JP2009513829A - 電気分解 - Google Patents

Abstract

【課題】 水素又は他の燃料源から電気を発生するための燃料電池として固体オキシドスタックを使用する。
【解決手段】 水素又は他の電気化学的副生物を発生するため、標準的燃料電池等の電気分解プロセスを作動させることができる。残念なことに、スタック１は、一般的には、経済的に持続するのが困難な比較的高い温度で作動する。このような場合には、温度が低いと、達成できる作動効率が低く、必要な解離を生じるため、電力入力と均衡をとることによって、空気固有抵抗が高い。このような場合には、圧縮空気流を加熱する熱交換器を通して提供されるか或いはスタックからの排気の一部を再循環するか、又はスタックの解離による生成物の燃焼のいずれかによって入射熱源を提供することによって、解離を行うのに必要な、費用のかかる電力供給量を減少し、電気分解作業を持続する。
【選択図】 図１

Description

本発明は電気分解に関し、例えば、他の用途用の燃料として水素を発生するための燃料電池技術の使用に関する。

多くの用途用の電気分解装置が周知であり、水素を発生するための簡単でクリーンな技術として水の電気分解を使用することが提案されている。電気分解は、燃料電池での燃料の酸化の逆反応である。プロセスの概略を図１に示す。電気分解プロセスでは、水素分子の発生に関し、蒸気をカソードで解離する。固体オキシドセルでは、カソード反応は次の通りである。

式１

酸素イオンが電解質を通って移行し、電解質のアノード面で電子を放出して酸素分子を発生する。

式２

蒸気電気分解反応は、次の通りである。

式３

このような場合には、電気化学的反応電位に打ち勝ってアノードからカソードに電子を引き出すのに電源を必要とするということは理解されよう。
水の商業的電気分解は、周知の技術を使用することにより比較的低温で行うことができるが、これらの電気分解の作動効率は比較的低い。高温燃料電池技術を使用することは、このような高温燃料電池を８００℃以上の、代表的には８００℃乃至１０００℃の範囲温度で作動する必要があるため、妨げられている。このような場合には、特定の加熱器を使用する必要があるが、そうすると、このようなアプローチの有効性及び実現可能性が低下する。

水素の発生と関連した現在の最新技術は、蒸気改質に関する。このプロセスでは、化石燃料源を使用する。これは、大量のＣＯ２エミッションを発生する。水の電気分解は、「二酸化炭素を発生しない」水素発生技術として提案され、化石燃料を使用しない、原子力や回生電源等の電源を使用できる。残念なことに、上文中に言及した、水の電気分解による現在の水素の発生には大きな欠点があり、効率が比較的低い。このように効率が低いため、電気消費量が比較的多く、水の電気分解によって発生させた水素の価格を、蒸気改質によって現在製造されているよりも、商業的実行可能性に関して高過ぎるものとしてしまう。更に、水のエレクトロライザー(electrolyser)用の機器の費用が高いことによっても、水素の電気分解を、天然ガス又は他の炭化水素の蒸気改質と比べて比較的費用がかかる選択としてしまう。

本発明の一つの特徴によれば、水素を発生するための電気分解装置であって、酸化によって電力を提供するため、８００℃乃至１０００℃で作動できるが、電気分解によってスタックのカソードに生成物を提供するように構成された電気分解セルを含み、該電気分解セルは、電源によって提供された電力をアノードとカソードとの間に提供しながら供給及び空気供給を提供することによって生成物を発生するのに使用される、電気分解装置において、スタック用の空気は、電気分解セルに提供される前に入射熱源を使用して予熱される、ことを特徴とする装置が提供される。

更に、本発明の別の特徴によれば、水素を発生するための水電気分解装置であって、水素の酸化によって電力を提供するため、８００℃乃至１０００℃で作動できるが、電気分解によってスタックのカソードに水素生成物を提供するように構成された電気分解セルを含み、該電気分解セルは、電源によって提供された電力をアノードとカソードとの間に提供しながら蒸気供給及び空気供給を提供することによって水素生成物を発生するのに使用される、水電気分解装置において、スタック用の空気は、電気分解セルに提供される前に入射熱源を使用して予熱される、ことを特徴とする装置が提供される。一般的には、電気分解セルは、燃料電池等の電気化学的セルである。

