WO2022181619A1 - 水素製造装置及び水素製造方法 - Google Patents

水素製造装置及び水素製造方法 Download PDF

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WO2022181619A1
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reaction medium
exhaust gas
hydrogen production
transport pipe
container
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French (fr)
Inventor
裕一 阿部
丈司 大隈
Original Assignee
京セラ株式会社
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/02—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen

Definitions

  • the disclosed embodiments relate to a hydrogen production device and a hydrogen production method.
  • An object of one aspect of the embodiment is to provide a hydrogen production apparatus and a hydrogen production method capable of producing hydrogen by effectively utilizing the heat of the exhaust gas generated in the heating furnace.
  • a hydrogen production apparatus has a reaction medium, a container, a heating furnace, a transport pipe, and a steam supply section.
  • the vessel contains the reaction medium.
  • the heating furnace generates heated exhaust gas.
  • a transport pipe transports the exhaust gas into the container.
  • the steam supply unit supplies steam to the reaction medium.
  • FIG. 1 is a diagram schematically showing the configuration of a hydrogen production device according to an embodiment.
  • FIG. 2 is a diagram showing an example of the flow of the hydrogen production method according to the embodiment.
  • FIG. 3 is a diagram showing an example of the flow of the hydrogen production method according to the embodiment.
  • FIG. 4 is a diagram schematically showing the configuration of a hydrogen production device according to a modification of the embodiment.
  • FIG. 1 is a diagram schematically showing the configuration of a hydrogen production device 1 according to an embodiment.
  • the hydrogen production apparatus 1 has a reaction medium 10 , a container 11 , a heating furnace 12 , a transport pipe 13 , a steam supply section 14 and a recovery mechanism 15 .
  • the container 11 accommodates the reaction medium 10 used for producing hydrogen.
  • the reaction medium 10 may be, for example, a cylindrical porous body having a central channel through which various fluids can pass.
  • the material of the reaction medium 10 may be, for example, an oxide that is thermally reduced to produce oxygen vacancies.
  • a material of the reaction medium 10 for example, a perovskite oxide can be used.
  • the reaction medium 10 is the perovskite-type oxide described in Patent Document 1
  • the hydrogen production cycle can be performed in a temperature range of 400° C. or higher and 1600° C. or lower, for example.
  • the reaction medium 10 may also be referred to as a "catalyst".
  • the reaction medium 10 may be provided with various measuring instruments for managing the reaction state of the reaction medium 10.
  • a measuring instrument for example, a displacement meter, a weight meter, an electrometer, or the like can be used. These measuring instruments may be used in combination as appropriate.
  • the displacement gauge can measure the expansion and contraction of the reaction medium 10 as an indicator of the reaction state of the reaction medium 10 .
  • a weight scale can measure an increase or decrease in weight of the reaction medium 10 .
  • An electrometer can measure changes in potential of a conductive element attached to the reaction medium 10 . Ceramics having oxygen defects such as titanium oxide or rare earth-stabilized zirconium oxide can be used as the conductive element.
  • the amount of oxygen vacancies changes due to oxidation-reduction reactions, as in perovskite-type oxides, and the oxygen ion conduction changes according to the change.
  • An electrometer can measure changes in the oxygen ion conductivity of a conductive element as changes in potential.
  • the reaction medium 10 may be provided with a temperature sensor capable of detecting the temperature of the reaction medium 10 .
  • the shape of the reaction medium 10 is not limited to a cylindrical shape, and may be, for example, a rectangular cylindrical shape.
  • the reaction medium 10 may have two or more channels through which various fluids can pass.
  • the heating furnace 12 generates heated exhaust gas based on various heat treatments (for example, firing treatment for ceramics, etc.) performed inside.
  • the heated exhaust gas is, for example, an inert gas such as argon or nitrogen.
  • the transport pipe 13 is connected to the heating furnace 12. An opening 13 a at the tip of the transport tube 13 is located inside the container 11 .
  • the transport pipe 13 transports the exhaust gas generated in the heating furnace 12 into the container 11 .
  • the reaction medium 10 can be reduced by the heat of the exhaust gas. Reduction of the reaction medium 10 is achieved, for example, by heating the reaction medium 10 to a temperature of about 800° C. with the heat of the exhaust gas.
  • the temperature for reducing the reaction medium 10 may be higher than 800°C.
  • the hydrogen production apparatus 1 As the number of oxygen defects in the reaction medium 10 increases, the decomposition of water vapor based on the oxidation of the reaction medium 10 is accelerated when the reaction medium 10 and water vapor come into contact with each other. Therefore, the hydrogen generation efficiency can be improved. can. Therefore, according to the hydrogen production apparatus 1 according to the embodiment, hydrogen can be produced by effectively utilizing the heat of the exhaust gas generated in the heating furnace 12 .
