JP2023039180A - 水蒸気電解システム - Google Patents

Abstract

【課題】水蒸気電解セルの排熱を効果的に回収することができる水蒸気電解システムを提供する。【解決手段】水蒸気電解システム１は、水蒸気電解セル２及び熱交換器３を備える。水蒸気電解セル２は、イオン伝導性を有する固体電解質体２１を間に介して、水蒸気Ｗ１から水素が生成される水素極室２２と、空気Ａ１から酸素が生成される酸素極室２３とが形成されたものである。熱交換器３は、水素極室２２へ水蒸気Ｗ１を供給するための水蒸気供給流路３１と、水素極室２２から水素混合水蒸気Ｗ２が排出される水素排出流路３２と、酸素極室２３へ空気Ａ１を供給するための空気供給流路３３と、酸素極室２３から酸素混合空気Ａ２が排出される酸素排出流路３４とが形成されたものである。水蒸気供給流路３１、空気供給流路３３、水素排出流路３２及び酸素排出流路３４のうちの少なくとも３つは、互いに隣接して積層されている。【選択図】図１

Description

本発明は、水蒸気電解システムに関する。

燃料電池システムとしては、水素と酸素の電気化学反応を利用して発電を行うＳＯＦＣ（固体酸化物形燃料電池、Solid Oxide Fuel Cell）の他に、高温水蒸気を電気分解して水素を製造するとともに発電を行うＳＯＥＣ（固体酸化物形電解セル、Solid Oxide Electrolysis Cell）がある。水蒸気電解システムは、水素極及び酸素極が設けられた固体電解質体による水蒸気電解セル（ＳＯＥＣ）と、水蒸気電解セルによる排熱を回収するための熱交換器とを用いて構成される。水蒸気電解セルにおいては、水素極に接触する高温の水蒸気が分解されて水素及び酸化物イオンとなり、酸化物イオンが酸素極に向かって固体電解質体を透過する際に放出される電子によって発電が行われる。

水蒸気電解システムにおける熱効率を高めるために、水蒸気電解セルによる排熱は熱交換器によって回収される。例えば、特許文献１に記載された高温水蒸気電解システムにおいては、水素再生熱交換器によって、高温水蒸気電解セルの水素極室に供給される水蒸気を生成するための水を、高温水蒸気電解セルから排出される水素富化水蒸気によって加熱する。また、酸素再生熱交換器によって、高温水蒸気電解セルの酸素極室に供給される空気を、高温水蒸気電解セルから排出される酸素富化空気によって加熱する。この構成により、空気を加熱するための熱交換器を不要にし、空気と水蒸気をほぼ同じ温度で高温水蒸気電解セルへ供給できるようにしている。

特開２００９－１２０９００号公報

発明者らの研究により、特許文献１等に記載された、水蒸気電解システムの熱交換器の構成によっては、水蒸気電解セルの排熱を回収する効率に改善の余地があることが分かった。特許文献１においては、水素極室に繋がる経路内においてのみ熱交換を行い、酸素極室に繋がる経路内においてのみ熱交換を行う。しかし、水蒸気電解セルの排熱をさらに効果的に回収するためには、水蒸気、水素富化水蒸気、空気又は酸素富化空気である流体の熱容量の違いも考慮することが効果的であることが分かった。従って、水蒸気電解セルの排熱を効果的に回収するためには更なる工夫が必要とされる。

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたもので、水蒸気電解セルの排熱を効果的に回収することができる水蒸気電解システムを提供しようとするものである。

本発明の一態様は、
イオン伝導性を有する固体電解質体（２１）を間に介して、水蒸気（Ｗ１）から水素が生成される水素極室（２２）、及び空気（Ａ１）から酸素が生成される酸素極室（２３）が形成された水蒸気電解セル（２）と、
前記水素極室へ前記水蒸気を供給するための水蒸気供給流路（３１）、前記水素極室から水素混合水蒸気（Ｗ２）が排出される水素排出流路（３２）、前記酸素極室へ前記空気を供給するための空気供給流路（３３）、及び前記酸素極室から酸素混合空気（Ａ２）が排出される酸素排出流路（３４）が形成された熱交換器（３）と、を備え、
前記水蒸気供給流路、前記空気供給流路、前記水素排出流路及び前記酸素排出流路のうちの少なくとも３つは、互いに隣接して積層されている、水蒸気電解システム（１）にある。

