(57)【要約】【課題】簡易な構成で、装置内部で発生する熱エネルギーを有効に利用する電気化学装置を提供する。【解決手段】電気化学装置１０は、反応容器１１の内部に設けられ、固体酸化物電解質１２に水素極１３及び酸素極１４を形成した電気化学セル１５と、電気化学セル１５で水蒸気電解反応又は燃料電池反応を起こさせる供給ガスを水素極１３及び酸素極１４のそれぞれに供給するガス供給ライン１７（１７ａ、１７ｂ）と、反応容器１１の内部に設けられ、水蒸気電解反応及び燃料電池反応によって電気化学セル１５で生じる熱エネルギーを供給ガスが流動するガス供給ライン１７に伝達させる第一熱交換部１８と、を備えることを特徴とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応容器の内部に設けられ、固体酸化物電解質に水素極及び酸素極を形成した電気化学セルと、
前記電気化学セルで水蒸気電解反応又は燃料電池反応を起こさせる供給ガスを前記水素極及び前記酸素極のそれぞれに供給するガス供給ラインと、
前記反応容器の内部に設けられ、前記水蒸気電解反応及び前記燃料電池反応によって前記電気化学セルで生じる熱エネルギーを前記供給ガスが流動する前記ガス供給ラインに伝達させる第一熱交換部と、
を備えることを特徴とする電気化学装置。
【請求項２】
前記反応容器の外表面に設けられ、前記水蒸気電解反応及び前記燃料電池反応によって前記電気化学セルで生じる熱エネルギーを前記供給ガスが流動する前記ガス供給ラインに伝達させる第二熱交換部をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の電気化学装置。
【請求項３】
前記ガス供給ラインは、前記反応容器の外表面に沿って配置され、
前記第二熱交換部は、このガス供給ラインと共に前記反応容器の外表面に設けられたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電気化学装置。
【請求項４】
反応容器の内部に設けられ、固体酸化物電解質に水素極及び酸素極を形成した電気化学セルにおいて、水蒸気電解反応または燃料電池反応を起こさせる供給ガスを前記水素極及び前記酸素極のそれぞれにガス供給ラインを介して供給するステップと、
反応容器の内部において、前記水蒸気電解反応及び前記燃料電池反応によって前記電気化学セルで生じる熱エネルギーを前記供給ガスが流動する前記ガス供給ラインに伝達させるステップと、
を含むことを特徴とする電気化学装置の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高温の水蒸気を電気分解して水素と酸素を生成する高温水蒸気電解及び水素と酸素を反応させることにより電力を取り出す燃料電池反応を用いた電気化学装置及びその運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
水素及び酸素の製造技術の一つとして、高温水蒸気電解法が知られている。この高温水蒸気電解法は、高温（通常、５００℃以上）の水蒸気を電気分解することにより水素及び酸素を生成する方法である。
【０００３】
この方法は、高温環境下で水蒸気の電気分解を行うことにより、水の電気分解に比べて電解に必要なエンタルピーを下げると共に、電解に必要な電気量を低減することができるというメリットを有す。
【０００４】
具体的には、固体酸化物電解質を中心に配置し、その両側に水素極と酸素極とを設けて電気化学セルを構成する。そして、高温水蒸気を水素極に導入して、両極に電解電圧を供給することにより、水蒸気から水素及び酸素が分解・生成される。
【０００５】
一方、燃料電池反応は、高温水蒸気電解の逆反応であり、水素、酸素のそれぞれを電気化学セルの水素極、酸素極に供給して反応させることにより、電力を取り出すことができる。
【０００６】
従来から、高温水蒸気電解を用いた水素製造装置において、機械的な強度を保持し、両極間でのガスリークを抑制する健全性の高い装置構成が開示されている（例えば、特許文献１）。
また、高温水蒸気電解に必要なエネルギーを低減しつつ、効率的に水素を生成する技術も開示されている（例えば、特許文献２）。
【０００７】
近年では、余剰電力の活用手段として、高温水蒸気電解による水素製造と燃料電池反応を組み合わせるシステムが検討されている。
