特開 2024-129665 水素製造システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024129665

(43)【公開日】2024-09-27

(54)【発明の名称】水素製造システム

(51)【国際特許分類】

   C25B 1/042 20210101AFI20240919BHJP

   C25B 9/00 20210101ALI20240919BHJP

   C25B 15/00 20060101ALI20240919BHJP

   C25B 15/02 20210101ALI20240919BHJP

   C25B 15/029 20210101ALI20240919BHJP

   C01B 3/02 20060101ALI20240919BHJP

【ＦＩ】

C25B1/042

C25B9/00 A

C25B15/00 303

C25B15/02

C25B15/029

C01B3/02 H

【審査請求】未請求

【請求項の数】10

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023039013

(22)【出願日】2023-03-13

(71)【出願人】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(71)【出願人】

【識別番号】317015294

【氏名又は名称】東芝エネルギーシステムズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100120031

【弁理士】

【氏名又は名称】宮嶋 学

(74)【代理人】

【識別番号】100107582

【弁理士】

【氏名又は名称】関根 毅

(74)【代理人】

【識別番号】100150717

【弁理士】

【氏名又は名称】山下 和也

(74)【代理人】

【識別番号】100208188

【弁理士】

【氏名又は名称】榎並 薫

(72)【発明者】

【氏名】土屋 直実

(72)【発明者】

【氏名】長田 憲和

(72)【発明者】

【氏名】加藤 康博

【テーマコード（参考）】

4K021

【Ｆターム（参考）】

4K021AA01

4K021BA02

4K021BC01

4K021BC06

4K021CA09

4K021CA12

4K021CA13

4K021DC03

(57)【要約】

【課題】水素製造システムを流れる気体のエネルギーを効率よく利用する。
【解決手段】水素製造システム１は、水蒸気発生部１０と、水素製造部１５と、回収部２０と、圧力調整部２５と、を備えている。水素製造部１５には、水蒸気発生部１０で発生した水蒸気を含む気体が供給される。水素製造部１５は、水蒸気から水素を製造し、当該水素を残余の水蒸気とともに排出する。回収部２０は、水素製造部１５から排出された気体を収容する第１収容部２１と、圧力調整部２５によって内部の圧力が調整される第２収容部２２と、第１収容部２１及び第２収容部２２の間に配置された水素透過層２３と、を含む。第２収容部２２は、第１収容部２１から水素透過層２３を透過した水素を収容する。水素製造システム１は、第１収容部２１から排出された気体が水素製造部１５に供給されるよう構成されている。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

水蒸気を発生させる水蒸気発生部と、
前記水蒸気発生部で発生した水蒸気を含む気体が供給され、前記水蒸気から水素を製造し、当該水素を残余の水蒸気とともに排出する水素製造部と、
前記水素製造部から排出された気体から水素を回収する回収部と、
圧力調整部と、を備えた水素製造システムであって、
前記回収部は、前記水素製造部から排出された気体を収容する第１収容部と、前記圧力調整部によって内部の圧力が調整される第２収容部と、前記第１収容部及び前記第２収容部の間に配置された水素透過層と、を含み、
前記第２収容部は、前記第１収容部から前記水素透過層を透過した水素を収容し、
前記水素製造システムは、前記第１収容部から排出された気体が前記水素製造部に供給されるよう構成されている、水素製造システム。

【請求項2】

前記水素透過層は、ニオブ、ニオブ合金、バナジウム、バナジウム合金、タンタル、タンタル合金、パラジウム又はパラジウム合金からなる、請求項１に記載の水素製造システム。

【請求項3】

前記水素製造部は、前記水蒸気を電源から供給される電力を用いて電気分解することにより水素を製造し、
前記水蒸気発生部で発生する水蒸気の量が、前記水素製造部に供給される電力に基づいて決定される、請求項１に記載の水素製造システム。

【請求項4】

前記水素製造部は、前記水蒸気を電源から供給される電力を用いて電気分解することにより水素を製造し、
前記圧力調整部は、前記水素製造部に供給される電力に基づいて前記第２収容部の圧力を調整する、請求項１に記載の水素製造システム。

【請求項5】

前記水素製造部は、水素を製造する通常運転モード及び水素を製造しない待機運転モードで運転可能であり、
前記水素製造部が前記通常運転モードで運転されている場合、前記圧力調整部は、前記第２収容部の水素分圧が前記第１収容部の水素分圧よりも低くなるように前記第２収容部の圧力を調整し、これにより前記第１収容部から前記第２収容部へ水素が回収され、
前記水素製造部が前記待機運転モードで運転されている場合、前記圧力調整部は、前記第２収容部の水素分圧が前記第１収容部の水素分圧よりも高くなるように前記第２収容部の圧力を調整し、これにより前記第２収容部から前記第１収容部へ水素が供給される、請求項１に記載の水素製造システム。

【請求項6】

前記水素製造部は、前記水蒸気を電源から供給される電力を用いて電気分解することにより水素を製造し、
前記圧力調整部は、前記第１収容部から排出される気体の水素濃度が前記水素製造部に供給される電力に応じた濃度になるように、前記第２収容部の圧力を調整する、請求項１に記載の水素製造システム。

【請求項7】

前記水素製造システムは、前記水素製造部に供給される気体の水素濃度を調整する濃度調整部と、第２圧力調整部と、をさらに備え、
前記濃度調整部は、水蒸気発生部で発生した水蒸気及び前記第１収容部から排出された気体を収容し、収容した気体を前記水素製造部に供給する第３収容部と、前記第２圧力調整部によって内部の圧力が調整される第４収容部と、前記第３収容部及び前記第４収容部の間に配置された第２水素透過層と、を含み、
前記水素製造部は、前記水蒸気を電源から供給される電力を用いて電気分解することにより水素を製造し、
前記第２圧力調整部は、前記水素製造部に供給される電力に応じて前記第４収容部の圧力を調整する、請求項１に記載の水素製造システム。

