JP7374155B2 - 水素製造システムおよび水素製造方法 - Google Patents
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Description
本開示は、水素製造システムおよび水素製造方法に関するものである。
水素製造技術の一つとして、高温水蒸気電解法がある。電解法は、原料が安価であり、水素製造プロセスにおいて二酸化炭素（ＣＯ２）が発生しないというメリットがある。しかし、電解法は、電気分解により水素を生成するものであるため、電気エネルギーのコストが高いという課題がある。そこで、７００℃以上の高温水蒸気を電気分解することで、電気分解に要する電気エネルギーを減少する高温水蒸気電解法が考えられる。
ところが、７００℃以上の高温水蒸気を生成することは困難であり、従来、ボイラや電気炉などにより水を昇温して水蒸気を生成し、この水蒸気を電気分解して水素を生成している。また、水の分解は、吸熱反応であり、１モルの水を電気分解するときに、外部から２８６ジュールの熱を供給する必要がある。そのため、従来、水の電気分解時の吸熱と水蒸気の顕熱を水電解セルのジュール熱で補いながら、水蒸気を７００℃～９００℃として電気分解している。このような従来の水素製造装置として、例えば、下記特許文献１に記載されたものがある。
高温水蒸気電解法による水素製造装置は、高温水蒸気を利用することによって水の電気分解にかかる電気エネルギーを減少させることができる。しかし、現実に、従来の水素製造装置は、水の電気分解の運転温度に相当する温度の高温水蒸気の生成エネルギーを必要な電気エネルギーにより賄うと共に、水の電気分解の吸熱反応も電気エネルギーで賄っている。すなわち、従来の水素製造装置は、水電解の吸熱と水電解セルの発熱がバランスする熱中立点の電位、または、熱中立点の電位以上の電位で運転しており、電気エネルギーを多く消費する。高温水蒸気電解法による水素製造は、コストの大半が電力であり、この電力を再生可能エネルギーでその大半を賄うことができれば、二酸化炭素を削減することができる。しかし、再生可能エネルギーは、電力の供給が不安定であるため、大規模で安定的な水素製造に適用することは困難である。一方で、火力発電システムにより生成した電気エネルギーは、二酸化炭素の発生が伴ってしまう。
本開示は、上述した課題を解決するものであり、エネルギーコストの低減を図ると共に二酸化炭素の発生を抑制する水素製造システムおよび水素製造方法を提供することを目的とする。
上記の目的を達成するための本開示の水素製造システムは、６００℃以上の熱エネルギーにより加熱された熱媒体を用いて水蒸気を加熱する熱交換器と、前記水蒸気を用いて水素を製造する高温水蒸気電解装置と、前記水蒸気を用いて前記高温水蒸気電解装置を加熱する加熱装置と、を備える。
また、本開示の水素製造方法は、６００℃以上の熱エネルギーを発生させる工程と、前記熱エネルギーにより加熱された熱媒体を使用して水蒸気を加熱する工程と、前記水蒸気を用いて高温水蒸気電解装置を加熱する工程と、前記水蒸気を用いて前記高温水蒸気電解装置により水素を製造する工程と、を有する。
本開示の水素製造システムおよび水素製造方法によれば、エネルギーコストの低減を図ることができると共に、二酸化炭素の発生を抑制することができる。
以下に図面を参照して、本開示の好適な実施形態を詳細に説明する。なお、この実施形態により本開示が限定されるものではなく、また、実施形態が複数ある場合には、各実施形態を組み合わせて構成するものも含むものである。また、実施形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。
［第１実施形態］
＜水素製造システム＞
図１は、第１実施形態の水素製造システムを表す概略構成図である。
＜水素製造システム＞
図１は、第１実施形態の水素製造システムを表す概略構成図である。
第１実施形態において、図１に示すように、水素製造システム１０は、熱源１１と、中間熱交換器（熱交換器）１２と、固体電解質型の高温水蒸気電解装置（ＳＯＥＣ）１３と、加熱装置１４とを備える。
熱源１１は、高温ガス炉であり、９００℃以上の熱エネルギーを発生可能である。なお、熱源１１は、高温ガス炉に限定されるものではなく、６００℃以上の熱エネルギーを発生可能なものであればよい。熱源としては、例えば、電気炉、ヘリオスタット式太陽熱集光装置、ボイラおよびボイラ排熱、ガスタービン排熱などを適用してもよい。
熱源１１としての高温ガス炉は、燃料の被覆にセラミックス材料を使用し、冷却材をヘリウムとし、減速材を黒鉛とする原子炉である。高温ガス炉は、９００℃以上の熱媒体としてのヘリウムガスを生成可能である。熱源１１としての高温ガス炉は、循環経路Ｌ１１が連結される。循環経路Ｌ１１は、熱源１１の他に、中間熱交換器２１が連結される。中間熱交換器２１は、供給経路Ｌ１２の一端部および戻り経路Ｌ１３の一端部が連結される。
