JP2018066028A - 水素製造装置および水素製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】装置を構成する部材の酸化を抑えつつ、熱効率を向上させることができる水素製造技術を提供する。【解決手段】水蒸気を水素ガスと酸素ガスとに電気分解する電解部２と、電解部２に水蒸気を供給する第１供給ライン１８と、電解部２から水素ガスを含む第１ガスを排出する第１排出ライン１９と、電解部２に所定のガスを供給する第２供給ライン２３と、電解部２から酸素ガスを含む第２ガスを排出する第２排出ライン２４と、第２ガスから酸素ガスを分離する酸素分離部２５と、酸素ガスが分離された残りの残余ガスを第２供給ライン２３に供給する残余ガス供給ライン２７と、を備える。【選択図】 図１

Description

本発明の実施形態は、水蒸気を電気分解して水素ガスを製造する水素製造技術に関する。

近年、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、いくつかの水素製造方法が考えられている。特に、高温の水蒸気を高温水蒸気電解装置で電気分解して水素ガスと酸素ガスを生成する高温水蒸気電解法がある。この高温水蒸気電解法では、高温で高純度の酸素ガスが高温水蒸気電解装置や配管に接触されるので、これらを構成する部材の酸化が促進されてしまう。そこで、空気供給ブロアにより高温水蒸気電解装置に空気を供給して酸素ガスの濃度を下げるようにしている（例えば、特許文献１参照）。

特許第３０８５７９６号公報

前述の高温水蒸気電解法では、高温水蒸気電解装置の高温状態を維持するために、空気供給ブロアで供給される空気を熱交換器で加熱してから高温水蒸気電解装置に供給するようにしている。この空気を加熱するための加熱源は、水蒸気を加熱するためにも用いられている。このように、水蒸気を加熱するための熱エネルギーの一部が空気を加熱するために用いられるので、熱効率が低減してしまうという課題がある。

本発明の実施形態はこのような事情を考慮してなされたもので、装置を構成する部材の酸化を抑えつつ、熱効率を向上させることができる水素製造技術を提供することを目的とする。

本発明の実施形態に係る水素製造装置は、水蒸気を水素ガスと酸素ガスとに電気分解する電解部と、前記電解部に前記水蒸気を供給する第１供給ラインと、前記電解部から前記水素ガスを含む第１ガスを排出する第１排出ラインと、前記電解部に所定のガスを供給する第２供給ラインと、前記電解部から前記酸素ガスを含む第２ガスを排出する第２排出ラインと、前記第２ガスから前記酸素ガスを分離する酸素分離部と、前記酸素ガスが分離された残りの残余ガスを前記第２供給ラインに供給する残余ガス供給ラインと、を備える。

本発明の実施形態に係る水素製造方法は、第１供給ラインを用いて電解部に水蒸気を供給する第１供給ステップと、前記電解部を用いて前記水蒸気を水素ガスと酸素ガスとに電気分解する電解ステップと、第１排出ラインを用いて前記電解部から前記水素ガスを含む第１ガスを排出する第１排出ステップと、第２排出ラインを用いて前記電解部から前記酸素ガスを含む第２ガスを排出する第２排出ステップと、酸素分離部を用いて前記第２ガスから前記酸素ガスを分離する酸素分離ステップと、前記電解部に所定のガスを供給する第２供給ラインに対し、前記酸素ガスが分離された残りの残余ガスを、残余ガス供給ラインを用いて供給する残余ガス供給ステップと、を含む。

本発明の実施形態により、装置を構成する部材の酸化を抑えつつ、熱効率を向上させることができる水素製造技術が提供される。

第１実施形態の水素製造装置を示す図。 電解セルを示す図。 第１実施形態の水素製造方法を示すフローチャート。 流量制御処理を示すフローチャート。 第２実施形態の水素製造装置を示す図。 第２実施形態の水素製造方法を示すフローチャート。 加熱制御処理を示すフローチャート。

（第１実施形態）
以下、本実施形態を添付図面に基づいて説明する。図１の符号１は、第１実施形態の水素製造装置である。本実施形態では、６００℃〜８５０℃程度の高温で水蒸気を電気分解して水素ガスおよび酸素ガスを得る高温水蒸気電解法を用いる。

