JP2013203644A

JP2013203644A - 水素発生装置

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Publication number: JP2013203644A
Application number: JP2012077511A
Authority: JP
Inventors: Yasuo Ishikawa; 泰男石川
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-03-29
Filing date: 2012-03-29
Publication date: 2013-10-07
Anticipated expiration: 2032-03-29
Also published as: JP6047292B2

Abstract

【課題】反応容器の製品寿命を延ばすことができ、容易に金属材料の補充を行うことができる水素発生装置を提供する。
【解決手段】内部が無酸素状態の反応容器内に酸化皮膜を有する金属と反応剤を収納し、該反応容器を加熱手段によって加熱して水素を発生させる水素発生装置であって、前記反応剤は、前記反応容器に収納可能なカセット部材に載置される。
【選択図】図１

Description

本発明は、水素を発生せしめる水素発生装置に関し、特に効率よく水素を発生させることができるとともに、装置寿命が長く且つ、反応剤の補充などの取扱作業が簡便な水素発生装置に関する。

ステンレスの反応容器内にアルカリ金属溶融塩を収納せしめ、この反応容器を５００℃前後に加熱し、前記溶融塩の液面から微細粒子を飛散せしめ、この微細粒子群に水蒸気を接触せしめて核変換を起こさせることにより水から水素を採集する技術に関して本件出願人はＰＣＴ出願を行っている。アルカリ金属溶融塩に投入される金属材料としては、酸化皮膜を有する金属が好適に用いられ、例えばステンレス（ＳＵＳ３０４）や鉄などが好適に用いられる。

ＰＣＴ／ＪＰ２０１１／６６４７２

しかしながら、前記出願に係る技術においては、反応容器を金属で形成したり、反応容器内に金属材料の板材を収納する方法が採用されていたが、これらの方法によると、反応容器の長期間の使用ができず、金属材料の板材の補充作業も容易に行うことができないという問題があった。また、反応容器内を気密とするために、反応容器の蓋部材にはパッキンなどの気密手段が取り付けられているが、反応容器は上述したように、５００℃前後に加熱されることから、この気密手段が熱によって損傷する可能性があるという問題があった。

本発明は上述した課題を解決するためになされたものであり、反応容器の製品寿命を延ばすことができ、容易に金属材料の補充を行うことができる水素発生装置を提供することを目的とする。

本発明に係る水素発生装置は、内部が無酸素状態の反応容器内に酸化皮膜を有する金属と反応剤を収納し、該反応容器を加熱手段によって加熱して水素を発生させる水素発生装置であって、前記反応剤は、前記反応容器に収納可能なカセット部材に載置されることを特徴とする。

また、本発明に係る水素発生装置、前記カセット部材は、前記金属によって形成されることが好ましい。

また、本発明に係る水素発生装置において、前記加熱手段は、前記反応容器の外部から加熱すると好適である。

また、本発明に係る水素発用装置において、前記カセット部材は、前記反応剤を載置する載置部と、前記反応容器の内周壁に向かって突出する複数の支持脚を備えることが好ましい。

また、本発明に係る水素発生装置において、前記カセット部材は、水素を排出する排出口が形成され、前記排出口は、前記反応容器に形成された取出口と対向するように配置されることが好ましい。

また、本発明に係る水素発生装置において、前記反応容器には、内部に水を供給する供給口が形成され、前記供給口は、前記カセット部材に形成された導入口と対向するように配置されることが好ましい。

また、本発明に係る水素発生装置において、前記反応容器は、直径が８０から１５０ｍｍに形成されることが好ましい。

また、本発明に係る水素発生装置において、前記反応容器の肉厚は３から５ｍｍに形成されることが好ましい。

また、本発明に係る水素発生装置において、前記カセット部材は、前記反応容器の長手方向の一端から取り出し可能に収納され、前記一端には、前記反応容器の内部を気密する気密手段と、冷却部を備えることが好ましい。