  • the transport pipe 13 may be in contact with the reaction medium 10 so that the opening 13a and the central channel of the reaction medium 10 are in communication. Fluid (that is, exhaust gas or water vapor to be described later) flowing out from the opening 13 a is introduced into the central channel of the reaction medium 10 .
  • the transport pipe 13 is provided with a valve 131, a first filter 132 and a second filter 133 in this order from the upstream side (the heating furnace 12 side).
  • the valve 131 switches the open/close state of the transport pipe 13 .
  • the first filter 132 removes impurities from the exhaust gas passing through the transport pipe 13 .
  • Impurities are, for example, organic binders (binders) that are decomposed from ceramics when firing treatment is performed on the ceramics inside the heating furnace 12 .
  • the first filter 132 is provided on the upstream side (heating furnace 12 side) of the connecting portion 13 b of the transport pipe 13 to the pipe 142 of the steam supply portion 14 . By providing the first filter 132 on the upstream side of the connecting portion 13b, it is possible to suppress reaction between impurities in the exhaust gas passing through the transport pipe 13 and water vapor.
  • the second filter 133 removes oxygen from the exhaust gas passing through the transport pipe 13.
  • the second filter 133 is also called a deoxidizing filter.
  • the second filter 133 is provided on the downstream side (container 11 side) of the connection portion 13b of the transport pipe 13 to the pipe 142 of the water vapor supply portion 14 .
  • the second filter may comprise, for example, a material such as iron powder that reacts with oxygen to form an oxide.
  • the steam supply unit 14 supplies steam into the container 11 .
  • Water vapor fed into vessel 11 contacts reduced reaction medium 10 and is decomposed into oxygen and hydrogen. That is, when the reduced reaction medium 10 and water vapor come into contact with each other, oxygen contained in the water vapor is taken into the oxygen defects of the reaction medium 10 and hydrogen is generated. Generation of hydrogen is achieved, for example, by lowering the temperature of the reduced reaction medium 10 to about 600° C. and then contacting the reaction medium 10 with water vapor.
  • the water vapor supply unit 14 has a water vapor generation unit 141 and a pipe 142 .
  • the steam generator 141 generates steam from water as a raw material.
  • the pipe 142 extends from the steam generating section 141 and is connected to the transport pipe 13 at the connecting portion 13b.
  • the pipe 142 is provided with a valve 143 for switching the open/close state of the pipe 142 .
  • the steam supply unit 14 supplies steam into the container 11 through the pipe 142 and the transport pipe 13 in a state where the transport pipe 13 is closed by the valve 131 and the atmosphere inside the container 11 is maintained at a reduced pressure.
  • the hydrogen production apparatus 1 can supply water vapor to the reaction medium 10 while shutting off the supply of the exhaust gas to the reaction medium 10 by the valve 131 and maintaining the atmosphere in the container 11 at a reduced pressure.
  • mixing of the steam supplied into the container 11 and the exhaust gas can be avoided, so that the purity of the generated hydrogen can be improved.
  • the steam supply unit 14 may supply steam into the container 11 through the pipe 142 and the transport pipe 13 together with the exhaust gas passing through the transport pipe 13 .
  • the transport pipe 13 is provided with a flow rate regulator (not shown)
  • the water vapor supply unit 14 in a state in which the flow rate of the exhaust gas passing through the transport pipe 13 is reduced by the flow rate regulator, Steam may be supplied into the container 11 .
  • the temperature of the reaction medium 10 is set to a temperature suitable for hydrogen generation (for example, about 600°C). , the contact between the reaction medium 10 and water vapor can be promoted.
  • the transport pipe 13 is provided with a cooling mechanism (not shown)
  • the steam supply unit 14 supplies steam to the container 11 together with the exhaust gas in a state in which the exhaust gas passing through the transport pipe 13 is cooled by the cooling mechanism. can be supplied inside.
  • the temperature of the reaction medium 10 is lowered to a temperature suitable for generating hydrogen (for example, about 600° C.) by supplying steam into the vessel 11 together with the exhaust gas that has been cooled while passing through the transport pipe 13. contact of the reaction medium 10 with water vapor can be facilitated.
  • the pipe 142 of the steam supply unit 14 may be connected to the container 11 instead of the transport pipe 13 .
  • the steam supply unit 14 directly supplies steam into the container 11 via the pipe 142 .
  • the water vapor supply unit 14 may supply water vapor into the container 11 together with an arbitrary carrier gas through the pipe 142 .
