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JP2010215420A - Microcavity structure and hydrogen generating apparatus provided with the same - Google Patents

Microcavity structure and hydrogen generating apparatus provided with the same Download PDF

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JP2010215420A
JP2010215420A JP2009060622A JP2009060622A JP2010215420A JP 2010215420 A JP2010215420 A JP 2010215420A JP 2009060622 A JP2009060622 A JP 2009060622A JP 2009060622 A JP2009060622 A JP 2009060622A JP 2010215420 A JP2010215420 A JP 2010215420A
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JP
Japan
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gas
microcavity
raw material
generated
catalyst
Prior art date
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Pending
Application number
JP2009060622A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Shigenao Maruyama
重直 圓山
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Tohoku University NUC
Original Assignee
Tohoku University NUC
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Publication date
Application filed by Tohoku University NUC filed Critical Tohoku University NUC
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  • Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)

Abstract

【課題】流路構造が比較的単純であり、大量の原料ガスを処理する用途に適したミクロ空洞構造体を提供する。
【解決手段】ガスの導入口及び排出口の間で連続し、大きさが制御され、かつ互いに連通した複数の球形ミクロ空洞を設け、ミクロ空洞を形成する構造体内壁部の表面に触媒物質を担持させる。ミクロ空洞を、夫々原料ガスの電磁波吸収帯と合致する空洞共振波長が得られる内径とすることで、ミクロ空洞内において、上記吸収帯に近い特定波長の電磁波によって原料ガスが励起加熱される一方、原料ガスから生じた生成ガスの励起が抑えられる、ガス分子の熱力学的非平衡状態を形成する。
【選択図】 図3
A microcavity structure having a relatively simple flow path structure and suitable for use in processing a large amount of source gas is provided.
A plurality of spherical microcavities that are continuous between a gas inlet and a gas outlet, are controlled in size, and communicate with each other, and a catalytic substance is applied to the surface of a wall of a structure that forms the microcavity. Support. While the microcavity has an inner diameter at which a cavity resonance wavelength that matches the electromagnetic wave absorption band of the source gas is obtained, the source gas is excited and heated by the electromagnetic wave having a specific wavelength close to the absorption band in the microcavity, It forms a thermodynamic nonequilibrium state of gas molecules that suppresses excitation of the product gas generated from the source gas.
[Selection] Figure 3

Description

本発明は、ミクロ空洞を有する機能性構造体、及びこの構造体を反応器として備える水素生成装置に関し、詳細には、ふく射の空洞量子効果を大量の原料ガスを処理する化学プロセスに活用可能とする機能性構造体、及びこの空洞量子効果を効率的に活用した水蒸気改質等、水素生成技術に関する。   The present invention relates to a functional structure having a microcavity and a hydrogen generation apparatus provided with this structure as a reactor, and more specifically, the radiation cavity quantum effect can be used in a chemical process for processing a large amount of source gas. The present invention relates to a hydrogen generating technology such as steam reforming that efficiently utilizes the cavity quantum effect.

ミクロオーダの空洞(以下「ミクロ空洞」という。)内で得られる空洞量子効果は、本発明者等によって既に実証されているところであり、ミクロ空洞を有する機能性構造体を用いた化学反応の制御も本発明者等によって出願され、公開されている(下記特許文献1)。この関連技術に係る構造体は、MEMS技術(Micro Eletro Mechanical Systems)、具体的には、誘導結合プラズマ反応性イオンエッチング法によってシリコンウェーハ上に多数の方形ミクロ空洞を形成するとともに、前後に隣り合うミクロ空洞同士を正方形断面の微小流路を通じて接続し、構造体の一側に形成されたガス導入口と、他側に形成されたガス排出口とを、ミクロ空洞及び微小流路を介して連通させたものである。ミクロ空洞を形成するウェーハ内面には、スパッタリング法によってニッケル等を主成分とする触媒層を形成する。このようにして作製した機能性構造体を用いたメタンの水蒸気改質プロセスにおいて、原料ガスであるメタン及び水蒸気をガス導入口から構造体内に導入して、ミクロ空洞に供給する。そして、ミクロ空洞内で生じるふく射(共振電磁波)によってメタン及び水蒸気を加熱し、メタンの水蒸気改質反応によって生じた水素を回収する。   The cavity quantum effect obtained in a micro-order cavity (hereinafter referred to as “micro-cavity”) has already been demonstrated by the present inventors, and the control of chemical reaction using a functional structure having a micro-cavity. Has been filed and published by the present inventors (Patent Document 1 below). The structure according to this related technology forms a large number of square micro cavities on a silicon wafer by MEMS technology (Micro Electro Mechanical Systems), specifically, inductively coupled plasma reactive ion etching, and is adjacent to the front and back. The micro cavities are connected to each other through a micro flow channel having a square cross section, and the gas inlet formed on one side of the structure and the gas discharge port formed on the other side communicate with each other via the micro cavity and the micro flow channel. It has been made. A catalyst layer mainly composed of nickel or the like is formed by sputtering on the inner surface of the wafer forming the microcavity. In the methane steam reforming process using the functional structure thus produced, methane and steam, which are raw material gases, are introduced into the structure from the gas inlet and supplied to the microcavity. And methane and water vapor | steam are heated by the radiation (resonance electromagnetic wave) which arises in a microcavity, and hydrogen produced | generated by the steam reforming reaction of methane is collect | recovered.

特開2006−273686号公報(段落番号0029,0030)Japanese Patent Laying-Open No. 2006-273686 (paragraph numbers 0029 and 0030)

しかしながら、前掲特許文献1に記載の技術には、構造体の内部において、ミクロ空洞に加え、隣り合うミクロ空洞同士を連通させるための微小流路を設ける必要があることから、構造体内の流路構造が複雑となり、大量の原料ガスを処理する用途への適用には向かないという問題がある。   However, in the technique described in the above-mentioned Patent Document 1, it is necessary to provide a micro flow path for communicating adjacent micro cavities in addition to the micro cavities inside the structure. There is a problem that the structure becomes complicated and it is not suitable for use in processing a large amount of source gas.

本発明は、以上の問題を考慮し、内部の流路構造が比較的単純であり、大量の原料ガスを処理する用途に適したミクロ空洞構造体を提供し、これに併せ、この構造体を備えることによってふく射の空洞量子効果を効率的に活用することのできる水素生成装置を提供することを目的とする。   In view of the above problems, the present invention provides a microcavity structure that has a relatively simple internal channel structure and is suitable for use in processing a large amount of source gas. An object of the present invention is to provide a hydrogen generator capable of efficiently utilizing the cavity quantum effect of radiation.

