JP2013151408A - メタンガス分解装置 - Google Patents

Abstract

【課題】原料ガスに水蒸気を含ませずに、電極部分へのカーボンの付着を防止して、メタンガスを効率的かつ連続的に分解することができるメタンガス分解装置を提供する。
【解決手段】
循環路２に設けられた反応管３は、一対の放電電極３０ａ，３０ｂにおいて、供給されたガスの一部を未反応のまま一対の放電電極３０ａ，３０ｂ間で生成されたカーボンを粉砕するように供給するする複数の第２供給口３５ａ，３５ａ，・・と、粉砕されたカーボンの反応管３内への付着を抑えるように排気する複数の排気口３５ｂ，３５ｂ，・・とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、メタンガスを分解することによりカーボンと水素を生成するメタンガス分解装置に関する。

従来、この種のメタンガス分解装置としては、対向配置された一対の放電電極間の放電ギャップに、原料ガスが集中するように供給することで、水素ガスを効率的に発生される装置が知られている。かかるメタンガス分解装置では、原料ガスに水蒸気を含ませることにより、水素ガスと共に生成されるカーボンを一酸化炭素または二酸化炭素とする。
（下記特許文献１ ［００１１］〜［００１４］、［図１］参照）。

特開２００３−２１２５０２号公報

しかしながら、従来のメタンガス分解装置では、原料ガスに水蒸気を含ませることにより、放電電極間の原料ガスの分解効率が低下するという問題がある。

また、水素ガスと共に生成されるカーボンは、その一部が一酸化炭素または二酸化炭素とならずにカーボンのまま存在するため、メタンガスを連続的に分解させた場合には、未反応のカーボンが水蒸気により電極部分や管路内により付着し易くなるという問題があった。

一方で、原料ガスに水蒸気を含ませないことも考えられるが、この場合には、水素ガスと共に生成されるカーボンを除去することができず、特に電極部分に堆積して放電、ひいてはメタンガスの分解ができなくなるという問題があった。

そこで、本発明は、原料ガスに水蒸気を含ませずに、電極部分へのカーボンの付着を防止して、メタンガスを効率的かつ連続的に分解することができるメタンガス分解装置を提供することを目的とする。

第１発明のメタンガス分解装置は、メタンガスを分解することによりカーボンと水素とを含む反応ガスを連続的に生成するメタンガス分解装置であって、
前記メタンガスを供給するメタンガス供給路と、
前記メタンガス供給路に連結された循環路と、
前記循環路に設けられ、内部に、通電により放電する相対向する一対の放電電極を有する反応管と、
前記循環路の前記反応管の下流に設けられ、前記反応ガスのカーボンを分離するカーボン分離部と、
前記循環路のカーボン分離部の下流に設けられ、カーボンが分離された反応ガスから水素を分離する水素分離部と、
前記循環路において、前記水素分離部の下流であって前記反応管の上流に設けられ、前記メタンガス供給路を介して供給されたメタンガスおよび未反応ガスを所定圧力で前記反応管に供給するガス供給部と
を備え、
前記反応管は、前記一対の放電電極において、前記ガス供給部を介して該反応管に供給されたガスの一部を未反応のまま該一対の放電電極間で生成されたカーボンを粉砕するように供給するする供給口と、粉砕されたカーボンの該反応管内への付着を抑えるように排気する排気口とを備えることを特徴とする。

第１発明のメタンガス分解装置によれば、メタンガスを分解することによりカーボンと水素を含む反応ガスを生成する。そのため、原料ガスに水蒸気を含ませる必要がなく、メタンガスを効率的に分解することができる。

また、この場合において、反応ガスに含まれるカーボンは、反応管の供給口から供給された反応に寄与しない未反応ガスにより粉砕されて飛散する。そして、飛散したカーボンは、原料ガスに水蒸気を含まないため反応管内への付着が抑制され、反応ガスおよび未反応ガスと共に排気口から速やかに排気される。そのため、生成したカーボンが電極部分や管路内により付着することを防止することができる。

このように、第１発明のメタンガス分解装置によれば、原料ガスに水蒸気を含ませずに、電極部分へのカーボンの付着を防止して、メタンガスを効率的かつ連続的に分解することができる。

第２発明のメタンガス分解装置は、第１発明において、
前記反応管において、前記供給口から供給された前記ガスが前記排気口へ向って前記一対の放電電極を横切るように該供給口および該排気口が形成されることを特徴とする。

