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(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】P2024140857
(43)【公開日】2024-10-10
(54)【発明の名称】水素製造システム及び水素製造システムの運転方法
(51)【国際特許分類】
C25B 1/042 20210101AFI20241003BHJP
C25B 9/00 20210101ALI20241003BHJP
C25B 15/021 20210101ALI20241003BHJP
C25B 15/08 20060101ALI20241003BHJP
F22D 1/02 20060101ALI20241003BHJP
【ＦＩ】
C25B1/042
C25B9/00 A
C25B15/021
C25B15/08
F22D1/02
【審査請求】有
【請求項の数】12
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023052203
(22)【出願日】2023-03-28
(71)【出願人】
【識別番号】000006208
【氏名又は名称】三菱重工業株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110000785
【氏名又は名称】ＳＳＩＰ弁理士法人
(72)【発明者】
【氏名】岩井 康
(72)【発明者】
【氏名】眞竹 徳久
(72)【発明者】
【氏名】加藤 雅之
(72)【発明者】
【氏名】入江 弘毅
【テーマコード（参考）】
4K021
【Ｆターム（参考）】
4K021AA01
4K021BA02
4K021CA09
4K021CA12
4K021DC03
(57)【要約】
【課題】ＳＯＥＣにおいて水蒸気の電気分解で生成される水素の製造コストを抑制するとともに電気分解できる水蒸気量の範囲を拡大できる水素製造システム及び水素製造システムの運転方法を提供する。
【解決手段】水素製造システムは、水蒸気を電気分解する固体酸化物形電解セル（ＳＯＥＣ）と、供給水を加熱して水蒸気を生成する水蒸気生成装置と、ＳＯＥＣの水素極から排出された水蒸気に含まれる水素の一部を燃焼させる燃焼器とを備え、水蒸気生成装置は、供給水の少なくとも一部と燃焼器において生成した燃焼ガスを含むガスとが熱交換することにより供給水の少なくとも一部が加熱されて水蒸気の少なくとも一部が生成されるように構成されている。
【選択図】図１
【解決手段】水素製造システムは、水蒸気を電気分解する固体酸化物形電解セル（ＳＯＥＣ）と、供給水を加熱して水蒸気を生成する水蒸気生成装置と、ＳＯＥＣの水素極から排出された水蒸気に含まれる水素の一部を燃焼させる燃焼器とを備え、水蒸気生成装置は、供給水の少なくとも一部と燃焼器において生成した燃焼ガスを含むガスとが熱交換することにより供給水の少なくとも一部が加熱されて水蒸気の少なくとも一部が生成されるように構成されている。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
水蒸気を電気分解する固体酸化物形電解セル（ＳＯＥＣ）と、
供給水を加熱して前記水蒸気を生成する水蒸気生成装置と、
前記ＳＯＥＣの水素極から排出された水蒸気に含まれる水素の一部を燃焼させる燃焼器と
を備え、
前記水蒸気生成装置は、前記供給水の少なくとも一部と前記燃焼器において生成した燃焼ガスを含むガスとが熱交換することにより前記供給水の少なくとも一部が加熱されて前記水蒸気の少なくとも一部が生成されるように構成されている水素製造システム。
供給水を加熱して前記水蒸気を生成する水蒸気生成装置と、
前記ＳＯＥＣの水素極から排出された水蒸気に含まれる水素の一部を燃焼させる燃焼器と
を備え、
前記水蒸気生成装置は、前記供給水の少なくとも一部と前記燃焼器において生成した燃焼ガスを含むガスとが熱交換することにより前記供給水の少なくとも一部が加熱されて前記水蒸気の少なくとも一部が生成されるように構成されている水素製造システム。
【請求項2】
前記水素極から排出された水蒸気が流通する水蒸気排出ラインを備え、
前記水蒸気生成装置は、前記水蒸気排出ラインを流通する水蒸気と前記供給水とが熱交換する主熱交換器を備え、
前記水蒸気排出ラインには、前記主熱交換器よりも上流側に前記燃焼器が設けられている、請求項１に記載の水素製造システム。
前記水蒸気生成装置は、前記水蒸気排出ラインを流通する水蒸気と前記供給水とが熱交換する主熱交換器を備え、
前記水蒸気排出ラインには、前記主熱交換器よりも上流側に前記燃焼器が設けられている、請求項１に記載の水素製造システム。
【請求項3】
前記ＳＯＥＣの酸素極から排出された排ガスが流通するガス排出ラインと、
前記ガス排出ラインと前記燃焼器とを連通する酸素含有ガス供給ラインと
を備える、請求項２に記載の水素製造システム。
前記ガス排出ラインと前記燃焼器とを連通する酸素含有ガス供給ラインと
を備える、請求項２に記載の水素製造システム。
【請求項4】
前記酸素極に酸素含有ガスを供給するガス供給ラインと、
前記ガス供給ラインと前記ガス排出ラインとを連通する排ガス再循環ラインと、
前記排ガス再循環ラインを流通する排ガスを昇圧する昇圧機と
を備え、
前記酸素含有ガス供給ラインは、前記排ガス再循環ラインが前記ガス排出ラインから分岐する位置よりも下流側において前記ガス排出ラインから分岐している、請求項３に記載の水素製造システム。
前記ガス供給ラインと前記ガス排出ラインとを連通する排ガス再循環ラインと、
前記排ガス再循環ラインを流通する排ガスを昇圧する昇圧機と
を備え、
前記酸素含有ガス供給ラインは、前記排ガス再循環ラインが前記ガス排出ラインから分岐する位置よりも下流側において前記ガス排出ラインから分岐している、請求項３に記載の水素製造システム。
【請求項5】
前記酸素極に酸素含有ガスを供給するガス供給ラインと、
前記ガス供給ラインと前記ガス排出ラインとを連通する排ガス再循環ラインと、
前記排ガス再循環ラインを流通する排ガスを昇圧する昇圧機と
を備え、
前記酸素含有ガス供給ラインは、前記昇圧機よりも下流側において前記排ガス再循環ラインから分岐している、請求項３に記載の水素製造システム。
前記ガス供給ラインと前記ガス排出ラインとを連通する排ガス再循環ラインと、
前記排ガス再循環ラインを流通する排ガスを昇圧する昇圧機と
を備え、
前記酸素含有ガス供給ラインは、前記昇圧機よりも下流側において前記排ガス再循環ラインから分岐している、請求項３に記載の水素製造システム。
【請求項6】
前記水素極から排出された水蒸気が流通する水蒸気排出ラインと、
前記ＳＯＥＣの酸素極から排出された排ガスが流通するガス排出ラインと、
を備え、
前記水蒸気生成装置は、前記供給水の少なくとも一部と前記酸素極から排出された前記排ガスとが熱交換する第１熱交換器をさらに含み、
前記ガス排出ラインには、前記第１熱交換器よりも上流側に前記燃焼器が設けられ、
前記燃焼器は、水素含有ガス供給ラインを介して前記水蒸気排出ラインと連通している、請求項１に記載の水素製造システム。
前記ＳＯＥＣの酸素極から排出された排ガスが流通するガス排出ラインと、
を備え、
前記水蒸気生成装置は、前記供給水の少なくとも一部と前記酸素極から排出された前記排ガスとが熱交換する第１熱交換器をさらに含み、
前記ガス排出ラインには、前記第１熱交換器よりも上流側に前記燃焼器が設けられ、
前記燃焼器は、水素含有ガス供給ラインを介して前記水蒸気排出ラインと連通している、請求項１に記載の水素製造システム。
【請求項7】
前記水蒸気生成装置は、前記燃焼器よりも上流側で前記ガス排出ラインに設けられた第２熱交換器をさらに備え、
前記第１熱交換器及び前記第２熱交換器のそれぞれにおいて、前記供給水の少なくとも一部と前記ガス排出ラインを流通する排ガスとが熱交換するように構成されている、請求項６に記載の水素製造システム。
前記第１熱交換器及び前記第２熱交換器のそれぞれにおいて、前記供給水の少なくとも一部と前記ガス排出ラインを流通する排ガスとが熱交換するように構成されている、請求項６に記載の水素製造システム。
【請求項8】
前記水蒸気生成装置は、前記供給水の少なくとも一部と前記水蒸気排出ラインを流通する水蒸気とが熱交換する主熱交換器を備え、
前記水素製造システムは、
前記主熱交換器に前記供給水を供給する給水ラインと、
前記給水ラインと前記第１熱交換器とを連通する給水分岐ラインと、
前記主熱交換器と前記水素極とを連通する水蒸気供給ラインと、
前記第１熱交換器と前記水蒸気供給ラインとを連通する水蒸気ラインと、
前記主熱交換器に供給される前記供給水の流量と前記給水分岐ラインを流通する供給水の流量とを調節する第１流量調節装置と
を備える、請求項６に記載の水素製造システム。
前記水素製造システムは、
前記主熱交換器に前記供給水を供給する給水ラインと、
前記給水ラインと前記第１熱交換器とを連通する給水分岐ラインと、
前記主熱交換器と前記水素極とを連通する水蒸気供給ラインと、
前記第１熱交換器と前記水蒸気供給ラインとを連通する水蒸気ラインと、
前記主熱交換器に供給される前記供給水の流量と前記給水分岐ラインを流通する供給水の流量とを調節する第１流量調節装置と
を備える、請求項６に記載の水素製造システム。
【請求項9】
前記水蒸気生成装置は、前記供給水の少なくとも一部と前記水蒸気排出ラインを流通する水蒸気とが熱交換する主熱交換器を備え、
前記水素製造システムは、
前記主熱交換器に前記供給水を供給する給水ラインと、
前記給水ラインと前記第１熱交換器及び前記第２熱交換器の両方とを連通する給水分岐ラインと、
前記第１熱交換器及び前記第２熱交換器の両方と前記水蒸気供給ラインとを連通する水蒸気ラインと、
前記主熱交換器に供給される前記供給水の流量と前記給水分岐ラインを流通する供給水の流量とを調節する第１流量調節装置と
を備える、請求項７に記載の水素製造システム。
前記水素製造システムは、
前記主熱交換器に前記供給水を供給する給水ラインと、
前記給水ラインと前記第１熱交換器及び前記第２熱交換器の両方とを連通する給水分岐ラインと、
前記第１熱交換器及び前記第２熱交換器の両方と前記水蒸気供給ラインとを連通する水蒸気ラインと、
前記主熱交換器に供給される前記供給水の流量と前記給水分岐ラインを流通する供給水の流量とを調節する第１流量調節装置と
を備える、請求項７に記載の水素製造システム。
【請求項10】
