特表 2024-506894 熱分解により水を水素と酸素とに分割するための装置および方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2024-02-15

(54)【発明の名称】熱分解により水を水素と酸素とに分割するための装置および方法

(51)【国際特許分類】

   C01B 3/02 20060101AFI20240207BHJP

【ＦＩ】

C01B3/02 B

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2023547554

(86)(22)【出願日】2022-02-02

(85)【翻訳文提出日】2023-09-06

(86)【国際出願番号】 EP2022052477

(87)【国際公開番号】W WO2022167481

(87)【国際公開日】2022-08-11

(31)【優先権主張番号】21315016.2

(32)【優先日】2021-02-04

(33)【優先権主張国・地域又は機関】EP

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】523295741

【氏名又は名称】ウルトラ ハイ テンプリチャー プロセシズ リミテッド

(74)【代理人】

【識別番号】110000062

【氏名又は名称】弁理士法人第一国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】コングマーク， ニルス

(57)【要約】

本発明は、熱分解、すなわち昇温による分解により水を水素と酸素とに分割する装置に関する。本装置は、以下を備える。加熱システム（２）を有する反応器（１）、第１の反応器出口（３）、第２の反応器出口（４）、少なくとも１つの取水口（５）と少なくとも１つの酸素フィルター（６）、少なくとも１つの水素フィルター（７）、酸素抽出ポンプ（８）、水素抽出ポンプ（９）および少なくとも１つの注水ポンプ（１０）、反応器（１）の外側に位置し水素フィルター（７）を収容する水素分離チャンバー（１１）、第１の回路の入口（３１）と出口（１３）および第２の回路の入口（１７）と出口（１９）を備えた熱交換器（１５）。斯かる装置の特徴は、２つのさらなる熱交換器（１６、 ２８）であって、各熱交換器は、第１の回路の入口（１４、２７）と出口（２０、２９）および第２の回路の入口（２２、３６）と出口（２３、３４）を含む熱交換器を備えていることと、第１の熱交換器（１５）の前記第１の回路の入口（３１）が、外部取水口（１２）に注水ポンプ（１０）を介して接続され、第１の熱交換器（１５）の前記第１の回路の出口（１３）が、第２の熱交換器（１６）の前記第１の回路の入口（１４）に接続され、第１の熱交換器（１５）の前記第２の回路の入口（１７）が、水素分離チャンバー（１１）の出口（１８）に接続し、当該出口が、フィルター（７）に接続し、第１の熱交換器（１５）の第１の回路の出口（１９）が、装置の水素出口であることにある。本発明はまた、上記装置を用いて水を水素に分割する方法に関する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

熱分解により水を水素と酸素とに分割するための装置であって、
－ 加熱システム（２）、第１の反応器出口（３）、第２の反応器出口（４）、少なくとも１つの取水口（５）および少なくとも１つの酸素フィルター（６）を有する反応器（１）、
－ 少なくとも１つの水素フィルター（７）、
－ 酸素抽出ポンプ（８）、水素抽出ポンプ（９）および少なくとも１つの注水ポンプ（１０）、
－ 前記反応器（１）の外側に位置し、水素フィルター（７）を収容する水素分離チャンバー（１１）、
－ 第１の回路の入口（３１）と出口（１３）および第２の回路の入口（１７）と出口（１９）を含む熱交換器（１５）を備え、
各々が第１の回路の入口（１４、２７）と出口（２０、２９）および第２の回路の入口（２２、３６）と出口（２３、３４）を含む、２つのさらなる熱交換器（１６、２８）を備えていること、および、
－ 前記第１の熱交換器（１５）の前記第１の回路の入口（３１）は、外部取水口（１２）に前記注水ポンプ（１０）を介して接続され、前記第１の熱交換器（１５）の前記第１の回路の出口（１３）は、前記第２の熱交換器（１６）の前記第１の回路の入口（１４）に接続され、
－ 前記第１の熱交換器（１５）の前記第２の回路の入口（１７）は、前記フィルター（７）に接続した前記水素分離チャンバー（１１）の出口（１８）に接続しており、前記第１の熱交換器（１５）の前記第２の回路の出口（１９）は前記装置の水素出口であること、を特徴とする装置。

