特許 7586296 水素製造装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-11-11

(45)【発行日】2024-11-19

(54)【発明の名称】水素製造装置

(51)【国際特許分類】

   C01B 3/30 20060101AFI20241112BHJP

   B01J 8/26 20060101ALI20241112BHJP

【ＦＩ】

C01B3/30

B01J8/26

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2023508809

(86)(22)【出願日】2022-02-21

(86)【国際出願番号】 JP2022006987

(87)【国際公開番号】W WO2022202037

(87)【国際公開日】2022-09-29

【審査請求日】2023-08-29

(31)【優先権主張番号】P 2021051543

(32)【優先日】2021-03-25

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）２０１９年度 国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構「水素利用等先導研究開発事業／炭化水素等を活用した二酸化炭素を排出しない水素製造技術調査／メタンの熱分解による水素製造技術の研究開発」委託研究、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願

(73)【特許権者】

【識別番号】000000099

【氏名又は名称】株式会社ＩＨＩ

(74)【代理人】

【識別番号】110000936

【氏名又は名称】弁理士法人青海国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】宮浦 拓人

(72)【発明者】

【氏名】伊藤 隆政

(72)【発明者】

【氏名】坪井 陽介

(72)【発明者】

【氏名】劉 玉平

【審査官】廣野 知子

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１１－３５４４０５（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１１／００３３３７３（ＵＳ，Ａ１）

【文献】中国特許出願公開第１０８３２８５７３（ＣＮ，Ａ）

【文献】特表２０１４－５２０７４０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００３－２３８９７３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｃ０１Ｂ ３／００－６／３４

Ｂ０１Ｊ ８／００－８／４６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

鉄、ニッケル、銅、および、アルミニウムのうちのいずれか１または複数を含む触媒の移動層が形成される第１収容槽と、前記第１収容槽内に設けられ、熱媒体が通過する伝熱管と、を有する第１加熱炉と、
燃料を燃焼させて燃焼排ガスを生成するバーナと、前記燃焼排ガスにより、前記第１加熱炉から排出された前記触媒の流動層が形成される第２収容槽と、を有する第２加熱炉と、
炭化水素を含む原料ガスにより、前記第２加熱炉から排出された前記触媒の流動層が形成される第３収容槽を有する熱分解炉と、
を備える水素製造装置。

【請求項2】

前記熱分解炉の前記第３収容槽から排出された前記触媒と、前記熱媒体とを熱交換させる熱媒体熱交換器を備え、
前記熱媒体熱交換器によって熱交換された前記熱媒体は、前記第１加熱炉の前記伝熱管を通過する請求項１に記載の水素製造装置。

【請求項3】

前記第２加熱炉の前記バーナは、前記原料ガスを前記燃料とする請求項１または２に記載の水素製造装置。

【請求項4】

前記熱分解炉の前記第３収容槽から送出された混合ガスから水素を分離する水素分離部を備え、
前記第２加熱炉の前記バーナは、前記水素分離部によって分離された前記水素を前記燃料とする請求項１から３のいずれか１項に記載の水素製造装置。

【請求項5】

前記第２加熱炉の前記第２収容槽には、前記熱分解炉から排出された前記触媒が導かれ、
前記第２加熱炉の前記バーナは、理論空気比以下の空気で前記燃料を燃焼させる請求項１から４のいずれか１項に記載の水素製造装置。

【請求項6】

前記第２加熱炉の前記第２収容槽から送出された前記燃焼排ガス、および、前記熱分解炉の前記第３収容槽から送出された混合ガスのいずれか一方または両方のガスと、前記原料ガスとを熱交換させる原料熱交換器を備え、
前記熱分解炉の前記第３収容槽は、前記原料熱交換器によって熱交換された前記原料ガスによって前記触媒の流動層を形成する請求項１から５のいずれか１項に記載の水素製造装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、水素製造装置に関する。本出願は２０２１年３月２５日に提出された日本特許出願第２０２１－０５１５４３号に基づく優先権の利益を主張するものであり、その内容は本出願に援用される。

【背景技術】

【0002】

水素を製造する技術として、メタン等の炭化水素を水蒸気改質する技術が知られている。しかし、炭化水素の水蒸気改質は、水素の製造過程で二酸化炭素が生じてしまう。そこで、炭化水素を熱分解して、炭素を固体として生成することで、二酸化炭素を排出することなく水素を製造することが考えられる。

