JP2023063695A - 水素製造システム及び、水素製造方法 - Google Patents

水素製造システム及び、水素製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】無隔膜型の水電解装置を用いた水素の製造に関し、電力の消費を効果的に削減する。【解決手段】無隔膜型の電解槽２１に供給される水を電気分解することにより水素ガスと酸素ガスとを生成する水電解装置２０と、水素ガス及び酸素ガスの混合ガスを冷却することにより酸素ガスを液体酸素にする第１冷却装置３０と、混合ガスを水素ガスと液体酸素とに分離する気液分離器４０と、気液分離器４０で分離された水素ガスを冷却することにより液体水素にする第２冷却装置５０と、第２冷却装置５０で液化された液体水素を貯留するタンク６０と、水電解装置２０から第１冷却装置３０に供給される混合ガス及び、気液分離器４０から第２冷却装５０置に供給される水素ガスの何れか一方又は両方を、タンク６０で発生するボイルオフガスと熱交換することにより予冷する予冷装置７０，８０とを備えた。【選択図】図１

Description

本開示は、水素製造システム及び、水素製造方法に関し、特に、無隔膜型の水電解装置を用いた水素の製造に好適な技術に関するものである。
近年、化石燃料に代替するクリーンエネルギーとして水素が用いられている。水素を生成する装置としては、水を電気分解（以下、単に電解ともいう）することにより、水素ガスと酸素ガスを生成する水電解装置が知られている。水電解装置を用いた水素の製造は、風力、水力、太陽光、地熱等といった再生可能エネルギー由来の電源を利用すれば、二酸化炭素の排出を実質的に伴わないＣＯ２フリーを実現できることから、近年注目されている。
この種の水電解装置としては、電解槽を隔膜によって陽極室と陰極室とに区画し、陽極室にて水を電解することにより酸素ガスを生成するとともに、陰極室にて水を電解することにより水素ガスを生成する隔膜型の水電解装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。また、電解槽に隔膜を備えない無隔膜型の水電解装置も知られている（例えば、非特許文献１参照）。
特開２０１８－１３５５８０号公報 CPH2 Clean Power Hydrogen、brochure、第３頁、OUR TECHNOLOGY、[online]、［令和 ３年 ９月 ７日検索］、インターネット＜URL：https://www.cph2.com/media/jmxoxkzz/company-brochure-a4-4pp-web-2020-10.pdf＞
隔膜型の水電解装置では、隔膜の劣化に伴い水素の生成効率が低下するといった課題がある。このため、水素の製造に無隔膜型の水電解装置を用いれば、隔膜の劣化による水素の生成効率の低下を抑えることができ、さらには、装置の寿命を延ばすことができるといった利点もある。
一方、無隔膜型の水電解装置では、電解槽から水素ガスと酸素ガスが混合した状態で排出される。このため、混合ガスから水素ガスを分離するには深冷分離を行う必要がある。また、水素は気体の状態では体積が大きいため、貯蔵や輸送の観点からは、水素ガスを冷却して液体水素とすることが望ましい。
これら混合ガスや水素ガスの冷却を行う手段としては、電気式の冷却装置を用いる方法、或いは、液体窒素や液体ヘリウムといった低温媒体を用いて冷却する方法がある。しかしながら、電気式の冷却装置を用いる場合は、装置の稼働に電力が必要となり、低温媒体を用いる場合も、低温媒体の製造に電力が必要となり、何れの場合も消費電力が嵩むといった課題がある。
本開示は、上記事情に鑑みてなされたものであり、無隔膜型の水電解装置を用いた水素の製造に関し、電力の消費を効果的に削減することができる技術を提供することを目的とする。
本開示の水素製造システムは、
無隔膜型の電解槽に供給される水を、該電解槽内で電気分解することにより水素ガスと酸素ガスとを生成する水電解装置と、
前記水電解装置で生成された水素ガス及び酸素ガスの混合ガスを、酸素ガスが液化する所定の第１温度以下に冷却することにより、該混合ガス中の酸素ガスを液体酸素にする第１冷却装置と、
前記第１冷却装置で冷却された混合ガスを水素ガスと液体酸素とに分離する気液分離器と、
前記気液分離器で分離された水素ガスを、水素ガスが液化する所定の第２温度以下に冷却することにより、該水素ガスを液体水素にする第２冷却装置と、
前記第２冷却装置で液化された液体水素を貯留するタンクと、
前記水電解装置から前記第１冷却装置に供給される混合ガス及び、前記気液分離器から前記第２冷却装置に供給される水素ガスの何れか一方又は両方を、前記タンクに貯留された前記液体水素の蒸発により発生するボイルオフガスと熱交換することにより予冷する予冷装置と、を備えることを特徴とする。
本開示の他の態様の水素製造システムは、
無隔膜型の電解槽に供給される水を、該電解槽内で電気分解することにより水素ガスと酸素ガスとを生成する水電解装置と、
前記水電解装置で生成された水素ガス及び酸素ガスの混合ガスを、酸素ガスが液化する所定の第１温度以下に冷却することにより、該混合ガス中の酸素ガスを液体酸素にする第１冷却装置と、
前記第１冷却装置で冷却された混合ガスを水素ガスと液体酸素とに分離する気液分離器と、
