JPH0130761B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、ガスの再利用及び炭素の形成に係
り、特にガスの再利用及び炭素の形成を行う一体
的な系を連続的に運転することに係る。

多くの環境に於ては、例えば潜水艦や宇宙飛行
体の環境に於ては、哺乳動物の呼気中の二酸化炭
素より酸素を再生する必要がある。かかる酸素の
再生は一般に二酸化炭素を含む空気を二酸化炭素
濃縮装置に通し、次いでかくして濃縮された二酸
化炭素を二酸化炭素還元装置に通すことによつて
達成される。これまで化学的手段及び電気化学的
手段を含む多数の二酸化炭素還元プロセスが使用
されている。現状ではサバテイエ（Sabatier）プ
ロセス及びボツシユ（Bosch）プロセスが水の電
気分解との組合せで使用されることが好ましい。
サバテイエ反応（CO₂＋4H₂→2H₂O＋CH₄）に
よれば設備が単純になるが、二酸化炭素に対する
水素の比が４：１であることが必要とされ、かか
る比率は二酸化炭素に対する水素の比が約2.6〜
１である宇宙飛行体の如き典型的な環境に於て得
られる二酸化炭素に対する水素の比をはるかに越
えており、従つて未反応の二酸化炭素が発生す
る。

またボツシユプロセスの如き二酸化炭素還元法
に於ては、究極的には二酸化炭素より酸素を再生
させるべくより好ましくは平衡状態にて一組の連
続的な反応が生起せしめられる。酸素発生装置よ
りの水素は二酸化炭素還元装置内に於ける二酸化
炭素と化合せしめられて水及び固体炭素が形成さ
れる。水は酸素発生装置へ移され、該酸素発生装
置内に於て電気分解されることにより乗組員のた
めの酸素と二酸化炭素還元装置のための水素とが
形成され、かくして酸素再生サイクルが完成され
る。

現在開発されているボツシユ反応系に於ては、
700℃の温度にて機能する消費型の鉄触媒が使用
されている。触媒上には約0.5ｇ／c.c.の低密度を
有する固体炭素が付着する。一般にスチールウー
ルの形態をなす使用開始時の鉄触媒の活性は炭素
付着が発生すると増大する。かかる現象を生じる
理由は、炭素を含有する鉄がより活性の大きい鉄
及び／又は炭化鉄成分を含有するようになること
であると考えられる。

しかし上述の如き反応系に於ても種々の問題が
ある。ボツシユプロセスに於ては生成した炭素の
取り扱いに関し重大な問題がある。炭素は鉄触媒
と反応して炭化鉄を形成し、その炭化鉄は生成し
た炭素の層を通過して移動する。このことにより
触媒より炭素を分離するという困難な問題が提起
され、また触媒が消費されるので触媒材料を追加
しなければならないという問題がある。炭素は低
密度（0.5ｇ／c.c.）の固体として付着し、従つて
炭素の貯蔵の問題も大きな問題となる。また反応
温度が高温であるので、一酸化炭素、二酸化炭
素、メタン、水素の如き不純物の問題も処理され
なければならない。

従つて、本発明の目的は、二酸化炭素より酸素
を再生する方法であつて、上述の如き種々の問題
を解決する方法を提供することである。

本発明は、二酸化炭素を水素と反応させてメタ
ンと水との混合物を形成し、水を電気分解して水
素と酸素とを形成することにより、二酸化炭素排
気より酸素を再生する従来の方法を改善するもの
である。かかる方法は、本発明によれば、約1000
〜1200℃の温度に加熱された高温度に於て安定な
ガラスの表面上に生成されたメタンを通し、これ
により二酸化炭素と反応せしめられる水素と約２
ｇ／c.c.以上の密度を有する炭素付着物とを形成す
ることにより改善される。かかる本発明による方
法は、従来のボツシユ反応系に於て多量に発生さ
れる一酸化炭素が排除され、はるかに高密度の炭
素が形成され、従つて貯蔵の容積も小さくてよ
く、また有害であり交換されることを要する消費
型の触媒材料の必要性が排除されるという種々の
利点を有している。

