JP2014193807A - 水素発生方法及びその方法を実施する装置並びにその装置を用いた自動車用燃料発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】自動車に搭載された燃料電池用に供給する水素が効率良く得られる水素発生装置を用いた自動車用燃料発電装置を提供する。
【解決手段】自動車に搭載した自動車用燃料電池に水素発生装置を接続した自動車用燃料発電装置であり、該水素発生装置には、反応器内に一対の電極を設け、該電極間にグロー放電又はアーク放電を発生させない範囲で、外部から供給して両極間に存在させた水素含有化合物から水素を分離可能とする可及的に高い電圧で立ち上がり時間の非常に短いパルスを断続的に印加し、形成された電場で水素含有化合物から水素を発生させる水素発生方法を用いた水素発生装置を使用する。
【選択図】 図６

Description

本発明は水素含有化合物から水素を得る水素発生方法と、その水素発生方法を実施するための水素発生装置と、その水素発生装置を用いた自動車用燃料発電装置に関する。

水素を含む化合物から水素を得る方法としては、以下の方法が知られている。
（１）水を分解して得る方法。
（２）メタノールの分解や、石炭粉を精製して得る方法。
（３）メタン水蒸気改質法。
（４）メタンガスあるいはエチレンガスを含めた炭化水素ガス源から水素を分離する方法。

上記（１）水を分解して得る方法では、例えば、マグネシウムペレットを使用して、４００°Ｃから６００°Ｃの範囲内で水と反応させることで水素が得られることが知られている。
上記（２）酸化チタンと白金の混合物（Ｐｔ／ＴｉＯ₂）の光触媒を使用して太陽エネルギーを分解エネルギーに使用してメタノールから水素を得る下記「特許文献１」の方法が提案されている。
上記（３）メタン水蒸気改質法では、反応炉内で用いる触媒を高温にする必要がある。そのための熱エネルギーを化石燃料等から得なければならないのでその分エネルギー効率が低下する。これに加えて副産物として地球環境悪化の一因となる２酸化炭素が発生するという難点がある。
上記（４）炭化水素ガス源から水素を分離する方法では電極間に放電を起こさせ、その放電でメタン等からエチレンを精製するものであるが、このときに副産物として水素の生成や、原料に含まれている硫黄成分等を分離することが可能となる。しかし、この方法では、高電圧による電磁波ノイズの発生、絶縁破壊の危険性や、分離した水素が再結合して高次の炭化水素を形成する等の難点がある。

一方、自動車用の燃料発電装置（「燃料電池」と呼ばれている）は、水素を燃料源として使用している。そしてその水素は可搬性の要求から主として液化したものが使用されている。
液化は、低温下で加圧して行われるため大きなエネルギーが消費される。このためエネルギー効率を高めることは困難である。

以上のように、上記各種の方法で水素を得ることができても、その水素から電気エネルギーを得ようとした場合、その水素を液化してタンク等に詰め、使用現場まで運搬し、そこで水素を燃焼させて電気エネルギーを得ることとなり、その水素を液化する際のエネルギー消費量が、水素の燃焼によって生成されるエネルギーに比して圧倒的に大きく、気体の水素を原料にしてエネルギーの生産効率を高めることは非常に困難であった。
なお、水素含有化合物から水素を分離して発生した炭素類をフィルターを目詰まりさせないように外壁に集中的に集積するように工夫して混合ガスから水素を得ることについての提案（下記「特許文献２」）がある。

特開２００５−２３０６４５号公報 特開２００２−２４８３１５号公報

上記（４）エチレンやメタンガスから水素を含む炭化水素含有のガス源等から放電によって水素を分離する方法では、これを自動車用燃料発電装置などに利用するとき、水素を液化せずに直接的に電気エネルギーを得ることでエネルギー効率を高めることが可能となると考えられる。しかし、炭化水素を含む水素化合物から放電によって水素の生成を行う際には、電極間に放電するに必要な高い電圧を印加しなければならず、加えて放電によって大きなエネルギーが消費されるためエネルギー効率を高めることが困難であった。

そこで、本発明は、炭化水素を含む化合物から水素の生成を行う際に、エネルギー損失の極めて少ない方法で効率良く水素を得ることが可能となる水素発生方法及びその方法を実施するための水素発生装置を提供し、さらに、その装置を自動車に搭載して水素化合物から生成した水素を液化せずにその自動車に搭載した燃料電池に直接的に供給して使用することを可能とすることでエネルギー効率をより高めることが可能となる自動車用燃料発電装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の水素発生方法は、請求項１に記載の発明にあっては、反応器内に一対の電極を設け、該電極間にグロー放電又はアーク放電を発生させない範囲で、外部から供給して両極間に存在させた水素含有化合物から水素を分離可能とする可及的に高い電圧で立ち上がり時間の非常に短いパルスを断続的に印加し、形成された電場で水素含有化合物から水素を発生させることを特徴とする。

