JP2021042109A

JP2021042109A - Hydrogen generator

Info

Publication number: JP2021042109A
Application number: JP2019166601A
Authority: JP
Inventors: 良碩伊原; Yoshihiro Ihara; 裕之天野; Hiroyuki Amano; 勇治鈴田; Yuji Suzuta
Original assignee: Ihara Kogyo KK
Current assignee: Ihara Kogyo KK
Priority date: 2019-09-12
Filing date: 2019-09-12
Publication date: 2021-03-18
Anticipated expiration: 2039-09-12
Also published as: JP7178049B2

Abstract

To provide an apparatus suitable for generating hydrogen continuously and stably through a direct decomposition reaction of carbon hydride.SOLUTION: In a hydrogen generator 131, a reactant gas is circulated in a predetermined direction in a reaction chamber 132 in which a plurality of nickel-based metallic structures 139 are housed, wherein at least two specific nickel-based metallic structures 139 adjacent to each other are arranged in the same direction, at the same curvature and while being curved, when seeing a cross section perpendicular to the predetermined direction.SELECTED DRAWING: Figure 10

Description

本発明は、水素生成装置に関するものである。 The present invention relates to a hydrogen generator.

従来、メタン直接分解による水素ガス製造に使用される触媒金属としては、ニッケルが知られているが、メタン直接分解の高温反応時におけるニッケル微粒子同士の焼結による凝集を防ぐため、シリカ上に担持させたもの（特許文献１、非特許文献１）、ゼオライトに担持させるもの（特許文献２、特許文献３）、チタニアに担持させるもの（特許文献４）、担体を使用することなく、ニッケル粒子間に炭素粒子を介在させたもの（特許文献５）などが提案されている。 Conventionally, nickel is known as a catalyst metal used for hydrogen gas production by direct methane decomposition, but it is supported on silica in order to prevent aggregation of nickel fine particles due to sintering during a high temperature reaction of direct methane decomposition. (Patent Document 1, Non-Patent Document 1), Support on Zeolite (Patent Document 2, Patent Document 3), Support on Titania (Patent Document 4), Between Nickel Particles Without Using a Carrier (Patent Document 5) and the like in which carbon particles are interposed have been proposed.

しかしながら、担持法による場合、メタン分解時の生成炭素が触媒の活性点を物理的に覆ってしまい短時間で失活するという問題があった。 However, in the case of the carrier method, there is a problem that the carbon produced during methane decomposition physically covers the active site of the catalyst and is deactivated in a short time.

ニッケル触媒の失活を回避するため、２０００年代後半以降、様々な提案がなされている。例えば、流動性のニッケル触媒を採用した装置について、流動層反応器の側壁にナノ炭素排出路を設けることにより、ナノ炭素排出路からオーバーフローさせるとともに、排ガスに混入したものについてはサイクロンで分離する方式（特許文献６）、スクリューフィーダーを使用して触媒と生成する超微粉炭素との混合物を攪拌する方式（特許文献７）が提案されている。しかしながら、これらの流動性のニッケル触媒を採用した装置では、いずれも流動触媒と生成炭素とは混合状態で排出され、ニッケル触媒と生成炭素との分離工程について検討がなされていない。 Various proposals have been made since the latter half of the 2000s to avoid deactivation of nickel catalysts. For example, in a device that uses a fluidized nickel catalyst, a nanocarbon discharge path is provided on the side wall of the fluidized bed reactor so that it overflows from the nanocarbon discharge path, and the one mixed in the exhaust gas is separated by a cyclone. (Patent Document 6), a method of stirring a mixture of a catalyst and the produced ultrafine carbon powder using a screw feeder has been proposed (Patent Document 7). However, in any of the devices using these fluid nickel catalysts, the fluidized catalyst and the produced carbon are discharged in a mixed state, and the separation step between the nickel catalyst and the produced carbon has not been studied.

他にも、反応炉内部に複数段設けられた触媒棚上に触媒を充填し、反応時に触媒棚を回転させながら触媒を振動させこすり合わせることで、触媒上に付着したカーボンを真下に振り払い、カーボンを回収すると共に触媒を再生させる方法（特許文献８）が提案されている。しかしながら高温に熱した反応炉において、気密性を保ちながら、炉外に設けたモータを介して炉内の触媒棚を回転させることは現実的とはいえない。 In addition, the catalyst is filled on the catalyst shelves provided in multiple stages inside the reactor, and the catalyst is vibrated and rubbed while rotating the catalyst shelf during the reaction to shake off the carbon adhering to the catalyst directly below. , A method of recovering carbon and regenerating a catalyst (Patent Document 8) has been proposed. However, in a reaction furnace heated to a high temperature, it is not realistic to rotate the catalyst shelf in the furnace via a motor provided outside the furnace while maintaining airtightness.

以上は、いずれも流動層反応器を採用した文献であるが、固定層反応器においても、反応器に供給される炭化水素と水分を間欠的に供給すると同時に低温プラズマを生成することにより、析出した炭素が長く成長しないうちに触媒表面から剥離する提案がなされている（特許文献９）。しかしながら、この文献において、固定床に使用するのは５〜３０ｍｍの大粒径粒子であり、構造体ではなく、その材料が具体的に何であるかについての言及はない。 The above are all documents that employ a fluidized bed reactor, but even in a fixed bed reactor, precipitation occurs by intermittently supplying hydrocarbons and water supplied to the reactor and at the same time generating low-temperature plasma. It has been proposed that the produced carbon is peeled off from the surface of the catalyst before it grows for a long time (Patent Document 9). However, in this document, it is the large particle size particles of 5 to 30 mm that are used for the fixed bed, and there is no mention of what the material is, not the structure.

他にも、例えば、低級炭化水素に低濃度の二酸化炭素、酸素、水、水素等の共存ガスを共存させて反応に供することで、低級炭化水素の反応により触媒上に生成される機能性ナノ炭素の前駆体や副生物の無定形炭素を選択的に反応させて触媒上からガス化・除去する方法（特許文献１０）、触媒の詰め替え等のための運転中断が必要なく、作業効率及びエネルギー効率の高い連続運転を目的として、触媒粉体を低級炭化水素ガスと共に反応管内に併流に流し、炭素析出済みの触媒粉体を分解生成ガスと共に回収する方法（特許文献１１）が提案されている。しかしながら、前者の方法では、共存ガスの適正濃度範囲が様々な要因に左右されることから、その決定や制御が困難であり、後者の方法の実現には、装置が大掛かりになり、オンサイトステーション等には不向きなばかりか、触媒分別装置の具体的装置構成に依然検討の余地がある。また、サイクロン等の触媒分離装置を持続的に運転するための動力を要することから、維持コストが著しく高くなる。 In addition, for example, by coexisting a low-concentration coexisting gas such as carbon dioxide, oxygen, water, and hydrogen with a lower hydrocarbon and subjecting it to the reaction, a functional nano generated on the catalyst by the reaction of the lower hydrocarbon A method of selectively reacting carbon precursors and amorphous carbon as a by-product to gasify and remove it from the catalyst (Patent Document 10), work efficiency and energy without the need for operation interruption for catalyst refilling, etc. For the purpose of highly efficient continuous operation, a method has been proposed in which a catalyst powder is flowed in a parallel flow in a reaction tube together with a lower hydrocarbon gas, and the catalyst powder having carbon precipitation is recovered together with a decomposition product gas (Patent Document 11). .. However, in the former method, the appropriate concentration range of the coexisting gas depends on various factors, so it is difficult to determine and control it. Not only is it unsuitable for such purposes, but there is still room for consideration in the specific device configuration of the catalyst sorting device. In addition, since power is required to continuously operate the catalyst separation device such as a cyclone, the maintenance cost becomes remarkably high.

特開２００１−２２０１０３号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2001-220103 特開２００３−９５６０５号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2003-95605 特開２００３−５４９０４号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2003-54904 特開２００４−５９３４０号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2004-59340 特開２００４−２６１７７１号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2004-261771 特開２０１２−２３６７２７号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2012-236727 特開２０１３−９５６１６号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2013-95616 特開２００９−２３８５９号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2009-23859 特開２０１５−２０９３４４号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2015-209344 特開２００６−３１５８９１号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2006-315891 特開２００６−９６５９０号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2006-96590

ＣｈｅｍｉｓｔｒｙＬｅｔｔｅｒｓＶｏｌ．２８（１９９９）Ｎｏ．１１ｐ．１１７９−１１８０Chemistry Letters Vol. 28 (1999) No. 11 p. 1179-1180

以上のように様々な取り組みがなされているものの、メタンの直接分解反応を使用した装置において、触媒の失活を防ぎながら、水素を長期間安定的に製造する技術は未だ確立されていない。かかる技術が成熟していけば、水素混合ガスのボイラー燃焼による熱利用やガスタービンでの燃焼による熱・発電利用、オンサイト型の中小規模の水素ステーション、固体酸化物形燃料電池といった水素の需要拡大につれ、今後ますます重要視されると考えられる。 Although various efforts have been made as described above, a technique for stably producing hydrogen for a long period of time while preventing catalyst deactivation has not yet been established in an apparatus using a direct decomposition reaction of methane. If such technology matures, there will be demand for hydrogen such as heat utilization by boiler combustion of hydrogen mixed gas, heat and power generation utilization by combustion in gas turbines, on-site small and medium-sized hydrogen stations, and solid oxide fuel cells. As it expands, it is expected to become more important in the future.

