(57)【要約】水素富化燃料を生成するための方法は、メタンガス流を提供するステップ、及び触媒（５６）を提供するステップを含む。本方法は、選択されたマイクロ波電力でマイクロ波放射を使用して、反応器壁及びメタンガスの代わりに触媒（５６）を加熱するステップ、メタンガス流を触媒（５６）へと方向づけるステップ、及び、選択された組成を有する生成ガスを生成するため、マイクロ波電力を制御するステップを含む。水素富化燃料を生成するためのシステム（１０）は、メタンガス源（１６）、触媒（５６）を含む反応器（１２）、及び触媒（５６）を加熱するよう構成されたマイクロ波電源（１４）を含む。
2010516610.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素富化燃料を生成するための方法であって、
メタンガス流を提供するステップと、
触媒を提供するステップと、
選択されたマイクロ波電力でマイクロ波放射を使用して前記触媒を加熱するステップと、
前記触媒へと前記メタンガス流を方向づけるステップと、
選択された組成を有する生成ガスを生成するため、前記マイクロ波電力を制御するステップと、
を含む方法。
【請求項２】
前記生成ガスは、体積として約２０％から３０％の水素を含み、かつ、体積として約７０％から８０％のメタンを含む、
ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記触媒は、Ｎｉ或いはＮｉ合金を含む、
ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記提供するステップは、前記メタンガスをほぼ室温において、かつ、約１気圧において提供する、
ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記加熱するステップの前に、前記触媒を水素ガスとともに前処理するステップを更に含む、
ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記方向づけるステップは、マイクロ波透過材料で作製される管型反応器において実施される、
ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記方向づけるステップは、前記メタンガス流が前記触媒を通り抜けることを可能にするように構成された、マイクロ波透過ホルダー上に設置された前記触媒とともに実施される、
ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項８】
実質的に純粋な水素を回収するために、前記生成ガスを処理するステップを更に含む、
ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項９】
水素富化燃料を生成するための方法であって、
メタンガス流を提供するステップと、
触媒を提供するステップと、
選択されたマイクロ波電力でマイクロ波放射を使用して前記触媒を加熱するステップと、
前記メタンガスのうちの少なくとも一部を水素へと転換するために、前記触媒へと前記メタンガス流を方向づけるステップと、
前記触媒を選択するステップ、前記メタンガス流を制御するステップ、ならびに、メタン及び水素を選択された容積百分率で含む生成ガスを生成するため、前記マイクロ波電力を制御するステップと、
を含む方法。
【請求項１０】
前記制御するステップは、体積として約２０％から３０％の水素を含む前記生成ガスを生成するために実施される、
ことを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記制御するステップは、約１０％から２０％の前記メタンガスを水素へと転換するために実施される、
ことを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
前記制御するステップは、体積として約７０％から８０％のメタンを含む前記生成ガスを生成するために実施される、
ことを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１３】
前記選択されるマイクロ波電力は、約１５０ワットから３００ワットである、
