(57)【要約】【課題】水素製造装置において、簡易な構成により、水素の純度を向上させたガスを取得する。【解決手段】供給された水の分解反応により生成された水素が流通する第１流路１１と、この第１流路１１に隣接し、第１流路１１において生成された酸素が流通する第２流路とを備え、第１流路１１と第２流路１２（１３）とを隔てる隔壁の少なくとも一部が、第１流路１１において生成した酸素を第２流路１２（１３）に選択的に透過させる酸素透過性を有する構成とする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
供給された水の分解反応により生成された水素が流通する第１流路と、
前記第１流路に隣接し、前記第１流路において生成された酸素が流通する第２流路とを備え、
前記第１流路と前記第２流路とを隔てる隔壁の少なくとも一部は、前記第１流路において生成した前記酸素を前記第２流路に選択的に透過させる酸素透過性を有することを特徴とする水素製造装置。
【請求項２】
前記第２流路には、燃料ガスが更に流通し、
前記燃料ガスは、前記第２流路において前記酸素によって燃焼することを特徴とする請求項１に記載の水素製造装置。
【請求項３】
前記燃料ガスの燃焼熱が、前記第１流路と前記第２流路とを隔てる前記隔壁を介して前記第１流路に伝導することを特徴とする請求項２に記載の水素製造装置。
【請求項４】
前記燃料ガスは、一酸化炭素及び水素を含むことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の水素製造装置。
【請求項５】
前記第２流路には、外部から導入された酸素が更に流通することを特徴とする請求項３に記載の水素製造装置。
【請求項６】
前記第１流路と前記第２流路とを隔てる前記隔壁には、水分解反応用触媒が担持されていることを特徴とする請求項３から請求項５のいずれかに記載の水素製造装置。
【請求項７】
前記第１流路は、所定の間隔をおいて配置された２つの平板状の壁によって画定され、
前記隔壁は、前記２つの平板状の壁の一方によって構成されることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載の水素製造装置。
【請求項８】
前記２つの平板状の壁の他方が、前記隔壁をさらに構成し、
前記第２流路は、前記２つの平板状の壁をそれぞれ介して前記第１流路に隣接する２つの流路を含むことを特徴とする請求項７に記載の水素製造装置。
【請求項９】
前記第２流路と隣接し、外部から導入された酸素含有ガスが流通する第３流路を更に備え、前記第２流路と前記第３流路とを隔てる隔壁の少なくとも一部は、前記第３流路における前記酸素含有ガスに含まれる酸素を前記第２流路に選択的に透過させる酸素透過性を有する
前記第２流路と隣接し、外部から導入された空気が流通する第３流路を更に備え、
前記第２流路と前記第３流路とを隔てる隔壁の少なくとも一部は、前記第３流路における前記空気に含まれる酸素を前記第２流路に選択的に透過させる酸素透過性を有することを特徴とする請求項２から請求項８のいずれかに記載の水素製造装置。
【請求項１０】
前記第２流路と前記第３流路とを隔てる前記隔壁は、前記第１流路と前記第２流路とを隔てる前記隔壁と所定の間隔をおいて配置された更なる平板状の壁からなることを特徴とする請求項９に記載の水素製造装置。
【請求項１１】
前記第２流路には、不活性ガスが流通することを特徴とする請求項１に記載の水素製造装置。
【請求項１２】
前記第２流路が減圧されていることを特徴とする請求項１に記載の水素製造装置。
【請求項１３】
請求項１から請求項１２のいずれかに記載の前記水素製造装置と、前記水素製造装置によって製造された水素が供給される水素利用装置とを備えることを特徴とする水素製造システム。
【請求項１４】
供給された水の分解反応によって生成された水素を第１流路に流通させる工程と、
前記第１流路に隣接する第２流路に、前記分解反応によって生成された酸素を流通させる工程とを含み、
前記第２流路に酸素を流通させる工程には、前記第１流路と前記第２流路とを隔てる隔壁を介して前記分解反応によって生成された前記酸素を前記第２流路に選択的に透過させる工程が含まれることを特徴とする水素製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水の分解により水素を製造する水素製造装置及びこれを備えた水素製造システム並びに水素製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料電池等に供給するための水素を製造する技術として、例えば、炭化水素やアルコールに水蒸気を混合した原料ガスを燃焼ガスによって加熱しつつ、触媒により改質反応を進行させることにより、水素を主成分とするガスを取得する水蒸気改質法が知られている（特許文献１−４照）。
