JP2023151906A - 水素供給システム - Google Patents

Abstract

【課題】水素の生産効率が向上された水素供給システムを提供する。【解決手段】水電解装置１８を有して、水４０を電気分解させることにより水素４１を発生させると共に該水素４１を水素利用装置１９へ供給する水電解システム１１と、上記水素利用装置１９から排出される排出ガス４２から、該排出ガス４２に含まれる上記水素４１を回収する水素分離膜２０を有するとともに、上記水素分離膜２０によって回収された回収水素ガス４３を上記水素利用装置１９に供給する水素回収システム１２と、上記水電解システム１１、及び上記水素回収システム１２の、少なくともいずれか一方に設けられた加熱器１３，１４，３６と、を備え、上記水素分離膜２０によって上記回収水素ガス４３が回収された後に残存するブリードガス４４には上記水素４１が含まれており、上記ブリードガス４４は上記加熱器１３，１４，３６の熱エネルギー源とされる、水素供給システム１０。【選択図】図１

Description

本発明は、水素供給システムに関する。

従来、水素を製造する水素供給システムとして特許文献１に記載のものが知られている。この水素供給システムは、アノード、カソード、及びアノードとカソードとの間の電解質を含むセルを有する。セルには、供給原料としての水が、液体として蒸気発生器に圧送される。水蒸気は、セルに供給される前に、予熱器により予熱されるようになっている。また、特許文献１に記載されたセルは、５００℃～１０００℃、場合によっては１０００℃を超える高温で動作するようになっている。

特許第６３７４９６５公報

供給原料としての水を蒸発させるために、継続的に液体の水を加熱しようとすると、多くのエネルギーが使用される。また、セルを高温に維持するためにも多くのエネルギーが使用される。このため、上記の技術においては、水素供給システムに供給されたエネルギーを考慮すると、水素の生産効率が低いという課題があった。

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、水素の生産効率が向上された水素供給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、
アノード（１５）、カソード（１６）、及び上記アノードと上記カソードとの間に配された電解質（１７）、を含む水電解装置（１８）を有して、水（４０）を電気分解させることにより水素（４１）を発生させると共に該水素を水素利用装置（１９）へ供給する水電解システム（１１）と、
上記水素利用装置から排出される排出ガス（４２）から、該排出ガスに含まれる上記水素を回収する水素分離膜（２０）を有するとともに、上記水素分離膜によって回収された回収水素ガス（４３）を上記水素利用装置に供給する水素回収システム（１２）と、
上記水電解システム、及び上記水素回収システムの、少なくともいずれか一方に設けられた加熱器（１３，１４，３６，５１、５２）と、を備え、
上記水素分離膜によって上記回収水素ガスが回収された後に残存するブリードガス（４４）には上記水素が含まれており、上記ブリードガスは上記加熱器の熱エネルギー源とされる、水素供給システム（１０）にある。

ブリードガスには水素が含まれているため、水電解システム、及び水素回収システムの少なくともいずれか一方に設けられた加熱器に、ブリードガスを熱エネルギー源として使用することができる。ブリードガスに含まれた水素は水電解システムによって生成されたものなので、上記水素供給システムのようにブリードガスを加熱器の熱エネルギー源とする場合、加熱器の熱エネルギー源を外部から供給する場合に比べて、水素供給システム全体に供給するエネルギー量を低減させることができる。これにより、水素供給システムに供給したエネルギーに対して水素の生産効率を向上させることができる。

以上のごとく、上記態様によれば、水素の生産効率が向上された水素供給システムを提供することができる。

なお、特許請求の範囲及び課題を解決する手段に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであり、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

実施形態１の水素供給システムを示す構成図である。 実施形態２の水素供給システムを示す構成図である。

（実施形態１）
１．水素供給システム１０の構成
水素供給システム１０に係る実施形態について、図１を参照して説明する。本形態において、水素供給システム１０は、水電解システム１１と、水素回収システム１２と、加熱器としての第１バーナ１３、第２バーナ１４及び熱交換器３６と、を備える。水電解システム１１は、アノード１５、カソード１６、及びアノード１５とカソード１６との間に配された電解質１７、を含む水電解装置１８を有する。水電解システム１１は、水４０を電気分解させることにより水素４１を発生させると共に水素４１を水素利用装置１９へ供給する。水素回収システム１２は、水素利用装置１９から排出される排出ガス４２から、排出ガス４２に含まれる水素４１を回収する水素分離膜２０を有する。水素回収システム１２は、水素分離膜２０によって回収された回収水素ガス４３を水素利用装置１９に供給する。第１バーナ１３、第２バーナ１４及び熱交換器３６は、水電解システム１１に設けられている。水素分離膜２０によって回収水素ガス４３が回収された後に残存するブリードガス４４には水素４１が含まれている。ブリードガス４４は第１バーナ１３、第２バーナ１４及び熱交換器３６の熱エネルギー源とされる。