【0003】

炭化水素を熱分解する技術として、反応炉と、原料ガス供給源と、反応炉の外部に設けられる加熱部とを備える装置が開示されている（例えば、特許文献１）、反応炉は、触媒を収容する。原料ガス供給源は、反応炉に炭化水素を供給する。加熱部は、反応炉の周囲に設けられ、反応炉内を加熱する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特許第５８６２５５９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

炭化水素の熱分解反応は、触媒を用いることによって８００℃以上で効率よく進行する。しかし、炭化水素の熱分解反応は吸熱反応であるため、外部から熱を供給する必要がある。このため、上記特許文献１のような反応炉を外部から加熱する技術において、反応炉の内部を８００℃以上にするためには、反応炉の炉壁を１０００℃以上に加熱する必要がある。そうすると、１０００℃以上の耐熱性を有する材料で反応炉を構成しなければならず、反応炉に要するコストが高くなってしまうという課題がある。

【0006】

そこで、本開示は、このような課題に鑑み、炭化水素を低コストで熱分解させることが可能な水素製造装置を提供することを目的としている。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記課題を解決するために、本開示の一態様に係る水素製造装置は、鉄、ニッケル、銅、および、アルミニウムのうちのいずれか１または複数を含む触媒の移動層が形成される第１収容槽と、第１収容槽内に設けられ、熱媒体が通過する伝熱管と、を有する第１加熱炉と、燃料を燃焼させて燃焼排ガスを生成するバーナと、燃焼排ガスにより、第１加熱炉から排出された触媒の流動層が形成される第２収容槽と、を有する第２加熱炉と、炭化水素を含む原料ガスにより、第２加熱炉から排出された触媒の流動層が形成される第３収容槽を有する熱分解炉と、を備える。

【0008】

また、上記水素製造装置は、熱分解炉の第３収容槽から排出された触媒と、熱媒体とを熱交換させる熱媒体熱交換器を備え、熱媒体熱交換器によって熱交換された熱媒体は、第１加熱炉の伝熱管を通過してもよい。

【0009】

また、第２加熱炉のバーナは、原料ガスを燃料としてもよい。

【0010】

また、上記水素製造装置は、熱分解炉の第３収容槽から送出された混合ガスから水素を分離する水素分離部を備え、第２加熱炉のバーナは、水素分離部によって分離された水素を燃料としてもよい。

【0011】

また、第２加熱炉の第２収容槽には、熱分解炉から排出された触媒が導かれ、第２加熱炉のバーナは、理論空気比以下の空気で燃料を燃焼させてもよい。

【0012】

また、上記水素製造装置は、第２加熱炉の第２収容槽から送出された燃焼排ガス、および、熱分解炉の第３収容槽から送出された混合ガスのいずれか一方または両方のガスと、原料ガスとを熱交換させる原料熱交換器を備え、熱分解炉の第３収容槽は、原料熱交換器によって熱交換された原料ガスによって触媒の流動層を形成してもよい。

【発明の効果】

【0013】

本開示によれば、炭化水素を低コストで熱分解させることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】図１は、実施形態に係る水素製造装置を説明する図である。

【図2】図２は、第１加熱炉および第２加熱炉を説明する図である。

【図3】図３は、熱分解炉および熱媒体熱交換器を説明する図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下に添付図面を参照しながら、本開示の実施形態について詳細に説明する。実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本開示を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。また本開示に直接関係のない要素は図示を省略する。

【0016】

［水素製造装置１００］
図１は、本実施形態に係る水素製造装置１００を説明する図である。なお、図１中、実線の矢印は、固体（固形物）の流れを示す。図１中、一点鎖線の矢印は、固気混合物の流れを示す。図１中、破線の矢印は、気体の流れを示す。

【0017】

図１に示すように、水素製造装置１００は、第１加熱炉１１０と、第２加熱炉１２０と、第１サイクロン１３０と、第１原料熱交換器１３２（原料熱交換器）と、空気熱交換器１３４と、熱分解炉１４０と、第２サイクロン１５０と、第２原料熱交換器１５２（原料熱交換器）と、水素分離部１５４と、熱媒体熱交換器１６０と、第３サイクロン１７０とを含む。