本発明に係るミクロ空洞構造体は、ふく射性ガスを原料とする化学プロセスに用いるミクロ空洞構造体であって、ガスを透過させるための導入口及び排出口と、導入口及び排出口の間で連続し、かつ互いに連通した複数の球形ミクロ空洞とを有するとともに、ミクロ空洞を形成する構造体内壁部の表面に触媒物質を担持したミクロ空洞構造体である。ここで、球状に形成したミクロ空洞は、夫々原料ガスの電磁波吸収帯と合致する空洞共振波長が得られる内径であり、これにより、ミクロ空洞内において、上記吸収帯に近い特定波長の電磁波によって原料ガスが励起加熱される一方、原料ガスから生じた生成ガスの励起が抑えられる、ガス分子の熱力学的非平衡状態が形成される。   A microcavity structure according to the present invention is a microcavity structure used in a chemical process using a radioactive gas as a raw material, and is provided between an inlet and an outlet for allowing gas to pass therethrough, and between the inlet and the outlet. The microcavity structure has a plurality of spherical microcavities that are continuous and communicated with each other, and a catalyst substance is supported on the surface of the wall of the structure that forms the microcavity. Here, the spherically formed microcavity has an inner diameter at which a cavity resonance wavelength that matches the electromagnetic wave absorption band of the raw material gas can be obtained. Thus, the raw material is caused by electromagnetic waves having a specific wavelength close to the absorption band in the microcavity. While the gas is excited and heated, a thermodynamic non-equilibrium state of gas molecules is formed in which excitation of the product gas generated from the source gas is suppressed.

本発明に係る水素生成装置は、このようなミクロ空洞構造体を反応器として備えるものである。   The hydrogen generator according to the present invention includes such a microcavity structure as a reactor.

本発明によれば、構造体内に形成するミクロ空洞を球状とし、この球形ミクロ空洞の内径を、原料ガスの電磁波吸収帯と合致する空洞共振波長が得られる内径としたことで、上記特定波長の電磁波によって原料ガスのみを励起加熱して、その熱分解を促進する一方、生成ガスの励起を抑えることができる。これにより、原料ガスの化学プロセスにおいて、ふく射の空洞量子効果を効率的に活用するとともに、より低温でのプロセスの実施が可能となる。ここで、本発明によれば、特に複数の球形ミクロ空洞を連続させ、かつ互いに連通させて形成したことで、隣り合うミクロ空洞同士をつなぐ特別な微小流路を形成する必要がないため、構造体内の流路構造が比較的単純となり、大量の原料ガスを処理する用途への適用が容易となる。そして、本発明によれば、このようなミクロ空洞構造体の採用により、水素生成プロセスにおいて、ふく射の空洞量子効果を活用し、効率的に水素を生成することが可能となる。   According to the present invention, the microcavity formed in the structure is spherical, and the inner diameter of the spherical microcavity is an inner diameter that provides a cavity resonance wavelength that matches the electromagnetic wave absorption band of the source gas. Only the source gas is excited and heated by electromagnetic waves to promote the thermal decomposition thereof, while the excitation of the generated gas can be suppressed. As a result, in the chemical process of the source gas, it is possible to efficiently utilize the radiation cavity quantum effect and to carry out the process at a lower temperature. Here, according to the present invention, since a plurality of spherical micro cavities are formed continuously and in communication with each other, it is not necessary to form a special micro flow path that connects adjacent micro cavities. The flow path structure in the body becomes relatively simple, and application to a use for processing a large amount of source gas becomes easy. According to the present invention, by adopting such a microcavity structure, it is possible to efficiently generate hydrogen by utilizing the radiation cavity quantum effect in the hydrogen generation process.

本発明の一実施形態に係る水素生成装置の全体構成図1 is an overall configuration diagram of a hydrogen generator according to an embodiment of the present invention. 同上実施形態に係るミクロ空洞構造体の製造プロセスの説明図Explanatory drawing of the manufacturing process of the micro cavity structure concerning an embodiment same as the above ミクロ空洞内の共振スペクトルと、原料ガスの吸収帯との関係Relationship between resonance spectrum in microcavity and absorption band of source gas

以下に図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
図1は、本発明の一実施形態に係る水素生成装置の全体的な構成を示している。
本実施形態では、天然ガスの主成分であるメタン(CH)及び水蒸気を原料ガスとし、このメタンの水蒸気改質反応によって水素を生成する場合について説明する。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 shows the overall configuration of a hydrogen generator according to an embodiment of the present invention.
In the present embodiment, a case will be described in which methane (CH 4 ), which is a main component of natural gas, and water vapor are used as raw material gas, and hydrogen is generated by a steam reforming reaction of this methane.

本実施形態に係る水素生成装置は、大きく分けて原料ガス供給部A、改質反応部B及び生成ガス回収部Cから構成される。
原料ガス供給部Aは、メタンガスボンベ1、窒素ボンベ2及び貯留槽3を備えている。メタンガスボンベ1は、改質対象とするメタンガスを貯蔵し、窒素ボンベ2は、水蒸気改質反応による水素の生成に先立って貯留槽3及びミクロ空洞構造体8を含む系全体に充填させる窒素ガスを貯蔵している。貯留槽3は、原料ガスであるメタン及び水蒸気の混合ガスを一時的に貯留し、この混合ガスを安定させるためのものである。メタンガスボンベ1及び窒素ボンベ2は、分岐管4a,4b及び集合管5を介して貯留槽3と接続されている。メタンガスボンベ1及び窒素ボンベ2から貯留槽3へのガス供給量は、分岐管4a,4bに介装された流量調節弁6a,6bによって制御することができる。窒素ボンベ2内の窒素ガスで系全体を充填させた後、遮断弁v1を開けることによって貯留槽3内にメタンガスを流入させる。これに対し、水蒸気は、導入管7を通じて集合管5に水を導入し、この水を貯留槽3内で蒸発させることによって供給する。貯留槽3の内部は、160℃前後の温度に調節する。
The hydrogen generator according to the present embodiment is roughly composed of a raw material gas supply unit A, a reforming reaction unit B, and a product gas recovery unit C.
The raw material gas supply unit A includes a methane gas cylinder 1, a nitrogen cylinder 2, and a storage tank 3. The methane gas cylinder 1 stores methane gas to be reformed, and the nitrogen cylinder 2 stores nitrogen gas filled in the entire system including the storage tank 3 and the microcavity structure 8 prior to the generation of hydrogen by the steam reforming reaction. I store it. The storage tank 3 temporarily stores a mixed gas of methane and water vapor, which is a raw material gas, and stabilizes this mixed gas. The methane gas cylinder 1 and the nitrogen cylinder 2 are connected to the storage tank 3 through branch pipes 4 a and 4 b and a collecting pipe 5. The amount of gas supplied from the methane gas cylinder 1 and the nitrogen cylinder 2 to the storage tank 3 can be controlled by flow control valves 6a and 6b interposed in the branch pipes 4a and 4b. After filling the entire system with nitrogen gas in the nitrogen cylinder 2, methane gas is caused to flow into the storage tank 3 by opening the shut-off valve v1. On the other hand, water vapor is supplied by introducing water into the collecting pipe 5 through the introduction pipe 7 and evaporating the water in the storage tank 3. The inside of the storage tank 3 is adjusted to a temperature around 160 ° C.

