JP2007051328A - Hydrogen production device - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for effectively combining an SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) for increasing the efficiency in a hydrogen production process by water vapor electrolysis utilizing a reducing gas; to provide an effective method for reforming a reducing gas; to provide a method for producing hydrogen; and to provide a device for performing these methods. <P>SOLUTION: In the hydrogen production method, e.g., regarding a method where, in a high temperature water vapor electrolyzer wherein an electrolytic cell is partitioned into an anode chamber and a cathode by a solid oxide electrolyte membrane, water vapor is fed to the cathode chamber, a reducing gas is fed to the anode chamber, and the water vapor is electrolyzed in the cathode chamber, so as to produce hydrogen; a solid oxide fuel cell is driven in parallel with the high temperature water vapor electrolyzer, the exhaust gas exhausted from a fuel chamber in the solid oxide fuel cell is fed to the anode chamber in the high temperature water vapor electrolyzer, and electric power obtained by the solid oxide fuel cell is used as the electric power of the high temperature water vapor electrolyzer. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、水蒸気の高温電解あるいは電気化学的分解により水素を製造する方法及び装置に関するものであり、特に、固体酸化物電解質隔膜によって電解部をアノード側とカソード側に仕切った電解装置のカソード側に水蒸気を供給し、アノード側に還元性のガスを供給して電解を行うことによって、電解電力を低減した電解方法において用いるのに適した電解装置に関するものである。   The present invention relates to a method and apparatus for producing hydrogen by high-temperature electrolysis or electrochemical decomposition of water vapor, and in particular, a cathode side of an electrolysis apparatus in which an electrolysis part is divided into an anode side and a cathode side by a solid oxide electrolyte membrane. The present invention relates to an electrolysis apparatus suitable for use in an electrolysis method with reduced electrolysis power by supplying water vapor to the anode and supplying a reducing gas to the anode side for electrolysis.

水素製造を目的とした水の電解法には、アルカリ水電解、固体高分子水電解、高温水蒸気電解等がある。室温付近で電解されるアルカリ水電解、固体高分子水電解では電解電圧に1.8V以上を必要とし、水素製造に必要な電力量が大きいため、経済的な水素製造法とは言えない。これに対し、固体酸化物電解質を隔膜として用いる高温水蒸気電解法(SOEC)は、高温であるために水の分解に熱エネルギーが利用できるため、電解電圧は1.5V以下に小さくすることができ、水素製造に必要な電力量を低減できる。さらに、最近、電解槽のアノード側に天然ガスを供給することによって、固体酸化物電解質隔膜中をカソード側からアノード側へ移動する酸化物イオン(O2−)をアノード側で反応させて、その化学ポテンシャルを水の分解に使用することにより、大幅に消費電力を低下させることのできる電解法(還元ガス補助固体酸化物電解セル:Deoxidizer Gas Assisted Solid Oxide Electrolysis Cell:本明細書においてはSOECという)が提案されている(特許文献1)。また、本発明者らが出願した特許においては、SOECにおいて、アノード側に供給することのできるガスとしては、天然ガス(メタン)に限定されず、還元性ガスであれば炭化水素、バイオマス由来のガス化ガスあるいは有機物を熱分解して得られるガスでもよいことを示した(特許文献2)。 Water electrolysis methods for the purpose of hydrogen production include alkaline water electrolysis, solid polymer water electrolysis, and high temperature steam electrolysis. Alkaline water electrolysis and solid polymer water electrolysis, which are electrolyzed near room temperature, require an electrolytic voltage of 1.8 V or more, and the amount of electric power required for hydrogen production is large, so it cannot be said to be an economical hydrogen production method. On the other hand, high temperature steam electrolysis (SOEC) using a solid oxide electrolyte as a diaphragm is high in temperature and can use thermal energy for water decomposition, so the electrolysis voltage can be reduced to 1.5 V or less. The amount of power required for hydrogen production can be reduced. Furthermore, recently, by supplying natural gas to the anode side of the electrolytic cell, the oxide ions (O 2− ) moving from the cathode side to the anode side in the solid oxide electrolyte membrane are reacted on the anode side, Electrolysis method that can significantly reduce power consumption by using chemical potential for water decomposition (Deoxidizer Gas Assisted Solid Oxide Electrolysis Cell: referred to as SOEC in this specification) Has been proposed (Patent Document 1). Further, in the patent filed by the present inventors, the gas that can be supplied to the anode side in SOEC is not limited to natural gas (methane). It has been shown that a gasified gas or a gas obtained by pyrolyzing an organic substance may be used (Patent Document 2).

上記特許文献1で提案されている方法では、電解部のアノード側に天然ガスを直接供給して、アノード側に存在する酸化物イオンと反応させて、その反応エネルギーをカソード側での水の分解に利用する。この場合、原理的にはメタンによる復極作用が水の電解電圧を下げるので、理論電解電圧はほぼ0となる。実用的な水電解装置では、これに過電圧を加えた電圧が必要となるが、トータル電圧として約0.5Vで水電解が可能となると上記特許文献1では主張している。しかし、外部から供給する電力は高価であるため、効率的に・安価に電力を得るための水素を製造するという目的を達成するためには、さらにより効率的に・安価に水素を製造できるプロセスが求められている。
米国特許第6,051,125号 特開2004−060041号公報
In the method proposed in Patent Document 1 above, natural gas is directly supplied to the anode side of the electrolysis unit and reacted with oxide ions present on the anode side, and the reaction energy is decomposed in water on the cathode side. To use. In this case, in principle, the depolarization action by methane lowers the electrolysis voltage of water, so the theoretical electrolysis voltage becomes almost zero. In a practical water electrolysis apparatus, a voltage obtained by adding an overvoltage to this is required, but the above-mentioned patent document 1 claims that water electrolysis can be performed at a total voltage of about 0.5V. However, since the electric power supplied from the outside is expensive, in order to achieve the purpose of producing hydrogen for obtaining electric power efficiently and inexpensively, a process that can produce hydrogen more efficiently and inexpensively Is required.
US Pat. No. 6,051,125 JP 2004-060041 A

効率的に電力を得る方法としては、固体酸化物型燃料電池(SOFC)が知られている。したがって、SOFCと還元性ガスを利用する高温水蒸気電解とを組み合わせることで、より効率的な高純度水素製造プロセスが成立すると考えられる。しかし、単に還元性ガス利用高温水蒸気電解用の電源として別個に設置されたSOFCを用いるだけでは、全体プロセスとしての効率化の検討が不十分である。   A solid oxide fuel cell (SOFC) is known as a method for efficiently obtaining electric power. Therefore, it is considered that a more efficient high-purity hydrogen production process can be established by combining SOFC and high-temperature steam electrolysis using a reducing gas. However, simply using SOFC separately installed as a power source for high-temperature steam electrolysis using reducing gas is not enough to study the efficiency of the entire process.

また、高純度水素製造プロセスを構築する際に、還元性ガスとしてメタンなどの炭化水素を用いる場合には、電解槽における電極への炭素析出を抑制するために、原料ガス(還元性ガス)の水蒸気改質あるいは部分酸化改質を行う必要がある。さらに水蒸気改質においては必要な熱の効果的な供給が重要であり、全体のプロセスとして熱供給が効率的に行えることが求められている。   When building a high-purity hydrogen production process, when using hydrocarbons such as methane as the reducing gas, in order to suppress carbon deposition on the electrodes in the electrolytic cell, It is necessary to perform steam reforming or partial oxidation reforming. Furthermore, effective supply of necessary heat is important in steam reforming, and it is required that heat supply can be efficiently performed as an entire process.

本発明は、還元性ガス利用水蒸気電解による水素製造プロセスにおいて、プロセスの高効率化を図るために、効果的にSOFCを組み合わせる方法、効果的な還元性ガスの改質方法、水素の製造方法および装置を提供するものである。   The present invention provides a method for effectively combining SOFCs, an effective reducing gas reforming method, a hydrogen producing method, and a hydrogen producing process in order to achieve high process efficiency in a hydrogen producing process using reducing gas utilizing steam electrolysis. A device is provided.

本発明者らは、上記の課題を解決して効率的に高純度を水素を製造することのできるシステムを提供すべく鋭意研究を重ねた結果、固体酸化物電解質膜を用いた高温水蒸気電解装置によって水素を製造するシステムにおいて、高温水蒸気電解装置と並行して固体酸化物電解質膜を用いた燃料電池を運転し、電解装置のアノード室と燃料電池の燃料室とを連通させて、電解装置の還元性ガスを燃料電池における燃料ガスとしても利用し、且つ燃料電池で発生させた電力を高温水蒸気電解装置の電解用電力として用いることによって、水蒸気電解による水素製造プロセスの効率を向上させることができることを見出し、本発明を完成するに至った。以下に、本発明の構成を説明する。   As a result of intensive studies to solve the above problems and to provide a system capable of efficiently producing high-purity hydrogen, the present inventors have conducted a high-temperature steam electrolysis apparatus using a solid oxide electrolyte membrane. In a system for producing hydrogen by operating a fuel cell using a solid oxide electrolyte membrane in parallel with a high-temperature steam electrolyzer, communicating an anode chamber of the electrolyzer and a fuel chamber of the fuel cell, It is possible to improve the efficiency of the hydrogen production process by steam electrolysis by using the reducing gas also as the fuel gas in the fuel cell and using the power generated in the fuel cell as the power for electrolysis of the high-temperature steam electrolyzer. As a result, the present invention has been completed. The configuration of the present invention will be described below.

まず、本発明において使用される固体酸化物電解質膜を用いた高温水蒸気電解装置による水素の製造装置の基本原理を図1を参照して説明する。
高温水蒸気電解槽1は、固体酸化物電解質の隔膜6によって、アノード(陽極)3を配置したアノード室5と、カソード(陰極)2を配置したカソード室4とに仕切られている。高温水蒸気9を電解槽のカソード室4に、炭化水素などの還元性ガス10を電解槽のアノード室5に供給して、電力7をAC−DC変換器8で直流に変換してアノード3及びカソード2に通電すると、カソード室4に供給された高温水蒸気9は電解作用で水素イオンと酸素イオンに分解される。生成した酸素は酸化物イオン13となって、固体酸化物電解質膜6を選択的に通過してアノード室5に移動する。これによりカソード室4からは水素11が得られる。なお、カソード室4から排出されるガスには水蒸気が含まれている。この水蒸気を凝縮器や吸着乾燥機等によって除去することにより、高純度の水素ガスを得ることができる。アノード室5には炭化水素などの還元性ガス10が供給され、カソード室4から電解質膜6を通って移動してきた酸化物イオン13と還元性ガス10とが反応する。これによって酸素が消費されて、酸化物イオンの濃度勾配の形成に寄与するので、水の電解に必要な電圧が下がり、電力消費量は大幅に低減される。アノード室5からは、二酸化炭素、水蒸気などの反応生成物を含む排ガス12が排出される。
First, the basic principle of a hydrogen production apparatus using a high-temperature steam electrolysis apparatus using a solid oxide electrolyte membrane used in the present invention will be described with reference to FIG.
The high-temperature steam electrolysis cell 1 is partitioned by a solid oxide electrolyte diaphragm 6 into an anode chamber 5 in which an anode (anode) 3 is disposed and a cathode chamber 4 in which a cathode (cathode) 2 is disposed. High-temperature steam 9 is supplied to the cathode chamber 4 of the electrolytic cell, reducing gas 10 such as hydrocarbon is supplied to the anode chamber 5 of the electrolytic cell, and electric power 7 is converted into direct current by the AC-DC converter 8 to convert the anode 3 and When the cathode 2 is energized, the high-temperature steam 9 supplied to the cathode chamber 4 is decomposed into hydrogen ions and oxygen ions by electrolysis. The generated oxygen becomes oxide ions 13 and selectively passes through the solid oxide electrolyte membrane 6 and moves to the anode chamber 5. As a result, hydrogen 11 is obtained from the cathode chamber 4. The gas discharged from the cathode chamber 4 contains water vapor. By removing this water vapor with a condenser, an adsorption dryer or the like, high purity hydrogen gas can be obtained. A reducing gas 10 such as hydrocarbon is supplied to the anode chamber 5, and the oxide ions 13 that have moved from the cathode chamber 4 through the electrolyte membrane 6 react with the reducing gas 10. As a result, oxygen is consumed and contributes to the formation of a concentration gradient of oxide ions, so that the voltage required for water electrolysis is reduced and the power consumption is greatly reduced. From the anode chamber 5, the exhaust gas 12 containing reaction products, such as a carbon dioxide and water vapor | steam, is discharged | emitted.

一方、本発明において使用される固体酸化物電解質膜を用いた燃料電池の基本原理を図2を参照して説明する。
固体酸化物型燃料電池セル31は、固体酸化物電解質の隔膜36によって、燃料室34と空気室35とに仕切られている。電解質膜36の両側には電極32及び33が配置され、負荷(外部回路)を介して電気的に接続されている。電極32及び33は、それぞれ、燃料極、空気極と呼ばれる。炭化水素、水素などを含む燃料ガス37を燃料室34に供給し、酸素又は酸素を含む空気38を空気室35に供給する。空気室に供給された空気中の酸素又は酸は、空気極33から電子を受け取って酸化物イオン41となり、電解質膜36中を拡散して燃料室34に移動する。燃料室34では、燃料ガス37中の水素又は炭化水素が、電解質膜36を通して空気室35から移動してきた酸化物イオン41と反応して水又は二酸化炭素を生成する。この反応の際に放出された電子が燃料極32から外部回路を経て空気極33に移動する。これによって発電が行われる。したがって、燃料極32はアノード(負極)、空気極33はカソード(正極)として機能する。燃料室34からは二酸化炭素、水(水蒸気)などを含む排ガス39が排出され、空気室35からは酸素が減少した空気40が排出される。
On the other hand, the basic principle of the fuel cell using the solid oxide electrolyte membrane used in the present invention will be described with reference to FIG.
The solid oxide fuel cell 31 is partitioned into a fuel chamber 34 and an air chamber 35 by a diaphragm 36 of a solid oxide electrolyte. Electrodes 32 and 33 are disposed on both sides of the electrolyte membrane 36 and are electrically connected via a load (external circuit). The electrodes 32 and 33 are called a fuel electrode and an air electrode, respectively. A fuel gas 37 containing hydrocarbons, hydrogen and the like is supplied to the fuel chamber 34, and oxygen or air 38 containing oxygen is supplied to the air chamber 35. The oxygen or acid in the air supplied to the air chamber receives electrons from the air electrode 33 to become oxide ions 41, diffuses in the electrolyte membrane 36, and moves to the fuel chamber 34. In the fuel chamber 34, hydrogen or hydrocarbons in the fuel gas 37 react with the oxide ions 41 that have moved from the air chamber 35 through the electrolyte membrane 36 to generate water or carbon dioxide. Electrons released during this reaction move from the fuel electrode 32 to the air electrode 33 via an external circuit. This generates electricity. Therefore, the fuel electrode 32 functions as an anode (negative electrode), and the air electrode 33 functions as a cathode (positive electrode). Exhaust gas 39 containing carbon dioxide, water (water vapor) and the like is discharged from the fuel chamber 34, and air 40 with reduced oxygen is discharged from the air chamber 35.

