(57)【要約】【課題】複数本のセルを簡単に確実に固定できると共に水素極側と酸素極側を隔離でき、かつ金属製の容器と電極及び電極間の電気的な絶縁が確保できる水素製造装置を提供する。【解決手段】水素製造装置は、水素極である内側層、酸素極である外側層及びこの水素極と酸素極との間に形成される電解質を含み、高温水蒸気電解により水素３２を製造するセラミックス製の円筒型セル２と、円筒型セル２の管内に水蒸気３１を導入する水蒸気導入管１３と、水蒸気導入管１３が立設される水蒸気導入管支持板１２が固定され、水蒸気３１が導入されるユニット容器３と、水蒸気導入管支持板１２の上面及び水蒸気導入管１３を介して挿設された円筒型セル２の下部に充填される絶縁物質の球２０と、絶縁物質の球２０の上面に形成され円筒型セル２とユニット容器３とを絶縁しシールし固定する絶縁シール１９と、を有する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素極である内側層、酸素極である外側層及びこの水素極と酸素極との間に形成される電解質を含み、高温水蒸気電解により水素を製造するセラミックス製の円筒型セルと、
この円筒型セルの管内に水蒸気を導入する水蒸気導入管と、
この水蒸気導入管が立設される水蒸気導入管支持板が固定され、前記水蒸気が導入されるユニット容器と、
前記水蒸気導入管支持板の上面及び前記水蒸気導入管を介して挿設された前記円筒型セルの下部に充填される絶縁物質の粒子と、
前記絶縁物質の粒子の上面に形成され前記円筒型セルと前記ユニット容器とを絶縁しシールし固定する絶縁シールと、
を有することを特徴とする水素製造装置。
【請求項２】
前記絶縁物質の粒子は、セラミックス及びガラスから選択された１種から作製された球、ペレットまたはハニカム形状体より形成されてなること、を特徴とする請求項１記載の水素製造装置。
【請求項３】
前記ユニット容器内に複数本の円筒型セルが設けられてなること、を特徴とする請求項１又は２記載の水素製造装置。
【請求項４】
前記円筒型セルの外面と内面との差圧を計測する差圧計を設けてなること、を特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の水素製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高温水蒸気電解により水素を製造する水素製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
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、高温水蒸気電解法は９００℃程度の高温で水蒸気を電気分解する方法がある。また、原料が水なので、二酸化炭素を発生させない熱源を用いれば、全く二酸化炭素を排出せずに水素製造が可能となる。
【０００３】
この高温水蒸気電解法は、室温での水の電気分解では水の理論電解電圧が１．２３Ｖであるのに対し、９００℃における水蒸気の理論分解電圧は０．９Ｖと３０％程度の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として知られている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００４】
高温水蒸気電解による水素製造において、この最小単位をセルという。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）を配した三層構造である。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、酸素イオンが電解質層を透過し、酸素極で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に上記電解質層、酸素極及び水素極はセラミックスより作製されている。
【０００５】
この水蒸気を電気分解して水素製造を行う水素製造装置に関連してセルの材質に関する発明が知られている（例えば、特許文献１、２参照）。また、平板型のセルを使用した水素製造装置の構造に関する発明が知られている（例えば、特許文献３参照）。
【０００６】
