JP6040511B2 - Solar power system - Google Patents
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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.
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)。
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。
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).
As in the above-described solar light utilization system, attention has been paid to hydrogen obtained by the decomposition of water, and a technique for attempting to utilize it in a fuel cell has been proposed. However, focusing on the oxygen obtained from the decomposition of water, it is not sufficient to study how to use this efficiently, and the use of hydrogen and oxygen is still much studied and improved. It is thought that there is room for
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よって得られる水素及び酸素を、より効率良く活用するためのシステムを提供することにある。 Therefore, an object of the present invention is to provide a system for more efficiently utilizing hydrogen and oxygen obtained by a sunlight utilization system that performs water splitting 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。
The solar light utilization system according to the first aspect of the present invention has a pair of electrodes carrying a photo-semiconductor catalyst on one side, and decomposes the electrolytic solution using solar energy irradiated on the photo-semiconductor catalyst. A water splitting unit;
And a gas supply unit having a path for supplying hydrogen and oxygen generated by the decomposition of the electrolytic solution to a plurality of gas utilization devices using at least one of them. And
The gas supply unit is a solar power utilization system that distributes the amount of hydrogen and oxygen supplied to the plurality of gas utilization devices according to the required amount of hydrogen and oxygen of each of the plurality of gas utilization devices. is there.
このような構成によれば、燃料電池やガスタービン発電機といった発電装置のみならず、既存の家庭用インフラとしてのガス機器や空調機を含む複数のガス利用機器に対して、それらの要求する水素及び酸素の量に応じて水素及び酸素を分配して供給する。これにより、ユーザの生活におけるエネルギーニーズに応じて水素及び酸素を、複数のガス利用機器にて同時に効率良く活用することができる。 According to such a configuration, not only a power generator such as a fuel cell and a gas turbine generator, but also a plurality of gas using devices including gas appliances and air conditioners as existing home infrastructure, the hydrogen required by them. In addition, hydrogen and oxygen are distributed and supplied according to the amount of oxygen. Thereby, according to the energy needs in a user's life, hydrogen and oxygen can be efficiently utilized simultaneously with several gas utilization apparatus.
本発明の第2の局面によれば、前記ガス利用機器は、排熱回収機構を有する発電装置を含み、
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。
According to a second aspect of the present invention, the gas utilization device includes a power generation device having an exhaust heat recovery mechanism,
The gas supply unit has a path for supplying air to the power generation device, and the amount of oxygen and air to be supplied to the power generation device in accordance with a required amount of exhaust heat recovery of the power generation device. Adjust.
According to this, for example, when the amount of exhaust heat recovery required by the power generation device is large, the exhaust gas loss is intended by adjusting the amount of oxygen supplied to the power generation device to be reduced and the amount of air to be increased. Therefore, the amount of exhaust heat recovered from the exhaust gas can be increased.
本発明の第3の局面によれば、前記ガス供給部は、前記複数のガス利用機器のそれぞれに対する水素及び酸素の分配量を、前記複数のガス利用機器間で任意に設定可能な優先度に応じて調節する。
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。
According to the third aspect of the present invention, the gas supply unit sets the distribution amount of hydrogen and oxygen for each of the plurality of gas utilization devices to a priority that can be arbitrarily set between the plurality of gas utilization devices. Adjust accordingly.
According to this, hydrogen and oxygen can be efficiently utilized in a mode desired by the user or in a mode more suitable for the user's life.
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計測する日照度計測部、を備え、
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。
According to a fourth aspect of the present invention, the solar light utilization system includes a daily illuminance measurement unit that measures the daily illuminance for the electrode,
The gas supply unit has a path for supplying gas fuel from the outside to the gas utilization device,
The gas supply unit adjusts the amount of gas fuel supplied from the outside to the gas utilization device according to the daily illuminance measured by the daily illuminance measurement unit.
According to this, when the amount of hydrogen generated in the water splitting unit is low and the amount of hydrogen generated in the water splitting unit is less than the amount required by the gas utilization device, the external gas fuel is complementarily supplied to the gas utilization device. Can be supplied.
本発明の第5の局面によれば、前記複数のガス利用機器は空調装置を含み、
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。
According to a fifth aspect of the present invention, the plurality of gas utilization devices include an air conditioner,
The gas supply unit supplies oxygen generated by the decomposition of the electrolytic solution to the air conditioner so as to be mixed into the conditioned air of the air conditioner.
