(57)【要約】本発明は、水素ガスの製造装置および方法に関するものである。本発明の水素ガス製造装置は、ａ）誘電性中空管；ｂ）前記誘電性中空管を減圧に維持するための手段；ｃ）マイクロ波を発生するマイクロ波源；ｄ）前記マイクロ波を前記誘電性中空管に印加するマイクロ波源に連結される導波管；ｅ）前記誘電性中空管に供給される水素元素含有ガスは前記導波管からのマイクロ波によりプラズマ放電されて、プラズマ放電によって生じる電子の水素元素含有ガスとの衝突によって、熱分解ではなくむしろ分子内結合切断により水素ガスを含む反応生成物を生成する、水素元素含有ガスを前記誘電性中空管に供給するガス供給源；およびｆ）水素ガスを前記反応生成物から分離するセパレータを有する。本水素ガス製造装置は、簡単な構造を有し、簡単にかつ効率的に少量の水素ガスを製造する。
2008545603.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ）誘電性中空管；
ｂ）前記誘電性中空管を減圧に維持するための手段；
ｃ）マイクロ波を発生するマイクロ波源；
ｄ）前記マイクロ波を前記誘電性中空管に印加するマイクロ波源に連結される導波管；
ｅ）前記誘電性中空管に供給される水素元素含有ガスは前記導波管からのマイクロ波によりプラズマ放電されて、マイクロ波プラズマ放電によって生じる電子の水素元素含有ガスとの衝突によって、熱分解ではなくむしろ分子内結合切断により水素ガスを含む反応生成物を生成する、水素元素含有ガスを前記誘電性中空管に供給するガス供給源；および
ｆ）水素ガスを前記反応生成物から分離するセパレータ
を有する、マイクロ波プラズマ放電による水素ガス製造装置。
【請求項２】
前記誘電性中空管は、内管および前記内管が中に挿入されてなる外管から構成される二重管構造を有する、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記セパレータは、圧力スイング吸着コンセントレータである、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記ガス供給源から供給される水素元素含有ガスは誘電性中空管の第一端から誘電性中空管の第二端に流れ、前記導波路は前記第一端及び第二端との間の誘電性中空管の側面に設置され、さらに、前記セパレータは誘電性中空管の第二端に設置される、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記誘電性中空管は縦方向に配置され、さらに、前記ガス供給源から供給される水素元素含有ガスは誘電性中空管の第一端から誘電性中空管の第二端に流れ、かつこの間に前記導波路が設置され、水素元素含有ガスはマイクロ波プラズマ放電されて水素ガスを含む反応生成物を生成し、さらに、前記水素ガスは前記第二端に設置されるセパレータによって反応生成物から分離される、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記誘電性中空管の第一端に固体元素収納庫をさらに有する、請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記誘電性中空管と前記セパレータとの間にさらに真空チャンバーを有し、さらに前記真空チャンバーに、誘電性中空管を減圧に維持するための手段が連結される、請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記水素元素含有ガスは、炭化水素、水蒸気及びアルコールからなる群より選択される、請求項１に記載の装置。
【請求項９】
前記水素元素含有ガスは、水蒸気またはメタンである、請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
マイクロ波プラズマ放電によって生じる電子は、４．５ｅＶ〜７ｅＶのエネルギーを有する、請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
ａ）誘電性中空管の内圧を減圧に維持し；
ｂ）水素元素含有ガスを前記誘電性中空管を通してガス供給源から流し；
ｃ）マイクロ波を前記誘電性中空管に印加することによって、前記水素元素含有ガスをマイクロ波プラズマ放電し；
ｄ）マイクロ波プラズマ放電によって生じる電子の水素元素含有ガスとの衝突により分子内結合切断を介して水素ガスを含む反応生成物を生成し；
