JP2006160572A - 水素製造装置及びその方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 水素製造の各工程から排出される熱を回収することにより、排熱の有効利用を図り、熱効率を改善する。
【解決手段】 水素製造装置は、ヨウ素２１、二酸化硫酸２４及び水１８を熱化学的に分解してヨウ化水素２１及び硫酸２３を生成するブンゼン反応器４と、この生成し分離されたヨウ化水素２１を濃縮分解するヨウ化水素濃縮分解手段と、分離された硫酸２３を濃縮分解する硫酸濃縮分解手段と、前記ヨウ化水素濃縮分解手段及び硫酸濃縮分解手段から選択された少なくとも１器（例えば、三酸化硫黄分解器１４）から排出される熱をこの選択された器より使用温度が低温側の器（例えば、ヨウ化水素分解器８）に伝達する手段（例えば、加熱器１６ａ、１６ｂ、１６ｃ）を有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は水を熱化学的に分解して水素を製造する水素製造装置及びその方法に関する。

未来社会の１つのビジョンとして水素をエネルギー媒介とした水素エネルギー社会の実現が注目されており、このため、いくつかの有力な水素製造方法が考えられている。水素エネルギー社会を実現するための、全ての水素製造方法における最も重要な指標は、その水素生成効率又は熱効率であり、この熱効率をなるべく高くすることが重要である。

ここでの熱効率とは、熱効率＝（生成水素の燃焼熱量）／（水素生成のために使用された全エネルギー）で定義される。

いくつかの水素製造方法のうち、熱化学水素製造プロセスであるＩＳ法（又はＳＩ法、Ｉｏｄｉｎｅ-Ｓｕｌｆｕｒ法、ヨウ素と硫酸を内部循環しながら、水を熱化学的に分解して水素製造する方法）は、水及び発電所等から得られる９００℃程度の熱を供給することにより、主に３つの工程（ブンゼン反応工程、ヨウ化水素濃縮分解工程、硫酸濃縮分解工程）による内部循環を経て水を水素と酸素へと変換するものである（例えば、特許文献１、２及び非特許文献１参照）。

ＩＳ法において熱源としては高温ガス炉などを用い、ブンゼン反応工程で水、ヨウ素、二酸化硫黄をヨウ化水素（ＨＩ）、硫酸に変える。このうち、ヨウ化水素は加熱することにより水素及びヨウ素へ変える（ＨＩ濃縮分解工程）。一方の硫酸は、やはり加熱することで酸素、水、二酸化硫黄に変える。全体として、ヨウ素、水、二酸化硫黄はブンゼン反応工程へリサイクルし、水素と酸素は水素製造システムの系外へ排出し回収される。
特開昭５２−２０３９４号公報 特開２００４−２３２０３１号公報 Ｊ．Ｈ．Ｎｏｒｍａｎ ｅｔ ａｌ．，ＧＡ−Ａ １６３００，１９８１

しかしながら、上述したＩＳ法のプロセスフロー設計においては、さらに熱効率の向上が可能である。そのためには、ＨＩ濃縮分解工程、硫酸濃縮分解工程における熱の有効利用が重要である。

例えば、硫酸濃縮分解工程では、硫酸から二酸化硫黄を生成するための、反応エネルギー（吸熱反応）のみでも、生成される水素の燃焼量と同程度の熱量を消費するため、熱効率に対しての影響が大きく、熱効率を低くする原因となっている。

上述のように、熱効率をなるべく高くするためには、加熱に要するエネルギーを有効利用する手段を講じなければならないという課題がある。

本発明は上記課題を解決するためになされたもので、水素製造の各工程から排出される熱を回収することにより、排熱の有効利用を図り、熱効率を改善することのできる水素製造装置及びその方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の水素製造装置は、ヨウ素、二酸化硫酸及び水を熱化学的に分解してヨウ化水素及び硫酸を生成するブンゼン反応器と、このブンゼン反応器で生成されたヨウ化水素及び硫酸を分離する二相分離器と、この分離されたヨウ化水素の純度を高めるヨウ化水素精製器と、この純度が高められたヨウ化水素を濃縮するヨウ化水素蒸留器と、この濃縮されたヨウ化水素を水素及びヨウ素に分解するヨウ化水素分解器と、この分解されたヨウ素を回収するヨウ素回収器と、前記分解されなかったヨウ化水素を回収するヨウ化水素回収器と、前記分離された硫酸の純度を高める硫酸精製器と、この純度が高められた硫酸を濃縮する硫酸濃縮器と、この濃縮された硫酸を三酸化硫黄及び水に分解する硫酸分解器と、この分解された三酸化硫黄を二酸化硫黄及び酸素に分解する三酸化硫黄分解器と、この分解された二酸化硫黄を回収する二酸化硫黄回収器と、前記ヨウ化水素精製器、ヨウ化水素蒸留器、ヨウ化水素分解器、ヨウ素回収器、ヨウ化水素回収器、硫酸精製器、硫酸濃縮器、硫酸分解器、三酸化硫黄分解器及び二酸化硫黄回収器から選択された少なくとも１個の容器から排出される熱をこの選択された容器より使用温度が低温側の他の容器に伝達して回収する排熱回収手段と、を有することを特徴とするものである。

