(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水蒸気によって少なくとも部分的に酸化され、水素を形成し得る含金属接触塊（２）を有する反応器チャンバを伴う耐圧反応器（１）を備える、圧縮水素を生成するための装置であって、前記反応器（１）が、前記反応器チャンバに流体を供給するための少なくとも１つの供給ライン（３）と、前記反応器チャンバから流体を排出するための少なくとも１つの排出ライン（４）とを備え、前記少なくとも１つの排出ラインが、前記反応器チャンバ内の圧力を調整するために、流量を制御または調節するための装置（５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ）を備え付けられており、含水媒体を反応器チャンバに導入するための運搬手段が、少なくとも１つの供給ラインに備え付けられており、かつ少なくとも１つの排出ライン（４）が、前記反応器チャンバに突出しており、ここを通って圧縮水素が前記反応器チャンバから排出され、前記反応器チャンバが、互いから分離されかつ互いにガス導通様式で接続される少なくとも２つの領域を有し、このうち少なくとも１つの領域が、前記含金属接触塊（２）を備え、少なくとも１つの追加的な領域が、少なくとも１つの不活性材料（７、１３）を備え、
前記反応器チャンバに突出している前記排出ライン（４）が、前記不活性材料（１３）を備える前記領域に対して開放しており、かつ、
少なくとも１つの合成ガス領域（８）が、前記反応器チャンバ内に設置され、触媒および／または非触媒性固体を備える、上記装置。
【請求項２】
前記含金属接触塊（２）が、金属スポンジ、ペレット、粉末、顆粒、またはそれらの組み合わせの形態を有することを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記含金属接触塊（２）が、鉄、酸化鉄、モリブデン、酸化モリブデン、タングステン、酸化タングステン、ゲルマニウム、酸化ゲルマニウム、およびそれらの組み合わせからなる群から選択される、金属および／または金属酸化物を含むことを特徴とする、請求項１または２に記載の装置。
【請求項４】
前記接触塊（２）が、前記接触塊の安定性および反応性を増加させるために、追加的な金属酸化物を含むことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の装置。
【請求項５】
前記追加的な金属酸化物が、ＣｏＯ、ＧｅＯ２、ＣｕＯ、ＮｉＯ２、ＰｔＯ２、Ｎａ２Ｏ、Ｉｎ２Ｏ３、Ｌｉ２Ｏ、ＷＯ３、Ａｇ２Ｏ、ＺｎＯ、ＲｕＯ、ＮｉＯ、Ｆｅ２Ｏ３、ＲｕＯ２、Ｇａ２Ｏ３、ＰｔＯ、Ｎｂ２Ｏ５、ＭｎＯ２、Ｉｎ２Ｏ３、ＰｄＯ、Ｋ２Ｏ、ＳｎＯ２、ＴｉＯ２、Ｃｒ２Ｏ３、ＨｆＯ、ＺｒＯ２、ＶＯ２、ＣｅＯ２、Ｙ２Ｏ３、ＣａＯ、ＭｏＯ２、ＳｉＯ２、Ｌａ２Ｏ３、ＭｇＯ、ＳＣ２Ｏ３、ＳｒＯ、Ａｌ２Ｏ３、およびそれらの組み合わせからなる群から選択されることを特徴とする、請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記反応器チャンバに突出しているか、または前記反応器チャンバに対して開放している前記排出ライン（４）が、水蒸気分離機に接続されることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の装置。
【請求項７】
前記触媒が、金属、金属酸化物、およびそれらの組み合わせからなる群から選択されることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記非触媒性固体が、酸化ニッケル、酸化鉄、酸化銅、酸化タングステン、およびそれらの組み合わせからなる群から選択されることを特徴とする、請求項１または７に記載の装置。
【請求項９】
含炭素出発材料の部分酸化のための少なくとも１つの領域（９）が、前記反応器チャンバ内に設置され、前記部分酸化のための触媒を備えることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１０】
前記部分酸化のための前記触媒が、金属、金属酸化物、およびそれらの組み合わせからなる群から選択されることを特徴とする、請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記反応器チャンバが、ラインの形態である、部分酸化のための１つ以上の領域（９）を有し、前記ラインが、前記含金属接触塊（２）を備える前記領域へと導かれることを特徴とする、請求項９または１０に記載の装置。
【請求項１２】
前記合成ガス領域（８）または部分酸化のための前記領域（９）が、ガス透過性不活性領域（７、１３）によって前記含金属接触塊（２）から分離されることを特徴とする、請求項９に記載の装置。
【請求項１３】
前記反応器チャンバに突出している前記少なくとも１つの排出ライン（４）の開口部（１０）が、前記合成ガス領域（８）または部分酸化のための前記領域（９）と、前記接触塊（２）の前記領域との間の前記不活性領域（７、１３）内に設置されることを特徴とする、請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
請求項１〜１３のいずれか一項に記載の装置において圧縮水素を生成するための方法であって、前記方法が、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の装置の耐圧性反応器の反応器チャンバに、運搬手段を用いることで含水媒体を導入するステップを含み、前記含水媒体が前記反応器チャンバの前または内部で蒸発し、それによって前記反応器チャンバ内の圧力が周囲圧力よりも上昇し、第１のステップにおいて前記蒸発した水が前記接触塊の前記金属と反応して水素を形成し、前記金属が反応して金属酸化物を形成し、前記圧縮水素が、前記反応器チャンバに突出しているラインを用いることで前記反応器チャンバから排出され、前記反応器チャンバ内の圧力が、前記排出ラインに備え付けられた、流量を制御または調節するための装置を用いて、制御または調節される、方法。
【請求項１５】
前記反応器チャンバ内の圧力が、前記運搬手段と、前記反応器チャンバ内に導き入れられ、前記反応器チャンバから導き出されるラインにおける流量を制御するための１つ以上の装置とによって制御されることを特徴とする、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
蒸発した水を前記接触塊の前記金属と反応させて水素を形成するとき、および前記金属を反応させて金属酸化物を形成するときの圧力が、少なくとも２バールであることを特徴とする、請求項１４または１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記反応器チャンバに突出している前記ラインが、前記不活性材料を備える前記領域に突出し、前記圧縮水素が、前記不活性材料を備える前記領域を介して前記反応器チャンバから排出されることを特徴とする、請求項１４〜１６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１８】
前記反応器から排出された前記水素が、前記圧縮水素から水を分離するために、水蒸気分離機に供給されることを特徴とする、請求項１４〜１７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１９】
