JP6089727B2

JP6089727B2 - ポンプ及びポンプを用いた気体の生成方法

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Publication number: JP6089727B2
Application number: JP2013014411A
Authority: JP
Inventors: 恒釘本
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2013-01-29
Filing date: 2013-01-29
Publication date: 2017-03-08
Anticipated expiration: 2033-01-29
Also published as: JP2014145305A

Description

本発明は、ポンプ及びポンプを用いた気体の生成方法に関する。

従来から、金属酸化物の酸化還元反応を利用して水や二酸化炭素を分解することで、水素ガスや一酸化炭素ガスを生成する、気体の生成手段が知られている。

例えば非特許文献１、２では、セリア（セリウム酸化物）の酸化還元反応を利用して、水素ガスや一酸化炭素ガスを生成している。具体的には、セリアが塗布されたチャンバ内を、高温かつ低酸素分圧の雰囲気にして、セリアを還元させる。その後、チャンバ内に水又は二酸化炭素を供給すると、還元されたセリアが水又は二酸化炭素から酸素を奪う。その結果、チャンバから水素ガスや一酸化炭素ガスが得られる。

ここで、セリアを還元させる工程（脱酸素反応工程）では、酸素分圧が低いことが必要とされるが、上記工程では、還元反応によりセリアから次々に酸素が放出される。脱酸素反応を進めるには、放出された酸素を、チャンバ外に追い出す必要がある。そこで、非特許文献１、２では、脱酸素反応工程中に、アルゴンガス等の不活性ガスをチャンバ内に送り込み、チャンバ内の酸素（発生気体）をパージ（掃気）している。

特開２００７−３３２７９４号公報

ウィリアムシーチュー（William C. Chueh）、外６名、「不定比のセリアを用いた太陽光駆動型の、二酸化炭素及び水に対する、高フラックスな熱化学的分解（High-Flux Solar-Driven Thermochemical Dissociation of CO2 and H2O Using Nonstoichiometric Ceria）」、サイエンス誌（Science)、（米国）、アメリカ科学振興協会（American Association for the Advancement of Science）、平成２２年１２月２４日、第３３０巻、ｐ．１７９７-１８０１フィリップファーラー（Philipp Furler）、外２名、「高温太陽光反応器におけるセリアの酸化還元反応を用いて、水及び二酸化炭素を同時分解する、合成ガス生成（Syngas production by simultaneous splitting of H2O and CO2 via ceria redox reactions in a high-temperature solar reactor）」、エネルギー及び環境科学（Energy & Environmental Science）、（英国）、英国王立化学協会(The Royal Society of Chemistry)、平成２４年、第５巻、ｐ．６０９８-６１０３

ところで、アルゴンガス等の不活性ガスをチャンバ内に送り込んで酸素を追い出す手段を採る場合、大量のアルゴンガスが必要となる。アルゴンガスの生成に要するエネルギーを考慮すると、従来の水素ガス又は一酸化炭素ガスの生成プロセスは、エネルギー効率の面から改善の余地がある。ここで、アルゴンガスの送り込みに代えて、真空ポンプを駆動させてチャンバ内の酸素を引き抜く方法が考えられるが、この方法の場合、真空ポンプの駆動エネルギーを確保しなければならないという、別の問題が生じる。そこで、本発明は、従来よりもガス生成プロセス全体のエネルギー効率を向上させることが可能なポンプを提供することを目的とする。

本発明は、ポンプに関するものである。当該ポンプは、気孔を有する多孔体と、多孔体の第１面を加熱することが可能な加熱部と、を備える。多孔体の第１面は第１空間に接し、多孔体の第１面とは異なる第２面は第２空間に接し、第１空間と第２空間は気孔を介して連通しており、加熱部の内部又は周囲の気体は、供給路を介して第２空間へ移送可能であり、加熱部の内部又は周囲の気体を、供給路、第２空間及び気孔を介して第１空間へ移送することが可能となっている。

また、上記発明において、加熱部は第１材料を含み、第１材料は、第１温度において第１反応により第１気体を生成し、自身は第２材料に変化し、第１反応から生じる第１気体を、供給路、第２空間及び気孔を介して第１空間へ移送することが可能であることが好適である。