水の電気分解に必要なエネルギー（ΔＨ）は、以下の（１）式で表される。ここで、ΔＧは、ギブスエネルギー差である。また、ＴΔＳは、可逆反応熱である。この(１)式において、ΔＧは、電気エネルギーで与えられる。また、ＴΔＳは、熱エネルギーで与えられる。

ΔＨ ＝ ΔＧ ＋ ＴΔＳ （１）

ΔＨは、温度による変化が小さいのに対し、ΔＧは、高温になるに従って小さくなる。すなわち、水の電気分解に必要なエネルギーのうち、外部から供給する熱量を多くすることができる。そのため、高温水蒸気電解法では、室温での水の電気分解よりも少ない電力で同じ量の水素を得ることができ、エネルギー効率が高い水素製造法となっている。

図１に示すように、水素製造装置１は、水蒸気を水素ガスと酸素ガスとに電気分解する電解部２を備える。この電解部２では、水蒸気の電気分解が実行されることで、水素ガスと酸素ガスとが生成される。なお、この電解部２には、電気分解を行うための電解セル３が設けられている。

図２に示すように、電解セル３は、隔壁となる電解質膜４で隔てられた第１室５と第２室６とを有している。また、電解質膜４において、第１室５側には、負極７の電極が設けられ、第２室６側には、正極８の電極が設けられている。また、負極７および正極８の各電極に接続され、直流電流を出力する電源９が設けられている。なお、第１室５には、水蒸気が供給される。また、第２室６には、後述する残余ガスまたは補助ガスが供給される。

電源９により付与される電流は、負極７および正極８を介して電解質膜４に流れる。ここで、第１室５側に水蒸気が供給されると、この水蒸気が電気分解されて水素ガスと酸素イオン（Ｏ^２−）が生成される。この酸素イオンは、電解質膜４を通過して正極８側に移動する。そして、酸素イオンが正極８側で電子を放出することで、第２室６側に酸素ガスが放出される。

また、生成された水素ガスを含む第１ガスで第１室５が満たされるとともに、この第１ガスが第１室５から排出される。さらに、生成された酸素ガスを含む第２ガスで第２室６が満たされるとともに、この第２ガスが第２室６から排出される。なお、第１ガスは、水素ガスや未だ電気分解されていない水蒸気などを含むガスである。また、第２ガスは、酸素ガスやその他の残余ガスを含むガスである。

図１に示すように、水素製造装置１は、電気分解に必要な水蒸気を発生させるための水を供給する水供給部１０と、この水供給部１０から水を輸送する水供給ライン１１と、この水に基づいて水蒸気を発生させる水蒸気発生部１２と、水蒸気発生部１２を加熱する燃焼部１３と、この燃焼部１３に燃料を供給する燃料供給部１４と、この燃料供給部１４から燃料を輸送する燃料供給ライン１５と、燃焼部１３に外部から導入される空気を供給する空気供給部１６と、この空気供給部１６から空気を輸送する空気供給ライン１７と、を備える。

また、水素製造装置１は、水蒸気発生部１２で発生した水蒸気を電解部２（電解セル３）の第１室５に供給するための第１供給ライン１８と、電解部２の第１室５から第１ガスを排出するための第１排出ライン１９と、この排出された第１ガスから水素ガスを分離する水素分離部２０と、分離された水素ガスを貯蔵する水素貯蔵部２１と、この水素貯蔵部２１に水素ガスを供給する水素供給ライン２２と、を備える。

なお、水素分離部２０では、気液分離器を用いて第１ガスに含まれる水蒸気を凝縮させて水素ガスと分離するようにしても良いし、その他の分離技術で水蒸気と水素ガスとを分離しても良い。この水素ガスが水素貯蔵部２１に輸送されるので、純度の高い水素ガスを得ることができる。

また、水素製造装置１は、所定のガスを電解部２（電解セル３）の第２室６に供給するための第２供給ライン２３と、電解部２の第２室６から第２ガスを排出するための第２排出ライン２４と、この排出された第２ガスから酸素ガスを分離する酸素分離部２５と、分離された酸素ガスを燃焼部１３に供給する酸素ガス供給ライン２６と、酸素ガスが分離された残りの残余ガスを第２供給ライン２３に供給する残余ガス供給ライン２７と、外部から導入される空気などの補助ガスを供給する補助供給部２８と、この補助供給部２８により供給される補助ガスを第２供給ライン２３に供給する補助供給ライン２９と、補助ガスの流量および残余ガスの流量を調節する調節部３０と、電解部２の運転状態に基づいて調節部３０を制御する流量制御部３１と、電解部２および流量制御部３１を互いに接続する流量制御線３２と、を備える。