ことを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１４】
前記方向づけるステップの前に、水素ガスとともに前記触媒を前処理するステップを更に含む、
ことを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１５】
前記方向づけるステップは、管型反応器において実施され、前記加熱するステップは、前記管型反応器に配置されたマイクロ波透過ホルダーにおいて実施される、
ことを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１６】
前記触媒は、Ｎｉ８１Ａｌ、Ｎｉ９３Ａｌ、Ｎｉ７７Ｃｕ１６Ａｌ、Ｎｉ５４Ｃｕ２７Ａｌ及びＮｉ８３Ｍｇ６Ａｌから成る群から選択される金属を含む、
ことを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１７】
水素富化燃料を生成するための方法であって、
メタン源と流れにおいて連通する複数のマイクロ波透過壁を備えた反応チャンバーを有する管型反応器を提供するステップと、
触媒を前記反応チャンバーにおいて設置するステップと、
マイクロ波発振器を提供するステップと、
前記マイクロ波発振器の選択されたマイクロ波電力で、マイクロ波放射を使用して前記触媒を照射するステップと、
前記反応チャンバーを介して前記触媒と接触するようメタンガス流を方向づけるステップと、
水素及びメタンを選択された容積百分率で含む生成ガスを生成するため、前記マイクロ波電力を制御するステップと、
を含む方法。
【請求項１８】
前記触媒は、約６００℃から７００℃の間の温度へと加熱される、
ことを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記マイクロ波電力は、約１５０から３００Ｗである、
ことを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
前記方向づけるステップは、前記メタンガス中のＣＨ４の約１０％から２０％をＨ２へと転換する、
ことを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【請求項２１】
前記方向づけるステップ、及び前記制御するステップは、有用な副産物として前記生成ガスから離脱する繊維状炭素の形で固体炭素を生成するよう実施される、
ことを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【請求項２２】
実質的に純粋な水素を回収するために前記生成ガスを処理するステップを更に含む、
ことを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【請求項２３】
前記処理するステップは、Ｐｄ／Ａｇ薄膜を介して真空圧において前記生成ガスを流すステップを含む、
ことを特徴とする請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
水素富化燃料を生成するためのシステムであって、
メタンガス流を提供するよう構成されたメタンガス源と、
触媒を含み、前記メタンガスを前記触媒と接触して循環させるように構成された、前記メタンガス源と流れにおいて連通する複数のマイクロ波透過壁を備える反応チャンバーを有する反応器と、
水素及びメタンを選択された容積百分率において有する生成ガスを生成するため、前記反応チャンバーにおいて前記触媒を加熱するよう構成された、マイクロ波電源と、
を含むシステム。
【請求項２５】
前記反応器は、前記触媒を前記メタンガス流と接触するように保持するよう構成されたマイクロ波透過ホルダーを含む、
ことを特徴とする請求項２４に記載のシステム。
【請求項２６】
前記反応器は管型反応器を含む、
ことを特徴とする請求項２４に記載のシステム。
【請求項２７】
前記触媒を前処理するための水素ガス流を提供するよう構成された、前記反応器と流れにおいて連通する水素源を更に含む、
ことを特徴とする請求項２４に記載のシステム。
【請求項２８】
前記反応チャンバーをパージするために不活性ガス流を提供するよう構成された、前記反応器と流れにおいて連通する不活性ガス源を更に含む、
