(57)【要約】【課題】従来の高温水蒸気電解においては水素富化水蒸気と高温の純酸素が発生するため、水素と水蒸気の分離が必要であり、また酸素を回収することが困難であった。【解決手段】水素極室１４を有する水素極室１１、酸素極１５を有する酸素極室１２、プロトン導電性固体電解質１３から構成された水蒸気電解装置１０の酸素極室１２に、水供給部１から供給される水を昇温部２で高温水蒸気として酸素極室１２へ供給する。水蒸気電解装置１０は電源５から電力供給を受けて水蒸気電解を行う。水素極室１１で水素ガスが、酸素極室１２で酸素と高温水蒸気が混合した酸素富化水蒸気が発生する。水素と酸素富化水蒸気が発生するため、水素と水蒸気の分離が不要であり、酸素の分圧低減が不要となる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水供給部と、
前記水供給部から供給される水を加熱して高温水蒸気とする昇温部と、
容器内に隔壁として形成され酸素極室と水素極室を形成するガスを透過しないプロトン導電性固体電解質、このプロトン導電性固体電解質の前記水素極室に接した面に形成された多孔質の水素極、前記プロトン導電性固体電解質の前記酸素極室と接した面に形成された多孔質の酸素極を有し、前記昇温部から前記酸素極室に供給される高温水蒸気を電気分解し、前記酸素極室から酸素富化水蒸気を、前記水素極室から水素をそれぞれ排出する水蒸気電解装置と、
前記水蒸気電解装置に電力を供給する電源と、
前記酸素極室から排出された前記酸素富化水蒸気を冷媒と熱交換させ、前記酸素富化水蒸気を酸素と凝縮水として排出する凝縮器と、
を備えることを特徴とする高温水蒸気電解システム。
【請求項２】
前記凝縮器から排出される前記凝縮水を前記昇温部に供給する凝縮水供給手段を備えることを特徴とする請求項１に記載の高温水蒸気電解システム。
【請求項３】
前記水素極室から排出される前記水素を第２の冷媒と熱交換させる熱交換器を備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の高温水蒸気電解システム。
【請求項４】
前記酸素極室から排出された酸素富化水蒸気の少なくとも一部を前記酸素極室に導入する酸素富化水蒸気循環手段を備えることを特徴とする請求項１乃至請求項３のうちいずれか１項に記載の高温水蒸気電解システム。
【請求項５】
前記水素極室から排出された水素の少なくとも一部を前記水素極室に導入する水素循環手段を備えることを特徴とする請求項１乃至請求項４のうちいずれか１項に記載の高温水蒸気電解システム。
【請求項６】
前記冷媒は水であり、この水を前記酸素富化水蒸気との熱交換後に前記昇温部へ導入する水導入手段を備えることを特徴とする請求項１乃至請求項５のうちいずれか１項に記載の高温水蒸気電解システム。
【請求項７】
水供給部と、
第１の熱媒および第２の熱媒を加熱する原子炉と、
前記水供給部から供給される水を前記第１の熱媒と熱交換させて高温水蒸気とする昇温手段と、
容器内に隔壁として形成され酸素極室と水素極室を形成する分離ガス不透過なプロトン導電性固体電解質、このプロトン導電性固体電解質の前記水素極室に接した面に形成された多孔質の水素極、前記プロトン導電性固体電解質の前記酸素極室と接した面に形成された多孔質の酸素極を有し、前記昇温部から前記酸素極室に供給される高温水蒸気を電気分解し、前記酸素極室から酸素富化水蒸気を、前記水素極室から水素をそれぞれ排出する水蒸気電解装置と、
前記第２の熱媒と水を熱交換させて発生した水蒸気が供給されるタービンと、
前記タービンによって駆動され、電力を前記水蒸気電解装置に供給する発電機と、
前記酸素極室から排出された前記酸素富化水蒸気を冷媒と熱交換させ、前記酸素富化水蒸気を酸素と凝縮水として排出する凝縮器と、
を備えることを特徴とする高温水蒸気電解システム。
【請求項８】
容器内に隔壁として形成され酸素極室と水素極室を形成する分離ガス不透過なプロトン導電性固体電解質、このプロトン導電性固体電解質の前記水素極室に接した面に形成された多孔質の水素極、前記プロトン導電性固体電解質の前記酸素極室と接した面に形成された多孔質の酸素極を有する水蒸気電解装置に電力を供給し、
水を加熱して高温水蒸気とし、
前記酸素極室に前記高温水蒸気を供給して電気分解を行い前記酸素極室で酸素を、前記水素極室で水素を生成し、
前記酸素極室から酸素富化水蒸気を、前記水素極室から水素をそれぞれ排出し、