前記気液分離器で分離された水素ガスを、水素ガスが液化する所定の第２温度以下に冷却することにより、該水素ガスを液体水素にする第２冷却装置と、
前記第２冷却装置で液化された液体水素を貯留するタンクと、
前記水電解装置から前記第１冷却装置に供給される混合ガスを、前記気液分離器で分離された液体酸素と熱交換することにより予冷する予冷装置と、を備えることを特徴とする。
本開示の他の態様の水素製造システムは、
無隔膜型の電解槽に供給される水を、該電解槽内で電気分解することにより水素ガスと酸素ガスとを生成する水電解装置と、
前記水電解装置で生成された水素ガス及び酸素ガスの混合ガスを、酸素ガスが液化する所定の第１温度以下に冷却することにより、該混合ガス中の酸素ガスを液体酸素にする第１冷却装置と、
前記第１冷却装置で冷却された混合ガスを水素ガスと液体酸素とに分離する気液分離器と、
前記気液分離器で分離された水素ガスを、水素ガスが液化する所定の第２温度以下に冷却することにより、該水素ガスを液体水素にする第２冷却装置と、
前記第２冷却装置で液化された液体水素を貯留するタンクと、
前記水電解装置から前記第１冷却装置に供給される混合ガスを、前記気液分離器で分離された液体酸素と熱交換することにより予冷する第１予冷装置と、
前記水電解装置から前記第１冷却装置に供給される混合ガス及び、前記気液分離器から前記第２冷却装置に供給される水素ガスの何れか一方又は両方を、前記タンクに貯留された前記液体水素の蒸発により発生するボイルオフガスと熱交換することにより予冷する第２予冷装置と、を備えることを特徴とする。
本開示の水素製造方法は、
無隔膜型の電解槽に供給される水を、該電解槽内で電気分解することにより水素ガスと酸素ガスとを生成する電解工程と、
前記電解工程で生成された水素ガスと酸素ガスの混合ガスを、酸素ガスが液化する所定の第１温度以下に冷却することにより、該混合ガス中の酸素ガスを液体酸素にする第１冷却工程と、
前記第１冷却工程で冷却された混合ガスを液体酸素と水素ガスとに分離する気液分離工程と、
前記気液分離工程で分離された水素ガスを、水素ガスが液化する所定の第２温度以下に冷却することにより、該水素ガスを液体水素にする第２冷却工程と、
前記第２冷却工程で液化された液体水素をタンクに貯留する貯留工程と、
前記電解工程の後、前記第１冷却工程で冷却される前の混合ガス及び、前記気液分離工程の後、前記第２冷却工程で冷却される前の水素ガスの何れか一方又は両方を、前記タンクに貯留された前記液体水素の蒸発により発生するボイルオフガスと熱交換することにより予冷する予冷工程と、を有することを特徴とする。
本開示の他の態様の水素製造方法は、
無隔膜型の電解槽に供給される水を、該電解槽内で電気分解することにより水素ガスと酸素ガスとを生成する電解工程と、
前記電解工程で生成された水素ガスと酸素ガスの混合ガスを、酸素ガスが液化する所定の第１温度以下に冷却することにより、該混合ガス中の酸素ガスを液体酸素にする第１冷却工程と、
前記第１冷却工程で冷却された混合ガスを液体酸素と水素ガスとに分離する気液分離工程と、
前記気液分離工程で分離された水素ガスを、水素ガスが液化する所定の第２温度以下に冷却することにより、該水素ガスを液体水素にする第２冷却工程と、
前記第２冷却工程で液化された液体水素をタンクに貯留する貯留工程と、
前記電解工程の後、前記第１冷却工程で冷却される前の混合ガスを、前記気液分離工程で分離された液体酸素と熱交換することにより予冷する予冷工程と、を有することを特徴とする。
本開示の他の態様の水素製造方法は、
無隔膜型の電解槽に供給される水を、該電解槽内で電気分解することにより水素ガスと酸素ガスとを生成する電解工程と、
前記電解工程で生成された水素ガスと酸素ガスの混合ガスを、酸素ガスが液化する所定の第１温度以下に冷却することにより、該混合ガス中の酸素ガスを液体酸素にする第１冷却工程と、
前記第１冷却工程で冷却された混合ガスを液体酸素と水素ガスとに分離する気液分離工程と、
前記気液分離工程で分離された水素ガスを、水素ガスが液化する所定の第２温度以下に冷却することにより、該水素ガスを液体水素にする第２冷却工程と、
前記第２冷却工程で液化された液体水素をタンクに貯留する貯留工程と、
前記電解工程の後に前記第１冷却工程で冷却される前の混合ガスを、前記気液分離工程で分離された液体酸素と熱交換することにより予冷する第１予冷工程と、
前記電解工程の後、前記第１冷却工程で冷却される前の混合ガス及び、前記気液分離工程の後、前記第２冷却工程で冷却される前の水素ガスの何れか一方又は両方を、前記タンクに貯留された前記液体水素の蒸発により発生するボイルオフガスと熱交換することにより予冷する第２予冷工程と、を有することを特徴とする。
本開示の技術によれば、無隔膜型の水電解装置を用いた水素の製造に関し、電力の消費を効果的に削減することができる。
第一実施形態に係る水素製造システムを示す模式的な全体構成図である。 第一実施形態に係る水素製造方法を説明するフロー図である。 第二実施形態に係る水素製造システムを示す模式的な全体構成図である。 第二実施形態に係る水素製造方法を説明するフロー図である。 他の実施形態に係る水素製造システムを示す模式的な全体構成図である。 他の実施形態に係る水素製造システムを示す模式的な全体構成図である。 他の実施形態に係る水素製造システムを示す模式的な全体構成図である。
