(57)【要約】【課題】金属酸化物を還元する際に生じる水蒸気を効率よく分離するとともに、従来よりもコストを低く抑えた技術を提供する。【解決手段】反応器を有し、外部から供給される還元ガスに構成される水素を貯蔵する水素貯蔵装置であって、前記反応器内に備えられ、前記還元ガスとの還元反応によって金属と水蒸気とに分離する微粒子の金属酸化物と、外周側から前記金属酸化物を加熱する加熱器と、前記反応器の中央部であって前記金属酸化物との間に前記還元反応によって生じた水蒸気を凝縮して水にする凝縮器とを有する。【選択図】図１
2010150055.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応器を有し、外部から供給される還元ガスに構成される水素を貯蔵する水素貯蔵装置であって、
前記反応器内に備えられ、前記還元ガスとの還元反応によって金属と水蒸気とに分離する微粒子の金属酸化物と、
外周側から前記金属酸化物を加熱する加熱器と、
前記反応器の中央部であって前記金属酸化物との間に前記還元反応によって生じた水蒸気を凝縮して水にする凝縮器とを有する水素貯蔵装置。
【請求項２】
反応器を有し、外部から供給される還元ガスに構成される水素を貯蔵する水素貯蔵装置であって、
前記反応器内に備えられ、前記還元ガスとの還元反応によって金属と水蒸気とに分離する微粒子の金属酸化物と、
前記反応器の中央側から前記金属酸化物を加熱する加熱器と、
前記金属酸化物の外周側であって前記金属酸化物との間に前記還元反応によって生じた水蒸気を凝縮して水にする凝縮器とを有する水素貯蔵装置。
【請求項３】
反応器を有し、外部から供給される還元ガスに構成される水素を貯蔵する水素貯蔵装置であって、
前記反応器内に備えられ、前記還元ガスとの還元反応によって金属と水蒸気とに分離する微粒子の金属酸化物と、
上面側から前記金属酸化物を加熱する加熱器と、
前記反応器の下面側であって前記金属酸化物との間に前記還元反応によって生じた水蒸気を凝縮して水にする凝縮器とを有する水素貯蔵装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、反応器を有し、外部から供給される還元ガスに構成される水素を貯蔵する水素貯蔵装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来では、水素の貯蔵方法として、金属酸化物を還元ガスで還元することによって金属と水を生成する技術の一例が開示されている（例えば特許文献１を参照）。
【特許文献１】特開２００４−３５９５３６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上述した特許文献１には、金属酸化物と還元ガスとの反応によって水蒸気（Ｈ2Ｏ），二酸化炭素（ＣＯ2），一酸化炭素（ＣＯ）が発生するため、水蒸気と二酸化炭素を分離して再度未反応の還元ガスを再使用する方法が記載されている。しかし、この還元後のガスを再使用するには循環させるブロワー等の動力を要し、再度還元反応を行う際に再加熱する必要があった。したがって、動力源や加熱源が必要となって設備コストが嵩んでいた。
【０００４】
また、発生した水蒸気と二酸化炭素を分離する必要があるが、上述した特許文献１には具体的な分離方法等が記載されていない。もし大気圧下で水蒸気を分離しようとする場合には、脱水が不十分だと還元効率が大幅に低下してしまうため、深冷分離等で１０℃程度まで低温にしなければならず、未反応の還元ガスもまた低温になってしまう。還元反応は数百℃の雰囲気で行うため、未反応の還元ガスを再利用する場合には大幅に加熱する必要があった。したがって、冷却や加熱に伴うエネルギーコストが嵩んでいた。
【０００５】
本発明はこのような点に鑑みてなしたものであり、金属酸化物を還元する際に生じる水蒸気を効率よく分離するとともに、従来よりもコストを低く抑えた技術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】
【０００６】
