(57)【要約】【課題】空気加熱用の熱交換器が不要で、空気と水蒸気をほぼ同じ温度で高温水蒸気電解セルへ供給できる高温水蒸気電解システムおよびその運転方法を提供すること。【解決手段】酸素イオン導電性固体電解質１４を備え水蒸気を電気分解して水素分子と酸素分子を生成する高温水蒸気電解セル１と、外部から供給される水６を高温水蒸気電解セル１から排出される水素富化水蒸気７によって加熱する水素再生熱交換器４と、前記加熱された水をさらに加熱して高温水蒸気電解セル１に供給される水蒸気１２を生成する高温熱交換器２と、外部から高温水蒸気電解セル１に供給される空気１０を高温水蒸気電解セル１から排出される酸素富化空気１１によって加熱する酸素再生熱交換器５とを備えている構成とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素イオン導電性固体電解質を備え水蒸気を電気分解して水素分子と酸素分子を生成する高温水蒸気電解セルと、外部から供給される水を前記高温水蒸気電解セルから排出される水素富化水蒸気によって加熱する水素再生熱交換器と、前記加熱された水をさらに加熱して前記高温水蒸気電解セルに供給される水蒸気を生成する高温熱交換器と、外部から前記高温水蒸気電解セルに供給される空気を前記高温水蒸気電解セルから排出される酸素富化空気によって加熱する酸素再生熱交換器とを備えていることを特徴とする高温水蒸気電解システム。
【請求項２】
前記高温水蒸気電解セルを発熱運転することを特徴とする請求項１記載の高温水蒸気電解システムの運転方法。
【請求項３】
前記高温水蒸気電解セルに供給される水蒸気の温度と加熱空気の温度がほぼ等しくなるように制御することを特徴とする請求項２記載の高温水蒸気電解システムの運転方法。
【請求項４】
前記水素富化水蒸気の温度を前記水蒸気の温度より高くし、前記酸素富化空気の温度を前記加熱空気の温度より高くすることを特徴とする請求項２または３記載の高温水蒸気電解システムの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水蒸気を高温で電気分解して水素ガスを製造する高温水蒸気電解システムおよびその運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
水素は水素化分解、脱硫、アンモニア合成、燃料電池などに用いられるが、水素を製造する方法としては近年、固体電解質を用いて高温で水蒸気を電気分解する方法が注目されている。この高温水蒸気電解法においては、高温水蒸気が水素極で水素分子と酸素イオンに分解後、酸素イオン導電性固体電解質層を経由した酸素イオンが酸素極で酸素分子に変換される。
【０００３】
このような高温水蒸気電解法を実施する装置としては、加熱源で加熱した空気と水蒸気を酸素イオン導電性固体電解質を用いた高温水蒸気電解セルに供給して高温下で電気分解し、高温水蒸気電解セルから取り出される水素富化水蒸気と酸素富化空気の有する熱を回収し、水素富化水蒸気から水素ガスを分離するようにしたものがある（たとえば特許文献１，２参照）。
【特許文献１】特開平６−９３４８１号公報
【特許文献２】特開平６−９３４８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述した従来の高温水蒸気電解装置においては、空気と水蒸気を加熱源で加熱した後、高温水蒸気電解セルへ供給するため、空気加熱用の熱交換器と水蒸気加熱用の熱交換器が必要である。また、空気と水蒸気の高温水蒸気電解セルへの供給温度を揃えるためには、空気加熱用の熱交換器と水蒸気加熱用の熱交換器を並列に加熱源で加熱する必要があり、各熱交換器へ高温流体を配分する必要がある。また、空気加熱用の熱交換器と水蒸気加熱用の熱交換器を直列に加熱源で加熱する場合は空気と水蒸気の高温水蒸気電解セル供給温度が異なり、熱応力が発生するという問題がある。
【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、空気加熱用の熱交換器が不要で、空気と水蒸気をほぼ同じ温度で高温水蒸気電解セルへ供給できる高温水蒸気電解システムおよ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】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明の高温水蒸気電解システムは、酸素イオン導電性固体電解質を備え水蒸気を電気分解して水素分子と酸素分子を生成する高温水蒸気電解セルと、外部から供給される水を前記高温水蒸気電解セルから排出される水素富化水蒸気によって加熱する水素再生熱交換器と、前記加熱された水をさらに加熱して前記高温水蒸気電解セルに供給される水蒸気を生成する高温熱交換器と、外部から前記高温水蒸気電解セルに供給される空気を前記高温水蒸気電解セルから排出される酸素富化空気によって加熱する酸素再生熱交換器とを備えている構成とする。
