(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素または水素同位体を構成成分とする炭化水素から水素または水素同位体を分離させるための材料であって、その基本組成がＴｉ１−ｘＺｒｘＮｉｙからなり、ｘが０≦ｘ＜０．７、ｙが０．４≦ｙ≦３の範囲にあることを特徴とする炭化水素分解材料。
【請求項２】
炭化水素を含むガスを移送するガス移送路と、該ガス移送路が連結され該ガス移送路を通して導入されたガスから水素を分離して該水素と残ガスとを分別する水素分離器と、該水素分離器の水素ガス排出側に接続され、該水素分離器から排出された水素を回収する水素回収器と、前記水素分離器の残ガス排出側に接続され、水素または水素同位体を構成成分とする炭化水素から水素または水素同位体を分離させるための材料であって基本組成がＴｉ１−ｘＺｒｘＮｉｙからなり、ｘが０≦ｘ＜０．７、ｙが０．４≦ｙ≦３の範囲にある炭化水素分解材料または基本組成がＣａ１Ｎｉｚからなり、ｚが１≦ｚ≦６の範囲にある炭化水素分解材料を収容して、該材料の機能によって該残ガス中の炭化水素を分解して水素を分離し、その水素及びその他のガスを排出する炭化水素分解反応器と、該炭化水素分解反応器のガス排出側に一端側が接続され、他端側が上記水素分離器のガス導入側に接続されたガス返送路とを備えていることを特徴とする炭化水素分解装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用技術】
この発明は、炭化水素を構成する成分である水素または水素同位体を該炭化水素から分離させる炭化水素分解材料及びこの炭化水素分解材料を用いた炭化水素分解装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
核融合炉においては、核融合材料であり放射性物質でもあるトリチウムと炉材との反応により、様々なガスが発生し、その処分のために様々な手段が講じられている。特に炉材の一部に使われる炭素とトリチウムが反応して生成されるメタン、エタン等の炭化水素は、放射性物質として処分に苦慮しているのが実情である。従来は、核融合炉から発生する、トリチウム化したメタンやエタンは、分子吸着材料を用いた回収や水蒸気改質のように高温蒸気と反応させてメタノールとして液体化して回収し、その後、放射性廃棄物として処分することが考えられている。
また、地球上では様々な有機物の分解によってメタンガスが多量に発生しており、将来石油等の化石燃料が枯渇した場合の燃料候補として期待が持たれている。しかし、メタンの状態では燃焼させて使用する用途しか期待できないため、利用に先立ってメタンを分解し、それによって得られる水素を利用することによって燃料とするだけでなく、様々な形態のエネルギーとして利用することが考えられている。産業用としてのメタンの分解は、上記した核融合分野と同様に水蒸気改質による方法が一般的である。この場合、水蒸気改質の方法としては、触媒を用いて高温高圧の水蒸気と反応させ、水素と一酸化炭素（ＣＯ）とに分解させている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、核融合炉から発生する、トリチウム化したメタンやエタンを吸着材を用いて回収するにしろ、蒸気改質によりメタノールやエタノールにして液化して回収するにしろ、これらの方法ではいずれも放射性廃棄物が多量に発生する。現在原子力分野においては多量の放射性廃棄物が発生しその貯蔵施設が満杯になりつつあり、その処分に苦慮しているのが実情であり、核融合分野においてもできるだけ放射性廃棄物を排出しないような方法を探って行かなければならない。
