WO2023053546A1 - 水素製造システムおよび水素製造方法 - Google Patents

水素製造システムおよび水素製造方法 Download PDF

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hydrogen
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志典 碓井
耕司 浅野
健 松尾
宏之 岩渕
伸英 原
育昌 小城
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/36—Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis

Definitions

  • the present disclosure relates to a hydrogen production system and a hydrogen production method.
  • the electrolysis method has the advantage that raw materials are inexpensive and carbon dioxide (CO 2 ) is not generated in the hydrogen production process.
  • CO 2 carbon dioxide
  • the electrolysis method since the electrolysis method generates hydrogen by electrolysis, there is a problem that the cost of electric energy is high. Therefore, a high-temperature steam electrolysis method is conceivable in which the electric energy required for electrolysis is reduced by electrolyzing high-temperature steam at 700° C. or higher.
  • a hydrogen production device that uses high-temperature steam electrolysis can reduce the electrical energy required to electrolyze water by using high-temperature steam.
  • the conventional hydrogen production apparatus uses electrical energy to generate the high-temperature steam at a temperature corresponding to the operating temperature of the electrolysis of water, and the endothermic reaction of the electrolysis of water is also performed by electrical energy. ing. That is, the conventional hydrogen production apparatus operates at the thermal neutral point potential where the heat absorption of the water electrolysis and the heat generation of the water electrolysis cell are balanced, or at the potential higher than the thermal neutral point potential, and consumes a lot of electric energy. .
  • Most of the cost of hydrogen production by high-temperature steam electrolysis is electricity, and if most of this electricity can be covered by renewable energy, carbon dioxide can be reduced. However, it is difficult to apply renewable energy to large-scale and stable hydrogen production because the power supply is unstable.
  • the electrical energy generated by the thermal power generation system is accompanied by the generation of carbon dioxide.
  • the present disclosure aims to solve the above-described problems, and aims to provide a hydrogen production system and a hydrogen production method that reduce energy costs and suppress the generation of carbon dioxide.
  • the hydrogen production system of the present disclosure for achieving the above object comprises a heat exchanger that heats steam using a heat medium heated by thermal energy of 600 ° C. or higher, and a high temperature that produces hydrogen using the steam.
  • the hydrogen production method of the present disclosure includes the steps of generating thermal energy of 600 ° C. or higher, heating steam using a heat medium heated by the thermal energy, and high-temperature steam electrolysis using the steam. It has a step of heating the device and a step of producing hydrogen by the high-temperature steam electrolysis device using the steam.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing the hydrogen production system of the first embodiment.
  • FIG. 2 is a schematic diagram representing a high temperature steam electrolysis cell.
  • FIG. 3 is a graph showing the relationship between current density and thermal energy.
  • FIG. 4 is a schematic diagram showing the flow of steam to a high-temperature steam electrolysis cell in the hydrogen production system of the second embodiment.
  • FIG. 5 is a schematic diagram representing a hydrogen ejector.
  • FIG. 6 is a schematic diagram showing the hydrogen production system of the third embodiment.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing the hydrogen production system of the first embodiment.
  • the hydrogen production system 10 includes a heat source 11, an intermediate heat exchanger (heat exchanger) 12, a solid electrolyte type high temperature steam electrolyzer (SOEC) 13, a heating a device 14;
  • heat exchanger intermediate heat exchanger
  • SOEC solid electrolyte type high temperature steam electrolyzer
  • the heat source 11 is a high-temperature gas furnace, capable of generating thermal energy of 900°C or higher. Note that the heat source 11 is not limited to the high-temperature gas reactor, and may be anything that can generate thermal energy of 600° C. or higher. As the heat source, for example, an electric furnace, a heliostat-type solar heat collector, a boiler, boiler exhaust heat, gas turbine exhaust heat, and the like may be applied.
  • the high-temperature gas-cooled reactor as the heat source 11 is a nuclear reactor that uses ceramic materials for the fuel coating, helium as the coolant, and graphite as the moderator.
  • a high-temperature gas-cooled reactor can generate helium gas as a heat medium at 900° C. or higher.
  • a high temperature gas reactor as the heat source 11 is connected to a circulation path L11.
  • the intermediate heat exchanger 21 is connected to the circulation path L11 in addition to the heat source 11 .
  • the intermediate heat exchanger 21 is connected to one end of the supply path L12 and one end of the return path L13.
  • the intermediate heat exchanger 21 exchanges heat between the primary helium (primary heat medium) flowing through the circulation path L11 and the secondary helium (secondary heat medium) flowing through the supply path L12 and the return path L13. That is, the intermediate heat exchanger 21 heats the secondary helium flowing through the supply path L12 and the return path L13 to, for example, 900.degree.
  • the supply header 22 is connected to the other end of the supply path L12.
  • a return header 23 is connected to the other end of the return path L13.
  • a circulation machine 24 is provided on the return path L13.
  • the hydrogen production system 10 produces hydrogen using secondary helium as a heat medium heated with thermal energy of 900° C. or more generated by a heat source 11 .
  • the high-temperature steam electrolysis device 13 uses a high-temperature steam electrolysis cell 51 as a solid electrolyte type electrolysis cell, and produces hydrogen by water electrolysis at a high temperature of about 700°C to 900°C.
  • the high-temperature steam electrolyzer 13 has an electrolyte layer 51a, a porous hydrogen electrode layer 51b, and a porous oxygen electrode layer 51c.
  • the high-temperature steam electrolysis cell 51 has a flat plate shape.
  • the electrolyte layer 51a is a plate-shaped electrolyte membrane made of a solid electrolyte of an oxygen ion conductor.
  • the electrolyte layer 51a has a porous hydrogen electrode layer 51b arranged on one side thereof and a porous oxygen electrode layer 51c arranged on the other side thereof.
  • the porous hydrogen electrode layer 51b has a flat plate shape and is a cathode electrode on the hydrogen side.
  • the porous oxygen electrode layer 51c has a flat plate shape and is an anode electrode on the oxygen side.
  • the steam generator 31 heats water with the thermal energy of secondary helium to generate steam.
  • the steam generator 31 is connected to the water supply path L31 and to one end of the first steam supply path L32.
  • the intermediate heat exchanger 12 has a first heat exchanger 32 and a second heat exchanger 33 .
  • the second heat exchanger 33 has a hydrogen side heat exchanger 34 and an oxygen side heat exchanger 35 .
  • the first heat exchanger 32 is connected to the other end of the first steam supply path L32 and to one end of the second steam supply path L33.
  • the second steam supply path L33 is connected to the steam header 36 at the other end.
  • the steam header 36 is connected to one ends of the third steam supply path L34 and the fourth steam supply path L35.
  • the hydrogen-side heat exchanger 34 is connected to the other end of the third steam supply path L34 and to one end of the hydrogen-side steam supply path L36.
  • the oxygen-side heat exchanger 35 is connected to the other end of the fourth steam supply path L35 and to one end of the oxygen-side steam supply path L37.
  • the first heat exchanger 32 superheats steam with the thermal energy of the secondary helium to generate superheated steam.
  • the hydrogen-side heat exchanger 34 in the second heat exchanger 33 further superheats the superheated steam with the thermal energy of the secondary helium.
  • the oxygen-side heat exchanger 35 in the second heat exchanger 33 further superheats the superheated steam with the thermal energy of the secondary helium.
  • the first heat exchanger 32 is arranged on the upstream side in the steam flow direction
  • the steam header 36 is arranged on the downstream side of the first heat exchanger 32
  • the steam header 36 is placed on the downstream side.
  • the second heat exchanger 33 is arranged.
  • the hydrogen side heat exchanger 34 and the oxygen side heat exchanger 35 as the second heat exchanger 33 are arranged in parallel downstream of the steam supply path L33.
  • the high-temperature steam electrolysis cell 51 is connected to the other ends of the hydrogen-side steam supply path L36 and the oxygen-side steam supply path L37.
  • the hydrogen-side steam supply path L36 is connected to the inlet side of the porous hydrogen electrode layer 51b
  • the oxygen-side steam supply path L37 is connected to the inlet side of the porous oxygen electrode layer 51c.
  • the high-temperature steam electrolyzer 13 is connected to a hydrogen gas discharge path L38 and an oxygen gas discharge path L39.
  • the high-temperature steam electrolyzer 13 is connected to a hydrogen gas discharge path L38 on the exit side of the porous hydrogen electrode layer 51b, and connected to an oxygen gas discharge path L39 on the exit side of the porous oxygen electrode layer 51c.
  • the hydrogen gas discharge route L38 and the oxygen gas discharge route L39 are provided with heat recovery devices 37 and 38, respectively.
  • the heat recovery devices 37 and 38 recover the heat of the generated hydrogen and oxygen, and heat the steam flowing through the first steam supply path L32, for example.
  • the high-temperature steam electrolysis device 13 is connected to a power supply path L40, and can be supplied with power (electrical energy) from the outside.
  • the high-temperature steam electrolyzer 13 uses steam heated by the thermal energy of secondary helium, and also uses electrical energy supplied from the power supply path L40 to produce hydrogen.