前記水素極から排出された水蒸気が流通する水蒸気排出ラインと、
前記ＳＯＥＣの酸素極から排出された排ガスが流通するガス排出ラインと、
前記水蒸気排出ラインと前記燃焼器とを連通する水蒸気抽気ラインと、
前記ガス排出ラインと前記燃焼器とを連通する排ガス抽気ラインと
を備え、
前記水蒸気生成装置は、
前記前記水蒸気排出ラインを流通する水蒸気と前記供給水とが熱交換する主熱交換器と、
前記主熱交換器において生成された水蒸気と前記燃焼器において生成した燃焼ガスとが熱交換する過熱器と
を備える、請求項１に記載の水素製造システム。
前記ＳＯＥＣの酸素極から排出された排ガスが流通するガス排出ラインと、
前記水蒸気排出ラインと前記燃焼器とを連通する水蒸気抽気ラインと、
前記ガス排出ラインと前記燃焼器とを連通する排ガス抽気ラインと
を備え、
前記水蒸気生成装置は、
前記前記水蒸気排出ラインを流通する水蒸気と前記供給水とが熱交換する主熱交換器と、
前記主熱交換器において生成された水蒸気と前記燃焼器において生成した燃焼ガスとが熱交換する過熱器と
を備える、請求項１に記載の水素製造システム。
【請求項11】
前記水蒸気抽気ラインに設けられるとともに該水蒸気抽気ラインを流通する水蒸気の流量を調節する第２流量調節装置を備える、請求項１０に記載の水素製造システム。
【請求項12】
前記排ガス抽気ラインに設けられるとともに該排ガス抽気ラインを流通する排ガスの流量を調節する第３流量調節装置を備える、請求項１１に記載の水素製造システム。
【請求項13】
前記第１流量調節装置によって、前記給水分岐ラインを流通する前記供給水の流量を調節するステップを含む、請求項９に記載の水素製造システムの運転方法。
【請求項14】
前記第２流量調節装置によって前記過熱器における前記水蒸気の過熱度を調節するステップを含む、請求項１１に記載の水素製造システムの運転方法。
【請求項15】
前記第２流量調節装置及び前記第３流量調節装置によって前記過熱器における前記水蒸気の過熱度を調節するステップを含む、請求項１２に記載の水素製造システムの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、水素製造システム及び水素製造システムの運転方法に関する。
【背景技術】
【0002】
特許文献１には、固体酸化物形電解セル（ＳＯＥＣ）において水蒸気を電気分解することにより水素を製造する水素製造システムが記載されている。この水素製造システムでは、ボイラで生成した水蒸気は、ＳＯＥＣの水素極から排出されたガス（水蒸気の電気分解で生成した水素と未反応の水蒸気とを含む）と熱交換器において熱交換することにより加熱されて、ＳＯＥＣの水素極に供給されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特許第７０３９５０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
しかしながら、ＳＯＥＣにおいて電気分解できる水蒸気量の範囲を拡大しようとすると、ボイラや熱交換器等の設備が大型化し、運転コスト上昇の原因となる。また、通常の運転範囲を超えた非定常な運転への対応などを考慮して、ＳＯＥＣにおける水蒸気の電解量が多い条件でボイラや熱交換器等の設備を設計すると、オーバースペックとなって、ＳＯＥＣにおける水蒸気の電解量が設計点より少ない通常の運転条件の場合に、水蒸気を消費しきれなくなったり、ボイラの運転条件が非効率的になったり、運転コストが増加したりするおそれがある。また、低負荷運転時においては、供給される水蒸気の温度が低下して電解電力が増大し、運転コストが増加するおそれがある。
【0005】
上述の事情に鑑みて、本開示の少なくとも１つの実施形態は、ＳＯＥＣにおいて水蒸気の電気分解で生成される水素の製造コストを抑制するとともに電気分解できる水蒸気量の範囲を拡大できる水素製造システム及び水素製造システムの運転方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
上記目的を達成するため、本開示に係る水素製造システムは、水蒸気を電気分解する固体酸化物形電解セル（ＳＯＥＣ）と、供給水を加熱して前記水蒸気を生成する水蒸気生成装置と、前記ＳＯＥＣの水素極から排出された水蒸気に含まれる水素の一部を燃焼させる燃焼器とを備え、前記水蒸気生成装置は、前記供給水の少なくとも一部と前記燃焼器において生成した燃焼ガスを含むガスとが熱交換することにより前記供給水の少なくとも一部が加熱されて前記水蒸気の少なくとも一部が生成されるように構成されている
【発明の効果】
【0007】
本開示の水素製造システムによれば、水蒸気を生成するのに必要な熱量が不足した場合に、水素極から排出された水蒸気に含まれる水素の一部を燃焼器で燃焼させ、生成した燃焼ガスを含むガスと、供給水の少なくとも一部とを熱交換させることにより、生成される水蒸気量が増加するので、ＳＯＥＣにおいて水蒸気の電気分解で生成される水素の製造コストを抑制するとともに電気分解できる水蒸気量の範囲を拡大することができる。
【図面の簡単な説明】
【0008】
【図1】本開示の実施形態１に係る水素製造システムの構成模式図である。
【図2】本開示の実施形態１に係る水素製造システムの変形例の構成模式図である。
【図3】本開示の実施形態１に係る水素製造システムの別の変形例の構成模式図である。
【図4】本開示の実施形態１に係る水素製造システムのさらに別の変形例の構成模式図である。
【図5】本開示の実施形態２に係る水素製造システムの構成模式図である。
【図6】本開示の実施形態２に係る水素製造システムの変形例の構成模式図である。
【図7】本開示の実施形態２に係る水素製造システムの別の変形例の構成模式図である。
【図8】本開示の実施形態２に係る水素製造システムのさらに別の変形例の構成模式図である。
【図9】本開示の実施形態２に係る水素製造システムのさらに別の変形例の構成模式図である。
【図10】本開示の実施形態２に係る水素製造システムのさらに別の変形例の構成模式図である。
【図11】本開示の実施形態３に係る水素製造システムの構成模式図である。
【発明を実施するための形態】
【0009】
以下、本開示の実施形態による水素製造システムについて、図面に基づいて説明する。以下で説明する実施形態は、本開示の一態様を示すものであり、この開示を限定するものではなく、本開示の技術的思想の範囲内で任意に変更可能である。
【0010】
（実施形態１）
＜本開示の実施形態１に係る水素製造システムの構成＞
図１に示すように、本開示の実施形態１に係る水素製造システム１は、水蒸気を電気分解する固体酸化物形電解セル（ＳＯＥＣ）２と、ＳＯＥＣ２に電圧を印加する電源装置３と、ＳＯＥＣ２に供給される水蒸気を生成する水蒸気生成装置５とを備えている。水蒸気生成装置５は主熱交換器５ａを備え、主熱交換器５ａは例えばボイラである。
＜本開示の実施形態１に係る水素製造システムの構成＞
図１に示すように、本開示の実施形態１に係る水素製造システム１は、水蒸気を電気分解する固体酸化物形電解セル（ＳＯＥＣ）２と、ＳＯＥＣ２に電圧を印加する電源装置３と、ＳＯＥＣ２に供給される水蒸気を生成する水蒸気生成装置５とを備えている。水蒸気生成装置５は主熱交換器５ａを備え、主熱交換器５ａは例えばボイラである。
【0011】
ＳＯＥＣ２は、水素極２ａと、酸素極２ｂと、水素極２ａ及び酸素極２ｂとの間に設けられた固体電解質２ｃとを備えている。図１には、１つのＳＯＥＣ２のみが描かれているが、複数のＳＯＥＣ２が筐体６内に収容された構成でもよい。電源装置３は、水素極２ａ及び酸素極２ｂ間に電圧を印加するように構成されている。
【0012】
水素極２ａには、水素極２ａと主熱交換器５ａとを連通する水蒸気供給ライン１０と、水素極２ａから排出された水蒸気が流通する水蒸気排出ライン１１とが接続されている。主熱交換器５ａには、主熱交換器５ａに水を供給する給水ライン１８の一端が接続され、給水ライン１８の他端は給水源１２に接続されている。給水ライン１８にはポンプ１３が設けられている。主熱交換器５ａは、給水ライン１８を介して給水源１２から供給された供給水と水蒸気排出ライン１１を流通する水蒸気とが熱交換するように構成されている。
【0013】
水蒸気排出ライン１１には燃焼器１９が設けられている。後述するように、水蒸気排出ライン１１を流通する水蒸気には水素が含まれており、燃焼器１９は、水蒸気排出ライン１１を流通する水蒸気に含まれる水素の一部を燃焼させるためのものである。このため、燃焼器１９には、例えば空気のような酸素含有ガスを燃焼器１９に供給するための酸素含有ガス供給ライン１７が接続されている。水蒸気排出ライン１１には、主熱交換器５ａよりも下流側に、凝縮器１４を設けてもよい。
【0014】
酸素極２ｂには、酸素極２ｂに供給される酸素含有ガス、例えば空気が流通するガス供給ライン２０と、酸素極２ｂから排出された排ガスが流通するガス排出ライン２１とが接続されている。ガス供給ライン２０には、空気を圧縮するコンプレッサ２２が設けられ、ガス排出ライン２１には、酸素極２ｂから排出された排ガスによって駆動されるパワータービン２３が設けられている。
【0015】
＜本開示の実施形態１に係る水素製造システムの動作＞
次に、本開示の実施形態１に係る水素製造システム１の動作について説明する。給水源１２から供給された供給水が、ポンプ１３により加圧されて給水ライン１８を流通し、主熱交換器５ａにおいて加熱されて水蒸気となる。主熱交換器５ａにおいて生成した水蒸気は、水蒸気供給ライン１０を流通して水素極２ａに流入する。一方、コンプレッサ２２によって圧縮された空気は、ガス供給ライン２０を流通して酸素極２ｂに流入する。
次に、本開示の実施形態１に係る水素製造システム１の動作について説明する。給水源１２から供給された供給水が、ポンプ１３により加圧されて給水ライン１８を流通し、主熱交換器５ａにおいて加熱されて水蒸気となる。主熱交換器５ａにおいて生成した水蒸気は、水蒸気供給ライン１０を流通して水素極２ａに流入する。一方、コンプレッサ２２によって圧縮された空気は、ガス供給ライン２０を流通して酸素極２ｂに流入する。
【0016】
電源装置３が水素極２ａ及び酸素極２ｂ間に電圧を印加することにより、水素極２ａ内の水蒸気が電気分解されて、水素と酸素イオン（Ｏ２－）とが生成される（下記反応式（１）参照）。酸素イオンは固体電解質２ｃを通過し、酸素極２ｂにおいて酸素となる（下記反応式（２）参照）。水素極２ａから排出される水蒸気には、電気分解により生成された水素が含まれ、水素を含んだ水蒸気は水蒸気排出ライン１１を流通する。酸素極２ｂから排出された排ガスは、ガス排出ライン２１を流通し、パワータービン２３に流入してパワータービン２３を駆動する。
