JP6380426B2

JP6380426B2 - 改質装置

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Publication number: JP6380426B2
Application number: JP2016035477A
Authority: JP
Inventors: 禎司齊藤; 亜加音野村; 彰守川; 勇平敷
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2016-02-26
Filing date: 2016-02-26
Publication date: 2018-08-29
Anticipated expiration: 2036-02-26
Also published as: JP2017149625A

Description

この発明は、原料ガスを改質して改質ガスを生成する改質装置に関し、特に炭化水素を含む原料ガスを改質して水素を含む改質ガスを生成する改質装置に関する。

原料ガスを改質して目的とする所望の改質ガスを生成する改質方法が知られている。また、このような改質方法として、改質反応を促すために反応熱を必要とする方法が知られている。

水蒸気改質方法では、例えば、改質容器内に改質触媒を充填し、炭化水素を含む原料ガスと水分子を含む水蒸気とを混合させた混合ガスを生成し、生成した混合ガスと充填した改質触媒とを高温下（８００℃〜１０００℃）で反応させ、原料ガスを改質させる。

水蒸気改質方法を用いてメタンを含む原料ガスを改質する場合、以下の（１）式に記す反応が生じ、水素が発生する。
ＣＨ_４＋２Ｈ_２Ｏ→４Ｈ_２＋ＣＯ_２−１６５ｋＪ／ｍｏｌ・・・（１）

（１）式では、１分子のメタンと２分子の水とが反応し、４分子の水素と１分子の二酸化炭素とが発生する。４分子の水素と１分子の二酸化炭素とが発生する際には、１６５ｋＪ／ｍｏｌの熱が奪われる。つまり、水蒸気改質方法を用いてメタンから水素を発生させる上記の改質反応は、吸熱反応である。水蒸気改質方法によってメタンを水素に改質する改質反応を促すためには、反応熱を外部から供給する必要がある。

原料ガスの改質反応に対して外部から反応熱を供給する反応熱供給手段として、改質容器の外側に誘電コイルを巻き、その巻いた誘電コイルを用いる加熱手段が知られている（例えば、特許文献１〜３を参照）。誘電コイルを用いた電磁誘導加熱によって、改質容器内の原料ガスに対する改質を行い、目的とする所望の改質ガスの生成を促す。

特開昭６１−２７５１０特開２００４−２５０２５５特開２０１０−１３９４５

導電コイルに交流電流を流して電磁誘導加熱を実施する場合、導電コイルに近い位置で電流密度が高くなり、導電コイルから離れた位置で電流密度が低くなる。このような現象は、表皮効果として知られている。

改質容器の外側に巻いた導電コイルに交流電流を流して電磁誘導加熱を実施する場合、電磁誘導特有の表皮効果により、導電コイルが巻かれた改質容器の外周部近傍で電流密度が高くなるが、外周部から離れた改質容器の中央近傍で電流密度が低くなる。そのため、改質容器の外周部近傍と改質容器の中央近傍とでは、電流密度に差異が生じる。したがって、導電コイルが巻かれている改質容器の外周部近傍に位置する金属の温度が高くなり、中央近傍に位置する金属の温度が低くなり、改質容器全体の加熱温度にムラが生じる虞がある。原料ガスに対する改質反応能力を高めるべく印加する電圧の周波数を高めた場合、導電コイルの近傍へと電流が集中することになる。そのため、改質容器全体の加熱温度に対して生じたムラが増大する虞がある。

容器全体の加熱温度に対して生じたムラが増大した場合、原料ガスから目的とする改質ガスを発生させる改質反応を実行する際に、不純物となる副生成物の発生が増大する虞がある。例えば、メタンに対し水蒸気改質方法を用いて水素を発生させる上記の改質反応の場合、副生成物として一酸化炭素の発生が増大する虞がある。また、副生成物として二酸化炭素の発生が増大する虞もある。容器全体の加熱温度に対して生じたムラが増大した場合、加熱を行うために投入したエネルギーに対する目的改質ガスの生成効率が低下する虞がある。従来の改質装置では、上述したような改質容器全体の加熱温度に対して生じるムラについて、改良の余地があった。また、目的改質ガスの生成効率について、改良の余地があった。

この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、電磁誘電加熱特有の表皮効果による加熱温度ムラを抑制し、延いては、目的改質ガスの生成効率を向上させる改質装置を提供することを目的とする。

この発明に係る改質装置は、誘電コイルを用いた加熱によって改質容器中の原料ガスを改質した改質ガスを排出する。またこの発明に係る改質装置は、原料ガスを改質容器の内部に取り込む入口部と、改質ガスを排出する出口部とを備える。入口部は、導電性を有し、改質容器の内部に延設してある。

