メタンハイドレートの処理方法及び処理装置
【課題】メタンハイドレートを有効利用できるメタンハイドレートの処理方法及び処理装置を提供する。
【解決手段】本発明のメタンハイドレートの処理方法は、プラズマ用電極３２に高周波を供給し、プラズマ用電極３２によりメタンハイドレートに電磁波を照射してプラズマを発生させるプラズマ発生ステップと、プラズマによりメタンハイドレートを分解して水素を発生させる水素発生ステップと、を備えることを特徴とする。
【解決手段】本発明のメタンハイドレートの処理方法は、プラズマ用電極３２に高周波を供給し、プラズマ用電極３２によりメタンハイドレートに電磁波を照射してプラズマを発生させるプラズマ発生ステップと、プラズマによりメタンハイドレートを分解して水素を発生させる水素発生ステップと、を備えることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマを用いてメタンハイドレートを処理する方法及び装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、エネルギー資源の１つとして、メタンハイドレートが注目されている。特にエネルギー資源に乏しい日本にとって、メタンハイドレートは、石油・天然ガスに代わる次世代資源として重要な研究テーマである。メタンハイドレートは、海底（例えば水深５００ｍ程度）のメタンハイドレート層に存在し、日本近海に多く埋蔵している。このメタンハイドレートは、低温高圧環境下で安定に存在するため、海底から地上に運搬するには相当のコストと設備が必要となる。
【０００３】
そこで、現在、メタンハイドレート層からメタンガスを回収する技術としては、例えば加熱法や減圧法などがある。加熱法は、海底のメタンハイドレート層においてメタンハイドレートを加熱し、ハイドレート内のメタンガスを採取する方法である。この技術は、例えば特開２００６−５２３９５号公報（特許文献１）に記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−５２３９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、メタンハイドレートからメタンガスを採取する場合、回収するまではガスが発生する環境を維持しなければ、再びメタンハイドレートが生成されてしまう。したがって、例えば、海底で加熱した場合、発生したメタンガスを地上に移送する際、移送中、高温状態を維持し又は圧力を制御しなければならない。これはコスト面及びエネルギー効率の面において問題があった。
【０００６】
また、将来、仮にメタンハイドレートの採掘が事業化できたとしても、メタンハイドレートを有効利用するための処理が課題となる。
【０００７】
本発明は、このような事情に鑑みて為されたものであり、メタンハイドレートを有効利用できるメタンハイドレートの処理方法及び処理装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のメタンハイドレートの処理方法は、プラズマ用電極に高周波を供給し、プラズマ用電極によりメタンハイドレートに電磁波を照射してプラズマを発生させるプラズマ発生ステップと、プラズマによりメタンハイドレートを分解して水素を発生させる水素発生ステップと、を備えることを特徴とする。
【０００９】
本方法によれば、プラズマ用電極から照射される電磁波により、メタンハイドレートに対してプラズマを発生させることができる。プラズマは、高温・高エネルギーであるため、固体であるメタンハイドレートを分解することができる。これにより、メタンハイドレートは、主に水素と炭化物に分解する。つまり、本方法によれば、メタンハイドレートから水素を取り出すことができる。水素は、燃料ガスであり、例えば燃料電池に用いられるなど、二酸化炭素を出さないクリーンエネルギーとして活用できる。本方法は、水素生成方法とも言え、メタンハイドレートを有効利用することができる。
【００１０】
ここで、本方法において、プラズマ用電極は、海底のメタンハイドレート層に配置され、メタンハイドレート層中のメタンハイドレートが分解して発生した水素を回収する水素回収ステップをさらに備えることが好ましい。これによれば、海底のメタンハイドレート層においてプラズマが発生し、海底でメタンハイドレートが分解され、水素が発生する。そして、発生した水素を、水素回収ステップにて回収する。水素の回収は、例えば気泡（水素）の上昇を利用するなど、公知の技術を用いることができる。なお、「プラズマ電極がメタンハイドレート層に配置される」とは、プラズマ電極がメタンハイドレート層内に配置されるだけでなく、メタンハイドレート層の近傍（上方）に配置されることを含む意味である。
【００１１】
本方法によれば、メタンハイドレートを地上に運搬することなく燃料ガスを採取することができる。また、本方法によれば、加熱法でメタンガスを採取する際の問題である再度のメタンハイドレート生成が起こらない。つまり、回収経路の温度・圧力を調整する必要がなく、設備及びコスト面で有利となる。本方法によれば、海底のメタンハイドレート層に存在するメタンハイドレートをエネルギー資源として有効利用することができる。
【００１２】
具体的に、上記海底での処理方法において、高周波は、導波管を介してプラズマ用電極に供給され、水素回収ステップでは、プラズマ用電極の上方に設けられた案内手段によりメタンハイドレート層で発生した水素を海上まで案内し、案内された水素を水素貯蔵手段に貯蔵するようにしてもよい。高周波は、導波管により確実に海底のプラズマ電極に供給される。また、海底で発生した水素は、案内手段により海上まで案内されて、水素貯蔵手段に貯蔵される。
【００１３】
ここで、導波管は、同軸ケーブルであることが好ましい。これにより、より確実に高周波をプラズマ電極に提供することができる。また、高周波は、マイクロ波であることが好ましい。マイクロ波は、パワーが大きく、例えば電子レンジのマグネトロンなど、低コストで発生させることができる。マイクロ波は、周波数がおよそ０．５ＧＨｚ〜２０ＧＨｚの波である。なお、高周波とは、周波数がおよそ１００ｋＨｚ以上の波である。
【００１４】
ここで、マイクロ波は、太陽電池から供給される電力により駆動する高周波発生手段から供給されることが好ましい。マイクロ波は、マグネトロンやクライストロンなどのマイクロ波真空管や、ガン・ダイオードなどの半導体素子により発生させることができる。これらマイクロ波真空管や半導体素子は、直流電圧を印加することでマイクロ波を発生させる。つまり、マイクロ波を発生させる高周波発生手段には、直流電圧を供給すればよい。したがって、電力として太陽電池により発電させた電力（直流電圧）を用いれば、電力変換せずにそのまま高周波発生手段に提供することができる。そして、二酸化炭素を発しない太陽光発電を利用して、クリーンエネルギーである水素を製造することができ、より環境に配慮した処理が可能となる。
【００１５】
ここで、上記方法の実施にあたり以下の装置を用いることができる。すなわち、本発明のメタンハイドレート処理装置は、海底のメタンハイドレート層に配置されるプラズマ用電極と、高周波を発生する高周波発生手段と、プラズマ用電極と高周波発生手段とを接続する導波管と、水素を貯蔵する水素貯蔵手段と、メタンハイドレートが分解して発生した水素を水素貯蔵手段まで案内する案内手段と、を備えることを特徴とする。この構成によれば、プラズマによりメタンハイドレート層でメタンハイドレートが分解され、発生した水素を回収することができる。つまり、メタンハイドレート層のメタンハイドレートを有効利用することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、メタンハイドレートを有効利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】第一実施形態のメタンハイドレート処理装置１を示す模式構成図である。
【図２】プラズマ用電極３と同軸ケーブル７の先端部を示す模式図である。
【図３】第一実施形態おいて実験に用いた装置を示す模式構成図である。
【図４】プラズマ用電極３０を示す模式図である。
【図５】実験の分析結果を示す図である。
【図６】実験における発光スペクトルを示す図である。
【図７】第二実施形態のメタンハイドレート処理装置１０を示す模式構成図である。
【図８】第三実施形態の中空導波管及び電極ユニットを示す模式構成図である。
【図９】第四実施形態のメタンハイドレート処理装置１００を示す模式構成図である。
【図１０】パイプライン５の変形態様を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
