(57)【要約】【課題】水素製造プロセスの運転方法を提供する。【解決手段】水素製造ステップと水素加熱源を実質的な距離離すことにより水素製造ステップを熱源から分離して水素爆発の可能性を減少させる。水素発生ステップには高温が不要であり、従って、実質的な距離にわたり反応化合物を運ぶ間の熱損失は問題とならないため、コストはその距離により有意に増加しない。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素製造ステップと少なくとも１つの前駆ステップを有する水素製造方法であって、少なくとも１つの前駆ステップは高温で実施され、水素製造ステップは約２０℃と２００℃の間の温度で実施され、水素製造ステップは少なくとも１つの前駆ステップから少なくとも１つの前駆ステップの高温が水素製造ステップから十分に隔離されるように分離されるため、前駆ステップの高温は水素を点火できない水素製造方法。
【請求項２】
水素製造ステップは前駆ステップから実質的な距離分離される請求項１の方法。
【請求項３】
水素製造ステップは前駆ステップより少なくとも４００ヤード分離される請求項２の方法。
【請求項４】
少なくとも１つの前駆ステップの高温は７００℃より高い温度である請求項１の方法。
【請求項５】
水素製造ステップの温度は約３０℃と約７０℃の間である請求項１の方法。
【請求項６】
少なくとも１つの前駆ステップの圧力は１０００ｐｓｉより高い請求項１の方法。
【請求項７】
水素製造ステップと少なくとも１つの前駆ステップは細長い通路により接続される請求項１の方法。
【請求項８】
水素製造ステップは反応ＳＯ2＋２Ｈ2Ｏ→Ｈ2ＳＯ4＋Ｈ2より成る請求項１の方法。
【請求項９】
水素製造ステップは反応Ｈ2Ｏ＋ＳＯ2→Ｈ2ＳＯ2→Ｈ2＋ＳＯ3より成る請求項１２の方法。
【請求項１０】
水素製造ステップは電気分解を利用する請求項１の方法。
【請求項１１】
少なくとも１つの前駆ステップの高温は原子炉から取り出される請求項１の方法。
【請求項１２】
少なくとも１つの前駆ステップの高温は化石燃料から取り出される請求項１の方法。
【請求項１３】
少なくとも１つの前駆ステップと水素製造ステップの間には熱障壁がある請求項１の方法。
【請求項１４】
水素製造ステップと少なくとも１つの前駆ステップを有する水素製造方法であって、少なくとも１つの前駆ステップは高温で実施され、水素製造ステップは約２０℃と２００℃の間の温度で実施され、水素製造ステップは少なくとも１つの前駆ステップから実質的な距離分離される水素製造方法。
【請求項１５】
水素製造ステップは反応ＳＯ2＋２Ｈ2Ｏ→Ｈ2ＳＯ4＋Ｈ2より成る請求項１４の方法。
【請求項１６】
水素製造ステップは電気分解を利用する請求項１４の方法。
【請求項１７】
少なくとも１つの前駆ステップの高温は原子炉から取り出される請求項１４の方法。
【請求項１８】
水素製造ステップは前駆ステップより少なくとも４００ヤード分離される請求項１４の方法。
【請求項１９】
水素製造ステップと少なくとも１つの前駆ステップを有する水素製造方法であって、少なくとも１つの前駆ステップは原子炉から取り出される高温で実施され、水素製造ステップは電気分解装置で実施され、水素製造ステップは少なくとも１つの前駆ステップから実質的な距離分離される水素製造方法。
【請求項２０】
水素製造ステップは反応ＳＯ2＋２Ｈ2Ｏ→Ｈ2ＳＯ4＋Ｈ2より成る請求項１９の方法。
【請求項２１】
水素製造ステップの温度は約２０℃と２００℃の間の温度である請求項１９の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的に、運送、化学物質製造及びエネルギー備蓄を含む種々の用途のための水素製造方法に係り、さらに詳細には、水素製造ステップを任意の過剰熱源または点火源から隔離することにより水素の爆発による負の影響を劇的に減少させる水素製造方法に係る。本発明はさらに、水素製造ステップと少なくとも１つの前駆ステップの間の距離をコストを実質的に減少させずにあるいは効率を減少させずに増加させる方法に係る。