水電解システム１１は、水電解装置１８、第１バーナ１３、電源２１、エアポンプ２２，２３、フィルタ２４、水ポンプ２５、熱交換器３６、水蒸発器２６、第２バーナ１４、後処理装置２７、圧縮機２８、及びタンク３１を備える。第１バーナ１３が、水電解システム１１の水電解装置１８を加熱するための第１加熱器に相当する。第２バーナ１４は、水蒸発器２６を加熱するための第２加熱器に相当する。熱交換器３６は、水４０を加熱するための加熱器に相当する。

水電解装置１８は電解セル３２を有する。図１には、１つの電解セル３２が例示される。水電解装置１８は、２以上の任意の個数の電解セル３２を備える構成としてもよい。各電解セル３２はアノード１５、カソード１６、及び電解質１７を有する。電解セル３２のカソード１６には、フィルタ２４によって不純物が除去された空気４８が、エアポンプ２３によって加圧された状態で供給されるようになっている。電解セル３２のアノード１５には、水蒸気４５が供給されるようになっている。この水蒸気４５は、水ポンプ２５によって水蒸発器２６に供給された水４０が、水蒸発器２６において第２バーナ１４によって加熱されることによって得られる。この第２バーナ１４の燃料は水素４１とされる。第２バーナ１４には、後述するブリードガス４４が、燃料として供給されるようになっている。上記の燃料は、第２バーナ１４に供給される熱エネルギー源に相当する。電解セル３２には、電源２１から所定の電圧が印加されるようになっている。

水４０は、水蒸発器２６に供給される前に、熱交換器３６によって予熱される。熱交換器３６には、ブリードガス４４が熱源として供給されるようになっている。ブリードガス４４は比較的に高温になっており、ブリードガス４４の保持する熱エネルギーが、熱交換器３６の熱エネルギー源に相当する。熱交換器３６に供給されたブリードガス４４は、熱交換器３６に熱エネルギーを受け渡した後、第２バーナ１４に燃料として供給される。ブリードガス４４に含まれる水素４１が第２バーナ１４の燃料として使用される。

本形態において、水電解装置１８は、固体酸化物形電解セル（すなわち、ＳＯＥＣ）によって構成されている。水電解装置１８は第１バーナ１３を備える。第１バーナ１３によって水電解装置１８は所定の温度に加熱される。水電解装置１８の温度は特に限定されず、必要に応じて任意の温度に設定される。水電解装置１８が固体酸化物形電解セルである本形態の場合、例えば、５００℃～１０００℃に設定される。なお、水電解装置１８がプロトン伝導形セラミック電解セル（すなわち、ＰＣＥＣ）である場合には、例えば５００℃～６００℃に設定される。水電解装置１８がプロトン交換膜形電解セル（すなわち、ＰＥＭ）である場合には、例えば常温～１００℃に設定される。水電解装置１８がアルカリ水電解質を備える場合には、例えば約１００℃に設定される。

第１バーナ１３には、エアポンプ２２によって加圧された空気４８が供給されるようになっている。また、第１バーナ１３には、燃料として水素４１が供給される。上記の燃料は、第１バーナ１３に供給される熱エネルギー源に相当する。本形態では、後述するタンク３１に貯留された水素４１、又は後述するブリードガス４４が、燃料として第１バーナ１３に供給されるようになっている。第１バーナ１３の排気４６は、後述する熱交換器３３に供給された後に、外部に排出される。

電解セル３２のカソード１６において生成された酸素４９は、カソード１６に供給された空気４８とともに外部に排出される。

電解セル３２のアノード１５において生成された水素４１は、後処理装置２７において後処理が実行される。後処理は必要に応じて任意の処理が採用可能であって、例えば、水素４１の高純度化、未反応の水４０の除去、不純物の除去、冷却による未反応の水蒸気４５の除去等が実行される。

後処理が実行された水素４１は、圧縮機２８によって所定の圧力に加圧された後にタンク３１に貯留される。タンク３１に貯留された水素４１の一部は、上記した第１バーナ１３の燃料とされる。また、タンク３１に貯留された水素４１の一部は、電解セル３２を還元雰囲気にして電解セル３２を保護するために、水蒸気４５とともに電解セル３２に供給される。

