(57)【要約】【課題】熱源としての発熱体の熱を利用して水蒸気改質して水素を発生する水素製造システムにおいて、ジメチルエーテル等の酸素含有水素化合物を水蒸気改質して水素を発生する水素製造システムの二酸化炭素排出を低減する水素製造システムおよび水素製造方法を提供する。【解決手段】熱源の熱によりジメチルエーテルを水蒸気改質して水素を生成する水素製造システムにおいて、前記水素製造システムが、回収した二酸化炭素をジメチルエーテル生産地へ輸送する輸送手段と、輸送した二酸化炭素をジメチルエーテル生産地にてジメチルエーテルの生産に利用する手段とを備えたことを特徴とする水素製造システム。【選択図】  図１
2005330170.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱源の熱によりジメチルエーテルを水蒸気改質して水素を生成する水素製造システムにおいて、前記水素製造システムが、回収した二酸化炭素をジメチルエーテル生産地へ輸送する輸送手段と、輸送した二酸化炭素をジメチルエーテル生産地にてジメチルエーテルの生産に利用する手段とを備えたことを特徴とする水素製造システム。
【請求項２】
前記熱源が発電炉であることを特徴とする請求項１記載の水素製造システム。
【請求項３】
前記熱源が原子炉であることを特徴とする請求項１記載の水素製造システム。
【請求項４】
前記熱源が沸騰水型原子炉、加圧水型原子炉、超臨界圧原子炉のうちから選択される軽水炉または高速増殖炉であることを特徴とする請求項１記載の水素製造システム。
【請求項５】
熱源の熱を使ってジメチルエーテルを水蒸気改質して水素を生成する水素製造過程を有する水素製造方法において、ジメチルエーテル生産地から輸送手段にてジメチルエーテルを水素製造地に輸送し、このジメチルエーテルを改質して水素を製造し、生成した二酸化炭素をジメチルエーテル生産地に前記輸送手段を用いて輸送し、ジメチルエーテルの生産に利用することを特徴とする水素製造方法。
【請求項６】
前記水素製造過程において生成した二酸化炭素を回収して前記輸送手段により輸送し、石炭層に注入して炭層ガスの増産に利用することを特徴とする請求項５記載の水素製造方法。
【請求項７】
前記水素製造過程において生成した二酸化炭素を原子力発電による電力で冷却し、ジメチルエーテル生産地にてジメチルエーテルと二酸化炭素とを交換する際に、ジメチルエーテルと二酸化炭素とを熱交換させてジメチルエーテルを液化することを特徴とする請求項５記載の水素製造方法。
【請求項８】
前記輸送手段により前記水素製造地に輸送されたジメチルエーテルと、前記水素製造過程にて生成した二酸化炭素とを、前記水素製造地にて熱交換させて二酸化炭素を液化することを特徴とする請求項５記載の水素製造方法。
【請求項９】
前記輸送手段が、鉄道、タンク車、コンテナから選択される輸送手段であることを特徴とする請求項５記載の水素製造方法。
【請求項１０】
前記輸送手段が、液化石油ガス船であることを特徴とする請求項５記載の水素製造方法。
【請求項１１】
前記輸送手段がパイプラインであることを特徴とする請求項５記載の水素製造システム。
【請求項１２】
ジメチルエーテル生産地にてメタノールの脱水反応によりジメチルエーテルを合成することを特徴とする請求項５記載の水素製造方法。
【請求項１３】
前記水素製造過程にて生成した二酸化炭素を、前記ジメチルエーテル生産地にて、ジメチルエーテル製造過程の炭酸ガス改質過程で利用することを特徴とする請求項５記載の水素製造方法。
【請求項１４】
ジメチルエーテル製造過程にて、石炭層の炭層ガスまたは中小ガス田や二酸化炭素含有量の多いガス田の天然ガスを利用することを特徴とする請求項５記載の水素製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素製造システムおよび水素製造方法に係り、特に、ジメチルエーテル（ＤＭＥ）等の酸素含有水素化合物から水素等を製造するシステムにおいて、二酸化炭素排出量を低減する水素製造システムおよび水素製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