なお、酸素分離部２５は、高温状態を維持しつつ、第２ガスを酸素ガスとその他の残余ガスとに分離する酸素分離膜３３（分子篩、ろ過膜）を備える。この酸素分離膜３３は、６００℃以上の高温の耐えられる耐熱性を有する材料で構成される。例えば、セラミック材料で構成された膜であっても良いし、金属材料で構成された膜であっても良いし、高分子化合物で構成された膜であっても良い。このように、酸素分離膜３３を用いることで、第２ガスの高温状態を維持しつつ、第２ガスから酸素ガスを分離することができるので、酸素分離による熱損失を低減することができる。

また、調節部３０は、補助供給ライン２９から第２供給ライン２３に供給される補助ガスの流量と、残余ガス供給ライン２７から第２供給ライン２３に供給される残余ガスの流量と、を調節する。この調節部３０は、電解部２の運転状態に応じて、この電解部２に供給されるガスの流量を調節することができる。例えば、残余ガスを充分に供給できない電解部２の起動期間には、補助ガスを第２供給ライン２３に供給する。そして、残余ガスを充分に供給できる電解部２の運転期間には、残余ガスを第２供給ライン２３に供給する。

また、調節部３０は、第２供給ライン２３に接続されるラインを、補助供給ライン２９または残余ガス供給ライン２７のいずれか一方に切り換えることができる。なお、調節部３０は、第２供給ライン２３に対して残余ガス供給ライン２７を接続しているときに、補助供給ライン２９から補助ガスの一部を第２供給ライン２３に供給するようにしても良い。

なお、第１供給ライン１８と第１排出ライン１９と第２供給ライン２３と第２排出ライン２４と残余ガス供給ライン２７とは、外部と断熱するための断熱部で覆われた配管となっている。特に、残余ガス供給ライン２７および第２供給ライン２３が断熱部を備えることで、酸素分離部２５から電解部２まで残余ガスの温度を低下させずに、この残余ガスを輸送することができる。

本実施形態では、燃焼部１３で燃料を燃焼させることで発生する熱エネルギーを用いて水を加熱して水蒸気を発生させる。なお、この水蒸気の温度は、１気圧の環境において６００℃以上であれば良い。このような高温の水蒸気を用いることで、効率よく水素ガスを製造することができる。

なお、本実施例では、燃焼部１３および水蒸気発生部１２が、それぞれ１台ずつの構成としているが、その他の態様であっても良い。例えば、複数台の燃焼部１３および水蒸気発生部１２を直列に接続し、発生した水蒸気を複数回加熱して６００℃以上の高温にしても良い。

図１および図２に示すように、電解部２に設けられた電解セル３の第１室５は、電気分解により生成された水素ガスと未だ電気分解されていない水蒸気とを含む第１ガスで満たされる。この第１室５の第１ガスは、第１排出ライン１９を通じて水素分離部２０に送られる。なお、水素分離部２０で分離された水素ガスは、水素供給ライン２２を通じて水素貯蔵部２１に供給される。そして、水素ガスは、水素貯蔵部２１にて一旦貯蔵された後に、製品として出荷される。

また、電解セル３の第２室６は、電気分解により生成された酸素ガスとその他の残余ガスとを含む第２ガスで満たされる。この第２室６の第２ガスは、第２排出ライン２４を通じて酸素分離部２５に送られる。この酸素分離部２５では、酸素分離膜３３を用いて、高温の第２ガスを、水素ガスと、その残りの残余ガスとに分離する。

また、分離された酸素ガスは、酸素ガス供給ライン２６を通じて燃焼部１３に送られ、燃料の燃焼に利用される。一方、第２ガスから酸素ガスが分離された残りの残余ガスは、残余ガス供給ライン２７を通じて第２供給ライン２３に供給される。そして、この残余ガスは、第２供給ライン２３を通じて電解セル３の第２室６に供給される。