  • the collection mechanism 15 is connected to an opening 11a provided in the container 11 via a pipe 15a.
  • the recovery mechanism 15 has a plurality of recovery units for recovering the gas generated inside the container 11 and the gas remaining inside the container 11 .
  • the recovery mechanism 15 includes a recovery unit for recovering hydrogen generated within the container 11, a recovery unit for recovering oxygen generated within the container 11, and a recovery unit for recovering the exhaust gas remaining in the container 11. have.
  • the recovered exhaust gas may be reused, for example, as a cooling gas for cooling the reaction medium 10 when water vapor is supplied into the container 11 .
  • Various sensors for detecting the amount of gas generated in the container 11 may be provided at the opening 11a of the container 11 to which the recovery mechanism 15 is connected.
  • the sensor for example, an infrared flow sensor, a differential thermal flow sensor, a partial pressure sensor, or the like can be used.
  • the hydrogen production device 1 further has a controller 16 .
  • the control unit 16 is, for example, a computer including a processor, a storage unit, an input device, a display device, and the like.
  • the storage unit of the control unit 16 stores a control program for controlling various processes executed by the hydrogen production device 1 by the processor.
  • the processor of the control unit 16 operates based on the control program stored in the storage unit to control the operation of the hydrogen production device 1 as a whole.
  • FIG. FIG.2 and FIG.3 is a figure which shows an example of the flow of the hydrogen production method which concerns on embodiment.
  • the control unit 16 opens the valve 131 and transports the exhaust gas generated in the heating furnace 12 into the container 11 via the transport pipe 13 .
  • the exhaust gas transported into the container 11 and flowing out from the opening 13 a of the transport tube 13 is introduced into the central channel of the reaction medium 10 .
  • the reaction medium 10 is reduced by the heat of the exhaust gas.
  • the reduction of the reaction medium 10 based on the heat of the exhaust gas progresses radially from the center of the reaction medium 10 toward the outer circumference. This causes oxygen to be released from the reaction medium 10 and oxygen defects to occur.
  • control unit 16 closes the valve 131 to stop the transportation of exhaust gas in the transportation pipe 13 . Further, the control unit 16 operates an exhaust device (not shown) connected to the container 11 to reduce the pressure in the container 11 so that the atmosphere in the container 11 is maintained at a reduced pressure.
  • the control unit 16 opens the valve 143 and supplies steam from the steam supply unit 14 into the container 11 via the pipe 142 and the transport pipe 13 .
  • the water vapor supplied into the container 11 and flowing out from the opening 13 a of the transport pipe 13 is introduced into the central channel of the reaction medium 10 .
  • Water vapor introduced into the central channel of the reaction medium 10 contacts the reduced reaction medium 10 and is decomposed into oxygen and hydrogen.
  • the decomposition of water vapor progresses radially from the center of the reaction medium 10 toward the outer periphery. As a result, the oxygen contained in the water vapor is taken into the oxygen defects of the reaction medium 10 and hydrogen is generated.
  • FIG. 4 is a diagram schematically showing the configuration of a hydrogen production device 1 according to a modification of the embodiment.
  • the hydrogen production apparatus 1 shown in FIG. 4 has a heat transfer member 21 that transfers heat released from the heating furnace 12 to the reaction medium 10 .
  • the heat transfer member 21 is a hollow member having both ends attached to the outer wall of the heating furnace 12 and the reaction medium 10 respectively.
  • the heat transfer member 21 may be, for example, a heat pipe in which a heat transfer medium is enclosed inside a tubular body. From the viewpoint of maintaining corrosion resistance, stainless steel, inconel, beryllia, or boron nitride (BN), for example, can be used as the material of the tubular body.
  • stainless steel, inconel, beryllia, or boron nitride (BN) for example, can be used as the material of the tubular body.
  • the heat pipe may be configured by forming a coating film on the inner wall of a tubular body made of alumina.
  • the heat pipe may be configured by forming a coating film of boron nitride (BN) on the inner wall of a tubular body made of alumina.
  • BN boron nitride
  • the heat transfer medium enclosed in the tubular body for example, sodium can be used from the viewpoint of improving the heat transfer efficiency.
  • the heat transfer member 21 may be, for example, a hollow body having therein a flow path through which a heat transfer medium can flow. The heat transfer member 21 transfers the heat released from the heating furnace 12 during the reduction of the reaction medium 10 to the reaction medium 10 , thereby promoting the generation of oxygen defects in the reaction medium 10 .
  • the reaction medium 10 and water vapor come into contact with each other, the decomposition of the water vapor based on the oxidation of the reaction medium 10 is promoted, so that the hydrogen generation efficiency can be further improved.
