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JP2010513216A - 触媒マイクロチャネル改質装置 - Google Patents

触媒マイクロチャネル改質装置 Download PDF

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Abstract

本発明は、炭化水素の改質において水素の収率及び純度を高める装置および方法について開示しており、その１実施態様として、原料炭化水素燃料（例えば、メタン、気化メタノール、天然ガス、気化ディーゼル燃料など）と水蒸気（１０２）を反応ゾーン（１０４）に受容する工程と、触媒の存在下で原料炭化水素燃料と水蒸気（１０２）とを反応させて水素ガスを製造する工程を含む。反応を行いながら、多孔性セラミック膜（１０６）を介して水素ガスを選択的に拡散させて、反応ゾーン（１０４）から選択的に取り除かれる。選択的に水素が取り除かれることにより、反応の平衡が変化し、原料炭化水素燃料から抽出される水素の量が増加する。

Description

本出願は、２００６年１２月２１日に出願された米国仮特許出願第６０／８７１，３９８（発明の名称：触媒マイクロチャネル改質装置）の優先権を主張した出願であり、参照により本出願に包含される。
本発明は、マイクロリアクターに関し、詳しくは、炭化水素燃料を改質して水素ガスを発生させるマイクロリアクターに関する。
マイクロリアクター（又はマイクロ構造リアクター或いはマイクロチャネルリアクター）は、横方向のサイズが１ｍｍ未満の密閉された微小空間で化学反応が起こるように設計された装置である。現在の技術では、水素ガス又は合成ガスを発生させる或いは特殊な化学合成を行うためのマイクロリアクターのニーズに適合していないという主要な科学技術における問題がある。一般に、水素ガス及び他の特殊化学品の発生のためのガス相反応において、高温、高温度過渡、腐食性または浸食性環境などの過酷な操作条件下で行うことが出来るような微細加工部材が必要とされる。
現在の微細加工方法（例えば、湿式エッチング、乾式エッチング、リソグラフィー、ＬＩＧＡ等の方法）は、基本的に、シリコン、フォトレジスト、金属などに適用できる。これらの材料は、天然ガスからの水素発生または特殊な化学合成に使用される際に存在する酸素、水蒸気、ＣＯ２、硫黄、微量金属などの腐食成分を含む高温ガス流に曝された際に腐食されやすい。更に、燃料電池用水素ガスの発生における重要なファクターは、水素対ＣＯの比率であって、この比率が高いほどＣＯを除去するコストを削減できる。
セラミックの微細加工のために使用できるいくつかの方法は、セラミック−ポリマー前駆体のような高コストな前駆体材料を必要としたり、焼成中に生じる収縮のために到底達成できないような高精度が要求されるために、極めて高コストである。上記の収縮に係わる問題は、特に、高コストな二次機械研削作業を必要とする。更に、多くの高温ガス相反応は触媒中をガス流が通過する。シリコン系、金属系または焼成セラミック系マイクロリアクターへの触媒の導入は、代表的には複数の複雑な工程で行う。これは、高表面積（すなわち高多孔性）が必要とされるからである。触媒を沈着させる前にマイクロリアクターのチャネル（多孔内の通路）の内側に洗浄−コーティングを施す必要がある。この洗浄−コーティングは、シリコン及び金属の低化合物表面積に対して行われる必要がある。しかしながら、シリコン、金属または焼成セラミックは洗浄−コーティングに対して弱い結合を示すため、作動中に容易に破壊されてしまう。この性質はマイクロリアクターの寿命を短くする。
上記の実情を鑑み、高温、高温度過渡、腐食性または浸食性環境に耐えることが出来、さらに優れた耐熱ショック性および耐熱サイクル性を有するようなマイクロリアクターを形成するための強固なセラミック材料が必要とされる。理想的には、そのような材料は、極めて高精度にネット形状かつネットサイズに成形できるような特性を有する。更に、膜リアクター等による二次操作によってＣＯを除去するコストを削減するために、Ｈ２対ＣＯの比率を増加できるようなマイクロリアクターが必要とされる。更に、原料炭化水素燃料から抽出できる水素の量を増加させることが必要とされる。マイクロリアクターを安価に製造できるセラミック材料が更に必要とされる。更に、炭化水素の改質反応の効率を増加させるための触媒を浸透させることが出来るような高表面積を固有に有する多孔質セラミック材料が必要とされる。
