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公開番号2025033746
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-03-13
出願番号2023139693
出願日2023-08-30
発明の名称水蒸気電解装置および水蒸気電解方法
出願人株式会社東芝,東芝エネルギーシステムズ株式会社
代理人弁理士法人サクラ国際特許事務所
主分類C25B 1/042 20210101AFI20250306BHJP(電気分解または電気泳動方法;そのための装置)
要約【課題】水蒸気電解装置の安全性を向上させる。
【解決手段】水蒸気電解装置は、水蒸気を電解して水素および酸素を生成する電解セルスタックと、電解セルスタックを収容する空間を有し、電解セルスタックを加熱する加熱炉と、空間の電解セルスタックの外側の領域における酸素濃度を測定する酸素濃度計と、測定された酸素濃度に応じて電解セルスタックの運転を制御する制御装置と、を含む。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
水蒸気を電解して水素および酸素を生成する電解セルスタックと、
前記電解セルスタックを収容する空間を有し、前記電解セルスタックを加熱する加熱炉と、
前記空間の前記電解セルスタックの外側の領域における酸素濃度を測定する酸素濃度計と、
測定された前記酸素濃度に応じて前記電解セルスタックの運転を制御する制御装置と、
を具備する、水蒸気電解装置。
続きを表示（約 1,500 文字）【請求項２】
前記制御装置は、測定された前記酸素濃度の基準値からの変動量が閾値を超えるときに運転中の前記電解セルスタックを停止させる、
請求項１に記載の水蒸気電解装置。
【請求項３】
前記制御装置は、測定された前記酸素濃度の値が閾値を下回るときに運転中の前記電解セルスタックを停止させる、
請求項１に記載の水蒸気電解装置。
【請求項４】
電源をさらに具備し、
前記制御装置は、測定された前記酸素濃度に応じて前記電解セルスタックへの給電を制御する、
請求項１に記載の水蒸気電解装置。
【請求項５】
前記電解セルスタックに前記水蒸気を含む供給ガスを供給するガス供給源をさらに具備し、
前記制御装置は、測定された前記酸素濃度に応じて前記電解セルスタックへの前記水蒸気の供給を制御する、
請求項１に記載の水蒸気電解装置。
【請求項６】
第１の電解ユニットと、
第２の電解ユニットと、
を具備し、
前記第１および第２の電解ユニットのそれぞれは、
前記電解セルスタックと、
前記加熱炉と、
を具備し、
前記酸素濃度計は、前記第１の電解ユニットにおける前記酸素濃度と、前記第２の電解ユニットにおける前記酸素濃度と、を測定し、
前記制御装置は、前記第１の電解ユニットにおいて測定された前記酸素濃度に応じて前記第１の電解ユニットにおける前記電解セルスタックの運転を制御し、前記第２の電解ユニットにおいて測定された前記酸素濃度に応じて前記第２の電解ユニットにおける前記電解セルスタックの運転を制御する、
請求項１に記載の水蒸気電解装置。
【請求項７】
前記制御装置は、前記第１の電解ユニットにおいて測定された前記酸素濃度の基準値からの変動量が閾値を超えるときに前記第１の電解ユニットにおける前記電解セルスタックを停止させ、前記第２の電解ユニットにおいて測定された前記酸素濃度の基準値からの変動量が閾値を超えるときに前記第２の電解ユニットにおける運転中の前記電解セルスタックを停止させる、
請求項６に記載の水蒸気電解装置。
【請求項８】
前記制御装置は、前記第１の電解ユニットにおいて測定された前記酸素濃度の値が閾値よりも低いときに前記第１の電解ユニットにおける前記電解セルスタックを停止させ、前記第２の電解ユニットにおいて測定された前記酸素濃度の値が閾値を下回るときに前記第２の電解ユニットにおける運転中の前記電解セルスタックを停止させる、
請求項６に記載の水蒸気電解装置。
【請求項９】
前記第１および第２の電解ユニットのそれぞれは、
前記空間に接続された第１の配管と、
前記第１の配管の途中に設けられたスイッチングバルブと、
をさらに具備し、
前記制御装置は、前記第１および第２の電解ユニットから一つの電解ユニットを選択し、選択された一つの電解ユニットにおける前記酸素濃度を前記酸素濃度計により測定するように前記第１および第２の電解ユニットのそれぞれにおいて前記スイッチングバルブの開閉を制御する、
請求項６に記載の水蒸気電解装置。