この発明によれば、導電性を有する部材が改質容器の内部に配置してあるため、誘導コイルに近い改質容器の外周部近傍と誘導コイルから遠い改質容器の中央部近傍との加熱温度ムラを抑制することができ、延いては、目的改質ガスの生成効率を向上することができる。

本発明の実施の形態１に係る改質装置を示す概略図である。本発明の実施の形態１に係る改質装置の動作を示すフローチャートである。本発明の実施の形態１に係る改質装置の変形例を示す概略図である。改質装置の比較例を示す概要図である。本発明の実施の形態１に係る改質装置の一具体例と比較例との実験結果を示す表である。本発明の実施の形態２に係る改質装置を示す概略図である。本発明の実施の形態３に係る改質装置を示す概略図である。

以下、添付図面を参照して、本願が開示する改質装置の実施の形態を詳細に説明する。なお、以下に示す実施の形態では、メタン等の炭化水素を含む原料ガスを改質し、目的の改質ガスとして水素を生成する改質装置を一例として記載しているが、他の原料ガスを改質して他の目的改質ガスを生成するように構成してもよく、これらの実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る改質装置を示す概略図である。図１に例示する改質装置は、改質容器１、ガス入口部２、ガス出口部３、複数の改質触媒粒子４、複数の導電性金属粒子５、第１粒子支持部６ａ、第２粒子支持部６ｂ、誘電コイル７、高周波電源８、及びガス誘導室９等を備える。改質装置は、これらの構成要素を用いて水蒸気改質方法を行い、メタンを含む原料ガスを水素に改質する改質反応を実行する。

改質容器１は、円状の下側表面と円状の上側表面と下側表面および上側表面を繋ぐ曲面状の外周側面とを有する円筒状筐体であり、改質触媒粒子４、導電性金属粒子５、第１粒子支持部６ａ、第２粒子支持部６ｂ、及びガス誘導室９等を内部に備える。改質容器１は、内部に流入した原料ガスを目的とする改質ガスへと改質する改質反応を実行するための空間を提供する。具体的には、メタンを含む原料ガスを目的とする水素へと改質する改質反応を実行するための空間を提供する。改質容器１は、改質反応で必要な加熱処理を考慮し、具体的には後述する誘電コイル７を用いた電磁誘導を考慮し、導電性を備えており、ステンレス鋼体であるＳＵＳ３１６を用いて製造される。つまり、改質容器１は、後述する誘電コイル７及び高周波電源８を用いた電磁誘導によって発熱する。

改質容器１の形状は、円筒体に限定されるものではなく、長方体等の多角形でも良い。しかしながら、均等に伝熱しやすい特性を考慮し、円筒体が好ましい。改質容器１の材質は、耐熱性と加工性のしやすさを有すれば特に限定するものではなく、ステンレス鋼、タングステン、インコネル、セラミックや石英ガラス等でもよい。

ガス入口部２は、メタンを含む原料ガスを改質容器１の内部へと導く管部材であり、改質容器１の下側表面を貫通し、一端が改質容器１の下方へと突出し、他端が改質容器１の上方へと延設してある。原料ガスは、ガス入口部２を通過することによって、改質容器１内の下方から上方へと移動する。つまりガス入口部２は、改質容器１の下方に位置する一端側から上方に位置する他端側に向かって原料ガスを取り込むように構成してある。ガス入口部２は、改質反応で必要な加熱処理を考慮し、具体的には後述する誘電コイル７を用いた電磁誘導を考慮し、導電性を備えており、ＳＵＳ３１６を用いて製造される。つまり、ガス入口部２は、後述する誘電コイル７及び高周波電源８を用いた電磁誘導によって発熱する。

図１に示す一例では、改質容器１の中央部にガス入口部２が配置してある。しかしながら、改質容器１の内部を通ってガス誘導室９まで達していれば特に限定されない。

ガス出口部３は、改質反応によって原料ガスから生成した目的改質ガスである水素を改質容器１の外部へと導く管部材であり、改質容器１の下側表面と連通しており、改質容器１の下方へと突出している。つまりガス出口部３は、改質容器１の他端側から一端側に向かって改質ガスを排出するように構成してある。ガス出口部３は、ガス入口部２と同様に改質容器１の下方へと突出しているが、ガス入口部２から離隔してある。

