特許 7598586 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】2024-12-04

(45)【発行日】2024-12-12

(54)【発明の名称】水素製造装置

(51)【国際特許分類】

   C01B 3/04 20060101AFI20241205BHJP

【ＦＩ】

C01B3/04 B

【請求項の数】 9

(21)【出願番号】P 2020153545

(22)【出願日】2020-09-14

(65)【公開番号】P2022047643

(43)【公開日】2022-03-25

【審査請求日】2023-07-07

(73)【特許権者】

【識別番号】000006895

【氏名又は名称】矢崎総業株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】504139662

【氏名又は名称】国立大学法人東海国立大学機構

(74)【代理人】

【識別番号】100083806

【弁理士】

【氏名又は名称】三好 秀和

(74)【代理人】

【識別番号】100101247

【弁理士】

【氏名又は名称】高橋 俊一

(74)【代理人】

【識別番号】100095500

【弁理士】

【氏名又は名称】伊藤 正和

(74)【代理人】

【識別番号】100098327

【弁理士】

【氏名又は名称】高松 俊雄

(72)【発明者】

【氏名】毛利 安希

(72)【発明者】

【氏名】金岡 佳充

(72)【発明者】

【氏名】永岡 勝俊

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 勝俊

【審査官】磯部 香

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１２／０９０７３９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１９－０８５３０２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－０２３９３８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－０２４５５５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－００６６５２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－２７４８８１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－１６４１０９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－２４１６７５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１０－１４１０４４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－１１１５１７（ＪＰ，Ａ）

【文献】永岡勝俊，触媒の酸化熱を利用したアンモニアの酸化分解による水素製造プロセスのコールドスタート，ENEOS Technical Review，日本，2016年06月，Vol.58, No.2，p.49-52

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｃ０１Ｂ ３／０４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

水素化合物を分解して水素を生成する触媒を収容する反応容器と、
前記水素化合物と酸素とを含む混合ガスを前記反応容器に供給する供給部と、
前記触媒の一部の領域を局所的かつ選択的に水素化合物が燃焼可能な温度にまで加熱し、前記水素化合物の燃焼を開始する加熱部と、
を備える、水素製造装置。

【請求項2】

前記水素化合物はアンモニアを含む、請求項１に記載の水素製造装置。

【請求項3】

前記加熱部は抵抗を含み、前記抵抗は前記触媒の一部と接している、請求項１又は２に記載の水素製造装置。

【請求項4】

前記加熱部はマイクロ波を前記触媒の一部に照射するマイクロ波発振器を含む、請求項１又は２に記載の水素製造装置。

【請求項5】

前記加熱部は前記マイクロ波を共振させる空胴共振器を含む、請求項４に記載の水素製造装置。

【請求項6】

前記加熱部はマイクロ波を吸収して熱に変換するサセプタを含み、
前記サセプタは、前記マイクロ波を吸収する位置であって、かつ、前記触媒の一部と接する位置に配置される、請求項４又は５に記載の水素製造装置。

【請求項7】

前記供給部は混合ガスを前記触媒に導く混合ガス供給管を含み、
前記反応容器は、混合ガスを前記触媒に導き、前記混合ガス供給管よりも小さい径を有する小径管を含み、
前記小径管内には前記触媒の一部が収容され、
前記加熱部は前記小径管内の前記触媒を加熱する、請求項１から６のいずれか一項に記載の水素製造装置。

【請求項8】

前記反応容器は前記混合ガスを前記触媒に導く供給口と、前記触媒によって生成された水素を排出する排出口と、前記供給口に接続され、前記供給口から前記排出口に向かうにつれて径が拡大する拡径部とを含み、
前記触媒の少なくとも一部が前記拡径部内に収容されており、
前記加熱部は前記拡径部の中央よりも前記供給口側に収容された前記触媒の一部の領域を局所的かつ選択的に加熱する、請求項１から６のいずれか一項に記載の水素製造装置。

【請求項9】

前記加熱部は、前記触媒の一部の領域のみを局所的かつ選択的に水素化合物が燃焼可能な温度にまで加熱し、前記水素化合物の燃焼を開始する、請求項１から８のいずれか一項に記載の水素製造装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、水素製造装置に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、クリーンエネルギーとして、水素利用技術に関する研究開発が盛んに進められている。水素ガスは天然にはほとんど存在せず、貯蔵及び輸送も容易ではないため、触媒を用いてアンモニアなどの水素化合物から水素を生成することが検討されている。触媒は、通常、反応容器内に収容され、水素の生成比率を高くするために加熱される。特許文献１には、水素化合物を分解して水素を発生させる触媒部内にプラズマを発生させるプラズマ発生手段を備える改質装置が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１４－２０５５９９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１に記載の改質装置によれば、プラズマ発生手段を使用するため、短時間で水素を生成することができる。しかしながら、このような改質装置では、プラズマ発生手段が改質室全体を覆うため、装置全体の寸法が大きくなってしまい、使用される用途及び場所が制限されるおそれがある。

【0005】

本発明は、このような従来技術が有する課題に鑑みてなされたものである。そして本発明の目的は、触媒を加熱する加熱部を小型化可能な水素製造装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の態様に係る水素製造装置は、水素化合物を分解して水素を生成する触媒を収容する反応容器を備える。水素製造装置は、水素化合物と酸素とを含む混合ガスを反応容器に供給する供給部を備える。水素製造装置は、触媒の一部の領域を局所的かつ選択的に加熱する加熱部を備える。