また、上記発明において、加熱部は第２材料を含み、第２材料は、第２温度において第２反応により第２気体を生成し、自身は第１材料に変化し、第２反応から生じる第２気体を、供給路、第２空間及び気孔を介して第１空間へ移送することが可能であることが好適である。

また、上記発明において、加熱部に含まれる第１材料の量が所定値以上の場合は、加熱部の温度は第１温度に制御され、加熱部に含まれる第２材料の量が所定値以上の場合は、加熱部の温度は第２温度に制御されることが好適である。

また、上記発明において、第１材料は、金属酸化物であり、第２材料は、還元された金属酸化物であり、第１反応は、還元反応であり、第２反応は、酸化反応であり、第１気体は、酸素であることが好適である。

また、上記発明において、加熱部に水を供給可能な供給手段を備え、第２温度において加熱部に水を供給することにより、第２気体として水素を生成させることが可能であることが好適である。

また、上記発明において、加熱部に二酸化炭素を供給可能な供給手段を備え、第２温度において加熱部に二酸化炭素を供給することにより、第２気体として一酸化炭素を生成させることが可能であることが好適である。

また、上記発明において、多孔体は、所定波長帯に対する光吸収性を有し、加熱部は、所定波長帯を含む電磁波を多孔体の第１面に照射することで、多孔体の第１面を加熱することが可能であることが好適である。

また、上記発明において、加熱部は、所定波長帯にピークを有する電磁波を多孔体の第１面に照射可能であることが好適である。

また、上記発明において、第１面は多孔体の一主面であり、第２面は多孔体の一主面とは反対側の面であることが好適である。

また、本発明の別の態様は、上記発明のポンプを用いて、第１気体を生成する方法である。

また、本発明の別の態様は、上記発明のポンプを用いて、第２気体を生成する方法である。

本発明によれば、従来よりもガス生成プロセス全体のエネルギー効率を向上させることが可能となる。

本実施形態に係るポンプを例示する、側面断面図である。本実施形態に係るポンプの一部を例示する、拡大側面断面図である。ガス生成プロセスを説明する、側面断面図である。ガス生成プロセスを説明する、側面断面図である。

図１に、本実施形態に係るポンプ１０を例示する。ポンプ１０は、ガス生成器１２（加熱部）及び真空ポンプ１４を含んで構成される。

ガス生成器１２は、所望のガスを生成するための反応器である。ガス生成器１２は、加熱源１６及び反応チャンバ１８を備える。加熱源１６は、反応チャンバ１８を加熱する加熱手段である。後述するように、ガスの生成は、金属酸化物２０の種類にもよるが、例えばセリアでは１６００℃程度の高温環境で行われることから、加熱源１６は、当該温度まで反応チャンバ１８の内部を加熱可能な手段から構成される。例えば、加熱源１６は、加熱ヒータから構成される。

反応チャンバ１８では、後述する酸化還元反応により、ガス生成が行われる。反応チャンバ１８の内面には、酸化還元反応を行う金属酸化物２０（加熱部）が塗布されている。金属酸化物２０は、例えば、亜鉛（Ｚｎ）、スズ（Ｓｎ）、鉄（Ｆｅ）、及びセリウム（Ｃｅ）のいずれか、またはこれら単体に添加物質を含んだものの、酸化物から構成される。

また、反応チャンバ１８は、原料導入管２１及び接続管２２（供給路）に接続されている。原料導入管２１を介して、反応チャンバ１８内に、生成ガスの原料が導入される。原料導入管２１には、原料の導入量を調整するバルブ２４が設けられていてよい。

また、接続管２２を介して、反応チャンバ１８で生成された生成ガスが、反応チャンバ１８から真空ポンプ１４に送られる。接続管２２には、流量センサ２６、熱交換器２８、及び水分センサ２９が設けられていてよい。

流量センサ２６は、接続管２２を流れる生成ガスの流量を計測する。熱交換器２８は、接続管２２を冷却し、接続管２２に水蒸気が流れている場合に、これを冷却して凝縮する。水分センサ２９は、接続管２２に流れる水分を検知する。

