JP5407003B1

JP5407003B1 - メタンガス分解装置

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Publication number: JP5407003B1
Application number: JP2013133061A
Authority: JP
Inventors: 一増尾; 晴夫佐藤; 拓三石川; 柄穂吾妻
Original assignee: Saisei
Current assignee: Saisei
Priority date: 2013-06-25
Filing date: 2013-06-25
Publication date: 2014-02-05
Anticipated expiration: 2033-06-25
Also published as: JP2015006966A; WO2014208503A1

Abstract

【課題】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】
メタンガス分解装置は、メタンガス供給部１と、メタンガスを水素およびカーボンに分解するガス分解部２と、メタンガスが分解された水素およびカーボンと、分解されずに該ガス分解部２を通過したメタンガスとの混合ガスから、カーボンを分離するカーボン分離部３と、水素を分離する水素分離部４と、水素が除去された後のメタンガスをガス分解部２に供給する未反応ガス供給部５とを備える。ガス分解部２は、第１反応管２１と第２反応管２２とを有し、第１反応管２１および第２反応管２２の上流側が互いに接続管２３により接続されている。
【選択図】図１

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せ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、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部と、
前記メタンガス供給部から供給されたメタンガスを水素およびカーボンに分解するガス分解部と、
前記ガス分解部によりメタンガスが分解された水素およびカーボンと、分解されずに該ガス分解部を通過したメタンガスとの混合ガスから、カーボンを分離するカーボン分離部と、
前記カーボン分離部によりカーボンが除去された前記混合ガスから、水素を分離する水素分離部と、
前記水素分離部により前記混合ガスから水素が除去された後のメタンガスを前記ガス分解部に供給する未反応ガス供給部と
を備え、
前記ガス分解部は、
前記メタンガス供給部に接続されて、通電により放電する放電電極を内部に有する第１反応管と、
前記未反応ガス供給部に接続されて、通電により放電する放電電極を内部に有する第２反応管と
を有し、前記第１反応管および前記第２反応管の上流側が互いに接続管により接続され、
前記カーボン分離部と前記水素分離部との間に、該カーボン分離部によりカーボンが除去された前記混合ガスを該水素分離部に所望の圧力で供給する循環ポンプが設けられ、前記第１反応管および前記第２反応管の放電電極は、それぞれ一対の放電電極と該放電電極の間に設けられた円盤状の回転電極とを有し、該一対の放電電極と該回転電極とが、前記メタンガスの進行方向が該回転電極の接線方向となるように、前記第１反応管および前記第２反応管内にそれぞれ配置され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、ガス分解部が第１反応管および第２反応管の２つの反応管により構成されるため、メタンガスを同時並行に分解することができ、メタンガスの分解効率を高めることができる。

ここで、ガス分解部を第１反応管および第２反応管の２つの反応管に分けた場合には、供給されたメタンガスのガス圧が低下して、反応管内にメタンガスの分解により発生したカーボンが付着し得るが、第１反応管および第２反応管の上流側にこれらを互いに接続した接続管を設けることで、メタンガス供給部から供給されたメタンガスと、未反応ガス供給部から供給されたメタンガスとで互いにガス圧が低下することを補い合うことができる。そのため、ガス分解部を第１反応管および第２反応管の２つの反応管に分けた場合でも、供給されたメタンガスのガス圧が低下することを抑制して、反応管内にメタンガスの分解により発生したカーボンが付着することを防止することができる。
また、第１発明のメタンガス分解装置によれば、メタンガスの進行方向が回転電極の接線方向となるように一対の放電電極と回転電極とを配置することで、回転電極の回動作用方向とメタンガスの流動方向とが一致し、電極部分で発生したカーボンが電極部分に付着することを確実に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、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、
前記メタンガス供給部は、前記接続管の上流側および下流側にガスの逆流を防止する逆止弁を備え、
前記未反応ガス供給部は、前記接続管の上流側および下流側にガスの逆流を防止する逆止弁を備え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、第１反応管および第２反応管の上流側にこれらを互いに接続した接続管を設け、メタンガス供給部から供給されたメタンガスと、未反応ガス供給部から供給されたメタンガスとで互いにガス圧が低下することを補い合わせた場合には、メタンガス供給部と未反応ガス供給部とのいずれかのメタンガスのガス圧が高い場合は、ガス圧の低い供給部にメタンガスが逆流し得る。

