特開 2024-155482 電解セルシステム

(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】P2024155482

(43)【公開日】2024-10-31

(54)【発明の名称】電解セルシステム

(51)【国際特許分類】

   C25B 15/08 20060101AFI20241024BHJP

   C25B 1/042 20210101ALI20241024BHJP

   C25B 9/00 20210101ALI20241024BHJP

【ＦＩ】

C25B15/08 302

C25B1/042

C25B9/00 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023070238

(22)【出願日】2023-04-21

(71)【出願人】

【識別番号】000000011

【氏名又は名称】株式会社アイシン

(74)【代理人】

【識別番号】110000017

【氏名又は名称】弁理士法人アイテック国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】岡本 光

【テーマコード（参考）】

4K021

【Ｆターム（参考）】

4K021AA01

4K021BA02

4K021CA08

4K021CA09

4K021DC03

(57)【要約】

【課題】より容易に適量の水素極オフガスを還流させる。
【解決手段】電解セルシステムは、電解セルの水素極入口に接続された水素極入口側ラインと、電解セルの水素極出口に接続された水素極出口側ラインと、水を蒸発させて前記水素極入口側ラインに送る蒸発部と、断熱性を有し電解セルと水素極入口ラインと水素極出口ラインと蒸発部とを収容するケースと、水供給ラインと、ケース外に設けられ水供給ラインに接続された流体入口とケース内に設けられ蒸発部に接続された流体出口とケース内に設けられ水素極出口側ラインから分岐して接続された吸気口とを有し流体入口から流体出口に向かって流れる水を作動流体として吸気口を減圧する減圧器と、を備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

水蒸気電解により水素を生成する電解セルを含む電解セルシステムであって、
前記電解セルの水素極入口に接続された水素極入口側ラインと、
前記電解セルの水素極出口に接続された水素極出口側ラインと、
水を蒸発させて前記水素極入口側ラインに送る蒸発部と、
断熱性を有し、前記電解セルと前記水素極入口ラインと前記水素極出口ラインと前記蒸発部とを収容するケースと、
水を供給する水供給ラインと、
前記ケース外に位置すると共に前記水供給ラインに接続された流体入口と、前記ケース内に位置すると共に前記蒸発部に接続された流体出口と、前記ケース内に位置すると共に前記水素極出口側ラインから分岐して接続された吸気口とを有し、前記流体入口から前記流体出口に向かって流れる水を作動流体として前記吸気口を減圧する水流減圧器と、
を備える電解セルシステム。

【請求項2】

請求項１に記載の電解セルシステムであって、
前記水供給ラインは、前記水流減圧器に水を供給する第１水供給ラインと、前記水流減圧器を介さずに前記蒸発部に水を供給する第２水供給ラインと、を有する、
電解セルシステム。

【請求項3】

請求項１または２に記載の電解セルシステムであって、
前記水流減圧器は、入口よりも出口の断面積が大きくなっており該出口に前記流体出口を有するディフューザ部と、入口よりも出口の断面積が小さくなっており該入口に前記流体入口を有するノズル部と、互いに向かい合う前記ノズル部の出口と前記ディフューザ部の入口との間に形成されると共に前記吸気口を有する減圧部と、を備える、
電解セルシステム。

【請求項4】

請求項３に記載の電解セルシステムであって、
前記水流減圧器は、前記ノズル部の出口の開口面積を調整するバルブ部、または、前記ノズル部を冷却する冷却部を有する、
電解セルシステム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本明細書は、電解セルシステムについて開示する。

【背景技術】

【0002】

従来、この種の電解セルシステムとしては、電気化学セル（高温水蒸気電解セル）と、電気化学セルに水蒸気を含む水素極入口供給ガスを供給する水素極入口供給ラインと、電気化学セルの水素を含む水素極出口ガスを排出する水素極側出口ラインと、水素極入口供給ラインに介在し水素極供給ガス（水蒸気）の圧力を調整する圧力調整機構と、圧力調整機構に水素極出口ガスの一部を循環ガスとして供給する循環ガス吸引機構（エジェクタ）と、を備えるものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【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】

【0004】

上述した電解セルシステムでは、気体である水蒸気を作動流体として、エジェクタ内部に負圧を発生させ、負圧により水素極出口ガスの一部を循環ガスとして吸引する。発生する負圧は作動流体の密度に依存するため、作動流体を気体とするエジェクタでは、多量の作動流体（水蒸気）の供給を必要とし、大きな負圧を発生させることができないという問題がある。また、発生する負圧は作動流体の速度にも依存するが、水蒸気を安定して一定速度で供給することは困難であり、水素極出口ガスの引き込み量の調整が難しいといった問題もある。

