JP6587460B2 - 水素製造設備及び水素製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、水素を製造する水素製造設備及び水素製造方法に関する。

従来、水素を製造する水素製造設備が広く知られている（例えば、特許文献１参照）。このような水素製造設備においては、水電解装置に電力を供給することにより水素を生成する。

特開２０１４−２３４３２２号公報

しかしながら、上記のような従来の水素製造設備においては、水素を生成するために大きな電力が必要となる。そして、大きな電力を発電するためには、大きなエネルギー（燃料等）が必要となり、環境負荷を増加させてしまうという問題がある。

本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、環境負荷の増加を抑制することができる水素製造設備及び水素製造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に、本発明の一態様に係る水素製造設備は、水素を製造する水素製造設備であって、前記水素製造設備とは異なる設備である他設備が生成した蒸気であって、前記他設備に使用されなかった蒸気が供給される蒸気タービンと、前記蒸気タービンによって発電する発電機と、前記発電機が発電した電力を使用して水素を生成する水電解装置とを備える。

これによれば、水素製造設備は、他設備が生成した蒸気であって、当該他設備に使用されなかった蒸気が蒸気タービンに供給されて発電した電力を使用して、水素を生成する。つまり、水素製造設備は、他設備で使用されなかった蒸気を有効活用して、水素を生成することができるため、環境負荷の増加を抑制することができる。

また、さらに、前記水電解装置が生成した前記水素を圧縮する圧縮機を備え、前記圧縮機は、回転軸が前記蒸気タービンの回転軸に接続されており、前記蒸気タービンが回転する動力で前記水素を圧縮することにしてもよい。

これによれば、水素製造設備は、蒸気タービンが回転する動力で圧縮機を駆動させて水素を圧縮する。つまり、水素製造設備は、他設備で使用されなかった蒸気を有効活用して、水素を圧縮することができるため、環境負荷の増加を抑制することができる。

また、さらに、前記発電機から前記水電解装置へ所定範囲内の電力を供給するように制御する制御装置を備えることにしてもよい。

これによれば、水素製造設備は、水電解装置へ所定範囲内の電力を供給する。ここで、水電解装置は、一般的に、供給される電力が変動する場合には耐久性が低下する。このため、水素製造設備において、水電解装置へ一定電力を供給することで、水電解装置の長寿命化を図ることができる。

また、前記制御装置は、前記発電機から前記水電解装置へ供給した電力の余剰分を、前記水素製造設備内の他の機器または前記他設備に供給するように制御することにしてもよい。

これによれば、水素製造設備は、水電解装置へ供給した電力の余剰分を、水素製造設備内の他の機器または他設備に供給する。つまり、水素製造設備は、水電解装置へ一定電力を供給して余った電力を、水素製造設備内のポンプや電動弁などの補機や他設備内の機器の動力源として利用することができる。これにより、水素製造設備は、他設備で使用されなかった蒸気を有効活用して、補機などの機器を稼動することができるため、環境負荷の増加を抑制することができる。

また、前記制御装置は、前記発電機から前記水電解装置への電力供給に必要な量以上の蒸気を前記蒸気タービンに供給するように当該蒸気の量を制御することにしてもよい。

これによれば、水素製造設備は、水電解装置への電力供給に必要な量以上の蒸気を蒸気タービンに供給するように当該蒸気の量を制御することで、水素を生成するのに必要な蒸気を他設備から受け入れることができる。

また、前記水電解装置は、前記水素とともに酸素を生成し、前記水素製造設備は、さらに、前記酸素を前記他設備に供給する酸素供給管を備えることにしてもよい。

これによれば、水素製造設備は、生成した酸素を他設備に供給することで、水素とともに発生する酸素を有効活用することができる。

また、前記他設備は、発電設備であり、前記酸素供給管は、前記酸素を、複合給水処理（ＣＷＴ）用の酸素として前記発電設備に供給することにしてもよい。

これによれば、水素製造設備は、生成した酸素を、複合給水処理（ＣＷＴ）用の酸素として他設備である発電設備に供給することで、当該酸素を有効活用することができる。

また、さらに、前記蒸気タービンからの排気を前記他設備に送る排気管を備えることにしてもよい。

これによれば、水素製造設備は、蒸気タービンからの排気を他設備に送ることで、当該排気（蒸気）を有効活用することができる。

また、さらに、前記他設備が生成した純水を前記水電解装置に送る純水受入管を備えることにしてもよい。

これによれば、水素製造設備は、他設備が生成した純水を水電解装置に送ることで、水電解装置に必要な純水を生成する装置を新たに設けることなく、水素を生成することができる。

なお、本発明は、このような水素製造設備として実現することができるだけでなく、当該水素製造設備によって水素を製造する水素製造方法として実現することもできる。

本発明における水素製造設備によれば、環境負荷の増加を抑制することができる。

本発明の実施の形態に係る水素製造設備１の概略構成を示す模式図である。 本発明の実施の形態に係る水素製造設備１が備える制御装置６０の機能構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態に係る水素製造設備１が備える水電解装置５０の動作原理を説明する図である。 本発明の実施の形態に係る発電設備２の概略構成を示す模式図である。 本発明の実施の形態に係る水素製造設備１が行う水素製造方法を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態に係る水素製造設備１の水電解装置５０が行う水素生成処理を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態の変形例１に係る水素製造設備１の概略構成を示す模式図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態に係る水素製造設備について説明する。なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも本発明の好ましい一具体例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、製造工程、製造工程の順序などは、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。