【0018】

第１加熱炉１１０は、常温（例えば、２５℃）の触媒ＣＡＴを、例えば４００℃程度に加熱する。触媒ＣＡＴは、下記式（１）で示す熱分解反応を促進する触媒である。
ＣＨ_４ →Ｃ ＋ ２Ｈ_２ …式（１）
触媒ＣＡＴは、鉄、ニッケル、銅、および、アルミニウムのうちのいずれか１または複数で構成される。本実施形態において、触媒ＣＡＴは、天然鉱物であり、例えば、鉄鉱石である。なお、触媒ＣＡＴは、銅、および、アルミニウムのうちのいずれか１または複数を含んでいれば、天然鉱物でなくてもよい。触媒ＣＡＴの粒径は、例えば、５０μｍ以上１０００μｍ以下であり、好ましくは、１００μｍ以上３００μｍ以下である。

【0019】

第２加熱炉１２０は、第１加熱炉１１０によって加熱された触媒ＣＡＴ（４００℃程度）をさらに加熱して、例えば９００℃程度とする。第１サイクロン１３０は、触媒ＣＡＴと燃焼排ガスＥＸとの固気混合物ＳＧ１を固気分離する。固気混合物ＳＧ１は、第２加熱炉１２０において生じたものである。第１原料熱交換器１３２は、第１サイクロン１３０によって分離された燃焼排ガスＥＸと、後述する原料ガスＧＧとを熱交換する。空気熱交換器１３４は、第１サイクロン１３０によって分離された燃焼排ガスＥＸと、空気とを熱交換する。

【0020】

熱分解炉１４０は、第２加熱炉１２０によって加熱された触媒ＣＡＴ（９００℃程度）と、原料ガスＧＧとを接触させ、上記式（１）の熱分解反応を進行させる。原料ガスＧＧは、少なくとも炭化水素（例えば、メタン）を含む。原料ガスＧＧは、例えば、液化天然ガス（ＬＮＧ）である。

【0021】

第２サイクロン１５０は、固体炭素が付着した触媒（以下、「付着触媒ＣＣＡＴ」という場合がある）と、水素（Ｈ_２）および原料ガスＧＧとの固気混合物ＳＧ２を固気分離する。固気混合物ＳＧ２は、熱分解炉１４０において生じたものである。第２原料熱交換器１５２は、第２サイクロン１５０によって分離された混合ガスＭＧ（水素および原料ガスＧＧ）と、原料ガスＧＧとを熱交換する。水素分離部１５４は、混合ガスＭＧを、水素と原料ガスとに分離する。

【0022】

熱媒体熱交換器１６０は、熱分解炉１４０から排出された付着触媒ＣＣＡＴと、熱媒体とを熱交換する。第３サイクロン１７０は、付着触媒ＣＣＡＴと空気との固気混合物ＳＧ３を固気分離する。固気混合物ＳＧ３は、熱媒体熱交換器１６０から排出されたものである。

【0023】

以下、第１加熱炉１１０、第２加熱炉１２０、熱分解炉１４０、および、熱媒体熱交換器１６０について詳述する。

【0024】

［第１加熱炉１１０、第２加熱炉１２０］
図２は、本実施形態に係る第１加熱炉１１０および第２加熱炉１２０を説明する図である。なお、図２中、実線の矢印は固体（固形物）の流れを示す。図２中、一点鎖線の矢印は、固気混合物の流れを示す。図２中、破線の矢印は、気体の流れを示す。

【0025】

図２に示すように、第１加熱炉１１０は、第１収容槽１１２と、伝熱管１１４とを含む。第１収容槽１１２は、触媒ＣＡＴの移動層が形成される容器である。第１収容槽１１２の上部には、導入口１１２ａが形成される。第１収容槽１１２の下部には、排出口１１２ｂが形成される。触媒ＣＡＴは、導入口１１２ａを通じて、第１収容槽１１２内に導かれる。第１収容槽１１２内の触媒ＣＡＴは、排出口１１２ｂを通じて、第１収容槽１１２から排出される。したがって、触媒ＣＡＴは、第１収容槽１１２内を上部から下部へ自重で移動する。これにより、第１収容槽１１２内において触媒ＣＡＴの移動層が形成される。なお、移動層は、重力によって固体粒子を降下させる状態をいう。

【0026】

伝熱管１１４は、第１収容槽１１２内に設けられる。伝熱管１１４は、熱媒体が通過する管である。本実施形態において、熱媒体は、水蒸気ＳＴである。また、伝熱管１１４には、後述する熱媒体熱交換器１６０によって生成された水蒸気ＳＴが導かれる。伝熱管１１４内における水蒸気ＳＴの通過過程において、伝熱管１１４を構成する隔壁を介して、水蒸気ＳＴと触媒ＣＡＴとの間で熱交換が行われる。これにより、触媒ＣＡＴは、４００℃程度まで加熱される。

