JP4121739B2 - 原子炉を利用した水素発生システム及び方法 - Google Patents

原子炉を利用した水素発生システム及び方法 Download PDF

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Description

【0001】
【技術分野】
本発明は一般に液体金属原子炉に関し、さらに具体的には水分解装置での水素発生のためのエネルギーの供給に液体金属原子炉を利用することに関する。
【0002】
【発明の技術的背景】
大都市での自動車排気ガスを減らす手段として水素燃料電池を動力源とする電気自動車が考えられている。しかし、かかる自動車に用いられる水素は典型的には、温室効果ガスを発生する炭素系原料を用いて製造される。例えば、CO+H2OをCO2+H2に転化すると、このプロセスの廃棄副生物としてCO2を生じる。CO2は環境への温室効果に寄与する物質の一つであることが知られている。
【0003】
水分解プロセスでの水素の製造には大量のエネルギーが必要とされる。効率的に機能させるため水分解プロセスは約850℃〜950℃の範囲の非常に高い温度で運転されるからである。原子炉は水分解システム用の低コストの熱源と考えられてきた。しかし、原子炉は、かかる水分解システムの効率的運転に必要な高温では運転されない。液体金属冷却式原子炉の運転温度は約550℃、軽水炉の運転温度は約285℃であり、いずれも効率的水分解システムに必要とされる850℃〜950℃よりも格段に低い。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
水分解システムを約850℃〜950℃で効率的に運転するのに十分な量の熱を低コストで供給するシステムを提供できれば望ましい。
【0005】
【課題を解決するための手段】
本発明の実施形態では、水素発生システムは、非放射性二次熱ループを有する液体金属原子炉、二次熱ループと連結した蒸気発生器、高温水分解装置及びトッピングヒータを含んでなる。
【0006】
原子炉で発生した熱を用いて、分解装置用の給水の温度を約450℃〜約550℃に上昇させる。トッピングヒータで給水温度を450℃〜550℃の範囲から850℃以上に上昇させ、水素と酸素を生成する分解装置の効率的運転を可能にする。さらに、トッピングヒータは、給水を水素と酸素に解離するのに必要な熱エネルギーを供給する。
【0007】
一実施形態では、トッピングヒータはガス燃焼ヒータである。高温水分解装置で発生した酸素と水素の一部をトッピングヒータで燃料として使用する。ガス燃焼トッピングヒータからの排気を再生式熱交換器に送る。再生式熱交換器は給水供給ラインに配置され、蒸気発生器とトッピングヒータの間に位置する。ガス燃焼トッピングヒータからの排気を次に第二再生式熱交換器に送り、蒸気発生器で水蒸気へと転換された給水の一部の温度をこの第二再生式熱交換器を用いて上昇させてから発電用蒸気タービン・発電機アセンブリに送る。
【0008】
上述のシステムは、通常運転温度で運転される液体金属原子炉及びトッピングヒータを利用することによって、水分解装置の効率的運転に十分な量の熱を低コストで発生する。トッピングヒータは、原子炉の発熱によって生じる水蒸気の温度を所望の分解装置運転温度へと上昇させる。
【0009】
【発明の実施の形態】
図1は、本発明の一実施形態に係る水素発生システム10の線図である。このシステム10は、原子炉12から熱を抽出する非放射性二次熱ループ14を有する液体金属原子炉12、二次熱ループ14と連結した蒸気発生器16、高温水分解装置18及びトッピングヒータ20を含んでなる。
【0010】