次に、実施形態を挙げ、本発明をより詳しく説明する。
【００１９】
＜第一実施形態＞
第一実施形態について図１及び図２を参照して説明する。なお、図面は、説明の都合上、一部拡張して示している。第一実施形態では、メタンハイドレート処理装置１を用いて海底のメタンハイドレートを処理する。
【００２０】
図１に示すように、メタンハイドレート処理装置１は、主に、電極ユニット３と、パイプライン５と、ガス回収配管６と、同軸ケーブル７と、高周波発生装置８と、水素貯蔵装置９と、を備えている。
【００２１】
まず、同軸ケーブル７は、図２に示すように、銅等の導体からなる内導体７１及び外導体７２を有するものである。詳細には、内導体７１は同軸ケーブルの中心に位置し、外導体７２は内導体７１の外周に誘電体７３（例えばポリエチレン）を介して同心円状に設けられている。また、外導体７２の外周は、ビニールなどの絶縁体７４で被覆されている。
【００２２】
同軸ケーブル７は、先端が略凹状（凹部）となっている。つまり、内導体７１は、先端が同軸ケーブル７内の奥まった位置にあり、外導体７２等よりも短くなっている。同軸ケーブル７の太さは、消費電力に合わせて選択可能であるが、本実施形態では、直径約１ｃｍ〜数ｃｍの同軸ケーブルを用いている。同軸ケーブル７の構成は、一般のもの、通常の規格品の構成と同様でよい。同軸ケーブル７は、一端（末端）が高周波発生装置８に接続され、他端（先端）が海底のメタンハイドレート層に配置されている。
【００２３】
電極ユニット３は、図２に示すように、同軸ケーブル７の先端（凹部分）に設けられている。電極ユニット３は、電極ソケット３１と、プラズマ用電極３２と、を備えている。
【００２４】
電極ソケット３１は、同軸ケーブル７の先端の凹部、具体的には内導体７１の先端に設けられている。電極ソケット３１は、内導体７１の先端とプラズマ用電極３２とを接続するものである。電極ソケット３１は、導電性が高く接触抵抗が小さい金属が適しており、銅や金で形成される。
【００２５】
プラズマ用電極３２は、針状の金属からなる電極であって、ここではタングステンからなっている。タングステンは、融点が高く耐久性が高いため、本実施形態の電極材料として適している。プラズマ用電極３２は、電極ソケット３１に取り付けられている。プラズマ用電極３２は、電極ソケット３１を介して内導体７１と接続されている。つまり、プラズマ用電極３２は、同軸ケーブル７の先端であって、メタンハイドレート層に配置されている。プラズマ用電極３２の先端は、同軸ケーブル７の先端から突出している。
【００２６】
プラズマ用電極３２は、電極ソケット３１に対して着脱可能となっている。例えば、プラズマ用電極３２が消耗した場合には、プラズマ用電極３２のみを交換することができる。プラズマ用電極３２は、長さが約２０ｍｍ〜３０ｍｍであり、直径が約１ｍｍ〜５mmである。
【００２７】
パイプライン５は、図１に示すように、略有底円筒状の配管であって、配管部５１と、固定部５２と、蓋部５３と、を有している。配管部５１は、直径約１ｍ〜数ｍのパイプであり、一端が海底に位置し、他端が海上に位置するように配置されている。詳細には、配管部５１の一端は、メタンハイドレート層内であって、プラズマ用電極３２の上方に位置している。
【００２８】
固定部５２は、アンカー等の固定手段であって、海底に対して配管部５１を固定している。蓋部５３は、配管部５１の上端の開口を塞いでいる。蓋部５３には、貫通孔５３ａ、５３ｂが設けられており、貫通孔５３ａには後述するガス回収配管６が接続され、貫通孔５３ｂには同軸ケーブル７が配置されている。
【００２９】
パイプライン５としては、海底から石油を運搬するパイプラインを用いることができる。パイプライン５は、水深５００ｍ付近まで降下させ、必要であれば地層からメタンハイドレート層まで掘削して配置する。掘削は、石油掘削技術と同様に行うことができる。
【００３０】
ガス回収配管６は、弾性に富んだパイプであって、パイプライン５の蓋部５３の貫通孔５３ａと後述する水素貯蔵装置９とを接続している。詳細には、ガス回収配管６は、貫通孔５３ａの直径より若干大きく、貫通孔５３ａを覆うように蓋部５３上面に固定されている。つまり、パイプライン５内の気体が外部に漏れないようになっている。これらパイプライン５とガス回収配管６は、海底で発生した水素を水素貯蔵装置に案内する案内手段として機能する。
【００３１】
同軸ケーブル７は、蓋部５３の貫通孔５３ｂを介してパイプライン５内に配置されている。同軸ケーブル７は、先端がパイプライン５の下端開口より下方に位置し、末端が高周波発生装置８に接続されている。同軸ケーブル７と貫通孔５３ｂとの隙間は、同軸ケーブル７が位置決めされた後に弾性部材等により埋められる。
【００３２】
高周波発生装置８は、地上に配置され、マグネトロンを有している。高周波発生装置８は、マイクロ波（周波数およそ２．４５ＧＨｚ）を発生させる。高周波発生装置８は、同軸ケーブル７に接続しており、マイクロ波を同軸ケーブル７を介してプラズマ用電極３に供給する。マグネトロンの消費電力は、同軸ケーブル１本あたりおよそ1００〜２０００Ｗが好ましく、ここではおよそ７００Ｗとしている。なお、マイクロ波は、０．５ＧＨｚ〜２０ＧＨｚが好ましい。
【００３３】
水素貯蔵装置９は、地上に配置され、ガス回収配管６と接続している。水素貯蔵装置９は、ガス回収配管６から排出される混合気体から、水素を分離回収し、貯蔵する装置である。水素の分離回収手法は、公知技術が用いられ、例えばＰＳＡ法（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｓｗｉｎｇ Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ法）が用いられる。分離された水素は、ガスタンクに貯蔵される。なお、水素は、圧縮機で高圧状態として高圧タンクに貯蔵するようにしてもよい。また、水素の貯蔵に水素吸蔵合金を用いてもよい。また、水素貯蔵装置９は、海上のパイプライン５内に充填したガスを、ガス回収配管６を介して吸引するようにしてもよい。
【００３４】
ここで、本実施形態のメタンハイドレート処理装置１を用いたメタンハイドレートの処理方法について説明する。まず、高周波発生装置８を駆動させ、メタンハイドレート層に配置されたプラズマ用電極３２に対し、同軸ケーブル７を介してマイクロ波を供給する。プラズマ用電極３２は、同軸ケーブル７の内導体７１及び電極ソケット３１を介して伝わるマイクロ波を受信し、電場が最も大きくなる先端付近でプラズマを発生させる（プラズマ発生ステップ）。
メタンハイドレート層のメタンハイドレートは、プラズマ用電極３２から発生した高温・高エネルギーのプラズマにより分解される。そして、メタンハイドレートが分解されて発生した水素等は、気泡となって上昇する（水素発生ステップ）。
【００３５】
気泡は、パイプライン５内を上昇し、海上に到達する。水素等が海上に出た際、海上のパイプライン５内は、高圧となる。ここで、パイプライン５内の気体は、ガス回収配管６に流入し、ガス回収配管６を介して水素貯蔵装置９に到達する。このように、海底で発生した水素は、パイプライン５及びガス回収配管６により水素貯蔵装置９まで案内される。水素貯蔵装置９では、流入した混合気体から水素を分離回収し、ガスタンク等に貯蔵する（水素回収ステップ）。
【００３６】
（実験例１）
ここで、本方法について実験をした。メタンハイドレートは入手が容易でないため、実験としては同じ性質を有するシクロペンタンハイドレートを代替使用した。シクロペンタンハイドレートは、常圧下（約１ａｔｍ）で固体として存在できる。また、両者は、共にＣとＨの結合を有し、当該結合エネルギーは同程度である。したがって、理論上、シクロペンタンハイドレートが分解されれば、メタンハイドレートも同方法で分解される。
【００３７】
シクロペンタンハイドレートは以下のように作成した。まず、シクロペンタン（Ｃ５Ｈ１０）と純水（Ｈ２Ｏ）を、界面活性剤（ノイゲン（登録商標））を用いて混合させ、シクロペンタンと水のエマルジョンを生成した。その後、シクロペンタンハイドレート（液体）を冷却し、凝固させた。その際、この冷却中のシクロペンタン系内の温度分布状態を均一化する為、撹拌（混合）器を用いた。冷却が進んでいくと、シクロペンタンハイドレートは徐々に固体状になった。作成されたシクロペンタンハイドレートにおけるシクロペンタン（Ｃ５Ｈ１０）と純水（Ｈ２Ｏ）とノイゲン（登録商標）の質量比は、およそ３２：６６：２となった。この質量比は、電子はかり（「ＥＬＢ３０００」島津製作所社製）で求めた。
【００３８】