請求項２に記載の発明にあっては、上記請求項１に記載の水素発生方法において、パルスの立ち上がり時間を１μｓｅｃ以下としたことを特徴とする。

請求項３に記載の発明にあっては、上記請求項１又は２に記載の水素発生方法を実施するための水素発生装置であって、水素含有化合物が通過可能とする流路中に、近接させた平行な網状電極を２層に設け、両極を同一電源に接続し、前記流路に水素含有化合物を供給可能とする原料供給手段と、発生した水素を収集する水素収集手段とを備えたことを特徴とする。

請求項４に記載の発明にあっては、上記請求項１又は２に記載の水素発生方法を実施するための水素発生装置であって、水素含有化合物が通過可能とする流路中に、近接させた平行な網状電極を３層に設け、外側の接続された電極と中間の電極とを同一電源に接続し、前記流路に水素含有化合物を供給可能とする原料供給手段と、発生した水素を収集する水素収集手段とを備えたことを特徴とする。

請求項５に記載の発明にあっては、上記各発明において、前記水素含有化合物が炭化水素類又はアルコール類であることを特徴とする。

請求項６に記載の発明にあっては、上記請求項３から５のうちいずれかに記載の水素発生装置を用いた自動車用燃料発電装置であって、プラズマを利用した前記水素発生装置と燃料の水素含有化合物とを自動車に搭載すると共に該自動車に搭載した自動車用燃料電池に前記水素発生装置を接続し、前記水素発生装置で発生させた水素を前記自動車用燃料電池に供給して発電すること特徴とする。

グロー放電やアーク放電を使用すると、放電の発生のために加えられたエネルギーの大半は熱エネルギーへと変わり、炭化水素などの水素含有化合物からの水素の分離に効率良く使用されず効率が極めて悪いものであったが、本発明の水素発生方法では、該電極間にグロー放電やアーク放電を発生させない範囲で、両極間に存在させた水素含有化合物から水素を解離可能とする可及的に高い電圧を立ち上がり時間が非常に短いパルスで断続的に印加することによって、電極間に可及的に高い電場を形成することが可能となる。

そして水素含有化合物をその電場に存在させることで、水素含有化合物に含まれた水素の解離及び結合を惹起させ、グロー放電やアーク放電する場合よりも少ない電力で効果的に水素を発生させることが可能となる。
その際、Ｃ−Ｈ結合解離エネルギーはＯ−Ｈ結合解離エネルギー等より小さいので、水分を併用する化学反応に比し少ない電力消費であっても水素含有化合物の含まれる水素の解離が可能となる。
また、常圧に近い気圧の下で水素を発生させることができるので管理が容易となり、一定の圧力を得るための付帯的な装置が不要となる。
さらに、グロー放電やアーク放電がないので電極の損傷も殆ど起こらず電極の交換が不要となる利点がある。

請求項２の発明では、上記水素発生方法において、印加する電圧のパルスを立ち上がり時間が１μｓｅｃ以下とすることで、この短時間の急な立ち上がり時間で少ない電力消費で効果的に水素含有化合物から水素を分離して水素を発生させることが可能となる。

請求項３に記載の発明にあっては、上記方法によって、２層近接させた平行な網状電極で電極間の電場を高めることができ、その電場を通過する水素含有化合物から効率良く水素を得ることが可能となる。

請求項４に記載の発明にあっては、上記方法によって、３層近接させた平行な網状電極の同一電源に接続した外側の両極と内側の両方の電極間で電場を得ることができ、その電場を通過する水素含有化合物からより効率良く水素を得ることが可能となる。

請求項５に記載の発明にあっては、水素含有化合物である炭化水素類又はアルコール類が使用できる。

請求項６に記載の発明にあっては、自動車に搭載してある自動車用燃料電池に上記プラズマを利用した水素発生装置を接続することで、該水素発生装置で発生した水素を気体のまま燃料電池等へ直接送ることが可能となる。
このため、水素の貯蔵装置や燃料が高圧で収納された自動車搭載用の燃料タンクが不要となり、輸送のインフラストラクチャーを構築する必要がなくなり、経済的に極めて有利であると同時に水素の漏えい等による事故等の危険性も極めて少なくなる。さらに、水素の貯蔵に必要なエネルギーが不要となる。