中間熱交換器２１は、循環経路Ｌ１１を流れる１次ヘリウム（１次熱媒体）と供給経路Ｌ１２のおよび戻り経路Ｌ１３を流れる２次ヘリウム（２次熱媒体）との間で熱交換を行う。すなわち、中間熱交換器２１は、循環経路Ｌ１１を流れる、例えば、９５０℃の１次ヘリウムにより供給経路Ｌ１２のおよび戻り経路Ｌ１３を流れる２次ヘリウムを、例えば、９００℃に加熱する。
供給経路Ｌ１２は、他端部に供給ヘッダ２２が連結される。戻り経路Ｌ１３は、他端部に戻りヘッダ２３が連結される。戻り経路Ｌ１３は、循環機２４が設けられる。水素製造システム１０は、熱源１１で発生した９００℃以上の熱エネルギーで加熱された熱媒体としての２次ヘリウムを用いて水素を製造するものである。
高温水蒸気電解装置１３は、固体電解質型電解セルとしての高温水蒸気電解セル５１を用い、約７００℃～９００℃の高温で水電解により水素製造するものである。高温水蒸気電解装置１３は、電解質層５１ａと、多孔質水素電極層５１ｂと、多孔質酸素電極層５１ｃとを有する。
高温水蒸気電解セル５１は、後述するが、平板形状をなす。電解質層５１ａは、酸素イオン導電体の固体電解質からなる平板形状をなす電解質膜である。電解質層５１ａは、一方側の面に多孔質水素電極層５１ｂが配置され、他方側の面に多孔質酸素電極層５１ｃが配置される。ここで、多孔質水素電極層５１ｂは、平板形状をなし、水素側の陰極電極である。また、多孔質酸素電極層５１ｃは、平板形状をなし、酸素側の陽極電極である。
蒸気発生器３１は、２次ヘリウムの熱エネルギーにより水を加熱して水蒸気を生成する。蒸気発生器３１は、水供給経路Ｌ３１が連結されると共に、第１水蒸気供給経路Ｌ３２の一端部が連結される。中間熱交換器１２は、第１熱交換器３２と、第２熱交換器３３とを有する。第２熱交換器３３は、水素側熱交換器３４と、酸素側熱交換器３５とを有する。第１熱交換器３２は、第１水蒸気供給経路Ｌ３２の他端部が連結されると共に、第２水蒸気供給経路Ｌ３３の一端部が連結される。第２水蒸気供給経路Ｌ３３は、他端部が水蒸気ヘッダ３６に連結される。水蒸気ヘッダ３６は、第３水蒸気供給経路Ｌ３４および第４水蒸気供給経路Ｌ３５の一端部が連結される。水素側熱交換器３４は、第３水蒸気供給経路Ｌ３４の他端部が連結されると共に、水素側水蒸気供給経路Ｌ３６の一端部が連結される。酸素側熱交換器３５は、第４水蒸気供給経路Ｌ３５の他端部が連結されると共に、酸素側水蒸気供給経路Ｌ３７の一端部が連結される。
第１熱交換器３２は、２次ヘリウムの熱エネルギーにより水蒸気を過熱して過熱水蒸気を生成する。第２熱交換器３３における水素側熱交換器３４は、２次ヘリウムの熱エネルギーにより過熱水蒸気を更に過熱する。また、第２熱交換器３３における酸素側熱交換器３５は、２次ヘリウムの熱エネルギーにより過熱水蒸気を更に過熱する。水蒸気供給経路Ｌ３２，Ｌ３３にて、水蒸気の流れ方向の上流側に第１熱交換器３２が配置され、第１熱交換器３２より下流側に水蒸気ヘッダ３６が配置され、水蒸気ヘッダ３６より下流側に第２熱交換器３３が配置される。第２熱交換器３３としての水素側熱交換器３４と酸素側熱交換器３５は、水蒸気供給経路Ｌ３３の下流側に並列に配置される。
高温水蒸気電解装置１３にて、高温水蒸気電解セル５１は、水素側水蒸気供給経路Ｌ３６および酸素側水蒸気供給経路Ｌ３７の他端部が連結される。水素側水蒸気供給経路Ｌ３６は、多孔質水素電極層５１ｂの入口側に連結され、酸素側水蒸気供給経路Ｌ３７は、多孔質酸素電極層５１ｃの入口側に連結される。高温水蒸気電解装置１３は、水素ガス排出経路Ｌ３８と酸素ガス排出経路Ｌ３９が連結される。高温水蒸気電解装置１３は、多孔質水素電極層５１ｂの出口側に水素ガス排出経路Ｌ３８が連結され、多孔質酸素電極層５１ｃの出口側に酸素ガス排出経路Ｌ３９が連結される。水素ガス排出経路Ｌ３８および酸素ガス排出経路Ｌ３９は、それぞれ熱回収器３７，３８が設けられる。熱回収器３７，３８は、発生した水素や酸素の熱を回収し、例えば、第１水蒸気供給経路Ｌ３２を流れる水蒸気を加熱する。
また、高温水蒸気電解装置１３は、電力供給経路Ｌ４０が接続され、外部から電力（電気エネルギー）が供給可能である。
高温水蒸気電解装置１３は、２次ヘリウムの熱エネルギーにより加熱された水蒸気を用いると共に、電力供給経路Ｌ４０から供給された電気エネルギーを用いて水素を製造する。加熱装置１４は、２次ヘリウムの熱エネルギーにより加熱された水蒸気を用いて高温水蒸気電解装置１３の高温水蒸気電解セル５１を加熱する。この場合、加熱装置１４は、高温水蒸気電解装置１３が水素を製造するときに吸熱反応により損失する熱エネルギーを補う。
