(57)【要約】【課題】  熱力学的化学平衡状態を超える非平衡状態を実現して熱効率を大幅に改善することができる水素製造装置及びその方法を提供する。【解決手段】  本発明に係る水素製造装置は、ヨウ素１２、二酸化硫黄１３及び水９が熱化学的に分解されてヨウ化水素１４及び硫酸１５が生成されるブンゼン反応器１と、濃縮されたヨウ化水素１４が水素１０及びヨウ素１２に分解されるヨウ化水素分解器５と、濃縮された硫酸１５が二酸化硫黄１３、酸素１１及び水９に分解され更に磁場を用いて酸素１１が分離される磁場制御硫酸分解器６ａと、を有する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ヨウ素、二酸化硫黄及び水が熱化学的に分解されてヨウ化水素及び硫酸が生成されるブンゼン反応器と、
このブンゼン反応器で生成されたヨウ化水素及び硫酸が分離される二相分離器と、
この分離されたヨウ化水素が濃縮されるヨウ化水素濃縮器と、
この濃縮されたヨウ化水素が水素及びヨウ素に分解されるヨウ化水素分解器と、
この分解されたヨウ素、水素及び分解されなかったヨウ化水素が回収されるヨウ化水素及びヨウ素回収器と、
前記分離された硫酸が濃縮される硫酸濃縮器と、
この濃縮された硫酸が二酸化硫黄、酸素及び水に分解され更に磁場を用いて酸素が分離される磁場制御硫酸分解器と、
この分解された二酸化硫黄が回収される硫酸回収器と、
を有することを特徴とする水素製造装置。
【請求項２】
前記磁場制御硫酸分解器は、生成された酸素を導出する少なくとも１個の出口ラインの外表面に磁場を発生させる磁石を具備すること、を特徴とする請求項１記載の水素製造装置。
【請求項３】
前記磁場制御硫酸分解器は、生成された酸素が導出される出口ラインの外表面に磁場を発生させる２個以上の磁石を具備すること、を特徴とする請求項１又は２記載の水素製造装置。
【請求項４】
前記磁場制御硫酸分解器は、生成された酸素が導出される出口ラインの外表面の上流側に設けた磁石と比較して下流側に設けた磁石が形成する磁場が弱いこと、を特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の水素製造装置。
【請求項５】
前記磁場制御硫酸分解器は、生成された酸素が導出される出口ラインの外表面の上流側に設けた電磁石と比較して下流側に設けた電磁石の単位長さ当りのコイル巻き数が軽減されること、を特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の水素製造装置。
【請求項６】
ヨウ素、二酸化硫黄及び水が熱化学的に分解されてヨウ化水素及び硫酸が生成され分離されるブンゼン反応工程と、
この分離されたヨウ化水素が濃縮されるヨウ化水素濃縮工程と、
この濃縮されたヨウ化水素が水素及びヨウ素に分解されるヨウ化水素分解工程と、
この分解されたヨウ素、水素及び分解されなかったヨウ化水素が回収されるヨウ化水素回収工程と、
前記分離された硫酸が濃縮される硫酸濃縮工程と、
この濃縮された硫酸を二酸化硫黄、酸素及び水に分解され更に磁場を用いて酸素が分離される磁場制御硫酸分解工程と、
この分解された二酸化硫黄が回収される硫酸回収工程と、
を有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、熱化学水素製造プロセスにより水素を製造する水素製造装置及びその方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
未来社会の１つのビジョンとして水素をエネルギー媒体とした水素エネルギー社会の実現が注目されており、いくつかの有力な水素製造方法が知られている。この水素エネルギー社会を実現するための、全ての水素製造方法における最も重要な指標は、その水素生成効率若しくは熱効率であり、この熱効率をなるべく高くすることである。ここでの熱効率とは、熱効率＝（生成水素の燃焼熱量）／（水素生成のために使用された全熱量）で定義される。