【請求項2】

－ 前記第２の熱交換器（１６）の前記第１の回路の出口（２０）は、前記反応器（１）の第２の取水口（２１）に接続され、
－ 前記第２の熱交換器（１６）の前記第２の回路の入口（２２）は、前記反応器（１）の前記第１の反応器出口（３）に接続しており、前記第２の熱交換器（１６）の前記第２の回路の出口（２３）は前記水素分離チャンバー（１１）の入口（２４）に接続している、請求項１に記載の装置。

【請求項3】

－ 前記反応器（１）の前記第２の反応器出口（４）は、前記酸素フィルター（６）に、および、前記第３の熱交換器（２８）の前記第１の回路の入口に接続され、前記第３の熱交換器（２８）の前記第１の回路の出口（２９）は、前記酸素抽出ポンプ（８）に接続され、当該ポンプは前記装置の酸素出口（３０）に接続され、
－ 前記第３の熱交換器（２８）の前記第２の回路の入口（３６）は、第２の注水ポンプ（３３）を介して第２の外部取水口（３２）に接続され、
－ 前記第３の熱交換器（２８）の前記第２の回路の出口（３４）は、前記反応器（１）の前記取水口（５）に接続される、請求項２に記載の装置。

【請求項4】

水素マニフォールド（２５）は、前記フィルター（７）と前記水素分離チャンバー（１１）の出口（１８）との間に接続され、酸素マニフォールド（２６）は、前記フィルター（６）と前記反応器（１）の前記第２の出口（４）との間に接続される、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の装置。

【請求項5】

前記酸素フィルター（６）と前記水素フィルター（７）とが共に水平に配列された直線状の中空チューブである、請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の装置。

【請求項6】

前記酸素フィルター（６）の両端が前記反応器（１）の壁に統合されている、請求項５に記載の装置。

【請求項7】

前記酸素フィルター（６）と前記水素フィルター（７）とが同じ材料で作られている、請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の装置。

【請求項8】

前記ポンプ（８、９、１０、３３）、前記加熱システム（２）および任意に水素と酸素の分圧を管理する手段をさらに備えた、請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の装置。

【請求項9】

前記装置が、汎用取水口（３５）および前記第１及び第２の外部取水口（１２、３２）に接続された空間で離間された２つの壁を有する容器内に収容されている、請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載の装置。

【請求項10】

熱分解により水を水素と酸素とに分割するための方法であって、
－ 請求項８または請求項９に係る装置を取得するステップ、
－ 前記外部取水口（１２、３２）を水源に接続するステップ、
－ 前記加熱システム（２）を活性化するステップ、
－ 前記加熱システムと前記ポンプ（８、９、１０、３３）を、前記反応器の温度が２０００℃を超える温度、前記水素分離チャンバーの温度が１０００℃未満、水素と酸素の出口温度が１００℃未満に保たれるように管理するステップ、および
－ 酸素と水素を前記酸素出口と前記水素出口（３０、１９）とでそれぞれ回収するステップ、を含む方法。

【請求項11】

前記反応器内の温度を最低２２５０℃、前記水素分離チャンバーの温度を最高８５０℃、水素と酸素の出口温度を最高５０℃に保つ、請求項１０に記載の方法。

【請求項12】

前記加熱システム（２）に可燃性ガスと酸素が供給される、請求項１０または請求項１１に記載の方法。

【請求項13】

生産された酸素の一部が前記加熱システム（２）に再循環される、請求項１０乃至請求項１２のいずれか一項に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、熱分解、すなわち昇温による分解により水を水素と酸素とに分割する装置に関する。
本発明はまた、上記装置を用いて水を水素に分割する方法に関する。

