(57)【要約】【課題】  本発明は、水素の生成に使用する熱源の温度に関わりなく水素を効率よく製造することができる水素製造装置及び水素製造方法を提供する。【解決手段】  高温ガス炉２（第１熱源）と、高温ガス炉２から供給された熱によって二酸化イオウによる水の還元反応を促進して水素を生成する水素生成部と、水素生成部での還元反応によって副生する三酸化イオウを分解して二酸化イオウを再生すると共に、再生した二酸化イオウを水素生成部に供給する三酸化イオウ分解器１７とを備えた水素製造装置１ａであって、高温ガス炉２と異なる第２熱源である電気ヒータ１７ａをさらに備えると共に、三酸化イオウ分解器１７が、電気ヒータ１７ａから供給された熱によって三酸化イオウを分解することを特徴とする。【選択図】      図１
2006206334.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１熱源から供給された熱によって還元剤による水の還元反応を促進して水素を生成する水素生成部と、
前記水素生成部での前記還元反応によって副生する酸化剤を分解して前記還元剤を再生すると共に、再生した前記還元剤を前記水素生成部に供給する酸化剤分解器とを備えた水素製造装置であって、
前記第１熱源と異なる第２熱源をさらに備えると共に、前記酸化剤分解器が、前記第２熱源から供給された熱によって前記酸化剤を分解することを特徴とする水素製造装置。
【請求項２】
前記第２熱源が、前記酸化剤分解器に配置された電気加熱手段であることを特徴とする請求項１に記載の水素製造装置。
【請求項３】
前記第２熱源が、化石燃料の燃焼装置であることを特徴とする請求項１に記載の水素製造装置。
【請求項４】
前記第１熱源が、発電設備の炉であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の水素製造装置。
【請求項５】
前記還元剤が二酸化イオウであり、前記酸化剤が三酸化イオウであることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の水素製造装置。
【請求項６】
二酸化イオウの存在下に水を電気分解して水素を生成する水素生成部と、
前記水素生成部での前記電気分解によって副生した硫酸から三酸化イオウを生成する硫酸転換器と、
前記硫酸転換器から供給された三酸化イオウを分解して二酸化イオウを生成すると共に、生成した前記二酸化イオウを前記水素生成部に供給する三酸化イオウ分解器とを備えた水素製造装置であって、
前記三酸化イオウ分解器が、三酸化イオウを熱分解する電気加熱手段を有していることを特徴とする水素製造装置。
【請求項７】
二酸化イオウによる水の還元反応を利用して水素を製造すると共に、前記還元反応で副生した三酸化イオウを分解することによって得られた二酸化イオウを水素の製造に再利用する水素製造方法において、
三酸化イオウの二酸化イオウへの分解が、電気を用いた７５０℃以上の加熱下に行われることを特徴とする水素製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水から水素を製造するための水素製造装置及び水素製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、水から水素を製造する方法としては、熱化学法が知られている（例えば、特許文献１及び特許文献２参照）。この熱化学法では、次式（１）：
水  +  還元剤  →  水素  +  酸化剤・・・・（１）
で示されるように、水と還元剤の反応から水素を得る第1段の工程と、
次式（２）：
酸化剤  +  熱  →  還元剤  +  酸素・・・・（２）
で示されるように、式（１）の反応で副生した酸化剤を高温で加熱することによって還元剤と酸素とに分解する第２段の工程とで構成されている。そして、この熱分解法は、第２段の工程で再生された還元剤を第１段の工程で再利用することができる。
【０００３】
このような熱分解法を実施する水素製造装置としては、例えば、第１段の工程を行う水素生成部と、第２段の工程を行う酸化剤分解器と、酸化剤分解器を加熱する熱源とを備えるものが考えられる。そして、前記熱源としては、火力発電設備や原子力発電設備の炉熱を利用することが考えられる。
【非特許文献１】JAERI-Research  2002-039「水素製造ＩＳプロセスの熱効率の熱力学的評価」、野村  幹弘  他（2003）
【非特許文献２】日本原子力学会和文論文誌、Vol.3 No1 p88-p94、中桐  俊男  他（2004)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところが、この水素製造装置では、第２段の工程が高温（例えば、酸化剤が三酸化イオウである場合には、７５０℃以上）で行われるために、炉側から送り出される熱媒体の温度が比較的低いとされている発電設備（例えば、金属冷却高速炉を備えた発電設備等）では、効率よく水素を製造することができない。
【０００５】
そこで、本発明の課題は、水素の生成に使用する熱源の温度に関わりなく水素を効率よく製造することができる水素製造装置及び水素製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記課題を解決するための水素製造装置は、第１熱源から供給された熱によって還元剤による水の還元反応を促進して水素を生成する水素生成部と、前記水素生成部での前記還元反応によって副生する酸化剤を分解して前記還元剤を再生すると共に、再生した前記還元剤を前記水素生成部に供給する酸化剤分解器とを備えた水素製造装置であって、前記第１熱源と異なる第２熱源をさらに備えると共に、前記酸化剤分解器が、前記第２熱源から供給された熱によって前記酸化剤を分解することを特徴とする。
【０００７】
この水素製造装置では、酸化剤分解器が、水素生成部で水素の生成に使用される第１熱源と異なる第２熱源からの熱によって酸化剤を分解するので、第１熱源の温度に関わらずに酸化剤分解器の運転温度を自由に設定することができる。つまり、この水素製造装置は、酸化剤の分解をより高速に行わせるために酸化剤分解器の運転温度をより高く設定することができる。その結果、この水素製造装置は、水素の生成に使用する熱源の温度に関わりなく水素を効率よく製造することができる。
【０００８】
また、このような水素製造装置は、前記第２熱源が、前記酸化剤分解器に配置された電気加熱手段であってもよい。
【０００９】
また、このような水素製造装置は、前記第２熱源が、化石燃料の燃焼装置であってもよい。なお、ここでの化石燃料とは、天然ガス、石油、石炭等の炭素や可燃性炭素化合物、これら炭素や可燃性炭素化合物由来の可燃物（メタン、改質ガス等）をいう。
【００１０】
また、このような水素製造装置は、前記第１熱源が、発電設備の炉であってもよい。
【００１１】
また、このような水素製造装置では、前記還元剤として二酸化イオウを使用し、前記酸化剤として三酸化イオウを使用することができる。
【００１２】
また、本発明の水素製造装置は、二酸化イオウの存在下に水を電気分解して水素を生成する水素生成部と、前記水素生成部での前記電気分解によって副生した硫酸から三酸化イオウを生成する硫酸転換器と、前記硫酸転換器から供給された三酸化イオウを分解して二酸化イオウを生成すると共に、生成した前記二酸化イオウを前記水素生成部に供給する三酸化イオウ分解器とを備えた水素製造装置であって、前記三酸化イオウ分解器が、三酸化イオウを熱分解する電気加熱手段を有するように構成することができる。
