(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
供給された原料水を加熱して水蒸気を発生させて、所定の温度まで昇温させる第１加熱部と、
前記水蒸気を入力して、高温水蒸気電解により水素と酸素とを生成する電解セルと、
生成された前記水素と電解未反応分の前記水蒸気とを入力して、水素吸蔵材料の水素化反応に必要な温度よりも高い温度で、前記水素と前記水蒸気とを分離する水分分離器と、
分離された前記水素と前記水素吸蔵材料との混合物を水素化反応させて、前記水素を前記水素吸蔵材料に吸蔵させる水素化反応器と、を備えることを特徴とする水素製造装置。
【請求項２】
前記第１加熱部は、水素吸蔵後の前記水素吸蔵材料と前記原料水との間で熱交換させる第１の熱交換器を有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】
循環する冷媒を圧縮及び膨張させて熱エネルギーを移動させるヒートポンプをさらに備えて、
前記ヒートポンプは、前記冷媒を介して前記水素化反応の際に生じる熱エネルギーを前記原料水に伝達させることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の水素製造装置。
【請求項４】
前記水素吸蔵材料は、不飽和炭化水素であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の水素製造装置。
【請求項５】
供給された原料水を加熱して水蒸気を発生させて、所定の温度まで昇温させるステップと、
前記水蒸気を入力して、高温水蒸気電解により水素と酸素とを生成するステップと、
生成された前記水素と電解未反応分の前記水蒸気とを入力して、水素吸蔵材料の水素化反応に必要な温度よりも高い温度で、前記水素と前記水蒸気とを分離するステップと、
分離された前記水素と前記水素吸蔵材料との混合物を水素化反応させて、前記水素を前記水素吸蔵材料に吸蔵させるステップと、を含むことを特徴とする水素製造方法。
【請求項６】
供給された原料水を加熱して水蒸気を発生させて、所定の温度まで昇温させる第１加熱部と、
前記水蒸気を入力して、高温水蒸気電解により水素と酸素とを生成する電解セルと、
生成された前記水素と電解未反応分の前記水蒸気とを入力して、水素吸蔵材料の水素化反応に必要な温度よりも高い温度で、前記水素と前記水蒸気とを分離する水分分離器と、
分離された前記水素と前記水素吸蔵材料との混合物を水素化反応させて、前記水素を前記水素吸蔵材料に吸蔵させる水素化反応器と、
水素吸蔵後の前記水素吸蔵材料を入力して、所定の温度まで加熱する第２加熱部と、
前記第２加熱部において加熱された水素吸蔵後の前記水素吸蔵材料を脱水素化反応させて、前記水素を脱離させる脱水素化反応器と、
前記脱水素化反応器により脱離された前記水素と前記水素吸蔵材料とを入力して、前記水素と前記水素吸蔵材料とに分離する分離器と、
前記分離器において分離された前記水素を入力して、燃料電池反応により発電する燃料電池セルと、を備えることを特徴とする電力貯蔵システム。
【請求項７】
前記第２加熱部は、前記脱水素化反応器により脱離された前記水素と水素吸蔵後の前記水素吸蔵材料との間で熱交換させる第２の熱交換器を有することを特徴とする請求項６に記載の電力貯蔵システム。
【請求項８】
前記第２加熱部は、前記分離器により分離された前記水素吸蔵材料と水素吸蔵後の前記水素吸蔵材料との間で熱交換させる第３の熱交換器を有することを特徴とする請求項６または請求項７に記載の電力貯蔵システム。
【請求項９】
前記第２加熱部は、前記燃料電池セルにおいて発電時に生じるジュール熱を用いて、水素吸蔵後の前記水素吸蔵材料を加熱することを特徴とする請求項６から請求項８のいずれか一項に記載の電力貯蔵システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、高温水蒸気電解により水素を製造・貯蔵する水素製造技術、貯蔵した水素を燃料として発電を行う電力貯蔵システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、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いる。水素を製造する技術の一つとして、高温水蒸気電解法が広く知られている。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】
