JP4051668B2

JP4051668B2 - 水素製造装置

Info

Publication number: JP4051668B2
Application number: JP2002212330A
Authority: JP
Inventors: 実鈴木; 克博岩崎; 剛中山; 淳轟
Original assignee: JFE Engineering Corp
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 2002-05-24
Filing date: 2002-07-22
Publication date: 2008-02-27
Anticipated expiration: 2022-07-22
Also published as: JP2004043268A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭化水素若しくは炭素を含有する反応性粒子と水蒸気との混合体を加熱して高温にすることにより上記反応性粒子と上記水蒸気を反応させて水素ガスを生成させる水素製造装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
炭化水素若しくは炭素を含有する反応性粒子を収容する反応室内に水蒸気を供給し、反応室内を高温化して反応性粒子と水蒸気とを反応させて水素含有ガスを生成する水素製造装置は公知である。
【０００３】
一方、所定の反応性物質を収容せる反応室たる管体内のガスを衝撃波で急激圧縮して高温として反応性物質とガスとを反応させて所望のガスを生成する装置が、米国特許第２８３２６６６号に開示されている。この公知の装置は、反応器として回転軸に平行な複数の管体を有しており、一つの管体へ一端側から原料たる反応性物質が供給され、上記回転軸まわりに回転して上記管体が所定位置にくるとそこで管体内に反応性の高圧ガスが瞬間的に供給されて衝撃波を生じ、この衝撃波によってガスを急激圧縮して昇温化せしめて反応性物質を反応させ、所望のガスが生成される。他の管体には、その間に、次のガス生成のために反応性物質が供給される。
【０００４】
かかる装置には、複数の管体のそれぞれに、両端で回転軸の回転位置に対応して所定のプロセスを行なうように開閉弁を備え、又その開閉のための制御装置を有している。さらには、複数の管が回転軸周りに回転することを許容しつつ、反応性の高圧ガスや反応性物質の供給、生成ガスの取出そして排気を各管と次々に行なうための機構をも有する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の公知装置にあっては、多くの管体及びそれぞれ開閉弁を必要とすること、これらを回転させる装置を必要とすること、回転位置に合わせて開閉動作を行なわなくてはならないこと、さらには、管体の回転を許容しつつ原料や高圧ガスの供給そして生成ガスの取出や排気を行なわなくてはならないこと、に起因して、機構が複雑化、大型化し、ひいては装置そして生成ガスのコストアップにつながる。又、水素ガスを生成するには、どのような装置を構成すればよいのか明らかでない。
【０００６】
本発明は、かかる事情に鑑み、構成が簡単で小型化を可能とし、可動部の少ない装置で衝撃波を発生して、水素を製造する水素製造装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る水素製造装置は、炭化水素若しくは炭素を含有する反応性粒子と水蒸気との混合体を加熱して高温にすることにより上記反応性粒子と上記水蒸気を反応させて水素ガスを生成させる装置である。本発明の水素製造装置は、シリンダ内に可動なピストンを備えて該ピストンによりシリンダ内の空間が加圧空間と背圧空間とに区分され、加圧空間にはピストンよりも小径の入口開口が該加圧空間内に位置し出口開口に向け漸次減小する内径を有する収束管がシリンダ外へ延出して反応性粒子及び水蒸気の混合体の衝撃圧縮のための圧縮室に接続されている。ピストンは背圧空間内で該ピストンとシリンダの内壁との間に設けられた弾性体により上記収束管の入口開口に向け付勢されている。