JP2006307290A - 水素製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 水蒸気を電気分解して水素を製造する方法において、日本の現状の発電施設に用いられている比較的低温の熱源を利用して、水素転換効率を35％以上に向上させる水素製造方法を提供すること。
【解決手段】 タービン(2)を回転させる熱源(1)の冷却剤の一部を水蒸気発生装置(4)に導いて、その熱エネルギーにより発生した水蒸気を第１加熱手段(6)で昇温させ、続けて第２加熱手段(7)で電気エネルギーにより昇温させ、水蒸気電解装置(8)に導入して水素を生成し、この水素及び未反応の水蒸気の混合ガスが有する熱エネルギーが第１加熱手段(6)に供給され、熱エネルギーを奪われた前記混合ガスから水素が水素分離膜(5)で分離され、残留した未反応の水蒸気を、水蒸気発生装置(4)で発生した水蒸気に合流させて第１加熱手段(6)に導いて再昇温させることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、水を原料とする水素の製造方法に係り、特に、原子炉等の熱源で発生する熱エネルギーを利用する水素製造方法に関する。

水から水素を製造する方法には大きく、電気分解法と、熱化学法に分けられる。
電気分解法は、電気のみを利用するアルカリ水溶液電解法および固体高分子電解質電解法（以下、ＰＥＭ電解）や、1100K程度の高温ガス炉の熱と電気を併用する方法がある。（例えば、非特許文献１、２参照）

前記したＰＥＭ電解を実施する場合、水の電気分解反応は、次の反応式（１）で示される。この反応に必要な全エネルギーはエンタルピー△Ｈであり、水素１モルあたり約285kJである。エンタルピーは自由エネルギー△Ｇと、熱エネルギー△Ｑにより供給される必要があり、電気分解では電気エネルギーとして△Ｇが供給され、△Ｑは通常は電気分解の効率が100％以下であることに起因するジュール熱で供給される。

Ｈ₂Ｏ（液体） → Ｈ₂（気体）＋ 0.5Ｏ₂（気体） （反応式１）

この△Ｇと△Ｑの値は温度により異なり、室温付近では△Ｇは約240kJ/mol、△Ｑは約46kJ/molである。一方、1100Kでは△Ｇは約200kJ/mol、△Ｑは約85kJ/molである。ＰＥＭ電解の効率は82.6％であるから、室温付近では約290kJの電気エネルギーを消費され、そのうち240kJ/molが△Ｇとして電気分解に使われ45kJが△Ｑとして使われ、残りの5kJが電力ロスとなる。

総括すると、電気エネルギー290kJに対し化学反応エネルギー285kJが得られ、エネルギー転換効率は98％と非常に高い。また、原子炉（軽水炉等）の発電効率を35％と考えると、熱源からのエネルギー転換効率は98％×35％ = 34％となり、ほぼ理想状態と考えられている。ちなみに非特許文献１によればアルカリ水溶液電解では電解効率が低く、消費電力が12％程度大きくなるとされている。すなわちエネルギー転換効率は34％/(112％) = 30％である。

一方、前記した1100K程度の高温ガス炉の熱と電気を併用する方法は、ガス炉等の高温熱源を利用して約1100Kの水蒸気を生成し、酸素イオン伝導性の固体電解質で水蒸気を電気分解する方法である。この方法によれば、△Ｇは電気エネルギーにより与えられ、△Ｑは水蒸気の熱、すなわち高温ガス炉の熱により与えられる。
この方法で、電気エネルギー200kJを生成するのに必要な熱エネルギーは、発電効率を35％と考えると、約570kJである。そして、高温ガス炉から水蒸気に直接与えられる熱量が85kJであるとすると、約655kJの熱エネルギーが285kJの化学エネルギーに変わることになる。1100K程度の高温ガス炉の熱と電気を併用する方法によれば、エネルギー転換効率は約44％となり、ＰＥＭ電解法の34％に比べて格段に効率が優れている。また、高温ガス炉での発電効率が、45％程度になるという予想を用いれば、エネルギー転換効率は54％に達する。

燃料電池 VOL4 No１ p65 Proceedings of ICAPP'04（Pittsburgh，PA USA）2004,paper4322,P2122-2131

前記した水素製造方法において、高温で反応をすすめるほど、△Ｇが減少し△Ｑが増加するため、熱源の直接利用に有利となり水素転換効率が向上するものである。
一方、日本において発電用の原子炉は軽水炉であり、その熱源温度は600K程度の低温である。そこで、発電した電気により約1100Kまで水蒸気を再加熱することが考えられる。しかし、これでは△Ｑを電気的に与えることとなり、その水素転換効率は次式（２）となり、発電効率が水素転換効率の上限となってしまう。

