JP2010090425A - Hydrogen producing apparatus and method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、高温水蒸気電解により水素を製造する水素製造装置及びその方法に関する。 The present invention relates to a hydrogen production apparatus and method for producing hydrogen by high-temperature steam electrolysis.
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、全く二酸化炭素を排出せずに水素製造が可能となる。 As one vision of the future society, the realization of a hydrogen energy society using hydrogen as an energy medium is attracting attention, and several promising hydrogen production methods are considered. Among several hydrogen production methods, the high temperature steam electrolysis method includes a method of electrolyzing water vapor at a high temperature of about 900 ° C. Further, since the raw material is water, if a heat source that does not generate carbon dioxide is used, hydrogen can be produced without exhausting any carbon dioxide.
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)。 In this high-temperature steam electrolysis method, the theoretical electrolysis voltage of water is 1.23V in water electrolysis at room temperature, whereas the theoretical decomposition voltage of water vapor at 900 ° C is 0.9V with a low power of about 30%. It is known as a hydrogen production method with high energy efficiency that can produce the same amount of hydrogen production (for example, see Non-Patent Document 1).
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。水素極で電子が与えられて水蒸気を酸素イオンと水素に分解し、酸素イオンが電解質層を透過し、酸素極で電子を放出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より作製されている。 In hydrogen production by high-temperature steam electrolysis, this minimum unit is called a cell. Basically, it has a three-layer structure in which an oxygen electrode (anode) and a hydrogen electrode (cathode) are arranged on both sides of the electrolyte layer in the middle of the electrolyte. Electrons are given at the hydrogen electrode to decompose water vapor into oxygen ions and hydrogen, the oxygen ions pass through the electrolyte layer, and electrons are released at the oxygen electrode to generate oxygen. The electrolyte layer, the oxygen electrode, and the hydrogen electrode are made of ceramics so as to withstand use at high temperatures.
また、水蒸気を電気分解するためには、水素極表面に含まれる金属成分が触媒として作用するために、この金属分子を還元しておかなければならない。このために、高温水蒸気電解による水素製造システムおいては、製造した水素の一部を循環させて、原料の水蒸気と一緒にこのセルに供給する方式が採用されている。 In addition, in order to electrolyze water vapor, a metal component contained on the surface of the hydrogen electrode acts as a catalyst, so that the metal molecule must be reduced. For this reason, in a hydrogen production system using high-temperature steam electrolysis, a system in which a part of the produced hydrogen is circulated and supplied to the cell together with the raw material steam is adopted.
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)。
上述した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、全く二酸化炭素を排出せずに水素製造が可能となる。この二酸化炭素を生じない熱源の一例として、原子力発電プラント、高温ガス炉の熱を利用する方法がある。ここでは、高温ガス炉の熱を利用する場合を想定する。 The high temperature steam electrolysis method described above includes a method of electrolyzing water vapor at a high temperature of about 900 ° C. Further, since the raw material is water, if a heat source that does not generate carbon dioxide is used, hydrogen can be produced without exhausting any carbon dioxide. As an example of a heat source that does not generate carbon dioxide, there is a method of using the heat of a nuclear power plant or a HTGR. Here, it is assumed that the heat of the HTGR is used.
高温ガス炉の発電効率は「The gas Turbine−Modular Helium Reactor」(Nuclear News October 2003)に示されるように、52.6%である。高温ガス炉で発電した電気エネルギーを使用し、水を電気分解して、水素を製造するときには、発電効率以外に電気分解効率も影響するために、水素製造効率は52.6%以下となる。この水素製造効率について、図6を用いて説明する。 The power generation efficiency of the HTGR is 52.6% as shown in “The gas Turbine-Modular Helium Reactor” (Nuclear News October 2003). When hydrogen is produced by electrolyzing water by using electric energy generated in a high temperature gas furnace, the efficiency of hydrogen production is 52.6% or less because of the influence of electrolysis efficiency in addition to the power generation efficiency. This hydrogen production efficiency will be described with reference to FIG.
図6は、従来の水素製造装置の概略構成を示す構成図である。 FIG. 6 is a configuration diagram showing a schematic configuration of a conventional hydrogen production apparatus.
