(57)【要約】【課題】カーボンを用いて、小型軽量で高効率に水素を発生することが可能な水素製造装置を実現する。【解決手段】蒸気供給口から供給された蒸気１と、活性炭供給口２から供給された活性炭とは、反応管９の下部に設置された多孔板８の上部に保持される。マイクロ波発生装置で発生したマイクロ波４は、導波管５を経て、反応管９に照射される。マイクロ波は、活性炭７を自己加熱により１０００℃程度まで昇温する。温度１０００℃の条件下では、炭素と蒸気とは、Ｃ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ＋Ｈ２のように反応し、水素及び一酸化炭素を発生する。上記反応により発生した水素及び一酸化炭素は、多孔板８を通過し、反応管９外で水素及び一酸化炭素ガス１６として回収される。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素製造方法において、
炭素材料と水とを混合し、
炭素材料と水との混合物に、マイクロ波を照射して、上記混合物を加熱し、水素と一酸化炭素を発生させ、
発生した水素と一酸化炭素を回収することを特徴とする水素製造方法。
【請求項２】
請求項１記載の水素製造方法において、上記発生した水素と一酸化炭素とを水を使用して冷却すると共に、冷却に使用した水を蒸気に変えて、上記炭素材料と混合させ、炭素材料と水との混合物を生成することを特徴とする水素製造方法。
【請求項３】
請求項１又は２記載の水素製造方法において、発生した水素と一酸化炭素を、鉄又はコバルトを有する触媒を通過させることにより、オレフィンを生成することを特徴とする水素製造方法。
【請求項４】
水素製造装置において、
炭素材料の供給口、水の供給口、供給された炭素材料及び水を混合し、保持する混合物保持部分、及び上記混合物から発生される水素及び一酸化炭素を含む気体を排出する排出口を有する反応管と、
上記反応管の混合物保持部分の保持された混合物にマイクロ波を照射するマイクロ波発生手段と、
を備えることを特徴とする水素製造装置。
【請求項５】
請求項４記載の水素製造装置において、上記発生した水素と一酸化炭素とを水を使用して冷却する熱交換器を備え、冷却に使用した水を蒸気に変えて、上記炭素材料と混合させ、炭素材料と水との混合物を生成することを特徴とする水素製造装置。
【請求項６】
請求項４又は５記載の水素製造装置において、発生した水素と一酸化炭素を、鉄又はコバルトを有する触媒が、上記反応管の排出口付近に配置され、上記水素と一酸化炭素を上記触媒を通過させることにより、オレフィンを生成することを特徴とする水素製造装置。
【請求項７】
請求項６記載の水素製造装置において、発生した水素と一酸化炭素を、上記触媒を通過させるか通過させないかを選択する選択手段を備えることを特徴とする水素製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素製造方法及び装置に係り、特にバイオマスからも製造可能な活性炭等のカーボンを原料とした水素製造方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
活性炭を固体燃料とみなし、その固体燃料から水素を製造する装置が知られて例いる（例えば、特許文献１の明細書等に記載）。
【０００３】
図５は、従来技術における水素製造装置の石炭ガス化炉を示す図である。図５において、１７はガス化炉、１８はクエンチガス、１９は微粉炭、２０は水、２１は燃焼及びガス化領域、２２は灰、２３は石炭ガスである。
【０００４】
ガス化炉１７には微粉炭１９が供給され、燃料過剰条件で燃焼領域２１を形成する（微粉炭が発火している状態でガス化炉１７内に投入される）。燃焼領域で発生した熱により、微粉炭１７は熱分解し、以下の反応を生じる。
【０００５】
（１）燃焼反応
Ｃ＋Ｏ２→ＣＯ２
（２）水素化分解反応
ＣｎＨｍ＋（２ｎ−ｍ／２）Ｈ２→ｎＣＨ４
ただし、ｎ、ｍは任意の整数である。  
（３）水生ガス化反応
Ｃ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ＋Ｈ２
ＣｎＨｍ＋ｎＨ２Ｏ→ｎＣＯ＋Ｈ２
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ２
そして、微粉炭１７の燃焼灰２２は、ガス化炉１７の底部に貯留された水２０へ落下する。上記反応により生じたガス２３はクエンチガス１８により、冷却された後に、ガス化炉１７から下流へ流出する。
【０００６】
なお、他の公知技術としては、特許文献２に記載された技術がある。この特許文献２記載の技術は、炭化水素系燃料の一つであるデカリン（デカヒドロナフタリン）の脱水素反応を迅速、高効率に行なうために、デカリンを、マイクロ波又は機械的外力を加えて、微細な液滴にして、反応タンクで脱水素反応させるものである。
【０００７】
【特許文献１】特開平６−１８４５６５号公報
【特許文献２】特開２００４−２０９０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述したように、従来の技術にあっては、活性炭の一部を燃焼させ、その燃焼熱を用いて、活性炭を熱分解させる事により、水素、一酸化炭素を得ている。