【請求項8】

前記第２水素透過層は、ニオブ、ニオブ合金、バナジウム、バナジウム合金、タンタル、タンタル合金、パラジウム又はパラジウム合金からなる、請求項７に記載の水素製造システム。

【請求項9】

前記濃度調整部に供給される気体の水素濃度が水素製造部に供給される電力に基づいて決定される所定の値よりも高い場合、前記第２圧力調整部は、前記第４収容部の水素分圧が前記第３収容部の水素分圧よりも低くなるように前記第４収容部の圧力を調整し、これにより前記第３収容部から前記第４収容部へ水素が回収され、
前記濃度調整部に供給される気体の水素濃度が水素製造部に供給される電力に基づいて決定される所定の値よりも低い場合、前記第２圧力調整部は、前記第４収容部の水素分圧が前記第３収容部の水素分圧よりも高くなるように前記第４収容部の圧力を調整し、これにより前記第４収容部から前記第３収容部へ水素が供給される、請求項７に記載の水素製造システム。

【請求項10】

前記水素製造部に供給される気体と前記水素製造部から排出される気体との間の熱交換を行う熱交換器をさらに備えた、請求項１に記載の水素製造システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施の形態は、水素製造システムに関する。

【背景技術】

【0002】

近年、水素をエネルギー媒体とした水素エネルギー社会の実現に向けて、水素製造方法が注目されている。例えば、高温の水蒸気を電気分解することによって水素ガスを製造する方法（高温水蒸気電解）や、炭化水素と水蒸気を混合し、触媒反応によって水素ガスを製造する方法（水蒸気改質）、水蒸気と二酸化炭素ガスの混合ガスを電気分解することによって水素を製造する方法（溶融炭酸塩型電解）などがある。

【0003】

一方で、これらの方法で製造された水素ガスは、原料として用いられた成分（例えば高温水蒸気電解の場合は水蒸気）を含んでいる。このため、得られた水素ガスをエネルギー媒体として使用する前に、水素ガスを精製して、高純度の水素にする必要がある。

【0004】

水素を精製する方法としては、製造した水素を冷却し、気液分離と組み合わせる方法、熱スイング型吸着（ＴＳＡ）や圧力スイング型吸着（ＰＳＡ）による方法が挙げられる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０１４－００１１１７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかし、気液分離と組み合わせる方法では、精製した水素に他のガス成分が含まれる場合には、精製した水素をさらに精製する必要がある。ＴＳＡでは、吸着材に吸着させた水素を脱離するために、供給する水素を含むガス温度よりも高温にするため、熱エネルギーが必要となる。ＰＳＡでは、高温のガスを導入する場合には吸着材の吸着容量が低下するため、一度冷却する必要があり、水素製造システムのエネルギー損失が大きくなる。そのため、原料となる水蒸気を高純度の水素を回収するために加熱または冷却することは、システム全体のエネルギー効率を損なうことになる。

【0007】

本発明は、このような点を考慮してなされたものであり、水素製造システムを流れる気体のエネルギーを効率よく利用することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

実施の形態による水素製造システムは、
前記水蒸気発生部で発生した水蒸気を含む気体が供給され、前記水蒸気から水素を製造し、当該水素を残余の水蒸気とともに排出する水素製造部と、
前記水素製造部から排出された気体から水素を回収する回収部と、
圧力調整部と、を備え、
前記回収部は、前記水素製造部から排出された気体を収容する第１収容部と、前記圧力調整部によって内部の圧力が調整される第２収容部と、前記第１収容部及び前記第２収容部の間に配置された水素透過層と、を含み、
前記第２収容部は、前記第１収容部から前記水素透過層を透過した水素を収容し、
前記水素製造システムは、前記第１収容部から排出された気体が前記水素製造部に供給されるよう構成されている。

【発明の効果】

【0009】

実施の形態による水素製造システムによれば、水素製造システムを流れる気体のエネルギーを効率よく利用することができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】図１は、一実施の形態による水素製造システムの構成を示す図である。

【図2】図２は、変形例による水素製造システムの構成を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、図面を参照して一実施の形態について説明する。図１は本実施の形態による水素製造システム１の全体構成を示すブロック図である。

【0012】

図１に示す水素製造システム１は、水蒸気を含むガスから水素を製造するシステムである。水素製造システム１は、水蒸気発生部１０と、水素製造部１５と、回収部２０と、圧力調整部２５と、を備える。図示された例では、水素製造システム１は、制御部３０と、混合部３５と、タンク４０と、熱交換器４５と、をさらに備える。

【0013】

水蒸気発生部１０は、水を加熱して水蒸気を発生させる。この水蒸気は、水素の原料として用いられる。図示された例では、水蒸気発生部１０は、配管ａを介して水供給源１１に接続されている。水蒸気発生部１０は、水供給源１１から供給された水を図示しない熱源（例えばヒータ等）を用いて加熱して、水蒸気を発生させる。水蒸気発生部１０で発生した水蒸気は、水素製造部１５に供給される。図示された例では、水蒸気は、配管ｂを通じて混合部３５に供給された後、水素製造部１５に供給される。

【0014】

混合部３５は、配管ｃを通じて回収部２０に接続される。混合部３５は、回収部２０から排出された気体を収容する。混合部３５において、回収部２０からの気体と水蒸気発生部１０からの水蒸気とが混合される。また、混合部３５は、配管ｄを通じて水素製造部１５に接続される。混合部３５は、混合部３５に収容された気体を、原料ガスとして水素製造部１５に供給する。ここで、水素製造部１５に供給する原料ガスの温度は、水素製造部１５の温度近傍であることが好ましく、具体的には水素製造部１５の温度に対して－１００℃から＋１００℃の範囲にあることが好ましい。