【０００３】
また、そのような水素製造では、水蒸気改質反応により水素および一酸化炭素からなる合成ガスが生成されるが、さらに、より低温でのシフト反応を進行させることにより、合成ガスにおける一酸化炭素を二酸化炭素に転化するとともに、水素富化が行われる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平８−１０８０６５号公報
【特許文献２】特開平１１−１１１３２１号公報
【特許文献３】特開２００１−１９２２０１号公報
【特許文献４】特開２００２−２４９３０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上記特許文献１〜４に記載されたような従来技術によれば、水素を主成分とするガスを取得することが可能となるが、取得されたガスには、一酸化炭素や二酸化炭素等の他の成分が比較的多く含まれる。一方、燃料電池等では、そのような低水素純度のガスの使用は装置に悪影響を及ぼすことがあるため、より高純度の水素（例えば、95〜99.9999vol％）を含むガスを使用することが望ましい。
【０００６】
しかしながら、より高純度の水素を含むガスを得ようとした場合には、例えば、上記シフト反応により生成された二酸化炭素を化学吸収法により分離する脱炭酸工程およびその脱炭酸されたガス中に残存する微量な一酸化炭素および二酸化炭素を除去するためのメタネーション反応工程や、ＰＳＡ（Pressure Swing Adsorption）工程、水素を選択的に分離するための膜分離工程等を適宜実施することが必要となる。その場合、水素の製造工程が複雑化するとともに、その製造設備が大型化するという問題がある。
【０００７】
本発明は、このような従来技術の課題を鑑みて案出されたものであり、簡易な構成により、水素の純度を向上させたガスを取得可能とする水素製造装置及びこれを備えた水素製造システム並びに水素製造方法を提供することを主目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の第１の側面では、水素製造装置に関し、供給された水の分解反応によって生成された水素が流通する第１流路と、前記第１流路に隣接し、前記第１流路において生成された酸素が流通する第２流路とを備え、前記第１流路と前記第２流路とを隔てる隔壁の少なくとも一部は、前記第１流路において生成した前記酸素を前記第２流路に選択的に透過させる酸素透過性を有することを特徴とする。
【０００９】
本発明の第１の側面では、第１流路で生成された酸素を酸素透過性の隔壁を介して第２流路に選択的に透過させる簡易な構成により、第１流路において水素の純度を向上させたガスを取得することが可能となる。なお、第１流路には、未反応の水が水素と共に存在し得るが、その場合でもその水を除去するだけで、水素の純度を向上させたガスを容易に取得することができる。
【００１０】
本発明の第２の側面では、前記第２流路には、燃料ガスが更に流通し、前記燃料ガスは、前記第２流路において前記酸素によって燃焼することを特徴とする。
【００１１】
本発明の第２の側面では、第１流路から第２流路に透過した酸素が燃料ガスの燃焼に用いられるため、第１流路および第２流路における酸素分圧の差により、第１流路から第２流路への酸素の良好な透過性が実現される。
【００１２】
本発明の第３の側面では、前記燃料ガスの燃焼熱が、前記第１流路と前記第２流路とを隔てる前記隔壁を介して前記第１流路に伝導することを特徴とする。
【００１３】
本発明の第３の側面では、第２流路における燃料ガスの燃焼熱を第１流路における水の分解反応に利用することができるため、水の分解反応のための外部からの熱の供給量を低減することが可能となる。
【００１４】
本発明の第４の側面では、前記燃料ガスは、一酸化炭素及び水素を含むことを特徴とする。
【００１５】
本発明の第４の側面では、第２流路における一酸化炭素及び水素の燃焼熱を第１流路における水の分解反応に利用することができる。
【００１６】
本発明の第５の側面では、前記第２流路には、外部から導入された酸素または酸素含有ガスが更に流通することを特徴とする。
【００１７】
本発明の第５の側面では、第２流路における燃料ガスの燃焼熱量を増大させることができるため、外部からの熱の供給を不要とする（または、熱の供給量をより低減する）ことが可能となる。
