(57)【要約】【課題】ヨウ素と二酸化硫黄と水を原料とし、ヨウ素をほとんど含有しないヨウ化水素水溶液を生成して効率よく水素を生成することのできる熱化学水素製造装置およびその運転方法を提供する。【解決手段】水、二酸化硫黄およびヨウ素を反応させて硫酸とヨウ化水素を生成するブンゼン反応器１と、ブンゼン反応器１内の溶液を供給されて硫酸を主に含む水溶液とヨウ化水素およびヨウ素を主に含む水溶液に分離する二相分離器２と、二相分離器２からヨウ化水素およびヨウ素を主に含む水溶液を供給されヨウ素をヨウ化水素に変換してヨウ化水素水溶液を生成する電気透析器３と、電気透析器３からヨウ化水素水溶液を供給されて精製されたヨウ化水素を産出するヨウ化水素精留塔４と、ヨウ化水素精留塔４から精製されたヨウ化水素を供給されてヨウ化水素を熱分解し水素を生成分離するヨウ化水素熱分解分離部５とを備えている構成とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水、二酸化硫黄およびヨウ素を反応させて硫酸とヨウ化水素を生成するブンゼン反応器と、前記ブンゼン反応器内の溶液を供給されて硫酸を主に含む水溶液とヨウ化水素およびヨウ素を主に含む水溶液に分離する二相分離器と、前記二相分離器からヨウ化水素およびヨウ素を主に含む水溶液を供給されヨウ素をヨウ化水素に変換してヨウ化水素水溶液を生成する電気透析器と、前記電気透析器からヨウ化水素水溶液を供給されて精製されたヨウ化水素を産出するヨウ化水素精留塔と、前記ヨウ化水素精留塔から精製されたヨウ化水素を供給されてヨウ化水素を熱分解し水素を生成分離するヨウ化水素熱分解分離部とを備えていることを特徴とする熱化学水素製造装置。
【請求項２】
前記電気透析器から前記前記ヨウ化水素精留塔に供給される前記ヨウ化水素水溶液の水を分離してヨウ化水素濃度を高める逆浸透分離器を備えていることを特徴とする請求項１記載の熱化学水素製造装置。
【請求項３】
前記逆浸透分離器から前記ブンゼン反応器に供給される水の流量を制御する流量制御器を備えていることを特徴とする請求項２記載の熱化学水素製造装置。
【請求項４】
前記ヨウ化水素熱分解分離部か前記電気透析器に供給されるヨウ素を貯蔵するヨウ素貯蔵部を備えていることを特徴とする請求項３記載の熱化学水素製造装置。
【請求項５】
前記電気透析器は希薄液部と濃厚液部を備え、前記二相分離器で分離されたヨウ化水素およびヨウ素を主に含む水溶液を前記希薄液部に供給し、電気透析作用によりプロトンを前記濃厚液部に移動させ、前記ヨウ化水素熱分解分離部から供給されるヨウ素と反応させることによりヨウ素をほとんど含有しないヨウ化水素水溶液を得ることを特徴とする請求項１記載の熱化学水素製造装置。
【請求項６】
前記流量制御器は、前記逆浸透分離器においてヨウ化水素水溶液から分離された水のうち、前記電気透析器への供給電流値から計算された量を前記ブンゼン反応器に供給することを特徴とする請求項３記載の熱化学水素製造装置の運転方法。
【請求項７】
運転停止時に前記ヨウ化水素熱分解分離部からのヨウ素を前記ヨウ素貯蔵部に蓄積し、起動時に前記ヨウ素貯蔵部に蓄積したヨウ素を前記電気透析器に供給することを特徴とする請求項４記載の熱化学水素製造装置の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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によって水素を製造する熱化学水素製造装置およびその運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球温暖化を促進する二酸化炭素を発生しない燃料として水素を利用する技術開発が種々進められている。燃料用の水素を製造する方法としては有機化合物や水の分解が研究されている。一般に、熱化学水素製造方法においては、水を第２、第３の物質と反応させて、水素または酸素を含有する化合物を生成し、その後、各化合物を熱分解させて水素および酸素を生成する。
【０００３】
このような熱化学水素製造方法の一つとして、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ＩＳプロセスというものがある（特許文献１参照）。ＩＳプロセスは、Ｎｏｒｍａｎらが下記非特許文献１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。Ｎｏｒｍａｎらは非特許文献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非特許文献２にて報告されている。
【０００４】
ＩＳプロセスの概略を図５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、硫酸とヨウ化水素を得る。次に硫酸とヨウ化水素のそれぞれを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（Ｏ２）を得る。このようにＩＳプロセスは高温の熱エネルギーを利用して水を熱分解し水素と酸素を得る点が特徴である。
