JP2018524465A - 二水素を製造するためのシステム及び関連する方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、５００℃より高い温度で水蒸気電気分解を実施して水蒸気及び二水素混合物を製造するように適合された高温電解槽（２）と、二水素圧縮器（３）と、水及び二水素の主回路（１０）であって、その上に少なくとも１つの蒸発器（１１）、高温電解槽（２）、凝縮器（Ｅ３）、及び圧縮器（３）が連続的に配置され、第１交換器（Ｅ１）が蒸発器（１１）からの水蒸気と高温電解槽（２）からの水蒸気及び二水素混合物との間で熱交換を行って蒸発器（１１）からの水蒸気を過熱する、水及び二水素主回路（１０）と、を含み、圧縮器（３）が凝縮器（Ｅ３）との熱交換により熱を供給される化学式圧縮器であること；凝縮器（Ｅ３）が第１交換器（Ｅ１）の出口に直接配置されること；を特徴とする、二水素を製造するためのシステムに関する。

Description

本発明は、電気分解を用いた二水素製造システムに関する。

物品及び乗客の移動及び輸送のための脱炭素溶液、すなわち低二酸化炭素放出溶液の精力的な開発状況の中で、二水素は有望な燃料として現れる。

車両での燃料電池及び電気モータに関連するその使用は、特にそれ自体が清浄なエネルギー、特に水の電気分解によって作られる場合、化石燃料の代替物となり得る。トヨタなどの一部の自動車メーカーはすでに水素車の販売を始めており、他のメーカーは２０２０年までに最初の車両を発売する予定である。

燃料電池（その一例は図１ａに表される）の動作は、以下の酸化還元反応によって支配される：
−アノードで：２Ｈ_２→４Ｈ^＋＋４ｅ⁻
−カソードで：Ｏ_２＋４Ｈ^＋＋４ｅ⁻→２Ｈ_２Ｏ。

アノードで作られた電子の流れは故に、カソードに送られる前に電気負荷を供給することができる。

水素は近年、主に炭化水素の水蒸気改質によって多量に作られ、それは主に天然ガス（メタン、水蒸気改質反応は従って、以下の式：ＣＨ_４＋２Ｈ_２Ｏ＋熱→４Ｈ_２＋ＣＯ_２によって記載される）からのものであり、サービスステーションで２００バールのシリンダーフレームのトラックによって輸送及び配達されるが、それはサービスステーションにおいて、サービスステーション内の高圧タンクで貯蔵される前に４５０から９００バールの圧力まで圧縮器で圧縮される（実際に、二水素ガスの低体積密度−通常の温度及び圧力条件下、１立方メートル中で８９グラム、すなわち３．５４ｋＷｈエネルギーの水素−とは、それを７００バール付近まで圧縮して燃料として使用するのに十分な密度に到達させることを暗示する）。

この水蒸気形成製造方法は、工業的に成熟していて安価であるという利点を有する。しかしながら、それは多くの欠点を有する：それは化石エネルギーを消費し、二酸化炭素を高放出し、大型ユニット（数百ＭＷまで）の大規模生産にのみ良好に適合される。分散して水素を使用する場合、作られた水素はトラックで輸送されるべきであり、シリンダーフレームで配達されるべきであるが、それは実質的な経済的及びエネルギーコストを生じさせる。

従って、産業主義者らは代替技術：水素を酸素から分離するために化石エネルギーの代わりに電気を使用し、小規模な分散型ユニット、あるいは例えばサービスステーションなどの水素が使用される場所で行われ得る水の電気分解、を次第に選択している。電気分解の原理は、以下の式で要約され得る：２Ｈ_２Ｏ＋電気→２Ｈ_２＋Ｏ_２。

電気分解は多くの利点を有する：それは電気が（例えば核又は再生可能源を）脱炭素化する場合に二酸化炭素を発生させず、柔軟性があり、故に配電網に対してサービスを提供することができ、モジュール式技術であり、小規模（１ＭＷ未満）であり得、それ故に分散型製造に良好に適合される。一方、それは高価なエネルギー：電気を消費するという欠点を有する。従って、その収率は重要な問題である。

３つの主な電気分解技術が存在する。最初の２つ、すなわちアルカリ及びＰＥＭ（「プロトン交換膜」又はプロトン交換膜技術）技術は、近年成熟しており、市場に出されている。これらの電解槽のエネルギー消費は、よくても約５５ｋＷｈ／ｋｇ水素であり、７２％程度のエネルギー収率を示す。