ことを特徴とする請求項２４に記載のシステム。
【請求項２９】
前記触媒はＮｉ、或いはＮｉ合金を含む、
ことを特徴とする請求項２４に記載のシステム。
【請求項３０】
前記生成ガスは、体積として約２０％から３０％の水素と、体積として約７０％から８０％のメタンを含む、
ことを特徴とする請求項２４に記載のシステム。
【請求項３１】
前記触媒の温度を測定するよう構成された赤外線センサを更に含む、
ことを特徴とする請求項２４に記載のシステム。
【請求項３２】
前記生成ガスの化学組成を解析するよう構成されたガスクロマトグラフを更に含む、
ことを特徴とする請求項２４に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般的には水素燃料の生成に関し、より詳細には、代替燃料として使用されるのに適した水素富化燃料を生成するための方法及びシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
水素や天然ガスのような気体代替燃料は、自動車のエンジンにおいて、その清浄な燃焼特性のために高く評価されている。水素を生成するための種々のプロセスが開発されてきた。これらのプロセスは、電気分解、特殊な水分解、及び産業廃棄物廃液からの分離を含んでいる。
【０００３】
水素は天然ガスの改質によっても生成されうる。典型的には、メタン、プロパン、或いは天然ガスのような炭化水素燃料を、高純度の水素ガス流へと転換するために、多段階プロセスが使用される。このプロセスのステップは、典型的には以下を含む。（１）合成ガス生成、（２）水性ガスシフト反応、及び（３）ガス精製（例えばＣＯ及びＣＯ２除去）。水素ガス流は、その後、代替燃料を生成するための他のガスとの混合を含む様々な目的のために使用されうる。
【０００４】
例えば、特に清浄な燃焼の気体代替燃料は、ＨＹＴＨＡＮＥとして知られているが、水素と天然ガスとの混合物を含む。ＨＹＴＨＡＮＥの接頭辞“Ｈｙ”は、水素（ｈｙｄｒｏｇｅｎ）に由来する。ＨＹＴＨＡＮＥの接尾辞“ｔｈａｎｅ”は、メタン（ｍｅｔｈａｎｅ）に由来し、メタンは天然ガスの主成分である。ＨＹＴＨＡＮＥは、Ｂｒｅｈｏｎ  Ｅｎｅｒｇｙ  ＰＬＣの登録商標である。ＨＹＴＨＡＮＥは、典型的には、エネルギーとして約５％から７％の水素を含み、これは体積としては１５％から２０％の水素に対応する。
【０００５】
水素を生成するための、“水蒸気改質装置”と呼ばれる改質装置の一形式は、炭化水素燃料と水蒸気（Ｈ２Ｏ）とを使用する。水蒸気改質装置においては、炭化水素燃料は、水蒸気（Ｈ２Ｏ）及び一つ以上の触媒を含んだ、加熱された反応管において反応する。一般的には、改質による高純度の水素ガスの生成は、高温（８００℃から９００℃）を必要とする。水蒸気改質は、不純物をも生成する。その不純物とは特にＣＯ及びＣＯ２であり、除去されない場合には、最終的には大気中へ放出される。
【０００６】
改質による高純度の水素ガスの生成は、設備のための高い資本コスト、及び高い操業コスト、特に電力のためのコストを必要とする。これらの欠点に加えて、水蒸気改質装置の小型な実施形態を製造することは困難である。代替燃料が、精油所サイズの設備において、というよりはむしろ、給油所のサイズの設備において生成されうるように、比較的小型なサイズを有することは水素生成システムにとって好都合である。
【０００７】
天然ガスから水素を生成する別のプロセスは、メタンの熱分解を含む。例えば、メタンは反応によって水素へと分解される。
ＣＨ４＝Ｃ＋２Ｈ２
例えば、天然ガスの熱分解は、カーボンブラック及び水素を生成するための“サーマルブラックプロセス”において使用されてきた。熱分解を使用して、１モルあたりの水素が生成されるのに必要なエネルギー（３７．８ｋＪ／ｍｏｌＨ２）は、水蒸気改質プロセスで必要なエネルギー（６３．３ｋＪ／ｍｏｌＨ２）よりも大幅に小さい。しかしながら、それでもやはり、そのプロセスは、高温（例えば１４００℃）、高い設備コスト、及び高エネルギー消費を必要とする。
【０００８】