また、産業用のメタンの分解においても、水蒸気改質に際し高温高圧に耐える非常に大きな反応容器が必要になることと、副生ガスとして猛毒のＣＯが排出され、これを無毒化するために酸化してＣＯ２に変換するための余分なプロセスも必要になる。さらに、ＣＯ２はそのまま大気中に排出せざるを得ず、現在問題となっている地球温暖化の原因とされる大気中ＣＯ２濃度を高める結果にもつながる。
【０００４】
本発明は上記事情を背景としてなされたものであり、触媒として炭化水素から水素または水素同位体を効率的に分離させることができる炭化水素分解材料及びこの材料を用いた炭化水素分解装置を提供することを目的とし、特に核融合の分野では核融合炉から発生するトリチウム化したメタンやエタン等の炭化水素からトリチウムを分離回収することを可能にし、また、産業用のメタンの分解の分野では、高圧用の大掛かりな反応容器を必要とすることなく常圧でも水素を分離することを可能にする材料及びこの材料を用いた装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため本発明の炭化水素分解材料のうち第１の発明は、水素または水素同位体を構成成分とする炭化水素から水素または水素同位体を分離させるための材料及びこの材料を用いた装置であって、その基本組成がＴｉ１−ｘＺｒｘＮｉｙからなり、ｘが０≦ｘ＜０．７、ｙが０．４≦ｙ≦３の範囲にあることを特徴とする。
【０００７】
また、本発明の炭化水素分解装置は、炭化水素を含むガスを移送するガス移送路と、該ガス移送路が連結され該ガス移送路を通して導入されたガスから水素を分離して該水素と残ガスとを分別する水素分離器と、該水素分離器の水素ガス排出側に接続され、該水素分離器から排出された水素を回収する水素回収器と、前記水素分離器の残ガス排出側に接続され、水素または水素同位体を構成成分とする炭化水素から水素または水素同位体を分離させるための材料であって基本組成がＴｉ１−ｘＺｒｘＮｉｙからなり、ｘが０≦ｘ＜０．７、ｙが０．４≦ｙ≦３の範囲にある炭化水素分解材料または基本組成がＣａ１Ｎｉｚからなり、ｚが１≦ｚ≦６の範囲にある炭化水素分解材料を収容して、該材料の機能によって該残ガス中の炭化水素を分解して水素を分離し、その水素及びその他のガスを排出する炭化水素分解反応器と、該炭化水素分解反応器のガス排出側に一端側が接続され、他端側が上記水素分離器のガス導入側に接続されたガス返送路とを備えていることを特徴とする。
【０００８】
【発明の実施形態】
本発明の炭化水素分解材料は常法により製造することができ、本発明範囲の組成に調整して溶製する。本発明はＴｉ、Ｚｒによって構成されており、これら成分が適切な量比を有する組成において優れた特性を発揮する。
すなわち、本発明によれば、メタンやエタン等の炭化水素を直接水素と炭素とに高効率で分解することができる。この理由としては、合金表面において炭化水素が解離し、得られた水素原子が本発明の材料中に透過することによって水素と炭素の再結合が阻止されるために起こるものと考えられる。さらに本発明材料が必須の元素とする、Ｔｉは、炭素と結合しやすく、炭素が合金表面のこれらの金属点に吸着される力が強いことから、水素と炭素との再結合を防いでいることも一つ要因となっているものと考えられる。これらによって、単に炭化水素の熱分解温度が必要とされ、より低温での分解が可能となる。これらの作用は、上記元素以外に、Ｚｒ、Ｌａ、Ｈｆ等の材料においても多少は認められるが、本発明材料に必須元素である、Ｔｉにおいて顕著な作用が認められる。また、Ｔｉの一部をＺｒで置換することによっても同様の作用が得られる。
ここで、Ｔｉの一部をＺｒ（量比ｘ）で置換する際のｘの限定理由は以下のとおりである。すなわち、Ｔｉの一部をＺｒで置換することによりＴｉＮｉの特性を損なうことなくＴｉＮｉと同様の作用が得られる。しかし、置換量ｘが大きくなりすぎると、分解反応効率が置換量とともに低下するため、上限を０．７未満とする。なお、同様の理由で上限を０．５とするのが一層望ましい。