ガス生成器１２における、ガス生成プロセスを説明する。反応チャンバ１８内が非酸化雰囲気、つまり酸素分圧が低い状態であって、７００℃から１８００℃程度の高温状態（第１温度）にあるとき、以下の数式（１）に示すような、金属酸化物２０から酸素ガス（第１気体）が放出される還元反応（第１反応）が起こる。

ここで、δは不定比量を示しており、またＭは金属元素を示す。なお、金属酸化物２０がセリアである場合には、下記数式（２）のように還元反応を記述できる。

さらに、還元された金属酸化物２０（第２材料）を、１０００℃以下程度の環境で水蒸気と反応させると、以下の数式（３）に示すように、金属酸化物２０を酸化させる（第１材料に変化させる）酸化反応（第２反応）が生じる。この酸化反応により、水素ガス（第２気体）が発生する。

また、水の代わりに二酸化炭素を、還元された金属酸化物２０と反応させると、以下の数式（４）に示すように、一酸化炭素ガス（第２気体）が発生する。

原料導入管２１に水タンク３０（供給手段）を接続すると、ガス生成器１２では上記数式（３）の反応が起こり、その結果、水素ガスが得られる。また、水タンク３０の代わりに、原料導入管２１に二酸化炭素源（供給手段）を接続すると、ガス生成器１２では上記数式（４）の反応が起こり、その結果、一酸化炭素ガスが得られる。

なお、ガス生成器１２及び金属酸化物２０との構成は、特許請求の範囲における、加熱部に含まれる。接続管２２との構成は、特許請求の範囲における、供給路に含まれる。還元反応及び酸化反応は、それぞれ、特許請求の範囲における、第１反応及び第２反応に含まれる。また、酸化された金属酸化物２０及び還元された金属酸化物２０は、それぞれ、特許請求の範囲における、第１材料及び第２材料に含まれる。

還元反応時の７００℃から１８００℃との温度、及び、後述する酸化反応時の２００℃以上１０００℃以下との温度は、それぞれ、特許請求の範囲における、第１温度及び第２温度に含まれる。また、金属酸化物２０から放出される酸素ガスは、特許請求の範囲における、第１気体に含まれる。さらに、酸素反応により生成される、水素ガス及び一酸化炭素ガスは、特許請求の範囲における、第２気体に含まれる。水タンク３０または二酸化炭素源は、特許請求の範囲における、供給手段に含まれる。

真空ポンプ１４は、ガス生成器１２にて生成されたガスを引き抜く。真空ポンプ１４は、ケーシング３２、多孔体３４、透過窓３６、シーリング部材３８、ヒートシンク４０、及び送出管４１を備える。

ケーシング３２は、真空ポンプ１４内を機密に保つ中空体から構成される。真空ポンプ１４の駆動時に、ケーシング３２が負圧になることを考慮して、ケーシング３２は、耐圧構造であることが好適である。また、ケーシング３２には、接続管２２及び送出管４１が接続される。後述するように、ガス生成器１２の生成ガスは、接続管２２を経由してケーシング３２内に引き込まれるとともに、当該生成ガスは、送出管４１からケーシング３２の外部に送り出される。

多孔体３４は、ケーシング３２内に収容された、平板形状の部材である。多孔体３４は、多数の気孔を有している。後述するように、多孔体３４の気孔の孔径は、第１空間４２及び第２空間４４の気体の平均自由行程の５倍の長さ以下となるように形成される。例えば、大気圧下での気体の平均自由行程は約６０ｎｍであることから、多孔体３４の気孔の孔径は、１０ｎｍ程度に形成される。

多孔体３４は、熱伝導率の低い材料、言い換えると、第１の空間４２側の一主面３４ａ（第１面）から、一主面３４ａに対向する裏面３４ｂ（第２面）に熱が伝わりにくい材料から構成される。例えば、多孔体３４は、二酸化珪素（シリカ、ＳｉＯ₂）材料の内部に気孔が多数形成された、シリカエアロジェル膜から構成される。

