JP6621573B1 - ガス製造システム及びガス製造方法 - Google Patents
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Abstract
ガス製造システムは、被処理ガス（８）の流路（９）を形成する反応器（２）、電圧が印加される第一の電極（３）及び第二の電極（４）、及び流路（９）に配置され触媒を含む触媒層（５）を有するガス製造装置と、第一の電極（３）及び第二の電極（４）に印加する電圧を発生させる電圧発生手段（１２）と、被処理ガス（８）をガス製造装置に供給するガス供給手段と、を備え、電圧発生手段（１２）は、被処理ガス（８）に応じて電圧の周波数を設定する周波数設定手段（１３）を有し、第一の電極（３）と第二の電極（４）との間に発生したプラズマを触媒層（５）に照射し、被処理ガス（８）を改質して生成ガス（１１）を得る。
Description
本願は、ガス製造システム及びガス製造方法に関するものである。
従来、水素ガス及びアンモニアガスなどの有用なガスを製造する方法として、触媒を用いた方法が知られている。この製造方法では、生成ガスの原料となる原料ガスおよび原料ガスを酸化する酸化剤ガスを含む２種類以上の混合ガスを被処理ガスとして触媒反応場に導入し、被処理ガスを高温環境下で反応させて生成ガスを製造する。
被処理ガスが炭化水素系と水蒸気または分子状酸素含有ガスとを含む混合ガスの場合は、生成ガスとして水素ガスが製造できる（例えば、特許文献１）。また、被処理ガスが水素ガスと一酸化炭素ガスとを含む混合ガスである場合は、生成ガスとしてメタンガスあるいはアルコール類などが製造でき、被処理ガスが炭化水素系のガスと空気とを含む混合ガスである場合は、生成ガスとしてアンモニアガスが製造できる（例えば、特許文献２）。
上述のガス製造方法では、生成ガスの収率（生成量）を高めるためには触媒反応場の環境を非常に高い温度にする必要があり、投入する必要のある熱エネルギーが大きいため、エネルギー効率が低く、生成ガスの製造コストが高い。そのため、生成ガス製造時のエネルギー効率の向上が求められている。
生成ガス製造時のエネルギー効率を向上させる方法のひとつとして、プラズマを利用したガス製造方法が知られており、特許文献１及び特許文献２においてもプラズマが利用されている。これら文献では、高電圧を発生可能な電源に接続された１対の電極を触媒反応場に設け、電極に高電圧をかけることで触媒反応場にプラズマを発生させている。プラズマにより被処理ガス中の気体反応物質を励起し、生成ガスの収率を高め、エネルギー効率を向上させることが期待できる。
触媒反応場にプラズマを発生させると、プラズマ中の電子が被処理ガス中の気体反応物質と衝突するが、電子の持つエネルギー（電子エネルギー）に応じて、気体反応物質は電離あるいは解離の状態、もしくは振動励起の状態となる。生成ガスの収率を高め、エネルギー効率を向上させるためには、電離あるいは解離ではなく、気体反応物質の振動励起を促進させる必要があるが、被処理ガスの種類に応じて、振動励起を促進させることのできる電子エネルギーは異なる。そのため、被処理ガスの種類に応じた電子エネルギーを供給できないと、逆にエネルギー効率を低下させる虞がある。
触媒反応とプラズマを利用した従来のガス製造システムにおいて、電源が電極に印加する高電圧の周波数が低すぎると電子エネルギーが大きいプラズマとなる。その場合、被処理ガス中の気体反応物質が電離あるいは解離するリスクが高くなり、効率的に気体反応物質の振動励起を促進させることができない虞がある。その結果、生成ガスの収率、およびエネルギー効率が低下してしまう。一方、電源の高電圧の周波数が高すぎると触媒反応場におけるプラズマの発生頻度、すなわち電子の密度が過剰となり、プラズマ発生に必要な電力消費が大きくなるため、エネルギー効率が低下してしまう。
本願は、上記のような課題を解決するための技術を開示するものであり、被処理ガスに応じてプラズマの電子エネルギーを適切に設定することで、触媒反応とプラズマの併用による相乗効果を得て、生成ガスの収率を高めるとともに、高いエネルギー効率で生成ガスを製造することが可能なガス製造システム及びガス製造方法を提供することを目的とする。
本願に開示されるガス製造システムは、触媒にプラズマを照射して被処理ガスを改質して生成ガスを製造するガス製造システムにおいて、電圧を発生させる電圧発生手段と、前記電圧発生手段により発生させた電圧を用いて前記触媒に照射するプラズマを発生させるプラズマ発生手段と、前記被処理ガスに応じて前記電圧の周波数を設定する周波数設定手段とを備え、前記被処理ガスは、炭化水素系のガス及び酸化剤ガスであり、前記生成ガスは、水素含有ガスである、ものである。
