JP4766600B2 - Hydrogen production equipment - Google Patents
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Description
本発明は、プラズマを利用した水素製造装置に関するものである。 The present invention relates to a hydrogen production apparatus using plasma.
特許文献1には、プラズマ反応器内で水素を分離してプラズマ反応器外に水素分離搬送部(金属多孔質体に水素分離膜が形成されているもの)を通して搬送する技術が開示されている。この水素製造装置においては、円筒状の外部電極と円筒状の内部電極との間に強誘電体(ペレット)を配置し、この空間にプラズマを発生してメタン等の炭化水素と水等を供給し、水素を発生させる。内部電極は金属多孔質体からなり、内部電極のプラズマ場とは反対側の壁面に水素分離膜が形成されている。プラズマ場の雰囲気中で生成した水素は、多孔質金属体(内部電極)を通過し、内部電極の壁面に形成された水素分離膜によって雰囲気から分離され、外部へと取り出される。
特許文献2においては、メタノールをプラズマ空間に通すことで水素を発生させた後、この水素含有ガスにプラズマ空間を通過させ、次いでこのガスを、下流にある水素分離膜に接触させることによって、水素を分離している。プラズマ発生用の電極部と、水素分離膜とは、独立したユニットに設けられている。
特許文献1の装置では、水素分離膜は、電極(多孔質金属体)に直接形成されており、プラズマ場側には水素分離膜は形成されていないが、電極は薄いものであり、プラズマ場で生成した電子やイオンが水素分離膜に到達し、水素分離膜を経時劣化させる。さらに、水素分離膜が経時劣化し、水素分離膜およびこれを支持する内部電極を交換する場合には、まず水素分離膜および内部電極を除去し、内部電極上のプラズマ生成場に充填されているある強誘電体ペレットを排出し、水素分離膜を交換し、次いでプラズマ生成場中に強誘電体ペレットを詰め直す。そして、再び水素分離膜の付いた内部電極を設置するが、このときに外部電極と内部電極の相対位置を高精度で調整する必要がある。この内部電極と外部電極との相対位置が最適位置からズレると、プラズマ場の形態やエネルギー状態が変化するので、水素の生成効率が低下し、水素の分離効率も低下する。 In the apparatus of Patent Document 1, the hydrogen separation membrane is formed directly on the electrode (porous metal body), and no hydrogen separation membrane is formed on the plasma field side, but the electrode is thin, and the plasma field Electrons and ions generated in (1) reach the hydrogen separation membrane and degrade the hydrogen separation membrane over time. Furthermore, when the hydrogen separation membrane deteriorates with time and the hydrogen separation membrane and the internal electrode that supports the hydrogen separation membrane are replaced, the hydrogen separation membrane and the internal electrode are first removed, and the plasma generation field on the internal electrode is filled. A certain ferroelectric pellet is discharged, the hydrogen separation membrane is replaced, and then the ferroelectric pellet is refilled in the plasma generation field. Then, an internal electrode with a hydrogen separation membrane is installed again. At this time, it is necessary to adjust the relative position of the external electrode and the internal electrode with high accuracy. When the relative position between the internal electrode and the external electrode deviates from the optimum position, the form and energy state of the plasma field change, so that the hydrogen generation efficiency decreases and the hydrogen separation efficiency also decreases.
特許文献2記載の水素製造装置では、電極間に生成したプラズマ場にメタノール等を通過させ、水素の生成を終えた後、処理済の水素含有ガスを水素分離ユニットへと送り、水素分離ユニッケトで水素を分離して外部へと取り出している。しかし、この方法では、プラズマ場中でいったん生成した水素が、更にプラズマに暴露されることにより消滅するために、処理済ガス中の水素濃度をある程度上昇させることは難しい。したがって、水素分離効率には限界がある。 In the hydrogen production apparatus described in Patent Document 2, methanol or the like is passed through the plasma field generated between the electrodes, and after the generation of hydrogen is completed, the treated hydrogen-containing gas is sent to the hydrogen separation unit, and the hydrogen separation unit is used. Hydrogen is separated and taken out to the outside. However, in this method, since hydrogen once generated in the plasma field disappears by further exposure to the plasma, it is difficult to increase the hydrogen concentration in the treated gas to some extent. Therefore, there is a limit to the hydrogen separation efficiency.
本発明の課題は、プラズマ場内で水素を発生させ、発生した水素を水素分離膜を通して分離する水素製造装置において、水素分離膜の経時劣化を抑制し、電極の取り外しと再設置に伴う水素分離効率の低下や困難な作業の必要性を防止し、かつ水素分離効率を向上させることである。 An object of the present invention is to provide a hydrogen production apparatus that generates hydrogen in a plasma field and separates the generated hydrogen through a hydrogen separation membrane. This is to prevent the decrease in the temperature and the necessity of difficult work, and improve the hydrogen separation efficiency.