【００１８】
本発明の第６の側面では、前記第１流路と前記第２流路とを隔てる前記隔壁には、水分解反応用触媒が担持されていることを特徴とする。
【００１９】
本発明の第６の側面では、第１流路における水の分解反応をより促進させることが可能となる。
【００２０】
本発明の第７の側面では、前記第１流路は、所定の間隔をおいて配置された２つの平板状の壁によって画定され、前記隔壁は、前記２つの平板状の壁の一方によって構成されることを特徴とする。
【００２１】
本発明の第７の側面では、平板状の壁を用いた簡易な流路構成により、第１流路において水素の純度を向上させたガスを取得することが可能となる。
【００２２】
本発明の第８の側面では、前記２つの平板状の壁の他方が、前記隔壁をさらに構成し、前記第２流路は、前記２つの平板状の壁をそれぞれ介して前記第１流路に隣接する２つの流路を含むことを特徴とする。
【００２３】
本発明の第８の側面では、第１流路から第２流路に酸素を透過させる隔壁の面積（すなわち、酸素の透過領域）をより大きく確保することができ、所望の酸素の透過量を安定して維持することが可能となる。
【００２４】
本発明の第９の側面では、前記第２流路と隣接し、外部から導入された酸素含有ガスが流通する第３流路を更に備え、前記第２流路と前記第３流路とを隔てる隔壁の少なくとも一部は、前記第３流路における前記酸素含有ガスに含まれる酸素を前記第２流路に選択的に透過させる酸素透過性を有することを特徴とする。
【００２５】
本発明の第９の側面では、第２流路に流通する酸素量の増大により、燃焼ガス量（すなわち、燃焼熱量）を増大させることができるため、外部からの熱の供給を不要とする（または、熱の供給量をより低減する）ことが可能となる。
【００２６】
本発明の第１０の側面では、前記第２流路と前記第３流路とを隔てる前記隔壁は、前記第１流路と前記第２流路とを隔てる前記隔壁と所定の間隔をおいて配置された更なる平板状の壁からなることを特徴とする。
【００２７】
本発明の第１０の側面では、平板状の壁を用いた簡易な流路構成により、第１流路において水素の純度を向上させたガスを取得することが可能となる。
【００２８】
本発明の第１１の側面では、前記第２流路には、前記酸素をパージするための不活性ガスが流通する。
【００２９】
本発明の第１１の側面では、第１流路から第２流路に透過した酸素が不活性ガスによってパージされるため、第１流路および第２流路における酸素分圧の差により、第１流路から第２流路への酸素の良好な透過性が実現される。
【００３０】
本発明の第１２の側面では、前記第２流路が減圧されていることを特徴とする。
【００３１】
本発明の第１２の側面では、第２流路の減圧によって第１流路から第２流路に透過した酸素が減少するため、第１流路および第２流路における酸素分圧の差により、第１流路から第２流路への酸素の良好な透過性が実現される。
【００３２】
本発明の第１３の側面では、水素製造システムに関し、上記第１から第１４の側面いずれかに係る前記水素製造装置と、前記水素製造装置によって製造された水素が供給される水素利用装置とを備えることを特徴とする。
【００３３】
本発明の第１３の側面では、第１流路で生成された酸素を酸素透過性の隔壁を介して第２流路に選択的に透過させる簡易な構成により、水素利用装置（例えば、燃料電池）に対して第１流路において水素の純度を向上させたガスを供給することが可能となる。
【００３４】
本発明の第１４の側面では、供給された水の分解反応によって生成された水素を第１流路に流通させる工程と、前記第１流路に隣接する第２流路に、前記分解反応によって生成された酸素を流通させる工程とを含み、前記第２流路に酸素を流通させる工程には、前記第１流路と前記第２流路とを隔てる隔壁を介して前記分解反応によって生成された前記酸素を前記第２流路に選択的に透過させる工程が含まれることを特徴とする。
【００３５】
本発明の第１５の側面では、第１流路で生成された酸素を酸素透過性の隔壁を介して第２流路に選択的に透過させる簡易な構成により、第１流路において水素の純度を向上させたガスを取得することが可能となる。
【００３６】
本発明の別の側面では、前記燃料ガスには、炭化水素燃料の水蒸気改質により生成されたガスが含まれることを特徴とする。
【００３７】
これによれば、第２流路における燃料ガスの燃焼熱量を増大させることができるため、外部からの熱の供給を不要とする（または、熱の供給量をより低減する）ことが可能となる。
【００３８】
本発明の別の側面では、前記燃料ガスには、炭化水素燃料の炭酸ガス改質により生成されたガスが含まれることを特徴とする。
