JP2008540324A - 蒸気及び水素の生成器 - Google Patents

Abstract

反応室において水素及び蒸気を生成するための方法が記載され、その方法は、放電源に向かって金属隣接要素を供給し；少なくとも一部の金属隣接要素と水蒸気の間の反応を開始するのに十分な放電を放電源によって間欠的に与え、放電なしで反応を継続することを含む。
【選択図】 図１

Description

関連出願
本願は、「Ｓｔｅａｍ ａｎｄ Ｈｙｄｒｏｇｅｎ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ」という名称の２００５年５月１６日出願の米国仮特許出願Ｎｏ．６０／６８１１６５の３５ Ｕ．Ｓ．Ｃ．１１９（ｅ）の下での利益を主張し、その出願の開示は参考としてここに組み入れられる。

技術分野
本発明は高温蒸気及び水素の生成のための装置及び方法に関する。

水素は将来のクリーンな燃料であると期待されている。その理由は、燃料源として環境に優しい油代替物の使用における地球的関心であり、水素の燃焼は水だけを生じるが、燃料と石炭の燃焼はＣＯ_２を形成し、それは大気を汚染し、「温室効果」に寄与するためである。しかしながら、水素ガスの取り扱い及び流通は安全性の問題及び低い濃度のエネルギー含有量のため問題が多い。

Ｃｏｒｎｉｓｈの米国特許Ｎｏ．４７０２８９４（その開示は参考としてここに組み入れられる）は、水の下で金属表面を、金属が水と反応する温度まで加熱し、水素を生成することによって水素を生成することを記載した。この特許によれば、水の下での加熱は約１アンペアの電流下で約１８０００ボルトの電圧を持つ線材で電気的になされることができる。

ＳｔｕｄｅｎｓｋｉのＤＴ ２３６０５６８（その開示は参考としてここに組み入れられる）は燃焼蒸気機械としての圧縮モータの操作のための方法を記載する。この方法によれば、マグネシウムは空気の存在下で水と反応して水素を生成し、水素は同じ室内で同じ空気で燃やされる。マグネシウムが空気と直接反応しない理由は明らかでない。

本発明のある実施態様の側面は金属と水の間の反応から水素及び蒸気を生成するための方法に関する。反応は金属を点火する放電によって開始され、別の放電の必要なしで継続する。これは間欠的な放電だけを要求しながら蒸気及び水素の連続的な生成を可能にする。この方法は、好適な量の水及び金属が反応室中に導入されるときに反応が放電なしで継続するという知見に基づく。このため、水は金属に対して過剰であるべきであるが、金属を反応温度未満に冷却しないように十分に少ない量であるべきである。

本発明の一実施態様では、方法は、金属又は金属含有線材又は棒材の如き金属隣接素子（ｍｅｔａｌｌｉｃ ｃｏｎｔｉｇｕｏｕｓ ｅｌｅｍｅｎｔ）を放電源に向かって供給し；金属隣接素子の近くに水蒸気を与え；金属と水蒸気の間の反応を開始するのに十分な放電を放電源によって間欠的に与え；そして放電源なしで反応を継続することを含む。放電なしの反応が長いほど、放電を与えるのに費やすエネルギーは少なくなる。

素子は、もしそれが寸法を有し、それに沿って反応が少なくとも１ｃｍに対して進むことができるなら、隣接（ｃｏｎｔｉｇｕｏｕｓ）と考えられる。それは、放電極から放電距離を出るように特定の距離に沿って反応を進ませることができる、螺旋、細長い導管、棒材、線材又は他の形状の形を有してもよい。

水と反応して熱及び水素を与えるいかなる物質も本発明による金属として好適でありうる。好ましいものは、例えば３００Ｋの周囲温度で水と自然反応しない安定物質である。かかる物質の限定されない例はＭｇ，Ａｌ，Ｂ，Ｚｎ、それらの混合物及びそれらの合金である。

例示的な実施態様では、棒材又は線材の形の金属素子は連続的な方法で反応室中にそして反応室内の放電極に向かって供給される。少なくとも一部の金属線材が放電極から放電距離に達するとき、放電が起こり、金属素子と水蒸気の間の反応が始まる。反応は線材を短縮し、それを放電極の放電距離から離れさせる。金属と水の間の発熱反応によって生成される熱は少なくとも一部の金属素子を反応温度に保つには十分であり、この方法は追加の放電の必要なしで反応の継続を可能にさせる。この例示的な実施態様では、金属の連続的供給は線材の短縮を補償し、また反応を継続するのに十分な量の水蒸気を金属の反応部分の近くに維持するための水の一定の供給がある。金属の進行の割合は反応部位を反応室内に保持するが放電極からの放電距離の外に保持するように任意選択的に制御される。