蒸発した水を前記接触塊の前記金属と反応させて水素を形成し、前記金属を反応させて金属酸化物を形成する前記第１のステップからは独立しており、前記第１のステップに由来する前記含金属接触塊の前記金属酸化物を、一酸化炭素、および／または水素、および／またはメタン、および／または長鎖炭化水素を含むガス混合物で少なくとも部分的に金属へと還元する第２のステップを含む、請求項１４〜１８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２０】
一酸化炭素および水素を含む前記ガス混合物が、合成ガス領域においてガス化可能な含炭素出発材料から生成され、前記少なくとも部分的に酸化された含金属接触塊を備える前記領域に導かれることを特徴とする、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記合成ガス領域が、前記反応器チャンバ内に配置され、かつ触媒および／または非触媒性固体を備える、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
還元の前記第２のステップ中に形成された前記ガス混合物を、前記反応器から排出し、前記反応器の温度および／または前記反応器に導入される前記含炭素出発材料の温度を制御するために使用することを特徴とする、請求項２０に記載の方法。
【請求項２３】
一酸化炭素および水素を含む前記ガス混合物が、含炭素出発材料の部分酸化のために前記反応器チャンバ内に配設され、前記部分酸化のための触媒を任意に備える領域において、含炭素出発材料から生成され、前記少なくとも部分的に酸化された含金属接触塊を備える前記領域に導かれることを特徴とする、請求項１９に記載の方法。
【請求項２４】
炭素が形成される可能性を低減または抑制するために、前記部分酸化中に水および／または水蒸気を混和させることを特徴とする、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記部分酸化が、前記反応器チャンバ内の少なくとも１つの反応領域において実行され、前記少なくとも１つの反応領域が、前記含金属接触塊を加熱するために、前記部分酸化中に生成される熱を活用するように、前記含金属接触塊を備える前記領域へと導かれることを特徴とする、請求項２３または２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記圧縮水素が、前記合成ガス領域または含炭素出発材料の部分酸化のための前記領域の間の前記不活性領域より、前記反応器チャンバから排出されることを特徴とする、請求項２３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧縮水素を生成するための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
水素は重要なエネルギーキャリアであり、水素を燃焼させてもほとんど汚染物質は生成されず、細塵粒子も生成されないため、その重要性は近年高まっている。特に、道路車両用の内燃エンジンにおいて、この種の有利な燃焼反応が望ましい。加えて、燃料電池のエネルギー回収用に使用される水素もますます増えている。しかしながら、現在、生成される水素の大部分は化学工業において使用されている。
【０００３】
現在、水素は、水蒸気改質、部分酸化、およびオートサーマル改質を用いて主に生成されている。これらの方法においては、ＣＯに富む合成ガスが生成されるため、水素および二酸化炭素の混合物を生成するために、これらの方法は水性ガス転化反応と組み合わされることが多い。部分酸化およびオートサーマル改質が使用される場合、空気が追加的に導入され、生成された水素は空気に由来する多量の窒素でさらに希釈される。この添加された窒素、ＣＯ２、未反応のＣＯ、および出発材料を、生成された水素から分離するために、追加的な精製ステップが必要となる。この精製は、通常、圧力スイング吸着法またはモノエタノールアミンによる吸収によって行われる。
【０００４】
文書、ＧＢ９０２３３８は、圧縮水素を生成するための方法および装置について記載している。ここでは、水蒸気を鉄粒子と接触させることで、水素および酸化鉄が形成される。形成された酸化鉄はさらなるステップにおいて鉄へと還元され、水素生成ステップに戻される。
【０００５】
１９１３年のＤＥ２７９７２６は、過熱水蒸気を加熱した金属上に運搬して水素を生成する方法について記載している。この方法が行われる蒸留器は、水素を排出するための開口部を有し、この開口部には、バルブを備え付けられたパイプラインが設置される。
【０００６】
圧縮水素を生成するための方法は、ＵＳ３８８０９８７に開示されており、この方法では、水蒸気を金属スズおよび酸化スズと接触させる。
【０００７】
ＤＥ２５０７６１２は、二酸化タングステンを触媒として使用する、水素を生成するための方法について記載している。この方法の過程においては、水蒸気を７００℃未満の温度で触媒と接触させる。
【０００８】
水素を生成するためのさらなる方法としては、膜反応器の使用、電気分解、または化学ループ反応が挙げられる。
【０００９】
水素を生成するための、従来技術から公知の方法のすべてが、異なる不利な点を有する。一つには、これらの方法は、窒素、ＣＯ２、未反応のＣＯ、および出発材料が混入した水素を生成する。この水素を精製するためには、追加的な方法および装置が必要とされ、このことによって、これらの方法を用いる水素の生成は時間のかかるものとなり、コストも高くつく。電気分解を用いれば、純粋な水素を生成することが実際に可能であるが、この種の生成が経済的であるのは、好都合な電力源が利用な場合のみである。他方において、これらの方法を用いて生成された水素は、通常、圧縮されていない。換言すれば、圧縮水素を生成するためには、水素を圧縮するための装置がさらに必要となる。
【００１０】
水素の貯蔵および輸送が、さらなる問題を提起する。水素は通常、圧力容器内に貯蔵される。圧縮機および任意に冷却することによる圧縮の結果として、水素は、圧縮された形態または液体形態で圧力容器内に導入および貯蔵することができる。水素を液化および圧縮する際の重要な問題は、高いエネルギー支出であり、また設備のコストでもある。加えて、この種の貯蔵は、高い内部圧力の結果として、容器およびそこに取り付けられたバルブが爆発する可能性があるというリスクを提起する。水素の貯蔵の代替形態は、固体または液体に基づく（例えば、金属水素化物貯蔵および吸着貯蔵）。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の目的は、とりわけ、従来技術の不利な点を克服する、圧縮水素を生成するための代替的方法および装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、含金属接触塊を有する反応器チャンバを伴う耐圧反応器を備える、圧縮水素を生成するための装置に関し、反応器は、反応器チャンバに流体を供給するための少なくとも１つの供給ラインと、反応器チャンバから流体を排出するための少なくとも１つの排出ラインとを備え、少なくとも１つの排出ラインは、反応器チャンバ内の圧力を調整するために、好ましくはバルブを有する、流量を制御または調節するための装置を備え付けられており、含水媒体を反応器チャンバに導入するための運搬手段が、少なくとも１つの供給ラインに備え付けられており、かつ少なくとも１つの排出ラインは、反応器チャンバに突出しているか、または反応器チャンバに対して直接開放しており、ここを通って圧縮水素は反応器チャンバから排出され、反応器チャンバは、互いから分離されかつ互いにガス導通様式で接続される少なくとも２つの領域を有し、このうち少なくとも１つの領域が、含金属接触塊を備え、少なくとも１つの追加的な領域が、少なくとも１つの不活性材料を備える。
