JP7565850B2

JP7565850B2 - 水素製造システムおよび水素製造方法

Info

Publication number: JP7565850B2
Application number: JP2021061245A
Authority: JP
Inventors: 志典碓井; 耕司浅野; 宏之岩渕; 伸英原; 理史勝田; 義夫清木; 敦弘行本
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2021-03-31
Filing date: 2021-03-31
Publication date: 2024-10-11
Anticipated expiration: 2041-03-31
Also published as: JP2022157169A

Description

本開示は、水素製造システムおよび水素製造方法に関するものである。

低炭素社会を実現する技術として、例えば、高温ガス炉がある。高温ガス炉は、運転温度が軽水炉に比べて高温である。高温ガス炉は、燃料の被覆にセラミックス材料を使用し、冷却材がヘリウム、減速材が黒鉛である。高温ガス炉は、運転温度が高く、高い熱エネルギーが得られることから、発電以外のエネルギー利用が可能であり、水素製造装置への適用が進められている。従来の水素製造システムとして、例えば、下記特許文献１に記載されたものがある。

特許第３９６４６５７号公報

上述した高温ガス炉は、高温の熱エネルギーを用いて水素を製造する。高温の熱エネルギーを用いた水素製造技術としては、メタン熱分解法、熱化学分解法（ＩＳ法）や高温水蒸気電解法（ＳＯＥＣ）などがある。ところが、従来の高温の熱エネルギーを用いた水素製造技術は、熱エネルギーにおける高温領域で利用されるメタン熱分解などの技術を利用したものでしかない。そのため、従来の水素製造技術は、利用できる熱エネルギーの温度範囲が限定されており、熱エネルギーの利用効率の向上が求められている。

本開示は、上述した課題を解決するものであり、熱エネルギーにおける利用効率の向上を図る水素製造システムおよび水素製造方法を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するための本開示の水素製造システムは、９００℃以上の熱エネルギーを発生可能な熱源と、前記熱エネルギーにより加熱された熱媒体を使用して水素を製造する第１水素製造装置と、前記第１水素製造装置で使用された前記熱媒体を用いて水素を製造する第２水素製造装置と、を備える。

また、本開示の水素製造方法は、９００℃以上の熱エネルギーを発生させる工程と、前記熱エネルギーにより加熱された熱媒体を使用して水素を製造する工程と、水素の製造に使用された前記熱媒体を用いて水素を製造する工程と、を有する。

本開示の水素製造システムおよび水素製造方法によれば、熱エネルギーにおける利用効率の向上を図ることができる。

図１は、水素製造システムを表す概略構成図である。図２は、高温水蒸気電解法による水素製造システムを表す概略構成図である。

以下に図面を参照して、本開示の好適な実施形態を詳細に説明する。なお、この実施形態により本開示が限定されるものではなく、また、実施形態が複数ある場合には、各実施形態を組み合わせて構成するものも含むものである。また、実施形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。

＜水素製造システム＞
図１は、水素製造システムを表す概略構成図である。

本実施形態において、図１に示すように、水素製造システム１０は、熱源１１と、第１水素製造装置１２と、第２水素製造装置１３とを備える。

熱源１１は、高温ガス炉であり、９００℃以上の熱エネルギーを発生可能である。第１水素製造装置１２は、熱源１１で発生した熱エネルギーにより加熱された熱媒体を使用して水素を製造する。第１水素製造装置１２は、例えば、メタン熱分解法により水素を製造する水素製造装置である。第２水素製造装置１３は、第１水素製造装置１２で使用された熱媒体を用いて水素を製造する。第２水素製造装置１３は、例えば、高温アルカリ水電解法により水素を製造する水素製造装置である。

すなわち、第１水素製造装置１２は、９００℃以上の熱エネルギーにより加熱された高温熱媒体を使用して水素を製造する。第２水素製造装置１３は、高温熱媒体が第１水素製造装置１２で使用されて温度が低下した低温の低温熱媒体を使用して水素を製造する。