【００１３】
このような水素製造装置は、熱で二酸化イオウの存在下に水を分解する水素生成部を有する水素製造装置と比較して、水素を生成するためのエネルギ変換効率が優れる。
【００１４】
また、本発明の水素製造方法は、二酸化イオウによる水の還元反応を利用して水素を製造すると共に、前記還元反応で副生した三酸化イオウを分解することによって得られた二酸化イオウを水素の製造に再利用する水素製造方法において、三酸化イオウの二酸化イオウへの分解が、電気を用いた７５０℃以上の加熱下に行われることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、水素の生成に使用する熱源の温度に関わりなく水素を効率よく製造することができる水素製造装置及び水素製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
（第１実施形態）
以下に、本発明の水素製造装置の第１実施形態について適宜図面を参照しながら詳細に説明する。なお、参照する図面において、図１は、第１実施形態に係る水素製造装置が組み込まれた発電設備の構成説明図である。まず、本発明の水素製造装置の説明に先立って、この水素製造装置が組み込まれた発電設備について簡単に説明する。
【００１７】
図１に示すように、発電設備Ｇ１は、高温ガス炉２と、タービン３と、発電機４と、水素製造装置１ａとを備えている。この発電設備Ｇ１では、高温ガス炉２とタービン３とがガス配管２１で繋がれており、タービン３は、高温ガス炉２からガス配管２１を介して供給される高温の熱媒体（例えば、ヘリウム）によって回転するようになっている。そして、発電機４は、タービン３の回転力を受けて発電するようになっている。
【００１８】
次に、本実施形態に係る水素製造装置１ａについて説明する。水素製造装置１ａは、図１に示すように、ヨウ化水素分解器１１と、ブンゼン反応器１２と、ヨウ化水素蒸留器１３と、硫酸精製濃縮器１４と、硫酸蒸発器１５と、硫酸転換器１６と、三酸化イオウ分解器１７とを備えている。なお、ヨウ化水素分解器１１、ブンゼン反応器１２及びヨウ化水素蒸留器１３は、特許請求の範囲（請求項１）にいう「水素生成部」に相当し、三酸化イオウ分解器１７は、特許請求の範囲（請求項１）にいう「酸化剤分解器」に相当する。また、発電設備Ｇ１を構成する高温ガス炉２は、この水素製造装置１ａの第１熱源を兼ねている。
【００１９】
ヨウ化水素分解器１１には、高温ガス炉２から供給された熱媒体を排出するガス配管２２の一端が繋げられており、ガス配管２２の他端は、ガス配管２２ａとガス配管２２ｂとに分岐している。そして、ガス配管２２ａは、ヨウ化水素分解器１１内に設けられた熱交換器１１ａの図示しない入口に繋げられている。この熱交換器１１ａの図示しない出口には、ガス配管２３の一端が繋げられており、ガス配管２３の他端は、ヨウ化水素蒸留器１３内に設けられた熱交換器１３ａの図示しない入口に繋げられている。そして、この熱交換器１３ａの図示しない出口には、ガス配管２４の一端が繋げられている。
【００２０】
その一方で、ガス配管２２ｂは、硫酸転換器１６内に設けられた熱交換器１６ａの図示しない入口に繋げられている。この熱交換器１６ａの図示しない出口には、ガス配管２５が繋げられており、ガス配管２５の他端は、硫酸蒸発器１５内に設けられた熱交換器１５aの図示しない入口に繋げられている。この熱交換器１５aの図示しない出口には、ガス配管２６の一端が繋げられており、ガス配管２６の他端は、硫酸精製濃縮器１４内に設けられた熱交換器１４ａの図示しない入口に繋げられている。そして、この熱交換器１４ａの図示しない出口には、ガス配管２７の一端が繋げられている。このガス配管２７の他端と前記したガス配管２４の他端とは、相互に合流するようにガス配管２８の一端と繋げられている。そして、このガス配管２８の他端は、高温ガス炉２に繋げられている。つまり、この水素製造装置１ａでは、タービン３からガス配管２２を介して排出された熱媒体が、一方では、ガス配管２２ａ、ガス配管２３、ガス配管２４及びガス配管２８を介して高温ガス炉２に戻るようになっていると共に、他方では、ガス配管２２ｂ、ガス配管２５、ガス配管２６、ガス配管２７及びガス配管２８を介して高温ガス炉２に戻るようになっている。
【００２１】
そして、この水素製造装置１ａでは、ヨウ化水素分解器１１とブンゼン反応器１２とが配管３１で繋げられ、ブンゼン反応器１２とヨウ化水素蒸留器１３とが配管３２で繋げられ、ヨウ化水素蒸留器１３とヨウ化水素分解器１１とが配管３３で繋げられている。また、この水素製造装置１ａでは、ブンゼン反応器１２と硫酸精製濃縮器１４とが配管３４で繋げられ、硫酸精製濃縮器１４と硫酸蒸発器１５とが配管３５で繋げられ、硫酸蒸発器１５と硫酸転換器１６とが配管３６で繋げられ、硫酸転換器１６と三酸化イオウ分解器１７とが配管３７で繋げられ、三酸化イオウ分解器１７とブンゼン反応器１２とが配管３８で繋げられている。
【００２２】
ヨウ化水素分解器１１は、ヨウ化水素（ＨＩ）を熱分解して水素（Ｈ2）とヨウ素（Ｉ2）とを発生するものであり、このヨウ化水素分解器１１では、次式（３）：
２ＨＩ（Ｇ）→Ｈ2（Ｇ）＋Ｉ2（Ｇ）・・・・（３）
（式中、（Ｇ）はガスであることを表わす。以下に同じ）
で示される反応が進行すると共に、次式（４）：
Ｉ2（Ｇ）→Ｉ2（Ｌ）・・・・（４）
（式中、（Ｌ）は液体であることを表わす。以下に同じ）
で示される状態変化が進行するようになっている。この際、ヨウ化水素は、後記するヨウ化水素蒸留器１３から配管３３を介して供給され、熱は、ガス配管２２ａから熱交換器１１ａに流れ込んだ熱媒体によって供給される。
【００２３】
ブンゼン反応器１２は、ヨウ素と水（Ｈ2Ｏ）と二酸化イオウ（ＳＯ2）とを反応させてヨウ化水素及び硫酸（Ｈ2ＳＯ4）を生成するものであり、このブンゼン反応器１２では、次式（５）：
ＳＯ2（Ｇ）＋Ｉ2（Ｌ）＋１６Ｈ2Ｏ（Ｌ）→
Ｈ2ＳＯ4・４Ｈ2Ｏ（ＡＱ）＋２ＨＩ・１０Ｈ2Ｏ（ＡＱ）・・・・（５）
（式中、（ＡＱ）は水溶液であることを表わす。以下に同じ）で示される反応が進行するようになっている。この際、ヨウ素は、ヨウ化水素分解器１１から配管３１を介して供給され、水は、図示しない水供給源から供給されることとなる。なお、このブンゼン反応器１２では、ヨウ化水素及び硫酸がそれらの水溶液として生成される。
【００２４】
ヨウ化水素蒸留器１３は、ブンゼン反応器１２から配管３２を介して供給されるヨウ化水素水溶液を蒸留するものであって、ヨウ化水素水溶液からヨウ化水素を分離するものである。このヨウ化水素蒸留器１３では、次式（６）：
２ＨＩ・１０Ｈ2Ｏ（ＡＱ）→２ＨＩ（Ｌ）＋１０Ｈ2Ｏ（Ｌ）・・・・（６）
で示される反応が進行すると共に、次式（７）：
２ＨＩ（Ｌ）→２ＨＩ（Ｇ）・・・・（７）
で示される状態変化が進行する。
【００２５】
このヨウ化水素蒸留器１３では、ヨウ化水素水溶液を蒸留するための熱が、ガス配管２３から熱交換器１３ａに流れ込んだ熱媒体によって供給される。そして、このヨウ化水素蒸留器１３で生成したヨウ化水素は、ヨウ化水素分解器１１に配管３３を介して供給されることによって、ヨウ化水素分解器１１での水素の生成に再利用される。
