KR20240026940A - 수소 제조 시스템 및 수소 제조 방법 - Google Patents

수소 제조 시스템 및 수소 제조 방법 Download PDF

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고지 아사노
히로유키 이와부치
모토히로 나카기리
이쿠마사 고시로
노부히데 하라
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엠에이치아이 엔에스 엔지니어링 가부시키가이샤
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Abstract

수소 제조 시스템 및 수소 제조 방법에 있어서, 600℃ 이상의 열 에너지를 발생 가능한 열원과, 열 에너지에 의해 가열된 열 매체를 사용하여 수증기를 가열하는 열 교환기와, 열 매체로 가열된 수증기를 사용하여 수소를 제조하는 고온 수증기 전해 장치와, 열 에너지에 의해 가열된 열 매체를 사용하여 고온 수증기 전해 장치를 가열하는 가열 장치를 구비한다.

Description

수소 제조 시스템 및 수소 제조 방법
본 개시는, 수소 제조 시스템 및 수소 제조 방법에 관한 것이다.
수소 제조 기술의 하나로서, 고온 수증기 전해법이 있다. 고온 수증기 전해법은, 원료가 저렴하고, 수소 제조 프로세스에 있어서 이산화탄소(CO2)가 발생하지 않는다는 장점이 있다. 그러나, 고온 수증기 전해법은, 전기 분해에 의해 수소를 생성하는 것이기 때문에, 전기 에너지의 비용이 높다는 과제가 있다. 그래서, 700℃ 이상의 고온 수증기를 전기 분해함으로써, 전기 분해에 요하는 전기 에너지를 감소시키는 것이 생각된다.
그런데, 700℃ 이상의 고온 수증기를 생성하는 것은 곤란하며, 종래, 보일러나 전기로 등에 의해 물을 승온시켜 수증기를 생성하고, 이 수증기를 전기 분해하여 수소를 생성하고 있다. 그러나, 이 경우의 수증기의 온도는, 100℃ 내지 200℃로, 고온 수증기 전해법에 필요한 700℃ 이상의 고온 수증기보다 낮다. 또한, 물의 분해는, 흡열 반응이며, 1몰의 물을 전기 분해할 때, 외부로부터 286줄의 열을 공급할 필요가 있다. 그 때문에, 종래, 물의 전기 분해 시의 흡열과 수증기의 현열을 수전해 셀의 줄 열로 보충하면서, 수증기를 700℃ 내지 900℃로 하여 전기 분해하고 있다. 이러한 종래의 수소 제조 장치로서, 예를 들어, 하기 특허문헌에 기재된 것이 있다.
일본 특허 공표 제2019-537815호 공보
고온 수증기 전해법에 의한 수소 제조 장치는, 고온 수증기를 이용함으로써 물의 전기 분해에 필요한 전기 에너지를 감소시킬 수 있다. 그러나, 실제로는, 종래의 수소 제조 장치는, 필요한 전기 에너지를, 물의 전기 분해의 운전 온도에 상당하는 온도의 고온 수증기의 생성 에너지에 의해 충당함과 동시에, 물의 전기 분해 흡열 반응을 전기 에너지로 충당하고 있다. 즉, 종래의 수소 제조 장치는, 수전해의 흡열과 수전해 셀의 발열이 균형을 이루는 열 중립점의 전위, 또는 열 중립점의 전위 이상의 전위에서 운전하고 있어, 전기 에너지의 비용이 높다. 수소 제조 장치는, 비용의 대부분이 전력이며, 이 전력이 재생 가능 에너지라면, 이산화탄소를 삭감할 수 있다. 그러나, 재생 가능 에너지는, 전력의 공급이 불안정하기 때문에, 수소 제조 장치에 적용하는 것은 곤란하다. 한편, 화력 발전 시스템에 의해 생성한 전기 에너지는, 이산화탄소의 발생이 수반되어 버린다.
본 개시는, 상술한 과제를 해결하는 것이며, 이산화탄소의 발생을 억제하는 동시에 에너지 비용의 저감을 도모하는 수소 제조 시스템 및 수소 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 개시의 수소 제조 시스템은, 600℃ 이상의 열 에너지에 의해 가열된 열 매체를 사용하여 수증기를 가열하는 열 교환기와, 상기 열 매체로 가열된 수증기를 사용하여 수소를 제조하는 고온 수증기 전해 장치와, 상기 열 에너지에 의해 가열된 열 매체를 사용하여 상기 고온 수증기 전해 장치를 가열하는 가열 장치를 구비한다.
