JP7078111B2 - 水素製造装置および水素製造方法 - Google Patents

水素製造装置および水素製造方法 Download PDF

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Description

本開示は、水素製造装置および水素製造方法に関する。本出願は、２０１８年６月５日に提出された日本特許出願第２０１８－１０７４９１号および２０１８年６月２９日に提出された日本特許出願第２０１８－１２４１１０号に基づく優先権の利益を主張するものであり、その内容は本出願に援用される。
火力発電所、製鉄所、ボイラー等のプラントにおいて、大量の化石燃料（例えば、石炭、重油、超重質油）が燃焼されている。化石燃料の燃焼に伴って、二酸化炭素（ＣＯ２）、硫黄酸化物（ＳＯｘ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）を含む排気ガスが排出されている。排気ガスに含まれる二酸化炭素は、地球温暖化の要因とされる温室効果ガスのひとつとして考えられている。このため、気候変動に関する国際連合枠組条約等においても、大気中への二酸化炭素の排出量の規制が設けられている。
そこで、反応容器に収容されたメタンを、ススまたはグラファイト（以下、両者を合せて「固体炭素」と称する）と、水素とに熱分解して、二酸化炭素を発生させずに燃料（水素）を製造する技術が開発されている（例えば、特許文献１）。
特表２００８－５４５６０３号公報
しかし、メタンを熱分解すると、水素に加えて、固体炭素が生成される。そうすると、固体炭素が反応容器の内壁に固着し、熱分解反応の効率が低下するという課題がある。
そこで、本開示は、このような課題に鑑み、反応容器の内壁への固体炭素の固着を抑制することが可能な水素製造装置および水素製造方法を提供することを目的としている。
上記課題を解決するために、本開示の一態様に係る水素製造装置は、少なくともメタンを含む原料ガスと、水素との混合ガスを１０００℃以上２０００℃以下に加熱する第１炉と、第１炉で生成された第１ガスからナノ炭素材料への反応を促進する触媒が収容され、第１ガスを５００℃以上１２００℃以下に維持する第２炉と、を備え、ナノ炭素材料は、カーボンナノチューブ、および、カーボンナノファイバーのいずれか一方または両方である。
また、第１炉で生成された第１ガスを６００℃以下まで急冷する冷却部を備え、第２炉には、冷却部で急冷された第１ガスが導入されてもよい。
また、第１炉は、混合ガスの、アセチレンおよびエチレンのいずれか一方または両方への反応を促進する触媒を収容してもよい。
また、第１炉および第２炉のうち低温の炉は、高温の炉から放出された熱を加熱源としてもよい。
また、少なくとも第１炉の加熱源は、太陽光を集光して太陽熱を発生させる集光装置であってもよい。
また、第１炉および第２炉のうち低温の炉から放出された熱で原料ガスを予熱する予熱部を備えてもよい。
また、第２炉で生成された第２ガスと、原料ガスとを熱交換させる第１熱交換部を備え、予熱部には、第１熱交換部で熱交換された原料ガスが導入されてもよい。
また、第１炉から排出された第１ガスと、予熱部によって予熱された原料ガスとを熱交換させる第２熱交換部を備え、第２炉には、第２熱交換部によって熱交換された第１ガスが導入されてもよい。
上記課題を解決するために、本開示の一態様に係る水素製造方法は、少なくともメタンを含む原料ガスと、水素との混合ガスを１０００℃以上２０００℃以下に加熱して第１ガスを生成し、第１ガスからナノ炭素材料への反応を促進する触媒の存在下で、第１ガスを５００℃以上１２００℃以下に維持して第１ガスをナノ炭素材料へ変換させ、ナノ炭素材料は、カーボンナノチューブ、および、カーボンナノファイバーのいずれか一方または両方である。
本開示によれば、反応容器の内壁への固体炭素の固着を抑制することが可能となる。