上記現状に鑑み、本発明は、メタン等の炭化水素の直接分解反応を利用して水素を連続的かつ安定的に製造するのに好適な装置を提供する。 In view of the above situation, the present invention provides an apparatus suitable for continuously and stably producing hydrogen by utilizing a direct decomposition reaction of a hydrocarbon such as methane.

上記目的を達成するためになされた本発明の１つの側面は、ニッケル系金属構造体が複数枚収容された反応室内において反応ガスを所定の方向に流通させる水素生成装置であって、少なくとも特定の２つの隣接するニッケル系金属構造体が、前記所定の方向に対して垂直な断面を視たとき、同じ向きに、同じ曲率で湾曲して配置されている水素生成装置である。本構成によれば、触媒板の見かけの表面積が大きくなるほか、特定の２つの隣接するニッケル系金属構造体間で、ガスの流量の流量ムラが生じることなく均一な流量で鉛直下方に流通することになり、特に連続式反応器として有用となる。 One aspect of the present invention made to achieve the above object is a hydrogen generating apparatus for flowing a reaction gas in a predetermined direction in a reaction chamber containing a plurality of nickel-based metal structures, and at least a specific one. A hydrogen generator in which two adjacent nickel-based metal structures are arranged in the same direction and curved with the same curvature when viewed in a cross section perpendicular to the predetermined direction. According to this configuration, the apparent surface area of the catalyst plate is increased, and the gas flows vertically downward at a uniform flow rate without causing unevenness in the flow rate of the gas between two specific adjacent nickel-based metal structures. Therefore, it is particularly useful as a continuous reactor.

本発明によれば、メタン等の炭化水素の直接分解反応を利用して水素を連続的かつ安定的に製造するのに好適な装置を得ることができる。 According to the present invention, it is possible to obtain an apparatus suitable for continuously and stably producing hydrogen by utilizing a direct decomposition reaction of a hydrocarbon such as methane.

本発明に係る水素生成装置の１態様を示す模式図。The schematic diagram which shows one aspect of the hydrogen generation apparatus which concerns on this invention. 温度計測した各箇所の番号付けを示す写真。A photograph showing the numbering of each part where the temperature was measured. 無触媒昇温実験２日目のグラフ。The graph of the second day of the catalyst-free temperature rise experiment. ニッケル多孔体を触媒に使用した昇温実験２日目のグラフ。The graph of the second day of the temperature rise experiment using a nickel porous body as a catalyst. 本発明に係る水素生成装置の別の態様を示す模式図。The schematic diagram which shows another aspect of the hydrogen generation apparatus which concerns on this invention. 本発明に係る水素生成装置の別の態様を示す断面図。FIG. 5 is a cross-sectional view showing another aspect of the hydrogen generating apparatus according to the present invention. 本発明に係る水素生成装置に使用するラックの一例を示す斜視図。The perspective view which shows an example of the rack used for the hydrogen generation apparatus which concerns on this invention. 本発明に係る水素生成装置に使用するラックにニッケル構造体を搭載した状態を示す斜視図。The perspective view which shows the state which mounted the nickel structure on the rack used for the hydrogen generation apparatus which concerns on this invention. 本発明に係る水素生成装置におけるシリンダへの反応ガス流入初期のラックの傾きの状態を示す拡大断面図である。FIG. 5 is an enlarged cross-sectional view showing a state of inclination of the rack at the initial stage of inflow of reaction gas into a cylinder in the hydrogen generating apparatus according to the present invention. 本発明に係る水素生成装置におけるシリンダへの反応ガス流入が進んだ際のラックの傾きの状態を示す拡大断面図である。It is an enlarged cross-sectional view which shows the state of the inclination of the rack when the reaction gas inflow into a cylinder in the hydrogen generation apparatus which concerns on this invention progresses. 本発明に係る水素生成装置におけるシリンダへの反応ガス流入が最も進んだ際のラックの傾きの状態を示す拡大断面図である。It is an enlarged cross-sectional view which shows the state of the inclination of the rack when the reaction gas inflow into a cylinder in the hydrogen generation apparatus which concerns on this invention is the most advanced. 管型連続式反応器として構成した第４実施形態に係る水素生成装置の模式図。The schematic diagram of the hydrogen generation apparatus which concerns on 4th Embodiment configured as a tube type continuous reactor. 図９のＡ−Ａ端面図。AA end view of FIG. パーマロイを触媒に使用した連続的昇温実験のグラフ。Graph of continuous temperature rise experiment using permalloy as a catalyst.

本発明を実施するための形態について以下に適宜図面を参照して説明する。
本発明の水素生成装置は、炭化水素の直接分解反応にニッケル系金属構造体を使用した装置である。
本明細書において、「ニッケル系金属構造体」とは、少なくとも一部の露出表面にニッケル系金属を構成材として含む構造体である。
本明細書において、「ニッケル系金属」は、ニッケル系金属は、ニッケル単体またはニッケルを含む金属であり、炭化水素の直接分解反応への触媒作用を有する金属を意味する。ニッケル系金属は、ニッケル単体であってもよいし合金であってもよく、ニッケルのほか、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｅ、Ｃｏ、Ｆｅから選択される一つ以上の金属を含んでいてもよい。ニッケル系金属には、ニッケル含有量が鉄より多いパーマロイ（例えば、ＪＩＳ規格でいうパーマロイＡ、パーマロイＣ）のみならず、ニッケルより鉄が多く含まれる一部のパーマロイ（例えば、ＪＩＳ規格でいうパーマロイＢ、パーマロイＤ）も含まれる。
本明細書において、「構造体」とは、それ単独で全体として任意の一定形状を保持しているとともに、構造体を構成する物質の構造体内における位置も固定されている物体を意味する。構造体は、粉体または粒子を原料としていてもよいが、その場合、構造体内での粉体または粒子の位置は、粉体または粒子同士を焼結等によって固着させることで固定されている。 The embodiment for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings as appropriate.
The hydrogen generating apparatus of the present invention is an apparatus using a nickel-based metal structure for a direct decomposition reaction of hydrocarbons.
In the present specification, the "nickel-based metal structure" is a structure containing a nickel-based metal as a constituent material on at least a part of the exposed surface.
As used herein, the term "nickel-based metal" means that the nickel-based metal is nickel alone or a metal containing nickel, and has a catalytic action on the direct decomposition reaction of hydrocarbons. The nickel-based metal may be a simple substance of nickel or an alloy, and contains nickel and one or more metals selected from Rh, Ru, Ir, Pd, Pt, Re, Co, and Fe. You may be. Nickel-based metals include not only permalloys having a higher nickel content than iron (for example, permalloy A and permalloy C in the JIS standard), but also some permalloys containing more iron than nickel (for example, permalloy in the JIS standard). B, Permalloy D) is also included.
As used herein, the term "structure" means an object that by itself holds an arbitrary constant shape as a whole and has a fixed position in the structure of a substance constituting the structure. The structure may be made of powder or particles as a raw material, but in that case, the positions of the powder or particles in the structure are fixed by fixing the powder or particles to each other by sintering or the like.

上記水素生成装置の原料ガス供給口から導入する炭化水素は、好ましくは直鎖状炭化水素であり、より好ましくは、メタン、エタンまたはプロパンであり、さらに好ましくはメタンである。 The hydrocarbon introduced from the raw material gas supply port of the hydrogen generator is preferably a linear hydrocarbon, more preferably methane, ethane or propane, and even more preferably methane.

