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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-10-07
(45)【発行日】2024-10-16
(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 20210101AFI20241008BHJP
C25B 9/00 20210101ALI20241008BHJP
C25B 9/67 20210101ALI20241008BHJP
C25B 15/02 20210101ALI20241008BHJP
C25B 15/021 20210101ALI20241008BHJP
C25B 15/027 20210101ALI20241008BHJP
【ＦＩ】
C25B1/042
C25B9/00 A
C25B9/67
C25B15/02
C25B15/021
C25B15/027
【請求項の数】
12
(21)【出願番号】P 2023042839
(22)【出願日】2023-03-17
(65)【公開番号】P2024132158
(43)【公開日】2024-09-30
【審査請求日】2023-12-15
【早期審査対象出願】
(73)【特許権者】
【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】眞竹 徳久
(72)【発明者】
【氏名】小阪 健一郎
(72)【発明者】
【氏名】入江 弘毅
(72)【発明者】
【氏名】加藤 雅之
【審査官】瀧口 博史
(56)【参考文献】
【文献】国際公開第２００５／０７８１５９（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特表２０２０－５２５６４１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２０１５－５０５３４４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０２３－００６４５４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０２３－０２０２８２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０２３－０３２５８７（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｃ２５Ｂ
(57)【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、前記ＳＯＥＣに熱中立電圧以上の電圧を印加する電源装置と、
前記ＳＯＥＣの余剰発熱を用いて水を加熱することにより、前記ＳＯＥＣに供給される前記水蒸気の少なくとも一部を生成する水蒸気生成装置と、
前記ＳＯＥＣの余剰発熱を熱媒体に回収する余剰発熱回収装置と、
を備え、
前記電圧は、前記熱中立電圧よりも０．０５Ｖ～０．５Ｖ高い電圧であり、
前記水蒸気生成装置は、前記熱媒体と前記水とを熱交換することにより、前記ＳＯＥＣに供給される前記水蒸気の少なくとも一部を生成するように構成され、
前記余剰発熱回収装置は、前記ＳＯＥＣを冷却する前記熱媒体が流通する流路を備える水素製造システム。
【請求項2】
前記ＳＯＥＣは、前記水蒸気が流入する水素極を備え、前記余剰発熱回収装置は、前記水素極から流出した水蒸気と前記熱媒体とが熱交換する熱交換器を備える、請求項１に記載の水素製造システム。
【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、前記ＳＯＥＣに熱中立電圧以上の電圧を印加する電源装置と、
前記ＳＯＥＣの余剰発熱を用いて水を加熱することにより、前記ＳＯＥＣに供給される前記水蒸気の少なくとも一部を生成する水蒸気生成装置と、
前記ＳＯＥＣの余剰発熱を熱媒体に回収する余剰発熱回収装置と、
を備え、
前記電圧は、前記熱中立電圧よりも０．０５Ｖ～０．５Ｖ高い電圧であり、
前記水蒸気生成装置は、前記熱媒体と前記水とを熱交換することにより、前記ＳＯＥＣに供給される前記水蒸気の少なくとも一部を生成するように構成され、
前記ＳＯＥＣは、酸素を含むガスが流入する酸素極を備え、
前記余剰発熱回収装置は、前記酸素極から流出した酸化性の排ガスと前記熱媒体とが熱交換する熱交換器を備える水素製造システム。
【請求項4】
水蒸気を電気分解する固体酸化物形電解セル（ＳＯＥＣ）であって、前記水蒸気が流入する水素極と、酸素を含むガスが流入する酸素極とを備えるＳＯＥＣと、
前記ＳＯＥＣに熱中立電圧以上の電圧を印加する電源装置と、
前記ＳＯＥＣの余剰発熱を用いて水を加熱することにより、前記ＳＯＥＣに供給される前記水蒸気の少なくとも一部を生成する水蒸気生成装置と、
前記ＳＯＥＣの温度を検出する温度検出装置と、
前記水素極を流通する前記水蒸気の流量又は温度の少なくとも一方を制御する水蒸気制御装置、若しくは、前記酸素極に流入する前記ガスの流量又は温度の少なくとも一方を制御するガス制御装置と、
前記ＳＯＥＣを流れる電流値を調整する電流値調整装置と
を備え、
前記水蒸気生成装置は、前記水と前記水素極から流出した水蒸気又は前記酸素極から流出した排ガスとが熱交換することにより、前記ＳＯＥＣに供給される前記水蒸気の少なくとも一部を生成するように構成されている水素製造システム。
【請求項5】
前記電圧は、前記熱中立電圧よりも０．０５Ｖ～０．５Ｖ高い電圧である、請求項４に記載の水素製造システム。
【請求項6】
前記ＳＯＥＣの温度を検出する温度検出装置と、前記水素極を流通する前記水蒸気の流量又は温度の少なくとも一方を制御する水蒸気制御装置と
を備える、請求項２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）であって、前記水蒸気が流入する水素極を備えるＳＯＥＣと、前記ＳＯＥＣに熱中立電圧以上の電圧を印加する電源装置と、
前記ＳＯＥＣの余剰発熱を用いて水を加熱することにより、前記ＳＯＥＣに供給される前記水蒸気の少なくとも一部を生成する水蒸気生成装置と、
前記ＳＯＥＣの余剰発熱を熱媒体に回収する余剰発熱回収装置と、
前記ＳＯＥＣの温度を検出する温度検出装置と、
前記水素極を流通する前記水蒸気の流量又は温度の少なくとも一方を制御する水蒸気制御装置と、
前記ＳＯＥＣを流れる電流値を調整する電流値調整装置と
を備え、
前記電圧は、前記熱中立電圧よりも０．０５Ｖ～０．５Ｖ高い電圧であり、
前記水蒸気生成装置は、前記熱媒体と前記水とを熱交換することにより、前記ＳＯＥＣに供給される前記水蒸気の少なくとも一部を生成するように構成され、
前記余剰発熱回収装置は、前記水素極から流出した水蒸気と前記熱媒体とが熱交換する熱交換器を備える水素製造システム。
【請求項8】
前記ＳＯＥＣの温度を検出する温度検出装置と、前記酸素極を流通する前記ガスの流量又は温度の少なくとも一方を制御するガス制御装置と
を備える、請求項３に記載の水素製造システム。
【請求項9】
前記ＳＯＥＣを流れる電流値を調整する電流値調整装置を備える、請求項８に記載の水素製造システム。
【請求項10】
前記温度検出装置による検出値に基づいて、前記水蒸気制御装置によって、前記水素極を流通する前記水蒸気の流量又は温度の少なくとも一方を制御する、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】
前記温度検出装置による検出値に基づいて、前記ガス制御装置によって、前記酸素極を流通する前記ガスの流量又は温度の少なくとも一方を制御する、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】
前記温度検出装置による検出値に基づいて、前記電流値調整装置によって、前記ＳＯＥＣを流れる電流値を調整する、請求項４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】