【０００３】
いくつかの水素製造方法のうち、熱化学水素製造プロセスであるＩＳ法（Ｉｏｄｉｎｅ-Ｓｕｌｆｕｒ法：ヨウ素と硫酸を内部循環しながら水を熱化学的に分解して水素製造する方法、ＳＩ法とも言われている。）が知られている（例えば、特許文献１参照）
このＩＳ法は、水及び発電所等から得られた９００℃程度の熱を供給することにより、主に３つの工程（ブンゼン反応工程、ヨウ化水素濃縮分解工程、硫酸濃縮分解工程）による内部循環を経て水を水素と酸素へと変換するものである。このＩＳ法は、熱源として高温ガス炉等が用いられる。
【０００４】
上記のブンゼン反応工程において、水、ヨウ素、二酸化硫黄は、熱化学プロセスを経由してヨウ化水素（ＨＩ）及び硫酸に変更される。次に、ヨウ化水素濃縮分解工程において、前工程で生成されたヨウ化水素は加熱することにより、水素及びヨウ素へ分解される。次に、硫酸濃縮分解工程において、上記のブンゼン反応工程において生成された一方の硫酸は、やはり加熱することにより酸素、水、二酸化硫黄に分解される。この分解したヨウ素、水、二酸化硫黄は、上記のブンゼン反応工程へリサイクルされ、さらに水素と酸素を取り出すことができる。
【特許文献１】特開２００５−４１７６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した従来の熱化学水素製造プロセスであるＩＳ法においては、さらに熱効率の向上が可能であり、そのためには各工程での反応率改善が重要である。もし、各工程で１００％の反応率が得られれば、反応させるために必要な熱量は最小限で済み、生成される水素は最大化できる。さらに、基本的なプロセスフローにおいて、再回収工程を含まない（１００％反応できれば１スルーで済む）ために、システムも簡素化されることが期待できる。
【０００６】
しかし、実際の反応率は、１００％未満であることがほとんどである。例えば、硫酸濃縮分解工程では、硫酸に熱を加えて酸素、二酸化硫黄、水に分解する反応工程があるが、現状では８５０℃、２ＭＰａ（ＭＰａ：１００万パスカル）の条件下で６０％程度の反応率である。これは熱力学的化学平衡状態により反応率が制限されることが原因の１つである。この熱力学的化学平衡状態を超えて反応率を改善するには、非平衡状態を何等かの方法で実現しなければならない。特に硫酸濃縮分解工程は、ＩＳ法で消費される熱量の６０％以上を占めるために、この反応工程の反応率を向上して、熱効率を改善することに課題があった。
【０００７】
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、熱力学的化学平衡状態を超える非平衡状態を実現して硫酸分解率を向上することにより熱効率を大幅に改善することができる水素製造装置及びその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】
【０００８】
上記目的を達成するため、本発明の水素製造装置においては、ヨウ素、二酸化硫黄及び水が熱化学的に分解されてヨウ化水素及び硫酸が生成されるブンゼン反応器と、このブンゼン反応器で生成されたヨウ化水素及び硫酸が分離される二相分離器と、この分離されたヨウ化水素が濃縮されるヨウ化水素濃縮器と、この濃縮されたヨウ化水素が水素及びヨウ素に分解されるヨウ化水素分解器と、この分解されたヨウ素、水素及び分解されなかったヨウ化水素が回収されるヨウ化水素及びヨウ素回収器と、前記分離された硫酸が濃縮される硫酸濃縮器と、この濃縮された硫酸が二酸化硫黄、酸素及び水に分解され更に磁場を用いて酸素が分離される磁場制御硫酸分解器と、この分解された二酸化硫黄が回収される硫酸回収器と、を有することを特徴とするものである。
【０００９】