改質反応部Bは、本実施形態に係るミクロ空洞構造体8と、電気炉(「加熱炉」に相当する。)9とを備えている。電気炉9により、ミクロ空洞構造体8内での水蒸気改質反応に関する温度条件を調節することが可能である。ミクロ空洞構造体8内のミクロ空洞は、原料ガス供給管10を介して貯留槽3の内部と連通接続されており、遮断弁v2を開けることにより、ミクロ空洞に対してこの原料ガス供給管10を通じて安定後の混合ガスを供給する。   The reforming reaction section B includes a microcavity structure 8 according to the present embodiment and an electric furnace (corresponding to a “heating furnace”) 9. The electric furnace 9 can adjust the temperature condition regarding the steam reforming reaction in the microcavity structure 8. The microcavity in the microcavity structure 8 is connected to the inside of the storage tank 3 through the raw material gas supply pipe 10, and the raw material gas supply pipe 10 is connected to the microcavity by opening the shut-off valve v2. The mixed gas after the stabilization is supplied through.

生成ガス回収部Cは、ミクロ空洞構造体9と接続された生成ガス回収管11を備えており、この生成ガス回収管11を通じてミクロ空洞構造体8内で生じた水素を回収する。回収した水素は、燃料電池の負極ガス等として用いることができるが、本実施形態では、この生成ガス回収部Cに、生成ガスの流量を測定する流量計12と、生成ガスの一部をサンプリングするミクロシリンジ13を設けている。流量計12の測定値は、ビデオカメラ14によって監視し、サンプリングした生成ガスは、ガスクロマトグラフ分析計15によって分析する。   The product gas recovery unit C includes a product gas recovery pipe 11 connected to the microcavity structure 9, and recovers hydrogen generated in the microcavity structure 8 through the product gas recovery pipe 11. The recovered hydrogen can be used as a negative electrode gas or the like of the fuel cell. In this embodiment, a flow meter 12 for measuring the flow rate of the generated gas and a part of the generated gas are sampled in the generated gas recovery unit C. A micro syringe 13 is provided. The measured value of the flow meter 12 is monitored by a video camera 14, and the sampled product gas is analyzed by a gas chromatograph analyzer 15.

ここで、図2を参照して、本実施形態に係るミクロ空洞構造体8の製造プロセスについて説明する。
均一なミクロオーダ粒径のラテックス粒子Pを用意し、図2(a)に示すように、このラテックス粒子Pを、ニッケル又はルテニウム等の触媒の原料となる物質Mの懸濁液中に浸漬させて、ラテックス粒子Pの表面にこの触媒物質Mを吸着させる。これに続き、図2(b)に示すように、触媒物質Mが吸着したラテックス粒子Pと、セラミックスCの溶液とをガラスパイプG内に封入する。そして、図2(c)に示すように、このガラスパイプGを加熱炉H内に設置し、真空ポンプPumpによって曝気して気泡を取り除き、セラミックスCを乾燥させる。乾燥後、ラテックス粒子Pが懸濁したセラミックスCを加熱炉Hによって加熱し、還元雰囲気下で焼成する。焼成時の熱によってラテックス粒子Pが分解消失することで、焼結セラミックスの内部において、多数の球形ミクロ空洞が連続した流路が形成されるとともに、ラテックス粒子Pの表面に吸着していた触媒物質Mが、焼結セラミックスの球形空洞内面に付着する。このように、還元された触媒物質Mを球形のセラミックス内面に担持付着させることで、前掲特許文献1の技術において問題となった、触媒物質が高温下で凝集する現象を抑制することができる。本実施形態では、この焼結セラミックス自体によってミクロ空洞構造体8を形成する。
Here, with reference to FIG. 2, the manufacturing process of the microcavity structure 8 which concerns on this embodiment is demonstrated.
A latex particle P having a uniform micro-order particle size is prepared, and as shown in FIG. 2A, this latex particle P is immersed in a suspension of a substance M that is a raw material for a catalyst such as nickel or ruthenium. Then, the catalyst material M is adsorbed on the surface of the latex particles P. Subsequently, as shown in FIG. 2B, the latex particles P on which the catalyst substance M is adsorbed and the ceramic C solution are sealed in a glass pipe G. Then, as shown in FIG. 2 (c), the glass pipe G is installed in the heating furnace H, aerated by a vacuum pump Pump to remove bubbles, and the ceramic C is dried. After drying, the ceramic C in which the latex particles P are suspended is heated by a heating furnace H and fired in a reducing atmosphere. As the latex particles P decompose and disappear due to heat during firing, a flow path in which a large number of spherical microcavities are continuous is formed inside the sintered ceramic, and the catalyst material adsorbed on the surface of the latex particles P. M adheres to the inner surface of the spherical cavity of the sintered ceramic. In this way, by causing the reduced catalyst material M to be supported and attached to the inner surface of the spherical ceramic, it is possible to suppress the phenomenon that the catalyst material aggregates at a high temperature, which has been a problem in the technique of Patent Document 1 described above. In the present embodiment, the microcavity structure 8 is formed by the sintered ceramic itself.

本実施形態では、メタンの水蒸気改質を行うため、ラテックス粒子の粒径を5〜6μm程度としているが、適正な内径及び数密度のミクロ空洞の作成には、逆オパール構造体の製造法(Diguna et al, Material Science and Engineering, p.1514, 2007)を参照することができる。   In this embodiment, in order to perform steam reforming of methane, the particle size of latex particles is set to about 5 to 6 μm. However, in order to create a microcavity with an appropriate inner diameter and number density, a method for producing an inverse opal structure ( Diguna et al, Material Science and Engineering, p. 1514, 2007).

ミクロ空洞の具体的な設計について、以下に説明する。

(球形ミクロ空洞の有利性について)
プランクの空洞ふく射理論は、空洞のサイズ(内径)が波長よりも充分に大きいという前提に基づいている。その一方で、ミクロ空洞内では、空洞のサイズが赤外域のふく射の波長と同程度の大きさであるため、空洞の壁面形状がミクロ空洞内のふく射場に大きな影響を与えると考えられる。このようなミクロ空洞内のふく射場について、微小空洞共振理論を用いた解析に関する研究報告が存在する。
The specific design of the microcavity is described below.

(Advantages of spherical microcavities)
Planck's cavity radiation theory is based on the assumption that the cavity size (inner diameter) is much larger than the wavelength. On the other hand, in the microcavity, since the size of the cavity is about the same as the wavelength of radiation in the infrared region, it is considered that the wall shape of the cavity has a great influence on the radiation field in the microcavity. There are research reports on the analysis of the radiation field in such a microcavity using the microcavity resonance theory.

空洞内の電磁界は、以下に示すMaxellの方程式によって表される。   The electromagnetic field in the cavity is represented by Maxell's equation shown below.

Figure 2010215420
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Figure 2010215420
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Figure 2010215420
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Figure 2010215420
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上式(1)〜(4)より、空洞内の電場Eは、次のように導かれる。   From the above formulas (1) to (4), the electric field E in the cavity is derived as follows.

