JP7809744B2 - Electrolysis cell stack, electrolysis cell cartridge, electrolysis cell module, and method for manufacturing an electrolysis cell stack - Google Patents
Electrolysis cell stack, electrolysis cell cartridge, electrolysis cell module, and method for manufacturing an electrolysis cell stackInfo
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Description
本開示は、電解セルスタック、電解セルカートリッジ、電解セルモジュールおよび電解セルスタックの製造方法、に関するものである。 The present disclosure relates to electrolysis cell stacks, electrolysis cell cartridges, electrolysis cell modules, and methods for manufacturing electrolysis cell stacks.
水を電気化学的に分解して水素および酸素を生成する水電解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おり、液体の水を電解するアルカリ電解や固体高分子電解、水蒸気を電解する水蒸気電解などがある。 Water electrolysis, which produces hydrogen and oxygen by electrochemically decomposing water, is a hydrogen production method that does not emit carbon dioxide and has excellent environmental properties. There are various methods, such as alkaline electrolysis, which electrolyzes liquid water, solid polymer electrolysis, and steam electrolysis, which electrolyzes water vapor.
中でも高温の水蒸気を電解する固体酸化物形電解セル(Solid Oxide Electrolysis Cell(SOEC):以下、「電解セル」という)は、電解質としてイットリア安定化ジルコニアなどの酸素イオン導電性を有するセラミックスを用いて、高温水蒸気のもつ熱エネルギーを電解反応に必要なエネルギーの一部として利用できるため他の電解方式に比べ高い効率で水素の製造が可能である。 Among these, solid oxide electrolysis cells (SOECs, hereafter referred to as "electrolysis cells"), which electrolyze high-temperature water vapor, use ceramics with oxygen ion conductivity, such as yttria-stabilized zirconia, as the electrolyte, and can utilize the thermal energy of the high-temperature water vapor as part of the energy required for the electrolysis reaction, making it possible to produce hydrogen more efficiently than other electrolysis methods.
特許文献1では、水素極、固体電解質膜および酸素極を有する電解セルが基体管上に複数並べられたセルスタックを備えた水素生成システムが開示されている。この水素生成システムにおいて、特許文献1に記載のSOECでは、水素極が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ている。 Patent Document 1 discloses a hydrogen generation system equipped with a cell stack in which multiple electrolytic cells, each having a hydrogen electrode, a solid electrolyte membrane, and an oxygen electrode, are arranged on a substrate tube. In this hydrogen generation system, the SOEC described in Patent Document 1 has a hydrogen electrode made of a composite oxide of Ni and a zirconia-based electrolyte material.
SOECでは、単セルあたりの水素生成量を増加させることが望まれている。
SOECに流す電流を増やすと、水の電気化学的な分解(電解)が促進され、生成される水素量を増やすことができる。しかしながら、下記理由により電解電圧が熱中立電位以上となるように電解電流を増加する場合にはセルの耐久性や金属材料の許容温度に対する配慮が必要である。
In SOECs, it is desirable to increase the amount of hydrogen produced per unit cell.
Increasing the current flowing through the SOEC promotes the electrochemical decomposition (electrolysis) of water, thereby increasing the amount of hydrogen produced. However, for the following reasons, when increasing the electrolysis current so that the electrolysis voltage exceeds the thermoneutral potential, consideration must be given to the durability of the cell and the allowable temperature of the metal material.
SOECに電流を流すことでセルの内部抵抗によりジュール熱が発生するが、水の電解は吸熱反応であり、低電流であれば吸熱反応が優位になるため温度上昇の問題は生じない。しかしながら、熱中立電位以上となる高電流で運転しようとすると、電解反応に伴うジュール熱による発熱でセル温度が上昇する。SOECが高温に曝されると水素極のニッケルがシンタリングするため徐々にSOECの内部抵抗が上がり、長時間の安定した電解が難しくなるためセル最高温度を許容値以下に管理する必要がある。 When a current is passed through an SOEC, Joule heat is generated due to the internal resistance of the cell, but water electrolysis is an endothermic reaction, and at low currents, the endothermic reaction is dominant, so there is no problem with temperature rise. However, when attempting to operate at a high current above the thermoneutral potential, the cell temperature rises due to heat generated by Joule heat associated with the electrolysis reaction. When an SOEC is exposed to high temperatures, the nickel in the hydrogen electrode sinters, gradually increasing the internal resistance of the SOEC and making stable electrolysis over long periods of time difficult, so it is necessary to keep the maximum cell temperature below the allowable value.
SOECの水蒸気電解においては、セルの内部抵抗を低減するために反応部の温度はできるだけ均一化し、かつ最高温度は許容温度以下に保つことが求められる。SOECでは通常セルスタックの熱自立を図るため熱中立点以上の高電流で運転され、逆反応である燃料電池の運転電流に比べ高電流での運転になり、それに伴い供給ガス流量も増加するため、原料ガス(水蒸気)流れの出口側のガス温度が高くなる傾向がある。このため電解セル(反応部)の運転温度をできるだけ均一化し、最高温度を設定温度以下に維持しつつ、セルスタックからの排ガス温度をセルスタック下流側に設けられる構成機器の許容温度以下に抑制するためには入口側および出口側に適切な熱交換部を設ける必要がある。 In SOEC steam electrolysis, it is necessary to make the temperature of the reaction section as uniform as possible and keep the maximum temperature below the allowable temperature in order to reduce the internal resistance of the cell. SOECs are typically operated at a high current above the thermal neutral point to ensure thermal self-sustainability of the cell stack. This is higher than the operating current of a fuel cell, which is the reverse reaction. As a result, the supply gas flow rate also increases, and the gas temperature at the outlet of the raw gas (steam) flow tends to rise. For this reason, it is necessary to install appropriate heat exchange units on the inlet and outlet sides in order to make the operating temperature of the electrolytic cell (reaction section) as uniform as possible, maintain the maximum temperature below the set temperature, and keep the exhaust gas temperature from the cell stack below the allowable temperature of the components installed downstream of the cell stack.
一方、熱交換部はセルスタックへ供給または排出されるガスのシールを行う必要があるため、高温耐久性のある金属材料で構成され、電解セルと一体化された構造とすることが望ましい。例えば平板型セルスタックにおいては積層された電解セル(反応部)を挟んで上下に伝熱部とガスヘッダ部からなる平板型の熱交換器を一体化したスタック構造とすることでSOECセルスタックから排出されるガス温度を低減することができる。 On the other hand, because the heat exchanger needs to seal the gas being supplied to or discharged from the cell stack, it is desirable that it be made of a metal material that can withstand high temperatures and have a structure that is integrated with the electrolysis cell. For example, in a flat-plate cell stack, the temperature of the gas discharged from the SOEC cell stack can be reduced by using a stack structure in which flat-plate heat exchangers consisting of heat transfer sections and gas header sections are integrated above and below the stacked electrolysis cells (reaction sections).
また、円筒形SOECスタックにおいては同一の基体管上に構成された電解セル反応部の両側に熱交換部を備えたスタック構造が可能であるが、セルスタックの両端部は原料ガスと酸化性ガスとのガスシールのための金属製の保持部材(シール部材)が必要である。この保持部材が長時間高温に曝されると酸化腐食により耐久性が低下するため、SOECに流す電解電流はこの保持部材が許容温度を超えないような範囲に制限される。 In addition, in a cylindrical SOEC stack, it is possible to have a stack structure with heat exchange sections on both sides of the electrolytic cell reaction section constructed on the same substrate tube, but both ends of the cell stack require metal retaining members (sealing members) to seal between the raw material gas and the oxidizing gas. If these retaining members are exposed to high temperatures for long periods of time, their durability will decrease due to oxidation corrosion, so the electrolytic current flowing through the SOEC is limited to a range that does not exceed the allowable temperature of these retaining members.
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、SOECセルスタックの入口側および出口側に設けられる熱交換部からの排出ガスおよびガスシール用の保持部材の温度上昇を許容範囲内に抑えつつ、電解による水素生成量を増やすことのできる電解セルスタック、電解セルカートリッジ、電解セルモジュールおよび電解セルスタックの製造方法を提供することを目的とする。 The present disclosure has been made in light of these circumstances, and aims to provide an electrolysis cell stack, electrolysis cell cartridge, electrolysis cell module, and method for manufacturing an electrolysis cell stack that can increase the amount of hydrogen produced by electrolysis while keeping the temperature rise of the exhaust gas and gas-sealing retaining members from the heat exchange units provided on the inlet and outlet sides of the SOEC cell stack within an acceptable range.
上記課題を解決するために、本開示の電解セルスタック、電解セルカートリッジ、電解セルモジュールおよび電解セルスタックの製造方法は以下の手段を採用する。 To solve the above problems, the manufacturing methods of the electrolysis cell stack, electrolysis cell cartridge, electrolysis cell module, and electrolysis cell stack disclosed herein employ the following measures.
本開示は、ニッケルを含む水素極、酸素極、および前記水素極と前記酸素極との間に挟まれた固体電解質膜を有する電解セルを備えた水素発生部と、前記水素発生部の前記水素極に原料ガスを供給する原料ガス供給口と、前記水素発生部で生成された水素ガスを排出する水素ガス排出口と、前記水素発生部よりも前記原料ガス供給口側で、前記原料ガスと、前記酸素極側から排出される酸化性ガスと、が熱交換する原料ガス供給側熱交換部と、前記水素発生部よりも前記水素ガス排出口側で、前記水素ガスと、前記酸素極側に供給される酸化性ガスと、が熱交換する水素ガス排出側熱交換部と、を備え、前記原料ガス供給側熱交換部は、前記酸化性ガスの流速が、前記水素発生部を流通する場合に比べて速くなる伝熱部を有し、および水素ガス排出側熱交換部は、前記酸化性ガスの流速が、前記水素発生部を流通する場合に比べて速くなる伝熱部を有し、前記水素ガス排出側熱交換部の伝熱部面積が、前記原料ガス供給側熱交換部の伝熱部面積よりも大きい電解セルスタックを提供する。 The present disclosure provides a hydrogen generation unit including an electrolysis cell having a nickel-containing hydrogen electrode, an oxygen electrode, and a solid electrolyte membrane sandwiched between the hydrogen electrode and the oxygen electrode; a raw material gas supply port for supplying a raw material gas to the hydrogen electrode of the hydrogen generation unit; a hydrogen gas outlet port for discharging hydrogen gas generated in the hydrogen generation unit; a raw material gas supply-side heat exchange unit located on the raw material gas supply port side of the hydrogen generation unit and performing heat exchange between the raw material gas and an oxidizing gas discharged from the oxygen electrode side; and a front heat exchange unit located on the hydrogen gas outlet side of the hydrogen generation unit. and a hydrogen gas discharge side heat exchanger that exchanges heat between the hydrogen gas and an oxidizing gas supplied to the oxygen electrode side, wherein the raw material gas supply side heat exchanger has a heat transfer section where the flow rate of the oxidizing gas is faster than when the oxidizing gas flows through the hydrogen generation section, and the hydrogen gas discharge side heat exchanger has a heat transfer section where the flow rate of the oxidizing gas is faster than when the oxidizing gas flows through the hydrogen generation section, and the area of the heat transfer section of the hydrogen gas discharge side heat exchanger is larger than the area of the heat transfer section of the raw material gas supply side heat exchanger.
本開示は、上記に記載の電解セルスタックを備えた電解セルカートリッジを提供する。 The present disclosure provides an electrolysis cell cartridge including the electrolysis cell stack described above.
本開示は、上記に記載の電解セルカートリッジを備えた電解セルモジュールを提供する。 The present disclosure provides an electrolysis cell module including the electrolysis cell cartridge described above.