ｅ）水素ガスを前記反応生成物から分離する
ことを有する、マイクロ波プラズマ放電による水素ガスの製造方法。
【請求項１２】
前記水素元素含有ガスは、反応生成物として、水素ガス及び固体炭素を生成する炭化水素であり、さらに、前記固体炭素は、誘電性中空管の下に設置される固体元素収納庫に回収される、請求項１１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素ガスの製造装置および方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
プラズマは、半導体プロセス、材料の表面処理、有害ガスの除去、およびカーボンナノチューブの形成などの様々な分野で広く使用されている。例えば、マイクロ波によって生成するプラズマは、パーフルオロカーボンやヒドロフルオロカーボン等の有害ガスの処理を目的として使用された（米国特許第５，９６５，７８６号及び第６，２９０，９１８号）。加えて、米国特許第６，７０７，２５４号では、マイクロ波プラズマ放電による安定化方法及びシステムが示唆された。
【０００３】
水素ガスは、原油の脱硫、アンモニアガスの製造、および化学肥料の製造等の化学工業の分野において、低脂肪マーガリンの製造等の食品の分野において、金属の熱処理等の冶金または鉄鋼業の分野において、または車両もしくは燃料電池の燃料として、使用されている。近年、燃料電池や水素車の急速な成長に伴って、ある場所で連続して少量の水素ガスを供給する、水素ガス製造装置への関心が増大している。
【０００４】
水素ガスは、ほとんど天然ガスまたは炭化水素の改質から製造される。加えて、水素ガスは、ナフサの改質、石炭ガス化、電気分解、及びバイオマス中で製造される。改質プロセスでは、水蒸気改質、酸素改質、または水蒸気−酸素混合改質などの様々な改質技術が試みられた。水蒸気改質が商業的に利用された。水蒸気改質に使用される改質装置は、具体的には、蒸気発生器、脱硫反応器、改質反応器及び水ガスシフト反応器を有する。通常、改質装置は、大容積であり、複雑な構造を有する。さらに、パイプでの熱損失により熱効率が低い。
【０００５】
さらに、改質装置の改質反応は、吸熱反応である。したがって、改質装置は、熱源を必要とする。熱源としては、バーナー、伝熱源または他の熱源が使用される。これらは、熱効率が低い。特に、マイクロ波トーチ等のバーナーが熱源として使用される場合には、ほとんどの排熱が回収されない。
【０００６】
さらに、たとえ水ガスシフト反応が多少発熱反応であるとしても、低温シフト反応を開始するためには予備加熱が必要である。現在、水ガスシフト反応は、約２時間の予備加熱を必要とする。したがって、上記改質装置は、燃料電池または迅速な操作を必要とする他の装置には、水素ガス供給源として、適用することができない。
【発明の開示】
【０００７】
技術的な課題
本発明の目的は、水素ガスの効率的な製造装置および方法を提供することである。
【０００８】
本発明の他の目的は、マイクロ波プラズマ放電により連続的に水素ガスを製造する装置および方法を提供することである。
【０００９】
本発明のさらなる目的は、水素元素および水素元素に結合した元素との結合の切断により水素元素含有ガスから水素ガスを製造する装置および方法を提供することである。
【００１０】
課題の解決
本明細書の詳細な説明に記載されるであろう上記目的などは、ａ）誘電性中空管；ｂ）前記誘電性中空管を減圧に維持するための手段；ｃ）マイクロ波を発生するマイクロ波源；ｄ）前記マイクロ波を前記誘電性中空管に印加するマイクロ波源に連結される導波管；ｅ）前記誘電性中空管に供給される水素元素含有ガスは前記導波管からのマイクロ波によりプラズマ放電されて、前記プラズマ放電によって生じる電子の水素元素含有ガスとの衝突によって、熱分解ではなくむしろ分子内結合切断により水素ガスを含む反応生成物を生成する、水素元素含有ガスを前記誘電性中空管に供給するガス供給源；およびｆ）水素ガスを前記反応生成物から分離するセパレータを有する、マイクロ波プラズマ放電による水素ガス製造装置の提供によって達成されうる。
【００１１】
本発明の好ましい実施形態によると、前記誘電性中空管は、内管および前記内管が中に挿入されてなる外管から構成される二重管構造を有する、上記水素ガスの製造装置が提供される。
【００１２】
