JP2018156858A

JP2018156858A - 水素発電システム

Info

Publication number: JP2018156858A
Application number: JP2017053304A
Authority: JP
Inventors: 都鳥　顕司; Kenji Todori; 顕司都鳥
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2017-03-17
Filing date: 2017-03-17
Publication date: 2018-10-04

Abstract

【課題】水素発電を効率的に行う【解決手段】実施形態の水素発電システムは、入射する光の照度に応じて電気エネルギーを生成する光電変換モジュールと、水を収容するための給水タンクと、電気エネルギーの少なくとも一部を用いた水の水電解により水素を生成する水電解装置と、水電解装置により生成された水素を貯蔵する水素貯蔵タンクと、電気エネルギーの少なくとも一部を除く電気エネルギーの残部を蓄える蓄電池ユニットと、水素貯蔵タンクに貯蔵された水素を用いて発電する燃料電池ユニットと、給水タンクと、水電解装置と、水素貯蔵タンクと、蓄電池ユニットと、燃料電池ユニットと、を収容する筐体と、光電変換モジュールの表面を流れる水を回収して給水タンクに供給するための流路を有する集水器と、を具備する。【選択図】図１

Description

実施形態の発明は、水素発電システムに関する。

水素は、エネルギー放出時に二酸化炭素を排出しないことから次世代の低酸素社会のエネルギー源として期待されている。また、電気は溜めておきにくいが、水素は安定して貯蔵でき、また、運搬もしやすい。さらに太陽光エネルギーを用いて水素を製造すれば、全く二酸化炭素を排出しないクリーンなエネルギー源を構成することができる。

水素を製造するには、電気を用いることが一般的であるが、二酸化炭素を排出しないためには太陽光エネルギーを用いることが良い。太陽光エネルギーを用いた水素の製造は高い生成効率を有する。しかしながら、水素エネルギーを使用する場所と、太陽光発電を行う場所とが一致するとは限らない。このため水素を搬送することが考えられるが水素を使いきる度に再び太陽光発電場所へ戻らなくてはならない。例えば、地震等の災害発生時には電線が切れ、グリッドが使えなくなる可能性がある。この場合、避難所の近傍で独立電源が立ち上がることが望ましいがこの場合であっても水素が無くなる毎に水素供給場所に戻る必要がある。さらに、災害時には道路が通じている保証はなく、渋滞も考えられ、また、運搬車のガソリンの供給が常に可能ではない。

特許第５８０２３７４号明細書

実施形態の発明が解決しようとする課題は、水素発電を効率的に行うことである。

実施形態の水素発電システムは、入射する光の照度に応じて電気エネルギーを生成する光電変換モジュールと、水を収容するための給水タンクと、電気エネルギーの少なくとも一部を用いた水の水電解により水素を生成する水電解装置と、水電解装置により生成された水素を貯蔵する水素貯蔵タンクと、電気エネルギーの少なくとも一部を除く電気エネルギーの残部を蓄える蓄電池ユニットと、水素貯蔵タンクに貯蔵された水素を用いて発電する燃料電池ユニットと、給水タンクと、水電解装置と、水素貯蔵タンクと、蓄電池ユニットと、燃料電池ユニットと、を収容する筐体と、光電変換モジュールの表面を流れる水を回収して給水タンクに供給するための流路を有する集水器と、を具備する。光電変換モジュールは、フレキシブル基板と、フレキシブル基板上に設けられた第１の電極と、第１の電極の上に設けられた第1の光電変換層を含む第１の光電変換部と、第１の電極の上に設けられた第２の光電変換層を含む第２の光電変換部と、第１の光電変換層と第２の光電変換層との間に設けられたフレキシブル部と、第１の光電変換層の上に設けられた第２の電極と、第２の光電変換層の上に設けられた第３の電極と、第１の光電変換部、第２の光電変換部、およびフレキシブル部を封止する封止部と、を備える。

水素発電システムの構成例を示す模式図である。光電変換モジュールの構造例を説明するための模式図である。光電変換モジュールの構造例を示す断面模式図である。光電変換モジュールの曲折体の一部を示す模式図である。光電変換モジュールの折畳体の一部を示す模式図である。光電変換モジュールの巻回体の一部を示す模式図である。固定具の構造例を説明するための模式図である。固定具の構造例を説明するための模式図である。固定具の構造例を説明するための模式図である。光電変換モジュールの他の構造例を説明するための模式図である。光電変換モジュールの他の構造例を説明するための模式図である。光電変換モジュールの配置例を説明するための模式図である。光電変換モジュールの配置例を説明するための模式図である。光電変換モジュールの配置例を説明するための模式図である。光電変換モジュールの配置例を説明するための模式図である。