本開示は、ニッケルを含む水素極、酸素極、および前記水素極と前記酸素極との間に挟まれた固体電解質膜を有する電解セルを備えた水素発生部と、前記水素発生部の前記水素極に原料ガスを供給する原料ガス供給口と、前記水素発生部で生成された水素ガスを排出する水素ガス排出口と、前記水素発生部よりも前記原料ガス供給口側で、前記原料ガスと、前記酸素極側から排出される酸化性ガスと、が熱交換する原料ガス供給側熱交換部と、前記水素発生部よりも前記水素ガス排出口側で、前記水素ガスと、前記酸素極側に供給される酸化性ガスと、が熱交換する水素ガス排出側熱交換部と、を備えた電解セルスタックの製造方法であって、前記原料ガス供給側熱交換部は、前記酸化性ガスの流速が、前記水素発生部を流通する場合に比べて速くなる伝熱部を有し、水素ガス排出側熱交換部は、前記酸化性ガスの流速が、前記水素発生部を流通する場合に比べて速くなる伝熱部を有し、前記水素ガス排出側熱交換部の伝熱部面積を、前記原料ガス供給側熱交換部の伝熱部面積よりも大きく形成する電解セルスタックの製造方法を提供する。 The present disclosure provides a hydrogen generation unit including an electrolysis cell having a nickel-containing hydrogen electrode, an oxygen electrode, and a solid electrolyte membrane sandwiched between the hydrogen electrode and the oxygen electrode; a raw material gas supply port for supplying a raw material gas to the hydrogen electrode of the hydrogen generation unit; a hydrogen gas outlet port for discharging hydrogen gas generated in the hydrogen generation unit; a raw material gas supply-side heat exchange unit, located on the raw material gas supply port side of the hydrogen generation unit, for heat exchange between the raw material gas and an oxidizing gas discharged from the oxygen electrode side; and a raw material gas supply-side heat exchange unit, located on the hydrogen gas outlet side of the hydrogen generation unit, for heat exchange between the hydrogen gas and the oxygen electrode. and a hydrogen gas discharge-side heat exchanger that exchanges heat with an oxidizing gas supplied to a feed gas supply side, wherein the feed gas supply-side heat exchanger has a heat transfer section that makes the flow rate of the oxidizing gas faster than when the oxidizing gas flows through the hydrogen generation section, and the hydrogen gas discharge-side heat exchanger has a heat transfer section that makes the flow rate of the oxidizing gas faster than when the oxidizing gas flows through the hydrogen generation section, and the area of the heat transfer section of the hydrogen gas discharge-side heat exchanger is made larger than the area of the heat transfer section of the feed gas supply-side heat exchanger.
本開示によれば、水素ガス排出側熱交換部の伝熱部面積を原料ガス供給側熱交換部の伝熱部面積よりも大きくすることで、水素発生部で生成された水素ガスの冷却熱量を増やすことができる。これにより、水素ガス排出口から排出される水素ガスの温度を従来よりも低く抑えることが可能となる。 According to the present disclosure, by making the heat transfer area of the hydrogen gas discharge side heat exchanger larger than the heat transfer area of the feed gas supply side heat exchanger, it is possible to increase the amount of heat required to cool the hydrogen gas generated in the hydrogen generation unit. This makes it possible to keep the temperature of the hydrogen gas discharged from the hydrogen gas outlet lower than conventional methods.
SOECの原料として用いられる高温水蒸気は、原料ガス供給側熱交換部において吸熱を伴う化学反応を生じないため、原料ガス供給側熱交換部の伝熱部面積が小さくなったとしても、吸熱反応による温度低下はなく、原料ガスの温度は酸化性ガスとの熱交換により上昇するため、電解セルスタックの作動温度を高めることができる。作動温度が高いと、セルの内部抵抗が低下するため、単位流量あたりの水素発生に必要な電力を低減することができる。 The high-temperature steam used as the feedstock for SOEC does not undergo an endothermic chemical reaction in the feedstock gas supply-side heat exchanger. Therefore, even if the heat transfer area of the feedstock gas supply-side heat exchanger is reduced, there is no temperature drop due to an endothermic reaction, and the temperature of the feedstock gas rises due to heat exchange with the oxidizing gas, making it possible to increase the operating temperature of the electrolytic cell stack. A higher operating temperature reduces the internal resistance of the cell, thereby reducing the power required to generate hydrogen per unit flow rate.
このような電解セルスタックは、水素発生部に流す電流密度が増加しても、セルスタックの最高温度を許容範囲に抑え、かつ、電解セルスタックから排出される水素ガスおよびスタックの保持部材が許容温度を超えないように制御することができる。 Such an electrolysis cell stack can keep the maximum temperature of the cell stack within an acceptable range even if the current density flowing through the hydrogen generation section increases, and can control the temperature of the hydrogen gas discharged from the electrolysis cell stack and the stack's holding members so that they do not exceed the acceptable temperature.
以下に、本開示に係る電解セルスタック、電解セルカートリッジ、電解セルモジュールおよび電解セルスタックの製造方法の一実施形態について、図面を参照して説明する。 Below, one embodiment of the electrolysis cell stack, electrolysis cell cartridge, electrolysis cell module, and electrolysis cell stack manufacturing method according to the present disclosure will be described with reference to the drawings.
本実施形態において「電解」は、「水蒸気電解」を意味する。 In this embodiment, "electrolysis" means "steam electrolysis."
以下においては、説明の便宜上、紙面を基準として「上」および「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。 In the following, for the sake of convenience, the positional relationships of each component described using the terms "above" and "below" with respect to the plane of the paper indicate the vertically upper and lower sides, respectively. Furthermore, in this embodiment, for components that can achieve similar effects in both the vertical and horizontal directions, the vertical direction on the plane of the paper is not necessarily limited to the vertical direction, but may also correspond to, for example, a horizontal direction perpendicular to the vertical direction.
(セルスタック)
まず、図1,2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電解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。また、複数の平板型電気化学単セルとセパレータおよび平板型熱交換部を積層したスタック構造であってもよい。
(cell stack)
First, a cylindrical electrolysis cell stack using a substrate tube will be described as an example according to this embodiment with reference to Figures 1 and 2. When a substrate tube is not used, for example, the hydrogen electrode may be formed thick and serve as the substrate tube, and the use of a substrate tube is not limited. Furthermore, although the substrate tube in this embodiment is described as having a cylindrical shape, the substrate tube may be cylindrical and does not necessarily have to have a circular cross section, and may have, for example, an elliptical cross section. A cell stack such as a flat tubular cylinder in which the peripheral side surface of a cylinder is crushed vertically may also be used. Furthermore, a stack structure in which a plurality of flat-plate electrochemical unit cells, separators, and flat-plate heat exchangers are stacked may also be used.
図1は、本実施形態に係るセルスタック(円筒形電解セルスタック)の一態様を示す概略図である。セルスタック101は、長手方向中央に水素発生部10を備えている。セルスタック101は、原料ガス供給口11および水素ガス排出口12を有している。セルスタック101は、水素発生部10を長手方向の両側から挟むよう原料ガス供給側熱交換部(以下、上部熱交換部と称す)13および排出側熱交換部(以下、下部熱交換部と称す)14を備えている。 Figure 1 is a schematic diagram showing one embodiment of a cell stack (cylindrical electrolysis cell stack) according to this embodiment. The cell stack 101 has a hydrogen generation unit 10 in the center in the longitudinal direction. The cell stack 101 has a raw material gas supply port 11 and a hydrogen gas discharge port 12. The cell stack 101 also has a raw material gas supply-side heat exchange unit (hereinafter referred to as the upper heat exchange unit) 13 and a discharge-side heat exchange unit (hereinafter referred to as the lower heat exchange unit) 14, sandwiching the hydrogen generation unit 10 from both sides in the longitudinal direction.
セルスタック101の水素極に供給し利用できる原料ガスとしては、水素発生部10で水素の発生源となり、かつ、上部熱交換部13および下部熱交換部14において吸熱反応を生じないガスが用いられ、本実施形態における原料ガスは水蒸気である。原料ガス供給口11に供給されるガスには、電解に用いる水蒸気の他に水素が含まれることが多い。また、水素ガス排出口12から排出されるガスには、水素発生部10で生成された水素ガスの他に、原料ガスの残りである水蒸気が含まれうるが、以降の説明においては紛らわしさを避けるため水素を含む供給ガスを「供給水蒸気」、この残水蒸気を含む水素ガスを「生成水素」とも呼ぶ。 The raw material gas that can be supplied to the hydrogen electrode of the cell stack 101 and used is a gas that serves as a hydrogen generation source in the hydrogen generation unit 10 and does not cause an endothermic reaction in the upper heat exchange unit 13 or the lower heat exchange unit 14. In this embodiment, the raw material gas is water vapor. The gas supplied to the raw material gas supply port 11 often contains hydrogen in addition to the water vapor used for electrolysis. Furthermore, the gas discharged from the hydrogen gas discharge port 12 may contain water vapor, which is the remainder of the raw material gas, in addition to the hydrogen gas generated in the hydrogen generation unit 10. However, to avoid confusion in the following explanation, the supply gas containing hydrogen will be referred to as "supplied water vapor" and the hydrogen gas containing this remaining water vapor will be referred to as "produced hydrogen."
上部熱交換部13は、水素発生部10の原料ガス供給口(水蒸気供給口)11側に位置する。上部熱交換部13は、水蒸気供給口11からセルスタック101内に供給された供給水蒸気が、水素発生部10に入る前に、セルスタック101の外部を流れる酸化性ガスと熱交換する領域である。上部熱交換部13は、水素発生部10に電気的に接続されたリード部(後述のリード膜115)を含んでもよい。具体的には、上部熱交換部13はセルスタック101に形成された原料ガス供給口(水蒸気供給口)11側の電解セル105の端部(外端)から後述する上部管板225aまでの領域である。なお、上部熱交換部13は、上部管板225aからセルスタック101の上端までは含まない。また、上部熱交換部13は必ずしも水素発生部10と一体に成形されたものではなく、酸化性ガスと供給水蒸気との熱交換機能を備えた構造もしくは熱交換器でもよい。 The upper heat exchanger 13 is located on the source gas supply port (steam supply port) 11 side of the hydrogen generation unit 10. The upper heat exchanger 13 is a region where the supply steam supplied from the steam supply port 11 into the cell stack 101 exchanges heat with the oxidizing gas flowing outside the cell stack 101 before entering the hydrogen generation unit 10. The upper heat exchanger 13 may include a lead portion (the lead film 115 described below) electrically connected to the hydrogen generation unit 10. Specifically, the upper heat exchanger 13 is the region from the end (outer end) of the electrolysis cell 105 on the source gas supply port (steam supply port) 11 side formed in the cell stack 101 to the upper tube plate 225a described below. Note that the upper heat exchanger 13 does not include the area from the upper tube plate 225a to the top end of the cell stack 101. Furthermore, the upper heat exchanger 13 does not necessarily have to be molded integrally with the hydrogen generation unit 10, but may be a structure or heat exchanger capable of exchanging heat between the oxidizing gas and the supply steam.
上部熱交換部13のうち、原料ガスと酸化性ガスとの熱交換を行う後述の酸化性ガス上部貫通部235bを伝熱部(L1)とする。酸化性ガス上部貫通部235bは、セルスタック101の外面と後述する上部断熱体227aとの間に形成された酸化性ガスの通路であり、原料ガスと酸化性ガスとの熱交換が行われる領域である。すなわち、上部熱交換部13は、セルスタック101に形成された原料ガス供給口(水蒸気供給口)11側の電解セル105の端部(外端)から酸化性ガス上部貫通部235b(伝熱部L1)までの領域と、伝熱部(L1)と、酸化性ガス排出ヘッダ223を貫通する部分と、を合わせた領域である。 Of the upper heat exchange section 13, the oxidizing gas upper penetration 235b (described later) that exchanges heat between the raw material gas and the oxidizing gas is defined as the heat transfer section (L 1 ). The oxidizing gas upper penetration 235b is a passage for the oxidizing gas formed between the outer surface of the cell stack 101 and the upper heat insulator 227a (described later), and is the region where heat exchange between the raw material gas and the oxidizing gas occurs. In other words, the upper heat exchange section 13 is the combined region of the region from the end (outer end) of the electrolysis cell 105 on the raw material gas supply port (steam supply port) 11 side formed in the cell stack 101 to the oxidizing gas upper penetration 235b (heat transfer section L 1 ), the heat transfer section (L 1 ), and the portion that penetrates the oxidizing gas discharge header 223.
下部熱交換部14は、水素発生部10の水素ガス排出口(生成水素排出口)12側に位置する。下部熱交換部14は、水素発生部10で生成された水素ガス(生成水素)と、セルスタック101の外部に流れる酸化性ガスと、が熱交換する領域である。下部熱交換部14は、水素発生部10に電気的に接続されたリード部(後述のリード膜115)を含んでもよい。具体的には、下部熱交換部14は、セルスタック101に形成された水素ガス排出口(生成水素排出口)12側の電解セル105の端部(外端)から後述する下部管板225bまでの領域である。なお、下部熱交換部14は、下部管板225bからセルスタック101の下端までは含まない。また、下部熱交換部14は必ずしも水素発生部10と一体に成形されたものではなく、酸化性ガスと水素ガス(生成水素)との熱交換機能を備えた構造もしくは熱交換器でもよい。 The lower heat exchanger 14 is located on the hydrogen gas outlet (produced hydrogen outlet) 12 side of the hydrogen generation unit 10. The lower heat exchanger 14 is the region where heat exchange occurs between the hydrogen gas (produced hydrogen) generated in the hydrogen generation unit 10 and the oxidizing gas flowing outside the cell stack 101. The lower heat exchanger 14 may include a lead portion (lead film 115 described below) electrically connected to the hydrogen generation unit 10. Specifically, the lower heat exchanger 14 is the region from the end (outer end) of the electrolysis cell 105 on the hydrogen gas outlet (produced hydrogen outlet) 12 side formed in the cell stack 101 to the lower tube plate 225b described below. Note that the lower heat exchanger 14 does not include the area from the lower tube plate 225b to the lower end of the cell stack 101. Furthermore, the lower heat exchanger 14 does not necessarily have to be molded integrally with the hydrogen generation unit 10, but may be a structure or heat exchanger capable of exchanging heat between the oxidizing gas and hydrogen gas (produced hydrogen).