この平板型のセルを使用した高温水蒸気電解による水素製造法においては、水素極側と酸素極側とを隔離するために、平板型のセルの周囲を全てシールしなくてはならない。この場合は、高温にしたときに、熱によるセルの変形等でシール部が破損する可能性がある。
【０００７】
そこで、熱によるセルの変形の対策を講じた円筒型のセルに関連する発明が知られている（例えば、特許文献４参照）。この円筒型のセルは、固定部分が少なく、有効的な手段である。この円筒型のセルは、固定部分に水素極側と酸素極側を隔てる機能並びに金属製の容器と電極及び電極間の電気的な絶縁機能を備える必要がある。
【特許文献１】特開２００５−２３２５２５号公報
【特許文献２】特開平７−１０９５９２号公報
【特許文献３】特開平６−１７３０５３号公報
【特許文献４】特開２００４−２６９１９８号公報
【非特許文献１】日本原子力学会誌、「水素インフラと原子力による水素製造」、ｖｏｌ．４８、Ｎｏ．１１（２００６）、第８３５頁〜第８５１頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述した平板型のセルを使用した高温水蒸気電解による水素製造法における水素極側と酸素極側との隔離することの困難さを解決する対策として、固定部分が少ない円筒型のセルを用いることが有効である。この円筒型のセルを使用したときには、固定部分に水素極側と酸素極側を隔てる機能並びに金属製の容器と電極及び電極間の電気的な絶縁機能を設ける必要がある。
【０００９】
しかし、大量に水素製造を行うためには、この円筒型セル複数本を固定したセルユニットを利用した方法をとらなければならない。ところが、複数本の円筒型セル固定のうち、一部でも固定部のシール不良が生じると、シール不良の箇所からガスが漏洩し、製造した水素と酸素が反応し、水素を消費してしまう、という課題があった。
【００１０】
また、複数本の円筒型セルを１本ずつ固定すると、時間と手間が非常にかかり、複数本のセルを固定するには不向きである、という課題があった。
【００１１】
本発明は上記課題を解決するためになされたもので、複数本の円筒型セルを簡単にしかも確実に固定できると共に水素極側と酸素極側を隔離でき、さらに金属製の容器と電極及び電極間の電気的な絶縁が確保できる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】
【００１２】
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、水素極である内側層、酸素極である外側層及びこの水素極と酸素極との間に形成される電解質を含み、高温水蒸気電解により水素を製造するセラミックス製の円筒型セルと、この円筒型セルの管内に水蒸気を導入する水蒸気導入管と、この水蒸気導入管が立設される水蒸気導入管支持板が固定され、前記水蒸気が導入されるユニット容器と、前記水蒸気導入管支持板の上面及び前記水蒸気導入管を介して挿設された前記円筒型セルの下部に充填される絶縁物質の粒子と、前記絶縁物質の粒子の上面に形成され前記円筒型セルと前記ユニット容器とを絶縁しシールし固定する絶縁シールと、を有することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の水素製造装置によれば、水蒸気導入管を介して挿設された円筒型セルの下部の間に充填された絶縁物質の粒子の上面に絶縁物質を形成して絶縁シールを形成することより、複数本の円筒型セルを簡単にしかも確実に固定できると共に水素極側と酸素極側を隔離でき、さらに、金属製の容器と電極及び電極間の電気的な絶縁を確保することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明に係る水素製造装置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。
【００１５】
図１は、本発明の実施の形態の高温水蒸気電解による水素製造装置の全体構成を示す構成図であり、図２は、高温水蒸気電解ユニットの基本構成を示す縦断面図であり、図３は、高温水蒸気電解ユニットのセル固定部を示す縦断面図である。
【００１６】