以下、実施形態について、図面を参照して説明する。なお、図面は模式的であり、例えば各構成要素の厚さ、幅等の寸法は実際の構成要素の寸法と異なる場合がある。また、実施形態において、実質的に同一の構成要素には同一の符号を付け、説明を省略する場合がある。本明細書において「接続する」の用語は、直接接続する場合に限定されず、間接的に接続する意味を含んでいてもよい。

図１は水素発電システムの構成例を示す模式図である。図１に示す水素発電システムは、光電変換モジュール１と、集水器２と、給水タンク３と、水電解装置４と、水素貯蔵タンク５と、蓄電池ユニット６と、燃料電池ユニット７と、筐体８と、を具備する。なお、水素発電システムは、各装置の少なくとも一つを制御するためのコントローラを具備していてもよい。

光電変換モジュール１は、入射する光の照度に応じて電気エネルギーを生成することができる。光電変換モジュール１としては、例えば有機薄膜太陽電池等を用いることができる。有機薄膜太陽電池は、例えばシリコン太陽電池等と比較して軽量でフレキシブルであるため、搬送しやすい等の利点を有する。

集水器２は、光電変換モジュール１の表面を流れる雨水を含む水を回収して給水タンク３に供給するために設けられている。回収された水は、水素製造や生活用水として使用できる。集水器２は、例えば水を収容するための収容部を有する容器や雨どいのような流路等を含む。

給水タンク３は、水を収容するための収容部を有する。給水タンク３は、集水器２から配管等の流路を介して供給される上記雨水を含む水を収容していてもよい。なお、集水器２から給水タンク３に水を供給する前にフィルタ等により不純物を除去してもよい。また、不純物の除去後の水を直接水電解装置４または燃料電池ユニット７等に供給してもよい。さらに、集水器２以外にも川、湖、池、海等の水源から給水タンク３に水を供給してもよい。

水電解装置４は、光電変換モジュール１により生成される電気エネルギーの少なくとも一部を用いて給水タンク３から配管等の流路を介して供給される水の水電解により水素を生成することができる。水電解装置４の例は、アルカリ水電解装置や固体酸化物水電解装置、固体高分子水電解装置等を含む。なお、水電解装置４は、上記水電解により水素と酸素とを生成してもよい。

水素貯蔵タンク５は、水電解装置４から配管等の流路を介して供給される水素を貯蔵する貯蔵部を備える。水素貯蔵タンク５は、例えば水素吸蔵合金等を用いて構成されてもよい。

蓄電池ユニット６は、光電変換モジュール１により生成される電気エネルギーの少なくとも一部（水電解装置４に供給される電気エネルギー）を除く電気エネルギーの残部を蓄えることができる。

燃料電池ユニット７は、水素貯蔵タンク５から配管等の流路を介して供給される水素を用いて発電することができる。燃料電池ユニット７は、ユニット内で発生する熱を用いて給水タンク３から供給される水を温めて温水を生成することができる。燃料電池ユニット７は、例えば固体高分子燃料電池や固体酸化物燃料電池等の燃料電池を含む。

筐体８は、給水タンク３と、水電解装置４と、水素貯蔵タンク５と、蓄電池ユニット６と、燃料電池ユニット７と、を収容する。図１に示す水素発電システムは、筐体８によりパッケージ化されており、例えばトラック等の運搬車を用いて運搬可能である。また、水素発電システムの運搬時や不使用時には光電変換モジュール１および集水器２を筐体８の内部に収容してもよい。

筐体８は、光電変換モジュール１を収容するための収容部８１を有していてもよい。また、筐体８は、集水器２を収容することができる。

次に、光電変換モジュール１の構造例について説明する。図２は、光電変換モジュール１の構造例を説明するための模式図である。図２は、Ｘ軸とＸ軸に直交するＹ軸とを含むＸ−Ｙ平面を示している。図２は、複数の光電変換モジュール１と、光電変換モジュール１のアノードおよびカソードの少なくとも一つに電気的に接続可能な配線と当該配線に電気的に接続可能な接続ボックスとを含む接続器１０と、接続器１０に電気的に接続可能な配線ケーブル１００と、を図示している。

