特開 2024-136421 水素製造装置及び水素製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024136421

(43)【公開日】2024-10-04

(54)【発明の名称】水素製造装置及び水素製造方法

(51)【国際特許分類】

   C01B 3/08 20060101AFI20240927BHJP

   C01B 32/60 20170101ALI20240927BHJP

   C01B 3/56 20060101ALI20240927BHJP

【ＦＩ】

C01B3/08 Z

C01B32/60

C01B3/56 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】9

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023047534

(22)【出願日】2023-03-24

(71)【出願人】

【識別番号】390037154

【氏名又は名称】大和ハウス工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100162031

【弁理士】

【氏名又は名称】長田 豊彦

(74)【代理人】

【識別番号】100175721

【弁理士】

【氏名又は名称】高木 秀文

(72)【発明者】

【氏名】河目 裕介

【テーマコード（参考）】

4G140

【Ｆターム（参考）】

4G140FA02

4G140FB04

4G140FC01

4G140FE01

(57)【要約】

【課題】水素を好適に製造することができる水素製造装置を提供する。
【解決手段】水中で鉄と二酸化炭素とを反応させて水素を生成する反応器３０と、反応器３０に二酸化炭素を供給する加圧用ポンプ５０と、反応器３０内で生成された水素と二酸化炭素とを分離する水素分離膜モジュール６０と、水素分離膜モジュール６０により分離された水素の量を計測する流量計８０と、を具備する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

水中で金属と二酸化炭素とを反応させて水素を生成する反応器と、
前記反応器に二酸化炭素を供給する二酸化炭素供給部と、
前記反応器内で生成された水素と二酸化炭素とを分離する分離部と、
前記分離部により分離された水素の量を計測する水素量計測部と、
を具備する、
水素製造装置。

【請求項2】

前記二酸化炭素供給部は、
加圧した二酸化炭素を前記反応器に供給可能であり、
前記分離部は、
前記二酸化炭素供給部により前記反応器を介して供給された二酸化炭素の圧力により、水素と二酸化炭素とを分離する、
請求項１に記載の水素製造装置。

【請求項3】

前記反応器内の気体の量を検出する気相検出部と、
前記気相検出部の検出結果に基づいて、前記反応器内の水素の発生量を推定する推定部と、
を具備する請求項２に記載の水素製造装置。

【請求項4】

前記気相検出部は、
前記反応器内の二酸化炭素の量を検出する二酸化炭素検出部を含む、
請求項３に記載の水素製造装置。

【請求項5】

前記反応器は、
金属を粉砕させる機構を備え、
前記反応器と前記二酸化炭素供給部とを接続する経路と、前記反応器と前記分離部とを接続する経路と、の少なくとも一方は、防振性を有する配管により形成されている、
請求項１に記載の水素製造装置。

【請求項6】

反応器内に、水及び金属を供給する原料供給工程と、
前記反応器内に二酸化炭素を供給すると共に、前記反応器の動作を開始し、前記反応器内で水素を生成する水素生成工程と、
前記反応器で生成された水素の量を計測する計測部の計測結果を用いて、前記反応器で所定期間内に生成された水素の量が第一の量以下であるか否かを判断する生成量判断工程と、
前記生成量判断工程において、前記反応器で所定期間内に生成された水素の量が前記第一の量以下であると判断された場合に前記反応器の動作を停止する停止工程と、
を具備する水素製造方法。

【請求項7】

前記水素生成工程において、
加圧した二酸化炭素を前記反応器内に常時供給する第一制御を実行可能である、
請求項６に記載の水素製造方法。

【請求項8】

前記計測部は、
前記反応器内の水素と二酸化炭素とを分離することで得られた水素の量を計測する水素量計測部と、
前記反応器内の気体の量に基づいて前記反応器内の水素の発生量を推定する推定部と、を含み、
前記水素生成工程において、
前記推定部の推定結果である推定水素発生量が、前記第一の量よりも大きい第二の量以下である場合に、加圧した二酸化炭素を供給し、
前記水素量計測部の計測結果が、前記反応器内での前記推定水素発生量の総量を超えた場合に、加圧した二酸化炭素の供給を停止する第二制御を実行可能である、
請求項７に記載の水素製造方法。

【請求項9】

前記水素生成工程で生成された水素が貯留される水素貯留部の水素の貯留量が、基準貯留量未満である場合は前記第一制御を実行し、
前記水素貯留部の水素の貯留量が、前記基準貯留量以上である場合は前記第二制御を実行する、
請求項８に記載の水素製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、水素製造装置及び水素製造方法の技術に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、化学反応により水素を製造する技術は公知となっている。例えば、特許文献１に記載の如くである。

【0003】

特許文献１には、ボールミル等の装置内に金属（鉄鋼金属等）、水及び二酸化炭素の原料を入れて、装置を動作させることで、金属を粉砕しながら各原料を攪拌することで、金属、水及び二酸化炭素を反応させて、水素を製造する方法が記載されている。上記特許文献１に記載された方法では、原料の金属としてスクラップを用いることができる。

【0004】

しかしながら、上記特許文献１に記載された方法のように、金属にスクラップを用いた場合には、原料の金属の品質がばらつくことが想定される。この場合、同じ量の原料を装置内に投入しても、水素の発生量にばらつきが生じることが想定される。このように水素の発生量にばらつきが生じる場合、反応時間をどの程度に設定すればよいかを事前に予測し難い。その場合、水素製造装置の制御や追加の原料の投入の判断が困難となるため、水素を好適に製造し難い。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２００７－３１１６９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

本発明は以上の如き状況に鑑みてなされたものであり、その解決しようとする課題は、水素を好適に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である。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。

