JP2008115430A - Hydrogen production apparatus and method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、高温で水の電解を行うことにより水素を製造する水素製造装置及びその方法に関する。 The present invention relates to a hydrogen production apparatus and method for producing hydrogen by electrolyzing water at a high temperature.
未来社会の1つのビジョンとして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おり、いくつかの有力な水素製造方法が考えられている。いくつかの水素製造方法のうち、高温水蒸気電解は、高温で水の電解を行うことにより、常温での水の電気分解と比較して高効率で水素を製造することができる。 As one vision of the future society, the realization of a hydrogen energy society using hydrogen as an energy medium is attracting attention, and several promising hydrogen production methods are considered. Among several hydrogen production methods, high-temperature steam electrolysis can produce hydrogen with high efficiency by electrolyzing water at a high temperature as compared with electrolysis of water at room temperature.
この高温水蒸気電解は、例えば900℃程度の高温で水蒸気を電気分解すれば、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、エネルギー効率が高い水素製造法である。操作温度が高温ガス炉や高速増殖炉の運転温度と一致するため、これらの原子炉を熱源とすれば、原料が水なので、全く二酸化炭素を排出せずに水素製造が可能となる。よって、CO2を排出しないクリーンな水素製造技術として極めて有望である。 This high-temperature steam electrolysis is an energy-efficient hydrogen production method in which, for example, if water vapor is electrolyzed at a high temperature of about 900 ° C., the same hydrogen production amount can be obtained with about 30% less electric power than water electrolysis at room temperature. It is. Since the operating temperature matches the operating temperature of the high-temperature gas reactor and fast breeder reactor, if these reactors are used as heat sources, the raw material is water, so that hydrogen can be produced without exhausting any carbon dioxide. Therefore, it is very promising as a clean hydrogen production technology that does not emit CO 2 .
図5は、従来の高温水蒸気電解システム(水素極側)の構成を示す構成図である。 FIG. 5 is a configuration diagram showing a configuration of a conventional high-temperature steam electrolysis system (hydrogen electrode side).
本図に示すように、原料水7は加熱器4で加熱され蒸発し水蒸気となって電気化学セル1の水素極へ供給される。電気化学セル1の水素極出口ガス11は冷却器5を介して冷却される。冷却器5の下流に存在する気水分離器41において、水素極出口ガス11から水分が分離され循環水14となる。この循環水14は、水循環ポンプ6を介して原料水7に戻される。
As shown in the figure, the
この気水分離器41において水分が除去された水素ガスは水素分離器42に導入され製品水素8となる。この気水分離器41において、分離導入された水素ガスの一部は、水素極を還元性雰囲気に保つための循環ガス12として原料水7に戻される。
The hydrogen gas from which moisture has been removed in the
この導入された循環ガス12は、原料水7と共に加熱器4で加熱されて、水素極入口供給ガス20として電気化学セル1の水素極へ供給される。一方、酸素極側において、酸素分圧を下げた酸素極供給ガス51を酸素極供給ライン51aを介して供給し、電気化学セル1で生成した酸素リッチガスを冷却後、酸素極出口ガス52として、酸素極出口ライン52aを介して系外に排出している。
The introduced circulating
上述の高温水蒸気電解による水素製造において、その最小単位はセルである。セルは、基本的には、電解質を真中に電解質層の両面に酸素極(陽極)と水素極(陰極)を配した三層構造から構成される。水素極において電子が与えられて水蒸気を酸素イオンと水素に分解する。分解した酸素イオンが電解質層を透過し、酸素極において電子を放して酸素が生成される。高温での使用に耐えるよう、電解質層、酸素極及び水素極はセラミックスから作製される。 In the above-described hydrogen production by high-temperature steam electrolysis, the minimum unit is a cell. The cell basically has a three-layer structure in which an electrolyte is placed in the middle and an oxygen electrode (anode) and a hydrogen electrode (cathode) are arranged on both sides of the electrolyte layer. Electrons are given at the hydrogen electrode to decompose water vapor into oxygen ions and hydrogen. The decomposed oxygen ions permeate the electrolyte layer and release electrons at the oxygen electrode to generate oxygen. The electrolyte layer, oxygen electrode, and hydrogen electrode are made of ceramics to withstand use at high temperatures.