【特許文献１】特開２００４−１０７１１５号
【非特許文献１】Gas Research Institute，ＧＲＩ−８０／０１０５（１９８１）
【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）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ＩＳプロセスを利用する熱化学水素製造方法においては、ヨウ化水素を主に含む水溶液を電気透析または水選択透過膜を利用して濃縮後、加熱し、ヨウ化水素と水の沸点の違いを利用してヨウ化水素を分離する蒸留が用いられている。しかし、硫酸を主に含む水溶液とヨウ化水素を主に含む水溶液とを比重差により分離するため、過剰なヨウ素を加える必要がある。そのため、ヨウ化水素を主に含む水溶液はヨウ素を大量に含有する。その結果、ヨウ化水素を主に含む水溶液の気液平衡が変化し、ヨウ化水素だけを分離することが難しいという課題がある。
【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、ヨウ素と二酸化硫黄と水を原料とし、ヨウ素をほとんど含有しないヨウ化水素水溶液を生成して効率よく水素を生成することのできる熱化学水素製造装置およびその運転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】
【０００７】
上記課題を解決するために請求項１の発明は、水、二酸化硫黄およびヨウ素を反応させて硫酸とヨウ化水素を生成するブンゼン反応器と、前記ブンゼン反応器内の溶液を供給されて硫酸を主に含む水溶液とヨウ化水素およびヨウ素を主に含む水溶液に分離する二相分離器と、前記二相分離器からヨウ化水素およびヨウ素を主に含む水溶液を供給されヨウ素をヨウ化水素に変換してヨウ化水素水溶液を生成する電気透析器と、前記電気透析器からヨウ化水素水溶液を供給されて精製されたヨウ化水素を産出するヨウ化水素精留塔と、前記ヨウ化水素精留塔から精製されたヨウ化水素を供給されてヨウ化水素を熱分解し水素を生成分離するヨウ化水素熱分解分離部とを備えている構成とする。
【０００８】
請求項６の発明は、前記流量制御器は、前記逆浸透分離器においてヨウ化水素水溶液から分離された水のうち、前記電気透析器への供給電流値から計算された量を前記ブンゼン反応器に供給する運転方法とする。
【０００９】
請求項７の発明は、運転停止時に前記ヨウ化水素熱分解分離部からのヨウ素を前記ヨウ素貯蔵部に蓄積し、起動時に前記ヨウ素貯蔵部に蓄積したヨウ素を前記電気透析器に供給する運転方法とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、ヨウ素と二酸化硫黄と水を原料とし、ヨウ素をほとんど含有しないヨウ化水素水溶液を生成して効率よく水素を生成することのできる熱化学水素製造装置およびその運転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】
【００１１】
以下、本発明の熱化学水素製造装置およびその運転方法に係る第１ないし第４の実施の形態を図面を参照して説明する。
【００１２】
（第１の実施の形態）
本実施の形態の熱化学水素製造装置は、図１に示すように、ブンゼン反応器１、二相分離器２、電気透析器３、ヨウ化水素精留塔４、ヨウ化水素熱分解分離部５から構成されている。電気透析器３は希薄液部３１と濃厚液部３２を備え、希薄液部３１と濃厚液部３２の間にはプロトンイオン交換膜が設けられている。
【００１３】
このように構成された本実施の形態の熱化学水素製造装置において、水（Ｈ２Ｏ）と二酸化硫黄（ＳＯ２）とヨウ素（Ｉ２）をブンゼン反応器１に投入し、ブンゼン反応器１ににおける反応によって得られた硫酸とヨウ化水素およびヨウ素を含む水溶液を二相分離器２に供給する。二相分離器２においては、硫酸を主に含む水溶液（Ｈ２ＳＯ４＋ａＨ２Ｏ）とヨウ化水素とヨウ素を主に含む水溶液（２ＨＩ＋ｂＨ２Ｏ＋ｃＩ２）とを比重差により分離する。二相分離器２で分離されたヨウ化水素とヨウ素を主に含む水溶液（２ＨＩ＋ｂＨ２Ｏ＋ｃＩ２）を電気透析器３の希薄液部３１に供給する。
【００１４】
希薄液部３１に通されたヨウ化水素とヨウ素を主に含む水溶液（２ＨＩ＋ｂＨ２Ｏ＋ｃＩ２）中のヨウ化水素から電気透析作用によりプロトン（Ｈ＋）がプロトンイオン交換膜を透過して、濃厚液部３２へ移動し、次式のようにヨウ化水素（ＨＩ）がヨウ素（Ｉ２）へ変化する。
２ＨＩ→２Ｈ＋＋Ｉ２＋２ｅ−
ヨウ化水素濃度が低下しヨウ素濃度が高くなったヨウ化水素とヨウ素を主に含む水溶液は希薄液部３１からブンゼン反応器１へ返される。
【００１５】