シリンダは、加圧空間内側に高圧水蒸気供給源に接続されている高圧水蒸気供給管が設けられている。シリンダは、背圧空間側に上記弾性体の付勢力と相俟ってピストンに背圧を与えてピストンを収束管の入口開口に圧して閉状態にせしめるための背圧水蒸気供給管が間欠的に開となる開閉弁を介して接続されており、上記開閉弁の間欠開動作による背圧空間の減圧時に、弾性体の付勢力に抗してピストンが後退することにより該ピストンと上記収束管の入口開口との間に形成される流路を経て加圧空間内の高圧水蒸気が収束管内に流入し出口開口に向け衝撃波を発生し、該衝撃波を上記圧縮室内に伝播させて上記圧縮室内の混合体を衝撃圧縮して高温に加熱することにより該混合体中の反応性粒子と水蒸気を反応させて水素含有ガスを生成させるようになっている。
【０００８】
このような本発明装置では、加圧空間に高圧水蒸気を常時供給しておき、背圧空間の背圧水蒸気を間欠的にかつ瞬間的に減圧することにより、収束管内へ高圧水蒸気を瞬間的に供給して衝撃波が生成される。
【０００９】
本発明において、背圧水蒸気供給管には高圧水蒸気供給管へ供給する高圧水蒸気と同じ高圧水蒸気供給源から高圧水蒸気を背圧水蒸気として供給されるようにすることができる。背圧水蒸気として加圧用としての高圧水蒸気の一部を利用することにより、特別に他の水蒸気を背圧水蒸気として用意する必要がなくなり、設備は簡単となる。
【００１０】
弾性体は例えば、ばね部材を用いることができる。
【００１１】
本発明において、ピストンは、シリンダと摺接する環状摺動面に、シリンダ内壁面との間で水シールを行なう水を収容する環状溝が形成されていると共に軸方向で環状溝の両側にシール用のＯリングを有し、シリンダは上記環状溝へ水を注水する注水管が接続されており、上記環状溝がピストンの前進後退時に上記注水管の位置から外れないだけの軸方向の幅寸法を有しているようにすることができる。このような水シールを用いることにより、シール性、ピストンの潤滑性、冷却性が向上する。
【００１２】
さらに、本発明では、収束管は入口開口におけるピストンとの接面域に、ピストンとの間で水シールを行なう水を収容する環状溝が形成され、該環状溝にはシリンダ外から水の供給を受ける注入孔が連通しているようにすることができる。この場合、ピストンが収束管から離間する瞬時には、環状溝から水が漏れることがあり得るが、これは水素生成の原料として寄与するので、特に問題となることはない。
【００１３】
又、圧縮室は、例えば、該圧縮室内に反応性粒子を供給するための反応性粒子供給管と、該圧縮室内の水素ガスを取出すための生成ガス取出管と、水素ガス取出後の上記圧縮室内の気体を排出するための排出管とが、それぞれの開閉弁を介して接続されている。かかる場合には、反応性粒子供給管、生成ガス取出管、排出管、背圧ガス供給管のための各開閉弁は、カム機構により所定の順序及び開時間長で順次開閉することができる。又、反応性粒子供給管、生成ガス取出管、排出管、背圧ガス供給管のための各開閉弁は、予め設定された順序及び開時間長で順次開閉するように各開閉弁を駆動制御する制御回路によって開閉動作が駆動制御されるようになっていてもよい。
【００１４】
又、本発明では、収束管の入口開口はピストンの移動方向に延びる円筒状内面をなし、該ピストンは上記収束管の入口開口との係合時には上記収束管の入口開口との間を実質的にシールすると共にピストンの移動を許容するような若干の隙間を上記入口開口との間に形成する筒状部が設けられているようにすることができる。こうすることにより、ピストンの後退時において、ピストンが加速された後にピストンの筒状部と収束管の入口開口との間に高圧水蒸気の流路が形成される。よって、ピストンの慣性に起因してピストンの後退開始時における初速が小さい場合であっても、収束管への高圧水蒸気の流入が上記ピストンの加速後に瞬時になされるので衝撃波が発生する。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面にもとづき、本発明の実施形態を説明する。
【００１６】
図１において、軸線１を中心とする円筒形状のシリンダ２は密閉されており、内部にピストン３が上記軸線方向に摺動自在に配されており、シリンダ２内の空間を加圧空間Ｐと背圧空間Ｂとに区分している。