水素転換効率 ＝ 285／(200ｋＪ/(発電効率) ＋ 85ｋＪ/(発電効率))＝発電効率…（２）

このため、日本において水素を製造するための熱源として原子力発電や火力発電を利用する場合は、ＰＥＭ電解かアルカリ水溶液電解法しか利用できず、その水素転換効率の考えられている上限が35％と低いことが課題である。
本発明はこのような課題を解決するために創案されたものであり、水蒸気を電気分解して水素を製造する方法において、日本の現状の発電施設に用いられている比較的低温の熱源を利用して、水素転換効率を向上させる水素製造方法を提供することを目的とするものである。

そこで、前記した課題を解決するため本発明者らは鋭意考察の末、酸素イオン又は水素イオンが伝導する固体電解質を動作させて水蒸気を電気分解する水蒸気電解装置により水素を製造する水素製造方法において、原子炉や火力発電等の熱源やタービンの廃熱を用いて水蒸気を発生させる水蒸気発生段階と、前記水蒸気を前記固体電解質が動作する900K以上の温度に昇温する昇温段階と、900K以上に昇温した前記水蒸気を前記水蒸気電解装置に導いて前記水素を生成させる水素生成段階と、を課題を解決するための手段として含むことを特徴とする発明をなすに到った。

こうような構成を有することにより、固体電解質を用いた水蒸気の電解反応を、熱源からの熱エネルギーにより気化する段階と、気化した水蒸気を電気分解が可能な温度に昇温する段階とに分割して行うことが可能になる。これにより、エネルギーの水素転換効率を高めることができる。
さらに、水素を製造するための熱源として、原子炉（熱源）で生成した水蒸気を直接利用するのでなく、タービンを経由した後の下流側等の廃熱を利用すれば、原子炉（熱源）は、水素の製造用に別個に熱を奪われることがないので、さらに高い水素転換効率が達成される。

本発明によれば、比較的低温の熱源を用いて、水素転換効率を向上させることが可能な、水素を水の電気分解により製造する水素製造方法が提供される。

まず、本発明の構成を説明するのに先立って、本発明の原理及び得られる効果の概要を、熱力学的観点より説明する。
本発明では、固体電解質を用いた水蒸気の反応を、前記した反応式１ではなく以下の二つの反応に分割することが可能である。

Ｈ₂Ｏ（液体） → Ｈ₂Ｏ（気体） （反応式２）
Ｈ₂Ｏ（気体） → Ｈ₂（気体）＋0.5Ｏ₂（気体） （反応式３）

ここで、反応式２に必要な熱エネルギー△Ｑ１は、約45kJであり△Ｑの半分以上を占めるものであるが軽水炉や火力発電用の600K以下の熱源によって反応を完結させることが可能である。その熱源により低温の水蒸気を生成した後に、この水蒸気に電気加熱により熱を与えて1100Kまで上昇させれば、前記した熱化学法による固体電解質を用いた水蒸気の反応を行なうことができる。この場合の電気エネルギーは、285kJから△Ｑ１の分を差し引いた240kJでよい。一方、熱源から直接に得る熱エネルギーは△Ｑ１は45kJである。
従って、熱エネルギーの水素転換効率は、次式（３）で示すように、約39％になり、比較的低温の熱源を用いて電気分解による水素製造効率の上限と考えられていた35%を超えることができる。

また、水素を製造するための熱源として、原子炉で生成した水蒸気を直接利用するのでなく、タービンを経由した後の下流側等の廃熱を利用してもよい。この場合、原子炉は、水素の製造用に別個に熱を奪われることがないので、水素を製造するために消費されるエネルギーは電気エネルギーの240kJのみになる。この場合、次式（４）に示されるように熱エネルギーの水素転換効率を約42%に到達させることができる。すなわち、前記した1100K程度の高温ガス炉により達成される水素転換効率44%に近い成果が得られる。

転換効率＝285kJ/(240/0.35+45）＝0.39 （３）
転換効率＝285kJ/(240/0.35）＝0.42 （４）

（第1実施形態）
以下、本発明に係る水素製造方法の第１実施形態について図１と表１、２を参照して説明する。なお、本実施形態で例示されている温度は熱力学的な計算が分かりやすくなるように、きりのよい絶対温度の値で示されているが、本発明はこのように示されている温度に制約されるものではない。

