JP2009174018A - 水素製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構造を有し、水素極側雰囲気と酸素極側雰囲気との間でのガスリークが少なく安全な運転を可能とする水素製造装置を提供する。
【解決手段】ユニット容器３と、ユニット容器３内に設置され水素発生極１７の側及び酸素発生極１８の側に貫通していない導入穴２２が交互に形成されている電解セルであるハニカム型セル２と、シール部１１と、原料となる水蒸気を供給する水蒸気供給系１と、酸素を供給する酸素ガス供給系７と、ハニカム型セル２に電力を供給する電力供給装置１２と、水蒸気が電気分解されて水素が生成され、この生成された水素が未分解の水蒸気と共に流出する水素発生極側出口３ａと、水蒸気が電気分解されて生成された酸素イオンはハニカム型セル２内の電解質を通過し酸素発生極１８の側において酸素が生成され、生成された酸素が流出する酸素発生極側出口３ｂと、を有する水素製造装置。
【選択図】図１

Description

本発明は高温水蒸気を電気分解することにより水素及び酸素を生成する水素製造装置に関する。

未来社会の１つのビジョンとして水素をエネルギー媒体とした水素エネルギー社会の実現が注目されており、いくつかの有力な水素製造方法が考えられている。いくつかの水素製造方法のうち、高温水蒸気電解法は９００℃程度の高温で水蒸気を電気分解する方法がある。また、原料が水なので、二酸化炭素を発生させない熱源を用いれば、二酸化炭素を排出せずに水素製造が可能となる。

この高温水蒸気電解法は、室温での水の電気分解では水の理論電解電圧が１．２３Ｖであるのに対し、９００℃における水蒸気の理論分解電圧は０．９Ｖと３０％程度の少ない電力で同じ水素製造量が得られるエネルギー効率が高い水素製造法として知られている（例えば、非特許文献１参照）。

高温水蒸気電解による水素製造において、この最小単位をセルという。基本的には、電解質を真中に電解質層の両面に酸素極（陽極）と水素極（陰極）を配した三層構造である。水素極で電子を与えられて水蒸気を酸素イオンと水素に分解、酸素イオンが電解質層を透過し、酸素極で電子を放して酸素が生成される。高温での使用に耐えるように上記電解質層、酸素極及び水素極はセラミックスにより作製されている。

この水蒸気を電気分解して水素製造を行う水素製造装置に関連してセルの材質に関する発明が知られている（例えば、特許文献１、２参照）。また、平板型のセルを使用した水素製造装置の構造に関する発明が知られている（例えば、特許文献３参照）。
特開２００５−２３２５２５号公報 特開平７−１０９５９２号公報 特開平６−１７３０５３号公報 日本原子力学会誌、「水素インフラと原子力による水素製造」、ｖｏｌ．４８、Ｎｏ．１１（２００６）、第８３５頁〜第８５１頁

上述した高温水蒸気電解装置では、固体酸化物電解装置を挟んで水素極と酸素極を設けた電気化学セルを用いている。電解によって得られる水素及び酸素を隔離する構造が必要である。水素極側雰囲気は、原料である水蒸気と水素が主成分である。酸素極側雰囲気は酸素が主成分となる。

しかし、水素極及び酸素極の両極から得られるガスの種類は相違するので、それぞれの極に対してガスの取出機構及び給電線が接続される給電機構が必要となり、この構成が複雑となる、という課題があった。

また、電気化学セルの構造は平板型や円筒型等がある。水素極側雰囲気と酸素極側雰囲気は、電気化学セルの構造材である固体酸化物電解質の緻密構造とセル端部のガスシールによって分離され、相互への雰囲気ガスのリークを最小限に抑制している。セル端部のガスシールは、電気化学セル単体で使用する場合は比較的容易であるが、複数のセルを積層する等して集合体として使用する場合にはガスシールが困難である、という課題があった。

