JP4598994B2 - Carbon dioxide reduction equipment - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水素と二酸化炭素を還元反応させて水及び炭化水素を製造させる二酸化炭素還元装置に係り、特に、砂漠等の水を必要とする地球空間のみならず、宇宙ステーション、宇宙探査衛星や有人宇宙推進ロケット等に搭載される、例えば火星に存在する二酸化炭素(CO2)と地球より運んできた水素を利用して還元反応させて生命維持に必要な水を製造するための装置を提供するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来より、10年後程度に火星に有人衛星を打ち上げようという試みが米国、日本等で検討されている。火星で人類が生活するために、酸素と水は生命維持のためにどうしても用意しなければならないが、水は地球から運ぶには極めて重量負担が大であり、火星において比較的高濃度で存在する二酸化炭素(CO2)に地球から運んでくる水素を還元反応させて水をつくる技術が検討されている。
【0003】
しかしながら水素は燃料ガスであり、安全性の面で注意を払う必要がある。このため従来の技術では高圧水素ガス(30MPa)を地球から運ぶことを検討しているが、この方式では、ガス容器を耐圧構造としなければならず、容器の質量が大きくなる。質量が大きくなると、それに応じたロケットの推進エネルギーが必要になり、必然的にその推進エネルギーを装備するためロケットが大きくなり、実質的に火星にまで到達し得るだけの推進エネルギーを得ることが出来ないという問題が生じる。
【0004】
次に従来のCO2の還元に必要な水素(H2)ガスを水素ボンベ等により補給を行っていたCO2還元装置の参考例を簡単に説明する。
CO2の還元反応は具体的には、図5に示すように供給されるCO2ガスを混合タンク51において、H2ボンベ55よりH2タンク54を経由して供給されるH2ガスと混合し、反応炉52へ導入する。反応炉52へ導入された混合ガスは、反応炉52内で還元反応し、メタンと水蒸気(H2O(G))となる。水蒸気(H2O(G))は反応炉52の下流側に設置されている凝縮器53で凝縮され、水(H2O(L))となる。ここで気液2相流は気液分離装置2へ送入され、メタン(CH4)とH2O(L)に分離され、CH4はそのまま排気され、H2O(L)は水タンク3へと送入されて保管される。
【0005】
このように、CO2還元を行う際には、H2は必要不可欠であるが、そのためのH2ボンベ、タンクなどの搭載スペース、質量等が、宇宙ステーションや宇宙探査衛星、若しくは火星有人飛行等の装置では、非常に問題となることは前記したとおりである。
なお、上記反応炉52には、通常還元反応の触媒に、アルミナ担持体にルテニウム(Ru)を添着した触媒が用いられており、約300℃で反応は促進される。この際のCO2還元反応を反応式で示せば、以下のようになる。
【0006】
Ru
CO2+4H2 → CH4+2H2O (発熱反応)
約300℃
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者らは、上記課題に鑑み、水素ボンベや水素タンク等の搭載スペースおよび搭載質量の負担をなくし、システム全体がコンパクトであるとともに、熱の有効利用による省エネ化が図れ、さらには安全面でも有利な二酸化炭素還元装置を関発すべく、鋭意検討した。
その結果、本発明者らは、装置の各部分に水素吸蔵合金や錯金属水素化物を効果的に用いることによって、上記問題点が解決されることを見い出した。
【0008】
本発明は、かかる課題に基づいて安全且つ質量負担の軽減を図るとともに、火星等の水を必要とする宇宙空間若しくは砂漠等でも容易に生命維持のための水を得ることが出来るもので、特に現地で得た二酸化炭素(CO2)と地球より運んできた水素を利用して還元反応させて生命維持に必要な水を製造するための二酸化炭素還元装置を提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明の参考例1は、反応炉を含む二酸化炭素還元装置において、該反応炉の内部に水素吸蔵合金若しくは錯金属水素化物が組み込まれており、この水素化物からなる貯蔵槽と触媒反応槽とが1つの反応炉内に備えられていることを特徴とする二酸化炭素還元装置を提案するものである。
本発明参考例1では従来の反応炉の中に、水素吸蔵合金若しくは錯金属水素化物を組み入れたので、システム全体が大幅にコンパクトになる。また、水素吸蔵合金若しくは錯水素吸蔵合金槽と触媒反応槽を1つの反応炉に組み込むことで、熱の有効利用を可能とし、省エネ化を図れる。さらに、該水素吸蔵合金若しくは錯金属水素化物を用いることで、高圧ボンベなどの使用が必要なくなり、安全面でも優位となる。
【0010】
そして本第1発明は、二酸化炭素と水素を混合する混合タンク及び反応炉を含む二酸化炭素還元装置において、該混合タンク内に水素吸蔵合金若しくは錯金属水素化物が組み込まれており、後段の反応炉には触媒反応槽が備えられていることを特徴とする二酸化炭素還元装置を提供するものである。本発明では、混合タンク内に水素吸蔵合金若しくは錯金属水素化物を組み入れることで、上記同様にシステム全体がコンパクトになる。また、水素吸蔵合金を用いることで、高圧ボンベなどの使用が必要なくなり、安全面でも優位となる。
【0011】
又本第2発明は、水素と二酸化炭素を合流させてその合流部若しくはその下流側に触媒の存在下で両者を還元反応させる反応部を設けた二酸化炭素還元装置であって、前記水素が水素吸蔵合金若しくは錯金属水素化物(両者を含めて金属水素化物という)を封入した貯蔵槽より生成されることを第1の要旨とする。
【0012】
錯金属水素化物の化学式例はNaBH4、LiBH4、LiAlH4、
水素吸蔵合金の化学式例はLaNi5H6、TiMn2H3、
で、上記の式において、両者は非常に似ているが、水素吸蔵合金は、金属結晶の間に水素が入り込む状態の物理的な反応であるので、その水素貯蔵量は2%程度であるのに対し、錯金属水素化物は化学反応で生成されている物質である為その水素貯蔵量は10%と格段に大きいが非可逆反応である。