また、上記目的を達成するため、本発明の水素製造方法においては、ヨウ素、二酸化硫黄及び水が熱化学的に分解されてヨウ化水素及び硫酸が生成され分離されるブンゼン反応工程と、この分離されたヨウ化水素が濃縮されるヨウ化水素濃縮工程と、この濃縮されたヨウ化水素が水素及びヨウ素に分解されるヨウ化水素分解工程と、この分解されたヨウ素、水素及び分解されなかったヨウ化水素が回収されるヨウ化水素回収工程と、前記分離された硫酸が濃縮される硫酸濃縮工程と、この濃縮された硫酸を二酸化硫黄、酸素及び水に分解され更に磁場を用いて酸素が分離される磁場制御硫酸分解工程と、この分解された二酸化硫黄が回収される硫酸回収工程と、を有することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の水素製造装置及びその方法によれば、磁場を用いて酸素が分離される磁場制御硫酸分解器を設けることにより、熱力学的化学平衡状態を超える非平衡状態を実現して硫酸分解率を改善し熱効率を大幅に改善することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明に係る水素製造装置及びその方法の実施の形態について、図面を参照して説明する。ここで、同一又は類似の部分には共通の符号を付すことにより、重複説明を省略する。
【００１２】
図１は、本発明の実施の形態の水素製造装置の構成を示すブロック図である。
【００１３】
本図に示すように、ＩＳ法による熱化学的水素製造法は、主に３つの工程、すなわち、ブンゼン反応工程１６、ヨウ化水素（ＨＩ）濃縮分解工程１７、硫酸濃縮分解工程１８から構成される。
【００１４】
まず、ブンゼン反応工程１６について説明する。ヨウ素１２、二酸化硫黄１３、水９がブンゼン反応器１に供給される。このブンゼン反応器１において、ブンゼン反応と呼ばれる熱化学反応が生じ、ヨウ化水素１４及び硫酸１５が生成される。
【００１５】
この生成されたヨウ化水素１４及び硫酸１５は、二相分離器２に導入される。この二相分離器２において、比重の相違により、ヨウ化水素１４と硫酸１５とに分離される。この分離されたヨウ化水素１４と硫酸１５とは、それぞれＨＩ濃縮分解工程１７及び硫酸濃縮分解工程１８へと送られる。未反応のヨウ素１２、二酸化硫黄１３、水９は、二相分離器２内の生成装置で分離されて元のブンゼン反応容器１に戻される。
【００１６】
次に、ＨＩ濃縮分解工程１７について説明する。上記のブンゼン反応工程１６で分離されたヨウ化水素１４は水９と共に、ＨＩ濃縮器３に送り込まれる。このＨＩ濃縮器３においては、加熱されてヨウ化水素１４の濃度が高められる。この加熱は、例えば、発電所から導かれた熱源による加熱器１９により行われる。ここで蒸留した水９は、ブンゼン反応工程１６に再循環される。
【００１７】
上記の加熱されて濃縮したヨウ化水素１４は、ＨＩ分解器５に送り込まれる。このＨＩ分解器５では、加熱されてヨウ化水素１４は水素１０とヨウ素１２とに分解される。この加熱は、例えば、発電所から導かれた熱源による加熱器１９により行われる。
【００１８】
この分解した水素１０とヨウ素１２は、未分解のヨウ化水素１４と共にＨＩ及びヨウ素回収器８に送り込まれる。このＨＩ及びヨウ素回収器８では、ヨウ素１２、ヨウ化水素１４が回収され、前工程のＨＩ分解器５又は元のブンゼン反応工程１６に再度戻される。
【００１９】
このＨＩ回収器８おいて捕捉されなかった水素１０は、系外に排出され回収される。
【００２０】
次に、硫酸濃縮分解工程１８について説明する。二相分離器２で分離した硫酸１５は水９と共に、硫酸濃縮器４に送り込まれる。この硫酸濃縮器４においては、加熱して硫酸１５の濃度が高められる。この加熱は、例えば、発電所から導かれた熱源による加熱器１９により行われる。ここで蒸留した水９は、ブンゼン反応工程１６に再循環される。
【００２１】
上記の加熱されて濃縮した硫酸１５は、硫酸分解器６に磁石を設けた磁場制御硫酸分解器６ａに送り込まれる。この磁場制御硫酸分解器６ａについては、後述する。