原子炉12は、米国特許第4508677号及び同第5158471号に記載の原子炉のような公知のどんな液体金属原子炉であってもよい。二次ループ14は原子炉12内の中間熱交換器22と連結している。二次ループ14はホットレグ24とコールドレグ26を含む。二次ループ14は、熱を中間熱交換器22から蒸気発生器16に伝達するためのヘリウムや液体金属(ナトリウムなど)のような熱伝達媒体を含んでいる。中間熱交換器22で加熱された熱伝達媒体はホットレグ24を経て蒸気発生器16に流れ、そこで熱を利用して水蒸気を発生し、それに伴い熱伝達媒体の温度は低下する。熱伝達媒体は次いでコールドレグ26を通って中間熱交換器22に戻る。熱伝達媒体は循環ポンプ28によって二次ループ14内を流れる。中間熱交換器22を出る熱伝達媒体の温度は約450℃〜約550℃である。
【0011】
システム10は給水源30を含んでおり、給水ライン32によって蒸気発生器16と連結している。給水源30は、例えば水体、脱塩プラント、浄水システム、蒸気タービン復水器又はこれらの組合せとし得る。給水源30からの水を蒸気発生器16で加熱して水蒸気に変換する。蒸気発生器16で加熱された給水つまり水蒸気の一部は分解装置18に送られ、水蒸気の一部は蒸気タービン・発電機アセンブリ34に送られる。復水器36が蒸気タービン・発電機アセンブリ34と連結している。蒸気タービン34からの使用済水蒸気は復水器36で凝縮される。凝縮した水蒸気を給水に加えることができるように、復水器出力ライン38が給水ライン32と連結している。復水器36は水循環ライン37を含んでおり、水循環ライン37を水ライン39によって脱塩プラント30と連結してプラント30に補給水を供給する。
【0012】
トッピングヒータ20はガス燃焼ヒータである。しかし、別の実施形態では、図2及び図3に示す通り、トッピングヒータ20は電気ヒータであってもよい。水分解装置18で生じた酸素と水素の一部をトッピングヒータ20に送り、ヒータ20用の燃料として用いる。ガス燃焼トッピングヒータ20からの排気を排気ライン42を介して再生式熱交換器40に送る。再生式熱交換器40は、蒸気発生器16からの蒸気出力のうち分解装置18に送られる部分をさらに加熱する。再生式熱交換器40は蒸気ライン44によって蒸気発生器16と連結している。再生式熱交換器40からの出力を蒸気ライン46を介してトッピングヒータ20に送る。トッピングヒータ20は再生式熱交換器40からの出力を850℃以上に加熱する。高温水分解装置18は850℃以上に加熱された水蒸気を原料として酸素と水素を発生する。水分解装置18は、熱エネルギーを用いて水を水素と酸素に解離する公知のどんな高温水分解装置であってもよい。
【0013】
ガス燃焼トッピングヒータ20の熱エネルギーを十分に利用するため、再生式熱交換器40からの排気を排気ライン50を経由して別の再生式熱交換器48に送る。再生式熱交換器48は、蒸気発生器16と蒸気タービン・発電機アセンブリ34とを連結する蒸気ライン52に位置する。再生式熱交換器48からの排気を排気ライン54を経由して給水源30に送る。この実施形態では、給水源は、給水及び販売用の水を供給する脱塩プラントである。
【0014】
図2は、本発明の別の実施形態に係る水素発生システム60の線図である。システム60は、原子炉12から熱を抽出するための非放射性二次熱ループ14を有する液体金属原子炉12、二次熱ループ14と連結した蒸気発生器16、高温水分解装置18及びトッピングヒータ62を含んでなる。
【0015】
システム10で説明した通り、二次ループ14は原子炉12内の中間熱交換器22と連結しており、ホットレグ24、コールドレグ26及び循環ポンプ28を含んでいる。システム60も、給水ライン32によって蒸気発生器16と連結した給水源30を含んでいる。この実施形態では、給水源30は脱塩プラントであるが、給水源は、例えば水体、脱塩プラント、浄水システム、蒸気タービン復水器又はこれらの組合せでもよい。蒸気発生器16で加熱された給水つまり水蒸気の一部は蒸気ライン44を経て分解装置18に送られ、蒸気の一部は蒸気ライン52を経て蒸気タービン・発電機アセンブリ34に送られる。復水器36が蒸気タービン・発電機アセンブリ34と連結し、凝縮した水蒸気を給水に加えることができるように復水器出力ライン38が給水ライン32と連結している。復水器36は水循環ライン64を含んでいる。
