WO2023276415A1 - 水素製造システムおよび水素製造方法 - Google Patents
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- 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 L15.
- the first heat exchanger 32 is connected to the return header 23 by a heat medium supply path L16. 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 the secondary helium is supplied from the second heat exchanger 33 to the first heat exchanger through the heat medium supply path L15. 32 to superheat the steam, and is returned from the first heat exchanger 32 to the return header 23 through the heat medium supply path L16.
- Fig. 2 shows the relationship between electrical 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 hydrogen production system 10 of the first embodiment since the hydrogen production system 10 of the first embodiment has a heat source (high-temperature gas reactor) 11, steam is heated using a heat medium heated by thermal energy of 600° C. or higher generated by the heat source 11. can compensate for the endothermic reaction when electrolyzing water. Therefore, 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. At operating point B, energy loss during conversion from electrical energy to thermal energy can be reduced without converting electrical energy to thermal energy (Joule heat generation).
- a hydrogen production system 10B includes a heat source 11, a heat exchanger 12, a high temperature steam electrolyzer (SOEC) 13, and a heating device 14B.
- a hydrogen production system 10B of the third embodiment differs from the first embodiment in the configuration of a heating device 14B.
- the hydrogen production system 10B is provided with a heat exchanger that exchanges heat between the secondary helium and the tertiary helium as the heating device 14B. can be improved.
- the heat source 11 capable of generating thermal energy is a high-temperature gas reactor, and the heating devices 14 and 14B generate high-temperature steam using the thermal energy of high-temperature helium generated in the high-temperature gas reactor.
- the electrolyzer 13 is heated. Thereby, the amount of carbon dioxide generated can be reduced.
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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を発生可能な熱源と、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、熱媒体で加熱された水蒸気を用いて水素を製造する高温水蒸気電解装置と、熱エネルギーにより加熱された熱媒体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
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。高温水蒸気電解法は、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、高温水蒸気電解法は、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ことが考えられる。
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。しかし、この場合の水蒸気の温度は、１００℃～２００℃であり、高温水蒸気電解法に必要な７００℃以上の高温水蒸気をより低い。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。
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、必要な電気エネルギーを、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により賄うと共に、水の電気分解の吸熱反応を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、電気エネルギーのコストが高い。水素製造装置は、コストの大半が電力であり、この電力が再生可能エネルギーであれば、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、水素製造装置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、二酸化炭素の発生を抑制すると共にエネルギコストの低減を図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、前記熱媒体で加熱された水蒸気を用いて水素を製造する高温水蒸気電解装置と、前記熱エネルギーにより加熱された熱媒体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、前記熱エネルギーにより加熱された熱媒体を用いて高温水蒸気電解装置を加熱する工程と、前記熱媒体で加熱された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、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。
