JP2015017310A

JP2015017310A - 水素製造装置

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Publication number: JP2015017310A
Application number: JP2013146294A
Authority: JP
Inventors: 洋介平田; Yosuke Hirata; 隆利浅田; Takatoshi Asada; 久夫渡邉; Hisao Watanabe; 亀田　常治; Tsuneji Kameda; 常治亀田; 山田　正彦; Masahiko Yamada; 正彦山田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2013-07-12
Filing date: 2013-07-12
Publication date: 2015-01-29
Anticipated expiration: 2033-07-12
Also published as: JP6084532B2

Abstract

【課題】複数の電解セルを有する水素製造装置において、温度の均一化を図る。
【解決手段】実施形態によれば、水素製造装置１００は、燃料の供給を受けて水素を製造する複数の電解セル１０ａ、１０ｂを備える。電解セル１０ａ、１０ｂのそれぞれは、酸素イオン透過性を有する固体酸化物電解質の隔膜と、隔膜の第１の面に隣接する水素極と、第１の面と反対側の第２の面に隣接する酸素極と、隔膜および水素極を収納し、燃料受け入れ口から燃料を受け入れて水素を水素回収口から流出させる水素側空間を、隔膜とともに形成するセル容器２１とを有する。それぞれの電解セル１０ａ、１０ｂは互いに並列に長手方向に延びて、かつ、互いに隣接する電解セル１０ａ、１０ｂどうしは、燃料受け入れ口から水素回収口に向かう方向が互いに逆向きとなる。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、複数の電解セルを備える水素製造装置に関する。

新エネルギー源のひとつとして、水素が挙げられる。この水素の利用分野として、水素と酸素を電気化学的に反応させることにより、化学エネルギーを電気エネルギーに変換する燃料電池が注目されている。燃料電池は高いエネルギー利用効率を有し、大規模分散電源、家庭用電源、移動用電源として開発が進められている。

燃料電池は、温度域や使用する材料および燃料の種類に応じて、固体高分子型、リン酸型、溶融炭酸塩型、固体酸化物型などの方式がある。この中で、効率などの観点から、固体酸化物から成る電解質を使用して電気化学反応により電気エネルギーを得る固体酸化物型燃料電池（ＳｏｌｉｄＯｘｉｄｅＦｕｅｌＣｅｌｌ「ＳＯＦＣ」）が注目されている。

また、水素の製造においては、水の電気分解反応がある。特に、高温で水蒸気の状態で電気分解する高温水蒸気電解法の場合は、動作原理がＳＯＦＣの逆反応である。このため、ＳＯＦＣと同様に固体酸化物から成る電解質を使用する（ＳｏｌｉｄＯｘｉｄｅＥｌｅｃｔｒｏｌｙｚｅｒＣｅｌｌ「ＳＯＥＣ」）。

ＳＯＦＣは、一般的に、電解質と電極とから構成される。電解質は、固体酸化物であり、酸素イオン導電性を有する。固体酸化物としては、一般に緻密な安定化ジルコニアの成形体が用いられている。また、近年は、安定化ジルコニアと比較して酸素イオン導電性が良好な電解質材料として、ペロブスカイト型酸化物やセリア系固溶体などが適用されているケースもある。

これらの電解質において、高温での安定性や反応安定性などの観点では、安定化ジルコニア系の電解質が良好である。一方、酸素イオン導電性の面では、ペロブスカイト型酸化物やセリア系固溶体などが良好な特性を有する。

電極に関しては、同様にＳＯＦＣを例にとると、大きく燃料極と空気極に分けられる。燃料極は、燃料ガスであるＨ_２と、電解質を移動してきた酸化物イオンとが電気化学的に反応し、Ｈ_２Ｏと電子（ｅ⁻）が生成する。空気極では、（空気中の）酸素が、電子（ｅ⁻）を取り込み、電気化学反応により、酸化物イオン（Ｏ^２−）が生成し、これらが電解質へと移動する。

燃料極には、一般的に金属と固体酸化物電解質材料の混合焼結体（サーメット）が用いられる。たとえば、固体酸化物電解質材料が安定化ジルコニア系の場合、Ｎｉ−ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）、Ｎｉ−ＳｃＳＺ（スカンジア安定化ジルコニア）などが用いられる。金属成分については、単一金属成分系や、複数の金属の混合系（合金も含む）などが用いられ、例えば、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ−Ｆｅ、Ｎｉ−Ｍｇ、Ｐｔなどが挙げられる。