【0015】

図示された例では、混合部３５は、配管ｅを通じて水素供給源３６に接続されている。水素供給源３６は、水素製造システム１の始動時に、混合部３５に水素を含む気体を供給する。

【0016】

水素製造部１５は、混合部３５から供給された原料ガスから水素ガスを製造する。水素製造部１５は、配管ｆを通じて回収部２０に接続されている。水素製造部１５は、製造した水素ガスを、配管ｆを通じて回収部２０に供給する。

【0017】

水素製造部１５は反応部１６を有する。反応部１６は、化学反応により水蒸気から水素を製造する。なお、水素製造部１５では、水素製造部１５に供給された水蒸気の全てが水素の製造に利用されなくてよい。言い換えると、水素製造部１５に供給された水蒸気の一部は、水素製造部１５において未反応であってよい。したがって、水素製造部１５で製造される水素ガスは、反応部１６で製造された水素及び未反応の水蒸気を含んでよい。言い換えると、水素ガスは、水素と残余の水蒸気を含んでよい。

【0018】

なお、水素製造部１５は、水蒸気を原料として水素を製造する装置であれば特に限定されない。水素製造部１５は、高温水蒸気電解装置であってよい。この場合、反応部１６は、水蒸気を電気分解することによって水素を製造する。また、水素製造部１５は、水蒸気改質装置であってよい。この場合、反応部１６は、炭化水素と水蒸気を混合し、触媒反応によって水素ガスを製造する。また、水素製造部１５は、溶融炭酸塩型電解装置であってよい。この場合、反応部１６は、水蒸気と二酸化炭素の混合ガスを電気分解することによって水素ガスを製造する。

【0019】

反応部１６が水蒸気を電気分解することによって水素を製造するものである場合、反応部１６は電源１７から供給される電力（以下、「電解電力」とも称する。）を用いて水蒸気を電気分解する。この場合、反応部１６で製造される水素の量は、水素製造部１５に供給される水蒸気の量及び電解電力に依存する。水素製造部１５に供給される電解電力は、例えば、水素製造システム１の水素製造量の目標値に基づいて決定される。

【0020】

水素製造部１５から排出される水素ガスの温度は、反応部１６の構成にもよるが、例えば４００℃以上９００℃以下である。水素製造部１５は、水素を製造する通常運転モードと、水素を製造しない待機運転モードで運転可能である。

【0021】

回収部２０は、水素製造部１５から供給された水素ガスから、水素を回収する。回収部２０は、水素透過層２３で仕切られた空間を有する。水素透過層２３の一側の空間が第１収容部２１をなす。水素透過層２３の他側の空間が第２収容部２２をなす。言い換えると、回収部２０は、第１収容部２１と、第２収容部２２と、第１収容部２１及び第２収容部２２の間に配置された水素透過層２３と、を有する。

【0022】

第１収容部２１は、配管ｆに接続されている。第１収容部２１は、水素製造部１５から排出された水素ガスを収容する。上述したように、水素ガスは、水素と水蒸気を含む。第１収容部２１の温度は、水素ガス中の水蒸気が凝結しないよう、１５０℃以上に維持されることが好ましく、２００℃以上に維持されることがさらに好ましい。第１収容部２１の温度は、５００℃以下であってよい。第１収容部２１は、配管ｃを通じて混合部３５にも接続されている。第１収容部２１に収容された気体は、配管ｃを通じて混合部３５に排出される。上述したように、混合部３５に収容された気体は、水素製造部１５に供給される。したがって、本実施の形態の水素製造システム１は、第１収容部２１に収容された気体が水素製造部１５に供給されるように、構成されている。これにより、水素製造部１５から排出された気体のエネルギーを、効率よく利用することができる。

【0023】

なお、後述の説明から理解されるように、第１収容部２１から混合部３５に供給される気体は、回収部２０で回収されなかった水素及び水蒸気を含む残余ガスである。あるいは、第１収容部２１から混合部３５に供給される気体は、水素製造部１５から第１収容部２１に供給された気体と、第２収容部２２から供給された水素と、を含んでいる。

【0024】

水素透過層２３は、水素を透過させるよう構成されている。水素透過層２３は、水素と他の気体を含む混合気体から選択的に水素のみを透過させるよう構成されていてよい。水素透過層２３は、第１収容部２１に収容された気体のうち水素のみを透過させて、第２収容部２２に移動させることができる。水素透過層２３は、第２収容部２２に収容された気体のうち水素のみを透過させて第１収容部２１に移動させることもできる。水素透過層２３は、原理的に水素のみを透過させる金属製水素透過膜が好ましい。この場合、水素透過層２３は、例えば、ニオブ（Ｎｂ）やバナジウム（Ｖ）、タンタル（Ｔａ）などの５Ａ族金属若しくはそれらの合金、パラジウム（Ｐｄ）又はパラジウム合金からなってよい。

【0025】

第２収容部２２は、高純度の水素を収容する。第２収容部２２は、第１収容部２１から水素透過層２３を透過した水素を収容する。図示された例では、第２収容部２２は、配管ｇを介してタンク４０に接続されている。第２収容部２２に収容された水素は、配管ｇを通じてタンク４０に収容される。また、第２収容部２２は、配管ｇ又は図示しない他の配管を通じてタンク４０から水素の供給を受けることもできる。

【0026】

圧力調整部２５は、第２収容部２２とタンク４０とを接続する配管ｇに設けられている。圧力調整部２５は、第２収容部２２の内部の圧力を制御することで、第１収容部２１の内部の圧力と第２収容部２２の内部の圧力との差を制御する。図示された例では、圧力調整部２５は、制御部３０による制御に従って、第２収容部２２の圧力を制御する。圧力調整部２５は、減圧器であってよい。