もし反応が停止するなら、例えば金属は反応温度未満に冷却するので、金属線材の連続的な進行は金属を電極から放電距離のところにもたらし、放電が起こり、反応が再開するだろう。かかる実施態様は反応に対するシステムの自己制御を与え、反応の意図しない停止の可能性を減少する。代替的に又は追加的に、放電源は間欠的な放電を与えるためにオン及びオフを間欠的にされる。

反応室が液体の水を実質的に含有しないときに本発明の方法を実施することが好ましい。これは反応室内の温度が反応室内の圧力で水の沸点以上、好ましくは水の臨界温度以上であるなら達成されることができる。また、反応室内で蒸発する液体の小滴として反応室中に水を導入することが好ましい。この方法では水の冷却効果が増大し、反応室内の作用圧力に対して反応室中に水を押すために必要なエネルギーがより小さい。

所望により、水及び金属の好適な量は以下のように見出される：金属は一定割合で導入され、ターゲット温度は出力水素及び蒸気のために設定される。出口温度が測定され、もし測定された温度がターゲット温度以上であるなら、水の流入割合が増大され、あるいはもし測定された温度がターゲット温度未満であるなら、水の流入割合が減少される。水の適切な流入割合が見出されるとき、放電源はオフにされることができ、反応は理想的に完全に継続するだろう。実際には、波動が例えば金属棒材における不整によって起こり、もし波動が反応を停止にもたらすなら、棒材の端が電極から放電距離に到達する次の時に反応が再開される。追加の金属を反応室中にもたらす動きは金属を電極から放電距離にもたらす動きと同じであることが好ましい。

本発明のある実施態様の側面は上記の方法を実施する装置である。装置は内部に水蒸気、金属隣接素子、及び放電システムを有する反応室を含む。放電システムは、金属が水蒸気と反応するように、金属を点火するのに十分な放電を与えるように構成される。装置中の金属は放電極に向かって連続的に移動し、放電システムは間欠的にのみ放電を与える。間欠的にという用語はここでは、システムが、規則的でありうる態様で、一部の時間だけ、しかし多くの時間ではなく放電を与えることを意味するために使用される。ある実施態様では、放電は、操作の開始時に、又は反応が装置の操作時に停止する時に、反応を開始するために必要とされるときのみ起こる。

放電極に向かう金属の移動速度は反応速度に等しいか又はそれより低いことが好ましい。この明細書では、反応速度は金属素子が短縮する速度である。進行速度が反応速度未満であるとき、反応の停止が起こり、ある時間、別の放電が起こるまで、反応室内で反応が全くなく、装置は反応が停止する前に生成された水素及び蒸気を出す。この方法では、進行速度の制御は反応室内の温度及び圧力にわたって制御を与える。

本発明の一実施態様では、装置は、所望により各々が一つの素子を供給する複数の供給システムを通して一つより多い金属隣接素子を反応室中に導入することを可能にする。素子は同じ又は異なる形状及びサイズを有してもよく、同時に又は同時にではなく供給されてもよい。かかる配置は幅広い範囲の出力を有する水素生成装置を与えるために使用されてもよい。例えば、厚い素子を使用して薄い素子によって与えられるより高い入力を与えてもよい。代替的に又は追加的に、同時に供給される複数の素子はそれ自身の各々によって与えられるものより高い出力を与える。

本発明の装置は蒸気及び水素の供給のためのスタンドアロンシステムとして使用されることができ、あるいはそれは燃料として水素を使用して加圧高温蒸気を利用するように適応された機関に搭載して一体化されることができる。機関で使用されるとき、反応室中に導入される金属の量は機関の出力を制御するために利用されてもよい。この機関はタービン、内燃機関、蒸気機関、又は他の出力変換システムであってもよい。

従って、本発明のある実施態様の側面は、反応室において水素及び蒸気を生成するための方法であって、その方法は、以下の工程を含む：
− 放電源に向かって金属隣接素子を供給する；
− 金属隣接素子の少なくとも一部と水蒸気の間の反応を開始するのに十分な放電を放電源によって間欠的に与える；そして
− 放電なしで反応を継続する。

所望により、供給は連続的である。

所望により、金属隣接素子は棒材又は線材である。

所望により、放電なしで反応を継続することは、少なくとも一秒間継続することを含む。所望により、方法はある期間にわたって実施され、放電源は前記期間の半分未満で活性化される。

本発明の一実施態様によれば、放電は金属隣接素子が放電源から放電距離にあるときに与えられ、反応は金属隣接素子を短縮し、それによって金属隣接素子を放電源から放電距離の外にする。所望により、供給は、反応が継続する限り、棒材又は線材を放電源から放電距離にもたらさない。