地球温暖化対策として、今後は太陽光発電や風力発電などの再生可能エネルギーが大量に導入されることが予想される。再生可能エネルギーを大量に導入する場合には電力の需給ギャップを調整する手段が必要であるが、再生可能エネルギーによる電力余剰時に水を電気分解して水素として貯蔵し、電力不足時に貯蔵した水素を燃料として利用するシステムが提案されている。水の電気分解による水素の製造には常温から高温までの様々な方法があるが、中でも大規模な水素製造方法として数百度以上の高温の水蒸気を電気分解する高温水蒸気電解が高効率の水素製造方法として注目されている。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をＳＯＥＣに供給している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】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】
ＳＯＥＣに供給する水蒸気をボイラで生成する場合のボイラにおける熱源としては一般的に、水素製造システムの外部の熱源を使用することが多い。このような場合には、水素製造システムの設備費及び運転コストが高くなるといった課題があった。特に、水素製造システムを大型化する際には、水蒸気を生成するためのボイラ等の設備の設備費が上昇するという課題が顕著になる。
【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、設備費及び運転コストを低減可能な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、前記ＳＯＥＣに熱中立電圧以上の電圧を印加する電源装置と、前記ＳＯＥＣの余剰発熱を用いて水を加熱することにより、前記ＳＯＥＣに供給される前記水蒸気の少なくとも一部を生成する水蒸気生成装置と、前記ＳＯＥＣの余剰発熱を熱媒体に回収する余剰発熱回収装置とを備え、前記電圧は、前記熱中立電圧よりも０．０５Ｖ～０．５Ｖ高い電圧であり、前記水蒸気生成装置は、前記熱媒体と前記水とを熱交換することにより、前記ＳＯＥＣに供給される前記水蒸気の少なくとも一部を生成するように構成され、前記余剰発熱回収装置は、前記ＳＯＥＣを冷却する前記熱媒体が流通する流路を備える。
【発明の効果】
【0007】
本開示の水素製造システムによれば、水蒸気の生成に必要な熱量の少なくとも一部をＳＯＥＣにおける水蒸気の電気分解時に発生する余剰発熱で賄うことにより、水蒸気の生成のために水素製造システムの外部から供給する熱量を削減する又は不要とすることができるので、さらに、電機ボイラ等の追加機器及びそれに付随する熱交換器等の機器を削減できるので、水素製造システムの設備費及び運転コストを低減することができる。
【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6】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7】本開示の実施形態２に係る水素製造システムのＳＯＥＣのＩＶ特性を模式的に表したグラフである。
【図8】本開示の実施形態２に係る水素製造システムのＳＯＥＣ内に形成される温度分布の模式図である。
【図9】本開示の実施形態２に係る水素製造システムの動作のフローチャートである。
【図10】本開示の実施形態２に係る水素製造システムの変形例の構成模式図である。
【図11】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12】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13】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に示されるように、本開示の実施形態１に係る水素製造システム１は、一例としての加圧固体酸化物形電解セル（加圧ＳＯＥＣ）のシステムであり、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の余剰発熱を熱媒体に回収する余剰発熱回収装置４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。尚、余剰発熱については後述する。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。
＜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に示されるように、本開示の実施形態１に係る水素製造システム１は、一例としての加圧固体酸化物形電解セル（加圧ＳＯＥＣ）のシステムであり、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の余剰発熱を熱媒体に回収する余剰発熱回収装置４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。尚、余剰発熱については後述する。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。
【0011】
筐体６には、筐体６の内部に収容されたＳＯＥＣ２を冷却するための熱媒体が流通する流路７が形成されてもよい。流路７は例えば、筐体６を構成する壁の内部に形成された流路であってもよいし、筐体６の外周面に対して間隔を空けて設けられたジャケットの形態であってもよい。流路７を流れる熱媒体は、ＳＯＥＣ２を冷却することによりＳＯＥＣ２の余剰発熱を回収するので、流路７は余剰発熱回収装置４を構成する。
【0012】
水素極２ａには、水素極２ａに供給される水蒸気が流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。水蒸気供給ライン１０は水源１２に接続され、水蒸気供給ライン１０にはポンプ１３が設けられている。水蒸気生成装置５としての例示的な装置であるボイラ５ａは、ポンプ１３よりも下流側で水蒸気供給ライン１０に設けられている。水蒸気排出ライン１１には凝縮器１４が設けられている。
【0013】
水蒸気供給ライン１０は、ポンプ１３により水源１２から供給された水がボイラ５ａを通過するように構成されている。また、ボイラ５ａには、流路７を流れる熱媒体が流路７から流出して再び流路７に戻るように構成された熱媒体ライン１５が通過するように構成されている。ボイラ５ａは、水蒸気供給ライン１０を流通する水と、熱媒体ライン１５を流通する熱媒体とが熱交換するように構成されている。
【0014】
酸素極２ｂには、酸素極２ｂに供給される酸素を含むガス、例えば空気が流通するガス供給ライン２０と、酸素極２ｂから排出された酸化性の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（運転方法）＞
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（運転方法）について説明する。水源１２からの水が、ポンプ１３により水蒸気供給ライン１０を流通し、ボイラ５ａにおいて後述する動作によって加熱されて加圧水蒸気となる。ボイラ５ａにおいて生成した加圧水蒸気は、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（運転方法）について説明する。水源１２からの水が、ポンプ１３により水蒸気供給ライン１０を流通し、ボイラ５ａにおいて後述する動作によって加熱されて加圧水蒸気となる。ボイラ５ａにおいて生成した加圧水蒸気は、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－）とが生成する（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から流出する水蒸気には水素が含まれ、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、水蒸気供給用として再利用され、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。酸素極２ｂから流出した排ガスは、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】
