JP2009001878A

JP2009001878A - 高温水蒸気電解方法および装置

Info

Publication number: JP2009001878A
Application number: JP2007165203A
Authority: JP
Inventors: Hakaru Ogawa; 斗小川; Seiji Fujiwara; 斉二藤原; Shigeo Kasai; 重夫笠井
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2007-06-22
Filing date: 2007-06-22
Publication date: 2009-01-08

Abstract

【課題】効率よく水素と酸素を製造することのできる高温水蒸気電解方法および装置を提供する。
【解決手段】水素極室１１と酸素極室１３および水素極室１１と酸素極室１３の間に設けられた酸素イオン導電性固体電解質層１２を備え水蒸気を電気分解して水素と酸素を生成する高温水蒸気電解セル１と、高温水蒸気電解セル１から排出された水素富化水蒸気１４を高温水蒸気電解セル１の水素極室１１の入口側に供給する水素極インジェクター２と、高温水蒸気電解セル１から排出された酸素富化水蒸気１７を高温水蒸気電解セル１の酸素極室１３の入口側に供給する酸素極インジェクター３またはブロワーとを備えている構成とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、水蒸気を高温で電気分解して水素と酸素を製造する高温水蒸気電解方法および装置に関する。

近年有力な高温水蒸気電解方法として、高温水蒸気を水素極で水素と酸素イオンに分解後、酸素イオン導電性固体電解質層を経由した酸素イオンを酸素極で酸素に変換するものがある（特許文献１）。そしてこのような高温水蒸気電解方法を実施する装置としては、加熱源で加熱した空気と水蒸気を酸素イオン導電性固体電解質を用いた高温水蒸気電解セルに供給して高温下で電解し、高温水蒸気電解セルから取り出される水素富化水蒸気、酸素富化空気の有する熱を回収し、水素富化水蒸気から水素を回収するものがある（特許文献２，３参照）。
特開平６−１３６５８３号公報特開平６−９３４８１号公報特開平６−９３４８２号公報

上述した従来の高温水蒸気電解方法および装置においては、高温水蒸気電解セルから水素富化水蒸気が発生するため、冷却して水蒸気を凝縮させて水素と分離する必要がある。また、高温水蒸気電解セルで酸素が発生するが、高温の純酸素は反応性が高いため、水蒸気を用いて酸素分圧を下げる必要があり、水蒸気を冷却・凝縮させて水を回収する必要がある。したがって水蒸気の潜熱を回収する必要があり、熱交換器が大きくなるとともに完全な潜熱回収は困難であり、水蒸気の形で熱が失われるという課題がある。

本発明は上述した課題を解決するためになされたものであり、効率よく水素と酸素を製造することのできる高温水蒸気電解方法および装置を提供することを目的とする。

本発明の高温水蒸気電解方法は、水素極室と酸素極室および前記水素極室と前記酸素極室の間に設けられた酸素イオン導電性固体電解質層を備えた高温水蒸気電解セルによって水蒸気を電気分解して水素と酸素を生成し、前記水素極室から排出される水素富化水蒸気を前記水素極室に供給し、前記酸素極室から排出される酸素富化水蒸気を前記酸素極室へ供給する方法とする。

本発明の高温水蒸気電解装置は、水素極室と酸素極室および前記水素極室と前記酸素極室の間に設けられた酸素イオン導電性固体電解質層を備え水蒸気を電気分解して水素と酸素を生成する高温水蒸気電解セルと、前記高温水蒸気電解セルから排出された水素富化水蒸気を前記高温水蒸気電解セルの水素極室の入口側に供給する水素極インジェクターと、前記高温水蒸気電解セルから排出された酸素富化水蒸気を前記高温水蒸気電解セルの酸素極室の入口側に供給する酸素極インジェクターまたはブロワーとを備えている構成とする。