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。
＜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、熱交換器１２と、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、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のおよび戻り経路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、ファン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、固体酸化物形電気化学セルを用い、約７００℃～８００℃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１３ａと、水素ガス拡散電極層１３ｂと、酸素ガス拡散電極層１３ｃとを有する。
電解質層１３ａは、固体電解質からなる電解質層である。電解質層１３ａは、一方に水素ガス拡散電極層１３ｂが配置され、他方に酸素ガス拡散電極層１３ｃが配置される。ここで、水素ガス拡散電極層１３ｂは、水素側の陰極電極であり、酸素ガス拡散電極層１３ｃは、酸素側の陽極電極である。高温水蒸気電解装置１３は、例えば、ケース１３ｄの内部に電解質層１３ａと水素ガス拡散電極層１３ｂと酸素ガス拡散電極層１３ｃが配置されて構成される。
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。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熱交換器３３は、第２水蒸気供給経路Ｌ３３の他端部が連結されると共に、第３水蒸気供給経路Ｌ３４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，Ｌ３４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より下流側に第２熱交換器３３が配置される。
高温水蒸気電解装置１３は、第３水蒸気供給経路Ｌ３４の他端部が連結される。高温水蒸気電解装置１３は、水素ガス排出経路Ｌ３５と酸素ガス排出経路Ｌ３６が連結される。また、高温水蒸気電解装置１３は、電力供給経路Ｌ３７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Ｌ３７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を用いて高温水蒸気電解装置１３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。第２熱交換器３３は、熱媒体供給経路Ｌ１５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Ｌ１６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により第１熱交換器３２に供給されて水蒸気を過熱し、第１熱交換器３２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により加熱装置１４が連結される。加熱装置１４は、熱媒体供給経路Ｌ１８により蒸気発生器３１が連結される。蒸気発生器３１は、熱媒体供給経路Ｌ１９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により加熱装置１４に供給されて高温水蒸気電解装置１３を加熱し、加熱装置１４から熱媒体供給経路Ｌ１８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Ｌ１９により戻りヘッダ２３に戻される。
このとき、加熱装置１４は、高温水蒸気電解装置１３のケース１３ｄの内部に２次ヘリウムを導入し、水素ガス拡散電極層１３ｂおよび酸素ガス拡散電極層１３ｃを加熱する。
高温水蒸気電解装置１３は、第３水蒸気供給経路Ｌ３４から高温の過熱水蒸気が水素ガス拡散電極層１３ｂに供給される。高温水蒸気電解装置１３は、電力供給経路Ｌ３７から電力が供給され、水素ガス拡散電極層１３ｂおよび酸素ガス拡散電極層１３ｃに電圧が印加される。すると、水蒸気は、水素ガス拡散電極層１３ｂ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Ｌ３５に排出される。一方、水素ガス拡散電極層１３ｂで電気分解されて発生した酸素イオンは、電解質層１３ａを透過し、酸素ガス拡散電極層１３ｃの内部を拡散されながら透過し、酸素として酸素ガス排出経路Ｌ３６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
Ｈ２Ｏ→Ｈ２＋１／２Ｏ２
気体供給装置４１は、気体（空気または水蒸気）を高温水蒸気電解装置１３の酸素ガス拡散電極層１３ｃ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酸素ガス拡散電極層１３ｃ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を構成するファン４３が設けられる。酸素ガス排出経路Ｌ３６は、熱交換器４４が設けられる。気体供給経路Ｌ４１は、熱交換器４４に連結される。熱交換器４４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により酸素ガス拡散電極層１３ｃ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により熱媒体供給経路Ｌ１８を介して蒸気発生器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。
ファン４３が駆動すると、気体（空気）は、気体供給経路Ｌ４１から熱交換器４４に供給され、酸素ガス排出経路Ｌ３６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により酸素ガス拡散電極層１３ｃに供給され、生成された酸素を酸素ガス排出経路Ｌ３６に排出する。
＜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熱媒体を使用して水蒸気を加熱する工程と、熱エネルギーにより加熱された熱媒体を用いて高温水蒸気電解装置１３を加熱する工程と、熱媒体で加熱された水蒸気を用いて高温水蒸気電解装置１３により水素を製造する工程とを有する。