（１）課題を解決するための手段（以下では単に「解決手段」と呼ぶ。）１は、反応器を有し、外部から供給される還元ガスに構成される水素を貯蔵する水素貯蔵装置であって、前記反応器内に備えられ、前記還元ガスとの還元反応によって金属と水蒸気とに分離する微粒子の金属酸化物と、外周側から前記金属酸化物を加熱する加熱器と、前記反応器の中央部であって前記金属酸化物との間に前記還元反応によって生じた水蒸気を凝縮して水にする凝縮器とを有することを要旨とする。
【０００７】
なお「還元ガス」には、例えば水素ガス（Ｈ2）や、メタンガス（ＣＨ4），エタンガス（Ｃ2Ｈ6），プロパンガス（Ｃ3Ｈ8）等のような炭化水素ガスのうちで、いずれか一以上のガスが該当する。凝縮器は水蒸気を凝縮して水にできれば構造を問わない。例えば、冷たい物体に触れた水蒸気が凝縮して水滴になる現象を利用した構造が該当する。加熱器は外周側から金属酸化物を加熱できればよく、反応器の内外のいずれでも配置可能である。
【０００８】
解決手段１によれば、反応器内に備えられた微粒子の金属酸化物は、外周側から加熱器によって加熱され、外部から反応器内に還元ガスが供給されると還元反応によって金属と水蒸気とに分離する。反応器の中央部に備えられた凝縮器は、金属酸化物との間に設けられた空隙によって水蒸気を凝縮する空間を確保し、還元反応によって生じた水蒸気を凝縮して水にする。このように還元反応によって分離した水蒸気は凝縮器によって凝縮されて水になるので、水蒸気を効率よく分離でき、還元反応がさらに進行し易くなる。また、ブロワー等の動力源が不要になる点で設備コストを低く抑えられる。
【０００９】
（２）解決手段２は、反応器を有し、外部から供給される還元ガスに構成される水素を貯蔵する水素貯蔵装置であって、前記反応器内に備えられ、前記還元ガスとの還元反応によって金属と水蒸気とに分離する微粒子の金属酸化物と、前記反応器の中央側から前記金属酸化物を加熱する加熱器と、前記金属酸化物の外周側であって前記金属酸化物との間に前記還元反応によって生じた水蒸気を凝縮して水にする凝縮器とを有することを要旨とする。
【００１０】
解決手段２は解決手段１と比べると、加熱器と凝縮器との位置関係（すなわち配置）を逆にしただけである。すなわち解決手段１では金属酸化物の外側に加熱器を配置して内側に凝縮器を配置したのに対し、解決手段２では金属酸化物の外側に凝縮器を配置して内側に加熱器を配置している。ただし、凝縮器は金属酸化物の外周側にあればよく、反応器の内外のいずれでも配置可能である。このように単に配置を変えただけであるので、解決手段１と同様の作用効果を得ることができる。
【００１１】
（３）解決手段３は、反応器を有し、外部から供給される還元ガスに構成される水素を貯蔵する水素貯蔵装置であって、前記反応器内に備えられ、前記還元ガスとの還元反応によって金属と水蒸気とに分離する微粒子の金属酸化物と、上面側から前記金属酸化物を加熱する加熱器と、前記反応器の下面側であって前記金属酸化物との間に前記還元反応によって生じた水蒸気を凝縮して水にする凝縮器とを有することを要旨とする。
【００１２】
解決手段３は解決手段１と比べると、加熱器，金属酸化物および凝縮器との位置関係（すなわち配置）を変えただけである。すなわち解決手段１では反応器の中央部から外周に向かって凝縮器−金属酸化物−加熱器の順で配置したのに対し、解決手段３では反応器の上面側から下面側に向かって加熱器−金属酸化物−凝縮器の順で配置している。このように単に配置を変えただけであるので、解決手段１と同様の作用効果を得ることができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、金属酸化物を還元する際に生じる水蒸気を効率よく分離するとともに、従来よりもコストを低く抑えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００１５】
〔実施の形態１〕
実施の形態１は、図１および図２を参照しながら説明する。図１には水素貯蔵装置の一構成例を縦断面図で表し、図２には図１のII−II線断面図を表す。これらの図に表す水素貯蔵装置１０は、反応器１４，加熱器１６，金属酸化物１８，凝縮器２０，排出ポンプ２２，圧力計２４，熱交換器２６などを有する。
