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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】P2024146569
(43)【公開日】2024-10-15
(54)【発明の名称】電解システム及び電解システムの運転方法
(51)【国際特許分類】
C25B 15/023 20210101AFI20241004BHJP
C25B 1/042 20210101ALI20241004BHJP
C25B 9/00 20210101ALI20241004BHJP
C25B 15/021 20210101ALI20241004BHJP
【ＦＩ】
C25B15/023
C25B1/042
C25B9/00 A
C25B15/021
【審査請求】有
【請求項の数】7
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023059552
(22)【出願日】2023-03-31
(11)【特許番号】
(45)【特許公報発行日】2024-10-01
(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】100112737
【弁理士】
【氏名又は名称】藤田 考晴
(74)【代理人】
【識別番号】100136168
【弁理士】
【氏名又は名称】川上 美紀
(74)【代理人】
【識別番号】100172524
【弁理士】
【氏名又は名称】長田 大輔
(72)【発明者】
【氏名】田村 憲
(72)【発明者】
【氏名】加藤 雅之
(72)【発明者】
【氏名】眞竹 徳久
(72)【発明者】
【氏名】吉本 俊純
【テーマコード（参考）】
4K021
【Ｆターム（参考）】
4K021AA01
4K021BA02
4K021BC06
4K021CA09
4K021DC01
4K021DC03
(57)【要約】
【課題】温度調整ガスを昇圧するための動力を低減するとともに酸素極を循環するガスの酸素濃度が過度に増加することを防止する。
【解決手段】電解セル１１と、電解セル１１の温度を調整する空気を酸素極に供給する空気供給系統２０と、電解セル１１から排出される酸素および空気を含む排空気が流通する排出系統３０と、排出系統３０に排出された排空気の少なくとも一部を空気供給系統２０へ導く循環系統４０と、電解セル１１から排出系統３０に排出された排空気の酸素濃度を測定する酸素濃度測定部６０と、酸素濃度測定部６０が測定する酸素濃度が設定濃度範囲を超えないように、循環系統４０から空気供給系統２０へ導かれる排空気の酸素濃度を低下させる水蒸気供給系統７０と、を備える電解システム１０を提供する。
【選択図】図４
【解決手段】電解セル１１と、電解セル１１の温度を調整する空気を酸素極に供給する空気供給系統２０と、電解セル１１から排出される酸素および空気を含む排空気が流通する排出系統３０と、排出系統３０に排出された排空気の少なくとも一部を空気供給系統２０へ導く循環系統４０と、電解セル１１から排出系統３０に排出された排空気の酸素濃度を測定する酸素濃度測定部６０と、酸素濃度測定部６０が測定する酸素濃度が設定濃度範囲を超えないように、循環系統４０から空気供給系統２０へ導かれる排空気の酸素濃度を低下させる水蒸気供給系統７０と、を備える電解システム１０を提供する。
【選択図】図４
【特許請求の範囲】
【請求項1】
酸素極と水素極とを有し、前記水素極に供給された水蒸気を電気分解することで、前記水素極で水素を生成するとともに前記酸素極で酸素を生成する電解セルと、
前記電解セルの温度を調整する温度調整ガスを前記酸素極に供給する供給系統と、
前記電解セルから排出される前記酸素および前記温度調整ガスを含む排出ガスが流通する排出系統と、
前記排出系統に排出された前記排出ガスの少なくとも一部を前記供給系統へ導く循環系統と、
前記電解セルから前記排出系統に排出された前記排出ガスの酸素濃度を測定する酸素濃度測定部と、
前記酸素濃度測定部が測定する酸素濃度が設定濃度範囲を超えないように、前記循環系統から前記供給系統へ導かれる前記排出ガスの酸素濃度を低下させる酸素濃度低下部と、を備える電解システム。
前記電解セルの温度を調整する温度調整ガスを前記酸素極に供給する供給系統と、
前記電解セルから排出される前記酸素および前記温度調整ガスを含む排出ガスが流通する排出系統と、
前記排出系統に排出された前記排出ガスの少なくとも一部を前記供給系統へ導く循環系統と、
前記電解セルから前記排出系統に排出された前記排出ガスの酸素濃度を測定する酸素濃度測定部と、
前記酸素濃度測定部が測定する酸素濃度が設定濃度範囲を超えないように、前記循環系統から前記供給系統へ導かれる前記排出ガスの酸素濃度を低下させる酸素濃度低下部と、を備える電解システム。
【請求項2】
前記排出系統に排出された前記排出ガスのうち系外へ排出する前記排出ガスの流量を調整する流量調整弁を備える請求項１に記載の電解システム。
【請求項3】
前記酸素濃度低下部は、酸素濃度が前記設定濃度範囲よりも低い希釈流体で前記排出ガス希釈することにより前記排出ガスの酸素濃度を低下させる請求項２に記載の電解システム。
【請求項4】
前記希釈流体は、水蒸気または水である請求項３に記載の電解システム。
【請求項5】
前記希釈流体は、水蒸気および水であり、
前記酸素濃度低下部は、前記循環系統の第１位置で前記排出ガスを水で希釈し、前記循環系統の前記第１位置よりも下流側の第２位置で前記排出ガスを水蒸気で希釈する請求項３に記載の電解システム。
前記酸素濃度低下部は、前記循環系統の第１位置で前記排出ガスを水で希釈し、前記循環系統の前記第１位置よりも下流側の第２位置で前記排出ガスを水蒸気で希釈する請求項３に記載の電解システム。
【請求項6】
前記排出系統に配置されるとともに前記排出ガスに含まれる水分を除去する水分除去部を備える請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の電解システム。
【請求項7】
前記酸素濃度低下部は、前記排出ガスから前記酸素を除去することにより前記排出ガスの酸素濃度を低下させる請求項２に記載の電解システム。
【請求項8】
前記排出系統に配置されるとともに前記排出ガスにより回転駆動されるタービンを備える請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の電解システム。
【請求項9】
電解システムの運転方法であって、
前記電解システムは、
酸素極と水素極とを有し、前記水素極に供給された水蒸気を電気分解することで、前記水素極で水素を生成するとともに前記酸素極で酸素を生成する電解セルと、
前記電解セルの温度を調整する温度調整ガスを前記酸素極に供給する供給系統と、
前記電解セルから排出される前記酸素および前記温度調整ガスを含む排出ガスが流通する排出系統と、
前記排出系統に排出された前記排出ガスの少なくとも一部を前記供給系統へ導く循環系統と、を備え、
前記電解セルから前記排出系統に排出された前記排出ガスの酸素濃度を測定する酸素濃度測定工程と、
前記酸素濃度測定工程が測定する酸素濃度が設定濃度範囲を超えないように、前記循環系統から前記供給系統へ導かれる前記排出ガスの酸素濃度を低下させる酸素濃度低下工程と、を備える電解システムの運転方法。
前記電解システムは、
酸素極と水素極とを有し、前記水素極に供給された水蒸気を電気分解することで、前記水素極で水素を生成するとともに前記酸素極で酸素を生成する電解セルと、
前記電解セルの温度を調整する温度調整ガスを前記酸素極に供給する供給系統と、
前記電解セルから排出される前記酸素および前記温度調整ガスを含む排出ガスが流通する排出系統と、
前記排出系統に排出された前記排出ガスの少なくとも一部を前記供給系統へ導く循環系統と、を備え、
前記電解セルから前記排出系統に排出された前記排出ガスの酸素濃度を測定する酸素濃度測定工程と、
前記酸素濃度測定工程が測定する酸素濃度が設定濃度範囲を超えないように、前記循環系統から前記供給系統へ導かれる前記排出ガスの酸素濃度を低下させる酸素濃度低下工程と、を備える電解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、電解システム及び電解システムの運転方法に関するものである。
【背景技術】
【0002】
水を電気化学的に分解して水素および酸素を製造する電解セルは二酸化炭素の排出を伴わない水素製造法であり優れた環境特性を有している。このうち、固体酸化物形電解セル（Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｉｓ Ｃｅｌｌ：ＳＯＥＣ）は、電解質としてイットリア安定化ジルコニアなどのセラミックスが用いられ、高温の水蒸気を原料とするため他の電解セルに比べ高い効率で水素の製造が可能である。また、脱炭素化を目的として二酸化炭素（ＣＯ２）を原料とし電解水素を還元剤として利用し、直接一酸化炭素（ＣＯ）を製造する共電解も可能である。
【0003】
水を電気化学的に分解して水素を製造するシステムとして、例えば、特許文献１のシステムが知られている。特許文献１には、酸素を含む酸素極入口供給ガスを電気化学セルの酸素極に供給する酸素極入口供給ラインと、製造された酸素を含む酸素極出口ガスを排出する酸素極側出口ラインと、を備えるシステムが記載されている。このシステムでは、酸素極入口供給ラインに、循環ガス吸引機構が設けられていて、循環ガス吸引機構が酸素極出口ガスの一部を循環ガスとして酸素極入口供給ガスに供給している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開２００８－１１５４３０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では、酸素極で生成された酸素を含む酸素極出口ガスの一部が酸素極に再び供給されるため、電気化学セルの酸素極を循環するガスの酸素濃度が漸次増加する可能性がある。そして、酸素極を循環するガスの酸素濃度が過度に増加すると、電気化学セルの内部で発火する恐れがあり安全性が損なわれてしまう。
【0006】
本開示は、このような事情に鑑みてなされたものであって、温度調整ガスを昇圧するための動力を低減するとともに酸素極を循環するガスの酸素濃度が過度に増加することを防止することが可能な電解システム及び電解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】