２０世紀になって人類のエネルギー消費量は、歴史的に例を見ない程に加速されている。そのため、原子力発電や天然ガスその他の発電の導入や、エネルギー消費の節約により、今日の大量に消費されるエネルギーがまかなわれている。こうした事情を受けて、二酸化炭素の削減やエネルギーセキュリティーの観点から、エネルギー源の一部を水素エネルギーに転換することが、地球規模で実施され始めている。
【０００３】
水素エネルギーの利用システムとしては、例えば、燃料電池や水素タービン等が挙げられる。燃料電池は、水素と酸素とを電気化学的に反応させて、このとき発生する電気エネルギーを取り出すシステムである。従来の自動車は、燃料としてのガソリンを燃焼させて走行しているが、燃料電池を利用した電気自動車に代替することが考えられている。一方、タービンを利用した発電では、これまで石油、石炭、天然ガスを燃料として燃焼させていたが、水素タービンは、これらの燃料に替えて水素を燃焼させようというものである。
【０００４】
上述の水素エネルギー利用システムは、利用生成物が無害の水であり、また発生エネルギーが多いうえ、エネルギー利用効率の向上が容易である。そのため、水素エネルギー利用システムは、２１世紀のエネルギー機器のエネルギー源として期待されている。特に、２０２０年頃からは、燃料電池自動車や定置用燃料電池が広く普及することが予想され、大量の水素需要が見込まれており、大規模水素製造システムの実現が期待されている。
【０００５】
従来の水素製造装置に関係する技術としては、水素製造装置の触媒である以下のようなものがある（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平７−８８３７６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
燃料電池や水素タービン等の水素利用システムには、燃料としての水素が必要である。燃料の水素は、水の電気分解や、天然ガスの主成分であるメタンを水蒸気改質して生成することが考えられている。
【０００７】
しかしながら、水の電気分解の場合、水素製造コストの大半が電力である。現在の原子力発電システムや火力発電システムにおいては、熱に変換される核分裂エネルギーや石油、石炭、天然ガス等の燃焼エネルギーの約５０％前後が電力に変換される。また、原子炉発電システムでの熱利用効率は、３０％程度である。このため、電力を利用する水の電気分解において、エネルギー利用効率は、発電システムのエネルギー利用効率以上に上げることができないため、コストダウンが困難であるという課題があった。一方、メタン水蒸気改質の場合、約９００℃の温度と高価な耐熱材料等を必要とするという問題があった。
【０００８】
本発明は、上述したような課題を解決するためになされたものであり、熱源としての発熱体の熱を利用して水蒸気改質して水素を発生する水素製造システムにおいて、ジメチルエーテル等の酸素含有水素化合物を水蒸気改質して水素を発生する水素製造システムにおける二酸化炭素排出を低減する水素製造システムおよび水素製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の水素製造システムは、上述した課題を解決するために、熱源の熱によりジメチルエーテルを水蒸気改質して水素を生成する水素製造システムにおいて、前記水素製造システムが、回収した二酸化炭素をジメチルエーテル生産地へ輸送する輸送手段と、輸送した二酸化炭素をジメチルエーテル生産地にてジメチルエーテルの生産に利用する手段とを備えたことを特徴とするものである。
【００１０】
また、本発明の水素製造方法は、上述した課題を解決するために、熱源の熱を使ってジメチルエーテルを水蒸気改質して水素を生成する水素製造過程を有する水素製造方法において、ジメチルエーテル生産地から輸送手段にてジメチルエーテルを水素製造地に輸送し、このジメチルエーテルを改質して水素を製造し、生成した二酸化炭素をジメチルエーテル生産地に前記輸送手段を用いて輸送し、ジメチルエーテルの生産に利用することを特徴とする方法である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の水素製造システムおよび水素製造方法によれば、熱に変換した核分裂エネルギーを利用してジメチルエーテルで例示される含酸素水素化合物を水蒸気改質して水素を製造することができる。また、生成した二酸化炭素を回収して、ジメチルエーテルをジメチルエーテル生産地から水素製造地に輸送してきた輸送手段を用いてジメチルエーテル生産地へ輸送し、二酸化炭素を原料としてジメチルエーテルを合成したり、石炭層からの炭層ガス増産に利用することにより二酸化炭素排出を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明の水素製造システムおよび水素製造方法は、以下のように構成される。