図１は、第１の実施形態の水素製造装置を説明する図である。 図２Ａは、集光装置および加熱部の外観を説明する図である。図２Ｂは、加熱部の一部を切り欠いた斜視図である。 図３は、第１の実施形態の水素製造方法の処理の流れを説明するフローチャートである。 図４は、第２の実施形態の水素製造装置を説明する図である。 図５は、変形例の第２炉を説明する図である。
以下に添付図面を参照しながら、本開示の実施形態について詳細に説明する。実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本開示を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。また本開示に直接関係のない要素は図示を省略する。
［第１の実施形態］
図１は、第１の実施形態の水素製造装置１００を説明する図である。なお、図１中、実線の矢印は、原料ガスの流れを示す。図１中、破線の矢印は、第１ガスの流れを示す。また、図１中、一点鎖線の矢印は、第２ガスの流れを示す。図１中、白抜き矢印は、集光された太陽光を示す。また、第１の実施形態において、第１炉２３０が第２炉２４０より高温である場合を例に挙げて説明する。
図１に示すように、水素製造装置１００は、集光装置１１０と、加熱部１２０と、第１熱交換部１３０と、第２熱交換部１４０と、冷却部１５０と、分離部１６０とを含む。
集光装置１１０は、太陽光を集光して加熱部１２０（採光窓２１２）へ導く。加熱部１２０は、筐体２１０と、炉室２２０と、伝熱材２２２と、第１炉２３０と、第２炉２４０と、予熱部２５０と、断熱材２６０を含む。なお、図１中、伝熱材２２２をハッチングで示し、断熱材２６０をクロスハッチングで示す。
図２Ａは、集光装置１１０および加熱部１２０の外観を説明する図である。図２Ｂは、加熱部１２０の一部を切り欠いた斜視図である。なお、図２Ｂ中、伝熱材２２２をハッチングで示し、断熱材２６０をクロスハッチングで示す。
図２Ａに示すように、集光装置１１０は、太陽光を集光して太陽熱に変換する装置である。集光装置１１０は、１または複数のヘリオスタット（平面鏡）１１２と、放物曲面鏡１１４と、後述する炉壁２２０ａを含む。ヘリオスタット１１２は、太陽光を反射して放物曲面鏡１１４に導く。放物曲面鏡１１４は、反射面が凹形状の鏡である。放物曲面鏡１１４は、ヘリオスタット１１２で反射された太陽光を集光して加熱部１２０（採光窓２１２）へ導く。
図２Ｂに示すように、加熱部１２０の筐体２１０は、円筒形状である。筐体２１０は、軸方向が水平方向となるように設けられる。筐体２１０の側面には採光窓２１２が設けられる。炉室２２０は、採光窓２１２に連続して筐体２１０の内部に設けられる。つまり、採光窓２１２は、炉室２２０と外部とを区画する。炉室２２０は、水平方向に延在する空間である。炉室２２０を形成する炉壁２２０ａは、吸熱材（黒体のセラミックス等の耐熱性が高い無機材料）で構成される。
第１炉２３０、第２炉２４０、および、予熱部２５０は、管形状である。第１炉２３０、および、予熱部２５０は、炉室２２０を貫通するように設けられる。第２炉２４０は、炉室２２０内に設けられる。第１炉２３０は、採光窓２１２に最も近い位置に設けられる。第２炉２４０は、第１炉２３０に隣接する。予熱部２５０は、第２炉２４０に隣接する。つまり、採光窓２１２に近い方から順に、第１炉２３０、第２炉２４０、予熱部２５０が、炉室２２０内に設けられる。伝熱材２２２は、炉室２２０のうち、第１炉２３０と第２炉２４０との間、第２炉２４０と予熱部２５０との間、および、予熱部２５０と断熱材２６０との間に設けられる。つまり、伝熱材２２２は、第１炉２３０とは離隔し、第２炉２４０および予熱部２５０を囲繞する。伝熱材２２２は、例えば、グラファイトまたはセラミックスである。
採光窓２１２を通過して炉室２２０の内部に導かれた太陽光は、第１炉２３０に照射されたり、炉室２２０を形成する炉壁２２０ａに照射されたりすること等によって熱エネルギー（太陽熱）に変換され、第１炉２３０および炉壁２２０ａを加熱する。これにより、第１炉２３０は、１０００℃以上２０００℃以下に維持される。なお、伝熱材２２２が第１炉２３０と非接触であることにより、第１炉２３０の全周が輻射に曝される。これにより、第１炉２３０は、太陽光によって効率的に加熱される。また、第２炉２４０は、第１炉２３０から放出された熱（放熱）が伝熱材２２２によって伝達され、５００℃以上１２００℃以下に維持される。また、予熱部２５０は、第２炉２４０から放出された熱が伝熱材２２２によって伝達され、所定の予熱温度（常温（２５℃）を上回る温度）に維持される。伝熱材２２２が第２炉２４０および予熱部２５０の全周と接触することにより、第２炉２４０および予熱部２５０が効率的に加熱される。
