JP6363471B2

JP6363471B2 - 水素製造装置及び水素製造方法

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Publication number: JP6363471B2
Application number: JP2014223044A
Authority: JP
Inventors: 恒雄大村; 山田　和矢; 和矢山田; 新一牧野; 久夫渡邉; 斉二藤原; 重夫笠井
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2014-10-31
Filing date: 2014-10-31
Publication date: 2018-07-25
Anticipated expiration: 2034-10-31
Also published as: US20160122882A1; EP3015570A1; JP2016089205A; EP3015570B1; US10227700B2

Description

本発明の実施形態は、高温水蒸気電解を用いて水素を製造する水素製造技術に関する。

水素をエネルギー媒体とした水素エネルギー社会の実現が注目されている。水素を製造する技術の一つとして、高温水蒸気電解法が広く知られている。この高温水蒸気電解法は、高温の水蒸気を電気分解することにより水素及び酸素を生成する方法である。

この方法は、高温環境下で水蒸気の電気分解を行うことにより、水の電気分解に比べて電気分解に必要な電気量を低減することができるというメリットを有している。この性質により、室温での水の電気分解よりも３０％程度少ない電力で同じ水素製造量が得られるため、高いエネルギー効率で水素製造を行うことができる。

さらに、原料が水であるため、二酸化炭素が発生しない再生可能エネルギーによる電気と二酸化炭素が発生しない熱源を用いれば、全く二酸化炭素を排出せずに水素製造が可能となる。

また、製造した水素を一時貯める水素貯蔵方法としては、（１）圧縮して高圧水素ガスにする、（２）液化水素にする、（３）水素吸蔵材料に吸蔵する、という３つの方法が知られている。これらのうち、圧縮して高圧水素ガスにする技術は、簡易に水素を貯蔵・輸送することができるため一般に広く普及している。

従来から、水素製造技術と水素貯蔵技術とを組合せて、装置全体で熱効率の向上を実現する技術が検討されている。

例えば、特許文献１では、水素を製造する水素製造装置と、製造された水素を所定の圧力まで圧縮する水素圧縮装置と、圧縮された高圧水素を水素消費機関に供給する水素供給装置と、当該高圧水素の供給システムで消費する電力の一部又は全部を賄う燃焼タービン発電装置と、を備えており、燃焼タービン発電装置の高温排ガスを熱源として脱水素反応に要する熱量の一部又は全部を賄う技術が開示されている。

また、特許文献２には、改質ガスを原料として水素ガスを製造又は発電を行う発電−水素ポンプ結合体と、製造された水素を圧縮した高圧水素ガスを燃料電池車の水素タンクに逐次供給する水素ガス供給装置と、発電−水素ポンプ結合体の発電に伴う廃熱を利用して給湯する給湯装置と、発電−水素ポンプ結合体により発電された電力を変換し、商用電源側への売電あるいは住居への電気負荷の出力が可能なインバータと、を備える発電−水素製造システムが開示されている。

特開２００４−１９７７０５号公報特開２００９−２２１０４５号公報

ところで、製造した水素を圧縮し高圧水素ガスにして貯蔵する方法では、水素を圧縮する際に発熱が生じる。従来の技術では、水素圧縮時には冷却を実施しており、水素圧縮時に発生する熱エネルギーを水素製造効率（水素製造量または製造水素の燃焼熱量を入熱量で割ったもの）向上のために有効に利用するものでは無かった。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、水素製造に係る入熱量を低減して、水素製造効率を向上させる水素製造技術を提供することを目的とする。

本発明の実施形態に係る水素製造装置において、供給された原水を加熱して、水蒸気を発生させる水蒸気発生器と、前記水蒸気を入力して、高温水蒸気電解により水素と酸素を生成させる電解セルと、前記高温水蒸気電解において未反応であった前記水蒸気を冷却して、前記水蒸気を復水にする冷却部と、生成された前記水素と前記復水とを気液分離する気液分離器と、分離された前記水素を圧縮して、この水素を圧縮する際に生じる熱エネルギーを前記原水に伝達させる水素圧縮部と、圧縮された前記水素を貯蔵する水素貯蔵部と、前記水素圧縮部と前記水蒸気発生器との間に設けられ、冷媒を圧縮及び膨張させて熱エネルギーを移動させるヒートポンプと、を備えて、前記水素圧縮部は、前記冷媒を介して前記水素を圧縮する際に生じる熱エネルギーを前記原水に伝達させることを特徴とする。