【0013】
かかる発明によれば、水素をそのまま貯留することなく、水素吸蔵合金や錯金属水素化物を用いて貯蔵するために、容器自体が軽量化でき、然も高圧ボンベなどの使用が必要なくなり、安全面でも優位となる。
【0014】
又本発明の参考例2の具体例は、前記合流部位置に前記水素吸蔵合金若しくは錯金属水素化物を含む水素化物貯蔵槽が設けられ、該貯蔵槽と触媒反応槽とが1つの反応炉内に備えられていることを特徴とする。
【0015】
かかる発明の参考例2によれば1つの反応炉の中に、前記水素吸蔵合金若しくは錯金属水素化物を含む水素化物貯蔵槽が組み込まれているために、システム全体が大幅にコンパクトになる。また、前記水素吸蔵合金若しくは錯金属水素化物を含む水素化物貯蔵槽と触媒反応槽を1つの反応炉に組み込むことで、熱の有効利用を可能とし、省エネ化が図れる。
【0016】
更に本第2発明は、二酸化炭素と水素の合流部と反応部が個別に形成されている前記第1の要旨に加えて、前記合流部内に前記水素吸蔵合金若しくは錯金属水素化物を含む水素化物貯蔵槽が組み込まれており、その下流側の反応部には触媒反応槽が備えられていることを第2の要旨とする。
【0017】
かかる発明によれば、触媒反応槽の上流側に貯蔵槽が設けられているために、水素の発生量の調整が還元反応部と無関係に行われる。例えば二酸化炭素の供給が変動する場合に、独立して調整できることは極めて有利である。
【0018】
更に本発明は、前記二酸化炭素還元装置が、宇宙空間で得られる二酸化炭素に、水素吸蔵合金若しくは錯金属水素化物より得られた水素を還元反応させて水を製造する装置であって、前記触媒の存在下で両者を還元反応させる反応部に加熱ヒータが付与されていることを特徴とする。
【0019】
即ち、還元反応には適正な温度が必要であり、常温で供給される二酸化炭素はもとより、−60℃前後で、その大気圧も0.5kPa程度と地球より大幅に低い火星の大気(二酸化炭素)が反応部に直接導入されると、前記還元反応が円滑に行われないことに配慮してヒータを用いている。
【0020】
又本発明は、前記反応部の下流側に還元反応物より炭化水素を分離して水のみを取り出す冷却分離部が設けられていることを特徴とする。
【0021】
即ち、還元反応部において大気(二酸化炭素)は加熱されているため、そのままではメタンと水蒸気を円滑に分離できないので、前記還元反応物を水の蒸発点以下に冷却して炭化水素を分離して水のみを取り出す冷却分離部を設けるのがよい。この冷却には冷却水を用いても、又火星の大気(二酸化炭素)は−60℃前後であるために、これを用いても良い。
【0022】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示した実施例を用いて詳細に説明する。但し、この実施例に記載される構成部品の種類、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
先ず水素吸蔵合金と錯金属水素化物の違いについて説明する。
水素吸蔵合金は特開平5−228878や特開平8−233200に示されるように、水素の吸蔵、放出の可逆サイクルを伴いながら、安定的に水素の貯蔵を行うもので、水素吸蔵合金に使われる材料は特に限定されるものではなく、通常用いられる材料を広く利用することができる。具体的には、例えばランタン(La)とニッケル(Ni)の合金などが好適に用いられ、他にはチタン(Ti)と鉄(Fe)の合金などが好ましく用いられる。この際の反応を反応式で示せば、以下のようになる。
【0023】
LaNi5H6+ 熱エネルギー →LaNi5+3H2(吸熱反応)
LaNi5+3H2(加圧) →LaNi5H6(発熱反応)
ここで、水素放出時にあたっては熱が必要であるが、上記反応の場合は約40℃以上あれば十分に反応は促進する。
【0024】
しかしながら、水素吸蔵合金は、金属結晶の間に水素が入り込む状態の物理的な反応であるので、その水素貯蔵量は2%程度と小さいのが難点である。
一方、錯金属水酸化物はNaBH4のように化学反応で生成されている物質である為その水素貯蔵量は10%と格段に大きいが、非可逆反応である点が難点である。
【0025】
しかしながら火星では、地球上のように貴重な水を再度水素に分解する必要もなく、非可逆反応である点の欠点は何等問題にならない。逆に水素貯蔵量は10%と格段に大きい点が省スペース化の点で有利である。
【0026】
以下水素吸蔵合金若しくは錯金属水素化物を用いた各実施形態を説明する。
実施の形態1(参考例1)
図1は、本実施の参考形態に係る水素吸蔵合金を用いた二酸化炭素還元装置の説明図である。本装置の基本構成としては、還元反応炉1、気液分離装置2および水タンク3より構成される。上記還元反応炉1の中には、水素吸蔵合金を組み入れられている。この1つの還元反応炉1には、水素吸蔵合金からなる水素吸蔵合金槽4および触媒反応槽5が含まれている。そして通常、触媒反応槽5の近傍には加熱ヒータ6が備えられている。
【0027】
本実施の形態では、供給されるCO2ガスはそのまま還元反応炉1に送入される。
還元反応炉1は、水素吸蔵合金槽4、触媒反応槽5及び加熱ヒータ6から構成されている。水素吸蔵合金は熱を加えることにより、金属と結合しているH2を容易に放出する。また、放出後、H2存在下のもと加圧することにより、再度水素を取り込む特性を持つものである。この特性を利用し、本実施の形態では還元反応炉1の中に、水素吸蔵合金槽4を設けたものである。
【0028】
まず、還元反応炉1全体を約300℃程度まで加熱する。すると、水素吸蔵合金槽4からは水素H2を放出し始める。この状態で、CO2を還元反応炉1へ供給する。供給されたCO2は、水素吸蔵合金槽4でH2ガスと混合された後、両側を囲む形で配置される触媒反応槽5へ送入される。触媒反応槽5では、還元されてCH4と水蒸気(H2O(G))になる。これらの流体は、下流側に設置されている気液分離装置2へ送入される。気液分離装置2全体は冷却水で冷却されており、供給されるガスはこの部分で凝縮され、液体(H2O(L))と気体(CH4)とに分離される。一方のH2O(L)は水タンク3へ送られ、他方のメタン(CH4)は排気される。
【0029】
