JP7110634B2 - 水素製造装置および水素製造方法 - Google Patents

Description

本開示は、水素製造装置および水素製造方法に関する。

近年、太陽熱で対象物を加熱する太陽熱利用システムが広く利用されている。例えば、特許文献１には、アクチュエータによって移動可能な複数のミラーによって集光された太陽光を、複数のパイプに照射し、パイプを通過する熱媒体を加熱する技術が開示されている。

米国特許出願公開第２０１４／００００５８１号明細書

上記太陽熱利用システムとして、反応容器に収容された炭化水素を太陽熱で熱分解して水素を製造する技術の開発が進められている。しかし、炭化水素を熱分解すると、水素に加えて固体炭素が生成される。そうすると、固体炭素が反応容器の内壁に固着し、熱分解反応の効率が低下するという課題がある。

そこで、本開示は、このような課題に鑑み、反応容器の内壁への固体炭素の固着を抑制することが可能な水素製造装置および水素製造方法を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本開示の一態様に係る水素製造装置は、太陽光を透過させる上面部を有し、炭化水素の熱分解反応を促進する触媒粒子および炭化水素が収容される反応容器と、反応容器内において、炭化水素と触媒粒子とを相対移動させる移動部と、反応容器の上面部のうち、上面部の中心から上面部の面積の６４％以下の範囲に制限して太陽光を照射させる照射部と、を備える。

また、反応容器の底面部、もしくは、反応容器における触媒粒子の収容領域から、少なくとも炭化水素を供給するガス供給部を備えてもよい。

また、移動部は、ガス供給部を制御して、反応容器に供給される炭化水素の流量を、反応容器内に触媒粒子の流動層が形成される流量範囲としてもよい。

また、反応容器の外壁に沿って設けられ、炭化水素が通過する冷却流路を備え、ガス供給部は、冷却流路を通過した炭化水素を反応容器に供給してもよい。

上記課題を解決するために、本開示の一態様に係る水素製造方法は、太陽光を透過させる上面部を有し、炭化水素の熱分解反応を促進する触媒粒子と炭化水素とが相対移動する反応容器における上面部のうち、上面部の中心から上面部の面積の６４％以下の範囲に制限して太陽光を照射させる。

上記課題を解決するために、本開示の一態様に係る他の水素製造装置は、太陽光を透過させる上面部を有し、炭化水素の熱分解反応を促進する触媒粒子が収容される反応容器と、反応容器内において、炭化水素と触媒粒子とを相対移動させる移動部と、反応容器の外壁に沿って設けられ、炭化水素が通過する冷却流路と、反応容器の底面部、もしくは、反応容器における触媒粒子の収容領域から、冷却流路を通過した炭化水素を供給するガス供給部と、反応容器の上面部に太陽光を照射させる照射部と、を備える。

上記課題を解決するために、本開示の一態様に係る他の水素製造方法は、太陽光を透過させる上面部を有し、炭化水素の熱分解反応を促進する触媒粒子と炭化水素とが相対移動する反応容器の外壁に沿って設けられた冷却流路に炭化水素を通過させ、冷却流路を通過した炭化水素を、反応容器の底面部、もしくは、反応容器における触媒粒子の収容領域から供給し、反応容器の上面部に太陽光を照射させる。

本開示によれば、反応容器の内壁への固体炭素の固着を抑制することが可能となる。

実施形態の水素製造装置を説明する図である。 実施形態の反応ユニットの鉛直断面を示す図である。 実施形態の水素製造方法の処理の流れを説明するフローチャートである。 メタンの反応率を示す図である。 照射範囲と温度との関係を説明する図である。 変形例の反応ユニットを説明する図である。

以下に添付図面を参照しながら、本開示の実施形態について詳細に説明する。実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本開示を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。また本開示に直接関係のない要素は図示を省略する。

（水素製造装置１００）
図１は、本実施形態の水素製造装置１００を説明する図である。水素製造装置１００は、炭化水素を熱分解して水素を製造する。ここでは、炭化水素としてメタンを例に挙げて説明する。図１に示すように、水素製造装置１００は、照射部１１０と、反応ユニット１２０とを含む。なお、図１中、太陽光１２を破線の矢印で示し、照射部１１０による照射範囲を黒色で示す。