【００１６】
反応器１４は任意の形状に形成してよいが、本例では円筒状に形成している。加熱器１６（ヒーター）は反応器１４の外周面を取り囲むように配置され、金属酸化物１８を加熱する。金属酸化物１８はナノサイズ微粒子（すなわち粒径が数ナノメートルから数十ナノメートルの粒子）の酸化鉄（Ｆｅ3Ｏ4）を用いるが、本例ではペレット状に形成している。図１の金属酸化物１８は、反応器１４の中心筒部を除く外周円柱状に多数のペレットを充填してあり、反応器１４の底面との間には空隙を設けて水の貯留を可能にしている。ナノサイズ微粒子の金属酸化物１８は、同じ重量でもマイクロサイズやこれより大きな金属酸化物１８に比べて全体の表面積が格段に大きくなり、しかも金属酸化物１８の内部まで全て化学反応が可能となるので、貯蔵して取り出せる水素量も格段に増える。
【００１７】
凝縮器２０は反応器１４の中心筒部を∩字状のパイプで構成してあり、後述する金属酸化物１８の還元反応で生ずる水蒸気を冷却するもので、当該パイプ内には図示するように冷水Ｃ等の流体が流されている。凝縮器２０は、還元反応式によって生じる水蒸気をできるだけ多く凝縮するように、伝熱面積を大きく形成してあり、例えばフィン付のパイプが用いられる。
【００１８】
還元ガスは、例えば、水素ガス（Ｈ2）を用い、反応器内の圧力を圧力計２４で検出し、圧力調整器１２によって反応器の内圧を調整して反応器１４に供給する。熱交換器２６は、凝縮器２０によって凝縮された水が溜まる部位（本例では反応器１４の底部）に対応して設置され、水が再蒸発しないように冷却する。
【００１９】
上述のように構成された水素貯蔵装置１０における水素の貯蔵は次のように行う。まず、加熱器１６によって反応器１４内が所定温度（例えば４５０℃）になるまで加熱し、圧力調整器１２を経て圧力調整器１２内に水素ガス（Ｈ2）を供給する。水素ガス（Ｈ2）が供給されると、次に示す（化１）式のような還元反応が進む。
【００２０】
〔還元反応式〕
４Ｈ2＋Ｆｅ3Ｏ4→３Ｆｅ＋４Ｈ2Ｏ……（化１）
【００２１】
反応器１４内は所定温度であるので、右辺のＨ2Ｏは水蒸気になる。こうして還元反応により発生した水蒸気は、ペレット状に形成されている金属酸化物１８の隙間によって拡散し、凝縮器２０の表面へ移動する。凝縮器２０では、水蒸気が冷たい物体に触れると凝縮して水（水滴）になる現象（いわゆる結露）が発生する。水蒸気の場合、凝縮の熱伝達率は8,000〜14,000[W/m2/K]であるのに対して、静止気体の熱伝達率は３〜３５[W/m2/K]と小さい。この差を利用することで、未だ反応していない水素ガス（Ｈ2）の温度を殆ど低下させずに還元できる。
【００２２】
凝縮器２０を流れる冷水Ｃの温度は反応器１４内の温度よりも大幅に低いので、当該凝縮器２０の周囲に冷気が生じる。こうして生じた冷気は、反応器１４の底を経て加熱器１６によって加熱される。よって還元反応により発生した水蒸気が凝縮器２０の表面へ移動する現象と合わせて、反応器１４の内部には対流Ａが生じる。対流Ａもペレット状に形成された金属酸化物１８の相互間の隙間を通るので、対流Ａの流れは妨げられにくい。
【００２３】
凝縮器２０の周囲で生じた水Ｂは凝縮器２０を伝わって落ち、図示するように反応器１４の底部に溜まる。底部に溜めたままでは再度蒸発して水蒸気となる場合があるので、底部にあけた穴から排出するか、排出ポンプ２２によって積極的に排出するのが望ましい。このように凝縮した水を反応器１４外に排出することにより、次に示す（化２）式のような酸化反応を防止することができる。
【００２４】
〔酸化反応式〕
３Ｆｅ＋４Ｈ2Ｏ→４Ｈ2＋Ｆｅ3Ｏ4……（化２）
【００２５】
上述した実施の形態によれば、以下に表す各効果を得ることができる。