本願に開示されるガス製造方法は、触媒を含む触媒層にプラズマを照射して被処理ガスを改質して生成ガスを製造するガス製造方法において、前記触媒層に被処理ガスを供給するガス供給工程と、前記プラズマを発生させるための電圧を発生させる電圧発生工程と、前記電圧発生工程で発生させた前記電圧を用いて前記プラズマを発生させ、前記触媒層にプラズマを照射するプラズマ照射工程と、前記被処理ガスに応じて前記電圧の周波数を設定する周波数設定工程と、前記被処理ガスを改質し前記生成ガスを製造する改質工程と、前記触媒層の圧力を減圧する減圧工程と、を備えたものである。
本願に開示されるガス製造システム及びガス製造方法によれば、被処理ガスに応じてプラズマを発生させる電圧の周波数を設定するので、触媒反応とプラズマの併用による相乗効果を得て、生成ガスの収率を高めるとともに、高いエネルギー効率で生成ガスを製造することが可能なガス製造システムおよびガス製造方法を提供することが可能となる。
以下、ガス製造システムおよびガス製造方法の実施の形態について図を参照して説明する。なお、以下に示す実施の形態は一例であり、これらの実施の形態によって本発明が限定されるものではない。また、各図中、同一符号は、同一または相当する部分を示すものとする。
実施の形態１．
以下、実施の形態１に係るガス製造システムについて説明する。図１Ａは、本実施の形態１に係るガス製造システムの構成を示す模式図である。ガス製造システムは、反応器２、プラズマを発生させるための第一の電極３及び第二の電極４、触媒層５を有するガス製造装置１と、第一の電極３及び第二の電極４に接続され、電力を供給する外部電源１２等を備える。なお、図１Ａはガス製造装置１の断面を示している。
以下、実施の形態１に係るガス製造システムについて説明する。図１Ａは、本実施の形態１に係るガス製造システムの構成を示す模式図である。ガス製造システムは、反応器２、プラズマを発生させるための第一の電極３及び第二の電極４、触媒層５を有するガス製造装置１と、第一の電極３及び第二の電極４に接続され、電力を供給する外部電源１２等を備える。なお、図１Ａはガス製造装置１の断面を示している。
ガス製造装置１は供給部６と流出部７を備え、供給部６と流出部７はそれぞれ反応器２と接続されている。反応器２は、被処理ガス８が流れる流路９を形成しており、被処理ガス８は供給部６から反応器２内に供給される。反応器２の内部には第一の電極３が、反応器２の外部には第二の電極４がそれぞれ設けられており、第二の電極４は接地され、第一の電極３は支持体１０を介して反応器２と接続され第二の電極４と絶縁されて固定されている。また、流路９内の第一の電極３と第二の電極４の間の空間に被処理ガス８を生成ガス１１に改質する反応を生じさせる触媒を含む触媒層５が設けられており、触媒層５における触媒反応で改質された生成ガス１１は流出部７からガス製造装置１の外部に送出される。
第一の電極３と第二の電極４は、外部電源１２に接続され、外部電源１２は高電圧を発生させて第一の電極３と第二の電極４の間の空間にプラズマを発生させる。プラズマの種類は特に限定されないが、エネルギー効率の観点から、電子温度のみが高く、被処理ガス８の触媒反応を比較的低温で活性化させることができる非平衡プラズマが好ましい。
ガス製造装置１の構成は、ガス製造装置１が反応器２、第一の電極３、第二の電極４を備え、被処理ガス８が第一の電極３と第二の電極４の間の空間に設けられた触媒層５に供給されるのであれば、特に限定されない。しかし、被処理ガス８の触媒反応を効率的に活性化するためには、触媒層５の触媒の表面に沿ってプラズマを発生できることが好ましく、ガス製造装置１は円筒状であることが好ましい。図１Ｂは図１Ａ中のＸ-Ｘ断面の模式図を示す。図１Ｂにも示されるように、反応器２と第二の電極４が円筒状であり、反応器２が第二の電極４に被覆され、第一の電極３が棒状であって、反応器２の中心軸上に設置されることが好ましい。
第一の電極３と第二の電極４の材質は、外部電源１２の高電圧によってプラズマを発生できれば特に限定されず、銅、鉄、タングステンなど公知の材料を使用することができる。電極の腐食の観点から、腐食しにくいステンレスなどの合金を使用することがより好ましい。また、反応器２の材質は誘電体であることが好ましく、セラミックスまたはガラスなど公知の材料を用いることができる。
触媒層５を構成する触媒の形態も特に限定されず、ペレット状あるいは粒状などの触媒を使用すれば良い。
被処理ガス８を供給部６から反応器２内に供給している状態で、外部電源１２により高電圧を発生させると、反応器２内の第一の電極３と第二の電極４の間の空間に設けられた触媒層５においてプラズマを発生させることができる。被処理ガス８は触媒層５で生成ガス１１に改質される。
外部電源１２は、発生させる高電圧の周波数を設定する周波数設定手段１３を備えており、反応器２内の第一の電極３と第二の電極４の間の空間に設けられた触媒層５において発生させるプラズマの周波数を被処理ガス８に応じて適切に設定することができる。発生するプラズマの電子エネルギーは電源（プラズマ）の周波数に依存して決定されるため、周波数設定手段１３により周波数を適切に設定することで、被処理ガス８を構成する気体反応物質の分子の振動励起を効率的に促進させることができる電子エネルギーに設定することができるようになる。