接続器１０および配線ケーブル１００により複数の光電変換モジュール１の一つと複数の光電変換モジュール１の他の一つとを電気的に接続することができる。複数の光電変換モジュール１は、アノードとカソードとを分けて接続してもよいし、アノードとカソードとを１本にまとめて接続してもよい。接続器１０では配線ケーブル１００を簡単に着脱することができる。光電変換モジュール１と収容部８１に収容される他のユニットとの間は接続器１０により電気的に接続および分離が可能である。複数の光電変換モジュール１を電気的に接続することにより大面積での発電が可能である。接続器１０および配線ケーブル１００は、光電変換モジュールと同様に収容部８１に収容されてもよい。

光電変換モジュール１は、複数の光電変換部１ａと、複数の光電変換部１ａの一つと複数の光電変換部１ａの他の一つとの間に設けられた複数のフレキシブル部１ｂと、を有する。複数の光電変換部１ａの一つは、Ｘ軸方向に沿って並列接続で複数の光電変換部１ａの他の一つに電気的に接続される。また、複数の光電変換部１ａの一つは、Ｙ軸方向に沿って直列接続で複数の光電変換部１ａの他の一つに電気的に接続される。複数の光電変換部１ａおよびフレキシブル部１ｂは、例えばＸ軸方向に沿って配置される。光電変換部１ａは、例えば有機薄膜太陽電池等の光電変換素子により構成されることが好ましい。フレキシブル部１ｂは、例えば光電変換素子が形成されていない領域等により構成される。フレキシブル部１ｂは、光電変換部１ｂよりも薄いことが好ましい。なお、可撓性を有するのであればフレキシブル部１ｂに電極等が延在していてもよい。

１０ｍ×１０ｍのサイズの光電変換モジュール１の場合、配線ケーブル１００の重量が２〜３ｋｇであり、光電変換モジュール１が３０ｋｇ程度であるため、１人でも充分に運搬、設置が可能である。

図３は、光電変換モジュール１の構造例を示す断面模式図である。図３は、Ｙ軸とＸ軸およびＹ軸に直交するＺ軸とを含むＹ−Ｚ平面を示している。光電変換モジュール１は、図３に示すように、フレキシブル基板１１と、電極１２と、光電変換層１３と、電極１４と、封止材１５と、を有する。

フレキシブル基板１１は、透光性を有することにより光電変換層１３に光を入射することができる。フレキシブル基板１１の例は、例えば高分子フィルム基板等を含む。高分子フィルムの例は、例えばポリエチレン、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリイミド、ポリアミド、ポリアミドイミド、等の有機材料のフィルム等を含む。また、可撓性を有する薄板ガラス基板等を用いてもよい。なお、フレキシブル基板１１に不透光性の金属板や高分子フィルム等を用いる場合、電極１４および封止材１５が透光性を有する必要がある。なお、フレキシブル基板１１は防水性を有することが好ましい。

フレキシブル基板１１の透光性は、目的とする光電変換素子の構造によって適切に選択される。フレキシブル基板１１側から光電変換層１３に光が入射する場合、透光性を有する基板が使用される。電極１４側から光電変換層１３に光が入射する場合、フレキシブル基板１１は、透光性を有していなくてもよい。

電極１２は、フレキシブル基板１１上に設けられている。電極１２は光電変換部１ａおよびフレキシブル部１ｂの両方に沿って延在する。電極１２は、アノードおよびカソードの一方としての機能を有する。よって、電極１２は、例えば接続器１０の配線に電気的に接続可能である。

電極１２には透光性および導電性を有する材料を用いてもよい。電極１２に適用可能な材料の例としては、酸化インジウム、酸化亜鉛、酸化錫、酸化インジウム錫（ＩＴＯ）、フッ素がドープされた酸化錫（ＦＴＯ）、インジウム−亜鉛酸化物（ＩＺＯ）、インジウム−ガリウム−亜鉛酸化物（ＩＧＺＯ）等の導電性金属酸化物、あるいは金、白金、銀、銅、チタン、ジルコニウム、コバルト、ニッケル、インジウム、アルミニウム等の金属やそれら金属を含む合金、あるいはポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）／ポリ（４−スチレンスルホン酸）（ＰＥＤＯＴ／ＰＳＳ）等の導電性高分子等が挙げられる。銀やアルミニウムのメッシュ構造を利用して、透明部位と非透明部位の混合構造を有する電極としても良い。電極１２は、例えば真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、メッキ法、塗布法等により形成される。

