JP4936454B2 - 水素製造装置および水素製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、ヨウ素および二酸化硫黄を用いて水を熱分解することにより水素を製造する水素製造装置および水素製造方法に関するものである。
水を熱分解することによって水素を製造する方法として、ＩＳ（Iodine Sulfur）法が知られている（特許文献１参照）。ＩＳ法は、以下の３つの工程から構成されている。
I ブンゼン反応工程
ヨウ素、二酸化硫黄および水から硫酸水溶液およびヨウ化水素水溶液を生成する。
II ヨウ化水素濃縮分解工程
ブンゼン反応工程によって得られたヨウ化水素水溶液を濃縮した後に、ヨウ化水素を分解し、製品としての水素とブンゼン反応工程へ供給するヨウ素とを得る。
III 硫酸濃縮分解工程
ブンゼン反応装置によって得られた硫酸水溶液を濃縮した後に、硫酸を分解し、酸素とブンゼン反応工程へ供給する二酸化硫黄とを得る。この工程で得られる二酸化硫黄は、硫酸の分解により生成する三酸化硫黄をさらに三酸化硫黄分解工程によって分解することにより得られる。
上記I〜IIIの３つの工程はそれぞれが接続され、閉サイクルとされている。
I ブンゼン反応工程
ヨウ素、二酸化硫黄および水から硫酸水溶液およびヨウ化水素水溶液を生成する。
II ヨウ化水素濃縮分解工程
ブンゼン反応工程によって得られたヨウ化水素水溶液を濃縮した後に、ヨウ化水素を分解し、製品としての水素とブンゼン反応工程へ供給するヨウ素とを得る。
III 硫酸濃縮分解工程
ブンゼン反応装置によって得られた硫酸水溶液を濃縮した後に、硫酸を分解し、酸素とブンゼン反応工程へ供給する二酸化硫黄とを得る。この工程で得られる二酸化硫黄は、硫酸の分解により生成する三酸化硫黄をさらに三酸化硫黄分解工程によって分解することにより得られる。
上記I〜IIIの３つの工程はそれぞれが接続され、閉サイクルとされている。
ブンゼン反応は発熱反応であるが、ヨウ化水素濃縮分解工程におけるヨウ化水素の分解反応、硫酸濃縮分解工程における硫酸の分解反応および硫酸の分解によって生成した三酸化硫黄の分解反応は吸熱反応とされる。したがって、ＩＳ法を実現する場合には、ヨウ化水素濃縮分解工程および硫酸濃縮分解工程に熱エネルギーを投入する必要がある。
ヨウ化水素濃縮分解工程においてヨウ化水素水溶液を濃縮する際に、ヨウ化水素と水とが共沸するので、単なる蒸留法では共沸点を超えてヨウ化水素を濃縮することが困難となる。そこで、ヨウ化水素水溶液を循環操作して共沸条件の下で濃縮する手法が行われる。しかし、循環操作を行えば、循環操作しない場合に比べて余分な熱エネルギーが必要となり、結果として投入エネルギーの低下を実現することができない。
このような蒸留法の問題を解決するために、特許文献１には、ヨウ化水素の濃縮工程において、ヨウ化水素水溶液を水選択透過膜によって透過処理し、室温下で透過水を蒸発させることにより高温熱エネルギー使用量を軽減する技術が提案されている。つまり、透過処理に必要なエネルギーを周囲環境より供給される低温熱エネルギーを使用してヨウ化水素水溶液を脱水濃縮処理し、得られた濃縮水溶液を熱化学分解して水素を得る技術が提案されている。
特開２００４−１０７１１５号公報（図１）
このような蒸留法の問題を解決するために、特許文献１には、ヨウ化水素の濃縮工程において、ヨウ化水素水溶液を水選択透過膜によって透過処理し、室温下で透過水を蒸発させることにより高温熱エネルギー使用量を軽減する技術が提案されている。つまり、透過処理に必要なエネルギーを周囲環境より供給される低温熱エネルギーを使用してヨウ化水素水溶液を脱水濃縮処理し、得られた濃縮水溶液を熱化学分解して水素を得る技術が提案されている。
しかし、特許文献1記載の技術は、室温にて水選択透過膜を適用するので、水分膜分離効率が低下するという問題がある。なぜなら、室温にて濃縮を行った場合には、ヨウ素が固化して析出し、析出したヨウ素によって水選択透過膜が塞がれるため水分膜分離効率が低下するからである。また、蒸発潜熱によって下がった温度を室温の熱源により水素製造プロセス温度である約１００℃まで昇温させることは不可能であるため、多くの熱エネルギーを投入することとなる。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、有効に水選択透過膜を適用してヨウ化水素水溶液を濃縮し、水素製造効率を向上させた水素製造装置及び水素製造方法を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明の水素製造装置及び水素製造方法は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明の参考例としての発明にかかる水素製造装置は、ヨウ素、二酸化硫黄および水から硫酸水溶液およびヨウ化水素水溶液を生成するブンゼン反応装置と、前記ブンゼン反応装置によって得られたヨウ化水素水溶液を濃縮した後にヨウ化水素を分解し、製品としての水素と前記ブンゼン反応装置へ供給するヨウ素とを得るヨウ化水素濃縮分解装置と、前記ブンゼン反応装置によって得られた硫酸水溶液を濃縮した後に硫酸を分解し、酸素と前記ブンゼン反応装置へ供給する二酸化硫黄とを得る硫酸濃縮分解装置と、を備え、前記ヨウ化水素濃縮分解装置には、ヨウ化水素水溶液を水選択透過膜によって水分膜分離する水分膜分離装置が設けられた、水素製造装置において、前記水分膜分離装置には、前記水選択透過膜によって処理されるヨウ化水素水溶液に対して、ヨウ素が析出する温度以上を維持するための熱を供給する熱供給器が設けられていることを特徴とする。
すなわち、本発明の参考例としての発明にかかる水素製造装置は、ヨウ素、二酸化硫黄および水から硫酸水溶液およびヨウ化水素水溶液を生成するブンゼン反応装置と、前記ブンゼン反応装置によって得られたヨウ化水素水溶液を濃縮した後にヨウ化水素を分解し、製品としての水素と前記ブンゼン反応装置へ供給するヨウ素とを得るヨウ化水素濃縮分解装置と、前記ブンゼン反応装置によって得られた硫酸水溶液を濃縮した後に硫酸を分解し、酸素と前記ブンゼン反応装置へ供給する二酸化硫黄とを得る硫酸濃縮分解装置と、を備え、前記ヨウ化水素濃縮分解装置には、ヨウ化水素水溶液を水選択透過膜によって水分膜分離する水分膜分離装置が設けられた、水素製造装置において、前記水分膜分離装置には、前記水選択透過膜によって処理されるヨウ化水素水溶液に対して、ヨウ素が析出する温度以上を維持するための熱を供給する熱供給器が設けられていることを特徴とする。
水分膜分離装置により、ヨウ化水素水溶液中の水分を膜分離することにより、ヨウ化水素水溶液を濃縮することとしたので、水とヨウ化水素との共沸条件によって濃縮の進行が妨げられることがない。したがって、蒸留法による共沸条件の下で濃縮する場合に比べて余分な熱エネルギーを必要としない。
また、室温で操作した場合には、水が水蒸気となる蒸発潜熱によって温度が下がり、ヨウ化水素水溶液中のヨウ素が析出する可能性がある。そうすると、析出したヨウ素が水選択透過膜を塞ぐこととなり、ヨウ化水素水溶液の水分膜分離効率が低下する。そこで、熱供給器によって、ヨウ素が析出する温度以上を維持するための熱を水分膜分離装置に供給することで、ヨウ素の析出を防いで濃縮を進行させることができる。