なお、被処理ガス８を構成する気体反応物質の分子の振動励起を効率的に促進させることができる電子エネルギーは、粒子間衝突（被処理ガス８とプラズマ中の電子の衝突）の効果を記述するボルツマン方程式により求められ、被処理ガス８の種類ごとに明らかとなっている。
したがって、外部電源１２の高電圧の周波数が必要以上に低いと、電子エネルギーが大きいプラズマとなって、被処理ガス８中の気体反応物質が電離あるいは解離するリスクが高くなり、効率的に気体反応物質の振動励起を促進させることができないことで、生成ガス１１の収率、およびエネルギー効率が低下する。逆に、外部電源１２の高電圧の周波数が必要以上に高く、触媒層５におけるプラズマの発生頻度、すなわち電子の密度が過剰となり、プラズマ発生に必要な電力消費が大きくなることで、エネルギー効率が低下する。本実施の形態では外部電源１２の高電圧の周波数を制御することでこれらを抑制することができる。
高電圧を発生させる外部電源１２は特に限定されず、交流電源、パルス電源など公知の電源を使用すればよく、したがって、外部電源１２の信号波形も正弦波、パルス波、矩形波などを使用でき、特に限定されない。
周波数設定手段１３は、外部電源１２が発生させる高電圧の周波数を設定できれば特に限定されず、インバータあるいは周波数変換装置などを用いることができる。また、周波数設定手段１３は、外部電源１２の外部に接続されていてもよいし、外部電源１２に内蔵されていてもよい。なお、周波数設定手段１３が設定する周波数は、例えば、外部電源１２の信号波形が正弦波あるいは矩形波であれば、周期の逆数で表される周波数であり、外部電源１２の信号波形がパルス波であれば、単位時間当たりに繰り返されるパルス波の回数で表される繰り返し周波数である。
周波数設定手段１３が設定する外部電源１２の高電圧の周波数の範囲は、プラズマにより被処理ガス８を構成する気体反応物質の分子の振動励起を効率的に促進させることができ、かつ、触媒層５におけるプラズマの発生頻度、すなわち電子の密度が過剰とならない範囲とすればよく、５０Ｈｚ以上１３．５６ＭＨｚ以下が好ましく、１０ｋＨｚ以上１ＭＨｚ以下がより好ましく、１０ｋＨｚ以上５００ｋＨｚ以下がさらに好ましい。周波数の範囲が上記範囲よりも小さい場合、電子エネルギーが大きいプラズマとなって、被処理ガス８中の気体反応物質が電離あるいは解離するリスクが高くなり、効率的に気体反応物質の振動励起を促進させることができないことで、生成ガス１１の収率、およびエネルギー効率が低下する可能性が高くなる虞がある。一方、周波数の範囲が上記範囲よりも大きい場合、触媒層５におけるプラズマの発生頻度、すなわち電子の密度が過剰となり、プラズマ発生に必要な電力消費が大きくなることで、エネルギー効率が低下する可能性が高くなる虞がある。被処理ガスによって、上述の周波数範囲内において周波数を設定することになる。
また、外部電源１２が発生させる高電圧の大きさは、周波数設定手段１３が設定する外部電源１２の高電圧の周波数の範囲、つまり電子エネルギーの設定範囲において、プラズマを発生させることができるように、適宜、調整すればよい。ただし、高電圧の大きさが低すぎるとプラズマを発生できなくなり、逆に高電圧の大きさが高すぎると電力消費が大きくなり、エネルギー効率が低下するため、０．５ｋＶ以上１０ｋＶ以下が好ましく、１ｋＶ以上５ｋＶ以下がより好ましい。
図２は、実施の形態１に係るガス製造システムの動作フローを説明する図で、生成ガスの製造方法を示している。このガス製造方法は、ガス供給工程、電圧発生工程、プラズマ照射（発生）工程、周波数設定工程、改質工程を含む。
まず、ステップＳ１のガス供給工程において、被処理ガス８が反応器２内の第一の電極３と第二の電極４の間の空間に設けられた触媒層５に供給される。このステップＳ１は供給工程の一例である。
続いて、ステップＳ２において、第一の電極３及び第二の電極４が接続された外部電源１２により発生させた高電圧によりプラズマが発生し、触媒層５にプラズマが照射される。このステップＳ２は、電圧発生工程およびプラズマ照射工程の一例である。
ステップＳ２でプラズマを発生させた後ステップＳ３において、周波数設定手段１３により、外部電源１２が発生させる高電圧の周波数を設定する。周波数は被処理ガス８に応じて設定することで、プラズマの電子エネルギーが適切に設定されることになる。このステップＳ３は周波数設定工程の一例である。
ステップＳ３により設定された高電圧の周波数より、触媒層５において被処理ガス８がプラズマにより改質されて生成ガス１１が製造される（ステップＳ４）。所定の生成ガス量に到達すると、ガスの製造は終了する。このステップＳ４は改質工程の一例である。
