DE112005000402T5 - Verfahren und Vorrichtung zur Wasserstoffproduktion - Google Patents

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Takahiro Yokohama Oshita
Syuichi Yokohama Ueno
Hideyuki Yokohama Misawa
Masahiro Yokohama Hagiwara
Itaru Yotsukaido Shirasawa
Hiroshi Yokohama Yokota
Akira Koshigaya Uchino
Junichi Yokohama Hayakawa
Shinichi Isaka
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Abstract

Ein Verfahren zur Erzeugung von Wasserstoff durch Lieferung von Dampf an eine Kathodenseite und zur Lieferung von einem reduzierenden Gas (Reduktionsgas) an eine Anodenseite einer Hochtemperaturdampfelektrolysevorrichtung in der ein Elektrolysegefäß unterteilt ist in die Anodenseite und die Kathodenseite durch eine Festoxidelektrolytmembran als Diaphragma und Durchführung der Dampfelektrolyse bei hoher Temperatur, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass das Reduktionsgas und der Dampf, die in das Elektrolysegefäß geliefert werden, eine Temperatur im Bereich von 200 bis 500°C haben.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung von hochreinem Wasserstoff durch Elektrolyse von einer hohen Temperatur besitzenden Dampf.
  • Hintergrund
  • Mit einem reduzierenden Gas (Reduktionsgas), welches Wasserstoff und Kohlenmonoxid als Hauptbestandteile aufweist, kann das Kohlenmonoxid durch Dampfreformation hydriert werden und sodann kann Wasserstoff abgetrennt und gereinigt werden und effektiv in der chemischen Industrie, als ein Brennstoff für Brennstoffzellen und dergleichen eingesetzt werden. Bei einer Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle, die kürzlich sich als viel versprechende Technologie herausgestellt hat und mehr und mehr einsetzbar ist, wird Platin als ein Katalysator verwendet und somit muss die Menge an Kohlenmonoxid enthalten in dem Wasserstoffbrennstoff praktisch auf Null gebracht werden; die Gasumwandlung und die Reinigung zum Erhalt von hochreinem Wasserstoff sind komplizierte Verfahrensweisen und somit haben sich Probleme hinsichtlich der Betriebsfähigkeit und Wirtschaftlichkeit ergeben. Darüber hinaus kann mit einem Elektrolyseverfahren unter Verwendung von elektrischer Leistung erzeugt unter Verwendung von Pyrolysegas kann hochreiner Wasserstoff mit einer relativ einfachen Konfiguration erhalten werden, wobei aber der elektrische Leistungsverbrauch sehr hoch ist. Im Gegensatz zu diesen Wasserstoffproduktionsverfahren, steht ein Hochtemperaturdampfelektrolyseverfahren bei dem Dampf bei einer hohen Temperatur von annähernd 800 Grad Celsius elektrolisiert wird und wobei thermische Energie bei der Zerlegung des Wassers verwendet wird, wodurch die Elektrolysespannung und somit auch die elektrische Leistung für die Elektrolyse reduziert werden kann. Jedoch selbst mit diesem Verfahren, müssen mindestens 60% der Energie zur Zerlegung des Wassers durch elektrische Leistung aufgebracht werden. Ein Vorschlag zur Verbesserung dieses Hochtemperaturdampfelektrolyseverfahren wird in U.S. Patent 6,051,125 gemacht, wo ein Verfahren vorgeschlagen wird, bei dem Erdgas an die Anode eines Elektrolysegefäßes geliefert wird, um so die Elektrolysespannung zu vermindern, die für die Bewegung des Sauerstoffs zur Anodenseite erforderlich ist; dieses Verfahren hat jedoch den Nachteil, dass teueres Erdgas verbraucht wird und darüber hinaus Maßnahmen zur Verhinderung der Elektrodenverschmutzung erforderlich sind, dadurch dass sich Kohlenstoff durch Reaktion zwischen dem Erdgas und Sauerstoff absetzt, weshalb sich Probleme in der Praxis ergeben.
  • Als Mittel zur Lösung dieser Probleme, haben sich die Erfinder der vorliegenden Erfindung auf Tatsachen, wie die folgenden konzentriert 1. Pyrolysegas aus Biomasse, wie beispielsweise Abfallholz oder Müll ist ein reduzierendes Gas (Reduktionsgas) mit Wasserstoff und Kohlenmonoxid als Hauptbestandteilen; 2. Durch Liefern eines Reduktionsgases wie in (1) an die Anodenseite eines Hochtemperaturdampfelektrolysegefäßes und Reaktion mit Sauerstoffionen auf der Anodenseite, kann die Elektrolysespannung stark reduziert werden; und 3. Bei der Oxidation eines Reduktionsgases wie in (1) mit Wasserstoff und Kohlenmonoxid als Hauptbestandteilen, setzt sich Kohlenstoff nicht ab und somit besteht kein Risiko der Elektrodenverschmutzung, wobei ferner ein Wasserstoffproduktionsgerät vorgeschlagen wird, in dem ein derartiges Reduktionsgas an die Anodenseite eines Hochtemperaturdampfelektrolysegefäßes geliefert wird, um so die Elektrolysespannung zu vermindern, wobei in diesem Zusammenhang auf eine japanische Patentanmeldung 2002-249754 hingewiesen sei. Bei der in dieser Patentanmeldung vorgeschlagenen Erfindung gilt Folgendes: Bei der Erzeugung von Wasserstoff durch die Elektrolyse von Dampf unter Verwendung eines Hochtemperaturdampfelektrolysegefäßes, in dem ein fester Oxidelektrolyt als ein Diaphragma (Membran) verwendet wird, und wobei das Diaphragma in dem Elektrolysegefäß derart angeordnet ist, dass das Elektrolysegefäß in eine Anodenseite und Kathodenseite unterteilt wird, wird Hochtemperatur-Dampf zur Kathodenseite des Elektrolyse gefäßes geliefert und ein Reduktionsgas wird an die Anodenseite des Elektrolysegefäßes geliefert, wodurch Sauerstoff-Ionen und das Reduktionsgas an der Anodenseite des Elektrolysegefäßes miteinander in Reaktion kommen, wodurch ein Sauerstoff-Ionen-Konzentrationsgradient erzeugt wird und somit wird die für die Bewegung des Sauerstoffs zur Anodenseite erforderliche Spannung reduziert. Mit dieser Vorrichtung kann hochreiner Wasserstoff sehr effizient hergestellt werden, und zwar dadurch, dass der Dampf bei einer Temperatur von 700 bis 800 Grad Celsius zerlegt wird und der Sauerstoff-Konzentrationsgradient auf der Anodenseite erzeugt wird.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Durch die Erfindung zu lösende Probleme
  • Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung den thermischen Ausgleich innerhalb des Elektrolysegefäßes einer Hochtemperatur-Dampfelektrolysevorrichtung, wie oben beschrieben, zu untersuchen, um so eine optimale Temperatur für das gelieferte Reduktionsgas und dem Dampf festzustellen.
  • Mittel zur Lösung der Probleme
  • In einem Hochtemperaturdampfelektrolysegefäß, wie oben beschrieben, gilt Folgendes: Wenn ein gemischtes Gas (eine Gasmischung) aus Wasserstoffgas und Kohlenmonoxid als das Reduktionsgas (reduzierendes Gas) verwendet wird und an die Anodenseite des Elektrolysegefäßes geliefert wird und wenn die Dampfelektrolyse bei einer hohen Temperatur von 700 bis 800 Grad Celsius durchgeführt wird, ist gemäß thermodynamischer Berechnungenelektrische Leistung nicht erforderlich. In einer tatsächlichen Elektrolysevorrichtung gibt es jedoch ein Anodenüberpotential (anode overpotential), einen Kathodenüberpotential und Widerstandsverlust und somit besteht die tatsächliche Situation darin, dass ein praktikabler Betrieb nicht möglich ist, wenn nicht ein Überpotential von mindestens 0,5 V angelegt wird. Dieses Überpotential wirkt als eine Energiequelle, um die Elektrolysezelle auf einer hohen Temperatur hinsichtlich Wärme, zu haften, wobei aber die gesamte Wärme umfasst ist, die von dem Hochtemperaturgas herausgeführt wird, welches von der Anode und von dem Wasserstoff, der an der Kathode erzeugt wird, abgegeben wird, und wobei darüber hinaus Dampf aus Wasser produziert wird, was aber klein verglichen mit der Energie zum Erhitzen auf die Elektrolysezellentemperatur ist.
  • Bei der Konstruktion einer tatsächlichen Vorrichtung, derart, dass die Konstruktion eines Wärmeaustauschers erleichtert wird und die Vorrichtung ohne Schwierigkeiten zusammengebaut werden kann, ist es wünschenswert, eine Hilfswärmequelle verwenden zu können. Wenn eine Wärmegleichgewichtsberechnung für die Innenseite eines Dampfelektrolysegefäßes ausgeführt wird, dann stellt man Folgendes fest:: Wenn es eine Wärmequelle gibt, die in der Lage ist, den Dampf zu erhitzen oder den Dampf zu erzeugen und sodann sowohl das Reduktionsgas als auch den Dampf auf annähernd 200 bis 500°C zu erhitzen, dann kann das Energiegleichgewicht bzw. der Energieausgleich erreicht werden, und zwar mit der durch ein Überpotential von mindestens 0,5 V erzeugten Wärme.
  • Das heißt, die vorliegende Erfindung sieht ein Verfahren zur Erzeugung von Wasserstoff vor, und zwar durch Liefern von Dampf an eine Kathodenseite und durch Liefern eines Reduktionsgases an eine Anodenseite einer Hochtemperaturdampfelektrolysevorrichtung, in der ein Elektrolysegefäß in einer Anodenseite und eine Kathodenseite unterteilt ist, und zwar unter Verwendung einer Festoxidelektrolytmembran als ein Diaphragma, wobei ferner eine Dampfelektrolyse bei hoher Temperatur ausgeführt wird, auf welche Weise Sauerstoff-Ionen auf der Anodenseite mit dem Reduktionsgas derart reagieren, dass ein Sauerstoff-Ionen-Konzentrationsgradient erzeugt wird und somit die Elektrolysespannung vermindert wird, wobei das Wasserstoffproduktions verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass das gelieferte Reduktionsgas und der Dampf mit einer Temperatur im Bereich von 200 bis 500 Grad Celsius bereitgestellt werden.
  • Es sei bemerkt, dass der Ausdruck „Reduktionsgas" in der vorliegenden Erfindung ein Gas bezeichnet, das mit Sauerstoff reagieren kann, welcher durch die Festoxidelektrolytmembran in einem Dampfelektrolysegefäß zu der Anodenseite des Elektrolysegefäßes läuft, wie dies unten beschrieben wird, um so die Sauerstoffkonzentration auf der Anodenseite zu reduzieren wobei dies Folgendes einschließt: Methangas, Pyrolysegas aus organischem Material, wie unten beschrieben, Nebenproduktgas von einem Koksofen, einem Hochofen, einer Ölraffinerie oder dergleichen.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist ein Flussdiagramm eines Wasserstoffproduktionssystems unter Verwendung der Hochtemperatur-Dampfelektrolyse unter Anwendung der vorliegenden Erfindung;
  • 2 ist eine Zeichnung, die das Konzept einer Hochtemperatur-Dampfelektrolysevorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
  • 3 ist ein Flussdiagramm, welches eine Übersicht eines Wasserstoffproduktionssystems zeigt, und zwar gemäß der vorliegenden Erfindung, angewandt bei einer Kernkraftanlage der Druckwasserbauart;
  • 4 ist ein Flussdiagramm, welches eine Übersicht eines Wasserstoffproduktionssystem zeigt, und zwar gemäß der Erfindung und ferner angewandt bei einer Kernkraftanlage der Schnellenbrüterbauart;
  • 5 ist ein Flussdiagramm, welches eine Übersicht eines Wasserstoffproduktionssystems zeigt, in dem die vorliegende Erfindung auf ein Atomkraftwerk der Hochtemperaturgasbauart angewandt wird;
  • 6 ist ein Flussdiagramm, welches eine Übersicht eines Kernkraftsystems der Siedewasserbauart unter Verwendung der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 7 ist ein Flussdiagramm, welches das Konzept eines Wasserstoffproduktionssystems gemäß einer Betriebsart der Erfindung zeigt;
  • 8 ist ein Flussdiagramm, welches das Konzept eines Wasserstoffproduktionssystems gemäß einer anderen Betriebsart der Erfindung zeigt;
  • 9 ist ein Flussdiagramm, welches das Konzept eines Wasserstoffproduktionssystems gemäß einer weiteren Betriebsart der Erfindung zeigt;
  • 10 ist ein Flussdiagramm, welches das Konzept eines Wasserstoffproduktionssystems gemäß einer weiteren Betriebsart der Erfindung zeigt;
  • 11 ist ein Flussdiagramm, welches das Konzept eines Wasserstoffproduktionssystems gemäß einer weiteren Betriebsart der Erfindung zeigt;
  • 12 ist ein Flussdiagramm, welches das Konzept eines Wasserstoffproduktionssystems gemäß einer weiteren Betriebsart der Erfindung zeigt;
  • 13 ist ein Flussdiagramm, welches das Konzept eines Wasserstoffproduktionssystems gemäß einer weiteren Betriebsart der Erfindung zeigt;
  • 14 ist ein Flussdiagramm, welches das Konzept eines Wasserstoffproduktionssystems gemäß einer weiteren Betriebsart der Erfindung zeigt;
  • 15 ist ein Flussdiagramm, welches das Konzept eines Wasserstoffproduktionssystems gemäß einer weiteren Betriebsart der Erfindung zeigt;
  • 16 ist ein Flussdiagramm, welches das Konzept eines Wasserstoffproduktionssystems gemäß einer weiteren Betriebsart der Erfindung zeigt;
  • 17 ist ein Flussdiagramm, welches das Konzept eines Wasserstoffproduktionsverfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
  • 18 ist ein Flussdiagramm, welches das Konzept eines Wasserstoffproduktionsverfahrens gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung;
  • 19 ist ein Flussdiagramm, welches das Konzept eines Wasserstoffproduktionsverfahrens gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung;
  • 20 ist ein Flussdiagramm, welches das Konzept eines Leistungserzeugungsverfahrens gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung;
  • 21 ist ein Flussdiagramm, welches das Konzept eines Leistungserzeugungsverfahrens gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung;
  • 22 ist ein Flussdiagramm, welches das Konzept eines Wasserstoffproduktionsverfahrens gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung;
  • 23 ist ein Flussdiagramm einer experimentellen Vorrichtung, verwendet bei den Arbeits- oder Betriebsbeispielen der vorliegenden Erfindung.
  • 24 ist eine grafische Darstellung, die die Ergebnisse für die Betriebs- oder Arbeitsbeispiele der Erfindung veranschaulicht.
  • 1 zeigt das Grundprinzip einer Wasserstoffproduktionsvorrichtung unter Verwendung der Hochtemperatur-Dampfelektrolyse mit einer Festoxidelektrolytmembran gemäß der Erfindung.
  • Ein Hochtemperaturdampfelektrolysegefäß 13 ist in eine Anodenseite 15 und eine Kathodenseite 16 durch ein Festoxidelektrolytdiaphragma 14 unterteilt. Hochtemperatur-Dampf 19 wird an die Kathodenseite 16 des Elektrolysegefäßes geliefert, ein reduzierendes Gas bzw. Reduktionsgas 8 wird an die Anodenseite 15 des Elektrolysegefäßes geliefert und elektrische Leistung 17 wird in Gleichstrom durch einen Wechselstrom-/Gleichstromumwandler 18 umgewandelt und im Elektrolysegefäß angelegt, woraufhin der Hochtemperatur-Dampf 19 geliefert an die Kathodenseite 16 in Wasserstoff und Sauerstoff durch elektrolytische Wirkung zerlegt wird. Der erzeugte Wasserstoff 20 wird als hochreiner Wasserstoff gesammelt. Andererseits gilt Folgendes: Der erzeugte Sauerstoff 21 läuft selektiv durch das Festoxidelektrolytdiaphragma 14 und bewegt sich zur Anodenseite 15 durch die Antriebskraft eines Überpotentials. Auf der Anodenseite 15 reagiert der Sauerstoff 21 mit dem Reduktionsgas 8 und wird auf diese Weise verbraucht, wodurch ein Sauerstoff-Ionen-Konzentrationsgradient gebildet wird und somit nimmt die für die Elektrolyse des Wassers erforderliche Spannung ab und der elektrische Leistungsverbrauch wird stark reduziert.
  • Durch Einführen von Feuchtigkeit (Dampf) in das Reduktionsgas geliefert an die Anodenseite, wird die Zerlegung des Kohlenstoffs an der Elektrode unterdrückt und somit kann die Lebensdauer der Vorrichtung erhöht werden.
  • Die Erfinder untersuchten den Wärmeausgleich in einem derartigen Hochtemperaturdampfelektrolysegefäß.
  • Im Falle, wo beispielsweise Methangas an die Anodenseite des Elektrolysegefäßes geliefert wird, sind die Reaktionen an der Anodenseite und der Kathodenseite des Elektrolysegefäßes und die Reaktionswärmen wie dies in den folgenden Formeln angegeben ist.
  • Formel 1
  • Anode:
    • CH4 + 2O2 → CO2 + H2O:ΔH = –803 kJ
  • Kathode:
    • 4H2O → 4H2 + 2O2:ΔH = +968 kJ
  • Der gesamte Wärmeausgleich der Reaktion ist somit 165 kJ endothermisch und somit muss prinzipiell Wärme von außen her geliefert werden.
  • Im Falle dass ein Gas mit Wasserstoff und Kohlenmonoxid als Hauptbestandteile angeliefert wird, sind darüber hinaus die Reaktionen an der Anodenseite und der Kathodenseite des Elektrolysegefäßes gemäß den folgenden Formeln.
  • Formel 2
  • Anode:
    • 2H2 + O2 → 2H2O:ΔH = –484 kJ
    • 2CO + O2 → 2CO2:ΔH = –566 kJ
  • Kathode:
    • 4H2O → 4H2 + O2:ΔH = +968 kJ
  • Die Reaktionen sind somit insgesamt leicht exotherm (ΔH = –81 kJ) und somit braucht prinzipiell keine Wärme von außen zugeführt werden.
  • Für das Hochtemperaturdampfelektrolyseverfahren unter Verwendung einer Festoxidelektrolytmembran, bei der ein Reduktionsgas an die Anode geliefert wird, wurde durch Ausführung einer thermodynamischen Analyse herausgefunden, dass kaum elektrische Energie erforderlich ist, aber in der tatsächlichen Praxis ein Anodenüberpotential, ein Kathodenpotential und Spannung verbraucht durch den elektrischen Widerstand des Elektrolyten erforderlich sind. Das Überpotential darf aus Gründen Leistungseinsparung nicht größer sein als 0,5 V.
  • Das 0,5 V Überpotential wird zu Wärme, wobei die Wärmemenge annähernd 260 kJ im Falle der Elektrolyse von 4 Mol Wasser beträgt. Im Falle der Zuführung von Methan an die Anodenseite des Elektrolysegefäßes wird die infolge dieses Überpotentials erzeugte Wärme somit als Energie für die endotherme Reaktion verwendet. Die Endothermizität der Reaktion ist jedoch 165 kJ, wie oben berechnet und somit verbleibt insgesamt eine Energie von 260 – 165 = 95 kJ, wobei diese als Überschussleistung verwendet, welche das gelieferte Gas erhitzt.
  • Als nächstes sei untersucht, wie viel des gelieferten Gases durch diese Energie von 95 kJ erhitzt werden kann. Im Falle der Lieferung von Methan an die Anodenseite des Elektrolysegefäßes ist die Wärmekapazität des Methans annähernd 50 J/deg·mol (50 J/Grad·mol) und somit ist die erforderliche Energie bei einem Temperaturanstieg des Methans um 400°C annähernd 20 kJ/mol. Inzwischen wird der an die Kathodenseite gelieferte Dampf im Vierfachen der Anzahl von Mol wie das Methan verwendet und da die Wärmekapazität des Dampfes annähernd 37 J/mol ist, beträgt die erforderliche Energie, um die Temperatur dieses Dampfes um 400°C zu erhöhen, annähernd 60 kJ. Der Gesamtbetrag ist somit annähernd 80 kJ und somit ist die obige Überschussenergie von 95 kJ in der Lage, das Methan und den Dampf zu erhitzen, um so die Temperatur davon um 400°C zu erhöhen. Das heißt, wenn das Reduktionsgas und der Dampf in das Hochtemperaturdampfelektrolysegefäß gemäß der vorliegenden Erfindung bei beispielsweise 400°C geliefert werden, dann kann das Reduktionsgas und der Dampf bis auf annähernd 800°C durch die Überschussenergie infolge des Überpotentials erhitzt werden.
  • Wenn die Temperatur des an die Anodenseite gelieferten Reduktionsgases und des Hochtemperatur-Dampfes geliefert an die Kathodenseite des Hochtemperaturdampfelektrolysegefäßes im Bereich von 300 bis 500°C vorgesehen wird, dann kann durch Anlegen eines Überpotentials von 0,5 V, die Temperatur im Elektrolysegefäß auf diese Weise in einen Bereich von 700 bis 900°C durch die infolge des Überpotentials erzeugte Wärme gebracht werden und somit kann hochreiner Wasserstoff in effizienter Weise durch die Hochtemperatur-Dampfelektrolyse erzeugt werden.
  • Darüber hinaus gilt Folgendes: Im Falle des Anlegens eines höheren Überpotentials, kann der Temperaturanstieg im Elektrolysegefäß weiter erhöht werden und somit kann die Temperatur des Reduktionsgases und des Dampfes, die in das Elektrolysegerät geliefert werden, weiter reduziert werden.
  • Unter Berücksichtigung der Praktikabilität liegt gemäß der Erfindung die Temperatur des Reduktionsgases, geliefert an die Anodenseite und die Temperatur des Hochtemperatur-Dampfes, geliefert an die Kathodenseite des Hochtemperaturdampfelektrolysegefäßes somit im allgemeinen in einem Bereich von 200 bis 500°C, und zwar bevorzugter in einem Bereich von 300 bis 500°C, und noch bevorzugter in einem Bereich von 350 bis 450°C.
  • Hinsichtlich des thermischen Ausgleichs bzw. des Gleichgewichts im Falle einer Zuführung eines gemischten Gases aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff als Reduktionsgas an die Anodenseite des Elektrolysegefäßes, kann der Wärmeausgleich (Wärmegleichgewicht) wie oben untersucht werden; der Wärmeausgleich ist besser als im Falle von Methan und somit wird dann, wenn beispielsweise die Temperatur des an die Anodenseite gelieferten Re duktionsgases und des Hochtemperatur-Dampfes geliefert an die Kathodenseite des Hochtemperatur-Elektrolysegefäßes in einem Bereich von 200 bis 500°C vorgesehen wird, kann durch Anlegen eines Überpotentials von 0,5 V die Temperatur im Elektrolysegefäß auf einen Bereich von 700 bis 1000°C gebracht werden, und zwar infolge der durch das Überpotential erzeugten Wärme und somit kann hochreiner Wasserstoff effizient durch die Hochtemperatur-Dampfelektrolyse hergestellt werden.
  • Durch Messen der Temperatur des an die Anodenseite oder die Kathodenseite des Hochtemperaturdampfelektrolysegefäßes gelieferten Gases unter Verwendung einer Messvorrichtung und durch Ändern des Wertes des entsprechend der gemessenen Temperatur unter Verwendung einer Steuervorrichtung gelieferten Überpotentials kann die Temperatur des Elektrolysegefäßes auf die gewünschte oder Soll-Temperatur gesteuert werden. Das heißt, wenn die Temperatur des gelieferten Gases relativ hoch ist, dann kann beispielsweise der Wert des Überpotentials von 0,5 V reduziert werden um die Temperatur im Elektrolysegefäß in einem bereich von 700 bis 1000°C zu halten, wohingegen in dem Fall, wo die Temperatur des gelieferten Gases relativ niedrig ist, der Wert des Überpotentials beispielsweise von 0,5 V erhöht werden kann, um so die Temperatur im Elektrolysegefäß in einem Bereich von 700 bis 1000°C zu halten.
  • Es sei bemerkt, das im Falle der Verwendung eines Reduktionsgases, erzeugt durch Pyrolyse von organischem Material, und zwar verwendet als Reduktionsgas geliefert an die Anodenseite des Hochtemperaturdampfelektrolysegefäßes, die Reaktion im Prinzip im ganzen exothermisch verläuft, aber infolge des Kohlendioxids und des Stickstoffs usw., die als Verunreinigungen enthalten sind, ist die Situation nicht notwendigerweise verglichen mit Methan vorteilhaft.
  • Es sei auch bemerkt, dass die oben genannten Werte für den Wärmeausgleich berechnet ohne Berücksichtigung des Wärmeverlustes usw. gelten und somit kann bei der tatsächlichen Verwendung oder in der tatsächlichen Praxis etwas mehr Wärme erforderlich sein. Für Methan jedoch ist die erforderliche Wärmemenge nicht groß und somit ergibt sich hier kein großer Nachteil, selbst in dem Fall, dass die Temperatur des Methans zuerst auf Normaltemperatur gesetzt wird, so dass eine Vorbehandlung, wie beispielsweise Entschwefelung ausgeführt werden kann. Wenn überhaupt, ist es vorzuziehen eine solche Entschwefelung bei einer auf nicht mehr als 100°C eingestellten Temperatur auszuführen.
  • Es wird nunmehr anhand der 1 ein spezielles Beispiel eines Wasserstoffproduktionssystems unter Verwendung der Erfindung beschrieben.
  • In 1, ist ein Pyrolyse-Ofen 1 gezeigt, der gebildet wird von einem Pyrolysefluidisierungsbett 2 mit Dampf 6 als Fluidisierungsgas, einem verbrennungsfluidisierten Bett 3 mit Luft 7 als einem Fluidisierungsgas und einem Wärmeübertragungsmedium-Bewegungsbett 4. Rohmaterial 5 mit Biomasse wie beispielsweise Abfallholz oder Müll als organisches Rohmaterial wird in das fluidisierte Pyrolysebett 2 geliefert und durch die Wärme von einem Wärmeübertragungsmedium (Sand) pyrolisiert, wobei hier die Zerlegung in ein reduzierendes Pyrolysegas 8 (Reduktionspyrolysegas) erfolgt, mit Wasserstoff und Kohlenmonoxid als dessen Hauptbestandeilen und Holzkohle (char). Die erzeugte Holzkohle (char) läuft durch das Wärmeübertragungsmedium-Bewegungsbett 4, und zwar zusammen mit dem Wärmeübertragungsmedium und wird in das fluidisierte Pyrolysebett 2 zurückgeführt. Abwärme im Verbrennungsabgas 12 abgegeben aus dem fluidisierten Verbrennungsbett 3, kann gesondert verwendet werden. Darüber hinaus gilt Folgendes: Als Fluidisierungsgas in dem fluidisierten Pyrolysebett 2 kann anstelle des Dampfes 6 etwas vom Pyrolysegas 8 zurückzirkuliert und verwendet werden. Das erzeugte Pyrolysegas 8 wird gesteuert, um in die Gasleitungen 10 und 11 verteilt zu werden, und zwar über ein Gasströmungsregulierventil 9, wobei das Gas in der Leitung 10 zur Anodenseite 15 des Hochtemperaturdampfelektrolysegefäßes 13 geliefert wird und das Gas in der Leitung 11 in einen (nicht gezeigten) Gasspeichertank geleitet wird und in einer Gasmotorleistungserzeugung oder dergleichen verwendet wird.
  • Das Hochtemperaturdampfelektrolysegefäß 13 ist durch die Festoxidelektrolytdiaphragma 14 in die Anodenseite 15 und die Kathodenseite 16 unterteilt. Nachdem Hochtemperatur-Dampf 19 zur Kathodenseite 16 des Elektrolysegefäßes geliefert wird, wird das Reduktionsgas 8 zur Anodenseite 15 des Elektrolysegefäßes geliefert und die elektrische Leistung 17 wird durch den Wechselstrom-/Gleichstromwandler 18 in Gleichstrom umgewandelt und im Elektrolysegefäß angelegt, wobei Hochtemperatur-Dampf 19, geliefert an die Kathodenseite 16, in Wasserstoff und Sauerstoff durch die elektrolytische Wirkung zerlegt wird.