以下に添付の図を参照しつつ、本発明を実施例
について詳細に説明する。

本発明による酸素再生法を実施するに好適な二
酸化炭素転換装置が第１図に示されている。第１
図に示されている如く、本発明による酸素再生法
は二つの工程よりなるプロセスであり、全体とし
て高密度炭素と分解により酸素に転換されてよい
水とが製造される。二酸化炭素は、発熱反応CO₂
＋4H₂→CH₄＋2H₂Oによりメタンと水とを生成
する第一の反応装置１内に於て、Hamilton
Standard UASC 151G（アルミナ粒上に担持され
た20wt％のルテニウム）の如き水素処理触媒上
にて水素と化合される。かくして処理され第一の
反応装置１より出たガスは冷却され、第一の反応
装置内に於て発生された水蒸気は通常の凝縮器／
分離器２（宇宙飛行の用途に於ては有孔板凝縮
器／分離器が好ましい）内に於て凝縮され且分離
される。この水蒸気の凝縮を行うためにキヤビン
内より供給された空気が使用されてよい。次いで
凝縮することのできないメタンを含有するガス流
が再生熱交換器３へ導かれ、ガス流はそれが第二
段階の工程に入る前に熱交換器３内に於て加熱さ
れる。

第二の反応装置４内に於ては、吸熱反応CH₄→
Ｃ＋2H₂により、約1000〜1200℃の温度にて触媒
を有しない平滑なガラス表面上にてメタンが分解
されて高密度炭素（２ｇ／c.c.以上）と水素とに分
解される。かかる反応に於て生成した水素は、二
酸化炭素に対する水素ガスのモル比が約2.2〜2.8
にて流入する水素供給流に添加される。かくして
反応ガス流全体としてのモル比が4.2〜4.8とされ
る。かかる二酸化炭素に対する水素のモル比によ
り、第一の反応装置１に流入する全ての二酸化炭
素が完全に反応することが確保される。

高密度炭素を分解によつて生成し収集するため
に使用されるガラスは、本発明の方法に於て採用
される1000〜1200℃に於ても軟化したり変形した
りすることのない任意の高温度に於て安定なガラ
スであつてよい。高温度に於て安定なガラスの例
としては、水晶やアメリカ合衆国ニユーヨーク
州、コーニング所在のCorning Glass Worksに
より販売されているVycor（登録商標）の如き高
シリカ含有ガラスがある。ガラスは中実棒状、プ
レート状、中空チユーブ状、又は中空円筒状の形
態にて使用されてよい。ガラスの表面に付着した
炭素は、そのガラスを固体表面上に軽く叩き付け
て形成された炭素を拭い取るという簡単な手段に
より、ガラスより除去される。

従来の任意の手段により炭素製造装置が加熱さ
れてよいが、抵抗炉加熱が好ましい。一つの例示
的な抵抗炉装置に於ては、標準的な耐火煉瓦及び
アメリカ合衆国マサチユーセツツ州、ウオーセス
タ所在のNorton Companyより販売されている
Globar炭化ケイ素棒が含まれている。通常の抵
抗ヒータが使用される場合には、ガラス棒などを
収容するガラス室又は他の加熱室の周りに抵抗コ
イルが巻装され、該抵抗コイルには所望の温度と
するに充分な電流が供給される。

第２図に抵抗炉により加熱される構成が図示さ
れており、ガラス管８は通常の耐火煉瓦シール１
３の間に挿入され且アルミナ管１４により囲繞さ
れている。長さ228.5mmの活性加熱要素を有する
上述の如き６個のGlobar炭化ケイ素棒１５がア
ルミナ管１４の周りに配置されており、図には示
されていないが反応装置全体が標準的な耐火煉瓦
製の包囲体内に収容されている。炭素をガラス管
８の内周面に付着させたい場合には、第２図に於
て矢印９にて示されている如くメタンガスが導入
され、矢印１０により示されている如く水素ガス
が排出される。また炭素をガラス管８の外周面に
付着させたい場合には、第２図に於て仮想線にて
示されている如く、メタンガス１８が流入し水素
ガス１９が排出し得るよう、耐火煉瓦シール１３
を貫通するチヤンネル１６及び１７が設けられ
る。

炭素を付着させるに際し約1200℃以上の温度が
採用されてもよいが、エネルギ効率及び反応装置
全体としての安定性の点からは1200℃以上の温度
は好ましくない。またこの段階に於ては触媒は使
用されないので、不純物の許容度に関する問題が
軽減される。例えば水蒸気にて飽和されたメタン
であつても本発明の方法によれば高密度炭素及び
水素ガスに転換される。