以上のように、本実施の形態１に係るガス製造システムでは、外部電源１２が発生させる高電圧の周波数を被処理ガス８に応じて設定する周波数設定手段１３を備えるため、反応器２内の第一の電極３と第二の電極４の間の空間に設けられた触媒層５において発生させるプラズマの電子エネルギーを適切に設定することができる。このため、触媒反応とプラズマの併用による相乗効果を得て、生成ガスの収率を高めるとともに、高いエネルギー効率で生成ガスを製造することができる。
実施の形態１においては、反応器２と第二の電極４の断面が円筒状であり、反応器２が第二の電極４に被覆され、第一の電極３が棒状であって、反応器２の中心軸上に設置される一例の構成について説明した。しかしながら本発明は、この一例に限定されるものではない。例えば、同様の機能を奏する場合、反応器２と第二の電極４の断面が矩形状となるように構成してもよい。
実施の形態２．
以下に、実施の形態２に係るガス製造システムについて説明する。実施の形態２に係るガス製造システムは、基本的な構成および動作が実施の形態１と同様であるが、被処理ガス８の代わりに炭化水素系ガス１４、および酸化剤ガス１５がガス製造装置１に供給され、生成ガス１１の代わりに水素含有ガス１６が流出部７からガス製造装置１の外部に送出される点が異なる。
以下に、実施の形態２に係るガス製造システムについて説明する。実施の形態２に係るガス製造システムは、基本的な構成および動作が実施の形態１と同様であるが、被処理ガス８の代わりに炭化水素系ガス１４、および酸化剤ガス１５がガス製造装置１に供給され、生成ガス１１の代わりに水素含有ガス１６が流出部７からガス製造装置１の外部に送出される点が異なる。
図３は、本実施の形態２に係るガス製造システムの構成を示す模式図である。図中、実施の形態１に係るガス製造システムと同様の構成機器及び部材には、同じ符号を付し、特に必要のない限り説明を省略する。
本実施の形態２に係るガス製造システムにおいては、炭化水素系ガス１４及び酸化剤ガス１５を供給部６から反応器２内に供給する。炭化水素系ガス１４及び酸化剤ガス１５が反応器２内に供給されている状態で、外部電源１２により高電圧を発生させ、反応器２内の第一の電極３と第二の電極４の間の空間に設けられた触媒層５においてプラズマを発生させる。炭化水素系ガス１４及び酸化剤ガス１５は触媒層５で反応し、水素含有ガス１６が製造される。
このとき、周波数設定手段１３により、外部電源１２が発生させる高電圧の周波数を設定し、プラズマの電子エネルギーを適切に設定することで、触媒反応とプラズマの併用による相乗効果を得ることができる。これにより、１６中の水素ガスの収率を高めるとともに、高いエネルギー効率で水素含有ガス１６を製造することができる。
炭化水素系ガス１４は、炭素原子と水素原子を含有し、触媒層５において水素含有ガス１６に改質され得るものであれば、特に限定されず、メタン、エタン、プロパン等の炭化水素及びメタノール、エタノールなどのアルコール等を使用することができる。
酸化剤ガス１５も、触媒層５において炭化水素系ガス１４と反応して水素含有ガス１６を製造することができれば特に限定されず、水を蒸発させた水蒸気あるいは一酸化炭素などの分子状酸素含有ガスを使用することができる。ただし、炭化水素系ガス１４、および酸化剤ガス１５の反応性の観点から、酸化剤ガス１５は、水蒸気、二酸化炭素ガス、および酸素ガスから選択される１種類のガス、または２種類以上の混合ガスであることが好ましい。
触媒層５において水素含有ガス１６が製造される反応は、例えば、炭化水素系ガス１４が分解されて水素が生成される反応、あるいは、炭化水素系ガス１４が酸化剤ガス１５によって酸化されて水素が生成される反応などから構成される。
発明者らは、水素原子を含む炭化水素系ガス１４の活性化が、水素含有ガス１６が製造される反応において律速となっていることを見出した。したがって、周波数設定手段１３により、炭化水素系ガス１４の振動励起を効率的に促進させることができる電子エネルギーのプラズマとなるように外部電源１２が発生させる高電圧の周波数を設定することで、高いエネルギー効率で水素含有ガス１６を製造することができるとともに、水素含有ガス１６中の水素ガスの収率を高めることができる。
触媒層５を構成する触媒の種類は、炭化水素系ガス１４を水素含有ガス１６に改質することができれば特に限定されず、公知の触媒を使用することができるが、反応性の観点から、ニッケル、鉄、コバルトなど遷移金属系の元素を含む触媒を使用するのが好ましい。
以上のように、本実施の形態２に係るガス製造システムでは、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。