【0007】

水素化合物はアンモニアを含んでもよい。

【0008】

加熱部は抵抗を含み、抵抗は触媒の一部と接していてもよい。

【0009】

加熱部はマイクロ波を触媒の一部に照射するマイクロ波発振器を含んでもよい。

【0010】

加熱部はマイクロ波を共振させる空胴共振器を含んでもよい。

【0011】

加熱部はマイクロ波を吸収して熱に変換するサセプタを含んでもよい。サセプタは、マイクロ波を吸収する位置であって、かつ、触媒の一部と接する位置に配置されてもよい。

【0012】

供給部は混合ガスを触媒に導く混合ガス供給管を含んでもよい。反応容器は、混合ガスを触媒に導き、混合ガス供給管よりも小さい径を有する小径管を含んでもよい。小径管内には触媒の一部が収容され、加熱部は小径管内の触媒を加熱してもよい。

【0013】

反応容器は混合ガスを触媒に導く供給口と、触媒によって生成された水素を排出する排出口と、供給口に接続され、供給口から排出口に向かうにつれて径が拡大する拡径部とを含んでもよい。触媒の少なくとも一部が拡径部内に収容されており、加熱部は拡径部の中央よりも供給口側に収容された触媒の一部の領域を局所的かつ選択的に加熱してもよい。

【発明の効果】

【0014】

本発明によれば、触媒を加熱する加熱部を小型化可能な水素製造装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】第１実施形態に係る水素製造装置の一例を示す模式的な断面図である。

【図2】第２実施形態に係る水素製造装置の一例を示す模式的な断面図である。

【図3】第３実施形態に係る水素製造装置の一例を示す模式的な断面図である。

【図4】第４実施形態に係る水素製造装置の一例を示す模式的な断面図である。

【図5】第５実施形態に係る水素製造装置の一例を示す模式的な断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

以下、図面を用いて本実施形態に係る水素製造装置について詳細に説明する。なお、図面の寸法比率は説明の都合上誇張されており、実際の比率と異なる場合がある。

【0017】

［第１実施形態］
水素製造装置１は、水素化合物を分解して水素を生成する。水素製造装置１は、水素よりも貯蔵及び輸送が容易な水素化合物から水素を生成することができるため、水素をエネルギー供給源として容易に利用することができる。水素化合物は、分子中に水素を含有する化合物であればよい。本実施形態においては、水素化合物としてアンモニアを例として説明するが、水素化合物は、例えば、アンモニア及び炭化水素の少なくともいずれか一方を含む化合物であってもよい。

【0018】

水素化合物としてアンモニアを使用した場合、アンモニアから水素を生成する分解反応は、以下のような反応式（１）によって表される。
ＮＨ_３→１．５Ｈ_２＋０．５Ｎ_２ ΔＨ＝４５．４ｋＪ （１）

【0019】

水素化合物の分解反応は、上記反応式（１）に示すように、通常、吸熱反応であるため、分解反応を継続させるには、外部から熱を与え続ける必要がある。そこで、本実施形態に係る水素製造装置１では、水素化合物と酸素とを含む混合ガスが反応容器１０に供給され、反応容器１０内で水素化合物が燃焼する。水素化合物としてアンモニアを使用した場合、アンモニアの燃焼反応は例えば以下のような反応式（２）によって表される。
ＮＨ_３＋０．２５Ｏ_２→Ｈ_２＋０．５Ｎ_２＋０．５Ｈ_２Ｏ ΔＨ＝－７５．４ｋＪ （２）

【0020】

水素化合物の燃焼反応は、上記反応式（２）に示すように、通常、発熱反応であるため、水素化合物の燃焼反応で生じた熱の少なくとも一部を水素化合物の分解反応に用いることにより、水素化合物の分解反応を継続して進行させることができる。したがって、水素化合物の燃焼反応と分解反応とを同一の反応容器１０内で進行させることにより、外部から熱エネルギーを継続して供給しなくても、水素化合物の分解反応を継続して進行させることができる。すなわち、本実施形態に係る水素製造装置１はオートサーマル反応を利用したＡＴＲ（オートサーマルリフォーマー）である。

【0021】

図１に示すように、水素製造装置１は、反応容器１０と、供給部２０と、排出部３０と、加熱部４０とを備えている。反応容器１０には、供給部２０と排出部３０とが接続されている。

【0022】

反応容器１０は、内部に触媒１１を収容する。触媒１１は、水素化合物を分解して水素を生成する。反応容器１０は、円筒形状をしており、混合ガスが供給可能なように設けられた供給口１２と、生成された水素が排出可能なように設けられた排出口１３とを有している。反応容器１０は触媒１１を収容し、触媒１１によって水素化合物から水素を生成することができれば、形状等は特に限定されない。

【0023】

触媒１１は、反応容器１０の内部に収容され、水素化合物を分解して水素を生成する。また、触媒１１には、水素化合物の燃焼可能温度を低減可能な物質が含まれていてもよい。触媒１１は、例えば、白金、ルテニウム、パラジウム及びロジウムからなる群より選択される少なくとも１つの貴金属、並びに、コバルト、ニッケル、鉄、タングステン、モリブデン、バナジウム、クロム、マンガン及び銅からなる群より選択される少なくとも１つの遷移金属の少なくともいずれか一方の金属を含んでいてもよい。