  • Der erzeugte Wasserstoff 20 wird als hochreiner Wasserstoff gesammelt. Andererseits läuft der erzeugte Sauerstoff 21 selektiv durch die Festoxidelektrolytdiaphragma 14 und bewegt sich zur Anodenseite 15 durch die Antriebskraft des Überpotentials. Auf der Anodenseite 15 reagiert der Sauerstoff 21 mit dem Reduktionsgas 8 und wird somit verbraucht, wobei ein Sauerstoff-Ion-Konzentrationsgradient gebildet wird und somit nimmt die für den sich zur Anodenseite bewegenden Sauerstoff erforderliche Spannung ab und der elektrische Leistungsverbrauch wird stark reduziert.
  • Das Hochtemperatur-Abgas 22, erzeugt auf der Anodenseite 15, läuft durch einen Wärmetauscher 23 und wird aus dem System als Niedertemperaturabgas 24 abgegeben. Dem Wärmetauscher 23 wird Wasser 25 zugeführt, um so den Dampf 6 zu erzeugen. Der erzeugte Dampf 6 kann als das Fluidisierungsgas für das fluidisierte Pyrolysebett 2, wie oben beschrieben, verwendet werden. Darüber hinaus wird der Hochtemperatur-Dampf 19 derart gesteuert, dass er in die Leitungen 27 und 28 verteilt wird, und zwar über ein Strömungsregulierventil 26. Der Hochtemperatur-Dampf 19 in der Leitung 27 wird an die Kathodenseite 16 des Hochtemperaturdampfelektrolysegefäßes geliefert. Der Hochtemperatur-Dampf in der Leitung 28 kann bei der Leistungserzeugung oder dergleichen verwendet werden.
  • Als für Elektrolyse erforderliche elektrische Leistung 17 kann preiswerte zur Nachtzeit verfügbare elektrische Leistung verwendet werden oder aber auch "In-Haus" erzeugte elektrische Leistung, und zwar unter Verwendung von beispielsweise der Gasmotorleistungserzeugung unter Verwendung von Überschuss-Pyrolysegas über die Gasleitung 11 oder es kann eine Dampfturbinenleistungserzeugung eingesetzt werden, und zwar unter Verwendung von Überschuss-Hochtemperatur-Dampf über die Leitung 28. Die Mengen an Pyrolysegas 8 und Hochtemperatur-Dampf 19, die in das Hochtemperaturdampfelektrolysegefäß 13 geliefert werden, kann automatisch gesteuert werden und zwar unter Verwendung der Strömungsregulierventile 9 bzw. 26, derart, dass der Betrieb bei optimalen Bedingungen aufrechterhalten wird, und zwar im Hinblick auf die Beibehaltung der Betriebstemperatur (annähernd 800°C) des Elektrolysegefäßes 13, der eingegebenen elektrischen Leistungsmenge und der Menge des erzeugten Wasserstoffs.
  • Die Erfindung gemäß Anspruch 1 der vorliegenden Anmeldung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erzeugung von Wasserstoff durch Lieferung eines Reduktionsgases an eine Anodenseite und durch Lieferung von Dampf an eine Kathodenseite eines Hochtemperaturdampfelektrolysegefäßes, unterteilt in die Anodenseite und die Kathode unter Verwendung einer Festoxidelektrolytdiaphragma, und durch ferner Reagieren von Reduktionsgas mit Sauerstoffionen an der Anodenseite, um so einen Sauerstoff-Ion-Konzentrationsgradient zu erzeugen und um auf diese Weise die Elektrolysespannung, wie oben beschrieben, zu reduzieren, wobei das Verfahren gekennzeichnet ist, dadurch dass vorgesehen wird, dass das zugeführte Reduktionsgas und der Dampf auf einem Temperaturbereich von 200 bis 500° gehalten werden.
  • Darüber hinaus ist ein erfindungsgemäßes Verfahren gemäß Anspruch 2 in Abhängigkeit von Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Reduktionsgas und der Dampf, die in das Elektrolysegefäß geliefert werden, auf eine Temperatur im Bereich von 200 bis 500°C erhitzt werden durch Durchführung eines Wärmetausches mit Hochtemperatur-Abgas und Hochtemperatur-Wasserstoff, die vom Elektrolysegefäß abgegeben werden. In diesem Fall, wenn Dampf bei 200°C verwendet wird, wird die Temperatur sowohl des Reduktionsgases als auch des Dampfes auf einen Bereich von 200 bis 500°C erhöht und somit kann der Wärmeausgleich mit einem Überpotential von mindestens 0,5 V erreicht werden.
  • Darüber hinaus ist ein erfindungsgemäßes Verfahren gemäß Anspruch 3 in Abhängigkeit von Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Reduktionsgas und der Dampf, die in das Elektrolysegefäß geliefert werden, auf eine Temperatur im Bereich von 200 bis 500°C erhitzt werden durch Durchführung eines Wärmetausches mit Abwärme aus einem anderen Prozess. In diesem Fall besteht keine Notwendigkeit Abgas (abgegebenes Gas) (off-gas) aus dem Elektrolysegefäß in dem Wärmetauscher zu verwenden.
  • Darüber hinaus ist ein erfindungsgemäßes Verfahren gemäß Anspruch 4 in Abhängigkeit von Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Reduktionsgas und der Dampf, die in das Elektrolysegefäß geliefert werden, auf eine Temperatur im Bereich von 200 bis 500°C erhitzt werden durch Hinzufügen von Hochtemperatur-Gas. In diesem Fall fällt die Konzentration des Reduktionsgases, welches in das Elektrolysegefäß geliefert wird ab, aber es besteht ein großer Vorteil, dass ein Wärmetauscher nicht erforderlich ist.
  • Darüber hinaus ist ein erfindungsgemäßes Verfahren gemäß Anspruch 5 in Abhängigkeit von Anspruch 1, oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Reduktionsgas oder das gemischte Gas des Reduktionsgases und Hochtemperaturgas und Dampf, die in das Elektrolysegefäß geliefert werden, auf eine Temperatur im Bereich von 200 bis 500°C erhitzt werden durch Durchführung eines Wärmetausches mit Hochtemperaturgas-Abgas (offgas) und Hochtemperatur-Wasserstoff, der vom Elektrolysegefäß abgegeben wird. Mit diesem Verfahren kann die gewünschte Temperatur leicht erreicht werden durch den Wärmetausch mit dem Wasserstoff, ohne dass das Reduktionsgas sehr verdünnt wird.
  • Darüber hinaus ist ein erfindungsgemäßes Verfahren gemäß Anspruch 6 in Abhängigkeit von Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Reduktionsgas oder das gemischte Gas des Reduktionsgases und Hochtemperaturgas auf eine Temperatur im Bereich von 200 bis 500°C erhitzt werden, durch Durchführung eines Wärmetausches mit Abwärme aus einem anderen Prozess. In diesem Falle, dadurch dass Abwärme bei 200 bis 500°C verwendet werden kann, durch Erhitzen des Reduktionsgases und des Dampfes unter Verwendung dieser Abwärme, wird die gewünschte Temperaturerhöhung leichter erreicht als durch Wärmetausch mit Abgas aus dem Elektrolysegefäß.
  • Darüber hinaus ist ein erfindungsgemäßes Verfahren gemäß Anspruch 7 in Abhängigkeit von der Ansprüche 1 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass durch den Betrieb mit einer Elektrolysespannung im Bereich von 20 bis 40% der erforderlichen Energie, dies durch Verwendung des Dampfelektrolyseverfahrens geschieht, durch Verwendung des Reduktionsgases, wobei das Überpotential auf annähernd 0,5 V unten gehalten wird.
  • Darüber hinaus ist ein erfindungsgemäßes Verfahren gemäß Anspruch 8 in Abhängigkeit von einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Konzentration von Hydrochlorid-Säure und/oder Schwefelverbindungen in dem gelieferten Reduktionsgas nicht mehr als 10 ppm ist. Ein Reduktionsgas, erzeugt durch Pyrolysieren organischer Stoffe oder ein Reduktionsgas, welches durch Methangärung bzw. Fermentation erzielt wird, enthält allgemein eine erhebliche Menge von korrosivem Gas, wie zum Beispiel Hydrochlorid-Säure und Schwefelverbindungen; diese sind sehr schädlich für die Dampfelektrolyseelektroden, und deshalb ist es sehr wünschenswert, diese schädlichen Bestandteile zu entfernen. Für das Reduktionsgas ungleich dem Dampf, gibt es keine latente Wärme, wenn ein Gas bei normaler Temperatur und somit das Erhitzen von der normalen Temperatur leicht ist.
  • Darüber hinaus ist ein erfindungsgemäßes Verfahren gemäß Anspruch 9 in Abhängigkeit von einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das zugeführte Reduktionsgas ein Reduktionsgas ist, welches durch Pyrolyse von organischen Stoffen hergestellt und gesäubert/entstaubt wird durch Verwendung eines Scheuermediums oder ähnlichem. In diesem Fall gelangt Feuchtigkeit in das Reduktionsgas durch nasses Entstauben, aber diese Feuchtigkeit wird verwendet in einer Umwandlungsreaktion mit Kohlenmonoxid.
  • Darüber hinaus ist ein erfindungsgemäßes Verfahren gemäß Anspruch 10 in Abhängigkeit von irgendeinem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das gelieferte Reduktionsgas ein Nebenprodukt ist, welches durch einen Koksofen oder einen Hochofen von einem Stahlwerk erzeugt wird.
  • Darüber hinaus ist ein erfindungsgemäßes Verfahren gemäß Anspruch 11 in Abhängigkeit von irgendeinem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeich net, dass das gelieferte Reduktionsgas ein Nebenproduktgas einer Erdölraffinerie ist.
  • Darüber hinaus ist ein erfindungsgemäßes Verfahren gemäß Anspruch 12 in Abhängigkeit von Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das organische Pyrolyse-Rohmaterial eine Biomasse ist, wie beispielsweise Abfallholz oder Müll oder ein Erdölrest.
  • Darüber hinaus bezieht sich die Erfindung gemäß Anspruch 13 auf eine Vorrichtung zum Implementieren eines Verfahrens, wie es oben beschrieben wurde, d.h. die Erfindung bezieht sich auf eine Wasserstoffproduktionsvorrichtung, die ein Elektrolysegefäß aufweist, und zwar unterteilt in eine Anodenseite und eine Kathodenseite durch eine Festoxidelektrolytdiaphragma, eine Leitung, die ein Reduktionsgas an die Anodenseite des Elektrolysegefäßes liefert und eine Leitung, die Dampf an die Kathodenseite des Elektrolysegefäßes liefert, wobei die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, dass sie ferner Mittel aufweist, um das Reduktionsgas und den in das Elektrolysegefäß gelieferten Dampf auf eine Temperatur im Bereich von 200 bis 500°C hält.
  • Ferner ist die erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß Anspruch 14 in Abhängigkeit von Anspruch 13 dadurch gekennzeichnet, dass ein Strömungsteuerventil in der Gasleitung, die das Reduktionsgas zur Anodenseite des Elektrolysegefäßes liefert und in der Leitung, die Dampf zur Kathodenseite des Elektrolysegefäßes liefert, jeweils vorgesehen ist, um so eine optimale Steuerung der Betriebsbedingungen zu erhalten.
  • Darüber hinaus ist die erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß Anspruch 15 in Abhängigkeit von Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein Temperaturmessgerät in einer Gasablassleitung auf der Anodenseite und Kathodensei te des Elektrolysegefäßes vorgesehen ist und dass die Strömungsteuerventile derart gesteuert werden, dass eine konstante Temperatur erhalten wird.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung kann hochreiner Wasserstoff, verwendbar als Brennstoff für Polymer Elektrolytbrennstoffzellen, wirtschaftlich hergestellt werden, und zwar aus einer einen geringen Wert besitzender Biomasse oder dergleichen, und zwar durch ein Verfahren, für welches der Verbrauch teurer Mittel, wie beispielsweise elektrische Leistung und Stadtgas verringert wird und wobei ferner die Konfiguration relativ einfach ist und wenig Betriebsprobleme auftreten.
  • Gemäß einer zweiten Betriebsart der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Erzeugung von Wasserstoff vorgesehen, und zwar durch Liefern von Dampf an eine Kathodenseite und durch Liefern eines Reduktionsgases an eine Anodenseite einer Hochtemperatur-Dampfelektrolysevorrichtung, in der ein Elektrolysegefäß positioniert ist, und zwar unterteilt in die Anodenseite und die Kathodenseite unter Verwendung einer Festoxidelektrolytmembran als Diaphragma, wobei die Dampfelektrolyse bei einer hohen Temperatur durchgeführt wird und das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass ein Teil des Dampfes von einem Kernkraftwerksdampfgenerator direkt als zur Kathodenseite gelieferter Dampf verwendet wird.
  • Im Gegensatz zu Primärenergie, wie beispielsweise solcher aus fossilen Brennstoffen, wie Kohle und Erdöl, Uran und Sonnenlicht, sind Elektrizität, Gas, Benzin usw., die durch Umwandlung aus Primärenergie erhalten werden, als Sekundärenergie bekannt; Wasserstoff, der nicht alleine (als H2) auf der Erde existiert, fällt auch unter den Begriff Sekundärenergie.
  • Was die Primärenergie angeht, so wurden die Reserven an Kohle, Petroleum bzw. Erdöl und Erdgas über Tausende bis Millionen von Jahren auf der Erde gebildet. wobei diese Energie als feste Solarenergie bezeichnet werden kann und wobei diese Primärenergie endlich ist.
  • Seit dem zweiten Weltkrieg, nachdem sich die Primärenergie von früher hauptsächlich Kohle zu leicht verwendenbarem Erdöl verschoben hat, ist die Menge an verwendetem Erdöl schnell angestiegen und als Ergebnis, wird vorausgesagt, dass die derzeitigen Erdölreserven noch 30 bis 50 Jahre reichen werden; und man sagt, dass die Erdölproduktion nach ca. 2010 abnehmen wird. Tatsächlich wird das Erdöl bereits schwerer und der Schwefelanteil steigt, und somit erhöht sich auch jährlich die Nachfrage nach Wasserstoff, um das Erdöl leichter zu machen und eine Tiefentschwefelung durchzuführen.
  • Inzwischen sind die CO2-Emissionen seit 1900 stark angestiegen und folglich ist die CO2-Konzentration von 280 ppm im Jahre 1800 auf 360 ppm im Jahre 2000 angestiegen. Die vorherrschende Meinung ist, dass dies einen durchschnittlichen Temperaturanstieg von 0,6° über das vergangene Jahrhundert hinweg verursacht hat und es wurde darauf hingewiesen, dass die durchschnittliche Temperatur wahrscheinlich weiter um 1,4 bis 5,8°C bis 2100 ansteigt.
  • Außerdem sind die SOx und COx-Emissionen ein ernsthaftes Problem und es wird befürchtet, dass derartige Emissionen aus Entwicklungsländern, von denen angenommen wird, dass sie eine schnelle Entwicklung durchlaufen, in Zukunft weiter ansteigen. Auf alle Fälle, sollte man sich bewusst sein, dass, wenn die globale Umwelt sich einmal verschlechtert hat, sie nicht so einfach wieder zu ihrem ursprünglichen Zustand zurückkehren wird.
  • Unter dem COP3 Kyoto Protokoll, umfasst somit ein Ziel für Japan, eine 6%ige Reduktion bei Treibhausgasen zwischen 2008 und 2012 zu erreichen, wobei 1990 als das Basisjahr genommen wird. Annähernd 88% der japanischen Treibhausgase besteht aus CO2, welches aus der Energie stammt, wobei Methan, CFC-Substituten usw. nur wenige Prozent ausmachen. Der Anstieg von Treibhausgas-Emissionen bis 2010 werden anhand des derzeitigen Wachstums auf 8% bis 9% geschätzt, und somit werden Reduzierungen von 14 bis 15% bis dahin gefordert; nimmt man Absorptionen durch Wälder im Kyoto-Mechanismus mit 3,7% an, werden somit Reduzierungen von 10,3 bis 11,3% als reale Bedingungen gefordert. Sowohl Verbesserung der Effizienz durch Energieeinsparung als auch durch Kombinationen (cogeneration) usw., zielt die Regierung darauf aus, neue Energien aktiv einzuführen, wobei es ein Ziel ist, dass 3,2% der gesamten Primärenergie bis 2010 neue Energien sein sollen.
  • Als Sekundärenergie, ist elektrische Energie leicht zu verwenden, so lange es ein gut unterhaltenes Stromnetzwerk gibt und darüber hinaus, wenn man ignoriert, wenn Energie produziert wird, dass diese sauber ist, so dass keine Verschmutzungen bei der Verwendung abgegeben werden, wird die Forderung gestellt allmählich aber sicher in der Zukunft zu erhöhen. Der größte Nachteil elektrischer Energie ist, dass elektrische Energie nicht gespeichert werden kann. Der derzeitige Stand der Dinge ist somit, dass Elektrizität erzeugt wird gemäß der verbrauchten Menge und somit sind außergewöhnlich große Einrichtungen erforderlich, um Zeiten des Spitzenverbrauchs erfüllen zu können. Natürliche Energie, wie zum Beispiel Windkraft und Sonnenlicht von denen angenommen wird, dass sie in Zukunft verwendet werden, können nur zeitweilig gewonnen werden und entsprechen oft nicht den Zeiten des Spitzenverbrauchs. Damit diese Energiearten effizient ausgenützt werden können, ist somit eine Sekundärenergie, die gespeichert und transportiert werden kann, erforderlich Wasserstoff kann als Substanz gespeichert und transportiert werden und obwohl er nicht natürlich vorkommt, kann er durch ein ziemlich einfaches Verfahren hergestellt werden; insbesondere falls Wasserstoff durch Wasserelektrolyse gewonnen werden kann, ist das Rohmaterial unerschöpflich. Darüber hinaus, nach Gebrauch, wird Wasserstoff wieder zu Wasser, so dass das Rohmaterial wieder aufgefüllt werden kann und ungleich fossiler Brennstoffe, läuft dieser Zyklus in einer sehr kurzen Zeitspanne ab. Auf diese Weise, sind Wasserstoff und elektrische Leistung untereinander austauschbar durch ein elektrochemisches System (Elektrolyse von Wasser oder einer Brennstoffzelle) und es kann gesagt werden, dass es eine saubere Energie darstellt, die aus jeder Primärenergie gewonnen werden kann.
  • Auf diese Weise vom Gesichtspunkt der Bewahrung endlicher fossiler Brennstoffe und durch den Schutz der globalen Umwelt, wird das Ziel eines Wasserstoffenergiesystems grundsätzlich nur durch erneuerbare Energien erreicht, aber es bleiben dafür immer noch schwierige technische Probleme bestehen und man sagt, dass es mindestens noch 30 bis 40 Jahre dauern wird bis zur Verwirklichung. Bis dahin, zumindest bis zum Stadium des Energiegewinns, kommt die Wasserstoffproduktion unter Verwendung von Kernkraftenergie, die nicht von fossilen Brennstoffen abhängt und bei der es kaum irgendwelche Treibhausgasemissionen gibt, nahe an den gewünschten Zustand und erreicht Aufmerksamkeit von allen Seiten als Technologie, die es ermöglicht Wasserstoff in großen Mengen herzustellen; Untersuchungen werden bei der Wasserstoffproduktion durchgeführt zur direkten Aufspaltung von Wasser durch einen thermochemischen Prozess, von Dampf- bzw. Dampfreformation aus natürlichem Gas oder dergleichen usw., wobei ein mit Gas gekühlter Hochtemperatur-Reaktor verwendet wird, der hohe Temperaturen bis nahe an 1000°C erreichen kann.
  • Inmitten diesem Stand der Dinge, wird ein Verfahren zur Erzeugung von Wasserstoff durch ein Elektrolyseverfahren unter Verwendung von elektrischer Leistung, erzeugt durch die Verwendung von Pyrolysegas, vorgeschlagen. Mit diesem Verfahren kann hochreiner Wasserstoff durch eine relativ einfache Konfiguration gewonnen werden, wobei der elektrische Stromverbrauch sehr hoch ist. Im Gegensatz zu einem solchen Wasserstoffproduktionsverfahren, wurde ein Hochtemperatur-Dampfelektrolyseverfahren vorgeschlagen, bei welchem Dampf mit einer hohen Temperatur von annähernd 800°C elektrolisiert wird und Wärmeenergie zur Aufspaltung des Wassers verwendet wird, wodurch die Elektrolysespannung reduziert werden kann und somit der elektrische Strom für die Elektrolyse vermindert werden kann. Jedoch selbst bei diesem Verfahren muss zumindest 60% der Energie zur Spaltung des Wassers immer noch durch elektrische Leistung bereitgestellt werden. Als Vorschlag zur Verbesserung dieses Hochtemperatur-Dampfelektrolyseverfahren wird im US Patent Nr. 6,051,125 ein Verfahren vorgeschlagen, in welchem natürliches Gas der Anode eines Elektrolysegefäßes zugeführt wird, um so die Elektrolysespannung, die zur Bewegung des Sauerstoffs zur Anodenseite zu reduzieren; jedoch hat dieses Verfahren den Nachteil, dass teueres natürliches Gas verbraucht wird und darüber hinaus Maßnahmen erforderlich sind, um zu verhindern, dass die Elektroden verschmutzen, durch den Kohlenstoff der sich ablagert durch Reaktion zwischen natürlichem Gas und Sauerstoff und somit gibt es in der Praxis Probleme.
  • Zur Problemlösung dienen Mittel für eine Hochtemperatur-Dampfelektrolysevorrichtung, die sich auf die Tatsachen konzentrieren, wie zum Beispiel (1) Pyrolysegas aus Biomasse, wie beispielsweise Abfallholz oder Müll als Reduktionsgas zu verwenden, welches Wasserstoff und Kohlenmonoxid als Hauptbestandteile besitzt, (2) durch Zuführung eines Reduktionsgases wie in (1) zur Anodenseite eines Hochtemperatur-Dampfelektrolysegefäßes und Reaktion mit Sauerstoff-Ionen auf der Anodenseite, wodurch die Elektrolysespannung stark reduziert werden kann, und (3) durch Oxidation eines Reduktionsgases wie in (1), wobei Wasserstoff und Kohlenmonoxid die Hauptbestandteile sind, wodurch sich kein Kohlenstoff abgelagert und somit keine Gefahr der Verschmutzung der Elektroden besteht, wurde eine Wasserstoffpro duktionsvorrichtung vorgeschlagen, in welcher solch ein Reduktionsgas an die Anodenseite eines Hochtemperatur-Dampfelektrolysegefäßes geliefert wird, um so die Elektrolysespannung ( japanische Patentanmeldung Nr. 2002-249753 ) zu verringern. Mit der in dieser Patentanmeldung vorgeschlagenen Vorrichtung, wo für die Wasserstoffproduktion durch Dampfelektrolyse ein Hochtemperatur-Dampfelektrolysegefäß verwendet wird, in welchem ein Festoxidelektrolyt als Diaphragma verwendet wird, und das Diaphragma so in dem Elektrolysegefäß angeordnet ist, dass das Elektrolysegefäß in eine Anodenseite und eine Kathodenseite des Elektrolysegefäßes unterteilt wird, wird Hochtemperaturdampf der Kathodenseite des Elektrolysegefäßes zugeführt und ein Reduktionsgas wird der Anodenseite des Elektrolysegefäßes zugeführt, um so die Dampfelektrolyse bei hoher Temperatur durchzuführen, wobei Sauerstoff-Ionen, die durch die Elektrolyse von Dampf auf der Kathodenseite des Elektrolysegefäßes erzeugt werden, durch den Festoxidelektrolyt laufen und sich zur Anodenseite bewegen und dort mit dem Reduktionsgas reagieren, so dass ein Sauerstoff-Ion-Konzentrationsgradient erzeugt wird, wodurch die für die Bewegung des Sauerstoffs zur Anodenseite erforderliche Spannung reduziert wird. Mit dieser Vorrichtung, dadurch dass Dampf bei hoher Temperatur von 700 bis 800°C gespalten wird und der Sauerstoff-Konzentrationsgradient auf der Anodenseite erzeugt wird, kann hochreiner Wasserstoff sehr effizient hergestellt werden.
  • Das Hochtemperatur-Dampfelektrolyseverfahren, wie oben beschrieben, ist ein Verfahren, in welchem Sauerstoff auf der Anodenseite des Elektrolysegefäßes entfernt wird durch Liefern des Reduktionsgases an die Anodenseite und wobei der Dampf bei hohen Temperaturen zwischen 700 bis 800°C oder höher, gespalten wird. Andererseits hinsichtlich der Kombination von Hochtemperatur-Dampfelektrolyse mit Dampf, der von einem Dampfgenerator eines Leicht-Wasser-Reaktors erzeugt wird, welcher der hauptsächliche Typ eines Reaktors ist, der derzeit die Atomkrafterzeugung trägt, oder ein Schneller-Brüter-Reaktor, von dem erwartet wird, dass er in naher Zukunft eingesetzt wird, ist der Temperaturbereich des gewonnenen Dampfes niedriger als die 900 bis 1000°C für einen gasgekühlten Hochtemperaturreaktor, wobei das Maximum von ungefähr 300°C für einen Leicht-Wasser-Reaktor ist und ein Maximum von ungefähr 500°C für einen Schnellen-Brüter-Reaktor und somit wurden diese nicht notwendigerweise als Ziele für die Dampflieferungsquelle für die Hochtemperatur-Dampfelektrolyse angesehen. Dies ist deshalb, weil eine Elektrolysespannung von ungefähr 1,3 V für das Hochtemperatur-Dampfelektrolyseverfahren erforderlich ist, sogar dann wenn mit 1000°C betrieben, und deshalb wurde, um eine beträchtliche Differenz zu erreichen, verglichen mit den 1,7 bis 1,8 V für ein Alkali- oder Festpolymerelektrolyseverfahren bei rund 1000°C, wurde ein Betrieb mit einer so hohen Temperatur wie nur irgend möglich, vorausgesetzt.
  • Jedoch hat die Gruppe der Erfinder gründliche Untersuchungen bezüglich des Wärmeausgleichs der Hochtemperatur-Dampfelektrolyse durchgeführt und als ein Ergebnis wurde festgestellt, dass für eine Hochtemperatur-Dampfelektrolysevorrichtung eines Typs, wo ein Reduktionsgas an die Anodenseite zugeführt wird und Hochtemperaturdampf an die Kathodenseite eines Elektrolysegefäßes geliefert wird, sogar dann, wenn die Temperatur des zugeführten Dampfes und des Reduktionsgases im Bereich von 200 bis 300°C liegen, das Erhitzen auf 700 bis 800°C, welches die wünschenswerte Betriebstemperatur für eine Hochtemperatur-Dampfelektrolyse ist, durch die Joule-Wärme möglich ist, aufgrund eines Überpotentials von ungefähr 0,5 V in dem Elektrolysegefäß.
  • Die zweite Betriebsart der vorliegenden Erfindung wurde erreicht, nachdem herausgefunden wurde, basierend auf den obigen Ergebnissen, dass sogar für einen Leicht-Wasser-Reaktor oder Schnellen-Brüter-Reaktor, für den nur das Alkali- oder Festpolymerelektrolyseverfahren zur Wasserstoffproduktion durch Verwendung von selbst-erzeugter elektrischer Leistung in Betracht gezogen wurde, nahe daran kommt bis jetzt realistisch zu sein, durch Verwendung einer Hochtemperatur-Dampfelektrolysevorrichtung des Typs, in welchem ein Reduktionsgas an die Anodenseite und Hochtemperatur-Dampf an die Kathodenseite eines Elektrolysegefäßes geliefert wird, wodurch Wasserstoff mit einem elektrischen Leistungsverbrauch weniger als 30%, als jenem für das Alkali- oder Festpolymerelektrolyseverfahren hergestellt werden kann.
  • Das bedeutet, die zweite Betriebsart der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erzeugung von Wasserstoff durch Zuführung von Dampf an eine Kathodenseite und durch Zuführung eines Reduktionsgases an die Anodenseite einer Hochtemperatur-Dampfelektrolysevorrichtung, in welcher ein Elektrolysegefäß unterteilt ist, in eine Anodenseite und eine Kathodenseite durch Verwendung eines Festoxidelektrolyts als ein Diaphragma und durch Durchführung einer Dampfelektrolyse mit hoher Temperatur, und das Produktionsverfahren von hochreinem Wasserstoff dadurch gekennzeichnet ist, dass ein Teil des Dampfes aus einem Kernkraftwerksdampfgenerator direkt als der Dampf verwendet wird, welcher der Kathodenseite zugeführt wird.