【００２６】
このように水素製造装置１ａで進行する前記式（３）〜前記式（７）で示される一連の水素生成反応では、還元剤である二酸化イオウ（ＳＯ2）が、ヨウ素（Ｉ2）を介して水を還元することによって水素（Ｈ2）が生成する。そして、水素（Ｈ2）及びヨウ素（Ｉ2）へのヨウ化水素（ＨＩ）の分解反応（前記式（３）参照）が、第１熱源である高温ガス炉２の熱によって促進されることとなる。
【００２７】
硫酸精製濃縮器１４は、ブンゼン反応器１２から配管３４を介して供給される硫酸水溶液を加熱して濃縮するものである。硫酸水溶液を濃縮するための熱は、ガス配管２６から熱交換器１４ａに流れ込んだ熱媒体によって供給される。
【００２８】
硫酸蒸発器１５は、硫酸精製濃縮器１４から配管３５を介して供給される濃縮された硫酸水溶液（以下、「濃縮硫酸水溶液」という）から硫酸を蒸発させるものであり、この硫酸蒸発器１５では、次式（８）
Ｈ2ＳＯ4・４Ｈ2Ｏ（ＡＱ）→Ｈ2ＳＯ4（Ｇ）＋４Ｈ2Ｏ（Ｇ）・・・・（８）
で示される反応が進行する。硫酸を蒸発させるための熱は、ガス配管２５から熱交換器１５aに流れ込んだ熱媒体によって供給される。
【００２９】
硫酸転換器１６は、硫酸蒸発器１５から配管３６を介して供給される硫酸を三酸化イオウ（ＳＯ3）に転換するものであり、この硫酸転換器１６では、次式（９）：
Ｈ2ＳＯ4（Ｇ）→ＳＯ3（Ｇ）＋Ｈ2Ｏ（Ｇ）・・・・（９）
で示される反応が進行して三酸化イオウが生成する。この三酸化イオウは、特許請求の範囲にいう「酸化剤」に相当する。そして、硫酸を三酸化イオウに転換するための熱は、ガス配管２２ｂから熱交換器１６ａに流れ込んだ熱媒体によって供給される。
【００３０】
三酸化イオウ分解器１７は、硫酸転換器１６から配管３７を介して供給される三酸化イオウを熱分解して二酸化イオウを生成するものである。この三酸化イオウ分解器１７では、次式（１０）：
ＳＯ3→ＳＯ2＋０．５Ｏ2・・・・（１０）
で示される反応が進行するようになっている。そして、三酸化イオウを熱分解する熱は、三酸化イオウ分解器１７内に設けられた電気ヒータ１７ａから供給される。なお、電気ヒータ１７ａは、特許請求の範囲（請求項１）にいう「第２熱源」に相当すると共に、特許請求の範囲（請求項２）にいう「電気加熱手段」に相当する。本実施形態では、発電機４が発電した電力が電気配線４１を介して電気ヒータ１７ａに供給されるようになっており、電気ヒータ１７ａが三酸化イオウを７５０℃以上に加熱するようになっている。つまり、この水素製造装置１ａでは、三酸化イオウを分解して二酸化イオウを再生する第２熱源（電気ヒータ１７ａ）と、水から水素を生成する第１熱源（高温ガス炉２）とが相違することとなる。そして、三酸化イオウ分解器１７で生成した二酸化イオウは、ブンゼン反応器１２に配管３８を介して供給されることによって、ブンゼン反応器１２でのヨウ化水素及び硫酸の生成に再利用される。
【００３１】
次に、本実施形態に係る水素製造装置１ａの動作について図１を参照しながら説明しつつ水素製造方法について説明する。ここでは、水素製造装置１ａにおける反応物質の供給工程と、熱の供給工程とに分けて説明する。
【００３２】
（反応物質の供給工程）
この水素製造装置１ａが起動すると、ヨウ化水素分解器１１には、ヨウ化水素がヨウ化水素蒸留器１３から配管３３を介して供給される。そして、ヨウ化水素分解器１１では、前記式（３）で示される反応が進行することによって、ヨウ素（Ｉ2）と水素（Ｈ2）とが生成する。生成したヨウ素（Ｉ2）は、ブンゼン反応器１２に送り込まれると共に、水素（Ｈ2）は回収されて所望の用途に供される。
【００３３】
ブンゼン反応器１２では、ヨウ化水素分解器１１から供給されたヨウ素（Ｉ2）と、三酸化イオウ分解器１７から供給された二酸化イオウ（ＳＯ2）と、別途に供給された水（Ｈ2Ｏ）とによって、前記式（５）で示される反応が進行する。その結果、ヨウ化水素水溶液と、硫酸水溶液とが生成する。生成したヨウ化水素水溶液は、配管３２を介してヨウ化水素蒸留器１３に供給され、生成した硫酸水溶液は、配管３４を介して硫酸精製濃縮器１４に供給される。なお、ブンゼン反応器１２では、ヨウ化水素水溶液と、硫酸水溶液とが相分離される。
【００３４】
ヨウ化水素蒸留器１３では、ブンゼン反応器１２から供給されたヨウ化水素水溶液が加熱されることによって、前記式（６）で示されるようにしてヨウ化水素水溶液からヨウ化水素が蒸留される。蒸留されたヨウ化水素は、前記したように配管３３を介してヨウ化水素分解器１１に供給される。つまり、ブンゼン反応器１２でヨウ化水素の生成に使用されるヨウ素は循環使用されることとなる。
【００３５】
その一方で、ブンゼン反応器１２から硫酸水溶液を供給された硫酸精製濃縮器１４は、その硫酸水溶液を濃縮する。このとき硫酸水溶液に混入したヨウ化水素は、硫酸精製濃縮器１４で加熱されることによって分解されヨウ素（Ｉ2）に転換される。そして、このヨウ素は、図示しない配管よってブンゼン反応器１２へ戻されることとなる。そして、濃縮硫酸水溶液は、配管３５を介して硫酸蒸発器１５に供給される。
【００３６】
硫酸蒸発器１５では、硫酸精製濃縮器１４から供給された濃縮硫酸水溶液が加熱されることによって、前記式（８）に示すようにして硫酸（Ｈ2ＳＯ4）が蒸発する。蒸発した硫酸は、配管３６を介して硫酸転換器１６に供給される。
【００３７】
硫酸転換器１６では、前記式（９）で示される反応が進行する。その結果、硫酸蒸発器１５から供給された硫酸は、三酸化イオウ（ＳＯ3）に転換される。この三酸化イオウは、配管３７を介して三酸化イオウ分解器１７に供給される。
【００３８】
三酸化イオウ分解器１７では、前記式（１０）で示される反応が進行することによって、三酸化イオウが二酸化イオウ（ＳＯ2）に分解される。生成した二酸化イオウは、配管３８を介してブンゼン反応器１２に供給される。つまり、ブンゼン反応器１２でヨウ化水素の生成に使用される二酸化イオウ（還元剤）は循環使用されることとなる。
【００３９】
（熱の供給工程）
発電設備Ｇ１が起動すると、高温ガス炉２から８５０℃程度の熱媒体がガス配管２１に向かって送り出される。そして、この熱媒体によってタービン３が回転することによって発電機４は発電する。そして、タービン３は、５００℃程度に温度が低下した熱媒体をガス配管２２に向かって送り出す。そして、この熱媒体は、ガス配管２２から分岐するガス配管２２ａを介してヨウ化水素分解器１１の熱交換器１１ａに送り込まれる。その結果、ヨウ化水素分解器１１内のヨウ化水素が加熱されることによって、前記式（３）で示される反応が進行する。
【００４０】
次に、ヨウ化水素分解器１１の熱交換器１１ａに供給された熱媒体は、熱交換器１１ａを通過する際に２００℃程度にその温度が低下する。そして、この熱媒体は、ガス配管２３を介してヨウ化水素蒸留器１３の熱交換器１３ａに送り込まれる。その結果、ヨウ化水素蒸留器１３内のヨウ化水素水溶液が加熱されることによって、ヨウ化水素がヨウ化水素水溶液から分離される（前記式（６）参照）。そして、熱交換器１３ａを通過した熱媒体は、ガス配管２４に向かって送り出される。
【００４１】