【0024】

触媒１１に含まれる金属は金属酸化物などの担体に担持されてもよい。担体は、例えば、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化ジルコニウム、イットリア安定ジルコニア、ＮａＹ型ゼオライト、超安定化Ｙ型ゼオライト、ルチル型酸化チタン、アナターゼ型酸化チタン、ルチル－アナターゼ混晶型酸化チタン、酸化セリウム、及びセリウム―ジルコニウム複合酸化物からなる群より選択される少なくとも１種の金属酸化物を含んでいてもよい。

【0025】

触媒１１の形状は特に限定されず、水素化合物を分解して水素を生成可能な形状であればよい。触媒１１の形状は、例えば、粉状、粒子状、ハニカム状、多孔質状などのような形状で反応容器１０に収容されていてもよい。ただし、オートサーマル反応は供給された酸素が全て消費されれば、燃焼は広がらない。したがって、経済的な観点から、触媒１１の収容量は、燃焼熱によって水素化合物の分解可能温度以上となる領域と一致するように触媒１１が反応容器１０に収容されていることが好ましい。

【0026】

水素化合物の分解可能温度は、水素化合物及び触媒１１の種類にもよるが、例えば、３００℃以上９００℃以下であり、より好ましくは４００℃以上８００℃以下である。

【0027】

供給部２０は、水素化合物と酸素とを含む混合ガスを反応容器１０に供給する。供給部２０は、水素化合物供給管２１と、酸素供給管２２と、混合部２３と、混合ガス供給管２４とを含む。

【0028】

水素化合物供給管２１は、水素供給源と混合部２３とを接続し、水素化合物を混合部２３に供給する。水素供給源は、例えば水素化合物が収容されたボンベである。水素化合物供給管２１には、水素化合物の流量を調整可能な流量調整器が設けられてもよい。

【0029】

酸素供給管２２は、酸素供給源と混合部２３とを接続し、酸素含有ガスを混合部２３に供給する。酸素供給源は、例えば、高純度の酸素が封入されたボンベ、又は、大気中の空気である。酸素供給管２２には、酸素含有ガスの流量を調整可能な流量調整器が設けられてもよい。また、酸素供給管２２には、大気中の空気を混合部２３に供給するためのブロワが設けられてもよい。

【0030】

混合部２３では、水素化合物供給管２１から供給される水素化合物と、酸素供給管２２から供給される酸素含有ガスとが混合される。混合部２３は、例えば、水素化合物及び酸素含有ガスが通過可能な通路又は空間である。混合部２３には、水素化合物と酸素含有ガスとを拡散するディフューザが設けられてもよい。

【0031】

混合ガス中の水素化合物に対する酸素のモル比（酸素／水素化合物）は、水素化合物及び触媒１１の種類によって適宜変更することができる。水素化合物に対する酸素のモル比（酸素／水素化合物）は、燃焼反応を促進させて多くの熱を供給する観点から、例えば、０．０５以上であってもよく、０．１以上であってもよい。また、水素化合物に対する酸素のモル比は、水素化合物の分解反応を促進させて水素の生成比率を増加させる観点から、０．４以下であってもよく、０．３以下であってもよい。混合ガスには、水素化合物及び酸素含有ガスに加え、ヘリウム、ネオン及びアルゴンなどの貴ガスがキャリアガスとして含まれていてもよい。

【0032】

混合ガス供給管２４は、混合部２３と反応容器１０の供給口１２とを接続し、混合部２３で混合された混合ガスを反応容器１０に供給する。

【0033】

排出部３０は、反応容器１０の排出口１３と接続され、反応容器１０で生成された水素を含む生成ガスを反応容器１０から排出する。生成ガスには、例えば、未反応の水素化合物（アンモニア）及び酸素、並びに、燃焼反応又は分解反応によって生成された窒素及び水が含まれる場合がある。

【0034】

加熱部４０は、触媒１１の一部の領域を局所的かつ選択的に加熱する。具体的には、加熱部４０の少なくとも一部は反応容器１０内に収容された触媒１１に埋設され、埋設された加熱部４０は加熱部４０の周囲にある触媒１１の一部の領域のみを加熱することができる。加熱部４０によって加熱される触媒１１の位置は、特に限定されないが、加熱部４０は、反応容器１０内の混合ガスの流れを考慮し、例えば、供給口１２付近の領域など、触媒燃焼反応による熱が広がりやすい位置を加熱してもよい。また、混合ガスの流れを考慮し、反応容器１０は触媒１１の一部の領域が加熱されたことによって起こった触媒燃焼反応による熱が全体的に広がりやすい形状であることが好ましい。

【0035】

加熱部４０は、触媒１１の一部を水素化合物が燃焼可能な温度にまで加熱する。燃焼可能な温度は、水素化合物の種類、及び触媒１１の種類などにもよるが、例えば、１５０℃以上８００℃以下である。

【0036】

触媒１１のうち、加熱部４０によって加熱される一部の領域の触媒１１に含まれる材料は、それ以外の領域の触媒１１に含まれる材料よりも、水素化合物が燃焼可能な温度を低減可能な材料であってもよい。これにより、より少ないエネルギーで触媒１１を加熱することが可能となる。