  • Es sei bemerkt, dass „Reduktionsgas" in der vorliegenden Erfindung ein Gas bedeutet, das mit Sauerstoff reagieren kann, der durch die Festoxidelektrolytmembran in dem Dampfelektrolysegefäß zur Anodenseite des Elektrolysegefäßes, wie unten beschrieben, läuft, um so die Sauerstoffkonzentration auf der Anodenseite zu reduzieren, und welches Methangas, Pyrolysegas aus Biomasse wie beispielsweise Abfallholz oder Müll, wie unten beschrieben, Nebenproduktgas aus einem Kokerei-Ofen, einem Hochofen, einer Erdölraffinerie oder dergleichen usw., beinhaltet.
  • Das Grundprinzip einer Wasserstoffproduktionsvorrichtung unter Verwendung der Hochtemperatur-Dampfelektrolyse unter Verwendung einer Festoxidelektrolytmembran gemäß der vorliegenden Erfindung, wird nunmehr erneut beschrieben unter Bezug auf 2.
  • Ein Hochtemperaturdampfelektrolysegefäß 113 wird unterteilt in eine Anodenseite 115 und eine Kathodenseite 116 durch ein Festoxidelektrolytdiaphragma oder eine Festoxidelektrolytmembran 114. Hochtemperaturdampf 119 wird der Kathodenseite 116 eines Elektrolysegefäßes zugeführt, ein Reduktionsgas 110 wird an die Anodenseite 115 des Elektrolysegefäßes geliefert und elektrische Leistung 117 wird umgewandelt in Gleichstrom durch einen Wechselstrom-/Gleichstromwandler 118 und im Elektrolysegefäß angelegt, wodurch der an die Kathodenseite 116 gelieferte Hochtemperaturdampf 119 in Wasserstoff und Sauerstoff durch elektrolytische Aktion gespalten wird. Der erzeugte Wasserstoff 120 wird als hochreiner Wasserstoff gesammelt. Auf der anderen Seite, läuft der erzeugte Sauerstoff 121 selektiv durch das Festoxidelektrolytdiaphragma 114 und bewegt sich zur Anodenseite 115 durch die Antriebskraft eines Überpotentials. Auf der Anodenseite 115, reagiert der Sauerstoff 121 mit dem Reduktionsgas 110 und wird somit verbraucht, wodurch sich ein Sauerstoff-Ion-Konzentrationsgradient bildet und somit die benötigte Spannung, damit sich der Sauerstoff zur Anodenseite bewegt, abnimmt und wodurch der elektrische Stromverbrauch erheblich reduziert wird.
  • Wie oben beschrieben, hat die Gruppe der Erfinder den Wärmeausgleich in einem Hochtemperatur-Dampfelektrolysegefäß in einer Wasserstoffproduktionsvorrichtung durch Verwendung einer Hochtemperatur-Dampfelektrolyse unter Verwendung einer Festoxidelektrolytmembran untersucht und als Ergebnis wurde festgestellt, dass die Temperatur des Reduktionsgases und des Hochtemperaturdampfes, die an das Hochtemperatur-Dampfelektrolysegefäß geliefert werden, auf eine niedrige Temperatur von ungefähr 200 bis 500°C gesetzt werden kann. Gemäß der vorliegenden Erfindung, kann ein Teil des Dampfes bei 200 bis 500°C, der von einem Dampfgenerator eines Kernkraftwerks der Druckwasser-Bauart erzeugt wird, ein Teil des Dampfes bei 300 bis 500°C, der von einem Dampfgenerator eines Kernkraftwerks der Schnellen-Brüter-Bauart erzeugt wird, oder ein Teil des Dampfes bei 500 bis 700°C, der von einem Dampfgenerator eines Kernkraftwerks der Hochtemperaturgas- Bauart erzeugt wird, somit direkt als der Dampf geliefert werden, welcher in das Hochtemperatur-Dampfelektrolysegefäß geliefert wird.
  • Wenn ein Teil des Dampfes aus einem Dampfgenerator eines Kernkraftwerkes direkt in das Hochtemperatur-Dampfelektrolysegefäß eingespeist wird, wurde diese Art und Weise nicht im bisherigen Stand der Technik vorgeschlagen und ein hohes Einrichtungsverwendungsverhältnis kann aufrecht erhalten werden, durch Ändern der hergestellten Wasserstoffmenge gemäß dem elektrischen Leistungsbedarf ohne, dass die Kernkraftwerk-Förderleistung geändert werden muss und wobei die Dampftemperatur auf einer so hohen wie möglichen Temperatur gehalten wird. Besonders im Falle von Kernkraftwerken der Druckwasser-Bauart oder der Schnellen-Brüter-Bauart oder dergleichen, unterliegt aufgrund eines indirekten Zyklus, die Wärme, die durch den Atomreaktor erzeugt wird und durch einen Primärkühler entnommen wird, einem Wärmetausch mit Sekundärsystem-Leicht-Wasser im Dampfgenerator, um den Dampf zu erzeugen und enthält dieser Dampf keine radioaktiven Stoffe und somit kann der hergestellte Wasserstoff nicht nur als Wärmequelle in dem Atomkraftwerk verwendet werden, sondern kann auch für eine Bestimmung des allgemeinen Bedarfs geliefert werden.
  • Inzwischen kann das Reduktionsgas, das der Anode zugeführt wird, leicht durch Verbrennung von im lokalen Bereich erzeugten Abfallholz oder Müll oder Biomasse, die aus der Landwirtschaft, der Forstwirtschaft oder Fischereiindustrie erzeugt wird, und die relativ leicht beschaffbar ist, gewonnen werden, bei Voraussetzungen vor Ort eines einheimischen Kernkraftwerks. Außerdem ist es auch möglich, Digestionsgas (Faulgas) aus Meeresleben zu verwenden, welches in den Kühlwasseraufnahmen wächst.
  • Als Nächstes wird ein spezifisches Beispiel eines Wasserstoffproduktionssystems beschrieben, in welchem die vorliegende Erfindung auf ein Atomkraft werk der Druckwasser-Bauart angewandt wird unter Bezug auf 3. In der nachfolgenden Beschreibung wird ein spezielles Betriebsbeispiel beschrieben, wobei die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt ist.
  • In dem in 3 gezeigten System, läuft erwärmtes Wasser, das durch Kernspaltung auf ungefähr 325°C in einem Kernreaktor 201 erhitzt wurde, durch eine primäre Systemschleife, wird in einen Dampfgenerator 202 eingeführt und wird einem Wärmetausch mit einem Sekundärsystem unterzogen, bevor es in den Kernreaktor zurückläuft. Kondensiertes Wasser, das in das Sekundärsystem des Dampfgenerators 202 eingeführt wurde, wird zu Dampf bei ungefähr 280°C, treibt eine Turbine 203 an, um Strom zu erzeugen und wird dann in einem Kondensator 204 abgekühlt und wird somit wieder zu kondensiertem Wasser bevor es in den Dampfgenerator 202 zurückläuft.
  • Inzwischen ist eine Hochtemperatur-Dampfelektrolysevorrichtung 205 eine Vorrichtung, die Festoxidelektrolyte (stabilisierten Zirkoniumdioxid usw.) als Diaphragma verwendet, um so das Elektrolysegefäß in eine Anodenseite und eine Kathodenseite zu unterteilen, wobei ein Reduktionsgas zu dessen Anodenseite geliefert wird und Dampf zu dessen Kathodenseite und wobei Sauerstoff-Ionen auf der Anodenseite mit dem Reduktionsgas reagieren, um einen Sauerstoff-Ion-Konzentrationsgradienten zu erzeugen, wodurch hochreiner Wasserstoff mit einer niedrigeren Elektrolysespannung als bei einem konventionellen Verfahren hergestellt werden kann.
  • Dampf, der bei 200 bis 250°C aus einer Hochdruckseite oder einer Niederdruckseite der Turbine 203 entnommen wurde, wird zur Kathodenseite der Hochtemperatur-Dampfelektrolysevorrichtung 205 geleitet und Sauerstoff-Ionen werden daraus entfernt durch die Hochtemperatur-Dampfelektrolyse, um hochreinen Wasserstoff zu gewinnen. Das erzeugte Wasserstoffgas wird durch den Kühler 206 gekühlt, Unreinheiten wie Ammoniak oder Hydrazin werden daraus mit einem Skrubber 207 entfernt und sodann wird der Wasserstoff in einem Wasserstoffspeichertank 208 gespeichert und kann dann als In-Haus Wärmequelle oder für den allgemeinen Wasserstoffbedarf verwendet werden. Hier enthält das Kondenswassersystem der Kernkraftanlage Ammoniak, Hydrazin oder ähnliches als Korrosionsschutz, und wird dabei verdampft und gelangt in den erzeugten Wasserstoff, aber durch Durchführung einer Nachbehandlung, wie oben beschrieben, kann hochreines Wasserstoffgas zurück gewonnen werden. Es sei bemerkt, dass durch den obigen Vorgang, das an die Elektrolysevorrichtung 205 gelieferte Wasser aus dem Sekundärsystem des dampfkondensierten Wassersystems der Kernkraftwerksanlage entnommen wird und deshalb muss vorzugsweise eine entsprechende Menge an Wasser in das Sekundärsystem des dampfkondensierten Wassersystems aufgefüllt werden.
  • Darüber hinaus ist es möglich, einen Pyrolyseofen (Verbrennungsofen) 209 in der Kraftwerksanlage zu installieren, um ein Reduktionsgas, welches CO, Methan usw. enthält zu produzieren und zwar durch Verbrennung von Biomasse, wie beispielsweise Abfallholz oder Müll, gesammelt in dem Kraftwerk oder in den umgebenden örtlichen Bereich oder aus Meeresleben, welches durch Verwendung eines Siebes oder dergleichen an einer Wasserentnahme oder aus der Fischereiindustrie gesammelt wird wobei durch einen Kühler 210 abgekühlt wird, und ferner gereinigt/entstaubt wird durch Verwendung eines Skubbers 211, um so die Konzentration von Salzsäure- und/oder Schwefesäure-Verbindungen auf nicht mehr als 10 ppm zu reduzieren. Daraufhin wird das Reduktionsgas durch den Pyrolyseofen 209 wieder erhitzt und der Anodenseite der Hochtemperatur-Dampfelektrolysevorrichtung 205 zugeführt.
  • Das Reduktionsgas, das an der Anodenseite der Elektrolysevorrichtung 205 eingeführt wird, wird einer chemischen Reaktion mit Sauerstoff-Ionen unterzogen, um Hochtemperatur-Abgas, welches unverbrannte Stoffe enthält, zu erzeugen, das als ein Hilfsbrennstoff an einen "In-Haus-Boiler" bzw. Kessel oder dergleichen geliefert werden kann.
  • Die Strömung für die vorliegende Vorrichtung ist wie oben beschrieben; der Betrieb der Vorrichtung kann ebenfalls so konfiguriert werden, dass die Strömungsrate des Dampfes, der bei 200 bis 250°C von der Hochdruckseite oder Niederdruckseite der Turbine 203 entzogen wird, angepasst wird durch ein Strömungssteuerventil 212 gemäß den Schwankungen in der elektrischen Stromlast des Kraftwerks, wodurch die Menge an Dampf die an der Kathodenseite der Hochtemperatur-Dampfelektrolysevorrichtung 205 zugeführt wird, gesteuert wird, so dass die Menge des hergestellten Wasserstoffs effizient gesteuert werden kann. Als ein Ergebnis zum Beispiel für den Fall, dass der elektrische Strombedarf niedrig wurde, kann Überschussdampf bei der Wasserstoffproduktion verwendet werden, wodurch die Kernkraftwerkanlage effizient betrieben werden kann.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung, kann Dampf aus einer Kern kraftwerkanlage der Druckwasser-Bauart unter niedrigen Temperaturbedingungen, der nicht in einem konventionellen Hochtemperaturdampfelektrolyseverfahren verwendet werden könnte, somit verwendet werden und darüber hinaus kann Biomesse effektiv eingesetzt werden und somit kann Wasserstoff mit hoher Reinheit effizient hergestellt werden.
  • Darüber hinaus wird als weiteres Beispiel, d.h. ein spezielles Beispiel eines Wasserstoffproduktionssystems, in welchem die vorliegende Erfindung bei einem Atomkraftwerk der Schnellen-Brüter-Bauart angewendet werden kann, wird nunmehr unter Bezug auf 4 beschrieben. Wie oben, ist in der nachfolgenden Beschreibung, ein bestimmtes Betriebsbeispiel beschrieben, wobei die vorliegende Erfindung darauf nicht beschränkt ist. Außerdem entfällt, wo angemessen, die Beschreibung von Bestandteilen, die gleich denen in 3 sind.
  • In dem in 4 gezeigten System, wird Natrium als Kühlflüssigkeit auf ungefähr 530°C durch Kernspaltung in einem Kernreaktor 201 erhitzt, wird einem Zwischenwärmetauscher 213 zugeführt und ein Wärmetausch wird durchgeführt, wobei das Natrium in einer Sekundärschleife auf ungefähr 505°C erhitzt wird. Das Sekundärsystemnatrium wird einem Dampfgenerator 202 zugeführt und einem Wärmetausch mit einem Tertiärsystem mit kondensiertem Wasser unterzogen. Der Betrieb wird derart ausgeführt, dass das Natrium in jeder Schleife durch das Primärsystem bzw. Sekundärsystem zirkuliert wird.
  • Das kondensierte Wasser, das dem Tertiärsystem des Dampfgenerators 202 zugeführt wurde, wird einem Wärmetausch mit dem Natrium unterzogen, so dass daraus Dampf mit ungefähr 480°C entsteht; dieser treibt eine Turbine 203 an, um Strom zu erzeugen, und wird dann in einem Kondensator 204 abgekühlt um dort wieder zu Wasser zu kondensieren, bevor es wieder zurück in den Dampfgenerator 202 geht.
  • Die Hochtemperatur-Dampfelektrolysevorrichtung 205 ist eine Vorrichtung, die Festoxidelektrolyte (stabilisiertes Zirkoniumdioxid usw.) verwendet, wobei ein Reduktionsgas zu ihrer Anodenseite und Dampf zu ihrer Kathodenseite geliefert wird und wobei Sauerstoff-Ionen auf der Anodenseite mit dem Reduktionsgas reagieren, um einen Sauerstoff-Ion-Konzentrationsgradienten zu erzeugen, wodurch hochreiner Wasserstoff mit einer niedrigeren Elektrolysespannung als bei einem konventionellen Verfahren hergestellt werden kann.
  • Dampf, der bei 300 bis 450°C aus einer Hochdruckseite oder einer Niederdruckseite der Turbine 203 entnommen wurde, wird zur Kathodenseite der Hochtemperatur-Dampfelektrolysevorrichtung 205 geleitet und Sauerstoffionen werden daraus entfernt durch die Hochtemperatur-Dampfelektrolyse, um so hochreines Wasserstoffgas zu gewinnen. Das Wasserstoffgas wird durch den Kühler 206 gekühlt, Unreinheiten wie Ammoniak oder Hydrazin werden daraus mit einem Skubber 207 entfernt und sodann wird der Wasserstoff in einem Wasserstoffspeichertank 208 gespeichert und kann dann als In-Haus Wärmequelle oder für den allgemeinen Wasserstoffbedarf verwendet werden. Es sei bemerkt, dass gemäß dem in 3 gezeigten System durch den obigen Vorgang, das an die Elektrolysevorrichtung 205 gelieferte Wasser aus dem Tertiärsystem des dampfkondensierten Wassersystems der Kernkraftwerksanlage entnommen wird und deshalb muss vorzugsweise eine entsprechende Menge an Wasser in das Tertiärsystem des dampfkondensierten Wassersystems aufgefüllt werden.
  • Darüber hinaus, ist ein in der Kraftwerksanlage installierter Pyrolyseofen (Verbrennungsofen) 209 ein Pyrolyseofen (Verbrennungsofen), der als Rohmaterial Biomasse verwendet, wie beispielsweise Abfallholz oder Müll, der in dem Kraftwerk oder aus dem umgebenden örtlichen Bereich oder aus Meeresleben, welches durch Verwendung eines Siebes oder dergleichen an einer Wasserentnahme oder aus der Fischereiindustrie gesammelt wird; ein durch Pyrolyse in dem Pyrolyseofen 209 produziertes Reduktionsgas, das CO, Methan usw., enthält, wird durch einen Kühler 210 abgekühlt, gereinigt/entstaubt und zwar durch Verwendung eines Skubbers 211, um so die Konzentration von Salzsäure- und/oder Schwefelsäure-Verbindungen auf nicht mehr als 10 ppm zu reduzieren und wird daraufhin durch den Pyrolyseofen 209 wieder erhitzt und der Anodenseite der Hochtemperatur-Dampfelektrolysevorrichtung 205 zugeführt.
  • Das zugeführte Reduktionsgas wird einer chemischen Reaktion mit Sauerstoff-Ionen unterzogen, um Hochtemperatur-Abgas, welches unverbrannte Stoffe enthält, zu erzeugen, das als ein Hilfsbrennstoff an einen "In-Haus"-Kessel oder dergleichen geliefert werden kann.
  • Die Strömung für die vorliegende Vorrichtung ist wie oben beschrieben; der Betrieb der Vorrichtung ist ebenfalls so, dass die Strömungsrate des Dampfes, der bei 300 bis 450°C von der Hochdruckseite oder Niederdruckseite der Turbine 203 entzogen wird, angepasst wird durch ein Strömungssteuerventil 212 gemäß den Schwankungen in der elektrischen Stromlast des Kraftwerks, wodurch die Menge an Dampf, die an der Kathodenseite der Hochtemperatur-Dampfelektrolysevorrichtung 205 zugeführt wird, gesteuert wird, so dass die Menge des hergestellten Wasserstoff effizient gesteuert werden kann.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung, kann Dampf aus einer Kernkraftwerksanlage der Schnellen-Brüter-Bauart unter niedrigen Temperaturbedingungen, der nicht in einem konventionellen Hochtemperaturdampfelektrolyseverfahren verwendet werden könnte, somit verwendet werden und darüber hinaus kann Biomesse effektiv eingesetzt werden und damit kann Wasserstoff mit hoher Reinheit effizient hergestellt werden.
  • Ein weiteres Beispiel, d.h. ein spezifisches Beispiel eines Wasserstoffproduktionssystems, in welchem die vorliegende Erfindung bei einem Hochtemperatur-Kernkraftwerk der Gas-Bauart angewendet wird, wird nunmehr unter Bezug auf 5 beschrieben. Wie oben, ist in der nachfolgenden Beschreibung, ein bestimmtes Betriebsbeispiel beschrieben, wobei die vorliegende Erfindung darauf nicht beschränkt ist. Außerdem entfällt, wo angemessen, die Beschreibung von Bestandteilelen, die gleich denen in 3 und 4 sind.
  • In dem in 5 gezeigten System, wird Helium als Kühlmittel durch Kernspaltung auf ungefähr 1000°C in einem Kernreaktor 201 erhitzt und treibt eine Turbine 213 direkt an, um Strom zu erzeugen und wird dann einem Wärmetauscher 214 zugeführt und abgekühlt, bevor es in den Kernreaktor zurückgeht. Ein Teil des Heliumgases wird aus dem dieser Primärsystem-Heliumschleife entweder stromabwärts oder stromaufwärts von der Gasturbine 213 entzogen und einem Dampfgenerator 202 zugeführt und einem Wärmetausch mit dem Sekundärsystem kondensiertem Wasser unterzogen. Das vom Dampfgenerator 202 abgegebene Heliumgas wird stromabwärts in den Wärmetauscher 214 eingespeist und an den Kernreaktor zurückgebracht.
  • Das dem Dampfgenerators 202 zugeführte kondensierte Wasser, wird einem Wärmetausch mit dem Helium bei ungefähr 700 bis 900°C unterzogen, so dass daraus Dampf mit ungefähr 600 bis 750°C entsteht, treibt eine Turbine 203 an, um Strom zu erzeugen, und wird dann in einem Kondensator 204 abgekühlt und dort wieder zu kondensiertem Wasser, bevor es wieder zurück in den Dampfgenerator 202 geht.
  • Die Hochtemperatur-Dampfelektrolysevorrichtung 205 ist eine Vorrichtung, die Festoxidelektrolyte (stabilisiertes Zirkoniumdioxid usw.) verwendet, wobei ein Reduktionsgas zu der Anodenseite und Dampf zu der Kathodenseite geliefert wird, wobei Sauerstoff-Ionen auf der Anodenseite mit dem Reduktionsgas reagieren, um so einen Sauerstoff-Ionen-Konzentrationsgradienten zu erzeugen. Dadurch wird hochreiner Wasserstoff mit einer niedrigeren Elektrolysespannung als bei einem konventionellen Verfahren hergestellt.
  • Dampf, der bei 500 bis 700°C aus einer Hochdruckseite oder einer Niederdruckseite der Turbine 203 entnommen wurde, wird zur Kathodenseite der Hochtemperatur-Dampfelektrolysevorrichtung 205 geleitet und Sauerstoffionen werden daraus entfernt durch die Hochtemperatur-Dampfelektrolyse, um so hochreines Wasserstoffgas zu gewinnen. Dieses erzeugte Wasserstoffgas wird durch den Kühler 206 gekühlt, Unreinheiten, wie Ammoniak oder Hydrazin werden daraus mit einem Skubber 207 entfernt und sodann wird der Wasserstoff in einem Wasserstoffspeichertank 208 gespeichert und kann dann als In-Haus Wärmequelle oder für den allgemeinen Wasserstoffbedarf verwendet werden. Es sei bemerkt, dass gemäß dem in 3 gezeigten System durch den obigen Vorgang, das an die Elektrolysevorrichtung 205 gelieferte Wasser aus dem Sekundärsystem des dampfkondensierten Wassersystems der Kernkraftwerksanlage entnommen wird und deshalb muss vorzugsweise eine entsprechende Menge an Wasser in das Sekundärsystem des dampfkondensierten Wassersystems aufgefüllt werden.
  • Darüber hinaus, ist ein in der Kraftwerksanlage installierter Pyrolyseofen (Verbrennungsofen) 209 ein Pyrolyseofen (Verbrennungsofen), der als Rohmaterial Biomasse verwendet, wie beispielsweise Abfallholz oder Müll, der in dem Kraftwerk oder aus dem umgebenden örtlichen Bereich oder aus Meeresleben, welches durch Verwendung eines Schirmes oder dergleichen an einem Wassereinlass oder aus der Fischereiindustrie gesammelt wird; ein durch Pyrolyse in dem Pyrolyseofen 209 produziertes Reduktionsgas, das CO, Methan usw. enthält, wird durch einen Kühler 210 abgekühlt, gereinigt/entstaubt durch Verwendung eines Skubbers 211, um so die Konzentration von hydrochloriden Säure- und/oder schwefeligen Säure-Verbindungen auf nicht mehr als 10 ppm zu reduzieren und wird daraufhin durch den Pyrolyseofen 209 wieder erhitzt und der Anodenseite der Hochtemperatur-Dampfelektrolysevorrichtung 205 zugeführt.
  • Das zugeführte Reduktionsgas wird einer chemischen Reaktion mit Sauerstoff-Ionen unterzogen, um Hochtemperatur-Abgas, welches unverbrannte Stoffe enthält, zu erzeugen, das als ein Hilfsbrennstoff an einen In-Haus-Boiler oder dergleichen geliefert werden kann.
  • Die Strömung für die vorliegende Vorrichtung ist wie oben beschrieben; der Betrieb der Vorrichtung ist ebenfalls so, dass die Strömungsrate des Dampfes, der bei 500 bis 700°C von der Hochdruckseite oder Niederdruckseite der Turbine 203 entzogen wird, angepasst wird durch ein Strömungssteuerventil 212 gemäß den Schwankungen in der elektrischen Stromlast des Kraftwerks, wodurch die Menge an Dampf, die an der Kathodenseite der Hochtemperatur-Dampfelektrolysevorrichtung 205 zugeführt wird, gesteuert wird, so dass die Menge des hergestellten Wasserstoff effizient gesteuert werden kann.
  • Gemäß der zweiten Betriebsart der vorliegenden Erfindung, kann Dampf aus einer Kernkraftwerkanlage der Hochtemperaturgas-Bauart unter niedrigen Temperaturbedingungen, der nicht in einem konventionellen Hochtemperaturdampfelektrolyseverfahren verwendet werden könnte, somit verwendet werden und darüber hinaus kann Biomesse effektiv eingesetzt werden und damit kann Wasserstoff mit hoher Reinheit effizient hergestellt werden.
  • Außerdem gemäß einer dritten Betriebsart der vorliegenden Erfindung, wird ein Verfahren zur Produktion von Wasserstoff vorgesehen, durch Zuführung von Dampf an die Kathodenseite und durch Zuführung eines Reduktionsgases an die Anodenseite einer Hochtemperatur-Dampfelektrolysevorrichtung, in welchem ein Elektrolysegefäß in eine Anodenseite und eine Kathodenseite unterteilt ist durch Verwendung eines Festoxidelektrolyts als Diaphragma und durch Durchführung der Dampfelektrolyse bei hoher Temperatur, und ist die Produktion von hochreinem Wasserstoff dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil des Dampfes aus einem Kernreaktor einer Kernkraftwerksanlage der Siedewasser-Bauart direkt als der Dampf verwendet wird, der an die Kathodenseite geliefert wird. Dampf, der von einem Kernreaktor der Siedewasser-Bauweise abgegeben wird, welcher einer der Hauptreaktortypen ist, die derzeit die Atomstromkraft erzeugen, hat eine Temperatur im Bereich von 200 bis 300°C, was niedriger als die 900 bis 1000°C für einen gasgekühlten Hochtemperaturreaktor ist, und somit wie bei Dampf aus einem Kernkraftwerk dampfgenerator, wurde solch ein Dampf nicht notwendigerweise als Ziel für die Dampflieferungsquelle zur Hochtemperatur-Dampfelektrolyse angesehen.
  • Wie oben beschrieben, hat die Gruppe der Erfinder den Wärmeausgleich in einem Hochtemperaturdampfelektrolysegefäß in einer Wasserstoffproduktionsvorrichtung durch Verwendung einer Hochtemperatur-Dampfelektrolyse unter Verwendung einer Festoxidelektrolytmembran, wie in 2 gezeigt, untersucht und als Ergebnis wurde festgestellt, dass die Temperatur des Reduktionsgases und des Hochtemperaturdampfes, die an das Hochtemperaturdampfelektrolysegefäß geliefert werden, auf eine niedrige Temperatur von ungefähr 200 bis 500°C gesetzt werden kann. Gemäß der vorliegenden Erfindung, kann ein Teil des Dampfes bei 200 bis 300°C, der von einem Kernreaktor der Siedewasser-Bauart erzeugt wird, somit direkt als der Dampf geliefert werden, der in das Hochtemperaturdampfelektrolysegefäß geliefert wird.
  • Wenn ein Teil des Dampfes von einem Kernreaktor der Siedewasser-Bausweise direkt in ein Hochtemperaturdampfelektrolysegefäß eingespeist wird, wurde diese Art und Weise nicht im bisherigen Stand der Technik vorgeschlagen und ein hohes Einrichtungsausnutzungsverhältnis kann aufrecht erhalten werden, und zwar durch Ändern der hergestellten Wasserstoffmenge gemäß dem elektrischen Leistungsbedarf ohne, dass die Kernreaktor-Förderleistung geändert werden muss und wobei die Dampftemperatur auf einer Temperatur so hoch wie möglich gehalten wird.