【００１３】
本発明のさらなる態様は、本発明による装置において圧縮水素を生成するための方法に関し、本方法は、本装置の耐圧性反応器の反応器チャンバに、運搬手段、好ましくはポンプを用いることで含水媒体を導入するステップを含み、反応器チャンバは、含金属接触塊を備え、含水媒体は反応器チャンバの前または内部で蒸発し、それによって反応器チャンバ内の圧力が周囲圧力よりも上昇し、蒸発した水が接触塊の金属と反応して水素を形成し、金属が反応して金属酸化物を形成し、圧縮水素が、反応器チャンバに突出しているか、または反応器チャンバに対して直接開放しているラインを用いることで反応器チャンバから排出され、反応器チャンバ内の圧力が、排出ラインに備え付けられた、流量を制御または調節するための装置を用いて、好ましくはバルブを用いて制御または調節される。
【００１４】
本発明による方法において使用される反応器によって、常圧で通常生成される水素を圧縮する圧縮機を使用することなく、圧縮水素を生成することが可能となる。本発明によれば、含水媒体（水または水蒸気）が、含金属接触塊と接触させられる。好ましくは３００℃〜１２００℃、さらにより好ましくは４００℃〜１０００℃、特に好ましくは４５０℃〜９５０℃の温度において、含金属接触塊中の金属を酸化することで、水素が放出される。反応器に配置される開口部において流量を制御または調節するための装置が、反応器チャンバにおける水の蒸発の結果として、反応器内の圧力の上昇を可能とする。こうして形成された水素は、この圧力の下でも同様に存在する。運搬手段（例えば、ポンプ）を使用して、反応器内に含水媒体を導入する場合、これは圧力を維持しなければならず、媒体の運搬によって対応する抵抗圧を蓄積しなければならない。反応器チャンバ内で特定の圧力に達した場合、反応器チャンバは、流量を制御または調節するための装置を用いて、好ましくはバルブを用いて、運搬手段の領域において閉鎖されてもよい。したがって、反応の過程で反応器内において形成される圧力を維持することができ、圧縮水素は反応器から後ほど取り出され得る。加えて、本発明による装置で、最初に、特定量の水または水蒸気が反応器内に導入されてもよく、その後反応器を閉鎖してもよい。熱の供給によって、反応器チャンバ内の圧力は適宜上昇する。対照的に、水素を生成するための従来技術から公知の方法の場合、対応する反応器内の圧力は、高圧の水蒸気を好適な接触塊と接触させることで生み出される。換言すれば、そのようなシステムにおいては、圧力は、圧力を用いて水蒸気を導入することによって蓄積される（例えば、ＧＢ９０２３３８を参照）。したがって、水素生成におけるさらなる技術的手段が必要である。
【００１５】
所望の圧力に達した場合、例えば排出ラインのバルブが開放され、それによって水素を規定の圧力下で排出することができる。したがって、反応器内で所望の圧力が蓄積されれば、流量を制御または調節するための装置（例えば、バルブ）を備え付けられたラインを用いて、圧縮水素を反応器から直接排出することができる。排出と同じ時間に、運搬手段を用いて反応器内に水を導入することで、圧縮水素を連続的に排出することができる。圧縮水素の排出量は、排出開口部における流量を制御または調節するための装置によって決定することができる。このように、反応器内の圧力も制御または調節される。
【００１６】
含金属接触塊の金属は、所与の温度の下で、水素、一酸化炭素、またはガス状炭化水素によって少なくとも部分的に還元され、かつまた水蒸気によって少なくとも部分的に酸化され、水素を形成し得る金属である。そのような金属は当業者に十分公知であり、鉄、タングステン、モリブデン、およびゲルマニウムが特に好適である。
【００１７】
本明細書で使用する場合、「少なくとも部分的に還元された」および「少なくとも部分的に酸化された」という用語は、それぞれ、金属または金属酸化物が、完全に、あるいは部分的にのみ、酸化および還元されたことを意味する。部分的還元の例は、例えば、Ｆｅ３Ｏ４からＦｅＯへの還元である。
【００１８】
本発明の好ましい実施形態によれば、反応器チャンバ内の圧力は、運搬手段と、反応器チャンバ内に導き入れられ、反応器チャンバから導き出されるラインにおける流量を制御するための１つ以上の装置とによって制御される。
【００１９】
反応器チャンバ内の圧力は、含水媒体を反応器に導入する運搬手段によって制御または調節されることが好ましい。対応する抵抗圧を反応器内で生み出して、それにより反応器内の圧力を周囲圧力よりも上昇させ得るように、反応器チャンバ内に導き入れられ、反応器チャンバから導き出されるラインにおける流量を制御または調節するための装置が、該ラインに配設される。流量を制御するための装置は、バルブであることが好ましい。ストップバルブ、流れ制御バルブ、チェックバルブ、圧力バルブ、および／または方向バルブが特に好ましい。
【００２０】
本発明のさらなる好ましい実施形態によれば、蒸発した水を接触塊の金属と反応させて水素を形成するとき、および金属（複数可）を反応させて金属酸化物を形成するときの圧力は、少なくとも２バールであり、好ましくは少なくとも３バールであり、好ましくは少なくとも４バールであり、好ましくは少なくとも５バールであり、さらにより好ましくは少なくとも６バールであり、さらにより好ましくは少なくとも７バールであり、さらにより好ましくは少なくとも８バールであり、さらにより好ましくは少なくとも９バールであり、特に少なくとも１０、１５、２０、２５、３０、４０、５０、６０、７０、８０、９０、１００、１５０、２００、２５０、または３００バールである。反応中の圧力は、使用される反応器、ライン、および流量を制御するための装置への接続部の耐圧強度に応じて、最大４００、３５０、３００、２５０、２００、１５０、１００、９０、８０、７０、６０、または５０バールであるか、またはそこまで上昇することが好ましい。加えて、反応中の圧力は、２〜４００バール、２〜３５０バール、２〜３００バール、２〜２５０バール、２〜２００バール、２〜１５０バール、２〜１００バール、２〜８０バール、２〜６０バール、５〜４００バール、５〜４００バール、５〜４００バール、５〜３５０バール、５〜３００バール、５〜２５０バール、５〜２００バール、５〜１５０バール、５〜１００バール、５〜８０バール、または５〜６０バールであることが好ましい。２〜２５０バール、さらにより好ましくは５〜２００バールの圧力範囲が特に好ましい。
【００２１】
含金属接触塊は、金属スポンジ、ペレット、粉末、顆粒、またはそれらの組み合わせの形態を有することが好ましい。この種の接触塊を生成するための方法は、当業者に十分公知である。含水媒体の水または水蒸気と接触させられる含金属接触塊は、原則的に、任意の形態を有してもよい。機械的に安定であり、かつ水と反応して水素を形成するために十分に広い表面を有する接触塊が、特に好ましい。
【００２２】
本発明の好ましい実施形態によれば、含金属接触塊は、鉄、酸化鉄、モリブデン、酸化モリブデン、タングステン、酸化タングステン、ゲルマニウム、酸化ゲルマニウム、およびそれらの組み合わせからなる群から選択される、金属および／または金属酸化物を含む。含金属接触塊において鉄または酸化鉄を使用することが特に好ましい。