また、本発明に係る水素発生装置において、前記冷却部は、前記加熱手段から前記気密手段までの距離が所定の長さを確保できるように前記反応容器が長手方向に延長されて形成されることが好ましい。

また、本発明に係る水素発生装置において、前記冷却部は、前記反応容器が長手方向に延長された箇所の内周を閉塞する閉塞部を備え、前記閉塞部は、内部に冷却水が流れる冷却管路を備えることが好ましい。

また、本発明に係る水素発生装置において、前記冷却水は、前記冷却管路を通過した後、前記反応容器内に供給される水として利用されることが好ましい。

本発明に係る水素発生装置は、反応剤が反応容器に収容可能なカセット部材に載置されるので、カセット部材の交換によって反応剤の補充を容易に行うことが可能となる。また、カセット部材を酸化皮膜を有する金属で構成すれば、反応容器をセラミックスなどの非金属で構成することが可能となり、反応容器の寿命を延ばすことができる。さらに、反応容器の一端からカセット部材を取出し可能に構成し、カセット部材の取出し口に形成された気密手段を熱から保護する冷却部を備えているので、加熱手段の熱から気密手段を保護することができる。

本発明の実施形態に係る水素発生装置の概略図である。カセット部材の構成を説明するための斜視図である。図１におけるＡ−Ａ断面図である。閉塞部の構成を説明するための概略図である。反応剤の補充作業を説明するための概略図である。本実施形態に係る水素発生装置から取り出された気体の解析結果を示すグラフである。

図１は、本発明の実施形態に係る水素発生装置の概要を示すものであり、図２は、カセット部材の構成を説明するための斜視図であり、図３は、図１におけるＡ−Ａ断面図であり、図４は、閉塞部の構成を説明するための概略図であり、図５は、反応剤の補充作業を説明するための概略図であり、図６は、本実施形態に係る水素発生装置から取り出された気体の解析結果を示すグラフである。

図１に記載されているように、本実施形態に係る水素発生装置１０は、密閉された反応容器１１の内部に酸化皮膜を有する金属からなるカセット部材２０及び反応剤３０が収納されている。

カセット部材２０は、例えば、鉄（Ｆｅ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ)、クロム（Ｃｒ）、チタン（Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ）等の板状構造体となり得る単体金属、あるいは、ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４、４３０、３１６等）、ニッケル合金（インコネル）、チタン合金（航空機用）、アルミニウム合金（ジェラルミン）、銅合金（黄銅、青銅、白銅）等の合金、更には、鉄に亜鉛（Ｚｎ）、スズ（Ｓｎ）をメッキしたトタン、ブリキ等が用いられる。

これらは、その表面に酸化鉄（Ｆｅ２Ｏ３、Ｆｅ３Ｏ４）、酸化銅（ＣｕＯ）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化クロム（Ｃｒ２Ｏ３）、酸化チタン（ＴｉＯ２）、酸化ニッケル（ＮｉＯ）の酸化皮膜をそれぞれ形成する。

また、合金としてのステンレス鋼は酸化クロムの不動態膜、ニッケル合金は酸化ニッケル（ＮｉＯ）、チタン合金は酸化チタン（ＴｉＯ２）、アルミニウム合金は酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、銅合金又は酸化銅、トタンは酸化亜鉛（ＺｎＯ）、ブリキは酸化スズ（ＳｎＯ２）の膜をそれぞれ形成する。

反応剤３０は、３００℃以上で溶融塩を作る水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）、水酸化カリウム（ＫＯＨ）が最も好ましい。固体反応剤としては、チタン酸カリウム（Ｋ２ＴｉＯ３）、チタン酸ナトリウム（Ｎａ２ＴｉＯ３）が好ましい。これらの反応剤は大きな親水性を示す。すなわち、反応剤はアルカリ金属と酸素を含むものである。

反応容器１１は、セラミックスなどの非金属によって有底筒状に形成されており、その開口端を閉塞部６１によって閉塞することで密閉されている。なお、閉塞部６１と反応容器１１との間には、パッキンなどの気密手段１５が介在され、閉塞部６１と反応容器１１の端部に形成した鍔部６５を同時に留め金具１５によって挟み込むことで互いに圧着されて密閉性を高めている。