ニッケル系金属構造体は、好ましくは、板、多孔体、フェルト、メッシュ、ファブリックまたはエキスパンドメタルから選択される構造体そのものであるか、または、当該構造体を基材とするものである。
板は、単一層で構成されていても、異なる材料からなる２以上の層の合板であってもよく、コア−シェル構造を有するものであってもよい。
多孔体は、連続気孔を持つ多孔体である。多孔体は、好ましくは３次元網目構造を有する。気孔径は、通常３００〜４０００μｍ程度、好ましくは４００〜３５００μｍ、気孔率は、８０％以上、好ましくは９０％以上、さらに好ましくは９５％以上、比表面積は、２００ｍ^２／ｍ^３〜６０００ｍ^２／ｍ^３、好ましくは５００ｍ^２／ｍ^３〜８５００ｍ^２／ｍ^３、多孔体層の厚みは、１ｍｍ〜１５ｍｍ、好ましくは２ｍｍ〜１０ｍｍである。代表的なものとしては、住友電工社製のセルメット（登録商標）、ラネー（登録商標）ニッケル等が挙げられる。
フェルトとは、ファイバー状の構成材をランダムに交絡させて積層し、必要に応じて焼結したものであり、ニードルパンチウェブ、繊維焼結体が含まれる。ニードルパンチウェブおよび繊維焼結体は、繊維径１０〜１５０μｍ、空隙率が約５０〜８０％、目付け量（ｗｅｉｇｈｔ）にして５０〜±５０，０００ｇ／ｍ^２、厚み（ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ）０．１ｍｍ〜５．０ｍｍとすることができる。
メッシュとは、ファイバー状の構成材を平織もしくは綾織の別、または、緯編みもしくは経編みの別を問わず、任意の織り方で織るか任意の編み方で編り、適宜交点を融着させたものであり、線径にして３０〜８００μｍ、メッシュ数にして５〜３００／インチのものを好適に採用することができる。
ファブリックとは、メッシュ同士を任意の編み方で連結した編み物である。
エキスパンドメタルとは、金属板を特殊な機械によって所定間隔で千鳥状に切れ目を入れて押し広げ、菱形あるいは亀甲形の網目状に加工したものである。メッシュ寸法は、通常、ＳＷが２５ｍｍ〜１３０ｍｍ、ＬＷが２０ｍｍ〜３２０ｍｍ、ストランド寸法は、板厚が１ｍｍ〜８．５ｍｍ、Ｗが１．２ｍｍ〜９．５ｍｍである。
構造体は、上記列挙したもののうちの１種であってもよいし、２種以上を組み合わせた複合構造体であってもよい。 The nickel-based metal structure is preferably the structure itself selected from a plate, a porous body, a felt, a mesh, a fabric or an expanded metal, or one based on the structure.
The board may be composed of a single layer, may be two or more layers of plywood made of different materials, or may have a core-shell structure.
The porous body is a porous body having continuous pores. The porous body preferably has a three-dimensional network structure. The pore diameter is usually about 300 to 4000 μm, preferably 400 to 3500 μm, the porosity is 80% or more, preferably 90% or more, more preferably 95% or more, and the specific surface area is 200 m ² / m ^{3 to} 6000 ^{m 2} /. m ³ , preferably 500 m ² / m ^{3 to} 8500 ^{m 2} / m ³ , and the thickness of the porous layer is 1 mm to 15 mm, preferably 2 mm to 10 mm. Typical examples include Celmet (registered trademark) and Raney (registered trademark) nickel manufactured by Sumitomo Electric Industries, Ltd.
The felt is a material obtained by randomly entwining and laminating fiber-like constituent materials and sintering them as necessary, and includes a needle punch web and a fiber sintered body. The needle punch web and the fiber sintered body have a fiber diameter of 10 to 150 μm, a porosity of about 50 to 80%, a weight of 50 to ± 50,000 g / m ² , and a thickness of 0.1 mm to. It can be 5.0 mm.
A mesh is a fiber-like constituent material that is woven by any weave or knitting method, regardless of whether it is plain weave or twill weave, or weft knitting or warp knitting, and the intersections are fused as appropriate. A wire diameter of 30 to 800 μm and a mesh number of 5 to 300 / inch can be preferably adopted.
The fabric is a knit that connects meshes with each other by an arbitrary knitting method.
Expanded metal is a metal plate that is processed into a rhombus or hexagonal mesh by making staggered cuts at predetermined intervals and spreading it out with a special machine. The mesh dimensions are usually 25 mm to 130 mm for SW and 20 mm to 320 mm for LW, and the strand dimensions are 1 mm to 8.5 mm for plate thickness and 1.2 mm to 9.5 mm for W.
The structure may be one of the above-listed ones, or may be a composite structure in which two or more kinds are combined.

ニッケル系金属構造体は、ニッケル系金属を含まない基材上に形成されていてもよい。基材は、少なくともニッケル系金属構造体を形成する表面上に金属または非金属を備えており、金属または非金属としては、例えば、ステンレス、アルミ、アルミナ、チタン等が挙げられる。 The nickel-based metal structure may be formed on a base material that does not contain a nickel-based metal. The base material is provided with a metal or non-metal on the surface forming at least a nickel-based metal structure, and examples of the metal or non-metal include stainless steel, aluminum, alumina, titanium and the like.

ニッケル系金属構造体は、露出した非担持ニッケル含有層を備えていることが好ましい。「非担持」とは、触媒成分としてのニッケル系金属が、活性炭や多孔性酸化物等の多孔性担体上で粒子として分散して存在しているのではなく、組織化されて存在することを意味する。「組織化」とは、粒子同士が一部領域において溶着していることであってもよいし、全部領域で溶着していることであってもよいし、全体が溶融した後、冷却固化していることであってもよい。ニッケル系金属構造体は、好ましくはｍｍレベル、より好ましくはμｍレベル、さらに好ましくはｎｍレベルで組織化している。 The nickel-based metal structure preferably includes an exposed non-supported nickel-containing layer. "Unsupported" means that the nickel-based metal as a catalyst component is not dispersed as particles on a porous carrier such as activated carbon or a porous oxide, but is organized and present. means. The "organization" may mean that the particles are welded to each other in a part of the region, or may be welded in the entire region, or the particles are melted and then cooled and solidified. It may be that. The nickel-based metal structure is preferably organized at the mm level, more preferably at the μm level, and even more preferably at the nm level.

ニッケル系金属構造体は、表面が多孔質であることが好ましい。多孔質とは、以下の（ア）〜（ウ）の少なくともいずれか１つであることを意味する。（ア）気孔率が８０％以上、好ましくは９０％以上、さらに好ましくは９５％以上、（イ）比表面積は、２００ｍ^２／ｍ^３〜６０００ｍ^２／ｍ^３、好ましくは５００ｍ^２／ｍ^３〜８５００ｍ^２／ｍ^３、表面の層の厚みは、０．０５ｍｍ〜１ｍｍ、好ましくは０．１ｍｍ〜０．８ｍｍである。
ニッケル系金属構造体は、露出した非担持ニッケル含有層であり、なおかつ表面が多孔質である場合、ニッケル含有層自体が多孔質であることを意味し、基材は必ずしも多孔質でなくてもよいが、基材が多孔質であってもよい。 The nickel-based metal structure preferably has a porous surface. Porous means that it is at least one of the following (a) to (c). (A) Porosity is 80% or more, preferably 90% or more, more preferably 95% or more, and (b) Specific surface area is 200 m ² / m ^{3 to} 6000 ^{m 2} / m ³ , preferably 500 m ² / m ³ to. 8500 m ² / m ³ , the thickness of the surface layer is 0.05 mm to 1 mm, preferably 0.1 mm to 0.8 mm.
When the nickel-based metal structure is an exposed non-supporting nickel-containing layer and the surface is porous, it means that the nickel-containing layer itself is porous, and the base material does not necessarily have to be porous. However, the base material may be porous.

以上のようなニッケル系金属構造体の製造方法には、原構造体に対して、溶射、ポーラスメッキ、ニッケルメッキおよび／またはブラスト加工を施す工程が含まれる。ニッケル系金属構造体は、原構造体が非ニッケル系金属からなるものであれば、通常ポーラスメッキ加工またはニッケルメッキ加工によってニッケルを含む層を構造体表面に積層することで製造することができ、次いで適宜ブラスト加工を行えば、表面が多孔質状のニッケル系金属構造体を製造することができる。一方、原構造体がニッケル系金属からなるものであれば、ブラスト加工を行うことで、表面が多孔質状のニッケル系金属構造体を製造することができる。ニッケルメッキ加工は、電解もしくは無電解のいずれであってもよく、その条件は、所望の厚みや表面粗度に応じて、当業者により適宜設定される。原構造体がニッケル−アルミニウム合金であれば、アルカリ溶解処理する方法を採用することもできる。 The method for producing a nickel-based metal structure as described above includes a step of subjecting the original structure to thermal spraying, porous plating, nickel plating and / or blasting. If the original structure is made of a non-nickel metal, the nickel-based metal structure can be produced by laminating a layer containing nickel on the surface of the structure, usually by porous plating or nickel plating. Then, if appropriate blasting is performed, a nickel-based metal structure having a porous surface can be produced. On the other hand, if the original structure is made of a nickel-based metal, a nickel-based metal structure having a porous surface can be produced by performing blasting. The nickel plating process may be electrolyzed or electroless, and the conditions thereof are appropriately set by those skilled in the art according to a desired thickness and surface roughness. If the original structure is a nickel-aluminum alloy, a method of alkali dissolution treatment can also be adopted.

原構造体は、一般には、ニッケル系金属構造体または非ニッケル系金属構造体であるが、後工程で除去される芯材であってもよい。例えば、ニッケル系金属の発泡体はウレタンフォーム等を芯材とし、そのフォーム表面にニッケル層を電解メッキ等によって形成した後に、芯材であるウレタンフォームを焼成により除去することで製作することができる。 The original structure is generally a nickel-based metal structure or a non-nickel-based metal structure, but may be a core material that is removed in a later step. For example, a nickel-based metal foam can be produced by using urethane foam or the like as a core material, forming a nickel layer on the foam surface by electrolytic plating or the like, and then removing the urethane foam as the core material by firing. ..