上述に対し、体化され広く記載されている本発明によれば、炭化水素の改質によって得られる水素の収率および純度を向上させるための方法が本発明の１つの実施態様として記載されている。当該方法は、原料炭化水素燃料（例えば、メタン、気化メタノール、天然ガス、気化ディーゼル燃料など）と水蒸気とを反応ゾーンに受容する工程と、触媒の存在下で原料炭化水素燃料と水蒸気とを反応させて水素ガスを製造する工程とから成る。水素ガスは、反応を行いながら膜を介して反応ゾーンから多孔質セラミック膜を介して選択的に拡散され、取り除かれる。水素の選択的な除去は反応の当量を変化させ、原料炭化水素燃料から抽出できる水素の量を増加させる。
ある特定の実施態様において、多孔質セラミック膜は、アルミナ粉末と、当該アルミナ粉末と反応するフォスフェイト含有薬剤とから製造される。そのような材料として、例えば、ＨＳＡ−ＣＥＲＣＡＮＡＭ（登録商標）が挙げられる。この材料は、高温、高温度過渡、腐食性または浸食性環境に耐えることが出来る。それ故、この材料は耐熱ショック性および耐熱サイクル特性に優れる。ある特定の実施態様において、上記方法は、反応ゾーンに熱を供給して原料炭化水素燃料および水蒸気との反応を促進する工程を有する。この熱は、炭化水素、水素ガス、一酸化炭素などの炭化水素／水蒸気反応における残余の反応原料または反応副生物の少なくとも１つを燃焼させることによって
供給されてもよい。
本発明の他の要旨は、炭化水素の改質によって得られる水素の収率および純度を向上させるための装置に存し、原料炭化水素燃料と水蒸気とを供給するための注入口を有する。反応ゾーンは注入口に連結し、触媒の存在下で原料炭化水素燃料と水蒸気とを反応させて水素ガスを製造する。反応ゾーンと連結し、反応中に反応ゾーンから選択的に水素ガスを取り除き、原料炭化水素燃料と水蒸気との反応の程度を増加させて水素の収率を増加させるための多孔質セラミック膜が設けられる。
本発明の他の要旨は、原料炭化水素燃料を改質して水素ガスを製造するセラミックマイクロチャネル装置に存する。このセラミックマイクロチャネル装置は、少なくとも１部が、アルミナ粉末と、当該アルミナ粉末と反応するフォスフェイト含有薬剤とから製造されたセラミックにより形成されている。
本発明の他の要旨は、炭化水素の改質によって得られる水素の収率および純度を向上させるための方法に存し、当該方法は、原料炭化水素燃料と水蒸気とを反応ゾーンに受容する工程を含む。反応ゾーンにおいて原料炭化水素燃料と水蒸気とを反応させて水素ガスが製造される。反応を行いながらセラミック膜を介し、水素ガス又は水素イオンの何れかを抽出することによって反応ゾーンから水素ガスを選択的に取り除く。他の実施態様において、イオン伝導性セラミック膜を介して水素イオンを伝導することにより水素ガスを選択的に取り除く。
本発明の利点の説明を容易にするために、上記の簡単な本発明の記載について、添付の図面に記載された特定の実施態様を参照して説明する。しかしながら、これらの図面は、本発明の代表的な実施態様を示したに過ぎず、本発明の要旨がこれらに限定されるわけではない。本発明の具体および詳細はこれらの図面を用いて記載し説明するつもりである。
本発明により、高温、高温度過渡、腐食性または浸食性環境に耐えることが出来、さらに優れた耐熱ショック性および耐熱サイクル性を有するようなマイクロリアクターを提供することが出来る。
図１は、本発明の触媒マイクロチャネル改質装置の１実施態様を示すハイレベルな概略図である。 図２は、本発明の触媒マイクロチャネル改質装置の他の実施態様を示すハイレベルな概略図である。 図３は、本発明の触媒マイクロチャネル改質装置を積層した１実施態様を示す斜視図である。 図４は、本発明の触媒マイクロチャネル改質装置単独の１実施態様を示す斜視図である。 図５は、図４に示す触媒マイクロチャネル改質装置の断面斜視図である。 図６は、図４に示す触媒マイクロチャネル改質装置の別の断面斜視図である。 図７は、水蒸気−メタン−改質（ＳＭＲ）反応の程度と製造されたガス組成物との関連を示すグラフである。 図８は、水−ガス−変換（ＷＧＳ）反応の程度と製造されたガス組成物との関連を示すグラフである。 図９は、触媒が高表面積ＣＥＲＣＡＮＡＭ（登録商標）材料および低表面積ＣＥＲＣＡＮＡＭ（登録商標）材料に組み込まれた場合の、ＳＭＲ反応の程度を示すグラフである。