また、上記目的を達成するため、本発明の水素製造方法は、ヨウ素、二酸化硫酸及び水を熱化学的に分解してヨウ化水素及び硫酸を生成し分離するブンゼン反応工程と、
この分離されたヨウ化水素の純度を高めるヨウ化水素精製工程と、この純度が高められたヨウ化水素を濃縮するヨウ化水素濃縮工程と、この濃縮されたヨウ化水素を水素及びヨウ素に分解するヨウ化水素分解工程と、この分解されたヨウ素を回収するヨウ素回収工程と、前記分解されなかったヨウ化水素を回収するヨウ化水素回収工程と、
前記分離された硫酸の純度を高める硫酸精製工程と、この純度が高められた硫酸を濃縮する硫酸濃縮工程と、この濃縮された硫酸を三酸化硫黄及び水に分解する硫酸分解工程と、この分解された三酸化硫黄を二酸化硫黄及び酸素に分解する三酸化硫黄分解工程と、この分解された二酸化硫黄を回収する二酸化硫黄回収工程と、前記ヨウ化水素精製工程、ヨウ化水素蒸留工程、ヨウ化水素分解工程、ヨウ素回収工程、ヨウ化水素回収工程、硫酸精製工程、硫酸濃縮工程、硫酸分解工程、三酸化硫黄分解工程及び二酸化硫黄回収工程から選択された少なくとも１工程から排出される熱をこの選択された工程より使用温度が低温側の工程に伝達して回収する排熱回収手段と、を有することを特徴とするものである。

本発明に係る水素製造装置及びその方法よれば、ヨウ化水素濃縮分解工程又は硫酸濃縮分解工程を形成する各工程から選択された少なくとも１工程から排出される熱をこの選択された工程より使用温度が低温側の工程に伝達して回収することにより、排熱の有効利用を図り、熱化学的な水素製造における熱効率を大幅に改善することができる。

以下、本発明に係る水素製造装置及びその方法の実施の形態について、図１及び図２を参照して説明する。ここで、同一又は類似の部分には共通の符号を付すことにより、重複説明を省略する。

図１は、発明の実施の形態の水素製造装置の構成を示すブロック図である。図１に示すように、ＩＳ法による熱化学的水素製造法は、主に３つの工程、すなわち、ブンゼン反応工程１、ヨウ化水素（ＨＩ）濃縮分解工程２、硫酸濃縮分解工程３から構成される。

まず、ブンゼン反応工程１について説明する。図１において、ヨウ素２１、二酸化硫黄２４、水１８をブンゼン反応器４に供給して、ブンゼン反応と呼ばれる熱化学反応を起こし、ヨウ化水素２２及び硫酸２３を生成する。この生成したヨウ化水素２２及び硫酸２３を二相分離器５に移行する。この二相分離器５において、比重の相違により、ヨウ化水素２２と硫酸２３とに分離する。この分離したヨウ化水素２２と硫酸２３とは、それぞれＨＩ濃縮分解工程２及び硫酸濃縮分解工程３へと送られる。未反応のヨウ素２１、二酸化硫黄２４、水１８は、二相分離器２内の生成装置で分離されて元のブンゼン反応容器４に戻される。

次に、ＨＩ濃縮分解工程２について説明する。分離したヨウ化水素２２は、ＨＩ精製器６に送り込まれる。このＨＩ精製器６においては、ヨウ化水素２２の純度を更に高めるためにブンゼン反応とは逆の反応（逆ブンゼン反応）を起こして、ヨウ化水素２２水溶液中の硫酸２３をヨウ素２１、水１８、二酸化硫黄２４に分解して除去し、これらをブンゼン反応工程１へ戻す。この精製したヨウ化水素２２は、ヨウ素２１、水１８と共にＨＩ蒸留器７に送り込まれて濃縮される。

このＨＩ蒸留器７においては、蒸留してヨウ化水素２２の濃度を高める。この蒸留のための加熱は、例えば、次工程の硫酸濃縮分解工程３で排出された熱源を利用した加熱器１６ｃにより行われる。