供給ヘッダ２２は、熱媒体供給経路Ｌ１４により第２熱交換器３３が連結される。この場合、熱媒体供給経路Ｌ１４は、下流端部が２つに分岐し、一方が水素側熱交換器３４に連結され、他方が酸素側熱交換器３５に連結される。第２熱交換器３３は、熱媒体供給経路Ｌ１５により蒸気発生器３１に連結される。この場合、熱媒体供給経路Ｌ１５は、上流端部が２つに分岐し、一方が水素側熱交換器３４に連結され、他方が酸素側熱交換器３５に連結される。蒸気発生器３１は、熱媒体供給経路Ｌ１６により戻りヘッダ２３に連結される。すなわち、供給ヘッダ２２の２次ヘリウムは、熱媒体供給経路Ｌ１４により第２熱交換器３３（水素側熱交換器３４、酸素側熱交換器３５）に供給されて水蒸気を過熱し、第２熱交換器３３から熱媒体供給経路Ｌ１５により蒸気発生器３１に供給されて水を加熱し、蒸気発生器３１から熱媒体供給経路Ｌ１６により戻りヘッダ２３に戻される。
また、供給ヘッダ２２は、熱媒体供給経路Ｌ１７により第１熱交換器３２が連結される。第１熱交換器３２は、熱媒体供給経路Ｌ１８により戻りヘッダ２３が連結される。すなわち、供給ヘッダ２２の２次ヘリウムは、熱媒体供給経路Ｌ１７により第１熱交換器３２に供給されて水蒸気を過熱する。
加熱装置１４は、水蒸気を加熱する中間熱交換器１２として設けられる。加熱装置１４は、特に、第２熱交換器３３としての水素側熱交換器３４とおよび酸素側熱交換器３５により構成される。加熱装置１４は、第２熱交換器３３（水素側熱交換器３４、酸素側熱交換器）により過熱された過熱水蒸気を高温水蒸気電解セル５１（多孔質水素電極層５１ｂ、多孔質酸素電極層５１ｃ）に供給することで、高温水蒸気電解セル５１を加熱する。
高温水蒸気電解セル５１は、水素側水蒸気供給経路Ｌ３６から高温の過熱水蒸気が多孔質水素電極層５１ｂに供給される。高温水蒸気電解セル５１は、電力供給経路Ｌ４０から電力が供給され、多孔質水素電極層５１ｂおよび多孔質酸素電極層５１ｃに電圧が印加される。電圧を印加することで、水蒸気は、多孔質水素電極層５１ｂで電気分解され、水素が発生する。発生した水素は、水素ガス排出経路Ｌ３８に排出される。一方、多孔質水素電極層５１ｂで電気分解されて発生した酸素イオンは、電解質層５１ａを透過し、多孔質酸素電極層５１ｃで酸素が発生し、発生した酸素が酸素ガス排出経路Ｌ３９に排出される。
高温水蒸気電解装置１３は、下記式に応じた電気分解反応に基づいて水素と酸素が生成される。
Ｈ２Ｏ→Ｈ２＋１／２Ｏ２
Ｈ２Ｏ→Ｈ２＋１／２Ｏ２
＜高温水蒸気電解セル＞
図２は、高温水蒸気電解セルを表す概略図である。
図２は、高温水蒸気電解セルを表す概略図である。
図１および図２に示すように、高温水蒸気電解セル５１は、平板形状をなす固体電解質型の水蒸気電解装置である。高温水蒸気電解セル５１は、平板形状をなす電解質層５１ａにおける一方側の面に平板形状をなす多孔質水素電極層５１ｂが配置され、他方側の面に平板形状をなす多孔質酸素電極層５１ｃが配置されて構成される。また、多孔質水素電極層５１ｂの外側に水素側セパレータ５１ｄが配置され、多孔質酸素電極層５１ｃの外側に酸素側セパレータ５１ｅが配置される。
高温水蒸気電解セル５１は、内部に第１流路Ｌ５１と第２流路Ｌ５２が設けられる。第１流路Ｌ５１は、水素側セパレータ５１ｄと多孔質水素電極層５１ｂとの間、電解質層５１ａと多孔質酸素電極層５１ｃとの間に設けられる。第２流路Ｌ５２は、多孔質水素電極層５１ｂと電解質層５１ａとの間、多孔質酸素電極層５１ｃと酸素側セパレータ５１ｅとの間に設けられる。第１流路Ｌ５１と第２流路Ｌ５２は、直交する方向に交差するが、平行をなしていてもよい。
第１流路Ｌ５１は、上流側が水素側水蒸気供給経路Ｌ３６に接続され、下流側が水素ガス排出経路Ｌ３８に接続される。第２流路Ｌ５２は、上流側が酸素側水蒸気供給経路Ｌ３７に接続され、下流側が酸素ガス排出経路Ｌ３９に接続される。
そのため、水素側熱交換器３４により過熱された過熱水蒸気は、水素側水蒸気供給経路Ｌ３６から第１流路Ｌ５１に供給され、酸素側熱交換器３５により過熱された過熱水蒸気は、酸素側水蒸気供給経路Ｌ３７から第２流路Ｌ５２に供給される。ここで、加熱装置１４は、供給された過熱水蒸気により高温水蒸気電解セル５１を加熱する。また、第１流路Ｌ５１に供給された過熱水蒸気は、電気分解されて水素と酸素が発生する。水素を含んだ過熱水蒸気は、水素ガス排出経路Ｌ３８に排出される。一方、酸素を含んだ水蒸気は、第２流路Ｌ５２に供給された過熱水蒸気に押し出され、酸素ガス排出経路Ｌ３９に排出される。
＜水素製造方法＞
本実施形態の水素製造方法は、６００℃以上の熱エネルギーを発生させる工程と、熱エネルギーにより加熱された２次ヘリウム（熱媒体）を使用して水蒸気を加熱する工程と、水蒸気を用いて高温水蒸気電解装置１３を加熱する工程と、水蒸気を用いて高温水蒸気電解装置により水素を製造する工程とを有する。