水の電気分解は吸熱反応であるため、電流密度が増加するほどＳＯＥＣ２の吸熱量は増加する。一方で、電流密度を増加すると、ＳＯＥＣ２のオーム損等の内部抵抗による発熱量も増加する。これら両者がバランスする状態が熱中立点である。このような熱中立点を実現するように電源装置３から印加される電圧が熱中立電圧であり、熱中立電圧は、温度の上昇と共にわずかに上昇する傾向はあるものの、おおよそ１．３Ｖ程度である。電源装置３からＳＯＥＣ２に印加される電圧が電解電圧であり、ＳＯＥＣ２の平均電圧を表す。水素製造システム１の水素変換効率を高く維持するには一般的に、電解電圧は低い方が好ましい。
【0018】
実施形態１では、電源装置３から水素極２ａ及び酸素極２ｂ間に印加される電圧を熱中立電圧よりも大きい電圧、好ましくは熱中立電圧よりも０．０５Ｖ～０．５Ｖ高い電圧、さらに好ましくは０．０５Ｖ～０．３Ｖ高い電圧とする。これにより、ＳＯＥＣ２からは、印加された電圧から熱中立電圧を差し引いた電圧に相当する熱が余剰に発生する。この余剰に発生する熱が、前述した余剰発熱である。このため、水素製造システム１が稼働する間、流路７に熱媒体を流し、熱媒体によってＳＯＥＣ２を冷却する。ＳＯＥＣ２から発生した余剰発熱は熱媒体に吸収され、余剰発熱を吸収した熱媒体は、流路７から流出して熱媒体ライン１５を流通する。熱媒体ライン１５を流通する熱媒体は、ボイラ５ａにおいて、水蒸気供給ライン１０を流通する水と熱交換することにより冷却されて再び流路７に戻り、ＳＯＥＣ２を冷却する。一方、熱媒体との熱交換により加熱された水は蒸発して水蒸気となり、上述した動作で水素極２ａに流入する。
【0019】
このように、水蒸気の生成に必要な熱量の少なくとも一部をＳＯＥＣ２における水蒸気の電気分解時に発生する余剰発熱で賄うことにより、水蒸気の生成のために水素製造システム１の外部から供給する熱量を削減する又は不要とすることができるので、さらに、電気ボイラ等の追加機器及びそれに付随する熱交換器等の機器を削減できるので、水素製造システム１の設備費及び運転コストを低減することができる。
【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、余剰発熱回収装置４を、ＳＯＥＣ２を収容する筐体６を構成する壁の内部に形成された流路や、筐体６の外周面に対して間隔を空けて設けられたジャケット等として説明したが、これらに限定するものではない。余剰発熱回収装置４は例えば、流路７を含む構成に代えて又は加えて、図２に示されるように、凝縮器１４よりも上流側で水蒸気排出ライン１１に設けられた熱交換器１６であってもよい。熱交換器１６は、水蒸気排出ライン１１及び熱媒体ライン１５が通過するように構成され、水蒸気排出ライン１１を流通する水素を含む水蒸気と、熱媒体ライン１５を流通する熱媒体とが熱交換するように構成される。水素極２ａから流出した水蒸気は、ＳＯＥＣ２から発生した余剰発熱を吸収しているので、熱交換器１６において水蒸気と熱媒体とが熱交換することにより、ＳＯＥＣ２から発生した余剰発熱が水蒸気から熱媒体に移動し、この余剰発熱を吸収した熱媒体がボイラ５ａにおいて水と熱交換することにより水蒸気を生成することができる。
実施形態１では、余剰発熱回収装置４を、ＳＯＥＣ２を収容する筐体６を構成する壁の内部に形成された流路や、筐体６の外周面に対して間隔を空けて設けられたジャケット等として説明したが、これらに限定するものではない。余剰発熱回収装置４は例えば、流路７を含む構成に代えて又は加えて、図２に示されるように、凝縮器１４よりも上流側で水蒸気排出ライン１１に設けられた熱交換器１６であってもよい。熱交換器１６は、水蒸気排出ライン１１及び熱媒体ライン１５が通過するように構成され、水蒸気排出ライン１１を流通する水素を含む水蒸気と、熱媒体ライン１５を流通する熱媒体とが熱交換するように構成される。水素極２ａから流出した水蒸気は、ＳＯＥＣ２から発生した余剰発熱を吸収しているので、熱交換器１６において水蒸気と熱媒体とが熱交換することにより、ＳＯＥＣ２から発生した余剰発熱が水蒸気から熱媒体に移動し、この余剰発熱を吸収した熱媒体がボイラ５ａにおいて水と熱交換することにより水蒸気を生成することができる。
【0021】
図３に示されるように、熱交換器１６を設けずに、すなわち余剰発熱回収装置４を設けずに、水蒸気排出ライン１１から分岐してボイラ５ａを通過して水蒸気排出ライン１１に再び接続するように構成されたバイパスライン１７を設けて、水蒸気供給ライン１０を流通する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ことにより、ボイラ５ａで水蒸気を生成するようにすることもできる。水蒸気排出ライン１１を流通する水蒸気は、ＳＯＥＣ２から発生した余剰発熱を吸収しているので、この形態でも、ボイラ５ａは、ＳＯＥＣ２の余剰発熱を用いて水蒸気を生成している。この形態では、バイパスライン１７を介してボイラ５ａに流入する水蒸気の流量を調節するための装置、例えば、水蒸気排出ライン１１にバイパスライン１７の両端が接続する位置の間で水蒸気排出ライン１１に流量調節弁１８を設けてもよい。尚、流量調節弁１８はバイパスライン１７に設けてもよいし、流量調節弁１８に代えて、バイパスライン１７に、ボイラ５ａに流入する水蒸気の流量を調節するための装置としてのブロワを設けてもよい。
【0022】
また、余剰発熱回収装置４は例えば、流路７を含む構成及び熱交換器１６の少なくとも一方に代えて又は加えて、図４に示されるように、パワータービン２３よりも上流側でガス排出ライン２１に設けられた熱交換器２４であってもよい。熱交換器２４は、ガス排出ライン２１及び熱媒体ライン１５が通過するように構成され、ガス排出ライン２１を流通する排ガスと、熱媒体ライン１５を流通する熱媒体とが熱交換するように構成される。酸素極２ｂから流出した排ガスは、ＳＯＥＣ２から発生した余剰発熱を吸収しているので、熱交換器２４において水蒸気と熱媒体とが熱交換することにより、ＳＯＥＣ２から発生した余剰発熱が水蒸気から熱媒体に移動し、この余剰発熱を吸収した熱媒体がボイラ５ａにおいて水と熱交換することにより水蒸気を生成することができる。
【0023】
図５に示されるように、熱交換器２４を設けずに、すなわち余剰発熱回収装置４を設けずに、ガス排出ライン２１から分岐してボイラ５ａを通過してガス排出ライン２１に再び接続するように構成されたバイパスライン２７を設けて、水蒸気供給ライン１０を流通する水とガス排出ライン２１を流通する排ガスとが熱交換することにより、ボイラ５ａで水蒸気を生成するようにすることもできる。ガス排出ライン２１を流通する排ガスは、ＳＯＥＣ２から発生した余剰発熱を吸収しているので、この形態でも、ボイラ５ａは、ＳＯＥＣ２の余剰発熱を用いて水蒸気を生成している。この形態では、バイパスライン２７を介してボイラ５ａに流入する排ガスの流量を調節するための装置、例えば、ガス排出ライン２１にバイパスライン２７の両端が接続する位置の間でガス排出ライン２１に流量調節弁２８を設けてもよい。尚、流量調節弁２８はバイパスライン２７に設けてもよいし、流量調節弁２８に代えて、バイパスライン２７に、ボイラ５ａに流入する排ガスの流量を調節するための装置としてのブロワを設けてもよい。
【0024】