【背景技術】
【０００２】
水素の製造は危険な化学プロセスである。水素は可燃性であり、水素の製造は潜在的な水素爆発の可能性の負の影響を回避するための厳しいエンジニアリング上及び操作上の課題を提供する。この課題は、この方法が原子力発電施設と併用される時により厳しいものとなる。次世代の原子力発電所は、高温で運転される可能性が高いため、最新の水素製造プロセスが必要とする高温のプロセス熱を提供するのに好適である。水素プラントは爆発の危険を防止するように設計され、また原子力プラントは爆発のような事象による外部からの潜在的危険性に耐えるように設計されるが、設置許可及び安全のための分析は、これらの２つのタイプの施設を組み合わせて用いる設計がこれら２つの施設間の負の相互作用を阻止するような手立てを含むことを必要とする。換言すれば、水素プラントに爆発が生じても原子力プラントの運転及び安全性に影響が及ばないように、またその逆の事態が起こらないようにする。かくして、特に原子力発電施設との関連で水素を効率的に製造するシステムの設計及び構築は大きな注意を必要とする困難な仕事である。
【０００３】
その結果、かかるシステムの使用に要する投資及び運転コストはかなりのものとなる。例えば、プラントの設置許可及び運転のコストは極めて大きいものとなる。これは、部分的には、原子力施設の典型的な設置許可プロセスが爆発源となりうる施設を近隣に設けるのを制限するという事実による。さらに、かかる配置のプラントを作動させるための保険コストが過大になると予想される。
【０００４】
熱化学サイクルからの水素の製造は、過去３０年にわたり進化を続けている科学である。１９７０年代の中頃に始まるが、硫酸を用いるプロセスがウエスチングハウス社（ペンシルベニア州ピッツバーグ）より開発されたが、それを以下においてウエスチングハウス硫黄プロセスと呼ぶ。このプロセスは、ペブルベッドモジューラ原子炉（ＰＢＭＲ）のような高温ガス冷却型原子炉（ＨＴＧＲ）からの熱エネルギーを利用して、硫酸または三酸化硫黄を高温で酸素、水及び二酸化硫黄に分解するものである。分解時に解放される二酸化硫黄は、室温またはそれより低い温度で水に吸収されるか、または電気分解装置へ直接送られる。その後、二酸化硫黄は電気分解作用の下で反応して、水素と液状の硫酸またはガス状の三酸化硫黄を発生させる。酸素はその後、意図した目的に使用され、硫酸または三酸化硫黄は高温プロセスステップへフィードバックされ、そこで分解されて二酸化硫黄、酸素及び水（硫酸であれば）になる。（Farbman, G. H. and Koump, V., “Hydrogen Generation Process-Final Report”, FE-2262-15, Westinghouse Electric Corp., June 1977 and Farbman, G. H., “The Conceptual Design of an Integrated Nuclear-Hydrogen Production Plant Using the Sulfur Cycle Water Decomposition System”, NASA CR-134976, Westinghouse Electric Corp., April 1976を参照）
【０００５】
従って、ウエスチングハウス水素プロセスは、水素が電気をエネルギー源として用いる比較的低温度のステップで製造される水素製造ステップを利用する。このステップの温度は典型的には９０℃の周辺である。これは、水素製造ステップにそれより実質的に高い温度を用いる他の水素製造プロセスとは対照的である。
【０００６】