本発明の一態様に係る方法においては、上記に説明した固体酸化物電解質膜を用いた高温水蒸気電解装置と固体酸化物電解質膜を用いた燃料電池とを並行して運転し、固体酸化物型燃料電池の燃料室から排出される排ガスを高温水蒸気電解装置のアノード室に供給する。また、本発明の他の態様に係る方法においては、同様に固体酸化物電解質膜を用いた高温水蒸気電解装置と固体酸化物電解質膜を用いた燃料電池とを並行して運転し、高温水蒸気電解装置のアノード室から排出される排ガスを固体酸化物型燃料電池の燃料室に供給する。即ち、本発明の一態様は、固体酸化物電解質隔膜によって電解槽をアノード室とカソードに仕切った高温水蒸気電解装置のカソード室に水蒸気を供給し、アノード室に還元性ガスを供給して、カソード室において水蒸気の電気分解を行うことによって水素を製造する方法において、高温水蒸気電解装置と並行して固体酸化物型燃料電池を運転し、固体酸化物型燃料電池の燃料室から排出される排ガスを高温水蒸気電解装置のアノード室に供給し、固体酸化物型燃料電池によって得られる電力を高温水蒸気電解装置の電力として用いることを特徴とする水素製造方法に関する。また、本発明の他の態様は、固体酸化物電解質隔膜によって電解槽をアノード室とカソード室に仕切った高温水蒸気電解装置のカソード室に水蒸気を供給し、アノード室に還元性ガスを供給して、カソード室において水蒸気の電気分解を行うことによって水素を製造する方法において、高温水蒸気電解装置と並行して固体酸化物型燃料電池を運転し、高温水蒸気電解装置のアノード室から排出される排ガスを固体酸化物型燃料電池の燃料室に供給し、固体酸化物型燃料電池によって得られる電力を高温水蒸気電解装置の電力として用いることを特徴とする水素製造方法に関する。更に、本発明はかかる水素製造方法を実施するための装置にも関する。即ち、本発明の更に他の態様は、固体酸化物電解質隔膜によって電解槽をアノード室とカソード室に仕切ってアノード室に還元性ガスを供給する高温水蒸気電解装置と、固体酸化物電解質膜によって発電セルを燃料室と空気室に仕切った固体酸化物型燃料電池とから構成される水素製造装置であって、高温水蒸気電解装置のアノード室と固体酸化物型燃料電池の燃料室とが連通しており、固体酸化物型燃料電池によって得られる電力が高温水蒸気電解装置の電解用電力として供給されることを特徴とする水素製造装置に関する。   In the method according to one aspect of the present invention, the high-temperature steam electrolysis apparatus using the solid oxide electrolyte membrane described above and the fuel cell using the solid oxide electrolyte membrane are operated in parallel, and the solid oxide type The exhaust gas discharged from the fuel chamber of the fuel cell is supplied to the anode chamber of the high temperature steam electrolyzer. Further, in the method according to another aspect of the present invention, a high temperature steam electrolysis apparatus using a solid oxide electrolyte membrane and a fuel cell using a solid oxide electrolyte membrane are operated in parallel, and high temperature steam electrolysis is performed. The exhaust gas discharged from the anode chamber of the apparatus is supplied to the fuel chamber of the solid oxide fuel cell. That is, one embodiment of the present invention is to supply water vapor to the cathode chamber of a high-temperature steam electrolysis apparatus in which an electrolytic cell is partitioned into an anode chamber and a cathode by a solid oxide electrolyte diaphragm, and supply a reducing gas to the anode chamber. In a method for producing hydrogen by electrolyzing water vapor in a chamber, a solid oxide fuel cell is operated in parallel with a high temperature steam electrolyzer, and exhaust gas discharged from the fuel chamber of the solid oxide fuel cell is discharged. The present invention relates to a method for producing hydrogen, characterized in that power supplied to an anode chamber of a high-temperature steam electrolyzer and obtained by a solid oxide fuel cell is used as power for the high-temperature steam electrolyzer. In another aspect of the present invention, water vapor is supplied to a cathode chamber of a high-temperature steam electrolysis apparatus in which an electrolytic cell is partitioned into an anode chamber and a cathode chamber by a solid oxide electrolyte membrane, and a reducing gas is supplied to the anode chamber. In the method for producing hydrogen by electrolyzing water vapor in the cathode chamber, the solid oxide fuel cell is operated in parallel with the high temperature steam electrolyzer, and the exhaust gas discharged from the anode chamber of the high temperature steam electrolyzer is The present invention relates to a method for producing hydrogen, characterized in that electric power supplied to a fuel chamber of a solid oxide fuel cell and used by the solid oxide fuel cell is used as electric power for a high temperature steam electrolyzer. The present invention further relates to an apparatus for carrying out such a hydrogen production method. That is, still another aspect of the present invention includes a high-temperature steam electrolysis apparatus that supplies a reducing gas to an anode chamber by partitioning an electrolytic cell into an anode chamber and a cathode chamber by a solid oxide electrolyte membrane, and power generation by a solid oxide electrolyte membrane. A hydrogen production apparatus comprising a solid oxide fuel cell in which a cell is partitioned into a fuel chamber and an air chamber, wherein the anode chamber of the high-temperature steam electrolyzer and the fuel chamber of the solid oxide fuel cell communicate with each other In addition, the present invention relates to a hydrogen production apparatus characterized in that electric power obtained by a solid oxide fuel cell is supplied as electric power for electrolysis of a high-temperature steam electrolysis apparatus.

図3に本発明の一態様に係る水素製造装置の概念を示す。図3に示す水素製造装置は、上流側に固体酸化物型燃料電池31が配置され、下流側に固体酸化物電解質膜を用いた高温水蒸気電解装置1が配置され、燃料電池31の燃料室34から排出される排ガス39が、還元性ガスとして、高温水蒸気電解装置1のアノード室5に供給されるように構成されている。高温水蒸気電解装置1及び燃料電池31の各構成要素に関しては、図1及び図2と同じ参照番号を用いる。また、図1及び図2に関して説明したものと同じメカニズムについては適宜説明を省略する。   FIG. 3 shows a concept of a hydrogen production apparatus according to one embodiment of the present invention. In the hydrogen production apparatus shown in FIG. 3, the solid oxide fuel cell 31 is disposed on the upstream side, the high-temperature steam electrolysis apparatus 1 using the solid oxide electrolyte membrane is disposed on the downstream side, and the fuel chamber 34 of the fuel cell 31 is disposed. The exhaust gas 39 discharged from the exhaust gas 39 is supplied to the anode chamber 5 of the high-temperature steam electrolysis apparatus 1 as a reducing gas. The same reference numerals as those in FIGS. 1 and 2 are used for the components of the high-temperature steam electrolysis apparatus 1 and the fuel cell 31. The description of the same mechanism as that described with reference to FIGS. 1 and 2 will be omitted as appropriate.

固体酸化物型燃料電池31の燃料室34に、炭化水素、水素などを含む還元性ガスを燃料ガス37として供給する。燃料ガスとしてメタンなどの炭化水素を用いる場合には、電極上での炭素析出を抑制するために燃料中に水蒸気を導入して改質触媒層に通してメタンをCO、Hに変化させる水蒸気改質を行ったガスを、燃料ガス37として固体酸化物型燃料電池31の燃料室34に供給することができる。固体酸化物型燃料電池31の空気室35には空気38を供給する。上記に記載したメカニズムによって空気38中の酸化物イオン41が空気室35から固体酸化物電解質膜36を通って燃料室34に移動し、燃料ガス中のCH,CO,Hと反応して、それぞれCO及びH、CO,HOとなる。この反応の際に放出された電子が燃料極32から外部回路を経て空気極33に移動する。これによって発電が行われる。 A reducing gas containing hydrocarbons, hydrogen and the like is supplied as a fuel gas 37 to the fuel chamber 34 of the solid oxide fuel cell 31. When a hydrocarbon such as methane is used as the fuel gas, water vapor is introduced into the fuel to suppress carbon deposition on the electrode and passes through the reforming catalyst layer to change the methane into CO and H 2. The reformed gas can be supplied to the fuel chamber 34 of the solid oxide fuel cell 31 as the fuel gas 37. Air 38 is supplied to the air chamber 35 of the solid oxide fuel cell 31. By the mechanism described above, the oxide ions 41 in the air 38 move from the air chamber 35 through the solid oxide electrolyte membrane 36 to the fuel chamber 34 and react with CH 4 , CO, and H 2 in the fuel gas. , CO and H 2 , CO 2 and H 2 O, respectively. Electrons released during this reaction move from the fuel electrode 32 to the air electrode 33 via an external circuit. This generates electricity.

固体酸化物型燃料電池31の燃料室34から排出される排ガス39は、下流に配置されている固体酸化物電解質膜高温水蒸気電解装置1のアノード室5に供給される。固体酸化物型燃料電池31の燃料室34では、上記のように燃料ガス中のCH,CO,Hが酸素と反応して、それぞれCO及びH、CO,HOとなるが、燃料中の一部のCHなどが反応しているだけであるので、相当割合のCHなどが未反応で排ガス中に残存している。したがって、固体酸化物型燃料電池31の燃料室34からの排ガス39を高温水蒸気電解装置1のアノード室5に供給することで、排ガス39中の還元性ガス成分を有効に利用して水蒸気電解を行うことができる。また、上述の反応によって固体酸化物型燃料電池31の燃料室34において燃料ガスが更に改質されることになるので、高温水蒸気電解装置1における電極への炭素析出をより抑制することができる。高温水蒸気電解装置1のカソード室4には高温の水蒸気9が供給される。図3に示す本発明装置では、前段の固体酸化物型燃料電池31の燃料極32及び空気極33が、それぞれ、後段の高温水蒸気電解装置1のカソード2及びアノード3に接続されている。固体酸化物型燃料電池31は変換効率が高いので、固体酸化物型燃料電池31で発電される電気量によって、固体酸化物電解質膜高温水蒸気電解装置1の運転に必要な電気量を十分に賄うことができる。固体酸化物型燃料電池31から供給された電力によって、上記に説明したメカニズムによって高温水蒸気電解装置1のカソード室4において水蒸気の電気分解が行われ、水素11が製造される。このように、本発明に係る水素製造方法によれば、還元性ガスの一部を用いて固体酸化物型燃料電池によって発電を行なってその電力を水蒸気電解装置に供給し、燃料電池において還元性ガスの改質も行いながら、燃料電池の排ガスを水蒸気電解装置のアノード室に導入することで、水蒸気電解に必要な電力を固体酸化物型燃料電池で効率的に発電すると共に、水蒸気電解装置へ供給する還元性ガスの改質も合わせて行うことができる。本発明によれば、原料ガスとして供給した還元性ガスを利用して固体酸化物型燃料電池で発電し、これによって得られた電力を高温水蒸気電解に用いるため、外部からの電力供給は不要である。さらに固体酸化物型燃料電池の特徴として変換効率が高いため、通常の火力発電による電力を用いた電解に比べて、システム全体として水素への変換効率も向上するというメリットを生む。また、上流の固体酸化物型燃料電池において燃料ガスの改質も合わせて行われるので、下流側の高温水蒸気電解装置には改質されたガスが供給されることになり、原料ガスの改質プロセスを一部省略することができる。 The exhaust gas 39 discharged from the fuel chamber 34 of the solid oxide fuel cell 31 is supplied to the anode chamber 5 of the solid oxide electrolyte membrane high temperature steam electrolyzer 1 disposed downstream. In the fuel chamber 34 of the solid oxide fuel cell 31, as described above, CH 4 , CO, and H 2 in the fuel gas react with oxygen to become CO, H 2 , CO 2 , and H 2 O, respectively. Since only a portion of the CH 4 in the fuel has reacted, a considerable proportion of the CH 4 etc. remains unreacted in the exhaust gas. Therefore, by supplying the exhaust gas 39 from the fuel chamber 34 of the solid oxide fuel cell 31 to the anode chamber 5 of the high temperature steam electrolysis apparatus 1, steam electrolysis can be performed by effectively using the reducing gas component in the exhaust gas 39. It can be carried out. Further, since the fuel gas is further reformed in the fuel chamber 34 of the solid oxide fuel cell 31 by the above-described reaction, carbon deposition on the electrode in the high-temperature steam electrolysis apparatus 1 can be further suppressed. High temperature steam 9 is supplied to the cathode chamber 4 of the high temperature steam electrolysis apparatus 1. In the apparatus of the present invention shown in FIG. 3, the fuel electrode 32 and the air electrode 33 of the solid oxide fuel cell 31 at the front stage are connected to the cathode 2 and the anode 3 of the high-temperature steam electrolysis apparatus 1 at the rear stage, respectively. Since the solid oxide fuel cell 31 has high conversion efficiency, the amount of electricity generated by the solid oxide fuel cell 31 can sufficiently cover the amount of electricity required for the operation of the solid oxide electrolyte membrane high-temperature steam electrolyzer 1. be able to. The electric power supplied from the solid oxide fuel cell 31 causes the electrolysis of water vapor in the cathode chamber 4 of the high-temperature water vapor electrolysis apparatus 1 by the mechanism described above, thereby producing hydrogen 11. Thus, according to the hydrogen production method of the present invention, power is generated by a solid oxide fuel cell using a part of the reducing gas, and the power is supplied to the steam electrolyzer. By introducing the fuel cell exhaust gas into the anode chamber of the steam electrolyzer while reforming the gas, the power required for steam electrolysis is efficiently generated by the solid oxide fuel cell, and to the steam electrolyzer. The supplied reducing gas can also be modified. According to the present invention, power is generated by a solid oxide fuel cell using a reducing gas supplied as a raw material gas, and electric power obtained thereby is used for high-temperature steam electrolysis. is there. Furthermore, since the conversion efficiency is high as a feature of the solid oxide fuel cell, the conversion efficiency to hydrogen as a whole system is improved as compared with the electrolysis using electric power by normal thermal power generation. In addition, since reforming of the fuel gas is also performed in the upstream solid oxide fuel cell, the reformed gas is supplied to the high-temperature steam electrolyzer on the downstream side, and reforming of the raw material gas is performed. Part of the process can be omitted.

また、固体酸化物型燃料電池31では、酸化反応による発熱(化学的な反応熱)と発生電力のオーミックロス(電気抵抗によるジュール熱)のため、大きな熱を発生する。一方、固体酸化物電解質膜高温水蒸気電解装置1は効率的な運転のためには500〜1100℃の高温が必要である。したがって、固体酸化物型燃料電池31の燃料室34から排出される高温の排ガス39を還元性ガスとして高温水蒸気電解装置1のアノード室5に供給することにより、高温水蒸気電解装置1において必要な熱の一部を賄うことができる。更に、固体酸化物型燃料電池31の空気室35から排出される排気40も高温となっており、この排気の熱を、高温水蒸気9の加熱源として利用することができる。更に、上述した改質触媒層を用いる場合には、水蒸気改質が大きな吸熱反応であるので、改質触媒層に速やかに熱を供給することが重要である。本発明方法では、例えば、固体酸化物型燃料電池31の空気室35からの排気40の熱を改質触媒層への供給熱源として利用することもできる。更には、後段の高温水蒸気電解装置1のアノード室5からの排ガス12及びカソード室4からの水素ガス11も高温の状態で排出される。したがって、これらのガスの熱を、高温水蒸気9の加熱源或いは改質触媒層への供給熱源として利用することもでき、熱の利用効率の高いシステムとすることができる。なお、このように、排ガスなどの熱を熱源として再利用して熱利用効率の高いシステムを構築する場合、熱の移動距離が短いほどロスが少なく有効利用できるため、固体酸化物型燃料電池と、高温水蒸気電解装置或いは改質触媒層とを同じ高温容器内に隣接して配置することが望ましい。   Further, the solid oxide fuel cell 31 generates a large amount of heat due to heat generation due to an oxidation reaction (chemical reaction heat) and ohmic cross of generated electric power (joule heat due to electric resistance). On the other hand, the solid oxide electrolyte membrane high-temperature steam electrolysis apparatus 1 requires a high temperature of 500 to 1100 ° C. for efficient operation. Accordingly, by supplying the high-temperature exhaust gas 39 discharged from the fuel chamber 34 of the solid oxide fuel cell 31 to the anode chamber 5 of the high-temperature steam electrolysis apparatus 1 as a reducing gas, heat necessary for the high-temperature steam electrolysis apparatus 1 is obtained. Part of it. Further, the exhaust 40 discharged from the air chamber 35 of the solid oxide fuel cell 31 is also at a high temperature, and the heat of this exhaust can be used as a heating source for the high-temperature steam 9. Furthermore, when the above-described reforming catalyst layer is used, since steam reforming is a large endothermic reaction, it is important to quickly supply heat to the reforming catalyst layer. In the method of the present invention, for example, the heat of the exhaust 40 from the air chamber 35 of the solid oxide fuel cell 31 can be used as a supply heat source to the reforming catalyst layer. Further, the exhaust gas 12 from the anode chamber 5 and the hydrogen gas 11 from the cathode chamber 4 of the subsequent high-temperature steam electrolysis apparatus 1 are also discharged in a high temperature state. Therefore, the heat of these gases can be used as a heat source for the high-temperature steam 9 or a heat source supplied to the reforming catalyst layer, and a system with high heat utilization efficiency can be obtained. In this way, when constructing a system with high heat utilization efficiency by reusing heat from exhaust gas or the like as a heat source, the shorter the heat transfer distance, the less loss and effective use. It is desirable that the high-temperature steam electrolyzer or the reforming catalyst layer be disposed adjacent to the same high-temperature vessel.

図4に本発明の他の態様に係る水素製造装置の概念を示す。図4に示す水素製造装置は、上流側に固体酸化物電解質膜を用いた高温水蒸気電解装置1が配置され、下流側に固体酸化物型燃料電池31が配置され、高温水蒸気電解装置1のアノード室5から排出される排ガス12が燃料ガスとして燃料電池31の燃料室34に供給されるように構成されている。高温水蒸気電解装置1及び燃料電池31の各構成要素に関しては、図1及び図2と同じ参照番号を用いる。また、図1及び図2に関して説明したものと同じメカニズムについては適宜説明を省略する。   FIG. 4 shows a concept of a hydrogen production apparatus according to another aspect of the present invention. In the hydrogen production apparatus shown in FIG. 4, the high-temperature steam electrolysis apparatus 1 using a solid oxide electrolyte membrane is disposed on the upstream side, the solid oxide fuel cell 31 is disposed on the downstream side, and the anode of the high-temperature steam electrolysis apparatus 1 The exhaust gas 12 discharged from the chamber 5 is configured to be supplied to the fuel chamber 34 of the fuel cell 31 as fuel gas. The same reference numerals as those in FIGS. 1 and 2 are used for the components of the high-temperature steam electrolysis apparatus 1 and the fuel cell 31. The description of the same mechanism as that described with reference to FIGS. 1 and 2 will be omitted as appropriate.

固体酸化物電解質膜高温水蒸気電解装置1のアノード室5に炭化水素、水素などを含む還元性ガス10を供給する。ここで、還元性ガス10として、炭化水素を含むガスに水蒸気を導入して改質触媒層に通してメタンなどの炭化水素をCO、Hに変化させる水蒸気改質を行ったガスを用いることができる。高温水蒸気電解装置1のカソード室4には高温の水蒸気9が供給される。後述するように、後段の固体酸化物型燃料電池31で発電された電気が高温水蒸気電解装置の電極2,3に供給され、上記に説明したメカニズムによって高温水蒸気電解装置1のカソード室4において水蒸気の電気分解が行われ、水素ガス11が製造される。固体酸化物電解質膜高温水蒸気電解装置1のアノード室5から排出される排ガス12は、燃料ガスとして、下流に配置された固体酸化物型燃料電池31の燃料室34に供給される。 A reducing gas 10 containing hydrocarbons, hydrogen and the like is supplied to the anode chamber 5 of the solid oxide electrolyte membrane high-temperature steam electrolysis apparatus 1. Here, as the reducing gas 10, a gas subjected to steam reforming that introduces steam into a gas containing hydrocarbons and passes the reforming catalyst layer to change hydrocarbons such as methane into CO and H 2 is used. Can do. High temperature steam 9 is supplied to the cathode chamber 4 of the high temperature steam electrolysis apparatus 1. As will be described later, the electricity generated by the solid oxide fuel cell 31 at the subsequent stage is supplied to the electrodes 2 and 3 of the high-temperature steam electrolysis apparatus, and the water vapor is generated in the cathode chamber 4 of the high-temperature steam electrolysis apparatus 1 by the mechanism described above. The hydrogen gas 11 is produced. The exhaust gas 12 discharged from the anode chamber 5 of the solid oxide electrolyte membrane high-temperature steam electrolysis apparatus 1 is supplied as a fuel gas to the fuel chamber 34 of the solid oxide fuel cell 31 disposed downstream.