【００３９】
これによれば、第２流路における燃料ガスの燃焼熱量を増大させることができるため、外部からの熱の供給を不要とする（または、熱の供給量をより低減する）ことが可能となる。
【００４０】
本発明の別の側面では、前記燃料ガスには、炭化水素燃料の部分酸化により生成されたガスが含まれることを特徴とする。
【００４１】
これによれば、第２流路における燃料ガスの燃焼熱量を増大させることができるため、外部からの熱の供給を不要とする（または、熱の供給量をより低減する）ことが可能となる。
【発明の効果】
【００４２】
このように本発明によれば、簡易な構成により、水素の純度を向上させたガスを取得することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】第１実施形態に係る水素製造システムの構成図
【図２】図１に示した水素製造装置の要部を示す説明図
【図３】図２に示した水素製造装置の第１変形例を示す説明図
【図４】図２に示した水素製造装置の第２変形例を示す説明図
【図５】図２に示した水素製造装置の第３変形例を示す説明図
【図６】図２に示した水素製造装置の第４変形例を示す説明図
【図７】第２実施形態に係る水素製造システムの構成図
【図８】図７に示した水素製造装置の要部を示す説明図
【図９】第３実施形態に係る水素製造システムの構成図
【図１０】図９に示した水素製造装置の要部を示す説明図
【図１１】図１０に示した水素製造装置の変形例を示す説明図
【図１２】第４実施形態に係る水素製造システムの構成図
【図１３】図１２に示した水素製造装置の要部を示す説明図
【図１４】図１３に示した水素製造装置の第１変形例を示す説明図
【図１５】図１３に示した水素製造装置の第２変形例を示す説明図
【発明を実施するための形態】
【００４４】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００４５】
（第１実施形態）
図１は本発明の第１実施形態に係る水素製造システム１の構成図であり、図２は図１に示した水素製造装置２の要部を示す説明図であり、図３、図４、図５、及び図６は、それぞれ図２に示した水素製造装置の第１、第２、第３、及び第４変形例を示す説明図である。なお、図２中に矢印で示す方向は、説明の便宜のためのものであり、実用上の方向を限定するものではない（他の図についても同様）。また、図４以降では、図２に示した水素製造装置２と同様の構造をより簡略化して示してある。
【００４６】
図１に示すように、水素製造システム１は、水の分解により水素を製造する水素製造装置２と、水素製造装置２に原料としての水を供給する水供給装置３と、水素製造装置２において製造された水素を利用する水素利用装置４とを主として備える。
【００４７】
ここで、水供給装置３は、公知のポンプ等から構成され、図示しない貯蔵タンク等から水素製造装置２に対して水を供給可能である。また、水素利用装置４は、例えば、水素を燃料とする公知の燃料電池から構成されるが、これに限らず、水素を主成分とするガスを利用可能であれば、他の任意の装置を用いることが可能である。
【００４８】
図２に示すように、水素製造装置２は、水及び水の分解反応により生成された水素（Ｈ２）が流通する第１流路１１と、この第１流路１１と隣接し、第１流路において生成された酸素（Ｏ２）が流通する第２流路１２、１３とを有する。また、図示は省略するが、第１流路１１および第２流路１２、１３の左右方向は、当該方向に略垂直に配置された気体透過性を有していない壁（例えば、金属製の部材）によって閉鎖されている。
【００４９】
第１流路１１は、所定の間隔をあけて互いに平行に配置された上下の２つの平板状の壁（隔壁）１４、１５によって画定される。壁１４、１５は、酸素を選択的に透過させる酸素透過性を有しており、例えば、公知の酸素透過性のセラミックス膜によって構成することが可能である。
【００５０】
そのようなセラミックス膜の詳細については、例えば、Wenping Li, Xuefeng Zhu, Zhongwei Cao, Weiping Wang, Weishen Yang. "Mixed ionic-electronic conducting (MIEC) membranes for hydrogen production from water splitting." International Journal of Hydrogen Energy, Volume 40, Issue 8, 2 March 2015, Pages 3452-3461、C.Y. Park, T.H. Lee, S.E. Dorris, U. Balachandran. "Hydrogen