【００１３】
すなわち、本発明の水素製造システムは、水素をジメチルエーテル等の酸素含有水素化合物を水素製造過程において水蒸気改質して製造する。ジメチルエーテルは、３００℃前後の低温で水蒸気改質することができ、水素等の製造に必要なエネルギーの大半が熱エネルギーで供給されるため、熱に変換されたエネルギー、特に核分裂エネルギーを効率よく利用することができる。核分裂エネルギーを利用する原子炉の例としては、沸騰水型原子炉、加圧水型原子炉、超臨界圧原子炉等の軽水炉や高速増殖炉等が例示される。
【００１４】
また、本発明の水素製造システムおよび水素製造方法は、水素製造過程のジメチルエーテルの水蒸気改質において回収した二酸化炭素（以下ＣＯ２と称する）を石炭層に圧入してメタン増産に利用したりする等して、ジメチルエーテルの生産過程において利用する。
【００１５】
ジメチルエーテルは、石炭層から産出されるメタン含有の炭層ガスや中小ガス田、または、ＣＯ２含有量の多い（大規模）ガス田から産出される天然ガスからジメチルエーテル製造過程にて製造する。ところで、大規模ガス田においては、天然ガスを圧縮・冷却して液化天然ガス（ＬＮＧ）船で輸送している。一方、ジメチルエーテルは、常圧でＬＮＧ船より高温のＬＰＧ船や改良したＬＰＧ船で輸送することが可能で、また一定圧にすると常温の通常タンカーでも輸送できる。このため、天然ガス液化用の大規模設備が利用できない中小ガス田等においては、天然ガス液化よりジメチルエーテル化の方が経済的に有利である。
【００１６】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００１７】
図１に、本発明に係る水素製造システムの実施例の構成図を示す。
【００１８】
図１に示す水素製造システム１０は、ジメチルエーテル生産地に設置されたジメチルエーテル合成装置１と、水素製造地に設置された水素製造装置２と、この両地間をジメチルエーテルおよびＣＯ２を輸送する輸送手段３とを備える。ジメチルエーテル生産地には、石炭層６が存在し、この石炭層６にＣＯ２を注入する注入手段７と、炭層ガスを回収する回収手段８とが設けられる。なお、石炭層６は、必ずしもジメチルエーテル生産地に隣接している必要はないが、本実施例においては、石炭層もジメチルエーテル生産地に近接している場合を例示してある。
【００１９】
図２に、本発明に係る水素製造システムのうち水素製造装置の実施例の構成図を示す。
【００２０】
水素製造装置２は、原子炉１１と、熱供給系１２と、水蒸気改質器１３と、燃料供給装置１４と、熱交換器１５と、生成物回収系１６とから構成される。
【００２１】
原子炉（軽水炉）１１で発生した約２８５℃の水蒸気が、熱供給系１２から水蒸気改質器１３へ供給される。一方、水素製造用燃料のジメチルエーテルと水蒸気は、燃料供給装置１４から熱交換器１５を通して水蒸気改質器１３へ供給され、約２８５℃まで昇温される。また、改質器には、Ｃｕ−Ｚｎ含有材料で例示される改質触媒が充填されている。このような構成により、ジメチルエーテルは低圧条件下において気化しやすくなり、次式で表される水蒸気改質反応で高い改質が起こり、水素とＣＯ２が生成される。
【００２２】
［化１］
ＣＨ３ＯＣＨ３＋３Ｈ２Ｏ→６Ｈ２＋２ＣＯ２
水素やＣＯ２といった反応生成物は、熱交換器１５を通して生成物回収系１６から取り出される。
【００２３】
水素とＣＯ２との分離は、ゼオライト等のＣＯ２吸蔵材によりＣＯ２を選択的に吸蔵したり、Ｌａ−Ｎｉ系合金等の水素吸蔵材で選択的に吸蔵したり、パラジウム等の水素透過膜にて水素を透過させることにより行うことができる。
【００２４】