高温水蒸気電解装置1のアノード室5では、還元性ガス中のCH,CO,Hが固体酸化物電解質膜6を通して移動してきた酸素と反応して、それぞれCO及びH、CO,HOとなるが、還元性ガス中の一部のCHなどが反応しているだけであるので、相当割合のCHなどが未反応で排ガス中に残存している。したがって、高温水蒸気電解装置1のアノード室5からの排ガスを固体酸化物型燃料電池31の燃料室34に供給することで、排ガス12中の未反応の還元性ガス成分を有効に利用して燃料電池での反応を行うことができる。また、高温水蒸気電解装置1のアノード室5において還元性ガスが改質されることになるので、固体酸化物型燃料電池31における電極への炭素析出を抑制することができる。 In the anode chamber 5 of the high-temperature steam electrolysis apparatus 1, CH 4 , CO, H 2 in the reducing gas reacts with oxygen that has moved through the solid oxide electrolyte membrane 6, and CO, H 2 , CO 2 , H, respectively. Although it becomes 2 O, since only a part of the CH 4 in the reducing gas has reacted, a considerable proportion of CH 4 etc. remains unreacted in the exhaust gas. Therefore, by supplying the exhaust gas from the anode chamber 5 of the high-temperature steam electrolysis apparatus 1 to the fuel chamber 34 of the solid oxide fuel cell 31, fuel that effectively utilizes unreacted reducing gas components in the exhaust gas 12. The reaction in the battery can be performed. In addition, since the reducing gas is reformed in the anode chamber 5 of the high-temperature steam electrolysis apparatus 1, carbon deposition on the electrodes in the solid oxide fuel cell 31 can be suppressed.

固体酸化物型燃料電池31の空気室35には空気38を供給する。上記に記載したメカニズムによって空気38中の酸化物イオン41が空気室35から固体酸化物電解質膜36を通って燃料室34に移動し、燃料ガス中のCH,CO,Hと反応して、それぞれCO及びH、CO,HOとなる。この反応の際に放出された電子が燃料極32から外部回路を経て空気極33に移動する。これによって発電が行われる。 Air 38 is supplied to the air chamber 35 of the solid oxide fuel cell 31. By the mechanism described above, the oxide ions 41 in the air 38 move from the air chamber 35 through the solid oxide electrolyte membrane 36 to the fuel chamber 34 and react with CH 4 , CO, and H 2 in the fuel gas. , CO and H 2 , CO 2 and H 2 O, respectively. Electrons released during this reaction move from the fuel electrode 32 to the air electrode 33 via an external circuit. This generates electricity.

図4に示す本発明装置では、下流の固体酸化物型燃料電池31の燃料極32及び空気極33が、それぞれ、上流側の高温水蒸気電解装置1のカソード2及びアノード3に接続されている。固体酸化物型燃料電池31は変換効率が高いので、固体酸化物型燃料電池31で発電される電気量によって、固体酸化物電解質膜高温水蒸気電解装置1の運転に必要な電気量を十分に賄うことができる。固体酸化物型燃料電池31から供給された電力によって、高温水蒸気電解装置1での電気分解が行われる。このように、本発明に係る水素製造方法によれば、還元性ガスの一部を用いて高温水蒸気電解を行い、還元性ガスの改質も行いながら、高温水蒸気電解装置の排ガスを固体酸化物型燃料電池の燃料室に導入することで、高温水蒸気電解装置と固体酸化物型燃料電池の両方の運転を効率的に行うと共に、水蒸気電解に必要な電力を固体酸化物型燃料電池で効率的に発電することによって、外部からの電力供給を行うことなく高温水蒸気電解装置の運転を行うことができる。さらに固体酸化物型燃料電池の特徴として変換効率が高いため、通常の火力発電による電力を用いた電解に比べて、システム全体として水素への変換効率も向上するというメリットを生む。また、上流の高温水蒸気電解装置において還元性ガスの改質も合わせて行われるので、下流側の固体酸化物型燃料電池には改質されたガスが供給されることになり、原料ガスの改質プロセスを一部省略することができる。   In the apparatus of the present invention shown in FIG. 4, the fuel electrode 32 and the air electrode 33 of the downstream solid oxide fuel cell 31 are connected to the cathode 2 and the anode 3 of the upstream high temperature steam electrolyzer 1, respectively. Since the solid oxide fuel cell 31 has high conversion efficiency, the amount of electricity generated by the solid oxide fuel cell 31 can sufficiently cover the amount of electricity required for the operation of the solid oxide electrolyte membrane high-temperature steam electrolyzer 1. be able to. Electrolysis in the high-temperature steam electrolysis apparatus 1 is performed by the electric power supplied from the solid oxide fuel cell 31. Thus, according to the hydrogen production method of the present invention, high-temperature steam electrolysis is performed using a part of the reducing gas, and reforming of the reducing gas is performed, and the exhaust gas of the high-temperature steam electrolysis apparatus is converted into a solid oxide. By introducing it into the fuel chamber of the fuel cell, both the high-temperature steam electrolyzer and the solid oxide fuel cell can be operated efficiently, and the power required for steam electrolysis can be efficiently achieved by the solid oxide fuel cell. By generating electricity, the high-temperature steam electrolysis apparatus can be operated without externally supplying power. Furthermore, since the conversion efficiency is high as a feature of the solid oxide fuel cell, the conversion efficiency to hydrogen as a whole system is improved as compared with the electrolysis using electric power by normal thermal power generation. In addition, since the reforming of the reducing gas is also performed in the upstream high-temperature steam electrolyzer, the reformed gas is supplied to the downstream solid oxide fuel cell, and the raw material gas is modified. Some quality processes can be omitted.

また、固体酸化物型燃料電池31では、酸化反応による発熱(化学的な反応熱)と発生電力のオーミックロス(電気抵抗によるジュール熱)のため、大きな発熱を発生する。一方、固体酸化物電解質膜高温水蒸気電解装置1は効率的に運転するためには500〜1100℃の高温が必要である。したがって、固体酸化物型燃料電池31の燃料室34から排出される高温の排ガス39及び空気室35から排出される高温の排気40を還元性ガス10や高温水蒸気9の加熱源として利用することによって、システム全体の熱効率を向上させることができる。更に、上述した改質触媒層を用いる場合には、水蒸気改質が大きな吸熱反応であるので、改質触媒層に速やかに熱を供給することが重要である。本発明方法では、例えば、固体酸化物型燃料電池31の燃料室34から排出される高温の排ガス39及び空気室からの高温の排気40の熱を改質触媒層への供給熱源として利用することもできる。更には、高温水蒸気電解装置1のカソード室4からの水素11も高温の状態で排出されるので、この水素ガスの熱を、高温水蒸気9や還元性ガス10の加熱源或いは改質触媒層への供給熱源として利用することもでき、熱の利用効率の高いシステムとすることができる。なお、このように、排ガスなどの熱を熱源として再利用して熱利用効率の高いシステムを構築する場合、熱の移動距離が短いほどロスが少なく有効利用できるため、固体酸化物型燃料電池と、高温水蒸気電解装置或いは改質触媒層とを同じ高温容器内に隣接して配置することが望ましい。   Further, the solid oxide fuel cell 31 generates a large amount of heat due to heat generation due to an oxidation reaction (chemical reaction heat) and ohmic cross of generated power (joule heat due to electric resistance). On the other hand, the solid oxide electrolyte membrane high-temperature steam electrolysis apparatus 1 requires a high temperature of 500 to 1100 ° C. in order to operate efficiently. Therefore, by using the high temperature exhaust gas 39 discharged from the fuel chamber 34 of the solid oxide fuel cell 31 and the high temperature exhaust gas 40 discharged from the air chamber 35 as heating sources for the reducing gas 10 and the high temperature steam 9. The thermal efficiency of the entire system can be improved. Furthermore, when the above-described reforming catalyst layer is used, since steam reforming is a large endothermic reaction, it is important to quickly supply heat to the reforming catalyst layer. In the method of the present invention, for example, the heat of the high-temperature exhaust gas 39 discharged from the fuel chamber 34 of the solid oxide fuel cell 31 and the high-temperature exhaust 40 from the air chamber are used as a heat source supplied to the reforming catalyst layer. You can also. Furthermore, since the hydrogen 11 from the cathode chamber 4 of the high-temperature steam electrolysis apparatus 1 is also discharged at a high temperature, the heat of this hydrogen gas is transferred to the heating source or reforming catalyst layer of the high-temperature steam 9 or the reducing gas 10. It can also be used as a supply heat source, and a system with high heat utilization efficiency can be obtained. In this way, when constructing a system with high heat utilization efficiency by reusing heat from exhaust gas or the like as a heat source, the shorter the heat transfer distance, the less loss and effective use. It is desirable that the high-temperature steam electrolyzer or the reforming catalyst layer be disposed adjacent to the same high-temperature vessel.

本発明にかかる水素製造装置の構成要素である固体酸化物型燃料電池31及び高温水蒸気電解装置1のいずれにおいても、機能発現の最重要部材であるセルは、主に固体電解質隔膜と膜の両面に配置される電極(アノード・カソード)で構成される。固体酸化物電解質としては、酸化物イオンを伝導する、イットリウム、カルシウム、或いはスカンジウムなどを添加した酸化ジルコニウム(YSZ,CSZ、ScSZ)などを用いることができる。   In any of the solid oxide fuel cell 31 and the high-temperature steam electrolysis apparatus 1 that are constituent elements of the hydrogen production apparatus according to the present invention, the cell that is the most important member for function expression is mainly the both surfaces of the solid electrolyte membrane and the membrane. It is comprised by the electrode (anode / cathode) arrange | positioned. As the solid oxide electrolyte, zirconium oxide (YSZ, CSZ, ScSZ) to which yttrium, calcium, scandium or the like that conducts oxide ions is added can be used.

酸化物電解質の伝導性は、高温になるほど良くなるため、通常500〜1100℃の高温で用いることが好ましい。また、抵抗低減のため、酸化物電解質膜はできるだけ薄膜化することが望まれる。   Since the conductivity of the oxide electrolyte improves as the temperature increases, it is usually preferable to use the oxide electrolyte at a high temperature of 500 to 1100 ° C. In addition, it is desirable to make the oxide electrolyte membrane as thin as possible in order to reduce resistance.

電極材料としては、高温酸化雰囲気に曝される側の電極、即ち高温水蒸気電解装置1ではアノード3、固体酸化物型燃料電池31では酸素(空気)が供給される側の電極である空気極33に関しては、導電性酸化物である例えばランタンコバルタイト、ランタンマンガネートなどを用いることができる。また、還元的条件に曝される側の電極、即ち高温水蒸気電解装置1ではカソード2、固体酸化物型燃料電池31では還元性ガスが導入される側の電極である燃料極32の材料としては、高温・還元雰囲気に曝されるため、Ni,Ruなどの金属とセラミックスのサーメットを用いることができる。いずれの電極も、ガスの拡散性を保つため、多孔質材料で形成することが望ましい。   As an electrode material, an air electrode 33 which is an electrode exposed to a high temperature oxidizing atmosphere, that is, an anode 3 in the high temperature steam electrolysis apparatus 1 and an electrode to which oxygen (air) is supplied in the solid oxide fuel cell 31. As for, for example, lanthanum cobaltite and lanthanum manganate which are conductive oxides can be used. In addition, as a material of the electrode 2 on the side exposed to reducing conditions, that is, the cathode 2 in the high temperature steam electrolysis apparatus 1 and the electrode 32 on the solid oxide fuel cell 31 on which the reducing gas is introduced. Since it is exposed to a high temperature / reducing atmosphere, a cermet made of a metal such as Ni or Ru and ceramics can be used. Any electrode is preferably formed of a porous material in order to maintain gas diffusibility.

還元性ガスを利用した高温水蒸気電解では、固体酸化物型燃料電池や単なる高温水蒸気電解とは異なり、アノード側、カソード側ともに還元雰囲気になるため、両方ともに金属サーメット電極を用いてよりシンプルな構成とすることができる。   In high-temperature steam electrolysis using reducing gas, unlike the solid oxide fuel cell and simple high-temperature steam electrolysis, both the anode side and the cathode side have a reducing atmosphere, so both use a metal cermet electrode for a simpler configuration. It can be.

いずれのプロセスにおいても、還元性ガス又は燃料ガスとしては、天然ガスや灯油、メタノールなどの炭化水素やこれらの改質ガス、バイオマス由来のガス化ガスやメタン発酵ガス、あるいはアンモニアガスなどを用いることができる。   In any process, as reducing gas or fuel gas, natural gas, kerosene, hydrocarbons such as methanol, these reformed gases, biomass-derived gasification gas, methane fermentation gas, or ammonia gas should be used. Can do.

還元性ガス又は燃料ガス中に含まれる硫黄化合物は改質触媒や電極の活性を低下させるため、これらの原料ガスに対して前処理として脱硫処理などを行うことが望ましい。この他、原料ガス中に有機珪素化合物などが含まれる場合には、これが高温で分解して無機の粒子となり、多孔質電極の特性を低下させることが懸念されるため、前処理にて吸着除去などを行うことが望ましい。   Since the sulfur compound contained in the reducing gas or the fuel gas reduces the activity of the reforming catalyst and the electrode, it is desirable to perform a desulfurization treatment or the like as a pretreatment on these raw material gases. In addition, when an organic silicon compound is contained in the source gas, it is decomposed at high temperatures to become inorganic particles, which may cause deterioration of the characteristics of the porous electrode. It is desirable to do.

還元性ガス又は燃料ガスに炭化水素系化合物が多く含まれる場合、高温で熱分解して炭素を析出し、この炭素が電極などに悪影響を与えることが考えられるため、水蒸気改質を促進して炭素析出を抑制するために、適当量の水蒸気を添加することが望ましい。   If the reducing gas or fuel gas contains a large amount of hydrocarbon-based compounds, it may be thermally decomposed at a high temperature to precipitate carbon, which may adversely affect the electrodes, etc. In order to suppress carbon deposition, it is desirable to add an appropriate amount of water vapor.

また、原料ガスとして炭化水素ガスを用いる場合には、炭化水素類の水蒸気改質を行って還元性ガス及び水素を含む改質ガスとした後に本発明にかかる水素製造装置に供給することが好ましい。この目的で用いることのできる改質器としては、Ni、Ru、Pt、Rh、Pdなどの金属触媒或いはこれらの合金触媒を単独あるいは複合して、アルミナ、ジルコニア、シリカなどの担体に保持したものを充填した改質触媒層に、加熱下で被処理ガス(原料ガス)及び水蒸気を導入する構成の装置を用いることができる。また、金属触媒としては、上記の他にも、Co,Fe,Cu,Ag,Ir等の合金を用いることもでき、担体としてはセリア、ランタンコバルタイト、ランタンマンガネート、ランタンガレートなどの酸化物を用いることもできる。   Further, when a hydrocarbon gas is used as the raw material gas, it is preferable to supply the hydrogen production apparatus according to the present invention after steam reforming of hydrocarbons to obtain a reformed gas containing a reducing gas and hydrogen. . As the reformer that can be used for this purpose, a metal catalyst such as Ni, Ru, Pt, Rh, Pd or an alloy catalyst thereof is used alone or in combination and is supported on a support such as alumina, zirconia, silica, etc. An apparatus configured to introduce a gas to be processed (raw material gas) and water vapor under heating into the reforming catalyst layer filled with the catalyst can be used. In addition to the above, alloys such as Co, Fe, Cu, Ag, and Ir can be used as the metal catalyst, and oxides such as ceria, lanthanum cobaltite, lanthanum manganate, and lanthanum gallate are used as the support. Can also be used.

また、燃料電池及び/又は水蒸気電解装置に供給する水蒸気及び/又は空気及び/又は原料ガスを加圧することで電流密度を高めることができ、更に水蒸気電解装置から加圧水素を直接得ることもできる。加圧の際の圧力範囲については、大気圧以上300気圧以下であることが好ましいが、加圧する場合には、反応容器を少なくともその圧力に安全マージンを加えた耐圧構造とすることが必要である。   In addition, the current density can be increased by pressurizing the steam and / or air and / or the raw material gas supplied to the fuel cell and / or the steam electrolyzer, and the pressurized hydrogen can be directly obtained from the steam electrolyzer. The pressure range at the time of pressurization is preferably from atmospheric pressure to 300 atm. However, in the case of pressurization, the reaction vessel needs to have a pressure-resistant structure in which a safety margin is added to at least the pressure. .