さらに、本実施の形態２に係るガス製造システムでは、炭化水素系ガス１４及び酸化剤ガス１５を反応器２内に供給し、炭化水素系ガス１４及び酸化剤ガス１５を触媒層５においてプラズマを照射して反応させて水素含有ガス１６を製造する場合であっても、周波数設定手段１３により外部電源１２が発生させる高電圧の周波数を炭化水素系ガス１４に応じて設定することで、反応律速となっている炭化水素系ガス１４の振動励起を効率的に促進できる電子エネルギーのプラズマを発生させることができる。これにより、高いエネルギー効率で水素含有ガス１６を製造することができるとともに、水素含有ガス１６中の水素ガスの収率を高めることができる。
実施の形態３．
以下、実施の形態３に係るガス製造システムについて説明する。実施の形態３に係るガス製造システムは、基本的な構成および動作が実施の形態２と同様であるが、流出部７に減圧手段１７が、反応器２に圧力測定器１８がそれぞれ設けられている点が異なる。
以下、実施の形態３に係るガス製造システムについて説明する。実施の形態３に係るガス製造システムは、基本的な構成および動作が実施の形態２と同様であるが、流出部７に減圧手段１７が、反応器２に圧力測定器１８がそれぞれ設けられている点が異なる。
図４は、本実施の形態３に係るガス製造システムの構成を示す模式図である。図中、実施の形態２に係るガス製造システムと同様の構成機器及び部材には、同じ符号を付し、特に必要のない限り説明を省略する。
本実施の形態３に係るガス製造システムにおいては、減圧手段１７が設けられているので、減圧手段１７を稼働することで反応器２内の圧力を下げることができる。
反応器２内の第一の電極３と第二の電極４の間の空間に設けられた触媒層５においてプラズマを発生させると、長期的には触媒層５を構成する触媒が劣化して性能が著しく低下する虞があるが、反応器２内の圧力を減圧手段１７により低下させることで触媒の劣化を抑制することができる。反応器２内の圧力は圧力測定器１８を用いて測定することができ、圧力測定器１８の測定値に基づき、減圧手段１７の稼働及び減圧手段１７の動力を制御する制御機構を設けても良い。
また、反応器２内の圧力を減圧手段１７により低下させることで、反応器２内の第一の電極３と第二の電極４の間の空間に設けられた触媒層５においてプラズマが発生しやすくなる効果もある。上述の通り、外部電源１２が発生させる高電圧の大きさは、周波数設定手段１３により炭化水素系ガス１４の振動励起を効率的に促進できる電子エネルギーの範囲となる高電圧の周波数の範囲において、プラズマを発生させることができるように、適宜、調整すればよい。高電圧の大きさが低すぎるとプラズマを発生できなくなり、逆に高電圧の大きさが高すぎるとエネルギー効率が低下する。しかし、反応器２内の圧力を減圧手段１７により低下させることで、触媒層５においてプラズマの発生が可能となる外部電源１２の高電圧の大きさの下限値を小さくすることができる。そのため、外部電源１２の高電圧の大きさを低減し、より高いエネルギー効率で、プラズマを発生させることができる。
ところで、炭化水素系ガス１４及び酸化剤ガス１５を触媒層５において反応させて水素含有ガス１６を製造する場合、生成した水素含有ガス１６が炭化水素系ガス１４及び酸化剤ガス１５に戻る反応も生じることがわかっている。反応器２内において、炭化水素系ガス１４及び酸化剤ガス１５が水素含有ガス１６に改質される正反応と、水素含有ガス１６が炭化水素系ガス１４及び酸化剤ガス１５に戻る逆反応が平衡の制約を受けやすい状態となっている。発明者らは、反応器２内の圧力を低下させることで、反応器２内において、炭化水素系ガス１４、および酸化剤ガス１５が水素含有ガス１６に改質される正反応が平衡論的に促進されることを見出した。
また、炭化水素系ガス１４及び酸化剤ガス１５が水素含有ガス１６に改質される正反応と同時に、炭化水素系ガス１４の構成要素である炭素が触媒表面に析出する副反応も生じる。触媒表面に析出した炭素は、水素含有ガス１６に改質される正反応を阻害するため、水素含有ガス１６中の水素ガスの収率が低下する。しかしながら、反応器２内の圧力を低下させると、炭素が触媒表面に析出する副反応を抑制することができる。さらに、酸化剤ガス１５もプラズマにより振動励起されているため、触媒表面に析出した炭素を酸化して一酸化炭素ガスなどの気体に戻す反応が促進され、触媒表面から炭素が効率的に除去される。
したがって、反応器２内の圧力を減圧手段１７により低下させることで、水素含有ガス１６中の水素ガスの収率をさらに高めることができる。
減圧手段１７は、反応器２内を減圧できれば特に限定されず、真空ポンプ、カスケードポンプ、エジェクタなどを用いることができ、減圧手段１７の設置箇所も反応器２内を減圧できれば特に限定されない。また、圧力測定器１８も反応器２内の圧力を測定できれば特に限定されず、ブルドン管圧力計及びデジタル圧力計など公知の圧力計を使用することができる。なお、減圧手段１７の動力あるいは電流値などから圧力測定器１８が無くても反応器２内の圧力が算出できる場合などは、圧力測定器１８を省略することも可能である。
