発電・水素ガス発生装置
【課題】簡素な構成、構造で、水素ガス生成原料を加熱することができる発電・水素ガス発生装置を提供する。
【解決手段】発電・水素ガス発生装置は、水素ガス発生装置１０、太陽電池４０及び熱輸送部材５０を備えており、水素ガス発生装置１０は、熱輸送部材５０の一端の部分５１から構成された分離壁部１２によって分離された複数の電気分解セルを備えており、熱輸送部材５０の他端の部分５２から構成された太陽電池取付部５３に太陽電池４０が取り付けられており、太陽電池４０にて生成した熱が太陽電池取付部５３を介して分離壁部１２から電気分解セルに伝熱される。
【解決手段】発電・水素ガス発生装置は、水素ガス発生装置１０、太陽電池４０及び熱輸送部材５０を備えており、水素ガス発生装置１０は、熱輸送部材５０の一端の部分５１から構成された分離壁部１２によって分離された複数の電気分解セルを備えており、熱輸送部材５０の他端の部分５２から構成された太陽電池取付部５３に太陽電池４０が取り付けられており、太陽電池４０にて生成した熱が太陽電池取付部５３を介して分離壁部１２から電気分解セルに伝熱される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電・水素ガス発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
持続可能なエネルギーシステム社会の構築を目指し、化石燃料の代替エネルギーとして、太陽光エネルギーと水とから得た水素の利用が検討されている。このシステムは、有限な化石燃料の消費を抑制し、主要な温暖化ガスの１つである二酸化炭素ガスを排出しないことから、エネルギー問題と環境問題とを解決するシステムとして期待されている。水素を太陽光エネルギーと水とから生成する実効性の高い、即ち、水素変換効率の高い水素生成システムの１つとして、太陽電池と水素ガス発生装置とを組み合わせた発電・水素ガス発生装置が検討されている。水素ガス発生装置は、例えば、特許公報第３７７２２６１号から周知である。
【０００３】
水素ガス発生装置において、水素ガス生成の原料である液体（例えば、水）の温度が高い程、電解電圧が低下するので、水素ガスを生成する際の効率が向上する。それ故、係る液体の温度を出来るだけ高くすることが望ましい。一方、例えば、集光レンズを備えた太陽電池においては、集光によって太陽電池の温度が上昇すると発電特性（ＰＶ特性）が低下する。従って、集光による太陽電池の温度の上昇を抑制するために、太陽電池をヒートシンクに載置し、あるいは又、太陽電池を放熱フィンに取り付けて、放熱している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許公報第３７７２２６１号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
水素ガス発生装置においては、水素ガス生成の原料である液体を加熱する装置が別途必要とされ、発電・水素ガス発生装置の構成、構造が複雑になる。しかも、太陽電池の温度の上昇を抑制するために、太陽電池を冷却する装置が別途必要とされ、やはり、発電・水素ガス発生装置の構成、構造が複雑になる。
【０００６】
従って、本発明の目的は、簡素な構成、構造で、太陽電池の冷却、水素ガス発生装置における水素ガス生成の原料である液体を加熱することができる発電・水素ガス発生装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の目的を達成するための本発明の発電・水素ガス発生装置は、水素ガス発生装置、太陽電池、及び、熱輸送部材を備えており、
水素ガス発生装置は、熱輸送部材の一端の部分から構成された分離壁部によって分離された複数の電気分解セルを備えており、
熱輸送部材の他端の部分から構成された太陽電池取付部に太陽電池が取り付けられており、
太陽電池にて生成した熱が太陽電池取付部を介して分離壁部から電気分解セルに伝熱される。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の発電・水素ガス発生装置にあっては、太陽電池にて生成した熱が太陽電池取付部を介して分離壁部から電気分解セルに伝熱されるので、簡素な構成、構造にて、水素ガス生成の原料である液体を加熱することができ、同時に、太陽電池の温度の上昇を抑制することができる。しかも、電気エネルギーに変換された残りの熱として放出、廃棄されるエネルギーを水素ガス発生装置において有効に利用するので、発電・水素ガス発生装置、全体のエネルギー利用効率、水素生成システムの水素変換効率の一層の向上を図ることが可能となるし、水素生成システムとして付帯設備を削減若しくは軽減することができ、水素生成システム構築のコストを低減することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、実施例１の発電・水素ガス発生装置の概念図である。
【図２】図２は、実施例１の水素ガス発生装置の模式的な断面図である。
【図３】図３は、実施例１の水素ガス発生装置における１つの分離壁部等の模式的な断面図である。
【図４】図４は、図２の矢印Ａ−Ａに沿った実施例１の水素ガス発生装置の模式的な断面図である。
【図５】図５は、図２の矢印Ｂ−Ｂに沿った実施例１の水素ガス発生装置の模式的な断面図である。
【図６】図６は、図４の矢印Ａ方向から眺めた実施例１の水素ガス発生装置の模式的な側面図である。
【図７】図７は、図４の矢印Ｂ方向から眺めた実施例１の水素ガス発生装置の別の模式的な側面図である。
【図８】図８は、図４の矢印Ｃ方向から眺めた実施例１の水素ガス発生装置の別の模式的な側面図である。
【図９】図９の（Ａ）及び（Ｂ）は、それぞれ、実施例１における熱輸送部材の軸線を含む仮想平面で熱輸送部材を切断したときの熱輸送部材の模式的な一部断面図、及び、熱輸送部材の軸線と直交する仮想平面で熱輸送部材を切断したときの熱輸送部材の模式的な一部断面図である。
【図１０】図１０は、水電解電圧と水電解効率の温度依存性を示すグラフである。
【図１１】図１１の（Ａ）は、太陽電池の最大出力電圧と水素ガス発生装置における水素ガスを発生させるための電解電圧の最適化を図ったときのグラフであり、図１１の（Ｂ）及び（Ｃ）は、太陽電池の最大出力電圧と水素ガス発生装置における水素ガスを発生させるための電解電圧との間に電圧差が存在すると、電圧差分だけ水素変換効率が低減することを説明するためのグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照して、実施例に基づき本発明を説明するが、本発明は実施例に限定されるものではなく、実施例における種々の数値や材料は例示である。尚、説明は、以下の順序で行う。
１．本発明の発電・水素ガス発生装置、全般に関する説明
２．実施例１（本発明の発電・水素ガス発生装置）、その他
【００１１】
［本発明の発電・水素ガス発生装置、全般に関する説明］
本発明の発電・水素ガス発生装置において、熱輸送部材の一端の部分は複数の分岐部を有し、各分岐部が分離壁部を構成する形態とすることができる。
【００１２】
本発明の発電・水素ガス発生装置の係る形態にあっては、
複数の分離壁部は離間して並置されており、
対向する２つの分離壁部に挟まれた空間は、分離壁部と平行に配された高分子電解質膜によって第１の空間及び第２の空間に区画されており、
対向する２つの分離壁部の内の一方の分離壁部の対向面には、第１の空間内に位置し、先端部が高分子電解質膜に接した複数の第１電極が設けられており、他方の分離壁部の対向面には、第２の空間内に位置し、先端部が高分子電解質膜に接し、第１電極と対向した第２電極が設けられており、
各第１電極は、その一端に、分離壁部の側面に露出した（例えば、分離壁部の側面から突出した）第１接続部を備えており、
各第２電極は、その一端に、分離壁部の側面に露出した（例えば、分離壁部の側面から突出した）第２接続部を備えており、
第１の空間に連通した液体導入部及び液体排出部、並びに、第２の空間に連通した液体排出部を更に備えており、
一対の第１電極及び第２電極によって、１つの電気分解セルが構成されており、
第２の空間において水素ガスが生成され、
第１接続部及び第２接続部が接続され、電気分解セルに電圧を印加する制御装置を更に備えており、
太陽電池から制御装置に供給される電圧に応じて、制御装置は電気分解セルの直列接続及び並列接続の接続状態を変更する構成とすることができる。
【００１３】
ところで、太陽電池の最大出力電圧と水素ガス発生装置における水素ガスを発生させるための電解電圧との間に電圧差（以下、単に『電圧差』と呼ぶ場合がある）が存在すると、電圧差分だけ水素変換効率が低減する（図１１の（Ｂ）及び（Ｃ）参照）。然るに、このような構成の本発明の発電・水素ガス発生装置における水素ガス発生装置にあっては、離間して並置された複数の分離壁部を備えており、対向する２つの分離壁部に挟まれた空間内には高分子電解質膜が配され、高分子電解質膜を挟んで複数の第１電極及び第２電極が設けられており、各電極は、その一端に、分離壁部の側面に露出した接続部を備えており、一対の第１電極及び第２電極によって１つの電気分解セルが構成されている。従って、水素ガス発生装置を第１電極及び第２電極が延びる方向と直交する仮想平面で切断したとき、電気分解セルが２次元マトリクス状に配置された状態となっており、しかも、各電極の接続部は分離壁部の側面に露出しているので、例えば、太陽電池の最大出力電圧と水素ガス発生装置における電解電圧との間の電圧差を無くし、あるいは又、減少させるために、電気分解セルの電気的な接続状態における直列接続及び並列接続を、適宜、容易に、しかも、適切に変更することができる。それ故、最大出力（最大変換効率）の電気エネルギーで、例えば水を電気分解して水素ガスを得る際のエネルギーロスを低減することができ、高効率で水素ガスを生成することができる。尚、前述の特許公報に開示された水素ガス発生装置にあっては、構造上、このような電気分解セルの電気的接続状態を任意に変更することは極めて困難である。
【００１４】
しかも、１つの分離壁部に対して複数の電極を設けるので、水素ガス発生装置の構成部品点数を削減することができるだけでなく、電極と電極との間のスペースを、水素ガスの原料となる液体の流路及び生成ガスの排出流路として用いることができる。それ故、水素ガス発生装置の小型化、軽量化を図ることができる。
【００１５】
そして、このような構成の本発明の発電・水素ガス発生装置にあっては、太陽電池の最大出力電圧（Ｖpm）の±１０％の範囲内、好ましくは、太陽電池の最大出力電圧（Ｖpm）の±５％の範囲内に、直列接続された電気分解セルに印加される電圧が納まるように、制御装置は電気分解セルの直列接続及び並列接続の接続状態を変更する構成とすることが望ましい。
【００１６】
更には、これらの構成の本発明の発電・水素ガス発生装置において、各電極の後部は分離壁部に埋め込まれている構成とすることができる。分離壁部と電極を別々に作製し、分離壁部と電極とを組み立ててもよいし、電極を予め作製しておき、分離壁部と電極とを一体に作製してもよい。
【００１７】
更には、これらの構成の本発明の発電・水素ガス発生装置において、高分子電解質膜は、フッ素樹脂系イオン交換膜あるいはプロトン伝導性の固体高分子膜（ＰＥＭ膜）、具体的には、側鎖の末端にスルホン酸基を有するパーフルオロスルホン酸系高分子膜から成る構成とすることができる。ここで、高分子電解質膜として、具体的には、ナフィオン（デュポン株式会社の登録商標）膜やＤｏｗ膜を例示することができる。
【００１８】
以上に説明した各種の好ましい形態、構成を含む本発明の発電・水素ガス発生装置において、
熱輸送部材は、密閉された内部空間を有しており、
該内部空間には、毛細管部材が配置されており、且つ、相変化を利用して熱を輸送する流体（熱媒体）が封入されている構成とすることができる。
