JP2013534207A - 水素を発生するための装置、システム及び方法 - Google Patents

水素を発生するための装置、システム及び方法 Download PDF

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Abstract

ガス貯蔵器（６６）及び少なくとも１つの水素発生器（１００）に流体的に接続されたガス前処理モジュール（２）と、
供給管（６１，８１）を介してこの発生器及び貯蔵分配モジュール（５）と流体的に接続された水素後処理モジュール（３）と、
を備える気体炭化水素から水素を発生するための装置、システム及び方法。
プラズマノズル（１０５）と、各プラズマノズルと連結された反応容器（１０２）と、を備え、
各プラズマノズルは、マイクロ波プラズマ生成器（３０１，３０２）及びこのプラズマ生成器を介して気体炭化水素フローをこの反応容器の各入口へ配向させるための供給管（３０３）を備え、
これにより、このプラズマ生成器は、この反応容器の入口手前で気体炭化水素を少なくとも部分的にイオン化し、プラズマを形成し、
この反応器は、水素が後処理モジュール（３）に伝達されるときに介する少なくとも１つの出口（１０１）を備える、
水素発生器。

Description

本発明は、水素生産の分野に関連する。特に、これに限定されないが、本発明は、マイクロ波生成プラズマを使用する水素を発生するための装置、及び関連する水素を生産する方法に関係する。
近年、産業工場、建築物、乗用車及び他の車両から炭化水素の燃焼によって発生する有害な排出物を減少することへの関心が高まり、代替エネルギー源（例：水素）を開発するために多くの研究がなされている。
炭化水素燃料の代替燃料を採用することは、より環境にやさしい車に有利な状況を提供する。一方、このような代替燃料を生産するプロセスは理想から程遠い。たとえば水素は、現在炭化水素分子の触媒クラッキングによって合成される。この反応を起こすために必要とされる高温は、通常石油又は石炭の燃焼によって実現され、さらなる環境汚染物質の排出をもたらす。また、水の電気分解によって水素を発生するプロセスは、生産される水素に貯蔵されるより多くのエネルギーを消費する。消費する電気が炭化水素源から生産された場合、全体としての結果はさらに環境に悪い。このように、現代の商業的な水素生産プロセスは、水素の有効エネルギー当たりで、水素が置き換えると意図される燃料の直接燃焼より、大きい容積の有害な温暖化ガスが発生すると考えられる。言い換えると、生産を考慮する場合、現在水素はクリーンな燃料ではない。
そのために、現在利用可能なものより著しく環境への影響が小さく、高効率な水素生産が可能なプロセスを開発する必要がある。理想的には、かかるプロセスは、小型、中型及び大型の商業規模の運転を直ちに実施可能で、非常に使い勝手のよさが高いことが好ましい。現存の商業的なシステムより低い環境コストで水素を発生する可能性がある１つの方法は、プラズマ処理を利用するものである。プラズマ処理では、水素を含む気体又は液体を容器に流入し、そこで（例えば高負荷場への露出によって）イオン化されプラズマを形成する。プラズマ状態において、供給材料の成分は分解された後、分離して抽出されるか、追加の供給材料と再結合又は反応する。これは、必要な生成物に依存する。プラズマ処理は、またたとえば、気体研磨、クラッキング、分解及び析出(ダイアモンド析出及び活性化した生成物の製造を含む)の分野で、著しい優位性及び特有の機能を提供する。
様々な種類のプラズマが存在することは公知であり、一般的に、そのエネルギー及び密度特性によって分類される。すなわち、主に、熱プラズマ（平衡プラズマとも称される）及び非平衡プラズマ（非熱又は低温プラズマとも称される）に分類される。後者は、それらのＲＦ、誘導、バリア放電、マイクロ波及びレーザー励起によって生成されるものを含む。特に、電磁誘導プラズマにより、気体及び液体供給材料の高効率のクラッキングが実現する可能性が高い。これは、エネルギー源、プラズマ及び材料の間で高いエネルギーの結合が得られるためである。このようなプラズマは、触媒効果を有すると示されてきた。これは、電磁界（特にマイクロ波）、と供給材料の間の結合の結果である。それが反応の速度を増加させ、同様に供給材料がプラズマ状態で維持されなければならない時間（すなわち滞留時間）を減少させる。
一般的に、1 mから1 x 10-2 m範囲の波長の電磁放射をマイクロ波と呼ぶ。この範囲外の電磁放射も、やはりプラズマを効果的に発生する。しかし、マイクロ波源がレーダー及び電子レンジ及び産業食品調理の分野で長く使われてきたため、マイクロ波源が代表的な成熟した技術といえる。それ故に、適切な出力レベルのマイクロ波源は、家庭及び産業用加熱目的に容易に利用可能である。
しかし、問題は、発生されたマイクロ波を商業プラズマ運転に使用する反応容器のスケールアップである。マイクロ波プラズマは、化学反応及びプロセスを促進する理想的な手段を提供する一方、これまでは、比較的小型規模で且つバッチプロセスとしてのみ実施されていた。
マイクロ波により発生するプラズマ源は、２つのグループに分けられる。低圧力において機能するグループ（通常は10-1 bar以下であり、表面洗浄及び活性化用途のため適切な低密度プラズマを発生する）と、大気圧及びそれ以上の圧力において機能し、クラッキング及び化学反応／合成の用途に適切な高負荷のプラズマを生成するグループである。燃料分解のための使用される何らかの商業システムは、好ましくは"高圧力"システムに基づいている。それは、供給流体のより大きい処理能力、より短い滞留時間及び比較的小型の処理装置を可能にする。これより、効果的でエネルギー効率が高い最終生成物の生産が得られる。さらに、低圧力システム内に起こる圧力差のため、低圧力システムを採用することは、連続運転及び／又は商業用途に実用的でない。
２つの従来タイプの大気プラズマ生成器が公知である。すなわち、低容積単一管及び大容積単一マグネトロンである。どちらのタイプの反応器も、実験室スケールでは一定の成功を収めているが、商業規模運転で十分に使えることが証明された設計はまだ存在しない。前者は、励磁放射を収容するために必要な導波管の大きさによって、体積が制限されていた。すなわち、導波管がプラズマの体積を制限する。このように、反応器内の管直径の基本的な限界は、マイクロ波源の周波数によって定められる。それは実験室規模の装置への用途を制限する。後者は、空洞共振器に頼って局部的な高負荷電磁界の領域を発生し、そしてプラズマを発生して維持する。このため、プラズマの発生及び十分なエネルギーを処理のために供給材料に供給するために、高マイクロ波出力が必要とされる。また、反応容器が共振する必要があるため、装置サイズは、マイクロ波源周波数及び出力によっても制限されている。このために、反応器で発生されるマイクロ波周波数及び出力の両方が、反応器の潜在的な容器容積を、これらの操作原理のいずれかに基づいて制限する。
プロセスのためにより多くのプラズマを生成するため、ＡＣ、ＤＣ、ＲＦ及びＨＦプラズマを結合することは比較的容易である。しかし、マイクロ波プラズマについてもプラズマの結合がどの程度で可能であるかはこれまで実証されていない。反応器容器内のプラズマ体積を増加させるため、マイクロ波源の位相を同期することが難しいことは、周知であり、十分に報告されている。周波数及び位相を制御することが可能なＲＦによる電磁エネルギーの発生には、多くの技術が存在する。複数のプラズマ源をさらに追加して結合させるのに必要な位相同期行うためには、ＲＦ発生器を微調整してそれらがすべて同一の位相及び周波数において機能することを確実にする。
マグネトロン又はクライストロンといったマイクロ波の発生器は、容易に調整可能な位相及び周波数特性を有さない。共振装置の出力、周波数、位相及び容積 はすべて相互に関係しており、そして、他の共振装置に悪影響を与えることなしに、ひとつの共振装置を単純に調整することは不可能である。さらに、マグネトロン及びクライストロンは、周波数バンドにおける基本周波数についてマイクロ波を放射する。重要な成分が基本周波数の外側に存在しており、フィードバックされてマイクロ波源を損傷するほどに増幅される。アイソレータは、プラズマ源を保護するのに使用されてよいが、位相同期及びアイソレータ共に、多額のコストがかかり、利用可能なマイクロ波エネルギーを減少させる。実際には、とても制限された条件下で非常に複雑な状態で、数少ないプラズマ源に対してのみマグネトロンの位相同期は実現される。
マイクロ波を使用するプラズマの生産のための装置の一例が、US6,204,603に記載されている。この装置は同軸の共振装置を利用し、その中にマイクロ波が結合される。電磁定常波パターンが共振器内に生成される。それは、高負荷（振幅）の領域において、プラズマを発生するのに十分である。しかし、この装置内で共振容器を使用すると、一度に生成することができるプラズマの潜在的な体積が制限される。