【００１７】
上記シリンダ１内には加圧空間Ｐに収束管４が取り付けられている。該収束管４は上記シリンダ２の一方の端壁２Ａを貫通してシリンダ２外へ延出している。この収束管４はシリンダ２内にある入口開口４Ａが大径となっており、上記シリンダ２外の部分４Ｂが出口開口に向け小径となっている。上記入口開口４Ａは次第にその内径が小さくなって上記部分４Ｂへ移行している。入口開口４Ａの部分はテーパ状となっている。
【００１８】
上記ピストン３は、本実施形態では、金属板をプレス加工して軽量に作られており、シリンダ２に対し瞬時移動するのに好都合な低質量となっている。このピストン３は、シリンダ２の内壁と摺接するスカート部３Ａと、上記加圧空間Ｐと背圧空間Ｂを区分する部分にテーパ部３Ｂとを有している。該テーパ部３Ｂは収束管４の入口開口４Ａのテーパ部分と密に接するように好適なテーパとなっている。さらに、上記ピストン３とシリンダ２の他方の端壁２Ｂとの間には、弾性体としてのコイルばね５が配設されていて、ピストン３に背圧を与え収束管４の入口開口４Ａに圧している。
【００１９】
さらに、シリンダ２には、上記加圧空間Ｐに通ずる高圧水蒸気供給管６が、背圧空間Ｂに通ずる背圧水蒸気供給管７そして排気管８がそれぞれ接続している。
【００２０】
かかる本実施形態の衝撃波発生装置は図２のごとく用いられる。上記シリンダ２に接続されている高圧水蒸気供給管６、背圧水蒸気供給管７そして排気管８には、それぞれ弁６Ａ，７Ａそして８Ａが設けられており、弁６Ａは通常、開放されており、弁７Ａ，８Ａはシーケンスに則り設定時に開となる。本例では、背圧水蒸気として、高圧水蒸気供給管６から供給される高圧水蒸気の一部を用いるようになっており、上記背圧水蒸気供給管７は高圧水蒸気供給管６から分岐して形成されている。
【００２１】
衝撃波発生装置の収束管４は、その出口側で、反応装置１０に接続されている。この反応装置１０は、特にその形態に限定はなく、衝撃波発生装置からの高圧水蒸気による衝撃波を受けて原料たる反応性粒子と共に上記高圧水蒸気が瞬時に圧縮されるに適した圧縮室を有していればよい。
【００２２】
上記圧縮室には、該圧縮室内への反応性粒子供給のための反応性粒子供給管１１、生成ガス取出管１２、排気管１３が接続されており、所定時に開閉する弁(図示せず)を備えている。
【００２３】
次に、衝撃波を用いて水蒸気と反応性粒子としての廃プラスチック粉とを反応させて、水素ガスを生成する例のもとに、本実施形態についての作動を説明する。
【００２４】
図２において、高圧水蒸気供給管６からは開状態の弁６Ａを経てシリンダ２の加圧空間Ｐ内に高圧水蒸気が供給されている。上記弁６Ａは、通常、開のままとなっている。又、開状態の弁７Ａを経て上記高圧水蒸気は背圧水蒸気供給管７Ａへも供給されている。
【００２５】
▲１▼ かかる状態で、シリンダ２の加圧空間Ｐそして背圧空間Ｂは上記高圧水蒸気で充満しており、ピストン３はコイルばね５の付勢力によって収束管４の入口開口４Ａに圧せられていて、この入口開口４Ａはピストン３によって閉じられている（図４（Ａ）参照）。
【００２６】
▲２▼ 次に、反応装置１０の圧縮室へ反応性粒子供給管１１から原料たる反応性粒子としての廃プラスチック粉を供給充填する（図３（１）参照）。
【００２７】
▲３▼ しかる後、弁８Ａを瞬間的に開放し背圧空間Ｂを減圧する（図３（２）参照）。したがって、図４（Ｂ）のごとく、加圧空間Ｐの圧力が背圧空間Ｂの圧力及びばねの付勢力に勝って、ピストン３は背圧に抗して後退し、収束管４の入口開口４Ａとの間に隙間が形成される。この隙間から高圧水蒸気が収束管４内に流入する（図４（Ｂ）参照）。この瞬時の高圧水蒸気の流入によって収束管４内では衝撃波が発生し、この衝撃波は収束管４の出口開口へ伝播され、反応装置１０の圧縮室内へ入った水蒸気を廃プラスチック粉と共に瞬時に圧縮して昇温せしめ、この瞬時に反応が行なわれ、水素ガスが生成される。
【００２８】