照射部１１０は、太陽光１２を集光し、集光した太陽光１２を鉛直下方に導光するビームダウン式の集光装置である。照射部１１０は、ヘリオスタット１１２と、反射鏡１１４とを含む。ヘリオスタット１１２は、複数の平面鏡と駆動機構とで構成される。駆動機構は、太陽１０の日周運動に合わせて平面鏡を駆動して、平面鏡で反射した太陽光１２を反射鏡１１４へ導く。反射鏡１１４は、不図示の支持機構によって、地上に支持される。反射鏡１１４の鉛直下方には、反応ユニット１２０の反応容器２１０が配される。ヘリオスタット１１２によって反射鏡１１４に集光された太陽光１２は、反射鏡１１４によって鉛直下方の反応容器２１０に導光される。

（反応ユニット１２０）
図２は、本実施形態の反応ユニット１２０の鉛直断面を示す図である。図２に示すように、反応ユニット１２０は、反応容器２１０と、外容器２２０と、ガス供給部２４０と、制御部２５０とを含む。なお、図２中、メタンの流れを実線の矢印で示し、信号の流れを破線の矢印で示す。

反応容器２１０は、例えば、同径の円筒形状の容器である。反応容器２１０の上面部２１２は、円板形状である。上面部２１２は、太陽光１２を透過させる材質で構成される。太陽光１２は、上記照射部１１０（反射鏡１１４）によって、上面部２１２に導光される。反応容器２１０には、メタンの熱分解反応を促進する触媒粒子が収容される。反応容器２１０の底面部２１４には、複数の孔２１４ａが形成されている。

外容器２２０は、反応容器２１０より大きい円筒形状の容器である。外容器２２０は、反応容器２１０の底面部２１４と、外容器２２０の底面部２２４とが離隔し、反応容器２１０の側面部２１６と、外容器２２０の側面部２２６とが離隔するように、反応容器２１０を収容する。したがって、反応容器２１０の側面部２１６（外壁）と、外容器２２０の側面部２２６との間に冷却流路２３０が形成される。つまり、反応容器２１０の外壁を覆うように（外壁に沿って）冷却流路２３０が形成される。また、反応容器２１０の底面部２１４と、外容器２２０の底面部２２４との間に供給流路２３２が形成される。つまり、反応容器２１０の底面部２１４に沿って供給流路２３２が形成される。また、外容器２２０の上面部２２２は、反応容器２１０の上面部２１２と面一となっている。

ガス供給部２４０は、ポンプで構成される。ガス供給部２４０は、冷却流路２３０にメタンを供給する。そうすると、メタンは、冷却流路２３０、供給流路２３２、および、底面部２１４の孔２１４ａを通過し、反応容器２１０内に供給される。

制御部２５０は、ＣＰＪ（中央処理装置）を含む半導体集積回路で構成される。制御部２５０は、ＲＯＭからＣＰＪ自体を動作させるためのプログラムやパラメータ等を読み出す。制御部２５０は、ワークエリアとしてのＲＡＭや他の電子回路と協働して反応ユニット１２０全体を管理および制御する。本実施形態において、制御部２５０は、移動部２５２として機能する。

移動部２５２は、ガス供給部２４０を制御して、反応容器２１０に供給されるメタンの流量を、反応容器２１０内に触媒粒子の流動層が形成される流量範囲とする。具体的に説明すると、移動部２５２は、反応容器２１０に供給されるメタンの流量が、触媒粒子の最小流動化速度（Ｕｍｆ）以上であり、所定流量（例えば、３Ｕｍｆ）以下となるようにガス供給部２４０を制御する。これにより、反応容器２１０内に触媒粒子の流動層が形成され、触媒粒子とメタンとが相対移動することになる。