【００１９】
ここで、毛細管部材は、第１の部材と、第１の部材よりも目の粗い第２の部材が積層して成る形態とすることができる。そして、第１の部材及び第２の部材は、流体に毛細管力を作用させ得る材料から構成されていればよく、メッシュ状の部材から成り、あるいは又、ワイヤを束ねた部材から成る形態とすることができる。尚、これらの形態にあっては、太陽電池にて生成した熱によって、太陽電池取付部（吸熱部）において流体（熱媒体）が気相となり、第２の部材を通過して分離壁部（放熱部）に到達し、分離壁部において液相となることで電気分解セルに伝熱し、液相となった流体（熱媒体）は第１の部材を通過して太陽電池取付部に戻る形態とすることができる。尚、このような構成、構造を有する熱輸送部材は、高熱伝導性を有し、容易に薄手化を図ることができ、形状自由度の高い、薄型ヒートパイプである。
【００２０】
また、以上に説明した各種の好ましい形態、構成を含む本発明の発電・水素ガス発生装置において、太陽電池には、ガラスあるいはプラスチックから作製された集光レンズが備えられていることが好ましい。
【００２１】
また、以上に説明した各種の好ましい形態、構成を含む本発明の発電・水素ガス発生装置において、太陽電池は化合物系太陽電池から成ることが好ましいが、これに限定するものではなく、シリコン系太陽電池や、色素増感太陽電池、有機薄膜太陽電池を含む有機系太陽電池を挙げることもできる。尚、太陽電池は、複数の太陽電池セルの集合体である太陽電池モジュールから構成されていてもよい。
【００２２】
熱輸送部材を構成する材料として、銅（Ｃｕ）やステンレス鋼、ニッケル（Ｎｉ）、アルミニウム（Ａｉ）を例示することができる。熱輸送部材は、例えば、上面部材と下面部材と側面部材とから構成すればよく、上面部材及び下面部材の板厚として０．１ｍｍ〜０．８ｍｍを例示することができるし、側面部材の板厚として１ｍｍ〜２ｍｍを例示することができる。熱輸送部材には、熱輸送部材の一端の部分から構成された分離壁部と、熱輸送部材の他端の部分から構成された太陽電池取付部との間に、中間部（接続部）が設けられていてもよい。熱輸送部材の軸線と直交する仮想平面で熱輸送部材を切断したときの熱輸送部材の断面形状は、矩形形状等、任意の断面形状とすることができる。流体（熱媒体）として、水や、エチルアルコール等のアルコールを例示することができる。第１の部材及び第２の部材を、金属細線から成るメッシュ状の部材から構成する場合、第１の部材を１層あるいは２層以上のメッシュ状の部材から構成すればよいし、同様に、第２の部材を１層あるいは２層以上のメッシュ状の部材から構成すればよい。メッシュ状の部材の厚さとして、０．０２ｍｍ〜０．０５ｍｍを例示することができる。メッシュ状の部材を構成する材料として、銅（Ｃｕ）やステンレス鋼、ニッケル（Ｎｉ）、アルミニウム（Ａｌ）を挙げることができ、ワイヤを構成する材料として、銅（Ｃｕ）やステンレス鋼、ニッケル（Ｎｉ）、アルミニウム（Ａｌ）を挙げることができる。メッシュ状の部材を積層する場合、例えば、接着剤を用いて、あるいは、ロウ付け、半田付け、メッキ等によって相互に固定すればよい。
【００２３】
場合によっては、分離壁部は、プラスチック材料あるいはセラミックス材料から成る構成とすることができる。ここで、プラスチック材料として、ポリカーボネート樹脂（ＰＣ樹脂）；ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂等のポリオレフィン系樹脂；ポリアミド６、ポリアミド６６、ポリアミドＭＸＤ６等のポリアミド系樹脂（ＰＡ系樹脂）；ポリオキシメチレン（ポリアセタール，ＰＯＭ）樹脂；ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）樹脂、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）樹脂等のポリエステル系樹脂；ポリフェニレンサルファイド樹脂；ポリスチレン樹脂、ＡＢＳ樹脂、ＡＥＳ樹脂、ＡＳ樹脂といったスチレン系樹脂；メタクリル系樹脂；変性ポリフェニレンエーテル（ＰＰＥ）樹脂；ポリスルホン樹脂；ポリエーテルスルホン樹脂；ポリアリレート樹脂；ポリエーテルイミド樹脂；ポリアミドイミド樹脂；ポリイミド系樹脂；ポリエーテルケトン樹脂；ポリエーテルエーテルケトン樹脂；ポリエステルカーボネート樹脂；液晶ポリマーで例示される熱可塑性樹脂、フェノール樹脂、ユリア樹脂、メラミン樹脂、キシレン樹脂、キシレン・ホルムアルデヒド樹脂、ジアリルフタレート樹脂、フラン樹脂、ケトン・ホルムアルデヒド樹脂、尿素樹脂、アニリン樹脂、アルキド樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂で例示される熱硬化性樹脂を挙げることができる。分離壁部は、構成材料に依存するが、公知の成形技術や焼結技術等に基づき作製すればよい。また、この場合、金属あるいは合金から作製された太陽電池取付部と、プラスチック材料あるいはセラミックス材料から作製された分離壁部とを、適切な方法、手段で接続、接合すればよい。
【００２４】
上記の好ましい形態、構成を含む本発明の発電・水素ガス発生装置（以下、これらを総称して、単に『本発明』と呼ぶ場合がある）において、第１電極（陽極）は、例えば、第１電極本体部、及び、第１電極本体部の先端部に設けられ、高分子電解質膜に接する触媒層から構成されている。同様に、第２電極（陰極）は、例えば、第２電極本体部、及び、第２電極本体部の先端部に設けられ、高分子電解質膜に接する触媒層から構成されている。ここで、第１電極本体部は、耐酸性、耐酸化性を有する材料から構成すればよく、係る材料として、例えば、チタン（Ｔｉ）、ステンレス鋼を挙げることができるし、第２電極本体部は、耐酸性を有する材料から構成すればよく、係る材料として、例えば、ニッケル（Ｎｉ）を挙げることができる。また、第１電極を構成する触媒層として、イリジウム（Ｉｒ）、酸化イリジウム、チタン（Ｔｉ）を挙げることができるし、第２電極を構成する触媒層として、チタン（Ｔｉ）、白金（Ｐｔ）を挙げることができる。分離壁部が導電材料から構成されている場合、分離壁部を接する第１電極及び第２電極の部分に絶縁材料層を設けることで、第１電極や第２電極を分利壁部から絶縁することができる。
【００２５】
第１の空間には、液体導入部から液体を流し、液体排出部から排出し、第２の空間には、第１の空間から高分子電解質膜を介して液体を流し、液体排出部から排出するが、ここで、液体として、水を挙げることができる。液体排出部から排出された液体を液体導入部に戻すことで循環させればよい。液体として水を用いる場合、第１の空間における液体排出部から排出される水には酸素ガスが同搬されるが、係る酸素ガスは、周知の方法に基づき、適切な分離装置を用いて水と分離すればよい。また、第２の空間における液体排出部から排出される水には水素ガスが同搬されるが、係る水素ガスは、周知の方法に基づき、適切な分離装置を用いて水と分離し、周知の方法に基づき、ボンベに貯蔵してもよいし、水素吸蔵合金に吸蔵させてもよい。場合によっては、液体排出部とは別に酸素ガス及び水素ガスを取り出す排出ポートを水素ガス発生装置に設けてもよい。
【００２６】
制御装置は、太陽電池から制御装置に供給される電圧を測定するための電圧測定回路、マイクロコンピュータ、記憶装置、スイッチング回路を含み、太陽電池から制御装置に供給された電圧の値をパラメータとした電気分解セルの直列接続及び並列接続の接続組合せが、予め決定されており、記憶装置に記憶されている。そして、太陽電池から制御装置に供給された電圧の値に応じて、マイクロコンピュータは、記憶装置から電気分解セルの直列接続及び並列接続の接続組合せの内、最適な組合せを選択し、係る組合せに基づきスイッチング回路を制御する。そして、これによって、電気分解セルの直列接続及び並列接続の接続状態の最適化を図ることができる。太陽電池から制御装置に供給された電圧の値だけでなく、第１の空間及び第２の空間を流れる液体の温度をもパラメータとした電気分解セルの直列接続及び並列接続の接続組合せを、予め決定し、記憶装置に記憶しておいてもよい。
【実施例１】
【００２７】
実施例１は、本発明の発電・水素ガス発生装置に関する。実施例１の発電・水素ガス発生装置の概念図を図１に示し、水素ガス発生装置の模式的な断面図を図２に示し、１つの分離壁部等の模式的な断面図を図３に示し、図２の（Ａ）の矢印Ａ−Ａに沿った実施例１の水素ガス発生装置の模式的な断面図、及び、図２の（Ａ）の矢印Ｂ−Ｂに沿った実施例１の水素ガス発生装置の模式的な断面図を、それぞれ、図４及び図５に示す。更には、図４の矢印Ａ方向、図４の矢印Ｂ方向及び図４の矢印Ｃ方向から眺めた実施例１の水素ガス発生装置の模式的な側面図を、それぞれ、図６、図７及び図８に示す。尚、各分離壁部を含む仮想平面と平行な仮想平面で水素ガス発生装置を切断したときの模式的な断面図は、実質的に同じである。また、太陽電池の最大出力電圧と水素ガス発生装置における水素ガスを発生させるための電解電圧の最適化を図ったときのグラフを図１１の（Ａ）に示す。
【００２８】
実施例１の発電・水素ガス発生装置は、水素ガス発生装置１０、太陽電池４０、及び、熱輸送部材５０を備えており、
水素ガス発生装置１０は、熱輸送部材５０の一端の部分５１から構成された分離壁部１２によって分離された複数の電気分解セル１１を備えており、
熱輸送部材５０の他端の部分５２から構成された太陽電池取付部５３に太陽電池４０が取り付けられており、
太陽電池４０にて生成した熱が太陽電池取付部５３を介して分離壁部１２から電気分解セル１１に伝熱される。
【００２９】
具体的には、実施例１の水素ガス発生装置１０は、離間して並置された複数の分離壁部（セパレータ）１２を備えている。尚、熱輸送部材５０の一端の部分５１は複数の分岐部を有し、各分岐部が分離壁部１２を構成している。ここで、複数の分離壁部１２が離間して並置されているが、分離壁部１２は、垂直方向に積層された状態で離間して並置されていてもよいし、水平方向に離間して並置されていてもよい。尚、前者の場合、分離壁部１２を含む仮想平面は水平面であり、後者の場合、分離壁部１２を含む仮想平面は垂直面である。そして、対向する２つの分離壁部１２に挟まれた空間は、分離壁部１２と平行に配された高分子電解質膜１４によって第１の空間１５及び第２の空間１６に区画されている。尚、分離壁部１２と高分子電解質膜１４とは、厳密に平行に配されている必要はない。図示した例では、水素ガス発生装置１０は、５枚の分離壁部１２を備えており、４つの空間が存在し、１つの空間当たり５個の電気分解セル１１が設けられているが、これに限定するものではない。尚、複数の分離壁部１２は、複数の分離壁部１２の四隅を貫通する複数のボルト及びナット（これらは図示せず）を用いて相互に固定されている。
【００３０】
更には、対向する２つの分離壁部１２の内の一方の分離壁部１２の対向面には、第１の空間１５内に位置し、先端部が高分子電解質膜１４に接した複数の第１電極２１が設けられており、他方の分離壁部１２の対向面には、第１０２の空間１６内に位置し、先端部が高分子電解質膜１４に接し、第１電極２１と対向した第２電極２２が設けられている。ここで、各第１電極２１は、その一端に、分離壁部１２の側面１３Ａに露出した（具体的には、分離壁部１２の側面１３Ａから突出した）第１接続部２１Ｃを備えており、各第２電極２２は、その一端に、分離壁部１２の側面１３Ａに露出した（具体的には、分離壁部１２の側面１３Ａから突出した）第２接続部２２Ｃを備えている。ここで、各電極２１，２２の後部は分離壁部１２に埋め込まれている。具体的には、分離壁部１２の対向面には予め凹部が形成されており、電極２１，２２が、対向面から突出した状態でこれらの凹部に嵌合している。また、参照番号１２’は、水素ガス発生装置１０を構成する側壁部材であり、ポリカーボネート樹脂から成る。