一方、空気極は、一般的にペロブスカイト型酸化物やこれらの一部サイトを置換した酸化物が用いられる。例えば、ＬａＳｒＭｎ酸化物（ＬＳＭ）、ＬａＳｒＣｏ酸化物（ＬＳＣ）、ＬａＳｒＣｏＦｅ酸化物（ＬＳＣＦ）、ＬａＳｒＦｅ酸化物（ＬＳＦ）などが挙げられる。また、電解質に用いている固体酸化物との混合体なども用いられ、例えば、ＬＳＭ−ＹＳＺ、ＬＳＭ−ＳｃＳＺ、などが挙げられる。

ＳＯＦＣのセルを構成する材料は上述のような材料を用いているが、ＳＯＥＣにおいても類似の材料を用いているケースが多い。しかしながら、ＳＯＥＣでは、外部から電気エネルギーを印加し、ＳＯＦＣと逆の反応系をとる。

ＳＯＥＣにおいて、ＳＯＦＣの燃料極にあたる電極は水素極とよばれる。ＳＯＥＣの水素極においては、燃料（原料）ガスである水蒸気（Ｈ_２Ｏ）が電子（ｅ⁻）を取り込んで、水素と酸化物イオンを生成する。生成した酸化物イオンは電解質中を移動する。ＳＯＥＣにおいては、ＳＯＦＣの空気極にあたる電極は、酸素極とよばれる。酸化物イオンが、電解質中を通過して酸素極に至ると、電気化学的に反応し、酸素と電子（ｅ⁻）が生成される。

ＳＯＥＣについては、発生した水素を蓄積し、燃焼もしくはＳＯＦＣで発電する電力貯蔵システムとして用いる場合や、水素スタンドとして使用する場合等の使用方法が検討されており、水素極において発生する水素を回収する必要がある。ＳＯＥＣあるいはＳＯＦＣに使用するセルは多孔質体で構成されており、多孔質体の側面に水素極、電解質、酸素極が積層されており、多孔質体には燃料である水蒸気が通過する燃料孔が設けられている。

セルでの水素発生速度は、温度、電流密度、燃料濃度などの関数になる。一般に、ＳＯＥＣシステムは、複数のセルを重ねてスタックを構成し、スタックを集めてモジュール化する構成をとる。例えばセルの入口と出口では、入口の方が、燃料濃度が高い。スタック間でも同様となる可能性が高い。その結果セル内やスタック内、さらにはモジュール内に温度差が生じる可能性が高い。温度差は、セル内、スタック内の応力を発生させ、セル寿命を縮める恐れがある。

特開２００９−１７４０１８号公報

前述のように、ＳＯＥＣ内部のセルにおいて温度が不均一となった場合、ＳＯＥＣの寿命を縮めることになる。

そこで、本発明の実施形態は、複数の電解セルを有する水素製造装置において、温度の均一化を図ることを目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明の実施形態は、燃料の供給を受けて水素を製造する複数の電解セルを備える水素製造装置であって、前記電解セルのそれぞれは、酸素イオン透過性を有する固体酸化物電解質の隔膜と、前記隔膜の第１の面に隣接する水素極と、前記隔膜の第１の面と反対側の第２の面に隣接する酸素極と、前記隔膜、前記水素極を収納し、燃料受け入れ口から前記燃料を受け入れ、その内部で反応生成物として生成される水素を水素回収口から流出させる水素側空間を、前記隔膜とともに形成するセル容器と、を有し、前記電解セルは互いに並列に配設され、かつ、互いに隣接する前記電解セルどうしは、前記燃料受け入れ口から前記水素回収口に向かう方向が互いに逆向きとなるように配設されている、ことを特徴とする。

また、本発明の実施形態は、燃料の供給を受けて水素を製造する複数の電解セルをそれぞれ具備する複数のセルスタックを備える水素製造装置であって、前記電解セルのそれぞれは、酸素イオン透過性を有する固体酸化物電解質の隔膜と、前記隔膜の第１の面に隣接する水素極と、前記隔膜の第１の面と反対側の第２の面に隣接する酸素極と、前記隔膜、前記水素極を収納し、燃料受け入れ口から前記燃料を受け入れてその内部で反応生成物として生成される水素を水素回収口から流出させる水素側空間を、前記隔膜とともに形成するセル容器と、を有し、前記セルスタックのそれぞれは、前記燃料受け入れ口から前記水素回収口に向かう方向が互いに同じ複数の前記電解セルが互いに並列に配設されることによって形成され、前記複数のセルスタックは、互いに隣接する第１のセルスタックと第２のセルスタックとを含み、前記第１のセルスタックの前記複数の電解セルと、前記第２のセルスタックの前記電解セルとが、前記燃料受け入れ口から前記水素回収口に向かう方向が互いに逆向きとなるように、前記第１のセルスタックと前記第２のセルスタックが配設されている、ことを特徴とする。