また、室温で操作した場合には、水が水蒸気となる蒸発潜熱によって温度が下がり、ヨウ化水素水溶液中のヨウ素が析出する可能性がある。そうすると、析出したヨウ素が水選択透過膜を塞ぐこととなり、ヨウ化水素水溶液の水分膜分離効率が低下する。そこで、熱供給器によって、ヨウ素が析出する温度以上を維持するための熱を水分膜分離装置に供給することで、ヨウ素の析出を防いで濃縮を進行させることができる。
さらに、上記水素製造装置は、前記熱供給器の熱源として、当該水素製造装置内の排熱を用いることを特徴とする。
熱供給器の熱源として、当該水素製造装置内の排熱を用いることとしたので、別途新たに熱源を設ける必要がない。したがって、水分膜分離装置に投入される熱エネルギーを低減することができる。これにより、蒸留法によって共沸条件の下で濃縮した場合に比べてヨウ化水素濃縮工程に投入される熱エネルギーを大幅に削減することができる。
用いられる排熱としては、例えば硫酸濃縮分解装置やヨウ化水素濃縮分解装置における排熱が用いられる。
用いられる排熱としては、例えば硫酸濃縮分解装置やヨウ化水素濃縮分解装置における排熱が用いられる。
また、本発明の水素製造装置は、ヨウ素、二酸化硫黄および水から硫酸水溶液およびヨウ化水素水溶液を生成するブンゼン反応装置と、前記ブンゼン反応装置によって得られたヨウ化水素水溶液を濃縮した後にヨウ化水素を分解し、製品としての水素と前記ブンゼン反応装置へ供給するヨウ素とを得るヨウ化水素濃縮分解装置と、前記ブンゼン反応装置によって得られた硫酸水溶液を濃縮した後に硫酸を分解し、酸素と前記ブンゼン反応装置へ供給する二酸化硫黄とを得る硫酸濃縮分解装置と、を備え、前記ヨウ化水素濃縮分解装置には、ヨウ化水素水溶液を水選択透過膜によって水分膜分離する水分膜分離装置が設けられた、水素製造装置において、前記水分膜分離装置の上流側には、ヨウ素を析出させ除去するヨウ素除去装置が設けられ、前記水分膜分離装置には、前記水選択透過膜によって処理されるヨウ化水素水溶液に対して、蒸発潜熱分の熱を供給する熱供給器が設けられ、該熱供給器の熱源として海水を用いることを特徴とする。
ヨウ素除去装置により、水選択透過膜によって水分膜分離する前のヨウ化水素水溶液の温度を下げて、あらかじめヨウ素を析出させて除去することとしたので、水分膜分離の段階で仮に室温まで溶液温度が低下したとしてもヨウ素が析出することがない。したがって、水選択膜透過膜による水分膜分離の進行が妨げられることがない。これによって、ヨウ化水素水溶液の水分膜分離効率を低下させることなく室温で濃縮を行うことができる。
また、室温で濃縮を進行させることができるので、水分膜分離装置に投入される熱エネルギーを低減することができる。
また、室温で濃縮を進行させることができるので、水分膜分離装置に投入される熱エネルギーを低減することができる。
また、本発明の水素製造装置は、ヨウ素、二酸化硫黄および水から硫酸水溶液およびヨウ化水素水溶液を生成するブンゼン反応装置と、前記ブンゼン反応装置によって得られたヨウ化水素水溶液を濃縮した後にヨウ化水素を分解し、製品としての水素と前記ブンゼン反応装置へ供給するヨウ素とを得るヨウ化水素濃縮分解装置と、前記ブンゼン反応装置によって得られた硫酸水溶液を濃縮した後に硫酸を分解し、酸素と前記ブンゼン反応装置へ供給する二酸化硫黄とを得る硫酸濃縮分解装置と、を備え、前記ヨウ化水素濃縮分解装置には、ヨウ化水素水溶液を水選択透過膜によって水分膜分離する水分膜分離装置が設けられた、水素製造装置において、前記水分膜分離装置の上流側には、ヨウ化水素水溶液を濃縮するとともに、該ヨウ化水素水溶液中のヨウ素を除去する電気透析器が設けられ、前記水分膜分離装置には、前記水選択透過膜によって処理されるヨウ化水素水溶液に対して、蒸発潜熱分の熱を供給する熱供給器が設けられ、該熱供給器の熱源として海水を用いることを特徴とする。
このような構成によれば、水分膜分離装置の上流側に設けた電気透析器により、水選択透過膜によって水分膜分離する前のヨウ化水素水溶液が濃縮されるとともに、ヨウ化水素水溶液中のヨウ素が除去される。したがって、水分膜分離装置において、さらに濃縮を進行させることができる。また、ヨウ化水素水溶液中のヨウ素が除去されているので、水分膜分離の段階で仮に室温まで溶液温度が低下したとしてもヨウ素が析出することがない。したがって、水選択膜透過膜による水分膜分離の進行が妨げられることがない。これにより、ヨウ化水素水溶液の水分膜分離効率を低下させることなく室温で濃縮を行うことができる。その結果、水分膜分離装置に投入される熱エネルギーを低減することができる。
また、電気透析器の作用により、ヨウ素が液体状態で生成されるので、除去したヨウ素を液体状態のままリサイクル溶液として用いることができる。このように、リサイクル溶液中には固化したヨウ素が存在しないので、リサイクル溶液を容易に利用することが可能となる。
また、電気透析器の作用により、ヨウ素が液体状態で生成されるので、除去したヨウ素を液体状態のままリサイクル溶液として用いることができる。このように、リサイクル溶液中には固化したヨウ素が存在しないので、リサイクル溶液を容易に利用することが可能となる。
さらに、上記水素製造装置は、前記熱供給器の熱源として、海水を用いることを特徴とする。
熱供給器の熱源として、海水を用いることとしたので、別途新たに熱源を設ける必要がない。したがって、水分膜分離装置に投入される熱エネルギーを大幅に削減することができる。
また、本発明の参考例としての発明の水素製造装置は、前記水分膜分離装置の下流側には、ヨウ化水素水溶液の共沸濃度を超えてヨウ化水素水溶液を濃縮する電気透析器が設けられていることを特徴とする。
水分膜分離装置の下流側に、電気透析器を設けることとしたので、水分膜分離だけではヨウ化水素水溶液の濃度が上がらない場合であっても、共沸濃度を超えてヨウ化水素水溶液を濃縮することができる。
また、本発明の参考例としての発明の水素製造装置は、前記水分膜分離装置の下流側には、共沸濃度を超えた濃度のヨウ化水素水溶液をさらに濃縮する蒸留塔が設けられていることを特徴とする。
水分膜分離装置、又は、水分膜分離装置および電気透析器により、ヨウ化水素水溶液の共沸点を越えさせ、その後は蒸留塔により、共沸組成を超えた濃度のヨウ化水素水溶液をさらに濃縮することとしたので、共沸条件の下で蒸留法により濃縮する場合に比べて余分な熱エネルギーを必要としない。つまり、ヨウ化水素濃縮工程に投入する熱エネルギーを可及的に低減することができる。
さらに、本発明の参考例としての発明の水素製造装置は、前記蒸留塔の熱源として、当該水素製造装置内の排熱を用いることを特徴とする。
蒸留塔の熱源として、当該水素製造装置内の排熱を用いることとしたので、別途新たに熱源を設ける必要がない。したがって、蒸留塔に投入される熱エネルギーを低減することができる。これにより、蒸留法によって共沸条件の下で濃縮する場合に比べて大幅に投入熱エネルギーを削減することができる。
用いられる排熱としては、例えば硫酸濃縮分解装置やヨウ化水素濃縮分解装置における排熱が用いられる。
用いられる排熱としては、例えば硫酸濃縮分解装置やヨウ化水素濃縮分解装置における排熱が用いられる。
また、本発明の参考例としての発明の水素製造方法は、ヨウ素、二酸化硫黄および水から硫酸水溶液およびヨウ化水素水溶液を生成するブンゼン反応工程と、前記ブンゼン反応工程によって得られたヨウ化水素水溶液を濃縮した後にヨウ化水素を分解し、製品としての水素と前記ブンゼン反応工程へ供給するヨウ素とを得るヨウ化水素濃縮分解工程と、前記ブンゼン反応工程によって得られた硫酸水溶液を濃縮した後に硫酸を分解し、酸素と前記ブンゼン反応工程へ供給する二酸化硫黄とを得る硫酸濃縮分解工程と、を備え、前記ヨウ化水素濃縮分解工程には、ヨウ化水素水溶液を水選択透過膜によって水分膜分離する水分膜分離工程が設けられた、水素製造方法において、前記水分膜分離工程には、前記水選択透過膜によって処理されるヨウ化水素水溶液に対して、ヨウ素が析出する温度以上を維持するための熱を供給する熱供給工程が設けられていることを特徴とする。