本発明の実施形態に係る水素製造方法は、水蒸気発生器において、供給された原水を加熱して、水蒸気を発生させるステップと、前記水蒸気を入力して、高温水蒸気電解により水素と酸素を生成するステップと、前記高温水蒸気電解において未反応であった前記水蒸気を冷却して、前記水蒸気を復水にするステップと、生成された前記水素と前記復水とを気液分離するステップと、水素圧縮部において、分離された前記水素を圧縮して、この水素を圧縮する際に生じる熱エネルギーを前記原水に伝達させるステップと、圧縮された前記水素を貯蔵するステップと圧縮された前記水素を貯蔵するステップと、前記水素圧縮部と前記水蒸気発生器との間に設けられたヒートポンプを用いて、冷媒を圧縮及び膨張させて熱エネルギーを移動させるステップと、前記冷媒を介して前記水素を圧縮する際に生じる熱エネルギーを前記原水に伝達させるステップと、を含むことを特徴とする。

本発明の実施形態により、水素製造に係る入熱量を低減し、水素製造効率を向上させる水素製造技術が提供される。

第１実施形態に係る水素製造装置の構成図。第２実施形態に係る水素製造装置の構成図。

（第１実施形態）
以下、本実施形態を添付図面に基づいて説明する。
図１に示すように、第１実施形態に係る水素製造装置１０は、供給された原水を加熱して、水蒸気を発生させる水蒸気発生器１１と、水蒸気を入力して、高温水蒸気電解により水素と酸素を生成させる電解セル１２と、高温水蒸気電解において未反応であった水蒸気を冷却して、水蒸気を復水にする冷却部１３と、生成された水素と復水とを気液分離する気液分離器１４と、分離された水素を圧縮して、この水素を圧縮する際に生じる熱エネルギーを原水に伝達させる水素圧縮部１５と、圧縮された水素を貯蔵する水素貯蔵部１６とを備える。

水蒸気発生器１１は、供給された原水を加熱して蒸発させて、高温水蒸気電解に適した温度（７００℃以上）まで水蒸気を昇温させる。なお、図１では、水蒸気発生器１１を１つで構成しているが、直列に多段に構成しても良い。

電解セル１２は、固体酸化物電解質（図示省略）を中心に配置して、その両側に水素極と酸素極とが形成されたものである。

電解セル１２は、外部から電圧が印加されて、水蒸気発生器１１から水蒸気を流入させて、高温水蒸気電解を用いて水素と酸素を生成する。
電解セル１２の酸素極において生成された酸素は装置外部に排出される一方、水素極において生成された水素と未反応分の水蒸気とは冷却部１３に出力される。なお、電解セル１２は、セル内の温度を高温に保持するため、加熱器を有しても良い。

冷却部１３は、電解セル１２で生成された水素と未反応分の水蒸気とを入力して、保持している冷却水を用いて冷却する。これにより、未反応分の水蒸気は、凝縮して復水にされる。なお、冷却部１３は、水の沸点未満まで冷却できれば良く、例えばゲージ圧で０ＭＰａであれば１００℃未満になれば良い。

水蒸気発生器１１に供給される原水は、冷却部１３で用いる冷却水として用いた後に、水蒸気発生器１１に供給しても良い。また、原水は、電解セル１２から気液分離器１４の間のプロセス流体、即ち水素と水蒸気または復水とに混合させて、これらを冷却した後に水蒸気発生器１１に供給する構成としても良い。水蒸気発生器１１に供給される原水を冷却水として利用することにより、原水を水蒸気発生器１１に供給する前に加熱することが可能となる。

なお、水蒸気発生器１１の原水を冷却水として利用する場合は、向流、並流のいずれの方式を取っても良いが、向流の方が望ましい。

気液分離器１４は、冷却部１３から水素及び復水を入力して、水素と復水に気液分離される。分離された水素は水素圧縮部１５に出力される一方、分離された復水は水蒸気発生器１１に供給される原水に合流される。

気液分離器１４は、重力が働く方向に復水の出口、反対方向に水素の出口を設けることで気液分離性能が向上する。

また、気液分離器１４で分離された復水は、冷却部１３で用いる冷却水として利用された後に、水蒸気発生器１１に供給しても良い。これにより、復水が原水に合流される前に加熱することが可能となる。なお、復水を冷却水として利用する場合は、向流、並流のいずれの方式を取っても良いが、向流の方が望ましい。