以下、添付図面に基づいて、本実施形態に係る水素製造システム及び、水素製造方法について説明する。同一の部品には同一の符号を付してあり、それらの名称及び機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰り返さない。
［第一実施形態］
図１は、第一実施形態に係る水素製造システム１０を示す模式的な全体構成図である。図１に示すように、水素製造システム１０は、水タンク１１、水電解装置２０、第１冷却装置３０、気液分離器４０、第２冷却装置５０、水素タンク６０、第１予冷装置７０、第２予冷装置８０を備えている。
水タンク１１は、水を貯留する。水タンク１１は、水供給配管１２を介して水電解装置２０の電解槽２１に接続されている。水供給配管１２には、水供給配管１２の流路を開閉可能なバルブ１３が設けられている。水タンク１１は、好ましくは、水電解装置２０よりも上方に配置されており、バルブ１３を開弁すると、水タンク１１内の水が重力によって水供給配管１２を流れて電解槽２１に供給されるようになっている。なお、水タンク１１内の水は、ポンプを用いて電解槽２１に供給するように構成してもよい。この場合、ポンプの電源は、太陽光、風力、水力、地熱などの再生可能エネルギー由来の電源を用いることが好ましい。
水電解装置２０は、容器状の電解槽２１と、電解槽２１内に配置された陽極２２と、電解槽２１内に陽極２２と所定間隔をおいて対向配置された陰極２３とを備えている。水電解装置２０は、陽極２２及び陰極２３が電解槽２１内で隔膜を介さずに対向するいわゆる無隔膜型の水電解装置であって、電源２５から陽極２２及び、陰極２３に電圧を印加すると、陽極２２から酸素ガス、陰極２３から水素ガスがそれぞれ生成される。本実施形態において、電源２５には、好ましくは、太陽光、風力、水力、地熱などの再生可能エネルギー由来の電源が用いられる。なお、電源２５の種類は、特に限定されず、商用電源を用いてもよい。
電解槽２１内で生成される水素ガス及び酸素ガスは、互いに混合することにより混合ガスとなる。水素ガス及び酸素ガスの混合ガスは、混合ガス供給配管２７を経由して下流側の第１冷却装置３０に供給される。混合ガスの第１冷却装置３０への供給は、第１冷却装置３０を水電解装置２０よりも下方に配置することにより、重力で供給するようにしてもよく、或は、ポンプにより圧送してもよい。ポンプを用いる場合、電源は、太陽光、風力、水力、地熱などの再生可能エネルギー由来の電源を用いることが好ましい。混合ガス供給配管２７には、混合ガスを予冷する第１予冷装置７０の第１熱交換器７２が設けられている。第１予冷装置７０の詳細については後述する。
第１冷却装置３０は、電解槽２１から第１熱交換器７２を流れて予冷された混合ガスを冷却する。第１冷却装置３０は、混合ガスを所定の第１液化温度（酸素ガスが液化する沸点温度：約－１８３℃）以下に冷却することにより、混合ガス中に含まれる酸素ガスを液化する。第１冷却装置３０は、電気式の冷却装置であってもよく、或いは、液体窒素や液体ヘリウムといった低温媒体を用いる冷却装置であってもよい。第１冷却装置３０を電気式とする場合、電源は、太陽光、風力、水力、地熱などの再生可能エネルギー由来の電源を用いることが好ましい。また、第１冷却装置３０を低温媒体式とする場合も、低温媒体を製造する装置の電源には、再生可能エネルギー由来の電源を用いることが好ましい。なお、これら何れの場合も、商用電源を用いることもできる。
第１冷却装置３０によって冷却されて液化した液体酸素及び、水素ガスの混合流体は、混合流体供給配管３１を経由して気液分離器４０に供給される。混合流体の気液分離器４０への供給は、気液分離器４０を第１冷却装置３０よりも下方に配置することにより、重力で供給するようにしてもよく、或は、ポンプにより圧送してもよい。ポンプを用いる場合、電源は、再生可能エネルギー由来の電源を用いることが好ましい。
気液分離器４０は、第１冷却装置３０から混合流体供給配管３１を流れて供給される混合流体を液体酸素と水素ガスとに分離する。気液分離器４０によって混合流体から分離された液体酸素は、液体出口ポート４１から第１供給配管７１を経由して第１熱交換器７２に供給される。また、気液分離器４０によって混合流体から分離された水素ガスは、気体出口ポート４２から水素ガス供給配管４３を経由して第２冷却装置５０に供給される。
水素ガスの第２冷却装置５０への供給は、第２冷却装置５０を気液分離器４０よりも下方に配置することにより、重力で供給するようにしてもよく、或は、ポンプにより圧送してもよい。ポンプを用いる場合、電源は、再生可能エネルギー由来の電源を用いることが好ましい。水素ガス供給配管４３には、水素ガスを予冷する第２予冷装置８０の第２熱交換器８２が設けられている。第２予冷装置８０の詳細については後述する。
第２冷却装置５０は、気液分離器４０から第２熱交換器８２を流れて予冷された水素ガスを冷却する。第２冷却装置５０は、水素ガスを所定の第２液化温度（水素ガスが液化する沸点温度：約－２５３℃）以下に冷却することにより、水素ガスを輸送や貯蔵に適した液体水素にする。第２冷却装置５０は、電気式の冷却装置であってもよく、或いは、液体窒素や液体ヘリウムといった低温媒体を用いる冷却装置であってもよい。第２冷却装置５０を電気式とする場合、電源は、再生可能エネルギー由来の電源を用いることが好ましい。また、第２冷却装置５０を低温媒体式とする場合も、低温媒体を製造する装置の電源には、再生可能エネルギー由来の電源を用いることが好ましい。なお、これら何れの場合も、商用電源を用いることもできる。