production from fossil and renewable sources using an oxygen transport membrane." International Journal of Hydrogen Energy. International Journal of Hydrogen Energy, Volume 35, Issue 9, May 2010, Pages 4103-4110、U. (Balu) Balachandran, T.H. Lee, S.E. Dorris. "Hydrogen production by water dissociation using mixed conducting dense ceramic membranes." International Journal of Hydrogen Energy, Volume 32, Issue 4, March 2007, Pages 451-456等を参照されたい。
【００５１】
なお、水素製造装置２の流路を画定する酸素透過性の壁としては、少なくとも水素製造装置２が稼働する温度、圧力等の環境下において使用可能なものであればよく、上述のセラミックス膜に限らず、他の公知の酸素透過性の部材（実質的に酸素のみを透過させる部材）を用いることが可能である。
【００５２】
また、第２流路１２、１３は、互いに同一の構造を有しており、第１流路１１を画定する２つの平板状の壁１４、１５の一方と、これに対向する壁１６、１７の一方とによってそれぞれ画定される。壁１６、１７は、気体透過性を有しておらず、それぞれ壁１４、１５に対して所定の間隔をあけて互いに平行に配置される。
【００５３】
水素製造工程において、第１流路１１では、上流側（図２中の後側）から水（ここでは、蒸気）が流入し、この水が分解反応（Ｈ２Ｏ→Ｈ２＋0.5Ｏ２）をおこすことにより、水素および酸素が生成される。そこで生成された酸素は、壁１４、１５を透過（ここでは、酸素イオンとして透過）することにより、第１流路１１の上下に位置する第２流路１２、１３に流入する。一方、第１流路１１で生成された水素は、壁１４、１５を透過することなく、第１流路１１の下流側（図２中の前側）から排出される。これにより、第１流路１１の下流から水素の純度を向上させたガス（好ましくは、水素を95〜99.9999 vol％含む高純度の水素ガス）が排出され、この排出ガスは、水素製造装置２の製造物として水素利用装置４に送られる。また、第２流路１２、１３に流入した酸素は、第２流路１２、１３の下流側から排出される。なお、第１流路１１には、未反応の水が水素と共に存在し得るが、その場合でもその水を除去する（例えば、凝縮させる）だけで、水素の純度を向上させたガスを容易に取得することができる。
【００５４】
このように、水素製造システム１では、第１流路１１で生成された酸素を酸素透過性の壁１４、１５を介して第２流路１２、１３に選択的に透過させる簡易な構成により、第１流路１１において水素の純度を向上させたガスを取得することが可能となる。また、水素製造システム１では、従来技術のように水素精製のための装置を別途準備する必要はなく、コンパクトなシステムを実現できる。
【００５５】
なお、第１流路１１を画定する壁１４、１５については、第１流路１１の排出ガスにおいて所望の水素生成量および水素純度を達成可能な限りにおいて、少なくともその一部の領域が酸素透過性を有して（すなわち、壁１４、１５の一部が酸素透過性のセラミックス膜で形成されて）いればよい。また、水の分解反応（Ｈ２Ｏ→Ｈ２＋0.5Ｏ２）は、標準反応熱ΔＨ＝242kJの吸熱反応であるため、この反応に必要な熱は、図示しない外部装置（例えば、燃焼装置）から水素製造装置２に対して供給することが可能である。
【００５６】
また、第１流路１１および第２流路１２、１３ならびにそれらを画定する壁の形状やサイズについては適宜変更が可能である。本実施形態では、図２に示すように、第１流路１１の上下を挟み込むように第２流路１２、１３を配置する構成としたが、例えば、一方の第２流路１３を省略した構成も可能である。その場合、第１流路１１の下面を画定する壁１５は、壁１６と同様に気体透過性を有しない部材によって構成されることになる。さらに、ここでは、第１流路１１および第２流路１２、１３におけるガスの流れの方向を同一としたが、それぞれの流路におけるガスが、互いに交差する方向に流れる構成も可能である。
【００５７】