反応容器１１の下部には、加熱手段４０が取り付けられている。この加熱手段４０によって、反応容器１１の内部，カセット部材２０及び反応剤３０が３５０℃以上に加熱され、特に５００℃程度の温度に加熱されるのが好ましい。加熱手段４０は、面状ヒータやバーナなど種々の構成を採用することが可能である。また、後述する反応容器１１内で発生した水素を燃料とした水素バーナを採用すればランニングコストの抑制に寄与するため好適である。

上述したように加熱手段４０は、反応容器１１の外部から加熱するように構成されているので、反応容器１１の内部まで十分に加熱するために、反応容器１１の直径は、８０〜１５０ｍｍに形成されることが好ましく、さらに、反応容器１１の肉厚は３〜５ｍｍに形成されることが好ましい。このような寸法で反応容器１１を形成することで、加熱手段４０によって反応容器１１の内部まで十分に加熱することが可能となり、効率よく水素を発生させることができる。

反応容器１１及び、加熱手段４０は、筐体１４に収納されており、反応容器１１の加熱効率を高めるほか、加熱手段４０による高熱によって周囲の環境を悪化させることなく、また火傷などの事故を防止することができる。また、反応容器１１の開口端側は、筐体１４から反応容器１１の長手方向に沿って所定の長さ分だけ延長されて外部に露出して構成されている。このような構成とすることで、反応容器１１の長手方向に沿って延長されることで外部に露出した部位が冷却部６０として機能し、加熱手段４０によって加熱された熱によって気密手段１５を損傷することを防止している。

また、反応容器１１は、反応容器１１内で生じた水素を外部に排出する取出口１２と、反応容器１１の外部に設置された水タンク７０からポンプＰによって反応容器１１の内部に水を間欠供給するための導入口１３が形成されている。なお、反応容器１１内部は、取出口１２に取り付けられた図示しない真空ポンプによって無酸素状態とされている。

また、反応容器１１に収納されたカセット部材２０は、反応容器１１に形成された取出口１２及び導入口１３に其々対向するように上面に排出口２４及び供給口２５が形成されている。排出口２４は、反応剤３０が載置される載置部２１と連通しており、供給口２５は外部から導入された水を受け止める水保留部２２とに連通している。

図２に示すように、カセット部材２０は、略中空円筒状の部材であり、内部を仕切り壁２７によって載置部２１と水保留部２２とに区画している。また、カセット部材２０の外周面には、反応容器１１内に収納する際に反応容器１１の内周面に向かって突出するように支持脚２３が複数形成されている。さらに、カセット部材２０の長手方向の一端には、取手２６が形成されており、カセット部材２０を反応容器１１内部に収納及び取出す際に交換作業が容易になるようになっている。

図３に示すように、カセット部材２０は、反応容器１１の内部に収納された際に反応容器１１の内周壁１１ａに向かって突出する支持脚２３を備えているので、カセット部材２０と反応容器１１との間に所定の隙間を持ってカセット部材２０を反応容器１１の内部に収納することができる。このように構成することで、反応容器１１内で水素が発生する反応の際に生じる酸化物などがカセット部材２０の表面に析出することで、カセット部材２０が反応容器１１内で固着することを防止でき、反応が終了した後もカセット部材２０を容易に取り出すことが可能となる。

次に、図１及び図４を参照して閉塞部６１について説明を行う。閉塞部６１は、上述したように、反応容器１１の開口端を閉塞することで密閉する部材である。閉塞部６１と反応容器１１との間には、パッキンなどの気密手段１５が介在され、閉塞部６１と反応容器１１の端部に形成した鍔部６５を同時に留め金具１５によって挟み込むことで互いに圧着されて密閉性を高めている。