大型領域プラズマ生成器は、JP2006/156100に記載されている。この文書によると、共通の空間内にプラズマを発生し、その空間内でプラズマのより均一な分配を実現するために、多くの個別のマイクロ波アンテナを使用する。アンテナは分離されているが、それらは単一、共通のマイクロ波源によって動かされる。これは、プラズマ源（アンテナ）のすべてが一致することを保証するためであり、これにより、またプラズマの最大の出力が制限される。この文書は、複数のマイクロ波プラズマ源を使用してプラズマ領域を維持することに関する難しさ及び複雑性を明確に示す。
本発明の目的は、マイクロ波電磁放射を用いたプラズマ利用のための、改良された装置及び方法を提供することである。
さらに、本発明の別の目的は、マイクロ波により生成されるプラズマ（同時に生成および維持される）の体積による制約（従来技術の装置はこの制約を受けている）を受けることのないプラズマ生成装置を提供することである。
さらに、本発明の別の目的は、マイクロ波プラズマ生成器の中で生成されたプラズマの体積及び／又は出力が、従来のプラズマ反応器と比較して、その生成に使用されたプラズマ源の特性への依存が少ないマイクロ波プラズマ生成器を提供することである。
さらに、本発明の別の目的は、マイクロ波プラズマ生成器を利用することによって水素を生産するシステム及び方法を提供することである。
本発明は、独立請求項によって説明されて特徴づけられる。一方、従属請求項が本発明の他の特性を記述する。
このように、
炭化水素を含む気体から水素を発生するための装置であって、
気体炭化水素の供給源との接続のための手段と、
この手段及び反応容器へ連結されたプラズマノズルとを備え、
この反応容器は、各プラズマノズルと流体連通し、
このプラズマノズルは、マイクロ波プラズマ生成器と、このプラズマノズルを介してこの反応容器への各入口へ気体炭化水素フローを配向させるための供給管とを備え、これにより、この反応容器の入口手前でこのプラズマノズルが気体炭化水素を少なくとも部分的にイオン化してプラズマを形成し、
この反応容器は、水素を集めるための少なくとも１の出口を備え、この出口を通じて水素が回収され、これによって炭素酸化物の発生なしに水素が連続的に生産される、
ことを特徴とする装置が提供される。
一実施形態として、このプラズマノズルがプラズマ安定化フローを促進するように構成され、及びこのプラズマノズルがその中の供給管の形状によって安定化フローを促進するように構成される。
一実施形態として、このプラズマノズルが供給管内への撹拌部の組み込みによって安定化フローを促進するように構成される。このプラズマ安定化フローは、渦でよい。
一実施形態として、この反応容器が湾曲した側壁を有する。
一実施形態として、この供給管が、基質粒子といった反応物のためにこのプラズマ生成器下流に配置される入力ポートを備え、この入力ポートは供給管へ反応材料が流れこむことによって、供給管内のプラズマ安定化フローが維持されることを補助するように構成されている。
一実施形態として、ノズルとこの反応容器へのノズルの入口がこの反応容器と同軸上に整列しており、それによって追加の安定化フローがこの反応容器内に生じる。
一実施形態として、この反応容器へのプラズマノズルの連結がこの反応容器において追加の安定化フローを生じさせるようにされている。この反応容器への供給材料がこの反応容器外周の壁面に対して鋭角で入力するように、各プラズマノズルの出力方向が配向される。追加の安定化フローが渦であってよい。
一実施形態として、プラズマ反応の１又は複数の成分の分離及び収集のために、基質材料の固定層又は移動層がこの反応容器内に提供される。
追加の安定化フローがこの反応容器内の浮遊粒子を支持することが可能である。
有利には、この浮遊粒子がこの反応容器内のプラズマ反応の１又は複数の成分の分離及び収集に使用される。
一実施形態として、各ノズルのプラズマ生成器が、マグネトロンを原動力とする。
好ましくは、この反応容器が、プラズマ生成器に対して非共振である。
一実施形態として、この出口がこの反応容器内に調整可能な長さだけ延長されている。
一実施形態として、この装置は、この反応容器と流体連通する第２の容器であって、排出ポートを有するこの第２の容器をさらに備える。
一実施形態として、１又は複数の静電コレクタがこの第２の容器内に調整され、かつこの排出ポートが沈降分離器及び／又は集塵器と流体的に接続されている。
一実施形態として、この反応容器が、１又は複数の反応物の二次フローに適した入力チャネルを備え、そして、下部の出力ポートからこの入力チャネル及びさらにこの反応容器に選択的に粒子を供給するための手段をさらに備える。
一実施形態として、この装置は、供給材料を粒子化又は気化するためのプラズマ生成器より前に、粒子化又は気化装置をさらに備える。
それは、また、炭化水素を含む気体から水素を生産する方法であって、
（ａ）それぞれ独立した量の気体を、制御された圧力でそれぞれの領域に供給し、それぞれの量の気体がそれぞれ電磁界にさらされ、それによって非平衡のプラズマがそれぞれの領域内で生成されるステップと、
（ｂ）プラズマの流動特性を制御しつつ、それぞれ独立した量のプラズマを別々の入口を介してこの反応容器へ供給し、これによってプラズマがこの反応容器に入るまでおよび入った後しばらくプラズマを維持し、且つイオン化状態を保つステップと、
（ｃ）生産された水素をこの反応容器から出口を介して抽出し、これによって事実上需要に応じて連続的かつ炭素酸化物の発生なしに水素が生産されるステップとを含む、方法を備える。
一実施形態として、この領域及び反応容器の圧力が大気圧又はその近傍の圧力である。
一実施形態として、プラズマがイオン化状態にある間に、この反応容器においてこのそれぞれ独立した量のプラズマの混合をさらに含む方法。
一実施形態として、それぞれの複数の電磁界が分離した及び個別のマイクロ波源によって発生される。
一実施形態として、ステップ（ｂ）のプラズマの流動特性を制御するステップは、気体がプラズマ状態になる前に渦ガスフローを形成するステップを含む。
一実施形態として、この方法は、この反応容器から析出した炭素の抽出するステップをさらに含む。
一実施形態として、この反応容器内のプラズマへの粒子形態で基質を導入する。そして、一実施形態として、この基質は、この反応容器から抽出された析出した炭素を含む。
本発明によって構成される装置は、従来技術に対して多くの利点を有する。最も重要なのは、本発明では、大気圧及びそれ以上の気圧において、より大量のマイクロ波生成プラズマが生成可能であり、このプラズマ及び付随するアフターグローを同時に単一ボリュームに集めることができることである。そして、これにより、従来利用可能なプラズマ生成と対照的に、装置及びプラズマ生成方法を商業規模の処理運転に非常に適したものにし、そして、プラズマ処理運転（例：水素の生産）において実現されるべき効率を改善させることが可能になる。この構成により、複数のプラズマ生成器を互いに電磁的に分離することが可能になり、これによって、相互干渉による損傷のリスクが著しく低減される。このようなプラズマ源によって生成されたプラズマ及びアフターグローは、反応容器内で集められて最終生成物の形成の制御を可能とするため相加的である。これは位相同期の必要なしに実現される。この位相同期は、従来技術においては厳しい制約要因であることが実証されていた。
反応容器をプラズマ源から空間的に分離した結果として、本発明によって構成される装置は、従来技術において公知のプラズマ反応器より大幅に使い勝手がよい。この同一の反応器が、異なった複数のプロセスに容易に適用でき、必要に応じて連続的に運転される。
前述の通り、マイクロ波放射のために許容される範囲は、1mから1x10−2mの範囲の波長である。プラズマの生成に使用されたマイクロ波は、本発明によると、0.5mから0.05mの範囲であることが好ましい。反応容器の位置がプラズマ生成器から離れているため、複数のプラズマ発生源の使用する出力が相加的であることが可能になる。すなわち、生成されたプラズマ及び／又はアフターグローの体積（すなわちプロセス反応のために利用可能であるプラズマ及び／又はアフターグローの体積）は、発生源の数に従って増加する。
これは、生成するマイクロ波放射それ自体の特性によって根本的限界が与えられる従来技術と正反対である。すなわち、従来のプラズマ反応器においては、容器がこの放射に対して共振するか、プラズマ周りに導波管で制限された領域を作り出さなければならない。その導波管の機能によって、同様に、マイクロ波周波数によって定まる容積が制限される。
マイクロ波プラズマ生成のための従来技術プロセス（例：US6,204,603及びJP2006／156100に記載）を、商業規模にスケールアップすることは、実現されたことは知られていない。そして、従来利用可能な技術では、単純に実現可能でない。単一管プロセスは、プラズマの表面に導波管を形成する必要があるために、小容積に制限されている。このようなシステムを複数のマイクロ波源に拡張したものを用いて多量のプラズマを発生することは、実現可能でない。