【0007】
上記課題を解決するために、本開示の電解システム及び電解システムの運転方法は以下の手段を採用する。
本開示の一態様に係る電解システムは、酸素極と水素極とを有し、前記水素極に供給された水蒸気を電気分解することで、前記水素極で水素を生成するとともに前記酸素極で酸素を生成する電解セルと、前記電解セルの温度を調整する温度調整ガスを前記酸素極に供給する供給系統と、前記電解セルから排出される前記酸素および前記温度調整ガスを含む排出ガスが流通する排出系統と、前記排出系統に排出された前記排出ガスの少なくとも一部を前記供給系統へ導く循環系統と、前記電解セルから前記排出系統に排出された前記排出ガスの酸素濃度を測定する酸素濃度測定部と、前記酸素濃度測定部が測定する酸素濃度が設定濃度範囲を超えないように、前記循環系統から前記供給系統へ導かれる前記排出ガスの酸素濃度を低下させる酸素濃度低下部と、を備える。
本開示の一態様に係る電解システムは、酸素極と水素極とを有し、前記水素極に供給された水蒸気を電気分解することで、前記水素極で水素を生成するとともに前記酸素極で酸素を生成する電解セルと、前記電解セルの温度を調整する温度調整ガスを前記酸素極に供給する供給系統と、前記電解セルから排出される前記酸素および前記温度調整ガスを含む排出ガスが流通する排出系統と、前記排出系統に排出された前記排出ガスの少なくとも一部を前記供給系統へ導く循環系統と、前記電解セルから前記排出系統に排出された前記排出ガスの酸素濃度を測定する酸素濃度測定部と、前記酸素濃度測定部が測定する酸素濃度が設定濃度範囲を超えないように、前記循環系統から前記供給系統へ導かれる前記排出ガスの酸素濃度を低下させる酸素濃度低下部と、を備える。
【0008】
本開示の一態様に係る電解システムの運転方法において、前記電解システムは、酸素極と水素極とを有し、前記水素極に供給された水蒸気を電気分解することで、前記水素極で水素を生成するとともに前記酸素極で酸素を生成する電解セルと、前記電解セルの温度を調整する温度調整ガスを前記酸素極に供給する供給系統と、前記電解セルから排出される前記酸素および前記温度調整ガスを含む排出ガスが流通する排出系統と、前記排出系統に排出された前記排出ガスの少なくとも一部を前記供給系統へ導く循環系統と、を備え、前記電解セルから前記排出系統に排出された前記排出ガスの酸素濃度を測定する酸素濃度測定工程と、前記酸素濃度測定工程が測定する酸素濃度が設定濃度範囲を超えないように、前記循環系統から前記供給系統へ導かれる前記排出ガスの酸素濃度を低下させる酸素濃度低下工程と、を備える。
【発明の効果】
【0009】
本開示によれば、温度調整ガスを昇圧するための動力を低減するとともに酸素極を循環するガスの酸素濃度が過度に増加することを防止することが可能な電解システム及び電解システムの運転方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0010】
【図1】本開示の第１実施形態に係る電気化学セルスタックの一態様を示す断面図である。
【図2】本開示の第１実施形態に係る電気化学セルモジュールの一態様を示す斜視図である。
【図3】本開示の第１実施形態に係る電気化学セルカートリッジの一態様を示す断面図である。
【図4】本開示の第１実施形態に係る電解システムを示す概略構成図である。
【図5】本開示の第１実施形態に係る電解システムの運転方法を示すフローチャートである。
【図6】本開示の第１実施形態に係る電解システムの運転方法を示すフローチャートである。
【図7】本開示の第２実施形態に係る電解システムを示す概略構成図である。
【図8】本開示の第３実施形態に係る電解システムを示す概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【0011】
〔第１実施形態〕
以下に、本開示の第１実施形態に係る電解システム及び電解システムの運転方法について、図面を参照して説明する。
まず、本開示の第１実施形態に係る電解システムに設けられる固体酸化物形電解セル（Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｉｓ Ｃｅｌｌ：ＳＯＥＣ）について、図１から図３を参照して説明する。
以下に、本開示の第１実施形態に係る電解システム及び電解システムの運転方法について、図面を参照して説明する。
まず、本開示の第１実施形態に係る電解システムに設けられる固体酸化物形電解セル（Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｉｓ Ｃｅｌｌ：ＳＯＥＣ）について、図１から図３を参照して説明する。
【0012】
以下においては、説明の便宜上、紙面を基準として「上」及び「下」の表現を用いて説明した各構成要素の位置関係は、各々鉛直上方側、鉛直下方側を示すものである。また、本実施形態では、上下方向と水平方向で同様な効果を得られるものは、紙面における上下方向が必ずしも鉛直上下方向に限定することなく、例えば鉛直方向に直交する水平方向に対応してもよい。
【0013】
また、以下においては、固体酸化物形電気化学セルのセルスタックとして筒状の円筒形固体酸化物形電解セル(ＳＯＥＣ)を例として説明するが、必ずしもこの限りである必要はなく、例えば平板形のセルスタックであってもよい。基体上に電気化学セルを形成するが、基体ではなく電極（水素極１０９もしくは酸素極１１３）が厚く形成されて、基体を兼用したものでも良い。
【0014】
まず、図１を参照して本実施形態に係る一例として、基体管を用いる円筒形セルスタックについて説明する。基体管を用いない場合は、例えば水素極１０９を厚く形成して基体管を兼用してもよく、基体管の使用に限定されることはない。また、本実施形態での基体管は円筒形状を用いたもので説明するが、基体管は筒状であればよく、必ずしも断面が円形に限定されなく、例えば楕円形状でもよい。円筒の周側面を垂直に押し潰した扁平円筒（Ｆｌａｔ ｔｕｂｕｌａｒ）等のセルスタックでもよい。
【0015】
ここで、図１は、実施形態に係るセルスタックの一態様を示すものである。セルスタック１０１は、一例として円筒形状の基体管１０３と、基体管１０３の外周面に複数形成された電気化学単セル１０５と、隣り合う電気化学単セル１０５の間に形成されたインターコネクタ１０７とを備える。電気化学単セル１０５は、水素極１０９と固体電解質膜１１１と酸素極１１３とが積層して形成されている。
【0016】
また、セルスタック１０１は、基体管１０３の外周面に形成された複数の電気化学単セル１０５の内、基体管１０３の軸方向において最も端の一端に形成された電気化学単セル１０５の酸素極１１３に、インターコネクタ１０７を介して電気的に接続されたリード膜１１５を備え、最も端の他端に形成された電気化学単セル１０５の水素極１０９に電気的に接続されたリード膜１１５を備える。
【0017】
基体管１０３は、多孔質材料からなり、例えば、ＣａＯ安定化ＺｒＯ２（ＣＳＺ）、ＣＳＺと酸化ニッケル（ＮｉＯ）との混合物（ＣＳＺ＋ＮｉＯ）、又はＹ２Ｏ３安定化ＺｒＯ２（ＹＳＺ）、又はＭｇＡｌ２Ｏ４などを主成分とされる。この基体管１０３は、電気化学単セル１０５とインターコネクタ１０７とリード膜１１５とを支持すると共に、基体管１０３の内周面に供給される水蒸気を基体管１０３の細孔を介して基体管１０３の外周面に形成される水素極１０９に拡散させるものである。
【0018】
水素極１０９は、Ｎｉとジルコニア系電解質材料との複合材の酸化物で構成され、例えば、Ｎｉ／ＹＳＺが用いられる。水素極１０９の厚さは５０μｍ～２５０μｍであり、水素極１０９はスラリーをスクリーン印刷して形成されてもよい。この場合、水素極１０９は、水素極１０９の成分であるＮｉが水蒸気に対して触媒作用を備える。この触媒作用は、基体管１０３を介して供給された水蒸気（Ｈ２Ｏ）を反応させ、水素分子（Ｈ２）と酸素イオン（Ｏ２－）とに電気分解するものである。
【0019】
固体電解質膜１１１は、ガスを通しにくい気密性と、高温で高い酸素イオン導電性とを備えるセラミックス酸化物(例えばＹＳＺ)が主として用いられる。この固体電解質膜１１１は、水素極１０９で生成される酸素イオン（Ｏ２－）を酸素極１１３に移動させるものである。水素極１０９の表面上に位置する固体電解質膜１１１の膜厚は１０μｍ～１００μｍであり固体電解質膜１１１はスラリーをスクリーン印刷して形成されてもよい。
【0020】
酸素極１１３は、例えば、ＬａＳｒＭｎＯ３系酸化物、又はＬａＣｏＯ３系酸化物で構成され、酸素極１１３はスラリーをスクリーン印刷またはディスペンサを用いて塗布される。この酸素極１１３は、固体電解質膜１１１との界面付近において、水素極１０９から固体電解質膜１１１を通過して移動した酸素イオンが電解反応により電子を放出し、酸素原子が結合して酸素を生成する。
【0021】
酸素極１１３で生成された酸素は反応室２１５を流通する酸化性ガス（冷却用流体）と合流し、酸素の向上した酸化性ガスを生成することができる。
酸化性ガスとは、酸素を略１５％～３０％含むガスであり、代表的には空気が好適であるが、空気以外にも燃焼排ガスと空気の混合ガスや、酸素と空気の混合ガスなどが使用可能である。
酸化性ガスとは、酸素を略１５％～３０％含むガスであり、代表的には空気が好適であるが、空気以外にも燃焼排ガスと空気の混合ガスや、酸素と空気の混合ガスなどが使用可能である。
【0022】
インターコネクタ１０７は、ＳｒＴｉＯ３系などのＭ１－ｘＬｘＴｉＯ３（Ｍはアルカリ土類金属元素、Ｌはランタノイド元素）で表される導電性ペロブスカイト型酸化物から構成され、スラリーをスクリーン印刷する。インターコネクタ１０７は、水蒸気と酸化性ガスとが混合しないように緻密な膜となっている。
【0023】
また、インターコネクタ１０７は、酸化雰囲気と還元雰囲気との両雰囲気下で安定した耐久性と電気導電性を備える。このインターコネクタ１０７は、隣り合う電気化学単セル１０５において、一方の電気化学単セル１０５の酸素極１１３と他方の電気化学単セル１０５の水素極１０９とを電気的に接続し、隣り合う電気化学単セル１０５同士を直列に接続するものである。
【0024】