【0005】

本開示の電解セルシステムは、より容易に適量の水素極オフガスを還流させることができる電解セルシステムを提供することを主目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本開示の電解セルシステムは、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。

【0007】

本開示の電解セルシステムは、
水蒸気電解により水素を生成する電解セルを含む電解セルシステムであって、
前記電解セルの水素極入口に接続された水素極入口側ラインと、
前記電解セルの水素極出口に接続された水素極出口側ラインと、
水を蒸発させて前記水素極入口側ラインに送る蒸発部と、
断熱性を有し、前記電解セルと前記水素極入口ラインと前記水素極出口ラインと前記蒸発部とを収容するケースと、
水を供給する水供給ラインと、
前記ケース外に位置すると共に前記水供給ラインに接続された流体入口と、前記ケース内に位置すると共に前記蒸発部に接続された流体出口と、前記ケース内に位置すると共に前記水素極出口側ラインから分岐して接続された吸気口とを有し、前記流体入口から前記流体出口に向かって流れる水を作動流体として前記吸気口を減圧する水流減圧器と、
を備えることを要旨とする。

【0008】

この本開示の電解セルシステムでは、液体である水を作動流体として吸気口を減圧して負圧を発生させ、水素極から水素極出口側ラインに排出された水素極オフガスを負圧により吸引して水素極に還流させる。発生する負圧は作動流体の密度に依存するため、気体である水蒸気を作動流体とするものに比して、少ない流量で水素極オフガスを引き込むことができる。この結果、より容易に適量の水素極オフガスを還流させることができる電解セルシステムとすることができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本実施形態の電解セルシステムの概略構成図である。

【図2】水流減圧器の概略構成図である。

【図3】他の実施形態に係る水流減圧器の概略構成図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

本開示を実施するための形態について図面を参照しながら説明する。

【0011】

図１は、本実施形態の電解セルシステムの概略構成図である。本実施形態の電解セルシステム１０は、電解セルスタック２１を含む電解モジュール２０と、水流減圧器４０（アスピレータ）と、電解モジュール２０に水を供給する水供給系５０と、電解モジュール２０にスイープガスとしての空気を供給する空気供給系６０と、電解動作により生成された水素を回収する水素回収系７０と、を備える。

【0012】

電解モジュール２０は、電解セルスタック２１の他に、蒸発器３１やヒータ３２，３３，３４などを含み、これらは、断熱材で形成された箱形のモジュールケース３５に収容されている。

【0013】

電解セルスタック２１は、固体電解質２１ａと、当該固体電解質２１ａの一方の面側に配置される水素極２１ｂと、当該固体電解質２１ａの他方の面側に配置されるＬＳＣＦ等の酸素極２１ｃと、をそれぞれ含む複数の固体酸化物形の単セルを備える。電解セルスタック２１は、電源からの電力の供給を受けて、水素極２１ｂに供給される水蒸気を電気分解して水素を生成する。なお、電源としては、系統電源や、再生可能エネルギ（例えば太陽光発電装置）、蓄電池などを用いることができる。

【0014】

電解セルスタック２１は高温で作動するため、固体電解質２１ａや水素極２１ｂ、酸素極２１ｃは、セラミックス材料により作製される。また、触媒により水蒸気を酸素イオンと水素とに分解するため、水素極２１ｂには、触媒作用をもつニッケル等の金属とセラミックスとのサーメットが用いられる。水素極２１ｂの触媒活性を良好に維持するためには、水素極２１ｂを還元雰囲気に保ち、金属の酸化を防止する必要がある。このため、本実施形態では、水素極２１ｂに供給される水蒸気には、水素ガス（還元用水素）が混合される。

【0015】

電解セルスタック２１の水素極２１ｂの入口には、水素極入口側配管２２の一端が接続され、当該水素極入口側配管２２の他端には、蒸発器３１と水流減圧器４０とを介して水供給系５０が接続されている。また、水素極入口側配管２２には、当該水素極入口側配管２２を流れる水蒸気を昇温させるためのヒータ３３が設置されている。電解セルスタック２１の酸素極２１ｃの入口には、酸素極入口側配管２３の一端が接続され、当該酸素極入口側配管２３の他端には、空気供給系６０が接続されている。また、酸素極入口側配管２３には、当該酸素極入口側配管２３を流れるスイープガス（空気）を昇温させるためのヒータ３４が設置されている。