図面中に一般的に記載および示されている本発明の構成は、非常に多くの異なる形態に配置、設計変更することが出来ると容易に理解できる。それ故、図面に記載される、以下の本発明の実施態様のより詳細な記載は、請求の範囲に記載される本発明の要旨を限定するものではなく、単に、本発明に従って考慮された実施態様のある代表的な例示である。ここに示される実施態様は図面を参照することにより、より良い理解ができるであろう。なお、同種の部材は同番号の符号を付している。
図１に本発明の特定の実施態様である触媒マイクロチャネル改質装置１００を示す。触媒マイクロチャネル改質装置１００は、原料炭化水素燃料と水蒸気とから成る原料１０２を反応ゾーン１０４において受容する。本発明の記載において、炭化水素は水素と炭素とを分子中に合せ持つ。ある実施態様において、反応ゾーン１０４は、以下に詳述するように、１つ以上のマイクロチャネル（微小通路）を有していてもよい。ある実施態様において、メタン（ＣＨ４）（天然ガスの主成分）および水蒸気（Ｈ２Ｏ）から成る原料１０２を、反応ゾーン１０４への供給原料として使用してもよい。以下の記載において、メタンを原料炭化水素燃料とするが、他の実施態様、すなわち、プロパン、メタノール、ディーゼル等の原料炭化水素燃料をメタンの代わりに使用することも出来る。原料炭化水素燃料が液体の場合、改質器１００に供給する前に加熱して気化させてもよい。
反応ゾーン１０４において、反応物質１０２は、ニッケル系触媒または他の公知の触媒の存在下、約６５０〜７００℃に加熱される。触媒により、以下の式に示すように、水蒸気とメタンは反応して一酸化炭素と水素を生成する。
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ２
この反応は、一般に水蒸気メタン改質（ＳＭＲ）と呼ばれており、水素単体を製造するための最も一般的で安価な方法の一つである。ある実施態様において、反応原料流１０２は装置１００に供給される前に予備加熱して改質プロセスを補助し、時間を短縮させ、反応原料１０２に必要な温度に到達させるのに必要な熱量を減少させてもよい。
ある実施態様において、低温ガス変換反応（５５０〜６００℃）に使用される反応ゾーン１０４において付加水素が回収される。この反応は、以下の式で示すように、上記で発生した一酸化炭素（ＣＯ）と水とを反応させ、水素ガスと二酸化炭素とを生成する反応である。
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋Ｈ２
この反応は、一般に水−ガス変換（ＷＧＳ）反応と呼ばれている。上記の両方の反応において、反応原料の１つとして水蒸気が必要である。ある実施態様において、水蒸気：メタンの高い比率（例えば２：１）で原料流１０２が供給されると、ＳＭＲ及びＷＧＳ反応中のコーキング（コークス化）を最小限にすることが出来る。
ある実施態様において、マイクロチャネル改質装置１００は、ＳＭＲ及びＷＧＳ反応が等温で行われるように設計されていてもよい。マイクロチャネル改質装置１００は非常に小型なので（そのサイズは数インチのオーダーである）、実質的に等温条件を強いられることになる。一般に、より高温において（通常６００℃を越える）、ＳＭＲ反応では順反応が優勢であり、ＷＧＳ反応では逆反応が優勢である。このことが、１つの反応器で両者の反応を結びつけて行うことが出来ない理由となっている。しかしながら、ある実施態様において、本発明のマイクロチャネル改質装置１００は、１つの装置１００においてこれら両方の反応を結びつけることが出来る。反応ゾーン１０４から水素ガスを連続的に取り除くことにより、これらの両方の反応の完結に近づけられる。これは、反応ゾーン１０４の近傍に配置された多孔性セラミック膜１０６（マイクロ又はナノサイズの孔を有する）を使用することによって達成してもよい。ＳＭＲ及びＷＧＳ反応が順反応である場合、水素ガスは選択的に膜１０６を拡散し、反応ゾーンにおける生成物（水素）の不足を生じる。そしてこの不足により、ＳＭＲ及びＷＧＳ反応の完結に近づける。他の実施態様として、膜１０６を介して水素イオンを移送することによって反応ゾーン１０４から水素ガスを選択的に取り除くのに、イオン伝導性膜１０６が使用される。
