(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
（１）外部からの入射光を反射して焦点部分に集光させることにより焦点部分の温度を上昇させる、放物面を有する反射鏡、
（２）反射鏡の焦点部分に設けられた、外管が透光性を有する管で、内管が熱伝導性を有する管である二重管、
（３）外管と内管の間の真空度を調節する真空度調節手段、
（４）内管内に水素と二酸化炭素を導入する反応ガス導入手段、
（５）内管内に挿入されたルテニウム触媒、
（６）内管内で変換されたガスを取り出すガス排出手段、
を有し、内管内でサバチエ反応をさせ、
かつ、前記真空度調節手段として、
（２−１）外管の一端に接続された真空ポンプ、外管の他端に接続されたバルブ及び電磁弁、内管内の温度を測定する温度センサ、並びに、電磁弁を制御する温度調節器を有し、
（２−２）前記温度センサで測定された温度が設定温度以下のときは、温度調節器が電磁弁を「閉」に制御して、真空ポンプの作動で外管と内管の間の真空度を高くすることにより、真空断熱させて、前記内管内の温度低下を防止し、
（２−３）前記温度センサで測定された温度が設定温度より高いときは、温度調節器が電磁弁を「開」に制御して、外管と内管の間の真空度を低くすることにより、空気の対流を生じさせて熱エネルギーを逃がし、
（２−４）外管と内管の間の真空度調節により前記内管内の温度制御を行うことを特徴とするサバチエ反応装置。
【請求項２】
前記内管の外壁面が黒色で、光を吸収し、管内の昇温を助長することを特徴とする請求項１記載のサバチエ反応装置。
【請求項３】
前記反射鏡が、サーボモータによる太陽追尾機能を有し、入射光が太陽光であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のサバチエ反応装置。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれかに記載のサバチエ反応装置のガス排出手段によって排出したメタンガス及び水蒸気を導入して水蒸気電解することを特徴とする水蒸気電解装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、サバチエ反応装置及びこれを用いた水蒸気電解装置に関する。更に詳しくは、特に無重力空間である宇宙船内における生命維持を目的としたサバチエ反応装置及びこれを用いた水蒸気電解装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
宇宙船での生命維持のためには、化１に示すサバチエ第１反応により炭酸ガスを還元する装置の開発が有効である（例えば、特許文献１、非特許文献参照）。
【特許文献１】特開平４−２３５７３８号公報（０００３段落）
【非特許文献１】「宇宙で生きる」新田慶治ほか、１９９４年、オーム社、ｐ３４−４３
【０００３】
【化１】
0003639861.tif 000002
【０００４】
本出願人らは、サバチエ第１反応を利用した環境浄化循環型水電解装置を開発した（例えば、特許文献２参照）。
【特許文献２】特許第３４７９９５０号公報（００１１段落）
【０００５】
サバチエ反応をさせるには、反応器を熱電対やヒータで反応温度まで昇温させる必要があった（例えば、特許文献３参照）。
【特許文献３】特許第３４７９９５０号公報（００３１段落）
【０００６】
しかし、従来のサバチエ反応装置においては、ヒータを運転させるために多大なエネルギーを必要とするという問題があった。特に、宇宙環境では、エネルギーの確保は重要な問題となる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明が解決しようとする問題点は、ヒータ等の熱源を用いないと反応温度が保てない点である。
【０００８】
本発明は、かかる問題を鑑みてなされたものであり、したがって、本発明の目的は、宇宙船や宇宙ステーション等の宇宙環境下においても、ヒータ等の熱源を用いずにサバチエ反応を可能とするサバチエ反応装置及びこれを用いた水蒸気電解装置を提供することにある。本発明者らは、上記の目的を達成するために鋭意研究を重ねた結果、試行錯誤の上、本発明を完成するに至った。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明のサバチエ反応装置は、（１）外部からの入射光を反射して焦点部分に集光させることにより焦点部分の温度を上昇させる、放物面を有する反射鏡、（２）反射鏡の焦点部分に設けられた、外管が透光性を有する管で、内管が熱伝導性を有する管である二重管、（３）外管と内管の間の真空度を調節する真空度調節手段、（４）内管内に水素と二酸化炭素を導入する反応ガス導入手段、（５）内管内に挿入されたルテニウム触媒、（６）内管内で変換されたガスを取り出すガス排出手段、を有し、内管内でサバチエ反応をさせることを特徴とするものである。