Ｈ２Ｏ＋２ｅ－→Ｈ２＋Ｏ２－ ・・・（１）
２Ｏ２－→Ｏ２＋４ｅ－ ・・・（２）
Ｈ２Ｏ＋２ｅ－→Ｈ２＋Ｏ２－ ・・・（１）
２Ｏ２－→Ｏ２＋４ｅ－ ・・・（２）
【0017】
水素極２ａから排出された水蒸気（水素を含む）は、水蒸気排出ライン１１を流通し、主熱交換器５ａにおいて、ポンプ１３により加圧された供給水と熱交換する。主熱交換器５ａにおいて、供給水は加熱されて水蒸気となり、水素極２ａから排出された水蒸気は冷却される。主熱交換器５ａから排出された水蒸気は、水蒸気排出ライン１１を流通し、凝縮器１４に流入する。凝縮器１４では、水蒸気が水に凝縮されることで、水と水素とが気液分離される。凝縮器１４で凝縮された水は排水処理されるか、又は、任意の装置で再利用され、水素は、図示しない水素消費装置又は水素貯蔵装置に送られる。
【0018】
主熱交換器５ａにおいて、給水源１２から供給された供給水と水素極２ａから排出された水蒸気とを熱交換するだけでは、ＳＯＥＣ２において電気分解される水蒸気量を増加させようとしたときに、主熱交換器５ａにおいて水蒸気を生成するのに必要な熱量が不足してしまう場合がある。このような場合、実施形態１では、燃焼器１９において、水素極２ａから排出された水蒸気に含まれる水素の一部を燃焼させる。燃焼器１９における水素の燃焼により生成された燃焼ガスを含む水蒸気は、水素の燃焼熱により温度が上昇する。そのため、燃焼器１９において水素の燃焼を行わない場合と比べて、主熱交換器５ａに供給される水蒸気は高温となり、主熱交換器５ａに供給される供給水との熱交換で生成される水蒸気量を増加させることができる。これにより、ＳＯＥＣ２において必要な量の水蒸気を供給することが可能になる。尚、酸素含有ガス供給ライン１７を介して供給される空気の量を調節することにより、燃焼器１９から排出される水蒸気の温度を調節可能である。
【0019】
このように、水蒸気生成装置５において水蒸気を生成するのに必要な熱量が不足した場合に、水素極２ａから排出された水蒸気に含まれる水素の一部を燃焼器１９で燃焼させ、生成した燃焼ガスを含むガスと、供給水とを熱交換させることにより、生成される水蒸気量を増加させることができるので、ＳＯＥＣ２において電気ボイラの追加等の蒸気生成装置のコスト増加を抑制するとともに電気分解できる水蒸気量の範囲を拡大することができる。
【0020】
＜本開示の実施形態１に係る水素製造システムの変形例＞
実施形態１では、燃焼器１９に供給される酸素含有ガスの供給元を特定しなかったが、酸素含有ガス供給ライン１７に圧縮機を設けて、圧縮機を駆動させることにより大気中の空気を燃焼器１９に供給してもよいし、酸素含有ガスの貯蔵タンクや酸素含有ガスの製造装置から酸素含有ガスを燃焼器１９に供給してもよい。また、図２に示すように、ガス排出ライン２１と燃焼器１９とを連通するように酸素含有ガス供給ライン１７を設け、酸素極２ｂから排出された排ガスの一部を酸素含有ガスとして燃焼器１９に供給してもよい。図２の構成によれば、酸素含有ガスとして高温（水蒸気と同程度の温度）の排ガスを利用することができるので、水蒸気を生成するのに必要な熱量を得るために燃焼器１９で消費される水素の量を低減することができ、その結果、水素製造システム１における水素の製造コストを低減することができる。
実施形態１では、燃焼器１９に供給される酸素含有ガスの供給元を特定しなかったが、酸素含有ガス供給ライン１７に圧縮機を設けて、圧縮機を駆動させることにより大気中の空気を燃焼器１９に供給してもよいし、酸素含有ガスの貯蔵タンクや酸素含有ガスの製造装置から酸素含有ガスを燃焼器１９に供給してもよい。また、図２に示すように、ガス排出ライン２１と燃焼器１９とを連通するように酸素含有ガス供給ライン１７を設け、酸素極２ｂから排出された排ガスの一部を酸素含有ガスとして燃焼器１９に供給してもよい。図２の構成によれば、酸素含有ガスとして高温（水蒸気と同程度の温度）の排ガスを利用することができるので、水蒸気を生成するのに必要な熱量を得るために燃焼器１９で消費される水素の量を低減することができ、その結果、水素製造システム１における水素の製造コストを低減することができる。
【0021】
また、酸素極２ｂから排出された排ガスの一部を酸素含有ガスとして燃焼器１９に供給する構成の代替的な構成として、図３に示すように、酸素極２ｂから排出された排ガスの一部を酸素極２ｂに循環させる目的で、ガス供給ライン２０とガス排出ライン２１とを連通する排ガス再循環ライン２４が設けられているとともに排ガス再循環ライン２４に昇圧機２５が設けられている場合、排ガス再循環ライン２４がガス排出ライン２１から分岐する位置Ａよりも下流側において酸素含有ガス供給ライン１７がガス排出ライン２１から分岐するように構成してもよい。このような構成によれば、排ガスの循環系統（具体的には、排ガス再循環ライン２４を流通する排ガス）への影響を抑えながら、排ガスを燃焼器１９に供給することができる。
【0022】
また、図４に示すように、昇圧機２５よりも下流側において酸素含有ガス供給ライン１７が排ガス再循環ライン２４から分岐するように構成してもよい。この構成によれば、昇圧機２５によって昇圧された状態の排ガスが燃焼器１９に供給されるので、燃焼器１９に排ガスを供給するために酸素含有ガス供給ライン１７に圧縮機を設ける必要がなくなる。また、昇圧機２５よりも下流側において排ガス再循環ライン２４に、排ガスから熱回収するための熱交換器２６が設けられている場合には、昇圧機２５と熱交換器２６との間において酸素含有ガス供給ライン１７が排ガス再循環ライン２４から分岐するように構成してもよい。この構成によれば、熱交換器２６において冷却される前の排ガスを燃焼器１９に供給することができるので、燃焼器１９における水素の消費量を抑制することができる。尚、熱交換器２６は、後述する実施形態２の図５に示される第１熱交換器５ｂと同じように使用することもできる。
【0023】
（実施形態２）
次に、本開示の実施形態２に係る水素製造システムについて説明する。実施形態２に係る水素製造システムは、実施形態１に対して、燃焼器１９を設ける位置を変更したものである。尚、実施形態２において、実施形態１の構成要件と同じものは同じ参照符号を付し、その詳細な説明は省略する。
次に、本開示の実施形態２に係る水素製造システムについて説明する。実施形態２に係る水素製造システムは、実施形態１に対して、燃焼器１９を設ける位置を変更したものである。尚、実施形態２において、実施形態１の構成要件と同じものは同じ参照符号を付し、その詳細な説明は省略する。
【0024】
＜本開示の実施形態２に係る水素製造システムの構成＞
図５に示すように、本開示の実施形態２に係る水素製造システム１では、燃焼器１９はガス排出ライン２１に設けられている。水素極２ａから排出された水素を含む水蒸気（水素含有ガス）の一部を燃焼器１９に供給するために、燃焼器１９には、水蒸気排出ライン１１から分岐した水素含有ガス供給ライン３０が接続されている。
図５に示すように、本開示の実施形態２に係る水素製造システム１では、燃焼器１９はガス排出ライン２１に設けられている。水素極２ａから排出された水素を含む水蒸気（水素含有ガス）の一部を燃焼器１９に供給するために、燃焼器１９には、水蒸気排出ライン１１から分岐した水素含有ガス供給ライン３０が接続されている。
【0025】
水蒸気生成装置５は、主熱交換器５ａに加えて、燃焼器１９よりも下流側でガス排出ライン２１に設けられた第１熱交換器５ｂを備えている。第１熱交換器５ｂは、給水源１２から供給される供給水の一部とガス排出ライン２１を流通する排ガスとを熱交換するためのものである。第１熱交換器５ｂには、給水源１２から供給される供給水の一部を第１熱交換器５ｂに供給するために、ポンプ１３よりも下流側で給水ライン１８から分岐した給水分岐ライン３２が接続されている。後述する動作により第１熱交換器５ｂにおいて水蒸気が生成されるが、この水蒸気を水蒸気供給ライン１０に供給するために、第１熱交換器５ｂと水蒸気供給ライン１０とを連通する水蒸気ライン３３が設けられている。その他の構成は実施形態１と同じである。
【0026】
＜本開示の実施形態２に係る水素製造システムの動作＞
次に、本開示の実施形態２に係る水素製造システム１の動作について説明する。給水源１２からの供給水は、一部が給水分岐ライン３２を流通して第１熱交換器５ｂに流入し、残りが主熱交換器５ａに流入する。主熱交換器５ａでは、実施形態１と同様に、水素極２ａから排出された水蒸気と供給水とが熱交換することにより供給水が加熱されて水蒸気となり、主熱交換器５ａから排出される。
次に、本開示の実施形態２に係る水素製造システム１の動作について説明する。給水源１２からの供給水は、一部が給水分岐ライン３２を流通して第１熱交換器５ｂに流入し、残りが主熱交換器５ａに流入する。主熱交換器５ａでは、実施形態１と同様に、水素極２ａから排出された水蒸気と供給水とが熱交換することにより供給水が加熱されて水蒸気となり、主熱交換器５ａから排出される。
【0027】
第１熱交換器５ｂに流入した供給水は、酸素極２ｂから排出されてガス排出ライン２１を流通する排ガスと熱交換することにより加熱されて水蒸気となる。この水蒸気は、第１熱交換器５ｂから排出された後、水蒸気ライン３３を流通して水蒸気供給ライン１０に流入し、主熱交換器５ａから排出された水蒸気と混合されて水素極２ａに流入する。ＳＯＥＣ２における水蒸気の電気分解の動作と、水素極２ａから排出された水蒸気が主熱交換器５ａにおいて供給水と熱交換した後の動作と、酸素極２ｂに空気を供給する動作とについては実施形態１と同じである。
【0028】
実施形態２においてＳＯＥＣ２に供給する水蒸気量を増加させようとする場合の動作は実施形態１と異なる。次に、実施形態２におけるこの動作について説明する。水蒸気量を増加させる場合、実施形態２では、燃焼器１９において、水素含有ガス供給ライン３０を介して燃焼器１９に供給される水蒸気中の水素を、ガス排出ライン２１を流通する排ガス中の酸素を用いて燃焼させる。供給される水蒸気は排ガスと同程度の温度となっているので、燃焼器１９における水素の燃焼により生成された排ガス（燃焼排ガス）は、水素の燃焼熱により温度が上昇する。そのため、燃焼器１９において水素の燃焼を行わない場合と比べて、第１熱交換器５ｂに供給される排ガスは高温となり、第１熱交換器５ｂに供給される供給水との熱交換で生成される水蒸気量を増加させることができる。これにより、ＳＯＥＣ２において必要な量の水蒸気を供給することが可能になる。尚、水素含有ガス供給ライン３０を介して供給される水蒸気の量を調節することにより、燃焼器１９から排出される排ガスの温度を調節可能である。