水分膜分離工程により、ヨウ化水素水溶液中の水分を膜分離することにより、ヨウ化水素水溶液を濃縮することとしたので、水とヨウ化水素との共沸条件によって濃縮の進行が妨げられることがない。したがって、蒸留法による共沸条件の下で濃縮する場合に比べて余分な熱エネルギーを必要としない。
また、室温で操作した場合には、水が水蒸気となる蒸発潜熱によって温度が下がり、ヨウ化水素水溶液中のヨウ素が析出する可能性がある。そうすると、析出したヨウ素が水選択透過膜を塞ぐこととなり、ヨウ化水素水溶液の水分膜分離効率が低下する。そこで、熱供給工程によって、ヨウ素が析出する温度以上を維持するための熱を水分膜分離工程に供給することで、ヨウ素の析出を防いで濃縮を進行させることができる。
また、室温で操作した場合には、水が水蒸気となる蒸発潜熱によって温度が下がり、ヨウ化水素水溶液中のヨウ素が析出する可能性がある。そうすると、析出したヨウ素が水選択透過膜を塞ぐこととなり、ヨウ化水素水溶液の水分膜分離効率が低下する。そこで、熱供給工程によって、ヨウ素が析出する温度以上を維持するための熱を水分膜分離工程に供給することで、ヨウ素の析出を防いで濃縮を進行させることができる。
また、本発明の水素製造方法は、ヨウ素、二酸化硫黄および水から硫酸水溶液およびヨウ化水素水溶液を生成するブンゼン反応工程と、前記ブンゼン反応工程によって得られたヨウ化水素水溶液を濃縮した後にヨウ化水素を分解し、製品としての水素と前記ブンゼン反応工程へ供給するヨウ素とを得るヨウ化水素濃縮分解工程と、前記ブンゼン反応工程によって得られた硫酸水溶液を濃縮した後に硫酸を分解し、酸素と前記ブンゼン反応工程へ供給する二酸化硫黄とを得る硫酸濃縮分解工程と、を備え、前記ヨウ化水素濃縮分解工程には、ヨウ化水素水溶液を水選択透過膜によって水分膜分離する水分膜分離工程が設けられた、水素製造方法において、前記水分膜分離工程の上流側には、ヨウ素を析出させ除去するヨウ素除去工程が設けられ、前記水分膜分離工程には、前記水選択透過膜によって処理されるヨウ化水素水溶液に対して、蒸発潜熱分の熱を供給する熱供給工程が設けられ、該熱供給工程の熱源として海水を用いることを特徴とする。
ヨウ素除去工程により、水分膜分離工程によって水分膜分離する前のヨウ化水素水溶液の温度を下げて、あらかじめヨウ素を析出させて除去することとしたので、水分膜分離の段階で仮に室温まで溶液温度が低下したとしてもヨウ素が析出することがない。したがって、水選択膜透過膜による水分膜分離の進行を妨げられることがない。これによって、ヨウ化水素水溶液の水分膜分離効率を低下させることなく室温で濃縮を行うことができる。
また、室温で濃縮を進行させることができるので、水分膜分離工程に投入される熱エネルギーを低減することができる。
また、室温で濃縮を進行させることができるので、水分膜分離工程に投入される熱エネルギーを低減することができる。
また、本発明の水素製造方法は、ヨウ素、二酸化硫黄および水から硫酸水溶液およびヨウ化水素水溶液を生成するブンゼン反応工程と、前記ブンゼン反応工程によって得られたヨウ化水素水溶液を濃縮した後にヨウ化水素を分解し、製品としての水素と前記ブンゼン反応工程へ供給するヨウ素とを得るヨウ化水素濃縮分解工程と、前記ブンゼン反応工程によって得られた硫酸水溶液を濃縮した後に硫酸を分解し、酸素と前記ブンゼン反応工程へ供給する二酸化硫黄とを得る硫酸濃縮分解工程と、を備え、前記ヨウ化水素濃縮分解工程には、ヨウ化水素水溶液を水選択透過膜によって水分膜分離する水分膜分離工程が設けられた、水素製造方法において、前記水分膜分離工程の上流側には、ヨウ化水素水溶液を濃縮する工程と、該ヨウ化水素水溶液中のヨウ素を除去する工程が設けられ、前記水分膜分離工程には、前記水選択透過膜によって処理されるヨウ化水素水溶液に対して、蒸発潜熱分の熱を供給する熱供給工程が設けられ、該熱供給工程の熱源として海水を用いることを特徴とする。
このような構成によれば、水分膜分離工程の上流側において、水選択透過膜によって水分膜分離する前のヨウ化水素水溶液が濃縮されるとともに、ヨウ化水素水溶液中のヨウ素が除去される。したがって、水分膜分離工程において、さらに濃縮を進行させることができる。また、ヨウ化水素水溶液中のヨウ素が除去されているので、水分膜分離の段階で仮に室温まで溶液温度が低下したとしてもヨウ素が析出することがない。したがって、水選択膜透過膜による水分膜分離の進行が妨げられることがない。これにより、ヨウ化水素水溶液の水分膜分離効率を低下させることなく室温で濃縮を行うことができる。その結果、水分膜分離工程に投入される熱エネルギーを低減することができる。
また、電気透析工程において、ヨウ素が液体状態で生成されるので、除去したヨウ素を液体状態のままリサイクル溶液として用いることができる。このように、リサイクル溶液中には固化したヨウ素が存在しないので、リサイクル溶液を容易に利用することが可能となる。
また、電気透析工程において、ヨウ素が液体状態で生成されるので、除去したヨウ素を液体状態のままリサイクル溶液として用いることができる。このように、リサイクル溶液中には固化したヨウ素が存在しないので、リサイクル溶液を容易に利用することが可能となる。
本発明によれば、熱供給器により、ヨウ素が析出する温度以上を維持するための熱を水分膜分離装置に供給し、ヨウ素の析出を防ぐこととしたので、水選択透過膜による水分膜分離効率を向上させてヨウ化水素水溶液を濃縮することができる。
また、ヨウ素除去装置により、あらかじめヨウ素を除去し、室温にて水選択透過膜を適用した場合にヨウ素が析出するのを回避することとしたので、水分膜分離効率を向上させて室温にて濃縮することができる。
また、ヨウ素除去装置により、あらかじめヨウ素を除去し、室温にて水選択透過膜を適用した場合にヨウ素が析出するのを回避することとしたので、水分膜分離効率を向上させて室温にて濃縮することができる。
以下に、本発明にかかる実施形態について、図面を参照して説明する。
［一参考実施形態］
以下、本発明の参考例としての一参考実施形態について、図１〜図４を用いて説明する。
図１には、水素製造装置１の概略構成が示されている。
水素製造装置１は、原料である水を熱分解によって分解し、製品である水素（さらには酸素）を製造するものである。水素製造装置１は、ＩＳ（Ｉｏｄｉｎｅ Ｓｕｌｆｕｒ）法を採用しており、ブンゼン反応装置２と、ヨウ化水素濃縮分解装置３と、硫酸濃縮分解装置４とを備えている。
［一参考実施形態］
以下、本発明の参考例としての一参考実施形態について、図１〜図４を用いて説明する。
図１には、水素製造装置１の概略構成が示されている。
水素製造装置１は、原料である水を熱分解によって分解し、製品である水素（さらには酸素）を製造するものである。水素製造装置１は、ＩＳ（Ｉｏｄｉｎｅ Ｓｕｌｆｕｒ）法を採用しており、ブンゼン反応装置２と、ヨウ化水素濃縮分解装置３と、硫酸濃縮分解装置４とを備えている。
ヨウ化水素濃縮分解装置３および硫酸濃縮分解装置４へ供給される熱源としては、図示しない高温ガス炉の核熱が用いられる。すなわち、中間熱交換器１０を介して得られる二次ヘリウムガスの顕熱を利用する。