下部熱交換部14のうち、水素ガス(生成水素)と酸化性ガスとの熱交換を行う酸化性ガス下部貫通部235aを伝熱部(L3)とする。酸化性ガス下部貫通部235aは、セルスタック101の外面と後述する下部断熱体227bとの間に形成された酸化性ガスの通路であり、水素ガス(生成水素)と酸化性ガスとの熱交換が行われる領域である。言い換えれば、下部熱交換部14は、セルスタック101に形成された水素ガス排出口(生成水素排出口)12側の電解セル105の端部(外端)から酸化性ガス下部貫通部235a入口までの領域と、酸化性ガス下部貫通部における伝熱部(L3)と、酸化性ガス供給ヘッダ221を貫通する部分と、を合わせた領域である。 Of the lower heat exchange section 14, the oxidizing gas lower penetration 235a, which exchanges heat between hydrogen gas (produced hydrogen) and oxidizing gas, is defined as the heat transfer section ( L3 ). The oxidizing gas lower penetration 235a is a passage for oxidizing gas formed between the outer surface of the cell stack 101 and the lower heat insulator 227b described later, and is the region where heat exchange between hydrogen gas (produced hydrogen) and oxidizing gas occurs. In other words, the lower heat exchange section 14 is the combined region of the region from the end (outer end) of the electrolysis cell 105 on the hydrogen gas outlet (produced hydrogen outlet) 12 side formed in the cell stack 101 to the inlet of the oxidizing gas lower penetration 235a, the heat transfer section ( L3 ) in the oxidizing gas lower penetration, and the portion penetrating the oxidizing gas supply header 221.
下部熱交換部14の伝熱部(L3)の伝熱部面積(S3)は、上部熱交換部13の伝熱部(L1)の伝熱部面積(S1)よりも大きい。後述する図12から上部熱交換部13の伝熱部(L1)の伝熱部面積(S1)に対する下部熱交換部14の伝熱部(L3)の伝熱部面積(S3)の比(S3/S1)は、2以上、好ましくは3以上9以下、さらに好ましくは3以上7以下であるとよい。 The heat transfer area ( S3 ) of the heat transfer section ( L3 ) of the lower heat exchange section 14 is larger than the heat transfer area ( S1 ) of the heat transfer section ( L1 ) of the upper heat exchange section 13. As shown in Fig. 12 described later, the ratio ( S3/S1 ) of the heat transfer area ( S3 ) of the heat transfer section ( L3 ) of the lower heat exchange section 14 to the heat transfer area ( S1 ) of the heat transfer section ( L1 ) of the upper heat exchange section 13 is 2 or more, preferably 3 or more and 9 or less, and more preferably 3 or more and 7 or less.
ここでセルスタック101の有効部面積(S)を、上部熱交換部13の伝熱部面積(S1)、水素発生部10の反応面積(S2)および下部熱交換部14の伝熱部面積(S3)の和とする。
電解セルスタックの有効部面積(S)=上部熱交換部の伝熱部面積(S1)
+水素発生部の反応面積(S2)+下部熱交換部の伝熱部面積(S3)
Here, the effective area (S) of the cell stack 101 is defined as the sum of the heat transfer area (S 1 ) of the upper heat exchange section 13 , the reaction area (S 2 ) of the hydrogen generation section 10 , and the heat transfer area (S 3 ) of the lower heat exchange section 14 .
Effective area of electrolysis cell stack (S) = Heat transfer area of upper heat exchange section (S 1 )
+ reaction area of the hydrogen generation section (S 2 ) + heat transfer area of the lower heat exchange section (S 3 )
基体管103の径が均一である場合、伝熱部面積は、長さに置き換えて考えてもよい。
セルスタック101の有効部の長さ(L)は、上部熱交換部13の伝熱部長さ(L1)、水素発生部10の長さ(L2)および下部熱交換部14の伝熱部長さ(L3)の長さの和である。
電解セルスタックの有効部長さ(L)=上部熱交換部の伝熱部長さ(L1)
+水素発生部の長さ(L2)+下部熱交換部の伝熱部長さ(L3)
When the diameter of the substrate tube 103 is uniform, the heat transfer area may be considered as the length.
The length (L) of the effective portion of the cell stack 101 is the sum of the length (L 1 ) of the heat transfer portion of the upper heat exchange portion 13, the length (L 2 ) of the hydrogen generation portion 10, and the length (L 3 ) of the heat transfer portion of the lower heat exchange portion 14.
Effective length of electrolysis cell stack (L) = heat transfer length of upper heat exchange section (L 1 )
+ length of the hydrogen generating section (L 2 ) + length of the heat transfer section of the lower heat exchange section (L 3 )
基体管103の径を均一とすると、下部熱交換部14の伝熱部長さ(L3)は、上部熱交換部13の伝熱部長さ(L1)よりも大きい。上部熱交換部13の伝熱部長さ(L1)に対する下部熱交換部14の伝熱部長さ(L3)の比(L3/L1)は、2以上、好ましくは3以上9以下、さらに好ましくは3以上7以下であるとよい。 If the diameter of the base tube 103 is uniform, the heat transfer section length ( L3 ) of the lower heat exchange section 14 is longer than the heat transfer section length ( L1 ) of the upper heat exchange section 13. The ratio (L3 /L1 ) of the heat transfer section length (L3) of the lower heat exchange section 14 to the heat transfer section length ( L1 ) of the upper heat exchange section 13 is 2 or more, preferably 3 or more and 9 or less, and more preferably 3 or more and 7 or less.
図2は、セルスタックの水素発生部端部の拡大断面模式図である。水素発生部10は、円筒形状の基体管103の外周面に形成されている。基体管103の径(外径および内径)は、長手方向で均一であってよい。基体管103の外径は、例えば、10~50mmである。基体管103の全長は、例えば、500~3000mmである。 Figure 2 is an enlarged schematic cross-sectional view of the end of the hydrogen generation unit of the cell stack. The hydrogen generation unit 10 is formed on the outer peripheral surface of a cylindrical substrate tube 103. The diameter (outer diameter and inner diameter) of the substrate tube 103 may be uniform along its length. The outer diameter of the substrate tube 103 is, for example, 10 to 50 mm. The overall length of the substrate tube 103 is, for example, 500 to 3000 mm.
水素発生部10は、基体管103の軸方向に複数並べられた電解セル105と、隣り合う電解セル105の間に形成されたインターコネクタ107とを備える。 The hydrogen generation unit 10 comprises multiple electrolytic cells 105 arranged in the axial direction of the substrate tube 103 and interconnectors 107 formed between adjacent electrolytic cells 105.
電解セル105は、水素極109と固体電解質膜111と酸素極113とが積層されてなる。固体電解質膜111は、水素極109と酸素極113との間に挟まれている。 The electrolysis cell 105 is composed of a stack of a hydrogen electrode 109, a solid electrolyte membrane 111, and an oxygen electrode 113. The solid electrolyte membrane 111 is sandwiched between the hydrogen electrode 109 and the oxygen electrode 113.
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解セル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解セル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解セル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。最も端に位置する電解セル105の酸素極113の外端が、水素発生部10の端部となる。 The cell stack 101 has a plurality of electrolytic cells 105 formed on the outer peripheral surface of the base tube 103. The cell stack 101 has a lead film 115 electrically connected via an interconnector 107 to the oxygen electrode 113 of the electrolytic cell 105 formed at one end of the base tube 103 in the axial direction, and a lead film 115 electrically connected to the hydrogen electrode 109 of the electrolytic cell 105 formed at the other end. The outer end of the oxygen electrode 113 of the electrolytic cell 105 located at the end serves as the end of the hydrogen generation section 10.
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)、またはY2O3安定化ZrO2(YSZ)、またはMgAl2O4などを主成分とされる。この基体管103は、電解セル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供給水蒸気を基体管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。基体管103の両端の開口は、水蒸気供給口および生成水素排出口となりうる。 The base tube 103 is made of a porous material and has as its main component, for example, CaO-stabilized ZrO2 (CSZ), a mixture of CSZ and nickel oxide (NiO) (CSZ+NiO), Y2O3 - stabilized ZrO2 ( YSZ ), or MgAl2O4 . The base tube 103 supports the electrolytic cell 105, the interconnector 107, and the lead film 115, and also diffuses the supplied water vapor supplied to the inner circumferential surface of the base tube 103 through the pores of the base tube 103 to the hydrogen electrode 109 formed on the outer circumferential surface of the base tube 103. Openings at both ends of the base tube 103 can serve as a water vapor supply port and a produced hydrogen discharge port.
水素極109は、ニッケル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。 The hydrogen electrode 109 is made of a composite oxide of nickel and a zirconia-based electrolyte material, such as Ni/YSZ. The thickness of the hydrogen electrode 109 is 50 μm to 250 μm, and the hydrogen electrode 109 may be formed by screen printing a slurry.
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YSZが主として用いられる。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5μm~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。 YSZ, which has gas-tightness that makes it difficult for gas to pass through and high oxygen ion conductivity at high temperatures, is mainly used for the solid electrolyte membrane 111. The solid electrolyte membrane 111 transfers oxygen ions (O 2− ) generated at the hydrogen electrode 109 to the oxygen electrode 113. The thickness of the solid electrolyte membrane 111 located on the surface of the hydrogen electrode 109 is 5 μm to 100 μm, and the solid electrolyte membrane 111 may be formed by screen-printing a slurry.
酸素極113は、例えば、LaSrMnO3系酸化物、またはLaCoO3系酸化物で構成される。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。 The oxygen electrode 113 is made of, for example, an LaSrMnO3 - based oxide or an LaCoO3 -based oxide. The oxygen electrode 113 is coated with a slurry by screen printing or using a dispenser.
酸素極113は2層構成とすることもできる。この場合、固体電解質膜111側の酸素極層(酸素極中間層)は高いイオン導電性を示し、触媒活性に優れる材料で構成される。酸素極中間層は、高いイオン導電性を示すSmをドープしたセリアで構成されてもよく、酸素極中間層上の酸素極層(酸素極導電層)は、SrおよびCaドープLaMnO3などのペロブスカイト型酸化物で構成されてもよい。 The oxygen electrode 113 can also have a two-layer structure. In this case, the oxygen electrode layer (oxygen electrode intermediate layer) on the solid electrolyte membrane 111 side is made of a material that exhibits high ionic conductivity and excellent catalytic activity. The oxygen electrode intermediate layer may be made of Sm-doped ceria, which exhibits high ionic conductivity, and the oxygen electrode layer (oxygen electrode conductive layer) on the oxygen electrode intermediate layer may be made of a perovskite-type oxide such as Sr- and Ca-doped LaMnO3 .
水素極109に負、酸素極113に正の電圧を印加することにより、水素極109では供給水蒸気に含まれる水蒸気が電子を受け取り電気分解されて、水素分子と酸素イオン(O2-)を生成する(下記反応式(1)参照)。生成した水素は供給水蒸気と共に外部へ取り出される。 By applying a negative voltage to the hydrogen electrode 109 and a positive voltage to the oxygen electrode 113, the water vapor contained in the supplied water vapor receives electrons at the hydrogen electrode 109 and is electrolyzed to generate hydrogen molecules and oxygen ions (O 2- ) (see reaction formula (1) below). The generated hydrogen is extracted to the outside together with the supplied water vapor.
一方、酸素イオンは電位差により固体電解質膜111を通過し、酸素極113に移動し電子を放出し酸素分子となる(下記反応式(2)参照)。生成した酸素は酸素極113に供給される酸化性ガスと共に外部へ排出される。 Meanwhile, oxygen ions pass through the solid electrolyte membrane 111 due to the potential difference, move to the oxygen electrode 113, release electrons, and become oxygen molecules (see reaction formula (2) below). The generated oxygen is discharged to the outside together with the oxidizing gas supplied to the oxygen electrode 113.
H2O+2e-→H2+O2- ・・・(1)
2O2-→O2+4e- ・・・(2)
H 2 O + 2e - → H 2 + O 2 - (1)
2O 2- →O 2 +4e -... (2)
酸化性ガスは電解反応には直接関与しないが、電解反応(吸熱)に必要な熱の供給や電解反応で発生した余剰な熱の排出を行うものである。酸化性ガスは、通常は酸素を略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、窒素等の不活性ガスなどが使用可能である。 The oxidizing gas is not directly involved in the electrolytic reaction, but it supplies the heat necessary for the electrolytic reaction (endothermic) and expels excess heat generated by the electrolytic reaction. The oxidizing gas typically contains approximately 15% to 30% oxygen, with air being a typical example. However, other gases that can be used include a mixture of combustion exhaust gas and air, a mixture of oxygen and air, and inert gases such as nitrogen.