続いて、プラズマ実験で使用したのが、図３に示すように、主に、電子レンジＡと、プラズマ用電極３０と、容器４である。電子レンジＡは、上部にガスの給排気用の配管ａ１、ａ２が設けられており、その他の構成は、市販されている汎用のものと同様である。電子レンジＡは、７５０Ｗで駆動し、マグネトロンａ３からマイクロ波（２．４５ＧＨｚ）を発生させる。
【００３９】
プラズマ用電極３０は、台座３１０と、複数のアンテナ３２０と、を有し、電子レンジＡ内に配置されている。台座３１０は、テフロン（登録商標）からなる円板状の台座本体上面に、銅薄板が配置されて構成されている。アンテナ３２０は、棒状の導体であって、ここでは銅線からなっている。複数のアンテナ３２０は、台座３１０の銅薄板上に、等間隔にほぼ垂直に立たせて配置されている。アンテナ３２０は、マイクロ波を補足できるものであればよい。なお、実験において、アンテナ３２０の直径は１．５ｍｍで、アンテナ３２０の長さ及び配置間隔は、約２０ｍｍである。プラズマ用電極３０は、本実施形態において、複数の同軸ケーブル７を海底に挿入し、複数のプラズマ用電極３２がメタンハードレート層に配置されていることに相当する。
【００４０】
アンテナ３２０の長さは、マイクロ波が有機溶媒であるｎ−ドデカン中を伝播する場合のマイクロ波の波長（λ）の１／４に相当している。詳細に、アンテナ３２０の配置は、図４に示すように、台座３１０の中心に１本固定され、台座３１０の中心から等間隔で円周上に６本が等間隔で垂直に固定されている。なお、アンテナ３２０の長さは、伝播するマイクロ波の波長の１／４又は１／４の整数倍が好ましく、実験例１の場合、空気中を伝播するマイクロ波の波長の１／４（約３０ｍｍ）が理想である。しかし、アンテナ３２０は、マイクロ波が捕捉可能であればよく、約２０ｍｍから４０ｍｍであれば十分プラズマが発生する。本実施形態では、マイクロ波が導波管の１つである同軸ケーブル７内を伝播し、直接プラズマ用電極３２に伝わるため、電極の長さはプラズマ発生に対して大きな影響を与えない。
【００４１】
プラズマ用電極３０は、アンテナ３２０が下方となるように、支持部材４ｂにより蓋４ａに支持され、後述する容器４内に配置されている。なお、支持部材４ｂは、蓋４ａの下面に吊り下げられており、長さ調節が可能となっている。これにより、プラズマ電極３０の高さ調節が可能になっている。
【００４２】
容器４は、耐熱性がありマイクロ波を透過させるものからなり、液体を収容できるものである。実験において、容器４は、耐熱ガラスからなっている。容器４は、蓋４ａにより上部開口を塞がれている。蓋４ａは、配管ａ１、ａ２が配置される貫通孔を有している。
【００４３】
容器４内には、プラズマ用電極３０、及び円板状のシクロペンタンハイドレートＣＰ（直径３０ｍｍ、厚さ２ｍｍ）が配置されている。容器４は、電子レンジＡ内のプラットホーム上に配置される。
【００４４】
以下の実験を行った。実験開始にあたり、配管ａ１を介して容器４内に窒素を供給し、配管ａ２を介して容器４内のガスを排出した。
【００４５】
電子レンジＡを作動させて、マグネトロンａ３からマイクロ波が容器４に照射した。そして、液中において、プラズマ用電極３０のアンテナ３２０先端部でプラズマが発生した。ガスクロマトグラフ分析装置（「ＧＣ−１４Ａ」、島津製作所社製）を用いて、実験例１により排出されたガスを分析した。その結果を、図５（上段）に示す。
【００４６】
図５に示すように、排出ガスには水素が３８％含まれていた。つまり、シクロペンタンハイドレートがプラズマにより分解され、水素が発生した。その他、ＣＯ、Ｏ２、不活性ガス等が含まれていた。また、特定できないガス（ｕｎｋｎｏｗｎ）も含まれていたが、これは、気化したガスの一部がプラズマ内部を通過せずに上昇したものと考えられる。
【００４７】
また、プラズマ発生時の発光に対する分光結果（発光スペクトル）を、分光測光装置（「ＰＭＡ−１１」、浜松ホトニクス社製）により調べた。その結果は、図６に示すように、水から発生するＯＨ、シクロペンタンから発生する水素、及び、ＣＨやＣ２などの炭化物の発生が確認できた。図６は、横軸が波長であり、縦軸が強さである。
【００４８】
（比較実験例）
比較実験例として、実験例１における容器４内に、シクロペンタンハイドレートＣＰの代わりに、シクロペンタン（液体）を入れて実験を行った。アンテナ３２０は、シクロペンタン液面の上方に配置した。比較実験例により排出されたガスの分析結果を、図５（下段）に示す。
【００４９】
図５に示すように、排出ガスには水素が１９．７％含まれていた。また、比較実験例では酸素が含まれていないため、ＣＯやＣＯ２が発生しなかった。
【００５０】
以上の実験結果より、本方法によれば、プラズマによりシクロペンタンハイドレートを分解させ、水素を取り出すことが可能である。つまり、本方法によれば、メタンハイドレートから水素を取り出すことが可能であり、メタンハイドレートを有効利用することができる。
【００５１】
なお、プラズマの発生においては、マイクロ波（周波数およそ０．５〜２０ＧＨｚ）以外の高周波（周波数およそ１００ｋＨｚ以上）であってもよい。ただし、マイクロ波のほうが、パワーが大きく、マグネトロン等により作成が容易であるため、より効率的で効果的である。
【００５２】
また、プラズマ発生及び水素発生原理については、以下のとおりである。アンテナ３２０がマイクロ波を捕捉すると、アンテナ３２０の先端部において電場が強くなり、シクロペンタンハイドレートに電磁波が照射される。そして、アンテナ３２０の先端部においてプラズマが発生する。マイクロ波を連続的に供給すれば、プラズマを継続的に発生させることができる。そして、対向配置されたシクロペンタンハイドレートは、高温・高エネルギーのプラズマにより分解される。
【００５３】
さらに詳細には、まず、マイクロ波を受けたアンテナ３２０が電磁波を照射すると共に高温となり、シクロペンタンハイドレートが溶解する。その後、アンテナ３２０の先端でプラズマが発生し、シクロペンタンハイドレートは、液体から気体に気化していく。気化した気体は、プラズマにより分解される。シクロペンタンハイドレートが分解されると、水素及び炭化物等が発生する。上記原理は、対象が海底のメタンハイドレートであっても同様である。
【００５４】
発生した水素は、給排気用の配管ａ２から排出され貯蔵される。容器４内に残った炭化物は、フラーレン・ナノチューブなどのニューカーボンや活性炭として利用可能である。
【００５５】
以上、本実施形態のメタンハイドレート処理装置１及び処理方法によれば、海底のメタンハイドレート層に存在するメタンハイドレートを分解し、燃料ガスである水素を回収することができる。本実施形態によれば、燃料ガスである水素を地上に運搬する際に温度・圧力調整をする必要がなく、設備・コスト面で有利である。また、メタンハイドレートの分解により生じる炭素成分は、海中で固形化（ハイドレート化）する。この固形化した炭素成分を回収し、ナノテクノロジー材料とすることも可能である。このように、本実施形態によれば、メタンハイドレートを有効利用することができる。
【００５６】
＜第二実施形態＞
第二実施形態について、図７を参照して説明する。第二実施形態は、第一実施形態と、複数の同軸ケーブル７及び電極ユニット３を用いている部分で異なっている。したがって、第一実施形態と同構成については同符号を付して説明を省略する。
【００５７】
メタンハイドレート処理装置１０は、第一実施形態と異なり、図７に示すように、同軸ケーブル集合体７０と、複数の電極ユニット３と、を備えている。同軸ケーブル集合体７０は、複数の同軸ケーブル７を１本のケーブルに束ねたものである。そして、各同軸ケーブル７の先端には、電極ユニット３が接続されている。
【００５８】
第二実施形態によれば、メタンハイドレート層に複数のプラズマ用電極３２を配置させることができ、すべてのプラズマ用電極３２からプラズマを発生させることができる。つまり、プラズマによるメタンハイドレートの分解を促進させ、より多くの水素を発生させることができる。なお、同軸ケーブル集合体７０は、１本の同軸ケーブルから複数の同軸ケーブルに分岐させる構成であってもよい。
【００５９】
＜第三実施形態＞
第三実施形態について図８を参照して説明する。第三実施形態では、同軸ケーブル７の代わりに中空導波管７００を用い、電極ユニット３の代わりに電極ユニット３Ａを用いている。その他の構成は、第一実施形態と同様である。
【００６０】
図８に示すように、中空導波管７００は、底面を有する金属製の管であり、内部が空洞（空気）となっている。中空導波管７００の先端部（底面側）は、Ｌ字型に屈曲している。また、中空導波管７００の先端部は、メタンハイドレート層に配置されている。なお、中空導波管７００の断面は、円形であっても方形であってもよい。マイクロ波は、高周波発生装置８から中空導波管７００内を伝播する。
【００６１】