電極１４は、光電変換部１ａにおいて光電変換層１３を挟んで電極１２と離間して設けられている。電極１４は、光電変換層１３上に設けられる。電極１４は、アノードおよびカソードの他方としての機能を有する。電極１４は、光電変換部１ａ毎に複数設けられてもよい。よって、電極１４は、例えば接続器１０の配線に電気的に接続可能である。

電極１４は、導電性を有し、場合によって光透過性を有する材料により構成される。電極１４の構成材料としては、例えば白金、金、銀、銅、ニッケル、コバルト、鉄、マンガン、タングステン、チタン、ジルコニウム、錫、亜鉛、アルミニウム、インジウム、クロム、リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウム、カルシウム、マグネシウム、バリウム、サマリウム、テルビウム等の金属、あるいはそれらの合金、あるいはインジウム−亜鉛酸化物（ＩＺＯ）等の導電性金属酸化物、あるいはポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）／ポリ（４−スチレンスルホン酸）（ＰＥＤＯＴ／ＰＳＳ）等の導電性高分子、あるいはグラフェン、カーボンナノチューブ等が挙げられる。電極１４は、例えば真空蒸着法やスパッタ法のような真空成膜法、ゾルゲル法、塗布法等により形成される。

光電変換層１３は、電極１２と電極１４との間に設けられる。光電変換層１３は、活性層１３ａと、バッファ層１３ｂと、バッファ層１３ｃと、を有する。なお、必ずしもバッファ層１３ｂおよびバッファ層１３ｃの少なくとも一つを設けなくてもよい。

活性層１３ａは、電極１２と電極１４との間に設けられ、バッファ層１３ｂの上に設けられている。光電変換素子が太陽電池の場合、活性層１３ａは、入射する光のエネルギーにより電荷生成や励起子生成を行ってもよい。

活性層１３ａの構造例は、ｐ型半導体とｎ型半導体とを含んでいる場合と単体構造の場合を含む。ｎ型ｐ型混合体の場合、ｐ型半導体には、電子供与性を有する材料が用いられ、ｎ型半導体には、電子受容性を有する材料が用いられる。活性層１３ａを構成するｐ型半導体およびｎ型半導体は、それらが共に有機材料であってもよいし、一方が有機材料であってもよい。単体構造の場合、有機無機ハイブリッド構造が使われても良い。

活性層１３ａに含まれるｐ型半導体には、ポリチオフェンおよびその誘導体、ポリピロールおよびその誘導体、ピラゾリン誘導体、アリールアミン誘導体、スチルベン誘導体、トリフェニルジアミン誘導体、オリゴチオフェンおよびその誘導体、ポリビニルカルバゾールおよびその誘導体、ポリシランおよびその誘導体、側鎖または主鎖に芳香族アミンを有するポリシロキサン誘導体、ポリアニリンおよびその誘導体、フタロシアニン誘導体、ポルフィリンおよびその誘導体、ポリフェニレンビニレンおよびその誘導体、ポリチエニレンビニレンおよびその誘導体等を用いることができ、またこれらを併用してもよい。単体構造の場合、ペロブスカイト型有機無機ハイブリッド構造でも良い。

ｎ型ｐ型混合体の場合、有機活性層に含まれるｎ型半導体としては、フラーレンおよびフラーレン誘導体を用いることが好ましい。フラーレン誘導体は、フラーレン骨格を有するものであればよい。フラーレンおよびフラーレン誘導体としては、Ｃ６０、Ｃ７０、Ｃ７６、Ｃ７８、Ｃ８４等のフラーレン、これらフラーレンの炭素原子の少なくとも一部が酸化された酸化フラーレン、フラーレン骨格の一部の炭素原子を任意の官能基で修飾した化合物、これら官能基同士が互いに結合して環を形成した化合物等が挙げられる。

活性層１３ａは、例えばｐ型半導体材料とｎ型半導体材料との混合物を含むバルクヘテロ接合構造を有する。バルクヘテロ接合型の有機活性層は、ｐ型半導体材料とｎ型半導体材料とのミクロ相分離構造を有する。有機活性層内において、ｐ型半導体相とｎ型半導体相とは互いに相分離しており、ナノオーダーのｐｎ接合を形成している。有機活性層が光を吸収すると、これらの相界面で正電荷（正孔）と負電荷（電子）とが分離され、各半導体を通って、電極１２、電極１４に輸送される。