リード膜１１５は、電子伝導性を備えること、及びセルスタック１０１を構成する他の材料との熱膨張係数が近いことが必要であることから、Ｎｉ／ＹＳＺ等のＮｉとジルコニア系電解質材料との複合材やＳｒＴｉＯ３系などのＭ１－ｘＬｘＴｉＯ３（Ｍはアルカリ土類金属元素、Ｌはランタノイド元素）で構成されている。このリード膜１１５は、インターコネクタ１０７により直列に接続される複数の電気化学単セル１０５に電解反応に必要な電力を供給するものである。
【0025】
水素極１０９、固体電解質膜１１１及びインターコネクタ１０７のスラリーの膜が形成された基体管１０３を、大気中にて共焼結する。焼結温度は、例えば１３５０℃～１４５０℃とされる。つぎに、共焼結された基体管１０３上に、酸素極１１３のスラリーの膜が形成された基体管１０３が、大気中にて焼結される。焼結温度は、例えば１１００℃～１２５０℃とされる。ここでの焼結温度は、基体管１０３～インターコネクタ１０７を形成した後の共焼結温度よりも低温とされる。
【0026】
次に、図２と図３とを参照して本実施形態に係る電気化学セルカートリッジ及び電気化学セルモジュールについて説明する。ここで、図２は、本実施形態に係る固体酸化物形電解セル（ＳＯＥＣ）モジュールの一態様を示す斜視図である。また、図３は、本実施形態に係る固体酸化物形電解セル（ＳＯＥＣ）カートリッジの一態様を示す断面図である。
【0027】
ＳＯＥＣモジュール（電気化学セルモジュール）２０１は、図２に示すように、例えば、複数のＳＯＥＣカートリッジ（電気化学セルカートリッジ）２０３と、これら複数のＳＯＥＣカートリッジ２０３を収納するモジュール容器２０５とを備える。なお、図２には円筒形のＳＯＥＣのセルスタック１０１を例示しているが、必ずしもこの限りである必要はなく、例えば平板形のセルスタックであってもよい。
【0028】
また、ＳＯＥＣモジュール２０１は、水蒸気供給管２０７と複数の水蒸気供給枝管２０７ａ及び水蒸気排出管２０９と複数の水蒸気排出枝管２０９ａとを備える。また、ＳＯＥＣモジュール２０１は、酸化性ガス供給管（不図示）と酸化性ガス供給枝管（不図示）及び酸化性ガス排出管（不図示）と複数の酸化性ガス排出枝管（不図示）とを備える。
【0029】
水蒸気供給管２０７は、モジュール容器２０５の内部に設けられ、ＳＯＥＣモジュール２０１の電解量に対応して所定流量の水蒸気を供給する水蒸気供給部に接続されると共に、複数の水蒸気供給枝管２０７ａに接続されている。この水蒸気供給管２０７は、上述の水蒸気供給部から供給される所定流量の水蒸気Ｇを、複数の水蒸気供給枝管２０７ａに分岐して導くものである。
【0030】
また、水蒸気供給枝管２０７ａは、水蒸気供給管２０７に接続されると共に、複数のＳＯＥＣカートリッジ２０３に接続されている。この水蒸気供給枝管２０７ａは、水蒸気供給管２０７から供給される水蒸気を複数のＳＯＥＣカートリッジ２０３に略均等の流量で導き、複数のＳＯＥＣカートリッジ２０３の電解性能を略均一化させるものである。
【0031】
水蒸気排出枝管２０９ａは、複数のＳＯＥＣカートリッジ２０３に接続されると共に、水蒸気排出管２０９に接続されている。この水蒸気排出枝管２０９ａは、ＳＯＥＣカートリッジ２０３から排出される水素が富化された水蒸気（以下、「排水蒸気」と称する。）を水蒸気排出管２０９に導くものである。
【0032】
また、水蒸気排出管２０９は、複数の水蒸気排出枝管２０９ａに接続されると共に、一部がモジュール容器２０５の外部に配置されている。この水蒸気排出管２０９は、水蒸気排出枝管２０９ａから略均等の流量で導出される排水蒸気をモジュール容器２０５の外部に導くものである。
【0033】
モジュール容器２０５は、内部の圧力が大気圧～約３ＭＰa、内部の温度が大気温度～約５５０℃で運用されるので、耐圧性と酸化性ガス中に含まれる酸素などの酸化剤に対する耐食性を保有する材質が利用される。例えばＳＵＳ３０４などのステンレス系材が好適である。
【0034】
ここで、本実施形態においては、複数のＳＯＥＣカートリッジ２０３が集合化されてモジュール容器２０５に収納される態様について説明しているが、これに限られず例えば、ＳＯＥＣカートリッジ２０３が集合化されずにモジュール容器２０５内に収納される態様とすることもできる。
【0035】
ＳＯＥＣカートリッジ２０３は、図３に示す通り、複数のセルスタック１０１と、反応室２１５と、水蒸気供給ヘッダ２１７と、水蒸気排出ヘッダ２１９と、酸化性ガス（空気）供給ヘッダ２２１と、酸化性ガス排出ヘッダ２２３とを備える。また、ＳＯＥＣカートリッジ２０３は、上部管板２２５ａと、下部管板２２５ｂと、上部断熱体２２７ａと、下部断熱体２２７ｂとを備える。
【0036】
なお、本実施形態においては、ＳＯＥＣカートリッジ２０３は、水蒸気供給ヘッダ２１７と水蒸気排出ヘッダ２１９と酸化性ガス供給ヘッダ２２１と酸化性ガス排出ヘッダ２２３とが図３のように配置されることで、水蒸気と酸化性ガスとがセルスタック１０１の内側と外側とを対向して流れる構造となっているが、必ずしもこの必要はなく、例えば、セルスタック１０１の内側と外側とを平行して流れる、または酸化性ガスがセルスタック１０１の長手方向と直交する方向へ流れるようにしても良い。
【0037】
反応室２１５は、上部断熱体２２７ａと下部断熱体２２７ｂとの間に形成された領域である。この反応室２１５は、セルスタック１０１の電気化学単セル１０５が配置された領域であり、水蒸気を電気化学的に反応させて電解を行う領域である。また、この反応室２１５のセルスタック１０１長手方向の中央部付近での温度を、温度計測部（温度センサや熱電対など）で監視してもよく、ＳＯＥＣモジュール２０１の定常運転時に、およそ７００℃～１０００℃の高温雰囲気となる。
【0038】
水蒸気供給ヘッダ２１７は、ＳＯＥＣカートリッジ２０３の上部ケーシング２２９ａと上部管板２２５ａとに囲まれた領域であり、上部ケーシング２２９ａの上部に設けられた水蒸気供給孔２３１ａによって、水蒸気供給枝管２０７ａと連通されている。また、複数のセルスタック１０１は、上部管板２２５ａとシール部材２３７ａにより接合されており、水蒸気供給ヘッダ２１７は、水蒸気供給枝管２０７ａから水蒸気供給孔２３１ａを介して供給される水蒸気を、複数のセルスタック１０１の基体管１０３の内部に略均一流量で導き、複数のセルスタック１０１の電解性能を略均一化させるものである。
【0039】
水蒸気排出ヘッダ２１９は、ＳＯＥＣカートリッジ２０３の下部ケーシング２２９ｂと下部管板２２５ｂとに囲まれた領域であり、下部ケーシング２２９ｂに備えられた水蒸気排出孔２３１ｂによって、図示しない水蒸気排出枝管２０９ａと連通されている。また、複数のセルスタック１０１は、下部管板２２５ｂとシール部材２３７ｂにより接合されており、水蒸気排出ヘッダ２１９は、複数のセルスタック１０１の基体管１０３の内部を通過して水蒸気排出ヘッダ２１９に供給される排水蒸気を集合して、水蒸気排出孔２３１ｂを介して水蒸気排出枝管２０９ａに導くものである。
【0040】
ＳＯＥＣモジュール２０１の電解量に対応して所定ガス組成と所定流量の酸化性ガスを酸化性ガス供給枝管へと分岐して、複数のＳＯＥＣカートリッジ２０３へ供給する。酸化性ガス供給ヘッダ２２１は、ＳＯＥＣカートリッジ２０３の下部ケーシング２２９ｂと下部管板２２５ｂと下部断熱体２２７ｂとに囲まれた領域であり、下部ケーシング２２９ｂの側面に設けられた酸化性ガス供給孔２３３ａによって、図示しない酸化性ガス供給枝管と連通されている。この酸化性ガス供給ヘッダ２２１は、図示しない酸化性ガス供給枝管から酸化性ガス供給孔２３３ａを介して供給される所定流量の酸化性ガスを、後述する酸化性ガス供給隙間２３５ａを介して反応室２１５に導くものである。
【0041】
酸化性ガス排出ヘッダ２２３は、ＳＯＥＣカートリッジ２０３の上部ケーシング２２９ａと上部管板２２５ａと上部断熱体２２７ａとに囲まれた領域であり、上部ケーシング２２９ａの側面に設けられた酸化性ガス排出孔２３３ｂによって、図示しない酸化性ガス排出枝管と連通されている。この酸化性ガス排出ヘッダ２２３は、反応室２１５から、後述する酸化性ガス排出隙間２３５ｂを介して酸化性ガス排出ヘッダ２２３に供給される酸素が富化された酸化性ガス（以下、「排酸化性ガス」と称する。）を、酸化性ガス排出孔２３３ｂを介して図示しない酸化性ガス排出枝管に導くものである。
【0042】
上部管板２２５ａは、上部ケーシング２２９ａの天板と上部断熱体２２７ａとの間に、上部管板２２５ａと上部ケーシング２２９ａの天板と上部断熱体２２７ａとが略平行になるように、上部ケーシング２２９ａの側板に固定されている。また、上部管板２２５ａは、ＳＯＥＣカートリッジ２０３に備えられるセルスタック１０１の本数に対応した複数の孔を有し、該孔にはセルスタック１０１が夫々挿入されている。この上部管板２２５ａは、複数のセルスタック１０１の一方の端部をシール部材２３７ａ及び接着部材のいずれか一方又は両方を介して気密に支持すると共に、水蒸気供給ヘッダ２１７と酸化性ガス排出ヘッダ２２３とを隔離するものである。
【0043】
上部断熱体２２７ａは、上部ケーシング２２９ａの下端部に、上部断熱体２２７ａと上部ケーシング２２９ａの天板と上部管板２２５ａとが略平行になるように配置され、上部ケーシング２２９ａの側板に固定されている。また、上部断熱体２２７ａには、ＳＯＥＣカートリッジ２０３に備えられるセルスタック１０１の本数に対応して、複数の孔が設けられている。この孔の直径はセルスタック１０１の外径よりも大きく設定されている。上部断熱体２２７ａは、この孔の内面と、上部断熱体２２７ａに挿通されたセルスタック１０１の外面との間に形成された酸化性ガス排出隙間２３５ｂを備える。
【0044】
この上部断熱体２２７ａは、反応室２１５と酸化性ガス排出ヘッダ２２３とを仕切るものであり、上部管板２２５ａの周囲の雰囲気が高温化し強度低下や酸化性ガス中に含まれる酸化剤による腐食が増加することを抑制する。また、上部管板２２５ａ等が反応室２１５内の高温に晒されて温度差による上部管板２２５ａ等の熱変形を抑制するために、Ni基合金などの高温耐久性のある金属材料を用いてもよい。また、上部断熱体２２７ａは、反応室２１５を通過して高温に晒された排酸化性ガスを、酸化性ガス排出隙間２３５ｂを通過させて酸化性ガス排出ヘッダ２２３に導くものである。
【0045】
本実施形態によれば、上述したＳＯＥＣカートリッジ２０３の構造により、水蒸気と排酸化性ガスとがセルスタック１０１の内側と外側とを対向して流れるものとなっている。このことにより、排酸化性ガスは、基体管１０３の内部を通って反応室２１５に供給される水蒸気との間で熱交換がなされ、金属材料から成る上部管板２２５ａ等が座屈などの変形をしない温度に冷却されて酸化性ガス排出ヘッダ２２３に供給される。また、水蒸気は、反応室２１５から排出される排酸化性ガスとの熱交換により昇温され、反応室２１５に供給される。その結果、ヒータ等を用いることなく電解に適した温度に予熱昇温された水蒸気を反応室２１５に供給することができる。