  • the heating device 14 heats the high-temperature steam electrolysis cell 51 of the high-temperature steam electrolysis device 13 using the steam heated by the thermal energy of the secondary helium. In this case, the heating device 14 compensates for the heat energy lost due to the endothermic reaction when the high-temperature steam electrolysis device 13 produces hydrogen.
  • the supply header 22 is connected to the second heat exchanger 33 by the heat medium supply path L14.
  • the downstream end of the heat medium supply path L14 branches into two, one of which is connected to the hydrogen-side heat exchanger 34 and the other of which is connected to the oxygen-side heat exchanger 35 .
  • the second heat exchanger 33 is connected to the steam generator 31 by a heat medium supply path L15.
  • the upstream end of the heat medium supply path L15 branches into two, one of which is connected to the hydrogen-side heat exchanger 34 and the other of which is connected to the oxygen-side heat exchanger 35 .
  • the steam generator 31 is connected to the return header 23 by a heat medium supply path L16.
  • the secondary helium of the supply header 22 is supplied to the second heat exchanger 33 (the hydrogen side heat exchanger 34, the oxygen side heat exchanger 35) through the heat medium supply path L14 to superheat the steam, and the second heat Water is supplied from the exchanger 33 to the steam generator 31 through the heat medium supply path L15 to heat the water, and is returned from the steam generator 31 to the return header 23 through the heat medium supply path L16.
  • the supply header 22 is connected to the first heat exchanger 32 by the heat medium supply path L17.
  • the first heat exchanger 32 is connected to the return header 23 by a heat medium supply path L18. That is, the secondary helium of the supply header 22 is supplied to the first heat exchanger 32 through the heat medium supply path L17 to superheat the steam.
  • the heating device 14 is provided as an intermediate heat exchanger 12 that heats steam.
  • the heating device 14 is particularly composed of a hydrogen-side heat exchanger 34 as a second heat exchanger 33 and an oxygen-side heat exchanger 35 .
  • the heating device 14 converts superheated steam superheated by the second heat exchanger 33 (hydrogen side heat exchanger 34, oxygen side heat exchanger) into a high-temperature steam electrolysis cell 51 (porous hydrogen electrode layer 51b, porous oxygen electrode layer). 51 c) to heat the high-temperature steam electrolysis cell 51 .
  • high-temperature steam electrolysis cell 51 high-temperature superheated steam is supplied to the porous hydrogen electrode layer 51b from the hydrogen-side steam supply path L36.
  • the high-temperature steam electrolysis cell 51 is supplied with power from the power supply path L40, and voltage is applied to the porous hydrogen electrode layer 51b and the porous oxygen electrode layer 51c.
  • voltage By applying voltage, water vapor is electrolyzed in the porous hydrogen electrode layer 51b to generate hydrogen.
  • the generated hydrogen is discharged to the hydrogen gas discharge path L38.
  • oxygen ions generated by electrolysis in the porous hydrogen electrode layer 51b permeate the electrolyte layer 51a, generate oxygen in the porous oxygen electrode layer 51c, and the generated oxygen is discharged to the oxygen gas discharge path L39. be.
  • the high-temperature steam electrolysis device 13 generates hydrogen and oxygen based on the electrolysis reaction according to the following formula. H2O ⁇ H2 +1/ 2O2
  • FIG. 2 is a schematic diagram representing a high temperature steam electrolysis cell.
  • the high-temperature steam electrolysis cell 51 is a plate-shaped solid electrolyte type steam electrolysis device.
  • a flat plate-shaped porous hydrogen electrode layer 51b is arranged on one side of a flat plate-shaped electrolyte layer 51a, and a flat plate-shaped porous oxygen electrode layer 51c is arranged on the other side.
  • a hydrogen-side separator 51d is arranged outside the porous hydrogen electrode layer 51b, and an oxygen-side separator 51e is arranged outside the porous oxygen electrode layer 51c.
  • the high-temperature steam electrolysis cell 51 is internally provided with a first flow path L51 and a second flow path L52.
  • the first flow path L51 is provided between the hydrogen-side separator 51d and the porous hydrogen electrode layer 51b and between the electrolyte layer 51a and the porous oxygen electrode layer 51c.
  • the second flow path L52 is provided between the porous hydrogen electrode layer 51b and the electrolyte layer 51a and between the porous oxygen electrode layer 51c and the oxygen side separator 51e.
  • the first flow path L51 and the second flow path L52 intersect in the orthogonal direction, but may be parallel.
  • the first flow path L51 is connected to the hydrogen-side steam supply path L36 on the upstream side, and is connected to the hydrogen gas discharge path L38 on the downstream side.
  • the second flow path L52 is connected upstream to the oxygen-side steam supply path L37 and downstream to the oxygen gas discharge path L39.
  • the superheated steam superheated by the hydrogen side heat exchanger 34 is supplied from the hydrogen side steam supply path L36 to the first flow path L51, and the superheated steam superheated by the oxygen side heat exchanger 35 is supplied to the oxygen side steam supply. It is supplied from the path L37 to the second flow path L52.
  • the heating device 14 heats the high-temperature steam electrolysis cell 51 with the supplied superheated steam.
  • the superheated steam supplied to the first flow path L51 is electrolyzed to generate hydrogen and oxygen.
  • the superheated steam containing hydrogen is discharged to the hydrogen gas discharge path L38.
  • the steam containing oxygen is pushed out by the superheated steam supplied to the second flow path L52 and discharged to the oxygen gas discharge path L39.
  • the hydrogen production method of the present embodiment includes the steps of generating thermal energy of 600° C. or higher, heating steam using secondary helium (heat medium) heated by the thermal energy, and heating the steam to a high temperature using the steam. It has a step of heating the steam electrolysis device 13 and a step of producing hydrogen by the high-temperature steam electrolysis device using steam.
  • the high-temperature gas reactor as the heat source 11 generates, for example, primary helium at 950°C.
  • the high-temperature primary helium flows through the circulation path L11, exchanges with the secondary helium flowing through the return path L13 in the intermediate heat exchanger 21, and heats the secondary helium to, for example, 900.degree.
  • the secondary helium heat-exchanged in the intermediate heat exchanger 21 flows through the supply path L12 and is supplied to the supply header 22 at, for example, about 900.degree.
  • the secondary helium in the supply header 22 is supplied to the second heat exchanger 33 through the heat medium supply path L14 to superheat steam, and is supplied from the second heat exchanger 33 to the steam generator 31 through the heat medium supply path L15. , heat the water supplied from the water supply path L31 to generate steam. Further, the secondary helium of the supply header 22 is supplied to the first heat exchanger 32 through the heat medium supply path L17 to superheat the steam.
  • the steam generator 31 heats the water supplied from the water supply path L31 to generate steam.
  • the steam is supplied to the first heat exchanger 32 through the first steam supply path L32, is superheated, and is supplied to the steam header 36 through the second steam supply path L33.
  • the heated steam in the steam header 36 is supplied to the hydrogen-side heat exchanger 34 through the third steam supply path L34 and further superheated, for example, as high-temperature steam of 850° C. to the porous hydrogen electrode layer 51b of the high-temperature steam electrolysis cell 51. supplied.
  • the heated steam in the steam header 36 is supplied to the oxygen-side heat exchanger 35 through the fourth steam supply path L35 and further superheated, for example, as high-temperature steam of 850° C. to the porous oxygen electrode layer of the high-temperature steam electrolysis cell 51. 51c.
  • the high-temperature steam electrolysis cell 51 is heated by the high-temperature steam supplied from the hydrogen-side heat exchanger 34 and the oxygen-side heat exchanger 35, electrolyzes the high-temperature steam with electric power supplied from the power supply path L40, and produces hydrogen and oxygen. to generate
  • high-temperature steam is supplied to the first flow path L51 of the high-temperature steam electrolysis cell 51 through the hydrogen-side steam supply path L36.
  • the high-temperature steam electrolysis cell 51 is supplied with power from the power supply path L40, and voltage is applied to the porous hydrogen electrode layer 51b and the porous oxygen electrode layer 51c.
  • the water vapor in the first flow path L51 is electrolyzed in the porous hydrogen electrode layer 51b to generate hydrogen, which flows downward through the first flow path L51.
  • oxygen ions generated by electrolysis in the porous hydrogen electrode layer 51b permeate the high-temperature steam electrolysis cell 51 while diffusing, and are discharged as oxygen to the second flow path L2.
  • the hydrogen that has flowed through the first flow path L51 is discharged to the hydrogen gas discharge path L38.
  • the oxygen discharged to the second flow path L52 is discharged to the oxygen gas discharge path L39.
  • the high-temperature steam is supplied to the second flow path L52 of the high-temperature steam electrolysis cell 51 through the oxygen-side steam supply path L37.
  • the oxygen discharged to the second flow path L52 is pushed out to the oxygen gas discharge path L39 by the water vapor supplied to the second flow path L52.
  • FIG. 3 is a graph showing the relationship between current density and thermal energy.
  • FIG. 3 shows the relationship between current density and thermal energy in a fuel cell (SOFC) and a high-temperature steam electrolyzer (SOEC).