또한, 본 개시의 수소 제조 방법은, 600℃ 이상의 열 에너지를 발생시키는 공정과, 상기 열 에너지에 의해 가열된 열 매체를 사용하여 수증기를 가열하는 공정과, 상기 열 에너지에 의해 가열된 열 매체를 사용하여 고온 수증기 전해 장치를 가열하는 공정과, 상기 열 매체로 가열된 수증기를 사용하여 상기 고온 수증기 전해 장치에 의해 수소를 제조하는 공정을 갖는다.
본 개시의 수소 제조 시스템 및 수소 제조 방법에 따르면, 이산화탄소의 발생을 억제할 수 있는 동시에 에너지 비용의 저감을 도모할 수 있다.
도 1은 제1 실시 형태의 수소 제조 시스템을 도시하는 개략 구성도이다.
도 2는 전기 밀도와 열 에너지의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 3은 제2 실시 형태의 수소 제조 시스템을 도시하는 개략 구성도이다.
도 4는 제3 실시 형태의 수소 제조 시스템을 도시하는 개략 구성도이다.
이하 도면을 참조하여, 본 개시의 적합한 실시 형태를 상세하게 설명한다. 또한, 이 실시 형태에 의해 본 개시가 한정되는 것은 아니고, 또한 실시 형태가 복수 있는 경우에는, 각 실시 형태를 조합하여 구성하는 것도 포함하는 것이다. 또한, 실시 형태에 있어서의 구성 요소에는, 당업자가 용이하게 상정할 수 있는 것, 실질적으로 동일한 것, 소위 균등한 범위의 것이 포함된다.
[제1 실시 형태]
<수소 제조 시스템>
도 1은 제1 실시 형태의 수소 제조 시스템을 도시하는 개략 구성도이다.
제1 실시 형태에 있어서, 도 1에 도시하는 바와 같이, 수소 제조 시스템(10)은, 열원(11)과, 열 교환기(12)와, 고온 수증기 전해 장치(SOEC)(13)와, 가열 장치(14)를 구비한다.
열원(11)은, 고온 가스로이며, 900℃ 이상의 열 에너지를 발생 가능하다. 또한, 열원(11)은, 고온 가스로에 한정되는 것은 아니고, 600℃ 이상의 열 에너지를 발생 가능한 것이면 된다. 열원으로서는, 예를 들어 전기로, 헬리오스탯식 태양열 집광 장치, 보일러, 가스 터빈 배열 등을 적용해도 된다.
열원(11)으로서의 고온 가스로는, 연료의 피복에 세라믹스 재료를 사용하고, 냉각재를 헬륨으로 하고, 감속재를 흑연으로 하는 원자로이다. 고온 가스로는, 900℃ 이상의 열 매체로서의 헬륨 가스를 생성 가능하다. 열원(11)으로서의 고온 가스로는, 순환 경로(L11)가 연결된다. 순환 경로(L11)는, 열원(11) 외에, 중간 열 교환기(21)가 연결된다. 중간 열 교환기(21)는 공급 경로(L12)의 일단부 및 복귀 경로(L13)의 일단부가 연결된다.
중간 열 교환기(21)는, 순환 경로(L11)를 흐르는 1차 헬륨(1차 열 매체)과 공급 경로(L12) 및 복귀 경로(L13)를 흐르는 2차 헬륨(2차 열 매체) 사이에서 열 교환을 행한다. 즉, 중간 열 교환기(21)는, 순환 경로(L11)를 흐르는, 예를 들어 950℃의 1차 헬륨에 의해 공급 경로(L12) 및 복귀 경로(L13)를 흐르는 2차 헬륨을, 예를 들어, 900℃로 가열한다.
공급 경로(L12)는, 타단부에 공급 헤더(22)가 연결된다. 복귀 경로(L13)는, 타단부에 복귀 헤더(23)가 연결된다. 복귀 경로(L13)는, 팬(24)이 마련된다. 수소 제조 시스템(10)은, 열원(11)에서 발생한 900℃ 이상의 열 에너지로 가열된 열 매체로서의 2차 헬륨을 사용하여 수소를 제조하는 것이다.
고온 수증기 전해 장치(13)는, 고체 산화물형 전기 화학 셀을 사용하고, 약 700℃ 내지 800℃의 고온에서 수전해에 의해 수소를 제조하는 것이다. 고온 수증기 전해 장치(13)는, 전해질층(13a)과, 수소 가스 확산 전극층(13b)과, 산소 가스 확산 전극층(13c)을 갖는다.
전해질층(13a)은, 고체 전해질로 이루어지는 전해질층이다. 전해질층(13a)은, 한쪽에 수소 가스 확산 전극층(13b)이 배치되고, 다른 쪽에 산소 가스 확산 전극층(13c)이 배치된다. 여기서, 수소 가스 확산 전극층(13b)은, 수소 측의 음극 전극이며, 산소 가스 확산 전극층(13c)은, 산소 측의 양극 전극이다. 고온 수증기 전해 장치(13)는, 예를 들어 케이스(13d)의 내부에 전해질층(13a)과 수소 가스 확산 전극층(13b)과 산소 가스 확산 전극층(13c)이 배치되어 구성된다.