Figure 2010215420
Figure 2010215420

ここで、本実施形態に係るミクロ空洞を半径aの球形の閉空洞とし、更にその壁面を完全導体と仮定する。
上記Maxwellの方程式を極座標に変換する。完全導体中には電磁界が存在しないので、境界条件は、次のようである。
Here, it is assumed that the microcavity according to the present embodiment is a spherical closed cavity having a radius a, and the wall surface is a complete conductor.
Convert the Maxwell equation to polar coordinates. Since there is no electromagnetic field in the perfect conductor, the boundary conditions are as follows.

Figure 2010215420
Figure 2010215420

この境界条件のもとでMaxwellの方程式を解くと、球形空洞内の共振波長λは、次のように求めることができる。 When the Maxwell equation is solved under this boundary condition, the resonance wavelength λ r in the spherical cavity can be obtained as follows.

Figure 2010215420
Figure 2010215420

ここで、上式(6)中のq’npは、球ベッセル関数の根であり、n及びpに応じて表1のように与えられる。 Here, q ′ np in the above equation (6) is the root of the spherical Bessel function, and is given as shown in Table 1 according to n and p.

Figure 2010215420
Figure 2010215420

例えば、水蒸気についていえば、その固有振動数に適合する共振波長であるλ=6.3μmを与える空洞の内径d(=2a)は、n=p=1の場合において、上式(6)によって5.5μmとなる。 For example, in the case of water vapor, the inner diameter d (= 2a) of the cavity that gives λ r = 6.3 μm, which is the resonance wavelength matching the natural frequency, is expressed by the above equation (6) when n = p = 1. To 5.5 μm.

空洞共振器のQ値は、下式(7)によって与えられる。   The Q value of the cavity resonator is given by the following equation (7).

Figure 2010215420
Figure 2010215420

従って、n=p=1の場合に、球形空洞のQ値は、Q=1.01η/Rとなる。ここで、η及びRは、夫々真空中の誘電率、導体の共振周波数における抵抗である。
これに対し、方形空洞によって構成される空洞共振器のQ値は、Q=0.74η/Rであるから、球形空洞のほうが方形空洞よりも空洞内に蓄えることのできる電磁波エネルギーが大きいことが分かる。
Therefore, when n = p = 1, the Q value of the spherical cavity is Q = 1.01η 0 / R s . Here, η 0 and R s are the dielectric constant in vacuum and the resistance at the resonance frequency of the conductor, respectively.
On the other hand, since the Q value of the cavity resonator constituted by the square cavity is Q = 0.74η 0 / R s , the electromagnetic energy that can be stored in the cavity is larger in the spherical cavity than in the square cavity. I understand that.


(触媒の選定について)
炭化水素系のガス燃料の水蒸気改質における主な反応は、下式(8)〜(9)によって表される。

(Catalyst selection)
The main reactions in steam reforming of hydrocarbon-based gas fuel are expressed by the following equations (8) to (9).

+nHO→nCO+(n+m/2)H(−ΔH 298<0) ・・・(8)
CO+HO→CO+H(−ΔH 298=41.2kJmol−1) ・・・(9)
CO+3H→CH+HO(−ΔH 298=206.2kJmol−1) ・・・(10)
上式(8)〜(10)のうち、(8)式を水蒸気改質反応、(9)式をシフト反応、(10)式をメタネーション反応という。原料がメタンガスである場合は、(10)式の逆反応が水蒸気改質反応となる。ここで、メタンガスを原料とする場合の水蒸気改質反応及びシフト反応を組み合わせた総括反応は、次のように表される。
C n H m + nH 2 O → nCO + (n + m / 2) H 2 (-ΔH 0 298 <0) ··· (8)
CO + H 2 O → CO 2 + H 2 (−ΔH 0 298 = 41.2 kJmol −1 ) (9)
CO + 3H 2 → CH 4 + H 2 O (−ΔH 0 298 = 206.2 kJmol −1 ) (10)
Of the above formulas (8) to (10), the formula (8) is referred to as a steam reforming reaction, the formula (9) is referred to as a shift reaction, and the formula (10) is referred to as a methanation reaction. When the raw material is methane gas, the reverse reaction of the formula (10) is a steam reforming reaction. Here, the overall reaction combining the steam reforming reaction and the shift reaction when methane gas is used as a raw material is expressed as follows.

CH+2HO→CO+4H(ΔH 298=165kJmol−1) ・・・(11)
水蒸気改質反応は、上式(10)の逆反応から、吸熱反応であることが分かる。従って、これまでの工業生産用施設では、反応熱の供給及び回収が重要な課題であった。一般的な施設では、反応に関する温度条件が反応管入口部の温度で450〜650℃、反応管出口部の温度で、目的に応じて700〜900℃にもなっている。そこで、反応管の材質には、長時間に亘る過酷な条件での使用に耐え得るものであることが要求される。そして、触媒についても同様に過酷な条件に対する耐性が必要であり、多孔質体にニッケルを担持させたものが広く使用されている。
CH 4 + 2H 2 O → CO 2 + 4H 2 (ΔH 0 298 = 165 kJmol −1 ) (11)
It can be seen that the steam reforming reaction is an endothermic reaction from the reverse reaction of the above formula (10). Therefore, supply and recovery of reaction heat has been an important issue in conventional industrial production facilities. In a general facility, the temperature conditions relating to the reaction are 450 to 650 ° C. at the temperature of the reaction tube inlet, and 700 to 900 ° C. depending on the purpose at the temperature of the reaction tube outlet. Therefore, the material of the reaction tube is required to be able to withstand use under severe conditions for a long time. Similarly, the catalyst needs to be resistant to harsh conditions, and a catalyst in which nickel is supported on a porous body is widely used.

炭化水素の種類を変えても最終的に得られるガスの組成は、上式(9),(10)によって算出される熱力学的平衡組成となるため、生成ガスの組成は、反応温度、圧力及びガス燃料に対する水蒸気比に応じて一義的に定まる。これらのパラメータを変化させた場合に得られる生成ガスの組成を分析することで、高温低圧の条件では水素及び一酸化炭素を主成分とする生成ガスが得られ、低温高圧の条件ではメタンを主成分とする生成ガスが得られる(触媒学会編、工業触媒反応、pp264−267(1985))。   Since the composition of the gas finally obtained even if the type of hydrocarbon is changed is the thermodynamic equilibrium composition calculated by the above equations (9) and (10), the composition of the product gas is the reaction temperature and pressure. And it is uniquely determined according to the water vapor ratio to the gas fuel. By analyzing the composition of the product gas obtained when these parameters are changed, a product gas mainly composed of hydrogen and carbon monoxide is obtained under conditions of high temperature and low pressure, and methane is mainly used under conditions of low temperature and high pressure. A product gas as a component is obtained (catalyst society edition, industrial catalytic reaction, pp 264-267 (1985)).