本発明は上記課題を解決するためになされたもので、簡易な構造を有し、水素極側雰囲気と酸素極側雰囲気との間でのガスリークが少なく安全な運転を可能とする水素製造装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の水素製造装置においては、ユニット容器と、このユニット容器内に設置され水素発生極側及び酸素発生極側に貫通していない導入穴が形成されている電解セルと、この電解セルを前記ユニット容器内において保持しかつ前記水素発生極側雰囲気と前記酸素発生極側雰囲気とに隔離するシール部と、前記水素発生極側に原料となる水蒸気を供給する水蒸気供給系と、前記酸素発生極側に酸素を供給する酸素ガス供給系と、前記電解セルに電力を供給する電力供給装置と、この電力供給装置からの給電により前記水素発生極側において前記水蒸気が電気分解されて水素が生成され、この生成された水素は未分解の水蒸気と共に流出する前記ユニット容器に設けられた水素発生極側出口と、前記水素発生極側で前記水蒸気が電気分解されて生成された酸素イオンは前記電解セル内の電解質を通過し前記酸素発生極側において酸素が生成され、この生成された酸素が流出する前記ユニット容器に設けられた酸素発生極側出口と、を有することを特徴とするものである。

本発明の水素製造装置によれば、水素発生極側及び酸素発生極側に貫通していない導入穴が交互に形成されている電解セルを用いることにより、簡易な構造を有し、水素極側雰囲気と酸素極側雰囲気との間でのガスリークを抑制し安全な運転が可能となる。

以下、本発明に係る水素製造装置の実施の形態について、図面を参照して説明する。ここで、同一又は類似の部分には共通の符号を付すことにより、重複説明を省略する。

図１は、本発明の第１の実施の形態の水素製造装置の概略構成を示す構成図である。

まず、高温水蒸気を電解して水素を製造する水素製造装置の構成について、図１を用いて説明する。

本図に示すように、水素製造装置は、主に、ユニット容器３と、このユニット容器３内に設置され水素発生極１７の側及び酸素発生極１８の側に交互に貫通していない導入穴２２が形成されている電解セルであるハニカム型セル２を備えている。

原料となる水蒸気は水蒸気供給系１からユニット容器３内に設置されているハニカム型セル２内の水素発生極１７の側に供給される。ハニカム型セル２には電力供給装置１２から電力が給電される。この給電により、ハニカム型セル２の内部において水蒸気は電気分解され、水素となる。その後、生成された水素は、未分解の水蒸気と共にユニット容器３の水素発生極側出口３ａから流出し、水素冷却器４で冷却される。

この水素冷却器４で冷却された水分を含む水素は、水素気液分離器５に導入され、この水素気液分離器５において未分解の水蒸気は回収され、水素は水素ガス出口６より回収される。

また、ハニカム型セル２の酸素発生極１８の側の電極表面の性能維持のために、酸素ガス供給系７から酸素含有ガスがハニカム型セル２の酸素発生極１８の側に供給される。

ハニカム型セル２の内部の水素発生極１７で水蒸気が電気分解されて生成された酸素イオンは、固体電解質を通過しハニカム型セル２の酸素発生極１８の側に放出され酸素が生成される。この生成された酸素は、酸素ガス供給系７から供給した酸素含有ガスと共にユニット容器３の酸素発生極側出口３ｂから流出する。流出した酸素は、酸素冷却器８で冷却される。この酸素冷却器８で冷却された水分を含む酸素は酸素気液分離器９に導入され、酸素気液分離器９において余剰な水蒸気が回収された後に、酸素ガス出口１０より回収される構造となっている。

上記ハニカム型セル２は、ユニット容器３内においてハニカム型セルシール部１１により保持され、さらにこのユニット容器３内を水素発生極１７の側の雰囲気と酸素発生極１８の側の雰囲気とに隔離している。

次に、ハニカム型セル２の構造について図２を用いて説明する。

図２は、図１のハニカム型セル２の構成を示す概略縦断面図である。

図２に示すように、ハニカム型セル２の水素発生極１７の側及び酸素発生極１８の側に交互に貫通していない導入穴が形成されている。一例として、ハニカム型セル２の水素発生極側１７には貫通していない水素発生極側導入穴２０が形成され、酸素発生極側１８には貫通していない酸素発生極側導入穴２１が交互に形成されている構造を有している。なお、当該導入穴２０、２１は、交互に形成されている例を示しているが、構造的な関係から二段おき等に形成してよいのはもちろんである。