これは、余剰電力を活用して高温水蒸気電解を用いて水素を生成・貯蔵し、電力が不足した際に、貯蔵した水素を利用して燃料電池反応により電力を供給するシステムである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００７−３１４８３３号公報
【特許文献２】特開２０１０−９０４２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
高温水蒸気電解及び燃料電池反応は、その反応温度が約５００℃〜９００℃と高温状態で行われる。このため、各反応において供給ガスとなる水蒸気、水素ガス、酸素ガス等を昇温するための熱エネルギー源が必要となる。
【００１０】
通常、供給ガスの昇温を行う予熱器、電気炉等は、反応容器外部に設けられる。このため、装置全体が大型化してしまい、装置をコンパクト化する上で障害となっていた。
【００１１】
本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、簡易な構成により、装置内部で発生する熱エネルギーを有効に利用する電気化学装置及びその運転方法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】
【００１２】
本実施形態の電気化学装置は、反応容器の内部に設けられ、固体酸化物電解質に水素極及び酸素極を形成した電気化学セルと、前記電気化学セルで水蒸気電解反応又は燃料電池反応を起こさせる供給ガスを前記水素極及び前記酸素極のそれぞれに供給するガス供給ラインと、前記反応容器の内部に設けられ、前記水蒸気電解反応及び前記燃料電池反応によって前記電気化学セルで生じる熱エネルギーを前記供給ガスが流動する前記ガス供給ラインに伝達させる第一熱交換部と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、簡易な構成により、装置内部で発生する熱エネルギーを有効に利用する電気化学装置及びその運転方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】第一実施形態に係る電気化学装置を示す構成図。
【図２】（Ａ）第一実施形態に適用される集合セルの縦断面図、（Ｂ）ＩＩ−ＩＩの断面図。
【図３】第二実施形態に係る電気化学装置を示す構成図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
（第一実施形態）
図１に示す第一実施形態に係る電気化学装置１０は、反応容器１１の内部に設けられ、固体酸化物電解質１２に水素極１３及び酸素極１４を形成した電気化学セル１５と、電気化学セル１５で水蒸気電解反応又は燃料電池反応を起こさせる供給ガスを水素極１３及び酸素極１４のそれぞれに供給するガス供給ライン１７（１７ａ、１７ｂ）と、反応容器１１の内部に設けられ、水蒸気電解反応及び燃料電池反応によって電気化学セル１５で生じる熱エネルギーを供給ガスが流動するガス供給ライン１７に伝達させる第一熱交換部１８と、を備えることを特徴とする。
【００１６】
集合セル１６は、複数の電気化学セル１５を積層して集合体としたものである。また、ガス供給ライン１７からの供給ガスを流入、流出させるガス流入口Ａ、ガス流出口Ｂ及びガス流入口Ｃを備えている。なお、図１では、集合セル１６を２つで構成しているが、この構成に限定されるものではない。
【００１７】
ガス供給ライン１７は、水素極供給ライン１７ａ、酸素極供給ライン１７ｂ、から構成される。
水素極供給ライン１７ａは、水蒸気電解反応又は燃料電池反応に用いる供給ガスを、第一熱交換部１８を介して電気化学セル１５の水素極１３に供給する。
同様に、酸素極供給ライン１７ｂは、水蒸気電解反応又は燃料電池反応に用いる供給ガスを、第一熱交換部１８を介して電気化学セル１５の酸素極１４に供給する。
【００１８】
ここで、集合セル１６の縦断面図を示す図２（Ａ）を用いて、電気化学セル１５の具体的な構成、そして水蒸気電解反応及び燃料電池反応について説明する。
【００１９】
固体酸化物電解質１２は、酸素イオンを移動させることが可能な固体材料であり、稠密な構造を有し、その内部を気体が通過することはできない材料である。固体酸化物電解質１２として、ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）が例示される。ここでは、平板形状の固体酸化物電解質１２について説明する。