（実施の形態）
まず、水素製造設備１の構成について、説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係る水素製造設備１の概略構成を示す模式図である。また、図２は、本発明の実施の形態に係る水素製造設備１が備える制御装置６０の機能構成を示すブロック図である。また、図３は、本発明の実施の形態に係る水素製造設備１が備える水電解装置５０の動作原理を説明する図である。

まず、図１及び図２に示すように、水素製造設備１は、水素を製造する設備であり、蒸気タービン１０と、発電機２０と、圧縮機３０と、水電解装置５０と、制御装置６０とを備えている。

蒸気タービン１０は、水素製造設備１とは異なる設備である他設備が生成した蒸気であって、当該他設備に使用されなかった蒸気が供給され、当該蒸気のエネルギーで駆動（回転）するタービンである。つまり、蒸気タービン１０は、他設備が自ら使用するために生成した蒸気のうち、他設備が稼動するために使用されなかった蒸気（余剰蒸気）が供給されることによって回転する。

なお、蒸気タービン１０に供給される蒸気は、上記のような余剰蒸気には限定されず、他設備が生成した蒸気のうちの一部の蒸気が蒸気タービン１０に供給される構成であればよい。例えば、蒸気が他設備で使用できる場合であっても、他設備に当該蒸気を使用するよりも水素製造設備１に当該蒸気を供給した方が、水素製造設備１及び他設備の全体としての効率が高くなるのであれば、当該蒸気を蒸気タービン１０に供給することにしてもよい。

また、蒸気タービン１０には、他設備から蒸気を受け入れる蒸気受入管１１と、蒸気タービン１０からの排気を当該他設備に送る排気管１２とが設けられている。

ここで、本実施の形態では、当該他設備は、発電設備２である。つまり、発電設備２で生成された蒸気が、蒸気受入管１１を通って、蒸気タービン１０に送られ、蒸気タービン１０を回転させる。そして、当該蒸気は、蒸気タービン１０を回転させた後、蒸気タービン１０から排気として排出されて、排気管１２を通って、発電設備２に送られる。発電設備２における蒸気受入管１１との接続箇所（蒸気取出箇所）、及び排気管１２との接続箇所（排気受入箇所）など、発電設備２についての詳細な構成の説明は、後述する。

本実施の形態では、蒸気タービン１０に送られる蒸気は、例えば、流量が約４０ｔ／ｈ、圧力が約４．５ＭＰａ、温度が約３００℃である。また、蒸気タービン１０の入口における蒸気は、圧力が約４．４ＭＰａ、温度が約２９０℃である。また、蒸気タービン１０から排出される排気は、圧力が約１０ｋＰａである。

なお、蒸気タービン１０に送られる蒸気の条件は、特に限定されないが、蒸気タービン１０に応じた適切な条件の蒸気が供給されるのが好ましい。また、蒸気タービン１０に送られる蒸気の条件が予め設定されている場合には、当該蒸気の条件に併せて、適宜、蒸気タービン１０を設計可能である。

発電機２０は、蒸気タービン１０によって発電する発電機である。つまり、発電機２０は、蒸気タービン１０の回転力を電力に変換することによって発電を行うタービン発電機である。

また、発電機２０が発電した電力は、水電解装置５０、水素製造設備１内の補機、制御装置６０などに供給される。つまり、発電機２０が発電した電力は、電線２１を介して水電解装置５０に供給され、また、電線２２を介して水素製造設備１内の補機や制御装置６０、発電設備２などに供給される。ここで、水素製造設備１内の補機とは、蒸気タービン１０や水電解装置５０まわりのポンプ及び電動弁などである。

なお、本実施の形態では、発電機２０が発電する電力は、例えば、約７０００ｋＷである。

圧縮機３０は、水電解装置５０が生成した水素を圧縮する圧縮機である。圧縮機３０は、回転軸が蒸気タービン１０の回転軸に接続されており、蒸気タービン１０が回転する動力で水素を圧縮する。

具体的には、圧縮機３０は、回転軸４１まわりに回転することで、水素を圧縮する。そして、圧縮機３０の回転軸４１は、蒸気タービン１０の回転軸４２に接続されている。つまり、圧縮機３０は、蒸気タービン１０と同軸の構成を有している。これにより、蒸気タービン１０が回転すると、圧縮機３０も回転するため、蒸気タービン１０が回転する動力で水素を圧縮することができる。

なお、蒸気タービン１０の回転軸４２は、発電機２０の回転軸４３にも接続されている。つまり、発電設備２から供給される蒸気によって蒸気タービン１０が回転し、蒸気タービン１０が回転する動力で、発電機２０及び圧縮機３０を回転させて、発電及び水素の圧縮が行われる。

また、圧縮機３０には、圧縮した水素を送る圧縮水素供給管３１が設けられている。つまり、圧縮機３０で圧縮された高圧の水素（または液化水素）は、圧縮水素供給管３１を通って、貯留タンク（図示せず）などに送られる。