本発明に係る水素製造装置は、外殻を構成する第一の電極、第一の電極の内側に設置されており、第一の電極との間にプラズマ場を生成させるための有底筒状の第二の電極、第二の電極の内側に設けられている有底筒状かつ気体透過性の支持体、この支持体の内側面に設けられている水素分離膜、および第二の電極の内側面と支持体の外側面との間に設けられたスペーサーを備えており、第二の電極と支持体との間に空隙が形成されており、第二の電極と水素分離膜とが、被処理ガスの流れる方向と略垂直方向に見て重なる位置に設けられており、被処理ガスをプラズマ場へと流して水素生成反応を生じさせ、第二の電極、空隙、支持体および水素分離膜の順に通して支持体の内側に水素を取り出すことを特徴とする。
The hydrogen production apparatus according to the present invention is a bottomed cylindrical shape for generating a plasma field between the first electrode constituting the outer shell , the first electrode, and the first electrode. second electrode, the second bottomed cylindrical is provided inside the electrode and the gas-permeable support, the hydrogen separation membrane is provided on the inner surface of the support, and a second electrode It is provided with a spacer provided between the inner side surface and the outer side surface of the support, a gap is formed between the second electrode and the support, and the second electrode and the hydrogen separation membrane are provided to overlap when viewed in a direction substantially perpendicular the flow direction of the gas to be treated, causing a hydrogen production reaction by flowing into plasma field to the gas to be treated, the second electrode, the gap, the support and the hydrogen separation wherein the extract hydrogen inside the support in this order through the membranes.
本発明によれば、第二の電極と支持体とを分離し、支持体に水素分離膜を形成している。したがって、プラズマ場中で発生した電子やイオンが、その寿命を終える前に水素分離膜へと到達する可能性が低くなり、水素分離膜の経時劣化は抑制される。特許文献1記載の装置では、水素分離膜が第二の電極に直接形成されているので、プラズマ場で発生した電子やイオンが水素分離膜へと到達しやすいため、水素分離膜の経時劣化は進行しやすい。 According to the present invention, the second electrode and the support are separated, and a hydrogen separation membrane is formed on the support. Therefore, the possibility that electrons and ions generated in the plasma field reach the hydrogen separation membrane before the end of its lifetime is reduced, and deterioration with time of the hydrogen separation membrane is suppressed. In the apparatus described in Patent Document 1, since the hydrogen separation membrane is directly formed on the second electrode, electrons and ions generated in the plasma field easily reach the hydrogen separation membrane. Easy to progress.
また、特許文献1記載の装置では、第二の電極に水素分離膜が形成されているので、水素分離膜が経時劣化したときに、水素分離膜と共に第二の電極を装置から取り外し、再び第二の電極を装置に取り付けなければならないので、電極の再設置に伴う水素分離効率の低下が生じ易く、また精度の点で困難な作業が必要である。本発明においては、第二の電極とは別体の支持体上に水素分離膜を形成しているので、支持体を装置から取り外せば水素分離膜の交換が可能であり、このために第二の電極を取り外す必要がない。したがって、電極の再設置に伴う水素分離効率の低下は起こらず、また位置精度の点で困難な電極の取り付け作業が不要である。 In the device described in Patent Document 1, since the hydrogen separation membrane is formed on the second electrode, when the hydrogen separation membrane deteriorates with time, the second electrode is removed from the device together with the hydrogen separation membrane, and the second electrode is again used. Since the second electrode has to be attached to the apparatus, the hydrogen separation efficiency is liable to decrease due to the re-installation of the electrode, and a difficult operation is required in terms of accuracy. In the present invention, since the hydrogen separation membrane is formed on a support separate from the second electrode, the hydrogen separation membrane can be replaced by removing the support from the apparatus. There is no need to remove the electrode. Therefore, the hydrogen separation efficiency is not lowered due to the re-installation of the electrode, and the electrode mounting operation which is difficult in terms of positional accuracy is unnecessary.
更に、特許文献2記載の装置では、プラズマ場において処理が終わった処理済ガスを、更に別ユニットの水素分離部へと送って処理しているので、いったん生成した水素がプラズマ場中でイオンや電子に接触することによって消滅する。これに対して、本発明では、第二の電極と水素分離膜とを、被処理ガスの流れる方向と略垂直方向に見て重なる位置に設けた。したがって、第二の電極上で生成したプラズマ場内で水素が発生したとき、その水素は、直ちに第二の電極および水素分離膜を通過して分離される確率が高くなる。すなわち、ガスのプラズマ場中での処理をしながら、同時にそのガス中で生成した水素を水素分離膜に接触させて分離することができる。したがって水素分離効率を高めることが可能である。 Furthermore, in the apparatus described in Patent Document 2, since the processed gas that has been processed in the plasma field is further sent to the hydrogen separation unit of another unit for processing, the once generated hydrogen is ionized in the plasma field. It disappears when it comes in contact with electrons. In contrast, in the present invention, the second electrode and the hydrogen separation membrane are provided at positions that overlap each other when viewed in a direction substantially perpendicular to the direction in which the gas to be processed flows. Therefore, when hydrogen is generated in the plasma field generated on the second electrode, there is a high probability that the hydrogen is immediately separated by passing through the second electrode and the hydrogen separation membrane. That is, while the gas is being processed in the plasma field, the hydrogen generated in the gas can be simultaneously separated by contacting the hydrogen separation membrane. Therefore, it is possible to increase the hydrogen separation efficiency.