  • Es sei bemerkt, dass der Dampf aus einem Kernreaktor der Siedewasser-Bauart Spuren von radioaktiven Isotopen wie 16N, die eine Halbwertszeit von 7,35 Sekunden haben, enthalten kann. Es ist deshalb schwierig, den durch die vorliegende Erfindung hergestellten Wasserstoff direkt auf dem allgemeinen Mark zu vertreiben. Jedoch gibt es keine Beschränkungen, den hergestellten Wasserstoff als eine Wasserstoffquelle oder Wärmequelle in einem strahlungsüberwachten Bereich in der Kern kraftwerkanlage zu verwenden. Konzentriert man sich auf diesen Punkt, wurde in der vorliegenden Erfindung festgestellt, dass Wasserstoff, der durch eine Hochtemperatur-Dampfelektrolyse unter Verwendung von Dampf aus einem Kernreaktor der Siedewasser-Bauart hergestellt wurde, in das Primärkühlsystem eingespritzt werden kann, als Mittel zur Verhinderung von Spannungskorrosionsrissen, die im Inneren des Reaktors auftreten, welches ein charakteristisches Problem bei Kernreaktoren der Siedewasser-Bauart ist. Als Mittel zur Verhinderung solcher Spannungskorrosionsrisse, die im Reaktorinneren eines Kernreaktor der Siedewasser-Bauart auftreten, über Behandlung durch Einspritzen von Wasserstoff in das Primärkühlsystem, muss der Wasserstoff ständig mit annähernd 140 Nm3h/für eine 1.1 GW Kernkraftwerkanlage eingespritzt werden. Konventionell war der verwendete Wasserstoff, Wasserstoff, der durch konventionelle Wasserelektrolyse hergestellt wurde durch Verwendung von In-Haus elektrischem Strom oder Wasserstoff, der als komprimierter Wasserstoff von außen angeliefert wurde, und im Falle insbesondere des Letzteren, ist der Wasserstoff sehr teuer, wobei der Einheitspreis mindestens bei Y100 pro Nm3 liegt und somit sind die Kosten hoch und außerdem gab es das Risiko aus der Perspektive einer stabilen Anlieferung. Jedoch gemäß der vorliegenden Erfindung, kann effizient und stabil hergestellter Wasserstoff durch das oben beschriebene Verfahren verwendet werden und somit können die Kosten reduziert werden und der Kernreaktor kann stabil betrieben werden.
  • Außerdem kann das an die Anode zugeführte Reduktionsgas leicht gewonnen werden und zwar durch Pyrolyse (Verbrennung) von im örtlichen Bereich erzeugtes Abfallholz oder Müll oder Biomasse, die aus der Landwirtschaft, der Forstwirtschaft oder der Fischereiindustrie erzeugt werden und welche relativ einfach zu beschaffen sind bei Voraussetzungen einer einheimischen Kernkraftwerksanlage. Außerdem ist es ebenfalls möglich, Digestionsgas (Faulgas) aus Meeresleben, welches an Kühlwasserentnahmen wächst, zu verwenden.
  • Als nächstes wird ein spezifisches Beispiel eines Wasserstoffproduktionssystems, bei welchem die vorliegende Erfindung auf eine Kernkraftwerkanlage der Siedewasser-Bauart angewandt wird, beschrieben unter Bezug auf 6 In der nachfolgenden Beschreibung wird ein spezielles Betriebsbeispiel beschrieben, wobei die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt ist.
  • In dem in 6 gezeigten System, treibt ein Primärsystemdampf mit annähernd 270°C, der aus Reaktorwasser erzeugt wurde, welches durch Kernspaltung in einem Kernreaktor 301 siedet, eine Turbine 302 an, um Strom zu erzeugen und wird dann in einem Kondensator 303 abgekühlt und somit wieder zu kondensiertem Wasser bevor es in den Kernreaktor 301 zurückläuft.
  • Eine Hochtemperatur-Dampfelektrolysevorrichtung 304 ist eine Vorrichtung, die Festoxidelektrolyte (stabilisiertes Zirkoniumdioxid usw.) als Diaphragma verwendet, um so das Elektrolysegefäß in eine Anodenseite und eine Kathodenseite zu unterteilen, wobei ein Reduktionsgas zu dessen Anodenseite und Dampf zu dessen Kathodenseite geliefert wird und wobei Sauerstoff-Ionen auf der Anodenseite mit dem Reduktionsgas reagieren, um einen Sauerstoff-Ion-Konzentrationsgradienten zu erzeugen, wodurch hochreiner Wasserstoff mit einer niedrigeren Elektrolysespannung als bei einem konventionellen Verfahren hergestellt werden kann.
  • Mit 200 bis 250°C aus einer Hochdruckseite oder einer Niederdruckseite der Turbine 302 entnommener Dampf, wird zur Kathodenseite der Hochtemperatur-Dampfelektrolysevorrichtung 304 geleitet und Sauerstoff-Ionen werden daraus entfernt durch die Hochtemperatur-Dampfelektrolyse, wodurch hochreines Wasserstoffgas erzeugt wird. Der hergestellte Wasserstoff wird in einem Kühler 305 abgekühlt und in einem Wasserstoffspeichertank 306, der in einem strahlungsüberwachten Bereich installiert ist, gespeichert. Der gespei cherte Wasserstoff kann ständig in ein kondensiertes Wassersystem durch eine Wasserstoffeinspritzvorrichtung 307 eingespritzt werden, als Mittel zur Verhinderung von Spannungskorrosionsrissen im Inneren des Reaktors in dem Kernreaktor der Siedewasser-Bauart. Darüber hinaus kann der gespeicherte Wasserstoff auch an einen sonstigen Verbrennungsofen 308 als Brennstoff zur Verbrennung von sonstigen radioaktiven Feststoffen geliefert werden. Außerdem kann der gespeicherte Wasserstoff auch an die Turbine 302 geliefert werden, als Statorkühlflüssigkeit für den Generator. Es sei bemerkt, dass durch den obigen Betrieb, das Wasser, welches an die Elektrolysevorrichtung 304 geliefert wird, aus dem Primärsystem des dampfkondensierten Wassersystems der Kernkraftwerkanlage entnommen wird und somit ist vorzugsweise eine entsprechende Menge an Wasser in das Primärsystem des dampfkondensierten Wassersystems aufzufüllen.
  • Darüber hinaus ist es möglich, einen Pyrolyseofen (Verbrennungsofen) 309 in der Kraftwerksanlage zu installieren um so ein Reduktionsgas, welches CO, Methan usw. enthält zu produzieren und zwar durch Verbrennung von Biomasse, wie beispielsweise Abfallholz oder Müll, gesammelt in dem Kraftwerk oder aus dem umgebenden örtlichen Bereich oder aus Meeresleben, welches durch Verwendung eines Schirmes oder dergleichen an einer Wasserentnahme oder aus der Fischereiindustrie gesammelt wird, wobei dieses durch einen Kühler 310 abgekühlt, gereinigt/entstaubt wird durch Verwendung eines Skubbers 311, um so die Konzentration von Salzsäure- und/oder Schwefelsäure-Verbindungen auf nicht mehr als 10 ppm zu reduzieren und es daraufhin wieder durch den Pyrolyseofen 309 zu erhitzen und dann das Reduktionsgas der Anodenseite der Hochtemperatur-Dampfelektrolysevorrichtung 304 zuzuführen.
  • Das der Elektrolysevorrichtung 309 zugeführte Reduktionsgas, wird einer chemischen Reaktion mit Sauerstoff-Ionen unterzogen, um Hochtemperatur-Abgas, welches unverbrannte Stoffe enthält, zu erzeugen, das als ein Hilfs brennstoff an den sonstigen festen und radioaktiven Abfall-Verbrennungsofen 308 geliefert wird.
  • Die Strömung für die vorliegende Vorrichtung ist wie oben beschrieben; der Betrieb der Vorrichtung kann ebenfalls so konfiguriert werden, dass die Strömungsrate des Dampfes, der bei 200 bis 250°C von der Hochdruckseite oder Niederdruckseite der Turbine 303 entzogen wird, angepasst wird durch ein Strömungssteuerventil 312 gemäß den Schwankungen in der elektrischen Stromlast des Kraftwerks, wodurch die Menge an Dampf die an der Kathodenseite der Hochtemperatur-Dampfelektrolysevorrichtung 304 zugeführt wird, gesteuert wird, so dass die Menge des hergestellten Wasserstoff effizient gesteuert werden kann. Als ein Ergebnis zum Beispiel für den Fall, dass der elektrische Strombedarf niedrig wurde, kann Überschussdampf bei der Wasserstoffproduktion verwendet werden, wodurch die Kernkraftwerksanlage effizient betrieben werden kann.
  • Die dritte Betriebsart der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf eine Technik gemäß welcher Dampf aus einer Kernkraftwerksanlage der Siedewasser-Bauart unter niedrigen Temperaturbedingungen, der nicht in einem konventionellen Hochtemperaturdampfelektrolyseverfahren verwendet werden könnte, somit eingesetzt werden kann und darüber hinaus kann Biomesse effektiv eingesetzt werden und damit kann Wasserstoff mit hoher Reinheit effizient hergestellt werden. Weiterhin kann das hergestellte Wasserstoffgas ständig in ein kondensiertes Wassersystem eingespritzt werden durch eine Wasserstoffeinspritzvorrichtung 307, als Mittel um Spannungskorrosionsrisse im Inneren des Reaktors des Kernreaktors der Siedewasser-Bauart zu verhindern und damit können die Betriebskosten reduziert und der Kernreaktor stabil betrieben werden.
  • Außerdem gemäß einer vierten Betriebsart der vorliegenden Erfindung, wird ein System zur Produktion von Wasserstoff vorgesehen, durch Zuführung von Dampf an die Kathodenseite und durch Zuführung eines Reduktionsgases an die Anodenseite einer Hochtemperatur-Dampfelektrolysevorrichtung, in welchem ein Elektrolysegefäß in eine Anodenseite und eine Kathodenseite unterteilt ist, durch Verwendung eines Festoxidelektrolyts als Diaphragma und durch Durchführung der Dampfelektrolyse bei hoher Temperatur, und das Wasserstoffproduktionssystem ist gekennzeichnet dadurch, dass es Mittel besitzt zum Erhitzen mindestes eines des an die Anodenseite gelieferten Reduktionsgases und der Dampf an die Kathodenseite geliefert wird.
  • In dem Hochtemperaturdampfelektrolyseverfahren des Typs, wie oben beschrieben, bei welchem ein Reduktionsgas an die Anodenseite eines Elektrolysegefäßes geliefert wird, kann eine Reduktion der für die Dampfelektrolyse erforderlichen Spannung durch Wärmeenergie und einem Sauerstoffkonzentrationsgradienten, der durch das Reduktionsgas gebildet wird, realisiert werden. Das effiziente Erhitzen des Reduktionsgases und des Dampfes, die an das Elektrolysegefäß geliefert werden, auf eine gewünschte Temperatur ist somit vom Gesichtspunkt der Energieeffizienz wichtig. Außerdem werden Abgas und Wasserstoff enthaltendes Gas, welche von dem Elektrolysegefäß abgegeben werden, jeweils in einem Hochtemperaturzustand abgegeben und somit ist das effektive Verwenden der thermalen (Wärme)-Energie, die das Abgabegassystem besitzt, ebenfalls wichtig vom Gesichtspunkt der Energieeffizienz.
  • Es ist ein Ziel der vierten Betriebsart der vorliegenden Erfindung die effektive Verwendung thermaler Energie bei einem Wasserstoffproduktionssystem, welches eine Wasserstoffproduktionsvorrichtung besitzt, wie oben beschrieben, in welcher ein Reduktionsgas an die Anodenseite eines Hochtemperaturdampfelektrolysegefäßes geliefert wird und in welchem ein Festoxidelektrolyt verwendet wird.
  • Als Mittel zur Lösung des obigen Problems, bezieht sich die vierte Betriebsart der vorliegenden Erfindung auf ein Wasserstoffproduktionssystem, bei dem Dampf an die Kathodenseite geliefert wird und ein Reduktionsgas an die Anodenseite einer Hochtemperatur-Dampfelektrolysevorrichtung geliefert wird, in welcher ein Elektrolysegefäß unterteilt ist in die Anodenseite und die Kathodenseite durch Verwendung eines Festoxidelektrolyts als Diaphragma, und wobei die Dampfelektrolyse bei hoher Temperatur durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasserstoffproduktionssystem Mittel besitzt zum Erhitzen zumindest eines des an die Anodenseite gelieferten Reduktionsgases und der Dampf an die Kathodenseite geliefert wird.
  • Darüber hinaus bezieht sich die vierte Betriebsart der vorliegenden Erfindung auf ein Wasserstoffproduktionssystem, wobei Dampf an eine Kathodenseite geliefert wird und wobei ein Reduktionsgas an eine Anodenseite einer Hochtemperatur-Dampfelektrolysevorrichtung geliefert wird, in welcher ein Elektrolysegefäß unterteilt ist in die Anodenseite und die Kathodenseite durch Verwendung eines Festoxidelektrolyts als Diaphragma, und wobei die Dampfelektrolyse bei hoher Temperatur durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasserstoffproduktionssystem Mittel besitzt, zur Rückführung der Wärme von zumindest einem der Hochtemperatur-Abgase, abgegeben von der Anodenseite und Wasserstoff enthaltendes Gas abgegeben von der Kathodenseite der Hochtemperatur-Dampfelektrolyse-Vorrichtung.
  • Darüber hinaus bezieht sich die vierte Betriebsart der vorliegenden Erfindung auf ein Wasserstoffproduktionssystem, wobei Dampf an eine Kathodenseite geliefert wird und wobei ein Reduktionsgas an eine Anodenseite einer Hochtemperatur-Dampfelektrolysevorrichtung geliefert wird, in welcher ein Elektrolysegefäß unterteilt ist in die Anodenseite und die Kathodenseite durch Verwendung eines Festoxidelektrolyts als Diaphragma, und wobei die Dampf elektrolyse bei hoher Temperatur durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasserstoffproduktionssystem Mittel besitzt, zur Rückführung der Wärme von zumindest einem der Hochtemperatur-Abgase, abgegeben von der Anodenseite und Wasserstoff enthaltendes Gas abgegeben von der Kathodenseite der Hochtemperatur-Dampfelektrolyse-Vorrichtung und Mittel zum Erhitzen von zumindest einem der Reduktionsgase, die an die Anodenseite geliefert werden und der Dampf geliefert an die Kathodenseite der Hochtemperatur-Dampfelektrolysevorrichtung unter Verwendung der zurück gewonnenen Wärme.
  • Außerdem bezieht sich die vierte Betriebsart der vorliegenden Erfindung auf ein Wasserstoffproduktionssystem, wobei Dampf an eine Kathodenseite geliefert wird und wobei ein Reduktionsgas an eine Anodenseite einer Hochtemperatur-Dampfelektrolysevorrichtung geliefert wird, in welcher ein Elektrolysegefäß unterteilt ist, in die Anodenseite und die Kathodenseite durch Verwendung eines Festoxidelektrolyts als Diaphragma, und wobei die Dampfelektrolyse bei hoher Temperatur durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasserstoffproduktionssystem Mittel besitzt, zum Anpassen der Temperatur zumindest eines der Reduktionsgase, welches an die Anodenseite geliefert wird und der Dampf an die Kathodenseite geliefert wird der Hochtemperatur-Dampfelektrolysevorrichtung und wobei Wärme zurückgewonnen wird zumindest von einem der Hochtemperatur-Abgase, die von der Anodenseite abgegeben werden und Wasserstoff enthaltendes Hochtemperaturgas abgegeben wird von der Kathodenseite der Hochtemperatur-Dampfelektrolysevorrichtung.
  • Bei Obigem ist "ein Wasserstoffproduktionssystem, wobei Dampf an eine Kathodenseite geliefert wird und wobei ein Reduktionsgas an eine Anodenseite einer Hochtemperatur-Dampfelektrolysevorrichtung geliefert wird, in welcher ein Elektrolysegefäß unterteilt ist, in die Anodenseite und die Kathodenseite durch Verwendung eines Festoxidelektrolyts als Diaphragma, und wobei die Dampfelektrolyse bei hoher Temperatur durchgeführt wird" anders ausge drückt, ein System, welches ein Elektrolysegefäß besitzt, unterteilt in die Anodenseite und die Kathodenseite durch Verwendung eines Festoxidelektrolyts als Diaphragma, mit einer Rohrleitung, welche den Dampf an die Kathodenseite des Elektrolysegefäßes liefert, in welchem Wasserstoff durch Elektrolyse von Hochtemperatur-Dampf erzeugt wird an der Kathodenseite des Elektrolysegefäßes und zwar durch Anlegen von elektrischer Leistung an die Anode und die Kathode und wobei Sauerstoff an der Anodenseite mit dem Reduktionsgas reagiert, um so einen Sauerstoffkonzentrationsgradienten zu erzeugen, wodurch die Elektrolysespannung reduziert wird.
  • Es sei bemerkt, Der Ausdruck „Reduktionsgas" in der vorliegenden Erfindung ein Gas bedeutet, welches mit Sauerstoff reagiert, der durch die Festoxidelektrolytmembran in dem Dampfelektrolysegefäß zu der Anodenseite des Elektrolysegefäßes läuft, wie unten beschrieben, um so die Sauerstoffkonzentration auf der Anodenseite zu reduzieren und welches Methangas beinhaltet, (z.B. eine Abwasserbehandlungsanlage), COG-Gas, welches von einem Eisenhüttenwerkhochofen abgegeben wird, Pyrolysegas aus Abfallholz, Müll, Biomasse oder dergleichen, Nebenproduktgas aus einem Kokereiofen, einem Hochofen, einer Erdölraffinerie oder dergleichen usw.
  • Es ist ein Ziel der vierten Betriebsart die effektive Ausnützung thermaler Energie zu realisieren bei einem Wasserstoffproduktionssystem unter Verwendung einer Wasserstoffproduktionsvorrichtung, wie beschrieben unter Bezug auf 2, in welchem ein Elektrolysegefäß, unterteilt in eine Anodenseite und eine Kathodenseite durch eine Festoxidelektrolytdiaphragma verwendet wird, und wobei ein Reduktionsgas an die Anodenseite und Hochtemperatur-Dampf an die Kathodenseite des Elektrolysegefäßes geliefert wird und ferner elektrische Leistung an die Anode und an die Kathode geliefert wird, um so die Elektrolyse des Dampfes auf der Kathodenseite des Elektrolysegefäßes durchzuführen.
  • Das Konzept eines Wasserstoffproduktionssystems gemäß einer Betriebsart der vorliegenden Erfindung wird in einem Flussdiagramm in 7 gezeigt. Ein Reduktionsgas wird an die Anodenseite geliefert und Hochtemperatur-Dampf wird an die Kathodenseite einer Hochtemperatur-Dampfelektrolysevorrichtung 413 geliefert, welche unterteilt ist in eine Anodenseite 415 und eine Kathodenseite 416 durch eine Festoxidelektrolytdiaphragma 414 und elektrische Leistung wird angelegt, um die Elektrolyse des Dampfes durchzuführen, wodurch Wasserstoff enthaltendes Gas erzeugt wird auf der Kathodenseite und Abgas auf der Anodenseite erzeugt wird. Das Wasserstoffproduktionssystem gemäß dieser Betriebsart der vorliegenden Erfindung hat Mittel zum Erhitzen von zumindest einem Reduktionsgas, welches an die Anodenseite geliefert wird und dem Dampf geliefert an die Kathodenseite. Als ein Ergebnis kann das Reduktionsgas und/oder der Dampf können erhitzt auf die benötigte Temperatur geliefert werden zur Hochtemperatur-Dampfelektrolyse. Darüber hinaus hat ein Wasserstoffproduktionssystem gemäß einer anderen Betriebart der vorliegenden Erfindung Mittel zur Rückgewinnung von Wärme von zumindest einem der Wasserstoff enthaltenden Gase, erzeugt von der Kathodenseite und das Abgas, welches auf der Anodenseite des Elektrolysegefäßes erzeugt wird. Hochtemperatur Wasserstoff enthaltendes Gas und Abgas mit 700–800°C werden von dem Hochtemperaturdampfelektrolysegefäß erzeugt. Durch Wiedergewinnung und Verwendung der Wärme, die diese abgegebenen Gase besitzen, kann Abwärme effektiv genutzt werden.
  • Es sei bemerkt, dass die Ablagerung von Kohlenstoff auf der Anode durch Zuführung von Feuchtigkeit (Dampf) in das Reduktionsgas, welches an die Anodenseite der Hochtemperatur-Dampfelektrolysevorrichtung geliefert wird, unterdrückt werden kann.
  • Darüber hinaus, wird das Konzept eines Wasserstoffproduktionssystems gemäß einer weiteren Betriebsart der vorliegenden Erfindung in einem Flussdia gramm in 8 gezeigt. In dem in 8 gezeigten System wird Wärme zurück gewonnen durch Verwendung eines Wärmetauschers und eines Wärmeübertragungsmediums (z.B. Luft) von zumindest einem Hochtemperatur-Wasserstoff enthaltenden Gas und Abgas, welches von dem Dampfelektrolysegefäß erzeugt wird und die zurückgewonnene Wärme wird als Wärmequelle verwendet, die an einen Wärmetauscher geliefert wird, um zumindest den Dampf und das Reduktionsgas, welches in das Elektrolysegefäß geliefert wird, zu erhitzen. Als Ergebnis, kann Abwärme aus dem Elektrolysegefäß effektiv zur Erwärmung des Reduktionsgases verwendet werden und des Dampfes, der in das Elektrolysegefäß geliefert wird und somit kann die thermale Energie effektiv genutzt werden.
  • Es sei bemerkt, dass im Falle eines Gases mit sehr hoher Temperatur, wie beispielsweise wenn Hochofenabgase als das in das Elektrolysegefäß gelieferte Reduktionsgas verwendet wird, in umgekehrter Weise die Temperatur an eine geeignete Temperatur zur Lieferung in das Elektrolysegefäß angepasst werden sollte, bevor das Reduktionsgas in das Elektrolysegefäß geliefert wird.
  • In einem Wasserstoffproduktionssystem der vorliegenden Erfindung, ist eine Wärmequelle erforderlich für den in das Elektrolysegefäß gelieferten Dampf, und eine Wärmequelle ist erforderlich um den Dampf und das Reduktionsgas zu erhitzen, und zwar durch Wärme aus verschieden Abfallbehandlungseinrichtungen, einer Kraftwerksanlage, einer Wärme verwendenden Einrichtung, einer Einrichtung, die Wärme aus Abwasser mit hoher Temperatur verwendet, z.B. eine Städteinfrastruktureinrichtung oder ein industrieller Ofen, Wärme aus einer Anlage, Wärme, erzeugt aus einer Einrichtung eines Kohlebergwerks, oder Wärme, die von einem Haus oder einem Laden oder dergleichen abgegeben wird kann verwendet werden. Beispiele sind: Einrichtungen zur Abfallbehandlung wie Verbrennungsöfen, Vergasungsschmelzöfen, RDF-Einrichtungen, RPF-Einrichtungen, Einrichtungen zur Behandlung von Abfallkunststoff oder dergleichen usw. Beispiele von Kraftwerken sind Leistung er zeugende Einrichtungen, wie beispielsweise thermo-elektrische Kraftwerke, geo-thermische Kraftwerke, hydro-elektrische Kraftwerke, mittlere/kleine hydro-elektrische Kraftwerke, Solarkraftwerke, Windkraftwerke, Abfallkraftwerke, Kraftwerke, die Biomasse als Rohmaterial verwenden, und Brennstoffzellenkraftwerke. Beispiele von Wärme verwendenden Einrichtungen umfassen Einrichtungen, die beispielsweise Solarwärme verwenden, Biomasse-Wärme, Brennstoffzellen-Abfallwärme oder superkritische Wärme, d.h. Einrichtungen die Abfall-Wärme aus Motoren wie zum Beispiel Gasturbinen, Gasmotoren, Benzinmotoren, Dieselmotoren oder Stirling-Motoren und Einrichtungen, die geo-thermische Wärme verwenden. Beispiele der Städteinfrastruktureinrichtungen beinhalten Wasserbehandlungseinrichtungen, wie beispielsweise Frischwasserbehandlungseinrichtungen, Wasserzwischenbehandlungs-Einrichtungen (intermediate water treatment facilities) und Abwasserbehandlungseinrichtungen, Gasliefereinrichtungen, wie beispielsweise Gasherstellungs-/Speicheranlagen und Gastransporteinrichtungen und Pipeline-Einrichtungen für Erdöl, Gas oder Flüssiggas. Beispiele industrieller Öfen beinhalten beispielsweise verschiedene Öfen in Eisenhüttenwerken, Kokereiöfen, Zementöfen, Keramik-Darröfen, verschiedene Heiz-/Backöfen, verschiedene Trocknungsöfen, Kohlegasöfen und industrielle Hochleistungsöfen. Beispiele von Anlagen beinhalten Erdöl-, Petrifikations- und chemische Anlagen und industrielle Komplexe, Papiermühlen, Gasfeldeinrichtungen und geothermische Einrichtungen. Beispiele von Kohlebergwerkseinrichtungen beinhalten Kohlebergwerke für Kohle usw.
  • Darüber hinaus kann in einem Wasserstoffproduktionssystem der vorliegenden Erfindung Dampf aus irgendeiner der verschiedenen oben erwähnten Einrichtungen als der Dampf verwendet werden, der in das Elektrolysegefäß geliefert wird. Zum Beispiel, Dampf mit hoher Temperatur wird von den oben erwähnten Abfallbehandlungseinrichtungen abgegeben, von thermoelektrischen Kraftwerken, von geo-thermischen Kraftwerken, von Abfallkraftwerken, von Kraftwerken, die Biomasse als Rohmaterial verwenden, Brennstoffzellenkraftwerke und so weiter. Solcher Abfall-Dampf kann als eine Dampfquelle verwendet werden, der in eine Hochtemperatur-Dampfelektrolysevorrichtung geliefert wird, die bei dem Wasserstoffproduktionssystem gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
  • Als Nächstes werden die verschiedenen Arten des Wasserstoffproduktionssystems gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben unter Bezugnahme auf die Zeichnungen.
  • 9 zeigt ein spezifisches Beispiel, in welchem durch Verwendung eines Wasserstoffproduktionssystems gemäß der vorliegenden Erfindung Wasserstoffgas für Brennstoffzellen hergestellt wird, durch Verwendung von Abgasen aus Eisenhüttenwerken, z.B. Kokereiofengas, als das Reduktionsgas, das an die Anodenseite des Elektrolysegefäß geliefert wird.
  • Hochtemperaturgas erzeugt als Nebenprodukt in den Eisenhüttenwerken, z.B. COG-Gas aus einem Kokereiofen wird als Rohmaterial verwendet für das Reduktionsgas, welches in die vorher beschriebene Hochtemperatur-Dampfelektrolysevorrichtung geliefert wird und Hochtemperatur-Dampf wird aus dem Wasser hergestellt unter Verwendung eines Wärmetauschers, wobei Abwärme von verschiedenen Orten in dem Eisenhüttenwerk erzeugt wird und dieser Hochtemperatur-Dampf wird als der Hochtemperatur-Dampf verwendet, der in die Hochtemperatur-Dampfelektrolysevorrichtung geliefert wird, wodurch hochreiner Wasserstoff hergestellt werden kann.
  • Es sei bemerkt, dass als elektrische Leistung, die an die Wasserstoffproduktionsvorrichtung geliefert wird, elektrischer Strom aus dem allgemeinen Stromnetz verwendet werden kann oder elektrischer Strom, der durch eine Stromerzeugungsanlage in dem Eisenhüttenwerk erzeugt wird, kann verwendet werden.
  • 10 zeigt ein spezielles Beispiel, in welchem unter Verwendung eines Wasserstoffproduktionssystems gemäß der vorliegenden Erfindung, Faulgas, welches von einer Abwasserbehandlungsanlage erzeugt wird, als das Reduktionsgas verwendet wird und der Hochtemperaturdampf wird erzeugt durch Verwendung von Abwärme von einer Abfallverbrennungsanlage, die z.B. neben einer Abwasserbehandlungsanlage liegt, wodurch Wasserstoffgas für Brennstoffzellen hergestellt wird.
  • In der Abwasserbehandlungsanlage (Klärwerk) wird eine Methanfermentationsvorrichtung für Abwasser installiert oder dergleichen und Biogas, welches Methan als einen Hauptbestandteil hat, wird hier erzeugt. Dieses Biogas kann erhitzt werden durch Verwendung von Erhitzungsmittel und wird als das Reduktionsgas verwendet, welches in die Hochtemperatur-Dampfelektrolysevorrichtung geliefert wird gemäß der vorliegenden Erfindung. Inzwischen wird der Hochtemperatur-Dampf hergestellt durch Verwendung der Erhitzungsmittel durch Verwendung von Abwärme aus der Abwasserbehandlungsanlage oder Hochtemperatur-Dampf, der von außen geliefert wird, wird der Hochtemperatur-Dampfelektrolysevorrichtung zugeführt, wodurch hochreiner Wasserstoff für Brennstoffzellen produziert wird.
  • Es sei bemerkt, dass der Hochtemperaturdampf aus Wasser hergestellt werden kann, unter Verwendung von Erhitzungsmittel, die Abwärme aus der Abfallverbrennungsanlage verwenden, das heißt zum Beispiel, die neben der Abwasserbehandlungsanlage liegt. In diesem Fall kann die Abwärme, die von der Abfallverbrennungsanlage geliefert wird, ebenfalls als Heizquelle für die Methanfermentationsvorrichtung verwendet werden.