本発明の一実施態様では、方法は、反応を停止し、連続供給によって反応を再開することをさらに含む。所望により、反応を停止することは、金属を反応温度未満に冷却することを含む。所望により、冷却は金属を反応温度未満に冷却するのに十分な量で水を与えることを含む。

本発明の一実施態様では、反応を継続することは、反応室内の水が金属より過剰であるように反応室中に水を与えることを含む。所望により、反応を継続することは、反応室内の温度を反応室の内側の水の沸点以上又は水の臨界温度以上に維持するのに十分に小さい量で反応室中に水を与えることを含む。

所望により、反応室は酸素を実質的に含有しない。所望により、方法は２００℃以上又は３００℃以上の出口温度で水素を反応室の外に出すことを含む。

所望により、方法は、生成された水素及び蒸気の温度を監視し、監視された温度に反応した割合で水及び／又は金属を与えることを含む。

所望により、方法は、水滴を反応室中に与え、水滴を蒸発することを含む。所望により、反応の熱は水滴を蒸発する。

好ましくは、金属隣接素子中の金属は安定金属であり、それは３０℃で水と自然反応しない。所望により、安定金属はＭｇ，Ａｌ，Ｂ，Ｚｎ、それらの混合物及びそれらの金属合金からなる群から選択される。所望により、方法は動く車両に搭載されて実施される。あるいは、方法は静止した装置で実施される。所望により、機関はタービン、内燃機関、及び蒸気機関からなる群から選択される。

所望により、金属が反応室内に導入される速度は出力を制御する。

所望により、方法は、所望により膜によって、生成された蒸気と生成された水素を分離し、それらを別個に使用することを含む。所望により、膜は金属膜を含む。

本発明の一実施態様では、水素は燃料電池に使用され、蒸気は蒸気機関に使用される。代替的に又は追加的に、水素及び蒸気は水素の点火なしで蒸気機関で混合物として使用され、機関における膨張後に蒸気は部分的に凝縮され、水素は分離される。

本発明のある実施態様の側面は金属と水蒸気の間の反応による水素及び蒸気の生成のための装置に関し、その装置は以下のものを含む：
− 放電極を備えた反応室；
− 反応室中に水を導入するための水入口；
− 金属棒材又は線材が放電極に到達するときに放電が起こるように、放電極に接続されかつ金属隣接素子に接続可能な出力源、但し前記放電は金属を点火するのに十分である；
− 放電極に向かって金属隣接素子を進めるために構成された金属供給システム；
− 反応室から蒸気及び水素を出すためのガス出口；及び
− （ｉ）装置がターゲット温度付近の温度（それは所望により１００℃以上、所望により３００℃以上である）で蒸気及び水素を出し；（ｉｉ）反応室内の温度が反応室内の圧力で水の沸点以上であり；そして（ｉｉｉ）放電極が間欠的に作動するように、金属供給システム及び水入口を制御するように構成された制御システム。

所望により、隣接金属素子は金属棒材又は線材である。

所望により、本発明による装置は複数の金属供給システムを含み、それらは一緒に複数の金属棒材又は線材を反応室中に供給することができる。

所望により、装置は水素及び蒸気を反応室から環境に放出することなく金属隣接素子を反応室中に供給するための弾性シールを含む。

所望により、水入口は反応室中に水滴を導入する。

本発明の一側面は金属と水蒸気の間の反応による水素及び蒸気の生成のための装置に関し、その装置は金属隣接素子を内部に有する反応室と、少なくとも一部の金属隣接素子を点火するのに十分な放電を与えるように構成された放電システムとを備え、少なくとも一部の金属は金属素子が放電極に向かって連続的に移動しながら水蒸気と反応し、放電システムは放電を間欠的に与える。所望により、反応室内の温度は装置内の圧力で水の沸点以上である。好ましくは、反応室内の温度は水の臨界温度以上である。

所望により、装置は反応室に入る複数の金属隣接素子を含む。所望により、放電極は１００Ｖ未満の電圧源に接続される。所望により、本発明による装置では、金属は弾性シールを通って反応室に入る。所望により、装置は金属隣接素子の一部を水から分離するための分離部材を含む。所望により、装置は金属隣接素子の一部を反応室から断熱するための断熱材を含む。所望により、装置は前記金属隣接素子の一部を冷却するための熱交換器を含む。所望により、装置は水素を蒸気から分離するための膜、所望により金属膜をさらに含む。

