JP2012503738A - 金属燃料コジェネレーション設備 - Google Patents

Abstract

【解決手段】金属燃料コジェネレーション設備（１）は、少なくとも１つの反応室（２）と、水を主成分とする少なくとも１種類の液体の酸化剤を導入する導入手段（３）と、少なくとも１種類の金属燃料を前記反応室（２）内に供給する供給手段（４）とを備え、酸化剤及び燃料が発熱を伴う酸化反応を引き起こし、水素ガスと、少なくとも１種類の金属酸化物とが生成される。導入手段（３）は、実質的に化学量論上の量より多い量の酸化剤を反応室（２）内に導入して水蒸気を発生させる。そして、少なくとも前記水蒸気が取入口から供給されて駆動軸（６）の回転駆動を行う流体式の少なくとも１つの動力ユニット（５）と、反応室（２）と動力ユニット（５）の取入口との間に介装され、少なくとも水蒸気を分離回収する分離回収手段（７）と、水素ガスを排出する排出手段（８）とを更に備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、金属燃料コジェネレーション設備に関する。

エネルギ需要の増大に対応し、エネルギ生産の分野では、環境への影響が少なく、燃料供給に問題を生じることのない革新的なエネルギ供給源が絶えず求められていることが知られている。

この分野では、水素が無公害で再生可能なエネルギ源となることから、水中での金属燃料の酸化反応を利用して水素を発生させ、燃料電池のような装置に供給するといった研究が長年にわたって進められてきた。このような反応を得るための金属燃料は、一般的にアルミニウムを主成分としている。

実際に、固体の状態または液体の状態の純粋なアルミニウムは、水を主成分とする液体の酸化剤中において、周囲の環境下で以下のような酸化反応を引き起こし、適正な反応を維持する温度状態に速やかに達する。
２Ａｌ＋３Ｈ_２Ｏ → Ａｌ_２Ｏ_３＋３Ｈ_２ ・・・・・ （１）

水分解反応としても知られている上記式（１）の反応により、純粋なアルミニウムが水と反応して、水素ガスと、固体の状態及び液体の状態のアルミナとが生成される。この反応には熱の発生（アルミニウム１モル当たり約２３０ｋｃａｌ）が伴い、大きな発熱となる。

上記式（１）の反応を産業に適用する上で問題となるのは、空気との接触によりアルミニウムが酸化することで、アルミニウムからなる物体が薄い保護膜で覆われ、水との反応が阻害されてしまうことである。

このため、燃焼反応を可能として水素を生成するべく、空気に対してアルミニウムを不活性とし、酸化膜の生成を防止し、或いは水中で酸化膜を直接除去するための様々な解決策が検討されてきた。

例えば、固体の状態のアルミニウム及びガリウムの混合物からなり、ガリウムをアルミニウムの酸化防止剤として機能させるようにした燃料を得ることが、特許文献１によって知られている。
この場合、酸化反応の際に、水に対して不活性のガリウムは、何ら変質することなく、廃棄物として残留する。

但し、このようなガリウム及びアルミニウムを主成分とする燃料の使用に問題がないわけではなく、適切な製造設備での燃料の製造と、その後の燃料単位での保管が求められ、必要な時間及び供給コストが増大するという問題がある。

更に、水による燃料の酸化反応の結果として生じるガリウムを反応室から回収して排出するためのシステムを設ける必要があり、装置の構造が複雑になると共に、製造コスト及び維持コストが増大する。

これに代わるものとして、水中でのアルミニウムの反応を得るためのチャンバを設け、アルミニウムまたはその合金を主成分とする物体に対し機械加工を行うための部材をチャンバ内に設けることも知られている。この場合、アルミニウムまたはその合金を主成分とする物体を、チャンバ内における機械加工を行うための領域に供給して、当該物体を覆って酸化を妨げる膜を除去し、水との反応が可能な純粋なアルミニウムの粒子を得るようにしている。

具体的には、水を収容する容器が、生成された水素ガスを抜き取るためのダクトに接続されており、切削工具が水に浸された状態で容器内に収容され、切削工具に向けて供給されるアルミニウムまたはその合金を主成分とする燃料を機械加工するように構成された水素ガスの製造設備が、特許文献２によって知られている。この場合、切削工具の回転駆動は、容器の外部に設けられた駆動用モータを用いて行われる。

また、特許文献３は、アルミニウムを主成分として水中に浸された金属材料を、摩擦すると共に機械的に破壊することにより、純粋なアルミニウムの粒子が水中で反応を引き起こすことができるようにして、水素ガスを生成する方法を示している。具体的には、水を供給する手段と、水素ガスを回収するダクトとが設けられた反応室によって構成され、水中に浸された研磨板が反応室に収容されており、アルミニウムを含有した固体の状態の金属材料が研磨板に向けて供給されるような設備が開示されている。研磨板の回転駆動は、外部の電動モータによって行われるようになっている。

