JPS597498B2 - 粉体とガス体との反応方法及びその実施のための装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、反応容器内に充填された反応性粉体中に反応
性ガス体を導入して反応させるにあたり、該粉体中に圧
縮により３次元的に収縮し、その圧縮の解放により復元
する弾性構造体を挿入し、ガス体と粉体との反応により
起る粉体の体積膨張圧力を該構造体に吸収させることを
特徴とする粉体とガス体との反応方法及びその実施装置
に関するものである。

従来、熱エネルギーを貯蔵する方法として、可逆性のよ
い固体の熱分解反応を利用し、熱エネルギーを格子エネ
ルギーの形で固体化合物中に貯蔵する方法が提案されて
いる。

例えば、このような固体化合物の熱分解反応系としては
、次のようなものが挙げられる。

（り 金属水素化物 ＝ 金属＋水素ガス（２）金属炭
酸塩 ＝ 金属酸化物＋炭酸ガス（３）金属水酸化物
二 金属酸化物＋水蒸気（４）アンモニア錯塩 こ 固
体塩＋アンモニアそして、このようにして生成された固
体からその中に貯蔵された熱エネルギーを回収するには
、固体に対して分解ガスを反応させ、前記反応を逆向き
に行う。

即ち、この固体と熱分解ガスとの反応は発熱反応であり
、固体を熱媒体と間接接触させて行うことにより、発生
した熱量を熱媒体に蓄熱させることができる。

前記した固体化合物のうち、金属水素化物は、水素密度
が非常に高いことから、熱貯蔵手段としてだけでな《、
水素貯蔵手段としても極めて有効であることから、近年
、この金属水素化物の応用に多《の研究が向けられてい
る。

ところで、前記した反応を逆方向に行うためには、粉体
を密封容器に充填し、これにガス体（分解ガス）を導入
し、反応させることが行われている。

この場合、容器中に充填された固体は、ガス体との反応
の進行に応じて体積膨張する。

もし反応容器中に粉体を密充填してこの反応を行うと、
容器内圧は数百気圧にも達し、容器はこの内圧によって
破壊されてしまう。

従って、従来は、このような不都合を回避するために、
容器に対する粉体の充填率を低く抑え、しかもその粉体
允填容器を横型のものとして、容器内壁に高圧が付加さ
れないようにして反応を行う必要があった。

しかしながら、このような反応方式では、反応容器は必
然的に大型のものになり、また粉体充填層の有効熱伝導
度が悪くなって、反応速度が低下するなどの欠点を生じ
た。

本発明は前記のような問題を解決するためになされたも
ので、容器内に充填された粉体中に圧縮により３次元的
に収縮し、圧縮の解放により復元する弾性構造体を挿入
して、粉体を容器内壁面に押しつけるようにし、即ち、
弾性構造体を挿設した容器内における空間部分に粉体を
密充填し、そしてこのようにして密充填された粉体に所
要のガス体を導入反応させると共に、その反応により生
じる粉体の体積膨張圧を該構造体に吸収させることを特
徴とする。

本発明で用いる弾性構造体は、圧縮により収縮し、また
その圧縮を解放することにより元の形に復元するもので
あり、このような機能を有する限り、その形状及び構造
は任意である。

例えば、断面が正方形、長方形、円形、楕円形、星形、
などの筒状中空体などがあげられる。

これらの中空構造体は、金属質あるいは耐熱性樹脂の平
板や波板を用いて製造することができる。

また、反応温度が低い場合、例えば２００℃以下程度で
あれば、プラスチック発泡体（スチレンフオーム、ポリ
ウレタンフォームなど）やスポンジを用いることもでき
る。

また、前記した構造体は、これを容器中央部に配設する
ために、支持体を付設することができる。

第１図にこれらの弾性構造体の具体例を示す。

竃１図ａは、２種の金属の薄板４を２枚の金属板５，５
を用いて形成した断面長方形の筒体１、第１図ｂは、金
属製波板を用いて形成した断面星形の筒体２、第１図Ｃ
は、中間部が円弧形で両端部が波形である金属の曲板２
枚を用いて、その両端部を溶接して形成した筒体３の斜
面図を各示す。

