(57)【要約】【課題】発電プラントから抽気した水蒸気の熱を効率よく利用することができ、また安全性の高い水素製造方法および装置を提供する。【解決手段】水蒸気を発生する発電プラントと１、発電プラント１からの抽気水蒸気の熱を利用して水素ガスを生成する水素製造プラント２とを備え、水素製造プラント２は、水素を含む燃料および水を抽気水蒸気と熱交換させて加熱する燃料供給装置１１と、燃料と水を混合し抽気水蒸気によって加熱して混合ガスを生成する混合ガス熱交換器１２と、抽気水蒸気の熱を利用して混合ガス中の燃料を水蒸気改質させて水素ガスを含む生成ガスを生成する改質器１０と、生成ガス中の水素ガスを分離回収する回収装置１３とを備え、燃料供給装置１１と混合ガス熱交換器１２と改質器１０は抽気水蒸気を供給する配管１４ａ，１４ｂ，１４ｃ上に並列に接続されている構成とする。【選択図】図１
2007063066.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水蒸気を発生する発電プラントと、前記発電プラントからの抽気水蒸気の熱を利用して水素ガスを生成する水素製造プラントとを備え、前記水素製造プラントは、水素を含む燃料および水を前記抽気水蒸気と熱交換させて加熱する燃料供給装置と、前記燃料と水を混合し前記抽気水蒸気によって加熱して混合ガスを生成する混合ガス熱交換器と、前記抽気水蒸気の熱を利用して前記混合ガス中の燃料を水蒸気改質させて水素ガスを含む生成ガスを生成する改質器と、前記生成ガス中の水素ガスを分離回収する回収装置とを備え、前記燃料供給装置と前記混合ガス熱交換器と前記改質器は前記抽気水蒸気を供給する配管上に並列に接続されていることを特徴とする水素製造装置。
【請求項２】
水蒸気を発生する発電プラントと、前記発電プラントからの抽気水蒸気の熱を利用して水素ガスを生成する水素製造プラントとを備え、前記水素製造プラントは、水素を含む燃料および水を加熱する燃料供給装置と、前記燃料と水を混合し前記抽気水蒸気によって加熱して混合ガスを生成する混合ガス熱交換器と、前記抽気水蒸気の熱を利用して前記混合ガス中の燃料を水蒸気改質させて水素ガスを含む生成ガスを生成する改質器と、前記生成ガス中の水素ガスを分離回収する回収装置とを備え、前記改質器から出た生成ガスは、前記燃料供給装置の加熱に利用された後に前記回収装置に流れる構成としたことを特徴とする水素製造装置。
【請求項３】
水蒸気を発生する発電プラントと、前記発電プラントからの抽気水蒸気の熱を利用して水素ガスを生成する水素製造プラントとを備え、前記発電プラントは、前記抽気水蒸気によって熱媒体流体を加熱する中間熱交換器と、前記熱媒体流体を循環させる循環機とを備え、前記水素製造プラントは、水素を含む燃料および水を前記熱媒体流体と熱交換させて加熱する燃料供給装置と、前記燃料と水を混合し前記熱媒体流体によって加熱して混合ガスを生成する混合ガス熱交換器と、前記熱媒体流体の熱を利用して前記混合ガス中の燃料を水蒸気改質させて水素ガスを含む生成ガスを生成する改質器と、前記生成ガス中の水素ガスを分離回収する回収装置とを備え、前記燃料供給装置と前記混合ガス熱交換器と前記改質器は前記熱媒体流体を供給する配管上に並列に接続されていることを特徴とする水素製造装置。
【請求項４】
水蒸気を発生する発電プラントと、前記発電プラントからの抽気水蒸気の熱を利用して水素ガスを生成する水素製造プラントとを備え、前記発電プラントは、前記抽気水蒸気によって熱媒体流体を加熱する中間熱交換器と、前記熱媒体流体を循環させる循環機とを備え、前記水素製造プラントは、水素を含む燃料および水を加熱する燃料供給装置と、前記燃料と水を混合し前記熱媒体流体によって加熱して混合ガスを生成する混合ガス熱交換器と、前記熱媒体流体の熱を利用して前記混合ガス中の燃料を水蒸気改質させて水素ガスを含む生成ガスを生成する改質器と、前記生成ガス中の水素ガスを分離回収する回収装置とを備え、前記改質器から出た生成ガスは、前記燃料供給装置の加熱に利用された後に前記回収装置に流れる構成としたことを特徴とする水素製造装置。
【請求項５】
前記燃料供給装置は、前記抽気水蒸気または前記熱媒体流体または前記生成ガスと熱交換して燃料を加熱する燃料予熱器と、前記抽気水蒸気または前記熱媒体流体または前記生成ガスと熱交換して水蒸気を発生させる蒸気発生装置とを備えていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の水素製造装置。
【請求項６】
前記抽気水蒸気または前記熱媒体流体または前記生成ガスは前記蒸気発生装置での熱交換に利用された後に前記燃料予熱器での熱交換に利用される構成としたことを特徴とする請求項５に記載の水素製造装置。
【請求項７】
前記循環機は前記抽気水蒸気で駆動されるタービンを備えていることを特徴とする請求項３または４に記載の水素製造装置。
【請求項８】
前記循環機は、前記発電プラントに設けられた高圧蒸気タービンまたは低圧蒸気タービンまたは発電機の軸に結合されていることを特徴とする請求項３または４に記載の水素製造装置。
【請求項９】
前記タービンは、前記中間熱交換器で熱交換に利用された後の抽気水蒸気で駆動されることを特徴とする請求項７に記載の水素製造装置。
【請求項１０】
前記燃料供給装置の加熱に用いられた抽気水蒸気および前記混合ガス熱交換器の加熱に用いられた抽気水蒸気および前記改質器の加熱に用いられた抽気水蒸気は、前記発電プラントに設けられた復水器に回収される構成としたことを特徴とする請求項１または２に記載の水素製造装置。
【請求項１１】
前記中間熱交換器における熱交換に用いられた抽気水蒸気と前記循環機の駆動に用いられた抽気水蒸気は、前記発電プラントに設けられた復水器に回収される構成としたことを特徴とする請求項７に記載の水素製造装置。
【請求項１２】
前記改質器は、外管と内管を有する二重管構成のバイオネット型の触媒管を備え、前記外管と前記内管の間の環状隙間に触媒が充填された触媒充填部を有し、前記触媒充填部において生成した生成ガスが前記環状隙間から前記内管内へ流入する領域に触媒非充填部を有することを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の水素製造装置。
【請求項１３】
水蒸気を発生する水蒸気発生手段から抽気される水蒸気の熱を利用して水素ガスを発生する水素製造装置であって、水素を含む燃料及び水を混合させる混合手段と、前記抽気水蒸気の熱を利用して前記燃料及び水の混合ガスを加熱する加熱手段と、前記抽気水蒸気の熱を利用して前記加熱された混合ガスに含まれる燃料を水蒸気改質させて水素ガスを含む生成ガスを精製する改質手段と、前記生成ガス中の水素ガスを分離回収する回収手段とを具備してなる水素製造装置。
【請求項１４】
原子力発電プラントの抽気水蒸気によって熱媒体流体を加熱し、前記熱媒体流体の熱によって燃料および水を加熱し前記燃料を水蒸気改質して水素ガスを製造す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、原子力発電プラント等の水蒸気を発生するプラントから得られる水蒸気の熱を利用して水と有機燃料から水素ガスを製造する水素製造方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
