JP4718910B2

JP4718910B2 - 水素製造装置および水素製造方法

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Publication number: JP4718910B2
Application number: JP2005176290A
Authority: JP
Inventors: 達實池田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2005-06-16
Filing date: 2005-06-16
Publication date: 2011-07-06
Anticipated expiration: 2025-06-16
Also published as: JP2006347810A

Description

本発明は、発電プラントから発生する蒸気を抽気し、その抽気した蒸気の熱を利用して水素を含有する燃料を蒸気改質させて水素ガスを生成する水素製造装置および水素製造方法に関する。

燃料電池発電プラントや水素燃焼発電プラントに燃料として供給する水素は、水の電気分解により製造することが提案されているが、この水の電気分解による水素製造では電力を必要とするので、エネルギーの利用効率が極めて悪くコスト高につながる。一方、メタノールやジメチルエーテル等の含酸素炭化水素は、メタンから製造されるためその量が比較的多く、低温での蒸気改質で水素を製造できるのでコスト的に有利である。

そこで、発電プラントと水素製造プラントとを組み合わせて、発電プラントから発生する蒸気を用いて含酸素炭化水素を蒸気改質して水素ガスを生成する水素生産システムがある（例えば、特許文献１参照）。

この水素生産システムでは、発電プラントから発生する蒸気を抽気し、その抽気した蒸気に水素製造プラントから供給される燃料を熱交換または直接合流させ、燃料に含まれている水素を蒸気改質させて水素ガスを生成する。水素を生成する改質器は、発電プラントから抽気した蒸気の熱を利用して燃料を改質するので、蒸気の熱を効率よく有効利用し熱交換効率の向上を図ることが望ましい。
特開２００３−２４８０８３号公報

ところが、特許文献１のものでは、改質器で使用した蒸気を気水分離器で分離し、蒸気タービンに戻すことが示されているが、発電プラントから抽気した蒸気の熱を改質器において効率よく利用できる工夫がなされていない。また、気水分離器で分離された水は発電プラントの外に取り出しているが、発電プラントが沸騰水型原子力発電所である場合には、蒸気タービンから抽気した蒸気は放射化されているので、この蒸気の凝縮水を発電プラントの外に取り出して水素製造プラントに利用するには安全対策が必須となり、安全対策設備を別途設置する必要がある。

本発明の目的は、改質器の熱交換効率の向上および抽気した蒸気の利用効率を向上させ、安全性の高い水素製造装置および水素製造方法を提供することである。

本発明に係わる水素製造装置は、発電プラントから発生する蒸気を抽気し、その抽気した蒸気の熱を利用して水素を含有する燃料を蒸気改質させて水素ガスを生成する水素製造装置において、前記発電プラントから抽気された蒸気により熱交換し水を蒸気に変換すると共に燃料を予熱し燃料に蒸気を混合した混合ガスを生成する燃料供給装置と、前記燃料供給装置から供給された混合ガスと前記発電プラントから抽気された蒸気とを熱交換させる混合ガス熱交換器と、前記混合ガス熱交換器から出た混合ガスを前記発電プラントから抽気された蒸気の熱を利用して熱交換させることで水素を含有する燃料を蒸気改質させて水素ガスを生成する改質器と、前記改質器で生成された水素ガスを含む生成ガスを精製して水素ガスを分離回収する回収装置とを備え、前記改質器は、前記発電プラントから抽気された蒸気を加熱媒体として取り込み熱交換して排出するシェルと、前記シェル内に配置されると共に触媒が充填され前記混合ガスを流すための複数のチューブと、前記チューブの外側に間隔を保って前記チューブを包囲して配置された複数の加熱媒体案内管と、前記加熱媒体案内管を支持すると共に加熱媒体の流れを妨げるためのバッフル板とを備えたことを特徴とする。

また、本発明に係わる水素製造装置は、発電プラントから発生する蒸気を抽気し、その抽気した蒸気の熱を利用して水素製造プラントから供給される水素を含有する燃料を蒸気改質させて水素ガスを生成する水素製造装置において、発電プラントから抽気された蒸気と媒体流体とを熱交換する中間熱交換器と、前記中間熱交換器からの媒体流体を循環させるための循環設備と、前記循環設備により循環する前記中間熱交換器からの媒体流体により熱交換し水を蒸気に変換すると共に燃料を予熱し燃料に蒸気を混合した混合ガスを生成する燃料供給装置と、前記燃料供給装置から供給された混合ガスと前記中間熱交換器からの媒体流体とを熱交換させる混合ガス熱交換器と、前記混合ガス熱交換器から出た混合ガスに前記中間熱交換器からの媒体流体の熱を利用して熱交換させて水素を含有する燃料を蒸気改質させて水素ガスを生成する改質器と、前記改質器で生成された水素ガスを含む生成ガスを精製して水素ガスを分離回収する回収装置とを備え、前記改質器は、前記中間熱交換器からの媒体流体を加熱媒体として取り込み熱交換して排出するシェルと、前記シェル内に配置されると共に触媒が充填され前記混合ガスを流すための複数のチューブと、前記チューブの外側に間隔を保って前記チューブを包囲して配置された複数の加熱媒体案内管と、前記加熱媒体案内管を支持すると共に加熱媒体の流れを妨げるためのバッフル板とを備えたことを特徴とする。