また、第１図ａ及びｂに示された板体ａは各筒体を容器
中央部に配置されるための支持体を示す。

第２図に、反応管１１に波形板で作った筒体１２を、４
枚の支持体ａを介して挿入固定化し、粉体Ａを筒体１２
の外表面と反応管１１の内表面との間に形戎される空間
に充填して形成した粉体充填反応管１０の斜面図を示す
。

このようにして形成された粉体充填反応管１０は、中央
の筒体部分の空間ｂは未充填の状態となるが、他の反応
管内空間は全て粉体により密充填され、殊に、粉体Ａが
反応管１１の全管内表面に接触しているという特徴を有
す゛る。

従来の粉末充填反応管２０は、内部に筒体１１を有しな
いため、それに相当する空間部ｂは、第３図に示すよう
に反応管１１の上部空間に形成される必要があり、反応
管１１の上部管内表面部は直接粉体と接触することはで
きない。

従って、このような状態で反応を行っても、反応管１１
と粉体Ａとの間の円滑な熱伝達は達成されず、この粉体
充填反応管２０の反応効率は、本発明による粉体充填反
応管１０よりも劣ったものになる。

また、従来の粉体充填反応管２０は、空間部ｂを反応管
の長手方向上部に形成させる必要があるため、縦型にし
ては用いることができないのに対し、本発明によるもの
は、空間部ｂは筒体１２の内部空間として固定されてい
るため、横型及び縦型のいずれの方式においても適用す
ることができる。

本発明において用いる反応性粉体は、金属、金属酸化物
、固体塩などの分解ガス放出性固体状化合物の吸熱型の
熱分解反応より形成される固体物質からなるものであり
、またこれに反応させる反応性ガス体は、固体状化合物
の熱分解により放出させる分解ガスである。

このような反応性粉体とガス体との組合せを示すと、例
えば、金属／水素ガス、金属酸化物／炭酸ガス、金属酸
化物／水蒸気、固体塩／アンモニアなどが挙げられる。

本発明の方法は、反応容器内に示したような粉体を充填
し、これにガス体を接触させて反応を行う場合に、前記
した弾性構造体を粉体中に配設させるものである。

このようにして反応を行うと、前記したように、粉体充
填層と反応容器内壁との接触が全容器壁にわたって密に
行われるため、反応により生じた発熱は、粉体充填層か
ら容器壁に効率よ《伝達される。

そして、この容器壁外表面を低温熱媒体と接触させて反
応熱を熱媒体に迅速に吸収させることにより、効率のよ
い粉体とガス体との反応を達成することができる。

しかも、この場合、粉体とガス体との反応の進行に応じ
て起る粉体の体積膨張は、弾性構造体の収縮により相殺
されるので、容器破壊は防止される。

従って、本発明の場合、粉体の体積膨張による圧力上昇
を考慮する必要がないので、容器壁の厚さはガス体圧力
に応じて決めればよい。

本発明において用いる弾性構造体の体積は、容器内容積
あるいは充填する粉体の体積に応じて決められ、粉末と
ガス体とが完全に反応してしまった場合に、構造体の空
間が閉じてしまうような体積以上であればよい。

一般的には、構造体の体積は、反応容器の内容積に対し
、５〜２０チ、通常５〜１５チ程度の割合になるように
すればよい。

また、構造体は、容器の長手方向に沿って配設し、容器
の長手方向全断面にわたって存在するのが望ましい。

もちろん、容器の形状によっては、構造体は中心部のみ
に存在させることが可能である。

本発明において、構造体として中空体を用いる場合、中
空体を形成する周壁面に細孔を設けてフィルターを形成
し、この細孔を通してガス体を粉体に導入することがで
きるし、また、逆に、粉体に導入されたガス体をとの細
孔を通して抜出すことも可能である。