【００２２】
この硫酸分解器６では、硫酸１５は加熱されて、二酸化硫黄１３、酸素１１及び水９が直接的に生成される。副産物として、三酸化硫黄２０が生成される。この加熱は、例えば、発電所から導かれた熱源による加熱器１９により行われる。
【００２３】
また、この生成された二酸化硫黄１３、三酸化硫黄２０及び水９は、硫酸回収器７に送り込まれる。この硫黄回収器７では、二酸化硫黄１３は、回収されて元のブンゼン反応工程１６に戻される。さらに、水９と共に硫酸１５は、硫酸濃縮器４に導かれる。
【００２４】
上記のＩＳ法による熱化学的水素製造装置の構成は、本実施の形態を実現するための基本的な構成であって、場合によって各機器を２段階に分けて反応工程を構成することもある。
【００２５】
例えば、硫酸分解器６は、硫酸１５から直接二酸化硫黄１３を生成するのではなく、硫酸１５を分解して水９と三酸化硫黄２０が生成される。その後、三酸化硫黄２０は、分解されて二酸化硫黄１３と酸素１１が生成されるという２段階に分けて機器を構成することもある。しかし、一般的にはこれらの反応工程は、硫酸分解器６内で行われるので、同じ機能を有する機器構成と考えることができる。
【００２６】
ここで、ＩＳ法における熱効率の改善について説明する。
【００２７】
ＩＳ法においては熱効率の改善を行うには、各反応工程における反応率の向上が重要であり、特に硫酸分解器６における反応率の向上は、熱効率の改善に大きく寄与する。この硫酸分解の反応工程は、硫酸１５を４５０℃〜８５０℃に加熱することにより、二酸化硫黄１３、水９、酸素１１に分解される。なお、この反応工程では三酸化硫黄２０が副生成物として生成される。
【００２８】
上記の４５０℃〜８５０℃における熱力学的化学平衡状態での硫酸分解率は、０．１ＭＰａ〜２ＭＰａの範囲で１０〜８０％であるが、様々な条件を考慮して６０％程度と考えられている。これを１００％に近づければ近づくほど、熱効率は飛躍的に改善される。
【００２９】
ところで、上記の熱化学水素製造プロセスは、熱力学的化学平衡状態の下で実施される。この熱力学的化学平衡状態を超えるためには、非平衡状態を実現すればよい。具体的には、この硫酸分解で生成される二酸化硫黄１３、水９、酸素１１のうち、いずれかを取り出せることができれば反応は非平衡状態となり、熱力学的平衡状態を超えて反応が進行することになる。
【００３０】
非平衡状態を実現させる方法として、硫酸１５及び生成物である二酸化硫黄１３、水９、酸素１１についてその磁性を調べてみる。酸素１５は常磁性で、その他は反磁性である。この観点から、磁場勾配を設けることにより酸素１１は磁場に引き付けられ、その磁気力は、次の（１）式より求めることができる。
【数１】
2007031221.tif 000003
【００３１】
上記の（１）式の解析の結果、酸素１１では、磁気力は接近するように作用し、その他の物質では、逆に離れるように磁気力が働くので、酸素１１は、硫酸１５、二酸化硫黄１３及び水９から分離できることが分る。
【００３２】
次に、上記の磁場を利用した磁場制御硫酸分解装置６ａについて説明する。
【００３３】
図２は、図１の硫酸分解装置６に磁石２１を設けて形成した磁場制御硫酸分解装置６ａの構成を示す構成図である。
【００３４】
本図に示すように、磁場制御硫酸分解装置６ａは、反応容器２６から構成される。この反応容器２６の一端には、入口ライン２５が設けられ、硫酸１５が導入される。また、反応容器２６の他端には、出口ライン２２、２４が設けられている。
【００３５】
この出口ライン２２、２４の外表面の１つ若しくは二酸化硫黄１３や水９等他の反磁性物質を取り出す出口ライン以外の外表面にそれぞれ２個以上の磁石２１が設置されている。この磁石２１を設けることにより、酸素１１が磁場制御硫酸分解装置６ａから早く分離され系外に取り出せる。この磁石２１は永久磁石でもよいし、電磁石、超伝導磁石でもよい。