これらの三層構造のうち水素極は、水蒸気を酸素イオンと水素に分解する反応の触媒作用を持つ活性金属とセラミックスとのサーメットを使用する。この水素極の活性(水蒸気を酸素イオンと水素に分解する反応活性)を維持するためには、活性金属の酸化を抑制するよう還元雰囲気に保つ必要がある。このために、水素極への供給ガスには、水蒸気の他に水素ガスを混合することが望ましい。 Among these three-layer structures, the hydrogen electrode uses a cermet of an active metal and ceramics that have a catalytic action for the reaction of decomposing water vapor into oxygen ions and hydrogen. In order to maintain the activity of the hydrogen electrode (reaction activity for decomposing water vapor into oxygen ions and hydrogen), it is necessary to maintain a reducing atmosphere so as to suppress oxidation of the active metal. For this reason, it is desirable to mix hydrogen gas in addition to water vapor into the supply gas to the hydrogen electrode.
高温水蒸気電解システムへの供給を水と電気と熱だけとするクローズドシステムを成立させるために、水素極の活性金属の酸化を抑制するよう還元雰囲気に保つために、水素極へ供給する水素ガスとして、水素極で生成した水素ガスの一部を使用することができる。 As a hydrogen gas to be supplied to the hydrogen electrode in order to establish a closed system in which only water, electricity and heat are supplied to the high-temperature steam electrolysis system in order to maintain the reducing atmosphere so as to suppress oxidation of the active metal of the hydrogen electrode. A part of the hydrogen gas generated at the hydrogen electrode can be used.
水素極出口ガスの成分は水素と未反応の水蒸気であり、この温度は電解反応に使用される熱源の温度(500〜900℃)である。この水素極出口ガスは、水素極供給ガスとの熱交換により冷却される。この冷却された水素極出口ガスは、水分を凝縮して分離した後に、水素ガスをガス循環器を介して水素極への供給側に循環させることが想定されている。凝縮水分も同様に供給側に循環させることが想定されている。 The components of the hydrogen electrode outlet gas are hydrogen and unreacted water vapor, and this temperature is the temperature of a heat source (500 to 900 ° C.) used for the electrolytic reaction. This hydrogen electrode outlet gas is cooled by heat exchange with the hydrogen electrode supply gas. The cooled hydrogen electrode outlet gas is supposed to circulate the hydrogen gas to the supply side to the hydrogen electrode via a gas circulator after the moisture is condensed and separated. It is assumed that the condensed water is also circulated to the supply side.
また、高温水蒸気電解セルから取出される水素富化水蒸気等の有する熱で蒸気タービンを作動させる技術が知られている(例えば、特許文献1参照)。ここでは、高温水蒸気電解セルから取出される水素富化水蒸気及び酸素富化空気の有する熱で蒸気タービンを作動させて発電し、この発電された電気によって高温水蒸気電解セルにおいて電解を行うと共に、水蒸気に熱を与えた後の水素富化水蒸気より水素を得ている。
上述した従来の高温水蒸気電解による水素製造において、水素極の活性(水蒸気を酸素イオンと水素に分解する反応活性)を維持するためには、活性金属の酸化を抑制するよう還元雰囲気に保つ必要がある。このために、水素極への供給ガスには水蒸気の他に水素ガスを混合させることが望ましい。上述のように、高温水蒸気電解システムへの供給を水と電気と熱だけで製造するクローズドシステムを成立させるために、水素極の活性金属の酸化を抑制する必要がある。この酸化を抑制し還元雰囲気を保つために、水素極へ供給する水素ガスには、水素極で生成した水素ガスの一部を使用することができる。この水素極出口ガスの成分は水素と未反応の水蒸気で、温度は電解反応温度(500〜900℃)である。水素極出口ガスを水素極供給ガスとの熱交換により冷却し、水分を凝縮し分離した後に、水素ガスをガス循環器で水素極への供給側に循環させることが想定されている。凝縮水分も同様に供給側に循環させている。 In the above-described conventional hydrogen production by high-temperature steam electrolysis, in order to maintain the activity of the hydrogen electrode (reaction activity for decomposing water vapor into oxygen ions and hydrogen), it is necessary to maintain a reducing atmosphere to suppress oxidation of the active metal. is there. For this reason, it is desirable to mix hydrogen gas in addition to water vapor into the gas supplied to the hydrogen electrode. As described above, in order to establish a closed system in which the supply to the high-temperature steam electrolysis system is produced only with water, electricity, and heat, it is necessary to suppress oxidation of the active metal of the hydrogen electrode. In order to suppress this oxidation and maintain a reducing atmosphere, a part of the hydrogen gas generated at the hydrogen electrode can be used as the hydrogen gas supplied to the hydrogen electrode. The components of the hydrogen electrode outlet gas are hydrogen and unreacted water vapor, and the temperature is an electrolysis reaction temperature (500 to 900 ° C.). It is assumed that the hydrogen electrode outlet gas is cooled by heat exchange with the hydrogen electrode supply gas, moisture is condensed and separated, and then the hydrogen gas is circulated to the supply side to the hydrogen electrode by a gas circulator. Condensed water is also circulated to the supply side.