【0008】

即ち、請求項１においては、水中で金属と二酸化炭素とを反応させて水素を生成する反応器と、前記反応器に二酸化炭素を供給する二酸化炭素供給部と、前記反応器内で生成された水素と二酸化炭素とを分離する分離部と、前記分離部により分離された水素の量を計測する水素量計測部と、を具備するものである。

【0009】

請求項２においては、前記二酸化炭素供給部は、加圧した二酸化炭素を前記反応器に供給可能であり、前記分離部は、前記二酸化炭素供給部により前記反応器を介して供給された二酸化炭素の圧力により、水素と二酸化炭素とを分離するものである。

【0010】

請求項３においては、前記反応器内の気体の量を検出する気相検出部と、前記気相検出部の検出結果に基づいて、前記反応器内の水素の発生量を推定する推定部と、を具備するものである。

【0011】

請求項４においては、前記気相検出部は、前記反応器内の二酸化炭素の量を検出する二酸化炭素検出部を含むものである。

【0012】

請求項５においては、前記反応器は、金属を粉砕させる機構を備え、前記反応器と前記二酸化炭素供給部とを接続する経路と、前記反応器と前記分離部とを接続する経路と、の少なくとも一方は、防振性を有する配管により形成されているものである。

【0013】

請求項６においては、反応器内に、水及び金属を供給する原料供給工程と、前記反応器内に二酸化炭素を供給すると共に、前記反応器の動作を開始し、前記反応器内で水素を生成する水素生成工程と、前記反応器で生成された水素の量を計測する計測部の計測結果を用いて、前記反応器で所定期間内に生成された水素の量が第一の量以下であるか否かを判断する生成量判断工程と、前記生成量判断工程において、前記反応器で所定期間内に生成された水素の量が前記第一の量以下であると判断された場合に前記反応器の動作を停止する停止工程と、を具備するものである。

【0014】

請求項７においては、前記水素生成工程において、加圧した二酸化炭素を前記反応器内に常時供給する第一制御を実行可能であるものである。

【0015】

請求項８においては、前記計測部は、前記反応器内の水素と二酸化炭素とを分離することで得られた水素の量を計測する水素量計測部と、前記反応器内の気体の量に基づいて前記反応器内の水素の発生量を推定する推定部と、を含み、前記水素生成工程において、前記推定部の推定結果である推定水素発生量が、前記第一の量よりも大きい第二の量以下である場合に、加圧した二酸化炭素を供給し、前記水素量計測部の計測結果が、前記反応器内での前記推定水素発生量の総量を超えた場合に、加圧した二酸化炭素の供給を停止する第二制御を実行可能であるものである。

【0016】

請求項９においては、前記水素生成工程で生成された水素が貯留される水素貯留部の水素の貯留量が、基準貯留量未満である場合は前記第一制御を実行し、前記水素貯留部の水素の貯留量が、前記基準貯留量以上である場合は前記第二制御を実行するものである。

【発明の効果】

【0017】

本発明は、水素を好適に製造することができるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】本発明の一実施形態に係る水素製造装置を用いた水素製造方法の様子を示した模式図。

【図2】水素製造装置の制御に用いられる機器の構成を示したブロック図。

【図3】制御判断処理を示したフローチャート。

【図4】ハイスピード制御で実行される処理を示したフローチャート。

【図5】省エネ制御で実行される処理を示したフローチャート。

【図6】反応器内の水素及び二酸化炭素の物質量と時間との関係を示すグラフ。

【発明を実施するための形態】

【0019】

以下では、図１及び図２を用いて、本発明の一実施形態に係る水素製造装置１の構成について説明する。

【0020】

水素製造装置１は、原料である金属と二酸化炭素とを水中で反応させることで、水素を製造するものである。本実施形態では原料の金属として、鉄を採用している。水素製造装置１は、例えば燃料として利用される水素を製造する。水素製造装置１は、水タンク１０、鉄供給装置２０、反応器３０、二酸化炭素ボンベ４０、加圧用ポンプ５０、水素分離膜モジュール６０、水素貯留部７０、流量計８０、固液分離機９０及び制御装置１００を具備する。

【0021】

図１に示すように、水素製造装置１を構成する上記各機器（水タンク１０や鉄供給装置２０、反応器３０等）は、固体及び液体（鉄及び水等）の流路である固液経路２や、気体（水素及び二酸化炭素）の流路である気相経路３によって接続されている。図例では、固液経路２を破線、気相経路３を一点鎖線で示している。

【0022】

図１に示す水タンク１０は、水素の製造に使用される水を貯留するものである。上記水は、外部から適宜供給（補充）される。水タンク１０に貯留された水は、例えば適宜のポンプ等を用いて後述する反応器３０に供給される。

【0023】

鉄供給装置２０は、原料の鉄を反応器３０に供給するものである。上記原料の鉄としては、鉄くず等の廃棄物として回収された鉄を採用可能である。上記鉄は、外部から適宜供給（補充）される。

【0024】

図１に示す反応器３０は、鉄及び二酸化炭素を水中で反応させて水素を生成するものである。反応器３０の内部には、上記原料を反応させるための空間が設けられている。反応器３０の内部に、鉄、水及び二酸化炭素が供給されることで、反応器３０内において水に二酸化炭素が溶け込んだ炭酸水と、鉄と、が化学反応を起こし、水素が生成される。上記反応が行われた後、反応器３０の内部には、生成された水素と、未反応の二酸化炭素（気体）と、水（炭酸水）と、副生成物（副産物）として炭酸鉄が存在する。

【0025】

本実施形態では、反応器３０として、内部に供給された鉄を粉砕する粉砕機（振動ミル）を採用している。反応器３０内には、鉄を粉砕するための粉砕媒体（例えばステンレス球等）が入れられている。反応器３０を振動させて粉砕媒体を運動させることで、反応器３０内の鉄を粉砕することができる。粉砕されて表面積が増大した鉄を使用することで、二酸化炭素との反応効率を向上させることができる。本実施形態によれば、反応器３０を動作させることで、鉄を粉砕させながら化学反応を促進させることができ、効率的に水素を生成することができる。反応器３０は、固液供給部３１、固液排出部３２、気相供給部３３、気相排出部３４及び二酸化炭素センサ３５を具備する。

