(57)【要約】【課題】各セルスタックの単セルに供給される水蒸気の流量を、温度に応じて制御可能な水素製造装置を提供する。【解決手段】水素製造装置１は、水蒸気を電気分解してそれぞれ水素と酸素を生成する複数の単セル２０が積層された複数のセルスタック１０と、各セルスタック１０に向けて延びており、各セルスタック１０に水蒸気を供給する水蒸気供給配管３と、各セルスタック１０から延びており、各セルスタック１０からの水素と水蒸気の混合流体を集合させて流出させる水素流出配管４と、各セルスタック１０に対応して複数の単セル２０より水蒸気の流動方向の上流側に設けられており、且つ当該複数の単セル２０の温度が上昇するに従って熱膨張して当該複数の単セル２０に向かう水蒸気の流れに生じる圧力損失を増大させる複数の圧力損失構造５０を有する。【選択図】図１
2018053293.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水蒸気を電気分解してそれぞれ水素と酸素を生成する複数の単セルが積層された複数のセルスタックと、
各セルスタックに向けて延びており、各セルスタックに水蒸気を供給する水蒸気供給配管と、
各セルスタックから延びており、各セルスタックからの水素と水蒸気の混合流体を集合させて流出させる水素流出配管と、
各セルスタックに対応して前記複数の単セルより水蒸気の流動方向の上流側及び下流側のうち少なくとも一方に設けられており、且つ当該複数の単セルの温度が上昇するに従って熱膨張して当該複数の単セルに向かう水蒸気の流れに生じる圧力損失を増大させる複数の圧力損失構造と、
を備えることを特徴とする水素製造装置。
【請求項２】
各圧力損失構造は、
前記水蒸気供給配管のうち各セルスタックと一対一で対応して延びているブランチ管に設けられている
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３】
各圧力損失構造は、
前記水蒸気供給配管のうち複数のセルスタックに対応して延びており、複数のセルスタックに向かう水蒸気が通る共通の管に設けられている
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４】
各圧力損失構造は、
前記水蒸気供給配管のうち、各セルスタックと一対一で対応して延びている２つのブランチ管に向けて二又に分岐している共通の管に設けられている
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５】
各圧力損失構造は、
前記水蒸気供給配管を構成する管における水蒸気の流動方向に略垂直な方向に広がり、水蒸気が貫流する絞り孔が、形成されているオリフィス板である
ことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の水素製造装置。
【請求項６】
前記水蒸気供給配管を構成する管に結合されており、且つ当該管内において当該オリフィス板を保持するリテーナを、さらに備え、
当該オリフィス板は、当該リテーナに比べて線膨張係数が大きい金属材料で構成されている
ことを特徴とする請求項５に記載の水素製造装置。
【請求項７】
各圧力損失構造は、前記水蒸気供給配管を構成する管の内面から内側に突出しており、軸方向に所定の間隔をあけて配列されている複数の突出部である
ことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の水素製造装置。
【請求項８】
前記突出部は、
前記水蒸気供給配管を構成する管のうち径方向内側に配置された内側部分と、
当該内側部分の径方向外側に配置されており、前記水蒸気供給配管を構成する管の内面から径方向内側に突出して当該内側部分に結合されている外側部分と、
を有し、
当該内側部分は、外側部分に比べて線膨張係数が大きい金属材料で構成されている
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】
各圧力損失構造は、
前記複数の単セルに対して水蒸気の流動方向の上流側に設けられており、前記水蒸気供給配管からの水蒸気を前記複数の単セルに分配する上流側マニホールドと、
前記複数の単セルより水素と水蒸気との混合流体の流動方向の下流側に設けられており、且つ、当該複数の単セルにおいて生成された水素と当該単セルを貫流した水蒸気との混合流体を集合させて前記水素流出配管に導く下流側マニホールドと、
を含み、
当該上流側マニホールド又は下流側マニホールドのうち少なくとも一方に設けられている
ことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の水素製造装置。
【請求項１０】
各圧力損失構造は、
温度が上昇するに従って径方向に熱膨張する金属製のワイヤで構成されており、
前記上流側マニホールド内又は前記下流側マニホールド内において前記複数の単セルと水蒸気の流動方向において対向して配置されている
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】
前記複数の単セルは、それぞれ水蒸気が流入する複数の流入口を有し、
各圧力損失構造は、前記上流側マニホールド内において全ての前記流入口と水蒸気の流動方向において対向するよう配置されている
ことを特徴とする請求項１０に記載の水素製造装置。
【請求項１２】
各圧力損失構造は、前記ワイヤが格子状に延びている金属メッシュを含み、
当該金属メッシュは、前記上流側マニホールド内において水蒸気の流動方向に略垂直な方向に広がる板状をなしている
ことを特徴とする請求項１１に記載の水素製造装置。