図１に示すように、本発明の第１実施形態に係る水素製造方法を実現させる水素製造システム２０Ａは、原子炉（熱源）１、タービン・発電機２、冷却器（復水器）３、水蒸気発生装置４、水素分離膜５、熱交換器（第１加熱手段）６、電熱器（第２加熱手段）７、水蒸気電解装置８、水蒸気加熱用電気ライン９、電気分解用電気ライン１０、電力供給ライン１１及び図示しないガス配管類からなる。

原子炉（熱源）１は、たとえば軽水炉である。この原子炉１では熱源のエネルギーにより冷却剤（水）を気化させて600K程度の水蒸気を発生させる。
タービン・発電機２は、原子炉１で発生した水蒸気の大部分が送られて、熱エネルギーを電気に転換し、電力を電力供給ライン１１に出力するものである。
冷却器３は、タービン・発電機２から排出される水蒸気を海水等で冷却して原子炉に戻すものである。この冷却器３において冷却された水蒸気が凝結して水（冷却剤）に戻る際の圧縮力により、この冷却剤が、原子炉１及びタービン・発電機２との間を循環する動力を得ることとなる。

水蒸気発生装置４は、原子炉１で気化させた冷却剤（水蒸気）の一部を取り込んで、そこで別個に供給される液体の水を気化させて400K程度の水蒸気を発生させるものである。この水蒸気発生装置４に送り込まれた気化した冷却剤（水蒸気）は、液体の水を熱エネルギーにより気化させたのち、元のループに戻されてタービン・発電機２に送られることになる。このように、原子炉１を循環する冷却剤の熱エネルギーのみを利用して新たに水蒸気を発生させることにより、万が一、放射能汚染物質が冷却剤に混入したとしても、水蒸気発生装置４より下流側にこの放射能汚染物質が拡散することがない。また、図１中、循環する冷却剤（水蒸気）は、原子炉１とタービン・発電機２とを結ぶ主ループから分岐されて水蒸気発生装置４に導入されるが、この導入される冷却剤（水蒸気）は、主ループを循環するもののうち一部であったり全部であったりする。

水素分離膜５は、後記する水蒸気電解装置８で生成され後記する熱交換器６の冷却側６ａを経由して送られてきた水素と未反応の水蒸気との混合ガスを取り込んで、両者を分離するものである。そして、分離された一方の水素は、図示しない貯蔵タンクに貯蔵され、分離された他方の未反応の水蒸気は、水蒸気発生装置４で生成した水蒸気に合流することになる。
熱交換器（第１加熱手段）６は、冷却側６ａと加熱側６ｂから構成される。熱交換器６は、後記する水蒸気電解装置８で生成した水素と未反応の水蒸気との混合ガス、及び排出される酸素を導入して冷却側６ａを通過させることによりこれらから熱エネルギーを回収するものである。そして、熱交換器６は、水蒸気発生装置４及び水素分離膜５からの水蒸気を加熱側６ｂに通過させて、回収した熱エネルギーをこの水蒸気に供給して昇温するものである。この熱交換器６の加熱側６ｂを通過した水蒸気は、900K程度まで昇温される。

電熱器（第２加熱手段）７は、熱交換器６を通過した水蒸気をさらに加熱して1100Kまで昇温させるものである。この電熱器７において水蒸気を昇温するためのエネルギーは、電力供給ライン１１から水蒸気加熱用電気ライン９を経由して供給される電力である。
水蒸気電解装置８は、酸素イオン又は水素イオンが伝導する固体電解質により形成され、1100Kまで昇温された水蒸気を陰極に取り込んでこれを電気分解するものである。この電解反応により、陰極で次に示す反応式４、陽極で反応式５の反応が進行し、水蒸気中に水素（Ｈ₂）が発生し、陽極室で酸素（Ｏ₂）が発生することになる。なお、この電解反応に用いられるエネルギーは、電力供給ライン１１から電気分解用電気ライン１０を経由して供給される電力である。

Ｈ₂Ｏ ＋ ２ｅ^- → Ｈ₂ ＋ Ｏ^2- （反応式４）
Ｏ^2- → 0.5Ｏ₂ ＋ ｅ^- （反応式５）

次に電解反応により生成した気体（水素及び酸素）及び未反応の水蒸気のその後について述べると、水蒸気電解装置８では、電解反応に必要な熱エネルギーが吸収されるため、電解反応後におけるこれら気体の温度は、1100Kから900Kに低下する。この900Kまで低下した気体（水素と未反応の水蒸気との混合ガス、及び酸素ガス）は、熱交換器６の冷却側６ａに送られてそこで熱エネルギーが奪われて、さらに400Kまで冷却される。また、400Kに冷却された水素と未反応の水蒸気との混合ガスは、水素分離膜５により水素が分離される。
そして、水素分離膜５を通過した未反応の水蒸気は、電解反応で消費された分の水蒸気が水蒸気発生装置４から補充されて、熱交換器６の加熱側６ｂに送られた後、900Kまで再び昇温される。