ここで、水素吸蔵合金槽4に使われる材料は特に限定されるものではなく、通常用いられる材料を広く利用することができるが、具体的には、前記したように、ランタン(La)とニッケル(Ni)の合金などが好適に用いられ、他にはチタン(Ti)と鉄(Fe)の合金などが好ましく用いられる。この際の反応を反応式で示せば、段落〔0023〕のようになるが、水素放出時にあたっては熱が必要であるが、上記反応の場合は約40℃以上あれば十分に反応は促進する。
また、触媒反応槽5での反応を反応式で示せば、以下のようになる。
【0030】
CO2+4H2→CH4+2H2O(発熱反応)
【0031】
以上のように本実施の形態によれば、水素吸蔵合金を用いることにより、図5に示す従来の装置で必要であった混合タンク51、水素タンク54及び水素ボンベ55などが必要なくなった。この為、システムの大幅なコンパクト化が図れる利点がある。
また、図1に示すように水素吸蔵合金槽4を還元反応炉1の中心部に設置し、その周囲に触媒反応槽5を設置する態様にすれば、反応時に相互の熱エネルギーを有効利用できるので効率がよい。すなわち、水素吸蔵合金は熱エネルギーが必要なのに対し、触媒反応は熱を放出する為、お互いの熱の吸収・放出をうまく利用して熱交換することで、装置の省エネ化を図ることができる。
さらに、従来では水素ボンベなどの高圧ボンベ(100kG/cm2)等を用いていたが、水素吸蔵合金を用いることで、ほぼ常圧レベルで取扱うことができようになり、安全面でも優位なシステムである。
【0032】
実施の形態2(実施例1)
図2は、本発明の実施の形態2(実施例1)に係る水素吸蔵合金を用いた二酸化炭素還元装置の説明図である。本装置の基本構成としては、水素吸蔵合金タンク(加圧混合タンク)21、反応炉12、凝縮器13、気液分離装置2、および水タンク3よりなる。本実施の形態では、混合タンク内に水素吸蔵合金を組み入れて水素吸蔵合金タンク21とし、後段には触媒反応槽を有する反応炉12が設置される。従来の混合タンク内に水素吸蔵合金を組み入れたことで、システム全体がコンパクトになるとともに、水素吸蔵合金を用いることで、高圧ボンベなどの使用が必要なくなり、安全面で有利となる。
【0033】
本実施の形態では、供給されるCO2ガスを水素吸蔵合金を含んだタンク21に送入する。このタンク11は約40℃程度に加熱されており、内部に吸蔵されたH2が加熱されたことにより脱着されている。よって、タンク21内に送り込まれたCO2ガスは、H2ガスと混合され、還元反応炉12に送入される。
還元反応炉12は、図1に示したような触媒反応槽5及び加熱ヒータ6により構成されている。この還元反応炉12にて、混合ガスは還元され、CH4と水蒸気(H2O(G))になる。これらの流体は、下流側に設置されている凝縮器13へ送入され、水蒸気は凝縮され、更に下流の気液分離装置2に導入される。この分離装置2で、液体(H2O(L))と気体(CH4)とに分離される。そして、H2O(L)は水タンク3へ送られ、CH4は排気される。
【0034】
ここで、タンク21内の水素吸蔵合金に使われる材料としては特に限定されるものではなく、通常用いられる材料を広く利用することができるが、具体的には、例えばランタン(La)とニッケル(Ni)の合金などが好適に用いられ、他にはチタン(Ti)と鉄(Fe)の合金などが好ましく用いられる。この際の反応は、上記実施の形態1(参考例1)に示す反応式と同じであり、水素放出時にあたっては熱が必要であるが、上記反応の場合は水素吸蔵合金の場合約40℃以上あれば十分に反応は促進する。
【0035】
本実施の形態では、水素吸蔵合金槽とタンクとを一体化し、還元反応炉12をその下流側に設けた。このことにより、従来の装置に比べ、システム全体のコンパクト化が図れる。また、実施の形態1(参考例1)に比べ、コンパクト化あるいは省エネ化の効果は若干劣るものの、機能をそれぞれ分けたことにより、故障時などのメンテナンスが容易に行えるなどの利点があり、このような本実施の形態によれば、水素吸蔵合金をタンク21内に併設することにより、図3に示すような従来の装置で必要であった水素タンク54及び水素ボンベ55などが必要なくなった。
【0036】
実施の形態3(参考例2)
図3は、火星上で得られる−50℃前後で、その気圧も1Pa程度と地球より大幅に薄い二酸化炭素を取り込んで、錯金属水素化物より得られた水素と還元反応させて水を製造する装置に関する本発明の実施の形態3の変形例に係る二酸化炭素還元装置の説明図である。
本装置の基本構成としては、図1と同様に、前記火星上の二酸化炭素に、錯金属水素化物槽04より得られた水素を還元反応させて水とメタンを製造する還元反応炉1、該反応炉1より得た水蒸気とメタン(還元反応物)を冷却によりメタン(炭化水素)を分離して冷却により凝縮した水のみを取り出す気液冷却分離装置2および前記分離した水を貯留する水タンク3より構成されるとともに、上記還元反応炉1の中には錯金属水素化物が組み入れられている。
【0037】
この還元反応炉1は1〜5KPaに加圧状態に維持されるとともに、中心側に錯金属水素化物が充填された槽04および該錯金属水素化物槽04を囲撓する如くその外周側にリング状に触媒反応槽5が設けられているとともに、更に、触媒反応槽5の外周側には加熱ヒータ6がスパイラル状に巻回されている。
【0038】
錯金属水素化物槽04内に、錯金属水素化物のNaBH4とともに、平均粒子径が45μm以下のチタン(Ti)粉末を添加して充填させて形成される。
そして中心側の錯金属水素化物槽04の一端には前記二酸化炭素導入口4aが、その他端側には錯金属水素化物槽04で発生した水素と二酸化炭素を触媒反応槽5に導く連結通路4bが設けられている。
又錯金属水素化物槽04では水素を発生するために、熱若しくは水等の水素発生促進媒体が必要なために、二酸化炭素導入口4a上流側の二酸化炭素通路32上に加熱器40若しくは水蒸気導入部31が設けられ、後記する加熱ヒータ6とともに両者の熱により300〜500℃に加熱されるように構成している。
【0039】
又前記還元反応炉の下流側に設けられた気液分離装置2は、冷却媒体として水タンクよりの水を用いても良いが、せっかく火星上で得られる二酸化炭素が−60℃前後と冷却されているために、分離装置2で先ず300〜500℃前後の還元反応物を冷却する一方、二酸化炭素を加熱した後、錯金属水素化物槽04に導入するようにすれば、二酸化炭素通路32上に加熱器40を設ける必要がなくなる。