その一方で、ガス配管２２からガス配管２２ｂに向かう５００℃程度の熱媒体は、硫酸転換器１６の熱交換器１６ａに送り込まれる。その結果、硫酸転換器１６内の硫酸が加熱されることによって、前記式（９）で示される反応が進行する。
【００４２】
次に、硫酸転換器１６の熱交換器１６ａに供給された熱媒体は、熱交換器１６ａを通過する際に４００℃程度にその温度が低下する。そして、この熱媒体は、ガス配管２５を介して硫酸蒸発器１５の熱交換器１５aに送り込まれる。その結果、硫酸蒸発器１５内の濃縮硫酸水溶液が加熱されることによって、濃縮硫酸水溶液から硫酸が蒸発する（前記式（８）参照）。
【００４３】
硫酸蒸発器１５の熱交換器１５aに供給された熱媒体は、熱交換器１５aを通過する際に２６０℃程度にその温度が低下する。そして、この熱媒体は、ガス配管２６を介して硫酸精製濃縮器１４の熱交換器１４ａに送り込まれる。その結果、硫酸精製濃縮器１４内の硫酸水溶液が加熱されることによって、硫酸水溶液は濃縮される。そして、熱交換器１４ａを通過した熱媒体は、ガス配管２７に向かって送り出される。
【００４４】
このガス配管２７に向かって送り出された熱媒体は、ガス配管２４に向かって送り出された熱媒体と合流して、ガス配管２８に向かって送り込まれる。そして、熱媒体は、ガス配管２８を介して高温ガス炉２に戻されると共に、この高温ガス炉２で再び８５０℃程度に加熱されてガス配管２１に向かって送り出される。
【００４５】
また、このような水素製造装置１ａでは、発電機４で発電された電力が、三酸化イオウ分解器１７の電気ヒータ１７ａに電気配線４１を介して供給される。その結果、電気ヒータ１７ａによって三酸化イオウ分解器１７内の三酸化イオウは、７５０℃以上に加熱されることによって、二酸化イオウに分解する（前記式（１０）参照）。
【００４６】
次に、本実施形態に係る水素製造装置１ａと比較するために、公知の水素製造方法を実施するための水素製造装置（以下、「比較水素製造装置」という）を示す。図２は、比較水素製造装置の構成説明図である。なお、この比較水素製造装置において、第１実施形態に係る水素製造装置１ａと同様の構成要素については同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。
【００４７】
図２に示すように、比較水素製造装置５１ａは、本実施形態に係る水素製造装置１ａと同様に、熱源としての高温ガス炉２と、ヨウ化水素分解器１１と、ブンゼン反応器１２と、ヨウ化水素蒸留器１３と、硫酸精製濃縮器１４と、硫酸蒸発器１５と、硫酸転換器１６と、三酸化イオウ分解器１７とを備えている。但し、三酸化イオウ分解器１７は、電気ヒータ１７ａ（図１参照）に代えて、熱交換器１７ｂを備えている。そして、この比較水素製造装置５１ａは、さらに混合器１８を備えている。
【００４８】
このような比較水素製造装置５１ａでは、ヨウ化水素分解器１１への熱媒体の供給経路、硫酸転換器１６への熱媒体の供給経路、及び三酸化イオウ分解器１７への熱の供給経路が第１実施形態に係る水素製造装置１ａと相違しており、その他の熱の供給経路及び反応物質の供給経路は、水素製造装置１ａと同様になっている。
【００４９】
この比較水素製造装置５１ａでは、高温ガス炉２からガス配管２１を介して送り出された８５０℃程度の熱媒体が、三酸化イオウ分解器１７内に設けられた熱交換器１７ｂに送り込まれる。その結果、三酸化イオウ分解器１７内の三酸化イオウが加熱されることによって、前記式（１０）で示される反応が進行する。
【００５０】
次に、三酸化イオウ分解器１７の熱交換器１７ｂに供給された熱媒体は、熱交換器１７ｂを通過する際に７５０℃程度にその温度が低下する。そして、この熱媒体は、ガス配管２９ａを介して混合器１８に送り込まれる。
【００５１】
その一方で、ガス配管２８を流れる２００℃程度の熱媒体は、このガス配管２８の途中から分岐するガス配管２９ｂを介して混合器１８に流れ込む。そして、混合器１８は、ガス配管２９ａからの熱媒体と、ガス配管２９ｂからの熱媒体とを混合することによって、５００℃程度にその温度が低下した熱媒体をガス配管２９ｃに向かって送り出す。このガス配管２９ｃは、ガス配管２２ａ及びガス配管２２ｂに繋げられている。つまり、５００℃程度の熱媒体は、ガス配管２２ａを介してヨウ化水素分解器１１の熱交換器１１ａに送り込まれると共に、ガス配管２２ｂを介して硫酸転換器１６の熱交換器１６ａに送り込まれる。その結果、この比較水素製造装置５１ａでは、本実施形態に係る水素製造装置１ａと同様に、ヨウ化水素分解器１１内のヨウ化水素が加熱され、そして、硫酸転換器１６の硫酸が加熱されることとなる。
【００５２】
＜比較水素製造装置５１ａと比較した際の水素製造装置１ａの効果＞
比較水素製造装置５１ａ（図２参照）は、前記したように、三酸化イオウ分解器１７が高温ガス炉２から熱交換器１７ｂに供給された熱媒体によって加熱されるようになっている。これに対し、本実施形態に係る水素製造装置１ａ（図１参照）は、三酸化イオウ分解器１７が高温ガス炉２（第１熱源）と異なる電気ヒータ１７ａ（第２熱源）で加熱されるようになっている。
【００５３】
一方、両装置の三酸化イオウ分解器１７は、三酸化イオウを二酸化イオウに分解するためにいずれも７５０℃以上の高温となる。この際、比較水素製造装置５１ａでは、高温下での三酸化イオウの酸化性が極めて強いため、三酸化イオウが三酸化イオウ分解器１７の熱交換器１７ｂ（図２参照）を腐食する恐れがある。そして、熱交換器１７ｂが腐食することによって、三酸化イオウが熱媒体に混じり込む恐れがある。つまり、三酸化イオウが、高温ガス炉２に戻る熱媒体に混じり込む恐れがある。
【００５４】
これに対し、本実施形態に係る水素製造装置１ａでは、三酸化イオウ分解器１７の加熱に高温ガス炉２（第１熱源）の熱媒体を使用せずに、これと異なる電気ヒータ１７ａ（第２熱源）を使用しているので、三酸化イオウが高温ガス炉２に戻る熱媒体に混じり込むことはない。
【００５５】
また、比較水素製造装置５１ａでは、三酸化イオウ分解器１７の加熱に熱交換器１７ｂが使用されているので、高温ガス炉２から熱交換器１７ｂに熱媒体を導き、そしてこの熱媒体を高温ガス炉２に再び戻すためのガス配管２９ａ，２９ｂ，２９ｃや熱交換器１７ｂの配備が必要となる。そして、三酸化イオウ分解器１７から排出される高温の熱媒体（７５０℃以上）をヨウ化水素分解器１１や硫酸転換器１６の運転温度（５００℃程度）にまで低下させるための温度調節手段（混合器１８）がさらに必要となる。
【００５６】
これに対し、本実施形態に係る水素製造装置１ａでは、三酸化イオウ分解器１７の加熱に電気ヒータ１７ａが使用されているので、水素製造装置１ａの小型化及びその加熱機構の単純化を図ることができる。その結果、本実施形態に係る水素製造装置１ａでは、そのメンテナンスが容易になる。
【００５７】
また、比較水素製造装置５１ａでは、三酸化イオウ分解器１７の加熱に高温ガス炉２からの熱媒体が使用されているので、三酸化イオウ分解器１７における三酸化イオウの分解反応の条件が変動した際に、高温ガス炉２に戻る熱媒体の温度が変動する。その結果、その変動が大きい場合には高温ガス炉２の安定した温度制御に支障をきたす恐れがある。
【００５８】
これに対し、本実施形態に係る水素製造装置１ａでは、高温ガス炉２と異なる熱源である電気ヒータ１７ａを使用しているので、三酸化イオウの分解反応の条件が変動したとしても高温ガス炉２の温度制御に影響を及ぼすことはない。また、高温ガス炉２の温度（熱媒体の温度）の変化が、三酸化イオウ分解器１７の運転温度に影響を及ぼすこともない。