以下、第１実施形態による熱エネルギーの水素への転換比率が、ＰＥＭ電解を用いた電気分解の場合より大きいことを検証する。
既に述べたように、ＰＥＭ電解の効率は82.6%であるから、室温付近では約290kJの電気エネルギーが消費され、そのうち240kJ/molが△Ｇとして電気分解に使われ、45kJが△Ｑとして使われ、残りの5kJが電力ロスとなる。総括すると、電気エネルギー290kJに対し化学反応エネルギー285kJが得られ、エネルギー転換効率は98%と非常に高い。

また、原子炉（軽水炉等）の発電効率を35%と考えると、熱源からのエネルギー転換効率は98%×35% = 34% となる。ここでは軽水炉等の発電効率を35%として、第１実施形態におけるエネルギー転換効率を計算する。
元になるデータとして、水、水素、酸素のエンタルピーと自由エネルギーを表１に示す。これらの値はI.Barin,O.Knache"Thermodynamic properties of inorganic substances“(1973,Springer-Verlag Berlin）に示されている値である。ただし、原書ではエネルギー単位がkcalになっていたので、kJに換算してある。

次に、第１実施形態のエネルギー収支を表２に示す。ここでは、エネルギー転換の開始を電熱器７の入り口とする。この入り口では900Kの温度の、１モルの水蒸気があり、酸素も水素もまだ生成していない。この気体のエンタルピーは900KのＨ₂Ｏ（気体）の１モルの値なので、-220.79kJである。電熱器７により水蒸気を1100Kまで加熱すると、その1100Kの水蒸気のエンタルピーは-212.63kJであるから、加熱に必要な電気エネルギーは8.16kJである。そして、水蒸気電解装置８では電気エネルギーにより水蒸気の一部が水素と酸素に分離され、必要な熱エネルギーが吸収されて気体温度が1100Kから900Kに低下する。水蒸気が水素に転換される割合は以下のように考えればよい。

すなわち、900Kで１モルの水蒸気が水素に転換されるのに必要な熱エネルギーＱ１は表１の「エンタルピーと自由エネルギーの差」の900Kの欄にある数値、49.00kＪである。水蒸気電解装置８で水蒸気が1100Kから900Kまで低下する際の熱量変化は8.16kJであるから、水素転換された割合は8.16/49.00=0.167である。
したがって、水蒸気電解装置８の出口における水蒸気、酸素、水素のモル数はそれぞれ、0.833、0.084、0.167となる、この混合気体のエンタルピーを表１の900Kの欄の値を用いて計算すると、-179.45kJとなる。これより、水蒸気電解装置８の入り口のエンタルピーに比べて収支で約33.17kJエネルギーが増加しているといえる。

一方、0.167モルの水蒸気を電気分解するのに必要な電気エネルギーは、自由エネルギー変化に等しい。この値は表１の水蒸気生成反応の自由エネルギー変化900Kの欄の符号を逆転させた値に0.167（正確には0.1666）を掛ければよく33.17kJである。すなわち、電解装置で消費される電気エネルギーは33.17kJである。
そして、生成した水素、酸素および残りの水蒸気は熱交換器６の冷却側６ａに送られ、900Kから400Kに冷却される場合についてみると、表２の熱交換器冷却側の収支の欄にあるように、この過程で19.27kJの熱エネルギーが冷却側６ａから加熱側６ｂへ送られる。

次に、冷却した未反応の水蒸気と水素との混合ガスから水素分離膜５を利用して水素が分離される。残留した未反応の水蒸気は0.833モルしかないので、反応して消費された0.167モル（正確には0.1666モル）の水蒸気が水蒸気発生装置４から送られてくる。この水蒸気発生装置４で必要な熱エネルギーは原子炉１とタービン・発電機２を循環する水蒸気（気化した冷却剤）から得られ、その値は0.167モルの水の蒸発熱と、400Kまで加熱するのに必要なエネルギー7.80kJである。
この水蒸気発生装置４から補充された１モルの水蒸気は熱交換器６の加熱側６ｂに送られる。この熱交換器６では冷却側６ａから加熱側６ｂに19.27kJの熱が移動するが、１モルの水蒸気を400Kから900Kへ昇温するのに必要なエネルギーは、表２の熱交換器加熱側の欄にあるように18.55kJであるから、0.72kJだけ熱が余剰になる。この熱は熱交換の効率の補償に用いることができる。この900Kの水蒸気は再び、電熱器７に導かれて再加熱される。

