(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
原子力発電システムで生成された水蒸気を供給する熱供給系と、ジメチルエーテル及び水を供給する燃料供給装置と、前記熱供給系から供給される水蒸気によってこの燃料供給装置から供給されるジメチルエーテル及び水を加熱する熱交換器と、この熱交換器で加熱されたジメチルエーテル及び水蒸気から水蒸気改質反応により水素を生成する水蒸気改質器と、この水蒸気改質器で生成された水素を回収する反応物回収系と、を有することを特徴とする水素製造システム。
【請求項２】
前記原子力発電システムは、軽水炉、高速増殖炉又は高温ガス炉のいずれか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】
前記原子力発電システムは、軽水炉であって、軽水炉で発生した水蒸気を熱供給系を介して水蒸気改質器に供給す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】
前記水蒸気改質器に、Ｃｕ−Ｚｎからなる改質触媒が充填されていることを特徴とする請求項１乃至３いずれか１項記載の水素製造システム。
【請求項５】
前記水蒸気改質器で生成される水素と二酸化炭素を、ゼオライトからなる二酸化炭素吸蔵材で二酸化炭素を選択的に吸蔵させることにより分離することを特徴とする請求項１乃至４いずれか１項記載の水素製造システム。
【請求項６】
前記水蒸気改質器で生成される水素と二酸化炭素を、Ｌａ−Ｎｉ系合金又はＴｉ系材料からなる水素吸蔵材で水素を選択的に吸蔵することにより分離することを特徴とする請求項１乃至４いずれか１項記載の水素製造システム。
【請求項７】
前記水蒸気改質器で生成される水素と二酸化炭素を、パラジウム又は窒化ケイ素からなる透過膜で水素を選択的に透過させることにより分離することを特徴とする請求項１乃至４いずれか１項記載の水素製造システム。
【請求項８】
前記ジメチルエーテルは、天然ガスを水蒸気または二酸化炭素改質して生成することを特徴とする請求項１乃至７いずれか１項記載の水素製造システム。
【請求項９】
前記ジメチルエーテルは、石炭をガス化して生成することを特徴とする請求項１乃至７いずれか１項記載の水素製造システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は水素製造システムに関するものであり、更に詳しくは、発電システム、特に原子炉で生成された熱または電気ヒーターの熱を用いてメタン等の水素含有化合物から水素等を製造するシステムや、原子炉で生成された熱または電気ヒーターの熱を用いてジメチルエーテル等の水素含有化合物から水素等を製造するシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
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加速され、原子力発電や天然ガスその他の発電の比率を上げたり、エネルギー節約が行われて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。また、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、地球規模で計画され始めている。
【０００３】
水素エネルギーの利用システムとしては、燃料電池や水素タービンが挙げられる。燃料電池は水素と酸素を電気化学的に反応させ、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、自動車はガソリンを燃焼させて走行しているが、今後は燃料電池を利用した電気自動車に切替えることが考えられている。また、タービンを利用した発電では、これまで石油、石炭、天然ガスを燃焼させていたが、水素タービンは水素を燃焼させようというものである。
【０００４】
これらの水素エネルギー利用システムでは利用生成物が無害の水であり、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一翼を担うと期待されている。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出現が待たれている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、燃料電池や水素タービン等の水素利用システムでは、燃料として水素が必要である。燃料の水素は、水を電気分解したり、天然ガスの成分であるメタンに水蒸気を加えて生成することが考えられている。水の電気分解では、図４に示すようなシステムが用いられている。１は水に溶解した電解質または、水を含有する電解質である。電解質としては、水酸化ナトリウムのような水に溶解するものや、固体電解質のように水を含有するものがある。２は陽極、３は陰極で、陽極で発生した酸素は酸素捕集部４で集められ酸素取り出し口５から取り出される。また、陰極で発生した水素は水素捕集部６で集められ水素取り出し口７から取り出される。
