JP5044112B2 - 高温水蒸気電解装置及びその電解方法 - Google Patents
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Description
本発明は、高温水蒸気を電気分解して水素を生成する高温水蒸気電解装置及びその電解方法に関する。
この種の高温水蒸気電解法として、高温の水蒸気を電気分解し水素ガスと酸素ガスとを得る方法が知られている。その動作原理は固体電解質燃料電池（ＳＯＦＣ：Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）の逆反応を利用するものである。
高温水蒸気電解を行うには、一般には、固体酸化物電解質材料を挟んで、水素極と酸素極とが設けられている電気化学セルが使用される。この電気化学セルの電解によって得られる水素と酸素とを隔てる構造が必要となる。通常、水素極側雰囲気は、燃料となる水蒸気と水素が主成分となり、一方、酸素極側雰囲気は、供給ガスを空気としたときは、窒素と酸素が主な成分となり、供給ガスを酸素としたときは、酸素が主な成分となる。
また、電気化学セルの構造は、平板型や円筒型等がある。この電気化学セルの水素極側雰囲気と酸素側雰囲気は電気化学セルの構成部位である固体酸化物電解質の緻密構造とセル端部のガスシールにより分け隔てられている。このように隔離することにより、水素極側雰囲気及び酸素側雰囲気の相互への雰囲気ガスのリークを最小限になるように構成されている。
図２は、従来の高温水蒸気電解装置の概略構成を示す縦断面図である。
本図において、高温水蒸気電解装置は、電解セル４、電解セル４を格納した格納容器１２とから構成される。この電解セル４は、電解質１を挟んで、電解質１の一方の面には水素極２を、他方の面には酸素極３を設けることにより構成されている。
上記の電解セル（電気化学セル）４の水素極２には、電源１３の負極と結合した給電端子５が設けられている。また、電解セル４の酸素極３には、電源１３の正極と結合した給電端子５ａが設けられている。
上記の格納容器１２は、水素極２に面し水素極２に水蒸気１８を供給する水素極側マニホールド６と、酸素極３に面し酸素極３側で生成された酸素２０を取り出す酸素極側マニホールド７とに区分される。
上記の水素極２で生成された水素１９は、水素極側マニホールド６から排出された後に、冷却装置８により冷却される。この冷却された水素１９は、反応器１１において水蒸気と水素を分離された後に反応器１１の系外へ取り出される。この生成ガスの一部はリサイクルされ、再び水素極側マニホールド６に供給されることもある。また、生成された水素は、直接別の用途で使用される以外は、コンプレッサを介して高圧タンクに保管され、または別の反応器により貯蔵や輸送に適した化合物へ変換される。
上述の高温水蒸気電解装置においては、生成された水素は一旦冷却された後に再び暖められ又は圧縮されて使用されるために、エネルギーロスが大きい。このため、熱交換器等で廃熱を回収する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開平７−１３８１９８号公報
上述した従来の高温水蒸気電解装置においては、生成された水素は一旦冷却された後に再び暖められ又は圧縮されて使用されるので、エネルギーロスが大きいために、熱交換器等で廃熱を回収している。
しかし、熱交換器等で廃熱を回収するために、装置が複雑化する、という課題があった。
上述のように、従来の水蒸気電解装置においては、生成した水素を効率よく貯蔵や輸送に適した化合物へ変換するための反応器システムが必要である、という課題があった。
本発明は上記課題を解決するためになされたもので、水蒸気電解装置の内部で生成した水素を効率よく貯蔵や輸送に適した化合物へ変換することのできる高温水蒸気電解装置及びその電解方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明は、酸素イオンを伝導する電解質と、この電解質一方の面に設けられ水蒸気を分解して水素イオン及び酸素イオンを生成させる水素極と、前記電解質の他方の面に設けられ前記電解質を通過した酸素イオンを酸素ガスとして排出する酸素極と、前記水素極及び酸素極に給電する電源とを有する電解セルを用いて水蒸気を電気分解して水素を生成する水蒸気電解装置において、前記水素極側に水蒸気を供給する水素極側マニホールドと、前記酸素極側に発生した酸素ガスを排出する酸素極マニホールドと、前記生成された水素から水素極側に供給される運転温度で気体となる一酸化窒素から成る還元媒体を介してアンモニアを生成するアンモニア生成手段と、を有し、このアンモニア生成手段は、前記還元媒体と水素との反応が水素極側マニホールド、この水素極側マニホールドの下流側配管及び反応器の少なくともいずれか一つの内部に設けられた触媒を具備することを特徴とするものである。