原料の水は蒸発器31で水蒸気に気化され、供給ライン35を介して予熱器である熱交換器32で所定の温度まで加熱される。加熱された水蒸気は、セル33で電解され、水素となる。高温水蒸気電解装置のセル33の水素極は還元雰囲気に保つ必要があるので、水蒸気の他に水素を供給しなければならない。このため、製品水素の一部は循環ライン34を介して再度上記供給ライン35に環流され、還元用に水蒸気と一緒に供給されている。
The raw material water is vaporized into water vapor by the
水素製造効率は、原子炉(高温ガス炉)36から投入したエネルギー(原料及びシステムを約900℃に加熱する熱エネルギーE1、E2)及び電解に使用する電気エネルギーの合計に対する製品水素の燃焼熱であるので、以下の(1)式が示すように算出される。
また、電解に使用する電気エネルギーは、以下の(2)式が示すように、電力量を高温ガス炉の発電効率で除して算出される。
高温ガス炉の熱を使用し、高温水蒸気電解により水素製造するときは、水素製造効率が発電効率を上回れば、高温ガス炉で発電した電気エネルギーを使用した水の電気分解で水素製造するより効率がよくなるため、高温水蒸気電解法による水素製造にメリットが生まれる。このため、いかに水素製造効率を高めるかが高温水蒸気電解法の課題であった。 When hydrogen is produced by high-temperature steam electrolysis using the heat of a HTGR, if the hydrogen production efficiency exceeds the power generation efficiency, it is more efficient than hydrogen production by electrolysis of water using electric energy generated in the HTGR Therefore, there is a merit in hydrogen production by high temperature steam electrolysis. For this reason, how to increase the hydrogen production efficiency was a problem of the high temperature steam electrolysis method.
水素製造効率に影響を及ぼす因子として以下の2つがある。 There are the following two factors that affect the hydrogen production efficiency.
1)水蒸気利用率
2)セル還元用の水素量
この水蒸気利用率は、供給した水蒸気量に対する分解された水蒸気量すなわち水素製造量である。水蒸気利用率が高いと、水素製造量あたり供給される水蒸気量が少なくて済むので、図6に示す蒸発器投入熱量E1及び熱交換器投入熱量E2が小さくなり、供給する熱エネルギーが小さくなる。(1)式の分母が小さくなるため、水素製造量が一定であるという前提条件の下では、水蒸気利用率が高い方が水素製造効率が高くなる。
1) Water vapor utilization rate 2) Hydrogen amount for cell reduction This water vapor utilization rate is the amount of water vapor decomposed relative to the amount of water vapor supplied, that is, the amount of hydrogen produced. A high steam usage, since only a small amount of water vapor supplied per hydrogen production amount, the evaporator heat input E 1 and the smaller the heat exchanger heat quantity E 2 shown in FIG. 6, and supplies the heat energy is small Become. Since the denominator of the formula (1) is small, under the precondition that the amount of hydrogen production is constant, the higher the water vapor utilization rate, the higher the hydrogen production efficiency.
この水蒸気利用率を向上させることにより、原料の無駄が省略でき、また熱投入量が抑制され、供給する熱エネルギーが小さくなり、水素製造効率を向上させることが課題であった。 By improving the water vapor utilization rate, waste of raw materials can be omitted, the amount of heat input is suppressed, the supplied heat energy is reduced, and the hydrogen production efficiency is improved.
また、セル還元用の水素量は、原料の水蒸気と共に供給する水素量である。高温水蒸気電解装置の水素極は還元雰囲気に保つ必要がある。このために、水蒸気の他に水素を供給しなければならない。製品水素の一部は、供給ラインに循環させ、還元用に水蒸気と一緒に供給される。循環する水素量を減らすことにより、図6に示す熱交換器投入熱量E2が抑制され、供給する熱エネルギーが小さくなる。そして、循環する水素量が減るため、製品として取り出せる水素量が増えるので、供給する水蒸気量が少なくて済むので、図6に示す蒸発器投入熱量E1及び熱交換器投入熱量E2が小さくなり、供給する熱エネルギーが小さくなる。(1)式の分母が小さくなるために、水素製造量が一定であるという前提条件の下では、セル還元用の水素量を軽減して水素製造効率を向上させることが課題であった。 The amount of hydrogen for cell reduction is the amount of hydrogen supplied together with the raw material water vapor. It is necessary to keep the hydrogen electrode of the high-temperature steam electrolysis apparatus in a reducing atmosphere. For this purpose, hydrogen must be supplied in addition to water vapor. Part of the product hydrogen is circulated to the supply line and supplied with steam for reduction. By reducing the amount of hydrogen circulation is suppressed heat exchanger heat input E 2 shown in FIG. 6, supplies thermal energy decreases. Since the amount of hydrogen circulation is reduced, since the amount of hydrogen taken out as a product is increased, since fewer water vapor content supplied, the evaporator heat quantity E 1 and the heat exchanger heat quantity E 2 shown in FIG. 6 decreases , The heat energy to be supplied becomes smaller. Since the denominator of the formula (1) is small, under the precondition that the amount of hydrogen production is constant, it has been a problem to improve the hydrogen production efficiency by reducing the amount of hydrogen for cell reduction.