【００５９】
また、比較水素製造装置５１ａでは、高温ガス炉２から送り出された熱媒体が、三酸化イオウ分解器１７、硫酸転換器１６及び硫酸蒸発器１５の順番に供給されるようになっている。その結果、この比較水素製造装置５１ａでは、例えば硫酸蒸発器１５に送り込まれる硫酸水溶液の濃度が変動することによって硫酸蒸発器１５での硫酸の蒸発量が変動した場合に、三酸化イオウ分解器１７での三酸化イオウの分解量を調整するために、高温ガス炉２から送り出される熱媒体の流量を調整しなければならない。この際、比較水素製造装置５１ａは、熱媒体の流量を調整することによって硫酸蒸発器１５に供給される熱量が変動するので硫酸蒸発器１５での硫酸の蒸発量が再び変動するという悪循環を生じる。
【００６０】
これに対し、本実施形態に係る水素製造装置１ａは、三酸化イオウ分解器１７が電気ヒータ１７ａによって、硫酸転換器１６及び硫酸蒸発器１５と独立に加熱されるので、たとえ硫酸蒸発器１５に送り込まれる硫酸水溶液の濃度が変動したとしても、前記した悪循環を生じることはない。
【００６１】
また、本実施形態に係る水素製造装置１ａでは、三酸化イオウ分解器１７の加熱に電気ヒータ１７ａが使用されているので、高温ガス炉２の温度（熱媒体の温度）に関わらずに三酸化イオウ分解器１７の運転温度を自由に設定することができる。つまり、この水素製造装置１ａは、三酸化イオウの分解をより高速に行わせるために高温ガス炉２の温度を超えた温度に三酸化イオウ分解器１７の運転温度を設定することができる。
【００６２】
＜本実施形態に係る水素製造装置１ａと比較水素製造装置５１ａとの性能比較＞
次に、高温ガス炉２としてIdaho National Engineering and Environmental laboratoryの提案するＧＦＲ（Gas-Cooled Fast Reactor）炉（ガス冷却高速炉）が使用された水素製造装置１ａと比較水素製造装置５１ａとの性能を比較する。
【００６３】
このＧＦＲ炉は、８５０℃のヘリウムをタービンに送り出すことによって２８８ＭＷの発電を行うことができるようになっている。また、その熱出力が６００ＭＷであることから、熱エネルギの電気への転換効率は４８％となる（Ｊ.C.GARNIER  et.al. Proc. Global2003 pp47-56  2003 New Orlearns, LA参照）。
【００６４】
そして、ヨウ化水素分解器１１で前記式（３）の反応が進行するために必要な熱エネルギは、９．７ｋＪである。また、前記式（４）の状態変化が進行するために必要な熱エネルギは、−４６．７ｋＪである。ちなみに、この式（４）の状態変化が進行すると発熱する。
【００６５】
また、ブンゼン反応器１２で前記式（５）の反応が進行するために必要な熱エネルギは、−１０６．４ｋＪであり、この式（５）の反応が進行すると発熱する。
【００６６】
また、ヨウ化水素蒸留器１３で前記式（６）が進行するために必要な熱エネルギは、１０８．６ｋＪであり、前記式（７）が進行するために必要な熱エネルギは、３９．５ｋＪである。
【００６７】
また、硫酸蒸発器１５で前記式（８）が進行するために必要な熱エネルギは、７３ｋＪである。
【００６８】
また、硫酸転換器１６で前記式（９）が進行するために必要な熱エネルギは、３２９．５ｋＪである。
【００６９】
また、三酸化イオウ分解器１７で前記式（１０）が進行するために必要な熱エネルギは、９７．８ｋＪである。
【００７０】
その一方で、本実施形態に係る水素製造装置１ａでは、前記式（３）、及び前記式（６）〜前記式（９）が進行するために必要な熱エネルギは、高温ガス炉２からの熱媒体（ヘリウム）で供給される。そして、前記式（１０）が進行するために必要な熱エネルギは、電気ヒータ１７ａから供給される。つまり、この水素製造装置１ａでは、水素ガス（Ｈ2）を１モル生成するために（前記式（３）、及び前記式（６）〜前記式（９）が進行するために）必要な、高温ガス炉２から供給される熱エネルギは、９．７ｋＪ、１０８．６ｋＪ、３９．５ｋＪ、７３ｋＪ、及び３２９．５ｋＪが加算された５５９．２ｋＪとなる。また、前記式（１０）を進行させるために電気ヒータ１７ａから供給される熱エネルギが９７．８ｋＪであり、熱エネルギから電気エネルギへの転換効率が、前記したように４８％であることから、前記式（１０）を進行させるために発電に際して熱媒体（ヘリウム）が供給する熱量に換算すると、その熱量は２０３．８ｋＪ／モルとなる。したがって、水素ガス（Ｈ2）を１モル生成するために消費される高温ガス炉２の熱量は７６３ｋＪ／モルとなる。つまり、本実施形態に係る水素製造装置１ａのエネルギ変換効率は、水素のエンタルピが２８６ｋＪ／モルであることから、０．３７（２８６／７６３）となる。
【００７１】
これに対し、比較水素製造装置５１ａでは、前記式（３）、及び前記式（６）〜前記式（１０）が進行するために必要な熱エネルギは、高温ガス炉２からの熱媒体（ヘリウム）で供給される。つまり、９．７ｋＪ、１０８．６ｋＪ、３９．５ｋＪ、７３ｋＪ、３２９．５ｋＪ、及び９７．８ｋＪが加算されて６５８．１ｋＪとなる。そして、水素のエンタルピが２８６ｋＪ／モルであることから、この比較水素製造装置５１ａのエネルギ変換効率は、０．４３（２８６／６５８．１）となる。つまり、水素製造装置１ａは、エネルギ変換効率がわずか５％低下するだけで、前記した効果を得ることができる。
【００７２】
（第２実施形態）
以下に、本発明の水素製造装置の第２実施形態について適宜図面を参照しながら詳細に説明する。参照する図面において、図３は、第２実施形態に係る水素製造装置が組み込まれた発電設備の構成説明図である。
【００７３】
図３に示すように、発電設備Ｇ２は、次に説明する水素製造装置１ｂの第１熱源を兼ねる高温ガス炉２と、タービン３と、発電機４と、水素製造装置１ｂとを備えている。この発電設備Ｇ２では、第１実施形態における発電設備Ｇ１と同様に、高温ガス炉２とタービン３とがガス配管２１で繋がれており、タービン３は、高温ガス炉２からガス配管２１を介して供給される高温の熱媒体（例えば、ヘリウム）によって回転するようになっている。そして、発電機４は、タービン３の回転力を受けて発電するようになっている。
【００７４】
次に、本実施形態に係る水素製造装置１ｂについて説明する。水素製造装置１ｂは、第１実施形態に係る水素製造装置１ａと同様の硫酸精製濃縮器１４と、硫酸蒸発器１５と、硫酸転換器１６と、三酸化イオウ分解器１７とを備えている。そして、この水素製造装置１ｂは、第１実施形態に係る水素製造装置１ａの水素生成部（図１に示すヨウ化水素分解器１１、ブンゼン反応器１２及びヨウ化水素蒸留器１３）に代えて、水素生成部としての電気分解槽１９を備えている。
【００７５】
電気分解槽１９は、水（Ｈ2Ｏ）を二酸化イオウ（ＳＯ2）の存在下に電気分解するものであり、この電気分解槽１９では、次式（１１）：
ＳＯ2（Ｇ）＋２Ｈ2Ｏ（Ｌ）→
Ｈ2ＳＯ4・４Ｈ2Ｏ（ＡＱ）＋Ｈ2（Ｇ）・・・・（１１）