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、水素極109に供給される供給水蒸気と、酸素極113に供給される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。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、隣り合う電解セル105において、一方の電解セル105の酸素極113と他方の電解セル105の水素極109とを電気的に接続し、隣り合う電解セル105同士を直列に接続するものである。 The interconnector 107 is made of a conductive perovskite oxide represented by M1 -xLxTiO3 ( M is an alkaline earth metal element, L is a lanthanoid element), such as SrTiO3 , and is formed by screen-printing a slurry. The interconnector 107 is a dense film that prevents the water vapor supplied to the hydrogen electrode 109 from mixing with the oxidizing gas supplied to the oxygen electrode 113. The interconnector 107 also has stable durability and electrical conductivity in both oxidizing and reducing atmospheres. This interconnector 107 electrically connects the oxygen electrode 113 of one electrolytic cell 105 to the hydrogen electrode 109 of the other electrolytic cell 105, thereby connecting the adjacent electrolytic cells 105 in series.
リード膜115は、電子伝導性を備えること、およびセルスタック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等のニッケル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。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解セル105に直流電力を供給するものである。また、Ni等の金属材料が酸化されないよう酸化性ガス側の表面を気密な耐酸化性のある材料で保護してもよい。 The lead film 115 is required to have electronic conductivity and a thermal expansion coefficient close to that of the other materials constituting the cell stack 101, and is therefore made of a composite material of nickel and zirconia-based electrolyte material, such as Ni/ YSZ , or M1 - xLxTiO3 (M is an alkaline earth metal element, L is a lanthanoid element) such as SrTiO3 . The lead film 115 supplies DC power to the multiple electrolysis cells 105 connected in series by the interconnectors 107. Furthermore, the surface on the oxidizing gas side may be protected with an airtight oxidation-resistant material to prevent oxidation of metal materials such as Ni.
リード膜115の一部は上部熱交換部13(または下部熱交換部14)上にあってよい。その場合、上部熱交換部13(または下部熱交換部14)は電流が流れる機能を備えることになる。 A portion of the lead film 115 may be located on the upper heat exchange section 13 (or the lower heat exchange section 14). In this case, the upper heat exchange section 13 (or the lower heat exchange section 14) will have the function of allowing current to flow.
次に、セルスタックの製造方法について説明する。
基体管103は、例えば、押出成形法により形成される。
基体管103の外周面を、軸方向(長手方向)に沿って上部熱交換部領域、水素発生部領域および下部熱交換部領域に区分けする。水素発生部領域は基体管103の軸方向中央部分、上部熱交換部領域は水素発生部領域の原料ガス供給口側、下部熱交換部領域は水素発生部領域の生成水素排出口側に配置する。
Next, a method for manufacturing the cell stack will be described.
The substrate tube 103 is formed by, for example, an extrusion molding method.
The outer peripheral surface of the substrate tube 103 is divided into an upper heat exchange region, a hydrogen generation region, and a lower heat exchange region along the axial direction (longitudinal direction). The hydrogen generation region is located in the axial center of the substrate tube 103, the upper heat exchange region is located on the raw material gas supply port side of the hydrogen generation region, and the lower heat exchange region is located on the produced hydrogen outlet side of the hydrogen generation region.
上部熱交換部領域および下部熱交換部領域は、下部熱交換部の伝熱部面積(S3)が上部熱交換部の伝熱部面積(S1)よりも大きくなるように設定する。上部熱交換部の伝熱部面積(S1)に対する下部熱交換部の伝熱部面積(S3)の比(S3/S1)は、2以上、好ましくは3以上9以下、さらに好ましくは3以上7以下とする。 The upper heat exchange section region and the lower heat exchange section region are set so that the heat transfer section area ( S3 ) of the lower heat exchange section is larger than the heat transfer section area ( S1 ) of the upper heat exchange section. The ratio ( S3 / S1 ) of the heat transfer section area ( S3 ) of the lower heat exchange section to the heat transfer section area ( S1 ) of the upper heat exchange section is 2 or more, preferably 3 or more and 9 or less, and more preferably 3 or more and 7 or less.
基体管103の径が長手方向に均一である場合、「伝熱(部)面積」を「長さ」に変換して、上部熱交換部の伝熱部長さ、水素発生部長さおよび下部熱交換部の伝熱部長さを設定してもよい。 If the diameter of the substrate tube 103 is uniform in the longitudinal direction, the "heat transfer area" may be converted to "length" to set the heat transfer section length of the upper heat exchange section, the hydrogen generation section length, and the heat transfer section length of the lower heat exchange section.
水素発生部領域内の基体管103の外周面上に水素極用スラリーを塗布する。また、最も端に塗布した水素極用スラリーの隣には、リード膜用スラリーを塗布する。リード膜用スラリーは、上部熱交換部領域(または下部熱交換部領域)と水素発生部領域とを跨いでいてよい。 A slurry for the hydrogen electrode is applied to the outer surface of the substrate tube 103 in the hydrogen generation region. Next to the slurry for the hydrogen electrode applied at the very edge, a slurry for the lead film is applied. The slurry for the lead film may straddle the upper heat exchange region (or lower heat exchange region) and the hydrogen generation region.
水素極用スラリーを塗布後、固体電解質膜用スラリーおよびインターコネクタ用スラリーを順に塗布する。 After applying the slurry for the hydrogen electrode, the slurry for the solid electrolyte membrane and the slurry for the interconnector are applied in that order.
水素極109、固体電解質膜111、インターコネクタ107およびリード膜115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。 The substrate tube 103, on which the slurry films of the hydrogen electrode 109, solid electrolyte membrane 111, interconnector 107, and lead membrane 115 are formed, is co-sintered in air. The sintering temperature is, for example, 1350°C to 1450°C.
つぎに、共焼結された基体管103上に、酸素極用スラリーを塗布する。最も端に塗布する酸素極用スラリーの外端部が、水素発生部領域の端部となる。 Next, the oxygen electrode slurry is applied to the co-sintered substrate tube 103. The outermost edge of the oxygen electrode slurry applied to the outermost edge becomes the edge of the hydrogen generation region.
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。 The substrate tube 103 on which the slurry film of the oxygen electrode 113 has been formed is sintered in the atmosphere. The sintering temperature is, for example, 1100°C to 1250°C. This sintering temperature is lower than the co-sintering temperature after the substrate tube 103 to interconnector 107 are formed.
これにより、下部熱交換部14の伝熱部面積(S3)が、上部熱交換部13の伝熱部面積(S1)よりも大きいセルスタック101が得られる。 This provides a cell stack 101 in which the heat transfer area (S 3 ) of the lower heat exchange section 14 is larger than the heat transfer area (S 1 ) of the upper heat exchange section 13 .
次に、図3と図4とを参照して本実施形態に係るカートリッジ(電解セルカートリッジ)およびモジュール(電解セルモジュール)について説明する。ここで、図3は、本実施形態に係るカートリッジの一態様を示すものである。また、図4は、本実施形態に係るモジュールの一態様の断面図を示すものである。 Next, the cartridge (electrolysis cell cartridge) and module (electrolysis cell module) according to this embodiment will be described with reference to Figures 3 and 4. Here, Figure 3 shows one embodiment of the cartridge according to this embodiment. Also, Figure 4 shows a cross-sectional view of one embodiment of the module according to this embodiment.
(SOECカートリッジ)
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、水蒸気電解室215と、水蒸気供給ヘッダ217と、生成水素排出ヘッダ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、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。なお、本実施形態においては、カートリッジ203は、水蒸気供給ヘッダ217と生成水素排出ヘッダ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2のように配置されることで、供給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よい。
(SOEC cartridge)
As shown in Figure 3, the cartridge 203 includes a plurality of cell stacks 101, steam electrolysis chambers 215, a steam supply header 217, a product hydrogen discharge header 219, an oxidizing gas (air) supply header 221, and an oxidizing gas discharge header 223. The cartridge 203 also includes an upper tube plate 225a, a lower tube plate 225b, an upper heat insulator 227a, and a lower heat insulator 227b. In this embodiment, the cartridge 203 has the steam supply header 217, the product hydrogen discharge header 219, the oxidizing gas supply header 221, and the oxidizing gas discharge header 223 arranged as shown in Figure 2, thereby providing a structure in which the supply steam and the oxidizing gas flow in opposite directions inside and outside the cell stack 101. However, this is not necessarily required. For example, the flow may be parallel inside and outside the cell stack 101, or the oxidizing gas may flow in a direction perpendicular to the longitudinal direction of the cell stack 101.
図3において、セルスタック101の上部熱交換部13は、上部管板225aの下面から、複数の電解セル105のうちの最も上側に位置する電解セル105の上端(外端)
部までである。図3において、セルスタック101の下部熱交換部14は、複数の電解セル105のうちの最も下側に位置する電解セル105の下端(外端)部から、下部管板225bの上面までである。
3, the upper heat exchange section 13 of the cell stack 101 is located between the lower surface of the upper tube plate 225a and the upper end (outer end) of the electrolysis cell 105 located at the uppermost position among the plurality of electrolysis cells 105.
In Figure 3, the lower heat exchange section 14 of the cell stack 101 extends from the lower end (outer end) of the electrolytic cell 105 located at the lowest position among the multiple electrolytic cells 105 to the upper surface of the lower tube sheet 225b.
水蒸気電解室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。この水蒸気電解室215は、セルスタック101の電解セル105が配置された領域であり、水蒸気を電気分解して水素を生成する領域である。また、この水蒸気電解室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620(温度センサや熱電対など)で監視してもよく、電解セルモジュール201の定常運転時に、およそ700℃~1000℃の高温雰囲気となる。 The steam electrolysis chamber 215 is an area formed between the upper insulator 227a and the lower insulator 227b. This steam electrolysis chamber 215 is an area where the electrolysis cells 105 of the cell stack 101 are located, and is an area where water vapor is electrolyzed to produce hydrogen. The temperature near the center of the longitudinal direction of the cell stack 101 in this steam electrolysis chamber 215 may be monitored by a temperature measurement unit 620 (such as a temperature sensor or thermocouple); during steady-state operation of the electrolysis cell module 201, the high-temperature atmosphere is approximately 700°C to 1000°C.
水蒸気供給ヘッダ217は、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管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と上部シール部材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から水蒸気供給管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の水素発生性能を略均一化させるものである。 The water vapor supply header 217 is an area surrounded by the upper casing 229a and upper tube plate 225a of the cartridge 203, and is connected to the water vapor supply branch pipe 207a by a water vapor supply pipe 231a provided at the top of the upper casing 229a. The multiple cell stacks 101 are joined to the upper tube plate 225a by an upper seal member 237a, and the water vapor supply header 217 guides the water vapor supplied from the water vapor supply branch pipe 207a via the water vapor supply pipe 231a into the interior of the base tubes 103 of the multiple cell stacks 101 at a substantially uniform flow rate, thereby substantially uniforming the hydrogen generation performance of the multiple cell stacks 101.
生成水素排出ヘッダ219は、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に備えられ生成水素排出管231bによって、生成水素排出枝管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と下部シール部材237bにより接合されており、生成水素排出ヘッダ219は、複数のセルスタック101の基体管103の内部を通過し生成水素排出ヘッダ219に供給される生成水素を集合して、生成水素排出管231bを介して生成水素排出枝管209aに導くものである。 The produced hydrogen discharge header 219 is an area surrounded by the lower casing 229b and lower tube plate 225b of the cartridge 203, and is connected to the produced hydrogen discharge branch pipe 209a by a produced hydrogen discharge pipe 231b provided in the lower casing 229b. Furthermore, the multiple cell stacks 101 are joined by the lower tube plate 225b and lower seal member 237b, and the produced hydrogen discharge header 219 collects the produced hydrogen that passes through the inside of the base tubes 103 of the multiple cell stacks 101 and is supplied to the produced hydrogen discharge header 219, and directs it to the produced hydrogen discharge branch pipe 209a via the produced hydrogen discharge pipe 231b.
酸化性ガス供給母管(不図示)はモジュール201の運転温度に対応して所定流量の酸化性ガスを酸化性ガス供給枝管(不図示)へと分岐して、複数のカートリッジ203へ供給する。酸化性ガス供給ヘッダ221は、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管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管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下部貫通部235aを介して水蒸気電解室215に導くものである。 The oxidizing gas supply main pipe (not shown) branches into oxidizing gas supply branch pipes (not shown) at a predetermined flow rate corresponding to the operating temperature of the module 201, and supplies the oxidizing gas to multiple cartridges 203. The oxidizing gas supply header 221 is an area surrounded by the lower casing 229b, lower tube plate 225b, and lower insulator 227b of the cartridge 203, and is connected to an oxidizing gas supply branch pipe (not shown) by an oxidizing gas supply pipe 233a provided on the side of the lower casing 229b. This oxidizing gas supply header 221 guides a predetermined flow rate of oxidizing gas supplied from the oxidizing gas supply branch pipe (not shown) via the oxidizing gas supply pipe 233a to the steam electrolysis chamber 215 via the oxidizing gas lower penetration 235a (described below).