【0027】

第１加熱炉１１０によって加熱された触媒ＣＡＴは、排出口１１２ｂに接続された配管１１６を通じて、第２加熱炉１２０に導かれる。配管１１６は、第１収容槽１１２の排出口１１２ｂと、第２収容槽２１０の導入口２１２ａとを接続する。

【0028】

［第２加熱炉１２０］
第２加熱炉１２０は、例えば、気泡流動層（バブリング流動層）炉である。なお、流動層は、上向きに流体を噴出させることによって、固体粒子を流体中に懸濁浮遊させた状態をいう。流動層において、固体粒子に働く流体の力と重力とがつりあい、流動層は、全体が均一な流体のような挙動を示す。第２加熱炉１２０は、第１加熱炉１１０から導かれた触媒ＣＡＴを燃焼排ガスＥＸによって流動化する。

【0029】

図２に示すように、第２加熱炉１２０は、第２収容槽２１０と、燃焼排ガス供給部２２０とを含む。

【0030】

第２収容槽２１０は、第１加熱炉１１０から排出された触媒ＣＡＴの流動層Ｒが形成される容器である。第２収容槽２１０の一方の側壁には、導入口２１２ａが設けられる。第２収容槽２１０の他方の側壁には、排出口２１２ｂが設けられる。また、第２収容槽２１０の上面には、排出口２１２ｃが設けられる。導入口２１２ａには、上記配管１１６が接続される。排出口２１２ｂには、配管２０２が接続される。配管２０２は、第２収容槽２１０の排出口２１２ｂと、後述する熱分解炉１４０の第３収容槽３１０の導入口３１２ａとを接続する。排出口２１２ｃには、配管２０４が接続される。配管２０４は、排出口２１２ｃと、第１サイクロン１３０とを接続する。また、第２収容槽２１０の底面は、通気可能な分散板２１４で構成される。

【0031】

燃焼排ガス供給部２２０は、第２収容槽２１０の下部から燃焼排ガスＥＸを供給する。本実施形態において、燃焼排ガス供給部２２０は、コンプレッサ２２２と、コンプレッサ２２４と、バーナ２２６と、風箱２２８とを含む。

【0032】

コンプレッサ２２２は、燃料ガスＦＧ（例えば、メタン）をバーナ２２６に供給する。コンプレッサ２２２の吸入側は、燃料供給管２２２ａを通じて、燃料ガスＦＧの供給源に接続される。コンプレッサ２２２の吐出側は、燃料送出管２２２ｂを通じて、バーナ２２６に接続される。なお、燃料ガスＦＧは、原料ガスＧＧであってもよい。

【0033】

コンプレッサ２２４は、空気をバーナ２２６に供給する。コンプレッサ２２４の吸入側は、空気供給管２２４ａを通じて、空気の供給源に接続される。コンプレッサ２２４の吐出側は、空気送出管２２４ｂを通じて、バーナ２２６に接続される。

【0034】

バーナ２２６は、燃料ガスＦＧを燃焼させて燃焼排ガスＥＸを生成する。バーナ２２６によって生成された燃焼排ガスＥＸ（例えば、９００℃超）は、風箱２２８に供給される。

【0035】

風箱２２８は、第２収容槽２１０の下方に設けられる。風箱２２８の上部は、分散板２１４で構成されている。換言すれば、分散板２１４は、第２収容槽２１０と風箱２２８とを区画する。バーナ２２６から風箱２２８に供給された燃焼排ガスＥＸは、第２収容槽２１０の底面（分散板２１４）から当該第２収容槽２１０内に供給される。

【0036】

したがって、導入口２１２ａを通じて第１加熱炉１１０から導入された触媒ＣＡＴは、燃焼排ガスＥＸによって流動化し、第２収容槽２１０内において流動層Ｒ（気泡流動層）が形成される。また、第２収容槽２１０内において、触媒ＣＡＴと、燃焼排ガスＥＸとが接触することにより、触媒ＣＡＴと燃焼排ガスＥＸとで熱交換が為される。これにより、第２加熱炉１２０は、触媒ＣＡＴを例えば９００℃程度まで加熱する。