【0026】

固液供給部３１は、水タンク１０からの水及び鉄供給装置２０からの鉄が供給される部分である。固液供給部３１は、鉄及び水の供給を許容する開放状態と、鉄及び水の供給を規制する閉鎖状態と、に切り替え可能である。水タンク１０及び鉄供給装置２０と、固液供給部３１と、は固液経路２により接続されている。

【0027】

固液排出部３２は、副産物の炭酸鉄及び水が排出される部分である。固液排出部３２は、後述する固液分離機９０へ炭酸鉄及び水を排出する。固液排出部３２は、炭酸鉄及び水の排出を許容する開放状態と、炭酸鉄及び水の排出を規制する閉鎖状態と、に切り替え可能である。

【0028】

気相供給部３３は、原料である二酸化炭素が供給される部分である。気相供給部３３には、後述する加圧用ポンプ５０からの二酸化炭素が供給される。

【0029】

気相排出部３４は、生成された水素及び未反応の二酸化炭素が排出される部分である。気相排出部３４は、後述する水素分離膜モジュール６０へ水素及び二酸化炭素を排出する。

【0030】

なお、本実施形態においては、気相供給部３３及び気相排出部３４は、常時開放しているものとする。

【0031】

二酸化炭素センサ３５は、反応器３０の内部の二酸化炭素（気体）の濃度を検出するものである。

【0032】

二酸化炭素ボンベ４０は、原料の二酸化炭素が貯留されるものである。上記二酸化炭素は、外部から適宜供給（補充）される。また、二酸化炭素の外部からの供給手段としては、例えば二酸化炭素回収装置を採用可能である。二酸化炭素ボンベ４０に貯留された二酸化炭素は、気相供給部３３を介して反応器３０に供給される。二酸化炭素ボンベ４０には、二酸化炭素の供給及び供給の停止を切り替える開閉手段（例えばバルブ等）が設けられている。

【0033】

加圧用ポンプ５０は、二酸化炭素ボンベ４０の二酸化炭素を加圧して反応器３０へ供給するものである。加圧用ポンプ５０は、二酸化炭素ボンベ４０と反応器３０との間に設けられる。加圧用ポンプ５０を動作させた際には、加圧された二酸化炭素（加圧二酸化炭素）が、反応器３０へ供給される。

【0034】

二酸化炭素ボンベ４０、加圧用ポンプ５０及び気相供給部３３（反応器３０）は、気相経路３により接続されている。ここで、本実施形態では、気相経路３のうち、加圧用ポンプ５０と気相供給部３３とを接続する部分である第一経路３ａを、防振性を有し、反応器３０の振動を吸収可能なフレキシブル配管で形成している。これにより、反応器３０の振動が加圧用ポンプ５０による二酸化炭素の供給に影響を及ぼすことを抑制することができる。

【0035】

水素分離膜モジュール６０は、反応器３０の気相排出部３４から排出された水素及び二酸化炭素の混合気体を、水素と二酸化炭素とに分離させるものである。水素分離膜モジュール６０は、水素のみを通す（二酸化炭素は通さない）水素分離膜を有する。上記水素分離膜に対して圧力をかけて上記混合気体を導入することで、水素分離膜を通過する水素と、通過しない二酸化炭素と、を分離することができる。本実施形態では、加圧用ポンプ５０による加圧二酸化炭素の圧力により、混合気体を水素分離膜モジュール６０に導入すると共に、水素分離膜に水素を通過させることで、水素と二酸化炭素とを分離させる。水素分離膜モジュール６０により分離された水素は、後述する水素貯留部７０に供給される。

【0036】

気相排出部３４（反応器３０）及び水素分離膜モジュール６０は、気相経路３により接続されている。ここで、本実施形態では、気相経路３のうち、気相排出部３４と水素分離膜モジュール６０とを接続する部分である第二経路３ｂを、第一経路３ａと概ね同様なフレキシブル配管で形成している。これにより、反応器３０の振動が水素分離膜モジュール６０による分離に影響を及ぼすことを抑制することができる。

【0037】

また、本実施形態では、水素分離膜モジュール６０により分離された二酸化炭素を、気相経路３を介して二酸化炭素ボンベ４０に戻すことで、上記分離された二酸化炭素を反応器３０に供給可能な構成としている。これにより、水素分離膜モジュール６０で分離した二酸化炭素を反応器３０での反応に再利用することができる。

【0038】

水素貯留部７０は、水素を貯留するものである。水素貯留部７０に貯溜された水素は、必要に応じて水素を利用する設備である水素利用設備４へ供給される。水素貯留部７０及び水素利用設備４は、気相経路３により接続されている。また、水素貯留部７０の内部には、水素貯留部７０内の水素の貯留量を検出する容量センサ７１が設けられている。

【0039】

流量計８０は、水素分離膜モジュール６０により分離された水素の流量を計測するものである。流量計８０は、水素分離膜モジュール６０と水素貯留部７０とを接続する気相経路３に設けられている。流量計８０は、気相経路３を単位時間（例えば１秒）に流れる水素の量を計測可能である。

【0040】

固液分離機９０は、反応器３０の固液排出部３２から排出された固体及び液体（炭酸鉄及び水）を、固体（炭酸鉄）と液体（水）とに分離するものである。固液分離機９０としては、例えば遠心分離機やスクリューコンベヤ、沈殿槽等を採用可能である。