水電解装置５０は、発電機２０が発電した電力を使用して水素を生成する装置である。具体的には、水電解装置５０は、純水を受け入れて、発電機２０が発電した電力を使用して、水素と酸素とを生成する。

つまり、図３に示すように、水電解装置５０は、供給された純水に電圧をかけて水の電気分解を起こすことによって、陰極から水素を発生させ、陽極からは酸素を発生させることができる。これにより、水電解装置５０は、水素と酸素とを生成することができる。

また、図１に示すように、水電解装置５０には、純水受入管５１と、水素供給管５２と、酸素供給管５３とが設けられている。

純水受入管５１は、発電設備２が生成した純水を水電解装置５０に送る配管である。つまり、発電設備２は、発電用に純水を生成しているため、水電解装置５０は、純水受入管５１を介して、発電設備２が発電用に生成した純水の一部を、発電設備２から受け入れる。

水素供給管５２は、水電解装置５０が生成した水素を圧縮機３０に供給する配管である。つまり、水電解装置５０は、水素供給管５２を介して、生成した水素を圧縮機３０に送る。

酸素供給管５３は、水電解装置５０が生成した酸素を発電設備２に供給する配管である。具体的には、酸素供給管５３は、当該酸素を、複合給水処理（ＣＷＴ：Ｃｏｍｂｉｎｅｄ Ｗａｔｅｒ Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ）用の酸素として発電設備２に供給するための配管である。なお、ＣＷＴとは、給水に酸素を注入することにより鉄の不働体化を図り、系統材料の母材表面にヘマタイトの保護皮膜を形成して防食を行う給水酸素処理法である。

つまり、水電解装置５０は、酸素供給管５３を介して、生成した酸素を発電設備２に送る。そして、発電設備２では、受け入れた当該酸素を、ＣＷＴに使用する。発電設備２における酸素供給管５３との接続箇所（酸素注入箇所）については、後述する。

なお、本実施の形態では、水電解装置５０に必要な電力は約６０００ｋＷであり、この場合、水素の製造量は約１２００Ｎｍ^３/ｈである。

制御装置６０は、水素製造設備１を制御し、水素を生成するための装置である。図２に示すように、制御装置６０は、蒸気供給制御部６１と、発電制御部６２と、水電解制御部６３と、記憶部６４とを有している。

蒸気供給制御部６１は、蒸気タービン１０に蒸気を供給するための制御を行う。つまり、蒸気供給制御部６１は、水素製造設備１とは異なる設備である他設備としての発電設備２が生成した蒸気であって、発電設備２に使用されなかった蒸気を蒸気タービン１０に供給する。

具体的には、蒸気供給制御部６１は、発電機２０から水電解装置５０への電力供給に必要な量以上の蒸気を蒸気タービン１０に供給するように、当該蒸気の量を制御する。つまり、蒸気供給制御部６１は、発電機２０が水電解装置５０への供給に必要な電力以上の電力を発電できるように、当該蒸気の量を制御する。

さらに具体的には、蒸気供給制御部６１は、水電解装置５０へ必要な電力を発電機２０が発電可能で、かつ、水電解装置５０が生成した水素を圧縮機３０が所定の圧力まで圧縮可能なように、当該蒸気の量を制御する。

例えば、蒸気受入管１１に調整弁（図示せず）が設けられており、記憶部６４に、必要な蒸気の量、及び、当該蒸気の量と蒸気受入管１１の調整弁の開度との関係が記憶されている。そして、蒸気供給制御部６１は、記憶部６４に記憶されている当該必要な蒸気の量及び当該関係を参照し、当該調整弁の開度を調整することにより、当該蒸気の量を制御する。なお、蒸気供給制御部６１は、蒸気の量を制御できるのであれば、上記の手法に限定されず、どのような手法を用いてもかまわない。

発電制御部６２は、発電機２０が発電した電力の供給先を制御する。具体的には、発電制御部６２は、発電機２０から水電解装置５０へ所定範囲内の電力を供給するように制御する。また、発電制御部６２は、発電機２０から水電解装置５０へ供給した電力の余剰分を、水素製造設備１内の他の機器または発電設備２に供給するように制御する。

なお、所定範囲内の電力とは、水電解装置５０が水の電気分解を行って水素を生成するために必要となる大きさの電力であり、水電解装置５０に供給される電力が大きく変動しないように（一定の値の電力となるように）、当該所定範囲が適宜定められる。また、水素製造設備１内の他の機器とは、水素製造設備１内の補機や制御装置６０などである。水素製造設備１内の補機とは、蒸気タービン１０や水電解装置５０まわりのポンプ及び電動弁などである。

また、本実施の形態では、発電機２０の発電出力は約７０００ｋＷであり、水電解装置５０に必要な電力は約６０００ｋＷであり、蒸気タービン１０の補機に必要な電力は約５００ｋＷであり、残りの約５００ｋＷがその他の機器に使用される。

このように、発電制御部６２は、水電解装置５０における水の電気分解のために一定の電力を発電機２０から水電解装置５０に供給し、かつ、余った電力を、当該電気分解以外の用途に使用するように制御する。