電極ユニット３Ａは、中空導波管７００の先端部下面に設置されている。具体的に、電極ユニット３Ａは、プラズマ用電極３１Ａと、誘電体３２Ａと、外導体３３Ａと、を有している。
【００６２】
プラズマ用電極３１Ａは、タングステンからなる棒状の電極であって、先端（下端）が尖った形状となっている。プラズマ用電極３１Ａは、中空導波管７００の先端部底面に、当該底面を貫通して設置されている。
【００６３】
誘電体３２Ａは、プラズマ用電極３１Ａの外周に設けられた絶縁体であって、上部が中空導波管７００に固定されている。外導体３３Ａは、誘電体３２Ａの外周に、プラズマ用電極３１Ａに対して同軸に設けられた銅等の導体である。外導体３３Ａは、上部が中空導波管７００に固定されている。
【００６４】
第三実施形態によれば、中空導波管７００を介してマイクロ波が伝播し、プラズマ用電極３１Ａが当該マイクロ波を捕捉する。そして、第一実施形態同様、プラズマ用電極３１Ａの先端にプラズマが発生し、メタンハイドレートを分解する。中空導波管７００は、空気を誘電体としているため、電力損失を抑えることができる。なお、中空導波管７００の先端に複数の電極ユニット３Ａを設けてもよい。
【００６５】
＜第四実施形態＞
第四実施形態について図９を参照して説明する。第一実施形態と同構成については、同符号を付して説明を省略する。
【００６６】
図９に示すように、第四実施形態のメタンハイドレート処理装置１００では、第一実施形態と異なり、高周波発生装置８０のマグネトロン８１が海底に配置されている。詳細には、高周波発生装置８０は、マグネトロン８１と、電源ケーブル８２と、電力供給装置８３と、を有している。マグネトロン８１は、メタンハイドレート層近傍（層内を含む）に配置されている。電源ケーブル８2は、一端がマグネトロン８１に接続され、他端が地上（海上）の電力供給装置８３に接続されている。電力供給装置８３は、電源ケーブル８２を介して、マグネトロン８１に直流高電圧電流を供給する。
【００６７】
マグネトロン８１には、同軸ケーブル７が接続されており、同軸ケーブル７の先端には、電極ユニット３が接続されている。同軸ケーブル７の先端は、メタンハイドレート層に配置されている。つまり、地上から電力を供給されたマグネトロン８１は、海底でマイクロ波を発生させ、同軸ケーブル７を介してマイクロ波をプラズマ用電極３２に供給する。これにより、第一実施形態同様、プラズマ用電極３２の先端でプラズマが発生し、メタンハイドレートが分解され、水素が発生する。
【００６８】
ここで、電力供給装置８３は、地上に太陽電池を備え、太陽電池の発電電力をマグネトロン８１に供給してもよい。また、同軸ケーブル７に代えて中空導波管７００や同軸ケーブル集合体７０等を用いてもよい。
【００６９】
＜その他の実施形態＞
メタンハイドレート処理装置１は、上記構成に限られない。パイプライン５（配管部５１）は、少なくともプラズマ用電極３の上方に延在すればよく、例えばプラズマ用電極３の側方にまで延在していてもよい。また、プラズマ用電極３は、メタンハイドレート層の若干上方に配置されてもよい。また、プラズマ用電極３は、配置位置や向きを制御できる制御手段を備えてもよい。また、同軸ケーブル７は、高周波を伝達可能な導波管であればよい。また、高周波発生装置８及び水素貯蔵装置９の配置は、地上でなくてもよく、例えば船上であってもよい。
【００７０】
また、パイプライン５の側壁に、同軸ケーブル７を通すケーブル専用の配管を設けてもよい。例えば、図１０に示すように、配管部５１の内側壁に、当該内側壁に沿って円筒状の配管５１ａを一体的に形成する。この配管内に同軸ケーブル７を配置する。同軸ケーブル７の先端は、配管部５１の中心に向かうように配置する。蓋部５３には、配管５１ａに対応する位置に貫通孔５３ｂを設ければよい。これにより、同軸ケーブル７の固定が容易になる上、貫通孔５３ｂと同軸ケーブル７との隙間を塞ぐ必要はない。
【００７１】
また、マイクロ波を発振する場合、高周波発生装置８には、直流電圧で駆動するマグネトロン等が用いられる。この場合、高周波発生装置８の電力源として、太陽電池により発電させた電力（直流電圧）を用いることができる。このように、高周波発生装置８は、電力供給源として太陽電池を備えてもよい。太陽電池で発電した直流電圧を交流に変換することなく使用できるため、エネルギー損失がなく、また複雑な回路等を備えることなく、より環境に配慮したシステムを構築できる。太陽電池としては、マグネトロン1個動作させるために１５００Ｗ発電できるものが好ましい。
【００７２】
また、本方法は、海底のメタンハイドレートに対する処理に限らず、地上のメタンハイドレートに対しても有効である。例えば、海底から運搬したメタンハイドレートやメタンガスをハイドレート化したものに対しても、プラズマを発生させることで、水素を発生させることができる。例えば、メタンハイドレートが高圧炉内に保管されている場合、高圧炉内にプラズマ用電極及び高周波発生装置（マグネトロン等）をセットし、プラズマを発生させて分解することができる。つまり、本方法によれば、メタンハイドレートから水素を回収でき、メタンハイドレートを有効利用することができる。
【符号の説明】
【００７３】
１，１０，１００：メタンハイドレート処理装置、
３：電極ユニット、 ３１：電極ソケット、 ３０，３２：プラズマ用電極、
４：容器、
５：パイプライン、 ６：ガス回収配管、 ７：同軸ケーブル、
７０：同軸ケーブル集合体、 ７００：中空導波管、
８，８０：高周波発生装置、 ８１：マグネトロン、 ８２：電源ケーブル、
８３：電力供給装置、 ９：水素貯蔵装置、 Ａ：電子レンジ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマを用いてメタンハイドレートを処理する方法及び装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、エネルギー資源の１つとして、メタンハイドレートが注目されている。特にエネルギー資源に乏しい日本にとって、メタンハイドレートは、石油・天然ガスに代わる次世代資源として重要な研究テーマである。メタンハイドレートは、海底（例えば水深５００ｍ程度）のメタンハイドレート層に存在し、日本近海に多く埋蔵している。このメタンハイドレートは、低温高圧環境下で安定に存在するため、海底から地上に運搬するには相当のコストと設備が必要となる。
【０００３】
そこで、現在、メタンハイドレート層からメタンガスを回収する技術としては、例えば加熱法や減圧法などがある。加熱法は、海底のメタンハイドレート層においてメタンハイドレートを加熱し、ハイドレート内のメタンガスを採取する方法である。この技術は、例えば特開２００６−５２３９５号公報（特許文献１）に記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−５２３９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、メタンハイドレートからメタンガスを採取する場合、回収するまではガスが発生する環境を維持しなければ、再びメタンハイドレートが生成されてしまう。したがって、例えば、海底で加熱した場合、発生したメタンガスを地上に移送する際、移送中、高温状態を維持し又は圧力を制御しなければならない。これはコスト面及びエネルギー効率の面において問題があった。
【０００６】
また、将来、仮にメタンハイドレートの採掘が事業化できたとしても、メタンハイドレートを有効利用するための処理が課題となる。
【０００７】
本発明は、このような事情に鑑みて為されたものであり、メタンハイドレートを有効利用できるメタンハイドレートの処理方法及び処理装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のメタンハイドレートの処理方法は、プラズマ用電極に高周波を供給し、プラズマ用電極によりメタンハイドレートに電磁波を照射してプラズマを発生させるプラズマ発生ステップと、プラズマによりメタンハイドレートを分解して水素を発生させる水素発生ステップと、を備えることを特徴とする。
【０００９】
本方法によれば、プラズマ用電極から照射される電磁波により、メタンハイドレートに対してプラズマを発生させることができる。プラズマは、高温・高エネルギーであるため、固体であるメタンハイドレートを分解することができる。これにより、メタンハイドレートは、主に水素と炭化物に分解する。つまり、本方法によれば、メタンハイドレートから水素を取り出すことができる。水素は、燃料ガスであり、例えば燃料電池に用いられるなど、二酸化炭素を出さないクリーンエネルギーとして活用できる。本方法は、水素生成方法とも言え、メタンハイドレートを有効利用することができる。
【００１０】