증기 발생기(31)는, 2차 헬륨의 열 에너지에 의해 물을 가열하여 수증기를 생성한다. 증기 발생기(31)는, 물 공급 경로(L31)가 연결됨과 함께, 제1 수증기 공급 경로(L32)의 일단부가 연결된다. 열 교환기(12)는, 제1 열 교환기(32)와, 제2 열 교환기(33)를 갖는다. 제1 열 교환기(32)는, 제1 수증기 공급 경로(L32)의 타단부가 연결됨과 함께, 제2 수증기 공급 경로(L33)의 일단부가 연결된다. 제2 열 교환기(33)는, 제2 수증기 공급 경로(L33)의 타단부가 연결됨과 함께, 제3 수증기 공급 경로(L34)의 일단부가 연결된다.
제1 열 교환기(32)는, 2차 헬륨의 열 에너지에 의해 수증기를 과열시켜 과열 수증기를 생성한다. 제2 열 교환기(33)는, 2차 헬륨의 열 에너지에 의해 과열 수증기를 더 과열시킨다. 수증기 공급 경로(L32, L33, L34)에서, 수증기의 흐름 방향의 상류 측에 제1 열 교환기(32)가 배치되고, 제1 열 교환기(32)보다 하류 측에 제2 열 교환기(33)가 배치된다.
고온 수증기 전해 장치(13)는, 제3 수증기 공급 경로(L34)의 타단부가 연결된다. 고온 수증기 전해 장치(13)는, 수소 가스 배출 경로(L35)와 산소 가스 배출 경로(L36)가 연결된다. 또한, 고온 수증기 전해 장치(13)는, 전력 공급 경로(L37)가 접속되고, 외부로부터 전력(전기 에너지)이 공급 가능하다.
고온 수증기 전해 장치(13)는, 2차 헬륨의 열 에너지에 의해 가열된 수증기를 사용함과 함께, 전력 공급 경로(L37)로부터 공급된 전기 에너지를 사용하여 수소를 제조한다. 가열 장치(14)는, 2차 헬륨의 열 에너지를 사용하여 고온 수증기 전해 장치(13)를 가열한다. 이 경우, 가열 장치(14)는, 고온 수증기 전해 장치(13)가 수소를 제조할 때 흡열 반응에 의해 손실되는 열 에너지를 보충한다.
공급 헤더(22)는, 열 매체 공급 경로(L14)에 의해 제2 열 교환기(33)가 연결된다. 제2 열 교환기(33)는, 열 매체 공급 경로(L15)에 의해 제1 열 교환기(32)가 연결된다. 제1 열 교환기(32)는, 열 매체 공급 경로(L16)에 의해 복귀 헤더(23)가 연결된다. 즉, 공급 헤더(22)의 2차 헬륨은, 열 매체 공급 경로(L14)에 의해 제2 열 교환기(33)에 공급되어 수증기를 과열시키고, 제2 열 교환기(33)로부터 열 매체 공급 경로(L15)에 의해 제1 열 교환기(32)에 공급되어 수증기를 과열시키고, 제1 열 교환기(32)로부터 열 매체 공급 경로(L16)에 의해 복귀 헤더(23)로 복귀된다.
또한, 공급 헤더(22)는, 열 매체 공급 경로(L17)에 의해 가열 장치(14)가 연결된다. 가열 장치(14)는, 열 매체 공급 경로(L18)에 의해 증기 발생기(31)가 연결된다. 증기 발생기(31)는, 열 매체 공급 경로(L19)에 의해 복귀 헤더(23)가 연결된다. 즉, 공급 헤더(22)의 2차 헬륨은, 열 매체 공급 경로(L17)에 의해 가열 장치(14)에 공급되어 고온 수증기 전해 장치(13)를 가열하고, 가열 장치(14)로부터 열 매체 공급 경로(L18)에 의해 증기 발생기(31)에 공급되어 물을 가열하고, 증기 발생기(31)로부터 열 매체 공급 경로(L19)에 의해 복귀 헤더(23)로 복귀된다.
이때, 가열 장치(14)는, 고온 수증기 전해 장치(13)의 케이스(13d)의 내부에 2차 헬륨을 도입하고, 수소 가스 확산 전극층(13b) 및 산소 가스 확산 전극층(13c)을 가열한다.