改質触媒粒子４は、ガス入口部２によって改質容器１の内部に導かれた原料ガスの改質を促す触媒の粒子であり、水素への改質を促す。改質触媒粒子４は、改質容器１の外周側面と後述する第１粒子支持部６ａ及び第２粒子支持部６ｂとを用いて形成された改質容器１の内部空間に配置してある。

改質触媒粒子４は、原料ガスに含まれるメタンから目的改質ガスである水素を生成する改質反応の反応速度を速めるが自身は反応前後で変化しない触媒を含んだ単一粒子であってもよく、そのような触媒を高分散状態で表面に担持させている粒子であってもよい。改質触媒粒子４の粒子形状は、円筒形状であってもよく、多角形状であってもよい。水素への改質を促す実施の形態１において、改質触媒粒子４は、担持体であるアルミナ粒子に改質触媒であるルテニウムを担持させた粒子であり、所定の平均寸法を有している。改質触媒は、炭化水素を含む原料ガスを改質できれば特に限定するものではなく、ルテニウム以外として、銅、鉄、コバルト、ニッケル、モリブデン等や白金族元素であるロジウム、パラジウム、プラチナ、オスミウム、イリジウムなどの単体やそれら複合物を用いても良い。また、担持体は、改質触媒を担持できれば特に限定するものではなく、アルミナ以外として、活性炭、シリカ、酸化チタン、ゼオライトなどの単体やそれら複合物を用いても良い。

導電性金属粒子５は、電気を通す性質を有する金属の粒子であり、後述する誘電コイル７及び高周波電源８を用いた電磁誘導によって発熱する。導電性金属粒子５は、改質容器１の外周側面と第１粒子支持部６ａ及び第２粒子支持部６ｂとを用いて形成された改質容器１の内部空間に配置してある。つまり、改質触媒粒子４と共に、同じ内部空間内に配置してある。導電性金属粒子５は、ＳＵＳ３１６を用いて構成してあり、所定の平均寸法を有している。導電性金属粒子５の平均寸法は、改質触媒粒子４の平均寸法よりも小さくなるように構成してある。導電性金属粒子５は、金、銀、銅、アルミニウムなどといった電磁誘導による導電性を有し、平均寸法が改質触媒粒子４の平均寸法以下の部材であれば特に限定しない。

導電性金属粒子５は、導電性を有する金属の単一粒子であってもよく、そのような金属を高分散状態で表面に担持させている粒子であってもよい。導電性金属粒子５の粒子形状は、円筒形状であってもよく、多角形状であってもよい。

第１粒子支持部６ａは、改質容器１の内部であって上側表面の近傍に設置されたＳＵＳ３１６製の金属メッシュである。つまり、第１粒子支持部６ａは、後述する誘電コイル７及び高周波電源８を用いた電磁誘導によって発熱する。第１粒子支持部６ａは、空気を通す通気孔を有しており、後述するガス誘導室９を上側表面との間に形成するように配置してある。そのため、ガス入口部２を介して改質容器１の内部のガス誘導室９に運ばれた原料ガスは、第１粒子支持部６ａを通り、改質容器１の内部空間に配置してある改質触媒粒子４および導電性金属粒子５に向けて移動することができる。第１粒子支持部６ａの位置および材質は、改質触媒粒子４と導電性金属粒子５とを内部空間に固定できて耐熱性を有すれば特に限定しない。第１粒子支持部６ａは、金属以外の石英ウールといった綿状の耐熱材を用いてもよい。

第１粒子支持部６ａの通気孔の大きさは、改質触媒粒子４の平均寸法および導電性金属粒子５の平均寸法よりも小さい。そのため、改質容器１の内部空間に配置してある改質触媒粒子４および導電性金属粒子５が第１粒子支持部６ａよりも上方へ移動する事態を回避し、ガス誘導室９の領域を確保することができる。

第２粒子支持部６ｂは、改質容器１の内部であって下側表面の近傍に設置されたＳＵＳ３１６製の金属メッシュである。つまり、第２粒子支持部６ｂは、後述する誘電コイル７及び高周波電源８を用いた電磁誘導によって発熱する。改質容器１の内部において、第２粒子支持部６ｂとガス出口部３との間には、空間が確保してある。第２粒子支持部６ｂは、空気を通す通気孔を有しており、後述するガス誘導室９を上側表面との間に形成するように配置してある。そのため、改質容器１の内部空間に配置してある改質触媒粒子４と導電性金属粒子５との隙間を通って改質した目的の改質ガスは、第２粒子支持部６ｂを通って改質容器１のガス出口部３へと移動することができる。第２粒子支持部６ｂの位置および材質は、改質触媒粒子４と導電性金属粒子５とを内部空間に固定できて耐熱性を有すれば特に限定しない。第２粒子支持部６ｂは、金属以外の石英ウールといった綿状の耐熱材を用いてもよい。