  • SOFC fuel cell
  • SOEC high-temperature steam electrolyzer
  • the conventional hydrogen production system does not have the heat source (high-temperature gas reactor) 11 as in the first embodiment, the endothermic reaction when water is electrolyzed is supplemented by the heat generated by the Joule heat generated in the high-temperature steam electrolyzer. there is That is, the conventional high-temperature steam electrolyzer operates at a potential equal to or higher than the thermal neutral point A.
  • the hydrogen production system 10 of the first embodiment has a heat source (high-temperature gas reactor) 11, the high-temperature helium heated by the thermal energy of 600° C. or higher generated in the heat source 11 is used to generate steam and high-temperature steam electrolysis.
  • the hydrogen production system 10 of the first embodiment can be operated at the potential of the operating point B, which is equal to or lower than the thermal neutral point A.
  • the electrical energy used for water electrolysis can be reduced without converting the electrical energy into thermal energy (Joule heating).
  • FIG. 4 is a schematic diagram showing the flow of steam to a high-temperature steam electrolysis cell in the hydrogen production system of the second embodiment
  • FIG. 5 is a schematic diagram showing a hydrogen ejector.
  • the basic configuration of the second embodiment is the same as that of the above-described first embodiment, and will be described with reference to FIG. Reference numerals are attached and detailed description is omitted.
  • a hydrogen production system 10A (FIG. 4) includes a heat source 11, an intermediate heat exchanger 12, and a high-temperature steam electrolysis device 13, as in the first embodiment. and a heating device 14 .
  • 10 A of hydrogen production systems of 2nd Embodiment change the supply structure of the steam
  • the hydrogen-side heat exchanger 34 has an inlet side connected to the third steam supply path L34, and an outlet side connected to the porous hydrogen electrode layer 51b of the high-temperature steam electrolysis cell 51 by the hydrogen-side steam supply path L36.
  • the oxygen side heat exchanger 35 is connected to the fourth steam supply path L35 on the inlet side, and is connected to the porous oxygen electrode layer 51c of the high-temperature steam electrolysis cell 51 by the oxygen side steam supply path L37 on the outlet side.
  • the hydrogen gas discharge path L38 is connected to the porous hydrogen electrode layer 51b
  • the oxygen gas discharge path L39 is connected to the porous oxygen electrode layer 51c.
  • the hydrogen production system 10A is provided with a hydrogen-side circulation path L61 and an oxygen-side circulation path L62.
  • One end of the hydrogen-side circulation path L61 is connected to the branch portion 61 of the hydrogen gas discharge path L38, and the other end is connected to the third steam supply path L34.
  • a hydrogen side ejector 62 is provided at the connecting portion between the hydrogen side circulation path L61 and the third steam supply path L34.
  • One end of the oxygen-side circulation path L62 is connected to the branch 63 of the oxygen gas discharge path L39, and the other end is connected to the fourth steam supply path L35.
  • An oxygen-side ejector 64 is provided at the connecting portion between the oxygen-side circulation path L62 and the fourth steam supply path L35.
  • the hydrogen side ejector 62 and the oxygen side ejector 64 have the same configuration.
  • the hydrogen side ejector 62 has a main body 71, a nozzle 72, and a diffuser 73.
  • the main body 71 has a cylindrical shape, has an inlet portion 71a at its base end, and has an intake portion 71b at its outer peripheral portion.
  • a hydrogen-side circulation path L61 is connected to the intake portion 71b.
  • the nozzle 72 is connected to the main body 71 so as to communicate with the inlet portion 71a.
  • the nozzle 72 has a cylindrical shape, and the channel becomes narrower toward the downstream side.
  • a diffuser 73 is connected to the main body 71 so as to communicate with the nozzle 72 .
  • the diffuser 73 has a cylindrical shape, and the flow path becomes wider toward the downstream side.
  • the diffuser 73 is provided with a discharge portion 73a at its tip.
  • the steam in the third steam supply path L34 passes through the hydrogen side ejector 62 and is supplied to the hydrogen side heat exchanger 34, where it is superheated to become superheated steam, which is the porous hydrogen electrode layer 51b of the high-temperature steam electrolysis cell 51. supplied to The steam containing hydrogen generated in the high-temperature steam electrolysis cell 51 is discharged to the hydrogen gas discharge path L38.
  • part of the steam containing hydrogen discharged to the hydrogen gas discharge path L38 flows to the hydrogen-side circulation path L61.
  • the steam supplied from the inlet portion 71a increases in flow velocity at the nozzle 72, so that a suction force acts on the suction portion 71b.
  • water vapor containing hydrogen that has flowed from the hydrogen gas discharge path L38 to the hydrogen-side circulation path L61 is sucked into the main body 71 through the suction portion 71b.
  • the water vapor containing hydrogen sucked into the main body 71 from the hydrogen-side circulation path L61 through the suction portion 71b is mixed with the water vapor supplied from the inlet portion 71a and supplied to the porous hydrogen electrode layer 51b.
  • the steam in the fourth steam supply path L35 passes through the oxygen side ejector 64 and is supplied to the oxygen side heat exchanger 35, where it is superheated to become superheated steam, and the porous oxygen electrode layer 51c of the high temperature steam electrolysis cell 51. supplied to The steam containing oxygen generated in the high-temperature steam electrolysis cell 51 is discharged to the oxygen gas discharge path L39.
  • oxygen-side ejector 64 similarly to the hydrogen-side ejector 62, oxygen-containing steam that has flowed from the oxygen gas discharge path L39 to the oxygen-side circulation path L62 is sucked, mixed with the supplied steam, and formed into the porous oxygen electrode layer 51c. supplied to
  • the hydrogen production system 10A returns part of the steam containing hydrogen discharged from the porous hydrogen electrode layer 51b of the high-temperature steam electrolysis cell 51 to the inlet side of the porous hydrogen electrode layer 51b through the hydrogen-side circulation path L61. . Therefore, the porous hydrogen electrode layer 51b can be supplied with a larger amount of superheated steam than required for steam electrolysis, and the endothermic reaction of steam electrolysis can be supplemented.
  • the hydrogen production system 10A returns part of the oxygen-containing steam discharged from the porous oxygen electrode layer 51c of the high-temperature steam electrolysis cell 51 to the inlet side of the porous oxygen electrode layer 51c through the oxygen-side circulation path L62. ing. Therefore, a large amount of superheated steam can be supplied to the porous oxygen electrode layer 51c, and the temperature drop of the high-temperature steam electrolysis cell 51 due to the endothermic reaction can be suppressed.
  • FIG. 6 is a schematic diagram showing the hydrogen production system of the third embodiment.
  • Members having the same functions as those of the above-described first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.
  • a hydrogen production system 10B includes a heat source 11, an intermediate heat exchanger 12, a high-temperature steam electrolysis device 13, and a heating device 14, as in the first embodiment.
  • a hydrogen production system 10B of the third embodiment is different from the first embodiment in the gas supply configuration to the high-temperature steam electrolysis device 13 .
  • the supply header 22 is connected to the second heat exchanger 33 by the heat medium supply path L14.
  • the second heat exchanger 33 is connected to the first heat exchanger 32 by a heat medium supply path L19. That is, the secondary helium of the supply header 22 is supplied to the second heat exchanger 33 through the heat medium supply path L14 to superheat the steam, and is supplied from the second heat exchanger 33 to the first heat exchanger 32 to heat the steam. to heat.
  • the first heat exchanger 32 is connected to the return header 23 by a heat medium supply path L18.
  • the gas supply device 41 supplies gas (air or steam) to the porous oxygen electrode layer 51c of the high-temperature steam electrolysis cell 51.
  • the gas heater 42 heats the gas supplied to the porous oxygen electrode layer 51c with the thermal energy of the secondary helium.
  • the gas supply path L41 is provided with a circulator 43 that constitutes the gas supply device 41 .
  • the gas supply path L41 is connected to the heat recovery device 38 .
  • the heat recovery device 38 is connected to the gas heating device 42 by a gas supply path L42.
  • the gas heater 42 is connected to the porous oxygen electrode layer 51c by a gas supply path L43.
  • the supply header 22 is connected to the gas heating device 42 by the heat medium supply path L20.
  • the gas heating device 42 is connected to the steam generator 31 by a heat medium supply path L21. That is, the secondary helium of the supply header 22 is supplied to the gas heating device 42 through the heating medium supply path L20 to heat the gas, and is supplied from the gas heating device 42 to the steam generator 31 through the heating medium supply path L21.
  • gas air
  • gas air
  • the heated gas is supplied to the gas heating device 42 through the gas supply path L42 and heated by the thermal energy of the secondary helium.
  • the heated gas is supplied to the porous oxygen electrode layer 51c through the gas supply path L43, and the generated oxygen is discharged to the oxygen gas discharge path L39.
  • the hydrogen production system 10B uses gas heated by the thermal energy of secondary helium as a carrier gas for discharging the oxygen generated by the high-temperature steam electrolyzer 13 to the oxygen gas discharge path L39. Therefore, the oxygen generated in the high-temperature steam electrolysis device 13 can be efficiently discharged without lowering the temperature of the high-temperature steam electrolysis device 13 .
  • the hydrogen production system includes an intermediate heat exchanger 12 that heats steam using secondary helium (heat medium) heated by thermal energy of 600 ° C. or higher, and produces hydrogen using steam.