【0027】

制御部３０は、水素製造部１５の運転モードに関する情報を受け取って、当該情報に基づいて圧力調整部２５を制御する。当該情報は、水素製造部１５に供給される電解電力に関する情報であってよい。制御部３０は、第１収容部２１に収容された気体の水素分圧と第２収容部２２に収容された気体の水素分圧との差を調整するために、圧力調整部２５を制御する。

【0028】

例えば、第１収容部２１の水素分圧よりも第２収容部２２の水素分圧が低い場合、第１収容部２１内の水素が、水素透過層２３を透過して第２収容部２２に移動する。水素製造部１５が通常運転モードで運転されている場合、第１収容部２１から第２収容部２２に水素を回収することが求められるので、制御部３０は、第１収容部２１の水素分圧よりも第２収容部２２の水素分圧が低くなるように第２収容部２２の圧力が調整されるよう、圧力調整部２５を制御する。

【0029】

また、例えば、第１収容部２１の水素分圧よりも第２収容部２２の水素分圧が高い場合、第２収容部２２内の水素が、水素透過層２３を透過して第１収容部２１に移動する。ここで、第２収容部２２から第１収容部２１に水素が供給される場合、第１収容部２１から混合部３５に排出される水素の量も増大する。言い換えると、混合部３５に収容される気体の水素濃度を上昇させることができ、水素製造部１５に供給される気体の水素濃度を上昇させることができる。水素製造部１５が待機運転モードで運転される場合、水素製造部１５の劣化を抑制するため、水素製造部１５に供給される気体の水素濃度を高くすることが求められる。したがって、第２収容部２２から第１収容部２１に水素を供給することが求められるので、制御部３０は、第１収容部２１の水素分圧よりも第２収容部２２の水素分圧が高くなるように第２収容部２２の圧力が調整されるよう、圧力調整部２５を制御する。

【0030】

なお、第１収容部２１及び第２収容部２２の水素分圧の調整方法については、後で詳述する。

【0031】

図示された例では、制御部３０は、さらに、水素製造部１５が通常運転モードで運転される間、水素製造部１５に供給される電解電力に関する情報を受け取って、当該情報に基づいて圧力調整部２５を制御する。制御部３０は、第１収容部２１から排出される気体の水素濃度を上記電解電力に応じた値にするために、圧力調整部２５を制御する。これにより、混合部３５に収容される気体の水素濃度を上記電解電力に応じた値にすることができ、水素製造部１５に供給される気体の水素濃度を上記電解電力に応じた値にすることができる。これにより、水素製造部１５が通常運転モードで運転される間の水素製造部１５の劣化を抑制することができる。第１収容部２１から排出される気体の水素濃度は、第１収容部２１の水素分圧と第２収容部２２の水素分圧との差を調整することで調整される。

【0032】

また、図示された例では、制御部３０は、さらに、水蒸気発生部１０で発生する水蒸気の量を、水素製造部１５に供給される電解電力に関する情報に基づいて制御する。上述したように、反応部１６で製造される水素の量は、水素製造部１５に供給される水蒸気の量及び電解電力に依存する。上記電解電力に対して水素製造部１５に供給される水蒸気の量が過剰であれば、水蒸気発生部１０は過剰の水蒸気を発生させるために過剰のエネルギーを消費したことになる。また、上記電解電力に対して水素製造部１５に供給される水蒸気の量が少なければ、水素製造部１５がいわゆる「燃料枯れ」を起こし、故障する虞がある。したがって、水蒸気発生部１０で発生する水蒸気の量を上記電解電力に基づいて制御することにより、水蒸気発生部１０で消費されるエネルギーの量を抑制することができ、また、水素製造部１５の故障を抑制することができる。例えば、制御部３０は、水供給源１１から水蒸気発生部１０に供給される水の量を制御することにより、水蒸気発生部１０で発生する水蒸気の量を制御する。

【0033】

熱交換器４５は、水素製造部１５に供給される原料ガスと水素製造部１５から排出される水素ガスとの間の熱交換を行う。これにより、水素ガスの熱を原料ガスの加熱に用いることができる。また、水素ガスの温度を下げることができ、第１収容部２１に収容するのに望ましい温度に近づけることができる。すなわち、水素ガスの熱を有効利用することができる。図示された例では、熱交換器４５には配管ｄ及びｆの一部が形成されており、配管ｄ及びｆ内を流れる気体の間で熱交換が行われる。

【0034】

次に、第１収容部２１及び第２収容部２２の水素分圧の調整方法について説明する。まず、第１収容部２１及び第２収容部２２の水素分圧を求める方法について説明する。

【0035】

第１収容部２１の水素分圧を求める方法は、特に限定されないが、例えば以下の方法を採用することができる。すなわち、上記水素分圧は、第１収容部２１に流入する気体及び第１収容部２１から流出する気体の圧力及び水素濃度に基づいて算出されてよい。この場合、水素製造部１５と第１収容部２１とを接続する配管ｆ、及び第１収容部２１と混合部３５を接続する配管ｃに圧力測定器及び水素濃度計を設ければよい。第１収容部２１に流入する気体の圧力及び水素濃度は、水素製造部１５で製造される水素の量を理論的に求め、これに基づいて算出されてもよい。

【0036】

第２収容部２２の水素分圧を求める方法は、特に限定されないが、例えば以下の方法を採用することができる。すなわち、第２収容部２２は水素のみを含む気体（あるいは水素を高濃度で含む気体）を収容しているので、第２収容部２２の水素分圧は、第２収容部２２の圧力に基づいて算出されてよい。この場合、配管ｇのうち第２収容部２２と圧力調整部２５とを接続する部分に圧力測定器を設け、当該圧力測定器によって測定された圧力に基づいて第２収容部２２の水素分圧を求めてよい。