第２冷却装置５０によって冷却されて液化した液体水素は、液体水素供給配管５１を経由して水素タンク６０に供給される。液体水素の水素タンク６０への供給は、水素タンク６０を第２冷却装置５０よりも下方に配置することにより、重力で供給するようにしてもよく、或は、ポンプにより圧送してもよい。ポンプを用いる場合、電源は、再生可能エネルギー由来の電源を用いることが好ましい。
水素タンク６０は、第２冷却装置５０から液体水素供給配管５１を経由して供給される液体水素を貯留する。水素タンク６０は、設置型のタンクであってもよいし、その他の型式のタンクであってもよい。水素タンク６０には、水素タンク６０内の液体水素の蒸発により発生するボイルオフガス（ＢＯＧ：Boil Off Gas）を水素タンク６０から排出するＢＯＧ排出ポート６１が設けられている。ＢＯＧ排出ポート６１には第２供給配管８１が接続されており、水素タンク６０内で発生したＢＯＧを第２熱交換器８２に供給するように構成されている。
第１予冷装置７０は、電解槽２１から混合ガス供給配管２７を経由して第１冷却装置３０に供給される混合ガス（酸素ガスと水素ガスの混合ガス）を予め冷却する。具体的には、第１予冷装置７０は、第１供給配管７１と、第１熱交換器７２と、第１循環配管７３と、第１圧送ポンプ７４と、第１排出配管７５とを備えている。
第１供給配管７１は、一端側を気液分離器４０の液体出口ポート４１に接続されるとともに、他端側を第１熱交換器７２の入口ポート７２Ａに接続されており、気液分離器４０にて水素ガスから分離された低温の液体酸素を第１熱交換器７２に供給する。第１熱交換器７２は、混合ガス供給配管２７の外周面を所定の間隔を隔てて囲う筒状に形成されており、混合ガス供給配管２７の外周面との間に液体酸素を流通させる第１熱交換流路７２Ｃを区画する。
第１熱交換流路７２Ｃ内を流れる低温の液体酸素と、混合ガス供給配管２７内を流れる混合ガスとの間で熱交換が行われることにより、第１冷却装置３０に供給される混合ガスを効果的に予冷できるように構成されている。混合ガスが予冷されることで、第１冷却装置３０にて混合ガスを所定の第１液化温度以下に冷却するのに消費される電力を確実に削減することが可能になる。
第１循環配管７３は、一端側を第１熱交換器７２の出口ポート７２Ｂに接続されるとともに、他端側を第１供給配管７１の所定部位に接続されており、第１熱交換器７２にて混合ガスと熱交換された液体酸素を第１供給配管７１に再循環させる。第１圧送ポンプ７４は、第１供給配管７１に設けられており、液体酸素を圧送する。第１圧送ポンプ７４の電源は、再生可能エネルギー由来の電源であってもよく、或は、商用電源であってもよい。第１排出配管７５は、液体酸素が気化した酸素ガスを大気に放出する。
本実施形態において、第１熱交換器７２の入口ポート７２Ａ及び、出口ポート７２Ｂは、混合ガス供給配管２７内の混合ガスの流れ方向に対して、入口ポート７２Ａが下流側、出口ポート７２Ｂが上流側となるように設けられている。すなわち、第１供給配管７１から第１熱交換流路７２Ｃ内に流入する液体酸素が、第１熱交換流路７２Ｃ内を混合ガスとは逆方向に流れて第１循環配管７３に送られるようになっている。このように、液体酸素と混合ガスの流れ方向を互いに逆向きとすることで、これら液体酸素と混合ガスの熱交換効率の向上が図られるようになる。
第２予冷装置８０は、気液分離器４０から水素ガス供給配管４３を経由して第２冷却装置５０に供給される水素ガスを予冷する。具体的には、第２予冷装置８０は、第２供給配管８１と、第２熱交換器８２と、第２循環配管８３と、第２圧送ポンプ８４と、第２排出配管８５とを備えている。
第２供給配管８１は、一端側を水素タンク６０のＢＯＧ排出ポート６１に接続されるとともに、他端側を第２熱交換器８２の入口ポート８２Ａに接続されており、水素タンク６０にて発生したＢＯＧを第２熱交換器８２に供給する。第２熱交換器８２は、水素ガス供給配管４３の外周面を所定の間隔を隔てて囲う筒状に形成されており、水素ガス供給配管４３の外周面との間にＢＯＧを流通させる第２熱交換流路８２Ｃを区画する。
第２熱交換流路８２Ｃ内を流れる低温のＢＯＧと、水素ガス供給配管４３内を流れる水素ガスとの間で熱交換が行われることにより、第２冷却装置５０に供給される水素ガスを効果的に予冷できるように構成されている。水素ガスが予冷されることで、第２冷却装置５０にて水素ガスを所定の第２液化温度以下に冷却するのに消費される電力を確実に削減することが可能になる。
第２循環配管８３は、一端側を第２熱交換器８２の出口ポート８２Ｂに接続されるとともに、他端側を第２供給配管８１の所定部位に接続されており、第２熱交換器８２にて水素ガスと熱交換されたＢＯＧを第２供給配管８１に再循環させる。第２圧送ポンプ８４は、第２供給配管８１に設けられており、ＢＯＧを圧送する。第２圧送ポンプ８４の電源は、再生可能エネルギー由来の電源であってもよく、或は、商用電源であってもよい。第２排出配管８５は、余剰のＢＯＧを放出する。第２排出配管８５から放出されるＢＯＧは、ＢＯＧを吸蔵可能な水素吸蔵合金を備えるタンクなどに貯留してもよい。