濃厚液部３２から得られる、ヨウ素がほとんど存在せずヨウ化水素濃度が高くなったヨウ化水素水溶液をヨウ化水素精留塔４へ供給し、ヨウ化水素精留塔４上部からヨウ化水素を取り出し、ヨウ化水素精留塔４下部からヨウ化水素濃度が低減したヨウ化水素水溶液を取り出す。ヨウ化水素精留塔４上部から取り出したヨウ化水素をヨウ化水素熱分解分離部５に供給し、ヨウ化水素熱分解分離部５においてヨウ化水素をヨウ素と水素に分解し、水素、ヨウ素および未分解のヨウ化水素に分離する。分離された未分解のヨウ化水素は再びヨウ化水素熱分解分離部５に供給される。
【００１６】
ヨウ化水素精留塔４で水分の増加したヨウ化水素水溶液とヨウ化水素熱分解分離部５で分離されたヨウ素とは電気透析器３の濃厚液部３２へ供給され、希薄液部３１から移動してきたプロトンを電気透析作用によりヨウ素と反応させて次式のようにヨウ化水素に転換させ、ヨウ素を消費させる。
２Ｈ＋＋Ｉ２＋２ｅ−→２ＨＩ
本実施の形態によれば、電気透析器３の濃厚液部３２からほとんどヨウ素を含有しないヨウ化水素水溶液が得られるので、ほぼ純粋なヨウ化水素を水素生成に供することができる。
【００１７】
（第２の実施の形態）
次に、本発明の第２の実施の形態を図２を用いて説明する。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。本実施の形態の熱化学水素製造装置は第１の実施の形態の熱化学水素製造装置に逆浸透分離器６を追加して構成されている。
【００１８】
このように構成された本実施の形態の熱化学水素製造装置において、電気透析器３の濃厚液部３２から得られる、ヨウ素がほとんど存在せずヨウ化水素濃度が高くなったヨウ化水素水溶液を逆浸透分離器６へ供給し、水を分離する。水を分離されて濃縮されたヨウ化水素水溶液はヨウ化水素精留塔４へ供給される。逆浸透分離器６において分離された水はブンゼン反応器１および／または電気透析器３の濃厚液部３２へ供給される。
本実施の形態によれば、逆浸透分離器６によって濃度の高いヨウ化水素水溶液が得られるので、より多くのヨウ化水素を分離し水素生成に供することができる。
【００１９】
（第３の実施の形態）
次に、本発明の第３の実施の形態を図３を用いて説明する。第２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。本実施の形態の熱化学水素製造装置は第２の実施の形態の熱化学水素製造装置に流量制御器７を追加して構成されている。
【００２０】
このように構成された本実施の形態の熱化学水素製造装置において、電気透析器３の濃厚液部３２から得られる、ヨウ素がほとんど存在せずヨウ化水素濃度が高くなったヨウ化水素水溶液を逆浸透分離器６へ供給し、水を分離する。分離された水の一部は流量制御器７を経由してブンゼン反応器１へ戻される。ブンゼン反応器１へ戻される水の量は、電気透析器３への供給電流値に基いて、流量制御器７で計算された希薄液部３１から濃厚液部３２へプロトンとともに移動する量に制御される。
本実施の形態によれば、ブンゼン反応器１、二相分離器２、希薄液部３１の循環流量、および、濃厚液部３２、逆浸透分離器６、ヨウ化水素精留塔４の循環流量および組成が安定する。
【００２１】
（第４の実施の形態）
次に、本発明の第４の実施の形態を図４を用いて説明する。第３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。本実施の形態の熱化学水素製造装置は第３の実施の形態の熱化学水素製造装置にヨウ素貯蔵部８を追加して構成されている。
【００２２】
このように構成された本実施の形態の熱化学水素製造装置において、運転停止シーケンスにおいてはヨウ化水素熱分解分離部５からのヨウ素をヨウ素貯蔵部８に蓄積し、電気透析器３の濃厚液部３２に供給しない。起動シーケンスにおいてヨウ素貯蔵部８に蓄積されたヨウ素を濃厚液部３２に供給する。
本実施の形態によれば、電気透析器３の濃厚液部３２、ヨウ化水素熱分解分離部５およびそれらの間の配管にヨウ素を蓄積することなく装置の起動および運転停止を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の第１の実施の形態の熱化学水素製造装置の構成および物質の流れを示すブロック図。
【図２】本発明の第２の実施の形態の熱化学水素製造装置の構成および物質の流れを示すブロック図。
【図３】本発明の第３の実施の形態の熱化学水素製造装置の構成および物質の流れを示すブロック図。
【図４】本発明の第４の実施の形態の熱化学水素製造装置の構成および物質の流れを示すブロック図。
【図５】従来の熱化学水素製造装置における物質の流れを示す図。
【符号の説明】
【００２４】
１…ブンゼン反応器、２…二相分離器、３…電気透析器、４…ヨウ化水素精留塔、５…ヨウ化水素熱分解分離部、６…逆浸透分離器、７…流量制御器、８…ヨウ素貯蔵部、３１…希薄液部、３２…濃厚液部。
【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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