【0037】

次に、目標とする水素分圧の差を求める方法について説明する。まず、水素製造部１５の運転モード又は水素製造部１５に供給される電解電力に基づいて、水素製造部１５に供給される気体の水素濃度の目標値（以下、「供給水素濃度目標値」とも称する。）を求める。供給水素濃度目標値に基づいて、第１収容部２１から排出される気体の水素濃度の目標値（以下、「排出水素濃度目標値」とも称する。）を求める。得られた排出水素濃度目標値に基づいて、単位時間当たりに第１収容部２１から第２収容部２２に回収すべき水素の量（以下、「水素回収速度」とも称する。）、又は、単位時間当たりに第２収容部２２から第１収容部２１に供給すべき水素の量（以下、「水素供給速度」とも称する。）を求める。水素回収速度及び水素供給速度は、水素透過層２３の水素透過速度に応じた速度である。水素透過層２３の水素透過速度は、水素透過層２３の水素透過流速と水素透過層２３の有効面積との積に等しい。

【0038】

水素透過層２３が金属製水素透過膜である場合、水素透過層２３の一方の側から他方の側への水素透過流速Ｊ（ｍｏｌ・ｍ^－２・ｓｅｃ^－１）は、次の式によって推定されてよい。

【数1】

ここで、
Ｒ：気体定数（Ｊ・ｍｏｌ^－１・Ｋ^－１）
Ｂ：水素拡散の易動度
Ｔ：水素透過層の使用環境温度（Ｋ）
Ｌ：水素透過層の厚さ（ｍ）
ｃ：水素透過層内の溶解水素濃度（ｍｏｌ・ｍ^－３）
Ｐ：水素透過層の水素分圧（Ｐａ）
Ｐ^０：標準大気圧（Ｐａ）
ｃ１：水素透過層の水素分圧がＰ１（Ｐａ）のときの水素透過層内の溶解水素濃度（ｍｏｌ・ｍ^－３）
ｃ２：水素透過層の水素分圧がＰ２（Ｐａ）のときの水素透過層内の溶解水素濃度（ｍｏｌ・ｍ^－３）

【0039】

上記式中、水素透過層２３が適用された回収部２０において変化するのは、水素透過層２３の使用環境温度（回収部２０内の温度）と、第１収容部２１及び第２収容部２２の水素分圧である。また、水素透過層２３の使用環境温度は、圧力調整部２５が第２収容部２２の水素分圧を調整しようとする時点での使用環境温度である。したがって、水素透過層２３の水素透過速度の目標値（すなわち、上述した水素回収速度又は水素供給速度）が決定されれば、上記式から水素透過層２３の水素分圧の目標値を決定することができる。さらに、水素透過層２３の水素分圧の目標値に基づいて、第１収容部２１及び第２収容部２２の水素分圧の差の目標値（以下、「分圧差目標値」とも称する。）を求めることができる。そして、この分圧差目標値と第１収容部２１の水素分圧とに基づいて、第２収容部２２の水素分圧の目標値（以下、「分圧目標値」とも称する。）を求めることができる。そして、制御部３０が上記分圧目標値に基づいて圧力調整部２５を制御し、当該分圧目標値になるように第２収容部２２の圧力が調整されることで、第１収容部２１及び第２収容部２２の水素分圧の差を、上記分圧差目標値に調整することができる。この結果、第１収容部２１から第２収容部２２への水素回収速度、または、第２収容部２２から第１収容部２１への水素供給速度を、第１収容部２１から排出される気体の水素濃度の目標値に応じた速度（したがって、水素製造部１５の運転モード又は水素製造部１５に供給される電解電力に応じた速度）にすることができる。

【0040】

なお、第１収容部２１から排出される気体の水素濃度を水素製造部１５の運転モード又は水素製造部１５に供給される電解電力に応じた濃度にするため、さらに水蒸気発生部１０で発生する水蒸気の量が調整されてもよい。この場合、水蒸気発生部１０で発生する水蒸気の量は、上記分圧差目標値に基づいて制御されてよい。

【0041】

次に、水素製造システム１の制御方法について説明する。まず、水素製造部１５の運転モードが通常運転モードである場合について、説明する。

【0042】

水素製造部１５が通常運転モードで運転される場合、水素製造システム１の始動時において、まず、水供給源１１から水蒸気発生部１０に水が供給される。水供給源１１から水蒸気発生部１０に供給される水の量は、水素製造部１５に供給される電解電力に基づいて決定される。そして、水蒸気発生部１０で水供給源１１からの水が加熱され、水蒸気が発生する。この水蒸気は、配管ｂを通じて混合部３５に供給される。また、水素供給源３６から混合部３５に水素を含む気体が供給される。水素供給源３６から混合部３５への水素の供給は、水素製造システム１の始動時のみでよい。水蒸気発生部１０からの水蒸気と水素供給源３６からの水素とは、混合部３５において混合され、原料ガスとして配管ｄを通じて水素製造部１５に供給される。なお、水素供給源３６から混合部３５に供給される水素の量は、水素製造部１５に供給される電解電力に基づいて決定されてよい。これにより、混合部３５から水素製造部１５に供給される原料ガスの水素濃度が上記電解電力に応じた水素濃度になり、水素製造部１５の劣化を抑制することができる。

【0043】

混合部３５から水素製造部１５に水蒸気を含む原料ガスが供給されると、反応部１６で水蒸気が電気分解され、水素が製造される。反応部１６で製造された水素は、水素製造部で電気分解されなかった未反応の水蒸気と混合し、水素ガスとして配管ｆを通じて回収部２０に供給される。