前記一態様の水蒸気電解システムにおいては、水蒸気供給流路、空気供給流路、水素排出流路及び酸素排出流路のうちの少なくとも３つが、互いに隣接して積層されている。この構成により、熱交換器において、熱容量がそれぞれ異なる水蒸気、水素混合水蒸気、空気及び酸素混合空気のうちの少なくとも３つの熱交換を行うことができる。換言すれば、水素極室に繋がる水蒸気又は水素混合水蒸気と、酸素極室に繋がる空気又は酸素混合空気との熱交換も行うことができる。

それ故、前記一態様の水蒸気電解システムによれば、水蒸気電解セルの排熱を効果的に回収することができる。

なお、本発明の一態様において示す各構成要素のカッコ書きの符号は、実施形態における図中の符号との対応関係を示すが、各構成要素を実施形態の内容のみに限定するものではない。

図１は、実施形態１にかかる、水蒸気電解システムを、断面によって模式的に示す説明図である。 図２は、実施形態１にかかる、水蒸気電解システムを模式的に示す斜視図である。 図３は、実施形態２にかかる、水蒸気電解システムを、断面によって模式的に示す説明図である。

前述した水蒸気電解システムにかかる好ましい実施形態について、図面を参照して説明する。
＜実施形態１＞
本形態の水蒸気電解システム１は、図１及び図２に示すように、水蒸気電解セル２及び熱交換器３を備える。水蒸気電解セル２は、イオン伝導性を有する固体電解質体２１を間に介して、水蒸気Ｗ１から水素が生成される水素極室２２と、空気Ａ１から酸素が生成される酸素極室２３とが形成されたものである。熱交換器３は、水素極室２２へ水蒸気Ｗ１を供給するための水蒸気供給流路３１と、水素極室２２から水素混合水蒸気Ｗ２が排出される水素排出流路３２と、酸素極室２３へ空気Ａ１を供給するための空気供給流路３３と、酸素極室２３から酸素混合空気Ａ２が排出される酸素排出流路３４とが形成されたものである。水蒸気供給流路３１、空気供給流路３３、水素排出流路３２及び酸素排出流路３４のうちの少なくとも３つは、互いに隣接して積層されている。

以下に、本形態の水蒸気電解システム１について詳説する。
（水蒸気電解システム１）
図１及び図２に示すように、水蒸気電解システム１は、固体酸化物形電解セル（ＳＯＥＣ）としての水蒸気電解セル２によって発電を行うとともに、熱交換器３によって水蒸気電解セル２の排熱を回収するよう構成されている。水蒸気電解システム１は、水素極室２２において水素が生成されるため、水素製造システムとして稼働してもよい。水素極室２２において生成される水素は、水素排出流路３２から取り出して種々の用途に用いてもよい。また、酸素極室２３において生成される酸素は、酸素排出流路３４から取り出して種々の用途に用いてもよい。

（水蒸気電解セル２）
図１に示すように、水蒸気電解セル２は、水素極２２１及び酸素極２３１が設けられた固体電解質体２１と、水素極２２１を収容する状態で固体電解質体２１の一方側に隣接して形成された水素極室２２と、酸素極２３１を収容する状態で固体電解質体２１の他方側に隣接して形成された酸素極室２３とを有する。固体電解質体２１は、酸化物イオン（Ｏ^2-）の伝導性を有するものであり、板状に形成されている。水素極２２１は、固体電解質体２１の一方側の表面に設けられており、水蒸気Ｗ１から水素及び酸化物イオンを生成するためのものである。酸素極２３１は、固体電解質体２１の他方側の表面に設けられており、固体電解質体２１を透過する酸化物イオンから酸素を生成するためのものである。

固体電解質体２１は、ペロブスカイト型酸化物、イットリア安定化ジルコニア、イットリア部分安定化ジルコニア等を用いて構成される。水素極２２１は、水蒸気Ｗ１に対する触媒活性を有する金属、金属化合物等の材料によって構成されており、酸素極２３１は、酸素に対する触媒活性を有する金属、金属化合物等の材料によって構成されている。