【0037】

こうして、加熱された触媒ＣＡＴは、排出口２１２ｂ、配管２０２を通じて、熱分解炉１４０に導かれる。

【0038】

また、触媒ＣＡＴを加熱した後の燃焼排ガスＥＸは、一部の触媒ＣＡＴとともに、排出口２１２ｃ、配管２０４を通じて、第１サイクロン１３０に導かれる。上記したように、第１サイクロン１３０は、触媒ＣＡＴと燃焼排ガスＥＸとを含む固気混合物ＳＧ１を固気分離する。第１サイクロン１３０によって分離された触媒ＣＡＴは、第１加熱炉１１０に返送される。

【0039】

第１原料熱交換器１３２は、第１サイクロン１３０によって分離された燃焼排ガスＥＸと、原料ガスＧＧとを熱交換させる。第１原料熱交換器１３２は、第２原料熱交換器１５２によって熱交換された原料ガスＧＧと、燃焼排ガスＥＸとを熱交換する。これにより、原料ガスＧＧは加熱され、燃焼排ガスＥＸは徐熱される。第１原料熱交換器１３２によって加熱された原料ガスＧＧは、後述する熱分解炉１４０に供給される。一方、徐熱された燃焼排ガスＥＸは、空気熱交換器１３４に導かれる。

【0040】

空気熱交換器１３４は、第１原料熱交換器１３２によって熱交換された後の燃焼排ガスＥＸと、空気とを熱交換する。これにより、空気は加熱され、燃焼排ガスＥＸは徐熱される。加熱された空気は、燃料ガスＦＧとしてバーナ２２６に供給される。また、徐熱された燃焼排ガスＥＸは、バーナ２２６に供給される。

【0041】

［熱分解炉１４０］
図３は、本実施形態に係る熱分解炉１４０および熱媒体熱交換器１６０を説明する図である。なお、図３中、実線の矢印は固体（固形物）および液体の流れを示す。図３中、一点鎖線の矢印は、固気混合物の流れを示す。図３中、破線の矢印は、気体の流れを示す。

【0042】

熱分解炉１４０は、例えば、気泡流動層（バブリング流動層）炉である。熱分解炉１４０は、第２加熱炉１２０から導かれた触媒ＣＡＴを原料ガスＧＧによって流動化する。図３に示すように、熱分解炉１４０は、第３収容槽３１０と、原料ガス供給部３２０とを含む。

【0043】

第３収容槽３１０は、第２加熱炉１２０から排出された触媒ＣＡＴの流動層Ｒを形成される容器である。

【0044】

第３収容槽３１０の一方の側壁には、導入口３１２ａが設けられる。第３収容槽３１０の他方の側壁には、排出口３１２ｂが設けられる。また、第３収容槽３１０の上面には、排出口３１２ｃが設けられる。導入口３１２ａには、上記配管２０２が接続される。排出口３１２ｂには、配管３０２が接続される。配管３０２は、第３収容槽３１０の排出口３１２ｂと、後述する熱媒体熱交換器１６０の第４収容槽４１０の導入口４１２ａとを接続する。排出口３１２ｃには、配管３０４が接続される。配管３０４は、排出口３１２ｃと、第２サイクロン１５０とを接続する。また、第３収容槽３１０の底面は、通気可能な分散板３１４で構成される。

【0045】

原料ガス供給部３２０は、第３収容槽３１０の下部から原料ガスＧＧを供給する。本実施形態において、原料ガス供給部３２０は、コンプレッサ３２２と、風箱３２４とを含む。

【0046】

コンプレッサ３２２は、原料ガスＧＧを風箱３２４に供給する。本実施形態において、コンプレッサ３２２は、第２原料熱交換器１５２および第１原料熱交換器１３２によって熱交換された原料ガスＧＧを風箱３２４に供給する。コンプレッサ３２２の吸入側は、原料ガス供給管３２２ａを通じて、原料ガスＧＧの供給源に接続される。コンプレッサ３２２の吐出側は、原料ガス送出管３２２ｂを通じて、風箱３２４に接続される。

【0047】

なお、第２原料熱交換器１５２は、原料ガス供給管３２２ａを通過する原料ガスＧＧと、混合ガスＭＧとを熱交換する。原料ガス供給管３２２ａを通過する原料ガスＧＧは、供給源から原料ガス供給管３２２ａに供給されたものである。また、第１原料熱交換器１３２は、原料ガス供給管３２２ａを通過する原料ガスＧＧと、燃焼排ガスＥＸとを熱交換する。原料ガス供給管３２２ａを通過する原料ガスＧＧは、第２原料熱交換器１５２によって熱交換された後の原料ガスＧＧである。