熱源１１としての高温ガス炉は、燃料の被覆にセラミックス材料を使用し、冷却材をヘリウムとし、減速材を黒鉛とする原子炉である。高温ガス炉は、９００℃以上の熱媒体としてのヘリウムガスを生成可能である。熱源１１としての高温ガス炉は、第１循環経路Ｌ１１が連結される。第１循環経路Ｌ１１は、熱源１１の他に、中間熱交換器２１、再生熱交換器２２、冷却器２３、圧縮機２４が連結される。中間熱交換器２１は、第２循環経路Ｌ１２が連結される。

中間熱交換器２１は、第１循環経路Ｌ１１を流れる１次ヘリウム（１次熱媒体）と２次ヘリウム（２次熱媒体）との間で熱交換を行う。すなわち、中間熱交換器２１は、第１循環経路Ｌ１１を流れる、例えば、９５０℃の１次ヘリウムにより第２循環経路Ｌ１２を流れる２次ヘリウムを、例えば、９００℃に加熱する。

冷却器２３は、中間熱交換器２１で熱交換した１次ヘリウムを冷却する。圧縮機２４は、第１循環経路Ｌ１１を流れて冷却器２３により冷却された１次ヘリウムを圧縮する。再生熱交換器２２は、中間熱交換器２１で熱交換した１次ヘリウムと、冷却器２３により冷却されて圧縮機２４により圧縮された１次ヘリウムとの間で熱交換する。

第２循環経路Ｌ１２は、中間熱交換器２１の他に、第１水素製造装置１２、第２水素製造装置１３、循環ポンプ２５が連結される。循環ポンプ２５は、第２循環経路Ｌ１２の２次ヘリウムを循環し、第１水素製造装置１２から第２水素製造装置１３に供給する。

第１水素製造装置１２は、メタン熱分解法により水素を製造する。例えば、メタンを含む天然ガスを高温の２次ヘリウムにより加熱された触媒反応器に供給する。すると、メタンは、高温域で水素と炭素に熱分解する。
ＣＨ_４→Ｃ＋２Ｈ_２

第２水素製造装置１３は、高温アルカリ水電解法により水素を製造する。例えば、アルカリ水が貯留された電解槽内にアノード電極（陽極）とカソード電極（陰極）を配置すると共に、その間に隔壁（イオン交換膜など）を設け、電極に通電することで水素と酸素を生成して分離する。ここで、高温の２次ヘリウムにより電解槽を加熱する。
Ｈ_２Ｏ→Ｈ_２＋１／２Ｏ_２

第２循環経路Ｌ１２を流れる２次ヘリウムは、中間熱交換器２１で１次ヘリウムにより加熱された後、循環ポンプ２５により第１水素製造装置１２から第２水素製造装置１３に供給され、中間熱交換器２１に戻される。

なお、高温の２次ヘリウムにより、第１水素製造装置１２または第２水素製造装置１３で使用される原料を予熱するように構成してもよい。第１水素製造装置１２にて、原料としての天然ガス（メタン）を高温の２次ヘリウムにより事前に加熱する。また、第２水素製造装置１３にて、原料としての水を高温の２次ヘリウムにより事前に加熱する。

＜水素製造方法＞
本実施形態の水素製造方法は、９００℃以上の熱エネルギーを発生させる工程と、熱エネルギーにより加熱された熱媒体を使用して水素を製造する工程と、水素の製造に使用された前記熱媒体を用いて水素を製造する工程とを有する。

熱源１１としての高温ガス炉は、例えば、９５０℃の１次ヘリウムを生成する。高温の１次ヘリウムは、第１循環経路Ｌ１１を流れ、中間熱交換器２１にて、第２循環経路Ｌ１２を流れる２次ヘリウムと交換を行い、２次ヘリウムを、例えば、９００℃まで加熱する。中間熱交換器２１で熱交換された２次ヘリウムは、第２循環経路Ｌ１２を流れ、第１水素製造装置１２に、例えば、９００℃程度で供給される。

第１水素製造装置１２は、８９０℃の２次ヘリウムを用いてメタン熱分解法により水素を製造する。第１水素製造装置１２で使用されることで、例えば、８００℃まで温度低下した２次ヘリウムは、第２循環経路Ｌ１２により第２水素製造装置１３に供給される。第２水素製造装置１３は、８００℃℃の２次ヘリウムを用いて高温アルカリ水電解法により水素を製造する。第２水素製造装置１３で使用されることで、例えば、５５０℃まで温度低下した２次ヘリウムは、第２循環経路Ｌ１２により中間熱交換器２１に戻される。