【００２３】
本発明に従って使用される含金属接触塊は、上述の金属または金属酸化物を、任意の量および任意の比率で含み得る。
【００２４】
本発明の好ましい実施形態によれば、接触塊は、接触塊の安定性および反応性を増加させるために、金属酸化物を追加的に含む。好適な追加的な金属酸化物は、ＣｏＯ、ＧｅＯ２、ＣｕＯ、ＮｉＯ２、ＰｔＯ２、Ｎａ２Ｏ、Ｉｎ２Ｏ３、Ｌｉ２Ｏ、ＷＯ３、Ａｇ２Ｏ、ＺｎＯ、ＲｕＯ、ＮｉＯ、Ｆｅ２Ｏ３、ＲｕＯ２、Ｇａ２Ｏ３、ＰｔＯ、Ｎｂ２Ｏ５、ＭｎＯ２、Ｉｎ２Ｏ３、ＰｄＯ、Ｋ２Ｏ、ＳｎＯ２、ＴｉＯ２、Ｃｒ２Ｏ３、ＨｆＯ、ＺｒＯ２、ＶＯ２、ＣｅＯ２、Ｙ２Ｏ３、ＣａＯ、ＭｏＯ２、ＳｉＯ２、Ｌａ２Ｏ３、ＭｇＯ、ＳＣ２Ｏ３、ＳｒＯ、Ａｌ２Ｏ３、およびそれらの組み合わせからなる群から選択されることが好ましい。含金属接触塊中の活性金属（鉄、モリブデン、タングステン、およびゲルマニウムなど）の割合は、非反応性添加剤または金属酸化物（Ａｌ２Ｏ３およびＺｒＯ２など）の割合よりも高いことが好ましい。したがって、含金属接触塊は、少なくとも６０％、好ましくは少なくとも７０％、好ましくは少なくとも８０％、好ましくは少なくとも９０％、好ましくは少なくとも９５％、さらにより好ましくは少なくとも９９％の活性金属を含む。この文脈において、「活性」は、材料／金属が、所与の温度の下で、水素、一酸化炭素、またはガス状炭化水素によって少なくとも部分的に還元され得、かつまた水蒸気によって少なくとも部分的に酸化され、水素を形成し得ることを意味する。
【００２５】
本発明によれば、反応器チャンバは、互いから分離されかつ互いにガス導通様式で接続される少なくとも２つの領域を有し、このうち少なくとも１つの領域が、含金属接触塊を備え、少なくとも１つの追加的な領域が、少なくとも１つの不活性材料を備える。
【００２６】
反応器チャンバに突出しているラインは、不活性材料を備える領域に突出していることが好ましく、圧縮水素は、不活性材料を備える領域を介して反応器チャンバから排出される。このようにすることで、反応器チャンバから回収される水素の含有する不純物を、従来型の様式で生成された水素の場合と比較してより少なくできる。
【００２７】
本発明による装置の反応器チャンバ内に配設される接触塊は、本方法全体の間、および水素生成後の該接触塊の還元中、本発明による反応器内に留まる。これは、接触塊を再生反応器に移す必要が無く、それ故に動かす必要が無いという利点を有する。したがって、接触塊を備える反応器チャンバの領域は、固定床反応器と見なされる。したがって、接触塊の酸化および還元の両方が同じ反応器チャンバ内で行われるという事実は、ＧＢ９０２３３８に記載されている従来型装置と比較して利点を有する。
【００２８】
水素は、本発明による方法で、水蒸気または水から回収される。反応器から排出された圧縮水素を水蒸気分離機に供給することによって、生成した圧縮水素から過剰な水を分離することが好ましい。この方法ステップにより、反応器を出る水素／水混合物のうち、好ましくは少なくとも１０％、さらにより好ましくは少なくとも２０％、さらにより好ましくは少なくとも３０％、さらにより好ましくは少なくとも４０％、さらにより好ましくは少なくとも５０％、さらにより好ましくは少なくとも６０％、さらにより好ましくは少なくとも７０％、さらにより好ましくは少なくとも８０％、さらにより好ましくは少なくとも９０％、さらにより好ましくは少なくとも９５％、および特に１００％の水が取り除かれる。水蒸気分離は、本発明の好ましい実施形態による凝縮器に基づく。
【００２９】
本発明による方法は、水を金属の存在下で反応させて水素を形成し、金属を反応させて金属酸化物を形成する、第１のステップを含む。第１のステップに由来する金属酸化物を金属へと還元するため、したがって含金属接触塊を「再生」するためには、さらなる方法ステップが行われることが好ましい。第１のステップにおいて生成された金属酸化物は、結果として再生または還元される。「再生」ステップは、本発明による装置の反応器チャンバ内で本発明に従って行われるため、再生される接触塊を反応器から取り出す必要はない。対照的に、例えばＧＢ９０２３３８に記載されるような従来型の方法の場合、接触塊は、反応器から取り出され、再生され、その後反応器チャンバ内に再導入される。したがって、接触塊のこの種の再生のためには、別個の反応器が必要とされる。
【００３０】
本発明のさらなる好ましい実施形態によれば、本発明による方法は、蒸発した水を接触塊の金属と反応させて水素を形成し、金属を反応させて金属酸化物を形成する第１のステップからは独立しており、第１のステップに由来する含金属接触塊の金属酸化物を、一酸化炭素、および／または水素、および／またはメタン、および／または長鎖炭化水素を含むガス混合物で少なくとも部分的に金属へと還元する第２のステップを含む。この種のガス混合物は、例えば、下に記載されるように、ディーゼルなどの石油留分から合成ガスを生成する間に生成される。本明細書で使用する場合、「長鎖炭化水素」という用語は、２個以上の炭素原子を有し、好ましくは２、３、４、または５個を上回る炭素原子の鎖長を有する炭化水素を含む。好適なガス混合物はまた、炭化水素のアルコール（例えば、メタノールまたはエタノール）を含んでもよい。
【００３１】
酸化反応は、同じ反応器内で、還元反応と交互に行うことができる。したがって、圧縮水素を生成するプロセスは、本発明による方法が少なくとも２つの反応器において互い違いの様式で実行される場合、連続的に行うことができる。これらの反応器の各々において、還元ステップおよび酸化ステップが交互に行われる。各反応ステップの後には、他方の反応ステップが実行される。
【００３２】
本発明の好ましい実施形態によれば、一酸化炭素および水素を含むガス混合物は、好ましくは反応器チャンバ内に配置され、かつ触媒および／または非触媒性固体を備える合成ガス領域においてガス化可能な含炭素出発材料から生成され、少なくとも部分的に酸化された含金属接触塊を備える領域に導かれる。
【００３３】
本発明によれば、金属接触塊の酸化された金属または金属酸化物を少なくとも部分的に還元するために、一酸化炭素、および／または水素、および／またはメタン、および／または長鎖炭化水素を含むガス混合物のための任意のソースを使用することができる。しかしながら、一酸化炭素および水素を含むガス混合物または合成ガスは、反応器自体の内部で直接生成される場合が特に好ましい。したがって、ガス化可能な含炭素出発材料を反応器内に直接導入してもよく、これにより、追加的な合成ガス反応器を設置しなくてもよい。
【００３４】
合成ガスの生成にとって公知のすべての物質および物質の混合物が、「ガス化可能な含炭素出発材料」として使用することができ、これらは固体、液体、またはガス状であり得る。固体のガス化可能出発材料は、例えば、炭素、または木材もしくは麦わらなどのバイオマスであってもよい。合成ガス用の液体出発材料としては、原油留分（低沸点および／または高沸点を有する留分）だけでなく、アルコール（例えば、メタノール、エタノール、またはプロパノール）を使用することができる。ガス状出発材料としては、とりわけ、メタン、バイオガス、天然ガス、および／または液体ガスが挙げられる。必要に応じて、酸化剤（例えば、空気、および／または酸素、および／または水蒸気、および／または二酸化炭素）が出発材料にさらに添加される。
【００３５】