余剰発熱回収装置４が流路７を含む構成である場合のように、ＳＯＥＣ２が熱媒体により冷却されるようにすれば、水素製造システム１の稼働中におけるＳＯＥＣ２の温度の上昇を抑制することができる。一方で、上述（図２～５）の変形例の場合には、ＳＯＥＣ２の構成を変更せずに、水蒸気排出ライン１１に熱交換器１６を設けたり、ガス排出ライン２１に熱交換器２４を設けたり、ボイラ５ａにおいて水と水素極２ａから流出した水蒸気又は酸素極２ｂから流出した排ガスとを熱交換するようにすればよいので、既存の水素製造システムにおいても本開示の発明を容易に適用することができる。
【0025】
（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、ＳＯＥＣ２の温度を耐熱温度未満に制御することとＳＯＥＣ２に印加する電圧を制御することとを可能にしたものである。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。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２にも適用可能である。
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、ＳＯＥＣ２の温度を耐熱温度未満に制御することとＳＯＥＣ２に印加する電圧を制御することとを可能にしたものである。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。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２にも適用可能である。
【0026】
＜本開示の実施形態２に係る水素製造システムの構成＞
図６に示されるように、本開示の実施形態２に係る水素製造システム１には、ＳＯＥＣ２の温度を検出する温度検出装置３０と、水素極２ａを流通する水蒸気の流量又は温度の少なくとも一方を制御する水蒸気制御装置３１とが設けられている。実施形態２において温度検出装置３０は、筐体６内に設けられた温度センサ３０ａとして説明するが、これは例示に過ぎず、ＳＯＥＣ２の温度を直接測定する装置又は種々の条件から推定する装置であってもよい。実施形態２において、水蒸気の流量を制御するための水蒸気制御装置３１は、ポンプ１３の吐出量を調節する装置であってもよい。このような装置は例えば、ポンプ１３の回転数やストロークを調節する装置であってもよいし、ポンプ１３の上流側及び下流側で水蒸気供給ライン１０に接続されてポンプ１３をバイパスするバイパスラインと、バイパスラインに設けられた流量調節弁とを備える構成において流量調節弁の開度を制御する装置であってもよい。また、水蒸気の温度を制御するための水蒸気制御装置３１は、熱媒体ライン１５を流通する熱媒体の流量を調節する装置であってもよい。このような装置は例えば、熱媒体ライン１５に設けられた流量調節可能なポンプ１９の回転数やストロークを調節する装置であってもよいし、熱媒体ライン１５に設けられた吐出流量一定のポンプと、このポンプをバイパスするバイパスラインと、バイパスラインに設けられた流量調節弁とを備える構成において流量調節弁の開度を制御する装置であってもよい。尚、水蒸気制御装置３１は、水蒸気の流量を制御するための構成と、水蒸気の温度を制御するための構成とのいずれか一方を備えてもよいし、両方の構成を備えていてもよい。
図６に示されるように、本開示の実施形態２に係る水素製造システム１には、ＳＯＥＣ２の温度を検出する温度検出装置３０と、水素極２ａを流通する水蒸気の流量又は温度の少なくとも一方を制御する水蒸気制御装置３１とが設けられている。実施形態２において温度検出装置３０は、筐体６内に設けられた温度センサ３０ａとして説明するが、これは例示に過ぎず、ＳＯＥＣ２の温度を直接測定する装置又は種々の条件から推定する装置であってもよい。実施形態２において、水蒸気の流量を制御するための水蒸気制御装置３１は、ポンプ１３の吐出量を調節する装置であってもよい。このような装置は例えば、ポンプ１３の回転数やストロークを調節する装置であってもよいし、ポンプ１３の上流側及び下流側で水蒸気供給ライン１０に接続されてポンプ１３をバイパスするバイパスラインと、バイパスラインに設けられた流量調節弁とを備える構成において流量調節弁の開度を制御する装置であってもよい。また、水蒸気の温度を制御するための水蒸気制御装置３１は、熱媒体ライン１５を流通する熱媒体の流量を調節する装置であってもよい。このような装置は例えば、熱媒体ライン１５に設けられた流量調節可能なポンプ１９の回転数やストロークを調節する装置であってもよいし、熱媒体ライン１５に設けられた吐出流量一定のポンプと、このポンプをバイパスするバイパスラインと、バイパスラインに設けられた流量調節弁とを備える構成において流量調節弁の開度を制御する装置であってもよい。尚、水蒸気制御装置３１は、水蒸気の流量を制御するための構成と、水蒸気の温度を制御するための構成とのいずれか一方を備えてもよいし、両方の構成を備えていてもよい。
【0027】
温度検出装置３０と水蒸気制御装置３１とが電気的に又は無線通信回線等を介して互いに直接接続される構成によって、温度検出装置３０による検出値に基づいて、水蒸気制御装置３１が、水素極２ａを流通する水蒸気の流量又は温度の少なくとも一方を制御するようにしてもよいし、温度検出装置３０と水蒸気制御装置３１とが電気的に又は無線通信回線等を介して制御装置３２に接続されて、温度検出装置３０による検出値が制御装置３２に伝送され、制御装置３２がＳＯＥＣ２の温度に基づいて、水素極２ａを流通する水蒸気の適切な流量又は温度の少なくとも一方を決定し、決定された流量又は温度の少なくとも一方となるように水蒸気制御装置３１を駆動するようにしてもよい。その他の構成は実施形態１と同じである。
【0028】
尚、制御装置３２は、例えば、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、及びコンピュータ読み取り可能な記憶媒体等から構成されている。そして、各種機能を実現するための一連の処理は、一例として、プログラムの形式で記憶媒体等に記憶されており、このプログラムをＣＰＵがＲＡＭ等に読み出して、情報の加工・演算処理を実行することにより、各種機能が実現される。尚、プログラムは、ＲＯＭやその他の記憶媒体に予めインストールしておく形態や、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体に記憶された状態で提供される形態、有線又は無線による通信手段を介して配信される形態等が適用されてもよい。コンピュータ読み取り可能な記憶媒体とは、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ－ＲＯＭ、ＤＶＤ－ＲＯＭ、半導体メモリ等である。
【0029】
＜本開示の実施形態２に係る水素製造システムの動作＞
図７に、ＳＯＥＣ２のＩＶ特性を模式的に表わしたグラフを示す。ＩＶ特性は、例えばＳＯＥＣ２内の温度分布やＳＯＥＣ２の劣化状態等により変化するが、ＳＯＥＣ２における電解電流とＳＯＥＣ２に印加される電解電圧とはおおよそ比例関係にある。ＳＯＥＣ２を熱中立点で運転する場合、そのときの電解電流をＩ０とすると、ＩＶ特性において電解電流をＩ０とした場合に得られる電圧Ｖ０が熱中立電圧（約１．３Ｖ）である。ＳＯＥＣ２に要求される水素発生量（電解電流）に基づいて、Ｉ０よりも大きな電解電流Ｉ１が印加されると、図７のＩＶ特性において電解電圧はＶ１となる。このように電解電流がＩ１となる電解量に相当する条件でＳＯＥＣ２を運転する場合には、電解電圧は熱中立点以上の電解電圧Ｖ１となり、内部発熱が過剰となるため、ＳＯＥＣ２の運転条件を調整し、熱媒体で余剰発熱を外部へ取り出すことで、ボイラ５ａにおける熱源とすることができる。以下の説明では、このような電解電圧Ｖ１を設定電圧と称することとする。尚、電解電圧とは、ＳＯＥＣ２に組み込まれる電解セル全体の平均電圧のことをいう。