高温水蒸気電解法を用いるメリットを具体的に説明する。水の電気分解に必要なエネルギー（ΔＨ）は次式（１）で表される。ここで、ΔＧはギブスエネルギー差、ＴΔＳは可逆反応熱を意味し、ΔＧは電気エネルギーで、ＴΔＳは熱エネルギーで与えられる。
ΔＨ＝ΔＧ＋ＴΔＳ                    （１）
【０００４】
ΔＨは温度による変化が小さいのに対し、ΔＧは高温になるにつれて小さくなる。このため、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気分解に必要な電気量を低減することができる。この性質により、室温での水の電気分解よりも３０％程度少ない電力で同じ水素製造量が得られるため、高いエネルギー効率で水素製造を行うことができる。
【０００５】
さらに、原料が水であるため、二酸化炭素を生じない再生可能エネルギーによる電力と二酸化炭素を生じ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。
【０００６】
また、製造した水素を一時的に貯蔵する方法としては、（１）圧縮して高圧水素ガスにする、（２）液化水素にする、（３）水素吸蔵材料に吸蔵する、という３つの水素貯蔵方法が知られている。これらのうち、水素吸蔵材料は一般的に水素を吸蔵するとき発熱して、水素を放出するときに吸熱する。
このため、水素を水素吸蔵材料に吸蔵する水素貯蔵方法は、熱エネルギーが水素製造に及ぼす寄与が大きい高温水蒸気電解法との組み合わせに適している。
【０００７】
従来、高温水蒸気電解により水素を生成する水素製造装置において、水素製造に係るエネルギー効率を改善する様々な技術が検討されている。
【０００８】
例えば、特許文献１には、水素吸蔵材料が水素を吸蔵する際の発熱を高温水蒸気電解の原料となる水蒸気の製造に利用して、高温水蒸気電解による水素製造のエネルギー効率を改善する技術が提案されている。
また、特許文献２には、水素吸蔵材料に吸蔵した水素を取り出すためには熱源として、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ：Ｓｏｌｉｄ  Ｏｘｉｄｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）の排熱を利用する技術が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２０１３−１９９６７５号公報
【特許文献２】特開２００５−２０３２６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ところで、高温水蒸気電解により水素を生成する際、生成された水素には電解未反応分の水蒸気が含まれる。このため、生成された水素を水素吸蔵材料に吸蔵させる場合、水素吸蔵材料の性能劣化を防止するため、水素と未反応分の水蒸気との混合ガスを冷却し、水蒸気を凝縮させて、混合ガスに含まれる水分を予め分離除去する必要がある。そして、水分除去後に、水素吸蔵材料の水素化反応に必要な温度まで水素を再度加熱して、生成した水素を水素吸蔵材料に吸蔵させる。
【００１１】
このように、水素と未反応分の水蒸気との混合ガスを一旦冷却した後に、水素化反応に必要な温度まで再加熱するプロセスが必要となるため、熱ロスが生じており、水素製造効率（水素製造量または製造水素の燃焼熱／投入する熱エネルギー）が低下するという問題があった。
【００１２】
また、高温水蒸気電解により水素を製造・貯蔵して、この水素を燃料として発電するという、水素を媒介とした電力貯蔵システムにおいて、充放電効率（得られる電気量／外部から供給される電気量）を高くするためには、システムを構成する各要素で熱ロスを低減して、熱エネルギーを最大限有効に利用することが求められる。
【００１３】
本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、水素製造に係る入熱を低減して、高い水素製造効率を実現する水素製造装置、水素製造方法及び電力貯蔵システム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】