固体酸化物電解質膜を用いる燃料電池及び高温水蒸気電解装置では、通常、高速の加熱或いは冷却は、熱応力の観点からできるだけ避けることが望ましく、本発明のプロセスにおいても、連続運転によって高速の加熱或いは冷却を避けることが好ましい。   In a fuel cell and a high-temperature steam electrolysis apparatus using a solid oxide electrolyte membrane, it is usually desirable to avoid high-speed heating or cooling as much as possible from the viewpoint of thermal stress. Even in the process of the present invention, high-speed heating or cooling can be performed by continuous operation. It is preferable to avoid cooling.

本発明に係る水素製造装置の起動・停止を行う場合においても注意が必要であり、室温からの起動には時間を要するため、運転を停止する場合においても、例えば温度は150℃以上に保つなどして、昇温時の熱応力の発生を抑制し、起動時間を短縮するなどの方法をとることが望ましい。また、本発明にかかる水素製造装置を連続運転する場合には、製造された水素を貯蔵することが好ましい。水素貯蔵の目的で、高圧ガスボンベ、水素貯蔵合金などを使用することができる。また、発電された電力が余る場合には、二次電池に電力を貯蔵するなどして、水素の必要量の変動に対応することができる。   Care must be taken when starting and stopping the hydrogen production apparatus according to the present invention, and since it takes time to start from room temperature, the temperature is maintained at 150 ° C. or higher, for example, even when the operation is stopped. Thus, it is desirable to take a method of suppressing the generation of thermal stress at the time of temperature rise and shortening the startup time. In addition, when the hydrogen production apparatus according to the present invention is continuously operated, it is preferable to store the produced hydrogen. For the purpose of hydrogen storage, high-pressure gas cylinders, hydrogen storage alloys, and the like can be used. Moreover, when the generated electric power is surplus, it is possible to cope with fluctuations in the required amount of hydrogen by storing electric power in the secondary battery.

本発明にかかる高温水蒸気電解装置と固体酸化物型燃料電池とを組み合わせた水素製造装置の具体的な構成例を図5に示す。以下の図5,6,8,9,10においては、燃料電池及び水蒸気電解装置の各構成要素に関しては、図1〜4で用いた参照番号と同じ番号を用いる。また、また、図1〜4に関して説明したものと同じメカニズムについては適宜説明を省略する。   FIG. 5 shows a specific configuration example of a hydrogen production apparatus in which a high-temperature steam electrolysis apparatus according to the present invention and a solid oxide fuel cell are combined. In the following FIGS. 5, 6, 8, 9, and 10, the same reference numerals as those used in FIGS. 1 to 4 are used for the constituent elements of the fuel cell and the steam electrolysis apparatus. Moreover, description of the same mechanism as that described with reference to FIGS.

図5(a)に示す装置は、容器内に、一端が閉止した円筒形状の固体酸化物電解質膜36、6が配置されて、固体酸化物型燃料電池31、高温水蒸気電解装置1が構成される。円筒形状の固体酸化物電解質膜36、6の両側には電極が配置される(図示せず)。円筒形状の固体酸化物電解質膜36、6の内側には円筒管50を配置して、ガスの流路を形成することができる。燃料電池31を構成する固体酸化物電解質膜36の外側が燃料電池の燃料室34、内側が空気室35として機能し、電解装置1を構成する固体酸化物電解質膜6の外側が電解装置のカソード室4,内側がアノード室5として機能する。燃料電池31の燃料室34と高温水蒸気電解装置1のカソード室4とは仕切りによって区切られている。図5(a)に示す装置においては、円筒形状の固体酸化物電解質膜36の外側の空間と、円筒形状の固体酸化物電解質膜6の内側の空間とが開口51によって連通している。   In the apparatus shown in FIG. 5A, cylindrical solid oxide electrolyte membranes 36 and 6 whose one ends are closed are disposed in a container, so that a solid oxide fuel cell 31 and a high-temperature steam electrolysis apparatus 1 are configured. The Electrodes are arranged on both sides of the cylindrical solid oxide electrolyte membranes 36 and 6 (not shown). A cylindrical tube 50 can be arranged inside the cylindrical solid oxide electrolyte membranes 36 and 6 to form a gas flow path. The outside of the solid oxide electrolyte membrane 36 constituting the fuel cell 31 functions as a fuel chamber 34 and the inside of the fuel cell 31 as an air chamber 35, and the outside of the solid oxide electrolyte membrane 6 constituting the electrolyzer 1 is the cathode of the electrolyzer. The chamber 4 and the inside function as the anode chamber 5. The fuel chamber 34 of the fuel cell 31 and the cathode chamber 4 of the high temperature steam electrolysis apparatus 1 are separated by a partition. In the apparatus shown in FIG. 5A, the space outside the cylindrical solid oxide electrolyte membrane 36 and the space inside the cylindrical solid oxide electrolyte membrane 6 communicate with each other through an opening 51.

図5(a)に示す装置においては、還元性ガス(燃料ガス)37が、燃料電池の燃料室34(円筒形状の固体酸化物電解質膜36の外側)に導入される。一方、円筒形状の固体酸化物電解質膜36の内側に配置された円筒管50には空気38が導入され、空気室35に導かれる。円筒形状の固体酸化物電解質膜36の外側の領域が固体酸化物型燃料電池の燃料室34、円筒形状の固体酸化物電解質膜36の内側の領域が固体酸化物型燃料電池の空気室35として機能し、上記に説明したメカニズムによって反応が進行して燃料極と空気極との間に電力が発生する。発生した電力は、隣の高温水蒸気電解装置1のアノード及びカソードに供給される。空気室35中のガスは空気40として排出される。燃料室34中のガスは、燃料室34下部の開口51から、隣の高温水蒸気電解装置1のアノード室5(円筒形状の固体酸化物電解質膜6の内側)に導かれる。高温水蒸気電解装置1のカソード室4には、高温水蒸気9が導入される。固体酸化物電解質膜6を通してカソード室4からアノード室5への酸化物イオンの移動が起こり、高温水蒸気の電解反応が進行して、水素11が回収される。高温水蒸気電解装置1のアノード室5に導入されたガスは、円筒形状の固体酸化物電解質膜6の内側に配置された円筒管50を通して排ガス12として排出される。   In the apparatus shown in FIG. 5A, a reducing gas (fuel gas) 37 is introduced into a fuel chamber 34 of the fuel cell (outside the cylindrical solid oxide electrolyte membrane 36). On the other hand, air 38 is introduced into the cylindrical tube 50 arranged inside the cylindrical solid oxide electrolyte membrane 36 and guided to the air chamber 35. The region outside the cylindrical solid oxide electrolyte membrane 36 is the fuel chamber 34 of the solid oxide fuel cell, and the region inside the cylindrical solid oxide electrolyte membrane 36 is the air chamber 35 of the solid oxide fuel cell. Functions and the reaction proceeds by the mechanism described above, and electric power is generated between the fuel electrode and the air electrode. The generated electric power is supplied to the anode and cathode of the adjacent high-temperature steam electrolysis apparatus 1. The gas in the air chamber 35 is discharged as air 40. The gas in the fuel chamber 34 is led from the opening 51 below the fuel chamber 34 to the anode chamber 5 (inside the cylindrical solid oxide electrolyte membrane 6) of the adjacent high-temperature steam electrolysis apparatus 1. High temperature steam 9 is introduced into the cathode chamber 4 of the high temperature steam electrolysis apparatus 1. Oxide ions move from the cathode chamber 4 to the anode chamber 5 through the solid oxide electrolyte membrane 6, the electrolytic reaction of high-temperature steam proceeds, and hydrogen 11 is recovered. The gas introduced into the anode chamber 5 of the high-temperature steam electrolysis apparatus 1 is discharged as exhaust gas 12 through a cylindrical tube 50 disposed inside the cylindrical solid oxide electrolyte membrane 6.

図5(b)に示す装置は、開口51の代わりに、燃料電池31を構成する円筒形状の固体酸化物電解質膜36の内側の空間と、電解装置1を構成する円筒形状の固体酸化物電解質膜6の外側の空間とが、円筒管50によって連通している。燃料電池31を構成する固体酸化物電解質膜36の外側が燃料電池の空気室35、内側が燃料室34として機能し、電解装置1を構成する固体酸化物電解質膜6の外側が電解装置のアノード室5,内側がカソード室4として機能する。   In the apparatus shown in FIG. 5B, instead of the opening 51, the space inside the cylindrical solid oxide electrolyte membrane 36 constituting the fuel cell 31 and the cylindrical solid oxide electrolyte constituting the electrolysis apparatus 1 are used. A space outside the membrane 6 communicates with the cylindrical tube 50. The outside of the solid oxide electrolyte membrane 36 constituting the fuel cell 31 functions as an air chamber 35 and the inside of the fuel cell 34 as a fuel chamber 34, and the outside of the solid oxide electrolyte membrane 6 constituting the electrolyzer 1 is the anode of the electrolyzer. The chamber 5 and the inside function as the cathode chamber 4.

図5(b)に示す装置においては、還元性ガス(燃料ガス)37が、円筒形状の固体酸化物電解質膜36の内側(燃料室34)に導かれる。一方、空気38が円筒形状の固体酸化物電解質膜36の外側(空気室35)に導かれる。円筒形状の固体酸化物電解質膜36の外側の領域が燃料電池の空気室35、円筒形状の固体酸化物電解質膜36の内側の領域が燃料電池の燃料室34として機能し、上記に説明したメカニズムによって反応が進行して燃料極と空気極との間に電力が発生する。発生した電力は、隣の高温水蒸気電解装置1のアノード及びカソードに供給される。空気室35中のガスは空気40として排出される。燃料室34中のガスは、円筒形状の固体酸化物電解質膜36の内側に配置された円筒管50を通して、隣の高温水蒸気電解装置1のアノード室5(円筒形状の固体酸化物電解質膜6の外側の領域)に導かれる。電解装置1のカソード室4(円筒形状の固体酸化物電解質膜6の内側の領域)には、円筒管50を通して高温水蒸気9が導入される。固体酸化物電解質膜6を通してカソード室4からアノード室5への酸化物イオンの移動が起こり、高温水蒸気の電解反応が進行して、水素11が回収される。高温水蒸気電解装置1のアノード室5に導入されたガスは、開口52から排ガス12として排出される。   In the apparatus shown in FIG. 5B, reducing gas (fuel gas) 37 is guided to the inside (fuel chamber 34) of a cylindrical solid oxide electrolyte membrane 36. On the other hand, the air 38 is guided to the outside (air chamber 35) of the cylindrical solid oxide electrolyte membrane 36. The region outside the cylindrical solid oxide electrolyte membrane 36 functions as the air chamber 35 of the fuel cell, and the region inside the cylindrical solid oxide electrolyte membrane 36 functions as the fuel chamber 34 of the fuel cell. As a result, the reaction proceeds and electric power is generated between the fuel electrode and the air electrode. The generated electric power is supplied to the anode and cathode of the adjacent high-temperature steam electrolysis apparatus 1. The gas in the air chamber 35 is discharged as air 40. The gas in the fuel chamber 34 passes through the cylindrical tube 50 disposed inside the cylindrical solid oxide electrolyte membrane 36 and passes through the anode chamber 5 (the cylindrical solid oxide electrolyte membrane 6 of the cylindrical solid oxide electrolyte membrane 6). To the outer area). High-temperature water vapor 9 is introduced into the cathode chamber 4 of the electrolysis apparatus 1 (region inside the cylindrical solid oxide electrolyte membrane 6) through the cylindrical tube 50. Oxide ions move from the cathode chamber 4 to the anode chamber 5 through the solid oxide electrolyte membrane 6, the electrolytic reaction of high-temperature steam proceeds, and hydrogen 11 is recovered. The gas introduced into the anode chamber 5 of the high-temperature steam electrolysis apparatus 1 is discharged from the opening 52 as the exhaust gas 12.

図5(c)に示す装置は、燃料電池31を構成する円筒形状の固体酸化物電解質膜36の内側の空間と、電解装置1を構成する円筒形状の固体酸化物電解質膜6の内側の空間とが、円筒管50によって連通している。燃料電池31を構成する固体酸化物電解質膜36の外側が燃料電池31の空気室35、内側が燃料室34として機能し、電解装置1を構成する固体酸化物電解質膜6の外側が高温水蒸気電解装置1のカソード室4、内側がアノード室5として機能する。   The apparatus shown in FIG. 5C is a space inside the cylindrical solid oxide electrolyte membrane 36 constituting the fuel cell 31 and a space inside the cylindrical solid oxide electrolyte membrane 6 constituting the electrolysis apparatus 1. Are communicated by the cylindrical tube 50. The outside of the solid oxide electrolyte membrane 36 constituting the fuel cell 31 functions as the air chamber 35 and the inside of the fuel cell 31 as the fuel chamber 34, and the outside of the solid oxide electrolyte membrane 6 constituting the electrolysis apparatus 1 is the high temperature steam electrolysis. The cathode chamber 4 and the inside of the apparatus 1 function as an anode chamber 5.

図5(c)に示す装置においては、還元性ガス(燃料ガス)37が、円筒形状の固体酸化物電解質膜36の内側(燃料室34)に導かれる。一方、空気38が円筒形状の固体酸化物電解質膜36の外側(空気室35)に導かれる。円筒形状の固体酸化物電解質膜36の外側の領域が固体酸化物型燃料電池31の空気室35、円筒形状の固体酸化物電解質膜36の内側の領域が固体酸化物型燃料電池31の燃料室34として機能し、上記に説明したメカニズムによって反応が進行して燃料極と空気極との間に電力が発生する。発生した電力は、隣の高温水蒸気電解装置1のアノード及びカソードに供給される。空気室35中のガスは空気40として排出される。燃料室34中のガスは、円筒形状の固体酸化物電解質膜36の内側に配置された円筒管50を通して、隣の高温水蒸気電解装置1のアノード室5(円筒形状の固体酸化物電解質膜6の内側の領域)に導かれる。電解装置1のカソード室4(円筒形状の固体酸化物電解質膜6の外側の領域)には、高温水蒸気9が導入される。固体酸化物電解質膜6を通してカソード室4からアノード室5への酸化物イオンの移動が起こり、高温水蒸気の電解反応が進行して、水素11が回収される。高温水蒸気電解装置1のアノード室5に導入されたガスは、円筒管50を通して排ガス12として排出される。   In the apparatus shown in FIG. 5C, a reducing gas (fuel gas) 37 is guided to the inside (fuel chamber 34) of the cylindrical solid oxide electrolyte membrane 36. On the other hand, the air 38 is guided to the outside (air chamber 35) of the cylindrical solid oxide electrolyte membrane 36. The area outside the cylindrical solid oxide electrolyte membrane 36 is the air chamber 35 of the solid oxide fuel cell 31, and the area inside the cylindrical solid oxide electrolyte membrane 36 is the fuel chamber of the solid oxide fuel cell 31. It functions as 34, and reaction advances by the mechanism demonstrated above, and electric power generate | occur | produces between a fuel electrode and an air electrode. The generated electric power is supplied to the anode and cathode of the adjacent high-temperature steam electrolysis apparatus 1. The gas in the air chamber 35 is discharged as air 40. The gas in the fuel chamber 34 passes through the cylindrical tube 50 disposed inside the cylindrical solid oxide electrolyte membrane 36 and passes through the anode chamber 5 (the cylindrical solid oxide electrolyte membrane 6 of the cylindrical solid oxide electrolyte membrane 6). To the inner area). High-temperature water vapor 9 is introduced into the cathode chamber 4 of the electrolysis apparatus 1 (the region outside the cylindrical solid oxide electrolyte membrane 6). Oxide ions move from the cathode chamber 4 to the anode chamber 5 through the solid oxide electrolyte membrane 6, the electrolytic reaction of high-temperature steam proceeds, and hydrogen 11 is recovered. The gas introduced into the anode chamber 5 of the high temperature steam electrolysis apparatus 1 is discharged as the exhaust gas 12 through the cylindrical tube 50.

図5(a)〜(c)では、固体酸化物型燃料電池31を上流側に、高温水蒸気電解装置1を下流側に配置して、固体酸化物型燃料電池31の燃料室34から排出される排ガスを下流の高温水蒸気電解装置1のアノード室5に導入する形態を示しているが、図5(a)〜(c)において、還元性ガス(燃料ガス)37から排ガス12に至る流れを逆に設定すれば、高温水蒸気電解装置1を上流側に、固体酸化物型燃料電池31を下流側に配置して、高温水蒸気電解装置1のアノード室5から排出される排ガスを下流の固体酸化物型燃料電池31の燃料室34に導入するように装置を構成することができる。   5A to 5C, the solid oxide fuel cell 31 is disposed on the upstream side, and the high-temperature steam electrolysis apparatus 1 is disposed on the downstream side, and is discharged from the fuel chamber 34 of the solid oxide fuel cell 31. In FIG. 5A to FIG. 5C, the flow from the reducing gas (fuel gas) 37 to the exhaust gas 12 is shown. If the setting is reversed, the high-temperature steam electrolyzer 1 is disposed on the upstream side and the solid oxide fuel cell 31 is disposed on the downstream side, and the exhaust gas discharged from the anode chamber 5 of the high-temperature steam electrolyzer 1 is solidified downstream. The apparatus can be configured to be introduced into the fuel chamber 34 of the physical fuel cell 31.