【0016】

また、電解セルスタック２１の水素極２１ｂの出口には、水素極出口側配管２４の一端が接続され、当該水素極出口側配管２４の他端には、水素回収系７０が接続されている。電解セルスタック２１の酸素極２１ｃの出口には、酸素極２１ｃで発生した酸素をスイープガスと共にモジュールケース３５外へ排出するための酸素極出口側配管２５が接続されている。

【0017】

水供給系５０は、水（原料水）を貯留する水タンク５１と、水タンク配管５２と、液送ポンプ５３と、第１水供給管５４と、第２水供給管５５と、を備える。

【0018】

水タンク５１には水タンク配管５２の一端が接続され、水タンク配管５２の他端には、第１水供給管５４の一端と第２水供給管５５の一端とが接続されている。第１水供給管５４の他端には、水流減圧器４０が接続されている。第２水供給管５５の他端には、蒸発器３１が接続されている。また、水タンク配管５２には、液送ポンプ５３が設置され、第１水供給管５４と第２水供給管５５とには、マスフローコントローラ５６，５７が設置されている。液送ポンプ５３を作動させることで、水タンク５１から取り出された水の一部は、第１水供給管５４により水流減圧器４０を介して蒸発器３１に供給され、水タンク５１から取り出された水の他の一部は、第２水供給管５５により蒸発器３１に直接に供給される。本実施形態では、第１水供給管５４と第２水供給管５５とにそれぞれマスフローコントローラ５６，５７が設置されているから、第１水供給管５４からの水の供給流量と第２水供給管５５からの水の供給流量とを個別に制御することができる。

【0019】

水流減圧器４０は、アスピレータであり、作動流体として水を利用してベンチュリ効果により負圧状態をつくり、負圧により水素極出口側配管２４を流れる水素極オフガスを引き込んで蒸発器３１に供給する。水流減圧器４０は、図２に示すように、入口より出口の断面積が小さくなっており当該入口に給水口４１ａを有するノズル部４１と、入口より出口の断面積が大きくなっており当該出口に放水口４２ａを有するディフューザ部４２と、互いに向かい合うノズル部４１の出口とディフューザ部４２の入口との間に形成されると共に吸気口４３ａを有する減圧部４３と、減圧部４３に設けられた逆流防止弁４４と、を備える。水流減圧器４０は、電解モジュール２０の内外境界部分に位置するように、モジュールケース３５を貫通して当該モジュールケース３５に固定される。給水口４１ａは、電解モジュール２０の外側に位置し、給水口４１ａには、第１水供給管５４が接続されている。放水口４２ａは、電解モジュール２０の内側に位置し、放水口４２ａには、蒸発器３１が接続されている。吸気口４３ａは、電解モジュール２０の内側に位置し、吸気口４３ａには、水素極出口側配管２４から分岐する還流配管２６に接続されている。

【0020】

空気供給系６０は、図示しないフィルタに一端が接続されると共に酸素極入口側配管２３に他端が接続された空気供給管６１と、空気供給管６１に設置されたエアブロワ６２と、を備える。エアブロワ６２を駆動することにより、フィルタを介して空気供給管６１に吸入された空気は、ヒータ３４により、必要温度まで昇温させられてから電解セルスタック２１の酸素極２１ｃに供給される。

【0021】

水素回収系７０は、水素極オフガスから水素を回収するものであり、水素を貯蔵する水素タンク７１と、水素極オフガスに含まれる水蒸気を凝縮させて気液分離する気液分離器７２と、を備える。気液分離器７２は、冷却水と熱交換が可能な熱交換流路を有し、当該熱交換流路の入口には、水素極出口側配管２４の他端が接続され、当該熱交換流路の出口には、回収配管７３の一端が接続されている。回収配管７３の他端には、水素タンク７１が接続されている。水素と水蒸気とを含む水素極オフガスは、冷却水との熱交換により、水素極オフガスに含まれる水蒸気が凝縮させられた後、図示しない昇圧ポンプの駆動により回収配管７３を通って水素タンク７１に回収される。また、気液分離器７２で水素極オフガスが凝縮することにより得られた凝縮水は、上述した水タンク５１に蓄えられる。水タンク５１に蓄えられた水は、電解用の水蒸気を生成するための原料水に用いられる。

