(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料ガスを瞬間的に加熱するガス瞬間加熱機構と、
当該ガス瞬間加熱機構に連結し、触媒が収納され断熱機構で断熱された触媒容器を有する触媒反応部と、
を備え、
前記ガス瞬間加熱機構には、炭化水素と水とを含む原料ガスが導入される原料ガス入口と、前記ガス瞬間加熱機構で発生させた高温加熱原料ガスビームが出る原料ガス出口とが接続されており、
前記原料ガス出口は、前記触媒に前記高温加熱原料ガスビームが衝突入射し、前記触媒表面に非平衡反応空間を作るように構成されており、
前記触媒反応部には、水素を含む生成ガスが噴き出す生成ガス出口が接続されているガス生成装置。
【請求項２】
前記触媒が粒子の集合であることを特徴とする請求項１に記載のガス生成装置。
【請求項３】
前記高温加熱原料ガスビームを複数の高温加熱原料ガスビームに分けて、それぞれのビームを前記触媒の表面に衝突させて再び集合させて前記生成ガスを取り出すことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のガス生成装置。
【請求項４】
前記触媒が、ルテニュームを担持させたアルミナの触媒であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載のガス生成装置。
【請求項５】
前記炭化水素がメタンであることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載のガス生成装置。
【請求項６】
前記ガス瞬間加熱機構の加熱温度が５００℃乃至９００℃であることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載のガス生成装置。
【請求項７】
原料ガス入口から炭化水素と水とを含む原料ガスをガス瞬間加熱機構に導入し、
前記ガス瞬間加熱機構で前記原料ガスを５００℃乃至９００℃に瞬間的に加熱し加熱原料ガスビームを生成し、
前記加熱原料ガスビームを、断熱機構で断熱された触媒容器に収納された触媒に衝突入射し、前記加熱原料ガスビームの熱を前記触媒の表面に伝えて前記触媒の表面を加熱し温度を維持し、前記触媒の表面での反応を非平衡で進行させ、
一酸化炭素濃度が０．１％以下の水素を含む生成ガスを生成するガス生成方法。
【請求項８】
前記炭化水素がメタンであることを特徴とする請求項７に記載のガス生成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加熱した高温ガスを触媒に衝突させ、反応を加速させて、ガスを生成するガス生成装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、触媒上でガスを反応させて所望のガスを生成することができる。例えば、白金触媒をいれた容器を加熱し、当該容器にメタンと水蒸気を入れると、触媒上で反応が進み、水素Ｈ２と二酸化炭素ＣＯ２、一酸化炭素ＣＯが生成する。ここで生成させた水素を燃料電池に用いると発電ができる。
【０００３】
ここで、生成したガスには、一酸化炭素が１０％程度に含まれる。この一酸化炭素は、燃料電池の電極を劣化させるため、一酸化炭素の濃度を１ｐｐｍ程度以下に低下させることが必要となる。そこで、一酸化炭素濃度を下げるために、再び白金触媒上で水蒸気と反応させると一酸化炭素の濃度が１％以下に低下する。更に、酸素をいれて触媒上で燃焼させると一酸化炭素濃度を１ｐｐｍ程度に低下させることができる。しかし、白金は価格が高く、白金触媒上で反応させる水素生成方法では、水素生成のコストを低下させられないため、水素を利用する産業の成長が見込めない。
【０００４】
つまり、白金触媒が廉価であると技術課題はないが、白金は報告では２００トン／年しか生産できず、資源として利用制限がある。そこで、白金より安い触媒を用いて、かつ反応速度を高速にして、一回の反応で一酸化炭素の濃度を低くした水素を生成したい、という産業上の要求がある。
【０００５】
ここで、反応速度の目安として、一回の反応で０．１％以下の濃度にまで一酸化炭素濃度を低くできる高速反応の装置の製作を考える。高速で反応させる原理的方法の一つは、原料ガスが触媒表面に到達する抵抗になる停滞層厚みを薄くすることである。この停滞層厚みを薄くする原理を用いて、熱交換を効率よく行わせる熱交換装置が知られている（例えば、特許文献１、２、３、４参照。）。
【０００６】