水蒸気改質用の触媒は、メタンに対する活性を有する物質として、ニッケル及びそれ以外の他の貴金属(例えば、ルテニウム及び白金)を用いることができる。ニッケルは、メタンに対して比較的高い活性を有すること、及び入手が容易であることから、水蒸気改質用の触媒物質として広く使用されている。これらの貴金属は、いずれも本実施形態に係る触媒物質として用いることができ、そのメタンに対する活性を示すと、次のような序列となる。   The catalyst for steam reforming can use nickel and other noble metals (for example, ruthenium and platinum) as a substance having activity against methane. Nickel is widely used as a catalyst material for steam reforming because it has a relatively high activity with respect to methane and is easily available. Any of these noble metals can be used as the catalyst material according to the present embodiment, and when the activity against methane is shown, the following order is obtained.

Rh,Ru>Ni>Ir>Pd,Pt>Co,Fe

(ミクロ空洞の内径の設定について)
本実施形態では、原料ガスをメタン及び水蒸気としているが、これらのガスは、一般的にふく射性ガスと呼ばれており、特定波長の電磁波に対して相互作用を生じることが知られている。ここで、ガスのふく射性について述べる。
Rh, Ru>Ni>Ir> Pd, Pt> Co, Fe

(About setting the inside diameter of the microcavity)
In this embodiment, the raw material gases are methane and water vapor, but these gases are generally called radiant gases and are known to interact with electromagnetic waves of a specific wavelength. Here, gas radiation properties will be described.

塩化水素及び一酸化炭素等の異種原子から構成される極性を有する2原子ガスや、メタン及び水蒸気等の多原子ガスは、構成原子の回転及び振動といった運動を介して電磁波とエネルギー交換を行う(円山重直、光エネルギー工学(14)、機械の研究、第53巻第11号、pp57−64(2001))。   A diatomic gas having a polarity composed of heterogeneous atoms such as hydrogen chloride and carbon monoxide and a polyatomic gas such as methane and water vapor exchange energy with electromagnetic waves through movements such as rotation and vibration of constituent atoms ( Maruyama Shigenao, Optical Energy Engineering (14), Mechanical Research, Vol. 53, No. 11, pp 57-64 (2001)).

水蒸気は、H−O−Hの非対称コマ構造をなしており、純回転吸収帯と、振動−回転吸収帯とを併せた吸収線の位置が略ランダムに、かつ広い範囲に亘って存在する。水蒸気の赤外域における主な吸収帯を表2に示す。水蒸気は、6.3μm付近に最も大きな吸収帯を有する。   The water vapor has a HO—H—H asymmetric top structure, and the position of the absorption line that combines the pure rotation absorption band and the vibration-rotation absorption band exists almost randomly and over a wide range. Table 2 shows main absorption bands in the infrared region of water vapor. Water vapor has the largest absorption band in the vicinity of 6.3 μm.

Figure 2010215420
Figure 2010215420

これに対し、メタンは、対称コマ構造をなしており、その振動モードは、4つの独立なモードを有する。これらのうち赤外吸収に関連するのは、2つのモードである。表3は、メタンの赤外域における主な吸収帯を示している。メタンは、3.3μm及び7.6μm付近に比較的大きな吸収帯を有する。   In contrast, methane has a symmetric top structure, and its vibration mode has four independent modes. Of these, two modes relate to infrared absorption. Table 3 shows main absorption bands in the infrared region of methane. Methane has a relatively large absorption band around 3.3 μm and 7.6 μm.

Figure 2010215420
Figure 2010215420

ミクロ空洞内のふく射場の解析方法を用いて、メタンの水蒸気改質プロセスに適するミクロ空洞の内径を決定する。
表2,3より、水蒸気及びメタンのそれぞれについて最も大きな吸収強度を示すのは、6.27058μm、3.31244μmの吸収線である。そこで、これらの吸収線及び吸収帯に、ミクロ空洞の共振波長(空洞共振波長)を合致させるようにする。
The analysis method of the radiation field in the microcavity is used to determine the inner diameter of the microcavity suitable for the steam reforming process of methane.
From Tables 2 and 3, it is the absorption lines of 6.27058 μm and 3.3244 μm that show the greatest absorption intensity for each of water vapor and methane. Therefore, the resonance wavelength (cavity resonance wavelength) of the microcavity is matched with these absorption lines and absorption bands.

空洞内における電磁波の共振波長は、上式(6)によって求めることができる。この共振波長は、様々なモードによって無限の分布を有する。その共振パラメータは、表1の球ベッセル関数の根として表される。従って、この共振パラメータに応じ、球形空洞の共振波長を原料ガスの電磁波吸収帯に合致させるようにミクロ空洞の内径を決定することで、原料ガスを特定波長の電磁波によって励起加熱することが可能となる。   The resonance wavelength of the electromagnetic wave in the cavity can be obtained by the above equation (6). This resonant wavelength has an infinite distribution depending on various modes. The resonance parameter is expressed as the root of the spherical Bessel function in Table 1. Therefore, by determining the inner diameter of the microcavity so that the resonance wavelength of the spherical cavity matches the electromagnetic wave absorption band of the source gas according to this resonance parameter, the source gas can be excited and heated by electromagnetic waves of a specific wavelength. Become.

原料ガスの吸収帯に合致させる共振モードは、高いエネルギーを有していることが望まれるが、本実施形態では、メタン及び水蒸気の吸収線に対し、できるだけ低次のモードを合致させることとする。   The resonance mode that matches the absorption band of the source gas is desired to have high energy, but in this embodiment, the lowest order mode is matched to the absorption lines of methane and water vapor. .

空洞内のモード(p,n)のうち、最も単純なモードである(1,1)の場合及び(1,2)の場合の共振波長を夫々6.27058μm及び3.31244μmの吸収線に合致させる場合は、表1を参照して上式(6)に各条件を代入することで、ミクロ空洞の内径dを算出することができる。   Of the modes (p, n) in the cavity, the resonance wavelengths in the simplest modes (1, 1) and (1, 2) match the absorption lines of 6.27058 μm and 3.32444 μm, respectively. In the case of making it, the inner diameter d of the microcavity can be calculated by substituting each condition into the above equation (6) with reference to Table 1.

以上で述べた解析では、空洞の内壁を完全導体と仮定したので、空洞内の波長に対するエネルギー分布は、幅を持たないピークが離散的に存在する分布となる。実際の空洞では、内壁に触媒物質である貴金属(本実施形態では、ニッケル及び白金等)がコーティングされており、これらの触媒物質は、有限の導電率を有する。従って、内壁においてエネルギー損失が生じるため、空洞内の共振スペクトルには広がりがあると考えられる。この共振スペクトルの広がりについて以下に述べる。   In the analysis described above, since the inner wall of the cavity is assumed to be a complete conductor, the energy distribution with respect to the wavelength in the cavity is a distribution in which peaks having no width exist discretely. In an actual cavity, the inner wall is coated with a noble metal (in this embodiment, nickel, platinum, etc.) that is a catalyst material, and these catalyst materials have a finite conductivity. Therefore, energy loss occurs in the inner wall, and it is considered that the resonance spectrum in the cavity has a spread. The spread of the resonance spectrum will be described below.