米国特許出願公開第２００８／００６３５９７号明細書 特開２００１−０３１４０１号公報 米国特許出願公開第２００４／０２０８８２０号明細書

しかしながら、これらの設備も問題がないわけではなく、これらの設備は、貯蔵し或いは使用者に供給する水素ガスを得るだけのものに過ぎず、酸化反応の結果として利用可能となる他のエネルギ源を利用することができないという問題がある。

また、これらの設備は、使用する工具を回転駆動するための動力機器を作動させるのに必要な電力または燃料、並びに反応を維持するために必要な処理用の水のための外部供給源をいずれも必要としている。

更に、これらの設備は、生成する水素ガスの量を調整するのが困難であり、特に上記特許文献２に開示された設備については、周期的に反応室内に水を補給しなければならないため、作業がとぎれとぎれとなってしまうという問題がある。

本発明の狙いは、水中での金属燃料の酸化によって得られる水素の化学ポテンシャルエネルギだけではなく、水分解反応によって発生する熱をも利用して、熱エネルギ、機械的エネルギ、及びまたは電気的エネルギを得ることが可能な金属燃料コジェネレーション設備を実現することにより、従来技術における上述の問題点を解消することにある。

このような狙いのもとで、本発明の目的は、一旦定常運転状態に達すると持続することが可能な実質的に閉じた系からなる連続サイクル作動を行うような自立した設備を提供することにある。

本発明のもう１つの目的は、反応室内で得られた副産物、特に金属酸化物を再利用することが可能な適切な処理を提供することにある。

本発明のもう１つの目的は、例えば、陸上車両、船舶、航空宇宙飛行体などの推進用、固定的な発電所、並びに民間用及びまたは業務用のコジェネレーションといった様々な分野に容易に適用可能なコンパクトな設備を提供することにある。

本発明の更なる目的は、環境汚染物質を放出せず、環境に対する影響を抑制することにある。

本発明のもう１つの目的は、簡素で、比較的容易に実現可能であり、安全に使用することが可能であり、効率的に作動し、比較的低コストの設備を提供することにある。

これらの狙い及び目的、並びに後に明らかとなる別の目的を達成するため、本発明の金属燃料コジェネレーション設備は、少なくとも１つの反応室と、水を主成分とする少なくとも１種類の液体の酸化剤を導入する導入手段と、金属を主成分とする少なくとも１種類の燃料を前記反応室内に供給する供給手段とを備え、前記酸化剤と前記燃料とが発熱を伴う酸化反応を引き起こし、水素ガスと、少なくとも１種類の金属酸化物とを生成する金属燃料コジェネレーション設備において、前記導入手段は、実質的に化学量論上の量より多い量の酸化剤を前記反応室内に導入して水蒸気を発生させ、少なくとも前記水蒸気が取入口から供給されて駆動軸の回転駆動を行う流体式の少なくとも１つの動力ユニットと、前記反応室と前記動力ユニットの前記取入口との間に介装され前記水蒸気を分離回収する分離回収手段と、前記水素ガスを排出する排出手段を更に備えることを特徴とする。

本発明に係るコジェネレーション設備の長手方向の概略断面図である。 本発明に係るコジェネレーション設備の構成及び機能的な関係を示すブロック図である。 本発明に係るコジェネレーション設備の管理制御ユニットを示すブロック図である。

本発明の更なる特徴及び利点は、添付図面中の限定されない例によって示された、金属燃料コジェネレーション設備の、好ましいが限定されない実施形態に関する以下の詳細な説明からより明確になるであろう。

図を参照すると、符号１は全般的に金属燃料コジェネレーション設備を示している。
金属燃料コジェネレーション設備１は、密封されて適切に断熱された少なくとも１つの反応室２と、水を主成分とする少なくとも１種類の液体の酸化剤を反応室２内に導入する導入手段３と、金属を主成分とする少なくとも１種類の燃料を反応室２内に供給する供給手段４とを備えている。

酸化剤と燃料とは、両者の間で酸化反応が生じることにより、水素ガスと、固体の状態及びまたは液体の状態の少なくとも１種類の金属酸化物とを生成するようになっている。
導入手段３及び供給手段４は連続的に作動し、上記酸化反応が安定して維持されるように反応室２への供給を行う。
燃料は固体の状態で供給されるのが好ましいが、固体及び液体の状態、または液体のみの状態で反応室２内に導入されるようにしてもよい。

燃料は、アルミニウム、マグネシウム、これらの混合物、及びまたはこれらの合金の群から選択された少なくとも１種類の金属からなる。また、燃料は、アルミニウム、アルミニウムの混合物、及びまたはアルミニウム合金からなるのが好ましい。
酸化剤は、水を主成分とし、公知の保護剤、促進剤、及びまたは触媒物質を加えてもよい。
この結果、水とアルミニウムとの反応が引き起こされ、水素ガスと、固体の状態及びまたは液体の状態のアルミナとが生成される。