このときに、水素極出口ガスの冷却と供給ガスの加熱との熱交換に伴い、熱損失が生じ、水素製造に要するエネルギー効率を低下させることに課題があった。すなわち、この冷却器5で水素極出口ガスを全量冷却すること、加熱器4では冷却された循環水と循環ガスを水素極供給ガス条件にまで加熱する熱交換量が比較的多いため、熱交換に伴う熱損失が発生するところに課題があった。
At this time, with heat exchange between the cooling of the hydrogen electrode outlet gas and the heating of the supply gas, heat loss occurs and there is a problem in reducing the energy efficiency required for hydrogen production. That is, the
本発明は上記課題を解決するためになされたもので、供給ガスの加熱及び出口ガスの冷却の熱交換量を軽減し、熱損失を低減できるために、エネルギー効率を向上させることができる水素製造装置及びその方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in order to solve the above-mentioned problems, and can reduce the heat exchange amount of the heating of the supply gas and the cooling of the outlet gas, and can reduce the heat loss, so that the hydrogen production can improve the energy efficiency. An object is to provide an apparatus and a method thereof.
上記目的を達成するため、本発明の水素製造装置においては、電解質を含む電解質層、この電解質層の一面に設けられ水蒸気を電気分解して水素を製造する水素極及び前記電解質層の他面に設けられ酸素を製造する酸素極を有し、セラミックスから作製された電気化学セルと、この電気化学セルに前記水蒸気を含む水素極入口供給ガスを供給する水素極入口供給ラインと、前記電気化学セルの前記水素を含む水素極出口ガスを排出する水素極側出口ラインと、前記水素極入口供給ラインに介在し前記水素極入口供給ガスの圧力を調整する圧力調整機構と、前記水素極入口ライン又は前記圧力調整機構に前記水素極出口ガスの一部を循環ガスとして吸引し供給する循環ガス吸引機構と、この循環ガスとして循環しない前記水素極出口ガスから余剰水を冷却し分離して水素を製造する冷却器と、を備えたことを特徴とするものである。 In order to achieve the above object, in the hydrogen production apparatus of the present invention, an electrolyte layer containing an electrolyte, a hydrogen electrode provided on one surface of the electrolyte layer to electrolyze water vapor to produce hydrogen, and the other surface of the electrolyte layer An electrochemical cell that is provided and has an oxygen electrode for producing oxygen and is made of ceramics; a hydrogen electrode inlet supply line that supplies the electrochemical cell with a hydrogen electrode inlet supply gas containing water vapor; and the electrochemical cell A hydrogen electrode side outlet line for discharging the hydrogen electrode outlet gas containing hydrogen, a pressure adjusting mechanism for adjusting the pressure of the hydrogen electrode inlet supply gas interposed in the hydrogen electrode inlet supply line, and the hydrogen electrode inlet line or A circulation gas suction mechanism for sucking and supplying a part of the hydrogen electrode outlet gas to the pressure adjusting mechanism as a circulation gas, and a surplus from the hydrogen electrode outlet gas not circulated as the circulation gas A cooler for producing hydrogen by water cooling separation, is characterized in that it comprises a.