そして、照射部１１０（反射鏡１１４）によって、反応容器２１０の上面部２１２に太陽光１２が導光されると、導光された太陽光１２による太陽熱で、反応容器２１０内においてメタンの熱分解反応（下記反応式（１））が進行する。
ＣＨ_４ → Ｃ ＋ ２Ｈ_２ …反応式（１）
そうすると、反応容器２１０内において、水素（Ｈ_２）および固体炭素（Ｃ）が生成される。こうして生成された水素は、不図示の排出口から外部に送出され、発電等に利用される。

一方、固体炭素は、反応容器２１０内に留まることになる。ここで、反応容器２１０の上面部２１２の全面に太陽光１２が照射（導光）されると、反応容器２１０内全体が、熱分解反応が進行する温度（例えば、５００℃以上）以上となる。そうすると、固体炭素は、反応容器２１０の側面部２１６の内壁に固着（析出）する。これにより、熱分解反応が進行する反応空間が狭められてしまったり、メタンの流通が阻害されたりして、熱分解反応の効率が低下する。

そこで、本実施形態の照射部１１０（反射鏡１１４）は、反応容器２１０の上面部２１２における照射範囲を制限する。具体的に説明すると、照射部１１０は、反応容器２１０の上面部２１２のうち、上面部２１２の中心Ｐｊから所定距離Ａの範囲に制限して太陽光１２を照射させる。所定距離Ａは、上面部２１２の半径Ｒ未満の値である。換言すれば、照射部１１０は、上面部２１２の縁から所定距離Ｒ－Ａまでの領域以外の領域に太陽光１２を照射させる。つまり、照射部１１０は、反応容器２１０の上面部２１２のうち、上面部２１２の中心Ｐｊから所定距離Ａの範囲にのみ太陽光１２を照射させる。

例えば、所定距離Ａは０．８Ｒである。つまり、照射部１１０は、上面部２１２の面積（πＲ^２）の６４％（π（０．８Ｒ）^２＝πＡ^２）以下の範囲に制限して太陽光１２を照射させる。

（水素製造方法）
続いて、上記水素製造装置１００を用いた水素製造方法について説明する。図３は、本実施形態の水素製造方法の処理の流れを説明するフローチャートである。図３に示すように、本実施形態の水素製造方法は、炭化水素供給工程Ｓ１１０と、照射工程Ｓ１２０とを含む。

（炭化水素供給工程Ｓ１１０）
ガス供給部２４０は、メタンを冷却流路２３０に供給する。これにより、メタンは、冷却流路２３０、供給流路２３２および、孔２１４ａを通過して、反応容器２１０内に供給される。そうすると、反応容器２１０内において、触媒粒子の流動層が形成される。

（照射工程Ｓ１２０）
照射部１１０は、反応容器２１０における上面部２１２のうち、上面部２１２の中心Ｐｊから所定距離Ａの範囲に制限して太陽光１２を照射させる。

以上説明したように、本実施形態の水素製造装置１００およびこれを用いた水素製造方法は、反応容器２１０の上面部２１２における太陽光１２の照射範囲を、上面部２１２の中央に制限する。これにより、反応容器２１０の側面部２１６の内壁の温度を、反応容器２１０内の中央の温度よりも低くすることができる。したがって、反応容器２１０の側面部２１６の内壁において、熱分解反応の進行を抑制することが可能となる。これにより、反応容器２１０の内壁への固体炭素の固着を抑制することができる。したがって、水素製造装置１００は、熱分解反応の効率を向上させることが可能となる。

また、上記したように、ガス供給部２４０は、反応容器２１０の底面部２１４からメタンを供給する。これにより、反応容器２１０内におけるメタンの滞留時間を相対的に長くすることができる。したがって、反応容器２１０内において、メタンを確実に熱分解させることが可能となる。

さらに、上記したように、制御部２５０は、ガス供給部２４０を制御して、反応容器２１０内において、触媒粒子の流動層が形成される流量範囲でメタンを供給する。これにより、触媒粒子とメタンとが実質的に均一に（満遍なく）混合され、触媒粒子とメタンとの接触確率を向上させることができる。したがって、メタンの熱分解反応の効率を向上させることが可能となる。