本形態の水蒸気電解セル２は、固体電解質体２１、水素極室２２及び酸素極室２３は軸方向Ｌに長い形状に形成されている。軸方向Ｌとは、水蒸気電解セル２の長手方向のことをいう。水蒸気電解セル２は、複数のセルが積層されたセルスタックとして形成されている。本形態の水蒸気電解セル２を構成する複数のセルは、軸方向Ｌに直交する方向に積層されている。

水素極室２２には、水蒸気Ｗ１が導入される水蒸気入口２２２、及び水素が混合された水蒸気Ｗ１が排出される水素出口２２３が形成されている。酸素極室２３には、空気Ａ１が導入される空気入口２３２、及び酸素が混合された空気Ａ１が排出される酸素出口２３３が形成されている。本形態の水蒸気入口２２２、水素出口２２３、空気入口２３２及び酸素出口２３３は、水蒸気電解セル２の軸方向Ｌの両側に分散して配置されている。

水蒸気電解セル２の水素極２２１においては、Ｈ₂Ｏ＋２ｅ^-→Ｈ₂＋Ｏ^2-の電解反応が行われ、水蒸気電解セル２の酸素極２３１においては、Ｏ^2-→１／２Ｏ₂＋２ｅ^-の電解反応が行われる。この水蒸気Ｗ１の電解反応は吸熱反応として行われる一方、発電時における、固体電解質体２１に生じる電気抵抗、水素極２２１及び酸素極２３１に生じる過電圧等によって、水蒸気電解セル２がジュール熱によって発熱する。そして、電解反応による吸熱とジュール熱による発熱とが釣り合うようにすることにより、水蒸気電解セル２を加熱源によって加熱しなくても、所定の作動温度及び所定の作動電圧を維持することが可能になる。

なお、水蒸気電解セル２の起動時には、外部から熱が与えられる構成になっていてもよい。また、熱交換器３に送られる水蒸気Ｗ１は、熱交換器３に接続される加熱装置等によって水を加熱することによって生成すればよい。

（熱交換器３）
図１に示すように、熱交換器３は、水蒸気Ｗ１、水素混合水蒸気Ｗ２、空気Ａ１及び酸素混合空気Ａ２のうちの少なくとも３つの熱交換を行うものである。本形態の熱交換器３は、水蒸気Ｗ１、水素混合水蒸気Ｗ２、空気Ａ１及び酸素混合空気Ａ２の４つの熱交換を行うよう構成されている。具体的には、水蒸気供給流路３１、空気供給流路３３、水素排出流路３２及び酸素排出流路３４は、水蒸気供給流路３１又は空気供給流路３３の一方である第１供給側流路Ｓ１、水素排出流路３２又は酸素排出流路３４の一方である第１排出側流路Ｅ１、水蒸気供給流路３１又は空気供給流路３３の他方である第２供給側流路Ｓ２、及び水素排出流路３２又は酸素排出流路３４の他方である第２排出側流路Ｅ２の順に隣接して積層されている。

この構成により、水蒸気電解セル２に出入りする、水蒸気Ｗ１、水素混合水蒸気Ｗ２、空気Ａ１及び酸素混合空気Ａ２の４つの流体の相互間において、熱交換を行うことができる。そのため、水蒸気電解セル２に出入りする４つの流体の温度が平衡しやすくなり、水素混合水蒸気Ｗ２及び酸素混合空気Ａ２が有する排熱を、水蒸気Ｗ１及び空気Ａ１に回収しやすくすることができる。

流体の熱容量は、密度と流量と比熱との積によって表され、流体の熱量は、熱容量と温度差との積によって表される。各流体の密度は、酸素混合空気Ａ２、空気Ａ１、水蒸気Ｗ１、水素混合水蒸気Ｗ２の順に高い。各流体の比熱は、水素混合水蒸気Ｗ２、水蒸気Ｗ１、空気Ａ１、酸素混合空気Ａ２の順に高い。各流体の温度は、水素混合水蒸気Ｗ２及び酸素混合空気Ａ２、水蒸気Ｗ１、空気Ａ１の順に高い。

水蒸気電解セル２に出入りする４つの流体の中では、酸素混合空気Ａ２の熱容量が最も高い。そのため、水蒸気電解セル２における排熱を効果的に回収するためには、酸素排出流路３４と、水蒸気供給流路３１及び空気供給流路３３との熱交換を行うことが好ましい。