本発明の実施形態によれば、複数の電解セルを有する水素製造装置において、温度の均一化を図ることができる。

第１の実施形態に係る水素製造装置の構成を示す斜視図である。第１の実施形態に係る水素製造装置の電解セルの縦断面図である。第１の実施形態に係る水素製造装置の電解セルの変形例の一部透視した斜視図である。第２の実施形態に係る水素製造装置の構成を示す斜視図である。第３の実施形態に係る水素製造装置の構成を示す斜視図である。第３の実施形態に係る水素製造装置の構成を示す斜視図である。第４の実施形態に係る水素製造装置の構成を示す斜視図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る水素製造装置について説明する。ここで、互いに同一または類似の部分には、共通の符号を付して、重複説明は省略する。

［第１の実施形態］
図１は、第１の実施形態に係る水素製造装置の構成を示す斜視図である。水素製造装置１００は、第１電解セル１０ａおよび第２電解セル１０ｂを有する。第１電解セル１０ａおよび第２電解セル１０ｂは、それぞれ、外形が平板状の直方体形状で、鉛直方向に延びている。

第１電解セル１０ａの上部には水平方向に延びる矩形断面の燃料供給管１５が接続されている。燃料供給管１５は、図１では矩形断面の場合を示したが、これに限定されず円管などでもよい。第１電解セル１０ａの下部には、水平方向に延びる矩形断面の水素回収管１７および水平方向に延びる矩形断面の酸素排出管１９がそれぞれ接続されている。水素回収管１７および酸素排出管１９についても、図１では矩形断面の場合を示したが、これに限定されず円管などでもよい。一方、第２電解セル１０ｂの下部には燃料供給管１５が接続されている。また、第２電解セル１０ｂの上部には、水素回収管１７および酸素排出管１９がそれぞれ接続されている。

すなわち、第１電解セル１０ａと第２電解セル１０ｂは、互いに、上下逆向きに配設されている。また、第１電解セル１０ａの最も広い面である対向面５１と、第２電解セル１０ｂの最も広い面である対向面５２が互いに対向するような位置に、第１電解セル１０ａと第２電解セル１０ｂは配設されている。

なお、便宜上、第１電解セル１０ａと第２電解セル１０ｂは鉛直方向に延びている場合を説明したが、これに限定されない。第１電解セル１０ａと第２電解セル１０ｂとが、互いに長手方向に逆向きで、第１電解セル１０ａと第２電解セル１０ｂそれぞれの最も広い対向面５１、５２どうしが対向している関係にあればよい。すなわち、この関係が保持されていれば、第１電解セル１０ａおよび第２電解セル１０ｂは、水平に設けられていても、あるいは斜めに設けられていてもよい。

また、図１では、第１電解セル１０ａと第２電解セル１０ｂとは、若干離れた位置であるように示されているが、第１電解セル１０ａと第２電解セル１０ｂ間の距離を確保する必要はない。たとえば、第１電解セル１０ａと第２電解セル１０ｂの熱膨張を考慮した間隙を確保すれば、第１電解セル１０ａと第２電解セル１０ｂは近接していてもよい。

図２は、第１の実施形態に係る水素製造装置の電解セルの縦断面図である。それぞれの電解セル１０は、水素極１１、隔膜１２、酸素極１３およびセル容器２１を有する。

隔膜１２は、長手方向に延びた長方形の平板状の固体酸化物の電解質である。隔膜１２は、酸素イオン導電性を有する。固体酸化物としては、安定化ジルコニアの成形体でよい。また、ペロブスカイト型酸化物やセリア系固溶体を使用してもよい。

水素極１１は、隔膜１２の一方の面に隣接して設けられた厚みのある平板状であり、隔膜１２の設けられている範囲に広がっている。水素極１１の材料としては、金属と固体酸化物電解質材料の混合焼結体（サーメット）でよい。混合焼結体としては、たとえば、固体酸化物電解質材料が安定化ジルコニア系の場合、Ｎｉ−ＹＳＺ、Ｎｉ−ＳｃＳＺなどでよい。金属成分については、単一金属成分系や、複数の金属の混合系（合金も含む）を用いてよい。具体的には、例えば、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ−Ｆｅ、Ｎｉ−Ｍｇ、Ｐｔなどを用いることができる。