代表的には、入射熱源は、電源又は他のプロセスからの熱によって提供される。好ましくは、入射熱源は、発生した生成物の一部を燃焼することによって提供される。
可能であれば、空気は、圧縮され、５００℃乃至８００℃の温度まで予熱される。

可能であれば、発生した生成物の小さな部分をカソードに提供し、還元性を維持する。
代表的には、スタックから来入した空気の一部をスタックに再循環する。
代表的には、空気をタービンエンジンによってスタックに向かって駆動する。

代表的には、空気は熱交換器によって加熱される。可能であれば、ガスタービンエンジンの排気から熱を受け取ってスタック用の入射熱を発生するため、回収装置が設けられている。

代表的には、スタックからの生成物の流れを分離するセパレータが設けられている。
可能であれば、スタックに提供された供給を加熱するための熱を回収するため、過熱器が設けられている。

次に、本発明の実施例を例として添付図面を参照して説明する。

固体オキシド燃料電池システムの作動は周知であり、その一例が国際特許出願第ＰＣＴ／ＧＢ ２００３／００４０８９号（ロールスロイス社）に記載されている。これらの構成では、電気分解セル又は燃料電池スタックの形態の電気化学的セルが提供される。これらのセルは、電気を発生するために水素を酸化によって消費するため、アノードとカソードとの間に積層した電解質を含む。装置は、燃料自体として使用されるべき水素を発生するための例えば電気分解装置として作用するための電気化学的セル等の電気分解セルにおける電気分解の使用に関する。水素は、燃料電池自動車等の車輛や機械の原動機用のエネルギ源を発生するため、燃料電池自動車等の燃料として使用できるということは理解されよう。従来、水素の価格は、特に燃料電池技術を使用した水の電気分解によって製造する場合、比較的高かった。このような場合、比較的小型の機械や自動車での水素燃料電池技術による低エミッションの利点は、経済的に引き合わない点に関し、疑問符が付けられていた。

図２は、本発明の特定の特徴による水電気分解装置の第１実施例の概略図である。この実施例及び他の実施例は、例として提供されたものであって、ここに説明する方法は、水素以外を製造するための電気分解装置に関して使用してもよい。かくして、スタック１は、アノード部分及びカソード部分を含む。これらの部分には、夫々、イジェクター３から圧縮空気が提供され、イジェクター２から蒸気が提供される。水電気分解装置の作動を以下に説明する。しかし、この構成を逆にすることにより、本発明は、最少の変更で、代表的な固体オキシド燃料電池構造を使用するということは理解されよう。

スタック１は、図示のように、アノード側及びカソード側を持つ固体オキシド電解質を含む。このような場合、本発明による水の電気分解の実施例では、圧縮空気が、イジェクター３から、アノード１ａに向かって差し向けられる。これは、燃料電池の作動ではカソードである。アノード１ａに提供された圧縮空気は、電気化学的セルの電気分解モードでの作動を容易にするため、７００℃乃至８００℃よりも高い温度である。カソード側１ｂ（燃料電池の作動ではアノード側）への供給は、イジェクター２に提供された高温の過加熱蒸気を含む。水電気分解セルの必要条件を満たすため、解離した水素の、代表的には約１０％の小さな部分が、カソードに提供される。水は、スタック１内で電気化学的反応を受け、水素分子が発生する。解離した酸素イオンは、スタック１の電解質層を通って移行し、従ってアノード側の空気中の酸素分が濃厚になるということは理解されよう。代表的には、蒸気使用ファクタは０．８５程度である。これは、カソード出口の水素濃厚混合物中の蒸気分が１５％程度であるということを意味する。この電気分解装置で必要とされるのは、アノード及びカソードを燃料電池構成の作動から切り換え、アノード及びカソードへの供給を変化させることだけであるということは理解されよう。そのため、セル及びスタックの設計に関し、形状及び規模には、ベースとなる燃料電池形態からの重大な即ち主要な変更はない。代表的には、スタック１は圧力ベッセル内に設けられる。