本発明による反応器内の合成ガス領域は、金属、金属酸化物、およびそれらの組み合わせ、特にニッケル、コバルト、ルテニウム、白金、パラジウム、金、鉄、ＭｇＯ、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＣｕＯ、またはＣｅＯ２からなる群から好ましくは選択される触媒を備えることが好ましい。無論、合成ガスの生成において通常使用される、任意の種類および形態の触媒を、本発明による方法において使用することができる。
【００３６】
本発明による方法において、合成ガス領域で非触媒性固体が使用される場合、該固体は、酸化ニッケル、酸化鉄、酸化銅、酸化タングステン、およびそれらの組み合わせからなる群から選択されることが好ましい。非触媒性固体は、水蒸気と反応して金属酸化物および水素を形成し得る必要はない。したがって、例えばニッケルおよび銅もまた可能である。非触媒性固体は、その酸化物を再度形成するように、空気によって酸化されることになる（例えば、含金属接触塊を備える反応器領域内での鉄の水蒸気酸化に類似する再生ステップ）。
【００３７】
本発明による方法のエネルギー効率性を改善するために、第２のステップ、すなわち「還元ステップ」（含金属接触塊の酸化された金属の還元）において生成されたガス混合物（「廃ガス」）を反応器から排出し、該ガス混合物を反応器の温度および／または反応器内に導入される含炭素出発材料の温度を制御するために使用することが特に好ましい。ここで、反応器から排出されたガス混合物の廃熱を使用することが可能であり、あるいはガス混合物（「廃ガス」）自体が熱回収のために燃焼される。
【００３８】
本発明の特に好ましい実施形態によれば、一酸化炭素および水素を含むガス混合物は、含炭素出発材料の部分酸化のために反応器チャンバ内に配設され、部分酸化のための触媒を任意に備える領域において、含炭素出発材料から生成され、少なくとも部分的に酸化された含金属接触塊を備える領域に導かれる。
【００３９】
部分酸化のための触媒は、金属、金属酸化物、およびそれらの組み合わせ、特にニッケル、コバルト、ルテニウム、白金、パラジウム、金、鉄、ＭｇＯ、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＣｕＯ、またはＣｅＯ２からなる群から選択されることが好ましい。
【００４０】
部分酸化の場合、準化学量論的な燃料空気混合物が触媒の存在下で部分的に燃焼され、水素に富む合成ガスが生成される。元素炭素の形成を低減または抑制するために、部分酸化中、水および／または水蒸気が混和される。
【００４１】
本発明の好ましい実施形態によれば、部分酸化は、反応器チャンバ内の少なくとも１つの反応領域、好ましくはラインにおいて実行され、少なくとも１つの反応領域は、含金属接触塊を加熱するために、部分酸化中に生成される熱を活用するように、含金属接触塊を備える領域へと導かれる。この手法の結果として、含金属接触塊を還元するために必要とされる熱が、絶縁および耐圧強化された反応器の外殻において導入される必要が無く、反応器の内部で導入されるため、本発明による方法のエネルギー効率性は著しく改善される。部分酸化のためのいくつかの反応領域、このましくはいくつかのラインが、含金属接触塊を貫通する場合が特に有利である。
【００４２】
本発明の好ましい実施形態によれば、合成ガス領域または含炭素出発材料の部分酸化のための領域は、ガス透過性不活性領域によって含金属接触塊から分離される。したがって、本発明による方法において、合成ガス領域または部分酸化の領域において形成されたガスまたはガス混合物は、好ましくは、まず反応器チャンバ内の不活性領域に導かれ、その後含金属接触塊に導かれる。このガス誘導は、合成ガスの生成中または部分酸化中に形成された任意の固体炭素あるいはまた他の不純物（例えば、硫黄化合物）が、含金属接触塊の領域内に通されず、これによって水素生成の効率性はいかなる不純物によっても実質的に損なわれず、水素の純度が上昇し得るという利点を有する。
【００４３】
本発明のさらなる好ましい実施形態によれば、圧縮水素は、合成ガス領域または含炭素出発材料の部分酸化のための領域の間の不活性領域より、反応器チャンバから排出される。前述の不活性領域より、反応器チャンバからの圧縮水素を排出する結果として、純度の高い圧縮水素を生成することが可能となる。
【００４４】
本発明の好ましい実施形態によれば、本発明による装置の含金属接触塊は、金属スポンジ、ペレット、粉末、顆粒、またはそれらの組み合わせの形態を有する。
【００４５】
本発明のさらなる好ましい実施形態によれば、含金属接触塊は、鉄、酸化鉄、モリブデン、酸化モリブデン、タングステン、酸化タングステン、ゲルマニウム、酸化ゲルマニウム、およびそれらの組み合わせからなる群から選択される、金属および／または金属酸化物を含む。
【００４６】
接触塊の安定性および反応性を上昇させるために、接触塊は、追加的な金属酸化物を含むことが好ましい。
【００４７】
本発明の好ましい実施形態によれば、追加的な金属酸化物は、ＣｏＯ、ＧｅＯ２、ＣｕＯ、ＮｉＯ２、ＰｔＯ２、Ｎａ２Ｏ、Ｉｎ２Ｏ３、Ｌｉ２Ｏ、ＷＯ３、Ａｇ２Ｏ、ＺｎＯ、ＲｕＯ、ＮｉＯ、Ｆｅ２Ｏ３、ＲｕＯ２、Ｇａ２Ｏ３、ＰｔＯ、Ｎｂ２Ｏ５、ＭｎＯ２、Ｉｎ２Ｏ３、ＰｄＯ、Ｋ２Ｏ、ＳｎＯ２、ＴｉＯ２、Ｃｒ２Ｏ３、ＨｆＯ、ＺｒＯ２、ＶＯ２、ＣｅＯ２、Ｙ２Ｏ３、ＣａＯ、ＭｏＯ２、ＳｉＯ２、Ｌａ２Ｏ３、ＭｇＯ、ＳＣ２Ｏ３、ＳｒＯ、Ａｌ２Ｏ３、およびそれらの組み合わせからなる群から選択される。
【００４８】
本発明の特に好ましい実施形態によれば、反応器チャンバは、互いから分離されかつ互いにガス導通様式で接続される少なくとも２つの領域を有し、このうち少なくとも１つの領域が、含金属接触塊を備え、少なくとも１つの追加的な領域が、少なくとも１つの不活性材料を備える。
【００４９】
本発明の好ましい実施形態によれば、反応器チャンバに突出している排出ラインは、不活性材料を備える領域に対して直接開放している。
【００５０】
本発明による反応器は、供給ラインおよび排出ラインを有し、これらを用いることで、流体（ガス、および水などの液体）を反応器内に導入することができる。これらのラインは、不活性材料を備える領域に対して開放していることが好ましい。換言すれば、反応器内に導入され得る流体は、化学的に反応性の材料と直接接触させられることはない。
【００５１】
反応器チャンバに突出している排出ラインは、これを用いることで圧縮水素などの流体を反応器から排出することができるが、好ましくは、水蒸気分離機に接続される。水蒸気分離機は、純粋な水素を生成するために、圧縮水素中に含有される水を分離する働きをする。
【００５２】
本発明のさらなる好ましい実施形態によれば、少なくとも１つの合成ガス領域が、反応器チャンバ内に設置され、触媒および／または非触媒性固体を備える。金属接触塊を有する少なくとも１つの領域に加えて、少なくとも１つの合成ガス領域が反応器チャンバ内に追加的に設置されてもよい。これらの２つの領域は、互いから物理的に分離されてはいるが、互いにガス導通様式で接続されている。したがって、異なる化学反応が、反応器チャンバ内の対応する領域において別個に起こり得る。
【００５３】
合成ガス領域内の触媒は、金属、金属酸化物、およびそれらの組み合わせ、特にニッケル、コバルト、ルテニウム、白金、パラジウム、金、鉄、ＭｇＯ、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＣｕＯ、またはＣｅＯ２からなる群から選択されることが好ましい。