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ー化のために、あるいはＣＯ２やＮＯxの濃度増加に伴う環境保全等のために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利用技術がある。この水素ガス利用技術には、例えば、燃料電池発電システムや水素燃焼発電プラントがある。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ーを発生させるものであり、例えば下記特許文献１等数多くの発明が開示されている。また、後者は、高圧の水素ガスと純酸素ガスを燃焼させて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、下記特許文献２等数多くの発明が開示されている。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ーを利用する点で、２１世紀の新エネルギー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。
【０００３】
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（下記特許文献３，４参照）。この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。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ーや石油、天然ガス等の燃料エネルギーの約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。このため水の電気分解による水素製造では、エネルギーの利用効率が極めて悪く、コスト高につながる。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。また、メタノール、ジメチルエーテル、エタノール等は、中小ガス田や炭酸ガス、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。このような点に着目して発明されたものに下記特許文献５の発明がある。
【０００４】
この発明は原子力発電プラントと水素製造プラントを組み合わせて、原子力発電プラントから発生する水蒸気を用いて含酸素炭化水素を水蒸気改質して水素ガスを生成する水素生産システムである。この水素生産システムでは、原子力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熱交換または直接合流させ、燃料に含まれている水素を水蒸気改質させて水素ガスを生成する。
【特許文献１】特開平６−１４００６５号公報
【特許文献２】特開平１１−３６８２０号公報
【特許文献３】特開平６−９３４８１号公報
【特許文献４】特開平６−９３４８２号公報
【特許文献５】特開２００３−２４８０８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した公知技術は次の課題が存在する。すなわち前記特許文献５の発明においては、水素製造プラントの重要な構成要素として、発電プラントから抽気した水蒸気の熱を利用し熱交換して水素生成する改質器がある。この改質器は抽気水蒸気の熱を効率よく利用するためには熱交換効率の向上が望まれる。また、抽気水蒸気の更なる有効利用による熱効率向上が望まれる。さらに発電プラントのうち、沸騰水型原子炉を利用する場合においては抽気水蒸気は放射化されており、抽気水蒸気を原子力発電プラントの外に取り出して水素製造プラントに利用するのは安全対策等が過大になる。
【０００６】
本発明は上述した課題を解決するためになされたものであり、発電プラントから抽気した水蒸気の熱を効率よく利用することができ、また安全性の高い水素製造方法および装置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】
【０００７】
請求項１の発明は、水蒸気を発生する発電プラントと、前記発電プラントからの抽気水蒸気の熱を利用して水素ガスを生成する水素製造プラントとを備え、前記水素製造プラントは、水素を含む燃料および水を前記抽気水蒸気と熱交換させて加熱する燃料供給装置と、前記燃料と水を混合し前記抽気水蒸気によって加熱して混合ガスを生成する混合ガス熱交換器と、前記抽気水蒸気の熱を利用して前記混合ガス中の燃料を水蒸気改質させて水素ガスを含む生成ガスを生成する改質器と、前記生成ガス中の水素ガスを分離回収する回収装置とを備え、前記燃料供給装置と前記混合ガス熱交換器と前記改質器は前記抽気水蒸気を供給する配管上に並列に接続されている構成とする。
【０００８】
請求項２の発明は、水蒸気を発生する発電プラントと、前記発電プラントからの抽気水蒸気の熱を利用して水素ガスを生成する水素製造プラントとを備え、前記水素製造プラントは、水素を含む燃料および水を加熱する燃料供給装置と、前記燃料と水を混合し前記抽気水蒸気によって加熱して混合ガスを生成する混合ガス熱交換器と、前記抽気水蒸気の熱を利用して前記混合ガス中の燃料を水蒸気改質させて水素ガスを含む生成ガスを生成する改質器と、前記生成ガス中の水素ガスを分離回収する回収装置とを備え、前記改質器から出た生成ガスは、前記燃料供給装置の加熱に利用された後に前記回収装置に流れる構成とした構成とする。
【０００９】
請求項３の発明は、水蒸気を発生する発電プラントと、前記発電プラントからの抽気水蒸気の熱を利用して水素ガスを生成する水素製造プラントとを備え、前記発電プラントは、前記抽気水蒸気によって熱媒体流体を加熱する中間熱交換器と、前記熱媒体流体を循環させる循環機とを備え、前記水素製造プラントは、水素を含む燃料および水を前記熱媒体流体と熱交換させて加熱する燃料供給装置と、前記燃料と水を混合し前記熱媒体流体によって加熱して混合ガスを生成する混合ガス熱交換器と、前記熱媒体流体の熱を利用して前記混合ガス中の燃料を水蒸気改質させて水素ガスを含む生成ガスを生成する改質器と、前記生成ガス中の水素ガスを分離回収する回収装置とを備え、前記燃料供給装置と前記混合ガス熱交換器と前記改質器は前記熱媒体流体を供給する配管上に並列に接続されている構成とする。
【００１０】
請求項４の発明は、水蒸気を発生する発電プラントと、前記発電プラントからの抽気水蒸気の熱を利用して水素ガスを生成する水素製造プラントとを備え、前記発電プラントは、前記抽気水蒸気によって熱媒体流体を加熱する中間熱交換器と、前記熱媒体流体を循環させる循環機とを備え、前記水素製造プラントは、水素を含む燃料および水を加熱する燃料供給装置と、前記燃料と水を混合し前記熱媒体流体によって加熱して混合ガスを生成する混合ガス熱交換器と、前記熱媒体流体の熱を利用して前記混合ガス中の燃料を水蒸気改質させて水素ガスを含む生成ガスを生成する改質器と、前記生成ガス中の水素ガスを分離回収する回収装置とを備え、前記改質器から出た生成ガスは、前記燃料供給装置の加熱に利用された後に前記回収装置に流れる構成とした構成とする。
【００１１】
請求項１３の発明は、水蒸気を発生する水蒸気発生手段から抽気される水蒸気の熱を利用して水素ガスを発生する水素製造装置であって、水素を含む燃料及び水を混合させる混合手段と、前記抽気水蒸気の熱を利用して前記燃料及び水の混合ガスを加熱する加熱手段と、前記抽気水蒸気の熱を利用して前記加熱された混合ガスに含まれる燃料を水蒸気改質させて水素ガスを含む生成ガスを精製する改質手段と、前記生成ガス中の水素ガスを分離回収する回収手段とを具備した構成とする。
【００１２】
請求項１４の発明は、原子力発電プラントの抽気水蒸気によって熱媒体流体を加熱し、前記熱媒体流体の熱によって燃料および水を加熱し前記燃料を水蒸気改質して水素ガスを製造する方法とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、発電プラントから抽気した水蒸気の熱を効率よく利用することができ、また安全性の高い水素製造方法および装置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】
【００１４】
以下、本発明に係る水素製造装置の第１ないし第７の実施の形態を図面を参照して説明する。  
（第１の実施の形態）