また、上記したように、反応ユニット１２０が冷却流路２３０を備える構成により、冷却流路２３０を通過するメタンと反応容器２１０の側面部２１６とで熱交換させることができる。これにより、冷却流路２３０を通過するメタンによって、反応容器２１０の側面部２１６を冷却することができる。したがって、反応容器２１０の側面部２１６の内壁の温度をさらに低くすることが可能となる。また、上記したように、冷却流路２３０は、反応容器２１０の外壁を覆うように設けられる。これにより、メタンと反応容器２１０の側面部２１６との接触面積を大きくすることができ、より効率よく熱交換させることが可能となる。

さらに、ガス供給部２４０は、冷却流路２３０を通過し、熱交換が為された（予熱された）メタンを反応容器２１０に供給する。これにより、熱分解反応が進行する温度にメタンが昇温されるまでの時間を短縮することができ、熱分解反応の効率を向上させることが可能となる。

（実施例）
反応容器２１０の温度を変化させたときのメタンの反応率（供給したメタンの量に対する熱分解反応されたメタンの量の比率）を測定した。図４は、メタンの反応率を示す図である。なお、図４中、ガス供給部２４０がメタンを０．００９ｍｏｌ／ｓｅｃで供給した場合を白丸で示し、０．０１０ｍｏｌ／ｓｅｃで供給した場合を白四角で示す。

図４に示すように、メタンの供給流量が０．００９ｍｏｌ／ｓｅｃである場合、反応容器２１０の温度が４８０℃であると、メタンの反応率は０．８８程度に低下することが分った。また、メタンの供給流量が０．０１０ｍｏｌ／ｓｅｃである場合、反応容器２１０の温度が４８０℃であると、メタンの反応率は０．８３程度に低下し、反応容器２１０の温度が４７０℃であると、メタンの反応率は０．８２程度に低下し、反応容器２１０の温度が４６０℃であると、メタンの反応率は０．８１程度に低下することが分った。つまり、反応容器２１０の温度が４５０℃（５００℃－５０℃）になると、メタンの反応率が著しく低下することが確認された。

また、照射部１１０による太陽光１２の照射範囲を変化させたときの、反応容器２１０の中心の温度、および、反応容器２１０の側面部２１６の内壁の温度を測定した。図５は、照射範囲と温度との関係を説明する図である。なお、図５中、反応容器２１０の中心の温度を白三角で示し、反応容器２１０の側面部２１６の内壁の温度を黒四角で示す。

図５に示すように、太陽光１２の照射範囲が、上面部２１２の全面（照射直径比１．０）の場合、反応容器２１０の中心および側面部２１６の温度は実質的に等しく、４８５℃程度であった。太陽光１２の照射範囲が、上面部２１２の面積の８１％（照射直径比０．９、つまり、中心から０．９Ｒの範囲）の場合、反応容器２１０の中心は４９０℃程度であり、側面部２１６は４６５℃程度であった。また、太陽光１２の照射範囲が、上面部２１２の面積の６４％（照射直径比０．８、つまり、中心から０．８Ｒの範囲）の場合、反応容器２１０の中心は５０２℃程度であり、側面部２１６は４５２℃程度であった。つまり、太陽光１２の照射範囲を、上面部２１２の面積の６４％以下とすることで、反応容器２１０の側面部２１６の温度を、反応容器２１０の中心の温度より５０℃以上低くできることが確認された。

以上の実験結果から、上面部２１２の面積の６４％以下の範囲に制限して太陽光１２を照射させることで、側面部２１６におけるメタンの反応率を低下できることが確認された。

（変形例）
上記実施形態において、反応容器２１０の底面部２１４全面に孔２１４ａが形成される構成を例に挙げて説明した。しかし、孔２１４ａが形成される位置を制限してもよい。

図６は、変形例の反応ユニット３２０を説明する図である。図６に示すように、反応ユニット３２０は、反応容器４１０と、外容器２２０と、ガス供給部２４０と、制御部２５０とを含む。なお、図６中、メタンの流れを実線の矢印で示し、信号の流れを破線の矢印で示す。さらに、上記反応ユニット１２０と実質的に等しい構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。