また、電解セル３の第２室６では、酸素ガスが生成されるので、この第２室６が高濃度の酸素ガスで満たされる。さらに、この酸素ガスは、高温である。このように第２室６を構成する部材や、第２排出ライン２４を構成する配管などは、高温で高濃度の酸素ガスに触れることになる。そのため、これらを構成する部材の酸化が促進されてしまう。本実施形態では、残余ガスが残余ガス供給ライン２７を通じて第２室６に供給されるので、第２室６の酸素ガスの濃度を低減させることができ、第２室６の過酷な環境を緩和することができる。つまり、第２室６を構成する部材の酸化を抑えることができる。また、高温の状態が維持された状態で残余ガスが第２室６に導入されるので、水素製造装置１の熱効率を向上させることができる。

なお、残余ガスは、空気、窒素ガス、希ガスのうちの少なくともいずれか１つから成る。この残余ガスは、電解部２の起動期間中に、補助供給部２８から供給された補助ガス（空気）などに基づいて生じるガスである。この残余ガスを用いることで、このようにすれば、装置を構成する部材を腐食させることなく、残余ガスの流量（第２室６を充満させる量）を確保することができるので、第２室６の酸素濃度を低減することができる。なお、本実施形態の残余ガスとしての空気は、第２ガスから酸素ガスを分離したときに残った酸素ガスを含んだガスを含み、大気としての空気と近似する成分のガスを含む。また、本実施形態の希ガスは、ヘリウムガスなどを含む。

次に、第１実施形態の水素製造装置１が実行する水素製造方法について図３を用いて説明する。なお、フローチャートの各ステップの説明にて、例えば「ステップＳ１１」と記載する箇所を「Ｓ１１」と略記する。

まず、水蒸気発生部１２で発生した水蒸気を、第１供給ライン１８を用いて電解部２（電解セル３）の第１室５に供給する（Ｓ１１：第１供給ステップ）。次に、電解部２を用いて水蒸気を水素ガスと酸素ガスとに電気分解する（Ｓ１２：電解ステップ）。次に、第１排出ライン１９を用いて電解部２の第１室５から水素ガスを含む第１ガスを排出する（Ｓ１３：第１排出ステップ）。

次に、第１排出ライン１９を用いて水素分離部２０に第１ガスが輸送される。そして、水素分離部２０を用いて第１ガスから水素ガスを分離する（Ｓ１４：水素分離ステップ）。次に、水素供給ライン２２を用いて水素貯蔵部２１に水素ガスが輸送される。この水素ガスが水素貯蔵部２１に貯蔵される（Ｓ１５：水素貯蔵ステップ）。

また、第２排出ライン２４を用いて電解部２の第２室６から酸素ガスを含む第２ガスを排出する（Ｓ１６：第２排出ステップ）。次に、第２排出ライン２４を用いて酸素分離部２５に第２ガスが輸送される。そして、酸素分離部２５では、酸素分離膜３３を用いて第２ガスから酸素ガスを分離する（Ｓ１７：酸素分離ステップ）。次に、酸素ガス供給ライン２６を用いて燃焼部１３に酸素ガスが輸送される（Ｓ１８：酸素供給ステップ）。この燃焼部１３では、酸素ガスを用いて燃料が燃焼される。

また、酸素分離部２５にて第２ガスから酸素ガスが分離された残りの残余ガスは、残余ガス供給ライン２７を用いて第２供給ライン２３に輸送される。そして、この第２供給ライン２３を用いて電解部２の第２室６に残余ガスが供給される（Ｓ１９：残余ガス供給ステップ）。

次に、流量制御部３１が実行する流量制御処理について図４を用いて説明する。まず、水素製造装置１が起動して、電解部２の第１室５に水蒸気が供給されるとともに電源９から電力が供給される。このように電解部２が起動されると、流量制御線３２を介して電解部２が起動したことを示す起動信号が流量制御部３１に入力される（Ｓ２１）。なお、電解部２は、起動期間中に起動信号を出力する。さらに、電解部２は、起動してから所定時間経過後に定常運転に切り換る。この運転期間中に電解部２は、運転信号を出力する。

次に、流量制御部３１は、調節部３０を制御して、第２供給ライン２３と補助供給ライン２９とを接続する。ここで、補助供給ライン２９を用いて第２供給ライン２３に補助ガス（空気）が供給される。この補助ガスは、電解部２の第２室６に供給される（Ｓ２２）。