タンク３１に貯留された水素４１は、水素４１を利用する水素利用装置１９に供給される。水素利用装置１９は特に限定されない。水素利用装置１９としては、例えば、水素４１を原料として化学物質を製造する装置、水素４１によって形成された還元雰囲気下で還元処理を実行する装置、水素４１によって形成された還元雰囲気下で製品を製造加工する装置等、任意の装置を選択できる。水素利用装置１９は、水素４１を利用した後に、排出ガス４２を排出する。排出ガス４２には、タンク３１から供給された水素４１が残存している。排出ガス４２に含まれる水素４１の量は、水素利用装置１９の種類によって変化しうる。

水素利用装置１９から排出された排出ガス４２は、水素回収システム１２に供給される。水素回収システム１２は、圧縮機２９，３０、熱交換器３３、及び水素分離装置３４を備える。

水素利用装置１９から排出された排出ガス４２は圧縮機２９に供給され、圧縮機２９によって所定の圧力に加圧される。圧縮機２９によって加圧された排出ガス４２は、熱交換器３３によって加熱される。熱交換器３３は、第１バーナ１３からの排気４６の熱によって、水素利用装置１９から排出された排出ガス４２を加熱する構成となっている。これにより、水素供給システム１０の熱効率が向上する。

熱交換器３３によって加熱された排出ガス４２は、水素分離装置３４に供給される。水素分離装置３４は、筐体３５と、筐体３５内に配された水素分離膜２０と、を備える。水素分離膜２０の形状は特に限定されず、膜状、筒状、中空糸状等、任意の形状を適宜に選択できる。

水素分離膜２０の材質は特に限定されず、例えば、公知のパラジウム、パラジウム合金膜、ニッケル－ニオブ－ジルコニウムの合金や、アモルファスシリカ、ＳｉＣ系膜、高分子膜等、任意の材料を適宜に用いることができる。

水素分離装置３４の筐体３５内には、圧縮機２９によって所定の圧力に高められるとともに、熱交換器３３によって所定の温度まで高められた排出ガス４２が注入される。排出ガス４２に含まれる水素４１は、筐体３５内に配された水素分離膜２０を通過する。これにより、排出ガス４２から回収水素ガス４３が回収される。回収水素ガス４３には、排出ガス４２よりも高い濃度の水素４１が含まれている。回収水素ガス４３は、圧縮機３０によって加圧された後、タンク３１に供給される。タンク３１に供給された回収水素ガス４３は、再び水素利用装置１９に供給される。このように、本形態によれば水素４１を再利用することができる。

一方、筐体３５内に注入された排出ガス４２のうち、水素分離膜２０を通過しなかった気体は、ブリードガス４４として水素分離装置３４から排出される。ブリードガス４４は、水素４１以外の気体を含むとともに、水素分離膜２０を通過できかった水素４１も含む。ブリードガス４４に含まれる水素４１の割合は特に限定されず、任意の割合で水素４１が含まれるようになっている。

ブリードガス４４は、第１バーナ１３と、第２バーナ１４に供給される。ブリードガス４４に含まれる水素４１が、第１バーナ１３及び第２バーナ１４の燃料として利用される構成とされる。

なお、図１に示す各構成要素同士をつなぐ矢印は、液体又は気体の流通経路を示すが、これらの経路は、配管等にて構成される。後述する図２においても同様である。

２．効果
続いて、本形態の作用効果について説明する。本形態においては、水素分離膜２０によって回収水素ガス４３が回収された後に残存するブリードガス４４には水素４１が含まれている。そのため、水電解システム１１に設けられた第１バーナ１３及び第２バーナ１４に、ブリードガス４４を熱エネルギー源として使用することができる。ブリードガス４４に含まれた水素４１は水電解システム１１によって生成されたものなので、第１バーナ１３及び第２バーナ１４及び熱交換器３６の熱エネルギー源を外部から供給する場合に比べて、水素供給システム１０全体に供給するエネルギー量を低減させることができる。また、ブリードガス４４は比較的に高温なので、ブリードガス４４を熱交換器３６の熱エネルギー源として使用することができる。これにより、熱交換器３６の熱エネルギー源を外部から供給する場合に比べて、水素供給システム１０全体に供給するエネルギー量を低減させることができる。この結果、水素供給システム１０に供給したエネルギーに対して水素４１の生産効率を向上させることができる。

また、回収水素ガス４３を水素利用装置１９に供給することができるので、水素利用装置１９に供給するために生産する水素４１の量を減少させることができる。これにより、水素供給システム１０のシステム規模、ランニングコストを低減させることができるので、水素４１の製造コストを低減させることができる。