例えば、記憶部６４に、水電解装置５０へ供給すべき電力の値が記憶されており、発電制御部６２は、記憶部６４に記憶されている当該電力の値を参照し、電線２１及び電線２２を介して供給する電力の大きさを決定する。なお、発電制御部６２は、水電解装置５０が停止中であるなど水電解装置５０へ電力を供給する必要がない場合には、全ての電力を電線２２を介して供給するなどのように、電線２１及び電線２２の間を切り替える機能を有していてもかまわない。また、発電制御部６２は、上記の手法に限定されず、どのような手法を用いて電力を供給することにしてもかまわない。また、電線２２は発電設備２にも接続されているが、省略して図示している。

水電解制御部６３は、水電解装置５０を制御し、水素を生成する。つまり、水電解制御部６３は、水電解装置５０に受け入れる純水の量、圧縮機３０に供給する水素の量、及び、発電設備２に供給する酸素の量などを制御する。

例えば、水電解制御部６３は、純水受入管５１に調整弁（図示せず）が設けられており、記憶部６４に、水電解装置５０に必要な純水の量、及び、当該純水の量と純水受入管５１の調整弁の開度との関係が記憶されている。そして、水電解制御部６３は、記憶部６４に記憶されている当該必要な純水の量及び当該関係を参照し、当該調整弁の開度を調整することにより、当該純水の量を制御する。

同様に、例えば、水電解制御部６３は、水素供給管５２または酸素供給管５３に設けられている調整弁（図示せず）の開度を調整することにより、圧縮機３０に供給する水素または発電設備２に供給する酸素の量を制御する。なお、水電解制御部６３は、上記の手法に限定されず、どのような手法を用いて上記の制御を行ってもかまわない。

記憶部６４は、制御装置６０に含まれる各処理部が行う処理に必要なデータを記憶しているメモリである。記憶部６４は、上述の通り、例えば、蒸気供給制御部６１が制御する蒸気の量、発電制御部６２が制御する水電解装置５０への電力供給量、水電解制御部６３が制御する純水の受入量などについてのデータを記憶している。

なお、制御装置６０の構成は、上記に限定されず、例えば、圧縮機３０の動作を制御する機能などを有していてもかまわない。

次に、発電設備２の構成について、詳細に説明する。

図４は、本発明の実施の形態に係る発電設備２の概略構成を示す模式図である。

発電設備２は、ボイラで燃料を燃焼させて蒸気を発生し、蒸気タービンで発電を行う火力発電設備である。具体的には、図４に示すように、発電設備２は、ボイラ１００、蒸気タービン２００などを備えている。なお、発電設備２は、その他に、発電機、脱硝装置や空気予熱器などが設けられた煙道、煙突なども有しているが、これらは省略して図示している。

ボイラ１００は、化石燃料を燃焼するボイラであり、本実施の形態では、定圧貫流ボイラである。また、ボイラ１００は、主蒸気管１１０を有しており、燃料を燃焼することで生成した蒸気（主蒸気）を、主蒸気管１１０を通じて蒸気タービン２００に送る。また、ボイラ１００は、燃料を燃焼した後の排ガスを、煙道を通じて脱硝装置、空気予熱器及び煙突へと送る。なお、ボイラ１００の形式は、定圧貫流ボイラには限定されず、変圧貫流ボイラなど、どのような形式のボイラであってもかまわない。

蒸気タービン２００は、ボイラ１００で生成された蒸気のエネルギーによって回転するタービンである。本実施の形態では、蒸気タービン２００は、高圧タービン２１０、中圧タービン２２０及び低圧タービン２３０を有している。

高圧タービン２１０は、高圧の蒸気によって回転するタービンであり、中圧タービン２２０は、当該高圧の蒸気よりも圧力の低い中圧の蒸気によって回転するタービンであり、低圧タービン２３０は、当該中圧の蒸気よりも圧力の低い低圧の蒸気によって回転するタービンである。本実施の形態では、発電機（図示せず）に近い側から、低圧タービン２３０、中圧タービン２２０、高圧タービン２１０の順に配置されている。

つまり、ボイラ１００で生成された高温高圧の蒸気（主蒸気）は、主蒸気管１１０を通って高圧タービン２１０に送られ、高圧タービン２１０を回転させる。また、高圧タービン２１０を出た蒸気（低温再熱蒸気）は、低温再熱蒸気管２１１を通ってボイラ１００に送られ、ボイラ１００で再加熱される。そして、ボイラ１００で再加熱された蒸気（高温再熱蒸気）は、高温再熱蒸気管１４０を通って中圧タービン２２０に送られ、中圧タービン２２０を回転させる。また、中圧タービン２２０を出た蒸気は、蒸気管２２３を通って低圧タービン２３０に送られ、低圧タービン２３０を回転させる。

また、低圧タービン２３０を出た蒸気は、蒸気管２３５を通って復水器２４０に送られ、復水器２４０で冷やされて水になり、配管２４１を通ってグランドコンデンサ２４２に送られる。

ここで、蒸気タービン２００は、８段抽気として、８箇所から蒸気が取り出される構成になっている。つまり、蒸気タービン２００から、第一抽気から第八抽気までの８段の抽気が取り出される。

具体的には、低圧タービン２３０から、第一抽気管２３１によって第一抽気が取り出され、取り出された第一抽気は、第一給水ヒータ２５１において、グランドコンデンサ２４２を出た水（給水）を加熱する。また、低圧タービン２３０から、第二抽気管２３２によって第二抽気が取り出され、取り出された第二抽気は、第二給水ヒータ２５２において、第一給水ヒータ２５１を出た給水を加熱する。