で示される反応が進行するようになっている。この際、二酸化イオウは、三酸化イオウ分解器１７から配管３８を介して供給され、水は、図示しない水供給源から供給されることとなる。そして、電気分解槽１９では、前記式（１１）で示される反応が進行することによって、水素（Ｈ2）と硫酸水溶液とが生成することとなる。生成した硫酸水溶液は、配管３４を介して硫酸精製濃縮器１４に供給され、生成した水素は、所望の用途に供される。なお、電気分解槽１９への電力の供給は、電気配線４１から分岐する電気配線４２によって行われる。
【００７６】
そして、この水素製造装置１ｂでは、硫酸水溶液が硫酸精製濃縮器１４で濃縮された後に、硫酸蒸発器１５、硫酸転換器１６及び三酸化イオウ分解器１７のそれぞれにおいて、第１実施形態と同様に前記式（８）〜前記式（１０）の反応が進行することによって、二酸化イオウ（ＳＯ2）が再生される。そして、再生された二酸化イオウは、前記したように、三酸化イオウ分解器１７から配管３８を介して電気分解槽１９に戻されることによって、水素の生成に再利用される。
【００７７】
この水素製造装置１ｂでは、高温ガス炉２からガス配管２１を介して送り出された８５０℃程度の熱媒体がタービン３を通過することによって５００℃程度にその温度が低下すると共に、この熱媒体がガス配管２２ｂを介して硫酸転換器１６の熱交換器１６ａに送り込まれる。その結果、硫酸転換器１６内の硫酸が加熱されることによって、前記式（９）で示される反応が進行する。
【００７８】
次に、硫酸転換器１６の熱交換器１６ａに供給された熱媒体は、熱交換器１６ａを通過する際に４００℃程度にその温度が低下する。そして、この熱媒体は、ガス配管２５を介して硫酸蒸発器１５の熱交換器１５aに送り込まれる。その結果、硫酸蒸発器１５内の濃縮硫酸水溶液が加熱されることによって、濃縮硫酸水溶液から硫酸が蒸発する（前記式（８）参照）。
【００７９】
硫酸蒸発器１５の熱交換器１５aに供給された熱媒体は、熱交換器１５aを通過する際に２６０℃程度にその温度が低下する。そして、この熱媒体は、ガス配管２６を介して硫酸精製濃縮器１４の熱交換器１４ａに送り込まれる。その結果、硫酸精製濃縮器１４内の硫酸水溶液が加熱されることによって、硫酸水溶液は濃縮される。そして、熱交換器１４ａを通過した熱媒体は、ガス配管２７に向かって送り出される。
【００８０】
このガス配管２７に向かって送り出された熱媒体は、高温ガス炉２に戻されると共に、この高温ガス炉２で再び８５０℃程度に加熱されてガス配管２１に向かって送り出される。
【００８１】
また、このような水素製造装置１ｂでは、第１実施形態に係る水素製造装置１ａと同様に、発電機４で発電された電力が、三酸化イオウ分解器１７の電気ヒータ１７ａに電気配線４１を介して供給される。その結果、電気ヒータ１７ａによって三酸化イオウ分解器１７内の三酸化イオウは、７５０℃以上に加熱されることによって、二酸化イオウに分解する（前記式（１０）参照）。
【００８２】
このような水素製造装置１ｂは、三酸化イオウ分解器１７が高温ガス炉２（第１熱源）と異なる電気ヒータ（第２熱源）で加熱されるようになっているので、第１実施形態に係る水素製造装置１ａと同様な効果を奏することができる。
【００８３】
次に、この水素製造装置１ｂの性能を検討する。ここでは、第１実施形態と同様に、高温ガス炉２としてIdaho National Engineering and Environmental laboratoryの提案する前記ＧＦＲ炉（ガス冷却高速炉）が使用された水素製造装置１ｂの性能を検討する。
【００８４】
本実施形態に係る水素製造装置１ｂでは、前記式（８）及び前記式（９）が進行するために必要な熱エネルギは、高温ガス炉２からの熱媒体（ヘリウム）で供給される。そして、前記式（１０）が進行するために必要な熱エネルギは、電気ヒータ１７ａから供給される。つまり、この水素製造装置１ｂでは、水素ガス（Ｈ2）を１モル生成するために（前記式（８）及び前記式（９）が進行するために）必要な、高温ガス炉２から供給される熱エネルギは、７３ｋＪ及び３２９．５ｋＪが加算された４０２．５ｋＪとなる。また、前記式（１１）を進行させるために必要なエネルギは、５５．５ｋＪであり、前記式（１０）を進行させるために電気ヒータ１７ａから供給される熱エネルギは、前記したように９７．８ｋＪである。そして、熱エネルギから電気エネルギへの転換効率が、前記したように４８％であることから、前記式（１０）及び前記式（１１）を進行させるために発電に際して熱媒体（ヘリウム）が供給する熱量に換算すると、その熱量は３１９．４ｋＪ／モルとなる。したがって、水素ガス（Ｈ2）を１モル生成するために消費される高温ガス炉２の熱量は７２１．９ｋＪ／モルとなる。つまり、本実施形態に係る水素製造装置１ｂのエネルギ変換効率は、水素のエンタルピが２８６ｋＪ／モルであることから、０．４０（２８６／７２１．９）となる。
【００８５】
これに対し、例えば、三酸化イオウ分解器１７を熱媒体で加熱することによって前記式（１０）の反応を進行させると、必要な熱エネルギは、５００．３ｋＪ／モルとなる。そして、前記したように式（１１）を電気分解で進行させるために必要なエネルギは、５５．５ｋＪであるから、この三酸化イオウ分解器１７を熱媒体で加熱する水素製造装置のエネルギ変換効率は、０．４６[２８６／（５００．３＋（５５．５／０．４８））]となる。つまり、第１実施形態に係る水素製造装置１ａは、エネルギ変換効率がわずか６％低下するだけで、前記した効果を得ることができる。ちなみに、この水素製造装置１ｂのエネルギ変換効率は、第１実施形態に係る水素製造装置１ａと比較して、そのエネルギ変換効率が０．３向上している。
【００８６】
（第３実施形態）
以下に、本発明の水素製造装置の第３実施形態について適宜図面を参照しながら詳細に説明する。参照する図面において、図４は、第３実施形態に係る水素製造装置が組み込まれた発電設備の構成説明図である。
【００８７】
図４に示すように、発電設備Ｇ３は、第１実施形態に係る発電設備Ｇ１（図１参照）において、高温ガス炉２（第１熱源）に代えて金属冷却高速炉２ａを使用すると共に、ガス配管２１とガス配管２２との間に配置したタービン３（発電機４）を、ガス配管２６の途中に配置した以外は発電設備Ｇ１と同様に構成されている。
【００８８】
この発電設備Ｇ３での水素製造装置１ｃに第１熱源として使用される金属冷却高速炉２ａは、５００℃程度のナトリウム（Ｎａ）を１次冷却材として使用しており、この１次冷却材と熱交換された５００℃程度の熱媒体（ヘリウム等）が、ガス配管２１に送り出されるようになっている。また、この発電設備Ｇ３では、硫酸蒸発器１５の熱交換器１５aからガス配管２６に送り出された２６０℃程度の熱媒体によってタービン３が回転し、このタービン３の回転力を受けて発電機４が発電するようになっている。そして、タービン３を通過した熱媒体が、ガス配管２６ｂを介して硫酸精製濃縮器１４の熱交換器１４ａに送り込まれるようになっている。その結果、硫酸精製濃縮器１４内の硫酸水溶液が加熱されることによって、硫酸水溶液は濃縮される。そして、熱交換器１４ａを通過した熱媒体は、ガス配管２７に向かって送り出される。
【００８９】
次に、本実施形態に係る水素製造装置１ｃと比較するために、比較水素製造装置を示す。図５は、比較水素製造装置の構成説明図である。なお、この比較水素製造装置において、第３実施形態に係る水素製造装置１ｃと同様の構成要素については同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。