以上の水蒸気のサイクルの収支を求めると、電気エネルギーは電熱器７で使用した8.16kJと水蒸気電解装置８で使用した33.17kJである。合計は41.33kJとなる。また、原子炉（軽水炉）１の熱源を利用して400Kの水蒸気を発生させるため7.80kJのエネルギーを供給している。電気エネルギーの転換効率を35%とすると、電気エネルギーを生成するのに用いた軽水炉のエネルギーは118.09kJである。これに7.8kJを加えた125.89kJが軽水炉から提供された全エネルギーとなる。

回収された水素は0.167モルなのでその発熱量は285×0.167＝47.60kJ、効率は47.60/125.89=0.38となる。
この値は先に示したＰＥＭ電解の値34%を4%上回っている。アルカリ水電解の効率30%に対してＰＥＭ電解は4%効率が高いが、第１実施形態の方法はさらに4%効率が高い。すなわち第１実施形態に係る水素製造方法のＰＥＭ電解に対する優位性は、ＰＥＭ電解のアルカリ水電解に対する優位性と同程度であり、ＰＥＭ電解より一世代進んだ方法といえる。

以上のように第１実施形態によれば軽水炉などの600K程度の熱源をもつ発電施設を用いて電気分解による水素製造効率を35%以上に増加することができる。なお第１実施形態では熱源として原子力発電所を用いたが、水蒸気を生成できる400K程度の熱源があればよく、たとえば火力発電所でも、地熱発電所でもよい。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態につき、以下図２を用いて説明する。
図２に示すように第２実施形態に係る水素製造方法に用いられる水素製造システム２０Ｂは、第１実施形態（図１参照）では原子炉１から供給される高温の水蒸気を直接に水蒸気発生装置４へ熱供給していた構成を、タービン・発電機２から排気される水蒸気を冷却器３に戻る前に水蒸気発生装置４に導いて熱供給を行なう構成に変更したものである。

第２実施形態に係る水素製造方法によれば、表１における水蒸気発生装置熱への熱供給は原子炉１から供給される熱ではなく、タービン・発電機２から戻ってくる廃熱を利用することになる。このため水素製造のために原子炉１から供給される熱エネルギーは発電効率を35%とすると118.9kJとなり、水素への熱エネルギーの転換効率は40%となる。なお、第２実施形態に係る水素製造方法では、水蒸気発生装置４へ熱が供給される分だけ冷却器３の冷却能力を変化させて、原子炉１へ戻る冷却剤の温度が変動しないようにする必要がある。

以上のように第２実施形態によれば原子炉１などのタービン・発電機２の廃熱の熱エネルギーを用いて水素の製造効率を35%以上に増加することができる。なお第２実施形態では熱源として原子力発電所を用いたが、発電用タービンの廃熱の温度が水蒸気を生成できる400K程度の熱源があればよく、たとえば火力発電所でも、地熱発電所でもよい。または減速剤として重水を用いる原子炉でもよい。

（第３実施形態）
本発明の第３実施形態につき、以下図３を用いて説明する。
図３に示すように、第３実施形態に係る水素製造方法に用いられる水素製造システム２０Ｃは、第１実施形態（図１参照）において設けられている電熱器７を省略し、水蒸気電解装置８´にヒータを導入して一体化した構成をとる。第１実施形態では水蒸気を一度電熱器７で900Kから1100Kに加熱してから水蒸気電解装置８に供給したが、第３実施形態では蒸気は900Kのまま蒸気電解装置８´に供給し、内部に設けられたヒータにより、電解反応に必要な熱エネルギーの供給を行なう。

第３実施形態によれば、第１実施形態では一回の水蒸気のサイクルで生成する水素の比率は0.167であったのに対し、水蒸気電解装置８´のヒータ電力を増加させることで、生成する水素の比率を増加させることも、減少させることもできる。このため、通常の電力供給ライン１１への電力供給と水素製造のための電力供給を自由に変更できるという利点をもつ。ただし、水蒸気電解装置８のヒータ電力と水素発生量、電解電力、蒸気発生熱量はすべて比例するので、水素への熱エネルギーの転換効率は第１実施形態の場合と同じく38%になる。なお、第２実施形態のようにタービン・発電機２から冷却器３につながる蒸気配管の排気の熱を用いて水蒸気発生装置４に熱供給を行なう構成に変更してもよく、その場合の水素への熱エネルギーの転換効率は40%である。