また、上記目的を達成するため、本発明の水素製造装置においては、電解質を含む電解質層、この電解質層の一面に設けられ水蒸気を電気分解して水素を製造する水素極及び前記電解質層の他面に設けられ酸素を製造する酸素極を有し、セラミックスから作製された電気化学セルと、この電気化学セルに前記酸素を含む酸素極入口供給ガスを供給する酸素極入口供給ラインと、前記電気化学セルの前記酸素を含む酸素極出口ガスを排出する酸素極側出口ラインと、この酸素極入口供給ラインに介在し前記酸素極入口供給ガスの圧力を調整する圧力調整機構と、前記酸素極入口ライン又は前記圧力調整機構に前記酸素極出口ガスの一部を循環ガスとして吸引し供給する循環ガス吸引機構と、この循環ガスとして循環しない前記酸素極出口ガスから余剰水を冷却し分離して酸素を製造する冷却器と、を備えたことを特徴とするものである。 In order to achieve the above object, in the hydrogen production apparatus of the present invention, an electrolyte layer containing an electrolyte, a hydrogen electrode provided on one surface of the electrolyte layer to produce hydrogen by electrolyzing water vapor, and the electrolyte layer An electrochemical cell made of ceramics and provided with an oxygen electrode for producing oxygen; an oxygen electrode inlet supply line for supplying an oxygen electrode inlet supply gas containing oxygen to the electrochemical cell; An oxygen electrode side outlet line for discharging the oxygen electrode outlet gas containing oxygen in the chemical cell; a pressure adjusting mechanism for adjusting the pressure of the oxygen electrode inlet supply gas interposed in the oxygen electrode inlet supply line; and the oxygen electrode inlet A circulating gas suction mechanism for sucking and supplying a part of the oxygen electrode outlet gas as a circulating gas to the line or the pressure adjusting mechanism, and the oxygen electrode outlet gas not circulating as the circulating gas. A cooler for producing oxygen by separating cooled excessive water, is characterized in that it comprises a.
また、上記目的を達成するため、本発明の水素製造方法においては、電気化学セルを構成する電解質を含む電解質層の一面に設けられた水素極において水蒸気を電気分解して水素を製造し、前記電解質層の他面に設けられた酸素極において酸素を製造するステップと、この電気化学セルに前記水蒸気を含む水素極入口供給ガスを水素極入口供給ラインを介して供給するステップと、前記電気化学セルの前記水素を含む水素極出口ガスを水素極側出口ラインを介して排出するステップと、この水素極入口供給ラインに介在し前記水素極入口供給ガスの圧力を圧力調整機構を介して調整する圧力調整機構ステップと、前記水素極入口ライン又は前記圧力調整機構に循環ガス吸引機構を介して前記水素極出口ガスの一部を循環ガスとして供給するステップと、この循環ガスとして循環しない前記水素極出口ガスの余剰水を冷却器を介して冷却し分離して水素を製造するステップと、を備えたことを特徴とするものである。 In order to achieve the above object, in the hydrogen production method of the present invention, hydrogen is produced by electrolyzing water vapor at a hydrogen electrode provided on one surface of an electrolyte layer containing an electrolyte constituting an electrochemical cell, Producing oxygen at an oxygen electrode provided on the other surface of the electrolyte layer, supplying a hydrogen electrode inlet supply gas containing water vapor to the electrochemical cell via a hydrogen electrode inlet supply line, and the electrochemical A step of discharging the hydrogen electrode outlet gas containing hydrogen of the cell through the hydrogen electrode side outlet line, and adjusting the pressure of the hydrogen electrode inlet supply gas interposed in the hydrogen electrode inlet supply line via a pressure adjusting mechanism. A pressure adjusting mechanism step, and a step of supplying a part of the hydrogen electrode outlet gas as a circulating gas to the hydrogen electrode inlet line or the pressure adjusting mechanism via a circulating gas suction mechanism. And-up, is characterized in that it comprises the steps of producing the cooled separated hydrogen through the cooler excessive water of the hydrogen electrode outlet gas does not circulate as the circulation gas.
本発明の水素製造装置及びその方法によれば、水素極出口ガスの一部を冷却せずに水素極の供給側に循環させ、この供給ガスを駆動源としたエジェクタの吸引側に水素極出口ガスを一部分岐して接続することにより、供給ガスの加熱及び出口ガスの冷却の熱交換量を軽減し、熱損失を低減できるために、エネルギー効率を向上させることができる。 According to the hydrogen production apparatus and the method of the present invention, a part of the hydrogen electrode outlet gas is circulated to the hydrogen electrode supply side without cooling, and the hydrogen electrode outlet is provided on the suction side of an ejector using this supply gas as a drive source By partially branching and connecting the gas, the heat exchange amount for heating the supply gas and cooling the outlet gas can be reduced and the heat loss can be reduced, so that energy efficiency can be improved.