導入手段３は、酸化反応を維持する化学量論上の量より実質的に多い量の水を導入するようになっており、余剰となる水は、酸化反応によって生じた熱により、少なくとも部分的に水蒸気に変化する。

金属燃料コジェネレーション設備１は、少なくとも上述のようにして生じた水蒸気が取入口に供給されることにより駆動軸６を回転駆動する、流体式の少なくとも１つの動力ユニット５を有しており、反応室２と動力ユニット５の取入口との間には、少なくともこの水蒸気を分離回収する分離回収手段７が設けられている。
図１に示すように、動力ユニット５は、反応室２内で得られた後、分離回収手段７により反応室２から取り出された水蒸気及び水素ガスの両方が取入口に供給されるようにするのが好ましい。

また、金属燃料コジェネレーション設備１には、得られた水素ガスを排出するための排出手段８が設けられており（概略を図２に示す）、動力ユニット５に水蒸気のみを供給する場合は、排出手段８が分離回収手段７に組み合わされており、動力ユニット５に水蒸気及び水素ガスの両流体を供給する場合には、動力ユニット５の流出口の下流側に排出手段８が配設される。この排出手段８は、公知の技術による水素ガスの貯蔵或いは使用者への水素ガスの送給のために設けることができる。

動力ユニット５は、駆動軸６と一体的に回転するインペラ５ａを有したタービンによって構成されている。これに代えて、例えばスターリングエンジンのような外燃原動機によって動力ユニット５を構成することも可能である。

反応室２は、実質的に長手方向軸線Ａに沿って延設されており、互いに対向する第１端部２ａ及び第２端部２ｂを有している。そして、第１端部２ａは導入手段３と組み合わされ、第２端部２ｂは分離回収手段７と組み合わされている。

供給手段４は、反応室２内に収容されて加工領域を形成する少なくとも１つの工具９を備えている。この工具９は水中に浸されており、駆動軸６に組み付けられて駆動されることにより切削を行うようになっている。図１において、工具９は正面フライスの形式のものであって、反応室２内に突出した駆動軸６の第１端部に直接的に固定され、回転により切削を行うようになっている。なお、例えば、研削板のような別の形式の工具を設けて使用することも可能である。供給手段４は、燃料からなる少なくとも１つの物体Ｍを反応室２内に導入する押出し手段１０を加工領域に有している。この押出し手段１０は、反応室２内への上述のような供給を連続的に行うように構成されているのが好ましい。工具９によって物体Ｍに加えられる機械的作業は、適切な大きさ（例えば、径が１０〜１００μｍ）の燃料の断片を形成するものであって、当該断片の露出面には、水の存在下で反応可能な金属分子が保持されている。

具体的には、アルミニウムを主成分とする燃料を用いる場合、空気との接触で既にアルミナの膜が物体Ｍの外部を覆っており、工具９を用いて加工を行うことで、このアルミナの膜を除去することが可能となり、純粋な金属の分子を水と反応させることができるようになる。

物体Ｍは、縦長の形状として、広く販売し利用可能な一般的な市販用の棒状体に形成するのが好ましく、この場合、工具９は、物体Ｍの端部を加工するように構成される。
工具９は、第１端部２ａに近接した位置の長手方向軸線Ａ上に配置されており、第２端部２ｂに形成された開口を介し、押出し手段１０が長手方向軸線Ａと平行な方向に向けて物体Ｍを反応室２内に送り込む。

金属燃料コジェネレーション設備１には、導入手段３及びまたは供給手段４の初期駆動のためのモータ駆動手段１１が設けられている（図２に概略を示す）。具体的には、モータ駆動手段１１が駆動軸６を回転させることにより、反応室２内の酸化反応が定常状態に達するまでの間、当該酸化反応の誘起操作が行われる。そして、酸化反応が定常状態に達すると、モータ駆動手段１１は作動を停止し、タービン５のみによる駆動軸６の回転駆動に移行する。また、モータ駆動手段１１は、酸化剤導入のために導入手段３内に設けられた様々なポンプ機構や、押出し手段１０を作動させるための機構のような様々な付加的な補助利用機構１２の作動を確実に開始させる。

図１には、駆動軸６の第１端部の反対側の端部であり反応室２の外方に位置する駆動軸６の第２端部に固着されたフランジ１３が示されており、詳細は示していないが、このフランジ１３が、一般的な形式の電動モータによって構成可能なモータ駆動手段１１に連結されている。

導入手段３は、ダクト１５と連通し、タンク１６から上述のポンプ機構により供給される水、或いは水道から直接供給される水を取り入れるマニホールド体１４を備えている。このマニホールド体１４は、第１端部２ａと連通しており、長手方向軸線Ａの周りに実質的に環状に形成されることにより、中央部分に形成された孔に駆動軸６を貫通させて収容している。反応室２は、第１端部２ａにおいて、マニホールド体１４の孔の位置に開口を有しており、この開口に駆動軸６が密封状態を維持しながら挿入されている。更に、導入手段３は、マニホールド体１４と第１端部２ａとの間に介装された整流用間仕切１７を有しており、この整流用間仕切１７により、反応室２に沿って長手方向軸線Ａと実質的に平行に、第２端部２ｂに向けて水を移動させるようにしている。整流用間仕切１７は、複数の筒状貫通孔が全域にわたって分散配置された環状プレートによって構成されている。