本実施形態の水素製造方法は、６００℃以上の熱エネルギーを発生させる工程と、熱エネルギーにより加熱された２次ヘリウム（熱媒体）を使用して水蒸気を加熱する工程と、水蒸気を用いて高温水蒸気電解装置１３を加熱する工程と、水蒸気を用いて高温水蒸気電解装置により水素を製造する工程とを有する。
具体的に説明すると、図１に示すように、熱源１１としての高温ガス炉は、例えば、９５０℃の１次ヘリウムを生成する。高温の１次ヘリウムは、循環経路Ｌ１１を流れ、中間熱交換器２１にて、戻り経路Ｌ１３を流れる２次ヘリウムと交換を行い、２次ヘリウムを、例えば、９００℃まで加熱する。中間熱交換器２１で熱交換された２次ヘリウムは、供給経路Ｌ１２を流れ、供給ヘッダ２２に、例えば、９００℃程度で供給される。
循環機２４が駆動すると、高温の２次ヘリウムが中間熱交換器２１で加熱されながら循環する。供給ヘッダ２２の２次ヘリウムは、熱媒体供給経路Ｌ１４により第２熱交換器３３に供給されて水蒸気を過熱し、第２熱交換器３３から熱媒体供給経路Ｌ１５により蒸気発生器３１に供給され、水供給経路Ｌ３１から供給された水を加熱して水蒸気を生成する。また、供給ヘッダ２２の２次ヘリウムは、熱媒体供給経路Ｌ１７により第１熱交換器３２に供給されて水蒸気を過熱する。
蒸気発生器３１は、水供給経路Ｌ３１から供給された水を加熱して水蒸気を生成する。水蒸気は、第１水蒸気供給経路Ｌ３２により第１熱交換器３２に供給されて過熱され、第２水蒸気供給経路Ｌ３３により水蒸気ヘッダ３６に供給される。水蒸気ヘッダ３６の加熱水蒸気は、第３水蒸気供給経路Ｌ３４により水素側熱交換器３４に供給されてさらに過熱され、例えば、８５０℃の高温水蒸気として高温水蒸気電解セル５１の多孔質水素電極層５１ｂに供給される。また、水蒸気ヘッダ３６の加熱水蒸気は、第４水蒸気供給経路Ｌ３５により酸素側熱交換器３５に供給されてさらに過熱され、例えば、８５０℃の高温水蒸気として高温水蒸気電解セル５１の多孔質酸素電極層５１ｃに供給される。
高温水蒸気電解セル５１は、水素側熱交換器３４および酸素側熱交換器３５から供給された高温水蒸気により加熱され、電力供給経路Ｌ４０から供給された電力により高温水蒸気を電気分解し、水素と酸素を生成する。
すなわち、図１および図２に示すように、高温水蒸気は、水素側水蒸気供給経路Ｌ３６を通して高温水蒸気電解セル５１の第１流路Ｌ５１に供給される。このとき、高温水蒸気電解セル５１は、電力供給経路Ｌ４０から電力が供給され、多孔質水素電極層５１ｂおよび多孔質酸素電極層５１ｃに電圧が印加される。すると、第１流路Ｌ５１の水蒸気は、多孔質水素電極層５１ｂで電気分解されて水素が生成され、第１流路Ｌ５１を下方に流れる。一方、多孔質水素電極層５１ｂで電気分解されて発生した酸素イオンは、高温水蒸気電解セル５１を拡散しながら透過し、酸素として第２流路Ｌ２に排出される。
第１流路Ｌ５１を流れた水素は、水素ガス排出経路Ｌ３８に排出される。一方、第２流路Ｌ５２に排出された酸素は、酸素ガス排出経路Ｌ３９に排出される。このとき、高温水蒸気は、酸素側水蒸気供給経路Ｌ３７を通して高温水蒸気電解セル５１の第２流路Ｌ５２に供給される。すると、第２流路Ｌ５２に排出された酸素は、第２流路Ｌ５２に供給された水蒸気により酸素ガス排出経路Ｌ３９に押し出される。
＜水素製造方法の原理＞
図３は、電流密度と熱エネルギーとの関係を表すグラフである。
図３は、電流密度と熱エネルギーとの関係を表すグラフである。
図３は、燃料電池（ＳＯＦＣ）と高温水蒸気電解装置（ＳＯＥＣ）とにおける電流密度と熱エネルギーとの関係を表すものである。図３に示すように、高温水蒸気電解に伴う吸熱は、電流密度の上昇に応じて一次関数（比例）で下降する。高温水蒸気電解に伴って発生するジュール発熱は、電流密度の上昇に応じて二次関数で上昇する。そのため、ジュール発熱と吸熱を合わせた熱は、電流密度の上昇に応じて下降してから上昇する。
従来の水素製造システムは、第１実施形態のような熱源（高温ガス炉）１１がないことから、高温水蒸気電解装置で発生するジュール発熱による熱により水を電気分解するときの吸熱反応を補っている。すなわち、従来の高温水蒸気電解装置は、熱中立点Ａ以上の電位で運転している。
一方、第１実施形態の水素製造システム１０は、熱源（高温ガス炉）１１を有することから、熱源１１で発生した６００℃以上の熱エネルギーにより加熱された高温ヘリウムを用いて水蒸気および高温水蒸気電解装置１３（高温水蒸気電解セル５１）を加熱することで、水を電気分解するときの吸熱反応を補うことができる。そのため、第１実施形態の水素製造システム１０は、熱中立点Ａ以下である運転点Ｂの電位で運転することができる。運転点Ｂでは、電気エネルギーを熱エネルギー（ジュール発熱）に変換することなく、水の電気分解に用いる電気エネルギーを低減することができる。
［第２実施形態］