以上のように第３実施形態によれば原子炉１などの熱エネルギーと発電施設とを用いて電気分解による水素製造効率を35%以上に増加することができる。なお第３実施形態では熱源として原子力発電所を用いたが、発電用タービンの廃熱の温度が水蒸気を生成できる400K程度の熱源があればよく、たとえば火力発電所でも、地熱発電所でもよい。または重水を用いる原子炉でもよい。また第３実施形態における特有の効果として、通常の電力ライン１１への電力供給と水素製造のための電力供給を自由に変更できるという利点をもつ。

（第４実施形態）
本発明の第４実施形態につき、以下図４を用いて説明する。
図４の構成は熱源１２、水蒸気発生装置４、水素分離膜５、熱交換器６、電熱器７、水蒸気電解装置８、電熱器用電気ライン９、電気分解用電気ライン１０、電力供給ライン１１、および、ガス配管類からなる。なお、これらのうち同じ符号を付された前出のものについては、同一の機能を有するものであり、説明を省略する。

熱源１２は、例えば、原子炉から回収された放射性同位体の集合体であって、その崩壊熱により発熱する使用済核燃料である。そして、この発熱を、この熱源１２と水蒸気発生装置４とを循環する冷却剤（水蒸気、または高温の気体）を経由して水蒸気発生装置４に供給する。そして、電力供給ライン１２は第１〜第３実施形態では発電所から外部へ電力を供給するラインであったが、第４実施形態では逆に、外部の発電所から電力供給を受けるラインである。熱源１２を出発した高温の冷却剤（蒸気または高温のガス）は、水蒸気発生装置４に送られ、ここで別個に供給される液体の水を400K程度の水蒸気としたのち、熱源１２に再び戻される。

以降のプロセスは、第１実施形態の場合と同じであって、水蒸気発生装置４で発生した水蒸気は、水素分離膜５で分離された未反応の水蒸気と合流して熱交換器６の加熱側６ａに送られる。この合流後の水蒸気は熱交換器６で、900K程度に加熱されたのち、電熱器７により1100Kに昇温される。この1100Kの水蒸気は固体電解質を用いた水蒸気電解装置８の陰極室に送られ、電気分解される。この場合、陰極で前記した反応式４、陽極で反応式５の反応が進行し、水蒸気中に水素が発生し、陽極室で酸素が発生する。

このとき、反応に必要な熱エネルギーが吸収されるため、反応後の気体（水素、酸素）及び未反応の水蒸気の温度は900Kに低下する。水蒸気電解装置８の陰極室で発生した水素及び未反応の水蒸気は、熱交換器６の冷却側６ａに送られ400Kに冷却される。また水蒸気電解装置８の陽極室で生成した酸素も熱交換器６の冷却側６ａに送られ400Kに冷却される。そして、400Kに冷却された水素及び未反応の水蒸気は水素分離膜５により水素が分離される。次に、電気分解により消費された分の水蒸気が、水蒸気発生装置４から送られて未反応の水蒸気に補充されて加熱側６ｂに送られる。発電所の熱エネルギーから水素が生成される効率として評価した場合、その転換効率は第２実施形態の場合と同一になり、40%である。

（第５実施形態）
本発明の第５実施形態につき、以下図３を用いて説明する。
第５実施形態に係る水素製造方法では、水素の製造速度を本来の使用より小さく運用する方法である。このような場合は、熱交換器６の効率が低下し、加熱側６ｂの出口の水蒸気温度が固体電解質が動作する温度に達しない場合がある。このような場合には水蒸気電解装置８´の保温用ヒータの出力を増加させる。
すなわち、水蒸気を前記固体電解質に導いて水蒸気を電気分解する際に、水蒸気の温度を固体電解質の動作温度である900K程度までに加温するとともに、固体電解質を電気加熱して電気分解に伴う熱吸収による水蒸気の温度低下を防止する。この第５実施形態によれば水蒸気の温度が固体電解質の動作温度に達しない場合でも水蒸気電気分解が可能になるという、特有の効果が導かれる。

（第６実施形態）
本発明の第６実施形態につき、以下図５を用いて説明する。
図５に示すように、第６実施形態に係る水素製造方法に用いられる水素製造システム２０Ｅは、第１実施形態に示した水素製造システム２０Ａと対比して、水素と水蒸気を分離する水素分離膜５´の配置を熱交換器６の下流側から上流側に移転させたものである。
このような構成を有することにより、水蒸気電解装置８で水蒸気が電解された後に送出される水素を含む水蒸気は、900Kの高温のまま水素分離膜５´に導入され、水素と水蒸気とに分離される。