例えば、長年実施されている別の水素製造プロセスとしてジェネラルアトミックス社による硫黄−ヨウ素プロセスがある。ジェネラルダイナミックスプロセスは、ヨウ素と二酸化硫黄を用いて硫酸を製造し、硫酸を酸素、水及び二酸化硫黄に分解する。ヨウ素プロセスは、一般的に、原子炉からの高温の熱エネルギー（〜１０００℃）を用いて硫酸を分解する。このプロセスは、この反応から中間のＨＩ副生成物を得る目的で継続的に反復される。このプロセスは、硫酸の分解による中間のＨＩ生成物からそれらを高温で反応させることにより水素を発生させる。この水素製造ステップは典型的には約４００℃の温度で実施される。
【０００７】
しかしながら、上記プロセスは通常、水素製造ステップを熱エネルギーを必要とする前駆ステップに近い所に維持する方法を用いて実行されるため、製造された水素を熱エネルギーによる負の影響下にさらされる可能性がある。これらのステップはある種の物理的障壁で分離することが多い。しかしながら、この障壁が破壊されると重大な問題が発生する可能性がある。熱としての大量の高温エネルギーを長い距離にわたって移動させるには資本集約性の高い装置を必要とするが、それでも伝達される間にかなりの量の熱エネルギーが失われるため、これらを近い所に置くことは経済的に必要な条件である。
【０００８】
ウエスチングハウス水素プロセスに対する最近の改良は硫酸を分解するに要する熱量を減少するものである。このプロセスは、水素回収ステップ時に大きな圧力を利用し、それによりそのステップの間に２つの相を発生させる。ＳＯ2が水に溶解した低くて重い相は電気分解反応器へ送られる。これにより、電気分解後にＳＯ3、ＳＯ2またはこれらの混合物を含む生成物が得られる。何れの場合でも、その結果生じた液体を蒸発させるに要するエネルギーは過剰な水を蒸発させる必要がないため減少する。
【０００９】
かくして、水素製造プロセス、特に原子力発電プラントがプロセスの熱エネルギーを供給するプロセスのコストを減少させ安全レベルを増加させる必要性が引き続き存在する。
【発明の概要】
【００１０】
従って、本発明の目的は、水素製造ステップと少なくとも１つの前駆ステップを有する水素製造方法であって、少なくとも１つの前駆ステップは高温で実施され、水素製造ステップは約２０℃と２００℃の間の温度で実施され、水素製造ステップは少なくとも１つの前駆ステップから少なくとも１つの前駆ステップの高温が水素製造ステップに取るに足らない影響を与えるように分離される水素製造方法を提供することにある。
【００１１】
本発明のさらに別の目的は、水素製造ステップが前駆ステップから実質的な距離分離された水素製造方法を提供することにある。
【００１２】
本発明にさらに別の目的は、水素製造ステップと少なくとも１つの前駆ステップを有する水素製造方法であって、少なくとも１つの前駆ステップは原子炉から取り出される高温で実施され、水素製造ステップは電気分解装置で実施され、水素製造ステップは少なくとも１つの前駆ステップから実質的な距離分離される水素製造方法を提供することにある。
【実施例】
【００１３】
以下においてウエスチングハウス硫黄プロセスと呼ぶ水素発生硫黄プロセスの一実施例を図１に示す。ウエスチングハウス硫黄プロセスは、水素が二酸化硫黄及び水から取り出される電気分解ステップの間に水素を発生させる。水素の発生に必要なエネルギーは電気から得られる。このプロセスは、実際の水素製造ステップの間実質的に高い温度が不要であるという点で水素製造プロセスの中で特異である。
【００１４】
