(57)【要約】【課題】硫酸を主に含む水溶液とヨウ化水素を主に含む水溶液を加熱し蒸留法にて水を分離し硫酸（Ｈ２ＳＯ４）とヨウ化水素（２ＨＩ）を得え、それぞれを１０００℃程度の高温熱エネルギーを利用して熱分解することにより、水素（Ｈ２）と酸素（０．５Ｏ２）を得る場合、高温の熱エネルギーを必要とする。【解決手段】ヨウ化水素を主に含む水溶液もしくは硫酸を主に含む水溶液を水選択透過膜の片側に供給し、透過した水に空気を流通させることもしくは真空ポンプで吸引することなどで水蒸気とし、水が水蒸気となる蒸発潜熱分の熱エネルギーを室温環境よりの低温熱エネルギーで補うことにより、それぞれの水溶液の脱水操作を行う。【選択図】　図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ヨウ素と二酸化硫黄を利用して水を熱化学分解することで高温熱エネルギーにより水素を製造する方法において、そのプロセス中で生成するヨウ化水素を主に含む水溶液もしくは硫酸を主に含む水溶液を水選択透過膜により脱水する方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ヨウ素と二酸化硫黄を利用して水を熱化学分解することで高温熱エネルギーより水素を製造する方法（ＩＳプロセス）の改良に係り、室温付近の低温熱エネルギーを分離に用いることで、高温熱エネルギー使用量の軽減を計るものである。
【０００２】
【従来の技術】
化石燃料を使用せず高温熱エネルギーと水より水素を製造する方法は数多く提案されているが反応性の問題などで淘汰され、現在研究が進められているものは東京大学の研究グループが提案したＵＴ−３サイクルとＩＳプロセスのみである。ＩＳプロセスは、Ｎｏｒｍａｎらが次の文献で提案した水素製造方法のヨウ化水素水溶液分離部分を改良したものである。
【０００３】
【非特許文献１】Ｇａｓ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ、ＧＲＩ−８０／０１０５（１９８１）
Ｎｏｒｍａｎらは、上記
【非特許文献１】にて、ヨウ素と二酸化硫黄を利用して水を熱化学分解し、水素を得るための要素技術を示した。ＩＳプロセスにより実際に水素が得られることは、次の文献にて報告されている。
【非特許文献２】化学工学会、化学工学論文集　第２４巻　第２号　ｐ．３５２−３５５（１９９８）
そのＩＳプロセスの概略を図１に示す。ＩＳプロセスは、まず、水（Ｈ２Ｏ）に二酸化硫黄（ＳＯ２）とヨウ素（Ｉ２）を投入することで硫酸を主に含む水溶液（Ｈ２ＳＯ４＋ａＨ２Ｏ）とヨウ化水素を主に含む水溶液（２ＨＩ＋ｂＨ２Ｏ）を得る。この硫酸を主に含む水溶液とヨウ化水素を主に含む水溶液を加熱し、蒸留法にて水を分離し、硫酸（Ｈ２ＳＯ４）とヨウ化水素（２ＨＩ）を得る。それぞれを１０００℃程度の高温熱エネルギーを利用して熱分解することにより、水素（Ｈ２）と酸素（０．５Ｏ２）を得る。ＩＳプロセスは高温の熱エネルギーを利用して水を熱化学分解し水素と酸素を得る点が特徴である。
【０００４】
【発明が解決しようとしている課題】
ＩＳプロセスの現実化には、投入した高温熱エネルギーに対して得られる水素量が多くなる点が重要である。高温熱エネルギーは主に図１の分離部分と熱分解部分の計４カ所で消費される。従来の方法では、分離方法として蒸留法を用いている。蒸留は硫酸を主に含む水溶液もしくはヨウ化水素を主に含む水溶液を加熱し硫酸と水もしくはヨウ化水素と水の沸点の違いを利用して分離する方法である。ヨウ化水素水溶液より水とヨウ化水素を分離する方法としては、この蒸留法の
他に
【非特許文献１】にて、リン酸を加えることで気液平衡を変化させヨウ化水素のみを蒸発させる方法、遠心力を利用して水とヨウ化水素を分離する方法、電気透析によりヨウ化水素溶液を濃縮する方法などが提案されている。
【０００５】
ところが、１ｍｏｌの水素を得るために、少なくとも硫酸を主に含む水溶液分離では５０ｋＪ、ヨウ化水素を主に含む水溶液分離では１０９ｋＪの熱エネルギーを仕事として与えなければならない。これら熱エネルギーは１ｍｏｌの水素の持つエクセルギー（２３７ｋＪ）と比較しても大きい。
【０００６】
上記仕事については、ＩＳプロセスのように化学反応のサイクルによって、熱化学分解を行う場合、通常、化学反応を進行させるために熱や電気など仕事をできるエネルギーを与える必要がある。熱エネルギーは仕事をできるエネルギーとできないエネルギーにわけられる。高温の熱エネルギーは低温の熱エネルギーよりも仕事をできるエネルギー量が大きい。熱力学第一法則より熱エネルギー量は保存されるが、熱力学第二法則より仕事をできるエネルギー量は減少する。そのため、一般に、高温熱源を利用して化学反応を効率的に進めるためには、高温熱源のもっている仕事をできるエネルギーを有効に利用する必要がある。