反応器２内の圧力は大気圧以下であれば特に限定されるものではないが、反応器２内の圧力を低下させ過ぎると、炭化水素系ガス１４及び酸化剤ガス１５が希薄となり、水素含有ガス１６の生産性が低下してしまう。そのため、反応器２内の圧力は絶対圧で１Ｐａ以上１００ｋＰａ以下が好ましく、１００Ｐａ以上１０ｋＰａ以下がより好ましい。周波数設定手段１３が設定する外部電源１２の高電圧の周波数に応じて、適宜、上記の範囲で反応器２内の圧力を設定すれば良く、反応器２内の圧力が上記の範囲であれば、水素含有ガス１６の生産性を著しく低下させることなく、外部電源１２の高電圧の大きさを低減し、より高いエネルギー効率で、プラズマを発生させることができる。さらに、炭化水素系ガス１４及び酸化剤ガス１５が水素含有ガス１６に改質される正反応を平衡論的に促進させることができる。
図５は、実施の形態３に係るガス製造システムの動作フローを説明する図で、生成ガスの製造方法を示している。このガス製造方法は、減圧工程、ガス供給工程、電圧発生工程、プラズマ照射（発生）工程、周波数設定工程、改質工程を含む。この動作フローは実施の形態１の図２で説明した動作フローのガス供給工程の前に最初のステップとして減圧工程を配置したものに相当する。
まず、ステップＳ０において、減圧手段１７により、反応器２内の圧力を所定の値まで低下させる。このステップＳ０は減圧工程の一例である。
続いて、ステップＳ１のガス供給工程において、炭化水素系ガス１４及び酸化剤ガス１５が、反応器２内の第一の電極３と第二の電極４の間の空間に設けられた触媒層５に供給される。このステップＳ１は供給工程の一例である。
ステップＳ２において、第一の電極３及び第二の電極４が接続された外部電源１２により発生させた高電圧によりプラズマが発生し、触媒層５にプラズマが照射される。このステップＳ２は、電圧発生工程およびプラズマ照射工程の一例である。
ステップＳ２でプラズマを発生させた後ステップＳ３において、周波数設定手段１３により、外部電源１２が発生させる高電圧の周波数を設定する。周波数は被処理ガス８に応じて設定することで、プラズマの電子エネルギーが適切に設定されることになる。このステップＳ４は周波数設定工程の一例である。
この時、周波数に応じて減圧手段１７を動作させ、圧力を調整してプラズマの発生させやすいあるいは安定して発生する圧力条件に設定することができる。すなわち、ステップＳ４において減圧工程を併用することができる。
なお、ステップＳ０において、ステップＳ１のガス流量の総量及びプラズマ発生条件を考慮した圧力に設定しておくこともできる。
この時、周波数に応じて減圧手段１７を動作させ、圧力を調整してプラズマの発生させやすいあるいは安定して発生する圧力条件に設定することができる。すなわち、ステップＳ４において減圧工程を併用することができる。
なお、ステップＳ０において、ステップＳ１のガス流量の総量及びプラズマ発生条件を考慮した圧力に設定しておくこともできる。
ステップＳ４により設定された高電圧の周波数より、触媒層５において炭化水素系ガス１４及び酸化剤ガス１５から水素含有ガス１６が製造される。所定の生成ガス量に到達すると、ガスの製造は終了する。このステップＳ４は改質工程の一例である。
以上のように、本実施の形態３に係るガス製造システムでは、実施の形態１及び実施の形態２と同様の効果を得ることができる。
さらに、本実施の形態３に係るガス製造システムでは、減圧手段１７により、反応器２内の圧力を低下させることで触媒層５の触媒の劣化を抑制するとともに、炭化水素系ガス１４、および酸化剤ガス１５が水素含有ガス１６に改質される反応を促進させ、水素含有ガス１６中の水素ガスの収率をさらに高めることができる。また、プラズマを発生させることができる外部電源１２の高電圧の大きさを低減でき、さらに高いエネルギー効率で水素含有ガス１６を製造することができる。
実施の形態４．
以下、実施の形態４に係るガス製造システムについて説明する。実施の形態４に係るガス製造システムは、基本的な構成および動作が実施の形態３と同様であるが、第二の電極４の外周に温度調節手段１９が設けられている点が異なる。
以下、実施の形態４に係るガス製造システムについて説明する。実施の形態４に係るガス製造システムは、基本的な構成および動作が実施の形態３と同様であるが、第二の電極４の外周に温度調節手段１９が設けられている点が異なる。
図６は、本実施の形態４に係るガス製造システムの構成を示す模式図である。図中、実施の形態３に係るガス製造システムと同様の構成機器及び部材には、同じ符号を付し、特に必要のない限り説明を省略する。
本実施の形態４に係るガス製造システムにおいては、第二の電極４の外周に温度調節手段１９が設けられているため、反応器２内の触媒層５を適切な温度に調整することができる。