【0046】
下部管板２２５ｂは、下部ケーシング２２９ｂの底板と下部断熱体２２７ｂとの間に、下部管板２２５ｂと下部ケーシング２２９ｂの底板と下部断熱体２２７ｂとが略平行になるように下部ケーシング２２９ｂの側板に固定されている。また下部管板２２５ｂは、ＳＯＥＣカートリッジ２０３に備えられるセルスタック１０１の本数に対応した複数の孔を有し、該孔にはセルスタック１０１が夫々挿入されている。この下部管板２２５ｂは、複数のセルスタック１０１の他方の端部をシール部材２３７ｂ及び接着部材のいずれか一方又は両方を介して気密に支持すると共に、水蒸気排出ヘッダ２１９と酸化性ガス供給ヘッダ２２１とを隔離するものである。
【0047】
下部断熱体２２７ｂは、下部ケーシング２２９ｂの上端部に、下部断熱体２２７ｂと下部ケーシング２２９ｂの底板と下部管板２２５ｂとが略平行になるように配置され、下部ケーシング２２９ｂの側板に固定されている。また、下部断熱体２２７ｂには、ＳＯＥＣカートリッジ２０３に備えられるセルスタック１０１の本数に対応して、複数の孔が設けられている。この孔の直径はセルスタック１０１の外径よりも大きく設定されている。下部断熱体２２７ｂは、この孔の内面と、下部断熱体２２７ｂに挿通されたセルスタック１０１の外面との間に形成された酸化性ガス供給隙間２３５ａを備える。
【0048】
この下部断熱体２２７ｂは、反応室２１５と酸化性ガス供給ヘッダ２２１とを仕切るものであり、下部管板２２５ｂの周囲の雰囲気が高温化し強度低下や酸化性ガス中に含まれる酸化剤による腐食が増加することを抑制する。下部管板２２５ｂ等はインコネルなどの高温耐久性のある金属材料から成るが、下部管板２２５ｂ等が高温に晒されて下部管板２２５ｂ等内の温度差が大きくなることで熱変形することを防ぐものである。また、下部断熱体２２７ｂは、酸化性ガス供給ヘッダ２２１に供給される酸化性ガスを、酸化性ガス供給隙間２３５ａを通過させて反応室２１５に導くものである。
【0049】
本実施形態によれば、上述したＳＯＥＣカートリッジ２０３の構造により、排水蒸気と酸化性ガスとがセルスタック１０１の内側と外側とを対向して流れるものとなっている。このことにより、基体管１０３の内部を通って反応室２１５を通過した排水蒸気は、反応室２１５に供給される酸化性ガスとの間で熱交換がなされ、金属材料から成る下部管板２２５ｂ等が座屈などの変形をしない温度に冷却されて水蒸気排出ヘッダ２１９に供給される。また、酸化性ガスは排水蒸気との熱交換により昇温され、反応室２１５に供給される。
【0050】
反応室２１５における電解反応に必要な直流電力は、図示しないパワーコンディショナ等の電力変換装置(インバータなど)により電力供給系統から供給される交流電力が直流電力へ変換後にＳＯＥＣモジュール２０１へ供給される。ＳＯＥＣモジュール２０１には複数のＳＯＥＣカートリッジ２０３が所定の直列数および並列数となるように電気的に接続されており、セルスタック１０１の端部に設けられたリード膜１１５を介して複数の電気化学単セル１０５へ直流電力を供給することができる。
【0051】
次に、本開示の第１実施形態に係る電解システム１０について、図４を用いて説明する。図４は加圧型の電解システムの例を示しているが、これに限定されるものではなく、常圧型のシステムにも適用することができる。また、温度調整ガスとして空気を例に説明するが他の酸化性ガスであってもよい。
【0052】
図４に示すように、電解システム１０は、電解セル１１と、空気供給系統２０と、排出系統３０と、循環系統４０と、制御装置５０と、酸素濃度測定部６０と、水蒸気供給系統（酸素濃度低下部）７０と、圧力検出部８０と、排空気冷却器９０と、除湿器９５と、を備える。電解セル１１は、前述した固体酸化物形電解セルである。
【0053】
電解セル１１は、図１から図３を用いて説明した固体酸化物形電解セルであり、第１水蒸気管１２を介して供給された水蒸気を電気分解することで、水素と酸素とを生成する。生成された水素は、分解されなかった水蒸気とともに、第２水蒸気管１３を介して排出される。すなわち、電解セル１１からは、水素が富化された水蒸気（水素富化水蒸気）が排出される。第１水蒸気管１２は、水蒸気供給管２０７（図２参照）に接続されている。また、第２水蒸気管１３は、水蒸気排出管２０９（図２参照）に接続されている。
【0054】
図４に示すように、電解セル１１には、後述する第２空気供給管２４を介して冷却用の空気（温度調整流体）が供給される。電解セル１１で生成された酸素は、空気とともに、後述する第１排空気管３１を介して電解セル１１から排出される。すなわち、電解セル１１からは、酸素が富化された空気（酸素富化空気）が排出される。電解セル１１から第１排空気管３１に排出される排空気の温度は、供給時よりも高温（例えば、５５０℃～６５０℃程度）である。
【0055】
なお、以下では、電解セル１１から排出された空気を「排空気（排出ガス）」と称する場合もある。第１空気供給管２３は、酸化性ガス供給管（図示略）に接続されている。また、第１排空気管３１は、酸化性ガス排出管（図示略）に接続されている。
【0056】
空気供給系統２０は、電解セル１１の温度を調整する空気（温度調整ガス）を電解セル１１の酸素極１１３に供給する系統である。空気供給系統２０は、空気供給部２１と、空気供給部２１から供給された空気を圧縮する圧縮機（昇圧部）２２と、空気供給部２１から圧縮機２２へ空気を導く第１空気供給管２３と、圧縮機２２で圧縮された空気を電解セル１１へ導く第２空気供給管２４と、を有する。
【0057】
圧縮機２２は、モータ２２ａと接続されており、モータ２２ａの駆動力によって駆動する。圧縮機２２は、空気供給部２１から第１空気供給管２３を介して供給された空気を圧縮する。圧縮機２２は、圧縮した空気を第２空気供給管２４に吐出する。圧縮機２２は、後述するタービン３２と回転軸２２ｂにより連結されている。圧縮機２２は、空気を０．２ＭＰａ以上に昇圧する。圧縮機２２は、空気を１ＭＰａ以上に昇圧してもよい。第１空気供給管２３は、空気供給部２１と圧縮機２２とを接続している。なお、電解システム１０として、電解セル１１へ導かれる空気を大気圧とするシステムを採用する場合には、圧縮機２２に替えてブロワを配置し、ブロワにより第１空気供給管２３から第２空気供給管２４へ空気を供給するものとする。
【0058】
第２空気供給管２４は、圧縮機２２と電解セル１１とを接続している。第２空気供給管２４には、上流側から順番に供給空気流量調整弁２５、混合部２７、供給空気温度調整用熱交換器（温度調整部）２８、温度センサ２９が設けられている。なお、破線で示すように、供給空気流量調整弁２５と混合部２７との間に、供給空気冷却器（温度調整部）２６を設けてもよい。
【0059】
供給空気流量調整弁２５は、流量計測部２５ａが計測する空気の流量が目標流量となるように開度を調整することで第２空気供給管２４内を流通する空気の流量を調整する。供給空気流量調整弁２５は、制御装置５０によって開度を制御される。供給空気冷却器２６は、冷却媒体と熱交換することで、第２空気供給管２４を流通し、電解セル１１へ導かれる空気を冷却する。
【0060】
混合部２７は、後述する循環系統４０から導かれる排空気と第２空気供給管２４を流通する空気とを混合する。供給空気温度調整用熱交換器２８は、冷却媒体と熱交換することで、第２空気供給管２４を流通し、電解セル１１へ導かれる空気の温度を所定の温度範囲（例えば、２５０℃～４００℃程度）に調整する。電解セル１１へ導かれる空気の温度は、温度センサ２９により計測される。
【0061】
排出系統３０は、電解セル１１から排出される酸素および空気を含む排出ガスが流通する系統である。排出系統３０は、電解セル１１から排出された排空気が流通する第１排空気管３１と、第１排空気管３１の下流端が接続されるタービン３２と、タービン３２から排出された排空気が流通する第２排空気管３３と、第２排空気管３３を流通した排空気が系外に排出される排空気排出部３４と、を有する。
【0062】
第１排空気管３１は、電解セル１１とタービン３２とを接続している。第１排空気管３１は、電解セル１１から排出された排空気をタービン３２へ導いている。第１排空気管３１には、上流側から順番に分岐部３６、排空気流量調整弁３８が設けられている。なお、破線で示すように、分岐部３６の上流側に排空気冷却器（温度調整部）３５を設けてもよい。
【0063】
排空気冷却器３５は、冷却媒体と熱交換することで、第１排空気管３１を流通する排空気を冷却する。分岐部３６は、第１排空気管３１を流通する排空気の一部を循環系統４０へ分岐させる。排空気流量調整弁３８は、開度を調整することで第１排空気管３１を流通する排空気の流量を調整する。排空気流量調整弁３８は、制御装置５０によって開度を制御される。
【0064】
タービン３２は、供給された排空気により回転する。タービン３２が回転することで、タービン３２に接続されている回転軸２２ｂも回転する。回転軸２２ｂが回転することで、回転軸２２ｂが接続する圧縮機２２が回転する。このようにタービン３２は、供給された排空気によって圧縮機２２を駆動し、空気を圧縮する動力を低減することができる。第２排空気管３３は、タービン３２と排空気排出部３４とを接続している。なお、電解システム１０として、電解セル１１へ導かれる空気を大気圧とするシステムを採用する場合には、タービン３２を配置せず、第１排空気管３１から第２排空気管３３へ排空気を導くものとする。
【0065】
循環系統４０は、排出系統３０に排出された排空気を空気供給系統２０へ導く系統である。循環系統４０は、第１排空気管３１と第２空気供給管２４とを接続する循環空気管４１を有する。
【0066】
排出系統３０から空気供給系統２０へ循環させる排空気の量は、電解セル１１の酸素極１１３へ供給すべき供給量の一部であってもよいし、全部であってもよい。電解セル１１の酸素極１１３へ供給すべき供給量の全部を排出系統３０から空気供給系統２０へ循環させる場合、空気供給部２１および圧縮機２２は停止され、供給空気流量調整弁２５と排空気流量調整弁３８は閉とされる。
【0067】