本発明は上記課題を解決するためになされたもので、水蒸気利用率を高め、セル還元用の水素量を軽減することにより、高温水蒸気電解による水素製造に必要なエネルギーを軽減し、水素製造効率のよい水素製造を行うことのできる水素製造装置及びその方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-mentioned problems. By increasing the steam utilization rate and reducing the amount of hydrogen for cell reduction, the energy required for hydrogen production by high-temperature steam electrolysis is reduced, and the hydrogen production efficiency is improved. An object of the present invention is to provide a hydrogen production apparatus and method capable of producing a good hydrogen.
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、水が供給される水供給系と、この水供給系から供給され水の供給量が制御される水供給量制御装置と、この水供給量制御装置により制御されて供給される水を蒸発して水蒸気とする水蒸発器兼製造ガス冷却器と、この水蒸発器兼製造ガス冷却器で蒸発した水蒸気と水素とを混合して原料ガスとする水素混合器と、この水素混合器で混合された原料ガスを予熱する原料ガス予熱器と、この原料ガス予熱器で予熱された原料ガスが供給されるセル容器と、このセル容器内に設置され、水素極、酸素極及びこの水素極と酸素極との間に形成される電解質を含み、前記原料ガスが電気分解されて水素が製造されるセルと、電気分解されて前記水素が製造される前記セルの性能を監視するセル性能監視装置と、前記セルで製造された水素の一部は還元用として前記水素混合器を介して前記セルに循環され、この一部の水素の流量を制御する水素流量制御装置と、を有することを特徴とするものである。 In order to achieve the above object, in the hydrogen production apparatus of the present invention, a water supply system to which water is supplied, a water supply control device for controlling the supply amount of water supplied from the water supply system, and the water supply system. A water evaporator / manufactured gas cooler that evaporates water supplied and controlled by a supply amount control device to produce water vapor, and a raw material obtained by mixing water vapor evaporated in the water evaporator / manufactured gas cooler and hydrogen A hydrogen mixer as a gas, a raw material gas preheater for preheating the raw material gas mixed in the hydrogen mixer, a cell container to which the raw material gas preheated by the raw material gas preheater is supplied, and the inside of the cell container A hydrogen electrode, an oxygen electrode, and an electrolyte formed between the hydrogen electrode and the oxygen electrode, wherein the source gas is electrolyzed to produce hydrogen, and the hydrogen is produced by electrolysis. A cell that monitors the performance of the manufactured cell. A performance monitoring device, and a part of hydrogen produced in the cell is circulated to the cell via the hydrogen mixer for reduction, and a hydrogen flow rate control device for controlling a flow rate of the part of hydrogen. It is characterized by this.
また、上記目的を達成するため、本発明の水素製造方法においては、水が供給される水供給系と、この水供給系から供給され水の供給量が制御される水供給量制御装置と、この水供給量制御装置により制御されて供給される水を蒸発して水蒸気とする水蒸発器兼製造ガス冷却器と、この水蒸発器兼製造ガス冷却器で蒸発した水蒸気と水素とを混合して原料ガスとする水素混合器と、この水素混合器で混合された原料ガスを予熱する原料ガス予熱器と、この原料ガス予熱器で予熱された原料ガスが供給されるセル容器と、このセル容器内に設置され、水素極、酸素極及びこの水素極と酸素極との間に形成される電解質を含み、前記原料ガスが電気分解されて水素が製造されるセルと、電気分解されて前記水素が製造される前記セルの性能を監視するセル性能監視装置と、前記セルで製造された水素の一部は還元用として前記水素混合器を介して前記セルに循環され、この一部の水素の流量を制御する水素流量制御装置と、を備え、前記セル性能監視装置により前記セル性能を監視しながら、前記水の供給量及び前記水素混合器に供給される水素量の少なくとも一つを前記セルの性能が高くなるように調整しながら運転すること、を特徴とするものである。 In order to achieve the above object, in the hydrogen production method of the present invention, a water supply system to which water is supplied, a water supply amount control device for controlling the supply amount of water supplied from the water supply system, A water evaporator / manufactured gas cooler that evaporates the water supplied and controlled by the water supply amount control device to steam, and the steam and hydrogen evaporated by the water evaporator / manufactured gas cooler are mixed. A raw material gas hydrogen mixer, a raw material gas preheater for preheating the raw material gas mixed in the hydrogen mixer, a cell container to which the raw material gas preheated by the raw material gas preheater is supplied, and the cell A hydrogen electrode, an oxygen electrode, and an electrolyte formed between the hydrogen electrode and the oxygen electrode, and a cell in which the raw material gas is electrolyzed to produce hydrogen; Monitor the performance of the cell where hydrogen is produced A cell performance monitoring device, a part of the hydrogen produced in the cell is circulated to the cell via the hydrogen mixer for reduction, and a hydrogen flow rate control device for controlling the flow rate of this part of hydrogen, While adjusting the cell performance by the cell performance monitoring device, adjusting at least one of the water supply amount and the hydrogen amount supplied to the hydrogen mixer so that the performance of the cell becomes high It is characterized by driving.