また、水素製造装置２では、第１流路１１を複数設けた構成も可能である。その場合、例えば、図２に示した構造を基本単位とし、これを上下方向に複数積み重ねた構成とすることができる。或いは、水素製造装置２では、第２流路１３を省略した構成において、上述の第１流路１１および第２流路１２を上下方向に交互に配置した構成とすることもできる。その場合、第２流路１２を画定する２つの壁は、ともに第１流路に対する隔壁になるため、これらは、壁１４、１５と同様に酸素透過性を有する部材でそれぞれ構成されることになる。
【００５８】
上記第１実施形態の第１変形例として、例えば図３に示すように、第１流路１１および第２流路１２は、略同心に配置された複数の管（ここでは、円管）２１、２２から構成されてもよい。この場合、より小径の管２１は、上述の壁１４、１５と同様に酸素透過性を有する部材で構成され、その内周面は、第１流路１１を画定する。また、より大径の管２２は、壁１６、１７と同様に気体透過性を有しない部材によって構成され、その内周面は、小径の管２１の外周面と共に第２流路１２を画定する。
【００５９】
また、上記第１実施形態の第２変形例として、例えば図４に示すように、第２流路１２、１３に酸素をパージするための不活性ガス（ここでは、アルゴン（Ａｒ））を流通させる構成も可能である。これにより、第１流路１１と第２流路１２、１３との酸素分圧の差が適正に維持され、第１流路１１から第２流路１２、１３への壁１４、１５を介した酸素の良好な透過性を実現できる。
【００６０】
また、上記第１実施形態の第３変形例として、例えば図５に示すように、第２流路１２、１３の下流側に接続されるポンプ等からなる吸引装置２５を設け、第２流路１２、１３内のガスを吸引（すなわち、第２流路１２、１３を減圧）する構成も可能である。これにより、上記第２変形例と同様に、第１流路１１から第２流路１２、１３への壁１４、１５を介した酸素の良好な透過性を実現できる。
【００６１】
また、上記第１実施形態の第４変形例として、例えば図６に示すように、第１流路１１を画定する壁（ここでは、壁１４、１５）に、貴金属や金属酸化物等を含む公知の水分解反応用触媒２８を担持させることが可能である。これにより、第１流路における水の分解が促進される。
【００６２】
なお、上記第１および第４変形例ならびにそれらと同等の構成については、本実施形態に限らず後述する他の実施形態においても、適宜採用することが可能である。
【００６３】
（第２実施形態）
図７は本発明の第２実施形態に係る水素製造システム１の構成図であり、図８は図１に示した水素製造装置２の要部を示す説明図である。図７および図８では、上述の第１実施形態と同様の構成要素に同一の符号を付している。また、第２実施形態に関し、以下で特に言及しない事項については、上述の第１実施形態（その変形例を含む）と同様として詳細な説明を省略する。
【００６４】
図７に示すように、第２実施形態に係る水素製造システム１では、水素製造装置２に燃料ガス（ここでは、メタンを主成分とする天然ガス）を供給する燃料供給装置３０と、水素製造装置２において発生した二酸化炭素（ＣＯ２）を回収するＣＯ２回収装置３１とを更に備えた点において第１実施形態の場合とは異なる。
【００６５】
図８に示すように、第２実施形態に係る水素製造装置２では、燃料供給装置３０からメタン（ＣＨ４）を主成分とする天然ガスが第２流路１２、１３にそれぞれ流入する。第２流路１２、１３のメタンは、第１流路１１から壁１４、１５を透過して第２流路１２、１３に流入する酸素によって燃焼（0.25ＣＨ４+0.5Ｏ２→0.25ＣＯ２+0.5Ｈ２Ｏ）する。前述の水分解で生成した酸素（0.5Ｏ２）を用いた前記化学式におけるメタンの燃焼は、反応熱ΔＨ＝−200kJ（298.15K、0.1MPa）の発熱反応であり、この燃焼熱は壁１４、１５を介して第１流路１１に伝導する。
【００６６】
この第２流路１２、１３からの燃焼熱の熱量（200kJ）により、第１流路１１における水の分解反応に必要な熱量（242kJ）の一部を補うことが可能となり、水の分解反応のための外部装置からの熱の供給量を低減することが可能となる。
【００６７】
また、第２流路１２、１３の下流側（図８中の前側）から排出される燃焼ガスに含まれる二酸化炭素は、水と分離された後に公知のＣＯ２回収装置３１に送られて回収される。
【００６８】
なお、水素製造システム１の燃料ガスとしては、天然ガスに限らず、ＬＰＧ（Liquefied Petroleum Gas）、軽油、ガソリン等の炭化水素やアルコールを含む燃料を用いることができる。
【００６９】
（第３実施形態）