【００３６】
このように構成された本実施の形態において、磁場制御硫酸分解装置６ａの１つの出口ライン２２近傍に磁場をかけることにより、酸素１１のみを磁場制御硫酸分解装置６ａの外部へと引き出すことができる。この結果、熱力学的化学平衡状態を崩すことができるので、反応率を改善することができる。
【００３７】
しかし、上記の磁石２１の配置のままでは、酸素１１は磁場に捉えられてしまい、磁場発生領域の外部へ取り出すことができない。この対策として、出口ライン２２に掛ける磁場は磁場制御硫酸分解装置６ａから離れるにつれて徐々に弱くするように設定する。このために、磁石２１は２個以上設置するか、電磁石や超伝導磁石に流す電流やコイル線の巻き数を磁場制御硫酸分解装置６ａから離れるにつれて軽減する等の工夫が必要である。
【００３８】
本実施の形態によれば、磁場制御硫酸分解装置６付近の磁場は急激に大きくし、それに比べて離れたところでは、酸素１１が出口ライン２２を通過できるように徐々に弱くすることが肝要である。このように磁場形状を調節することで、酸素の取り出し方を調整することができる。上記の磁場を調整することにより、熱力学的化学平衡状態を超える非平衡状態を実現して硫酸分解率を改善することにより熱効率を大幅に改善することができる。
【００３９】
なお、磁場制御硫酸分解器６ａを使用することにより、磁場による硫酸分解率の改善は、熱効率の改善以外にも様々な利点を生むことができる。例えば、磁場を使うことにより、磁場制御硫酸分解器６ａにおいて分解反応と共に酸素１１を完全に分離することができるので、システムが簡素化できる。すなわち、従来のＩＳ法のシステムに比べて、酸素１１を分離する機器を新たに設ける必要がなくなり機器の削減を図ることができる。
【００４０】
さらに、従来ならば熱力学的化学平衡状態を非平衡状態とするために膜分離手段を硫酸分解器６の内部に設置して、一定の稼動時間毎に機器を止めて保守点検をしなければならなかった。
【００４１】
本実施の形態によれば、磁場制御硫酸分解器６の外部に磁石２１から構成される装置を設けるものである。この磁石２１は、反応物、生成物に対して非接触な装置を形成するので、磁石２１そのものが腐食などの影響を被ることがないので、容易に保守点検が可能である。このことにより、信頼性の高い機器を提供できること共に運転中にも点検を行えることを可能とし、稼働率の高い装置を提供することができる。
【００４２】
本実施の形態によれば、磁場制御硫酸分解器６ａを採用することにより、熱力学的化学平衡状態を超えて硫酸分解率を改善でき、その結果として熱効率を改善し、システムを簡素化、効率化し且つ信頼性を高めることができる。
【００４３】
さらに、本発明は、上述したような各実施の形態に何ら限定されるものではなく、硫酸分解器の内部に磁石を設けてもよく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の実施の形態の水素製造装置の構成を示すブロック図。
【図２】図１の硫酸分解装置に磁石を設けた磁場制御硫酸分解装置の構成を示す構成図。
【符号の説明】
【００４５】
１…ブンゼン反応器、２…二相分離器、３…ＨＩ濃縮器、４…硫酸濃縮器、５…ＨＩ分解器、６…硫酸分解器、６ａ…磁場制御硫酸分解器、７…硫酸回収器、８…ＨＩ及びヨウ素回収器、９…水、１０…水素、１１…酸素、１２…ヨウ素、１３…二酸化硫黄、１４…ＨＩ（ヨウ化水素）、１５…硫酸、１６…ブンゼン反応工程、１７…ＨＩ濃縮分解工程、１８…硫酸濃縮分解工程、１９…加熱器、２０…三酸化硫黄、２１…磁石、２２、２４…出口ライン、２５…入口ライン、２６…反応容器。
【図１】
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【図２】
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