【手続補正書】
【提出日】平成17年1月31日(2005.1.31)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【書類名】  明細書
【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
【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，請求項２および請求項３のうち、いずれか１項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，請求項２，請求項３および請求項５のうち、いずれか１項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，請求項２，請求項３および請求項４のうち、いずれか１項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１１】  原子炉は、軽水炉であることを特徴とする請求項４および請求項５のうち、いずれか１項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１２】  発電プラントの原子炉から発生し、高圧蒸気タービン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の燃料供給装置からの燃料を熱交換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源として使用する請求項１から請求項１０記載の高速増殖炉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１３】  発電プラントから発生する水蒸気を抽気し、高圧蒸気タービンからの抽気蒸気の利用を省略した請求項１から請求項５、請求項７から請求項１１項記載の軽水炉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１４】  水素製造プラントは、水蒸気改質器を備えるとともに、この水蒸気改質器内にＣｕ−Ｚｎの触媒を充填する構成にしたことを特徴とする請求項１から請求項１３項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１５】  中小ガス田や炭層の天然ガスをジメチルエーテルにし、輸送して利用する請求項１から請求項１４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、ＣＯ２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，ＣＯ２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、ＣＯ２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】
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１１に記載したように、原子炉は、軽水炉であることを特徴とする。
【００２６】
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１２に記載したように、発電プラントの原子炉から発生し、高圧蒸気タービン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の燃料供給装置からの燃料を熱交換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源として使用する高速増殖炉に水素製造プラントを組み合せたことを特徴とする。
【００２７】
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１３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、高圧蒸気タービンからの抽気蒸気の利用を省略することを特徴とする。
【００２８】
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１４に記載したように、水素製造プラントは、水蒸気改質器を備えるとともに、この水蒸気改質器内にＣｕ−Ｚｎの触媒を充填する構成にしたことを特徴とする。
【００２９】
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１５に記載したように、中小ガス田や炭層の天然ガスをジメチルエーテルにし、輸送して利用することを特徴とする。
【００３０】
【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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
【化１】
ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ    →  ３Ｈ２＋ＣＯ２      ……（１）
ＣＨ３ＯＨ＋３Ｈ２Ｏ  →  ６Ｈ２＋２ＣＯ２    ……（２）
【００３８】
このようにして式（１）または式（２）で生成された水素ガスＨ２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。
【００３９】
また、水蒸気改質反応で生成された二酸化炭素ＣＯ２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Ｈ２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Ｈ２から分離させている。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
【化２】
ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ     →  ３Ｈ２＋ＣＯ２      ……（３）
ＣＨ３ＯＨ３＋３Ｈ２Ｏ  →  ６Ｈ２＋２ＣＯ２    ……（４）
【００４８】
このように、式（３）または式（４）で生成された水素ガスＨ２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。
【００４９】
また、水蒸気改質反応で生成された二酸化炭素ＣＯ２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Ｈ２から分離、吸着される。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
【化３】
中小ガス田や炭層の天然ガス→（ＣＨ４改質）→Ｈ２，ＣＯ（ＤＭＥ合成）→ＤＭＥ→（液化タンカ輸送、貯蔵）→（ＤＭＥ改質）→Ｈ２＋ＣＯ２（回収）
【００５６】
つまり、中小ガス田や炭層の天然ガスの改質反応は、
【化４】
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ＝ＣＯ＋３Ｈ２        ……（５）
ＣＨ４＋ＣＯ２＝２ＣＯ２＋２Ｈ２     ……（６）
の式（５），（６）で代表され、生成した一酸化炭素ＣＯと水素ガスＨ２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。
【００５７】
【化５】
２ＣＯ＋４Ｈ２Ｏ＝ＣＨ３ＯＣＨ３＋Ｈ２Ｏ      ……（７）
３ＣＯ＋６Ｈ２Ｏ＝ＣＨ３ＯＣＨ３＋ＣＯ２      ……（８）
【００５８】
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Ｈ２と二酸化炭素ＣＯ２とを分離させ、水素ガスＨ２を回収する。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
【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。
【図面の簡単な説明】
【図１】
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。
【図２】
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。
【図３】
従来の水電気分解による水素を生成する概念図。
【符号の説明】
１  容器
２  電解質
３  陽極
４  陰極
５  酸素捕集部
６  酸素取出口
７  水素捕集部
８  水素取出口
９  原子炉
１０  第１発電機
１１  高圧蒸気タービン
１２  第２発電機
１３  低圧蒸気タービン
１４  燃料供給装置
１５  熱交換器
１６  水蒸気改質器
１７  発電プラント
１８  水素製造プラント
１９  気水分離器
２０  蒸気管
２１  復水器
２２  水供給装置