また、このハニカム型セル２をユニット容器３に装着するときには、ハニカム型セルシール部１１によりハニカム型セル２の外側面をシールしユニット容器３に固定している。このハニカム型セルシール部１１として、一例として接着ガラスが使用されている。

上記ハニカム型セル２の基体としては、ポーラスなセラミック材が適している。例えば、ニッケルサーメットがある。酸素発生極１８の側の酸素極側導入穴２１内には固体電解質の層と、酸素イオンを酸素にするために酸素極の一例として後述する酸素導入管１５が備わっている。この固体電解質としてはイットリア安定化ジルコニア等が適し、酸素極にはランタンストロンチウムコバルト等が適している。

このように構成された本実施の形態の水素発生極１７において、図１の水蒸気供給系１より供給された水蒸気リッチなガスが水素発生極１７の水素発生極側導入穴２０内に拡散し、以下の（１）式が示すように、水蒸気は電解反応（水素発生）により、水素と酸素イオンに分解される。

Ｈ_２Ｏ ＋ ２ｅ⁻ → Ｈ_２ ＋ Ｏ^２− （１）
この分解された酸素イオンは、固体電解質の層を通過して酸素発生極１８の側の酸素発生極側導入穴２１内で、以下の（２）式が示すように、電解反応（酸素発生）により酸素に変換される。

Ｏ^２− → １／２Ｏ_２ ＋２ｅ⁻ （２）
上述ように、ハニカム型セル２は、水素発生極１７の側の水素発生極側導入穴２０で水蒸気は電気分解され、酸素発生極１８の側の酸素発生極側導入穴２１では固体電解質の層を通過してきた酸素イオンを酸素とする機構を有する。

本実施の形態よれば、水素発生極１７の側及び酸素発生極１８の側に交互に貫通していない導入穴が開口されている電解セルであるハニカム型セル２を用いることにより、ユニット容器３とハニカム型セル２とのシール数を最小限に抑制することができると共にハニカム型セル２の熱膨張による影響も軽減することができる。かくして、シールが容易であると共に、水素発生極１７の雰囲気と酸素発生極１８の雰囲気との間でのガスリークが抑制され、水素製造装置の安全な運転が可能となる。

図３は、図２のハニカム型セルのIII−III方向から見た水素発生極側の構成を示す概略横断面図であり、図４は、図２のハニカム型セルのIＶ−IＶ方向から見た酸素発生極側の構成を示す概略横断面図である。

図３及び図４に示すように、ハニカム型セル２の水素極側導入穴２０（図２も参照）内の陰極である水素発生極１７及び酸素発生極側導入穴２１内の陽極である酸素発生極１８には電気を供給する必要がある。水素発生極１７の側の水素発生極側導入穴２０内には、水蒸気を電解反応させて水素を発生させる水素極の一例として後述する水素導入管１３が備わっている。また、酸素発生極１８の側の酸素発生極側導入穴２１内には固体電解質の層と、酸素イオンを酸素にするために酸素極の一例として後述する酸素導入管１５を設けている。

この水素発生極側導入穴２０及び酸素発生極側導入穴２１内に均一に電気を供給するための給電部材として弾力性のある金属が用いられる。例えば、ウール状の金属線は弾力性があり接触抵抗を小さくすることが可能であるので適している。水素発生極１７の側の給電部材としては、ニッケル製ウール１４が適している。酸素発生極１８の給電部材としては、酸化劣化し難い金属である銀製ウール１６が好適である。

本実施の形態よれば、給電部材として弾力性のあるウール状の金属線を用いることにより、水素発生極側導入穴２０及び酸素発生極側導入穴２１内に均一に電気を供給することができる。かくして、水素製造の効率の向上を図ることができる。