なお、図3〜5では、高温水蒸気電解装置又は固体酸化物型燃料電池のいずれか一方を上流側に他方を下流側に配置して高温水蒸気電解と発電とを逐次行う方法を説明したが、一つの反応容器内に高温水蒸気電解装置と固体酸化物型燃料電池の両方を構成して、高温水蒸気電解装置のアノード室と固体酸化物型燃料電池の燃料室とを共通の空間とし、ここに還元性ガスを供給し、電解装置のカソード室に高温水蒸気を、燃料電池の空気室に空気を供給して、高温水蒸気電解反応と燃料電池反応とを同時に進行させることもでき、かかる形態も本発明の範囲内に含まれる。即ち、本発明の他の態様は、固体酸化物電解質隔膜によって電解槽をアノード室とカソード室に仕切った高温水蒸気電解装置のカソード室に水蒸気を供給し、アノード室に還元性ガスを供給して、カソード室において水蒸気の電気分解を行うことによって水素を製造する方法において、電解槽内に、更に、固体酸化物電解質隔膜で仕切った室を形成してこれを固体酸化物型燃料電池の空気室として用い、電解槽のアノード室を固体酸化物型燃料電池の燃料室として併用して供給される還元性ガスを燃料ガスとして用い、空気室に空気を供給することによって高温水蒸気電解装置と並行して固体酸化物型燃料電池を運転し、固体酸化物型燃料電池によって得られる電力を高温水蒸気電解装置の電力として用いることを特徴とする水素製造方法に関する。   In FIGS. 3 to 5, the method of sequentially performing high-temperature steam electrolysis and power generation by arranging either the high-temperature steam electrolysis apparatus or the solid oxide fuel cell on the upstream side and the other on the downstream side has been described. A high-temperature steam electrolyzer and a solid oxide fuel cell are configured in one reaction vessel, and the anode chamber of the high-temperature steam electrolyzer and the fuel chamber of the solid oxide fuel cell are used as a common space. It is also possible to supply reducing gas, supply high-temperature water vapor to the cathode chamber of the electrolyzer, and air to the air chamber of the fuel cell to allow the high-temperature water vapor electrolysis reaction and the fuel cell reaction to proceed simultaneously. Included within the scope of the invention. That is, another aspect of the present invention is to supply water vapor to the cathode chamber of a high-temperature water vapor electrolysis apparatus in which the electrolytic cell is divided into an anode chamber and a cathode chamber by a solid oxide electrolyte membrane, and to supply a reducing gas to the anode chamber. In the method for producing hydrogen by electrolyzing water vapor in the cathode chamber, a chamber partitioned by a solid oxide electrolyte membrane is further formed in the electrolytic cell, and this is formed into an air chamber of the solid oxide fuel cell. In parallel with the high-temperature steam electrolyzer, the reductive gas supplied in combination with the anode chamber of the electrolytic cell as the fuel chamber of the solid oxide fuel cell is used as the fuel gas, and the air is supplied to the air chamber. A hydrogen production method characterized in that a solid oxide fuel cell is operated and the electric power obtained by the solid oxide fuel cell is used as electric power for a high-temperature steam electrolyzer. To.

本発明のかかる形態の方法を実施するための装置の一具体例を図6に示す。図6に示す装置は、図5(a)〜(c)に示す装置と類似の構造であるが、固体酸化物型燃料電池31と高温水蒸気電解装置1との間の仕切をなくして、固体酸化物型燃料電池31を構成する円筒形状の固体酸化物電解質膜36の外側の空間と高温水蒸気電解装置1を構成する円筒形状の固体酸化物電解質膜6の外側の空間とを同一の空間としている。円筒形状の固体酸化物電解質膜36及び6の外側の空間が、それぞれ燃料電池31の燃料室34及び電解装置1のアノード室5として機能する。円筒形状の固体酸化物電解質膜36及び6の内側の空間は、それぞれ燃料電池31の空気室35及び電解装置1のカソード室4として機能する。   A specific example of an apparatus for carrying out the method according to the embodiment of the present invention is shown in FIG. The apparatus shown in FIG. 6 has a structure similar to that shown in FIGS. 5 (a) to 5 (c), but the partition between the solid oxide fuel cell 31 and the high-temperature steam electrolysis apparatus 1 is eliminated, and the apparatus shown in FIG. The space outside the cylindrical solid oxide electrolyte membrane 36 constituting the oxide fuel cell 31 and the space outside the cylindrical solid oxide electrolyte membrane 6 constituting the high-temperature steam electrolysis apparatus 1 are made the same space. Yes. Spaces outside the cylindrical solid oxide electrolyte membranes 36 and 6 function as the fuel chamber 34 of the fuel cell 31 and the anode chamber 5 of the electrolysis apparatus 1, respectively. The spaces inside the cylindrical solid oxide electrolyte membranes 36 and 6 function as the air chamber 35 of the fuel cell 31 and the cathode chamber 4 of the electrolysis apparatus 1, respectively.

還元性ガス(燃料ガス)37が、燃料電池の燃料室34(円筒形状の固体酸化物電解質膜36の外側)に導入される。一方、円筒形状の固体酸化物電解質膜36の内側に配置された円筒管50には空気38が導入され、空気室35に導かれる。円筒形状の固体酸化物電解質膜36の外側の領域が燃料電池の燃料室34、円筒形状の固体酸化物電解質膜36の内側の領域が燃料電池の空気室35として機能し、上記に説明したメカニズムによって反応が進行して燃料極と空気極との間に電力が発生する。発生した電力は、隣の高温水蒸気電解装置1のアノード及びカソードに供給される。空気室35中のガスは空気40として排出される。燃料室34中のガスは、固体酸化物電解質膜36を通って移動してきた酸化物イオンと反応して改質されて、容器内を円筒形状の固体酸化物電解質膜6の外側(高温水蒸気電解装置1のアノード室5として機能する)に移動する。高温水蒸気電解装置1のカソード室4(円筒形状の固体酸化物電解質膜6の内側の領域)には、円筒管50を通して高温水蒸気9が導入される。固体酸化物電解質膜6を通してカソード室4からアノード室5への酸化物イオンの移動が起こり、高温水蒸気の電解反応が進行して、水素11が回収される。高温水蒸気電解装置1のアノード室5内のガスは、排ガス12として排出される。   A reducing gas (fuel gas) 37 is introduced into the fuel chamber 34 of the fuel cell (outside the cylindrical solid oxide electrolyte membrane 36). On the other hand, air 38 is introduced into the cylindrical tube 50 arranged inside the cylindrical solid oxide electrolyte membrane 36 and guided to the air chamber 35. The region outside the cylindrical solid oxide electrolyte membrane 36 functions as the fuel chamber 34 of the fuel cell, and the region inside the cylindrical solid oxide electrolyte membrane 36 functions as the air chamber 35 of the fuel cell. As a result, the reaction proceeds and electric power is generated between the fuel electrode and the air electrode. The generated electric power is supplied to the anode and cathode of the adjacent high-temperature steam electrolysis apparatus 1. The gas in the air chamber 35 is discharged as air 40. The gas in the fuel chamber 34 reacts with the oxide ions that have moved through the solid oxide electrolyte membrane 36 to be reformed, and the inside of the container is outside the cylindrical solid oxide electrolyte membrane 6 (high-temperature steam electrolysis). To function as the anode chamber 5 of the device 1. High-temperature steam 9 is introduced into the cathode chamber 4 (region inside the cylindrical solid oxide electrolyte membrane 6) of the high-temperature steam electrolysis apparatus 1 through the cylindrical tube 50. Oxide ions move from the cathode chamber 4 to the anode chamber 5 through the solid oxide electrolyte membrane 6, the electrolytic reaction of high-temperature steam proceeds, and hydrogen 11 is recovered. The gas in the anode chamber 5 of the high temperature steam electrolysis apparatus 1 is discharged as exhaust gas 12.

本発明の水素製造方法においては、固体酸化物型燃料電池からの電気出力を、高温水蒸気電解装置への電力供給のみではなく外部へも取り出せるようにすることで、外部出力用途のみの発電を行ったり、固体酸化物型燃料電池で発生する電力を全て水蒸気電解に使用して水素を製造したり、或いは中間的に、外部に電力を出力しながら水素を製造することもできる。また、外部に電力を出力しながら水素を製造する場合、外部への出力と水蒸気電解装置への出力との比を任意に制御することができる。さらに、外部より水蒸気電解装置に電力を供給できるようにすれば、固体酸化物型燃料電池での発電能力以上の電力を水蒸気電解装置に供給することによって、水素の製造量を増やすこともできる。   In the hydrogen production method of the present invention, the electric output from the solid oxide fuel cell can be taken out not only to supply power to the high-temperature steam electrolyzer but also to the outside, thereby generating power only for external output. Alternatively, all the electric power generated in the solid oxide fuel cell can be used for steam electrolysis to produce hydrogen, or in the middle, hydrogen can be produced while outputting electric power to the outside. In addition, when hydrogen is produced while outputting electric power to the outside, the ratio between the output to the outside and the output to the steam electrolyzer can be arbitrarily controlled. Furthermore, if electric power can be supplied to the steam electrolyzer from the outside, the amount of hydrogen produced can be increased by supplying the steam electrolyzer with electric power exceeding the power generation capacity of the solid oxide fuel cell.

本発明の水素製造装置の運転制御については、水素製造の全体プロセスに対して固体酸化物型燃料電池における還元性ガスの利用率(又は発電量)を変化させることで、電力需要又は水素需要に合わせた運転を行うことが可能である。例えば、固体酸化物型燃料電池による発電と高温水蒸気電解装置による水素製造量とを、還元性ガス量と電力の需給としてバランスさせ、本発明の装置を効率的な水素製造として用いることはもちろん、固体酸化物型燃料電池による発電を主体にすれば、電解部で余剰となる電力を外部に出力させることもでき、また、固体酸化物型燃料電池による発電量を小さくすることで電解部に必要な電力の一部のみを固体酸化物型燃料電池によって供給し、不足分は外部から供給することにより、水素製造を主体とすることもできる。   Regarding the operation control of the hydrogen production apparatus of the present invention, by changing the utilization rate (or power generation amount) of the reducing gas in the solid oxide fuel cell with respect to the whole process of hydrogen production, the power demand or the hydrogen demand can be met. It is possible to perform combined operation. For example, the power generation by the solid oxide fuel cell and the amount of hydrogen produced by the high-temperature steam electrolyzer are balanced as the amount of reducing gas and the supply and demand of electric power, and of course, the device of the present invention is used for efficient hydrogen production. If power generation using a solid oxide fuel cell is the main component, surplus power can be output to the outside of the electrolysis unit, and it is also necessary for the electrolysis unit to reduce the amount of power generated by the solid oxide fuel cell. Only a part of the electric power is supplied by the solid oxide fuel cell, and the shortage is supplied from the outside, whereby hydrogen production can be mainly used.

本発明の水素製造装置の具体的な運転制御の一例として、水素製造量と外部への電力供給量をバランスさせながら、電力需要の少ない時間帯(例えば夜間)には水素製造を主とし、一方で電力需要の多い時間帯(例えば昼間)には水素製造を抑制して電力の外部出力を主とする、という制御を行うことによって電力需要変動に対応する方法が挙げられる。本発明に係る装置は、このような電力供給−水素製造複合装置として、高効率な分散型システムとして、工場、ビル、及び地域単位において有効に利用することができる。   As an example of specific operation control of the hydrogen production apparatus of the present invention, hydrogen production is mainly performed in a time zone where power demand is low (for example, at night) while balancing the hydrogen production amount and the external power supply amount. In a time zone where power demand is high (for example, during the daytime), there is a method for responding to power demand fluctuations by performing control that suppresses hydrogen production and mainly uses external power output. The apparatus according to the present invention can be effectively used as a power supply-hydrogen production composite apparatus as a highly efficient distributed system in factories, buildings, and local units.

電解に必要な電力を固体酸化物型燃料電池による発電で全てまかなう場合においては、固体酸化物型燃料電池の出力と高温水蒸気電解装置で消費される電力とが等しくなる運転条件にバランスさせることが好ましい。このためには、1つ又は複数の固体酸化物型燃料電池と複数の高温水蒸気電解装置とを組み合わせることが好ましい。   When all the power required for electrolysis is provided by power generation using a solid oxide fuel cell, it is necessary to balance the output of the solid oxide fuel cell with the operating conditions where the power consumed by the high-temperature steam electrolyzer is equal. preferable. For this purpose, it is preferable to combine one or more solid oxide fuel cells with a plurality of high-temperature steam electrolyzers.

例えば、高温水蒸気電解装置を二つ、固体酸化物型燃料電池を一つ配置し、それぞれを直列に電気接続することによって本発明に係る水素製造装置を構成することができる。この場合、電気的接続が全て直列であれば、電気回路全体としての電流は一定(A0)であるため、個々の電解装置にかかる電圧の合計(V1+V2)が燃料電池で出力される電圧(V0)と同じになる電流になるように運転条件を設定するとよい(図7参照)。   For example, the hydrogen production apparatus according to the present invention can be configured by arranging two high-temperature steam electrolyzers and one solid oxide fuel cell and electrically connecting them in series. In this case, if all the electrical connections are in series, the current of the entire electric circuit is constant (A0). Therefore, the total voltage (V1 + V2) applied to each electrolyzer is the voltage (V0) output from the fuel cell. The operating conditions may be set so that the current becomes the same as that of () (see FIG. 7).

固体酸化物型燃料電池で出力される電力は、例えば電流密度が0.2A/cm〜0.5A/cmの時には電圧が0.8〜0.6Vであるのに対し、還元性ガスを利用する高温水蒸気電解に必要な電圧は同じ電流密度で0.5V以下の小さい電圧でよいため、電解装置の配置数をその分多くすることができる。 The power output from the solid oxide fuel cell is, for example, 0.8 to 0.6 V when the current density is 0.2 A / cm 2 to 0.5 A / cm 2 , whereas the reducing gas Since the voltage required for high-temperature steam electrolysis using the same voltage may be as low as 0.5 V or less at the same current density, the number of electrolysis devices can be increased accordingly.

例えば図7のように、一つの燃料電池に対して電解装置を2セット接続すれば、燃料電池で利用される還元性ガスは、電解装置で反応する還元性ガスの半分程度になる(燃料電池での還元性ガスの利用率は、計算上、装置全体で利用する還元性ガスの3分の1程度である)。電解装置の数を増した場合、その分電解装置での還元性ガス利用率が高まるメリットはあるが、流れる電流は小さくなるため、電解装置1つ当たりの水素製造量が少なくなる。したがって、電解装置の接続数については、燃料電池での発電量に合わせて適切に設定することが望ましい。具体的には、例えば、燃料電池の還元性ガス利用率を変化させて燃料電池の出力全体を調整したり、燃料電池から電解装置へ供給する電力量を調整したり、複数の電解装置を配置してそれらの接続形式を変化させるなどの方法を採用することによって、燃料電池と電解装置との接続形態を好適に設計することができる。   For example, as shown in FIG. 7, when two sets of electrolyzers are connected to one fuel cell, the reducing gas used in the fuel cell is about half of the reducing gas reacted in the electrolyzer (fuel cell). The utilization rate of the reducing gas at 1 is about one third of the reducing gas used in the whole apparatus in calculation). Increasing the number of electrolyzers has the advantage of increasing the reducing gas utilization rate in the electrolyzer, but the flowing current is reduced, so the amount of hydrogen produced per electrolyzer decreases. Therefore, it is desirable that the number of electrolyzers connected is appropriately set according to the amount of power generated by the fuel cell. Specifically, for example, by changing the reducing gas utilization rate of the fuel cell, the entire output of the fuel cell is adjusted, the amount of power supplied from the fuel cell to the electrolyzer is adjusted, or a plurality of electrolyzers are arranged. By adopting a method such as changing the connection form, the connection form between the fuel cell and the electrolyzer can be suitably designed.

また、前述のように、高温熱源である燃料電池から水蒸気電解装置への熱供給を速やかに行うことがプロセス効率向上に繋がる。
一つ又は複数の燃料電池と複数の水蒸気電解装置とを組み合わせて本発明に係る水素製造装置を構成する場合の、各要素の配置およびガスの流し方についての好ましい具体例を図8,9に示す。本発明においては、熱源となる燃料電池から電解装置への熱移動性を高めるため、燃料電池と電解装置とを交互に近接して配置すると共に、ガスの流れと熱の流れを合わせるなどの工夫を行うことが効果的である。図8、9では、一つの容器内に、図5,6で説明したような一端が閉止されている円筒形状の固体酸化物電解質膜を複数個配置することによって燃料電池及び水蒸気電解装置を構成し、円筒形状の固体酸化物電解質膜の外側の空間を、燃料電池の燃料室及び電解装置のアノード室として共通に使用し、円筒形状の固体酸化物電解質膜の内側の空間を燃料電池の空気室又は電解装置のカソード室として使用する。図8,9においても、燃料電池及び水蒸気電解装置の各構成要素に関しては、図1〜6で用いた参照番号と同じ番号を用いる。また、ガスの流れ及び各箇所における反応については図5,6に関して詳しく説明したものと同様であるので、説明は省略する。
Further, as described above, promptly supplying heat from the fuel cell, which is a high-temperature heat source, to the steam electrolysis apparatus leads to an improvement in process efficiency.
FIGS. 8 and 9 show preferred specific examples of arrangement of elements and gas flow when a hydrogen production apparatus according to the present invention is configured by combining one or a plurality of fuel cells and a plurality of steam electrolyzers. Show. In the present invention, in order to improve the heat mobility from the fuel cell as a heat source to the electrolyzer, the fuel cell and the electrolyzer are alternately arranged close to each other and the gas flow and the heat flow are combined. It is effective to do. 8 and 9, a fuel cell and a steam electrolyzer are configured by arranging a plurality of cylindrical solid oxide electrolyte membranes having one end closed as described in FIGS. 5 and 6 in one container. The space outside the cylindrical solid oxide electrolyte membrane is commonly used as the fuel chamber of the fuel cell and the anode chamber of the electrolysis device, and the space inside the cylindrical solid oxide electrolyte membrane is used as the air for the fuel cell. Used as a chamber or a cathode chamber of an electrolyzer. 8 and 9, the same reference numerals as those used in FIGS. 1 to 6 are used for the components of the fuel cell and the steam electrolysis apparatus. Further, the gas flow and the reaction at each location are the same as those described in detail with reference to FIGS.