中間熱交換器１０は、高温ガス炉の核熱によって高温とされた一次ヘリウムガスと、水素製造装置１側に熱を与える二次ヘリウムガスとの間で熱交換を行わせるものである。中間熱交換器１０には、一次ヘリウムガスが流れる一次側配管１０ａと、二次ヘリウムガスが流れる二次側配管１０ｂとが接続されている。二次側配管１０ｂを流れる二次ヘリウムガスは、中間熱交換器１０において約８８０℃まで加熱され、その圧力は約４ＭＰａとされる。
中間熱交換器１０において加熱された二次ヘリウムガスは、後述する三酸化硫黄分解器１７、硫酸分解器１５及びヨウ化水素分解器１１との間で熱交換を行う。
中間熱交換器１０は、高温ガス炉の核熱によって高温とされた一次ヘリウムガスと、水素製造装置１側に熱を与える二次ヘリウムガスとの間で熱交換を行わせるものである。中間熱交換器１０には、一次ヘリウムガスが流れる一次側配管１０ａと、二次ヘリウムガスが流れる二次側配管１０ｂとが接続されている。二次側配管１０ｂを流れる二次ヘリウムガスは、中間熱交換器１０において約８８０℃まで加熱され、その圧力は約４ＭＰａとされる。
中間熱交換器１０において加熱された二次ヘリウムガスは、後述する三酸化硫黄分解器１７、硫酸分解器１５及びヨウ化水素分解器１１との間で熱交換を行う。
ブンゼン反応装置２は、ブンゼン反応器５と、二相分離器７とを備えている。
ブンゼン反応器５には、原料である水（Ｈ２Ｏ）と、ヨウ化水素濃縮分解装置３から供給されるヨウ素（Ｉ２）と、硫酸濃縮分解装置４から供給される二酸化硫黄（ＳＯ２）が供給される。ブンゼン反応器５では、例えば０．１ＭＰａ（ゲージ圧），１００℃の条件下で、下式によるブンゼン反応が行われ、ヨウ化水素水溶液および硫酸水溶液が生成される。なお、ブンゼン反応は発熱反応であるため、外部からエネルギーが投入されることはない。
ＳＯ２（ｇ）＋Ｉ２（Ｌ）＋２Ｈ２Ｏ→Ｈ２ＳＯ４（ａｑ）＋２ＨＩ（ａｑ） ・・・（１）
二相分離器７では、ブンゼン反応器５において得られた硫酸水溶液およびヨウ化水素水溶液を分離する。二相分離器７内は、例えば０．１ＭＰａ（ゲージ圧），１００℃の条件とされる。二相分離器７において分離されたヨウ化水素水溶液および硫酸水溶液は、それぞれ、ヨウ化水素濃縮分解装置３および硫酸濃縮分解装置４へと導かれる。
ブンゼン反応器５には、原料である水（Ｈ２Ｏ）と、ヨウ化水素濃縮分解装置３から供給されるヨウ素（Ｉ２）と、硫酸濃縮分解装置４から供給される二酸化硫黄（ＳＯ２）が供給される。ブンゼン反応器５では、例えば０．１ＭＰａ（ゲージ圧），１００℃の条件下で、下式によるブンゼン反応が行われ、ヨウ化水素水溶液および硫酸水溶液が生成される。なお、ブンゼン反応は発熱反応であるため、外部からエネルギーが投入されることはない。
ＳＯ２（ｇ）＋Ｉ２（Ｌ）＋２Ｈ２Ｏ→Ｈ２ＳＯ４（ａｑ）＋２ＨＩ（ａｑ） ・・・（１）
二相分離器７では、ブンゼン反応器５において得られた硫酸水溶液およびヨウ化水素水溶液を分離する。二相分離器７内は、例えば０．１ＭＰａ（ゲージ圧），１００℃の条件とされる。二相分離器７において分離されたヨウ化水素水溶液および硫酸水溶液は、それぞれ、ヨウ化水素濃縮分解装置３および硫酸濃縮分解装置４へと導かれる。
ヨウ化水素濃縮分解装置３は、ヨウ化水素精製濃縮器９と、ヨウ化水素分解器１１とを備えている。
ヨウ化水素精製濃縮器９は、例えば１ＭＰａ（ゲージ圧），１００〜２３４℃の条件下で、ヨウ化水素水溶液を精製するとともに、ヨウ化水素水溶液を濃縮する。ヨウ化水素は、ヨウ化水素精製濃縮器９において気化され、ヨウ化水素分解器１１へと導かれる。ヨウ化水素精製濃縮器９には、精製濃縮過程に必要な熱エネルギーが投入される。
ヨウ化水素精製濃縮器９は、例えば１ＭＰａ（ゲージ圧），１００〜２３４℃の条件下で、ヨウ化水素水溶液を精製するとともに、ヨウ化水素水溶液を濃縮する。ヨウ化水素は、ヨウ化水素精製濃縮器９において気化され、ヨウ化水素分解器１１へと導かれる。ヨウ化水素精製濃縮器９には、精製濃縮過程に必要な熱エネルギーが投入される。
ヨウ化水素分解器１１は、例えば１ＭＰａ（ゲージ圧），４５０℃の条件下で、下式によるヨウ化水素の分解を行う。
２ＨＩ（ｇ）→Ｈ２（ｇ）＋Ｉ２（ｇ） ・・・（２）
上記ヨウ化水素分解反応は吸熱反応とされ、したがって、熱エネルギーが投入される。つまり、中間熱交換器１０において加熱された二次ヘリウムガスが流通するガス配管１３との熱交換によって（２）式のヨウ化水素分解反応が進行する。
ヨウ化水素分解器１１において分解された水素は、製品として取り出される。また、ヨウ化水素分解器１１において分解されたヨウ素は、ブンゼン反応器５へと導かれる。未反応のヨウ化水素は、ヨウ化水素精製濃縮器９へと返送される。
２ＨＩ（ｇ）→Ｈ２（ｇ）＋Ｉ２（ｇ） ・・・（２）
上記ヨウ化水素分解反応は吸熱反応とされ、したがって、熱エネルギーが投入される。つまり、中間熱交換器１０において加熱された二次ヘリウムガスが流通するガス配管１３との熱交換によって（２）式のヨウ化水素分解反応が進行する。
ヨウ化水素分解器１１において分解された水素は、製品として取り出される。また、ヨウ化水素分解器１１において分解されたヨウ素は、ブンゼン反応器５へと導かれる。未反応のヨウ化水素は、ヨウ化水素精製濃縮器９へと返送される。
硫酸濃縮分解装置４は、硫酸精製濃縮器１４と、硫酸分解器１５と、三酸化硫黄分解器１７とを備えている。
硫酸精製濃縮器１４は、例えば０．１ＭＰａ（ゲージ圧），１００〜３９１℃の条件下で、硫酸を精製するとともに、硫酸水溶液を濃縮する。硫酸精製濃縮器１４には、精製濃縮過程に必要な熱エネルギーが投入される。硫酸精製濃縮器１４において硫酸水溶液から分離された水は、ブンゼン反応器５へと送られる。硫酸精製濃縮器１４において精製濃縮された硫酸（液体）は、硫酸分解器１５へと導かれる。
硫酸精製濃縮器１４は、例えば０．１ＭＰａ（ゲージ圧），１００〜３９１℃の条件下で、硫酸を精製するとともに、硫酸水溶液を濃縮する。硫酸精製濃縮器１４には、精製濃縮過程に必要な熱エネルギーが投入される。硫酸精製濃縮器１４において硫酸水溶液から分離された水は、ブンゼン反応器５へと送られる。硫酸精製濃縮器１４において精製濃縮された硫酸（液体）は、硫酸分解器１５へと導かれる。
硫酸分解器１５は、例えば２ＭＰａ（ゲージ圧），３９１〜５２７℃の条件下で、下式による硫酸の分解を行う。
Ｈ２ＳＯ４（Ｌ）→Ｈ２０（ｇ）＋ＳＯ３（ｇ） ・・・（３）
上記硫酸分解反応は吸熱反応とされ、したがって、熱エネルギーが投入される。つまり、中間熱交換器１０において加熱された二次ヘリウムガスが流通するガス配管１９との熱交換によって（３）式の硫酸分解反応が進行する。
硫酸分解器１５において分解された三酸化硫黄と水蒸気は、三酸化硫黄分解器１７へと導かれる。
Ｈ２ＳＯ４（Ｌ）→Ｈ２０（ｇ）＋ＳＯ３（ｇ） ・・・（３）
上記硫酸分解反応は吸熱反応とされ、したがって、熱エネルギーが投入される。つまり、中間熱交換器１０において加熱された二次ヘリウムガスが流通するガス配管１９との熱交換によって（３）式の硫酸分解反応が進行する。
硫酸分解器１５において分解された三酸化硫黄と水蒸気は、三酸化硫黄分解器１７へと導かれる。
三酸化硫黄分解器１７は、例えば２ＭＰａ（ゲージ圧），５２７〜８５０℃の条件下で、下式による三酸化硫黄の分解を行う。
ＳＯ３（ｇ）→ＳＯ２（ｇ）＋１／２Ｏ２（ｇ） ・・・（４）