酸化性ガス排出ヘッダ223は、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管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、水蒸気電解室215から、後述する酸化性ガス上部貫通部235bを介して酸化性ガス排出ヘッダ223に供給される排酸化性ガスを、酸化性ガス排出管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。 The oxidizing gas discharge header 223 is an area surrounded by the upper casing 229a, upper tube plate 225a, and upper insulation 227a of the cartridge 203, and is connected to an oxidizing gas discharge branch pipe (not shown) via an oxidizing gas discharge pipe 233b provided on the side of the upper casing 229a. This oxidizing gas discharge header 223 guides the exhaust oxidizing gas supplied to the oxidizing gas discharge header 223 from the steam electrolysis chamber 215 via the upper oxidizing gas penetration 235b (described below) to the oxidizing gas discharge branch pipe (not shown) via the oxidizing gas discharge pipe 233b.
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、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の一方の端部を上部シール部材237aおよび接着部材のいずれか一方また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。 The upper tube plate 225a is fixed to the side plate of the upper casing 229a, between the top plate of the upper casing 229a and the upper insulator 227a, so that the upper tube plate 225a, the top plate of the upper casing 229a, and the upper insulator 227a are approximately parallel. The upper tube plate 225a also has multiple holes corresponding to the number of cell stacks 101 provided in the cartridge 203, and a cell stack 101 is inserted into each of the holes. The upper tube plate 225a airtightly supports one end of the multiple cell stacks 101 via either or both of the upper seal member 237a and adhesive member, and also isolates the steam supply header 217 from the oxidizing gas discharge header 223.
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、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上部貫通部235bを備える。酸化性ガス上部貫通部235bは、供給水蒸気(原料ガス)と酸化性ガスとの熱交換が行われる領域(伝熱部L1)である。 The upper heat insulator 227a is disposed at the lower end of the upper casing 229a so that the upper heat insulator 227a, the top plate of the upper casing 229a, and the upper tube plate 225a are substantially parallel, and is fixed to the side plate of the upper casing 229a. The upper heat insulator 227a has a plurality of holes formed therein corresponding to the number of cell stacks 101 provided in the cartridge 203. The diameters of the holes are set larger than the outer diameters of the cell stacks 101. The upper heat insulator 227a has upper oxidizing gas penetrations 235b formed between the inner surfaces of the holes and the outer surfaces of the cell stacks 101 inserted through the upper heat insulator 227a. The upper oxidizing gas penetrations 235b are regions (heat transfer sections L1 ) where heat exchange between the supply steam (raw material gas) and the oxidizing gas takes place.
この上部断熱体227aは、水蒸気電解室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等が水蒸気電解室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。上部断熱体227aは、水蒸気電解室215を通過して高温に晒された排酸化性ガスを、酸化性ガス上部貫通部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。 This upper insulator 227a separates the steam electrolysis chamber 215 from the oxidizing gas discharge header 223, and prevents the atmosphere surrounding the upper tube sheet 225a from becoming too hot, which could result in a decrease in strength and increased corrosion due to the oxidizing agents contained in the oxidizing gas. Furthermore, to prevent thermal deformation of the upper tube sheet 225a and other components due to temperature differences when exposed to the high temperatures within the steam electrolysis chamber 215, a metal material with high temperature resistance, such as a Ni-based alloy, may be used. The upper insulator 227a guides the exhaust oxidizing gas, which has been exposed to high temperatures after passing through the steam electrolysis chamber 215, through the upper oxidizing gas penetration 235b and into the oxidizing gas discharge header 223.
上部熱交換部13における供給水蒸気と酸化性ガスとの熱交換は、酸化性ガス上部貫通部235b(上部熱交換部の伝熱部L1)を酸化性ガスが通過する際に行われる。なお、上部熱交換部13で伝熱部L1以外の領域(セルスタック101に形成された原料ガス供給口(水蒸気供給口)11側の電解セル105の端部(外端)から酸化性ガス上部貫通部235bまでの領域と酸化性ガス排出ヘッダ223を貫通する部分)における熱交換はわずかであるため無視できる。 Heat exchange between the supply steam and the oxidizing gas in the upper heat exchange section 13 occurs when the oxidizing gas passes through the oxidizing gas upper penetration 235b (heat transfer section L1 of the upper heat exchange section). Note that heat exchange in the region of the upper heat exchange section 13 other than the heat transfer section L1 (the region from the end (outer end) of the electrolysis cell 105 on the raw material gas supply port (steam supply port) 11 side formed in the cell stack 101 to the oxidizing gas upper penetration 235b and the portion penetrating the oxidizing gas discharge header 223) is slight and can be ignored.
上部断熱体227aの厚さは上部管板225aの温度が許容温度以下となるよう適宜変更するとよく、上部断熱体227aの厚さを厚くすることで、交換熱量を増加することができる。酸化性ガス排出ヘッダ223の容積は、上部熱交換部13の伝熱部面積(長さ)によらず、一定であってよい。 The thickness of the upper insulation 227a can be adjusted appropriately so that the temperature of the upper tube plate 225a is below the allowable temperature. Increasing the thickness of the upper insulation 227a can increase the amount of heat exchanged. The volume of the oxidizing gas discharge header 223 can be constant, regardless of the heat transfer area (length) of the upper heat exchange section 13.
本実施形態によれば、上述したカートリッジ203の構造により、供給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、排酸化性ガスは、基体管103の内部を通って水蒸気電解室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等が応力による損傷が防止できる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、供給水蒸気は、水蒸気電解室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、水蒸気電解室215に供給される。その結果、ヒーター等を用いることなく電解反応に必要な温度に予熱昇温された水蒸気を水蒸気電解室215に供給することができる。 In this embodiment, the structure of the cartridge 203 described above allows the supply steam and oxidizing gas to flow in opposite directions inside and outside the cell stack 101. As a result, heat exchange occurs between the exhaust oxidizing gas and the steam supplied to the steam electrolysis chamber 215 through the interior of the base tube 103, and the exhaust oxidizing gas is cooled to a temperature that prevents damage due to stress to the upper tube plate 225a, which is made of a metallic material, and is then supplied to the oxidizing gas discharge header 223. Furthermore, the supply steam is heated by heat exchange with the exhaust oxidizing gas discharged from the steam electrolysis chamber 215, and is then supplied to the steam electrolysis chamber 215. As a result, steam preheated to the temperature required for the electrolysis reaction can be supplied to the steam electrolysis chamber 215 without using a heater or the like.
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、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の他方の端部を下部シール部材237bおよび接着部材のいずれか一方または両方を介して気密に支持すると共に、生成水素排出ヘッダ219と酸化性ガス供給ヘッダ221とを隔離するものである。 The lower tube plate 225b is fixed to the side plate of the lower casing 229b between the bottom plate of the lower casing 229b and the lower insulator 227b so that the lower tube plate 225b, the bottom plate of the lower casing 229b, and the lower insulator 227b are approximately parallel. The lower tube plate 225b also has multiple holes corresponding to the number of cell stacks 101 provided in the cartridge 203, and a cell stack 101 is inserted into each of the holes. The lower tube plate 225b airtightly supports the other ends of the multiple cell stacks 101 via either or both of the lower seal member 237b and adhesive member, and also isolates the produced hydrogen discharge header 219 from the oxidizing gas supply header 221.
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、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下部貫通部235a(伝熱部L3)を備える。酸化性ガス下部貫通部235aは、水素ガス(生成水素)と酸化性ガスとの熱交換が行われる領域(伝熱部L3)である。 The lower heat insulator 227b is disposed at the upper end of the lower casing 229b so that the lower heat insulator 227b, the bottom plate of the lower casing 229b, and the lower tube plate 225b are substantially parallel, and is fixed to the side plate of the lower casing 229b. The lower heat insulator 227b has a plurality of holes formed therein corresponding to the number of cell stacks 101 provided in the cartridge 203. The diameters of the holes are set larger than the outer diameters of the cell stacks 101. The lower heat insulator 227b has lower oxidizing gas penetrations 235a (heat transfer section L3 ) formed between the inner surfaces of the holes and the outer surfaces of the cell stacks 101 inserted through the lower heat insulator 227b. The lower oxidizing gas penetrations 235a are regions (heat transfer sections L3 ) where heat exchange between hydrogen gas (produced hydrogen) and the oxidizing gas takes place.
この下部断熱体227bは、水蒸気電解室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。また、下部管板225b等が水蒸気電解室215内の高温に晒されて温度差による下部管板225b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。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、酸化性ガス下部貫通部235aを通過させて水蒸気電解室215に導くものである。 This lower insulator 227b separates the steam electrolysis chamber 215 from the oxidizing gas supply header 221, and prevents the atmosphere surrounding the lower tube sheet 225b from becoming too hot, which could result in a decrease in strength or increased corrosion due to the oxidizing agent contained in the oxidizing gas. Furthermore, to prevent the lower tube sheet 225b and other components from being thermally deformed due to temperature differences when exposed to the high temperatures within the steam electrolysis chamber 215, a metal material with high temperature resistance, such as a Ni-based alloy, may be used. The lower insulator 227b guides the oxidizing gas supplied to the oxidizing gas supply header 221 through the lower oxidizing gas penetration 235a and into the steam electrolysis chamber 215.
下部熱交換部14における生成水素と酸化性ガスとの熱交換は、酸化性ガス下部貫通部235a(下部熱交換部の伝熱部L3)を酸化性ガスが通過する際に行われる。なお、下部熱交換部14で伝熱部L3以外の領域(セルスタック101に形成された生成水素排出口(水素ガス排出口)12側の電解セル105の端部(外端)から酸化性ガス下部貫通部235aまでの領域と酸化性ガス供給ヘッダ221を貫通する部分)における熱交換はわずかであるため無視できる。 Heat exchange between the produced hydrogen and the oxidizing gas in the lower heat exchange section 14 occurs when the oxidizing gas passes through the oxidizing gas lower penetration 235a (heat transfer section L3 of the lower heat exchange section). Note that heat exchange in areas of the lower heat exchange section 14 other than the heat transfer section L3 (the area from the end (outer end) of the electrolysis cell 105 on the produced hydrogen discharge port (hydrogen gas discharge port) 12 side formed in the cell stack 101 to the oxidizing gas lower penetration 235a and the portion penetrating the oxidizing gas supply header 221) is slight and can be ignored.
下部断熱体227bの厚さは下部管板の温度が許容温度以下となるよう適宜変更するとよく、下部断熱体227bの厚さを厚くすることで、交換熱量を増加することができる。酸化性ガス供給ヘッダ221の容積は、下部熱交換部14の伝熱部面積(長さ)によらず、一定であってよい。 The thickness of the lower insulator 227b can be adjusted appropriately so that the temperature of the lower tube plate is below the allowable temperature. Increasing the thickness of the lower insulator 227b increases the amount of heat exchanged. The volume of the oxidizing gas supply header 221 can be constant, regardless of the heat transfer area (length) of the lower heat exchange section 14.
本実施形態によれば、上述したカートリッジ203の構造により、生成水素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の内部を通って水蒸気電解室215を通過した生成水素は、水蒸気電解室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等が応力による損傷が防止できる温度に冷却されて生成水素排出ヘッダ219に供給される。また、酸化性ガスは生成水素との熱交換により昇温され、水蒸気電解室215に供給される。その結果、ヒーター等を用いることなく電解反応に必要な温度に昇温された酸化性ガスを水蒸気電解室215に供給することができる。 In this embodiment, the structure of the cartridge 203 described above allows the produced hydrogen and oxidizing gas to flow in opposite directions inside and outside the cell stack 101. As a result, the produced hydrogen that passes through the interior of the base tube 103 and passes through the steam electrolysis chamber 215 exchanges heat with the oxidizing gas supplied to the steam electrolysis chamber 215, and is cooled to a temperature that prevents damage due to stress to the lower tube plate 225b, which is made of a metal material, before being supplied to the produced hydrogen discharge header 219. In addition, the oxidizing gas is heated by heat exchange with the produced hydrogen and supplied to the steam electrolysis chamber 215. As a result, oxidizing gas heated to the temperature required for the electrolysis reaction can be supplied to the steam electrolysis chamber 215 without using a heater or the like.
(SOECモジュール)
モジュール(電解セルモジュール)201は、図4に示すように、例えば、複数のカートリッジ(電解セルカートリッジ)203と、これら複数のカートリッジ203を収納するモジュール容器205とを備える。モジュール201は、水蒸気供給母管207と複数の水蒸気供給枝管207aおよび生成水素排出母管209と複数の生成水素排出枝管209aとを備える。また、モジュール201は、酸化性ガス供給母管(不図示)と複数の酸化性ガス供給枝管(不図示)とを備える。
(SOEC module)
4, the module (electrolysis cell module) 201 includes, for example, a plurality of cartridges (electrolysis cell cartridges) 203 and a module container 205 that houses the plurality of cartridges 203. The module 201 includes a water vapor supply header 207, a plurality of water vapor supply branch pipes 207a, a produced hydrogen discharge header 209, and a plurality of produced hydrogen discharge branch pipes 209a. The module 201 also includes an oxidizing gas supply header (not shown) and a plurality of oxidizing gas supply branch pipes (not shown).