さらに、本発明に係わる水素製造方法は、発電プラントから発生する蒸気を抽気し、その抽気された蒸気により熱交換を行い水を蒸気に変換する工程と、この熱交換により水素を含有する燃料を予熱し燃料に蒸気を混合した混合ガスを生成する工程と、前記混合ガスと前記発電プラントから抽気された蒸気とを熱交換させる工程と、改質器のシェル内に配置されると共に触媒が充填された複数のチューブに熱交換された前記混合ガスを流す工程と、前記チューブの外側に間隔を保って前記チューブを包囲して配置され前記発電プラントから抽気された蒸気の流れを妨げるためのバッフル板で支持された複数の加熱媒体案内管に前記発電プラントから抽気された蒸気を加熱媒体として取り込み熱交換して排出する工程と、この熱交換を施すことで蒸気改質させた改質後ガスから水素ガスを分離回収する工程とを有することを特徴とする。

本発明によれば、発電プラントから発生した蒸気の熱エネルギーを改質器および混合ガス熱交換器および燃料供給装置に利用できるので、水素製造に必要なエネルギーの大半を効果的に活用できる。また、蒸気の利用後は再び発電プラントに戻すので無駄なく有効に利用できる。従って、発電プラントのエネルギー効率をより一層向上させることができる。

（第１の実施の形態）
図１は本発明の第１の実施の形態に係わる水素製造装置の構成図である。水素製造装置１１は、発電プラント１２に接続して構成され、発電プラント１２の蒸気熱エネルギーを利用し燃料を蒸気改質させて水素を生成する。発電プラント１２は、原子炉やボイラ等の蒸気発生装置１３、高圧蒸気タービン１４、低圧蒸気タービン１５、復水器１６、給水ポンプ１７、発電機１８を備えている。

蒸気発生装置１３で発生した高温蒸気は主蒸気管１９を介して高圧蒸気タービン１４に供給され、膨張仕事をして高圧蒸気タービン１４を回転させた後、さらに低圧蒸気タービン１５に導かれる。そして、ここでも膨張仕事をさせて低圧蒸気タービン１５を回転させる。発電機１８は高圧蒸気タービン１４および低圧蒸気タービン１５の回転軸に直結されており、高圧蒸気タービン１４および低圧蒸気タービン１５により発電機１８が駆動されて発電するようになっている。低圧蒸気タービン１５で仕事を終えた蒸気は復水器１６で冷却されて凝縮水となり、給水ポンプ１７で蒸気発生装置１３に戻される。

一方、水素製造装置１１は、燃料供給装置２０と、混合ガス熱交換器２１と、改質器２２と、回収装置２３とを備えている。燃料供給装置２０は燃料供給器２４からの燃料を燃料予熱器２５で予熱すると共に、水供給器２６からの水を蒸気変換器２７により蒸気に変換し、予熱した燃料に蒸気を混合して混合ガスを生成する。燃料予熱器２５や蒸気変換器２７には、主蒸気管１９から分岐した主蒸気抽気管２８から抽気された蒸気が供給される。

混合ガス熱交換器２１は、燃料供給装置２０から供給された混合ガスと発電プラント１２の主蒸気抽気管２８から抽気された蒸気とを熱交換させ、熱交換した混合ガスを改質器２２に供給する。改質器２２は、混合ガス熱交換器２１から出た混合ガスに発電プラント１２の主蒸気抽気管２８から抽気された蒸気の熱を利用して熱交換させ、水素を含有する燃料を蒸気改質させて水素ガスを生成する。改質器２２で生成された水素ガスを含む生成ガスは回収装置２３に導かれ、回収装置２３にて精製して水素ガスを分離回収する。

このように、燃料供給装置２０、混合ガス熱交換器２１および改質器２２は、並列に設けられ、主蒸気管１９から分岐した主蒸気抽出管２８がさらに３本に分岐して主蒸気抽出管２８Ａ、２８Ｂ、２８Ｃとそれぞれ接続されている。これにより、発電プラント１２から抽気された蒸気は、改質器２２の熱交換と混合ガス熱交換器２１の熱交換と燃料供給装置２０の熱交換に利用される。これらの熱交換に利用された蒸気は戻り管２９Ａ、２９Ｂ、２９Ｃを通って合流して、発電プラント１２の復水器１６に接続した戻り管２９を通って復水器１６に回収される。