【００１４】
本発明の実施形態に係る水素製造装置において、供給された原料水を加熱して水蒸気を発生させて、所定の温度まで昇温させる第１加熱部と、前記水蒸気を入力して、高温水蒸気電解により水素と酸素とを生成する電解セルと、生成された前記水素と電解未反応分の前記水蒸気とを入力して、水素吸蔵材料の水素化反応に必要な温度よりも高い温度で、前記水素と前記水蒸気とを分離する水分分離器と、分離された前記水素と前記水素吸蔵材料との混合物を水素化反応させて、前記水素を前記水素吸蔵材料に吸蔵させる水素化反応器と、を備えることを特徴とする。
【００１５】
本発明の実施形態に係る水素製造方法において、供給された原料水を加熱して水蒸気を発生させて、所定の温度まで昇温させるステップと、前記水蒸気を入力して、高温水蒸気電解により水素と酸素とを生成するステップと、生成された前記水素と電解未反応分の前記水蒸気とを入力して、水素吸蔵材料の水素化反応に必要な温度よりも高い温度で、前記水素と前記水蒸気とを分離するステップと、分離された前記水素と前記水素吸蔵材料との混合物を水素化反応させて、前記水素を前記水素吸蔵材料に吸蔵させるステップと、を含むことを特徴とする。
【００１６】
本発明の実施形態に係る電力貯蔵システムにおいて、供給された原料水を加熱して水蒸気を発生させて、所定の温度まで昇温させる第１加熱部と、前記水蒸気を入力して、高温水蒸気電解により水素と酸素とを生成する電解セルと、生成された前記水素と電解未反応分の前記水蒸気とを入力して、水素吸蔵材料の水素化反応に必要な温度よりも高い温度で、前記水素と前記水蒸気とを分離する水分分離器と、分離された前記水素と前記水素吸蔵材料との混合物を水素化反応させて、前記水素を前記水素吸蔵材料に吸蔵させる水素化反応器と、水素吸蔵後の前記水素吸蔵材料を入力して、所定の温度まで加熱する第２加熱部と、前記第２加熱部において加熱された水素吸蔵後の前記水素吸蔵材料を脱水素化反応させて、前記水素を脱離させる脱水素化反応器と、前記脱水素化反応器により脱離された前記水素と前記水素吸蔵材料とを入力して、前記水素と前記水素吸蔵材料とに分離する分離器と、前記分離器において分離された前記水素を入力して、燃料電池反応により発電する燃料電池セルと、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の実施形態により、水素製造に係る入熱を低減して、高い水素製造効率を実現する水素製造装置、水素製造方法及び電力貯蔵システムが提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】第１実施形態に係る水素製造装置の構成図。
【図２】第１実施形態に係る水素製造装置の変形例を示す構成図。
【図３】第２実施形態に係る水素製造装置の構成図。
【図４】本実施形態に係る電力貯蔵システムの構成図。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
（第１実施形態）
以下、本実施形態を添付図面に基づいて説明する。
図１に示すように、第１実施形態に係る水素製造装置１０は、供給された原料水を加熱して水蒸気を発生させて、所定の温度まで昇温させる第１加熱部１２と、水蒸気を入力して、高温水蒸気電解により水素と酸素とを生成する電解セル１７と、生成された水素と電解未反応分の水蒸気とを入力して、水素吸蔵材料の水素化反応に必要な温度よりも高い温度で、水素と水蒸気とを分離する水分分離器１８と、分離された水素と水素吸蔵材料との混合物を水素化反応させて、水素を水素吸蔵材料に吸蔵させる水素化反応器２１と、を備える。なお、図１は、水素吸蔵材料として不飽和炭化水素を使用する場合の構成を示している。
【００２０】
水供給部１１には、高温水蒸気電解により水素と酸素とに分解される原料水５０が貯水されている。原料水５０は、ポンプ（図示省略）により吸引されて、第１加熱部１２に供給される。
【００２１】
第１加熱部１２は、直列に接続された熱交換器１３、１４、１５、及び１６を有しており、水供給部１１から供給された原料水５０を加熱して水蒸気を発生させて、所定の温度まで昇温させる。なお、所定の温度とは、高温水蒸気電解を行う最適な温度を意味しており、通常は５００℃以上、より望ましくは７００℃以上となる。第１加熱部１２は、原料水５０の蒸発、加熱を補助するための加熱器を備えても良い。なお、熱交換器１３〜１６の具体的な動作については後述する。