以下、適宜図面を参照しつつ、本発明を更に詳細に説明する。
図1は、本発明の実施形態に係る水素製造装置を概略的に示す断面図である。
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the drawings as appropriate.
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a hydrogen production apparatus according to an embodiment of the present invention.
図1の装置においては、第一の電極2が装置の外殻を形成しており、第一の電極2内にガス流路が形成されている。第一の電極2の内側には、電極2と略等軸に、有底筒形の第二の電極4が設置されている。4aは筒状部であり、4bは底部である。第二の電極4の外側面はスペーサー20によって第一の電極2に対して気密に保持されている。第一の電極2と第二の電極4との間にはプラズマ場生成空間12が形成されており、空間12には、強誘電体粒子3が充填されている。
In the apparatus of FIG. 1, the first electrode 2 forms an outer shell of the apparatus, and a gas flow path is formed in the first electrode 2. Inside the first electrode 2, a bottomed cylindrical second electrode 4 is installed substantially equiaxially with the electrode 2. 4a is a cylindrical part and 4b is a bottom part. The outer surface of the second electrode 4 is held airtight with respect to the first electrode 2 by the
第二の電極4の内側には、やはり有底筒状の支持体7が設置されている。支持体7は、筒状部7aと底部7bとを備えている。第二の電極4と支持体7とは略同軸形状に設置されており、第二の電極4と支持体7との間には一定間隔の空隙6が形成されている。支持体7の内側壁面には水素分離膜8が形成されている。
A bottomed
稼働時には、矢印Aのように被処理ガスを空間5へと流す。第一の電極2と第二の電極4との間に電源11によって電圧を印加し、強誘電体粒子3の充填された空間12にプラズマを生成させる。被処理ガスはプラズマ中で水素を生成する。ここで、プラズマ空間12内の被処理ガス中で水素が発生すると、その水素のほとんどは、第二の電極4、空隙6、支持体7および水素分離膜8を通過し、支持体7の内側空間10へと流れ、更に矢印Bのように装置外へと排出される。
During operation, the gas to be treated flows into the
本発明によれば、第二の電極4とは別体の支持体7上に水素分離膜8を形成しているので、支持体7を装置から取り外せば水素分離膜8の交換が可能であり、このために第二の電極4を取り外す必要がない。また、第二の電極4と水素分離膜8とを、被処理ガスの流れる方向Dと略垂直方向Eに見て重なる位置に設けた。したがって、第二の電極4上で生成したプラズマ場12内で水素が発生したとき、その水素は、直ちに第二の電極4および水素分離膜8を通過して分離される確率が高くなる。すなわち、ガスのプラズマ場12中での処理をしながら、同時にそのガス中で生成した水素を水素分離膜8に接触させて分離することができる。
According to the present invention, since the hydrogen separation membrane 8 is formed on the
図2の装置においては、外殻30の内側に、第一の電極装置16と第二の電極装置26とが対向するように設けられており、両者の間の空間12Aに強誘電体粒子3Aが充填されている。第一の電極装置16は、第一の電極2Aと、電極2Aを包囲する誘電体基板15からなる。第二の電極装置26は、第一の電極4Aと、電極4Aを包囲する誘電体基板15からなる。各電極装置と外殻30との間には、それぞれ支持体7Aが設置されており、支持体の電極とは反対側の面に水素分離膜8Aが設けられている。水素分離膜8Aと外殻30との間には空隙10Aが形成されている。
In the apparatus of FIG. 2, the
稼働時には、第一の電極2Aと第二の電極4Aとの間に電源によって電圧を印加し、強誘電体粒子3Aの充填された空間12Aにプラズマを生成させる。被処理ガスを矢印Aのように流し、プラズマ中で水素を生成する。ここで、プラズマ空間12A内の被処理ガス中で水素が発生すると同時に、被処理ガスは貫通孔25を通して支持体7Aを透過し、水素分離膜8Aに接触し、これによって水素が分離される。分離された水素は直ちに空隙10Aを通して矢印Bのように装置外へと排出される。また、水素分離後の被処理ガスは、矢印Cのように装置外へと排出される。
In operation, a voltage is applied between the
本参考例によれば、第二の電極4Aとは別体の支持体7A上に水素分離膜8Aを形成しているので、支持体7Aを装置から取り外せば水素分離膜8Aの交換が可能であり、このために第二の電極4Aを取り外す必要がない。また、第二の電極4Aと水素分離膜8Aとを、被処理ガスの流れる方向Dと略垂直方向Eに見て重なる位置に設けた。したがって、プラズマ場12A内で水素が発生したとき、その水素は、直ちに第二の電極4Aおよび水素分離膜8Aを通過して分離される確率が高くなる。すなわち、ガスのプラズマ場12A中での処理をしながら、同時にそのガス中で生成した水素を水素分離膜8Aに接触させて分離することができる。
According to this reference example , since the
本発明においては、第二の電極と水素分離膜とが、プラズマ場生成空間内において非処理ガスの流れる主方向Dと略垂直方向Eに見て重なる位置に設けられている。これは、方向Eに向かって直線を引いたときに、その直線が、第二の電極および水素分離膜との両方と交差する場合があることを意味する。第二の電極と水素分離膜との少なくとも一部が重なっていればよく、全長にわたって重なっている必要はない。更に好ましくは、第一の電極と水素分離膜とが、非処理ガスの流れる方向Dと略垂直方向Eに見て重なる位置に設けられている。 