３番目は高温電気分解（ＨＴＥ）であり、現在開発中である。高温電解槽は、約４５ｋＷｈ／ｋｇ水素のエネルギー消費、すなわち８７％程度のエネルギー収率を示す。

例えば非特許文献１などに記載されているこの技術は、水を少なくとも５００℃、有利には８００℃程度の温度の過熱水蒸気として電気分解することを提案する。

この技術は、反応に必要なエネルギーの一部が熱（電気より安価）によってもたらされることができ、エネルギー収率がより良好であるため、周囲温度での水の電気分解よりもより効率的であると判明している。理論的には、２５００℃の温度では、熱分解が自然に水を水素及び酸素に分解するため、それ以上の作業入力は必要ではない。動作条件を考慮すると、最高の妥協点は約８００℃に到達したところのままである。

図１ｂは、８０％のエネルギー収率（ｒ＝ＧＣＶ／Ｑｉｎｖと定義され、ここでＱｉｎｖは施設内で消費される投入エネルギーであり、ＧＣＶは総発熱量、すなわち得られる水素のエネルギー容量であり、３９．４ｋＷｈ／ｋｇに達する）を提供する、既知の最適化されたＨＴＥシステム１である。以下の開示において、そして異なる設備を互いに比較するために、２００バールで１ｋｇの水素を製造するシステム１が考慮される。

水蒸気はここでは、蒸発器１１（８．４ｋＷｈのエネルギー入力）で作られ、次いで、交換器Ｅ１及びＥ２を介して電解槽２からの出口ガスから、かつ電気過熱器１２（１ｋＷｈのエネルギー入力）から過熱される。液体水はまた、交換器Ｅ３及びＥ４を介して出口ガスにより予熱される。電解槽の収率が高いため、結果として統合された冷却システムは必要ない。電解槽は、圧力を２００バールに上昇させるために、４ｋＷｈのエネルギーを消費する機械式圧縮器３と連結される。

このような装置のエネルギー収率は、次の通りである：
ｒ＝ＧＣＶ／Ｑｉｎｖ＝３９．４／（３５．７＋１＋８．４＋４）
ｒ＝８０％。

Ｊ．シグルヴィンソン（Ｊ．Ｓｉｇｕｒｖｉｎｓｓｏｎ）、Ｃ．マンシジャ（Ｃ．Ｍａｎｓｉｌｌａ）、Ｐ．ロベラ（Ｐ．Ｌｏｖｅｒａ）及びＦ．ワーコフ（Ｆ．Ｗｅｒｋｏｆｆ）著、インターナショナルジャーナルオブハイドロジェンエナジー（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｈｙｄｒｏｇｅｎ Ｅｎｅｒｇｙ）、「高温水蒸気電気分解は地熱とともに機能するか？（Ｃａｎ ｈｉｇｈ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｓｔｅａｍ ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｉｓ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｇｅｏｔｈｅｒｍａｌ ｈｅａｔ？）」

工業的な大規模水素使用のブレイクスルーを加速するために、この収率をさらに改善することが望ましいであろう。

本発明は、第１の態様によれば、以下を含む二水素製造システムを提供することによりこれらの欠点を克服することを提案し、二水素製造システムは、
−５００℃より高い温度で水蒸気電気分解を実施して水蒸気及び二水素混合物を製造するように適合された、高温電解槽と、
−二水素圧縮器と、
−水及び二水素の主回路であって、その上に少なくとも１つの蒸発器、高温電解槽、凝縮器、及び圧縮器が連続的に配置され、第１交換器が蒸発器からの水蒸気と高温電解槽からの水蒸気及び二水素混合物との間で熱交換を行って蒸発器からの水蒸気を過熱する、水及び二水素の主回路と、
を含み、そのシステムは、
−圧縮器が、凝縮器との熱交換により熱を供給される化学式圧縮器であること；
−凝縮器が、第１交換器の出口に直接配置されること；
を特徴とする。

本発明による装置は、単独で、又は任意の技術的に可能な組合せに従って、以下の特徴によって有利に完成される：
−第１交換器は、水蒸気及び二水素混合物が少なくとも２００℃の温度を示すように構成される；
−そのシステムは、高温電解槽からの二酸素回路をさらに含み、そこで、蒸発器からの水蒸気と高温電解槽からの二酸素との間で熱交換を行う第２交換器が蒸発器からの水蒸気を過熱するように配置される；
−そのシステムはさらに、蒸発器上流の主回路からの液体水と第２交換器からの二酸素との間で熱交換を行って蒸発器に入る液体水を予熱する、第３交換器を含む；
−そのシステムはさらに、高温電解槽上流の主回路上に配置されて蒸発器からの水蒸気を過熱する、第１過熱器を含む；
−そのシステムはさらに、蒸発器上流の主回路からの液体水と凝縮器から出る二水素との間で熱交換を行って蒸発器に入る液体水を予熱する、第４交換器を含む；
−第４交換器は第２凝縮器である；
−主回路は凝縮器からの凝縮液を受け取る；
−主回路は、凝縮器からの凝縮液を循環するための分岐部と、第４交換器からの液体水混合物及び前記凝縮液のための混合器と、を有する；
−化学式圧縮器は金属水素化物圧縮器である；
−前記金属水素化物は希土類水素化物である；
−化学式圧縮器は単一の反応器を有する；
−凝縮器と圧縮器との間の主回路上に、浄化システム及び／又は乾燥システムが配置される；
−そのシステムは、凝縮器から圧縮器への熱伝達のための熱回路を含む；
−熱回路の流体は、圧縮器の入口で少なくとも１２０℃の温度を有する；
−熱回路は、凝縮器の出口で回路の流体を過熱する第２過熱器を有する。