また、低圧タービン２３０から、第三抽気管２３３によって第三抽気が取り出され、取り出された第三抽気は、第三給水ヒータ２５３において、第二給水ヒータ２５２を出た給水を加熱する。また、低圧タービン２３０から、第四抽気管２３４によって第四抽気が取り出され、取り出された第四抽気は、第四給水ヒータ２５４において、第三給水ヒータ２５３を出た給水を加熱する。

このように、低圧タービン２３０からは、第一抽気から第四抽気までの４段の抽気が取り出される。なお、取り出された抽気の温度は、低い方から、第一抽気、第二抽気、第三抽気、第四抽気となっている。

また、中圧タービン２２０から、第五抽気管２２１によって第五抽気が取り出され、取り出された第五抽気は、脱気器２５５に送られる。また、中圧タービン２２０から、第六抽気管２２２によって第六抽気が取り出され、取り出された第六抽気は、第六給水ヒータ２５６において、脱気器２５５で脱気された給水を加熱する。

このように、中圧タービン２２０からは、第五抽気及び第六抽気の２段の抽気が取り出される。なお、取り出された抽気の温度は、低い方から、第五抽気、第六抽気となっている。また、第五抽気及び第六抽気は、第一抽気から第四抽気までの抽気よりも高い温度となっている。

また、高圧タービン２１０の低温再熱蒸気管２１１から、第七抽気管２１２によって第七抽気が取り出され、取り出された第七抽気は、第七給水ヒータ２５７において、第六給水ヒータ２５６を出た給水を加熱する。また、高圧タービン２１０から、第八抽気管２１３によって第八抽気が取り出され、取り出された第八抽気は、第八給水ヒータ２５８において、第七給水ヒータ２５７を出た給水を加熱する。そして、第八給水ヒータ２５８で加熱された給水は、配管２５９を通ってボイラ１００に送られる。

このように、高圧タービン２１０からは、第七抽気及び第八抽気の２段の抽気が取り出される。なお、取り出された抽気の温度は、低い方から、第七抽気、第八抽気となっている。

なお、蒸気タービン２００は、高圧タービン２１０、中圧タービン２２０及び低圧タービン２３０のうちのいずれかのタービンを有していない構成でもかまわない。また、蒸気タービン２００からの抽気は、上記のような８段抽気でなくともかまわない。

また、主蒸気管１１０、高温再熱蒸気管１４０、低温再熱蒸気管２１１、第一抽気管２３１〜第八抽気管２１３、蒸気管２２３、２３５、配管２４１、２５９などの配管は、内部を通る蒸気（または水）の条件（流量、流速、温度、圧力等）に応じた仕様（口径、材質等）で構成されていれば、どのような仕様であってもかまわない。

また、第一給水ヒータ２５１〜第四給水ヒータ２５４及び第六給水ヒータ２５６〜第八給水ヒータ２５８は、第一抽気〜第四抽気及び第六抽気〜第八抽気と給水との間で熱交換を行うことができる熱交換器であるが、当該熱交換器の構造は、特に限定されない。

以上のような構成において、水素製造設備１の蒸気受入管１１は、第七抽気管２１２に接続されている。つまり、第七抽気管２１２からの蒸気（補助蒸気）が、蒸気受入管１１を通って、水素製造設備１の蒸気タービン１０に送られる。

なお、蒸気受入管１１の接続箇所は、第七抽気管２１２には限定されない。例えば、蒸気受入管１１は、主蒸気管１１０、高温再熱蒸気管１４０、第五抽気管２２１、第六抽気管２２２、第八抽気管２１３など、蒸気タービン１０を駆動可能な蒸気条件以上の蒸気が流れる配管であればどのような配管に接続されてもよい。

ただし、蒸気受入管１１は、蒸気タービン１０を効率よく駆動できる蒸気条件を有する蒸気を抽出できる配管に接続されるのが好ましい。または、発電設備２で蒸気が余っており、発電設備２では当該蒸気を有効活用できない場合には、この余剰蒸気が通る配管に蒸気受入管１１を接続し、当該余剰蒸気を蒸気タービン１０に供給する構成が好ましい。

また、水素製造設備１の排気管１２は、低圧給水ライン（同図では、第三給水ヒータ２５３の出口）に接続されている。つまり、水素製造設備１の蒸気タービン１０を出た排気（ドレン）は、排気管１２を通って、発電設備２の低圧給水ラインの、例えば低圧ドレンタンクなどに送られる。

なお、排気管１２の接続箇所は、上記の箇所に限定されず、蒸気タービン１０の排気の条件に応じた箇所へ接続される構成であればよい。

また、水素製造設備１の酸素供給管５３は、低圧給水ライン（同図では、グランドコンデンサ２４２の出口と脱気器２５５の出口）に接続されている。つまり、水素製造設備１の水電解装置５０が生成した酸素は、酸素供給管５３を通って、発電設備２の低圧給水ラインの、例えば復水ブースターポンプ（図示せず）の入口と脱気器２５５の出口の２箇所に送られる。