ブリードガス４４を第１バーナ１３及び第２バーナ１４の燃料として使用するので、廃棄される水素４１の量を低減させることができる。これにより、ブリードガス４４に含まれた水素４１を廃棄するために必要とされた設備が不要になるので、全体として排気処理を簡素化することができる。

ブリードガス４４を熱交換器３６に供給して水４０を加熱するので、ブリードガス４４の保持する熱エネルギー自体を熱源としてしようすることができる。これにより、水素４１の生産効率を向上させることができる。さらに、熱エネルギーを熱交換器３６に受け渡した後であっても、ブリードガス４４は水素４１を含んでいるので、さらに第２バーナ１４に燃料として供給される。これにより、さらに水素４１の生産効率を向上させることができる。ただし、ブリードガス４４は、例えば加熱する必要のある装置、ガス等、任意の対象物を加熱するための熱交換器に供給されて、対象物を加熱するための熱エネルギー源とされる構成としてもよい。

本形態では、第１バーナ１３は水電解システム１１に設けられている。これにより、水電解システム１１における水素４１の生産効率を向上させることができるので、水素供給システム１０における水素４１の生産効率を向上させることができる。

本形態では、第１バーナ１３は、水電解システム１１の水電解装置１８を加熱する構成とされる。水素４１の生産効率の観点からは、水電解装置１８は比較的に高温に維持されることが好ましい。水電解装置１８を加熱するための第１バーナ１３に、ブリードガス４４を熱エネルギー源として使用することにより、第１バーナ１３の熱エネルギー源を外部から供給する場合に比べて、水電解システム１１における水素４１の生産効率を向上させることができる。これにより、水素供給システム１０における水素４１の生産効率を向上させることができる。

水電解システム１１は水４０を蒸発させるための水蒸発器２６を有し、第２バーナ１４は、水蒸発器２６を加熱する構成とされる。水４０を蒸発させる際、水４０に蒸発潜熱に相当する熱エネルギーを与える必要がある。水蒸発器２６において水４０を継続的に蒸発させるためには、水４０に継続的に熱エネルギーを与えることになるため、水蒸発器２６に与えられる熱エネルギーは比較的に大きなものとなる。水蒸発器２６を加熱するための第２バーナ１４に、ブリードガス４４を熱エネルギー源として使用することにより、第２バーナ１４の熱エネルギー源を外部から供給する場合に比べて、水電解システム１１における水素４１の生産効率を向上させることができる。この結果、水素供給システム１０における水素４１の生産効率を向上させることができる。

本形態では、水電解装置１８には固体酸化物形電解セルが適用されている。固体酸化物形電解セルは、例えば、７００℃以上の比較的高温で使用されるので、固体酸化物形電解セルを加熱する際には、比較的に多くの熱エネルギーが必要とされる。このような固体酸化物形電解セルを用いた水素供給システム１０において、ブリードガス４４を熱エネルギー源として使用することは、特に有効である。

（実施形態２）
続いて、実施形態２の水素供給システム５０について図２を参照して説明する。本形態においては、水素回収システム１２の熱交換器３３に第３バーナ５１が配置されている。第３バーナ５１により熱交換器３３が所定の温度に加熱される。これにより、熱交換器３３を通過する排出ガス４２が、水素分離膜２０に流通される前に、所定の温度に加熱される。第３バーナ５１が、排出ガス４２を水素分離膜２０に流通する前に加熱する第３加熱器に相当する。第３バーナ５１には、ブリードガス４４が燃料として供給される。上記の燃料は、第３バーナ５１に供給される熱エネルギー源に相当する。

また、本形態においては、水素分離装置３４には第４バーナ５２が配置されている。第４バーナ５２により、水素分離装置３４に配置された水素分離膜２０が加熱される。第４バーナ５２は、水素回収システムに設けられた加熱器に相当する。第４バーナ５２には、ブリードガス４４が燃料として供給される。上記の燃料は、第４バーナ５２に供給される熱エネルギー源に相当する。

ただし、本形態では第３バーナ５１及び第４バーナ５２が配置される構成としたが、第３バーナ及び第４バーナの一方のみが配置される構成としてもよい。

本形態においては、水素分離装置３４によって分離された回収水素ガス４３は、後処理装置２７において後処理が実行された後であって、且つ圧縮機２８に供給される前に、水素４１に合流される。これにより、圧縮機２８を、水電解装置１８によって生成された水素４１と、水素分離装置３４によって回収された回収水素ガス４３とで共用できるので、水素４１の製造コストを低減させることができる。

また、本形態においては、第１バーナ１３からの排気４７は、熱交換器３３に供給されずに、外部に排出される構成とされている。ただし、排気４７は、熱交換器３３とは異なる熱交換器に供給されて、図示しない他の機器を加熱する構成としてもよい。