また、水蒸気電解セル２に出入りする４つの流体の中では、水素混合空気Ａ１の熱容量が最も低い。そのため、水蒸気電解セル２から外部への放熱を最小限にするためには、水素排出流路３２は、熱交換器３を構成する水蒸気供給流路３１、空気供給流路３３、水素排出流路３２及び酸素排出流路３４の中において、水蒸気電解セル２から最も離れた外側位置に配置することが好ましい。

また、水素混合水蒸気Ｗ２及び酸素混合空気Ａ２の排熱を、水蒸気Ｗ１及び空気Ａ１に効果的に回収するためには、水素混合水蒸気Ｗ２及び酸素混合空気Ａ２と水蒸気Ｗ１及び空気Ａ１との熱交換をまとめて一体的に行うことが有効である。これを実現するために、第１供給側流路Ｓ１、第１排出側流路Ｅ１、第２供給側流路Ｓ２及び第２排出側流路Ｅ２の４つの流路が順次隣接して形成されている。

図１及び図２に示すように、本形態の熱交換器３は、水蒸気電解セル２を囲む環形状に形成されている。より具体的には、本形態の熱交換器３は、水蒸気電解セル２の中心軸線の周りを囲む円筒形状に形成されている。水蒸気電解セル２の中心軸線とは、水蒸気電解セルの中心位置を軸方向Ｌに貫通する仮想線のことをいう。第１供給側流路Ｓ１、第１排出側流路Ｅ１、第２供給側流路Ｓ２及び第２排出側流路Ｅ２は、水蒸気電解セル２を中心とする径方向Ｒにおいて順次隣接して積層されている。第１供給側流路Ｓ１、第１排出側流路Ｅ１、第２供給側流路Ｓ２及び第２排出側流路Ｅ２の各流路は、径方向Ｒにおいて互いに重なる円筒形状にそれぞれ形成されている。第１供給側流路Ｓ１、第１排出側流路Ｅ１、第２供給側流路Ｓ２及び第２排出側流路Ｅ２の各流路は、隔壁３５によって仕切られて形成されている。

本形態においては、水蒸気供給流路３１を第１供給側流路Ｓ１とし、酸素排出流路３４を第１排出側流路Ｅ１とし、空気供給流路３３を第２供給側流路Ｓ２とし、水素排出流路３２を第２排出側流路Ｅ２としている。そして、円筒形状の熱交換器３においては、水蒸気電解セル２の中心軸線を中心とする径方向Ｒの内周側から順に、水蒸気供給流路３１、酸素排出流路３４、空気供給流路３３及び水素排出流路３２が順次積層されている。この構成に伴い、熱交換器３においては、酸素排出流路３４には、水蒸気供給流路３１と空気供給流路３３とが両側から隣接して積層されている。この構成により、酸素排出流路３４を流れる酸素混合空気Ａ２の排熱を効果的に回収することができる。また、水素排出流路３２が熱交換器３の径方向Ｒの最も外周側に配置されていることにより、熱交換器３から外部への放熱を抑制することができる。

図１に示すように、第１供給側流路Ｓ１、第１排出側流路Ｅ１、第２供給側流路Ｓ２及び第２排出側流路Ｅ２における、互いに隣接する流路同士は、水蒸気Ｗ１、水素混合水蒸気Ｗ２、空気Ａ１又は酸素混合空気Ａ２である流体の流れが互いに逆方向となる対向流を形成するよう構成されている。この構成により、水蒸気Ｗ１及び空気Ａ１の供給側の流体と、水素混合水蒸気Ｗ２及び酸素混合空気Ａ２の排出側の流体との熱交換を、より効果的に行うことができる。

第１供給側流路Ｓ１及び第２供給側流路Ｓ２における流路入口３１１，３３１は、熱交換器３の軸方向Ｌの一方側に形成されており、第１排出側流路Ｅ１及び第２排出側流路Ｅ２における流路入口３２１，３４１は、熱交換器３の軸方向Ｌの他方側に形成されている。また、第１供給側流路Ｓ１及び第２供給側流路Ｓ２における流路出口３１２，３３２は、熱交換器３の軸方向Ｌの他方側に形成されており、第１排出側流路Ｅ１及び第２排出側流路Ｅ２における流路出口３２２，３４２は、熱交換器３の軸方向Ｌの一方側に形成されている。そして、第１供給側流路Ｓ１及び第２供給側流路Ｓ２における各流体は、熱交換器３の軸方向Ｌの一方側から他方側へ流れ、第１排出側流路Ｅ１及び第２排出側流路Ｅ２における各流体は、熱交換器３の軸方向Ｌの他方側から一方側へ流れる。