断熱材２６０は、筐体２１０内に設けられる。断熱材２６０は、炉室２２０を囲繞する。断熱材２６０は、炉室２２０から外部への熱の流出（放熱）を抑制する。
図１に戻って説明すると、第１熱交換部１３０は、原料ガスと、第２炉２４０で生成された第２ガス（詳しくは後述する）とを熱交換させる。これにより、第２ガスが有する熱で原料ガスが加熱され、第２ガスが冷却される。原料ガスは、少なくともメタンを含むガスである。原料ガスは、例えば、天然ガスである。第１熱交換部１３０によって加熱された原料ガスは、予熱部２５０に送出される。一方、第１熱交換部１３０によって冷却された第２ガスは、後段の設備に送出される。
予熱部２５０は、上記したように、第２炉２４０の放熱によって予熱温度に維持される。したがって、予熱部２５０は、第１熱交換部１３０によって加熱された原料ガスを予熱温度まで予熱（加熱）することができる。
第２熱交換部１４０は、予熱部２５０によって予熱された原料ガスと、第１炉２３０から排出され、第２炉２４０に導入される前の第１ガス（詳しくは後述する）とを熱交換させる。これにより、第１ガスが有する熱で原料ガスが加熱され、第１ガスが冷却される。第２熱交換部１４０によって加熱された原料ガスは、第１炉２３０に導入される。一方、第２熱交換部１４０によって冷却された第１ガスは、第２炉２４０に導入される。
第１炉２３０には、第１熱交換部１３０、予熱部２５０、および、第２熱交換部１４０によって加熱された原料ガスと、第２炉２４０によって生成された第２ガスとが導入される。詳しくは後述するが、第２ガスには、少なくとも水素（Ｈ２）が含まれる。
第１炉２３０に導入された原料ガスおよび水素（混合ガス）は、上記したように、集光装置１１０によって１０００℃以上２０００℃以下に維持される。そうすると、例えば、下記反応式（１）、反応式（２）に示す反応が進行し、原料ガスに含まれるメタン（ＣＨ４）が、アセチレン（Ｃ２Ｈ２）およびエチレン（Ｃ２Ｈ４）に変換される。
２ｎＣＨ４ ＋ ６ｎＨ２ → ｎＣ２Ｈ２ ＋ ９ｎＨ２ …反応式（１）
２ｎＣＨ４ ＋ ６ｎＨ２ → ｎＣ２Ｈ４ ＋ ８ｎＨ２ …反応式（２）
なお、反応式（１）、反応式（２）中、ｎは１以上の整数である。
第１炉２３０に導入された混合ガス中の水素は、混合ガス中のメタン（１モル）に対し、０．１モル以上８モル以下である。混合ガス中の水素は、混合ガス中のメタンに対し３モル以上であることが好ましい。メタンに対して３モル以上の水素が導入されることにより、第１炉２３０は、アセチレンおよびエチレンの収率を向上させることができる。したがって、第１炉２３０は、固体炭素の収率を低減させることが可能となる。
なお、水素は、相対的に熱容量が大きい。このため、メタンに対して８モルを上回る水素が導入されると、第１炉２３０の温度維持に要する熱エネルギーが大きくなってしまう。そこで、メタンに対して８モル以下の水素を第１炉２３０に導入する。これにより、第１炉２３０の温度を１０００℃以上２０００℃以下に維持するために投入される熱エネルギーを削減することができる。
このように、第１炉２３０に原料ガスおよび水素が導入されることにより、アセチレン、エチレン、および、未反応の水素を少なくとも含む第１ガスが生成される。
冷却部１５０は、第１炉２３０で生成された第１ガスを６００℃以下まで急冷する。これにより、冷却部１５０は、第１ガスに含まれるアセチレンおよびエチレンの熱分解を抑制することができる。