【0041】

固液分離機９０により分離された炭酸鉄は、副産物である炭酸鉄を貯蔵する副産物貯蔵設備５に供給される。副産物貯蔵設備５に貯蔵された炭酸鉄は、適宜売却、又は廃棄される。一方、固液分離機９０により分離された水は、水タンク１０に戻される。これにより、固液分離機９０で分離した水を、反応器３０での反応に再利用することができる。

【0042】

固液排出部３２（反応器３０）、固液分離機９０及び副産物貯蔵設備５は、固液経路２により接続されている。また、固液分離機９０及び水タンク１０は、固液経路２により接続されている。

【0043】

制御装置１００は、各種の情報の処理を実行可能なものである。制御装置１００は、ＣＰＵやメモリ等を備える。図２に示すように、制御装置１００は、水素製造装置１の固液供給部３１、固液排出部３２、二酸化炭素センサ３５、容量センサ７１及び流量計８０に電気的に接続されている。また、制御装置１００は、水素製造装置１の各機器（反応器３０や加圧用ポンプ５０等）に電気的に接続されると共に、上記各機器等の動作を制御可能である。

【0044】

制御装置１００は、上記二酸化炭素センサ３５、容量センサ７１及び流量計８０の検出結果を取得すると共に、検出結果に基づいて、水素製造装置１の各機器を動作させて、水素の製造を行う制御を実行可能である。

【0045】

以下では、図３から図５までを用いて、水素製造装置１による水素の製造の様子について説明する。

【0046】

本実施形態に係る水素製造装置１は、加圧用ポンプ５０で加圧した二酸化炭素（加圧二酸化炭素）を反応器３０内に常時供給しながら水素を製造する「ハイスピード制御」（図４を参照）と、加圧二酸化炭素を水素の反応効率が低下したタイミングで反応器３０内に供給する「省エネ制御」（図５を参照）と、を実行可能である。また、水素製造装置１は、「ハイスピード制御」と「省エネ制御」とを切り替え可能な「制御判断処理」（図３を参照）を実行可能である。

【0047】

まず、図３に示す「制御判断処理」について説明する。制御判断処理において、制御装置１００は、水素貯留部７０の容量センサ７１の検出結果に基づいて、「ハイスピード制御」及び「省エネ制御」の何れの制御を実行するかを判断する。

【0048】

ステップＳ１０１において、制御装置１００は、容量センサ７１の検出値に基づいて、水素貯留部７０の水素の貯留量が、予め設定された基準貯留量未満であるか否かを判断する。本実施形態では、上記基準貯留量を、水素貯留部７０の容量の５０％に設定している。なお、基準貯留量としては上述した値に限定されず、任意の値を採用可能である。

【0049】

制御装置１００は、水素貯留部７０の水素の貯留量が基準貯留量未満である場合（ステップＳ１０１：ＹＥＳ）、ステップＳ１０２の処理へ移行して「ハイスピード制御」を実行する。一方、制御装置１００は、水素貯留部７０の水素の貯留量が基準貯留量以上である場合（ステップＳ１０１：ＮＯ）、ステップＳ１０３の処理へ移行して「省エネ制御」を実行する。また、制御装置１００は、「ハイスピード制御」及び「省エネ制御」を実行した後、ステップＳ１０１の処理へ移行する。

【0050】

次に、図４に示す「ハイスピード制御」について説明する。ハイスピード制御において、制御装置１００は、加圧二酸化炭素を反応器３０内に常時供給した状態で、水素の製造を行う。

【0051】

なお、「ハイスピード制御」を開始する時点では、反応器３０の内部の原料は空であるものとする。またこの時点では、反応器３０の固液供給部３１は開放状態とされ、固液排出部３２は閉鎖状態とされているものとする。

【0052】

図４に示すステップＳ１１１からステップＳ１１４までの処理において、制御装置１００は、反応器３０内に原料を供給すると共に反応器３０を動作させ、水素を生成する。具体的には、制御装置１００は、水タンク１０からの水及び鉄供給装置２０からの鉄を、反応器３０（固液供給部３１）に供給し（ステップＳ１１１）、固液供給部３１を閉鎖状態にする（ステップＳ１１２）。

【0053】

また、制御装置１００は、二酸化炭素ボンベ４０の開閉手段を開放し、加圧用ポンプ５０を動作させて、加圧二酸化炭素を反応器３０（気相供給部３３）に供給する（ステップＳ１１３）。本実施形態では、上記加圧二酸化炭素を供給することで、反応器３０内の気圧が高まり、二酸化炭素を水に溶けやすくすることができる。これにより、反応器３０内の水（炭酸水）中の二酸化炭素濃度を高め、水中での鉄と二酸化炭素との反応効率を向上させることができる。

【0054】

また、制御装置１００は、反応器３０を動作（振動）させる（ステップＳ１１４）。これにより、反応器３０内で鉄を粉砕して鉄の表面積を増大させることで、二酸化炭素との反応効率を向上させて水素を生成することができる。

【0055】

反応器３０で生成された水素及び未反応の二酸化炭素の混合気体は、気相排出部３４を介して排出されて水素分離膜モジュール６０に供給され、水素と二酸化炭素とに分離される。また、上記水素は水素貯留部７０に貯留され、二酸化炭素は二酸化炭素ボンベ４０に戻される。制御装置１００は、ステップＳ１１４の処理を実行した後、ステップＳ１１５の処理に移行する。

【0056】

ステップＳ１１５の処理において、制御装置１００は、流量計８０の検出結果に基づいて、反応器３０での水素の発生が停止したか否かを判断する。本実施形態において、制御装置１００は、流量計８０が水素の流量を検出しなくなった（流量計８０の検出値が概ね０になった）場合、水素の発生が停止したと判断する。この場合、反応器３０内の鉄が全て反応に利用されたことが推定される。