【0040】
従って本実施形態では、供給されるCO2ガスは加熱器40により加熱されるか気液分離装置2により熱を付与されて高温で還元反応炉1に送入されることとなる。
【0041】
還元反応炉1は1〜5KPaの加圧下で、前記したように錯金属水素化物槽04、触媒反応槽5に加熱ヒータ6から熱が付与される構成となっているので、例えば錯金属水素化物は二酸化炭素よりの熱とともにヒータ6よりの熱を100〜450℃程度加えることにより、金属と結合しているH2を容易に放出する。
尚、前記ヒータ6よりの加える加熱温度は、NaBH4で400〜450℃、LiBHで270〜300℃、LiAlH4で120〜150℃が適当である。
【0042】
又、二酸化炭素を加熱しなくても還元反応炉1全体が1〜5KPaに加圧された状態で約100〜450℃程度までヒータ6より加熱すれば同様な結果が得られる。
【0043】
従って還元反応炉1全体を、錯金属水素化物が封入されている場合は100〜450℃程度加熱した後、CO2ガスを導入孔4aより還元反応炉1へ供給すると、供給されたCO2は、錯金属水素化物槽04でH2ガスと混合された後、連結通路4bを介してその外周側を囲撓する形で配置された触媒反応槽5へ送入される。触媒反応槽5では、加熱ヒータ6より100〜450℃程度の加熱により還元反応によりCH4と水蒸気(H2O(G))が生成される。
【0044】
これらの還元反応流体は、下流側に設置されている気液分離装置2へ送入される。気液分離装置2全体は冷却水や冷却CO2ガス等の冷却媒体で冷却されており、供給されるガスの水蒸気はこの部分で凝縮され、液体(H2O(L))と気体(CH4)とに分離される。一方のH2O(L)は水タンク3へ送られ、他方の気体であるメタン(CH4)は火星空間上で使用される燃料に利用される。
尚、触媒反応槽5での反応式は実施の形態1と同様である。
【0045】
本実施例によれば、図1の実施形態の効果とともに、錯金属水素化物槽04を用いることにより、水素発生量が更に増加し、システムの大幅なコンパクト化が図れる。
【0046】
実施の形態4(実施例2)
図4は、本発明の実施の形態4(実施例2)に係る二酸化炭素還元装置の説明図である。本装置の基本構成としては、経路上に錯金属水素化物が充填されたCO2ガス合流部(加圧混合タンク)41、還元反応炉12、凝縮器13、気液分離装置2、および水タンク3を夫々独立して設けたシステムである。
本実施の形態では、加圧混合タンク41内に錯金属水素化物を封入して且つ1〜5KPaに減圧し、更に加熱器40により少なくとも40℃(水素吸蔵合金のみの場合)、好ましくは錯金属水素化物を含む場合は300から500℃に加熱可能に構成するとともに、後段には触媒反応槽を有する還元反応炉12を設置する。
【0047】
本実施形態では、供給されるCO2ガスを加熱器40により加熱(錯金属水素化物の場合)した後1〜5KPaに加圧された加圧混合タンク41に送入する。該加圧混合タンク41内の加熱と加圧により内部に吸蔵されたH2が放出されるとともに、加圧混合タンク内41に送り込まれた加熱CO2ガスとともに混合され、還元反応炉12に送入される。
還元反応炉12は、図1や図3に示したような触媒反応槽5に加熱ヒータ6を巻回させた構成にしてもよいが、加熱CO2ガスにより300〜450℃に加熱されるために、加熱ヒータ6は用いなくても良い。
【0048】
この還元反応炉12にて、混合ガスは還元され、CH4と水蒸気(H2O(G))になる。これらの流体は、下流側に設置されている凝縮器13へ送入され、冷却水や冷却CO2ガス等の冷却媒体で冷却さて水蒸気は凝縮され、更に下流の気液分離装置2に導入される。この分離装置2で、液体(H2O(L))と気体(CH4)とに分離される。そして、H2O(L)は水タンク3へ送られ、CH4は火星空間上で使用される燃料に利用され、排気される。
【0049】
ここで、加圧混合タンク41に封入する錯金属水素化物は、例えばNaBH4やLiBH4、LiAlH4等が挙げられる。
これらの水素化物の反応は、水素放出時にあたっては熱や加圧が必要である。
【0050】
本実施例においても前記実施例と同様な効果とともに、触媒反応槽を有する還元反応炉12の上流側に構成された加圧混合タンク41が設けられているために、加圧混合タンク41の加熱温度等により、水素の発生量の調整が反応炉12と無関係に行われる。例えば二酸化炭素の供給が変動する場合に、独立して調整できることは極めて有利であるとともに、還元反応炉12に加熱ヒータを設けなくても、加熱された加圧混合タンク41よりの熱を混合ガスが移相するために前記温度下で還元反応が行われて、システム全体がコンパクトになるとともに安全面で有利となる。
【0051】
又本実施形態では、錯金属物等の水素貯蔵槽とタンクとをー体化し、還元反応炉12をその下流側に設けたことにより、実施の形態3に比べ、機能をそれぞれ分ける事が出来、故障時などのメンテナンスが容易に行えるなどの利点がある。
【0052】
【発明の効果】
以上記載した如く本発明によれば、反応炉内あるいは混合タンク内に、水素吸蔵合金若しくは錯金属水素化物を組み入れたので、システム全体が大幅にコンパクトになる。また、参考例の場合、水素吸蔵合金若しくは錯金属物を組み入れた水素貯蔵槽と触媒反応槽を1つの反応炉に組み込むことで、熱の有効利用を可能とし省エネ化を図れる。
さらに、該水素吸蔵合金若しくは錯金属物を組み入れたタンクを用いることで、高圧ボンベなどの使用が必要なくなり、安全面でも有利となる。
又本発明によれば、安全且つ負担の軽減を図るとともに、火星等の水を必要とする宇宙空間若しくは砂漠等でも容易に生命維持のための水を得ることが出来るもので、特に現地で得た二酸化炭素(CO2)と地球より運んできた水素を利用して還元反応させて生命維持に必要な水を製造するための二酸化炭素還元装置を提供することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施の形態1(参考例1)に係る二酸化炭素還元装置の一例を示す榎式図である。