冷却部１５０によって急冷された第１ガスは、分離部１６０に導入される。分離部１６０は、セラミック製の水素分離膜（例えば、多孔質セラミック製の水素分離膜）を含む。分離部１６０は、第１ガスから水素を分離して除去する。分離部１６０を備える構成により、水素製造装置１００は、第２炉２４０に導入される水素の量を低減することができる。これにより、第２炉２４０の温度を５００℃以上１２００℃以下に維持するために投入される熱エネルギーを削減することが可能となる。そして、分離部１６０によって水素が除去された第１ガスは、上記第２熱交換部１４０によって熱交換された後、第２炉２４０に導入される。
第２炉２４０には、第１ガスからナノ炭素材料への反応（例えば、下記反応式（３）に示す反応、または、反応式（４）に示す反応）を促進する触媒が収容される。本実施形態において、第２炉２４０は、粒子形状の触媒を収容する。第１ガスは、第２炉２４０の下部から上部へ向けて流れる。したがって、第１ガスによって触媒の流動層が形成される。
また、第２炉２４０に導入された第１ガスは、上記したように、第１炉２３０の放熱によって５００℃以上１２００℃以下に維持される。したがって、第２炉２４０において、第１ガス（アセチレンおよびエチレン）の熱分解反応（下記反応式（３）、反応式（４））が進行され、触媒の表面にナノ炭素材料が生成される（成長する）。なお、第１ガス（アセチレンおよびエチレンのいずれか一方または両方）からナノ炭素材料への反応を促進する触媒は、ナノ炭素材料がカーボンナノチューブである場合、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、および、パラジウム（Ｐｄ）の群から選択された１または複数である。
ｎＣ２Ｈ２ → ２ｎＣ ＋ ｎＨ２ …反応式（３）
ｎＣ２Ｈ４ → ４ｎＣ ＋ ２ｎＨ２ …反応式（４）
なお、反応式（３）、反応式（４）中、ｎは１以上の整数である。また、上記カーボンナノチューブは、単層カーボンナノチューブ（直径１ｎｍオーダー）、多層カーボンナノチューブ（直径１０ｎｍオーダー）、カーボンナノファイバー（直径１００ｎｍオーダー）、および、カーボンファイバー（直径１０００ｎｍオーダーから直径１０００００ｎｍオーダー）のうちいずれか１または複数である。
また、第１ガスからナノ炭素材料への反応が進行されることにより、第２炉２４０において、第２ガスが生成される。第２ガスは、少なくとも水素を含む。第２炉２４０で生成された第２ガス（水素）は、一部が第１炉２３０に導入され、残りは、第１熱交換部１３０によって冷却された後、後段の設備に送出される。
［水素製造方法］
続いて、上記水素製造装置１００を用いた水素製造方法について説明する。図３は、第１の実施形態の水素製造方法の処理の流れを説明するフローチャートである。図３に示すように、水素製造方法は、第１ガス生成工程Ｓ１１０と、第２ガス生成工程Ｓ１２０とを含む。
［第１ガス生成工程Ｓ１１０］
第１ガス生成工程Ｓ１１０は、第１炉２３０が、原料ガスおよび水素の混合ガスを１０００℃以上２０００℃以下に加熱する工程である。第１ガス生成工程Ｓ１１０が遂行されることにより、アセチレン、エチレン、および、水素を少なくとも含む第１ガスが生成される。
［第２ガス生成工程Ｓ１２０］
第２ガス生成工程Ｓ１２０は、第２炉２４０が、第１ガスからナノ炭素材料への反応を促進する触媒の存在下で、第１ガスを５００℃以上１２００℃以下に維持する工程である。第２ガス生成工程Ｓ１２０が遂行されることにより、アセチレンおよびエチレンが熱分解され、ナノ炭素材料、および、少なくとも水素を含む第２ガスが生成される。
以上説明したように、第１の実施形態の水素製造装置１００およびこれを用いた水素製造方法は、第１炉２３０が、原料ガスおよび水素の混合ガスを１０００℃以上２０００℃以下に加熱する。これにより、第１炉２３０において、アセチレンおよびエチレンを生成することができる。したがって、第１炉２３０において、固体炭素（ススおよびグラファイト）の生成を抑制することができる。つまり、第１炉２３０の内壁への固体炭素の固着を抑制することが可能となる。