酸素極１３は、隔膜１２の水素極１１が隣接する面とは反対側の面に隣接して設けられ、隔膜１２の設けられている範囲に広がっている。酸素極１３としては、ペロブスカイト型酸化物やこれらの一部サイトを置換した酸化物を用いてよく、具体的には、例えば、ＬＳＭ、ＬＳＣ、ＬＳＣＦ、ＬＳＦなどでよい。また、これらの酸化物と電解質に用いている固体酸化物との混合体、例えば、ＬＳＭ−ＹＳＺ、ＬＳＭ−ＳｃＳＺなどでもよい。

セル容器２１は、隔膜１２、水素極１１および酸素極１３を収納している。セル容器２１の内部は、隔膜１２によって、水素側空間１１ａおよび酸素側空間１３ａに分割されている。水素側空間１１ａは水素極１１が設けられている方の空間である。酸素側空間１３ａは酸素極１３が設けられている方の空間である。酸素イオンを除いては、水素側空間１１ａ内のガスと酸素側空間１３ａ内のガスとは、隔膜１２によって、相互に流入することなく隔離されている。

ここで、水素側空間１１ａは、一つのまとまった空間として説明したが、これに限定されない。たとえば、後述する変形例のように多孔質体がセル容器内に充填されており、多孔質体の片側に水素極１１が設けられている場合に、この多孔質体内に分布する各微小な空間の全体であってもよい。あるいは、多孔質体内に形成されて、燃料（原料）である水蒸気および発生した水素が通過する流通路が形成されていてもよい。水素側空間１１ａは、これらの空間を含むものであってもよい。

セル容器２１の水素側空間１１ａの長手方向の一端には、燃料受け入れ口１４が形成されている。燃料受け入れ口１４には燃料供給管１５が接続されている。セル容器２１の水素側空間１１ａの燃料受け入れ口１４の反対端には、水素回収口１６が形成されている。水素回収口１６には水素回収管１７が接続されている。

また、セル容器２１の酸素側空間１３ａの、水素回収口１６と同じ側には、酸素排出口１８が形成されている。酸素排出口１８には酸素排出管１９が接続されている。

なお、酸素排出管１９は、必ずしも設けることを要しない。すなわち、回収した水素との再結合の可能性がないように構成されている場合には、酸素排出口１８から酸素をそのまま空気雰囲気に排出することでもよい。

水素極１１と酸素極１３間には、直流電源２５によって直流電圧が印加可能となっている。酸素極１３側が水素極１１側よりプラスの電位となるように印加される。印加される電圧は、たとえば、水蒸気を燃料として使用する場合、水蒸気が分解して水素が発生する反応の理論電圧である約１．３Ｖの程度または、これに余裕を加えた電圧である。

複数の第１電解セル１０ａ、第２電解セル１０ｂのそれぞれについて、この程度の電圧を印加する。直流電源からの結線は、第１電解セル１０ａ、第２電解セル１０ｂのそれぞれに並列に結んでもよい。また、結線量の低減のために直列で結んでもよい。

図３は、第１の実施形態に係る水素製造装置の電解セルの変形例の一部透視した斜視図である。この変形例においては、水素極１１の隔膜１２と反対側に多孔質体２０が設けられている。また、多孔質体２０には、燃料受け入れ口１４と水素回収口１６間を結ぶ３本の流通路２０ａが形成されている。流通路２０ａの本数は３本に限定されず１本あるいは２本でも、４本以上でもよい。流通路２０ａを通過する水蒸気は、多孔質体２０内の微小空間を通過して水素極１１に移動可能である。また、水素極１１で発生した水素は多孔質体２０内の微小空間を通過して流通路２０ａに移動可能である。

図３では、セル容器２１の表示を省略している。本変形例においては、セル容器２１は、隔膜１２とともに水素側空間１１を形成しているが、一方、酸素側空間１３ａを形成していない。すなわち、酸素極１３で酸素イオンから酸素分子となった酸素ガスが、そのまま空気雰囲気に放出されるようにセル容器２１は形成されている。本変形例においては、酸素排出管１９は必然的に不要となる。

以上の変形例を含めた構成の説明において、第１電解セル１０ａ、第２電解セル１０ｂは、一方向に長い形状の場合を説明したが、これには限定されない。すなわち、燃料受け入れ口１４から燃料が流入して、水素回収口１６から水素、あるいは水蒸気と混合した水素が流出する流路が水素側空間１１ａ内に形成されるような形状であれば、対向面あるいはその他の側面の形状は、長方形の代わりに正方形、楕円形などでもよい。