図４は、第２実施形態の水素製造システムにおける高温水蒸気電解セルに対する水蒸気の流れを表す概略図、図５は、水素エジェクタを表す概略図である。なお、第２実施形態の基本的な構成は、上述した第１実施形態と同様であり、図１を用いて説明し、上述した第１実施形態と同様の機能を有する部材には、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
図４は、第２実施形態の水素製造システムにおける高温水蒸気電解セルに対する水蒸気の流れを表す概略図、図５は、水素エジェクタを表す概略図である。なお、第２実施形態の基本的な構成は、上述した第１実施形態と同様であり、図１を用いて説明し、上述した第１実施形態と同様の機能を有する部材には、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
第２実施形態において、図１および図４に示すように、水素製造システム１０Ａ（図４）は、第１実施形態と同様に、熱源１１と、中間熱交換器１２と、高温水蒸気電解装置１３と、加熱装置１４とを備える。第２実施形態の水素製造システム１０Ａは、第１実施形態に対して、高温水蒸気電解装置１３への水蒸気の供給構成を変更するものである。
高温水蒸気電解装置１３にて、水素側熱交換器３４は、入口側に第３水蒸気供給経路Ｌ３４が連結され、出口側が水素側水蒸気供給経路Ｌ３６により高温水蒸気電解セル５１の多孔質水素電極層５１ｂに連結される。酸素側熱交換器３５は、入口側に第４水蒸気供給経路Ｌ３５が連結され、出口側が酸素側水蒸気供給経路Ｌ３７により高温水蒸気電解セル５１の多孔質酸素電極層５１ｃに連結される。高温水蒸気電解セル５１は、多孔質水素電極層５１ｂに水素ガス排出経路Ｌ３８が連結され、多孔質酸素電極層５１ｃに酸素ガス排出経路Ｌ３９が連結される。
図４に示すように、水素製造システム１０Ａは、水素側循環経路Ｌ６１と、酸素側循環経路Ｌ６２が設けられる。水素側循環経路Ｌ６１は、一端部が水素ガス排出経路Ｌ３８の分岐部６１に連結され、他端部が第３水蒸気供給経路Ｌ３４に連結される。そして、水素側循環経路Ｌ６１と第３水蒸気供給経路Ｌ３４の連結部に水素側エジェクタ６２が設けられる。また、酸素側循環経路Ｌ６２は、一端部が酸素ガス排出経路Ｌ３９の分岐部６３に連結され、他端部が第４水蒸気供給経路Ｌ３５に連結される。そして、酸素側循環経路Ｌ６２と第４水蒸気供給経路Ｌ３５の連結部に酸素側エジェクタ６４が設けられる。
水素側エジェクタ６２と酸素側エジェクタ６４は、同様の構成である。図４および図５に示すように、水素側エジェクタ６２は、本体７１と、ノズル７２と、ディフューザ７３とを有する。本体７１は、筒形状をなし、基端部に入口部７１ａが設けられ、外周部に吸入部７１ｂが設けられる。吸入部７１ｂは、水素側循環経路Ｌ６１が連結される。ノズル７２は、入口部７１ａに連通するように本体７１に連結される。ノズル７２は、筒形状をなし、下流側ほど流路が狭くなる。ディフューザ７３は、ノズル７２に連通するように本体７１に連結される。ディフューザ７３は、筒形状をなし、下流側ほど流路が広くなる。ディフューザ７３は、先端部に吐出部７３ａが設けられる。
そのため、第３水蒸気供給経路Ｌ３４の水蒸気は、水素側エジェクタ６２を通って水素側熱交換器３４に供給され、ここで過熱されて過熱水蒸気となり、高温水蒸気電解セル５１の多孔質水素電極層５１ｂに供給される。高温水蒸気電解セル５１で発生した水素を含む水蒸気は、水素ガス排出経路Ｌ３８に排出される。
このとき、水素ガス排出経路Ｌ３８に排出された水素を含む水蒸気は、一部が水素側循環経路Ｌ６１に流れる。水素側エジェクタ６２では、入口部７１ａから供給された水蒸気は、ノズル７２で流速が上昇することで、吸入部７１ｂに吸入力が作用する。すると、水素ガス排出経路Ｌ３８から水素側循環経路Ｌ６１に流れた水素を含む水蒸気が吸入部７１ｂから本体７１に吸入される。水素側循環経路Ｌ６１から吸入部７１ｂを通して本体７１に吸入された水素を含む水蒸気は、入口部７１ａから供給された水蒸気に混合し、多孔質水素電極層５１ｂに供給される。
一方、第４水蒸気供給経路Ｌ３５の水蒸気は、酸素側エジェクタ６４を通って酸素側熱交換器３５に供給され、ここで過熱されて過熱水蒸気となり、高温水蒸気電解セル５１の多孔質酸素電極層５１ｃに供給される。高温水蒸気電解セル５１で発生した酸素素を含む水蒸気は、酸素ガス排出経路Ｌ３９に排出される。
このとき、酸素ガス排出経路Ｌ３９に排出された酸素を含む水蒸気は、一部が酸素側循環経路Ｌ６２に流れる。酸素側エジェクタ６４では、水素側エジェクタ６２と同様に、酸素ガス排出経路Ｌ３９から酸素側循環経路Ｌ６２に流れた酸素を含む水蒸気が吸入され、供給された水蒸気に混合し、多孔質酸素電極層５１ｃに供給される。