分離回収手段７は、減速用間仕切１９を介して第２端部２ｂに連通する減勢部１８を備えている。この減速用間仕切１９は、複数の筒状貫通孔が全域にわたって分散配置された環状プレートによって構成されている。

減勢部１８の上部領域には、反応室２内で生成された水素ガス及び水蒸気のうちの少なくとも一方を流出させるための少なくとも１つの第１ポート１８ａが設けられ、減勢部１８の下部領域には、依然として液体の状態にある余剰な水と、生成された金属酸化物、特にアルミナとのうちの少なくとも一方を排出するための少なくとも１つの第２ポート１８ｂが設けられている。図１に示す金属燃料コジェネレーション設備１において、全体的に気相状態となっている水蒸気及び水素の混合ガスが第１ポート１８ａを通過し、タービン５に向けて送られる一方、水及びアルミナが第２ポート１８ｂから排出される。従って、第２ポート１８ｂの下流側には、図２に概略を示すような、水と金属酸化物との更なる分離を行うための、例えば据置型の第１相分離ユニット２０が設けられる。更に、金属燃料コジェネレーション設備１には、第１相分離ユニット２０で回収された水を、導入手段３を介して反応室２内に送給する第１送給手段２１が設けられると共に、回収された金属酸化物を還元するための還元ユニット２２、及び還元反応によって得られた金属を、直接または供給手段４を介して反応室２内に送給する第２送給手段２３が設けられている。

アルミニウム、アルミニウム合金及びまたはこれらの混合物を主成分とする燃料を用いる場合、アルミナを還元する還元ユニット２２は電解型のものを用いることが可能であって、この場合には不溶性アノードを有したセルを備えるものが好ましい。

減勢部１８は、長手方向軸線Ａの周りに実質的に環状に設けられることにより、中央部分に孔が形成されており、当該孔の位置において、第２端部２ｂに開口が形成され、この開口に物体Ｍが密封状態を維持しながら導入されるようになっている。

金属燃料コジェネレーション設備１には、高圧（一般的に３０ｂａｒを超える）のもとで作動し、第１ポート１８ａから流出してタービン５に流入する少なくとも水蒸気からの熱の少なくとも一部を回収する第１熱交換手段２４が設けられている。
タービン５の取入口に水蒸気と水素ガスとが供給される場合、第１熱交換手段２４は両方の流体を処理する。

図１は、別の流体が隔離されて流動するような第１熱交換手段２４を示しており、この第１熱交換手段２４は、第１ポート１８ａをタービン５に連通するダクト２５に介装されている。符号２４ａ及び２４ｂは、水素ガス及び水蒸気から熱を吸収する第１作業流体の流入ポート及び流出ポートをそれぞれ示している。

更に、図２に概略を示すように、タービン５への取入口よりも上流側に、水素ガス及びまたは水蒸気を過熱する過熱手段２６を設けることも可能である。このような過熱手段２６を設ける場合、第１熱交換手段２４の入口より上流側に過熱手段２６が介装される。過熱手段２６は、例えば工具９の加工領域及び発熱を伴う酸化反応が引き起こされる領域に近接して反応室２内に配設されたコイル状ダクトの一部によって構成し、当該コイル状ダクトに対し、分離回収手段７から流出した水素ガス及びまたは水蒸気の流れが交差するように構成することができる。

更に、金属燃料コジェネレーション設備１は、低圧（一般的に５ｂａｒ未満）のもとで作動し、動力ユニット５の流出口と連通して、少なくとも水蒸気及びその凝縮水からの熱の少なくとも一部を回収する第２熱交換手段２７を有している。
タービン５に水蒸気及び水素ガスが供給される場合、第２熱交換手段２７は両方の流体を処理する。

図１において、別の流体が隔離されて流動するような第２熱交換手段２７は、ダクト２８を介してタービン５の流出口に連通しており、水素ガス及び水蒸気の両方が供給されるようになっている。符号２７ａ及び２７ｂは、水素ガス及び水蒸気から熱を吸収する第２作業流体の流入ポート及び流出ポートをそれぞれ示している。

これにより、第２熱交換手段２７に組み込まれて協働し、水蒸気の凝縮によって得られた凝縮水から水素ガスを分離する第２相分離ユニット２９が設けられる。図中、符号２９ａ及び２９ｂは、水素ガスのための第１排出ポート及び凝縮水のための第２排出ポートをそれぞれ示している。

排出手段８は、第１排出ポート２９ａに連通することにより、水素ガスを蓄積して利用者に供給するようになっている。
最後に、導入手段３により凝縮水を反応室２に送給する第３送給手段３０が設けられている。