【００１０】
本発明のサバチエ反応装置は、好ましくは、（１）前記真空度調節手段として、外管の一端に接続された真空ポンプ、外管の他端に接続されたバルブ及び電磁弁、内管内の温度を測定する温度センサ、並びに、電磁弁を制御する温度調節器を有するものであって、（２）前記温度センサで測定された温度が設定温度以下のときは、温度調節器が電磁弁を「閉」に制御して、真空ポンプの作動で外管と内管の間の真空度を高くすることにより、真空断熱させて、前記内管内の温度低下を防止し、（３）前記温度センサで測定された温度が設定温度より高いときは、温度調節器が電磁弁を「開」に制御して、外管と内管の間の真空度を低くすることにより、空気の対流を生じさせて熱エネルギーを逃がし、（４）外管と内管の間の真空度調節により前記内管内の温度制御を行う。
【００１１】
本発明のサバチエ反応装置は、前記内管の外壁面が黒色で、光を吸収し、管内の昇温を助長することが好ましい。
【００１２】
また、本発明のサバチエ反応装置は、前記反射鏡が、サーボモータによる太陽追尾機能を有し、入射光が太陽光であることが好ましい。
【００１３】
さらに、本発明のサバチエ反応装置は、前記反応ガス導入手段が、水素ガス及び二酸化炭素ガスがそれぞれマスフローコントローラで流量制御されて、混合してから前記内管に導入することが好ましい。
【００１４】
本発明の水蒸気電解装置は、請求項１から請求項４のいずれかに記載のサバチエ反応装置のガス排出手段によって排出したメタンガス及び水蒸気を導入して水蒸気電解するものである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明のサバチエ反応装置及びこれを利用した水蒸気電解装置は、上述したとおりであるので、宇宙船や宇宙ステーション等の宇宙環境下においても、ヒータ等の熱源を用いずにサバチエ反応を可能とする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
サバチエ反応を起こすためには、触媒存在下で約３００℃の温度が必要である。この温度を維持するための熱エネルギーをどこに求めるかが重要である。本発明においては、太陽エネルギーを直接熱エネルギーに変換する。そのため、高効率で熱エネルギーを得ることができる。したがって、本発明は、特に宇宙空間において、非常に有効である。
【実施例１】
【００１７】
図１は、本発明のサバチエ反応装置の実施例１の構成図である。
【００１８】
図１に示した本発明の実施例１のサバチエ反応装置（２２）は、反射鏡（１）、二重管（４）、真空ポンプ（５）、真空度調節用バルブ（６）、電磁弁（７）、温度センサ（９）、温度調節器（１０）、水素供給タンク（１５）、二酸化炭素供給タンク（１６）、ガス供給用バルブ（２０ａ、２０ｂ）、混合タンク（１７）、マスフローコントローラ（１２ａ、１２ｂ）、ルテニウム触媒（８）、配管（２１）、方位検出器（１８）、増幅器（１９）及びサーボモータ（１１）を有する。
【００１９】
図２は、本発明のサバチエ反応装置の実施例１のＡ−Ａ´線断面概略図である。図２は、反射鏡（１）、二重管（４）以外は省略してある。図３は、本発明のサバチエ反応装置の実施例１の外観概略図である。図３においては、図１に示した本発明の実施例１のサバチエ反応装置（２２）の反射鏡（１）及び支持体、二重管（４）、方位検出器（１８）部分を示し、他の部分は省略してある。
【００２０】
反射鏡（１）は放物面を有し、外部からの入射光を反射して焦点部分に集光させることにより焦点部分の温度を上昇させることができる。図１に示した本発明の実施例１のサバチエ反応装置（２２）の反射鏡（１）は、Ｘ−Ｙ放物曲線をＺ軸方向に延伸させたものであるが、Ｘ−Ｙ放物曲線をＺ軸回りに一回転させた放物曲線を有する回転放物面あるいは複合放物面を有する反射鏡を用いてもよい。
【００２１】
反射鏡（１）は、方位検出器（１８）を有する。方位検出器（１８）は、光の入射面に取り付けた、仕切りを挟んで並べた２個のフォトダイオード（図示せず）を有する受光器である。方位検出器（１８）は、光の入射方向と直角になったときに前記２個のフォトダイオードの出力差がゼロとなるように調整してある。