また、上記目的を達成するため、本発明は、酸素イオンを伝導する電解質と、この電解質一方の面に設けられ水蒸気を分解して水素イオン及び酸素イオンを生成させる水素極と、前記電解質の他方の面に設けられ前記電解質を通過した酸素イオンを酸素ガスとして排出する酸素極と、前記水素極及び酸素極に給電する電源とを有する電解セルを用いて水蒸気を電気分解して水素を生成する水蒸気電解方法において、前記水素極側に水蒸気を供給する水蒸気供給ステップと、前記供給された水蒸気を分解して水素及び酸素が生成させる水素生成ステップと、前記生成された水素と水素極側に供給される運転温度で気体となる一酸化窒素から成る還元媒体との反応が水素極側マニホールド、この水素極側マニホールドの下流側配管及び反応器の少なくともいずれか一つの内部に設けられた触媒を介してアンモニアを生成するアンモニア生成ステップと、を有することを特徴とするものである。
本発明の高温水蒸気電解装置及びその電解方法によれば、水素極側に水蒸気と運転温度で気体となる一酸化窒素から成る還元媒体を供給し、生成した水素と還元媒体とを更に水素極側に設けられた触媒を介して反応させてアンモニアに変換することにより、水素生成反応と水素を貯蔵や輸送に適した化合物に変換する反応を効率よく進めて、エネルギーロスを大幅に削減することができる。
以下、本発明に係る高温水蒸気電解装置及びその電解方法の実施の形態について、図面を参照して説明する。ここで、同一又は類似の部分には共通の符号を付すことにより、重複説明を省略する。
図１は、本発明の実施の形態の高温水蒸気電解装置の概略構成を示す縦断面図である。
本図に示すように、高温水蒸気電解装置は、主に、電解セル４と、この電解セル４を格納する格納容器１２とから構成される。
この電解セル４は、酸素イオンを伝導する電解質１を挟んで、電解質１の一方の面には水素極２を、他方の面には酸素極３を設けることにより構成されている。この水素極２においては、水蒸気を電気分解して水素イオンと酸素イオンとが生成され、酸素イオンが電解質１に供給される。酸素極３においては、電解質１を通過した酸素イオンが導入され外部に酸素ガスとして放出される。
上記の電解セル（電気化学セル）４内の水素極２の一方の面に沿って、格納容器１２の外部に配置された電源１３の負極と接続した給電端子５が設けられ給電される。また、電気化学セル４内の酸素極３の一方の面に沿って、電源１３の正極と接続した給電端子５ａが設けられ給電される。
上記の格納容器１２は、水素極２に面し水素極２に水蒸気１８を供給する水素極側マニホールド６と、酸素極３に面し酸素極３側で発生した酸素を取り出す酸素極側マニホールド７とに区分される。この水素極側マニホールド６には、水蒸気１８を導入する水素極側ガス供給部１４が設けられている。また、導入された水蒸気１８を電気分解して生成した水素を排出する水素極側ガス排出部１５が設けられている。一方、酸素極側マニホールド７には、キャリアガスとして空気、酸素ガス等が導入される酸素極側ガス供給部１６が設けられている。また、導入された水蒸気１８を電気分解して生成した酸素ガス２０を排出する酸素極側ガス排出部１７が設けられている。
上記の水素極２において水蒸気１８を電気分解して生成した水素１９は、水素極側マニホールド６の水素極側ガス排出部１５から冷却装置８に排出される。この冷却装置８において、水素１９は冷却され水素１９に含まれていた水蒸気が分離される。この水蒸気が除かれ分離された水素１９は、反応器２１に導出される。また、冷却装置８で分離された水蒸気は、反応器２１の系外へ排出され、一部はリサイクルし、再び水素極側マニホールド６に供給してもよい。さらに、生成された水素１９は、直接の用途で使用される以外は、コンプレッサ９を介して圧縮した後に高圧タンク１０内に保管され、または別の反応器２１により貯蔵や輸送に適した化合物へ変換してもよい。
ここで、水蒸気１８を電気分解して生成された水素１９に関し、反応器２１において貯蔵や輸送に適した水素化合物へ変換する方法について以下に説明する。
本実施形態では、一例として、還元媒体として一酸化炭素を用い、製品としてジメチルエーテルを得る反応について説明する。実際には、この他にも還元媒体としては二酸化炭素や一酸化窒素を用い、製品としては炭化水素化合物であるメタン、メタノールやアンモニア等様々な組合せを適用することができるが、これらに限定されるものではない。