【請求項１３】
各圧力損失構造は、
略板状をなしており、前記上流側マニホールド内において水蒸気の流動方向に互いに間隔をあけて配置されており、且つ水蒸気が貫流可能に構成された２つの外側部材と、
当該２つの外側部材の間に挟まれており、当該外側部材に比べて線膨張係数の大きい材料で構成されており、且つ水蒸気が貫流可能に構成された内側部材と、
を有することを特徴とする請求項９ないし請求項１２のいずれか一項に記載の水素製造装置。
【請求項１４】
前記複数のセルスタックを内部空間に収容する容器を、さらに備え、
前記水蒸気供給配管は、当該容器を貫通して延びており、容器外からの水蒸気を前記複数のセルスタックに供給し、
前記水素流出配管は、当該容器を貫通して延びており、当該複数のセルスタックからの水素と水蒸気との混合流体を、当該容器外に流出させるものであり、
当該容器は、
容器外にある空気を当該内部空間に導入する空気導入口と、
当該空気導入口を通して当該内部空間に流入した空気と共に、前記複数のセルスタックから当該内部空間に排出された酸素を、当該容器外に排出する空気排出口と、
を有する
ことを特とする請求項１ないし請求項１３のいずれか一項に記載の水素製造装置。
【請求項１５】
水蒸気を電気分解して水素と酸素を生成する複数の単セルと、
水蒸気供給配管からの水蒸気を前記複数の単セルに分配する上流側マニホールドと、
当該複数の単セルにおいて生成された水素と水蒸気の混合流体を合流させる下流側マニホールドと、
当該上流側マニホールド又は当該下流側マニホールドのうち少なくとも一方に設けられており、前記複数の単セルの温度が上昇するに従って熱膨張し、当該複数の単セルに向かう水蒸気の流れに生じる圧力損失を増大させる圧力損失構造と、
を備えることを特徴とする水素製造装置用セルスタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、水素を製造する水素製造装置に関し、特に、高温の水蒸気を電気分解することにより水素と酸素を生成する水素製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
水素を製造する方法には、高温の水蒸気を、電解質を利用して電気分解することにより水素と酸素を生成する方法、いわゆる「高温水蒸気電気分解法」がある。この方法により水素を製造する水素製造装置は、通常、電解質、水素極及び酸素極から構成される単セル（いわゆる電解セル）が積層された積層体を含むセルスタックを複数有している。
【０００３】
このような水素製造装置は、一般的に、各セルスタックに水蒸気を分配し供給する配管と、各セルスタックにおいて生じた水素、より詳細には、水素と水蒸気の混合流体を集合（合流）させて流出させる配管を有している。水蒸気を供給する配管は、各セルスタックに向けて分岐して延びており、水蒸気供給源からの水蒸気を分配して各セルスタックに導く。水素を流出させる配管は、各セルスタックにおいて生じた水素を集合させて水素を回収・貯蔵する装置に導く。
【０００４】
このような水素製造装置は、一般的に、多数のセルスタックを有しており、上述した配管には、多数の分岐が設けられている。このため、各セルスタックに供給される水蒸気の流量、及び各セルスタックにおいて生成される水素の量には、偏りが生じることがある。
【０００５】
下記の特許文献には、各セルスタックに流入する水蒸気の流量が均一になるように各セルスタックに対応して口径の異なるオリフィスを水蒸気の流入口に設ける技術が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１６−５３２１５公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述した水素製造装置においては、各セルスタックの単セルの温度を所定の値に保つことが求められている。水素製造装置は、一般的に、セルスタックを所定の温度に保つためのヒータが設けられている。各セルスタックに供給される水蒸気の流量に偏りがある場合、各セルスタックの温度を個別に制御することは、困難である。温度制御が不適切であると、セルスタックの過熱により熱暴走する虞や、セルスタックの過冷却により電気分解性能が大きく低下する虞がある。
【０００８】
水素製造装置全体として高い効率で水素を製造するためには、各セルスタックを構成する単セルの温度を、均一なものにすることが求められており、これを実現するためには、各セルスタックの単セルに供給される高温の水蒸気の流量を、極力均一なものにすることが求められている。
【０００９】
水蒸気を供給する配管内を流れる水蒸気が比較的低圧・低流量なものである場合、オリフィスの口径を異ならせて流量を制御することは技術的に困難なものである。また、各セルスタックに対応して口径の異なるオリフィスを製作し、対応するセルスタックに取り付けることは、製造上の観点から困難である。よって、セルスタックを多数有する水素製造装置においては、各セルスタックの単セルに供給される水蒸気の流量を温度に応じて制御する技術が要望されている。
【００１０】