本発明の他の好ましい実施形態によると、前記セパレータは、圧力スイング吸着コンセントレータである、上記水素ガスの製造装置が提供される。
【００１３】
本発明のさらなる他の好ましい実施形態によると、前記ガス供給源から供給される水素元素含有ガスは誘電性中空管の第一端から誘電性中空管の第二端に流れ、前記導波路は前記第一端及び第二端との間の誘電性中空管の側面に設置され、さらに、前記セパレータは誘電性中空管の第二端に設置される、上記水素ガスの製造装置が提供される。
【００１４】
本発明のより好ましい実施形態によると、前記誘電性中空管は縦方向に配置され、さらに、前記ガス供給源から供給される水素元素含有ガスは誘電性中空管の第一端（下端）から誘電性中空管の第二端（上端）に流れ、かつこの間に前記導波路が設置され、水素元素含有ガスはマイクロ波プラズマ放電されて水素ガスを含む反応生成物を生成し、さらに、前記水素ガスは前記第二端に設置されるセパレータによって反応生成物から分離される、上記水素ガスの製造装置が提供される。
【００１５】
本発明のさらにより好ましい実施形態によると、前記誘電性中空管の下端に固体元素収納庫をさらに有する、上記水素ガスの製造装置が提供される。
【００１６】
本発明のさらなる他の好ましい実施形態によると、前記誘電性中空管と前記セパレータとの間にさらに真空チャンバーを有し、さらに前記真空チャンバーに、誘電性中空管を減圧に維持するための手段が連結される、上記水素ガスの製造装置が提供される。
【００１７】
本発明のさらなる他の好ましい実施形態によると、前記水素元素含有ガスは、炭化水素、水蒸気及びアルコールからなる群より選択される、上記水素ガスの製造装置が提供される。
【００１８】
本発明のさらなる他の好ましい実施形態によると、ａ）誘電性中空管の内圧を減圧に維持し；ｂ）水素元素含有ガスを前記誘電性中空管を通してガス供給源から流し；ｃ）マイクロ波を前記誘電性中空管に印加することによって、前記水素元素含有ガスをマイクロ波プラズマ放電し；ｄ）マイクロ波プラズマ放電によって生じる電子の水素元素含有ガスとの衝突により分子内結合切断を介して水素ガスを含む反応生成物を生成し；ｅ）水素ガスを前記反応生成物から分離する、ことを有する、水素ガスの製造方法が提供される。
【００１９】
好ましい効果
本発明の水素ガス製造装置は、簡単な構造を有し、さらに連続して少量の水素ガスを製造する。水素ガスに加えて、高純度の固体炭素を選択的に回収できる。とりわけ、本発明の装置では、簡単にかつ効率的に水素ガスを提供する。これにより、本発明の装置は、連続して少量の水素ガスを必要とする燃料電池に適用されうる。
【００２０】
図面の簡単な説明
図１は、本発明に係る、水素ガス製造装置の好ましい実施形態を示す断面図である。
【００２１】
図２は、固体元素収納庫がさらに設置された、本発明に係る、水素ガス製造装置の他の好ましい実施形態を示す断面図である。
【００２２】
図３は、さらに真空チャンバーを有する、本発明に係る、水素ガス製造装置のさらなる他の好ましい実施形態を示す断面図である。
【００２３】
図４は、誘電性中空管が二重管構造を有する、本発明に係る、水素ガス製造装置のさらなる他の好ましい実施形態を示す断面図である。
【００２４】
本発明の実施形態
以下で、本発明を、添付図面を参照しながら、より詳細に説明する。
【００２５】
図１は、本発明に係る、水素ガス製造装置の好ましい実施形態を示す断面図である。図１に示されるように、本発明の装置１は、誘電性中空管１０、ガス供給源２０、マイクロ波源３０、前記マイクロ波源３０に連結される導波管４０、減圧手段５０およびセパレータ６０を備える。
【００２６】
誘電性中空管１０の内圧は、減圧手段５０によって減圧に維持される。減圧手段５０としては、真空ポンプ及び吸引装置が挙げられる。
【００２７】
ガス供給源２０から、水素元素含有ガスが、誘電性中空管１０の内部空間１０３中に供給される。水素元素含有ガスとしては、炭化水素、水蒸気及びアルコールが挙げられる。炭化水素としては、メタン、エタン、プロパンなどが挙げられる。メタンまたは水蒸気が好ましい。水素元素含有ガスは、排出効率を上げるために、別のガス（例えば、アルゴンやヘリウム等の不活性ガス）との混合形態で供給されてもよい。水素元素含有ガスに応じて、誘電性中空管１０の内圧は、好ましくは５００Ｔｏｒｒ〜３０Ｔｏｒｒ、より好ましくは３００Ｔｏｒｒ〜５０Ｔｏｒｒの範囲に維持される。最も好ましくは、２００Ｔｏｒｒ〜５０Ｔｏｒｒの範囲である。誘電性中空管１０の内部空間１０３中に供給された水素元素含有ガスは、誘電性中空管１０の第一端１０１から第二端１０２に流れる。