なお、酸素供給管５３の接続箇所は、上記の箇所に限定されず、発電設備２のＣＷＴを行うために適切な箇所へ接続される構成であればよい。

次に、水素製造設備１が行う水素製造方法について、説明する。

図５は、本発明の実施の形態に係る水素製造設備１が行う水素製造方法を示すフローチャートである。また、図６は、本発明の実施の形態に係る水素製造設備１の水電解装置５０が行う水素生成処理を示すフローチャートである。

図５に示すように、まず、水素製造設備１の制御装置６０の蒸気供給制御部６１は、蒸気供給工程として、水素製造設備１とは異なる設備である他設備としての発電設備２が生成した蒸気であって、発電設備２に使用されなかった蒸気を蒸気タービン１０に供給する（Ｓ１０２）。具体的には、蒸気供給制御部６１は、発電機２０から水電解装置５０への電力供給に必要な量以上の蒸気を蒸気タービン１０に供給するように、当該蒸気の量を制御する。

そして、水素製造設備１は、発電工程として、蒸気タービン１０によって発電機２０に発電させる（Ｓ１０４）。そして、水素製造設備１の制御装置６０の発電制御部６２は、発電機２０から水電解装置５０へ所定範囲内の電力を供給するように制御する。また、発電制御部６２は、発電機２０から水電解装置５０へ供給した電力の余剰分を、水素製造設備１内の他の機器または発電設備２に供給するように制御する。

そして、水素製造設備１の制御装置６０の水電解制御部６３は、水電解工程として、発電機２０が発電した電力を使用して水素を生成する（Ｓ１０６）。

具体的には、図６に示すように、水電解制御部６３は、純水受入管５１を介して、水電解装置５０の内部に、純水を受け入れる（Ｓ２０２）。また、水電解制御部６３は、発電機２０が発電した電力を使用して、水素及び酸素を生成する（Ｓ２０４）。また、水電解制御部６３は、水素供給管５２を介して、生成した水素を圧縮機３０に供給する（Ｓ２０６）。また、水電解制御部６３は、酸素供給管５３介して、生成した酸素を発電設備２に供給する（Ｓ２０８）。

そして、図５に戻り、水素製造設備１の圧縮機３０は、水電解装置５０が生成した水素を圧縮する（Ｓ１０８）。

このようにして、水素製造設備１は、水素を生成する。なお、圧縮機３０によって水素を高圧に圧縮し、液化することで、貯蔵及び輸送の効率向上を図ることができる。また、生成した水素は、燃料電池自動車（ＦＣＶ）の燃料などに活用できる。

また、水素製造設備１が生成した水素は、有機ケミカルハイドライト法などを用いて、貯蔵し、活用することもできる。ここで、有機ケミカルハイドライト法とは、芳香族化合物を水素化して水素化芳香族化合物として水素を貯蔵し、使用場所まで輸送して、使用場所で水素化芳香族化合物から脱水素化することで水素を取り出す手法であり、水素の貯蔵及び輸送を安全に行うことができる。例えば、水素製造設備１が生成した水素は、トルエンに水素化反応を行うことで生成される有機化合物であるＭＣＨ（メチルシクロヘキサン）として、タンクなどに貯留することができる。

また、水素製造設備１が生成した水素は、発電設備２が有する発電機や、水素製造設備１が有する発電機２０の冷却用の水素として供給することもできる。つまり、発電機は、発電の際に界磁や固定子に大きな電流が流れて高温になるため、機内に冷媒としての水素が封入される場合がある。このため、水素製造設備１が生成した水素を、当該発電機の冷却用の水素として活用することもできる。

以上のように、本発明の実施の形態に係る水素製造設備１によれば、他設備である発電設備２が生成した蒸気であって、発電設備２に使用されなかった蒸気が蒸気タービン１０に供給されて発電した電力を使用して、水素を生成する。つまり、水素製造設備１は、発電設備２で使用されなかった蒸気を有効活用して、水素を生成することができるため、環境負荷の増加を抑制することができる。

また、水素製造設備１は、蒸気タービン１０が回転する動力で圧縮機３０を駆動させて水素を圧縮する。つまり、水素製造設備１は、発電設備２で使用されなかった蒸気を有効活用して、水素を圧縮することができるため、環境負荷の増加を抑制することができる。

また、水素製造設備１は、水電解装置５０へ所定範囲内の電力を供給する。ここで、水電解装置５０は、一般的に、供給される電力が変動する場合には耐久性が低下する。すなわち、水電解装置５０において、電極の電位の上昇・低下が繰り返されると、酸化還元反応に伴う電極の体積変化によるひび割れや溶解による溶出によって、時間経過とともに電極の性能が低下する傾向にある。また、水電解反応の停止状態から急激に電圧が上昇すると、電圧の集中による電極の溶解や、泡沫の急発生に伴う泡の圧力により電極表面構造の破壊がもたらされる虞がある。このため、水素製造設備１において、水電解装置５０へ一定電力を供給することで、水電解装置５０の長寿命化を図ることができる。

また、水素製造設備１は、水電解装置５０へ供給した電力の余剰分を、水素製造設備１内の他の機器または発電設備２に供給する。つまり、水素製造設備１は、水電解装置５０へ一定電力を供給して余った電力を、水素製造設備１内のポンプや電動弁などの補機や発電設備２内の機器の動力源として利用することができる。これにより、水素製造設備１は、発電設備２で使用されなかった蒸気を有効活用して、補機などの機器を稼動することができるため、環境負荷の増加を抑制することができる。