上述のように、蒸気をスタック１に供給するためのイジェクター２は、全体として、発生した水素濃厚混合物１２の小さな部分をカソード１ｂの入口に再循環するように構成されている。少量の水素は、カソード１ｂの入口を還元環境に保持し、イジェクター２からスタックに供給された蒸気中に含まれる、微量の酸素による酸化が起らないようにするため必要とされる。こうした微量の酸素は、水の不完全な脱イオン及び／又は蒸気供給ラインでの空気漏れによる。

図示のイジェクター３は、加熱した圧縮空気をスタック１のアノード１ａに提供する。この場合も、一般的には、スタック１から来入する酸素濃厚空気の一部を再循環する。スタック１から来入する空気のバルクは比較的高温であり、この空気がタービン４を駆動する。タービン４は、スタック１から二次流れを同伴するのに使用される。内部改質器及びオフガス燃焼器が設けられていないため、空気再循環ループ３３での圧力降下が低い。このような場合では、代表的な燃料電池の作動におけるのと同じ再循環比を使用してもよく、一次入口との間の圧力降下、即ちコンプレッサ４ａとタービン４ｂとの間の圧力降下が低い。再循環ループ３３を通ってイジェクター３に再循環される酸素濃厚空気は高温であり、そのため、この再循環された空気は、アノード１ａへの圧縮空気の供給温度を上昇し、熱交換器に求められる容量及び要求を減少し、スタック１への圧縮空気供給を高くするということは理解されよう。

上述のように、ガスタービンエンジンを使用し、スタックへの空気の供給を加圧する。スタックのアノード１ａ側からの高温の生成物は、タービン４ｂに差し向けられ、このタービンがコンプレッサ４ａを駆動する。これは、空気の供給を上文中に説明したように加圧するためである。タービン４からの余分の動力を使用して同期発電機を駆動してもよく、これにより、システムの電源の電力消費を低減できるということは理解されよう。上述のように、スタック１で電気化学的反応を発生するため、アノード及びカソードに電力を提供する必要がある。この電源は、原子炉であってもよい。

上述のように、必要な熱入力を、スタック１に流入する圧縮空気流に提供するため、熱交換器５が設けられている。空気の供給温度を高くすることにより、電気分解プロセスを容易にする。このような状態では、コンプレッサ４ａからの空気１５は、熱交換器５の低温側に入り、外部熱ベクトルが熱交換器５の高温側に供給される。熱ベクトルは、装置の電源、例えば原子炉が発生した入射熱等の多くのプロセスから得ることができ、又は他のプロセス熱入射又は電気分解装置が便利に利用できる熱又は水素濃厚流の一部を燃焼することによって利用できる熱から得ることができる。極めて高い温度は必要とされず、そのため、供給部２５を通してイジェクター３に提供される空気５１の温度を高くするために熱交換器５で使用される熱ベクトルに様々な熱源を使用できるということは理解されよう。わかるように、熱ベクトル１１は、従来の態様で熱交換器５の前後に提供され、必要であれば、再循環してもよい。

熱ベクトルに関し、本装置を高温原子炉と一体化した場合には、以下の理由により、前記原子炉内の一次冷却ループと本発明の電気分解装置との間に原子炉内の中間ヘリウム回路を設ける必要があるということは理解されよう。原子炉の一次クーラントを直接使用することは、熱交換器５にとって温度が高過ぎ、そのため安全上の基本的な問題が生じ、更に放射線の保護に関する追加の問題点が生じる。二段熱交換器の設計により、代表的には４０バール乃至７０バールの原子炉の一次クーラントループと、代表的には７バール程度のエレクトロライザーサイクル(electrolyser cycle)内の空気の圧力との間の高い圧力差の作用を緩和できる。

再循環ループ３３を通して空気再循環サイクルが行われるということは、熱交換器における一次空気１５の必要な予熱が、５００℃乃至６００℃に過ぎない場合には、十分であるということを意味する。かくして、必要な熱入力をシステムに提供するコンパクトな復熱型熱交換器５を設計できる。更に、最終的な温度によっては、問題を生じることのあるセラミック材料を必要とせずに現在の金属材料を使用して熱交換器５を形成できる。

上述のように、代表的には、コンプレッサからの空気の一部を中間熱交換器を迂回させ、スタック１を収容する加圧ベッセルの内壁に対してクーラントとして使用してもよい。
通常は、本発明の装置には、ガスタービン４ｂの排気から熱を受け取るため、蒸気エバポレータ６が設けられている。回収された熱は、スタック１への蒸気供給用の熱を発生するために使用される。