第２の態様によれば、本発明は、以下のステップ：
−蒸発器において水及び二水素の主回路の液体水を蒸発させるステップ；
−５００℃より高い温度で、少なくとも１つの第１交換器において水蒸気を過熱するステップ；
−高温電解槽において水蒸気を電気分解して水蒸気及び二水素混合物を製造するステップ；
−第１交換器を介した熱交換によって前記水蒸気及び二水素混合物を冷却するステップ；
−第１交換器の出口で、前記混合物からの水蒸気を凝縮器において凝縮するステップ；
−凝縮器との熱交換によって熱を供給される化学式圧縮器によって二水素を圧縮するステップ；
を含むことを特徴とする二水素製造方法に関する。

本発明のさらなる特徴、目的及び利点は、以下の説明からより明らかになるであろう。以下の説明は、単なる例示であって限定的ではなく、添付の図面に関して読まれるべきである。

既知の水素電池の略図である。 既知の二水素製造システムの略図である。 本発明による二水素製造システムの２つの特定の好ましい実施形態の略図である。 本発明による二水素製造システムの２つの特定の好ましい実施形態の略図である。 化学式圧縮器の略図である。

異なる図面では、同様の要素には同じ参照番号が付されており、示された温度及び圧力値は限定しない例としてのみ示されている。

[全体構造]
図２ａは、本発明の二水素製造システム１の第１の好ましい実施形態を示す。

このシステムは、２つの主要構成要素、すなわち高温電解槽２及び二水素ガス圧縮器３を含む。

高温電解槽２とは、５００℃より高い温度（優先的には約８００℃）で水蒸気電気分解を実施して水蒸気及び二水素混合物を製造するように適合された電解槽を意味する。より正確には、多孔質カソードが水蒸気を受け取り、それを部分的に二水素に変換する。純粋な二酸素は、多孔質アノードで形成される。図２ａを参照すると、入口で１．６６モルの水蒸気に対して、１モルの二水素が作られ（従って、０．６６モルの水蒸気がそのまま放出される）、０．５モルの二酸素が作られる。

そのような高温電解槽（「ＨＴＥ」と呼ばれる）は知られており、周囲温度程度の温度で液体水を消費する標準的な電解槽と誤認されない。

システム１は、その上に少なくとも１つの蒸発器１１、高温電解槽２、凝縮器Ｅ３、及び圧縮器３が連続的に配置されている水及び二水素の主回路１０をさらに含む。

より正確には、この主回路１０は当初、（液体水を気化させる）蒸発器１１までは液体水回路であり、次いで（水蒸気の一部を二水素及び二酸素に分解する）ＨＴＥ２までは水蒸気回路であり、次いで（残りの水蒸気を液体水に凝縮させる）凝縮器Ｅ３までは水蒸気及び二水素の回路であり、次いで圧縮器３までは二水素回路である。主回路１０内の流体圧力は、液体水を圧縮するために蒸発器１１の上流に配置されたポンプ１３により、典型的には数１０バール、有利には約３０バールである。このようなポンプの消費は、システム１の他のエネルギー消費と比較して僅かである。

これから分かるように、多くの交換器又は幾つかの熱機器が、特に蒸発器１１とＨＴＥ２との間の水蒸気を過熱して必要とされる高温レベルに達するように、主回路１０に沿って配置される。

システム１はさらに、ＨＴＥ２からの二酸素回路２１を含む（説明したように、二酸素はアノードで作られる）。この回路は主回路１０から独立しているが、これから分かるように、この二酸素から熱を回収するために、主回路１０と熱交換することが有利である。

本システムの第１の特徴は、圧縮器３が化学式圧縮器であることである。

[化学式圧縮器]
水素圧縮は現在、ほぼ独占的に機械的に行われている。それは主に、圧縮空気が供給される膜圧縮器又はピストン圧縮器である。イオン圧縮も知られており、それは機械式ピストンをイオン性液体で置き換えるものであるが、一部のガスは可溶性ではない。