近年、天然ガスの熱分解は、種々の触媒と組み合わせて研究されており、その触媒は、反応をより低温において進行させる。例えば、ＵＳ  Ｐａｔｅｎｔ  Ｎｏ．７００１５８６  Ｂ２において、Ｗａｎｇらは、次のような熱分解プロセスを開示している。そのプロセスでは、それぞれＮｉｘＭｇｙＯ及びＮｉｘＭｇｙＣｕｚＯの化学式を有する二つの触媒が、メタンを炭素及び水素へと分解するために使用される。前者は、約４２５℃から６２５℃のより低い温度を必要とするが、寿命がより短く、活性がより低い。後者の寿命はより長く活性はより高いが、必要とされる反応温度が非常に高く、約６００℃から７７５℃である。しかしながら、さらに重要なことに、これらのプロセスは、反応器の壁、気体及び触媒を加熱するために高いエネルギー消費を必要とする。
【０００９】
水素生成システムにとって、より低い温度、及びより低いエネルギー消費において、様々な触媒が長期間活性を有し、最小限の炭酸ガス（例えばＣＯ，ＣＯ２）放出を伴って作動することが可能であるということは、好都合である。更に、水素生成システムにとって、水素を含む代替燃料の生成へと適用可能なサイズ、及び構造を有することは、都合がよい。本開示は、従来の水素生成システムの多くの欠点を克服する水素富化燃料の生成のための方法及びシステムに関して説明するものである。
【００１０】
関連技術の前述の実施例、及びそれに関連する限定は、例示を意図するものであって排他的なものではない。関連技術の他の限定は、本明細書を読み、図面を検討することで、当業者にとって明らかとなるであろう。同様に、以下の実施形態、及びその態様は、システム及び方法に関連して記述され、説明されており、典型的かつ例示的なものを意味するのであって、範囲において限定するものではない。
【発明の概要】
【００１１】
水素富化燃料を生成するための方法は、メタンガス流を提供するステップ、触媒を提供するステップ、選択されたマイクロ波電力でマイクロ波放射を使用して、反応器の壁及びメタンガスの代わりに、触媒を選択的に加熱するステップ、メタンガス流を触媒へと方向づけるステップ、及び、選択された組成を有する生成ガスを生成するためにマイクロ波電力を制御するステップを含む。
【００１２】
本方法はマイクロ波透過壁を有する反応チャンバーを有する反応器において実施されうる。更に、触媒は、共沈によって調製されるＮｉを基礎とする化合物のような金属を含みうる。触媒の表面において反応が生じ、メタン（ＣＨ４）が水素（Ｈ２）及び繊維状炭素の形の固体炭素（Ｃ）へと解離する。更に、メタンガスの中には、反応に失敗して（メタンスリップ）、生成ガスがメタン及び水素を含むようなこともある。コストを最小化するため、触媒は、動作条件（例えば、ガス流の速度、マイクロ波電力、触媒量）の下で安定性を維持するように選択され、設計される。更には、触媒は、数時間の反応にわたって活性のある特性を維持する。
【００１３】
メタンガス流及びマイクロ波電力は、生成ガスの組成がＨＹＴＨＡＮＥの化学組成に近くなるように制御されうる。例えば、生成ガスは、体積として約２０％から３０％の水素と、体積として約７０％から８０％のメタンを含みうる。有利なことに、生成ガスは、炭素の不純物（例えばＣＯ，ＣＯ２）をほとんど含まない。炭素は、有用な副産物として生成ガスから離脱する、固体の繊維状炭素へと転換されるからである。更には、生成ガスは，より高次の炭化水素（例えば、Ｃ２Ｈ４、Ｃ２Ｈ２、Ｃ３Ｈ６、Ｃ３Ｈ８、Ｃ３Ｈ４）を無視できるほどの量しか含んでいない。
【００１４】
水素富化燃料を生成するためのシステムは、メタンガス流を提供するように構成されるメタンガス源を含む。システムは、触媒を含むように、及び触媒と接触した状態でメタンガスを循環させるように構成された、メタンガス源と流れにおいて連通している反応チャンバーを有する反応器をも含む。システムは、反応チャンバー内で触媒を加熱するように構成された、マイクロ波電源をも含み、選択された容積百分率の水素及びメタンを有する生成ガスを生成する。
【００１５】
本方法の別の実施形態においては、生成ガスは、更に、実質的に純粋な形で水素を回収するように処理される。実質的に純粋な水素を回収するために、生成ガスは、多孔性金属、或いはセラミックプレート上にコーティングされたＰｄ／Ａｇ薄膜を介して、真空下において流されうる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