In the present invention, the second electrode and the hydrogen separation membrane are provided in a position overlapping with the main direction D in which the non-treatment gas flows in the plasma field generation space in the substantially vertical direction E. This means that when a straight line is drawn in the direction E, the straight line may intersect both the second electrode and the hydrogen separation membrane. It is sufficient that at least a part of the second electrode and the hydrogen separation membrane overlap with each other, and it is not necessary to overlap the entire length. More preferably, the first electrode and the hydrogen separation membrane are provided at a position overlapping the non-process gas flow direction D in the substantially vertical direction E.
本発明において、第一の電極、第二の電極の形態や材質は特に限定されない。第一の電極、第二の電極の材質は、所定の導電性を有する物質であれば使用可能であり、例えば、タングステン、モリブデン、マンガン、チタン、クロム、ジルコニウム、ニッケル、銀、鉄、銅、白金、パラジウム、あるいはこれらの合金が好ましい。 In the present invention, the form and material of the first electrode and the second electrode are not particularly limited. The material of the first electrode and the second electrode can be used as long as it has a predetermined conductivity. For example, tungsten, molybdenum, manganese, titanium, chromium, zirconium, nickel, silver, iron, copper, Platinum, palladium, or alloys thereof are preferred.
本発明において、各電極の平面的パターンは特に限定されず、面内での活性種の種類および寿命、生成量に合わせて設計できる。例えば、電極の平面的パターンを櫛歯状としたり、網目状とすることができる。 In the present invention, the planar pattern of each electrode is not particularly limited, and can be designed according to the type, lifetime, and generation amount of active species in the plane. For example, the planar pattern of the electrodes can be comb-like or mesh-like.
電極が網状または櫛歯状をなしている場合には、貫通孔を網目状に形成したり、櫛歯の間の隙間に規則的に形成することが容易であり、好ましい。この実施形態においては、網目の形状は特に限定されず、円形、楕円形、レーストラック形状、四辺形、三角形等の多角形などであってよい。また櫛歯状電極の櫛歯の形状も特に限定されないが、長方形や平行四辺形であることが特に好ましい。 In the case where the electrode has a net shape or a comb shape, it is preferable that the through holes are formed in a net shape or regularly formed in the gaps between the comb teeth. In this embodiment, the shape of the mesh is not particularly limited, and may be a circle, an ellipse, a racetrack shape, a quadrangle, a polygon such as a triangle, or the like. The shape of the comb-teeth of the comb-like electrode is not particularly limited, but is preferably a rectangle or a parallelogram.
気体透過性の支持体の材質や形態は特に限定されない。例えば支持体を緻密性材料から形成し、支持体に貫通孔を設けることによって、貫通孔にガスを流すことができる。あるいは、支持体を多孔質の通気性材料によって形成することで、通気性材料を通してガスを流すことができる。もちろん、支持体を通気性物質によって形成し,かつ支持体に貫通孔を設けることができる。 The material and form of the gas permeable support are not particularly limited. For example, by forming the support from a dense material and providing the support with a through hole, gas can flow through the through hole. Alternatively, the support can be formed of a porous air permeable material, allowing gas to flow through the air permeable material. Of course, the support can be made of a gas permeable material, and a through hole can be provided in the support.
支持体を構成する材料は特に限定されないが、絶縁体であることが好ましく、例えばセラミックスが好ましく、特にアルミナ、マグネシア、ジルコニア、シリカ、ムライト、スピネル、コージェライト、窒化アルミニウム、窒化珪素、チタン−バリウム系酸化物、バリウム−チタン−亜鉛系酸化物などが好ましい。 The material constituting the support is not particularly limited, but is preferably an insulator, for example, ceramics, especially alumina, magnesia, zirconia, silica, mullite, spinel, cordierite, aluminum nitride, silicon nitride, titanium-barium. Preference is given to oxides such as oxides based on barium, titanium and zinc.