図１においては、水蒸気供給流路３１（第１供給側流路Ｓ１）の流路入口を符号３１１で示し、水蒸気供給流路３１（第１供給側流路Ｓ１）の流路出口を符号３１２で示す。酸素排出流路３４（第１排出側流路Ｅ１）の流路入口を符号３４１で示し、酸素排出流路３４（第１排出側流路Ｅ１）の流路出口を符号３４２で示す。空気供給流路３３（第２供給側流路Ｓ２）の流路入口を符号３３１で示し、空気供給流路３３（第２供給側流路Ｓ２）の流路出口を符号３３２で示す。水素排出流路３２（第２排出側流路Ｅ２）の流路入口を符号３２１で示し、水素排出流路３２（第２排出側流路Ｅ２）の流路出口を符号３２２で示す。

ここで、図１においては、流路入口３１１，３２１，３３１，３４１及び流路出口３１２，３２２，３３２，３４２の形成位置は、図示を簡略化するために模式的に示す。また、図２においては、後述する輻射熱回収器４、熱移動抑制層５及び放熱抑制層６を省略して示す。

水蒸気供給流路３１、酸素排出流路３４、空気供給流路３３及び水素排出流路３２の各流路は、配管７を介して水蒸気電解セル２に接続されている。水蒸気供給流路３１、酸素排出流路３４、空気供給流路３３及び水素排出流路３２の各流路について、流路入口３１１，３２１，３３１，３４１と流路出口３１２，３２２，３３２，３４２とは、熱交換器３の周方向Ｃに１８０°異なる位置に形成されている。この構成により、各流路３１，３２，３３，３４における各流体の流れの経路を適切に確保することができる。なお、周方向Ｃとは、水蒸気電解セル２の中心軸線の周りの方向のことをいう。

（輻射熱回収器４）
水蒸気電解セル２は、稼働時には、７００℃程度の高温になっており、その熱が輻射熱として外部に放出される。本形態の熱交換器３は、水蒸気電解セル２から外部への放熱を少なくする目的、及び水蒸気電解システム１の小型化を図る目的で、水蒸気電解セル２の周囲を囲む円筒形状に形成されている。

そして、図１に示すように、水蒸気電解セル２から外部への放熱を最小限にするために、円筒形状の熱交換器３の内周側には、輻射熱回収器４が積層されている。換言すれば、円筒形状の熱交換器３における、水蒸気電解セル２に最も近い位置には、水蒸気電解セル２から放出される輻射熱を回収するための輻射熱回収器４が配置されている。輻射熱回収器４を用いることにより、水蒸気電解セル２からの輻射熱を効果的に回収することができる。輻射熱を回収する空気Ａ１は、空気供給流路３３を流れる空気Ａ１とすればよい。空気供給流路３３を流れる空気Ａ１は、水蒸気電解セル２に出入りする４つの流体のうちで最も温度が低く、熱を回収しやすい。

輻射熱回収器４は、円筒形状の熱交換器３の内周面に沿った円筒形状に形成されている。また、輻射熱回収器４は、熱交換器３の径方向Ｒに重なって形成された複数の回収流路４１を有する。回収流路４１は、軸方向Ｌに折り返す状態で形成されている。回収流路４１は、軸方向Ｌに蛇行する状態で形成されていてもよい。回収流路４１が径方向Ｒに複数重なって形成されていることにより、輻射熱回収器４における空気Ａ１の流れる経路が長くなる。これにより、水蒸気電解セル２からの輻射熱を、回収流路４１を流れる空気Ａ１へ効果的に回収することができる。

熱交換器３の空気供給流路３３は、配管７を介して輻射熱回収器４の回収流路４１に接続されており、回収流路４１は、配管７を介して水蒸気電解セル２の酸素極室２３に接続されている。換言すれば、輻射熱回収器４は、空気供給流路３３と酸素極室２３とを中継する位置に配置されている。