水素製造システム１０Ａは、高温水蒸気電解セル５１の多孔質水素電極層５１ｂから排出された水素を含む水蒸気の一部を、水素側循環経路Ｌ６１により多孔質水素電極層５１ｂの入口側に戻している。そのため、多孔質水素電極層５１ｂに対して、水蒸気電解に必要な量より多い過熱水蒸気を供給することができ、水蒸気電解の吸熱反応を補うことができる。また、水素製造システム１０Ａは、高温水蒸気電解セル５１の多孔質酸素電極層５１ｃから排出された酸素を含む水蒸気の一部を、酸素側循環経路Ｌ６２により多孔質酸素電極層５１ｃの入口側に戻している。そのため、多孔質酸素電極層５１ｃに対して、多量の過熱水蒸気を供給することができ、吸熱反応に伴う高温水蒸気電解セル５１の温度低下を抑制することができる。
［第３実施形態］
図６は、第３実施形態の水素製造システムを表す概略構成図である。なお、上述した第１実施形態と同様の機能を有する部材には、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
図６は、第３実施形態の水素製造システムを表す概略構成図である。なお、上述した第１実施形態と同様の機能を有する部材には、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
第３実施形態において、図６に示すように、水素製造システム１０Ｂは、第１実施形態と同様に、熱源１１と、中間熱交換器１２と、高温水蒸気電解装置１３と、加熱装置１４とを備える。第３実施形態の水素製造システム１０Ｂは、第１実施形態に対して、高温水蒸気電解装置１３への気体の供給構成を変更するものである。
供給ヘッダ２２は、熱媒体供給経路Ｌ１４により第２熱交換器３３が連結される。第２熱交換器３３は、熱媒体供給経路Ｌ１９により第１熱交換器３２が連結される。すなわち、供給ヘッダ２２の２次ヘリウムは、熱媒体供給経路Ｌ１４により第２熱交換器３３に供給されて水蒸気を過熱し、第２熱交換器３３から第１熱交換器３２に供給されて水蒸気を加熱する。第１熱交換器３２は、熱媒体供給経路Ｌ１８により戻りヘッダ２３が連結される。
また、気体供給装置４１は、気体（空気または水蒸気）を高温水蒸気電解セル５１の多孔質酸素電極層５１ｃに供給する。気体加熱装置４２は、２次ヘリウムの熱エネルギーにより多孔質酸素電極層５１ｃに供給される気体を加熱する。気体供給経路Ｌ４１は、気体供給装置４１を構成する循環機４３が設けられる。気体供給経路Ｌ４１は、熱回収器３８に連結される。熱回収器３８は、気体供給経路Ｌ４２により気体加熱装置４２に連結される。気体加熱装置４２は、気体供給経路Ｌ４３により多孔質酸素電極層５１ｃに連結される。
供給ヘッダ２２は、熱媒体供給経路Ｌ２０により気体加熱装置４２が連結される。気体加熱装置４２は、熱媒体供給経路Ｌ２１により蒸気発生器３１が連結される。すなわち、供給ヘッダ２２の２次ヘリウムは、熱媒体供給経路Ｌ２０により気体加熱装置４２に供給されて気体を加熱し、気体加熱装置４２から熱媒体供給経路Ｌ２１により蒸気発生器３１に供給される。
循環機４３が駆動すると、気体（空気）は、気体供給経路Ｌ４１から熱回収器３８に供給され、酸素ガス排出経路Ｌ３９を流れる酸素により加熱される。加熱された気体は、気体供給経路Ｌ４２により気体加熱装置４２に供給され、２次ヘリウムの熱エネルギーにより加熱される。加熱された気体は、気体供給経路Ｌ４３により多孔質酸素電極層５１ｃに供給され、生成された酸素を酸素ガス排出経路Ｌ３９に排出する。
水素製造システム１０Ｂは、高温水蒸気電解装置１３で生成された酸素を酸素ガス排出経路Ｌ３９に排出するためのキャリアガスとして、２次ヘリウムの熱エネルギーにより加熱された気体を用いている。そのため、高温水蒸気電解装置１３の温度を低下させることなく、高温水蒸気電解装置１３で生成された酸素を効率良く排出することができる。
［本実施形態の作用効果］
第１の態様に係る水素製造システムは、６００℃以上の熱エネルギーにより加熱された２次ヘリウム（熱媒体）を用いて水蒸気を加熱する中間熱交換器１２と、水蒸気を用いて水素を製造する高温水蒸気電解装置１３と、水蒸気を用いて高温水蒸気電解装置１３を加熱する加熱装置１４とを備える。
第１の態様に係る水素製造システムは、６００℃以上の熱エネルギーにより加熱された２次ヘリウム（熱媒体）を用いて水蒸気を加熱する中間熱交換器１２と、水蒸気を用いて水素を製造する高温水蒸気電解装置１３と、水蒸気を用いて高温水蒸気電解装置１３を加熱する加熱装置１４とを備える。
第１の態様に係る水素製造システムによれば、６００℃以上の熱エネルギーにより加熱された熱媒体を用いて加熱した高温水蒸気により高温水蒸気電解装置１３を加熱し、６００℃以上の熱エネルギーにより加熱された熱媒体を用いて加熱した高温水蒸気を高温水蒸気電解装置１３に供給して電気分解により水素を製造する。そのため、火力発電システムなどにより生成した電気エネルギーの使用量を低減して二酸化炭素の発生を抑制することができると共に、エネルギーコストの低減を図ることができる。