  • a high-temperature steam electrolysis device 13 and a heating device 14 for heating the high-temperature steam electrolysis device 13 using steam are provided.
  • the high-temperature steam electrolyzer 13 is heated by the high-temperature steam heated using the heat medium heated by the thermal energy of 600° C. or higher, and heated by the thermal energy of 600° C. or higher.
  • the high-temperature steam heated using the heated heat medium is supplied to the high-temperature steam electrolyzer 13 to produce hydrogen by electrolysis. Therefore, it is possible to reduce the consumption of electric energy generated by a thermal power generation system or the like, suppress the generation of carbon dioxide, and reduce the energy cost.
  • the heating device 14 compensates for the heat energy lost due to the endothermic reaction when the high-temperature steam electrolysis device 13 produces hydrogen. As a result, the amount of thermal energy supplied from the outside to the high-temperature steam electrolyzer 13 can be reduced.
  • the hydrogen production system includes, as a high-temperature steam electrolysis cell 51, an electrolyte layer 51a having a flat plate shape, a porous hydrogen electrode layer 51b having a flat plate shape and arranged on one side of the electrolyte layer 51a, A porous oxygen electrode layer 51c having a flat plate shape and arranged on the other side of the electrolyte layer 51a is provided, and water vapor is supplied to the porous hydrogen electrode layer 51b.
  • the high-temperature steam electrolyzer 13 can be heated by the high-temperature steam used to produce hydrogen by electrolysis in the high-temperature steam electrolyzer 13, and the structure of the high-temperature steam electrolyzer 51 can be simplified.
  • the hydrogen production system is provided with a hydrogen-side circulation path L61 that returns part of the water vapor containing hydrogen discharged from the discharge side of the porous hydrogen electrode layer 51b to the inlet side of the porous hydrogen electrode layer 51b. .
  • the porous hydrogen electrode layer 51b can be supplied with a larger amount of superheated steam than required for steam electrolysis, and the endothermic reaction of steam electrolysis can be compensated.
  • the hydrogen production system is provided with an oxygen-side circulation path L62 that returns part of the water vapor containing oxygen discharged from the discharge side of the porous oxygen electrode layer 51c to the inlet side of the porous oxygen electrode layer 51c. .
  • an oxygen-side circulation path L62 that returns part of the water vapor containing oxygen discharged from the discharge side of the porous oxygen electrode layer 51c to the inlet side of the porous oxygen electrode layer 51c.
  • the hydrogen production system has a steam generator 31 that generates steam and supplies it to the high-temperature steam electrolysis device 13 through steam supply paths L32, L33, L34, and L35, and the intermediate heat exchanger 12
  • the next helium is supplied from the second heat exchanger 33 to the first heat exchanger 32 .
  • the heat medium is supplied from the second heat exchanger 33 on the downstream side to the first heat exchanger 32 on the upstream side, so that the thermal energy of the heat medium can be effectively used.
  • the hydrogen production system includes, as the second heat exchanger 33, a hydrogen-side heat exchanger 34 that heats the water vapor supplied to the porous hydrogen electrode layer 51b, and supplies it to the porous oxygen electrode layer 51c. and an oxygen-side heat exchanger 35 for heating steam.
  • a hydrogen-side heat exchanger 34 that heats the water vapor supplied to the porous hydrogen electrode layer 51b, and supplies it to the porous oxygen electrode layer 51c.
  • an oxygen-side heat exchanger 35 for heating steam.
  • the hydrogen production system includes a gas supply device 41 that supplies gas to the porous oxygen electrode layer 51c, and a gas heater that heats the gas supplied to the porous oxygen electrode layer 51c using secondary helium. a device 42; As a result, the oxygen generated in the high-temperature steam electrolysis cell 51 can be efficiently discharged without lowering the temperature of the high-temperature steam electrolysis cell 51 .