循環空気管４１は、第１排空気管３１に設けられた分岐部３６と、第２空気供給管２４に設けられた混合部２７とを接続している。循環空気管４１は、第１排空気管３１を流通する排空気を第２空気供給管２４へ導いている。換言すれば、循環空気管４１は、電解セル１１の出口側の空気（排空気）を電解セル１１の入口側へ導いている。
【0068】
循環空気管４１には、ブロワ４４が設けられている。なお、破線で示すように、ブロワ４４の上流側に循環空気冷却器（温度調整部）４３を設けてもよい。また、ブロワ４４の下流側に循環空気加熱器（温度調整部）４５を設けてもよい。
【0069】
ブロワ４４は、循環空気管４１を流通する空気を昇圧して、第１排空気管３１を流通する排空気を第２空気供給管２４へ導く。ブロワ４４は、モータ４４ｂによって駆動する。モータ４４ｂは、インバータ４４ａによって回転数を制御されている。循環空気冷却器４３は、冷却媒体と熱交換することで、循環空気管４１を流通する空気を冷却する。
【0070】
循環空気加熱器４５は、外部から付与される熱により循環空気管４１を流通する空気を加熱する。外部から熱を付与する装置として、例えば電気ヒータや燃焼器等が挙げられる。燃焼器は、例えば、電解システム１０で生成した水素の一部を酸化性ガスと反応（燃焼）させる装置であってもよい。
【0071】
燃焼器として、通常のバーナで燃料を燃焼させる装置を適用した場合には、別途燃料を供給する装置を設ける必要があるとともに二酸化炭素を排出することになる。一方で、燃焼器として電解システム１０で生成した水素を燃焼させる燃焼器とすることで、別途燃料を供給する装置を設ける必要がないので構成を簡素化することができる。また、二酸化炭素の排出を抑制することができる。
【0072】
制御装置５０は、電解システム１０の各部を制御する装置である。制御装置５０（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）は、例えば、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ：プロセッサ）、主記憶装置（Ｍａｉｎ Ｍｅｍｏｒｙ）、二次記憶装置（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｓｔｏｒａｇｅ：メモリ）等を備えている。更に、制御装置５０は、他の装置と情報の送受信を行うための通信部を備えていてもよい。
【0073】
酸素濃度測定部６０は、電解セル１１から第１排空気管３１に排出された排空気の酸素濃度を測定する装置である。酸素濃度測定部６０は、測定した排空気の酸素濃度を制御装置５０に伝達する。
【0074】
水蒸気供給系統７０は、混合部２７に排空気を希釈するための水蒸気（希釈流体）を供給し、循環系統４０から空気供給系統２０に導かれる排空気の酸素濃度を低下させる装置である。水蒸気供給系統７０は、酸素濃度測定部６０が測定する排空気の酸素濃度が設定濃度範囲（例えば、排空気を循環させないシステムで想定される酸素濃度５０％程度）を超えないように、排空気の酸素濃度の上昇を抑制する。水蒸気で酸素濃度を低下させるシステムでは後述する排空気冷却器を設けることで水分を回収し、酸素濃度を濃縮することが可能である。
【0075】
排空気を希釈するための希釈流体としては、水蒸気とは異なる他の流体を用いてもよい。例えば、前述した所定濃度よりも酸素濃度が低い流体を希釈流体として用いることができる。窒素ガスなど、酸素を含まない不活性ガスを用いるのが特に好ましい。
【0076】
水蒸気供給系統７０は、水蒸気供給部７１と、水蒸気流量調整弁７２と、水蒸気供給管７３と、流量計測部７４と、を備える。水蒸気供給部７１から水蒸気供給管７３を介して混合部２７に供給される水蒸気の流量は、水蒸気流量調整弁７２により調整される。制御装置５０は、流量計測部７４が計測する水蒸気供給管７３の水蒸気の流量が目標流量となるように水蒸気流量調整弁７２の開度を制御する。
【0077】
水蒸気の目標流量は、酸素濃度測定部６０が測定する排空気の酸素濃度に応じて設定される。制御装置５０は、酸素濃度測定部６０が測定する排空気の酸素濃度が所定濃度を超えないように、水蒸気供給部７１から水蒸気供給管７３を介して混合部２７に供給される水蒸気の流量を調整する。
【0078】
なお、以上において、制御装置５０は、酸素濃度測定部６０が測定する排空気の酸素濃度に応じて水蒸気の目標流量を設定し、設定された水蒸気の目標流量に応じて水蒸気流量調整弁７２の開度を調整するものとしたが、他の態様であってもよい。例えば、制御装置５０は、酸素濃度測定部６０が測定する排空気の酸素濃度に応じて、水蒸気流量調整弁７２の開度を直接的に調整してもよい。
【0079】
圧力検出部８０は、第１排空気管３１に配置されるとともに、第１排空気管３１を流通する排空気の圧力を検出する装置である。排空気流量調整弁３８は、排出系統３０の圧力検出部８０よりも下流側に配置されている。制御装置５０は、圧力検出部８０が検出する排空気の圧力が所定圧力（電解セル１１の酸素極１１３側の領域の目標圧力）を超えないように排空気流量調整弁３８の開度を調整する。
【0080】
排空気冷却器（水分除去部）９０は、冷却媒体と熱交換することで、第２排空気管３３を流通する排空気を冷却する装置である。排空気冷却器９０は、排空気に含まれる水蒸気を凝縮させて排空気から除去する。
【0081】
除湿器（水分除去部）９５は、排空気冷却器９０を通過した排空気に含まれる水分を除去する装置である。除湿器９５としては、例えば、吸湿材に水分を吸着させてガスから空気を除去する吸着式とすることができる。
【0082】
次に、本実施形態に係る電解システム１０の運転方法について説明する。図５および図６は、本開示の第１実施形態に係る電解システム１０の運転方法を示すフローチャートである。制御装置５０が制御プログラムを実行することにより、図５および図６に示す各処理が実行される。
【0083】
ステップＳ１０１で、制御装置５０は、電解システム１０を起動させる起動動作を実行する。制御装置５０は、モータ２２ａを起動することにより圧縮機２２を動作させて空気供給部２１から供給される空気を圧縮し、第２空気供給管２４を介して電解セル１１の酸素極１１３へ供給する。
【0084】
ステップＳ１０２で、制御装置５０は、電解セル１１の起動が完了したかどうかを判断し、ＹＥＳであればステップＳ１０３に処理を進め、ＮＯであればステップＳ１０１の起動動作を継続する。制御装置５０は、圧力検出部８０が検出する圧力が所定の運転圧力となり、かつ電解セル１１の温度が所定の運転温度に到達した場合は、ステップＳ１０２でＹＥＳと判断する。
【0085】
制御装置５０は、電解セル１１の起動が完了すると、ステップＳ１０３で第１水蒸気管１２から水素極１０９へ供給される水蒸気の電気分解を開始させるよう電解セル１１を制御する。制御装置５０は、電解セル１１の起動が完了して電解セル１１が所定の運転圧力を維持する状態では、第２空気供給管２４から混合部２７へ供給される空気の流量を０とするように供給空気流量調整弁２５の開度を０とする。
【0086】
ステップＳ１０４で、制御装置５０は、電解セル１１から排出系統３０に排出された排空気の酸素濃度を測定するよう酸素濃度測定部６０を制御する。酸素濃度測定部６０は、計測した排空気の酸素濃度を制御装置５０に伝達する。
【0087】
ステップＳ１０５で、制御装置５０は、酸素濃度測定部６０が計測した排空気の酸素濃度が設定濃度上限値を超えるかどうかを判断し、設定濃度上限値を超えていればステップＳ１０６に処理を進め、設定濃度上限値を超えていなければステップＳ１０７に処理を進める。
【0088】
ステップＳ１０７で、制御装置５０は、酸素濃度測定部６０が計測した排空気の酸素濃度が設定濃度下限値を下回るかどうかを判断し、設定濃度下限値を下回っていればステップＳ１０８に処理を進め、設定濃度下限値を下回っていなければステップＳ１０９に処理を進める。制御装置５０は、ステップＳ１０５およびステップＳ１０７の双方でＮＯと判断する場合、酸素濃度測定部６０が計測した排空気の酸素濃度が設定濃度下限値以上かつ設定濃度上限値以下の設定濃度範囲であるため、ステップＳ１０９以降の運転を継続する。
【0089】
酸素濃度が設定濃度上限値を超える場合、制御装置５０は、ステップＳ１０６で、第１排空気管３１から排出される排空気の酸素濃度を低下させるよう水蒸気供給系統７０を制御する。制御装置５０は、酸素濃度測定部６０が測定する排空気の酸素濃度に応じて水蒸気の目標流量を設定し、設定された水蒸気の目標流量に応じて水蒸気流量調整弁７２の開度を調整する。水蒸気供給系統７０は、混合部２７へ供給する水蒸気を増加させることにより排空気の酸素濃度を低下させる。
【0090】
酸素濃度が設定濃度下限値を下回る場合、制御装置５０は、ステップＳ１０８で、第１排空気管３１から排出される排空気の酸素濃度を上昇させるよう水蒸気供給系統７０を制御する。制御装置５０は、酸素濃度測定部６０が測定する排空気の酸素濃度に応じて水蒸気の目標流量を設定し、設定された水蒸気の目標流量に応じて水蒸気流量調整弁７２の開度を調整する。水蒸気供給系統７０は、混合部２７へ供給する水蒸気を減少させることにより排空気の酸素濃度を上昇させる。
【0091】
ステップＳ１０９で、制御装置５０は、電解セル１１から排出系統３０に排出された排空気の圧力を測定するよう圧力検出部８０を制御する。圧力検出部８０は、検出した排空気の圧力を制御装置５０に伝達する。
【0092】
ステップＳ１１０で、制御装置５０は、圧力検出部８０が検出した排空気の圧力が設定圧力上限値を超えるかどうかを判断し、設定圧力上限値を越えていればステップＳ１１１に処理を進め、設定圧力上限値を超えていなければステップＳ１１２に処理を進める。
【0093】
ステップＳ１１２で、制御装置５０は、圧力検出部８０が検出した排空気の圧力が設定圧力下限値を下回るかどうかを判断し、設定圧力下限値を下回っていればステップＳ１１３に処理を進め、設定圧力下限値を下回っていなければステップＳ１１４に処理を進める。制御装置５０は、ステップＳ１１０およびステップＳ１１２の双方でＮＯと判断する場合、圧力検出部８０が検出した排空気の圧力が設定圧力下限値以上かつ設定圧力上限値以下の設定圧力範囲であるため、ステップＳ１１４以降の運転を継続する。
【0094】
検出圧力が設定圧力上限値を超える場合、制御装置５０は、ステップＳ１１１で、第１排空気管３１から排出される排空気の圧力を低下させるよう排空気流量調整弁３８を開とする。検出圧力が設定圧力下限値を下回る場合、制御装置５０は、ステップＳ１１３で、第１排空気管３１から排出される排空気の圧力を上昇させるよう排空気流量調整弁３８を閉とし電気分解を継続する。