【００２２】
電解セル１７は、固体酸化物電解質（図示省略）を中心に配置して、その両側に水素極と酸素極とが形成されている。第１加熱部１２から出力された高温の水蒸気５１は、電解セル１７の水素極側に導入されて、酸素極側には空気または水蒸気が導入される。
【００２３】
電解セル１７は、外部から入力電力１００の供給を受けて電気分解を行い、水素と酸素を生成する。そして、電解セル１７の水素極側からは、水素と電解未反応分の水蒸気との混合ガス５２が出力され、酸素極側からは酸素５３が出力される。なお、電解セル１７に供給する入力電力１００として、風力、水力、太陽光等の再生可能エネルギーを利用した電力源から供給しても良い。
【００２４】
電解セル１７から出力された酸素５３は、第１加熱部１２の熱交換器１５、１３で原料水５０または水蒸気と熱交換を行った後に、外部に排出される。
一方、電解セル１７から出力された水素と水蒸気との混合ガス５２は、熱交換器１６で第１加熱部１２を流動する水蒸気と熱交換を行った後に、水分分離器１８に出力される。
【００２５】
水分分離器１８は、水素と電解未反応分の水蒸気との混合ガス５２を入力して、混合ガス５２を冷却すること無く、水素吸蔵材料の水素化反応に必要な温度よりも高い温度で、生成された水素５４と未反応分の水蒸気５５とに分離する。
【００２６】
高温の混合ガス５２から水分を分離する水分分離器１８として、５００℃程度の温度で水分分離性能を発揮するパラジウム膜やシリカ膜を適用する。水分は水素吸蔵材料の性能を阻害するため、事前に水分を分離除去することで、水素吸蔵材料の性能を長期間維持することができる。
【００２７】
水素吸蔵材料の水素化反応に必要な温度は、使用される水素吸蔵材料により異なるものであるが、電解セル１７から出力された混合ガス５２は非常に高温であるため、余分な加熱をすること無く、混合ガス５２は水素吸蔵材料の水素化反応に必要な温度条件を満たす。
【００２８】
水分分離器１８において分離された水蒸気５５は、電解セル１７に入力される水蒸気に合流され電気分解に用いられる。
一方、分離された水素５４は、不飽和炭化水素貯留槽１９から供給され、熱交換器２０を介して昇温された不飽和炭化水素５６（水素吸蔵材料）と合流、混合される。不飽和炭化水素として、トルエン、ベンゼン、ナフタレン等が例示される。
【００２９】
水素化反応器２１は、水素化反応に適した触媒（例えば、白金、ニッケルなど）が充填されており、水素と不飽和炭化水素との混合ガス５７を入力する。そして、水素化反応により水素を不飽和炭化水素に吸蔵させて有機ハイドライド５８（水素吸蔵後の水素吸蔵材料）を生成する。なお、生成された有機ハイドライド５８には、未反応分の水素または不飽和炭化水素も含まれる。
【００３０】
生成された有機ハイドライド５８は、熱交換器（第１の熱交換器）１４で原料水５０と熱交換を行って、原料水５０を水蒸気に変換する。さらに、熱交換器２０において不飽和炭化水素５６と熱交換を行った後に、有機ハイドライド貯留槽２２に貯蔵される。
【００３１】
このように、水素に含まれる未反応の水蒸気を分離する際に、外部冷却せず、水素吸蔵材料が水素を吸蔵する際の温度よりも高い温度で、水素に含まれる未反応の水蒸気を分離することにより、水素吸蔵前での水素の昇温を省略することができ、水素製造に係る熱ロスを低減することができる。
【００３２】
未反応の水蒸気を冷却して凝縮分離した場合には、水素吸蔵材料に水素を吸蔵させるために再加熱が必要となるが、これが不要なシンプルな構成となり、投入エネルギーが少ないプロセスが可能となる。また、水素吸蔵時の反応熱を用いて高温水蒸気電解に用いる原料水５０の蒸発、加熱を行うことにより、水素製造効率をさらに向上させることができる。
【００３３】
ここで、水素製造装置１０の物質収支及び熱収支を、プロセスシュミレータを用いて具体的に計算、評価した。なお、不飽和炭化水素としてトルエンを使用し、有機ハイドライド（水素吸蔵後の不飽和炭化水素）をメチルシクロヘキサンとする。
【００３４】