  • the heat source 11 capable of generating thermal energy is a high temperature gas reactor, and the intermediate heat exchanger 12 is heated by the thermal energy of the high temperature helium generated in the high temperature gas reactor.
  • the heat transfer medium is used to heat the steam. Thereby, the amount of carbon dioxide generated can be reduced.
  • a hydrogen production method includes the steps of generating thermal energy of 600° C. or higher, heating steam using secondary helium (heat medium) heated by the thermal energy, and using steam a step of heating the high-temperature steam electrolyzer 13 using steam; and a step of producing hydrogen by the high-temperature steam electrolyzer using steam.
  • the high-temperature steam electrolysis cell 51 is of flat plate type, but is not limited to this shape.

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Abstract

水素製造システムおよび水素製造方法において、６００℃以上の熱エネルギーにより加熱された熱媒体を用いて水蒸気を加熱する熱交換器と、水蒸気を用いて水素を製造する高温水蒸気電解装置と、水蒸気を用いて高温水蒸気電解装置を加熱する加熱装置と、を備える。

Description

水素製造システムおよび水素製造方法
　本開示は、水素製造システムおよび水素製造方法に関するものである。
　水素製造技術の一つとして、高温水蒸気電解法がある。電解法は、原料が安価であり、水素製造プロセスにおいて二酸化炭素（ＣＯ２）が発生しないというメリットがある。しかし、電解法は、電気分解により水素を生成するものであるため、電気エネルギーのコストが高いという課題がある。そこで、７００℃以上の高温水蒸気を電気分解することで、電気分解に要する電気エネルギーを減少する高温水蒸気電解法が考えられる。
　ところが、７００℃以上の高温水蒸気を生成することは困難であり、従来、ボイラや電気炉などにより水を昇温して水蒸気を生成し、この水蒸気を電気分解して水素を生成している。また、水の分解は、吸熱反応であり、１モルの水を電気分解するときに、外部から２８６ジュールの熱を供給する必要がある。そのため、従来、水の電気分解時の吸熱と水蒸気の顕熱を水電解セルのジュール熱で補いながら、水蒸気を７００℃～９００℃として電気分解している。このような従来の水素製造装置として、例えば、下記特許文献１に記載されたものがある。
特開２０２０－０４１２０２号公報
　高温水蒸気電解法による水素製造装置は、高温水蒸気を利用することによって水の電気分解にかかる電気エネルギーを減少させることができる。しかし、現実に、従来の水素製造装置は、水の電気分解の運転温度に相当する温度の高温水蒸気の生成エネルギーを必要な電気エネルギーにより賄うと共に、水の電気分解の吸熱反応も電気エネルギーで賄っている。すなわち、従来の水素製造装置は、水電解の吸熱と水電解セルの発熱がバランスする熱中立点の電位、または、熱中立点の電位以上の電位で運転しており、電気エネルギーを多く消費する。高温水蒸気電解法による水素製造は、コストの大半が電力であり、この電力を再生可能エネルギーでその大半を賄うことができれば、二酸化炭素を削減することができる。しかし、再生可能エネルギーは、電力の供給が不安定であるため、大規模で安定的な水素製造に適用することは困難である。一方で、火力発電システムにより生成した電気エネルギーは、二酸化炭素の発生が伴ってしまう。
　本開示は、上述した課題を解決するものであり、エネルギーコストの低減を図ると共に二酸化炭素の発生を抑制する水素製造システムおよび水素製造方法を提供することを目的とする。
　上記の目的を達成するための本開示の水素製造システムは、６００℃以上の熱エネルギーにより加熱された熱媒体を用いて水蒸気を加熱する熱交換器と、前記水蒸気を用いて水素を製造する高温水蒸気電解装置と、前記水蒸気を用いて前記高温水蒸気電解装置を加熱する加熱装置と、を備える。
　また、本開示の水素製造方法は、６００℃以上の熱エネルギーを発生させる工程と、前記熱エネルギーにより加熱された熱媒体を使用して水蒸気を加熱する工程と、前記水蒸気を用いて高温水蒸気電解装置を加熱する工程と、前記水蒸気を用いて前記高温水蒸気電解装置により水素を製造する工程と、を有する。
　本開示の水素製造システムおよび水素製造方法によれば、エネルギーコストの低減を図ることができると共に、二酸化炭素の発生を抑制することができる。
図１は、第１実施形態の水素製造システムを表す概略構成図である。 図２は、高温水蒸気電解セルを表す概略図である。 図３は、電流密度と熱エネルギーとの関係を表すグラフである。 図４は、第２実施形態の水素製造システムにおける高温水蒸気電解セルに対する水蒸気の流れを表す概略図である。 図５は、水素エジェクタを表す概略図である。 図６は、第３実施形態の水素製造システムを表す概略構成図である。
　以下に図面を参照して、本開示の好適な実施形態を詳細に説明する。なお、この実施形態により本開示が限定されるものではなく、また、実施形態が複数ある場合には、各実施形態を組み合わせて構成するものも含むものである。また、実施形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。
［第１実施形態］
＜水素製造システム＞
　図１は、第１実施形態の水素製造システムを表す概略構成図である。
　第１実施形態において、図１に示すように、水素製造システム１０は、熱源１１と、中間熱交換器（熱交換器）１２と、固体電解質型の高温水蒸気電解装置（ＳＯＥＣ）１３と、加熱装置１４とを備える。
　熱源１１は、高温ガス炉であり、９００℃以上の熱エネルギーを発生可能である。なお、熱源１１は、高温ガス炉に限定されるものではなく、６００℃以上の熱エネルギーを発生可能なものであればよい。熱源としては、例えば、電気炉、ヘリオスタット式太陽熱集光装置、ボイラおよびボイラ排熱、ガスタービン排熱などを適用してもよい。
　熱源１１としての高温ガス炉は、燃料の被覆にセラミックス材料を使用し、冷却材をヘリウムとし、減速材を黒鉛とする原子炉である。高温ガス炉は、９００℃以上の熱媒体としてのヘリウムガスを生成可能である。熱源１１としての高温ガス炉は、循環経路Ｌ１１が連結される。循環経路Ｌ１１は、熱源１１の他に、中間熱交換器２１が連結される。中間熱交換器２１は、供給経路Ｌ１２の一端部および戻り経路Ｌ１３の一端部が連結される。
　中間熱交換器２１は、循環経路Ｌ１１を流れる１次ヘリウム（１次熱媒体）と供給経路Ｌ１２のおよび戻り経路Ｌ１３を流れる２次ヘリウム（２次熱媒体）との間で熱交換を行う。すなわち、中間熱交換器２１は、循環経路Ｌ１１を流れる、例えば、９５０℃の１次ヘリウムにより供給経路Ｌ１２および戻り経路Ｌ１３を流れる２次ヘリウムを、例えば、９００℃に加熱する。
　供給経路Ｌ１２は、他端部に供給ヘッダ２２が連結される。戻り経路Ｌ１３は、他端部に戻りヘッダ２３が連結される。戻り経路Ｌ１３は、循環機２４が設けられる。水素製造システム１０は、熱源１１で発生した９００℃以上の熱エネルギーで加熱された熱媒体としての２次ヘリウムを用いて水素を製造するものである。
　高温水蒸気電解装置１３は、固体電解質型電解セルとしての高温水蒸気電解セル５１を用い、約７００℃～９００℃の高温で水電解により水素製造するものである。高温水蒸気電解装置１３は、電解質層５１ａと、多孔質水素電極層５１ｂと、多孔質酸素電極層５１ｃとを有する。
　高温水蒸気電解セル５１は、後述するが、平板形状をなす。電解質層５１ａは、酸素イオン導電体の固体電解質からなる平板形状をなす電解質膜である。電解質層５１ａは、一方側の面に多孔質水素電極層５１ｂが配置され、他方側の面に多孔質酸素電極層５１ｃが配置される。ここで、多孔質水素電極層５１ｂは、平板形状をなし、水素側の陰極電極である。また、多孔質酸素電極層５１ｃは、平板形状をなし、酸素側の陽極電極である。
