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発明の名称 発電プラントに水素製造プラントを組み合せた水素生産システム
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2003−248083(P2003−248083A)
公開日 平成15年9月5日(2003.9.5)
出願番号 特願2002−46860(P2002−46860)
出願日 平成14年2月22日(2002.2.22)
代理人 【識別番号】100078765
【弁理士】
【氏名又は名称】波多野 久 (外1名)
【テーマコード(参考)】
3G081
4G040
5H027
【Fターム(参考)】
3G081 BA02 BB00 BC11 
4G040 EA01 EA02 EA06 EB03 EB13
5H027 AA02 BA01 DD02
発明者 福島 公親
要約 課題
原子力発電プラントから発生する水蒸気を用いて含酸素炭化水素を水蒸気改質して水素ガスを生成する発電プラントに水素製造プラントを組み合せた水素生産システムを提供する。

解決手段
本発明に係る発電プラントに水素製造プラントを組み合せた水素生産システムは、発電プラント17から発生する水蒸気を抽気し、その抽気した水蒸気に水素製造プラント18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水蒸気改質させて水素ガスを生成する。
特許請求の範囲
【請求項1】 発電プラントから発生する水蒸気を抽気し、その抽気した水蒸気に水素製造プラントから供給される燃料を合流および熱交換させるうちのいずれか一方で水素を含んでいる燃料を水蒸気改質させて水素ガスを生成することを特徴とする発電プラントに水素製造プラントを組み合せた水素生産システム。
【請求項2】 水素製造プラントは、燃料供給装置から供給された燃料を熱交換させる熱交換器と、この熱交換器から出た燃料に発電プラントから抽気された水蒸気に合流させ、水素を含んでいる燃料を水蒸気改質させて水素ガスを生成する水蒸気改質器とを備えていることを特徴とする請求項1記載の発電プラントに水素製造プラントを組み合せた水素生産システム。
【請求項3】 発電プラントから発生する水蒸気を抽気し、その抽気した水蒸気に水素製造プラントから供給される燃料を合流および熱交換させるうちのいずれか一方で、水素を含んでいる燃料を水蒸気改質させて水素ガスを生成するとともに、水素ガス改質後の水蒸気を前記発電プラントに回収させる回収手段を備えたことを特徴とする発電プラントに水素製造プラントを組み合せた水素生産システム。
【請求項4】 発電プラントから発生する水蒸気は、原子炉から発生させることを特徴とする請求項1,2または3記載の発電プラントに水素製造プラントを組み合せた水素生産システム。
【請求項5】 原子炉は、発生する熱で水素を含んでいる燃料を水蒸気改質させて水素ガスを生成することを特徴とする請求項4記載の発電プラントに水素製造プラントを組み合せた水素生産システム。
【請求項6】 原子炉は、高速増殖炉であることを特徴とする請求項4記載の発電プラントに水素製造プラントを組み合せた水素生産システム。
【請求項7】 回収手段は、水素製造プラントの水蒸気改質器に接続する気水分離器と、この気水分離器で分離させた水蒸気を蒸気タービンに供給する蒸気管とを備えていることを特徴とする請求項3記載の発電プラントに水素製造プラントを組み合せた水素生産システム。
【請求項8】 燃料は含酸素炭化水素であることを特徴とする請求項1,2,3または5記載の発電プラントに水素製造プラントを組み合せた水素生産システム。
【請求項9】 含酸素炭化水素は、メタノール、ジメチルエーテルおよびエタノールのうち、いずれかであることを特徴とする請求項8記載の発電プラントに水素製造プラントを組み合せた水素生産システム。
【請求項10】 発電プラントから抽気し、水素製造プラントから供給される燃料に合流および熱交換させるうちのいずれか一方に用いる水蒸気は、温度が250℃〜350℃であることを特徴とする請求項1,2,3または4記載の発電プラントに水素製造プラントを組み合せた水素生産システム。
発明の詳細な説明
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、発電プラントの抽気水蒸気を利用して燃料を水素に改質させる発電プラントに水素製造プラントを組み合せた水素生産システムに関する。
【0002】
【従来の技術】最近の電力産業分野では、化石燃料枯渇に対応する省エネルギ化、COやNOxの濃度増加に伴う環境保全等から燃料の多様化が研究開発されており、その一つに水素ガスの利用技術がある。
【0003】この水素ガスの利用技術には、例えば、燃料電池発電プラントや水素燃焼発電プラントがある。
【0004】前者は、水素などの燃料と酸素に代表される酸化剤との電気化学反応で直接電気エネルギを発生させるものであり、例えば特開平6−140065号公報等数多くの発明が開示されている。
【0005】また、後者は、高圧の水素ガスと純酸素ガスを燃焼させ高温の水蒸気を発生させ、発生した高温の水蒸気をタービンで膨張仕事をさせ、その際に発生する動力で発電機を駆動して発電を行うものであり、例えば特開平11−36820号公報等数多くの発明が開示されている。
【0006】前者、後者ともにNOx,SOx,COなどの環境汚染物質や温暖化効果ガスを発生させない極めてクリーンなエネルギを使用する点で、21世紀の新エネルギ推進政策の一環として研究開発の成果が注目されている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】ところで、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。
【0008】この水の電気分解による水素製造は、図3に示すように、容器1内に、例えば水酸化ナトリウム等の水に溶解する電解質2を充填し、充填する電解質2に陽極3と陰極4とを浸漬する構成になっている。そして陽極3で発生する酸素ガスは、酸素捕集部5に集められ、酸素取出口6から取り出されるようになっている。また、陽極4で発生する水素ガスは、水素捕集部7に集められ、水素取出口8から取り出されるようになっている。
【0009】水の電気分解による水素製造では、必要なコストの大半が電力である。