代表的には、蒸気過熱器を使用し、スタック１のカソード１ｂ側から放出された蒸気からの熱を活用する。通常は、この過熱器は、スタック１を包含するベッセルの外側に配置され、標準的な蒸気過熱器の最大蒸気温度は最大５００℃乃至５５０℃である。スタックへの供給前に蒸気を更に高温に加熱することが必要とされる場合がある。これは、圧力ベッセル内の内部熱交換器によって行うことができる。

スタック１が発生した水素濃厚混合物に対し、復水器即ちセパレータ７が設けられている。オフガスの冷却及び蒸気の復水で放出された熱は、水の加熱に活用される。本電気分解装置に関し、水電気分解サイクルにおける脱イオンに対する要求を小さくするため、脱イオン水が重要であるということは理解されよう。復水器７で凝縮した水を再循環し、装置で「補給」水と混合する。仮定された３５℃の温度を復水器セパレータで得るため、及び水を所望の通りに凝縮し、約９９％以上の水素純度を得るため、電気分解サイクルの大きさ及び構成に応じて、別の冷却器からの追加の廃熱が必要とされるということは理解されよう。

強制的に循環するため、蒸気発生機器への水の供給を加圧する供給ポンプ９が設けられている。このポンプ９は、一般的には、水に１０バールを越える圧力を発生する。更に、上述のように、現在の水電気分解プロセスに関して供給水の脱イオン及び脱気が重要であるこのような場合には、蒸気を発生する水用の脱イオン／脱気ユニット１０が設けられている。

熱交換器５への熱入力は、特に中間熱交換器の使用に関し、図１に示す装置に課せられる重要な拘束要因であるということは理解されよう。熱交換器５からの出口温度が低ければ低い程、更にコンパクトな設計にできるが、有効性が低下する。更に、スタック１を収容した圧力ベッセルに非常に高温の空気が供給されると、条件に適合した材料及び費用に関して問題が生じるということは理解されよう。しかしながら、上述のように、スタックに供給される圧縮空気の温度を上昇するのに使用できる入射熱源が使用される。これは、本発明に関して重要である。このような場合には、復熱型熱交換器をコンプレッサの出力に設け、高温熱交換器を被加圧ベッセル内に設けた二段熱交換プロセスを提供できる。この方法は、重要な熱交換器及び圧力ベッセルに供給する高温ラインの設計を必要とする。

電力がスタック１内で消費されることによる熱の発生は、水電気分解サイクルを持続的に作動するのに必要な一次空気の温度を低下するということは理解されよう。一般的には、スタック１の面積固有抵抗（ＡＳＲ）は、温度低下に従って上昇し、かくしてスタック１の内部での熱の発生を増大することにより、中間熱交換器を通した熱入力の減少を補償する。熱は、銅損によってスタック１から放出され、空気再循環ループ３３を通してスタック１に再循環されるということは理解されよう。

燃料電池の作動と比較すると、本装置の水電気分解サイクルは、一つのスタック毎に必要とされる空気の流量が比較的小さい。これは、水の電気分解反応が吸熱性の反応であって、スタック１からの空気１３の出口温度を低下する傾向があるためである。このような場合には、同じタービン４を、ハイブリッドシステムで、即ち燃料電池及び水電気分解の両方で使用する場合、スタックへの空気の全質量流量が等しい。各圧力ベッセルに装着されるべきスタック１の数を増やすことにより、スタック１の空気の平均温度を上昇し、化学反応の効率を向上するのが有利である。それにも関わらず、これは、ガスタービンの排気から回収された熱及びスタック１によって消費された熱による再現可能な最大蒸気量によって制限される。

スタック１への一次空気温度を低下すると、スタック１の平均温度も低下し、これにより、上文中に説明したように、スタック１の面積固有抵抗（ＡＳＲ）が上昇し、そのためスタック１内での抵抗発熱が増大し、再循環ループ３３を通ってスタック１に戻る際に空気の温度が上昇するということを示すことができる。このような場合には、空気を再循環することによって、スタック１への空気入口温度の低下を緩和する。