一方、燃料供給装置２０は、燃料予熱器２５と、燃料に混合される蒸気を発生させる蒸気変換器２７とを有し、燃料予熱器２５には燃料を供給するための燃料供給器２４が接続され、蒸気変換器２７には水を供給するための水供給器２６が接続されている。燃料供給器２４は、図示しないが、例えば、燃料タンク、ポンプ、圧力調整器などが備えられ、水供給器２６は、図示しないが、例えば水タンク、ポンプなどが備えられている。燃料予熱器２５は蒸気変換器２７の後段に設置され、蒸気変換器２７は主蒸気抽出管２８Ｃが接続され、蒸気変換器２７と燃料予熱器２５との間は主蒸気抽出管２８Ｄが接続されている。

図２は、本発明の第１の実施の形態における改質器２２の構成図である。図２では、シェルアンドチューブ型の縦型熱交換器を備えた改質器２２を示している。シェル３０の内部は入口側ガス室３１と出口側ガス室３２とを有し、混合ガス入口ノズル３３から入口側ガス室３１に導入された混合ガスは複数本のチューブ３４を経由して出口側ガス室３２に導かれ生成ガス出口ノズル３５から回収装置２３に排出される。シェル３０の中に配置された複数本のチューブ３４内には、触媒３６が充填されている。

一方、シェル３０の加熱媒体入口ノズル３７から、発電プラントから抽気された蒸気が加熱媒体として流入し、チューブ３４内を流れる混合ガスと熱交換して加熱媒体出口ノズル３８から排出される。また、チューブ３４の外側には同軸円周上に隙間をなしてチューブ３４を包含する形で加熱媒体案内管３９が設置されている。この加熱媒体案内管３９はバッフル板４０で固定されている。加熱媒体案内管３９は上下端が開放されており、チューブ３４とで形成された隙間によって加熱媒体流路４１が形成され、シェル３０内に供給された加熱媒体がチューブ３４の周りを流れるようになっている。これにより、改質器２２での熱交換効率を向上させている。

次に、動作を説明する。発電プラント１２の主蒸気管１９から分岐して抽出した高温蒸気は主蒸気抽出管２８を通って主蒸気抽出管２８Ａから改質器２２へ、主蒸気抽出管２８Ｂから混合ガス熱交換器２１へ、主蒸気抽出管２８Ｃから蒸気変換器２７へ、さらに主蒸気抽出管２８Ｄを通って燃料予熱器２５へとそれぞれ流れる。

一方、燃料供給器２４から供給された燃料、例えばジメチルエーテル等の含酸素炭化水素は、燃料予熱器２５で主蒸気との熱交換で予熱されて混合ガス熱交換器２１へ、水供給器２６から供給された水は蒸気変換器２７で主蒸気との熱交換で加熱されて蒸気になり混合ガス熱交換器２１へ流れる。そして、燃料と蒸気とが混合して混合ガスとなって混合ガス熱交換器２１で主蒸気との熱交換で加熱されて改質器２２内へ流れる。

改質器２２内には、例えばＣｕ−Ｚｎの触媒３６が充填され、混合ガスは主蒸気と熱交換して加熱されて、例えば燃料がジメチルエーテルの場合は蒸気によって、次の（１）式のように改質反応を行って水素ガスを生成する。

ＣＨ_３ＯＣＨ_３＋３Ｈ_２Ｏ→６Ｈ_２＋２ＣＯ_２ …（１）
このようにして生成された水素ガスは二酸化炭素ＣＯ_２を含有するので回収装置２３で分離されて回収される。発電プラント１２の主蒸気管１９から分岐して抽出した高温蒸気は、改質器２２と、混合ガス熱交換器２１と、燃料予熱器２５および蒸気変換器２７の熱交換に利用されて戻り管２９を通って発電プラント１２に戻される。そして低圧蒸気タービン１５を出た主蒸気と合流して復水器１６で凝縮水となって蒸気発生装置１３に戻される。さらに、主蒸気分岐管２８、２８Ａ、２８Ｂ、２８Ｃには、それぞれ図示省略の調節弁が設置されており熱負荷に対応して主蒸気流量が調節される。

一方、改質器２２においては、加熱媒体がシェル３０に設置された加熱媒体入口ノズル３７から加熱媒体がシェル３０内に入る。加熱媒体はバッフル板４０によって加熱媒体流路４１以外は塞がれているので、複数の加熱媒体流路４１に分岐して流れ、チューブ３４を加熱して加熱媒体出口ノズル３８から出て行く。混合ガスは混合ガス入口ノズル３３から入口側ガス室３１に入ってそれぞれ複数のチューブ３４内に分岐して流れる。混合ガスが触媒充填層を流れる間に改質反応により水素ガス等の生成ガスとなって出口側ガス室３２に集まり、混合ガス出口ノズル３５から出て行く。