【図2】 本発明の実施の形態2(実施例1)に係る二酸化炭素還元装置の他の一例を示す模式図である。
【図3】 本発明の実施の形態3(参考例2)に係る二酸化炭素還元装置の一例を示す榎式図である。
【図4】 本発明の実施の形態4(実施例2)に係る二酸化炭素還元装置の他の一例を示す模式図である。
【図5】 従来の二酸化炭素還元装置を概略的に示す模式図である。
【符号の説明】
1、12 還元反応炉
2 気液分離装置
3 水タンク
4 水素吸蔵合金槽
04 錯金属水素化物槽
5 触媒反応槽
6 加熱ヒータ
13 凝縮器
21 加圧混合タンク(水素吸蔵合金)
41 加圧混合タンク(錯金属水素化物)[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a carbon dioxide reduction apparatus for producing water and hydrocarbons by reducing hydrogen and carbon dioxide. In particular, the present invention relates to a space station, a space exploration satellite, Carbon dioxide (CO) present on Mars, for example, on manned space propulsion rockets 2 ) And a device for producing water necessary for life support through a reduction reaction using hydrogen carried from the earth.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, an attempt to launch a manned satellite on Mars about 10 years later has been studied in the United States, Japan, and the like. In order for humanity to live on Mars, oxygen and water must be prepared for life support, but water is extremely heavy to carry from Earth and is present at relatively high concentrations on Mars. Carbon dioxide (CO 2 ) To make water by reducing the hydrogen transported from the earth.
[0003]
However, hydrogen is a fuel gas and attention must be paid to safety. For this reason, in the prior art, it is considered to carry high-pressure hydrogen gas (30 MPa) from the earth. However, in this method, the gas container must have a pressure-resistant structure, and the mass of the container increases. When the mass increases, the propulsion energy of the rocket corresponding to it becomes necessary, and the rocket inevitably becomes large because it is equipped with the propulsion energy, so that it is possible to obtain the propulsion energy that can substantially reach Mars. The problem of not.
[0004]
Next, hydrogen (H 2 ) A reference example of a CO2 reduction device in which gas is supplied by a hydrogen cylinder or the like will be briefly described.
Specifically, the CO2 reduction reaction is performed as shown in FIG. 2 In the mixing tank 51, the gas is H 2 H from cylinder 55 2 H supplied via
[0005]
In this way, CO 2 When performing reduction, H2 is indispensable, but the mounting space, mass, etc. for H2 cylinders and tanks are very problematic for space stations, space exploration satellites, and Mars manned flights. It is as described above.
In the reaction furnace 52, a catalyst in which ruthenium (Ru) is added to an alumina support is used as a catalyst for a normal reduction reaction, and the reaction is accelerated at about 300 ° C. CO at this time 2 The reduction reaction can be represented by the following reaction formula.