本実施形態において、第２熱交換器８２の入口ポート８２Ａ及び、出口ポート８２Ｂは、水素ガス供給配管４３内の水素ガスの流れ方向に対して、入口ポート８２Ａが下流側、出口ポート８２Ｂが上流側となるように設けられている。すなわち、第２供給配管８１から第２熱交換流路８２Ｃ内に流入するＢＯＧが、第２熱交換流路８２Ｃ内を水素ガスとは逆方向に流れて第２循環配管８３に送られるようになっている。このように、ＢＯＧと水素ガスの流れ方向を互いに逆向きとすることで、これらＢＯＧと水素ガスの熱交換効率の向上が図られるようになる。
次に、図２に基づいて、第一実施形態に係る水素製造方法のフローを説明する。なお、以下では、各工程のステップを単にＳと表記する。
電解工程（Ｓ１００）では、水タンク１１から電解槽２１に水を供給し、水電解装置２０にて水を電気分解することにより、水素ガスと酸素ガスを生成する。この際、水電解装置２０の電源２５には、好ましくは、太陽光、風力、水力、地熱などの再生可能エネルギー由来の電源が用いられる。
第１予冷工程（Ｓ１１０）では、水素ガスと酸素ガスの混合ガスを、第１予冷装置７０の第１熱交換器７２にて、後述する気液分離工程（Ｓ１３０）で混合流体から分離された低温の液体酸素と熱交換することにより予冷する。予冷された混合ガスは、第１冷却装置３０に供給される。
第１冷却工程（Ｓ１２０）では、第１冷却装置３０にて、混合ガスを所定の第１液化温度以下に冷却することにより、混合ガス中の酸素ガスを液化する。この際、混合ガスは第１予冷工程（Ｓ１１０）で予冷されているため、第１冷却工程（Ｓ１２０）で消費される電力を確実に削減することが可能になる。液体酸素と水素ガスの混合流体は、気液分離器４０に供給される。
気液分離工程（Ｓ１３０）では、気液分離器４０にて、第１冷却工程（Ｓ１２０）で液化された液体酸素と水素ガスとを気液分離する。混合流体から分離された液体酸素は、前述の第１予冷工程（Ｓ１１０）の混合ガスの予冷に利用するために、第１予冷装置７０の第１熱交換器７２に供給される。一方、混合流体から分離された水素ガスは、第２予冷装置８０の第２熱交換器８２に供給される。
第２予冷工程（Ｓ１４０）では、第２予冷装置８０の第２熱交換器８２にて、水素ガスを、水素タンク６０内の液体水素が蒸発することにより発生するＢＯＧと熱交換することにより予冷する。予冷された水素ガスは、第２冷却装置５０に供給される。
第２冷却工程（Ｓ１５０）では、第２冷却装置５０にて、水素ガスを所定の第２液化温度以下に冷却することにより、水素ガスを液化する。この際、水素ガスは第２予冷工程（Ｓ１４０）で予冷されているため、第２冷却工程（Ｓ１５０）で消費される電力を確実に削減することが可能になる。液化した液体水素は、水素タンク６０に供給される。
貯留工程（Ｓ１６０）では、水素タンク６０に液体水素を貯留する。水素タンク６０内の液体水素が蒸発することにより発生するＢＯＧは、前述の第２予冷工程（Ｓ１４０）の水素ガスの予冷に利用するために、第２予冷装置８０の第２熱交換器８２に供給される。以降、上述の各工程（Ｓ１００～Ｓ１６０）を繰り返し行うことにより、消費電力を効果的に削減しながら水素を連続的に製造することができる。
以上詳述した第一実施形態によれば、無隔膜型の水電解装置２０を用いて水を電気分解することにより、水素ガスと酸素ガスを生成し、水素ガスと酸素ガスの混合ガスを第１冷却装置３０により深冷分離することにより、混合ガス中の酸素ガスを液化し、液化した液体酸素と水素ガスの混合流体を気液分離器４０により水素ガスと液体酸素とに分離する。気液分離器４０で分離された低温の液体酸素は、第１予冷装置７０の第１熱交換器７２に供給され、第１冷却装置３０に供給される前の混合ガスと熱交換される。すなわち、第１冷却装置３０に供給される混合ガスを、気液分離器４０で水素ガスから分離された低温の液体酸素を利用して効果的に予冷できるように構成されている。これにより、第１冷却装置３０にて混合ガスを所定の第１液化温度以下に冷却するのに消費される電力を確実に削減することが可能になる。
また、気液分離器４０で分離された水素ガスは、第２冷却装置５０で冷却することにより、輸送や貯蔵に適した液体水素とされ、水素タンク６０に貯留される。水素タンク６０内で液体水素の蒸発により発生するＢＯＧは、第２予冷装置８０の第２熱交換器８２に供給され、第２冷却装置５０に供給される前の水素ガスと熱交換される。すなわち、第２冷却装置５０に供給される水素ガスを、水素タンク６０内で発生するＢＯＧを利用して効果的に予冷できるように構成されている。これにより、第２冷却装置５０にて水素ガスを所定の第２液化温度以下に冷却するのに消費される電力を確実に削減することが可能になる。
また、水電解装置２０は、電解槽２１に隔膜を備えない無隔膜型の水電解装置を用いるため、隔膜の劣化による水素の生成効率の低下を伴わず、装置の寿命も効果的に延ばすことができる。また、水電解装置２０、冷却装置３０，５０、ポンプ７４，８４の電源を再生可能エネルギー由来の電源とすることで、水素の製造に二酸化炭素の排出を実質的に伴わないＣＯ２フリーを実現することができる。
［第二実施形態］
図３は、第二実施形態に係る水素製造システム１０を示す模式的な全体構成図である。第二実施形態の水素製造システム１０は、第一実施形態において、第２予冷装置８０に第３熱交換器８７をさらに設けたものである。