これらの特許文献１乃至４の原理は、ガスを高速で高温の壁に衝突させて、壁とガスの熱交換を効率よく行わせるものである。この衝突をさせることで、前記停滞層厚みを薄くさせて、熱交換の抵抗を低下させ，熱交換効率を上げることができる。また、触媒表面上での反応も触媒に到達させる原料ガスの量を制限することによって、停滞層厚みを薄くすることで、加速できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特願２０１２-１０７１２８号公報
【特許文献２】特願２０１２-２０３１１９号公報
【特許文献３】特願２０１３-２３７２１１号公報
【特許文献４】特願２０１３-１９７５９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、原料ガスを触媒表面に単純に衝突させて当該停滞層の厚みを薄くするだけでは課題の解決にならない。つまり、上記従来の技術では、原料ガスを触媒表面に多量に入射させると、当該触媒表面の温度が低下してしまうという問題があった。
【０００９】
そこで、本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであり、安価な触媒を用いて、触媒表面を高温に加熱し温度を維持しながら原料ガスを衝突入射させ、効率よく触媒表面での反応を加速するガス生成装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、上記の課題を解決するために、以下の事項を提案している。
【００１１】
（１）本発明は、原料ガスを瞬間的に加熱するガス瞬間加熱機構と、当該ガス瞬間加熱機構に連結し、触媒を収納した触媒容器と、を備え、前記ガス瞬間加熱機構で発生させた高温加熱原料ガスビームを前記触媒に衝突させて、ガスを生成するガス生成装置を提案している。
【００１２】
（２）本発明は、（１）のガス生成装置について、前記触媒が粒子の集合であることを特徴とするガス生成装置を提案している。
【００１３】
（３）本発明は、（１）または（２）のガス生成装置について、前記高温加熱原料ガスビームを複数の高温加熱原料ガスビームに分けて、それぞれのビームを触媒の表面に衝突させて再び集合させて生成ガスを取り出すことを特徴とするガス生成装置を提案している。
【００１４】
（４）本発明は、（１）から（３）のガス生成装置について、前記触媒が、ルテニュームを担持させたアルミナの触媒であることを特徴とするガス生成装置を提案している。
【００１５】
（５）本発明は、（１）から（４）のガス生成装置について、前記原料ガスがメタンなどの炭化水素と水の組み合わせであることを特徴とするガス生成装置を提案している。
【００１６】
（６）本発明は、（１）から（５）のガス生成装置について、前記生成されたガスの成分の一つが水素であることを特徴とするガス生成装置を提案している。
【００１７】
（７）本発明は、（１）から（６）のガス生成装置について、前記ガス瞬間加熱機構の加熱温度が５００℃から９００℃であることを特徴とするガス生成装置を提案している。
【発明の効果】
【００１８】
請求項１から請求項３に係る発明によれば、高温に加熱した原料ガスのビームが触媒の上に衝突し、その衝突により、停滞層を薄くして非平衡の反応を起こさせる。そのため、同時に原料ガスの熱も薄い停滞層を通じて、効率よく触媒表面に伝わり、表面温度を高く維持することができるという効果がある。
【００１９】
請求項４に係る発明によれば、反応効率がよいために、高価な白金ではなくてルテニュームの触媒を利用できる。また、ルテニューム／アルミナは安価な触媒の候補の一つであり、探索によってさらに安価な触媒を使える可能性がある。さらに、高額な白金が有機ガスの改質装置の市場拡大を妨げていたので、廉価な本発明の装置を利用できることが産業成長に与える影響は大きい。
【００２０】
請求項５、６に係る発明によれば、炭化水素のガスから一酸化炭素の少ない水素を一回の反応で直接に取り出せるという効果がある。つまり、これまで市販されている装置は、白金触媒を使った方法で、初段で１０％，２段目で０．１％にまで一酸化炭素の濃度を下げることがせいぜいであった。本発明では白金を使わないで炭化水素から一酸化炭素濃度を０．１％以下の水素を取り出す効果がある。
【００２１】