典型的な実施形態は、図面中の参照図において説明される。本明細書において開示される実施形態及び図面は、限定ではなく例示的なものとして見なされるべきであることを意図する。
【図１】図１は、水素富化燃料を生成するための方法におけるステップを説明するフロー図である。
【図２】図２は、水素富化燃料を生成するためのシステムの概要図である。
【図３】図３は、Ｎｉ５４Ｃｕ２７Ａｌ触媒を使用する実施例１の、反応時間に対する、ＣＨ４転換、Ｈ２含有量、及び炭素形成を説明する、オーバーレイグラフである。
【図４】図４は、Ｎｉ８１Ａｌ触媒を使用する実施例２の、反応時間に対する、ＣＨ４転換、Ｈ２含有量、及び炭素形成を説明する、オーバーレイグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下の定義は、本開示において使用される。ＨＹＴＨＡＮＥは、水素、メタンならびに、水素及び天然ガスに含まれる不純物から成る水素富化代替燃料を意味する。
【００１８】
メタンスリップは、反応することなくシステムを通過する未反応のメタンを意味する。
【００１９】
マイクロ波放射は、０．３Ｈｚから３００ＧＨｚの帯域における電磁気的放射を意味する。
【００２０】
［方法］
図１を参照すると、水素富化燃料を生成するための方法におけるステップが説明される。第一のステップは、“メタンガス流を選択された流速で提供するステップ“を含む。例示の目的で、メタンガスは純粋なメタンガスの形式でありうる。またはその代わりに、メタンガスは、“化石燃料”鉱床から得られる天然ガスの形式でありうる。天然ガスは、典型的には、約９０＋％のメタンであって、その他に、少量のエタン、プロパン、高次の炭化水素、ならびに、二酸化炭素、または窒素のような“イナートガス（不活性ガス）”を含む。更に、メタンガスはタンク（或いはパイプライン）から、選択された温度及び圧力で供給されうる。望ましくは、メタンガスは、ほぼ室温（２０℃から２５℃）で、かつ、ほぼ大気圧（１気圧）で、供給される。更には、メタンガスは選択された流速で供給されうる。以下の実施例においては、メタンガスの選択された流速は約１２０ｍｌ／分（ＳＴＰ）である。
【００２１】
本方法は、“触媒を提供する”ステップを含み、これも図１に示される。望ましくは、触媒は、７４μｍから１４０μｍの直径を有する粒子の形で提供される。更に、触媒は、望ましくは、ホルダーに包含され、それによって、メタンガスが触媒粒子表面に沿って自由に流れることを可能にする。更に、金属酸化物の形の触媒は、金属酸化物を金属に還元するために、Ｈ２を使用して前処理されうる。
【００２２】
触媒として望ましい金属は、Ｎｉ、或いはＮｉを含む合金を含む。例えば、金属は、ＮｉＡｌ、或いはＣｕ、Ｐｄ、Ｆｅ、ＣｏをドープされたＮｉ、または、ＭｇＯ、ＺｎＯ、Ｍｏ２Ｏ３、もしくはＳｉＯ２のような酸化物をドープされたＮｉを含む。具体的な触媒は、Ｎｉ８１Ａｌ、Ｎｉ９３Ａｌ、Ｎｉ７７Ｃｕ１６Ａｌ、Ｎｉ５４Ｃｕ２７Ａｌ及びＮｉ８３Ｍｇ６Ａｌを含む。更に、ニッケルを基礎とする触媒の前駆物質は、炭酸ナトリウムと硝酸塩の混合水溶液からの共沈によって調製されうる。
【００２３】
以下の表１は、上記の触媒のためのニッケルを基礎とする前駆物質の触媒調製についての情報を提供する。これらの触媒は、炭酸ナトリウムと硝酸塩の混合水溶液からの共沈によって調製された。
【００２４】
【表１】
2010516610.tif 000003
【００２５】
しかしながら、触媒は、Ｎｉ或いは、その合金よりもむしろ、他の金属を含みうる。他の金属とは、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｒｕ、Ｐｄ及びＰｔを含む、周期表のＶＩＩＩ族から選択されるような金属である。いずれの場合においても、触媒は、長期間にわたる反応状態下において、安定性を維持するよう選択され、設計される。以下の実施例においては、反応時間の１６時間後においてもまだ、触媒は不活性化する兆候を示さなかった。
【００２６】