本実施の形態の水素製造装置は、図１に示すように、原子力発電プラント１に水素製造プラント２を接続し、原子力発電プラント１の蒸気熱エネルギーを利用して水素製造プラント２からの燃料を水蒸気改質させて水素を生成する構成になっている。原子力発電プラント１は原子炉３と、高圧蒸気タービン４と、低圧蒸気タービン５と、復水器６と、給水ポンプ７と、高圧蒸気タービン４および低圧蒸気タービン５の回転軸に直結した発電機８を備えている。原子炉３は高速増殖炉または加圧水型原子炉である。
【００１５】
原子炉３と高圧蒸気タービン４は主蒸気管９で接続され、主蒸気管９には原子炉３から間接的に熱交換で発生した高温水蒸気が流れている。この高温水蒸気を高圧蒸気タービン４に供給し、膨張仕事をして高圧蒸気タービン４を回転させた後、さらに低圧蒸気タービン５に導いてここでも膨張仕事をさせて低圧蒸気タービン５を回転させる。発電機８が高圧蒸気タービン４および低圧蒸気タービン５の回転軸に直結しているので発電機８が駆動されて発電する。低圧蒸気タービン５で仕事した水蒸気は復水器６で冷却されて凝縮水になり、給水ポンプ７で原子炉３に戻される。
【００１６】
水素製造プラント２は改質器１０と、燃料と水を供給する燃料供給装置１１と、燃料供給装置１１から供給された燃料と水の混合ガスを原子力発電プラント１からの抽気水蒸気と熱交換させる混合ガス熱交換器１２と、改質器１０から出た水素ガスを含む生成ガスを精製して水素ガスを分離回収する回収装置１３を備えている。さらに、燃料供給装置１１は改質器１０および混合ガス熱交換器１２と並列に設けられ、主蒸気管９から分岐した主蒸気抽出管１４が３本に分岐して主蒸気抽出分岐管１４ａ，１４ｂ，１４ｃが並列に接続している。原子力発電プラント１から抽気された水蒸気は改質器１０での熱交換と混合ガス熱交換器１２での熱交換と燃料供給装置１１での熱交換に利用される構成になっている。これらの熱交換に利用された水蒸気は戻り管枝管１５ａ，１５ｂ，１５ｃを通って合流して、原子力発電プラント１の復水器６に接続した戻り管１５を通って復水器６に回収される。
【００１７】
燃料供給装置１１は燃料予熱器１６と、燃料と混合される水蒸気を発生させる蒸気発生装置１７とで構成され、燃料予熱器１６には燃料を供給するための燃料供給器１８が接続し、蒸気発生装置１７には水を供給するための水供給器１９が接続している。燃料供給器１８には、図示しないが、例えば燃料タンク、ポンプ、圧力調整器などが備えられ、水供給器１９には、図示しないが、例えば水タンク、ポンプなどが備えられている。燃料予熱器１６は蒸気発生装置１７の後段に設置され、蒸気発生装置１７には主蒸気抽出分岐管１４ｃが接続し、蒸気発生装置１７と燃料予熱器１６の間には主蒸気抽出分岐管１４ｄが接続されている。
【００１８】
このように構成された本実施の形態の水素製造装置において、原子力発電プラント１から分岐して抽出した高温水蒸気は主蒸気抽出管１４を通って主蒸気抽出分岐管１４ａから改質器１０へ、主蒸気抽出分岐管１４ｂから混合ガス熱交換器１２へ、主蒸気抽出分岐管１４ｃから蒸気発生装置１７へ流れ、主蒸気抽出分岐管１４ｄを通って燃料予熱器１６へと流れる。一方、燃料供給器１８から供給された燃料、例えばジメチルエーテル等の含酸素炭化水素は燃料予熱器１６で前記主蒸気との熱交換で予熱されて混合ガス熱交換器１２へ流れ、水供給器１９から供給された水は蒸気発生装置１７で主蒸気との熱交換で加熱されて水蒸気になる。これらは混合ガス熱交換器１２へ流れて、前記燃料と水蒸気が混合して混合ガスとなって混合ガス熱交換器１２で前記主蒸気との熱交換でさらに加熱されて改質器１０内へ流れる。
【００１９】
改質器１０内には、例えばＣｕ−Ｚｎ触媒が充填され、混合ガスは前記主蒸気と熱交換して加熱されて、例えば燃料がジメチルエーテルの場合は、水蒸気によって次の（１）式のように改質反応を行って水素ガスを生成する。  
ＣＨ３ＯＣＨ３＋３Ｈ２Ｏ→６Ｈ２＋２ＣＯ２・・・・・・・・・（１）
このようにして生成された水素ガスは二酸化炭素を含んでいるので回収装置１３で分離して回収される。
【００２０】
改質器１０と、混合ガス熱交換器１２と、蒸気発生装置１７から燃料予熱器１６の熱交換に利用された高温水蒸気は、戻り管枝管１５ａ，１５ｂ，１５ｃおよび戻り管１５を通って原子力発電プラント１に戻されて低圧蒸気タービン５を出た主蒸気と合流して復水器６で凝縮水となって原子炉３に戻される。なお、主蒸気抽出管１４および分岐管１４ａ，１４ｂ，１４ｃにはそれぞれ図示しない調節弁が設置されており熱負荷に対応して主蒸気流量が調節される。また、主蒸気抽出管１４の系統には、詳細システム検討時に反応生成に必要な温度が不足する場合は、不足分を補填する加熱器を設置してもよい。
【００２１】
本実施の形態によれば、原子力発電プラント１から発生した蒸気の熱エネルギーを水素製造プラント２の改質器１０および混合ガス熱交換器１２および燃料供給装置１１に利用できるので、水素製造に必要なエネルギーの大半を効果的に活用できる。また、利用後は再び原子力発電プラント１に戻されるので無駄なく有効に利用でき、エネルギー効率のよい水素製造装置を提供することができる。なお、本実施の形態において高速増殖炉または加圧水型原子炉などからなる原子力発電プラント１は火力発電プラントに置き換えてもよい。
【００２２】
（第２の実施の形態）
次に、本発明に係る水素製造装置の第２の実施の形態を図２を用いて説明する。なお第１の実施の形態と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。  
本実施の形態の水素製造装置は、原子力発電プラント１に水素製造プラント２ａを接続し、原子力発電プラント１の蒸気熱エネルギーを利用して水素製造プラント２ａからの燃料を水蒸気改質させて水素を生成する構成になっている。原子力発電プラント１の構成は第１の実施の形態と同じである。
【００２３】
水素製造プラント２ａは、改質器１０と、燃料と水を供給する燃料供給装置１１と、燃料供給装置１１から供給された燃料と水の混合ガスを水蒸気で熱交換させる混合ガス熱交換器１２と、改質器１０から出た水素ガスを含む生成ガスを精製して水素ガスを分離回収する回収装置１３を備えている。改質器１０と混合ガス熱交換器１２は並列に設けられ、原子力発電プラント１の主蒸気管９から分岐した主蒸気抽出管１４が２本に分岐して主蒸気抽出分岐管１４ａ，１４ｂが並列に接続しており、原子力発電プラント１から抽気された水蒸気は改質器１０の熱交換と混合ガス熱交換器１２の熱交換に利用される構成になっている。これらの熱交換に利用された水蒸気は戻り管枝管１５ａ，１５ｂを通って合流して、原子力発電プラント１の復水器６に接続した戻り管１５を通って復水器６に回収される構成である。
【００２４】
燃料供給装置１１は燃料予熱器１６と、燃料と混合される水蒸気を発生させる蒸気発生装置１７とで構成され、燃料予熱器１６には燃料を供給するための燃料供給器１８が接続し、蒸気発生装置１７には水を供給するための水供給器１９が接続している。燃料供給器１８には、図示しないが、例えば燃料タンク、ポンプ、圧力調整器などが備えられ、水供給器１９には、図示しないが、例えば水タンク、ポンプなどが備えられている。燃料予熱器１６は蒸気発生装置１７の後段に設置され、さらに回収装置１３は燃料予熱器１６の後段に設置されている。
【００２５】
改質器１０で生成された生成ガスは、改質器１０と蒸気発生装置１７の間に接続された生成ガス回収管２０ａを通って蒸気発生装置１７で熱交換後、蒸気発生装置１７と燃料予熱器１６の間を接続した生成ガス回収管２０ｂを通って燃料予熱器１６で熱交換して、生成ガス回収管２０ｃを通って回収装置１３へ流れる構成になっている。
【００２６】