【0029】
このように、実施形態２においても、実施形態１と同様に、ＳＯＥＣ２において電気分解できる水蒸気量の範囲を広くカバーできる。ただし、実施形態１では、水素極２ａから排出された水蒸気中に酸素含有ガスが供給されるので、水素製造システム１の製品水素の純度が低下するおそれがある。これに対し、実施形態２では、水蒸気排出ライン１１を流通する水蒸気から抽気された水蒸気を燃焼器１９に供給することにより、水蒸気排出ライン１１を流通する水蒸気に酸素含有ガスが供給されない構成としているので、水素製造システム１の製品水素の純度が低下することを防止できる。
【0030】
＜本開示の実施形態２に係る水素製造システムの変形例＞
図６に示すように、水蒸気生成装置５の構成の一部として、燃焼器１９よりも上流側でガス排出ライン２１に、給水源１２から供給される供給水の一部とガス排出ライン２１を流通する排ガスとを熱交換する第２熱交換器５ｃをさらに追加して設けてもよい。図６には、給水源１２から供給される供給水が第１熱交換器５ｂにおいて排ガスと熱交換した後に、第２熱交換器５ｃにおいて排ガスと熱交換する構成が描かれているが、この形態に限定するものではない。給水源１２から供給される供給水が第２熱交換器５ｃにおいて排ガスと熱交換した後に、第１熱交換器５ｂにおいて排ガスと熱交換する構成であってもよいし、給水源１２から供給される供給水が２つの流れに分割された後に第１熱交換器５ｂ及び第２熱交換器５ｃのそれぞれに供給され、第１熱交換器５ｂ及び第２熱交換器５ｃのそれぞれにおいて生成した水蒸気が合流した後に、又は別々に水蒸気供給ライン１０に流入する構成であってもよい。
図６に示すように、水蒸気生成装置５の構成の一部として、燃焼器１９よりも上流側でガス排出ライン２１に、給水源１２から供給される供給水の一部とガス排出ライン２１を流通する排ガスとを熱交換する第２熱交換器５ｃをさらに追加して設けてもよい。図６には、給水源１２から供給される供給水が第１熱交換器５ｂにおいて排ガスと熱交換した後に、第２熱交換器５ｃにおいて排ガスと熱交換する構成が描かれているが、この形態に限定するものではない。給水源１２から供給される供給水が第２熱交換器５ｃにおいて排ガスと熱交換した後に、第１熱交換器５ｂにおいて排ガスと熱交換する構成であってもよいし、給水源１２から供給される供給水が２つの流れに分割された後に第１熱交換器５ｂ及び第２熱交換器５ｃのそれぞれに供給され、第１熱交換器５ｂ及び第２熱交換器５ｃのそれぞれにおいて生成した水蒸気が合流した後に、又は別々に水蒸気供給ライン１０に流入する構成であってもよい。
【0031】
この構成では、燃焼器１９に流入する排ガスは、第２熱交換器５ｃにおいて水又は水蒸気と熱交換することにより冷却される。このため、燃焼器１９に流入する排ガスの温度が図５の構成に比べて低下する。燃焼器１９において生成する燃焼ガスの温度が高くなり過ぎると、燃焼器１９の耐熱性に起因して、燃焼器１９における可能な燃焼量が制約を受けるが、燃焼器１９に流入する排ガスの温度を抑制することにより、燃焼器１９における可能な燃焼量を増大できるので、ＳＯＥＣ２において電気分解できる水蒸気量の範囲をさらに拡大することができる。
【0032】
図７に示すように、水素極２ａから排出された水蒸気の一部を水素極２ａに循環させる目的で、水蒸気供給ライン１０と水蒸気排出ライン１１とを連通する水蒸気再循環ライン３４が設けられているとともに水蒸気再循環ライン３４に昇圧機３５が設けられている場合、水蒸気再循環ライン３４が水蒸気排出ライン１１から分岐する位置Ｂよりも下流側において水素含有ガス供給ライン３０が水蒸気排出ライン１１から分岐するように構成してもよい。このような構成によれば、水蒸気の循環系統（具体的には、水蒸気再循環ライン３４を流通する水蒸気）に直接的な影響を与えずに、水蒸気に含まれる水素を燃焼器１９に供給することができる。
【0033】
また、図８に示すように、昇圧機３５よりも下流側において水素含有ガス供給ライン３０が水蒸気再循環ライン３４から分岐するように構成してもよい。この構成によれば、昇圧機３５によって昇圧された状態の水蒸気（水素含有ガス）が燃焼器１９に供給されるので、燃焼器１９に水素を供給するために水素含有ガス供給ライン３０に昇圧機を設ける必要がなくなる。
【0034】
さらに、図９に示すように、水素製造システム１が、主熱交換器５ａの下流側における水蒸気排出ライン１１と水蒸気供給ライン１０又は主熱交換器５ａ内の蒸発器（図示せず）とを連通する低温水蒸気再循環ライン３６と、低温水蒸気再循環ライン３６に設けられた昇圧機３７とを備える構成において、昇圧機３７よりも下流側において水素含有ガス供給ライン３０が低温水蒸気再循環ライン３６から分岐するように構成すれば、図８の構成と同様に、昇圧機３７によって昇圧された状態の水蒸気が燃焼器１９に供給されるので、燃焼器１９に水蒸気を供給するために水素含有ガス供給ライン３０に圧縮機を設ける必要がなくなる。また、図８の昇圧機３５と比べて、昇圧機３７が低温で動作するため、圧縮動力の低減や昇圧機本体の低廉化が可能となる。
【0035】
図１０に示すように、給水源１２から供給される供給水に対して、主熱交換器５ａに供給される供給水の流量と給水分岐ライン３２を流通する供給水の流量とを調節する第１流量調節装置３８を設けてもよい。第１流量調節装置３８の構成については特に限定するものではなく、例えば、給水分岐ライン３２に設けられた流量調節バルブ３８ａであってもよい。第１流量調節装置３８が流量調節バルブの場合、流量調節バルブは、給水分岐ライン３２ではなく、給水分岐ライン３２が給水ライン１８から分岐する位置よりも下流側で給水ライン１８に設けられてもよく、または、給水分岐ライン３２及び給水ライン１８のそれぞれに流量調節バルブを設けてもよい。
【0036】
このような構成によれば、流量調節バルブ３８ａの開度を調節することにより、主熱交換器５ａに供給される供給水の流量と給水分岐ライン３２を流通する供給水の流量とのそれぞれが調節され、主熱交換器５ａ及び第１熱交換器５ｂのそれぞれで生成する水蒸気の量を調節することができる。その結果、水素製造システム１で発生する余剰の熱を最大限利用しながら、低負荷時や負荷変動時においても、ＳＯＥＣ２における水蒸気の電気分解に必要な量の水蒸気を適切に供給することが可能になる。また、第１流量調節装置３８が設けられる場合、主熱交換器５ａへ供給される供給水の流量を調節する機構を設け、この機構により、供給水の流量が水素製造システム１の運転に必要な流量となるように調節してもよい。これにより、主熱交換器５ａ及び第１熱交換器５ｂにおいて生成される水蒸気量を個別に調節することができる。尚、この機構の構成については特に限定するものではなく、例えば、ポンプ１３が設けられている場合には、ポンプ１３の吐出量を調節する装置であってもよい。
【0037】
尚、図１０は、実施形態２（図５）の構成に対して第１流量調節装置３８を設けた構成であるが、この形態に限定するものではない。実施形態２の各変形例（図６～９）の構成に対して第１流量調節装置３８を設けた構成としても、同様の動作により同様の作用効果を得ることができる。
【0038】
（実施形態３）
次に、本開示の実施形態３に係る水素製造システムについて説明する。実施形態３に係る水素製造システムは、実施形態１に対して、水蒸気生成装置５が、生成された水蒸気を過熱するための過熱器を備え、過熱器の熱源として燃焼器で発生した燃焼熱を利用するようにしたものである。尚、実施形態１において、実施形態１の構成要件と同じものは同じ参照符号を付し、その詳細な説明は省略する。また、構成上の矛盾がない限り、実施形態１で説明した変形例の構成を実施形態３にも適用可能である。
次に、本開示の実施形態３に係る水素製造システムについて説明する。実施形態３に係る水素製造システムは、実施形態１に対して、水蒸気生成装置５が、生成された水蒸気を過熱するための過熱器を備え、過熱器の熱源として燃焼器で発生した燃焼熱を利用するようにしたものである。尚、実施形態１において、実施形態１の構成要件と同じものは同じ参照符号を付し、その詳細な説明は省略する。また、構成上の矛盾がない限り、実施形態１で説明した変形例の構成を実施形態３にも適用可能である。
【0039】
＜本開示の実施形態３に係る水素製造システムの構成＞
図１１に示すように、本開示の実施形態３に係る水素製造システム１において、水蒸気生成装置５は、主熱交換器５ａと、主熱交換器５ａにおいて生成された水蒸気と燃焼器１９において生成した燃焼ガスとが熱交換する過熱器５ｄとを備えている。燃焼器１９には、水蒸気排出ライン１１から分岐した水蒸気抽気ライン４０と、ガス排出ライン２１から分岐した排ガス抽気ライン４１とがそれぞれ接続されている。すなわち、水蒸気抽気ライン４０は水蒸気排出ライン１１と燃焼器１９とを連通し、排ガス抽気ライン４１はガス排出ライン２１と燃焼器１９とを連通している。燃焼器１９は、燃焼ガス供給ライン４２を介して過熱器５ｄに連通し、燃焼ガス排出ライン４３を介して、排ガス抽気ライン４１がガス排出ライン２１から分岐する位置Ｃよりも下流側でガス排出ライン２１に連通している。
図１１に示すように、本開示の実施形態３に係る水素製造システム１において、水蒸気生成装置５は、主熱交換器５ａと、主熱交換器５ａにおいて生成された水蒸気と燃焼器１９において生成した燃焼ガスとが熱交換する過熱器５ｄとを備えている。燃焼器１９には、水蒸気排出ライン１１から分岐した水蒸気抽気ライン４０と、ガス排出ライン２１から分岐した排ガス抽気ライン４１とがそれぞれ接続されている。すなわち、水蒸気抽気ライン４０は水蒸気排出ライン１１と燃焼器１９とを連通し、排ガス抽気ライン４１はガス排出ライン２１と燃焼器１９とを連通している。燃焼器１９は、燃焼ガス供給ライン４２を介して過熱器５ｄに連通し、燃焼ガス排出ライン４３を介して、排ガス抽気ライン４１がガス排出ライン２１から分岐する位置Ｃよりも下流側でガス排出ライン２１に連通している。
【0040】