前記酸素富化水蒸気を冷媒と熱交換させて酸素と凝縮水に分離させることを特徴とする高温水蒸気電解方法。 
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は高温水蒸気電解システムおよび高温水蒸気電解方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来知られている高温水蒸気電解方法は、酸素イオン導電性固体電解質を用いた電解セルに高温の水蒸気を供給して電解を行なっている。水素極を有する水素極室に高温水蒸気を導入すると、水素極電解反応である
Ｈ２Ｏ＋２ｅ―→Ｈ２＋Ｏ２−  ・・・（１）
が起こり、高温水蒸気は分解され水素、酸素イオンが発生する。発生した酸素イオンは酸素イオン導電性固体電解質を介して酸素極を有する酸素極室へ移動する。酸素極室では酸素極電解反応の
Ｏ２−→１／２Ｏ２＋２ｅ−  ・・・（２）
によって酸素と電子が発生し、電子は外部回路を介して水素極室へ移動する。水素極室で発生した水素は高温水蒸気と混合した水素富化水蒸気として水素極室から、また、酸素は酸素極室から排出される。
【０００３】
このような高温水蒸気電解方法として、酸素イオン導電性固体電解質を用いた高温水蒸気電解装置に加熱源で加熱した空気と水蒸気を供給して高温下で電解し、高温水蒸気電解セルから取り出される水素富化水蒸気から水素を回収するものがある（たとえば特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平６−９３４８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の高温水蒸気電解装置では水素が水素富化水蒸気として排出されるため、水素と水蒸気を分離するプロセスが必要であった。また、従来の高温水蒸気電解装置では純酸素が生成するが、高温の純酸素は反応性が高いため、発生した酸素に空気を供給する等して酸素分圧を低減するプロセスが必要であった。
【０００５】
本発明は上述した課題を解決するためになされたものであり、水素と水蒸気の分離するプロセスと、生成した酸素の分圧を低減するプロセスを不要としうる高温水蒸気電解システムおよび高温水蒸気電解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】
【０００６】
上述した目的を達成するため、本発明による高温水蒸気電解システムは、水供給部と、前記水供給部から供給される水を加熱して高温水蒸気とする昇温部と、容器、この容器内に隔壁として形成され酸素極室と水素極室を形成するガスを透過しないプロトン導電性固体電解質、このプロトン導電性固体電解質の前記水素極室に接した面に形成された多孔質の水素極、前記プロトン導電性固体電解質の前記酸素極室と接した面に形成された多孔質の酸素極を有し、前記昇温部から前記酸素極室に供給される高温水蒸気を電気分解し、前記酸素極室から酸素富化水蒸気を、前記水素極室から水素をそれぞれ排出する水蒸気電解装置と、前記水蒸気電解装置に電力を供給する電源と、前記酸素極室から排出された前記酸素富化水蒸気を冷媒と熱交換させ、前記酸素富化水蒸気を酸素と凝縮水として排出する凝縮器とを備えることを特徴とする。
【０００７】
また、本発明による高温水蒸気電解方法は、容器内に隔壁として形成され酸素極室と水素極室を形成する分離ガス不透過なプロトン導電性固体電解質、このプロトン導電性固体電解質の前記水素極室に接した面に形成された多孔質の水素極、前記プロトン導電性固体電解質の前記酸素極室と接した面に形成された多孔質の酸素極を有する水蒸気電解装置に電力を供給し、水を加熱して高温水蒸気とし、前記酸素極室に前記高温水蒸気を供給して電気分解を行い前記酸素極室で酸素を、前記水素極室で水素を生成し、前記酸素極室から酸素富化水蒸気を、前記水素極室から水素をそれぞれ排出し、前記酸素富化水蒸気を冷媒と熱交換させて酸素と凝縮水に分離させることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、水素と水蒸気の分離するプロセス及び生成した酸素の分圧を低減するプロセスを不要としうる高温水蒸気電解システムを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。
【実施例１】
【００１０】
図１、図２は本発明の実施例１による高温水蒸気電解システムとその変形例の構成を示すブロック図である。