水蒸気供給母管207は、モジュール容器205の内部に設けられ、モジュール201の水素生成量に対応して所定ガス組成と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。この水蒸気供給母管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を、複数の水蒸気供給枝管207aに分岐して導くものである。また、水蒸気供給枝管207aは、水蒸気供給母管207に接続されると共に、複数のカートリッジ203の水蒸気供給管231aに接続されている。この水蒸気供給枝管207aは、水蒸気供給母管207から供給される水蒸気を複数のカートリッジ203に略均等の流量で導き、複数のカートリッジ203の電解電圧を略均一化させるものである。 The steam supply main pipe 207 is provided inside the module container 205 and is connected to a steam supply unit that supplies steam at a predetermined gas composition and flow rate corresponding to the amount of hydrogen generated by the module 201, and is also connected to multiple steam supply branch pipes 207a. This steam supply main pipe 207 branches and directs the predetermined flow rate of steam supplied from the steam supply unit to multiple steam supply branch pipes 207a. The steam supply branch pipe 207a is also connected to the steam supply main pipe 207 and to steam supply pipes 231a of multiple cartridges 203. This steam supply branch pipe 207a directs the steam supplied from the steam supply main pipe 207 to the multiple cartridges 203 at a substantially uniform flow rate, thereby substantially equalizing the electrolysis voltage of the multiple cartridges 203.
生成水素排出枝管209aは、複数のカートリッジ203の生成水素排出管231bに接続されると共に、生成水素排出母管209に接続されている。この生成水素排出枝管209aは、カートリッジ203から排出される生成水素を生成水素排出母管209に導くものである。また、生成水素排出母管209は、複数の生成水素排出枝管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。この生成水素排出母管209は、生成水素排出枝管209aから略均等の流量で導出される生成水素をモジュール容器205の外部に導くものである。 The produced hydrogen discharge branch pipe 209a is connected to the produced hydrogen discharge pipes 231b of the multiple cartridges 203 and is also connected to the produced hydrogen discharge main pipe 209. This produced hydrogen discharge branch pipe 209a guides the produced hydrogen discharged from the cartridges 203 to the produced hydrogen discharge main pipe 209. The produced hydrogen discharge main pipe 209 is also connected to multiple produced hydrogen discharge branch pipes 209a, and a portion of the produced hydrogen discharge main pipe 209 is located outside the module container 205. This produced hydrogen discharge main pipe 209 guides the produced hydrogen, which is discharged at a substantially uniform flow rate from the produced hydrogen discharge branch pipe 209a, to the outside of the module container 205.
モジュール容器205は、内部の圧力が大気圧~数MPa、表面の温度が大気温度~約300℃で運用され、例えば低コスト化の観点から炭素鋼など好適である。 The module container 205 is operated with an internal pressure of atmospheric pressure to several MPa and a surface temperature of atmospheric temperature to approximately 300°C, and is preferably made of materials such as carbon steel from the perspective of low cost.
ここで、本実施形態においては、複数のカートリッジ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、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。 In this embodiment, a configuration in which multiple cartridges 203 are grouped together and stored in a modular container 205 is described, but this is not limited to this. For example, the cartridges 203 may also be stored in the modular container 205 without being grouped together.
電解反応に必要な直流電力は、供給される電力をパワーコンディショナ等の電力変換装置により所定の電圧に変換しモジュールへ供給される。モジュールへ供給された電力は各カートリッジの直列数および並列数に応じて給電される。各カートリッジ203では給電部材(不図示)に給電板(不図示)を介して給電して、複数の電解セル105に設けたNi/YSZ等からなるリード膜115によりセルスタック101の端部付近まで通電した後に、電解セルへ供給される。 The DC power required for the electrolysis reaction is converted to a predetermined voltage by a power converter such as a power conditioner and then supplied to the module. The power supplied to the module is distributed according to the number of cartridges connected in series and in parallel. In each cartridge 203, power is supplied to a power supply member (not shown) via a power supply plate (not shown), and is then passed to the electrolysis cells near the ends of the cell stack 101 via lead films 115 made of Ni/YSZ or the like provided on the multiple electrolysis cells 105.
次に、上部熱交換部、下部熱交換部および水素発生部の伝熱部面積(長さ)の設定根拠について説明する。 Next, we will explain the basis for setting the heat transfer area (length) of the upper heat exchange section, lower heat exchange section, and hydrogen generation section.
(セルスタックの温度と抵抗値の関係)
図5に、セルスタックの運転温度とIV特性の関係を示す。同図において、横軸はセルスタックに流す電解電流(A)、縦軸は電解電圧(V)である。各直線の傾きは、抵抗を意味する。傾きが大きいほど、抵抗が大きい。「熱中立電位」は、電解反応による吸熱量と、電解反応時の電解セルの内部抵抗による発熱量とがバランスする電位である。水素変換のエネルギー効率を高く維持するには一般的に、電解電圧は低い(熱中立電圧に近い)方が好ましい。
(Relationship between cell stack temperature and resistance)
Figure 5 shows the relationship between the operating temperature of the cell stack and the IV characteristics. In this figure, the horizontal axis represents the electrolysis current (A) flowing through the cell stack, and the vertical axis represents the electrolysis voltage (V). The slope of each line represents the resistance. The greater the slope, the greater the resistance. The "thermonutral potential" is the potential at which the amount of heat absorbed by the electrolysis reaction balances the amount of heat generated by the internal resistance of the electrolysis cell during the electrolysis reaction. To maintain high energy efficiency in hydrogen conversion, a low electrolysis voltage (close to the thermoneutral voltage) is generally preferable.
セルスタックの電解電流が増えると、電解電圧も高くなる。電解電流が同じ場合、セルスタックの温度が低いほど、電解電圧は高くなる。すなわち、セルスタックの温度が低いと、電解セルの内部抵抗が大きくなり、同一流量の水素発生に必要なセル電圧は高くなり内部発熱が増加するため、水素変換のエネルギー効率は低下する。このため、水素生成量を増加させ、かつ水素変換のエネルギー効率を高めるには、セルスタックの作動温度を高くし、電解電圧を熱中立電圧近傍に保ちつつ電解電流を増加させるとよいことがわかる。 As the electrolysis current in the cell stack increases, the electrolysis voltage also increases. For the same electrolysis current, the lower the cell stack temperature, the higher the electrolysis voltage. In other words, when the cell stack temperature is low, the internal resistance of the electrolytic cell increases, and the cell voltage required to generate the same amount of hydrogen increases, resulting in increased internal heat generation and a decrease in the energy efficiency of hydrogen conversion. Therefore, in order to increase the amount of hydrogen produced and improve the energy efficiency of hydrogen conversion, it is effective to increase the operating temperature of the cell stack and increase the electrolysis current while maintaining the electrolysis voltage near the thermal neutral voltage.
(試験1)
上記実施形態に記載のセルスタック(実施例1)および比較用のセルスタック(比較例1)を用い、同電流を流した場合におけるセルスタック、供給水蒸気および酸化性ガスの温度分布を予測した。
(Test 1)
Using the cell stack (Example 1) described in the above embodiment and a comparative cell stack (Comparative Example 1), the temperature distributions of the cell stack, supplied steam, and oxidizing gas when the same current was passed were predicted.
ここで、上部熱交換部の伝熱部長さ(L1)と水素発生部の長さ(L2)と下部熱交換部の伝熱部長さ(L3)の全体を1とし、実施例1と比較例1の水素発生部の長さ(L2)はいずれも0.9とした。また、実施例1における下部熱交換部の伝熱部長さ(L3)は、上部熱交換部の伝熱部長さ(L1)の9倍とし、比較例1における下部熱交換部の伝熱部長さ(L3)と、上部熱交換部の伝熱部長さ(L1)は同じとした。 Here, the total length of the heat transfer section of the upper heat exchange section (L 1 ), the length of the hydrogen generation section (L 2 ), and the length of the heat transfer section of the lower heat exchange section (L 3 ) was set to 1, and the length of the hydrogen generation section (L 2 ) was set to 0.9 in both Example 1 and Comparative Example 1. Furthermore, the heat transfer section length of the lower heat exchange section (L 3 ) in Example 1 was set to 9 times the heat transfer section length of the upper heat exchange section (L 1 ), and the heat transfer section length of the lower heat exchange section (L 3 ) and the heat transfer section length of the upper heat exchange section (L 1 ) in Comparative Example 1 were set to be the same.
また、いずれの計算においても下部管板温度の許容値を600℃と仮定し、許容値以下となる電流値の上限を求め、これより水素生成量を算出した。 In addition, in all calculations, the allowable lower tube sheet temperature was assumed to be 600°C, the upper limit of the current value below the allowable value was determined, and the amount of hydrogen produced was calculated from this.
結果を図6に示す。同図において実線は実施例1の原料ガス/生成ガスの温度分布予測、破線は比較例1の原料ガス/生成ガスの温度分布予測である。実施例1において、生成水素の温度は水素発生部の生成水素排出口側端部で最も高くなった。この傾向は、比較例1でも同様に確認された。 The results are shown in Figure 6. In the figure, the solid line represents the predicted temperature distribution of the raw material gas/produced gas in Example 1, and the dashed line represents the predicted temperature distribution of the raw material gas/produced gas in Comparative Example 1. In Example 1, the temperature of the produced hydrogen was highest at the end of the hydrogen generation section on the side of the produced hydrogen outlet. This tendency was also confirmed in Comparative Example 1.
一方、実施例1と比較例1の水蒸気供給温度を同じとした場合、実施例1の下部管板温度(L3下端温度)は比較例1の下部管板温度(L3’下端温度)よりも低くかった。この結果から、下部熱交換部の伝熱部長さを上部熱交換部の伝熱部長さよりも長くすることで水素発生部長さ(L2,L2’)および上部熱交換部と下部熱交換部の伝熱部長さの合計は同じであっても、下部管板温度の温度上昇を抑制できることが確認された。なお、セルスタックの両端は高温耐久性のある金属材料で構成された保持部材(上部管板および下部管板)で保持されている。しかしながら、この保持部材が高温に曝されることで酸化により耐久性が低下するため、保持部材が許容温度を超えないように、下部管板が許容温度以下となるよう下部熱交換部伝熱部長さを設計する必要がある。 On the other hand, when the steam supply temperature was the same in Example 1 and Comparative Example 1, the lower tube sheet temperature in Example 1 ( L3 lower end temperature) was lower than the lower tube sheet temperature in Comparative Example 1 (L3 ' lower end temperature). These results confirmed that by making the heat transfer section length of the lower heat exchange section longer than the heat transfer section length of the upper heat exchange section, the temperature rise of the lower tube sheet temperature can be suppressed even if the hydrogen generation section length ( L2 , L2 ' ) and the total heat transfer section length of the upper and lower heat exchange sections are the same. Note that both ends of the cell stack are held by holding members (upper and lower tube sheets) made of a metal material that is resistant to high temperatures. However, because exposure of these holding members to high temperatures reduces their durability due to oxidation, it is necessary to design the length of the heat transfer section of the lower heat exchange section so that the lower tube sheet temperature is below the allowable temperature so that the holding members do not exceed the allowable temperature.
(試験2)
次に電解セルスタック有効長さ(L)に対する水素発生部の長さ(L2)を0.9、0.8、0,7、0,6、0.5と変化させた各ケースについて、上部熱交換部の伝熱部長さ(L1)と下部熱交換部の伝熱部長さ(L3)の比率が電解セルの性能(水素生成量)に及ぼす影響について評価した。
(Test 2)
Next, for each case in which the length (L 2 ) of the hydrogen generation section relative to the effective length (L) of the electrolysis cell stack was changed to 0.9, 0.8, 0.7, 0.6, and 0.5, the effect of the ratio of the heat transfer section length (L 1 ) of the upper heat exchange section to the heat transfer section length (L 3 ) of the lower heat exchange section on the performance (amount of hydrogen produced) of the electrolysis cell was evaluated.
セルスタックに用いられる基体管の径は長手方向に均一とし、水素発生部における複数の電解セルの幅はすべて同じとした。また、素子数はセルスタックの水素発生部長さ(L2)に比例するものとし、水素生成量は素子の電解電流と素子数から算出した。 The diameter of the substrate tube used in the cell stack was uniform in the longitudinal direction, and the width of the multiple electrolytic cells in the hydrogen generation section was all the same. The number of elements was assumed to be proportional to the length ( L2 ) of the hydrogen generation section of the cell stack, and the amount of hydrogen generated was calculated from the electrolytic current of the elements and the number of elements.