▲４▼ 水素ガスが、次の瞬間に生成ガス取出管１２から取り出される（図３（３）参照）と共に、背圧として高圧水蒸気が再び背圧空間Ｂへ供給され（図３（４）、図４（Ｃ）参照）、ピストン３は再び収束管４の入口開口４Ａを閉じる（図４（Ｄ）参照）。又、反応装置１０では、圧縮室内の水蒸気等の排ガスが排気管１３から排出される。
【００２９】
なお、図２の破線で示される管路９で加圧空間Ｐと弁７Ａとを接続しておくならば、背圧空間Ｂへの高圧水蒸気の供給の際に、加圧空間に残留しようとする高圧水蒸気が弁７Ａの開動作により背圧空間Ｂへ流出するので、加圧空間Ｐは常に新しい高圧水蒸気で充満されており、高温度を保持できる。
【００３０】
上述の実施形態では、反応性粒子供給管１１、生成ガス取出管１２、排気管１３のそれぞれに開閉弁を設け、これらの開閉弁と弁７Ａ，８Ａとをカム機構により、図３に示す動作となる順序及び開時間長で各弁が順次開閉するようにしてもよい。又、各弁が該順序及び開時間長で順次開閉するように各弁を駆動制御する制御回路によって各弁の開閉動作を制御するようにしてもよい。
【００３１】
次に、本発明におけるシールに関する改良案を他の実施形態として説明する。図５における実施形態では、ピストン３のスカート部３Ａの外周面には、環状溝２１が形成されていると共に、軸線１方向で該環状溝２１の両側にはＯリング溝２２が形成されていて該溝２２にＯリング２３が収められている。一方、シリンダ２には上記環状溝２１に連通する注水孔２４が形成され、上記環状溝２１、両Ｏリング２２そしてシリンダ２の内面により形成される閉空間に注水孔２４を経て水が外部から充満されて水シールを形成している。上記環状溝２１の幅、すなわち軸線１の方向の長さ寸法は、ピストン３が軸線１方向に往復動しても、上記環状溝２１の幅内から注水孔２３が外れないように設定されている。かくして、上記水シールは、ピストン３とシリンダ２との間のシール、そして両者間の潤滑、さらには、冷却の機能を併せて発揮する。
【００３２】
本実施形態では、ピストン３と収束管４との間にも水シールを形成している。
【００３３】
図５のように、収束管４とピストン３との接面領域たるテーパ部をなす収束管４の入口開口４Ａには、環状溝２５が形成されており、上記収束管４をシリンダ２と連結して支持する補強リブ２６内に形成された流路２７を通じて水が外部から上記環状溝２５内へ注入可能となっている。ピストン３が瞬間的に上記入口開口４Ａから離れるときには、環状溝２５から水が漏れるが、これは瞬時のことであり、次の瞬間にはピストン３が入口開口４Ａと接面してしまうので漏れの量は若干であって何の問題もない。
【００３４】
又、装置が水素製造装置に用いられる場合には、上記漏れの水は収束管へ供給される水蒸気と同化されてしまい、むしろ水素生成に反応性ガスとして寄与する。
【００３５】
次に、本発明におけるピストンと収束管と接触領域におけるピストン及び収束管の形状に関する改良案を更なる他の実施形態として説明する。
【００３６】
図６における実施形態では、収束管３４の入口開口３４Ａは軸線１の方向で同一断面で延びる円筒状内面を形成している。一方、ピストン３３は、上記収束管３４の入口開口３４Ａとの係合時には上記収束管３４の入口開口３４Ａとの間を実質的にシールすると共にピストン３３の軸線１の方向での移動を許容するような若干の隙間を上記入口開口３４Ａとの間に形成しつつ筒状部３３Ｂが設けられている。これにより、ピストン３３の後退時において、ピストン３３が加速された後にピストン３３の筒状部３３Ｂと収束管３４の入口開口３４Ａとの間に高圧水蒸気の流路が形成される。よって、ピストン３３の慣性に起因してピストン３３の後退開始時における初速が小さい場合であっても、収束管３４への高圧水蒸気の流入が上記ピストン３３の加速後に瞬時になされるので衝撃波が発生する。
【００３７】
【発明の効果】
本発明は、以上のごとく、ピストン以外は他部材と相対移動する部材はなく、きわめて簡単な構造で衝撃波を発生することができ、水素ガスを衝撃波を用いて反応生成する装置の小型化・簡単化そして低価格化を可能とする。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態における水素製造のための衝撃波発生装置の断面図である。
【図２】図１の衝撃波発生装置を反応装置と接続した構成図である。