本発明の水素製造装置及びその方法によれば、水蒸気利用率を高め、セル還元用の水素量を軽減することにより、高温水蒸気電解による水素製造に必要なエネルギーを軽減し、水素製造効率のよい水素製造を行うことができる。 According to the hydrogen production apparatus and method of the present invention, by increasing the steam utilization rate and reducing the amount of hydrogen for cell reduction, the energy required for hydrogen production by high-temperature steam electrolysis is reduced, and the hydrogen production efficiency is good. Hydrogen production can be performed.
以下、本発明に係る水素製造装置及びその方法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。 Hereinafter, embodiments of a hydrogen production apparatus and method according to the present invention will be described with reference to the drawings. Here, the same or similar parts are denoted by common reference numerals, and redundant description is omitted.
図1は、本発明の実施の形態の水素製造装置22の概略構成を示す構成図である。
FIG. 1 is a configuration diagram showing a schematic configuration of a
まず、一例として、原子力発電プラントの熱を利用した高温水蒸気電解による水素製造装置22の構成について、図1を用いて説明する。
First, as an example, a configuration of a
本図に示すように、水素製造装置22は、原料となる水が供給される水供給系1と、この水供給系1から供給され水の供給量が制御される水供給量制御装置24を有している。
As shown in the figure, the
この水供給量制御装置24により制御された状態で供給される水が水蒸発器兼製造ガス冷却器2で加熱されて水蒸気を発生させている。つまり、この水蒸発器兼製造ガス冷却器2において、原料の水と高温水蒸気電解にて製造された高温の水素含有ガスを熱交換し、原料の水を蒸発させている。また、製造された高温の水素含有ガスを冷却している。
Water supplied in a state controlled by the water supply
この水蒸発器兼製造ガス冷却器2で蒸発した原料である水蒸気は水素混合器であるセル還元用水素混合器3に導入され、製造された水素の一部と混合して原料ガスとしている。
The water vapor, which is the raw material evaporated in the water evaporator / manufactured
このセル還元用水素混合器3で混合された原料ガスは、原料ガス予熱器4に供給される。原料ガス予熱器4において、この原料ガスである水素含有水蒸気は、原子炉5の熱にて予熱され、所定の温度まで昇温する。
The raw material gas mixed in the cell reducing hydrogen mixer 3 is supplied to the raw material gas preheater 4. In the raw material gas preheater 4, the hydrogen-containing water vapor that is the raw material gas is preheated by the heat of the
この原料ガス予熱器4で予熱されて高温となった原料ガスは、セル容器6内に供給される。 The raw material gas preheated by the raw material gas preheater 4 and heated to a high temperature is supplied into the cell container 6.