【0057】

制御装置１００は、反応器３０での水素の発生が停止したと判断した場合（ステップＳ１１５：ＹＥＳ）、ステップＳ１１６の処理へ移行する。一方、制御装置１００は、反応器３０での水素の発生が停止していないと判断した場合（ステップＳ１１５：ＮＯ）、ステップＳ１１４の処理へ移行する。

【0058】

ステップＳ１１６からステップＳ１１９までの処理において、制御装置１００は、反応器３０の動作を停止すると共に、加圧二酸化炭素の供給を停止し、反応器３０内の反応物（炭酸鉄及び水）の排出を行う。具体的には、制御装置１００は、反応器３０の動作を停止すると共に、二酸化炭素ボンベ４０の開閉手段を閉鎖させ、加圧用ポンプ５０を停止させて加圧二酸化炭素の反応器３０（気相供給部３３）への供給を停止する（ステップＳ１１６）。次に、制御装置１００は、固液排出部３２を開放状態にし（ステップＳ１１７）、反応器３０内の炭酸鉄及び水を固液分離機９０へ排出する（ステップＳ１１８）。上記炭酸鉄及び水の排出後、制御装置１００は、固液供給部３１を開放状態にすると共に、固液排出部３２を閉鎖状態にする（ステップＳ１１９）。これにより、反応器３０内に新たな原料を供給する準備が完了する。制御装置１００は、上記各処理を実行した後、ハイスピード制御を終了する。また制御装置１００は、ハイスピード制御の終了後、制御判断処理（図３を参照）に移行する。

【0059】

上述の如きハイスピード制御によれば、加圧二酸化炭素を反応器３０内に常時供給しながら水素の製造を行うことで、反応器３０内の水（炭酸水）中の二酸化炭素濃度を常に高く維持することができ、水素の反応効率を向上させることができる。また、ハイスピード制御によれば、反応器３０内の鉄が全て反応に利用されたことを、流量計８０の検出値に基づいてリアルタイムで（ほとんどダイムラグなく）判断することができ、原料の入れ替えを適切なタイミングで行うことができる。

【0060】

次に、図５に示す「省エネ制御」について説明する。省エネ制御において、制御装置１００は、反応器３０内での反応効率が低下した場合に、加圧二酸化炭素を反応器３０内に供給して水素の製造を行う。なお、以下では、ハイスピード制御と重複する点については説明を省略する。

【0061】

図５に示すステップＳ１２１からステップＳ１２４までの処理において、制御装置１００は、反応器３０内に原料を供給すると共に反応器３０を動作させ、水素を生成する。なお、ステップＳ１２１からステップＳ１２４までの処理は、ステップＳ１２３の処理を除いて、ハイスピード制御におけるステップＳ１１１からステップＳ１１４までの処理と概ね同様である。ステップＳ１２３において、制御装置１００は、二酸化炭素ボンベ４０の開閉手段を開放し、加圧用ポンプ５０を動作させて、加圧二酸化炭素を反応器３０（気相供給部３３）に供給する点はステップＳ１１３と同様であるが、一定量（反応器３０の気相の体積を満たす量）の加圧二酸化炭素を供給した時点で、二酸化炭素ボンベ４０の開閉手段を閉鎖し、加圧用ポンプ５０を停止させて、加圧二酸化炭素の反応器３０（気相供給部３３）への供給を停止する点で、ステップＳ１１３の処理と異なる。制御装置１００は、例えば二酸化炭素センサ３５の検出値に基づいて、上記一定量の加圧二酸化炭素が反応器３０に供給されたことを判断可能である。

【0062】

ステップＳ１２１、ステップＳ１２２及びステップＳ１２４の処理は、ステップＳ１１１、ステップＳ１１２及びステップＳ１１４の処理と概ね同様であるので説明を省略する。制御装置１００は、上記各処理を実行した後、ステップＳ１２５の処理に移行する。

【0063】

ステップＳ１２４の処理において反応器３０の動作を開始した後、反応器３０内で反応が進み水素が生成される。制御装置１００は、反応器３０内で発生したと推定される水素の量（推定水素発生量）を、単位時間ごとに計測する。上記単位時間としては、例えば３０分を採用可能である。

【0064】

ここで水素は、センサにより濃度の測定を直接行うことが困難な場合がある。そこで本実施形態では、二酸化炭素センサ３５の検出値（二酸化炭素濃度）に基づいて、反応器３０での推定水素発生量を算出している。以下では、二酸化炭素センサ３５の検出値に基づいて推定水素発生量を算出する方法について説明する。

【0065】

図６に示すグラフは、容器内に鉄、水及び二酸化炭素を入れて経過を観察した水素発生試験の結果を示すものである。上記グラフでは、水素及び二酸化炭素の量（物質量）と、時間と、の関係を示している。上記グラフで示すように、容器内では、二酸化炭素の消費に伴い、水素の量が増加する。より詳細には、容器内の水素の発生量は、二酸化炭素消費量の略９割（８７％～９２％）に相当する。例えば、反応開始から３００分経過後の二酸化炭素消費量は８．９７（ｍｍｏｌ）、水素生成量は７．８４（ｍｍｏｌ）である。

【0066】

本実施形態では、上記二酸化炭素消費量と水素生成量との関係に基づいて、二酸化炭素センサ３５の検出値から算出した二酸化炭素消費量の９割の値を、反応器３０内で発生したと推定される水素の量（推定水素発生量）として算出する。

【0067】

ステップＳ１２５において、制御装置１００は、反応器３０での単位時間あたりの推定水素発生量が、基準発生量以下であるか否かを判断する。本実施形態では、前回の単位時間（ステップＳ１２５での判断の対象となる推定水素発生量の単位時間の１つ前の単位時間）の推定水素発生量の６割の値を、基準発生量として採用している。単位時間あたりの推定水素発生量が、前回の単位時間あたりの推定水素発生量の６割の値以下となると、以降の反応効率が低下する傾向がある（図６を参照）。このため、単位時間あたりの推定水素発生量が基準発生量以下となった場合、反応器３０内での反応効率が低下したことが推定される。