고온 수증기 전해 장치(13)는, 제3 수증기 공급 경로(L34)로부터 고온의 과열 수증기가 수소 가스 확산 전극층(13b)에 공급된다. 고온 수증기 전해 장치(13)는, 전력 공급 경로(L37)로부터 전력이 공급되고, 수소 가스 확산 전극층(13b) 및 산소 가스 확산 전극층(13c)에 전압이 인가된다. 그러면, 수증기는, 수소 가스 확산 전극층(13b)에서 전기 분해되어, 수소가 발생한다. 발생한 수소는, 수소 가스 배출 경로(L35)로 배출된다. 한편, 수소 가스 확산 전극층(13b)에서 전기 분해되어 발생한 산소 이온은, 전해질층(13a)을 투과하고, 산소 가스 확산 전극층(13c)의 내부에 확산되면서 투과하고, 산소로서 산소 가스 배출 경로(L36)로 배출된다.
고온 수증기 전해 장치(13)는, 하기 식에 따른 전기 분해 반응에 기초하여 수소와 산소가 생성된다.
기체 공급 장치(41)는, 기체(공기 또는 수증기)를 고온 수증기 전해 장치(13)의 산소 가스 확산 전극층(13c)에 공급한다. 기체 가열 장치(42)는, 2차 헬륨의 열 에너지에 의해 산소 가스 확산 전극층(13c)에 공급되는 기체를 가열한다. 기체 공급 경로(L41)는, 기체 공급 장치(41)를 구성하는 팬(43)이 마련된다. 산소 가스 배출 경로(L36)는, 열 교환기(44)가 마련된다. 기체 공급 경로(L41)는, 열 교환기(44)에 연결된다. 열 교환기(44)는, 기체 공급 경로(L42)에 의해 기체 가열 장치(42)에 연결된다. 기체 가열 장치(42)는, 기체 공급 경로(L43)에 의해 산소 가스 확산 전극층(13c)에 연결된다.
공급 헤더(22)는, 열 매체 공급 경로(L20)에 의해 기체 가열 장치(42)가 연결된다. 기체 가열 장치(42)는, 열 매체 공급 경로(L21)에 의해 열 매체 공급 경로(L18)를 통해 증기 발생기(31)가 연결된다. 즉, 공급 헤더(22)의 2차 헬륨은, 열 매체 공급 경로(L20)에 의해 기체 가열 장치(42)에 공급되어 기체를 가열하고, 기체 가열 장치(42)로부터 열 매체 공급 경로(L21)에 의해 증기 발생기(31)에 공급된다.
팬(43)이 구동되면, 기체(공기)는 기체 공급 경로(L41)로부터 열 교환기(44)에 공급되어, 산소 가스 배출 경로(L36)를 흐르는 산소에 의해 가열된다. 가열된 기체는, 기체 공급 경로(L42)에 의해 기체 가열 장치(42)에 공급되어, 2차 헬륨의 열 에너지에 의해 가열된다. 가열된 기체는, 기체 공급 경로(L43)에 의해 산소 가스 확산 전극층(13c)에 공급되어, 생성된 산소를 산소 가스 배출 경로(L36)에 배출한다.
<수소 제조 방법>
본 실시 형태의 수소 제조 방법은, 600℃ 이상의 열 에너지를 발생시키는 공정과, 열 에너지에 의해 가열된 열 매체를 사용하여 수증기를 가열하는 공정과, 열 에너지에 의해 가열된 열 매체를 사용하여 고온 수증기 전해 장치(13)를 가열하는 공정과, 열 매체로 가열된 수증기를 사용하여 고온 수증기 전해 장치(13)에 의해 수소를 제조하는 공정을 갖는다.
열원(11)으로서의 고온 가스로는, 예를 들어 950℃의 1차 헬륨을 생성한다. 고온의 1차 헬륨은, 순환 경로(L11)를 흘러, 중간 열 교환기(21)에서, 복귀 경로(L13)를 흐르는 2차 헬륨과 교환을 행하고, 2차 헬륨을, 예를 들어 900℃까지 가열한다. 중간 열 교환기(21)로 열 교환된 2차 헬륨은, 공급 경로(L12)를 흘러, 공급 헤더(22)에, 예를 들어 900℃ 정도로 공급된다.
팬(24)이 구동되면, 고온의 2차 헬륨이 중간 열 교환기(21)에서 가열되면서 순환한다. 공급 헤더(22)의 2차 헬륨은, 열 매체 공급 경로(L14)에 의해 제2 열 교환기(33)에 공급되어 수증기를 과열시키고, 제2 열 교환기(33)로부터 열 매체 공급 경로(L15)에 의해 제1 열 교환기(32)에 공급되어 수증기를 과열시킨다. 또한, 공급 헤더(22)의 2차 헬륨은, 열 매체 공급 경로(L17)에 의해 가열 장치(14)에 공급되어 고온 수증기 전해 장치(13)를 가열한다. 또한, 공급 헤더(22)의 2차 헬륨은, 열 매체 공급 경로(L20)에 의해 기체 가열 장치(42)에 공급되어 기체를 가열한다.