According to this, it becomes possible to contribute to a user's fatigue recovery by releasing air with high oxygen concentration from an air conditioner. Thus, not only the hydrogen produced | generated by the sunlight utilization system but utilization with oxygen alone can also be aimed at.
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 application of the system, and the like.
燃料電池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。 As the fuel cell, a known type of fuel cell such as a solid polymer electrolyte type or a solid oxide type can be used. 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 generated by the fuel cell reaction is collected in the fuel cell and appropriately added to the electrolytic solution in the water splitting section. An electrolytic solution circulation path is provided between the water splitting unit and the fuel cell, and the electrolytic solution is circulated in the circulation path, and water generated in the fuel cell is continuously or intermittently added to the circulation path. It is possible to supplement the decrease in water content of the electrolytic solution accompanying water decomposition.
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。
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 solar light utilization system 1 includes a
The
この例では、各単位セルに日照度計60を備え、計測した日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う。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 illuminance meter 60, and the flow rate of the electrolyte can be controlled in units of cells according to the measured daily illuminance. Adjustment of the flow rate of the electrolytic solution is performed by the
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。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。
A
The hydrogen fed to the
水素圧力容器31の出口側の水素ライン4はガス分配制御ユニット71に接続されている。これにより、水素圧力容器31の水素はガス分配制御ユニット71に供給される。水素圧力容器31とガス分配制御ユニット71の間の水素ライン4には、安全弁V20が設けられている。安全弁V20は、水素圧力容器31内の圧力が所定値以上となったときに開放して、水素を放出する。
The
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はガス分配制御ユニット71に接続される。これにより、酸素圧力容器33の酸素がガス分配制御ユニット71に供給される。酸素圧力容器33とガス分配制御ユニット71の間の酸素ライン6には、安全弁V24が設けられている。安全弁V24は、酸素圧力容器33内の圧力が所定値以上となったときに開放して、酸素を放出する。
The oxygen line 6 is provided with a dehumidifying film 7. The oxygen line 6 is connected to the
ガス分配制御ユニット71から更に延びる水素ライン4及び酸素ライン6は燃料電池20に接続され、それぞれ水素及び酸素を燃料電池20に供給するために用いられる。更に、ガス分配制御ユニット71からは空気供給ライン30が延び、燃料電池20に接続され、燃料電池20に対して空気を供給する。更に、ガス分配制御ユニット71からは別の水素ライン4および酸素ライン6が引き出され、それぞれガス利用機器70(水素及び酸素の少なくとも一方を利用する家庭用電気機器、ガス機器等)に接続され、水素及び酸素をガス利用機器70に供給するために用いられる。また、ガス分配制御ユニット71には都市ガス改質ライン35と都市ガスライン36がそれぞれ接続され、これらによりガス分配制御ユニット71は外部ガス燃料としての都市ガス改質ガス及び都市ガスの供給を受けることができる。
The
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
循環ライン40の途中には循環ポンプ41、バルブV30、フィルタ45、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。循環ライン40と電解液リザーブタンク43はバルブV32を介して接続されている。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(加水バルブ)を介して循環ライン40に接続されている。
In the middle of the circulation line 40, a circulation pump 41, a valve V30, a
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。ガス分配制御ユニット71からの空気供給ライン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、上述の通り、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
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
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
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の電気的負荷に応じて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
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
On the other hand, the amount of water accumulated in the
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
Therefore, the amount of water accumulated in the
The
Therefore, the
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
In this embodiment, a water level meter 50 is provided in the
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