【０００９】
さらに、合金中にＮｉを含有させることによって、分解の効率が高まるとともに、合金の寿命が向上することがわかった。これは、Ｎｉが非常に安定な元素であるとともに触媒作用もあることから、分解材料が炭素と化合物を形成をすることを阻止し、さらに触媒作用によって炭化水素の分解を助長させるためと思われる。
ここで、Ｎｉの構成比であるｙまたはｚの限定理由は以下のとおりである。すなわち、Ｎｉが多すぎると分解した水素を分解材料内に取り込む量、あるいは速度が遅くなり、それによって炭化水素の分解効率が低下する。またこの効率を高めようとすると反応温度を高くしなければならなくなる。一方、Ｎｉが少ないと合金中のＣａ、Ｔｉ、Ｚｒ等と炭素との反応が進み、炭化物を形成しやすくなって、合金中のこれらの金属元素の消費が進むとともに寿命が低下してくる。
したがってＮｉの量比ｙ、ｚを適切な範囲に限定する必要があるが、その量はＮｉとともに分解材料を構成する他成分の種別によって異なってくる。すなわち、ＮｉとＴｉ（Ｚｒによる一部置換を含む）を基本成分とする場合には、上記理由により量比の下限は０．４、上限は３とする必要がある。なお、同様の理由で下限を０．５、上限を２とするのが望ましい。また、ＮｉとＣａを基本組成とする場合には、上記理由により量比の下限は１、上限は６とする必要がある。なお、同様の理由で下限を２、上限を５とするのが望ましい。
【００１０】
本発明の炭化水素分解材料は、固形、粉末等の適宜の形態で使用することができ、炭化水素との接触により上記作用を果たすことができる。なお、本発明材料の使用方法は特に限定されるものではなく、適宜の設備、使用条件において使用することができる。本発明の分解材料を使用すれば、炭化水素を分解させるための温度を比較的低くすることができ、また常圧環境で分解することができる。
すなわち炭化水素の分解を本発明材料を用いた直接反応により行うことができ、白金系の高価な触媒がいらなくなること、これらの触媒を使わない場合でも反応温度を低下させることができ、装置の簡略化が期待される。また、常圧での分解が可能となり、高圧用の大掛かりな反応容器が不必要となる。ただし、本発明としては、使用温度、雰囲気圧力が上記に限定されるものではないことは勿論である。
【００１１】
さらに、本発明の分解材料では炭化水素を直接分解させることから水素を有効に利用することができ、核融合の分野では、トリチウムを再び核融合炉の燃料系にリサイクルさせることができ、燃料効率も向上し、さらに放射性廃棄物を一切排出することもない。さらに、炭素成分を炭素の形で回収することができることから、メタン等の産業用炭化水素の分解において二酸化炭素の排出もなくすることが可能となる。
なお、本発明の適用は、上記したように核融合分野や産業用メタンの分解に好適であるが、本発明の適用分野はこれらに限定されるものではなく、炭化水素から水素または水素同位体を分離させるあらゆる分野に適用が可能である。
【００１２】
上記分解材料の使用方法については特に限定されるものではなく、例えば、密閉容器に上記分解材料を収容し、この容器内に炭化水素を含むガスを導入して、該分解材料の作用によって炭化水素を分解することができる。この容器では、容器内雰囲気を高温に保って炭化水素の分解がなされるように、ヒータ等の適宜の加熱手段を用いる。この密閉容器を分解反応器として用いた分解装置を図１に基づいて説明する。
【００１３】
ガス供給源（図示しない）に、ガス移送路としてガス移送管１が接続されており、その他端は、水素分離器であるＰｄ分離器２に接続されている。なお、該ガス移送管１の中途には、バッファ槽３、ポンプ４および加熱器５が配置、接続されている。Ｐｄ分離器２は、パラジウム触媒の作用により、導入されたガスから水素を分離するものであり、水素と残ガスとを分別して排出することができる。Ｐｄ分離器２は、水素排出部２ａと残ガス排出部２ｂとを有しており、水素排出部２ａに水素回収管８が接続され、残ガス排出部に残ガス移送管９が接続されている。なお、本発明としては、水素分離器がＰｄ分離器に限定されるものではなく、ガス中の水素を分離できるものであればよい。