炭化水素系ガス１４、および酸化剤ガス１５が水素含有ガス１６に改質される反応性は、反応器２内の触媒層５を加熱することでも向上する。触媒層５において発生させるプラズマによって触媒層５は加熱されるが、周波数設定手段１３により気体反応物質の分子の振動励起を効率的に促進させる電子エネルギーに設定すると、プラズマのエネルギーのほとんどが気体反応物質の分子の振動励起の促進に利用され、触媒層５を加熱する効果は小さくなる。しかし、温度調節手段１９を備えることで、反応器２内の触媒層５を適切な温度に調整することができ、炭化水素系ガス１４及び酸化剤ガス１５から水素含有ガス１６に改質される反応が促進され、水素含有ガス１６中の水素ガスの収率をさらに高めることができる。
反応器２内の触媒層５の温度は、ガス製造装置１の後工程で必要な水素含有ガス１６中の水素ガスの収率に応じて調整すれば良いが、３００℃以上８００℃以下が好ましく、４００℃以上６００℃以下がより好ましい。反応器２内の触媒層５の温度が上記の範囲よりも低いと炭化水素系ガス１４及び酸化剤ガス１５が水素含有ガス１６に改質される反応が著しく低下する虞がある。また、反応器２内の触媒層５の温度が上記の範囲よりも大きいと、炭化水素系ガス１４及び酸化剤ガス１５が水素含有ガス１６に改質される反応の促進効果よりも、温度調節手段１９が反応器２に熱を与えるエネルギーの増加によるエネルギー消費増加の影響が大きくなり、エネルギー効率が低下してしまう。
温度調節手段１９は、反応器２内の触媒層５の温度を上述の適切な値に調整することができれば特に限定されず、カーボンヒーター、セラミックヒーターあるいは熱水をガス製造装置１に循環させる機構などを熱源として利用すれば良い。また、熱源として工場排熱あるいは産業排熱などの低温排熱を配管等で引込んで利用し、熱交換によって反応器２を加熱する機構を温度調節手段１９としてもよい。このような低温排熱の利用により工場単位あるいは地域単位でエネルギー効率を向上させることが可能になる。
以上のように、本実施の形態４に係るガス製造システムでは、実施の形態３と同様の効果を得ることができる。
さらに、本実施の形態４に係るガス製造システムでは、温度調節手段１９を備え、温度調節手段１９により反応器２内の触媒層５を適切な温度に調整することができるので、炭化水素系ガス１４及び酸化剤ガス１５が水素含有ガス１６に改質される反応をさらに促進させ、水素含有ガス１６中の水素ガスの収率をさらに高めることができる。
なお、実施の形態３にさらに温度調節手段１９を設けた例を示したが、実施の形態２に温度調節手段１９を設けてもよい。
実施の形態５．
以下、実施の形態５に係るガス製造システムについて説明する。実施の形態５に係るガス製造システムは、基本的な構成および動作が実施の形態４と同様であるが、外部電源１２が昇圧手段２０を介して第一の電極３と第二の電極４と接続されている点が異なる。
以下、実施の形態５に係るガス製造システムについて説明する。実施の形態５に係るガス製造システムは、基本的な構成および動作が実施の形態４と同様であるが、外部電源１２が昇圧手段２０を介して第一の電極３と第二の電極４と接続されている点が異なる。
図７は、本実施の形態５に係るガス製造システムの構成を示す模式図である。図中、実施の形態４に係るガス製造システムと同様の構成機器及び部材には、同じ符号を付し、特に必要のない限り説明を省略する。
本実施の形態５に係るガス製造システムにおいては、外部電源１２が発生させる高電圧をさらに昇圧する昇圧手段２０を備える。
外部電源１２の性能次第では、発生させる高電圧の周波数が大きいと、高電圧の大きさを高くすることができず、外部電源１２単体ではプラズマを発生させることができなくなる虞がある。しかし、外部電源１２が発生させる高電圧をさらに昇圧する昇圧手段２０を設けることで、周波数設定手段１３が設定する外部電源１２の高電圧の周波数に応じた高電圧を第一の電極３と第二の電極４の間に印加することが容易となる。これにより、安定的にプラズマが発生することができ、生成ガスの製造の安定化が図れる。
昇圧手段２０は、外部電源１２が発生させる高電圧をさらに昇圧することができれば特に限定されず、変圧器など公知の技術を利用すれば良い。
以上のように、本実施の形態５に係るガス製造システムでは、実施の形態４と同様の効果を得ることができる。
さらに、本実施の形態５に係るガス製造システムでは、外部電源１２が発生させる高電圧をさらに昇圧する昇圧手段２０を備えるため、周波数設定手段１３が設定する外部電源１２の高電圧の周波数に応じて、プラズマを発生させることができる大きさの高電圧を第一の電極３と第二の電極４の間に印加することが容易となる。これにより、水素含有ガス１６中の水素ガスの収率を高めるとともに、高いエネルギー効率で水素含有ガス１６を製造する効果を安定して得ることができる。
なお、実施の形態４にさらに昇圧手段２０を設けた例を示したが、実施の形態２または３に昇圧手段２０を設けても同様の効果を奏する。
本開示は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。