本発明によれば、効率よく水素と酸素を製造することのできる高温水蒸気電解方法および装置を提供することができる。

以下、本発明に係る高温水蒸気電解方法および装置の３つの実施の形態について図面を参照して説明する。

（第１の実施の形態）
まず、図１を用いて第１の実施の形態を説明する。本実施の形態の高温水蒸気電解装置は、高温水蒸気電解セル１と水素極インジェクター２と酸素極インジェクター３と水素極分岐器４と酸素極分岐器５と熱交換器６と凝縮器７とポンプ８とから構成されている。高温水蒸気電解セル１は、ＺｒＯ₂とＹ₂Ｏ₃，ＣａＯ，ＭｇＯ等からなる酸素イオン導電性固体電解質層１２と、その両側面に設けられた水素極室１１および酸素極室１３とから成っている。

このように構成された本実施の形態の高温水蒸気電解装置において、外部から供給された水蒸気９が水素極インジェクター２で、水素極分岐器４から分岐された水素富化水蒸気１０と混合され、高温水蒸気電解セル１の水素極室１１へ供給され、（１）式に示す水素極電解反応
２Ｈ₂Ｏ＋４ｅ^- → ２Ｈ₂＋２Ｏ^2- （１）
により水素と酸素イオンに分解される。発生した酸素イオンは電解質層１２を通って酸素極室１３へ移動する。この結果、水素極室１１からは供給された水素富化水蒸気より水素が富化された水素富化水蒸気１４が排出される。排出された水素富化水蒸気１４の一部は水素極分岐器４から分岐され、水素極インジェクター２へ供給される。

熱交換器６から供給される水蒸気１５は酸素極インジェクター３で酸素富化水蒸気１６と混合され、酸素極室１３へ供給される。酸素極室１３では、電解質層１２を通って供給された酸素イオンが（２）式に示す酸素極電解反応
２Ｏ^2- → Ｏ₂＋４ｅ^- （２）
により、酸素と電子に分解される。その結果、酸素極室１３からは酸素富化水蒸気１７が排出される。また、電子は外部回路により水素極室１１へ移動する。

排出された酸素富化水蒸気１７の一部は酸素極分岐器５で分岐されて、酸素極インジェクター３へ供給される。残りの酸素富化水蒸気１８は熱交換器６で冷却され、凝縮器７で冷却水２６によってさらに冷却し蒸気は凝縮し酸素１９と水２０に分離される。分離された水２０はポンプ８で熱交換器６に供給され、水蒸気１５になる。

本実施の形態によれば、水素極分岐器４から水素極インジェクター２へ水素富化水蒸気１０が供給されるので、水素極室１１への水素供給が不要である。また、同時に水蒸気も供給されるので水素極室１１への水蒸気供給量を削減できる。水素富化水蒸気１０は冷却・凝縮・分離・再加熱して供給する必要がないので、熱損失が低減できる。また、酸素極分岐器５において酸素富化水蒸気１７が分岐されて酸素富化水蒸気１６が酸素極インジェクター３に供給されるので、酸素極室１３への酸素供給が不要で、水蒸気供給量が削減できる。さらに、酸素富化水蒸気１７の一部を冷却・凝縮・分離・再加熱して供給する必要がないので、熱損失が低減でき、熱交喚器６、凝縮器７、ポンプ８が小型化できる。

（第２の実施の形態）
次に、第２の実施の形態を図２を用いて説明する。なお第１の実施の形態と同じ構成には同じ符号を付し、重複する説明は省略する。本実施の形態は第１の実施の形態における水素極分岐器４の代わりに水素分離器２１を設けた構成である。

このように構成された本実施の形態の高温水蒸気電解装置において、高温水蒸気電解セル１を出た水素富化水蒸気１４は水素分離器２１で水素２２と水素富化水蒸気１０とに分離される。

本実施の形態によれば、水素２２が回収されるので、水蒸気凝縮が不要になり、熱損失が低減できる。

（第３の実施の形態）
次に、第３の実施の形態を図３を用いて説明する。なお第２の実施の形態と同じ構成には同じ符号を付し、重複する説明は省略する。本実施の形態は第２の実施の形態における酸素極分岐器５の代わりに酸素分離器２４を設け、酸素極インジェクター３の代わりにブロワー２３を設けた構成である。