【背景技術】

【0002】

米国特許第７、９３５、２５４号は、水の熱分解装置を開示する。水の水素と酸素への分割は、加熱システムを有する反応器、水素の第１の反応器出口、酸素の第２の反応器出口、少なくとも１つの取水口と少なくとも１つの酸素フィルター、水素フィルター、酸素抽出ポンプ、水素抽出ポンプおよび注水ポンプを備えた装置で起きる。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0003】

本発明の主な目的は、とりわけ水を分割するのに必要なエネルギーを減らし生産される酸素と水素の収率を増加するために上記装置を改良することである。

【課題を解決するための手段】

【0004】

この趣旨で、本発明者は、水を水素と酸素とに分割する装置を開発したところ、該装置は、
－ 加熱システム、第１の反応器出口、第２の反応器出口、少なくとも１つの取水口および少なくとも１つの酸素フィルターを有する反応器、
－ 少なくとも１つの水素フィルター、
－ 酸素抽出ポンプ、水素抽出ポンプおよび少なくとも１つの注水ポンプを備えており、
本装置の特徴は、反応器の外側に位置し、水素フィルターを収容する水素分離チャンバーをさらに備えていることである。

【0005】

本発明はまた、水を水素と酸素とに分割する方法で、以下のステップを含むものを取り扱う、
－ 発明に係る装置を取得するステップ、
－ 取水口を水源に接続するステップ、
－ 加熱システムを接続するステップ、
－ 加熱システムとポンプを反応器の温度が２０００℃を超える温度、水素分離チャンバーの温度を１０００℃未満、水素と酸素の出口温度を１００℃未満に保たれるように管理するステップ、および
－ 酸素と水素を酸素出口と水素出口とでそれぞれ回収するステップ。

【発明の効果】

【0006】

本発明のその他の特徴および利点は、以下の説明で詳細に説明される。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】本発明の装置の実施態様を示す。

【発明を実施するための形態】

【0008】

＜発明の詳細な説明＞
本発明の実施形態を添付図面に示す。
水を水素と酸素とに分割する装置は、上述の先行技術の装置と同様に以下のものを備える。
－ 加熱システム２、第１の反応器出口３、第２の反応器出口４、少なくとも１つの取水口５および少なくとも１つの酸素フィルター６を有する反応器１、
－ 少なくとも１つの水素フィルター７、
－ 酸素抽出ポンプ８、水素抽出ポンプ９および少なくとも１つの注水ポンプ１０。

【0009】

本発明によれば、装置はさらに、反応器１の外側に位置し、水素フィルター７を収容する水素分離チャンバー１１を備える。

【0010】

好ましくは、いくつかの水素フィルター７と酸素フィルター６が使用される。フィルターは、水素マニフォールド２５および酸素マニフォールド２６に接続されてもよい。

【0011】

水素フィルター７と酸素フィルター６は、好ましくは水素分離チャンバー１１と反応器１との壁に統合されたチューブの両端間で顕著な温度勾配が生じるのを避けるため、水平に配置された直線状の中空チューブからなるものであってもよい。

【0012】

水素と酸素のフィルター７、６は、同じ材料でできていてもよい。材料は、好ましくは公知の超高温耐熱性の混合イオン電子伝導（ＭＩＥＣ）セラミック膜である。斯かるフィルター膜のもう１つの利点は、約８５０℃で使用された場合、水素分子のみを抽出する一方、約２２５０℃では酸素分子のみを抽出することである。

【0013】

装置は、エネルギー損失を回避し、ガスの熱エネルギーを液体またはガス状の水の加熱に再利用するため、好ましくは３つの熱交換器を備える。
熱交換器は、例えば典型的な多管式熱交換器であり、各々が第１の回路の入口と出口および第２の回路の入口と出口を有する。