以下、本発明に係る水素製造装置及びその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。 Hereinafter, embodiments of a hydrogen production apparatus and method according to the present invention will be described with reference to the drawings. Here, the same or similar parts are denoted by common reference numerals, and redundant description is omitted.
図1は、本発明の第1の実施の形態の高温水蒸気電解システム(水素極側)を示す構成図である。 FIG. 1 is a configuration diagram showing a high-temperature steam electrolysis system (hydrogen electrode side) according to a first embodiment of the present invention.
本図に示すように、原料水7は加熱器4で加熱され蒸発し水蒸気となって電気化学セル1の水素極へ供給される。電気化学セル1において、電解質を真中に電解質層の両面に酸素極(陽極)と水素極(陰極)を配した三層構造から構成される。水素極で電子を与えられて水蒸気を酸素イオンと水素に分解する。分解した酸素イオンが電解質層を透過し、酸素極において電子を放して酸素が生成される。高温での使用に耐えるよう、電解質層、酸素極及び水素極はセラミックスから作製されている。
As shown in the figure, the
上記電気化学セル1の水素を含む水素極出口ガス11は、水素極出口ライン11aを介して冷却器5に導入される。この冷却器5において、水素極出口ガス11が冷却されて、ガス中の水分が凝縮して循環水14となる。この循環水14は水循環ポンプ6により供給され、原料水7と合流し原料水及び循環水15となる。この原料水及び循環水15は、水素極入口ライン15aを介して加熱器4に導入される。この加熱器4において、導入された原料水及び循環水15は加熱され蒸発し水蒸気16となる。
The hydrogen
この水蒸気16から一部分岐した水蒸気は循環ガス吸引機構2に導入される。この分岐した水蒸気16は循環ガス吸引機構駆動用水蒸気17となり駆動源として使用される。循環ガス吸引機構2において、循環ガス吸引機構駆動用水蒸気17が駆動源となって、水素極出口ガス11の一部を循環ガス12として吸引している。
The water vapor partially branched from the
このように構成された本実施の形態において、吸引された循環ガス12は、循環ガス吸引機構駆動用水蒸気17と合流して水蒸気及び循環ガス19となって、圧力調整機構3に導入される。この圧力調整機構3において、水蒸気及び循環ガス19は加熱器4出口の水蒸気18と共に圧力調整され、水素極入口供給ガス20として電気化学セル1の水素極へ供給される。この圧力調整機構3は、水蒸気及び循環ガス19及び加熱器4出口の水蒸気18を、所定の圧力に調整する機能を持つ。電気化学セル1の水素極で生成した水素リッチガスが水素極出口ガス11として得られる。水素極出口ガス11から循環ガス12を分離したガスは、製品水素及び循環水13となって冷却器5で冷却され、水分は凝縮して循環水14として分離され、製品水素8が得られる。
In the present embodiment configured as described above, the sucked circulating
本実施の形態によれば、水素極出口ガス11の一部を冷却せずに分岐し、水蒸気と水素の混合ガスを循環ガスとして水素極入口に供給することにより、循環水量の低減効果と共に、水素極出口の冷却器5および水素極入口の加熱器4の熱交換量を低減することができる。
According to the present embodiment, a part of the hydrogen
従来の冷却器5においては、水素極出口の水蒸気と水素ガスを全量冷却し、加熱器4において冷却された循環水と循環ガスを水素極供給ガス条件にまで加熱していた。これに対して、水素極出口ガスの一部を冷却せずに水素極への供給側に循環させることによって、供給ガスの加熱及び出口ガスの冷却の熱交換量を軽減し、熱損失を大幅に低減できるために、エネルギー効率が大幅に向上することができる。
In the
また、熱交換量が小さいので、熱交換器を小型化でき、ガス循環器が不要と成り、装置製造コストが削減できる。 Further, since the heat exchange amount is small, the heat exchanger can be downsized, the gas circulator becomes unnecessary, and the device manufacturing cost can be reduced.