このセル容器6内には、原料ガスが電気分解されて水素が製造されるセル7が設置されている。このセル7は、水素極、酸素極及びこの水素極と酸素極との間に形成される電解質から形成される。このセル7の形状はシステムに適合した形状でよく、例えば、平板型、円筒型、ハニカム型等がある。
In this cell container 6, a
すなわち、この原料ガス予熱器4で予熱されて高温となった水素含有水蒸気は、セル容器6内に設置されているセル7の水素極(陰極)側に供給される。このセル7に電圧をかけると、セル7において水蒸気は電気分解され、水素が製造される。
That is, the hydrogen-containing water vapor preheated by the raw material gas preheater 4 and heated to a high temperature is supplied to the hydrogen electrode (cathode) side of the
このとき供給する電力は、原子力発電プラントの原子炉5で発生した熱を蒸気発生器26によって蒸気としてタービン27に供給し、このタービン27の回転力によって発電機8で発電した電力の一部が使用されている。
The electric power supplied at this time is supplied to the
この後、製造された水素は、未分解の水蒸気と共にセル容器6の水素側出口から流出し、水蒸発器兼製造ガス冷却器2で冷却される。未分解の水蒸気は、水蒸発器兼製造ガス冷却器2おいて水となり、水素と分離される。
Thereafter, the produced hydrogen flows out from the hydrogen side outlet of the cell container 6 together with undecomposed water vapor, and is cooled by the water evaporator / manufactured
この未分解の水蒸気と分離した水素は、水素ガス出口9にて一部をセル還元用水素として水素流量制御装置25を介してセル還元用水素混合器3に供給され、残りのガスは製品水素として回収される。
The hydrogen separated from the undecomposed water vapor is supplied to the cell reduction hydrogen mixer 3 through the hydrogen flow
また、セル7において水蒸気が電気分解されて生成された酸素イオンは、このセル7の反対側に放出され、酸素となり、セル7の反対側において電極表面の性能を維持するために酸素ガス供給系10から供給した酸素含有ガスと共にセル容器6の酸素側出口から回収される構造となっている。
In addition, oxygen ions generated by electrolyzing water vapor in the
また、電気分解されて水素が製造されるセル7の性能を監視するセル性能監視装置23が設置されている。そして、セル7で製造された水素の一部は還元用としてセル還元用水素混合器3を介してセル7に循環される。この循環される一部の水素の流量を制御する水素流量制御装置25が設けられている。
In addition, a cell
ここで、水素製造効率と水蒸気利用率との関係について図2を用いて説明する。 Here, the relationship between the hydrogen production efficiency and the water vapor utilization rate will be described with reference to FIG.
図2は、本実施の形態の水素製造効率と水蒸気利用率との関係を示すグラフである。 FIG. 2 is a graph showing the relationship between the hydrogen production efficiency and the water vapor utilization rate of the present embodiment.
縦軸に水素製造効率、横軸に水蒸気利用率を示す。水蒸気利用率は供給した水に対して水素に分解された水の割合である。 The vertical axis represents the hydrogen production efficiency, and the horizontal axis represents the water vapor utilization rate. The water vapor utilization rate is the ratio of water decomposed into hydrogen with respect to the supplied water.
この水蒸気利用率は、次の通り算出される。まず、製造された水素量を流量計等で測定する。以下の(3)式が示すように、水の電気分解では水1モルから水素1モルが生成されるために、この測定した水素量(体積またはモル数)は、分解した水の量に等しい。
つまり、水蒸気利用率は、製造された水素量を水の供給量で除して算出される。 That is, the water vapor utilization rate is calculated by dividing the amount of produced hydrogen by the amount of water supplied.
また、水素製造効率は、(1)式が示すように、投入したエネルギー(熱及び電気)に対する製造した水素の燃焼熱の割合である。 The hydrogen production efficiency is the ratio of the combustion heat of the produced hydrogen to the input energy (heat and electricity), as shown in equation (1).
ここでは原料として供給する水蒸気量と同量の水素を循環して戻し、入口のガス組成が水蒸気濃度50%、水素濃度50%として算出した。この結果、図2に示すように、水素製造効率が高温ガス炉の発電効率52.6%を上回るためには、水蒸気利用率が60%以上で運転しなければならないことが分かる。 Here, the same amount of hydrogen as the amount of water supplied as a raw material was circulated and returned, and the gas composition at the inlet was calculated as a water vapor concentration of 50% and a hydrogen concentration of 50%. As a result, as shown in FIG. 2, it is understood that in order for the hydrogen production efficiency to exceed the power generation efficiency 52.6% of the HTGR, the steam utilization rate must be 60% or more.
次に、水素製造装置の試験時のフローについて図3を用いて説明する。 Next, a flow during a test of the hydrogen production apparatus will be described with reference to FIG.
図3は、本実施の形態の水素製造装置の試験時のフローを示す説明図である。 FIG. 3 is an explanatory diagram showing a flow during a test of the hydrogen production apparatus of the present embodiment.