なお、混合ガス中の水素の含有率によっては、固体炭素が生成される場合もある。この場合、図１に示すように、第１炉２３０の形状が、上部開口２３２の径が下部開口２３４の径より小さく、流路断面積（水平断面積）が上部開口２３２から下部開口２３４に向かうに従って漸増する形状に設計される。また、第１炉２３０は、線膨張係数が固体炭素と異なる材料で構成される。第１炉２３０は、例えば、アルミナ、ステアライト、フォルステライト、ジルコニアなどのセラミックス材料で形成される。
これにより、水素製造装置１００において水素の製造を停止する期間、第１炉２３０内の温度を変化させることで、第１炉２３０の熱膨張量と、第１炉２３０の内壁に付着した固体炭素の熱膨張量との間に差を生じさせることができる。したがって、水素製造装置１００は、固体炭素が第１炉２３０の内壁に付着していたとしても、これらの熱膨張量に差が生じることによって、第１炉２３０と固体炭素との間の接触面に沿って剪断力を作用させることが可能となる。つまり、水素製造装置１００は、第１炉２３０の内壁と固体炭素との付着力を低下させることができ、第１炉２３０の内壁からの固体炭素の剥離を誘発させることが可能となる。そして、剥離された固体炭素は、下部開口２３４を通じて自重で第１炉２３０外に落下する。
また、上記したように、水素製造装置１００は、第１炉２３０ではなく、第２炉２４０において熱分解反応が進行する。つまり、水素製造装置１００では、メタン（Ｃ１）ではなく、アセチレン（Ｃ２）およびエチレン（Ｃ２）の熱分解が進行する。アセチレンおよびエチレンの熱分解は、メタンの熱分解と比較して、ナノ炭素材料の収率が高い。したがって、水素製造装置１００は、水素に加えて、固体炭素ではなく、ナノ炭素材料を製造することができる。
さらに、ナノ炭素材料は、固体炭素とは異なり、触媒表面にのみ生成される。したがって、水素製造装置１００は、第２炉２４０の内壁への固形物の固着を抑制することが可能となる。
また、上記したように、第１炉２３０は、集光装置１１０によって集光された太陽熱を加熱源として利用する。これにより、水素製造装置１００は、加熱源を得るために有価な化石資源を消費する必要がなくなり、加熱に要するコストを大きく抑えることができる。さらに、第２炉２４０は、第１炉２３０から放出された熱を加熱源としている。したがって、水素製造装置１００は、低いコストで二酸化炭素をナノ炭素材料として固定させ、水素を製造することができる。また、水素製造装置１００は、加熱源を得るために化石資源の燃焼熱やそれに由来した電気エネルギーを利用する場合とは異なり、加熱源を得る過程で新たに二酸化炭素を発生させることがない。したがって、水素製造装置１００は、高い二酸化炭素の削減効果を発揮させることができる。
また、上記したように、水素製造装置１００は、第１熱交換部１３０を備えることにより、第２ガスが有する熱で原料ガスを加熱することができる。さらに、水素製造装置１００は、予熱部２５０を備えることにより、第２炉２４０から放出された熱で原料ガスを予熱することができる。また、水素製造装置１００は、第２熱交換部１４０を備えることにより、第１ガスが有する熱で原料ガスを加熱することができる。このように、水素製造装置１００は、排熱で原料ガスを加熱することができるため、加熱に要するコストをさらに抑えることができる。
［第２の実施形態］
上記第１の実施形態の第１炉２３０は、触媒を収容していない。しかし、第１炉３３０が触媒を収容してもよい。
図４は、第２の実施形態の水素製造装置３００を説明する図である。なお、図４中、実線の矢印は、原料ガスの流れを示す。図４中、破線の矢印は、第１ガスの流れを示す。また、図４中、一点鎖線の矢印は、第２ガスの流れを示す。図４中、白抜き矢印は、集光された太陽光を示す。また、第２の実施形態において、第１炉３３０が第２炉２４０より高温である場合を例に挙げて説明する。
図４に示すように、水素製造装置３００は、集光装置１１０と、加熱部３２０と、第１熱交換部１３０と、第２熱交換部１４０と、分離部１６０とを含む。また、加熱部３２０は、筐体２１０と、炉室２２０と、伝熱材２２２と、第１炉３３０と、第２炉２４０と、予熱部２５０と、断熱材２６０を含む。なお、上記水素製造装置１００と実質的に等しい構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。また、図４中、伝熱材２２２をハッチングで示し、断熱材２６０をクロスハッチングで示す。