【0037】

加熱部４０は、触媒１１の一部の領域を局所的かつ選択的に加熱することができれば加熱手段は特に限定されない。加熱部４０は、例えば、ジュール熱によって触媒１１の一部の領域のみを局所的かつ選択的に加熱してもよい。具体的には、加熱部４０は、図１に示すように、電源４１と、抵抗４２とを含んでいてもよい。

【0038】

電源４１は、抵抗４２を含む回路に電流を流すことができる。電源４１は、直流電源であってもよく、交流電源であってもよい。

【0039】

抵抗４２は、触媒１１の一部と接触した状態で配置されている。抵抗４２の一部が触媒１１と接触していてもよく、抵抗４２の周囲を覆うように触媒１１が配置されてもよい。抵抗４２は、ジュール熱を発生させることができれば、材料や形状などは特に限定されない。抵抗４２は導線を複数回巻いたコイル状であってもよく、棒状であってもよい。

【0040】

抵抗４２の体積抵抗率は、例えば、８×１０^－８Ωｍ以上である。抵抗４２は、例えば、金属及びセラミックの少なくともいずれか一方を含んでいる。金属は、特に限定されないが、白金などの貴金属を含んでいてもよい。これにより、アンモニアなどの腐食性の高いガスと接触させた場合であっても、金属が腐食するのを抑制することができる。セラミックは、炭化ケイ素及びニケイ化モリブデンなどであってもよい。抵抗４２は、必要に応じてステンレスなどの耐腐食性が高い材質でできたシースなどに収容されていてもよい。

【0041】

抵抗４２の表面には、触媒１１を含む焼成体が設けられてもよい。焼成体は、例えば、触媒１１に用いられた金属と金属を担持する担体とを混練、塗布及び焼成して形成することができる。これにより、触媒１１を含む焼成体が加熱されて水素化合物の燃焼反応及び分解反応を促進させることができる。

【0042】

次に、本実施形態に係る水素製造装置１の水素製造機構について説明する。

【0043】

まず、水素化合物が、水素化合物供給管２１によって水素化合物供給源から混合部２３に供給される。また、酸素含有ガスが、酸素供給管２２によって酸素供給源から混合部２３に供給される。水素化合物と酸素含有ガスは混合部２３で混合され、混合ガスが生成される。混合ガスは、混合ガス供給管２４によって混合部２３から反応容器１０に供給される。反応容器１０に供給された混合ガスは、触媒１１と接触した後、排出部３０によって反応容器１０から排出される。

【0044】

電源４１によって抵抗４２に電流が流されると、抵抗４２でジュール熱が発生し、このジュール熱が抵抗４２と接触する触媒１１に移動することで、触媒１１の一部が加熱される。加熱された触媒１１が燃焼可能な温度にまで達すると、水素化合物が燃焼を開始する。触媒１１が加熱されて水素化合物が分解可能な温度にまで達すると、加熱された一部の触媒１１と接触した水素化合物は分解し、水素化合物から水素が生成される。

【0045】

反応容器１０には混合ガスが供給され続けるため、水素化合物の触媒燃焼反応は未反応の酸素分子が全て消費される範囲まで反応容器１０内で広がり、一部の触媒１１から反応容器１０に収容された触媒１１全体へ加熱される触媒１１の領域が広がる。これに伴い、水素化合物が分解可能な温度に達する触媒１１の領域が広がり、水素化合物が分解される領域も広がるため、抵抗４２のジュール熱による加熱を停止してもよい。

【0046】

生成された水素は、反応容器１０の排出口１３を通り、排出部３０によって反応容器１０から排出される。

【0047】

反応容器１０では、水素化合物の燃焼反応によって生じた反応熱の少なくとも一部が、水素化合物の分解に必要な熱エネルギーとして利用される。触媒１１による分解反応を停止させる場合には、水素化合物及び酸素含有化合物の少なくともいずれか一方の反応容器１０への供給が停止されればよい。これらの供給が停止されれば、燃焼反応が終了するため、水素化合物の分解に必要な熱の供給も停止される。

【0048】

［第２実施形態］
次に、第２実施形態に係る水素製造装置１について図２を用いて説明する。第１実施形態に係る水素製造装置１ではジュール熱を使用して触媒１１を加熱したが、第２実施形態に係る水素製造装置１ではシングルモードのマイクロ波を使用して触媒１１の一部の領域を局所的かつ選択的に加熱する。具体的には、加熱部４０は反応容器１０の外側に設けられて反応容器１０の外側からマイクロ波を所望の位置に照射して触媒１１の一部の領域のみを加熱する。なお、上記実施形態と同一の構成については説明を省略する。本実施形態に係る加熱部４０は、例えば、マイクロ波発振器４３と、アプリケータ４４と、を含む。

【0049】

マイクロ波発振器４３は、所定の周波数を有するマイクロ波を出力する。マイクロ波発振器４３から出力されるマイクロ波の周波数や強度等は問わない。マイクロ波の周波数は、例えば、９１５ＭＨｚであってもよく、２．４５ＧＨｚであってもよく、５．８ＧＨｚであってもよく、その他の３００ＭＨｚから３００ＧＨｚの範囲内であってもよい。マイクロ波発振器４３は、例えば、マグネトロン、ＶＣＯ（電圧制御発振器）及びＰＬＬ（位相同期回路）などである。