  • the hydrogen production device (eg, hydrogen production device 1) according to the embodiment includes a reaction medium (eg, reaction medium 10), a container (eg, container 11), and a heating furnace (eg, heating furnace 12). ), a transport pipe (for example, transport pipe 13), and a steam supply unit (for example, steam supply unit 14).
  • the vessel contains the reaction medium.
  • the heating furnace generates heated exhaust gas.
  • a transport pipe transports the exhaust gas into the container.
  • the steam supply unit supplies steam to the reaction medium.
  • hydrogen can be produced by effectively utilizing the heat of the exhaust gas generated in the heating furnace.
  • the hydrogen production apparatus may further have a valve (for example, valve 131) that switches the opening/closing state of the transport pipe.
  • the hydrogen production apparatus may be capable of supplying water vapor to the reaction medium while the supply of exhaust gas to the reaction medium is cut off by a valve. Thereby, the purity of generated hydrogen can be improved.
  • the hydrogen production apparatus may further include a first filter (for example, first filter 132) that is provided in the transport pipe and removes impurities from the exhaust gas passing through the transport pipe. Thereby, the purity of the exhaust gas can be improved.
  • a first filter for example, first filter 132
  • the hydrogen production apparatus may further have a valve (for example, valve 131) that switches the opening/closing state of the transport pipe.
  • the steam supply may have piping (eg, piping 142) connected to the transport tube.
  • the hydrogen production apparatus may be capable of supplying water vapor to the reaction medium while the supply of the exhaust gas to the reaction medium is cut off by a valve and the atmosphere inside the vessel is maintained at a reduced pressure.
  • the first filter may be provided on the upstream side of the connecting portion of the transport pipe with the pipe.
  • the hydrogen production apparatus may further include a second filter (for example, second filter 133) that is provided in the transport pipe and removes oxygen from the exhaust gas passing through the transport pipe.
  • a second filter for example, second filter 133