バルクヘテロ接合型の有機活性層は、ｐ型半導体とｎ型半導体を溶媒に溶解させた溶液を塗布材料として使用し、この塗布材料を、電極１２を有するフレキシブル基板１１上に塗布することにより形成される。有機活性層を構成する塗布材料は、例えばメニスカス塗布装置等を用いて塗布されてもよい。これによって、多連短冊状のパターンを有する光電変換層を、高精度にかつ低コストで形成することが可能になる。有機活性層の厚さは特に限定されないが、１０ｎｍ〜１０００ｎｍが好ましい。

バッファ層１３ｂは、電極１２と活性層１３ａとの間に設けられ、電極１２の一部の上に設けられている。バッファ層１３ｃは、活性層１３ａと電極１４との間に設けられ、活性層１３ａ上に設けられている。

バッファ層１３ｂおよびバッファ層１３ｃのそれぞれは、中間層の一つとして設けられる。バッファ層１３ｂおよびバッファ層１３ｃの一方は、正孔輸送層として機能し、他方は電子輸送層として機能する。正孔輸送層は、活性層１３ａで生成された電子をブロックし、正孔を選択的にかつ効率的に電極に輸送する機能を有する。電子輸送層は、活性層１３ａで生成された正孔をブロックし、電子を選択的にかつ効率的に電極に輸送する機能を有する。

バッファ層１３ｂおよびバッファ層１３ｃの一方の層が電子輸送層として機能する場合、電子輸送層は、酸化亜鉛、酸化チタン、酸化ガリウム等の金属酸化物や、ポリエチレンイミン等の有機材料等を含んでいてもよい。

バッファ層１３ｂおよびバッファ層１３ｃの他方の層が正孔輸送層として機能する場合、正孔輸送層は、ポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）／ポリ（４−スチレンスルホン酸）（ＰＥＤＯＴ／ＰＳＳ）、ポリチオフェン、ポリピロール、ポリアセチレン、トリフェニレンジアミンポリピロール、ポリアニリン等の有機導電性ポリマーや、酸化モリブデン、酸化バナジウム等の金属酸化物等を含んでいてもよい。電子輸送層および正孔輸送層は、例えば真空蒸着法やスパッタ法のような真空成膜法、ゾルゲル法、塗布法等により形成される。

封止材１５は、光電変換部１ａおよびフレキシブル部１ｂを封止する封止部としての機能を有する。封止材１５は、少なくとも光電変換層１３を封止し、電極１２および電極１４の少なくとも一部を封止する。封止材１５の例は、高分子フィルム等を含む。高分子フィルムの構成材料としては、ポリエチレン、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリイミド、ポリアミド、ポリアミドイミド、等の有機材料が挙げられる。封止材１５は防水性を有することが好ましい。

実施形態の光電変換モジュール１では、光電変換層１３に照射された光を活性層１３ａが吸収すると、ｐ型半導体とｎ型半導体との相界面で電荷分離が生じることによって、電子とそれと対になる正孔とが生成される。活性層１３ａで生成された電子と正孔のうち、例えば電子は電極１２で捕集され、正孔は電極１４で捕集される。

農地で使用する場合、農作物に必要な波長は可視全域ではない。必要な波長の光のみ農作物の育成に用い、他を発電に使用できる。有機薄膜太陽電池の場合、ｎ型有機半導体（主に短波長側の吸収）とｐ型有機半導体（主に長波長側の吸収）との組み合わせであるのでこれらの吸収体を工夫することにより、吸収する波長、透過する波長を制御することができる。

光電変換モジュール１は、フレキシブル部１ｂを起点に折り曲げることができる。図４は、光電変換モジュール１の曲折体の一部を示す模式図である。図４において光電変換モジュール１の一部は、フレキシブル部１ｂを起点にＶ字状に折り曲げられている。

光電変換モジュール１は、フレキシブル部１ｂを起点に折り曲げることにより折り畳まれてもよい。図５は、光電変換モジュール１の折畳体を示す模式図である。光電変換モジュール１を折り畳むことにより光電変換モジュール１をコンパクトにすることができる。よって、例えば図１に示す収容部８１に光電変換モジュール１を収容しやすくすることができる。従って、トラック等の運搬車（筐体８に相当）にコンパクトに積載することができる。