【0050】

アプリケータ４４は、反応容器１０の混合ガスの流路方向（円筒の中心軸方向）の一部かつ周方向全体を覆っている。アプリケータ４４の中心部には、触媒１１が配置されている。アプリケータ４４は、本実施形態においては空胴共振器である。空胴共振器は、マイクロ波発振器４３から出力されるマイクロ波を共振させることができる。空胴共振器の形状は、例えば、円筒形又は長方形を含む多筒形である。空胴共振器内では、例えば、ＴＭ_ｍｎｐ（ｍは１以上の整数、ｎは１以上の整数、ｐは０以上の整数）モード、又は、ＴＥ_ｍｎｐ（ｍは０以上の整数、ｎは０以上の整数、ｐは１以上の整数）モードの定在波が形成可能である。

【0051】

アプリケータ４４として円筒空胴共振器を使用し、マイクロ波発振器４３から出力されるマイクロ波をＴＭ_０１０モードで共振させた場合、円筒空胴共振器内では、電界強度の極大値が、円筒空胴共振器の円の中心軸方向に延びるように分布している。これにより、円筒空胴共振器の中心軸上に配置された触媒１１が強く加熱される。

【0052】

マイクロ波は、例えば、導波管及び同軸ケーブルの少なくともいずれか一方を介して空胴共振器内に導入される。導波管及び同軸ケーブルは、空胴共振器に設けられた照射孔を覆うように配置することができる。高周波のマイクロ波を高出力で伝送するという観点からは、導波管を用いることが好ましい。導波管の材質や形状や特に限定されないが、金属製の方形導波管や円形導波管を用いることが好ましい。水素製造装置１を小型にするという観点からは、同軸ケーブルを介して、マイクロ波を空胴共振器内に直接入射させることが好ましい。

【0053】

次に、本実施形態に係る水素製造装置１の水素製造機構について説明する。まず、混合ガスが反応容器１０に供給されて触媒１１と接触する。

【0054】

次に、マイクロ波発振器４３からマイクロ波が出力され、照射孔を通って空胴共振器内に入射される。空胴共振器内に入射したマイクロ波は、照射孔と対向する空胴共振器の側壁の内面に衝突し、反射波となってはね返る。はね返った反射波は、空胴共振器内に入射したマイクロ波と重なることで、定在波を形成して共振する。定在波の腹が形成される位置に配置された触媒１１は強く加熱され、加熱された一部の触媒１１が燃焼可能な温度にまで達すると、水素化合物が燃焼を開始する。触媒１１が加熱されて水素化合物が分解可能な温度にまで達すると、加熱された一部の触媒１１と接触した水素化合物は分解し、水素化合物から水素が生成される。

【0055】

反応容器１０には混合ガスが供給され続けるため、水素化合物の触媒燃焼反応は未反応の酸素分子が全て消費される範囲まで反応容器１０内で広がり、一部の触媒１１から反応容器１０に収容された触媒１１全体へ加熱される触媒１１の領域が広がる。これに伴い、水素化合物が分解可能な温度に達する触媒１１の領域が広がり、水素化合物が分解される領域も広がるため、マイクロ波発振器４３からのマイクロ波出力を停止してもよい。

【0056】

［第３実施形態］
次に、第３実施形態に係る水素製造装置１について図３を用いて説明する。第２実施形態に係る水素製造装置１ではシングルモードのマイクロ波を使用して触媒１１を加熱したが、第３実施形態に係る水素製造装置１ではマルチモードのマイクロ波等を使用して触媒１１の一部の領域を局所的かつ選択的に加熱する。具体的には、触媒１１に埋設されたサセプタ４５に反応容器１０の外側からマイクロ波が照射され、触媒１１の一部の領域が局所的かつ選択的に加熱される。なお、上記実施形態と同一の構成については説明を省略する。

【0057】

本実施形態に係る加熱部４０は、例えば、マイクロ波発振器４３と、アプリケータ４４と、サセプタ４５とを含む。マイクロ波発振器４３は、上述したものを使用することができる。

【0058】

アプリケータ４４内では、マイクロ波発振器４３から出力されるマイクロ波が触媒１１に照射される。アプリケータ４４内で照射されるマイクロ波は、マルチモードであるため、定在波を形成していない。したがって、アプリケータ４４の形状は、定在波を形成するための形状に適合させる必要がなく、アプリケータ４４の形状の自由度は高い。アプリケータ４４には、マイクロ波発振器４３から出力されたマイクロ波が通過可能な照射孔が設けられている。そして、マイクロ波発振器４３とアプリケータ４４の照射孔とが、導波管及び同軸ケーブルの少なくともいずれか一方を介してアプリケータ４４と接続されている。

【0059】

サセプタ４５は、マイクロ波を吸収する位置であって、かつ、触媒１１の一部と接する位置に配置される。具体的には、サセプタ４５は、アプリケータ４４内のマイクロ波が照射される位置に配置することができる。また、サセプタ４５は、触媒１１の一部と接触した状態で配置されている。この際、サセプタ４５の一部が触媒１１と接触していてもよく、サセプタ４５の周囲を覆うように触媒１１が配置されてもよい。サセプタ４５は、反応容器１０内で固定してもよく、反応容器１０に固定せずに触媒１１内に埋設させてもよい。