第２粒子支持部６ｂの通気孔の大きさは、改質触媒粒子４の平均寸法および導電性金属粒子５の平均寸法よりも小さい。そのため、改質容器１の内部空間に配置してある改質触媒粒子４および導電性金属粒子５が第２粒子支持部６ｂよりも下方へ移動する事態を回避し、ガス出口部３を介して改質触媒粒子４および導電性金属粒子５が排出される事態を回避することができる。

上述したように、また図１に例示してあるように、改質容器１の外周側面と第１粒子支持部６ａ及び第２粒子支持部６ｂとを用いて形成された改質容器１の内部空間には、複数の改質触媒粒子４と複数の導電性金属粒子５とが配置してある。改質触媒粒子４の平均寸法は、導電性金属粒子５の平均寸法以上となっている。そのような平均寸法となっているため、改質触媒粒子４と改質触媒粒子４との隙間に導電性金属粒子５を配置することができる。つまり、導電性金属粒子５の平均寸法は、改質触媒粒子４と改質触媒粒子４との隙間に配置可能な寸法である。そのため、限られた領域である改質容器１の内部空間に多数の改質触媒粒子４および多数の導電性金属粒子５を効率的に充填することが可能となり、改質反応の効率を可及的に高めることができる。

原料ガスは、第１粒子支持部６ａと第２粒子支持部６ｂとで規定されており複数の改質触媒粒子４と複数の導電性金属粒子５とが配置してある改質容器１の内部空間おいて、目的の改質ガスへと改質される。そのため、この内部空間を改質部と呼ぶ。

誘電コイル７は、改質容器１の外周に沿って改質容器１の上下方向に巻かれた加熱手段であり、銅やステンレス鋼等の材料で製造してある。誘電コイル７は、後述する高周波電源８に両端線が接続してある。高周波電源８からへ誘電コイル７に交流電流が流れた場合、誘電コイル７の周囲に対して電磁誘導加熱を行うことができる。

高周波電源８は、高周波を出力する電源であり、誘電コイル７と接続してある。図１で示す改質装置の一例では、改質容器１の右側に配置してある。しかしながら、改質容器１の左側、上側、または下側であってもよい。また、誘電コイル７を介して電磁誘導加熱を行うことができるのであれば、他の電源であってもよい。

ガス誘導室９は、第１粒子支持部６ａと改質容器１の上側表面とで規定された内部領域であり、ガス入口部２から取り込まれて下方から上方へ移動する原料ガスを左右方向へ拡散し、拡散した原料ガスを上方から下方へ向けて第１粒子支持部６ａへと導く。ガス誘導室９の内部には、改質容器１の下方に位置する一端側から改質部を貫通して延設されたガス入口部２の一部が位置する。

本発明の実施の形態１に係る改質装置の動作について説明する。図２は、本発明の実施の形態１に係る改質装置の動作を示すフローチャートである。

改質装置は、高周波電源８を作動させ、誘電コイル７に高周波電流を供給する（ステップＳ１）。高周波電流が供給された誘電コイル７は、電磁誘導によって改質容器１の外枠、ガス入口部２、導電性金属粒子５、第１粒子支持部６ａ、および第２粒子支持部６ｂを加熱する。改質装置は、加熱されたガス入口部２を介し、メタンを含む原料ガスを下方から改質容器１内へと取り込む（ステップＳ２）。改質装置は、改質容器１内へと取り込まんだ原料ガスを、改質容器１内の上方に位置するガス誘導室９へ導く（ステップＳ３）。改質装置は、下方から上方に向かってガス誘導室９へと導かれた原料ガスを、誘導室９で反転して上方から下方へと向けて、第１粒子支持部６ａを通過させる（ステップＳ４）。

改質装置は、第１粒子支持部６ａを通過させた原料ガスを、第１粒子支持部６ａと第２粒子支持部６ｂとで規定された改質容器１の改質部に導く。改質装置は、改質部に導かれた原料ガスを、改質触媒粒子４に接触させる（ステップＳ５）。改質触媒粒子４と接触した原料ガスには、電磁誘導によって加熱された改質容器１の外枠、ガス入口部２、導電性金属粒子５、および第１粒子支持部６ａから熱が伝えられる。そのため、改質反応が進み、目的とする改質ガスである水素を生成する（ステップＳ６）。改質装置は、生成した改質ガスである水素を、ガス出口部３を介して改質容器１外へと排出する（ステップＳ７）。