【００２８】
誘電性中空管１０の側面には、マイクロ波源３０に連結された導波路４０が設置される。マイクロ波源３０は、マイクロ波を生じる。マイクロ波源３０の好ましい例としては、マグネトロンがある。導波路４０により、マイクロ波源３０から生じたマイクロ波は誘電性中空管１０に印加される。好ましくは、導波路４０は、マイクロ波源３０から出るマイクロ波の強さを調整するチューナー、マイクロ波の出力電場を最大限にするテーパー、誘電性中空管１０中に吸収される力を最適化するプランジャー、ならびに必要であれば、マイクロ波源３０からの出力及びチューナーへの入力双方を測定する方向性結合器を有する。本明細書において、誘電性中空管１０に印加されるマイクロ波は、水素元素含有ガスの分子内解離を誘導する力を有する。換言すると、ガスの分子内結合切断を生じる力が、誘電性中空管１０に印加される。マイクロ波は、１ＧＨｚ〜９ＧＨｚの周波数を有する。本発明の特定の実施例によると、２．４５ＨＧｚの周波数を有するマイクロ波が使用された。マイクロ波プラズマ放電では、電子は、水素元素含有ガスとの衝突による分子内解離（または分子内結合切断）を誘導するエネルギーを有する。例えば、メタンは、４．５ｅＶで分子内解離を受ける。水蒸気の分子内解離は、４．８ｅＶで起こる。したがって、マイクロ波プラズマ放電から生成する電子は、分子内解離を誘導するのに十分なエネルギーを有する。具体的には、マイクロ波プラズマ放電の電子は、４．５ｅＶ〜７ｅＶのエネルギーを有する。好ましくは、メタンの場合には、電子は、好ましくは４．５ｅＶ〜６ｅＶのエネルギーを有し、水蒸気の場合には、４．８ｅＶ〜７ｅＶのエネルギーを有する。一方、本発明の水素ガス製造装置１は、トーチタイプのプラズマ放電によるべきではない。トーチタイプのプラズマ放電では、反応が熱分解を介して進行する。これによると、水素ガスは、非常に低い効率で、具体的には、1％未満の効率で製造される。
【００２９】
水素元素含有ガスは、誘電性中空管１０の第二端１０２方向に内部空間１０３を通って移動し、導波路４０が設置された位置でマイクロ波プラズマ放電を受ける。詳細には、導波路４０の電場により、水素元素含有ガスは、マイクロ波プラズマ放電を受ける。マイクロ波プラズマ放電によって、水素元素含有ガスは、分子内結合切断により、水素ガスを含む反応生成物を生じる。例えば、水素元素含有ガスが炭水化物（例えば、メタン）である場合がある。この場合には、マイクロ波プラズマ放電によって生成する電子は、水素元素含有ガスと衝突する。衝突の間、水素元素含有ガスの振動エネルギーに相当するエネルギーが送られてもよい。その結果、水素元素含有ガスは、分子内解離（または分子内結合切断）を受ける。炭水化物ガスの分子内解離により、水素ガス（Ｈ２）及び固体炭素が反応生成物として生じる。使用されるガスが水蒸気である場合には、水素ガス（Ｈ２）及び酸素ガス（Ｏ２）が反応生成物として得られる。ガス状アルコールの場合には、水素ガス、酸素ガス及び固体炭素が製造される。
【００３０】
少なくとも水素ガスを含む反応生成物は、誘電性中空管１０の第二端１０２に設置されるセパレータ６０によって分離される。セパレータ６０は、多様な形態で例示されうる。例えば、固体元素及び水素ガスが反応生成物として製造される場合には、フィルターをセパレータ６０として作用させてもよい。セパレータ６０の好ましい例としては、ガスと分子篩との親和性を用いてガスを識別する圧力スイング吸着コンセントレータがある。
【００３１】
残りの生成物から識別、単離された、水素ガスは、水素収納庫中に貯蔵される。必要であれば、製造された水素ガスは、直接、燃料電池に供給されてもよい。図１中の説明していない参照番号９０は、バルブである。
【００３２】
図１において、誘電性中空管１０は、縦方向に配置される。横方向の配置もまた採用されうる。縦方向の配置が好ましい。誘電性中空管１０の縦方向の配置により、水素元素含有ガスの導入および水素ガスの分離が容易になる。さらに、固体炭素が反応生成物として製造される場合には、縦方向の配置により、固体炭素の回収が容易になる。より詳細な説明を、図２を参考にしながら行う。
【００３３】