[0006]
Ru
CO 2 + 4H 2 → CH 4 + 2H 2 O (exothermic reaction)
About 300 ℃
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
In view of the above problems, the present inventors have eliminated the burden of mounting space and mounting mass of hydrogen cylinders, hydrogen tanks, etc., the entire system is compact, energy saving is achieved by effective use of heat, and safety However, in order to create an advantageous carbon dioxide reduction device, we intensively studied.
As a result, the present inventors have found that the above problems can be solved by effectively using a hydrogen storage alloy or a complex metal hydride for each part of the apparatus.
[0008]
The present invention aims to reduce the burden of mass safely based on such problems, and can easily obtain water for life support even in outer space or desert that requires water such as Mars. Carbon dioxide (CO 2 ) And a carbon dioxide reduction device for producing water necessary for life support by carrying out a reduction reaction using hydrogen carried from the earth.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
The present invention Reference example 1 In a carbon dioxide reduction apparatus including a reaction furnace, a hydrogen storage alloy or a complex metal hydride is incorporated in the reaction furnace, and a storage tank made of this hydride and a catalytic reaction tank are in one reaction furnace. The present invention proposes a carbon dioxide reduction device characterized in that the carbon dioxide reduction device is provided.
The present invention Reference example 1 Then, since the hydrogen storage alloy or the complex metal hydride is incorporated in the conventional reactor, the entire system is greatly reduced in size. Further, by incorporating the hydrogen storage alloy or complex hydrogen storage alloy tank and the catalytic reaction tank in one reaction furnace, it is possible to effectively use heat and to save energy. Furthermore, the use of the hydrogen storage alloy or the complex metal hydride eliminates the need for a high-pressure cylinder and is advantageous in terms of safety.
[0010]
And Book First The invention relates to a carbon dioxide reduction apparatus including a mixing tank and a reaction furnace for mixing carbon dioxide and hydrogen, wherein a hydrogen storage alloy or a complex metal hydride is incorporated in the mixing tank, and a catalytic reaction is performed in the subsequent reaction furnace. The present invention provides a carbon dioxide reduction device provided with a tank. In the present invention, by incorporating a hydrogen storage alloy or a complex metal hydride into the mixing tank, the entire system becomes compact as described above. In addition, the use of a hydrogen storage alloy eliminates the need for a high-pressure cylinder and is advantageous in terms of safety.
[0011]
or Book Second The present invention is a carbon dioxide reduction apparatus provided with a reaction part that combines hydrogen and carbon dioxide and causes a reduction part to react at the joining part or downstream thereof in the presence of a catalyst, wherein the hydrogen is a hydrogen storage alloy or complex. It is generated from a storage tank that contains metal hydrides (including both metal hydrides). First summary And
[0012]
An example of a chemical formula for a complex metal hydride is NaBH 4 , LiBH 4 LiAlH 4 ,
Example of chemical formula of hydrogen storage alloy is LaNi 5 H 6 TiMn 2 H 3 ,
In the above formula, the two are very similar, but the hydrogen storage alloy is a physical reaction in which hydrogen enters between metal crystals, so its hydrogen storage amount is about 2%. On the other hand, the complex metal hydride is a substance produced by a chemical reaction, so its hydrogen storage amount is 10%, which is an irreversible reaction.
[0013]
According to such an invention, without storing hydrogen as it is, it is stored using a hydrogen storage alloy or a complex metal hydride, so that the container itself can be reduced in weight, and it is not necessary to use a high-pressure cylinder or the like. But it will be an advantage.
[0014]
The present invention Of Reference Example 2 A specific example is characterized in that a hydride storage tank containing the hydrogen storage alloy or complex metal hydride is provided at the junction, and the storage tank and the catalytic reaction tank are provided in one reaction furnace. And
[0015]
Such invention Reference example 2 Therefore, since the hydride storage tank containing the hydrogen storage alloy or complex metal hydride is incorporated in one reaction furnace, the entire system is greatly reduced in size. Also, by incorporating the hydride storage tank containing the hydrogen storage alloy or the complex metal hydride and the catalytic reaction tank into one reaction furnace, it is possible to effectively use heat and to save energy.
[0016]
More books Second In the invention, the merge part and the reaction part of carbon dioxide and hydrogen are formed separately. In addition to the first gist , A hydride storage tank containing the hydrogen storage alloy or complex metal hydride is incorporated in the merging section, and a catalytic reaction tank is provided in the reaction section downstream thereof. Second summary And
[0017]
According to this invention, since the storage tank is provided on the upstream side of the catalyst reaction tank, the amount of hydrogen generated is adjusted regardless of the reduction reaction section. It is very advantageous to be able to adjust it independently, for example when the supply of carbon dioxide varies.
[0018]
Further, the present invention is an apparatus for producing water by reducing the carbon dioxide obtained in outer space with hydrogen obtained from a hydrogen storage alloy or a complex metal hydride, and producing the water. A heater is provided in the reaction part that causes the reduction reaction of both in the presence of.
[0019]
That is, an appropriate temperature is required for the reduction reaction, not only carbon dioxide supplied at room temperature, but also around -60 ° C., and its atmospheric pressure is about 0.5 kPa, which is significantly lower than the Earth's atmosphere (carbon dioxide. ) Is introduced directly into the reaction section, a heater is used in consideration that the reduction reaction is not smoothly performed.
[0020]
The present invention also provides Reprint A cooling separation section is provided on the downstream side of the reaction section to separate hydrocarbons from the reduction reaction product and take out only water.
[0021]
That is, since the atmosphere (carbon dioxide) is heated in the reduction reaction part, methane and water vapor cannot be separated smoothly as it is, so the hydrocarbon is separated by cooling the reduction reaction product below the water evaporation point. It is preferable to provide a cooling separation unit for taking out only water. Cooling water may be used for this cooling, or it may be used because the Martian atmosphere (carbon dioxide) is around −60 ° C.