図９は本発明の第３実施形態に係る水素製造システム１の構成図であり、図１０は図１に示した水素製造装置２の要部を示す説明図であり、図１１は図１０に示した水素製造装置の変形例を示す説明図である。図９〜図１１では、上述の第１及び第２実施形態と同様の構成要素に同一の符号を付している。また、第３実施形態に関し、以下で特に言及しない事項については、上述の第１または第２実施形態（それらの変形例を含む）と同様として詳細な説明を省略する。
【００７０】
図９に示すように、第３実施形態に係る水素製造システム１では、水素製造装置２に空気（酸素含有ガス）を供給する空気供給装置４１を更に備えた点において第２実施形態の場合とは異なる。
【００７１】
また、図１０に示すように、第３実施形態に係る水素製造装置２では、壁１６、１７にそれぞれ隣接し、空気供給装置４１から導入された空気（Ａｉｒ）が流通する第３流路４３、４４を更に備えた点において第２実施形態の場合とは異なる。
【００７２】
第３流路４３、４４は、互いに同一の構造を有しており、第２流路１２、１３を画定する２つの平板状の壁１６、１７の一方と、これに対向する壁４６、４７の一方とによってそれぞれ画定される。本実施形態では、壁１６、１７は、第１実施形態における壁１４、１５と同様に酸素透過性を有する部材から構成され、また、壁４６、４７は、第１実施形態における壁１６、１７と同様に気体透過性を有しておらず、それぞれ壁１６、１７に対して所定の間隔をあけて互いに平行に配置される。なお、図示は省略するが、第３流路４３、４４の左右方向（図１０の紙面に垂直な方向）は、第１実施形態における第１流路１１および第２流路１２、１３の場合と同様に閉鎖されている。
【００７３】
第３流路４３、４４では、上流側（図１０中の後側）から空気が流入し、この空気に含まれる酸素は、壁１６、１７を透過（ここでは、酸素イオンとして透過）して上下に配置された第２流路１２、１３にそれぞれ流入する。
【００７４】
第２流路１２、１３には、第２実施形態の場合と同様に、メタン（CH4）を主成分とする天然ガスがそれぞれ流入し、このメタンは、第１流路１１からの酸素に加えて、第３流路４３、４４からの酸素によって燃焼（0.3ＣＨ４＋0.6Ｏ２→0.3ＣＯ２＋0.6Ｈ２Ｏ）する。前記化学式におけるメタンの燃焼は、反応熱ΔＨ＝−242kJの発熱反応であり、この燃焼熱は壁１４、１５を介して第１流路１１に伝導する。
【００７５】
これにより、第２流路１２、１３に流入させる燃焼ガス量（すなわち、燃焼熱量）を増大させることができ、第２流路１２、１３からの燃焼熱の熱量（242kJ）により、第１流路１１における水の分解に必要な熱量（242kJ）の略全てを補うことが可能となる。その結果、水素製造装置２への外部装置からの熱の供給を不要とすることが可能となる。
【００７６】
このように、第３流路４３、４４から酸素のみを第２流路１２、１３に流入させることにより、第２流路１２、１３の燃焼ガスに窒素が残留することを回避することができ、二酸化炭素を容易に回収することができるという利点がある。ただし、空気の代替として、第３流路４３、４４に酸素または酸素含有ガスを流入させる構成も可能である。
【００７７】
上記第３実施形態の変形例として、例えば図１１に示すように、第３流路４３、４４を省略し、第２流路１２、１３に、天然ガス（メタン）を燃焼に用いる酸素（例えば、上記第３実施形態において第３流路４３、４４を流れる酸素と同量の酸素）または酸素含有ガスを供給する構成も可能である。この場合、第２流路１２、１３のメタンは、天然ガスに混合された酸素に加えて、第１流路１１からの酸素によって燃焼（0.3ＣＨ４＋0.6Ｏ2→0.3ＣＯ２＋0.6Ｈ２Ｏ）する。前記化学式におけるメタンの燃焼は、反応熱ΔＨ＝−242kJの発熱反応であり、第１流路１１における水の分解に必要な熱量（242kJ）の略全てを補うことが可能となる。これにより、上記第３実施形態と同様の効果が期待できる。
【００７８】
（第４実施形態）
図１２は本発明の第４実施形態に係る水素製造システム１の構成図であり、図１３は図１に示した水素製造装置２の要部を示す説明図であり、図１４及び図１５は、それぞれ図１３に示した水素製造装置の第１及び第２変形例を示す説明図である。図１２〜図１５では、上述の第１〜第３実施形態と同様の構成要素に同一の符号を付している。また、第４実施形態に関し、以下で特に言及しない事項については、上述の第１から第３実施形態（それらの変形例を含む）のいずれかと同様として詳細な説明を省略する。
【００７９】
図１２に示すように、第４実施形態に係る水素製造システム１では、空気供給装置４１が省略され、また、燃料供給装置３０と水素製造装置２との間に燃料ガスを改質する改質装置５１を更に備えた点において第３実施形態の場合とは異なる。