【0010】現在の原子力発電プラントや火力発電プラントでは、熱に交換される核分裂エネルギや石油、天然ガス等の燃料エネルギの約50%程度しか電力に変換されていない。特に、原子力発電プラントでの熱利用効率は30数%である。
【0011】このため水の電気分解による水素製造では、エネルギの利用効率が極めて悪く、コスト高につながる不具合、不都合があった。
【0012】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、低温で水蒸気改質ができるため、水素製造の際、コスト的に有利である。
【0013】また、メタノール、ジメチルエーテル、エタノール等は、中小ガス田や炭層ガス、CO含有量の多いガス田のメタンから製造されるため、その量が比較的多い。
【0014】本発明は、このような点に着目してなされたもので、例えば原子力発電プラントから発生する水蒸気を用いてメタノール、ジメチルエーテル、エタノール等の含酸素炭化水素を水蒸気改質して水素ガスを生成する発電プラントに水素製造プラントを組み合せた水素生産システムを提供することを目的とする。
【0015】
【課題を解決するための手段】本発明に係る発電プラントに水素製造プラントを組み合せた水素生産システムは、上述の目的を達成するために、請求項1に記載したように、発電プラントから発生する水蒸気を抽気し、その抽気した水蒸気に水素製造プラントから供給される燃料を合流および熱交換させるうちのいずれか一方で水素を含んでいる燃料を水蒸気改質させて水素ガスを生成するものである。
【0016】また、本発明に係る発電プラントに水素製造プラントを組み合せた水素生産システムは、上述の目的を達成するために、請求項2に記載したように、水素製造プラントは、燃料供給装置から供給された燃料を熱交換させる熱交換器と、この熱交換器から出た燃料に発電プラントから抽気された水蒸気に合流させ、水素を含んでいる燃料を水蒸気改質させて水素ガスを生成する水蒸気改質器とを備えているものである。
【0017】また、本発明に係る発電プラントに水素製造プラントを組み合せた水素生産システムは、請求項3に記載したように、発電プラントから発生する水蒸気を抽気し、その抽気した水蒸気に水素製造プラントから供給される燃料を合流および熱交換させるうちのいずれか一方で、水素を含んでいる燃料を水蒸気改質させて水素ガスを生成するとともに、水素ガス改質後の水蒸気を前記発電プラントに回収させる回収手段を備えたものである。
【0018】また、本発明に係る発電プラントに水素製造プラントを組み合せた水素生産システムは、請求項4に記載したように、発電プラントから発生する水蒸気は、原子炉から発生させるものである。
【0019】また、本発明に係る発電プラントに水素製造プラントを組み合せた水素生産システムは、請求項5に記載したように、原子炉は、発生する熱で水素を含んでいる燃料を水蒸気改質させて水素ガスを生成するものである。
【0020】また、本発明に係る発電プラントに水素製造プラントを組み合せた水素生産システムは、請求項6に記載したように、原子炉は、高速増殖炉であることを特徴とするものである。
【0021】また、本発明に係る発電プラントに水素製造プラントを組み合せた水素生産システムは、請求項7に記載したように、回収手段は、水素製造プラントの水蒸気改質器に接続する気水分離器と、この気水分離器で分離させた水蒸気を蒸気タービンに供給する蒸気管とを備えているものである。
【0022】また、本発明に係る発電プラントに水素製造プラントを組み合せた水素生産システムは、請求項8に記載したように、燃料は含酸素炭化水素であることを特徴とするものである。
【0023】また、本発明に係る発電プラントに水素製造プラントを組み合せた水素生産システムは、請求項9に記載したように、含酸素炭化水素は、メタノール、ジメチルエーテルおよびエタノールのうち、いずれかであることを特徴とするものである。
【0024】また、本発明に係る発電プラントに水素製造プラントを組み合せた水素生産システムは、請求項10に記載したように、発電プラントから抽気し、水素製造プラントから供給される燃料に合流および熱交換させるうちのいずれか一方に用いる水蒸気は、温度が250℃〜350℃であることを特徴とするものである。
【0025】
【発明の実施の形態】以下、本発明に係る発電プラントに水素製造プラントを組み合せた水素生産システムの実施形態を図面および図面に付した符号を引用して説明する。
【0026】図1は、本発明に係る発電プラントに水素製造プラントを組み合せた水素生産システムの第1実施形態を示す概略系統図である。
【0027】本実施形態に係る発電プラントに水素製造プラントを組み合せた水素生産システムは、発電プラント17に水素製造プラント18を接続し、発電プラント17の蒸気を利用し、水素製造プラント18からの燃料を水素に水蒸気改質させる構成になっている。
【0028】発電プラント17は、原子炉9、具体的に高速増殖炉、第1発電機10に軸直結させた高圧蒸気タービン11、第2発電機12に軸直結させた低圧蒸気タービン13、復水器21、水供給装置22を備え、原子炉9から発生した高温水蒸気を高圧蒸気タービン11に供給し、ここで膨張仕事をさせ、その際に発生する動力(回転トルク)で第1発電機10を駆動し、電力を発生させるようになっている。
【0029】高圧蒸気タービン11で膨張仕事を終えた温度250℃〜350℃の低温水蒸気の一部は、低圧蒸気タービン13に供給され、ここで上述と同様に膨張仕事を行って第2発電機12を駆動させ、電力を発生させるとともに、膨張仕事を終えたタービン排気を復水器21で凝縮させた後、原子炉9に戻している。なお、復水器21で凝縮させた復水が不足している場合、水供給装置22からの補給水が補給される。
【0030】一方、水素製造プラント18は、燃料供給装置14、熱交換器15、水蒸気改質器16を備え、燃料供給装置14から供給する燃料、例えばメタノール、ジメチルエーテル、エタノール等の含酸素炭化水素を熱交換器15で水蒸気改質器16からの蒸気と熱交換して加熱、気化させるか、あるいは、水蒸気改質器16からの蒸気と直接接触(合流)させるかし、その際、気化させた燃料を、高圧蒸気タービン11から出た温度250℃〜350℃の低温水蒸気のうち、一部と混合させ、その混合水蒸気を水蒸気改質器16で水蒸気改質させている。
【0031】水蒸気改質器16は、器内に、例えばCu−Znの触媒が充填され、水蒸気改質反応を次のようにして行っている。
【0032】
【化1】