【0048】

風箱３２４は、第３収容槽３１０の下方に設けられる。風箱３２４の上部は、分散板３１４で構成されている。換言すれば、分散板３１４は、第３収容槽３１０と風箱３２４とを区画する。コンプレッサ３２２から風箱３２４に供給された原料ガスＧＧは、第３収容槽３１０の底面（分散板３１４）から第３収容槽３１０内に供給される。

【0049】

したがって、導入口３１２ａを通じて第２加熱炉１２０から導入された高温（例えば、９００℃程度）の触媒ＣＡＴは、原料ガスＧＧによって流動化し、第３収容槽３１０内において流動層Ｒ（気泡流動層）が形成される。また、熱分解炉１４０は、流動層Ｒ（触媒ＣＡＴ）が有する熱で、原料ガスＧＧを熱分解する。つまり、第３収容槽３１０内において、上記式（１）に示す熱分解反応が進行する。

【0050】

こうして、熱分解炉１４０において、水素および未反応の原料ガスＧＧを含む混合ガスＭＧと、付着触媒ＣＣＡＴとを含む固気混合物ＳＧ２が生成される。熱分解炉１４０で生成された固気混合物ＳＧ２は、排出口３１２ｃ、配管３０４を通じて、第２サイクロン１５０に導かれる。上記したように、第２サイクロン１５０は、固気混合物ＳＧ２を固気分離する。第２サイクロン１５０によって分離された付着触媒ＣＣＡＴは、後段の固体炭素利用設備に送出される。固体炭素利用設備は、例えば、カーボンナノチューブ、カーボンブラック、または、黒鉛を利用する設備、建築材として固体炭素を利用する設備、道路の舗装材として固体炭素を利用する設備、固体炭素を貯留する設備である。

【0051】

第２原料熱交換器１５２は、第２サイクロン１５０によって分離された混合ガスＭＧと、原料ガスＧＧとを熱交換させる。第２原料熱交換器１５２は、供給源から供給される原料ガスＧＧと、混合ガスＭＧとを熱交換する。これにより、原料ガスＧＧが加熱され、混合ガスＭＧが徐熱される。第２原料熱交換器１５２によって加熱された原料ガスＧＧは、第１原料熱交換器１３２によってさらに加熱された後、熱分解炉１４０に供給される。一方、徐熱された混合ガスＭＧは、水素分離部１５４に導かれる。

【0052】

水素分離部１５４は、混合ガスＭＧガスから水素を分離する。水素分離部１５４は、例えば、圧力スイング吸着（ＰＳＡ：Pressure Swing Adsorption）を利用した装置、または、深冷分離装置である。水素分離部１５４によって分離された水素は、後段の水素利用設備に送出される。また、水素分離部１５４によって水素が取り除かれることで生成される未反応の原料ガスＧＧは、原料ガス供給管３２２ａを通過する原料ガスＧＧ（例えば、第２原料熱交換器１５２によって熱交換される前の原料ガスＧＧ）に合流される。

【0053】

［熱媒体熱交換器１６０］
熱媒体熱交換器１６０は、熱分解炉１４０から導かれた付着触媒ＣＣＡＴの熱を回収する。図３に示すように、本実施形態に係る熱媒体熱交換器１６０は、第４収容槽４１０と、空気供給部４２０と、伝熱管４３０と、ポンプ４３２とを含む。

【0054】

第４収容槽４１０は、熱分解炉１４０から排出された付着触媒ＣＣＡＴの流動層Ｒを形成される容器である。

【0055】

第４収容槽４１０の一方の側壁には、導入口４１２ａが設けられる。また、第４収容槽４１０の上面には、排出口４１２ｂが設けられる。導入口４１２ａには、上記配管３０２が接続される。排出口４１２ｂには、配管４０４が接続される。配管４０４は、排出口４１２ｂと、第３サイクロン１７０とを接続する。また、第４収容槽４１０の底面は、通気可能な分散板４１４で構成される。

【0056】

空気供給部４２０は、第４収容槽４１０の下部から空気を供給する。本実施形態において、空気供給部４２０は、コンプレッサ４２２と、風箱４２４とを含む。

【0057】

コンプレッサ４２２は、空気を風箱４２４に供給する。コンプレッサ４２２の吸入側は、空気供給管４２２ａを通じて、空気の供給源に接続される。コンプレッサ４２２の吐出側は、空気送出管４２２ｂを通じて、風箱４２４に接続される。