ここで、本方法において、プラズマ用電極は、海底のメタンハイドレート層に配置され、メタンハイドレート層中のメタンハイドレートが分解して発生した水素を回収する水素回収ステップをさらに備えることが好ましい。これによれば、海底のメタンハイドレート層においてプラズマが発生し、海底でメタンハイドレートが分解され、水素が発生する。そして、発生した水素を、水素回収ステップにて回収する。水素の回収は、例えば気泡（水素）の上昇を利用するなど、公知の技術を用いることができる。なお、「プラズマ電極がメタンハイドレート層に配置される」とは、プラズマ電極がメタンハイドレート層内に配置されるだけでなく、メタンハイドレート層の近傍（上方）に配置されることを含む意味である。
【００１１】
本方法によれば、メタンハイドレートを地上に運搬することなく燃料ガスを採取することができる。また、本方法によれば、加熱法でメタンガスを採取する際の問題である再度のメタンハイドレート生成が起こらない。つまり、回収経路の温度・圧力を調整する必要がなく、設備及びコスト面で有利となる。本方法によれば、海底のメタンハイドレート層に存在するメタンハイドレートをエネルギー資源として有効利用することができる。
【００１２】
具体的に、上記海底での処理方法において、高周波は、導波管を介してプラズマ用電極に供給され、水素回収ステップでは、プラズマ用電極の上方に設けられた案内手段によりメタンハイドレート層で発生した水素を海上まで案内し、案内された水素を水素貯蔵手段に貯蔵するようにしてもよい。高周波は、導波管により確実に海底のプラズマ電極に供給される。また、海底で発生した水素は、案内手段により海上まで案内されて、水素貯蔵手段に貯蔵される。
【００１３】
ここで、導波管は、同軸ケーブルであることが好ましい。これにより、より確実に高周波をプラズマ電極に提供することができる。また、高周波は、マイクロ波であることが好ましい。マイクロ波は、パワーが大きく、例えば電子レンジのマグネトロンなど、低コストで発生させることができる。マイクロ波は、周波数がおよそ０．５ＧＨｚ〜２０ＧＨｚの波である。なお、高周波とは、周波数がおよそ１００ｋＨｚ以上の波である。
【００１４】
ここで、マイクロ波は、太陽電池から供給される電力により駆動する高周波発生手段から供給されることが好ましい。マイクロ波は、マグネトロンやクライストロンなどのマイクロ波真空管や、ガン・ダイオードなどの半導体素子により発生させることができる。これらマイクロ波真空管や半導体素子は、直流電圧を印加することでマイクロ波を発生させる。つまり、マイクロ波を発生させる高周波発生手段には、直流電圧を供給すればよい。したがって、電力として太陽電池により発電させた電力（直流電圧）を用いれば、電力変換せずにそのまま高周波発生手段に提供することができる。そして、二酸化炭素を発しない太陽光発電を利用して、クリーンエネルギーである水素を製造することができ、より環境に配慮した処理が可能となる。
【００１５】
ここで、上記方法の実施にあたり以下の装置を用いることができる。すなわち、本発明のメタンハイドレート処理装置は、海底のメタンハイドレート層に配置されるプラズマ用電極と、高周波を発生する高周波発生手段と、プラズマ用電極と高周波発生手段とを接続する導波管と、水素を貯蔵する水素貯蔵手段と、メタンハイドレートが分解して発生した水素を水素貯蔵手段まで案内する案内手段と、を備えることを特徴とする。この構成によれば、プラズマによりメタンハイドレート層でメタンハイドレートが分解され、発生した水素を回収することができる。つまり、メタンハイドレート層のメタンハイドレートを有効利用することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、メタンハイドレートを有効利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】第一実施形態のメタンハイドレート処理装置１を示す模式構成図である。
【図２】プラズマ用電極３と同軸ケーブル７の先端部を示す模式図である。
【図３】第一実施形態おいて実験に用いた装置を示す模式構成図である。
【図４】プラズマ用電極３０を示す模式図である。
【図５】実験の分析結果を示す図である。
【図６】実験における発光スペクトルを示す図である。
【図７】第二実施形態のメタンハイドレート処理装置１０を示す模式構成図である。
【図８】第三実施形態の中空導波管及び電極ユニットを示す模式構成図である。
【図９】第四実施形態のメタンハイドレート処理装置１００を示す模式構成図である。
【図１０】パイプライン５の変形態様を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
次に、実施形態を挙げ、本発明をより詳しく説明する。
【００１９】
＜第一実施形態＞
第一実施形態について図１及び図２を参照して説明する。なお、図面は、説明の都合上、一部拡張して示している。第一実施形態では、メタンハイドレート処理装置１を用いて海底のメタンハイドレートを処理する。
【００２０】
図１に示すように、メタンハイドレート処理装置１は、主に、電極ユニット３と、パイプライン５と、ガス回収配管６と、同軸ケーブル７と、高周波発生装置８と、水素貯蔵装置９と、を備えている。
【００２１】
まず、同軸ケーブル７は、図２に示すように、銅等の導体からなる内導体７１及び外導体７２を有するものである。詳細には、内導体７１は同軸ケーブルの中心に位置し、外導体７２は内導体７１の外周に誘電体７３（例えばポリエチレン）を介して同心円状に設けられている。また、外導体７２の外周は、ビニールなどの絶縁体７４で被覆されている。
【００２２】
同軸ケーブル７は、先端が略凹状（凹部）となっている。つまり、内導体７１は、先端が同軸ケーブル７内の奥まった位置にあり、外導体７２等よりも短くなっている。同軸ケーブル７の太さは、消費電力に合わせて選択可能であるが、本実施形態では、直径約１ｃｍ〜数ｃｍの同軸ケーブルを用いている。同軸ケーブル７の構成は、一般のもの、通常の規格品の構成と同様でよい。同軸ケーブル７は、一端（末端）が高周波発生装置８に接続され、他端（先端）が海底のメタンハイドレート層に配置されている。
【００２３】
電極ユニット３は、図２に示すように、同軸ケーブル７の先端（凹部分）に設けられている。電極ユニット３は、電極ソケット３１と、プラズマ用電極３２と、を備えている。
【００２４】
電極ソケット３１は、同軸ケーブル７の先端の凹部、具体的には内導体７１の先端に設けられている。電極ソケット３１は、内導体７１の先端とプラズマ用電極３２とを接続するものである。電極ソケット３１は、導電性が高く接触抵抗が小さい金属が適しており、銅や金で形成される。
【００２５】
プラズマ用電極３２は、針状の金属からなる電極であって、ここではタングステンからなっている。タングステンは、融点が高く耐久性が高いため、本実施形態の電極材料として適している。プラズマ用電極３２は、電極ソケット３１に取り付けられている。プラズマ用電極３２は、電極ソケット３１を介して内導体７１と接続されている。つまり、プラズマ用電極３２は、同軸ケーブル７の先端であって、メタンハイドレート層に配置されている。プラズマ用電極３２の先端は、同軸ケーブル７の先端から突出している。
【００２６】
プラズマ用電極３２は、電極ソケット３１に対して着脱可能となっている。例えば、プラズマ用電極３２が消耗した場合には、プラズマ用電極３２のみを交換することができる。プラズマ用電極３２は、長さが約２０ｍｍ〜３０ｍｍであり、直径が約１ｍｍ〜５mmである。
【００２７】
パイプライン５は、図１に示すように、略有底円筒状の配管であって、配管部５１と、固定部５２と、蓋部５３と、を有している。配管部５１は、直径約１ｍ〜数ｍのパイプであり、一端が海底に位置し、他端が海上に位置するように配置されている。詳細には、配管部５１の一端は、メタンハイドレート層内であって、プラズマ用電極３２の上方に位置している。
【００２８】
固定部５２は、アンカー等の固定手段であって、海底に対して配管部５１を固定している。蓋部５３は、配管部５１の上端の開口を塞いでいる。蓋部５３には、貫通孔５３ａ、５３ｂが設けられており、貫通孔５３ａには後述するガス回収配管６が接続され、貫通孔５３ｂには同軸ケーブル７が配置されている。
【００２９】
パイプライン５としては、海底から石油を運搬するパイプラインを用いることができる。パイプライン５は、水深５００ｍ付近まで降下させ、必要であれば地層からメタンハイドレート層まで掘削して配置する。掘削は、石油掘削技術と同様に行うことができる。
【００３０】