以下、上述したニッケル系金属構造体を使用した装置の実施例について詳述する。
（第１実施形態）
図１に示す本発明の水素生成装置１は、反応区画３、シューター区画５および反応室下部開口１２を有する反応容器２と、反応容器２の上部を閉塞する蓋４と、蓋４の側面から下面に向かって蓋内部を貫通し原料としての炭化水素ガスを反応区画３に導入する原料ガス供給管６と、蓋４の中央部を貫通し反応区画３の中心部を占有するように鉛直方向に延びる排出管８と、反応区画３の空間を画定するように反応容器２の内壁７に沿って配置された、両端が開口した円筒形のニッケル系金属構造体９と、原料ガス供給管６を通じて原料ガスが反応区画３の空間に導入される際、ニッケル系金属構造体９と原料ガスとの接触を促進する整流筒１１と、反応区画３を加熱するため反応容器２の外壁を覆うヒーター１０とを備える。 Hereinafter, examples of the apparatus using the nickel-based metal structure described above will be described in detail.
(First Embodiment)
The hydrogen generating apparatus 1 of the present invention shown in FIG. 1 is a reaction vessel 2 having a reaction compartment 3, a shooter compartment 5, and a reaction chamber lower opening 12, a lid 4 for closing the upper part of the reaction vessel 2, and a side surface of the lid 4. The raw material gas supply pipe 6 that penetrates the inside of the lid toward the lower surface and introduces the hydrocarbon gas as a raw material into the reaction compartment 3 and the vertical direction that penetrates the central portion of the lid 4 and occupies the central portion of the reaction compartment 3. A cylindrical nickel-based metal structure 9 having both ends opened, and a raw material gas supply pipe 6 arranged along the inner wall 7 of the reaction vessel 2 so as to demarcate the space of the reaction vessel 3 and the discharge pipe 8 extending to A rectifying tube 11 that promotes contact between the nickel-based metal structure 9 and the raw material gas when the raw material gas is introduced into the space of the reaction compartment 3 through the structure, and a heater that covers the outer wall of the reaction vessel 2 to heat the reaction compartment 3. It is provided with 10.

上記水素生成装置１においては、以下のような固体生成物の分離方法が利用できる。すなわち、（１）装置内に底面から離れた状態で保持したニッケル系金属構造体に対して反応ガスおよび/または生成ガスを噴射する方法である。本方法は、原料ガス供給管６とは別に、反応区画３において反応容器の内壁７と触媒９との間に先端が位置するようにテーパー形状の噴射用ノズル（図示せず）を備え付けて、該ノズルを反応容器外に設けた圧縮機（図示せず）と連結することによって実現できる。生成ガスや反応ガスと生成ガスとの混合物を噴射する場合、原料ガスや反応ガスと生成ガスとの混合物の一部を圧縮機に導入する管を設けることで実現できる。 In the hydrogen generation device 1, the following solid product separation method can be used. That is, (1) a method of injecting a reaction gas and / or a generated gas onto a nickel-based metal structure held in an apparatus away from the bottom surface. In this method, apart from the raw material gas supply pipe 6, a tapered injection nozzle (not shown) is provided in the reaction compartment 3 so that the tip is located between the inner wall 7 of the reaction vessel and the catalyst 9. This can be achieved by connecting the nozzle to a compressor (not shown) provided outside the reaction vessel. When injecting a product gas or a mixture of a reaction gas and a product gas, it can be realized by providing a pipe for introducing a part of the raw material gas or the mixture of the reaction gas and the product gas into the compressor.

図１に示す水素生成装置１は、ニッケル系金属構造体９を用いた炭化水素の直接分解反応によって生成した固体生成物を排出し回収するシステム１０１を結合している。
排出回収システム１０１は、水素生成装置１の反応室下部開口１２にベント孔１４を介して連絡する減圧チャンバ１３と、ベント孔１４を開閉可能な第１開閉弁１７と、減圧チャンバ１３にチャネル１６を介して連絡する回収箱１８と、減圧チャンバ１３を開閉可能な第２開閉弁１９と、回収箱１８に連絡する減圧ポンプ１５とを備えている。本システムでは、第１開閉弁１７の配置位置は、シューター区画５の最下点にある固体生成物の排出口１２に設けているので、固体生成物の排出口１２が排気口を兼ねている。 The hydrogen generating apparatus 1 shown in FIG. 1 is coupled with a system 101 for discharging and recovering a solid product produced by a direct decomposition reaction of hydrocarbons using a nickel-based metal structure 9.
The discharge recovery system 101 has a pressure reducing chamber 13 that communicates with the lower opening 12 of the reaction chamber of the hydrogen generation device 1 via a vent hole 14, a first on-off valve 17 capable of opening and closing the vent hole 14, and a channel 16 in the pressure reducing chamber 13. A collection box 18 that communicates with the collection box 18, a second on-off valve 19 that can open and close the pressure reducing chamber 13, and a pressure reducing pump 15 that communicates with the collection box 18 are provided. In this system, the first on-off valve 17 is arranged at the discharge port 12 of the solid product at the lowest point of the shooter section 5, so that the discharge port 12 of the solid product also serves as the exhaust port. ..

本システムによれば、（ア）第１開閉弁１７を閉じ、第２開閉弁１９を開く。（イ）減圧ポンプ１５で減圧チャンバ１３および回収箱１８内を減圧する。（ウ）第２開閉弁１９を閉じる。（エ）第１開閉弁１７を開く。（オ）第１開閉弁１７を閉じる。（カ）第２開閉弁１９を開く、という一連の作業により、固体生成物が適宜シューター区画５を滑って反応室下部開口１２から減圧チャンバ１３、回収箱１８に重力を利用しつつ順次吸引される形で排出回収される。 According to this system, (a) the first on-off valve 17 is closed and the second on-off valve 19 is opened. (A) The pressure reducing chamber 13 and the collection box 18 are decompressed by the decompression pump 15. (C) Close the second on-off valve 19. (D) Open the first on-off valve 17. (E) Close the first on-off valve 17. (F) By a series of operations of opening the second on-off valve 19, the solid product slides appropriately in the shooter compartment 5 and is sequentially sucked from the lower opening 12 of the reaction chamber into the decompression chamber 13 and the recovery box 18 using gravity. It is discharged and collected in the form of

（第２実施形態）
図５に示す水素生成装置２１では、蓋４４の中央部を貫通し反応区画３３の中心部を占有するように鉛直方向にヒーター３０を延ばし、該ヒーター３０の周りに円筒状のニッケル系金属構造体２９を固定し、さらに反応容器２の内壁２７上部に円環状に付設した棚３１の上には、ニッケル系金属構造体２９の上端よりも上方に位置するようにバネ３２を介して衝撃印加部材３４を支持させる一方、反応容器２の内壁２７下部に反応容器２の外部と連絡する水平な第１チャネル２２を連結し、第１チャネル２２内にベント孔２４と、当該ベント孔２４を開閉する開閉弁２６とを備える。 (Second Embodiment)
In the hydrogen generating apparatus 21 shown in FIG. 5, the heater 30 is extended in the vertical direction so as to penetrate the central portion of the lid 44 and occupy the central portion of the reaction compartment 33, and a cylindrical nickel-based metal structure is formed around the heater 30. The body 29 is fixed, and an impact is applied to the shelf 31 attached to the upper part of the inner wall 27 of the reaction vessel 2 in an annular shape via a spring 32 so as to be located above the upper end of the nickel-based metal structure 29. While supporting the member 34, a horizontal first channel 22 communicating with the outside of the reaction vessel 2 is connected to the lower part of the inner wall 27 of the reaction vessel 2, and the vent hole 24 and the vent hole 24 are opened and closed in the first channel 22. An on-off valve 26 is provided.

上記水素生成装置２１においては、以下のような固体生成物の分離方法が利用できる。すなわち、（工程２−１）装置外の気圧に比べて、装置内の気圧を相対的に高くした状態で直接分解反応を行うこと、（工程２−２）所望のタイミングで装置の内外の気圧を等しくすることにより、気圧変化を直接的または間接的要因とする打撃をニッケル系金属構造体に加え、ニッケル系金属構造体に付着した固体生成物を分離することを含む方法である。
（工程２−１）の直接分解反応の際は、装置内に十分な圧力で反応ガス等を導入できるのであれば、装置の内から外へ向かう気体の流れを必ずしも遮断する必要はないが、遮断することが好ましい。気体の流れの遮断は、開閉弁２６を閉じることで実現できる。一方、（工程２−２）において所望のタイミングで装置の内外の気圧を強制的に等しくすることは、閉じていた開閉弁２６を瞬間的に開くことで実現できる。
「装置外の気圧に比べて、装置内の気圧を相対的に高くした状態」とは、一般に気圧差にして、＋０．０１ＭＰａ〜＋０．５ＭＰａ、好ましくは、＋０．０１ＭＰａ〜＋０．２ＭＰａ、より好ましくは、＋０．０２ＭＰａ〜＋０．１ＭＰａ、さらに好ましくは、＋０．０３ＭＰａ〜＋０．０８ＭＰａである。上記気圧差は、装置外の気圧を下げること、および／または、反応物としての気体の供給圧や生成物としての気体の量を調整して装置内の気圧を上げることによって実現することができる。
「気圧変化を直接的または間接的要因とする打撃」とは、気圧変化自体によって打撃を加えるか、気圧変化の力学的作用で動く物体を介して打撃を加えるかのいずれかを意味する。 In the hydrogen generation device 21, the following solid product separation method can be used. That is, (step 2-1) the direct decomposition reaction is carried out with the air pressure inside the device relatively higher than the air pressure outside the device, and (step 2-2) the air pressure inside and outside the device at a desired timing. Is a method including applying an impact caused by a change in atmospheric pressure as a direct or indirect factor to the nickel-based metal structure and separating the solid product adhering to the nickel-based metal structure.
In the direct decomposition reaction of (Step 2-1), if the reaction gas or the like can be introduced into the apparatus at a sufficient pressure, it is not always necessary to block the gas flow from the inside to the outside of the apparatus. It is preferable to block it. The gas flow can be blocked by closing the on-off valve 26. On the other hand, in (Step 2-2), forcibly equalizing the air pressure inside and outside the device at a desired timing can be realized by momentarily opening the closed on-off valve 26.
"A state in which the air pressure inside the device is relatively higher than the air pressure outside the device" generally means a pressure difference of +0.01 MPa to +0.5 MPa, preferably +0.01 MPa to +0.2 MPa. It is preferably +0.02 MPa to +0.1 MPa, more preferably +0.03 MPa to +0.08 MPa. The above-mentioned pressure difference can be realized by lowering the air pressure outside the device and / or increasing the air pressure inside the device by adjusting the supply pressure of the gas as a reactant and the amount of the gas as a product. ..
"A blow caused by a change in atmospheric pressure as a direct or indirect factor" means either a blow by the change in atmospheric pressure itself or a blow through an object moving by the mechanical action of the change in atmospheric pressure.