【００３１】
更には、第１の空間１５に連通した液体導入部１７Ａ及び液体排出部１８Ａ、並びに、第２の空間１６に連通した液体排出部１８Ｂを更に備えている。尚、液体導入部１７Ａは、分離壁部１２の側面１３Ａに設けられており、液体排出部１８Ａ，１８Ｂは、分離壁部１２の側面１３Ｃに設けられている。第１の空間１５には、循環用ポンプ（図示せず）を用いて、液体導入部１７Ａから液体、具体的には水を流し、第１の空間１５を流れた液体は液体排出部１８Ａから排出される。また、第１の空間１５から高分子電解質膜１４を介して第２の空間１６に導入された液体は液体排出部１８Ｂから排出される。液体排出部１８Ａ，１８Ｂから排出された液体を液体導入部１７Ａに戻すことで循環させる。第１の空間１５における液体排出部１８Ａから排出される水には酸素ガスが同搬されるが、係る酸素ガスは、周知の方法に基づき、適切な分離装置（図示せず）を用いて水と分離すればよい。また、第２の空間１６における液体排出部１８Ｂから排出される水には水素ガスが同搬されるが、係る水素ガスは、周知の方法に基づき、適切な分離装置（図示せず）を用いて水と分離し、周知の方法に基づき、ボンベ(図示せず）に貯蔵してもよいし、水素吸蔵合金(図示せず）に吸蔵させてもよい。尚、液体導入部１７Ａを１箇所、設け、マニホールドによって各第１の空間１５に液体を供給してもよい。また、液体排出部１８Ａを１箇所、設け、マニホールドによって各第１の空間１５から液体を排出してもよい。同様に、液体排出部１８Ｂを１箇所、設け、マニホールドによって各第２の空間１６から液体を排出してもよい。場合によっては、液体排出部１８Ａ，１８Ｂとは別に酸素ガス及び水素ガスを取り出す排出ポートを第１の空間１５及び第２の空間１６に設けてもよい。
【００３２】
ここで、一対の第１電極２１及び第２電極２２によって、１つの電気分解セル１１が構成されている。そして、第２の空間１６において水素ガスが生成される。
【００３３】
複数の第１電極２１（酸素ガス発生用触媒電極）は、図示したとおり、離間した状態で設けられており、第１電極２１と第１電極２１との間の隙間は、電気分解の原料となる水（純水）の流路、及び、生成した酸素ガスの排出流路に相当する。同様に、複数の第２電極２２（水素発生用触媒電極）は、図示したとおり、離間した状態で設けられており、第２電極２２と第２電極２２との間の隙間は、電気分解の原料となる水（純水）の流路、及び、生成した水素ガスの排出流路に相当する。
【００３４】
高分子電解質膜１４は、フッ素樹脂系イオン交換膜あるいはプロトン伝導性の固体高分子膜（ＰＥＭ膜）、具体的には、側鎖の末端にスルホン酸基を有するパーフルオロスルホン酸系高分子膜、より具体的には、ナフィオン膜から成る。高分子電解質膜１４の端部は、ガスケット１９を介して分離壁部１２に挟まれた状態で固定されている。また、分離壁部１２が側壁部材１２’と接する部分にもガスケットが配されているが、これらのガスケットの図示は省略した。
【００３５】
また、第１電極２１（陽極）は、チタンから成る第１電極本体部２１Ａ、及び、第１電極本体部２１Ａの先端部に設けられ、高分子電解質膜１４に接し、酸化イリジウムから成る触媒層２１Ｂから構成されている。分離壁部１２と接する第１電極２１の部分には、絶縁材料層２１Ｄが形成されている。一方、第２電極２２（陰極）は、ニッケルから成る第２電極本体部２２Ａ、及び、第１電極本体部２２Ａの先端部に設けられ、高分子電解質膜１４に接し、チタンから成る触媒層２２Ｂから構成されている。分離壁部１２と接する第２電極２２の部分には、絶縁材料層２２Ｄが形成されている。絶縁材料層２１Ｄ，２２Ｄを設けることで、第１電極２１、第２電極２２を分利壁部１２から絶縁することができる。尚、絶縁材料層２１Ｄ，２２Ｄは、図３にのみ示した。
【００３６】
実施例１の水素ガス発生装置１０には、制御装置３０が更に備えられている。制御装置３０は、配線３１及びコネクタ（図示せず）を介して、第１接続部２１Ｃ及び第２接続部２２Ｃに接続されており、電気分解セル１１に電圧を印加する。そして、複数の化合物系（ＧａＡｓ系）太陽電池セルから成る太陽電池（太陽電池モジュール）４０から制御装置３０に供給される電圧に応じて、制御装置３０は電気分解セル１１の直列接続及び並列接続の接続状態を変更する。尚、実施例１の発電・水素ガス発生装置を駆動する方法にあっては、太陽電池４０から制御装置３０に供給される電圧に応じて、制御装置３０の制御下、電気分解セル１１の直列接続及び並列接続の接続状態を変更する。
【００３７】
具体的には、制御装置３０は、太陽電池４０から制御装置３０に供給される電圧を測定するための電圧測定回路、マイクロコンピュータ、記憶装置、スイッチング回路（これらは図示せず）を含んでいる。ここで、太陽電池４０から制御装置３０に供給された電圧の値をパラメータとした電気分解セル１１の直列接続及び並列接続の接続組合せが、予め決定されており、記憶装置に記憶されている。そして、太陽電池４０から制御装置３０に供給された電圧の値に応じて、マイクロコンピュータは、記憶装置から電気分解セル１１の直列接続及び並列接続の接続組合せの内、最適な組合せを選択し、係る組合せに基づきスイッチング回路を制御する。そして、これによって、電気分解セル１１の直列接続及び並列接続の接続状態の最適化を図っている。
【００３８】
更には、太陽電池４０を構成する太陽電池セルの最大出力電圧（Ｖpm）の値をパラメータとした太陽電池セルの直列接続及び並列接続の接続組合せが、予め決定されており、記憶装置に記憶されている。そして、制御装置３０は太陽電池セルの最大出力電圧（Ｖpm）を測定し、その測定結果に基づき、マイクロコンピュータは、記憶装置から太陽電池セルの直列接続及び並列接続の接続組合せの内、最適な組合せを選択し、係る組合せに基づきスイッチング回路を制御する。そして、これによって、太陽電池セルの直列接続及び並列接続の接続状態の最適化を図っている。
【００３９】
例えば、電気分解セル１１の水電解電圧［理論電位（平衡電極電位、理論電解電圧）と、実際に反応が進行するときの電極の電位との和］が１．５ボルトとなるように、電極を構成する材料等が組み合わされ、水素ガス発生装置が構成されているとする。そして、太陽電池４０の太陽電池セル１つ当たりの最大出力電圧（Ｖpm）が２．２ボルトである場合、太陽電池４０を１５個の太陽電池セルの直列接続から構成すれば、太陽電池４０から供給される電圧は、
２．２×１５＝３３．０ボルト
となる。従って、電気分解セル１１を２２個、直列に接続すればよい。
【００４０】
また、太陽電池４０の太陽電池セル１つ当たりの最大出力電圧（Ｖpm）が２．１ボルトに低下した場合、太陽電池４０を５個の太陽電池セルの直列接続から構成すれば、太陽電池４０から供給される電圧は、
２．１×５＝１０．５ボルト
となる。従って、電気分解セル１１を７個、直列に接続すればよい。
【００４１】
更には、太陽電池４０の太陽電池セル１つ当たりの最大出力電圧（Ｖpm）が２．０ボルトに低下した場合、太陽電池４０を３個の太陽電池セルの直列接続から構成すれば、太陽電池４０から供給される電圧は、
２．０×３＝６．０ボルト
となる。従って、電気分解セル１１を４個、直列に接続すればよい。
【００４２】
従って、電気分解セル１１の数を、２２と７と４の最小公倍数である３０８個とし、天候に応じて、太陽電池４０における太陽電池セルの直列／並列の接続状態と、電気分解セル１１における直列／並列の接続状態とを、制御装置３０の制御下、適宜、変更することで、常に、太陽電池４０と水素ガス発生装置との間の電圧差を減少・低減させることができ、太陽電池４０の電気エネルギー変換効率を最大限有効活用して水素ガスを生成することができる。尚、水素ガス発生装置の構成要素を構成する材料、駆動条件、太陽電池４０の構成要素を構成する材料、想定する最大出力電圧（Ｖpm）に応じて、電気分解セル１１の数を、適宜、決定すればよい。ここで、広くは、太陽電池４０の最大出力電圧（Ｖpm）の±１０％の範囲内、好ましくは、太陽電池４０の最大出力電圧（Ｖpm）の±５％の範囲内に、直列接続された電気分解セル１１に印加される電圧が納まるように、制御装置３０は電気分解セル１１の直列接続及び並列接続の接続状態を変更し、また、制御装置３０の制御下、電気分解セル１１の直列接続及び並列接続の接続状態を変更する。
【００４３】
また、もしも、太陽電池４０の太陽電池セル１つ当たりの最大出力電圧（Ｖpm）が１．９ボルトに低下した場合、太陽電池４０を１５個の太陽電池セルの直列接続から構成すれば、太陽電池４０から供給される電圧は、
１．９×１５＝２８．５ボルト
となる。従って、電気分解セル１１を１９個、直列に接続すればよい。この場合、電気分解セル１１の個数は３０４個であり、３０８個の電気分解セル１１の内、４個の電気分解セル１１を不使用とすればよい。
【００４４】
一般には、電気分解セル１１の水電解電圧をＶ0ボルトとし、太陽電池４０の太陽電池セル１つ当たりの最大出力電圧をＶpm-iボルト、太陽電池４０における直列接続された太陽電池セルの個数をＮSC-iとしたとき、太陽電池４０から供給される電圧は、
Ｖpm-i×ＮSC-i
である。そして、電気分解セル１１を直列に接続すべき個数をＮNC-iとすれば、
ＮNC-i＝（Ｖpm-i／Ｖ0）×ＮSC-i
を満足すればよい。ここで、太陽電池セル１つ当たりの最大出力電圧の変化がＩケースあると想定した場合、ＩケースのＮNC-i（ｉ＝１，２・・・Ｉ）の最小公倍数が、水素ガス発生装置において必要とされる電気分解セル１１の個数となる。但し、場合によっては、上述したとおり、多少の電気分解セル１１を駆動させること無く、水素ガス発生装置によって水素ガスを生成させてもよい。
【００４５】
熱輸送部材５０の軸線を含む仮想平面で熱輸送部材５０を切断したときの熱輸送部材５０の模式的な一部断面図を図９の（Ａ）に示し、熱輸送部材５０の軸線と直交する仮想平面で熱輸送部材５０を切断したときの熱輸送部材５０の模式的な一部断面図を図９の（Ｂ）に示す。実施例１において、熱輸送部材５０は、密閉された内部空間６０を有しており、この内部空間６０には、毛細管部材７０が配置されており、且つ、相変化を利用して熱を輸送する流体（熱媒体）が封入されている。尚、流体（熱媒体）は図示していない。具体的には、毛細管部材７０は、第１の部材７１と、第１の部材７１よりも目の粗い第２の部材７２が積層して成る。
【００４６】
また、太陽電池４０には、ガラスあるいはプラスチックから作製された集光レンズ４１が備えられており、太陽光の光を太陽電池４０に集光する。但し、太陽電池４０に入射する光は太陽光に限定されない。
【００４７】
熱輸送部材５０の一端の部分５１から構成された分離壁部１２と、熱輸送部材５０の他端の部分５２から構成された太陽電池取付部５３との間には、中間部（接続部）５４が設けられている。尚、太陽電池取付部５３と太陽電池４０との間には、ヒートシンク５５が配置されている。熱輸送部材５０は、ステンレス鋼から作製されており、上面部材６１と下面部材６２と側面部材６３から構成されている。分離壁部１２の部分を除き、熱輸送部材５０の軸線と垂直な仮想平面で熱輸送部材５０を切断したときの熱輸送部材５０の断面形状は、図９の（Ｂ）に示したように、矩形形状である。但し、断面形状は、矩形形状に限定するものではない。分離壁部１２の部分においては、熱輸送部材５０の軸線を含む垂直な仮想平面で熱輸送部材５０を切断したときの熱輸送部材５０の断面形状は、図２あるいは図３に示したように、凹凸形状を有する。流体（熱媒体）として、水を用いる。第１の部材７１は複数のメッシュ状の部材（太陽電池、２枚〜５枚のメッシュ状の部材の積層体）から構成されており、第２の部材７２は１層のメッシュ状の部材から構成されている。尚、メッシュ状の部材は、ステンレス鋼のワイヤを編むことで作製されている。
【００４８】