特に、ガス分解部を第１反応管および第２反応管の２つの反応管に分けて、低圧でもメタンガスを効率的に分解可能とした場合には、ガス分解部での分解を上回るガス量がメタンガス供給部と未反応ガス供給部とのいずれかから供給された場合には、ガス圧の低い供給部にメタンガスが逆流し得るが、メタンガス供給部および未反応ガス供給部の接続管の上流側に逆止弁を設けることで逆流を防止しつつ、メタンガス供給部から供給されたメタンガスと、未反応ガス供給部から供給されたメタンガスとを互いに補い合わせて、第１反応管および第２反応管で効率よく分解させることができる。

一方、メタンガス供給部および未反応ガス供給部の接続管の上流側に逆止弁を設けた場合には、第１反応管および第２反応管の上流側のガス圧を安定させることができるが、全体として第１反応管および第２反応管の上流側のガス圧が低下した場合には、混合ガスが第１反応管および第２反応管に逆流することが懸念されるが、メタンガス供給部および未反応ガス供給部の接続管の下流側にも逆止弁を設けることでかかる逆流を防止することができる。

ここで、第１反応管および第２反応管の下流側にそれぞれ逆止弁を設けることも考えられるが、第１反応管および第２反応管の下流側には、メタンガスの分解に伴うカーボンが存在するため、逆止弁は目詰りを起こしてしまう。そのため、メタンガス供給部および未反応ガス供給部の接続管の下流側に逆止弁を設けることで、かかる目詰まりを防止しつつ、逆流を防止することができる。

このように、第２発明のメタンガス分解装置によれば、メタンガスの分解をより安定的に効率よく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、
前記カーボン分離部は、前記第１反応管の下流側に接続された第１カーボン分離部と、前記第２反応管の下流側に接続された第２カーボン分離部とを備え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、第１反応管および第２反応管のそれぞれに個別のカーボン分離部を設けることで、第１反応管および第２反応管の下流側を互いに接続する必要がなくなり、ガス分解部とカーボン分離部との間でのカーボンの目詰まりを防止することができる。

このように、第３発明のメタンガス分解装置によれば、第１反応管および第２反応管で生じたメタンガスをダイレクトに第１カーボン分離部および第２カーボン分離部で混合ガスから分離することができ、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。本実施形態の逆止弁の構造を示す説明図。

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、メタンガスが供給されるメタンガス供給部１と、メタンガスを分解するガス分解部２と、メタンガスの分解により生成されたカーボンをガスから分離するカーボン分離部３と、メタンガスの分解により生成された水素をガスから分離する水素分離部４と、未反応ガスを再度ガス分解部２に循環供給する未反応ガス供給部５とを備える。

メタンガス供給部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、他端がガス分解部２に接続される。

メタンガス供給部１には、メタンガスのガス分解部２への供給を開栓・閉栓により切替可能な仕切弁１ａと、供給するメタンガスの流量を計測する流量計１ｂと、ガスの逆流を防止する逆止弁１ｃとが設けられている。

ガス分解部２は、２つの反応管が並列に設けられてなる。具体的に、ガス分解部２は、メタンガス供給部１に接続されて、通電により放電する放電電極を内部に有する第１反応管２１と、未反応ガス供給部５に接続されて、通電により放電する放電電極を内部に有する第２反応管２２とを備える。

また、ガス分解部２は、第１反応管２１および第２反応管２２の上流側が互いに接続管２３により接続されている。そして、接続管２３と第１反応管２１との間には、ガスの逆流を防止する逆止弁２１ａと、第１反応管２１へのメタンガスの供給を開栓・閉栓により切替可能な仕切弁２１ｂとが設けられている。接続管２３と第２反応管２２との間には、ガスの逆流を防止する逆止弁２２ａと、第２反応管２２へのメタンガスの供給を開栓・閉栓により切替可能な仕切弁２２ｂとが設けられている。

なお、第１反応管２１および第２反応管２２の構成の詳細は、図２を参照して後述する。

カーボン分離部３は、第１反応管２１の下流側に接続された第１カーボン分離部３１と、第２反応管２２の下流側に接続された第２カーボン分離部３２とを備える。

第１カーボン分離部３１および第２カーボン分離部３２は、いずれも同様の構成であり、例えば、カーボン分離フィルタを内蔵し、カーボン分離フィルタにより分離されたカーボンは、第１および第２カーボン分離部３１，３２の底部に蓄積されるようになっている。