また、水素製造設備１は、水電解装置５０への電力供給に必要な量以上の蒸気を蒸気タービン１０に供給するように当該蒸気の量を制御することで、水素を生成するのに必要な蒸気を発電設備２から受け入れることができる。

また、水素製造設備１は、生成した酸素を発電設備２に供給することで、水素とともに発生する酸素を有効活用することができる。

また、水素製造設備１は、生成した酸素を、ＣＷＴ用の酸素として発電設備２に供給することで、当該酸素を有効活用することができる。

また、水素製造設備１は、蒸気タービン１０からの排気を発電設備２に送ることで、当該排気（蒸気）を有効活用することができる。

また、水素製造設備１は、発電設備２が生成した純水を水電解装置５０に送ることで、水電解装置５０に必要な純水を生成する装置を新たに設けることなく、水素を生成することができる。

また、水素製造設備１は、発電設備２で使用されなかった蒸気や純水を有効活用しているため、水素の製造にかかるコストを大幅に低減し、安価に水素を製造することができるという効果も奏する。

なお、上記実施の形態において、水素製造設備１は、発電設備２が生成した制御用空気や雑用空気を受け入れて、水素製造設備１内の空気式制御弁などの補機の動力等に用いることにしてもよい。また、水素製造設備１は、発電設備２から工業用水を受け入れて、水素製造設備１内で用いることにしてもよい。例えば、水素製造設備１において、発電に利用した蒸気の復水方法として冷却塔方式を採用する場合には、蒸気タービン１０の排気を冷却するための冷却塔（クーリングタワー）に供給する冷却水に、当該工業用水を使用することができる。これらによっても、環境負荷の増加を抑制し、コスト低減を図ることができる。

（変形例１）
次に、上記実施の形態の変形例１について、説明する。上記実施の形態では、水素製造設備１とは異なる設備としての他設備は、発電設備２であることとした。しかし、本変形例では、当該他設備は、化学プラント３である。

図７は、本発明の実施の形態の変形例１に係る水素製造設備１の概略構成を示す模式図である。

同図に示すように、水素製造設備１の蒸気受入管１１は、化学プラント３の蒸気配管に接続されており、蒸気タービン１０は、蒸気受入管１１を介して、化学プラント３から蒸気を受け入れる。また、排気管１２、水素供給管５２及び酸素供給管５３は、化学プラント３には接続されていない。なお、その他の構成については、上記実施の形態と同様であるため、詳細な説明は省略する。

ここで、化学プラント３は、化学製品を生産する設備であり、例えば、石油化学プラント、天然ガス化学プラント、石炭化学プラント、アンモニア化学プラントなどである。化学プラント３は、化学製品を生産するために蒸気を生成する。

以上のように、本発明の実施の形態の変形例１に係る水素製造設備１によっても、化学プラント３で生成された蒸気を有効活用して、水素を生成することができるため、環境負荷の増加を抑制することができる。

なお、同図では、排気管１２、純水受入管５１、酸素供給管５３及び圧縮水素供給管３１は、化学プラント３には接続されていないが、排気管１２、純水受入管５１、酸素供給管５３及び圧縮水素供給管３１の少なくとも１つが化学プラント３に接続されている構成でもかまわない。つまり、化学プラント３は、水素製造設備１から、排気管１２を介して排気を受け入れたり、酸素供給管５３を介して酸素を受け入れたり、圧縮水素供給管３１を介して水素を受け入れたり、また、水素製造設備１へ、純水受入管５１を介して純水を供給したりする構成でもかまわない。

以上、本発明の実施の形態及びその変形例に係る水素製造設備１について説明したが、本発明は、上記実施の形態及びその変形例に限定されるものではない。つまり、今回開示された実施の形態及びその変形例は全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

例えば、上記実施の形態では、発電設備２は、化石燃料を燃料とする火力発電設備であることとした。しかし、発電設備２は、バイオマス発電設備、地熱発電設備、または、原子力発電設備など、蒸気を生成する設備であれば、どのような設備であってもかまわない。

また、上記実施の形態及びその変形例では、水素製造設備１は、圧縮機３０及び制御装置６０を備えていることとした。しかし、水素製造設備１は、圧縮機３０及び制御装置６０のうちのいずれか１つを備えていない構成でもかまわない。

また、上記実施の形態及びその変形例では、圧縮機３０は、蒸気タービン１０と同軸の構成を有していることとした。しかし、圧縮機３０は、蒸気タービン１０とは異なる回転軸を有している構成でもかまわない。例えば、圧縮機３０の回転軸は、蒸気タービン１０の回転軸とギアによって接続されており、蒸気タービン１０が回転する動力で回転する構成などであってもよい。

また、上記実施の形態及びその変形例では、制御装置６０は、発電機２０から水電解装置５０へ一定の電力を供給するように制御することとした。しかし、制御装置６０は、水電解装置５０への供給電力を、水素の必要量に応じて変動させることにしてもかまわない。