図５の装置構成は、蓋４４の側面から蓋内部を貫通するように原料ガス供給管４６を設けている点では、図１の装置構成と同じであるが、蓋の下面を貫通する位置がヒーター３０の近傍であり、排出管４８が反応区画３３の下部の内壁を貫通するように設けている点において相違する。 The device configuration of FIG. 5 is the same as the device configuration of FIG. 1 in that the raw material gas supply pipe 46 is provided so as to penetrate the inside of the lid from the side surface of the lid 44, but the position of penetrating the lower surface of the lid is It differs in that it is in the vicinity of the heater 30 and the discharge pipe 48 is provided so as to penetrate the inner wall below the reaction compartment 33.

図５に示す水素生成装置２１は、ニッケル系金属構造体２９を用いた炭化水素の直接分解反応によって生成した固体生成物を排出し回収するシステム１２１を結合している。
図５に示す排出回収システム１２１では、反応区画３３と減圧チャンバ２３とを水平に連絡する第１チャネル２２を設け、該減圧チャンバ２３に連絡する減圧ポンプ２５を設け、第１チャネル２２の途中にベント孔２４を設けてこれを開閉する開閉弁２６を設ける一方、シューター区画３５の最下点に位置する下部開口４３に開閉弁なしで連絡する回収箱２８を設けている。 The hydrogen generating apparatus 21 shown in FIG. 5 is coupled with a system 121 for discharging and recovering a solid product produced by a direct decomposition reaction of hydrocarbons using a nickel-based metal structure 29.
In the discharge recovery system 121 shown in FIG. 5, a first channel 22 for horizontally connecting the reaction compartment 33 and the decompression chamber 23 is provided, a decompression pump 25 for communicating with the decompression chamber 23 is provided, and the decompression pump 25 is provided in the middle of the first channel 22. A vent hole 24 is provided to provide an on-off valve 26 for opening and closing the vent hole 24, while a collection box 28 for communicating with the lower opening 43 located at the lowest point of the shooter compartment 35 without an on-off valve is provided.

本システム１２１によれば、ベント孔２４を閉じて水素生成装置２１を運転しているときは、衝撃印加部材３４とニッケル系金属構造体２９とがバネ３２によって所定の間隔を保持している一方、ベント孔２４を開いたときは、反応区画３３内に充満するガスが反応区画３３外に放出される際の気圧変化によって、衝撃印加部材３４がニッケル系金属構造体２９の上端に当接するように作用し、やがて気圧が反応区画３３外と等しくなればバネ３２の復元力によって元の所定間隔を保持する位置に戻るように作用する。したがって、（サ）開閉弁２６を閉じる。（シ）減圧ポンプ２５で減圧チャンバ２３を減圧する。（ス）開閉弁２６を開ける、という作業を任意のタイミングかまたは定期的に繰り返すことで、その都度衝撃印加部材３４による衝撃がニッケル系金属触媒２９に加わり、分離した固体生成物が、適宜シューター区画３５を滑って反応室下部開口４３から重力落下し、回収箱２８に回収される。固体生成物が回収箱にある程度溜まった後は、反応炉を停止し、回収を行う。図５のシステムは、図１のシステムに比べて小規模の水素生成装置に好適なシステムであるといえる。 According to this system 121, when the vent hole 24 is closed and the hydrogen generating device 21 is operated, the impact applying member 34 and the nickel-based metal structure 29 maintain a predetermined distance by the spring 32. When the vent hole 24 is opened, the impact applying member 34 comes into contact with the upper end of the nickel-based metal structure 29 due to the change in pressure when the gas filling the reaction compartment 33 is discharged to the outside of the reaction compartment 33. When the pressure becomes equal to the outside of the reaction compartment 33, the restoring force of the spring 32 causes the spring 32 to return to the position where the original predetermined interval is maintained. Therefore, the (sa) on-off valve 26 is closed. (S) The decompression chamber 23 is decompressed by the decompression pump 25. (S) By repeating the operation of opening the on-off valve 26 at an arbitrary timing or periodically, the impact of the impact applying member 34 is applied to the nickel-based metal catalyst 29 each time, and the separated solid product is appropriately shoter. It slides in the compartment 35 and falls by gravity from the lower opening 43 of the reaction chamber, and is collected in the collection box 28. After the solid product has accumulated in the recovery box to some extent, the reactor is shut down and recovery is performed. It can be said that the system of FIG. 5 is more suitable for a small-scale hydrogen generator than the system of FIG.

（第３実施形態）
図６に示す水素生成装置５１は、原料ガス供給管７６の流路内に原料ガスの供給圧で動作するシリンダ６６を設けた点、反応容器５２内に吊り下げたラック７２内にニッケル系金属構造体５９を搭載した点、シリンダ６６とともにシリンダ室６７を画定するピストン６８が、ラック７２を揺動する力を加えるように構成した点、で図５に示す水素生成装置２１と異なる。 (Third Embodiment)
The hydrogen generator 51 shown in FIG. 6 is provided with a cylinder 66 that operates at the supply pressure of the raw material gas in the flow path of the raw material gas supply pipe 76, and a nickel-based metal in a rack 72 suspended in the reaction vessel 52. It differs from the hydrogen generator 21 shown in FIG. 5 in that the structure 59 is mounted and the piston 68 that defines the cylinder chamber 67 together with the cylinder 66 is configured to apply a force that swings the rack 72.

図８（ａ）には、シリンダ６６の詳細な構造を示しており、ピストン６８が最下端に下がった際、シリンダ室６７と反応区画６３とが連絡するように、シリンダ６６の側方に脱気孔７１を設けてある。すなわち、シリンダ６６は、原料ガス供給管７６とは別系統で原料ガスを供給するように構成している。 FIG. 8A shows a detailed structure of the cylinder 66, which is removed to the side of the cylinder 66 so that when the piston 68 is lowered to the lowermost end, the cylinder chamber 67 and the reaction compartment 63 are in contact with each other. Pore 71 is provided. That is, the cylinder 66 is configured to supply the raw material gas in a system different from that of the raw material gas supply pipe 76.

図７（ａ）に示すラック７２は、概ね円柱状の輪郭形状で、上端面８１と下端面８３にある大径リング８２ａ，８２ｂを鉛直方向上下に延びる２本のポール８４、９０で相互に固定した構造を有する。大径リング８２は、ヒーター収容部６０の外径より大きな内径を有する小径リング８５とブリッジ８６を介して同一面上で一体化している。大径リング８２と小径リング８５とは中心を共有しており、当該中心から放射方向（径方向）に沿って向かい合う位置に合計３０箇所、等間隔に切り欠き溝８７が設けられている。下端面８３上のブリッジ８６ｂの中程からは、鉛直下方に垂下支柱８８が２本延びており、垂下支柱８８の下端には、大径リング８２ｂおよび小径リング８５ｂと同軸上に足場リング８９が吊り下げられている。なお、ポール９０は、上端面８１の高さを超えて鉛直上方に延びており、その上端にはピストン当接フランジ９１を備えている。小径リング８５ａ上には揺動支点としての軸受９２が設けられ、ラック７２は、軸受９２を中心として、反応容器５２および／またはヒーター収容部６０に固定された図示しない棒によって揺動可能に支持されている。 The rack 72 shown in FIG. 7A has a substantially columnar contour shape, and the large diameter rings 82a and 82b on the upper end surface 81 and the lower end surface 83 are mutually extended by two poles 84 and 90 extending vertically in the vertical direction. It has a fixed structure. The large-diameter ring 82 is integrated on the same surface with a small-diameter ring 85 having an inner diameter larger than the outer diameter of the heater accommodating portion 60 via a bridge 86. The large-diameter ring 82 and the small-diameter ring 85 share a center, and notch grooves 87 are provided at equal intervals at a total of 30 positions facing each other along the radial direction (diameter direction) from the center. Two hanging columns 88 extend vertically downward from the middle of the bridge 86b on the lower end surface 83, and a scaffolding ring 89 is coaxially aligned with the large diameter ring 82b and the small diameter ring 85b at the lower end of the hanging column 88. Suspended. The pole 90 extends vertically upward beyond the height of the upper end surface 81, and is provided with a piston contact flange 91 at the upper end thereof. A bearing 92 as a swing fulcrum is provided on the small diameter ring 85a, and the rack 72 is swingably supported by a rod (not shown) fixed to the reaction vessel 52 and / or the heater accommodating portion 60 around the bearing 92. Has been done.