このように構成された本実施の形態の水素製造装置において、原子力発電プラント１から分岐して抽出した高温水蒸気は主蒸気抽出管１４を通って主蒸気抽出分岐管１４ａから改質器１０へ流れ、また主蒸気抽出分岐管１４ｂから混合ガス熱交換器１２へと流れる。一方、燃料供給器１８から供給された燃料、例えばジメチルエーテル等の含酸素炭化水素は、燃料予熱器１６において改質器１０で生成した生成ガスとの熱交換で予熱されて混合ガス熱交換器１２へ流れ、水供給器１９から供給された水は蒸気発生装置１７で生成ガスとの熱交換で加熱されて水蒸気になり混合ガス熱交換器１２へ流れる。混合ガス熱交換器１２で燃料と水蒸気が混合して混合ガスとなって主蒸気との熱交換で加熱されて改質器１０内へ流れる。改質器１０内には、例えばＣｕ−Ｚｎ触媒が充填され、混合ガスは主蒸気と熱交換して加熱されて、例えば燃料がジメチルエーテルの場合は、水蒸気によって前記（１）式の改質反応を行って水素ガスを生成する。
【００２７】
このようにして生成された水素ガスは二酸化炭素を含んでいるので回収装置１３で分離して回収される。但し、生成された水素ガスは直接回収装置１３へ行かないで生成ガス回収管２０ａを通って蒸気発生装置１７の熱交換に利用された後に、生成ガス回収管２０ｂを通って燃料予熱器１６の熱交換に利用されてから生成ガス回収管２０ｃを通って回収装置１３に入る。
【００２８】
改質器１０と混合ガス熱交換器１２の熱交換に利用された高温水蒸気は、戻り管枝管１５ａ，１５ｂおよび戻り管１５を通って原子力発電プラント１に戻され、低圧蒸気タービン５を出た主蒸気と合流して復水器６で凝縮水となって原子炉３に戻される。なお、主蒸気抽出管１４および分岐管１４ａ，１４ｂにはそれぞれ図示しない調節弁が設置されており熱負荷に対応して主蒸気流量が調節される。また、主蒸気抽出管１４の系統には、詳細システム検討時に反応生成に必要な温度が不足する場合は、不足分を補填する加熱器を設置してもよい。
【００２９】
本実施の形態によれば、原子力発電プラント１から発生した蒸気の熱エネルギーを水素製造プラント２ａの改質器１０および混合ガス熱交換器１２に利用できると共に、改質反応で発生した生成ガスの余剰熱エネルギーを燃料供給装置１１の熱交換に利用できるので、水素製造に必要なエネルギーの大半を効果的に活用でき、かつ水蒸気の熱利用後は再び発電プラント１に戻されるので無駄なく有効に利用できると共に、生成ガスの余剰熱エネルギーを回収装置１３で冷却するエネルギーを少なくすることができるなど、エネルギー効率のよい水素製造装置を提供することができる。なお、本実施の形態において、高速増殖炉または加圧水型原子炉などの原子力発電プラント１は火力発電プラントに置き換えてもよい。
【００３０】
（第３の実施の形態）
本発明の第３の実施の形態を図３を用いて説明する。本実施の形態の水素製造装置は、原子力発電プラント１ａに設けた中間熱交換器２１を介して水素製造プラント２ｂを接続し、原子力発電プラント１ａの蒸気を利用して中間熱交換器２１で熱交換された熱媒体流体、例えばヘリウムガスなどの熱媒体流体の熱エネルギーを利用して水素製造プラント２ｂからの燃料を水蒸気改質させて水素を生成する構成になっている。
【００３１】
原子力発電プラント１ａは、原子炉３と、高圧蒸気タービン４と、低圧蒸気タービン５と、復水器６と、給水ポンプ７と、高圧蒸気タービン４および低圧蒸気タービン５の回転軸に直結した発電機８を備えている。原子炉３は沸騰水型原子炉である。これらの機器の機能および動作は第１の実施の形態におけると同じである。
【００３２】
さらに、原子力発電プラント１ａには中間熱交換器２１と熱媒体流体の循環機２２（サーキュレータ）が備えられている。この循環機２２はタービン２２ａとタービン２２ａに直結した羽根車２２ｂで構成されている。また循環機２２は、図示しないケーシング、軸封装置、軸受け装置等の通常機能上必要な部品が備えられており、図３は模式的に簡略化したものである。中間熱交換器２１には主蒸気管９から分岐した主蒸気抽出管１４が接続しており、主蒸気が一部抽出されて中間熱交換器２１に流れ込み、抽出した主蒸気と内部を通過する熱媒体流体とで熱交換される構成である。
【００３３】
中間熱交換器２１で熱交換した主蒸気は、循環機２２のタービン２２ａに流れ込みタービン２２ａを回転させた後に、戻り管１５を通って復水器６の入り口に戻り、低圧蒸気タービン５で仕事を終えた主蒸気と合流する構成になっている。中間熱交換器２１と循環機２２および水素製造プラント２ｂとは熱媒体流体配管２３，２４，２５が接続されて閉ループを形成している。これらの熱媒体流体配管内には熱媒体流体が封入されて、循環機２２によって循環される構成である。
【００３４】
水素製造プラント２ｂは、改質器１０と、燃料供給装置１１と、燃料供給装置１１から供給された燃料と水の混合ガスを熱媒体流体で熱交換させる混合ガス熱交換器１２と、改質器１０から出た水素ガスを含む生成ガスを精製して水素ガスを分離回収する回収装置１３を備えている。燃料供給装置１１は改質器１０および混合ガス熱交換器１２と並列に設けられ、熱媒体流体配管２４が３本に分岐して熱媒体流体配管２４ａ，２４ｂ，２４ｃが並列に接続している。
【００３５】
中間熱交換器２１で熱交換によって加熱された熱媒体流体は、改質器１０での熱交換と混合ガス熱交換器１２での熱交換と燃料供給装置１１での熱交換に利用される構成になっている。これらの熱交換に利用された熱媒体流体は、熱媒体流体配管２５ａ，２５ｂ，２５ｃを通って合流して熱媒体流体配管２５を介して循環機２２の羽根車２２ｂに吸い込まれ、ここで加圧され吐出されて熱媒体流体配管２３から中間熱交換器２１へと流れて循環する構成である。
【００３６】
燃料供給装置１１は燃料予熱器１６と、燃料と混合される水蒸気を発生させる蒸気発生装置１７とで構成され、燃料予熱器１６には燃料を供給するための燃料供給器１８が接続し、蒸気発生装置１７には水を供給するための水供給器１９が接続している。燃料供給器１８には、図示しないが、例えば燃料タンク、ポンプ、圧力調整器などが備えられ、水供給器１９には、図示しないが、例えば水タンク、ポンプなどが備えられている。燃料予熱器１６は蒸気発生装置１７の後段に設置され、蒸気発生装置１７には熱媒体流体配管２４ｃが接続し、蒸気発生装置１７と燃料予熱器１６の間には熱媒体流体配管２４ｄが接続されている。
【００３７】
このように構成された本実施の形態の水素製造装置において、原子力発電プラント１ａの主蒸気管９から分岐して抽出した高温水蒸気は主蒸気抽出管１４を通って中間熱交換器２１へ流れ、中間熱交換器２１内部の熱媒体流体を熱交換で加熱して循環機２２のタービン２２ａに入り、膨張仕事でタービン２２ａを回転させる。その後、循環機２２を出た蒸気は戻り管１５を通って復水器６の入り口に戻り、低圧蒸気タービン５で仕事を終えた主蒸気と合流して復水器６で冷却されて凝縮水になって給水ポンプ７で原子炉３に戻されるサイクルが形成される。中間熱交換器２１、循環機２２および主蒸気抽出管１４と戻り管１５など水素製造のために使用される放射能を含む抽出主蒸気が流れる機器類を原子力発電プラント１ａ内に収納することによって、放射線防護対策は既存の原子力発電プラントに施されている施設でまかなえるので、水素製造装置のための特別の放射線防護対策は不要である。
【００３８】
循環機２２のタービン２２ａの回転によって直結している羽根車２２ｂが回転して閉ループ内を熱媒体流体が循環する。熱媒体流体が循環することによって、中間熱交換器２１で主蒸気管９から抽出した主蒸気によって熱交換で加熱された高温の熱媒体流体が熱媒体流体配管２４を介して水素製造プラント２ｂへ流れる。水素製造プラント２ｂ内では分岐して熱媒体流体配管２４ａから改質器１０へ、熱媒体流体配管２４ｂから混合ガス熱交換器１２へ、熱媒体流体配管２４ｃから蒸気発生装置１７へ流れ熱媒体流体配管２４ｄを通って燃料予熱器１６へと流れる。
【００３９】