また、本形態においては、水４０を加熱する熱交換器３６が省略されている。

上記以外の構成については、実施形態１と略同様なので、同一部材については同一符号を付し、重複する説明を省略する。

排出ガス４２から水素分離膜２０によって水素４１を回収するためには、排出ガス４２を所定の温度に加熱することが好ましい。排出ガス４２の温度は、例えば、３００～４００℃に設定される。排出ガス４２を加熱するための第３バーナ５１に、ブリードガス４４を熱エネルギー源として使用することにより、第３バーナ５１の熱エネルギー源を外部から供給する場合に比べて、水素供給システム１０における水素４１の生産効率を向上させることができる。

また、水素分離膜２０を加熱することにより、回収水素ガス４３の分離効率を向上させることができる。この水素分離膜２０を加熱するための第４バーナ５２に、ブリードガス４４を熱エネルギー源として使用することにより、第４バーナ５２の熱エネルギー源を外部から供給する場合に比べて、水素供給システム１０における水素４１の生産効率を向上させることができる。

本発明は上記各実施形態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種々の実施形態に適用することが可能である。

本形態においては、水電解装置１８は固体酸化物形電解セルを備える構成としたが、これに限られず、例えば、プロトン伝導形セラミック電解セルを備える構成としてもよい。プロトン伝導形セラミック電解セルは、例えば、５００℃～６００℃のような比較的高温で使用されるので、プロトン伝導形セラミック電解セルを加熱する際には、比較的に多くの熱エネルギー源が必要とされる。このようなプロトン伝導形セラミック電解セルを用いた水素供給システム１０において、ブリードガス４４を熱エネルギー源として使用することは、特に有効である。また、水電解装置１８は、プロトン交換膜（すなわち、ＰＥＭ）を備えてもよく、また、アルカリ水電解質を適用する構成としてもよい。

実施形態２においては、第１～第４バーナ１３、１４，５１，５２にブリードガス４４が熱エネルギー源として供給される構成としたが、ブリードガス４４はイグナイタに燃料として供給される構成としてもよいし、他の燃焼装置の燃料として供給される構成としてもよい。

１０，５０…水素供給システム、１１…水電解システム、１２…水素回収システム、１３…第１バーナ、１４…第２バーナ、１５…アノード、１６…カソード、１７…電解質、１８…水電解装置、１９…水素利用装置、２０…水素分離膜、３６…熱交換器、４０…水、４１…水素、４２…排出ガス、４３…回収水素ガス、４４…ブリードガス、５１…第３バーナ、５２…第４バーナ

Claims (7)

1. アノード（１５）、カソード（１６）、及び上記アノードと上記カソードとの間に配された電解質（１７）、を含む水電解装置（１８）を有して、水（４０）を電気分解させることにより水素（４１）を発生させると共に該水素を水素利用装置（１９）へ供給する水電解システム（１１）と、
   上記水素利用装置から排出される排出ガス（４２）から、該排出ガスに含まれる上記水素を回収する水素分離膜（２０）を有するとともに、上記水素分離膜によって回収された回収水素ガス（４３）を上記水素利用装置に供給する水素回収システム（１２）と、
   上記水電解システム、及び上記水素回収システムの、少なくともいずれか一方に設けられた加熱器（１３，１４，３６，５１，５２）と、を備え、
   上記水素分離膜によって上記回収水素ガスが回収された後に残存するブリードガス（４４）には上記水素が含まれており、上記ブリードガスは上記加熱器の熱エネルギー源とされる、水素供給システム（１０）。
2. 上記加熱器は上記水電解システムに設けられている、請求項１に記載の水素供給システム。
3. 上記加熱器は、上記水電解システムの上記水電解装置を加熱するための第１加熱器（１３）である、請求項２に記載の水素供給システム。
4. 上記水電解システムは上記水を蒸発させるための水蒸発器（２６）を有し、
   上記加熱器は、上記水蒸発器を加熱するための第２加熱器（１４）である、請求項２又は３に記載の水素供給システム。
5. 上記加熱器は、上記水素回収システムに設けられるとともに、上記排出ガスを上記水素分離膜に流通させる前に加熱する第３加熱器（５１）である、請求項２～４のいずれか一項に記載の水素供給システム。
6. 上記水電解装置は固体酸化物形電解セルである、請求項１～５のいずれか一項に記載の水素供給システム。
7. 上記水電解装置は、プロトン伝導形セラミック電解セル、請求項１～５のいずれか一項に記載の水素供給システム。

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