光電変換モジュール１は、フレキシブル部１ｂを起点に折り曲げることにより巻回されてもよい。図６は、光電変換モジュールの巻回体を示す模式図である。光電変換モジュール１を巻回することにより光電変換モジュール１をコンパクトにすることができる。よって、例えば図１に示す収容部８１に光電変換モジュール１を収容しやすくすることができる。

図５および図６に示すように、Ｘ軸方向における複数のフレキシブル部１ｂの幅は、互いに同じでなくてもよい。例えば、光電変換部１ａを折り曲げないように巻回体を形成する場合、巻回前の光電変換モジュール１において接続器１０に近いフレキシブル部１ｂほど広くすることにより、光電変換部１ａを折り曲げずに光電変換モジュール１を巻回しやすくすることができる。光電変換部１ａは、フレキシブル部１ｂよりも曲げに対する耐性が低いため、可能な限り折り曲げないことが好ましい。

結晶シリコン太陽電池等を用いた光電変換モジュールの場合、トラック等で運搬できる面積が限定されるため発電量が多くできない。しかしながら、実施形態の水素発電システムでは、避難所に着いた後、光電変換モジュールを地面や避難所の屋根等に大きく広げることができれば、単位面積当たりの発電効率が小さくても、総発電量は大きくすることができる。このため、災害時に避難所に移動して継続的に発電するために折り畳んだり、丸めたりできる実施形態の光電変換モジュールは非常に効果的である。また、災害時等では単位面積当たりの発電量よりもコンパクトに収納でき且つ大面積に簡便に広げられることが重要である。すなわち、運搬時の面積に対して広げて発電する時の光電変換面積の比率が大きいほど良い。

発電量について計算すると、例えば、２７０Ｎｍ^３の容量のタンクに水素を発生させるために、３０ｋＷの太陽光発電を行う光電変換モジュールを接続すると、約４９時間で満杯になるが、この３０ｋＷを発電するためには、変換効率１０％の薄膜太陽電池では３００ｍ^２の面積を必要とし、変換効率が２０％であっても１５０ｍ^２の面積を必要とする。もっと短時間で満杯にするには、さらに大面積が必要である。結晶シリコン太陽電池の様に可搬ではなく、フレームを用いて設置が必要なものは、このような災害時に避難所に移動して発電し水素を大容量タンクにためるには時間がかかる。

地震や津波等の災害が発生した時に、人々が避難している場所へ移動し、発電するための水素発電システムの要素として運搬に適した大面積で、且つ避難時に有用な機能を有する光電変換モジュールを備えることにより、グリッドと分断されていても、電気の供給が継続的に可能となり、例えば携帯電話、その他の連絡手段や、快適性向上のための電気機器を充電することができる。

実施形態の水素発電システムでは、自立型水素エネルギー供給システムユニットのサイズより大きな広さの太陽光発電が可能になる。地面に大きな広さが無くとも、川、湖、池、海のスペースを活用でき、簡便に建築物の壁・窓、車両に設置できる。地面に光電変換モジュールを広げるだけなので、設置のコストや時間がかからない。高分子フィルム基板等のフレキシブル基板を用いることにより、光電変換モジュールが破損した場合の人的二次被害が無くなる。農地の上にも設置でき、農作物が必要な波長を透過すれば、その下で栽培も可能となる。植物生産工場ユニットと組み合わせれば、少ないスペースで食物を生産できる。また、夜間照明のための発光ダイオードを設けることにより災害時に夜間においても安全性が保たれ活動がしやすくなる。

以上のように実施形態の水素発電システムは、大面積の光電変換モジュールを用いて発電できるため効率的に水素発電を行うことができる。また、大面積の光電変換モジュールを用いる場合であっても搬送性の低下を抑制することができる。よって、災害地等を含む様々な場所において容易に水素発電を行うことができる。

光電変換モジュール１の曲折体の形状は、固定具を用いて固定することができる。図７ないし図９は、固定具の構造例を説明するための模式図である。図７ないし図９に示す光電変換モジュール１は、各フレキシブル部１ｂを起点に蛇腹状に折り曲げられている。なお、支持部材等を用いて光電変換モジュール１をフレキシブル部１ｂが集水器２に向かって下るように傾斜させてもよい。