　蒸気発生器３１は、２次ヘリウムの熱エネルギーにより水を加熱して水蒸気を生成する。蒸気発生器３１は、水供給経路Ｌ３１が連結されると共に、第１水蒸気供給経路Ｌ３２の一端部が連結される。中間熱交換器１２は、第１熱交換器３２と、第２熱交換器３３とを有する。第２熱交換器３３は、水素側熱交換器３４と、酸素側熱交換器３５とを有する。第１熱交換器３２は、第１水蒸気供給経路Ｌ３２の他端部が連結されると共に、第２水蒸気供給経路Ｌ３３の一端部が連結される。第２水蒸気供給経路Ｌ３３は、他端部が水蒸気ヘッダ３６に連結される。水蒸気ヘッダ３６は、第３水蒸気供給経路Ｌ３４および第４水蒸気供給経路Ｌ３５の一端部が連結される。水素側熱交換器３４は、第３水蒸気供給経路Ｌ３４の他端部が連結されると共に、水素側水蒸気供給経路Ｌ３６の一端部が連結される。酸素側熱交換器３５は、第４水蒸気供給経路Ｌ３５の他端部が連結されると共に、酸素側水蒸気供給経路Ｌ３７の一端部が連結される。
　第１熱交換器３２は、２次ヘリウムの熱エネルギーにより水蒸気を過熱して過熱水蒸気を生成する。第２熱交換器３３における水素側熱交換器３４は、２次ヘリウムの熱エネルギーにより過熱水蒸気を更に過熱する。また、第２熱交換器３３における酸素側熱交換器３５は、２次ヘリウムの熱エネルギーにより過熱水蒸気を更に過熱する。水蒸気供給経路Ｌ３２，Ｌ３３にて、水蒸気の流れ方向の上流側に第１熱交換器３２が配置され、第１熱交換器３２より下流側に水蒸気ヘッダ３６が配置され、水蒸気ヘッダ３６より下流側に第２熱交換器３３が配置される。第２熱交換器３３としての水素側熱交換器３４と酸素側熱交換器３５は、水蒸気供給経路Ｌ３３の下流側に並列に配置される。
　高温水蒸気電解装置１３にて、高温水蒸気電解セル５１は、水素側水蒸気供給経路Ｌ３６および酸素側水蒸気供給経路Ｌ３７の他端部が連結される。水素側水蒸気供給経路Ｌ３６は、多孔質水素電極層５１ｂの入口側に連結され、酸素側水蒸気供給経路Ｌ３７は、多孔質酸素電極層５１ｃの入口側に連結される。高温水蒸気電解装置１３は、水素ガス排出経路Ｌ３８と酸素ガス排出経路Ｌ３９が連結される。高温水蒸気電解装置１３は、多孔質水素電極層５１ｂの出口側に水素ガス排出経路Ｌ３８が連結され、多孔質酸素電極層５１ｃの出口側に酸素ガス排出経路Ｌ３９が連結される。水素ガス排出経路Ｌ３８および酸素ガス排出経路Ｌ３９は、それぞれ熱回収器３７，３８が設けられる。熱回収器３７，３８は、発生した水素や酸素の熱を回収し、例えば、第１水蒸気供給経路Ｌ３２を流れる水蒸気を加熱する。
　また、高温水蒸気電解装置１３は、電力供給経路Ｌ４０が接続され、外部から電力（電気エネルギー）が供給可能である。
　高温水蒸気電解装置１３は、２次ヘリウムの熱エネルギーにより加熱された水蒸気を用いると共に、電力供給経路Ｌ４０から供給された電気エネルギーを用いて水素を製造する。加熱装置１４は、２次ヘリウムの熱エネルギーにより加熱された水蒸気を用いて高温水蒸気電解装置１３の高温水蒸気電解セル５１を加熱する。この場合、加熱装置１４は、高温水蒸気電解装置１３が水素を製造するときに吸熱反応により損失する熱エネルギーを補う。
　供給ヘッダ２２は、熱媒体供給経路Ｌ１４により第２熱交換器３３が連結される。この場合、熱媒体供給経路Ｌ１４は、下流端部が２つに分岐し、一方が水素側熱交換器３４に連結され、他方が酸素側熱交換器３５に連結される。第２熱交換器３３は、熱媒体供給経路Ｌ１５により蒸気発生器３１に連結される。この場合、熱媒体供給経路Ｌ１５は、上流端部が２つに分岐し、一方が水素側熱交換器３４に連結され、他方が酸素側熱交換器３５に連結される。蒸気発生器３１は、熱媒体供給経路Ｌ１６により戻りヘッダ２３に連結される。すなわち、供給ヘッダ２２の２次ヘリウムは、熱媒体供給経路Ｌ１４により第２熱交換器３３（水素側熱交換器３４、酸素側熱交換器３５）に供給されて水蒸気を過熱し、第２熱交換器３３から熱媒体供給経路Ｌ１５により蒸気発生器３１に供給されて水を加熱し、蒸気発生器３１から熱媒体供給経路Ｌ１６により戻りヘッダ２３に戻される。
　また、供給ヘッダ２２は、熱媒体供給経路Ｌ１７により第１熱交換器３２が連結される。第１熱交換器３２は、熱媒体供給経路Ｌ１８により戻りヘッダ２３が連結される。すなわち、供給ヘッダ２２の２次ヘリウムは、熱媒体供給経路Ｌ１７により第１熱交換器３２に供給されて水蒸気を過熱する。
　加熱装置１４は、水蒸気を加熱する中間熱交換器１２として設けられる。加熱装置１４は、特に、第２熱交換器３３としての水素側熱交換器３４とおよび酸素側熱交換器３５により構成される。加熱装置１４は、第２熱交換器３３（水素側熱交換器３４、酸素側熱交換器）により過熱された過熱水蒸気を高温水蒸気電解セル５１（多孔質水素電極層５１ｂ、多孔質酸素電極層５１ｃ）に供給することで、高温水蒸気電解セル５１を加熱する。
　高温水蒸気電解セル５１は、水素側水蒸気供給経路Ｌ３６から高温の過熱水蒸気が多孔質水素電極層５１ｂに供給される。高温水蒸気電解セル５１は、電力供給経路Ｌ４０から電力が供給され、多孔質水素電極層５１ｂおよび多孔質酸素電極層５１ｃに電圧が印加される。電圧を印加することで、水蒸気は、多孔質水素電極層５１ｂで電気分解され、水素が発生する。発生した水素は、水素ガス排出経路Ｌ３８に排出される。一方、多孔質水素電極層５１ｂで電気分解されて発生した酸素イオンは、電解質層５１ａを透過し、多孔質酸素電極層５１ｃで酸素が発生し、発生した酸素が酸素ガス排出経路Ｌ３９に排出される。
　高温水蒸気電解装置１３は、下記式に応じた電気分解反応に基づいて水素と酸素が生成される。
　　Ｈ２Ｏ→Ｈ２＋１／２Ｏ２
＜高温水蒸気電解セル＞
　図２は、高温水蒸気電解セルを表す概略図である。
　図１および図２に示すように、高温水蒸気電解セル５１は、平板形状をなす固体電解質型の水蒸気電解装置である。高温水蒸気電解セル５１は、平板形状をなす電解質層５１ａにおける一方側の面に平板形状をなす多孔質水素電極層５１ｂが配置され、他方側の面に平板形状をなす多孔質酸素電極層５１ｃが配置されて構成される。また、多孔質水素電極層５１ｂの外側に水素側セパレータ５１ｄが配置され、多孔質酸素電極層５１ｃの外側に酸素側セパレータ５１ｅが配置される。
　高温水蒸気電解セル５１は、内部に第１流路Ｌ５１と第２流路Ｌ５２が設けられる。第１流路Ｌ５１は、水素側セパレータ５１ｄと多孔質水素電極層５１ｂとの間、電解質層５１ａと多孔質酸素電極層５１ｃとの間に設けられる。第２流路Ｌ５２は、多孔質水素電極層５１ｂと電解質層５１ａとの間、多孔質酸素電極層５１ｃと酸素側セパレータ５１ｅとの間に設けられる。第１流路Ｌ５１と第２流路Ｌ５２は、直交する方向に交差するが、平行をなしていてもよい。
　第１流路Ｌ５１は、上流側が水素側水蒸気供給経路Ｌ３６に接続され、下流側が水素ガス排出経路Ｌ３８に接続される。第２流路Ｌ５２は、上流側が酸素側水蒸気供給経路Ｌ３７に接続され、下流側が酸素ガス排出経路Ｌ３９に接続される。
　そのため、水素側熱交換器３４により過熱された過熱水蒸気は、水素側水蒸気供給経路Ｌ３６から第１流路Ｌ５１に供給され、酸素側熱交換器３５により過熱された過熱水蒸気は、酸素側水蒸気供給経路Ｌ３７から第２流路Ｌ５２に供給される。ここで、加熱装置１４は、供給された過熱水蒸気により高温水蒸気電解セル５１を加熱する。また、第１流路Ｌ５１に供給された過熱水蒸気は、電気分解されて水素と酸素が発生する。水素を含んだ過熱水蒸気は、水素ガス排出経路Ｌ３８に排出される。一方、酸素を含んだ水蒸気は、第２流路Ｌ５２に供給された過熱水蒸気に押し出され、酸素ガス排出経路Ｌ３９に排出される。
＜水素製造方法＞
　本実施形態の水素製造方法は、６００℃以上の熱エネルギーを発生させる工程と、熱エネルギーにより加熱された２次ヘリウム（熱媒体）を使用して水蒸気を加熱する工程と、水蒸気を用いて高温水蒸気電解装置１３を加熱する工程と、水蒸気を用いて高温水蒸気電解装置により水素を製造する工程とを有する。
　具体的に説明すると、図１に示すように、熱源１１としての高温ガス炉は、例えば、９５０℃の１次ヘリウムを生成する。高温の１次ヘリウムは、循環経路Ｌ１１を流れ、中間熱交換器２１にて、戻り経路Ｌ１３を流れる２次ヘリウムと交換を行い、２次ヘリウムを、例えば、９００℃まで加熱する。中間熱交換器２１で熱交換された２次ヘリウムは、供給経路Ｌ１２を流れ、供給ヘッダ２２に、例えば、９００℃程度で供給される。
　循環機２４が駆動すると、高温の２次ヘリウムが中間熱交換器２１で加熱されながら循環する。供給ヘッダ２２の２次ヘリウムは、熱媒体供給経路Ｌ１４により第２熱交換器３３に供給されて水蒸気を過熱し、第２熱交換器３３から熱媒体供給経路Ｌ１５により蒸気発生器３１に供給され、水供給経路Ｌ３１から供給された水を加熱して水蒸気を生成する。また、供給ヘッダ２２の２次ヘリウムは、熱媒体供給経路Ｌ１７により第１熱交換器３２に供給されて水蒸気を過熱する。
　蒸気発生器３１は、水供給経路Ｌ３１から供給された水を加熱して水蒸気を生成する。水蒸気は、第１水蒸気供給経路Ｌ３２により第１熱交換器３２に供給されて過熱され、第２水蒸気供給経路Ｌ３３により水蒸気ヘッダ３６に供給される。水蒸気ヘッダ３６の加熱水蒸気は、第３水蒸気供給経路Ｌ３４により水素側熱交換器３４に供給されてさらに過熱され、例えば、８５０℃の高温水蒸気として高温水蒸気電解セル５１の多孔質水素電極層５１ｂに供給される。また、水蒸気ヘッダ３６の加熱水蒸気は、第４水蒸気供給経路Ｌ３５により酸素側熱交換器３５に供給されてさらに過熱され、例えば、８５０℃の高温水蒸気として高温水蒸気電解セル５１の多孔質酸素電極層５１ｃに供給される。
　高温水蒸気電解セル５１は、水素側熱交換器３４および酸素側熱交換器３５から供給された高温水蒸気により加熱され、電力供給経路Ｌ４０から供給された電力により高温水蒸気を電気分解し、水素と酸素を生成する。