そして、分離された900Kの未反応の水蒸気は、熱交換器６の加熱側６ｂから送出される水蒸気と合流し、電熱器７に送られる。一方、分離された900Kの水素は、吸熱側６ａに送られ熱エネルギーが回収されて、熱交換器６の加熱側６ｂにこの熱エネルギーが供給される。また水蒸気電解装置８から排出される900Kの酸素も吸熱側６ａに送られて、熱エネルギーが回収されて熱交換器６の加熱側６ｂにこの熱エネルギーが供給される。
そして、水蒸気発生装置４で発生した水蒸気は、熱交換器６の加熱側６ｂを通過する際に熱エネルギーの供給を受けて（酸素及び水素と熱交換して）900Kまで昇温し、その後、前記したように、水素分離膜５´で水素が分離された未反応の水蒸気に補充される。第６実施形態によれば、高温（900K）の水蒸気が熱交換器６を経由せずに、水蒸気電解装置８（及び電熱器７）を循環し、水素として消費された分の水蒸気が熱交換器６の発熱側６ｂを経由して補充されることとなる。これにより、熱交換器６の容量を小さくすることができる特有の利点が得られる。
なお、第６実施形態は、図５で示される水素製造システム２０Ｅに限定されることなく、例えば、図４で示される水素製造システム２０Ｄを同様に変形して適用させることもできる。

以上のように、本発明によれば、日本の発電施設の現状に適合するような、比較的低温の熱源を用いて電気分解による水素製造効率を35%以上に増加する方法を与えることができる。

本発明の第１実施形態に係る水素製造システムを示す全体構成図である。 本発明の第２，５実施形態に係る水素製造システムを示す全体構成図である。 本発明の第３実施形態に係る水素製造システムを示す全体構成図である。 本発明の第４実施形態に係る水素製造システムを示す全体構成図である。 本発明の第６実施形態に係る水素製造システムを示す全体構成図である。

符号の説明

１ 原子炉（熱源）
２ タービン・発電機
３ 冷却器
４ 水蒸気発生装置
５ 水素分離膜
６ 熱交換器(第１加熱手段)
７ 電熱器(第２加熱手段)
８ 水蒸気電解装置
１２ 熱源
２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄ，２０Ｅ 水素製造システム

Claims (8)

