電極に対する日照度が低く水分解部にて生成される水素の量がガス利用機器の要求する量に満たない場合に、外部からのガス燃料を補完的にガス利用機器に対して供給することができる。
前記ガス供給部は、前記電解液の分解により生成された酸素を、前記空調装置の空調空気に混入させるために、前記空調装置に対して供給する。
これによれば、空調装置から酸素濃度の高い空気を放出させることで、ユーザの疲労回復に資することが可能となる。このように、太陽光利用システムにより生成された水素のみならず、酸素単独での活用も図ることができる。
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)の電解液を用いる。電極には外部電源81(系統電源、太陽電池、バッテリ等)がつながれており1.23V以下の電圧が印加される。外部電源81に代えて燃料電池20を用いても良い。
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。水素圧力容器31及び水素容器32への水素の貯蔵は、気体状態での貯蔵でも良く、水素吸蔵合金による貯蔵や有機ハイドライドなどによる水素化合物としての貯蔵でも良い。
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。
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。
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。
また、ガス分配制御ユニット71において、酸素ライン6は3つに分岐して、燃料電池20、空調装置702、ガス燃焼機器703にそれぞれ接続している。酸素ライン6の分岐点と、燃料電池20、空調装置702、ガス燃焼機器703との間にはそれぞれバルブV102、V103、V104が設置されている。
ガス分配制御ユニット71において、都市ガス改質ライン35は、水素ライン4の分岐点より上流側の水素ライン4に接続されている。都市ガスライン36は、酸素ライン6の分岐点とガス燃焼機器703の間の酸素ライン6に接続されている。
ステップ205、209、213、217の何れかが終了した場合はステップ219に進み、通常時の制御、即ち、水素圧力容器31から供給可能な水素の量に基づき燃料電池20の発電効率を最大化する制御を行う。そして、図4の制御を終了する。ステップ215でガス燃焼機器優先モードが選択されていないと判断した場合は、そのまま図4の制御を終了する。
上記説明したガス利用機器、運転モード、バルブ操作方法は一例であり、その他の多様なガス利用機器、運転モード、バルブ操作方法が採用可能である。
例えば、上記の実施例では、運転モードを1つのみ選択可能としたが、これに代えて、複数の運転モードを同時に選択できるようにしても良い。この場合は、複数の運転モードによる複数のガス供給要求量に対して、各バルブの開度を比例配分化して制御すれば良い。具体的には、例えば、疲労回復とガス燃焼機器の両方を同時に優先する場合には、空調装置702とガス燃焼機器703の酸素要求量に比例するように、バルブV103、V104の開度の増加量を決定すれば良い。
また、都市ガスライン36を設けずに、都市ガス改質ライン35からの改質ガスをガス燃焼機器703に対しても供給する構成としても良い。
逆に、日照度が高い場合や、燃料電池20やガス利用機器70を使用しない場合に、水分解モジュール3で生成した水素や酸素が余剰となる場合は、水素圧力容器31、水素容器32、及び酸素圧力容器33にてそれぞれ貯蔵すれば良い。
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。
3 水分解モジュール(水分解部)
20 燃料電池(ガス利用機器、発電装置)
21 熱交換器
31 水素圧力容器
33 酸素圧力容器
35、36 圧力計
V34 バルブ(加水バルブ)
40 循環ライン
41 循環ポンプ
44 水供給部
50 水位計
60 日照度計
70 ガス利用機器
71 ガス分配制御ユニット(ガス供給部)
80 制御回路
81 外部電源
Claims (3)
- 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、
前記電解液の分解により生成された水素を利用して発電する燃料電池と、
前記水分解部で得られた水素を貯蔵する水素貯蔵部と、
前記水分解部で得られた酸素を貯蔵する酸素貯蔵部と、
前記水素貯蔵部に貯蔵された水素を前記燃料電池の水素極へ供給する水素供給路と、
前記酸素貯蔵部に貯蔵された酸素を前記燃料電池の空気極に供給する酸素供給路と、
前記水素貯蔵部から前記燃料電池へ供給する水素量を制御する水素供給制御部と、
前記酸素貯蔵部から前記燃料電池へ供給する酸素量を制御する酸素供給制御部と、を備える太陽光利用システムであって、
前記水素供給制御部と前記酸素供給制御部は所定の複数のモードを備え、
該複数のモードから一つのモードが選択されたとき、該選択されたモードに対応する所定の水素量と所定の酸素量が前記燃料電池へ供給される太陽光利用システム。 - 前記水素供給制御部は第1のバルブを備え、
前記酸素供給制御部は第2のバルブを備え、
前記選択されたモードに基づき、前記水素供給制御部は前記第1のバルブの開度を制御し、前記酸素供給制御部は前記第2のバルブの開度を制御する、請求項1記載の太陽光利用システム。 - 前記モードは、時間帯、季節、気温、天候に応じて自動的に設定される請求項1又は請求項2に記載の太陽光利用システム。
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