さらに、粉体中には伝熱性を改善するために、粉体より
粗大な粒径の金属質充填物を存在させることもできる。

また、本発明で用いる装置は、前記したような粉体とガ
ス体とを反応させるためだけではな《、粉体とガス体と
を反応させた後に、ガス体を反応吸収した粉体を熱分解
し、粉体から分解ガスを放出させる熱分解反応のための
装置として用いることができる。

この場合、粉体はその分解ガスの発生と共にその体積を
減少させるが、粉体内部に配設した弾性構造体は、その
弾性復元力により、粉体の体積減少分に応じて膨張する
。

このようにして、構造体の外表面と容器内表面との間に
形成される空間には、粉体が常に密充填された状態が保
持される。

次に本発明を実施例によりさらに詳細に説明する。

実施例 第２図に示した構造の反応管を用いて金属の水素化反応
を行った。

この場合、反応管１１としては、内径２Ｃｒｎ、長さ５
０Ｃｒｎ、肉厚ｌｍの両端を蓄体により密封可能とした
ステンレス製反応管（内容積：１５７ｃｄ）を用いた。

また、この反応管内に挿設する構造体１２としては、厚
さ０．１ｍｍのリン青銅製波板を用いて形成した内径０
．６２Ｃｒｎ、長さ５０Ｃｒｒｌ筒体（全体積＝１６．
１ｃｄ）を用い、この筒体を支持する支持板ａとしては
、ステンレス製の金属板を用いた。

金属粉体Ａとしては、水素貯蔵合金として知られている
ＬａＮｉ５を用いた。

なお、この合金の水素化により生起する体積膨張割合（
Ｌ ａＮ ｉ ５ Ｈ６／ＬａＮｉ５）は１．２５５
である。

この金属粉体Ａ（粒径約０． １ ４ｒｒｖｎ ）を、
第２図に示すように、内部に挿設した筒体１１の外表面
と、管内表面との間に形成される空間に密充填し、反応
管の両端を蓄体により密封した。

次に、一方の蓄体に設けた水素導入管により、水素を圧
力１０〜／ｃｄで導入し、金属粉体の水素化反応を行っ
た。

この反応の進行と共に、反応管の表面は反応熱により加
熱されて熱くなり、反応管表面温度はほぼ６０℃にまで
上昇した。

反応後、一方の蓄体をはずして反応管内部に設けた筒体
１１の収縮状況を観察したところ、筒体１１には明らか
な収縮が見られ、その断面積は、最初に比べほぼ１０分
の１になっていた。

【図面の簡単な説明】

第１図ａ − ｅは本発明で用いる弾性構造体の形状を
示す斜視図であり、第２図は本発明の装置の構造を示す
構造説明図であり、第３図は従来の装置の構造を示す説
明図である。 １，２，３，１２・・・・・・弾性構造体、１１・・・
・・・反応管、ａ・・・・・・支持板、ｂ・・・・・・
空間部、Ａ・・・・・・粉体。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 反応容器内に充填された反応性粉体中に反応性ガス
   体を導入して両者を反応させるにあたり、該粉体中に圧
   縮により３次元的に収縮し、圧縮の解放により復元する
   弾性構造体を挿入し、ガス体と粉体との反応により起る
   粉体の体積膨張圧力を該構造体に吸収させることを特徴
   とする粉体とガス体との反応方法。 ２ 該弾性構造体が中空体である特許請求の範囲第１項
   の方法。 ３ 粉体が金属であり、ガス体が水素である特許請求の
   範囲第１項又は第２項の方法。 ４ 密封容器内に圧縮により３次元的に収縮し、圧縮の
   解放により復元する弾性構造体を挿設するとともに、該
   弾性構造体の外表面と容器内表面との間に形成される空
   間に反応性粉体を密充填し、該容器には反応性ガス体導
   入管を配設してなる粉体とガス体との反応を実施するた
   めの装置。 ５ 該弾性体が中空体である特許請求の範囲第４項の装
   置。