[0022]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the embodiments shown in the drawings. However, the types, shapes, relative arrangements, and the like of the component parts described in this embodiment are merely illustrative examples and not intended to limit the scope of the present invention unless otherwise specified.
First, the difference between a hydrogen storage alloy and a complex metal hydride will be described.
As shown in JP-A-5-228878 and JP-A-8-233200, a hydrogen storage alloy stably stores hydrogen with a reversible cycle of hydrogen storage and release, and is used for a hydrogen storage alloy. The material is not particularly limited, and commonly used materials can be widely used. Specifically, for example, an alloy of lanthanum (La) and nickel (Ni) is preferably used, and an alloy of titanium (Ti) and iron (Fe) is preferably used. The reaction at this time can be represented by the following reaction formula.
[0023]
LaNi 5 H 6 + Thermal energy → LaNi 5 + 3H 2 (Endothermic reaction)
LaNi 5 + 3H 2 (Pressurization) → LaNi 5 H 6 (Exothermic reaction)
Here, heat is required for releasing hydrogen, but in the case of the above reaction, the reaction is sufficiently accelerated if it is about 40 ° C. or higher.
[0024]
However, since the hydrogen storage alloy is a physical reaction in which hydrogen enters between metal crystals, its hydrogen storage amount is as small as about 2%.
On the other hand, complex metal hydroxide is NaBH. 4 Thus, since it is a substance produced by a chemical reaction, its hydrogen storage amount is remarkably large at 10%, but it is a irreversible reaction.
[0025]
On Mars, however, it is not necessary to decompose precious water into hydrogen again on Earth, and the disadvantage of being an irreversible reaction is not a problem. On the other hand, the extremely large hydrogen storage amount of 10% is advantageous in terms of space saving.
[0026]
Hereinafter, each embodiment using a hydrogen storage alloy or a complex metal hydride will be described.
Embodiment 1 ( Reference example 1)
Figure 1 shows the implementation reference It is explanatory drawing of the carbon dioxide reducing apparatus using the hydrogen storage alloy which concerns on a form. The basic configuration of this apparatus is composed of a
[0027]
In the present embodiment, the supplied CO 2 The gas is fed into the
The
[0028]
First, the whole
[0029]
Here, the material used for the hydrogen
Moreover, if reaction in the catalyst reaction tank 5 is shown with reaction formula, it will become as follows.
[0030]
CO 2 + 4H 2 → CH 4 + 2H 2 O (exothermic reaction)
[0031]
As described above, according to the present embodiment, the use of the hydrogen storage alloy eliminates the need for the mixing tank 51, the
Moreover, if the hydrogen
Furthermore, in the past, high-pressure cylinders (100 kG / cm2) such as hydrogen cylinders were used, but using hydrogen storage alloys enables handling at almost normal pressure levels. is there.
[0032]
Embodiment 2 ( Example 1 )
FIG. 2 shows an embodiment of the present invention. 2 ( Example 1 It is explanatory drawing of the carbon dioxide reducing apparatus using the hydrogen storage alloy concerning. The basic configuration of this apparatus includes a hydrogen storage alloy tank (pressurized mixing tank) 21, a reaction furnace 12, a condenser 13, a gas-
[0033]
In the present embodiment, the supplied CO 2 The gas is fed into the tank 21 containing the hydrogen storage alloy. The tank 11 is heated to about 40 ° C., and is desorbed by heating the
The reduction reaction furnace 12 includes a catalytic reaction tank 5 and a
[0034]
Here, the material used for the hydrogen storage alloy in the tank 21 is not particularly limited, and commonly used materials can be widely used. Specifically, for example, lanthanum (La) and nickel ( An alloy of Ni) is preferably used, and an alloy of titanium (Ti) and iron (Fe) is preferably used. The reaction at this time is the same as in the above embodiment. 1 ( Reference example The reaction formula is the same as that shown in 1), and heat is required at the time of hydrogen release, but in the case of the above reaction, the reaction is sufficiently promoted at about 40 ° C. or more in the case of a hydrogen storage alloy.
[0035]
In the present embodiment, the hydrogen storage alloy tank and the tank are integrated, and the reduction reaction furnace 12 is provided on the downstream side thereof. As a result, the overall system can be made more compact than the conventional apparatus. Also, the embodiment 1 ( Reference example Compared to 1), although the effect of downsizing or energy saving is slightly inferior, there are advantages such as easy maintenance at the time of failure, etc. by dividing the functions, according to this embodiment. By providing the hydrogen storage alloy in the tank 21, the
[0036]
Embodiment 3 ( Reference example 2 )
FIG. 3 shows that around -50 ° C. obtained on Mars, the atmospheric pressure is about 1 Pa, carbon dioxide that is significantly thinner than the earth is taken in, and reduced to react with hydrogen obtained from complex metal hydride to produce water. The present invention relates to a device. The fruit Form of
As in FIG. 1, the basic structure of this apparatus is a
[0037]
The
[0038]
The complex metal hydride tank 04 is formed by adding and filling titanium (Ti) powder having an average particle size of 45 μm or less together with complex
The
Further, in order to generate hydrogen in the complex metal hydride tank 04, a hydrogen generation accelerating medium such as heat or water is required. Therefore, the
[0039]
The gas-
[0040]
Therefore, in this embodiment, the supplied CO 2 The gas is heated by the
[0041]
Since the
The heating temperature applied from the
[0042]
Even if the carbon dioxide is not heated, the same result can be obtained by heating from the
[0043]
Therefore, after the
[0044]
These reduction reaction fluids are sent to the gas-
The reaction formula in the catalytic reaction tank 5 is the same as that in the first embodiment.