  • the hydrogen production apparatus may further have a recovery unit (for example, recovery mechanism 15) that recovers the exhaust gas remaining in the container. Thereby, the recovered exhaust gas can be reused.
  • a recovery unit for example, recovery mechanism 15
  • the hydrogen production apparatus may further have a heat transfer member (for example, heat transfer member 21) located between the heating furnace and the reaction medium.
  • a heat transfer member for example, heat transfer member 21 located between the heating furnace and the reaction medium.

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Abstract

水素製造装置は、反応媒体と、容器と、加熱炉と、輸送管と、水蒸気供給部とを有する。容器は、反応媒体を収容する。加熱炉は、加熱された排気ガスを発生する。輸送管は、排気ガスを容器内に輸送する。水蒸気供給部は、反応媒体に水蒸気を供給する。

Description

水素製造装置及び水素製造方法
　開示の実施形態は、水素製造装置及び水素製造方法に関する。
　例えば、高炉等の加熱炉から放出される熱を利用して反応媒体を還元し、還元された反応媒体に水蒸気を接触させて反応媒体を酸化することにより、水素を発生させる技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
国際公開第２０１３／１４１３８５号
　実施形態の一態様は、加熱炉で発生する排気ガスの熱を有効に利用して水素を製造することができる水素製造装置及び水素製造方法を提供することを目的とする。
　実施形態の一態様による水素製造装置は、反応媒体と、容器と、加熱炉と、輸送管と、水蒸気供給部とを有する。容器は、反応媒体を収容する。加熱炉は、加熱された排気ガスを発生する。輸送管は、排気ガスを容器内に輸送する。水蒸気供給部は、反応媒体に水蒸気を供給する。
図１は、実施形態に係る水素製造装置の構成を模式的に示す図である。 図２は、実施形態に係る水素製造方法の流れの一例を示す図である。 図３は、実施形態に係る水素製造方法の流れの一例を示す図である。 図４は、実施形態の変形例に係る水素製造装置の構成を模式的に示す図である。
　以下、添付図面を参照して、本願の開示する水素製造装置及び水素製造方法の実施形態について説明する。なお、以下に示す実施形態により本開示が限定されるものではない。また、図面は模式的なものであり、各要素の寸法の関係、各要素の比率などは、現実と異なる場合があることに留意する必要がある。さらに、図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。
［実施形態］
＜水素製造装置＞
　図１は、実施形態に係る水素製造装置１の構成を模式的に示す図である。水素製造装置１は、反応媒体１０と、容器１１と、加熱炉１２と、輸送管１３と、水蒸気供給部１４と、回収機構１５とを有する。
　容器１１は、水素の製造に用いられる反応媒体１０を収容する。反応媒体１０は、例えば、中央に種々の流体が通過可能な流路を有する円筒状の多孔質体であってもよい。反応媒体１０の材料は、例えば、熱により還元されて酸素欠陥が生じる酸化物であってもよい。反応媒体１０の材料としては、例えば、ペロブスカイト型酸化物を用いることができる。反応媒体１０が特許文献１に記載のペロブスカイト型酸化物である場合、例えば４００℃以上１６００℃以下の温度範囲で水素製造サイクルを行うことができる。なお反応媒体１０は、「触媒」とも表記される場合がある。
　反応媒体１０には、反応媒体１０の反応状態を管理するための各種の計測器が設けられてもよい。計測器としては、例えば、変位計、重量計又は電位計等を用いることができる。これらの計測器は、適宜組み合わせて用いられてもよい。変位計は、反応媒体１０の反応状態を示す指標として、反応媒体１０の膨張及び収縮を計測することができる。重量計は、反応媒体１０の重量の増減を計測することができる。電位計は、反応媒体１０に取り付けた導電性素子の電位の変化を計測することができる。導電性素子としては、例えば、酸化チタン又は希土類安定化酸化ジルコニウム等のような酸素欠陥を有するセラミックスを用いることができる。かかる導電性素子は、ペロブスカイト型酸化物と同じく酸化還元反応によって酸素欠陥量が変化し、その変化に応じて酸素イオン伝導が変化する。電位計は、導電性素子の酸素イオン電導の変化を電位の変化として測定することができる。このような導電性素子の場合、ペロブスカイト型酸化物と同じセラミックスであることから熱膨張係数が略同一であり、温度サイクル時の熱膨張係数差によるクラックが発生しにくい。また、反応媒体１０には、反応媒体１０の温度を検出可能な温度センサが設けられてもよい。また、反応媒体１０の形状は、円筒状に限らず、例えば矩形筒状であってもよい。また、反応媒体１０は、種々の流体が通過可能な２つ以上の流路を有していてもよい。