水素分離膜の材質は特に限定されないが、パラジウムの純金属や、パラジウムと他の金属との合金を例示できる。こうした他の金属としては、銀、銅を例示できる。また、ニッケルーニオブージルコニウムの合金や、アモルファスシリカ、SiC系膜のように非パラジウム系膜をベースとした安価な材質も利用できる。 The material of the hydrogen separation membrane is not particularly limited, and examples thereof include a pure metal of palladium and an alloy of palladium and another metal. Examples of such other metals include silver and copper. In addition, an inexpensive material based on a non-palladium film such as an alloy of nickel-niobium-zirconium, amorphous silica, or SiC film can be used.
被処理ガスは、低温プラズマにより水素を発生しうるものであれば特に制限されない。例えば、メタン、エタン、プロパン、等の炭化水素、メタノール、エタノール等のアルコール類、ジメチルエーテル、ジエチルエーテル等のエーテル類、ナフサ、ガソリン等が例示される。ここで、改質のしやすさが優先される場合には、好ましくはメタンやメタノールが用いられる。一方、自動車等に搭載されるなどエネルギー密度が優先される場合には、好ましくはガソリン等の液体燃料が用いられる。 The gas to be treated is not particularly limited as long as it can generate hydrogen by low-temperature plasma. Examples thereof include hydrocarbons such as methane, ethane and propane, alcohols such as methanol and ethanol, ethers such as dimethyl ether and diethyl ether, naphtha and gasoline. Here, when priority is given to the ease of reforming, methane or methanol is preferably used. On the other hand, liquid energy such as gasoline is preferably used when priority is given to energy density, such as mounting in an automobile.
本発明においては、例えば図1に示すように、第二の電極4と支持体7との間に空隙6が形成されている。これよって、第二の電極上のプラズマ場で生成したイオンや電子が、水素分離膜に到達して劣化させることを防止できる。空隙の幅は、水素分離膜の劣化防止という観点からは、0.1mm以上であることが好ましい。
In the present invention , for example, as shown in FIG. 1, a gap 6 is formed between the second electrode 4 and the
水素分離膜は、支持体のうち第二の電極と反対側の内側面に設ける(図1参照)。
The hydrogen separation membrane is provided on the inner surface of the support opposite to the second electrode (see FIG. 1).
本発明においては、例えば図1に示すように第二の電極が有底筒状である。この筒の形状は円筒には限られず、角筒でもよい。
In the present invention , for example, as shown in FIG. 1, the second electrode has a bottomed cylindrical shape. The shape of this tube is not limited to a cylinder, but may be a square tube.
参考例においては、例えば図2に示すように、誘電体内に第二の電極が埋設される。第一の電極も誘電体内に埋設することができる。これによって、電極が露出しないようになるので、電極装置側からの不規則な放電を防止しやすい。この場合には、誘電体に、被処理ガスを水素分離膜へと向かって流すための貫通孔を形成することができる。電極が後述の貫通孔に露出しないように誘電体に埋設されている。これによって、電極から貫通孔内壁へと向かう不規則な放電を防止できる。
In the reference example , for example, as shown in FIG. 2, the second electrode is embedded in the dielectric. The first electrode can also be embedded in the dielectric. As a result, the electrode is not exposed, so that it is easy to prevent irregular discharge from the electrode device side. In this case, a through hole for allowing the gas to be processed to flow toward the hydrogen separation membrane can be formed in the dielectric. The electrode is embedded in the dielectric so as not to be exposed in a through-hole described later. This can prevent irregular discharge from the electrode toward the inner wall of the through hole.
ここで、基板を構成する誘電体材料は特に限定されないが、セラミックスが好ましく、特にアルミナ、マグネシア、ジルコニア、シリカ、ムライト、スピネル、コージェライト、窒化アルミニウム、窒化珪素、チタン−バリウム系酸化物、バリウム−チタン−亜鉛系酸化物などが好ましい。 Here, the dielectric material constituting the substrate is not particularly limited, but ceramics are preferable, and alumina, magnesia, zirconia, silica, mullite, spinel, cordierite, aluminum nitride, silicon nitride, titanium-barium oxide, barium are particularly preferable. -Titanium-zinc oxide is preferable.