【0058】

風箱４２４は、第４収容槽４１０の下方に設けられる。風箱４２４の上部は、分散板４１４で構成されている。換言すれば、分散板４１４は、第４収容槽４１０と風箱４２４とを区画する。コンプレッサ４２２から風箱４２４に供給された空気は、第４収容槽４１０の底面（分散板４１４）から第４収容槽４１０内に供給される。

【0059】

したがって、導入口４１２ａを通じて熱分解炉１４０から導入された高温（例えば、５００℃程度）の付着触媒ＣＣＡＴは、空気によって流動化し、第４収容槽４１０内において流動層Ｒ（気泡流動層）が形成される。

【0060】

伝熱管４３０は、第４収容槽４１０内に設けられる。伝熱管４３０は、熱媒体（水および水蒸気ＳＴ）が通過する管である。ポンプ４３２は、伝熱管４３０に水を供給する。伝熱管４３０内における水の通過過程において、伝熱管４３０を構成する隔壁を介して、水と付着触媒ＣＣＡＴとの間で熱交換が行われる。これにより、水は、２６０℃程度まで加熱されて水蒸気ＳＴとなる。こうして、第４収容槽４１０（伝熱管４３０）において生成された水蒸気ＳＴは、第１加熱炉１１０の伝熱管１１４に導かれ、伝熱管１１４を通過する。

【0061】

また、固気混合物ＳＧ３は、配管４０４を通じて、第３サイクロン１７０に導かれる。固気混合物ＳＧ３は、第４収容槽４１０において付着触媒ＣＣＡＴを流動化させた空気および付着触媒ＣＣＡＴを含む。上記したように、第３サイクロン１７０は、固気混合物ＳＧ３を固気分離する。第３サイクロン１７０によって分離された空気は、外部に廃棄される。また、第３サイクロン１７０によって分離された付着触媒ＣＣＡＴは、後段の固体炭素利用設備に送出される。

【0062】

以上説明したように、本実施形態に係る水素製造装置１００は、第１加熱炉１１０、第２加熱炉１２０、および、熱分解炉１４０を備える。このため、水素製造装置１００は、第１加熱炉１１０および第２加熱炉１２０によって加熱された触媒ＣＡＴの熱でメタン（炭化水素）を熱分解することができる。

【0063】

また、水素製造装置１００では、加熱された触媒ＣＡＴが熱分解炉１４０（第３収容槽３１０内）に導入される。このため、第３収容槽３１０の内部は、触媒ＣＡＴによって実質的に均一に加熱される。したがって、水素製造装置１００は、熱分解炉１４０を外部から加熱する必要がない。これにより、水素製造装置１００は、１０００℃以上の耐熱性を有する材質で熱分解炉１４０の炉壁を構成する必要がなくなる。このため、水素製造装置１００は、熱分解炉１４０の製造コストを低減することができる。したがって、水素製造装置１００は、メタン（炭化水素）を低コストで熱分解させることが可能となる。換言すれば、水素製造装置１００は、低コストで水素を製造することができる。

【0064】

また、熱分解炉内を外部から加熱する従来技術は、熱分解炉の内部温度を均一にすることが難しく、熱分解炉の大型化が困難である。これに対し、水素製造装置１００は、熱分解炉内を外部から加熱する従来技術と比較して、第３収容槽３１０内の温度を均一化することができる。これにより、水素製造装置１００は、第３収容槽３１０内において、触媒ＣＡＴの温度が局所的に低下してしまう事態を回避することが可能となる。したがって、水素製造装置１００は、効率よくメタン（炭化水素）を熱分解することができる。また、水素製造装置１００は、第３収容槽３１０の内部の温度を均一化できるため、第３収容槽３１０を大型化することも可能である。これにより、水素製造装置１００は、大量の水素を安価に製造することができる。

【0065】

また、上記したように、熱分解炉１４０は、原料ガスＧＧを熱分解して、水素および固体炭素を生成する。したがって、水素製造装置１００は、原料ガスＧＧ由来の二酸化炭素を排出することなく水素を製造することができる。

【0066】

また、上記したように、水素製造装置１００は、熱分解炉１４０において使用済みの付着触媒ＣＣＡＴの熱を回収する熱媒体熱交換器１６０を備える。そして、第１加熱炉１１０は、熱媒体熱交換器１６０で回収された熱で触媒ＣＡＴを加熱する。このため、水素製造装置１００は、触媒ＣＡＴを所望の温度（例えば、９００℃）に加熱するために、第２加熱炉１２０において必要な燃料の量を削減することが可能となる。したがって、水素製造装置１００は、低コストで触媒ＣＡＴを加熱することができる。