【００２０】
電気化学セル１５は、固体酸化物電解質１２に電極を形成したものであり、固体酸化物電解質１２の一方の面に水素極１３が形成され、固体酸化物電解質１２を挟むように反対側の面に酸素極１４が形成される。
水素極１３及び酸素極１４には、それぞれの極を流動する供給ガスの流路となるように、多孔質材料が選択される。
【００２１】
水素極１３としては、触媒作用を有するニッケル酸化物等が好適であり、ＮｉＯ−ＹＳＺ（Ｎｉ酸化物及びＹＳＺの焼結体）が例示される。
一方、酸素極１４として、ＬＳＣ（ランタンストロンチウムコバルトタイト）等の酸化物セラミックスが例示される。
【００２２】
集合セル１６は、２つの電気化学セル１５が並べて構成され、電気化学セル１５の間及び両端には導電性を有するセパレータ２１が設けられて積層構造をとっている。
【００２３】
セパレータ２１は、電気化学セル１５の間を流動する供給ガスのそれぞれを隔離する。
また、セパレータ２１は、図２（Ｂ）で示すように、凹凸を形成して、電気化学セル１５の間を電気的に接続するとともに、電気化学セル１５の水素極１３及び酸素極１４を流動する供給ガスの流路となる。
【００２４】
なお、図２では、集合セル１６は、２つの電気化学セル１５から構成されているが、この構成に限定されるものは無い。また、電気化学セル１５の形状は、例示した平板型に限定されるものではなく、円筒型、片端閉じ円筒型、ハニカム型、プリーツ型、波型等の既知の構造を用いることができる。
【００２５】
次に、水蒸気電解反応について説明する。
電気化学セル１５に、電源（図示省略）から電解電圧が供給されることにより、電解反応が開始される。
【００２６】
水素極１３では、高温の水蒸気を主成分とする供給ガスが、水素極供給ライン１７ａを介してガス流入口Ａから流入する。なお、水蒸気には、還元剤の役割として数％の水素が混入される。
【００２７】
そして、この供給ガスが、ガス流入口Ａからガス流出口Ｂに向かって流動する過程において、水素極１３では下記式（１）の還元反応が発生する。したがって、供給された水蒸気は、水素ガスと酸素イオンに分解される。
水素極：  Ｈ２Ｏ  ＋  ２ｅ−  →  Ｈ２  ＋  Ｏ２―    （１）
【００２８】
生成された水素ガスは、ガス流出口Ｂから流出し、水素極排気ライン２０を介して回収される。また、酸素イオンは、水素極１３から酸素極１４に流れる電流の電荷となって、固体酸化物電解質１２中を移動する。
【００２９】
一方、酸素極１４側では、空気を主成分とする供給ガスが、酸素極供給ライン１７ｂを介してガス流入口Ｃから流入する。
【００３０】
そして、この供給ガスが、ガス流入口Ｃから流動する過程において、酸素極１４では下記式（２）の還元反応が発生する。したがって、固体酸化物電解質１２を介して水素極１３から輸送された酸素イオンが酸化されて、酸素ガスとなる。
酸素極：  Ｏ２―  →  ２ｅ−  ＋  １／２Ｏ２    （２）
【００３１】
生成された酸素ガスは、供給ガスにより排出され、反応容器１１（図１）を拡散して、開放されているガス流出口Ｄから排出・回収される。
【００３２】
水蒸気電解反応時において、反応自体は吸熱反応となる。しかし、電気化学セル１５では、電流の電荷となる酸素イオンが固体酸化物電解質１２中を移動する際に生じるジュール熱や両電極及びセパレータ２１等に電流が流れる際に生じるジュール熱により発熱状態となって、大きな熱エネルギーが発生する。
そして、この電気化学セル１５から生じた熱エネルギーは、反応容器１１内の流体（生成された酸素）に与えられる。
【００３３】
次に、燃料電池反応について説明する。
水素極１３では、高温の水素を主成分とする供給ガスが、水素極供給ライン１７ａを介してガス流入口Ａから流入する。
一方、酸素極１４では、高温の酸素を主成分とする供給ガスが、酸素極供給ライン１７ｂを介してガス流入口Ｃから流入する。
【００３４】
そして、それぞれの極では、下記式（３）、（４）の反応が発生して、固体酸化物電解質１２中を酸素イオンが酸素極１４から水素極１３に移動することにより、電力が取り出される。
水素極：  Ｈ２  ＋  Ｏ２―  →  Ｈ２Ｏ  ＋  ２ｅ−    （３）
酸素極：  １／２Ｏ２  ＋  ２ｅ−  →  Ｏ２―    （４）
【００３５】