図面の簡単な記述
本発明の限定されない例示的実施態様が図面と関連して記載されるだろう。

図１は本発明による水素及び蒸気を生成するための装置の一実施態様を概略的に示す。

図２は本発明の一実施態様によるハイブリッド消費装置を有する蒸気及び水素の生成装置を概略的に示す。

図３は車の機関に搭載される蒸気及び水素の消費装置を概略的に示す。

図に示された構成要素及び特徴の寸法は説明の都合及び明確さのために選択され、必ずしも縮尺どおり示されていない。

図１は本発明の一実施態様による装置（１００）を概略的に示す。この実施態様では、電力源（１０４）に接続された金属線材又は棒材（１０２）は反応室（１０６）（それはシールされていることが好ましい）中に押しやられている。線材又は棒材（１０２）はカウンター電極（１１０、「放電極」としても言及される）に向かって進行される。カウンター電極は最初、金属線材又は棒材から分離され、室（１０６）の壁（１２６）を通して電力源（１０４）に電気的に接続されている。あるいは、放電極は電線（図示せず）で電力源に接続されてもよく、それは所望により室の壁から電気的に絶縁されている。

図１はまた、放電極（１１０）に向かって水平線に沿って反応室（１０６）内に金属線材又は棒材（１０２）を押す任意の供給機構（１３０）を示す。他の実施態様では、棒材又は線材（１０２）は反応室に垂直に又は地上に対して対の角度で入る。

放電極（１１０）は、図に示されるように、任意選択的に棒状であり、ホッケーのスティックのように造形される。他の実施態様では、放電極は例えばメッシュ、円板、ドラム、又は直線のような他の公知の形状を有してもよい。電極（１１０）が棒材（１０２）を受けるように図１に描かれている角度は、金属棒が放電なしで（例えば、放電出力源が電極からはずされているため）その中ではね上がるとき、金属棒材が電極と衝突するよりむしろ曲がりうるという利点を有してもよい。代替的に又は追加的に、もし電極が進行する金属棒材によって当てられても曲がるように電極は室の内壁に弾性的に取り付けられてもよい。代替的に又は追加的に、電極は棒材が衝突なしでそこを進むことができる開口を伴って形成されてもよい。

また、図１に示されているものは、ガスを反応室から環境に放出せずに反応室中に金属棒材を供給するための弾性シール（１０８）である。ガスを出さずに反応室中に金属を進行することができるいかなる他の手段も弾性シールを置き換えてもよい。その限定されない例はホットノズルである。さらに、シールは絶縁部材として作用することができ、それらの内側の線材の部分を反応室内の水蒸気から絶縁する。シール（１０８）は反応室の壁（１２６）からシールを断熱するセラミックスリーブ（１０８Ａ）に任意選択に与えられる。反応室の壁は操作時に反応室で発生する熱によってかなり加熱されてもよい。熱交換器（１０８Ｂ）は反応室（１０６）の外側の金属線材（１０２）の一部を冷却するために任意選択的に使用される。

また、図に示されているものは、水入口（１１４）、そこを通って入る水（１１２）、消費システム（図２の３００）によって使用するための装置の外に生成された水素及び蒸気を出すためのガス出口（１２４）、及び圧力が予め決められた値以上に上昇すると圧力の除去を可能にするように構成された安全出口（１２８）である。

この実施態様の反応室（１０６）は任意の温度センサー（１１６Ａ）、圧力センサー（１１６Ｂ）、及び除去可能なカバー（１１８）をさらに備えている。任意の除去可能なカバーはねじ（１２０）で室壁にシールされている。除去可能なカバー（１１８）はクリーニング、検査、メンテナンスなどのために反応室を開放するために除去されてもよい。制御システム（１２２）は反応室（１０６）中への金属（１０２）及び／又は水（１１２）の導入の割合を制御することによって出力を制御する。制御システム（１２２）はまた、任意選択的にガス出口（１２４）を制御し、それを通して反応室内の圧力を制御する。追加的に又は代替的に、ガス出口は出口（１２４）から出ていく水素及び蒸気を受ける消費装置によって制御される。例示的実施態様では、消費装置は制御システムを通して生成装置と通信する。

操作において金属（１０２）は反応室（１０６）内の圧力に対する供給機構（１３０）によって電極（１１０）に向かって前進される。前進された金属は電極から放電距離に到達し、これは放電を生じ、それは金属（１０２）及び反応室（１０６）の内側の雰囲気を加熱して水蒸気との反応を開始する。