まず、図１を用いて、高温水蒸気電解による水素製造装置の全体について説明する。
【００１７】
原料となる水蒸気３１は水蒸気供給系１からユニット容器３内に設置されている円筒型セル２内に供給される。この円筒型セル２に給電すると、円筒型セル２の内部で水蒸気３１は電気分解され、水素３２となる。その後、水素３２は、未分解の水蒸気３１と共にユニット容器３の水素側出口３４から流出し、水素冷却器４に導入される。この水素冷却器４で冷却された水素３２及び未分解の水蒸気３１は、水素気液分離器５に導入され、未分解の水蒸気３１は回収され、水素３２は水素ガス出口６より導出され回収される。
【００１８】
また、円筒型セル２の内部で水蒸気３１が電気分解されて生成された酸素イオンは、この円筒型セル２の外側に放出され、酸素３３となる。一方、円筒型セル２の外側には、酸素ガス供給系７が設けられている。この酸素ガス供給系７からは、電極表面の性能を維持するために酸素含有ガス３５が供給されている。電気分解されて生成された酸素３３は、この酸素含有ガス３５と共に、ユニット容器３の酸素側出口３６から流出し、酸素冷却器８を経由して、酸素気液分離器９に導入される。この酸素気液分離器９において、余分な水蒸気３１が回収された後に、生成された酸素３３は、酸素ガス出口１０より導出され回収される。
【００１９】
次に、図２を用いて、図１に示すユニット容器３及びこの内部に設置されている円筒型セル２等から構成される高温水蒸気電解ユニットの基本構成について説明する。
【００２０】
円筒型セル２は、高温での使用に耐えるよう、セラミックスより作製されている。例えば、ここでは、３台のセラミックス製の円筒型セル２が、ユニット容器３内のセル支持板１１に固定されている。また、ユニット容器３内の下部に設けられた水蒸気導入管支持板１２には、水蒸気導入管１３が固定されている。この水蒸気導入管１３は、上記円筒型セル２の内部に挿入するように立設されている。
【００２１】
円筒型セル２の内側表面の水素極１４には水素極給電部１６が接続され陰極を形成している。また、円筒型セル２の外側表面の酸素極１５には酸素極給電部１７が接続され陽極を形成している。
【００２２】
上述したように、ユニット容器３に収納される高温水蒸気電解ユニットは、セラミックス製の円筒型セル２、セル支持板１１、水蒸気導入管支持板１２、水蒸気導入管１３、水素極１４、酸素極１５、水素極給電部１６及び酸素極給電部１７を備えている。
【００２３】
このように構成された本実施の形態において、上記ユニット容器３は、外気とユニット容器３内の水蒸気３１、水素３２及び酸素３３の隔離並びにユニット容器３の内部の圧力を保持する機能を有している。ユニット容器３の内部に設けられたセル支持板１１は、円筒型セル２を支持し、さらに、水素３２と酸素３３とを隔離している。また、ユニット容器３の内部に設けられた水蒸気導入管支持板１２は、水蒸気導入管１３を支持している。この水蒸気導入管１３より円筒型セル２に水蒸気３１が供給される。
【００２４】
セラミックス製の円筒型セル２は、上述したように、水素極１４、酸素極１５及びこの水素極１４と酸素極１５との間に介在する電解質１８を備えている。この水素極給電部１６から水素極１４に給電し陰極を形成している。酸素極給電部１７から酸素極１５に給電し陽極を形成している。この両電極に給電することにより、水素極１４においては、水蒸気３１が酸素イオンと水素３２に分解される。電解質１８において分解した酸素イオンが透過し、酸素極１５において酸素イオンは酸化して酸素３３となる。
【００２５】
上述のように、高温水蒸気電解ユニットは、水蒸気３１及び電気を供給して、水素３２と酸素３３とを製造する機能を有している。本ユニットを運転するに際して、特に重要なのが絶縁シール１９である。この絶縁シール１９の機能は、セラミックス製の円筒型セル２とユニット容器３との間を電気的に絶縁すること及び円筒型セル２の内側に存在する水素３２と円筒型セル２の外側に存在する酸素３３とを隔離することである。従って、この絶縁シール１９が十分な健全性を保つことがこの高温水蒸気電解ユニットにおいて安定して水素を製造するための必須の条件となっている。
【００２６】
ここで、高温水蒸気電解ユニットの絶縁シール１９について図３を用いて説明する。図３は、高温水蒸気電解ユニットのセル固定部を示す縦断面図である。