下部管板の温度分布の予測は、ガス流れ方向の各温度における水素発生部の素子抵抗値および電流による発熱量と上部下部の熱交換部の伝熱部での交換熱量のヒートバランス計算に基づいて行い、試験1と同様に下部管板温度が許容値(600℃)となる電流値を求めた。計算条件は下記のとおりである。 The temperature distribution of the lower tube sheet was predicted based on a heat balance calculation of the element resistance value of the hydrogen generation section at each temperature in the gas flow direction, the amount of heat generated by the current, and the amount of heat exchanged in the heat transfer section of the upper and lower heat exchange sections. As with Test 1, the current value at which the lower tube sheet temperature reached the allowable value (600°C) was determined. The calculation conditions were as follows:
平均電解電圧 :1.5V
セルスタック最高許容温度:950℃
下部管板最高許容温度 :600℃
供給水蒸気組成 :90%H2O;10%H2
水蒸気利用率 :70%
酸化性ガス利用率 :30%
セルスタック有効部長さ(L=L1,L2およびL3の和):1(=一定する)
Average electrolysis voltage: 1.5V
Cell stack maximum allowable temperature: 950°C
Lower tube sheet maximum allowable temperature: 600°C
Supply steam composition: 90% H2O ; 10% H2
Steam utilization rate: 70%
Oxidizing gas utilization rate: 30%
Cell stack effective length (L = sum of L1 , L2 and L3 ): 1 (= constant)
水素発生部の長さ(L2)が、0.9,0.8,0.7,0.6および0.5の各ケースについて、上部熱交換部の伝熱部長さ(L1)と下部熱交換部の伝熱部長さ(L3)の比率を変化させ、性能予測を行った計算結果を図7~11に示す。また、水素生成量は、各ケースにおけるL3/L1=1における水素生成量を基準として相対比で示した。 For each case where the length (L 2 ) of the hydrogen generation section was 0.9, 0.8, 0.7, 0.6, and 0.5, the ratio of the heat transfer section length (L 1 ) of the upper heat exchange section to the heat transfer section length (L 3 ) of the lower heat exchange section was changed, and the calculation results for performance prediction were shown in Figures 7 to 11. In addition, the amount of hydrogen generated in each case was shown as a relative ratio, with the amount of hydrogen generated when L 3 /L 1 = 1 as the reference.
実施例2~16では、下部熱交換部の伝熱部長さ(L3)が上部熱交換部の伝熱部長さ(L1)よりも長い。比較例2,4,6,8,10では、下部熱交換部の伝熱部長さ(L3)と上部熱交換部の伝熱部長さ(L1)が等しい。比較例3,5,7,9,11では、下部熱交換部の伝熱部長さ(L3)が上部熱交換部の伝熱部長さ(L1)よりも短い。 In Examples 2 to 16, the heat transfer section length (L 3 ) of the lower heat exchange section is longer than the heat transfer section length (L 1 ) of the upper heat exchange section. In Comparative Examples 2, 4, 6, 8, and 10, the heat transfer section length (L 3 ) of the lower heat exchange section is equal to the heat transfer section length (L 1 ) of the upper heat exchange section. In Comparative Examples 3, 5, 7, 9, and 11, the heat transfer section length (L 3 ) of the lower heat exchange section is shorter than the heat transfer section length (L 1 ) of the upper heat exchange section.
図7によれば、下部熱交換部の伝熱部長さが上部熱交換部の伝熱部長さよりも長い実施例2~4(L1<L3)の水素生成量が、L1=L3の比較例2,3よりも高かった。上部熱交換部の伝熱部長さに対する下部熱交換部の伝熱部長さの比(L3/L1)が大きいほど、水素生成量は増加した。上部熱交換部の伝熱部長さを下部熱交換部の伝熱部長さよりも長くした比較例3(L1>L3)の水素生成量は、L1=L3の比較例2よりも低かった。 7, the amount of hydrogen generated in Examples 2 to 4 ( L1 < L3 ), in which the heat transfer section length of the lower heat exchange section was longer than that of the upper heat exchange section, was higher than that in Comparative Examples 2 and 3 , in which L1 = L3. The amount of hydrogen generated increased as the ratio of the heat transfer section length of the lower heat exchange section to that of the upper heat exchange section ( L3 / L1 ) increased. The amount of hydrogen generated in Comparative Example 3 ( L1 > L3 ), in which the heat transfer section length of the upper heat exchange section was longer than that of the lower heat exchange section, was lower than that in Comparative Example 2, in which L1 = L3 .
図8~11でも同様の傾向が示された。 A similar trend was observed in Figures 8 to 11.
図7~11によれば、セルスタック有効部長さ(L)に対する下部熱交換部の伝熱部長さ(L3)の割合が、0.07以上0.45以下の実施例で、セルスタック1本あたりに発生する水素生成量の増加が確認された。 7 to 11, an increase in the amount of hydrogen generated per cell stack was confirmed in examples where the ratio of the heat transfer section length (L 3 ) of the lower heat exchange section to the effective section length (L) of the cell stack was 0.07 or more and 0.45 or less.
図7~11によれば、上部熱交換部の長さ(L1)に対する下部熱交換部の長さ(L3)の比(L3/L1)が1より大きく9以下の実施例で、セルスタック1本あたりに発生する水素生成量の増加が確認された。 7 to 11, an increase in the amount of hydrogen generated per cell stack was confirmed in examples in which the ratio (L 3 /L 1 ) of the length of the lower heat exchange section (L 3 ) to the length of the upper heat exchange section (L 1 ) was greater than 1 and not greater than 9.
図7~11を比較すると、水素発生部の長さ(L2)が短くなるにつれて、電流密度は上昇している。しかしながら、水素発生部の長さが短くなると、水素発生部に含まれるセル数が減るため、セル数の変化を考慮すると、L2を短くすることでセルスタック1本あたりに発生する水素生成量は少なくなる。 7 to 11, the current density increases as the length ( L2 ) of the hydrogen generation unit decreases. However, when the length of the hydrogen generation unit decreases, the number of cells included in the hydrogen generation unit decreases. Therefore, when the change in the number of cells is taken into account, shortening L2 reduces the amount of hydrogen generated per cell stack.
図12は、図7~図11で求めた水素生成量を水素発生部の長さ(L2)を0.9、上部熱交換部の伝熱部長さ(L1)に対する下部熱交換部の伝熱部長さ(L3)の比(L3/L1)を1.0とした場合の比較例2の水素生成量を1として、上部熱交換部の伝熱部長さに対する下部熱交換部の伝熱部長さの比(L3/L1)で整理したものである。 Figure 12 shows the hydrogen production amounts obtained in Figures 7 to 11, organized by the ratio (L 3 / L 1 ) of the length of the heat transfer section of the lower heat exchange section to the length of the heat transfer section of the upper heat exchange section, with the hydrogen production amount in Comparison Example 2 set to 1 when the length (L 2 ) of the hydrogen generation section is 0.9 and the ratio (L 3 /L 1 ) of the length of the heat transfer section of the lower heat exchange section to the length of the heat transfer section of the upper heat exchange section is 1.0 .
図12によれば、全体的に下部熱交換部の長さ(L3)を上部熱交換部の長さ(L1)よりも長くすることで、基準とした比較例2よりも、セルスタック1本あたりに発生する水素生成量が増加することが確認された。上部熱交換部の伝熱部長さ(L1)に対する下部熱交換部の伝熱部長さ(L3)の割合(L3/L1)が、2以上で水素生成量の増加が大きく、より好ましくは3以上9以下、さらに好ましくは3以上7以下であるとよい。 12, it was confirmed that by making the overall length of the lower heat exchange section ( L3 ) longer than the length of the upper heat exchange section ( L1 ), the amount of hydrogen generated per cell stack increased compared to the reference comparative example 2. When the ratio ( L3/L1 ) of the heat transfer section length ( L3 ) of the lower heat exchange section to the heat transfer section length (L1) of the upper heat exchange section is 2 or more , the increase in the amount of hydrogen generated is large, more preferably 3 or more and 9 or less, and even more preferably 3 or more and 7 or less.
以上説明した実施形態に記載の電解セルスタック、電解セルカートリッジ、電解セルモジュールおよび電解セルスタックの製造方法は、例えば以下のように把握される。 The manufacturing methods of the electrolytic cell stack, electrolytic cell cartridge, electrolytic cell module, and electrolytic cell stack described in the above-described embodiments can be understood, for example, as follows:
本開示の第1態様に係る電解セルスタック(101)は、Niを含む水素極(109)、酸素極(113)、および前記水素極と前記酸素極との間に挟まれた固体電解質膜(111)を有する電解セル(105)を備えた水素発生部(10)と、前記水素発生部の前記水素極に原料ガスを供給する原料ガス供給口(11)と、前記水素発生部で生成された水素ガスを排出する水素ガス排出口(12)と、前記水素発生部よりも前記原料ガス供給口側で、前記原料ガスと、前記酸素極側に供給される酸化性ガスと、が熱交換する原料ガス供給側熱交換部(13)と、前記水素発生部よりも前記水素ガス排出口側で、前記水素ガスと、前記酸素極側に供給される酸化性ガスと、が熱交換する水素ガス排出側熱交換部(14)と、を備え、前記原料ガス供給側熱交換部および水素ガス排出側熱交換部はそれぞれ伝熱部とヘッダ部から構成されており、前記水素ガス排出側熱交換部の伝熱部面積が、前記原料ガス供給側熱交換部の伝熱部面積よりも大きい。 The electrolysis cell stack (101) according to the first aspect of the present disclosure comprises a hydrogen generation unit (10) including an electrolysis cell (105) having a Ni-containing hydrogen electrode (109), an oxygen electrode (113), and a solid electrolyte membrane (111) sandwiched between the hydrogen electrode and the oxygen electrode; a raw material gas supply port (11) for supplying raw material gas to the hydrogen electrode of the hydrogen generation unit; a hydrogen gas outlet (12) for discharging hydrogen gas generated in the hydrogen generation unit; and a hydrogen gas supply port (13) for discharging the raw material gas and the hydrogen gas generated in the hydrogen generation unit, located closer to the raw material gas supply port than the hydrogen generation unit. The system comprises a raw gas supply-side heat exchanger (13) that exchanges heat with the oxidizing gas supplied to the oxygen electrode side, and a hydrogen gas discharge-side heat exchanger (14) that is located closer to the hydrogen gas outlet than the hydrogen generation section and exchanges heat with the oxidizing gas supplied to the oxygen electrode side, the raw gas supply-side heat exchanger and the hydrogen gas discharge-side heat exchanger each consisting of a heat transfer section and a header section, and the heat transfer section area of the hydrogen gas discharge-side heat exchanger is larger than the heat transfer section area of the raw gas supply-side heat exchanger.
水素ガス排出側熱交換部の伝熱部面積を原料ガス供給側熱交換部の伝熱部面積よりも大きくすることで、水素発生部で生成された水素ガスと供給される酸化性ガスとの熱交換を促進することができる。これにより、水素ガス排出口から排出される水素ガスの温度を原料ガス供給側熱交換部の伝熱部面積と水素ガス排出側熱交換部の伝熱部面積を同じとした場合に比べ低く抑えることが可能となる。 By making the heat transfer area of the hydrogen gas discharge side heat exchanger larger than that of the raw gas supply side heat exchanger, heat exchange between the hydrogen gas generated in the hydrogen generation unit and the supplied oxidizing gas can be promoted. This makes it possible to keep the temperature of the hydrogen gas discharged from the hydrogen gas outlet lower than when the heat transfer area of the raw gas supply side heat exchanger and the heat transfer area of the hydrogen gas discharge side heat exchanger are the same.
水蒸気電解のために用いられる原料ガスは水蒸気であり、原料ガス供給側熱交換部において吸熱を伴う化学反応を生じない。従ってメタンガスなどを含む原料ガスを供給する場合と異なり、吸熱反応による温度低下はなく、原料ガス供給側熱交換部の伝熱部面積が水素ガス排出側熱交換部の伝熱部面積に対し少なくても原料ガスの温度は上昇するため、電解セルスタックの電解部の入口温度を維持することができる。作動温度が高いとセル内部抵抗が減少するため、電解電圧が低下し水素発生効率が向上する。 The feed gas used for steam electrolysis is water vapor, which does not undergo an endothermic chemical reaction in the feed gas supply heat exchanger. Therefore, unlike when a feed gas containing methane or other gases is supplied, there is no temperature drop due to an endothermic reaction, and even if the heat transfer area of the feed gas supply heat exchanger is smaller than the heat transfer area of the hydrogen gas discharge heat exchanger, the temperature of the feed gas rises, making it possible to maintain the inlet temperature of the electrolysis section of the electrolysis cell stack. A high operating temperature reduces the internal resistance of the cell, lowering the electrolysis voltage and improving hydrogen generation efficiency.
本開示の第2態様に係る電解セルスタックは、上記第1態様において、前記原料ガス供給側熱交換部の伝熱部面積に対する前記水素ガス排出側熱交換部の伝熱部面積の比が2以上である。 The electrolysis cell stack according to a second aspect of the present disclosure is the first aspect described above, wherein the ratio of the heat transfer area of the hydrogen gas discharge side heat exchanger to the heat transfer area of the raw material gas supply side heat exchanger is 2 or greater.