第２の態様に係る水素製造システムは、加熱装置１４が、高温水蒸気電解装置１３が水素を製造するときに吸熱反応により損失する熱エネルギーを補う。これにより、外部から高温水蒸気電解装置１３への熱エネルギーの供給量を減少させることができる。
第３の態様に係る水素製造システムは、高温水蒸気電解セル５１として、平板形状をなす電解質層５１ａと、平板形状をなして電解質層５１ａの一面側に配置される多孔質水素電極層５１ｂと、平板形状をなして電解質層５１ａの他面側に配置される多孔質酸素電極層５１ｃとを設け、水蒸気を多孔質水素電極層５１ｂに供給する。これにより、高温水蒸気電解装置１３で電気分解して水素の製造に用いる高温水蒸気により高温水蒸気電解装置１３を加熱することができ、高温水蒸気電解セル５１の構造の簡素化を図ることができる。
第４の態様に係る水素製造システムは、多孔質水素電極層５１ｂの排出側から排出された水素を含む水蒸気の一部を多孔質水素電極層５１ｂの入口側に戻す水素側循環経路Ｌ６１を設ける。これにより、多孔質水素電極層５１ｂに対して、水蒸気電解に必要な量より多い過熱水蒸気を供給することができ、水蒸気電解の吸熱反応を補うことができる。
第５の態様に係る水素製造システムは、多孔質酸素電極層５１ｃの排出側から排出された酸素を含む水蒸気の一部を多孔質酸素電極層５１ｃの入口側に戻す酸素側循環経路Ｌ６２を設ける。これにより、多孔質酸素電極層５１ｃに対して、多量の過熱水蒸気を供給することができ、吸熱反応に伴う高温水蒸気電解セル５１の温度低下を抑制することができる。
第６の態様に係る水素製造システムは、水蒸気を生成して水蒸気供給経路Ｌ３２，Ｌ３３，Ｌ３４，Ｌ３５により高温水蒸気電解装置１３に供給する蒸気発生器３１を有し、中間熱交換器１２は、水蒸気供給経路Ｌ３２，Ｌ３３に設けられる第１熱交換器３２と、水蒸気供給経路Ｌ３３，Ｌ３４，Ｌ３５における第１熱交換器３２より下流側に設けられる第２熱交換器３３とを有し、２次ヘリウムは、第２熱交換器３３から第１熱交換器３２に供給される。これにより、熱媒体は、下流側の第２熱交換器３３から上流側の第１熱交換器３２に供給することで、熱媒体の熱エネルギーを有効的に使用することができる。
第７の態様に係る水素製造システムは、第２熱交換器３３として、多孔質水素電極層５１ｂに供給する前記水蒸気を加熱する水素側熱交換器３４と、多孔質酸素電極層５１ｃに供給する水蒸気を加熱する酸素側熱交換器３５とを有する。これにより、多孔質水素電極層５１ｂに供給する水蒸気と酸素側熱交換器３５に供給する水蒸気を効率良く加熱することができる。
第８の態様に係る水素製造システムは、気体を多孔質酸素電極層５１ｃに供給する気体供給装置４１と、２次ヘリウムを用いて多孔質酸素電極層５１ｃに供給される気体を加熱する気体加熱装置４２とを有する。これにより、高温水蒸気電解セル５１の温度を低下させることなく、高温水蒸気電解セル５１で生成された酸素を効率良く排出することができる。
第９の態様に係る水素製造システムは、熱エネルギーを発生可能な熱源１１としては、高温ガス炉があり、中間熱交換器１２は、高温ガス炉で生成された高温ヘリウムの熱エネルギーにより加熱された熱媒体を使用して水蒸気を加熱する。これにより、二酸化炭素の発生量を低減することができる。
第１０の態様に係る水素製造方法は、６００℃以上の熱エネルギーを発生させる工程と、熱エネルギーにより加熱された２次ヘリウム（熱媒体）を使用して水蒸気を加熱する工程と、水蒸気を用いて高温水蒸気電解装置１３を加熱する工程と、水蒸気を用いて高温水蒸気電解装置により水素を製造する工程とを有する。これにより、火力発電システムなどにより生成した電気エネルギーの使用量を低減して二酸化炭素の発生を抑制することができると共に、エネルギコストの低減を図ることができる。
なお、上述した実施形態では、高温水蒸気電解セル５１を平板型としたが、この形状に限定されるものではない。
１０，１０Ａ，１０Ｂ 水素製造システム
１１ 熱源
１２ 中間熱交換器（熱交換器）
１３ 高温水蒸気電解装置
１４ 加熱装置
２１ 中間熱交換器（熱交換器）
２２ 供給ヘッダ
２３ 戻りヘッダ
２４ 循環機
３１ 蒸気発生器
３２ 第１熱交換器
３３ 第２熱交換器
３４ 水素側熱交換器
３５ 酸素側熱交換器
３６ 水蒸気ヘッダ
３７，３８ 熱回収器
４１ 気体供給装置
４２ 気体加熱装置
４３ 循環機
５１ 高温水蒸気電解セル
５１ａ 電解質層
５１ｂ 多孔質水素電極層
５１ｃ 多孔質酸素電極層
５１ｄ 水素側セパレータ
５１ｅ 酸素側セパレータ
６１ 分岐部
６２ 水素側エジェクタ
６３ 分岐部
６４ 酸素側エジェクタ
Ｌ１１ 循環経路
Ｌ１２ 供給経路
Ｌ１３ 戻り経路
Ｌ１４，Ｌ１５，Ｌ１６，Ｌ１７，Ｌ１８，Ｌ１９，Ｌ２０，Ｌ２１ 熱媒体供給経路
Ｌ３１ 水供給経路
Ｌ３２ 第１水蒸気供給経路
Ｌ３３ 第２水蒸気供給経路