【００２７】
本図に示すように、高温水蒸気電解ユニットを構成するユニット容器３内には、水蒸気導入管支持板１２が設置されている。この水蒸気導入管支持板１２の上部には、水蒸気を導入するための複数本の水蒸気導入管１３が並列に立設されている。この水蒸気導入管１３には、セラミックス製の円筒型セル２が挿設されている。この水蒸気導入管支持板１２の上部において、かつ複数本の水蒸気導入管１３の下部の間には、アルミナ等のセラミックス又はガラス等の絶縁物質の粒子の１種として、ここでは、絶縁物質の球２０が充填されている。
【００２８】
さらに、この絶縁物質の球２０の上部には、ガラス等の絶縁物質を流し込んで絶縁シール１９が形成されている。この絶縁シール１９により上述のセラミックス製の円筒型セル２が固定されている。
【００２９】
この絶縁シール１９の材料として、例えば、ガラス等が用いられる。このために、温度制御により充填操作することにより、絶縁シール１９は、液体の状態で絶縁物質の球２０の上部及び隙間に充填することができる。この絶縁シール１９は冷却されたときには、固体状態となって円筒型セル２を固定すると共に水素極側と酸素極側とを隔離できる。さらに、金属製のユニット容器３と水素極１４や酸素極１５の電極との電気的な絶縁並びに水素極１４や酸素極１５の電極間の電気的な絶縁を確保できる。
【００３０】
また、上記アルミナ等のセラミックス又はガラス等の絶縁物質の球２０を充填してある部屋は、高温水蒸気電解により製造された水素３２を貯溜するマニホールド３７として機能している。
【００３１】
このように構成された本実施の形態において、図１に示す水蒸気供給系１から供給された水蒸気３１は水蒸気供給部入口２１に導入される。水蒸気供給部入口２１に導入された水蒸気３１である供給ガスは、水蒸気導入管１３を介して、円筒型セル２内に供給される。この円筒型セル２内において、水蒸気３１及び電気が供給されて、高温水蒸気電解により水素３２と酸素３３とが製造される。この製造された水素３２は、マニホールド３７内のアルミナ等のセラミックス又はガラス等の絶縁物質の球２０の間を通過して、生成水素出口部２２より導出される。
【００３２】
一般に、円筒型セル２を用いて水素製造を行うときには、図２に示すように、セラミックス製の円筒型セル２を１本ずつガラス等の絶縁物質で固定している。このように、複数本の円筒型セル２を１本ずつ固定すると、時間と手間が非常にかかり、複数本の円筒型セル２を固定するには不向きであった。
【００３３】
本実施の形態においては、複数本のセラミックス製の円筒型セル２が水蒸気導入管支持板１２上に並列に立設されている。この円筒型セル２の下部の間には、アルミナ等のセラミックス又はガラス等の絶縁物質の球２０が充填されている。さらに、この絶縁物質の球２０の上部には、ガラス等の絶縁物質を流し込んで絶縁シール１９が形成されている。
【００３４】
すなわち、円筒形セル２複数本を水蒸気導入管１３に挿設しておき、ガラス等の絶縁物質を温度制御により液体状態にして絶縁物質の球２０の上部及び隙間に流し込むことができる。このアルミナ等のセラミックス又はガラス等の絶縁物質の球２０は充填時に空隙ができるものならば、特に形状は問わない。また、材質は絶縁物質であればよく、例えば、アルミナ等のセラミックスを列挙することができる。
【００３５】
本実施の形態によれば、絶縁物質の球２０の上部及び隙間にガラス等の絶縁物質を流し込んで絶縁シール１９を形成することにより、複数本の円筒型セル２を同時にかつ簡単に固定することができる。このように、ガラス等の絶縁物質を温度を制御することにより液体の状態で絶縁物質の球２０の上部及び隙間に充填することにより絶縁シール１９が形成される。この絶縁シール１９が固化するときには固体状態となって円筒型セル２を固定すると共に、水素極側と酸素極側とを隔離でき、かつ金属製のユニット容器３と電極及び電極間の電気的な絶縁を確保することができる。
【００３６】
かくして、ガラス等の絶縁物質が固化するときは固体状態の絶縁シール１９が形成される。この絶縁シール１９は、円筒形セル２を固定すると共に水素極側と酸素極側とを隔離でき、さらに、金属製のユニット容器３と電極および電極間の電気的な絶縁が確保できるので、多数本の円筒形セル２を同時にかつまとめて固定することができる。