触媒層内は吸熱反応であり、熱量が多いほど触媒充填層での反応が促進され水素生成効率は良くなる。そこで、余分な領域はバッフル板４０によって塞いでいるので、多くの加熱媒体が伝熱部であるチューブ３４の周りを流れるので効率良く多くの熱量を与えられる。また、主蒸気抽出管２８の系統には、反応生成に必要な温度が不足する場合は、不足分を補填する加熱器を設置することも可能である。

図３は、本発明の第１の実施の形態に係わる改質器の他の一例を示す構成図である。この改質器２２は、図２に示したものに対し、シェル内の加熱媒体案内管とバッフル板との空間部に低熱伝導性の粒体４２を充填したものである。図２と同一要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。

図３に示すように、シェル３０とチューブ３４との空間部に低熱伝導性の粒体４２が充填されている。低熱伝導性の粒体４２は、例えば、セラミックで数ミリ径のアルミナ球またはジルコニア球等が好ましい。アルミナまたはジルコニアは低熱伝導性で断熱効果があり、かつ比熱が大きいので蓄熱効果も期待される。数ミリの球形としたのは充填の容易さからである。

低熱伝導性でかつ、比熱の大きいアルミナ球またはジルコニア球の粒体４２を充填することによって、チューブ３４の周りが断熱されるので、チューブ３４への入熱量が大きくなる。また蓄熱効果によって温度変化が緩やかになり安定した熱交換が行われるなど水素生成効率の高い水素製造装置１１を提供することができる。

図４は、本発明の第１の実施の形態に係わる改質器の別の他の一例の部分構成図である。この改質器２２は、図２に示したものに対し、チューブ３４の外壁に沿って針金状の円形棒４３を螺旋状に巻きつけたものである。図２と同一要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。

図４に示すように、針金状の円形棒４３をチューブ３４の外壁に沿って螺旋状に設置している。円形棒４３としたのは螺旋状に捩じって施工する際に方向性が無いので同じ外径になり加熱媒体案内管３９内に挿入し易くするためである。また、この螺旋状に巻いた円形棒４３はチューブ３４の振れ止めサポートとして作用する。これにより、加熱媒体案内管３９との間に螺旋状の加熱媒体流路４１が形成されるので、加熱媒体がチューブ３４の全周にわたって流れて熱交換されるので入熱量が大きくなり水素生成効率の高い水素製造装置１１を提供できる。

図５は、本発明の第１の実施の形態に係わる改質器のさらに別の他の一例の部分構成図である。この改質器２２は、図２に示したものに対し、チューブ３４内部に伝熱促進体４４を設置したものである。図５（ａ）、（ｂ）に示すように、チューブ３４と触媒３６との間に伝熱促進体４４ａ、４４ｂが設置されている。図５（ａ）の伝熱促進体４４ａは、チューブ３４の内面を凹凸面構造とした凹凸面構造体で形成されている。チューブ３４の伝熱面を凹凸面構造体にしたことによって、伝熱面積が大きくなり伝熱量が向上する。一方、図５（ｂ）の伝熱促進体４４ｂは、バネ体で形成されている。伝熱促進体４４ｂをバネ体とすることにより、積極的にチューブ３４と触媒３６とがバネ体を介して接触するようにしている。これにより、バネ体を介してチューブ３４と触媒３６とが接触することによって伝熱量が向上する。

第１の実施の形態によれば、発電プラント１２から発生した蒸気の熱エネルギーを水素製造装置１１の改質器２２および混合ガス熱交換器２１および燃料供給装置２０に利用できるので、水素製造に必要なエネルギーの大半を効果的に活用できる。また、利用後は再び発電プラントに戻されるので無駄なく有効に利用できる。また、改質器２２として、加熱媒体を集中的にチューブ３４周りに流すことができるように構成したので、改質器２２の熱交換効率が向上して水素生成効率の高い水素製造装置１１を提供できる。

（第２の実施の形態）
図６は本発明の第２の実施の形態に係わる水素製造装置の構成図である。この第２の実施の形態は、図１に示した第１の実施の形態に対し、回収装置２３を燃料供給装置２０の後段に設け、燃料供給装置２０での熱交換は、発電プラント１２から抽気された蒸気に代えて、改質器２２から出た水素ガスを含む生成ガスにより熱交換し、燃料供給装置２０で熱交換した後の水素ガスを含む生成ガスを回収装置２３に供給するようにしたものである。図１と同一要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。

図６に示すように、回収装置２３は燃料供給装置２０の燃料予熱器２５の後段に設置される。発電プラント１２の主蒸気管１９から分岐した主蒸気抽出管２８は２本に分岐して主蒸気抽出管２８Ａ、２８Ｂとなり、抽気蒸気は改質器２２の熱交換と混合ガス熱交換器２１の熱交換に利用される構成になっている。これらの熱交換に利用された蒸気は戻り管２９Ａ、２９Ｂを通って合流して、発電プラント１２の復水器１６に接続した戻り管２９を通って復水器１６に回収される。