なお、電気化学セル1としては、図2に示す両端開放型の円筒型電解セル1a、図3に示す片端開放型の円筒型電解セル1b及び平板型(図示せず)の電気化学セルのいずれも使用することが可能である。
The
上記両端開放型の円筒型電解セル1aは、両端を開放した円筒状の内側を形成する水素極Aと、この水素極の外側に設けられた円筒状の酸素極Bと、この水素極と酸素極との間に設けられ電解質を含む電解質層Cとを有している。この両端開放型の円筒型電解セル1aの一端から水素極へ水蒸気を供給し他端から水素リッチガスを得ることができる。
The open-ended cylindrical
上記片端開放型の円筒型電解セル1bは、一端を閉じ他端を開放した円筒状の内側を形成する水素極Aと、この水素極の外側に設けられた円筒状の酸素極Bと、この水素極と酸素極との間に設けられ電解質を含む電解質層Cとを有している。この水素極へ水蒸気導入管を介して水蒸気を供給し水素リッチガスを得ることができる。 The one-end open type cylindrical electrolytic cell 1b includes a hydrogen electrode A that forms a cylindrical inner side with one end closed and the other end opened, a cylindrical oxygen electrode B provided outside the hydrogen electrode, An electrolyte layer C including an electrolyte is provided between the hydrogen electrode and the oxygen electrode. Hydrogen rich gas can be obtained by supplying water vapor to the hydrogen electrode via a water vapor introducing tube.
図4は、本発明の第2の実施の形態の高温水蒸気電解システム(水素極側)の構成を示す構成図である。本図は、図1の循環ガス吸引機構2の代わりにエジェクタ30を設けたものであり、図1と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。
FIG. 4 is a configuration diagram showing the configuration of the high-temperature steam electrolysis system (hydrogen electrode side) according to the second embodiment of the present invention. In this figure, an
本図に示すように、原料水7は水素極出口ライン11aで分離された循環水14と合流し、原料水及び循環水15となる。この原料水及び循環水15が加熱器4で加熱され蒸発し水蒸気16となる。この水蒸気16から一部分岐した循環ガス吸引機構駆動用水蒸気17が、図1に示す循環ガス吸引機構2の一種であるエジェクタ30に導入される。ここでは、循環ガス吸引機構駆動用水蒸気17を駆動源にして、エジェクタ30内部に負圧が生じ、これより水素極出口ガス11の一部を循環ガス12として吸引する。この吸引された循環ガス12と循環ガス吸引機構駆動用水蒸気17とが合流して水蒸気及び循環ガス19となって水素極入口供給ガス合流部21に導入される。
As shown in this figure, the
一方、加熱器4出口の水蒸気18は、図1に示す圧力調整機構3の一種であるオリフィス31を介して圧力降下し水素極入口供給ガス合流部21に至り、水蒸気及び循環ガス19と合流する。適切な口径を持つオリフィス31の作用により、加熱器4出口の水蒸気18の圧力を水蒸気及び循環ガス19の圧力とほぼ等しい圧力に設定する。
On the other hand, the
このように構成された本実施の形態において、電気化学セル1の水素極で生成された水素リッチガスが水素極出口ガス11として得られる。この水素極出口ガス11から循環ガス12を分離したガスは製品水素及び循環水13となって、冷却器5で冷却される。この冷却器5において、製品水素及び循環水13に含入する水分は、凝縮して循環水14として分離され、製品水素8が得られる。
In the present embodiment configured as described above, the hydrogen-rich gas generated at the hydrogen electrode of the
本実施の形態によれば、水素極出口ガス11の一部を冷却せずに分岐して、水蒸気及び水素の混合ガスを循環ガス12として水素極入口に供給する。この水素極への供給ガスの一部を駆動源としたエジェクタ30を水素極の供給側に設置する。このエジェクタ30の吸引側に水素極出口ガスの一部を分岐して接続することにより、冷却器5経由の循環水量を大幅に低減することができる。この循環水量の低減化は、水素極出口の冷却器5及び水素極入口の加熱器4における熱交換量を大幅に低減させ、エネルギー効率向上に貢献し、さらに、装置製造コストの削減を図ることができる。
According to the present embodiment, a part of the hydrogen
また、多数本の電気化学セルを集積したユニットおいては、各セルへのガス供給ラインにオリフィス31等の圧力損失が大きい部品を挿入し、各セルへの供給ガス流量の均一化を図り、エネルギー効率向上に貢献することができる。
Moreover, in a unit in which a large number of electrochemical cells are integrated, a part having a large pressure loss such as the
本発明の第3の実施の形態の高温水蒸気電解システムについて、図1、図5を用いて説明する。 A high temperature steam electrolysis system according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
図5に示すように、従来例では、電気化学セル1の酸素極側に、酸素分圧を下げた酸素極供給ガス51を供給している。電気化学セル1で生成された酸素リッチガスは、冷却後に酸素極出口ガス52として系外に排出している。
As shown in FIG. 5, in the conventional example, an oxygen
本実施の形態において、酸素を含む酸素極入口供給ガス51は、酸素極入口供給ライン51aを介して電気化学セル1の酸素極に供給される。また、この電気化学セル1の酸素極出口には製造された酸素を含む酸素極出口ガスを排出する酸素極側出口ライン52aが接続されている。