反応容器４１０の底面部４１４には、複数の孔４１４ａが形成されている。孔４１４ａは、反応容器４１０の底面部４１４のうち、底面部４１４の中心Ｐｔから所定距離Ｂの範囲にのみ形成される。所定距離Ｂは、底面部４１４の半径ｒ未満の値である。換言すれば、孔４１４ａは、底面部４１４の縁から所定距離ｒ－Ｂまでの領域以外の領域に形成される。

これにより、孔４１４ａから供給されたメタンの、側面部２１６の内壁への移動を抑制することができる。したがって、反応容器４１０の側面部２１６の内壁において、熱分解反応の進行を抑制することが可能となる。これにより、反応容器４１０の内壁への固体炭素の固着を抑制することができる。

以上、添付図面を参照しながら実施形態について説明したが、本開示は上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本開示の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、上述した実施形態および変形例において、炭化水素としてメタンを例に挙げて説明した。しかし、反応容器２１０、４１０に供給される炭化水素の種類の限定はない。炭化水素は、エタン、プロパン、ブタン等であってもよいし、これらの混合物であってもよい。例えば、炭化水素としてＬＮＧ（液化天然ガス）が、反応容器２１０、４１０に供給されてもよい。

また、上記実施形態において、照射部１１０が、ヘリオスタット１１２、反射鏡１１４を備え、照射範囲を制御して、反応容器２１０の上面部２１２のうち、上面部２１２の中心Ｐｊから所定距離Ａの範囲に制限して太陽光１２を照射させる構成を例に挙げて説明した。しかし、照射部１１０は、ヘリオスタット１１２、反射鏡１１４に加えて、反応容器２１０の上面部２１２の一部を覆う蓋を備えてもよい。この場合、蓋は、太陽光１２を透過しない部材で構成される。また、蓋は、上面部２１２の縁から所定距離Ｒ－Ａまでの領域を覆う。

また、上記実施形態および変形例において、反応容器２１０、４１０が、円筒形状である場合を例に挙げて説明した。しかし、反応容器２１０、４１０の形状に限定はない。

また、上記実施形態および変形例において、ガス供給部２４０が、反応容器２１０、４１０の底面部２１４、４１４からメタンを供給する構成を例に挙げて説明した。しかし、ガス供給部２４０は、反応容器２１０、４１０における触媒粒子の収容領域からメタンを供給してもよい。例えば、反応容器２１０内における底面部２１４近傍に、複数の孔が形成された散気管が設けられ、ガス供給部２４０は散気管を通じてメタンを供給してもよい。また、ガス供給部２４０は、反応容器２１０における側面部２１６の下部からメタンを供給してもよい。

また、上記実施形態において、移動部２５２は、ガス供給部２４０を制御して、反応容器２１０に供給されるメタンの流量を、反応容器２１０内に触媒粒子の流動層が形成される流量とする構成を例に挙げて説明した。しかし、移動部２５２は、反応容器２１０内において、炭化水素と触媒粒子とを相対移動させることができれば、構成に限定はない。例えば、移動部２５２は、反応容器２１０内において触媒粒子を攪拌する攪拌装置で構成されてもよい。

また、上記実施形態および変形例において、水素製造装置１００が冷却流路２３０を備える構成を例に挙げて説明した。しかし、冷却流路２３０は必須の構成ではない。水素製造装置１００は、少なくとも、反応容器２１０、４１０と、移動部２５２と、反応容器２１０、４１０の上面部２１２のうち、上面部２１２の中心Ｐｊから所定距離Ａの範囲に制限して太陽光１２を照射させる照射部１１０とを備えていればよい。

また、上記実施形態において、冷却流路２３０には、メタンが通過する構成を例に挙げて説明した。しかし、冷却流路２３０にメタン以外の冷媒を流通させてもよい。冷却流路２３０にフィンや金属製の多孔質体を配してもよい。