【０００７】
本発明の高温水蒸気電解システムの運転方法は、前記高温水蒸気電解セルを発熱運転し、あるいはさらに、前記高温水蒸気電解セルに供給される水蒸気の温度と加熱空気の温度がほぼ等しくなるように制御し、あるいはさらに、前記水素富化水蒸気の温度を前記水蒸気の温度より高くし、前記酸素富化空気の温度を前記加熱空気の温度より高くする方法とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、空気加熱用の熱交換器が不要で、空気と水蒸気をほぼ同じ温度で高温水蒸気電解セルへ供給できる高温水蒸気電解システムおよびその運転方法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、本発明に係る高温水蒸気電解システムおよびその運転方法の実施の形態について、図１を参照して説明する。
【００１０】
本実施の形態の高温水蒸気電解システムは、高温水蒸気電解セル１と高温熱交換器２と加熱源３と水素再生熱交換器４と酸素再生熱交換器５とから構成されている。高温水蒸気電解セル１は、ＺｒＯ2とＹ2Ｏ3，ＣａＯ，ＭｇＯ等からなる酸素イオン導電性固体電解質層１４と、その両側面に設けられた水素極室８および酸素極室９とから成っている。
【００１１】
このように構成された本実施の形態の高温水蒸気電解システムにおいては、外部から供給される水６が水素再生熱交換器４で高温水蒸気電解セル１から排出された水素富化水蒸気７と熱交換して加熱された後、高温熱交換器２で加熱源３との間を循環する熱媒体と熱交換してさらに加熱され水蒸気１２となって、高温水蒸気電解セル１の水素極室８へ供給され、水素極電解反応
２Ｈ2Ｏ＋４ｅ-→２Ｈ2＋２Ｏ2-          （１）
により水素分子と酸素イオンに分解される。発生した酸素イオンは電解質層１４を通って酸素極室９へ移動する。その結果、水素極室８からは水素富化水蒸気７が排出される。
【００１２】
一方、外部から供給される空気１０は酸素再生熱交換器５で酸素富化空気１１と熱交換し加熱されて、酸素極室９へ供給される。酸素極室９では、電解質層１４を通ってきた酸素イオンが酸素極電解反応
２Ｏ2-→Ｏ2＋４ｅ-                      （２）
により、酸素分子と電子に解離される。その結果、酸素極室９からは酸素富化空気１１が排出される。また、電子は外部回路により水素極室８へ移動する。
【００１３】
上記過程において、高温水蒸気電解セル１を発熱条件で運転し、水蒸気１２の温度より水素富化水蒸気７の温度を高くする。同様に、加熱空気１３の温度より酸素富化空気１１の温度を高くする。さらに、水蒸気１２の温度と加熱空気１３の温度が等しくなるように空気１０の流量を調整する。
【００１４】
本実施の形態によれば、酸素再生熱交換器５には酸素極電解反応（２）による酸素極室９からの質量流量が増大し、高温水蒸気電解セル１のジュール熱で加熱された酸素富化空気１１が供給されるので、加熱源との熱交換による空気１０の加熱が不要である。
【００１５】
なお、上記説明では水蒸気１２を水素極室８へ供給したが、水蒸気１２に少量の水素を含有させてもよい。また、空気１０の代わりに水を供給して酸素再生熱交換器５において水蒸気を生成し、その水蒸気を酸素極室９へ供給するようにしてもよい。さらに、空気１０に少量の酸素を加えてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施の形態の高温水蒸気電解システムの構成および流体の流れを示す図。
【符号の説明】
【００１７】
１…高温水蒸気電解セル、２…高温熱交換器、３…加熱源、４…水素再生熱交換器、５…酸素再生熱交換器、６…水、７…水素富化水蒸気、８…水素極室、９…酸素極室、１０…空気、１１…酸素富化空気、１２…水蒸気、１３…加熱空気、１４…酸素イオン導電性固体電解質層。
【図１】
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