図７に、ＳＯＥＣ２のＩＶ特性を模式的に表わしたグラフを示す。ＩＶ特性は、例えばＳＯＥＣ２内の温度分布やＳＯＥＣ２の劣化状態等により変化するが、ＳＯＥＣ２における電解電流とＳＯＥＣ２に印加される電解電圧とはおおよそ比例関係にある。ＳＯＥＣ２を熱中立点で運転する場合、そのときの電解電流をＩ０とすると、ＩＶ特性において電解電流をＩ０とした場合に得られる電圧Ｖ０が熱中立電圧（約１．３Ｖ）である。ＳＯＥＣ２に要求される水素発生量（電解電流）に基づいて、Ｉ０よりも大きな電解電流Ｉ１が印加されると、図７のＩＶ特性において電解電圧はＶ１となる。このように電解電流がＩ１となる電解量に相当する条件でＳＯＥＣ２を運転する場合には、電解電圧は熱中立点以上の電解電圧Ｖ１となり、内部発熱が過剰となるため、ＳＯＥＣ２の運転条件を調整し、熱媒体で余剰発熱を外部へ取り出すことで、ボイラ５ａにおける熱源とすることができる。以下の説明では、このような電解電圧Ｖ１を設定電圧と称することとする。尚、電解電圧とは、ＳＯＥＣ２に組み込まれる電解セル全体の平均電圧のことをいう。
【0030】
実施形態１で説明した動作で水素製造システム１が駆動すると、図８に示されるように、ＳＯＥＣ２内では、ＳＯＥＣ２のガス流れ方向（水蒸気又は空気の流れる方向）に対して温度分布Ａが形成される。温度分布Ａは、水蒸気及び空気それぞれの入口及び出口からＳＯＥＣ２のガス流れ方向中央に向かって温度が高くなる傾向を有している。電解電流を熱中立点における電解電流Ｉ０より大きいＩ１に設定すると、内部発熱量の増加により、温度分布Ａのように最高温度（例えばガス流れ方向中央部付近の温度）と最低温度（入口及び出口の温度）との差が大きくなり、局所的にＳＯＥＣ２の耐熱温度Ｔ０を超えてしまい、ＳＯＥＣ２の運転を継続できなくなるおそれがある。
【0031】
これに対し、電解電流Ｉ１を変えずに、温度分布Ａを、最高温度と最低温度との差が小さくなる温度分布Ｂ又はＣに変化させることができれば、電気分解に必要な量の水蒸気を生成するための発熱量を確保しながら、言い換えると、設定電圧を維持しながらＳＯＥＣ２の運転を継続すると同時に局所的にＳＯＥＣ２の作動温度が耐熱温度Ｔ０を超えてしまうことを回避できる。尚、図８は、水素極２ａに流入する水蒸気の流量又は温度を調節することによるＳＯＥＣ２の内部の温度分布の変化の一般的な特性を模式的に示したものである。水素極２ａに流入する水蒸気の流量が増加すると、入口又は出口における温度と最高温度との温度差が小さくなり、すなわち、温度分布Ａが温度分布Ｃに変化し、水素極２ａに流入する水蒸気の温度を下げると、入口又は出口における温度と最高温度との温度差はあまり変わらないものの作動温度が全体的に低下する（ＳＯＥＣ２の平均温度が低下する）、すなわち、温度分布Ａが温度分布Ｂに変化する。
【0032】
この目的のための動作の一例として、例えば、図６に示されるように、温度センサ３０ａによる検出値に基づいて上述のおそれが生じたと制御装置３２が判断したら、制御装置３２は水蒸気制御装置３１を駆動させて、水素極２ａに流入する水蒸気の流量を増加させる。水素極２ａに流入する水蒸気の流量が増加することにより、ＳＯＥＣ２内に形成された温度分布を、最高温度と最低温度との温度差が小さい温度分布Ｃ（図８参照）に変化させることができる。これにより、ＳＯＥＣ２が局所的に耐熱温度Ｔ０を超えてしまう状態を回避することができる。
【0033】
また、この目的のための別の動作として、例えば、上述のおそれが生じたと制御装置３２が判断したら、制御装置３２は、図３に示されるバイパスライン１７を介してボイラ５ａに流入する水蒸気の流量を減少させることにより、ボイラ５ａにおける水蒸気と水との熱交換量を減少させる。これにより、ボイラ５ａで生成される水蒸気の温度が低下する。温度が低下した水蒸気が水素極２ａに流入することにより、ＳＯＥＣ２内に形成された温度分布を、作動温度が全体的に低下した温度分布Ｂ（図８参照）に変化させることができる。これにより、ＳＯＥＣ２が局所的に耐熱温度Ｔ０を超えてしまう状態を回避することができる。
【0034】
尚、この目的のための動作は、水素極２ａを流通する水蒸気の流量又は温度のいずれか一方を制御することに限定されず、これら両方の制御を同時に又は順次に（どちらが先か後かを問わない）行ってもよい。
【0035】
このように、ＳＯＥＣ２の温度に基づいて水素極２ａを流通する水蒸気の流量又は温度の少なくとも一方を制御することにより、ＳＯＥＣ２内の温度分布が変化し、最高温度を低下させることができるので、ＳＯＥＣ２の電解電流を一定に保ったまま、ＳＯＥＣ２が局所的に耐熱温度Ｔ０を超えてしまう状態を回避することができる。
【0036】
また、上記動作によって、局所的な温度を耐熱温度Ｔ０以下に制御できた場合でも、ＳＯＥＣ２の平均的な温度が、想定されている平均温度より低い場合には、電解電圧が設定電圧よりも高くなり、水素製造システム１のエネルギー効率が低下する（発熱過剰の状態となる）ことが予想される。そのような場合は、次のような手順で操作を行うことで作動温度を耐熱温度Ｔ０以下とし、電解電圧を設定電圧とすることが可能である。
【0037】
まず、温度センサ３０ａによる検出値に関し、局所的にＳＯＥＣ２の耐熱温度Ｔ０に達してしまうおそれのある設定温度Ｔ１を予め設定しておく。図８のフローチャートに示されるように、ステップＳ１において、外部からの指令により水素の生成量（電解電流）が決定されると、与えられた運転条件において温度センサ３０ａによる検出値が設定温度Ｔ１以下か否かを判定する(ステップ２)。温度センサ３０ａによる検出値が設定温度Ｔ１を上回っていたら、ステップＳ３において、上述した動作で水素極２ａを流通する水蒸気の流量又は温度の少なくとも一方を制御した後、ステップＳ２に戻る。
【0038】
ステップ２において、温度センサ３０ａによる検出値が設定温度Ｔ１以下と判定された場合は、ステップＳ４において、電解電圧が設定電圧Ｖ１であるかを判定する。尚、電解電圧が設定電圧Ｖ１と完全に一致するとことは稀なので、設定電圧Ｖ１を間に挟むように上限電圧と下限電圧とを決めておき、温度センサ３０ａによる検出値が、上限電圧と下限電圧との間と定義される許容値内か否かを判定するようにする。ステップＳ４において、温度センサ３０ａによる検出値が設定電圧Ｖ１の許容値内になっていないと判定された場合は、ステップＳ５において、上述した動作で水素極２ａを流通する水蒸気の流量又は温度の少なくとも一方を再度調整した後、ステップＳ２に戻る。ステップＳ４において、温度センサ３０ａによる検出値が設定電圧Ｖ１の許容値内になっていると判定された場合は、その状態で運転を継続する（ステップ６）。尚、ステップＳ２及びＳ３と、ステップＳ４及びＳ５とは、上述のように順番に行ってもよいし、ＳＯＥＣ２の特性が予め把握できていれば、同時に行ってもよい。
【0039】
＜本開示の実施形態２に係る水素製造システムの変形例＞
実施形態２では、ＳＯＥＣ２内の最高温度を低下させるために、水素極２ａを流通する水蒸気の流量又は温度の少なくとも一方を制御していたが、この形態に限定するものではなく、酸素極２ｂを流通するガスの流量又は温度の少なくとも一方を制御してもよい。この形態を実施するための構成を図１０に示す。
実施形態２では、ＳＯＥＣ２内の最高温度を低下させるために、水素極２ａを流通する水蒸気の流量又は温度の少なくとも一方を制御していたが、この形態に限定するものではなく、酸素極２ｂを流通するガスの流量又は温度の少なくとも一方を制御してもよい。この形態を実施するための構成を図１０に示す。
【0040】
図１０に示されるように、水素製造システム１には、ＳＯＥＣ２の温度を検出する温度検出装置３０と、酸素極２ｂを流通するガスの流量又は温度の少なくとも一方を制御するガス制御装置３３とが設けられている。温度検出装置３０の具体的構成については、図４の水素製造システム１に関して説明した構成と同じである。ガスの流量を制御するためのガス制御装置３３は、コンプレッサ２２の吐出量を調節する装置、例えば、コンプレッサ２２の回転数やストロークを調節する装置であってもよい。また、ガスの温度を制御するためのガス制御装置３３は、ガス供給ライン２０に設けられた熱交換器３４であってもよい。この熱交換器３４は、ガス供給ライン２０を流通するガスと任意の熱媒体とが熱交換するように構成されており、例えば熱媒体の流量を制御することによりガスと熱媒体との熱交換量が変化して、ガスの温度を調節することができるものである。尚、ガス制御装置３３は、ガスの流量を制御するための構成と、ガスの温度を制御するための構成とのいずれか一方を備えてもよいし、両方の構成を備えていてもよい。