本発明の実施の形態１に係る改質装置は、ステップＳ２からステップＳ７を連続的におよび同時的に繰り返すことができる。上述した一連の動作によって所望量の改質ガスをガス出口部３から排出した場合、改質装置は、動作を停止し得る。動作開始から動作停止までは、時間に基づいて設定される構成としてもよい。また、ガス出口部３から排出されるガス量のモニタリング値に基づいて設定される構成としてもよい。また、ガス入口部２から取り込まれる原料ガス量のモニタリング値に基づいて設定される構成としてもよい。

実施の形態１に係る改質装置では、加熱されたガス入口部２内を通って原料ガスが改質容器１内へと取り込まれる。そのため、加熱されたガス入口部２を用いて、改質対象となる原料ガスを改質反応前に予備加熱できる。この構成によって、改質反応の効率向上が可能となる。

実施の形態１に係る改質装置では、改質容器１の下方から上方へ向けガス入口部２を通過して予備加熱された原料ガスが、ガス誘導室９において改質容器１の左右方向に拡散して改質部へと導かれる。そのため、改質部へと導かれる原料ガス温度を可及的に均一化することができる。この構成によって、改質反応で生じ得る副生成物の抑制が可能となる。

暖められた気体は軽くなり上方へ移動する。しかしながら実施の形態１に係る改質装置では、予備加熱によって暖められ軽くなった原料ガスが改質容器１の上方から下方へ向けて改質部内を移動する構成としてある。そのため、暖められ軽くなった原料ガスが改質容器１の下方から上方へ向けて改質部内を移動する構成と比較し、原料ガスが改質部内での改質反応に付される時間を長くすることができる。この構成によって、改質反応の効率向上が可能となる。

実施の形態１に係る改質装置では、高周波電流が供給された誘電コイル７に起因する電磁誘導によって、改質容器１の外枠だけでなく、ガス入口部２、導電性金属粒子５、第１粒子支持部６ａ、および第２粒子支持部６ｂも加熱される。そのため、改質容器１の内部において、誘電コイル７に近い部分と遠い部分との温度差を減少することができる。この構成によって、電磁誘電加熱特有の表皮効果による加熱温度ムラを抑制することが可能となる。

実施の形態１に係る改質装置では、改質触媒粒子４と改質触媒粒子４よりも平均寸法が小さい導電性金属粒子５とが改質部内に充填してある。そのため、改質触媒粒子４と改質触媒粒子４との間に生じる隙間に導電性金属粒子５が配置された構成を実現することが可能となる。この構成によって、改質部内を通過する原料ガスの流路が狭められ、原料ガスと改質触媒粒子４との接触機会が増加する。したがって、改質反応の効率向上が可能となる。

図１に例示した改質装置では、ガス入口部２とガス出口部３とが共に、改質容器１の下方で改質容器１の外部へ向けて突設してある。この構成は、ガス入口部２で予備加熱した原料ガスの比重が周囲の空気の比重より軽い場合に特に有効である。原料ガスの改質部での流れ方向が原料ガスの自然上昇方向と逆向きになるため、改質部における原料ガスの滞留時間を制御しやすいからである。また、原料ガスの取り込みを停止したときに、原料ガスおよび改質ガスがガス出口３方向へ自然流出される事態を回避し得るからである。

図３は、本発明の実施の形態１に係る改質装置の変形例を示す概略図である。図１に例示した改質装置と比較し、図３に例示した改質装置では、ガス入口部２とガス出口部３とが共に、改質容器１の上方で改質容器１の外部へ向けて延設してある。また、第１粒子支持部６ａが改質容器１の下側表面近傍にあり、第２粒子支持部６ｂが改質容器１の上側表面近傍にある。第１粒子支持部６ａと改質容器１の下側表面とで規定された内部領域としてガス誘導室９が形成してある。ガス入口部２から取り込まれて上方から下方へ移動する原料ガスを左右方向へ拡散し、拡散した原料ガスを下方から上方へ向けて第１粒子支持部６ａへと導く。

図３に例示した変形例の改質装置は、ガス入口部２で予備加熱した原料ガスの比重が周囲の空気の比重より重い場合に特に有効である。原料ガスの改質部での流れ方向が原料ガスの自然下降方向と逆向きになるため、改質部における原料ガスの滞留時間を制御しやすいからである。また、原料ガスの取り込みを停止したときに、原料ガスおよび改質ガスがガス出口３方向へ自然流出される事態を回避し得るからである。