具体的には、第二実施形態の第２予冷装置８０は、第２供給配管８１と、第２熱交換器８２と、第３供給配管８６と、第３熱交換器８７と、第２循環配管８３と、第２圧送ポンプ８４と、第２排出配管８５とを備えている。第一実施形態と同一の構成には、同一の符号を付してあり、それらの機能も同一であるため、以下ではそれらの説明は省略する。
第３供給配管８６は、一端側を第２熱交換器８２の出口ポート８２Ｂに接続されるとともに、他端側を第３熱交換器８７の入口ポート８７Ａに接続されており、第２熱交換器８２を流れたＢＯＧを第３熱交換器８７に供給する。第３熱交換器８７は、混合ガス供給配管２７の外周面を所定の間隔を隔てて囲う筒状に形成されており、混合ガス供給配管２７の外周面との間にＢＯＧを流通させる第３熱交換流路８７Ｃを区画する。第３熱交換流路８７Ｃ内を流れる低温のＢＯＧと、混合ガス供給配管２７内を流れる混合ガスとの間で熱交換が行われることにより、第１冷却装置３０に供給される混合ガスを効果的に予冷できるように構成されている。
本実施形態において、第３熱交換器８７は、第１熱交換器７２よりも下流側の混合ガス供給配管２７に設けられている。すなわち、混合ガス供給配管２７を流れる混合ガスが、上流側の第１熱交換器７２にて液体酸素と熱交換された後に、第３熱交換器８７にてＢＯＧと熱交換されることで、第１冷却装置３０に供給される混合ガスを２段階で予冷できるように構成されている。混合ガスが２段階で予冷されることで、第１冷却装置３０にて混合ガスを所定の第１液化温度以下に冷却するのに消費される電力を大幅に削減することが可能になる。
第２循環配管８３は、一端側を第３熱交換器８７の出口ポート８７Ｂに接続されるとともに、他端側を第２供給配管８１の所定部位に接続されており、第３熱交換器８７にて混合ガスと熱交換されたＢＯＧを第２供給配管８１に再循環させる。第３熱交換器８７の入口ポート８７Ａ及び、出口ポート８７Ｂは混合ガス供給配管２７内の混合ガスの流れ方向に対して、入口ポート８７Ａが下流側、出口ポート８７Ｂが上流側となるように設けられている。すなわち、第３供給配管８６から第３熱交換流路８７Ｃ内に流入するＢＯＧが、第３熱交換流路８７Ｃ内を混合ガスとは逆方向に流れて第２循環配管８３に送られるようになっている。このように、ＢＯＧと混合ガスの流れ方向を互いに逆向きとすることで、これらＢＯＧと混合ガスの熱交換効率の向上が図られるようになる。
次に、図４に基づいて、第二実施形態に係る水素製造方法のフローを説明する。
電解工程（Ｓ２００）では、水タンク１１から電解槽２１に水を供給し、水電解装置２０にて水を電気分解することにより、水素ガスと酸素ガスを生成する。この際、水電解装置２０の電源２５には、好ましくは、太陽光、風力、水力、地熱などの再生可能エネルギー由来の電源が用いられる。
第１予冷工程（Ｓ２１０）では、水素ガスと酸素ガスの混合ガスを、第１予冷装置７０の第１熱交換器７２にて、後述する気液分離工程（Ｓ２３０）で混合流体から分離された低温の液体酸素と熱交換することにより予冷する。
第２予冷工程（Ｓ２１５）では、第１予冷工程（Ｓ２１０）で予冷された混合ガスを、第２予冷装置８０の第３熱交換器８７にて、水素タンク６０内の液体水素が蒸発することにより発生するＢＯＧと熱交換することにより予冷する。第１及び第２予冷工程にて２段階で予冷された混合ガスは、第１冷却装置３０に供給される。
第１冷却工程（Ｓ２２０）では、第１冷却装置３０にて、混合ガスを所定の第１液化温度以下に冷却することにより、混合ガス中の酸素ガスを液化する。この際、混合ガスは第１及び第２予冷工程（Ｓ２１０，Ｓ２１５）で予冷されているため、第１冷却工程（S220）で消費される電力を大幅に削減することが可能になる。液体酸素と水素ガスの混合流体は、気液分離器４０に供給される。
気液分離工程（Ｓ２３０）では、気液分離器４０にて、第１冷却工程（Ｓ２２０）で液化された液体酸素と水素ガスとを気液分離する。混合流体から分離された液体酸素は、前述の第１予冷工程（Ｓ２１０）の混合ガスの予冷に利用するために、第１予冷装置７０の第１熱交換器７２に供給される。一方、混合流体から分離された水素ガスは、第２予冷装置８０の第２熱交換器８２に供給される。
第３予冷工程（Ｓ２４０）では、第２予冷装置８０の第２熱交換器８２にて、水素ガスを、水素タンク６０内の液体水素が蒸発することにより発生するＢＯＧと熱交換することにより予冷する。予冷された水素ガスは、第２冷却装置５０に供給される。
第２冷却工程（Ｓ２５０）では、第２冷却装置５０にて、水素ガスを所定の第２液化温度以下に冷却することにより、水素ガスを液化する。この際、水素ガスは第２予冷工程（Ｓ２４０）で予冷されているため、第２冷却工程で必要とされる電力の消費量を効果的に削減することが可能になる。液化した液体水素は、水素タンク６０に供給される。
貯留工程（Ｓ２６０）では、水素タンク６０に液体水素を貯留する。水素タンク６０内の液体水素が蒸発することにより発生するＢＯＧは、前述の第２及び第３予冷工程（Ｓ２１５，Ｓ２４０）の水素ガスの予冷に利用するために、第２予冷装置８０の第２熱交換器８２及び、第３熱交換器８７にそれぞれ供給される。以降、上述の各工程（Ｓ２００～Ｓ２６０）を繰り返し行うことにより、消費電力を効果的に削減しながら水素を連続的に製造することができる。