これも図１に示されるように、本方法は、“選択されたマイクロ波電力でマイクロ波放射を使用して触媒を加熱する”ステップを含む。このステップは、マイクロ波放射を触媒に対して照射するように構成された、従来のマイクロ波発振器、及びマイクロ波サーキュレータを使用して実施されうる。一般的には、触媒は、緩和機構（例えば、双極子、イオンジャンプ、抵抗損失）を介してマイクロ波エネルギーを吸収し、それによって反応器の壁、及びメタンガスの代わりに金属触媒を選択的に加熱する。それゆえ、触媒／マイクロ波加熱プロセスのエネルギー消費を著しく節約する。
【００２７】
マイクロ波放射による触媒の過熱は、以下の利点を提供する。
ａ．）容積加熱、高速
ｂ．）反応器壁及びメタンガスの代わりに触媒を選択的に加熱、高効率
ｃ．）低温度勾配
ｄ．）生成物の連続反応を防ぐためのホットスポット
ｅ．）マイクロ波電磁界における触媒の電子的特性を変化させることによって、触媒反応に影響をも与えうる
【００２８】
以下の実施例においては、マイクロ波発振器は、約２５０ワットの電力で作動し、触媒は約６００℃から７００℃の温度へと加熱される。しかしながら、本方法は、所望の生成ガス組成を得るために選択されたマイクロ波電力で実施されうることが理解されるべきである。例えば、マイクロ波電力の典型的な範囲は、１５０ワットから３００ワットでありうる。以下の実施例においても、マイクロ波発振器は、２．４５ＧＨｚの周波数で作動する。マイクロ波放射を実施するため、反応器、及び触媒のホルダーは、高温に耐えうるマイクロ波透過材料で作製されなければならない。反応器、及びホルダーに適した材料の１つは、水晶を含む。
【００２９】
本方法は、“触媒にメタンガス流を方向づける”ステップを含み、これも図１に示される。本ステップは、触媒を包含し、メタンガス流を触媒へと方向づけるように構成された反応チャンバーを有するマイクロ波透過反応器に、触媒を設置することによって実施されうる。
【００３０】
本方法は、“選択された組成を有する生成ガスを生成するために、選択された流速においてマイクロ波電力を制御する”ステップを含み、これも図１に示される。本ステップは、可変電力制御を有するマイクロ波発振器を使用して実施されうる。
【００３１】
［システム］
図２を参照すると、前述された方法に係る、水素富化燃料を生成するためのシステム１０が示される。システム１０は、反応器１２及びマイクロ波発振器１４を含む。本システムは、反応器１２と流れにおいて連通している、メタン供給１６、水素供給１８、及び不活性ガス供給２０をも含む。
【００３２】
反応器１２（図２）は、水晶のような、マイクロ波透過材料で作製された従来の管型反応器を含む。更に、反応器１２は、供給管２４と流れにおいて連通する吸気口２６を有する密閉されたプロセスチャンバー２２を含む。
【００３３】
供給管２４（図２）は、結合３０を介してメタン管２８と流れにおいて連通し、結合３０はメタン供給１６と流れにおいて連通する。更に、メタン管２８は、反応チャンバー２２へのメタンガス流を遠隔制御するように構成されたメタン質量流量制御装置３２、及びメタン質量流量制御装置３２の両側にある遮断バルブ３４、３６を含む。典型的な実施形態においては、メタン供給１６は、純粋なメタンを提供するよう構成される。しかしながら、システム１０は、天然ガスのような他のメタン源を使用してもよく、本方法はそのように実施されてもよいことが理解されるであろう。
【００３４】
供給管２４（図２）は、結合４０を介して水素管３８とも流れにおいて連通し、結合４０は水素ガス供給１８と流れにおいて連通する。水素管３８は、反応チャンバー２２への水素ガス流を手動で制御するように構成されたニードルバルブ４２、及び水素流を測定するよう構成されたロータメータ４４を含む。
【００３５】
供給管２４（図２）は、不活性ガス管４６とも流れにおいて連通し、不活性ガス管４６は不活性ガス供給２０と流れにおいて連通する。不活性ガスは、Ａｒ或いは、ＨｅまたはＮｅのような他の不活性ガスを含みうる。不活性ガス管４６は、反応チャンバー２２への不活性ガス流を遠隔制御するように構成された不活性ガス質量流量制御装置４８、及び不活性ガス質量流量制御装置４８の両側にある遮断バルブ５０、５２を含む。不活性ガス管４６は、反応チャンバー２２をパージするために使用されうる。
【００３６】