シーリング部材３８は、多孔体３４を密閉状態で支持する支持部材である。シーリング部材３８が多孔体３４を機密に支持することで、ケーシング３２内の空間は、第１空間４２と第２空間４４とに分割される。第１空間４２は、送出管４１が連通された空間であり、多孔体３４の一主面３４ａがこれに接する。第２空間４４は、接続管２２が連通された空間であり、多孔体３４の裏面３４ｂがこれに接する。また、第１空間４２と第２空間４４との連通手段は、多孔体３４の気孔のみとなる。

送出管４１には、第１空間４２から生成ガスが送り出される。後述するように、生成ガスは、酸素ガスと水素ガス（または一酸化炭素ガス）の２種類に分かれる。そこで、それぞれの生成ガスの送出先を切り替えられるように、送出管４１に、三方弁４３を設けても良い。

ヒートシンク４０は、多孔体３４の裏面３４ｂの放熱手段である。裏面３４ｂの放熱が行われることで、一主面３４ａと裏面３４ｂの温度勾配を大きくすることができる。

透過窓３６は、ガス生成器１２から輻射される電磁波を、ケーシング３２内の多孔体３４まで透過させるための部材である。透過窓３６は、赤外光を透過可能な材料から構成される。例えば、透過窓３６は、フッ化カルシウム（ＣａＦ₂）または塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）から構成される。透過窓３６は、ケーシング３２の一側面に設けられるとともに、多孔体３４の一主面３４ａと対向するように設けられている。さらに、透過窓３６は、一主面３４ａとは異なる側について、ガス生成器１２とも対向するように配置されている。例えば、透過窓３６は、ガス生成器１２と多孔体３４の一主面３４ａとに挟まれるようにして配置されている。

図１に示す実施形態では、真空ポンプ１４の図面上方に、ガス生成器１２が配置されている。この配置に伴い、真空ポンプ１４のケーシング３２の天面に、透過窓３６が配置されている。なお、赤外光強度は距離の自乗に反比例することから、多孔体３４とガス生成器１２とはできるだけ近接していることが好適である。このことから、ガス生成器１２に接するように、透過窓３６が設けられていてもよい。また、透過窓３６を除去して、ガス生成器１２の底面と真空ポンプ１４のケーシング３２の天面とを一体化（共通化）してもよい。

多孔体３４の構成材料である二酸化珪素は、赤外線領域に光吸収性を示す特性を備えている。透過窓３６から、赤外線領域の波長帯内に強度のピークを有する電磁波（赤外光）が透過して多孔体３４を照射することで、多孔体３４の一主面３４ａが加熱される。

なお、上記した、多孔体３４の一主面３４ａ及び裏面３４ｂは、それぞれ、特許請求の範囲における、第１面及び第２面に含まれる。

図２を用いて、真空ポンプ１４の動作原理について説明する。真空ポンプ１４は、熱遷移流を利用した、いわゆるクヌーセンポンプとして機能する。熱遷移流とは、希薄気体に特有の流れであって、希薄気体中に温度勾配のある壁が存在するとき、壁の低温部から高温部に向かって形成される、一方向の気体の流れを指す。希薄気体とは、ある領域を考えたとき、その中で平衡状態が保たれないほど気体分子間の衝突が少ない場合の気体をいう。この場合、気体分子と壁との衝突の影響が、壁から遠方（ある程度離れた距離）まで及ぶようになる。例えば、１ｃｍ³程度の領域内の圧力が１Ｐａ程度に低い場合に、熱遷移流が生じる。また、１０ｎｍ×１０ｎｍ×１０ｎｍ程度の空間の狭い領域内の圧力が大気圧程度である場合にも、熱遷移流が生じる。

後者の例に着目すると、大気圧環境であっても、空間を壁で狭く仕切ることで、熱遷移流を発生させることができる。本実施形態では、多孔体３４の気孔に壁の役割を持たせている。具体的には、多孔体３４の気孔径を、第１空間４２及び第２空間４４の気体の平均自由行程の５倍の長さ以下となるように形成している。例えば、上述したように、気孔径は、１０ｎｍ程度に形成される。