【０００９】
しかしながら、燃焼熱による活性炭全体の加熱効率が低いため、活性炭全体の均一な加熱が困難であり、水素ガス発生効率が低かった。このため、充分な量の水素を発生させるためには、装置全体を大型化せざるを得なかった（直径約２ｍ、高さ、１０〜２０ｍ）。
【００１０】
今後の燃料電池の普及を考えると、簡易な水素ガスステーション等に容易に設置可能である必要があるが、従来技術による大型の水素ガス発生装置では設置が困難である。
【００１１】
このため、水素ガス発生効率が高く、小型軽量の水素ガス発生装置が望まれる。
【００１２】
本発明の目的は、カーボンを用いて、小型軽量で高効率に水素を発生することが可能な水素製造方法及び装置を実現することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上述の目的を達成するために、本発明は次のように構成される。  
（１）水素製造方法において、炭素材料と水とを混合し、炭素材料と水との混合物に、マイクロ波を照射して、上記混合物を加熱し、水素と一酸化炭素を発生させ、発生した水素と一酸化炭素を回収する。
【００１４】
（２）好ましくは、上記（１）において、上記発生した水素と一酸化炭素とを水を使用して冷却すると共に、冷却に使用した水を蒸気に変えて、上記炭素材料と混合させ、炭素材料と水との混合物を生成する。
【００１５】
（３）また、好ましくは、上記（１）、（２）において、発生した水素と一酸化炭素を、鉄又はコバルトを有する触媒を通過させることにより、オレフィンを生成する。
【００１６】
（４）水素製造装置において、炭素材料の供給口、水の供給口、供給された炭素材料及び水を混合し、保持する混合物保持部分、及び上記混合物から発生される水素及び一酸化炭素を含む気体を排出する排出口とを有する反応管と、上記反応管の混合物保持部分の保持された混合物にマイクロ波を照射するマイクロ波発生手段とを備える。
【００１７】
（５）好ましくは、上記（４）において、上記発生した水素と一酸化炭素とを水を使用して冷却する熱交換器を備え、冷却に使用した水を蒸気に変えて、上記炭素材料と混合させ、炭素材料と水との混合物を生成する。
【００１８】
（６）また、好ましくは、上記（４）、（５）において、発生した水素と一酸化炭素を、鉄又はコバルトを有する触媒が、上記反応管の排出口付近に配置され、上記水素と一酸化炭素を上記触媒を通過させることにより、オレフィンを生成する。
【００１９】
（７）また、好ましくは、上記（６）において、発生した水素と一酸化炭素を、上記触媒を通過させるか通過させないかを選択する選択手段を備える。
【発明の効果】
【００２０】
カーボンを用いて、小型軽量で高効率に水素を発生することが可能な水素製造方法及び装置を実現することができる。
【００２１】
マイクロ波をカーボン（炭素）が主成分の活性炭等に照射すると、炭素原子の振動による自己加熱により１０００℃程度まで温度を上昇できる。１０００℃条件下では、水蒸気と活性炭は反応し、水素と一酸化炭素を発生させる。マイクロ波加熱は伝熱加熱ではないため、伝熱効率が高いと同時に、均一に加熱できるために、高効率で水素製造が可能となる。
【００２２】
発生する水素と一酸化炭素は反応時の温度１０００℃程度を保っているため、下流側で水と熱交換し、水素温度を冷却すると同時に、冷却に使用した水から蒸気を発生させ、その蒸気を水素製造装置入口から供給する。これにより、マイクロ波により発生した熱を蒸気の形で再利用するために、更に効率良く水素を発生できる。
【００２３】
また、冷却後の水素及び一酸化炭素の温度を好ましくは３００℃程度に設定し、冷却後の水素と一酸化炭素を鉄或いはコバルト等を主体とした触媒を通過させると、水素と一酸化炭素が反応し、オレフィンを製造する事ができる。これにより水素を人造石油の主成分であり、より高付加価値なオレフィンに転換することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照して説明する。  
図１は、本発明の第１の実施形態である水素製造装置の概略構成図である。
【００２５】
図１において、２は活性炭供給口、３は金属遮蔽板、４はマイクロ波発生装置（図示せず）から発生されたマイクロ波、５は導波管、７は活性炭、８は多孔板、９は反応管（セラミックス又は硬質ガラス製）、１０は活性炭の反応管９への供給を調整するバルブである。
【００２６】
反応管９の上部には、蒸気１の供給口と活性炭供給口２が形成されている。蒸気供給口から供給された蒸気１と、活性炭供給口２から供給された活性炭とは、反応管９の下部に設置された多孔板８の上部に保持される。
【００２７】
マイクロ波発生装置で発生したマイクロ波４は、導波管５を経て、反応管９、蒸気（水）と混合した活性炭７に照射される。マイクロ波は、活性炭７を自己加熱により１０００℃程度まで昇温する。
【００２８】
ここで、温度１０００℃の条件下では、炭素と蒸気とは以下の式（１）のように反応し、水素及び一酸化炭素を発生する。
【００２９】
Ｃ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ＋Ｈ２    −−−（１）
上記式（１）の反応により発生した水素及び一酸化炭素は、多孔板８を通過し、反応管９外で水素及び一酸化炭素ガス１６として回収される。