次に、流量制御部３１は、流量制御線３２から入力される運転信号に基づいて、電解部２が定常運転（運転期間）に移行したか否かを判定する（Ｓ２３）。ここで、電解部２が定常運転に移行していない場合は、前述のＳ２２に戻る。一方、電解部２が定常運転に移行した場合は、流量制御部３１は、調節部３０を制御して、第２供給ライン２３と残余ガス供給ライン２７とを接続する。ここで、残余ガス供給ライン２７を用いて第２供給ライン２３に残余ガスが供給される。この残余ガスは、電解部２の第２室６に供給される（Ｓ２４）。

なお、本実施形態では、流量制御部３１が電解部２から入力される信号に基づいて、電解部２の第２室６に供給するガスを、補助ガスまたは残余ガスに切り換えるようにしているが、その他の態様であっても良い。例えば、電解部２が起動してからカウントを開始するタイマを設けるようにし、起動後に経過した時間に基づいて、電解部２の第２室６に供給するガスを切り換えても良い。また、電解部２の第２室６に酸素濃度を検出するセンサを設けるようにし、この酸素濃度に基づいて、電解部２の第２室６に供給するガスを切り換えても良い。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態の水素製造装置１Ａについて図５から図７を用いて説明する。なお、前述した実施形態に示される構成部分と同一構成部分については同一符号を付して重複する説明を省略する。

図５に示すように、第２実施形態の水素分離部２０は、高温状態を維持しつつ、第１ガスを水素ガスと水蒸気（リサイクルガス）とに分離する水素分離膜３４（分子篩、ろ過膜）を備える。この水素分離部２０では、水素分離膜３４を用いて、高温の第１ガスを水素ガスと水蒸気とに分離する。

この水素分離膜３４は、前述の第１ガスに含まれる水蒸気が気体である温度、好ましくは１５０℃以上、さらに好ましくは３００℃以上の耐熱性、および水素分離性能を有する材料で構成される。例えば、パラジウムを含む金属材料で構成された膜であっても良いし、セラミック材料で構成された膜でも良いし、高分子化合物で構成された膜であっても良い。このように、水素分離膜３４を用いることで、第１ガスの高温状態を維持しつつ、第１ガスから水素ガスを分離することができるので、水素分離による熱損失を低減することができる。

また、第２実施形態の水素製造装置１Ａは、水素分離部２０にて水素ガスが分離された残りのガスであって、未だ電気分解されていない水蒸気を含むリサイクルガスを、第１供給ライン１８に供給するリサイクルライン３５を備える。このリサイクルライン３５を通じて第１供給ライン１８に送られたリサイクルガスは、電解部２（電解セル３）の第１室５に供給され、再び電気分解に利用される。このようにすれば、電解部２から排出された水蒸気を含むリサイクルガスを再利用することができる。なお、既に加熱された水蒸気に基づいて電気分解を行うことができるので、熱効率を向上させることができる。また、リサイクルライン３５は、外部と断熱するための断熱部で覆われた配管となっている。

また、第２実施形態の水素製造装置１Ａは、第２供給ライン２３を流れる残余ガスや補助ガスを加熱する加熱部３６と、電解部２の運転状態に基づいて加熱部３６を制御する加熱制御部３７と、電解部２および加熱制御部３７を互いに接続する加熱制御線３８と、を備える。

なお、加熱部３６は、電熱ヒータなどで構成される。また、第２供給ライン２３の全体に亘って電熱ヒータを巻き付けて加熱部３６を構成しても良い。また、加熱部３６は、電解部２の運転状態に応じて、第２供給ライン２３を流れるガスを加熱することができる。例えば、電解部２の起動期間には、加熱部３６による加熱を行うことで、外部から取り込まれた補助ガス（空気）を加熱することができる。そして、電解部２の運転期間には、既に加熱された残余ガスが第２供給ライン２３に供給されるので、加熱部３６を停止することができる。

また、加熱制御部３７は、電解部２の運転状態に応じて加熱部３６を制御するため、第２供給ライン２３を流れるガスの温度低下を事前に把握して、加熱部３６の制御にフィードバックさせることができるので、低温のガスが電解部２に供給されることを防ぐことができる。例えば、電解部２が一時的に停止した場合には、この停止を加熱制御部３７が事前に把握することで、残余ガスの温度が低下する前に、加熱部３６による加熱を開始することができる。そのため電解部２の温度が低下されることがなく、電解部２を再起動したときに即座に電気分解を開始することができる。