【０００６】
水の電気分解では、必要なコストの大半は電力である。現在の原子力発電システムや火力発電システムでは、熱に変換される核分裂エネルギーや石油、石炭、天然ガスの燃焼エネルギーの 50％ 前後しか電力に変換できていない。特に、原子炉発電システムでの熱利用効率は30数％である。このため、電力を利用する水の電気分解では、これよりエネルギー利用効率を上げることはできず効率は高くはないという課題がある。
【０００７】
本発明はこのような課題を解決するためになされたもので、発電システム、特に、原子力発電システムで生成された熱またはヒーターの熱を使って加熱した天然ガスの成分であるメタン等水素含有化合物を、充填材で高温分解して炭素を分離することにより水素を生成する水素等の製造システムや、原子力発電システムで生成された熱またはヒーターの熱を使って加熱したジメチルエーテルを水蒸気改質して水素を発生する水素製造システムを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の目的を達成するため、次のような手段によって水素製造システムを構成する。
請求項１に対応する発明は、原子力発電システムで生成された水蒸気を供給する熱供給系と、ジメチルエーテル及び水を供給する燃料供給装置と、前記熱供給系から供給される水蒸気によってこの燃料供給装置から供給されるジメチルエーテル及び水を加熱する熱交換器と、この熱交換器で加熱されたジメチルエーテル及び水蒸気から水蒸気改質反応により水素を生成する水蒸気改質器と、この水蒸気改質器で生成された水素を回収する反応物回収系と、を有することを特徴とする。
請求項２に対応する発明は、前記原子力発電システムは、軽水炉、高速増殖炉又は高温ガス炉のいずれかであることを特徴とする。
【０００９】
請求項３に対応する発明は、前記原子力発電システムは、軽水炉であって、軽水炉で発生した水蒸気を燃料供給系を介して水蒸気改質器に供給することを特徴とする。
請求項４に対応する発明は、前記水蒸気改質器に、Ｃｕ−Ｚｎからなる改質触媒が充填されていることを特徴とする。
【００１０】
請求項５に対応する発明は、前記水蒸気改質器で生成される水素と二酸化炭素を、ゼオライトからなる二酸化炭素吸蔵材で二酸化炭素を選択的に吸蔵させることにより分離することを特徴とする。
請求項６に対応する発明は、前記水蒸気改質器で生成される水素と二酸化炭素を、Ｌａ−Ｎｉ系合金又はＴｉ系材料からなる水素吸蔵材で水素を選択的に吸蔵することにより分離することを特徴とする。
請求項７に対応する発明は、前記水蒸気改質器で生成される水素と二酸化炭素を、パラジウム又は窒化ケイ素からなる透過膜で水素を選択的に透過させることにより分離することを特徴とする。
【００１１】
請求項８に対応する発明は、前記ジメチルエーテルは、天然ガスを水蒸気または二酸化炭素改質して生成することを特徴とする。
請求項９に対応する発明は、前記ジメチルエーテルは、石炭をガス化して生成することを特徴とする。
【００１３】
メタンを炭素と水素に分解するシステムでは、二酸化炭素を発生することなく例えばメタンから水素を生成するため、水素利用システムで必要な水素が取り出せ、天然ガスを有効に利用できる。また、水素等の製造に必要なエネルギーの大半は熱エネルギーで供給されるため、熱に変換したエネルギー、特に、核分裂エネルギーを効率よく利用できる。さらに、ジメチルエーテルは低温で水蒸気改質できるため、軽水炉や高速増殖炉や高温ガス炉の熱源、特に、低温熱源を利用して水素製造を行うことができる。ジメチルエーテルは、中小ガス田・炭層ガスおよびCO2含有量の多い大規模ガス田で、メタンから製造する。大規模ガス田では、天然ガスを圧縮・冷却して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船で輸送したり、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では、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。
【００１４】
まず、水素製造システムの参考例を図面を参照して説明する。
図１は、水素製造システムの第１の参考例を示す構成図である。ガス入口部１１から天然ガス等を導入し、天然ガス等の成分であるメタン等水素含有化合物１２等を、核分裂等による熱を利用して、加熱部１３で加熱する。加熱には、原子力発電システム等で発電した電力を利用したヒーターを用いることもできる。加熱部の下流側の熱分解部１４には金属等から成る充填材１５が充填されており、メタンが熱分解部を通過する場合、例えば、500℃あれば炭素と水素に分解し、生成した水素はガス出口部１６から取り出される。また、原子炉では、熱を輸送する冷却材の出口温度をガス炉では950℃にしたり、高速増殖炉では650℃にすることが可能である。ガス炉では発電をした後の冷却ガスの出口温度を650℃にしたりできる。