図１に例示した改質装置の一具体例では、原料ガスとして、水蒸気と９９．９９９％濃度のメタンガスとの混合ガスを使用する。水蒸気とメタンガスとの混合モル比が３である。メタンガス１モルに対して水蒸気３モルである。改質容器１は、ＳＵＳ３１６を用いた金属円筒であり、外径が２インチであり、上下方向の長さが３００ｍｍである。ガス入口部２は、改質容器１の上側表面から下方へ１０ｍｍ離れた位置に一端があり、改質容器１の下側表面から下方へ５０ｍｍ離れた位置に他端がある外径３／８インチの金属円筒である。ガス出口部３は、外径３／８インチの金属円筒であり、改質容器１の下側表面から下方へ長さ５０ｍｍ延設してある。第１粒子支持部６ａは、ＳＵＳ３１６製の金属メッシュであり、改質容器１の上側表面から下方へ２０ｍｍ離れた位置に固定してある。第２粒子支持部６ｂは、ＳＵＳ３１６製の金属メッシュであり、改質容器１の下側表面から上方へ２０ｍｍ離れた位置に固定してある。改質触媒粒子４は、担持体であるφ３ｍｍのアルミナ粒子に改質触媒であるルテニウムを担持させた粒子である。導電性金属粒子５は、ＳＵＳ３１６を用いて構成されたφ０．４ｍｍの金属粒子であり、平均寸法が改質触媒粒子４の平均寸法よりも小さい。高周波電源８は、電磁誘導によって改質部内の温度を８００℃に調整するように、１ＫＨｚの高周波を印加して高周波電流を誘電コイル７に供給する。原料ガスは、ガス流量が空間速度ＳＶ（ＳｐａｃｅＶｅｌｏｃｉｔｙ）１００ｈｒ^−１となるように供給される。

図４は、改質装置の比較例を示す概要図である。図４に例示した改質装置は、上述した一具体例との比較に使用する一比較例である。

図４に例示した改質装置の一比較例では、原料ガスとして、水蒸気と９９．９９９％濃度のメタンガスとの混合ガスを使用する。水蒸気とメタンガスとの混合モル比が３である。改質容器１は、ＳＵＳ３１６を用いた金属円筒であり、外径が２インチであり、上下方向の長さが３００ｍｍである。ガス入口部２は、外径３／８インチの金属円筒であり、改質容器１の上側表面から上方へ長さ５０ｍｍ延設してある。ガス出口部３は、外径３／８インチの金属円筒であり、改質容器１の下側表面から下方へ長さ５０ｍｍ延設してある。第１粒子支持部６ａは、ＳＵＳ３１６製の金属メッシュであり、改質容器１の上側表面から下方へ２０ｍｍ離れた位置に固定してある。第２粒子支持部６ｂは、ＳＵＳ３１６製の金属メッシュであり、改質容器１の下側表面から上方へ２０ｍｍ離れた位置に固定してある。改質触媒粒子４は、担持体であるφ３ｍｍのアルミナ粒子に改質触媒であるルテニウムを担持させた粒子である。導電性金属粒子５は、ＳＵＳ３１６を用いて構成されたφ４ｍｍの金属粒子であり、平均寸法が改質触媒粒子４の平均寸法よりも大きい。高周波電源８は、１ＫＨｚの高周波を印加して高周波電流を誘電コイル７に供給する。原料ガスは、ガス流量が空間速度ＳＶ（ＳｐａｃｅＶｅｌｏｃｉｔｙ）１００ｈｒ^−１となるように供給される。

図５は、本発明の実施の形態１に係る改質装置の一具体例と一比較例との実験結果を示す表である。一具体例および一比較例において、ガス入口部２から取り込まれる原料ガスの成分とガス出口部３から流出する生成ガスの成分とは、ガスクロマトグラフィーを用いて分析した。図５中のメタン転換率とは、原料ガスに含まれるメタンガスが他の生成ガスに改質された比率を示す。図５中の水素生成率とは、生成ガス量中の水素ガス量の比率を示す。図５中のエネルギー効率とは、投入エネルギーとその投入エネルギーに対して生成したガスの発熱量との比率を示している。

上述した一具体例では、メタン転換率が７５％であり、水素生成率が６８％であり、エネルギー効率が７２％であった。一方、上述した一比較例では、メタン転換率が６４％であり、水素生成率が５１％であり、エネルギー効率が４６％であった。一具体例におけるメタン転換率、水素生成率、およびエネルギー効率はそれぞれ、一比較例におけるメタン転換率、水素生成率、およびエネルギー効率よりも大幅に上回った。また、改質容器１の温度が安定して改質ガスの生成量が定常状態になるまで、一比較例では４時間強を要したが、一具体例では２時間弱であった。つまり、一具体例における改質装置は、一比較例における改質装置よりも、目的改質ガスの生成効率が向上していた。