図8に示す装置では、高温水蒸気電解装置の還元性ガス37の入り口に燃料電池を直交して設置した例を示す。導入された還元性ガス37は、燃料電池部31において反応(発電を伴う反応)を行いながら改質及び高温化し、電解装置部1に還元性ガスとして供給されて、電解装置部1において高温水蒸気9から水素11が製造される反応が行われる。これにより、水素製造装置内での熱の再利用効率を高めることができる。   In the apparatus shown in FIG. 8, the example which installed the fuel cell orthogonally at the entrance of the reducing gas 37 of a high temperature steam electrolyzer is shown. The introduced reducing gas 37 is reformed and heated while undergoing a reaction (reaction involving power generation) in the fuel cell unit 31, supplied as a reducing gas to the electrolyzer unit 1, and heated in the electrolyzer unit 1 with high-temperature steam. A reaction for producing hydrogen 11 from 9 is performed. Thereby, the reuse efficiency of the heat | fever in a hydrogen production apparatus can be improved.

また、図9では、一つの容器内に燃料電池部31と電解装置部1とを同列に隣接して配置した例を示す。この形態では、水素製造装置全体に亘って燃料電池から電解装置への熱伝導性を高めることができる。   FIG. 9 shows an example in which the fuel cell unit 31 and the electrolyzer unit 1 are arranged adjacent to each other in one container. In this embodiment, the thermal conductivity from the fuel cell to the electrolyzer can be enhanced over the entire hydrogen production apparatus.

図9のように、一つの容器内に複数の燃料電池31と複数の電解装置1とを同列に隣接して配置する場合には、図10に示すような種々の配置の仕方が考えられる。図10(c),(d)においては、それぞれの円は燃料電池又は電解装置のいずれかを指す。   As shown in FIG. 9, when a plurality of fuel cells 31 and a plurality of electrolyzers 1 are arranged adjacent to each other in one container, various arrangements as shown in FIG. 10 are conceivable. 10C and 10D, each circle indicates either a fuel cell or an electrolyzer.

また、本発明においては、固体酸化物型燃料電池の燃料室と高温水蒸気電解装置のアノード室との間にガス改質器を配置することもできる。具体的には、前段に固体酸化物型燃料電池が配される場合には、固体酸化物型燃料電池の燃料室から排出される排ガスをガス改質器に導入すると共に、ガス改質器に更に炭化水素ガス(燃料ガス)及び水蒸気を導入して加熱下で燃料の水蒸気改質を行い、得られる改質ガスを後段の高温水蒸気電解装置のアノード室に還元性ガスとして導入することができる。また、前段に高温水蒸気電解装置が配される場合には、高温水蒸気電解装置のアノード室から排出される排ガスをガス改質器に導入すると共に、ガス改質器に更に炭化水素ガス(燃料ガス)及び水蒸気を導入して加熱下で燃料の水蒸気改質を行い、得られる改質ガスを後段の固体酸化物型燃料電池の燃料室に燃料ガスとして供給することができる。このような目的で使用されるガス改質器としては、上述で説明したような、Ni、Ru、Pt、Rh、Pdなどの金属触媒或いはこれらの合金触媒を単独あるいは複合して、アルミナ、ジルコニア、シリカなどの担体に保持したものを充填した改質触媒層に、加熱下で被処理ガス(原料ガス)及び水蒸気を導入する構成の装置を用いることができる。   In the present invention, a gas reformer can be disposed between the fuel chamber of the solid oxide fuel cell and the anode chamber of the high-temperature steam electrolysis apparatus. Specifically, when a solid oxide fuel cell is arranged in the previous stage, exhaust gas discharged from the fuel chamber of the solid oxide fuel cell is introduced into the gas reformer and Further, hydrocarbon gas (fuel gas) and water vapor are introduced to perform steam reforming of the fuel under heating, and the resulting reformed gas can be introduced as a reducing gas into the anode chamber of the subsequent high-temperature steam electrolyzer. . When a high-temperature steam electrolysis apparatus is arranged in the previous stage, exhaust gas discharged from the anode chamber of the high-temperature steam electrolysis apparatus is introduced into the gas reformer, and hydrocarbon gas (fuel gas) is further added to the gas reformer. ) And steam are introduced to perform steam reforming of the fuel under heating, and the resulting reformed gas can be supplied as a fuel gas to the fuel chamber of the solid oxide fuel cell in the subsequent stage. As the gas reformer used for such a purpose, as described above, a metal catalyst such as Ni, Ru, Pt, Rh, Pd or an alloy catalyst thereof may be used alone or in combination, and alumina, zirconia may be used. An apparatus having a configuration in which a gas to be treated (raw material gas) and water vapor are introduced under heating into a reforming catalyst layer filled with a carrier such as silica can be used.

このような態様にかかる装置の具体的構成例を図11及び図12に示す。なお、図11及び12の装置において、図3及び4と同じ要素については同じ番号を付し、説明を省略する。   Specific configuration examples of the apparatus according to such an embodiment are shown in FIGS. 11 and 12, the same elements as those in FIGS. 3 and 4 are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.

図11は、固体酸化物型燃料電池を上流側、高温水蒸気電解装置を下流側に設置し、固体酸化物型燃料電池の燃料室34と高温水蒸気電解装置のアノード室5との間に改質器91を設置している。また、固体酸化物型燃料電池31の前段にも改質器95を配置して、メタンなどの炭化水素を改質器95で水蒸気改質した改質ガス37を固体酸化物型燃料電池の燃料室34に供給することもできる。改質器91には、還元性アノードガスの原料としてメタンなどの炭化水素及び水蒸気92を供給して、原料ガスの水蒸気改質を行う。また、固体酸化物型燃料電池の燃料室34から排出される排ガス39を改質器91に導入する。水蒸気改質には、例えばメタン1モルに対してHOが2.5モル以上必要であるが、固体酸化物型燃料電池の燃料室34から排出される排ガス39を改質器91に導入することで、排ガス39中に含まれる高温水蒸気をそのまま利用することができる。メタン1モルを用いて後段の固体酸化物型燃料電池31を発電させた場合、反応率を80%と仮定すると、燃料室のオフガス39にはHOが3.9モル含まれる。後段の高温水蒸気電解装置において2モルのメタンを用いる場合、水蒸気としてはHOが5モル分必要になるが、3.9モル分がオフガス39から供給されるため、追加で供給するHO量は、1.1モルでよいことになる。また、オフガス39中には、未反応の燃料ガスが20%、計算上はCOが0.2モル、水素が0.6モル含まれている。これも高温水蒸気電解装置1のアノード室5に導入されるため、高温水蒸気電解装置1での反応率を80%と仮定すると、(0.2+0.6)モル×0.8(反応率)=0.64モル分、高純度水素の製造量を増やすことができる。 In FIG. 11, the solid oxide fuel cell is installed on the upstream side and the high temperature steam electrolyzer is installed on the downstream side, and reforming is performed between the fuel chamber 34 of the solid oxide fuel cell and the anode chamber 5 of the high temperature steam electrolyzer. A container 91 is installed. In addition, a reformer 95 is also arranged in front of the solid oxide fuel cell 31, and a reformed gas 37 obtained by steam reforming hydrocarbons such as methane with the reformer 95 is used as a fuel for the solid oxide fuel cell. It can also be supplied to the chamber 34. The reformer 91 is supplied with a hydrocarbon such as methane and steam 92 as a raw material for the reducing anode gas, and performs steam reforming of the raw material gas. Further, exhaust gas 39 discharged from the fuel chamber 34 of the solid oxide fuel cell is introduced into the reformer 91. For steam reforming, for example, 2.5 mol or more of H 2 O is required for 1 mol of methane, but exhaust gas 39 discharged from the fuel chamber 34 of the solid oxide fuel cell is introduced into the reformer 91. By doing so, the high-temperature steam contained in the exhaust gas 39 can be used as it is. When the subsequent solid oxide fuel cell 31 is generated using 1 mol of methane, assuming that the reaction rate is 80%, the off gas 39 in the fuel chamber contains 3.9 mol of H 2 O. When 2 mol of methane is used in the subsequent high-temperature steam electrolyzer, 5 mol of H 2 O is required as the water vapor, but 3.9 mol is supplied from the off-gas 39, so that additional H 2 is supplied. The amount of O may be 1.1 mol. The off-gas 39 contains 20% of unreacted fuel gas, 0.2 mol of CO and 0.6 mol of hydrogen in calculation. Since this is also introduced into the anode chamber 5 of the high temperature steam electrolysis apparatus 1, assuming that the reaction rate in the high temperature steam electrolysis apparatus 1 is 80%, (0.2 + 0.6) mol × 0.8 (reaction rate) = The amount of high-purity hydrogen produced can be increased by 0.64 mol.

また、このような構成の装置の熱収支について考察する。図11において各装置での熱収支を示す。ここでは以下のような物質バランスで運転が行われると仮定する。固体酸化物型燃料電池31の前段に更に改質器を配置して、96としてメタン1モルと水2.5モルを供給してCO 1モル、H 3モル、HO 1.5モルの改質ガスを調製する。これを固体酸化物型燃料電池31の燃料室34に供給して反応を行わせ、CO 0.8モル、CO 0.2モル、H 0.6モル、HO 3.9モルのオフガス39が燃料室34から排出される。このオフガス39を改質器91に供給すると共に、改質器91に更に92としてメタン2モル及びHO 1.1モルを追加供給してガス改質を行い、CO 2.2モル,H 6.6モル,HO 3モル,CO 0.8モルの改質ガス93を得る。この改質ガス93を高温水蒸気電解装置1のアノード室5に供給する。 In addition, the heat balance of the apparatus having such a configuration will be considered. In FIG. 11, the heat balance in each apparatus is shown. Here, it is assumed that the operation is performed with the following material balance. Further upstream of the solid oxide fuel cell 31 by placing the reformer, CO 1 mole to supply methane 1 mole of water 2.5 mol of 96, H 2 3 moles, H 2 O 1.5 moles The reformed gas is prepared. This was done and the reaction was supplied to the fuel chamber 34 of the solid oxide fuel cell 31, CO 2 0.8 mol, CO 0.2 mol, H 2 0.6 mol, H 2 O 3.9 moles of Off-gas 39 is discharged from the fuel chamber 34. The off-gas 39 is supplied to the reformer 91, and further, 2 moles of methane and 1.1 mole of H 2 O are additionally supplied to the reformer 91 as 92 to perform gas reforming, and CO 2.2 mol, H 2 6.6 mol, H 2 O 3 mol, CO 2 0.8 mol of reformed gas 93 is obtained. This reformed gas 93 is supplied to the anode chamber 5 of the high temperature steam electrolysis apparatus 1.

改質器91及び95では、水蒸気改質反応のための熱と、夫々の原料ガス、特に水から高温水蒸気を生成するための熱が必要となる。また、改質器91では、2モルのメタンを改質するに当たり、451kJの熱供給が必要となる。これに対し、固体酸化物型燃料電池31での発熱量が328kJ、高温水蒸気電解装置1での発熱量が0.3Vの過電圧のとき408kJ、0.2Vの時272kJであり、両方の熱を利用することで、改質反応に必要な熱量をすべて賄うことができ、更に水の加熱などにも用いることができる。改質器95については、オフガス中に含まれる燃料ガスを触媒燃焼することでも、熱を供給することができる。装置全体の熱収支は、吸熱量のトータルが1612kJであるのに対して、発熱量のトータルが1850kJであり、外部から熱を供給することなく装置を運転して水素製造を行うことができる。   The reformers 91 and 95 require heat for the steam reforming reaction and heat for generating high-temperature steam from the respective raw material gases, particularly water. Further, the reformer 91 needs to supply 451 kJ of heat when reforming 2 mol of methane. On the other hand, the calorific value in the solid oxide fuel cell 31 is 328 kJ, the calorific value in the high-temperature steam electrolysis apparatus 1 is 408 kJ when the overvoltage is 0.3 V, and 272 kJ when the voltage is 0.2 V. By using it, it is possible to cover all the amount of heat necessary for the reforming reaction, and it can also be used for heating water. The reformer 95 can also supply heat by catalytic combustion of the fuel gas contained in the off gas. The total heat balance of the entire apparatus is 1612 kJ, whereas the total calorific value is 1850 kJ, and hydrogen can be produced by operating the apparatus without supplying heat from the outside.

なお、改質器91に固体酸化物型燃料電池および高温水蒸気電解装置から熱を迅速に供給するために、改質器91の触媒層を固体酸化物型燃料電池及び/又は高温水蒸気電解装置のセル容器内に設置することも効果的である。   In order to quickly supply heat from the solid oxide fuel cell and the high temperature steam electrolyzer to the reformer 91, the catalyst layer of the reformer 91 is used as a solid oxide fuel cell and / or a high temperature steam electrolyzer. It is also effective to install in a cell container.

図12は、高温水蒸気電解装置を上流側、固体酸化物型燃料電池を下流側に設置し、高温水蒸気電解装置のアノード室5と固体酸化物型燃料電池の燃料室34の間に改質器101を設置している。また、高温水蒸気電解装置1の前段にも改質器105を配置して、メタンなどの炭化水素106を改質器105で水蒸気改質した改質ガス10を高温水蒸気電解装置のアノード室5に供給することもできる。改質器101には、燃料電池用の原料ガスとしてメタンなどの炭化水素102を供給して、原料ガスの水蒸気改質を行う。また、高温水蒸気電解装置のアノード室5から排出される排ガス12を改質器101に導入する。高温水蒸気電解装置1において2モルのメタンを用いて電解を行った場合、反応率を80%と仮定すると、計算上、アノード室のオフガスにはHOが7.8モル、Hが2モル、COが0.4モル、COが1.6モル含まれることになる。改質器101では、メタン1モルを改質する場合にHOが2.5モル必要であるが、高温水蒸気電解装置1のアノード室5のオフガス12の約1/3〜1/2を改質器に導入すれば、オフガス12中の高温水蒸気でHO量は充足するので、水蒸気を系外から導入することなしにガス改質反応を行うことができる。また、アノード室5のオフガス12中のH 0.4モルとCO約0.13モルも固体酸化物型燃料電池の燃料室に供給されるので、発電量が増す。 FIG. 12 shows a high-temperature steam electrolyzer installed upstream and a solid oxide fuel cell installed downstream, and a reformer between the anode chamber 5 of the high-temperature steam electrolyzer and the fuel chamber 34 of the solid oxide fuel cell. 101 is installed. In addition, a reformer 105 is also arranged in front of the high temperature steam electrolysis apparatus 1, and the reformed gas 10 obtained by steam reforming a hydrocarbon 106 such as methane with the reformer 105 is supplied to the anode chamber 5 of the high temperature steam electrolysis apparatus. It can also be supplied. The reformer 101 is supplied with a hydrocarbon 102 such as methane as a raw material gas for a fuel cell, and performs steam reforming of the raw material gas. Further, the exhaust gas 12 discharged from the anode chamber 5 of the high-temperature steam electrolysis apparatus is introduced into the reformer 101. When performing electrolysis using two moles of methane in high temperature steam electrolysis apparatus 1, assuming the reaction rate of 80%, on calculation, H 2 O is 7.8 mol to off-gas of the anode chamber, H 2 2 Mole, 0.4 mol of CO, and 1.6 mol of CO 2 are contained. In the reformer 101, 2.5 mol of H 2 O is required when reforming 1 mol of methane, but about 1/3 to 1/2 of the off gas 12 in the anode chamber 5 of the high temperature steam electrolysis apparatus 1 is reduced. If introduced into the reformer, the amount of H 2 O is satisfied by the high-temperature steam in the off-gas 12, so that the gas reforming reaction can be performed without introducing steam from outside the system. Moreover, since 0.4 mol of H 2 and about 0.13 mol of CO in the off gas 12 of the anode chamber 5 are also supplied to the fuel chamber of the solid oxide fuel cell, the amount of power generation is increased.

改質器101での吸熱量は約225kJであり、固体酸化物型燃料電池セルでの発熱でも十分まかなえるため、固体酸化物型燃料電池のセル容器の中に改質触媒層を設けることで熱収支をとることができる。一方、改質器105の反応に必要な熱量を全て高温水蒸気電解装置の発熱でまかなうことはできないため、例えば、改質器105を分割し、外部改質器と高温水蒸気電解装置セル容器内の内部改質器を設けることにより、高温水蒸気電解装置内での熱バランスを取るようにすることが熱効率を高める上で効果的である。また、改質器105の加熱用に高温水蒸気電解装置のオフガスを燃焼させて得られる熱を利用してもよい。   The amount of heat absorbed by the reformer 101 is about 225 kJ, and even heat generated by the solid oxide fuel cell can be adequately covered. Therefore, heat is provided by providing a reforming catalyst layer in the cell container of the solid oxide fuel cell. You can get a balance. On the other hand, since the amount of heat required for the reaction of the reformer 105 cannot be entirely covered by the heat generated by the high-temperature steam electrolyzer, for example, the reformer 105 is divided and the external reformer and the high-temperature steam electrolyzer cell container By providing an internal reformer, it is effective to increase the thermal efficiency to balance the heat in the high-temperature steam electrolyzer. Further, heat obtained by burning off-gas of the high-temperature steam electrolysis apparatus may be used for heating the reformer 105.