【0095】
ステップＳ１１４で、制御装置５０は、電気分解を終了させるかどうかを判断し、ＹＥＳであればステップＳ１１５に処理を進め、ＮＯであれば電解セル１１による水蒸気の電気分解を継続しステップ１０４からステップ１１４の操作を繰り返す。
ステップＳ１１５で、制御装置５０は、電解セル１１による水蒸気の電気分解を終了させるための所定の終了動作を実行し、本フローチャートの処理を終了させる。
ステップＳ１１５で、制御装置５０は、電解セル１１による水蒸気の電気分解を終了させるための所定の終了動作を実行し、本フローチャートの処理を終了させる。
【0096】
以上で説明した本実施形態の電解システム１０によれば、以下の作用および効果を奏する。
本実施形態の電解システム１０によれば、空気供給系統２０から電解セル１１に空気（温度調整ガス）が供給され、電解セル１１の酸素極１１３で生成された酸素が空気とともに排出系統３０に排出される。排出系統３０に排出された排空気（排出ガス）の一部は、循環系統４０を介して空気供給系統２０へ導かれる。この場合、電解セル１１を含む循環系統４０での圧力損失分のみをブロワ４４で昇圧すればよいので、例えば大気圧状態から圧縮機２２で昇圧した空気のみを電解セル１１に供給する場合に比べ、空気を昇圧するための動力を低減することができる。
本実施形態の電解システム１０によれば、空気供給系統２０から電解セル１１に空気（温度調整ガス）が供給され、電解セル１１の酸素極１１３で生成された酸素が空気とともに排出系統３０に排出される。排出系統３０に排出された排空気（排出ガス）の一部は、循環系統４０を介して空気供給系統２０へ導かれる。この場合、電解セル１１を含む循環系統４０での圧力損失分のみをブロワ４４で昇圧すればよいので、例えば大気圧状態から圧縮機２２で昇圧した空気のみを電解セル１１に供給する場合に比べ、空気を昇圧するための動力を低減することができる。
【0097】
また、本実施形態の電解システム１０によれば、水蒸気供給系統（酸素濃度低下部）７０は、酸素濃度測定部６０が測定する酸素濃度が所定濃度を超えないように、循環系統４０から空気供給系統２０へ導かれる排空気の酸素濃度を低下させる。酸素濃度が所定濃度を超えないように維持されるため、酸素極１１３を循環するガスの酸素濃度が過度に増加して発火することを適切に防止することができる。
【0098】
また、本実施形態の電解システム１０によれば、圧力検出部８０が検出する排空気の圧力が所定圧力を超えないように排空気流量調整弁の開度が調整されるため、電解セル１１の酸素極１１３側の圧力を、所定圧力を超えない適切な圧力に維持することができる。
【0099】
また、本実施形態の電解システム１０によれば、酸素濃度が所定濃度よりも低い水蒸気（希釈流体）で排空気を希釈することにより、排空気の酸素濃度が所定濃度を超えないようにして安全性を高めることができる。
【0100】
また、本実施形態の電解システム１０によれば、排空気に含まれる水分を排空気冷却器９０および除湿器９５で除去することにより、排空気の酸素濃度を増加させることができる。
【0101】
本実施形態の電解システム１０によれば、排空気によりタービン３２を回転駆動することにより、排空気のエネルギーを回収することができる。回収したエネルギーは、例えば、空気供給系統２０が空気を電解セル１１の酸素極１１３に供給する圧縮機２２の動力として利用することができる。
【0102】
〔第２実施形態〕
次に、本開示の第２実施形態に係る電解システム１０Ａについて、図面を参照して説明する。本実施形態は、第１実施形態の変形例であり、以下で特に説明する場合を除き、第１実施形態と同様であるものとし、以下での説明を省略する。
次に、本開示の第２実施形態に係る電解システム１０Ａについて、図面を参照して説明する。本実施形態は、第１実施形態の変形例であり、以下で特に説明する場合を除き、第１実施形態と同様であるものとし、以下での説明を省略する。
【0103】
第１実施形態の電解システム１０は、循環系統４０から空気供給系統２０に導かれる排空気の酸素濃度を低下させるために、水蒸気供給系統７０から混合部２７に水蒸気を供給するものであった。それに対して、本実施形態の電解システム１０Ａは、循環系統４０から空気供給系統２０に導かれる排空気の酸素濃度を低下させる希釈流体を供給する装置として、水蒸気供給系統７０に加えて水供給系統７５を備えるものである。
【0104】
図７は、本開示の第２実施形態に係る電解システム１０Ａを示す概略構成図である。図７に示すように、本実施形態の電解システム１０Ａは、水供給系統７５を備える。水供給系統７５は、循環空気管４１に配置される混合部７６と、水供給部７７と、水供給部７７から混合部７６へ水を供給する水供給管７６ａと、水供給管７６ａに配置される水流量調整弁７８と、水供給管７６ａに配置される流量計測部７９と、を備える。
【0105】
水供給系統７５は、混合部７６に排空気を希釈するための水（希釈流体）を供給し、循環系統４０から空気供給系統２０に導かれる排空気の酸素濃度を低下させる装置である。水供給系統７５は、酸素濃度測定部６０が測定する排空気の酸素濃度が設定濃度範囲（例えば、排空気を循環させないシステムで想定される酸素濃度５０％程度）を超えないように、排空気の酸素濃度を低下させる。
【0106】
水供給部７７から水供給管７６ａを介して混合部７６に供給される水の流量は、水流量調整弁７８により調整される。制御装置５０は、流量計測部７９が計測する水供給管７６ａの水の流量が目標流量となるように水流量調整弁７８の開度を制御する。
【0107】
水の目標流量は、酸素濃度測定部６０が測定する排空気の酸素濃度に応じて設定される。制御装置５０は、酸素濃度測定部６０が測定する排空気の酸素濃度が所定濃度を超えないように、水供給部７７から水供給管７６ａを介して混合部７６に供給される水の流量を調整する。
【0108】
なお、以上において、制御装置５０は、酸素濃度測定部６０が測定する排空気の酸素濃度に応じて水の目標流量を設定し、設定された水の目標流量に応じて水流量調整弁７８の開度を調整するものとしたが、他の態様であってもよい。例えば、制御装置５０は、酸素濃度測定部６０が測定する排空気の酸素濃度に応じて、水流量調整弁７８の開度を直接的に調整してもよい。
【0109】
また、本実施形態の電解システム１０Ａにおいて、水蒸気供給系統７０は、水供給系統７５が水により排空気の酸素濃度を低下させるだけでは、酸素濃度測定部６０が測定する排空気の酸素濃度が所定濃度以下とならない場合に、混合部２７に水蒸気を供給するように制御装置５０により制御される。
【0110】
本実施形態の電解システム１０Ａによれば、循環系統４０の第１位置（混合部７６が配置される位置）で排空気を水で希釈することにより、排空気の酸素濃度を低下させるとともに排空気を十分に冷却することができる。また、循環系統４０の第１位置よりも下流側の第２位置（混合部２７が配置される位置）で排空気を水蒸気で希釈することにより、電解セル１１の温度を調整する空気（温度調整ガス）温度の変動を抑制しつつ、排空気の酸素濃度を所定濃度に低下させることができる。
【0111】
以上で説明した本実施形態の電解システム１０Ａは、循環系統４０から空気供給系統２０に導かれる排空気を希釈する希釈流体として、水蒸気と水の双方を利用するものとしたが、他の態様であってもよい。例えば、電解システム１０Ａは、水蒸気供給系統７０を備えず、水供給系統７５のみを備えるものとしてもよい。すなわち、電解システム１０Ａは、循環系統４０から空気供給系統２０に導かれる排空気を希釈する希釈流体として、水のみを用いるシステムとしてもよい。
【0112】
〔第３実施形態〕
次に、本開示の第３実施形態に係る電解システム１０Ｂについて、図面を参照して説明する。本実施形態は、第１実施形態の変形例であり、以下で特に説明する場合を除き、第１実施形態と同様であるものとし、以下での説明を省略する。
次に、本開示の第３実施形態に係る電解システム１０Ｂについて、図面を参照して説明する。本実施形態は、第１実施形態の変形例であり、以下で特に説明する場合を除き、第１実施形態と同様であるものとし、以下での説明を省略する。
【0113】
第１実施形態の電解システム１０は、循環系統４０から空気供給系統２０に導かれる排空気の酸素濃度を低下させるために、水蒸気供給系統７０から混合部２７に水蒸気を供給するものであった。それに対して、本実施形態の電解システム１０Ｂは、排空気から酸素を除去する酸素除去系統７０Ｂを備えるものである。
【0114】
図８は、本開示の第３実施形態に係る電解システムを示す概略構成図である。図８に示すように、酸素除去系統７０Ｂは、酸素除去装置７１Ｂと、酸素供給部７２Ｂと、酸素供給配管７３Ｂと、第１調整弁７４Ｂと、第２調整弁７５Ｂと、バイパス配管７６Ｂと、を備える。
【0115】
酸素除去装置７１Ｂは、例えばＰＳＡ（Ｐｕｒｅｓｓｕｒｅ Ｓｗｉｎｇ Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ）方式により空気中の酸素を除去する装置である。酸素除去装置７１Ｂは、循環空気管４１から流入する排空気に含まれる酸素を除去して酸素供給配管７３Ｂへ供給する。酸素供給配管７３Ｂへ供給された酸素は、酸素供給部７２Ｂへ供給される。酸素供給部７２Ｂは、所定の供給先へ酸素を供給する。酸素除去装置７１Ｂにより酸素が除去された排空気は、循環空気管４１を介してブロワ４４に供給される。
【0116】
制御装置５０は、酸素濃度測定部６０が測定する排空気の酸素濃度が所定濃度となるように、第１調整弁７４Ｂおよび第２調整弁７５Ｂの開度を制御する。制御装置５０は、第１調整弁７４Ｂの開度を増加させつつ第２調整弁７５Ｂの開度を減少させることにより、酸素除去装置７１Ｂへ供給される排空気の割合を増加させ、排空気の酸素濃度を低下させる。同様に、制御装置５０は、第１調整弁７４Ｂの開度を減少させつつ第２調整弁７５Ｂの開度を増加させることにより、酸素除去装置７１Ｂへ供給される排空気の割合を減少させ、排空気の酸素濃度を増加させる。
【0117】
本実施形態の電解システム１０Ｂによれば、酸素除去系統７０Ｂにより循環系統４０から空気供給系統２０に導かれる排空気から酸素を分離することにより、排空気の酸素濃度が所定濃度を超えないようにして安全性を高めることができる。