【００９０】
図５に示すように、比較水素製造装置５１ｃは、本実施形態に係る水素製造装置１ｃ（図４参照）において、三酸化イオウ分解器１７に配置された電気ヒータ１７ａに代えて、固体電解質電極１７ｃ及び熱交換器１７ｂが配置されている。そして、固体電解質電極１７ｃには、電気配線４１を介して発電機４が発電した電力が供給されるようになっている。
【００９１】
この比較水素製造装置５１ｃでは、固体電解質電極１７ｃに電力が供給されることによって、三酸化イオウ分解器１７内の三酸化イオウが二酸化イオウに電気分解されるようになっている。この際、電気分解が可能な温度に固体電解質電極１７ｃが維持されるように、金属冷却高速炉２ａからガス配管２１及びガス配管２２ｂを介して送り出された５００℃程度の熱媒体が、三酸化イオウ分解器１７内に設けられた熱交換器１７ｂに送り込まれるようになっている。ちなみに、この比較水素製造装置５１ｃは、５００℃程度の熱媒体による加熱のみでは、三酸化イオウが二酸化イオウに分解されない。そして、熱交換器１７ｂを通過した５００℃程度の熱媒体は、ガス配管２２ｃを介して硫酸転換器１６の熱交換器１６ａに供給される。その結果、硫酸転換器１６内の硫酸は加熱されることによって三酸化イオウに転換される。そして、熱交換器１６ａからガス配管２５に送り出された４００℃程度の熱媒体は、硫酸蒸発器１５の熱交換器１５aに送り込まれる。その結果、硫酸蒸発器１５内の濃縮硫酸水溶液が加熱されることによって、濃縮硫酸水溶液から硫酸が蒸発する（前記式（８）参照）。
【００９２】
また、硫酸蒸発器１５の熱交換器１５aからガス配管２６に送り出された２６０℃程度の熱媒体によってタービン３が回転し、このタービン３の回転力を受けて発電機４が発電するようになっている。そして、タービン３を通過した熱媒体が、ガス配管２６ｂを介して硫酸精製濃縮器１４の熱交換器１４ａに送り込まれるようになっている。その結果、硫酸精製濃縮器１４内の硫酸水溶液が加熱されることによって、硫酸水溶液は濃縮される。そして、熱交換器１４ａを通過した熱媒体は、ガス配管２７に向かって送り出される。
【００９３】
＜比較水素製造装置５１ｃと比較した際の水素製造装置１ｃの効果＞
比較水素製造装置５１ｃ（図５参照）は、前記したように、三酸化イオウ分解器１７において三酸化イオウの電気分解が可能なように、三酸化イオウ分解器１７が、金属冷却高速炉２ａから熱交換器１７ｂに供給された熱媒体によって加熱されるようになっている。これに対し、本実施形態に係る水素製造装置１ｃ（図４参照）は、三酸化イオウ分解器１７が金属冷却高速炉２ａ（第１熱源）と異なる電気ヒータ１７ａ（第２熱源）で加熱されるようになっている。
つまり、比較水素製造装置５１ｃでは、三酸化イオウ分解器１７の加熱に熱交換器１７ｂが使用されているので、熱交換器１７ｂ等の配備が必要となる。
【００９４】
これに対し、本実施形態に係る水素製造装置１ｃでは、三酸化イオウ分解器１７の加熱に電気ヒータ１７ａが使用されているので、水素製造装置１ｃの小型化及びその加熱機構の単純化を図ることができる。その結果、本実施形態に係る水素製造装置１ｃでは、そのメンテナンスが容易になる。
また、比較水素製造装置５１ｃでは、三酸化イオウ分解器１７の加熱に金属冷却高速炉２ａからの熱媒体が使用されているので、三酸化イオウ分解器１７における三酸化イオウの分解反応の条件が変動した際に、金属冷却高速炉２ａに戻る熱媒体の温度が変動する。その結果、その変動が大きい場合には金属冷却高速炉２ａの安定した温度制御に支障をきたす恐れがある。
【００９５】
これに対し、本実施形態に係る水素製造装置１ｃでは、金属冷却高速炉２ａと異なる熱源である電気ヒータ１７ａを使用しているので、三酸化イオウの分解反応の条件が変動したとしても金属冷却高速炉２ａの温度制御に影響を及ぼすことはない。また、金属冷却高速炉２ａの温度（熱媒体の温度）の変化が、三酸化イオウ分解器１７の運転温度に影響を及ぼすこともない。
【００９６】
また、比較水素製造装置５１ｃでは、金属冷却高速炉２ａから送り出された熱媒体が、三酸化イオウ分解器１７、硫酸転換器１６及び硫酸蒸発器１５の順番に供給されるようになっている。その結果、この比較水素製造装置５１ｃでは、例えば硫酸蒸発器１５に送り込まれる硫酸水溶液の濃度が変動することによって硫酸蒸発器１５での硫酸の蒸発量が変動した場合に、三酸化イオウ分解器１７での三酸化イオウの分解量を調整するために、金属冷却高速炉２ａから送り出される熱媒体の流量を調整しなければならない。この際、比較水素製造装置５１ｃは、熱媒体の流量を調整することによって硫酸蒸発器１５に供給される熱量が変動するので硫酸蒸発器１５での硫酸の蒸発量が再び変動するという悪循環を生じる。
【００９７】
これに対し、本実施形態に係る水素製造装置１ｃは、三酸化イオウ分解器１７が電気ヒータ１７ａによって、硫酸転換器１６及び硫酸蒸発器１５と独立に加熱されるので、たとえ硫酸蒸発器１５に送り込まれる硫酸水溶液の濃度が変動したとしても、前記した悪循環を生じることはない。
【００９８】
また、本実施形態に係る水素製造装置１ｃでは、三酸化イオウ分解器１７の加熱に電気ヒータ１７ａが使用されているので、金属冷却高速炉２ａのように送り出される熱媒体の温度が、三酸化イオウを分解するために必要な温度に達していなくとも三酸化イオウの分解が可能となる。また、この水素製造装置１ｃでは、三酸化イオウの分解をより高速に行わせるために三酸化イオウ分解器１７の温度がより高温になるように自由に三酸化イオウ分解器１７の運転温度を設定することができる。
【００９９】
次に、この水素製造装置１ｃの性能を検討する。この水素製造装置１ｃのエネルギ変換効率は、第１実施形態に係る水素製造装置１ａと同じ０．３７％となる。
【０１００】
これに対し、比較水素製造装置５１ｃは、５００℃に設定された三酸化イオウ分解器１７で三酸化イオウの分解（前記式（１０）参照）を行うためには、７２．４ｋＪ／モルの熱エネルギと、電気分解に必要な２６．１ｋＪの電気エネルギが必要となる（日本原子力学会和文論文誌、vol.3 No.1 pp88-94(2004)参照）。つまり、前記した比較水素製造装置５１ａと比較して３０ｋＪ／モルだけ多くのエネルギを要することになるので、比較水素製造装置５１ｃのエネルギ変換効率は、０．４２となる。したがって、第３実施形態に係る水素製造装置１ｃは、比較水素製造装置５１ｃと比較してエネルギ変換効率がわずか５％低下するだけで、前記した効果を得ることができる。
【０１０１】
（第４実施形態）
以下に、本発明の水素製造装置の第４実施形態について適宜図面を参照しながら詳細に説明する。参照する図面において、図６は、第４実施形態に係る水素製造装置が組み込まれた発電設備の構成説明図である。
【０１０２】
図６に示すように、発電設備Ｇ４は、第２実施形態に係る発電設備Ｇ２（図３参照）において、高温ガス炉２（第１熱源）に代えて金属冷却高速炉２ａを使用すると共に、ガス配管２１とガス配管２２ｂとの間に配置したタービン３（発電機４）を、ガス配管２６の途中に配置した以外は発電設備Ｇ２と同様に構成されている。
【０１０３】