本発明の記載において、反応ゾーン１０４から「選択的に」水素を取り除くということは、拡散速度が非常に低いものの、膜１０６を介して拡散によって反応ゾーン１０４から他のガス種を取り除くことであってもよい。それ故、本記載において「選択的」とは、水素ガスのみを取り除くことを必ずしも意味するわけではなく、むしろ、他のガス種よりも拡散速度が速いために、膜１０６は反応ゾーン１０４から水素ガスを取り除くことができるということを意味している。水素ガスのより速い拡散速度は、主として、改質装置１００における他のガス種と比較して、水素が低分子であることによるものである。拡散速度はそれぞれのガスの分子量の平方根に比例する。反応ゾーン１０４から他のガス種と比較してより速く水素ガスを取り除くことにより、ＳＭＲ及びＷＧＳ反応の平衡がシフトし、反応が完結に近づく。
図１に示すように、生成物流１０８はＨ２を主として含むが、ＣＯ、ＣＯ２、Ｈ２Ｏ及びＣＨ４等の副次的なガス種を含む。膜１０６を介して拡散しない反応原料および反応生成物、すなわち、主としてＣＯ２及びＨ２Ｏを含み、更に残余としてのＣＯ、Ｈ２及びＣＨ４等は、燃焼ゾーン１１０に移送される。ここで、空気１１４の存在下で反応原料および反応生成物を燃焼させ、以下の式に従って残余の反応原料を完全に酸化して熱を発生させる。
２ＣＯ＋Ｏ２→２ＣＯ２＋熱
２Ｈ２＋Ｏ２→２Ｈ２Ｏ＋熱
ＣＨ４＋Ｏ２→ＣＯ２＋２Ｈ２Ｏ＋熱
燃焼後、主としてＣＯ２及びＨ２Ｏを含む排気流１１２がマイクロチャネル改質装置１００からの排出となる。理想的には、マイクロチャネル改質装置１００は、燃焼ゾーン１１０に移送される燃焼ガスの量が、生成物流１０８中の水素ガスの量を最大にしながら反応ゾーン１０４においてＳＭＲ反応を行うのに十分な熱量を作り出す量であるように設計される。表１に、マイクロチャネル改質装置１００内の種々の場所におけるガス組成を種々の計算により求めた結果を示す。表１における計算結果から、反応ゾーン１０４を通じてＳＭＲ及びＷＧＳの両方の反応程度は一定に保たれると仮定される。更に詳しくは、ＳＭＲ及びＷＧＳの両方の反応の程度を０．９に、初期の水蒸気：メタン比率を２：１と仮定した場合、最初の反応ゾーン１０４内および生成物ゾーン１０７内のガス組成の概算が表１に示すように予測される。
表１に示されるように、水素の拡散速度は、次にそれに近いガスの拡散速度と比較して３倍も大きい。更に、表１より、ＳＭＲ及びＷＧＳ反応がほぼ完結した後の反応ゾーン１０４内のガス組成において約７３．１％の水素ガスを含むことが示されている。水素ガスと他のガスを膜１０６を介して拡散させた後の生成物流１０８内の水素濃度は約９１．４％に上昇する。この濃度は、更に生成物流１０８から水を取り除いた後（例えば凝縮により）に約９３．８％に上昇する。もし、生成物の圧縮および液化等によって生成物流からＣＯ２が取り除かれれば、水素濃度は更に向上する。
Figure 2010513216
上述のように、水素ガス又は合成ガスを発生させるためのガス相反応は、一般に、高温、高温度過渡、腐食性または浸食性環境などの過酷な操作条件下で行うことが出来るような部際加工部材が必要とされる。そのような材料は、優れた耐熱ショック性および耐熱サイクル性を有する。更に、そのような材料には、極めて高精度にネット形状かつネットサイズに成形できるような特性が必要とされる。
本発明のある実施態様において、ＣＥＲＣＡＮＡＭ（登録商標）の商品名で市販されているセラミック材料は、触媒マイクロチャネル改質装置１００の全て又は一部を構成するために使用される。このＣＥＲＣＡＮＡＭ（登録商標）シリーズは、高表面積を有し、連続ナノポアネットワークを有するＨＳＡ−ＣＥＲＣＡＮＡＭ（登録商標）と、それと実質的に同材料であるが、低表面積を有し、孔構造が少ない標準規格のＣＥＲＣＡＮＡＭ（登録商標）およびＬＳＡ−ＣＥＲＣＡＮＡＭ（登録商標）に分類される。また、一般に、これらのセラミック材料は、フォスフェイト結合型セラミックとして分類される。すなわち、これらのＣＥＲＣＡＮＡＭ（登録商標）組成物は、セラミック粉末（例えばアルミナ粉末）にフォスフェイト含有薬剤（例えばリン酸）を結合させて形成される。フォスフェイト含有薬剤はセラミック粉末と反応し、セラミック粉末同士を結合させる。