증기 발생기(31)는, 물 공급 경로(L31)로부터 공급된 물을 가열하여 수증기를 생성한다. 수증기는, 제1 수증기 공급 경로(L32)에 의해 제1 열 교환기(32)에 공급되어 과열되고, 제2 수증기 공급 경로(L33)에 의해 제2 열 교환기(33)에 공급되어 더 과열되어, 예를 들어 850℃의 고온 수증기로서 고온 수증기 전해 장치(13)에 공급된다. 고온 수증기 전해 장치(13)는, 가열 장치(14)의 2차 헬륨에 의해 가열되어, 전력 공급 경로(L37)로부터 공급된 전력에 의해 고온 수증기를 전기 분해하여, 수소와 산소를 생성한다.
고온 수증기 전해 장치(13)에서 생성된 수소는, 수소 가스 배출 경로(L35)로부터 배출되고, 산소는, 산소 가스 배출 경로(L36)로부터 배출된다. 이때, 팬(43)이 구동되면, 기체(공기)가 기체 공급 경로(L41)로부터 열 교환기(44)에 공급되어 가열되고, 기체 공급 경로(L42)에 의해 기체 가열 장치(42)에 공급되어 가열되어, 기체 공급 경로(L43)에 의해 산소 가스 확산 전극층(13c)에 공급된다. 고온 수증기 전해 장치(13)에서 생성된 산소는, 기체 공급 경로(L43)로부터 공급된 고온의 기체에 의해 산소 가스 배출 경로(L36)로 배출된다.
<수소 제조 방법의 원리>
도 2는 전기 밀도와 열 에너지의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 2는 연료 전지(SOFC)와 고온 수증기 전해 장치(SOEC)에 있어서의 전기 밀도와 열 에너지의 관계를 나타내는 것이다. 도 2에 나타내는 바와 같이, 고온 수증기 전해에 수반되는 흡열은, 전기 밀도의 상승에 따라서 1차 함수(비례)로 하강한다. 고온 수증기 전해에 수반하여 발생하는 줄 발열은, 전기 밀도의 상승에 따라서 2차 함수로 하강하고 나서 상승한다. 그 때문에, 줄 발열과 흡열을 합친 열은, 전기 밀도의 상승에 따라서 2차 함수로 하강하고 나서 상승한다.
종래의 수소 제조 시스템은, 제1 실시 형태와 같은 열원(고온 가스로)(11)이 없다는 점에서, 고온 수증기 전해 장치에서 발생하는 줄 발열에 의한 열에 의해 물을 전기 분해할 때의 흡열 반응을 보충하고 있다. 즉, 종래의 고온 수증기 전해 장치는, 열 중립점 A 이상의 전위에서 운전하고 있다.
한편, 제1 실시 형태의 수소 제조 시스템(10)은, 열원(고온 가스로)(11)을 갖는다는 점에서, 열원(11)에서 발생한 600℃ 이상의 열 에너지에 의해 가열된 열 매체를 사용하여 수증기를 가열함으로써, 물을 전기 분해할 때의 흡열 반응을 보충할 수 있다. 그 때문에, 제1 실시 형태의 수소 제조 시스템(10)은, 열 중립점 A 이하인 운전점 B의 전위에서 운전할 수 있다. 운전점 B에서는, 전기 에너지를 열 에너지(줄 발열)로 변환하지 않고, 전기 에너지로부터 열 에너지로 변환할 때의 에너지 손실을 저감할 수 있다.
[제2 실시 형태]
도 3은 제2 실시 형태의 수소 제조 시스템을 도시하는 개략 구성도이다. 또한, 상술한 제1 실시 형태와 마찬가지의 기능을 갖는 부재에는, 동일한 부호를 붙이고 상세한 설명은 생략한다.
제2 실시 형태에 있어서, 도 3에 도시한 바와 같이, 수소 제조 시스템(10A)은, 제1 실시 형태와 마찬가지로, 열원(11)과, 열 교환기(12)와, 고온 수증기 전해 장치(SOEC)(13)와, 가열 장치(14)를 구비한다. 제2 실시 형태의 수소 제조 시스템(10A)은, 제1 실시 형태에 대하여 열 매체 공급 경로의 간략화를 도모하고 있다.