燃料供給器１８から供給された燃料、例えばジメチルエーテル等の含酸素炭化水素は燃料予熱器１６で熱媒体流体と熱交換して予熱されて混合ガス熱交換器１２へ流れ、水供給器１９から供給された水は蒸気発生装置１７で熱媒体流体と熱交換して加熱されて水蒸気になり混合ガス熱交換器１２へ流れる。そして燃料と水蒸気が混合して混合ガスとなって混合ガス熱交換器１２で熱媒体流体との熱交換で加熱されて改質器１０内へ流れる。
【００４０】
改質器１０内には、例えばＣｕ−Ｚｎ触媒が充填され、混合ガスは熱媒体流体と熱交換して加熱されて例えば燃料がジメチルエーテルの場合は水蒸気によって、前記（１）式の改質反応を行って水素ガスを生成する。このようにして生成された水素ガスは二酸化炭素を含んでいるので回収装置１３で水素ガスが分離されて回収される。
【００４１】
このように、本実施の形態の水素製造装置は、原子力発電プラント１ａから分岐して抽出した高温水蒸気を動力源として熱媒体流体の循環機２２が駆動して熱媒体流体が流れて、中間熱交換器２１で主蒸気管９から分岐して抽出した高温水蒸気との熱交換で熱媒体流体が加熱され、改質器１０と、混合ガス熱交換器１２と、蒸気発生装置１７から燃料予熱器１６の熱交換に利用されて熱媒体流体配管２５を通って循環機２２に戻る循環流を形成する。なお、熱媒体流体配管２４ａ，２４ｂ，２４ｃにはそれぞれ図示しない調節弁が設置されており熱負荷に対応して熱媒体流体流量が調節される。さらに、主蒸気抽出管１４にも調節弁が設置され負荷に応じて主蒸気抽出流量が調節される。また、熱媒体流体配管の系統には、詳細システム検討時に反応生成に必要な温度が不足する場合は、不足分を補填する加熱器を設置してもよい。
【００４２】
本実施の形態によれば、原子力発電プラント１ａの原子炉を沸騰水型原子炉にした場合でも、原子炉３から発生した蒸気の熱エネルギーを中間熱交換器２１を介して熱媒体流体に熱交換して水素製造プラント２ｂの改質器１０および混合ガス熱交換器１２および燃料供給装置１１に利用できるので、放射化された水蒸気が水素製造プラント２ｂ側へ流れることがなく、水素製造プラント２ｂ側に放射線防護対策を必要としない安全な水素製造装置を提供することができる。さらに、熱媒体流体の循環機２２の駆動には原子炉３から発生した主蒸気を利用できるので必要なエネルギーの大半を効果的に活用できる。さらに利用した抽出主蒸気は再び発電プラントに戻されるので無駄なく有効に利用でき、エネルギー効率の高い水素製造装置を提供することができる。
【００４３】
（第４の実施の形態）
本発明の第４の実施の形態を図４を用いて説明する。本実施の形態の水素製造装置は、原子力発電プラント１ｂに設けた中間熱交換器２１を介して水素製造プラント２ｂを接続し、原子力発電プラント１ｂの蒸気を利用して中間熱交換器２１で熱交換された熱媒体流体、例えばヘリウムガスなどの熱媒体流体の熱エネルギーを利用して水素製造プラント２ｂからの燃料を水蒸気改質させて水素を生成する構成になっている。
【００４４】
原子力発電プラント１ｂは原子炉３と、高圧蒸気タービン４と、低圧蒸気タービン５と、復水器６と、給水ポンプ７と、高圧蒸気タービン４および低圧蒸気タービン５の回転軸に直結した発電機８を備えている。原子炉３は沸騰水型原子炉である。これらの機器の機能および動作は第１の実施の形態におけると同じである。さらに、原子力発電プラント１ｂは中間熱交換器２１と熱媒体流体の循環機２２が備えられている。この循環機２２の羽根車が発電機８の回転軸に直結されている。循環機２２は、図示しないケーシング、軸封装置、軸受け装置等の通常機能上必要な部品が備えられており、図４は模式的に簡略化したものである。
【００４５】
中間熱交換器２１は主蒸気管９から分岐した主蒸気抽出管１４が接続しており、主蒸気が一部抽出されて中間熱交換器２１に流れ込み、抽出した主蒸気と内部を通過する熱媒体流体とで熱交換される構成である。中間熱交換器２１で熱交換した抽出主蒸気は、戻り管１５を通って復水器６の入り口に戻り低圧蒸気タービン５で仕事を終えた主蒸気と合流する構成になっている。循環機２２と中間熱交換器２１および水素製造プラント２ｂとは熱媒体流体配管２３，２４，２５が接続されて閉ループを形成している。これらの熱媒体流体配管内には熱媒体流体が封入されて、循環機２２によって循環される構成になっている。
【００４６】
水素製造プラント２ｂは改質器１０と、燃料供給装置１１と、燃料供給装置１１から供給された混合ガスを前記熱媒体流体で熱交換させる混合ガス熱交換器１２と、改質器１０から出た水素ガスを含む生成ガスを精製して水素ガスを分離回収する回収装置１３を備えている。さらに、燃料供給装置１１は改質器１０および混合ガス熱交換器１２と並列に設けられ、前記熱媒体流体配管２４が３本に分岐して熱媒体流体配管２４ａ，２４ｂ，２４ｃが並列に接続している。中間熱交換器２１で熱交換によって加熱された熱媒体流体は改質器１０の熱交換と混合ガス熱交換器１２の熱交換と燃料供給装置１１の熱交換に利用される構成になっている。これらの熱交換に利用された熱媒体流体は熱媒体流体配管２５ａ，２５ｂ，２５ｃを通って合流して熱媒体流体配管２５を介して、循環機２２に吸い込まれ、ここで加圧されて吐出して熱媒体流体配管２３から中間熱交換器２１へと流れて循環する構成になっている。
【００４７】
燃料供給装置１１は燃料予熱器１６と、燃料と混合される水蒸気を発生させる蒸気発生装置１７とで構成され、燃料予熱器１６には燃料を供給するための燃料供給器１８が接続し、蒸気発生装置１７には水を供給するための水供給器１９が接続している。燃料供給器１８には、図示しないが、例えば燃料タンク、ポンプ、圧力調整器などが備えられ、水供給器１９には、図示しないが、例えば水タンク、ポンプなどが備えられている。燃料予熱器１６は蒸気発生装置１７の後段に設置され、蒸気発生装置１７は熱媒体流体配管２４ｃが接続し、蒸気発生装置１７と燃料予熱器１６の間は熱媒体流体配管２４ｄが接続されている。
【００４８】
このように構成された本実施の形態の水素製造装置において、熱媒体流体の循環機２２の羽根車が原子炉３から発生した抽気され主蒸気の膨張仕事によって回転する発電機８の回転軸に直結しているので自動的に循環機２２が駆動して閉ループを熱媒体流体が循環する。
【００４９】
原子力発電プラント１ｂの主蒸気管９から分岐して抽出した高温水蒸気は主蒸気抽出管１４を通って中間熱交換器２１へ流れ、内部を流れる熱媒体流体を熱交換で加熱後、戻り管１５を通って復水器６の入り口に戻り、低圧蒸気タービン５で仕事を終えた主蒸気と合流して復水器６で冷却されて凝縮水になって給水ポンプ７で原子炉３に戻されるサイクルが形成されている。中間熱交換器２１および主蒸気抽出管１４と戻り管１５など水素製造のために使用される放射能を含む抽出主蒸気が流れる機器および配管類を原子力発電プラント１ｂ内に収納することによって、放射線防護対策は既存の原子力発電プラントに施されている施設でまかなえるので、水素製造装置のための特別の放射線防護対策は不要である。
【００５０】
発電機８の回転軸に直結している循環機２２が駆動して閉ループを熱媒体流体が循環するが、熱媒体流体が循環することによって、中間熱交換器２１で主蒸気管９から抽出した主蒸気によって熱交換で加熱された高温の熱媒体流体が熱媒体流体配管２４を介して水素製造プラント２ｂへ流れる。水素製造プラント２ｂ内では分岐して熱媒体流体配管２４ａから改質器１０へ、熱媒体流体配管２４ｂから混合ガス熱交換器１２へ、熱媒体流体配管２４ｃから蒸気発生装置１７へ流れ熱媒体流体配管２４ｄを通って燃料予熱器１６へと流れる。
【００５１】
燃料供給器１８から供給された燃料、例えばジメチルエーテル等の含酸素炭化水素は燃料予熱器１６で熱媒体流体との熱交換で予熱されて混合ガス熱交換器１２へ流れ、水供給器１９から供給された水は蒸気発生装置１７で熱媒体流体との熱交換で加熱されて水蒸気になり混合ガス熱交換器１２へ流れる。そして燃料と水蒸気が混合して混合ガスとなって混合ガス熱交換器１２で熱媒体流体との熱交換で加熱されて改質器１０内へ流れる。