ガス回収配管６は、弾性に富んだパイプであって、パイプライン５の蓋部５３の貫通孔５３ａと後述する水素貯蔵装置９とを接続している。詳細には、ガス回収配管６は、貫通孔５３ａの直径より若干大きく、貫通孔５３ａを覆うように蓋部５３上面に固定されている。つまり、パイプライン５内の気体が外部に漏れないようになっている。これらパイプライン５とガス回収配管６は、海底で発生した水素を水素貯蔵装置に案内する案内手段として機能する。
【００３１】
同軸ケーブル７は、蓋部５３の貫通孔５３ｂを介してパイプライン５内に配置されている。同軸ケーブル７は、先端がパイプライン５の下端開口より下方に位置し、末端が高周波発生装置８に接続されている。同軸ケーブル７と貫通孔５３ｂとの隙間は、同軸ケーブル７が位置決めされた後に弾性部材等により埋められる。
【００３２】
高周波発生装置８は、地上に配置され、マグネトロンを有している。高周波発生装置８は、マイクロ波（周波数およそ２．４５ＧＨｚ）を発生させる。高周波発生装置８は、同軸ケーブル７に接続しており、マイクロ波を同軸ケーブル７を介してプラズマ用電極３に供給する。マグネトロンの消費電力は、同軸ケーブル１本あたりおよそ1００〜２０００Ｗが好ましく、ここではおよそ７００Ｗとしている。なお、マイクロ波は、０．５ＧＨｚ〜２０ＧＨｚが好ましい。
【００３３】
水素貯蔵装置９は、地上に配置され、ガス回収配管６と接続している。水素貯蔵装置９は、ガス回収配管６から排出される混合気体から、水素を分離回収し、貯蔵する装置である。水素の分離回収手法は、公知技術が用いられ、例えばＰＳＡ法（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｓｗｉｎｇ Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ法）が用いられる。分離された水素は、ガスタンクに貯蔵される。なお、水素は、圧縮機で高圧状態として高圧タンクに貯蔵するようにしてもよい。また、水素の貯蔵に水素吸蔵合金を用いてもよい。また、水素貯蔵装置９は、海上のパイプライン５内に充填したガスを、ガス回収配管６を介して吸引するようにしてもよい。
【００３４】
ここで、本実施形態のメタンハイドレート処理装置１を用いたメタンハイドレートの処理方法について説明する。まず、高周波発生装置８を駆動させ、メタンハイドレート層に配置されたプラズマ用電極３２に対し、同軸ケーブル７を介してマイクロ波を供給する。プラズマ用電極３２は、同軸ケーブル７の内導体７１及び電極ソケット３１を介して伝わるマイクロ波を受信し、電場が最も大きくなる先端付近でプラズマを発生させる（プラズマ発生ステップ）。
メタンハイドレート層のメタンハイドレートは、プラズマ用電極３２から発生した高温・高エネルギーのプラズマにより分解される。そして、メタンハイドレートが分解されて発生した水素等は、気泡となって上昇する（水素発生ステップ）。
【００３５】
気泡は、パイプライン５内を上昇し、海上に到達する。水素等が海上に出た際、海上のパイプライン５内は、高圧となる。ここで、パイプライン５内の気体は、ガス回収配管６に流入し、ガス回収配管６を介して水素貯蔵装置９に到達する。このように、海底で発生した水素は、パイプライン５及びガス回収配管６により水素貯蔵装置９まで案内される。水素貯蔵装置９では、流入した混合気体から水素を分離回収し、ガスタンク等に貯蔵する（水素回収ステップ）。
【００３６】
（実験例１）
ここで、本方法について実験をした。メタンハイドレートは入手が容易でないため、実験としては同じ性質を有するシクロペンタンハイドレートを代替使用した。シクロペンタンハイドレートは、常圧下（約１ａｔｍ）で固体として存在できる。また、両者は、共にＣとＨの結合を有し、当該結合エネルギーは同程度である。したがって、理論上、シクロペンタンハイドレートが分解されれば、メタンハイドレートも同方法で分解される。
【００３７】
シクロペンタンハイドレートは以下のように作成した。まず、シクロペンタン（Ｃ５Ｈ１０）と純水（Ｈ２Ｏ）を、界面活性剤（ノイゲン（登録商標））を用いて混合させ、シクロペンタンと水のエマルジョンを生成した。その後、シクロペンタンハイドレート（液体）を冷却し、凝固させた。その際、この冷却中のシクロペンタン系内の温度分布状態を均一化する為、撹拌（混合）器を用いた。冷却が進んでいくと、シクロペンタンハイドレートは徐々に固体状になった。作成されたシクロペンタンハイドレートにおけるシクロペンタン（Ｃ５Ｈ１０）と純水（Ｈ２Ｏ）とノイゲン（登録商標）の質量比は、およそ３２：６６：２となった。この質量比は、電子はかり（「ＥＬＢ３０００」島津製作所社製）で求めた。
【００３８】
続いて、プラズマ実験で使用したのが、図３に示すように、主に、電子レンジＡと、プラズマ用電極３０と、容器４である。電子レンジＡは、上部にガスの給排気用の配管ａ１、ａ２が設けられており、その他の構成は、市販されている汎用のものと同様である。電子レンジＡは、７５０Ｗで駆動し、マグネトロンａ３からマイクロ波（２．４５ＧＨｚ）を発生させる。
【００３９】
プラズマ用電極３０は、台座３１０と、複数のアンテナ３２０と、を有し、電子レンジＡ内に配置されている。台座３１０は、テフロン（登録商標）からなる円板状の台座本体上面に、銅薄板が配置されて構成されている。アンテナ３２０は、棒状の導体であって、ここでは銅線からなっている。複数のアンテナ３２０は、台座３１０の銅薄板上に、等間隔にほぼ垂直に立たせて配置されている。アンテナ３２０は、マイクロ波を補足できるものであればよい。なお、実験において、アンテナ３２０の直径は１．５ｍｍで、アンテナ３２０の長さ及び配置間隔は、約２０ｍｍである。プラズマ用電極３０は、本実施形態において、複数の同軸ケーブル７を海底に挿入し、複数のプラズマ用電極３２がメタンハードレート層に配置されていることに相当する。
【００４０】
アンテナ３２０の長さは、マイクロ波が有機溶媒であるｎ−ドデカン中を伝播する場合のマイクロ波の波長（λ）の１／４に相当している。詳細に、アンテナ３２０の配置は、図４に示すように、台座３１０の中心に１本固定され、台座３１０の中心から等間隔で円周上に６本が等間隔で垂直に固定されている。なお、アンテナ３２０の長さは、伝播するマイクロ波の波長の１／４又は１／４の整数倍が好ましく、実験例１の場合、空気中を伝播するマイクロ波の波長の１／４（約３０ｍｍ）が理想である。しかし、アンテナ３２０は、マイクロ波が捕捉可能であればよく、約２０ｍｍから４０ｍｍであれば十分プラズマが発生する。本実施形態では、マイクロ波が導波管の１つである同軸ケーブル７内を伝播し、直接プラズマ用電極３２に伝わるため、電極の長さはプラズマ発生に対して大きな影響を与えない。
【００４１】
プラズマ用電極３０は、アンテナ３２０が下方となるように、支持部材４ｂにより蓋４ａに支持され、後述する容器４内に配置されている。なお、支持部材４ｂは、蓋４ａの下面に吊り下げられており、長さ調節が可能となっている。これにより、プラズマ電極３０の高さ調節が可能になっている。
【００４２】
容器４は、耐熱性がありマイクロ波を透過させるものからなり、液体を収容できるものである。実験において、容器４は、耐熱ガラスからなっている。容器４は、蓋４ａにより上部開口を塞がれている。蓋４ａは、配管ａ１、ａ２が配置される貫通孔を有している。
【００４３】
容器４内には、プラズマ用電極３０、及び円板状のシクロペンタンハイドレートＣＰ（直径３０ｍｍ、厚さ２ｍｍ）が配置されている。容器４は、電子レンジＡ内のプラットホーム上に配置される。
【００４４】
以下の実験を行った。実験開始にあたり、配管ａ１を介して容器４内に窒素を供給し、配管ａ２を介して容器４内のガスを排出した。
【００４５】
電子レンジＡを作動させて、マグネトロンａ３からマイクロ波が容器４に照射した。そして、液中において、プラズマ用電極３０のアンテナ３２０先端部でプラズマが発生した。ガスクロマトグラフ分析装置（「ＧＣ−１４Ａ」、島津製作所社製）を用いて、実験例１により排出されたガスを分析した。その結果を、図５（上段）に示す。
【００４６】
図５に示すように、排出ガスには水素が３８％含まれていた。つまり、シクロペンタンハイドレートがプラズマにより分解され、水素が発生した。その他、ＣＯ、Ｏ２、不活性ガス等が含まれていた。また、特定できないガス（ｕｎｋｎｏｗｎ）も含まれていたが、これは、気化したガスの一部がプラズマ内部を通過せずに上昇したものと考えられる。
【００４７】
また、プラズマ発生時の発光に対する分光結果（発光スペクトル）を、分光測光装置（「ＰＭＡ−１１」、浜松ホトニクス社製）により調べた。その結果は、図６に示すように、水から発生するＯＨ、シクロペンタンから発生する水素、及び、ＣＨやＣ２などの炭化物の発生が確認できた。図６は、横軸が波長であり、縦軸が強さである。
【００４８】
（比較実験例）