【００３０】
実験によると、マイクロ波発生装置は、５０〜１００Ｗ程度で、反応管９内の活性炭７は、ほぼ１００％の水素ガス発生効率を示すことができた。また、そのための、反応管９は、直径が約５ｃｍ、高さ約１ｍ程度で充分であった。
【００３１】
したがって、本発明の第１の実施形態によれば、活性炭を用いて、小型軽量で高効率に水素を発生することが可能な水素製造方法及び装置を実現することができる。
【００３２】
次に、本発明の第２の実施形態である水素製造装置について、図２を参照して説明する。本発明の第２の実施形態と第１の実施形態との相違点は、第２の実施形態は第１の実施形態に、熱交換器を追加した点であり、他の構成は、第１の実施形態と同様となっている。
【００３３】
図２において、熱交換器１５は、反応管９の多孔板８が設置された位置と、水素＋一酸化炭素ガス１６の出口との間に配置されている。そして、熱交換器１５には、水１１が供給され、反応管９の発熱により水１１が蒸気１２となる。反応管９の内部では、水素＋一酸化炭素は、多孔板８を通過した後、熱交換器１５により熱交換・冷却された後に出口から回収される。
【００３４】
熱交換器１５から発生される蒸気１２は、蒸気の供給口と連通する管により、導かれ、反応管９の蒸気入口より蒸気１として供給される。つまり、熱交換器１５に供給された水１１は、蒸気１として再利用されている。
【００３５】
以上のように、本発明の第２の実施形態によれば、第１の実施形態と同等な効果を得ることができる他、炭素と反応させる蒸気を反応管９の発熱により発生させることができ、水素発生装置とは別個に蒸気発生装置を備える必要が無いという効果がある。
【００３６】
次に、本発明の第３の実施形態である水素製造装置について、図３を参照して説明する。本発明の第３の実施形態と第２の実施形態との相違点は、第３の実施形態は第２の実施形態に、反応管９の底部に鉄乃至コバルトを主体とした触媒１３を配置した点であり、他の構成は、第２の実施形態と同様となっている。
【００３７】
多孔板８を通過した水素＋一酸化炭素ガスは、触媒１３を通過することにより、オレフィン（人造石油）１４とすることができる。
【００３８】
つまり、発生した水素及び一酸化炭素は、多孔板８を通過した後、熱交換器１５で水１１と熱交換され、３００℃程度に冷却される。３００℃の条件下で、水素及び一酸化炭素１６を触媒１３に通過させると、次式（２）に示す反応により、オレフィン１４を製造することができる。
【００３９】
ＣＯ＋２Ｈ２→（ＣＨ）２＋Ｈ２Ｏ    −−−（２）
本発明の第３の実施形態によれば、活性炭を用いて、小型軽量で高効率に水素を発生することが可能な水素製造方法及び装置によりオレフィンを製造することができる。
【００４０】
なお、この第３の実施形態においては、熱交換器１５を使用しているが、熱交換器１５を用いずとも、オレフィンを製造することができる。
【００４１】
次に、本発明の第４の実施形態である水素製造装置について、図４を参照して説明する。本発明の第４の実施形態と第３の実施形態との相違点は、第４の実施形態は第３の実施形態に、水素及び一酸化炭素ガス１６出口配管２６を触媒１３が配置された位置より上流側で、熱交換器１５が配置された位置より下流側に形成し、この管２６にバルブ２４を配置し、このバルブ２４が配置された位置より下流側に反応管９内にバルブ２５を配置した点である。他の構成は、第３の実施形態と同様となっている。
【００４２】
この第４の実施形態においては、バルブ２４、２５の開閉動作により、反応管９から、水素及び一酸化炭素１６を得るか、オレフィン１４を得るかの選択が可能となる。
【００４３】
なお、上述した例においては、活性炭を用いたが、カーボン（炭素）を含む炭素材料であれば、活性炭に限らず、他のものでも使用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の第１の実施形態である水素製造装置の概略構成図である。
【図２】本発明の第２の実施形態である水素製造装置の概略構成図である。
【図３】本発明の第３の実施形態である水素製造装置の概略構成図である。
【図４】本発明の第４の実施形態である水素製造装置の概略構成図である。
【図５】従来の高圧水素製造装置の概略構成図である。
【符号の説明】
【００４５】
１、１２      蒸気
２            活性炭供給口
３            金属遮蔽板
４            マイクロ波
５            導波管
７            活性炭
８            多孔板
９            反応管
１０          バルブ
１１          水
１３          鉄乃至コバルトを主体とした触媒
１４          オレフィン
１５          熱交換器
１６          水素及び一酸化炭素ガス
２４、２５    バルブ
２６          配管  
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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