熱輸送部材５０が動作していないとき（熱を伝達していないとき）には、流体は、第１の部材７１及び第２の部材７２の内、主に毛細管力の強い第１の部材７１の方に引き寄せられて保持されている。太陽電池４０を作動させると、熱輸送部材５０の吸熱部である太陽電池取付部５３において太陽電池４０から熱を受ける。その結果、液相の流体（熱媒体）が蒸発する。気相になった流体は、熱輸送部材５０の内部空間６０内を第２の部材７２を介して放熱部である分離壁部１２へと移動し、分離壁部１２において熱を放出し、凝縮し、液相となることで電気分解セル１１に伝熱する。液相となった流体（熱媒体）は、熱輸送部材５０の内部空間６０内を第１の部材７１を介して太陽電池取付部５３に戻る。尚、第１の部材７１による毛細管力を受けて液相の流体が移動する。このサイクルが繰り返されることで、太陽電池４０から熱が除かれる一方、電気分解セル１１には熱が与えられる。熱輸送部材５０の外形形状は薄板形状であるが故に、太陽電池４０は、太陽電池取付部５３において、第１の部材７１側に取り付けられていてもよいし、第２の部材７２側に取り付けられていてもよい。
【００４９】
第１の部材７１及びその上に積層された第２の部材７２から成る毛細管部材７０の厚さをｔ1とする。また、熱輸送部材５０における内部空間６０の高さ（側面部材６３の高さ）をｔ2とする。組み立て前にあっては、ｔ1＞ｔ2の関係にある。具体的には、例えば、
０ｍｍ≦ｔ1−ｔ2≦０．２ｍｍ
である。
【００５０】
熱輸送部材５０は、例えば、以下に説明する方法で製造することができる。即ち、下面部材６２に側面部材６３を載置した、断面形状が「コ」の字の部材の内部に毛細管部材７０を配置し、毛細管部材７０の上に上面部材６１を乗せる。この状態にあっては、上面部材６１と側面部材６３の頂面との間には隙間が存在する。そして、雰囲気を高温とした状態で上面部材６１側から圧力Ｐを加えることで、下面部材６２と側面部材６３、及び、上面部材６１と側面部材６３とが拡散接合される。このとき、毛細管部材７０は（ｔ1−ｔ2）だけ、圧縮される。毛細管部材７０は弾性を有しているので、圧力Ｐの一部が吸収され、その圧力Ｐよりも小さい圧力Ｐ’が毛細管部材７０から下面部材６２へ加えられる。この圧力Ｐ’によって下面部材６２と毛細管部材７０とが拡散接合される。また、上面部材６１にも、圧縮された毛細管部材７０から圧力Ｐよりも小さい圧力Ｐ”が加えられる。この圧力Ｐ”によって上面部材６１と毛細管部材７０とが拡散接合される。このように、拡散接合することで、熱輸送部材５０の気密性が破られるリーク不良を防ぐことができる。尚、下面部材６２側から圧力Ｐを加えてもよい。また、ｔ1＝ｔ2であっても、拡散接合工程は高温状態で行われるので、上面部材６１も高温になり、僅かに変形し、この変形によって、毛細管部材７０が圧縮される。このように、複数の拡散接合が同じ工程において行われるので、少ない工程に基づき効率的に製造される、安価な熱輸送部材の製造方法を提供することができる。尚、こうして得られた熱輸送部材５０の各部を、適切な方法で組み立てればよい。
【００５１】
集光レンズ４１によって、光のエネルギーを５００倍、集光した場合、放熱する必要がある熱量は、例えば、以下の計算から３５ワット／ｃｍ2である。
【００５２】
集光レンズ４１に入射する太陽光 ：０．１ワット／ｃｍ2
太陽電池に入射する太陽光 ：５０ワット／ｃｍ2
太陽電池におけるエネルギー利用効率 ：３０％
太陽電池において利用されるエネルギー ：１５ワット／ｃｍ2
水素ガス発生装置において利用されるエネルギー：３５ワット／ｃｍ2
【００５３】
仮に、水素生成用原料（液体）及び電気分解によって発生する酸素ガスを押し流して排出するために、実際に電気分解される水量の約５００倍以上の過剰の純水である０．２５ミリリットル／秒（０．２５グラム／秒）の純水を水素ガス発生装置１０に導入した場合、水の比熱を４．２ジュール／グラム・Ｋとすれば、純水１グラム／秒を１゜Ｃ上昇させるのに必要な熱量は４．２ワットであるので、３３゜Ｃの温度上昇となる。
（３５／４．２）（１／０．２５）＝３３
【００５４】
水電解電圧と水電解効率の温度依存性を図１０に示すが、常温での水電解効率に対し、約３％乃至４％の水電解効率向上を図ることができる。尚、水素ガス発生装置１０に導入すべき液体の流量を制御することで、液体の上昇温度を制御することができる。即ち、流量を増加させると電解温度は低下し、流量を減少させると電解温度は上昇する。
【００５５】
実施例１の発電・水素ガス発生装置にあっては、太陽電池４０にて生成した熱が太陽電池取付部５３を介して分離壁部１２から電気分解セル１１に伝熱されるので、簡素な構成、構造にて、水素ガス生成の原料である液体を加熱することができ、同時に、太陽電池４０の温度の上昇を抑制することができる。即ち、これまで冷却機構で廃棄していた太陽電池の熱で電気分解セル１１を加熱できるようになり、総合的なエネルギー利用効率を向上させることが可能となる上、水素生成システムとして付帯設備を削減若しくは軽減することができ、コストの低減を図ることが可能となる。しかも、より均等に電気分解セル１１に熱が移動し、電気分解が行われる反応場を均一に加熱することができるので、電気分解の効率低下や信頼性低下を引き起こす局所加熱や加熱温度ばらつきの発生を抑制することができる。尚、局所的な加熱が発生し、温度が上昇しない電気分解セル１１が発生すると、このような電気分解セル１１における電解電圧（特に、陽極の過電圧）が上昇し、水素変換効率が低下するだけでなく、電解電圧の上昇による陽極の自己溶解等が発生し、信頼性が低下する虞があるし、局所的に加熱された電気分解セル１１が劣化する虞もある。
【００５６】
また、実施例１にあっては、水素ガス発生装置を第１電極２１及び第２電極２２が延びる方向と直交する仮想平面で切断したとき、電気分解セル１１が２次元マトリクス状に配置された状態となっており、しかも、各電極２１，２２の接続部２１Ｃ，２２Ｃは分離壁部１２の側面１３Ａに露出しているので、例えば、太陽電池の最大出力電圧と水素ガス発生装置における電解電圧との間の電圧差を無くし、あるいは又、減少させるために、電気分解セル１１の直列／並列接続の状態を、適宜、しかも、容易に変更することができる。それ故、最大出力（最大変換効率）の電気エネルギーで、例えば水を電気分解して水素ガスに変換する際に、エネルギーロスを低減することができ、高効率で水素ガスを生成することが可能となる。しかも、電極２１，２２を分離壁部１２に設けることで、水素ガス発生装置の構成部品点数を削減することができるだけでなく、電極２１，２２を分離するためのスペースを、水素ガスの原料となる液体の導入流路及び生成ガスの排出流路として用いることができるので、水素ガス発生装置の小型化、軽量化を図ることができる。
【００５７】
以上、本発明を好ましい実施例に基づき説明したが、本発明はこの実施例に限定されるものではない。実施例にて説明した水素ガス発生装置、太陽電池、熱輸送部材、発電・水素ガス発生装置の構成、構造、用いた材料や仕様等は例示であり、適宜、選択、変更することができる。
【符号の説明】
【００５８】
１１・・・電気分解セル、１２・・・分離壁部、１２’・・・側壁部材、１３Ａ・・・電極の接続部が突出した分離壁部の側面、１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄ・・・分離壁部のその他の側面、１４・・・高分子電解質膜、１５・・・第１の空間、１６・・・第２の空間、１７Ａ・・・液体導入部、１８Ａ，１８Ｂ・・・液体排出部、１９・・・ガスケット、２１・・・第１電極、２１Ａ・・・第１電極本体部、２１Ｂ・・・触媒層、２１Ｃ・・・第１接続部、２２・・・第２電極、２２Ａ・・・第２電極本体部、２２Ｂ・・・触媒層、２２Ｃ・・・第２接続部、３０・・・制御装置、４０・・・太陽電池、４１・・・集光レンズ、５０・・・熱輸送部材、５１・・・熱輸送部材の一端の部分、５２・・・熱輸送部材の他端の部分、５３・・・太陽電池取付部、５４・・・中間部（接続部）、５５・・・ヒートシンク、６０・・・内部空間、６１・・・上面部材、６２・・・下面部材、６３・・・側面部材、７０・・・毛細管部材、７１・・・第１の部材、７２・・・第２の部材
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電・水素ガス発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
持続可能なエネルギーシステム社会の構築を目指し、化石燃料の代替エネルギーとして、太陽光エネルギーと水とから得た水素の利用が検討されている。このシステムは、有限な化石燃料の消費を抑制し、主要な温暖化ガスの１つである二酸化炭素ガスを排出しないことから、エネルギー問題と環境問題とを解決するシステムとして期待されている。水素を太陽光エネルギーと水とから生成する実効性の高い、即ち、水素変換効率の高い水素生成システムの１つとして、太陽電池と水素ガス発生装置とを組み合わせた発電・水素ガス発生装置が検討されている。水素ガス発生装置は、例えば、特許公報第３７７２２６１号から周知である。
【０００３】
水素ガス発生装置において、水素ガス生成の原料である液体（例えば、水）の温度が高い程、電解電圧が低下するので、水素ガスを生成する際の効率が向上する。それ故、係る液体の温度を出来るだけ高くすることが望ましい。一方、例えば、集光レンズを備えた太陽電池においては、集光によって太陽電池の温度が上昇すると発電特性（ＰＶ特性）が低下する。従って、集光による太陽電池の温度の上昇を抑制するために、太陽電池をヒートシンクに載置し、あるいは又、太陽電池を放熱フィンに取り付けて、放熱している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許公報第３７７２２６１号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
水素ガス発生装置においては、水素ガス生成の原料である液体を加熱する装置が別途必要とされ、発電・水素ガス発生装置の構成、構造が複雑になる。しかも、太陽電池の温度の上昇を抑制するために、太陽電池を冷却する装置が別途必要とされ、やはり、発電・水素ガス発生装置の構成、構造が複雑になる。
【０００６】
従って、本発明の目的は、簡素な構成、構造で、太陽電池の冷却、水素ガス発生装置における水素ガス生成の原料である液体を加熱することができる発電・水素ガス発生装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の目的を達成するための本発明の発電・水素ガス発生装置は、水素ガス発生装置、太陽電池、及び、熱輸送部材を備えており、
水素ガス発生装置は、熱輸送部材の一端の部分から構成された分離壁部によって分離された複数の電気分解セルを備えており、
熱輸送部材の他端の部分から構成された太陽電池取付部に太陽電池が取り付けられており、
太陽電池にて生成した熱が太陽電池取付部を介して分離壁部から電気分解セルに伝熱される。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の発電・水素ガス発生装置にあっては、太陽電池にて生成した熱が太陽電池取付部を介して分離壁部から電気分解セルに伝熱されるので、簡素な構成、構造にて、水素ガス生成の原料である液体を加熱することができ、同時に、太陽電池の温度の上昇を抑制することができる。しかも、電気エネルギーに変換された残りの熱として放出、廃棄されるエネルギーを水素ガス発生装置において有効に利用するので、発電・水素ガス発生装置、全体のエネルギー利用効率、水素生成システムの水素変換効率の一層の向上を図ることが可能となるし、水素生成システムとして付帯設備を削減若しくは軽減することができ、水素生成システム構築のコストを低減することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、実施例１の発電・水素ガス発生装置の概念図である。