本発明の実施形態は、上記事情に鑑みてなされたものであって、各セルスタックの単セルに供給される水蒸気の流量を、温度に応じて制御可能な水素製造装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上述の目的を達成するため、本発明の実施形態の水素製造装置は、水蒸気を電気分解してそれぞれ水素と酸素を生成する複数の単セルが積層された複数のセルスタックと、各セルスタックに向けて延びており、各セルスタックに水蒸気を供給する水蒸気供給配管と、各セルスタックから延びており、各セルスタックからの水素と水蒸気の混合流体を集合させて流出させる水素流出配管と、各セルスタックに対応して前記複数の単セルより水蒸気の流動方向の上流側及び下流側のうち少なくとも一方に設けられており、且つ当該複数の単セルの温度が上昇するに従って熱膨張して当該複数の単セルに向かう水蒸気の流れに生じる圧力損失を増大させる複数の圧力損失構造と、を備えることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明の実施形態の水素製造装置用セルスタックは、水蒸気を電気分解して水素と酸素を生成する複数の単セルと、水蒸気供給配管からの水蒸気を前記複数の単セルに分配する上流側マニホールドと、当該複数の単セルにおいて生成された水素と水蒸気の混合流体を合流させる下流側マニホールドと、当該上流側マニホールド又は当該下流側マニホールドのうち少なくとも一方に設けられており、前記複数の単セルの温度が上昇するに従って熱膨張し、当該複数の単セルに向かう水蒸気の流れに生じる圧力損失を増大させる圧力損失構造と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の実施形態によれば、各セルスタックの単セルに供給される水蒸気の流量を、当該単セルの温度に応じて制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】第１の実施形態の水素製造装置の全体構成を示す模式図である。
【図２】第１の実施形態のセルスタックの構成を模式的に示す縦断面図である。
【図３】第１の実施形態のセルスタックを構成する単セルの構成を模式的に示す縦断面図である。
【図４】第１の実施形態の圧力損失構造と、その周辺構成を示す縦断面図である。
【図５】第１の実施形態の圧力損失構造と、その周辺構成を示す横断面図であり、図４のV−V線による断面図である。
【図６】第２の実施形態の圧力損失構造と、その周辺構成を示す縦断面図である。
【図７】第２の実施形態の圧力損失構造と、その周辺構成を示す横断面図であり、図６のVII−VII線による断面図である。
【図８】第３の実施形態のセルスタックと、その周辺構成を模式的に示す縦断面図である。
【図９】第４の実施形態のセルスタックと、その周辺構成を模式的に示す縦断面図である。
【図１０】第５の実施形態のセルスタックと、その周辺構成を模式的に示す縦断面図である。
【図１１】第５の実施形態のセルスタックの上流側マニホールドに配置された圧力損失構造を示す拡大断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下に説明する実施形態により、本発明が限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。
【００１６】
〔第１の実施形態〕
（水素製造装置の全体構成）
まず、第１の実施形態の水素製造装置の全体構成について図１を用いて説明する。図１は、本実施形態の水素製造装置の全体構成を示す模式図である。
【００１７】
図１に示すように、本実施形態の水素製造装置１は、複数のセルスタック１０と、当該複数のセルスタック１０を収容する容器２とを有している。すなわち複数のセルスタック１０は、容器２内の空間（以下、内部空間と記す）２ａに配置されている。各セルスタック１０は、略同一に構成されており、その構造については、後述する。
【００１８】
水素製造装置１は、容器２外からの水蒸気を各セルスタック１０に供給する配管（以下、水蒸気供給配管と記す）３と、各セルスタック１０からの水素と水蒸気の混合流体を容器２外に流出させる配管（以下、単に「水素流出配管」と記す）４とを有している。水蒸気供給配管３は、容器２を貫通して延びており、且つ当該内部空間２ａにおいて各セルスタックに向けて分岐して延びている。一方、水素流出配管４は、内部空間２ａにおいて各セルスタック１０から集合して延びており、且つ容器２を貫通して延びている。
【００１９】
容器２外には、水蒸気供給配管３を通して複数のセルスタック１０に水蒸気を供給する水蒸気供給源（図示せず）が設けられている。また、容器２外には、水素流出配管４を通る水素と水蒸気との混合流体から水素を回収する装置（図示せず）が設けられている。
【００２０】
上述した水蒸気供給源には、例えば、原子力発電プラントにおいて原子炉を通る水蒸気（１次水蒸気）と復水器を通る水蒸気（２次水蒸気）との間で熱交換を行う熱交換器を用いることができる。この場合、水蒸気供給配管３は、当該熱交換器からの２次水蒸気を複数のセルスタック１０に導く。
【００２１】
本実施形態の水蒸気供給配管３は、容器２を貫通して延びている単数の管（以下、メイン管と記す）３ａと、当該メイン管３ａから分岐して延びており、複数（５つ）のセルスタック１０に対応している３つの管３ｃと、これら管３ｃからさらに分岐して延びており、各セルスタック１０に一対一で対応している管（以下、ブランチ管と記す）３ｅを有している。
【００２２】
図１に矢印Ｓ１で示すように、容器２外からメイン管３ａを通して供給される水蒸気が、矢印Ｓ２で示すように、３つの管３ｃに分配される。各管３ｃを通る水蒸気は、さらに、矢印Ｓ３で示すように、５つのブランチ管３ｅに分配される。各ブランチ管３ｅを通る水蒸気は、対応するセルスタック１０に流入する。
【００２３】
同様に、本実施形態の水素流出配管４は、各セルスタック１０と一対一で対応して延びているブランチ管４ｅと、これら複数（５つ）のブランチ管４ｅから集合して延びており、当該５つのセルスタック１０に対応している３つの管４ｃと、これら３つの管４ｃからさらに集合して延びており、容器２を貫通している単数のメイン管４ａとを有している。