次に、以上のように構成された本実施形態の作用を説明する。以下、水蒸気を燃料として使用する場合を例にとって説明する。

燃料（原料）である水蒸気は、燃料供給管１５から第１電解セル１０ａの燃料受け入れ口１４を通じて水素側空間１１ａに供給される。水素側空間１１ａに流入した水蒸気は、水素極１１内に拡散する。水素極１１には電圧が印加されているため、次の式（１）に示すような電解反応により水素が発生する。
Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻ → Ｈ_２＋Ｏ^２− （１）

発生した水素は、水素側空間１１ａ内の流れに合流する。このように、水素側空間１１ａにおいては、水蒸気の電解反応により徐々に水蒸気の割合が減少するとともに、水素の割合が徐々に増加しながら、水素側空間１１ａ内の下流である水素回収口１６に向かって水蒸気と水素の混合気体が流れる。最終的には、水素回収口１６から水素回収管１７に流出して、水蒸気との混合気体としての水素ガスが回収される。水蒸気は、たとえば、図示しない冷却器等によって冷却することにより凝縮され、水素ガスが容易に分離される。

一方、水素極１１で、発生した酸素イオンＯ^２−は、酸素イオン透過性のよい電解質である隔膜１２内を透過して、酸素極１３に到達する。ここで、次の式（２）に示すような還元反応によって酸素ガスが発生する。
Ｏ^２− → １／２Ｏ_２＋２ｅ⁻ （２）
発生した酸素ガスは、酸素側空間１３ａ内を酸素排出口１８側に向かって流れる。酸素排出口１８に到達した酸素は、酸素排出管１９に流出する。

以上に示したように、第１電解セル１０ａにおいては、燃料受け入れ口１４から流入した燃料である水蒸気は、水素回収口１６に向かって流れるにしたがって徐々に減少する。このため、水素極１１における水蒸気の量は、流れ方向に分布があることになる。この結果、水素極１１における反応量にも分布が生じる。この結果、反応熱にも分布が生じることになり、流れ方向に温度分布が生ずることになる。

なお、前記の式（１）の電解反応は基本的には吸熱反応であるが、電圧が印加されていることによる電子の流れ、すなわち直流電源からの電力供給による熱の発生がある。このため、吸熱量と発熱量との差し引きの結果により発熱量が決まる。この他に物質移動による熱量の移動もある。基本的には、燃料である水蒸気の量が減少するにつれて、発熱量が低下し、流れ方向には温度分布が生ずる。

隣接する第２電解セル１０ｂについても、同様の理由から、同様に、流れ方向に温度分布が生ずることになる。しかしながら、第１電解セル１０ａと第２電解セル１０ｂとでは、水蒸気の流れる方向が逆である。したがって、第１電解セル１０ａと第２電解セル１０ｂとでは、温度分布のつきかたも逆になる。

ところで、第１電解セル１０ａの対向面５１と、第２電解セル１０ｂの対向面５２は互いに隣接して対向する位置にある。このため、対向面５１と対向面５２の各対向する部分において温度差がある場合には、温度が高い方から低い方に輻射によって熱移動が生ずる。また、対向面５１と対向面５２間の間隙の空気を通じての熱伝導も対向部分の温度差を解消する方向に働く。

以上のように、複数の電解セル１０を有する本実施形態による水素製造装置１００においては、電解セル１０の温度の均一化を図ることができる。

［第２の実施形態］
図４は、第２の実施形態に係る水素製造装置の構成を示す斜視図である。本実施形態における水素製造装置１００においては、第１電解セル１０ａと第２電解セル１０ｂの間隙に、伝熱媒体２２が配置されている。

伝熱媒体２２は、厚みのある平板形状であり、第１電解セル１０ａの対向面５１および第２電解セル１０ｂの対向面５２と対向できる広さに拡がっている。伝熱媒体２２の一方の面は、第１電解セル１０ａの対向面５１に密着している。また、伝熱媒体２２の他方の面は、第２電解セル１０ｂの対向面５２に密着している。

伝熱媒体２２は、ウール状の金属を成形したもので良い。なお、第１電解セル１０ａと第２電解セル１０ｂの熱膨張による第１電解セル１０ａと第２電解セル１０ｂ間の間隙寸法の変化に追従して、第１電解セル１０ａ、第２電解セル１０ｂそれぞれとの密着状態を維持できるのであれば、たとえば、フレキシブルな形態として第１電解セル１０ａと第２電解セル１０ｂとを密着させてもよい。