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熱媒体を使用して水蒸気を加熱する工程と、熱エネルギーにより加熱された熱媒体を用いて高温水蒸気電解装置１３を加熱する工程と、熱媒体で加熱された水蒸気を用いて高温水蒸気電解装置１３により水素を製造する工程とを有する。
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。
ファン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により第１熱交換器３２に供給されて水蒸気を過熱する。また、供給ヘッダ２２の２次ヘリウムは、熱媒体供給経路Ｌ１７により加熱装置１４に供給されて高温水蒸気電解装置１３を加熱する。さらに、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により第２熱交換器３３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装置１３に供給される。高温水蒸気電解装置１３は、加熱装置１４の２次ヘリウムにより加熱され、電力供給経路Ｌ３７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。
高温水蒸気電解装置１３で生成された水素は、水素ガス排出経路Ｌ３５から排出され、酸素は、酸素ガス排出経路Ｌ３６から排出される。このとき、ファン４３が駆動すると、気体（空気）が気体供給経路Ｌ４１から熱交換器４４に供給されて加熱され、気体供給経路Ｌ４２により気体加熱装置４２に供給されて加熱され、気体供給経路Ｌ４３により酸素ガス拡散電極層１３ｃに供給される。高温水蒸気電解装置１３で生成された酸素は、気体供給経路Ｌ４３から供給された高温の気体により酸素ガス排出経路Ｌ３６に排出される。
＜水素製造方法の原理＞
図２は、電気密度と熱エネルギーとの関係を表すグラフである。
図２は、電気密度と熱エネルギーとの関係を表すグラフである。
図２は、燃料電池（ＳＯＦＣ）と高温水蒸気電解装置（ＳＯＥＣ）とにおける電気密度と熱エネルギーとの関係を表すものである。図２に示すように、高温水蒸気電解に伴う吸熱は、電気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、電気密度の上昇に応じて二次次関数で下降してから上昇する。そのため、ジュール発熱と吸熱を合わせた熱は、電気密度の上昇に応じて二次次関数で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熱媒体を用いて水蒸気を加熱することで、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、電気エネルギーから熱エネルギーへの変換するときのエネルギーロスを低減することができる。
［第２実施形態］
図３は、第２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。
図３は、第２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２実施形態において、図３に示すように、水素製造システム１０Ａは、第１実施形態と同様に、熱源１１と、熱交換器１２と、高温水蒸気電解装置（ＳＯＥＣ）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、熱媒体供給経路の簡略化を図っている。
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Ｌ５１により加熱装置１４が連結される。加熱装置１４は、熱媒体供給経路Ｌ１８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から加熱装置１４に供給されて高温水蒸気電解装置１３を加熱する。
また、供給ヘッダ２２は、熱媒体供給経路Ｌ５２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Ｌ１６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Ｌ５２により第１熱交換器３２に供給されて水蒸気を過熱する。
そのため、水素製造システム１０Ａは、熱媒体供給経路Ｌ５１，Ｌ５２の長さを短くして簡略化することができ、水素製造システム１０Ａの簡素化を図ることができる。
［第３実施形態］
図４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。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。
図４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。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４に示すように、水素製造システム１０Ｂは、熱源１１と、熱交換器１２と、高温水蒸気電解装置（ＳＯＥＣ）１３と、加熱装置１４Ｂ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、加熱装置１４Ｂの構成が相違する。
加熱装置１４Ｂは、２次ヘリウムの熱エネルギーを用いて高温水蒸気電解装置１３を加熱する。加熱装置１４Ｂは、２次ヘリウムと３次ヘリウムとの間で熱交換を行う熱交換器である。加熱装置１４Ｂは、２次ヘリウムの熱エネルギーにより３次ヘリウムを加熱し、３次ヘリウムの熱エネルギーを用いて高温水蒸気電解装置１３を加熱する。このとき、加熱装置１４Ｂは、高温水蒸気電解装置１３のケース１３ｄの内部に３次ヘリウムを導入し、水素ガス拡散電極層１３ｂおよび酸素ガス拡散電極層１３ｃを加熱する。
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により加熱装置１４Ｂに供給される。加熱装置１４Ｂは、２次ヘリウムの熱エネルギーにより３次ヘリウムを加熱する。加熱された３次ヘリウムは、熱媒体供給経路Ｌ６１により高温水蒸気電解装置１３のケース１３ｄの内部に供給され、水素ガス拡散電極層１３ｂおよび酸素ガス拡散電極層１３ｃを加熱する。水素ガス拡散電極層１３ｂおよび酸素ガス拡散電極層１３ｃを加熱した３次ヘリウムは、熱媒体供給経路Ｌ６２により戻される。一方、３次ヘリウムを加熱した２次ヘリウムは、熱媒体供給経路Ｌ１８により蒸気発生器３１に供給される。
そのため、水素製造システム１０Ｂは、加熱装置１４Ｂとして、２次ヘリウムと３次ヘリウムとの間で熱交換を行う熱交換器を設けたことで、２次ヘリウムの熱媒体供給経路Ｌ１５，Ｌ１８の簡素化を図ることができる。