【００２４】
図１に矢印Ｈ３で示すように、各セルスタック１０から流出した水素と水蒸気の混合流体は、対応するブランチ管４ｅを通って管４ｃにおいて合流する。３つの管４ｃを通る混合流体は、メイン管４ａにおいて合流して容器２外に流出する。
【００２５】
水素製造装置１においては、複数のセルスタック１０にそれぞれ対応して、単セル２０に向かう水蒸気の流れに生じる圧力損失を増大させる構造物（以下、圧力損失構造と記す）５０が、複数設けられている。各圧力損失構造５０は、対応するセルスタック１０の温度が上昇するに従って熱膨張するよう構成されている。圧力損失構造５０は、熱膨張することにより、水蒸気の流れに生じる圧力損失を増大させる。圧力損失構造５０の具体的な構成については、後述する。
【００２６】
各圧力損失構造５０は、対応するセルスタック１０が有する複数の単セル２０より上流側及び下流側のうち少なくとも一方に設けられている。本実施形態において、各圧力損失構造５０は、単セル２０より上流側に設けられており、より具体的には、水蒸気供給配管３のうち対応するセルスタック１０と一対一で対応しているブランチ管３ｅに設けられている。
【００２７】
（セルスタックの構成）
次に、第１実施形態のセルスタック１０の構成について、図１〜図３を用いて説明する。なお、以下の説明において単に「セルスタック」と記す。図２は、本実施形態のセルスタックの構成を模式的に示す縦断面図である。図３は、本実施形態のセルスタックを構成する単セルの構成を模式的に示す縦断面図である。
【００２８】
なお、図２及び図３においては、単セルが積層されている方向（以下、積層方向と記す）を、矢印Ｔで示す。また、当該積層方向に垂直な方向であって、単セルが延びている方向であり且つ単セル内において水蒸気及び混合流体が流動する方向を矢印Ｃで示す。
【００２９】
図１及び図２に示すように、セルスタック１０は、上述した複数の単セル２０に対して水蒸気の流動方向の上流側に設けられており、水蒸気供給配管３から流入する水蒸気を、複数の単セル２０に分配するマニホールド（以下、上流側マニホールドと記す）３０を有している。
【００３０】
また、セルスタック１０は、複数の単セル２０に対して水素を含む混合流体の下流側に設けられたマニホールド（以下、下流側マニホールドと記す）４０とを有している。下流側マニホールド４０は、複数の単セル２０において生成された水素と当該単セル２０を貫流した水蒸気との混合流体を集合させて、上述した水素流出配管４に導く。
【００３１】
本実施形態のセルスタック１０は、上流側マニホールド３０と下流側マニホールド４０との間に複数の単セル２０を挟み込んで結合することにより構成されている。これらマニホールド３０，４０の間には、１００枚以上の単セル２０が積層されている。
【００３２】
図２及び図３に示すように、単セル２０は、上流側マニホールド３０内と連通しており、水蒸気が流入する通路（以下、水蒸気通路と記す）２２（図３参照）と、内部空間２ａ（図１参照）と連通しており、当該内部空間２ａからの空気が貫流する通路（以下、空気通路と記す）２８とを有している。
【００３３】
単セル２０のうち積層方向において空気通路２８と水蒸気通路２２との間には、水蒸気通路２２に面しており、水蒸気を電気分解して水素と酸素イオンを生じさせる水素極２４と、空気通路２８に面しており、水素極２４からの酸素イオンを酸素にして空気通路２８に放出する酸素極２６と、水素極２４と酸素極２６との間に挟まれており、水素極２４からの酸素イオンが酸素極２６に向けて移動する電解質２５とを有している。
【００３４】
電解質２５は、例えば、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）で構成することができる。水素極２４は、例えば、酸化ニッケル（ＮｉＯ）とイットリア安定化ジルコニアとの焼結体で構成することができる。酸素極２６は、例えば、ランタンストロンチウムコバルタイト（ＬＳＣ）で構成することができる。なお、水素極２４と酸素極２６は、多孔質材料で構成されている。
【００３５】
本実施形態の単セル２０は、水蒸気通路２２の水蒸気と、空気通路２８の空気が同じ方向に流れるよう構成されている。水素極２４は、積層方向において水蒸気通路２２を間に挟んでセパレータ２１と対向している。また、酸素極２６は、積層方向において空気通路２８を挟んで隣接する単セル２０のセパレータ２１と対向している。
【００３６】
このように構成された単セル２０において、上流側マニホールド３０内の水蒸気は、流入口２２ａを通って水蒸気通路２２に流入する。図３に矢印Ｅで示すように、水蒸気通路２２に面する水素極２４において生じた水素と水蒸気の混合流体は、流出口２２ｃを通って下流側マニホールド４０内に流出する。
【００３７】
図２に示すように、下流側マニホールド４０には、水素流出配管４（図１参照）のうち各セルスタック１０と一対一で対応しているブランチ管４ｅが接続されている。単セル２０からの水素を含む混合流体は、下流側マニホールド４０において合流し、図２に矢印Ｈ１で示すように、ブランチ管４ｅを通って水素流出配管４に流出する。
【００３８】
各単セル２０において発生した水素は、下流側マニホールド４０において合流する。なお、本実施形態において、下流側マニホールド４０で合流するガスは、水素と水蒸気の混合流体である。水素を含む混合流体は、水素流出配管４を通って容器２外に排出される。水素は、容器２外において混合流体から分離される。
【００３９】