水蒸気抽気ライン４０には、水蒸気抽気ライン４０を流通する水蒸気の流量を調節する第２流量調節装置４４を設けてもよい。さらに、排ガス抽気ライン４１には、排ガス抽気ライン４１を流通する排ガスの流量を調節する第３流量調節装置４５を設けてもよい。第２流量調節装置４４及び第３流量調節装置４５のそれぞれの構成については特に限定するものではなく、例えば、流量調節バルブ４４ａ及び４５ａであってもよい。その他の構成は実施形態１と同じである。
【0041】
＜本開示の実施形態３に係る水素製造システムの動作＞
実施形態１と同様にして、主熱交換器５ａでは、給水源１２から供給された供給水と水素極２ａから排出された水蒸気とが熱交換することにより供給水が加熱されて水蒸気となる。主熱交換器５ａから排出された水蒸気は過熱器５ｄにおいて、後述する動作によって燃焼器１９で生成した燃焼ガスと熱交換することによりさらに過熱された過熱蒸気となる。実施形態３では、水素極２ａに流入する水蒸気の温度をさらに高めることができるので、ＳＯＥＣ２の動作条件を低負荷の運転時においても所望の範囲内に維持することができる。
実施形態１と同様にして、主熱交換器５ａでは、給水源１２から供給された供給水と水素極２ａから排出された水蒸気とが熱交換することにより供給水が加熱されて水蒸気となる。主熱交換器５ａから排出された水蒸気は過熱器５ｄにおいて、後述する動作によって燃焼器１９で生成した燃焼ガスと熱交換することによりさらに過熱された過熱蒸気となる。実施形態３では、水素極２ａに流入する水蒸気の温度をさらに高めることができるので、ＳＯＥＣ２の動作条件を低負荷の運転時においても所望の範囲内に維持することができる。
【0042】
尚、実施形態３において、燃焼器１９には、水蒸気排出ライン１１を流通する水蒸気の一部が水蒸気抽気ライン４０を介して供給されるとともに、ガス排出ライン２１を流通する排ガスの一部が排ガス抽気ライン４１を介して供給され、水蒸気に含まれる水素が排ガスに含まれる酸素によって燃焼される。供給される水蒸気及び排ガスは同程度の温度となっているので、燃焼器１９における水素の燃焼により生成された燃焼ガス（燃焼排ガス）は、水素の燃焼により温度が上昇する。そのため、生成された燃焼ガス（燃焼排ガス）は過熱器５ｄにおいて、主熱交換器５ａから排出された水蒸気と熱交換することにより水蒸気を過熱することができ、供給水が主熱交換器５ａと過熱器５ｄにおいて熱交換することにより生成される水蒸気量を増加させることができる。過熱器５ｄにおいて水蒸気と熱交換した燃焼ガスは、燃焼ガス排出ライン４３を介してガス排出ライン２１に流入し、ガス排出ライン２１を流通する排ガスと混合される。
【0043】
水蒸気抽気ライン４０に流量調節バルブ４４ａが設けられている場合には、流量調節バルブ４４ａを用いて過熱器５ｄにおける水蒸気の過熱度を調節することにより、水素極２ａに流入する水蒸気の温度を所望の温度に制御できるので、ＳＯＥＣ２の動作条件を最適な状態に維持することができる。流量調節バルブ４４ａに加えて、排ガス抽気ライン４１に流量調節バルブ４５ａが設けられている場合には、流量調節バルブ４４ａ及び４５ａを用いて過熱器５ｄにおける水蒸気の過熱度を調節することにより、水素極２ａに流入する水蒸気の温度の制御がさらに容易となるので、より幅広いＳＯＥＣ２の運転領域においても安定した運転が可能となる。
【0044】
（本開示の水蒸気生成装置と燃焼器との関係）
本開示において、実施形態１では水蒸気生成装置５は主熱交換器５ａを備え、主熱交換器５ａにおいて、給水源１２から供給された供給水と燃焼器１９において生成した燃焼ガスを含む水蒸気とが熱交換することにより供給水が加熱されて水蒸気が生成される。実施形態２では水蒸気生成装置５は、主熱交換器５ａ及び第１熱交換器５ｂを備える構成、又は、主熱交換器５ａと第１熱交換器５ｂ及び第２熱交換器５ｃを備える構成を有し、第１熱交換器５ｂ及び第２熱交換器５ｃにおいて、給水源１２から供給された供給水の一部と、水素極２ａから排出された水蒸気に含まれる水素の一部を燃焼させる燃焼器１９において生成した燃焼ガスを含む排ガスとが熱交換することにより、供給水が加熱されて水蒸気が生成される。実施形態３では水蒸気生成装置５は、主熱交換器５ａ及び過熱器５ｄを備え、過熱器５ｄにおいて、主熱交換器５ａから排出された水蒸気と、水素極２ａから排出された水蒸気に含まれる水素の一部を燃焼させる燃焼器１９において生成した燃焼ガスとが熱交換することにより、水蒸気がさらに過熱されて、水素極２ａに流入する過熱蒸気が生成される。実施形態１～３によれば、水蒸気生成装置５は、水素製造システム１に、供給水の少なくとも一部と、水素極２ａから排出された水蒸気に含まれる水素の一部を燃焼させる燃焼器１９において生成した燃焼ガスを含むガスとが熱交換することにより、供給水（主熱交換器５ａにおいて生成した水蒸気も含む）の少なくとも一部が加熱されて水蒸気の少なくとも一部が生成され、全体として生成される水蒸気量が増加するように構成されていると言える。
本開示において、実施形態１では水蒸気生成装置５は主熱交換器５ａを備え、主熱交換器５ａにおいて、給水源１２から供給された供給水と燃焼器１９において生成した燃焼ガスを含む水蒸気とが熱交換することにより供給水が加熱されて水蒸気が生成される。実施形態２では水蒸気生成装置５は、主熱交換器５ａ及び第１熱交換器５ｂを備える構成、又は、主熱交換器５ａと第１熱交換器５ｂ及び第２熱交換器５ｃを備える構成を有し、第１熱交換器５ｂ及び第２熱交換器５ｃにおいて、給水源１２から供給された供給水の一部と、水素極２ａから排出された水蒸気に含まれる水素の一部を燃焼させる燃焼器１９において生成した燃焼ガスを含む排ガスとが熱交換することにより、供給水が加熱されて水蒸気が生成される。実施形態３では水蒸気生成装置５は、主熱交換器５ａ及び過熱器５ｄを備え、過熱器５ｄにおいて、主熱交換器５ａから排出された水蒸気と、水素極２ａから排出された水蒸気に含まれる水素の一部を燃焼させる燃焼器１９において生成した燃焼ガスとが熱交換することにより、水蒸気がさらに過熱されて、水素極２ａに流入する過熱蒸気が生成される。実施形態１～３によれば、水蒸気生成装置５は、水素製造システム１に、供給水の少なくとも一部と、水素極２ａから排出された水蒸気に含まれる水素の一部を燃焼させる燃焼器１９において生成した燃焼ガスを含むガスとが熱交換することにより、供給水（主熱交換器５ａにおいて生成した水蒸気も含む）の少なくとも一部が加熱されて水蒸気の少なくとも一部が生成され、全体として生成される水蒸気量が増加するように構成されていると言える。
【0045】
上記各実施形態に記載の内容は、例えば以下のように把握される。
【0046】
［１］一の態様に係る水素製造システムは、
水蒸気を電気分解する固体酸化物形電解セル（ＳＯＥＣ）（２）と、
供給水を加熱して前記水蒸気を生成する水蒸気生成装置（５）と、
前記ＳＯＥＣ（２）の水素極（２ａ）から排出された水蒸気に含まれる水素の一部を燃焼させる燃焼器（１９）と
を備え、
前記水蒸気生成装置（５）は、前記供給水の少なくとも一部と前記燃焼器（１９）において生成した燃焼ガスを含むガスとが熱交換することにより前記供給水の少なくとも一部が加熱されて前記水蒸気の少なくとも一部が生成されるように構成されている。
水蒸気を電気分解する固体酸化物形電解セル（ＳＯＥＣ）（２）と、
供給水を加熱して前記水蒸気を生成する水蒸気生成装置（５）と、
前記ＳＯＥＣ（２）の水素極（２ａ）から排出された水蒸気に含まれる水素の一部を燃焼させる燃焼器（１９）と
を備え、
前記水蒸気生成装置（５）は、前記供給水の少なくとも一部と前記燃焼器（１９）において生成した燃焼ガスを含むガスとが熱交換することにより前記供給水の少なくとも一部が加熱されて前記水蒸気の少なくとも一部が生成されるように構成されている。
【0047】
本開示の水素製造システムによれば、水蒸気を生成するのに必要な熱量が不足した場合に、水素極から排出された水蒸気に含まれる水素の一部を燃焼器で燃焼させ、生成した燃焼ガスを含むガスと、供給水の少なくとも一部とを熱交換させることにより、生成される水蒸気量が増加するので、ＳＯＥＣにおいて水蒸気の電気分解で生成される水素の製造コストを抑制するとともに電気分解できる水蒸気量の範囲を拡大することができる。
【0048】
［２］別の態様に係る水素製造システムは、［１］の水素製造システムであって、
前記水素極（２ａ）から排出された水蒸気が流通する水蒸気排出ライン（１１）を備え、
前記水蒸気生成装置（５）は、前記水蒸気排出ライン（１１）を流通する水蒸気と前記供給水とが熱交換する主熱交換器（５ａ）を備え、
前記水蒸気排出ライン（１１）には、前記主熱交換器（５ａ）よりも上流側に前記燃焼器（１９）が設けられている。
前記水素極（２ａ）から排出された水蒸気が流通する水蒸気排出ライン（１１）を備え、
前記水蒸気生成装置（５）は、前記水蒸気排出ライン（１１）を流通する水蒸気と前記供給水とが熱交換する主熱交換器（５ａ）を備え、
前記水蒸気排出ライン（１１）には、前記主熱交換器（５ａ）よりも上流側に前記燃焼器（１９）が設けられている。
【0049】
このような構成によれば、水蒸気を生成するのに必要な熱量が不足した場合に、供給水と燃焼器において生成した燃焼ガスを含むガスとが熱交換することにより、供給水がさらに加熱されて生成される水蒸気量が増加するので、ＳＯＥＣにおいて電気分解できる水蒸気量の範囲を拡大することができる。
【0050】
［３］さらに別の態様に係る水素製造システムは、［２］の水素製造システムであって、
前記ＳＯＥＣ（２）の酸素極（２ｂ）から排出された排ガスが流通するガス排出ライン（２１）と、
前記ガス排出ライン（２１）と前記燃焼器（１９）とを連通する酸素含有ガス供給ライン（１７）と
を備える。
前記ＳＯＥＣ（２）の酸素極（２ｂ）から排出された排ガスが流通するガス排出ライン（２１）と、
前記ガス排出ライン（２１）と前記燃焼器（１９）とを連通する酸素含有ガス供給ライン（１７）と
を備える。
【0051】
このような構成によれば、水素を燃焼させるために必要な酸素含有ガスとして高温の排ガスを利用することができるので、水蒸気を生成するのに必要な熱量を得るために燃焼器で消費される水素の量を低減することができ、その結果、水素製造システムにおける水素の製造コストを低減することができる。
【0052】
［４］さらに別の態様に係る水素製造システムは、［３］の水素製造システムであって、
前記酸素極（２ｂ）に酸素含有ガスを供給するガス供給ライン（２０）と、
前記ガス供給ライン（２０）と前記ガス排出ライン（２１）とを連通する排ガス再循環ライン（２４）と、
前記排ガス再循環ライン（２４）を流通する排ガスを昇圧する昇圧機（２５）と