また、上記実施形態において、反応容器２１０の底面部２１４に形成されたすべての孔２１４ａからメタンが供給される構成を例に挙げて説明した。しかし、孔２１４ａのうち、側面部２１６近傍の孔２１４ａから水素または窒素を供給してもよい。これにより、反応容器２１０の内壁への固体炭素の固着をさらに抑制することができる。

また、上記実施形態において、照射部１１０が、反応容器２１０の上面部２１２のうち、上面部２１２の中心Ｐｊから所定距離Ａの範囲に制限して太陽光１２を照射させる構成を例に挙げて説明した。しかし、照射部は、反応容器２１０の上面部２１２全面に太陽光１２を照射させてもよい。つまり、水素製造装置は、反応容器２１０と、移動部２５２と、冷却流路２３０と、ガス供給部２４０と、反応容器２１０の上面部２１２全面に太陽光１２を照射させる照射部を備えていてもよい。このように、水素製造装置は、冷却流路２３０を備えるため、冷却流路２３０を通過するメタンと反応容器２１０の側面とで熱交換させることができる。これにより、冷却流路２３０を通過するメタンによって、反応容器２１０の側面部２１６を冷却することができる。したがって、反応容器２１０の側面部２１６の内壁の温度をさらに低くすることが可能となる。

本開示は、水素製造装置および水素製造方法に利用することができる。

１００ 水素製造装置
１１０ 照射部
２１０ 反応容器
２３０ 冷却流路
２４０ ガス供給部
２５２ 移動部

Claims (7)

1. 太陽光を透過させる上面部を有し、炭化水素の熱分解反応を促進する触媒粒子および前記炭化水素が収容される反応容器と、
   前記反応容器内において、前記炭化水素と前記触媒粒子とを相対移動させる移動部と、
   前記反応容器の上面部のうち、前記上面部の中心から前記上面部の面積の６４％以下の範囲に制限して太陽光を照射させる照射部と、
   を備える水素製造装置。
2. 前記反応容器の底面部、もしくは、前記反応容器における前記触媒粒子の収容領域から、少なくとも前記炭化水素を供給するガス供給部を備える請求項１に記載の水素製造装置。
3. 前記移動部は、前記ガス供給部を制御して、前記反応容器に供給される前記炭化水素の流量を、前記反応容器内に前記触媒粒子の流動層が形成される流量範囲とする請求項２に記載の水素製造装置。
4. 前記反応容器の外壁に沿って設けられ、前記炭化水素が通過する冷却流路を備え、
   前記ガス供給部は、前記冷却流路を通過した前記炭化水素を前記反応容器に供給する請求項２または３に記載の水素製造装置。
5. 太陽光を透過させる上面部を有し、炭化水素の熱分解反応を促進する触媒粒子と前記炭化水素とが相対移動する反応容器における前記上面部のうち、前記上面部の中心から前記上面部の面積の６４％以下の範囲に制限して太陽光を照射させる水素製造方法。
6. 太陽光を透過させる上面部を有し、炭化水素の熱分解反応を促進する触媒粒子が収容される反応容器と、
   前記反応容器内において、前記炭化水素と前記触媒粒子とを相対移動させる移動部と、
   前記反応容器の外壁に沿って設けられ、前記炭化水素が通過する冷却流路と、
   前記反応容器の底面部、もしくは、前記反応容器における前記触媒粒子の収容領域から、前記冷却流路を通過した前記炭化水素を供給するガス供給部と、
   前記反応容器の上面部に太陽光を照射させる照射部と、
   を備える水素製造装置。
7. 太陽光を透過させる上面部を有し、炭化水素の熱分解反応を促進する触媒粒子と前記炭化水素とが相対移動する反応容器の外壁に沿って設けられた冷却流路に前記炭化水素を通過させ、
   前記冷却流路を通過した前記炭化水素を、前記反応容器の底面部、もしくは、前記反応容器における前記触媒粒子の収容領域から供給し、
   前記反応容器の上面部に太陽光を照射させる水素製造方法。

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