各単セル２０において発生した酸素は、空気通路２８から、容器２内にある内部空間２ａ（図１参照）に排出される。容器２には、容器２外にある空気（外気）を内部空間２ａに導入する開口（以下、空気導入口と記す）６ａが設けられている。本実施形態において、空気導入口６ａは、容器２を貫通して延びている管（以下、空気導入管と記す）６の開口である。図に矢印Ａ１で示すように空気導入管６の空気導入口６ａを通って内部空間２ａに流入した空気は、各セルスタック１０の複数の単セル２０から排出された酸素と混合される。
【００４０】
容器２には、内部空間２ａにあるガスを容器２外に排出する開口（以下、空気排出口と記す）８ａが設けられている。本実施形態において、空気排出口８ａは、容器２を貫通して延びている管（以下、空気排出管と記す）８の開口である。内部空間２ａにおいて各セルスタック１０から排出された酸素により酸素濃度が上昇した空気は、図に矢印Ａ４で示すように、空気排出口８ａを通して容器２外に排出される。
【００４１】
図１及び図２に示すように、水素製造装置１を構成する各セルスタック１０のうち上流側マニホールド３０には、図１に示す水蒸気供給配管３（図１参照）のブランチ管３ｅが接続されている。本実施形態の圧力損失構造５０は、当該ブランチ管３ｅ内に設けられている。図２に矢印Ｓ４で示すように、当該ブランチ管３ｅ内を流動する水蒸気は、圧力損失構造５０を通って複数の単セル２０に流入する。圧力損失構造５０は、複数の単セル２０に向かう水蒸気の流れに生じる圧力損失を、当該圧力損失構造５０が設けられない場合に比べて増大させる。
【００４２】
（圧力損失構造の構成例）
本実施形態の圧力損失構造５０の構成の一例について図１、図２、図４及び図５を用いて説明する。図４は、本実施形態の圧力損失構造と、その周辺構成を示す縦断面図である。図５は、第１の実施形態の圧力損失構造と、その周辺構成を示す横断面図であり、図４のV−V線による断面図である。
【００４３】
図４に示すように、圧力損失構造５０は、水蒸気供給配管３のブランチ管３ｅ内において水蒸気の流動方向（図に矢印Ｓ４で示す）に略垂直な方向に広がっており、水蒸気が貫流する貫通孔（以下、絞り孔と記す）５２を有するオリフィス板５１を有している。本実施形態において、オリフィス板５１は、略円板状をなしており、その中心に絞り孔５２が形成されている。オリフィス板５１は、その絞り孔５２の径、いわゆる絞り孔径に応じて、これを貫流する水蒸気の流量を制御する。
【００４４】
また、圧力損失構造５０は、水蒸気供給配管３のうちブランチ管３ｅ内において、オリフィス板５１の周縁を保持する部材（以下、リテーナと記す）５８を有している。リテーナ５８は、オリフィス板５１の径方向外側を囲う環状をなしており、ブランチ管３ｅに結合されている。すなわち、リテーナ５８は、ブランチ管３ｅの内壁から径方向内側に突出しており、当該内壁の周方向に延びている。
【００４５】
オリフィス板５１は、隣接するリテーナ５８及びブランチ管３ｅに比べて線膨張係数が大きい金属材料で構成されている。換言すれば、オリフィス板５１は、リテーナ５８及びブランチ管３ｅに比べて熱膨張率が大きくなるよう構成されている。
【００４６】
本実施形態において、リテーナ５８の径方向内側には、環状の溝５９が形成されている。当該環状の溝５９には、オリフィス板５１の径方向外側の縁部５７が嵌め合されている。なお、当該縁部５７は、リテーナ５８と結合されているものとしても良い。
【００４７】
オリフィス板５１のうち径方向内側の縁部５５は、絞り孔５２を画定する内面５３と、当該内面５３から下流側に向かうに従って径方向外側に位置するよう傾斜している面５６とを有している。なお、オリフィス板５１のうち上流側の面５４は、平らな形状となっている。
【００４８】
このように構成された圧力損失構造５０は、複数の単セル２０（図２参照）からの熱を受けて温度が上昇すると、特に、オリフィス板５１が熱膨張する。絞り孔５２を画定する内面５３が、図５に二点鎖線Ｅ１で示すように径方向内側に変位して絞り孔５２の径が小さくなる。すなわち、圧力損失構造５０を貫流する水蒸気の流路断面積が小さくなる。
【００４９】
これにより、ブランチ管３ｅを複数の単セル２０に向けて流れる水蒸気の流量が低下する。各単セル２０に供給される水蒸気の時間あたりの量が減少し、これに応じて各単セル２０において生成される水素の時間あたりの量が低下する。
【００５０】
一方、オリフィス板５１の温度が低下すると、熱収縮により絞り孔５２の径が大きくなり、圧力損失構造５０を貫流する水蒸気の流路断面積が大きくなる。各単セル２０に供給される水蒸気の時間あたりの量が増大して、単セル２０において生成される水素の時間あたりの量が増大する。
【００５１】
以上に説明したように、本実施形態の水素製造装置１（図１参照）は、水蒸気を電気分解してそれぞれ水素を生成する複数の単セル２０が積層された複数のセルスタック１０と、各セルスタック１０に向けて延びており、各セルスタック１０に水蒸気を供給する水蒸気供給配管３と、各セルスタック１０から延びており、各セルスタック１０からの水素と水蒸気の混合流体を集合させて流出させる水素流出配管４と、各セルスタック１０に対応して複数の単セル２０より水蒸気の流動方向の上流側に設けられており、且つ当該複数の単セル２０の温度が上昇するに従って熱膨張して当該複数の単セル２０に向かう水蒸気の流れに生じる圧力損失を増大させる複数の圧力損失構造５０を有するものとした。
【００５２】
本実施形態の水素製造装置１によれば、複数の単セル２０の温度変化に応じて、圧力損失構造５０が、複数の単セル２０に供給される水蒸気の流量を調整することができ、当該単セル２０に供給される水蒸気の流量を、所定の値に収束させることが容易となる。
【００５３】