[0045]
According to this example, in addition to the effect of the embodiment of FIG. 1, the amount of hydrogen generation is further increased by using the complex metal hydride tank 04, and the system can be greatly downsized.
[0046]
Embodiment 4 ( Example 2 )
FIG. 4 shows an embodiment of the present invention. 4 ( Example 2 It is explanatory drawing of the carbon dioxide reduction apparatus concerning. As a basic configuration of this apparatus, a CO filled with a complex metal hydride on the path is used. 2 This is a system in which a gas merging section (pressurized mixing tank) 41, a reduction reaction furnace 12, a condenser 13, a gas-
In the present embodiment, a complex metal hydride is sealed in the pressure mixing tank 41 and the pressure is reduced to 1 to 5 KPa, and at least 40 ° C. (in the case of only a hydrogen storage alloy) by the
[0047]
In the present embodiment, the supplied CO2 gas is heated by the heater 40 (in the case of complex metal hydride) and then fed into the pressurized mixing tank 41 pressurized to 1 to 5 KPa. H occluded inside by heating and pressurizing in the pressurized mixing tank 41 2 Is released, and the heated CO fed into the pressure mixing tank 41 is 2 It is mixed with gas and sent to the reduction reactor 12.
The reduction reaction furnace 12 may have a configuration in which the
[0048]
In this reduction reactor 12, the mixed gas is reduced and CH 4 And water vapor (H 2 O (G)). These fluids are sent to the condenser 13 installed on the downstream side, and cooling water or cooling CO 2 The water vapor is condensed by cooling with a cooling medium such as gas, and further introduced into the gas-
[0049]
Here, the complex metal hydride sealed in the pressurized mixing tank 41 is, for example, NaBH. 4 And LiBH 4 LiAlH 4 Etc.
The reaction of these hydrides requires heat and pressure when releasing hydrogen.
[0050]
Also in this embodiment, the same effect as in the above embodiment is provided, and the pressurized mixing tank 41 is provided on the upstream side of the reduction reaction furnace 12 having the catalytic reaction tank. The amount of hydrogen generated is adjusted independently of the reactor 12 depending on the temperature and the like. For example, when the supply of carbon dioxide fluctuates, it is extremely advantageous that it can be adjusted independently, and the heat from the heated pressurized mixing tank 41 can be mixed gas without providing a heater in the reduction reaction furnace 12. Since the phase shifts, the reduction reaction is performed at the above temperature, which makes the entire system compact and advantageous in terms of safety.
[0051]
Also, in this embodiment, the hydrogen storage tank and tank for complex metal materials etc. are integrated, and the reduction reactor 12 is provided on the downstream side, so that the functions can be separated from those of the third embodiment. There are advantages such as easy maintenance in the event of a failure.
[0052]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, since the hydrogen storage alloy or the complex metal hydride is incorporated in the reaction furnace or the mixing tank, the entire system is greatly reduced in size. Also, For the reference example, By incorporating a hydrogen storage tank and a catalytic reaction tank incorporating a hydrogen storage alloy or a complex metal into one reaction furnace, it is possible to effectively use heat and save energy.
Furthermore, the use of a tank incorporating the hydrogen storage alloy or complex metal material eliminates the need for a high-pressure cylinder and is advantageous in terms of safety.
In addition, according to the present invention, it is possible to obtain water for life support easily in outer space or desert that requires water, such as Mars, in addition to aiming for safety and reduction of burden. Carbon dioxide (CO 2 ) And a carbon dioxide reduction device for producing water necessary for life support by carrying out a reduction reaction using hydrogen carried from the earth.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 of the present invention Embodiment 1 (Reference Example 1 It is a schematic diagram which shows an example of the carbon dioxide reduction apparatus which concerns on ().
FIG. 2 of the present invention Embodiment 2 (Example 1) It is a schematic diagram which shows another example of the carbon dioxide reduction apparatus which concerns on.
FIG. 3 of the present invention Embodiment 3 (Reference Example 2) It is a model diagram which shows an example of the carbon dioxide reduction apparatus which concerns on.
FIG. 4 of the present invention Embodiment 4 (Example 2) It is a schematic diagram which shows another example of the carbon dioxide reduction apparatus which concerns on.
FIG. 5 is a schematic view schematically showing a conventional carbon dioxide reduction device.
[Explanation of symbols]
1,12 Reduction reactor
2 Gas-liquid separator
3 Water tank
4 Hydrogen storage alloy tank
04 Complex metal hydride tank
5 Catalytic reactor
6 Heating heater
13 Condenser
21 Pressurized mixing tank (hydrogen storage alloy)
41 Pressurized mixing tank (complex metal hydride)
Claims (5)
二酸化炭素と水素の合流部と反応部が個別に形成されており、該合流部内に水素吸蔵合金若しくは錯金属水素化物を含む水素化物貯蔵槽が組み込まれており、
その下流側の反応部には触媒反応槽が備えられていることを特徴とする二酸化炭素還元装置。Storage tank Rutotomoni provided reactor to reduction of both, the previous SL hydrogen enclosing a hydrogen storage alloy or a complex metal hydride in the presence of the merging portion or catalyst on the downstream side is combined with hydrogen and carbon dioxide in the hydrogen der Ru carbon dioxide reduction device that is more produced,
Reaction section and the merging portion of the carbon dioxide and hydrogen are formed separately, hydride reservoir containing a hydrogen storage alloy or a complex metal hydride to the merging portion is incorporated,
A carbon dioxide reduction device characterized in that a catalytic reaction tank is provided in a reaction section on the downstream side.
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