　加熱炉１２は、内部で実行される種々の加熱処理（例えば、セラミックスに対する焼成処理等）に基づき、加熱された排気ガスを発生する。加熱された排気ガスは、例えば、アルゴン又は窒素等の不活性ガスである。
　輸送管１３は、加熱炉１２に接続されている。輸送管１３の先端の開口部１３ａは、容器１１内に位置している。輸送管１３は、加熱炉１２で発生する排気ガスを容器１１内に輸送する。これにより、排気ガスの熱により反応媒体１０を還元することができる。反応媒体１０の還元は、例えば、排気ガスの熱により反応媒体１０を約８００℃の温度まで加熱することにより、実現される。反応媒体１０を還元する温度は、８００℃よりも高くてもよい。加熱炉１２で発生する排気ガスの熱により反応媒体１０を還元する場合、加熱炉１２から放出される熱を利用して反応媒体１０を還元する場合と比較して、反応媒体１０に生じる酸素欠陥の数を増大させることができる。反応媒体１０における酸素欠陥の数が増大するほど、反応媒体１０と水蒸気とが接触する際に反応媒体１０の酸化に基づく水蒸気の分解が促進されることから、水素の発生効率を向上させることができる。このため、実施形態に係る水素製造装置１によれば、加熱炉１２で発生する排気ガスの熱を有効に利用して水素を製造することができる。
　輸送管１３は、開口部１３ａと反応媒体１０の中央の流路とが連通するように、反応媒体１０に接触していてもよい。開口部１３ａから流出される流体（つまり、排気ガス又は後述する水蒸気）は、反応媒体１０の中央の流路に導入される。
　また、輸送管１３には、上流側（加熱炉１２側）から順に、バルブ１３１、第１フィルタ１３２及び第２フィルタ１３３が設けられている。
　バルブ１３１は、輸送管１３の開閉状態を切り替える。
　第１フィルタ１３２は、輸送管１３を通過する排気ガスから不純物を除去する。不純物は、例えば、加熱炉１２の内部でセラミックスに対する焼成処理が実行される場合、セラミックスから分解される有機結合剤（バインダ）である。第１フィルタ１３２は、輸送管１３における、水蒸気供給部１４の配管１４２との接続部１３ｂよりも上流側（加熱炉１２側）に設けられている。第１フィルタ１３２が接続部１３ｂよりも上流側に設けられることにより、輸送管１３を通過する排気ガス中の不純物と水蒸気との反応を抑制することができる。
　第２フィルタ１３３は、輸送管１３を通過する排気ガスから酸素を除去する。第２フィルタ１３３は、脱酸素フィルタとも呼ばれる。第２フィルタ１３３は、輸送管１３における、水蒸気供給部１４の配管１４２との接続部１３ｂよりも下流側（容器１１側）に設けられている。第２フィルタは、例えば、鉄紛などの酸素と反応して酸化物となる材料を有していてもよい。
　水蒸気供給部１４は、容器１１内に水蒸気を供給する。容器１１内に供給される水蒸気は、還元された反応媒体１０と接触して酸素及び水素に分解される。すなわち、還元された反応媒体１０と水蒸気とが接触することにより、水蒸気に含まれる酸素が反応媒体１０の酸素欠陥に取り込まれるとともに、水素が発生する。水素の発生は、例えば、還元された反応媒体１０の温度を約６００℃まで低下させた後に、反応媒体１０と水蒸気とを接触させることにより、実現される。
　水蒸気供給部１４は、水蒸気発生部１４１と、配管１４２とを有する。水蒸気発生部１４１は、原料となる水から水蒸気を発生させる。配管１４２は、水蒸気発生部１４１から延伸して、接続部１３ｂにおいて輸送管１３に接続されている。配管１４２には、配管１４２の開閉状態を切り替えるバルブ１４３が設けられている。
　水蒸気供給部１４は、輸送管１３がバルブ１３１により閉じられ且つ容器１１内の雰囲気が減圧雰囲気に維持された状態で、配管１４２及び輸送管１３を介して、水蒸気を容器１１内に供給する。言い換えると、水素製造装置１は、バルブ１３１によって反応媒体１０への排気ガスの供給を遮断し且つ容器１１内の雰囲気を減圧雰囲気に維持した状態で、水蒸気を反応媒体１０に供給可能である。これにより、容器１１内に供給される水蒸気と排気ガスとの混合を回避することができることから、発生する水素の純度を向上させることができる。
　なお、水蒸気供給部１４は、配管１４２及び輸送管１３を介して、輸送管１３を通過する排気ガスとともに水蒸気を容器１１内に供給してもよい。この場合、容器１１の後段側（つまり、回収機構１５側）に、発生する水素から排気ガスの成分を分離するための分離膜を設けることが好ましい。また、水蒸気供給部１４は、輸送管１３に流量調整器（不図示）が設けられている場合、流量調整器により輸送管１３を通過する排気ガスの流量が低減された状態で、排気ガスとともに水蒸気を容器１１内に供給してもよい。輸送管１３を通過する排気ガスの流量が低減された状態で排気ガスとともに水蒸気を容器１１内に供給することにより、反応媒体１０の温度を水素の発生に適した温度（例えば、約６００℃）まで低下させつつ、反応媒体１０と水蒸気との接触を促進することができる。また、水蒸気供給部１４は、輸送管１３に冷却機構（不図示）が設けられている場合、冷却機構により輸送管１３を通過する排気ガスが冷却された状態で、排気ガスとともに水蒸気を容器１１内に供給してもよい。輸送管１３を通過する排気ガスが冷却された状態で排気ガスとともに水蒸気を容器１１内に供給することにより、反応媒体１０の温度を水素の発生に適した温度（例えば、約６００℃）まで低下させつつ、反応媒体１０と水蒸気との接触を促進することができる。