【００１１】
本実施例による高温水蒸気電解システムの構成について以下説明する。
【００１２】
水供給部１は配管Ｌ１を介して昇温部２と接続されている。昇温部２は原子炉の排熱等を熱源とし、配管Ｌ２を介して水蒸気電解装置１０の酸素極室１２と接続されている。
【００１３】
水蒸気電解装置１０は容器１６内をガス不透過な電解質１３によって分離して形成した水素極室１１及び酸素極室１２で構成され、電解質１３の水素極室１１に接した面には多孔質の水素極１４が、また電解質１３の酸素極室１２と接した面には多孔質の酸素極１５が設けられている。電解質１３にはＢａＣｅＯ３、ＳｒＣｅＯ３などを用いたプロトン導電性の固体電解質を用いる。水素極１４、酸素極１５には例えばプロトン導電性電解質を混入したニッケル基金属等の多孔質体を用いる。
【００１４】
また、水蒸気電解装置１０の酸素極１５は電線Ｅ１を介して電源５の正極と、水素極１４は電線Ｅ２を介して電源５の負極と接続されており、電源５によって電圧が印加される。
【００１５】
酸素極室１２は配管Ｌ４を介して凝縮器３と接続されている。
【００１６】
凝縮器３は配管Ｌ４、配管Ｌ７が接続されており、この凝縮器３は配管Ｌ７内の冷媒と配管Ｌ４内の流体とを熱交換させる熱交換器である。配管Ｌ７内の冷媒には水等を用いる。配管Ｌ４は凝縮器３を介して配管Ｌ５、配管Ｌ６と接続されている。
【００１７】
また、水蒸気電解装置１０の水素極室１１は配管Ｌ３を介して水素処理部４と接続されている。水素処理部４は、例えば高圧水素タンクや水素吸蔵合金等に水素を貯蔵する水素貯蔵プロセス等、供給される水素を使用するプロセスである。
【００１８】
また、図２に示す本実施例の変形例による高温水蒸気電解システムでは、配管Ｌ３内の流体と配管Ｌ８内の冷媒の熱交換を行う熱交換器８が配管Ｌ３に設けられている点が図１の実施例と異なっている。
【００１９】
図１に示す本実施例による高温水蒸気電解システムの作用について以下説明する。
【００２０】
水供給部１は配管Ｌ１を介して昇温部２に水を供給する。昇温部２は供給された水を昇温しておよそ６００℃以上の高温水蒸気とし、配管Ｌ２を介して水蒸気電解装置１０の酸素極室１２へ供給する。
【００２１】
酸素極室１２に供給された高温水蒸気は酸素極１５において酸素極電解反応
Ｈ２Ｏ→２Ｈ＋＋１／２Ｏ２＋２ｅ−  ・・・（３）
によって水素イオンと酸素、電子に分解され、酸素が発生する。酸素極室１２内で発生した水素イオンはプロトン導電性電解質１３を介して、また、電子は電線Ｅ１、電源５、電線Ｅ２を介して水素極１４へ移動する。水素極１４では、酸素極室１２から移動してきた水素イオンと電子が、水素極反応
２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２・・・ （４）
によって水素となる。
【００２２】
水素極室１１で発生した純水素は配管Ｌ３を介して水素処理部５へ供給される。
【００２３】
酸素極室１２で発生した酸素は高温水蒸気と混合されて酸素富化水蒸気となり、配管Ｌ４を介して凝縮器３へ導入される。凝縮器３に導入された酸素富化水蒸気は配管Ｌ７内の冷媒と熱交換を行って冷却され、酸素と凝縮水に分離し、酸素は配管Ｌ５から、凝縮水は配管Ｌ６から排出される。このように、発生する高温の酸素を酸素富化水蒸気として排出し、その後に冷却して酸素と水に分離するため、酸素分圧を下げる必要がなくなる。
【００２４】
なお、図２に示したように配管Ｌ６を水供給部１と昇温部２とを接続する配管Ｌ１へ接続し、凝縮器３から排出される凝縮水を配管Ｌ１へ導入して高温水蒸気電解に利用することも可能である。
【００２５】
更に、熱交換器８によって配管Ｌ３内の水素の熱を回収することが可能で、配管Ｌ８内の冷媒が回収した熱を、たとえば配管Ｌ１内の水の昇温や、ランキンサイクル等の熱機関に利用できる。
【００２６】
本実施例によれば、プロトン導電性の電解質１３を有する水蒸気電解装置１０を用いて構成した高温水蒸気電解システムで水蒸気電解を行うことにより、水素ガスと酸素富化水蒸気を発生させ、水素と水蒸気の分離するプロセス及び生成した酸素の分圧を低減するプロセスを不要とすることができる。
【実施例２】
【００２７】