図５は、水素導入管１３及び酸素導入管１５を採用したユニット容器３の構成を示す概略縦断面図である。

本図に示すように、ハニカム型セル２の水素発生極１７の水素発生極側導入穴２０内に原料である水蒸気と水素が十分な供給されるように水素導入管１３が設けられている。また、酸素発生極１８の側の酸素発生極側導入穴２１内には水蒸気及び酸素が十分に供給されるように酸素導入管１５が設けられている。

本実施の形態によれば、水素導入管１３及び酸素導入管１５を採用することにより、水素発生極側導入穴２０には水蒸気及び水素を十分に導入することができ、酸素発生極側導入穴２１には水蒸気及び酸素を十分に通気するができ、水蒸気と水素又は酸素と水蒸気を効率良く供給することができる。かくして、水素製造の効率の向上を図ることができる。

また、図５に示すように、水蒸気と水素の供給部及び水蒸気と酸素の供給部に給電を行う金属により作製することができる。

本実施の形態によれば、金属製の水素導入管１３及び酸素導入管１５を採用することにより、電気の供給、水蒸気と水素及び酸素と水蒸気の供給を効率良く行うことができる。さらに、水素発生極１７には水蒸気及び水素を十分に導入することができ、酸素発生極１８には水蒸気及び酸素を十分に通気するができるので、水素製造の効率の更なる向上を図ることができる。

以上本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明は、上述したような各実施の形態に何ら限定されるものではなく、各実施の形態の構成を組み合わせて、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

本発明の第１の実施の形態の水素製造装置の構成を示す概略構成図。 図１のハニカム型セルの構成を示す概略縦断面図。 図２のハニカム型セルのIII−III方向から見た水素発生極側の構成を示す概略横断面図。 図２のハニカム型セルのIＶ−IＶ方向から見た酸素発生極側の構成を示す概略横断面図。 水素導入管及び酸素導入管を採用したユニット容器の構成を示す概略縦断面図。

符号の説明

１…水蒸気供給系、２…ハニカム型セル、３…ユニット容器、３ａ…水素発生極側出口、３ｂ…酸素発生極側出口、４…水素冷却器、５…水素気液分離器、６…水素ガス出口、７…酸素ガス供給系、８…酸素冷却器、９…酸素気液分離器、１０…酸素ガス出口、１１…ハニカム型セルシール部、１２…電力供給装置、１３…水素導入管、１４…ニッケル製ウール、１５…酸素導入管、１６…銀製ウール、１７…水素発生極、１８…酸素発生極、２０…水素発生極側導入穴、２１…酸素発生極側導入穴、２２…導入穴。

Claims (5)

1. ユニット容器と、
   このユニット容器内に設置され水素発生極側及び酸素発生極側に貫通していない導入穴が形成されている電解セルと、
   この電解セルを前記ユニット容器内において保持しかつ前記水素発生極側雰囲気と前記酸素発生極側雰囲気とに隔離するシール部と、
   前記水素発生極側に原料となる水蒸気を供給する水蒸気供給系と、
   前記酸素発生極側に酸素を供給する酸素ガス供給系と、
   前記電解セルに電力を供給する電力供給装置と、
   この電力供給装置からの給電により前記水素発生極側において前記水蒸気が電気分解されて水素が生成され、この生成された水素は未分解の水蒸気と共に流出する前記ユニット容器に設けられた水素発生極側出口と、
   前記水素発生極側で前記水蒸気が電気分解されて生成された酸素イオンは前記電解セル内の電解質を通過し前記酸素発生極側において酸素が生成され、この生成された酸素が流出する前記ユニット容器に設けられた酸素発生極側出口と、
   を有することを特徴とする水素製造装置。
2. 前記シール部は、前記ユニット容器と前記電解セルの外側面とを保持して形成されること、を特徴とする請求項１記載の水素製造装置。
3. 前記電解セルに電力を給電する給電部材が、金属製繊維で作製されたウール状部材からなること、を特徴とする請求項１記載の水素製造装置。
4. 前記導入穴内に気体を供給する導入管を具備してなること、を特徴とする請求項１記載の水素製造装置。
5. 前記水蒸気、前記水素、前記酸素及び前記電力の供給を同時に行う構造を具備してなること、を特徴とする請求項１記載の水素製造装置。

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