【００５２】
改質器１０内には、例えばＣｕ−Ｚｎ触媒が充填され、混合ガスは熱媒体流体と熱交換して加熱されて例えば燃料がジメチルエーテルの場合は水蒸気によって、前記（１）式の改質反応を行って水素ガスを生成する。生成された水素ガスは二酸化炭素を含んでいるので回収装置１３で分離されて水素ガスが回収される。
【００５３】
このように、本実施の形態の水素製造装置は、発電機８の回転軸に直結した熱媒体流体の循環機２２が発電プラントの運転にともなって自動的に駆動して熱媒体流体が流れて、中間熱交換器２１で主蒸気管９から分岐して抽出した高温水蒸気との熱交換で加熱され、改質器１０と、混合ガス熱交換器１２と、蒸気発生装置１７から燃料予熱器１６の熱交換に利用されて熱媒体流体配管２５を通って循環機２２に戻る循環流を形成する。なお、熱媒体流体配管２４ａ，２４ｂ，２４ｃにはそれぞれ図示しない調節弁が設置されており熱負荷に対応して熱媒体流体流量が調節される。さらに、主蒸気抽出管１４にも調節弁が設置され負荷に応じて主蒸気抽出流量が調節される。また、熱媒体流体配管の系統には、詳細システム検討時に反応生成に必要な温度が不足する場合は、不足分を補填する加熱器を設置してもよい。
【００５４】
本実施の形態によれば、原子力発電プラント１ｂの原子炉３を沸騰水型原子炉にした場合でも、原子炉３から発生した蒸気の熱エネルギーを中間熱交換器２１を介して熱媒体流体に熱交換して水素製造プラント２ｂの改質器１０および混合ガス熱交換器１２および燃料供給装置１１に利用できるので、放射化された水蒸気が水素製造プラント２ｂ側へ流れることがなく、水素製造プラント２ｂ側に放射線防護対策を必要としない安全な水素製造装置を提供することができる。さらに、熱媒体流体の循環機２２の駆動には高圧蒸気タービン４および低圧蒸気タービン５および発電機８の回転力を利用できるので必要なエネルギーの大半を効果的に活用できる。さらに熱交換に利用した抽出主蒸気は再び発電プラントに戻されるので無駄なく有効に利用でき、エネルギー効率の高い水素製造装置を提供することができる。
【００５５】
（第５の実施の形態）
本発明の第５の実施の形態を図５を用いて説明する。本実施の形態の水素製造装置は、原子力発電プラント１ａに設けた中間熱交換器２１を介して水素製造プラント２ｃを接続し、原子力発電プラント１ａの蒸気を利用して中間熱交換器２１で熱交換された熱媒体流体、例えばヘリウムガスなどの熱媒体流体の熱エネルギーを利用して水素製造プラント２ｃにおいて燃料を水蒸気改質させて水素を生成する構成になっている。
【００５６】
原子力発電プラント１ａは原子炉３と、高圧蒸気タービン４と、低圧蒸気タービン５と、復水器６と、給水ポンプ７と、高圧蒸気タービン４および低圧蒸気タービン５の回転軸に直結した発電機８を備えている。原子炉３は沸騰水型原子炉である。さらに、原子力発電プラント１ａには中間熱交換器２１と熱媒体流体の循環機２２が備えられている。この循環機２２はタービン２２ａとタービン２２ａに直結した羽根車２２ｂで構成されている。循環機２２は、図示しないケーシング、軸封装置、軸受け装置等の通常機能上必要な部品が備えられており、図５は模式的に簡略化したものである。
【００５７】
中間熱交換器２１には主蒸気管９から分岐した主蒸気抽出管１４が接続しており、主蒸気が一部抽出されて中間熱交換器２１に流れ込み、抽出した主蒸気と内部を通過する熱媒体流体とで熱交換される構成である。中間熱交換器２１で熱交換した抽出主蒸気は循環機２２のタービン２２ａに流れ込みタービン２２ａを回転させた後に、戻り管１５を通って復水器６の入り口に戻り低圧蒸気タービン５で仕事を終えた主蒸気と合流する構成になっている。中間熱交換器２１と循環機２２と水素製造プラント２ｃとは熱媒体流体配管２３，２４，２５が接続されて閉ループを形成している。これらの熱媒体流体配管内には熱媒体流体が封入されて、循環機２２によって循環される構成になっている。
【００５８】
一方、水素製造プラント２ｃは、改質器１０と、燃料供給装置１１と、燃料供給装置１１から供給された混合ガスを水蒸気で熱交換させる混合ガス熱交換器１２と、改質器１０から出た水素ガスを含む生成ガスを精製して水素ガスを分離回収する回収装置１３を備えている。改質器１０と混合ガス熱交換器１２は並列に設けられ、熱媒体流体配管２４から２本に分岐して熱媒体流体配管２４ａ，２４ｂが並列に接続しており、中間熱交換器２１で熱交換されて加熱された熱媒体流体は改質器１０での熱交換と混合ガス熱交換器１２での熱交換に利用される構成になっている。これらの熱交換に利用された熱媒体流体は熱媒体流体配管２５ａ，２５ｂを通って合流して熱媒体流体配管２５を介して、循環機２２の羽根車２２ｂに吸い込まれ、ここで加圧されて吐出して熱媒体流体配管２３から中間熱交換器２１へと流れて循環する構成になっている。
【００５９】
燃料供給装置１１は燃料予熱器１６と、燃料と混合される水蒸気を発生させる蒸気発生装置１７とで構成され、燃料予熱器１６には燃料を供給するための燃料供給器１８が接続し、蒸気発生装置１７には水を供給するための水供給器１９が接続している。燃料供給器１８には、図示しないが、例えば燃料タンク、ポンプ、圧力調整器などが備えられ、水供給器１９には、図示しないが、例えば水タンク、ポンプなどが備えられている。燃料予熱器１６は蒸気発生装置１７の後段に設置され、さらに回収装置１３は燃料予熱器１６の後段に設置されている。
【００６０】
改質器１０で生成された生成ガスは、改質器１０と蒸気発生装置１７の間に接続した生成ガス回収管２０ａを通って蒸気発生装置１７で熱交換後、蒸気発生装置１７と燃料予熱器１６の間を接続した生成ガス回収管２０ｂを通って燃料予熱器１６で熱交換して、生成ガス回収管２０ｃを通って回収装置１３へ流れる構成になっている。
【００６１】
このように構成された本実施の形態の水素製造装置において、原子力発電プラント１ａの主蒸気管９から分岐して抽出した高温水蒸気は主蒸気抽出管１４を通って中間熱交換器２１へ流れ、中間熱交換器２１内部の熱媒体流体を熱交換で加熱して循環機２２のタービン２２ａに入り、膨張仕事でタービン２２ａを回転させる。その後、循環機２２を出た蒸気は戻り管１５を通って復水器６の入り口に戻り、低圧蒸気タービン５で仕事を終えた主蒸気と合流して復水器６で冷却されて凝縮水になって給水ポンプ７で原子炉３に戻されるサイクルをなす。中間熱交換器２１、循環機２２および主蒸気抽出管１４と戻り管１５など、水素製造のために使用される放射能を含む抽出主蒸気が流れる機器類を原子力発電プラント１ａ内に収納することによって、放射線防護対策は既存の原子力発電プラントに施されている施設でまかなえるので、水素製造装置のための特別の放射線防護対策が不要である。
【００６２】
循環機２２のタービン２２ａの回転によって直結している羽根車２２ｂが回転して閉ループ内を熱媒体流体が循環する。熱媒体流体が循環することによって、中間熱交換器２１で主蒸気管９から抽出した主蒸気との熱交換で加熱された高温の熱媒体流体が熱媒体流体配管２４を介して水素製造プラント２ｃへ流れる。水素製造プラント２ｃ内では分岐して熱媒体流体配管２４ａから改質器１０へ流れ、熱媒体流体配管２４ｂから混合ガス熱交換器１２へ流れる。改質器１０と混合ガス熱交換器１２で熱交換した熱媒体流体はそれぞれ熱媒体流体配管２５ａ，２５ｂを介して合流して熱媒体流体配管２５を通って原子力発電プラント１ａ内の循環機２２に戻る循環流れを形成する。
【００６３】
一方、燃料供給器１８から供給された燃料、例えばジメチルエーテル等の含酸素炭化水素は、燃料予熱器１６で生成ガスとの熱交換で予熱されて混合ガス熱交換器１２へ流れ、水供給器１９から供給された水は蒸気発生装置１７で生成ガスとの熱交換で加熱されて水蒸気になり混合ガス熱交換器１２へ流れて、燃料と水蒸気が混合して混合ガスとなって混合ガス熱交換器１２で熱媒体流体との熱交換で加熱されて改質器１０内へ流れる。改質器１０内には、例えばＣｕ−Ｚｎ触媒が充填され、混合ガスは熱媒体流体と熱交換して加熱されて例えば燃料がジメチルエーテルの場合は水蒸気によって、前記（１）式の改質反応を行って水素ガスを生成する。