この図１に示す水素製造システムにおいては、石炭層から産出されるメタン含有炭層ガスや、主成分がメタンである天然ガスから生成できるジメチルエーテルから水素を製造することができるので、メタンを有効に利用することができる。
【００２５】
このように、ジメチルエーテルの水蒸気改質により、軽水炉の熱を利用して水素を製造することが可能で、熱エネルギーの高率利用と水素製造による化学エネルギー貯蔵ができる。なお、本発明は、熱源として高速増殖炉を利用することもできる。
【００２６】
本発明の水素製造システムおよび水素製造方法におけるジメチルエーテルの利用は、下記のようなフローにより表される。すなわち、
石炭層の炭層ガスまたは中小ガス田やＣＯ２含有量の多い大規模ガス田の天然ガス→ＣＨ４改質→Ｈ２，ＣＯ→ジメチルエーテル合成（ジメチルエーテル製造過程）→ジメチルエーテル輸送船等の輸送手段による輸送および貯蔵→ジメチルエーテル改質→Ｈ２＋ＣＯ２（回収）
ジメチルエーテル合成装置１によるジメチルエーテル製造過程においては、石炭層６から産出される炭層ガスや、中小ガス田やＣＯ２含有量の多いガス田から産出される天然ガスを原料にして、発熱反応の部分酸化により、ＣＯやＨ２を合成する。
【００２７】
［化２］
ＣＨ４＋（１／２）Ｏ２→ＣＯ＋２Ｈ２
また、吸熱反応である二酸化炭素改質
［化３］
ＣＨ４＋ＣＯ２→２ＣＯ＋２Ｈ２
や、同じく吸熱反応である水蒸気改質
［化４］
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ２
からもＣＯやＨ２を合成する。これらのＣＯやＨ２を原料にして下記反応式
［化５］
ＣＯ２＋３Ｈ２→ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ
や、
［化６］
ＣＯ＋２Ｈ２→ＣＨ３ＯＨ
から、メタノールＣＨ３ＯＨを合成する。このメタノールの脱水反応により、ジメチルエーテル（ＣＨ３ＯＣＨ３）を合成する。
【００２８】
［化７］
２ＣＨ３ＯＨ→ＣＨ３ＯＣＨ３＋Ｈ２Ｏ
部分酸化によるジメチルエーテル合成は、全体で下記式のように、ＣＯ２を発生しない発熱反応で表される。
【００２９】
［化８］
２ＣＨ４＋Ｏ２→ＣＨ３ＯＣＨ３＋Ｈ２Ｏ
発熱過程の部分酸化の割合を増やすことにより、発生熱の利用率が高くなる。
【００３０】
生産したジメチルエーテルは、６気圧の加圧や約−２５℃以下の冷却により液化するので、輸送手段３としてのジメチルエーテル輸送船等（一定圧にした通常タンカーや冷却可能なＬＰＧ船または改良したＬＰＧ船等）で輸送する。また、陸上輸送は、常温でも可能である。水素製造地に輸送したジメチルエーテルは、水素製造装置２等で利用する。生成するＨ２と副生するＣＯ２とを分離し、Ｈ２を回収して利用する。
【００３１】
本発明の水素製造システムおよび水素製造方法において、ジメチルエーテル改質による水素製造で副成するＣＯ２は、回収後、ジメチルエーテルを輸送してきた輸送手段３（容器等）で輸送する。ＣＯ２は、約−２５℃では約１０気圧で液化し、１気圧では約−７９℃に冷却すると昇華して固体化する。このため、ＣＯ２を輸送する際には、ＣＯ２を液化、または、固体化させ輸送手段３としての容器をコンパクト化することができる。
【００３２】
なお、ジメチルエーテルを輸送する輸送手段３と、ＣＯ２を輸送する輸送手段３とは、必ずしも全く同一の手段とする必要はなく、型式の異なる船舶を組み合わせて使用してもよいし、他の運搬手段を利用してもよい。
【００３３】
本発明の水素製造システムおよび水素製造方法は、以下の要領にてＣＯ２を削減する。まず、物質を輸送するにあたって液化または固体化するのに必要なエネルギーとして、電気を使用するが、このときのエネルギー源として原子力エネルギーを使ってＣＯ２排出量を削減する。また、ＣＯ２を船舶で輸送する場合には、輸送手段３としてのＣＯ２輸送船（ＬＰＧ船や改良ＬＰＧ船で例示される輸送船を利用でき、ジメチルエーテルを輸送した輸送船を利用することも可能）を用いる。このとき、ジメチルエーテル生産地において輸送手段３の冷却容器からＣＯ２を取り出す際に、ＣＯ２とジメチルエーテルとを熱交換させてジメチルエーテルを冷却する。一方、輸送手段３の冷却容器から水素製造地にてジメチルエーテルを取り出して気化させる場合には、ジメチルエーテルとＣＯ２を熱交換させて、ＣＯ２を冷却する。