比較実験例として、実験例１における容器４内に、シクロペンタンハイドレートＣＰの代わりに、シクロペンタン（液体）を入れて実験を行った。アンテナ３２０は、シクロペンタン液面の上方に配置した。比較実験例により排出されたガスの分析結果を、図５（下段）に示す。
【００４９】
図５に示すように、排出ガスには水素が１９．７％含まれていた。また、比較実験例では酸素が含まれていないため、ＣＯやＣＯ２が発生しなかった。
【００５０】
以上の実験結果より、本方法によれば、プラズマによりシクロペンタンハイドレートを分解させ、水素を取り出すことが可能である。つまり、本方法によれば、メタンハイドレートから水素を取り出すことが可能であり、メタンハイドレートを有効利用することができる。
【００５１】
なお、プラズマの発生においては、マイクロ波（周波数およそ０．５〜２０ＧＨｚ）以外の高周波（周波数およそ１００ｋＨｚ以上）であってもよい。ただし、マイクロ波のほうが、パワーが大きく、マグネトロン等により作成が容易であるため、より効率的で効果的である。
【００５２】
また、プラズマ発生及び水素発生原理については、以下のとおりである。アンテナ３２０がマイクロ波を捕捉すると、アンテナ３２０の先端部において電場が強くなり、シクロペンタンハイドレートに電磁波が照射される。そして、アンテナ３２０の先端部においてプラズマが発生する。マイクロ波を連続的に供給すれば、プラズマを継続的に発生させることができる。そして、対向配置されたシクロペンタンハイドレートは、高温・高エネルギーのプラズマにより分解される。
【００５３】
さらに詳細には、まず、マイクロ波を受けたアンテナ３２０が電磁波を照射すると共に高温となり、シクロペンタンハイドレートが溶解する。その後、アンテナ３２０の先端でプラズマが発生し、シクロペンタンハイドレートは、液体から気体に気化していく。気化した気体は、プラズマにより分解される。シクロペンタンハイドレートが分解されると、水素及び炭化物等が発生する。上記原理は、対象が海底のメタンハイドレートであっても同様である。
【００５４】
発生した水素は、給排気用の配管ａ２から排出され貯蔵される。容器４内に残った炭化物は、フラーレン・ナノチューブなどのニューカーボンや活性炭として利用可能である。
【００５５】
以上、本実施形態のメタンハイドレート処理装置１及び処理方法によれば、海底のメタンハイドレート層に存在するメタンハイドレートを分解し、燃料ガスである水素を回収することができる。本実施形態によれば、燃料ガスである水素を地上に運搬する際に温度・圧力調整をする必要がなく、設備・コスト面で有利である。また、メタンハイドレートの分解により生じる炭素成分は、海中で固形化（ハイドレート化）する。この固形化した炭素成分を回収し、ナノテクノロジー材料とすることも可能である。このように、本実施形態によれば、メタンハイドレートを有効利用することができる。
【００５６】
＜第二実施形態＞
第二実施形態について、図７を参照して説明する。第二実施形態は、第一実施形態と、複数の同軸ケーブル７及び電極ユニット３を用いている部分で異なっている。したがって、第一実施形態と同構成については同符号を付して説明を省略する。
【００５７】
メタンハイドレート処理装置１０は、第一実施形態と異なり、図７に示すように、同軸ケーブル集合体７０と、複数の電極ユニット３と、を備えている。同軸ケーブル集合体７０は、複数の同軸ケーブル７を１本のケーブルに束ねたものである。そして、各同軸ケーブル７の先端には、電極ユニット３が接続されている。
【００５８】
第二実施形態によれば、メタンハイドレート層に複数のプラズマ用電極３２を配置させることができ、すべてのプラズマ用電極３２からプラズマを発生させることができる。つまり、プラズマによるメタンハイドレートの分解を促進させ、より多くの水素を発生させることができる。なお、同軸ケーブル集合体７０は、１本の同軸ケーブルから複数の同軸ケーブルに分岐させる構成であってもよい。
【００５９】
＜第三実施形態＞
第三実施形態について図８を参照して説明する。第三実施形態では、同軸ケーブル７の代わりに中空導波管７００を用い、電極ユニット３の代わりに電極ユニット３Ａを用いている。その他の構成は、第一実施形態と同様である。
【００６０】
図８に示すように、中空導波管７００は、底面を有する金属製の管であり、内部が空洞（空気）となっている。中空導波管７００の先端部（底面側）は、Ｌ字型に屈曲している。また、中空導波管７００の先端部は、メタンハイドレート層に配置されている。なお、中空導波管７００の断面は、円形であっても方形であってもよい。マイクロ波は、高周波発生装置８から中空導波管７００内を伝播する。
【００６１】
電極ユニット３Ａは、中空導波管７００の先端部下面に設置されている。具体的に、電極ユニット３Ａは、プラズマ用電極３１Ａと、誘電体３２Ａと、外導体３３Ａと、を有している。
【００６２】
プラズマ用電極３１Ａは、タングステンからなる棒状の電極であって、先端（下端）が尖った形状となっている。プラズマ用電極３１Ａは、中空導波管７００の先端部底面に、当該底面を貫通して設置されている。
【００６３】
誘電体３２Ａは、プラズマ用電極３１Ａの外周に設けられた絶縁体であって、上部が中空導波管７００に固定されている。外導体３３Ａは、誘電体３２Ａの外周に、プラズマ用電極３１Ａに対して同軸に設けられた銅等の導体である。外導体３３Ａは、上部が中空導波管７００に固定されている。
【００６４】
第三実施形態によれば、中空導波管７００を介してマイクロ波が伝播し、プラズマ用電極３１Ａが当該マイクロ波を捕捉する。そして、第一実施形態同様、プラズマ用電極３１Ａの先端にプラズマが発生し、メタンハイドレートを分解する。中空導波管７００は、空気を誘電体としているため、電力損失を抑えることができる。なお、中空導波管７００の先端に複数の電極ユニット３Ａを設けてもよい。
【００６５】
＜第四実施形態＞
第四実施形態について図９を参照して説明する。第一実施形態と同構成については、同符号を付して説明を省略する。
【００６６】
図９に示すように、第四実施形態のメタンハイドレート処理装置１００では、第一実施形態と異なり、高周波発生装置８０のマグネトロン８１が海底に配置されている。詳細には、高周波発生装置８０は、マグネトロン８１と、電源ケーブル８２と、電力供給装置８３と、を有している。マグネトロン８１は、メタンハイドレート層近傍（層内を含む）に配置されている。電源ケーブル８2は、一端がマグネトロン８１に接続され、他端が地上（海上）の電力供給装置８３に接続されている。電力供給装置８３は、電源ケーブル８２を介して、マグネトロン８１に直流高電圧電流を供給する。
【００６７】
マグネトロン８１には、同軸ケーブル７が接続されており、同軸ケーブル７の先端には、電極ユニット３が接続されている。同軸ケーブル７の先端は、メタンハイドレート層に配置されている。つまり、地上から電力を供給されたマグネトロン８１は、海底でマイクロ波を発生させ、同軸ケーブル７を介してマイクロ波をプラズマ用電極３２に供給する。これにより、第一実施形態同様、プラズマ用電極３２の先端でプラズマが発生し、メタンハイドレートが分解され、水素が発生する。
【００６８】
ここで、電力供給装置８３は、地上に太陽電池を備え、太陽電池の発電電力をマグネトロン８１に供給してもよい。また、同軸ケーブル７に代えて中空導波管７００や同軸ケーブル集合体７０等を用いてもよい。
【００６９】
＜その他の実施形態＞
メタンハイドレート処理装置１は、上記構成に限られない。パイプライン５（配管部５１）は、少なくともプラズマ用電極３の上方に延在すればよく、例えばプラズマ用電極３の側方にまで延在していてもよい。また、プラズマ用電極３は、メタンハイドレート層の若干上方に配置されてもよい。また、プラズマ用電極３は、配置位置や向きを制御できる制御手段を備えてもよい。また、同軸ケーブル７は、高周波を伝達可能な導波管であればよい。また、高周波発生装置８及び水素貯蔵装置９の配置は、地上でなくてもよく、例えば船上であってもよい。
【００７０】
また、パイプライン５の側壁に、同軸ケーブル７を通すケーブル専用の配管を設けてもよい。例えば、図１０に示すように、配管部５１の内側壁に、当該内側壁に沿って円筒状の配管５１ａを一体的に形成する。この配管内に同軸ケーブル７を配置する。同軸ケーブル７の先端は、配管部５１の中心に向かうように配置する。蓋部５３には、配管５１ａに対応する位置に貫通孔５３ｂを設ければよい。これにより、同軸ケーブル７の固定が容易になる上、貫通孔５３ｂと同軸ケーブル７との隙間を塞ぐ必要はない。
【００７１】