【0060】

サセプタ４５は、マイクロ波を吸収して熱に変換する特性を有している。サセプタ４５は、例えば、触媒１１よりも高い誘電損失係数を有している。これにより、触媒１１がマイクロ波によって加熱されにくい材料を含んでいても、サセプタ４５がマイクロ波を吸収して加熱されやすい。したがって、加熱されたサセプタ４５の熱が触媒１１に移動し、触媒１１の一部の領域を局所的かつ選択的に加熱することができる。なお、誘電損失係数は、空胴共振器法などにより、例えば２５℃、２４５０ＭＨｚの測定条件で測定することができる。

【0061】

サセプタ４５は、例えば、炭化ケイ素、カーボン、酸化チタン及びジルコニアからなる群より選択される少なくとも１つの材料を含んでいてもよい。これらの材料は、マイクロ波を吸収しやすいため、マイクロ波による加熱効率を向上させることができる。また、サセプタ４５の表層は、触媒１１よりも燃焼開始温度が低い触媒、又は金属を含んでいてもよい。

【0062】

次に、本実施形態に係る水素製造装置１の水素製造機構について説明する。まず、混合ガスが反応容器１０に供給されて触媒１１と接触する。

【0063】

次に、マイクロ波発振器４３からマイクロ波が出力され、照射孔を通ってアプリケータ４４内にマイクロ波が入射される。アプリケータ４４内に入射したマイクロ波は、アプリケータ４４内で拡散される。照射されたマイクロ波の一部は、サセプタ４５によって吸収され、サセプタ４５が加熱される。加熱されたサセプタ４５の周囲には触媒１１が配置されているため、サセプタ４５の熱の一部が触媒１１に移動し、触媒１１の一部の領域が局所的かつ選択的に加熱される。加熱された触媒１１が燃焼可能な温度にまで達すると、水素化合物が燃焼を開始する。触媒１１が加熱されて水素化合物が分解可能な温度にまで達すると、加熱された一部の触媒１１と接触した水素化合物は分解し、水素化合物から水素が生成される。

【0064】

反応容器１０には混合ガスが供給され続けるため、水素化合物の触媒燃焼反応は未反応の酸素分子が全て消費される範囲まで反応容器１０内で広がり、一部の触媒１１から反応容器１０に収容された触媒１１全体へ加熱される触媒１１の領域が広がる。これに伴い、水素化合物が分解可能な温度に達する触媒１１の領域も広がるため、マイクロ波発振器４３からのマイクロ波出力を停止してもよい。

【0065】

［第４実施形態］
次に、本実施形態に係る水素製造装置１について図４を用いて説明する。第４実施形態に係る水素製造装置１では、反応容器１０に触媒１１の一部を収容する小径管１４が設けられ、小径管１４内の触媒１１が局所的かつ選択的に加熱部４０によって加熱される。これにより、触媒１１の一部の領域が局所的かつ選択的に加熱される。なお、上記実施形態と同一の構成については説明を省略する。

【0066】

反応容器１０は、小径管１４と本体１５とを含んでいる。本体１５は混合ガスが供給可能なように設けられた供給口１２と、生成された水素が排出可能なように設けられた排出口１３とを有している。小径管１４は、混合ガスを触媒１１に導き、混合ガス供給管２４よりも小さい径を有する。小径管１４は混合部２３と反応容器１０の本体１５とを接続しており、混合ガスは小径管１４によって混合部２３から反応容器１０へ導かれる。小径管１４内には触媒１１の一部が収容される。

【0067】

供給部２０は、混合ガスを触媒１１に導く混合ガス供給管２４を含んでいる。混合ガス供給管２４は、混合部２３と反応容器１０の本体１５とを接続している。混合ガス供給管２４は、小径管１４と並列に配置されている。

【0068】

加熱部４０は小径管１４内の触媒１１を加熱する。本実施形態に係る加熱部４０は、上述したマイクロ波発振器４３と、アプリケータ４４と、サセプタ４５とを含む。アプリケータ４４は小径管１４を覆うように配置されている。サセプタ４５は小径管１４内に配置された触媒１１と接するように配置されている。

【0069】

次に、本実施形態に係る水素製造装置１の水素製造機構について説明する。まず、混合ガスが反応容器１０に供給されて触媒１１と接触する。

【0070】

次に、マイクロ波発振器４３からマイクロ波が出力され、サセプタ４５によって小径管１４内の触媒１１が加熱される。加熱された触媒１１が燃焼可能な温度にまで達すると、小径管１４を通り、触媒１１と接触した水素化合物が燃焼を開始する。触媒１１が加熱されて水素化合物が分解可能な温度にまで達すると、小径管１４を通じて供給された水素化合物は触媒１１と接触して分解し、水素化合物から水素が生成される。

【0071】

反応容器１０には、小径管１４及び混合ガス供給管２４を通じて混合ガスが供給され続ける。そのため、水素化合物の触媒燃焼反応は未反応の酸素分子が全て消費される範囲まで反応容器１０内で広がり、小径管１４内の少なくとも一部の触媒１１から本体１５を含む反応容器１０に収容された触媒１１全体へ加熱される触媒１１の領域が広がる。これに伴い、水素化合物が分解可能な温度に達する触媒１１の領域が広がり、水素化合物が分解される領域も広がるため、マイクロ波発振器４３からのマイクロ波出力を停止してもよい。