反応のための水（１１２）は小滴としてスプリンクラー（１１４）を介して反応室（１０６）中に注入される。スプリンクラー（１１４）は反応室内の圧力に対して水をまき散らすように構成される。水は金属が供給されるときとは異なるときに任意選択に注入され、金属進行の制御ループとは異なる制御ループで金属進行の制御ループから独立して任意選択的に制御される。ある実施態様では、水はそれ自身の制御ループを有する。反応室内の圧力は反応室内の温度の水の蒸気圧より低いことが好ましく、水（１１２）はそれが金属（１０２）に到達する前に蒸発する。もし液体の水が熱い金属に到達するなら、金属は水の高い蒸発熱によってかなり冷却され、反応は停止するか又は遅くなる。水蒸気は金属と反応し、金属棒材（１０２）はそれに応じて収縮し、このようにして棒材の端（１０２Ａ）は電極（１１０）から放電距離の外にされる。代替的に又は追加的に、棒材（１０２）は供給機構（１３０）によって引っ込められてもよい。

金属棒は電極（１１０）に向かって前進することを継続し、水（１１２）と反応することを継続する。所望により、金属棒材の進行速度及びスプリンクラー（１１４）を通って注入される水の流量は、金属線材（１０２）と電極（１１０）の間の距離が相対的に一定であり、即ち棒材（１０２）の端（１０２Ａ）がシール（１０８）中に入らず、電極から放電距離にないように制御システム（１２２）によって調整される。金属と水の間の反応によって生成された熱は反応を持続させ、スプリンクラー（１１４）を通る水の流量は反応室（１０６）内の温度を制御する：金属より水の過剰が大きいほど、温度は低下する。

水と金属の間の反応の副生成物である金属酸化物は例えば米国特許出願公開Ｎｏ．２００４／０２３７４９９に記載されているように公知の手段によって生成装置（１００）から廃棄されてもよい。

もし水がマグネシウムと反応し、過剰の水が全くないなら、温度は１５００℃付近まで上昇することが予想され、それは通常、望ましくない。約３００℃〜約６００℃の温度を維持するため、水とマグネシウムの間のモル比は約３：１〜約６：１であるべきである。他の金属とではこれらの数字は異なる。

制御システム（１２２）は圧力から独立して温度を制御するように構成されることが好ましい。圧力制御は金属が反応室中に導入される割合を制御することにより及び／又は水素及び蒸気がシステムから出口（１２４）を通して蒸発される割合を制御することによって得られてもよい。

金属導入割合を増加することは電極に向かう金属の進行速度を増大することによって任意選択的に得られる。追加的に又は代替的に、金属は、より高い圧力（又は出力）が要求されるとき、追加の棒材が任意選択的に追加の供給システム（図示せず）を介して反応室内に導入されるように、一つより多い棒材で導入されてもよい。任意選択的に、異なる金属棒材は同じ又は異なる出力源に接続されてもよい異なる放電極に向かって前進する。追加的に又は代替的に、異なる金属棒材は共通の放電極に向かって前進する。温度制御はシステム中に導入される金属と水の間の比率を調整することによって得られてもよい。金属単位あたり加えられる水が多いほど、温度が低下する。なぜならば反応の熱を吸収するシステム中の材料が多くなるからである。

所望により、制御システム（１２２）は放電極が一部の時間だけ、例えば９０％，７０％，５０％，３０％，１０％，５％，１％又はそれより低いかもしくはそれらの中間値で起こるように金属棒材又は線材（１０２）の進行を制御する。また、一つの放電ともう一つの放電の間で少なくとも１秒、５秒、３０秒の期間又はそれより大きいかもしくはそれらの中間期間が経過するように金属線材又は棒材の進行を制御することは任意である。この期間はシステムの操作時に変更されてもよく、装置のオペレータによって任意選択的に直接限定できるが、必ずしもそうしなくてもよい。例えば、オペレータは制御システムに対して出力温度及び圧力を限定してもよく、制御システムは金属線材又は棒材の進行、水の注入、及び反応室からの流体の出口を予め決められたパラメータを維持する方法で制御するだろう。本発明の一実施態様では、かかる制御は上で説明したように放電が先行する放電のある期間だけ又は時間の一部だけ起こるようにもたらす。

電極（１１０）は放電極を与えるために電力源（１０４）に接続される。水蒸気の下でマグネシウム棒材を点火するために必要な電圧は１００Ｖ未満であることが見出され、多くの場合において約１０Ｖ〜約３０Ｖの電圧で十分である。もしシステムの操作時にアークが作られるなら、放電流は不規則に成長し、その場合において制御システム（１２２）は安全上の理由のため、及び反応室内の圧力及び温度のさらなる制御を容易にするため、放電出力源（１０４）を任意選択的に断絶する。