【００３７】
すなわち、水蒸気導入管を介して挿設された円筒型セルの下部の間に充填された絶縁物質の粒子の上面に絶縁物質を流し込んで絶縁シールを形成することより、複数本の円筒型セルを簡単にしかも確実に固定できると共に、水素極側と酸素極側を隔離でき、さらに、金属製の容器と電極及び電極間の電気的な絶縁を確保することができる。
【００３８】
また、一般に、水素を製造するとき及びユニット容器３の組み立てのときにガラスを流し込む際には、円筒型セル２は加熱される。この円筒型セル２の加熱するときに、セラミックス製の円筒型セル２は、熱膨張により破損する可能性がある。
【００３９】
本実施の形態において、水蒸気導入管支持板１２の上面及び隙間にはアルミナ等のセラミックス又はガラス等の絶縁物質の球２０が充填されている。この充填されたアルミナ等のセラミックス又はガラス等の絶縁物質の球２０の空隙に、加熱したときの余分の絶縁シール１９が流出し熱膨張を逃がす構成となっている。
【００４０】
本実施の形態によれば、絶縁シール１９の下にアルミナ等のセラミックス又はガラス等の絶縁物質の球２０が充填され、この絶縁物質の球２０の間に空隙が生じる。絶縁シール１９を加熱したときに、固定のために流し込んだ絶縁シール１９を形成する余分のガラスが絶縁シール１９の下に充填されたアルミナ球やガラス等の絶縁物質の球２０の空隙に流出する構成となっている。このために、絶縁シール１９を加熱したときに生じる余分のガラスやセラミックスは絶縁物質の球２０同士の隙間に流出し、熱膨張を吸収し逃がすことができるために、セラミックス製の円筒型セル２が熱膨張により破損することを回避することができる。
【００４１】
さらに、絶縁物質の球２０が充填され、この絶縁物質の球２０により形成された空隙を有する部屋は、高温水蒸気電解により製造された水素３２を貯溜するマニホールド３７として機能している。製造された水素３２はこのマニホールド３７に貯溜され回収されることにより、水素３２を貯溜するための別の部屋を設ける必要がなくなり、水素製造ユニットのコンパクト化を図ることができる。
【００４２】
なお、本実施の形態において、絶縁物質の粒子として絶縁物質の球２０として説明したが、この絶縁物質の粒子はペレットから形成されてもよいし、ハニカム状に形成したハニカム状形状体を用いてもよい。
【００４３】
また、円筒型セル２の外面と内面との差圧を計測する差圧計（図示せず）を設けて、水素製造の過程において、円筒型セル２の絶縁シール部又は円筒型セル２の破損状況を確認することも可能である。
【００４４】
以上本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明は、上述したような実施の形態に何ら限定されるものではなく、実施の形態の構成を組み合わせて、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。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の実施の形態の高温水蒸気電解による水素製造装置の全体構成を示す構成図。
【図２】高温水蒸気電解ユニットの基本構成を示す縦断面図。
【図３】高温水蒸気電解ユニットのセル固定部を示す縦断面図。
【符号の説明】
【００４６】
１…水蒸気供給系、２…円筒型セル、３…ユニット容器、４…水素冷却器、５…水素気液分離器、６…水素ガス出口、７…酸素ガス供給系、８…酸素冷却器、９…酸素気液分離器、１０…酸素ガス出口、１１…セル支持板、１２…水蒸気導入管支持板、１３…水蒸気導入管、１４…水素極、１５…酸素極、１６…水素極給電部、１７…酸素極給電部、１８…電解質、１９…絶縁シール、２０…絶縁物質の球、２１…水蒸気供給部入口、２２…生成水素出口部、３１…水蒸気、３２…水素、３３…酸素、３４…水素側出口、３５…酸素含有ガス、３６…酸素側出口、３７…マニホールド。
【図１】
2008291296.tif 000003
【図２】
2008291296.tif 000004
【図３】
2008291296.tif 000005