【００１５】
このようなシステムでは、二酸化炭素 の発生もない。また、水素等の製造に必要なエネルギーの大半は熱エネルギーで供給され電気に変換する必要がなく、熱に変換した核分裂エネルギー等がそのまま利用できるため、エネルギーの利用効率を上げることが可能である。
【００１６】
図２は、水素製造システムの第２の参考例を示す構成図で、原子炉２１として、冷却材２２にヘリウムガスを使ったガス炉を用い、原子炉出口２３の温度を950℃とし、水素ガス製造システム２４のガス入口部１１から導入したメタン等水素含有化合物１２を含む天然ガスを、加熱部１３で950℃まで昇温する。ガス導入部に、天然ガス等を深冷法等で液化し、メタン等を分離するシステム（図示せず）を具備してもよい。メタン等の昇温過程では、さらにヒーター（図示せず）で熱することにより、1000℃やそれ以上まで上昇させることもできる。
【００１７】
次に、充填材１５を充填した熱分解部１４に天然ガスを導き、天然ガスの成分であるメタンを炭素と水素に分解する。充填する材料は、ニッケルの他、鉄、コバルト等であっても、ニッケル、鉄、コバルト等をシリカやチタニア、グラファイト等で担持したもの等であってもよい。
【００１８】
メタンの分解によって生成した水素は、ガス出口１６から取り出す。このガス出口へ水素ガスを取り出す場合、ニッケル製の水素透過膜（図示せず）を通せば純粋水素を取り出すことができる。水素透過膜の材料は、パラジウム、窒化ケイ素やそれ以外の材料から成る水素透過膜であってもよい。また、水素透過膜での水素透過速度を上げるには、透過膜の外側にポンプやランタン−ニッケル系の水素吸蔵材を使うことができる。水素吸蔵材は、チタン系等の材料であってもよい。
【００１９】
このシステムでは、二酸化炭素を発生することなく天然ガスから水素を製造することができ、天然ガスを有効に利用できる。水の電気分解では電気分解に必要なコストの大半は電力で、現在の原子力発電システムでは、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、この電力を利用した水の電気分解では電気分解の効率が100％であっても核分裂エネルギーを30数％しか利用できない。一方、本システムでは、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、核分裂エネルギーを効率よく利用できる。
【００２０】
図２に示す水素製造システムの第３の参考例では、原子炉２１として、冷却材２２にナトリウム等の液体金属を使った高速増殖炉を用い、原子炉出口２３の温度を650℃とし、水素ガス製造システム２４のガス入口部１１から導入したメタン等水素含有化合物１２を含む天然ガスを、加熱部１３で 950℃まで昇温する。ガス導入部に、天然ガス等を深冷法等で液化し、メタン等を分離するシステム（図示せず）を具備してもよい。メタン等の昇温過程では、さらにヒーター（図示せず）で熱することにより、1000℃やそれ以上まで上昇させることもできる。
【００２１】
次に、充填材１５を充填した熱分解部１４に天然ガスを導き、天然ガスの成分であるメタンを炭素と水素に分解する。充填する材料は、ニッケルの他、鉄、コバルト等であっても、ニッケル、鉄、コバルト等をシリカやチタニア、グラファイト等で担持したもの等であってもよい。
【００２２】
メタンの分解によって生成した水素は、ガス出口１６から取り出す。このガス出口へ水素ガスを取り出す場合、ニッケル製の水素透過膜（図示せず）を通せば純粋水素を取り出すことができる。水素透過膜の材料は、パラジウム、窒化ケイ素やそれ以外の材料から成る水素透過膜であってもよい。また、水素透過膜での水素透過速度を上げるには、透過膜の外側にポンプやランタン−ニッケル系の水素吸蔵材を使うことができる。水素吸蔵材は、チタン系等の材料であってもよい。
【００２３】
このシステムでは、二酸化炭素を発生することなく天然ガスから水素を製造することができ、天然ガスを有効に利用できる。水の電気分解では電気分解に必要なコストの大半は電力で、現在の原子力発電システムでは、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、水の電気分解では核分裂エネルギーを30数％しか利用できない。一方、本システムでは、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、核分裂エネルギーを効率よく利用できる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