発生源は、周波数及び位相が同期されることが必要であり、その実現が難しい。しかし、より基本的には、プラズマの体積が依然導波管の大きさによって制限されている。複数の発生源は、よりエネルギー集約的な処理のため、非常に強いプラズマをもたらすが、それ自体がより多くのプラズマを処理するわけではない。単一マグネトロンプロセスは、US6,204,603に記載されているように、マイクロ波放射の適切なモードに対して共振する反応容器に依存する。このように、局部的な範囲の高負荷領域が容器内に生成され、望ましい反応を起こすのに十分な時間にわたりプラズマを励起及び維持することを可能とする。容器が制限されたモード数の一つで共振される必要があるということは、容積がマイクロ波源の周波数によって決まることを必然的に意味する。このことより、このような装置を任意の励起周波数のためにスケールアップ及びスケールダウンすることは不可能である。
上述の通り、本発明においてプラズマ生成領域は、反応容器から離れている。プラズマ生成領域及び反応容器の間の最小の分離距離は、プラズマノズルの個別のマイクロ波領域が電磁的に隔離されることを保証するのに必要な最小の距離である。最大の分離距離は、プラズマ状態の持続に依存する。それは、同様に、少なくともプラズマのエネルギー、供給フローの速度と安定化、及びプラズマ／アフターグロー内の位置によって決定される望ましい反応及び再結合に依存する。好ましくは、分離距離は、0.005 m及び1 mの間、より好ましくは0.05 m及び0.5 mの間、より好ましくは0.02 m及び0.2 mの間がよい。最小の分離距離は、用いられた電磁放射の波長によって部分的には決まる。
理想的には、本発明によって生成されたプラズマは、安定化パターンで流れるように誘導され、プラズマ生成サイトを超えて向側まで続く。それによって、反応容器においてプラズマの収集を可能にする。反応容器内の流体フローは、また容器内の'反応ゾーン'の描写を可能にする。その中では、必要な反応の大部分が起こる。プラズマアフターグローは、収集容器において大部分が維持する。そのアフターグローは、励起を生じる以外の機構によってプラズマが維持される領域である。このような存在は、安定化フローによって助長されると考えられる。
共通の容器から離れているプラズマ源と、反応が起こる共通の容器内のプラズマプルームの移行及び結合によって、反応物がプラズマ状態を維持することで、本発明は、プラズマ処理の基本的側面において大いなる使い勝手のよさを提供する。特に、プラズマプロセスの分解ステージが反応プロセスの再結合ステージから物理的に分離し、かつ分解が起こる環境からも隔離された位置で起こることによって、それぞれのステージのために生成される異なったプロセス条件を可能にする。これは、同様に、望ましい反応／再結合を促進するのに反応容器に組み込まれる再結合のための理想的な条件を許容する。このため、反応器槽の容積及び出力のスケールアップ及びスケールダウン、並びに反応容器内で機能する化学及び物理的な反応プロセスのタイプ及び範囲、の双方において柔軟な変更が可能になる。
複数の位相同期マイクロ波プラズマ生成器を結合する従来技術のプラズマ容器と異なり、本発明によると、２以上のうち１の収集容器に連結されるマイクロ波プラズマ生成器の数が制限されない。唯一の実用的な限界は、収集容器の容積及び収集容器に対するプラズマノズルの連結の物理的な大きさ、すなわち容器周りに物理的に取り付けられるプラズマノズルの数である。使用目的によっては、プラズマノズルの数は、反応容器内の特定のガスフロー特性を生成する必要によって制限されてもよい。ここに記載する特定の実施形態においては、好ましくは少なくとも４つのプラズマ生成器は、単一の反応器容器と連結する。
収集容器へ投入される総プラズマ生成量は、用途及び使用されるプラズマノズルの数の関数によって1kWから数MWの範囲にすることができる。
"プラズマノズル"という用語は、ここにおいて、入力ポートから出力ポートへのプラズマ生成領域又は区域を通って供給流体を配向させることが可能なエネルギー源（例：マグネトロン）が取り付けられた任意の装置を包含すると理解される。
プラズマノズルは、その中の誘導管を画定することによって収集容器において安定化フローを促進するように構成される。たとえば、ノズルの設計は、渦管に基づいていてよい。その渦管の中では、側面の入力が出力ガスフローを強い渦運動へと導く。あるいは、ノズルは、管内に撹拌部（例：らせん羽根車又はファン）を備えてもよい。
理想的に、安定化フローを促進するのに適用されるノズルは、プラズマ生成器の上流に位置する。この配置は、処理がより均一になるようにプラズマ区域への供給材料の暴露を増やす付加的効果を有する。
安定化フローは、最も好ましくは半径が減少する渦フローであり、それによってガスが主にらせん形フローとなることを意味する。渦フローがプラズマをある程度安定化させることは、公知であるが、これまでにこのような安定化機構が、ここに記載されているように、反応槽の設計に対する使い勝手のよさについて驚くほどの利益を有することは、認識されてこなかった。
または／さらに、本発明のプラズマ反応器は、収集容器内部にさらに追加の安定化フローを促進するように構成しても良い。この追加の安定化フローは、ノズル内の安定化フローの特性及び／又は収集容器周りのプラズマノズルの配置の手段によって及び／又はそれらの容器への連結方法によって促進されてもよい。容器壁面に対して角度をもって、好ましくは正接の角度で、供給材料／プラズマをこの容器に入力するように、ノズルがこの容器へ連結されてよい。追加の安定化フローは、渦フローであってもよい。別のフローインデューサー（ノズルから分離している）としては、例えば反応容器内の撹拌部が想定される。
好ましくは、反応容器は湾曲側壁を有する。たとえば、この容器は、形状が円筒状、ドーナツ型又は球状でさえあってもいい。これは、安定化フローと組み合わされて、化学及び物理的プロセスの大きい範囲にわたって大きな改善の可能性を有する。第一に、プラズマプルーム／アフターグローはノズル出口から出て反応容器に延び、フローのパターンによって形成され、反応容器壁面に沿って側方向に伸びる。容器周りを流れる供給材料、 集合又は基質粒子、又は他の反応材料は、アフターグロー環境において滞留時間を増加させると想定される。これが、より完全なプラズマ処理及びそれにより改善された反応効率を可能にする。プラズマノズルが十分に近い、及び／又はプルームが十分な時間維持する場合、これらの個別のプルームが融合し、容器内に連続するプラズマ環状体を形成する。
容器内のフロー条件によって提供されるもう一つの利点は、多くの場合、反応生成物の迅速な分離を可能にすることである。たとえば、炭素及び水素が反応生成物の場合、炭素は、クラスター化し、重力落下させる一方で、水素フローは、上流へ向かうことが可能である。このために、容器の頂部及び底部における又は近くの出口は、反応槽においてプラズマ生成及び反応が継続する間これらの生成物が除去されることを可能にする。すなわち、生成物の除去は、停止することなしに反応プロセスを促進する。連続運転のための可能性は、生産性を著しく向上させる。
他の実施形態では、安定化フローは、容器内に浮遊する粒子ベルトを支持することが可能である。これらの粒子は、１又は複数の反応生成物のための基質として機能することができる。それは、この容器からの分離及び除去を補助する。また、これが、これまでかかる反応槽の唯一の運転手段であったバッチプロセスと対照的に、反応槽の連続運転を可能にする。
本発明の反応槽又は収集容器は、利用されたプラズマのタイプによって制限されない。各プラズマノズルは、低容量の源又は大容量の共振源、又は実際には他の適切なマイクロ波プラズマ源を備えてもよい。実際、マイクロ波プラズマ源に加えて、反応槽は、他の非マイクロ波プラズマ源及びプラズマノズルを有して良い。しかし、好ましくは、商業用途のためには、大気圧以上で機能することが有益と考えられる。好ましい機能範囲は、0.01〜8 barであるが、より大きい機能圧力（例えば10〜25 bar）が想定される。
本発明について、詳細には、各ノズルのプラズマ源は、好ましくはマイクロ波源としてマグネトロンを使用することで得られる。各ノズルは、供給材料が流れる供給管を備える。各マグネトロンは、マイクロ波放射のために寸法取りされた少なくとも一つの導波管を備える。導波管は、マイクロ波放射の電界が最も強い位置か、その近くで給送管が交差するように配置されてよい。かかる設計は、実装し易く、事実かかるマイクロ波源は、容易で安価に利用可能である。