目的を示すために、膜圧縮器の場合、電解槽から２００バールの圧力までの水素圧縮に関連するエネルギー消費は約４ｋＷｈ／ｋｇに達することが考慮され得る。

それらの高いエネルギー消費に加えて、機械式圧縮器は他の欠点を有する：可動部品及びシールの磨耗によりそれらは多くのメンテナンスを必要とし、都市環境で問題となり得る騒音の煩わしさをもたらす。

化学式圧縮とは、純粋に物理化学的であり機械的ではなく、すなわち可動部品を有しない圧力上昇技術を意味する。一般に、化学式圧縮器は、二水素の（一般的な意味での）状態を変化させ、次いでそれを（熱効果下で）より高い圧力レベルでリサイクルする。

好ましくは、いわゆる化学式圧縮技術は、吸着現象を使用して圧力を増加させる。吸着は、原子、分子又はイオンが気相、液相又は固相に入る物理的及び化学的プロセスであり、ここでは典型的には、水素に結合すると水素化物になる希土類（又はランタニド）の金属化合物である。脱着は逆の現象であり、それにより吸着された分子が、特に温度上昇の作用下で放出される。金属水素化物はそれによって、通常の金属状態に戻る。このような化学式圧縮器はまた、慣習的に「金属水素化物圧縮器」と呼ばれるが、これらの金属は水素化物として永久的には存在しない。

代わりに、燃料電池原理に基づく化学式圧縮器が知られている。例えば、ＰＥＭ技術では、二水素は、イオン透過性であるが気密な膜を横切るプロトンに（白金のような触媒によって）解離され、その反対側で、より高い圧力でそれらの源の電子と再結合して二水素になる。このような圧縮器は、「電気化学式圧縮器」と呼ばれる。

以下の説明では、金属水素化物化学式圧縮器の例が考慮されるが、当業者であれば、任意の化学式圧縮器の場合にも本発明を適用することができる。

図３は、例えば（それに限らないが）希土類、例えばランタンをベースとする金属化合物による、水素を吸着／脱着するための化学式圧縮器３の反応器の動力学を示す。

第１（図３の左図）の二水素は、圧力Ｐ１で、優先的には低温で反応器６に注入される。これは、いわゆる吸着段階である。吸着反応は発熱性であり、優先的に例えば２５℃程度の低温Ｔ１で、熱量Ｑ_ａを放出する。

第２に（図３の右図）、温度Ｔ２＞Ｔ１での熱入力Ｑ_ｄは、圧力Ｐ２＞Ｐ１で水素分子を放出する脱着の逆現象を引き起こす。最初の圧力は、機械式圧縮器が行ったように、しかしながら「化学的」な方法で増幅されている。

温度Ｔ２は圧力Ｐ２を制御し、熱量Ｑ_ｄは放出される二水素の物質量を制御する。

吸着中に放出されるエネルギーは、脱着に必要なエネルギーに等しい。しかしながら、吸着熱の温度レベルが低いため、これは失われる。圧縮に関連するエネルギー消費はそれ故に、脱着熱に等しい。これは金属水素化物のタイプに依存する。２から４ｋＷｈ／ｋｇ水素の間の脱着熱が文献で報告されている。以下の説明においては、２．５ｋＷｈ／ｋｇ程度の脱着熱を有する水素化物が仮定される。

金属水素化物タイプの化学式圧縮器は、例えば以下の文献に記載される：Ｍ．Ｖ．ロトツキー（Ｍ．Ｖ．Ｌｏｔｏｔｓｋｙｙ）、Ｖ．Ａ．ヤーティス（Ｖ．Ａ．Ｙａｒｔｙｓ）、Ｂ．Ｇ．ポレット（Ｂ．Ｇ．Ｐｏｌｌｅｔ）及びＲ．Ｃ．バドマンジュニア（Ｒ．Ｃ．ＢｕｄｍａｎＪｒ）著、インターナショナルジャーナルオブハイドロジェンエナジー（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｈｙｄｒｏｇｅｎ Ｅｎｅｒｇｙ）、「金属水素化物水素圧縮器：レビュー（Ｍｅｔａｌ ｈｙｄｒｉｄｅ ｈｙｄｒｏｇｅｎ ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒｓ：Ａ ｒｅｖｉｅｗ）」。

それにより、従来技術では、従来の低温電解槽を多段（典型的には３段）の水素化物圧縮器と結合することが提案されている。言い換えれば、電解槽からの二水素は、複数の圧力上昇を受けるように直列の幾つかの反応器を通過する：ステージｉの出口圧力は、ステージｉ＋１の入口圧力と等しく、それは反応器ｉ＋１によって増幅される。従って、最後の反応器の出口で２００バールの供給圧力が達成される。