本図に示すように、原料の水は定量ポンプ11により流量制御され、蒸発器12で蒸発され、セル13の水素極側に供給される。
As shown in this figure, the flow rate of raw material water is controlled by a
製造された水素の一部は、還元用の水素となり、入口に戻す代わりに、マスフローコントローラ14で流量制御され、予熱器15で予熱され、水蒸気と混合して、セル13の水素極側に供給される。
Part of the produced hydrogen becomes hydrogen for reduction. Instead of returning to the inlet, the flow rate is controlled by the
一方、セル13の酸素極側には、酸素をマスフローコントローラ16で流量制御し、窒素はマスフローコントローラ17で流量制御して混合し、予熱器18で予熱して供給される。この供給されるガス組成は、酸素20%、窒素80%の混合ガスである。
On the other hand, oxygen is flow controlled at the oxygen electrode side of the
セル13は、電気炉19で任意の温度に加熱される。セル13の水素極で分解されて製造された水素は、冷却器20で冷却した後に回収される。セル13の酸素極で製造された酸素は、冷却器21で冷却した後に回収される。
The
長さ300mm、電極面積75cm2の円筒型セルを使用し、水素極に供給する水蒸気濃度50%、水素濃度50%とし、酸素極には酸素20%、窒素80%となるように調整した混合ガスを水素極と同流量供給し、セル温度800℃、セル電圧1.3Vの条件で供給する水蒸気量を変化させることにより、水蒸気利用率を変化させ、セル性能を比較する試験を行った。 Using a cylindrical cell with a length of 300 mm and an electrode area of 75 cm 2 , the water vapor concentration supplied to the hydrogen electrode was 50%, the hydrogen concentration was 50%, and the oxygen electrode was adjusted to 20% oxygen and 80% nitrogen. A test was conducted in which the gas flow rate was supplied at the same flow rate as that of the hydrogen electrode, and the water vapor utilization rate was changed by changing the amount of water vapor supplied at a cell temperature of 800 ° C. and a cell voltage of 1.3 V, and the cell performance was compared.
この水蒸気利用率とセル性能との関係について図4を用いて説明する。 The relationship between the water vapor utilization rate and the cell performance will be described with reference to FIG.
図4は、本実施の形態の水蒸気利用率とセル性能との関係を示すグラフである。 FIG. 4 is a graph showing the relationship between the water vapor utilization rate and the cell performance of the present embodiment.
セル性能は、水蒸気利用率20%時のセルに流れる電流値を1とした相対値である。 The cell performance is a relative value where the value of the current flowing through the cell when the water vapor utilization rate is 20% is 1.
本グラフに示すように、水蒸気の供給量を減らし、水蒸気利用率を上げていくと、水蒸気利用率60%までは電流値は一定であるが、水蒸気利用率60%以上で原料の水蒸気が不足し、セル性能が下がっていくことが分かる。水蒸気利用率を上げることで、原料の水蒸気を昇温する熱を減らすことができ、水素製造効率は上がるので、水供給量を調整し、セル性能が最も高いところで、運転するシステムとすることにより、効率の良い水素製造が可能となる。 As shown in this graph, when the water vapor supply rate is reduced and the water vapor utilization rate is increased, the current value is constant up to the water vapor utilization rate of 60%, but the raw material water vapor is insufficient when the water vapor utilization rate is 60% or more. It can be seen that the cell performance decreases. By increasing the water vapor utilization rate, the heat to raise the raw material water vapor can be reduced and the hydrogen production efficiency will increase, so by adjusting the water supply amount and making the system operating at the highest cell performance Efficient hydrogen production becomes possible.
本実施の形態によれば、図1に示すセル性能監視装置23にてセル7の性能を監視しながら、水蒸気供給量を軽減することにより、水蒸気利用率を上昇させ、セル7の性能が下がらないところまで水蒸気利用率を上げていくことができる。また、運転中は、セル性能監視装置23にてセル性能を監視しながら、水蒸気供給量を調整して、水蒸気利用率を前後させて、セル7の性能が最大であることを確認しながら運転することができる。ここでいうセル性能は、セル7の水素製造能力が分かればよく、例えば、セル7に流れる電流値や水素製造量ことを示す。
According to the present embodiment, while monitoring the performance of the
また、高温水蒸気電解による水素製造に使用するセルは、水素極(陰極)側を還元状態にしなければならないため、製造した水素の一部を水素製造システムの出口から回収し、水素製造システムの入口に循環し、原料の水蒸気と混合し、セル7に供給する。この循環する水素を減らすことにより、製品として取り出せる、水素量が増加し、水素製造効率が上がる。しかし、この循環する水素を減らし、入口側のセル還元用の水素濃度を下げていくと、水素極(陰極)の表面の還元状態が維持できなくなる。
In addition, since the cell used for hydrogen production by high-temperature steam electrolysis requires that the hydrogen electrode (cathode) side be in a reduced state, a part of the produced hydrogen is recovered from the outlet of the hydrogen production system, and then the inlet of the hydrogen production system. , And mixed with the raw material water vapor and supplied to the
長さ300mm、電極面積75cm2の円筒型セルを使用し、水蒸気利用率を60%、酸素極には酸素20%、窒素80%となるように調整した混合ガスを水素極と同流量供給し、セル温度800℃、セル電圧1.3Vの条件の下で、製造した水素を入口に戻す代わりに、水素極に供給して水素量を変化させ、水素濃度を変化させ、セル性能を試験した。 A cylindrical cell with a length of 300 mm and an electrode area of 75 cm 2 is used, and a mixed gas adjusted to have a water vapor utilization rate of 60%, oxygen of 20% and nitrogen of 80% is supplied to the oxygen electrode at the same flow rate as the hydrogen electrode. Instead of returning the produced hydrogen to the inlet under the conditions of a cell temperature of 800 ° C. and a cell voltage of 1.3 V, the cell performance was tested by supplying the hydrogen electrode to change the amount of hydrogen and changing the hydrogen concentration. .