実施例１
装置は図１Ａに記載された実施態様に従って作られた。２．４ｍｍの直径を有するマグネシウム線材が３．７ｃｍ／秒の速度でシステム中に供給された。水は３５０℃のターゲット温度で温度を保つのに必要な割合でスプリンクラーを通して注入された。放電極は鋼から作られ、放電出力源は商業的に入手可能な溶接機械から採用された。放電に約２０Ｖの電圧が使用された。制御システムは３５０℃の温度及び２０気圧の全圧で水素及び蒸気の一定流出を維持するように設定された。安全弁は圧力が３０気圧に達すると開くように調整された。装置は三分間操作され、次いで放電出力源はシステムから断絶され、操作はさらに三分間継続され、その後システムは、金属の進行を停止し、出口圧が減少を開始するまで水を加えることによって止められた。

実施例２
実施例１に使用された装置を操作して５５４℃以下の様々な温度及び４４０℃の平均温度で蒸気及び水素を生成した。圧力は１２〜２２気圧であり、平均２０気圧であった。温度及び圧力は、直径２．４ｍｍの金属線材を３．４ｍ／秒の平均速度で連続的に供給し、水流入量を変化すること、即ちそれを増大して温度を低下させたり、それを減少して温度を上昇させたりすることによって操作された。次いで、水及び金属流入量は安定化され、放電出力源は断絶された。操作はもう一分間継続され、システムは上記のようにして停止された。

システムの有効性の粗い評価
実施例１及び２に使用されたシステムでは、放電は約１ｋＷ電力（約２０Ｖ，５０Ａ）を使用し、システムは約１０ｋＷ熱電力を生成した。熱から電気への変換のために典型的である２０％〜５０％の変換率で、これは２〜５ｋＷの電力を与えることができた。従って、もし一定の放電が要求されるなら、２０％〜５０％のエネルギーが放電に費やされるだろう。しかしながら、本願では放電が間欠的であるので、放電エネルギーと出力エネルギーの間の比はずっと小さい。例えば、システムが放電回路を接続して三分間操作され、次いで放電回路を断絶してもう三分間操作されるとき、放電に費やされる上記で算出された電力の少なくとも５０％が節約された。しかしながら、この数字は達成される節約を過小評価する。なぜならば放電回路が接続されたとき、電流は間欠的にそれに通じ、各時間は時間の断片にすぎないからである。一定条件での操作が一定条件でシステムを安定化するために必要な時間よりずっと長いとき、必要な放電エネルギーは生成されるエネルギーと比較して無視できる。

図２は消費装置（３００）に搭載された本発明の一実施態様による装置（２００）を記載する。

装置（２００）は消費装置（３００）中に蒸気及び水素を出すための出口（２２４）を含むことが示される。装置（２００）はまた、二つの任意の出口（２５０）及び（２６０）を有することが示される。出口（２５０）は、装置（２００）が操作を停止した後、及びそれを再開放する前に、装置（２００）から水を出すために任意選択的に使用される。出口（２６０）は水と金属の間の反応によって生成される金属酸化物を出すために任意選択的に使用される。装置（２００）の他の要素は図１の装置（１００）に示されたものと同様であり、簡単のため図２で再現されない。

図２の実施態様では、装置（２００）は熱的機械及び電力の両方のハイブリッド操作のために採用され、燃料電池（３５０）に使用されるが、蒸気は蒸気機関（３６０）に使用される。水素及び蒸気はまた、別々に他の熱と電力を組み合わせたシステムにおいて使用されてもよく、消費装置（３００）は水素を蒸気から分離するための分離ユニット（３０４）を含むことが示される。分離ユニット（３０４）は分離膜（３１０）を含み、分離膜（３１０）は任意選択的に金属膜であり、それは水素を蒸気から分離する。分離ユニット（３０４）は膜（３１０）の一方の側に水素出口（３２０）を有し、膜の他の側に蒸気出口（３３０）を有する。

図３では、本発明の一実施態様による装置（４００）が車（４１０）に搭載され、車の機関（４２０）に蒸気及びエネルギーを与えている。

別の実施態様では、蒸気及び水素を生成するための装置は蒸気及び水素を高温及び高圧で蒸気機関（それは水素を点火しない）中に与え、機関内の膨張後に蒸気は凝縮器において部分的に凝縮され、水素は分離され、燃料電池の如き他の用途のために使用されることができる。

最後に、出願人のＵＳ ２００４／０２３７４９９として公開された先願（その開示は参考としてここに組み入れられる）は蒸気及び水素を生成する反応室と消費装置の多くの他の組み合わせを記載し、全てのこれらの組み合わせにおいて反応室は本発明の実施態様に従っていてもよい。