上述した一比較例においては、電磁誘導加熱の表皮効果によって誘電コイル７近傍との温度差が最も大きくなる改質容器１の中央部分に、中央部分の周囲と同様に改質触媒粒子４および導電性金属粒子５が配置してある。一方、上述した一具体例においては、電磁誘導加熱の表皮効果によって誘電コイル７近傍との温度差が最も大きくなる改質容器１の中央部分に、改質触媒粒子４および導電性金属粒子５の代わりとして、ガス入口部２が設けてある。ガス入口部２は誘電コイル７の電磁誘導によって発熱するため、一具体例においては、改質部における誘電コイル６近傍と中央部分との温度ムラを低減できる。また、ガス入口部２によって原料ガスを予備加熱することができるため、一具体例においては、必要な反応熱が得られずに不純物となる副生成物を多量に発生させる事態を可及的に回避することができ、原料ガスから目的とする改質ガスを多量に得ることが可能となる。更に、本改質装置の前段に原料ガスの予備加熱装置を別途設ける必要もない。

上述した一比較例においては、改質触媒粒子４の平均寸法と導電性金属粒子５の平均寸法とが同程度である。一方、上述した一具体例においては、改質触媒粒子４の平均寸法が導電性金属粒子５の平均寸法よりも十分に大きく、隣接する改質触媒粒子４の隙間に導電性金属粒子５が入り込むよう構成してある。隣接する改質触媒粒子４の隙間に位置する導電性金属粒子５によって実質的に均一な導電性金属粒子５の混在状態を実現し得るため、一具体例では、導電性金属粒子５が改質部内に偏って配置される事態を可及的に回避する効果が期待でき、導電性金属粒子５の偏り配置に依存した加熱ムラを可及的に抑制する効果が期待できる。また、隣接する改質触媒粒子４の隙間に位置する導電性金属粒子５によって原料ガスの流路が狭められているため、一具体例では、改質触媒粒子４と原料ガスとの接触機会を増加し、未反応のままガス出口部３から流出する原料ガスの量を低減でき、目的とする改質ガスの生成量を増加させることができる。

上述した一具体例では、上述した一比較例と比べ、隣接する改質触媒粒子４の隙間に導電性金属粒子５が入り込む構成によって、改質部中の隙間領域が小さくなる。そのため一具体例では、隙間領域に依存した伝熱ロスの抑制が可能となる。

上述したような構成によって、本発明に係る改質装置は、加熱ムラを抑制し、原料ガスの予備加熱で昇温時間を短縮することができる。そのため、エネルギー効率が向上した省エネで小型な改質装置を提供することができる。また、改質ガスの生成量を増加できるため、高効率的な改質装置を提供することができる。

実施の形態２．
図６は、本発明の実施の形態２に係る改質装置を示す概略図である。図６に示す改質装置は、図１に示す実施の形態１に係る改質装置と異なり、改質部を通るガス入口部２の流路内に導電性金属粒子５を充填してある。また、ガス入口部２内における改質容器１の上側表面近傍に第１導電性金属粒子支持部１０ａを設け、ガス入口部２内における改質容器１の下側表面近傍に第２導電性金属粒子支持部１０ｂを設け、流路内の導電性金属粒子５を支えるように構成してある。流路内の導電性金属粒子５は誘電コイル６に応じて発熱するため、本発明に係る発熱部材として機能する。

本発明の実施の形態２に係る上記の改質装置について、実施の形態１と同様の実験を行った。実施の形態２に係る改質装置では、メタン転換率が７６％であり、水素生成率が７１％であり、エネルギー効率が７６％であった。つまり、実施の形態１に係る一具体例と比較し、実施の形態２に係る改質装置では、メタン転換率が１％上昇し、水素生成率が３％上昇し、エネルギー効率が４％上昇した。また、改質容器１の温度が安定して改質ガスの生成量が定常状態になるまで、実施の形態１に係る一具体例では２時間弱であったが、実施の形態２に係る改質装置では１．５時間程度であった。

実施の形態１に係る一具体例においては、電磁誘導加熱の表皮効果によって誘電コイル７近傍との温度差が最も大きくなる改質容器１の中央部分にガス入口部２が設けてある。一方、実施の形態２に係る改質装置では、中央部分に設けたガス入口部２の流路内に更に導電性金属粒子５を充填してある。そのため実施の形態２に係る改質装置では、改質部における誘電コイル６近傍と中央部分との温度ムラを更に低減できる。また、ガス入口部２によって原料ガスを予備加熱する能力を更に高めることができる。したがって、実施の形態２に係る改質装置では、必要な反応熱が得られずに不純物となる副生成物を多量に発生させる事態を更に回避することができ、原料ガスから目的とする改質ガスを更に多量に得ることが可能となる。