第１炉３３０は、混合ガスの、アセチレンおよびエチレンのいずれか一方または両方への反応（例えば、上記反応式（１）に示す反応、または、上記反応式（２）に示す反応）を促進する触媒を収容する。第１炉３３０は、充填層として触媒を収容する。混合ガスの、アセチレンおよびエチレンのいずれか一方または両方への反応を促進する触媒は、例えば、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、鉄（Ｆｅ）、バナジウム（Ｖ）、および、クロム（Ｃｒ）の群から選択される１または複数である。
第１炉３３０が触媒を収容することにより、第１ガスを急冷せずとも、アセチレンおよびエチレンの熱分解を抑制することができる。これにより、水素製造装置１００と比較して、水素製造装置３００は、冷却部１５０を省略することが可能となる。したがって、水素製造装置３００は、第２熱交換部１４０による第１ガスの熱回収効率を向上させることができる。
また、第１炉３３０が触媒を収容する場合、混合ガス中の水素は、混合ガス中のメタンに対し０．５モル以上であることが好ましく、１モル以上であることがより好ましく、１．５モル以上であることがさらに好ましい。メタンに対して０．５モル以上の水素が導入されることにより、アセチレンおよびエチレンの収率を向上させることができる。
以上、添付図面を参照しながら実施形態について説明したが、本開示は上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本開示の技術的範囲に属するものと了解される。
例えば、上記実施形態において、第１炉２３０、３３０には、第２炉２４０で生成された第２ガス（水素）が導入される構成を例に挙げて説明した。しかし、第２炉２４０で生成された第２ガスに加えて、または、代えて、他の装置で製造された水素が第１炉２３０、３３０に導入されてもよい。
また、上記第実施形態において、第１炉２３０、３３０は、上部開口２３２から下部開口２３４に向かうに従って流路断面積が漸増する形状である場合を例に挙げて説明した。しかし、第１炉２３０、３３０は、炉室２２０に配される箇所の流路断面積が、他の流路断面積より小さくてもよい。これにより、第１炉２３０、３３０は、１０００℃以上２０００℃以下の温度環境下の混合ガスの滞留時間を短くすることができる。つまり、滞留時間が短くなり、かつ、流速が高くなることにより、層流対流熱伝達条件から乱流対流熱伝達条件に切り替わり、第１炉２３０、３３０から混合ガスへの伝熱速度を高める（急加熱する）ことができる。また、滞留時間が短くなる、つまり、加熱時間が短くなることから、混合ガスが加熱されてから冷却されるまでの時間が短くなる（急冷却することができる）。換言すれば、炉室２２０に配される箇所の流路断面積が、他の流路断面積より小さい第１炉２３０、３３０とすることにより、混合ガスを急加熱した直後に急冷却させることができる。これにより、急加熱によって生成された第１ガスに含まれるアセチレンおよびエチレンの熱分解の進行を抑制することが可能となる。したがって、第１ガス中のアセチレンおよびエチレンの収率を高めることができる。なお、第１炉２３０、３３０は、炉室２２０に配される箇所に不活性粒子が充填されることで、流路断面積が狭められるとよい。この場合、第１炉２３０、３３０の内壁と接触する不活性粒子は、第１炉２３０、３３０の内壁から熱伝導で加熱される。したがって、混合ガスは、第１炉２３０、３３０の内壁の表面に加えて、不活性粒子の表面からも加熱されることになる（つまり、伝熱面積が増大する）。これにより、第１炉２３０、３３０は、混合ガスをさらに急加熱することができる。
また、上記実施形態において、第１炉２３０、３３０が第２炉２４０より高温である場合を例に挙げて説明した。しかし、第１炉２３０、３３０は、第２炉２４０より低温であってもよい。この場合、第１炉２３０、３３０は、第２炉２４０から放出された熱を加熱源としてもよい。