反応チャンバー２２（図２）に加えて、反応器１２は、反応チャンバー２２に触媒５６を保持するよう構成されたホルダー５４を含む。反応器１２及び反応チャンバー２２の壁と同様に、ホルダー５４は、マイクロ波透過材料で作製される。更に、ホルダー５４は、開口部を備えたカップ状の構成を有し、それによってホルダー５４を介して触媒５６周辺へとガスが流れうる。ホルダー５４は、ホルダー５４及び触媒５６が反応チャンバー２２から除去されることを許容するように構成されるハンドル５８をも含む。
【００３７】
反応器１２（図２）は、反応チャンバー２２と流れにおいて連通する排気口６０をも含む。反応器１２の排気口６０は、反応チャンバー２２内に生成された生成ガスを排出するように構成される。排気口６０は、反応チャンバー２２に存在する生成ガスの化学組成を解析するように構成されたガスクロマトグラフ６２と流れにおいて連通する。更に、ガスクロマトグラフ６２は、解析された生成ガスを大気中へと通気させるよう構成された通気口６４と流れにおいて連通する。反応器１２の排気口６０は、後で使用するための生成ガスを保管するよう構成された生成ガス貯蔵容器６６とも、流れにおいて連通しうる。
【００３８】
システム１０のマイクロ波発振器１４（図２）は、マイクロ波サーキュレータ６８と、３つのスタブ同調器７０とを介して、反応チャンバー２２内のホルダー５４に保持された触媒５６へとマイクロ波放射を方向づけるように構成される。マイクロ波サーキュレータ６８は、冷却システム７２をも含む。更に、マイクロ波調整プラグ７４は、マイクロ波発振器１４の反射電力を遠隔で調整するように構成される。
【００３９】
システム１０（図２）は、触媒５６の温度を測定するよう構成された赤外線温度センサ７６をも含む。
【００４０】
［実施例１］
前述された方法（図１）及び、前述されたシステム１０（図２）を使用して、ＣＨ４及びＨ２を含む水素富化燃料は以下の状態下において生成された。
Ａ．純粋なメタンガス（純度９９．７％）が、反応器１２（図１２）へとメタン供給管２８を介して供給された。
Ｂ．メタン流速（すなわち、図１においては選択された流速）：１２０ｍｌ／分。
Ｃ．触媒５６（図２）：Ｎｉ５４Ｃｕ２７Ａｌ。
Ｄ．触媒５６（図２）は、最初にマイクロ波電力１６０Ｗで、Ｈ２プラズマにおいて数分間還元された。触媒５６（図２）を還元するため、Ｈ２ガス流が水素供給管３８（図２）を介して反応チャンバー２２（図２）へと供給され、プラズマを生成するため、マイクロ波発振器１４（図２）からマイクロ波エネルギーを照射された。
Ｅ．反応圧：大気圧（１ａｔｍ）。
Ｆ．生成物（水素富化燃料）：反応ＣＨ４＝Ｃ＋２Ｈ２によって、Ｈ２、固体炭素Ｃ及び未反応ＣＨ４。ＳＥＭ（走査電子顕微鏡法）による固体炭素の画像は、炭素はカーボンブラックよりもむしろ繊維状炭素の形であることを実証している。更に、繊維状炭素は、他の用途に使用されることが可能な、有用な副産物である。
Ｇ．触媒へと適用されたマイクロ波電力：２５０Ｗ。
Ｈ．メタン転換：約２０％。
Ｉ．未反応メタン：約８０％。
Ｊ．生成速度：安定状態において、Ｈ２約４８Ｍｌ／分。
Ｋ．実施例１においては、消費されるエネルギーは、触媒の過熱においてのみである。したがって、プロセスはエネルギー効率が良い。
【００４１】
図３は、触媒５６（図２）としてＮｉ５４Ｃｕ２７Ａｌを使用してマイクロ波加熱によって誘起されるＣＨ４転換の結果を示す。実施例１は、持続的なプロセスであった。図３においては、時間単位（ｈ）での反応時間は、プロセスが実施された時間の長さを意味する。
【００４２】
図３においては、３つの個別のグラフがある。下段のグラフは、ｘ軸の時間単位での反応時間に対して、ｙ軸にＣＨ４の転換率“Ｘ％”（体積百分率として表される）をプロットしている。中段のグラフは、ｘ軸の時間単位での反応時間に対して、ｙ軸にＨ２の含有量“Ｃ％”（体積百分率として表される）をプロットしている。上段のグラフは、ｘ軸の時間単位での反応時間に対して、ｙ軸に固体炭素量（固体Ｃ（ｇ））（グラムとして表される）をプロットしている。
【００４３】
［実施例２］
実施例２は、触媒がＮｉ５４Ｃｕ２７ＡｌではなくＮｉ８１Ａｌを含むことを除いて、上記の実施例１で概説されたのと同一の状態を使用して実施された。
【００４４】