【００１４】
上記水素回収管８には、その中途に冷却器１０およびポンプ１１が配置、接続されており、水素回収管８の端部側は、二方に分岐して、弁１２ａ、１２ｂを介して水素回収器１３ａ、１３ｂに接続されている。水素回収器１３ａ、１３ｂ内には、適宜の水素吸蔵材料を収容しておき、この材料に回収した水素を吸蔵させるものである。
【００１５】
一方、残ガス移送管９は、上記第１または第２の発明で説明した炭化水素分解材料を収容した分解反応器１５に接続されている。分解反応器１５では、残ガス移送管９から導入されるガスが炭化水素分解材料と接触しながら通過できるように構成されており、さらに反応器１５内部を高温に加熱するための加熱手段（図示しない）を備えている。
また、分解反応器１５のガス排出側には、ガス返送路であるガス返送管１６が接続されており、該ガス返送管１６は、加熱器５の手前位置でガス移送管１に連結されている。また、ガス返送管１６の中途には、冷却器１７、ポンプ１８、循環ガス槽１９が順次、配置、接続されており、循環ガス槽１９には、弁２０を設けた排気管２１が取り付けられている。
なお、この実施形態では、ガス返送路（ガス返送管）をガス移送管に連結したが、本発明としては、ガス分離器のガス導入側に直接接続するものであってもよい。
【００１６】
次に、上記した炭化水素分解装置の動作プロセスについて説明する。
ガス供給源から炭化水素を含むインプットガスがガス移送管１に送られると、先ず、バッファ槽３に蓄えられ、適時、ポンプ４によってＰｄ分離器２側に移送される。この際には、水素の分離を促進するため、ガスは加熱器５によって適宜の温度にまで加熱される。Ｐｄ分離器５では、導入されたガス中の水素をパラジウム膜によって吸収、分離し、この水素を水素排出部２ａに排出し、一方、炭化水素を含む残ガスは残ガス排出部２ｂに排出する。水素排出部２ａに送られた水素は、ポンプ１１の動作により水素回収管８を通して水素回収器１３ａ、１３ｂ側に移送される。この際に、水素ガスは冷却器１０で冷却され、さらに弁１２ａ、１２ｂの切換により、回収器１３ａ、１３ｂのいずれか、または両方に送られる。回収器１３ａ、１３ｂに導入された水素は、該回収器１３ａ、１３ｂ内に貯蔵され、適宜、外部に取り出して、所望の目的に利用したり、容器に収容したりすることができる。一方、Ｐｄ分離器５の残ガス排出部２ｂから排出された、その他のガスは、分解反応器１５に移送され、その内部で高温に加熱され、かつ炭化水素分解材料と接触する。この結果、炭化水素分解材料の作用によりガス中の炭化水素が分解して、水素とその他のガスになる。これらの混合ガス（分解された水素、その他のガス成分、未分解ガス）は、ポンプ１８の動作によりガス返送管１６を通して循環ガス槽１９に移送される。なお、移送の際には、冷却器１７によってガスは冷却される。循環ガス槽に収容したガスは、さらに、ガス返送管１６を通してガス移送管１へと送られ、再度、加熱器５で加熱された後、Ｐｄ分離器２へと送られる。Ｐｄ分離器２では上記と同様に、ガス中の水素が分離されて、水素回収器１３ａ、１３ｂへと移送され、残ガスは、再度、分解反応器１５へと移送される。この動作を繰り返してガスを循環させることにより、炭化水素は確実に分解され、また、分解により得られた水素が効率的に分離、回収される。上記動作を繰り返して、十分に炭化水素の分解がなされた後は、分解反応器１５から循環ガス槽１９に移送されたガスを、排気ガスとして処理する。すなわち、弁２０を開けて排気管２１を通して循環ガス槽１９内からガスを取り出して適宜の処理を行う。上記の分解装置では、例えば、排気ガス中に含まれるトリチウム量を、比においてインプットガス中のトリチウム量の１０−７以下にすることができる。