図３は実施例２による高温水蒸気電解システムの概略を示すブロック図である。本実施例の高温水蒸気電解システムでは、水素循環手段として配管Ｌ３の中途に設けられた分岐弁２１と、この分岐弁２１と水素極室１１を接続する配管Ｌ２１を設け、また酸素富化水蒸気循環手段として配管Ｌ４の中途に設けた分岐弁２２と、この分岐弁２２を配管Ｌ２に接続する配管Ｌ２２を備えている点が実施例１と相違する。なお、実施例１と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００２８】
配管Ｌ３に設けられた分岐弁２１は、水素極室１１から配管Ｌ３へ排出された水素の一部を配管Ｌ２１へ分岐し、分岐された水素は水素極室１１へ供給される。
【００２９】
また、配管Ｌ４に設けられた分岐弁２２は、酸素極室１２から配管Ｌ４へ排出された酸素富化水蒸気の一部を配管Ｌ２２へ分岐させる。配管Ｌ２２に分岐された高温水蒸気は配管Ｌ２へ導入され、昇温部２から供給される高温水蒸気と共に酸素極室１２へ供給される。
【００３０】
本実施例による作用について、以下説明する。
【００３１】
本実施例の水蒸気電解電圧Ｅは、ネルンストの式を用いた以下の式で算出することができる。  
Ｅ＝Ｅ０＋（ＲＴ／２Ｆ）×ｌｎ（ＰＨ２×ＰＯ２＾０．５）  ・・・（５）
【００３２】
この式を用いるには水素極室１１内の水素分圧ＰＨ２、酸素極室１２内の酸素分圧ＰＯ２が必要であるが、水素極室１１及び酸素極室１２において高温水蒸気電解によって発生した水素の分圧、酸素の分圧を測定することは困難であるため、電解電圧を算出するのは難しい。そこで分岐弁２１、２２を制御して水素極室１１から排出された水素の一部を水素極室１１へ、また、酸素極室１２から排出された酸素富化水蒸気の一部を酸素極室１２へそれぞれ再度導入して水素極室１１内の水素分圧及び酸素極室１２内の酸素分圧を制御し、それによって電解電圧を安定させることができる。
【００３３】
なお、本システムの水蒸気電解運転停止中において、分岐弁２１において全ての水素を配管Ｌ２１に導入して循環させ、また分岐弁２２において全ての酸素富化水蒸気を配管Ｌ２２に導入して循環させることにより、水素極室１１を水素雰囲気に、酸素極室１２を酸素雰囲気下に保ち、水素極１４及び酸素極１５の分解を防止することができる。
【００３４】
本実施例によれば、実施例１が有する効果に加えて、水素極室１１の水素分圧および酸素極室１２の酸素分圧を制御することにより水蒸気の電解電圧を安定させることができる。
【００３５】
また、水蒸気電解運転停止中において水素極室１１及び酸素極室１２をそれぞれ水素雰囲気下、酸素雰囲気下に保ち水素極１４、酸素極１５の分解を防止することができる。
【実施例３】
【００３６】
図４は実施例３による高温水蒸気電解システムの概略を示すブロック図である。なお、実施例１と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００３７】
図４に示した実施例３は、実施例１の構成に類似するが、凝縮器３内の配管Ｌ７の一端を水供給部１に、他端を昇温部２に接続している。配管Ｌ７内の冷媒には水を用いる。これによって配管Ｌ７内の水供給部１からの水は凝縮器３で配管Ｌ４内の酸素富化水蒸気と熱交換を行った後に昇温部２へ導入される。これによって酸素富化水蒸気の熱を回収して水の昇温に利用することができる。
【００３８】
本実施例によれば、実施例１の効果に加えて、水蒸気電解装置１０から排出された酸素富化水蒸気の熱を水蒸気電解に再利用することができる。
【００３９】
なお、この変形例として、図４のように凝縮期３内の配管Ｌ７と水供給部１とを接続する代わりに、図５に示すように、配管Ｌ７に対して冷媒としての水を図示しない供給源から供給するようにしてもよい。
【実施例４】
【００４０】
図６は本発明の第４の実施例による高温水蒸気電解システムの構成を示すブロック図である。本実施例では原子炉１０１によって水供給部１から供給される水の昇温を行い、また原子炉１０１とタービン１０４を用いて発電を行い水蒸気電解装置１０への電力供給を行っている。なお、上述した実施例と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００４１】
原子炉１０１へは配管Ｌ１０１、Ｌ１０２が導入されており、配管Ｌ１０１、Ｌ１０２内の第１の熱媒、第２の熱媒を原子炉１０１で加熱する。
【００４２】
配管Ｌ１０１は原子炉１０１、熱交換器１０２を熱媒が循環する閉ループとして形成されている。熱交換器１０２は配管Ｌ１内の流体と配管Ｌ１０１内の熱媒を熱交換させる。第１の熱媒は熱交換器１０２を通過した後にふたたび原子炉１０１で加熱される。