【0014】

図面からわかるように、第１の熱交換器１５の前記第１の回路の入口３１は、第１の外部取水口１２に注水ポンプ１０を介して接続され、第１の熱交換器１５の前記第１の回路の出口１３は、第２の熱交換器１６の前記第１の回路の入口１４に接続される一方、第１の熱交換器１５の前記第２の回路の入口１７は、水素抽出ポンプ９を介して水素分離チャンバー１１の出口１８に接続し、第１の熱交換器１５の第１の回路の出口１９は、装置の水素出口である。

【0015】

したがって、第１の熱交換器１５は一方で水素分離チャンバーから抽出された水素の出口温度を１００℃未満、好ましくは約５０℃に低減し、他方では出て行く水素から回収したエネルギーを第１の外部取水口１２を通って入ってくる液体の低温水（約２０℃）に伝導する。

【0016】

第２の熱交換器１６の第１の回路の出口２０は、反応器１の第２の取水口２１に接続しており、第２の熱交換器１６の第２の回路の入口２２は、反応器１の第１の反応器出口３に接続しており、第２の熱交換器１６の第２の回路の出口２３は水素分離チャンバーの入口２４に接続している。

【0017】

したがって、第２の熱交換器１６は、反応器１から入ってくる水素と蒸気の混合物の熱を使用し、第１の熱交換器１５から来る既に温められた水または蒸気をさらに加熱する。同時に、水素分離チャンバー１１に入る前の蒸気を冷却することで、水素分離が約８５０℃という低温でＭＩＥＣ膜フィルター７を通って発生するようになる。マニフォールド２５を介して膜フィルター７に接続された水素分離チャンバー出口１８で収集された分離された水素は、逐次水素抽出ポンプ９でポンプされ、第１の熱交換器１５に送られる。

【0018】

反応器１の第２の反応器出口４は、マニフォールド２６を介して酸素フィルター６に、第３の熱交換器２８の第１の回路の入口２７に接続され、第３の熱交換器２８の第１の回路の出口２９は、装置の酸素出口３０に接続される酸素抽出ポンプ８に接続され、
－ 第３の熱交換器２８の第２の回路の入口３６は、第２の注水ポンプ３３を介して第２の外部取水口３２に接続され、かつ
－ 第３の熱交換器２８の第２の回路の出口３４は、反応器１の取水口５に接続される。

【0019】

結果として、第３の熱交換器２８は、反応器１から来る酸素の熱を取水口３２から入ってくる冷水（約２０℃）の加熱に使用し、同時に、出て行く酸素を１００℃未満、好ましくは約５０℃の温度まで冷却する。

【0020】

酸素分子はフィルター壁に到達し、ここで酸素イオンに分離し（ワグナー則）、該酸素イオンは、フィルターの中心に向かって空孔／電子 正孔に飛び込む。フィルターの内壁から離れる際、分子に再構成され、フィルターの開放端を通って吸い出される（フィルターの他端は閉じている）。

【0021】

発明者が実施した実験によれば、９ｋｇの水をともに純度９９．９９％の１ｋｇのＨ_２と８ｋｇのＯ_２とに分離するのに必要な総エネルギーは、４５ｋＷｈより小さい。

【0022】

第１および第２の外部取水口１２、３２は、共通の汎用外部取水口３５に接続されていてもよい。

【0023】

本発明の装置は好ましくはポンプ、加熱システムおよび任意に水素と酸素の分圧を管理する手段を備えている。

【0024】

当該手段は、概して電子的手段であり、とりわけ水の分割温度を管理および最適化し、加熱システム２、酸素水素抽出ポンプ８、９、注水ポンプ１０、３３および任意にガスの分圧に作用することで酸素収率と水素収率を増加するための適切なソフトウェアを実行するコンピュータのことである。

【0025】

コンピュータは、ガス出口容積と水／蒸気注入を確認することで、注入された電力とエネルギーと反応器内の安定温度とのバランスを保つ。

【0026】

装置が安定な条件に達した際、反応器内のガス混合物は９４％が蒸気、約４％のＨ_２および約２％のＯ_２であり、微量のＯＨ^－、Ｈ^＋そしていくらかのＨ原子、Ｏ原子で構成される。