【0041】
この変形例においても、図６の水素製造システム１に関して説明した動作と同じように、ＳＯＥＣ２内の最高温度と最低温度との温度差が小さい温度分布Ｃ（図８参照）に変化させる場合には、制御装置３２はガス制御装置３３を駆動させて、酸素極２ｂに流入するガスの流量を増加させる。また、酸素極２ｂに流入するガスの温度を低下させてＳＯＥＣ２内の温度分布全体の温度を低下させる場合には、制御装置３２はガス制御装置３３を駆動させて、熱交換器３４を流通する熱媒体の流量を維持して熱交換器３４の低温側流体の流量（例えばボイラ５ａへの給水流量）を増加させることにより、酸素極２ｂに流入する空気の温度を低下させることができ、ＳＯＥＣ２内に形成された温度分布を、作動温度が全体的に低下した温度分布Ｂ（図８参照）に変化させることができる。酸素極２ｂを流通するガスの流量及び温度の両方の制御を同時に又は順次に（どちらが先か後かを問わない）行ってもよい。
【0042】
この変形例においても、ＳＯＥＣ２の温度に基づいて酸素極２ｂを流通するガスの流量又は温度の少なくとも一方を制御することにより、ＳＯＥＣ２内の温度分布が変化し、最高温度を低下させることができるので、ＳＯＥＣ２の電解電流を一定に保ったまま、設定電圧で水蒸気の電気分解を継続するとともにＳＯＥＣ２が局所的に耐熱温度Ｔ０を超えてしまう状態を回避することができる。尚、水素極２ａを流通する水蒸気の流量又は温度の少なくとも一方を制御することと、酸素極２ｂを流通するガスの流量又は温度の少なくとも一方を制御することとを同時に行ってもよい。
【0043】
図１１に示されるように、水蒸気排出ライン１１から分岐して再び接続するように構成されたバイパスライン４７と、バイパスライン４７を流通する水蒸気とボイラ５ａに流入する前の熱媒体とを熱交換させる熱交換器４８を設けてもよい。この変形例では、熱媒体ライン１５を流通する熱媒体の流量を制御するために、例えば、熱媒体ライン１５にポンプ１９が設けられ、ボイラ５ａへ供給する熱媒体の温度を制御するために、例えば、水蒸気排出ライン１１にバイパスライン１７の両端が接続する位置の間で水蒸気排出ライン１１に流量調節弁１８が設けられる。ポンプ１９及び熱交換器４８により熱媒体の循環流量とボイラ５ａに供給する熱媒体の温度とを制御することによって、電解性能に直接影響を与える因子、すなわち、水素極２ａへ供給する水蒸気の流量や温度を所定の値に設定しつつ、ＳＯＥＣ２の運転温度を許容値内に維持することができるので、要求された電解電流やＳＯＥＣ２の性能の変化に応じて安定した運転が可能となる。
【0044】
図１２に示される変形例は、図１１に示される変形例に対して、熱媒体が余剰発熱回収装置４とボイラ５ａとの間を循環するのではなく、熱媒体ライン１５が熱交換器４８を通過するように構成されて、熱媒体がボイラ５ａと熱交換器４８との間を循環するように変更したものである。この変形例は、ＳＯＥＣ２の構成を変更する必要はなく、水素極２ａへ供給する水蒸気の流量及び温度を調整することで、ＳＯＥＣ２の運転温度を許容値内に調整できるので、既存のＳＯＥＣ２を用いた水素製造システム１においても本開示の発明を容易に適用することができる。
【0045】
図１１及び１２に記載された変形例はいずれも、水蒸気排出ライン１１を流通する水蒸気から余剰発熱を回収又は系外へ放出する構成であったが、これらと同様にして、ガス排出ライン２１を流通する排ガスから余剰発熱を回収又は系外へ放出するように構成することもできる。
【0046】
（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２に対して、ＳＯＥＣ２の経時劣化に対応可能にしたものである。尚、実施形態３において、実施形態２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及び２のそれぞれ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２に対して、ＳＯＥＣ２の経時劣化に対応可能にしたものである。尚、実施形態３において、実施形態２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及び２のそれぞれ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。
【0047】
＜本開示の実施形態３に係る水素製造システムの構成＞
図１３に示されるように、本開示の実施形態３に係る水素製造システム１には、ＳＯＥＣ２を流れる電流値を調整するための電流値調整装置である制御装置３２が設けられ、制御装置３２は、電源装置３と電気的に又は無線通信回線等を介して接続されている。その他の構成は実施形態２と同じである。
図１３に示されるように、本開示の実施形態３に係る水素製造システム１には、ＳＯＥＣ２を流れる電流値を調整するための電流値調整装置である制御装置３２が設けられ、制御装置３２は、電源装置３と電気的に又は無線通信回線等を介して接続されている。その他の構成は実施形態２と同じである。
【0048】
＜本開示の実施形態３に係る水素製造システムの動作＞
ＳＯＥＣ２は、継続的な使用による内部の電気部品の劣化に伴い内部抵抗が上昇するため、ＳＯＥＣ２からの発熱量が運転初期に比べて増加する。この場合、実施形態２の動作により、各構成機器の設計範囲においてはＳＯＥＣ２内の最高温度を低下させることができるが、ＳＯＥＣ２の劣化の程度によっては、最高温度がＳＯＥＣ２の耐熱温度に達するおそれを解消できない場合があるし、その状態が解消されたとしても、電解電圧が設定電圧よりも高い状態となり、水素変換効率が低下することとなる場合がある。このような場合、制御装置３２は、温度センサ３０ａによる検出値に基づいて、ＳＯＥＣ２に供給する電流を低下させる。これにより、ＳＯＥＣ２における電解量は低下するものの発熱量が低下するので、ＳＯＥＣ２内の温度が低下し、その結果、ＳＯＥＣ２内の最高温度を耐熱温度よりも低い温度にすることができるし、電解電圧を設定電圧に低下させることができるので、水素変換効率を電気分解の開始初期（内部抵抗が上昇する前）の状態と同等に維持することができる。
ＳＯＥＣ２は、継続的な使用による内部の電気部品の劣化に伴い内部抵抗が上昇するため、ＳＯＥＣ２からの発熱量が運転初期に比べて増加する。この場合、実施形態２の動作により、各構成機器の設計範囲においてはＳＯＥＣ２内の最高温度を低下させることができるが、ＳＯＥＣ２の劣化の程度によっては、最高温度がＳＯＥＣ２の耐熱温度に達するおそれを解消できない場合があるし、その状態が解消されたとしても、電解電圧が設定電圧よりも高い状態となり、水素変換効率が低下することとなる場合がある。このような場合、制御装置３２は、温度センサ３０ａによる検出値に基づいて、ＳＯＥＣ２に供給する電流を低下させる。これにより、ＳＯＥＣ２における電解量は低下するものの発熱量が低下するので、ＳＯＥＣ２内の温度が低下し、その結果、ＳＯＥＣ２内の最高温度を耐熱温度よりも低い温度にすることができるし、電解電圧を設定電圧に低下させることができるので、水素変換効率を電気分解の開始初期（内部抵抗が上昇する前）の状態と同等に維持することができる。
【0049】
また、ＳＯＥＣ２の経時劣化により電解電圧が初期の設定電圧よりも高い状態となる場合、ＳＯＥＣ２に供給される電流を低下させることにより、電解電圧を設定電圧に低下させることで、ＳＯＥＣ２をより長寿命化することができる。
【0050】