原料ガス供給側熱交換部の伝熱部面積に対する水素ガス排出側熱交換部の伝熱部面積の比が上記範囲の電解セルスタックでは、水素ガス排出側熱交換部の伝熱部面積と原料ガス供給側熱交換部の伝熱部面積が等しい従来の電解セルスタックよりも、水素生成量が増加する。 In an electrolytic cell stack where the ratio of the heat transfer area of the hydrogen gas discharge side heat exchanger to the heat transfer area of the raw gas supply side heat exchanger is within the above range, the amount of hydrogen produced is greater than in conventional electrolytic cell stacks where the heat transfer area of the hydrogen gas discharge side heat exchanger is equal to the heat transfer area of the raw gas supply side heat exchanger.
本開示の第3態様に係る電解セルスタックは、上記第1態様または第2態様において、前記原料ガス供給側熱交換部の伝熱部面積に対する前記水素ガス排出側熱交換部の伝熱部面積の比が3以上9以下である。 The electrolysis cell stack according to a third aspect of the present disclosure is the first or second aspect described above, wherein the ratio of the heat transfer area of the hydrogen gas discharge side heat exchanger to the heat transfer area of the raw material gas supply side heat exchanger is 3 or more and 9 or less.
原料ガス供給側熱交換部の伝熱部面積に対する水素ガス排出側熱交換部の伝熱部面積の比が上記範囲の電解セルスタックでは、特に、水素生成量の増加幅が大きくなる。 In electrolysis cell stacks where the ratio of the heat transfer area of the heat exchanger on the hydrogen gas discharge side to the heat transfer area of the heat exchanger on the raw material gas supply side is within the above range, the increase in hydrogen production is particularly large.
本開示の第4態様に係る電解セルスタックは、上記第1態様から第3態様のいずれかにおいて、前記原料ガス供給側熱交換部の伝熱部長さに対する前記水素ガス排出側熱交換部の伝熱部長さの比が2以上である。 The electrolysis cell stack according to a fourth aspect of the present disclosure is any one of the first to third aspects described above, wherein the ratio of the heat transfer section length of the hydrogen gas discharge side heat exchange section to the heat transfer section length of the raw material gas supply side heat exchange section is 2 or greater.
本開示の第5態様に係る電解セルカートリッジ(203)は、上記第1態様~第4態様のいずれかに記載の電解セルスタックを備えている。 The electrolytic cell cartridge (203) according to the fifth aspect of the present disclosure includes an electrolytic cell stack described in any one of the first to fourth aspects above.
本開示の第6態様に係る電解セルモジュール(201)は、上記第5態様に記載の電解セルカートリッジを備えている。 The electrolysis cell module (201) according to the sixth aspect of the present disclosure includes the electrolysis cell cartridge described in the fifth aspect above.
本開示の第7態様に係る電解セルスタックの製造方法は、Niを含む水素極、酸素極、および前記水素極と前記酸素極との間に挟まれた固体電解質膜を有する電解セルを備えた水素発生部と、前記水素発生部の前記水素極に原料ガスを供給する原料ガス供給口と、前記水素発生部で生成された水素ガスを排出する水素ガス排出口と、前記水素発生部よりも前記原料ガス供給口側で、前記原料ガスと、前記酸素極側に供給される酸化性ガスと、が熱交換する原料ガス供給側熱交換部と、前記水素発生部よりも前記水素ガス排出口側で、前記水素ガスと、前記酸素極側に供給される酸化性ガスと、が熱交換する水素ガス排出側熱交換部と、を備えた電解セルスタックの製造方法であって、前記原料ガス供給側熱交換部および水素ガス排出側熱交換部をそれぞれ伝熱部とヘッダ部から構成し、前記水素ガス排出側熱交換部の伝熱部面積を、前記原料ガス供給側熱交換部の伝熱部面積よりも大きく形成する。 A seventh aspect of the present disclosure provides a method for manufacturing an electrolytic cell stack comprising: a hydrogen generation unit including an electrolytic cell having a Ni-containing hydrogen electrode, an oxygen electrode, and a solid electrolyte membrane sandwiched between the hydrogen electrode and the oxygen electrode; a raw material gas supply port for supplying raw material gas to the hydrogen electrode of the hydrogen generation unit; a hydrogen gas outlet port for discharging hydrogen gas generated in the hydrogen generation unit; a raw material gas supply-side heat exchanger located closer to the raw material gas supply port than the hydrogen generation unit and performing heat exchange between the raw material gas and an oxidizing gas supplied to the oxygen electrode; and a hydrogen gas outlet-side heat exchanger located closer to the hydrogen gas outlet port than the hydrogen generation unit and performing heat exchange between the hydrogen gas and the oxidizing gas supplied to the oxygen electrode, wherein the raw material gas supply-side heat exchanger and the hydrogen gas outlet-side heat exchanger each comprise a heat transfer section and a header section, and the heat transfer section area of the hydrogen gas outlet-side heat exchanger is larger than the heat transfer section area of the raw material gas supply-side heat exchanger.
10 水素発生部
11 水蒸気供給口(原料ガス供給口)
12 生成水素排出口(水素ガス排出口)
13 上部熱交換部(原料ガス供給側熱交換部)
14 下部熱交換部(水素ガス排出側熱交換部)
101 セルスタック(電解セルスタック)
103 基体管
105 電解セル
107 インターコネクタ
109 水素極(燃料極)
111 固体電解質膜
113 酸素極
115 リード膜
201 モジュール(電解セルモジュール)
203 カートリッジ(電解セルカートリッジ)
205 モジュール容器
207 水蒸気供給母管
207a 水蒸気供給枝管
209 生成水素排出母管
209a 生成水素排出枝管
215 水蒸気電解室
217 水蒸気供給ヘッダ
219 生成水素排出ヘッダ
221 酸化性ガス供給ヘッダ
223 酸化性ガス排出ヘッダ
225a 上部管板
225b 下部管板
227a 上部断熱体
227b 下部断熱体
229a 上部ケーシング
229b 下部ケーシング
231a 水蒸気供給管
231b 生成水素排出管
233a 酸化性ガス供給管
233b 酸化性ガス排出管
235a 酸化性ガス下部貫通部
235b 酸化性ガス上部貫通部
237a 上部シール部材
237b 下部シール部材
620 温度計測部
L1(S1) 上部熱交換部の伝熱部(伝熱部面積)
L2(S2) 水素発生部(水素発生部反応面積)
L3(S3) 下部熱交換部の伝熱部(伝熱部面積)
10 Hydrogen generating section 11 Steam supply port (raw material gas supply port)
12. Produced hydrogen outlet (hydrogen gas outlet)
13 Upper heat exchange section (raw material gas supply side heat exchange section)
14 Lower heat exchange section (hydrogen gas discharge side heat exchange section)
101 Cell stack (electrolysis cell stack)
103 Substrate tube 105 Electrolytic cell 107 Interconnector 109 Hydrogen electrode (fuel electrode)
111 Solid electrolyte membrane 113 Oxygen electrode 115 Lead membrane 201 Module (electrolysis cell module)
203 Cartridge (electrolytic cell cartridge)
205 Module container 207 Steam supply header 207a Steam supply branch pipe 209 Produced hydrogen discharge header 209a Produced hydrogen discharge branch pipe 215 Steam electrolysis chamber 217 Steam supply header 219 Produced hydrogen discharge header 221 Oxidizing gas supply header 223 Oxidizing gas discharge header 225a Upper tube plate 225b Lower tube plate 227a Upper heat insulator 227b Lower heat insulator 229a Upper casing 229b Lower casing 231a Steam supply pipe 231b Produced hydrogen discharge pipe 233a Oxidizing gas supply pipe 233b Oxidizing gas discharge pipe 235a Oxidizing gas lower penetration 235b Oxidizing gas upper penetration 237a Upper seal member 237b Lower seal member 620 Temperature measurement section L 1 (S 1 ) Heat transfer section of upper heat exchange section (heat transfer section area)
L 2 (S 2 ) Hydrogen generating section (reaction area of hydrogen generating section)
L3 ( S3 ) Heat transfer area of the lower heat exchange section (heat transfer area)
Claims (7)
前記水素発生部の前記水素極に原料ガスを供給する原料ガス供給口と、
前記水素発生部で生成された水素ガスを排出する水素ガス排出口と、
前記水素発生部よりも前記原料ガス供給口側で、前記原料ガスと、前記酸素極側から排出される酸化性ガスと、が熱交換する原料ガス供給側熱交換部と、
前記水素発生部よりも前記水素ガス排出口側で、前記水素ガスと、前記酸素極側に供給される酸化性ガスと、が熱交換する水素ガス排出側熱交換部と、
を備え、
前記原料ガス供給側熱交換部は、前記酸化性ガスの流速が、前記水素発生部を流通する場合に比べて速くなる伝熱部を有し、前記水素ガス排出側熱交換部は、前記酸化性ガスの流速が、前記水素発生部を流通する場合に比べて速くなる伝熱部を有し、
前記水素ガス排出側熱交換部の伝熱部面積が、前記原料ガス供給側熱交換部の伝熱部面積よりも大きい電解セルスタック。 a hydrogen generating unit including an electrolytic cell having a nickel-containing hydrogen electrode, an oxygen electrode, and a solid electrolyte membrane sandwiched between the hydrogen electrode and the oxygen electrode;
a raw material gas supply port for supplying a raw material gas to the hydrogen electrode of the hydrogen generating unit;
a hydrogen gas outlet for discharging the hydrogen gas generated in the hydrogen generation unit;
a raw material gas supply-side heat exchange unit, which is located closer to the raw material gas supply port than the hydrogen generation unit and which exchanges heat between the raw material gas and an oxidizing gas discharged from the oxygen electrode side;
a hydrogen gas discharge side heat exchanger located closer to the hydrogen gas discharge port than the hydrogen generation unit and performing heat exchange between the hydrogen gas and an oxidizing gas supplied to the oxygen electrode side;
Equipped with
the raw material gas supply-side heat exchange unit has a heat transfer unit through which the flow rate of the oxidizing gas is increased compared to when the oxidizing gas flows through the hydrogen generation unit, and the hydrogen gas discharge-side heat exchange unit has a heat transfer unit through which the flow rate of the oxidizing gas is increased compared to when the oxidizing gas flows through the hydrogen generation unit,
an electrolysis cell stack in which the area of the heat transfer portion of the hydrogen gas discharge side heat exchanger is larger than the area of the heat transfer portion of the raw material gas supply side heat exchanger;
前記水素発生部の前記水素極に原料ガスを供給する原料ガス供給口と、
前記水素発生部で生成された水素ガスを排出する水素ガス排出口と、
前記水素発生部よりも前記原料ガス供給口側で、前記原料ガスと、前記酸素極側から排出される酸化性ガスと、が熱交換する原料ガス供給側熱交換部と、
前記水素発生部よりも前記水素ガス排出口側で、前記水素ガスと、前記酸素極側に供給される酸化性ガスと、が熱交換する水素ガス排出側熱交換部と、
を備えた電解セルスタックの製造方法であって、
前記原料ガス供給側熱交換部は、前記酸化性ガスの流速が、前記水素発生部を流通する場合に比べて速くなる伝熱部を有し、
前記水素ガス排出側熱交換部は、前記酸化性ガスの流速が、前記水素発生部を流通する場合に比べて速くなる伝熱部を有し、
前記水素ガス排出側熱交換部の伝熱部面積を、前記原料ガス供給側熱交換部の伝熱部面積よりも大きく形成する電解セルスタックの製造方法。 a hydrogen generating unit including an electrolytic cell having a nickel-containing hydrogen electrode, an oxygen electrode, and a solid electrolyte membrane sandwiched between the hydrogen electrode and the oxygen electrode;
a raw material gas supply port for supplying a raw material gas to the hydrogen electrode of the hydrogen generating unit;
a hydrogen gas outlet for discharging the hydrogen gas generated in the hydrogen generation unit;
a raw material gas supply-side heat exchange unit, which is located closer to the raw material gas supply port than the hydrogen generation unit and which exchanges heat between the raw material gas and an oxidizing gas discharged from the oxygen electrode side;
a hydrogen gas discharge side heat exchanger located closer to the hydrogen gas discharge port than the hydrogen generation unit and performing heat exchange between the hydrogen gas and an oxidizing gas supplied to the oxygen electrode side;
A method for manufacturing an electrolysis cell stack comprising:
the raw material gas supply-side heat exchange unit has a heat transfer unit through which the flow rate of the oxidizing gas is increased compared to when the oxidizing gas flows through the hydrogen generation unit,
the hydrogen gas discharge side heat exchange unit has a heat transfer unit through which the flow rate of the oxidizing gas is faster than when the oxidizing gas flows through the hydrogen generation unit,
a heat transfer section area of the hydrogen gas discharge side heat exchange section being larger than a heat transfer section area of the raw material gas supply side heat exchange section;
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