第１水素製造装置１２により製造された水素と、第２水素製造装置１３により製造された水素は、別々に、または、混合して貯蔵され、用途に合わせて供給される。

＜水素製造システムの変形例＞
本実施形態の水素製造システムは、上述した実施形態に限定されるものではない。第１水素製造装置および第２水素製造装置としては、上述したメタン熱分解法と高温アルカリ水電解法の他に、熱化学分解法（ＩＳ法）や高温水蒸気電解法（ＳＯＥＣ）などを組み合わせて適用することができる。ここで、第１水素製造装置で使用する高温熱媒体の温度域は、８００℃～９００℃であり、第１水素製造装置として、メタン熱分解法、熱化学分解法、高温水蒸気電解法（ＳＯＥＣ）を適用することができる。また、第２水素製造装置で使用する低温熱媒体の温度域は、６００℃～８００℃であり、第２水素製造装置として、水蒸気改質法を適用することができる。さらに、第２水素製造装置で使用する低温熱媒体の温度域を、５００℃～８００℃とした場合、第２水素製造装置として、高温アルカリ水電解法、高温水蒸気電解法（プロトン伝導型ＳＯＥＣ）を適用することができる。

ここで、第１水素製造装置と第２水素製造装置を、同一の水素製造方法による水素製造装置とし、異なる仕様により水素を製造するものとしてもよい。例えば、第１水素製造装置および第２水素製造装置としてメタン熱分解法を適用し、それぞれの触媒の種類を異ならせる。また、第１水素製造装置および第２水素製造装置として、高温水蒸気電解法を適用し、それぞれの電極の種類を異ならせる。

また、第１水素製造装置または前記第２水素製造装置として、高温水蒸気電解法を適用することができる。以下、高温水蒸気電解法を用いた水素製造装置について説明する。図２は、高温水蒸気電解法による水素製造システムを表す概略構成図である。

図１に示すように、水素製造システム１０は、熱源１１と、第１水素製造装置１２と、第２水素製造装置１３とを備える。第１水素製造装置１２は、高温熱媒体を使用して水素を製造し、第２水素製造装置１３は、高温熱媒体が第１水素製造装置１２で使用されて温度が低下した低温の低温熱媒体を使用して水素を製造する。上述した説明では、第１水素製造装置１２がメタン熱分解法により水素を製造するものであるが、例えば、第１水素製造装置が高温水蒸気電解法により水素を製造するものであってもよい。

すなわち、図２に示すように、第１水素製造装置３０は、蒸発器３１と、蒸気過熱器３２と、固体酸化物型水電解セル３３と、リサイクル熱交換機３４とを備える。

熱源（高温ガス炉）１１は、１次ヘリウムまたは２次ヘリウムの循環経路Ｌ２１，Ｌ３１が連結される。循環経路Ｌ２１は、蒸発器３１が連結され、循環経路Ｌ３１は、蒸発器４１が連結される。蒸発器４１は、循環経路Ｌ３２を介してタービン４２が連結される。タービン４２は、発電機４３に連結される。発電機４３は、蓄電設備４４に接続される。蒸発器４１は、循環経路Ｌ３１を流れる高温のヘリウムと、循環経路Ｌ３２を流れる蒸気との間で熱交換を行う。蒸発器４１で加熱された蒸気は、タービン４２に供給され、タービン４２を駆動回転する。発電機４３は、タービン４２の回転により駆動されて発電し、蓄電設備４４に蓄電する。