これまでに用いた符号が各ブロックに付された図２及び図３を参照すると、当業者に知られている演算式に従い、第１熱交換手段２４及びまたは第２熱交換手段２７によって各作業流体に移動する熱エネルギ（Ｐ_HEAT）、動力ユニット５によって使用可能な機械的エネルギ（Ｐ_M）、及び水素の生成量に対応した化学ポテンシャルエネルギ（Ｐ_H2）のうちの少なくとも１つの値を演算することが可能な物理量を検出するための一般的なセンサ及びまたはトランスデューサで構成される手段が設けられている。

より具体的には、以下の値を検出するための手段を設けることが可能である。
・導入手段３によって供給される酸化剤の流量、圧力及び温度。
・反応室２内で発熱を伴う酸化反応が引き起こされ進行する領域の圧力及び温度。
・第１熱交換手段２４に流入する水蒸気及びまたは水素ガスの圧力及び温度。
・第１熱交換手段２４から流出する、または動力ユニット５に流入する水蒸気及びまたは水素ガスの圧力及び温度。
・動力ユニット５から流出する水蒸気及びまたは水素ガスの圧力及び温度。
・第１排出ポート２９ａから流出する水素ガスの流量、圧力及び温度。
・第２排出ポート２９ｂから流出する凝縮水の流量、圧力及び温度。

更に、以下の値を検出するための手段を設けることが可能である。
・押出し手段１０によって搬送される物体Ｍの送り速度。
・駆動軸６の回転速度及びトルク。
・第１熱交換手段２４に流入する第１作業流体の流量、圧力及び温度。
・第１熱交換手段２４から流出する第１作業流体の圧力及び温度。
・第２熱交換手段２７に流入する第２作業流体の流量、圧力及び温度。
・第２熱交換手段２７から流出する第２作業流体の圧力及び温度。

更に、金属燃料コジェネレーション設備１には、図３に概略を示す管理制御ユニット３１が設けられる。管理制御ユニット３１は、物理量の値に対応した信号を受け取り、それらを処理することにより、金属燃料コジェネレーション設備１によって生成される上述の熱エネルギ（Ｐ_HEAT）、機械的エネルギ（Ｐ_M）及び化学ポテンシャルエネルギ（Ｐ_H2）のうちの少なくとも１つの値を演算する。そして、管理制御ユニット３１は、演算によって得られた値を、熱エネルギの所定値（Ｐ_{Requested-HEAT}）、機械的エネルギの所定値（Ｐ_Requested-M）、及び化学ポテンシャルエネルギの所定値（Ｐ_Requested-H2）のうち、対応するものと比較することにより、正または負の偏差（ΔＰ_HEAT，ΔＰ_M，ΔＰ_H2）を求め、当該偏差に応じ、検出値が所定値と実質的に等しくなるように、導入手段３及びまたは供給手段４の作動量を調整する。

具体的には、反応室２に流入する水の所定流量(ｍ_H2O)に基づき設定された所定値に対する熱エネルギの検出値の偏差(ΔＰ_HEAT)が検出された場合、管理制御ユニット３１は、反応室２に流入する水の流量に対する正または負の相関補正量（Δｍ_H2O）を設定して導入手段３を制御する。

また、反応室２内に導入されるアルミニウムの所定供給速度(ｍ_Al)に基づいて設定された機械的エネルギの所定値に対し、機械的エネルギの検出値が偏差（ΔＰ_M）を有する場合、或いは上記所定供給速度(ｍ_Al)に基づいて設定された化学ポテンシャルエネルギの所定値に対し、化学ポテンシャルエネルギの検出値が偏差（ΔＰ_H2）を有する場合、管理制御ユニット３１は、導入されるアルミニウムの供給速度に対する正または負の相関補正量（Δｍ_Al）を適用して供給手段４を制御する。

具体的には、動力ユニット５に流入する混合ガスの圧力及び温度、並びに流量（ｍ_mix）を処理し、対応するエンタルピ量（ｈ_mix）を演算することにより、動力ユニット５によって使用可能となる機械的エネルギ（Ｐ_M）の値を求めることが可能である。これにより、管理制御ユニット３１は、動力ユニット５から得ることができる動力に関連したデータを処理することが可能となる。同時に、管理制御ユニット３１は、駆動軸６のトルク及び回転速度の瞬間的な検出値から、金属燃料コジェネレーション設備１が必要とする機械的エネルギの値を検出することが可能である。動力ユニット５によって使用可能となる機械的エネルギが、所望の回転速度で駆動軸６の回転を維持すると共に、導入手段３及びあらゆる補助機構１２からの要求に応じる上で十分であれば、管理制御ユニット３１はモータ駆動手段１１の作動を停止し、金属燃料コジェネレーション設備１は自立して運転を維持する。得られた機械的エネルギに余剰があれば、これを電気エネルギに変換することも可能である。