In the present embodiment, the oxygen electrode
上記酸素極入口供給ライン51aには、図1に示す圧力調整機構3と同様の機能を持つ圧力調整機構(図示せず)が設けられている。この圧力調整機構により、酸素極入口供給ガス51の圧力を調整している。また、酸素極入口ライン51a又は圧力調整機構には、図1に示す循環ガス吸引機構2と同様の機能を持つ循環ガス吸引機構(図示せず)が設けられている。この循環ガス吸引機構は、酸素極出口ガス52の一部を循環ガスとして酸素極入口供給ガス51に供給している。また、上記循環をしない酸素極出口ガス52から余剰水を分離して酸素を製造する冷却器(図示せず)が設けられている。
The oxygen electrode
本実施の形態によれば、酸素極入口供給ライン51aにも、図1の水素極入口ライン15aに備えたものと同様の機能を持つ圧力調整機構及び循環ガス吸引機構を備えることにより、電気化学セル1における高温水蒸気電解で生成する酸素も製品として回収するものである。酸素極側の供給ガスとして、水蒸気で酸素分圧を調整したガスを用いる。酸素分圧が高くなった酸素リッチな酸素極出口ガスから水分を除去して酸素を製品として得ることができる。
According to the present embodiment, the oxygen electrode
上述のように、第1,2の実施の形態の水素製造装置に示したエネルギー効率向上及び装置製造コスト削減の効果の他に、酸素をも製品とすることができ、コストメリットが大きいシステムを実現できる。 As described above, in addition to the effects of energy efficiency improvement and device manufacturing cost reduction shown in the hydrogen production apparatuses of the first and second embodiments, a system that can make oxygen a product and has a large cost merit. realizable.
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、本発明の各実施例を組み合わせて、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。 Furthermore, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention by combining the embodiments of the present invention. it can.
1…電気化学セル、1a…両端開放型の円筒型電解セル、1b…片端開放型の円筒型電解セル、2…循環ガス吸引機構、3…圧力調整機構、4…加熱器、5…冷却器、6…水循環ポンプ、7…原料水、8…製品水素、11…水素極出口ガス、11a…水素極出口ライン、12…循環ガス、13…製品水素及び循環水、14…循環水、15…原料水及び循環水、15a…水素極入口供給ライン、16…水蒸気、17…循環ガス吸引機構駆動用水蒸気、18…水蒸気、19…水蒸気及び循環ガス、20…水素極入口供給ガス、21…水素極入口供給ガス合流部、30…エジェクタ(循環ガス吸引機構)、31…オリフィス(圧力調整機構)、41…気水分離器、42…水素分離器、51…酸素極入口供給ガス、51a…酸素極入口供給ライン、52…酸素極出口ガス、52a…酸素極出口ライン。
DESCRIPTION OF
Claims (11)
この電気化学セルに前記水蒸気を含む水素極入口供給ガスを供給する水素極入口供給ラインと、
前記電気化学セルの前記水素を含む水素極出口ガスを排出する水素極出口ラインと、
前記水素極入口供給ラインに介在し前記水素極入口供給ガスの圧力を調整する圧力調整機構と、
前記水素極入口ライン又は前記圧力調整機構に前記水素極出口ガスの一部を循環ガスとして吸引し供給する循環ガス吸引機構と、
この循環ガスとして循環しない前記水素極出口ガスから余剰水を冷却し分離して水素を製造する冷却器と、
を備えたことを特徴とする水素製造装置。 An electrolyte layer including an electrolyte, a hydrogen electrode that is provided on one surface of the electrolyte layer and that produces hydrogen by electrolyzing water vapor, and an oxygen electrode that is provided on the other surface of the electrolyte layer and that produces oxygen are manufactured from ceramics. An electrochemical cell,
A hydrogen electrode inlet supply line for supplying a hydrogen electrode inlet supply gas containing the water vapor to the electrochemical cell;
A hydrogen electrode outlet line for discharging the hydrogen electrode outlet gas containing the hydrogen of the electrochemical cell;
A pressure adjusting mechanism for adjusting the pressure of the hydrogen electrode inlet supply gas interposed in the hydrogen electrode inlet supply line;
A circulation gas suction mechanism for sucking and supplying a part of the hydrogen electrode outlet gas as a circulation gas to the hydrogen electrode inlet line or the pressure adjusting mechanism;
A cooler that cools and separates excess water from the hydrogen electrode outlet gas that does not circulate as this circulating gas, and produces hydrogen;