【００６４】
このようにして生成された水素ガスは二酸化炭素を含んでいるので回収装置１３で分離されて回収される。但し、生成された水素ガスは直接回収装置１３へ行かないで生成ガス回収管２０ａを通って蒸気発生装置１７の熱交換に利用された後に、生成ガス回収管２０ｂを通って燃料予熱器１６の熱交換に利用されてから生成ガス回収管２０ｃを通って回収装置１３に回収される。なお、熱媒体流体配管２４ａ，２４ｂにはそれぞれ図示しない調節弁が設置されており熱負荷に対応して熱媒体流体の流量が調節される。さらに、主蒸気抽出管１４にも調節弁が設置され負荷に応じて主蒸気抽出流量が調節される。また、熱媒体流体配管の系統には、詳細システム検討時に反応生成に必要な温度が不足する場合は、不足分を補填する加熱器を設置することも可能である。
【００６５】
本実施の形態によれば、原子力発電プラント１ａの原子炉３を沸騰水型原子炉にした場合でも、原子炉３から発生した蒸気の熱エネルギーを中間熱交換器２１を介して熱媒体流体に熱交換して水素製造プラント２ｃの改質器１０および混合ガス熱交換器１２に利用できるので、放射化された水蒸気が水素製造プラント２ｃ側へ流れることがなく、水素製造プラント２ｃ側に放射線防護対策を必要としない安全な水素製造装置を提供することができる。さらに、熱媒体流体の循環機２２の駆動には原子炉３から発生した主蒸気を利用でき、かつ、利用した抽出主蒸気は再び発電プラントに戻されるので無駄なく有効に利用できると共に、必要なエネルギーの大半を効果的に活用できる。さらに、改質反応で発生した生成ガスの余剰熱エネルギーを燃料供給装置１１の熱交換に利用できるので水素製造に必要なエネルギーの大半を効果的に活用でき、生成ガスの余剰熱エネルギーを回収装置１３で冷却するエネルギーを少なくすることができるなど、エネルギー効率のよい水素製造装置を提供することができる。
【００６６】
（第６の実施の形態）
本発明の第６の実施の形態を図６を用いて説明する。本実施の形態の水素製造装置は、原子力発電プラント１ｂに設けた中間熱交換器２１を介して水素製造プラント２ｃを接続し、原子力発電プラント１ｂの蒸気を利用して中間熱交換器２１で熱交換された熱媒体流体、例えばヘリウムガスなどの熱媒体流体の熱エネルギーを利用して水素製造プラント２ｃにおいて燃料を水蒸気改質させて水素を生成する構成になっている。
【００６７】
原子力発電プラント１ｂは原子炉３と、高圧蒸気タービン４と、低圧蒸気タービン５と、復水器６と、給水ポンプ７と、高圧蒸気タービン４および低圧蒸気タービン５の回転軸に直結した発電機８を備えている。原子炉３は沸騰水型原子炉である。さらに、原子力発電プラント１ｂには中間熱交換器２１と熱媒体流体の循環機２２が備えられている。この循環機２２の羽根車が前記発電機８の回転軸に直結されている。循環機２２は、図示しないケーシング、軸封装置、軸受け装置等の通常機能上必要な部品が備えられており、図６は模式的に簡略化したものである。
【００６８】
中間熱交換器２１には主蒸気管９から分岐した主蒸気抽出管１４が接続しており、主蒸気が一部抽出されて中間熱交換器２１に流れ込み、抽出した主蒸気と内部を通過する熱媒体流体とで熱交換される構成である。中間熱交換器２１で熱交換した抽出主蒸気は戻り管１５を通って復水器６の入り口に戻り低圧蒸気タービン５で仕事を終えた主蒸気と合流する構成になっている。循環機２２と中間熱交換器２１と水素製造プラント２ｃとは熱媒体流体配管２３，２４，２５が接続されて閉ループを形成している。これらの熱媒体流体配管内には熱媒体流体が封入されて、循環機２２によって循環される構成である。
【００６９】
水素製造プラント２ｃは、改質器１０と、燃料供給装置１１と、燃料供給装置１１から供給された混合ガスを熱媒体流体と熱交換させる混合ガス熱交換器１２と、改質器１０から出た水素ガスを含む生成ガスを精製して水素ガスを分離回収する回収装置１３を備えている。改質器１０と混合ガス熱交換器１２は並列に設けられ、熱媒体流体配管２４から２本に分岐して熱媒体流体配管２４ａ，２４ｂが並列に接続しており、中間熱交換器２１で熱交換されて加熱された熱媒体流体は改質器１０での熱交換と混合ガス熱交換器１２での熱交換に利用される構成になっている。これらの熱交換に利用された熱媒体流体は熱媒体流体配管２５ａ，２５ｂを通って合流して熱媒体流体配管２５を介して、循環機２２に吸い込まれ、ここで加圧されて吐出して熱媒体流体配管２３から中間熱交換器２１へと流れて循環する構成になっている。
【００７０】
燃料供給装置１１は燃料予熱器１６と、燃料と混合される水蒸気を発生させる蒸気発生装置１７とで構成され、燃料予熱器１６には燃料を供給するための燃料供給器１８が接続し、蒸気発生装置１７には水を供給するための水供給器１９が接続している。燃料供給器１８には、図示しないが、例えば燃料タンク、ポンプ、圧力調整器などが備えられ、水供給器１９には、図示しないが、例えば水タンク、ポンプなどが備えられている。燃料予熱器１６は蒸気発生装置１７の後段に設置され、さらに回収装置１３は燃料予熱器１６の後段に設置されている。
【００７１】
改質器１０で生成された生成ガスは、改質器１０と蒸気発生装置１７の間を接続した生成ガス回収管２０ａを通って蒸気発生装置１７で熱交換後、蒸気発生装置１７と燃料予熱器１６の間を接続した生成ガス回収管２０ｂを通って燃料予熱器１６で熱交換して、生成ガス回収管２０ｃを通って回収装置１３へ流れる構成になっている。
【００７２】
このように構成された本実施の形態の水素製造装置において、熱媒体流体の循環機２２の羽根車が原子炉３から発生した主蒸気の膨張仕事によって回転する発電機８の軸に直結しているので、発電機８の回転に伴って自動的に循環機２２が駆動して閉ループの熱媒体流体が循環する。
【００７３】
原子力発電プラント１ｂの主蒸気管９から分岐して抽出した高温水蒸気は主蒸気抽出管１４を通って中間熱交換器２１へ流れ、内部の熱媒体流体を熱交換で加熱後、戻り管１５を通って復水器６の入り口に戻り、低圧蒸気タービン５で仕事を終えた主蒸気と合流して復水器６で冷却されて凝縮水になって給水ポンプ７で原子炉３に戻されるサイクルをなす。中間熱交換器２１および主蒸気抽出管１４と戻り管１５など水素製造のために使用される放射能を含む抽出主蒸気が流れる機器および配管類を原子力発電プラント１ｂ内に収納することによって、放射線防護対策は既存の原子力発電プラントに施されている施設でまかなえるので、水素製造装置のための特別の放射線防護対策が不要である。
【００７４】
発電機８の回転軸に直結している循環機２２が駆動して閉ループの熱媒体流体が循環するが、熱媒体流体が循環することによって、中間熱交換器２１で主蒸気管９から抽出した主蒸気によって熱交換で加熱された高温の熱媒体流体が熱媒体流体配管２４を介して水素製造プラント２ｃへ流れる。水素製造プラント２ｃ内では分岐して熱媒体流体配管２４ａから改質器１０へ、熱媒体流体配管２４ｂから混合ガス熱交換器１２へ流れる。改質器１０と混合ガス熱交換器１２で熱交換した熱媒体流体はそれぞれ熱媒体流体配管２５ａ，２５ｂを介して合流して熱媒体流体配管２５を通って原子力発電プラント１ｂ内の循環機２２に戻る。
【００７５】
燃料供給器１８から供給された燃料、例えばジメチルエーテル等の含酸素炭化水素は燃料予熱器１６で生成ガスとの熱交換で予熱されて混合ガス熱交換器１２へ流れ、水供給器１９から供給された水は蒸気発生装置１７で生成ガスとの熱交換で加熱されて水蒸気になり混合ガス熱交換器１２へ流れて、燃料と水蒸気が混合して混合ガスとなって混合ガス熱交換器１２で熱媒体流体との熱交換で加熱されて改質器１０内へ流れる。
【００７６】