【図２】図２は、実施例１の水素ガス発生装置の模式的な断面図である。
【図３】図３は、実施例１の水素ガス発生装置における１つの分離壁部等の模式的な断面図である。
【図４】図４は、図２の矢印Ａ−Ａに沿った実施例１の水素ガス発生装置の模式的な断面図である。
【図５】図５は、図２の矢印Ｂ−Ｂに沿った実施例１の水素ガス発生装置の模式的な断面図である。
【図６】図６は、図４の矢印Ａ方向から眺めた実施例１の水素ガス発生装置の模式的な側面図である。
【図７】図７は、図４の矢印Ｂ方向から眺めた実施例１の水素ガス発生装置の別の模式的な側面図である。
【図８】図８は、図４の矢印Ｃ方向から眺めた実施例１の水素ガス発生装置の別の模式的な側面図である。
【図９】図９の（Ａ）及び（Ｂ）は、それぞれ、実施例１における熱輸送部材の軸線を含む仮想平面で熱輸送部材を切断したときの熱輸送部材の模式的な一部断面図、及び、熱輸送部材の軸線と直交する仮想平面で熱輸送部材を切断したときの熱輸送部材の模式的な一部断面図である。
【図１０】図１０は、水電解電圧と水電解効率の温度依存性を示すグラフである。
【図１１】図１１の（Ａ）は、太陽電池の最大出力電圧と水素ガス発生装置における水素ガスを発生させるための電解電圧の最適化を図ったときのグラフであり、図１１の（Ｂ）及び（Ｃ）は、太陽電池の最大出力電圧と水素ガス発生装置における水素ガスを発生させるための電解電圧との間に電圧差が存在すると、電圧差分だけ水素変換効率が低減することを説明するためのグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照して、実施例に基づき本発明を説明するが、本発明は実施例に限定されるものではなく、実施例における種々の数値や材料は例示である。尚、説明は、以下の順序で行う。
１．本発明の発電・水素ガス発生装置、全般に関する説明
２．実施例１（本発明の発電・水素ガス発生装置）、その他
【００１１】
［本発明の発電・水素ガス発生装置、全般に関する説明］
本発明の発電・水素ガス発生装置において、熱輸送部材の一端の部分は複数の分岐部を有し、各分岐部が分離壁部を構成する形態とすることができる。
【００１２】
本発明の発電・水素ガス発生装置の係る形態にあっては、
複数の分離壁部は離間して並置されており、
対向する２つの分離壁部に挟まれた空間は、分離壁部と平行に配された高分子電解質膜によって第１の空間及び第２の空間に区画されており、
対向する２つの分離壁部の内の一方の分離壁部の対向面には、第１の空間内に位置し、先端部が高分子電解質膜に接した複数の第１電極が設けられており、他方の分離壁部の対向面には、第２の空間内に位置し、先端部が高分子電解質膜に接し、第１電極と対向した第２電極が設けられており、
各第１電極は、その一端に、分離壁部の側面に露出した（例えば、分離壁部の側面から突出した）第１接続部を備えており、
各第２電極は、その一端に、分離壁部の側面に露出した（例えば、分離壁部の側面から突出した）第２接続部を備えており、
第１の空間に連通した液体導入部及び液体排出部、並びに、第２の空間に連通した液体排出部を更に備えており、
一対の第１電極及び第２電極によって、１つの電気分解セルが構成されており、
第２の空間において水素ガスが生成され、
第１接続部及び第２接続部が接続され、電気分解セルに電圧を印加する制御装置を更に備えており、
太陽電池から制御装置に供給される電圧に応じて、制御装置は電気分解セルの直列接続及び並列接続の接続状態を変更する構成とすることができる。
【００１３】
ところで、太陽電池の最大出力電圧と水素ガス発生装置における水素ガスを発生させるための電解電圧との間に電圧差（以下、単に『電圧差』と呼ぶ場合がある）が存在すると、電圧差分だけ水素変換効率が低減する（図１１の（Ｂ）及び（Ｃ）参照）。然るに、このような構成の本発明の発電・水素ガス発生装置における水素ガス発生装置にあっては、離間して並置された複数の分離壁部を備えており、対向する２つの分離壁部に挟まれた空間内には高分子電解質膜が配され、高分子電解質膜を挟んで複数の第１電極及び第２電極が設けられており、各電極は、その一端に、分離壁部の側面に露出した接続部を備えており、一対の第１電極及び第２電極によって１つの電気分解セルが構成されている。従って、水素ガス発生装置を第１電極及び第２電極が延びる方向と直交する仮想平面で切断したとき、電気分解セルが２次元マトリクス状に配置された状態となっており、しかも、各電極の接続部は分離壁部の側面に露出しているので、例えば、太陽電池の最大出力電圧と水素ガス発生装置における電解電圧との間の電圧差を無くし、あるいは又、減少させるために、電気分解セルの電気的な接続状態における直列接続及び並列接続を、適宜、容易に、しかも、適切に変更することができる。それ故、最大出力（最大変換効率）の電気エネルギーで、例えば水を電気分解して水素ガスを得る際のエネルギーロスを低減することができ、高効率で水素ガスを生成することができる。尚、前述の特許公報に開示された水素ガス発生装置にあっては、構造上、このような電気分解セルの電気的接続状態を任意に変更することは極めて困難である。
【００１４】
しかも、１つの分離壁部に対して複数の電極を設けるので、水素ガス発生装置の構成部品点数を削減することができるだけでなく、電極と電極との間のスペースを、水素ガスの原料となる液体の流路及び生成ガスの排出流路として用いることができる。それ故、水素ガス発生装置の小型化、軽量化を図ることができる。
【００１５】
そして、このような構成の本発明の発電・水素ガス発生装置にあっては、太陽電池の最大出力電圧（Ｖpm）の±１０％の範囲内、好ましくは、太陽電池の最大出力電圧（Ｖpm）の±５％の範囲内に、直列接続された電気分解セルに印加される電圧が納まるように、制御装置は電気分解セルの直列接続及び並列接続の接続状態を変更する構成とすることが望ましい。
【００１６】
更には、これらの構成の本発明の発電・水素ガス発生装置において、各電極の後部は分離壁部に埋め込まれている構成とすることができる。分離壁部と電極を別々に作製し、分離壁部と電極とを組み立ててもよいし、電極を予め作製しておき、分離壁部と電極とを一体に作製してもよい。
【００１７】
更には、これらの構成の本発明の発電・水素ガス発生装置において、高分子電解質膜は、フッ素樹脂系イオン交換膜あるいはプロトン伝導性の固体高分子膜（ＰＥＭ膜）、具体的には、側鎖の末端にスルホン酸基を有するパーフルオロスルホン酸系高分子膜から成る構成とすることができる。ここで、高分子電解質膜として、具体的には、ナフィオン（デュポン株式会社の登録商標）膜やＤｏｗ膜を例示することができる。
【００１８】
以上に説明した各種の好ましい形態、構成を含む本発明の発電・水素ガス発生装置において、
熱輸送部材は、密閉された内部空間を有しており、
該内部空間には、毛細管部材が配置されており、且つ、相変化を利用して熱を輸送する流体（熱媒体）が封入されている構成とすることができる。
【００１９】
ここで、毛細管部材は、第１の部材と、第１の部材よりも目の粗い第２の部材が積層して成る形態とすることができる。そして、第１の部材及び第２の部材は、流体に毛細管力を作用させ得る材料から構成されていればよく、メッシュ状の部材から成り、あるいは又、ワイヤを束ねた部材から成る形態とすることができる。尚、これらの形態にあっては、太陽電池にて生成した熱によって、太陽電池取付部（吸熱部）において流体（熱媒体）が気相となり、第２の部材を通過して分離壁部（放熱部）に到達し、分離壁部において液相となることで電気分解セルに伝熱し、液相となった流体（熱媒体）は第１の部材を通過して太陽電池取付部に戻る形態とすることができる。尚、このような構成、構造を有する熱輸送部材は、高熱伝導性を有し、容易に薄手化を図ることができ、形状自由度の高い、薄型ヒートパイプである。
【００２０】
また、以上に説明した各種の好ましい形態、構成を含む本発明の発電・水素ガス発生装置において、太陽電池には、ガラスあるいはプラスチックから作製された集光レンズが備えられていることが好ましい。
【００２１】
また、以上に説明した各種の好ましい形態、構成を含む本発明の発電・水素ガス発生装置において、太陽電池は化合物系太陽電池から成ることが好ましいが、これに限定するものではなく、シリコン系太陽電池や、色素増感太陽電池、有機薄膜太陽電池を含む有機系太陽電池を挙げることもできる。尚、太陽電池は、複数の太陽電池セルの集合体である太陽電池モジュールから構成されていてもよい。
【００２２】
熱輸送部材を構成する材料として、銅（Ｃｕ）やステンレス鋼、ニッケル（Ｎｉ）、アルミニウム（Ａｉ）を例示することができる。熱輸送部材は、例えば、上面部材と下面部材と側面部材とから構成すればよく、上面部材及び下面部材の板厚として０．１ｍｍ〜０．８ｍｍを例示することができるし、側面部材の板厚として１ｍｍ〜２ｍｍを例示することができる。熱輸送部材には、熱輸送部材の一端の部分から構成された分離壁部と、熱輸送部材の他端の部分から構成された太陽電池取付部との間に、中間部（接続部）が設けられていてもよい。熱輸送部材の軸線と直交する仮想平面で熱輸送部材を切断したときの熱輸送部材の断面形状は、矩形形状等、任意の断面形状とすることができる。流体（熱媒体）として、水や、エチルアルコール等のアルコールを例示することができる。第１の部材及び第２の部材を、金属細線から成るメッシュ状の部材から構成する場合、第１の部材を１層あるいは２層以上のメッシュ状の部材から構成すればよいし、同様に、第２の部材を１層あるいは２層以上のメッシュ状の部材から構成すればよい。メッシュ状の部材の厚さとして、０．０２ｍｍ〜０．０５ｍｍを例示することができる。メッシュ状の部材を構成する材料として、銅（Ｃｕ）やステンレス鋼、ニッケル（Ｎｉ）、アルミニウム（Ａｌ）を挙げることができ、ワイヤを構成する材料として、銅（Ｃｕ）やステンレス鋼、ニッケル（Ｎｉ）、アルミニウム（Ａｌ）を挙げることができる。メッシュ状の部材を積層する場合、例えば、接着剤を用いて、あるいは、ロウ付け、半田付け、メッキ等によって相互に固定すればよい。
【００２３】
場合によっては、分離壁部は、プラスチック材料あるいはセラミックス材料から成る構成とすることができる。ここで、プラスチック材料として、ポリカーボネート樹脂（ＰＣ樹脂）；ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂等のポリオレフィン系樹脂；ポリアミド６、ポリアミド６６、ポリアミドＭＸＤ６等のポリアミド系樹脂（ＰＡ系樹脂）；ポリオキシメチレン（ポリアセタール，ＰＯＭ）樹脂；ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）樹脂、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）樹脂等のポリエステル系樹脂；ポリフェニレンサルファイド樹脂；ポリスチレン樹脂、ＡＢＳ樹脂、ＡＥＳ樹脂、ＡＳ樹脂といったスチレン系樹脂；メタクリル系樹脂；変性ポリフェニレンエーテル（ＰＰＥ）樹脂；ポリスルホン樹脂；ポリエーテルスルホン樹脂；ポリアリレート樹脂；ポリエーテルイミド樹脂；ポリアミドイミド樹脂；ポリイミド系樹脂；ポリエーテルケトン樹脂；ポリエーテルエーテルケトン樹脂；ポリエステルカーボネート樹脂；液晶ポリマーで例示される熱可塑性樹脂、フェノール樹脂、ユリア樹脂、メラミン樹脂、キシレン樹脂、キシレン・ホルムアルデヒド樹脂、ジアリルフタレート樹脂、フラン樹脂、ケトン・ホルムアルデヒド樹脂、尿素樹脂、アニリン樹脂、アルキド樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂で例示される熱硬化性樹脂を挙げることができる。分離壁部は、構成材料に依存するが、公知の成形技術や焼結技術等に基づき作製すればよい。また、この場合、金属あるいは合金から作製された太陽電池取付部と、プラスチック材料あるいはセラミックス材料から作製された分離壁部とを、適切な方法、手段で接続、接合すればよい。