本発明の網目状電極を用いた反応器を示す模式的斜視図である。 本発明の水素発生装置を示す模式的縦断側面図である。 フィルター部分を示す模式的縦断側面図である。 測定された電圧電流特性データのグラフ図である。 使用するパルス波形のグラフ図である。 自動車用燃料発電装置の概念図である。

本発明は水素発生方法と、その水素発生方法を実施するための水素発生装置と、その水素発生装置を用いた自動車用燃料発電装置であるが、これらの発明を実施するための形態を、以下の水素発生装置を例にして説明する。

本発明の水素発生装置９は、図２に示すように、原料の水素含有化合物を吸入口１へ供給する原料供給手段を備える。そして、供給された化合物を反応器２内で該化合物から水素を分離して筐体内空間３内に水素を発生させる。
前記水素化合物から分離された水素は炭化水素類などが混在した混合気体となっているので水素収集手段で水素のみを分離する必要がある。このため前記水素収集手段では、水素を含んだ混合ガスを水素フィルター４でフィルター管の内部５に水素を分離して集め、この水素をフィルター管８に設けた排出口６から外部に排出して水素のみが収集できるようにする。
前記原料供給手段は、原料の水素含有化合物を貯蔵したタンクと前記吸入口１とを配管接続して水素含有化合物を反応器２内へ供給可能とする。
配管途中には流量を最適に制御するバルブとそのバルブの開閉調節を行う電子的制御回路と備えることによって適量に原料を供給することができる。

また水素発生装置９の前記水素収集手段は筐体内空間３内の混合ガスから水素のみを分離するために、図３に示すように、セラミック等の絶縁体フィルター管８に鉄、あるいはニッケルあるいはニオブ等を鍍金して構成されるガスフィルター材７を用いこれに混合気を体通すことにより、残留炭素や燃料ガスと水素ガスとの分離が可能となり、フィルター管の内部５に分離された水素は排出口６から外部に排出して水素のみが収集できるようにする。
前記フィルター４は、図３に示すように、分解によって生成された炭素類は目の粗いフィルター４とし、例えば、セラミック系等の円筒状容器の表面に鉄、ニッケル又はニオブ等を鍍金したフィルター４が使用でき、このフィルター４では、分子量の小さい水素のみを通させて、分子量の大きな他のガスは通過できないようにすることができる。
またこれとは別のフィルター４としては、各種使用目的に合う材料あるいは構造にすることも可能である。その場合、例えば、パラヂウムと銀の合金の金属チューブを３００°Ｃ程度に熱すると水素原子を通過させる特性を有することから、このような合金製のフィルター４を利用することも可能である。

なお、水素の分離によって発生した炭素類は前記フィルター４を目詰まりさせないように遠心分離して分離機の外壁に集中的に集積するようにすることも可能である。このようなフィルター４の場合では、フィルター管８の内部５の中央領域は水素のみ存在することとなるため精製された水素ガスは直接燃料電池等へと供給することも可能となる。
そして、前記フィルター管の内部５における水素ガスの圧力は、1気圧程度以上にしておき、供給先の燃料電池の構造や使用条件等によって最適な圧力に変更して使用することもできる。その際、供給する原料ガス側の圧力を制御することで排出口６におけるガスの圧力の変更が可能となる。

本発明では、水素を得るための原料の水素含有化合物としては、炭化水素類又はアルコール類の使用が可能である。
用いる原料の水素含有化合物は、気体した炭化水素又は炭化水素成分を含む化合物、固体を粉体化してさらにガス化した炭化水素又は炭化水素成分を含む化合物、又は液体を気体化した炭化水素又は炭化水素成分を含む化合物のいずれでも使用が可能である。
例えば、炭化水素を含む原料ガスとしては、ＬＰＧ（液化天然ガス）、プロパンガスやエタン、メタン、メチル、エチル、ブチルアルコール等を原料として使用し、これらの物質を気化して上記反応器２内へ供給して使用することができる。

これらの炭化水素類を含むガスは、常圧に近いが比較的高圧（１〜３気圧程度）にて供給して、水素発生装置９内に装着した反応器２の吸入口１に送り、該反応器２内を通過する際に水素と他の分子あるいは原子類に分離される。
その水素の分離は電極にパルス電圧を印加して行われるが、得られた水素を含んだ炭素及び未分解のガスは混合状態にあり、そのうち分離された炭素については図２に示す水素濾過用フィルター４に捕集して保存しておき、後日定期的に前記フィルター４を交換して取り出せるようにする。
反応器２を閉じ込めている筐体内空間３は、燃料ガスや発生した水素が漏れないように、吸入口１及び排出口６以外は密封する。
また、前記反応器２を通過する際に未分解であったガスは可能な限り分解して残余燃料ガスを最小限の量にすると良い。このために水素発生装置９内に反応器２を原料ガスの供給量に応じて複数設置して分解能力を増強することができる。