上文中に説明したように空気が再循環される場合には、熱交換器５からの空気出口温度の全体としての効果を最少にできるということを示すことができる。かくして、装置の実現可能性及び対費用効果に関し、温度を下げることによる利点を更に容易に得ることができる。更に、全体としての目的は、水電気分解装置の性能に関する高い効率レベルを達成するため、燃料電池モジュールについての空気固有抵抗（ＡＳＲ）値を低下することであるが、水電気分解装置の性能は、アノード及びカソードの前後で必要とされる電力の変化並びにシステムへの熱入力の変化によって簡単に調節できるこのパラメータの影響を受け難く、実質的に一定の性能を得ることができるということは理解されよう。このような場合には、空気入力を加熱する上で、プロセス熱等の安価な入射熱と比較して費用のかかる、電気の使用量を減少するため、利用できるのであれば、入射プロセス熱を使用することによって、比較的費用がかかる電気入力を補償するのが有利である。一般的には、熱入力は、アノード及びカソードの前後に電力を加えるよりも遥かに安価である。

スタック１毎の圧縮空気流の量は、水電気分解サイクル内の内部復熱プロセスにより、即ちガスタービン出口での回収により、発生できる蒸気の最大流量によって制限される。水電気分解装置の変形例即ち第２実施例を図３に示す。この実施例では、熱交換器５５から取り出された、蒸気を発生するための熱を提供するために使用される熱を活用することによって追加の蒸気発生性能が提供される。熱交換器５５の出口での温度は、コンプレッサから来入する空気の入力温度に対するΔＴに対する十分なアプローチを可能にするため、一般的には、少なくとも３５０℃乃至４００℃であるということは理解されよう。

図３では、図２に示すのと同様の構成要素には同様の参照番号が付してあり、この第２実施例の追加の特徴について追加に説明する。このような場合には、熱交換器５５からの出力熱を使用することによって、単位面積当たりのスタック１の数が、他の技術的制約によって課せられた限度まで増加し、かくしてスタック１を比較的高い平均温度で作動でき、面積固有抵抗（ＡＳＲ）を低下し、効率を向上するということは理解されよう。図３に示す水電気分解サイクルを、図２に示す水電気分解サイクルと比較しなければならない。図３では、更に多くのプロセス熱を受け入れる追加の蒸気発生器が設けられている。かくして、熱交換器５５からの熱を蒸気エバポレータ５６に提供し、エバポレータ６によって提供される蒸気に加えて更に多くの蒸気５７を発生する。このように、上述のように、図３に示す装置の蒸気発生性能は、図２に示す装置よりもかなり大きい。更に、熱交換器５５及びエバポレータ５６によってプロセス熱を更に回収することによって、更に大きな効率が得られるということは理解されよう。効率を更に向上するためにエバポレータ６、５６で蒸発を行う前に供給水の予備加熱を行うため、追加の熱回収エコノマイザー５８を設けてもよい。このエコノマイザー５８は、タービン４の排気から熱を受け取るため、又は独立した熱プロセス熱源を通して熱を受け取るため、配置されていてもよい。

上文中に説明したように、水電気分解装置に対し、水の電気分解を行うために電力を発生する機構からの熱源であろうと、又は隣接したプロセスからの熱源であろうと、入射熱源を使用することによって、電気分解装置への圧縮空気の供給を調節できる。更に、スタックからの出口空気の割合について再循環を行うことによって、スタックの空気供給温度を、効率的作動について条件に適合した温度に維持できる。このような場合には、燃料品質の水素を発生する上で所望の水電気分解装置作動効率を達成するため、電力並びに空気供給／蒸気の温度のツインバランスプロセスを相対的に調節できる。

本発明の水電気分解装置は、以下に列挙する幾つかの固有の特徴を有する。
（Ａ）スタック１で、銅損によって発生する熱を、電気分解反応の吸熱性が補償する。これにより、スタック１内の温度勾配が、燃料電池作動モードと比較して小さくする。これにより、高温の燃料電池作動に関する重要な問題点である熱応力の問題を低減する。電力入力並びに供給物の温度のバランスをとることにより、特定の環境において、スタックを等温で作動させることができる。

（Ｂ）スタック入口への空気供給について比較的低い温度を使用することにより、面積固有抵抗（ＡＳＲ）の増大及びスタック１の銅損による熱の発生を滑らかにする。再循環ループ３３を使用することにより、装置の効率に及ぼされる全体としての効果が非常に低い。