このように構成された本実施の形態の高温水蒸気電解装置において、高温水蒸気電解セル１を出た酸素富化水蒸気１７は酸素分離器２４で酸素２５と酸素富化水蒸気１６とに分離される。分離された酸素富化水蒸気１６はブロワー２３で酸素極室１３へ供給される。分離された酸素２５は熱交喚器６で供給された水２０と熱交換し、得られた水蒸気９は水素極インジェクター２へ供給される。

本実施の形態によれば、酸素富化水蒸気１６が循環使用されるので、ブロワー２３へ水蒸気を供給する必要がない。酸素２５から回収された熱で水素インジェクター２へ供給される水蒸気９を発生できる。なお、水素２２から回収した熱も水蒸気９の発生に利用してもよい。さらに、酸素分離器２４の上流に熱交喚器を設けて、酸素分離器２４の作動温度を下げてもよい。

本発明の第１の実施の形態の高温水蒸気電解装置の構成および水蒸気等の流体の流れを示すブロック図。本発明の第２の実施の形態の高温水蒸気電解装置の構成および水蒸気等の流体の流れを示すブロック図。本発明の第３の実施の形態の高温水蒸気電解装置の構成および水蒸気等の流体の流れを示すブロック図。

符号の説明

１…高温水蒸気電解セル、２…水素極インジェクター、３…酸素極インジェクター、４…水素極分岐器、５…酸素極分岐器、６…熱交換器、７…凝縮器、８…ポンプ、９…水蒸気、１０…水素富化水蒸気、１１…水素極室、１２…電解質層、１３…酸素極室、１４…水素富化水蒸気、１５…水蒸気、１６…酸素富化水蒸気、１７…酸素富化水蒸気、１８…酸素富化水蒸気、１９…酸素、２０…水、２１…水素分離器、２２…水素、２３…ブロワー、２４…酸素分離器、２５…酸素、２６…冷却水、２７…水槽。

Claims

水素極室と酸素極室および前記水素極室と前記酸素極室の間に設けられた酸素イオン導電性固体電解質層を備え水蒸気を電気分解して水素と酸素を生成する高温水蒸気電解セルと、前記高温水蒸気電解セルから排出された水素富化水蒸気を前記高温水蒸気電解セルの水素極室の入口側に供給する水素極インジェクターと、前記高温水蒸気電解セルから排出された酸素富化水蒸気を前記高温水蒸気電解セルの酸素極室の入口側に供給する酸素極インジェクターまたはブロワーとを備えていることを特徴とする高温水蒸気電解装置。
前記高温水蒸気電解セルから排出される水素富化水蒸気を分岐する水素極分岐器または前記水素富化水蒸気から水素を分離する水素分離器が前記高温水蒸気電解セルの水素極室の出口側に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の高温水蒸気電解装置。
前記高温水蒸気電解セルから排出される酸素富化水蒸気を分岐する酸素極分岐器または前記酸素富化水蒸気から酸素を分離する酸素分離器が前記高温水蒸気電解セルの酸素極室の出口側に接続されていることを特徴とする請求項１または２に記載の高温水蒸気電解装置。
前記高温水蒸気電解セルに供給される水蒸気を前記高温水蒸気電解セルから排出される酸素富化水蒸気または前記酸素富化水蒸気から分離された酸素によって加熱する熱交換器を備えていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の高温水蒸気電解装置。
前記熱交換器から排出された酸素富化水蒸気を冷却して水を生成する凝縮器と、前記凝縮水を前記熱交換器の冷却媒体として供給するポンプとを備えていることを特徴とする請求項４に記載の高温水蒸気電解装置。
水素極室と酸素極室および前記水素極室と前記酸素極室の間に設けられた酸素イオン導電性固体電解質層を備えた高温水蒸気電解セルによって水蒸気を電気分解して水素と酸素を生成し、前記水素極室から排出される水素富化水蒸気を前記水素極室に供給し、前記酸素極室から排出される酸素富化水蒸気を前記酸素極室へ供給することを特徴とする高温水蒸気電解方法。