ここでは、１０ｋＷｈ程度の電解槽の自由熱損失が見積もられ、脱着熱量Ｑ_ｄ（ｉ）を８０℃程度の温度に、直列の反応器にもたらすために投入される。

このような装置のエネルギー収率は、次の通りである：
ｒ＝ＧＣＶ／Ｑｉｎｖ＝３９．４／５５
ｒ＝７２％。

３段化学式圧縮器の消費量は多いが（３×２．５ｋＷｈ＝７．５ｋＷｈ）、圧縮器には電気が供給されておらず、電解槽によって作られた自由熱によるため、機械式圧縮器を伴う同等の装置と比べて収率は５ポイント改善される

[凝縮器]
本システム１は、高温と化学式圧縮器とを組み合わせる。

難点は、電解槽の自由熱損失を単純に回復することができないことであるが、それは、自由熱がＨＴＥ２からの水蒸気及び二水素混合物からの熱に含まれるからである。

本システム１は、２つの交換器Ｅ１、Ｅ３を賢く使用することにより、この難点を解決する。

第１交換器Ｅ１は、主回路１０（ＨＴＥ２の上流及び下流の両方）に配置された既知の過熱交換器である。より正確には、それは、蒸発器１１からの水蒸気と高温電解槽２からの水蒸気及び二水素混合物との間で熱交換を行い、蒸発器１１からの水蒸気を過熱する。図２ａを参照すると、第１交換器Ｅ１は典型的に、電気分解される過熱水蒸気を２３４℃から６５０℃に上昇させることができ、一方でＨＴＥ２からの水蒸気及び二水素混合物を８００℃から２４４℃に低下させる。

注目すべきは、回路１０上に第２過熱交換器Ｅ２が有利には配置され、今回は蒸発器１１からの（典型的には第１熱交換器Ｅ１からの）水蒸気と高温電解槽２からの二酸素との間の熱交換を行い、蒸発器１１からの水蒸気を過熱することである。図２ａを参照すると、第２交換器Ｅ２は典型的には、電気分解される過熱水蒸気を６５０℃から７００℃に上昇させることができ、一方でＨＴＥ２からの二酸素を８００℃から６６０℃に低下させる。注目すべきは、第１及び第２交換器Ｅ１、Ｅ２は切り替え可能であることであり、蒸発器１１からの水蒸気を有利には５５０℃を超える温度で過熱されるのを可能にする結合作用を有することが理解されるであろう。

本システムはまた、蒸発器１１からの水蒸気を過熱するように高温電解槽２の上流の主回路１０上に配置された第１過熱器１２（典型的には電気機器又はバーナー）を含むことができる。それは、ＨＴＥ２の入口で可能な最高温度レベル、典型的には到達され得る８００℃を可能にするように、第１及び第２交換器Ｅ１、Ｅ２の下流であり得る（すなわちそれは、第１交換器Ｅ１及び／又は第２交換器Ｅ２からの水蒸気を過熱する）。従来技術にあるように、それは、（作られる二水素のキログラム毎）１ｋＷｈ程度で消費する。

前述の交換器Ｅ３は凝縮器である。それは、二水素を単離するために、ＨＴＥ２からの混合物中の水蒸気部分を凝縮する役割を有する。従来技術では、蒸発器１１に導入される前に回路１０の液体水を予熱するために凝縮によって作られた熱を使用することが提案されたが、本システムは圧縮器３を提供するためにそれを使用する。

本発明は有利には、電解槽内の作動流体が水蒸気であり水ではないＨＴＥに対する固有の特性を使用する。反応バランス及び物質移動の理由から、高温電解槽は全ての水蒸気を水素に変換することができない。説明したように、変換率は通常６０％に達する。従って、水素と混合された有意な残留量の過熱水蒸気が残り、それは従来の低温電解槽（約８０℃）を使用する場合よりもはるかに高い。

さらに、この残留水蒸気に含まれるエネルギーは通常、完全に使用可能ではない。実際に、置換することができる唯一のエネルギー消費は、Ｑ_ＡＬ（すなわち、本明細書の例では約８．４ｋＷｈの、蒸発器１１の運転に必要なエネルギー量）であろうが、それは３０バールの蒸発温度、つまり２３４℃で供給されるべきであり、一方で、水素に含まれる残留水蒸気は、３０バールでの分圧がより低いため、より低い温度で凝縮する。従って、残留水蒸気は通常、高温電解槽では使用できず、故に部分的に無駄になる。従って、図１ｂの従来技術では、凝縮器Ｅ３は水蒸気の半分を凝縮させるだけであり（２４４から１６０℃への温度低下）、交換器Ｅ５は、残留水蒸気を凝縮させて関連する熱を消すために、第２凝縮器として使用されている。