공급 헤더(22)는, 열 매체 공급 경로(L14)에 의해 제2 열 교환기(33)가 연결된다. 제2 열 교환기(33)는, 열 매체 공급 경로(L51)에 의해 가열 장치(14)가 연결된다. 가열 장치(14)는, 열 매체 공급 경로(L18)에 의해 증기 발생기(31)가 연결된다. 즉, 공급 헤더(22)의 2차 헬륨은, 열 매체 공급 경로(L14)에 의해 제2 열 교환기(33)에 공급되어 수증기를 과열시키고, 제2 열 교환기(33)로부터 가열 장치(14)에 공급되어 고온 수증기 전해 장치(13)를 가열한다.
또한, 공급 헤더(22)는, 열 매체 공급 경로(L52)에 의해 제1 열 교환기(32)가 연결된다. 제1 열 교환기(32)는, 열 매체 공급 경로(L16)에 의해 복귀 헤더(23)가 연결된다. 즉, 공급 헤더(22)의 2차 헬륨은, 열 매체 공급 경로(L52)에 의해 제1 열 교환기(32)에 공급되어 수증기를 과열시킨다.
그 때문에, 수소 제조 시스템(10A)은, 열 매체 공급 경로(L51, L52)의 길이를 짧게 하여 간략화할 수 있어, 수소 제조 시스템(10A)의 간소화를 도모할 수 있다.
[제3 실시 형태]
도 4는 제3 실시 형태의 수소 제조 시스템을 도시하는 개략 구성도이다. 상술한 제1 실시 형태와 마찬가지의 기능을 갖는 부재에는, 동일한 부호를 붙이고 상세한 설명은 생략한다.
제3 실시 형태에 있어서, 도 4에 도시한 바와 같이, 수소 제조 시스템(10B)은, 열원(11)과, 열 교환기(12)와, 고온 수증기 전해 장치(SOEC)(13)와, 가열 장치(14B)를 구비한다. 제3 실시 형태의 수소 제조 시스템(10B)은, 제1 실시 형태에 대하여 가열 장치(14B)의 구성이 상이하다.
가열 장치(14B)는, 2차 헬륨의 열 에너지를 사용하여 고온 수증기 전해 장치(13)를 가열한다. 가열 장치(14B)는, 2차 헬륨과 3차 헬륨 사이에서 열 교환을 행하는 열 교환기이다. 가열 장치(14B)는, 2차 헬륨의 열 에너지에 의해 3차 헬륨을 가열하고, 3차 헬륨의 열 에너지를 사용하여 고온 수증기 전해 장치(13)를 가열한다. 이때, 가열 장치(14B)는, 고온 수증기 전해 장치(13)의 케이스(13d)의 내부에 3차 헬륨을 도입하여, 수소 가스 확산 전극층(13b) 및 산소 가스 확산 전극층(13c)을 가열한다.
즉, 공급 헤더(22)의 2차 헬륨은, 열 매체 공급 경로(L17)에 의해 가열 장치(14B)에 공급된다. 가열 장치(14B)는, 2차 헬륨의 열 에너지에 의해 3차 헬륨을 가열한다. 가열된 3차 헬륨은, 열 매체 공급 경로(L61)에 의해 고온 수증기 전해 장치(13)의 케이스(13d)의 내부에 공급되어, 수소 가스 확산 전극층(13b) 및 산소 가스 확산 전극층(13c)을 가열한다. 수소 가스 확산 전극층(13b) 및 산소 가스 확산 전극층(13c)을 가열한 3차 헬륨은, 열 매체 공급 경로(L62)에 의해 복귀된다. 한편, 3차 헬륨을 가열한 2차 헬륨은, 열 매체 공급 경로(L18)에 의해 증기 발생기(31)에 공급된다.
그 때문에, 수소 제조 시스템(10B)은, 가열 장치(14B)로서, 2차 헬륨과 3차 헬륨 사이에서 열 교환을 행하는 열 교환기를 마련함으로써, 2차 헬륨의 열 매체 공급 경로(L15, L18)의 간소화를 도모할 수 있다.
[본 실시 형태의 작용 효과]
제1 양태에 관한 수소 제조 시스템은, 600℃ 이상의 열 에너지에 의해 가열된 열 매체를 사용하여 수증기를 가열하는 열 교환기(12)와, 열 매체로 가열된 수증기를 사용하여 수소를 제조하는 고온 수증기 전해 장치(13)와, 열 에너지에 의해 가열된 열 매체를 사용하여 고온 수증기 전해 장치(13)를 가열하는 가열 장치(14)를 구비한다.