蒸発器３１は、水供給経路Ｌ２２を介して蒸気過熱器３２と固体酸化物型水電解セル３３とリサイクル熱交換機３４が連結される。固体酸化物型水電解セル３３は、蓄電設備４４から電力が供給される。蒸発器３１は、循環経路Ｌ２１を流れる高温のヘリウムと、水供給経路Ｌ２２を流れる蒸気（水）との間で熱交換を行う。蒸発器３１で生成された蒸気は、蒸気過熱器３２に供給される。蒸気過熱器３２は、蒸気を過熱して過熱蒸気を生成する。蒸気過熱器３２で生成された過熱蒸気は、固体酸化物型水電解セル３３に供給される。固体酸化物型水電解セル３３は、過熱蒸気を電気分解して酸素と水素を生成して分離する。リサイクル熱交換機３４は、水供給経路Ｌ２２を流れる水と生成された水素との間で熱交換することで、蒸気を生成する。

第１水素製造装置３０は、蒸発器３１で加熱された蒸気を蒸気過熱器３２により過熱蒸気として固体酸化物型水電解セル３３に供給する。そのため、固体酸化物型水電解セル３３は、過熱蒸気を電気分解することで、効率良く水素を生成することができる。

そして、第１水素製造装置３０で使用されたヘリウムは、温度が低下し、循環経路Ｌ２１により第２水素製造装置（図示略）に供給される。第２水素製造装置は、例えば、高温アルカリ水電解法などにより水素を製造する。

また、上述した実施形態にて、第１水素製造装置１２と第２水素製造装置１３を設けたが、第２水素製造装置１３で使用された熱媒体を用いて水素を製造する第３水素製造装置を設けてもよい。第３水素製造装置は、第２水素製造装置で使用する低温熱媒体の温度域よりも低い温度域の熱媒体を利用して水素を製造する。

また、上述した実施形態にて、熱源１１を高温ガス炉としたが、この構成に限定されるものではない。例えば、熱源として、電気炉、ヘリオスタット式太陽熱集光装置、ボイラ、ガスタービン排熱などを適用してもよい。

また、上述した実施形態にて、熱源１１として、高温ガス炉を適用し、第１水素製造装置１２および第２水素製造装置１３として、メタン熱分解法、高温アルカリ水電解法、熱化学分解法、高温水蒸気電解法を適用することで、二酸化炭素の発生量をなくすことができる。また、熱源として、再生エネルギーを利用した電気炉やヘリオスタット式太陽熱集光装置を適用することで、同様に、二酸化炭素の発生量をなくすことができる。但し、熱源１１として高温ガス炉を適用することで、水素製造装置の形式に拘わらず、二酸化炭素の発生量を低減することができる。

［本実施形態の作用効果］
第１の態様に係る水素製造システムは、９００℃以上の熱エネルギーを発生可能な熱源１１と、熱エネルギーにより加熱された熱媒体を使用して水素を製造する第１水素製造装置１２と、第１水素製造装置１２で使用された熱媒体を用いて水素を製造する第２水素製造装置１３とを備える。

第１の態様に係る水素製造システムによれば、熱源１１で発生した熱エネルギーにより加熱された熱媒体を使用し、第１水素製造装置１２と第２水素製造装置１３により段階的に水素を製造する。その結果、熱エネルギーを効率良く利用し、熱エネルギーにおける利用効率の向上を図ることができる。

第２の態様に係る水素製造システムは、第１水素製造装置１２が９００℃以上の熱エネルギーにより加熱された高温熱媒体を使用して水素を製造し、第２水素製造装置１３が高温熱媒体より低温の低温熱媒体を使用して水素を製造する。これにより、高温熱媒体および低温熱媒体の熱エネルギーを利用して効率良く水素を製造することができる。

第３の態様に係る水素製造システムは、第１水素製造装置１２は、メタン熱分解法と高温水蒸気電解法と熱化学分解法といずれか一つにより水素を製造し、第２水素製造装置１３は、高温アルカリ水電解法により水素を製造する。これにより、高温熱媒体を利用してメタン熱分解法と高温水蒸気電解法と熱化学分解法といずれか一つにより水素を製造し、低温熱媒体を利用して高温アルカリ水電解法により水素を製造することとなり、効率良く水素を製造することができる。

第４の態様に係る水素製造システムは、第１水素製造装置１２と第２水素製造装置１３は、同一の方法で仕様の異なる方式により水素を製造する。これにより、第１水素製造装置１２と第２水素製造装置１３による水素製造装置をほぼ同じにすることができ、製造コストの低減を図ることができる。