【００２４】
上記の好ましい形態、構成を含む本発明の発電・水素ガス発生装置（以下、これらを総称して、単に『本発明』と呼ぶ場合がある）において、第１電極（陽極）は、例えば、第１電極本体部、及び、第１電極本体部の先端部に設けられ、高分子電解質膜に接する触媒層から構成されている。同様に、第２電極（陰極）は、例えば、第２電極本体部、及び、第２電極本体部の先端部に設けられ、高分子電解質膜に接する触媒層から構成されている。ここで、第１電極本体部は、耐酸性、耐酸化性を有する材料から構成すればよく、係る材料として、例えば、チタン（Ｔｉ）、ステンレス鋼を挙げることができるし、第２電極本体部は、耐酸性を有する材料から構成すればよく、係る材料として、例えば、ニッケル（Ｎｉ）を挙げることができる。また、第１電極を構成する触媒層として、イリジウム（Ｉｒ）、酸化イリジウム、チタン（Ｔｉ）を挙げることができるし、第２電極を構成する触媒層として、チタン（Ｔｉ）、白金（Ｐｔ）を挙げることができる。分離壁部が導電材料から構成されている場合、分離壁部を接する第１電極及び第２電極の部分に絶縁材料層を設けることで、第１電極や第２電極を分利壁部から絶縁することができる。
【００２５】
第１の空間には、液体導入部から液体を流し、液体排出部から排出し、第２の空間には、第１の空間から高分子電解質膜を介して液体を流し、液体排出部から排出するが、ここで、液体として、水を挙げることができる。液体排出部から排出された液体を液体導入部に戻すことで循環させればよい。液体として水を用いる場合、第１の空間における液体排出部から排出される水には酸素ガスが同搬されるが、係る酸素ガスは、周知の方法に基づき、適切な分離装置を用いて水と分離すればよい。また、第２の空間における液体排出部から排出される水には水素ガスが同搬されるが、係る水素ガスは、周知の方法に基づき、適切な分離装置を用いて水と分離し、周知の方法に基づき、ボンベに貯蔵してもよいし、水素吸蔵合金に吸蔵させてもよい。場合によっては、液体排出部とは別に酸素ガス及び水素ガスを取り出す排出ポートを水素ガス発生装置に設けてもよい。
【００２６】
制御装置は、太陽電池から制御装置に供給される電圧を測定するための電圧測定回路、マイクロコンピュータ、記憶装置、スイッチング回路を含み、太陽電池から制御装置に供給された電圧の値をパラメータとした電気分解セルの直列接続及び並列接続の接続組合せが、予め決定されており、記憶装置に記憶されている。そして、太陽電池から制御装置に供給された電圧の値に応じて、マイクロコンピュータは、記憶装置から電気分解セルの直列接続及び並列接続の接続組合せの内、最適な組合せを選択し、係る組合せに基づきスイッチング回路を制御する。そして、これによって、電気分解セルの直列接続及び並列接続の接続状態の最適化を図ることができる。太陽電池から制御装置に供給された電圧の値だけでなく、第１の空間及び第２の空間を流れる液体の温度をもパラメータとした電気分解セルの直列接続及び並列接続の接続組合せを、予め決定し、記憶装置に記憶しておいてもよい。
【実施例１】
【００２７】
実施例１は、本発明の発電・水素ガス発生装置に関する。実施例１の発電・水素ガス発生装置の概念図を図１に示し、水素ガス発生装置の模式的な断面図を図２に示し、１つの分離壁部等の模式的な断面図を図３に示し、図２の（Ａ）の矢印Ａ−Ａに沿った実施例１の水素ガス発生装置の模式的な断面図、及び、図２の（Ａ）の矢印Ｂ−Ｂに沿った実施例１の水素ガス発生装置の模式的な断面図を、それぞれ、図４及び図５に示す。更には、図４の矢印Ａ方向、図４の矢印Ｂ方向及び図４の矢印Ｃ方向から眺めた実施例１の水素ガス発生装置の模式的な側面図を、それぞれ、図６、図７及び図８に示す。尚、各分離壁部を含む仮想平面と平行な仮想平面で水素ガス発生装置を切断したときの模式的な断面図は、実質的に同じである。また、太陽電池の最大出力電圧と水素ガス発生装置における水素ガスを発生させるための電解電圧の最適化を図ったときのグラフを図１１の（Ａ）に示す。
【００２８】
実施例１の発電・水素ガス発生装置は、水素ガス発生装置１０、太陽電池４０、及び、熱輸送部材５０を備えており、
水素ガス発生装置１０は、熱輸送部材５０の一端の部分５１から構成された分離壁部１２によって分離された複数の電気分解セル１１を備えており、
熱輸送部材５０の他端の部分５２から構成された太陽電池取付部５３に太陽電池４０が取り付けられており、
太陽電池４０にて生成した熱が太陽電池取付部５３を介して分離壁部１２から電気分解セル１１に伝熱される。
【００２９】
具体的には、実施例１の水素ガス発生装置１０は、離間して並置された複数の分離壁部（セパレータ）１２を備えている。尚、熱輸送部材５０の一端の部分５１は複数の分岐部を有し、各分岐部が分離壁部１２を構成している。ここで、複数の分離壁部１２が離間して並置されているが、分離壁部１２は、垂直方向に積層された状態で離間して並置されていてもよいし、水平方向に離間して並置されていてもよい。尚、前者の場合、分離壁部１２を含む仮想平面は水平面であり、後者の場合、分離壁部１２を含む仮想平面は垂直面である。そして、対向する２つの分離壁部１２に挟まれた空間は、分離壁部１２と平行に配された高分子電解質膜１４によって第１の空間１５及び第２の空間１６に区画されている。尚、分離壁部１２と高分子電解質膜１４とは、厳密に平行に配されている必要はない。図示した例では、水素ガス発生装置１０は、５枚の分離壁部１２を備えており、４つの空間が存在し、１つの空間当たり５個の電気分解セル１１が設けられているが、これに限定するものではない。尚、複数の分離壁部１２は、複数の分離壁部１２の四隅を貫通する複数のボルト及びナット（これらは図示せず）を用いて相互に固定されている。
【００３０】
更には、対向する２つの分離壁部１２の内の一方の分離壁部１２の対向面には、第１の空間１５内に位置し、先端部が高分子電解質膜１４に接した複数の第１電極２１が設けられており、他方の分離壁部１２の対向面には、第１０２の空間１６内に位置し、先端部が高分子電解質膜１４に接し、第１電極２１と対向した第２電極２２が設けられている。ここで、各第１電極２１は、その一端に、分離壁部１２の側面１３Ａに露出した（具体的には、分離壁部１２の側面１３Ａから突出した）第１接続部２１Ｃを備えており、各第２電極２２は、その一端に、分離壁部１２の側面１３Ａに露出した（具体的には、分離壁部１２の側面１３Ａから突出した）第２接続部２２Ｃを備えている。ここで、各電極２１，２２の後部は分離壁部１２に埋め込まれている。具体的には、分離壁部１２の対向面には予め凹部が形成されており、電極２１，２２が、対向面から突出した状態でこれらの凹部に嵌合している。また、参照番号１２’は、水素ガス発生装置１０を構成する側壁部材であり、ポリカーボネート樹脂から成る。
【００３１】
更には、第１の空間１５に連通した液体導入部１７Ａ及び液体排出部１８Ａ、並びに、第２の空間１６に連通した液体排出部１８Ｂを更に備えている。尚、液体導入部１７Ａは、分離壁部１２の側面１３Ａに設けられており、液体排出部１８Ａ，１８Ｂは、分離壁部１２の側面１３Ｃに設けられている。第１の空間１５には、循環用ポンプ（図示せず）を用いて、液体導入部１７Ａから液体、具体的には水を流し、第１の空間１５を流れた液体は液体排出部１８Ａから排出される。また、第１の空間１５から高分子電解質膜１４を介して第２の空間１６に導入された液体は液体排出部１８Ｂから排出される。液体排出部１８Ａ，１８Ｂから排出された液体を液体導入部１７Ａに戻すことで循環させる。第１の空間１５における液体排出部１８Ａから排出される水には酸素ガスが同搬されるが、係る酸素ガスは、周知の方法に基づき、適切な分離装置（図示せず）を用いて水と分離すればよい。また、第２の空間１６における液体排出部１８Ｂから排出される水には水素ガスが同搬されるが、係る水素ガスは、周知の方法に基づき、適切な分離装置（図示せず）を用いて水と分離し、周知の方法に基づき、ボンベ(図示せず）に貯蔵してもよいし、水素吸蔵合金(図示せず）に吸蔵させてもよい。尚、液体導入部１７Ａを１箇所、設け、マニホールドによって各第１の空間１５に液体を供給してもよい。また、液体排出部１８Ａを１箇所、設け、マニホールドによって各第１の空間１５から液体を排出してもよい。同様に、液体排出部１８Ｂを１箇所、設け、マニホールドによって各第２の空間１６から液体を排出してもよい。場合によっては、液体排出部１８Ａ，１８Ｂとは別に酸素ガス及び水素ガスを取り出す排出ポートを第１の空間１５及び第２の空間１６に設けてもよい。
【００３２】
ここで、一対の第１電極２１及び第２電極２２によって、１つの電気分解セル１１が構成されている。そして、第２の空間１６において水素ガスが生成される。
【００３３】
複数の第１電極２１（酸素ガス発生用触媒電極）は、図示したとおり、離間した状態で設けられており、第１電極２１と第１電極２１との間の隙間は、電気分解の原料となる水（純水）の流路、及び、生成した酸素ガスの排出流路に相当する。同様に、複数の第２電極２２（水素発生用触媒電極）は、図示したとおり、離間した状態で設けられており、第２電極２２と第２電極２２との間の隙間は、電気分解の原料となる水（純水）の流路、及び、生成した水素ガスの排出流路に相当する。
【００３４】
高分子電解質膜１４は、フッ素樹脂系イオン交換膜あるいはプロトン伝導性の固体高分子膜（ＰＥＭ膜）、具体的には、側鎖の末端にスルホン酸基を有するパーフルオロスルホン酸系高分子膜、より具体的には、ナフィオン膜から成る。高分子電解質膜１４の端部は、ガスケット１９を介して分離壁部１２に挟まれた状態で固定されている。また、分離壁部１２が側壁部材１２’と接する部分にもガスケットが配されているが、これらのガスケットの図示は省略した。
【００３５】
また、第１電極２１（陽極）は、チタンから成る第１電極本体部２１Ａ、及び、第１電極本体部２１Ａの先端部に設けられ、高分子電解質膜１４に接し、酸化イリジウムから成る触媒層２１Ｂから構成されている。分離壁部１２と接する第１電極２１の部分には、絶縁材料層２１Ｄが形成されている。一方、第２電極２２（陰極）は、ニッケルから成る第２電極本体部２２Ａ、及び、第１電極本体部２２Ａの先端部に設けられ、高分子電解質膜１４に接し、チタンから成る触媒層２２Ｂから構成されている。分離壁部１２と接する第２電極２２の部分には、絶縁材料層２２Ｄが形成されている。絶縁材料層２１Ｄ，２２Ｄを設けることで、第１電極２１、第２電極２２を分利壁部１２から絶縁することができる。尚、絶縁材料層２１Ｄ，２２Ｄは、図３にのみ示した。
【００３６】
実施例１の水素ガス発生装置１０には、制御装置３０が更に備えられている。制御装置３０は、配線３１及びコネクタ（図示せず）を介して、第１接続部２１Ｃ及び第２接続部２２Ｃに接続されており、電気分解セル１１に電圧を印加する。そして、複数の化合物系（ＧａＡｓ系）太陽電池セルから成る太陽電池（太陽電池モジュール）４０から制御装置３０に供給される電圧に応じて、制御装置３０は電気分解セル１１の直列接続及び並列接続の接続状態を変更する。尚、実施例１の発電・水素ガス発生装置を駆動する方法にあっては、太陽電池４０から制御装置３０に供給される電圧に応じて、制御装置３０の制御下、電気分解セル１１の直列接続及び並列接続の接続状態を変更する。
【００３７】