本発明の好ましい実施形態において、この供給管は、供給管とマグネトロン導波管の交差点又はその近くに位置する渦インデューサーを備える。これが、安定化（好ましくは渦）フローは、プラズマ生成前に誘発されることを保証する。それは、プラズマと供給材料のより良い混合を保証し、それは、同様によりよい処理を保証する。
前述の通り、マイクロ波放射のために許容される範囲は、1mから1x10-2mの範囲の波長である。電流を使用して、容易に利用可能な装置については、本発明に従って、プラズマを生成するのに使用するマイクロ波が0.5 mから0.05 m範囲の装置波長を有することが好ましい。
プラズマノズルで用いられるマイクロ波プラズマ生成器は、好ましくは同軸のマグネトロンである。各プラズマノズルのマイクロ波生成器へ供給されるエネルギーは、好ましくは0.1kW及び500kWの間、より好ましくは0.5kWから120kWの間、最も好ましくは1kWから75kWの間がよい。
好ましい実施形態において、プラズマ反応器のプラズマノズルの全ては、各々マイクロ波プラズマ生成器を有する。しかし、プラズマ反応器は、また収集容器に接続された異なったプラズマ源の範囲が含まれることが想定される。そのいくつかは、マイクロ波プラズマ生成器でなくても良い。プラズマ反応器のマイクロ波プラズマ生成器のいずれも位相が同期されないことが最も好ましい。より一般的には、共通の反応容器に接続されたマイクロ波プラズマ生成器の少数だけ位相が同期されても良い。
プラズマノズルを通る材料フローは、好ましくは、流体、より好ましくは気体からなる。さらに、プラズマノズルのプラズマ生成区域を通るフローは、優先的に１又は複数の反応物を収容する。プロセス反応に依存して、好ましくは主な部分、又は 理想的にはすべてが、少なくとも１の反応物がプラズマ生成領域を通って流れる。この反応物は、反応物がフローの５０％以上、より好ましくはフローの７５％以上、そして最も好ましくはフローの９０％以上がプラズマ生成領域を通るように構成される。
プラズマノズルへ供給される流体は、好ましくは-20℃から600℃、より好ましくは0℃から200℃、最も好ましくは50℃から150℃の間の温度が望ましい。プラズマノズル内の圧力は、好ましくは0.01 bar abs. から8 bar abs.、より好ましくは0.3 bar abs. から5 bar abs.、最も好ましくは0.8 bar abs. から3 bar abs.がよい。
プラズマノズル内の平均滞留時間は、イオン化される材料に応じて、10-6秒から10-1秒がよいが、好ましくは2x10-6 秒から10-2 秒がよい。しかし、平均滞留時間は、材料のイオン化に依存すると理解される。一例として、本発明のマイクロ波プラズマ生成器を通過するメタンを１００％効率で完全に分解するのに消費する比エネルギーは約23kJ/molである。
反応器容器の容積は、場合に応じて、意図される用途及びプラズマ反応器の処理需要に依存するものの、2.45GHzの場合マイクロ波プラズマ生成器の典型的な容積の範囲は10-3m3から103m3の間、より好ましくは10-2m3から102m3の間、最も好ましくは1.5ｍ3から102ｍ3の間である。反応容器の容積は、好ましくはkW当たり5x10-4ｍ3／ノズル以上であり、ここから上流に制限なしに広がってもよい。
反応容器内の滞留時間は、容器内で起こる反応及び望ましい出力生成物に依存し、これは0.1秒から数時間に広がっても良い。
反応容器（さもなければ、本明細書において、アフターグロー容器又は収集容器と称されるもの）は、上方の壁面を通って伸び、理想的には、反応容器の中央に位置する排出管を備える。この排出管は、容器内で予め選択した又は調整可能な長さに延長して良い。この排出管は、反応容器から出る気体のための収集点として機能してよい。この容器内のその高さを調節して、特定の気体生成物を収集してよい。また、渦運動が反応チャンバーに残ることを促進し、排気ガスの流出によって消失しないように、排出管内に小さい管を多く取り付けても良い。
反応容器から１又は複数の出口の提供が、プラズマ生成と停止する又は干渉することなしに、反応生成物を抽出することを可能にする。すなわち、この処理の連続運転に影響しない。生成物除去は、システム（例えば、炭素生成プロセス）の目詰りを防止する、又は圧力の増加（例えば水素又は他のガス生産プロセス）を開放するのに望ましい。
プラズマ反応器は、反応容器と流体連通する第２の容器をさらに備え、この第２の反応容器は、排出ポートを有することも可能である。好ましい実施形態において、この第２の容器は、反応容器下に位置する。このような下部のポートは、理想的には容器から固体生成物を抽出するために配置される。さらに、反応生成物を取り込み収集するのに、第２の渦は、この排出ポートを通って容器内の方向づけられた中心に引き込まれる。下部の排出ポートから気体を逃がすことを防止するのに、このポートには、ガス制限バルブが取り付けられる。
収集補助器、例えば静電コレクタ、沈降分離器又はポリマー加工基質は、上下の容器のいずれか又は双方との流体連通に、又はその中に備えても良い。これらは、反応容器内で起こる反応の性質によって出力生成物を収集することが可能な手段をさらに提供する。たとえば、静電板又はリングは、固体を引きつけ、それらのガスフローからの固体の分離を促進する。
生成物を収集するための基質又は他の材料の導入を可能にするため、反応容器は、入力チャネルをさらに備えてよい。それに沿って二次フローが通過してよい。あるいは、他の材料が反応容器に１又は複数のプラズマノズルを介して入力されてもよい。それは、プラズマを活発に生成してもよく、しなくてもよい。
本発明において、プラズマ反応器は、液体が処理されることを可能にするために、１又は複数の粒子化又は気化装置を備えてもよい。
この粒子化又は気化装置は、プラズマノズル又は反応容器の入口に位置してよい。
また、ガス貯蔵器と、
少なくとも１の水素発生器と流体的に接続されたガス前処理モジュールと、
供給管を介して発生器及び貯蔵分配モジュールと流体的に接続された水素後処理モジュールと、
プラズマノズルを備えるこの水素発生器と、
各プラズマノズルと連結された反応容器と、を備え、
各プラズマノズルは、マイクロ波プラズマ生成器及び気体炭化水素フローをプラズマ生成器を介して反応容器の各入口への配向するための供給管を備え、
これにより、この反応容器の入口手前で、このプラズマ生成器が気体炭化水素を少なくとも部分的にイオン化し、プラズマを形成し、
この反応器は、この後処理モジュールへ水素を伝達するときに介する少なくとも１の出口を備える
ことを特徴とする気体炭化水素から水素を発生するためのシステムを提供する。
一実施形態として、気体炭化水素を予熱する手段を備える前処理モジュールと、水素冷却手段（好ましくは熱交換器）を備える後処理モジュール。
一実施形態として、この冷却手段によって気体から抽出された熱を、水素発生器の上流の位置へ移動するための配管及び媒体をさらに備えるシステム。そこでは、水素発生器への入口より前に、媒体が気体炭化水素と熱交換する。
有利には、供給管と流体的に接続されたフィードバック導管を備え、少なくとも一部の水素を水素発生器に供給するように構成されるシステム。
一実施形態として、水素圧及び縮昇圧手段、水素貯蔵手段及び水素出力手段を備える貯蔵分配モジュール。炭素貯蔵タンクは、好ましくは、配管を介して水素発生器に接続される。
添付された図を参照して、非制限的な例として下記に記述される実施形態の好ましい形態から、これらの及び他の発明の特性は、明らかになるであろう。
図１は、本発明によるシステム及び方法の実施形態を表すブロック図である。 図２は、本発明による反応槽の実施形態の概略図である。 図３ａ及び３ｂは、粒子又は微粉状態で生成物を収集するために、下方の容器内に配置される静電装置の概略図である。 図４ａは、下部の出力ポートと流動的に連通するように配置される沈降分離器及び収集装置の概略図である。図４ｂは、反応容器の上部の領域内に析出した粉末を、下部の出力ポートから供給するための配置の概略図である。 図５ａ及び５ｂは、反応容器についてのプラズマノズルの異なった配置を示す本発明の代替実施形態の概略図である。 図６は、ノズル内に組み込まれるのに適した、プラズマ生成領域の装置の例を概略図に示す。 図７は、本発明と共に使用するのに適した、プラズマ生成領域の装置の第二の例を概略図に示す。 図８は、プラズマ生成領域を通って渦運動で供給ガスを移動させるための形状をした、プラズマノズルの構成要素の概略図である。 図９は、プラズマ生成領域を通って渦運動で供給ガスを移動させるための形状をした、プラズマノズル内の代替構成要素の概略図である。
最初に、図1を参照して、本発明にかかるシステムは、主に、プラズマ反応器１００と、 前及び後処理モジュール２，３と、貯蔵分配モジュール５と、を備える。システム内のモジュールの動作は、通信回線４１を介して制御コントロールモジュール４によって制御される。