＜本開示の実施形態３に係る水素製造システムの変形例＞
実施形態３では、実施形態２の図６の構成に対して電流値の調整を可能にしているが、実施形態２の変形例の図１０～１２のそれぞれの構成に対して電流値の調整を可能にしてもよい。
実施形態３では、実施形態２の図６の構成に対して電流値の調整を可能にしているが、実施形態２の変形例の図１０～１２のそれぞれの構成に対して電流値の調整を可能にしてもよい。
【0051】
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。
【0052】
［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、
前記ＳＯＥＣ（２）に熱中立電圧以上の電圧を印加する電源装置（３）と、
前記ＳＯＥＣ（２）の余剰発熱を用いて水を加熱することにより、前記ＳＯＥＣ（２）に供給される前記水蒸気の少なくとも一部を生成する水蒸気生成装置（５）と
を備える。
水蒸気を電気分解する固体酸化物形電解セル（ＳＯＥＣ）（２）と、
前記ＳＯＥＣ（２）に熱中立電圧以上の電圧を印加する電源装置（３）と、
前記ＳＯＥＣ（２）の余剰発熱を用いて水を加熱することにより、前記ＳＯＥＣ（２）に供給される前記水蒸気の少なくとも一部を生成する水蒸気生成装置（５）と
を備える。
【0053】
本開示の水素製造システムによれば、水蒸気の生成に必要な熱量の少なくとも一部をＳＯＥＣにおける水蒸気の電気分解時に発生する余剰発熱で賄うことにより、水蒸気の生成のために水素製造システムの外部から供給する熱量を削減する又は不要とすることができるので、さらに、電機ボイラ等の追加機器及びそれに付随する熱交換器等の機器を削減できるので、水素製造システムの設備費及び運転コストを低減することができる。
【0054】
［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、
前記電圧は、前記熱中立電圧よりも０．０５Ｖ～０．５Ｖ高い電圧である。
前記電圧は、前記熱中立電圧よりも０．０５Ｖ～０．５Ｖ高い電圧である。
【0055】
このような構成によれば、水蒸気の生成に必要な熱量に相当する電力だけ過剰にＳＯＥＣに供給されるので、水素製造システムにおける消費電力の上昇を抑制することができる。
【0056】
［３］さらに別の態様に係る水素製造システムは、［１］または［２］の水素製造システムであって、
前記ＳＯＥＣ（２）の余剰発熱を熱媒体に回収する排熱回収装置（４）を備え、
前記水蒸気生成装置（５）は、前記熱媒体と前記水とを熱交換することにより、前記ＳＯＥＣ（２）に供給される前記水蒸気の少なくとも一部を生成するように構成されている。
前記ＳＯＥＣ（２）の余剰発熱を熱媒体に回収する排熱回収装置（４）を備え、
前記水蒸気生成装置（５）は、前記熱媒体と前記水とを熱交換することにより、前記ＳＯＥＣ（２）に供給される前記水蒸気の少なくとも一部を生成するように構成されている。
【0057】
このような構成によれば、水蒸気の生成に必要な熱量の少なくとも一部をＳＯＥＣにおける水蒸気の電気分解時に発生する余剰発熱で賄うことにより、水蒸気の生成のために水素製造システムの外部から供給する熱量を削減する又は不要とすることができるので、さらに、電機ボイラ等の追加機器及びそれに付随する熱交換器等の機器を削減できるので、水素製造システムの設備費及び運転コストを低減することができる。
【0058】
［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、
前記余剰発熱回収装置（４）は、前記ＳＯＥＣ（２）を冷却する前記熱媒体が流通する流路（７）を備える。
前記余剰発熱回収装置（４）は、前記ＳＯＥＣ（２）を冷却する前記熱媒体が流通する流路（７）を備える。
【0059】
このような構成によれば、ＳＯＥＣが熱媒体により冷却されるので、水素製造システムの稼働中におけるＳＯＥＣの温度の上昇を抑制することができる。
【0060】
［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ＳＯＥＣ（２）は、前記水蒸気が流入する水素極（２ａ）を備え、
前記余剰発熱回収装置（４）は、前記水素極（２ａ）から流出した水蒸気と前記熱媒体とが熱交換する熱交換器（１６）を備える。
前記ＳＯＥＣ（２）は、前記水蒸気が流入する水素極（２ａ）を備え、
前記余剰発熱回収装置（４）は、前記水素極（２ａ）から流出した水蒸気と前記熱媒体とが熱交換する熱交換器（１６）を備える。
【0061】
このような構成によれば、ＳＯＥＣの構成を変更せずに、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に熱交換器を設ければよいので、既存のＳＯＥＣを用いた水素製造システムにおいても本開示の発明を容易に適用することができる。
【0062】
［６］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ＳＯＥＣ（２）は、酸素を含むガスが流入する酸素極（２ｂ）を備え、
前記余剰発熱回収装置（４）は、前記酸素極（２ｂ）から流出した酸化性の排ガスと前記熱媒体とが熱交換する熱交換器（２４）を備える。
前記ＳＯＥＣ（２）は、酸素を含むガスが流入する酸素極（２ｂ）を備え、
前記余剰発熱回収装置（４）は、前記酸素極（２ｂ）から流出した酸化性の排ガスと前記熱媒体とが熱交換する熱交換器（２４）を備える。
【0063】
このような構成によれば、ＳＯＥＣの構成を変更せずに、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に熱交換器を設ければよいので、既存のＳＯＥＣを用いた水素製造システムにおいても本開示の発明を容易に適用することができる。
【0064】
［７］さらに別の態様に係る水素製造システムは、［１］または［２］の水素製造システムであって、
前記ＳＯＥＣ（２）は、前記水蒸気が流入する水素極（２ａ）と、酸素を含むガスが流入する酸素極（２ｂ）とを備え、
前記水蒸気生成装置（５）は、前記水と前記水素極（２ａ）から流出した水蒸気又は前記酸素極（２ｂ）から流出した排ガスとが熱交換することにより、前記ＳＯＥＣ（２）に供給される前記水蒸気の少なくとも一部を生成するように構成されている。
前記ＳＯＥＣ（２）は、前記水蒸気が流入する水素極（２ａ）と、酸素を含むガスが流入する酸素極（２ｂ）とを備え、
前記水蒸気生成装置（５）は、前記水と前記水素極（２ａ）から流出した水蒸気又は前記酸素極（２ｂ）から流出した排ガスとが熱交換することにより、前記ＳＯＥＣ（２）に供給される前記水蒸気の少なくとも一部を生成するように構成されている。
【0065】
このような構成によれば、ＳＯＥＣの構成を変更する必要がないので、既存のＳＯＥＣを用いた水素製造システムにおいても本開示の発明を容易に適用することができる。
【0066】
［８］さらに別の態様に係る水素製造システムは、［５］の水素製造システムであって、
前記ＳＯＥＣ（２）の温度を検出する温度検出装置（３０）と、
前記水素極（２ａ）を流通する前記水蒸気の流量又は温度の少なくとも一方を制御する水蒸気制御装置（３１）と
を備える。
前記ＳＯＥＣ（２）の温度を検出する温度検出装置（３０）と、
前記水素極（２ａ）を流通する前記水蒸気の流量又は温度の少なくとも一方を制御する水蒸気制御装置（３１）と
を備える。
【0067】
このような構成によれば、ＳＯＥＣの温度に基づいて水素極を流通する水蒸気の流量又は温度の少なくとも一方を制御することにより、ＳＯＥＣ内の温度分布を調整し、ＳＯＥＣに印加される電圧を設定電圧に制御するとともに、ＳＯＥＣの温度を耐熱温度以下に制御することができる。
【0068】
［９］さらに別の態様に係る水素製造システムは、［８］の水素製造システムであって、
前記ＳＯＥＣ（２）を流れる電流値を調整する電流値調整装置（制御装置３２）を備える。
前記ＳＯＥＣ（２）を流れる電流値を調整する電流値調整装置（制御装置３２）を備える。