제1 양태에 관한 수소 제조 시스템에 의하면, 600℃ 이상의 열 에너지에 의해 가열된 열 매체를 사용하여 고온 수증기 전해 장치(13)를 가열하고, 600℃ 이상의 열 에너지에 의해 가열된 열 매체를 사용하여 수증기를 가열하고, 고온 수증기를 고온 수증기 전해 장치(13)에 공급하여 전기 분해에 의해 수소를 제조한다. 그 때문에, 화력 발전 시스템 등에 의해 생성한 전기 에너지의 사용량을 저감하여 이산화탄소의 발생을 억제할 수 있는 동시에, 에너지 비용의 저감을 도모할 수 있다.
제2 양태에 관한 수소 제조 시스템은, 가열 장치(14, 14B)가, 고온 수증기 전해 장치(13)가 수소를 제조할 때 흡열 반응에 의해 손실되는 열 에너지를 보충한다. 이에 의해, 외부로부터 고온 수증기 전해 장치(13)로의 열 에너지의 공급량을 감소시킬 수 있다.
제3 양태에 관한 수소 제조 시스템은, 수증기를 생성하여 수증기 공급 경로(L32, L33, L34)에 의해 고온 수증기 전해 장치(13, 13B)에 공급하는 증기 발생기(31)를 갖고, 열 교환기(12)는, 수증기 공급 경로(L32, L33)에 마련되는 제1 열 교환기(32)와, 수증기 공급 경로(L33, L34)에 있어서의 제1 열 교환기(32)보다 하류 측에 마련되는 제2 열 교환기(33)를 갖고, 열 매체는, 제2 열 교환기(33)로부터 제1 열 교환기(32)에 공급된다. 이에 의해, 열 매체는, 하류 측의 제2 열 교환기(33)로부터 상류 측의 제1 열 교환기(32)에 공급함으로써, 열 매체의 열 에너지를 유효적으로 사용할 수 있다.
제4 양태에 관한 수소 제조 시스템은, 수증기를 생성하여 수증기 공급 경로(L32, L33, L34)에 의해 고온 수증기 전해 장치(13, 13B)에 공급하는 증기 발생기(31)를 갖고, 열 교환기(12)는, 수증기 공급 경로(L32, L33)에 마련되는 제1 열 교환기(32)와, 수증기 공급 경로(L33, L34)에 있어서의 제1 열 교환기(32)보다 하류 측에 마련되는 제2 열 교환기(33)를 갖고, 열 매체는, 제1 열 교환기(32)에 공급됨과 함께, 제2 열 교환기(33)로부터 가열 장치(14)에 공급된다. 이에 의해, 열 매체 공급 경로(L51, L52)의 길이를 짧게 하여 간략화할 수 있다.
제5 양태에 관한 수소 제조 시스템은, 고온 수증기 전해 장치(13)로서, 전해질층(13a)과, 수소 가스 확산 전극층(13b)과, 산소 가스 확산 전극층(13c)이 마련되고, 가열 장치(14)는, 수소 가스 확산 전극층(13b) 및 산소 가스 확산 전극층(13c)을 가열한다. 이에 의해, 외부로부터 고온 수증기 전해 장치(13)로의 열 에너지의 공급량을 감소시킬 수 있다.
제6 양태에 관한 수소 제조 시스템은, 기체를 산소 가스 확산 전극층(13c)에 공급하는 기체 공급 장치(41)와, 열 에너지에 의해 가열된 열 매체를 사용하여 산소 가스 확산 전극층(13c)에 공급되는 기체를 가열하는 기체 가열 장치(42)를 갖는다. 이에 의해, 고온 수증기 전해 장치(13)의 온도를 저하시키지 않고, 고온 수증기 전해 장치(13)에서 생성된 산소를 효율적으로 배출할 수 있다.
제7 양태에 관한 수소 제조 시스템은, 열 에너지를 발생 가능한 열원(11)으로서는, 고온 가스로가 있고, 열 교환기(12)는, 고온 가스로에서 생성된 고온 헬륨의 열 에너지에 의해 가열된 열 매체를 사용하여 수증기를 가열한다. 이에 의해, 이산화탄소의 발생량을 저감할 수 있다.
제8 양태에 관한 수소 제조 시스템은, 열 에너지를 발생 가능한 열원(11)으로서는, 고온 가스로가 있고, 가열 장치(14, 14B)는, 고온 가스로에서 생성된 고온 헬륨의 열 에너지에 의해 고온 수증기 전해 장치(13)를 가열한다. 이에 의해, 이산화탄소의 발생량을 저감할 수 있다.
제9 양태에 관한 수소 제조 방법은, 600℃ 이상의 열 에너지를 발생시키는 공정과, 열 에너지에 의해 가열된 열 매체를 사용하여 수증기를 가열하는 공정과, 열 에너지에 의해 가열된 열 매체를 사용하여 고온 수증기 전해 장치(13, 13B)를 가열하는 공정과, 열 매체로 가열된 수증기를 사용하여 고온 수증기 전해 장치(13, 13B)에 의해 수소를 제조하는 공정을 갖는다. 이에 의해, 화력 발전 시스템 등에 의해 생성한 전기 에너지의 사용량을 저감하여 이산화탄소의 발생을 억제할 수 있는 동시에, 에너지 비용의 저감을 도모할 수 있다.