【0118】
〔他の実施形態〕
以上の各実施形態では、第１排空気管３１の上流側から下流側に向けて、排空気流量調整弁３８、タービン３２、排空気冷却器９０、除湿器９５の順に配置するものとしたが、他の態様であってもよい。
以上の各実施形態では、第１排空気管３１の上流側から下流側に向けて、排空気流量調整弁３８、タービン３２、排空気冷却器９０、除湿器９５の順に配置するものとしたが、他の態様であってもよい。
【0119】
例えば、除湿器９５の下流側に減圧弁（図示略）を設置してもよい。除湿器９５の下流側に設置される減圧弁の開度を適切に調整することにより、除湿器９５の内圧を適切な圧力に高め、除湿器９５における水分の除去性能を高めることができる。
【0120】
また、例えば、第１排空気管３１の上流側から下流側に向けて、排空気冷却器９０、除湿器９５、排空気流量調整弁３８、タービン３２の順に配置してもよい。排空気流量調整弁３８を下流側に配置することで、排空気冷却器９０および除湿器９５における排空気の水蒸気分圧が高くなり、水分の除去効率が向上する。また、排空気冷却器９０で生成される凝縮水の温度を高くすることができる。この場合、タービン３２を設けない構成とすることも可能である。
【0121】
以上説明した各実施形態に記載の電解システム及び電解システムの運転方法は、例えば以下のように把握される。
本開示の第１態様に係る電解システムは、酸素極と水素極とを有し、前記水素極に供給された水蒸気を電気分解することで、前記水素極で水素を生成するとともに前記酸素極で酸素を生成する電解セル（１１）と、前記電解セルの温度を調整する温度調整ガスを前記酸素極に供給する供給系統（２０）と、前記電解セルから排出される前記酸素および前記温度調整ガスを含む排出ガスが流通する排出系統（３０）と、前記排出系統に排出された前記排出ガスを前記供給系統へ導く循環系統（４０）と、前記電解セルから前記排出系統に排出された前記排出ガスの酸素濃度を測定する酸素濃度測定部（６０）と、前記酸素濃度測定部が測定する酸素濃度が設定濃度範囲を超えないように、前記循環系統から前記供給系統へ導かれる前記排出ガスの酸素濃度を低下させる酸素濃度低下部（７０）と、を備える。
本開示の第１態様に係る電解システムは、酸素極と水素極とを有し、前記水素極に供給された水蒸気を電気分解することで、前記水素極で水素を生成するとともに前記酸素極で酸素を生成する電解セル（１１）と、前記電解セルの温度を調整する温度調整ガスを前記酸素極に供給する供給系統（２０）と、前記電解セルから排出される前記酸素および前記温度調整ガスを含む排出ガスが流通する排出系統（３０）と、前記排出系統に排出された前記排出ガスを前記供給系統へ導く循環系統（４０）と、前記電解セルから前記排出系統に排出された前記排出ガスの酸素濃度を測定する酸素濃度測定部（６０）と、前記酸素濃度測定部が測定する酸素濃度が設定濃度範囲を超えないように、前記循環系統から前記供給系統へ導かれる前記排出ガスの酸素濃度を低下させる酸素濃度低下部（７０）と、を備える。
【0122】
本開示の第１態様に係る電解システムによれば、供給系統から電解セルに温度調整ガスが供給され、電解セルの酸素極で生成された酸素が温度調整ガスとともに排出系統に排出される。排出系統に排出された排出ガスの一部は、循環系統を介して供給系統へ導かれる。ブロワ（４４）で昇圧された排出ガスが再び供給系統へ導かれるため、例えば、大気圧状態から昇圧した温度調整ガスのみを電解セルに供給する場合に比べ、温度調整ガスを昇圧するための動力を低減することができる。
【0123】
また、本開示の第１態様に係る電解システムによれば、酸素濃度低下部は、酸素濃度測定部が測定する酸素濃度が設定濃度範囲を超えないように、循環系統から供給系統へ導かれる排出ガスの酸素濃度を低下させる。酸素濃度が所定濃度を超えないように維持されるため、酸素極を循環するガスの酸素濃度が過度に増加して発火することを適切に防止することができる。
【0124】
本開示の第２態様に係る電解システムは、第１態様において、更に以下の構成を備える。すなわち、前記排出系統に排出された前記排出ガスの流量を調整する流量調整弁（３８）を備える。
【0125】
本開示の第２態様に係る電解システムによれば、流量調整弁の開度が調整することにより、電解セルの酸素極側の圧力を、所定圧力を超えない適切な圧力に維持することができる。
【0126】
本開示の第３態様に係る電解システムは、第２態様において、更に以下の構成を備える。すなわち、前記酸素濃度低下部は、酸素濃度が前記設定濃度範囲よりも低い希釈流体で前記排出ガスを希釈することにより前記排出ガスの酸素濃度を低下させる。
【0127】
本開示の第３態様に係る電解システムによれば、酸素濃度が所定濃度よりも低い希釈流体で排出ガスを希釈することにより、排出ガスの酸素濃度が所定濃度を超えないようにして安全性を高めることができる。
【0128】
本開示の第４態様に係る電解システムは、第３態様において、更に以下の構成を備える。すなわち、前記希釈流体は、水蒸気または水である。
本開示の第４態様に係る電解システムによれば、水蒸気または水で排出ガスを希釈することにより、排出ガスの酸素濃度が所定濃度を超えないようにして安全性を高めることができる。
本開示の第４態様に係る電解システムによれば、水蒸気または水で排出ガスを希釈することにより、排出ガスの酸素濃度が所定濃度を超えないようにして安全性を高めることができる。
【0129】
本開示の第５態様に係る電解システムは、第３態様において、更に以下の構成を備える。すなわち、前記希釈流体は、水蒸気および水であり、前記酸素濃度低下部は、前記循環系統の第１位置で前記排出ガスを水で希釈し、前記循環系統の前記第１位置よりも下流側の第２位置で前記排出ガスを水蒸気で希釈する。
【0130】
本開示の第５態様に係る電解システムによれば、循環系統の第１位置で排出ガスを水で希釈することにより、排出ガスの酸素濃度を低下させるとともに排出ガスを十分に冷却することができる。また、循環系統の第１位置よりも下流側の第２位置で排出ガスを水蒸気で希釈することにより、電解セルの温度を調整する空気（温度調整ガス）温度の変動を抑制しつつ、排出ガスの酸素濃度を所定濃度に低下させることができる。
【0131】
本開示の第６態様に係る電解システムは、第１態様から第５態様のいずれかにおいて、更に以下の構成を備える。すなわち、前記排出系統に配置されるとともに前記排出ガスに含まれる水分を除去する水分除去部（９０，９５）を備える。
本開示の第６態様に係る電解システムによれば、排出ガスに含まれる水分を除去することにより、排出ガスの酸素濃度を増加させることができる。
本開示の第６態様に係る電解システムによれば、排出ガスに含まれる水分を除去することにより、排出ガスの酸素濃度を増加させることができる。
【0132】
本開示の第７態様に係る電解システムは、第２態様において、更に以下の構成を備える。すなわち、前記酸素濃度低下部は、前記排出ガスから前記酸素を除去することにより前記排出ガスの酸素濃度を低下させる。
本開示の第７態様に係る電解システムによれば、排出ガスから酸素を分離することにより、排出ガスの酸素濃度が所定濃度を超えないようにして安全性を高めることができる。
本開示の第７態様に係る電解システムによれば、排出ガスから酸素を分離することにより、排出ガスの酸素濃度が所定濃度を超えないようにして安全性を高めることができる。
【0133】
本開示の第８態様に係る電解システムは、第１態様から第５態様のいずれかにおいて、更に以下の構成を備える。すなわち、前記排出系統に配置されるとともに前記排出ガスにより回転駆動されるタービン（３２）を備える。
本開示の第８態様に係る電解システムによれば、排出ガスによりタービンを回転駆動することにより、排出ガスのエネルギーを回収することができる。回収したエネルギーは、例えば、供給系統が温度調整ガスを酸素極に供給する動力として利用することができる。
本開示の第８態様に係る電解システムによれば、排出ガスによりタービンを回転駆動することにより、排出ガスのエネルギーを回収することができる。回収したエネルギーは、例えば、供給系統が温度調整ガスを酸素極に供給する動力として利用することができる。
【0134】
本開示の第９態様に係る電解システムの運転方法において、前記電解システムは、酸素極と水素極とを有し、前記水素極に供給された水蒸気を電気分解することで、前記水素極で水素を生成するとともに前記酸素極で酸素を生成する電解セルと、前記電解セルの温度を調整する温度調整ガスを前記酸素極に供給する供給系統と、前記電解セルから排出される前記酸素および前記温度調整ガスを含む排出ガスが流通する排出系統と、前記排出系統に排出された前記排出ガスの少なくとも一部を前記供給系統へ導く循環系統と、を備え、前記電解セルから前記排出系統に排出された前記排出ガスの酸素濃度を測定する酸素濃度測定工程と、前記酸素濃度測定工程が測定する酸素濃度が設定濃度範囲を超えないように、前記循環系統から前記供給系統へ導かれる前記排出ガスの酸素濃度を低下させる酸素濃度低下工程と、を備える。
【0135】
本開示の第９態様に係る電解システムの運転方法によれば、供給系統から電解セルに温度調整ガスが供給され、電解セルの酸素極で生成された酸素が温度調整ガスとともに排出系統に排出される。排出系統に排出された排出ガスの一部は、循環系統を介して供給系統へ導かれる。電解セルで昇圧された排出ガスが再び供給系統へ導かれるため、例えば、大気圧状態から昇圧した温度調整ガスのみを電解セルに供給する場合に比べ、温度調整ガスを昇圧するための動力を低減することができる。
【0136】
また、本開示の第９態様に係る電解システムの運転方法によれば、酸素濃度低下工程は、酸素濃度測定工程が測定する酸素濃度が設定濃度範囲を超えないように、循環系統から供給系統へ導かれる排出ガスの酸素濃度を低下させる。酸素濃度が所定濃度を超えないように維持されるため、酸素極を循環するガスの酸素濃度が過度に増加して発火することを適切に防止することができる。
【符号の説明】
【0137】
１０，１０Ａ，１０Ｂ 電解システム
１１ 電解セル
１２ 第１水蒸気管
１３ 第２水蒸気管
２０ 空気供給系統
２１ 空気供給部
２２ 圧縮機
２２ａ モータ
２２ｂ 回転軸
２３ 第１空気供給管
２４ 第２空気供給管
２５ 供給空気流量調整弁
２５ａ 流量計測部
２６ 供給空気冷却器
２７ 混合部
２８ 供給空気温度調整用熱交換器