1. 酸素イオン又は水素イオンが伝導する固体電解質を動作させて水蒸気を電気分解する水蒸気電解装置により水素を製造する水素製造方法において、
   原子炉や火力発電等の熱源やタービンの廃熱を用いて水蒸気を発生させる水蒸気発生段階と、
   前記水蒸気を前記固体電解質が動作する900K以上の温度に昇温する昇温段階と、
   900K以上に昇温した前記水蒸気を前記水蒸気電解装置に導いて前記水素を生成させる水素生成段階と、を含むことを特徴とする水素製造方法。
2. 酸素イオン又は水素イオンが伝導する固体電解質を動作させて水蒸気を電気分解する水蒸気電解装置により水素を製造する水素製造方法において、
   熱源の冷却剤を循環させることによりタービンを回転させて発電する発電段階と、
   循環する前記冷却剤の一部又は全部を水蒸気発生装置に導いて、その熱エネルギーにより水蒸気を発生させる水蒸気発生段階と、
   発生した前記水蒸気を第１加熱手段に導いて昇温させる第１昇温段階と、
   前記第１加熱手段により昇温された前記水蒸気を第２加熱手段に導いて、電気エネルギーにより、前記固体電解質が動作する温度まで昇温させる第２昇温段階と、
   昇温した前記水蒸気を前記水蒸気電解装置に導いて電解反応させて生成した前記水素及び未反応の水蒸気からなる混合ガスが送出される水素生成段階と、
   少なくとも前記混合ガスが前記第１加熱手段に導かれ、その熱エネルギーがこの第１加熱手段に回収される熱回収段階と、
   熱エネルギーを奪われた前記混合ガスが水素分離膜に導かれて前記水素が分離される水素分離段階と、
   前記混合ガスに残留する前記未反応の水蒸気を、前記水蒸気発生装置で発生させた水蒸気に合流させて前記第１加熱手段に導いて再昇温させる合流段階と、を含むことを特徴とする水素製造方法。
3. 酸素イオン又は水素イオンが伝導する固体電解質を動作させて水蒸気を電気分解する水蒸気電解装置により水素を製造する水素製造方法において、
   熱源の冷却剤を循環させることによりタービンを回転させて発電する発電段階と、
   循環する前記冷却剤の一部又は全部を水蒸気発生装置に導いて、その熱エネルギーにより水蒸気を発生させる水蒸気発生段階と、
   発生した前記水蒸気を第１加熱手段に導いて昇温させる第１昇温段階と、
   前記第１加熱手段により昇温された前記水蒸気を第２加熱手段に導いて、電気エネルギーにより、前記固体電解質が動作する温度まで昇温させる第２昇温段階と、
   昇温した前記水蒸気を前記水蒸気電解装置に導いて電解反応させて生成した前記水素及び未反応の水蒸気からなる混合ガスが送出される水素生成段階と、
   送出された前記混合ガスが水素分離膜に導かれて前記水素が分離される水素分離段階と、
   前記混合ガスに残留する前記未反応の水蒸気を、前記第１加熱手段により昇温された前記水蒸気に合流させて第２加熱手段で再昇温させる合流段階と、
   少なくとも分離された前記水素が前記第１加熱手段に導かれ、その熱エネルギーがこの第１加熱手段に回収される熱回収段階と、を含むことを特徴とする水素製造方法。
4. 酸素イオン又は水素イオンが伝導する固体電解質を動作させて水蒸気を電気分解する水蒸気電解装置により水素を製造する水素製造方法において、
   崩壊熱により発熱する使用済核燃料を熱源として冷却剤が循環する発熱段階と、
   循環する前記冷却剤を水蒸気発生装置に導いて、その熱エネルギーにより水蒸気を発生させる水蒸気発生段階と、
   発生した前記水蒸気を第１加熱手段に導いて昇温させる第１昇温段階と、
   前記第１加熱手段により昇温された前記水蒸気を第２加熱手段に導いて、電気エネルギーにより、前記固体電解質が動作する温度まで昇温させる第２昇温段階と、
   昇温した前記水蒸気を前記水蒸気電解装置に導いて電解反応させて生成した前記水素及び未反応の水蒸気からなる混合ガスが送出される水素生成段階と、
   少なくとも前記混合ガスが前記第１加熱手段に導かれ、その熱エネルギーがこの第１加熱手段に回収される熱回収段階と、
   熱エネルギーを奪われた前記混合ガスが水素分離膜に導かれて前記水素が分離される水素分離段階と、
   前記混合ガスに残された前記未反応の水蒸気を、前記水蒸気発生装置で発生させた水蒸気に合流させて前記第１加熱手段に導いて再昇温させる合流段階と、を含むことを特徴とする水素製造方法。
5. 酸素イオン又は水素イオンが伝導する固体電解質を動作させて水蒸気を電気分解する水蒸気電解装置により水素を製造する水素製造方法において、
   崩壊熱により発熱する使用済核燃料を熱源として冷却剤が循環する発熱段階と、
   循環する前記冷却剤を水蒸気発生装置に導いて、その熱エネルギーにより水蒸気を発生させる水蒸気発生段階と、
   発生した前記水蒸気を第１加熱手段に導いて昇温させる第１昇温段階と、
   前記第１加熱手段により昇温された前記水蒸気を第２加熱手段に導いて、電気エネルギーにより、前記固体電解質が動作する温度まで昇温させる第２昇温段階と、
   昇温した前記水蒸気を前記水蒸気電解装置に導いて電解反応させて生成した前記水素及び未反応の水蒸気からなる混合ガスが送出される水素生成段階と、
   送出された前記混合ガスが水素分離膜に導かれて前記水素が分離される水素分離段階と、
   前記混合ガスに残留する前記未反応の水蒸気を、前記第１加熱手段により昇温された前記水蒸気に合流させて第２加熱手段で再昇温させる合流段階と、
   少なくとも分離された前記水素が前記第１加熱手段に導かれ、その熱エネルギーがこの第１加熱手段に回収される熱回収段階と、を含むことを特徴とする水素製造方法。
6. 前記蒸気発生段階において、水蒸気発生装置に導かれる前記冷却剤の一部は、前記タービンに導入される前段階のものであることを特徴とする請求項２から請求項５のいずれか１項に記載の水素製造方法。
7. 前記蒸気発生段階において、水蒸気発生装置に導かれる前記冷却剤の一部は、前記タービンから排出された後段階のものであることを特徴とする請求項２から請求項５のいずれか１項に記載の水素製造方法。
8. 前記水蒸気電解装置及び前記第２加熱手段が一体化していることにより、前記第２昇温段階及び前記水素生成段階が同時に達成されることを特徴とする請求項２から請求項７のいずれか１項に記載の水素製造方法。

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