次に、図3を参照して、実施例のガス分配制御ユニット71について説明する。図3に示すように、ガス分配制御ユニット71は、水素ライン4、酸素ライン6、空気供給ライン30、都市ガス改質ライン35、都市ガスライン36、バルブV101〜V108、及びこれらのバルブを制御するための制御装置711とからなる。本実施例では、水素及び酸素の少なくとも一方を用いるガス利用機器70として、空調装置702、及びガスレンジ(ガス調理器)や給湯器などのガスの燃焼による熱の直接的利用を主目的とする機器(以降、ガス燃焼機器703と呼ぶ)を例に挙げて説明するが、ガス利用機器70はこれらに限られるものではなく、ガス空調設備等も考えられる。なお、燃料電池20もガス利用機器の一種である。
Next, the gas
ガス分配制御ユニット71において、燃料電池20に接続する空気供給ライン30にはバルブV101が設置されている。水素ライン4は2つに分岐して燃料電池20とガス燃焼機器703にそれぞれ接続されている。水素ライン4の分岐点から燃料電池20までの間にはバルブV105が設置され、同分岐点からガス燃焼機器等703までの間にはバルブV106が設置されている。
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。
In the gas
In the gas
In the gas
次に、図4を参照して、実施例によるガス分配制御を説明する。通常時、バルブV101〜V108の開度は、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ように制御されている。図4のガス分配制御は、太陽光利用システム1の稼動中、以下に述べる運転モードが切り替えられるたびに、制御装置711によって実行される。
Next, the gas distribution control according to the embodiment will be described with reference to FIG. Normally, the opening degree of the valves V101 to V108 is controlled so as to maximize the power generation efficiency of the
図4のフローが開始されると、まずステップ201において、燃料電池20及びガス利用機器70の運転モードを取得する。この運転モードは、ユーザが生活ニーズに合わせて手動で入力するものとして良い。あるいは、時間帯、季節、気温、天候等に応じて自動的に設定されるものとしても良い。更には、制御装置711が学習機能を有し、運転モードに関するユーザの嗜好を学習して、自動的に運転モードを設定するようにしても良い。図4の例においては、給湯優先モード、発電優先モード、疲労回復優先モード、ガス燃焼機器優先モードのうちの一つのモードを選択できるようになっている。また、いずれのモードも選択しないようにすることも可能である。
When the flow of FIG. 4 is started, first, in step 201, the operation modes of the
次にステップ203に進み、給湯優先モードが選択されているかどうか判断する。給湯優先モードが選択されていると判断した場合は、ステップ205に進み、バルブV101、バルブV105の開度をそれぞれ増加させる。このようにバルブV101の開度を増加させることにより、燃料電池20に対する空気供給量を増加させる。こうして燃料電池20の排ガス損失を増加させ、もって、熱交換器21により得られる温水の量を増加させる。燃料電池20の排ガス損失を増加させつつ発電量を維持するため、バルブV105の開度を増加させ、燃料電池20に対する水素供給量を増加させる。そして、運転モードが変更されるまでステップ205にて、この状態を維持する。
Next, the routine proceeds to step 203, where it is determined whether or not the hot water supply priority mode is selected. If it is determined that the hot water supply priority mode has been selected, the routine proceeds to step 205, where the opening degrees of the valves V101 and V105 are increased. Thus, the air supply amount to the
ステップ203で給湯優先モードが選択されていないと判断した場合はステップ207に進み、発電優先モードが選択されているかどうか判断する。発電優先モードが選択されていると判断した場合はステップ209に進み、バルブV102、V105の開度をそれぞれ増加させる。これにより燃料電池20に供給する水素及び酸素の量を増加させ、燃料電池20の発電量を増加させる。そして、運転モードが変更されるまでステップ209にて、この状態を維持する。
If it is determined in step 203 that the hot water supply priority mode is not selected, the process proceeds to step 207 to determine whether or not the power generation priority mode is selected. If it is determined that the power generation priority mode is selected, the process proceeds to step 209, and the opening degrees of the valves V102 and V105 are increased. Thereby, the amount of hydrogen and oxygen supplied to the
ステップ207で発電優先モードが選択されていないと判断した場合はステップ211に進み、疲労回復優先モードが選択されているかどうか判断する。疲労回復優先モードが選択されている場合はステップ213に進み、バルブV101、V103、V105の開度をそれぞれ増加させる。このようにバルブV103の開度を増加させることにより、空調装置702に対する酸素の供給量を増加させる。空調装置702からは酸素濃度の高められた空調空気が放出されることにより、ユーザの疲労回復に資することができる。なお、燃料電池20に供給する酸素の不足分を、バルブV101の開度を増加させ空気供給量を増加させることにより補う。この時、排ガス損失が増加するため、発電量を維持するために、バルブV105の開度を増加させ、燃料電池20に対する水素供給量を増加させる。そして、運転モードが変更されるまでステップ213にて、この状態を維持する。
If it is determined in step 207 that the power generation priority mode is not selected, the process proceeds to step 211 to determine whether the fatigue recovery priority mode is selected. When the fatigue recovery priority mode is selected, the process proceeds to step 213, and the opening degrees of the valves V101, V103, V105 are increased. Thus, the supply amount of oxygen to the
ステップ211で疲労回復モードが選択されていないと判断した場合はステップ215に進み、ガス燃焼機器優先モードが選択されているかどうか判断する。ガス燃焼機器優先モードが選択されていると判断した場合はステップ217に進み、バルブV101、V104、V106の開度を増加させる。このようにバルブV104、V106の開度を増加させることにより、ガス燃焼機器703に対する水素及び酸素の供給量を増やすことができる。こうして、例えば、ガス燃焼機器703の一例としてのガスレンジ(ガス調理器)の火力を増すことができる。
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。