炭化水素ガス、好ましくは天然ガス（例：メタン）は、供給ライン６７を介して貯蔵タンク６６から前処理モジュール２へ供給される。貯蔵タンク６６は、前処理モジュールに接近した又は近くの適切な槽でよく、また先端部の源に接続された気体供給ラインを備えてもよい。
このガスは、前処理モジュール２内で、供給ライン６３を介してプラズマ生成器１００に供給される前に、それ自体に対して当該技術分野で公知の方法で、洗浄、乾燥及び分離を行われる。
図２に、本発明に基づいたプラズマ反応器１００の実施形態の概要を示す。プラズマ反応器１００は、供給ガスが環状のマニフォールド１０４に流れるのに通過する入力チャネル１０３を備える。複数のプラズマノズル１０５が、マニフォールド１０４と反応容器１０２とを接続する。特定の構造（図２に記載されてない）では、直径35mmの４つのプラズマノズルが使用される。25mmから50mm範囲の直径としながら、示される数より多い又は少ない数のノズルもまた可能である。反応容器１０２は、有利には、この構造において、500mmの直径を有することが可能である。しかし、この直径は、必要な生産規模により、たとえば250mmから数メートルの範囲でよい。
各プラズマノズル１０５内で、供給ガスは、選択的に及び制御可能に励起されてもよく、それにより、プラズマ生成区域又は領域においてプラズマを形成する。下記にそのプロセスを説明する。各プラズマノズルにおいて、プラズマ生成領域と、反応容器（すなわちノズル出口）の入口との間の最小の分離距離は、プラズマノズルの個別のマイクロ波領域の電磁隔離の保証に必要な最小距離である。最大の分離距離は、プラズマ状態に依存し、同様に、少なくともプラズマのエネルギー及び供給フローの速度及び安定化に依存する。好ましくは、各ノズル内の反応容器域からプラズマ生成領域分離する距離は、0.005mから1mとの間であり、より好ましくは0.05mから0.5mの間であり、より好ましくは依然0.02mから0.2mの間である。
各ノズル１０５は、ノズル入口又はノズル入口とノズルのプラズマ生成領域（図２に記載されてない）との間に位置する渦インデューサー１１０を備える。渦インデューサー１１０は、供給ガスが渦運動で流れることを促進するように構成されている。プラズマがイオン化状態を維持され、そして反応容器１０２へプラズマが流れる間それが保たれるように、この渦運動は、ノズル内で生成されたプラズマを安定化する。従って、反応容器１０２内にいる間の相当の時間にわたって、プラズマが反応性を有する。理想的には、ノズル内のそれぞれの渦フローの回転方向は、渦フローが反応容器内でプラズマの全体の安定化に確実に貢献するようになっている。
反応生成物を分離するのに使用する下方の容器１０８は、反応容器１０２の下方に位置する。たとえば、反応の固体生成物は、以下に説明するように下方の容器に分離される。反応容器１０２に対して実質的に水平の、又は内部でらせん状の、回転平面を有する回転流体フローを生成させることが望ましく、かつ、下方の容器１０８と隣接している反応容器１０２は、好ましくは固体の粒子の収集のためのサイクロンを画定することが望ましい。固体の生成物は、たとえばロータリーバルブといった気体制限バルブ１０６を通って、下部の出力ポート１０７へ移動する。
上部の出力ポート１０１は、反応容器１０２の上方に提供され、そして、本発明のこの実施形態においては、気体反応生成物（それらがロータリーバルブ１０６によって下部の出力ポート１０７を介して排出されることを防止する）を収集するのに使用される。
プラズマ反応器１００の機能は、図２を参照して記載される。
処理される気体の供給は、入力チャネル１０３を通って通常は絶対圧1 barから2 barに制御された圧力でマニフォールド１０４に入る。供給ガスの流速は、反応の様々な条件（例：プラズマ生成器（すなわち前述のプラズマ生成領域の装置）のエネルギー、供給ガスの化学組成、及び求められる反応出力）に従って配置される。たとえば、プラズマ生成のために6kWマグネトロンが使用されたとき、ガスフローは、通常各ノズル10 1/minから100 1/minの間に定められる。
マニフォールド１０４から、供給ガスが複数のプラズマノズル１０５を通って流れる。プラズマノズル内で、供給ガスが渦インデューサー１１０によって最初に撹拌され、安定化フローパターン（例：渦運動）を得る。そして、プラズマ生成領域においてプラズマへと励起される。その結果が、反応容器１０２へのフローパターンへと続く、分解され及び／又は部分的に分解されたガスの動く雲である。プラズマフローパターンは、ガスがプラズマ状態でプラズマ生成領域の下流及び反応容器１０２内に維持されるという意味で、プラズマの安定性を増加させる。このような安定化は、イオン化されたガスがプラズマ生成器及び反応容器内のいずれにも集中して滞在することを可能にし、それによって反応を起こすことができる活性領域が広がる。
反応容器１０２内で、分解された気体の成分は、分離され又は再結合され他の生成物を形成する、又は要求される反応の詳細に依存して基質又は容器１０２に導入される他の物質と反応する。いずれの反応経路が使用された場合も、上部の出力ポート１０１又は下部の出力ポート１０７を通って生成物が抽出される。
上述の実施形態におけるマグネトロンは、6kWマグネトロンである。しかし100kW 又はさらに大きい代替マグネトロン源であっても、依然、供給力に合わせて使用可能である。マグネトロンは、一定出力で分配するタイプ、又は特定の間隔でピーク出力値を発生するパルス状のマグネトロンでもよい。たとえば、1kWパルス状のマグネトロンは、10kWの出力ピークを一定間隔で発生するように機能できる。よって、この記述のために、マグネトロン出力(kW)への言及は、エネルギーがパルス状のマグネトロン又は一定出力マグネトロンによって発生されたかに関係なく、電磁エネルギーとして理解されるべきである。ノズル内及び反応容器内において、より大きい流体流速がより大きい電磁エネルギー値のために好ましい。
反応容器とプラズマ生成領域を分離することは、２重の効果を有する。第一に、ノズルからのプラズマ出力が相加式になっている。すなわち、各ノズル１０５が反応容器１０２にプラズマを供給し、そして反応容器内のプラズマ体積は、使用されたプラズマノズルの数に比例して増加される。第２に、反応容器は、特にその生成の原因となるマイクロ波の波長について、プラズマが生成される方法によって何ら制限されない。これは、同様に、プラズマ反応器の設計が、内部で起こる反応に容易に適合可能で、大いに使い勝手のよさがあることを意味する。たとえば、基質は直接又はプラズマノズルのいずれかを介して容器に導入されてもよく、又はガスフローが特定生成物を取り込むために使用されてもよい。
他の運転モードにおいて、異なった供給材料が、反応容器周りの様々なプラズマノズルへ導入され得る。これは、より複雑な反応を起こすために容器の条件が定められる。水素発生との関連で、一定の状況下で、容器に炭素基質を導入することが有利である。
反応槽のために使用された上記の寸法及びパラメータの値は、特定の一実施形態のみの実例であり、それに制限することは意図されてない。記載されるシステムは、容易にスケールアップできる。たとえば、2450MHzで機能する6kWマグネトロンは、1kWから30kWマグネトロンに置換できる。さらに、低周波数において機能する35kWから100kWの間で利用可能な大型マグネトロンが、直径100mmを上回る大型ノズルと共に使用されることが可能である。取り付けられたノズルの数によって及び比例して、反応容器は容積がスケールアップする。
プラズマの安定化は、通電源からプラズマアフターグローを分離する重要な特性である。これより、供給ガスの反応相がプラズマ生成領域から離れて反応容器１０２内に維持されることを可能にする。らせん形パターンの流体の単純な運動である、渦運動は、比較的安定したフロー構造を形成することが知られている。この構造は、ノズルのプラズマ生成領域を通じて容易に作られる。そしてこのらせん形の運動は、励起源に暴露される供給ガスの分配さえも保証する。プラズマが反応容器１０２内に存在する十分な時間の間、この渦は維持するべきである。明らかに、実時間は、渦速度及び最初のガスフローといった因子に依存する。
安定化を考慮する上で、起こっている反応及びプラズマを形成する反応への燃料供給をうまく両立させる必要がある。ノズルのプラズマ生成領域を通るフローが増加するより、プラズマをより早く移動させる。それは同様に渦安定化の必要性を減少させる。しかし、増加したフローは、装置におけるエネルギー需要の増加を意味する。これより、プラズマ密度を減少させることを回避し、イオン化のためのエネルギーを供給するプラズマを生成する。
渦フローが好ましいが、代替の安定化方法も当然可能である。プラズマ"雲"を特有の形状に保つために、プラズマフローに外力が適応されることが必要とされる。そして、プラズマ"雲"は、プラズマフローが反応容器１０２に入るように維持される。たとえば磁力又は音速フローが使用されても良い。磁力は、容易に利用可能な従来技術で、低圧力マイクロ波プラズマシステムにおいて通常用いられる電子サイクロン共振プラズマ源システムにおいて通常見られる。