【請求項１０】
前記第１および第２の電解ユニットのそれぞれにおける前記第１の配管と、前記酸素濃度計と、を接続する第２の配管をさらに具備する、
請求項９に記載の水蒸気電解装置。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、水蒸気電解装置および水蒸気電解方法に関する。
続きを表示（約 1,600 文字）【背景技術】
【０００２】
近年、化石燃料の枯渇、大気中への二酸化炭素の放出による地球温暖化等の環境問題、エネルギーセキュリティー等の観点から、太陽光、風力、地熱等に代表される再生可能エネルギーの導入が推進されている。また、二次エネルギーとして、貯蔵や輸送の観点から、水素エネルギーが注目されている。水素エネルギーは、例えば燃料電池自動車への適用が期待されており、低コストで品質の高い水素の製造や貯蔵が求められている。
【０００３】
水素の製造においては、現在、コストや技術の観点から化石燃料を改質して製造する手法が主流とされている。しかし、化石燃料の改質による水素製造は、その製造過程において二酸化炭素を不可避的に発生させる。これに対し、水を原料として再生可能エネルギーを用いて水素を製造する方法は、二酸化炭素を発生させず、環境負荷が少ないことが分かっている。水や水蒸気を電解して水素を発生する電解装置としては、固体高分子電解質膜（ＰｏｌｙｍｅｒＥｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅＭｅｍｂｒａｎｅ：ＰＥＭ）を用いるＰＥＭ型電解装置や、固体酸化物形電解セル（ＳｏｌｉｄＯｘｉｄｅＥｌｅｃｔｒｏｌｙｓｉｓＣｅｌｌ：ＳＯＥＣ）を用いるＳＯＥＣ型電解装置が知られている。なかでも、ＳＯＥＣ型電解装置は水素を製造するための電力が原理的に少なく、将来の水素製造装置として期待されている。
【０００４】
水素製造のための水蒸気の電解に用いられるＳＯＥＣは、電子を通す水素極の支持層と、水を電解する水素極（活性層）と、酸素イオンを伝導する固体酸化物電解質層と、酸素イオンを結合して酸素分子にする酸素極とを有する。電解質は酸素イオン伝導性を有し、水素ガスと酸素ガスとを分離する役割を有している。また、支持層には、電子を通す機能の他に、水蒸気を活性層に供給するためのガス透過性と、電解セルの形態を維持するための強度とが要求される。
【０００５】
高温水蒸気電解装置は、その仕組み上、電解セルスタックを収容する高温の炉内で水素が発生し、その水素を金属配管等を用いて回収するが、経年劣化や熱サイクルにより水素漏洩が発生する場合がある。高温の炉内で漏洩した水素は、発火点以上であり炉内あるいは炉外に十分な酸素が存在するため、爆発の危険性があり極めて危険である。
【０００６】
これに対し、水素漏洩を検知するために、炉内雰囲気の水素濃度を測定する方法が考えられるが、漏洩水素量が大きい場合には急速に爆発限界の範囲に至るといった課題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
特許第５４９８１９１号公報
国際公開第２０１７／１５４１３８号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明が解決しようとする課題は、水蒸気電解装置の安全性を向上させることである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
実施形態の水蒸気電解装置は、水蒸気を電解して水素および酸素を生成する電解セルスタックと、電解セルスタックを収容する空間を有し、電解セルスタックを加熱する加熱炉と、空間の電解セルスタックの外側の領域における酸素濃度を測定する酸素濃度計と、測定された酸素濃度に応じて電解セルスタックの運転を制御する制御装置と、を含む。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
実施形態の水蒸気電解装置の第１の構成例を示す模式図である。
電解スタック１の構造例を示す断面模式図である。
空間２０の電解スタック１の外側の領域における酸素ガスおよび水素ガスのそれぞれの濃度と時間との関係を示す模式図である。
水蒸気電解装置の第２の構成例を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
（【００１１】以降は省略されています）

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