【0022】

次に、こうして構成された本実施形態の電解セルシステム１０の動作（電解動作）について説明する。

【0023】

電解動作では、電解セルスタック２１の水素極２１ｂには、水蒸気と若干量の還元用水素とが水素極入口側配管２２を介して導入され、電解セルスタック２１の酸素極２１ｃには、スイープガスとしての空気が酸素極入口側配管２３を介して導入される。そして、電源により電解セルスタック２１の端子間に所定電圧の電力が供給されると、水素極２１ｂに導入された水蒸気は、水素極２１ｂにおいて電解作用により水素と酸素イオン（Ｏ^2-）とに分解され、当該酸素イオンが固体電解質２１ａを透過することで酸素極２１ｃにおいて酸素が生成される。水素極２１ｂには、水蒸気と共に若干量の還元用水素も供給されるため、水素極２１ｂが還元雰囲気に保たれ、当該水素極２１ｂの触媒金属が酸化するのを防止することができる。

【0024】

水素極２１ｂで生成された水素は、電解未反応の水蒸気と共に水素極オフガスとして水素極出口側配管２４に排出される。水素極出口側配管２４に排出された水素極オフガスの一部は、水供給系５０（第１水供給管５４）から水流減圧器４０に供給される水を作動流体として発生する負圧により還流配管２６を介して吸引され、還元用水素として水素極２１ｂに還流する。また、水素極オフガスの残りは、水素回収系７０へ供給される。そして、水素回収系７０に供給された水素極オフガスは、気液分離器７２で冷却水との熱交換により冷却させられて水蒸気が除去された後、回収配管７３を通って水素タンク７１に回収される。

【0025】

ここで、上述したように、水素極２１ｂの触媒金属の酸化を防止するため、水素極２１ｂには、水素ガス（還元用水素）が供給される。本実施形態では、水流減圧器４０において、水の流れによるベンチュリ効果を用いて、水素極２１ｂから水素極出口側配管２４に排出された水素と水蒸気とを含む水素極オフガスを吸引して水素極２１ｂに還流させる。電解モジュール２０内の高温の水素極オフガスを還流させることで、水素回収系７０で回収した水素を水素極２１ｂに供給する場合に比して、熱損失が少なく、エネルギ効率を向上させることができる。また、電解モジュール２０内において、水素極オフガスを還流させるため、高温環境下で高耐久性を有したポンプやブロワは不要である。

【0026】

ベンチュリ効果は、流体の流れのエネルギと圧力のエネルギとの和が一定であるという次式（１）のベルヌーイの定理により導かれる。ここで、式（１）中、「ρ」は流体の密度［ｋｇ／ｍ³］を示し、「Ｖ」は流体の速度［ｍ／ｓ］を示し、「Ｐ」は圧力［ｋｇ／ｍ²］を示す。式（１）により、圧力Ｐは、速度Ｖの二乗および密度ρに比例することがわかる。すなわち、水流減圧器４０の減圧部４３で発生する圧力Ｐは、ノズル部４１の入口の断面積Ｓｉｎとノズル部４１の出口の断面積Ｓｏｕｔとの比と水の密度と流速（マスフローコントローラ５６の設定流量）とによって決まる。流体として密度ρの大きい水（液体）を用いることにより、水蒸気（気体）を用いる場合に比して、圧力Ｐを大幅に小さく（負圧の絶対値を大幅に大きく）することができる。これにより、少量の水の供給により、水流減圧器４０で発生させる負圧を大きくすることができ、広い調整幅をもって水素極オフガスの引き込み量を調整することができる。さらに、マスフローコントローラ５６により水の流量を制御することができ、安定した流速で水流減圧器４０に水を供給することができる。このため、水流減圧器４０で発生する負圧の変動を少なくして、水素極オフガスの引き込み量を安定させることができる。

【0027】

ρ×Ｖ²＋Ｐ＝一定 …（１）

【0028】

また、本実施形態では、水供給系５０として、水流減圧器４０を介して蒸発器３１に水を供給する第１水供給管５４と、直接に蒸発器３１に水を供給する第２水供給管５５と、を備える。このため、第１水供給管５４から供給する水により適量の水素極オフガスを還流させながら、第１水供給管５４から供給する水では水蒸気量が不足する場合には、マスフローコントローラ５７により第２水供給管５５から不足する量の水を供給することができる。