また、閉塞部６１は、反応容器１１の冷却部６０の内周を閉塞する栓部６６が鍔部６５から突出するように形成されている。この栓部６６によって反応容器１１の冷却部６０の内周を閉塞することで、冷却部６０の内部空間が反応空間として作用することがなくなり、気密手段５０への熱の伝搬を抑制している。

また、閉塞部６１は、内部に冷却水が流れる冷却管路６２を備えている。冷却管路６２は、外部から冷却水を導入する冷却水導入路６３から導入された冷却水を流すことができ、係る冷却水によって加熱手段４０や反応容器１１内部で水素が発生する際に生じる熱を冷却することで、気密手段５０への熱の伝搬を抑制している。冷却管路６２は冷却水導入路６３から導入された冷却水を閉塞部６１の最深部まで導入した後、閉塞部６１の外周に沿って螺旋状に旋回して冷却水排出路６４に向かって流すように形成されている。

なお、冷却管路６２を流れた冷却水は、冷却水排出路６４から外部に排出され、該冷却水排出路６４は水タンク７０に連通している。このように冷却管路６２を流れた冷却水を水タンク７０に戻すことで、反応容器１１内部に供給される水として利用することができる。また、冷却管路６２を流れた冷却水は冷却による熱交換によって温度が高くなっているので、水タンク７０から反応容器１１内に水を注水する際の熱量を確保することができ、熱効率を高めることが可能となる。

このように構成された水素発生装置１０は、図５に示すように、閉塞部６１を取り外してカセット部材２０を取り出すことができるので、カセット部材２０の交換によって反応剤３０の補充を容易に行うことが可能となる。また、カセット部材２０を酸化皮膜を有する金属で構成することができるので、反応容器１１をセラミックスなどの非金属で構成することが可能となり、反応容器１１の寿命を延ばすことができる。さらに、反応容器１１の一端からカセット部材２０を取出し可能に構成し、カセット部材２０の取出し口に形成された気密手段５０を熱から保護する冷却部６０を備えているので、加熱手段４０の熱から気密手段５０を保護することができる。

このように構成された本実施形態に係る水素発生装置１０は、取出口１２に取り付けられた図示しない真空ポンプを駆動することで、反応容器１１内からは操作開始前に完全に空気、特に空気中の酸素が除去される。

このように反応容器１１内が無酸素状態で加熱手段４０によって反応容器１１を３５０℃以上、特に５００℃前後に加熱されると、カセット部材２０の表面から水素が発生してくる。このとき、反応容器１１内に空気中の酸素が存在すると、この酸素がカセット部材２０の表面に当初から存在した酸化膜とは別の新たな酸化膜を生じ、反応を短時間で停止させてしまう。したがって、上述したように本実施形態に係る水素発生装置１０を操作する前に、反応容器１１内の空気を十分に除去する必要がある。

さらに、所定の間隔で導入口１３から水を反応容器１１内に供給すると、水は直ちに１２０℃程度の水蒸気となり、反応容器１１内の水蒸気は、カセット部材２０の内壁に接触し電離して水素を放出する。

また、反応剤３０は、加熱手段４０で加熱されることで、反応剤３０の表面からは、ナノオーダーの目には見えない無数の微細粒子が飛散し、この微細粒子がカセット部材２０の表面と反応して水素が発生する。

反応剤３０は、加熱手段４０で加熱されることにより３００℃以上で溶融塩となり、その液面から無数のナノオーダーの微細粒子がカセット部材２０の近傍に充満している。図６に示すように、本実施形態に係る水素発生装置１０の取出口１２から取り出された気体を解析すると、水素が大量に発生している。これは、反応剤３０の溶融塩がカセット部材２０の酸化皮膜と反応を起こすことで水素が発生するものであると考えられる。

なお、反応容器１１内で発生した気体を質量分析器で分析したところ、図６に示すような結果となり、水素が９５％以上であり、酸素は０．１４％と殆んど無視できる程であった。このように、本実施形態に係る水素発生装置１０は、簡単な構成で大量の水素を得られることがわかる。なお、図６に示す結果は、カセット部材２０をＳＵＳ３０４で形成し、反応剤３０として水酸化ナトリウムを用いた。