【００４３】
配管Ｌ１０２は原子炉１０１、熱交換器１０３を熱媒が循環する閉ループとして形成されている。熱交換器１０３は配管Ｌ１０３内の流体と配管Ｌ１０２内の第２の熱媒を熱交換させる。配管Ｌ１０２内の第２の熱媒は熱交換器１０３で熱交換を行った後にふたたび原子炉１０１で加熱される。
【００４４】
配管Ｌ１０３は内部の水が熱交換器１０３、タービン１０４、復水器１０６を通過する閉ループとして形成されている。
【００４５】
タービン１０４には発電機１０５が接続されており、発電機１０５はタービン１０４の回転によって発電を行う。発電機１０５は電線Ｅ３を介して水蒸気電解装置１０の水素極１４、酸素極１５と接続され、又電線Ｅ４を介して図示しない主変圧器と接続されている。
【００４６】
本実施例の作用について以下説明する。
【００４７】
原子炉１０１は配管Ｌ１０１、Ｌ１０２内の第１の熱媒、第２の熱媒を昇温させる。配管Ｌ１０１内の第１の熱媒は熱交換器１０２内で、又配管Ｌ１０２内の第２の熱媒は熱交換器１０３内でそれぞれ配管Ｌ１、Ｌ１０３内の水と熱交換を行った後に再度原子炉１０１で加熱される。
【００４８】
配管Ｌ１０３内の水は配管Ｌ１０２内の熱媒との熱交換によって昇温して水蒸気となりタービン１０４へ供給され、その後に復水器１０６で凝縮されて水に戻り、再度熱交換器１０３へ導入される。タービン１０４は水蒸気の供給を受けて回転し、それによってタービン１０４に接続された発電機１０５が発電し、電線Ｅ３を介して水蒸気電解装置１０の水素極１４と酸素極１５に電圧を印加し、また電線Ｅ４を介して図示しない主変圧器へ電力を供給する。
【００４９】
水供給部１は配管Ｌ１０１を介して水蒸気電解装置１０の酸素極室１２に水を供給する。配管Ｌ１内の水は熱交換器１０２で配管Ｌ１０１内の熱媒と熱交換を行って高温水蒸気とされた後に酸素極室１２へ導入される。
【００５０】
本実施例によれば、高温水蒸気の昇温手段と水蒸気電解装置の電源に原子炉の排熱を用いる高温水蒸気電解システムにおいて、水素と水蒸気を分離するプロセスと、生成した酸素の分圧を低減するプロセスの双方を不要とすることができる。
【００５１】
以上、本発明について複数の実施例を説明してきたが、本発明は上記実施例に限定されるものでなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲でいろいろの変形を採ることができる。当業者にあっては、具体的な実施例において本発明の技術思想および技術範囲から逸脱せずに種種の変形・変更を加えることが可能である。例えば、上記実施例２ないし３に説明した特徴を任意に組み合わせたところの高温水蒸気電解システムの構成であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の実施例１による高温水蒸気電解システムの構成を示すブロック図。
【図２】本発明の実施例１の変形例による高温水蒸気電解システムの構成を示すブロック図。
【図３】本発明の実施例２による高温水蒸気電解システムの構成を示すブロック図。
【図４】本発明の実施例３による高温水蒸気電解システムの構成を示すブロック図。
【図５】本発明の実施例３の変形例による高温水蒸気電解システムの構成を示すブロック図。
【図６】本発明の実施例４による高温水蒸気電解システムの構成を示すブロック図。
【符号の説明】
【００５３】
１  水供給部
２  昇温部
３  凝縮器
４  水素処理部
５  電源
８、１０２、１０３  熱交換器
１０  水蒸気電解装置
１１  水素極室
１２  酸素極室
１３  電解質
１４  水素極
１５  酸素極
１０１  原子炉
１０４  タービン
１０５  発電機
１０６  復水器
Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４、Ｌ５、Ｌ６、Ｌ７、Ｌ８、Ｌ２１、Ｌ２２、Ｌ１０１、Ｌ１０２、Ｌ１０３、Ｌ１０４  配管
Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３、Ｅ４  電線 
【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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