　すなわち、図１および図２に示すように、高温水蒸気は、水素側水蒸気供給経路Ｌ３６を通して高温水蒸気電解セル５１の第１流路Ｌ５１に供給される。このとき、高温水蒸気電解セル５１は、電力供給経路Ｌ４０から電力が供給され、多孔質水素電極層５１ｂおよび多孔質酸素電極層５１ｃに電圧が印加される。すると、第１流路Ｌ５１の水蒸気は、多孔質水素電極層５１ｂで電気分解されて水素が生成され、第１流路Ｌ５１を下方に流れる。一方、多孔質水素電極層５１ｂで電気分解されて発生した酸素イオンは、高温水蒸気電解セル５１を拡散しながら透過し、酸素として第２流路Ｌ２に排出される。
　第１流路Ｌ５１を流れた水素は、水素ガス排出経路Ｌ３８に排出される。一方、第２流路Ｌ５２に排出された酸素は、酸素ガス排出経路Ｌ３９に排出される。このとき、高温水蒸気は、酸素側水蒸気供給経路Ｌ３７を通して高温水蒸気電解セル５１の第２流路Ｌ５２に供給される。すると、第２流路Ｌ５２に排出された酸素は、第２流路Ｌ５２に供給された水蒸気により酸素ガス排出経路Ｌ３９に押し出される。
＜水素製造方法の原理＞
　図３は、電流密度と熱エネルギーとの関係を表すグラフである。
　図３は、燃料電池（ＳＯＦＣ）と高温水蒸気電解装置（ＳＯＥＣ）とにおける電流密度と熱エネルギーとの関係を表すものである。図３に示すように、高温水蒸気電解に伴う吸熱は、電流密度の上昇に応じて一次関数（比例）で下降する。高温水蒸気電解に伴って発生するジュール発熱は、電流密度の上昇に応じて二次関数で上昇する。そのため、ジュール発熱と吸熱を合わせた熱は、電流密度の上昇に応じて下降してから上昇する。
　従来の水素製造システムは、第１実施形態のような熱源（高温ガス炉）１１がないことから、高温水蒸気電解装置で発生するジュール発熱による熱により水を電気分解するときの吸熱反応を補っている。すなわち、従来の高温水蒸気電解装置は、熱中立点Ａ以上の電位で運転している。
　一方、第１実施形態の水素製造システム１０は、熱源（高温ガス炉）１１を有することから、熱源１１で発生した６００℃以上の熱エネルギーにより加熱された高温ヘリウムを用いて水蒸気および高温水蒸気電解装置１３（高温水蒸気電解セル５１）を加熱することで、水を電気分解するときの吸熱反応を補うことができる。そのため、第１実施形態の水素製造システム１０は、熱中立点Ａ以下である運転点Ｂの電位で運転することができる。運転点Ｂでは、電気エネルギーを熱エネルギー（ジュール発熱）に変換することなく、水の電気分解に用いる電気エネルギーを低減することができる。
［第２実施形態］
　図４は、第２実施形態の水素製造システムにおける高温水蒸気電解セルに対する水蒸気の流れを表す概略図、図５は、水素エジェクタを表す概略図である。なお、第２実施形態の基本的な構成は、上述した第１実施形態と同様であり、図１を用いて説明し、上述した第１実施形態と同様の機能を有する部材には、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
　第２実施形態において、図１および図４に示すように、水素製造システム１０Ａ（図４）は、第１実施形態と同様に、熱源１１と、中間熱交換器１２と、高温水蒸気電解装置１３と、加熱装置１４とを備える。第２実施形態の水素製造システム１０Ａは、第１実施形態に対して、高温水蒸気電解装置１３への水蒸気の供給構成を変更するものである。
　高温水蒸気電解装置１３にて、水素側熱交換器３４は、入口側に第３水蒸気供給経路Ｌ３４が連結され、出口側が水素側水蒸気供給経路Ｌ３６により高温水蒸気電解セル５１の多孔質水素電極層５１ｂに連結される。酸素側熱交換器３５は、入口側に第４水蒸気供給経路Ｌ３５が連結され、出口側が酸素側水蒸気供給経路Ｌ３７により高温水蒸気電解セル５１の多孔質酸素電極層５１ｃに連結される。高温水蒸気電解セル５１は、多孔質水素電極層５１ｂに水素ガス排出経路Ｌ３８が連結され、多孔質酸素電極層５１ｃに酸素ガス排出経路Ｌ３９が連結される。
　図４に示すように、水素製造システム１０Ａは、水素側循環経路Ｌ６１と、酸素側循環経路Ｌ６２が設けられる。水素側循環経路Ｌ６１は、一端部が水素ガス排出経路Ｌ３８の分岐部６１に連結され、他端部が第３水蒸気供給経路Ｌ３４に連結される。そして、水素側循環経路Ｌ６１と第３水蒸気供給経路Ｌ３４の連結部に水素側エジェクタ６２が設けられる。また、酸素側循環経路Ｌ６２は、一端部が酸素ガス排出経路Ｌ３９の分岐部６３に連結され、他端部が第４水蒸気供給経路Ｌ３５に連結される。そして、酸素側循環経路Ｌ６２と第４水蒸気供給経路Ｌ３５の連結部に酸素側エジェクタ６４が設けられる。
　水素側エジェクタ６２と酸素側エジェクタ６４は、同様の構成である。図４および図５に示すように、水素側エジェクタ６２は、本体７１と、ノズル７２と、ディフューザ７３とを有する。本体７１は、筒形状をなし、基端部に入口部７１ａが設けられ、外周部に吸入部７１ｂが設けられる。吸入部７１ｂは、水素側循環経路Ｌ６１が連結される。ノズル７２は、入口部７１ａに連通するように本体７１に連結される。ノズル７２は、筒形状をなし、下流側ほど流路が狭くなる。ディフューザ７３は、ノズル７２に連通するように本体７１に連結される。ディフューザ７３は、筒形状をなし、下流側ほど流路が広くなる。ディフューザ７３は、先端部に吐出部７３ａが設けられる。
　そのため、第３水蒸気供給経路Ｌ３４の水蒸気は、水素側エジェクタ６２を通って水素側熱交換器３４に供給され、ここで過熱されて過熱水蒸気となり、高温水蒸気電解セル５１の多孔質水素電極層５１ｂに供給される。高温水蒸気電解セル５１で発生した水素を含む水蒸気は、水素ガス排出経路Ｌ３８に排出される。
　このとき、水素ガス排出経路Ｌ３８に排出された水素を含む水蒸気は、一部が水素側循環経路Ｌ６１に流れる。水素側エジェクタ６２では、入口部７１ａから供給された水蒸気は、ノズル７２で流速が上昇することで、吸入部７１ｂに吸入力が作用する。すると、水素ガス排出経路Ｌ３８から水素側循環経路Ｌ６１に流れた水素を含む水蒸気が吸入部７１ｂから本体７１に吸入される。水素側循環経路Ｌ６１から吸入部７１ｂを通して本体７１に吸入された水素を含む水蒸気は、入口部７１ａから供給された水蒸気に混合し、多孔質水素電極層５１ｂに供給される。
　一方、第４水蒸気供給経路Ｌ３５の水蒸気は、酸素側エジェクタ６４を通って酸素側熱交換器３５に供給され、ここで過熱されて過熱水蒸気となり、高温水蒸気電解セル５１の多孔質酸素電極層５１ｃに供給される。高温水蒸気電解セル５１で発生した酸素素を含む水蒸気は、酸素ガス排出経路Ｌ３９に排出される。
　このとき、酸素ガス排出経路Ｌ３９に排出された酸素を含む水蒸気は、一部が酸素側循環経路Ｌ６２に流れる。酸素側エジェクタ６４では、水素側エジェクタ６２と同様に、酸素ガス排出経路Ｌ３９から酸素側循環経路Ｌ６２に流れた酸素を含む水蒸気が吸入され、供給された水蒸気に混合し、多孔質酸素電極層５１ｃに供給される。
　水素製造システム１０Ａは、高温水蒸気電解セル５１の多孔質水素電極層５１ｂから排出された水素を含む水蒸気の一部を、水素側循環経路Ｌ６１により多孔質水素電極層５１ｂの入口側に戻している。そのため、多孔質水素電極層５１ｂに対して、水蒸気電解に必要な量より多い過熱水蒸気を供給することができ、水蒸気電解の吸熱反応を補うことができる。また、水素製造システム１０Ａは、高温水蒸気電解セル５１の多孔質酸素電極層５１ｃから排出された酸素を含む水蒸気の一部を、酸素側循環経路Ｌ６２により多孔質酸素電極層５１ｃの入口側に戻している。そのため、多孔質酸素電極層５１ｃに対して、多量の過熱水蒸気を供給することができ、吸熱反応に伴う高温水蒸気電解セル５１の温度低下を抑制することができる。
［第３実施形態］
　図６は、第３実施形態の水素製造システムを表す概略構成図である。なお、上述した第１実施形態と同様の機能を有する部材には、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
　第３実施形態において、図６に示すように、水素製造システム１０Ｂは、第１実施形態と同様に、熱源１１と、中間熱交換器１２と、高温水蒸気電解装置１３と、加熱装置１４とを備える。第３実施形態の水素製造システム１０Ｂは、第１実施形態に対して、高温水蒸気電解装置１３への気体の供給構成を変更するものである。
　供給ヘッダ２２は、熱媒体供給経路Ｌ１４により第２熱交換器３３が連結される。第２熱交換器３３は、熱媒体供給経路Ｌ１９により第１熱交換器３２が連結される。すなわち、供給ヘッダ２２の２次ヘリウムは、熱媒体供給経路Ｌ１４により第２熱交換器３３に供給されて水蒸気を過熱し、第２熱交換器３３から第１熱交換器３２に供給されて水蒸気を加熱する。第１熱交換器３２は、熱媒体供給経路Ｌ１８により戻りヘッダ２３が連結される。
　また、気体供給装置４１は、気体（空気または水蒸気）を高温水蒸気電解セル５１の多孔質酸素電極層５１ｃに供給する。気体加熱装置４２は、２次ヘリウムの熱エネルギーにより多孔質酸素電極層５１ｃに供給される気体を加熱する。気体供給経路Ｌ４１は、気体供給装置４１を構成する循環機４３が設けられる。気体供給経路Ｌ４１は、熱回収器３８に連結される。熱回収器３８は、気体供給経路Ｌ４２により気体加熱装置４２に連結される。気体加熱装置４２は、気体供給経路Ｌ４３により多孔質酸素電極層５１ｃに連結される。
　供給ヘッダ２２は、熱媒体供給経路Ｌ２０により気体加熱装置４２が連結される。気体加熱装置４２は、熱媒体供給経路Ｌ２１により蒸気発生器３１が連結される。すなわち、供給ヘッダ２２の２次ヘリウムは、熱媒体供給経路Ｌ２０により気体加熱装置４２に供給されて気体を加熱し、気体加熱装置４２から熱媒体供給経路Ｌ２１により蒸気発生器３１に供給される。
　循環機４３が駆動すると、気体（空気）は、気体供給経路Ｌ４１から熱回収器３８に供給され、酸素ガス排出経路Ｌ３９を流れる酸素により加熱される。加熱された気体は、気体供給経路Ｌ４２により気体加熱装置４２に供給され、２次ヘリウムの熱エネルギーにより加熱される。加熱された気体は、気体供給経路Ｌ４３により多孔質酸素電極層５１ｃに供給され、生成された酸素を酸素ガス排出経路Ｌ３９に排出する。