を備え、
前記酸素含有ガス供給ライン（１７）は、前記排ガス再循環ライン（２４）が前記ガス排出ライン（２１）から分岐する位置（Ａ）よりも下流側において前記ガス排出ライン（２１）から分岐している。
前記酸素極（２ｂ）に酸素含有ガスを供給するガス供給ライン（２０）と、
前記ガス供給ライン（２０）と前記ガス排出ライン（２１）とを連通する排ガス再循環ライン（２４）と、
前記排ガス再循環ライン（２４）を流通する排ガスを昇圧する昇圧機（２５）と
を備え、
前記酸素含有ガス供給ライン（１７）は、前記排ガス再循環ライン（２４）が前記ガス排出ライン（２１）から分岐する位置（Ａ）よりも下流側において前記ガス排出ライン（２１）から分岐している。
【0053】
このような構成によれば、水素を燃焼させるために必要な酸素含有ガスとしてさらに高温の排ガスを低負荷時や負荷変動時にも安定して燃焼器で利用することができるので、水蒸気を生成するのに必要な熱量を得るために燃焼器で消費される水素の量を低減することができ、その結果、水素製造システムにおける水素の製造コストを低減することができる。
【0054】
［５］さらに別の態様に係る水素製造システムは、［３］の水素製造システムであって、
前記酸素極（２ｂ）に酸素含有ガスを供給するガス供給ライン（２０）と、
前記ガス供給ライン（２０）と前記ガス排出ライン（２１）とを連通する排ガス再循環ライン（２４）と、
前記排ガス再循環ライン（２４）を流通する排ガスを昇圧する昇圧機（２５）と
を備え、
前記酸素含有ガス供給ライン（１７）は、前記昇圧機（２５）よりも下流側において前記排ガス再循環ライン（２４）から分岐している。
前記酸素極（２ｂ）に酸素含有ガスを供給するガス供給ライン（２０）と、
前記ガス供給ライン（２０）と前記ガス排出ライン（２１）とを連通する排ガス再循環ライン（２４）と、
前記排ガス再循環ライン（２４）を流通する排ガスを昇圧する昇圧機（２５）と
を備え、
前記酸素含有ガス供給ライン（１７）は、前記昇圧機（２５）よりも下流側において前記排ガス再循環ライン（２４）から分岐している。
【0055】
このような構成によれば、水素を燃焼させるために必要な酸素含有ガスを燃焼器に供給するときに、ガス排出ラインの圧力よりも高い圧力へ昇圧する必要がある場合でも、酸素含有ガスの昇圧用として昇圧機を別置きする必要がなく、排ガス再循環ラインに設けられた昇圧機によって昇圧された酸素含有ガスとしての排ガスを燃焼器に供給できるので、水素製造システムにおける水素の製造コストを低減することができる。
【0056】
［６］さらに別の態様に係る水素製造システムは、［１］の水素製造システムであって、
前記水素極（２ａ）から排出された水蒸気が流通する水蒸気排出ライン（１１）と、
前記ＳＯＥＣ（２）の酸素極（２ｂ）から排出された排ガスが流通するガス排出ライン（２１）と、
を備え、
前記水蒸気生成装置（５）は、前記供給水の少なくとも一部と前記酸素極（２ｂ）から排出された前記排ガスとが熱交換する第１熱交換器（５ｂ）をさらに含み、
前記ガス排出ライン（２１）には、前記第１熱交換器（５ｂ）よりも上流側に前記燃焼器（１９）が設けられ、
前記燃焼器（１９）は、水素含有ガス供給ライン（３０）を介して前記水蒸気排出ライン（１１）と連通している。
前記水素極（２ａ）から排出された水蒸気が流通する水蒸気排出ライン（１１）と、
前記ＳＯＥＣ（２）の酸素極（２ｂ）から排出された排ガスが流通するガス排出ライン（２１）と、
を備え、
前記水蒸気生成装置（５）は、前記供給水の少なくとも一部と前記酸素極（２ｂ）から排出された前記排ガスとが熱交換する第１熱交換器（５ｂ）をさらに含み、
前記ガス排出ライン（２１）には、前記第１熱交換器（５ｂ）よりも上流側に前記燃焼器（１９）が設けられ、
前記燃焼器（１９）は、水素含有ガス供給ライン（３０）を介して前記水蒸気排出ライン（１１）と連通している。
【0057】
［２］～［５］の構成では、水素極から排出された水蒸気中に酸素含有ガスが供給されるので、水素製造システムの製品水素の純度が低下するおそれがある。これに対し、［４］の構成によれば、水蒸気排出ラインを流通する水蒸気から抽気された水素を含んだ水蒸気を燃焼器に供給することにより、水蒸気排出ラインを流通する水蒸気に酸素含有ガスが供給されないので、水素製造システムの製品水素の純度が低下することを防止できる。
【0058】
［７］さらに別の態様に係る水素製造システムは、［６］の水素製造システムであって、
前記水蒸気生成装置（５）は、前記燃焼器（１９）よりも上流側で前記ガス排出ライン（２１）に設けられた第２熱交換器（５ｃ）をさらに備え、
前記第１熱交換器（５ｂ）及び前記第２熱交換器（５ｃ）のそれぞれにおいて、前記供給水の少なくとも一部と前記ガス排出ラインを流通する排ガスとが熱交換するように構成されている。
前記水蒸気生成装置（５）は、前記燃焼器（１９）よりも上流側で前記ガス排出ライン（２１）に設けられた第２熱交換器（５ｃ）をさらに備え、
前記第１熱交換器（５ｂ）及び前記第２熱交換器（５ｃ）のそれぞれにおいて、前記供給水の少なくとも一部と前記ガス排出ラインを流通する排ガスとが熱交換するように構成されている。
【0059】
このような構成によれば、第２熱交換器における排ガスと供給水との熱交換において排ガスが冷却されることにより、燃焼器に流入する排ガスの温度が［６］の構成に比べて低下する。燃焼器において生成する燃焼ガスの温度が高くなり過ぎると、燃焼器の耐熱性に起因して、燃焼器における可能な燃焼量が制約を受けるが、燃焼器に流入する排ガスの温度を低下させることにより、燃焼器における可能な燃焼量を増大できるので、生成される水蒸気量を増加でき、ＳＯＥＣにおいて電気分解できる水蒸気量の範囲をさらに拡大することができる。
【0060】
［８］さらに別の態様に係る水素製造システムは、［６］の水素製造システムであって、
前記水蒸気生成装置（５）は、前記供給水の少なくとも一部と前記水蒸気排出ライン（１１）を流通する水蒸気とが熱交換する主熱交換器（５ａ）を備え、
前記水素製造システム（１）は、
前記主熱交換器（５ａ）に前記供給水を供給する給水ライン（１８）と、
前記給水ライン（１８）と前記第１熱交換器（５ｂ）とを連通する給水分岐ライン（３２）と、
前記主熱交換器（５ａ）と前記水素極（２ａ）とを連通する水蒸気供給ライン（１０）と、
前記第１熱交換器（５ｂ）と前記水蒸気供給ライン（１０）とを連通する水蒸気ライン（３３）と、
前記主熱交換器（５ａ）に供給される前記供給水の流量と前記給水分岐ライン（３２）を流通する供給水の流量とを調節する第１流量調節装置（３８）と
を備える。
前記水蒸気生成装置（５）は、前記供給水の少なくとも一部と前記水蒸気排出ライン（１１）を流通する水蒸気とが熱交換する主熱交換器（５ａ）を備え、
前記水素製造システム（１）は、
前記主熱交換器（５ａ）に前記供給水を供給する給水ライン（１８）と、
前記給水ライン（１８）と前記第１熱交換器（５ｂ）とを連通する給水分岐ライン（３２）と、
前記主熱交換器（５ａ）と前記水素極（２ａ）とを連通する水蒸気供給ライン（１０）と、
前記第１熱交換器（５ｂ）と前記水蒸気供給ライン（１０）とを連通する水蒸気ライン（３３）と、
前記主熱交換器（５ａ）に供給される前記供給水の流量と前記給水分岐ライン（３２）を流通する供給水の流量とを調節する第１流量調節装置（３８）と
を備える。
【0061】
このような構成によれば、主熱交換器と第１熱交換器とのそれぞれにおける供給水の加熱量を調節できるので、水素製造システムで発生する余剰の熱利用を最大限に行いながら、ＳＯＥＣにおいて電気分解できる水蒸気量の範囲を拡大でき、電気分解に必要な水蒸気量が増加しても水蒸気を確保することが可能になる。
【0062】
［９］さらに別の態様に係る水素製造システムは、［７］の水素製造システムであって、
前記水蒸気生成装置（５）は、前記供給水の少なくとも一部と前記水蒸気排出ライン（１１）を流通する水蒸気とが熱交換する主熱交換器（５ａ）を備え、
前記水素製造システム（１）は、
前記主熱交換器（５ａ）に前記供給水を供給する給水ライン（１８）と、
前記給水ライン（１８）と前記第１熱交換器（５ｂ）及び前記第２熱交換器（５ｃ）の両方とを連通する給水分岐ライン（３２）と、
前記第１熱交換器（５ｂ）及び前記第２熱交換器（５ｃ）の両方と前記水蒸気供給ライン（１０）とを連通する水蒸気ライン（３３）と、
前記主熱交換器（５ａ）に供給される前記供給水の流量と前記給水分岐ライン（３２）を流通する供給水の流量とを調節する第１流量調節装置（３８）と
を備える。
前記水蒸気生成装置（５）は、前記供給水の少なくとも一部と前記水蒸気排出ライン（１１）を流通する水蒸気とが熱交換する主熱交換器（５ａ）を備え、
前記水素製造システム（１）は、
前記主熱交換器（５ａ）に前記供給水を供給する給水ライン（１８）と、
前記給水ライン（１８）と前記第１熱交換器（５ｂ）及び前記第２熱交換器（５ｃ）の両方とを連通する給水分岐ライン（３２）と、
前記第１熱交換器（５ｂ）及び前記第２熱交換器（５ｃ）の両方と前記水蒸気供給ライン（１０）とを連通する水蒸気ライン（３３）と、
前記主熱交換器（５ａ）に供給される前記供給水の流量と前記給水分岐ライン（３２）を流通する供給水の流量とを調節する第１流量調節装置（３８）と
を備える。
【0063】
このような構成によれば、主熱交換器と第１熱交換器と第２熱交換器とのそれぞれにおける供給水の加熱量を調節できるので、さらに幅広い運転条件で運転される水素製造システムで発生した余剰の熱を最大限に利用しながら、ＳＯＥＣにおいて電気分解できる水蒸気量の範囲を拡大でき、電気分解に必要な水蒸気量が増加しても水蒸気を確保することが可能になる。尚、水素含有ガス供給ライン（３０）は水蒸気排出ライン（１１）に接続された水蒸気再循環ライン（３４）の分岐点（Ｂ）より下流（図７参照）、又は、水蒸気再循環ライン（３４）の昇圧機（３５）より下流（図８参照）、又は、主熱交換器（５ａ）の下流に接続された低温水蒸気再循環ライン（３６）の昇圧機（３７）の下流（図９参照）に接続されてもよい。
【0064】
［１０］さらに別の態様に係る水素製造システムは、［１］の水素製造システムであって、
前記水素極（２ａ）から排出された水蒸気が流通する水蒸気排出ライン（１１）と、
前記ＳＯＥＣ（２）の酸素極（２ｂ）から排出された排ガスが流通するガス排出ライン（２１）と、
前記水蒸気排出ライン（１１）と前記燃焼器（１９）とを連通する水蒸気抽気ライン（４０）と、