上記三酸化硫黄分解反応は吸熱反応とされ、したがって、熱エネルギーが投入される。つまり、中間熱交換器１０において加熱された二次ヘリウムガスが流通するガス配管２０との熱交換によって（４）式の三酸化硫黄分解反応が進行する。図１に示されているように、三酸化硫黄分解器１７には最も高い温度を導くために、中間熱交換器１０において加熱された二次ヘリウムガスは最初に三酸化硫黄分解器１７に導かれるようになっている。三酸化硫黄分解器１７において熱交換を終えた二次ヘリウムガスは、硫酸分解器１５及びヨウ化水素分解器１１において熱交換を行う。
三酸化硫黄分解器１７において生成した酸素は、製品として系外に取り出される。また、三酸化硫黄分解器１７において生成した二酸化硫黄は、少量の水蒸気とともに、ブンゼン反応器５へと導かれる。
ＳＯ３（ｇ）→ＳＯ２（ｇ）＋１／２Ｏ２（ｇ） ・・・（４）
上記三酸化硫黄分解反応は吸熱反応とされ、したがって、熱エネルギーが投入される。つまり、中間熱交換器１０において加熱された二次ヘリウムガスが流通するガス配管２０との熱交換によって（４）式の三酸化硫黄分解反応が進行する。図１に示されているように、三酸化硫黄分解器１７には最も高い温度を導くために、中間熱交換器１０において加熱された二次ヘリウムガスは最初に三酸化硫黄分解器１７に導かれるようになっている。三酸化硫黄分解器１７において熱交換を終えた二次ヘリウムガスは、硫酸分解器１５及びヨウ化水素分解器１１において熱交換を行う。
三酸化硫黄分解器１７において生成した酸素は、製品として系外に取り出される。また、三酸化硫黄分解器１７において生成した二酸化硫黄は、少量の水蒸気とともに、ブンゼン反応器５へと導かれる。
このように、本実施形態にかかる水素製造装置１によれば、原料として水をブンゼン反応装置２へ投入することにより、製品としての水素がヨウ化水素濃縮分解装置３から、酸素が硫酸濃縮分解装置４から得ることができる。
図２には、ヨウ化水素濃縮分解装置３のヨウ化水素精製濃縮器９が示されている。
ヨウ化水素精製濃縮器９は、ブンゼン反応装置２から供給されたヨウ化水素水溶液を水分膜分離によって濃縮する水分膜分離装置６と、この水分膜分離装置６へ熱を供給する熱供給器２６と、水分膜分離装置６の下流側に配置された蒸留塔２４とを主として備えている。
ヨウ化水素精製濃縮器９は、ブンゼン反応装置２から供給されたヨウ化水素水溶液を水分膜分離によって濃縮する水分膜分離装置６と、この水分膜分離装置６へ熱を供給する熱供給器２６と、水分膜分離装置６の下流側に配置された蒸留塔２４とを主として備えている。
水分膜分離装置６は、ブンゼン反応装置２から供給されたヨウ化水素水溶液中の水分を膜分離し、その透過水に乾燥ガスを流通させて湿りガスとして取り除くことでヨウ化水素水溶液を濃縮する。
このとき、熱供給器２６により、ヨウ素が析出する温度以上を維持するための熱を水分膜分離装置６へ供給する。熱供給器２６の熱源は、例えばヨウ化水素濃縮装置３や硫酸濃縮分解装置４といったＩＳプロセス排熱が用いられる。
なお、ブンゼン反応装置２から供給されたヨウ化水素水溶液には、ブンゼン反応装置２において未反応とされたヨウ素（Ｉ２）も含まれている。
このとき、熱供給器２６により、ヨウ素が析出する温度以上を維持するための熱を水分膜分離装置６へ供給する。熱供給器２６の熱源は、例えばヨウ化水素濃縮装置３や硫酸濃縮分解装置４といったＩＳプロセス排熱が用いられる。
なお、ブンゼン反応装置２から供給されたヨウ化水素水溶液には、ブンゼン反応装置２において未反応とされたヨウ素（Ｉ２）も含まれている。
水分膜分離装置６によって、共沸濃度である１６mol％（ＨＩ−Ｈ２０）程度を超える濃度（例えば１９mol％（ＨＩ−Ｈ２０））まで濃縮されたヨウ化水素水溶液は、蒸留塔２４へと送られる。蒸留塔２４に送られたヨウ化水素水溶液は、蒸留法によりさらに濃縮され、ヨウ化水素濃縮液（又はガス）となってヨウ化水素分解器１１（図１参照）に送られる。このとき、ヨウ化水素水溶液は共沸濃度を超えているので、水とヨウ化水素との共沸条件によって蒸留法による濃縮の進行が妨げられることはない。また、蒸留法によって生じた水は、リサイクル溶液としてブンゼン反応器５（図１参照）に送られ、原料の水として再利用される。蒸留塔２４の熱源は、例えばヨウ化水素濃縮装置３や硫酸濃縮分解装置４といったＩＳプロセス排熱が用いられる。
なお、水分膜分離装置６による水分膜分離によってヨウ化水素水溶液が十分に濃縮される場合には、蒸留塔２４を省略して、直接ヨウ化水素分解器１１に送ることとしてもよい。
なお、水分膜分離装置６による水分膜分離によってヨウ化水素水溶液が十分に濃縮される場合には、蒸留塔２４を省略して、直接ヨウ化水素分解器１１に送ることとしてもよい。
図３には、上述の水分膜分離装置６の詳細が示されている。
水分膜分離装置６は、水選択透過膜８によってヨウ化水素水溶液供給室２１と透過室２３とに仕切られている。
本実施形態では、水選択透過膜８として固体高分子イオン交換膜であるナフィオン膜（「ナフィオン」はデュポン株式会社の登録商標）を用いた。ナフィオン膜は、蒸気や液相から容易に水を吸収する性質をもち、主に水を透過しヨウ化水素をほとんど透過しない。
ブンゼン反応装置２から供給されたヨウ化水素水溶液を水分膜分離装置６のヨウ化水素水溶液供給室２１に供給し、水選択透過膜８によって水分膜分離させる。水選択透過膜８を透過した水は、透過室２３に乾燥ガスを流通させることで蒸発させ、湿りガスとして排気する。これにより、ヨウ化水素水溶液は濃縮され、ヨウ化水素濃縮液（又はガス）となって蒸留塔２４に送られる。
水分膜分離装置６は、水選択透過膜８によってヨウ化水素水溶液供給室２１と透過室２３とに仕切られている。
本実施形態では、水選択透過膜８として固体高分子イオン交換膜であるナフィオン膜（「ナフィオン」はデュポン株式会社の登録商標）を用いた。ナフィオン膜は、蒸気や液相から容易に水を吸収する性質をもち、主に水を透過しヨウ化水素をほとんど透過しない。
ブンゼン反応装置２から供給されたヨウ化水素水溶液を水分膜分離装置６のヨウ化水素水溶液供給室２１に供給し、水選択透過膜８によって水分膜分離させる。水選択透過膜８を透過した水は、透過室２３に乾燥ガスを流通させることで蒸発させ、湿りガスとして排気する。これにより、ヨウ化水素水溶液は濃縮され、ヨウ化水素濃縮液（又はガス）となって蒸留塔２４に送られる。
図４には、Ｉ２のヨウ化水素溶液（ＨＩ−Ｉ２）中のＩ２の溶解度が示されている。
同図から、ヨウ化水素溶液の温度が下がると、Ｉ２の溶解度が下がり、さらにヨウ素が析出することがわかる。例えば、Ｉ２が８０ｗｔ％の濃度のヨウ化水素溶液の場合、９５℃付近でヨウ素が析出する。
本実施形態の場合、ＨＩが１１ｗｔ％、Ｉ２が８１ｗｔ％、Ｈ２０が８ｗｔ％の水溶液なので、例えば９０℃程度まで温度が低下するとヨウ素が析出する。つまり、特許文献１のように室温で水分膜分離の操作をした場合には、水が水蒸気となる蒸発潜熱によってヨウ化水素水溶液の温度が下がるため、ヨウ化水素水溶液中のヨウ素が析出する。
したがって、本実施形態では、ヨウ素が析出する温度以上を維持するための熱（例えば、１１０℃程度）を水分膜分離装置６に供給する。
同図から、ヨウ化水素溶液の温度が下がると、Ｉ２の溶解度が下がり、さらにヨウ素が析出することがわかる。例えば、Ｉ２が８０ｗｔ％の濃度のヨウ化水素溶液の場合、９５℃付近でヨウ素が析出する。
本実施形態の場合、ＨＩが１１ｗｔ％、Ｉ２が８１ｗｔ％、Ｈ２０が８ｗｔ％の水溶液なので、例えば９０℃程度まで温度が低下するとヨウ素が析出する。つまり、特許文献１のように室温で水分膜分離の操作をした場合には、水が水蒸気となる蒸発潜熱によってヨウ化水素水溶液の温度が下がるため、ヨウ化水素水溶液中のヨウ素が析出する。
したがって、本実施形態では、ヨウ素が析出する温度以上を維持するための熱（例えば、１１０℃程度）を水分膜分離装置６に供給する。