【００２２】
反射鏡（１）が光の入射方向からずれると前記２個のフォトダイオードの出力差が生じる。方位検出器（１８）に接続された比較アンプ（図示せず）に前記２個のフォトダイオードからの信号が送信され、前記出力差は、比較アンプに接続された増幅器（１９）で増幅される。増幅器（１９）及び反射鏡（１）に接続されたサーボモータ（１１）が、前記出力差がゼロとなるように反射鏡（１）を動かす。
【００２３】
光源としては、太陽光、キセノンランプ、赤外線ランプ等が利用できる。太陽光を光源とした場合、反射鏡（１）は、常に太陽の方位方向に自動追尾することになる。太陽の高度方向は手動で調整できる。
【００２４】
例えば、反射鏡のミラーの反射率を８５％、内管の光吸収率を９５％（反射率５％）とすると、約８０％の太陽エネルギーが熱エネルギーに変換される。
【００２５】
真空の宇宙環境においては、空気で囲まれた地球上よりも、空気による光吸収がないため、太陽から同じ距離であっても同じ面積で受けることのできる太陽エネルギーは多い。したがって、本発明は、特に宇宙環境においては有効である。また、太陽を自動で追尾し太陽エネルギーを最大限利用することができるために、地球上はもちろんのこと、宇宙船内等、エネルギー供給手段や供給量が限定される環境においても非常に有効である。
【００２６】
二重管（４）は、外管が外管（３）で、内管が内管（２）である。二重管（４）は、反射鏡（１）の焦点部分に設けられる。図１に示した本発明の実施例１のサバチエ反応装置（２２）の反射鏡（１）では、焦点が二重管に平行な線状であるため、管内の温度ムラが生じにくい。外管（３）としては、透光性を有するものが適している。図１に示した本発明の実施例１のサバチエ反応装置（２２）の外管（３）は、ガラス管を用いた。内管（２）には、熱伝導性を有するものが適している。図１に示した本発明の実施例１のサバチエ反応装置（２２）の内管（２）は、金属管を用いたが、ＳｉＣ管等も用いることができる。図１に示した本発明の実施例１のサバチエ反応装置（２２）の内管（２）は、管の外側の壁面を黒く塗装してある。したがって、管壁が光を吸収し、管内の昇温を助長する。
【００２７】
真空ポンプ（５）、真空度調節用バルブ（６）、電磁弁（７）、温度センサ（９）、及び温度調節器（１０）は、外管（３）と内管（２）の間の真空度を調節する真空度調節手段としての役割を果たす。真空度の調節により内管内の温度制御を行うことができる。
【００２８】
真空ポンプ（５）は、外管（３）の一端に接続される。外管（３）の他端には、真空度調節用バルブ（６）及び電磁弁（７）が接続される。温度センサ（９）は、内管（２）内の温度を測定する。温度調節器（１０）は、電磁弁（７）を制御する。
【００２９】
温度センサ（９）で測定された温度が設定温度以下のときは、温度調節器（１０）が電磁弁（７）を「閉」に制御して、真空ポンプ（５）の作動で外管（３）と内管（２）の間の真空度を高くすることにより、真空断熱させて、内管（２）内の温度低下を防止する。一方、温度センサ（９）で測定された温度が設定温度より高いときは、温度調節器（１０）が電磁弁（７）を「開」に制御して、外管（３）と内管（２）の間の真空度を低くすることにより、空気の対流を生じさせて熱エネルギーを逃がす。すなわち、外管（３）と内管（２）の間の真空度を調節することにより、反射鏡によって昇温される内管（２）内の温度を一定に制御できる。
【００３０】
水素供給タンク（１５）、二酸化炭素供給タンク（１６）、ガス供給用バルブ（２０ａ、２０ｂ）、混合タンク（１７）、及びマスフローコントローラ（１２ａ、１２ｂ）は、内管（２）内に水素と二酸化炭素を導入する反応ガス導入手段としての役割を果たす。
【００３１】
水素は、ガス供給用バルブ（２０ａ）の開閉により、水素供給タンク（１５）から混合タンク（１７）へ、マスフローコントローラ（１２ａ）で流量制御されて流入する。また、二酸化炭素は、ガス供給用バルブ（２０ｂ）の開閉により、二酸化炭素供給タンク（１６）から混合タンク（１７）へ、マスフローコントローラ（１２ｂ）で流量制御されて流入する。混合タンク（１７）内で一定の割合で混合してから内管（２）内に導入する。
【００３２】
ルテニウム触媒（８）は、内管（２）内に挿入されている。内管（２）では、導入された水素と二酸化炭素がルテニウム触媒（８）存在下でサバチエ第１反応をして、メタンと水蒸気が発生する。配管（２１）は、内管（２）内で変換されたガスであるメタンと水蒸気を取り出すガス排出手段の役割を果たす。