標準的な電解槽が提供しているものとは異なり、本システム１が脱着熱量を取り込んでいるのはこの残存水蒸気であり、ここでは既に存在しないＨＴＥ２の熱損失ではない。

このために、凝縮器Ｅ３は、第１交換器Ｅ１の出口に直接配置され、十分なエネルギーレベルを有する。好ましくは、第１交換器Ｅ１は、水蒸気及び二水素混合物が出口で（従って凝縮器Ｅ３の入口で）少なくとも２００℃の温度、この例では２４４℃の温度を有するように構成される。

「出口に直接配置される」とは、第１交換器Ｅ１と凝縮器Ｅ３との間の主回路１０上に、混合物の温度を低下させ得る熱機器が存在しないことを意味する。言い換えれば、配管による熱損失以内で、第１交換器Ｅ１の出口における混合物の温度は、凝縮器Ｅ３の入口におけるその温度と実質的に等しい。

（典型的には、相を変化しない液体冷却剤、例えば３バールの液体水又は熱油（ｔｈｅｒｍａｌ ｏｉｌ）を含む）熱回路３０は優先的には、回収された熱（ここでは、水蒸気の顕熱及びその潜熱の両方、つまり相変化のエンタルピー）を化学式圧縮器の反応器に輸送するのに使用される。回路３０の流体は有利には、凝縮器Ｅ３の出口で少なくとも１２０℃の温度を有する。

回路３０内の水の流量は、圧縮器３において１２０℃に近い均一な温度を確保するために、（回路３０の冷却剤に対する）交換器Ｅ３の入口と出口との間の温度差が可能な限り低くなるように、可能な限り高くあるべきである。例として、７Ｌ／分の液体水の流量は、必要とされる２．５ＫＷの交換熱が入口と出口との間の５℃のΔＴで放出されることを可能にする。

好ましくは、化学式圧縮器３は単一の反応器を含むのみであり、通常それらを３つ有する従来技術とは異なる。これは回路４を介して提供される高温レベルによって可能となるが、それは説明したように、脱着温度が出口圧力を制御し、１２０℃の温度は一度に全二水素圧力を３０バールから２００バールまで上昇させるのに十分だからである。本システム１はそれ故に、既知の化学式圧縮器よりもより簡単でより安価である（なぜなら、単一のステージ、故に例えばより少ない金属水素化物／より少ない白金が必要となるからである）。

さらに、化学式圧縮器を実装するシステムに関して、その解決策は以下の第２の利点を有する：コンパクトさ、騒音の不存在、可動部品がないためメンテナンス費用が高い確実性で低くなること。

凝縮器Ｅ３の出口では、残留し得る酸素痕跡は、有利には、例えば触媒酸化システムであり得る浄化器３１によって除去され、次いで二水素流は、第３交換器Ｅ４を介して蒸発器１１の入口において主回路１０によって導かれる加熱された供給水により、第４交換器Ｅ５において冷却され、第４交換器Ｅ５は液体水を１００℃付近まで予熱する。この再循環ループは、水蒸気の潜熱のほぼ全てを使用する可能性を維持しながら、本明細書では従来技術と同一の蒸発器１１の実質的なエネルギー量を節約する。

注目すべきは、凝縮器Ｅ３の出口において凝縮されない約１０％の水蒸気、つまり１．２バールの分圧が残り得ることである。この「究極の」水蒸気は、高い確実性で交換器Ｅ５において凝縮されるが、それは従って、図１ｂの技術水準にあるような第２凝縮器である。それに関して、９０％を超える残留水蒸気が再使用されるためその増加は非常に著しく、一方でこの水蒸気の約半分は前に失われた。

第３交換器Ｅ４は、蒸発器１１上流の主回路１０の液体水と第２交換器Ｅ２からの二酸素との間の熱交換を行い、蒸発器１１に入る液体水を予熱する。言い換えれば、第３交換器Ｅ４は、回路２１の二酸素のほとんどの顕熱化を可能にし、それは１１５℃で出て使用される。

同様に、凝縮器Ｅ３における水蒸気の凝縮液の熱（典型的には回路３１の流体として１２０℃である）を利用することが特に有利である：凝縮液は、蒸発器１１上流の主回路１０内の分岐器１４を介して注入される。それらは、混合器１５で交換器Ｅ５から出る液体水と混合される。その混合物は、第３交換器Ｅ４に入る前であっても、約１０５℃で液体水を製造する。これがなければ、蒸発器１１におけるさらなるエネルギー消費は、１．４ｋＷｈ程度になるだろう。