【0044】

回収部２０に供給された水素ガスは、第１収容部２１に収容される。このとき、第２収容部２２の圧力が、制御部３０及び圧力調整部２５によって制御される。第２収容部２２の圧力は、第１収容部２１及び第２収容部２２の水素分圧の差が、第１収容部２１から第２収容部２２への水素回収速度の目標値に基づく圧力差になるように、調整される。そして、第１収容部２１から第２収容部２２に、上記圧力差に応じた速度で水素が回収される。また、第１収容部２１から混合部３５に、上記圧力差に応じた水素濃度の気体が排出され、水蒸気発生部１０からの水蒸気と混合される。ここで、上述したように、上記水素回収速度の目標値は、水素製造部１５に供給される電解電力に基づいて決定される。したがって、第１収容部２１から混合部３５に、上記圧力差に応じた水素濃度の気体が排出される。これにより、混合部３５に収容される気体の水素濃度が、上記電解電圧に応じた水素濃度になる。

【0045】

その後、混合部３５に収容された気体は、水素製造部１５に供給され、水素の製造と回収が継続される。

【0046】

次に、水素製造部１５の運転モードが通常運転モードから待機運転モードに切り替えられ、水素製造部１５が待機運転モードで運転される場合について、説明する。

【0047】

この場合、水蒸気発生部１０の運転は停止されてよい。これにより、水素製造部１５が待機運転モードで運転されている間に水蒸気発生部１０で消費されるエネルギーを、削減することができる。また、回収部２０の第２収容部２２の水素分圧が第１収容部２１の水素分圧よりも高くなるよう、第２収容部２２の圧力が、制御部３０及び圧力調整部２５によって調整される。これにより、第２収容部２２から第１収容部２１に水素透過層２３を介して水素が供給され、第１収容部２１内の気体の水素濃度が（したがって、第１収容部２１から混合部３５に排出される気体の水素濃度が）、上昇する。この結果、混合部３５から水素製造部１５に供給される気体の水素濃度を上昇させて、水素製造部１５の劣化を抑制することができる。

【0048】

水素製造部１５から回収部２０に供給される気体の水素濃度が所定の水素濃度に達したら、制御部３０及び圧力調整部２５は、第２収容部２２の水素分圧が第１収容部２１の水素分圧と等しくなるよう、第２収容部２２の圧力を調整してよい。これにより、第１収容部２１と第２収容部２２との間の水素の移動が停止され、水素製造部１５に供給される気体の水素濃度が一定に保たれる。

【0049】

＜変形例＞
なお、上述した実施形態では、回収部２０において（言い換えると、回収部２０から排出される気体が水蒸気発生部１０からの水蒸気と混合される前に）、水素製造部１５に供給される気体の水素濃度が調整されるが、これに限られない。回収部２０から排出された気体が水蒸気発生部１０からの水蒸気と混合された後に、水素製造部１５に供給される気体の水素濃度が調整されてもよい。

【0050】

図２に示す水素製造システム１では、混合部３５と水素製造部１５との間に濃度調整部５０が設けられ、濃度調整部５０において水素製造部１５に供給される気体の水素濃度が調整される。この場合、濃度調整部５０は、図１に示す回収部２０と同様に構成されてよい。すなわち、濃度調整部５０は、第２水素透過層５３で仕切られた空間を有する。第２水素透過層５３の一側の空間が混合部３５からの気体が収容される第３収容部５１をなす。第２水素透過層５３の他側の空間が、第３収容部５１から回収された高純度の水素が収容される第４収容部５２をなす。第４収容部５２の圧力は、制御部３０及び第２圧力調整部５５によって調整される。

【0051】

第３収容部５１は、配管ｄ１を介して混合部３５に接続されている。また、第３収容部５１は、配管ｄ２を介して水素製造部１５に接続されている。第３収容部５１は、混合部３５から供給された気体を収容する。

【0052】

第２水素透過層５３は、水素を透過させるよう構成されている。第２水素透過層５３は、水素と他の気体を含む混合気体から選択的に水素のみを透過させるよう構成されていてよい。第２水素透過層５３は、第３収容部５１に収容された気体のうち水素のみを透過させて、第４収容部５２に移動させることができる。第２水素透過層５３は、第４収容部５２に収容された気体のうち水素のみを透過させて第３収容部５１に移動させることもできる。第２水素透過層５３は、原理的に水素のみを透過させる金属製水素透過膜が好ましい。この場合、水素透過層２３は、例えば、ニオブ（Ｎｂ）やバナジウム（Ｖ）、タンタル（Ｔａ）などの５Ａ族金属若しくはそれらの合金、パラジウム（Ｐｄ）又はパラジウム合金からなってよい。

【0053】

第４収容部５２は、配管ｉを介してタンク４０に接続されている。第４収容部５２の水素は、配管ｉを通じてタンク４０に収容される。また、第４収容部５２は、配管ｉまたは図示しない配管を通じて、タンク４０から水素の供給を受けることもできる。

【0054】

第２圧力調整部５５は、第４収容部５２とタンク４０とを接続する配管ｉに設けられている。第２圧力調整部５５は、第４収容部５２の内部の圧力を制御することで、第３収容部５１の内部の圧力と第４収容部５２の内部の圧力との差を制御する。図示された例では、第２圧力調整部５５は、制御部３０による制御に従って、第４収容部５２の圧力を制御する。第２圧力調整部５５は、減圧器であってよい。

【0055】

制御部３０は、水素製造部１５の運転モード及び／または水素製造部１５に供給される電解電力に関する情報を受け取って、当該情報に基づいて第２圧力調整部５５を制御する。制御部３０は、第３収容部５１に収容された気体の水素分圧と第４収容部５２に収容された気体の水素分圧との差を調整するために、第２圧力調整部５５を制御する。

【0056】

具体的には、第３収容部５１に収容される気体の水素濃度が、水素製造部１５に供給される気体の水素濃度の目標値になるよう、第３収容部５１に収容された気体の水素分圧と第４収容部５２に収容された気体の水素分圧との差が調整される。ここで、水素製造部１５に供給される気体の水素濃度の目標値は、水素製造部１５の運転モード及び／または水素製造部１５に供給される電解電力に応じて決定される。これにより、水素製造部１５の劣化を抑制することができる。