一方、改質器２２で生成された水素ガスは、改質器２２と燃料供給装置２０の蒸気変換器２７との間を接続した生成ガス回収管４５Ａを通って燃料供給装置２０の蒸気変換器２７で熱交換される。その熱交換後に、蒸気変換器２７と燃料予熱器２５との間を接続した生成ガス回収管４５Ｂを通って燃料予熱器２５で熱交換して、さらに生成ガス回収管４５Ｃを通って回収装置２３へ流れる構成になっている。

次に、動作を説明する。発電プラント１２から分岐して抽出した高温蒸気は主蒸気抽出管２８を通って主蒸気抽出管２８Ａから改質器２２へ、主蒸気抽出管２８Ｂから混合ガス熱交換器２１へ流れる。一方、燃料供給器２４から供給された燃料は、燃料予熱器２５で改質生成した水素ガスとの熱交換で予熱されて混合ガス熱交換器２１へ流れる。一方、水供給器２６から供給された水は蒸気変換器２７で改質生成した水素ガスとの熱交換で加熱されて蒸気になり混合ガス熱交換器２１へ流れる。混合ガス熱交換器２１では、燃料と蒸気とが混合して混合ガスとなり混合ガス熱交換器２１で主蒸気との熱交換で加熱されて改質器２２内へ流れる。改質器２２内には触媒が充填され、改質反応を行って水素ガスを生成する。生成された水素ガスは回収装置２３で分離されて回収される。

ここで、改質器２２で生成された水素ガスは、直接回収装置２３へ行かないで生成ガス回収管４５Ａを通って蒸気変換器２７の熱交換に利用された後に、生成ガス回収管４５Ｂを通って燃料予熱器２５の熱交換に利用されてから生成ガス回収管４５Ｃを通って回収装置２３に回収される。

一方、発電プラント１２の主蒸気管１９から分岐して抽出した高温蒸気は改質器２２と混合ガス熱交換器２１との熱交換に利用されて、戻り管２９を通って発電プラント１２に戻されて、低圧蒸気タービン１５を出た主蒸気と合流して復水器１６で凝縮水となって蒸気発生装置１３に戻される。さらに、主蒸気分岐管２８、２８Ａ、２８Ｂにはそれぞれ図示省略の調節弁が設置されており熱負荷に対応して主蒸気流量が調節される。

第２の実施の形態によれば、発電プラントから発生した蒸気の熱エネルギーを水素製造装置１１の改質器２２および混合ガス熱交換器２１に利用できると共に、改質反応で発生した生成ガスの余剰熱エネルギーを燃料供給装置２０の熱交換に利用できるので、水素製造に必要なエネルギーの大半を効果的に活用できる。また、蒸気の熱利用後は再び発電プラントに戻されるので無駄なく有効に利用できる。

（第３の実施の形態）
図７は本発明の第３の実施の形態に係わる水素製造装置の構成図である。この第３の実施の形態は、図１に示した第１の実施の形態に対し、発電プラント１２から抽気された蒸気と媒体流体とを熱交換する中間熱交換器４６と、中間熱交換器４６からの媒体流体を循環させるための循環設備４７とを追加して設け、循環設備４７により循環する中間熱交換器４６からの媒体流体により、燃料供給装置２０、混合ガス熱交換器２１、改質器２２に熱交換用の熱を供給するようにしたものである。図１と同一要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。

図７に示すように、発電プラント１２側に中間熱交換器４６および循環設備４７を設ける。循環設備４７はタービン４８と羽根車４９とから構成される。発電プラント１２の蒸気を利用して中間熱交換器４６で熱交換された媒体流体、例えばヘリウムガスなどの媒体流体熱エネルギーを利用して水素製造装置１１の燃料を蒸気改質させて水素を生成する。

循環設備４７はタービン４８により駆動される羽根車４９を有し、さらに、図示省略のケーシング、軸封装置、軸受け装置等の通常機能上必要な部品が備えられている。中間熱交換器４６は主蒸気管１９から分岐した主蒸気抽出管２８に接続されており、主蒸気が一部抽出されて中間熱交換器４６に流れ込み、抽出した主蒸気と内部を通過する媒体流体とで熱交換される。

中間熱交換器４６で熱交換した抽出主蒸気はタービン４８に流れ込みタービン４８を回転させた後に、戻り管５０を通って復水器１６の入り口に戻り低圧蒸気タービン１５で仕事を終えた主蒸気と合流する構成になっている。中間熱交換器４６、循環設備４７、燃料供給装置２０、混合ガス熱交換器２１、改質器２２は、媒体流体配管５１、５２、５３が接続されて閉ループを形成している。これらの媒体流体配管５１、５２、５３内には媒体流体が封入されて、循環設備４７によって循環される。