最後に、交換器出口、第５交換器Ｅ５の出口での二水素流内の残留（液体）水痕跡は、有利には、圧縮器３に入る前の乾燥システム３２によって水素から分離される。この乾燥システムは、水素専用サービスステーションの全システムにおいて必要であるが、それは車両が非常に純粋な水素を必要とするためである。

浄化３１及び乾燥３２システムは一方で、圧縮器の水素化物粉末の固有量が維持され、それらの酸化及び不可逆劣化を回避することを可能にする。

第４交換器Ｅ５はさらに、以前は回避する必要があった二水素のための専用の冷却システムの導入を可能にする。

Ｑ_ＡＬ〜８．４ｋＷｈの場合、このような完全に最適化されたシステムの収率は次の通りである：
ｒ＝ＧＣＶ／Ｑｉｎｖ＝３９．４／（３５．７＋１＋８．４＋１）
ｒ＝８７％、これは、図１ｂの実施形態による高温電解槽を用いた最も競合する解決策よりも７ポイント近く高く、多段階水素化物圧縮器を用いた最も競合する解決策よりも１２ポイント近く高い。

図２ｂは、本システム１の代替実施形態を示し、ここでは（第１過熱器１２と同じタイプの）第２過熱器３３が、交換器Ｅ３と圧縮器３との間の熱回路３０上に配置される。

この過熱器３３は、いわゆる「劣化」操作モードの実行を可能にし、ここで、水素に含まれる残留水蒸気によって供給される熱は、脱着熱Ｑｄを提供するのに十分ではない。この劣化モードは、以下の状況の１つ又は組み合わせが生じた場合に起こり得る：
−高温電解槽２において、変換率が６０％よりも高い；
−配管の断熱性が低く、全体の熱電場を回復できない；
−圧縮器３に対して選択された水素化物が、残留水蒸気の熱電場よりも高い吸着／脱着熱を有する。

第２過熱器３３は、脱着反応を補う熱を供給する。従ってこの解決策は、過熱器３３で消費される電気量が同一の仕事を果たす機械式圧縮器が消費するだろう量よりも低い限り、競合する解決策に対して優位性のある状態である。

特に：
−機械式圧縮器よりも低い投資コスト；
−騒音の煩わしさの不存在；
−より良好なコンパクトさ；
−削減されたメンテナンス費用；
などのユーザーに対して有益なさらなる価値を提供するという条件で、第２過熱器３３の電気消費が高い場合に提案される解決策を実行することが選択され得る。

[方法]
第２の態様によれば、本発明はまた、本発明の第１の態様によるシステム１で実施される二水素製造方法に関する。

この方法は、以下のステップ：
−蒸発器１１において水及び二水素の主回路１０の液体水を蒸発させるステップ（液体水は第３交換器Ｅ４及び／又は第４交換器Ｅ５によって任意に予熱される）；
−５００℃よりも高い温度、有利には約８００℃で、少なくとも１つの第１交換器Ｅ１（及び有利には第２交換器Ｅ２及び／又は第１過熱器１２）において水蒸気を過熱するステップ；
−高温電解槽２において水蒸気を電気分解して水蒸気及び二水素混合物を製造するステップ；
−第１熱交換器Ｅ１を介した熱交換によって前記水蒸気及び二水素混合物を冷却するステップ；
−第１交換器の出口で、前記混合物の水蒸気を凝縮器において直接凝縮するステップ（凝縮液は有利には、蒸発器１１上流の主回路１０内に注入される）；
−凝縮器Ｅ３との熱交換によって熱を供給される（優先的には単一の反応器を有する）化学式圧縮器３によって二水素を圧縮するステップ（有利には、相変化を有しない熱流体を循環するための熱回路３０によって、凝縮器Ｅ１は特に、化学式圧縮器３に供給するために、１２０℃を超える温度で熱流体を加熱する）；
を含む。

２ 高温電解槽
３ 圧縮器
１０ 水及び二水素の主回路
１１ 蒸発器
１２ 第１過熱器
１３ ポンプ
１４ 分岐器
１５ 混合器
２１ 二酸素回路
３０ 熱回路
３１ 浄化器
３２ 乾燥システム
３３ 過熱器
Ｅ１ 第１交換器
Ｅ２ 第２交換器
Ｅ３ 凝縮器
Ｅ４ 第３交換器
Ｅ５ 第４交換器

Claims (17)