図３は、本発明による水素製造システムの実施の形態の構成図である。この水素製造システムでは、軽水炉３１で発生した約285℃の水蒸気は、熱供給系３２から水蒸気改質器３３へ供給される。また、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３４から熱交換器３５を通して水蒸気改質器３３へ供給され、約285℃まで昇温される。また、改質器には、Cu-Znで例示される改質触媒が充填されている。このような構成であれば、ジメチルエーテルは70気圧より低圧にすることにより気化しやすくなり、次式で表される水蒸気改質反応
CH3OCH3 + ３H2O → ６H2 + ２CO2
で高い改質が起こり、水素とCO2が生成される。水素やCO2といった反応生成物は、熱交換器３５を通して反応物回収系３６から取り出すことができる。
【００２５】
水素とCO2の分離は、ゼオライトで例示されるCO2吸蔵材でCO2を選択的に吸蔵したり、La-Ni系合金で例示される水素吸蔵材で選択的に吸蔵したり、パラジウムで例示される水素透過膜で水素を透過させることにより、行うことができる（図示せず）。
【００２６】
このシステムでは、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、天然ガスを有効に利用できる。水の電気分解では電気分解に必要なコストの大半は電力で、現在の原子力発電システムでは、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、水の電気分解では核分裂エネルギーを30数％しか利用できない。一方、本システムでは、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、核分裂エネルギーを効率よく利用できる。
【００２７】
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で水素製造が可能で、熱エネルギーの高効率利用と化学エネルギー貯蔵ができる。尚、本発明は軽水炉に限定されるものではなく、高速増殖炉や高温ガス炉にも適用できる。
【００２８】
ところで、ジメチルエーテルは加圧（約６ata）により常温で液化し貯蔵・運搬が容易である。受け入れ設備が簡単で受け入れコストはＬＮＧと同等またはそれ以下となると予想されている。現在、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注目されているとともに、将来の水素輸送媒体となりうる。特にジメチルエーテルの改質条件は300℃程度と緩和であり、原子力と組み合わせるには安全上非常に有利である。ジメチルエーテル（ＤＭＥ）の利用は下記のようなフローで表される。
中小ガス田や炭層の天然ガス→（CH4改質）→H2，CO→（ＤＭＥ合成）→ＤＭＥ→（液化タンカー輸送、貯蔵）→（ＤＭＥ改質）→H2+CO2（回収）
つまり、中小ガス田や炭層の天然ガスの改質反応は、
CH4+H2O = CO + 3H2
CH4+CO2 = 2CO + 3H2
で表わされ、生成されたCOと水素からジメチルエーテルを以下の反応で合成する。
2CO + 4H2 = CH3OCH3 + H2O
3CO + 6H2 = CH3OCH3 + CO2
このジメチルエーテルを一定圧にした通常タンカーや液化タンカーで輸送し、ジメチルエーテルを水蒸気改質する。最後に発生した水素とCO2を分離し、水素を回収する。
【００２９】
【発明の効果】
以上述べてきたように、本発明の水素等製造システムでは、熱に変換した核分裂エネルギーを利用して天然ガス等の成分であるメタンを炭素と水素に分解することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  原子炉を利用した水素製造システムの第１の参考例を示す構成図。
【図２】  原子炉を利用した水素製造システムの第２、第３の参考例を示す構成図。
【図３】  原子炉を利用した本発明の水素製造システムの実施の形態を示す構成図。
【図４】  一般的な水の電気分解システムを示す構成図。
【符号の説明】
１…電解質、２…陽極、３…陰極、４…酸素捕集部、５…酸素取り出し口、６…水素捕集部、７…水素取り出し口、１１…ガス入口部、１２…メタン等水素含有化合物、１３…加熱部、１４…熱分解部、１５…充填材、１６…ガス出口部、２１…原子炉、２２…冷却材、２３…原子炉出口、２４…水素ガス等製造システム、３１…軽水炉、３２…熱供給系、３３…水蒸気改質器、３４…燃料供給装置、３５…熱交換器、３６…反応物回収系。
【図１】
0003964657.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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