［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熱媒体を用いて水蒸気を加熱する熱交換器１２と、熱媒体で加熱された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、熱エネルギーにより加熱された熱媒体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１２と、熱媒体で加熱された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、熱エネルギーにより加熱された熱媒体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水蒸気を加熱し、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１４，１４Ｂ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、水蒸気を生成して水蒸気供給経路Ｌ３２，Ｌ３３，Ｌ３４により高温水蒸気電解装置１３，１３Ｂに供給する蒸気発生器３１を有し、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、熱媒体は、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４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により高温水蒸気電解装置１３，１３Ｂに供給する蒸気発生器３１を有し、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、熱媒体は、第１熱交換器３２に供給されると共に、第２熱交換器３３から加熱装置１４に供給される。これにより、熱媒体供給経路Ｌ５１，Ｌ５２の長さを短くして簡略化することができる。
第５の態様に係る水素製造システムは、高温水蒸気電解装置１３として、電解質層１３ａと、水素ガス拡散電極層１３ｂと、酸素ガス拡散電極層１３ｃとが設けられ、加熱装置１４は、水素ガス拡散電極層１３ｂおよび酸素ガス拡散電極層１３ｃを加熱する。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６の態様に係る水素製造システムは、気体を酸素ガス拡散電極層１３ｃに供給する気体供給装置４１と、熱エネルギーにより加熱された熱媒体を用いて酸素ガス拡散電極層１３ｃ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。
第７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、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８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、加熱装置１４，１４Ｂ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高温水蒸気電解装置１３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９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熱媒体を使用して水蒸気を加熱する工程と、熱エネルギーにより加熱された熱媒体を用いて高温水蒸気電解装置１３，１３Ｂを加熱する工程と、熱媒体で加熱された水蒸気を用いて高温水蒸気電解装置１３，１３Ｂ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。
１０，１０Ａ，１０Ｂ 水素製造システム
１１ 熱源
１２ 熱交換器
１３ 高温水蒸気電解装置
１４，１４Ｂ 加熱装置
２１ 中間熱交換器
２２ 供給ヘッダ
２３ 戻りヘッダ
２４ ファン
３１ 蒸気発生器
３２ 第１熱交換器
３３ 第２熱交換器
４１ 気体供給装置
４２ 気体加熱装置
４３ ファン
４４ 熱交換器
Ｌ１１ 循環経路
Ｌ１２ 供給経路
Ｌ１３ 戻り経路
Ｌ１４，Ｌ１５，Ｌ１６，Ｌ１７，Ｌ１８，Ｌ１９，Ｌ２０，Ｌ２１，Ｌ５１，Ｌ５２，Ｌ６１，Ｌ６２ 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 水素ガス排出経路
Ｌ３６ 酸素ガス排出経路
Ｌ３７ 電力供給経路
Ｌ４１，Ｌ４２，Ｌ４３ 気体供給経路
１１ 熱源
１２ 熱交換器
１３ 高温水蒸気電解装置
１４，１４Ｂ 加熱装置
２１ 中間熱交換器
２２ 供給ヘッダ
２３ 戻りヘッダ
２４ ファン
３１ 蒸気発生器
３２ 第１熱交換器
３３ 第２熱交換器
４１ 気体供給装置
４２ 気体加熱装置
４３ ファン
４４ 熱交換器
Ｌ１１ 循環経路
Ｌ１２ 供給経路
Ｌ１３ 戻り経路
Ｌ１４，Ｌ１５，Ｌ１６，Ｌ１７，Ｌ１８，Ｌ１９，Ｌ２０，Ｌ２１，Ｌ５１，Ｌ５２，Ｌ６１，Ｌ６２ 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 水素ガス排出経路
Ｌ３６ 酸素ガス排出経路
Ｌ３７ 電力供給経路
Ｌ４１，Ｌ４２，Ｌ４３ 気体供給経路
Claims (9)
- 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、
前記熱媒体で加熱された水蒸気を用いて水素を製造する高温水蒸気電解装置と、
前記熱エネルギーにより加熱された熱媒体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。 - 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。 - 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１または請求項２に記載の水素製造システム。 - 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１熱交換器に供給されると共に、前記第２熱交換器から前記加熱装置に供給される、
請求項１または請求項２に記載の水素製造システム。 - 前記高温水蒸気電解装置は、電解質層と、水素ガス拡散電極層と、酸素ガス拡散電極層とを有し、前記加熱装置は、前記水素ガス拡散電極層および前記酸素ガス拡散電極層を加熱する、
請求項１に記載の水素製造システム。 - 気体を前記酸素ガス拡散電極層に供給する気体供給装置と、前記熱エネルギーにより加熱された熱媒体を用いて前記酸素ガス拡散電極層に供給される気体を加熱する気体加熱装置とを有する、
請求項５に記載の水素製造システム。 - 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。 - 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、前記加熱装置は、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高温水蒸気電解装置を加熱する、
請求項１に記載の水素製造システム。 - 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、
前記熱エネルギーにより加熱された熱媒体を用いて高温水蒸気電解装置を加熱する工程と、
前記熱媒体で加熱された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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