第２発明のメタンガス分解装置によれば、供給口から供給されたガスが排気口へ向って一対の放電電極を横切るように供給口および排気口を構成することで、反応管の供給口から供給された反応に寄与しないガスにより粉砕されて飛散させることができ、飛散したカーボンを、反応管内へ付着が抑制しつつ、反応ガスおよび未反応ガスと共に排気口から速やかに排気することができる。これにより、電極部分へのカーボンの付着を防止して、メタンガスを効率的かつ連続的に分解することができる。

第３発明のメタンガス分解装置は、第１または第２発明において、
前記供給口と前記排気口とのいずれか一方または両方が複数形成されると共に、該供給口の口径と該排気口の口径とを異ならせることにより、該供給口と該排気口との間で乱流を発生させることを特徴とする。

第３発明のメタンガス分解装置によれば、供給口と排気口とのいずれか一方または両方を複数形成すると共に、これらの口径を異ならせることにより、供給口と排気口との間で乱流が発生する。かかる乱流により、メタンガスを分解することにより生成されたカーボンを粉砕して飛散させることができ、飛散したカーボンを、反応管内へ付着が抑制しつつ、反応ガスおよび未反応ガスと共に排気口から速やかに排気することができる。これにより、電極部分へのカーボンの付着を防止して、メタンガスを効率的かつ連続的に分解することができる。

本実施形態のメタンガス分解装置の全体構成を示す構成図。 本実施形態の反応管の放電電極の構造を示す説明図。 反応管の放電電極の変更例を示す説明図。 反応管の放電電極の他の変更例を示す説明図。 反応管の放電電極の他の変更例を示す説明図。 反応管の放電電極の他の変更例を示す説明図。 反応間の放電電極の他の変更例を示す説明図。

図１に示すように、本実施形態のメタンガス分解装置は、メタンガスを分解することによりカーボンと水素とを連続的に生成する装置であって、メタンガス供給路１と、循環路２と、反応管３と、カーボン分離部４と、水素分離部５と、ポンプ６（本発明のガス供給部に相当する）と、水素吸蔵合金７（水素タンク）とを備える。

メタンガス供給路１は、天然ガスやバイオガス等のメタンガスの供給源（図示省略）に一端が接続されたガス供給管であって、他端が循環路２に接続される。

メタンガス供給路１には、メタンガスの循環路２への供給を開栓・閉栓により切替可能なガス栓１ａと、供給するメタンガスのガス圧を調整する圧力調整弁１ｂと、循環路２からのガスの逆流を防止する逆流防止弁１ｃとが設けられている。

循環路２は、破線２´で示す循環路において、メタンガス供給路１に分岐管２ａを介して接続される。さらに、循環路２には、分岐管２ａの下流側において、ポンプ６、反応管３、カーボン分離部４、および水素分離部５が、この順番に設けられている。

反応管３は、一対の電極間の放電により（図２参照）、メタンガスを直接分解して、カーボンと水素とを生成する。なお、反応管３の具体的な構成については、図２を参照して詳細を後述する。

カーボン分離部４は、カーボン分離フィルタから構成され、反応管３で生成されたカーボンを含む反応ガスおよび未反応ガスから、カーボンを分離する。カーボン分離フィルタは、一次フィルタ４ａと二次フィルタ４ｂとから構成され、一次フィルタ４ａおよび二次フィルタ４ｂにより分離されたカーボンはカーボン分離部４の底部に蓄積されるようになっている。

一次フィルタ４ａは、カーボン分離部４の入口側に設けられ、二次フィルタ４ｂよりもメッシュが粗く、目詰まりを起こすことなく、供給された反応ガスおよび未反応ガスから粒径の比較的大きなカーボンを分離する。

一方、二次フィルタ４ｂは、カーボン分離部４の出口側に設けられ、一次フィルタ４ａによりカーボンが一次的に分離された反応ガスおよび未反応ガスから、カーボンを完全に分離する。すなわち、二次フィルタ４ｂは、カーボン分離部４を経て排出される反応ガスおよび未反応ガスにカーボンが含まれないように、そのメッシュが選択されている。