（１）反応器１４内に備えられたナノサイズ微粒子の金属酸化物１８（Ｆｅ3Ｏ4）は、外周側から加熱器１６によって加熱され、外部から供給される水素ガス（Ｈ2）と還元反応を起こして金属（Ｆｅ）と水蒸気（Ｈ2Ｏ）とに分離する（図１，図２を参照）。反応器１４の中央部に備えられた凝縮器２０は、金属酸化物１８との間に設けられた空隙によって水蒸気を凝縮する空間を確保し、還元反応によって生じた水蒸気を凝縮して水Ｂにする。このように還元反応によって分離した水蒸気は凝縮器２０によって凝縮されて水Ｂになるので、水蒸気を効率よく分離でき、還元反応がさらに進行し易くなる。また、ブロワー等の動力源が不要になる点で設備コストを低く抑えられる。さらに、凝縮された水Ｂが溜まる部位に熱交換器２６を備えたので、水Ｂの再蒸発を抑制でき、還元反応によって生じた金属が再び酸化されるのを低くできる。
【００２６】
（２）ナノサイズ微粒子の金属酸化物１８をペレット状に形成したので、ペレット相互間に隙間が確保され、還元反応によって生じた水蒸気が隙間を通じて対流Ａを起こし易くなる（図１を参照）。対流Ａを起こした水蒸気は凝縮器２０によって凝縮され易くなるので、還元反応をより確実に促進することができる。
【００２７】
〔実施の形態２〕
実施の形態２は、図３および図４を参照しながら説明する。図３には水素貯蔵装置の一構成例を縦断面図で表し、図４には図３のIV−IV線断面図を表す。なお、水素貯蔵装置１０の構成等は実施の形態１と同様であるので、図示および説明を簡単にするために実施の形態２では実施の形態１と異なる点について説明する。よって実施の形態１で用いた要素と同一の要素には同一の符号を付して説明を省略する。
【００２８】
図３に表す水素貯蔵装置１０が図１と異なるのは、次の点である。第１に、加熱器１６と凝縮器２０の配置を逆にした。すなわち反応器１４の中央部に加熱器１６を備え、反応器１４の外周面を取り囲むように凝縮器２０を備える。この配置のため、第２に、金属酸化物１８はその中央部を加熱器１６に接近させ、反応器１４の外周面とは空隙を確保して形成する。
【００２９】
上述のように構成された水素貯蔵装置１０における水素の貯蔵は、実施の形態１と同様に行える。したがって、実施の形態１と同様の作用効果を得ることができる。
ただし、凝縮器２０は反応器１４の外周面を冷却するので、反応器１４の外周面に冷気が生じる。そのため、還元反応によって分離した水蒸気は反応器１４の外周面に向かって移動する対流Ａになり、当該外周面やその近傍で凝縮されて水Ｂになる。
【００３０】
〔実施の形態３〕
実施の形態３は、図５および図６を参照しながら説明する。図５には水素貯蔵装置の一構成例を縦断面図で表し、図６には図５の上側から見た平面図を表す。なお、水素貯蔵装置１０の構成等は実施の形態１と同様であるので、図示および説明を簡単にするために実施の形態２では実施の形態１と異なる点について説明する。よって実施の形態１で用いた要素と同一の要素には同一の符号を付して説明を省略する。
【００３１】
図５に表す水素貯蔵装置１０が図１と異なるのは、次の点である。第１に、加熱器１６、金属酸化物１８および凝縮器２０との位置関係（すなわち配置）を変えた。すなわち反応器１４の上面側から下面側に向かって加熱器１６−金属酸化物１８−凝縮器２０の順で配置した。第２に、冷却面積を大きくするため、凝縮器２０を扁平な形状に形成した。
【００３２】
上述のように構成された水素貯蔵装置１０における水素の貯蔵は、実施の形態１と同様に行える。したがって、実施の形態１と同様の作用効果を得ることができる。また、凝縮器２０の冷却面積が大きいので、効率よく凝縮を行える。
ただし、凝縮器２０は反応器１４の底部にあるので、還元反応によって分離した水蒸気は反応器１４の底部に向かって移動する対流Ａになり、当該凝縮器２０やその近傍で凝縮されて水Ｂになる。なお、扁平な形状に形成した凝縮器２０に代えて、実施の形態１で用いた管状部材を一本または複数本用いて構成しても同様な作用効果が得られる。
【００３３】
〔他の実施の形態〕
以上では本発明を実施するための最良の形態について説明したが、本発明は当該形態に何ら限定されるものではない。言い換えれば、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施することもできる。例えば、次に示す各形態を実現してもよい。
【００３４】