導電率は、電磁場の変動周波数(本実施形態では、ふく射の波長)に依存する。導体中の自由電子に電界E=|E|jωtが作用した場合の電子の運動方程式は、次式(12)によって表される。 The conductivity depends on the frequency of fluctuation of the electromagnetic field (in this embodiment, the wavelength of radiation). The equation of motion of electrons when the electric field E = | E | jωt acts on free electrons in the conductor is expressed by the following equation (12).

Figure 2010215420
Figure 2010215420

ここで、m及びeは、夫々電子の質量、電荷である。γは、電子の減衰定数であり、その逆数τは、緩和時間である。rは、位置ベクトルであり、電子の平衡点からの移動距離を示す。上式(12)を解析することにより、導電率σは、次式(13)によって与えられる。   Here, m and e are the mass and charge of electrons, respectively. γ is an electron decay constant, and its reciprocal τ is a relaxation time. r is a position vector, which indicates the movement distance of the electron from the equilibrium point. By analyzing the above equation (12), the conductivity σ is given by the following equation (13).

Figure 2010215420
Figure 2010215420

ここで、σは、電場の変化がない場合の導電率である。緩和時間τの推定では、自由電子をばね定数が0の振動子としてモデル化したドルーデモデルを用いた。このモデルによると、複素屈折率及び緩和時間τの関係は、下式(14)のように表される。 Here, σ 0 is the conductivity when there is no change in the electric field. In the estimation of the relaxation time τ, a Drude model in which free electrons are modeled as an oscillator having a spring constant of 0 was used. According to this model, the relationship between the complex refractive index and the relaxation time τ is expressed by the following equation (14).

Figure 2010215420
Figure 2010215420

上式(14)中のn及びkは、複素屈折率の実部、虚部を示し、ε’及びε”は、複素誘電関数の実部、虚部を示す。ωは、プラズマ角振動数である。上式(14)を連立させて解くことにより、緩和時間τに関して次のような式が得られ、その値を推定することができる。 In the above equation (14), n and k represent the real part and imaginary part of the complex refractive index, and ε ′ and ε ″ represent the real part and imaginary part of the complex dielectric function. Ω p is the plasma angular oscillation By solving the above equation (14) simultaneously, the following equation can be obtained for the relaxation time τ, and the value can be estimated.

Figure 2010215420
Figure 2010215420

共振スペクトルの広がりを評価するため、Q値を求める。Q値は、ローレンツ分布におけるピークの半値幅を与える値として、次のように定義される。   In order to evaluate the spread of the resonance spectrum, the Q value is obtained. The Q value is defined as follows as a value that gives the half width of the peak in the Lorentz distribution.

Figure 2010215420
Figure 2010215420

本実施形態において、上式(16)における空洞内の振動エネルギーP及び1周期あたりの振動エネルギーの損失ΔPは、電磁界解析ソフトウェアである商品名「MAFIA」を用いて計算した。   In this embodiment, the vibration energy P in the cavity and the vibration energy loss ΔP per period in the above equation (16) were calculated using the trade name “MAFIA” which is electromagnetic field analysis software.

図3は、上記2つの波長に対応する共振スペクトルのふく射強度と、メタン及び水蒸気に対する吸収強度とを示している。同図中右に水蒸気に関するプロットを示し、左にメタンに関するプロットを示している。図3から分かるように、共振スペクトルの広がりは、メタン及び水蒸気の吸収帯を適度に包含している。   FIG. 3 shows the radiation intensity of the resonance spectrum corresponding to the two wavelengths and the absorption intensity for methane and water vapor. In the figure, the water vapor plot is shown on the right, and the methane plot is shown on the left. As can be seen from FIG. 3, the broadening of the resonance spectrum appropriately includes the absorption bands of methane and water vapor.

ミクロ空洞構造体内における実際の流れでは、ミクロ空洞同士をつなぐ細孔が存在するので、境界条件は、上記の計算に関して設定したものよりも複雑となる。これは、共振スペクトルの広がりを更に拡大させる要因になると考えられる。従って、ミクロ空洞の共振波長は、原料ガスの電磁波吸収帯に完全に一致している必要はなく、ある程度の幅を持って設定することが可能である。例えば、ミクロ空洞の内径は、略5〜6μmの範囲内で設定することができる。   In the actual flow within the microcavity structure, there are pores connecting the microcavities, so the boundary conditions are more complicated than those set for the above calculations. This is considered to be a factor for further expanding the spread of the resonance spectrum. Therefore, the resonance wavelength of the microcavity does not need to completely match the electromagnetic wave absorption band of the raw material gas, and can be set with a certain width. For example, the inner diameter of the microcavity can be set within a range of approximately 5 to 6 μm.

実際のミクロ空洞内では、吸収帯の存在する波長域に他の複数の振動モードが存在するため、各振動モードにどのようにエネルギーが分散しているかを考慮して、ミクロ空洞内の全てのエネルギー分布を反映させるのが好ましい。   In an actual microcavity, there are a plurality of other vibration modes in the wavelength region where the absorption band exists. Therefore, considering how energy is dispersed in each vibration mode, It is preferable to reflect the energy distribution.


以上で述べたように、本実施形態によれば、連続した球形ミクロ空洞を形成し、このミクロ空洞の内径を、原料ガスであるメタン及び水蒸気の電磁波吸収帯と合致する空洞共振波長が得られる内径aとしたことで、メタンの水蒸気改質プロセスにおいて、特定波長の電磁波によってメタンガス及び水蒸気を励起加熱して、メタンの熱分解を促進することができる。その一方で、改質によって生じる水素及び酸素の吸収帯は、上記原料ガスの吸収帯とは大きく異なるため、電磁波によって励起されることなく、ミクロ空洞同士をつなぐ細孔や、セラミックス自体の空隙を通じてミクロ空洞構造体8から排出される。従って、本実施形態によれば、メタンの水蒸気改質プロセスにおいて、ふく射の空洞量子効果を効率的に活用して、より低温で改質を行い、水素を効率的に生成することが可能となる。

As described above, according to the present embodiment, a continuous spherical microcavity is formed, and a cavity resonance wavelength that matches the inside diameter of the microcavity with the electromagnetic wave absorption bands of methane and water vapor that are source gases can be obtained. By setting the inner diameter a, in the steam reforming process of methane, methane gas and steam are excited and heated by electromagnetic waves of a specific wavelength, and thermal decomposition of methane can be promoted. On the other hand, the absorption band of hydrogen and oxygen generated by reforming is greatly different from the absorption band of the source gas, so that it is not excited by electromagnetic waves, but through pores connecting micro cavities and voids in the ceramic itself. It is discharged from the microcavity structure 8. Therefore, according to the present embodiment, in the steam reforming process of methane, it is possible to efficiently utilize the radiation cavity quantum effect and perform reforming at a lower temperature to efficiently generate hydrogen. .