第１電解セル１０ａの対向面５１と、第２電解セル１０ｂの対向面５２間に伝熱媒体２２を設けることによって、対向面５１と対向面５２の各対向する部分において温度差がある場合には、さらに、熱伝導によって熱移動が生ずる。

以上のように、複数の電解セル１０を有する本実施形態による水素製造装置１００においては、電解セル１０の温度のさらなる均一化を図ることができる。

［第３の実施形態］
図５は、第３の実施形態に係る水素製造装置の構成を示す斜視図である。本実施形態は、第１の実施形態の変形である。

本実施形態においては、同一方向の流れをもつ複数の第１電解セル１０ａについて、燃料供給管１５ａ、水素回収管１７ａおよび酸素排出管１９ａを共通に設けている。すなわち、それぞれの第１電解セル１０ａの燃料受け入れ口１４（図２参照）が鉛直方向上部にある場合、それぞれの燃料受け入れ口１４は、同一の水平に延びた燃料供給管１５ａに接続されている。また、それぞれの第１電解セル１０ａの水素回収口１６（図２参照）は、同一の水平に延びた水素回収管１７ａに接続されている。同様に、それぞれの第１電解セル１０ａの酸素排気口１８（図２参照）は、同一の水平に延びた酸素排出管１９ａに接続されている。反対方向の流れを有する複数の第２電解セル１０ｂについても同様に、燃料供給管１５ｂ、水素回収管１７ｂおよび酸素排出管１９ｂが共通に設けられており、それぞれの第２電解セル１０ｂに接続されている。

本実施形態による水素製造装置１００においては、上記の、同一方向の流れをもつ複数の第１電解セル１０ａと、反対方向の流れを有する複数の第２電解セル１０ｂとを、それぞれの構成を維持しながら、交互に重ねることによって、セルスタック３０ａ、３０ｂが形成されている。

ここで、図５においては、互いに隣接する電解セル１０間に相当の間隙が存在している場合を示しているが、この間隙は、互いに隣接する電解セル１０の熱膨張を吸収できる程度確保されていればよい。あるいは、セル容器２１が、フレキシブルで熱膨張を吸収できるように形成することによって、互いに隣接する電解セル１０間の間隙をなくすことで、熱伝導効果を確保してもよい。

なお、本実施形態では、上下方向からの燃料供給、水素回収および酸素排出の場合を示したが、隣り合うセルについて反対方向から燃料供給および水素回収をするように構成されていれば、左右あるいは前後からの燃料供給を行うことでもよい。

なお、セルスタック３０ａのそれぞれの第１電解セル１０ａ、セルスタック３０ｂのそれぞれの第２電解セル１０ｂは鉛直上方に延びており、燃料供給管１５ａ、１５ｂ、水素回収管１７ａ、１７ｂおよび酸素排出管１９ａ、１９ｂは水平方向に延びている場合を説明したが、これに限定されない。セルスタック３０ａと、燃料供給管１５ａ、水素回収管１７ａおよび酸素排出管１９ａとの相対関係、およびセルスタック３０ｂと、燃料供給管１５ｂ、水素回収管１７ｂおよび酸素排出管１９ｂとの相対関係が維持されていれば、セルスタック３０ａおよびセルスタック３０ｂは、鉛直方向、水平方向あるいは斜めに設けられていてよい。

以上のように構成された本実施形態においては、燃料を、互いに隣接する電解セル１０ごとに反対側から交互に供給することにより、セルスタック３０の場合においても、第１の実施形態と同様に電解セル１０内の温度差を緩和することができる。さらに、燃料の供給、水素の回収および酸素の排出をそれぞれ一つの配管で行うことにより、セルスタック３０のコンパクト化が可能となる。

［第４の実施形態］
図６は、第４の実施形態に係る水素製造装置の構成を示す斜視図である。本実施形態は、第３の実施形態の変形である。

第３の実施形態においては、流れの方向が同じ複数の第１電解セル１０ａと、これと反対方向に流れの方向が同じ複数の第２電解セル１０ｂを交互に並べてセルスタックを形成している。一方、本第４の実施形態においては、流れの方向が同じ複数の第１電解セル１０ａで１つのセルスタック３０ａを形成している。同様に、これと反対方向に流れの方向が同じ複数の第２電解セル１０ｂで１つのセルスタック３０ｂを形成している。セルスタック３０ａ、３０ｂによってモジュール４０が形成されている。なお、セルスタック３０ａ、セルスタック３０ｂは、それぞれ、図示しないケーシングに収納されていてもよい。