【0016】
トッピングヒータ62は水分解装置18内部に配置された電気ヒータであり、加熱された給水つまり水蒸気と接する。トッピングヒータ62は蒸気発生器16からの蒸気を水分解装置18内で850℃以上に加熱し、水蒸気を水素と酸素に解離するのに必要な追加の熱を加える。電気トッピングヒータ62の電力として、蒸気タービン・発電機アセンブリ34で発生した電気の一部を使用する。
【0017】
図3は、本発明の別の実施形態に係る水素発生システム70の線図である。システム70はシステム60と類似しているが、蒸気タービン・発電機アセンブリ34及び復水器36に代えて発電用燃料電池装置72を設けた点で異なる。また、システム70は蒸気タービン34を含まないので、蒸気発生器16で発生した水蒸気はすべて蒸気ライン44を経由して水分解装置18に送られる。
【0018】
水分解装置18で生じた酸素と水素の一部は、燃料電池装置72での電気の発生に用いられる。水は燃料電池装置72における電気発生の副生物である。この副生物の水は出力水ライン74を経て給水ライン32に送られる。燃料電池装置72は水循環ライン76及び78を含んでいる。また、水ライン80によって水循環ライン78と脱塩プラント30とが連結され、加熱された補給水をプラント30に供給する。廃水ライン82は脱塩プラント30から塩分を含んだ廃水を除去する。
【0019】
上述のシステム10、60及び70は、通常運転温度で運転される液体金属原子炉12及びトッピングヒータ20及び62を利用することによって、水分解装置18の効率的運転に十分な量の熱を低コストで発生する。トッピングヒータ20及び62は、原子炉12の発熱で生じる蒸気の温度を所望の分解装置運転温度へと上昇させる。水分解装置18を原子炉12及びトッピングヒータ20及び60から供給される熱と共に水素の発生に利用すると、炭素系原料を使用した水素の発生で通例起こる温室効果ガスの排出をなくすことができる。
【0020】
以下に本発明の各種実施形態を示す。
【0021】
1.給水(30);
非放射性二次熱ループ(14)を有する液体金属原子炉(12);
上記二次熱ループと連結し、上記給水の温度を上げることのできる蒸気発生器(16);
給水入力ライン(32)により上記給水と連結した高温水分解装置(18);及び
上記給水の温度を上げることのできるトッピングヒータ(20)
を含んでなる水素発生システム(10)。
【0022】
2.給水(30)が脱塩プラント、浄水装置及び蒸気タービン復水器の少なくとも1つからの出力を含む、1のシステム(10)。
【0023】
3.給水入力ライン(32)が蒸気発生器(16)と連結していて、該蒸気発生器が給水の温度を約450℃〜約550℃に上昇させる、1のシステム(10)。
【0024】
4.給水(30)が蒸気発生器(16)の下流のトッピングヒータ(20)と連結していて、該トッピングヒータが給水の温度を850℃以上に上昇させる、3のシステム(10)。
【0025】
5.トッピングヒータ(20)がガス燃焼ヒータを含む、1のシステム(10)。
【0026】
6.高温水分解装置(18)で発生した酸素と水素の一部をトッピングヒータ(20)で燃料として使用する、5のシステム(10)。
【0027】
7.第一再生式熱交換器(40)をさらに含んでいて、ガス燃焼トッピングヒータ(20)からの排気を第一再生式熱交換器(40)に送り、給水入力ライン(32)が蒸気発生器(16)の下流の第一再生式熱交換器(40)と連結している、5のシステム(10)。
【0028】
8.ガス燃焼トッピングヒータ(20)の排気を、第一再生式熱交換器(40)に通した後、脱塩プラントに送る、7のシステム(10)。
【0029】