ガス生成器１２から輻射された赤外光が、透過窓３６を経由して、多孔体３４の一主面３４ａを照射、加熱する。一主面３４ａが加熱されることで、一主面３４ａと裏面３４ｂとの間に温度勾配が発生する。これにより熱遷移流が発生し、第２空間４４の気体は第１空間４２に移動する。すなわち、第１空間４２が加圧され、第２空間４４が減圧される。減圧された第２空間４４には、接続管２２を介して、ガス生成器１２内から、生成ガスが引き込まれる。さらに生成ガスは、第２空間４４から、多孔体３４の気孔を経由して、第１空間４２に移動させられる。第１空間４２に移動させられた生成ガスは、送出管４１から真空ポンプ１４の外部に送出される。

このように、本実施の形態では、熱遷移流を発生させるための多孔体３４の加熱手段として、ガス生成器１２の輻射熱（排熱）を利用している。言い換えると、多孔体３４を加熱する専用の加熱手段を設ける代わりに、ガス生成器１２のガス生成の際に必要な熱を、多孔体３４の加熱源として、二次的に利用している。その結果、従来よりもガス生成プロセス全体のエネルギー効率を向上させることが可能となる。

次に、図３及び図４を用いて、本実施形態に係るポンプ１０を用いたガス生成プロセスを説明する。なお、図３、４では、水素ガス生成プロセスを例に挙げる。まず、反応チャンバ１８内の金属酸化物２０から酸素を放出させる（還元反応）。具体的には、図３に示すように、バルブ２４を閉じるとともに、加熱源１６により反応チャンバ１８を７００℃から１８００℃程度に加熱する。これにより、上記した数式（１）または数式（２）のような還元反応が起こり、金属酸化物２０から酸素ガスが発生する。

また、反応チャンバ１８の加熱に伴い、反応チャンバ１８から輻射された赤外光が透過窓３６を経由して、多孔体３４の一主面３４ａを照射、加熱する。これに伴い、熱遷移流が発生して、第２空間４４の気体が第１空間４２に移動する。第２空間４４が減圧されるのに伴い、反応チャンバ１８で生成された酸素ガスが、接続管２２を経由して第２空間４４に引き込まれる。その結果、反応チャンバ１８内を、低酸素分圧状態に保つことができる。

第２空間４４から第１空間４２に移送させられた酸素ガスは、送出管４１を経由して真空ポンプ１４の外部に送出される。送出管４１の先にある三方弁４３は、酸素ガス側の弁を開くとともに、水素ガス側の弁を閉じる。送出管４１を流れる酸素ガスは、三方弁４３の酸素ガス側の弁を経由して、図示しない酸素ガス回収容器に回収される。また、酸素ガスを酸素ガス回収容器に回収する代わりに、大気放出してもよい。

一方、反応チャンバ１８の金属酸化物２０の還元反応が進むにしたがって、還元された金属酸化物２０が増え、酸素の放出量が減ることから、これに伴い接続管２２を流れる気体の流量が減る。この現象を利用して、流量センサ２６の測定流量が、予め定めた値を下回ったとき、反応チャンバ１８内の反応を、還元反応から酸化反応に切り替える。

図４に示すように、ガス生成器１２に水素ガスを生成させる。バルブ２４を開いて、水タンク３０から、原料導入管２１を介して、反応チャンバ１８内に水（水蒸気）を導入する。さらに、反応チャンバ１８内の温度を１０００℃以下にすることで、数式（３）の反応（酸化反応）が起こり、反応チャンバ１８内には水素ガスが生成される。なお、酸化反応中に多孔体３４への加熱が十分に行われるように、酸化反応時の反応チャンバ１８の温度は、２００℃以上とすることが好適である。つまり、酸化反応時の反応チャンバ１８の温度は、２００℃以上１０００℃以下（第２温度）とすることが好適である。

反応チャンバ１８から放出された赤外光は、真空ポンプ１４の多孔体３４の一主面３４ａを加熱する。これに伴い、反応チャンバ１８にて生成された水素ガスは、接続管２２を経由して、真空ポンプ１４の第２空間４４に引き込まれる。さらに第２空間４４に引き込まれた水素ガスは、多孔体３４の気孔を経由して、第１空間４２に移動する。

第１空間４２に移送させられた水素ガスは、送出管４１に送り出される。このとき、三方弁４３は、水素ガス側の弁を開くとともに、酸素ガス側の弁を閉じる。送出管４１を流れる水素ガスは、三方弁４３の水素ガス側の弁を経由して、図示しない水素ガス回収容器に回収される。