（１）上述した実施の形態１，２，３では、いずれも還元ガスとして水素ガス（Ｈ2）を適用した。この形態に代えて、他の還元ガスを適用してもよい。他の還元ガスとしては、例えばメタンガス（ＣＨ4），エタンガス（Ｃ2Ｈ6），プロパンガス（Ｃ3Ｈ8）等のような炭化水素ガスのうちで、いずれか一以上のガスが該当する。他の還元ガスを用いた場合でも、水素貯蔵装置１０によって水素を貯蔵することができる。
【００３５】
（２）上述した実施の形態１，２，３では、いずれも金属酸化物１８として酸化鉄（Ｆｅ3Ｏ4）を適用した。この形態に代えて、他の金属酸化物を適用してもよい。他の金属酸化物としては、例えば酸化亜鉛（ＺｎＯ），酸化錫（ＳｎＯ），酸化チタン（ＴｉＯ2），酸化ジルコニウム（ＺｒＯ2），酸化セリウム（ＣｅＯ2），二酸化珪素（ＳｉＯ2），酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3），酸化コバルト（Ｃｏ3Ｏ4），酸化タングステン（Ｗ2Ｏ5）等のうちで、いずれか一以上が該当する。他の金属酸化物を用いた場合でも、水素貯蔵装置１０によって還元反応が起こって水素を貯蔵することができる。
【００３６】
（３）上述した実施の形態では、いずれも反応器１４の底部に水Ｂを溜める構成とした（図１，図３，図５を参照）。この形態に代えて、図１，図３，図５に二点鎖線で表すように反応器１４の底部に排出ポンプ２２（除去手段に相当する）を備える構成としてもよい。この排出ポンプ２２は、反応器１４の底部に溜まった水Ｂを積極的に反応器１４の外に除去する。底面に溜めたままでは再度蒸発して水蒸気となる場合があるが、排出ポンプ２２によって水Ｂを排出することにより、上記（化２）式のような酸化反応を防止することができる。
【００３７】
（４）上述した実施の形態１では、反応器１４の外側に（すなわち外周面に沿って）加熱器１６を配置し、反応器１４内に備えた金属酸化物１８を加熱する構成とした（図１を参照）。この形態に代えて、加熱器１６を反応器１４の内壁側面に沿って配置し、金属酸化物１８の外周側から加熱する構成としてもよい。
上述した実施の形態２では、反応器１４の外側に（すなわち外周面に沿って）凝縮器２０を配置し、反応器１４の内壁面を通じて水蒸気を凝縮する構成とした（図３を参照）。この形態に代えて、凝縮器２０を反応器１４の内壁側面に沿って配置し、水蒸気を凝縮する構成としてもよい。
上述した実施の形態３では、反応器１４の外側（すなわち上面）に加熱器１６を配置し、反応器１４内に備えた金属酸化物１８を加熱する構成とした（図５を参照）。この形態に代えて、加熱器１６を反応器１４の内壁上面に沿って配置し、金属酸化物１８の上側から加熱する構成としてもよい。
いずれの構成にせよ、対応する実施の形態と同様の加熱または凝縮を行えるので、対応する実施の形態と同様の作用効果を得ることができる。
【００３８】
（５）上述した実施の形態１，２，３では、いずれも反応器１４を円筒状に形成した（図１，図２を参照）。この形態に代えて、他の形状（例えば直方体状や多角柱状など）に形成してもよい。同様に、加熱器１６，金属酸化物１８，凝縮器２０のそれぞれも任意の形状で形成してもよい。どのような形状であれ、上述した実施の形態と同等の作用効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】水素貯蔵装置の一構成例を表す縦断面図である。
【図２】図１のII−II線断面図を表す図である。
【図３】水素貯蔵装置の一構成例を表す縦断面図である。
【図４】図３のIV−IV線断面図を表す図である。
【図５】水素貯蔵装置の一構成例を表す縦断面図である。
【図６】図５の上側からみた平面図である。
【符号の説明】
【００４０】
１０  水素貯蔵装置
１２  圧力調整器
１４  反応器
１６  加熱器
１８  金属酸化物
２０  凝縮器
２２  排出ポンプ
２４  圧力計
２６  熱交換器
Ａ  対流
Ｂ  水
Ｃ  冷水
【図１】
2010150055.tif 000003
【図２】
2010150055.tif 000004
【図３】
2010150055.tif 000005
【図４】
2010150055.tif 000006
【図５】
2010150055.tif 000007
【図６】
2010150055.tif 000008