蒸留されて濃縮したヨウ化水素２２は、ヨウ素２１と共にＨＩ分解器８に送り込まれる。ＨＩ分解器８では、加熱して、ヨウ化水素２２を水素１９とヨウ素２１とに分解される。この加熱は、例えば、次工程の硫酸濃縮分解工程３で排出された熱源を利用した加熱器１６ｂにより行われる。

この分解した水素１９とヨウ素２１は、未分解のヨウ化水素２２と共にヨウ素回収器９に送り込まれる。ヨウ素回収器９では、ヨウ素２１が回収され、ＨＩ蒸留器７又は元のブンゼン反応工程１に再度戻される。

この回収されなかった未分解のヨウ化水素２２及び水素１９は、ＨＩ回収器１０に送り込まれる。ＨＩ回収器１０では、ヨウ化水素２２が回収され、前工程のＨＩ分解器８に送り込まれる。このＨＩ回収器１０で回収されなかった水素１９は、系外に排出され回収される。

次に、硫酸濃縮分解工程３について説明する。二相分離器５で分離した硫酸２３は、硫酸精製器１１に送り込まれる。硫酸２３の純度を更に高めるためにブンゼン反応とは逆の反応（逆ブンゼン反応）を起こして、硫酸２３水溶液中のヨウ化水素２２をヨウ素２１、水１８、二酸化硫黄２４に分解して除去し、これらはブンゼン反応容器４へ戻される。精製した硫酸２３は、水１８と共に硫酸濃縮器１２に送り込まれて濃縮される。

この硫酸濃縮器１２においては、蒸留して硫酸２３の濃度を高める。蒸留した水１８は、再循環されるか、冷却器１７を経て元のブンゼン反応工程１に戻される。蒸留されて濃縮した濃硫酸２３は、水１８と共に硫酸分解器１３に送り込まれる。

この硫酸分解器１３では、濃硫酸２３は加熱されて、三酸化硫黄２５と水１８とに分離される。この加熱は、例えば、後工程の三酸化硫黄分解器１４で発生した熱源を利用した加熱器１６ａにより行われる。

この分離した三酸化硫黄２５は、三酸化硫黄分解器１４に送り込まれる。三酸化硫黄分解器１４では、加熱することにより、三酸化硫黄２５は、二酸化硫黄２４及び酸素２０に分解される。

また、この分解された二酸化硫黄２４及び酸素２０は、未分解の三酸化硫黄２５及び水１８と共に、排熱を回収するために後工程を経由して二酸化硫黄回収器１５に送り込まれる。硫黄回収器１５では、二酸化硫黄２４は、回収されて元のブンゼン反応工程１に戻される。この二酸化硫黄回収器１５で回収されなかった酸素２０は、系外に排出され回収される。

上述のＩＳ法による熱化学的水素製造装置の構成は、本実施の形態を実現するための基本的な構成であって、場合によって各機器を２段階に分けて反応工程を構成することもある。

このように構成された本実施の形態において、まずブンゼン反応工程１でヨウ化水素２２及び硫酸２３を生成した後に、二相分離器５においてヨウ化水素２２及び硫酸２３に分離し、次工程に送られる。次工程であるヨウ化水素濃縮分解工程２及び硫酸濃縮分解工程３においては、各種の工程を経た後に水素１９及び酸素２０が生成され回収される。ヨウ素２１及び二酸化硫黄２４はリサイクルして再びブンゼン反応工程１に戻される。

次に、排熱回収手段について詳述する。基本的な考え方は、各構成機器の使用温度を考慮して高温から低温に流れるように排熱の流れを構築する。

この排熱の流れを考慮して加熱器１６ａ、１６ｂ、１６ｃについては、熱源からの熱媒体２６（例えば、ヘリウムや水蒸気）により加熱するもの（実線で表示した加熱器１６ａ）、反応工程で生成した物質を熱媒体として加熱するもの（２点鎖線で表された加熱器１６ｂ）、熱源からの熱媒体を熱交換器（例えば、冷却器１７）で水蒸気等に変換してから加熱するもの（破線で表された加熱器１６ｃ）等がある。

例えば、熱源からの熱媒体２６を利用して加熱するものとしては、三酸化硫黄分解器１４から硫酸分解器１３への加熱器１６ａ、１６ａを介した排熱の流れに適用されている。

反応工程で生成した物質を熱媒体として加熱するものとしては、三酸化硫黄分解器１４からの流れをＨＩ分解器８内の加熱器１６ｂに導いて排熱を回収するものがある。さらにＨＩ分解器８内の加熱器１６ｂからの流れを硫酸濃縮器１２内の加熱器１６ｂに導いて排熱を回収して加熱に利用される。