　水素製造システム１０Ｂは、高温水蒸気電解装置１３で生成された酸素を酸素ガス排出経路Ｌ３９に排出するためのキャリアガスとして、２次ヘリウムの熱エネルギーにより加熱された気体を用いている。そのため、高温水蒸気電解装置１３の温度を低下させることなく、高温水蒸気電解装置１３で生成された酸素を効率良く排出することができる。
［本実施形態の作用効果］
　第１の態様に係る水素製造システムは、６００℃以上の熱エネルギーにより加熱された２次ヘリウム（熱媒体）を用いて水蒸気を加熱する中間熱交換器１２と、水蒸気を用いて水素を製造する高温水蒸気電解装置１３と、水蒸気を用いて高温水蒸気電解装置１３を加熱する加熱装置１４とを備える。
　第１の態様に係る水素製造システムによれば、６００℃以上の熱エネルギーにより加熱された熱媒体を用いて加熱した高温水蒸気により高温水蒸気電解装置１３を加熱し、６００℃以上の熱エネルギーにより加熱された熱媒体を用いて加熱した高温水蒸気を高温水蒸気電解装置１３に供給して電気分解により水素を製造する。そのため、火力発電システムなどにより生成した電気エネルギーの使用量を低減して二酸化炭素の発生を抑制することができると共に、エネルギーコストの低減を図ることができる。
　第２の態様に係る水素製造システムは、加熱装置１４が、高温水蒸気電解装置１３が水素を製造するときに吸熱反応により損失する熱エネルギーを補う。これにより、外部から高温水蒸気電解装置１３への熱エネルギーの供給量を減少させることができる。
　第３の態様に係る水素製造システムは、高温水蒸気電解セル５１として、平板形状をなす電解質層５１ａと、平板形状をなして電解質層５１ａの一面側に配置される多孔質水素電極層５１ｂと、平板形状をなして電解質層５１ａの他面側に配置される多孔質酸素電極層５１ｃとを設け、水蒸気を多孔質水素電極層５１ｂに供給する。これにより、高温水蒸気電解装置１３で電気分解して水素の製造に用いる高温水蒸気により高温水蒸気電解装置１３を加熱することができ、高温水蒸気電解セル５１の構造の簡素化を図ることができる。
　第４の態様に係る水素製造システムは、多孔質水素電極層５１ｂの排出側から排出された水素を含む水蒸気の一部を多孔質水素電極層５１ｂの入口側に戻す水素側循環経路Ｌ６１を設ける。これにより、多孔質水素電極層５１ｂに対して、水蒸気電解に必要な量より多い過熱水蒸気を供給することができ、水蒸気電解の吸熱反応を補うことができる。
　第５の態様に係る水素製造システムは、多孔質酸素電極層５１ｃの排出側から排出された酸素を含む水蒸気の一部を多孔質酸素電極層５１ｃの入口側に戻す酸素側循環経路Ｌ６２を設ける。これにより、多孔質酸素電極層５１ｃに対して、多量の過熱水蒸気を供給することができ、吸熱反応に伴う高温水蒸気電解セル５１の温度低下を抑制することができる。
　第６の態様に係る水素製造システムは、水蒸気を生成して水蒸気供給経路Ｌ３２，Ｌ３３，Ｌ３４，Ｌ３５により高温水蒸気電解装置１３に供給する蒸気発生器３１を有し、中間熱交換器１２は、水蒸気供給経路Ｌ３２，Ｌ３３に設けられる第１熱交換器３２と、水蒸気供給経路Ｌ３３，Ｌ３４，Ｌ３５における第１熱交換器３２より下流側に設けられる第２熱交換器３３とを有し、２次ヘリウムは、第２熱交換器３３から第１熱交換器３２に供給される。これにより、熱媒体は、下流側の第２熱交換器３３から上流側の第１熱交換器３２に供給することで、熱媒体の熱エネルギーを有効的に使用することができる。
　第７の態様に係る水素製造システムは、第２熱交換器３３として、多孔質水素電極層５１ｂに供給する前記水蒸気を加熱する水素側熱交換器３４と、多孔質酸素電極層５１ｃに供給する水蒸気を加熱する酸素側熱交換器３５とを有する。これにより、多孔質水素電極層５１ｂに供給する水蒸気と酸素側熱交換器３５に供給する水蒸気を効率良く加熱することができる。　
　第８の態様に係る水素製造システムは、気体を多孔質酸素電極層５１ｃに供給する気体供給装置４１と、２次ヘリウムを用いて多孔質酸素電極層５１ｃに供給される気体を加熱する気体加熱装置４２とを有する。これにより、高温水蒸気電解セル５１の温度を低下させることなく、高温水蒸気電解セル５１で生成された酸素を効率良く排出することができる。
　第９の態様に係る水素製造システムは、熱エネルギーを発生可能な熱源１１としては、高温ガス炉があり、中間熱交換器１２は、高温ガス炉で生成された高温ヘリウムの熱エネルギーにより加熱された熱媒体を使用して水蒸気を加熱する。これにより、二酸化炭素の発生量を低減することができる。
　第１０の態様に係る水素製造方法は、６００℃以上の熱エネルギーを発生させる工程と、熱エネルギーにより加熱された２次ヘリウム（熱媒体）を使用して水蒸気を加熱する工程と、水蒸気を用いて高温水蒸気電解装置１３を加熱する工程と、水蒸気を用いて高温水蒸気電解装置により水素を製造する工程とを有する。これにより、火力発電システムなどにより生成した電気エネルギーの使用量を低減して二酸化炭素の発生を抑制することができると共に、エネルギコストの低減を図ることができる。
　なお、上述した実施形態では、高温水蒸気電解セル５１を平板型としたが、この形状に限定されるものではない。
　１０，１０Ａ，１０Ｂ　水素製造システム
　１１　熱源
　１２　中間熱交換器（熱交換器）
　１３　高温水蒸気電解装置
　１４　加熱装置
　２１　中間熱交換器（熱交換器）
　２２　供給ヘッダ
　２３　戻りヘッダ
　２４　循環機
　３１　蒸気発生器
　３２　第１熱交換器
　３３　第２熱交換器
　３４　水素側熱交換器
　３５　酸素側熱交換器
　３６　水蒸気ヘッダ
　３７，３８　熱回収器
　４１　気体供給装置
　４２　気体加熱装置
　４３　循環機
　５１　高温水蒸気電解セル
　５１ａ　電解質層
　５１ｂ　多孔質水素電極層
　５１ｃ　多孔質酸素電極層
　５１ｄ　水素側セパレータ
　５１ｅ　酸素側セパレータ
　６１　分岐部
　６２　水素側エジェクタ
　６３　分岐部
　６４　酸素側エジェクタ
　Ｌ１１　循環経路
　Ｌ１２　供給経路
　Ｌ１３　戻り経路
　Ｌ１４，Ｌ１５，Ｌ１６，Ｌ１７，Ｌ１８，Ｌ１９，Ｌ２０，Ｌ２１　熱媒体供給経路
　Ｌ３１　水供給経路
　Ｌ３２　第１水蒸気供給経路
　Ｌ３３　第２水蒸気供給経路
　Ｌ３４　第３水蒸気供給経路
　Ｌ３５　第４水蒸気供給経路
　Ｌ３６　水素側水蒸気供給経路
　Ｌ３７　酸素側水蒸気供給経路
　Ｌ３８　水素ガス排出経路
　Ｌ３９　酸素ガス排出経路
　Ｌ４０　電力供給経路
　Ｌ４１，Ｌ４２，Ｌ４３　気体供給経路
　Ｌ５１　第１流路
　Ｌ５２　第２流路
　Ｌ６１　水素側循環経路
　Ｌ６２　酸素側循環経路
 

Claims (10)

  1. 　６００℃以上の熱エネルギーにより加熱された熱媒体を用いて水蒸気を加熱する熱交換器と、
    　前記水蒸気を用いて水素を製造する高温水蒸気電解装置と、
    　前記水蒸気を用いて前記高温水蒸気電解装置を加熱する加熱装置と、
    　を備える水素製造システム。
  2. 　前記加熱装置は、前記高温水蒸気電解装置が水素を製造するときに吸熱反応により損失する熱エネルギーを補う、
    　請求項１に記載の水素製造システム。
  3. 　前記高温水蒸気電解装置は、平板形状をなす電解質層と、平板形状をなして前記電解質層の一面側に配置される水素電極層と、平板形状をなして前記電解質層の他面側に配置される酸素電極層とを有し、前記水蒸気が前記水素電極層に供給される、
    　請求項１または請求項２に記載の水素製造システム。
  4. 　前記水素電極層の排出側から排出された水素を含む水蒸気の一部を前記水素電極層の入口側に戻す水素側循環経路が設けられる、
    　請求項３に記載の水素製造システム。
  5. 　前記酸素電極層の排出側から排出された酸素を含む水蒸気の一部を前記酸素電極層の入口側に戻す酸素側循環経路が設けられる、
    　請求項３に記載の水素製造システム。
  6. 　前記水蒸気を生成して水蒸気供給経路により前記高温水蒸気電解装置に供給する蒸気発生器を有し、前記熱交換器は、前記水蒸気供給経路に設けられる第１熱交換器と、前記水蒸気供給経路における前記第１熱交換器より下流側に設けられる第２熱交換器とを有し、前記熱媒体は、前記第２熱交換器から前記第１熱交換器に供給される、
    　請求項３に記載の水素製造システム。
  7. 　前記第２熱交換器は、前記水素電極層に供給する前記水蒸気を加熱する水素側熱交換器と、前記酸素電極層に供給する前記水蒸気を加熱する酸素側熱交換器とを有する、
    　請求項６に記載の水素製造システム。
  8. 　気体を前記酸素電極層に供給する気体供給装置と、前記熱媒体を用いて前記気体を加熱する気体加熱装置とを有する、
    　請求項３に記載の水素製造システム。
  9. 　前記熱エネルギーを発生可能な熱源としては、高温ガス炉があり、前記熱交換器は、高温ガス炉で生成された高温ヘリウムの熱エネルギーにより加熱された熱媒体を使用して水蒸気を加熱する、
    　請求項１に記載の水素製造システム。
  10. 　６００℃以上の熱エネルギーを発生させる工程と、
    　前記熱エネルギーにより加熱された熱媒体を使用して水蒸気を加熱する工程と、
    　前記水蒸気を用いて高温水蒸気電解装置を加熱する工程と、
    　前記水蒸気を用いて前記高温水蒸気電解装置により水素を製造する工程と、
    　を有する水素製造方法。
     
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