この発電設備Ｇ４での水素製造装置１ｄに第１熱源として使用される金属冷却高速炉２ａは、５００℃程度のナトリウム（Ｎａ）を１次冷却材として使用しており、この１次冷却材と熱交換された５００℃程度の熱媒体（ヘリウム等）が、ガス配管２１に送り出されるようになっている。また、この発電設備Ｇ４は、硫酸蒸発器１５の熱交換器１５aからガス配管２６に送り出された２６０℃程度の熱媒体によってタービン３が回転し、このタービン３の回転力を受けて発電機４が発電するようになっている。そして、タービン３を通過した熱媒体が、ガス配管２６ｂを介して硫酸精製濃縮器１４の熱交換器１４ａに送り込まれるようになっている。その結果、硫酸精製濃縮器１４内の硫酸水溶液が加熱されることによって、硫酸水溶液は濃縮される。そして、熱交換器１４ａを通過した熱媒体は、ガス配管２７に向かって送り出される。
【０１０４】
次に、本実施形態に係る水素製造装置１ｄと比較するために、比較水素製造装置を示す。図７は、比較水素製造装置の構成説明図である。なお、この比較水素製造装置において、第２実施形態に係る水素製造装置１ｂと同様の構成要素については同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。
【０１０５】
図７に示すように、比較水素製造装置５１ｄは、本実施形態に係る水素製造装置１ｄ（図６参照）において、三酸化イオウ分解器１７に配置された電気ヒータ１７ａに代えて、固体電解質電極１７ｃ及び熱交換器１７ｂが配置されている。そして、固体電解質電極１７ｃには、電気配線４１を介して発電機４が発電した電力が供給されるようになっている。
【０１０６】
この比較水素製造装置５１ｄでは、固体電解質電極１７ｃに電力が供給されることによって、三酸化イオウ分解器１７内の三酸化イオウが二酸化イオウに電気分解されるようになっている。この際、電気分解が可能な温度に固体電解質電極１７ｃが維持されるように、金属冷却高速炉２ａからガス配管２１を介して送り出された５００℃程度の熱媒体が、三酸化イオウ分解器１７内に設けられた熱交換器１７ｂに送り込まれるようになっている。ちなみに、この比較水素製造装置５１ｄは、５００℃程度の熱媒体による加熱のみでは、三酸化イオウが二酸化イオウに分解されない。そして、熱交換器１７ｂを通過した熱媒体は、４５０℃程度にその温度が低下すると共に、ガス配管２２ｃを介して硫酸転換器１６の熱交換器１６ａに供給される。その結果、硫酸転換器１６内の硫酸は加熱されることによって三酸化イオウに転換される。そして、熱交換器１６ａからガス配管２５に送り出された４００℃程度の熱媒体は、硫酸蒸発器１５の熱交換器１５aに送り込まれる。その結果、硫酸蒸発器１５内の濃縮硫酸水溶液が加熱されることによって、濃縮硫酸水溶液から硫酸が蒸発する（前記式（８）参照）。
【０１０７】
また、硫酸蒸発器１５の熱交換器１５aからガス配管２６に送り出された３３０℃程度の熱媒体によってタービン３が回転し、このタービン３の回転力を受けて発電機４が発電するようになっている。そして、タービン３を通過した熱媒体が、ガス配管２６ｂを介して硫酸精製濃縮器１４の熱交換器１４ａに送り込まれるようになっている。その結果、硫酸精製濃縮器１４内の硫酸水溶液が加熱されることによって、硫酸水溶液は濃縮される。そして、熱交換器１４ａを通過した熱媒体は、ガス配管２７に向かって送り出される。
【０１０８】
この比較水素製造装置５１ｄ（図７参照）は、前記したように、三酸化イオウ分解器１７において三酸化イオウの電気分解が可能なように、三酸化イオウ分解器１７が、金属冷却高速炉２ａから熱交換器１７ｂに供給された熱媒体によって加熱されるようになっている。これに対し、本実施形態に係る水素製造装置１ｄ（図６参照）は、三酸化イオウ分解器１７が金属冷却高速炉２ａ（第１熱源）と異なる電気ヒータ１７ａ（第２熱源）で加熱されるようになっている。したがって、比較水素製造装置５１ｄと比較した際の水素製造装置１ｄの効果は、前記した比較水素製造装置５１ｃ（図５参照）と比較した際の第３実施形態に係る水素製造装置１ｃ（図４参照）の効果と同様のものとなる。また、本実施形態に係る水素製造装置１ｄのエネルギ変換効率は、第２実施形態に係る水素製造装置１ｂのエネルギ変換効率が第１実施形態に係る水素製造装置１ａと比較して良好になるのと同様の理由により、第３実施形態に係る水素製造装置１ｃと比較して良好となる。
【０１０９】
以上、本発明の第１実施形態、第２実施形態、第３実施形態及び第４実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態には限定されない。例えば、前記実施形態では、電気加熱手段として、電気ヒータ１７ａが使用されているが、本発明はこれに限定されるものではなく、電気加熱手段として電気を使用した赤外線加熱器、マイクロ波加熱器等が使用されたものであってもよい。
【０１１０】
また、前記実施形態では、第２熱源として電気ヒータ１７ａ（電気加熱手段）が使用されているが、本発明はこれに限定されるものではなく、第２熱源が、化石燃料の燃焼装置であってもよい。なお、ここでの化石燃料とは、天然ガス、石油、石炭等の炭素や可燃性炭素化合物、これら炭素や可燃性炭素化合物由来の可燃物（メタン、改質ガス等）をいう。
【０１１１】
また、前記実施形態では、電気ヒータ１７ａの電源として、水素製造装置１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄが組み込まれた発電設備Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４の発電機４が使用されているが、本発明はこれに限定されるものではなく、電気ヒータ１７ａには、通常の発電所等から電力が供給されるものであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１１２】
【図１】第１実施形態に係る水素製造装置が組み込まれた発電設備の構成説明図である。
【図２】第１実施形態に係る水素製造装置の比較例として示した水素製造装置が組み込まれた発電設備の構成説明図である。
【図３】第２実施形態に係る水素製造装置が組み込まれた発電設備の構成説明図である。
【図４】第３実施形態に係る水素製造装置が組み込まれた発電設備の構成説明図である。
【図５】第３実施形態に係る水素製造装置の比較例として示した水素製造装置が組み込まれた発電設備の構成説明図である。
【図６】第４実施形態に係る水素製造装置が組み込まれた発電設備の構成説明図である。
【図７】第４実施形態に係る水素製造装置の比較例として示した水素製造装置が組み込まれた発電設備の構成説明図である。
【符号の説明】
【０１１３】
１ａ    水素製造装置
１ｂ    水素製造装置
１ｃ    水素製造装置
１ｄ    水素製造装置
２      高温ガス炉（第１熱源）
２ａ    金属冷却高速炉（第１熱源）
１１    ヨウ化水素分解器（水素生成部）
１２    ブンゼン反応器（水素生成部）
１３    ヨウ化水素蒸留器（水素生成部）
１７    三酸化イオウ分解器（酸化剤分解器）
１７ａ  電気ヒータ（第２熱源）
１９    電気分解槽（水素生成部）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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