図７に示す固定具１６は、曲折体の表面に沿って延在するワイヤからなる。図８に示す固定具１６は、角柱状の構造体からなり、構造体の側面に沿って光電変換モジュール１の曲折体を固定することができる。図９に示す固定具１６は、フレキシブル部１ｂの延在方向と交差する方向に沿って曲折体を貫通するワイヤ、紐、棒等からなる。このとき、固定具１６を引っ張りフレキシブル部１ｂの一端を絞ることによりフレキシブル部１ｂの一端の曲折角度を他端の曲折角度よりも小さくすることができる。図９において、光電変換モジュール１は、扇形に固定される。これにより、フレキシブル部１ｂの一端を介して水をさらに集めやすくすることができる。

図７ないし図９に示す光電変換モジュール１は、蛇腹状に折り曲げられることによりフレキシブル部１ｂに沿って雨水等の水を流しやすくすることができる。フレキシブル部１ｂに沿って流れる水は、集水器２により回収され給水タンク３に供給される。水電解装置４は、水素を発生させるために水を必要とする。近くに水源があれば良いが、水が確保できない場合、雨が重要な水源となり得る。実施形態の光電変換モジュール１は面積が広いので雨水等の水を効率よく集めやすい。よって、集水器２等を介して水を効率よく集めることができる。

光電変換モジュール１は、貫通孔を有していてもよい。図１０および図１１は、光電変換モジュール１の他の構造例を説明するための模式図である。図１０および図１１に示す光電変換モジュール１は、フレキシブル部１ｂを介して光電変換モジュール１を貫通する開口１７を有する。なお、複数の開口１７を有していてもよい。さらに、開口１７を設けることにより開口１７を介して雨水等の水を集めることができるため水の回収効率を高めることができる。また開口１７は、図１１に示すようにスリット状に延在してもよい。これにより例えば光電変換モジュール１を立てて用いる場合に風等により光電変換モジュール１が飛ばされてしまうことを抑制することができる。また、光電変換モジュール１の端部に開口１７を設けることにより、例えば吸盤や紐等を取り付けて外壁、木、または物干し竿等に光電変換モジュール１を取り付けることができる。また、開口１７の代わりにフック等により外壁、木、または物干し竿等に光電変換モジュール１を取り付けてもよい。

光電変換モジュール１は、例えば海面に浮揚させて配置してもよい。図１２は、光電変換モジュール１の配置例を説明するための模式図である。図１２は、光電変換モジュール１の表面に設けられた浮揚具１８１を図示する。浮揚具１８１は、光電変換モジュール１を水面１８０に浮揚させるために設けられる。光電変換モジュール１を地面に設置できない場合でも、近くに池、湖、海がある場合にはそこに浮揚させることにより発電することができる。例えば有機薄膜太陽電池は軽いため、少量の浮揚具１８１により水面に浮揚させることができる。

図１３は、光電変換モジュール１の配置例を示す模式図である。光電変換モジュール１は、筐体８の内部の収容部８１内の巻回ローラ８２により巻き取られた状態で収容部８１に収容されてもよい。使用する際には巻回ローラ８２を動かして収容部８１から引き出す。引き出された光電変換モジュール１の端部は筐体８の上面とほぼ同じ高さに光電変換モジュール１を維持するために地面１９０上のポール１９１により支持されることが好ましい。ポール１９１は、不使用時に筐体８に収容されてもよい。なお、図１３において巻回ローラ８２の断面は円形であるが、これに限定されず、例えば図６に示すように光電変換部１ａを折り曲げずに巻回する場合には、断面を角丸四角形等にしてもよい。

図１４および図１５は、光電変換モジュール１の配置例を示す模式図である。筐体８は、図１４に示すように、フック１９２を用いて光電変換モジュール１を固定するための面８ａを有してもよい。なお、図５、図６に示すような曲折体または巻回体を面８ａに固定具等を用いて固定し、発電する際に筐体８から光電変換モジュール１を取り外して使用してもよい。また、光電変換モジュール１は、図１５に示すように、光電変換モジュール１の表面に設けられた着磁シート１９３等の磁石を介して筐体８の面８ａに貼りつけることもできる。これにより、鉄や着磁金属の壁やドア、シャッターにもそのまま貼り付けることができる。発電する際に面８ａから光電変換モジュール１を取り外して使用してもよい。なお、着磁シート１９３は光電変換モジュール１の一表面の全部に形成してもよいし、一部に形成してもよい。