このプロセスは、少なくとも１つの前駆ステップを用いて水素の発生に必要な二酸化硫黄を生成する。参照番号２の第１ステップに示すように、硫酸または三酸化硫黄は、酸素発生ステップの間に高温で、二酸化硫黄、水及び酸素に分解される。このステップに必要な熱エネルギーは一般的に、８００℃より高い温度、好ましくは約７００℃と１１００℃の範囲内の温度からの熱である。この熱エネルギーは、例えば原子炉のような発生器により供給することができる。しかしながら、さらに別の実施例において、７００℃を超える熱エネルギーを発生させる当該技術分野で公知の他の任意の熱源を原子炉の代わりに用いることができる。例えば、石炭または油のような化石燃料を用いて硫酸を分解するための熱エネルギーを取り出すことができる。同様に、ガスまたは太陽エネルギーを用いてもよい。あるいは、２またはそれ以上のエネルギー源を組み合わせたものを用いることができる。
【００１５】
酸素発生の反応は下記の通りである。
Ｈ2ＳＯ4→Ｈ2Ｏ＋ＳＯ3→Ｈ2Ｏ＋ＳＯ2＋０．５Ｏ2
【００１６】
本発明の方法の好ましい実施例において、このステップは、ＰＢＭＲのような高温ガス冷却型原子炉（ＨＴＧＲ）と組み合わせて実施される。この環境下では、高温のヘリウムが第１の反応器へ送られて、触媒表面を有するアルミナまたはジルコニアの熱球のベッドを加熱する。触媒は、分解反応をその温度について予想される平衡値により迅速に進めるために使用する。ヘリウムは、第１の反応器を所望の温度に加熱した後、低温の第２の反応器へ移動して第２の反応器を加熱する。高温になった第１の反応器では、硫酸または三酸化硫黄が分解され、第１の反応器が徐々に冷却される。第２の反応器が一旦所望の温度に加熱されると、高温のヘリウムは冷却された状態の第１の反応器へ分岐され、その反応器を再び加熱する。その後、硫酸または三酸化硫黄の蒸気は第２の反応器へ分岐される。その後、このサイクルを繰り返すことができる。さらに別の実施例において、３個以上の反応器を用いることが可能であり、ヘリウムをゼオライトのベッドに給送して残留する硫酸蒸気を除去することができ、そして／または当該技術分野で公知の他の変形例も可能である。分解反応器の他の設計を用いることができるが、それには硫酸または三酸化硫黄の蒸気を熱交換管を介して間接的に加熱するものが含まれる。
【００１７】
二酸化硫黄は、参照番号４の第２のステップで硫酸または三酸化硫黄蒸発器において冷却される。その後、参照番号６において、二酸化硫黄は約４０°Ｆより高い温度の水の向流に吸収され、ＳＯ2からＯ2が除去される。これを酸素回収ステップと呼ぶ。このシステムは一般的に、水素生成物を圧縮しプロセス装置のサイズ及び資本コストを最小限に抑える必要性を回避するために望ましい、約２００乃至１１００ｐｓｉ、好ましくは約１０００ｐｓｉの増加した圧力の下で稼動する。別の実施例において、ステップ３のシステム圧力は、約１１００ｐｓｉ、好ましくは１４５０と１７００ｐｓｉの間の値に増加されるため、二酸化硫黄は高温の水中に溶解するかまたは別相として凝縮することができる。これは、ＳＯ2を冷却することなく室温で水に溶解させることにより熱効率を増加させる。この別の実施例は、本出願人の米国特許出願第１１／０５４，２３５号に図示説明されている。
【００１８】
水中の二酸化硫黄は水素製造チェンバへ移動され、そこで、水素が参照番号８の低温ステップで製造される。この実施例では、水素製造チェンバは反応のエネルギーが電流である電気分解装置である。この状況下では、約０．１７ボルトと０．６ボルトの間の直流の電気が電気分解装置へ加えられ、二酸化硫黄を反応させて水性の硫酸及び水素を生成させる。しかしながら、別の実施例では、水素製造チェンバが化学プロセスによるなどして他の手段を介して低温のエネルギーを受けるようにすることができる。
【００１９】
水素製造ステップの反応は下記の通りである。
ＳＯ2＋２Ｈ2Ｏ→Ｈ2ＳＯ4＋Ｈ2
【００２０】
電気分解ステップは、約２０℃と２００℃の間、好ましくは約３０℃と７０℃の間の温度で実施される。電流密度は約６０℃で約２００ｍａ／ｓｑ．ｃｍである。これとは対照的に、水素が潜在的に可燃性である温度は一般的に数千℃の温度あるいはスパークのような点火源による温度である。かくして、電気分解ステップの温度は十分低く、生成された水素にとって潜在的な点火源とならないものである。設計により、電気分解プロセスはスパーク源を構成しない。化学プロセスを用いる場合でも、必要とされる温度は同様に低いものであり、点火源を構成しない。