実施の形態３．
図７は、本発明の実施の形態３に係る改質装置を示す概略図である。図７に示す改質装置は、改質部の外周に誘電コイル７が巻かれていた図１に示す実施の形態１に係る改質装置と異なり、ガス誘導室９の外周にも誘電コイル７が巻かれている。また、ガス誘導室９にも導電性金属粒子５が充填してある。ガス誘導室９内の導電性金属粒子５は、誘電コイル６に応じて発熱するため、本発明に係る発熱部材として機能する。

本発明の実施の形態３に係る上記の改質装置について、実施の形態１と同様の実験を行った。実施の形態３に係る改質装置では、メタン転換率が７７％であり、水素生成率が７２％であり、エネルギー効率が７８％であった。つまり、実施の形態１に係る一具体例と比較し、実施の形態２に係る改質装置では、メタン転換率が２％上昇し、水素生成率が４％上昇し、エネルギー効率が６％上昇した。また、改質容器１の温度が安定して改質ガスの生成量が定常状態になるまで、実施の形態１に係る一具体例では２時間弱であったが、実施の形態２に係る改質装置では１．３時間程度であった。

実施の形態１に係る一具体例においては、改質容器１の改質部のみに導電性金属粒子５が配置してある。一方、実施の形態３に係る改質装置では、ガス誘導室９内にも導電性金属粒子５を配置し、ガス誘導室９も加熱されるように構成してある。そのため実施の形態３に係る改質装置では、ガス入口部２によって原料ガスを予備加熱する能力を更に高めることができる。したがって、実施の形態２に係る改質装置では、必要な反応熱が得られずに不純物となる副生成物を多量に発生させる事態を更に回避することができ、原料ガスから目的とする改質ガスを更に多量に得ることが可能となる。

上述したような構成によって、本発明に係る改質装置は、加熱ムラを抑制しつつ、原料ガスの予備加熱で昇温時間を短縮することができる。そのため、エネルギー効率が向上した省エネで小型な改質装置を提供することができる。また、改質ガスの生成量を増加できるため、高効率的な改質装置を提供することができる。

本発明は、以上のように説明し且つ記述した特定の詳細、および代表的な実施の形態に限定されるものではない。当業者によって容易に導き出すことのできる変形例、および効果も発明に含まれる。したがって、特許請求項の範囲、およびその均等物によって定義される総括的な発明の概念の精神または範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能である。

１改質容器、２ガス入口部、３ガス出口部、４改質触媒粒子、５導電性金属粒子、６ａ第１粒子支持部、６ｂ第２粒子支持部、７誘電コイル、８高周波電源、９ガス誘導室、１０ａ第１導電性金属粒子支持部、１０ｂ第１導電性金属粒子支持部

Claims

誘電コイルを用いた加熱によって改質容器中の原料ガスを改質した改質ガスを排出する改質装置において、
前記原料ガスを前記改質容器の内部に取り込む入口部と、
前記改質ガスを排出する出口部とを備え、
前記入口部は、導電性を有し、前記改質容器の内部に延設してあり、
前記入口部は、前記改質容器の一端側から他端側に向かって前記原料ガスを取り込み、
前記出口部は、前記他端側から前記一端側に向かって前記改質ガスを排出し、
前記改質容器は、前記改質容器の内部に、前記原料ガスの改質を促す改質触媒粒子を複数有する改質部を備え、
前記改質容器は更に、前記他端側の表面と前記改質部との間にガス誘導室を備え、
前記入口部は、前記一端側から前記改質部を貫通して前記ガス誘導室の内部まで延設してある
ことを特徴とする改質装置。
前記改質部は、導電性を有する導電性粒子を複数有し、
前記複数の導電性粒子の平均寸法は、前記複数の改質触媒粒子の平均寸法以下である
ことを特徴とする請求項１に記載の改質装置。
前記原料ガスは、炭化水素を含み、
前記改質ガスは、水素を含む
ことを特徴とする請求項１または２に記載の改質装置。
前記入口部の内部には、前記誘電コイルに応じて発熱する発熱部材を備える
ことを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の改質装置。
前記ガス誘導室は、前記コイルに応じて発熱する発熱部材を備える
ことを特徴とする請求項１または２に記載の改質装置。