  • Darüber hinaus kann Wärme, die während der Methanfermentation erzeugt wird, als Wärmequelle für das Digestionsgas und/oder Dampf verwendet werden oder als Wärmequelle, um den Dampf zu produzieren. Es sei bemerkt, dass als elektrische Leistung, die an die Wasserstoffproduktionsvorrichtung geliefert wird, elektrischer Strom aus dem allgemeinen Stromnetz verwendet werden kann oder elektrischer Strom, der durch eine Stromerzeugungsanlage in der Abwasserbehandlungsanlage erzeugt wird, kann verwendet werden.
  • 11 zeigt ein spezifisches Beispiel, in welchem unter Verwendung eines Wasserstoffproduktionssystems gemäß der vorliegenden Erfindung, Digestionsgas, (fermentiertes Methangas), welches durch Methanfermentationsbehandlung aus landwirtschaftlichem Abfall von einem Bauernhof, einer Ranch oder dergleichen erzeugt wird, unter Verwendung von Erhitzungsmittel erhitzt wird und dann der Hochtemperatur-Dampfelektrolysevorrichtung als das Reduktionsgas zugeführt wird, wodurch Wasserstoff für die Brennstoffzellen hergestellt wird.
  • Der landwirtschaftliche Abfall eines Bauernhofs, Ranch oder dergleichen wird durch Verwendung einer Methanfermentationsvorrichtung behandelt, um das Digestionsgas (Biogas) zu erzeugen, welches hauptsächlich Methangas enthält. Dieses wird als Reduktionsgas verwendet, welches in die Hochtemperatur-Dampfelektrolysevorrichtung geliefert wird gemäß der vorliegenden Erfindung. Inzwischen wird Hochtemperatur-Dampf der Hochtemperaturdampf-Dampfelektrolysevorrichtung zugeführt, wodurch hochreiner Wasserstoff für Brennstoffzellen hergestellt wird.
  • Es sei bemerkt, dass Hochtemperaturdampf hergestellt und/oder erhitzt werden kann durch Wärme, die durch die Methanfermentationsvorrichtung als Wärmequelle produziert wird, oder es kann auch ein Teil des Hochtempera turdampfes, der von außen geliefert wird, als Reaktionswärmequelle verwendet werden für die Methanfermentationsvorrichtung.
  • Es sei auch bemerkt, dass als elektrische Leistung, die an die Wasserstoffproduktionsvorrichtung geliefert wird, allgemeiner elektrischer Strom verwendet werden kann oder elektrischer Strom, der auf dem Bauernhof oder der Ranch erzeugt wird, kann verwendet werden.
  • 12 zeigt ein spezifisches Beispiel, in welchem unter Verwendung eines Wasserstoffproduktionssystem gemäß der vorliegenden Erfindung, Digestionsgas, (fermentiertes Methangas), welches durch Methanfermentationsbehandlung aus forstwirtschaftlichem Abfall (forstwirtschaftliche Biomasse), welcher von der auf Forstwirtschaft bezogenen Industrie abgegeben wird, der Hochtemperatur-Dampfelektrolysevorrichtung als das Reduktionsgas zugeführt wird, wodurch Wasserstoff für die Brennstoffzellen hergestellt wird.
  • Der forstwirtschaftliche Abfall (forstwirtschaftliche Biomasse), abgegeben von der auf Forstwirtschaft bezogenen Industrie wird durch Verwendung einer Methanfermentationsvorrichtung behandelt, wodurch Digestionsgas (Biogas) erzeugt wird, dessen Hauptbestandteil Methangas ist. Das hergestellte Biogas wird erhitzt unter Verwendung von Erhitzungsmittel und dann der Hochtemperatur-Dampfelektrolysevorrichtung als das Hochtemperatur-Reduktionsgas zugeführt. Inzwischen wird Hochtemperatur-Dampf von außen in die Hochtemperatur-Dampfelektrolysevorrichtung zugeführt, wodurch hochreiner Wasserstoff für Brennstoffzellen erzeugt wird.
  • Es sei bemerkt, dass für den Hochtemperaturdampf Wärme, die durch die Methanfermentationsvorrichtung produziert wird als Wärmequelle benutz werden kann, oder es kann auch ein Teil des Hochtemperaturdampfes, der von außen geliefert wird, als Reaktionswärmequelle verwendet werden für die Methanfermentationsvorrichtung.
  • Es sei auch bemerkt, dass als elektrische Leistung, die an die Wasserstoffproduktionsvorrichtung geliefert wird, allgemeiner elektrischer Strom verwendet werden kann oder elektrischer Strom, der in der Forstwirtschaft oder dergleichen erzeugt wird, kann verwendet werden.
  • 13 zeigt ein spezifisches Beispiel, in welchem unter Verwendung eines Wasserstoffproduktionssystems gemäß der vorliegenden Erfindung, forstwirtschaftlicher Abfall (forstwirtschaftliche Biomasse), welcher von der auf Forstwirtschaft bezogenen Industrie abgegeben wird, in einem Vergasungsofen behandelt wird, um Vergasungsgas zu erzeugen, wobei das hergestellte Vergasungsgas als das Reduktionsgas genommen wird und wobei das Reduktionsgas erhitzt wird unter Verwendung eines Wärmetauschers, der Abwärme verwendet, die von dem Vergasungsofen erzeugt wird und dann in die Hochtemperatur-Dampfelektrolysevorrichtung geliefert wird und sodann Wasserstoff für Brennstoffzellen hergestellt wird.
  • Wird die forstwirtschaftliche Biomasse, die von der Forstwirtschaft bezogenen Industrie abgegeben wird, als Rohmaterial genommen, wird Vergasungsgas, das Methan und Kohlenmonoxid als Hauptbestandteile besitzt, unter Verwendung des Vergasungsofen hergestellt. Das hergestellte Vergasungsgas wird erhitzt unter Verwendung eines Wärmetauschers, der Abwärme von dem Vergasungsofen als Wärmequelle verwendet, um so ein Hochtemperatur-Reduktionsgas zu gewinnen, welches in die Hochtemperatur-Dampfelektrolysevorrichtung geliefert wird. Inzwischen wird Hochtemperaturdampf erzeugt unter Verwendung eines Wärmetauschers, der Abwärme aus dem Vergasungsofen verwendet und dieser Dampf wird in die Hochtempera tur-Dampfelektrolysevorrichtung geliefert, wodurch hochreiner Wasserstoff für Brennstoffzellen hergestellt wird.
  • Es sei bemerkt, dass der Hochtemperaturdampf als Trocknungsquelle für die forstwirtschaftliche Biomasse verwendet werden kann oder an eine Dampfturbine geliefert werden kann, um so Strom zu erzeugen.
  • Es sei auch bemerkt, dass als elektrische Leistung, die an die Wasserstoffproduktionsvorrichtung geliefert wird, allgemeiner elektrischer Strom verwendet werden kann oder elektrischer Strom, der in der Einrichtung erzeugt wird, in welcher die Wasserstoffproduktionsvorrichtung installiert ist, kann verwendet werden.
  • 14 zeigt ein spezielles Beispiel, in welchem unter Verwendung eines Wasserstoffproduktionssystems gemäß der vorliegenden Erfindung, Abfallöl oder dergleichen, welches von einer Erdöl/Petrifikations/chemischen Anlage abgegeben wird in einem Vergasungsofen behandelt wird, um Vergasungsgas herzustellen, dieses wird als das Reduktionsgas genommen und in die Hochtemperatur-Dampfelektrolysevorrichtung geliefert und hochreiner Wasserstoff für Brennstoffzellen wird hergestellt.
  • Das Abfallöl aus der Erdöl/Petrifikations/chemischen Anlage wird in dem Vergasungsofen behandelt, um so Vergasungsgas zu gewinnen. Das hergestellte Vergasungsgas wird erhitzt unter Verwendung eines Wärmetauschers, der Abwärme aus dem Vergasungsofen verwendet als Wärmequelle, um ein Hochtemperatur-Reduktionsgas zu gewinnen, welches in die Hochtemperatur-Dampfelektrolysevorrichtung geliefert wird. Inzwischen wird Hochtemperaturdampf erzeugt unter Verwendung eines Wärmetauschers, der Abwärme aus dem Vergasungsofen verwendet und der hergestellte Dampf wird in die Hoch temperatur-Dampfelektrolysevorrichtung geliefert, wodurch hochreiner Wasserstoff für Brennstoffzellen hergestellt wird.
  • Es sei bemerkt, dass der Hochtemperaturdampf auch für verschiedene Zwecke in der Erdöl/Petrifikations/chemischen Anlage verwendet werden kann oder an eine Dampfturbine geliefert werden kann, um Strom zu erzeugen.
  • Es sei auch bemerkt, dass die elektrische Leistung, die an die Wasserstoffproduktionsvorrichtung geliefert wird, allgemeiner elektrischer Strom sein kann oder elektrischer Strom, der in der Erdöl/Petrifikations/chemischen Anlage erzeugt wird, kann verwendet werden.
  • 15 zeigt ein spezifisches Beispiel, in welchem unter Verwendung eines Wasserstoffproduktionssystems gemäß der vorliegenden Erfindung, Kohlebergwerksgas (Kohlebergwerksmethan oder Kohlebettmethan) als das Reduktionsgas genommen wird und Hochtemperatur-Dampf wird hergestellt durch Verwendung eines Dampfsboilers oder dergleichen, wobei das Kohlebergwerksgas als Brennstoff verwendet und zugeführt wird, wodurch hochreiner Wasserstoff für Brennstoffzellen hergestellt wird.
  • Ein Teil des Methangas enthaltenden Kohlebergwerksgas, welches abgegeben wird aus einem aufgelassenen Kohlebergwerk oder dergleichen, wird als Brennstoff an den Dampfboiler geliefert und der Rest des Kohlbergwerksgas wird erhitzt über einen Wärmetauscher, welcher Abwärme aus dem Dampfkessel verwendet, um so ein Hochtemperatur-Reduktionsgas zu gewinnen, welches an die Hochtemperatur-Dampfelektrolysevorrichtung geliefert wird. Inzwischen wird der Hochtemperaturdampf, der in dem Dampfboiler bzw. Kessel erzeugt wurde, in die Hochtemperatur-Dampfelektrolysevorrichtung geliefert, wodurch hochreiner Wasserstoff für Brennstoffzellen produziert wird.
  • Es sei bemerkt, dass Hochtemperaturdampf auch von außen geliefert werden kann, z.B. Dampf aus einer geo-thermischen Kraftwerksanlage.
  • Darüber hinaus kann die elektrische Leistung, die an die Wasserstoffproduktionsvorrichtung geliefert wird, allgemeiner elektrischer Strom sein oder kann elektrischer Strom aus einer geo-thermischen Kraftwerksanlage, wie oben, sein.
  • 16 zeigt ein spezifisches Beispiel, in welchem unter Verwendung eines Wasserstoffproduktionssystems gemäß der vorliegenden Erfindung, die in dem System erzeugte Wärme in vielfachen Weisen oder in gemischten Weisen verwendet werden kann, wodurch die Wärmeverwendungseffizienz verbessert wird.
  • Ein Reduktionsgas 501 wird einer Vorbehandlung wie beispielsweise Entschwefelung unterzogen unter Verwendung von Gasvorbehandlungsgeräten 502 und wird dann erhitzt unter Verwendung eines Wärmetauschers 503 und an die Anodenseite einer Hochtemperatur-Dampfelektrolysevorrichtung 504 geliefert. Inzwischen wird Hochtemperaturdampf 505 an die Kathodenseite einer Hochtemperatur-Dampfelektrolysevorrichtung 504 geliefert und elektrischer Gleichstrom 550 wird an die Elektrolysevorrichtung 504 geliefert, wodurch Gas 513 aus Wasserstoff und Dampf erzeugt wird und Abgas (abgegebenes Gas) 512 gewonnen wird. Das erzeugte Gas 513 aus Wasserstoff und Dampf wird in einem Kondensator 520 getrennt in Wasserstoff 514 und kondensiertes Wasser 521, wodurch Wasserstoff 514 produziert wird.
  • Als Reduktionsgas 501 kann das Gas bereits mit hoher Temperatur verwendet werden.
  • Als Hochtemperaturdampf 506, der in die Hochtemperatur-Dampfelektrolysevorrichtung 504 geliefert wird, kann Hochtemperaturdampf 506, der von außen geliefert wird oder Dampf, der durch Erhitzung von reinem Wasser 507 hergestellt wird unter Verwendung von Wärmetauschern an verschiedenen Stellen im System, wie in 16 gezeigt, verwendet werden.
  • Als Wärmequelle zum Erhitzen des Reduktionsgases 501 oder des Dampfes, kann Abgas 512, welches Restmethan usw. enthält, das von der Hochtemperatur-Dampfelektrolysevorrichtung 504 abgegeben wird zusammen mit Abfallbrennstofföl 510 oder dergleichen in einer katalytischen Verbrennungsanlage verbrannt werden und die so erzeugte Wärme kann verwendet werden. Ein Wärmeübertragungsmedium 508, wie zum Beispiel Luft, läuft durch die katalytische Verbrennungsanlage 508 und dann läuft das erhitzte Wärmeübertragungsmedium durch die Wärmetauscher 509 und 503, wodurch der Dampf und das Reduktionsgas erhitzt werden können. Darüber hinaus, kann Abwärme 540 aus einer Abfallbehandlungseinrichtung, einer Kraftwerksanlage, einer Wärmeverwendungseinrichtung, einer Städteinfrastruktureinrichtung, eines industriellen Ofens, einer Anlage, einer Kohlebergwerkseinrichtung oder dergleichen, wie vorher beschrieben, in den Wärmetauscher 509, den Wärmetauscher 503 usw. geliefert werden und somit als eine Wärmequelle zum Erhitzen verwendet werden. Das Wärmeübertragungsmedium, aus welchem Wärme zum Erhitzen des Reduktionsgases 501 in dem Wärmetauscher 503 zurückgewonnen wurde, kann durch die katalytische Verbrennungsanlage 508 geleitet werden und somit wieder erhitzt werden und dann als Wärmequelle zur Vorerwärmung des Wärmeübertragungsmediums in einem Wärmetauscher 511 verwendet werden.
  • Als reines Wasser 507 zur Erzeugung des Hochtemperaturdampfes kann das kondensierte Wasser 531, welches aus dem Kondensator 520 zurück gewonnen wurde, verwendet werden. Außerdem kann das kondensierte Wasser 531, welches aus dem Kondensator 520 gewonnen wurde erhitzt werden unter Verwendung von Erhitzungsmittel, um so den Hochtemperaturdampf 506 zu erzeugen.
  • Beispiele des Reduktionsgases 501, die in der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, enthalten Methan, Digestionsgas, Vergasungsgas und Kohlenwasserstoffe, welche durch Vergasung von Abfallöl aus einer Anlage oder dergleichen gewonnen werden, als Rohmaterial.
  • Als Gleichstromquelle kann elektrischer Strom aus einer Kraftwerksanlage oder dergleichen, wie oben beschrieben, in Gleichstrom umgewandelt werden oder Gleichstrom von einem Kraftwerk oder dergleichen kann zugeführt werden. Elektrischer Strom innerhalb des Wasserstoffproduktionsvorrichtungssystems kann natürlich ebenfalls verwendet werden.
  • In dem Wasserstoffproduktionssystem der vorliegenden Erfindung kann brennbares Syn-Gas als Reduktionsgas verwendet werden und somit kann ein Gas wie beispielsweise auf Erdöl basierendes Gas, auf Kohle basierendes Gas, jegliches der verschiedenen Vergasungsofengase, Biogas, natürliches Gas, Kohlebergwerksgas, Gasfeldgas oder dergleichen als das Reduktionsgas verwendet werden; durch Erzeugung des Hochtemperaturdampfes unter Verwendung von Abwärme als Nebenprodukt aus solchen Anlagen als eine Wärmequelle, kann hochreiner Wasserstoff für Brennstoffzellen oder dergleichen ohne weiteres hergestellt werden. Da mit Brennstoffzellen angetriebene Fahrzeuge immer weiter verbreitet sind, gibt es eine Nachfrage nach großen Mengen von hochreinem Wasserstoff; gemäß der vorliegenden Erfindung kann konventionelles Gas, wie oben beschrieben, als Reduktionsgas verwen det werden und somit kann hochreines Wasserstoffgas bei niedrigen Kosten im ganzen Land hergestellt werden ohne Rücksicht auf die Region, wodurch die weit verbreitete Verwendung von Brennstoffzellen angetriebenen Fahrzeugen weiter gefördert wird und somit zu einer Reduktion bei den globalen Erwärmungsgasen beiträgt.
  • Wenn die vorliegende Erfindung auf ein Eisenhüttenwerk angewendet wird, dann kann als Nebenproduktgas aus dem Eisenhüttenwerk beispielsweise COG-Gas aus einem Kokereiofen als Reduktionsgas verwendet werden und Abwärme z.B. aus einem Kokereiofen in dem Eisenhüttenwerk kann verwendet werden, um Hochtemperaturdampf zu erzeugen, welcher in die Hochtemperatur-Dampfanalysevorrichtung geliefert wird, wodurch hochreiner Wasserstoff produziert werden kann.
  • Wenn die vorliegende Erfindung z.B. auf eine Abwasserbehandlungsanlage (Klärwerk) angewendet wird, dann kann Digestionsgas (Faulgas) aus der Behandlungsanlage als Reduktionsgas verwendet werden und Abwärme z.B. aus einer Abfallverbrennungsanlage, die z.B. neben der Abwasserbehandlungsanlage liegt, kann verwendet werden als Wärmequelle zur Dampferzeugung und zum Erhitzen des Reduktionsgases, wodurch hochreiner Wasserstoff erzeugt werden kann; zum Beispiel können ein Abfall sammelnder Lastwagen (Müllwagen) oder Gerät in der Behandlungsanlage, welche petrifizierten Brennstoff als Brennstoff verwenden, den produzierten Wasserstoff als alternativen Brennstoff verwenden.
  • Wenn die vorliegende Erfindung z.B. auf eine Ranch angewendet wird, dann kann unter Verwendung des Methanfermentationsgases aus dem Abfall des Viehbestand oder dergleichen und Wasser, beispielsweise Flusswasser als Rohmaterial, hochreiner Wasserstoff in einer Wald-/Bergregion hergestellt werden und als Brennstoff für Brennstoffzellen für landwirtschaftliche Maschi nen oder dergleichen geliefert werden. Darüber hinaus, ist es in einem Hafen möglich Biogas zu gewinnen durch Verwendung von Meeresprodukten als Rohmaterial und somit kann hochreiner Wasserstoff unter Verwendung der vorliegenden Erfindung hergestellt werden und dieses hochreine Wasserstoffgas kann als Brennstoff für den Hafen oder Schiffe verwendet werden.
  • Darüber hinaus ist es in einer Wald-/Bergregion möglich, Gas aus einem Vergasungsofen, der forstwirtschaftliche Biomasse als Rohmaterial verwendet, als Rohmaterial zu nehmen und Hochtemperaturdampf unter Verwendung von Abwärme aus dem Ofen herzustellen, und somit Wasserstoffgas für mit Brennstoffzellen angetriebene Fahrzeuge oder dergleichen in der Wald-/Bergregion zu liefern.
  • Durch Verwendung der vorliegenden Erfindung in einer Region, wo es eine Erdöl/Petrifikation/chemische Anlage gibt, zum Beispiel zur Aufspaltung von Abfallöl aus der Anlage in Syngas unter Verwendung eines Vergasungsofens und wenn dieses als das Reduktionsgas genommen wird und Hochtemperaturdampf unter Verwendung der Abwärme aus dem Vergasungsofen oder der Anlage hergestellt wird, kann Wasserstoffgas hergestellt werden. Das produzierte Wasserstoffgas kann für Brennstoffzellen betriebene Fahrzeuge verwendet werden oder in der Anlage wieder verwendet werden, als beispielsweise Rohmaterial Wasserstoff für die Wasserstoffanlagerungsvergasung.
  • Der hochreine durch die vorliegende Erfindung hergestellte Wasserstoff kann zu Flüssigwasserstoff gemacht werden und zwar unter Verwendung einer Verflüssigungsanlage und zwar zur Einspeisung in eine superleitende Rohrleitung, die Flüssigwasserstoff als Kühlmittel verwendet, wodurch der Flüssigwasserstoff zusammen mit Niedrigverlust-Beförderung von elektrischer Leistung transportiert werden kann. Der transportierte Flüssigwasserstoff kann von der superleitenden Rohrleitung an frei gewählten Stellen in der Rohrlei tung abgezweigt werden und an Kunden entweder, wie er ist als Flüssigwasserstoff geliefert werden oder anderweitig als Wasserstoffgas über eine Wasserstoffgas produzierende Vorrichtung, wobei der Flüssigwasserstoff einem Wärmetausch unterzogen wird. Es sei bemerkt, das in der Wasserstoffgas produzierenden Vorrichtung, die den Flüssigwasserstoff in ein Normaltemperatur Wasserstoffgas umwandelt, die Kälte des Flüssigwasserstoffs einem Wärmetausch unterzogen wird, mit einem Kühlmittel, wie beispielsweise Wasser und somit kann kaltes Wasser auch an Kunden geliefert werden, die Kühlung benötigen.
  • Außerdem kann eine superleitende Signalleitung, die ebenfalls elektrische Leistung befördert, verlegt werden, wodurch Verwendung als Mittel zur Übertragung analoger oder digitaler Signale mit niedrigem Rauschen ermöglich wird.
  • Wenn das Wasserstoffproduktionssystem gemäß der vorliegenden Erfindung gestartet wird, ist vorzugsweise mit der Aufwärmung des Systems zu beginnen unter Verwendung von Hochtemperaturdampf, um dann das Reduktionsgas einzuführen, wenn sich die Temperatur der Hochtemperatur-Dampfelektrolysevorrichtung stabilisiert hat. Darüber hinaus sollte ein Medium, wie beispielsweise Wasser vorab in einen Kondensator geliefert werden, welcher das Wasserstoffgas aus dem Gas, herauszieht, welches durch die Hochtemperatur-Dampfelektrolysevorrichtung hergestellt wird und dann das Reduktionsgas in die Hochtemperatur-Dampfelektrolysevorrichtung zuzuführen. In diesem Fall ist es selbstverständlich, dass die Menge an zugeführtem Reduktionsgas, an Hochtemperaturdampf und die Einrichtungen wie der elektrische Gleichstrom, der in die Hochtemperatur-Dampfelektrolysevorrichtung geliefert wird, überwacht werden müssen, um die gesamte Wasserstoffproduktionsmöglichkeit des Wasserstoffproduktionssystems gemäß der vorliegenden Erfindung zu optimieren und somit Energie während des Betriebs zu sparen.
  • Der normale Stoppvorgang für das Wasserstoffproduktionssystem gemäß der vorliegenden Erfindung ist vorzugsweise der, die Zufuhr von Reduktionsgas zu stoppen und die Lieferung der Einrichtungen anzuhalten. Es sei bemerkt, dass nachdem die Zufuhr von Reduktionsgas angehalten wurde, mit dem Ziel die brennbare Gaskonzentration in dem System zu reduzieren, das System vorzugsweise mit einem inerten Gas wie beispielsweise Nitrogengas gereinigt werden sollte, um dann, wenn feststeht, dass die brennbare Gaskonzentration abgenommen hat auf nicht mehr als eine vorbestimmte Konzentration, das Innere des System eingehend mit Luft zu spülen.
  • Bei dem Wasserstoffproduktionssystem gemäß der vorliegenden Erfindung, ist es selbstverständlich, da Wasserstoff gehandhabt wird, die Sicherheit eingehend zu berücksichtigen. Insbesondere, sollten in der Hochtemperatur-Dampfelektrolysevorrichtung, in welcher Hochtemperaturwasserstoffgas hergestellt wird, vielfache Überwachungsvorrichtungen vorgesehen werden, die die Oxidationsmittel, wie beispielsweise Luft oder Sauerstoff, der hereinkommt, überprüfen und darüber hinaus sind explosionssichere Messinstrumente um die Anlage herum, die das Wasserstoffgas handhaben usw. vorzusehen, um den Betrieb sicher zu überwachen.
  • In der Hochtemperaturdampfelektrolysereaktion, welche das Herz des Wasserstoffproduktionssystems ist, gemäß der vorliegend Erfindung, bewegen sich Sauerstoff-Ionen durch das Festelektrolytdiaphragma und deshalb können Explosionen oder dergleichen im Prinzip nicht vorausgesehen werden; nichtsdestoweniger sind die zugeführten und erzeugten Gase brennbare Gase und werden darüber hinaus in einem Hochtemperaturzustand gehandhabt und somit, falls eine Unfall, der den Reaktor oder dergleichen zerstört, geschehen sollte, wäre es wünschenswert eine Notstilllegung der Zufuhr des Reduktionsgases durchzuführen usw., um sofort die Brennstoffquelle zu unterbrechen und Notvorsichtsmaßnahmen einzuleiten, derart das brennbares Gas nicht aus dem System herausleckt. Darüber hinaus, verglichen mit anderen Arten von Wasserstoffproduktionsvorrichtungen, hat der Reaktor eine geringe Kapazität und deshalb ist die Kapazität der Anlage in dem Systems insgesamt klein und demgemäß, wenn eine Notstilllegung des Rohmaterialgases durchgeführt und ein inertes Gas, wie beispielsweise Nitrogengas in das System sofort eingespritzt wird, um das brennbare Rohmaterial zu ersetzen, dann kann die Sicherheit weiter erhöht werden.
  • Darüber hinaus, da ein Brennstoff, wie beispielsweise Wasserstoffgas gehandhabt wird, ist es selbstverständlich, dass aus Sicherheitsgründen, wie im Fall von natürlichem Gas, Anlagen und Betriebsverfahren zu verwenden, bei denen die Standards, denen entsprochen werden muss, eingehende Berücksichtigung gegeben wurde.
  • In der vierten Betriebsart der vorliegenden Erfindung, durch Ergänzung eines Teils der elektrischen Energie, die für die Elektrolyse des Wasser mit thermaler Energie benötigt wird, verglichen mit anderen Wasserelektrolyseverfahren, die bisher solche elektrische Leistung benötigten, ist der elektrische Stromverbrauch niedrig und deshalb ist die Energieeffizienz hoch. Außerdem besteht das kennzeichnende Merkmal, dass hochreiner Wasserstoff hergestellt wird und deshalb wird eine Umwandlungsvorrichtung nicht benötigt als ein Stadium nach der Wasserstoffproduktionsvorrichtung, nachdem es möglich ist hochreinen Wasserstoff herzustellen, der direkt für Brennstoffzellen verwendet werden kann. Darüber hinaus, ist ein Prozess, in welchem Rohmaterialgas hergestellt wird allgemein oft ein Prozess, der auch eine Wärmequelle erzeugen kann, und somit besteht auch das kennzeichnende Merkmal, dass das Rohmaterialgas und Wärme oder elektrische Leistung durch den gleichen Gasherstellungsprozess beschafft werden können und deshalb ist das Wasserstoffproduktionsverfahren ökonomisch. Da es ökonomisch und hocheffizient ist, kann gesagt werden, dass die vorliegende Erfindung ein Produktionsverfahren ist, das für den Massenbedarf als ein Wasserstoffproduktions verfahren für unsere kommende Gesellschaft der fortschrittlichen Wasserstoffverwendung geeignet ist.
  • Darüber hinaus, gemäß einer fünften Betriebsart der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren vorgesehen zur Erzeugung von Wasserstoff durch Verwendung eines Festelektrolyts, durch Liefern von Reduktionsgas an eine Anodenseite und Dampf an eine Kathodenseite und durch Anlegen einer Spannung an die Anodenseite und die Kathodenseite so dass die Sauerstoff-Ionen auf der Anodenseite mit dem Reduktionsgas reagieren und somit einen Sauerstoff-Ionen-Konzentrationsgradient erzeugen, und ist das Wasserstoffproduktionsverfahren dadurch gekennzeichnet, dass Digestionsgas durch Methanfermentation von Abwasser und/oder Abfallwasser und/oder Abfall verwendet wird, als das Reduktionsgas, das an die Anodenseite geliefert wird.