次に、第２実施形態の水素製造装置１Ａが実行する水素製造方法について図６を用いて説明する。なお、第２実施形態の水素製造方法は、Ｓ１５Ａのみが、前述した第１実施形態の水素製造方法（図３参照）と異なり、他のステップは同じである。

図６に示すように、第２実施形態では、水素分離部２０を用いて第１ガスから水素ガスを分離する（Ｓ１４）。そして、分離された水素ガスを水素貯蔵部２１に貯蔵するとともに（Ｓ１５）、分離されたリサイクルガスを、リサイクルライン３５を通じて第１供給ライン１８に供給する。そして、このリサイクルガスを、電解部２（電解セル３）の第１室５に供給する（Ｓ１５Ａ：リサイクルステップ）。このリサイクルガスは、電解部２で再び電気分解に利用される。以降のステップは、前述した第１実施形態の水素製造方法と同じステップである。

次に、加熱制御部３７が実行する加熱制御処理について図７を用いて説明する。まず、水素製造装置１Ａが起動して、電解部２の第１室５に水蒸気が供給されるとともに電源９から電力が供給される。このように電解部２が起動されると、加熱制御線３８を介して電解部２が起動したことを示す起動信号が加熱制御部３７に入力される（Ｓ３１）。なお、電解部２は、起動期間中に起動信号を出力する。さらに、電解部２は、起動してから所定時間経過後に定常運転に切り換る。この運転期間中に電解部２は、運転信号を出力する

次に、加熱制御部３７は、加熱部３６の運転を実行して、第２供給ライン２３を流れる所定のガスを加熱する（Ｓ３２）。ここで、第２供給ライン２３には、補助供給ライン２９を用いて供給された補助ガス（空気）が流れている。この補助ガスは、外部から取り込んだガスであるので低温になっている。そして、加熱部３６は、補助ガスを加熱して所定の温度にする。なお、この補助ガスは、電解部２の第２室６に供給される。

次に、加熱制御部３７は、加熱制御線３８から入力される運転信号に基づいて、電解部２が定常運転（運転期間）に移行したか否かを判定する（Ｓ３３）。ここで、電解部２が定常運転に移行していない場合は、前述のＳ３２に戻る。一方、電解部２が定常運転に移行した場合は、加熱制御部３７は、加熱部３６の運転を終了する（Ｓ３４）。ここで、第２供給ライン２３には、残余ガス供給ライン２７を用いて供給された残余ガスが流れている。この残余ガスは、電解部２の第２室６から排出されたガスに基づいているので高温になっている。なお、この残余ガスは、電解部２の第２室６に供給される。このように、第２供給ライン２３を流れるガスの加熱を電解部２の運転状態に応じて制御するので、加熱の必要がないときには、加熱部３６を停止することができる。

なお、第２実施形態では、加熱制御部３７が電解部２から入力される信号に基づいて、加熱部３６を制御しているが、その他の態様であっても良い。例えば、電解部２が起動してからカウントを開始するタイマを設けるようにし、起動後に経過した時間に基づいて、加熱部３６を制御しても良い。また、残余ガスの温度を検出するセンサを設けるようにし、この残余ガスの温度に基づいて、加熱部３６を制御しても良い。

なお、第２実施形態では、電熱ヒータなどで構成される加熱部３６を用いて第２供給ライン２３を流れるガスを加熱しているが、その他の態様であっても良い。例えば、電解部２の起動期間中には、燃焼部１３を熱源として第２供給ライン２３を流れるガスを加熱しても良い。

本実施形態に係る水素製造装置を第１実施形態から第２実施形態に基づいて説明したが、いずれか１の実施形態において適用された構成を他の実施形態に適用しても良いし、各実施形態において適用された構成を組み合わせても良い。例えば、第２実施形態のリサイクルライン３５の構成を第１実施形態に設けても良い。

以上説明した実施形態によれば、酸素ガスが分離された残りの残余ガスを第２供給ライン２３に供給する残余ガス供給ライン２７を持つことにより、装置を構成する部材の酸化を抑えつつ、熱効率を向上させることができる。