（Ｃ）スタック１についての面積固有抵抗（ＡＳＲ）に関する固有のターゲットが水電気分解装置の性能に及ぼす効果が非常に限定されている。空気固有抵抗が温度に従って変化するため、スタックの空気固有抵抗は、ターゲット値よりも公称で３０％高く、比較的高い平均温度で作動し、銅損を増大し、面積固有抵抗（ＡＳＲ）の実際の増大を約１０％に抑え、システムの効率をほぼ一定にする。これにより、上文中に説明したように、銅損を増大し、スタック１から排出される空気の温度を上昇し、次いでその一部をループ３３に再循環し、イジェクター３を通した空気供給を調節する。しかしながら、スタック１の最大温度及びターゲットの入口温度は、許容可能な限度よりも遥かに低い温度に保持されるということは理解されよう。

（Ｄ）スタックに関する水素漏れのターゲット値を越えると、装置の性能に限定的な効果が及ぼされる。漏れが多ければ多いほど、スタックの作動温度が高くなるが、それでも最大許容値内にとどまり、これにより面積固有抵抗（ＡＳＲ）が低くなる。

（Ｅ）水電気分解作動を行うために現存の燃料電池構造に必要な変更がほとんどない。
代表的には、水の電気分解を行うために幾つかのスタック１が装置内に設けられており、構成要素間に適当な配管及びダクトが設けられているということは理解されよう。

図４は、開ループ電気分解装置を概略に示す。この装置は、図示のように、スタック１からスタックの供給部への空気の再循環を行わない開ループ装置である。このような場合には、上文中に説明したように、スタック１は、アノード側１ａとカソード側１ｂとの間のオキシド電気分解セルによって形成されている。この実施例でも、イジェクター２は、カソードに対して再循環を行い、水素をカソード側１ｂに提供する。アノード１ａに供給される圧縮空気２５を提供するため、ガスタービンエンジン４が設けられている。入射プロセス熱によって適当な熱ベクトルが提供される中間熱交換器５は、電気分解セルのスタックへの空気２５を予熱するように作動する。蒸気発生器６がタービン４の排気から熱を受け取り、蒸発によって蒸気を発生する。水電気分解装置に同伴された水用の復水器７は、水エレクトロライザーへの水／蒸気供給に対してエコノマイザーとして作用する。蒸気をイジェクター２を通してカソード１ｂ内に循環するため、蒸気過熱器８が設けられている。上文中に説明したように、水電気分解プロセスで使用される水に関して使用するため供給ポンプ９及び脱イオン／脱気装置が設けられている。

以上の条件では、図２及び図３に示す上述の実施例と比較して、空気再循環ループ（図２及び図３に参照番号３３で示す）がないということに着目されたい。このような場合、図４に示す装置は、熱交換器５での空気の温度の影響を受け易い。この温度が、サイクル装置におけるスタックの空気入口温度と同じであるため、許容可能な最小値は７５０℃乃至８００℃である。これにより、中間熱交換器５の設計が更に重要となる。中間熱交換器５は、スタック１を収容した加圧ベッセルの外部の、低温熱交換器としての復熱型熱交換器の機能、及び加圧ベッセル内部の高温熱交換器の機能の二つの機能を提供することを必要とされる。これは、熱ベクトル用の高温ラインの設計を必要とする。高温ラインは、多くの場合、原子力プラントから取り出され、加圧ベッセルに供給される。これにより、多くの場合に加圧ベッセルに供給するため、原子力プラントから取り出される熱ベクトル用に高温ラインを設計することを必要とする。従って、安全性に配慮して設計しなければならない。

この場合、二段熱交換器を使用することによって、効率が低い二つの熱交換器を使用して空気に熱を伝達する。しかしながら、この開放サイクル構成では、システムへの熱入力と電気的入力との間の比を高くできるが、概して、空気の再循環を行うシステム（図２及び図３参照）よりも効率が低く、更に重要なことには、システムを、現存の燃料電池作動構成から、完全に設計し直すことを必要とする。