図２は、本発明に係る、水素ガス製造装置の他の好ましい実施形態を示す断面図である。図２に示されるように、本発明の水素ガス製造装置１は、誘電性中空管１０の第一端１０１の下に固体元素収納庫７０をさらに有する。固体炭素が、水素ガスと組み合わされて、反応生成物として製造される際には、図２に示される水素ガス製造装置１が有用である。詳しくは、炭化水素、好ましくはメタンが、水素元素含有ガスとして使用される場合がある。この場合には、水素ガス及び固体炭素が反応生成物として製造される。製造された固体炭素は、重力により下に落ちるであろう。当該固体炭素は、様々な用途がある。例えば、高純度の固体炭素は、タイヤの製造に必要である。メタンの分子内結合切断により、純粋な固体炭素が、水素ガスと組み合わされて、製造される。固体元素を回収するためには、固体元素収納庫７０がさらに設置される。図２において、説明していない参照番号は、図１と同様である。
【００３４】
図３は、本発明に係る、水素ガス製造装置のさらなる他の好ましい実施形態を示す断面図である。図３に示されるように、本発明の水素ガス製造装置１は、誘電性中空管１０とセパレータ６０との間にさらに真空チャンバー８０を有する。また、減圧手段５０が真空チャンバー８０に連結される。内圧を調節し、固体炭素を製造する際に、真空チャンバー８０は、緩衝地帯として作用する。詳しくは、真空ポンプ等の減圧手段５０を用いて誘電性中空管１０の内圧を調節する際には、誘電性中空管１０の狭い空間では、内圧が急激に変化する。これにより、内圧の正確な制御が妨げられる。真空チャンバー８０により別の空間を設けると、内圧の正確な制御が促される。さらに、使用されるガスがメタンである場合には、固体炭素が、水素ガスと組み合わされて、反応生成物として製造される。固体炭素の一部が落下しても、水素ガスの上方への流れによって上方に移動するものもあるであろう。真空チャンバー８０により別の空間を設けると、固体元素の上方への流れが抑制される。これにより、固体炭素からの水素ガスの分子が容易になり、固体炭素の回収量が増加する。図３中で説明していない参照番号は、図２と同様である。
【００３５】
図４は、本発明に係る、水素ガス製造装置のさらなる他の好ましい実施形態を示す断面図である。図４に示されるように、本発明の水素ガス製造装置１は、内管１０ａおよびこの内管１０ａが中に挿入されてなる外管１０ｂを有する二重管構造を有する誘電性中空管１０を有する。本明細書において、外管１０ｂは、水素元素含有ガスが導入される内管１０ａを保護する。導波路４０に印加されるマイクロ波は、誘電性中空管１０の側壁に損傷を与える場合がある。これは、安定した作業を妨げる。二重管構造は、このような危険性を緩和するものである。図４中で説明していない参照番号は、図１と同様である。
【００３６】
上記のとおり、本発明は、本発明の概念および範囲に影響を与える、影響を及ぼすまたは本発明の概念および範囲を変更することなく、前記技術分野において様々な構造により実施されえるものであることは明らかであるべきである。したがって、本明細書中に詳述された実施例および用途は詳細に説明するためのものであり、本発明を制限するものではないと、解されるべきである。本発明の範囲は、本発明後の実施及び特許出願によって持続して規定されるであろうより包括的な範囲を包含するように、上記詳細な説明を超えて拡張するものであることは明らかであるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明に係る、水素ガス製造装置の好ましい実施形態を示す断面図である。
【図２】固体元素収納庫がさらに設置された、本発明に係る、水素ガス製造装置の他の好ましい実施形態を示す断面図である。
【図３】さらに真空チャンバーを有する、本発明に係る、水素ガス製造装置のさらなる他の好ましい実施形態を示す断面図である。
【図４】誘電性中空管が二重管構造を有する、本発明に係る、水素ガス製造装置のさらなる他の好ましい実施形態を示す断面図である。
【図１】
2008545603.tif 000003
【図２】
2008545603.tif 000004
【図３】
2008545603.tif 000005
【図４】
2008545603.tif 000006
【国際調査報告】
2008545603.tif 000007
2008545603.tif 000008
2008545603.tif 000009