中間熱交換器４６からの媒体流体配管５２は３本の媒体流体配管５２Ａ、５２Ｂ、５２Ｃに分岐してが並列に接続される。中間熱交換器４６で熱交換によって加熱された媒体流体は改質器２２の熱交換と混合ガス熱交換器２１の熱交換と燃料供給装置２０の熱交換に利用される。これらの熱交換に利用された媒体流体は媒体流体配管５３Ａ、５３Ｂ、５３Ｃを通って合流して媒体流体配管５３を介して、循環設備４７の羽根車４９に吸い込まれ、ここで加圧されて吐出して媒体流体配管５１から中間熱交換器４６へと流れて循環している。

一方、燃料供給装置２０は燃料予熱器２５と、燃料と混合される蒸気を発生させる蒸気発生装置２７とで構成され、燃料予熱器２５には燃料を供給するための燃料供給器２４が接続され、蒸気変換器２７には水を供給するための水供給器２６が接続されている。燃料予熱器２５は蒸気変換器２７の後段に設置され、蒸気変換器２７は媒体流体配管５２Ｃが接続され、蒸気変換器２７と燃料予熱器２５の間は主蒸気抽出管５２Ｄが接続されている。

発電プラント１２の主蒸気管１９から分岐して抽出した高温蒸気は、主蒸気抽出管２８を通って中間熱交換器４６へ流れ、内部の媒体流体を熱交換で加熱して循環設備４７のタービン４８に入り、膨張仕事でタービン４８を回転させる。その後、循環設備４７を出た蒸気は戻り管５０を通って復水器１６の入り口に戻り、低圧蒸気タービン１５で仕事を終えた主蒸気と合流して復水器１６で冷却されて凝縮水になって給水ポンプ１７で蒸気発生装置１３に戻される。

このように、中間熱交換器４６、循環設備４７および主蒸気抽出管２８と戻り管５０など水素製造のために使用される抽出主蒸気が流れる機器類を発電プラント１２内に収納することによって、例えば、沸騰水型原子力発電プラントのように、放射能を含む抽出主蒸気が流れる機器類を原子力発電プラント１２内に収納できる。これによって、放射線防護対策は既存の原子力発電プラントに施されている施設でまかなえるので、水素製造装置のための特別の放射線防護対策が不要である。

次に、タービン４８の回転によって直結している羽根車４９が回転して閉ループの媒体流体が循環する。媒体流体が循環することによって、中間熱交換器４６で発電プラントから抽出した主蒸気によって熱交換で加熱された高温の媒体流体が媒体流体配管５２を介して水素製造装置１１側へ流れる。すなわち、媒体流体配管５２は分岐して媒体流体は媒体流体配管５２Ａから改質器２２へ、媒体流体配管５２Ｂから混合ガス熱交換器２１へ、媒体流体配管５２Ｃから蒸気変換器２７へ流れ媒体流体配管５２Ｄを通って燃料予熱器２５へと流れる。

一方、燃料供給器２４から供給された燃料は燃料予熱器２５で媒体流体との熱交換で予熱されて混合ガス熱交換器２１へ、水供給器２６から供給された水は蒸気変換器２７で媒体流体との熱交換で加熱されて蒸気になり混合ガス熱交換器２１へ流れて、燃料と蒸気が混合して混合ガスとなって混合ガス熱交換器２１で媒体流体との熱交換で加熱されて改質器２２内へ流れる。改質器２２内には、触媒が充填され、混合ガスは媒体流体と熱交換して加熱されて改質反応を行って水素ガスを生成する。このようにして生成された水素ガスは回収装置２３で分離されて回収される。

このように、発電プラント１２から分岐して抽出した高温蒸気を動力源として媒体流体の循環設備４７が駆動して媒体流体が流れて、中間熱交換器４６で発電プラント１２から分岐して抽出した高温蒸気との熱交換で媒体流体が加熱され、改質器２２と、混合ガス熱交換器２１と、蒸気変換器２７から燃料予熱器２５の熱交換に利用されて媒体流体配管５３を通って循環設備４７に戻る。この媒体流体配管の系統は、詳細システム検討時に反応生成に必要な温度が不足する場合は、不足分を補填する加熱器を設置することも可能である。

第３の実施の形態によれば、発電プラント１２の蒸気発生器１３を沸騰水型原子炉にした場合でも、原子炉から発生した蒸気の熱エネルギーを中間熱交換器４６を介して熱媒体流体に熱交換して改質器２２および混合ガス熱交換器２１および燃料供給装置２０に利用できるので、放射化された蒸気が水素製造装置側へ流れることがなく、水素製造装置側に放射線防護対策を別途設置する必要のない安全な水素製造装置を提供することができる。

さらに、熱媒体流体の循環設備の駆動には原子炉から発生した主蒸気を利用できるので必要なエネルギーの大半を効果的に活用できる。さらに利用した抽出主蒸気は再び発電プラントに戻されるので無駄なく有効に利用できる。