具体的には、制御装置３０は、太陽電池４０から制御装置３０に供給される電圧を測定するための電圧測定回路、マイクロコンピュータ、記憶装置、スイッチング回路（これらは図示せず）を含んでいる。ここで、太陽電池４０から制御装置３０に供給された電圧の値をパラメータとした電気分解セル１１の直列接続及び並列接続の接続組合せが、予め決定されており、記憶装置に記憶されている。そして、太陽電池４０から制御装置３０に供給された電圧の値に応じて、マイクロコンピュータは、記憶装置から電気分解セル１１の直列接続及び並列接続の接続組合せの内、最適な組合せを選択し、係る組合せに基づきスイッチング回路を制御する。そして、これによって、電気分解セル１１の直列接続及び並列接続の接続状態の最適化を図っている。
【００３８】
更には、太陽電池４０を構成する太陽電池セルの最大出力電圧（Ｖpm）の値をパラメータとした太陽電池セルの直列接続及び並列接続の接続組合せが、予め決定されており、記憶装置に記憶されている。そして、制御装置３０は太陽電池セルの最大出力電圧（Ｖpm）を測定し、その測定結果に基づき、マイクロコンピュータは、記憶装置から太陽電池セルの直列接続及び並列接続の接続組合せの内、最適な組合せを選択し、係る組合せに基づきスイッチング回路を制御する。そして、これによって、太陽電池セルの直列接続及び並列接続の接続状態の最適化を図っている。
【００３９】
例えば、電気分解セル１１の水電解電圧［理論電位（平衡電極電位、理論電解電圧）と、実際に反応が進行するときの電極の電位との和］が１．５ボルトとなるように、電極を構成する材料等が組み合わされ、水素ガス発生装置が構成されているとする。そして、太陽電池４０の太陽電池セル１つ当たりの最大出力電圧（Ｖpm）が２．２ボルトである場合、太陽電池４０を１５個の太陽電池セルの直列接続から構成すれば、太陽電池４０から供給される電圧は、
２．２×１５＝３３．０ボルト
となる。従って、電気分解セル１１を２２個、直列に接続すればよい。
【００４０】
また、太陽電池４０の太陽電池セル１つ当たりの最大出力電圧（Ｖpm）が２．１ボルトに低下した場合、太陽電池４０を５個の太陽電池セルの直列接続から構成すれば、太陽電池４０から供給される電圧は、
２．１×５＝１０．５ボルト
となる。従って、電気分解セル１１を７個、直列に接続すればよい。
【００４１】
更には、太陽電池４０の太陽電池セル１つ当たりの最大出力電圧（Ｖpm）が２．０ボルトに低下した場合、太陽電池４０を３個の太陽電池セルの直列接続から構成すれば、太陽電池４０から供給される電圧は、
２．０×３＝６．０ボルト
となる。従って、電気分解セル１１を４個、直列に接続すればよい。
【００４２】
従って、電気分解セル１１の数を、２２と７と４の最小公倍数である３０８個とし、天候に応じて、太陽電池４０における太陽電池セルの直列／並列の接続状態と、電気分解セル１１における直列／並列の接続状態とを、制御装置３０の制御下、適宜、変更することで、常に、太陽電池４０と水素ガス発生装置との間の電圧差を減少・低減させることができ、太陽電池４０の電気エネルギー変換効率を最大限有効活用して水素ガスを生成することができる。尚、水素ガス発生装置の構成要素を構成する材料、駆動条件、太陽電池４０の構成要素を構成する材料、想定する最大出力電圧（Ｖpm）に応じて、電気分解セル１１の数を、適宜、決定すればよい。ここで、広くは、太陽電池４０の最大出力電圧（Ｖpm）の±１０％の範囲内、好ましくは、太陽電池４０の最大出力電圧（Ｖpm）の±５％の範囲内に、直列接続された電気分解セル１１に印加される電圧が納まるように、制御装置３０は電気分解セル１１の直列接続及び並列接続の接続状態を変更し、また、制御装置３０の制御下、電気分解セル１１の直列接続及び並列接続の接続状態を変更する。
【００４３】
また、もしも、太陽電池４０の太陽電池セル１つ当たりの最大出力電圧（Ｖpm）が１．９ボルトに低下した場合、太陽電池４０を１５個の太陽電池セルの直列接続から構成すれば、太陽電池４０から供給される電圧は、
１．９×１５＝２８．５ボルト
となる。従って、電気分解セル１１を１９個、直列に接続すればよい。この場合、電気分解セル１１の個数は３０４個であり、３０８個の電気分解セル１１の内、４個の電気分解セル１１を不使用とすればよい。
【００４４】
一般には、電気分解セル１１の水電解電圧をＶ0ボルトとし、太陽電池４０の太陽電池セル１つ当たりの最大出力電圧をＶpm-iボルト、太陽電池４０における直列接続された太陽電池セルの個数をＮSC-iとしたとき、太陽電池４０から供給される電圧は、
Ｖpm-i×ＮSC-i
である。そして、電気分解セル１１を直列に接続すべき個数をＮNC-iとすれば、
ＮNC-i＝（Ｖpm-i／Ｖ0）×ＮSC-i
を満足すればよい。ここで、太陽電池セル１つ当たりの最大出力電圧の変化がＩケースあると想定した場合、ＩケースのＮNC-i（ｉ＝１，２・・・Ｉ）の最小公倍数が、水素ガス発生装置において必要とされる電気分解セル１１の個数となる。但し、場合によっては、上述したとおり、多少の電気分解セル１１を駆動させること無く、水素ガス発生装置によって水素ガスを生成させてもよい。
【００４５】
熱輸送部材５０の軸線を含む仮想平面で熱輸送部材５０を切断したときの熱輸送部材５０の模式的な一部断面図を図９の（Ａ）に示し、熱輸送部材５０の軸線と直交する仮想平面で熱輸送部材５０を切断したときの熱輸送部材５０の模式的な一部断面図を図９の（Ｂ）に示す。実施例１において、熱輸送部材５０は、密閉された内部空間６０を有しており、この内部空間６０には、毛細管部材７０が配置されており、且つ、相変化を利用して熱を輸送する流体（熱媒体）が封入されている。尚、流体（熱媒体）は図示していない。具体的には、毛細管部材７０は、第１の部材７１と、第１の部材７１よりも目の粗い第２の部材７２が積層して成る。
【００４６】
また、太陽電池４０には、ガラスあるいはプラスチックから作製された集光レンズ４１が備えられており、太陽光の光を太陽電池４０に集光する。但し、太陽電池４０に入射する光は太陽光に限定されない。
【００４７】
熱輸送部材５０の一端の部分５１から構成された分離壁部１２と、熱輸送部材５０の他端の部分５２から構成された太陽電池取付部５３との間には、中間部（接続部）５４が設けられている。尚、太陽電池取付部５３と太陽電池４０との間には、ヒートシンク５５が配置されている。熱輸送部材５０は、ステンレス鋼から作製されており、上面部材６１と下面部材６２と側面部材６３から構成されている。分離壁部１２の部分を除き、熱輸送部材５０の軸線と垂直な仮想平面で熱輸送部材５０を切断したときの熱輸送部材５０の断面形状は、図９の（Ｂ）に示したように、矩形形状である。但し、断面形状は、矩形形状に限定するものではない。分離壁部１２の部分においては、熱輸送部材５０の軸線を含む垂直な仮想平面で熱輸送部材５０を切断したときの熱輸送部材５０の断面形状は、図２あるいは図３に示したように、凹凸形状を有する。流体（熱媒体）として、水を用いる。第１の部材７１は複数のメッシュ状の部材（太陽電池、２枚〜５枚のメッシュ状の部材の積層体）から構成されており、第２の部材７２は１層のメッシュ状の部材から構成されている。尚、メッシュ状の部材は、ステンレス鋼のワイヤを編むことで作製されている。
【００４８】
熱輸送部材５０が動作していないとき（熱を伝達していないとき）には、流体は、第１の部材７１及び第２の部材７２の内、主に毛細管力の強い第１の部材７１の方に引き寄せられて保持されている。太陽電池４０を作動させると、熱輸送部材５０の吸熱部である太陽電池取付部５３において太陽電池４０から熱を受ける。その結果、液相の流体（熱媒体）が蒸発する。気相になった流体は、熱輸送部材５０の内部空間６０内を第２の部材７２を介して放熱部である分離壁部１２へと移動し、分離壁部１２において熱を放出し、凝縮し、液相となることで電気分解セル１１に伝熱する。液相となった流体（熱媒体）は、熱輸送部材５０の内部空間６０内を第１の部材７１を介して太陽電池取付部５３に戻る。尚、第１の部材７１による毛細管力を受けて液相の流体が移動する。このサイクルが繰り返されることで、太陽電池４０から熱が除かれる一方、電気分解セル１１には熱が与えられる。熱輸送部材５０の外形形状は薄板形状であるが故に、太陽電池４０は、太陽電池取付部５３において、第１の部材７１側に取り付けられていてもよいし、第２の部材７２側に取り付けられていてもよい。
【００４９】
第１の部材７１及びその上に積層された第２の部材７２から成る毛細管部材７０の厚さをｔ1とする。また、熱輸送部材５０における内部空間６０の高さ（側面部材６３の高さ）をｔ2とする。組み立て前にあっては、ｔ1＞ｔ2の関係にある。具体的には、例えば、
０ｍｍ≦ｔ1−ｔ2≦０．２ｍｍ
である。
【００５０】
熱輸送部材５０は、例えば、以下に説明する方法で製造することができる。即ち、下面部材６２に側面部材６３を載置した、断面形状が「コ」の字の部材の内部に毛細管部材７０を配置し、毛細管部材７０の上に上面部材６１を乗せる。この状態にあっては、上面部材６１と側面部材６３の頂面との間には隙間が存在する。そして、雰囲気を高温とした状態で上面部材６１側から圧力Ｐを加えることで、下面部材６２と側面部材６３、及び、上面部材６１と側面部材６３とが拡散接合される。このとき、毛細管部材７０は（ｔ1−ｔ2）だけ、圧縮される。毛細管部材７０は弾性を有しているので、圧力Ｐの一部が吸収され、その圧力Ｐよりも小さい圧力Ｐ’が毛細管部材７０から下面部材６２へ加えられる。この圧力Ｐ’によって下面部材６２と毛細管部材７０とが拡散接合される。また、上面部材６１にも、圧縮された毛細管部材７０から圧力Ｐよりも小さい圧力Ｐ”が加えられる。この圧力Ｐ”によって上面部材６１と毛細管部材７０とが拡散接合される。このように、拡散接合することで、熱輸送部材５０の気密性が破られるリーク不良を防ぐことができる。尚、下面部材６２側から圧力Ｐを加えてもよい。また、ｔ1＝ｔ2であっても、拡散接合工程は高温状態で行われるので、上面部材６１も高温になり、僅かに変形し、この変形によって、毛細管部材７０が圧縮される。このように、複数の拡散接合が同じ工程において行われるので、少ない工程に基づき効率的に製造される、安価な熱輸送部材の製造方法を提供することができる。尚、こうして得られた熱輸送部材５０の各部を、適切な方法で組み立てればよい。
【００５１】
集光レンズ４１によって、光のエネルギーを５００倍、集光した場合、放熱する必要がある熱量は、例えば、以下の計算から３５ワット／ｃｍ2である。
【００５２】
集光レンズ４１に入射する太陽光 ：０．１ワット／ｃｍ2
太陽電池に入射する太陽光 ：５０ワット／ｃｍ2
太陽電池におけるエネルギー利用効率 ：３０％
太陽電池において利用されるエネルギー ：１５ワット／ｃｍ2
水素ガス発生装置において利用されるエネルギー：３５ワット／ｃｍ2
【００５３】
仮に、水素生成用原料（液体）及び電気分解によって発生する酸素ガスを押し流して排出するために、実際に電気分解される水量の約５００倍以上の過剰の純水である０．２５ミリリットル／秒（０．２５グラム／秒）の純水を水素ガス発生装置１０に導入した場合、水の比熱を４．２ジュール／グラム・Ｋとすれば、純水１グラム／秒を１゜Ｃ上昇させるのに必要な熱量は４．２ワットであるので、３３゜Ｃの温度上昇となる。
（３５／４．２）（１／０．２５）＝３３
【００５４】
水電解電圧と水電解効率の温度依存性を図１０に示すが、常温での水電解効率に対し、約３％乃至４％の水電解効率向上を図ることができる。尚、水素ガス発生装置１０に導入すべき液体の流量を制御することで、液体の上昇温度を制御することができる。即ち、流量を増加させると電解温度は低下し、流量を減少させると電解温度は上昇する。
【００５５】