Ｌ３４ 第３水蒸気供給経路
Ｌ３５ 第４水蒸気供給経路
Ｌ３６ 水素側水蒸気供給経路
Ｌ３７ 酸素側水蒸気供給経路
Ｌ３８ 水素ガス排出経路
Ｌ３９ 酸素ガス排出経路
Ｌ４０ 電力供給経路
Ｌ４１，Ｌ４２，Ｌ４３ 気体供給経路
Ｌ５１ 第１流路
Ｌ５２ 第２流路
Ｌ６１ 水素側循環経路
Ｌ６２ 酸素側循環経路
１１ 熱源
１２ 中間熱交換器（熱交換器）
１３ 高温水蒸気電解装置
１４ 加熱装置
２１ 中間熱交換器（熱交換器）
２２ 供給ヘッダ
２３ 戻りヘッダ
２４ 循環機
３１ 蒸気発生器
３２ 第１熱交換器
３３ 第２熱交換器
３４ 水素側熱交換器
３５ 酸素側熱交換器
３６ 水蒸気ヘッダ
３７，３８ 熱回収器
４１ 気体供給装置
４２ 気体加熱装置
４３ 循環機
５１ 高温水蒸気電解セル
５１ａ 電解質層
５１ｂ 多孔質水素電極層
５１ｃ 多孔質酸素電極層
５１ｄ 水素側セパレータ
５１ｅ 酸素側セパレータ
６１ 分岐部
６２ 水素側エジェクタ
６３ 分岐部
６４ 酸素側エジェクタ
Ｌ１１ 循環経路
Ｌ１２ 供給経路
Ｌ１３ 戻り経路
Ｌ１４，Ｌ１５，Ｌ１６，Ｌ１７，Ｌ１８，Ｌ１９，Ｌ２０，Ｌ２１ 熱媒体供給経路
Ｌ３１ 水供給経路
Ｌ３２ 第１水蒸気供給経路
Ｌ３３ 第２水蒸気供給経路
Ｌ３４ 第３水蒸気供給経路
Ｌ３５ 第４水蒸気供給経路
Ｌ３６ 水素側水蒸気供給経路
Ｌ３７ 酸素側水蒸気供給経路
Ｌ３８ 水素ガス排出経路
Ｌ３９ 酸素ガス排出経路
Ｌ４０ 電力供給経路
Ｌ４１，Ｌ４２，Ｌ４３ 気体供給経路
Ｌ５１ 第１流路
Ｌ５２ 第２流路
Ｌ６１ 水素側循環経路
Ｌ６２ 酸素側循環経路
Claims (8)
- ６００℃以上の熱エネルギーにより熱媒体が加熱されてこの加熱された前記熱媒体を用いて水蒸気を加熱する熱交換器と、
前記水蒸気を用いて水素を製造する高温水蒸気電解装置と、
前記熱交換器を介して前記高温水蒸気電解装置に至る水蒸気供給経路と、
を備え、
前記水蒸気供給経路は、水素側水蒸気供給経路と酸素側水蒸気供給経路に分岐され、前記水素側水蒸気供給経路に前記熱交換器を構成する水素側熱交換器が設けられ、前記酸素側水蒸気供給経路に前記熱交換器を構成する酸素側熱交換器が設けられ、前記水素側熱交換器および前記酸素側熱交換器は、前記熱媒体を用いて水蒸気を加熱し、前記水蒸気を用いて前記高温水蒸気電解装置を加熱する
水素製造システム。 - 前記熱交換器は、前記高温水蒸気電解装置が水素を製造するときに吸熱反応により損失する熱エネルギーを補う、
請求項１に記載の水素製造システム。 - 前記高温水蒸気電解装置は、平板形状をなす電解質層と、平板形状をなして前記電解質層の一面側に配置される水素電極層と、平板形状をなして前記電解質層の他面側に配置される酸素電極層とを有し、前記水蒸気が前記水素電極層に供給される、
請求項１または請求項２に記載の水素製造システム。 - 前記水素電極層の排出側から排出された水素を含む水蒸気の一部を前記水素側熱交換器の上流側に戻す水素側循環経路が設けられる、
請求項３に記載の水素製造システム。 - 前記酸素電極層の排出側から排出された酸素を含む水蒸気の一部を前記酸素側熱交換器の上流側に戻す酸素側循環経路が設けられる、
請求項３または請求項４に記載の水素製造システム。 - 前記水蒸気を生成して前記水蒸気供給経路により前記高温水蒸気電解装置に供給する蒸気発生器を有し、前記熱交換器は、前記水蒸気供給経路に設けられる第１熱交換器と、前記水蒸気供給経路における前記第１熱交換器より下流側に設けられる第２熱交換器とを有し、前記水素側熱交換器および前記酸素側熱交換器により前記第２熱交換器が構成され、前記熱媒体は、前記第２熱交換器から前記第１熱交換器に供給される、
請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の水素製造システム。 - 前記熱エネルギーを発生可能な熱源としては、高温ガス炉があり、前記熱交換器は、高温ガス炉で生成された高温ヘリウムの熱エネルギーにより加熱された熱媒体を使用して水蒸気を加熱する、
請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の水素製造システム。 - 請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の水素製造システムを用いる水素製造方法において、
６００℃以上の熱エネルギーを発生させる工程と、
前記熱エネルギーにより加熱された熱媒体を使用して水蒸気を加熱する工程と、
前記水蒸気を用いて高温水蒸気電解装置を加熱する工程と、
前記水蒸気を用いて前記高温水蒸気電解装置により水素を製造する工程と、
を有する水素製造方法。
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