そして、本実施形態によれば、ミクロ空洞を球状にしたことに加え、ミクロ空洞構造体8をセラミックスによって作製したことで、触媒物質の使用量を削減することともに、触媒物質がセラミックスの内面上でナノスケールの隙間に分散されるため、触媒物質の高温下での凝集現象を防止することができる。   According to the present embodiment, in addition to making the microcavity spherical, the microcavity structure 8 is made of ceramics, so that the amount of the catalytic material used is reduced and the catalytic material is placed on the inner surface of the ceramic. Therefore, the catalyst substance can be prevented from agglomerating at a high temperature.

本発明は、メタンの水蒸気改質プロセスに限らず、高温水蒸気電解及び水蒸気の直接熱分解等、他の化学プロセスに適用することもできる。高温水蒸気電解では、水蒸気の電磁波吸収帯にミクロ空洞の共振波長を合致させることで、水蒸気を効率よく分解し、水素を生成することができる。ミクロ空洞構造体をセラミックス製とするとともに、触媒物質として水蒸気熱分解性のものを採用することで、高温下での水の直接熱分解も可能である。ここで、熱力学的非平衡状態の反応が達成されることで、従来の高温水蒸気電解及び水蒸気の直接熱分解では達成することのできなかった比較的低温下での反応を起こすことが可能である。   The present invention is not limited to the methane steam reforming process, but can be applied to other chemical processes such as high-temperature steam electrolysis and steam direct thermal decomposition. In high-temperature steam electrolysis, by matching the resonance wavelength of the microcavity with the electromagnetic wave absorption band of steam, the steam can be efficiently decomposed to generate hydrogen. Direct microlysis of water at high temperatures is possible by using a microcavity made of ceramics and employing a steam pyrolyzable catalyst material. Here, the reaction in a thermodynamic non-equilibrium state is achieved, so that it is possible to cause a reaction at a relatively low temperature that could not be achieved by the conventional high-temperature steam electrolysis and steam direct thermal decomposition. is there.

燃料電池自動車に搭載される水素改質器及び小型水素ステーションでの水素の製造には、低温で高効率に作動する水素製造装置が不可欠である。本発明は、以上で述べたように低温で効率よく水素を生成することを可能とするものであるから、自動車搭載型の水素製造装置の実用化に貢献する。   In order to produce hydrogen at a hydrogen reformer and a small hydrogen station mounted on a fuel cell vehicle, a hydrogen production apparatus that operates at low temperature and high efficiency is indispensable. Since the present invention makes it possible to efficiently generate hydrogen at a low temperature as described above, it contributes to the practical application of an on-vehicle hydrogen production apparatus.

1…メタンガスボンベ、2…窒素ボンベ、3…貯留槽、8…ミクロ空洞構造体、9…電気炉、P…ラテックス粒子、M…触媒物質、C…セラミックス。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Methane gas cylinder, 2 ... Nitrogen cylinder, 3 ... Storage tank, 8 ... Micro-cavity structure, 9 ... Electric furnace, P ... Latex particle, M ... Catalytic substance, C ... Ceramics.

Claims (16)