図2に示すような誘電体基板15は、いわゆるグリーンシート積層法によって製造可能である。すなわち、電極は、セラミックスグリーンシート上にペーストを塗布することで形成できる。この場合の塗工方法としては、スクリーン印刷、カレンダーロール印刷、ディップ法、蒸着、物理的気相成長法など、任意の塗工方法を利用可能である。電極を塗工法によって形成する場合には、前記した各種金属あるいは合金の粉末を、有機バインダーおよび溶剤(テルピネオール等)と混合して導体ペーストを作製し、次いでこの導体ペーストをセラミックグリーンシート上に塗工する。セラミックグリーンシート上に電極を形成した後に、他のグリーンシートを積層して焼結することで導体を誘電体内に埋設した電極が作製できる。
The
基板を製造する際において、セラミックグリーンシートの成形方法は特に限定されず、ドクターブレード法、カレンダー法、印刷法、ロールコータなど、あらゆる手法を利用することができる。また、グリーンシートの原料粉末としては、上述した各種のセラミックス粉末や、ガラス等の粉末を利用できる。この際、焼結助剤として、酸化珪素、カルシア、チタニア、マグネシア、ジルコニアを例示できる。焼結助剤は、セラミック粉末100重量部に対して、3〜10重量部添加することが好ましい。セラミックスラリー中には、公知の分散剤、可塑剤、有機溶媒を添加することができる。 In manufacturing the substrate, the method of forming the ceramic green sheet is not particularly limited, and any method such as a doctor blade method, a calendar method, a printing method, a roll coater, and the like can be used. In addition, as the raw material powder of the green sheet, the above-described various ceramic powders and powders such as glass can be used. At this time, examples of the sintering aid include silicon oxide, calcia, titania, magnesia, and zirconia. It is preferable to add 3 to 10 parts by weight of the sintering aid with respect to 100 parts by weight of the ceramic powder. Known dispersing agents, plasticizers, and organic solvents can be added to the ceramic slurry.
粉末プレス成形でも、基板を作ることができ、埋設する電極にメッシュ金属や金属箔を用いた場合は、ホットプレス法で電極を埋設した焼結体を得ることができる。
成形助剤を適時選ぶことにより、押出成形でも基板の成形体を作製できる。押出成形体表面に、溶媒を適時選定することにより、導電膜成分となる金属ペーストを印刷などで電極として形成することができる。
A substrate can also be made by powder press molding, and when a mesh metal or metal foil is used for the electrode to be embedded, a sintered body with the electrode embedded by a hot press method can be obtained.
By appropriately selecting a molding aid, a molded body of the substrate can be produced even by extrusion molding. By appropriately selecting a solvent on the surface of the extruded product, a metal paste serving as a conductive film component can be formed as an electrode by printing or the like.
得られた基板の気孔率は特に限定されないが、0 .1〜35%とすることができ、0.1〜10%とすることが更に好ましい。 The porosity of the obtained substrate is not particularly limited, but can be 0.1 to 35%, and more preferably 0.1 to 10%.
図2に示すような各貫通孔25の形成方法は特に限定されない。好適な実施形態においては、誘電体基板を焼結によって作製した後に、基板に超音波加工や切削加工によって貫通孔を形成する。あるいは、基板を焼結する前のグリーンシートの段階で、グリーンシートにナイフカットや金型による打ち抜きによって貫通孔を形成し、次いでグリーンシートを焼結させることができる。
The formation method of each through-
貫通孔の平面的形状は略真円形には限定されず、被処理物の材質や形態、活性種の種類に応じて変更する。例えば、貫通孔の平面的形態は、楕円形、レーストラック形状、三角形、四角形、六角形等の多角形、細長いスリット形状などであってよい。 The planar shape of the through hole is not limited to a substantially perfect circle, and is changed according to the material and form of the object to be processed and the type of active species. For example, the planar shape of the through hole may be an ellipse, a race track shape, a polygon such as a triangle, a quadrangle, or a hexagon, an elongated slit shape, or the like.
本発明において好ましくは、プラズマ生成場に誘電体ペレットを充填する。本発明において、高電圧電源により第一の電極と第二の電極との間に電圧を印加すると、例えば数kV〜数十kV程度の大きな電位差が生じる。すると、誘電体粒子3、3Aは、大きく分極する。その結果、誘電体粒子間に大きな電位差が生じてプラズマが発生する。なお、誘電体ペレットがなくともプラズマを発生させることは可能であるが、その場合、電極間距離は、数mm程度に短くする必要があるため、ガス流路が狭まり、装置体積当たりの水素製造量は減少する。
In the present invention, the plasma generation field is preferably filled with dielectric pellets. In the present invention, when a voltage is applied between the first electrode and the second electrode by a high voltage power source, a large potential difference of, for example, about several kV to several tens of kV is generated. Then, the
誘電体ペレットの材質としてはセラミックスが好ましく、特にアルミナ、マグネシア、ジルコニア、シリカ、ムライト、スピネル、コージェライト、窒化アルミニウム、窒化珪素、チタン−バリウム系酸化物、バリウム−チタン−亜鉛系酸化物などを例示できる。 Ceramics are preferable as the material of the dielectric pellet, and particularly alumina, magnesia, zirconia, silica, mullite, spinel, cordierite, aluminum nitride, silicon nitride, titanium-barium oxide, barium-titanium-zinc oxide, and the like. It can be illustrated.
また、誘電体ペレットに改質触媒を担持することが好ましい。改質触媒としては、ニッケル、アルミナ、ルテニウム、ロジウム、白金等を例示できる。 Moreover, it is preferable to carry a reforming catalyst on the dielectric pellet. Examples of the reforming catalyst include nickel, alumina, ruthenium, rhodium and platinum.