１：ガス製造装置、 ２：反応器、 ３：第一の電極、 ４：第二の電極、 ５：触媒層、 ６：供給部、 ７：流出部、 ８：被処理ガス、 ９：流路、 １０：支持体、 １１：生成ガス、 １２：外部電源、 １３：周波数設定手段、 １４：炭化水素系ガス、 １５：酸化剤ガス、 １６：水素含有ガス、 １７：減圧手段、 １８：圧力測定器、 １９：温度調節手段、 ２０：昇圧手段
Claims (17)
- 触媒にプラズマを照射して被処理ガスを改質し生成ガスを製造するガス製造システムにおいて、
電圧を発生させる電圧発生手段と、
前記電圧発生手段により発生させた電圧を用いて前記触媒に照射するプラズマを発生させるプラズマ発生手段と、
前記被処理ガスに応じて前記電圧の周波数を設定する周波数設定手段と、を備え、
前記被処理ガスは、炭化水素系のガス及び酸化剤ガスであり、前記生成ガスは、水素含有ガスである、ガス製造システム。 - 前記被処理ガスの流路を形成する反応器、前記電圧発生手段により発生させた電圧が印加される第一の電極及び第二の電極、前記第一の電極及び第二の電極間であって前記流路に配置され前記触媒を含む触媒層を有するガス製造装置と、
前記被処理ガスを前記ガス製造装置に供給するガス供給手段と、を備え、
前記電圧発生手段は、前記第一の電極及び前記第二の電極に接続された外部電源であり、
前記周波数設定手段は、前記外部電源が発生させる電圧の周波数を前記被処理ガスに応じて設定し、
前記第一の電極と前記第二の電極との間にプラズマを発生させる、請求項１に記載のガス製造システム。 - 前記第二の電極及び前記反応器は円筒状であり、
前記反応器の外周に前記第二の電極が被覆され、
前記第一の電極は前記反応器の中心軸上に配置された、請求項２に記載のガス製造システム。 - 前記反応器は、誘電体から構成された、請求項２または請求項３に記載のガス製造システム。
- 前記周波数設定手段は、前記外部電源が発生させる電圧の周波数を、５０Ｈｚ以上１３．５６ＭＨｚ以下の範囲で設定する、請求項２から請求項４のいずれか１項に記載のガス製造システム。
- 前記反応器の圧力を減圧する減圧手段を備えた、請求項２から請求項５のいずれか１項に記載のガス製造システム。
- 前記減圧手段は、前記外部電源が発生させる電圧の周波数に応じて、前記反応器の圧力を設定する、請求項６に記載のガス製造システム。
- 前記減圧手段は、前記触媒層の圧力を１Ｐａ以上１００ｋＰａ以下の範囲で設定する、
請求項６または請求項７に記載のガス製造システム。 - 前記外部電源が発生させる電圧を、さらに昇圧する昇圧手段を備えた請求項２から請求項８のいずれか１項に記載のガス製造システム。
- 前記酸化剤ガスは、水蒸気、二酸化炭素ガス、および酸素ガスから選択される１種類のガス、または２種類以上の混合ガスである請求項１から請求項９のいずれか１項に記載のガス製造システム。
- 前記触媒は、遷移金属群から選択される１種類または２種類以上の元素を含む請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載のガス製造システム。
- 前記触媒を加熱する熱源を備えた請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載のガス製造システム。
- 前記熱源は、低温排熱であり、前記低温排熱を熱交換して前記触媒を加熱する請求項１２に記載のガス製造システム。
- 触媒にプラズマを照射して被処理ガスを改質し生成ガスを製造するガス製造システムにおいて、
電圧を発生させる電圧発生手段と、
前記電圧発生手段により発生させた電圧を用いて前記触媒に照射するプラズマを発生させるプラズマ発生手段と、
前記被処理ガスに応じて前記電圧の周波数を設定する周波数設定手段と、を備え、
前記触媒は、遷移金属群から選択される１種類または２種類以上の元素を含む、ガス製造システム。 - 触媒にプラズマを照射して被処理ガスを改質し生成ガスを製造するガス製造システムにおいて、
電圧を発生させる電圧発生手段と、
前記電圧発生手段により発生させた電圧を用いて前記触媒に照射するプラズマを発生させるプラズマ発生手段と、
前記被処理ガスに応じて前記電圧の周波数を設定する周波数設定手段と、
前記触媒を加熱する熱源と、を備えたガス製造システム。 - 触媒を含む触媒層にプラズマを照射して被処理ガスを改質して生成ガスを製造するガス製造方法において、
前記触媒層に被処理ガスを供給するガス供給工程と、
前記プラズマを発生させるための電圧を発生させる電圧発生工程と、
前記電圧発生工程で発生させた前記電圧を用いて前記プラズマを発生させ、前記触媒層にプラズマを照射するプラズマ照射工程と、
前記被処理ガスに応じて前記電圧の周波数を設定する周波数設定工程と、
前記被処理ガスを改質し前記生成ガスを製造する改質工程と、
前記触媒層の圧力を減圧する減圧工程と、を備えたガス製造方法。 - 前記ガス供給工程の前に、前記触媒層の圧力を減圧する減圧工程を備えた請求項１６に記載のガス製造方法。
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