【0068】

制御装置１００は、反応器３０での単位時間あたりの推定水素発生量が、基準発生量以下であると判断した場合（ステップＳ１２５：ＹＥＳ）、ステップＳ１２６の処理へ移行する。一方、制御装置１００は、反応器３０での単位時間あたりの推定水素発生量が、基準発生量を超えていると判断した場合（ステップＳ１２５：ＮＯ）、ステップＳ１２４の処理へ移行する。

【0069】

ステップＳ１２６において、制御装置１００は、二酸化炭素ボンベ４０の開閉手段を開放し、加圧用ポンプ５０を動作させて、加圧二酸化炭素を反応器３０へ供給する。上記加圧を行うことで、反応器３０で生成された水素及び未反応の二酸化炭素の混合気体は、水素分離膜モジュール６０により水素と二酸化炭素とに分離可能となる。また、これによれば、分離された水素の流量を流量計８０により計測し、上記計測結果に基づいた水素の発生量（水素量）の算出を制御装置１００により行うことができる。制御装置１００は、ステップＳ１２６の処理を実行した後、ステップＳ１２７の処理へ移行する。

【0070】

ステップＳ１２７において、制御装置１００は、流量計８０の計測結果に基づく水素量が、反応器３０内での推定水素発生量の総量（推定総発生量）を超えたか否かを判断する。ここで、「推定水素発生量の総量」とは、反応器３０内に全ての材料が供給されたとき（ステップＳ１２３で二酸化炭素の供給が開始されたとき）から、反応器３０内で生成された水素に対する推定水素発生量の合計である。なお、後述するステップＳ１２９の処理（ステップＳ１２９：ＮＯ）で、ステップＳ１２５の処理へ移行した場合、推定総発生量はリセットされる。

【0071】

流量計８０の計測結果に基づく水素量が、推定総発生量を超えた場合、推定総発生量に相当する量の水素が、反応器３０から排出されたことが推定される。制御装置１００は、流量計８０の計測結果に基づく水素量が推定総発生量を超えたと判断した場合には、ステップＳ１２８の処理に移行する。一方、制御装置１００は、流量計８０の計測結果に基づく水素量が推定総発生量以下であると判断した場合には、ステップＳ１２６の処理に移行する（加圧二酸化炭素の供給を継続する）。

【0072】

ステップＳ１２８において、制御装置１００は、二酸化炭素ボンベ４０の開閉手段を閉鎖し、加圧用ポンプ５０による加圧二酸化炭素の反応器３０への供給を停止する。制御装置１００は、ステップＳ１２８の処理を実行した後、ステップＳ１２９の処理へ移行する。

【0073】

ステップＳ１２９において、制御装置１００は、二酸化炭素センサ３５の検出結果に基づいて、反応器３０での水素の発生が停止したか否かを判断する。本実施形態において、制御装置１００は、二酸化炭素センサ３５の検出結果に基づく推定水素発生量が概ね０になった場合、水素の発生が停止したと判断する。この場合、反応器３０への二酸化炭素の供給は完了していることから、反応器３０内の鉄が反応し尽くした結果、水素の発生が停止したことが推定される。

【0074】

制御装置１００は、反応器３０での水素の発生が停止したと判断した場合（ステップＳ１２９：ＹＥＳ）、ステップＳ１３０の処理へ移行する。一方、制御装置１００は、反応器３０での水素の発生が停止していないと判断した場合（Ｓ１２９：ＮＯ）、ステップＳ１２５の処理へ移行する。

【0075】

ステップＳ１３０からステップＳ１３３までの処理は、ハイスピード制御におけるステップＳ１１６からステップＳ１１９までの処理と概ね同様であるので、説明を省略する。なお、ステップＳ１３０においては、ステップＳ１２８の段階で既に二酸化炭素ボンベ４０の開閉手段を閉鎖し、加圧二酸化炭素の供給を停止させているため、反応器３０の動作を停止する処理を行うだけでよい点がステップＳ１１６と異なる。制御装置１００は、上記各処理を実行した後、省エネ制御を終了する。また制御装置１００は、省エネ制御の終了後、制御判断処理（図３を参照）に移行する。

【0076】

上述の如き省エネ制御によれば、加圧二酸化炭素の供給を少なくすることで、省エネルギー化、省コスト化を図ることができる。また、水素の反応効率が低下したタイミングで、加圧二酸化炭素を供給することで、水素の反応効率の低下を抑制することができる。

【0077】

上述の如き水素製造装置１によれば、水素貯留部７０の水素量が基準貯留量に達するまでは（ステップＳ１０１：ＹＥＳ）、ハイスピード制御を実行して効率的に水素の製造を行い、水素貯留部７０の水素量が基準貯留量に達した際には（ステップＳ１０１：ＮＯ）、省エネ制御を実行して、省エネルギー化を図ることができる。

【0078】

また、本実施形態によれば、水素分離膜モジュール６０により分離された水素の流量を流量計８０により計測することで、くず鉄等の品質が不安定な原料を使用した場合でも、好適に水素を製造することができる。すなわち、原料の品質がばらつく場合、同じ量の原料を水槽内に投入しても、水素の発生量にばらつきが生じ易くなる。このため、従来の水素製造装置では、製造にあたり反応時間をどの程度に設定すればよいかを事前に予測し難く、水素製造装置の制御や追加の原料の投入の判断が困難であった。一方、本実施形態に係る水素製造装置１によれば、水素分離膜モジュール６０により分離された水素の流量を流量計８０により計測することで、反応器３０での水素の発生量を把握し、原料の追加や排出のタイミングを制御することができ、好適に水素を製造することができる。