以上詳述した第二実施形態によれば、無隔膜型の水電解装置２０を用いて水を電気分解することにより、水素ガスと酸素ガスを生成し、水素ガスと酸素ガスの混合ガスを第１冷却装置３０により深冷分離することにより、混合ガス中の酸素ガスを液化し、液化した液体酸素と水素ガスの混合流体を気液分離器４０により水素ガスと液体酸素とに分離する。気液分離器４０で分離された水素ガスは、第２冷却装置５０により冷却することにより、輸送や貯蔵に適した液体水素とされて水素タンク６０に供給される。気液分離器４０で分離された低温の液体酸素は、第１予冷装置７０の第１熱交換器７２に供給され、第１冷却装置３０に供給される混合ガスと熱交換される。また、水素タンク６０内で液体水素の蒸発により発生するＢＯＧは、第２予冷装置８０の第３熱交換器８７に供給され、第１冷却装置３０に供給される混合ガスと熱交換される。
すなわち、気液分離器４０で分離された低温の液体酸素及び、水素タンク６０内で発生するＢＯＧを利用して、第１冷却装置３０に供給される混合ガスを２段階で効果的に予冷できるように構成されている。これにより、第１冷却装置３０にて混合ガスを所定の第１液化温度以下に冷却するのに消費される電力を大幅に削減することが可能になる。
また、水素タンク６０内で発生するＢＯＧは、第２予冷装置８０の第２熱交換器８２に供給され、第２冷却装置５０に供給される水素ガスを、ＢＯＧと熱交換することにより効果的に予冷できるように構成されている。これにより、第一実施形態と同様、第２冷却装置５０にて水素ガスを所定の第２液化温度以下に冷却するのに消費される電力を確実に削減することが可能になる。
また、水電解装置２０は、電解槽２１に隔膜を備えない無隔膜型の水電解装置を用いるため、第一実施形態と同様、隔膜の劣化による水素の生成効率の低下を伴わず、装置の寿命も効果的に延ばすことができる。また、水電解装置２０、冷却装置３０，５０、ポンプ７４，８４の電源を再生可能エネルギー由来の電源とすることで、第一実施形態と同様、水素の製造に二酸化炭素の排出を実質的に伴わないＣＯ２フリーを実現することができる。
［その他］
なお、本開示は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本開示の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変形して実施することが可能である。
例えば、図５に示すように、水素製造システム１０は、第二実施形態において、第１予冷装置７０を省略して構成してもよい。この場合、水素製造方法は、図４に示すフローの第１予冷工程（Ｓ２１０）を省略すればよい。この場合も、ＢＯＧにより混合ガス及び、水素ガスをそれぞれ予冷することができ、電力の消費量を効果的に削減することが可能になる。
また、図３及び図５に示す実施形態において、第２予冷装置８０は、第２熱交換器８２及び第３熱交換器８７を直列に配置するものとして説明したが、これら第２熱交換器８２及び第３熱交換器８７を並列に配置することも可能である。
また、第一実施形態に係る水素製造システム１０は、図６に示すように、第１予冷装置７０を省略して構成してもよく、或いは、図７に示すように、第２予冷装置８０を省略して構成することもできる。この場合も、混合ガス又は水素ガスの何れか一方を予冷することができ、消費電力の削減を図ることができる。
１０…水素製造システム，１１…水タンク，２０…水電解装置，２１…電解槽，２２…陽極，２３…陰極，２５…電源，２７…混合ガス供給配管，３０…第１冷却装置，３１…混合流体供給配管，４０…気液分離器，４１…液体出口ポート，４２…気体出口ポート，５０…第２冷却装置，５１…液体水素供給配管，６０…水素タンク，６１…ＢＯＧ排出ポート，７０…第１予冷装置，７１…第１供給配管，７２…第１熱交換器，７３…第１循環配管，７４…第１圧送ポンプ，７５…第１排出配管，８０…第２予冷装置，８１…第２供給配管，８２…第２熱交換器，８３…第２循環配管，８４…第２圧送ポンプ，８５…第２排出配管

Claims (6)

  1. 無隔膜型の電解槽に供給される水を、該電解槽内で電気分解することにより水素ガスと酸素ガスとを生成する水電解装置と、
    前記水電解装置で生成された水素ガス及び酸素ガスの混合ガスを、酸素ガスが液化する所定の第１温度以下に冷却することにより、該混合ガス中の酸素ガスを液体酸素にする第１冷却装置と、
    前記第１冷却装置で冷却された混合ガスを水素ガスと液体酸素とに分離する気液分離器と、
    前記気液分離器で分離された水素ガスを、水素ガスが液化する所定の第２温度以下に冷却することにより、該水素ガスを液体水素にする第２冷却装置と、
    前記第２冷却装置で液化された液体水素を貯留するタンクと、
    前記水電解装置から前記第１冷却装置に供給される混合ガス及び、前記気液分離器から前記第２冷却装置に供給される水素ガスの何れか一方又は両方を、前記タンクに貯留された前記液体水素の蒸発により発生するボイルオフガスと熱交換することにより予冷する予冷装置と、を備える
    ことを特徴とする水素製造システム。
  2. 無隔膜型の電解槽に供給される水を、該電解槽内で電気分解することにより水素ガスと酸素ガスとを生成する水電解装置と、