水素圧縮部１５は、気液分離器１４により分離された水素を入力して、所定の圧力（７０ＭＰａ程度）まで水素を圧縮する。そして、水素圧縮部１５は、水素の圧縮により生じる熱エネルギーを水蒸気発生器１１に供給される原水に伝達させる。なお、図１では、水素圧縮部１５を１つで構成しているが、直列に多段に構成しても良い。

水素圧縮時に生じる熱エネルギーを伝達させる方法として、水蒸気発生器１１と水素圧縮部１５とを連結する伝熱管や水蒸気発生器１１と水素圧縮部１５との間に熱交換器を設ける方法が例示される。

そして、水素貯蔵部１６は、水素圧縮部１５において所定の圧力まで圧縮された水素を貯蔵する。

水素圧縮部１５において水素圧縮時に生じる熱エネルギーを水蒸気発生器１１において供給される原水に伝達する、言い換えると水蒸気発生器１１と水素圧縮部１５とで熱交換させることにより、原水の加熱に必要な熱エネルギーを低減することが可能となる。これにより、水素製造に係る入熱が低減され、水素製造効率を向上させることができる。

太陽光、風力、地熱等の再生可能エネルギーによる熱エネルギーを水蒸気発生器１１の入熱として利用しても良い。これにより、水素製造装置１０全体の入熱がさらに低減されて、水素製造効率が向上する。

また、原水が供給される水蒸気発生器１１と高温の水素及び未反応分の水蒸気が入力される冷却部１３とを熱交換器により熱交換させて、原水を加熱する構成としても良い。

ここで、具体的な数値を用いて水素製造装置１０における熱効率を計算する。なお、水蒸気発生器１１及び水素圧縮部１５は、それぞれ２段に直列に接続されているものとする。

水流量５０ｋｇ／ｈ、圧力０．１８ＭＰａの条件において、２０℃の水から８００℃の水蒸気に蒸発する場合において、水蒸気発生器１１の１段階目で１５０℃、２段階目で８００℃に昇温すると仮定する。

２０℃，０．１８ＭＰａでの水のエンタルピーは８４ｋＪ／ｋｇ、１５０℃、０．１８ＭＰａでの水のエンタルピーは２７７０．１ｋＪ／ｋｇ、８００℃，０．１８ＭＰａでの水のエンタルピーは４１５７．９ｋＪ／ｋｇとなる（１９８０ＳＩ蒸気圧表（日本機械学会編）参照）。

このため、水蒸気発生器１１の１段階目、２段階目それぞれに必要なエンタルピー変化は表１に示す通りとなり、原水の加熱に必要な熱量は合計で５６．６ｋＷとなる。０．１８ＭＰａの水の沸点は約１１０℃であり、水蒸気発生器１１の１段階目で既に水蒸気になる。

９０ｍｏｌ％の水蒸気が水素になると仮定すると、水流量５０ｋｇ／ｈ（２．７８ｋｍｏｌ／ｈ）に対して水素が５ｋｇ／ｈ（２．５ｋｍｏｌ／ｈ）で生成する。

水素圧縮部１５において、水素の圧縮を２０℃、０．１ＭＰａの状態から、１段階目の圧縮で０．４５ＭＰａ、２段階目の圧縮で７０ＭＰａに加圧する場合、理想気体での圧縮断熱を仮定すると、１段階目及び２段階目での水素の温度、圧縮時の温度変化、エンタルピー変化は表２に示す通りとなる。

水蒸気発生器１１と水素圧縮部１５との熱交換時の最少設計温度差を２０℃とすると、水素圧縮部１５の２段目で生じるエンタルピーを原水の加熱に必要な入熱として利用できる。

放熱０％と仮定すると、水の蒸発に必要な入熱は、２７．２ｋＷ（＝５６．６ｋＷ−２９．４ｋＷ）となり、水素製造装置１０への入熱が低減されて、水素製造効率が向上することが分かる。

（第２実施形態）
図２は、第２実施形態に係る水素製造装置１０の構成図を示している。なお、第１実施形態と対応する構成および部分については同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

第２実施形態の水素製造装置１０が第１実施形態と異なる点は、水素圧縮部１５と水蒸気発生器１１との間に設けられ、冷媒を圧縮及び膨張させて熱エネルギーを移動させるヒートポンプ１７をさらに備えて、水素圧縮部１５は、冷媒を介して水素を圧縮する際に生じる熱エネルギーを原水に伝達させる点である。

ヒートポンプ１７は、冷媒を循環させる循環ループを形成しており、この循環ループ上に圧縮器と膨張弁を備えている。そして、冷媒を圧縮及び膨張させて、低温部から高温部へ熱エネルギーを移動させる。