図４は、触媒５６（図２）としてＮｉ８１Ａｌを使用してマイクロ波加熱によって誘起されるＣＨ４転換の結果を説明する。実施例２は、持続的なプロセスであった。図４においては、時間単位（ｈ）での反応時間はプロセスが実施された時間の長さを意味する。
【００４５】
図４において、個別の３つのグラフがある。下段のグラフは、ｘ軸の時間単位での反応時間に対して、ｙ軸にＣＨ４の転換率“Ｘ％”（体積百分率として表される）をプロットしている。中段のグラフは、ｘ軸の時間単位での反応時間に対して、ｙ軸にＨ２の含有量“Ｃ％”（体積百分率として表される）をプロットしている。上段のグラフは、ｘ軸の時間単位での反応時間に対して、ｙ軸に固体炭素量（固体Ｃ（ｇ））（グラムとして表される）をプロットしている。
【００４６】
これら２つの実施例から、Ｈ２を体積として３０％含有する生成ガスは、Ｎｉ５４Ｃｕ２７Ａｌ触媒をマイクロ波加熱することによって、持続的かつ安定して生成されうることが究明された。Ｈ２を体積として２０％含有する生成ガスは、Ｎｉ８１Ａｌ触媒をマイクロ波加熱することによって、持続的かつ安定して生成されうる。
【００４７】
［純粋な水素を生成するための別の実施形態］
本方法の別の実施形態は、実質的に純粋な形で水素を回収するため、生成ガスを更に処理する更なるステップを含む。純粋な水素を回収するための一つの方法は、多孔性金属、或いはセラミック基板上にコーティングされたＰｄ／Ａｇ薄膜を介して、真空下において、生成ガスを流すことである。ＷｉｌｌｍｓらによるＵＳ  Ｐａｔｅｎｔ  Ｎｏ．６１６５４３８は、本明細書に参照によって組み入れられているが、炭化水素を含有するガスから水素を回収するための装置及び方法を開示している。
【００４８】
このように、本開示は、水素富化燃料を生成するための改良された方法及びシステムを開示する。本記述は、特定の望ましい実施形態に関してなされてきたが、以下の請求項の範囲から逸脱することなく、若干の変形及び改変がなされうることが当業者にとって明らかであろう。
【図２】
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【図１】
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【図３】
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【図４】
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【手続補正書】
【提出日】平成21年9月10日(2009.9.10)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４０】
［実施例１］
前述された方法（図１）及び、前述されたシステム１０（図２）を使用して、ＣＨ４及びＨ２を含む水素富化燃料は以下の状態下において生成された。
Ａ．純粋なメタンガス（純度９９．７％）が、反応器１２（図２）へとメタン供給管２８を介して供給された。
Ｂ．メタン流速（すなわち、図１においては選択された流速）：１２０ｍｌ／分。
Ｃ．触媒５６（図２）：Ｎｉ５４Ｃｕ２７Ａｌ。
Ｄ．触媒５６（図２）は、最初にマイクロ波電力１６０Ｗで、Ｈ２プラズマにおいて数分間還元された。触媒５６（図２）を還元するため、Ｈ２ガス流が水素供給管３８（図２）を介して反応チャンバー２２（図２）へと供給され、プラズマを生成するため、マイクロ波発振器１４（図２）からマイクロ波エネルギーを照射された。
Ｅ．反応圧：大気圧（１ａｔｍ）。
Ｆ．生成物（水素富化燃料）：反応ＣＨ４＝Ｃ＋２Ｈ２によって、Ｈ２、固体炭素Ｃ及び未反応ＣＨ４。ＳＥＭ（走査電子顕微鏡法）による固体炭素の画像は、炭素はカーボンブラックよりもむしろ繊維状炭素の形であることを実証している。更に、繊維状炭素は、他の用途に使用されることが可能な、有用な副産物である。
Ｇ．触媒へと適用されたマイクロ波電力：２５０Ｗ。
Ｈ．メタン転換：約２０％。
Ｉ．未反応メタン：約８０％。
Ｊ．生成速度：安定状態において、Ｈ２約４８Ｍｌ／分。
Ｋ．実施例１においては、消費されるエネルギーは、触媒の過熱においてのみである。したがって、プロセスはエネルギー効率が良い。
【国際調査報告】
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