２９ 温度センサ
３０ 排出系統
３１ 第１排空気管
３２ タービン
３３ 第２排空気管
３４ 排空気排出部
３５ 排空気冷却器
３６ 分岐部
３８ 排空気流量調整弁
４０ 循環系統
４１ 循環空気管
４３ 循環空気冷却器
４４ ブロワ
４４ａ インバータ
４４ｂ モータ
４５ 循環空気加熱器
５０ 制御装置
６０ 酸素濃度測定部
７０ 水蒸気供給系統
７１ 水蒸気供給部
７２ 水蒸気流量調整弁
７３ 水蒸気供給管
７４ 流量計測部
７５ 水供給系統
７６ 混合部
７６ａ 水供給管
７０Ｂ 酸素除去系統
７１Ｂ 酸素除去装置
７２Ｂ 酸素供給部
７３Ｂ 酸素供給配管
７４Ｂ 第１調整弁
７５Ｂ 第２調整弁
７６Ｂ バイパス配管
７７ 水供給部
７８ 水流量調整弁
７９ 流量計測部
８０ 圧力検出部
９０ 排空気冷却器
９５ 除湿器
１０９ 水素極
１１３ 酸素極
１１ 電解セル
１２ 第１水蒸気管
１３ 第２水蒸気管
２０ 空気供給系統
２１ 空気供給部
２２ 圧縮機
２２ａ モータ
２２ｂ 回転軸
２３ 第１空気供給管
２４ 第２空気供給管
２５ 供給空気流量調整弁
２５ａ 流量計測部
２６ 供給空気冷却器
２７ 混合部
２８ 供給空気温度調整用熱交換器
２９ 温度センサ
３０ 排出系統
３１ 第１排空気管
３２ タービン
３３ 第２排空気管
３４ 排空気排出部
３５ 排空気冷却器
３６ 分岐部
３８ 排空気流量調整弁
４０ 循環系統
４１ 循環空気管
４３ 循環空気冷却器
４４ ブロワ
４４ａ インバータ
４４ｂ モータ
４５ 循環空気加熱器
５０ 制御装置
６０ 酸素濃度測定部
７０ 水蒸気供給系統
７１ 水蒸気供給部
７２ 水蒸気流量調整弁
７３ 水蒸気供給管
７４ 流量計測部
７５ 水供給系統
７６ 混合部
７６ａ 水供給管
７０Ｂ 酸素除去系統
７１Ｂ 酸素除去装置
７２Ｂ 酸素供給部
７３Ｂ 酸素供給配管
７４Ｂ 第１調整弁
７５Ｂ 第２調整弁
７６Ｂ バイパス配管
７７ 水供給部
７８ 水流量調整弁
７９ 流量計測部
８０ 圧力検出部
９０ 排空気冷却器
９５ 除湿器
１０９ 水素極
１１３ 酸素極
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【手続補正書】
【提出日】2024-05-31
【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】
酸素極と水素極とを有し、前記水素極に供給された水蒸気を電気分解することで、前記水素極で水素を生成するとともに前記酸素極で酸素を生成する電解セルと、
前記電解セルの温度を調整する温度調整ガスを系外から前記酸素極に供給する供給系統と、
前記電解セルから排出される前記酸素および前記温度調整ガスを含む排出ガスを系外に排出する排出系統と、
前記排出系統に排出された前記排出ガスの少なくとも一部を前記供給系統へ導く循環系統と、
前記電解セルから前記排出系統に排出された前記排出ガスの酸素濃度を測定する酸素濃度測定部と、
前記酸素濃度測定部が測定する酸素濃度が設定濃度範囲を超えないように、酸素濃度が前記設定濃度範囲よりも低い希釈流体で前記排出ガスを希釈することにより前記循環系統から前記供給系統へ導かれる前記排出ガスの酸素濃度を低下させる酸素濃度低下部と、
を備える電解システム。
前記電解セルの温度を調整する温度調整ガスを系外から前記酸素極に供給する供給系統と、
前記電解セルから排出される前記酸素および前記温度調整ガスを含む排出ガスを系外に排出する排出系統と、
前記排出系統に排出された前記排出ガスの少なくとも一部を前記供給系統へ導く循環系統と、
前記電解セルから前記排出系統に排出された前記排出ガスの酸素濃度を測定する酸素濃度測定部と、
前記酸素濃度測定部が測定する酸素濃度が設定濃度範囲を超えないように、酸素濃度が前記設定濃度範囲よりも低い希釈流体で前記排出ガスを希釈することにより前記循環系統から前記供給系統へ導かれる前記排出ガスの酸素濃度を低下させる酸素濃度低下部と、
を備える電解システム。
【請求項2】
前記排出系統に排出された前記排出ガスのうち系外へ排出する前記排出ガスの流量を調整する流量調整弁を備える請求項１に記載の電解システム。
【請求項3】
前記希釈流体は、水蒸気または水である請求項１に記載の電解システム。
【請求項4】
前記希釈流体は、水蒸気および水であり、
前記酸素濃度低下部は、前記循環系統の第１位置で前記排出ガスを水で希釈し、前記循環系統の前記第１位置よりも下流側の第２位置で前記排出ガスを水蒸気で希釈する請求項１に記載の電解システム。
前記酸素濃度低下部は、前記循環系統の第１位置で前記排出ガスを水で希釈し、前記循環系統の前記第１位置よりも下流側の第２位置で前記排出ガスを水蒸気で希釈する請求項１に記載の電解システム。
【請求項5】
前記排出系統に配置されるとともに前記排出ガスに含まれる水分を除去する水分除去部を備える請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の電解システム。
【請求項6】
前記排出系統に配置されるとともに前記排出ガスにより回転駆動されるタービンを備える請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の電解システム。
【請求項7】
電解システムの運転方法であって、
前記電解システムは、
酸素極と水素極とを有し、前記水素極に供給された水蒸気を電気分解することで、前記水素極で水素を生成するとともに前記酸素極で酸素を生成する電解セルと、
前記電解セルの温度を調整する温度調整ガスを系外から前記酸素極に供給する供給系統と、
前記電解セルから排出される前記酸素および前記温度調整ガスを含む排出ガスを系外に排出する排出系統と、
前記排出系統に排出された前記排出ガスの少なくとも一部を前記供給系統へ導く循環系統と、を備え、
前記電解セルから前記排出系統に排出された前記排出ガスの酸素濃度を測定する酸素濃度測定工程と、
前記酸素濃度測定工程が測定する酸素濃度が設定濃度範囲を超えないように、酸素濃度が前記設定濃度範囲よりも低い希釈流体で前記排出ガスを希釈することにより前記循環系統から前記供給系統へ導かれる前記排出ガスの酸素濃度を低下させる酸素濃度低下工程と、を備える電解システムの運転方法。
前記電解システムは、
酸素極と水素極とを有し、前記水素極に供給された水蒸気を電気分解することで、前記水素極で水素を生成するとともに前記酸素極で酸素を生成する電解セルと、
前記電解セルの温度を調整する温度調整ガスを系外から前記酸素極に供給する供給系統と、
前記電解セルから排出される前記酸素および前記温度調整ガスを含む排出ガスを系外に排出する排出系統と、
前記排出系統に排出された前記排出ガスの少なくとも一部を前記供給系統へ導く循環系統と、を備え、
前記電解セルから前記排出系統に排出された前記排出ガスの酸素濃度を測定する酸素濃度測定工程と、
前記酸素濃度測定工程が測定する酸素濃度が設定濃度範囲を超えないように、酸素濃度が前記設定濃度範囲よりも低い希釈流体で前記排出ガスを希釈することにより前記循環系統から前記供給系統へ導かれる前記排出ガスの酸素濃度を低下させる酸素濃度低下工程と、を備える電解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】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【0007】
上記課題を解決するために、本開示の電解システム及び電解システムの運転方法は以下の手段を採用する。
本開示の一態様に係る電解システムは、酸素極と水素極とを有し、前記水素極に供給された水蒸気を電気分解することで、前記水素極で水素を生成するとともに前記酸素極で酸素を生成する電解セルと、前記電解セルの温度を調整する温度調整ガスを系外から前記酸素極に供給する供給系統と、前記電解セルから排出される前記酸素および前記温度調整ガスを含む排出ガスを系外に排出する排出系統と、前記排出系統に排出された前記排出ガスの少なくとも一部を前記供給系統へ導く循環系統と、前記電解セルから前記排出系統に排出された前記排出ガスの酸素濃度を測定する酸素濃度測定部と、前記酸素濃度測定部が測定する酸素濃度が設定濃度範囲を超えないように、酸素濃度が前記設定濃度範囲よりも低い希釈流体で前記排出ガスを希釈することにより前記循環系統から前記供給系統へ導かれる前記排出ガスの酸素濃度を低下させる酸素濃度低下部と、を備える。
本開示の一態様に係る電解システムは、酸素極と水素極とを有し、前記水素極に供給された水蒸気を電気分解することで、前記水素極で水素を生成するとともに前記酸素極で酸素を生成する電解セルと、前記電解セルの温度を調整する温度調整ガスを系外から前記酸素極に供給する供給系統と、前記電解セルから排出される前記酸素および前記温度調整ガスを含む排出ガスを系外に排出する排出系統と、前記排出系統に排出された前記排出ガスの少なくとも一部を前記供給系統へ導く循環系統と、前記電解セルから前記排出系統に排出された前記排出ガスの酸素濃度を測定する酸素濃度測定部と、前記酸素濃度測定部が測定する酸素濃度が設定濃度範囲を超えないように、酸素濃度が前記設定濃度範囲よりも低い希釈流体で前記排出ガスを希釈することにより前記循環系統から前記供給系統へ導かれる前記排出ガスの酸素濃度を低下させる酸素濃度低下部と、を備える。
【手続補正3】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【0008】
本開示の一態様に係る電解システムの運転方法において、前記電解システムは、酸素極と水素極とを有し、前記水素極に供給された水蒸気を電気分解することで、前記水素極で水素を生成するとともに前記酸素極で酸素を生成する電解セルと、前記電解セルの温度を調整する温度調整ガスを系外から前記酸素極に供給する供給系統と、前記電解セルから排出される前記酸素および前記温度調整ガスを含む排出ガスを系外に排出する排出系統と、前記排出系統に排出された前記排出ガスの少なくとも一部を前記供給系統へ導く循環系統と、を備え、前記電解セルから前記排出系統に排出された前記排出ガスの酸素濃度を測定する酸素濃度測定工程と、前記酸素濃度測定工程が測定する酸素濃度が設定濃度範囲を超えないように、酸素濃度が前記設定濃度範囲よりも低い希釈流体で前記排出ガスを希釈することにより前記循環系統から前記供給系統へ導かれる前記排出ガスの酸素濃度を低下させる酸素濃度低下工程と、を備える。