また、上記実施形態において、加熱部１２０の筐体２１０が、円筒形状である場合を例に挙げて説明した。しかし、加熱部１２０の筐体２１０の形状に限定はない。さらに、上記実施形態において、筐体２１０は、軸方向が水平方向となるように設けられる場合を例に挙げて説明した。しかし、筐体２１０の設置方向に限定はない。例えば、筐体２１０は、軸方向が水平方向と交差する方向となるように設けられてもよい。
また、上記実施形態において、炉室２２０に第１炉２３０、３３０が配され、第１炉２３０、３３０を通過する第１ガスが間接的に加熱される間接加熱式の加熱部１２０を例に挙げて説明した。しかし、水素製造装置１００、３００は、気密性を有する採光窓２１２を備え、炉室２２０の内部に第１ガスが直接導入されることによって、第１ガスが直接的に加熱される直接加熱式の加熱部を備えてもよい。
また、上記実施形態において、第１炉２３０、３３０の加熱源として、集光装置１１０を例に挙げて説明した。しかし、第１炉２３０、３３０において、混合ガスを第１ガスに変換できれば加熱源の種類や構成に限定はない。例えば、第１炉２３０、３３０の加熱源として、集光装置１１０に代えて、または、加えて、燃焼装置や、電気ヒータ等が用いられてもよい。そして、曇天、雨天等の集光装置１１０の機能が低下する間、第１炉２３０、３３０の加熱源は、燃焼装置または電気ヒータに切り換えられてもよい。なお、燃焼装置は、原料ガス、または、水素製造装置１００、３００によって製造された水素を燃焼させてもよい。
また、上記実施形態において、ヘリオスタット１１２と、放物曲面鏡１１４とを備える集光装置１１０を例に挙げて説明した。しかし、集光装置１１０は、太陽光を集光させて太陽熱を発生させることが可能であれば、その種類や構成に限定はない。例えば、集光装置１１０は、タワー型の集光装置であってもよい。
また、上記実施形態において、水素製造装置１００、３００は、予熱部２５０を備える構成を例に挙げて説明した。しかし、予熱部２５０は、必須の構成ではない。
また、上記実施形態において、水素製造装置１００、３００は、第１熱交換部１３０を備える構成を例に挙げて説明した。しかし、第１熱交換部１３０は、必須の構成ではない。
また、上記実施形態において、水素製造装置１００、３００は、第２熱交換部１４０を備える構成を例に挙げて説明した。しかし、第２熱交換部１４０は、必須の構成ではない。
また、上記実施形態において、第２炉２４０は、流動層として触媒を収容する構成を例に挙げて説明した。しかし、表面に触媒粒子を担持させた基板が第２炉２４０内に収容されてもよい。この場合、第２炉２４０は、水平方向に延在してもよい。また、第２炉２４０は、充填層として触媒を収容してもよい。
また、上記実施形態において、第１炉２３０、３３０、第２炉２４０、および、予熱部２５０が鉛直方向に延在する場合を例に挙げて説明した。しかし、第１炉２３０、３３０、第２炉２４０、および、予熱部２５０のうちいずれか１または複数は、鉛直方向と交差する方向（例えば、水平方向）に延在してもよい。
また、冷却部１５０によって回収された熱で原料ガスが予熱されてもよい。
また、上記実施形態において、水素製造装置１００、３００は、第２炉２４０を１つ備える構成を例に挙げて説明した。しかし、水素製造装置１００、３００は、第２炉２４０を複数備えてもよい。図５は、変形例の第２炉２４０を説明する図である。図５に示すように、変形例の第２炉２４０は、導入路２４２と、複数（ここでは、４つ）の分岐路２４４ａ、２４４ｂ、２４４ｃ、２４４ｄと、複数（ここでは、４つ）のバルブ２４６ａ、２４６ｂ、２４６ｃ、２４６ｄと、排出路２４８とを含む。つまり、第２炉２４０は、マニホールドであってもよい。
導入路２４２は、第１炉２３０から第１ガスが導入される管である。分岐路２４４ａ～２４４ｄは導入路２４２から分岐された管である。排出路２４８は、分岐路２４４ａ～２４４ｄを集合する管である。