一方、反応チャンバ１８の酸化反応が進むにしたがって、酸化された金属酸化物２０が増えて水素ガスの生成量は少なくなり、水蒸気が接続管２２に流れ込む。接続管２２を流れる水蒸気は熱交換器２８により冷却されて凝縮する。凝縮された水分は水分センサ２９によって検知される。当該検知がなされたときに、反応チャンバ１８内の反応を、酸化反応から還元反応に切り替える。すなわち、図３のように、バルブ２４を閉じるとともに、加熱源１６を駆動させて、反応チャンバ１８内の金属酸化物２０を還元させる。このようにして、還元反応と酸化反応とを交互に繰り返す。

１０ポンプ、１２ガス生成器、１４真空ポンプ、１６加熱源、１８反応チャンバ、２０金属酸化物、２１原料導入管、２２接続管、２４バルブ、２６流量センサ、２８熱交換器、２９水分センサ、３０水タンク、３２ケーシング、３４多孔体、３４ａ一主面、３４ｂ裏面、３６透過窓、３８シーリング部材、４０ヒートシンク、４１送出管、４２第１空間、４３三方弁、４４第２空間。

Claims

気孔を有する多孔体と、
多孔体の第１面を加熱することが可能な加熱部と、
を備え、
多孔体の第１面は第１空間に接し、
多孔体の第１面とは異なる第２面は第２空間に接し、
第１空間と第２空間は気孔を介して連通しており、
加熱部の内部又は周囲の気体は、供給路を介して第２空間へ移送可能であり、
加熱部の内部又は周囲の気体を、供給路、第２空間及び気孔を介して第１空間へ移送することが可能であり、
加熱部は第１材料を含み、
第１材料は、第１温度において第１反応により第１気体を生成し、自身は第２材料に変化し、
第１反応から生じる第１気体を、供給路、第２空間及び気孔を介して第１空間へ移送することが可能な、
ポンプ。
請求項１記載のポンプであって、
加熱部は第２材料を含み、
第２材料は、第２温度において第２反応により第２気体を生成し、自身は第１材料に変化し、
第２反応から生じる第２気体を、供給路、第２空間及び気孔を介して第１空間へ移送することが可能な、
ポンプ。
請求項２記載のポンプであって、
加熱部に含まれる第１材料の量が所定値以上の場合は、加熱部の温度は第１温度に制御され、
加熱部に含まれる第２材料の量が所定値以上の場合は、加熱部の温度は第２温度に制御される、
ポンプ。
請求項２又は３に記載のポンプであって、
第１材料は、金属酸化物であり、
第２材料は、還元された金属酸化物であり、
第１反応は、還元反応であり、
第２反応は、酸化反応であり、
第１気体は、酸素である、
ポンプ。
請求項２から４のいずれか一項に記載のポンプであって、
加熱部に水を供給可能な供給手段を備え、
第２温度において加熱部に水を供給することにより、第２気体として水素を生成させることが可能な、
ポンプ。
請求項２から４のいずれか一項に記載のポンプであって、
加熱部に二酸化炭素を供給可能な供給手段を備え、
第２温度において加熱部に二酸化炭素を供給することにより、第２気体として一酸化炭素を生成させることが可能な、
ポンプ。
請求項１から６のいずれか一項に記載のポンプであって、
多孔体は、所定波長帯に対する光吸収性を有し、
加熱部は、所定波長帯を含む電磁波を多孔体の第１面に照射することで、多孔体の第１面を加熱することが可能な、
ポンプ。
請求項７に記載のポンプであって、
加熱部は、所定波長帯にピークを有する電磁波を多孔体の第１面に照射可能な、
ポンプ。
請求項１から８のいずれか一項に記載のポンプであって、
第１面は多孔体の一主面であり、
第２面は多孔体の一主面とは反対側の面である、
ポンプ。
請求項１から９のいずれか一項に記載のポンプを用いて、第１気体を生成する方法。
請求項２から１０のいずれか一項に記載のポンプを用いて、第２気体を生成する方法。