改質器１０内には、例えばＣｕ−Ｚｎ触媒が充填され、混合ガスは熱媒体流体と熱交換して加熱されて例えば燃料がジメチルエーテルの場合は水蒸気によって、前記（１）式の改質反応を行って水素ガスを生成する。このようにして生成された水素ガスは二酸化炭素を含んでいるので回収装置１３で分離されて回収される。但し、生成された水素ガスは直接回収装置１３へ行かないで生成ガス回収管２０ａを通って蒸気発生装置１７の熱交換に利用された後に、生成ガス回収管２０ｂを通って燃料予熱器１６の熱交換に利用されてから生成ガス回収管２０ｃを通って回収装置１３に回収される。
【００７７】
なお、熱媒体流体配管２４ａ，２４ｂにはそれぞれ図示しない調節弁が設置されており熱負荷に対応して熱媒体流体の流量が調節される。さらに、主蒸気抽出管１４にも調節弁が設置され負荷に応じて主蒸気抽出流量が調節される。また、熱媒体流体配管の系統には、詳細システム検討時に反応生成に必要な温度が不足する場合は、不足分を補填する加熱器を設置することも可能である。
【００７８】
本実施の形態によれば、原子力発電プラント１ｂの原子炉３を沸騰水型原子炉にした場合でも、原子炉３から発生した蒸気の熱エネルギーを中間熱交換器２１を介して熱媒体流体に熱交換して水素製造プラント２ｃの改質器１０および混合ガス熱交換器１２に利用できるので放射化された水蒸気が水素製造プラント２ｃ側へ流れることがなく、水素製造プラント側２ｃに放射線防護対策を必要としない安全な水素製造装置を提供することができる。さらに、熱媒体流体の循環機２２の駆動には高圧蒸気タービン４および低圧蒸気タービン５および発電機８の回転力を利用できるので必要なエネルギーの大半を効果的に活用できる。さらに熱交換に利用した抽出主蒸気は再び発電プラントに戻されるので無駄なく有効に利用できる。さらに、改質反応で発生した生成ガスの余剰熱エネルギーを燃料供給装置１１の熱交換に利用できるので水素製造に必要なエネルギーの大半を効果的に活用でき、生成ガスの余剰熱エネルギーを回収装置１３で冷却するエネルギーを少なくすることができるなど、エネルギー効率のよい水素製造装置を提供することができる。
【００７９】
（第７の実施の形態）
本発明の第７の実施の形態を図７を用いて説明する。本実施の形態は、前記第１ないし第６の実施の形態の水素製造装置に備えられる改質器１０の好適な構成の一例に関する。すなわち、上述した第１ないし第６の実施の形態における改質器１０としては、従来知られている構成のものを用いてもよいが、以下説明する本実施の形態の改質器を適用することがより好適である。
【００８０】
改質器１０はシェルアンドチューブ型の縦型熱交換器の形態を成す。シェル３１内は、管板３２と管板３３によって３つの部屋、加熱流体室３１ａ、混合ガス室３１ｂおよび生成ガス室３１ｃに区分され、上下端は鏡板で封止されている。内部に二重管構成のバイオネット型の触媒管３４が収納されている。この触媒管３４は外管３４ａと内管３４ｂで構成される。外管３４ａは下端部は閉止し、上端部は開口して管板３２に固定され、内管３４ｂは上下端共に開口し、上端部は管板３３に固定されている。
【００８１】
加熱流体室３１ａには触媒管３４を加熱するための前記原子力発電プラント１から抽出した主蒸気または、前記原子力発電プラント１ａ，１ｂ内の中間熱交換器２１で熱交換されて加熱された熱媒体流体が入出する加熱流体入口管３５と加熱流体出口管３６が設けられ、混合ガス室３１ｂには混合ガス入口管３７が設けられ、生成ガス室３１ｃには改質反応で生成された生成ガスの生成ガス出口管３８が設けられている。
【００８２】
触媒管３４の外管３４ａと内管３４ｂの間に形成される環状隙間には触媒３９が充填される。触媒充填層は空隙部を有して混合ガスが流れるようになっている。触媒管３４の環状隙間の下部領域に触媒非充填部４０を設けるために、例えばメッシュなどの穴のあいた仕切りとして穴明き受け板４１が設置されている。他に図示しないが、加熱流体室３１ａには熱交換を良くするためのバッフル板が設けられている。
【００８３】
このように形成された本実施の形態の改質器においては、加熱流体が加熱流体入口管３５から入り、加熱流体出口管３６から出て行く。この間の加熱流体室３１ａ内で熱交換される。一方、例えば、ジメチルエーテルなどの燃料と水蒸気の混合ガスが混合ガス入口管３７から入り、触媒３９の充填層の空隙部を流れていくうちに前記加熱流体から熱を受けて前記（１）式のように改質反応を行って水素ガスを生成する。生成ガスは触媒管３４の下部でＵターンして内管３４ｂの中を流れて生成ガス室３１ｃに集まり生成ガス出口管３８から出て行く。
【００８４】
触媒層内は吸熱反応であり、熱量が多いほど触媒充填層での反応が促進され水素生成効率は良くなる。そこで、触媒管３４の下部に触媒非充填部４０を設けることによってこの部分で生成ガスが再加熱される。この再加熱された生成ガスが内管３４ｂを流れるときに熱交換して、触媒層の内側からも加熱することができるので多くの熱量を与えることができる。
【００８５】
本実施の形態によれば、発電プラントから抽出した高温の水蒸気または中間熱交換器で熱交換された熱媒体流体からなる加熱流体による触媒充填層の外側からの加熱と、再加熱された生成ガスによる触媒充填層の内側からの加熱によって改質器の熱交換効率が向上して熱効率の高い水素製造装置を提供することができる。なお、本実施の形態の改質器は縦型としたが、横型にすることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００８６】
【図１】本発明の第１の実施の形態の水素製造装置の構成と流体の流れを示す図。
【図２】本発明の第２の実施の形態の水素製造装置の構成と流体の流れを示す図。
【図３】本発明の第３の実施の形態の水素製造装置の構成と流体の流れを示す図。
【図４】本発明の第４の実施の形態の水素製造装置の構成と流体の流れを示す図。
【図５】本発明の第５の実施の形態の水素製造装置の構成と流体の流れを示す図。
【図６】本発明の第６の実施の形態の水素製造装置の構成と流体の流れを示す図。
【図７】本発明の第７の実施の形態の水素製造装置に備えられる改質器の構造を示す断面図。
【符号の説明】
【００８７】
１，１ａ，１ｂ…原子力発電プラント、２，２ａ，２ｂ，２ｃ…水素製造プラント、３…原子炉、４…高圧蒸気タービン、５…低圧蒸気タービン、６…復水器、７…給水ポンプ、８…発電機、９…主蒸気管、１０…改質器、１１…燃料供給装置、１２…混合ガス熱交換器、１３…回収装置、１４…主蒸気抽出管、１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ…主蒸気抽出分岐管、１５…戻り管、１５ａ，１５ｂ，１５ｃ…戻り管枝管、１６…燃料予熱器、１７…蒸気発生装置、１８…燃料供給器、１９…水供給器、２０ａ，２０ｂ，２０ｃ…生成ガス回収管、２１…中間熱交換器、２２…循環機、２２ａ…タービン、２２ｂ…羽根車、２３，２４，２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄ，２５，２５ａ，２５ｂ，２５ｃ…熱媒体流体配管、３１…シェル、３１ａ…加熱流体室、３１ｂ…混合ガス室、３１ｃ…生成ガス室、３２，３３…管板、３４…触媒管、３４ａ…外管、３４ｂ…内管、３５…加熱流体入口管、３６…加熱流体出口管、３７…混合ガス入口管、３８…生成ガス出口管、３９…触媒、４０…触媒非充填部、４１…穴明き受け板。
【図１】
2007063066.tif 000003
【図２】
2007063066.tif 000004
【図３】
2007063066.tif 000005
【図４】
2007063066.tif 000006
【図５】
2007063066.tif 000007
【図６】
2007063066.tif 000008
【図７】
2007063066.tif 000009