【0057】

なお、第３収容部５１及び第４収容部５２の水素分圧の調整方法については、上述した第１収容部２１及び第２収容部２２の水素分圧の調整方法と同様であってよい。

【0058】

また、図２に示す例では、回収部２０の第２収容部２２の圧力を調整する圧力調整部２５は、水素製造部１５の運転モード及び／または水素製造部１５に供給される電解電力に基づいて制御されなくてもよい。

【0059】

次に、図２に示す水素製造システム１の制御方法について説明する。まず、水素製造部１５の運転モードが通常運転モードである場合について、説明する。

【0060】

水素製造部１５が通常運転モードで運転される場合、水素製造システム１の始動時において、まず、水供給源１１から水蒸気発生部１０に水が供給される。そして、水蒸気発生部１０で水供給源１１からの水が加熱され、水蒸気が発生する。この水蒸気は、配管ｂを通じて混合部３５に供給され、次いで配管ｄ１を通じて濃度調整部５０に供給される。混合部３５から濃度調整部５０に供給された気体は、第３収容部５１に収容される。このとき、第４収容部５２の圧力が、制御部３０及び第２圧力調整部５５によって制御される。第４収容部５２の圧力は、第３収容部５１及び第４収容部５２の水素分圧の差が、水素製造部１５に供給する気体（原料ガス）の水素濃度の目標値に基づく圧力差になるように、調整される。そして、第３収容部５１から第４収容部５２に、上記圧力差に応じた速度で水素が回収される。または、第４収容部５２から第３収容部５１に、上記圧力差に応じた速度で水素が供給される。そして、水素濃度が調整された気体が、第３収容部５１から水素製造部１５に配管ｄ２を通じて供給される。ここで、第３収容部５１及び第４収容部５２の水素分圧の差は、水素製造部１５に供給される電解電力に応じて決定される。したがって、第３収容部５１から水素製造部１５に供給される気体（原料ガス）の水素濃度は、上記電解電圧に応じた水素濃度である。

【0061】

濃度調整部５０から水素製造部１５に水蒸気を含む原料ガスが供給されると、反応部１６で水蒸気が電気分解され、水素が製造される。反応部１６で製造された水素は、水素製造部１５で電気分解されなかった未反応の水蒸気と混合し、水素ガスとして配管ｆを通じて回収部２０に供給される。

【0062】

回収部２０に供給された水素ガスは、第１収容部２１に収容される。このとき、第２収容部２２の圧力が、圧力調整部２５によって制御されている。第２収容部２２の圧力は、第１収容部２１から第２収容部２２に水素が回収されるように、調整されている。第１収容部２１の残余の気体は、配管ｃを通じて混合部３５に排出され、水蒸気発生部１０からの水蒸気と混合する。混合された気体は、配管ｄ１を通じて濃度調整部５０に供給され、水素の製造と回収が継続される。

【0063】

次に、水素製造部１５の運転モードが通常運転モードから待機運転モードに切り替えられ、水素製造部１５が待機運転モードで運転される場合について、説明する。

【0064】

この場合、水蒸気発生部１０の運転は停止されてよい。これにより、水素製造部１５が待機運転モードで運転されている間に水蒸気発生部１０で消費されるエネルギーを、削減することができる。また、濃度調整部５０の第４収容部５２の水素分圧が第３収容部５１の水素分圧よりも高くなるよう、第４収容部５２の圧力が制御部３０及び第２圧力調整部５５によって調整される。これにより、第４収容部５２から第３収容部５１に第２水素透過層５３を介して水素が供給され、水素製造部１５に供給される気体の水素濃度を上昇させることができる。これにより、水素製造部１５の劣化を抑制することができる。

【0065】

混合部３５から濃度調整部５０に供給される気体の水素濃度が所定の水素濃度に達したら、制御部３０及び第２圧力調整部５５は、第４収容部５２の水素分圧が第３収容部５１の水素分圧と等しくなるよう、第４収容部５２の圧力を調整してよい。これにより、第３収容部５１と第４収容部５２との間の水素の移動が停止され、水素製造部１５に供給される気体の水素濃度が一定に保たれる。

【0066】

以上のように、本実施の形態による水素製造システム１は、水蒸気発生部１０と、水素製造部１５と、回収部２０と、圧力調整部２５と、を備えている。水蒸気発生部１０は、水蒸気を発生させる。水素製造部１５には、水蒸気発生部１０で発生した水蒸気を含む気体が供給される。水素製造部１５は、水蒸気から水素を製造し、当該水素を残余の水蒸気とともに排出する。回収部２０は、水素製造部１５から排出された気体から水素を回収する。回収部２０は、水素製造部１５から排出された気体を収容する第１収容部２１と、圧力調整部２５によって内部の圧力が調整される第２収容部２２と、第１収容部２１及び第２収容部２２の間に配置された水素透過層２３と、を含む。第２収容部２２は、第１収容部２１から水素透過層２３を透過した水素を収容する。水素製造システム１は、第１収容部２１から排出された気体が水素製造部１５に供給されるよう構成されている。

【0067】

このような水素製造システム１によれば、水素製造部１５から排出された気体から水素を回収するために当該気体を冷却したり、水素を吸着させる吸着材を加熱する必要がない。また、水素製造部１５から回収部２０に排出された高温の気体を再び水素製造部１５に戻すことができるため、当該気体の熱エネルギーを有効利用することができる。この結果、水素製造システム１を流れる気体のエネルギーを効率よく利用することができる。

【0068】

また、本実施の形態による水素製造システム１において、水素透過層２３は、ニオブ、ニオブ合金、バナジウム、バナジウム合金、タンタル、タンタル合金、パラジウム又はパラジウム合金からなる。この場合、水素製造部１５から排出された気体から水素のみを選択的に回収することができる。また、必要に応じて、第２収容部２２から第１収容部２１へ向けて水素を透過させることができる。したがって、第１収容部２１から排出される気体の水素濃度の調整が容易である。