熱源からの熱媒体を冷却器１７で水蒸気等に変換してから加熱するものとしては、硫酸濃縮器１２内の加熱器１６ｂの下流側に介在する冷却器１７で熱変換した水蒸気等をＨＩ蒸留器７内の加熱器１６ｃに導いて排熱を回収するものがある。また、ＨＩ蒸留器７の下流側に介在する冷却器１７で熱変換した水蒸気等をＨＩ精製器６内の加熱器１６ｃに導いて排熱を回収するものがある。さらに、硫酸濃縮器１２から排出された水１８を冷却器１７で熱変換して生成した水蒸気等を硫酸精製器１１内の加熱器１６ｃに導いて排熱を回収するものがある。なお、ＨＩ蒸留器７内の加熱器１６ｃからの流れは、ＨＩ精製器６又は硫酸精製器１１に導かれてさらに排熱が回収される。

このように、排熱の流れを使用温度の高温側から低温側へ流れるように構築しておけば、熱源から供給された熱エネルギーを各工程において充分利用できるようにすることができる。

なお、熱エネルギーを充分利用するためには、排熱をなるべく装置外へ逃げないようにする対策が必要である。そのためには、熱を外部へと拡散させないようなるべく短い距離で機器間を流れるように機器の配置にも留意する必要がある。例えば、図１で示すように、ＨＩ濃縮分解工程２と硫酸濃縮分解工程３とが並列になるように機器を配置すれば、排熱の流れる距離が短くすることができ、排熱回収の効率を高めることができる。

従来は、熱化学反応で使用した熱を比較的温度が高い（２５０〜４００℃）まま排出していたが、本実施の形態によれば、熱源からのヘリウムや水蒸気等の熱媒体により加熱、反応工程で生成した物質を熱媒体とした加熱又は熱源からの熱媒体を熱交換器で水蒸気等に変換してから加熱する。これによって、排熱からさらにエネルギーを取り出す又は水素製造に利用することができ、これによって熱効率の向上を図ることができる。

図２は、図１の排熱を利用した発電システム２７の構成を示すブロック図である。

図２に示すように、ヨウ素回収器９で回収されなかったヨウ化水素２２及び水素１９は、冷却器１７を介してＨＩ回収器１０に送り込まれる。このヨウ化水素２２及び水素１９の持つ熱は、冷却器１７を通過することにより水又は水蒸気１８により回収される。この排熱を回収した水又は水蒸気１８は、蒸気タービン、熱電素子などの発電システム２７に導かれて所内電力２８として利用される。

本実施の形態おいて、排熱された蒸気を冷却器１７に導いて熱変換した水又は水蒸気１８をタービンや熱電素子に導いて発電システム２７を稼動させて発電を行い、水素製造装置や所内施設における必要な電力を賄うことができる。

本実施の形態によれば、熱化学反応で使用した比較的温度が高い（２５０〜４００℃）排熱を、水又は水蒸気１８を介して発電システムとして回収することによって、熱効率の向上に大幅に寄与することができる。

本発明の実施の形態の水素製造装置の構成を示すブロック図。 図１の排熱を利用した発電システムの構成を示すブロック図。

符号の説明

１…ブンゼン反応工程、２…ＨＩ濃縮分解工程、３…硫酸濃縮分解工程、４…ブンゼン反応器、５…二相分離器、６…ＨＩ精製器、７…ＨＩ蒸留器、８…ＨＩ分解器、９…ヨウ素回収器、１０…ＨＩ回収器、１１…硫酸精製器、１２…硫酸濃縮器、１３…硫酸分解器、１４…三酸化硫黄分解器、１５…ニ酸化硫黄回収器、１６…加熱器、１７…冷却器、１８…水、１９…水素、２０…酸素、２１…ヨウ素、２２…ＨＩ（ヨウ化水素）、２３…硫酸、２４…二酸化硫黄、２５…三酸化硫黄、２６…熱源からの熱媒体、２７…発電システム。

Claims (12)