なお、カーボン分離フィルタは、第１および第２カーボン分離部３１，３２の入口側および出口側のように複数フィルタを設けるようにしてもよい。また、カーボンの分離は、フィルタ方式以外の種々の構成が採用可能である。

カーボン分離部３と水素分離部４との間には、水タンク７および循環ポンプ８が設けられている。

水タンク７は、カーボン分離部３によりカーボンが除去されたガスを水中放出し、残存するカーボン成分を完全に除去するものである。水タンク７と第１カーボン分離部３１および第２カーボン分離部３２との間には、それぞれガスの逆流を防止する逆止弁３１ａおよび逆止弁３２ａが設けられている。

また、水タンク７は、定期的または連続的にタンク内の水が交換可能なように、仕切弁７ａ，７ｂを介して、水の流入出が可能となっている。

循環ポンプ８は、水素分離部４に所望の圧力でガスを供給する押込型のポンプである。

水素分離部４は、水素透過膜により構成される。この水素透過膜は、例えば、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。

なお、水素ガスに窒素を含ませる場合のために、水素分離部４には、仕切弁４ａを介して、窒素の流入が可能となっている。

そして、水素透過膜を通過した水素ガスは、水素ボンベ９に貯蔵される。水素分離部４と水素ボンベ９との間には、ガスの逆流を防止する逆止弁４ｂと、ガスの供給を開栓・閉栓により切替可能な仕切弁４ｃとが設けられており、水素ボンベ９の下流側には、同様の仕切弁９ａと、水素ボンベ９から供給されるメタンガスの流量を計測する流量計９ｂとが設けられている。なお、水素ボンベ９には、ボンベ内の圧力を計測表示する圧力計９ｃが取付けられている。

一方、水素透過膜を通過できない未反応のメタンガスは、未反応ガス供給部５に供給されて、再び、ガス分解部２に供給される。すなわち、未反応ガス供給部５は、未反応のメタンガスの循環路を形成している。

未反応ガス供給部５は、接続管２３との間に、管内の圧力の異常上昇時に解放される安全弁５ａと、ガスの供給を開栓・閉栓により切替可能な仕切弁５ｂと、ガスの逆流を防止する逆止弁５ｃとが設けられている。

以上が、本実施形態のメタンガス分解装置の全体構成である。

次に、図２を参照して、説明を後回しにした第１反応管２１および第２反応管２２の構成について説明する。

図２（ａ）に示すように、第１反応管２１および第２反応管２２は、いずれも同様の構成であり、一対の放電電極２０ａ，２０ｂと、これらの放電電極２０ａ，２０ｂの間に設けられた円盤状の回転電極２０ｃとを備える。

一対の放電電極２０ａ，２０ｂは、いずれか一方が正極で他方が負極となっており、それぞれ接続端子２０ｄ，２０ｅを介して絶縁ケース２０ｆ外の電源装置（図示省略）に接続されている。

図２（ｂ）に示すように、回転電極２０ｃは、絶縁ケース２０ｆ内においてメタンガスの進行方向（図中の矢印が進行方向）が該回転電極の接線方向となるように、一対の放電電極２０ａ，２０ｂの間に配置され、モータ（図示省略）により回動可能となっている。

そのため、回転電極の回動作用方向とメタンガスの流動方向とが一致し、電極部分で発生したカーボンが電極部分に付着することを確実に防止することができる。

また、供給されたメタンガスの進行方向と電極の放電方向とが垂直となり、電極間２０ａ−２０ｃ，２０ｂ−２０ｃに生成されたカーボンを次に供給されたメタンガスで効率よく粉砕することができる。

さらに、ガスを電極間２０ａ−２０ｃ，２０ｂ−２０ｃ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。

次に、図３を参照して、本実施形態のメタンガス分解装置に用いられる逆止弁１ｃ，５ｃ，２１ａ，２２ａ，３１ａ，３２ａ・・などの構成について説明する。以下、代表して逆止弁１ｃで説明する。