一酸化炭素と水素からジメチルエーテルを生成する触媒作用を有する物質としてはアルミナ、補助触媒として銅、亜鉛等の金属成分を挙げることができる。これらの物質を電解セル４の水素極２の表面や水素極側ガスマニホールド６に担持させ、水素極２で生成した水素と一酸化炭素からジメチルエーテルを製造する。
上記の触媒は、冷却装置８、この冷却装置８の下流側に位置する反応管の壁面又は反応器１１の内壁面に塗布してもよい。または、粒状に成型した触媒を反応器２１内に充填してもよい。
本実施形態において、１つの反応システムにより、水蒸気電解による水素生成からジメチルエーテルの合成までの化学反応を効率よく進行させることができる。
本実施形態により、水素極側２に水蒸気１８と還元媒体を供給し、生成した水素１９と還元媒体とをさらに反応させて新たな水素化合物を生成することにより、水素生成反応並びにこの生成された水素を貯蔵又は輸送に適した化合物に変換する反応を効率よく進行させて、エネルギーロスを大幅に軽減し、エネルギー利用効率の高い高温水蒸気電解装置を得ることができる。
また、酸素極３側に、一酸化炭素又は還元剤となる炭素-水素化合物を導入し、酸素極３表面で酸化させることにより、電解セルへの印加電圧を低減し、高温水蒸気電解装置の運転動力を低く抑制することができる。
さらに、本発明は、上述したような各実施の形態に何ら限定されるものではなく、電気化学セルの構造として平板型の代わりに、円筒型、片端閉じ円筒型、ハニカム型、プリーツ型、波型等の電解セルに変更してもよく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
１…電解質、２…水素極、３…酸素極、４…電解セル（電気化学セル）、５,５ａ…給電端子、６…水素極マニホールド、７…酸素極マニホールド、８…冷却装置、９…コンプレッサ、１０…高圧タンク、１１…反応器、１２…格納容器、１３…電源、１４…水素極ガス供給部、１５…水素極ガス排出部、１６…酸素極ガス供給部、１７…酸素極ガス排出部、１８…水蒸気、１９…水素、２０…酸素、２１…反応器。
Claims (4)
- 酸素イオンを伝導する電解質と、この電解質一方の面に設けられ水蒸気を分解して水素イオン及び酸素イオンを生成させる水素極と、前記電解質の他方の面に設けられ前記電解質を通過した酸素イオンを酸素ガスとして排出する酸素極と、前記水素極及び酸素極に給電する電源とを有する電解セルを用いて水蒸気を電気分解して水素を生成する水蒸気電解装置において、
前記水素極側に水蒸気を供給する水素極側マニホールドと、
前記酸素極側に発生した酸素ガスを排出する酸素極マニホールドと、
前記生成された水素から水素極側に供給される運転温度で気体となる一酸化窒素から成る還元媒体を介してアンモニアを生成するアンモニア生成手段と、
を有し、
このアンモニア生成手段は、前記還元媒体と水素との反応が水素極側マニホールド、この水素極側マニホールドの下流側配管及び反応器の少なくともいずれか一つの内部に設けられた触媒を具備することを特徴とする高温水蒸気電解装置。 - 前記アンモニア生成手段は、前記還元媒体と水素との反応が前記電解セル内の水素極において行われることを特徴とする請求項１記載の高温水蒸気電解装置。
- 前記酸素極側に一酸化炭素又は炭化水素化合物が供給されることを特徴とする請求項１又は２に記載の高温水蒸気電解装置。
- 酸素イオンを伝導する電解質と、この電解質一方の面に設けられ水蒸気を分解して水素イオン及び酸素イオンを生成させる水素極と、前記電解質の他方の面に設けられ前記電解質を通過した酸素イオンを酸素ガスとして排出する酸素極と、前記水素極及び酸素極に給電する電源とを有する電解セルを用いて水蒸気を電気分解して水素を生成する水蒸気電解方法において、
前記水素極側に水蒸気を供給する水蒸気供給ステップと、
前記供給された水蒸気を分解して水素及び酸素が生成させる水素生成ステップと、
前記生成された水素と水素極側に供給される運転温度で気体となる一酸化窒素から成る還元媒体との反応が水素極側マニホールド、この水素極側マニホールドの下流側配管及び反応器の少なくともいずれか一つの内部に設けられた触媒を介してアンモニアを生成するアンモニア生成ステップと、
を有することを特徴とする高温水蒸気電解方法。
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