パルス電圧は、急峻パルス発生電源によって印加できる。このような電源としては、磁気圧縮機構を必要としない静電誘導サイリスタ素子を用いた電源、磁気圧縮機構を備えたサイラトロン、ギャップスイッチ、IGBT素子、MOF−FET素子、静電誘導サイリスタ素子を用いた電源を例示できる。磁気圧縮機構を必要としない静電誘導サイリスタ素子を用いた電源が特に好ましい。 The pulse voltage can be applied by a steep pulse generating power source. As such a power source, a power source using an electrostatic induction thyristor element that does not require a magnetic compression mechanism, a thyratron equipped with a magnetic compression mechanism, a gap switch, an IGBT element, a MOF-FET element, or an electrostatic induction thyristor element is used. An example of a power supply that has been used. A power supply using an electrostatic induction thyristor element that does not require a magnetic compression mechanism is particularly preferable.
(実施例1)
図1に示すような水素製造装置を作製した。具体的には、支持体7は多孔質アルミナによって形成し、水素分離膜8はパラジウムメッキ膜であり、第二の電極4を金属メッシュによって形成し、第一の電極2は金属円筒管によって形成した。誘電体ペレット3は、アルミナ上にニッケル系触媒をウォッシュコートした球状とした。
Example 1
A hydrogen production apparatus as shown in FIG. 1 was produced. Specifically, the
第一の電極と第二の電極との間に、静電誘導サイリスタを用いたパルス電源を接続し、ピーク電圧15kV、パルス幅1μs、繰返し周期1kppsの短パルスを印加し、プラズマを発生させる。このプラズマ空間にメタンと水蒸気(必要によって空気)を導入すると、プラズマで発生する熱とH,OH、CH3ラジカルや振動励起状態にあるCH4と触媒の複合作用により水素が発生する。 A pulse power source using an electrostatic induction thyristor is connected between the first electrode and the second electrode, and a short pulse having a peak voltage of 15 kV, a pulse width of 1 μs, and a repetition period of 1 kpps is applied to generate plasma. When methane and water vapor (air if necessary) are introduced into this plasma space, hydrogen is generated by the combined action of the heat generated in the plasma and H, OH, CH3 radicals, vibrationally excited CH4 and the catalyst.
生成された水素をプラズマ場に放置すると、水素の分解反応等により水素収率が低下するので水素分離搬送部を通じて水素を反応場から引き抜く。水素の発生量は水素センサでモニタし、水素収率が最大となるように印加するパルスの周期を制御した。 If the generated hydrogen is left in the plasma field, the hydrogen yield decreases due to hydrogen decomposition reaction or the like, so that the hydrogen is drawn out from the reaction field through the hydrogen separation transport unit. The amount of hydrogen generated was monitored with a hydrogen sensor, and the period of pulses applied was controlled so that the hydrogen yield was maximized.
触媒を用いた場合、運転状態によってはコーキングによる触媒性能の劣化が起きるので、水素収率がある閾値以下になった場合(水素センサの出力がある値以上になった場合)には、メタンを一時的に遮断して空気と水蒸気のみを反応器に導入して、触媒に付着するコークをプラズマによって発生した解離酸素O(1D)やOHラジカルを用いて燃焼させて収率の回復を行う(再生動作)。 When a catalyst is used, catalyst performance deteriorates due to coking depending on the operating conditions. Therefore, when the hydrogen yield falls below a certain threshold (when the output of the hydrogen sensor exceeds a certain value), Temporarily shut off and introduce only air and water vapor into the reactor, and the coke adhering to the catalyst is burned using dissociated oxygen O (1D) or OH radicals generated by the plasma to recover the yield ( Playback operation).
この反応器では水素分離搬送部はプラズマ場に暴露されることが無く、かつプラズマ場で発生した電子やイオンが水素分離部に到達する前に内部電極表面にて電気的に中和されるので、プラズマによる水素分離搬送部分の損傷(特にパラジウムやパラジウム系合金膜等の水素分離膜の損傷)がない。 In this reactor, the hydrogen separation / conveying part is not exposed to the plasma field, and electrons and ions generated in the plasma field are electrically neutralized on the surface of the internal electrode before reaching the hydrogen separation part. There is no damage to the hydrogen separation / conveying portion due to plasma (particularly damage to the hydrogen separation membrane such as palladium or palladium alloy membrane).