詳細には示していないが、管理制御ユニット３１は一般的な形式の電子装置であって、プログラム可能であるのが好ましく、使用者とのインターフェース手段を備えて、熱エネルギ（Ｐ_{Requested-HEAT}）、機械的エネルギ（Ｐ_Requested-M）、及びまたは化学ポテンシャルエネルギ（Ｐ_Requested-H2）の所望の値を設定できるようにしてもよい。

本発明の作用は以下のとおりである。
導入手段３及び供給手段４を用い、水または水を主成分とする酸化剤、並びにアルミニウム、アルミニウム合金及びこれらの混合物のうちの少なくとも１種またはその他の金属を主成分とする燃料が反応室２内にそれぞれ連続的に導入され、酸化反応が引き起こされることにより、水素ガスと、アルミナまたはその他の金属酸化物とが生成されるようになる。

酸化反応を維持するための化学量論上の量より多い量の水が反応室２内に連続的に導入されることにより、余剰となった水の少なくとも一部が、酸化反応で生じた熱によって水蒸気に変化する。

反応室２内にある水蒸気、及び場合によっては水素ガスが、反応室２内の他の成分から適切に分離された後、タービン５、或いは機械的エネルギを得るための別の流体式動力ユニットに導入される。このとき、機械的エネルギは電力に変換されるようにしてもよい。過熱手段２６が設けられている場合、タービン５に流入する前に、水蒸気及び水素ガスの混合ガスが過熱手段２６内で処理されるのが好ましく、更に第１熱交換手段２４によって混合ガスの熱が回収される。

反応室２から排出される余剰な水及びアルミナは、第１相分離ユニット２０において処理され、第１相分離ユニット２０から排出された水は反応室２に送られる一方、第１相分離ユニット２０から排出されたアルミナが電解処理によって還元されることにより、再び金属のアルミニウムが生成されて反応室２内に導入される。

タービン５から流出した混合ガスは、第２熱交換手段２７において処理されて更なる熱の回収が行われた後、第２相分離ユニット２９において、凝縮水が分離される。この凝縮水は再び反応室２内に導入することが可能であり、水素ガスは必要とする使用者に供給するか、或いは貯蔵することができる。

従って、本発明に係る金属燃料コジェネレーション設備１は、機械的または電気的エネルギ、熱エネルギ及び化学ポテンシャルエネルギを得ることが可能である。

提案する金属燃料によるコジェネレーション方法は以下の連続した工程からなる。
・水を主成分とする少なくとも１種類の液体の酸化剤を供給する工程。
・上記酸化剤との酸化反応により水素ガスと少なくとも１種類の金属酸化物とを生成するべく、金属を主成分とする少なくとも１種類の燃料を供給する工程であって、上記酸化剤は、上記酸化反応に必要な化学量論上の量に対して過剰な量が供給されている工程。
・燃料と酸化剤とを混合して上記酸化反応を得ると共に、余剰となる酸化剤から水蒸気を生成する工程。
・少なくとも１つの駆動軸の回転駆動を行う流体式の動力ユニットにおいて、上記水素ガス及び上記水蒸気のうちの少なくとも一方を用いる工程。
・上記動力ユニットから流出する水素ガスを回収する工程。

このような方法には、上記動力ユニットの流路の上流側または下流側における水蒸気及びまたは水素ガスから熱を回収する工程を更に設けることもできる。

提案した狙い及び目的が上述の発明によって達成されることが判明し、特に強調すべき点として、本発明に係る金属燃料コジェネレーション設備、及びこれに対応するコジェネレーション方法によれば、比較的安価で無公害性の一般に入手可能な金属燃料を用いることにより、得られた水素ガスから利用可能な化学ポテンシャルエネルギに加え、機械的または電気的エネルギと熱エネルギとを得ることが可能となる。

また、本発明に係る金属燃料コジェネレーション設備によれば、生成された機械的エネルギの少なくとも一部を用い、運用コストの増大の要因となる外部エネルギ源から独立した定常運転状態で、設備自体の作動を維持することが可能となる。

更に、本発明に係る金属燃料コジェネレーション設備によれば、反応の副産物を再利用することにより、運用コストを低減することができる。
最後に、提案した金属燃料コジェネレーション設備は、コンパクトで適用に柔軟性がある。

以上のようになされた本発明は、様々な変形や変更が可能であり、それらはいずれも添付の特許請求の範囲に含まれるものである。
また、詳細にわたり、他の技術的等価物との置き換えが可能である。
実際に、本質的でない形状及び寸法のみならず使用する材料についても、添付の特許請求の範囲による保護範囲から逸脱することなく、必要に応じたものとすることができる。

本出願が優先権を主張するイタリア国特許出願ＭＯ２００８Ａ０００２４９において開示するものは、参照によりここに編入される。

各請求項において示される技術的特徴には参照符号を付しているが、これらの参照符号は、請求項の理解を深めることのみを目的とするものであって、参照符号を用いて例示した各構成要素の解釈に対してなんら限定的な影響を及ぼすものではない。