このように、本実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
熱供給器２６によって、ヨウ素が析出する温度以上を維持するための熱を水分膜分離装置６に供給することとしたので、ヨウ素の析出を防いで濃縮を進行させることができる。
さらに、熱供給器２６で用いる熱をＩＳプロセス排熱を用いることとしたので、熱エネルギーを削減することができる。
熱供給器２６によって、ヨウ素が析出する温度以上を維持するための熱を水分膜分離装置６に供給することとしたので、ヨウ素の析出を防いで濃縮を進行させることができる。
さらに、熱供給器２６で用いる熱をＩＳプロセス排熱を用いることとしたので、熱エネルギーを削減することができる。
また、水分膜分離装置６内の水選択透過膜８を適用して、ヨウ化水素水溶液中の水分を膜分離することにより、ヨウ化水素水溶液を濃縮することとしたので、水とヨウ化水素との共沸条件によって濃縮の進行が妨げられることがない。したがって、蒸留法による共沸条件の下で濃縮する場合に比べて余分な熱エネルギーを必要としない。
さらに、水分膜分離装置６によって共沸濃度である１６mol％（ＨＩ−Ｈ２０）程度を超えた濃度まで濃縮することにより、その後はＩＳプロセス排熱を熱源とする蒸留塔２４で、共沸条件によって進行を妨げられることなくさらに濃縮させることができる。したがって、水分膜分離装置６によって同一の濃度範囲を濃縮した場合に比べて、水分膜分離装置６に投入する熱エネルギーを低減することができる。また、共沸条件の下で蒸留法により同一の濃度範囲を濃縮する場合に比べて投入する熱エネルギーを大幅に削減することができる。つまりヨウ化水素濃縮工程に投入する熱エネルギーを可及的に低減することができ、結果として水素製造効率を向上させることができる。
［第一実施形態］
次に、本発明の第一実施形態について、図５を用いて説明する。
なお、本実施形態は、一参考実施形態に対して、水分膜分離装置６周りの構成が異なる。したがって、一参考実施形態と異なる点についてのみ説明し、その他については一参考実施形態と同様であるので、その説明は省略する。
図５に示すように、水分膜分離装置６の上流側には、ヨウ素除去装置２８が配置されている。
ヨウ素除去装置２８は、容器の底面から上方に立設する壁体２５によって、前室２７と後室２９とに分けられている。
ブンゼン反応装置２から供給されたヨウ化水素水溶液を、ヨウ素除去装置２８の前室２７へと供給する。ヨウ化水素水溶液を冷却水によって室温程度まで冷やすことにより、水溶液中のヨウ素を固化させて前室２７に析出させる。なお、冷却水は、図５に破線矢印で示すように、ヨウ素除去装置２８の図において上方から注入し、リサイクル溶液とは異なる流路を通って図において下方から取り出される。
次に、本発明の第一実施形態について、図５を用いて説明する。
なお、本実施形態は、一参考実施形態に対して、水分膜分離装置６周りの構成が異なる。したがって、一参考実施形態と異なる点についてのみ説明し、その他については一参考実施形態と同様であるので、その説明は省略する。
図５に示すように、水分膜分離装置６の上流側には、ヨウ素除去装置２８が配置されている。
ヨウ素除去装置２８は、容器の底面から上方に立設する壁体２５によって、前室２７と後室２９とに分けられている。
ブンゼン反応装置２から供給されたヨウ化水素水溶液を、ヨウ素除去装置２８の前室２７へと供給する。ヨウ化水素水溶液を冷却水によって室温程度まで冷やすことにより、水溶液中のヨウ素を固化させて前室２７に析出させる。なお、冷却水は、図５に破線矢印で示すように、ヨウ素除去装置２８の図において上方から注入し、リサイクル溶液とは異なる流路を通って図において下方から取り出される。
析出したヨウ素は下方へと沈降し、上澄みのみが壁体２５を越えて後室２９へと移るので、後室２９内の水溶液は、析出したヨウ素が除去されたヨウ化水素水溶液となる。後室２９内のヨウ化水素水溶液は、水分膜分離装置６へと送られる。また、析出したヨウ素は、前室２７の下方から一部の水溶液とともに取り出され、図示しないポンプによってブンゼン反応器５（図１参照）に送られて原料の水とヨウ素として再利用される。
なお、ヨウ素除去装置２８の熱源として海水を用いてヨウ素を析出させることができる場合には、冷却水として海水を用いる。
なお、ヨウ素除去装置２８の熱源として海水を用いてヨウ素を析出させることができる場合には、冷却水として海水を用いる。
水分膜分離装置６では、析出したヨウ素をあらかじめ除去したヨウ化水素水溶液を水分膜分離によって濃縮する。例えばヨウ化水素水溶液を室温程度に冷やすことによって析出したヨウ素を除去した水溶液は、室温にて水分膜分離を行ってもヨウ素が析出することがないので、室温にて濃縮を進行させることができる。
しかし、水分膜分離の際に水が水蒸気となる蒸発潜熱によって、ヨウ化水素水溶液が室温以下に冷却されてしまうおそれがある。そこで、ヨウ化水素水溶液の温度を室温程度に維持するために、蒸発潜熱分の熱エネルギーを熱供給器２６によって供給する。本実施形態の場合、蒸発潜熱分の熱エネルギーを供給することで足りるので、熱供給器２６の熱源は、海水が用いられる。
このように、本実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
ヨウ素除去装置２８によって、あらかじめヨウ化水素水溶液中のヨウ素を除去することとしたので、水分膜分離の段階でヨウ素が析出することなく室温にて濃縮を進行させることができる。
また、水が水蒸気になる蒸発潜熱分の熱を海水の熱源を用いて供給することとしたので、熱供給器２６で用いる熱エネルギーを削減することができる。
これにより、蒸留法によって共沸条件の下で濃縮した場合に比べて投入する熱エネルギーを大幅に削減することができる。つまりヨウ化水素濃縮工程に投入する熱エネルギーを可及的に低減することができ、結果として水素製造効率を向上させることができる。
ヨウ素除去装置２８によって、あらかじめヨウ化水素水溶液中のヨウ素を除去することとしたので、水分膜分離の段階でヨウ素が析出することなく室温にて濃縮を進行させることができる。
また、水が水蒸気になる蒸発潜熱分の熱を海水の熱源を用いて供給することとしたので、熱供給器２６で用いる熱エネルギーを削減することができる。
これにより、蒸留法によって共沸条件の下で濃縮した場合に比べて投入する熱エネルギーを大幅に削減することができる。つまりヨウ化水素濃縮工程に投入する熱エネルギーを可及的に低減することができ、結果として水素製造効率を向上させることができる。
なお、上述した一参考実施形態および第一実施形態は、以下のように変形することができる。すなわち、図６に示すように、水分膜分離装置６と蒸留塔２４との間に、電気透析器２２を配置する。
水分膜分離装置６によって水分膜分離するだけではヨウ化水素水溶液の濃度が上がらない場合には、補助的に電気透析器２２を使用することによって、共沸濃度を超えてヨウ化水素水溶液を濃縮する。共沸濃度を超える濃度まで濃縮されたヨウ化水素水溶液は、その後蒸留塔２４へと送られてさらに濃縮される。
なお、電気透析器２２によって、ヨウ化水素水溶液が十分に濃縮される場合には、蒸留塔２４を省略して、直接ヨウ化水素分解器１１に送ることとしてもよい。
水分膜分離装置６によって水分膜分離するだけではヨウ化水素水溶液の濃度が上がらない場合には、補助的に電気透析器２２を使用することによって、共沸濃度を超えてヨウ化水素水溶液を濃縮する。共沸濃度を超える濃度まで濃縮されたヨウ化水素水溶液は、その後蒸留塔２４へと送られてさらに濃縮される。