【００５４】
合成ガス領域の非触媒性固体は、酸化ニッケル、酸化鉄、酸化銅、酸化タングステン、およびそれらの組み合わせからなる群から選択されることが好ましい。
【００５５】
本発明のさらなる好ましい実施形態によれば、含炭素出発材料の部分酸化のための少なくとも１つの領域が、反応器チャンバ内に設置され、部分酸化のための触媒を備える。
【００５６】
本発明の好ましい実施形態によれば、部分酸化のための触媒は、金属、金属酸化物、およびそれらの組み合わせ、特にニッケル、コバルト、ルテニウム、白金、パラジウム、金、鉄、ＭｇＯ、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＣｕＯ、またはＣｅＯ２からなる群から選択される。
【００５７】
反応器チャンバは、ラインの形態である、部分酸化のためのいくつかの領域を有することが好ましく、ラインは、含金属接触塊を備える領域へと導かれる。部分酸化の場合、準化学量論的な燃料空気混合物が部分的に燃焼され、水素に富む合成ガスが生成される。部分酸化中に生成される熱は、含金属接触塊を加熱するために使用することができる。したがって、水素生成のエネルギー効率性を改善することができる。含金属接触塊内に、部分酸化を実行できる２本以上のライン（例えば、３本以上、４本以上、５本以上、６本以上、７本以上、９本以上、１１本以上、１６本以上、２１本以上、３１本以上）を提供することが特に好ましい。
【００５８】
本発明の好ましい実施形態によれば、合成ガス領域または部分酸化のための領域は、ガス透過性不活性領域によって含金属接触塊から分離される。
【００５９】
本発明のさらなる好ましい実施形態によれば、反応器チャンバに突出している少なくとも１つの排出ラインの開口部が、合成ガス領域または部分酸化のための領域と、接触塊の領域との間の不活性領域内に設置される。
【００６０】
不活性領域から水素を排出することで、合成ガス領域または部分酸化のための領域から直接水素を取り出す場合よりも、高い純度の水素を生成することが可能となる。したがって、排出ライン（複数可）の開口部（複数可）が不活性領域に配設される場合が特に好ましい。
なお、下記［１］から［２７］は、いずれも本発明の一形態又は一態様である。
［１］含金属接触塊（２）を有する反応器チャンバを伴う耐圧反応器（１）を備える、圧縮水素を生成するための装置であって、前記反応器（１）が、前記反応器チャンバに流体を供給するための少なくとも１つの供給ライン（３）と、前記反応器チャンバから流体を排出するための少なくとも１つの排出ライン（４）とを備え、前記少なくとも１つの排出ラインが、前記反応器チャンバ内の圧力を調整するために、好ましくはバルブを有する、流量を制御または調節するための装置（５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ）を備え付けられており、含水媒体を反応器チャンバに導入するための運搬手段が、少なくとも１つの供給ラインに備え付けられており、かつ少なくとも１つの排出ライン（４）が、前記反応器チャンバに突出しているか、または前記反応器チャンバに対して直接開放しており、ここを通って圧縮水素が前記反応器チャンバから排出され、前記反応器チャンバが、互いから分離されかつ互いにガス導通様式で接続される少なくとも２つの領域を有し、このうち少なくとも１つの領域が、前記含金属接触塊（２）を備え、少なくとも１つの追加的な領域が、少なくとも１つの不活性材料（７、１３）を備える、装置。
［２］前記含金属接触塊（２）が、金属スポンジ、ペレット、粉末、顆粒、またはそれらの組み合わせの形態を有することを特徴とする、［１］に記載の装置。
［３］前記含金属接触塊（２）が、鉄、酸化鉄、モリブデン、酸化モリブデン、タングステン、酸化タングステン、ゲルマニウム、酸化ゲルマニウム、およびそれらの組み合わせからなる群から選択される、金属および／または金属酸化物を含むことを特徴とする、［１］または［２］に記載の装置。
［４］前記接触塊（２）が、前記接触塊の安定性および反応性を増加させるために、追加的な金属酸化物を含むことを特徴とする、［１］〜［３］のいずれか一項に記載の装置。
［５］前記追加的な金属酸化物が、ＣｏＯ、ＧｅＯ２、ＣｕＯ、ＮｉＯ２、ＰｔＯ２、Ｎａ２Ｏ、Ｉｎ２Ｏ３、Ｌｉ２Ｏ、ＷＯ３、Ａｇ２Ｏ、ＺｎＯ、ＲｕＯ、ＮｉＯ、Ｆｅ２Ｏ３、ＲｕＯ２、Ｇａ２Ｏ３、ＰｔＯ、Ｎｂ２Ｏ５、ＭｎＯ２、Ｉｎ２Ｏ３、ＰｄＯ、Ｋ２Ｏ、ＳｎＯ２、ＴｉＯ２、Ｃｒ２Ｏ３、ＨｆＯ、ＺｒＯ２、ＶＯ２、ＣｅＯ２、Ｙ２Ｏ３、ＣａＯ、ＭｏＯ２、ＳｉＯ２、Ｌａ２Ｏ３、ＭｇＯ、ＳＣ２Ｏ３、ＳｒＯ、Ａｌ２Ｏ３、およびそれらの組み合わせからなる群から選択されることを特徴とする、［４］に記載の装置。
［６］前記反応器チャンバに突出している前記排出ライン（４）が、前記不活性材料（１３）を備える前記領域に対して開放していることを特徴とする、［１］〜［５］のいずれか一項に記載の装置。
［７］前記反応器チャンバに突出しているか、または前記反応器チャンバに対して開放している前記排出ライン（４）が、水蒸気分離機に接続されることを特徴とする、［１］〜［６］のいずれか一項に記載の装置。
［８］少なくとも１つの合成ガス領域（８）が、前記反応器チャンバ内に設置され、触媒および／または非触媒性固体を備えることを特徴とする、［１］〜［７］のいずれか一項に記載の装置。
［９］前記触媒が、金属、金属酸化物、およびそれらの組み合わせ、特にニッケル、コバルト、ルテニウム、白金、パラジウム、金、鉄、ＭｇＯ、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＣｕＯ、またはＣｅＯ２からなる群から選択されることを特徴とする、［８に記載の装置。
［１０］前記非触媒性固体が、酸化ニッケル、酸化鉄、酸化銅、酸化タングステン、およびそれらの組み合わせからなる群から選択されることを特徴とする、［８］または［９］に記載の装置。
［１１］含炭素出発材料の部分酸化のための少なくとも１つの領域（９）が、前記反応器チャンバ内に設置され、前記部分酸化のための触媒を備えることを特徴とする、［１］〜［１０］のいずれか一項に記載の装置。
［１２］前記部分酸化のための前記触媒が、金属、金属酸化物、およびそれらの組み合わせ、特にニッケル、コバルト、ルテニウム、白金、パラジウム、金、鉄、ＭｇＯ、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＣｕＯ、またはＣｅＯ２からなる群から選択されることを特徴とする、［１１］に記載の装置。
［１３］前記反応器チャンバが、ラインの形態である、部分酸化のための１つ以上の領域（９）を有し、前記ラインが、前記含金属接触塊（２）を備える前記領域へと導かれることを特徴とする、［１１］または［１２］に記載の装置。
［１４］前記合成ガス領域（８）または部分酸化のための前記領域（９）が、ガス透過性不活性領域（７、１３）によって前記含金属接触塊（２）から分離されることを特徴とする、［１］〜［１３］のいずれか一項に記載の装置。
［１５］前記反応器チャンバに突出している前記少なくとも１つの排出ライン（４）の開口部（１０）が、前記合成ガス領域（８）または部分酸化のための前記領域（９）と、前記接触塊（２）の前記領域との間の前記不活性領域（７、１３）内に設置されることを特徴とする、［１４］に記載の装置。