Claims (24)

1. 少なくとも１つの反応室（２）と、
   水を主成分とする少なくとも１種類の液体の酸化剤を導入する導入手段（３）と、
   少なくとも１種類の金属燃料を前記反応室（２）内に供給する供給手段（４）と
   を備え、前記酸化剤と前記燃料とが発熱を伴う酸化反応を引き起こし、水素ガスと、少なくとも１種類の金属酸化物とを生成する金属燃料コジェネレーション設備において、
   前記導入手段（３）は、実質的に化学量論上の量より多い量の酸化剤を前記反応室（２）内に導入して水蒸気を発生させ、
   少なくとも前記水蒸気が取入口から供給されて駆動軸（６）の回転駆動を行う流体式の少なくとも１つの動力ユニット（５）と、
   前記反応室（２）と前記動力ユニット（５）の前記取入口との間に介装され、少なくとも前記水蒸気を分離回収する分離回収手段（７）と、
   前記水素ガスを排出する排出手段（８）と
   を更に備えることを特徴とする金属燃料コジェネレーション設備。
2. 前記供給手段（４）は、
   前記酸化剤に浸された状態で前記反応室（２）内に収容されて加工領域を形成し、前記駆動軸（６）に連結されて切削動作のために駆動される少なくとも１つの工具（９）と、
   前記燃料からなる少なくとも１つの物体（Ｍ）を前記反応室（２）内の前記加工領域に送り込む押出し手段（１０）と
   を備え、
   前記物体（Ｍ）に対する前記工具（９）の機械的作用によって前記燃料の断片が形成され、前記断片の露出表面には、前記酸化剤と反応する金属分子が保持されていることを特徴とする請求項１に記載の金属燃料コジェネレーション設備。
3. 前記導入手段（３）及びまたは前記供給手段（４）の初期駆動を行うモータ駆動手段（１１）を備え、
   定常運転状態において、前記導入手段（３）及びまたは前記供給手段（４）は、前記動力ユニット（５）によって供給される機械的エネルギによって作動を維持する
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の金属燃料コジェネレーション設備。
4. 前記反応室（２）は、互いに対向する第１端部（２ａ）及び第２端部（２ｂ）を有して実質的に長手方向軸線（Ａ）に沿って設けられ、前記第１端部（２ａ）が前記導入手段（３）と連通すると共に、前記第２端部（２ｂ）が前記分離回収手段（７）と連通していることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の金属燃料コジェネレーション設備。
5. 前記導入手段（３）は、前記酸化剤を流入させるためのダクト（１５）が組み付けられると共に前記第１端部（２ａ）と連通するマニホールド体（１４）を備え、
   前記マニホールド体（１４）は、前記長手方向軸線（Ａ）の周りに実質的に環状に設けられることにより、前記駆動軸（６）が密封状態を維持しながら貫通して収容される中央の孔を形成する
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の金属燃料コジェネレーション設備。
6. 前記導入手段（３）は、前記マニホールド体（１４）と前記第１端部（２ａ）との間に介装されることにより前記反応室（２）に沿って前記長手軸線方向（Ａ）と実質的に平行な動きを前記酸化剤に与える整流用間仕切（１７）を備えることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の金属燃料コジェネレーション設備。
7. 前記導入手段（３）及び前記供給手段（４）は連続的に作動することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の金属燃料コジェネレーション設備。
8. 前記分離回収手段（７）は、減速用間仕切（１９）を介して前記第２端部（２ｂ）と連通する減勢部（１８）を備え、
   前記減勢部（１８）は、
   前記水素ガス及び水蒸気のうちの少なくとも一方を流出させ、前記動力ユニット（５）の前記取入口に連通する少なくとも１つの第１ポート（１８ａ）と、
   前記余剰の酸化剤及び前記金属酸化物のうちの少なくとも一方を流出させる少なくとも１つの第２ポート（１８ｂ）と
   を備えることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の金属燃料コジェネレーション設備。
9. 前記工具（９）は、前記第１端部（２ａ）に近接して前記長手方向軸線（Ａ）上に配置され、
   前記押出し手段（１０）は、前記長手方向軸線（Ａ）に平行に前記物体（Ｍ）を送り込む
   ことを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の金属燃料コジェネレーション設備。
10. 前記減勢部（１８）は、前記長手方向軸線（Ａ）の周りに実質的に環状に設けられることにより中央の孔を形成し、前記反応室（２）は、前記減勢部（１８）の前記孔がある位置に、前記物体（Ｍ）が密封状態を維持して貫通する開口部を有することを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の金属燃料コジェネレーション設備。