逆止弁１ｃは、筒状の本体１０と、その内部を小径に突出させた弁座部１０ａと、弁座部１０ａに着座する弁体１１と、弁体１１を弁座部１０ａ側に付勢するコイルバネ１２とを備える。

弁体１１は、弁座部１０ａ側の支持体１３により支持された軸体１４により、スライドガイドされている。また、コイルバネ１２の他端側は、バネ支持体１５により支持されている。

かかる構成により、弁体１１は、コイルバネ１２の付勢力により弁座部１０ａに着座状態に保持される。このとき、弁体１１は、Ｏリング等のシール部材１１ａが弁座部１０ａとの当接面に設けられているため、着座状態における気密性を保つことができる。

ここで、図中に矢印で示す順方向からガスが供給されると、ガスは、支持体１３を放射状に貫通する貫通孔１３ａを通して、（さらに弁座部１０ａの間隙を通して）弁体１１に作用する。

そして、コイルバネ１２の付勢力を超える圧力が作用すると、弁体１１が弁座部１０ａから浮き上がり、閉弁状態から開弁状態となり、コイルバネ１２の間から、バネ支持体１５に放射状に形成された貫通孔１５ａを介して放出される。

一方、ガスの圧力が低下すると（コイルバネ１２の付勢力を超える圧力が作用しなくなると）、弁体１１が再び弁座部１０ａに着座し、開弁状態から閉弁状態となる。

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を参照して説明する。

まず、メタンガス供給部１を介して供給されるメタンガスは、接続管２３を介して、それ以前に供給され、ガス分解部２で分解されずに未反応ガス供給部５を循環するメタンガスと混合され、第１反応管２１および第２反応管２２へと供給される。

このように、第１反応管２１および第２反応管２２の２つの反応管によりガス分解部２を構成することで、メタンガスを同時並行に分解することができ、メタンガスの分解効率を高めることができる。

ここで、ガス分解部２を第１反応管２１および第２反応管２２の２つの反応管に分けた場合には、供給されたメタンガスのガス圧が低下して、反応管内にメタンガスの分解により発生したカーボンが付着し得るが、第１反応管２１および第２反応管２２の上流側にこれらを互いに接続した接続管２３を設けることで、メタンガス供給部１から供給されたメタンガスと、未反応ガス供給部５から供給されたメタンガスとで互いにガス圧が低下することを補い合うことができる。

そのため、ガス分解部２を第１反応管２１および第２反応管２２の２つの反応管に分けた場合でも、供給されたメタンガスのガス圧が低下することを抑制して、反応管２１，２２内にメタンガスの分解により発生したカーボンが付着することを防止することができる。

このとき、ガス分解部２を第１反応管２１および第２反応管２２の２つの反応管に分けて、低圧でもメタンガスを効率的に分解可能とした場合には、ガス分解部２での分解を上回るガス量がメタンガス供給部１と未反応ガス供給部５とのいずれかから供給された場合には、ガス圧の低い供給部にメタンガスが逆流し得るが、メタンガス供給部１および未反応ガス供給部５の接続管２３の上流側に逆止弁１ｃ，５ｃを設けることで逆流を防止しつつ、メタンガス供給部１から供給されたメタンガスと、未反応ガス供給部５から供給されたメタンガスとを互いに補い合わせて、第１反応管２１および第２反応管２２で効率よく分解させることができる。

また、メタンガス供給部１および未反応ガス供給部５の接続管２３の上流側に逆止弁１ｃ，５ｃを設けた場合には、第１反応管２１および第２反応管２２の上流側のガス圧を安定させることができるが、全体として第１反応管２１および第２反応管２２の上流側のガス圧が低下した場合には、混合ガスが第１反応管２１および第２反応管２２に逆流することが懸念されるが、接続管２３の下流側にも逆止弁２１ａ，２２ａを設けることでかかる逆流を防止することができる。

全体として第１反応管２１および第２反応管２２の上流側のガス圧がさらに低下した場合には、２つの仕切弁２１ｂ，２２ｂのいずれかを閉栓することで、第１反応管２１と第２反応管２２とのいずれかでメタンガスを分解することができ、ガス圧が低下してガス分解部２にカーボンが付着することを防止することができる。なお、第１反応管２１と第２反応管２２とのいずれか一方をメンテンス等で使用を停止する場合にも、仕切弁２１ｂ，２２ｂを閉栓することで対応する反応管の使用を停止することができる。