ふく射性ガスを原料とする化学プロセスに用いるミクロ空洞構造体であって、
ガスを透過させるための導入口及び排出口と、前記導入口及び排出口の間で連続し、かつ互いに連通した複数の球形ミクロ空洞とを有するとともに、
前記ミクロ空洞を形成する構造体内壁部の表面に触媒物質を担持し、
前記ミクロ空洞が、夫々前記原料ガスの電磁波吸収帯と合致する空洞共振波長が得られる内径であることにより、前記ミクロ空洞内において、前記吸収帯に近い特定波長の電磁波によって前記原料ガスが励起加熱される一方、前記原料ガスから生じた生成ガスの励起が抑えられる、ガス分子の熱力学的非平衡状態が形成されるミクロ空洞構造体。
A microcavity structure used in a chemical process using a radioactive gas as a raw material,
An inlet and an outlet for allowing gas to permeate, and a plurality of spherical microcavities continuous between the inlet and the outlet and in communication with each other;
A catalyst substance is supported on the surface of the wall of the structure forming the microcavity,
The microcavity has an inner diameter at which a cavity resonance wavelength that matches the electromagnetic wave absorption band of the source gas is obtained, so that the source gas is excited and heated by an electromagnetic wave having a specific wavelength close to the absorption band in the microcavity. On the other hand, a microcavity structure in which a thermodynamic non-equilibrium state of gas molecules is formed, in which excitation of a product gas generated from the source gas is suppressed.
前記原料ガスが炭化水素ガス又は水蒸気である請求項1に記載のミクロ空洞構造体。   The microcavity structure according to claim 1, wherein the source gas is a hydrocarbon gas or water vapor. 前記触媒物質がニッケル、白金及びルテニウムのうち少なくとも1つである請求項1又は2に記載のミクロ空洞構造体。   The microcavity structure according to claim 1 or 2, wherein the catalyst material is at least one of nickel, platinum, and ruthenium. 前記触媒物質が水蒸気熱分解性の触媒物質である請求項1又は2に記載のミクロ空洞構造体。   The microcavity structure according to claim 1 or 2, wherein the catalyst material is a steam pyrolyzable catalyst material. 前記ミクロ空洞の内径が略5.0〜6.0μmである請求項1〜4のいずれかに記載のミクロ空洞構造体。   The microcavity structure according to any one of claims 1 to 4, wherein an inner diameter of the microcavity is approximately 5.0 to 6.0 µm. 前記内径に略等しい粒径のラテックス粒子の表面に前記触媒物質を吸着させ、この触媒物質が吸着したラテックス粒子をセラミックス中に懸濁させ、更に前記ラテックス粒子及びセラミックスを乾燥後焼成して、前記ラテックス粒子を熱分解させることで作製した請求項1〜5のいずれかに記載のミクロ空洞構造体。   The catalyst material is adsorbed on the surface of latex particles having a particle diameter substantially equal to the inner diameter, the latex particles adsorbed with the catalyst material are suspended in ceramics, and the latex particles and ceramics are dried and fired, The microcavity structure according to any one of claims 1 to 5, which is produced by thermally decomposing latex particles. 少なくとも前記構造体内壁部がセラミックスからなる請求項1〜5のいずれかに記載のミクロ空洞構造体。   The microcavity structure according to any one of claims 1 to 5, wherein at least the structural body wall portion is made of ceramics. 前記セラミックスが安定化ジルコニアである請求項6又は7に記載のミクロ空洞構造体。   The microcavity structure according to claim 6 or 7, wherein the ceramic is stabilized zirconia. 請求項1〜8のいずれかに記載のミクロ空洞構造体を含んで構成され、
前記原料ガスである炭化水素ガス及び水蒸気を、前記導入口を通じて前記ミクロ空洞に供給し、
前記ミクロ空洞内で前記炭化水素ガスから生じた水素を、前記排出口を介して回収する水素生成装置。
It is comprised including the micro cavity structure according to any one of claims 1 to 8,
Supplying hydrocarbon gas and water vapor as the raw material gas to the microcavity through the inlet,
A hydrogen generator for recovering hydrogen generated from the hydrocarbon gas in the microcavity through the discharge port.
請求項1〜8のいずれかに記載のミクロ空洞構造体を含んで構成され、
前記原料ガスである水蒸気を、前記導入口を通じて前記ミクロ空洞に供給し、
前記ミクロ空洞内で前記水蒸気から生じた水素を、前記排出口を介して回収する水素生成装置。
It is comprised including the micro cavity structure according to any one of claims 1 to 8,
Water vapor as the source gas is supplied to the microcavity through the inlet,
A hydrogen generator that recovers hydrogen generated from the water vapor in the microcavity through the outlet.
前記ミクロ空洞構造体を加熱する加熱炉を更に含んで構成される請求項9又は10に記載の水素生成装置。   The hydrogen generator according to claim 9 or 10, further comprising a heating furnace for heating the microcavity structure. 所定のミクロオーダ粒径のラテックス粒子の表面に触媒物質を吸着させ、この触媒物質が吸着したラテックス粒子をセラミックス中に懸濁させ、更に前記ラテックス粒子及びセラミックスを乾燥後焼成して、前記ラテックス粒子を熱分解させることで作製される、連続した複数の球形ミクロ空洞を形成する焼結セラミックスの内面に、前記触媒物質を担持したミクロ空洞構造体。   The latex particles are adsorbed on the surface of latex particles having a predetermined microorder particle size, the latex particles adsorbed with the catalyst materials are suspended in ceramics, and the latex particles and ceramics are dried and fired, and the latex particles A micro-cavity structure in which the catalyst material is supported on the inner surface of a sintered ceramic forming a plurality of continuous spherical micro-cavities produced by thermally decomposing the catalyst. 原料ガスの改質部において、互いに連通し、かつ連続した複数の球形ミクロ空洞を形成する通路形成ステップと、
原料ガスである炭化水素ガス及び水蒸気を前記ミクロ空洞に供給して、前記ミクロ空洞内において、触媒の存在下で前記炭化水素ガスの水蒸気改質反応を生じさせるガス反応ステップと、
前記ミクロ空洞内で生じた水素を回収するガス回収ステップと、
を有し、
前記ガス反応ステップは、前記ミクロ空洞内に、前記原料ガスの電磁波吸収帯に近い特定波長の電磁波を生じさせて、前記原料ガス及びこれより生じた生成ガスのうち、前記原料ガスのみをこの電磁波によって励起加熱する水蒸気改質方法。
A passage forming step for forming a plurality of spherical microcavities in communication with each other and in the reforming portion of the raw material gas; and
A gas reaction step of supplying a raw material gas, a hydrocarbon gas and water vapor, to the microcavity to cause a steam reforming reaction of the hydrocarbon gas in the presence of a catalyst in the microcavity;
A gas recovery step for recovering hydrogen generated in the microcavity;
Have
In the gas reaction step, an electromagnetic wave having a specific wavelength close to an electromagnetic wave absorption band of the raw material gas is generated in the microcavity, and only the raw material gas is generated from the raw material gas and a generated gas generated therefrom. A steam reforming method in which excitation heating is performed by the method.
原料ガスの改質部において、互いに連通し、かつ連続した複数の球形ミクロ空洞を形成する通路形成ステップと、
原料ガスである水蒸気を前記ミクロ空洞に供給して、前記ミクロ空洞内において、触媒の存在下で前記水蒸気の熱分解反応を生じさせるガス反応ステップと、
前記ミクロ空洞内で生じた水素及び酸素を回収するガス回収ステップと、
を有し、
前記ガス反応ステップは、前記ミクロ空洞内に、前記原料ガスの電磁波吸収帯に近い特定波長の電磁波を生じさせて、前記原料ガス及びこれより生じた生成ガスのうち、前記原料ガスのみをこの電磁波によって励起加熱する水蒸気の熱分解方法。
A passage forming step for forming a plurality of spherical microcavities in communication with each other and in the reforming portion of the raw material gas; and
A gas reaction step of supplying raw material water vapor to the microcavity, and causing a thermal decomposition reaction of the water vapor in the presence of a catalyst in the microcavity;
A gas recovery step of recovering hydrogen and oxygen generated in the microcavity;
Have
In the gas reaction step, an electromagnetic wave having a specific wavelength close to an electromagnetic wave absorption band of the raw material gas is generated in the microcavity, and only the raw material gas is generated from the raw material gas and a generated gas generated therefrom. A method for thermally decomposing water vapor excited by heating.
原料ガスの改質部において、互いに連通し、かつ連続した複数の球形ミクロ空洞を形成する通路形成ステップと、
前記ミクロ空洞内に電場を印加する電場形成ステップと、
原料ガスである水蒸気を加熱して、高温水蒸気を取得するガス加熱ステップと、
前記高温水蒸気を前記ミクロ空洞に供給して、前記ミクロ空洞内において、触媒の存在下で高温水蒸気電解を生じさせるガス反応ステップと、
前記高温水蒸気電解によって生じた水素及び酸素を回収するガス回収ステップと、
を有し、
前記ガス反応ステップは、前記ミクロ空洞内に、前記原料ガスの電磁波吸収帯に近い特定波長の電磁波を生じさせて、前記原料ガス及びこれより生じた生成ガスのうち、前記原料ガスのみをこの電磁波によって励起加熱する高温水蒸気電解方法。
A passage forming step for forming a plurality of spherical microcavities in communication with each other and in the reforming portion of the raw material gas; and
An electric field forming step of applying an electric field in the microcavity;
A gas heating step for heating the water vapor, which is a raw material gas, to obtain high-temperature water vapor;
A gas reaction step of supplying the high temperature steam to the microcavity to cause high temperature steam electrolysis in the presence of a catalyst in the microcavity;
A gas recovery step of recovering hydrogen and oxygen generated by the high-temperature steam electrolysis;
Have
In the gas reaction step, an electromagnetic wave having a specific wavelength close to an electromagnetic wave absorption band of the raw material gas is generated in the microcavity, and only the raw material gas is generated from the raw material gas and a generated gas generated therefrom. A high temperature steam electrolysis method in which heating is performed by heating.
所定のミクロオーダ粒径のラテックス粒子の表面に触媒物質を吸着させるステップと、
前記触媒物質が吸着したラテックス粒子をセラミックス中に懸濁させるステップと、
前記ラテックス粒子が懸濁したセラミックスを乾燥させた後焼成し、前記ラテックス粒子を熱分解させて、連続した複数の球形ミクロ空洞の内面に前記触媒物質が担持した焼結セラミックスを取得するステップと、
を有する、
ミクロ空洞を有する構造体の作製方法。
Adsorbing a catalytic substance on the surface of latex particles having a predetermined micro-order particle size;
Suspending latex particles adsorbed with the catalyst substance in ceramics;
The ceramics in which the latex particles are suspended are dried and fired, and the latex particles are thermally decomposed to obtain sintered ceramics in which the catalytic material is supported on the inner surfaces of a plurality of continuous spherical microcavities;
Having
A method for manufacturing a structure having a microcavity.
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