［１６］［１］〜［１５］のいずれか一項に記載の装置において圧縮水素を生成するための方法であって、前記方法が、［１］〜［１５］のいずれか一項に記載の装置の耐圧性反応器の反応器チャンバに、運搬手段、好ましくはポンプを用いることで含水媒体を導入するステップを含み、前記含水媒体が前記反応器チャンバの前または内部で蒸発し、それによって前記反応器チャンバ内の圧力が周囲圧力よりも上昇し、前記蒸発した水が前記接触塊の前記金属と反応して水素を形成し、前記金属が反応して金属酸化物を形成し、前記圧縮水素が、前記反応器チャンバに突出しているか、または前記反応器チャンバに対して直接開放しているラインを用いることで前記反応器チャンバから排出され、前記反応器チャンバ内の圧力が、前記排出ラインに備え付けられた、流量を制御または調節するための装置を用いて、好ましくはバルブを用いて制御または調節される、方法。
［１７］前記反応器チャンバ内の圧力が、前記運搬手段と、前記反応器チャンバ内に導き入れられ、前記反応器チャンバから導き出されるラインにおける流量を制御するための１つ以上の装置とによって制御されることを特徴とする、［１６］に記載の方法。
［１８］蒸発した水を前記接触塊の前記金属と反応させて水素を形成するとき、および前記金属を反応させて金属酸化物を形成するときの圧力が、少なくとも２バールであり、好ましくは少なくとも４バールであり、さらにより好ましくは少なくとも６バールであり、特に少なくとも１０バールであることを特徴とする、［１６］または［１７］に記載の方法。
［１９］前記反応器チャンバに突出している前記ラインが、前記不活性材料を備える前記領域に突出し、前記圧縮水素が、前記不活性材料を備える前記領域を介して前記反応器チャンバから排出されることを特徴とする、［１６］〜［１８］のいずれか一項に記載の方法。
［２０］前記反応器から排出された前記水素が、前記圧縮水素から水を分離するために、水蒸気分離機に供給されることを特徴とする、［１６］〜［１９］のいずれか一項に記載の方法。
［２１］蒸発した水を前記接触塊の前記金属と反応させて水素を形成し、前記金属を反応させて金属酸化物を形成する前記第１のステップからは独立しており、前記第１のステップに由来する前記含金属接触塊の前記金属酸化物を、一酸化炭素、および／または水素、および／またはメタン、および／または長鎖炭化水素を含むガス混合物で少なくとも部分的に金属へと還元する第２のステップを含む、［１６］〜［２０］のいずれか一項に記載の方法。
［２２］一酸化炭素および水素を含む前記ガス混合物が、好ましくは前記反応器チャンバ内に配置され、かつ触媒および／または非触媒性固体を備える合成ガス領域においてガス化可能な含炭素出発材料から生成され、前記少なくとも部分的に酸化された含金属接触塊を備える前記領域に導かれることを特徴とする、［２１］に記載の方法。
［２３］還元の前記第２のステップ中に形成された前記ガス混合物を、前記反応器から排出し、前記反応器の温度および／または前記反応器に導入される前記含炭素出発材料の温度を制御するために使用することを特徴とする、［２１］または［２２］に記載の方法。
［２４］一酸化炭素および水素を含む前記ガス混合物が、含炭素出発材料の部分酸化のために前記反応器チャンバ内に配設され、前記部分酸化のための触媒を任意に備える領域において、含炭素出発材料から生成され、前記少なくとも部分的に酸化された含金属接触塊を備える前記領域に導かれることを特徴とする、［２１］に記載の方法。
［２５］炭素が形成される可能性を低減または抑制するために、前記部分酸化中に水および／または水蒸気を混和させることを特徴とする、［２４］に記載の方法。
［２６］前記部分酸化が、前記反応器チャンバ内の少なくとも１つの反応領域、好ましくはラインにおいて実行され、前記少なくとも１つの反応領域が、前記含金属接触塊を加熱するために、前記部分酸化中に生成される熱を活用するように、前記含金属接触塊を備える前記領域へと導かれることを特徴とする、［２４］または［２５］に記載の方法。
［２７］前記圧縮水素が、前記合成ガス領域または含炭素出発材料の部分酸化のための前記領域の間の前記不活性領域より、前記反応器チャンバから排出されることを特徴とする、［１６］〜［２６］のいずれか一項に記載の方法。
【００６１】
本発明は、以下の図面を参照してより詳細に提示されるが、それらに限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明による反応器の断面図である。
【図２】本発明による反応器の断面図である。
【図３】本発明による反応器の断面図である。
【図４】反応器の外観図である。
【図５】本発明による反応器および方法の概略図である。
【図６】本発明による反応器および方法の概略図である。
【００６３】
図１は、本発明による反応器１を示しており、その内側には、含金属接触塊２が設置されている。含金属接触塊２は、金属形態と酸化形態との間で可逆的に酸化および還元され得る材料を実質的に含む。反応器１は供給ライン３を有し、これを用いることで、水または水蒸気が、反応器１の端部の不活性領域７に運ばれ得る。反応管１１内の反応器チャンバの不活性領域および反応性領域は、供給ラインを用いて供給された水または水蒸気が含金属接触塊２に到達できるように、互いにガス導通様式で接続されている。
【００６４】
合成ガス領域８が、図１に図示される反応器内に設置されている。この領域は、ガス化可能な含炭素出発材料からガス混合物を提供するように働き、このガス混合物は、好適な条件の下で（例えば、３００℃〜１２００℃の温度において）、金属接触塊中に提供される金属酸化物を少なくとも部分的に金属へと還元できる。ガス化可能な含炭素出発材料は、反応器の管底１２において直接反応器チャンバ内に（合成ガス領域内へ、または該合成ガス領域の上流にある不活性領域７へ）導入することができる。不活性領域１３が、合成ガス領域８と含金属接触塊２との間に提供される（これが、金属の存在下で水から水素を回収する領域である）。この追加的な不活性領域１３は、還元に由来して合成ガス領域内に依然として提供される、または酸化中に二次生成物として形成され得るいかなるガス状不純物も、酸化の結果として生成される水素に通さないという利点を有する。加えて、合成ガス領域８または合成ガス反応からの、あらゆる望ましくない不純物（例えば、固体炭素）も、含金属接触塊２に浸透する前に留置される。
【００６５】
本発明による反応器内で生成された圧縮水素は、排出ライン４を用いることで反応器から取り出されることが好ましく、この排出ラインは、含金属接触塊２とガス導通様式で接続されている不活性領域１３に対して開放している。不活性領域１３から水素を取り出すことは、不純物をほとんど含有しない水素／水混合物が結果として得られるため、有利である。
【００６６】
図２は、本発明による反応器１の断面図を示す。序文において言及したように、本発明による方法は、酸化ステップ、または酸化および還元ステップを含み得る。酸化ステップにおいては、金属、例えば鉄、または金属酸化物を、ある特定の温度で水と接触させ、それにより金属酸化物および水素が生成される。還元ステップにおいては、酸化ステップで形成された金属酸化物を金属または金属酸化物に還元し、ガス化可能な含炭素出発材料（例えば、水を伴うメタン）が使用される。方法ステップに応じて、ガスおよびガス混合物を反応器に導入するため、および反応器から取り出すための異なるラインが、図２に図示される装置において使用され得る。
【００６７】