【００２１】
水素製造ステップの副生成物である水性の硫酸はその後、参照番号１０において蒸発してガス状の硫酸となり、その後、酸素生成システム２へフィードバックされて、サイクルを繰り返す。
【００２２】
別の実施例において、電気分解装置または他の装置において圧力を増加することにより、本出願人の米国特許出願第１１／０５４，２３５号に図示説明するように、硫酸（Ｈ2ＳＯ3）の三酸化硫黄及び水素への直接ガス相変換を行うことができる。その結果、生成されるＨ2の各モルにつき、ただ１モルのＨ2Ｏと１モルのＳＯ2が必要である。この実施例における水素製造ステップは下記の通りである。
Ｈ2Ｏ＋ＳＯ2→Ｈ2ＳＯ2→Ｈ2＋ＳＯ3
【００２３】
この反応の増加された圧力は、好ましくは１１００ｐｓｉより高く、最も好ましくは１４５０と１７００ｐｓｉの間にある。
【００２４】
図２は、本発明の一実施例の方法を示す。水素を製造する電気分解装置１８は水素製造プロセスの熱発生ステップから隔離されているため、電気分解装置は潜在的な点火源から隔離された状態にある。詳述すると、電気分解装置は、その装置と、潜在的な点火源である原子炉１２、酸素発生器／Ｈ2ＳＯ4分解反応器１４及び蒸発器１６との距離を実質的に増加させることにより隔離され、それにより、水素が爆発する可能性が劇的に減少する。この隔離によりコストを実質的に増加させずに安全性を高めることができるが、その理由は実質的な距離にわたる熱損失が取るに足らないものであるからである。さらに、たとえ水素製造プラントに爆発が起こるとしても、それは十分に遠い所に位置するため、爆燃による熱伝達またはミサイルによる原子炉の安全を脅かすものにはならないからである。この実施例では分解反応器と蒸発器は同じ場所にあるように示されるが、別の実施例ではそれらが電気分解装置１８から隔離されていると仮定して別個の場所に配置することができる。
【００２５】
この実施例において、高温のヘリウムは原子炉１２で加熱され、細長い通路２８を介して分解反応器１４及び蒸発器１６へ送られて、酸素発生ステップの加熱源となる。細長い通路は配管のような当該技術分野で知られた任意タイプの給送手段である。分解反応器及び蒸発器は図１の参照番号２、４及び１０の機能を実行する。冷却されたヘリウムは細長い通路３０を介して戻る。
【００２６】
電気分解装置１８は、電気により化合物を分解または反応させて少なくとも１つの新しい化合物を形成する装置である。電気は原子炉により発生させて或る距離にわたり電気分解装置に運ぶことができる。別の実施例において、この方法は電気分解装置以外の装置、例えば、化学プロセス反応器を用いることができる。化学プロセス反応器は、化学プロセスを利用して水素形成ステップに必要なエネルギーを発生させる。電気分解装置、化学プロセス反応器または他の装置は潜在的な点火源でないエネルギーを利用し、高い温度を必要としない。電気分解装置は図１に示すように水素を発生する。
【００２７】
電気分解装置と原子炉の間の距離は実質的な距離、即ち、原子炉が発生する漂遊熱が電気分解装置に到達するまでに放散して有害でない温度になり、その効果を無視できるような距離である。あるいは、この距離は、水素製造施設内の爆発が水素製造装置からの放射熱、爆発による衝撃波または爆発により発生するミサイルの形で原子炉運転の安全性に影響を与えないような十分なものである必要がある。潜在的な点火源からの電気分解装置の距離は、一般的に２５０ヤード以上、好ましくは少なくとも４００ヤードである。この距離は潜在的に可燃性の水素を爆発を惹き起こす任意の点火源から有効に分離する。さらに、そのプロセスはその距離にわたって熱を伝達させる必要がないため、その距離を大きくとり、その距離にわたる熱損失を補償する必要はない。その距離の下方の端を発生される水素の点火を阻止するように十分に離れた所にする必要があるが、上方の端を、電気分解装置に出入りする化合物の運送コストはさておきコストを実質的に増加させずに無制限に本質的に延ばすことができる。