計算条件は、原料水５０を温度２０℃、１ｋｍｏｌ／ｈで供給、トルエンを温度２０℃、６ｋｍｏｌ／ｈで供給する。また、電解セル１７における、高温水蒸気電解の運転温度を７５０℃、水蒸気利用率（水素生成量（水蒸気反応量）／供給水蒸気量）を８０％とする。なお、高温水蒸気電解への入力電力１００は前述の式（１）のΔＨ相当分とした。
【００３５】
この条件で計算した結果、熱交換器２０出口の有機ハイドライド５８は、温度５４℃、メチルシクロヘキサン；０．２４ｋｍｏｌ／ｈ、トルエン；５．７６ｋｍｏｌ／ｈとなった。また、酸素５３が、温度２０℃、０．４ｋｍｏｌ／ｈとなった。
【００３６】
水分分離器１８で分離された水蒸気５５は、温度４８４℃、０．２ｋｍｏｌ／ｈであった。水素化反応器２１に供給される不飽和炭化水素と水素の混合ガス５７は、温度１３２℃、トルエン；６ｋｍｏｌ／ｈ、水素；０．８ｋｍｏｌ／ｈとなった。
【００３７】
水素化反応器２１出口の有機ハイドライド５８は、温度１８７℃、メチルシクロヘキサン；０．２４ｋｍｏｌ／ｈ、トルエン；５．７６ｋｍｏｌ／ｈ、水素；０．０８ｋｍｏｌ／ｈであった。
【００３８】
熱交換器１４で原料水５０が水蒸気に変化し、熱交換器１４出口の水蒸気は、温度１８７℃、１ｋｍｏｌ／ｈとなった。
【００３９】
なお、水素化反応器２１の出口の有機ハイドライド５８に含まれる水素０．０８ｋｍｏｌ／ｈは、熱交換器２０の下流で液相と分離して、水分分離器１８出口の水素５４に合流させている。
【００４０】
また、熱交換器２０出口の有機ハイドライドの組成がモル分率でメチルシクロヘキサン；０．０４、トルエン；０．９６となっているが、この組成のままで不飽和炭化水素５６として供給すれば、メチルシクロヘキサンのモル分率を上げることができる。
【００４１】
以上の結果により、トルエンに水素が付加される際の反応熱により、水素化反応器２１の出口の有機ハイドライド５８が加熱され、その熱が熱交換器１４により原料水５０が水蒸気に変化する蒸発潜熱が賄うことができることが評価された。
【００４２】
さらに、高温水蒸気電解への入力電力１００は、前述の式（１）のΔＨに相当する分が５５ｋＷ、熱交換器１６出口の水蒸気を７５０℃に昇温する顕熱として０．５ｋＷ、を合計して５５．５ｋＷと評価された。
【００４３】
水素製造量が、０．８ｋｍｏｌ／ｈ（１７．９Ｎｍ３／ｈ）なので、水素製造の原単価は３．１ｋＷｈ／Ｎｍ３となった。水素化反応の反応熱を利用しない場合には、原料水の蒸発潜熱分（本条件では１１．３ｋＷ）を別途供給する必要があるが、本実施形態によれば削減可能となる。
【００４４】
図２は、第１実施形態に係る水素製造装置１０の変形例を示している。なお、図１と共通の構成又は機能を有する部分については、同一符号で示し、重複する説明を省略する。
【００４５】
第１実施形態（図１）では、水分分離器１８において水素５４と電解未反応分の水蒸気５５とを分離した後に、水素５４と不飽和炭化水素５６とを混合させて水素化反応器２１に入力していた。
【００４６】
一方、本変形例では、電解セル１７において生成された水素と電解未反応分の水蒸気との混合ガス５２を水分分離器１８に入力する前に、不飽和炭化水素５６と混合ガス５２とを合流させて、水素と不飽和炭化水素と混合させる。そして、水素と電解未反応分の水蒸気と不飽和炭化水素との混合ガス５９が水分分離器１８に入力される。
【００４７】
水分分離器１８は、混合ガス５９を入力して、混合ガス５９を冷却すること無く、水素吸蔵材料の水素化反応に必要な温度よりも高い温度で、混合ガス５９から水蒸気を分離する。そして、水蒸気が除去された、水素と不飽和炭化水素との混合ガス５７を水素化反応器２１に出力する。
【００４８】
前述したプロセスシュミレーションと同様の条件で熱収支を計算、評価した場合、水分分離器１８での水分除去温度は１３２℃と評価された。この温度条件では、水分分離器１８として、モレキュラーシーブを充填した吸着塔で水分の吸着と脱着を交互に繰り返す圧力変動吸着（ＰＳＡ）法を適用することで、混合ガス５９から水蒸気を分離できる。
【００４９】
また、合金系や無機系の材料を水素化反応器２１に充填させて、水素化吸蔵材料として使用しても良い。合金系や無機系の材料を水素化吸蔵材料として使用する場合、水素化反応器２１を熱交換器１４と兼用する構成が可能となる。また、熱媒を介して水素化反応により発生する熱エネルギーを熱交換器１４に輸送する構成も可能となる。
