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公開番号2025043008
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-03-28
出願番号2023150274
出願日2023-09-15
発明の名称水電解装置および方法
出願人株式会社アイシン
代理人弁理士法人アイテック国際特許事務所
主分類C25B 1/042 20210101AFI20250321BHJP(電気分解または電気泳動方法;そのための装置)
要約【課題】水蒸気電解により水電解セルで水素と共に生成される酸素を有効に活用する。
【解決手段】本開示の水電解装置は、水蒸気電解により燃料極で水素を生成すると共に酸化剤極で酸素を生成する水電解セルと、酸化剤極から酸素を含む酸化剤極オフガスが流入する酸化剤極オフガス通路と、酸化剤極オフガス通路に連通する空気通路と、空気通路に空気を供給する空気供給装置とを有し、空気供給装置からの空気と、酸化剤極オフガス通路から空気通路に流入する酸化剤極オフガスとを空気通路で混合させて酸素富化空気を生成する酸素富化空気生成系とを含む。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
水蒸気電解により燃料極で水素を生成すると共に酸化剤極で酸素を生成する水電解セルを含む水電解装置であって、
前記酸化剤極から酸素を含む酸化剤極オフガスが流入する酸化剤極オフガス通路と、
前記酸化剤極オフガス通路に連通する空気通路と、前記空気通路に空気を供給する空気供給装置とを含み、前記空気供給装置からの空気と、前記酸化剤極オフガス通路から前記空気通路に流入する前記酸化剤極オフガスとを前記空気通路で混合させて酸素富化空気を生成する酸素富化空気生成系と、
を備える水電解装置。
続きを表示（約 1,100 文字）【請求項２】
請求項１に記載の水電解装置において、
前記空気供給装置から前記空気通路に供給される空気の流量を検出する流量計と、
前記水電解セルに印加される電流と、前記酸素富化空気の目標酸素濃度とに基づいて目標空気流量を設定し、前記流量計により検出される空気の流量が前記目標空気流量になるように前記空気供給装置を制御する制御装置と、
を更に備える水電解装置。
【請求項３】
請求項２に記載の水電解装置において、
前記酸化剤極で生成された酸素を前記酸化剤極オフガス通路に流出させるように前記酸化剤極に空気を供給する第２の空気供給装置と、
前記第２の空気供給装置から前記酸化剤極に供給される空気の流量を検出する第２の流量計とを更に備え、
前記制御装置は、前記水電解セルに印加される電流と、前記酸素富化空気の前記目標酸素濃度と、前記第２の流量計の検出値とに基づいて前記目標空気流量を設定する水電解装置。
【請求項４】
請求項２に記載の水電解装置において、
前記水電解セルの前記燃料極から燃料極オフガスが流入する燃料極オフガス通路と、
前記燃料極オフガス通路および前記酸化剤極オフガス通路に接続され、前記燃料極オフガスの一部と前記酸化剤極オフガスの一部とを燃焼させる燃焼器と、
前記燃焼器から流出する燃焼ガスと前記燃料極に供給される水蒸気とを熱交換させる熱交換器と、
を更に備え、
前記空気通路は、前記水電解セルと前記燃焼器との間で前記酸化剤極オフガス通路に連通し、
前記制御装置は、前記水電解セルに印加される電流と、前記酸素富化空気の前記目標酸素濃度と、前記酸化剤極オフガス通路に流入した前記酸化剤極オフガスに対する前記空気通路に流入する前記酸化剤極オフガスの割合とに基づいて前記目標空気流量を設定する水電解装置。
【請求項５】
請求項１から４の何れか一項に記載の水電解装置において、前記水電解セルは、固体酸化物形電解セルである水電解装置。
【請求項６】
水蒸気電解により水電解セルの燃料極で水素を生成すると共に前記水電解セルの酸化剤極で酸素を生成する水電解方法であって、
前記酸化剤極から酸素を含む酸化剤極オフガスが流入する酸化剤極オフガス通路に連通する空気通路に空気供給装置から空気を供給し、前記空気供給装置からの空気と、前記酸化剤極オフガス通路から前記空気通路に流入する前記酸化剤極オフガスとを前記空気通路で混合させて酸素富化空気を生成する水電解方法。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本開示は、水蒸気電解により水電解セルの燃料極で水素を生成すると共に当該水電解セルの酸化剤極で酸素を生成する水電解装置および方法に関する。
続きを表示（約 2,300 文字）【背景技術】
【０００２】