このセル還元用水素濃度とセル性能との関係について図5を用いて説明する。 The relationship between the cell reducing hydrogen concentration and the cell performance will be described with reference to FIG.
図5は、本実施の形態のセル還元用水素濃度とセル性能との関係を示すグラフである。 FIG. 5 is a graph showing the relationship between the cell reducing hydrogen concentration and the cell performance according to the present embodiment.
セル性能は水素濃度50%時のセルに流れる電流値を1とした相対値である。 The cell performance is a relative value with the value of the current flowing through the cell at a hydrogen concentration of 50% being 1.
本グラフに示すように、水素濃度が10%より大きいときまでは電流値は一定であるが、水素濃度10%以下ではセル性能が下がることが分かる。還元用の水素が不足し、水素極表面に含まれる金属成分が酸化され、触媒として作用しなくなったため、セル性能が下降していくことが分かる。 As shown in this graph, the current value is constant until the hydrogen concentration is higher than 10%, but the cell performance decreases when the hydrogen concentration is 10% or less. It can be seen that the cell performance declines because the hydrogen for reduction is insufficient and the metal component contained on the surface of the hydrogen electrode is oxidized and no longer acts as a catalyst.
そこで、セル還元用の水素濃度を調整し、セル性能が最も高いところで、運転するシステムとすることにより、この循環する水素を軽減することができ、製品として取り出せる水素量が増加し、また、循環した水素を昇温する熱を軽減することができ、水素製造効率が上昇し、効率の良い水素製造が可能となる。 Therefore, by adjusting the hydrogen concentration for cell reduction and setting the system to operate where the cell performance is the highest, this circulating hydrogen can be reduced, the amount of hydrogen that can be taken out as a product increases, and the circulation Thus, the heat for raising the temperature of the hydrogen can be reduced, the hydrogen production efficiency is increased, and efficient hydrogen production becomes possible.
このためには、セル性能を監視しながら高温水蒸気電解で製造した水素のうち入口側に循環する水素量を軽減することにより、セル性能が下がらないところまでセル還元用の水素濃度を下げていくこととする。 For this purpose, by reducing the amount of hydrogen circulated to the inlet side of the hydrogen produced by high-temperature steam electrolysis while monitoring the cell performance, the hydrogen concentration for cell reduction is lowered until the cell performance does not decrease. I will do it.
本実施の形態によれば、水素流量制御装置25により運転中に循環する水素量を変化させ、セル性能監視装置23によりセル性能が最大であることを確認しながら運転する。ここで記載するセル性能は、セルの水素製造能力が分かればよく、例えば、セル7に流れる電流値や水素製造量のことを示す。
According to the present embodiment, the hydrogen flow
また、セル性能監視装置23によりセル性能を監視しながら、水蒸気利用率が最も高く、還元用の水素濃度が最も低いところで運転することにより、最も効率の良い運転が可能となり、効率のよい高温水蒸気電解による水素製造が可能となる。
Further, while monitoring the cell performance by the cell
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、上述したような本実施の形態に何ら限定されるものではなく、本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。 Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the embodiments described above, and departs from the gist of the present invention by combining the configurations of the embodiments. Various modifications can be made without departing from the scope.