A hydrogen production apparatus comprising:
この電気化学セルに前記酸素を含む酸素極入口供給ガスを供給する酸素極入口供給ラインと、
前記電気化学セルの前記酸素を含む酸素極出口ガスを排出する酸素極出口ラインと、
この酸素極入口供給ラインに介在し前記酸素極入口供給ガスの圧力を調整する圧力調整機構と、
前記酸素極入口ライン又は前記圧力調整機構に前記酸素極出口ガスの一部を循環ガスとして吸引し供給する循環ガス吸引機構と、
この循環ガスとして循環しない前記酸素極出口ガスから余剰水を冷却し分離して酸素を製造する冷却器と、
を備えたことを特徴とする水素製造装置。 An electrolyte layer containing an electrolyte, a hydrogen electrode that is provided on one surface of the electrolyte layer to produce hydrogen by electrolyzing water vapor, and an oxygen electrode that is provided on the other surface of the electrolyte layer to produce oxygen, are made of ceramics. An electrochemical cell,
An oxygen electrode inlet supply line for supplying an oxygen electrode inlet supply gas containing oxygen to the electrochemical cell;
An oxygen electrode outlet line for discharging the oxygen electrode outlet gas containing the oxygen of the electrochemical cell;
A pressure adjusting mechanism for adjusting the pressure of the oxygen electrode inlet supply gas interposed in the oxygen electrode inlet supply line;
A circulating gas suction mechanism for sucking and supplying a part of the oxygen electrode outlet gas as a circulating gas to the oxygen electrode inlet line or the pressure adjusting mechanism;
A cooler that cools and separates excess water from the oxygen electrode outlet gas that does not circulate as the circulating gas, and produces oxygen;
A hydrogen production apparatus comprising:
この電気化学セルに前記水蒸気を含む水素極入口供給ガスを水素極入口供給ラインを介して供給するステップと、
前記電気化学セルの前記水素を含む水素極出口ガスを水素極側出口ラインを介して排出するステップと、
この水素極入口供給ラインに介在し前記水素極入口供給ガスの圧力を圧力調整機構を介して調整する圧力調整機構ステップと、
前記水素極入口ライン又は前記圧力調整機構に循環ガス吸引機構を介して前記水素極出口ガスの一部を循環ガスとして供給するステップと、
この循環ガスとして循環しない前記水素極出口ガスを冷却器を介して冷却し余剰水を分離して水素を製造するステップと、
を備えたことを特徴とする水素製造方法。 Producing hydrogen by electrolyzing water vapor at a hydrogen electrode provided on one surface of an electrolyte layer containing an electrolyte constituting an electrochemical cell, and producing oxygen at an oxygen electrode provided on the other surface of the electrolyte layer; ,
Supplying a hydrogen electrode inlet supply gas containing the water vapor to the electrochemical cell via a hydrogen electrode inlet supply line;
Discharging a hydrogen electrode outlet gas containing the hydrogen of the electrochemical cell via a hydrogen electrode side outlet line;
A pressure adjusting mechanism step for adjusting the pressure of the hydrogen electrode inlet supply gas via the pressure adjusting mechanism interposed in the hydrogen electrode inlet supply line;
Supplying a part of the hydrogen electrode outlet gas as a circulating gas to the hydrogen electrode inlet line or the pressure adjusting mechanism via a circulating gas suction mechanism;
Cooling the hydrogen electrode outlet gas that does not circulate as this circulating gas through a cooler to separate excess water to produce hydrogen; and
A method for producing hydrogen, comprising:
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- 2006-11-06 JP JP2006299995A patent/JP2008115430A/en not_active Withdrawn
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