本形態の輻射熱回収器４は、空気供給流路３３を流れた後の空気Ａ１を、水蒸気電解セル２からの輻射熱によって加熱するための予熱器を構成している。この構成により、水蒸気電解セル２からの輻射熱をさらに効果的に回収することができる。

（熱移動抑制層５，放熱抑制層６）
図１に示すように、熱交換器３と輻射熱回収器４との間には、熱交換器３と輻射熱回収器４との間の熱の移動を抑制するための熱移動抑制層５が配置されている。熱移動抑制層５の形成により、熱交換器３における水素混合水蒸気Ｗ２及び酸素混合空気Ａ２の排熱の回収と、輻射熱回収器４による輻射熱の回収とを適切に分けることができる。これにより、水素混合水蒸気Ｗ２及び酸素混合空気Ａ２の排熱を適切に回収することができる。本形態の熱移動抑制層５は、空気Ａ１等の気体が充填された断熱層として形成されている。熱移動抑制層５は、円筒形状を有しており、径方向Ｒにおいて、熱交換器３と輻射熱回収器４との間に挟まれて形成されている。

熱交換器３における、水蒸気電解セル２から最も離れた外側位置には、熱交換器３から外部への放熱を抑制するための放熱抑制層６が配置されている。放熱抑制層６の形成により、熱交換器３から外部への放熱を極力抑えることができる。熱交換器３の径方向Ｒの最も外周側には水素排出流路３２が配置されている。そして、放熱抑制層６により、水素排出流路３２を流れる水素混合水蒸気Ｗ２の排熱が外部に放出されることが抑制される。本形態の放熱抑制層６は、空気Ａ１等の気体が充填された断熱層として形成されている。放熱抑制層６は、円筒形状を有しており、熱交換器３の水素排出流路３２の径方向Ｒの外周側に積層されている。

なお、熱移動抑制層５及び放熱抑制層６は、断熱層以外にも、種々の断熱材によって構成してもよい。

（水蒸気電解システム１の動作）
水蒸気電解システム１によって発電及び水素の製造が行われるときには、熱交換器３の水蒸気供給流路３１から水蒸気電解セル２の水素極室２２へ水蒸気Ｗ１が送られる。また、熱交換器３の空気供給流路３３から輻射熱回収器４の回収流路４１を経由して水蒸気電解セル２の酸素極室２３へ空気Ａ１が送られる。そして、水蒸気電解セル２においては、水素極２２１に接触する水蒸気Ｗ１から水素が生成されるとともに、酸化物イオンが固体電解質体２１を透過して酸素極２３１へ移動して発電が行われる。

水素極室２２から排出される水素混合水蒸気Ｗ２の排熱は、水素混合水蒸気Ｗ２が熱交換器３の水素排出流路３２を流れる際に、空気供給流路３３を流れる空気Ａ１へ、隔壁３５を介して伝達される。また、酸素極室２３から排出される酸素混合空気Ａ２の排熱は、酸素混合空気Ａ２が熱交換器３の酸素排出流路３４を流れる際に、空気供給流路３３を流れる空気Ａ１、及び水蒸気供給流路３１を流れる水蒸気Ｗ１へ、隔壁３５を介して伝達される。

（作用効果）
本形態の水蒸気電解システム１においては、水蒸気供給流路３１、空気供給流路３３、水素排出流路３２及び酸素排出流路３４の４つが、互いに隣接して積層されている。さらに、第１供給側流路Ｓ１又は第２供給側流路Ｓ２である供給側流路と、第１排出側流路Ｅ１又は第２排出側流路Ｅ２である排出側流路とが交互に隣接する状態で積層されている。この構成により、熱交換器３において、熱容量がそれぞれ異なる水蒸気Ｗ１、水素混合水蒸気Ｗ２、空気Ａ１及び酸素混合空気Ａ２の熱交換を効果的に行うことができる。

特に、４つの流路が一体的に積層されていることにより、熱交換器３において、水素混合水蒸気Ｗ２及び酸素混合空気Ａ２の熱を、水蒸気Ｗ１及び空気Ａ１へ効果的に伝達することができる。そして、熱交換器３において、水素混合水蒸気Ｗ２及び酸素混合空気Ａ２の排熱のほとんどを回収することが可能になる。