水素分離部５は、水素透過膜により構成される。この水素透過膜は、Ｐｄ膜であって、Ｐｄ膜表面に水素分子が吸着され、吸着された水素分子が水素原子に分離し、分離した水素原子からＰｄが電子を奪い陽子となりＰｄ中に拡散する。これにより、Ｐｄ膜の反対面で陽子と電子が再結合して水素分子となり、水素ガスのみがＰｄ膜を通過する。

ポンプ６は、水素分離部５と反応管３との間に設けられ、反応管３に所望の圧力でガスを供給する押込型のポンプである。具体的に、ポンプ６は、水素分離部５で水素透過膜を通過することができずに循環する未反応ガスと、メタンガス供給路１から供給されたメタンガスとの混合ガスを、反応管３に所望の圧力で供給する。なお、水素分離部５とポンプ６に間には、流速調整器２ｂが設けられており、水素分離部５で水素透過膜を通過することができなかった未反応ガスの流速が調整可能となっている。

水素吸蔵合金７は、水素分離部５から供給された高濃度の水素を吸着して貯蔵する水素タンクである。なお、水素吸蔵合金７またはその上流には水素ガスの圧力が一時的に高まった場合にこれを開放する防爆装置（図示省略）が設けられてもよい。

水素分離部５と水素吸蔵合金７との間には、逆流防止弁５ａが設けられている。また、水素分離部５と水素吸蔵合金７との間に、分岐管５ｂを介してバイパス路８の一端が接続されると共に、バイパス路８の他端が分岐管２ｃを介して循環路２に接続されているが、バイパス路８は、ガス栓５ｃにより通常閉栓されている。

図２を参照して、説明を後回しにした、反応管３の構成について説明する。

反応管３は、一対の放電電極３０ａ，３０ｂと、一対の放電電極３０ａ，３０ｂを覆って断気するシリコンチューブ３１と、一対の放電電極３０ａ，３０ｂにそれぞれ接続された接続端子３２ａ，３２ｂとを備える。なお、接続端子３２ａ，３２ｂは、電源装置（図示省略）に接続され、所定の電圧および電流で通電される。

具体的な一対の放電電極３０ａ，３０ｂの構成について説明する。

まず、ガスが供給される上流側の第１放電電極３０ａは、テーパー状の先端部３３ａと、先端部３３ａの中心を貫通させた第１供給口３４ａと、先端部３３ａの手前でこれを取り囲むように形成された複数の第２供給口３５ａ，３５ａ，・・とを備える。なお、第１供給口３４ａおよび第２供給口３５ａ，３５ａ，・・とは、第１放電電極３０ａ内で連通している。

一方、ガスが排出される下流側の第２放電電極３０ｂは、テーパー状の先端部３３ｂと、先端部３３ｂの手前でこれを取り囲むようにテーパー面に形成された複数の排気口３５ｂ，３５ｂ，・・とを備える。

ここで、第１放電電極３０ａの第２供給口３５ａ，３５ａ，・・と、第２放電電極３０ｂの排気口３５ｂ，３５ｂ，・・とは、その径が異なる共に、互いに対向しないように配置される。すなわち、第２供給口３５ａ，３５ａ，・・の径に対して、排気口３５ｂ，３５ｂ，・・の径は大きく、第２供給口３５ａと排気口３５ｂとは対向しないように配置される。これにより、供給されたガスは、第２供給口３５ａ，３５ａ，・・と排気口３５ｂ，３５ｂ，・・との間で乱流となる。

次に、以上のように構成されたメタンガス分解装置の作動について、図１および図２を参照して説明する。

まず、メタンガス供給路１を介して供給されるメタンガスは、分岐管２ａから循環路２に供給される。循環路２に供給されたメタンガスは、それ以前に供給され反応管３で未反応のまま循環路２を循環する未反応ガスと混合する。

これらの混合ガスは、ポンプ６により所定の圧力で反応管３に供給される。反応管３に供給された混合ガスは、反応管３における一対の放電電極３０ａ，３０ｂ間での放電プラズマにより、混合ガス中のメタンガスが直接分解される。

このとき、放電は第１放電電極３０ａと第２放電電極３０ｂとの間で起こるため、第１供給口３４ａから吐出されたガス中のメタンガスが主として分解される。そのため、分解により生成されたカーボンが第１放電電極３０ａと第２放電電極３０ｂとの間に積層され得る。