水素極１３で生成した水蒸気（未反応の水素を含む）は、ガス流出口Ｂから流出し、水素極排気ライン２０を介して排出される。また、酸素極１４において未反応であった酸素ガスは、反応容器１１を拡散して、開放されたガス流出口Ｄから排出される。
【００３６】
燃料電池反応において、反応自体が発熱であり、さらに電流の電荷となる酸素イオンが固体酸化物電解質１２中を移動する際に生じるジュール熱等により、電気化学セル１５では大きな熱エネルギーが発生する。
そして、この電気化学セル１５から生じる熱エネルギーは、反応容器１１内の流体（未反応であった酸素ガス）に与えられる。
【００３７】
図１に戻って説明を続ける。
電気化学セル１５では、前述のように水蒸気電解反応及び燃料電池反応の際に、大きな熱エネルギーが生じ、その熱エネルギーは反応容器１１内の流体に与えられる。
【００３８】
第一熱交換部１８は、反応容器１１の内部でガス供給ライン１７上に設けられている。そして、電気化学セル１５で発生した熱エネルギーを反応容器１１内の流体を介して水素極供給ライン１７ａ及び酸素極供給ライン１７ｂに伝達させる。
これにより、それぞれのラインを流動している供給ガスを昇温する補助や供給ガスの高温状態を維持することが可能となる。
【００３９】
なお、ガス供給ライン１７で第一熱交換部１８が設けられている部分は、効率的に熱エネルギーを伝達させるため、ガス供給ライン１７を波形状等にして表面積を増やす構成にすると良い。
【００４０】
このように、電気化学セル１５から発生した熱エネルギーを、第一熱交換部１８を介して供給ガスに熱回収させることにより有効に利用することが可能となる。また、供給ガスを昇温するために反応容器１１外に設けていた加熱機器等を削減することができるため、電気化学装置１０全体のシステム構成を簡素化すると共にコンパクト化することができる。
【００４１】
（第二実施形態）
図３は、第二実施形態に係る電気化学装置１０の全体構成を示している。第一実施形態と同様の構成には同一の符号を付し、重複する動作について説明を省略する。
【００４２】
第一実施形態と異なる点は、反応容器１１の外表面に設けられ、水蒸気電解反応及び燃料電池反応によって電気化学セル１５で生じる熱エネルギーを供給ガスが流動するガス供給ライン（１７ａ、１７ｂ）に伝達させる第二熱交換部１９をさらに備えた点にある。
【００４３】
ガス供給ライン１７は、反応容器１１の外表面に沿って配置され、反応容器１１内に挿入されている。
第二熱交換部１９は、このガス供給ライン１７と共に反応容器１１の外表面に設けられており、電気化学セル１５で発生した熱エネルギーをガス供給ライン１７に伝達させる。
【００４４】
このように、反応容器１１の内部及び外部に熱交換部を備えることで、電気化学セル１５で発生した熱エネルギーを有効に利用しつつ、熱エネルギーの外部放出を低減することができる。
【００４５】
また、通常反応容器１１は高温となるため、外表面に保温材を厚く設ける必要がある。このように、反応容器１１の外表面が、低温の第二熱交換部１９で覆われる構成とすれば、保温材を薄くすることができ、簡易に電気化学装置１０を設置することが可能となる。
【００４６】
以上述べた電気化学装置によれば、反応容器の内部に設けた第一熱交換部において、水蒸気電解反応及び燃料電池反応によって電気化学セルで生じる熱エネルギーを供給ガスが流動するガス供給ラインに伝達させることにより、簡易な構成で、装置内部で発生する熱エネルギーを有効に利用することができる。
【００４７】
本発明の各実施形態を説明したが、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】
【００４８】
１０  電気化学装置
１１  反応容器
１２  固体酸化物電解質
１３  水素極
１４  酸素極
１５  電気化学セル
１６  集合セル
１７（１７ａ、１７ｂ）  ガス供給ライン
１７ａ  水素極供給ライン
１７ｂ  酸素極供給ライン
１８  第一熱交換部
１９  第二熱交換部
２０  水素極排気ライン
２１  セパレータ
Ａ  ガス流入口（水素極）
Ｂ  ガス流出口（水素極）
Ｃ  ガス流入口（酸素極）
Ｄ  ガス流出口（酸素極）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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