【００８０】
改質装置５１では、燃料ガス（ここでは、天然ガス）の水蒸気改質（0.25ＣＨ４＋0.25Ｈ２Ｏ→0.25ＣＯ＋0.75Ｈ２）により、一酸化炭素および水素を含むより高カロリーの改質ガスが生成され、この改質ガスは、水素製造装置２に送られて第２流路１２、１３に流入する。
【００８１】
図１３に示すように、第４実施形態に係る水素製造装置２では、第２流路１２、１３に流入した一酸化炭素および水素を含む改質ガスは、第１流路１１から壁１４、１５を透過して第２流路１２、１３に流入する酸素によって燃焼（0.25ＣＯ＋0.75Ｈ２＋0.5Ｏ２→0.25ＣＯ２＋0.75Ｈ２Ｏ）する。前記化学式における改質ガスの燃焼は、反応熱ΔＨ＝−252kJの発熱反応であり、この燃焼熱は壁１４、１５を介して第１流路１１に伝導する。
【００８２】
この第２流路１２、１３からの燃焼熱の熱量（252kJ）により、第１流路１１における水の分解に必要な熱量（242kJ）の略全てを補うことが可能となる。その結果、第３実施形態の場合と同様に、水素製造装置２への外部装置からの熱の供給を不要とすることが可能となる。なお、第２流路１２、１３の下流側から排出される水は、改質装置５１および第１流路１１の上流側に循環することができる。
【００８３】
また、上記改質装置５１の第１変形例として、燃料ガス（ここでは、天然ガス）の炭酸ガス改質（0.25ＣＨ４＋0.25ＣＯ２→0.5ＣＯ＋0.5Ｈ２）により、一酸化炭素および水素を含むより高カロリーの改質ガスを生成する構成とすることも可能である。
【００８４】
これにより、図１４に示すように、第２流路１２、１３に流入した改質ガスは、第１流路１１から壁１４、１５を透過して第２流路１２、１３に流入する酸素によって燃焼（0.5ＣＯ＋0.5Ｈ２＋0.5Ｏ２→0.5ＣＯ２＋0.5Ｈ２Ｏ）する。前記化学式における改質ガスの燃焼は、反応熱ΔＨ＝−263kJの発熱反応であり、この燃焼熱は壁１４、１５を介して第１流路１１に伝導する。
【００８５】
この第２流路１２、１３からの燃焼熱の熱量（263kJ）により、第１流路１１における水の分解に必要な熱量（242kJ）の略全てを補うことが可能となる。その結果、第３実施形態の場合と同様に、水素製造装置２への外部装置からの熱の供給を不要とすることが可能となる。
【００８６】
また、上記改質装置５１の第２変形例として、燃料ガス（ここでは、天然ガス）の部分酸化（0.25ＣＨ４＋0.125Ｏ２→0.25ＣＯ＋0.5Ｈ２）により、一酸化炭素および水素を含むより高カロリーの改質ガスを生成する構成とすることも可能である。
【００８７】
これにより、図１５に示すように、第２流路１２、１３に流入した改質ガスは、第１流路１１から壁１４、１５を透過して第２流路１２、１３に流入する酸素によって燃焼（0.33ＣＯ＋0.67Ｈ２＋0.5Ｏ２→0.33ＣＯ２＋0.67Ｈ２Ｏ）する。前記化学式における改質ガスの燃焼は、反応熱ΔＨ＝−256kJの発熱反応であり、この燃焼熱は壁１４、１５を介して第１流路１１に伝導する。
【００８８】
この第２流路１２、１３からの燃焼熱の熱量（256kJ）により、第１流路１１における水の分解に必要な熱量（242kJ）の略全てを補うことが可能となる。その結果、第３実施形態の場合と同様に、水素製造装置２への外部装置からの熱の供給を不要とすることが可能となる。
【００８９】
以上、本発明を特定の実施形態に基づいて説明したが、これらの実施形態はあくまでも例示であって、本発明はこれらの実施形態によって限定されるものではない。なお、上述の実施形態に示した本発明に係る水素製造装置及びこれを備えた水素製造システム並びに水素製造方法の各構成要素は、必ずしも全てが必須ではなく、少なくとも本発明の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜取捨選択することが可能である。
【符号の説明】
【００９０】
１  水素製造システム
２  水素製造装置
３  水供給装置
４  水素利用装置
１１  第１流路
１２、１３  第２流路
１４、１５  壁
１６、１７  壁
２１、２２  管
２５  吸引装置
２８  水分解反応用触媒
３０  燃料供給装置
４１  空気供給装置
４３、４４  第３流路
４６、４７  壁
５１  改質装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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