図５は、本発明の特定の特徴による電気分解装置の第４実施例を提供する。この実施例は、外部熱交換器又は熱源に対する必要をなくす代りに、発生した水素のうちの小さな部分を空気再循環ループ４３で燃焼することによって、スタック１に提供される圧縮空気を加熱するための熱を提供する。かくして、発生した水素のこの部分を燃焼するため、燃焼器６５が設けられている。

上文中に説明したように、スタック１に、加圧空気及び蒸気を、スタック１のアノード側１ａ及びカソード側１ｂの夫々に提供する。イジェクター２は、カソード１ｂに、再循環した水素をカソード１ｂの入口に提供する。イジェクター３は、オフガス燃焼器６５を含むキンク４３を通して再循環された空気を提供する。上述のように、この燃焼器６５は、発生した水素のうちの小さな部分を燃焼し、次いで、イジェクター３で圧縮空気流３５によってアマルガム化を行うため、熱をループ４３に通す。これは、スタック１のアノード１ａに提供される。次いで、この組み合わせを、アノード１ａへの供給として提供する。上文中に説明したように、タービン４からの排気を使用して水を蒸発する蒸気発生器６が設けられている。電気分解装置の生成物と同伴した水用の復水器７が、水エレクトロライザーへ水／蒸気を供給するエコノマイザーとして作用する。スタック１のカソード１ｂから再循環された水素とのアマルガム化を行うためにイジェクター２に蒸気を提供するため、蒸気過熱器８が設けられている。この実施例でも、確実に条件に適合するようにするため、供給ポンプ９及び脱イオン／脱気装置が水供給装置に作用する。

単位空気当たりのスタックの数を増やすことによって、高温でのスタックの作動を可能にし、及び従って、効率を高くできるということは明らかである。しかしながら、自己持続システムについて、圧縮空気の単位流量当たりのスタックの最大の数は、ガスタービンの排気から回収された熱のみで決まる最大蒸気流量によって決まる。熱が蒸気の発生にしか必要とされないため、補助的に点火された蒸気発生器の追加、又は比較的低温の外部入射熱源の一体化により、電気分解装置の全体としての効率を向上する。

本発明の特定の特徴では、電力入力の低下を補償するため、入射熱を使用してスタックへの空気供給の温度を上昇する。電力入力は、一般的には、提供するのに更に費用がかかる。一般的には、図２に示す実施例によるスタックへの直接入力によって入射プロセス熱を使用できる必要最小温度は、６００℃程度であるが、蒸気を発生する上で、外部熱源、及び続く実施例に説明されたオフガス燃焼、又はプロセス熱の活用を含むハイブリッド構成を使用することにより、用途の範囲を拡げることができ、入射プロセス熱源は、一体化を行うための３０℃程度を提供することしか必要とされない。このような場合には、熱交換器用の熱ベクトルを提供するため、本システムと一体化できる可能な入射プロセッサは、
製油所及び化学プロセッサ、
高温原子炉、
ガスタービンサイクル、
複合熱−電力プラント、
廃棄物の焼却、
太陽光電源を含む。

蒸気電気分解プロセスによる水素の発生に加え、固体オキシド電気分解プロセスを、以下に列挙する技術分野に適用できるということは理解されよう。即ち、
ａ）所望の生成物の含有量を高めるため、導酸素イオン膜(oxygen ion conducting membrane)を使用した電気化学的分解に適した、幾つかのプロセス副生物の電気分解。

ｂ）水素の電気分解による酸素及び水素の同時生成。酸素濃厚空気の可能な発生方法は、ガスタービンを含む閉空気ループの設計であり、周囲空気をコンプレッサの入口に「補給」し、酸素濃厚流をタービン出口で引き出す。原理的には、閉鎖回路は、スタックのアノード側に設計でき、始動時に純粋酸素で充填する。このシステムは、アノード側に酸素がある状態で作動し、高純度の酸素を発生する。これは、販売できる副生物である。しかしながら、この構成には、爆発等の可能性を回避するため、装置の全ての部分で酸素と水素濃厚流との間を確実にぴったりと分離するという安全上の大きな問題点がある。

本装置は、更に、ピーク電力を使用した再生燃料電池の作動を可能にする。即ち、必要な場合に、燃料電池で消費されるべき燃料を電気分解によって提供する回生電源を結合する。