図７（ｂ）は、板状のニッケル系金属構造体５９を３０枚、ラック７２の上端面８１から切り欠き溝８７に嵌合するように収容した状態を示す。ここで、ニッケル系金属構造体５９は、板厚を切り欠き溝８７より薄くしてあり、板幅は大径リング８２および小径リング８５の切り欠き溝８７間の距離にほぼ等しく、板の高さはラック７２の上端面８１から足場リング８９までの距離よりやや長い程度にしてある。これによりラック７２が幾分揺れたり傾いたりしてもニッケル系金属構造体５９の位置がずれたり脱落したりしないようになっている。 FIG. 7B shows a state in which 30 plate-shaped nickel-based metal structures 59 are housed so as to fit into the notch groove 87 from the upper end surface 81 of the rack 72. Here, the nickel-based metal structure 59 has a plate thickness thinner than the notch groove 87, and the plate width is substantially equal to the distance between the notch grooves 87 of the large-diameter ring 82 and the small-diameter ring 85, and the plate height. The height is slightly longer than the distance from the upper end surface 81 of the rack 72 to the scaffolding ring 89. As a result, the position of the nickel-based metal structure 59 does not shift or fall off even if the rack 72 is shaken or tilted to some extent.

ピストン６８の動きとラック７２の位置との関係について以下に説明する。
シリンダ室６７に反応ガスが充填されていない状態では、ラック７２は、図６で見て、上端面８１が左側に向くように傾いており、その結果、反応容器５２の内壁５７にポール９０の下端が当接した状態となっている（標準位置）。予め傾けておく方法としては、例えば、ブリッジ８６ａの上に重りを載せる方法等を採用することができる。このとき、ピストン６８の下端は、ピストン当接フランジ９１と常に当接しながら、上昇した状態にある。原料ガス供給孔６９を通じてシリンダ６６に徐々に反応ガスを導入するにつれ、シリンダ室６７内の圧力が高まるとともに、ピストン６８の降下が始まり、図８（ａ）に示す位置で、ピストン６８の下端が、ラック７２のピストン当接フランジ９１と当接する。原料ガス供給孔６９を通じてさらに原料ガスを供給すると、ピストン６８の下端面は徐々にピストン当接フランジ９１を押し込み、図８（ｂ）のようにピストン当接フランジ９１の上面と面接触した状態となる。このとき、ラック７２の姿勢は、ポール９０の中心軸が鉛直方向と一致した状態に変化している。さらに原料ガスを供給し、シリンダ室６７内の圧力を高めると、図８（ｃ）のように、シリンダ室６７と反応区画６３とが連通するとともに、ポール８４の下端が反応容器５２の内壁５７に当接した状態に達する。このとき、脱気孔７１から反応区画６３に向けて急激に反応ガスが放出され、シリンダ室６７の急激な内圧低下と重り等による付勢によって、ピストン６８は図８（ａ）の位置に戻る。
以上のラックによれば、シリンダ室６７への反応ガスの供給速度を維持する場合、ピストン６８は図８（ａ）と図８（ｃ）の状態を行き来し、その結果、図６で見て、反応容器５２の左側の内壁５７をポール８４の下端で小突くことを繰り返す。その衝撃は、ポール８４を通じてラック７２全体、ひいては搭載されたニッケル系金属構造体５９にまで伝わり、反応に伴って生成した微細な付着物を振り落とす効果をもたらす。なお、シリンダ６６への反応ガスの供給は、衝撃を断続的に加えたいときに、間歇的に行ってもよいし、衝撃を持続的に加えたいときは、運転中連続的に行ってもよい。いずれにしても、反応ガスを利用するため、反応に全く悪影響なく効果的な衝撃を加えることができる。
一方、反応ガスのシリンダ６６への供給を止めたとき、ピストン６８の上端が脱気孔７１より低ければ、ラック７２は、重力により右に揺動し、ピストン６８もラック７２からの力に屈して上方に変位し、図８（ａ）の位置で止まる。ピストン６８の上端が脱気孔７１より高ければ、ラック７２はそのままの姿勢を保つ。 The relationship between the movement of the piston 68 and the position of the rack 72 will be described below.
In the state where the cylinder chamber 67 is not filled with the reaction gas, the rack 72 is tilted so that the upper end surface 81 faces to the left as seen in FIG. 6, and as a result, the pole 90 is attached to the inner wall 57 of the reaction vessel 52. The lower ends are in contact (standard position). As a method of tilting in advance, for example, a method of placing a weight on the bridge 86a can be adopted. At this time, the lower end of the piston 68 is in an raised state while always in contact with the piston contact flange 91. As the reaction gas is gradually introduced into the cylinder 66 through the raw material gas supply hole 69, the pressure in the cylinder chamber 67 increases, the piston 68 begins to descend, and the lower end of the piston 68 reaches the position shown in FIG. 8A. , Contact with the piston contact flange 91 of the rack 72. When the raw material gas is further supplied through the raw material gas supply hole 69, the lower end surface of the piston 68 gradually pushes the piston contact flange 91 into surface contact with the upper surface of the piston contact flange 91 as shown in FIG. 8 (b). Become. At this time, the posture of the rack 72 is changed so that the central axis of the pole 90 coincides with the vertical direction. When the raw material gas is further supplied to increase the pressure in the cylinder chamber 67, the cylinder chamber 67 and the reaction compartment 63 communicate with each other, and the lower end of the pole 84 is the inner wall 57 of the reaction vessel 52, as shown in FIG. 8C. Reach a state of contact with. At this time, the reaction gas is suddenly released from the degassing hole 71 toward the reaction compartment 63, and the piston 68 returns to the position shown in FIG. 8A due to the sudden drop in internal pressure of the cylinder chamber 67 and the urging by a weight or the like.
According to the above rack, when maintaining the supply rate of the reaction gas to the cylinder chamber 67, the piston 68 goes back and forth between the states of FIGS. 8 (a) and 8 (c), and as a result, as seen in FIG. , The inner wall 57 on the left side of the reaction vessel 52 is repeatedly stabbed at the lower end of the pole 84. The impact is transmitted through the pole 84 to the entire rack 72 and eventually to the mounted nickel-based metal structure 59, which has the effect of shaking off fine deposits generated by the reaction. The reaction gas may be supplied to the cylinder 66 intermittently when an impact is desired to be applied intermittently, or continuously during operation when an impact is desired to be continuously applied. .. In any case, since the reaction gas is used, an effective impact can be applied without any adverse effect on the reaction.
On the other hand, when the supply of the reaction gas to the cylinder 66 is stopped, if the upper end of the piston 68 is lower than the degassing hole 71, the rack 72 swings to the right due to gravity, and the piston 68 also succumbs to the force from the rack 72. It displaces upward and stops at the position shown in FIG. 8 (a). If the upper end of the piston 68 is higher than the degassing hole 71, the rack 72 keeps its posture.

（第４実施形態）
図９に示す水素生成装置１３１は、反応容器１３２を覆う蓋１３４の下面に、上下端面を開放された円筒周壁を有する円筒型ラック１４２が接合されており、当該円筒型ラック１４２にニッケル系金属構造体１３９を搭載し、蓋１３４の上面から蓋１３４の内部を貫通し、円筒型ラック１４２の内側空間１４３に連絡するように原料ガス供給管１３６を設けている。また蓋１３４の上面には、原料ガス供給管１３６を覆うように熱交換器１３５を設け、反応容器１３２の内周壁上端に排出管１３８を設けている。本構成により、反応ガスは原料ガス供給管１３６を通る際に熱交換器１３５から供給される熱で予備加熱されつつ円筒型ラック１４２の内側空間１４３に導入され、ニッケル系金属構造体１３９に接触しながら鉛直下方に流通する一方、生成ガス（反応ガスとの混合ガスであり得る）は反応炉内筒１４５の周壁と反応容器１３２の内壁とで画定される触媒が存在しない空間を鉛直上方に流通し、排出管１３８から反応容器１３２の外部に逃げる管型連続式反応器として機能するようになっている。 (Fourth Embodiment)
In the hydrogen generator 131 shown in FIG. 9, a cylindrical rack 142 having a cylindrical peripheral wall with open upper and lower end surfaces is joined to the lower surface of a lid 134 that covers the reaction vessel 132, and a nickel-based metal is attached to the cylindrical rack 142. The structure 139 is mounted, and the raw material gas supply pipe 136 is provided so as to penetrate the inside of the lid 134 from the upper surface of the lid 134 and communicate with the inner space 143 of the cylindrical rack 142. A heat exchanger 135 is provided on the upper surface of the lid 134 so as to cover the raw material gas supply pipe 136, and a discharge pipe 138 is provided at the upper end of the inner peripheral wall of the reaction vessel 132. With this configuration, the reaction gas is introduced into the inner space 143 of the cylindrical rack 142 while being preheated by the heat supplied from the heat exchanger 135 when passing through the raw material gas supply pipe 136, and comes into contact with the nickel-based metal structure 139. While flowing vertically downward, the generated gas (which can be a mixed gas with the reaction gas) vertically rises above the space defined by the peripheral wall of the reactor inner cylinder 145 and the inner wall of the reaction vessel 132 where there is no catalyst. It functions as a tube-type continuous reactor that circulates and escapes from the discharge pipe 138 to the outside of the reaction vessel 132.