しかしながら、第１放電電極３０ａの第２供給口３５ａ，３５ａ，・・から、第２放電電極３０ｂの排気口３５ｂ，３５ｂ，・・へ向って吐出されたガスは、上述のように乱流となる。乱流となったガスは、主としてメタンガスの分解に寄与するものではないが、かかる乱流となった未反応ガスは、第１放電電極３０ａと第２放電電極３０ｂとの間を複雑に横切り、生成されたカーボンを第１放電電極３０ａと第２放電電極３０ｂとの間で粉砕して飛散させる。

これにより、反応管３を経た後のガスは、メタンガスが分解され水素およびカーボンを含む反応ガスのほか、メタンガスが分解されないままの未反応ガスとの混合ガスとなり、カーボン分離部４に供給される。

カーボン分離部４に供給された混合ガスは、ガス中のカーボンが分離される。これにより、カーボン分離部４を経た後のガスは、反応ガス中のカーボンが分離除去された水素ガスと、未反応ガスの混合ガスとなっている。

次いで、水素分離部５に供給された混合ガスは、水素透過膜によりガス中の水素が分離される。分離された水素は、水素吸蔵合金７に供給され、水素吸蔵合金７から燃料電池等に水素が供給可能となっている。一方、水素透過膜を通過できない未反応ガスは、循環路２へ導入され、新たに供給されたメタンガスと共に再び反応管３に供給される。

以上が、本実施形態のメタンガス分解装置の作動である。

かかる本実施形態のメタンガス分解装置によれば、メタンガスのみを直接分解するため、原料ガスに水蒸気を含ませる必要がなく、メタンガスを効率的に分解することができる。

このとき、反応管３では、第２供給口３５ａ，３５ａ，・・から供給された反応に寄与しないガスにより、メタンガスの分解により生成されたカーボンが粉砕されて飛散する。そして、飛散したカーボンは、原料ガスに水蒸気を含まないため反応管３内への付着が抑制され、反応ガスおよび未反応ガスと共に排気口３５ｂ，３５ｂ，・・から速やかに排気される。そのため、生成したカーボンが一対の放電電極３０ａ，３０ｂや管路内により付着することを防止することができる。

このように、本実施形態のメタンガス分解装置によれば、原料ガスに水蒸気を含ませずに、電極部分へのカーボンの付着を防止して、メタンガスを効率的かつ連続的に分解することができる。

なお、本実施形態では、図２に示す第１放電電極３０ａおよび第２放電電極３０ｂについて説明したが、一対の放電電極はこれに限定されるものではなく、反応管３に供給されたガスの一部を未反応のまま放電電極間で生成されたカーボンを粉砕するように供給するする供給口と、粉砕されたカーボンの反応管３内への付着を抑えるように排気する排気口とを備えるものであれば、種々の形態が採用され得る。

例えば、図３に示すように、絶縁ケース３１´内において、第１放電電極３０ａのテーパー状の先端部３３ａと、第２放電電極３０ｂのテーパー状の先端部３３ｂとのぞれぞれの中心に貫通孔を設けて、ガス供給口３４ａ´，３４ｂ´とすると共に、放電部分の下方に排気口３６を設けるようにしてもよい。

この場合、これらのガス供給口３４ａ´，３４ｂ´は、循環路２から分岐して互いに連通している。そのため、これらのガス供給口３４ａ´，３４ｂ´を対向して設けることで、ガス供給口３４ａ´，３４ｂ´からそれぞれ吐出されたガスは、第１放電電極３０ａおよび第２放電電極３０ｂの間で乱流となり、これらの間で生成されたカーボンを粉砕して飛散させることができる。さらに、粉砕されたカーボンを含むガスは、その直下に設けられた排気口３６から速やかに排気され、粉砕されたカーボンの反応管３内への付着を抑制することができる。

また、図４に示すように、第１放電電極３０ａをモータ３７により回転させるようにしてもよい。このとき、供給口３４ａ´´は、第１放電電極３０ａの中心軸上の貫通孔となっており、モータ３７による第１放電電極３０ａの回転と相まって、第２放電電極３０ｂとの間で生成されたカーボンを吐出されたガスにより粉砕することができると共に、排気口３６から速やかに排気して、反応管３内への付着を抑制することができる。