【0079】

また、本実施形態によれば、反応器３０での水素の発生が停止したと判断した場合に（ステップＳ１１５：ＹＥＳ、ステップＳ１２９：ＹＥＳ）、反応器３０内の反応物を排出する構成としているので、鉄を最後まで反応させることができる。またその結果、副産物である炭酸鉄としての純度が上がり、炭酸鉄の活用や売却がし易くなる。

【0080】

以上の如く、本実施形態に係る水素製造装置１は、
水中で金属（鉄）と二酸化炭素とを反応させて水素を生成する反応器３０と、
前記反応器３０に二酸化炭素を供給する二酸化炭素供給部（加圧用ポンプ５０）と、
前記反応器３０内で生成された水素と二酸化炭素とを分離する分離部（水素分離膜モジュール６０）と、
前記水素分離膜モジュール６０により分離された水素の量を計測する水素量計測部（流量計８０）と、
を具備するものである。

【0081】

このように構成することにより、水素を好適に製造することができる。すなわち、水素分離膜モジュール６０により分離された水素の量（流量）を流量計８０により計測することで、反応器３０での水素の発生量を把握することができ、水素を好適に製造することができる。

【0082】

また、前記加圧用ポンプ５０は、
加圧した二酸化炭素を前記反応器３０に供給可能であり、
前記水素分離膜モジュール６０は、
前記加圧用ポンプ５０により前記反応器３０を介して供給された二酸化炭素の圧力により、水素と二酸化炭素とを分離するものである。

【0083】

このように構成することにより、水素分離膜モジュール６０での水素の分離に用いられる加圧二酸化炭素を利用して、反応器３０内の二酸化炭素濃度を高くし、水素の反応効率を向上させることができる。

【0084】

また、本実施形態に係る水素製造装置１は、
前記反応器３０内の気体の量を検出する気相検出部（二酸化炭素センサ３５）と、
前記気相検出部の検出結果に基づいて、前記反応器内の水素の発生量を推定する推定部（制御装置１００）と、
を具備するものである。

【0085】

このように構成することにより、反応器３０内での水素の発生量の推定結果に基づいて、例えば原料の供給等、水素の製造に関する制御を行うことができる。また本実施形態では、加圧用ポンプ５０で加圧された二酸化炭素の圧力を用いて、水素分離膜モジュール６０で水素を分離する構成であるため、加圧用ポンプ５０による加圧を行っていない場合は流量計８０による水素の量の測定を行うことができないが、気相検出部を設けたことで、加圧用ポンプ５０による加圧を行っていない場合でも、反応器３０内での水素の発生量を推定することができる。

【0086】

また、前記気相検出部は、
前記反応器３０内の二酸化炭素の量を検出する二酸化炭素検出部（二酸化炭素センサ３５）を含むものである。

【0087】

このように構成することにより、反応器３０内の水素の発生量を好適に推定することができる。すなわち、水素はセンサによる濃度の測定が困難な場合があり、反応器３０内の水素の発生量は直接測定し難い。そこで、二酸化炭素センサ３５の検出結果に基づいて反応器３０内の水素の発生量を推定することで、反応器３０内の水素の発生量を好適に推定することができる。

【0088】

また、前記反応器３０は、
鉄を粉砕させる機構を備え、
前記反応器３０と前記加圧用ポンプ５０とを接続する経路（第一経路３ａ）と、前記反応器３０と前記水素分離膜モジュール６０とを接続する経路（第二経路３ｂ）と、の少なくとも一方は、防振性を有する配管により形成されているものである。

【0089】

このように構成することにより、反応器３０で発生する振動が、加圧用ポンプ５０や水素分離膜モジュール６０に影響することを抑制することができる。

【0090】

また、本実施形態に係る水素製造方法は、
反応器３０内に、水及び鉄を供給する原料供給工程（ステップＳ１１１、ステップＳ１２１）と、
前記反応器内に二酸化炭素を供給すると共に、前記反応器の動作を開始し、前記反応器内で水素を生成する水素生成工程（ステップＳ１１３、ステップＳ１１４、ステップＳ１２３、ステップＳ１２４）と、
前記反応器３０で生成された水素の量を計測する計測部（流量計８０、二酸化炭素センサ３５）の計測結果を用いて、前記反応器３０で所定期間内に（単位時間あたりに）生成された水素の量が第一の量以下であるか（水素の発生が停止したか）否かを判断する生成量判断工程（ステップＳ１１５、ステップＳ１２９）と、
前記生成量判断工程において、前記反応器３０で所定期間内に生成された水素の量が前記第一の量以下である（水素の発生が停止した）と判断された場合に前記反応器３０の動作を停止する停止工程（ステップＳ１１６、ステップＳ１３０）と、
を具備するものである。

【0091】

このように構成することにより、水素を好適に製造することができる。すなわち、計測部（流量計８０、二酸化炭素センサ３５）の計測結果に基づいて、反応器３０での水素の発生量を把握して水素の製造のための制御を行うことができ、水素を好適に製造することができる。

【0092】

また、本実施形態に係る水素製造方法は、
前記水素生成工程（ステップＳ１１３、ステップＳ１１４）において、
加圧した二酸化炭素を前記反応器３０内に常時供給する第一制御（ハイスピード制御）を実行可能であるものである。

【0093】

このように構成することにより、加圧した二酸化炭素を反応器３０内に常時供給することで、反応器３０内の水（炭酸水）中の二酸化炭素濃度を常に高く維持することができ、水素の反応効率を向上させることができる。