10, 10A, 10B: 수소 제조 시스템
11: 열원
12: 열 교환기
13: 고온 수증기 전해 장치
14, 14B: 가열 장치
21: 중간 열 교환기
22: 공급 헤더
23: 복귀 헤더
24: 팬
31: 증기 발생기
32: 제1 열 교환기
33: 제2 열 교환기
41: 기체 공급 장치
42: 기체 가열 장치
43 팬
44: 열 교환기
L11: 순환 경로
L12: 공급 경로
L13: 복귀 경로
L14, L15, L16, L17, L18, L19, L20, L21, L51, L52, L61, L62: 열 매체 공급 경로
L31: 물 공급 경로
L32: 제1 수증기 공급 경로
L33: 제2 수증기 공급 경로
L34: 제3 수증기 공급 경로
L35: 수소 가스 배출 경로
L36: 산소 가스 배출 경로
L37: 전력 공급 경로
L41, L42, L43: 기체 공급 경로

Claims (9)

  1. 600℃ 이상의 열 에너지에 의해 가열된 열 매체를 사용하여 수증기를 가열하는 열 교환기와,
    상기 열 매체로 가열된 수증기를 사용하여 수소를 제조하는 고온 수증기 전해 장치와,
    상기 열 에너지에 의해 가열된 열 매체를 사용하여 상기 고온 수증기 전해 장치를 가열하는 가열 장치
    를 구비하는 수소 제조 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가열 장치는, 상기 고온 수증기 전해 장치가 수소를 제조할 때 흡열 반응에 의해 손실되는 열 에너지를 보충하는,
    수소 제조 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    수증기를 생성하여 수증기 공급 경로에 의해 상기 고온 수증기 전해 장치에 공급하는 증기 발생기를 갖고, 상기 열 교환기는, 상기 수증기 공급 경로에 마련되는 제1 열 교환기와, 상기 수증기 공급 경로에 있어서의 상기 제1 열 교환기보다 하류 측에 마련되는 제2 열 교환기를 갖고, 상기 열 매체는, 상기 제2 열 교환기로부터 상기 제1 열 교환기에 공급되는,
    수소 제조 시스템.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    수증기를 생성하여 수증기 공급 경로에 의해 상기 고온 수증기 전해 장치에 공급하는 증기 발생기를 갖고, 상기 열 교환기는, 상기 수증기 공급 경로에 마련되는 제1 열 교환기와, 상기 수증기 공급 경로에 있어서의 상기 제1 열 교환기보다 하류 측에 마련되는 제2 열 교환기를 갖고, 상기 열 매체는, 상기 제1 열 교환기에 공급됨과 함께, 상기 제2 열 교환기로부터 상기 가열 장치에 공급되는,
    수소 제조 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 고온 수증기 전해 장치는, 전해질층과, 수소 가스 확산 전극층과, 산소 가스 확산 전극층을 갖고, 상기 가열 장치는, 상기 수소 가스 확산 전극층 및 상기 산소 가스 확산 전극층을 가열하는,
    수소 제조 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    기체를 상기 산소 가스 확산 전극층에 공급하는 기체 공급 장치와, 상기 열 에너지에 의해 가열된 열 매체를 사용하여 상기 산소 가스 확산 전극층에 공급되는 기체를 가열하는 기체 가열 장치를 갖는,
    수소 제조 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 열 에너지를 발생 가능한 열원으로서는, 고온 가스로가 있고, 상기 열 교환기는, 고온 가스로에서 생성된 고온 헬륨의 열 에너지에 의해 가열된 열 매체를 사용하여 수증기를 가열하는,
    수소 제조 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 열 에너지를 발생 가능한 열원으로서는, 고온 가스로가 있고, 상기 가열 장치는, 고온 가스로에서 생성된 고온 헬륨의 열 에너지에 의해 고온 수증기 전해 장치를 가열하는,
    수소 제조 시스템.
  9. 600℃ 이상의 열 에너지를 발생시키는 공정과,
    상기 열 에너지에 의해 가열된 열 매체를 사용하여 수증기를 가열하는 공정과,
    상기 열 에너지에 의해 가열된 열 매체를 사용하여 고온 수증기 전해 장치를 가열하는 공정과,
    상기 열 매체로 가열된 수증기를 사용하여 상기 고온 수증기 전해 장치에 의해 수소를 제조하는 공정
    을 갖는 수소 제조 방법.
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