高温水蒸気電解装置のアノード室と固体酸化物型燃料電池の燃料室との間に改質器を配置する具体的な幾つかの形態を図13〜14に示す。図13aは、図5aに示す構成の装置において固体酸化物型燃料電池の燃料室34のガス出口部分に改質器110を配置している。図13bは、図6に示す構成の装置において固体酸化物型燃料電池の燃料室34と高温水蒸気電解装置のアノード室5との間に改質器110を配置している。いずれの形態においても、燃料室34の排出ガスが改質器110に導入されると共に、改質器110に更に原料ガス及び水蒸気111が導入され、改質されたガスが高温水蒸気電解装置のアノード室5に導入される。   Several specific embodiments in which the reformer is disposed between the anode chamber of the high-temperature steam electrolysis apparatus and the fuel chamber of the solid oxide fuel cell are shown in FIGS. FIG. 13a shows a reformer 110 disposed in the gas outlet portion of the fuel chamber 34 of the solid oxide fuel cell in the apparatus having the configuration shown in FIG. 5a. FIG. 13b shows a reformer 110 disposed between the fuel chamber 34 of the solid oxide fuel cell and the anode chamber 5 of the high-temperature steam electrolysis apparatus in the apparatus having the configuration shown in FIG. In any form, the exhaust gas of the fuel chamber 34 is introduced into the reformer 110, and further, the raw material gas and the water vapor 111 are introduced into the reformer 110, and the reformed gas becomes the anode of the high temperature steam electrolyzer. It is introduced into the chamber 5.

また、図14aは、図8に示す構成の装置において、固体酸化物型燃料電池の燃料室34と高温水蒸気電解装置のアノード室5との間に改質器110を配置している。また、図14bは、図9に示す構成の装置において、固体酸化物型燃料電池の燃料室34と高温水蒸気電解装置のアノード室5との間に改質器110を配置している。いずれの形態においても、上流側の装置の排ガスが改質器110に導入されると共に、改質器110に更に原料ガス及び必要な場合には水蒸気111が導入され、改質されたガスが下流側の装置に導入される。   Further, FIG. 14a shows that the reformer 110 is disposed between the fuel chamber 34 of the solid oxide fuel cell and the anode chamber 5 of the high temperature steam electrolyzer in the apparatus having the configuration shown in FIG. Further, FIG. 14b shows that the reformer 110 is disposed between the fuel chamber 34 of the solid oxide fuel cell and the anode chamber 5 of the high-temperature steam electrolysis apparatus in the apparatus having the configuration shown in FIG. In any form, the exhaust gas from the upstream apparatus is introduced into the reformer 110, and further, the raw material gas and, if necessary, the water vapor 111 are introduced into the reformer 110, and the reformed gas flows downstream. It is introduced in the side device.

図13及び14に示す形態においては、熱源となる後段の固体酸化物型燃料電池セルあるいは高温水蒸気電解装置セルからの改質触媒層への熱移動性を高めるため、これらを同一容器内に収納し、交互に近接・配置すると共に、ガスの流れと熱の流れを合わせるなどの工夫を行うことが好ましい。改質触媒層を、高温水蒸気電解装置と固体酸化物型燃料電池の隔壁に設けることで、両方のセルからの伝熱を高めることもできる。   In the form shown in FIGS. 13 and 14, in order to improve the heat mobility from the subsequent solid oxide fuel cell or high-temperature steam electrolyzer cell serving as a heat source to the reforming catalyst layer, they are accommodated in the same container. In addition, it is preferable to devise such as arranging the gas flow and the heat flow in close proximity and arrangement alternately. By providing the reforming catalyst layer on the partition walls of the high-temperature steam electrolyzer and the solid oxide fuel cell, heat transfer from both cells can be enhanced.

本発明の実施形態は以下の通りである。
1.固体酸化物電解質隔膜によって電解槽をアノード室とカソードに仕切った高温水蒸気電解装置のカソード室に水蒸気を供給し、アノード室に還元性ガスを供給して、カソード室において水蒸気の電気分解を行うことによって水素を製造する方法において、高温水蒸気電解装置と並行して固体酸化物型燃料電池を運転し、固体酸化物型燃料電池の燃料室から排出される排ガスを高温水蒸気電解装置のアノード室に供給し、固体酸化物型燃料電池によって得られる電力を高温水蒸気電解装置の電力として用いることを特徴とする水素製造方法。
Embodiments of the present invention are as follows.
1. Water vapor is supplied to the cathode chamber of a high-temperature steam electrolysis apparatus in which the electrolytic cell is divided into an anode chamber and a cathode by a solid oxide electrolyte membrane, and a reducing gas is supplied to the anode chamber to perform electrolysis of water vapor in the cathode chamber. In the method for producing hydrogen by the operation, the solid oxide fuel cell is operated in parallel with the high temperature steam electrolyzer, and the exhaust gas discharged from the fuel chamber of the solid oxide fuel cell is supplied to the anode chamber of the high temperature steam electrolyzer And a method for producing hydrogen, wherein the electric power obtained by the solid oxide fuel cell is used as electric power for the high-temperature steam electrolyzer.

2.固体酸化物電解質隔膜によって電解槽をアノード室とカソード室に仕切った高温水蒸気電解装置のカソード室に水蒸気を供給し、アノード室に還元性ガスを供給して、カソード室において水蒸気の電気分解を行うことによって水素を製造する方法において、高温水蒸気電解装置と並行して固体酸化物型燃料電池を運転し、高温水蒸気電解装置のアノード室から排出される排ガスを固体酸化物型燃料電池の燃料室に供給し、固体酸化物型燃料電池によって得られる電力を高温水蒸気電解装置の電力として用いることを特徴とする水素製造方法。   2. Water vapor is supplied to the cathode chamber of a high-temperature steam electrolysis apparatus in which the electrolytic cell is divided into an anode chamber and a cathode chamber by a solid oxide electrolyte membrane, and a reducing gas is supplied to the anode chamber to perform electrolysis of water vapor in the cathode chamber. In the method for producing hydrogen, the solid oxide fuel cell is operated in parallel with the high temperature steam electrolyzer, and the exhaust gas discharged from the anode chamber of the high temperature steam electrolyzer is supplied to the fuel chamber of the solid oxide fuel cell. A method for producing hydrogen, characterized in that the electric power supplied and obtained by a solid oxide fuel cell is used as electric power for a high-temperature steam electrolyzer.

3.固体酸化物電解質隔膜によって電解槽をアノード室とカソード室に仕切った高温水蒸気電解装置のカソード室に水蒸気を供給し、アノード室に還元性ガスを供給して、カソード室において水蒸気の電気分解を行うことによって水素を製造する方法において、電解槽内に、更に、固体酸化物電解質隔膜で仕切った室を形成してこれを固体酸化物型燃料電池の空気室として用い、電解槽のアノード室を固体酸化物型燃料電池の燃料室として併用して供給される還元性ガスを燃料ガスとして用い、空気室に空気を供給することによって高温水蒸気電解装置と並行して固体酸化物型燃料電池を運転し、固体酸化物型燃料電池によって得られる電力を高温水蒸気電解装置の電力として用いることを特徴とする水素製造方法。   3. Water vapor is supplied to the cathode chamber of a high-temperature steam electrolysis apparatus in which the electrolytic cell is divided into an anode chamber and a cathode chamber by a solid oxide electrolyte membrane, and a reducing gas is supplied to the anode chamber to perform electrolysis of water vapor in the cathode chamber. In the method for producing hydrogen, a chamber partitioned by a solid oxide electrolyte membrane is further formed in the electrolytic cell, and this is used as an air chamber of the solid oxide fuel cell, and the anode chamber of the electrolytic cell is solid. The solid oxide fuel cell is operated in parallel with the high-temperature steam electrolyzer by using the reducing gas supplied in combination as the fuel chamber of the oxide fuel cell as the fuel gas and supplying air to the air chamber. A method for producing hydrogen, characterized in that electric power obtained by a solid oxide fuel cell is used as electric power for a high-temperature steam electrolyzer.

4.炭化水素ガスを水蒸気改質にかけて還元性ガス及び水素を含む改質ガスに転化させ、得られた改質ガスを固体酸化物型燃料電池の燃料室に供給する上記第1項又は第3項に記載の方法。   4). In the first or third item, the hydrocarbon gas is subjected to steam reforming to be converted into a reformed gas containing a reducing gas and hydrogen, and the obtained reformed gas is supplied to the fuel chamber of the solid oxide fuel cell. The method described.

5.炭化水素ガスを水蒸気改質にかけて還元性ガス及び水素を含む改質ガスに転化させ、得られた改質ガスを高温水蒸気電解装置のアノード室に供給する上記第2項又は第3項に記載の方法。   5. The hydrocarbon gas is subjected to steam reforming to be converted into a reformed gas containing a reducing gas and hydrogen, and the obtained reformed gas is supplied to the anode chamber of the high-temperature steam electrolysis apparatus according to the above item 2 or 3. Method.

6.固体酸化物型燃料電池の燃料室から排出される排ガスを水蒸気改質にかけ、得られた改質ガスを高温水蒸気電解装置のアノード室に供給する上記第1項又は第3項又は第4項に記載の方法。   6). In the first, third, or fourth item, the exhaust gas discharged from the fuel chamber of the solid oxide fuel cell is subjected to steam reforming, and the resulting reformed gas is supplied to the anode chamber of the high-temperature steam electrolyzer. The method described.

7.高温水蒸気電解装置のアノード室から排出される排ガスを水蒸気改質にかけ、得られた改質ガスを固体酸化物型燃料電池の燃料室に供給する上記第2項〜第4項のいずれかに記載の方法。   7). The exhaust gas discharged from the anode chamber of the high-temperature steam electrolysis apparatus is subjected to steam reforming, and the obtained reformed gas is supplied to the fuel chamber of the solid oxide fuel cell according to any one of the above items 2 to 4. the method of.

8.水蒸気改質を、Ni、Ru、Pt、Rh、Pdなどの金属触媒或いはこれらの合金触媒を単独あるいは複合して、アルミナ、ジルコニア、シリカなどの担体に保持した触媒を充填した触媒層を用いて行う上記第4項〜第7項のいずれかに記載の方法。   8). Steam reforming is performed using a catalyst layer filled with a catalyst such as alumina, zirconia, or silica, which is a single or composite of metal catalysts such as Ni, Ru, Pt, Rh, and Pd, or an alloy catalyst thereof. 8. The method according to any one of items 4 to 7 above.

9.固体酸化物型燃料電池で発生する熱を高温水蒸気電解装置の加熱用の熱源として用いる上記第1項〜第8項のいずれかに記載の方法。
10.固体酸化物電解質隔膜によって電解槽をアノード室とカソード室に仕切ってアノード室に還元性ガスを供給する高温水蒸気電解装置と、固体酸化物電解質膜によって発電セルを燃料室と空気室に仕切った固体酸化物型燃料電池とから構成される水素製造装置であって、高温水蒸気電解装置のアノード室と固体酸化物型燃料電池の燃料室とが連通しており、固体酸化物型燃料電池によって得られる電力が高温水蒸気電解装置の電解用電力として供給されることを特徴とする水素製造装置。
9. The method according to any one of Items 1 to 8, wherein heat generated in the solid oxide fuel cell is used as a heat source for heating the high-temperature steam electrolyzer.
10. A high-temperature steam electrolyzer that partitions an electrolytic cell into an anode chamber and a cathode chamber by a solid oxide electrolyte membrane and supplies a reducing gas to the anode chamber, and a solid in which a power generation cell is partitioned into a fuel chamber and an air chamber by a solid oxide electrolyte membrane A hydrogen production apparatus comprising an oxide fuel cell, wherein an anode chamber of a high-temperature steam electrolyzer and a fuel chamber of a solid oxide fuel cell communicate with each other, and can be obtained by a solid oxide fuel cell A hydrogen production apparatus characterized in that electric power is supplied as electric power for electrolysis of a high-temperature steam electrolysis apparatus.

11.固体酸化物電解質隔膜によって電解槽をアノード室とカソード室に仕切ってアノード室に還元性ガスを供給しカソード室に高温水蒸気を供給する高温水蒸気電解装置において、電解槽内に、更に、固体酸化物電解質隔膜で仕切った室を形成してこれを固体酸化物型燃料電池の空気室として用い、電解槽のアノード室を固体酸化物型燃料電池の燃料室として併用して供給される還元性ガスを燃料ガスとして用い、空気室に空気を供給することによって高温水蒸気電解装置と並行して固体酸化物型燃料電池が運転されるように構成されており、固体酸化物型燃料電池によって得られる電力が高温水蒸気電解装置の電力として供給されることを特徴とする水素製造装置。   11. In a high-temperature steam electrolysis apparatus that divides an electrolytic cell into an anode chamber and a cathode chamber by a solid oxide electrolyte membrane, supplies a reducing gas to the anode chamber, and supplies high-temperature water vapor to the cathode chamber. A chamber partitioned by an electrolyte membrane is formed and used as an air chamber of a solid oxide fuel cell. A reducing gas supplied by using an anode chamber of an electrolytic cell as a fuel chamber of a solid oxide fuel cell is used. It is configured so that the solid oxide fuel cell is operated in parallel with the high-temperature steam electrolyzer by supplying air to the air chamber as fuel gas, and the electric power obtained by the solid oxide fuel cell is A hydrogen production apparatus characterized by being supplied as electric power for a high-temperature steam electrolysis apparatus.

12.炭化水素ガスを水蒸気改質にかけて還元性ガス及び水素を含む改質ガスに転化させるガス改質器を更に具備し、ガス改質器の改質ガス排出口が高温水蒸気電解装置のアノード室又は固体酸化物型燃料電池の燃料室に接続されている上記第10項又は第11項に記載の水素製造装置。   12 A gas reformer that converts the hydrocarbon gas into a reformed gas containing a reducing gas and hydrogen by steam reforming, wherein the reformed gas discharge port of the gas reformer is an anode chamber or a solid of a high-temperature steam electrolyzer Item 12. The hydrogen production apparatus according to Item 10 or 11, connected to a fuel chamber of an oxide fuel cell.

13.高温水蒸気電解装置のアノード室と固体酸化物型燃料電池の燃料室との間に炭化水素ガスを水蒸気改質にかけるガス改質器が配置されている上記第10項又は第12項に記載の水素製造装置。   13. 13. A gas reformer for subjecting a hydrocarbon gas to steam reforming between an anode chamber of a high temperature steam electrolyzer and a fuel chamber of a solid oxide fuel cell is disposed according to the above item 10 or 12. Hydrogen production equipment.

14.炭化水素ガスを水蒸気改質にかけるガス改質器が、電解槽内における高温水蒸気電解装置のアノード室と燃料電池の燃料室との間に配置されている上記第11項又は第12項に記載の水素製造装置。   14 The gas reformer for subjecting the hydrocarbon gas to steam reforming is disposed between the anode chamber of the high-temperature steam electrolyzer and the fuel chamber of the fuel cell in the electrolytic cell. Hydrogen production equipment.

15.ガス改質器が、Ni、Ru、Pt、Rh、Pdなどの金属触媒或いはこれらの合金触媒を単独あるいは複合して、アルミナ、ジルコニア、シリカなどの担体に保持した触媒を充填した触媒層を具備する上記第12項〜第14項のいずれかに記載の水素製造装置。   15. The gas reformer has a catalyst layer filled with a catalyst such as alumina, zirconia, silica or the like, which is a metal catalyst such as Ni, Ru, Pt, Rh, Pd or an alloy catalyst thereof alone or in combination. The hydrogen production apparatus according to any one of Items 12 to 14 above.

16.固体酸化物型燃料電池で発生する熱が高温水蒸気電解装置の加熱用の熱源として供給される上記第10項〜第15項のいずれかに記載の装置。   16. 16. The apparatus according to any one of items 10 to 15, wherein heat generated in the solid oxide fuel cell is supplied as a heat source for heating the high-temperature steam electrolysis apparatus.

図8に示す装置を用いて、燃料電池での発電を行い、発電された電力を直流電源として高温水蒸気電解装置に供給して、水素の製造実験を行った。電解装置1は、一端が閉止した円筒形のイットリウム安定化ジルコニア(YSZ)を固体酸化物電解質膜6として用い、その内外にNi−ジルコニアサーメット電極を配置した。同様に、燃料電池31は、一端が閉止した円筒形のイットリウム安定化ジルコニア(YSZ)を固体酸化物電解質隔膜36として用い、外側にNi−ジルコニアサーメット電極、内側にランタンマンガネート電極を配置した。   Using the apparatus shown in FIG. 8, a fuel cell was used for power generation, and the generated power was supplied as a direct current power source to a high-temperature steam electrolysis apparatus to conduct a hydrogen production experiment. The electrolysis apparatus 1 used cylindrical yttrium-stabilized zirconia (YSZ) with one end closed as a solid oxide electrolyte membrane 6 and arranged Ni-zirconia cermet electrodes inside and outside thereof. Similarly, the fuel cell 31 uses cylindrical yttrium-stabilized zirconia (YSZ) with one end closed as a solid oxide electrolyte membrane 36, and a Ni-zirconia cermet electrode on the outside and a lanthanum manganate electrode on the inside.