ガラス管内又はガラス管上に流されるメタンガ
スの量はガラス管の表面積及び温度次第である。
３mm〜30mmの直径を有するガラス棒又はガラス管
の外周面又はガラス管の内周面に高密度炭素を付
着させるためには、1000〜1200℃の温度に対し10
c.c.／min〜1300c.c.／minの流量が採用されてよ
い。メタンガスの流量を50c.c.／minに設定し温度
を1200℃に設定すれば、直径22mmの中空ガラス管
の内周面に高密度炭素が好ましく付着される。メ
タンは一般に大気圧と大気圧よりも0.427気圧だ
け高い圧力との間の圧力にて反応系内を通過す
る。反応装置４内のガラス管にメタンを供給する
場合にはメタンが層状に流されることが好ましい
が、本発明に於てはメタンは乱流にて流されても
よいものと考えられる。

例 抵抗ヒータを用いて反応炉が組立てられた（第
２図参照）。この反応炉に於ては、直径1.25cm、
長さ46cmの炭化ケイ素製の６本の棒状の抵抗ヒー
タが直径７cm、長さ50cmのアルミナ管の周りに円
形に配列された。アルミナ管内に支持されたシリ
カ製のチユーブ内にメタンガスが流された。プラ
チナ／プラチナ−ロジウムの熱電対を用いてシリ
カ製のチエーブの温度が測定された。アルミナ管
の内径は５cm以上であるので、内径25mm、外径28
mmのシリカ製のチエーブが先に反応炉内に配置さ
れた。メタンガスの流量を100c.c.／minに設定し
て温度1200℃にて５時間半に亙り反応炉を運転し
たところ、密度２ｇ／c.c.以上の高密度炭素が得ら
れた。またメタンガスの流量を40c.c.／minに設定
して2.8時間同様に反応炉を運転したところ、高
密度（２ｇ／c.c.以上）の炭素層が得られた。

第１図を詳細に検討することにより、本発明に
よる方法の循環的な特徴が解る。凝縮器／分離器
２より出る水は通常の要領にて電気分解されるこ
とにより、例えば宇宙に於ける呼吸用の酸素及び
呼気中の二酸化炭素と反応せしめられる水素とが
生成される。また凝縮器／分離器２によりキヤビ
ンの空気を加熱するための手段が与えられる。再
生熱交換器３はメタン及び水素のその後の反応に
備えてメタンを加熱し水素を冷却するために使用
される。従つて反応系に通される材料が効率的に
使用されるだけでなく、熱効率も高い。

反応のメタン組成に関し行われた最近の試験に
於ては、触媒を有しないガラスの表面上に高密度
炭素が形成され、またこれと同時にメタンがほぼ
完全に分解された。かくして生成された炭素は冷
却時にガラスの表面より容易に剥離するものであ
つた。このことにより炭素を収容する容積を低減
することができ、また上述の如き従来技術に於け
る消費型の触媒に関する要件が排除される。

以上に於ては本発明を特定の実施例について詳
細に説明したが、本発明はかかる実施例に限定さ
れるものではなく、本発明の範囲内にて種々の実
施例が可能であることは当業者にとつて明らかで
あろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による酸素再生法を実施するに
好適な二酸化炭素に基く酸素再生装置を示す解図
である。第２図は第１図に示された酸素再生装置
に組込まれた高密度炭素形成反応装置を示す解図
である。 １……第一の反応装置、２……凝縮器／分離
器、３……再生熱交換器、４……第二の反応装
置、８……ガラス管、１３……耐火煉瓦シール、
１４……アルミナ管、１５……炭化ケイ素棒、１
６，１７……チヤンネル、１８……メタンガス、
１９……水素ガス。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 二酸化炭素排気より酸素を再生する方法にし
   て、二酸化炭素排気に水素ガスを反応させてメタ
   ンガスと水とを生成する工程と、かくして生成さ
   れたメタンガスと水とを分離する工程と、かくし
   て分離された水を電気分解して水素ガスと酸素ガ
   スとを生成する工程と、前記のメタンガスを実質
   的に1000℃と1200℃の間の温度に加熱された高温
   にて安定なガラスの表面に沿つて導くことにより
   実質的に２ｇ／c.c.以上の密度を有する炭素付着物
   と水素ガスとを生成する工程とを含み、前記の二
   酸化炭素排気と水素ガスとを反応させる工程に於
   ける水素ガスは水素ガス供給源よりの水素ガスと
   前記のメタンガスより生成された水素とを足し合
   せたものであることを特徴とする方法。