ヒートポンプ１７は、水蒸気発生器１１と水素圧縮部１５との間に設けられており、水素圧縮部１５は、ヒートポンプ１７の冷媒を介して水素圧縮時に生じる熱エネルギーを水蒸気発生器１１に供給させる原水に伝達させる。

このように、ヒートポンプ１７を介して熱交換を行うことにより、水素圧縮時に生じる発熱を効率的に原水に伝達することができる。

ここで、具体的な数値を用いて水素製造装置１０における熱効率を計算する。
第１実施形態で示した水素製造条件と同様に、原料水の条件を水流量５０ｋｇ／ｈ、温度２０℃、圧力０．１８ＭＰａとし、高温水蒸気電解を温度８００℃、圧力０．１８ＭＰａ、水素変換率９０ｍｏｌ％とし、水素圧縮条件を水素流量５ｋｇ／ｈ、温度２０℃、圧力０．１ＭＰａを７０ＭＰａに圧縮するものとする。

また、ヒートポンプ１７の成績係数（ＣＯＰ）を５とする。なお、水蒸気発生器１１及び水素圧縮部１５は、それぞれ２段に直列に接続されているものとする。

ＣＯＰ５のヒートポンプ１７を用いれば、最少設計温度差２０℃を満足しない低温である水素圧縮部１５の１段目で発生する熱エネルギーを水蒸気発生器１１の入熱として利用できる。

前述の表１、表２を用いて入熱量を計算すると、原水の加熱に必要な入熱量は２４．６ｋＷ（＝５６．６ｋＷ−２９．４ｋＷ−３．２ｋＷ＋３．２ｋＷ×１／５））に削減できる（なお、第１実施形態では、原水の加熱に必要な入熱量は２７．２ｋＷであった）。

このように、ヒートポンプ１７を介して熱交換することにより、水蒸気発生器１１と水素圧縮器とを直接熱交換する場合と比較して、水素製造装置１０への入熱量をより低減させることが可能となる。

以上述べた各実施形態の水素製造装置によれば、水蒸気発生器と水素圧縮部とを熱交換させて、水素圧縮時に発生する熱エネルギーを利用して供給される原水を加熱することにより、水素製造装置１０への入熱を低減して、水素製造効率を向上させることができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０水素製造装置
１１水蒸気発生器
１２電解セル
１３冷却部
１４気液分離器
１５水素圧縮部
１６水素貯蔵部
１７ヒートポンプ

Claims

供給された原水を加熱して、水蒸気を発生させる水蒸気発生器と、
前記水蒸気を入力して、高温水蒸気電解により水素と酸素を生成させる電解セルと、
前記高温水蒸気電解において未反応であった前記水蒸気を冷却して、前記水蒸気を復水にする冷却部と、
生成された前記水素と前記復水とを気液分離する気液分離器と、
分離された前記水素を圧縮して、この水素を圧縮する際に生じる熱エネルギーを前記原水に伝達させる水素圧縮部と、
圧縮された前記水素を貯蔵する水素貯蔵部と、
前記水素圧縮部と前記水蒸気発生器との間に設けられ、冷媒を圧縮及び膨張させて熱エネルギーを移動させるヒートポンプと、を備えて、
前記水素圧縮部は、前記冷媒を介して前記水素を圧縮する際に生じる熱エネルギーを前記原水に伝達させることを特徴とする水素製造装置。
水蒸気発生器に供給される前記原水を、未反応であった前記水蒸気を冷却するための冷却水に利用することを特徴する請求項１に記載の水素製造装置。
前記水蒸気発生器は、再生可能エネルギーを用いて前記原水を加熱することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の水素製造装置。
水蒸気発生器において、供給された原水を加熱して、水蒸気を発生させるステップと、
前記水蒸気を入力して、高温水蒸気電解により水素と酸素を生成するステップと、
前記高温水蒸気電解において未反応であった前記水蒸気を冷却して、前記水蒸気を復水にするステップと、
生成された前記水素と前記復水とを気液分離するステップと、
水素圧縮部において、分離された前記水素を圧縮して、この水素を圧縮する際に生じる熱エネルギーを前記原水に伝達させるステップと、
圧縮された前記水素を貯蔵するステップと、
前記水素圧縮部と前記水蒸気発生器との間に設けられたヒートポンプを用いて、冷媒を圧縮及び膨張させて熱エネルギーを移動させるステップと、
前記冷媒を介して前記水素を圧縮する際に生じる熱エネルギーを前記原水に伝達させるステップと、
を含むことを特徴とする水素製造方法。