【0069】

また、本実施の形態による水素製造システム１において、水素製造部１５は、水蒸気を電源から供給される電力を用いて電気分解することにより水素を製造する。また、水蒸気発生部１０で発生する水蒸気の量が、水素製造部１５に供給される電力に基づいて決定される。この場合、上記電力に対して水素製造部１５に供給される水蒸気の量が過剰になることが抑制される。したがって、水蒸気発生部１０で過剰の水蒸気を発生させるために過剰のエネルギーが消費される虞を、抑制することができる。また、この場合、上記電力に対して水素製造部１５に供給される水蒸気の量が少なくて水素製造部１５がいわゆる「燃料枯れ」を起こす、という虞が抑制される。

【0070】

また、本実施の形態による水素製造システム１において、圧力調整部２５は、水素製造部１５に供給される電力に基づいて第２収容部２２の圧力を調整する。この場合、水素製造部１５に供給される気体の水素濃度を、上記電力に基づいて調整することができる。これにより、水素製造部１５の劣化を抑制することができる。

【0071】

また、本実施の形態による水素製造システム１において、水素製造部１５は、水素を製造する通常運転モード及び水素を製造しない待機運転モードで運転可能である。水素製造部１５が通常運転モードで運転されている場合、圧力調整部２５は、第２収容部２２の水素分圧が第１収容部２１の水素分圧よりも低くなるように第２収容部２２の圧力を調整し、これにより第１収容部２１から第２収容部２２へ水素が回収される。また、水素製造部１５が待機運転モードで運転されている場合、圧力調整部２５は、第２収容部２２の水素分圧が第１収容部２１の水素分圧よりも高くなるように第２収容部２２の圧力を調整し、これにより第２収容部２２から第１収容部２１へ水素が供給される。これにより、回収部２０は、水素製造部１５が通常運転モードで運転されている場合は水素を回収することができ、水素製造部１５が待機運転モードで運転されている場合は水素製造部１５に供給される気体の水素濃度を高めることができる。

【0072】

また、本実施の形態による水素製造システム１において、圧力調整部２５は、第１収容部２１から排出される気体の水素濃度が水素製造部１５に供給される電力に応じた濃度になるように、第２収容部２２の圧力を調整する。この場合、水素製造部１５に供給される気体の水素濃度を水素製造部１５に供給される電力に応じた濃度にすることができ、水素製造部１５の劣化を抑制することができる。

【0073】

また、本実施の形態による水素製造システム１は、水素製造部１５に供給される気体の水素濃度を調整する濃度調整部５０と、第２圧力調整部５５と、をさらに備える。濃度調整部５０は、水蒸気発生部１０で発生した水蒸気及び第１収容部２１から排出された気体を収容し、収容した気体を水素製造部１５に供給する第３収容部５１と、第２圧力調整部５５によって内部の圧力が調整される第４収容部５２と、第３収容部５１及び第４収容部５２の間に配置された第２水素透過層５３と、を含む。第２圧力調整部５５は、水素製造部１５に供給される電力に応じて第４収容部５２の圧力を調整する。この場合、水素製造部１５に供給される気体の水素濃度を、上記電力に基づいて調整することができる。これにより、水素製造部１５の劣化を抑制することができる。

【0074】

また、本実施の形態による水素製造システム１において、第２水素透過層５３は、ニオブ、ニオブ合金、バナジウム、バナジウム合金、タンタル、タンタル合金、パラジウム又はパラジウム合金からなる。この場合、第３収容部５１に収容された気体から水素のみを選択的に回収することができる。また、必要に応じて、第４収容部５２から第３収容部５１へ向けて水素を透過させることができる。したがって、第３収容部５１から排出される気体の水素濃度の調整が容易である。

【0075】

また、本実施の形態による水素製造システム１において、濃度調整部５０に供給される気体の水素濃度が水素製造部１５に供給される電力に基づいて決定される所定の値よりも高い場合、第２圧力調整部５５は、第４収容部５２の水素分圧が第３収容部５１の水素分圧よりも低くなるように第４収容部５２の圧力を調整し、これにより第３収容部５１から第４収容部５２へ水素が回収される。また、濃度調整部５０に供給される気体の水素濃度が水素製造部１５に供給される電力に基づいて決定される所定の値よりも低い場合、第２圧力調整部５５は、第４収容部５２の水素分圧が第３収容部５１の水素分圧よりも高くなるように第４収容部５２の圧力を調整し、これにより第４収容部５２から第３収容部５１へ水素が供給される。この場合、水素製造部１５に供給される気体の水素濃度を、上記電力に基づいて調整することができる。これにより、水素製造部１５の劣化を抑制することができる。

【0076】

また、本実施の形態による水素製造システム１は、水素製造部１５に供給される気体と水素製造部１５から排出される気体との間の熱交換を行う熱交換器４５をさらに備えている。この場合、水素製造システム１を流れる気体のエネルギーをさらに効率よく利用することができる。

【0077】

本発明の実施形態といくつかの変形例を説明したが、これらの実施形態および変形例は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態および変形例は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。また、当然のことながら、本発明の要旨の範囲内でこれらの実施形態および変形例を、部分的に適宜組み合わせることも可能である。

【符号の説明】

【0078】

１：水素製造システム、１０：水蒸気発生部、１５：水素製造部、２０：回収部、２１：第１収容部、２２：第２収容部、２３：水素透過層、３０：制御部、３５：混合部、４０：タンク、４５：熱交換器、５０：濃度調整部、５１：第３収容部、５２：第４収容部、５３：第２水素透過層、５５：第２圧力調整部

【図1】

【図2】