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。これら実施形態は、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、組み合わせ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。

１（１Ａ）…水素製造装置、２…電解部、３…電解セル、４…電解質膜、５…第１室、６…第２室、７…負極、８…正極、９…電源、１０…水供給部、１１…水供給ライン、１２…水蒸気発生部、１３…燃焼部、１４…燃料供給部、１５…燃料供給ライン、１６…空気供給部、１７…空気供給ライン、１８…第１供給ライン、１９…第１排出ライン、２０…水素分離部、２１…水素貯蔵部、２２…水素供給ライン、２３…第２供給ライン、２４…第２排出ライン、２５…酸素分離部、２６…酸素ガス供給ライン、２７…残余ガス供給ライン、２８…補助供給部、２９…補助供給ライン、３０…調節部、３１…流量制御部、３２…流量制御線、３３…酸素分離膜、３４…水素分離膜、３５…リサイクルライン、３６…加熱部、３７…加熱制御部、３８…加熱制御線。

Claims (11)

1. 水蒸気を水素ガスと酸素ガスとに電気分解する電解部と、
   前記電解部に前記水蒸気を供給する第１供給ラインと、
   前記電解部から前記水素ガスを含む第１ガスを排出する第１排出ラインと、
   前記電解部に所定のガスを供給する第２供給ラインと、
   前記電解部から前記酸素ガスを含む第２ガスを排出する第２排出ラインと、
   前記第２ガスから前記酸素ガスを分離する酸素分離部と、
   前記酸素ガスが分離された残りの残余ガスを前記第２供給ラインに供給する残余ガス供給ラインと、
   を備える水素製造装置。
2. 前記第１ガスで満たされる第１室と前記第２ガスで満たされる第２室とが前記電解部に設けられ、前記残余ガスが前記第２室に供給される請求項１に記載の水素製造装置。
3. 前記酸素分離部は、酸素分離膜を用いて前記酸素ガスを分離する請求項１または請求項２に記載の水素製造装置。
4. 前記残余ガス以外のガスを前記第２供給ラインに供給する補助供給ラインと、
   前記補助供給ラインから前記第２供給ラインに供給されるガスの流量と前記残余ガス供給ラインから前記第２供給ラインに供給されるガスの流量とを調節する調節部と、
   前記電解部の運転状態に基づいて前記調節部を制御する流量制御部と、
   を備える請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の水素製造装置。
5. 前記第２供給ラインを用いて前記電解部に供給される前記所定のガスを加熱する加熱部と、
   前記電解部の運転状態に基づいて前記加熱部を制御する加熱制御部と、
   を備える請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の水素製造装置。
6. 前記第１ガスから前記水素ガスを分離する水素分離部を備える請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の水素製造装置。
7. 前記第１ガスから前記水素ガスが分離された残りのガスであって、未だ電気分解されていない前記水蒸気を含むリサイクルガスを前記第１供給ラインに供給するリサイクルラインを備える請求項６に記載の水素製造装置。
8. 前記残余ガスは、空気、窒素ガス、希ガスのうちの少なくともいずれか１つから成る請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の水素製造装置。
9. 燃料を燃焼する燃焼部と、
   前記分離された前記酸素ガスを前記燃焼部に供給する酸素ガス供給ラインと、
   前記燃焼部を用いて水を加熱して前記水蒸気を発生させて前記第１供給ラインに供給する水蒸気発生部と、
   を備える請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の水素製造装置。
10. 前記水蒸気の温度は、６００℃以上である請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の水素製造装置。
11. 第１供給ラインを用いて電解部に水蒸気を供給する第１供給ステップと、
    前記電解部を用いて前記水蒸気を水素ガスと酸素ガスとに電気分解する電解ステップと、
    第１排出ラインを用いて前記電解部から前記水素ガスを含む第１ガスを排出する第１排出ステップと、
    第２排出ラインを用いて前記電解部から前記酸素ガスを含む第２ガスを排出する第２排出ステップと、
    酸素分離部を用いて前記第２ガスから前記酸素ガスを分離する酸素分離ステップと、
    前記電解部に所定のガスを供給する第２供給ラインに対し、前記酸素ガスが分離された残りの残余ガスを、残余ガス供給ラインを用いて供給する残余ガス供給ステップと、
    を含む水素製造方法。

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