【０００７】
又、上記エクセルギーは、熱源や化学物質が標準状態の外界に対して平衡となるまでにする最大有効仕事量を意味し、例えば、１ｍｏｌの水素を製造するときにはエクセルギー量（２３７ｋＪ）を何らかの形の仕事として与える必要がある。
【０００８】
本発明が解決しようとしている点は、環境（＝室温）からの低温熱エネルギーを有効に利用することで、蒸留などによる分離で必要な高温熱エネルギーを軽減することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、水選択透過膜を利用し室温付近にてヨウ化水素を主に含む水溶液もしくは硫酸を主に含む水溶液を脱水する方法である。水選択透過膜を使用することで室温での脱水操作が可能となり、分離に必要なエネルギーである水の蒸発潜熱を環境より取り込むことで、高温熱エネルギー使用量を軽減するものである。
【００１０】
即ち、本発明は、硫酸を主に含む水溶液（Ｈ２ＳＯ４＋ａＨ２Ｏ）及び／又はヨウ化水素を主に含む水溶液（２ＨＩ＋ｂＨ２Ｏ）を熱化学分解することにより水素を製造する方法において、前記水溶液を水選択透過膜で透過処理し、その透過水に空気を流通させるか或いは真空引き処理して室温下で透過水を蒸発させることにより、その透過分離に必要なエネルギーを周囲環境より供給される低温熱エネルギーを使用して前記水溶液を脱水濃縮処理し、得られた濃縮水溶液を熱化学分解して水素を得ることを特徴とするものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の実施態様を図２により説明する。水に二酸化硫黄もしくはヨウ素を投入した後に得られるヨウ化水素を主に含む水溶液もしくは硫酸を主に含む水溶液を水選択透過膜の片側に供給する。水選択透過膜は、主に水を透過しヨウ化水素や硫酸はほとんど透過しない性質をもつ。水選択透過膜の反対側に透過した水は、透過側に空気を流通させることもしくは真空ポンプで吸引することなどで水蒸気として取り除く。
【００１２】
この時、水が水蒸気となる蒸発潜熱分の熱エネルギーが供給水溶液より奪われるが、室温で操作することで、環境より低温熱エネルギーが供給される。そのため、供給水溶液や空気循環用のポンプ動力のみで、高温熱エネルギーを用いずにヨウ化水素を主に含む水溶液もしくは硫酸を主に含む水溶液より脱水操作を行うことが可能となる。
【００１３】
【実施例】
本発明の実施に際して、水選択透過膜としてテフロン（登録商標）系や芳香族系高分子を素材としたイオン交換膜やポリイミドなどの炭化水素を素材としたシート状の膜を用いた。溶液はモル比でヨウ化水素：ヨウ素：水＝２：１：１０とした。この溶液を膜の片側に供給し、膜の反対側を真空ポンプにて吸引した。透過物質は真空ポンプと水選択透過膜の間に取り付けた液体窒素トラップで捕捉し、重量測定により総透過量を測定し、滴定法によりヨウ化水素の濃度を測定した。
【００１４】
用いた膜は、旭硝子社製セレミオンＣＭＶ、セレミオンＡＰＳＩＩＩ−Ｏ、セレミオンＡＭＶ、デュポン社製ナフィオン、トクヤマ社製ネオセプタＣＭＨ、ネオセプタＡＭＨ、ＴＯＳＯＨ社製ＴＯＦＬＥＸ　ＩＥ−ＤＦ３４−５である。
【００１５】
水の透過流束は０．３９−０．０１［ｋｇ　ｍ２　ｈ−１］であり、ヨウ化水素の透過量は水の透過量の１００００分の１以下と十分に小さかった。５時間の透過試験中、供給液温度はほぼ一定に保たれており、低温熱エネルギーを利用して分離を行うことができた。
【００１６】
【発明の効果】
従来の方法では、水素１ｍｏｌ製造するために、少なくとも合計４０６ｋＪ（＝５０＋１０９＋２３７＋１０：順に、硫酸水溶液分離で必要な仕事量、ヨウ化水素水溶液分離で必要な仕事量、水素のエクセルギー、ヨウ化水素熱分解反応で必要な仕事量）分の仕事を与える必要がある。
【００１７】
本発明においては、環境より低温熱エネルギーを取り込むことで、水素１ｍｏｌあたり、最大で、硫酸水溶液分離で５０ｋＪ、ヨウ化水素水溶液分離で１０９ｋＪの仕事量を軽減できる。合計で最大１５９ｋＪ（＝５０＋１０９）の仕事分に相当する高温熱エネルギーを軽減できることになる。高温熱エネルギーの温度を１０００℃とすると、投入熱量と水素の燃焼熱の比である熱利用効率は本発明の効果により最大２５％向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のＩＳプロセスの概略を示す図である。
【図２】本発明の水選択透過膜を使用した脱水工程を示す図である。
【図１】
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【図２】
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