9.第二再生式熱交換器(48)をさらに含んでいて、ガス燃焼トッピングヒータ(20)からの排気を、第一再生式熱交換器(40)に通した後、第二再生式熱交換器(48)に送る、7のシステム(10)。
【0030】
10.蒸気タービン・発電機アセンブリ(34)をさらに含んでいて、蒸気発生器(16)の出力の一部を第二再生式熱交換器(48)を通して蒸気タービン・発電機アセンブリ(34)に送る、9のシステム(10)。
【0031】
11.蒸気タービン・発電機アセンブリ(34)をさらに含んでいて、蒸気発生器(16)の出力の一部を用いて蒸気タービン・発電機アセンブリ(34)を駆動して発電する、1のシステム(10)。
【0032】
12.トッピングヒータ(62)が電気ヒータを含み、蒸気タービン・発電機アセンブリ(34)で発生した電気の一部を用いて上記電気トッピングヒータに電力供給する、11のシステム(10)。
【0033】
13.当該システムが発電燃料電池装置(72)をさらに含んでいて、トッピングヒータ(62)が電気ヒータを含み、高温水分解装置(18)で発生した酸素と水素の一部を上記発電燃料電池で燃料として使用し、上記燃料電池装置で発生した電気の一部を使用して電気トッピングヒータに電力供給し、上記燃料電池装置で発生した水を給水(30)に加えて高温水分解装置用に用いる、1のシステム(10)。
【0034】
14.非放射性二次熱ループ(14)を有する液体金属原子炉(12)を用いて水素を発生する方法であって、当該方法が、
二次熱ループ(14)を蒸気発生器(16)と連結することにより、二次熱ループを蒸気発生器用の熱源として利用する段階、
上記蒸気発生器内で給水(30)を加熱する段階、
加熱した給水を蒸気発生器からトッピングヒータ(20)に送る段階、
トッピングヒータを用いて給水を加熱する段階、
加熱した給水をトッピングヒータから高温水分解装置(18)に送って水素と酸素を発生させる段階
を含んでなる方法。
【0035】
15.蒸気発生器(16)内で給水(30)を加熱する段階が、蒸気発生器内の給水を約450℃〜約550℃の温度に加熱する段階を含む、14の方法。
【0036】
16.トッピングヒータ(20)内で給水(30)を加熱する段階が、トッピングヒータ内の給水を約850℃以上に加熱する段階を含む、14の方法。
【0037】
17.トッピングヒータ(20)がガス燃焼ヒータを含んでいて、当該方法が、高温水分解装置(18)で発生した酸素と水素の一部をトッピングヒータに送ってトッピングヒータで燃料として使用する段階をさらに含む、14の方法。
【0038】
18.当該方法がガス燃焼トッピングヒータ(20)からの排気を第一再生式熱交換器(40)に送る段階をさらに含んでいて、加熱した給水を蒸気発生器(16)からトッピングヒータ(20)に送る段階が、
加熱した給水を蒸気発生器から第一再生式熱交換器に送る段階、
第一再生式熱交換器で給水を加熱する段階、及び
加熱した給水をトッピングヒータに送る段階
を含む、17の方法。
【0039】
19.ガス燃焼トッピングヒータ(20)からの排気を、第一再生式熱交換器(40)を通した後に、第二再生式熱交換器(48)に送る段階をさらに含む、18の方法。
【0040】
20.蒸気発生器(16)からの加熱した給水(30)の一部を第二再生式熱交換器(48)に送る段階、
第二再生式熱交換器で給水を加熱する段階、
加熱した給水を第二再生式熱交換器から蒸気タービン・発電機アセンブリ(34)に送る段階、及び
加熱した給水を用いて蒸気タービン・発電機アセンブリを駆動することにより発電する段階
をさらに含む、19の方法。
【0041】
21.蒸気発生器(16)からの加熱した給水(30)の一部を蒸気タービン・発電機アセンブリ(34)に送る段階、
加熱した給水を用いて蒸気タービン・発電機アセンブリを駆動することにより発電する段階
をさらに含む、14の方法。
【0042】
22.トッピングヒータ(62)が電気ヒータを含んでいて、当該方法が、蒸気タービン・発電機アセンブリ(34)で発生した電気の一部を電気トッピングヒータに送り電気トッピングヒータに電力供給する段階を含む、21の方法。