  • Konventionell wird in einer Abwasserbehandlungsanlage oder Nahrungsmittelanlage Schlamm produziert, der behandelt wird durch Verwendung eines anaerobischen Digestionsverfahren (Methanfermentationsverfahren), um so Digestionsgas herzustellen, welches annähernd 60% Methan und 40% CO2 enthält, wodurch das Volumen des Schlamms reduziert wird; darüber hinaus, wurde das hergestellte Digestionsgas als Brennstoff für einen Kessel bzw. Boiler verwendet oder wurde an einen Gasmotor geliefert und somit als Brennstoff für eine Leistung erzeugende Anlage geliefert, womit ein Teil des elektrischen Stroms, der in der Behandlungsanlage verbraucht wird, abgedeckt wird.
  • Heutzutage werden organische Stoffe, die in verschiedenen Arten des Abfalls wie beispielsweise städtische Abwässer oder industrielles Abwasser oder landwirtschaftlicher Abfall oder forstwirtschaftlicher Abfall (forstwirtschaftliche Biomasse) vorkommen, als sehr wichtige Energiequellen betrachtet, wobei die durch anaerobische Digestion zurück gewonnene Methanmenge vorläufig be rechnet 9 Gigaliter pro Jahr in Rohöl ausgedrückt, betragen soll. Die von Japan importierte Menge an Rohöl beträgt ungefähr 200 Gigaliter und somit ist die durch Methan zurück gewonnene Menge an Energie annähernd 4,5% der importierten Rohölmenge, und somit ist zu sehen, dass dieses Methan eine sehr große Energiequelle ist. Jedoch wird dieses Digestionsgas konventionell fast nur als Brennstoff benützt, um anaerobische Digestionstanks zu heizen, und demzufolge wird es nur zur Gasleistungserzeugung verwendet oder als ein Hilfsbrennstoff zur Schlammverbrennung und somit kann nicht gesagt werden, dass es effektiv verwendet wurde.
  • Inzwischen hat ein Verfahren, in welchem Wasserstoff produziert wird durch die Elektrolyse von Wasser oder Dampf, Aufmerksamkeit erlangt; von Wärme, die durch dieses Verfahren der Herstellung von Wasserstoff durch Elektrolyse erzeugt wurde, wird Wärme, die bei ziemlich hoher Temperatur erzeugt wird, effektiv genutzt, wobei Niedrigtemperatur-Wärme abgelassen wurde.
  • In Anbetracht des obigen Stands der Dinge ist es ein Ziel der fünften Betriebsart der vorliegenden Erfindung, Mittel sowohl für die effektive Ausnutzung des Digestionsgases, welches durch Methanfermentationsbehandlung von Abwasser, Abfallwasser oder durch irgendeine der verschiedenen Arten von Abfall erzeugt wird als auch die effektive Ausnützung von Abwärme, die durch ein Wasserstoffproduktionsverfahren, welches Elektrolyse verwendet, erzeugt wird, zu erreichen. Weiterhin ist es ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, ein System vorzusehen, das effektiv den Wasserstoff verwendet, der durch ein Wasserstoffproduktionsverfahren unter Verwendung von Elektrolyse hergestellt wird.
  • Als ein Wasserstoffproduktionsverfahren, welches die Elektrolyse verwendet, wurde ein Hochtemperaturdampfelektrolyseverfahren vorgeschlagen, in welchem Dampf bei einer hohen Temperatur von ungefähr 800°C elektrolysiert wird und thermale Energie zur Spaltung des Wassers verwendet wird, wodurch die Elektrolysespannung reduziert werden kann und somit kann die elektrische Leistung für die Elektrolyse reduziert werden. Jedoch selbst bei dieser Methode muss zumindest 60% der Energie zur Spaltung des Wassers immer noch als elektrische Leistung aufgebracht werden. Als Vorschlag, um dieses Hochtemperaturdampfelektrolyseverfahren zu verbessern, wurde im U.S. Patent Nr. 6,051,125 ein Verfahren vorgeschlagen, in welchem Erdgas an die Anode des Elektrolysegefäßes geliefert wird, um so die Elektrolysespannung, die für die Bewegung des Sauerstoffs zur Anodenseite erforderlich ist, zu vermindern; jedoch hat dieses Verfahren den Nachteil, dass teures Erdgas verbraucht wird und darüber hinaus Maßnahmen getroffen werden müssen, um zu verhindern, dass die Elektroden verschmutzen, aufgrund des sich absetzenden Kohlenstoffs durch die Reaktion zwischen natürlichem Gas und Sauerstoff und somit gibt es Probleme in der Praxis.
  • Als Mittel zur Lösung dieser Probleme, hat sich Gruppe der Erfinder vorher auf die folgenden Tatsachen konzentriert, wie beispielsweise (1) Pyrolysegas aus Biomasse, wie beispielsweise Abfallholz oder Müll ist ein Reduktionsgas, welches Wasserstoff und Kohlenmonoxid als Hauptbestandteile besitzt, (2) durch Zuführung eines Reduktionsgases wie in (1) zur Anodenseite eines Hochtemperaturdampfelektrolysegefäßes und Reaktion mit Sauerstoff-Ionen auf der Anodenseite, kann die Elektrolysespannung stark reduziert werden, und (3) durch Oxidation eines Reduktionsgases wie in (1), wobei Wasserstoff und Kohlenmonoxid die Hauptbestandteile sind, wird kein Kohlenstoff abgelagert und somit besteht keine Gefahr der Verschmutzung der Elektroden, und es wurde eine Wasserstoffproduktionsvorrichtung vorgeschlagen, in welcher solch ein Reduktionsgas an die Anodenseite eines Hochtemperaturdampfelektrolysegefäßes geliefert wird, um so die Elektrolysespannung zu vermindern (angemeldet als Patent, nämlich japanische Patentanmeldung Nr. 2002-249753 ). Mit der in dieser Patentanmeldung vorgeschlagenen Erfindung wird erreicht, wenn für die Wasserstoffproduktion durch Dampfelektrolyse ein Hochtemperaturdampfelektrolysegefäß verwendet wird, in welchem ein Fest oxidelektrolyt als Diaphragma verwendet wird, und das Diaphragma so in dem Elektrolysegefäß angeordnet ist, dass das Elektrolysegefäß in eine Anodenseite und eine Kathodenseite des Elektrolysegefäßes unterteilt wird und Hochtemperaturdampf der Kathodenseite des Elektrolysegefäßes zugeführt wird und somit miteinander reagieren, d.h. Sauerstoff-Ionen und Reduktionsgas auf der Anodenseite des Elektrolysegefäßes, wodurch ein Sauerstoff-Ion-Konzentrationsgradient erzeugt wird, wird somit die benötigte Spannung zur Bewegung des Sauerstoff zur Anodenseite vermindert. Mit dieser Vorrichtung, kann dadurch, dass der Dampf bei einer Hochtemperatur von 700 bis 800°C gespalten wird und der Sauerstoff-Ion-Konzentrationsgradient auf der Anodenseite erzeugt wird, kann hochreiner Wasserstoff sehr effizient hergestellt werden. Es sei bemerkt, dass „Reduktionsgas" hier ein Gas bedeutet, welches mit Sauerstoff reagieren kann, das durch eine Festoxidelektrolytmembran (Festoxiddiaphragma) in dem Dampfelektrolysegefäß zu der Anodenseite des Elektrolysegefäßes läuft, um so die Sauerstoffkonzentration auf der Anodenseite zu verringern.
  • Die Erfinder haben festgestellt, dass Digestionsgas durch Methanfermentationsbehandlung von Abwasser, Abfallwasser oder irgendeiner der verschiedenen Typen von Abfall als das Reduktionsgas verwendet werden kann, das an die Anodenseite des Elektrolysegefäßes einer solchen Hochtemperatur-Dampfelektrolysevorrichtung geliefert wird wobei darüber hinaus Abwärme, die von der Elektrolysevorrichtung erzeugt wird, als eine Wärmequelle verwendet werden kann, die bei der Methanfermentationsbehandlung benötigt wird.
  • Das bedeutet, dass die fünfte Betriebsart der vorliegenden Erfindung sich auf ein Wasserstoffproduktionsverfahren bezieht, in welchem ein Festoxidelektrolyt verwendet wird, ein Reduktionsgas an die Anodenseite geliefert wird und Dampf der Kathodenseite zugeführt wird und eine Spannung an die Anodenseite und die Kathodenseite angelegt wird, so dass die Sauerstoff-Ionen auf der Anodenseite mit dem Reduktionsgas reagieren und damit einen Sauerstoffkonzentrationsgradienten erzeugen, wobei das Wasserstoffproduktionsverfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass Faulgas erzeugt durch Methanfermentation aus Abwasser und/oder Abfallwasser und/oder Abfall als das Reduktionsgas verwendet wird, das an die Anodenseite geliefert wird.
  • Das bedeutet, dass die fünfte Betriebsart der vorliegenden Erfindung dadurch gekennzeichnet ist, dass im Falle eines Wasserstoffproduktionssystems unter Verwendung der Hochtemperaturdampfelektrolyse, welche eine Festoxidelektrolytmembran wie in 2 gezeigt verwendet, Digestionsgas, erzeugt durch anaerobische Fermentations-(Methanfermentation) Behandlung von Abwasser, Abfallwasser oder irgendeine der verschiedenen Typen von Abfall, als das Reduktionsgas verwendet wird, das an die Anodenseite des Hochtemperaturdampfelektrolysegefäßes geliefert wird. Der Fluss eines spezifischen Beispiels des Wasserstoffproduktionsverfahrens gemäß der fünften Betriebsart der vorliegenden Erfindung wird in 17 gezeigt.
  • In dem in 17 gezeigten System wird städtisches Abwasser oder Abfallwasser (Haushaltsabwasser, industrielles Abwasser usw.) einer anaerobischen Behandlung unterzogen, welche einen anaerobischen Faul- oder Fermentationstank (Methanfermentationstank) verwendet und somit ein Reduktionsgas (Faulgas) erzeugt. Es sei bemerkt, dass eine bestimmte Wärmemenge benötigt wird für die anaerobische Fermentation und dass diese Wärme durch eine Heizwärmequelle geliefert wird. Das erzeugte Faulgas wird an die Anodenseite des oben beschriebenen Hochtemperaturelektrolysegefäßes geliefert, und elektrische Leistung wird zugeführt, um so die Elektrolyse des Hochtemperaturdampfes durchzuführen. Hochtemperaturabgas wird von der Anodenseite produziert und Wasserstoff enthaltendes Gas mit hoher Temperatur (welches Wasserstoff und Dampf enthält) wird auf der Kathodenseite erzeugt.
  • Es sei bemerkt, dass in 17 und den folgenden Figuren eine Beschreibung gegeben wird, wobei ein anaerobischer Fermentationsbehandlungstank für städtisches Abwasser, Abfallwasser oder dergleichen als repräsentatives Beispiel einer Methanfermentations-Faulgas-Lieferquelle genommen wird, aber es ist auch möglich, als die Methanfermentations-Faulgas-Lieferquelle in dem Verfahren der vorliegenden Erfindung folgende zu verwenden: z.B. ein Methanfermentationstank für Abwasser, der in einer Abwasserbehandlungsanlage installiert ist, ein Methanfermentationstank, um die Fermentationsbehandlung an landwirtschaftlichem Abfall von einem Bauernhof, einer Ranch oder dergleichen durchzuführen, ein Methanfermentationstank, um die Fermentationsbehandlung an forstwirtschaftlichem Abfall (forstwirtschaftliche Biomasse), der von einer auf Forstwirtschaft bezogenen Industrie abgegeben wird, durchzuführen oder einen Methanfermentationstank, der die Methanfermentationsbehandlung an irgendeiner der verschiedenen anderen Arten von Abfall durchführt, um so den Abfall zu behandeln und Methan zu erzeugen.
  • Es sei auch bemerkt, dass es als anaerobische Faulgas Fermentation bei mittlerer Temperatur und bei Hochtemperatur gibt, wobei eine Temperatur von ungefähr 37°C bzw. ungefähr 55°C erforderlich ist. Inzwischen werden Hochtemperaturabgas und Wasserstoff enthaltendes Gas bei ungefähr 700 bis 800°C von dem Dampfelektrolysegefäß erzeugt. Es somit möglich diese Wärme (Abwärme von der Elektrolyse) wider zu gewinnen durch ein Wärmerückgewinnungssystem, welches ein Wärmeübertragungsmedium (z.B. Luft) und einen Wärmetauscher verwendet und diese als Wärmequelle zu verwenden zum Erhitzen des anaerobischen Digestionstank, wie in 18 gezeigt. Als Wärmequelle zum Erhitzen der anaerobischen Digestion – so lange es Abwärme gibt sind ca. 50 bis 70°C, wie oben beschrieben, ausreichend. Somit sollte die Wärme zurück gewonnen werden in dem Hochtemperaturabgas und dem Wasserstoff enthaltenden Gas aus dem Dampfelektrolysegefäß (Hochtemperaturteil) durch verschiedene Stadien der Wärmerückgewinnung und nachdem diese zurück gewonnene Wärme verbraucht wird, dann die Niedrig temperaturabwärme als Wärmequelle zu verwenden, um den anaerobischen Digestionstank zu erhitzen.
  • Der durch obiges Verfahren erzeugte Wasserstoff kann z.B. als Brennstoff für Brennstoffzellen verwendet werden. Hier können Brennstoffzellen grob in vier Typen klassifiziert werden, aber selbst bei Festpolymertypbrennstoffzellen, welche die niedrigste Betriebstemperatur haben, kann Abwärme mit ungefähr 60 bis 70°C herausgezogen werden. Dem gemäß, wie in 19 gezeigt, ist es möglich den durch das Dampfelektrolysegefäß erzeugten Wasserstoff als Brennstoff oder für eine Brennstoffzelle zu verwenden, um so elektrische Leistung zu erzeugen, und auch um zumindest einen Teil der durch Brennstoffzellen erzeugte Abwärme als Wärmequelle für das Erhitzen des anaerobischen Digestionstanks zu verwenden.
  • Es sei bemerkt, dass Wasserstoff, der durch ein Wasserstoffproduktionsverfahren unter Verwendung von Elektrolyse hergestellt wird, selten als Brennstoff für eine Brennstoffzelle bei der Stromerzeugung verwendet wird. Ein Grund dafür ist, dass bevor Wasserstoff, der unter Verwendung von elektrischem Strom, durch ein Elektrolyseverfahren in einer Stromerzeugungsvorrichtung hergestellt wird, welche Wasserstoff als Brennstoff wie beispielsweise ein Brennstoffzelle verwendet, um so Strom zu erzeugen, bringt die Verwendung der benötigten elektrischen Leistung, wie sie ist, natürlich eine effizientere Verwendung des elektrischen Stroms. Jedoch, falls Wasserstoff effizient gelagert werden kann, wenn er einmal hergestellt ist, ist es möglich Wasserstoff herzustellen und zu lagern, wenn es einen Überfluss an elektrischem Strom gibt oder der Einheitspreis für elektrischen Strom niedrig ist und dann wenn eine große Menge an elektrischem Strom benötigt wird, den elektrischen Strom durch Brennstoffzellenleistungserzeugung zu gewinnen unter Verwendung des gespeicherten Wasserstoffs als Brennstoff für die Brennstoffzelle.
  • Unter den Wasserstoffspeichertechniken, haben Verfahren, in welchen der Wasserstoff chemisch gespeichert wird unter Verwendung eines organischen Hydrids, eine Wasserstoff absorbierende Mischung oder dergleichen, die Aufmerksamkeit auf sich gelenkt. Jedoch, wurde Wärme benötigt sowohl zum Speichern des Wasserstoffs durch Verwendung dieser Methode als auch für die Freigabe des Wasserstoff; der derzeitige Stand der Dinge ist, das Hochtemperaturdampf, erzeugt unter Verwendung einer getrennten Anlage als Wärmequelle verwendet wird, wobei ein effektives Wärmeverwendungssystem, welches die gesamte Wasserstoffproduktion integriert, sowie Wasserstoffspeicherung und Wasserstoffverwendung, noch nicht geschaffen wurde.
  • In einer weiteren Betriebsart der vorliegenden Erfindung, wie in 20 gezeigt, wird ein Stromerzeugungsverfahren vorgesehen, in welchem der hergestellte Wasserstoff unter Verwendung des Wasserstoffproduktionsverfahrens, wie oben beschrieben, zuerst in eine Wasserstoffspeichervorrichtung gespeichert wird, und dann wenn benötigt, wird der Wasserstoff von der Speichervorrichtung freigegeben und als Brennstoff für eine Brennstoffzelle verwendet. Dadurch, dass zuerst der hergestellte Wasserstoff gespeichert wird und dann, wenn eine große Menge an elektrischem Strom benötigt wird, der gespeicherte Wasserstoff freigegeben wird und der Wasserstoff als Brennstoff für eine Brennstoffzelle zur Stromerzeugung auf diese Weise verwendet wird, kann z.B. Wasserstoff hergestellt und gespeichert werden, wenn der Einheitspreis für elektrischen Strom niedrig ist, so z.B. während der Nacht und dann, wenn benötig kann dieser Wasserstoff zur Stromerzeugung verwendet werden, wobei eine effektive Ausnützung der Energie erreicht werden kann. Darüber hinaus, wie in 20 gezeigt, kann zumindest ein Teil der Abwärme, die von der Brennstoffzelle erzeugt wird, als Wärmequelle zum Erhitzen des anaerobischen Digestionstanks verwendet werden.
  • Als Verfahren zum Speichern von Wasserstoff, kann jedes der verschiedenen Verfahren, die öffentlich auf dem betreffenden technischen Gebiet bekannt sind, wie beispielsweise ein Verfahren durch Kompression oder ein Verfahren durch Verflüssigung verwendet werden. Darüber hinaus wurden Verfahren vorgeschlagen, in welchem der Wasserstoff chemisch gespeichert wird unter Verwendung einer Wasserstoff absorbierenden Mischung oder eines organischen Hydrids. Bei solch einem Wasserstoffspeicherungsverfahren, benötigt die Hydrierungsreaktion, wenn Wasserstoff gespeichert wird und die Dehydrierungsreaktion, wenn der gespeicherte Wasserstoff benötigt wird, Wärme. Gemäß einer weiteren Betriebsart der vorliegenden Erfindung, wie in 21 gezeigt, kann für die benötigte Wärme für die Hydrierung und die Dehydrierung Abwärme aus dem Hochtemperaturdampfelektrolysegefäß, wie oben beschrieben (Wärme in dem Hochtemperaturabgas und in dem Wasserstoff enthaltenden Gas mit hoher Temperatur) zurück gewonnen werden unter Verwendung eines Wärmerückgewinnungssystems, welches ein Wärmeübertragungsmedium (z.B. Luft usw.) verwendet und einen Wärmetauscher, verwendet werden. Ein Beispiel eines Wasserstoffspeicherungsverfahren, welches in der vorliegenden Erfindung verwendet wird, ist ein organisches Hydridverfahren durch Verwendung von Cyclohexan, Decalin oder dergleichen; dafür wird für die Hydrierungs- und Dehydrierungsreaktionen Wärme von ungefähr 100 bis 200°C benötigt. Abgas und Wasserstoffenthaltendes Gas mit 700 bis 800°C werden von dem Hochtemperatur-Elektrolysegefäß gemäß der vorliegenden Erfindung erzeugt und somit ist es möglich, diese Wärme durch verschiedene Stadien der Wärmerückgewinnung zurück zu gewinnen, und nachdem die zurück gewonnene Wärme verbraucht ist, kann dann Niedrigtemperaturabwärme verwendet werden, als die benötigte Wärmequelle im Wasserstoffspeicherungsverfahren.
  • Gemäß der fünften Betriebsart der vorliegenden Erfindung, können Digestionsgas, welches durch anaerobische Digestionsbehandlung an Abwasser oder dergleichen hergestellt wurde, Wärme, die bei der Wasserstoffproduktion unter Verwendung des Hochtemperaturdampfelektrolyseverfahrens hergestellt wurde, und Abwärme, die erzeugt wurde bei der Durchführung von Brennstoffzellenleistungserzeugung unter Verwendung des hergestellten Wasserstoffs sehr effektiv ausgenützt werden und somit kann eine effektive Verwendung der Energie erreicht werden. Darüber haus gemäß einer weiteren Betriebsart der vorliegenden Erfindung, kann der hergestellte Wasserstoff effektiv verwendet werden, wie erforderlich und dadurch sehr zur effektiven Energieverwendung beitragen.
  • Außerdem, gemäß einer sechsten Betriebsart der vorliegenden Erfindung wird ein System zur Erzeugung von Wasserstoff, in welchem ein Festoxidelektrolyt verwendet wird, ein Reduktionsgas an die Anodenseite geliefert wird, Hochtemperaturdampf an die Kathodenseite geliefert wird und Sauerstoff-Ionen auf der Anodenseite mit dem Reduktionsgas reagieren, um so einen Sauerstoff-Ionen-Konzentrationsgradient zu erzeugen und somit die Elektrolysespannung reduzieren, wobei das Wasserstoffproduktionsverfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass das Reduktionsgas an die Anodenseite geliefert wird, nachdem es mit einer Entschwefelungsvorrichtung behandelt wurde.
  • Wie oben beschrieben, gemäß der vorliegenden Erfindung, wird ein System zur Erzeugung von Wasserstoff vorgesehen durch Liefern von Dampf an eine Kathodenseite und durch Liefern eines Hochtemperatur-Reduktionsgases an die Anodenseite einer Hochtemperatur-Dampfelektrolysevorrichtung, in welcher ein Elektrolysegefäß unterteilt ist in die Anodenseite und die Kathodenseite unter Verwendung eines Festoxidelektrolyts als Diaphragma und durch Durchführung der Dampfelektrolyse bei hoher Temperatur. Hier bedeutet „Reduktionsgas", welches mit Sauerstoff reagieren kann, welcher durch die Festoxidelektrolytmembran in das Dampfelektrolysegefäß zur Anodenseite des Elektrolysegefäßes läuft, um so die Sauerstoffkonzentration auf der Anodenseite zu reduzieren; es kann ein Pyrolysegas, welches durch eine Abfallsbehandlungseinrichtung, wie beispielsweise einem Verbrennungsofen, einem Vergasungsschmelzofen oder einem Vergasungsofen, einer Anlage, einem thermo-elektrischen Kraftwerk, einem geo-thermischen Kraftwerk oder dergleichen, anaerobisches Digestionsgas von einer Abwasserbehandlungsanlage oder dergleichen, verwendet werden.
  • Jedoch enthalten die obigen Arten von Reduktionsgas oft eine hohe Schwefelkonzentration. Z.B. Faulgas (Biogas) aus Methanfermentation aus Abwasser und dergleichen, Gas, welches durch Pyrolyse in einem Vergasungsofen erzeugt wird usw. enthalten einige hundert ppm an Schwefel. In dem oben beschriebenen Wasserstoffproduktionsverfahren, in welchem ein Reduktionsgas an die Anodenseite eines Elektrolysegefäßes geliefert wird, gab es daher ein Problem, dass die Leistung der Elektrolysevorrichtung progressiv abnimmt, aufgrund des Schwefelsgehalts des gelieferten Reduktionsgases. Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, dieses Problem zu lösen und Mittel vorzusehen, die die Haltbarkeit einer Wasserstoffproduktionsvorrichtung, die die Hochtemperaturdampfelektrolyse verwendet, deutlich zu verbessern.
  • In der sechsten Betriebsart der vorliegenden Erfindung, wird als Mittel zur Lösung des obigen Problems, eine Wasserstoffproduktionsmethode vorgesehen, in welchem ein Festoxidelektrolyt verwendet wird, ein Reduktionsgas an die Anodenseite geliefert wird, Hochtemperaturdampf an die Kathodenseite zugeführt wird und Sauerstoff-Ionen auf der Anodenseite mit dem Reduktionsgas reagieren, um so einen Sauerstoff-Ion-Konzentrationsgradienten zu erzeugen und somit die Elektrolysespannung zu reduzieren, wobei das Wasserstoffproduktionsverfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass das an die Anodeseite gelieferte Reduktionsgas mit einer Entschwefelungsvorrichtung behandelt wurde. Weiterhin wurde durch die Untersuchungen der Erfinder festgestellt, dass die Betriebsleistung der Elektrolysevorrichtung deutlich verbessert wird, dadurch dass die Schwefelkonzentration des an die Anodenseite des Elektrolysegefäßes gelieferten Reduktionsgases nicht mehr als 1 ppm ist, vorzugsweise nicht mehr als 0,1 ppm. Das bedeutet, dass eine weitere Betriebsart der vorliegenden Erfindung sich auf ein Wasserstoffproduktionsverfahren wie o ben bezieht, dadurch gekennzeichnet, dass das an die Anodenseite gelieferte Reduktionsgas, nachdem der Schwefelgehalt auf nicht mehr als 1 ppm gebracht wurde, vorzugsweise nicht mehr als 0,1 ppm unter Verwendung einer Entschwefelungsvorrichtung.
  • Die sechste Betriebsart der vorliegenden Erfindung wird dadurch gekennzeichnet, dass das an die Anodenseite gelieferte Reduktionsgas einer Hochtemperatur-Dampfelektrolysevorrichtung, wie in 2 gezeigt, in die Elektrolysevorrichtung zugeführt wird, nachdem es mit einer Entschwefelungsvorrichtung behandelt wurde. Der Fluss der Wasserstoffproduktionsvorrichtung gemäß solch einer Betriebsart der vorliegenden Erfindung wird in 22 gezeigt. Mit der in 22 gezeigten Vorrichtung, hat ein Reduktionsgas, wie Gas, welches durch Pyrolyse hergestellt wird in einem Vergasungsofen oder anaerboisches Digestionsgas aus einer Abwasserbehandlungsanlage zuerst einen Schwefelgehalt, welcher nach Verwendung eines Entschwefelungsvorrichtung reduziert wird und dann wird es an die Anodenseite des Hochtemperaturelektrolysegefäßes geliefert. Hochtemperaturdampf wird an die Kathodenseite des Elektrolysegefäßes zugeführt und elektrischer Strom wird an die zwei Elektroden angelegt, wodurch der Dampf einer Elektrolyse unterzogen wird und sodann wird Gas, welches den erzeugten Wasserstoff enthält, auf der Kathodenseite erzeugt und Abgas wird von der Anodenseite des Elektrolysegefäßes erzeugt.
  • In dem Verfahren der vorliegenden Erfindung, kann eine Gas durchlaufende Vorrichtung, worin Folgendes enthalten ist: aktive Holzkohle, Eisen, Nickel und eine Verbindung, die Eisen und Nickel als deren Hauptbestandteile besitzt, ein Metall unterstützendes Material, in welchem Eisen und Nickel auf Aluminium gestützt sind, ein Kupfer-Zink-Typ Entschwefelungsmaterial, oder ein Kupfer-Zink-Aluminium-Typ Entschwefelungsmaterial, als Entschwefelungsmaterial, verwendet werden. Diese Schwefelentfernungsmaterialien können verwendet werden in der Form z.B. eines Honigwabenverpackungsmate rial im Fall des metallischen Materials oder eines Mischungsmaterials oder in Form von Granulaten oder porösen Partikeln im Falle eines Metall unterstützenden Materials, ein Kupfer-Zink-Typ Entschwefelungsmaterial, ein Kupfer-Zink-Aluminium-Typ Entschwefelungsmaterial oder dergleichen. Insbesondere z.B. wird solch ein Entschwefelungsmaterial in Form von Granulaten oder porösen Partikeln in eine Gassäule gepackt, das Reduktionsgas wird darüber geleitet, wodurch Schwefel in dem Reduktionsgas entfernt werden kann. Die Annahme dieser Technik ist vorzuziehen, nachdem der Schwefelgehalt entfernt und das Reduktionsgas in das Hochtemperaturelektrolysegefäß geliefert werden kann, ohne dass die Temperatur des Reduktionsgas übermäßig reduziert wird.
  • Ein Kupfer-Zink-Typ Entschwefelungsmaterial, das als Entschwefelungsmaterial in der vorliegenden Erfindung verwendet wird, kann gebildet werden z.B. durch Verwendung einer wässerigen Lösung, die eine Kupferverbindung enthält, (z.B. Kupfernitrat, Kupferazetat usw.) und eine Zink-Verbindung (z.B. Zinknitrat, Zinkazetat usw.) und eine wässerige Lösung einer alkalinen Substanz (z.B. Natriumkarbonat, Potaschekarbonat usw.), welche eine Ausfällung erbringt durch Verwendung eines normalen Mitausfällungsverfahrens, Trocknung des erzeugten Abscheidungsstoffes, Backen bei ungefähr 300°C, um so eine Kupferoxid-Zinkoxid-Mischung zu erhalten und dann Durchführung der Reduktionsbehandlung bei ungefähr 150 bis 300°C unter Anwesenheit des Wasserstoffgases, gelöst in einem inerten Gas. Darüber hinaus kann das gewonnene Kupfer-Zink-Typ Entschwefelungsmaterial mit einem anderen Metalloxid gemischt werden, wie beispielsweise Chromoxid als Trägerbestandteil.