【００３３】
本発明の実施例１のサバチエ反応装置（２２）は、水蒸気電解に必要な水蒸気を水蒸気電解装置に供給することができる。
【００３４】
本発明のサバチエ反応装置の実施例１によれば太陽光等を集光して内管内の温度を上昇させることができ、かつ、温度コントロールができるので、宇宙船や宇宙ステーション等の宇宙環境下においても、ヒータ等の熱源を用いずにサバチエ反応を可能とする。
【００３５】
図４は、本発明の水蒸気電解装置の実施例１の構成図である。図４に示した本発明の実施例１の水蒸気電解装置（２３）は、水蒸気電解部（１３）に図１に示した本発明の実施例１のサバチエ反応装置が接続されている。配管（２１）は、サバチエ反応装置（２２）で生成した水蒸気を水蒸気電解部（１３）に導く。配管（２１）には、温度低下により水蒸気が液体の水になるのを防ぐため、保温ヒータ（１４）が巻いてある。
【００３６】
水蒸気電解部（１３）は、サバチエ反応装置（２２）から水蒸気を電解槽内へ導入する手段を有し、水蒸気透過性を有する陰極をフッ素樹脂系のイオン交換膜Ａと触媒つきフッ素樹脂系のイオン交換膜Ｂの間に挟みこみ、イオン交換膜Ａの外側に水蒸気導入相を配し、イオン交換膜Ｂの外側には陽極を配した電解槽である。
【００３７】
前記水蒸気導入相内に導入された水蒸気が、イオン交換膜Ａと前記陰極内を通過して、イオン交換膜Ｂに吸水され、両電極への電圧印加により、電解され、イオン交換膜Ｂ内をプロトンが陽極側から陰極側に移動して、陰極表面に水素が発生し、陽極表面に酸素が発生することにより、発生した酸素と水素に水を混入させないものである。
【００３８】
水蒸気電解部（１３）は、（ア）サバチエ反応装置（２２）から水蒸気を導入する手段を有する隔室Ａ、（イ）フッ素樹脂系イオン交換膜、（ウ）水素排出手段を有し、かつ、スポンジ状陰極を充填した隔室Ｂ、（エ）白金、イリジウム、ロジウム又はイリジウム−ロジウム合金をメッキしたフッ素樹脂系イオン交換膜、（オ）多孔質チタンに白金メッキした陽極、（カ）酸素排出手段を有する隔室Ｃを（ア）から（カ）の順にサンドイッチした電解槽である。
【００３９】
サバチエ反応装置（２２）から水蒸気を導入する配管には保温のため、保温ヒータ（１４）が巻いてある。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本発明のサバチエ反応装置及びこれを利用した水蒸気電解装置は、宇宙空間のような閉鎖空間での人間の排出する二酸化炭素から酸素を取り出して人間の生命維持のために役立つ重要な技術である。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明のサバチエ反応装置の実施例１の構成図である。
【図２】本発明のサバチエ反応装置の実施例１のＡ−Ａ´線断面概略図である。
【図３】本発明のサバチエ反応装置の実施例１の外観概略図である。
【図４】本発明の水蒸気電解装置の実施例１の構成図である。
【符号の説明】
【００４２】
１  反射鏡
２  内管
３  外管
４  二重管
５  真空ポンプ
６  真空度調節用バルブ
７  電磁弁
８  ルテニウム触媒
９  温度センサ
１０  温度調節器
１１  サーボモータ
１２  マスフローコントローラ
１３  水蒸気電解部
１４  保温ヒータ
１５  水素供給タンク
１６  二酸化炭素供給タンク
１７  混合タンク
１８  方位検出器
１９  増幅器
２０  ガス供給用バルブ
２１  配管
２２  サバチエ反応装置
２３  水蒸気電解装置
【要約】
【課題】宇宙船や宇宙ステーション等の宇宙環境下においても、ヒータ等の熱源を用いずにサバチエ反応を可能とするサバチエ反応装置及びこれを用いた水蒸気電解装置を提供すること。
【解決手段】（１）外部からの入射光を反射して焦点部分に集光させることにより焦点部分の温度を上昇させる、放物面を有する反射鏡、（２）反射鏡の焦点部分に設けられた、外管が透光性を有する管で、内管が熱伝導性を有する管である二重管、（３）外管と内管の間の真空度を調節する真空度調節手段、（４）内管内に水素と二酸化炭素を導入する反応ガス導入手段、（５）内管内に挿入されたルテニウム触媒、（６）内管内で変換されたガスを取り出すガス排出手段、を有し、内管内でサバチエ反応をさせる。
【選択図】図１
【図１】
0003639861.tif 000003
【図２】
0003639861.tif 000004
【図３】
0003639861.tif 000005
【図４】
0003639861.tif 000006