酸化ステップ中、供給ライン３の開口部Ａを用いることで、不活性領域７を介して含金属接触塊２を有する領域に、直接的または間接的に水が導入され得る。酸化の過程で形成された水素、または生成された水素／水素混合物は、排出ライン４の開口部１０を介して反応器から取り出される。反応器または反応器チャンバ内における酸化中の圧力を上昇させるために、反応器への、および反応器からの、すべての供給ライン（供給ライン３以外）および排出ラインは、それらに配設された、流量を制御または調節するための装置、好ましくはバルブを用いることで閉鎖される。排出ライン４の開口部１０は、圧縮水素中に含有される水を除去することができる水分離器に、追加的に接続されてもよい。供給ライン３は、水を含有する媒体を運搬するための運搬手段と連結している。
【００６８】
還元ステップの過程においては、ガス化可能な含炭素出発材料（例えば、水を伴うメタン）が、供給ライン１４の開口部Ｂを通り、不活性領域７を介して、合成ガス領域８に導入される。あるいは、ガス化可能な含炭素出発材料は、合成ガス領域８に直接輸送されてもよい。反応器に配置される排出ライン１５は、含金属接触塊２の還元中に生成されるガス混合物（例えば、ＣＯ２、ＣＯ、Ｈ２Ｏ、およびＨ２を含む）を、開口部Ｃを介して反応器１から排出する。
【００６９】
図３は、これらの組み込まれる領域を有さない、本発明による反応器１を示す。
【００７０】
図４は、本発明による反応器１の外観を示す。酸化ステップおよび還元ステップ中に反応器から取り出され、反応器に導入される例示的な流体が、流れの方向と共に示されている。
【００７１】
図５は、本発明による反応器、ならびに供給ラインおよび排出ライン上に取り付けられた、流量を制御または調節するための装置、好ましくはバルブ（５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ）の位置（開放−白、閉鎖−黒）の２枚の画像を示している。還元反応中、供給ライン上のバルブは、ガス化可能な含炭素出発材料（例えば、メタン／水）を導入するために開放されている（５ａ）。その際、ガス化可能な含炭素出発材料は、反応器の合成ガス領域８、不活性領域１３、および含金属接触塊２を通って流れ、バルブ５ｂが開放される際に反応器を出るガス混合物は、導入されるべきガス化可能な含炭素出発材料を加熱するため、ならびにプロセス全体を加熱するために使用され得る。
【００７２】
酸化反応中、反応器内の圧力を上昇させるために、反応器に水を導入するための供給ライン上のバルブ５ｃ以外のすべての開口部が閉鎖される。反応器内の所定の圧力に到達したら、反応器から圧縮水素を取り出すために、バルブ５ｄが適宜解放される。
【００７３】
図６は、本発明による反応器１の代替実施形態を示しており、ここでは、部分酸化の領域９が、含金属接触塊２の領域に統合されている。部分酸化の領域９は、含金属接触塊２の領域内に配置される管またはライン内に配設されている。構造的観点からすると、図２のライン１４は、最も単純な場合、反応器端部の直前まで延在し、固体材料で充填されてもよい。この設置は、合成ガスが発熱反応を用いることで生成される場合、特に好都合である（例えば、触媒的部分酸化）。
【化１】
0006626505.tif 000002
【００７４】
この場合、合成ガスの生成中に生み出される熱は、吸熱還元に対してエネルギーを供給するために使用される。還元の廃ガスを、プロセス熱の回収のためにさらに使用してもよい。図５におけるバルブ５ｂを有するラインはこの場合は任意であるが、必要に応じて、再正反応および空気酸化のために使用することができる。
【００７５】
図６による装置はまた、不活性領域（７）を有し得る。
【００７６】
本発明による方法は、本発明による装置で実行されることが好ましいが、水を金属と反応させて水素および金属酸化物を形成する、少なくとも１つの酸化ステップを含む。金属酸化物を少なくとも部分的に金属へと還元し、そうすることで含金属接触塊を次の酸化サイクルのために再生するために、接触塊は、以下の一般的実施例において提示されるように、少なくとも部分的に還元される。
【００７７】
還元：
炭化水素（例えば、メタン）を水蒸気と混合し、次いで不活性材料を備える領域を介して反応器に導き、ガス混合物を反応器内で反応温度にする。次いで、この混合物は、合成ガス領域に到達する。触媒または非触媒性固体（金属酸化物ＭｗＯｚ、式中、Ｍは金属を表し、ｗおよびｚは整数である）のいずれかが、合成ガスを製造するためにこの領域内に配設されている。触媒を使用する場合、以下の一般反応（１）が起こる（ｘおよびｙは整数である）。
【化２】
0006626505.tif 000003
【００７８】
非触媒性固体を使用する場合、合成ガスは反応（２）を介して生成され得る。
【化３】
0006626505.tif 000004
【００７９】
両方の場合において、固体炭素（Ｃｓ）が、二次反応（３および４）の結果として形成され得る。
【化４】
0006626505.tif 000005
【化５】
0006626505.tif 000006
【００８０】
硫黄化合物などの他の不純物もまたここで収集されるか、または必要であれば、不活性領域または反応器の外において既に収集されている。この場合、第１の不活性領域は、フィルタまたは吸収器／吸着器の機能を有する。
【００８１】
合成ガスは、第２の不活性領域を介して導かれる。必要な場合、ここで追加的に、フィルタまたは吸収材／吸着材を使用することもできる。次いで、合成ガスは、含金属接触塊に到達する。そこで、金属酸化物（ここでは例として酸化鉄）の還元が起こる（５および６）。
【化６】
0006626505.tif 000007
【化７】
0006626505.tif 000008
【００８２】
酸化：
水を反応器に向流で導き、そこで蒸発させる。水蒸気は鉄と反応し、水素を生成する（７および８）。
【化８】
0006626505.tif 000009
【化９】
0006626505.tif 000010
【００８３】
水素は、含金属接触塊と合成ガス領域との間の不活性領域に対して開放している、第２のライン（例えば、管）を通して導き出される。水素はこのラインを介して導かれるため、合成ガス領域内に存在する不純物と反応をおこし得ず、生成された水素の汚染も存在しない。存在する水蒸気／水素混合物は凝縮器へと導かれ、ここで水蒸気が凝縮する。凝縮器出口におけるガスの流れを制限する閉鎖命令によって、任意の水素圧を設定することができる。
【００８４】
再生：
水蒸気または生成された水素のごく一部との反応によって、合成ガス領域の汚染物質を除去することができ、これによりこの領域は再生される。加えて、汚染物質を除去するため、または金属酸化物を再度形成するために、この領域はその後必要に応じて空気で酸化されてもよく、金属酸化物は次のサイクルで反応２を介して再度反応する。
【００８５】
このステップを実行可能であることは反応器設計の利点であるが、再生ステップがすべての場合において絶対に必要なわけではない。
【００８６】
空気酸化の場合、以下の反応が、接触塊のさらなる酸化に加えて起こる。
【化１０】
0006626505.tif 000011
【００８７】
次いで、次の還元サイクルが、以下で始まる。
【化１１】
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【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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