反応容器１０２内において、ノズル１０５及び隣接した反応容器壁面からプラズマ雲が広がる。これは壁面に沿って分配され、拡大したプラズマ領域をもたらす。反応容器周りのノズルの間の空間は、容器内のプラズマ雲の形状及び強度を決定する。特に、各ノズルが生じる各雲は、近傍の雲と融合し、反応容器の壁面に隣接して位置する連続ドーナツ型のプラズマ区域を生成する。
プラズマ反応器が非常に適している実用的な用途は、炭化水素ガス（例：メタン）からの水素生産である。上述のプラズマ生成プロセスに従って、それがプラズマとして入る反応容器１０２から、マニフォールド１０４に及びノズル１０５に 、メタンが供給される。プラズマが生成する点から分解された炭素及び水素を形成するプラズマ内の反応が始まり、そして反応容器１０２内で継続する。上部の出力ポート１０１を通って水素ガスは集められ、そこから図１に記載されるように後処理モジュール３に供給される。
図３ａ及び図３ｂで示される一実施形態として、適切な電力供給装置（不図示）に接続された１又は複数の静電板又はリングが、下方の容器１０８内に配置される。これは、分解された炭素の収集を強化するためである。図３ａは、２つの静電リング１３１，１３２を示す。一方、図３ｂは、２つの静電板１３３，１３４を示す。 分解された固体の炭素は、この板又はリングに引きつけられ、このことにより優先的に析出する。このリングは、必要に応じて除去され又は置換される。炭素は、例えば活性炭素又はカーボンブラックといった生成物を容易に形成する。硫黄及び酸素不純物がない現在利用可能な商業製品と比較して、これらの炭素生成物は、有利である。
図４ａは、下部の出力ポート１０７へ流体的に接続された沈降分離器１４０、及び集塵装置に接続された集塵器１４１の形式で、分解された炭素を収集するための代替手段を説明する。
一実施形態として、粉末は、反応容器１０２に再導入されたものなので、プラズマ内で反応物として使用されてよい。図４ｂに示すように、流体ライン１６０は、一端がポンプ１５０を介して沈降分離器１４０に接続され、他端が入力ポート１１１を介して反応容器１０２に接続される。好ましくは、入力ポートは、例えば排出装置タイプノズル１５２といった適切なノズルにより提供される。
図５ａ及び図５ｂを参照すると、プラズマノズル１０５の反応容器１０２に対する代替方向が示される。 図５ａで示される配置は、複数スタートらせん形成反応容器１０２ａである。ノズル内に発達する渦フローは、この構成１０２ａによって、反応容器１０２内でさらに促進される。これは一部のプロセスのために有益である。図５ｂ内に 示される代替配置は、反応容器１０２においてさらなる軸流を提供する。上に概説される例を使用すると、固体の炭素形成ではなく、これは合成ガス形成のためにより適している。実施形態の範囲を形成するこれらの２つの極との間のノズル形状は、当該技術分野の当業者によって理解される。
ノズル配置の利点によって、反応容器内の流体フローが維持される。一定の状況下で、このフローは、導入される粒子から成る浮遊するベルトを支持するのに十分であり、それは１又は複数の反応生成物のために基質として機能してもよい。反応容器内に流体フローを維持するための代替手段は、機械的機構、すなわちへらタイプの移動する基質、注入された基質粒子の強制フロー又はプラズマノズルでないもう一つのジェット、すなわち浮遊する磁気粒子に影響する動く電磁界を備える。
この実施形態において反応容器１０２は、ドーナツ型の形状として示されるが、それは球形又は円筒形、又は他の形状、好ましくは湾曲した壁面の形態で代替できる。
ノズル出口の領域における炭素の形成を減少させ又は防止するために、ノズル出口が互いに対して反応容器外周の周りに最適に間隔を空けるように、反応容器径に対するノズルの数の比が決定される。このようなノズル間隔比率は、通常は、１から３０ノズル径の間に存在する。
図５ａ及び図５ｂの例では、４つのプラズマノズル１０５が、反応容器１０２へ供給することを示す。しかしこれは実例を明確にするためのみである。より多いノズルが使用されてよく、制約要因は、本質的に容器１０２周りにどれだけ取り付けられるかである。また、もちろん、すべてのノズルがプラズマ生成に使用されることは、本質的でない。たとえば、１０個のノズルを有する容器内に、おそらく５つのノズルのみが特定の反応のプラズマ生成のために使用されてもよい。残りは、供給ガスが活性ノズルのプラズマ生成領域にバイパスし及び容器に入ることを防止するために閉じられる。 あるいは、図４ｂを参照して、上述されるように、プラズマ生成のために使用されないノズルは、それによって反応物を供給及び／又は反応容器内の動的なエネルギー増加させるのに、基質粒子を注入すること又はガス（反応容器の出口からのガスを含む）注入することに使用される。
上に記載されたように、反応容器からプラズマ生成を分離することで、ノズルがプラズマ生成へ追加的に貢献することを可能にすることが、本発明において重要である。従って、これらのノズルの構造が図６から図９を参照して詳細に記載されている。
図６及び図７に、いずれもマイクロ波プラズマ生成に基づいて、プラズマ生成領域の装置のために可能な配置を示す。図８及び図９に、渦インデューサー１１０の例を示す。
最初に図６に、プラズマ生成器として構成されるマグネトロン３０１及び導波管３０２が示される。マグネトロン３０１は、当該技術分野で公知の方法で電磁界（Ｅ界）を生成する、従来のマイクロ波生成器構造である。これは、一般的に電子レンジ見られるものと類似する。この配置では、１／４波長スタブを形成する閉口３０４によって、マグネトロン３０１が標準導波管３０２内へ供給される。このマグネトロンは、1kWから75kWの範囲のエネルギーを供給できる。適切な誘電管３０３（例：石英管）は、Ｅ界強度が管３０３内に収容される気体がイオン化することを引き起こすように、Ｅ界が最大となる点（閉口３０４から１／４波長）に位置する。処理される気体は、管３０３に供給され、そして管３０３と導波管３０２の交差点から出口３０５へ分解された状態で流れる。適切な導波管の例は、Siremによって供給されるSurfguieTMである。石英管３０３は、すなわち好ましい運転の周波数において電気絶縁及び低誘電率の他の材料の管によって同様に置換されることができる。
商業的に利用可能なマイクロ波源が低出力である欠陥は、個別のプラズマ生成器からの出力を組み合わせて追加することで、本発明によって克服される。この進歩は、重要である。もっとも大きい商業的に利用可能なマグネトロンは、75〜120kWの範囲である。このような反応容器周りに方向づけられた多くの（例：10個）マグネトロンを使用することで、MW強度のプラズマ区域を生成することが可能である。
各ノズルの流体通路は、好ましくは真っ直ぐであり、そして6kWマグネトロン向けには、プラズマ生成区域のノズル直径は、好ましくは5mm及び100mmの間であり、より好ましくは10mm及び50mmの間であり、最も好ましくは30mmから40mmの間である。
プラズマノズルにおいて用いられるマイクロ波プラズマ生成器は、好ましくは同軸のマグネトロンがよい。さらに、生成され及びプラズマノズル内で使用されたマイクロ波は、好ましくは装置波長0.01mから1mの間であり、より好ましくは0.05mから0.5mの間であり、最も好ましくは0.1mから0.3mの間である。また、各プラズマノズルのマイクロ波生成器へ供給されるエネルギー は、好ましくは0.1kW及び500kWの間であり、より好ましくは0.5kWから120kWの間であり、最も好ましくは1kWから75kWの間である。
プラズマノズルを通る材料のフローは、好ましくは流体、より好ましくは気体からなる。さらに、プラズマノズルのプラズマ生成区域を通るフローは、１又は複数の反応物を優先的に収容する。少なくとも１つの反応物は、好ましくは、主な部分、理想的にはすべての部分が、プラズマ生成領域を通って流れる。反応物のフローの５０％以上、より好ましくは７５％以上、そして最も好ましくは９０％以上がプラズマ生成領域を通るように構成される。
プラズマノズルへ供給される流体の温度は、好ましくは−２０℃から６００℃の間であり、より好ましくは０℃から２００℃の間であり、最も好ましくは５０℃から１５０℃の間である。プラズマノズル内の圧力は、好ましくは0.01 bar abs. から8 bar absの間であり、より好ましくは0.3 bar abs.から5 bar abs.の間であり、最も好ましくは0.8 bar abs.から3 bar abs.の間である。プラズマ生成領域の容積は、好ましくは2x10-6m3/kWから10x10-6m3/kW、より好ましくは4x10-6m3/kWから10x10-6m3/kW、最も好ましくは6x10-6m3/kWから10x10-6m3/kWの間が望ましい。一方で、プラズマノズル内の平均滞留時間は、イオン化される材料に応じて、10-6秒から10-1秒がよい。