【００５０】
（第２実施形態）
図３は、第２実施形態に係る水素製造装置１０の構成図である。なお、第１実施形態と共通の構成又は機能を有する部分については、同一符号で示し、重複する説明を省略する。なお、第２実施形態では、水素化反応器２１内に、水素吸蔵材料として合金系または無機系の材料が充填されているものとする。
【００５１】
ヒートポンプ２３は、第１加熱部１２と水素化反応器２１との間に設けられており、循環する冷媒を圧縮及び膨張させて熱エネルギーを移動させるものである。このヒートポンプ２３は、冷媒を介して水素化反応器２１において水素化反応の際に生じる熱エネルギーを、第１加熱部１２に供給された原料水５０に伝達させる。
【００５２】
なお、図３では、水素化反応の際に生じる熱エネルギーを、熱交換器１４を流動する原料水５０に伝達させる構成が示されているが、本構成に限定されるものでは無く、第１加熱部１２を流動する原料水５０または水蒸気に伝達出来れば良い。
【００５３】
第１実施形態で示したプロセスシュミレーションと同様の条件下で、ＣＯＰ５のヒートポンプ２３を使用して熱収支を評価した場合、原料水５０の蒸発潜熱分（第１実施形態の条件では１１．３ｋＷ）を１／６に削減することが評価された。ヒートポンプ２３を用いることにより、水素吸蔵材料の反応熱を効率よく利用でき原単位の低減が可能となる。
【００５４】
（第３実施形態）
図４は、本実施形態に係る電力貯蔵システム４０の構成図である。
【００５５】
電力貯蔵システム４０は、高温水蒸気電解により生成した水素を不飽和炭化水素に吸蔵させて有機ハイドライドとして貯留する。そして、貯留している水素を用いて燃料電池反応により発電を行うシステムである。なお、高温水蒸気電解により生成した水素を不飽和炭化水素に吸蔵させて有機ハイドライドとして貯留するまでの構成は、第１実施形態（図１）と同様となるため説明を省略する。
【００５６】
第２加熱部２４は、熱交換器２５、２６、２７、及び補助加熱器２８を有しており、有機ハイドライド貯留槽２２に貯留された有機ハイドライド６０を入力する。そして、有機ハイドライド６０の脱水素化に必要な温度まで昇温させる。なお、補助加熱器２８は、熱交換器２５〜２７からの入熱だけでは不足する場合に、有機ハイドライド６０を昇温させるための補助的な加熱器である。
【００５７】
脱水素化反応器２９は、有機ハイドライド６０の脱水素化に適した触媒（例えば、白金、ニッケルなど）が充填されており、第２加熱部２４において昇温された有機ハイドライド６０を脱水素化させて、有機ハイライドから水素を脱離させる。
【００５８】
水素の脱離により生成された水素と不飽和炭化水素の混合ガス６１は、熱交換器（第２の熱交換器）２６で有機ハイドライド６０と熱交換した後に、分離器３０に出力される。
【００５９】
分離器３０は、脱水素化反応器２９により脱離された水素と不飽和炭化水素を入力して、水素と不飽和炭化水素とに分離する。分離器３０は、１００℃〜１５０℃程度の温度で性能を発揮するポリイミド膜を適用する。
【００６０】
分離された不飽和炭化水素６３は、熱交換器（第３の熱交換器）２５で有機ハイドライド６０と熱交換した後に、不飽和炭化水素貯留槽１９に回収される。一方、水素６２は、熱交換器３１を介して燃料電池セル３３に出力される。
【００６１】
燃料電池セル３３は、電解セル１７と同様、固体酸化物電解質を中心に配置して、その両側に水素極と酸素極とが形成されている。燃料電池セル３３の水素極側には水素６２が導入され、酸素極側には窒素及と酸素の混合ガス６４が導入される。そして、燃料電池セル３３は、水素極及び酸素極に導入された供給ガスを用いて燃料電池反応を行い、出力電力１０１を生成する。
【００６２】
燃料電池反応の際に水素極側から出力される水蒸気６６は、熱交換器２７で有機ハイドライド６０と熱交換を行い、さらに熱交換器３１で分離器３０から出力された水素６２と熱交換を行った後に、外部に排出される。
一方、酸素極側から出力される窒素６５は、熱交換器３２で燃料電池セル３３に供給される窒素及と酸素の混合ガス６４と熱交換を行った後に、外部に排出される。
【００６３】
なお、第２加熱部２４は、燃料電池セル３３において発電時に生じるジュール熱を用いて、有機ハイドライド６０を加熱しても良い。