【図３】図２装置の作動順を示す図である。
【図４】図２装置の作動順に衝撃波発生装置の動きを示す図である。
【図５】本発明の他の実施形態を示す部分拡大断面図である。
【図６】本発明の他の実施形態における水素製造のための衝撃波発生装置の断面図である。
【符号の説明】
１反応装置（圧縮室）
２シリンダ
３ピストン
４収束管
４Ａ入口開口
５弾性体（コイルばね）
６高圧水蒸気供給管
７背圧水蒸気供給管
８Ａ（制御）弁
２１環状溝
２３Ｏリング
２４注水管（注水孔）
２５環状溝
２７注水孔（流路）
３３ピストン
３３Ｂ筒状部
３４収束管
３４Ａ入口開口

Claims

炭化水素若しくは炭素を含有する反応性粒子と水蒸気との混合体を加熱して高温にすることにより上記反応性粒子と上記水蒸気を反応させて水素ガスを生成させる水素製造装置において、シリンダ内に可動なピストンを備えて該ピストンによりシリンダ内の空間が加圧空間と背圧空間とに区分され、加圧空間にはピストンよりも小径の入口開口が該加圧空間内に位置し出口開口に向け漸次減小する内径を有する収束管がシリンダ外へ延出して反応性粒子及び水蒸気の混合体の衝撃圧縮のための圧縮室に接続され、ピストンは背圧空間内で該ピストンとシリンダの内壁との間に設けられた弾性体により上記収束管の入口開口に向け付勢されており、シリンダは、加圧空間内側に高圧水蒸気供給源に接続されている高圧水蒸気供給管が設けられ、背圧空間側に上記弾性体の付勢力と相俟ってピストンに背圧を与えてピストンを収束管の入口開口に圧して閉状態にせしめるための背圧水蒸気供給管が間欠的に開となる開閉弁を介して接続されており、上記開閉弁の間欠開動作による背圧空間の減圧時に、弾性体の付勢力に抗してピストンが後退することにより該ピストンと上記収束管の入口開口との間に形成される流路を経て加圧空間内の高圧水蒸気が収束管内に流入し出口開口に向け衝撃波を発生し、該衝撃波を上記圧縮室内に伝播させて上記圧縮室内の混合体を衝撃圧縮して高温に加熱することにより該混合体中の反応性粒子と水蒸気を反応させて水素含有ガスを生成させるようになっていることを特徴とする水素製造装置。
背圧水蒸気供給管には高圧水蒸気供給管へ供給する高圧水蒸気と同じ高圧水蒸気供給源から高圧水蒸気を背圧水蒸気として供給されることとする請求項１に記載の水素製造装置。
弾性体はばね部材であることとする請求項１に記載の水素製造装置。
ピストンは、シリンダと摺接する環状摺動面に、シリンダ内壁面との間で水シールを行なう水を収容する環状溝が形成されていると共に軸方向で環状溝の両側にシール用のＯリングを有し、シリンダは上記環状溝へ水を注水する注水管が接続されており、上記環状溝がピストンの前進後退時に上記注水管の位置から外れないだけの軸方向の幅寸法を有していることとする請求項１に記載の水素製造装置。
収束管は入口開口におけるピストンとの接面域に、ピストンとの間で水シールを行なう水を収容する環状溝が形成され、該環状溝にはシリンダ外から水の供給を受ける注入孔が連通していることとする請求項１に記載の水素製造装置。
圧縮室は、該圧縮室内に反応性粒子を供給するための反応性粒子供給管と、該圧縮室内の水素ガスを取出すための生成ガス取出管と、水素ガス取出後の上記圧縮室内の気体を排出するための排出管とが、それぞれの開閉弁を介して接続されていることとする請求項１に記載の水素製造装置。
反応性粒子供給管、生成ガス取出管、排出管、背圧水蒸気供給管のための各開閉弁は、カム機構により所定の順序及び開時間長で順次開閉するようになっていることとする請求項６に記載の水素製造装置。
反応性粒子供給管、生成ガス取出管、排出管、背圧ガス供給管のための各開閉弁は、予め設定された順序及び開時間長で順次開閉するように各開閉弁を駆動制御する制御回路によって開閉動作が駆動制御されるようになっていることとする請求項６に記載の水素製造装置。
収束管の入口開口はピストンの移動方向に延びる円筒状内面をなし、該ピストンは上記収束管の入口開口との係合時には上記収束管の入口開口との間を実質的にシールすると共にピストンの移動を許容するような若干の隙間を上記入口開口との間に形成する筒状部が設けられていることとする請求項１に記載の水素製造装置。