さらに、図５に示すように、第１放電電極３０ａと第２放電電極３０ｂとの間にモータ３７により回転する円盤状の回転電極３０ｃを設けて、第１放電電極３０ａと回転電極３０ｃとの間で放電プラズマを発生させると共に、第２放電電極３０ｂと回転電極３０ｃとの間でも放電プラズマを発生させるようにしてもよい。

この場合、供給口３６ａから供給されたガスは、第１放電電極３０ａと回転電極３０ｃとの間の放電部分、および、第２放電電極３０ｂと回転電極３０ｃとの間の放電部分をそれぞれ横切るように通過する。そのため、モータ３７による回転電極３０ｃの回転と相まって、各放電部分で生成されたカーボンを未反応ガスにより粉砕することができると共に、排気口３６ｂから速やかに排気して、反応管３内への付着を抑制することができる。

また、図６に示すように、第１放電電極３０ａをモータ３７により回転させる代わりに、第１放電電極３０ａを複数の回転羽とすることで、これを自転させるようにしてもよい。この場合、第１放電電極３０ａの回転と相まって、針状の第２放電電極３０ｂとの間で生成されたカーボンを吐出されたガスの回転乱流により粉砕することができると共に、排気口３６から速やかに排気して、反応管３内への付着を抑制することができる。

さらに、図７に示すように、供給されたガスの進行方向と、電極による放電方向とが垂直となるようにしてもよい。この場合、第１放電電極３０ａと第２放電電極３０ｂとの間にモータ（図示省略）により回転する円盤状の回転電極３０ｃを設けて、第１放電電極３０ａと回転電極３０ｃとの間で放電プラズマを発生させると共に、第２放電電極３０ｂと回転電極３０ｃとの間でも放電プラズマを発生させる。

このとき、Ｄ−Ｄ線断面図に破線で示すように、供給されたガスの進行方向を電極の放電方向と垂直にすることで、電極間３０ａ−３０ｃ，３０ｂ−３０ｃに生成されたカーボンをより効率よく粉砕することができる。さらに、ガスを電極間３０ａ−３０ｃ，３０ｂ−３０ｃに供給する際に、予め絞りを設けてガスの流速を上げることで、より確実に生成したカーボンを粉砕して飛散させることができる。

１…メタンガス供給路、２…循環路、３…反応管、４…カーボン分離部、５…水素分離部、６…ポンプ、７…水素吸蔵合金（水素タンク）、３０ａ，３０ｂ…一対の放電電極（３０ａ…第１放電電極、３０ｂ…第２放電電極）、３４ａ…第１供給口、３４ａ´，３４ｂ´，３６ａ…供給口、３５ａ…第２供給口、３５ｂ,３６,３６ｂ…排気口、３７…モータ。

Claims (3)

1. メタンガスを分解することによりカーボンと水素とを含む反応ガスを連続的に生成するメタンガス分解装置であって、
   前記メタンガスを供給するメタンガス供給路と、
   前記メタンガス供給路に連結された循環路と、
   前記循環路に設けられ、内部に、通電により放電する相対向する一対の放電電極を有する反応管と、
   前記循環路の前記反応管の下流に設けられ、前記反応ガスのカーボンを分離するカーボン分離部と、
   前記循環路のカーボン分離部の下流に設けられ、カーボンが分離された前記反応ガスから水素を分離する水素分離部と、
   前記循環路において、前記水素分離部の下流であって前記反応管の上流に設けられ、前記メタンガス供給路を介して供給されたメタンガスおよび未反応ガスを所定圧力で前記反応管に供給するガス供給部と
   を備え、
   前記反応管は、前記一対の放電電極において、前記ガス供給部を介して該反応管に供給されたガスの一部を未反応のまま該一対の放電電極間で生成されたカーボンを粉砕するように供給するする供給口と、粉砕されたカーボンの該反応管内への付着を抑えるように排気する排気口とを備えることを特徴とするメタンガス分解装置。
2. 請求項１記載のメタンガス分解装置において、
   前記反応管において、前記供給口から供給された前記ガスが前記排気口へ向って前記一対の放電電極を横切るように該供給口および該排気口が形成されることを特徴とするメタンガス分解装置。
3. 請求項１または２記載のメタンガス分解装置において、
   前記供給口と前記排気口とのいずれか一方または両方が複数形成されると共に、該供給口の口径と該排気口の口径とを異ならせることにより、該供給口と該排気口との間で乱流を発生させることを特徴とするメタンガス分解装置。