それ故、本形態の水蒸気電解システム１によれば、水蒸気電解セル２の排熱を効果的に回収することができる。

＜実施形態２＞
本形態は、水蒸気電解セル２に対して対向して配置する熱交換器３の位置が、実施形態１の場合と異なる水蒸気電解システム１について示す。図３に示すように、本形態の熱交換器３は、水蒸気電解セル２の軸方向Ｌに対向する位置に配置されている。水蒸気電解セル２は、環形状に形成された輻射熱回収器４の中心位置に配置されている。より具体的には、輻射熱回収器４は、水蒸気電解セル２の中心軸線の周りを囲む円筒形状に形成されている。輻射熱回収器４の径方向Ｒの外周側の位置には、輻射熱回収器４から外部への放熱を抑制するための放熱抑制層６Ａが形成されている。放熱抑制層６Ａは、断熱層によって構成されている。

本形態の熱交換器３も、水蒸気供給流路３１又は空気供給流路３３の一方である第１供給側流路Ｓ１、水素排出流路３２又は酸素排出流路３４の一方である第１排出側流路Ｅ１、水蒸気供給流路３１又は空気供給流路３３の他方である第２供給側流路Ｓ２、及び水素排出流路３２又は酸素排出流路３４の他方である第２排出側流路Ｅ２は、順次隣接して積層されている。換言すれば、第１供給側流路Ｓ１又は第２供給側流路Ｓ２である供給側流路と、第１排出側流路Ｅ１又は第２排出側流路Ｅ２である排出側流路とが交互に隣接する状態で積層されている。この構成により、熱交換器３において、熱容量がそれぞれ異なる水蒸気Ｗ１、水素混合水蒸気Ｗ２、空気Ａ１及び酸素混合空気Ａ２の熱交換を効果的に行うことができる。

熱交換器３における、水蒸気電解セル２に対向する内側と、内側とは反対側の外側とには、放熱抑制層６Ｂが形成されている。放熱抑制層６Ｂは、断熱層によって構成されている。

本形態においては、熱交換器３が水蒸気電解セル２の軸方向Ｌに対向する位置に配置されていることにより、水蒸気電解セル２から外部への放熱を少なくし、水蒸気電解システム１の小型化を図ることができる。なお、熱交換器３は、水蒸気電解セル２の軸方向Ｌの両側に対向する位置に配置されていてもよい。

本形態の水蒸気電解システム１における、その他の構成、作用効果等については、実施形態１の構成、作用効果等と同様である。また、本形態においても、実施形態１に示した符号と同一の符号が示す構成要素は、実施形態１の構成要素と同様である。

＜他の実施形態＞
熱交換器３は、水蒸気供給流路３１、空気供給流路３３、水素排出流路３２及び酸素排出流路３４のうちの３つが互いに積層して形成されていれば、残りの１つは積層されていなくてもよい。第１供給側流路Ｓ１、第１排出側流路Ｅ１、第２供給側流路Ｓ２及び第２排出側流路Ｅ２における、互いに隣接する流路同士は、対向流ではなく、平行流を形成していてもよい。熱交換器３は、円筒形状以外にも、四角等の角筒形状に形成されていてもよい。

また、水蒸気供給流路３１、空気供給流路３３、水素排出流路３２及び酸素排出流路３４が積層される順番は、供給側流路Ｓ１，Ｓ２及び排出側流路Ｅ１，Ｅ２が交互に並ぶ種々の順番としてもよい。また、熱交換器３における、水蒸気供給流路３１、空気供給流路３３、水素排出流路３２及び酸素排出流路３４のうちの少なくとも３つは、熱交換器３の周方向Ｃの複数箇所において、周方向Ｃに積層されていてもよい。また、熱交換器３においては、酸素排出流路３４の径方向Ｒの両側に、水蒸気供給流路３１と空気供給流路３３とが隣接して積層される代わりに、水素排出流路３２の径方向Ｒの両側に、水蒸気供給流路３１と空気供給流路３３とが隣接して積層されていてもよい。

本発明は、各実施形態のみに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲においてさらに異なる実施形態を構成することが可能である。また、本発明は、様々な変形例、均等範囲内の変形例等を含む。さらに、本発明から想定される様々な構成要素の組み合わせ、形態等も本発明の技術思想に含まれる。