When it is determined in step 211 that the fatigue recovery mode is not selected, the process proceeds to step 215, and it is determined whether the gas combustion device priority mode is selected. If it is determined that the gas combustion device priority mode is selected, the routine proceeds to step 217, where the opening degree of the valves V101, V104, V106 is increased. Thus, by increasing the opening degree of the valves V104 and V106, the supply amount of hydrogen and oxygen to the
If any of Steps 205, 209, 213, and 217 is completed, the process proceeds to Step 219, and the power generation efficiency of the
上記の各運転モードにおいて燃料電池20に対する水素供給量が不足する場合には、バルブV107の開度を増加させることにより、都市ガス改質ライン35から改質ガスを燃料電池20に供給することができる。同様に、ガス燃焼機器703に対する水素供給量が不足する場合には、バルブV108の開度を増加させることにより、都市ガスライン36から都市ガスをガス燃焼機器70に供給することができる。
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。
When the hydrogen supply amount to the
The above-described gas utilization device, operation mode, and valve operation method are merely examples, and other various gas utilization devices, operation modes, and valve operation methods can be employed.
For example, in the above embodiment, only one operation mode can be selected, but instead, a plurality of operation modes may be selected simultaneously. In this case, the opening degree of each valve may be proportionally distributed and controlled with respect to a plurality of requested gas supply amounts in a plurality of operation modes. Specifically, for example, when priority is given to both fatigue recovery and gas combustion equipment at the same time, the opening degree of the valves V103 and V104 is increased so as to be proportional to the oxygen demand of the
燃料電池20に代えて、ガスタービン発電機等の発電装置を用いることも可能である。発電装置に都市ガスを直接利用できる場合は、都市ガス改質ライン35に代えて都市ガスライン36を用いることもできる。
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。
Instead of the
Further, the reformed gas from the city
電極に対する日照度が低下すると、光電極による水分解効率が低下し、水分解モジュール3によって生成される水素の量が不足する場合がある。そのような場合に、バルブV107、V108の開度を増加させ、都市ガス改質ガスや都市ガスの供給量を増加させるようにしても良い。その場合、日照度に応じてバルブV107、V108の開度を調節するようにしても良い。
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。
When the daily illuminance with respect to the electrode decreases, the water splitting efficiency by the photoelectrode decreases, and the amount of hydrogen generated by the
On the contrary, when the illuminance is high or when the
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.
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(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
1
20 Fuel cell (gas utilization equipment, power generator)
21
40 Circulation Line 41 Circulation Pump 44 Water Supply Unit 50 Water Level Meter 60
80
Claims (2)
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、
前記燃料電池で生成された生成水を前記水分解部の電解液へ補充する水分補充部と、
前記水分解部の電解液における水分の消費量と、前記燃料電池から前記水分解部への供給可能な生成水の量とを演算して、前記水分補充部への加水量を制御する制御回路と、を備え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;
A fuel cell that generates electricity using hydrogen generated by the decomposition of the electrolyte; and
A water replenishment unit for replenishing the water generated in the fuel cell to the electrolyte of the water splitting unit;
A control circuit that calculates the amount of water consumed in the electrolytic solution of the water splitting unit and the amount of generated water that can be supplied from the fuel cell to the water splitting unit, and controls the amount of water added to the water replenishing unit And a solar light utilization system.
The water splitting unit has a water level meter for measuring the water level of the electrolytic solution tank, and the control circuit compares the water level of the electrolytic solution tank in the electrolytic solution tank with a predetermined threshold value, and the water level of the electrolytic solution is when it is outside the predetermined threshold range, as if an abnormal situation occurs, the sunlight utilization system according to claim 1, wherein operating the alarm.
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