【0072】

なお、本実施形態では、マルチモードのマイクロ波を使用して触媒１１を加熱したが、シングルモードのマイクロ波を使用して触媒１１を加熱してもよい。また、本実施形態では、マイクロ波を使用して触媒１１を加熱したが、ジュール熱等他の加熱手段を使用して触媒１１を加熱してもよい。

【0073】

［第５実施形態］
次に、第５実施形態に係る水素製造装置１について図５を用いて説明する。上記実施形態に係る水素製造装置１では円筒状の反応容器１０が使用されたが、第５実施形態に係る水素製造装置１では拡径部１６を含む反応容器１０が使用される。なお、上記実施形態と同一の構成については説明を省略する。

【0074】

本実施形態に係る水素製造装置１では、反応容器１０は、供給口１２と、排出口１３と、拡径部１６と、同径部１７とを含んでいる。供給口１２は混合ガスを触媒１１に導く。排出口１３は触媒１１によって生成された水素を排出する。拡径部１６は、供給口１２に接続され、供給口１２から排出口１３に向かうにつれて径が拡大する。同径部１７は拡径部１６の排出口１３側と接続され、同一の径を有する円筒である。拡径部１６内には、触媒１１の少なくとも一部が収容されている。また、同径部１７内には、触媒１１のうち、拡径部１６内に収容されていない残りの触媒１１が収容されている。

【0075】

加熱部４０は、拡径部１６の中央よりも供給口１２側に収容された触媒１１の一部の領域を局所的かつ選択的に加熱する。加熱部４０は、具体的には、供給口１２付近の領域４８を加熱する。加熱部４０の加熱手段は特に限定されず、上述したような抵抗４２のジュール熱を使用して触媒１１を加熱してもよく、マイクロ波発振器４３から発せられたマイクロ波を使用して触媒１１を加熱してもよい。

【0076】

次に、本実施形態に係る水素製造装置１の水素製造機構について説明する。まず、混合ガスが反応容器１０に供給されて触媒１１と接触する。

【0077】

次に、加熱部４０によって拡径部１６の中央よりも供給口１２側に収容された触媒１１の一部の領域が局所的かつ選択的に加熱される。加熱された触媒１１が燃焼可能な温度にまで達すると、水素化合物が燃焼を開始する。触媒１１が加熱されて水素化合物が分解可能な温度にまで達すると、加熱された一部の触媒１１と接触した水素化合物は分解し、水素化合物から水素が生成される。

【0078】

反応容器１０には供給口１２から排出口１３に向かって混合ガスが供給され続ける。そのため、水素化合物は拡径部１６の先端の供給口１２から排出口１３に向かって径方向に広がりながら流れていく。したがって水素化合物の触媒燃焼反応が未反応の酸素分子が全て消費される範囲まで反応容器１０内で広がり、一部の触媒１１から反応容器１０に収容された触媒１１全体へ加熱される触媒１１の領域が広がる。これに伴い、水素化合物が分解可能な温度に達する触媒１１の領域が広がり、水素化合物が分解される領域も広がるため、加熱を停止してもよい。

【0079】

次に、水素製造装置１の効果について説明する。

【0080】

本実施形態に係る水素製造装置１は、水素化合物を分解して水素を生成する触媒１１を収容する反応容器１０を備える。水素製造装置１は、水素化合物と酸素とを含む混合ガスを反応容器１０に供給する供給部２０を備える。水素製造装置１は、触媒１１の一部の領域を局所的かつ選択的に加熱する加熱部４０を備える。

【0081】

水素製造装置１は、加熱部４０が反応容器１０内に収容された触媒１１全体ではなく、触媒１１の一部の領域のみを局所的かつ選択的に加熱するため、触媒１１全体を加熱する場合と比較し、加熱箇所を局所的な領域に限定することができる。そのため、加熱部４０を小型にすることが可能である。また、加熱部４０が触媒１１の一部の領域のみを局所的かつ選択的に加熱することによって、必要最小限の加熱だけで水素化合物の燃焼を開始させ、燃焼反応を進行させることができる。なお、局所的かつ選択的に加熱される触媒１１の一部の領域は、反応容器１０内に収容された触媒１１の一部の領域であればよく、混合ガスの流れ方向に対して垂直に切った断面内の一部の領域、及び、混合ガスの流れ方向に対して水平に切った断面内の一部の領域の少なくともいずれか一方であってもよい。

【0082】

また、水素製造装置１は、水素化合物の燃焼熱を利用して水素化合物の分解反応に必要な熱を供給することができる。そのため、加熱部４０を停止させて外部から熱エネルギーを供給し続けなくても、燃焼熱によって水素化合物の分解反応を継続させることができる。

【0083】

また、加熱部４０は触媒１１の一部の領域を局所的かつ選択的に加熱する。これにより、触媒１１の加熱効率を向上させることができる。例えば、混合ガスを加熱して触媒１１を通過させる場合には、反応容器１０内を通る全ての混合ガスを水素化合物の分解可能温度まで加熱しなければならないため、加熱に必要なエネルギーが多くなる傾向にある。一方、触媒１１の一部の領域を局所的かつ選択的に加熱する場合、固定された触媒１１の一部のみを水素化合物の分解可能温度以上まで加熱すればよい。そのため、加熱対象物の容量を小さくすることができることから、オートサーマル反応を開始させるために必要なエネルギーを低減させることができる。また、加熱領域が局所的であるため、触媒１１の温度が早く上昇する。昇温に要する時間が少なくてすむため、迅速にオートサーマル反応を開始することができる。