  • Darüber hinaus kann ein Kupfer-Zink-Aluminium-Typ Entschwefelungsmaterial, das als Entschwefelungsmaterial in der vorliegen Erfindung verwendet werden kann, gebildet werden, z.B. durch Verwendung einer wässerigen Lösung, die eine Kupferverbindung (z.B. Kupfernitrat, Zinkazetat, usw.) verwen det, eine Zinkverbindung (z.B. Zinknitrat, Zinkazetat, usw.) und eine Aluminiumverbindung (z.B. Aluminiumnitrat, Natriumaluminat, usw) und eine wässerige Lösung einer alkalinen Substanz (z.B. Natriumkarbonat, Potaschekarbonat, usw.) welche eine Ausfällung erbringt durch Verwendung eines normalen Mitausfällungsverfahrens, Trocknung des erzeugten Abscheidungsstoffes, Backen bei ungefähr 300°C, um so eine Kupferoxid-Zinkoxid-Mischung zu erhalten und dann Durchführung der Reduktionsbehandlung bei ungefähr 150 bis 300°C unter Anwesenheit des Wasserstoffgases, gelöst in einem inerten Gas. Darüber hinaus kann das gewonnene Kupfer-Zink-Typ Entschwefelungsmaterial mit einem anderen Metalloxid gemischt werden, wie beispielsweise Chromoxid als Trägerbestandteil.
  • Es sei bemerkt, dass wie oben beschrieben, das Reduktionsgas vorzugsweise an die Anodenseite eines Hochtemperatur-Dampfelektrolysevorrichtung geliefert wird, nachdem der Schwefelgehalt des Reduktionsgases auf nicht mehr als 1 ppm, vorzugsweise nicht mehr als 0,1 ppm gebracht wurde, unter Verwendung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung. Durch Untersuchungen der Erfinder wurde herausgefunden, dass die Haltbarkeit der Elektrolysevorrichtung deutlich verbessert werden kann, dadurch dass die Schwefelkonzentration in dem an die Anodenseite der Elektrolysevorrichtung gelieferten Reduktionsgas auf nicht mehr als solch einen Wert gebracht wird.
  • Gemäß der sechsten Betriebsart der vorliegenden Erfindung kann Wasserstoff wirtschaftlicher hergestellt werden und es kann hochreines Wasserstoffgas, hergestellt durch die vorliegende Erfindung, für Industrien vorgesehen werden, die chemische Produkte industriell unter Verwendung von Wasserstoff herstellen. Darüber hinaus kann hochreines Wasserstoffgas, hergestellt durch die vorliegende Erfindung als Brennstoff für Brennstoffzellen verwendet werden. Außerdem, da mit Brennstoffzellen angetriebene Fahrzeuge immer weiter verbreitet sind, gibt es eine Nachfrage nach großen Mengen von hochreinem Wasserstoff; gemäß der vorliegenden Erfindung kann Wasserstoffgas bei niedrigen Kosten im ganzen Land hergestellt werden ohne Rücksicht auf die Region, wodurch die weit verbreitete Verwendung von Brennstoffzellen angetriebenen Fahrzeugen weiter gefördert wird.
  • Arbeitsbeispiele
  • Durch die nachfolgenden Arbeitsbeispiele wird gezeigt, dass nachdem der Schwefelgehalt des an die Anodenseite einer Hochtemperatur-Dampfelektrolysevorrichtung gelieferten Reduktionsgases auf nicht mehr als 1 ppm, vorzugsweise nicht mehr als 0,1 ppm gebracht wurde, die Haltbarkeit der Elektrolysevorrichtung deutlich verbessert werden kann.
  • Gemäß dem in 23 gezeigten Fluss, wird Methangas, welches eine Schwefelkonzentration hat, die auf 100 ppm. 10 ppm, 1 ppm, oder 0,1 ppm angepasst ist und von einem Gaszylinder die Temperatur auf ungefähr 700°C angepasst wurde, unter Verwendung einer Temperaturanpassungsvorrichtung und dann an die Anodenseite eines Hochtemperaturdampfelektrolysegefäßes geliefert wurde, in welchem das Elektrolysegefäß unterteilt wurde in eine Anodenseite und eine Kathodenseite durch eine Festoxidelektrolytdiaphragma, während Hochtemperaturdampf mit ungefähr 700°C an die Kathodenseite geliefert wurde und elektrische Leistung an die Elektroden angelegt wurde um den Dampf zu elektrolysieren. Yttrium stabilisierter Zirkoniumdioxid (YSZ) wurde als Festoxidelektrolyt verwendet.
  • Das Elektrolysegefäß wurde ständig betrieben, während Wasserstoff enthaltendes Gas, welches auf der Kathodenseite des Elektrolysegefäßes erzeugt wurde durch einen Flussmeter und einen Gaskonzentrationsmeter lief, um so die Flussrate und die Wasserstoffgaskonzentration zu messen.
  • Änderungen in der Elektrolysespannung in der Elektrolysevorrichtung werden in 24 gezeigt. Im Falle, dass die Schwefelkonzentration in dem an die Anodenseite des Elektrolysegefäßes gelieferten Reduktionsgas 100 ppm oder 10 ppm war, stieg die Elektrolysespannung plötzlich an bei einer Betriebszeit von ungefähr 100 Stunden bzw. 200 Stunden, wobei der Betrieb nach dieser Zeit angehalten wurde. Im Falle, dass die Schwefelkonzentration in dem an die Anodenseite des Elektrolysegefäßes gelieferten Reduktionsgas 1 ppm oder 0,1 ppm war, blieb die Elektrolysespannung stabil und änderte sich nicht von der Anfangsspannung, selbst nicht nach über 300 Stunden und Gas enthaltender Wasserstoff mit hoher Konzentration wurde bei einer stabilen Flussrate gewonnen. Der Anstieg der Elektrolysespannung bedeutet, dass eine höhere Spannung erforderlich ist und deshalb wird die Leistung der Elektrolysevorrichtung reduziert. Aus 24 ist ersichtlich, dass im Falle, dass die Schwefelkonzentration in dem an die Anodenseite des Elektrolysegefäßes gelieferten Reduktionsgas nicht mehr als 1 ppm, noch besser nicht mehr als 0,1 ppm ist, die Haltbarkeit der Hochtemperatur-Dampfelektrolysevorrichtung deutlich verbessert wurde.
  • Verschiedene Betriebsarten der vorliegenden Erfindung sind wie folgt.
    • 1. Ein Verfahren zur Erzeugung von Wasserstoff durch Lieferung von Dampf an die Kathodenseite und Zuführung von Gas an die Anodenseite einer Hochtemperatur-Dampfelektrolysevorrichtung in welcher ein Elektrolysegefäß unterteilt ist in die Anodenseite und die Kathodenseite durch eine Festoxidelektrolytmembran als Diaphragma und Durchführung der Dampfelektrolyse bei hoher Temperatur, wobei das Wasserstoffherstellungsverfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass das Reduktionsgas und der Dampf, die an das Elektrolysegefäß geliefert werden, eine Temperatur im Bereich von 200 bis 500°C haben.
    • 2. Das Wasserstoffproduktionsverfahren gemäß obigem Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, dass das gelieferte Reduktionsgas und der Dampf auf eine Temperatur im Bereich von 200 bis 500°C erhitzt werden durch Durchführung eines Wärmetausches mit Abgas (offgas) Hochtemperatur-Wasserstoff, der von dem Elektrolysegefäß abgegeben wird.
    • 3. Das Wasserstoffproduktionsverfahren gemäß obigem Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, dass das gelieferte Reduktionsgas und der Dampf auf eine Temperatur im Bereich von 200 bis 500°C erhitzt werden durch Durchführung eines Wärmetausches mit Abwärme aus einem anderen Prozess.
    • 4. Das Wasserstoffproduktionsverfahren gemäß obigem Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, dass das gelieferte Reduktionsgas und der Dampf auf eine Temperatur im Bereich von 200 bis 500°C erhitzt werden durch Hinzufügen von Hochtemperaturgas.
    • 5. Das Wasserstoffproduktionsverfahren gemäß obigem Punkt 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das gelieferte Reduktionsgas oder Gasgemisch des Reduktionsgases und Hochtemperaturgas und der Dampf auf eine Temperatur im Bereich von 200 bis 500°C erhitzt werden, durch Durchführung eines Wärmetausches mit Hochtemperatur-Abgas (offgas) und Hochtemperatur-Wasserstoff, der von dem Elektrolysegefäß abgegeben wird.
    • 6. Das Wasserstoffproduktionsverfahren gemäß obigem Punkt 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das gelieferte Reduktionsgas oder Gasgemisch des Reduktionsgases und Hochtemperaturgas und der Dampf auf eine Temperatur im Bereich von 200 bis 500°C erhitzt werden, durch Durchführung eines Wärmetausches mit Abwärme aus einem anderen Prozess.
    • 7. Das Wasserstoffproduktionsverfahren gemäß einem der Punkte 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Betrieb mit einer Elektrolysespannung im ereich von 20 bis 40% einer benötigten Energie erfolgt.
    • 8. Das Wasserstoffproduktionsverfahren gemäß einem der Punkte 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Konzentration von Hydrochloridsäure und/oder Schwefelverbindungen in dem gelieferten Reduktion auf nicht mehr als 10 ppm gehalten wird.
    • 9. Das Wasserstoffproduktionsverfahren gemäß einem der Punkte 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das gelieferte Reduktionsgas, ein Reduktionsgas ist, welches durch Pyrolyse organischer Stoffe hergestellt und gereinigt/entstaubt wird unter Verwendung eines Skubbers oder dergleichen.
    • 10. Das Wasserstoffproduktionsverfahren gemäß einem der Punkte 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das gelieferte Reduktionsgas, ein Nebenproduktgas, welches durch einen Kokereiofen oder einen Hochofen eines Eisenhüttenwerks erzeugt wird, ist.
    • 11. Das Wasserstoffproduktionsverfahren gemäß einem der Punkte 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das gelieferte Reduktionsgas, ein Nebenproduktgas aus einer Erdölanlage ist.
    • 12. Das Wasserstoffproduktionsverfahren gemäß obigem Punkt 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Pyrolyserohmaterial aus organischen Stoffen Biomasse ist, wie beispielsweise Abfallholz, Müll und Erdölrückstände.
    • 13. Eine Wasserstoffproduktionsvorrichtung, welche ein Elektrolysegefäß enthält, das unterteilt ist in eine Anodenseite und eine Kathodenseite durch eine Festoxidelektrolytdiaphragma, eine Rohrleitung für die Zulieferung von Reduktionsgas an die Anodenseite des Elektrolysegefäßes und eine Rohleitung zur Lieferung von Dampf an die Kathodenseite des Elektrolysegefäßes und weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorgesehen sind zum Erhitzen des Reduktionsgases und des Dampfes, die in das Elektrolysegefäß geliefert werden, und zwar mit einer Temperatur im Bereich von 200 bis 500°C.
    • 14. Eine Wasserstoffproduktionsvorrichtung gemäß obigem Punkt 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein Strömungssteuerventil in jeder Rohrlei tung vorgesehen wird, die das Reduktionsgas an die Anodenseite des Elektrolysegefäßes liefert und die Rohrleitung, die den Dampf an die Kathodenseite des Elektrolysegefäßes liefert, um so die Betriebsbedingungen optimal zu steuern.
    • 15. Eine Wasserstoffproduktionsvorrichtung gemäß obigem Punkt 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein Temperaturmessgerät an der Gasauslassleitung auf der Anodenseite und der Kathodenseite des Elektrolysegefäßes vorgesehen ist und dass die Strömungssteuerventile gesteuert werden, um so eine konstante Temperatur zu erzielen.
    • 16. Ein Verfahren zur Erzeugung von Wasserstoff durch Lieferung von Dampf an die Kathodenseite und Zuführung eines Reduktionsgases an die Anodenseite einer Hochtemperatur-Dampfelektrolysevorrichtung, in welcher ein Elektrolysegefäß unterteilt ist in die Anodenseite und die Kathodenseite durch einen Festoxidelektrolyt als Diaphragma und Durchführung der Dampfelektrolyse bei hoher Temperatur, wobei das hochreine Wasserherstellungsverfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass ein Teil des Dampfes von einem Kernkraftwerksdampfgenerator direkt verwendet wird, als der Dampf, der an die Kathodenseite geliefert wird.
    • 17. Ein Wasserstoffproduktionsverfahren gemäß obigem Punkt 16, dadurch gekennzeichnet, das Unreinheiten wie Ammoniak oder Hydrazin, enthalten im erzeugten Wasserstoffgas durch einen Skubber oder dergleichen entfernt werden.
    • 18. Ein Wasserstoffproduktionsverfahren gemäß den obigen Punkten 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass erzeugtes Pyrolysegas unter Verwendung eines Pyrolyseofens, der in einem Kernkraftwerk installiert ist, welches als Rohmaterial Biomasse verwendet, wie beispielsweise Abfallholz oder Müll, der in dem Kraftwerk oder aus dem umgebenden örtlichen Bereich oder aus Meeresleben, welches durch Verwendung eines Siebes oder dergleichen an einer Wasserentnahme oder aus der Fischereiindustrie gesammelt wird; wird als das Reduktionsgas verwendet und an die Anodenseite geliefert und das Pyrolysegas wird gereinigt/entstaubt durch Verwendung eines Skubbers oder dergleichen, um so die Konzentration von Salzsäure- und/oder Schwefel-Verbindungen auf nicht mehr als 10 ppm zu bringen.
    • 19. Das Wasserstoffproduktionsverfahren gemäß einem der obigen Punkte 16 oder 18 dadurch gekennzeichnet, dass die an die Wasserstoffproduktionsvorrichtung gelieferte Menge an Dampf von dem Kernkraftwerksdampfgenerator gesteuert wird, wobei die elektrische Leistungsabgabe des Kernkraftwerks gesteuert werden kann und darüber hinaus Überschussdampf effizient verwendet wird, um hochreinen Wasserstoff herzustellen und zu speichern.
    • 20. Das Wasserstoffproduktionsverfahren gemäß einem der obigen Punkte 16 bis 19 dadurch gekennzeichnet, dass Dampf, der mit 200 bis 300°C von einem Dampfgenerator eines Kernkraftwerks der Druckwasser-Bauart hergestellt wird, als Dampf verwendet wird, der in die Wasserstoffproduktionsvorrichtung geliefert wird.
    • 21. Das Wasserstoffproduktionsverfahren gemäß einem der obigen Punkte 16 bis 19 dadurch gekennzeichnet, dass Dampf, der mit 300 bis 500°C von einem Dampfgenerator eines Kernkraftwerks der Schnellen-Brüter-Bauart hergestellt wird, als Dampf verwendet wird, der in die Wasserstoffproduktionsvorrichtung geliefert wird.
    • 22. Das Wasserstoffproduktionsverfahren gemäß einem der obigen Punkte 16 bis 19 dadurch gekennzeichnet, dass Dampf, der mit 500 bis 700°C von einem Dampfgenerator eines Kernkraftwerks der Hochtemperaturgas-Bauart hergestellt wird, als Dampf verwendet wird, der in die Wasserstoffproduktionsvorrichtung geliefert wird.
    • 23. Eine Wasserstoffproduktionsvorrichtung, welche ein Elektrolysegefäß enthält, das unterteilt ist in eine Anodenseite und eine Kathodenseite durch eine Festoxidelektrolytdiaphragma, eine Rohrleitung für die Zulieferung von Reduktionsgas an die Anodenseite des Elektrolysegefäßes und eine Rohleitung zur Lieferung von Dampf an die Kathodenseite des Elektrolysegefäßes und dadurch gekennzeichnet, dass Mittel enthalten sind, dass ein Teil des Dampfes von einem Kernkraftwerksdampfgenerator direkt als der Dampf verwendet wird, der an die Kathodenseite des Elektrolysegefäßes geliefert wird.
    • 24. Die Vorrichtung gemäß obigem Punkt 23, dadurch gekennzeichnet, dass sie ferner Mittel besitzt zur Behandlung des produzierten Wasserstoffgases, welches von der Kathodenseite des Elektrolysegefäßes erzeugt wird, um so Unreinheiten wie beispielsweise Ammoniak oder Hydrazin, welches in dem Wasserstoffgas enthalten ist, zu entfernen.
    • 25. Eine Vorrichtung gemäß den obigen Punkten 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, dass sie weiterhin einen Pyrolyseofen aufweist, der das Reduktionsgas durch Pyrolyse von Biomasse erzeugt, wie beispielsweise Abfallholz oder Müll, oder Meeresleben, welches durch Verwendung eines Schirmes oder dergleichen an einer Wasserentnahme oder aus der Fischereiindustrie gesammelt wird, Mittel zur Behandlung des durch den Pyrolyseofen erzeugten Pyrolysegases, um so die Konzentration von Salzsäure- und/oder Schwefel-Verbindungen auf nicht mehr als 10 ppm zu bringen und eine Rohrleitung, die das Reduktionsgas, dessen Konzentration an Salzsäure- und/oder Schwefelverbindungen reduziert wurde, zur Anodenseite des Elektrolysegefäßes zu liefern.
    • 26. Ein Verfahren zur Erzeugung von Wasserstoff durch Lieferung von Dampf an die Kathodenseite und Zuführung eines Reduktionsgases an die Anodenseite einer Hochtemperatur-Dampfelektrolysevorrichtung, in welcher ein Elektrolysegefäß unterteilt ist in die Anodenseite und die Kathodenseite durch einen Festoxidelektrolyt als Diaphragma und Durchführung der Dampfelektrolyse bei hoher Temperatur, wobei das hochreine Wasserstoffproduktionsverfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass ein Teil des Dampfes von einem Kernkraftreaktor eines Kernkraftwerks der Siedewasser-Bauart direkt verwendet wird, als der Dampf, der an die Kathodenseite geliefert wird.
    • 27. Ein Wasserstoffproduktionsverfahren gemäß dem obigen Punkt 26, dadurch gekennzeichnet, dass erzeugtes Pyrolysegas unter Verwendung eines Pyrolyseofens, der in einem Kernkraftwerk installiert ist, welches als Rohmaterial Biomasse verwendet, wie beispielsweise Abfallholz oder Müll, der in dem Kraftwerk oder aus dem umgebenden örtlichen Bereich oder aus Meeresleben, welches durch Verwendung eines Siebes oder dergleichen an einer Wasserentnahme oder aus der Fischereiindustrie gesammelt wird; wird als das Reduktionsgas verwendet und an die Anodenseite geliefert und das Pyrolysegas gereinigt/entstaubt wird durch Verwendung eines Skubbers oder dergleichen, um so die Konzentration von hydrochloriden Säure- und/oder Schwefel-Verbindungen auf nicht mehr als 10 ppm zu bringen.
    • 28. Das Wasserstoffproduktionsverfahren gemäß einem der obigen Punkte 26 oder 27 dadurch gekennzeichnet, dass die an die Wasserstoffproduktionsvorrichtung gelieferte Menge an Dampf von dem Kernkraftwerksreaktor des Kernkraftwerks der Siedewasser-Bauart gesteuert wird, wobei die elektrische Leistungsausgabe des Kernkraftwerks der Siedewasserbauart gesteuert werden kann und darüber hinaus Überschussdampf effizient verwendet wird, um hochreinen Wasserstoff herzustellen und zu speichern.
    • 29. Ein Kernkraftwerkssystem der Siedewasser-Bauart dadurch gekennzeichnet, dass das hergestellte Wasserstoffgas, das durch ein Verfahren hergestellt wird, welches jeden der obigen Punkte 26 bis 28 verwendet, in einem Wasserstoffgasaufnahmetank gespeichert wird, der in einem strahlungsüberwachten Bereich installiert ist und dann ein Primärkühlsystem des Reaktors der Siedewasserbauart eingespritzt wird, um so Spannungskorrosionsrisse im Inneren des Reaktors im Kernreaktor der Siedewasser-Bauart zu vermeiden.
    • 30. Ein Kernkraftwerkssystem der Siedewasser-Bauart dadurch gekennzeichnet, dass das hergestellte Wasserstoffgas, das durch ein Verfahren hergestellt wird, welches jeden der obigen Punkte 26 bis 28 verwendet, in einem Wasserstoffgasaufnahmetank gespeichert wird, der in einem strahlungsüberwachten Bereich installiert ist und dann als Brennstoff für einen Verbrennungsofen für verschiedene radioaktive Feststoffe, die in dem Kernkraftwerk erzeugt werden, verwendet wird.
    • 31. Ein Kernkraftwerkssystem der Siedewasser-Bauart dadurch gekennzeichnet, dass das hergestellte Wasserstoffgas, das durch ein Verfahren hergestellt wird, welches jeden der obigen Punkte 26 bis 28 ver wendet, in einem Wasserstoffgasaufnahmetank gespeichert wird, der in einem strahlungsüberwachten Bereich installiert ist und dann als Generatorkühlmittel verwendet wird.
    • 32. Eine Wasserstoffproduktionsvorrichtung, welche ein Elektrolysegefäß enthält, das unterteilt ist in eine Anodenseite und eine Kathodenseite durch eine Festoxidelektrolytdiaphragma, eine Rohrleitung für die Zulieferung von Reduktionsgas an die Anodenseite des Elektrolysegefäßes und eine Rohleitung zur Lieferung von Dampf an die Kathodenseite des Elektrolysegefäßes und dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil des Dampfes von einem Kernreaktor der Siedewasserbauart als der Dampf verwendet wird, der direkt an die Kathodenseite des Elektrolysegefäßes geliefert wird.
    • 33. Eine Vorrichtung gemäß dem obigen Punkt 32, dadurch gekennzeichnet, dass sie weiterhin einen Pyrolyseofen aufweist, der das Reduktionsgas durch Pyrolyse von Biomasse erzeugt, wie beispielsweise Abfallholz oder Müll, oder Meeresleben, welches durch Verwendung eines Schirmes oder dergleichen an einer Wasserentnahme oder aus der Fischereiindustrie gesammelt wird, Mittel zur Behandlung des durch den Pyrolyseofen erzeugten Pyrolysegases, um so die Konzentration von hydrochloriden Säure- und/oder Schwefel-Verbindungen auf nicht mehr als 10 ppm zu bringen und eine Rohrleitung, die das Reduktionsgas, dessen Konzentration an hydrochloriden Säure- und/oder Schwefelverbindungen reduziert wurde, zur Anodenseite des Elektrolysegefäßes zu liefern.
    • 34. Ein Kernkraftwerkssystem der Siedewasser-Bauart dadurch gekennzeichnet, dass es ein Kernreaktorleistungserzeugungssystem aufweist, die Wasserstoffproduktionsvorrichtung gemäß den obigen Punkten 32 oder 33 und Mittel um den durch die Wasserstoffproduktionsvorrichtung erzeugten Wasserstoff in ein Primärkühlsystem des Reaktors der Siedewasser-Bauart einzuspitzen.
    • 35. Ein Kernkraftwerkssystem der Siedewasser-Bauart dadurch gekennzeichnet, dass es ein Kernreaktorleistungserzeugungssystem aufweist, einen Verbrennungsofen für verschiedene radioaktive Feststoffe, wobei die Wasserstoffproduktionsvorrichtung gemäß den obigen Punkten 32 oder 33 Mittel aufweist, um den durch die Wasserstoffproduktionsvorrichtung erzeugten Wasserstoff als Brennstoff für den Verbrennungsofen zu verwenden.
    • 36. Ein Kernkraftwerkssystem der Siedewasser-Bauart dadurch gekennzeichnet, dass es ein Kernreaktorleistungserzeugungssystem aufweist, die Wasserstoffproduktionsvorrichtung gemäß den obigen Punkten 32 oder 33 und Mittel aufweist, um den durch die Wasserstoffproduktionsvorrichtung erzeugten Wasserstoff an ein Generatorkühlsystem zu liefern.
    • 37. Ein System zur Erzeugung von Wasserstoff durch Lieferung von Dampf an die Kathodenseite und Zuführung eines Reduktionsgases an die Anodenseite einer Hochtemperatur-Dampfelektrolysevorrichtung, in welcher ein Elektrolysegefäß unterteilt ist in die Anodenseite und die Kathodenseite durch einen Festoxidelektrolyt als Diaphragma und Durchführung der Dampfelektrolyse bei hoher Temperatur, wobei das Wasserstoffproduktionssystem dadurch gekennzeichnet ist, dass es Mittel aufweist zum Erhitzen zumindest eines der Reduktionsgase, die an die Anodenseite geliefert und des Dampfes, der an die Kathodenseite geliefert wird.
    • 38. Ein System zur Erzeugung von Wasserstoff durch Lieferung von Dampf an die Kathodenseite und Zuführung eines Reduktionsgases an die Anodenseite einer Hochtemperatur-Dampfelektrolysevorrichtung, in welcher ein Elektrolysegefäß unterteilt ist in die Anodenseite und die Kathodenseite durch einen Festoxidelektrolyt als Diaphragma und Durchführung der Dampfelektrolyse bei hoher Temperatur, wobei das Wasserstoffproduktionssystem dadurch gekennzeichnet ist, dass es Mittel aufweist, um Hitze zurück zu gewinnen von zumindest einem der Hochtemperaturabgase, welche von der Anodenseite abgegeben werden und von Wasserstoffgas mit Hochtemperatur, welches von der Kathodenseite der Hochtemperatur-Dampfelektrolysevorrichtung abgegeben wird.
    • 39. Ein System zur Herstellung von Wasserstoff durch Lieferung von Dampf an die Kathodenseite und Zuführung eines Reduktionsgases an die Anodenseite einer Hochtemperatur-Dampfelektrolysevorrichtung, in welcher ein Elektrolysegefäß unterteilt ist in die Anodenseite und die Kathodenseite durch einen Festoxidelektrolyt als Sperrmembran und Durchführung der Dampfelektrolyse bei hoher Temperatur, wobei das Wasserstoffherstellungssystem dadurch gekennzeichnet ist, dass es Mittel aufweist, zur Rückgewinnung von Wärme von zumindest einem der Hochtemperaturabgase, welche von der Anodenseite abgegeben werden und von dem Wasserstoff enthaltendem Gas mit Hochtemperatur, welches von der Kathodenseite der Hochtemperatur-Dampfelektrolysevorrichtung abgegeben wird.
    • 40. Ein System zur Erzeugung von Wasserstoff durch Lieferung von Dampf an die Kathodenseite und Zuführung eines Reduktionsgases an die Anodenseite einer Hochtemperatur-Dampfelektrolysevorrichtung, in welcher ein Elektrolysegefäß unterteilt ist in die Anodenseite und die Ka thodenseite durch einen Festoxidelektrolyt als Diaphragma und Durchführung der Dampfelektrolyse bei hoher Temperatur, wobei das Wasserstoffproduktionssystem dadurch gekennzeichnet ist, dass es Mittel aufweist, um Wärme zurück zu gewinnen von zumindest einem der Hochtemperaturabgase, welche von der Anodenseite abgegeben werden und von Wasserstoffgas mit Hochtemperatur, welches von der Kathodenseite der Hochtemperatur-Dampfelektrolysevorrichtung abgegeben wird und ferner Mittel aufweist, zum Erhitzen von zumindest einem der an die Anodenseite gelieferten Reduktionsgase und des an die Kathodenseite gelieferten Dampfes der Hochtemperatur-Dampfelektrolysevorrichtung, unter Verwendung der zurück gewonnenen Wärme.
    • 41. Das Wasserstoffproduktionssystem gemäß einem der obigen Punkte 37 bis 40, wobei ein Teil des an die Anodenseite der Hochtemperatur-Dampfelektrolysevorrichtung gelieferten Reduktionsgases abgezweigt und verbrannt wird und der Rest des Reduktionsgases erhitzt wird unter Verwendung der Verbrennungswärme und dann an die Anodenseite der Hochtemperatur-Dampfelektrolysevorrichtung geliefert wird.
    • 42. Das Wasserstoffproduktionssystem gemäß jedem der obigen Punkte 37 bis 40, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass Abwärme, die von einer Abfallbehandlungseinrichtung, von einem Kraftwerk, von einer Wärme verwendenden Einrichtung oder von einer städtischen Infrastruktureinrichtung produziert wird, von Wärme von einem industriellen Ofen, von Wärme aus einer Anlage oder Wärme, die von einer Kohleberwerkseinrichtung erzeugt wird als Wärmequelle verwendet wird zum Erhitzen von zumindest einem der an die Anodenseite der Hochtemperatur-Dampfelektrolysevorrichtung gelieferten Reduktionsgase und des Dampfes.