【0029】

水を作動流体として水流減圧器４０の減圧部４３で負圧を発生させるためには、ノズル部４１内で水が蒸発しないことが必要である。このため、モジュールケース３５の断熱層の断熱が不足する場合、ノズル部４１に熱が伝達され、ノズル部４１内で水が蒸発するおそれがある。この場合、図３に示すように、水流減圧器４０は、ノズル部４１の周辺に冷却チラー（冷却水循環装置）１４１を備え、冷却チラー１４１に冷却水を循環させてもよい。これにより、ノズル部４１を冷却してノズル部４１内で水が蒸発するのを防止することができる。なお、ディフューザ部４２は冷却されないから、ディフューザ部４２を流れる水の一部は電解モジュール２０内の熱により蒸発する場合がある。

【0030】

また、水流減圧器４０は、図３に示すように、ノズル部４１内にノズル部４１の出口に対して進退移動が可能なニードルバルブ１４２を備えてもよい。ノズル部４１の出口をニードルバルブ１４２の先端が出入りすることで、ノズル部４１の出口の断面積Ｓｏｕｔを可変、すなわちノズル部４１の入口の断面積Ｓｉｎとノズル部４１の出口の断面積Ｓｏｕｔとの比を可変とすることができる。ニードルバルブ１４２を用いることにより、ノズル部４１の出口を流れる水の速度を調整することができ、減圧部４３内の負圧の大きさ、すなわち水素極オフガスの引き込み量を調整することができる。この結果、第１水供給管５４のみで水素極オフガスの還流量と水蒸気の発生量の双方を調整することが可能となる。この場合、第２水供給管５５は省略されてもよい。

【0031】

上述した実施形態では、水タンク配管５２に液送ポンプ５３が設置され、第１水供給管５４および第２水供給管５５にそれぞれマスフローコントローラ５６，５７が設置されるものとした。しかし、水タンク配管５２の液送ポンプ５３を省略し、第１水供給管５４および第２水供給管５５に、それぞれマスフローコントローラ５６，５７に代えて液送ポンプが設置されるようにしてもよい。

【0032】

上述した実施形態では、水素極入口側配管２２には、ヒータ３３が設けられたが、水素極出口側配管２４に排出された水素極オフガスまたは酸素極出口側配管２５に排出された酸素極オフガスと水素極入口側配管２２を流れる水蒸気と熱交換させるための熱交換器が設けられてもよい。また、酸素極入口側配管２３には、ヒータ３４が設けられたが、水素極出口側配管２４に排出された水素極オフガスまたは酸素極出口側配管２５に排出された酸素極オフガスと酸素極入口側配管２３を流れる空気（スイープガス）と熱交換させるための熱交換器が設けられてもよい。

【0033】

上述した実施形態では、電解セルシステム１０は、高温水蒸気電解により水素を生成する電解動作を行なうものとした。しかし、電解セルシステム１０は、電解セルスタック２１を可逆作動固体酸化物形セルスタックとして用いることで、上述した電解動作を行なうＥＣモードと、燃料ガスとしての水素と空気に含まれる酸素との反応により発電する発電動作を行なうＦＣモードとを有してもよい。ＦＣモードでは、電解セルスタック２１の水素極２１ｂには、燃料ガスとして水素タンク７１からの水素が水素極入口側配管２２を介して導入され、電解セルスタック２１の酸素極２１ｃには、空気供給系６０からの空気が酸素極入口側配管２３を介して導入される。そして、酸素極２１ｃでは、酸化物イオン（Ｏ^2-）が生成され、当該酸化物イオンが固体電解質２１ａを透過して水素極２１ｂで水素と反応することにより電気エネルギが得られる。

【0034】

以上、本開示を実施するための形態について実施形態を用いて説明したが、本開示はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

【産業上の利用可能性】

【0035】

本開示は、電解セルシステムの製造産業などに利用可能である。

【符号の説明】

【0036】

１０ 電解セルシステム、２１ 電解セルスタック（電解セル）、２２ 水素極入口側配管（水素極入口側ライン）、２４ 水素極出口側配管（水素極出口側ライン）、３１ 蒸発器（蒸発部）、３５ モジュールケース（ケース）、４０ 水流減圧器、４１ ノズル部、４１ａ 給水口（流体入口）、４２ ディフューザ部、４２ａ 放水口（流体出口）、４３ 減圧部、４３ａ 吸気口、５４ 第１水供給管（第１水供給ライン）、５５ 第２水供給管（第２水供給ライン）、１４１ 冷却チラー（冷却部）、１４２ ニードルバルブ（バルブ部）。

【図1】

【図2】

【図3】