次いで、第１反応管２１および第２反応管２２により、メタンガスが直接分解された水とカーボンと未反応のメタンガスとが、第１反応管２１および第２反応管２２に接続された第１カーボン分離部３１および第２カーボン分離部３２に供給される。第１カーボン分離部３１および第２カーボン分離部３２に供給されたガスは、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３を経た後のガスは、水素と未反応のメタンガスとなっている。

ここで、第１反応管２１および第２反応管２２のそれぞれに個別のカーボン分離部３１，３２を設けることで、第１反応管２１および第２反応管２２の下流側を互いに接続する必要がなくなり、ガス分解部２とカーボン分離部３との間でのカーボンの目詰まりを防止することができる。

次いで、水タンクを通過して循環ポンプに供給されたガスは、水素分離部４の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、水素ボンベ９に供給され、水素ボンベ９から、例えば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のメタンガスは、未反応ガス供給部５へ導入され、新たに供給されたメタンガスと共に、再びガス分解部２の第１反応管２１および第２反応管２２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。かかるメタンガス分解装置によれば、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、本実施形態において、反応管２１，２２の放電電極として、図２に示すような一対の放電電極２０ａ，２０ｂと、これらの放電電極２０ａ，２０ｂの間に設けられた円盤状の回転電極２０ｃとを備える構成について説明したが、放電電極はこれに限定されるものではなく、回転電極を省略して、一対の放電電極のみで構成してもよい。

また、本実施形態では、カーボン分離部を第１カーボン分離部３１および第２カーボン分離部３２としているが、これに限定されるものではなく、第１カーボン分離部３１と第２カーボン分離部３２とを統合した１つのカーボン分離部を、第１反応管２１および第２反応管２２の下流側に設け、これらの反応管２１，２２で発生したカーボンを一括して分離するようにしてもよい。

１…メタンガス供給部、１ｃ，５ｃ，２１ａ，２２ａ…逆止弁、２…ガス分解部、３…カーボン分離部、４…水素分離部、５…未反応ガス供給部、２０ａ，２０ｂ…一対の放電電極、２０ｃ…回転電極、２１…第１反応管、２２…第２反応管、２３…接続管、３１…第１カーボン分離部、３２…第２カーボン分離部。

Claims

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部と、
前記メタンガス供給部から供給されたメタンガスを水素およびカーボンに分解するガス分解部と、
前記ガス分解部によりメタンガスが分解された水素およびカーボンと、分解されずに該ガス分解部を通過したメタンガスとの混合ガスから、カーボンを分離するカーボン分離部と、
前記カーボン分離部によりカーボンが除去された前記混合ガスから、水素を分離する水素分離部と、
前記水素分離部により前記混合ガスから水素が除去された後のメタンガスを前記ガス分解部に供給する未反応ガス供給部と
を備え、
前記ガス分解部は、
前記メタンガス供給部に接続されて、通電により放電する放電電極を内部に有する第１反応管と、
前記未反応ガス供給部に接続されて、通電により放電する放電電極を内部に有する第２反応管と
を有し、前記第１反応管および前記第２反応管の上流側が互いに接続管により接続され、
前記カーボン分離部と前記水素分離部との間に、該カーボン分離部によりカーボンが除去された前記混合ガスを該水素分離部に所望の圧力で供給する循環ポンプが設けられ、
前記第１反応管および前記第２反応管の放電電極は、それぞれ一対の放電電極と該放電電極の間に設けられた円盤状の回転電極とを有し、該一対の放電電極と該回転電極とが、前記メタンガスの進行方向が該回転電極の接線方向となるように、前記第１反応管および前記第２反応管内にそれぞれ配置されることを特徴とするメタンガス分解装置。
請求項１記載のメタンガス分解装置において、
前記メタンガス供給部は、前記接続管の上流側および下流側にガスの逆流を防止する逆止弁を備え、
前記未反応ガス供給部は、前記接続管の上流側および下流側にガスの逆流を防止する逆止弁を備えることを特徴とするメタンガス分解装置。
請求項１または２記載のメタンガス分解装置において、
前記カーボン分離部は、前記第１反応管の下流側に接続された第１カーボン分離部と、前記第２反応管の下流側に接続された第２カーボン分離部とを備えることを特徴とするメタンガス分解装置。