円筒型ラック１４２には、ニッケル系金属構造体１３９が複数枚収容されている。
本実施形態では、図１０に示すように、反応ガスを流通させる方向に対して垂直な断面を視たとき、隣接する２つのニッケル系金属構造体の間隔が、径方向に沿ったいずれの間隔計測位置１４４ａ，１４４ｂ，１４４ｃでもほぼ等間隔になるように、ニッケル系金属構造体１３９を同じ向きに、同じ曲率で湾曲させて配置している。
本実施形態は、ガス流路１３７が円筒型ラック１４２の内側空間１４３に限定されており、かつワンパスであることから、ガスが流通する過程でニッケル系金属構造体１３９の全体に均一な流速で接触することが好ましいが、ニッケル系金属構造体１３９を湾曲させて配置したことで、ガスの流量が径方向外側ほどより多く流通するといった流量ムラが生じることなく、均一な流量で鉛直下方に流通することになり、特に連続式反応器として有用となる。 A plurality of nickel-based metal structures 139 are housed in the cylindrical rack 142.
In the present embodiment, as shown in FIG. 10, when the cross section perpendicular to the direction in which the reaction gas flows is viewed, the distance between the two adjacent nickel-based metal structures is any distance along the radial direction. The nickel-based metal structures 139 are arranged in the same direction and curved with the same curvature so that they are substantially evenly spaced even at the measurement positions 144a, 144b, and 144c.
In this embodiment, since the gas flow path 137 is limited to the inner space 143 of the cylindrical rack 142 and is one-pass, the flow rate is uniform throughout the nickel-based metal structure 139 in the process of gas flow. Although it is preferable to make contact with each other, by arranging the nickel-based metal structure 139 in a curved shape, the gas flows vertically downward at a uniform flow rate without causing flow unevenness such that the gas flows more outward in the radial direction. This is especially useful as a continuous reactor.

（実施例１−水素生成装置試作機Ｔ７の開発と２日間無触媒昇温試験）
触媒を配置しなかったほかは図１に示す水素生成装置と同様の構成を有する、セラミック製の円筒形断熱材で周囲を被覆したヒーターで周囲を覆った、反応区画の容積が約３０Ｌの円筒形炉内に、メタンを圧力０．１４ＭＰａ、流量３．０Ｌ／分で導入しながら装置温度を上げていき、図２に示す２箇所に設置した熱電対１−Ａ−２、１−Ａ−６によって常時温度計測を行いつつ、気体熱伝導式ガスアナライザ１−Ａ−１０（品番ＫＤ−１２Ｃ−Ｔ１、ゼロガス：清浄大気１００％、スパンガス：水素１００％、ゼロ点未調整、新コスモス電機社製）を大気放出するパイプに取付けて計測した。ここで、水素ガスの濃度は、生成した水素ガスを常温にまで下げてから計測したが、ガスアナライザ１−Ａ−１０は、メタンガス中の水素濃度を測るものではなく、空気中の水素濃度を測るものであったため、初期値が大きく、バックグラウンドを差し引いた値で図３を作成した。なお、メタンの直接分解反応は、反応ギブス自由エネルギーΔＧｒ＝５０．８ｋＪ／ｍｏｌであり、９００℃における平衡定数Ｋ＝ｅｘｐ（−５０．８／ＲＴ）＝０．９９８であり、吸熱反応であることから、ルシャトリエの原理により、加熱すると、無触媒でも分解反応が進行するものである。 (Example 1-Development of prototype hydrogen generator T7 and 2-day catalyst-free temperature rise test)
A cylinder with a reaction compartment volume of about 30 L, which has the same configuration as the hydrogen generator shown in FIG. 1 except that a catalyst is not arranged, and is surrounded by a heater coated with a ceramic cylindrical heat insulating material. While introducing methane into the furnace at a pressure of 0.14 MPa and a flow rate of 3.0 L / min, the temperature of the device was raised, and the thermocouples 1-A-2 and 1-A- installed at the two locations shown in FIG. Gas heat conduction type gas analyzer 1-A-10 (part number KD-12C-T1, zero gas: 100% clean air, span gas: 100% hydrogen, zero point unadjusted, new Cosmos Electric Co., Ltd. Was attached to a pipe that releases to the atmosphere and measured. Here, the concentration of hydrogen gas was measured after lowering the generated hydrogen gas to room temperature, but the gas analyzer 1-A-10 does not measure the hydrogen concentration in methane gas, but measures the hydrogen concentration in air. Since it was measured, the initial value was large, and FIG. 3 was created with the value obtained by subtracting the background. The direct decomposition reaction of methane is an endothermic reaction with a reaction Gibbs free energy ΔGr = 50.8 kJ / mol and an equilibrium constant K = exp (-50.8 / RT) = 0.998 at 900 ° C. Therefore, according to Le Chatelier's principle, when heated, the decomposition reaction proceeds even without a catalyst.

図３および以下の表１から表３の生データに示すように、装置加熱開始から５時間程度でヒーター制御温度１−Ａ−６、触媒表面温度１−Ａ−２がほぼ８７０℃に到達し、その後３時間程度ほぼ一定のまま保たれた。その間、気体熱伝導式ガスアナライザ１−Ａ−１０で測定したところ、約１６％前後で安定し、維持されていることがわかった。これは生成炭素が触媒の働きをしているものと推察される。さらに、炉内には、フィルム状の生成炭素が堆積していた。 As shown in FIG. 3 and the raw data in Tables 1 to 3 below, the heater control temperature 1-A-6 and the catalyst surface temperature 1-A-2 reached approximately 870 ° C. in about 5 hours from the start of heating the apparatus. After that, it was kept almost constant for about 3 hours. During that time, it was measured with a gas heat conduction type gas analyzer 1-A-10, and it was found that it was stable and maintained at about 16%. It is inferred that the produced carbon acts as a catalyst. Furthermore, film-like produced carbon was deposited in the furnace.

（実施例２−ニッケル多孔体を用いた昇温試験）
ニッケル多孔体を反応炉内壁に沿って設けた水素生成装置Ｔ７を用いた以外は、実施例１と同様の条件で昇温実験を行った。ヒーター温度が実験開始から４時間で約９６０℃に到達した後は、約８７０℃に下げて２時間保持し、約８００℃で３時間保持した。なお、水素濃度が最初の時間ほとんど０になっているのは、生成ガスを大気放出しているので、反応炉の温度がある程度上昇するまではメタンを大気中に放出するだけになるので、大気放出するバルブを閉めていたからである。結果を図４に示す。 (Example 2-heat temperature test using a nickel porous body)
A temperature rise experiment was carried out under the same conditions as in Example 1 except that the hydrogen generator T7 in which the nickel porous body was provided along the inner wall of the reaction furnace was used. After the heater temperature reached about 960 ° C. in 4 hours from the start of the experiment, the temperature was lowered to about 870 ° C. and held for 2 hours, and kept at about 800 ° C. for 3 hours. The reason why the hydrogen concentration is almost 0 for the first time is that the generated gas is released to the atmosphere, so methane is only released into the atmosphere until the temperature of the reactor rises to some extent. This is because the release valve was closed. The results are shown in FIG.

図４に示すように、ニッケル多孔体は、従来ニッケルが関与する不均一系反応において露出表面積を増やすために常識的に行われてきたニッケル粒子担持法に比べて、９時間以上にわたり、意外にも安定的に活性を維持することができることがわかった。また、水素濃度は、ヒーター温度を下げることで順次低下したが、８００℃でも３０％前後の値を維持することができた。この原因は明らかではないが、生成炭素そのものが触媒の働きをしたか、生成炭素によって、触媒を担持する担体の孔が塞がれることがないためと考えられる。 As shown in FIG. 4, the nickel porous body is surprisingly over 9 hours or more as compared with the nickel particle supporting method which has been conventionally performed to increase the exposed surface area in the heterogeneous reaction involving nickel. It was found that the activity can be stably maintained. Further, the hydrogen concentration gradually decreased by lowering the heater temperature, but the value of about 30% could be maintained even at 800 ° C. The cause of this is not clear, but it is considered that the produced carbon itself acted as a catalyst, or that the produced carbon did not block the pores of the carrier supporting the catalyst.

（実施例３−ニッケルパーマロイを用いた連続的昇温実験３）
ニッケルパーマロイ（パーマロイB、YFN-45-R、DOWAメタル社製）を使用し、実施例３と同様の条件で昇温実験を行った。その結果、ニッケル多孔体を使用した場合に比べて、ヒーター温度が８２５℃付近までの水素濃度や、ヒーター温度９５０℃（触媒表面温度にして９００℃）での安定性の観点では幾分劣るものの、図１１に示すように、８００℃で１６日間という長期間にわたり連続的な運用が可能であることが実証された。 (Example 3-Continuous temperature rise experiment using nickel permalloy 3)
Using nickel permalloy (Permalloy B, YFN-45-R, manufactured by DOWA Metal Co., Ltd.), a temperature rise experiment was conducted under the same conditions as in Example 3. As a result, compared to the case of using a nickel porous body, the hydrogen concentration up to a heater temperature of about 825 ° C. and the stability at a heater temperature of 950 ° C. (catalyst surface temperature of 900 ° C.) are somewhat inferior. As shown in FIG. 11, it was demonstrated that continuous operation is possible for a long period of 16 days at 800 ° C.