〔第２の実施形態〕
第２の実施形態の水素製造装置のうち圧力損失構造について図６及び図７を用いて説明する。図６は、本実施形態の圧力損失構造と、その周辺構成を示す縦断面図である。図７は、第２の実施形態の圧力損失構造と、その周辺構成を示す横断面図であり、図６のVII−VII線による断面図である。本実施形態の水素製造装置は、圧力損失構造のみが、第１の実施形態と異なっている。なお第１の実施形態と略共通の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。
【００５４】
図６に示すように、本実施形態の圧力損失構造６０は、水蒸気供給配管３のブランチ管３ｅの内面から径方向内側に突出しており、その径方向内側を水蒸気が貫流するよう構成された部分（以下、単に「突出部」と記す）６１が、水蒸気の流動方向（図に矢印Ｓ４で示す）に配列されて構成されている。複数の突出部６１は、水蒸気の流動方向に所定の間隔をあけて配列されている。複数の突出部６１の径方向内側には、水蒸気の流路６２が形成されている。当該流路６２は、水蒸気の流動方向に垂直な横断面における断面積（以下、単に「流路断面積」と記す）が増大と減少を交互に繰り返すよう構成された、いわゆる「ラビリンス流路」として構成されている。
【００５５】
本実施形態において、突出部６１は、ブランチ管３ｅの内面に沿って周方向に延びており、環状をなす部材（環状部材）として構成されており、その軸心を図６に一点鎖線Ａで示す。突出部６１は、ブランチ管３ｅ内に配置されており、当該ブランチ管３ｅの内側に結合されている。各突出部６１の径方向内側には、水蒸気が貫流する流路６２が形成されている。
【００５６】
なお、図６に示す突出部６１の軸心Ａに沿う方向を、以下に「軸方向」と記し、当該軸方向に垂直な方向を「径方向」と記す。ブランチ管３ｅ内を水蒸気が流動する方向（図に矢印Ｓ４で示す）は、当該軸方向と略一致している。
【００５７】
突出部６１は、流路６２側すなわち最も径方向内側を構成する部分（以下、内側部分と記す）６４と、ブランチ管３ｅ側すなわち径方向外側を構成する部分（以下、外側部分と記す）６６とを有している。外側部分６６のうち径方向外側は、ブランチ管３ｅと結合されている。外側部分６６の径方向内側は、内側部分６４に結合されている。内側部分６４と外側部分６６は、水蒸気の流動方向に延びる軸心（図に一点鎖線Ａで示す）を中心に同軸に配置されている。
【００５８】
内側部分６４は、外側部分６６及びブランチ管３ｅに比べて線膨張係数が大きい金属材料で構成されている。すなわち、内側部分６４は、外側部分６６に比べて熱膨張率が大きくなるよう構成されている。すなわち、突出部６１は、熱膨張率（金属材料の線膨張係数）が異なる２つの金属部分を結合させたものであり、いわゆる「バイメタル」として構成されている。
【００５９】
内側部分６４は、その径方向内側を構成する内面６３と、水蒸気の流動方向と略一致する軸方向外側を構成する側面６５とを有している。内面６３及び側面６５は、流路６２に面している。隣り合う突出部６１の側面６５同士は、軸方向において対向しており、その間には、水蒸気が流入可能な間隙が形成されている。
【００６０】
このように構成された圧力損失構造６０は、複数の単セル２０（図２参照）からの熱を受けて温度が上昇すると、各突出部６１のうち、特に内側部分６４が熱膨張する。流路６２を画定する内面６３が、図６に二点鎖線Ｅ３で示すように径方向内側に変位して、水蒸気の流動方向に垂直な流路６２の断面積が小さくなる。すなわち、圧力損失構造６０における水蒸気の流路断面積が小さくなる。
【００６１】
なお、内側部分６４が熱膨張したときに、内面６３だけでなく側面６５も、図５に二点鎖線Ｅ３で示すように、軸方向外側に変位する。しかし、突出部６１は、軸方向において所定の間隔をあけて配列されているため、隣り合う突出部６１の側面６５同士は、熱膨張したときに接触することがない。
【００６２】
〔第３の実施形態〕
第３の実施形態の水素製造装置について図８を用いて説明する。図８は、本実施形態のセルスタックとその周辺構成を模式的に示す縦断面図である。本実施形態の水素製造装置は、水蒸気供給配管のうち圧力損失構造が設けられる位置が、第１の実施形態と異なっている。なお、第１の実施形態と略共通の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。
【００６３】
図８に示すように、本実施形態の水素製造装置において、複数（本実施形態において２つ）のセルスタック１０は、並列に接続されている。各セルスタック１０のうち上流側マニホールド３０の上流側には、一対一で対応するブランチ管３ｅが接続されている。
【００６４】
水蒸気供給配管３（図１参照）は、これら複数のセルスタック１０に対応して延びており、これらセルスタック１０に向かう水蒸気が通る共通の管３ｃを有している。本実施形態において、共通の管３ｃは、その下流側が、２つのブランチ管３ｅに向けて二又に分岐している。共通の管３ｃの下流側の端であり、二又に分岐している分岐点を、以下に「二又分岐点」記して符号３ｄで示す。
【００６５】
本実施形態において、圧力損失構造５０（図４及び図５参照）は、水蒸気供給配管３のうち当該共通の管３ｃに設けられており、詳細には、二又分岐点３ｄよりも上流側に設けられている。圧力損失構造５０は、対応する２つのセルスタック１０の温度が上昇するに従って熱膨張し、対応する２つのセルスタック１０に向かう水蒸気の流れに生じる圧力損失を増大させる。
【００６６】