【0067】

また、上記したように、水素製造装置１００は、第１原料熱交換器１３２および第２原料熱交換器１５２を備える。そして、原料ガス供給部３２０は、第１原料熱交換器１３２および第２原料熱交換器１５２によって加熱された原料ガスＧＧを熱分解炉１４０（第３収容槽３１０）に供給する。つまり、水素製造装置１００は、熱分解炉１４０に供給する原料ガスＧＧを予熱することができる。このため、水素製造装置１００は、熱分解炉１４０の温度の低下を抑制することができる。したがって、水素製造装置１００は、第２加熱炉１２０における触媒ＣＡＴの加熱量（燃料の量）を低減することが可能となる。また、水素製造装置１００は、熱分解炉１４０内の温度の不均一化を抑制することができる。したがって、水素製造装置１００は、効率よくメタン（炭化水素）を熱分解することが可能となる。

【0068】

以上、添付図面を参照しながら実施形態について説明したが、本開示は上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本開示の技術的範囲に属するものと了解される。

【0069】

例えば、上述した実施形態において、水素製造装置１００が熱媒体熱交換器１６０を備える場合を例に挙げた。しかし、熱媒体熱交換器１６０は、必須の構成ではない。例えば、熱分解炉１４０から排出された付着触媒ＣＣＡＴは、そのまま後段の固体炭素利用設備に送出されてもよいし、大気中に放置されてもよい。

【0070】

また、上記実施形態において、水素分離部１５４によって分離された水素が、後段の水素利用設備に送出される場合を例に挙げた。しかし、水素分離部１５４によって分離された水素は、第２加熱炉１２０のバーナ２２６に供給されてもよい。この場合、第２加熱炉１２０のバーナ２２６は、水素分離部１５４によって分離された水素を燃料とする。これにより、第２加熱炉１２０が生成する燃焼排ガスに二酸化炭素が含まれなくなる。したがって、水素製造装置１００は、触媒ＣＡＴの加熱において二酸化炭素の発生を防止することが可能となる。このため、水素製造装置１００は、二酸化炭素フリーの水素を製造することができる。なお、バーナ２２６は、水素分離部１５４によって分離された水素とメタン（例えば、原料ガスＧＧ）とを燃料としてもよい。

【0071】

また、上記実施形態において、水素製造装置１００が、第１原料熱交換器１３２および第２原料熱交換器１５２を備える場合を例に挙げた。しかし、第１原料熱交換器１３２および第２原料熱交換器１５２のいずれか一方または両方を省略することもできる。

【0072】

また、上記実施形態において、使用された付着触媒ＣＣＡＴがすべて後段の固体炭素利用設備に送出される場合を例に挙げた。しかし、付着触媒ＣＣＡＴを再度、第１加熱炉１１０に供給して、付着触媒ＣＣＡＴを循環させて（再利用して）もよい。また、熱分解炉１４０から導かれた付着触媒ＣＣＡＴは、熱媒体熱交換器１６０を経由せずに、第２加熱炉１２０の第２収容槽２１０に直接導かれてもよい（再循環されてもよい）。この場合、バーナ２２６は、理論空気比以下の空気で燃料を燃焼させてもよい。これにより、第２加熱炉１２０の第２収容槽２１０に供給される燃焼排ガスＥＸに酸素が含まれなくなる。したがって、第２加熱炉１２０において、付着触媒ＣＣＡＴから二酸化炭素が発生してしまう事態を回避することが可能となる。このため、水素製造装置１００は、原料ガスＧＧ由来の二酸化炭素を排出することなく水素を製造することができる。

【0073】

本開示は、例えば、持続可能な開発目標（ＳＤＧｓ）の目標７「手ごろで信頼でき、持続可能かつ近代的なエネルギーへのアクセスを確保する」に貢献することができる。

【符号の説明】

【0074】

１００：水素製造装置 １１０：第１加熱炉 １１２：第１収容槽 １１４：伝熱管 １２０：第２加熱炉 １３２：第１原料熱交換器（原料熱交換器） １４０：熱分解炉 １５２：第２原料熱交換器（原料熱交換器） １５４：水素分離部 １６０：熱媒体熱交換器 ２１０：第２収容槽 ２２６：バーナ ３１０：第３収容槽

【図1】

【図2】

【図3】