本発明の変形及び変更は、当業者には理解されよう。かくして、上文中に説明したように、代表的には、圧力ベッセル内に多くのスタックが提供され、最も効率的で経済的なプロセスを提供するため、温度／電気入力を変化する。

アノード及びカソードの再循環は、言及がなされた場合、ブロワー又は任意の他の適当な機構を含むイジェクター装置を使用して行われるということは理解されよう。
以上の記載において、特に重要であると考えられる本発明の特徴に注意を集中する努力を払ったが、本出願人は、上文中に言及した及び／又は添付図面に示す特許性のある任意の特徴又は組み合わせに関し、これが特に強調されていようといまいと、保護を請求するということは理解されるべきである。

図１は、燃料電池での燃料の酸化の逆反応である電気分解を示す概略図である。 図２は、本発明の特定の特徴による水電気分解装置の第１実施例の概略図である。 図３は、本発明の特定の特徴による第２の変形例の水電気分解装置の概略図である。 図４は、本発明の特定の特徴に従って適合した開ループサイクル電気分解装置の概略図である。 図５は、本発明の特定の特徴による水電気分解装置の第５実施例の概略図である。

符号の説明

１ スタック
１ａ アノード
１ｂ カソード
２ イジェクター
３ イジェクター
４ タービン
４ａ コンプレッサ
４ｂ タービン
１２ 水素分濃厚混合物
３３ 空気再循環ループ

Claims (11)

1. 生成物を発生するための電気分解装置であって、酸化によって電力を提供するために８００℃乃至１０００℃で作動できるが、電気分解によってスタック（１）のカソード（１ｂ）に生成物を提供するように構成された電気分解セルを含み、前記電気分解セルは、電源によって提供された電力をアノード（１ａ）とカソード（１ｂ）との間に提供しながら供給及び空気供給を提供することによって生成物を発生するのに使用される、電気分解装置において、
   前記空気は、タービンエンジン（４）によって前記スタック（１）に向かって駆動され、前記スタック（１）用の前記空気は、前記電気分解セルに提供される前に入射熱源を使用して予熱される、ことを特徴とする装置。
2. 水素を発生するための水電気分解装置であって、水素の酸化によって電力を提供するために８００℃乃至１０００℃で作動できるが、電気分解によってスタック（１）のカソード（１ｂ）に水素生成物を提供するように構成された電気分解セルを含み、前記電気分解セルは、電源によって提供された電力をアノード（１ａ）とカソード（１ｂ）との間に提供しながら蒸気供給及び空気供給を提供することによって水素生成物を発生するのに使用される、水電気分解装置において、
   前記空気は、タービンエンジン（４）によって前記スタック（１）に向かって駆動され、前記スタック（１）用の前記空気は、前記電気分解セルに提供される前に入射熱源を使用して予熱される、ことを特徴とする装置。
3. 請求項１又は２に記載の装置において、
   前記入射熱源は、前記電源又は他のプロセスからの熱によって提供される、装置。
4. 請求項１、２、又は３に記載の装置において、
   前記入射熱源は、発生した生成物の一部を燃焼器（６５）で燃焼することによって提供される、装置。
5. 請求項１乃至４のうちのいずれか一項に記載の装置において、
   前記空気は、圧縮され、５００℃乃至８００℃の温度まで予熱される、装置。
6. 請求項１乃至５のうちのいずれか一項に記載の装置において、
   前記スタック（１）から来入した空気の一部を前記スタック（１）に再循環（３、３３）する、装置。
7. 請求項１乃至６のうちのいずれか一項に記載の装置において、
   前記スタック（１）から来入した生成物の一部を前記スタック（１）に再循環（２）する、装置。
8. 請求項７に記載の装置において、
   前記スタック（１）に再循環（２）された前記生成物の部分は、前記スタック内に還元環境を維持する、装置。
9. 請求項６、７、又は８に記載の装置において、
   前記空気は、熱交換器（５）によって加熱される、装置。
10. 請求項１乃至９のうちのいずれか一項に記載の装置において、
    タービンエンジン（４）の排気から熱を受け取って前記スタック（１）用の前記入射熱を発生するため、回収装置（６）が設けられている、装置。
11. 請求項１乃至１０のうちのいずれか一項に記載の装置において、
    前記スタック（１）からの生成物の流れを分離するセパレータ（７）が設けられている、装置。

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