本実施形態によれば、各セルスタック１０に供給される水蒸気の流量が比較的小さい場合であっても、セルスタック１０の温度に応じて供給される水蒸気の流量を調整することができる。なお、当該共通の管３ｃには、当該圧力損失構造５０に代えて、第２の実施形態の圧力損失構造６０（図６及び図７参照）が設けられるものとしても良い。
【００６７】
〔第４の実施形態〕
第４の実施形態のセルスタックについて図９を用いて説明する。図９は、本実施形態のセルスタックと、その周辺構成を模式的に示す縦断面図である。なお、第１の実施形態と略共通の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。
【００６８】
図９に示すように、本実施形態において、圧力損失構造７０は、水素製造装置用セルスタック１０Ｃのうち上流側マニホールド３０、すなわち複数の単セル２０より上流側に設けられている。圧力損失構造７０は、上流側マニホールド３０内において、全ての単セル２０の流入口２２ａと水蒸気の流動方向（矢印Ｓ４参照）に対向するように配置されている。
【００６９】
圧力損失構造７０は、温度が上昇するに従って、熱膨張する金属製のワイヤで構成されている。ワイヤは、その径方向すなわち外径が大きくなる方向に熱膨張可能に構成されている。本実施形態において、圧力損失構造７０は、図９に示すように、格子状にワイヤが延びる金属メッシュ（いわゆる金網）で構成されている。なお、圧力損失構造７０は、当該金属メッシュが水蒸気の流動方向に複数積層された積層体として構成されていることも好適である。
【００７０】
圧力損失構造（金属メッシュ）７０は、上流側マニホールド３０内において、水蒸気の流動方向に略垂直な方向に広がる板状をなしている。本実施形態において、圧力損失構造７０は、上流側マニホールド３０内の空間３３を、上流側の空間３３ａと下流側の空間３３ｃに分けている。
【００７１】
水蒸気供給配管３のブランチ管３ｅからの上流側マニホールド３０内の上流側の空間３３ａに流入した水蒸気は、圧力損失構造７０すなわち金属メッシュの網目を貫流して下流側の空間３３ｃに流出する。当該圧力損失構造７０は、複数の単セル２０の温度が上昇すると、これら単セル２０からの熱を受けて、その径方向に熱膨張する。これにより、圧力損失構造７０は、上流側マニホールド３０内において単セル２０の流入口２２ａに向かう水蒸気の流れに生じる圧力損失を増大させることができる。
【００７２】
本実施形態によれば、複数の単セル２０の温度に応じて圧力損失構造７０が熱膨張又は収縮することにより、当該圧力損失構造７０と対向する流入口２２ａを通して各単セル２０に流入する水蒸気の流量を調整することができる。圧力損失構造７０は、複数の単セル２０にそれぞれ対応する複数の流入口２２ａと、水蒸気の流動方向において対向するように配置されているので、各流入口２２ａに流入する水蒸気の流量に偏りが生じることを抑制することができる。この態様によっても、当該単セル２０に供給される水蒸気の流量を、所定の値に収束させることが容易となる。
【００７３】
なお、本実施形態において、圧力損失構造７０は、セルスタック１０のうち上流側マニホールド３０内に設けられているものとしたが、圧力損失構造７０の配置は、この態様に限定されるものではない。圧力損失構造７０は、複数の単セル２０に向かう水蒸気の流れに生じる圧力損失を増大させることが可能なものであれば良く、上流側マニホールド３０内及び下流側マニホールド４０内のうち少なくとも一方に配置されていれば良い。
【００７４】
また、本発明に係るセルスタックは、複数の単セル２０の積層体が、共通の上流側マニホールドを介して並列に接続されており、当該上流側マニホールド内に金属メッシュで構成された圧力損失構造７０が設けられているものとしても良い。この場合、下流側マニホールドは、単セル２０の積層体ごとに設けられていても良いし、複数の積層体に共通の下流側マニホールドを設けるものとしても良い。
【００７５】
また、本実施形態において、圧力損失構造７０は、金属製のワイヤが格子状に延びている金属メッシュで構成されており、水蒸気の流動方向に略垂直な方向に広がっているものとしたが、マニホールド３０，４０内に配置される圧力損失構造は、この態様に限定されるものではない。マニホールド内の圧力損失構造は、セルスタック１０が有する全ての単セル２０の流入口２２ａと水蒸気の流動方向において対向するよう配置されていれば良く、以下にその一例について説明する。
【００７６】
〔第５の実施形態〕
第５の実施形態のセルスタックについて図１０及び図１１を用いて説明する。図１０は、本実施形態のセルスタックと、その周辺構成を模式的に示す縦断面図である。図１１は、本実施形態のセルスタックの上流側マニホールドに配置された圧力損失構造を示す拡大断面図である。なお、第１及び第４の実施形態と略共通の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。
【００７７】
図１０に示すように、本実施形態のセルスタック１０Ｅにおいて、圧力損失構造８０は、前記上流側マニホールド３０内において水蒸気の流動方向（図に矢印Ｓ４で示す）に垂直な方向に広がる略板状をなしている。圧力損失構造８０は、当該流動方向において複数の単セル２０の流入口２２ａの全てと対向している。圧力損失構造８０は、水蒸気の流動方向において外側を構成している２つの部材（以下、外側部材と記す）８２と、２つの外側部材８２の間に挟まれており、内側を構成している部材（以下、内側部材と記す）８４から構成されている。２つの外側部材８２及び内側部材８４は、いずれも水蒸気が貫流可能に構成されている。
【００７８】