　また、水蒸気供給部１４の配管１４２は、輸送管１３に代えて、容器１１に接続されていてもよい。この場合、水蒸気供給部１４は、配管１４２を介して、水蒸気を容器１１内に直接供給する。また、この場合、水蒸気供給部１４は、配管１４２を介して、任意のキャリアガスとともに水蒸気を容器１１内に供給してもよい。
　回収機構１５は、容器１１に設けられた開口１１ａに配管１５ａを介して接続されている。回収機構１５は、容器１１内で発生するガスや容器１１内に残留するガスを回収する複数の回収部を有する。例えば、回収機構１５は、容器１１内で発生する水素を回収する回収部と、容器１１内で発生する酸素を回収する回収部と、容器１１内に残留する排気ガスを回収する回収部とを有する。回収された排気ガスは、例えば、容器１１内への水蒸気の供給時に反応媒体１０を冷却する冷却ガスとして再利用されてもよい。
　なお、回収機構１５が接続される容器１１の開口１１ａには、容器１１内で発生するガスの量等を検出するための各種のセンサが設けられてもよい。センサとしては、例えば、赤外線式流量センサ、示差熱式流量センサ又は分圧センサ等を用いることができる。
　水素製造装置１は、制御部１６をさらに有する。制御部１６は、例えば、プロセッサ、記憶部、入力装置及び表示装置等を備えるコンピュータである。制御部１６の記憶部には、水素製造装置１で実行される各種処理をプロセッサにより制御するための制御プログラムが格納されている。制御部１６のプロセッサは、記憶部に格納された制御プログラムに基づき動作して、水素製造装置１全体の動作を制御する。
＜水素製造方法＞
　次に、実施形態に係る水素製造方法について、図２及び図３を参照しながら説明する。図２及び図３は、実施形態に係る水素製造方法の流れの一例を示す図である。
　まず、図２に示すように、制御部１６は、バルブ１３１を開け、輸送管１３を介して、加熱炉１２で発生する排気ガスを容器１１内に輸送する。容器１１内に輸送されて輸送管１３の開口部１３ａから流出する排気ガスは、反応媒体１０の中央の流路に導入される。反応媒体１０の中央の流路に排気ガスが導入されると、排気ガスの熱により反応媒体１０が還元される。排気ガスの熱に基づく反応媒体１０の還元は、反応媒体１０の中央から外周に向かって放射状に進行する。これにより、反応媒体１０から酸素が放出されて酸素欠陥が生じる。
　次に、制御部１６は、バルブ１３１を閉じて、輸送管１３における排気ガスの輸送を停止する。また、制御部１６は、容器１１に接続する不図示の排気装置を動作させて、容器１１内の雰囲気が減圧雰囲気に維持されるように、容器１１内を減圧する。
　その後、図３に示すように、制御部１６は、バルブ１４３を開けるとともに、配管１４２及び輸送管１３を介して、水蒸気を水蒸気供給部１４から容器１１内に供給する。容器１１内に供給されて輸送管１３の開口部１３ａから流出する水蒸気は、反応媒体１０の中央の流路に導入される。反応媒体１０の中央の流路に導入された水蒸気は、還元された反応媒体１０と接触して酸素及び水素に分解される。水蒸気の分解は、反応媒体１０の中央から外周に向かって放射状に進行する。これにより、水蒸気に含まれる酸素が反応媒体１０の酸素欠陥に取り込まれるとともに、水素が発生する。
＜水素製造装置の変形例＞
　次に、実施形態に係る水素製造装置の変形例について、図４を参照しながら説明する。なお、以下に示す変形例では、実施形態と同一の部位には同一の符号を付することにより重複する説明を省略することがある。
　図４は、実施形態の変形例に係る水素製造装置１の構成を模式的に示す図である。図４に示す水素製造装置１は、加熱炉１２から放出される熱を反応媒体１０へ移動させる伝熱部材２１を有する。伝熱部材２１は、両端が加熱炉１２の外壁及び反応媒体１０にそれぞれ取り付けられた中空の部材である。伝熱部材２１は、例えば、管状体の内部に伝熱媒体を封入したヒートパイプであってもよい。管状体の材質としては、耐食性を維持する観点から、例えば、ステンレス、インコネル、べリリア、又は窒化ホウ素（ＢＮ）を用いることができる。また、ヒートパイプは、アルミナ製の管状体の内壁にコーティング膜を形成することで、構成されてもよい。例えば、ヒートパイプは、アルミナ製の管状体の内壁にコーティング膜としての窒化ホウ素（ＢＮ）を形成することで、構成されてもよい。また、管状体に封入される伝熱媒体としては、熱輸送効率を向上させる観点から、例えば、ナトリウムを用いることができる。また、伝熱部材２１は、例えば、内部に伝熱媒体が通流可能な流路を有する中空体であってもよい。伝熱部材２１が、例えば反応媒体１０の還元時に加熱炉１２から放出される熱を反応媒体１０へ移動させることにより、反応媒体１０における酸素欠陥の生成が促進される。これにより、反応媒体１０と水蒸気とが接触する際に反応媒体１０の酸化に基づく水蒸気の分解が促進されることから、水素の発生効率をより向上させることができる。