実施例１の発電・水素ガス発生装置にあっては、太陽電池４０にて生成した熱が太陽電池取付部５３を介して分離壁部１２から電気分解セル１１に伝熱されるので、簡素な構成、構造にて、水素ガス生成の原料である液体を加熱することができ、同時に、太陽電池４０の温度の上昇を抑制することができる。即ち、これまで冷却機構で廃棄していた太陽電池の熱で電気分解セル１１を加熱できるようになり、総合的なエネルギー利用効率を向上させることが可能となる上、水素生成システムとして付帯設備を削減若しくは軽減することができ、コストの低減を図ることが可能となる。しかも、より均等に電気分解セル１１に熱が移動し、電気分解が行われる反応場を均一に加熱することができるので、電気分解の効率低下や信頼性低下を引き起こす局所加熱や加熱温度ばらつきの発生を抑制することができる。尚、局所的な加熱が発生し、温度が上昇しない電気分解セル１１が発生すると、このような電気分解セル１１における電解電圧（特に、陽極の過電圧）が上昇し、水素変換効率が低下するだけでなく、電解電圧の上昇による陽極の自己溶解等が発生し、信頼性が低下する虞があるし、局所的に加熱された電気分解セル１１が劣化する虞もある。
【００５６】
また、実施例１にあっては、水素ガス発生装置を第１電極２１及び第２電極２２が延びる方向と直交する仮想平面で切断したとき、電気分解セル１１が２次元マトリクス状に配置された状態となっており、しかも、各電極２１，２２の接続部２１Ｃ，２２Ｃは分離壁部１２の側面１３Ａに露出しているので、例えば、太陽電池の最大出力電圧と水素ガス発生装置における電解電圧との間の電圧差を無くし、あるいは又、減少させるために、電気分解セル１１の直列／並列接続の状態を、適宜、しかも、容易に変更することができる。それ故、最大出力（最大変換効率）の電気エネルギーで、例えば水を電気分解して水素ガスに変換する際に、エネルギーロスを低減することができ、高効率で水素ガスを生成することが可能となる。しかも、電極２１，２２を分離壁部１２に設けることで、水素ガス発生装置の構成部品点数を削減することができるだけでなく、電極２１，２２を分離するためのスペースを、水素ガスの原料となる液体の導入流路及び生成ガスの排出流路として用いることができるので、水素ガス発生装置の小型化、軽量化を図ることができる。
【００５７】
以上、本発明を好ましい実施例に基づき説明したが、本発明はこの実施例に限定されるものではない。実施例にて説明した水素ガス発生装置、太陽電池、熱輸送部材、発電・水素ガス発生装置の構成、構造、用いた材料や仕様等は例示であり、適宜、選択、変更することができる。
【符号の説明】
【００５８】
１１・・・電気分解セル、１２・・・分離壁部、１２’・・・側壁部材、１３Ａ・・・電極の接続部が突出した分離壁部の側面、１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄ・・・分離壁部のその他の側面、１４・・・高分子電解質膜、１５・・・第１の空間、１６・・・第２の空間、１７Ａ・・・液体導入部、１８Ａ，１８Ｂ・・・液体排出部、１９・・・ガスケット、２１・・・第１電極、２１Ａ・・・第１電極本体部、２１Ｂ・・・触媒層、２１Ｃ・・・第１接続部、２２・・・第２電極、２２Ａ・・・第２電極本体部、２２Ｂ・・・触媒層、２２Ｃ・・・第２接続部、３０・・・制御装置、４０・・・太陽電池、４１・・・集光レンズ、５０・・・熱輸送部材、５１・・・熱輸送部材の一端の部分、５２・・・熱輸送部材の他端の部分、５３・・・太陽電池取付部、５４・・・中間部（接続部）、５５・・・ヒートシンク、６０・・・内部空間、６１・・・上面部材、６２・・・下面部材、６３・・・側面部材、７０・・・毛細管部材、７１・・・第１の部材、７２・・・第２の部材
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素ガス発生装置、太陽電池、及び、熱輸送部材を備えた発電・水素ガス発生装置であって、
水素ガス発生装置は、熱輸送部材の一端の部分から構成された分離壁部によって分離された複数の電気分解セルを備えており、
熱輸送部材の他端の部分から構成された太陽電池取付部に太陽電池が取り付けられており、
太陽電池にて生成した熱が太陽電池取付部を介して分離壁部から電気分解セルに伝熱される発電・水素ガス発生装置。
【請求項２】
熱輸送部材の一端の部分は複数の分岐部を有し、
各分岐部が分離壁部を構成する請求項１に記載の発電・水素ガス発生装置。
【請求項３】
複数の分離壁部は離間して並置されており、
対向する２つの分離壁部に挟まれた空間は、分離壁部と平行に配された高分子電解質膜によって第１の空間及び第２の空間に区画されており、
対向する２つの分離壁部の内の一方の分離壁部の対向面には、第１の空間内に位置し、先端部が高分子電解質膜に接した複数の第１電極が設けられており、他方の分離壁部の対向面には、第２の空間内に位置し、先端部が高分子電解質膜に接し、第１電極と対向した第２電極が設けられており、
各第１電極は、その一端に、分離壁部の側面に露出した第１接続部を備えており、
各第２電極は、その一端に、分離壁部の側面に露出した第２接続部を備えており、
第１の空間に連通した液体導入部及び液体排出部、並びに、第２の空間に連通した液体排出部を更に備えており、
一対の第１電極及び第２電極によって、１つの電気分解セルが構成されており、
第２の空間において水素ガスが生成され、
第１接続部及び第２接続部が接続され、電気分解セルに電圧を印加する制御装置を更に備えており、
太陽電池から制御装置に供給される電圧に応じて、制御装置は電気分解セルの直列接続及び並列接続の接続状態を変更する請求項２に記載の発電・水素ガス発生装置。
【請求項４】
太陽電池の最大出力電圧の±１０％の範囲内に、直列接続された電気分解セルに印加される電圧が納まるように、制御装置は電気分解セルの直列接続及び並列接続の接続状態を変更する請求項３に記載の発電・水素ガス発生装置。
【請求項５】
各電極の後部は分離壁部に埋め込まれている請求項３又は請求項４に記載の発電・水素ガス発生装置。
【請求項６】
高分子電解質膜はフッ素樹脂系イオン交換膜から成る請求項３乃至請求項５のいずれか１項に記載の発電・水素ガス発生装置。
【請求項７】
熱輸送部材は、密閉された内部空間を有しており、
該内部空間には、毛細管部材が配置されており、且つ、相変化を利用して熱を輸送する流体が封入されている請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の発電・水素ガス発生装置。
【請求項８】
毛細管部材は、第１の部材と、第１の部材よりも目の粗い第２の部材が積層して成る請求項７に記載の発電・水素ガス発生装置。
【請求項９】
第１の部材及び第２の部材は、メッシュ状の部材から成り、あるいは又、ワイヤを束ねた部材から成る請求項８に記載の発電・水素ガス発生装置。
【請求項１０】
太陽電池にて生成した熱によって、太陽電池取付部において流体が気相となり、第２の部材を通過して分離壁部に到達し、分離壁部において液相となることで電気分解セルに伝熱し、液相となった流体は第１の部材を通過して太陽電池取付部に戻る請求項８又は請求項９に記載の発電・水素ガス発生装置。
【請求項１１】
太陽電池には集光レンズが備えられている請求項１乃至請求項１０のいずれか１項に記載の発電・水素ガス発生装置。
【請求項１２】
太陽電池は化合物系太陽電池から成る請求項１乃至請求項１１のいずれか１項に記載の発電・水素ガス発生装置。
【請求項１】
水素ガス発生装置、太陽電池、及び、熱輸送部材を備えた発電・水素ガス発生装置であって、
水素ガス発生装置は、熱輸送部材の一端の部分から構成された分離壁部によって分離された複数の電気分解セルを備えており、
熱輸送部材の他端の部分から構成された太陽電池取付部に太陽電池が取り付けられており、
太陽電池にて生成した熱が太陽電池取付部を介して分離壁部から電気分解セルに伝熱される発電・水素ガス発生装置。
【請求項２】
熱輸送部材の一端の部分は複数の分岐部を有し、
各分岐部が分離壁部を構成する請求項１に記載の発電・水素ガス発生装置。
【請求項３】
複数の分離壁部は離間して並置されており、
対向する２つの分離壁部に挟まれた空間は、分離壁部と平行に配された高分子電解質膜によって第１の空間及び第２の空間に区画されており、
対向する２つの分離壁部の内の一方の分離壁部の対向面には、第１の空間内に位置し、先端部が高分子電解質膜に接した複数の第１電極が設けられており、他方の分離壁部の対向面には、第２の空間内に位置し、先端部が高分子電解質膜に接し、第１電極と対向した第２電極が設けられており、
各第１電極は、その一端に、分離壁部の側面に露出した第１接続部を備えており、
各第２電極は、その一端に、分離壁部の側面に露出した第２接続部を備えており、
第１の空間に連通した液体導入部及び液体排出部、並びに、第２の空間に連通した液体排出部を更に備えており、
一対の第１電極及び第２電極によって、１つの電気分解セルが構成されており、
第２の空間において水素ガスが生成され、
第１接続部及び第２接続部が接続され、電気分解セルに電圧を印加する制御装置を更に備えており、
太陽電池から制御装置に供給される電圧に応じて、制御装置は電気分解セルの直列接続及び並列接続の接続状態を変更する請求項２に記載の発電・水素ガス発生装置。
【請求項４】
太陽電池の最大出力電圧の±１０％の範囲内に、直列接続された電気分解セルに印加される電圧が納まるように、制御装置は電気分解セルの直列接続及び並列接続の接続状態を変更する請求項３に記載の発電・水素ガス発生装置。
【請求項５】
各電極の後部は分離壁部に埋め込まれている請求項３又は請求項４に記載の発電・水素ガス発生装置。
【請求項６】
高分子電解質膜はフッ素樹脂系イオン交換膜から成る請求項３乃至請求項５のいずれか１項に記載の発電・水素ガス発生装置。
【請求項７】
熱輸送部材は、密閉された内部空間を有しており、
該内部空間には、毛細管部材が配置されており、且つ、相変化を利用して熱を輸送する流体が封入されている請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の発電・水素ガス発生装置。
【請求項８】
毛細管部材は、第１の部材と、第１の部材よりも目の粗い第２の部材が積層して成る請求項７に記載の発電・水素ガス発生装置。
【請求項９】
第１の部材及び第２の部材は、メッシュ状の部材から成り、あるいは又、ワイヤを束ねた部材から成る請求項８に記載の発電・水素ガス発生装置。
【請求項１０】
太陽電池にて生成した熱によって、太陽電池取付部において流体が気相となり、第２の部材を通過して分離壁部に到達し、分離壁部において液相となることで電気分解セルに伝熱し、液相となった流体は第１の部材を通過して太陽電池取付部に戻る請求項８又は請求項９に記載の発電・水素ガス発生装置。
【請求項１１】
太陽電池には集光レンズが備えられている請求項１乃至請求項１０のいずれか１項に記載の発電・水素ガス発生装置。
【請求項１２】
太陽電池は化合物系太陽電池から成る請求項１乃至請求項１１のいずれか１項に記載の発電・水素ガス発生装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１２−３６４１４（Ｐ２０１２−３６４１４Ａ）
【公開日】平成２４年２月２３日（２０１２．２．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１７４６７２（Ｐ２０１０−１７４６７２）
【出願日】平成２２年８月３日（２０１０．８．３）
【出願人】（０００００２１８５）ソニー株式会社 (34,172)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年２月２３日（２０１２．２．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年８月３日（２０１０．８．３）
【出願人】（０００００２１８５）ソニー株式会社 (34,172)
【Ｆターム（参考）】
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