１ 水蒸気電解システム
２ 水蒸気電解セル
２１ 固体電解質体
２２ 水素極室
２３ 酸素極室
３ 熱交換器
３１ 水蒸気供給流路
３２ 水素排出流路
３３ 空気供給流路
３４ 酸素排出流路

Claims (11)

1. イオン伝導性を有する固体電解質体（２１）を間に介して、水蒸気（Ｗ１）から水素が生成される水素極室（２２）、及び空気（Ａ１）から酸素が生成される酸素極室（２３）が形成された水蒸気電解セル（２）と、
   前記水素極室へ前記水蒸気を供給するための水蒸気供給流路（３１）、前記水素極室から水素混合水蒸気（Ｗ２）が排出される水素排出流路（３２）、前記酸素極室へ前記空気を供給するための空気供給流路（３３）、及び前記酸素極室から酸素混合空気（Ａ２）が排出される酸素排出流路（３４）が形成された熱交換器（３）と、を備え、
   前記水蒸気供給流路、前記空気供給流路、前記水素排出流路及び前記酸素排出流路のうちの少なくとも３つは、互いに隣接して積層されている、水蒸気電解システム（１）。
2. 前記酸素排出流路には、前記水蒸気供給流路と前記空気供給流路とが両側から隣接して積層されている、請求項１に記載の水蒸気電解システム。
3. 前記水蒸気供給流路、前記空気供給流路、前記水素排出流路及び前記酸素排出流路は、前記水蒸気供給流路又は前記空気供給流路の一方である第１供給側流路（Ｓ１）、前記水素排出流路又は前記酸素排出流路の一方である第１排出側流路（Ｅ１）、前記水蒸気供給流路又は前記空気供給流路の他方である第２供給側流路（Ｓ２）、及び前記水素排出流路又は前記酸素排出流路の他方である第２排出側流路（Ｅ２）の順に隣接して積層されている、請求項１又は２に記載の水蒸気電解システム。
4. 前記熱交換器は、前記水蒸気電解セルを囲む環形状に形成されており、
   前記第１供給側流路、前記第１排出側流路、前記第２供給側流路及び前記第２排出側流路は、前記水蒸気電解セルを中心とする径方向（Ｒ）において順次隣接して積層されている、請求項３に記載の水蒸気電解システム。
5. 前記熱交換器は、前記水蒸気電解セルの軸方向（Ｌ）、又は前記軸方向に直交する径方向（Ｒ）に対向する位置に配置されており、
   前記第１供給側流路、前記第１排出側流路、前記第２供給側流路及び前記第２排出側流路は、順次隣接して積層されている、請求項３に記載の水蒸気電解システム。
6. 前記第１供給側流路、前記第１排出側流路、前記第２供給側流路及び前記第２排出側流路における、互いに隣接する流路同士は、前記水蒸気、前記水素混合水蒸気、前記空気又は前記酸素混合空気である流体の流れが互いに逆方向となる対向流を形成するよう構成されている、請求項３～５のいずれか１項に記載の水蒸気電解システム。
7. 前記水素排出流路は、前記熱交換器を構成する前記水蒸気供給流路、前記空気供給流路、前記水素排出流路及び前記酸素排出流路の中において、前記水蒸気電解セルから最も離れた外側位置に配置されている、請求項１～６のいずれか１項に記載の水蒸気電解システム。
8. 前記熱交換器における、前記水蒸気電解セルに最も近い位置には、前記水蒸気電解セルから放出される輻射熱を回収するための輻射熱回収器（４）が配置されている、請求項１～７のいずれか１項に記載の水蒸気電解システム。
9. 前記輻射熱回収器は、前記空気供給流路を流れた後の前記空気を、前記水蒸気電解セルからの輻射熱によって加熱するための予熱器を構成している、請求項８に記載の水蒸気電解システム。
10. 前記熱交換器と前記輻射熱回収器との間には、前記熱交換器と前記輻射熱回収器との間の熱の移動を抑制するための熱移動抑制層（５）が配置されている、請求項８又は９に記載の水蒸気電解システム。
11. 前記熱交換器における、前記水蒸気電解セルから最も離れた外側位置には、前記熱交換器から外部への放熱を抑制するための放熱抑制層（６）が配置されている、請求項１～１０のいずれか１項に記載の水蒸気電解システム。
    

Images