これを容器内に配置して、800℃において、円筒セルの外側の空間には、メタンガスを改質触媒層を通して改質したガス37を供給し、燃料電池セル31の内側の空間には空気38を供給して、まず、燃料電池13での発電を確認した。   This is placed in a container, and at 800 ° C., gas 37 obtained by reforming methane gas through the reforming catalyst layer is supplied to the space outside the cylindrical cell, and air 38 is supplied to the space inside the fuel cell 31. First, power generation by the fuel cell 13 was confirmed.

次に、燃料電池31のプラス極(空気極:円筒形の固体酸化物電解質膜36の内側の電極)を電解装置1のアノード電極(円筒形状の固体酸化物電解質膜6の外側の電極)に接続し、燃料電池31のマイナス極(燃料極:円筒形の固体酸化物電解質膜36の外側の電極)を電解装置のカソード極(円筒形状の固体酸化物電解質膜6の内側の電極)に接続して、電解装置1の円筒形セルの内側の空間に水蒸気9を導入した。   Next, the positive electrode (air electrode: electrode inside the cylindrical solid oxide electrolyte membrane 36) of the fuel cell 31 is used as the anode electrode (electrode outside the cylindrical solid oxide electrolyte membrane 6) of the electrolysis apparatus 1. Connect the negative electrode of the fuel cell 31 (fuel electrode: electrode outside the cylindrical solid oxide electrolyte membrane 36) to the cathode electrode of the electrolysis device (electrode inside the cylindrical solid oxide electrolyte membrane 6). Then, water vapor 9 was introduced into the space inside the cylindrical cell of the electrolysis apparatus 1.

電解装置1の円筒形セルの内側において水素が生成し、水素ガス11として回収されたことが確認された。   It was confirmed that hydrogen was generated inside the cylindrical cell of the electrolysis apparatus 1 and recovered as hydrogen gas 11.

本発明によれば、固体酸化物電解質膜を用いる高温水蒸気電解装置を固体酸化物型燃料電池と組み合わせて、水蒸気電解装置の還元性ガスと燃料電池の燃料ガスとして共通のガスを使用すると共に、燃料電池で発生させた電力を水蒸気電解装置の電解用の電力源として使用することにより、極めて効率よく高純度水素を製造することができる。本発明によれば、外部からの電力供給を行うことなく高温水蒸気電解による水素製造を行うことができる。更に、本発明の好ましい態様によれば、燃料電池で発生した熱を高温水蒸気電解反応に必要な熱源として再利用することにより、熱効率の極めて優れた水素製造装置を提供することができる。   According to the present invention, a high-temperature steam electrolyzer using a solid oxide electrolyte membrane is combined with a solid oxide fuel cell, and a common gas is used as the reducing gas of the steam electrolyzer and the fuel gas of the fuel cell, By using the power generated in the fuel cell as a power source for electrolysis of the steam electrolyzer, high-purity hydrogen can be produced very efficiently. According to the present invention, hydrogen can be produced by high-temperature steam electrolysis without external power supply. Furthermore, according to a preferred aspect of the present invention, it is possible to provide a hydrogen production apparatus with extremely high thermal efficiency by reusing heat generated in the fuel cell as a heat source necessary for the high temperature steam electrolysis reaction.

固体酸化物電解質膜を用いた高温水蒸気電解装置による水素の製造装置の基本原理を示す図である。It is a figure which shows the basic principle of the manufacturing apparatus of hydrogen by the high temperature water vapor electrolysis apparatus using a solid oxide electrolyte membrane. 固体酸化物電解質膜を用いた燃料電池の基本原理を示す図である。It is a figure which shows the basic principle of the fuel cell using a solid oxide electrolyte membrane. 本発明の一態様に係る水素製造装置の概念を示す図である。It is a figure which shows the concept of the hydrogen production apparatus which concerns on 1 aspect of this invention. 本発明の他の態様に係る水素製造装置の概念を示す図である。It is a figure which shows the concept of the hydrogen production apparatus which concerns on the other aspect of this invention. 本発明の一態様に係る水素製造装置の具体的な構成例を示す図である。It is a figure which shows the specific structural example of the hydrogen production apparatus which concerns on 1 aspect of this invention. 本発明の他の態様に係る水素製造装置の具体的な構成例を示す図である。It is a figure which shows the specific structural example of the hydrogen production apparatus which concerns on the other aspect of this invention. 一つの燃料電池と二つの電解装置を直列に電気接続した場合の燃料電池と電解装置の電圧・電流の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the voltage and electric current of a fuel cell and an electrolysis apparatus at the time of electrically connecting one fuel cell and two electrolysis apparatuses in series. 本発明の他の態様に係る水素製造装置の具体的な構成例を示す図である。It is a figure which shows the specific structural example of the hydrogen production apparatus which concerns on the other aspect of this invention. 本発明の他の態様に係る水素製造装置の具体的な構成例を示す図である。It is a figure which shows the specific structural example of the hydrogen production apparatus which concerns on the other aspect of this invention. 複数の電解装置と燃料電池とを配列する場合の配列の各種形態を示す図である。It is a figure which shows the various forms of arrangement | sequence in the case of arranging a some electrolytic device and a fuel cell. 本発明の他の態様に係る水素製造装置の概念を示す図である。It is a figure which shows the concept of the hydrogen production apparatus which concerns on the other aspect of this invention. 本発明の他の態様に係る水素製造装置の概念を示す図である。It is a figure which shows the concept of the hydrogen production apparatus which concerns on the other aspect of this invention. 本発明の他の態様に係る水素製造装置の具体的な構成例を示す図である。It is a figure which shows the specific structural example of the hydrogen production apparatus which concerns on the other aspect of this invention. 本発明の他の態様に係る水素製造装置の具体的な構成例を示す図である。It is a figure which shows the specific structural example of the hydrogen production apparatus which concerns on the other aspect of this invention.

Claims (16)

固体酸化物電解質隔膜によって電解槽をアノード室とカソード室に仕切った高温水蒸気電解装置のカソード室に水蒸気を供給し、アノード室に還元性ガスを供給して、カソード室において水蒸気の電気分解を行うことによって水素を製造する方法において、高温水蒸気電解装置と並行して固体酸化物型燃料電池を運転し、固体酸化物型燃料電池の燃料室から排出される排ガスを高温水蒸気電解装置のアノード室に供給し、固体酸化物型燃料電池によって得られる電力を高温水蒸気電解装置の電力として用いることを特徴とする水素製造方法。 Water vapor is supplied to the cathode chamber of a high-temperature steam electrolysis apparatus in which the electrolytic cell is divided into an anode chamber and a cathode chamber by a solid oxide electrolyte membrane, and a reducing gas is supplied to the anode chamber to perform electrolysis of water vapor in the cathode chamber. In the method for producing hydrogen, the solid oxide fuel cell is operated in parallel with the high temperature steam electrolyzer, and the exhaust gas discharged from the fuel chamber of the solid oxide fuel cell is transferred to the anode chamber of the high temperature steam electrolyzer. A method for producing hydrogen, characterized in that the electric power supplied and obtained by a solid oxide fuel cell is used as electric power for a high-temperature steam electrolyzer. 固体酸化物電解質隔膜によって電解槽をアノード室とカソード室に仕切った高温水蒸気電解装置のカソード室に水蒸気を供給し、アノード室に還元性ガスを供給して、カソード室において水蒸気の電気分解を行うことによって水素を製造する方法において、高温水蒸気電解装置と並行して固体酸化物型燃料電池を運転し、高温水蒸気電解装置のアノード室から排出される排ガスを固体酸化物型燃料電池の燃料室に供給し、固体酸化物型燃料電池によって得られる電力を高温水蒸気電解装置の電力として用いることを特徴とする水素製造方法。 Water vapor is supplied to the cathode chamber of a high-temperature steam electrolysis apparatus in which the electrolytic cell is divided into an anode chamber and a cathode chamber by a solid oxide electrolyte membrane, and a reducing gas is supplied to the anode chamber to perform electrolysis of water vapor in the cathode chamber. In the method for producing hydrogen, the solid oxide fuel cell is operated in parallel with the high temperature steam electrolyzer, and the exhaust gas discharged from the anode chamber of the high temperature steam electrolyzer is supplied to the fuel chamber of the solid oxide fuel cell. A method for producing hydrogen, characterized in that the electric power supplied and obtained by a solid oxide fuel cell is used as electric power for a high-temperature steam electrolyzer. 固体酸化物電解質隔膜によって電解槽をアノード室とカソード室に仕切った高温水蒸気電解装置のカソード室に水蒸気を供給し、アノード室に還元性ガスを供給して、カソード室において水蒸気の電気分解を行うことによって水素を製造する方法において、電解槽内に、更に、固体酸化物電解質隔膜で仕切った室を形成してこれを固体酸化物型燃料電池の空気室として用い、電解槽のアノード室を固体酸化物型燃料電池の燃料室として併用して供給される還元性ガスを燃料ガスとして用い、空気室に空気を供給することによって高温水蒸気電解装置と並行して固体酸化物型燃料電池を運転し、固体酸化物型燃料電池によって得られる電力を高温水蒸気電解装置の電力として用いることを特徴とする水素製造方法。 Water vapor is supplied to the cathode chamber of a high-temperature steam electrolysis apparatus in which the electrolytic cell is divided into an anode chamber and a cathode chamber by a solid oxide electrolyte membrane, and a reducing gas is supplied to the anode chamber to perform electrolysis of water vapor in the cathode chamber. In the method for producing hydrogen, a chamber partitioned by a solid oxide electrolyte membrane is further formed in the electrolytic cell, and this is used as an air chamber of the solid oxide fuel cell, and the anode chamber of the electrolytic cell is solid. The solid oxide fuel cell is operated in parallel with the high-temperature steam electrolyzer by using the reducing gas supplied in combination as the fuel chamber of the oxide fuel cell as the fuel gas and supplying air to the air chamber. A method for producing hydrogen, characterized in that electric power obtained by a solid oxide fuel cell is used as electric power for a high-temperature steam electrolyzer. 炭化水素ガスを水蒸気改質にかけて還元性ガス及び水素を含む改質ガスに転化させ、得られた改質ガスを固体酸化物型燃料電池の燃料室に供給する請求項1又は3に記載の方法。 The method according to claim 1 or 3, wherein the hydrocarbon gas is subjected to steam reforming to convert to a reformed gas containing a reducing gas and hydrogen, and the obtained reformed gas is supplied to a fuel chamber of a solid oxide fuel cell. . 炭化水素ガスを水蒸気改質にかけて還元性ガス及び水素を含む改質ガスに転化させ、得られた改質ガスを高温水蒸気電解装置のアノード室に供給する請求項2又は3に記載の方法。 The method according to claim 2 or 3, wherein the hydrocarbon gas is subjected to steam reforming to convert to a reformed gas containing a reducing gas and hydrogen, and the resulting reformed gas is supplied to the anode chamber of the high-temperature steam electrolysis apparatus. 固体酸化物型燃料電池の燃料室から排出される排ガスを水蒸気改質にかけ、得られた改質ガスを高温水蒸気電解装置のアノード室に供給する請求項1又は3又は4に記載の方法。 The method according to claim 1, 3 or 4, wherein the exhaust gas discharged from the fuel chamber of the solid oxide fuel cell is subjected to steam reforming, and the resulting reformed gas is supplied to the anode chamber of the high-temperature steam electrolysis apparatus. 高温水蒸気電解装置のアノード室から排出される排ガスを水蒸気改質にかけ、得られた改質ガスを固体酸化物型燃料電池の燃料室に供給する請求項2〜4のいずれかに記載の方法。 The method according to any one of claims 2 to 4, wherein the exhaust gas discharged from the anode chamber of the high-temperature steam electrolysis apparatus is subjected to steam reforming, and the obtained reformed gas is supplied to the fuel chamber of the solid oxide fuel cell. 水蒸気改質を、Ni、Ru、Pt、Rh、Pdなどの金属触媒或いはこれらの合金触媒を単独あるいは複合して、アルミナ、ジルコニア、シリカなどの担体に保持した触媒を充填した触媒層を用いて行う請求項4〜7のいずれかに記載の方法。 Steam reforming is performed using a catalyst layer filled with a catalyst such as alumina, zirconia, or silica, which is a single or composite of metal catalysts such as Ni, Ru, Pt, Rh, and Pd, or an alloy catalyst thereof. The method according to claim 4, wherein the method is performed. 固体酸化物型燃料電池で発生する熱を高温水蒸気電解装置の加熱用の熱源として用いる請求項1〜8のいずれかに記載の方法。 The method according to claim 1, wherein the heat generated in the solid oxide fuel cell is used as a heat source for heating the high-temperature steam electrolysis apparatus. 固体酸化物電解質隔膜によって電解槽をアノード室とカソード室に仕切ってアノード室に還元性ガスを供給する高温水蒸気電解装置と、固体酸化物電解質膜によって発電セルを燃料室と空気室に仕切った固体酸化物型燃料電池とから構成される水素製造装置であって、高温水蒸気電解装置のアノード室と固体酸化物型燃料電池の燃料室とが連通しており、固体酸化物型燃料電池によって得られる電力が高温水蒸気電解装置の電解用電力として供給されることを特徴とする水素製造装置。 A high-temperature steam electrolyzer that partitions an electrolytic cell into an anode chamber and a cathode chamber by a solid oxide electrolyte membrane and supplies a reducing gas to the anode chamber, and a solid in which a power generation cell is partitioned into a fuel chamber and an air chamber by a solid oxide electrolyte membrane A hydrogen production apparatus comprising an oxide fuel cell, wherein an anode chamber of a high-temperature steam electrolyzer and a fuel chamber of a solid oxide fuel cell communicate with each other, and can be obtained by a solid oxide fuel cell A hydrogen production apparatus characterized in that electric power is supplied as electric power for electrolysis of a high-temperature steam electrolysis apparatus. 固体酸化物電解質隔膜によって電解槽をアノード室とカソード室に仕切ってアノード室に還元性ガスを供給しカソード室に高温水蒸気を供給する高温水蒸気電解装置において、電解槽内に、更に、固体酸化物電解質隔膜で仕切った室を形成してこれを固体酸化物型燃料電池の空気室として用い、電解槽のアノード室を固体酸化物型燃料電池の燃料室として併用して供給される還元性ガスを燃料ガスとして用い、空気室に空気を供給することによって高温水蒸気電解装置と並行して固体酸化物型燃料電池が運転されるように構成されており、固体酸化物型燃料電池によって得られる電力が高温水蒸気電解装置の電力として供給されることを特徴とする水素製造装置。 In a high-temperature steam electrolysis apparatus that divides an electrolytic cell into an anode chamber and a cathode chamber by a solid oxide electrolyte membrane, supplies a reducing gas to the anode chamber, and supplies high-temperature water vapor to the cathode chamber. A chamber partitioned by an electrolyte membrane is formed and used as an air chamber of a solid oxide fuel cell. A reducing gas supplied by using an anode chamber of an electrolytic cell as a fuel chamber of a solid oxide fuel cell is used. It is configured so that the solid oxide fuel cell is operated in parallel with the high-temperature steam electrolyzer by supplying air to the air chamber as fuel gas, and the electric power obtained by the solid oxide fuel cell is A hydrogen production apparatus characterized by being supplied as electric power for a high-temperature steam electrolysis apparatus. 炭化水素ガスを水蒸気改質にかけて還元性ガス及び水素を含む改質ガスに転化させるガス改質器を更に具備し、ガス改質器の改質ガス排出口が高温水蒸気電解装置のアノード室又は固体酸化物型燃料電池の燃料室に接続されている請求項10又は11に記載の水素製造装置。 A gas reformer that converts the hydrocarbon gas into a reformed gas containing a reducing gas and hydrogen by steam reforming, wherein the reformed gas discharge port of the gas reformer is an anode chamber or a solid of a high-temperature steam electrolyzer The hydrogen production apparatus according to claim 10 or 11, wherein the hydrogen production apparatus is connected to a fuel chamber of an oxide fuel cell. 高温水蒸気電解装置のアノード室と固体酸化物型燃料電池の燃料室との間に炭化水素ガスを水蒸気改質にかけるガス改質器が配置されている請求項10又は12に記載の水素製造装置。 The hydrogen production apparatus according to claim 10 or 12, wherein a gas reformer for subjecting hydrocarbon gas to steam reforming is disposed between the anode chamber of the high-temperature steam electrolysis apparatus and the fuel chamber of the solid oxide fuel cell. . 炭化水素ガスを水蒸気改質にかけるガス改質器が、電解槽内における高温水蒸気電解装置のアノード室と燃料電池の燃料室との間に配置されている請求項11又は12に記載の水素製造装置。 The hydrogen production according to claim 11 or 12, wherein a gas reformer for subjecting the hydrocarbon gas to steam reforming is disposed between the anode chamber of the high-temperature steam electrolysis apparatus and the fuel chamber of the fuel cell in the electrolytic cell. apparatus. ガス改質器が、Ni、Ru、Pt、Rh、Pdなどの金属触媒或いはこれらの合金触媒を単独あるいは複合して、アルミナ、ジルコニア、シリカなどの担体に保持した触媒を充填した触媒層を具備する請求項12〜14のいずれかに記載の水素製造装置。 The gas reformer has a catalyst layer filled with a catalyst such as alumina, zirconia, silica or the like, which is a metal catalyst such as Ni, Ru, Pt, Rh, Pd or an alloy catalyst thereof alone or in combination. The hydrogen production apparatus according to any one of claims 12 to 14. 固体酸化物型燃料電池で発生する熱が高温水蒸気電解装置の加熱用の熱源として供給される請求項10〜15のいずれかに記載の装置。 The apparatus according to claim 10, wherein heat generated in the solid oxide fuel cell is supplied as a heat source for heating the high-temperature steam electrolysis apparatus.
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