    • 43. Das Wasserstoffproduktionssystem gemäß jedem der obigen Punkte 37 bis 40, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass der in die Hochtemperatur-Dampfelektrolysevorrichtung gelieferte elektrische Strom von außen geliefert wird.
    • 44. Das Wasserstoffproduktionssystem gemäß jedem der obigen Punkte 37 bis 40, wobei der das erzeugte Wasserstoffgas begleitende Dampf als kondensiertes Wasser zurück gewonnen wird durch Verwendung eines Kondensators und das zurück gewonnene Wasser als Rohwasser für den Hochtemperaturdampf verwendet wird, der in die Hochtemperatur-Dampfelektrolysevorrichtung gespeist wird.
    • 45. Das Wasserstoffproduktionssystem gemäß jedem der obigen Punkte 37 bis 40, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass das von der Anodenseite abgegebene Abgas der Hochtemperatur-Dampfelektrolysevorrichtung verbrannt wird und die Verbrennungswärme zurück gewonnen wird unter Verwendung eines Wärmetauschers und die zurück gewonnene Wärme als Wärmequelle verwendet wird für zumindest eines der an die Anodeseite gelieferten Reduktionsgase und des an die Kathodenseite der Hochtemperatur-Dampfelektrolysevorrichtung gelieferten Dampfes.
    • 46. Das Wasserstoffproduktionssystem gemäß jedem der obigen Punkte 37 bis 40, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass die Abwärme einer Brennstoffzellenleistungserzeugungsvorrichtung, welche Wasserstoff als Brennstoff verwendet unter Verwendung des Wasserstoffproduktionssystems als Wärmequelle, für zumindest eines der an die Anodesei te gelieferten Reduktionsgase und des an die Kathodenseite der Hochtemperatur-Dampfelektrolysevorrichtung gelieferten Dampfes verwendet wird.
    • 47. Das Wasserstoffproduktionssystem gemäß jedem der obigen Punkte 37 bis 40, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass Hochtemperatur-Wasserstoffgas durch Entnahme von Dampf aus dem Wasserstoff enthaltenden Gas mit Hochtemperatur, welches von der Kathodenseite der Hochtemperatur-Dampfelektrolysevorrichtung abgegeben wird, gewonnen wird und dieses Hochtemperatur-Wasserstoffgas wird einer Behandlung in einer Gasleistungsrückgewinnungsvorrichtung unterzogen, um so die thermale Energie des Hochtemperatur-Wasserstoffgases als Leistung oder elektrische Leistung zurück zu gewinnen.
    • 48. Ein Wasserstoffproduktionsverfahren, gemäß jedem der obigen Punkte 37 bis 40, dadurch gekennzeichnet dass Wasserstoff enthaltendes Gas mit Hochtemperatur, welches von der Kathodenseite der Hochtemperatur-Dampfelektrolysevorrichtung abgegeben wird, an eine Dampfturbine geliefert wird, um so die thermale Wärme des Wasserstoff enthaltenden Gases als Leistung oder elektrischen Strom zurück zu gewinnen.
    • 49. Ein Wasserstoffproduktionsverfahren, in welchem ein Festoxidelektrolyt verwendet wird, ein Reduktionsgas an die Anodenseite geliefert wird und Dampf an die Kathodenseite geliefert wird und eine Spannung an die Anodenseite und die Kathodenseite angelegt wird, damit die Sauerstoff-Ionen auf der Anodenseite mit dem Reduktionsgas reagieren können und somit einen Sauerstoff-Ionen-Konzentrationsgradient erzeugen, wobei das Wasserstoffproduktionsverfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass Faul- bzw. Digestionsgas, welches durch Methanfermentation von Abwasser und/oder Abfallwasser und/oder Abfall erzeugt wird, als das Reduktionsgas verwendet wird, das an die Anodenseite geliefert wird.
    • 50. Der Verfahren gemäß obigem Punkt 49, wobei zumindest ein Teil der durch das Wasserstoffproduktionsverfahren erzeugten Wärme zum Erhitzen der Methanfermentation verwendet wird und das durch die Methanfermentation erzeugte Faulgas als das Reduktionsgas verwendet wird, das an die Anodenseite geliefert wird.
    • 51. Das Verfahren gemäß obigem Punkt 49, wobei der durch das Wasserstoffproduktionsverfahren erzeugte Wasserstoff an eine Brennstoffzelle geliefert wird und wobei ein Teil der durch die Brennstoffstelle erzeugte Abwärme zum Erhitzen der Methanfermentation verwendet wird und das durch Methanfermentation erzeugte Faulgas als das an die Anodenseite gelieferte Reduktionsgas verwendet wird.
    • 52. Ein Verfahren zur Leistungserzeugung unter Verwendung einer Brennstoffzelle, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Wasserstoffproduktionsverfahren erzeugter Wasserstoff gemäß jedem der obigen Punkte 49 bis 51 in einer Wasserstoffspeichervorrichtung gespeichert wird und der gespeicherte Wasserstoff als Brennstoff für die Brennstoffzelle verwendet wird.
    • 53. Ein Verfahren zur Leistungserzeugung unter Verwendung einer Brennstoffzelle, in welchem durch das Wasserstoffproduktionsverfahren erzeugter Wasserstoff gemäß jedem der obigen Punkte 49 bis 51 in einer Wasserstoffspeichervorrichtung gespeichert wird, welche ein Wasserstoffspeichermedium verwendet durch Verwendung einer Hydrierungsreaktion und einer Dehydrierungsreaktion und wobei der gespeicherte Wasserstoff als Brennstoff für die Brennstoffzelle verwendet wird und wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass zumindest ein Teil der durch das Wasserstoffproduktionsverfahren erzeugten Abwärme als Wärmequelle verwendet wird, die für die Hydrierungsreaktion, wenn Wasserstoff in dem Wasserstoffspeichermedium gespeichert wird verwendet wird oder als Dehydrierungsreaktion, wenn Wasserstoff von dem Speichermedium freigegeben wird.
    • 54. Das Verfahren gemäß obigem Punkt 53, wobei eine Wasserstoff absorbierende Vermischung oder ein organisches Hydrid verwendet wird, als Wasserstoffspeichermedium.
    • 55. Ein Wasserstoffproduktionssystem, welches ein Elektrolysegefäß aufweist, welches unterteilt ist in eine Anodenseite und eine Kathodenseite durch Verwendung einer Festoxidelektrolytdiaphragma und mit einer Rohrleitung, die Dampf an die Kathodenseite des Elektrolysegefäßes liefert und dadurch gekennzeichnet, dass es ferner einen Methanfermentationstank aufweist zur Durchführung der Methanfermentationsbehandlung an Abwasser und/oder Abfallwasser und/oder Abfall und ferner einer Rohrleitung, welche das Faulgas aus dem Methanfermentationstank an die Anodenseite des Elektrolysegefäßes liefert.
    • 56. Das Wasserstoffproduktionssystem gemäß obigem Punkt 55, welches ferner Mittel aufweist zur Wärmerückgewinnung aus dem Wasserstoff enthaltenden Gas mit Hochtemperatur und/oder Abgas, welches von dem Elektrolysegefäß produziert wird und Mittel zum Liefern von zumindest einem Teil der zurück gewonnenen Wärme als Wärmequelle zur Erhitzung des Methanfermentationstankes.
    • 57. Das Wasserstoffproduktionssystem gemäß obigem Punkt 55, welches weiterhin eine Brennstoffzelle aufweist, eine Rohrleitung, welche den durch das Wasserstoffproduktionssystem erzeugten Wasserstoff an die Brennstoffzelle liefert und mit Mitteln, wodurch zumindest ein Teil der Abwärme, die durch die Brennstoffzelle erzeugt wurde, als Wärmequelle zur Erhitzung des Methanfermentationstanks geliefert wird.
    • 58. Ein Leistungserzeugungssystem, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wasserstoffproduktionssystem gemäß jedem der obigen Punkte 55 bis 57 Mittel aufweist, zum Speichern des durch das Wasserstoffproduktionssystem erzeugten Wasserstoffs, eine Brennstoffzelle und Mittel zum Liefern des durch die Wasserstoffspeichermittel gespeicherten Wasserstoff an die Brennstoffzelle.
    • 59. Das Leistungserzeugungssystem gemäß obigem Punkt 58, wobei eine Wasserstoffspeichervorrichtung, welche ein Wasserstoffspeichermittel verwendet unter Verwendung einer Hydrierungsreaktion und einer Dehydrierungsreaktion, verwendet wird als die Wasserstoffspeichermittel und das Leistungserzeugungssystem weist weiterhin Mittel auf, um zumindest einen Teil der durch das Wasserstoffproduktionsverfahren erzeugten Abwärme als Wärmequelle, erforderlich für die Hydrierungsreaktion, wenn Wasserstoff in dem Wasserstoffspeichermedium gespeichert oder für die Dehydrierungsreaktion, wenn Wasserstoff von dem Speichermedium freigegeben wird, zu liefern.
    • 60. Das Wasserstoffproduktionsverfahren, in welchem ein Festoxidelektrolyt verwendet wird, ein Reduktionsgas an eine Anodenseite geliefert wird und Hochtemperaturdampf an eine Kathodenseite geliefert wird und Sauerstoff-Ionen auf der Anodenseite mit dem Reduktionsgas reagieren, um somit einen Sauerstoff-Ionen-Konzentrationsgradient zu er zeugen und dadurch die Elektrolysespannung zu reduzieren, wobei das Wasserstoffproduktionsverfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass das Reduktionsgas an die Anodenseite geliefert wird, nachdem es durch eine Entschwefelungsvorrichtung behandelt wurde.
    • 61. Das Wasserstoffproduktionsverfahren gemäß obigem Punkt 60, dadurch gekennzeichnet, dass das Reduktionsgas an die Anodenseite geliefert wird, nachdem der Schwefelgehalt auf nicht mehr als 1 ppm, vorzugsweise nicht mehr als 0,1 ppm reduziert wurde und zwar unter Verwendung der Entschwefelungsvorrichtung.
    • 62. Das Wasserstoffproduktionsverfahren gemäß obigen Punkten 60 oder 61, dadurch gekennzeichnet, dass in der Entschwefelungsvorrichtung Aktivholzkohle, Eisen, Nickel und eine Verbindung, die Eisen und Nickel als deren Hauptbestandteile besitzt, ein Metall tragendes Material, in welchem Eisen und Nickel auf Aluminium gestützt sind, ein Kupfer-Zink-Typ Entschwefelungsmaterial, oder ein Kupfer-Zink-Aluminium-Typ Entschwefelungsmaterial, als Entschwefelungsmaterial, verwendet werden.
    • 63. Eine Wasserstoffproduktionsvorrichtung, welches ein Elektrolysegefäß aufweist, welches unterteilt ist in eine Anodenseite und eine Kathodenseite durch Verwendung eines Festoxidelektrolytdiaphragmas und eine Rohrleitung, die Dampf an die Kathodenseite des Elektrolysegefäßes liefert und eine Rohrleitung, die ein Reduktionsgas an die Anodenseite des Elektrolysegefäßes liefert, und dadurch gekennzeichnet, dass eine Entschwefelungsvorrichtung in der Rohrleitung angeordnet ist, welche das Reduktionsgas an die Anodenseite des Elektrolysegefäßes liefert.
    • 64. Das Wasserstoffproduktionsverfahren gemäß obigem Punkt 63, dadurch gekennzeichnet, dass in der Entschwefelungsvorrichtung Aktivholzkohle, Eisen, Nickel, eine Verbindung, die Eisen und Nickel als deren Hauptbestandteile besitzt, ein Metall unterstützendes Material, in welchem Eisen und Nickel auf Aluminium gestützt sind, ein Kupfer-Zink-Typ Entschwefelungsmaterial, oder ein Kupfer-Zink-Aluminium-Typ Entschwefelungsmaterial, als Entschwefelungsmaterial, verwendet werden.23742.
  • Zusammenfassung
  • Eine Hochtemperaturdampfelektrolysevorrichtung verwendet eine Festoxidelektrolytmembran, wobei ein Reduktionsgas an die Anodenseite, und Dampf an die Kathodenseite geliefert wird, wobei Sauerstoff-Ionen auf der Anodenseite mit dem Reduktionsgas reagieren, um so einen Sauerstoff-Ionen-Konzentrationsgradienten zu erzeugen um somit die Elektrolysespannung zu reduzieren, wodurch bei Untersuchungen des Wärmegleichgewichts im Inneren des Elektrolysegefäßes eine optimale Temperatur für das gelieferte Reduktionsgas und den Dampf festgestellt wurde. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Verfahren zur Erzeugung von Wasserstoff durch die Lieferung von Dampf an eine Kathodenseite und eines Reduktionsgases an die Anodenseite einer Hochtemperaturdampf-Elektrolysevorrichtung, wobei ein Elektrolysegefäß in eine Anodenseite und eine Kathodenseite durch Verwendung einer Festoxidelektrolytmembran als ein Diaphragma unterteilt ist und wobei die Durchführung der Dampfelektrolyse bei hoher Temperatur erfolgt und das Wasserstofferzeugungsverfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass das Reduktionsgas und der Dampf, die an das Elektrolysegefäß geliefert werden, auf eine Temperatur in einem Bereich 200 bis 500°C gebracht werden.
  • In 1 besitzen die Bezugszeichen die folgenden Bedeutungen:
    • 1
    Pyrolyseofen
    2
    fluidisiertes Pyrolysebett, Pyrolyse-Fluidisierungsbett
    3
    fluidisiertes Verbrennungsbett, Verbrennung-Fluidisierungsbett,
    4
    Wärmeübertragungsmedium-Bewegungsbett,
    5
    Rohmaterial
    6
    Dampf
    7
    Luft
    8
    Pyrolysegas
    9
    Gasströmungsregulierventil
    10, 11
    Gasleitung oder Gasrohrleitung
    12
    Verbrennungsabgas
    13
    Hochtemperaturdampfelektrolysegefäß
    14
    Festoxid-Elektrolytdiaphragma bzw. poröse Festoxidelektrolytscheidewand bzw. Festoxidelektrolyt-Membran bzw. festelektrolytische Sperrmembran
    15
    Anodenseite
    16
    Kathodenseite
    17
    Elektrische Leistung
    18
    Wechselstrom/Gleichstrom-Umwandler
    19
    Hochtemperaturdampf
    20
    Wasserstoff
    21
    Sauerstoff
    22
    Hochtemperaturabgas
    23
    Wärmetauscher
    24
    Niedertemperaturabgas
    25
    Reinwasser
    26
    Dampfströmungsregulierventil
    27, 28
    Dampfleitung oder Dampfrohrleitung

Claims (15)

  1. Ein Verfahren zur Erzeugung von Wasserstoff durch Lieferung von Dampf an eine Kathodenseite und zur Lieferung von einem reduzierenden Gas (Reduktionsgas) an eine Anodenseite einer Hochtemperaturdampfelektrolysevorrichtung in der ein Elektrolysegefäß unterteilt ist in die Anodenseite und die Kathodenseite durch eine Festoxidelektrolytmembran als Diaphragma und Durchführung der Dampfelektrolyse bei hoher Temperatur, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass das Reduktionsgas und der Dampf, die in das Elektrolysegefäß geliefert werden, eine Temperatur im Bereich von 200 bis 500°C haben.
  2. Das Verfahren zur Erzeugung von Wasserstoff gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das gelieferte Reduktionsgas und der gelieferte Dampf auf eine Temperatur im Bereich von 200 bis 500°C erhitzt werden durch Durchführung eines Wärmetausches mit Hochtemperaturabgas (offgas) und Hochtemperatur-Wasserstoff, der von dem Elektrolysegefäß abgegeben wird.
  3. Das Verfahren zur Erzeugung von Wasserstoff gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das gelieferte Reduktionsgas und der gelieferte Dampf auf eine Temperatur im Bereich von 200 bis 500°C erhitzt werden durch Durchführung eines Wärmetausches mit Abwärme aus einem anderen Prozess.
  4. Das Verfahren zur Erzeugung von Wasserstoff gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das gelieferte Reduktionsgas auf eine Temperatur im Bereich von 200 bis 500°C erhitzt werden durch Hinzufügen von Hochtemperaturgas.
  5. Das Verfahren zur Erzeugung von Wasserstoff gemäß Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das gelieferte Reduktionsgas oder das Gasgemisch aus Reduktionsgas und Hochtemperaturgas und der Dampf auf eine Temperatur im Bereich von 200 bis 500°C erhitzt werden, durch Durchführung eines Wärmetausches mit Hochtemperatur-Abgas (offgas) und Hochtemperatur-Wasserstoff.
  6. Das Verfahren zur Erzeugung von Wasserstoff gemäß Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das gelieferte Reduktionsgas oder das Gasgemisch des Reduktionsgases und Hochtemperaturgases im Bereich von 200 bis 500°C erhitzt werden, durch Durchführung eines Wärmetausches mit Abwärme aus einem anderen Prozess.
  7. Das Verfahren zur Erzeugung von Wasserstoff gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Betrieb mit einer Elektrolysespannung in einem Bereich von 20 bis 40% einer benötigten Energie erfolgt.
  8. Das Verfahren zur Erzeugung von Wasserstoff gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Konzentration von Salzsäure und/oder Schwefelverbindungen in dem gelieferten Reduktiongas auf nicht mehr als 10 ppm gehalten wird.
  9. Das Verfahren zur Erzeugung von Wasserstoff gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das gelieferte Reduktionsgas, ein Reduktionsgas ist, welches durch Pyrolyse organischer Stoffe erzeugt und gereinigt/entstaubt wird unter Verwendung eines Skrubbers oder dergleichen.
  10. Das Verfahren zur Erzeugung von Wasserstoff gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das gelieferte Reduktionsgas, ein Nebenproduktgas, welches durch einen Kokereiofen oder einen Hochofen eines Eisenhüttenwerks erzeugt wird, ist.
  11. Das Verfahren zur Erzeugung von Wasserstoff gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das gelieferte Reduktionsgas, ein Nebenproduktgas aus einer Erdölanlage ist.
  12. Das Verfahren zur Erzeugung von Wasserstoff gemäß Anspruch Punkt 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Pyrolyserohmaterial aus organischen Stoffen Biomasse ist, wie beispielsweise Abfallholz, Müll und Erdölrückstände.
  13. Eine Wasserstoffproduktionsvorrichtung, welche ein Elektrolysegefäß aufweist, das unterteilt ist in eine Anodenseite und in eine Kathodenseite, und zwar durch ein Festoxidelektrolytdiaphragma, eine Rohrleitung zur Lieferung von Reduktionsgas an die Anodenseite des Elektrolysegefäßes und eine Rohrleitung zur Lieferung von Dampf an die Kathodenseite des Elektrolysegefäßes dadurch gekennzeichnet, dass ferner Mittel vorgesehen sind zum Erhitzen des Reduktionsgases und des Dampfes, die in das Elektrolysegefäß geliefert werden, mit einer Temperatur im Bereich von 200 bis 500°C.
  14. Die Wasserstoffproduktionsvorrichtung gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein Strömungssteuerventil in jeder Rohrleitung die das Reduktionsgas an die Anodenseite des Elektrolysegefäßes liefert und der Rohrleitung, die den Dampf an die Kathodenseite des Elektrolysegefäßes liefert, vorgesehen ist, um so die Betriebsbedingungen optimal zu steuern.
  15. Die Wasserstoffproduktionsvorrichtung gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein Temperaturmesser an der Gasauslassleitung auf der Anodenseite und der Kathodenseite des Elektrolysegefäßes vorgesehen ist und dass die Strömungssteuerventile gesteuert werden, um so eine konstante Temperatur zu erzielen.
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JP2004042024A JP2005232524A (ja) 2004-02-18 2004-02-18 固体酸化物電解質を用いた水素製造システム
JP2004042019A JP2005232521A (ja) 2004-02-18 2004-02-18 水素の製造方法及び装置
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102012204985A1 (de) * 2012-03-28 2013-10-02 Siemens Aktiengesellschaft Verfahren und Anordnung für die Hochtemperaturelektrolyse

Families Citing this family (52)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8034219B2 (en) * 2005-12-21 2011-10-11 General Electric Company System and method for the production of hydrogen
US7951283B2 (en) * 2006-07-31 2011-05-31 Battelle Energy Alliance, Llc High temperature electrolysis for syngas production
US20090056225A1 (en) * 2007-08-30 2009-03-05 Chevron U.S.A. Inc. Process for Introducing Biomass Into a Conventional Refinery
US8641991B2 (en) 2007-08-30 2014-02-04 Chevron U.S.A. Inc. Hybrid refinery for co-processing biomass with conventional refinery streams
US8002969B2 (en) * 2007-12-05 2011-08-23 Saudi Arabian Oil Company Upgrading crude oil using electrochemically-generated hydrogen
FR2930770B1 (fr) * 2008-04-30 2011-06-03 Mediterranee Const Ind Installation de production et de distribution d'hydrogene associee a au moins un incinerateur de dechets menagers
US8404099B2 (en) * 2008-09-19 2013-03-26 David E. Fowler Electrolysis of spent fuel pool water for hydrogen generation
CA2771839C (en) * 2009-08-23 2016-02-09 Roger Ferguson Hybrid power plant
KR101834845B1 (ko) 2010-02-22 2018-03-06 어드밴스드 리액터 컨셉트 엘엘씨 긴 리퓨얼 간격을 가진 소형의, 고속 중성자 스펙트럼 원자력 발전소
DE102010013660A1 (de) * 2010-04-01 2011-10-06 Linde Ag Verfahren und Vorrichtung zur Speicherung von Energie
US8877468B2 (en) 2010-09-24 2014-11-04 Anaergia Inc. Method for converting biomass to methane or ethanol
EP2643264A1 (de) * 2010-11-22 2013-10-02 Shell Internationale Research Maatschappij B.V. Verfahren zur produktion von flüssigwasserstoff und elektrizität
EP2739577B1 (de) * 2011-05-30 2019-08-21 Washington State University Verarbeitung von biomasse mittels kombination aus thermochemischer verarbeitung und anaerober faulung
BR112014001813A2 (pt) 2011-07-25 2017-02-21 H2 Catalyst Llc método e sistema de produção de um catalisador para produção de hidrogênio
US9261274B2 (en) * 2011-12-21 2016-02-16 Res Usa, Llc Supplemental fuel to combustor of dual fluidized bed gasifier
WO2013093929A1 (en) * 2011-12-21 2013-06-27 Sounthirarajan Kumarasamy A method and system for generating hydrogen for an internal combustion engine
EP2807123A4 (de) 2012-01-23 2015-08-26 Anaergia Inc Syngasbiomethanisierungsverfahren und anaerobes vergärungssystem
US9623204B2 (en) 2012-08-20 2017-04-18 Hydro Healer, Llc Electrolysis system and apparatus for collecting hydrogen gas
US9656229B2 (en) * 2012-08-21 2017-05-23 Uop Llc Methane conversion apparatus and process using a supersonic flow reactor
US9707530B2 (en) * 2012-08-21 2017-07-18 Uop Llc Methane conversion apparatus and process using a supersonic flow reactor
US10029957B2 (en) * 2012-08-21 2018-07-24 Uop Llc Methane conversion apparatus and process using a supersonic flow reactor
US9689615B2 (en) * 2012-08-21 2017-06-27 Uop Llc Steady state high temperature reactor
US10160697B2 (en) * 2012-08-21 2018-12-25 Uop Llc Methane conversion apparatus and process using a supersonic flow reactor
US9664385B2 (en) * 2012-09-17 2017-05-30 Phillips 66 Company Process for enabling carbon-capture from existing combustion processes
WO2015003273A1 (en) 2013-07-11 2015-01-15 Anaergia Inc. Anaerobic digestion and pyrolysis system
US10316419B2 (en) 2013-10-12 2019-06-11 Newco2Fuels Ltd. System for utilizing excess heat for carrying out electrochemical reactions
CA2944530C (en) 2014-04-14 2023-06-20 Advanced Reactor Concepts LLC Ceramic nuclear fuel dispersed in a metallic alloy matrix
JP6363471B2 (ja) * 2014-10-31 2018-07-25 株式会社東芝 水素製造装置及び水素製造方法
WO2016123714A1 (en) 2015-02-06 2016-08-11 Anaergia Inc. Solid waste treatment with conversion to gas and anaerobic digestion
EP3121261B1 (de) 2015-07-20 2019-05-15 Anaergia Inc. Herstellung von biogas aus organischen materialien
JP6624436B2 (ja) * 2015-12-16 2019-12-25 清水建設株式会社 水素製造方法および水素製造装置
ZA201602521B (en) 2016-03-18 2018-07-25 Anaergia Inc Solid waste processing wih pyrolysis of cellulosic waste
CN108017241B (zh) * 2016-10-28 2021-02-09 中国石油化工股份有限公司 一种市政污泥减量化并同步制氢的方法以及一种市政污泥处理装置
CN108531930B (zh) * 2017-03-06 2020-02-04 林信涌 气体产生器
DE102017007547A1 (de) * 2017-08-10 2019-02-14 Martin GmbH für Umwelt- und Energietechnik Energieerzeugungssystem mit einem Heizkraftwerk und einer Vergärungsanlage und Verfahren zur Energieerzeugung
US10508568B2 (en) * 2018-03-16 2019-12-17 Uop Llc Process improvement through the addition of power recovery turbine equipment in existing processes
CN108313979B (zh) * 2018-03-22 2023-09-26 邵阳学院 一种利用兰炭余热耦合生物质气化制氢的装置
JP7104591B2 (ja) * 2018-09-07 2022-07-21 三菱重工業株式会社 水素製造システム
US11767600B2 (en) 2018-11-06 2023-09-26 Utility Global, Inc. Hydrogen production system
US11761100B2 (en) 2018-11-06 2023-09-19 Utility Global, Inc. Electrochemical device and method of making
US11761096B2 (en) * 2018-11-06 2023-09-19 Utility Global, Inc. Method of producing hydrogen
WO2020146759A1 (en) * 2019-01-09 2020-07-16 Utility Global, Inc. Method of producing hydrogen
CN113631502B (zh) * 2019-01-11 2023-12-05 环球公用事业公司 生产氢气的方法
JP2022522603A (ja) * 2019-01-11 2022-04-20 ユティリティ グローバル，インコーポレイテッド 水素を生成する方法
EP3909089A4 (de) * 2019-01-11 2023-01-11 Utility Global, Inc. Elektrochemische vorrichtung und herstellungsverfahren dafür
CN110066693B (zh) * 2019-04-25 2021-04-16 上海电气集团股份有限公司 一种两段式生物质气化发电系统及其工况切换方法
US11777126B2 (en) 2019-12-05 2023-10-03 Utility Global, Inc. Methods of making and using an oxide ion conducting membrane
WO2022235334A1 (en) * 2021-05-03 2022-11-10 Utility Global, Inc. Hydrogen production system and method of use
GB2619901A (en) 2021-08-06 2023-12-27 Ceres Ip Co Ltd Electrolysis system
CN113753896B (zh) * 2021-10-08 2022-09-13 华陆工程科技有限责任公司 一种利用电能联合逆变换反应实现零碳排放的合成气制备方法
WO2023158716A1 (en) * 2022-02-16 2023-08-24 Ohio State Innovation Foundation Systems and methods for hydrocarbon pyrolysis using moving bed and fluidized bed reactors
US20240124985A1 (en) * 2022-10-14 2024-04-18 Nuscale Power, Llc Small modular nuclear reactor integrated energy systems for in-situ, on-demand hydrogen generation and/or the production of sodium formate

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0441689A (ja) * 1990-06-05 1992-02-12 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 水素製造装置
JP3369192B2 (ja) * 1991-02-14 2003-01-20 日本原子力研究所 向流式電解反応槽
JP3050850B2 (ja) * 1998-08-28 2000-06-12 大阪瓦斯株式会社 燃料電池発電システム
US6051125A (en) * 1998-09-21 2000-04-18 The Regents Of The University Of California Natural gas-assisted steam electrolyzer
JP2004060041A (ja) * 2002-07-25 2004-02-26 Ebara Corp 高純度水素の製造方法及び装置
US7491309B2 (en) * 2005-12-21 2009-02-17 General Electric Company System and method for the production of hydrogen

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102012204985A1 (de) * 2012-03-28 2013-10-02 Siemens Aktiengesellschaft Verfahren und Anordnung für die Hochtemperaturelektrolyse

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