上記実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。上記実施形態は、その他の様々な形態で実施し得るものであり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。上記実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…光電変換モジュール、１ａ…光電変換部、１ｂ…フレキシブル部、２…集水器、３…給水タンク、４…水電解装置、５…水素貯蔵タンク、６…蓄電池ユニット、７…燃料電池ユニット、８…筐体、８ａ…面、１０…接続器、１１…フレキシブル基板、１２…電極、１３…光電変換層、１３ａ…活性層、１３ｂ…バッファ層、１３ｃ…バッファ層、１４…電極、１５…封止材、１６…固定具、１７…開口、８１…収容部、８２…巻回ローラ、１００…配線ケーブル、１８０…水面、１８１…浮揚具、１９１…ポール、１９２…フック、１９３…着磁シート。

Claims

入射する光の照度に応じて電気エネルギーを生成する光電変換モジュールと、
水を収容するための給水タンクと、
前記電気エネルギーの少なくとも一部を用いた前記水の水電解により水素を生成する水電解装置と、
前記水電解装置により生成された前記水素を貯蔵する水素貯蔵タンクと、
前記電気エネルギーの少なくとも一部を除く前記電気エネルギーの残部を蓄える蓄電池ユニットと、
前記水素貯蔵タンクに貯蔵された前記水素を用いて発電する燃料電池ユニットと、
前記給水タンクと、前記水電解装置と、前記水素貯蔵タンクと、前記蓄電池ユニットと、前記燃料電池ユニットと、を収容する筐体と、
前記光電変換モジュールの表面を流れる水を回収して前記給水タンクに供給するための流路を有する集水器と、を具備し、
前記光電変換モジュールは、
フレキシブル基板と、
前記フレキシブル基板上に設けられた第１の電極と、
前記第１の電極の上に設けられた第1の光電変換層を含む第１の光電変換部と、
前記第１の電極の上に設けられた第２の光電変換層を含む第２の光電変換部と、
前記第１の光電変換層と前記第２の光電変換層との間に設けられたフレキシブル部と、
前記第１の光電変換層の上に設けられた第２の電極と、
前記第２の光電変換層の上に設けられた第３の電極と、
前記第１の光電変換部、前記第２の光電変換部、および前記フレキシブル部を封止する封止部と、を備える、水素発電システム。
複数の前記光電変換モジュールと、
前記複数の光電変換モジュールの一つと前記複数の光電変換モジュールの他の一つとを電気的に接続するための接続器と、をさらに具備する、請求項１に記載の水素発電システム。
前記フレキシブル基板は、高分子フィルム基板を含む、請求項１または請求項２に記載の水素発電システム。
前記フレキシブル部を起点に折り曲げられた前記光電変換モジュールの曲折体を固定するための固定具をさらに具備し、
前記集水器は、折り曲げられた前記フレキシブル部に沿って前記光電変換モジュールの表面を流れる前記水を回収して前記給水タンクに供給するために設けられる、請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の水素発電システム。
前記光電変換モジュールは、前記フレキシブル部を介して前記光電変換モジュールを貫通する開口を有し、
前記集水器は、前記フレキシブル部に沿って前記光電変換モジュールの表面を流れる前記水を前記開口を介して回収して前記給水タンクに供給するために設けられる、請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の水素発電システム。
前記開口は、前記フレキシブル部に沿ってスリット状に延在する、請求項５に記載の水素発電システム。
前記光電変換モジュールの表面に設けられた磁石をさらに具備する、請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載の水素発電システム。
前記光電変換モジュールの表面に前記光電変換モジュールを水面に浮揚させるための浮揚具をさらに具備する、請求項１ないし請求項７のいずれか一項に記載の水素発電システム。
前記筐体は、前記フレキシブル部を起点に折り畳まれた前記光電変換モジュールの折畳体または前記フレキシブル部を起点に巻回された前記光電変換モジュールの巻回体を固定するための面を有する、請求項１ないし請求項８のいずれか一項に記載の水素発電システム。
前記筐体は、前記フレキシブル部を起点に折り畳まれた前記光電変換モジュールの折畳体または前記フレキシブル部を起点に巻回された前記光電変換モジュールの巻回体を収容するための収容部を有する、請求項１ないし請求項８のいずれか一項に記載の水素発電システム。