次に本発明の電圧を印加する電極について説明する。
使用する電極は、水素発生装置９の反応器２内に、図１に示す網目状電極の形態を用いることが可能である。

前記網目状電極は、図１に示すように、反応器２内に水素を含んだガスが自由に通過可能な網目状に形成された通電性の素材の２層（図省略）又は、図１に示すように、３層の電極１０、１１、１２を設けた形態が可能である。
水素含有化合物のガスが前記２層の電極又は３層の電極１０、１１、１２を通過する際に電極にパルス電圧を印加すると、電場が形成され、該電極１０、１１、１２間の炭化水素を含むガスから水素が解離される。
その水素を含む混合ガスを水素発生装置９内に排出できるようにして、該水素発生装置９内から前記水素分離フィルターへと移送し水素を分離する。
電極が２層の場合と３層の場合のいずれの場合でも、電極間に吸入口から炭化水素が含まれたガスを供給する。そしてそのガスが電極間を通過する際にパルス電圧を印加して、発生した電場で水素含有化合物を分解して水素を発生させる。

本発明の水素発生装置をさらに詳しく、図１に示すように、３層の網目状電極を用いた反応器２を例に以下説明する。
通電性の素材で作成した網目状電極では前記電極１０、１１、１２には気体が自由に通過可能となる網目状の孔が形成されたものを用いると良い。
この網目状電極は平面板を打ち抜くか、金型で網を平面的に一体形成したものが好ましいが、線を編んだ網では表面に凹凸が生じて放電し易くなるので好ましくない

前記電極１０、１１、１２の接続は、内部電極１０とその外側を遮蔽するように配した外部電極１１、１２とからなり、両外部電極１１、１２は接続されて同極とする。
両極は直流又は交流電源に接続されたパルス電圧発生器を介してそれぞれ接続し、前記両外部電極１１、１２と内部電極１０との間に、立ち上がり時間の短いパルス電圧を印加可能とする。
この３層の電極では、内部電極１０の両側に電場が形成されるので、２層の電極よりは効率が良い。
前記外部電極１１、１２は電極外への電気的影響が及ばないように接地しておくことが望ましい。

前記電極１０、１１、１２の間隔は、図５のデータが得られた実験の場合では、1 mmとした。この間隔を例えば１ｃｍ以上にするなど過度に大きくすると、少ない電圧で効果的に電場を形成するのが困難となるので好ましくない。
印加する電圧は、グロー放電やアーク放電が発生しない範囲にパルス電圧条件を調節し、且つその範囲で可及的に高い電圧で立ち上がり時間の短いパルスを印加する。
なぜなら、電極１０、１１、１２間における電場の値を、グロー放電やアーク放電を起こさせないで如何に強くするかが重要であるからである。そのために電極１０、１１、１２の構造や電極間隔の設定に種々の方式が考えられるので、使用目的および使用状況に応じた最適の構造や電極の間隔を選択する。

前記電極１０、１１、１２間に得られる電場の値を強くするためにはパルスの波形と電圧とが関係するので、パルスを最適条件で印加することが重要である。
本発明ではパルスの立ち上がり時間を可能な限り短くすることにより、電極間に存在する荷電粒子、主に電子を一層素早く、且つ強く加速させることが可能となり、その結果水素の分離効率を高めることが可能となる。

さらに詳しく説明すると、パルスは、例えば、図５に示すように、初期立ち上がり０．４μｓｅｃ程度であり、急峻部分のパルス幅は１μｓｅｃ以下とする。
これは、立ち上がりと立下りの急峻な電圧変化部が分解に寄与していると想定できるからである。
図５の実験におけるパルス電圧値は ピークが２ｋＶとなるように、立ち上がり時間は０．５μｓｅｃ、矩形のパルス幅は７μｓｅｃとした。
この図７に示すパルスの例では、最初の立ち上がり直後の立下り及び直後の立ち下がりが、約０．５μｓｅｃ部分で水素の分離に寄与し、後半の７μｓｅｃ付近の急峻な立下り部分でも水素の分離に寄与していると考えられる。
したがって水素の分離に寄与する有効範囲は立ち上がりと立下り部分の約１μｓｅｃ内にある。
しかし矩形パルスの立ち上がりと最後の７μｓｅｃの立下りの間の電圧がほぼ一定の時間帯は、炭化水素を分解しておらず水素の分離に寄与しているとは想定できない。
ここでは矩形パルスの急峻な立ち上がり及び立ち下りの部分のみを使用して分解しているので電力損としてはこの部分の時間積分値になると考えられる。