【0027】

加熱システムは、適切なバーナー、例えば燃料と助燃剤との混合物に接続された、入口を有する公知の超高温バーナー（ＵＨＴ）、および排気ガスの出口を備えている。混合物の燃焼開始によって活性化する。

【0028】

温度は反応器内で水の熱分解をもたらすのに十分に高い温度である必要がある。したがって、燃料は概して無鉛ガソリン、水素、メタノール、エタノール、メタン、エタン、ブタン、プロパンおよびアセチレンからなる群より選択される可燃ガスからなり、後者ほど好まれる。

【0029】

助燃剤は空気または酸素であり、後者が好まれる。

【0030】

好ましくはバーナーは上述の燃料と酸素との混合物として供給され、当該酸素の一部は装置自体が生産する。バーナーに供給される酸素が暖かい場合に、エネルギー消費の観点でより一層良い結果が得られる。装置は、装置が生産した酸素の一部をバーナーの入口に再循環するため、装置の酸素出口をバーナーの入口に接続する酸素ダクトを備えている。

【0031】

本発明の好ましい実施形態によれば、装置を二重壁、好ましくは外部セラミック断熱材を有する容器内に置くことにより、熱損失は極限まで最小化する。容器内では、全ての高温部品は低熱伝導率の特殊セラミックにより有利に断熱化される（水では０．２ Ｗ／ｍ^２に近い）。断熱材は、好ましくはデルタスペース内の温度に相当する周波数の熱波を遮断する距離で壁に配置される。

【0032】

別の好ましい実施形態によれば、容器には空間によって離間した２つの壁（任意にセラミック層で外側が断熱されている）がある。空間は、汎用取水口３５と第１及び第２の外部取水口１２、３２とに接続されている。この特徴は非常に有利な効果を提供する、すなわち容器は全体として冷却システムとして作用する。汎用取水口に入る水は、装置の外部取水口１２、３２に到達する前に壁に挟まれたスペース内を循環するからである。循環の間に水が熱を吸収することで、一方で容器の外部壁に到達する熱を減らし、他方で水を温めることで、その分割に必要な温度に到達するのに要するエネルギーを少なくする。したがって、容器の外壁の放射で失われるエネルギー（熱）は１．５～２％にすぎず、その他のエネルギー損失は、酸素と水素出口３０、１９を取って容器を出る（酸素、水素）ガスの温度に起因する。

【0033】

＜水を水素と酸素とに分割する方法＞
本発明に係る方法は、以下のステップを含む。
－ 本発明に係る装置を取得するステップ、
－ 外部取水口１２、３２を水源に接続するステップ、
－ 加熱システム２を活性化するステップ、
－ 加熱システム２とポンプ８、９、１０、３３を通る流れとを、反応器１内の温度が２０００℃を超える温度、好ましくは最低２２５０℃、水素分離チャンバー１１の温度が１０００℃未満、好ましくは最高８５０℃、水素と酸素の出口温度が１００℃未満、好ましくは最高５０℃に保たれるように管理するステップ、および
－ 酸素と水素を酸素出口と水素出口３０、１９とでそれぞれ回収するステップ。

【0034】

好ましい実施形態によれば、２２００℃を超える温度に到達することを保証するため、加熱システム２には可燃性ガス、好ましくはアセチレンと、酸素とが供給される。

【0035】

加えて、酸素の燃焼は、空気と比べて煙道ガスを最大７５％低減し、二酸化炭素の生産を最大７５％削減する。

【0036】

酸素は有利には装置が生産した酸素の一部であってもよく、該一部の酸素は加熱システム２に再循環される。

【0037】

装置の酸素出口をバーナーの入口に接続する酸素ダクトは、熱エネルギーの損失を回避するため、好ましくは容器内にある。

【図1】

【国際調査報告】