前記ガス排出ライン（２１）と前記燃焼器（１９）とを連通する排ガス抽気ライン（４１）と
を備え、
前記水蒸気生成装置（５）は、
前記前記水蒸気排出ライン（１１）を流通する水蒸気と前記供給水とが熱交換する主熱交換器（５ａ）と、
前記主熱交換器（５ａ）において生成された水蒸気と前記燃焼器（１９）において生成した燃焼ガスとが熱交換する過熱器（５ｄ）と
を備える。
前記水素極（２ａ）から排出された水蒸気が流通する水蒸気排出ライン（１１）と、
前記ＳＯＥＣ（２）の酸素極（２ｂ）から排出された排ガスが流通するガス排出ライン（２１）と、
前記水蒸気排出ライン（１１）と前記燃焼器（１９）とを連通する水蒸気抽気ライン（４０）と、
前記ガス排出ライン（２１）と前記燃焼器（１９）とを連通する排ガス抽気ライン（４１）と
を備え、
前記水蒸気生成装置（５）は、
前記前記水蒸気排出ライン（１１）を流通する水蒸気と前記供給水とが熱交換する主熱交換器（５ａ）と、
前記主熱交換器（５ａ）において生成された水蒸気と前記燃焼器（１９）において生成した燃焼ガスとが熱交換する過熱器（５ｄ）と
を備える。
【0065】
このような構成によれば、水蒸気生成装置で生成された水蒸気を過熱器において過熱することにより、水素極に流入する水蒸気の温度をさらに高めることができるので、ＳＯＥＣの動作温度を低負荷運転時でも所望の範囲内に維持することができ、運転コストの増大を抑制することができる。
【0066】
［１１］さらに別の態様に係る水素製造システムは、［１０］の水素製造システムであって、
前記水蒸気抽気ライン（４０）に設けられるとともに該水蒸気抽気ライン（４０）を流通する水蒸気の流量を調節する第２流量調節装置（４４）を備える。
前記水蒸気抽気ライン（４０）に設けられるとともに該水蒸気抽気ライン（４０）を流通する水蒸気の流量を調節する第２流量調節装置（４４）を備える。
【0067】
このような構成によれば、第２流量調節装置によって過熱器における水蒸気の過熱を調節することにより、ＳＯＥＣの水素極に流入する水蒸気の温度の制御が容易となるので、ＳＯＥＣの動作温度を低負荷運転時でも所望の範囲内に維持することができ、運転コストの増大を抑制することができる。
【0068】
［１２］さらに別の態様に係る水素製造システムは、［１１］の水素製造システムであって、
前記排ガス抽気ライン（４１）に設けられるとともに該排ガス抽気ライン（４１）を流通する排ガスの流量を調節する第３流量調節装置（４５）を備える。
前記排ガス抽気ライン（４１）に設けられるとともに該排ガス抽気ライン（４１）を流通する排ガスの流量を調節する第３流量調節装置（４５）を備える。
【0069】
このような構成によれば、第２流量調節装置及び第３流量調節装置によって過熱器における水蒸気の過熱を調節することにより、ＳＯＥＣの水素極に流入する水蒸気の温度の制御がさらに容易となるので、より幅広い運転領域におけるＳＯＥＣの安定した運転が可能となり、運転コストの増大を抑制することができる。
【0070】
［１３］一の態様に係る水素製造システムは、
［９］の水素製造システムの運転方法であって、
前記第１流量調節装置（３８）によって、前記給水分岐ライン（３２）を流通する前記供給水の流量を調節するステップを含む。
［９］の水素製造システムの運転方法であって、
前記第１流量調節装置（３８）によって、前記給水分岐ライン（３２）を流通する前記供給水の流量を調節するステップを含む。
【0071】
本開示の水素製造システムの運転方法によれば、主熱交換器及び第１熱交換器のそれぞれで生成する水蒸気の量を調節することができるので、水素製造システムで発生する余剰の熱利用を最大限行いながら、低負荷時や負荷変動時においても、ＳＯＥＣにおける水蒸気の電気分解に必要な量の水蒸気を適切に供給することが可能になる。
【0072】
［１４］一の態様に係る水素製造システムは、
［１１］の水素製造システムの運転方法であって、
前記第２流量調節装置（４４）によって前記過熱器（５ｄ）における前記水蒸気の過熱度を調節するステップを含む。
［１１］の水素製造システムの運転方法であって、
前記第２流量調節装置（４４）によって前記過熱器（５ｄ）における前記水蒸気の過熱度を調節するステップを含む。
【0073】
本開示の水素製造システムの運転方法によれば、第２流量調節装置によって過熱器における水蒸気の過熱度を調節することにより、水素極に流入する水蒸気の温度を所望の温度に制御できるので、ＳＯＥＣの動作条件を最適な状態に維持することができる。
【0074】
［１５］一の態様に係る水素製造システムは、
［１２］の水素製造システムの運転方法であって、
前記第２流量調節装置（４４）及び前記第３流量調節装置（４５）によって前記過熱器（５ｄ）における前記水蒸気の過熱度を調節するステップを含む。
［１２］の水素製造システムの運転方法であって、
前記第２流量調節装置（４４）及び前記第３流量調節装置（４５）によって前記過熱器（５ｄ）における前記水蒸気の過熱度を調節するステップを含む。
【0075】
本開示の水素製造システムの運転方法によれば、第２流量調節装置及び第３流量調節装置によって過熱器において生成したい水蒸気の過熱度に応じた水素ガス含有ガスの流量と酸素含有ガスの流量と燃焼器に供給するように調節することにより、水素極に流入する水蒸気の温度の制御がさらに容易となるので、より幅広いＳＯＥＣの運転領域においても安定した運転が可能となる。
【符号の説明】
【0076】
１ 水素製造システム
２ 固体酸化物形電解セル（ＳＯＥＣ）
２ａ 水素極
２ｂ 酸素極
５ 水蒸気生成装置
５ａ 主熱交換器
５ｂ 第１熱交換器
５ｃ 第２熱交換器
５ｄ 過熱器
１０ 水蒸気供給ライン
１１ 水蒸気排出ライン
１２ 給水源
１３ ポンプ
１７ 酸素含有ガス供給ライン
１８ 給水ライン
１９ 燃焼器
２０ ガス供給ライン
２１ ガス排出ライン
２４ 排ガス再循環ライン
２５，３５，３７ 昇圧機
３０ 水素含有ガス供給ライン
３２ 給水分岐ライン
３３ 水蒸気ライン
３８ 第１流量調節装置
４０ 水蒸気抽気ライン
４１ 排ガス抽気ライン
４４ 第２流量調節装置
４５ 第３流量調節装置
２ 固体酸化物形電解セル（ＳＯＥＣ）
２ａ 水素極
２ｂ 酸素極
５ 水蒸気生成装置
５ａ 主熱交換器
５ｂ 第１熱交換器
５ｃ 第２熱交換器
５ｄ 過熱器
１０ 水蒸気供給ライン
１１ 水蒸気排出ライン
１２ 給水源
１３ ポンプ
１７ 酸素含有ガス供給ライン
１８ 給水ライン
１９ 燃焼器
２０ ガス供給ライン
２１ ガス排出ライン
２４ 排ガス再循環ライン
２５，３５，３７ 昇圧機
３０ 水素含有ガス供給ライン
３２ 給水分岐ライン
３３ 水蒸気ライン
３８ 第１流量調節装置
４０ 水蒸気抽気ライン
４１ 排ガス抽気ライン
４４ 第２流量調節装置
４５ 第３流量調節装置
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【手続補正書】
【提出日】2024-05-28
【手続補正1】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項1】
水蒸気を電気分解する固体酸化物形電解セル（ＳＯＥＣ）と、
供給水を加熱して前記水蒸気を生成する水蒸気生成装置と、
前記ＳＯＥＣの水素極から排出された水蒸気に含まれる水素の一部を燃焼させる燃焼器と、
前記水素極から排出された水蒸気が流通する水蒸気排出ラインと、
前記ＳＯＥＣの酸素極から排出された排ガスが流通するガス排出ラインと、
前記ガス排出ラインと前記燃焼器とを連通する酸素含有ガス供給ラインと、
前記酸素極に酸素含有ガスを供給するガス供給ラインと、
前記ガス供給ラインと前記ガス排出ラインとを連通する排ガス再循環ラインと、
前記排ガス再循環ラインを流通する排ガスを昇圧する昇圧機と
を備え、
前記水蒸気生成装置は、前記供給水の少なくとも一部と前記燃焼器において生成した燃焼ガスを含むガスとが熱交換することにより前記供給水の少なくとも一部が加熱されて前記水蒸気の少なくとも一部が生成されるように構成され、
前記水蒸気生成装置は、前記水蒸気排出ラインを流通する水蒸気と前記供給水とが熱交換する主熱交換器を備え、
前記水蒸気排出ラインには、前記主熱交換器よりも上流側に前記燃焼器が設けられ、
前記酸素含有ガス供給ラインは、前記排ガス再循環ラインが前記ガス排出ラインから分岐する位置よりも下流側において前記ガス排出ラインから分岐している水素製造システム。
供給水を加熱して前記水蒸気を生成する水蒸気生成装置と、
前記ＳＯＥＣの水素極から排出された水蒸気に含まれる水素の一部を燃焼させる燃焼器と、
前記水素極から排出された水蒸気が流通する水蒸気排出ラインと、
前記ＳＯＥＣの酸素極から排出された排ガスが流通するガス排出ラインと、
前記ガス排出ラインと前記燃焼器とを連通する酸素含有ガス供給ラインと、
前記酸素極に酸素含有ガスを供給するガス供給ラインと、
前記ガス供給ラインと前記ガス排出ラインとを連通する排ガス再循環ラインと、
前記排ガス再循環ラインを流通する排ガスを昇圧する昇圧機と
を備え、
前記水蒸気生成装置は、前記供給水の少なくとも一部と前記燃焼器において生成した燃焼ガスを含むガスとが熱交換することにより前記供給水の少なくとも一部が加熱されて前記水蒸気の少なくとも一部が生成されるように構成され、
前記水蒸気生成装置は、前記水蒸気排出ラインを流通する水蒸気と前記供給水とが熱交換する主熱交換器を備え、
前記水蒸気排出ラインには、前記主熱交換器よりも上流側に前記燃焼器が設けられ、
前記酸素含有ガス供給ラインは、前記排ガス再循環ラインが前記ガス排出ラインから分岐する位置よりも下流側において前記ガス排出ラインから分岐している水素製造システム。
【請求項2】
水蒸気を電気分解する固体酸化物形電解セル（ＳＯＥＣ）と、
供給水を加熱して前記水蒸気を生成する水蒸気生成装置と、
前記ＳＯＥＣの水素極から排出された水蒸気に含まれる水素の一部を燃焼させる燃焼器と、
前記水素極から排出された水蒸気が流通する水蒸気排出ラインと、
前記ＳＯＥＣの酸素極から排出された排ガスが流通するガス排出ラインと、
前記酸素極に酸素含有ガスを供給するガス供給ラインと、
前記ガス供給ラインと前記ガス排出ラインとを連通する排ガス再循環ラインと、
前記排ガス再循環ラインを流通する排ガスを昇圧する昇圧機と、
前記排ガス再循環ラインと前記燃焼器とを連通する酸素含有ガス供給ラインと
を備え、