1. 二水素製造システム（１）であって、
   −５００℃より高い温度で水蒸気電気分解を実施して水蒸気及び二水素混合物を製造するように適合された、高温電解槽（２）と、
   −二水素圧縮器（３）と、
   −水及び二水素の主回路（１０）であって、その上に少なくとも１つの蒸発器（１１）、前記高温電解槽（２）、凝縮器（Ｅ３）、及び前記圧縮器（３）が連続的に配置され、第１交換器（Ｅ１）が前記蒸発器（１１）からの水蒸気と前記高温電解槽（２）からの水蒸気及び二水素混合物との間で熱交換を行って前記蒸発器（１１）からの水蒸気を過熱する、水及び二水素の主回路（１０）と、
   を含み、
   −前記圧縮器（３）が、前記凝縮器（Ｅ３）との熱交換により熱を供給される化学式圧縮器であること；
   −前記凝縮器（Ｅ３）が、前記第１交換器（Ｅ１）の出口に直接配置されること；
   を特徴とする、システム。
2. 前記第１交換器（Ｅ１）は、前記水蒸気及び二水素混合物が出口で少なくとも２００℃の温度を示すように構成される、請求項１に記載のシステム。
3. 前記高温電解槽（２）からの二酸素回路（２１）をさらに含み、その上に、前記蒸発器（１１）からの水蒸気と前記高温電解槽（２）からの二酸素との間で熱交換を行う第２交換器（Ｅ２）が前記蒸発器（１１）からの水蒸気を過熱するように配置される、請求項１及び２の何れか１項に記載のシステム。
4. 前記蒸発器（１１）上流の前記主回路（１０）からの液体水と前記第２交換器（Ｅ２）からの二酸素との間で熱交換を行って前記蒸発器（１１）に入る液体水を予熱する第３交換器（Ｅ４）をさらに含む、請求項３に記載のシステム。
5. 前記高温電解槽（２）上流の前記主回路（１０）上に配置されて前記蒸発器（１１）からの水蒸気を過熱する第１過熱器（１２）をさらに含む、請求項１から４の何れか１項に記載のシステム。
6. 前記蒸発器（１１）上流の前記主回路（１０）からの液体水と前記凝縮器（Ｅ３）から出る二水素との間で熱交換を行って前記蒸発器（１１）に入る液体水を予熱する第４交換器（Ｅ５）をさらに含む、請求項１から５の何れか１項に記載のシステム。
7. 前記第４交換器（Ｅ５）は凝縮器である、請求項６に記載のシステム。
8. 前記主回路（１０）は前記凝縮器（Ｅ３）からの凝縮液を受け取る、請求項１から７の何れか１項に記載のシステム。
9. 前記主回路（１０）は、前記凝縮器（Ｅ３）からの凝縮液を循環するための分岐部（１４）と、前記第４交換器（Ｅ５）からの液体水混合物及び前記凝縮液のための混合器（１５）と、を有する、請求項６及び７の何れか１項及び請求項８との組み合わせに記載のシステム。
10. 前記化学式圧縮器（３）は金属水素化物圧縮器である、請求項１から９の何れか１項に記載のシステム。
11. 前記金属水素化物は希土類水素化物である、請求項１０に記載のシステム。
12. 前記化学式圧縮器（３）は単一の反応器を有する、請求項１０及び１１の何れか１項に記載のシステム。
13. 前記凝縮器（Ｅ３）と前記圧縮器（３）との間の前記主回路（１０）上に、浄化システム（３１）及び／又は乾燥システム（３２）が配置される、請求項１から１２の何れか１項に記載のシステム。
14. 前記凝縮器（Ｅ３）から前記圧縮器（３）への熱伝達のための熱回路（３０）を含む、請求項１から１３の何れか１項に記載のシステム。
15. 前記熱回路（３０）の流体は、前記圧縮器（３）の入口で少なくとも１２０℃の温度を有する、請求項１４に記載のシステム。
16. 前記熱回路（３０）は、前記凝縮器（Ｅ３）の出口で前記回路（３０）の流体を過熱する第２過熱器（３３）を有する、請求項１４及び１５の何れか１項に記載のシステム。
17. 二水素製造方法であって、以下のステップ：
    −蒸発器（１１）において水及び二水素の主回路（１０）の液体水を蒸発させるステップと、
    −５００℃より高い温度で、少なくとも１つの第１交換器（Ｅ１）において水蒸気を過熱するステップと、
    −高温電解槽（２）において水蒸気を電気分解して水蒸気及び二水素混合物を製造するステップと、
    −前記第１交換器（Ｅ１）を介した熱交換によって前記水蒸気及び二水素混合物を冷却するステップと、
    −前記第１交換器の出口で、前記混合物の水蒸気を凝縮器（Ｅ３）において直接凝縮するステップと、
    −前記凝縮器（Ｅ３）との熱交換によって熱を供給される化学式圧縮器（３）によって二水素を圧縮するステップと、
    を含むことを特徴とする、方法。