ある実施態様において、ＨＳＡ−ＣＥＲＣＡＮＡＭ（登録商標）のポア構造は、単純にＬＳＡ−ＣＥＲＣＡＮＡＭ（登録商標）片にポア形成剤を添加することによって形成したり高めたりしてもよい。ＣＥＲＣＡＮＡＭ（登録商標）および類似の材料は、例えば、米国特許出願第１１／４６４４７６号（２００６年８月１４日出願、発明の名称：セラミック絶縁体の製造方法）および米国特許出願第１１／７８１１２５号（２００７年７月２０日出願、発明の名称：セラミック構成部材の接合方法）に開示されており、参照により本発明に引用される。
ここで記載しているＣＥＲＣＡＮＡＭ（登録商標）材料は、本発明の触媒マイクロチャネル改質装置１００を形成する上で特に好適である。例えば、ＨＳＡ−ＣＥＲＣＡＮＡＭ（登録商標）およびＬＳＡ−ＣＥＲＣＡＮＡＭ（登録商標）は両方とも１０００℃までの酸化および還元雰囲気で少なくとも１６時間は熱的に安定である。それ故、この材料は長寿命で構成部材の劣化が最小であるためマイクロチャネル改質装置１００を製造するために使用される。更に、ＨＳＡ−ＣＥＲＣＡＮＡＭ（登録商標）およびＬＳＡ−ＣＥＲＣＡＮＡＭ（登録商標）は両方とも、室温から８００℃の間の急激な温度サイクルにおいても優れた耐熱ショック性を示す。それ故、この材料によりマイクロチャネル改質装置１００の運転開始および運転停止の際の急加熱および急冷を可能とする。ある実施態様において、マイクロチャネル改質装置１００内の燃料は、火花点火により７００℃を越えてもよい。
ＨＳＡ−ＣＥＲＣＡＮＡＭ（登録商標）およびＬＳＡ−ＣＥＲＣＡＮＡＭ（登録商標）は両材料の他の利点は、極めて高精度にネット形状かつネットサイズに微細加工できることである。ある実施態様において、これらの材料は種々の形状に成型され、一体化した部材が製造される。ＣＥＲＣＡＮＡＭ（登録商標）の独特の性質は、例えば、外形上および周囲に、犠牲的または永続的のどちらかに成型される。犠牲的に形状として使用する場合、マイクロチャネルは、単純な１工程によって一体化ＣＥＲＣＡＮＡＭ（登録商標）片の内部に添加する。ＨＳＡ−ＣＥＲＣＡＮＡＭ（登録商標）およびＬＳＡ−ＣＥＲＣＡＮＡＭ（登録商標）の両方の構造を含む場合、その構造は、ＨＳＡ−ＣＥＲＣＡＮＡＭ（登録商標）およびＬＳＡ−ＣＥＲＣＡＮＡＭ（登録商標）それぞれ２つの成型体で形成される。最小の製造工程を使用して形成されたＣＥＲＣＡＮＡＭ（登録商標）構成材は構成材のコストを大きく削減できる。
本発明のある実施態様において、マイクロチャネル改質装置１００は、ＨＳＡ−ＣＥＲＣＡＮＡＭ（登録商標）およびＬＳＡ−ＣＥＲＣＡＮＡＭ（登録商標）の両方の材料から形成されていてもよい。例えば、図中の改質装置１００の斜線ハッチを付した場所１１６をＬＳＡ−ＣＥＲＣＡＮＡＭ（登録商標）で形成し、斜線ハッチを付した場所１１８をＨＳＡ−ＣＥＲＣＡＮＡＭ（登録商標）で形成してもよい。それ故、ある実施態様において、膜１０６は、高表面積およびサブミクロンのネットワークならびナノサイズの孔を有する材料であるためＨＳＡ−ＣＥＲＣＡＮＡＭ（登録商標）で形成される。孔のサイズや構造は、必要であればテイラーメイドで形成でき所望の性能を有する膜１０６を提供できる。ＨＳＡ−ＣＥＲＣＡＮＡＭ（登録商標）は、反応ゾーン１０４から水素を選択的に取り除き、ＳＭＲ及びＷＧＳ反応を完結させるのに効果的な膜１０６を付与できる。
ある実施態様において、反応ゾーン１０４の壁１２０又は表面１２０もまたＨＳＡ−ＣＥＲＣＡＮＡＭ（登録商標）から形成されていてもよい。壁１２０は、上述のように触媒材料を浸透または埋め込んであってもよい。固有の高表面積を有するＨＳＡ−ＣＥＲＣＡＮＡＭ（登録商標）は、原料炭化水素燃料と触媒との接触を向上させ、それにより、生成物流１０８中の水素ガスの収率を、他の副生物と比較して向上させる。この効率における向上について、図９に関連して記載する。
ＣＥＲＣＡＮＡＭ（登録商標）を本発明の特別な実施態様としてここに示したが、改質装置１００はこれらの材料で形成されることに限定されない。すなわち、多孔性またはイオン伝導性膜１０６を使用し、反応を行いながら反応ゾーン１０４から水素を選択的に取り除く改質装置１００も本発明の範囲内である。ＣＥＲＣＡＮＡＭ（登録商標）及び類似の材料は、本発明の改質装置１００を形成するのに使用される材料の１例としてここに例示したにすぎない。