【0043】
23.トッピングヒータ(62)が電気ヒータであり、当該方法が、
高温水分解装置(18)で発生した酸素と水素の一部を発電燃料電池装置(72)に送る段階、
水素と酸素を燃料電池装置の燃料として利用して発電する段階、及び
燃料電池装置で発生した電気の一部を電気トッピングヒータに送り電気トッピングヒータに電力供給する段階
をさらに含む、14の方法。
【0044】
24.燃料電池装置(72)で副生物として発生した水を給水(30)に加える段階をさらに含む、23の方法。
【0045】
以上、様々な実施形態に関して本発明を説明してきたが、本発明の技術的思想及び技術的範囲内で各種の変更を加えて本発明を実施できることは当業者には自明であろう。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態に係るガス燃焼トッピングヒータを含む水素発生システムの線図である。
【図2】本発明の別の実施形態に係る電気トッピングヒータを含む水素発生システムの線図である。
【図3】本発明の他の実施形態に係る電気トッピングヒータ及び発電燃料電池装置を含む水素発生システムの線図である。
【符号の説明】
10,60,70 水素発生システム
12 液体金属原子炉
14 二次熱ループ
16 蒸気発生器
18 水分解装置
20 トッピングヒータ
30 給水
32 給水入力ライン
40 再生式熱交換器
62 トッピングヒータ

Claims (24)

  1. 給水;
    非放射性二次熱ループを有する液体金属原子炉;
    上記非放射性二次熱ループと連結し、上記給水の温度を上げることのできる蒸気発生器;
    給水入力ラインにより上記給水と連結した高温水分解装置;及び
    上記給水の温度を上げることのできるトッピングヒータ
    を含んでなる水素発生システム。
  2. 前記給水が脱塩プラント、浄水装置及び蒸気タービン復水器の少なくとも1つからの出力を含む、請求項1記載のシステム。
  3. 前記給水入力ラインが前記蒸気発生器と連結していて、前記蒸気発生器が給水の温度を約450℃〜約550℃に上昇させる、請求項1記載のシステム。
  4. 前記給水が前記蒸気発生器の下流の前記トッピングヒータと連結していて、前記トッピングヒータが給水の温度を850℃以上に上昇させる、請求項3記載のシステム。
  5. 前記トッピングヒータがガス燃焼トッピングヒータを含む、請求項1記載のシステム。
  6. 前記高温水分解装置で発生した酸素と水素の一部を前記トッピングヒータで燃料として使用する、請求項5記載のシステム。
  7. 第一再生式熱交換器をさらに含んでいて、前記ガス燃焼トッピングヒータからの排気を第一再生式熱交換器に送り、前記給水入力ラインが前記蒸気発生器の下流の前記第一再生式熱交換器と連結している、請求項5記載のシステム。
  8. 前記給水が脱塩プラントの出力を含み、ガス燃焼トッピングヒータの排気を、前記第一再生式熱交換器に通した後、脱塩プラントに送る、請求項7記載のシステム。
  9. 第二再生式熱交換器をさらに含んでいて、前記ガス燃焼トッピングヒータからの排気を、前記第一再生式熱交換器に通した後、前記第二再生式熱交換器に送る、請求項7記載のシステム。
  10. 蒸気タービン・発電機アセンブリをさらに含んでいて、前記蒸気発生器の出力の一部を前記第二再生式熱交換器を通して上記蒸気タービン・発電機アセンブリに送る、請求項9記載のシステム。
  11. 蒸気タービン・発電機アセンブリをさらに含んでいて、前記蒸気発生器の出力の一部を用いて上記蒸気タービン・発電機アセンブリを駆動して発電する、請求項1記載のシステム。
  12. 前記トッピングヒータが電気トッピングヒータを含み、前記蒸気タービン・発電機アセンブリで発生した電気の一部を用いて上記電気トッピングヒータに電力供給する、請求項11記載のシステム。