また、マイクロ波を発振する場合、高周波発生装置８には、直流電圧で駆動するマグネトロン等が用いられる。この場合、高周波発生装置８の電力源として、太陽電池により発電させた電力（直流電圧）を用いることができる。このように、高周波発生装置８は、電力供給源として太陽電池を備えてもよい。太陽電池で発電した直流電圧を交流に変換することなく使用できるため、エネルギー損失がなく、また複雑な回路等を備えることなく、より環境に配慮したシステムを構築できる。太陽電池としては、マグネトロン1個動作させるために１５００Ｗ発電できるものが好ましい。
【００７２】
また、本方法は、海底のメタンハイドレートに対する処理に限らず、地上のメタンハイドレートに対しても有効である。例えば、海底から運搬したメタンハイドレートやメタンガスをハイドレート化したものに対しても、プラズマを発生させることで、水素を発生させることができる。例えば、メタンハイドレートが高圧炉内に保管されている場合、高圧炉内にプラズマ用電極及び高周波発生装置（マグネトロン等）をセットし、プラズマを発生させて分解することができる。つまり、本方法によれば、メタンハイドレートから水素を回収でき、メタンハイドレートを有効利用することができる。
【符号の説明】
【００７３】
１，１０，１００：メタンハイドレート処理装置、
３：電極ユニット、 ３１：電極ソケット、 ３０，３２：プラズマ用電極、
４：容器、
５：パイプライン、 ６：ガス回収配管、 ７：同軸ケーブル、
７０：同軸ケーブル集合体、 ７００：中空導波管、
８，８０：高周波発生装置、 ８１：マグネトロン、 ８２：電源ケーブル、
８３：電力供給装置、 ９：水素貯蔵装置、 Ａ：電子レンジ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマ用電極に高周波を供給し、前記プラズマ用電極によりメタンハイドレートに電磁波を照射してプラズマを発生させるプラズマ発生ステップと、
前記プラズマにより前記メタンハイドレートを分解して水素を発生させる水素発生ステップと、
を備えることを特徴とするメタンハイドレートの処理方法。
【請求項２】
前記プラズマ用電極は、海底のメタンハイドレート層に配置され、
前記メタンハイドレート層中のメタンハイドレートが分解して発生した水素を回収する水素回収ステップをさらに備える請求項１に記載のメタンハイドレートの処理方法。
【請求項３】
前記高周波は、導波管を介して前記プラズマ用電極に供給され、
前記水素回収ステップでは、前記プラズマ用電極の上方に設けられた案内手段により前記メタンハイドレート層で発生した水素を海上まで案内し、案内された水素を水素貯蔵手段に貯蔵する請求項２に記載のメタンハイドレートの処理方法。
【請求項４】
前記導波管は、同軸ケーブルである請求項３に記載のメタンハイドレートの処理方法。
【請求項５】
前記高周波は、マイクロ波である請求項１〜４の何れか一項に記載のメタンハイドレートの処理方法。
【請求項６】
前記マイクロ波は、太陽電池から供給される電力により駆動する高周波発生手段から供給される請求項５に記載のメタンハイドレートの処理方法。
【請求項７】
前記高周波は、海中に配置されたマグネトロンにより供給され、
前記マグネトロンは、電力供給手段から配線を介してマグネトロン用直流高電圧電流を供給される請求項２に記載のメタンハイドレートの処理方法。
【請求項８】
前記電力供給手段は、海上又は地上に配置された太陽電池を備え、前記太陽電池の発電電力を前記マグネトロンに供給する請求項７に記載のメタンハイドレートの処理方法。
【請求項９】
海底のメタンハイドレート層に配置されるプラズマ用電極と、
高周波を発生する高周波発生手段と、
前記プラズマ用電極と前記高周波発生手段とを接続する導波管と、
水素を貯蔵する水素貯蔵手段と、
メタンハイドレートが分解して発生した水素を前記水素貯蔵手段まで案内する案内手段と、
を備えることを特徴とするメタンハイドレート処理装置。
【請求項１０】
前記導波管は、同軸ケーブルである請求項９に記載のメタンハイドレート処理装置。
【請求項１１】
前記高周波は、マイクロ波である請求項９又は１０の何れか一項に記載のメタンハイドレート処理装置。
【請求項１２】
前記高周波発生手段は、電力供給源としての太陽電池を備える請求項１１に記載のメタンハイドレート処理装置。
【請求項１】
プラズマ用電極に高周波を供給し、前記プラズマ用電極によりメタンハイドレートに電磁波を照射してプラズマを発生させるプラズマ発生ステップと、
前記プラズマにより前記メタンハイドレートを分解して水素を発生させる水素発生ステップと、
を備えることを特徴とするメタンハイドレートの処理方法。
【請求項２】
前記プラズマ用電極は、海底のメタンハイドレート層に配置され、
前記メタンハイドレート層中のメタンハイドレートが分解して発生した水素を回収する水素回収ステップをさらに備える請求項１に記載のメタンハイドレートの処理方法。
【請求項３】
前記高周波は、導波管を介して前記プラズマ用電極に供給され、
前記水素回収ステップでは、前記プラズマ用電極の上方に設けられた案内手段により前記メタンハイドレート層で発生した水素を海上まで案内し、案内された水素を水素貯蔵手段に貯蔵する請求項２に記載のメタンハイドレートの処理方法。
【請求項４】
前記導波管は、同軸ケーブルである請求項３に記載のメタンハイドレートの処理方法。
【請求項５】
前記高周波は、マイクロ波である請求項１〜４の何れか一項に記載のメタンハイドレートの処理方法。
【請求項６】
前記マイクロ波は、太陽電池から供給される電力により駆動する高周波発生手段から供給される請求項５に記載のメタンハイドレートの処理方法。
【請求項７】
前記高周波は、海中に配置されたマグネトロンにより供給され、
前記マグネトロンは、電力供給手段から配線を介してマグネトロン用直流高電圧電流を供給される請求項２に記載のメタンハイドレートの処理方法。
【請求項８】
前記電力供給手段は、海上又は地上に配置された太陽電池を備え、前記太陽電池の発電電力を前記マグネトロンに供給する請求項７に記載のメタンハイドレートの処理方法。
【請求項９】
海底のメタンハイドレート層に配置されるプラズマ用電極と、
高周波を発生する高周波発生手段と、
前記プラズマ用電極と前記高周波発生手段とを接続する導波管と、
水素を貯蔵する水素貯蔵手段と、
メタンハイドレートが分解して発生した水素を前記水素貯蔵手段まで案内する案内手段と、
を備えることを特徴とするメタンハイドレート処理装置。
【請求項１０】
前記導波管は、同軸ケーブルである請求項９に記載のメタンハイドレート処理装置。
【請求項１１】
前記高周波は、マイクロ波である請求項９又は１０の何れか一項に記載のメタンハイドレート処理装置。
【請求項１２】
前記高周波発生手段は、電力供給源としての太陽電池を備える請求項１１に記載のメタンハイドレート処理装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１２−７２０２９（Ｐ２０１２−７２０２９Ａ）
【公開日】平成２４年４月１２日（２０１２．４．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２１９１０２（Ｐ２０１０−２１９１０２）
【出願日】平成２２年９月２９日（２０１０．９．２９）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 平成２２年６月１０日掲載 ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ａｓｍｅｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅｓ．ｏｒｇ／ＡＪＴＥＣ２０１１／ＶｉｅｗＡｃｃｅｐｔｅｄＡｂｓｔｒａｃｔｓ．ｃｆｍ
【出願人】（５０４１４７２５４）国立大学法人愛媛大学 (214)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年４月１２日（２０１２．４．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月２９日（２０１０．９．２９）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 平成２２年６月１０日掲載 ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ａｓｍｅｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅｓ．ｏｒｇ／ＡＪＴＥＣ２０１１／ＶｉｅｗＡｃｃｅｐｔｅｄＡｂｓｔｒａｃｔｓ．ｃｆｍ
【出願人】（５０４１４７２５４）国立大学法人愛媛大学 (214)
【Ｆターム（参考）】
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