【００１７】
【実施例】
以下に、本発明の実施例を説明する。
Ｔｉ、Ｚｒとの合金を、表１に示す組成となるように配合し、これらをアーク溶解炉で溶解した。得られた合金インゴットを大気中において７０〜２００メッシュに粉砕し、約５ｇの粉末合金を分解反応容器に封入した。反応容器を４００℃にて約１時間程度真空脱ガスした後、反応容器を６００℃に保持した。炭化水素としてはメタンを用い、これをＨｅガスを用いて約１％程度に希釈し、圧力０．１ＭＰａ、流量３５ｃｃ／ｍｉｎにて分解反応容器に導入した。そして反応容器から排出されるＨｅガス中のメタン濃度、水素濃度をガスクロマトグラフにて計測し、メタンの分解量を調べ、分解材料１モルあたりのメタン分解モル量を表１に示した。
表１から明らかなように、本発明の水素吸蔵合金は、単体でのＮｉ、Ｚｒ、Ｔｉに比べ、これらを適切な量比で合金化することによって、メタンを効率よく分解することがわかった。
【００１８】
【表１】
0003822022.tif 000002
【００１９】
また、ＴｉＮｉｙおよびＣａＮｉｚについてｙ、ｚの量比を変えて上記と同様に分解材料１モルあたりのメタン分解モル量を測定し、ｙ、ｚをパラメータとしてメタン分解モル量の変化を図２に示した。
図から明らかなように、Ｎｉの量比を適切な範囲に定めることによりメタンの分解量が顕著に増大することが分かる。
【００２０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の炭化水素分解材料によれば、水素または水素同位体を構成成分とする炭化水素から水素または水素同位体を分離させるための材料であって、その基本組成がＴｉ１−ｘＺｒｘＮｉｙ（ただし、０≦ｘ＜０．７、０．４≦ｙ≦３）からなるもので、炭化水素を直接分解して水素または水素同位体を二酸化炭素、一酸化炭素等の副生物の発生を招くことなく効率よく分離することができ、水素の有効利用や水素同位体の効率的な回収が可能になる。しかも、比較的低い温度、圧力での分離が可能になるので装置の簡略化が可能になる。
【００２１】
また、本発明の炭化水素分解装置によれば、炭化水素を含むガスを移送するガス移送路と、該ガス移送路が連結され該ガス移送路を通して導入されたガスから水素を分離して該水素と残ガスとを分別する水素分離器と、該水素分離器の水素ガス排出側に接続され、該水素分離器から排出された水素を回収する水素回収器と、前記水素分離器の残ガス排出側に接続され、水素または水素同位体を構成成分とする炭化水素から水素または水素同位体を分離させるための材料であって基本組成がＴｉ１−ｘＺｒｘＮｉｙからなり、ｘが０≦ｘ＜０．７、ｙが０．４≦ｙ≦３の範囲にある炭化水素分解材料または基本組成がＣａ１Ｎｉｚからなり、ｚが１≦ｚ≦６の範囲にある炭化水素分解材料を収容して、該材料の機能によって該残ガス中の炭化水素を分解して水素を分離し、その水素及びその他のガスを排出する炭化水素分解反応器と、該炭化水素分解反応器のガス排出側に一端側が接続され、他端側が上記水素分離器のガス導入側に接続されたガス返送路とを備えているので、炭化水素を効率的かつ確実に分解して、炭化水素を構成している水素または水素同位体を効率的に回収することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の分解装置の一実施形態を示す概略図である。
【図２】  本発明の一実施例におけるＮｉ量比とメタン分解量との関係を示すグラフである。
【図１】
0003822022.tif 000003
【図２】
0003822022.tif 000004