1…水供給系、2…水蒸発器兼製造ガス冷却器、3…セル還元用水素混合器、4…原料ガス予熱器、5…原子炉、6…セル容器、7…セル、8…発電機、9…水素ガス出口、10…酸素ガス供給系、11…定量ポンプ、12…蒸発器、13…セル、14…マスフローコントローラ、15…予熱器、16…マスフローコントローラ、17…マスフローコントローラ、18…予熱器、19…電気炉、20…冷却器、21…冷却器、22…水素製造装置、23…セル性能監視装置、24…水供給量制御装置、25…水素流量制御装置。
DESCRIPTION OF
Claims (8)
この水供給系から供給され水の供給量が制御される水供給量制御装置と、
この水供給量制御装置により制御されて供給される水を蒸発して水蒸気とする水蒸発器兼製造ガス冷却器と、
この水蒸発器兼製造ガス冷却器で蒸発した水蒸気と水素とを混合して原料ガスとする水素混合器と、
この水素混合器で混合された原料ガスを予熱する原料ガス予熱器と、
この原料ガス予熱器で予熱された原料ガスが供給されるセル容器と、
このセル容器内に設置され、水素極、酸素極及びこの水素極と酸素極との間に形成される電解質を含み、前記原料ガスが電気分解されて水素が製造されるセルと、
電気分解されて前記水素が製造される前記セルの性能を監視するセル性能監視装置と、
前記セルで製造された水素の一部は還元用として前記水素混合器を介して前記セルに循環され、この一部の水素の流量を制御する水素流量制御装置と、
を有することを特徴とする水素製造装置。 A water supply system to which water is supplied;
A water supply amount control device for controlling the amount of water supplied from this water supply system;
A water evaporator / manufactured gas cooler that evaporates water supplied and controlled by this water supply amount control device;
A hydrogen mixer that mixes water vapor and hydrogen evaporated in this water evaporator and production gas cooler into raw gas,
A raw material gas preheater for preheating the raw material gas mixed in the hydrogen mixer;
A cell container to which the source gas preheated by the source gas preheater is supplied;
A cell installed in the cell container, including a hydrogen electrode, an oxygen electrode, and an electrolyte formed between the hydrogen electrode and the oxygen electrode, wherein the source gas is electrolyzed to produce hydrogen; and
A cell performance monitoring device that monitors the performance of the cell that is electrolyzed to produce the hydrogen;
A part of the hydrogen produced in the cell is circulated to the cell via the hydrogen mixer for reduction, and a hydrogen flow rate control device for controlling the flow rate of the part of hydrogen,
The hydrogen production apparatus characterized by having.
この水供給系から供給され水の供給量が制御される水供給量制御装置と、
この水供給量制御装置により制御されて供給される水を蒸発して水蒸気とする水蒸発器兼製造ガス冷却器と、
この水蒸発器兼製造ガス冷却器で蒸発した水蒸気と水素とを混合して原料ガスとする水素混合器と、
この水素混合器で混合された原料ガスを予熱する原料ガス予熱器と、
この原料ガス予熱器で予熱された原料ガスが供給されるセル容器と、
このセル容器内に設置され、水素極、酸素極及びこの水素極と酸素極との間に形成される電解質を含み、前記原料ガスが電気分解されて水素が製造されるセルと、
電気分解されて前記水素が製造される前記セルの性能を監視するセル性能監視装置と、
前記セルで製造された水素の一部は還元用として前記水素混合器を介して前記セルに循環され、この一部の水素の流量を制御する水素流量制御装置と、
を備え、
前記セル性能監視装置により前記セル性能を監視しながら、前記水の供給量及び前記水素混合器に供給される水素量の少なくとも一つを前記セルの性能が高くなるように調整しながら運転すること、を特徴とする水素製造方法。 A water supply system to which water is supplied;
A water supply amount control device for controlling the amount of water supplied from this water supply system;
A water evaporator / manufactured gas cooler that evaporates water supplied and controlled by this water supply amount control device;
A hydrogen mixer that mixes water vapor and hydrogen evaporated in this water evaporator and production gas cooler into raw gas,
A raw material gas preheater for preheating the raw material gas mixed in the hydrogen mixer;
A cell container to which the source gas preheated by the source gas preheater is supplied;
A cell installed in the cell container, comprising a hydrogen electrode, an oxygen electrode, and an electrolyte formed between the hydrogen electrode and the oxygen electrode, wherein the source gas is electrolyzed to produce hydrogen; and
A cell performance monitoring device that monitors the performance of the cell that is electrolyzed to produce the hydrogen;
A part of the hydrogen produced in the cell is circulated to the cell through the hydrogen mixer for reduction, and a hydrogen flow rate control device for controlling the flow rate of the part of hydrogen,
With
While the cell performance is monitored by the cell performance monitoring device, the operation is performed while adjusting at least one of the water supply amount and the hydrogen amount supplied to the hydrogen mixer so that the performance of the cell becomes high. A method for producing hydrogen.
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