一例として、本発明のマイクロ波プラズマ生成器を通過するメタンを１００％効率で完全に分解するのに消費する比エネルギーは約23kJ/molである。
反応器容器の容積は、場合に応じて、意図される用途及びプラズマ反応器の処理需要によるものの、2.45ＧＨｚの場合マイクロ波プラズマ生成器の典型的な容積の範囲は、10-3m3から103m3、より好ましくは10-2m3から102m3、最も好ましくは1.5m3から102m3である。しかし、反応容器の容積は、好ましくはkW当たり5x10-4m3／ノズル以上であり、ここから上流に制限なしに広がってもよい。さらに、反応容器内の滞留時間は、容器内で起こる反応及び望ましい出力生成物に依存し、これは0.1秒から数時間に広がっても良い。
図７に示す配置は、２つの小型マグネトロンを原動力とする改良されたプラズマ生成器を示す。２つのマグネトロン（不図示）は、共通の石英管４０４に互いに供給するように配置され、干渉することがなく、複雑な位相及び周波数同期システムも必要としない。図２に示す反応器の各プラズマノズルは、このタイプでよい。その場合、反応器は、図６に示すタイプのプラズマノズル用いた反応器より著しく大きな出力を生成することが可能である。
図７では、共通の石英管４０４の領域においてＥ界が強化するように、２つの導波管４０５及び４０６が先細に設計されている。処理される気体が、マニフォールド１０４から石英管４０４を通って反応容器１０２内へ矢印４０２によって示される方向に通過する。気体は、最初にマグネトロン導波管４０５によって形成されるプラズマ生成領域を、そしてマグネトロン導波管４０６によって形成されるプラズマ生成領域を通過する。２つのプラズマ生成領域との間に広がる単一プラズマ雲を形成するのに、図７に示すように導波管４０５，４０６が逆平行でなくてはいけないとまでは言わないまでも、２つのプラズマ生成領域が近接に存在することが望ましい。この配向性は、明確にするためにのみ示される。この配置は、生成されたプラズマの強度及びエンベロープ（長さ）を増加させる。
前述の通り、プラズマ生成器の他の設計は、当該技術分野で公知であり、そしてまた本発明の利用に適する。しかし、商業規模生産は、供給ガスの高処理能力及び大気圧又はより大きい圧力が好ましいプラズマ生成器の機能を必要とする傾向がある。マイクロ波は、燃料気体処理のために非常に効果的な大気内のプラズマの生成器である。
図８を参照して、プラズマ生成領域前のプラズマノズル１０５に組み込まれている渦インデューサーの最初の設計を示す。図６及び図７に示す発生器と組み合わされて使用されるならば、渦インデューサーは、プラズマ生成領域の上流の石英管３０３，４０４内に位置する。渦インデューサーの目的は、例えば渦フローのような安定化フローが、プラズマ領域を通過するときに、供給ガスを撹拌することである。渦インデューサーは、突起部５０１内に多くのスリット５０２を備える。プラズマ生成プロセスの間は、温度変動が一般的であるため、連結されたフランジ５０３は、外部から冷却される。フレキシブル・シールは、石英管３０３，４０４が収縮するとき損傷せず及び膨張するときシール性を保つことを可能にする。気体は、圧力によって突起部５０１に動かされ及びスリット５０２において排出される、 それは一般的にらせん形フローパターンを誘導する。シール５０３は、マニフォールドへの逆流を防止する。
代替の渦インデューサー１１０は、図９に示される。これは、ガスフローに強い渦運動を誘導することが公知の、Hilschチューブの小型バージョンに基づいている。圧縮気体は、アーム６０１ａ、ｂ、ｃ、ｄが沿っている大きい直径管６００に対して接線方向に供給される。大きい直径管６００及び隣接している小さい直径管６０２両方から、気体は、渦フローとして排出される。小さい管６０２からの気体は、より強い渦フローを有し、そしてプラズマ生成領域へ供給される。大きい管６００から出る気体は、再循環される。
渦インデューサーの代替設計（例：らせん羽根車、渦管配置又は単純なファン配置）も想定される。重要なことは、供給ガスがノズルのプラズマ生成領域を通過する前に安定化フローが誘発されることである。この目的は、二重にある。
第一に、石英管３０３，４０４内のプラズマを安定化させること、及び安定化が反応容器内に維持することを保証することである。第２に、すべての供給ガスがプラズマ生成領域を通過することで、その処理の均一性を改良することを保証することである。
上述から、本発明によるプラズマ反応器の多数の有用な用途が存在する又は開発できることが分かる。特に、本発明の実施形態は、例えばメタン、天然ガス及びバイオガスと言った供給ガスは、非公知の効率で分解するのに使用されて良い。分解された生成物は、クリーン燃料（例：水素ガス）及び貴重な副生成物（例：高品質のカーボンブラック）を形成するために再結合される。
本発明は、様々な規模の運転に適用性できる。小規模運転は、例えば燃料としての水素をベースとした将来交通システムのための水素供給ステーションといった分散型の、オンデマンド燃料供給に役立つ。あるいは、本発明は、クリーンで、環境にやさしい電気及び水を発生する燃料電池と統合される小型の家庭規模システムを提供できる。大型規模運転は、集中クリーン水素生産システムに役立つ。
複数のプラズマノズルが相加式であるために、プラズマ反応器のスケールアップを可能にするという本発明の性質のために、プラズマ反応器は、現存する排気筒に組み込まれ、かつ商業規模の産業において将来は排気筒内へ統合されることが可能である。
プラズマ反応器は、マイクロ波プラズマ発生源の使用に関して主に記載されているが、本発明のプラズマ反応器は、２又はより多くのマイクロ波プラズマノズルと組み合わされて他のタイプのプラズマ源が用いられることが想定される。非マイクロ波プラズマ源の例は、下記のとおりである。互いから等距離にあるように平面上に３つの電極が調整され、３つの電極のこの平面上にそれらから等距離にあるようにプラズマ生成領域が位置する。適切な不活性材料（例：セラミック）の電気的に絶縁された管が、３つの電極のこの平面に対して９０度の角度の軸に沿って、かつこの平面と交差するように配置される。この管は、プラズマ生成領域を流れる気体流を収容する使用される。管内の開口部を通る電極の間とこのようにプラズマ生成領域の全域でアークが放電されるように、高電圧ＤＣ、ＡＣ（三相電源で良い）又はパルス状のＤＣが電極に用途される。アークは、プラズマを生成しながら、ガスフローをプラズマ生成領域の全域及び電極の間でイオン化する。
電極に印加される電圧は、電極の間に流れる気体の絶縁破壊電圧を、上回らなければならない。そして、プラズマへ運ばれる電力が望ましい反応に従って制御されるように電流制御回路によって電流が制限される。電源がＡＣ又はＤＣいずれかのとき、プラズマは、大部分が熱であるが、パルス状のＤＣが使用されたときは、ある程度の非平衡のプラズマもまた生成される。発生されたプラズマは、上述のそれらと同一の又は類似した技術を使用して安定化されてよいことは、当然、明らかである。
再び図１に関して、プラズマ生成器１００によって生成された水素ガスは、供給ライン６１を介して後処理モジュール３へ供給される一方、生産された炭素は、適切な導管９を介して貯蔵タンク９１へ運ばれる。
後処理ユニット３において、生産された水素は、最初に熱交換器／熱回収ユニット（不図示）を使用して冷却され、そして、ろ過される（たとえば静電析出方法を使用して）。そして、（たとえば、マルチステージパラジウム合金拡散セルを備える）浄化相を、そして、配管８１を介して貯蔵分配モジュール５へと通過する。選択的に、水素の一部は、返送ライン６５を介してプラズマ反応器の入力ポートに返される。後処理ユニット３は、また水素フロー内のいくらかの残留炭素を収集するのに静電析出ユニット（図１に記載されてない）を備えてよい。捕捉した炭素は、供給ライン９を介して炭素貯蔵タンク９１に供給される。
後処理モジュール３内の気体冷却プロセスによって発生した熱は、熱交換器（不図示）の使用によって選択的に再利用される。オプションで、抽出された熱は、配管６４を介して前処理モジュール２に、（適切な当該技術分野で公知の熱輸送媒体によって）供給され、その熱は、供給ガスの乾燥に使用される。発生した熱は、（選択的に）また（配管６８を介して）プラズマ反応器１００に送られ、そこでプラズマ生成領域に入る前の供給ガスの予熱に有利に使用されてもよい。
貯蔵分配モジュール５は、ライン８１ａによって相互に接続されたコンプレッサ８３、ブースタ８４、及び貯蔵槽８２、並びに発生された水素が出口８１ｂを介して消費者に提供される出力設備８５を備える。
上述の以外のプラズマ反応器への変更は、添付の特許請求の範囲に定義される本発明の精神及び範囲からそれることない範囲で想定される。さらに、上述した以外のプロセスが、本発明のプラズマ反応器を使用して追加的に機能することは明らかである。