図２は、本発明に従ったマイクロチャネル改質装置１００の他の実施態様であり、効率を高め、他の生成物を発生できるようなシンメトリーな構成を有する。例えば、マイクロチャネル改質装置１００は、それぞれ原料炭化水素燃料および水蒸気を含有する２つの供給流１０２ａ及び１０２ｂを受容してもよい。これらの供給流１０２ａ及び１０２ｂは、マイクロチャネル改質装置１００内の２つの反応ゾーン１０４ａ及び１０４ｂに供給される。多孔性セラミック膜１０６ａ及び１０６ｂは、反応ゾーン１０４ａ及び１０４ｂそれぞれの近傍に配置される。多孔性セラミック膜１０６ａ及び１０６ｂは、生成物流１０８を排出する１つの生成物室１０７に連結している。同様に、多孔性セラミック膜１０６ａ及び１０６ｂは、異なる燃焼ゾーン１１０ａ及び１１０ｂのそれぞれに連結しており、これら燃焼ゾーンにおいて残余の反応原料および反応生成物を燃焼させて熱を発生させ、ＳＭＲ及びＷＧＳ反応の駆動エネルギーとする。２つの反応ゾーン１０４ａ及び１０４ｂを使用する場合、より触媒が浸透した表面積が得られるため、反応器１００の効率が向上する。
図３は、所望の量で水素発生できる拡張可能な本発明の触媒マイクロチャネル改質装置１００のある実施態様を示す。例えば、ある実施態様において、図２に示す改質装置１００をそれぞれ作動させるような複数のマイクロチャネル改質装置１００ａ−ｄが、内部接続可能な要素１００ａ−ｄとして形成されていてもよい。これらの要素１００ａ−ｄは互いに結合され、所望の水素ガス発生量を有する積層体３００を形成する。更に、必要に応じ、要素１００ａ−ｄを積層体３００に追加または削減して、水素ガス発生量を増加または減少させてもよい。
図４は、原料炭化水素燃料および水蒸気の供給流１０２を受容するための１つ以上の注入口４００を有するマイクロチャネル改質装置要素１００のある実施態様を示す。中央の生成物排出口４０２から、水素ガスを主成分とする生成物流１０８を排出する。排出口４０４は、排出流１１２及び供給空気（例えば酸素）を燃焼ゾーン１１０の内部に排出するのに使用される。図示されるように、ある実施態様において、注入口４００及び生成物排出口４０２は中央の界面板４０６に配置され、ポート４００及び４０２はそれぞれ近傍の要素１００ａ−ｄの対応するポート４００及び４０２に内接する。
図５は、図４に示すマイクロチャネル改質装置要素１００の断面斜視図を示す。要素１００は、供給流１０２、生成物流１０８及び排出流１１２を含み要素１００を介するガスの流れを示す。これらの各流１０２、１０８及び１１２は、図２の略図と比較することにより、改質装置１００の流れ及び操作をより深く理解できる。図示するように、各ポートは要素１００の頂部および底部に設けられ、下流に位置する他の要素１００に供給流１０２を流動し、下流に位置する他の要素１００から生成物流１０８を受容する。反応ゾーン１０４、燃焼ゾーン１１０及び多孔性セラミック膜１０６ａ及び１０６ｂもまた装置１００の範囲内に示される。
上述のように、ＣＥＲＣＡＮＡＭ（登録商標）を形成材料として使用しているある実施態様において、要素１００は、２工程以上で製造されていてもよく、すなわち、製造工程の数に制限は無いと理解されるべきである。すなわち、要素１００の全構成が、ＨＳＡ−ＣＥＲＣＡＮＡＭ（登録商標）の成型体部分とＬＳＡ−ＣＥＲＣＡＮＡＭ（登録商標）の成型体部分との２成型体から形成されていてもよい。構成体１００のチャネル（通路）は、マイラー又はプラスチック挿入物などの犠牲的有機挿入体（後で分解あるいは除去されるもの）をＣＥＲＣＡＮＡＭ（登録商標）片に挿入して形成されてもよい。ＣＥＲＣＡＮＡＭ（登録商標）を焼結させることにより、これらの有機材料は燃焼してなくなり、構造体１００に所望のチャネル（通路）が残る。
図６は、図４に示すマイクロチャネル改質装置要素１００の別方向の断面斜視図を示す。図５の断面図と同様に、要素１００が、供給流１０２、生成物流１０８及び排出流１１２を含み要素１００を介するガスの流れを示す。多孔性セラミック膜１０６ａ及び１０６ｂ並びに生成物ゾーン１０７も示されている。
図７及び図８を参照すると、表１に関連して、反応ゾーンにおけるＨ２の初期濃度がより高い場合と、他のガス種と比較してＨ２の拡散がより高い場合との組合せにより、生成物ガス流１０８は非常に高純度の水素となる（湿潤系において９１％を越える水素濃度）。それぞれの反応（すなわちＳＭＲおよびＷＧＳ反応）の程度の関数として、生成ガス組成物１０８の変化を調査することによって、反応定数に係わる反応の程度を維持しながらこの単純化した計算を更に行うことが出来る。図７は、ＳＭＲ反応の程度が０から完了するまでの生成物ガス１０８の組成が示されている。図８は、ＷＧＳ反応の程度が０から完了するまでの生成物ガス１０８の組成が示されている。