1. ヨウ素、二酸化硫酸及び水を熱化学的に分解してヨウ化水素及び硫酸を生成するブンゼン反応器と、
   このブンゼン反応器で生成されたヨウ化水素及び硫酸を分離する二相分離器と、
   この分離されたヨウ化水素の純度を高めるヨウ化水素精製器と、
   この純度が高められたヨウ化水素を濃縮するヨウ化水素蒸留器と、
   この濃縮されたヨウ化水素を水素及びヨウ素に分解するヨウ化水素分解器と、
   この分解されたヨウ素を回収するヨウ素回収器と、
   前記分解されなかったヨウ化水素を回収するヨウ化水素回収器と、
   前記分離された硫酸の純度を高める硫酸精製器と、
   この純度が高められた硫酸を濃縮する硫酸濃縮器と、
   この濃縮された硫酸を三酸化硫黄及び水に分解する硫酸分解器と、
   この分解された三酸化硫黄を二酸化硫黄及び酸素に分解する三酸化硫黄分解器と、
   この分解された二酸化硫黄を回収する二酸化硫黄回収器と、
   前記ヨウ化水素精製器、ヨウ化水素蒸留器、ヨウ化水素分解器、ヨウ素回収器、ヨウ化水素回収器、硫酸精製器、硫酸濃縮器、硫酸分解器、三酸化硫黄分解器及び二酸化硫黄回収器から選択された少なくとも１個の容器から排出される熱をこの選択された容器より使用温度が低温側の他の容器に伝達して回収する排熱回収手段と、
   を有することを特徴とする水素製造装置。
2. 前記排熱回収手段は、前記選択された容器からの排熱を、熱媒体を介して低温側の器に伝達して加熱に利用するものであること、を特徴とする請求項１記載の水素製造装置。
3. 前記排熱回収手段は、前記選択された容器で生成され排出された生成物が導かれる熱交換器を含むこと、を特徴とする請求項２記載の水素製造装置。
4. 前記排熱回収手段は、前記選択された容器内で反応工程により生成された物質を熱媒体として加熱に利用するものであること、を特徴とする請求項１記載の水素製造装置。
5. 前記排熱回収手段は、前記三酸化硫黄分解器からの排熱をヨウ化水素分解器に伝達して加熱に利用するものであること、を特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の水素製造装置。
6. 前記排熱回収手段は、前記ヨウ化水素分解器からの排熱を硫酸濃縮器に伝達して加熱に利用するものであること、を特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の水素製造装置。
7. 前記排熱回収手段は、前記硫酸濃縮器からの排熱をヨウ化水素蒸留器、ヨウ化水素精製器及び硫酸精製器から選択された少なくとも１容器に伝達して加熱に利用するものであること、を特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の水素製造装置。
8. 前記排熱回収手段は、前記ヨウ化水素蒸留器からの排熱をヨウ化水素精製器及び硫酸精製器から選択された少なくとも１容器に伝達して加熱に利用するものであること、を特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の水素製造装置。
9. 前記排熱回収手段は、前記ヨウ素回収器からの排熱をヨウ化水素精製器及び硫酸精製器から選択された少なくとも１容器に伝達して加熱に利用するものであること、を特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の水素製造装置。
10. 前記分離されたヨウ化水素の濃縮分解を行うシステムと硫酸の濃縮分解を行うシステムとを並列に配置すること、を特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の水素製造装置。
11. 前記排熱回収手段は、前記選択された器からの排熱を、発電システムに伝達して所内電力として利用するものであること、を特徴とする請求項１乃至１０のいずれかに記載の水素製造装置。
12. ヨウ素、二酸化硫酸及び水を熱化学的に分解してヨウ化水素及び硫酸を生成し分離するブンゼン反応工程と、
    この分離されたヨウ化水素の純度を高めるヨウ化水素精製工程と、
    この純度が高められたヨウ化水素を濃縮するヨウ化水素濃縮工程と、
    この濃縮されたヨウ化水素を水素及びヨウ素に分解するヨウ化水素分解工程と、
    この分解されたヨウ素を回収するヨウ素回収工程と、
    前記分解されなかったヨウ化水素を回収するヨウ化水素回収工程と、
    前記分離された硫酸の純度を高める硫酸精製工程と、
    この純度が高められた硫酸を濃縮する硫酸濃縮工程と、
    この濃縮された硫酸を三酸化硫黄及び水に分解する硫酸分解工程と、
    この分解された三酸化硫黄を二酸化硫黄及び酸素に分解する三酸化硫黄分解工程と、
    この分解された二酸化硫黄を回収する二酸化硫黄回収工程と、
    前記ヨウ化水素精製工程、ヨウ化水素蒸留工程、ヨウ化水素分解工程、ヨウ素回収工程、ヨウ化水素回収工程、硫酸精製工程、硫酸濃縮工程、硫酸分解工程、三酸化硫黄分解工程及び二酸化硫黄回収工程から選択された少なくとも１工程から排出される熱をこの選択された工程より使用温度が低温側の工程に伝達して回収する排熱回収手段と、
    を有することを特徴とする水素製造方法。

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