【0094】

また、前記計測部は、
前記反応器３０内の水素と二酸化炭素とを分離することで得られた水素の量を計測する水素量計測部（流量計８０、制御装置１００）と、
前記反応器３０内の気体の量に基づいて前記反応器３０内の水素の発生量を推定する推定部（二酸化炭素センサ３５、制御装置１００）と、を含み、
前記水素生成工程（ステップＳ１２３、ステップＳ１２４）において、
前記推定部（二酸化炭素センサ３５、制御装置１００）の推定結果である推定水素発生量が、前記第一の量よりも大きい第二の量（前回の単位時間あたりの推定水素発生量の６割の値）以下である場合に、加圧した二酸化炭素を供給し、
前記流量計８０の計測結果が、前記反応器３０内での前記推定水素発生量の総量を超えた場合に、加圧した二酸化炭素の供給を停止する第二制御（省エネ制御）を実行可能であるものである。

【0095】

このように構成することにより、推定水素発生量が第二の量以下となり、水素の反応効率が低下したタイミングで加圧二酸化炭素を供給することで、水素の反応効率の低下を抑制することができる。また、加圧二酸化炭素の供給を常時行うのではなく、水素の反応効率が低下したタイミングで行うことで、省エネルギー化を図ることができる。

【0096】

また、本実施形態に係る水素製造方法は、
前記水素生成工程で生成された水素が貯留される水素貯留部７０の水素の貯留量が、基準貯留量未満である場合は前記ハイスピード制御を実行し、
前記水素貯留部７０の水素の貯留量が、前記基準貯留量以上である場合は前記省エネ制御を実行するものである。

【0097】

このように構成することにより、水素貯留部７０の水素の貯留量が基準貯留量に達するまでは（ステップＳ１０１：ＹＥＳ）、ハイスピード制御を実行して効率的に水素の製造を行い、水素貯留部７０の水素量が基準貯留量に達した際には（ステップＳ１０１：ＮＯ）、省エネ制御を実行して、省エネルギー化を図ることができる。

【0098】

なお、本実施形態に係る加圧用ポンプ５０は、本発明に係る二酸化炭素供給部の実施の一形態である。
また、本実施形態に係る水素分離膜モジュール６０は、本発明に係る分離部の実施の一形態である。
また、本実施形態に係る二酸化炭素センサ３５は、本発明に係る二酸化炭素検出部の実施の一形態である。
また、本実施形態に係る流量計８０及び二酸化炭素センサ３５は、本発明に係る計測部の実施の一形態である。
また、本実施形態に係る制御装置１００は、本発明に係る推定部の実施の一形態である。

【0099】

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の技術的思想の範囲内で適宜の変更が可能である。例えば、水素製造装置１を構成する各部の構成等は、上述したものに限定されず、適宜変更可能である。水素製造装置１においては、液体、気体、固体の供給および排出に、図１に図示されないポンプやコンベヤ等の種々の機構を適宜使用可能である。また、上記説明で例示した具体的な数値は一例であり、任意に変更することが可能である。

【0100】

また、本実施形態では、水素製造装置１に、水タンク１０、鉄供給装置２０、二酸化炭素ボンベ４０、水素貯留部７０及び固液分離機９０を含めているが、上記各部の一部、又は全部を水素製造装置１に含めなくてもよい。

【0101】

また、本実施形態では、制御判断処理において、水素貯留部７０の水素の貯留量に応じて、ハイスピード制御及び省エネ制御の切り替えを行う例を示したが、このような態様に限定されない。例えば、任意のタイミングでハイスピード制御及び省エネ制御の切り替えを行うようにしてもよい。この場合は、作業者による操作等で、制御の切り替えを行うようにしてもよい。

【0102】

また、本実施形態では、反応器３０の水素の発生が停止した（水素の発生量が概ね０になった）と判断された場合に（ステップＳ１１５：ＹＥＳ、ステップＳ１２５：ＹＥＳ）、反応器３０の停止及び材料の排出を行う構成としているが、このような態様に限定されない。例えば、反応器３０の水素の発生量が、０より大きい値の所定の基準以下となれば、反応器３０の停止及び材料の排出を行う構成としてもよい。

【0103】

また、本実施形態では、二酸化炭素センサ３５の検出値に基づいて、反応器３０での推定水素発生量を算出した例を示したが、このような態様に限定されない。例えば、水素の濃度を測定可能なセンサを用いて、反応器３０での推定水素発生量を算出するようにしてもよい。

【0104】

また、本実施形態では、反応器３０のうち気相供給部３３及び気相排出部３４を常時開放させた例を示しているが、このような態様に限定されない。例えば、気相供給部３３及び気相排出部３４を、固液供給部３１及び固液排出部３２と概ね同様に開放状態と閉鎖状態とに切替可能な構成に形成してもよい。この場合、例えば省エネ制御において、二酸化炭素の供給や水素の排出を行わない場合に気相供給部３３及び気相排出部３４を閉鎖状態にするようにしてもよい。

【0105】

また、本実施形態では、水素製造装置１の固液供給部３１や固液排出部３２の開閉や、原料の供給等を自動で行う例を示したが、上記動作等を手動で行うようにしてもよい。

【0106】

また、本実施形態では、原料として鉄を用いているが、鉄以外の金属を用いてもよい。鉄以外の金属としては、アルミニウム、マグネシウム、チタン、亜鉛、マンガン、ニッケル、クロムなどが使用できる。また、これらのうち２種類以上の混合物でもよい。

【0107】

また、本実実施形態では、反応器３０に振動ミルを採用しているが、金属を粉砕できる装置であれば、他の装置を採用してもよい。反応器３０としては、例えば、アトライタやビーズミル、ハンマーミル等の装置を採用可能である。

【符号の説明】

【0108】

１ 水素製造装置
３０ 反応器
５０ 加圧用ポンプ
６０ 水素分離膜モジュール
８０ 流量計
１００ 制御装置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】