【0033】このようにして式(1)または式(2)で生成された水素ガスHは、熱交換器15で燃料供給装置14からの燃料に熱を与えた後、取り出される。
【0034】また、水蒸気改質反応で生成された二酸化炭素COは、例えばゼオライト、アミン吸収液等の吸収材で水素ガスHから分離させるか、あるいはLa−Ni系合金、またはパラジウム膜等で水素ガスHから分離させている。
【0035】このように、本実施形態は、発電プラント17の原子炉9から発生し、高圧蒸気タービン11で膨張仕事を終えた低温蒸気の一部を抽気し、この抽気に水素製造プラント18の燃料供給装置14からの、例えば含酸素炭化水素等の燃料を合流または熱交換させて水蒸気として改質させるので、水素を製造するに必要なエネルギの大半を効果的に活用でき、エネルギの利用効率をより一層向上させることができる。
【0036】また、本実施形態は、含酸素炭化水素を水蒸気として改質させて水素を製造する際、発電プラント17の高圧蒸気タービン11で膨張仕事後の温度250℃〜350℃の低温水蒸気を利用する一方、水蒸気改質器14への水蒸気供給を調整し、低圧蒸気タービン13の電気出力を調整するので、電力需要の多い時間帯に出力を増加させ、電力需要の少ない時間帯に水素の生成を増加させることができ、電力需要の変動に効果的に対処させることができる。
【0037】図2は、本発明に係る発電プラントに水素製造プラントを組み合せた水素生産システムの第2実施形態を示す概略系統図である。
【0038】なお、第1実施形態の構成部分と同一構成部分には同一符号を付す。
【0039】本実施形態に係る発電プラントに水素製造プラントを組み合せた水素生産システムは、第1実施形態で示した構成に、気水分離器19を加え、気水分離器19で分離させた水蒸気を再び発電プラント17の低圧蒸気タービン13に供給してエネルギ(動力)源として再活用を図ったものである。
【0040】本実施形態は、第1実施形態と同様に、発電プラント17に水素製造プラント18を接続し、発電プラント17からの蒸気を利用し、水素製造プラント18からの燃料を水蒸気改質器16で水蒸気改質させるとともに、水蒸気改質器16に気水分離器19を設ける一方、この気水分離器19を発電プラント17の低圧蒸気タービン13に接続する蒸気管20を設けている。
【0041】水蒸気改質器16は、器内に、例えばCu−Znの触媒を充填し、燃料供給装置14から熱交換器15を介して供給される、例えば含酸素炭化水素の水溶液と、発電プラント17の高圧蒸気タービン11の出口から抽気された温度250℃〜350℃の低温水蒸気とを熱交換または直接合流させ、例えばCu−Znの触媒の下、次式で示す水蒸気反応が行われる。
【0042】
【化2】