  13. 当該システムが発電燃料電池装置をさらに含んでいて、前記トッピングヒータが電気トッピングヒータを含み、前記高温水分解装置で発生した酸素と水素の一部を上記発電燃料電池装置で燃料として使用し、上記発電燃料電池装置で発生した電気の一部を使用して前記電気トッピングヒータに電力供給し、上記発電燃料電池装置で発生した水を前記給水に加えて前記高温水分解装置用に用いる、請求項1記載のシステム。
  14. 非放射性二次熱ループを有する液体金属原子炉を用いて水素を発生する方法であって、当該方法が、
    上記非放射性二次熱ループを蒸気発生器と連結することにより、上記非放射性二次熱ループを蒸気発生器用の熱源として利用する段階、
    上記蒸気発生器内で給水を加熱する段階、
    加熱した給水を蒸気発生器からトッピングヒータに送る段階、
    トッピングヒータを用いて給水を加熱する段階、
    加熱した給水をトッピングヒータから高温水分解装置に送って水素と酸素を発生させる段階
    を含んでなる方法。
  15. 蒸気発生器内で給水を加熱する段階が、蒸気発生器内の給水を約450℃〜約550℃の温度に加熱する段階を含む、請求項14記載の方法。
  16. トッピングヒータ内で給水を加熱する段階が、トッピングヒータ内の給水を約850℃以上に加熱する段階を含む、請求項14記載の方法。
  17. 前記トッピングヒータがガス燃焼ヒータを含んでいて、当該方法が、前記高温水分解装置で発生した酸素と水素の一部をトッピングヒータに送ってトッピングヒータで燃料として使用する段階をさらに含む、請求項14記載の方法。
  18. 当該方法がガス燃焼トッピングヒータからの排気を第一再生式熱交換器に送る段階をさらに含んでいて、前記加熱した給水を蒸気発生器から上記ガス燃焼トッピングヒータに送る段階が、
    加熱した給水を蒸気発生器から第一再生式熱交換器に送る段階、
    第一再生式熱交換器で給水を加熱する段階、及び
    加熱した給水をトッピングヒータに送る段階
    を含む、請求項17記載の方法。
  19. ガス燃焼トッピングヒータからの排気を、第一再生式熱交換器を通した後に、第二再生式熱交換器に送る段階をさらに含む、請求項18記載の方法。
  20. 蒸気発生器からの加熱した給水の一部を第二再生式熱交換器に送る段階、
    第二再生式熱交換器で給水を加熱する段階、
    加熱した給水を第二再生式熱交換器から蒸気タービン・発電機アセンブリに送る段階、及び
    加熱した給水を用いて蒸気タービン・発電機アセンブリを駆動することにより発電する段階
    をさらに含む、請求項19記載の方法。
  21. 蒸気発生器からの加熱した給水の一部を蒸気タービン・発電機アセンブリに送る段階、
    加熱した給水を用いて蒸気タービン・発電機アセンブリを駆動することにより発電する段階
    をさらに含む、請求項14記載の方法。
  22. 前記トッピングヒータが電気トッピングヒータを含んでいて、当該方法が、前記蒸気タービン・発電機アセンブリで発生した電気の一部を電気トッピングヒータに送り電気トッピングヒータに電力供給する段階を含む、請求項21記載の方法。
  23. 前記トッピングヒータが電気トッピングヒータであり、当該方法が、
    前記高温水分解装置で発生した酸素と水素の一部を発電燃料電池装置に送る段階、
    水素と酸素を上記発電燃料電池装置の燃料として利用して発電する段階、及び
    上記発電燃料電池装置で発生した電気の一部を電気トッピングヒータに送り電気トッピングヒータに電力供給する段階
    をさらに含む、請求項14記載の方法。
  24. 上記発電燃料電池装置で副生物として発生した水を給水に加える段階をさらに含む、請求項23記載の方法。
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