請求項７に係る発明によれば、５００から９００℃までの温度を任意に選ぶことができるという効果がある。つまり、一般的には、改質する有機ガスの種類に依存して温度は変える必要がある。この温度範囲のガス瞬間加熱機構では、金属で構成できるため、安価に装置を製作できる。また、前記ヒートビームシリンダーの熱変換器の構造では、ガスの温度と加熱部ヒーターの温度差が１００℃以下に小さくできるので、他の原理の熱交換器と違い、熱交換器を構成する金属の温度を劣化障害の小さい１０００℃以下にできる。このような利点があるために、他の加熱装置より広い温度範囲が選べるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】触媒高温衝突ガス生成機構の模式図である。
【図２】触媒高温衝突ガス生成機構を備えたガス生成装置の模式図である。
【図３】複数の高速衝突加熱原料ガスビームを備えたガス生成装置の模式図である。
【００２３】
以下、本発明の実施形態について、図面を用いて説明する。
本発明のガス生成装置は、触媒表面を加熱しながら触媒表面に原料を衝突させて反応を促進させるための装置である。
【００２４】
図１に触媒表面を加熱しながら触媒表面に瞬間加熱した原料を高速で衝突させるガス生成装置の機構的な原理を示す。なお、この機構を触媒高温衝突ガス生成機構１００と呼ぶことにする。本機構１００は、原料ガス１０１を瞬間に加熱するガス瞬間加熱機構１０２を備える。当該加熱機構１０２には、例えば、先行の特許文献１，２，３，４に開示された技術を使用することができる。また、当該特許文献で開示された熱交換器技術を用いたガス瞬間加熱装置は、ヒートビームシリンダーという商品名で株式会社フィルテック（東京都文京区本郷７−３−１東京大学アントレプレナープラザ５０５号室）から市販されている（インターネット＜ＵＲＬ：http://www.philtech.co.jp/＞を参照）。
【００２５】
当該加熱機構１０２で作られた高速の高温原料ガスビーム１０３は、高速であるため、ビーム状に入射して触媒１０４の触媒表面１０５に激しく衝突する。この高温高速のビームの衝突により、停滞層１０６の衝突部の停滞層厚みｄは他の場所より薄くなる。図１ではその様子を破線の停滞層１０６で模式的に示した。
【００２６】
停滞層１０６の衝突部の停滞層厚みｄが薄くなると、熱交換の抵抗層が薄くなり高速の高温ガスが触媒表面１０５に熱を高速で伝えるので、当該表面の温度が当該高温原料ガスビーム１０３の温度に近い温度になる。
【００２７】
また、連続して当該高温原料ガス１０３が入射すると当該表面温度が高温に維持される。そして、高温の当該触媒表面１０５の上で触媒反応が進む。ここで、停滞層の厚みｄが薄いため、厚い場合に比較して反応で生成したガスは速やかに拡散移動して、高流速の高温原料ガスビーム１０３によって輸送されて、停滞層１０６に逆戻りしない。即ち、生成ガスが次に続く反応の阻止空間層を作ることなく一方的に反応が進む。
【００２８】
別の言葉で表現すると、この近傍空間では非平衡反応が進行する。従って、高温の原料ガスが高速で衝突入射する表面空間は高温の非平衡反応空間１０７であると言える。
【００２９】
原料ガス１０１が、高温に保たれた触媒容器に静かに供給される従来の反応方式では、停滞層が触媒表面を覆うので、拡散支配の平衡反応となる。平衡反応では速度を遅くさせる逆反応も同時に起きてしまう。本実施形態では、平衡反応を起こさせない非平衡反応空間１０７を作ることが、触媒高温衝突ガス生成機構１００の特徴となっている。
【００３０】
また、非平衡反応は物質移動を不可逆にさせて、反応速度を早め生成効率を高くしている。従って、触媒高温衝突ガス生成機構１００は、高速で触媒表面１０５で反応を非平衡で進行させる機構である。
【００３１】
図２は、当該機構１００を具体的に装置の構造にしたガス生成装置２００を示している。ガス生成装置２００は、ガス瞬間加熱機構部２０１と触媒反応部２０２とを連結して備える。
【００３２】
原料ガス入口２０３から原料ガス２０４を高速に流量制御して導入する。原料ガス２０４は、瞬間加熱機構部２０１で瞬間加熱されて高速の加熱原料ガスビーム２０５となり、触媒容器２０６に収納された触媒粒２０７に衝突入射する。瞬間加熱機構部２０１として、特許文献１乃至４記載の熱交換原理に基づく流体熱交換装置を用いる。この原理を搭載したガス瞬間加熱装置はヒートビームシリンダーという商品名で株式会社フィルテック（東京都文京区本郷７−３−１東京大学アントレプレナープラザ５０５号室）より市販されている（インターネット＜ＵＲＬ：http://www.philtech.co.jp/＞を参照）。
【００３３】
触媒粒２０７の表面に高速で入射した加熱原料ガスビーム２０５は反応してガスを生成し、生成ガス２０８を生成ガス出口２０９から噴き出す。また、触媒容器２０６は断熱機構２１０で断熱されていて、その温度は維持される。
【００３４】