（第４の実施の形態）
図８は本発明の第４の実施の形態に係わる水素製造装置の構成図である。この第４の実施の形態は、図７に示した第３の実施の形態に対し、回収装置２３を燃料供給装置２０の後段に設け、燃料供給装置２０での熱交換は、発電プラント１２から抽気された蒸気に代えて、改質器２２から出た水素ガスを含む生成ガスにより熱交換し、燃料供給装置２０で熱交換した後の水素ガスを含む生成ガスを回収装置２３に供給するようにしたものである。図７と同一要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。

発電プラント１２に中間熱交換器４６を介して水素製造装置１１を接続し、発電プラント１２の蒸気を利用して中間熱交換器４６で熱交換された媒体流体（例えばヘリウムガス）の媒体流体熱エネルギーを利用して水素製造装置１１の燃料を蒸気改質させて水素を生成する。

中間熱交換器４６で熱交換した抽出主蒸気はタービン４８に流れ込みタービン４８を回転させた後に、戻り管５０を通って復水器１６の入り口に戻り低圧蒸気タービン１５で仕事を終えた主蒸気と合流する。中間熱交換器４６、循環設備４７、燃料供給装置２０、混合ガス熱交換器２１、改質器２２は、媒体流体配管５１、５２、５３が接続されて閉ループを形成している。これらの媒体流体配管５１、５２、５３内には媒体流体が封入されて、循環設備４７によって循環される。

一方、回収装置２３は燃料供給装置２０の燃料予熱器２５の後段に設置される。改質器２２で生成された水素ガスは、改質器２２と燃料供給装置２０の蒸気変換器２７との間を接続した生成ガス回収管４５Ａを通って燃料供給装置２０の蒸気変換器２７で熱交換される。その熱交換後に、蒸気変換器２７と燃料予熱器２５との間を接続した生成ガス回収管４５Ｂを通って燃料予熱器２５で熱交換して、さらに生成ガス回収管４５Ｃを通って回収装置２３へ流れる構成になっている。

第４の実施の形態によれば、第１の実施の形態の広角に加え、第２の実施の形態および第３の実施の形態の効果を有した水素製造装置を提供することができる。

本発明の第１の実施の形態に係わる水素製造装置の構成図。本発明の第１の実施の形態における改質器の構成図。本発明の第１の実施の形態に係わる改質器の他の一例を示す構成図。本発明の第１の実施の形態に係わる改質器の別の他の一例の部分構成図。本発明の第１の実施の形態に係わる改質器のさらに別の他の一例の部分構成図。本発明の第２の実施の形態に係わる水素製造装置の構成図。本発明の第３の実施の形態に係わる水素製造装置の構成図。本発明の第４の実施の形態に係わる水素製造装置の構成図。

符号の説明

１１…水素製造装置、１２…発電プラント、１３…蒸気発生装置、１４…高圧蒸気タービン、１５…低圧蒸気タービン、１６…復水器、１７…給水ポンプ、１８…発電機、１９…主蒸気管、２０…燃料供給装置、２１…混合ガス熱交換器、２２…改質器、２３…回収装置、２４…燃料供給器、２５…燃料予熱器、２６…水供給器、２７…蒸気変換器、２８…主蒸気抽気管、２９…戻り管、３０…シェル、３１…入口側ガス室、３２…出口側ガス室、３３…混合ガス入口ノズル、３４…チューブ、３５…生成ガス出口ノズル、３６…触媒、３７…加熱媒体入口ノズル、３８…加熱媒体出口ノズル、３９…加熱媒体案内管、４０…バッフル板、４１…加熱媒体流路、４２…粒体、４３…円形棒、４４…伝熱促進体、４５…生成ガス回収管、４６…中間熱交換器、４７…循環設備、４８…タービン、４９…羽根車、５０…戻り配管、５１、５２、５３…媒体流体配管