【0043】このように、式(3)または式(4)で生成された水素ガスHは、第1実施形態と同様に、熱交換器15で燃料供給装置14から燃料に熱を与えた後、取り出される。
【0044】また、水蒸気改質反応で生成された二酸化炭素COは、第1実施形態と同様に、例えばゼオライト等の吸収材で水素ガスHから分離、吸着される。
【0045】他方、水蒸気改質器16で、例えばジメチルエーテル等の燃料を水蒸気改質させた温度250℃〜350℃の低温水蒸気は、気水分離器19で蒸気と水とに分離され、分離後の水蒸気を蒸気管20を介して低圧蒸気タービン13に回収され、再びエネルギ(動力)源として再活用される。
【0046】このように、本実施形態は、発電プラント17の水蒸気を利用して燃料から水素ガスを取り出す際、水蒸気改質を行っているので、従来の水電気分解の場合、原子力発電プラントから供給される熱エネルギが30%しか利用されていなかったのに較べ、燃料の水蒸気改質を行うことによって熱利用効率が30%以上に向上し、エネルギの有効活用を図ることができた。
【0047】一方、水素ガスに改質させる燃料として選択された、例えばジメチルエーテルは、加圧(約6ata)により常温で液化し、貯蔵、運搬が容易になっている。したがって、取り扱う設備は構造が簡素化できるので、LNG(液化天然ガス)に較べコストが安くなると考えられる。
【0048】また、ジメチルエーテルは、改質条件が300℃程度であり、原子力発電プラントと組み合せるには安全上、非常に有利である。
【0049】ジメチルエーテル(DME)は、次式の反応式で水素ガスの水蒸気改質がされる。
【0050】
【化3】

【0051】つまり、中小ガス田や炭層の天然ガスの改質反応は、【化4】

の式(5),(6)で代表され、生成した一酸化炭素COと水素ガスHとから、ジメチルエーテルを以下の式(7),(8)の反応で合成する。
【0052】
【化5】

【0053】このジメチルエーテルを一定圧にして通常タンカや液化タンカで輸送し、ジメチルエーテルを水蒸気改質し、最後に、発生した水素ガスHと二酸化炭素COとを分離させ、水素ガスHを回収する。
【0054】このように、本実施形態は、発電プラント17の原子炉9から発生し、高圧蒸気タービン11で膨張仕事を終えた低温蒸気の一部を抽気し、この抽気に水素製造プラント18の燃料供給装置14からの、例えばジメチルエーテル等の燃料を熱交換、または直接合流させて水素ガスを水蒸気改質させるとともに、水蒸気改質後の蒸気を水と水蒸気とに分離させ、分離させた水蒸気を再びエネルギ(動力)源として使用するので、より一層のエネルギの利用効率を向上させることができ、プラントの熱効率をより一層向上させてエネルギの節約に寄与することができる。
【0055】なお、発電プラントで使用される原子炉が軽水炉の場合、図1および図2に示す高圧蒸気タービン11からの抽気蒸気の利用を省略することができる。
【0056】
【発明の効果】以上の説明のとおり、本発明に係る発電プラントに水素製造プラントを組み合せた水素生産システムは、発電プラントからの水蒸気を利用して燃料供給装置からの燃料を水素ガスに水蒸気改質を行っているので、水蒸気改質に要するエネルギの消費をより一層少なくさせてエネルギの利用効率をより一層向上させることができる。




 

 


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