原料ガス２０４としてメタンと水を導入して、ガス瞬間加熱機構部２０１の加熱設定温度を例えば７００℃にすると、ルテニューム・アルミナの触媒粒２０７の上で反応して水素Ｈ２，二酸化炭素ＣＯ２，一酸化炭素ＣＯを生成ガス２０８として生成する。
【００３５】
＜実施例１＞
図２の構成で行った実施例を以下に示す。
ガス瞬間加熱機構部２０１としてフィルテック社のヒートビームシリンダーＢタイプを用いた。このヒートビームシリンダーは最大１５００Ｗまで電力投入可能なガス瞬間加熱器で、最高１０００℃まで昇温可能である。原料ガスとしてメタンと１３０℃以上に加熱したスチームを用いた。触媒としてルテニュームを担持させたアルミナの柱状粒を３／８インチパイプの触媒容器２０６に入れた。高速の原料ガスビームにするためにアルゴンガスをキャリアーガスとして用いた。当該原料ガスビームの温度は６８０℃に設定した。生成したガスの温度を冷却するために、生成ガス出口２０９には冷却機構と水の回収機構を接続した。冷却した生成ガスの成分分析をしたところ、メタンの残りと水素、二酸化炭素、一酸化炭素があり、Ａｒを除く一酸化炭素濃度は０．１％以下であった。
【００３６】
＜実施例２＞
同様に実験を温度だけを５４０℃に変えて行った。測定した一酸化炭素濃度は同様に０．１％以下であった。この結果、衝突させて非平衡反応をさせる効果は大きく、安価なルテニューム触媒でも一酸化炭素濃度の小さい水素を得ることができた。
【００３７】
なお、触媒表面に加熱した原料ガスを衝突させる構造としては、他にもいろいろ考えられる。
【００３８】
図３に高速の高温加熱原料ガスビーム２０５を複数の高速の高温加熱原料ガスビーム３０２に分けて、それぞれのビームを触媒板３０１の表面に衝突させて触媒表面加熱をするとともに、表面で反応をさせて、再び集合させて生成ガス２０８として取り出す触媒高温衝突ガス生成装置を示す。
【００３９】
また、生成するガスは原料ガスに依存して決まる。例えば、メタンと水のガスのとき、ガス瞬間加熱機構部２０１の加熱設定温度を５００〜９００℃とし、ルテニュームを担持したアルミナの触媒粒２０７を用いると、反応して水素Ｈ２，二酸化炭素ＣＯ２，一酸化炭素ＣＯを生成する。
【００４０】
また、原料ガスとして、プロパンや石油類の他の炭化水素のガスを選び、水と組み合わせることで水素を含むガスを生成できる。
【００４１】
また、一回の装置通過でＣＯの濃度は典型的に０．１％以下であるが、複数回、当該生成装置を通してＣＯの濃度を更に減らすことができる。
【００４２】
以上、説明したように、本実施形態によれば、高温に加熱した原料ガスのビームが触媒の上に衝突し、その衝突により、停滞層を薄くして非平衡の反応を起こさせる。そのため、同時に原料ガスの熱も薄い停滞層を通じて、効率よく触媒表面に伝わり、表面温度を高く維持することができる。
【００４３】
また、反応効率がよいために、高価な白金ではなくてルテニュームの触媒を利用できる。また、ルテニューム／アルミナは安価な触媒の候補の一つであり、探索によってさらに安価な触媒を使える可能性がある。
【００４４】
また、炭化水素のガスから一酸化炭素の少ない水素を一回の反応で直接に取り出せる。また、５００から９００℃までの温度を任意に選ぶことができる。また、前記ヒートビームシリンダーの熱変換器の構造では、ガスの温度と加熱部ヒーターの温度差が１００℃以下に小さくできるので、他の原理の熱交換器と違い、熱交換器を構成する金属の温度を劣化障害の小さい１０００℃以下にできる。
【００４５】
以上、この発明の実施形態につき、図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成は、この実施形態に限られたものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。
【符号の説明】
【００４６】
１００；触媒高温衝突ガス生成機構
１０１；原料ガス
１０２；ガス瞬間加熱機構
１０３；高速の高温原料ガスビーム
１０４；触媒
１０５；触媒表面
１０６；停滞層
１０７；非平衡反応空間
ｄ；衝突部の停滞層厚み
２００；ガス生成装置
２０１；ガス瞬間加熱機構部
２０２；触媒反応部
２０３；原料ガス入口
２０４；原料ガス
２０５；高速の高温加熱原料ガスビーム
２０６；触媒容器
２０７；触媒粒
２０８；生成ガス
２０９；生成ガス出口
２１０；断熱機構
３０１；触媒板
３０２；複数の高速の高温加熱原料ガスビーム
【図１】
0006270154.tif 000002
【図２】
0006270154.tif 000003
【図３】
0006270154.tif 000004