上述した本実施形態に係る水素発生装置１０は、反応剤として水酸化ナトリウムを用い、カセット部材２０をＳＵＳ３０４で形成した場合について説明を行ったが、反応剤やカセット部材の材質はこれらに限られず、上述した種々の金属および反応剤を用いても構わない。

また、本実施形態に係る水素発生装置１０は、冷却管路６２を螺旋状に形成した場合について説明を行ったが、冷却管路６２の形状はこれに限られず、種々の形状とすることが可能である。さらに、カセット部材２０は中空円筒状に形成し、その上面に排出口２４及び供給口２５を開口させて形成した場合について説明を行ったが、カセット部材２０を皿状に形成し、排出口２４及び供給口２５を大開口としても構わない。その様な変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれうることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

１０水素発生装置，
１１反応容器，
１２取出口，
１３導入口，
１４筐体，
１５留め金具，
２０カセット部材，
２１載置部，
２２水保留部，
２３支持脚，
２４排出口，
２５供給口，
２６取手，
２７仕切り壁，
３０反応剤，
４０加熱手段，
５０気密手段，
６０冷却部，
６１閉塞部，
６２冷却管路，
６３冷却水導入路，
６４冷却水排出路，
６５鍔部，
６６栓部，
７０水タンク。

Claims

内部が無酸素状態の反応容器内に酸化皮膜を有する金属と反応剤を収納し、該反応容器を加熱手段によって加熱して水素を発生させる水素発生装置であって、
前記反応剤は、前記反応容器に収納可能なカセット部材に載置されることを特徴とする水素発生装置。
請求項１に記載の水素発生装置において、
前記カセット部材は、前記金属によって形成されることを特徴とする水素発生装置。
請求項１又は２に記載の水素発生装置において、
前記加熱手段は、前記反応容器の外部から加熱することを特徴とする水素発生装置。
請求項１から３のいずれか１項に記載の水素発生装置において、
前記カセット部材は、前記反応剤を載置する載置部と、前記反応容器の内周壁に向かって突出する複数の支持脚を備えることを特徴とする水素発生装置。
請求項１から４のいずれか１項に記載の水素発生装置において、
前記カセット部材は、水素を排出する排出口が形成され、
前記排出口は、前記反応容器に形成された取出口と対向するように配置されることを特徴とする水素発生装置。
請求項１から５のいずれか１項に記載の水素発生装置において、
前記反応容器には、内部に水を供給する供給口が形成され、
前記供給口は、前記カセット部材に形成された導入口と対向するように配置されることを特徴とする水素発生装置。
請求項１から６のいずれか１項に記載の水素発生装置において、
前記反応容器は、直径が８０から１５０ｍｍに形成されることを特徴とする水素発生装置。
請求項１から７のいずれか１項に記載の水素発生装置において、
前記反応容器の肉厚は３から５ｍｍに形成されることを特徴とする水素発生装置。
請求項１から８のいずれか１項に記載の水素発生装置において、
前記カセット部材は、前記反応容器の長手方向の一端から取り出し可能に収納され、
前記一端には、前記反応容器の内部を気密する気密手段と、冷却部を備えることを特徴とする水素発生装置。
請求項９に記載の水素発生装置において、
前記冷却部は、前記加熱手段から前記気密手段までの距離が所定の長さを確保できるように前記反応容器が長手方向に延長されて形成されることを特徴とする水素発生装置。
請求項１０に記載の水素発生装置において、
前記冷却部は、前記反応容器が長手方向に延長された箇所の内周を閉塞する閉塞部を備え、前記閉塞部は、内部に冷却水が流れる冷却管路を備えることを特徴とする水素発生装置。
請求項１１に記載の水素発生装置において、
前記冷却水は、前記冷却管路を通過した後、前記反応容器内に供給される水として利用されることを特徴とする水素発生装置。