セルスタック３０ａ全体で最も広い対向面６１と、セルスタック３０ｂ全体で最も広い対向面６２とが対向するようにセルスタック３０ａとセルスタック３０ｂは互いに並列に配設されている。

なお、便宜上、図６のようにセルスタック３０ａとセルスタック３０ｂは水平方向に延びている場合を説明したが、これに限定されない。セルスタック３０ａの各第１電解セル１０ａ内の流れ方向と、セルスタック３０ｂの第２電解セル１０ｂ内の流れ方向とが、互いに逆向きで、セルスタック３０ａとセルスタック３０ｂそれぞれの最も広い対向面６１、６２どうしが対向している関係にあればよい。すなわち、この関係が保持されていれば、セルスタック３０ａおよびセルスタック３０ｂは、水平に設けられていても、鉛直に設けられても、あるいは斜めに設けられていてもよい。

また、図６では、セルスタック３０ａとセルスタック３０ｂとは、若干離れた位置であるように示されているが、セルスタック３０ａとセルスタック３０ｂ間の距離を確保する必要はない。たとえば、セルスタック３０ａの各第１電解セル１０ａおよび各配管、とセルスタック３０ｂの各第２電解セル１０ｂおよび各配管の熱膨張を考慮した間隙を確保すれば、セルスタック３０ａとセルスタック３０ｂは近接あるいは密着していてもよい。

セルスタック３０ａとセルスタック３０ｂとほぼ同様に構成されている場合、互いに隣接するセルスタック３０ａの対向面６１と、セルスタック３０ｂの対向面６２の温度分布は、逆の分布を持つ。対向する対向面６１と対向面６２との間では、輻射等によって熱交換が行われる。このため、セルスタック３０ａとセルスタック３０ｂ温度差は緩和する方向に変化する。この結果両セルスタック内の水素反応率や温度分布は一様化し、セルスタック効率は向上するとともに、セルスタック内の各部の応力は低減する。

［第５の実施形態］
図７は、第５の実施形態に係る水素製造装置の構成を示す斜視図である。本実施形態は、第４の実施形態の変形である。

本実施形態においては、流れの方向が同じ複数の電解セルで形成された複数のセルスタック３０ａ、３０ｂが設けられている。また、これと反対方向に流れの方向が同じ複数の電解セルで形成された複数のセルスタック３０ｃ、３０ｄが設けられている。セルスタック３０ａ、３０ｂ、セルスタック３０ｃ、３０ｄによってモジュール４０が形成されている。

セルスタック３０ｂとセルスタック３０ｃは互いに隣接している。セルスタック３０ｂ全体で最も広い対向面６１と、セルスタック３０ｃ全体で最も広い対向面６２とが対向するようにセルスタック３０ｂとセルスタック３０ｃは互いに並列に配設されている。また、セルスタック３０ａおよびセルスタック３０ｂは互いに並列に配設されている。セルスタック３０ｃおよびセルスタック３０ｄも互いに並列に配設されている。

このように、隣り合うセルスタック３０ｂの対向面６１とセルスタック３０ｃ対向面６２は逆の温度分布を持つ。対向面６１と対向面６２の間では、輻射等によって熱交換を行うため、両セルスタックの対向面の温度差は緩和する方向に変化する。この結果セルスタック内の水素反応率や温度分布は一様化し、セルスタック効率は向上、セルスタック内の応力は低減する。

［その他の実施形態］
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。また、各実施形態の特徴を組み合わせてもよい。たとえば、第２の実施形態の特徴である伝熱媒体２２を設けることと、第３の実施形態、第４の実施形態あるいは第５の実施形態のそれぞれの特徴とを組み合わせてもよい。

さらに、これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

例えば、電解セル１０の構成について、図３等に示すように燃料受け入れ口１４と水素回収口１６が電解セル１０の対向する面にそれぞれ設けられて直線状の流通路２０ａが形成されるものとして説明したが、例えば流通路２０ａをＵ字状に形成し、燃料受け入れ口１４と水素回収口１６を電解セル１０の同一面に形成した構成であってもよい。

この場合、複数の電解セル１０の配列方向から見て、流通路２０ａのＵ字の開口部分とカーブ部分が交互に重なるような配列とされて流れる方向が逆になる。このような場合でも、高温になる燃料受け入れ口１４近傍の領域が配列方向からみて隣接する電解セル１０と重複しないので、温度差が緩和される。