なお、電気透析器２２によって、ヨウ化水素水溶液が十分に濃縮される場合には、蒸留塔２４を省略して、直接ヨウ化水素分解器１１に送ることとしてもよい。
このように、水分膜分離装置６だけでは共沸濃度である１６mol％（ＨＩ−Ｈ２０）程度を超える濃度までヨウ化水素水溶液の濃度が上がらない場合であっても、電気透析器２２によって共沸濃度を超えて濃縮させ、その後はＩＳプロセス排熱を熱源とする蒸留塔２４で、共沸条件によって進行を妨げられることなくさらに濃縮させることができる。
これにより、水分膜分離装置６によって同一の濃度範囲を濃縮した場合に比べて、水分膜分離装置６に投入する熱エネルギーを大幅に削減することができる。つまりヨウ化水素濃縮工程に投入する熱エネルギーを可及的に低減することができ、結果として水素製造効率を向上することができる。
これにより、水分膜分離装置６によって同一の濃度範囲を濃縮した場合に比べて、水分膜分離装置６に投入する熱エネルギーを大幅に削減することができる。つまりヨウ化水素濃縮工程に投入する熱エネルギーを可及的に低減することができ、結果として水素製造効率を向上することができる。
［第二実施形態］
次に、本発明の第二実施形態に係る水素製造装置３０について、図７および図８を参照して説明する。
本実施形態に係る水素製造装置３０は、図７に示すように、ヨウ化水素精製濃縮器９が、第一実施形態のヨウ素除去装置２８に替えて、水分膜分離装置６の上流側に電気透析器３２を備えている点で、第一実施形態と異なる。
以下、第一実施形態に係る水素製造装置と構成を共通する箇所には、同一符号を付して説明を省略する。
次に、本発明の第二実施形態に係る水素製造装置３０について、図７および図８を参照して説明する。
本実施形態に係る水素製造装置３０は、図７に示すように、ヨウ化水素精製濃縮器９が、第一実施形態のヨウ素除去装置２８に替えて、水分膜分離装置６の上流側に電気透析器３２を備えている点で、第一実施形態と異なる。
以下、第一実施形態に係る水素製造装置と構成を共通する箇所には、同一符号を付して説明を省略する。
電気透析器３２は、ブンゼン反応装置２から供給されたヨウ化水素水溶液を濃縮するとともに、ヨウ化水素水溶液中のヨウ素を除去する。
具体的に、図８に電気透析器３２の詳細を示して説明する。
電気透析器３２は、陽極室Ａと陰極室Ｂとを仕切る陽イオン交換膜３４と、陽極室Ａに設置される陽極３６と、陰極室Ｂに設置される陰極３８とを備えている。
電気透析器３２は、陽極３６と、陰極３８との間に電圧をかけることにより、ヨウ化水素水溶液を電気分解するようになっている。
具体的に、図８に電気透析器３２の詳細を示して説明する。
電気透析器３２は、陽極室Ａと陰極室Ｂとを仕切る陽イオン交換膜３４と、陽極室Ａに設置される陽極３６と、陰極室Ｂに設置される陰極３８とを備えている。
電気透析器３２は、陽極３６と、陰極３８との間に電圧をかけることにより、ヨウ化水素水溶液を電気分解するようになっている。
陽イオン交換膜３４は、陽極室Ａ側の陽イオンを、陰極室Ｂ側へ選択的に透過するようになっている。
陽極３６では、電気分解の際に酸化反応が起こり、陰極３８では、電気分解の際に還元反応が起こるようになっている。
なお、一参考実施形態において述べたように、ブンゼン反応装置２から供給されるヨウ化水素水溶液には、ブンゼン反応装置２において未反応とされたヨウ素（Ｉ２）も含まれているので、図８において、電気透析器３２に供給されるヨウ化水素水溶液は、ＨＩ−Ｉ２−Ｈ２Ｏ混合液となっている。
陽極３６では、電気分解の際に酸化反応が起こり、陰極３８では、電気分解の際に還元反応が起こるようになっている。
なお、一参考実施形態において述べたように、ブンゼン反応装置２から供給されるヨウ化水素水溶液には、ブンゼン反応装置２において未反応とされたヨウ素（Ｉ２）も含まれているので、図８において、電気透析器３２に供給されるヨウ化水素水溶液は、ＨＩ−Ｉ２−Ｈ２Ｏ混合液となっている。
陽極室Ａおよび陰極室Ｂには、それぞれＨＩ−Ｉ２−Ｈ２Ｏ混合液が供給される。陽極３６と陰極３８との間に電圧をかけると、ＨＩ−Ｉ２−Ｈ２Ｏ混合液が電気分解されて、陽イオン交換膜３４により分離される。陽極３６では、イオン化したＨＩのＩ−がＩ２に酸化され、陰極３８では、Ｉ２がＩ−に還元される。このとき、陽極室Ａの溶液（以下、単に「陽極液」という。）中のイオン化したＨＩのＨ＋が、陽イオン交換膜３４を透過して、陰極室Ｂの溶液（以下、単に「陰極液」という。）へ移動する。このＨ＋は、陰極液においてＩ−と結合することにより、ＨＩとなる。その結果、陽極液においては、ＨＩ成分が希釈され、Ｉ２成分が濃縮される。一方、陰極液においては、ＨＩ成分が濃縮され、Ｉ２成分が希釈される。
すなわち、陰極室Ｂにおいては、ヨウ化水素水溶液中のヨウ化水素の濃度を高められるとともに、ヨウ素が除去されるようになっている。このヨウ化水素水溶液は、水分膜分離装置６へ送られる。
また、陽極室Ａにおいては、ヨウ素が液体状態で生成されるようになっている。このヨウ素は、一部の水溶液とともに液体状態のまま取り出されて、図示しないポンプによってブンゼン反応器５（図１参照）に送られる。
また、陽極室Ａにおいては、ヨウ素が液体状態で生成されるようになっている。このヨウ素は、一部の水溶液とともに液体状態のまま取り出されて、図示しないポンプによってブンゼン反応器５（図１参照）に送られる。
図７に戻り、水分膜分離装置６は、電気透析器３２にて濃縮されたヨウ化水素水溶液を、水分膜分離によってさらに濃縮する。水分膜分離装置６によって濃縮されたヨウ化水素水溶液は、その後、蒸留塔２４へと送られて、さらに濃縮される。
この場合に、蒸留塔２４に送られるヨウ化水素水溶液が、共沸濃度を超えて濃縮されていればよい。例えば、電気透析器３２により、ヨウ化水素水溶液を共沸濃度を超える濃度まで濃縮することとしてもよく、あるいは、水分膜分離装置６により、ヨウ化水素水溶液を共沸濃度を超える濃度まで濃縮することとしてもよい。
この場合に、蒸留塔２４に送られるヨウ化水素水溶液が、共沸濃度を超えて濃縮されていればよい。例えば、電気透析器３２により、ヨウ化水素水溶液を共沸濃度を超える濃度まで濃縮することとしてもよく、あるいは、水分膜分離装置６により、ヨウ化水素水溶液を共沸濃度を超える濃度まで濃縮することとしてもよい。
このように構成された本実施形態に係る水素製造装置３０の作用について説明する。
ブンゼン反応装置２から送られるヨウ化水素水溶液は、先ず、電気透析器３２に供給される。電気透析器３２では、図８に示す陰極室Ｂにおいて、ヨウ化水素水溶液が、濃縮されるとともにヨウ素が除去される。このヨウ化水素水溶液は、電気透析器３２から取り出されて、水分膜分離装置６へと送られる。一方、陽極室Ａにおいて、液体状態のヨウ素が生成される。このヨウ素は、一部の水溶液とともに取り出され、図示しないポンプによって、ブンゼン反応器５（図１参照）にリサイクル溶液として送られて、原料の水とヨウ素として再利用される。この場合に、リサイクル溶液には、ヨウ素が液体状態で含まれるので、リサイクル溶液には固化したヨウ素が存在しない。したがって、リサイクル溶液の利用が容易となる。