【００６４】
このように、電力貯蔵システム４０は、第１実施形態（図１）で示した水素製造・貯蔵方法と、貯蔵された水素を燃料として発電する際に各要素において発生する熱エネルギーを有効に利用するエネルギー自立型の発電方法と、を組み合わせて構成することにより、高い充放電効率を実現することができる。
【００６５】
ここで、電力貯蔵システム４０の熱収支及び物質収支を具体的に計算、評価する。なお、高温水蒸気電解により水素を有機ハイドライドとして貯蔵するまでの構成については第１実施形態で示した条件と同様なものとして、貯蔵した水素を燃料にして発電して電力を得るプロセスについて計算、評価する。
【００６６】
まず、計算条件として、水素吸蔵済みの有機ハイドライド６０を温度２０℃、メチルシクロヘキサン０．２８ｋｍｏｌ／ｈ、トルエン０．０５ｋｍｏｌ／ｈで供給する。
一方、燃料電池セル３３には、酸素と窒素の混合ガス６４を温度２０℃、酸素０．４ｋｍｏｌ／ｈ、窒素１．６ｋｍｏｌ／ｈで供給する。また、燃料電池セル３３の運転温度８５０℃、水素利用率（水蒸気生成量／水素供給量）１００％とする。
【００６７】
この条件下で計算した結果、熱交換器２５出口の不飽和炭化水素６３が、温度２２℃、メチルシクロヘキサン０．０１ｋｍｏｌ／ｈ、トルエンが０．３２ｋｍｏｌ／ｈとなった。
また、熱交換器３１出口の水蒸気６６が、温度１１４℃、０．８ｋｍｏｌ／ｈとなり、熱交換器３２出口の窒素６５が温度６８℃、１．６ｋｍｏｌ／ｈとなった。
【００６８】
また、脱水素反応に必要な吸熱分に対する不足分として１１．２ｋＷの補助加熱を要する。この不足分は、燃料電池セル３３で発電する際に生じるジュール熱で賄うことにより、外部からの加熱は不要となる。
【００６９】
前述の式（１）を燃料電池反応に当てはめると、ΔＧが得られる理論電力となる。実際には、ΔＧからセルのジュール熱として失われる分を差し引いたものが得られる出力電力１０１となる。本条件では出力電力１０１は入力電力１００の約６５％となった
【００７０】
以上述べた各実施形態の水素製造装置によれば、高温水蒸気電解により生成された水素と電解未反応分の水蒸気とを分離する際に、水素吸蔵材料の水素化反応に必要な温度より高い温度で分離することで、水素製造時の入熱を低減して、高い水素製造効率を実現することができる。
【００７１】
本発明のいくつかの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。
【００７２】
例えば、本実施形態に係る電力貯蔵システム（図４）では、水素を燃料とする発電プロセスに固体酸化物型の燃料電池セル３３を適用したが、水素を単独で燃料にして燃焼し燃焼ガスでガスタービンを駆動する発電あるいは天然ガス等、他の燃料に混合して燃焼し燃焼ガスでガスタービンを駆動する発電プロセスを適用することも可能である。
さらには、水素を単独またはほかの燃料に混合して燃焼し燃焼ガスを二酸化炭素等の媒体と混合してガスタービンを駆動する発電プロセスを適用することも可能である。
【符号の説明】
【００７３】
１０…水素製造装置、１１…水供給部、１２…第１加熱部、１３、１４、１５、１６…熱交換器、１７…電解セル、１８…水分分離器、１９…不飽和炭化水素貯留槽、２０…熱交換器、２１…水素化反応器、２２…有機ハイドライド貯蔵槽、２３…ヒートポンプ、２４…第２加熱部、２５、２６，２７…熱交換器、２８…補助加熱器、２９…脱水素化反応器、３０…分離器、３１…熱交換器、３２…熱交換器、３３…燃料電池セル、４０…電力貯蔵システム、５０…原料水、５１…水蒸気、５２…水素と水蒸気の混合ガス、５３…酸素、５４…水素、５５…水蒸気、５６…不飽和炭化水素、５７…不飽和炭化水素と水素の混合ガス、５８…有機ハイドライド、５９…水素と不飽和炭化水素と水蒸気の混合ガス、６０…有機ハイドライド、６１…不飽和炭化水素と水素の混合ガス、６２…水素、６３…不飽和炭化水素、６４…酸素と窒素の混合ガス、６５…窒素、６６…水蒸気、１００…入力電力、１０１…出力電力。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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