第５の態様に係る水素製造システムは、熱媒体により第１水素製造装置１２または第２水素製造装置１３で使用される原料を予熱する。これにより、熱媒体の熱エネルギーの有効利用を図ることができる。

第６の態様に係る水素製造システムは、第１水素製造装置１２または第２水素製造装置１３は、高温水蒸気電解法または熱化学分解法により水素を製造するものであり、蒸気を過熱する蒸気過熱器３２と、過熱蒸気を電気分解する固体酸化物型水電解セル３３とを有する。これにより、効率良く水素を製造することができる。

第７の態様に係る水素製造システムは、第２水素製造装置１３で使用された熱媒体を用いて水素を製造する第３水素製造装置を有する。これにより、熱エネルギーを更に効率良く利用し、熱エネルギーにおける利用効率の向上を図ることができる。

第８の態様に係る水素製造システムは、熱源１１は、高温ガス炉で生成される。これにより、二酸化炭素の発生量を低減することができる。

第９の態様に係る水素製造方法は、９００℃以上の熱エネルギーを発生させる工程と、熱エネルギーにより加熱された熱媒体を使用して水素を製造する工程と、水素の製造に使用された熱媒体を用いて水素を製造する工程とを有する。これにより、熱エネルギーを効率良く利用し、熱エネルギーにおける利用効率の向上を図ることができる。

１０水素製造システム
１１熱源
１２第１水素製造装置
１３第２水素製造装置
２１中間熱交換器
２２再生熱交換器
２３冷却器
２４圧縮機
２５循環ポンプ
３０第１水素製造装置
３１蒸発器
３２蒸気過熱器
３３固体酸化物型水電解セル
３４リサイクル熱交換機
４１蒸発器
４２タービン
４３発電機
４４蓄電設備
Ｌ１１第１循環経路
Ｌ１２第２循環経路
Ｌ２１，Ｌ３１，Ｌ３２循環経路

Claims

９００℃以上の熱エネルギーを発生可能な熱源と、
前記熱エネルギーにより加熱された熱媒体が循環する循環経路と、
前記循環経路を循環する前記熱媒体を使用して原料を反応させて水素を製造する第１水素製造装置と、
前記第１水素製造装置で使用されて前記循環経路を循環する前記熱媒体を用いて原料を反応させて水素を製造する第２水素製造装置と、
を備える水素製造システム。
前記第１水素製造装置は、９００℃以上の熱エネルギーにより前記熱媒体が加熱されてこの加熱された高温熱媒体を使用して水素を製造し、前記第２水素製造装置は、前記高温熱媒体より低温の低温熱媒体を使用して水素を製造する、
請求項１に記載の水素製造システム。
前記第１水素製造装置は、メタン熱分解法と高温水蒸気電解法と熱化学分解法といずれか一つにより水素を製造し、前記第２水素製造装置は、高温アルカリ水電解法により水素を製造する、
請求項１または請求項２に記載の水素製造システム。
前記第１水素製造装置と前記第２水素製造装置は、同一の方法で仕様の異なる方式により水素を製造する、
請求項１または請求項２に記載の水素製造システム。
前記熱媒体により前記第１水素製造装置または前記第２水素製造装置で使用される原料を予熱する、
請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の水素製造システム。
前記第１水素製造装置または前記第２水素製造装置は、高温水蒸気電解法または熱化学分解法により水素を製造するものであり、蒸気を過熱する蒸気過熱器と、過熱蒸気を電気分解する水電解セルとを有する、
請求項１または請求項２に記載の水素製造システム。
前記第２水素製造装置で使用された前記熱媒体を用いて水素を製造する第３水素製造装置を有する、
請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の水素製造システム。
前記熱源は、高温ガス炉で生成される、
請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の水素製造システム。
９００℃以上の熱エネルギーを発生させる工程と、
前記熱エネルギーにより加熱された熱媒体が循環する工程と、
循環する前記熱媒体を使用して原料を反応させて水素を製造する工程と、
水素の製造に使用されて循環する前記熱媒体を用いて原料を反応させて水素を製造する工程と、
を有する水素製造方法。