分岐路２４４ａ～２４４ｄには、それぞれ、第１ガスからナノ炭素材料への反応を促進する触媒が収容される。バルブ２４６ａ～２４６ｄは、開閉弁である。バルブ２４６ａ～２４６ｄは、例えば、高温用ボールバルブである。バルブ２４６ａは、分岐路２４４ａにおける触媒の下流側（排出路２４８側）に設けられる。バルブ２４６ａは、分岐路２４４ａを開閉する。バルブ２４６ｂは、分岐路２４４ｂにおける触媒の下流側に設けられる。バルブ２４６ｂは、分岐路２４４ｂを開閉する。バルブ２４６ｃは、分岐路２４４ｃにおける触媒の下流側に設けられる。バルブ２４６ｃは、分岐路２４４ｃを開閉する。バルブ２４６ｄは、分岐路２４４ｄにおける触媒の下流側に設けられる。バルブ２４６ｄは、分岐路２４４ｄを開閉する。
バルブ２４６ａ～２４６ｄのうち、少なくとも１つが開状態となるように、バルブ２４６ａ～２４６ｄが開閉制御される。これにより、水素製造装置１００を停止させずとも、分岐路２４４ａ～２４４ｄのうち、閉状態のバルブ２４６ａ～２４６ｄの上流側からナノ炭素材料を取り出すことができる。
なお、各分岐路２４４ａ～２４４ｄを流れるガスの温度が、バルブ２４６ａ～２４６ｄの耐熱温度を超える場合、触媒が充填されている区間とバルブ２４６ａ～２４６ｄとの間が冷却（例えば、空冷または水冷）されてもよい。また、分岐路２４４ａ～２４４ｄは、第１炉２３０、３３０を囲繞するように形成されてもよい。
本開示は、水素製造装置および水素製造方法に利用することができる。
Ｓ１１０：第１ガス生成工程 Ｓ１２０：第２ガス生成工程 １００：水素製造装置 １１０：集光装置 １３０：第１熱交換部 １４０：第２熱交換部 １５０：冷却部 ２３０：第１炉 ２４０：第２炉 ２５０：予熱部 ３００：水素製造装置 ３３０：第１炉

Claims (9)

  1. 少なくともメタンを含む原料ガスと、水素との混合ガスを１０００℃以上２０００℃以下に加熱する第１炉と、
    前記第１炉で生成された第１ガスからナノ炭素材料への反応を促進する触媒が収容され、前記第１ガスを５００℃以上１２００℃以下に維持する第２炉と、
    を備え、
    前記ナノ炭素材料は、カーボンナノチューブ、および、カーボンナノファイバーのいずれか一方または両方である水素製造装置。
  2. 前記第１炉で生成された前記第１ガスを６００℃以下まで急冷する冷却部を備え、
    前記第２炉には、前記冷却部で急冷された前記第１ガスが導入される請求項１に記載の水素製造装置。
  3. 前記第１炉は、前記混合ガスの、アセチレンおよびエチレンのいずれか一方または両方への反応を促進する触媒を収容する請求項１に記載の水素製造装置。
  4. 前記第１炉および前記第２炉のうち低温の炉は、高温の炉から放出された熱を加熱源とする請求項１から３のいずれか１項に記載の水素製造装置。
  5. 少なくとも前記第１炉の加熱源は、太陽光を集光して太陽熱を発生させる集光装置である請求項１から４のいずれか１項に記載の水素製造装置。
  6. 前記第１炉および前記第２炉のうち低温の炉から放出された熱で前記原料ガスを予熱する予熱部を備える請求項１から５のいずれか１項に記載の水素製造装置。
  7. 前記第２炉で生成された第２ガスと、前記原料ガスとを熱交換させる第１熱交換部を備え、
    前記予熱部には、前記第１熱交換部で熱交換された前記原料ガスが導入される請求項６に記載の水素製造装置。
  8. 前記第１炉から排出された前記第１ガスと、前記予熱部によって予熱された前記原料ガスとを熱交換させる第２熱交換部を備え、
    前記第２炉には、前記第２熱交換部によって熱交換された前記第１ガスが導入される請求項６または７に記載の水素製造装置。
  9. 少なくともメタンを含む原料ガスと、水素との混合ガスを１０００℃以上２０００℃以下に加熱して第１ガスを生成し、
    前記第１ガスからナノ炭素材料への反応を促進する触媒の存在下で、前記第１ガスを５００℃以上１２００℃以下に維持して前記第１ガスを前記ナノ炭素材料へ変換させ、
    前記ナノ炭素材料は、カーボンナノチューブ、および、カーボンナノファイバーのいずれか一方または両方である水素製造方法。
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