【0069】
このような構成によれば、ＳＯＥＣの経時劣化により電解電圧が設定電圧よりも高い状態となる場合、ＳＯＥＣ２に供給される電流を低下させることにより、電解電圧を設定電圧に低下させることができる。
【0070】
［１０］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ＳＯＥＣ（２）の温度を検出する温度検出装置（３０）と、
前記酸素極（２ｂ）を流通する前記ガスの流量又は温度の少なくとも一方を制御するガス制御装置（３３）と
を備える。
前記ＳＯＥＣ（２）の温度を検出する温度検出装置（３０）と、
前記酸素極（２ｂ）を流通する前記ガスの流量又は温度の少なくとも一方を制御するガス制御装置（３３）と
を備える。
【0071】
このような構成によれば、ＳＯＥＣの温度に基づいて酸素極を流通するガスの流量又は温度の少なくとも一方を制御することにより、ＳＯＥＣ内の温度分布を調整し、ＳＯＥＣに印加される電圧を設定電圧に制御するとともに、ＳＯＥＣの温度を耐熱温度以下に制御することができる。
【0072】
［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ＳＯＥＣ（２）を流れる電流値を調整する電流値調整装置（制御装置３２）を備える。
前記ＳＯＥＣ（２）を流れる電流値を調整する電流値調整装置（制御装置３２）を備える。
【0073】
このような構成によれば、ＳＯＥＣの経時劣化により電解電圧が設定電圧よりも高い状態となる場合、ＳＯＥＣ２に供給される電流を低下させることにより、電解電圧を設定電圧に低下させることができる。
【0074】
［１２］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ＳＯＥＣ（２）の温度を検出する温度検出装置（３０）と、
前記水素極（２ａ）を流通する前記水蒸気の流量又は温度の少なくとも一方を制御する水蒸気制御装置（３１）、若しくは、前記酸素極（２ｂ）に流入する前記ガスの流量又は温度の少なくとも一方を制御するガス制御装置（３３）と
を備える。
前記ＳＯＥＣ（２）の温度を検出する温度検出装置（３０）と、
前記水素極（２ａ）を流通する前記水蒸気の流量又は温度の少なくとも一方を制御する水蒸気制御装置（３１）、若しくは、前記酸素極（２ｂ）に流入する前記ガスの流量又は温度の少なくとも一方を制御するガス制御装置（３３）と
を備える。
【0075】
このような構成によれば、ＳＯＥＣの温度に基づいて水素極を流通する水蒸気の流量又は温度の少なくとも一方、若しくは、酸素極に流入するガスの流量又は温度の少なくとも一方を制御することにより、ＳＯＥＣ内の温度分布を調整し、ＳＯＥＣに印加される電圧を設定電圧に制御するとともに、ＳＯＥＣの温度を耐熱温度以下に制御することができる。
【0076】
［１３］さらに別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であって、
前記ＳＯＥＣ（２）を流れる電流値を調整する電流値調整装置（制御装置３２）を備える。
前記ＳＯＥＣ（２）を流れる電流値を調整する電流値調整装置（制御装置３２）を備える。
【0077】
このような構成によれば、ＳＯＥＣの経時劣化により電解電圧が設定電圧よりも高い状態となる場合、ＳＯＥＣ２に供給される電流を低下させることにより、電解電圧を設定電圧に低下させることができる。
【0078】
［１４］一の態様に係る水素製造システムの運転方法は、
［８］の水素製造システム（１）の運転方法であって、
前記温度検出装置（３０）による検出値に基づいて、前記水蒸気制御装置（３１）によって、前記水素極（２ａ）を流通する前記水蒸気の流量又は温度の少なくとも一方を制御する。
［８］の水素製造システム（１）の運転方法であって、
前記温度検出装置（３０）による検出値に基づいて、前記水蒸気制御装置（３１）によって、前記水素極（２ａ）を流通する前記水蒸気の流量又は温度の少なくとも一方を制御する。
【0079】
この運転方法によれば、ＳＯＥＣの温度に基づいて水素極を流通する水蒸気の流量又は温度の少なくとも一方を制御することにより、ＳＯＥＣ内の温度分布を調整し、ＳＯＥＣに印加される電圧を設定電圧に制御するとともに、ＳＯＥＣの温度を耐熱温度以下に制御することができる。
【0080】
［１５］一の態様に係る水素製造システムの運転方法は、
［１０］の水素製造システム（１）の運転方法であって、
前記温度検出装置（３０）による検出値に基づいて、前記ガス制御装置（３３）によって、前記酸素極（２ｂ）を流通する前記ガスの流量又は温度の少なくとも一方を制御する。
［１０］の水素製造システム（１）の運転方法であって、
前記温度検出装置（３０）による検出値に基づいて、前記ガス制御装置（３３）によって、前記酸素極（２ｂ）を流通する前記ガスの流量又は温度の少なくとも一方を制御する。
【0081】
このような構成によれば、ＳＯＥＣの温度に基づいて酸素極を流通するガスの流量又は温度の少なくとも一方を制御することにより、ＳＯＥＣ内の温度分布を調整し、ＳＯＥＣに印加される電圧を設定電圧に制御するとともに、ＳＯＥＣの温度を耐熱温度以下に制御することができる。
【0082】
［１６］一の態様に係る水素製造システムの運転方法は、
［１２］の水素製造システム（１）の運転方法であって、
前記温度検出装置（３０）による検出値に基づいて、前記水蒸気制御装置（３１）又はガス制御装置（３３）によって、前記水素極（２ａ）を流通する前記水蒸気の流量又は温度の少なくとも一方、若しくは、前記酸素極（２ｂ）に流入する前記ガスの流量又は温度の少なくとも一方を制御する。
［１２］の水素製造システム（１）の運転方法であって、
前記温度検出装置（３０）による検出値に基づいて、前記水蒸気制御装置（３１）又はガス制御装置（３３）によって、前記水素極（２ａ）を流通する前記水蒸気の流量又は温度の少なくとも一方、若しくは、前記酸素極（２ｂ）に流入する前記ガスの流量又は温度の少なくとも一方を制御する。
【0083】
この運転方法によれば、ＳＯＥＣの温度に基づいて水素極を流通する水蒸気の流量又は温度の少なくとも一方、若しくは、酸素極に流入するガスの流量又は温度の少なくとも一方を制御することにより、ＳＯＥＣ内の温度分布を調整し、ＳＯＥＣに印加される電圧を設定電圧に制御するとともに、ＳＯＥＣの温度を耐熱温度以下に制御することができる。
【0084】
［１７］別の態様に係る水素製造システムの運転方法は、
［１３］の水素製造システム（１）の運転方法であって、
前記温度検出装置（３０）による検出値に基づいて、前記電流値調整御装置（制御装置３２）によって、前記ＳＯＥＣ（２）を流れる電流値を調整する。
［１３］の水素製造システム（１）の運転方法であって、
前記温度検出装置（３０）による検出値に基づいて、前記電流値調整御装置（制御装置３２）によって、前記ＳＯＥＣ（２）を流れる電流値を調整する。
【0085】
この運転方法によれば、ＳＯＥＣの経時劣化により電解電圧が設定電圧よりも高い状態となる場合、ＳＯＥＣ２に供給される電流を低下させることにより、電解電圧を設定電圧に低下させることができる。
【符号の説明】
【0086】
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
３ 電源装置
４ 余剰発熱回収装置
５ 水蒸気生成装置
７ 流路
１６ 熱交換器
２４ 熱交換器
３０ 温度検出装置
３１ 水蒸気制御装置
３２ 制御装置（電流値調整御装置）
３３ ガス制御装置
２ 固体酸化物形電解セル（ＳＯＥＣ）
２ａ 水素極
２ｂ 酸素極
３ 電源装置
４ 余剰発熱回収装置
５ 水蒸気生成装置
７ 流路
１６ 熱交換器
２４ 熱交換器
３０ 温度検出装置
３１ 水蒸気制御装置
３２ 制御装置（電流値調整御装置）
３３ ガス制御装置
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】