また、上記実施の形態及びその変形例では、制御装置６０は、発電機２０から水電解装置５０へ供給した電力の余剰分を、水素製造設備１内の他の機器または発電設備２に供給するように制御することとした。しかし、制御装置６０は、当該電力の余剰分を、水素製造設備１及び発電設備２以外の機器に供給するように制御してもよい。

また、上記実施の形態及びその変形例では、他設備は、発電設備２または化学プラント３であることとした。しかし、他設備は、蒸気を生成し、蒸気受入管１１を介して、水素製造設備１に蒸気を供給可能な設備であればよく、発電設備２や化学プラント３以外の設備でも適用可能である。この場合、他設備は、発電設備２や化学プラント３以外の設備であっても、排気管１２、純水受入管５１、酸素供給管５３及び圧縮水素供給管３１の少なくとも１つに接続されている構成でもかまわない。つまり、他設備は、水素製造設備１から、排気管１２を介して排気を受け入れたり、酸素供給管５３を介して酸素を受け入れたり、圧縮水素供給管３１を介して水素を受け入れたり、また、水素製造設備１へ、純水受入管５１を介して純水を供給したりする構成でもかまわない。

また、上記実施の形態及び上記変形例に含まれる構成要素を任意に組み合わせて構築される形態も、本発明の範囲内に含まれる。

本発明は、環境負荷の増加を抑制することができる水素製造設備等に適用できる。

１ 水素製造設備
２ 発電設備
３ 化学プラント
１０ 蒸気タービン
１１ 蒸気受入管
１２ 排気管
２０ 発電機
２１、２２ 電線
３０ 圧縮機
３１ 圧縮水素供給管
４１、４２、４３ 回転軸
５０ 水電解装置
５１ 純水受入管
５２ 水素供給管
５３ 酸素供給管
６０ 制御装置
６１ 蒸気供給制御部
６２ 発電制御部
６３ 水電解制御部
６４ 記憶部
１００ ボイラ
１１０ 主蒸気管
１４０ 高温再熱蒸気管
２００ 蒸気タービン
２１０ 高圧タービン
２１１ 低温再熱蒸気管
２１２ 第七抽気管
２１３ 第八抽気管
２２０ 中圧タービン
２２１ 第五抽気管
２２２ 第六抽気管
２２３ 蒸気管
２３０ 低圧タービン
２３１ 第一抽気管
２３２ 第二抽気管
２３３ 第三抽気管
２３４ 第四抽気管
２３５ 蒸気管
２４０ 復水器
２４１ 配管
２４２ グランドコンデンサ
２５１ 第一給水ヒータ
２５２ 第二給水ヒータ
２５３ 第三給水ヒータ
２５４ 第四給水ヒータ
２５５ 脱気器
２５６ 第六給水ヒータ
２５７ 第七給水ヒータ
２５８ 第八給水ヒータ
２５９ 配管

Claims (9)

1. 水素を製造する水素製造設備であって、
   前記水素製造設備とは異なる設備である他設備が生成した蒸気であって、前記他設備に使用されなかった蒸気が供給される蒸気タービンと、
   前記蒸気タービンによって発電する発電機と、
   前記発電機が発電した電力を使用して水素及び酸素を生成する水電解装置と、
   前記水電解装置が生成した前記水素及び前記酸素の少なくとも一方を、前記蒸気を生成した前記他設備に供給する供給管と
   を備える水素製造設備。
2. 前記他設備は、発電設備であり、
   前記供給管は、前記酸素を、複合給水処理（ＣＷＴ）用の酸素として前記発電設備に供給する
   請求項１に記載の水素製造設備。
3. さらに、
   前記水電解装置が生成した前記水素を圧縮する圧縮機を備え、
   前記圧縮機は、回転軸が前記蒸気タービンの回転軸に接続されており、前記蒸気タービンが回転する動力で前記水素を圧縮する
   請求項１または２に記載の水素製造設備。
4. さらに、
   前記発電機から前記水電解装置へ所定範囲内の電力を供給するように制御する制御装置を備える
   請求項１〜３のいずれか１項に記載の水素製造設備。
5. 前記制御装置は、前記発電機から前記水電解装置へ供給した電力の余剰分を、前記水素製造設備内の他の機器または前記他設備に供給するように制御する
   請求項４に記載の水素製造設備。
6. 前記制御装置は、前記発電機から前記水電解装置への電力供給に必要な量以上の蒸気を前記蒸気タービンに供給するように当該蒸気の量を制御する
   請求項４または５に記載の水素製造設備。
7. さらに、
   前記蒸気タービンからの排気を前記他設備に送る排気管を備える
   請求項１〜６のいずれか１項に記載の水素製造設備。
8. さらに、
   前記他設備が生成した純水を前記水電解装置に送る純水受入管を備える
   請求項１〜７のいずれか１項に記載の水素製造設備。
9. 水素を製造する水素製造設備による水素製造方法であって、
   前記水素製造設備とは異なる設備である他設備が生成した蒸気であって、前記他設備に使用されなかった蒸気を蒸気タービンに供給する蒸気供給工程と、
   前記蒸気タービンによって発電機に発電させる発電工程と、
   前記発電機が発電した電力を使用して水素及び酸素を生成する水電解工程と、
   前記水電解工程で生成された前記水素及び前記酸素の少なくとも一方を、前記蒸気を生成した前記他設備に供給する供給工程と
   を含む水素製造方法。

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