    前記水電解装置で生成された水素ガス及び酸素ガスの混合ガスを、酸素ガスが液化する所定の第１温度以下に冷却することにより、該混合ガス中の酸素ガスを液体酸素にする第１冷却装置と、
    前記第１冷却装置で冷却された混合ガスを水素ガスと液体酸素とに分離する気液分離器と、
    前記気液分離器で分離された水素ガスを、水素ガスが液化する所定の第２温度以下に冷却することにより、該水素ガスを液体水素にする第２冷却装置と、
    前記第２冷却装置で液化された液体水素を貯留するタンクと、
    前記水電解装置から前記第１冷却装置に供給される混合ガスを、前記気液分離器で分離された液体酸素と熱交換することにより予冷する予冷装置と、を備える
    ことを特徴とする水素製造システム。
  3. 無隔膜型の電解槽に供給される水を、該電解槽内で電気分解することにより水素ガスと酸素ガスとを生成する水電解装置と、
    前記水電解装置で生成された水素ガス及び酸素ガスの混合ガスを、酸素ガスが液化する所定の第１温度以下に冷却することにより、該混合ガス中の酸素ガスを液体酸素にする第１冷却装置と、
    前記第１冷却装置で冷却された混合ガスを水素ガスと液体酸素とに分離する気液分離器と、
    前記気液分離器で分離された水素ガスを、水素ガスが液化する所定の第２温度以下に冷却することにより、該水素ガスを液体水素にする第２冷却装置と、
    前記第２冷却装置で液化された液体水素を貯留するタンクと、
    前記水電解装置から前記第１冷却装置に供給される混合ガスを、前記気液分離器で分離された液体酸素と熱交換することにより予冷する第１予冷装置と、
    前記水電解装置から前記第１冷却装置に供給される混合ガス及び、前記気液分離器から前記第２冷却装置に供給される水素ガスの何れか一方又は両方を、前記タンクに貯留された前記液体水素の蒸発により発生するボイルオフガスと熱交換することにより予冷する第２予冷装置と、を備える
    ことを特徴とする水素製造システム。
  4. 無隔膜型の電解槽に供給される水を、該電解槽内で電気分解することにより水素ガスと酸素ガスとを生成する電解工程と、
    前記電解工程で生成された水素ガスと酸素ガスの混合ガスを、酸素ガスが液化する所定の第１温度以下に冷却することにより、該混合ガス中の酸素ガスを液体酸素にする第１冷却工程と、
    前記第１冷却工程で冷却された混合ガスを液体酸素と水素ガスとに分離する気液分離工程と、
    前記気液分離工程で分離された水素ガスを、水素ガスが液化する所定の第２温度以下に冷却することにより、該水素ガスを液体水素にする第２冷却工程と、
    前記第２冷却工程で液化された液体水素をタンクに貯留する貯留工程と、
    前記電解工程の後、前記第１冷却工程で冷却される前の混合ガス及び、前記気液分離工程の後、前記第２冷却工程で冷却される前の水素ガスの何れか一方又は両方を、前記タンクに貯留された前記液体水素の蒸発により発生するボイルオフガスと熱交換することにより予冷する予冷工程と、を有する
    ことを特徴とする水素製造方法。
  5. 無隔膜型の電解槽に供給される水を、該電解槽内で電気分解することにより水素ガスと酸素ガスとを生成する電解工程と、
    前記電解工程で生成された水素ガスと酸素ガスの混合ガスを、酸素ガスが液化する所定の第１温度以下に冷却することにより、該混合ガス中の酸素ガスを液体酸素にする第１冷却工程と、
    前記第１冷却工程で冷却された混合ガスを液体酸素と水素ガスとに分離する気液分離工程と、
    前記気液分離工程で分離された水素ガスを、水素ガスが液化する所定の第２温度以下に冷却することにより、該水素ガスを液体水素にする第２冷却工程と、
    前記第２冷却工程で液化された液体水素をタンクに貯留する貯留工程と、
    前記電解工程の後、前記第１冷却工程で冷却される前の混合ガスを、前記気液分離工程で分離された液体酸素と熱交換することにより予冷する予冷工程と、を有する
    ことを特徴とする水素製造方法。
  6. 無隔膜型の電解槽に供給される水を、該電解槽内で電気分解することにより水素ガスと酸素ガスとを生成する電解工程と、
    前記電解工程で生成された水素ガスと酸素ガスの混合ガスを、酸素ガスが液化する所定の第１温度以下に冷却することにより、該混合ガス中の酸素ガスを液体酸素にする第１冷却工程と、
    前記第１冷却工程で冷却された混合ガスを液体酸素と水素ガスとに分離する気液分離工程と、
    前記気液分離工程で分離された水素ガスを、水素ガスが液化する所定の第２温度以下に冷却することにより、該水素ガスを液体水素にする第２冷却工程と、
    前記第２冷却工程で液化された液体水素をタンクに貯留する貯留工程と、
    前記電解工程の後、前記第１冷却工程で冷却される前の混合ガスを、前記気液分離工程で分離された液体酸素と熱交換することにより予冷する第１予冷工程と、
    前記電解工程の後、前記第１冷却工程で冷却される前の混合ガス及び、前記気液分離工程の後、前記第２冷却工程で冷却される前の水素ガスの何れか一方又は両方を、前記タンクに貯留された前記液体水素の蒸発により発生するボイルオフガスと熱交換することにより予冷する第２予冷工程と、を有する
    ことを特徴とする水素製造方法。
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