【００３４】
本発明の水素製造システムおよび水素製造方法において、ＣＯ２は、ジメチルエーテルの合成や、石炭層からの炭層ガス増産や、Ｃ１化学の炭素源として利用される。炭層ガスや天然ガスの成分であるメタン（ＣＨ４）から部分酸化によりジメチルエーテルを合成する場合は、途中で合成されるＣＯとＨ２の比でジメチルエーテルが合成できるが、水蒸気改質反応を加える場合には、Ｈ２に比較してＣＯが不足するため、炭酸ガス改質によってＣＯを補うことができる。そこで、ジメチルエーテル改質水素製造で発生したＣＯ２を、ジメチルエーテル生産地での炭酸ガス改質過程で再利用する。また、メタノールは、ＣＯとＨ２を用いて合成する他、ＣＯとＣＯ２用いても合成することができる。このため、ジメチルエーテル改質水素製造で発生したＣＯ２を、ジメチルエーテル生産過程のメタノール合成に再利用する。
【００３５】
一方、例えば、米国でのメタン産出量の６％は、石炭層から産出されたもので、１９９０年以降、石炭層からのメタン産出量が増加している。そこで、本発明の水素製造方法は、石炭層からの炭層ガスを以下の要領にて増産させる。すなわち、石炭層へ図１に示す注入手段７によりＣＯ２を注入して炭層ガスを増産する。石炭層にはメタンが吸着しているが、ＣＯ２を注入することによりメタンとＣＯ２が置換したり、ＣＯ２によりメタンが押し出されたりする。したがって、ＣＯ２を注入することにより石炭層からの炭層ガス産出を増産することが可能である。
【００３６】
以上説明のように、本発明の水素製造システムおよび水素製造方法によれば、二酸化炭素の排出を抑制した方法により水素を製造することが可能である。
【００３７】
前述のように水の電気分解の場合、電気分解に必要なコストの大半は電力であり、現在の原子力発電システムは、熱に変換される核分裂エネルギーの３０数％しか電力に変換できていないので、核分裂エネルギーを３０数％しか利用できないが、本発明の水素製造システムおよび水素製造方法においては、水素等の製造に必要なエネルギーは熱エネルギーで供給するため、熱に変換した核分裂エネルギーを３０数％以上利用できる。従って、核分裂エネルギーを高エネルギー効率で利用可能である。
【００３８】
本発明の水素製造システムおよび水素製造方法によって製造した水素は、燃料電池に利用したり、または水素全部を燃料にするか、あるいは水素の一部を燃料に混合して、水素自動車、水素タービン、ボイラー等において利用できる。また、水素を燃料電池や水素自動車にて利用する場合に、その廃熱を利用することも可能であり、また、水素を水素タービンやボイラーで利用する場合、蒸気タービンで例示される方法により廃熱利用することが可能である。このように廃熱利用することにより、さらにエネルギー効率が向上する。
【００３９】
また、ジメチルエーテルは、加圧（約６気圧）により常温で液化するので貯蔵および運搬が容易である。そのため、受け入れ設備が簡単であり、受け入れコストは、ＬＮＧと同等またはそれ以下となると予想されている。また、ＬＰＧより低価格となる可能性が大きく、ＬＰＧ代替燃料として期待される。さらに、ジメチルエーテルは、発ガン性黒煙を出さないため、ディーゼルエンジン車の燃料である軽油の代替燃料としても注目されているとともに、将来の水素輸送媒体ともなりうる。特に、ジメチルエーテルの改質条件は、３００℃程度またはそれ以下と緩和であるのでプラント材料に制約が少なく、また、原子力システムと組み合わせることを考慮すると、安全上も非常に有利である。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】ＣＯ２処理を含む水素製造システムの実施の形態の構成図。
【図２】ＣＯ２処理を含む水素製造システムのうち水素製造システムの実施の形態の構成図。
【符号の説明】
【００４１】
１  ジメチルエーテル合成装置
２  水素製造装置
３  輸送手段
６  石炭層
７  注入手段
８  回収手段
１０  水素製造システム
１１  原子炉（軽水炉）
１２  熱供給系
１３  水蒸気改質器
１４  燃料供給装置
１５  熱交換器
１６  生成物回収系
【図１】
2005330170.tif 000003
【図２】
2005330170.tif 000004