【0084】

水素化合物はアンモニアを含んでいてもよい。アンモニアは、水素密度が高く、水素の生成効率が高い。また、アンモニア分解反応によって生成される分子は水素及び窒素であるため、二酸化炭素のような地球温暖化ガスが生成されない。したがって、地球温暖化の原因とされている地球温暖化ガスの排出を抑制することができる。

【0085】

加熱部４０は抵抗４２を含み、抵抗４２は触媒１１の一部と接していてもよい。これにより、抵抗４２のジュール熱によって触媒１１の一部の領域を局所的かつ選択的に加熱することができる。したがって、簡易な構成で触媒１１の一部の領域を局所的かつ選択的に加熱することができる。

【0086】

加熱部４０は、マイクロ波を触媒１１の一部に照射するマイクロ波発振器４３を含んでいてもよい。これにより、反応容器１０の全体を覆う電気炉などを用いて加熱した場合と比較し、触媒１１の加熱の応答性を早くすることができる。

【0087】

加熱部４０はマイクロ波を共振させる空胴共振器を含んでいてもよい。これにより、マイクロ波の定在波が形成され、定在波が形成される位置に配置された触媒１１を強く加熱することができる。

【0088】

加熱部４０はマイクロ波を吸収して熱に変換するサセプタ４５を含み、サセプタ４５は、マイクロ波を効率よく吸収する位置であって、かつ、触媒１１の一部と接する位置に配置されてもよい。これにより、シングルモードのマイクロ波を使用した場合には、加熱に必要なエネルギーを低減することができる。また、マルチモードのマイクロ波を使用した場合であっても、効率よく触媒１１の一部の領域を局所的かつ選択的に加熱することができる。

【0089】

供給部２０は混合ガスを触媒１１に導く混合ガス供給管２４を含んでいてもよい。反応容器１０は、混合ガスを触媒１１に導き、混合ガス供給管２４よりも小さい径を有する小径管１４を含んでいてもよい。小径管１４内には触媒１１が収容され、加熱部４０は小径管１４内の触媒１１を加熱してもよい。これにより、小径管１４内の触媒１１が加熱されるため、加熱効率が高く、加熱の広がり具合を予め予想して反応容器１０を設計することが可能である。また、加熱部４０が触媒１１をピンポイントで加熱することが困難な手法であっても、触媒１１の一部の領域を局所的かつ選択的に容易に加熱することができ、加熱部４０の大きさや触媒１１の加熱のために投入するエネルギー量をさらに小さくすることができる。また、加熱部４０の形状をより小型化でき、より少ないエネルギーで触媒１１を加熱することが可能となる。

【0090】

反応容器１０は混合ガスを触媒１１に導く供給口１２と、触媒１１によって生成された水素を排出する排出口１３と、供給口１２に接続され、供給口１２から排出口１３に向かうにつれて径が拡大する拡径部１６とを含んでいてもよい。触媒１１の少なくとも一部が拡径部１６内に収容されており、加熱部４０は、拡径部１６の中央よりも供給口１２側に収容された触媒１１の一部の領域を局所的かつ選択的に加熱してもよい。これにより、径が小さい供給口１２から径が大きい排出口１３に向かって径方向に広がるように反応容器１０内に混合ガスが供給される。そして、加熱部４０によって供給口１２付近の領域４８で水素化合物の燃焼が開始するため、触媒１１の一部の領域で起こった燃焼反応が反応容器１０全体により広がる。これにより、触媒１１が全体的に加熱されやすく、触媒１１全体が加熱されるまでの時間を短縮させることができ、より効率的な水素生成に寄与することができる。

【0091】

以上、本実施形態を説明したが、本実施形態はこれらに限定されるものではなく、各実施形態を組み合わせるなど、本実施形態の要旨の範囲内で種々の変形が可能である。

【0092】

例えば、上記実施形態では、加熱部４０は、ジュール熱、マイクロ波を使用して触媒１１を加熱したが、レーザー加熱などのように触媒１１を部分的に加熱可能な手段によって加熱することができるものであれば特に限定されない。

【0093】

上記実施形態では、加熱部４０が触媒１１の一部分のみを加熱する例について説明した。しかしながら、加熱部４０は互いに離れた複数の地点の触媒１１の一部の領域を局所的かつ選択的に加熱してもよい。これにより、水素化合物が燃え広がりやすくなるため、触媒１１全体を素早く加熱することができる。

【0094】

円筒形状の反応容器１０は、例えば、反応容器１０の径方向の長さ（直径）が、径方向に対して垂直な中心軸方向の長さよりも長くてもよい。そして、中心軸よりも下方の触媒１１の一部の領域を局所的かつ選択的に加熱してもよい。これにより、水素化合物の燃焼時に熱対流が生じやすくなるため、反応容器１０内の触媒１１全体を素早く加熱することができる。

【符号の説明】

【0095】

１ 水素製造装置
１０ 反応容器
１１ 触媒
１２ 供給口
１３ 排出口
１４ 小径管
１６ 拡径部
２０ 供給部
２４ 混合ガス供給管
４０ 加熱部
４２ 抵抗
４３ マイクロ波発振器
４５ サセプタ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】