図７に示すように、ＳＭＲ反応の程度が０．６の場合、生成物ガス組成ではＨ２が８５％を越え、この場合、ＷＧＳ反応の程度が０．１よりも小さい。図８に示すように、ＳＭＲ反応の程度が一定に維持されると、Ｈ２濃度はＷＧＳ反応の程度の穏やかな関数となる。それ故ＳＭＲ反応の程度が０．９以上である限り、生成物ガス１０８中のＨ２濃度が９０％を越えると期待できる。
図７及び図８に示される計算結果は、いくつかの単純な仮定に基づいているので、あくまでガイドラインとして使用すべきである。例えば、これらの計算において、ＳＭＲ反応及びＷＧＳ反応における熱力学を考慮していない。更に、これらの計算において、改質装置１００中の異なる位置におけるチャネルを介して浸透するガス濃度において、改質ガス濃度がマイクロチャネルの長さによって変化するという事実を考慮していない。更に、両者の反応の程度はそれぞれ独立したものではない。例えば、ＳＭＲ反応の程度が増加すれば、反応装置１００内でＣＯ及びＨ２がより発生する。反応ゾーン１０４からのＨ２の除去はＣＯに比較して非常に速いために、ＷＧＳ反応のための反応原料の過剰状態を形成し、当量組成物をさらに反応生成物の方向に平衡が移動して反応を進める。更に、Ｈ２の選択的除去により、ＳＭＲ反応は更に生成物側に反応が進む。
単純化するための他の仮定としては、他の可能な反応を無視していることであり、その反応としては、反応器１００内で起こり得る、以下の式で示される「コーキング反応」（コークス化）である。
ＣＯ＋Ｈ２→Ｈ２Ｏ＋Ｃ
ＣＨ４→２Ｈ２＋Ｃ
前者のコーキング反応は、水蒸気が過剰の場合に好ましくなく、それは、水蒸気が生成物側にあるため、過剰の水蒸気によりに逆反応が起きやすくなるからである。一方、供給ガス中の過剰の水蒸気は非理想的であり、これは、過剰な水蒸気を加熱するために必要とされるエネルギーによって、マイクロリアクターの効率を減少させてしまうからである。
図９に、異なるＣＥＲＣＡＮＡＭ（登録商標）材料に埋め込まれる触媒のメタンの改質能力の違いを示す。上のライン９００は、ＨＳＡ−ＣＥＲＣＡＮＡＭ（登録商標）で形成された壁１２０に触媒が浸透または埋め込まれた場合のＳＭＲ反応の程度を表す。下のライン９０２は、ＬＳＡ−ＣＥＲＣＡＮＡＭ（登録商標）で形成された壁１２０に触媒が浸透または埋め込まれた場合のＳＭＲ反応の程度を表す。全ての流量において、ＳＭＲ反応の程度がＨＳＡ−ＣＥＲＣＡＮＡＭ（登録商標）を使用した場合の方がＬＳＡ−ＣＥＲＣＡＮＡＭ（登録商標）を使用した場合に比較して顕著に高いことが、図に示されている。これらの結果は、ＨＳＡ−ＣＥＲＣＡＮＡＭ（登録商標）で形成された壁１２０に浸透または埋め込まれた触媒とメタンとの密接な接触が向上することによって生成物ガス流１０８中のＨ２の収率が高くなることを示す。
本発明は、その要旨および基本的な性質を逸脱しない限り他の実施態様も取り得る。発明に記載された実施態様は単なる例示であって、これらに本発明が限定されないと考えるべきである。本発明の範囲は、上記の記載内容よりはむしろ添付の請求の範囲である。請求の範囲と均等の意味および範囲内における変更も本発明の範囲内に含まれる。

Claims (25)

  1. 炭化水素の改質によって得られる水素の収率および純度を向上させるための方法であって、当該方法は、原料炭化水素燃料と水蒸気とを反応ゾーンに受容する工程と、反応ゾーンにおいて原料炭化水素燃料と水蒸気とを反応させて水素ガスを製造する工程と、反応を行いながら膜を介して反応ゾーンから水素ガスを選択的に取り除く工程とから成ることを特徴とする炭化水素の改質によって得られる水素の収率および純度を向上させるための方法。
  2. 水素ガスを選択的に取り除く工程が、多孔質セラミック膜を介して水素を拡散させる工程から成る請求項１に記載の方法。
  3. 多孔質セラミック膜が、アルミナ粉末と、当該アルミナ粉末と反応するフォスフェイト含有薬剤とから製造される請求項２に記載の方法。
  4. 原料炭化水素燃料と水蒸気が、反応ゾーンにおいて更に一酸化炭素を含む請求項１に記載の方法。
  5. 反応ゾーンにおいて、更に、一酸化炭素と水蒸気とが反応して水素ガスと二酸化炭素とを製造する工程を含む請求項４に記載の方法。