11. 前記反応室（２）から流出する少なくとも前記水蒸気からの熱の少なくとも一部を回収する第１熱交換手段（２４）を備えることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の金属燃料コジェネレーション設備。
12. 前記動力ユニット（５）の前記取入口より上流側に配設され、少なくとも前記水蒸気を過熱する過熱手段（２６）を備えることを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載の金属燃料コジェネレーション設備。
13. 前記動力ユニット（５）の流出口に連通し、少なくとも前記水蒸気からの熱の少なくとも一部を回収する第２熱交換手段（２７）を備えることを特徴とする請求項１〜１２のいずれかに記載の金属燃料コジェネレーション設備。
14. 前記第１ポート（１８ａ）と連通し、前記余剰の酸化剤と前記金属酸化物とを分離する第１相分離ユニット（２０）と、
    前記余剰の酸化剤を前記反応室（２）に送給する第１送給手段（２１）と、
    前記金属酸化物を還元する還元ユニット（２２）と、
    前記還元ユニット（２２）における還元反応によって得られた金属を前記反応室（２）に送給する第２送給手段（２３）と
    を備えることを特徴とする請求項１〜１３のいずれかに記載の金属燃料コジェネレーション設備。
15. 前記動力ユニット（５）は、前記水蒸気及び前記水素ガスが前記取入口に供給され、前記分離回収手段（７）は、前記反応室（２）から前記水蒸気及び前記水素ガスを取り出し可能であって、前記排出手段（８）は、前記動力ユニット（５）の流出口に連通していることを特徴とする請求項１〜１４のいずれかに記載の金属燃料コジェネレーション設備。
16. 前記第２熱交換手段（２７）と協働し、前記水蒸気の凝縮によって得られた凝縮水から前記水素ガスを分離する第２相分離ユニット（２９）を備え、
    前記排出手段（８）は、前記第２相分離ユニット（２９）の流出口と連通しており、
    更に、前記凝縮水を前記反応室（２）に戻す第３送給手段（３０）を備える
    ことを特徴とする請求項１４に記載の金属燃料コジェネレーション設備。
17. 前記動力ユニット（５）は、タービンによって構成され、前記タービンのインペラ（５ａ）は、前記駆動軸（６）に連結されて回転することを特徴とする請求項１〜１６のいずれかに記載の金属燃料コジェネレーション設備。
18. 前記動力ユニット（５）は、外燃原動機によって構成されることを特徴とする請求項１〜１６のいずれかに記載の金属燃料コジェネレーション設備。
19. 前記燃料は、アルミニウム、マグネシウム、これらの混合物、及びまたはこれらの合金の群から選択された少なくとも１種類の金属からなることを特徴とする請求項１〜１８のいずれかに記載の金属燃料コジェネレーション設備。
20. 前記燃料は、アルミニウム、アルミニウムの混合物、及びまたはアルミニウム合金を主成分とすることを特徴とする請求項１９に記載の金属燃料コジェネレーション設備。
21. 前記物体（Ｍ）は実質的に縦長に形成され、前記工具（９）は前記物体（Ｍ）の端部を加工することを特徴とする請求項１〜２０のいずれかに記載の金属燃料コジェネレーション設備。
22. 検出手段が計測した物理特性量の値から得られる熱エネルギ（Ｐ_HEAT）、機械的エネルギ（Ｐ_M）、及び化学ポテンシャルエネルギ（Ｐ_H2）のうちの少なくとも１つの検出値を処理することにより、前記検出値を、熱エネルギの所定値（Ｐ_Request-HEAT）、機械的エネルギの所定値（Ｐ_Request-M）、及び化学ポテンシャルエネルギの所定値（Ｐ_Request-H2）のうち、前記検出値に対応する少なくとも１つと比較し、前記検出値が対応する前記所定値と実質的に等しくなるように、前記導入手段（３）及びまたは供給手段（４）を制御する管理制御ユニット（３１）を備えることを特徴とする請求項１〜２１のいずれかに記載の金属燃料コジェネレーション設備。
23. 水を主成分とする少なくとも１種類の液体の酸化剤を供給する工程と、
    前記酸化剤との酸化反応により水素ガスと少なくとも１種類の金属酸化物とを生成するべく、金属を主成分とする少なくとも１種類の燃料を供給する工程であって、前記酸化反応に必要な化学量論上の量より多い量の前記酸化剤が供給されている工程と、
    前記燃料と前記酸化剤とを混合して前記酸化反応を引き起こすと共に、余剰となる前記酸化剤から水蒸気を生成する工程と、
    少なくとも１つの駆動軸を回転駆動する流体式の動力ユニット（５）において前記水素ガス及び前記水蒸気のうちの少なくとも一方を用いる工程と、
    前記動力ユニット（５）から流出する水素ガスを回収する工程と
    を備え、前記各工程を連続的に実行することを特徴とする金属燃料によるコジェネレーション方法。
24. 前記動力ユニット（５）の通路の上流側及びまたは下流側で、前記水素ガス及び前記水蒸気のうちの少なくとも一方から熱を回収する工程を備えることを特徴とする請求項２３に記載の金属燃料によるコジェネレーション方法。

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