上記の装置及び方法はまた、金属を二酸化炭素で酸化して一酸化炭素を生成するために使用されてもよい。このため、水入口（１１４）はＣＯ_２入口で置換され、出口（１２４）を通って出ていくものはＣＯである。蒸気及び合成ガス（水素と一酸化炭素のガス混合物）を生成するために同様の装置及び方法を使用してもよい。このため、二酸化炭素及び水は金属と反応される。合成ガス製造のための方法及び装置の実施のため、図１の装置は水入口（１１４）にＣＯ_２入口を加えることによって任意選択的に修正される。

本発明はその実施態様の限定しない詳細な記載を使用して記載されたが、その実施態様は例示によって与えられ、本発明の範囲を制限することを意図しない。一実施態様に関して記載された特徴及び／又は工程が他の実施態様とともに使用されてもよいこと、及び本発明の全ての実施態様が実施態様の一つに関して記載された又は特定の図に示された特徴及び／又は工程の全てを有するわけではないことは理解されるべきである。記載された実施態様の変形は当業者に思いつくだろう。さらに、用語「含む又は備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｅ）」、「有する（ｈａｖｅ）」及びそれらの同根語は、この開示及び／又は請求項で使用されるとき、「含むが必ずしも限定されない（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｂｕｔ ｎｏｔ ｎｅｃｅｓｓａｒｉｌｙ ｌｉｍｉｔｅｄ ｔｏ）」を意味する。

上述の実施態様の幾つかは本発明者によって考えられるベストモードを記載し、それゆえ実施例として記載されかつ本発明に必須でないかもしれない構造、行動、又は構造及び行動の詳細を含んでもよいことが注目される。ここで記載された構造及び行動は、構造又は行動が異なっていても、公知の同じ機能を実施する均等物によって置換可能である。それゆえ、本発明の範囲は請求項に使用された要素及び限定によってのみ制限される。

本発明による水素及び蒸気を生成するための装置の一実施態様を概略的に示す。 本発明の一実施態様によるハイブリッド消費装置を有する蒸気及び水素の生成装置を概略的に示す。 車の機関に搭載される蒸気及び水素の消費装置を概略的に示す。

Claims (47)