図１０及び図１１に示すように、２つの外側部材８２は、上流側マニホールド３０内において水蒸気の流動方向において互いに間隔をあけて配置されており、当該上流側マニホールド３０に結合されている。本実施形態において、外側部材８２は、格子状に金属製のワイヤが延びている、いわゆる金属メッシュで構成されている。
【００７９】
一方、内側部材８４は、これら２つの外側部材８２の間に挟まれており、外側部材８２に比べて線膨張係数が大きい金属材料で構成されている。本実施形態において、内側部材８４は、外側部材８２に比べて径の小さいワイヤで構成されたフィルタである。内側部材８４には、例えば、スチールウールを用いることができる。
【００８０】
本実施形態によれば、内側部材８４は、水蒸気の流動方向に隣接する２つの外側部材８２に比べて線膨張係数が大きい金属材料で構成されているため、セルスタック１０Ｅすなわち圧力損失構造８０の温度が上昇するに従って、特に内側部材８４が熱膨張し、ワイヤ同士の間にあって水蒸気が貫流する空間を小さくすることができ、内側部材８４において水蒸気の流れに生じる圧力損失を特に増大させることができる。
【００８１】
なお、本実施形態において、２つの外側部材８２は、金属メッシュで構成されているものとしたが、本発明に係る外側部材は、この態様に限定されるものではない。外側部材８２は、内側部材８４に比べて線膨張係数が小さい金属材料で構成されていれば、様々な態様のものを用いることができる。例えば、外側部材は、多数の貫通孔が形成された金属板であるものとしても良い。
【００８２】
〔他の実施形態〕
上述した各実施形態において、圧力損失構造５０，６０，７０，８０は、複数の単セル２０より水蒸気の流動方向の上流側に配置されるものとしたが、本発明に係る圧力損失構造の配置は、上述した態様に限定されるものではない。本発明に係る圧力損失構造は、当該複数の単セルよりも水蒸気の流動方向の上流側又は下流側のうち少なくとも一方に設けられていれば良い。例えば、圧力損失構造は、複数の単セルよりも下流側にある下流側マニホールド４０や、水素流出配管４のブランチ管４ｅに設けられているものとしても良い。
【００８３】
また、上述した各実施形態において、圧力損失構造５０は、ブランチ管３ｅ内に設けられたオリフィス板５１を有し、圧力損失構造６０は、ブランチ管３ｅの内面から径方向内側に突出する複数の突出部６１であり、圧力損失構造７０，８０は、マニホールド３０内に設けられた金属メッシュ等のワイヤで構成された部材であるものとしたが、本発明に係る圧力損失構造は、これらの態様に限定されるものではない。圧力損失構造は、複数の単セルの温度が上昇するに従って熱膨張して当該複数の単セルに向かう水蒸気の流れに生じる圧力損失を増大させることが可能なものであれば良い。本発明に係る圧力損失構造は、多数の孔が形成された金属板等、金属製の様々な形状の構造物で実現することができる。
【００８４】
また、上述した各実施形態において、単セル２０は、水蒸気通路２２の水蒸気と空気通路２８の空気が同じ向きに流れるもの（いわゆる並行流）としたが、本発明に係る単セルの構造は、この態様に限定されるものではない。本発明に係る単セルには、水蒸気と空気が互いに直交する向きに流れるもの等、様々な水蒸気及び空気の流れのものを採用することができる。
【００８５】
本発明のいくつかの実施形態について説明したが、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。
【符号の説明】
【００８６】
１  水素製造装置、２  容器、２ａ  内部空間、３  水蒸気供給配管、３ａ  メイン管（水蒸気供給配管を構成する管）、３ｃ  共通の管（水蒸気供給配管を構成する管）、３ｄ  二又分岐点、３ｅ  ブランチ管（水蒸気供給配管を構成する管）、４  水素流出配管
４ａ  メイン管（水素流出配管を構成する管）、４ｃ  共通の管（水素流出配管を構成する管）、４ｅ  ブランチ管（水素流出配管を構成する管）、６  空気導入管、６ａ  空気導入口、８  空気排出管、８ａ  空気排出口、１０，１０Ｃ，１０Ｅ  セルスタック（水素製造装置用セルスタック）、２０  単セル（電解セル）、２１  セパレータ（単セル）、２２  水蒸気通路（単セル）２２ａ  流入口（単セル）、２２ｃ  流出口（単セル）、２４  水素極（単セル）、２５  電解質（単セル）、２６  酸素極（単セル）、２８  空気通路（単セル）、３０  上流側マニホールド（マニホールド）、３３，３３ａ，３３ｃ  空間（上流側マニホールド）、４０  下流側マニホールド（マニホールド）、５０  圧力損失構造、５１  オリフィス板（圧力損失構造）、５２  絞り孔（オリフィス板）、５３  内面（オリフィス板）、５４  面（オリフィス板）、５５  縁部（オリフィス板）、５６  面（オリフィス板）、５７  縁部（オリフィス板）、５８  リテーナ、５９  溝（リテーナ）、６０  圧力損失構造、６１  突出部（圧力損失構造）、６２  流路、６３  内面（突出部）、６４  内側部分（突出部）、６５  側面（突出部）、６６  外側部分（突出部）、７０  圧力損失構造（金属メッシュ）、８０  圧力損失構造、８２  外側部材（圧力損失構造）、８４  内側部材（圧力損失構造）
【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】
2018053293.tif 000009
【図８】
2018053293.tif 000010
【図９】
2018053293.tif 000011
【図１０】
2018053293.tif 000012
【図１１】
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