前記水蒸気生成装置は、前記供給水の少なくとも一部と前記燃焼器において生成した燃焼ガスを含むガスとが熱交換することにより前記供給水の少なくとも一部が加熱されて前記水蒸気の少なくとも一部が生成されるように構成され、
前記水蒸気生成装置は、前記水蒸気排出ラインを流通する水蒸気と前記供給水とが熱交換する主熱交換器を備え、
前記水蒸気排出ラインには、前記主熱交換器よりも上流側に前記燃焼器が設けられ、
前記酸素含有ガス供給ラインは、前記昇圧機よりも下流側において前記排ガス再循環ラインから分岐している水素製造システム。
供給水を加熱して前記水蒸気を生成する水蒸気生成装置と、
前記ＳＯＥＣの水素極から排出された水蒸気に含まれる水素の一部を燃焼させる燃焼器と、
前記水素極から排出された水蒸気が流通する水蒸気排出ラインと、
前記ＳＯＥＣの酸素極から排出された排ガスが流通するガス排出ラインと、
前記酸素極に酸素含有ガスを供給するガス供給ラインと、
前記ガス供給ラインと前記ガス排出ラインとを連通する排ガス再循環ラインと、
前記排ガス再循環ラインを流通する排ガスを昇圧する昇圧機と、
前記排ガス再循環ラインと前記燃焼器とを連通する酸素含有ガス供給ラインと
を備え、
前記水蒸気生成装置は、前記供給水の少なくとも一部と前記燃焼器において生成した燃焼ガスを含むガスとが熱交換することにより前記供給水の少なくとも一部が加熱されて前記水蒸気の少なくとも一部が生成されるように構成され、
前記水蒸気生成装置は、前記水蒸気排出ラインを流通する水蒸気と前記供給水とが熱交換する主熱交換器を備え、
前記水蒸気排出ラインには、前記主熱交換器よりも上流側に前記燃焼器が設けられ、
前記酸素含有ガス供給ラインは、前記昇圧機よりも下流側において前記排ガス再循環ラインから分岐している水素製造システム。
【請求項3】
水蒸気を電気分解する固体酸化物形電解セル（ＳＯＥＣ）と、
供給水を加熱して前記水蒸気を生成する水蒸気生成装置と、
前記ＳＯＥＣの水素極から排出された水蒸気に含まれる水素の一部を燃焼させる燃焼器と、
前記水素極から排出された水蒸気が流通する水蒸気排出ラインと、
前記ＳＯＥＣの酸素極から排出された排ガスが流通するガス排出ラインと、
を備え、
前記水蒸気生成装置は、前記供給水の少なくとも一部と前記燃焼器において生成した燃焼ガスを含むガスとが熱交換することにより前記供給水の少なくとも一部が加熱されて前記水蒸気の少なくとも一部が生成されるように構成され、
前記ガス排出ラインには前記燃焼器が設けられ、
前記水蒸気生成装置は、前記供給水の少なくとも一部と前記燃焼器における水素の燃焼により生成された燃焼排ガスとが熱交換する第１熱交換器をさらに含み、
前記燃焼器は、水素含有ガス供給ラインを介して前記水蒸気排出ラインと連通している水素製造システム。
供給水を加熱して前記水蒸気を生成する水蒸気生成装置と、
前記ＳＯＥＣの水素極から排出された水蒸気に含まれる水素の一部を燃焼させる燃焼器と、
前記水素極から排出された水蒸気が流通する水蒸気排出ラインと、
前記ＳＯＥＣの酸素極から排出された排ガスが流通するガス排出ラインと、
を備え、
前記水蒸気生成装置は、前記供給水の少なくとも一部と前記燃焼器において生成した燃焼ガスを含むガスとが熱交換することにより前記供給水の少なくとも一部が加熱されて前記水蒸気の少なくとも一部が生成されるように構成され、
前記ガス排出ラインには前記燃焼器が設けられ、
前記水蒸気生成装置は、前記供給水の少なくとも一部と前記燃焼器における水素の燃焼により生成された燃焼排ガスとが熱交換する第１熱交換器をさらに含み、
前記燃焼器は、水素含有ガス供給ラインを介して前記水蒸気排出ラインと連通している水素製造システム。
【請求項4】
前記水蒸気生成装置は、前記燃焼器よりも上流側で前記ガス排出ラインに設けられた第２熱交換器をさらに備え、
前記第１熱交換器及び前記第２熱交換器のそれぞれにおいて、前記供給水の少なくとも一部と前記ガス排出ラインを流通する排ガスとが熱交換するように構成されている、請求項３に記載の水素製造システム。
前記第１熱交換器及び前記第２熱交換器のそれぞれにおいて、前記供給水の少なくとも一部と前記ガス排出ラインを流通する排ガスとが熱交換するように構成されている、請求項３に記載の水素製造システム。
【請求項5】
前記水蒸気生成装置は、前記供給水の少なくとも一部と前記水蒸気排出ラインを流通する水蒸気とが熱交換する主熱交換器を備え、
前記水素製造システムは、
前記主熱交換器に前記供給水を供給する給水ラインと、
前記給水ラインと前記第１熱交換器とを連通する給水分岐ラインと、
前記主熱交換器と前記水素極とを連通する水蒸気供給ラインと、
前記第１熱交換器と前記水蒸気供給ラインとを連通する水蒸気ラインと、
前記主熱交換器に供給される前記供給水の流量と前記給水分岐ラインを流通する前記供給水の流量とを調節する第１流量調節装置と
を備える、請求項３に記載の水素製造システム。
前記水素製造システムは、
前記主熱交換器に前記供給水を供給する給水ラインと、
前記給水ラインと前記第１熱交換器とを連通する給水分岐ラインと、
前記主熱交換器と前記水素極とを連通する水蒸気供給ラインと、
前記第１熱交換器と前記水蒸気供給ラインとを連通する水蒸気ラインと、
前記主熱交換器に供給される前記供給水の流量と前記給水分岐ラインを流通する前記供給水の流量とを調節する第１流量調節装置と
を備える、請求項３に記載の水素製造システム。
【請求項6】
前記水蒸気生成装置は、前記供給水の少なくとも一部と前記水蒸気排出ラインを流通する水蒸気とが熱交換する主熱交換器を備え、
前記水素製造システムは、
前記主熱交換器に前記供給水を供給する給水ラインと、
前記給水ラインと前記第１熱交換器及び前記第２熱交換器の両方とを連通する給水分岐ラインと、
前記主熱交換器と前記水素極とを連通する水蒸気供給ラインと、
前記第１熱交換器及び前記第２熱交換器の両方と前記水蒸気供給ラインとを連通する水蒸気ラインと、
前記主熱交換器に供給される前記供給水の流量と前記給水分岐ラインを流通する前記供給水の流量とを調節する第１流量調節装置と
を備える、請求項４に記載の水素製造システム。
前記水素製造システムは、
前記主熱交換器に前記供給水を供給する給水ラインと、
前記給水ラインと前記第１熱交換器及び前記第２熱交換器の両方とを連通する給水分岐ラインと、
前記主熱交換器と前記水素極とを連通する水蒸気供給ラインと、
前記第１熱交換器及び前記第２熱交換器の両方と前記水蒸気供給ラインとを連通する水蒸気ラインと、
前記主熱交換器に供給される前記供給水の流量と前記給水分岐ラインを流通する前記供給水の流量とを調節する第１流量調節装置と
を備える、請求項４に記載の水素製造システム。
【請求項7】
水蒸気を電気分解する固体酸化物形電解セル（ＳＯＥＣ）と、
前記ＳＯＥＣの水素極から排出された水蒸気が流通する水蒸気排出ラインと、
前記水蒸気排出ラインを流通する水蒸気と供給水とが熱交換することにより前記供給水を加熱して前記水蒸気を生成する主熱交換器と、
前記水素極から排出された水蒸気に含まれる水素の一部を燃焼させる燃焼器と、
前記主熱交換器において生成された水蒸気と前記燃焼器において生成した燃焼ガスとが熱交換する過熱器と、
前記ＳＯＥＣの酸素極から排出された排ガスが流通するガス排出ラインと、
前記水蒸気排出ラインと前記燃焼器とを連通する水蒸気抽気ラインと、
前記ガス排出ラインと前記燃焼器とを連通する排ガス抽気ラインと
を備える水素製造システム。
前記ＳＯＥＣの水素極から排出された水蒸気が流通する水蒸気排出ラインと、
前記水蒸気排出ラインを流通する水蒸気と供給水とが熱交換することにより前記供給水を加熱して前記水蒸気を生成する主熱交換器と、
前記水素極から排出された水蒸気に含まれる水素の一部を燃焼させる燃焼器と、
前記主熱交換器において生成された水蒸気と前記燃焼器において生成した燃焼ガスとが熱交換する過熱器と、
前記ＳＯＥＣの酸素極から排出された排ガスが流通するガス排出ラインと、
前記水蒸気排出ラインと前記燃焼器とを連通する水蒸気抽気ラインと、
前記ガス排出ラインと前記燃焼器とを連通する排ガス抽気ラインと
を備える水素製造システム。
【請求項8】
前記水蒸気抽気ラインに設けられるとともに該水蒸気抽気ラインを流通する水蒸気の流量を調節する第２流量調節装置を備える、請求項７に記載の水素製造システム。
【請求項9】
前記排ガス抽気ラインに設けられるとともに該排ガス抽気ラインを流通する排ガスの流量を調節する第３流量調節装置を備える、請求項８に記載の水素製造システム。
【請求項10】
前記第１流量調節装置によって、前記給水分岐ラインを流通する前記供給水の流量を調節するステップを含む、請求項６に記載の水素製造システムの運転方法。
【請求項11】
前記第２流量調節装置によって前記過熱器における前記水蒸気の過熱度を調節するステップを含む、請求項８に記載の水素製造システムの運転方法。
【請求項12】
前記第２流量調節装置及び前記第３流量調節装置によって前記過熱器における前記水蒸気の過熱度を調節するステップを含む、請求項９に記載の水素製造システムの運転方法。
【手続補正2】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【0006】
上記目的を達成するため、本開示に係る水素製造システムは、水蒸気を電気分解する固体酸化物形電解セル（ＳＯＥＣ）と、供給水を加熱して前記水蒸気を生成する水蒸気生成装置と、前記ＳＯＥＣの水素極から排出された水蒸気に含まれる水素の一部を燃焼させる燃焼器と、前記水素極から排出された水蒸気が流通する水蒸気排出ラインと、前記ＳＯＥＣの酸素極から排出された排ガスが流通するガス排出ラインと、前記ガス排出ラインと前記燃焼器とを連通する酸素含有ガス供給ラインと、前記酸素極に酸素含有ガスを供給するガス供給ラインと、前記ガス供給ラインと前記ガス排出ラインとを連通する排ガス再循環ラインと、前記排ガス再循環ラインを流通する排ガスを昇圧する昇圧機とを備え、前記水蒸気生成装置は、前記供給水の少なくとも一部と前記燃焼器において生成した燃焼ガスを含むガスとが熱交換することにより前記供給水の少なくとも一部が加熱されて前記水蒸気の少なくとも一部が生成されるように構成され、前記水蒸気生成装置は、前記水蒸気排出ラインを流通する水蒸気と前記供給水とが熱交換する主熱交換器を備え、前記水蒸気排出ラインには、前記主熱交換器よりも上流側に前記燃焼器が設けられ、前記酸素含有ガス供給ラインは、前記排ガス再循環ラインが前記ガス排出ラインから分岐する位置よりも下流側において前記ガス排出ラインから分岐している。