1. 反応室において水素及び蒸気を生成するための方法であって、以下の工程を含む方法：
   − 放電源に向かって金属隣接素子を供給する；
   − 金属隣接素子の少なくとも一部と水蒸気の間の反応を開始するのに十分な放電を放電源によって間欠的に与える；そして
   − 放電なしで反応を継続する。
2. 前記供給が連続的である請求項１に記載の方法。
3. 金属隣接素子が棒材又は線材である請求項１又は２に記載の方法。
4. 金属隣接素子が放電源から放電距離にあるときに放電が与えられ、反応は金属隣接素子を短くし、それによって金属隣接素子を放電源から放電距離の外にする請求項１〜３のいずれかに記載の方法。
5. 供給は、反応が継続する限り、棒材又は線材を放電源から放電距離にもたらさない請求項１〜４のいずれかに記載の方法。
6. 以下の工程をさらに含む請求項２〜５のいずれかに記載の方法：
   − 反応を停止する；そして
   − 連続的な供給によって反応を再開する。
7. 反応を停止することは、金属を反応温度未満に冷却することを含む請求項６に記載の方法。
8. 前記冷却は金属を反応温度未満に冷却するのに十分な量で水を与えることを含む請求項７に記載の方法。
9. 放電なしで反応を継続することは、少なくとも一秒間継続することを含む請求項１〜８のいずれかに記載の方法。
10. 反応を継続することは、反応室内の水が金属より過剰であるように反応室中に水を与えることを含む請求項１〜９のいずれかに記載の方法。
11. 反応を継続することは、反応室中の温度を反応室の内側の水の沸点以上に維持するのに十分に小さい量で反応室中に水を与えることを含む請求項１〜１０のいずれかに記載の方法。
12. 反応室中の温度が水の臨界温度以上である請求項１〜１１のいずれかに記載の方法。
13. 反応室が酸素を実質的に含有しない請求項１〜１２のいずれかに記載の方法。
14. ２００℃以上の出口温度で水素を反応室の外に出すことを含む請求項１〜１３のいずれかに記載の方法。
15. 出口温度が３００℃以上である請求項１〜１４のいずれかに記載の方法。
16. ある期間にわたって実施される請求項１〜１５のいずれかに記載の方法であって、放電源が前記期間の半分未満で活性化される請求項１〜１５のいずれかに記載の方法。
17. 生成された水素及び蒸気の温度を監視し、監視された温度に反応した割合で水を与えることを含む請求項１〜１６のいずれかに記載の方法。
18. 生成された水素及び蒸気の温度を監視し、監視された温度に反応した割合で金属を与えることを含む請求項１〜１７のいずれかに記載の方法。
19. 水を与えることは、水滴を反応室中に与え、水滴を蒸発することを含む請求項８〜１８のいずれかに記載の方法。
20. 金属が、３０℃で水と自然反応しない安定金属である請求項１〜１９のいずれかに記載の方法。
21. 安定金属がＭｇ，Ａｌ，Ｂ，Ｚｎ、それらの混合物及びそれらの金属合金からなる群から選択される請求項１〜２０のいずれかに記載の方法。
22. 動く車両に搭載されて実施される請求項１〜２１のいずれかに記載の方法。
23. 前記機関がタービン、内燃機関、及び蒸気機関からなる群から選択される請求項２２に記載の方法。
24. 金属が反応室中に導入される速度が出力を制御する請求項１〜２３のいずれかに記載の方法。
25. 生成された蒸気と生成された水素を分離し、それらを別個に使用することを含む請求項１〜２４のいずれかに記載の方法。
26. 分離することは、膜を通して濾過することを含む請求項１〜２５のいずれかに記載の方法。
27. 膜が金属膜を含む請求項１〜２６のいずれかに記載の方法。
28. 水素が燃料電池に使用され、蒸気が蒸気機関に使用される請求項２５に記載の方法。
29. 水素及び蒸気が水素の点火なしで蒸気機関において混合物として使用され、機関内の膨張後に蒸気が部分的に凝縮され、水素が分離される請求項１〜２８のいずれかに記載の方法。
30. 金属と水蒸気の間の反応による水素及び蒸気の生成のための装置であって、以下のものを含む装置：
    − 放電極を備えた反応室；
    − 反応室中に水を導入するための水入口；
    − 金属棒材又は線材が放電極に到達するときに放電が起こるように、放電極に接続されかつ金属隣接素子に接続可能な出力源、但し前記放電は金属を発火するのに十分である；
    − 放電極に向かって金属隣接素子を進めるために構成された金属供給システム；
    − 反応室から蒸気及び水素を出すためのガス出口；及び
    − （ｉ）装置がターゲット温度付近の温度で蒸気及び水素を出し；（ｉｉ）反応室内の温度が反応室内の圧力で水の沸点以上であり；そして（ｉｉｉ）放電極が間欠的に作動するように、金属供給システム及び水入口を制御するように構成された制御システム。
31. 隣接金属素子が金属棒材又は線材である請求項３０に記載の装置。
32. ターゲット温度が１００℃以上である請求項３０に記載の装置。
33. ターゲット温度が３００℃以上である請求項３０に記載の装置。
34. 複数の金属供給システムを含み、それらが一緒に複数の金属棒材又は線材を反応室中に供給することができる請求項３０〜３３のいずれかに記載の装置。
35. 前記供給システムが、水素及び蒸気を反応室から環境に放出することなく、金属隣接素子を反応室中に供給するための弾性シールを含む請求項３０〜３４のいずれかに記載の装置。
36. 水入口が反応室中へ水滴を導入する請求項３０〜３５のいずれかに記載の装置。
37. 金属と水蒸気の間の反応による水素及び蒸気の生成のための装置であって、装置が金属隣接素子を内部に有する反応室と、少なくとも一部の金属隣接素子を点火するために十分な放電を与えるように構成された放電システムとを備え、少なくとも一部の金属が、金属隣接素子が放電極に向かって連続的に移動しながら水蒸気と反応し、放電システムが放電を間欠的に与える装置。
38. 反応室内の温度が装置内の圧力で水の沸点以上である請求項３７に記載の装置。
39. 反応室内の温度が水の臨界温度以上である請求項３７又は３８に記載の装置。
40. 反応室に入る複数の金属隣接素子を含む請求項３７〜３９のいずれかに記載の装置。
41. 放電極が１００Ｖ未満の電圧源に接続されている請求項３７〜４０のいずれかに記載の装置。
42. 金属が弾性シールを通って反応室に入る請求項３７〜４１のいずれかに記載の装置。
43. 金属隣接素子の一部を水から分離するための分離部材を含む請求項３７〜４２のいずれかに記載の装置。
44. 金属隣接素子の一部を反応室から断熱するための断熱材を含む請求項３７〜４３のいずれかに記載の装置。
45. 金属隣接素子の一部を冷却するための熱交換器を含む請求項３０〜４４のいずれかに記載の装置。
46. 水素を蒸気から分離するための膜をさらに含む請求項３７〜４５のいずれかに記載の装置。
47. 膜が金属膜である請求項４６に記載の装置。

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