なお、本発明の実施の形態は上記実施形態に何ら限定されるものではなく、また、上記実施形態に説明される構成のすべてが本発明の必須要件であるとは限らない。本発明は、その技術的思想を逸脱しない範囲において、当該技術的範囲に属する限り種々の改変等の形態を採り得る。例えば、上記実施形態では、メタンガスが反応容器上部から順次下部まで充満していくことや、生成した炭素が重力によって落下し触媒から分離することを考慮し、ニッケル系金属構造体を両端が開口した円筒形状とし、その反応器内における位置を反応器の内周壁に沿った位置に配置したが、それに代えて、平板状の触媒を反応区画内で並列に立て置きや立てて吊るすこともできる。また、図１の水素生成装置１に図５の排出回収システム１２１を結合してもよいし、図５の水素生成装置２１に排出回収システム１０１を結合してもよい。そのほか、図６に示す水素生成装置５１ではラックを吊り下げて（すなわち、重心の上に揺動支点を設けて）反応室の内壁に衝突するように構成したが、特に大型の装置の場合は、反応室の下部に揺動する支点を設けて（すなわち、重心の下に揺動支点を設けて）ラックを反応室内に固定した障害物（ストッパー）に衝突するように構成してもよい。また、図６に示す水素生成装置５１と異なり、反応容器５２の内壁５７にポール９０の下端が当接した状態で、ピストンが、ピストン当接フランジと接していない状態であってもよい。さらに、ラックを傾けておくことは、ニッケル系金属構造体のラック内配置を等間隔とせず、揺動支点に対して重心を偏らせることによっても可能である。さらに、図１０では、ニッケル系金属構造体を同じ向きおよび曲率で湾曲させて配置したが、隣接するニッケル系金属構造体同士の間隔が任意の間隔計測箇所でほぼ等間隔になるのであれば、必ずしも湾曲させる必要はなく、反応容器の構造によって様々な形状をとり得る。 It should be noted that the embodiments of the present invention are not limited to the above-described embodiments, and not all of the configurations described in the above-described embodiments are essential requirements of the present invention. The present invention may take various forms such as modifications as long as it belongs to the technical scope, as long as it does not deviate from the technical idea. For example, in the above embodiment, both ends of the nickel-based metal structure are opened in consideration of the fact that the methane gas is gradually filled from the upper part to the lower part of the reaction vessel and that the generated carbon falls due to gravity and separates from the catalyst. The shape is cylindrical and the position in the reactor is arranged along the inner peripheral wall of the reactor, but instead, a flat catalyst can be erected or hung in parallel in the reaction compartment. Further, the discharge recovery system 121 of FIG. 5 may be coupled to the hydrogen generation device 1 of FIG. 1, or the discharge recovery system 101 may be coupled to the hydrogen generation device 21 of FIG. In addition, in the hydrogen generator 51 shown in FIG. 6, the rack is suspended (that is, a swing fulcrum is provided above the center of gravity) so as to collide with the inner wall of the reaction chamber. , A swinging fulcrum may be provided at the bottom of the reaction chamber (that is, a swinging fulcrum may be provided below the center of gravity) so that the rack collides with an obstacle (stopper) fixed in the reaction chamber. Further, unlike the hydrogen generating device 51 shown in FIG. 6, the piston may be in a state where the lower end of the pole 90 is in contact with the inner wall 57 of the reaction vessel 52 and the piston is not in contact with the piston contact flange. Further, the rack can be tilted by not arranging the nickel-based metal structures in the rack at equal intervals but by biasing the center of gravity with respect to the swing fulcrum. Further, in FIG. 10, the nickel-based metal structures are arranged so as to be curved in the same direction and curvature, but if the distance between adjacent nickel-based metal structures is approximately equal at an arbitrary interval measurement point, It does not necessarily have to be curved and can take various shapes depending on the structure of the reaction vessel.

本発明の水素生成装置は、生成ガス中に含まれる水素純度を上げる装置を後段に付けることにより、固体高分子形燃料電池［ＰＥＦＣ］を搭載した燃料電池車へのオンサイトステーション等を通じた水素供給に好適に適用可能である。 The hydrogen generator of the present invention is provided with a device for increasing the purity of hydrogen contained in the produced gas at the subsequent stage, so that hydrogen can be supplied to a fuel cell vehicle equipped with a polymer electrolyte fuel cell [PEFC] through an on-site station or the like. It is suitably applicable to supply.

また近年、水素に加えて、都市ガスインフラを活用してメタンを直接利用できる固体酸化物形燃料電池（ＳｏｌｉｄＯｘｉｄｅＦｕｅｌＣｅｌｌ：ＳＯＦＣ）が注目を集めている。ＳＯＦＣでは、従来メタンの熱分解反応による金属ニッケル表面への炭素析出や、生成ＣＯの金属ニッケル表面への吸着による電極反応阻害作用による性能低下の問題が認識されているが（佐藤ら著、「燃料電池・メタン利用技術との観点から」、Ｊ．ＰｌａｓｍａＦｕｓｉｏｎＲｅｓ．Ｖｏｌ．８７，Ｎｏ．１（２０１１）３６−４１頁）、この前段に配する燃料改質器として本発明の水素生成装置を利用すれば、ＳＯＦＣにおける析出炭素の低減や長寿命化につながることが期待される。 In recent years, solid oxide fuel cells (SOFCs), which can directly use methane by utilizing urban gas infrastructure in addition to hydrogen, have been attracting attention. In SOFC, the problems of carbon precipitation on the surface of metallic nickel due to the thermal decomposition reaction of methane and the deterioration of performance due to the inhibitory action of the electrode reaction due to the adsorption of produced CO on the surface of metallic nickel have been recognized (Sato et al., " From the viewpoint of fuel cell / methane utilization technology ”, J. Plasma Fusion Res. Vol. 87, No. 1 (2011) pp. 36-41), the hydrogen generator of the present invention as a fuel reformer to be arranged in the preceding stage. Is expected to lead to reduction of precipitated carbon in SOFC and extension of life.

１、２１、５１、１３１水素生成装置
２、５２反応容器
３、３３、６３反応区画
４、４４、１３４蓋
５、３５シューター区画
６、４６、７６、１３６原料ガス供給管
７、２７、５７内壁
８、４８、７８、１３８排出管
９、２９、５９ニッケル系金属構造体
１０、３０ヒーター
１１整流筒
１２、４３反応室下部開口
１３、２３減圧チャンバ
１４、２４ベント孔
１５、２５減圧ポンプ
１６チャネル
１７第１開閉弁
１８、２８回収箱
１９第２開閉弁
２２第１チャネル
２６開閉弁
３１棚
３２バネ
３４衝撃印加部材
６０ヒーター収容部
６６シリンダ
６７シリンダ室
６８ピストン
６９原料ガス供給孔
７１脱気孔
７２ラック
８１上端面
８２，８２ａ，８２ｂ大径リング
８３下端面
８４，９０ポール
８５，８５ａ，８５ｂ小径リング
８６，８６ａ，８６ｂブリッジ
８７切り欠き溝
８８垂下支柱
８９足場リング
９１ピストン当接フランジ
９２軸受
１０１、１２１排出回収システム
１３５熱交換器
１３７ガス流路
１４２円筒型ラック
１４３ラックの内部空間
１４４ａ，１４４ｂ，１４４ｃ間隔計測位置
１４５反応炉内筒

1, 21, 51, 131 Hydrogen generator 2, 52 Reaction vessel 3, 33, 63 Reaction compartment 4, 44, 134 Lid 5, 35 Shooter compartment 6, 46, 76, 136 Raw material gas supply pipe 7, 27, 57 Inner wall 8, 48, 78, 138 Discharge pipes 9, 29, 59 Nickel-based metal structure 10, 30 Heater 11 Rectifier cylinder 12, 43 Reaction chamber lower opening 13, 23 Decompression chamber 14, 24 Vent hole 15, 25 Decompression pump 16 channels 17 1st on-off valve 18, 28 Recovery box 19 2nd on-off valve 22 1st channel 26 On-off valve 31 Shelf 32 Spring 34 Impact application member 60 Heater accommodating part 66 Cylinder 67 Cylinder chamber 68 Piston 69 Raw material gas supply hole 71 Degassing hole 72 Rack 81 Upper end surface 82, 82a, 82b Large diameter ring 83 Lower end surface 84, 90 Pole 85, 85a, 85b Small diameter ring 86, 86a, 86b Bridge 87 Notch groove 88 Hanging strut 89 Scaffolding ring 91 Piston contact flange 92 Bearing 101 , 121 Emission recovery system 135 Heat exchanger 137 Gas flow path 142 Cylindrical rack 143 Rack internal space 144a, 144b, 144c Interval measurement position 145 Reaction furnace inner cylinder

Claims

ニッケル系金属構造体が複数枚収容された反応室内において反応ガスを所定の方向に流通させる水素生成装置であって、
少なくとも特定の２つの隣接するニッケル系金属構造体が、前記所定の方向に対して垂直な断面を視たとき、同じ向きに、同じ曲率で湾曲して配置されている水素生成装置。

A hydrogen generator that allows a reaction gas to flow in a predetermined direction in a reaction chamber containing a plurality of nickel-based metal structures.
A hydrogen generator in which at least two specific adjacent nickel-based metal structures are arranged in the same direction and with the same curvature when viewed in a cross section perpendicular to the predetermined direction.