　以上のように、実施形態に係る水素製造装置（例えば、水素製造装置１）は、反応媒体（例えば、反応媒体１０）と、容器（例えば、容器１１）と、加熱炉（例えば、加熱炉１２）と、輸送管（例えば、輸送管１３）と、水蒸気供給部（例えば、水蒸気供給部１４）とを有する。容器は、反応媒体を収容する。加熱炉は、加熱された排気ガスを発生する。輸送管は、排気ガスを容器内に輸送する。水蒸気供給部は、反応媒体に水蒸気を供給する。これにより、加熱炉で発生する排気ガスの熱を有効に利用して水素を製造することができる。
　また、実施形態に係る水素製造装置は、輸送管の開閉状態を切り替えるバルブ（例えば、バルブ１３１）をさらに有してもよい。水素製造装置は、バルブによって反応媒体への排気ガスの供給を遮断した状態で、水蒸気を反応媒体に供給可能であってもよい。これにより、発生する水素の純度を向上させることができる。
　また、実施形態に係る水素製造装置は、輸送管に設けられ、輸送管を通過する排気ガスから不純物を除去する第１フィルタ（例えば、第１フィルタ１３２）をさらに有してもよい。これにより、排気ガスの純度を向上させることができる。
　また、実施形態に係る水素製造装置は、輸送管の開閉状態を切り替えるバルブ（例えば、バルブ１３１）をさらに有してもよい。水蒸気供給部は、輸送管に接続される配管（例えば、配管１４２）を有してもよい。水素製造装置は、バルブによって反応媒体への排気ガスの供給を遮断し且つ容器内の雰囲気を減圧雰囲気に維持した状態で、水蒸気を反応媒体に供給可能であってもよい。そして、第１フィルタは、輸送管における配管との接続部よりも上流側に設けられてもよい。これにより、輸送管を通過する排気ガス中の不純物と水蒸気との反応を抑制することができることから、発生する水素の純度をより向上させることができる。
　また、実施形態に係る水素製造装置は、輸送管に設けられ、輸送管を通過する排気ガスから酸素を除去する第２フィルタ（例えば、第２フィルタ１３３）をさらに有してもよい。これにより、排気ガスの熱による反応媒体１０の還元時に反応媒体１０に生じる酸素欠陥に排気ガス中の酸素が入り込む事態を抑制することができる。
　また、実施形態に係る水素製造装置は、容器内に残留する排気ガスを回収する回収部（例えば、回収機構１５）をさらに有してもよい。これにより、回収された排気ガスを再利用することができる。
　また、実施形態に係る水素製造装置は、加熱炉と反応媒体との間に位置する伝熱部材（例えば、伝熱部材２１）をさらに有してもよい。これにより、水素の発生効率をより向上させることができる。
　さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。このため、本発明のより広範な態様は、以上のように表しかつ記述した特定の詳細および代表的な実施形態に限定されるものではない。したがって、添付の請求の範囲およびその均等物によって定義される総括的な発明の概念の精神または範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能である。
１　水素製造装置
１０　反応媒体
１１　容器
１２　加熱炉
１３　輸送管
１４　水蒸気供給部
１５　回収機構
１６　制御部
２１　伝熱部材
１３１、１４３　バルブ
１４１　水蒸気発生部
１４２　配管

Claims (8)

  1. 　反応媒体と、
    　前記反応媒体を収容する容器と、
    　加熱された排気ガスを発生する加熱炉と、
    　前記排気ガスを前記容器内に輸送する輸送管と、
    　前記反応媒体に水蒸気を供給する水蒸気供給部と
    　を有する、水素製造装置。
  2. 　前記輸送管の開閉状態を切り替えるバルブをさらに有し、
    　前記バルブによって前記反応媒体への前記排気ガスの供給を遮断した状態で、前記水蒸気を前記反応媒体に供給可能である、請求項１に記載の水素製造装置。
  3. 　前記輸送管に設けられ、前記輸送管を通過する前記排気ガスから不純物を除去する第１フィルタをさらに有する、請求項１に記載の水素製造装置。
  4. 　前記輸送管の開閉状態を切り替えるバルブをさらに有し、
    　前記水蒸気供給部は、前記輸送管に接続される配管を有し、
    　前記バルブによって前記反応媒体への前記排気ガスの供給を遮断し且つ前記容器内の雰囲気を減圧雰囲気に維持した状態で、前記水蒸気を前記反応媒体に供給可能であり、
    　前記第１フィルタは、前記輸送管における前記配管との接続部よりも上流側に設けられる、請求項３に記載の水素製造装置。
  5. 　前記輸送管に設けられ、前記輸送管を通過する前記排気ガスから酸素を除去する第２フィルタをさらに有する、請求項１～４のいずれか一つに記載の水素製造装置。
  6. 　前記容器内に残留する前記排気ガスを回収する回収部をさらに有する、請求項１～５のいずれか一つに記載の水素製造装置。
  7. 　前記加熱炉と前記反応媒体との間に位置する伝熱部材をさらに有する、請求項１～６のいずれか一つに記載の水素製造装置。
  8. 　請求項１～７のいずれか一つに記載の水素製造装置を用いた水素製造方法であって、
    　前記排気ガスの熱によって前記反応媒体を還元する第１工程と、
    　還元された前記反応媒体に前記水蒸気を接触させ、水素を発生させる第２工程と
    　を有する水素製造方法。
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