本発明の実施形態等の配列された電解セル１０は、ある電解セル１０と、それに隣接する電解セル１０では、配列方向に並行な軸からみて燃料受け入れ口１４の配置された場所が異なるように構成されていると換言することもできる。

１０…電解セル、１０ａ…第１電解セル、１０ｂ…第２電解セル、１１…水素極、１１ａ…水素側空間、１２…隔膜、１３…酸素極、１３ａ…酸素側空間、１４…燃料受け入れ口、１５、１５ａ、１５ｂ…燃料供給管、１６…水素回収口、１７、１７ａ、１７ｂ…水素回収管、１８…酸素排出口、１９、１９ａ、１９ｂ…酸素排出管、２０…多孔質体、２０ａ…流通路、２１…セル容器、２２…伝熱媒体、２５…直流電源、３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ…セルスタック、４０…モジュール、５１、５２…対向面、６１、６２…対向面、１００…水素製造装置

Claims

燃料の供給を受けて水素を製造する複数の電解セルを備える水素製造装置であって、
前記電解セルのそれぞれは、
酸素イオン透過性を有する固体酸化物電解質の隔膜と、
前記隔膜の第１の面に隣接する水素極と、
前記隔膜の第１の面と反対側の第２の面に隣接する酸素極と、
前記隔膜、前記水素極を収納し、燃料受け入れ口から前記燃料を受け入れ、その内部で反応生成物として生成される水素を水素回収口から流出させる水素側空間を、前記隔膜とともに形成するセル容器と、
を有し、
前記電解セルは互いに並列に配設され、かつ、互いに隣接する前記電解セルどうしは、前記燃料受け入れ口から前記水素回収口に向かう方向が互いに逆向きとなるように配設されている、
ことを特徴とする水素製造装置。
前記電解セルのそれぞれは、前記水素側空間に充填されて、前記燃料受け入れ口と前記水素回収口との間を結ぶ流通路が形成された多孔質体を有することを特徴とする請求項１に記載の水素製造装置。
互いに隣接する前記電解セル間のそれぞれに接触する伝熱媒体が配置されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の水素製造装置。
前記電解セルはそれぞれ、前記燃料受け入れ口に接続されて前記水素側空間に水蒸気を供給する燃料供給管を有し、前記複数の電解セルのうち前記燃料受け入れ口が同一方向にあるものの前記燃料供給管は、互いに共通の部分を有することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の水素製造装置。
前記電解セルはそれぞれ、前記水素回収口に接続されて前記水素側空間から水素を回収する水素回収管を有し、前記複数の電解セルのうち前記水素回収口が同一方向にあるものの前記水素回収管は、互いに共通の部分を有することを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の水素製造装置。
前記セル容器は、前記酸素極も収納し、前記水素側空間と隔離され前記酸素極を収納して酸素排出口から反応生成物である酸素を流出させる酸素側空間をさらに形成し、
前記電解セルはそれぞれ、前記酸素排出口に接続されて酸素を排出する酸素排出管を有することを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の水素製造装置。
前記複数の電解セルのうち前記酸素排出口が同一方向にあるものの前記燃料供給管は、互いに共通の部分を有することを特徴とする請求項６に記載の水素製造装置。
燃料の供給を受けて水素を製造する複数の電解セルをそれぞれ具備する複数のセルスタックを備える水素製造装置であって、
前記電解セルのそれぞれは、
酸素イオン透過性を有する固体酸化物電解質の隔膜と、
前記隔膜の第１の面に隣接する水素極と、
前記隔膜の第１の面と反対側の第２の面に隣接する酸素極と、
前記隔膜、前記水素極を収納し、燃料受け入れ口から前記燃料を受け入れてその内部で反応生成物として生成される水素を水素回収口から流出させる水素側空間を、前記隔膜とともに形成するセル容器と、
を有し、
前記セルスタックのそれぞれは、前記燃料受け入れ口から前記水素回収口に向かう方向が互いに同じ複数の前記電解セルが互いに並列に配設されることによって形成され、
前記複数のセルスタックは、互いに隣接する第１のセルスタックと第２のセルスタックとを含み、前記第１のセルスタックの前記複数の電解セルと、前記第２のセルスタックの前記電解セルとが、前記燃料受け入れ口から前記水素回収口に向かう方向が互いに逆向きとなるように、前記第１のセルスタックと前記第２のセルスタックが配設されている、
ことを特徴とする水素製造装置。