具体的には、導入ガスとしてH2O/CH4=3、反応器は400℃に外部ヒータにて加熱保持した。CH4流量は2リットル/分とし、ニッケル系触媒の担持量は反応器を600℃にて転化率が飽和するのに十分な25gとした。反応器の内径を40mm、金属メッシュの中心電極の外径を10mm、水素分離搬送部分の外径を8mmとし、金属メッシュの中心電極と水素分離搬送部分が接触しないように間にアルミナのスペーサ20を配置した。また、プラズマ領域の長さが80mmになるようにペレットと電極を配置した。水素分離膜8としてPd-Ag(20wt.%)合金膜を用い、水素分離膜による水素の引き抜きが可能なように反応側圧力と透過側圧力の差が4atmになるように加圧し、40Wの投入電力でプラズマを発生させてメタンの転化率90%、水素の回収率90%を得た。
Specifically, H2O / CH4 = 3 as the introduced gas, and the reactor was heated and held at 400 ° C. with an external heater. The CH4 flow rate was 2 liters / minute, and the supported amount of nickel catalyst was 25 g sufficient to saturate the conversion rate at 600 ° C. in the reactor. The inner diameter of the reactor is 40 mm, the outer diameter of the central electrode of the metal mesh is 10 mm, the outer diameter of the hydrogen separation / conveyance portion is 8 mm, and the
ここでメタンの転化率(%)は、
[(CO+CO2)/(CO+CO2+CH4)]×100
と定義する。水素の回収率(%)は、
(水素分離膜を透過した(水素の量/反応により生成した水素の量)×100
で定義できる。水素製造効率=水素回収率+メタン転化率である。
Here, the conversion rate of methane (%) is
[(CO + CO 2 ) / (CO + CO 2 + CH 4 )] × 100
It is defined as Hydrogen recovery rate (%)
(Permeated through hydrogen separation membrane (amount of hydrogen / amount of hydrogen generated by reaction) × 100
Can be defined. Hydrogen production efficiency = hydrogen recovery rate + methane conversion rate.
コーク析出による触媒の失活が徐々に見られ、1000時間経過後にメタンの転化率は80%まで低下した。この状態でメタンを空気に切り替え、80Wの投入電力で1時間の再生運転を行った後に再度メタンに切り替え、40Wの投入電力でプラズマを発生させたところ、メタンの転化率は90%に回復した。 The catalyst was gradually deactivated due to coke deposition, and the conversion of methane decreased to 80% after 1000 hours. In this state, methane was switched to air, regeneration was performed for 1 hour with 80W input power, and then switched to methane again. When plasma was generated with 40W input power, the methane conversion rate recovered to 90%. .
なお本実施例ではニッケル系の触媒を用いているので、使用前及び再生動作後に還元処理を行う。これは反応器の昇温後にプラズマ印加前に水素のみを導入することで可能である。またニッケル系触媒の代わりにルテニウムやロジウム等の貴金属触媒を用いる場合には、この還元処理は不要となる。 In this embodiment, since a nickel-based catalyst is used, the reduction treatment is performed before use and after the regeneration operation. This is possible by introducing only hydrogen after raising the temperature of the reactor and before applying plasma. Further, when a noble metal catalyst such as ruthenium or rhodium is used instead of the nickel-based catalyst, this reduction treatment is unnecessary.
(参考例1)
実施例1において、第二の電極として、金属メッシュの代わりに、ガス引き抜き用の貫通孔25が設けられた電極埋設型セラミック平板電極16を使用した(図2参照。)
この結果、40Wの投入電力でプラズマを発生させてメタンの転化率90%、水素の回収率90%を得た。
( Reference Example 1 )
In Example 1, an electrode-embedded
As a result, plasma was generated with an input power of 40 W to obtain a methane conversion rate of 90% and a hydrogen recovery rate of 90%.
コーク析出による触媒の失活が徐々に見られ、1000時間経過後にメタンの転化率は80%まで低下した。この状態でメタンを空気に切り替え、80Wの投入電力で1時間の再生運転を行った後に再度メタンに切り替え、40Wの投入電力でプラズマを発生させたところ、メタンの転化率は90%に回復した。 The catalyst was gradually deactivated due to coke deposition, and the conversion of methane decreased to 80% after 1000 hours. In this state, methane was switched to air, regeneration was performed for 1 hour with 80W input power, and then switched to methane again. When plasma was generated with 40W input power, the methane conversion rate recovered to 90%. .
実施例1と同様の装置を使用し、ジメルエーテルの水蒸気改質、二酸化炭素改質、部分酸化反応による水素製造を行ったが、上記と同様の結果を得た。
Using the same apparatus as in Example 1, hydrogen production by steam reforming, carbon dioxide reforming, and partial oxidation reaction of dimethyl ether was performed, and the same results as above were obtained.
2、2A 第一の電極 3、3A 誘電体ペレット 4、4A 第二の電極 6 第二の電極と支持体との間の空隙 7、7A 支持体 8、8A 水素分離膜 9、20 スペーサー 11 電源 12 プラズマ場生成空間 A 被処理ガス B 水素 C 廃ガス D プラズマ場内において被処理ガスの流れる方向 E 方向Eに略垂直の方向
2,
Claims (4)
And applying a pulse voltage between the second electrode and the first electrode by the pulse power source using a static induction thyristor element, one of claims any of claims 1 to 3 The device described in 1.
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