  6. 反応ゾーンから水素ガスを選択的に取り除く工程において、水素ガス以外のガスの多孔質セラミック膜を介する拡散速度が、水素ガスの拡散速度よりも低い請求項１に記載の方法。
  7. 水素ガス以外のガスが、一酸化炭素、二酸化炭素、水蒸気およびガス状炭化水素の何れか１つ以上である請求項６に記載の方法。
  8. 更に、反応ゾーンに熱を供給して原料炭化水素燃料および水蒸気との反応を促進する工程を有する請求項６に記載の方法。
  9. 更に、反応ゾーンから受容される残余の原料炭化水素燃料、水素ガス、一酸化炭素の少なくとも１つを燃焼させることによって熱を供給する工程を含む請求項８に記載の方法。
  10. 原料炭化水素燃料が、メタン、気化メタノール、天然ガス、気化ディーゼル燃料およびこれらの組合せ並びにこれらの副構成成分から成る群から選択される請求項１に記載の方法。
  11. 更に、反応中に、原料炭化水素燃料、水蒸気、水素ガス及び触媒を密接に接触させる工程を含む請求項１に記載の方法。
  12. 炭化水素の改質によって得られる水素の収率および純度を向上させるための装置であって、原料炭化水素燃料と水蒸気とを供給するための注入口と、当該注入口に連結し、原料炭化水素燃料と水蒸気とを反応させて水素ガスを製造するための反応ゾーンと、当該反応ゾーンと連結し、反応中に反応ゾーンから選択的に水素ガスを取り除き、原料炭化水素燃料と水蒸気との反応の程度を増加させるための多孔質セラミック膜とから成ることを特徴とする炭化水素の改質によって得られる水素の収率および純度を向上させるための装置。
  13. 多孔質セラミック膜が、アルミナ粉末と、当該アルミナ粉末と反応するフォスフェイト含有薬剤とから製造される請求項１２に記載の装置。
  14. 反応ゾーンが、更に、一酸化炭素と水蒸気とが反応して水素ガスと二酸化炭素とを製造できるように構成されている請求項１２に記載の装置。
  15. 多孔質セラミック膜が、更に、水素ガスよりも低い拡散速度で反応ゾーンから他のガスを取り除くことが出来るように構成されている請求項１２に記載の装置。
  16. 他のガスが、一酸化炭素、二酸化炭素、水蒸気およびガス状炭化水素の少なくとも１種から成る請求項１５に記載の装置。
  17. 更に、残余の原料炭化水素燃料、水素ガス、一酸化炭素の少なくとも１つを燃焼させ、反応ゾーンに熱を供給するための燃焼ゾーンを有する請求項１２に記載の装置。
  18. 原料炭化水素燃料が、メタン、気化メタノール、天然ガス、気化ディーゼル燃料およびこれらの組合せ並びにこれらの副構成成分から成る群から選択される請求項１２に記載の方法。
  19. 更に、反応ゾーンに近接して、触媒が浸透されている多孔質セラミック層を有する請求項１２に記載の方法。
  20. 原料炭化水素燃料を改質して水素ガスを製造するセラミックマイクロチャネル装置から成る装置であって、当該セラミックマイクロチャネル装置の少なくとも１つが、アルミナ粉末と、当該アルミナ粉末と反応するフォスフェイト含有薬剤とから製造されたセラミックにより形成されていることを特徴とする装置。
  21. セラミックマイクロチャネル装置が、炭化水素と水蒸気とを反応させて水素ガスを製造するための反応ゾーンから成る請求項２０に記載の装置。
  22. セラミックマイクロチャネル装置が、更に、反応ゾーンに連結する多孔質セラミック膜を有し、反応の際に反応ゾーンから水素ガスを取り除く請求項２０に記載の装置。
  23. 炭化水素の改質によって得られる水素の収率および純度を向上させるための方法であって、当該方法は、原料炭化水素燃料と水蒸気とを反応ゾーンに受容する工程と、反応ゾーンにおいて原料炭化水素燃料と水蒸気とを反応させて水素ガスを製造する工程と、反応を行いながらセラミック膜を介し、水素ガス又は水素イオンの何れかを抽出することによって反応ゾーンから水素ガスを選択的に取り除く工程とから成ることを特徴とする炭化水素の改質によって得られる水素の収率および純度を向上させるための方法。
  24. 水素ガスを選択的に取り除く工程が、セラミック膜を介して水素ガスを拡散する工程から成る請求項２３に記載の装置。
  25. 水素ガスを選択的に取り除く工程が、セラミック膜を介して水素イオンを拡散する工程から成る請求項２３に記載の装置。
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