従来、水電解セルおよび燃料電池セルとして可逆運転可能な固体電解質セルが併設された発電プラントが知られている（例えば、特許文献１参照）。この発電プラントでは、余剰電力を利用して固体電解質セルにて水蒸気電解により水素および酸素が生成され、生成された水素および酸素は、それぞれ対応する水素タンクまたは酸素タンクに貯蔵される。また、水蒸気電解による水素および酸素の生成に際しては、発電プラント側の主蒸気を利用して水蒸気が製造される。更に、水蒸気は、酸素タンクに貯蔵された酸素が供給される燃焼器で加熱されて固体電解質セルの燃料極に供給され、固体電解質セルの酸化剤極には、水素タンクに貯蔵された水素を燃焼させる燃焼器で加熱された酸素タンクからの酸素が供給される。一方、電力需要が増加した際には、固体電解質セルに水素タンクからの水素および酸素タンクからの酸素を供給して電力を生成させる。
【０００３】
また、従来、固体酸化物形（ＳＯＥＣ：Solid Oxide Electrolysis Cell）の水電解セルを用いて燃料である水蒸気から水素を製造する水素製造システムも知られている（例えば、特許文献２参照）。この水素製造システムは、水電解セルの燃料極から排出される燃料極オフガスを熱源として水蒸気を加熱する燃料側熱交換器と、水電解セルの酸化剤極から排出される酸化剤極オフガスを熱源として水蒸気を加熱する酸素側熱交換器とを含む。燃料側熱交換器を通過した燃料極オフガスは、気液分離器で水と水素とに分離され、水素は、昇圧器により昇圧された後、水素貯蔵タンクに貯蔵される。また、酸素側熱交換器を通過した酸化剤極オフガスは、タンクに貯蔵される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
特開２００１－１６０４０４号公報
特開２０２２－１４４６２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載された発電プラントでは、水蒸気電解により水電解セルで水素と共に生成された酸素が、水蒸気の加熱や、固体電解質セルを燃料電池セルとして作動させるための酸化剤として使用される。しかしながら、これらの用途において酸素は空気で代替可能であり、当該発電プラントでは、水素の製造の副生成物である酸素が必ずしも有効に活用されているとはいえない。また、特許文献２には、タンクに貯蔵された酸化剤極オフガスすなわち酸素の利用形態が何ら開示されていない。
【０００６】
そこで、本開示は、水蒸気電解により水電解セルで水素と共に生成される酸素を有効に活用することを主目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本開示の水電解装置は、水蒸気電解により燃料極で水素を生成すると共に酸化剤極で酸素を生成する水電解セルを含む水電解装置であって、前記酸化剤極から酸素を含む酸化剤極オフガスが流入する酸化剤極オフガス通路と、前記酸化剤極オフガス通路に連通する空気通路と、前記空気通路に空気を供給する空気供給装置とを有し、前記空気供給装置からの空気と、前記酸化剤極オフガス通路から前記空気通路に流入する前記酸化剤極オフガスとを前記空気通路で混合させて酸素富化空気を生成する酸素富化空気生成系とを含むものである。
【０００８】
本開示の水電解装置は、酸化剤極から酸素を含む酸化剤極オフガスが流入する酸化剤極オフガス通路に連通する空気通路と、当該空気通路に空気を供給する空気供給装置とを有する酸素富化空気生成系を含む。そして、酸素富化空気生成系は、空気供給装置からの空気と、酸化剤極オフガス通路から空気通路に流入する酸化剤極オフガスとを空気通路で混合させ、酸素濃度が通常の２１％よりも高い酸素富化空気を生成する。これにより、本開示の水電解装置では、水蒸気電解により水電解セルで水素を生成する際に、例えば医療用の高濃度酸素あるいは燃焼用の酸化剤等として幅広く利用可能な酸素富化空気を副生成物として得ることができる。更に、本開示の水電解装置によれば、ガス分離膜(酸素富化膜)を用いた手法や、ＰＳＡ法(吸着法)に比べて、酸素富化空気を効率よく低コストで生成することが可能になり、空気通路に供給される空気の流量を制御することで酸素富化空気における酸素濃度を様々な用途に対応した値に容易に調整することができる。この結果、水蒸気電解により水電解セルで水素と共に生成される酸素を有効に活用することが可能になる。加えて、水素の副生成物である酸素富化空気の活用、販売等により、水素の製造効率を向上させると共に水素の製造原価を低減することもできる。
【０００９】
本開示の水電解方法は、水蒸気電解により水電解セルの燃料極で水素を生成すると共に前記水電解セルの酸化剤極で酸素を生成する水電解方法であって、前記酸化剤極から酸素を含む酸化剤極オフガスが流入する酸化剤極オフガス通路に連通する空気通路に空気供給装置から空気を供給し、前記空気供給装置からの空気と、前記酸化剤極オフガス通路から前記空気通路に流入する前記酸化剤極オフガスとを前記空気通路で混合させて酸素富化空気を生成するものである。
【００１０】
かかる方法によれば、水蒸気電解により水電解セルで水素と共に生成される酸素を有効に活用することが可能になり、水素の副生成物である酸素富化空気の活用、販売等により、水素の製造効率を向上させると共に水素の製造原価を低減することもできる。
【図面の簡単な説明】
（【００１１】以降は省略されています）

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