Claims (38)

  1. 炭化水素を含む気体から水素を発生するための装置（１００）であって、
    気体炭化水素の供給源との接続のための手段（６３，１０３）と、
    前記手段及び反応容器（１０２）へ連結されたプラズマノズル（１０５）とを備え、
    前記反応容器（１０２）は、各プラズマノズルと流体連通し、
    前記各プラズマノズルは、マイクロ波プラズマ生成器（３０１，３０２）と、前記プラズマノズルを介して前記反応容器への各入口へ気体炭化水素フローを配向させるための供給管（３０３）とを備え、これにより、前記反応容器の入口手前で前記プラズマノズルが気体炭化水素を少なくとも部分的にイオン化してプラズマを形成し、
    前記反応容器は、水素を集めるための少なくとも１の出口（１０１）を備え、この出口を通じて水素が回収され、これによって炭素酸化物の発生なしに水素が連続的に生産される、
    ことを特徴とする装置。
  2. 前記プラズマノズル（１０５）が前記供給管（３０３）内のプラズマ安定化フローを促進するように構成される請求項１に記載の装置。
  3. 前記プラズマノズル（１０５）がその中の供給管の形状によって安定化フローを促進するように構成される請求項２に記載の装置。
  4. 前記プラズマノズル（１０５）は、供給管内への撹拌部（１１０）の組み込みによって安定化フローを促進するように構成される請求項２又は３に記載の装置。
  5. 前記プラズマ安定化フローが渦である請求項２〜４のいずれかに記載の装置。
  6. 前記反応容器（１０２）が湾曲した側壁を有する請求項１〜５のいずれかに記載の装置。
  7. 前記供給管が、基質粒子といった反応物のために前記プラズマ生成器下流に配置される入力ポートを備え、前記入力ポートは、前記供給管へ前記反応材料がフロー込むことによって、前記供給管内の前記プラズマ安定化フローが維持されることを補助するように構成されている請求項１〜６のいずれかに記載の装置。
  8. 前記ノズルと、前記反応容器への前記ノズルの入口とが前記反応容器と同軸上に整列しており、それによって追加の安定化フローが前記反応容器内に生じる請求項７に記載の装置。
  9. 前記反応容器への前記プラズマノズルの連結が、前記反応容器において追加の安定化フローを生じさせるように構成されている請求項２〜５のいずれかに記載の装置。
  10. 前記反応容器への供給材料が前記反応容器外周の壁面に対して鋭角で入力するように、各プラズマノズルの出力方向が配向されている請求項９に記載の装置。
  11. 前記追加の安定化フローが渦である請求項８〜１０のいずれかに記載の装置。
  12. 前記プラズマ反応の１又は複数の成分の分離及び収集のために、基質材料の固定層又は移動層が前記反応容器内に提供される請求項１〜１１のいずれかに記載の装置。
  13. 前記追加の安定化フローによって、記反応容器内において浮遊粒子を支持することが可能な請求項８〜１２のいずれかに記載の装置。
  14. 前記浮遊粒子が前記反応容器内のプラズマ反応の１又は複数の成分の分離及び収集に使用される請求項１３に記載の装置。
  15. 各ノズルの前記プラズマ生成器が、マグネトロン（３０１）を原動力とする請求項１〜１４のいずれかに記載の装置。
  16. 前記反応容器が、前記プラズマ生成器に対して非共振である請求項１５に記載の装置。
  17. 前記出口（１０１）が前記反応容器内に調整可能な長さだけ延長されている請求項１〜１６のいずれかに記載の装置。
  18. 前記反応容器（１０２）と流体連通する第２の容器（１０８）をさらに備え、前記第２の容器は、排出ポート（１０７）を有する請求項１〜１７のいずれかに記載の装置。
  19. １又は複数の静電コレクタ（１３１，１３２，１３３，１３４）が前記第２の容器（１０８）内に配置され、かつ前記排出ポート（１０７）が沈降分離器（１４０）及び／又は集塵器（１４１）と流体的に接続されている請求項１８に記載の装置。
  20. 前記反応容器が１又は複数の反応物の二次的フローに適した入力チャネル（１１１）を備える請求項１〜１９のいずれかに記載の装置。
  21. 前記下部の出力ポート（１０７）から前記入力チャネル（１１１）及びさらに前記反応容器（１０２）に選択的に粒子を供給するための手段（１５０，１６０）をさらに備える請求項２０に記載の装置。
  22. 前記プラズマ生成器の手前で、前記供給材料を粒子化又は気化するために、粒子化又は気化装置をさらに備える請求項１〜２１のいずれかに記載の装置。
  23. 気体炭化水素から水素を発生するためのシステムであって、
    ガス貯蔵器（６６）及び少なくとも１つの水素発生器（１００）に流体連通されているガス前処理モジュール（２）と、
    供給管（８１）を介して、前記発生器及び貯蔵分配モジュール（５）に流体連通されている水素後処理モジュール（３）と、
    を備え、
    前記水素発生器は、プラズマノズル（１０５）および反応容器（１０２）を備え、
    前記反応容器は、各前記プラズマノズルに連結され、
    各前記プラズマノズルは、マイクロ波プラズマ生成器（３０１，３０２）と、前記プラズマ生成器を介して前記反応容器の各入口へ前記気体炭化水素フローを配向させるための供給管（３０３）とを備え、これにより、前記反応容器の入口手前で、前記プラズマ生成器が気体炭化水素を少なくとも部分的にイオン化してプラズマを形成し、
    前記反応容器は、少なくとも１つの出口（１０１）を備え、この出口を通じて水素が後処理モジュール（３）へ伝達される、システム。
  24. 前記前処理モジュール（２）が、前記気体炭化水素を予熱するための手段を備える請求項２３に記載のシステム。
  25. 前記後処理モジュール（３）が、好ましくは熱交換器といった水素の冷却手段を備える請求項２３又は２４に記載のシステム。
  26. 前記冷却手段によって前記気体から抽出された熱を、前記水素発生器の上流の位置へ移動させるための配管（６４）及び媒体をさらに備え、前記水素発生器へ入る前に前記気体炭化水素と前記媒体が熱交換される、請求項２３に記載のシステム。
  27. 前記供給管（８１）に流体連通されているフィードバック配管（６５）をさらに備え、前記フィードバック配管は、前記水素の少なくとも一部分を前記水素発生器へ供給するように構成される請求項２３〜２６のいずれかに記載のシステム。
  28. 前記貯蔵及び分配モジュール（５）が、水素圧縮器（８３）及び昇圧手段（８４）、水素貯蔵手段（８２）及び水素出力手段（８５）を備える請求項２３〜２７のいずれかに記載のシステム。
  29. 配管（９）を介して前記水素発生器（１００）へ接続されている炭素貯蔵タンク（９１）をさらに備える請求項２３〜２８のいずれかに記載のシステム。
  30. 前記水素発生器（１００）が請求項１〜２２のいずれかに記載の装置を備える請求項２３〜２９のいずれかに記載のシステム。
  31. 炭化水素を含む気体から水素を生産する方法であって、
    （ａ）それぞれ独立した量の前記気体を、制御された圧力でそれぞれの領域に供給し、それぞれの量の気体がそれぞれ電磁界にさらされ、それによって非平衡のプラズマがそれぞれの領域内で生成されるステップと、
    （ｂ）前記プラズマの流動特性を制御しつつ、それぞれ独立した量のプラズマを別々の入口を介して前記反応容器（１０２）へ供給し、これによってプラズマが前記反応容器に入るまでおよび入った後しばらくプラズマを維持し、且つイオン化状態を保つステップと、
    （ｃ）生産された水素を前記反応容器から出口（１０１）を介して抽出し、これによって事実上需要に応じて連続的かつ炭素酸化物の発生なしに水素が生産されるステップとを含む、方法。
  32. 前記領域及び前記反応容器の圧力が大気圧又はその近傍の圧力である請求項３１に記載の方法。
  33. 前記プラズマがイオン化状態にある間に、前記反応容器において前記それぞれ独立した量のプラズマを混合するステップをさらに含む請求項３２に記載の方法。
  34. 前記それぞれの複数の電磁界が分離した個別のマイクロ波源によって発生される請求項３１〜３３のいずれかに記載の方法。
  35. ステップ（ｂ）のプラズマの流動特性を制御するステップは、前記気体が前記プラズマ状態に入る前に渦ガスフローを形成するステップを含む請求項３１〜３４のいずれかに記載の方法。
  36. 前記反応容器から析出した炭素を抽出するステップをさらに含む請求項３１〜３５のいずれかに記載の方法。
  37. 前記反応容器内のプラズマへ粒子形態で基質を導入するステップをさらに含む請求項３１〜３６のいずれかに記載の方法。
  38. 前記基質が、前記反応容器から抽出され析出した炭素を含む請求項３７に記載の方法。
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