【００２８】
原子炉及び水素製造チェンバを例えば、物理的障壁のような他の手段により分離することができる。通常、原子炉は放射能の漏洩のを防止するためその周囲に格納構造物３２を有する。しかしながら、水素製造ステップを実質的な距離離して隔離することにより、少なくとも水素製造ステップを点火源から分離する点については障壁の重要性が低下する。さらに、熱エネルギーが放射性でないエネルギー源により発生される場合、原子炉の周りに障壁を設ける必要性は低い。障壁は原子炉と水素製造チェンバの間の距離を減少させることができる。しかしながら、本発明はその距離が最小限に抑えられる場合はコストが実質的に減少しないため、その必要性はない。
【００２９】
例えば、配管または当該技術分野で知られた他の手段のような幾つかの細長い通路は、電気分解装置と前駆ステップを保持する原子炉を１つのステップから別のステップへ化合物を移動させるために接続する。電気分解装置１８は幾、つかの細長い通路、即ち、入口１０、２２及び出口２４及び２６を使用する。好ましくは原子炉１２により発生される電気が入口１０から得られる。Ｏ2、Ｈ2Ｏ及びＳＯ2は、入口２２を介して酸素発生ステップから電気分解装置へ入る。入口２２からの化合物は一般的に電気分解装置の前に酸素回収ステップを通過する。硫酸は出口２４を介して蒸発器１６へ流入した後、原子炉１２との熱交換による熱エネルギーを用いる熱分解のために分解反応器１４へ流れる。水素は出口２６から出るが、収集しそして／または当該技術分野で得られた任意の手段で利用することが可能である。入口１０及び２２、出口２４を介して流れる化合物は何れも一般的に可燃性ではないが、ＳＯ2は極限的な状況下では可燃性であるため、水素との偶発的な反応が厳しく制限される。
【００３０】
水素を形成する電気分解及び酸素回収ステップは周囲温度かまたはそれに近い温度で実施されるため、入口及び出口は加熱したり冷却したりする必要はない。これにより初期投資及び運転コストが実質的に削減される。水素形成プロセスが低温であるため、入口及び出口の物質は実質的なエネルギー損失なしに本発明の装置の長い距離を移動することができる。ジェネラルアトミックス社の硫黄−ヨウ素プロセスのように水素製造プロセスが加熱される場合、入口と出口の間の配管の熱損失により運転コストが増加し、そして／または資本コストが入口と出口の間の配管の断熱コストにより増加する。かくして、本発明の方法では、入口及び出口を長くするために必要な余分の材料コスト以上にコストを増加させることなく細長い通路の長さを劇的に増加することができる。
【００３１】
本発明の完全な説明を特許法に規定に従って行ったが、頭書の特許請求の範囲の思想または範囲から逸脱することなく変形例及び設計変更を利用できることを理解すべきである。例えば、電気分解装置及び原子炉を収容する構造物は本発明の思想を依然として保持しながら広い範囲で変形することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】水素製造プロセスのプロセス流れ図である。
【図２】電気分解ステップとそのプロセスの他のステップの間に実質的な距離がある水素製造プロセスを示す。
【図１】
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【図２】
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【外国語明細書】
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