Claims

発電プラントから発生する蒸気を抽気し、その抽気した蒸気の熱を利用して水素を含有する燃料を蒸気改質させて水素ガスを生成する水素製造装置において、前記発電プラントから抽気された蒸気により熱交換し水を蒸気に変換すると共に燃料を予熱し燃料に蒸気を混合した混合ガスを生成する燃料供給装置と、前記燃料供給装置から供給された混合ガスと前記発電プラントから抽気された蒸気とを熱交換させる混合ガス熱交換器と、前記混合ガス熱交換器から出た混合ガスを前記発電プラントから抽気された蒸気の熱を利用して熱交換させることで水素を含有する燃料を蒸気改質させて水素ガスを生成する改質器と、前記改質器で生成された水素ガスを含む生成ガスを精製して水素ガスを分離回収する回収装置とを備え、前記改質器は、前記発電プラントから抽気された蒸気を加熱媒体として取り込み熱交換して排出するシェルと、前記シェル内に配置されると共に触媒が充填され前記混合ガスを流すための複数のチューブと、前記チューブの外側に間隔を保って前記チューブを包囲して配置された複数の加熱媒体案内管と、前記加熱媒体案内管を支持すると共に加熱媒体の流れを妨げるためのバッフル板とを備えたことを特徴とする水素製造装置。
前記回収装置は前記燃料供給装置の後段に設けられ、前記燃料供給装置の熱交換は、前記発電プラントから抽気された蒸気に代えて、前記改質器から出た水素ガスを含む生成ガスにより熱交換し、前記燃料供給装置で熱交換した後の水素ガスを含む生成ガスを前記回収装置に供給することを特徴とする請求項１記載の水素製造装置。
発電プラントから発生する蒸気を抽気し、その抽気した蒸気の熱を利用して水素製造プラントから供給される水素を含有する燃料を蒸気改質させて水素ガスを生成する水素製造装置において、発電プラントから抽気された蒸気と媒体流体とを熱交換する中間熱交換器と、前記中間熱交換器からの媒体流体を循環させるための循環設備と、前記循環設備により循環する前記中間熱交換器からの媒体流体により熱交換し水を蒸気に変換すると共に燃料を予熱し燃料に蒸気を混合した混合ガスを生成する燃料供給装置と、前記燃料供給装置から供給された混合ガスと前記中間熱交換器からの媒体流体とを熱交換させる混合ガス熱交換器と、前記混合ガス熱交換器から出た混合ガスに前記中間熱交換器からの媒体流体の熱を利用して熱交換させて水素を含有する燃料を蒸気改質させて水素ガスを生成する改質器と、前記改質器で生成された水素ガスを含む生成ガスを精製して水素ガスを分離回収する回収装置とを備え、前記改質器は、前記中間熱交換器からの媒体流体を加熱媒体として取り込み熱交換して排出するシェルと、前記シェル内に配置されると共に触媒が充填され前記混合ガスを流すための複数のチューブと、前記チューブの外側に間隔を保って前記チューブを包囲して配置された複数の加熱媒体案内管と、前記加熱媒体案内管を支持すると共に加熱媒体の流れを妨げるためのバッフル板とを備えたことを特徴とする水素製造装置。
前記回収装置は前記燃料供給装置の後段に設けられ、前記燃料供給装置の熱交換は、前記中間熱交換器からの媒体流体に代えて、前記改質器から出た水素ガスを含む生成ガスにより熱交換し、前記燃料供給装置で熱交換した後の水素ガスを含む生成ガスを前記回収装置に供給することを特徴とする請求項３記載の水素製造装置。
前記シェル内の加熱媒体案内管とバッフル板との空間部に低熱伝導性の粒体を充填したことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一記載の水素製造装置。
前記チューブの外壁に沿って針金状の円形棒を螺旋状に巻きつけたことを特徴とする請求項請求項１ないし請求項４のいずれか一記載の水素製造装置。
前記チューブ内部に伝熱促進体を設置したことを特徴とする請求項請求項１ないし請求項４のいずれか一記載の水素製造装置。
前記伝熱促進体は凹凸面構造であることを特徴とする請求項７記載の水素製造装置。
前記伝熱促進体はチューブ内面と触媒に接触するバネ体であることを特徴とする請求項７記載の水素製造装置。
発電プラントから発生する蒸気を抽気し、その抽気された蒸気により熱交換を行い水を蒸気に変換する工程と、この熱交換により水素を含有する燃料を予熱し燃料に蒸気を混合した混合ガスを生成する工程と、前記混合ガスと前記発電プラントから抽気された蒸気とを熱交換させる工程と、改質器のシェル内に配置されると共に触媒が充填された複数のチューブに熱交換された前記混合ガスを流す工程と、前記チューブの外側に間隔を保って前記チューブを包囲して配置され前記発電プラントから抽気された蒸気の流れを妨げるためのバッフル板で支持された複数の加熱媒体案内管に前記発電プラントから抽気された蒸気を加熱媒体として取り込み熱交換して排出する工程と、この熱交換を施すことで蒸気改質させた改質後ガスから水素ガスを分離回収する工程とを有することを特徴とする水素製造方法。
発電プラントから抽気された蒸気と媒体流体とを中間交換器で熱交換し、前記中間熱交換器からの媒体流体を循環設備で循環させる工程と、前記循環設備により循環する前記中間熱交換器からの媒体流体により熱交換し水を蒸気に変換する工程と、この熱交換により水素を含有する燃料を予熱し燃料に蒸気を混合した混合ガスを生成する工程と、前記混合ガスと前記中間熱交換器からの媒体流体とを熱交換させる工程と、改質器のシェル内に配置されると共に触媒が充填された複数のチューブに熱交換された前記混合ガスを流す工程と、前記中間熱交換器からの媒体流体の流れを妨げるためのバッフル板で支持された複数の加熱媒体案内管に前記中間熱交換器からの媒体流体を加熱媒体として取り込み熱交換して排出する工程と、この熱交換を施すことで蒸気改質させた改質後ガスから水素ガスを分離回収する工程とを有することを特徴とする水素製造方法。