ブンゼン反応装置２から送られるヨウ化水素水溶液は、先ず、電気透析器３２に供給される。電気透析器３２では、図８に示す陰極室Ｂにおいて、ヨウ化水素水溶液が、濃縮されるとともにヨウ素が除去される。このヨウ化水素水溶液は、電気透析器３２から取り出されて、水分膜分離装置６へと送られる。一方、陽極室Ａにおいて、液体状態のヨウ素が生成される。このヨウ素は、一部の水溶液とともに取り出され、図示しないポンプによって、ブンゼン反応器５（図１参照）にリサイクル溶液として送られて、原料の水とヨウ素として再利用される。この場合に、リサイクル溶液には、ヨウ素が液体状態で含まれるので、リサイクル溶液には固化したヨウ素が存在しない。したがって、リサイクル溶液の利用が容易となる。
電気透析器３２から水分膜分離装置６に送られたヨウ化水素水溶液は、水分膜分離によってさらに濃縮される。このヨウ化水素水溶液は、濃縮されるとともに、ヨウ素が除去されているので、室温にて水分膜分離を行ったとしてもヨウ素が析出することがない。したがって、室温にてさらに濃縮を進行させることができる。
水分膜分離装置６により、濃縮されたヨウ化水素水溶液は、蒸留塔２４に送られる。
このヨウ化水素水溶液は、電気透析器３２および水分膜分離装置６を通過することにより、共沸濃度を超えて濃縮されているので、蒸留塔２４において、共沸条件によって進行を妨げられることなく、さらに濃縮することができる。
なお、水分膜分離装置６から蒸留塔２４に送られるヨウ化水素水溶液が、十分に濃縮されている場合には、蒸留塔２４に代えて、公知の気液分離器等を代用することとしてもよい。
このヨウ化水素水溶液は、電気透析器３２および水分膜分離装置６を通過することにより、共沸濃度を超えて濃縮されているので、蒸留塔２４において、共沸条件によって進行を妨げられることなく、さらに濃縮することができる。
なお、水分膜分離装置６から蒸留塔２４に送られるヨウ化水素水溶液が、十分に濃縮されている場合には、蒸留塔２４に代えて、公知の気液分離器等を代用することとしてもよい。
以上説明したように、本実施形態に係るヨウ素製造装置３０によれば、水分膜分離装置６による水分膜分離の段階でヨウ素が析出しないので、水分膜分離装置６の作動温度を低下させることができる。したがって、ヨウ化水素濃縮工程に投入する熱エネルギーを可及的に低減させることができ、結果として水素製造効率を向上させることができる。
さらに、電気透析器３２の作用により、ヨウ化水素水溶液から除去したヨウ素を、液体状態のままリサイクル溶液として用いることができるので、リサイクル溶液を容易に利用することが可能となる。
さらに、電気透析器３２の作用により、ヨウ化水素水溶液から除去したヨウ素を、液体状態のままリサイクル溶液として用いることができるので、リサイクル溶液を容易に利用することが可能となる。
なお、上述した各実施形態では、圧力や温度の条件を具体的に示したが、これらはあくまでも一例であって、本発明がこれらの数値に限定されるものではない。
また、水分膜分離装置６の下流側に設置する蒸留塔２４は、本実施形態のように１つに限定されるものではなく、２以上であっても良い。
また、水分膜分離装置６の下流側に設置する蒸留塔２４は、本実施形態のように１つに限定されるものではなく、２以上であっても良い。
１ 水素製造装置
２ ブンゼン反応装置
３ ヨウ化水素濃縮分解装置
４ 硫酸濃縮分解装置
６ 水分膜分離装置
８ 水選択透過膜
２２ 電気透析器
２４ 蒸留塔
２６ 熱供給器
２８ ヨウ素除去装置
２ ブンゼン反応装置
３ ヨウ化水素濃縮分解装置
４ 硫酸濃縮分解装置
６ 水分膜分離装置
８ 水選択透過膜
２２ 電気透析器
２４ 蒸留塔
２６ 熱供給器
２８ ヨウ素除去装置
Claims (4)
- ヨウ素、二酸化硫黄および水から硫酸水溶液およびヨウ化水素水溶液を生成するブンゼン反応装置と、
前記ブンゼン反応装置によって得られたヨウ化水素水溶液を濃縮した後にヨウ化水素を分解し、製品としての水素と前記ブンゼン反応装置へ供給するヨウ素とを得るヨウ化水素濃縮分解装置と、
前記ブンゼン反応装置によって得られた硫酸水溶液を濃縮した後に硫酸を分解し、酸素と前記ブンゼン反応装置へ供給する二酸化硫黄とを得る硫酸濃縮分解装置と、を備え、
前記ヨウ化水素濃縮分解装置には、ヨウ化水素水溶液を水選択透過膜によって水分膜分離する水分膜分離装置が設けられた、水素製造装置において、
前記水分膜分離装置の上流側には、ヨウ素を析出させ除去するヨウ素除去装置が設けられ、
前記水分膜分離装置には、前記水選択透過膜によって処理されるヨウ化水素水溶液に対して、蒸発潜熱分の熱を供給する熱供給器が設けられ、
該熱供給器の熱源として海水を用いることを特徴とする水素製造装置。 - ヨウ素、二酸化硫黄および水から硫酸水溶液およびヨウ化水素水溶液を生成するブンゼン反応装置と、
前記ブンゼン反応装置によって得られたヨウ化水素水溶液を濃縮した後にヨウ化水素を分解し、製品としての水素と前記ブンゼン反応装置へ供給するヨウ素とを得るヨウ化水素濃縮分解装置と、
前記ブンゼン反応装置によって得られた硫酸水溶液を濃縮した後に硫酸を分解し、酸素と前記ブンゼン反応装置へ供給する二酸化硫黄とを得る硫酸濃縮分解装置と、を備え、
前記ヨウ化水素濃縮分解装置には、ヨウ化水素水溶液を水選択透過膜によって水分膜分離する水分膜分離装置が設けられた、水素製造装置において、
前記水分膜分離装置の上流側には、ヨウ化水素水溶液を濃縮するとともに、該ヨウ化水素水溶液中のヨウ素を除去する電気透析器が設けられ、
前記水分膜分離装置には、前記水選択透過膜によって処理されるヨウ化水素水溶液に対して、蒸発潜熱分の熱を供給する熱供給器が設けられ、
該熱供給器の熱源として海水を用いることを特徴とする水素製造装置。 - ヨウ素、二酸化硫黄および水から硫酸水溶液およびヨウ化水素水溶液を生成するブンゼン反応工程と、
前記ブンゼン反応工程によって得られたヨウ化水素水溶液を濃縮した後にヨウ化水素を分解し、製品としての水素と前記ブンゼン反応工程へ供給するヨウ素とを得るヨウ化水素濃縮分解工程と、
前記ブンゼン反応工程によって得られた硫酸水溶液を濃縮した後に硫酸を分解し、酸素と前記ブンゼン反応工程へ供給する二酸化硫黄とを得る硫酸濃縮分解工程と、を備え、
前記ヨウ化水素濃縮分解工程には、ヨウ化水素水溶液を水選択透過膜によって水分膜分離する水分膜分離工程が設けられた、水素製造方法において、
前記水分膜分離工程の上流側には、ヨウ素を析出させ除去するヨウ素除去工程が設けられ、
前記水分膜分離工程には、前記水選択透過膜によって処理されるヨウ化水素水溶液に対して、蒸発潜熱分の熱を供給する熱供給工程が設けられ、
該熱供給工程の熱源として海水を用いることを特徴とする水素製造方法。 - ヨウ素、二酸化硫黄および水から硫酸水溶液およびヨウ化水素水溶液を生成するブンゼン反応工程と、
前記ブンゼン反応工程によって得られたヨウ化水素水溶液を濃縮した後にヨウ化水素を分解し、製品としての水素と前記ブンゼン反応工程へ供給するヨウ素とを得るヨウ化水素濃縮分解工程と、
前記ブンゼン反応工程によって得られた硫酸水溶液を濃縮した後に硫酸を分解し、酸素と前記ブンゼン反応工程へ供給する二酸化硫黄とを得る硫酸濃縮分解工程と、を備え、
前記ヨウ化水素濃縮分解工程には、ヨウ化水素水溶液を水選択透過膜によって水分膜分離する水分膜分離工程が設けられた、水素製造方法において、
前記水分膜分離工程の上流側には、ヨウ化水素水溶液を濃縮する工程と、該ヨウ化水素水溶液中のヨウ素を除去する工程が設けられ、
前記水分膜分離工程には、前記水選択透過膜によって処理されるヨウ化水素水溶液に対して、蒸発潜熱分の熱を供給する熱供給工程が設けられ、
該熱供給工程の熱源として海水を用いることを特徴とする水素製造方法。
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