更に、この実験では３００ Hzの繰り返しパルスを使用したが、これは使用条件や使用状況により変更する必要がある。
パルス電圧発生器の電力源は、車載を考えるので車載ＤＣバッテリーを電力源とするが、この方式を地上に固定して使用することも可能であり、その場合は商業用電力源の使用は可能であるので、使用状況により決定されれば良い。

以上反応器２を３層の網目状電極の場合を説明したが、前記反応器２には以上説明した前記網目状電極のいずれの形態であっても、水素含有化合物から水素の分離をすることが有効に行える。

次に、上記水素発生装置を自動車に搭載して自動車用燃料電池に使用した発電装置を説明する。

本発明の自動車用燃料発電装置は、図６に示すように、自動車に搭載した自動車用燃料電池に上記水素発生装置を直接に接続する。
なお、図６の最外側の四角の枠線は自動車の車体を模式的に示し、前記水素発生装置と自動車用燃料電池とが自動車に一緒に搭載されていることを表している。
上記プラズマを利用した水素発生装置では、炭化水素やアルコールなどを含む水素含有化合物を気化して、前記水素発生装置に送って、該化合物から水素を含む混合体を得、この混合気体を水素フィルターを通して水素のみを分離する。
この水素発生装置を直接自動車用燃料電池に自動車の車両上で接続することで、水素発生装置で得られた水素が自動車用燃料電池へ直接供給可能となる。

前記プラズマを利用した水素発生装置は軽量化して自動車に燃料電池と一緒に車載することが可能なため、外部に水素の貯蔵装置や輸送のインフラストラクチャーを構築する必要がなくなる。このため経済的に極めて有利となると同時に水素の漏えい等による事故等の危険性も極めて少なくなる。
さらに、水素の貯蔵に必要なエネルギーを皆無とすることが可能となる結果、全体のエネルギーコストを減少させ効率の優れたエネルギー利用が可能となる。
なお、従来天然ガスやプロパンガスを燃料とする車が普及していることから、そのような自動車では、前記水素発生装置を燃料電池と一緒に搭載することにより、搭載したガスから水素を取り出して、その水素を燃料電池へ直接供給することも可能となる。

しかしながら従来の手法では、水素燃料を使用する燃料電池を備えた自動車の水素供給方式の主流は水素を他所で発生させ、それを液化して車に搭載する方式となっていので極めてエネルギー効率が悪い手法となっている。
また、従来の水素の発生方法である固体触媒を使用する方式では、炭化水素を分解する際のエネルギー効率の悪さの問題に加えて、車載するためには一旦発生した水素を液化する必要があった。
水素の液化には、水素の沸点は−２５２．８７°Ｃであることから、超低温に冷却するために莫大なエネルギーを必要とする。さらに、水素供給スタンドの設置などインフラストラクチャーの構築を新たに行う必要がある等、将来の水素燃料社会を想定すると極めて経済的またエネルギー的に効率が悪く実用性が低いと考えられる。

これに対して本発明は、既存のプロパンガスのインフラストラクチャーをそのまま使用しながら、水素燃料社会の構築を行うことも可能となるという点で優れている。
しかも、プロパン、メタンあるいはブタンガス等を液化する際に要するエネルギーは水素を液化するために要するエネルギーに比して極めて少なく、実用化するための有利な条件を備えている。
すなわち、２０°Ｃでの圧縮圧力はブタン０．２１ＭＰａ (約２．１気圧)、プロパン０．８６ＭＰａ(約８．５気圧)で容易に液化でき、体積は気化ガス時の２５０分の１になり、可搬性に優れている。また耐圧の低いタンクで貯蔵・輸送が可能で点でも有利である。

また本発明では水素含有化合物（エチレンやメタンガス等の炭化水素を含む化合物やアルコール類など）から水素を得るものであるので、ブタンガス、プロパンガスも燃料として使用できる。
本発明は水素含有化合物のＣ−Ｈ結合を切って水素を取り出し、水素を自動車の燃料電池等へ直接送れるようにしたものであるが、水素含有化合物におけるＣ−Ｈの結合のエネルギーは、Ｏ−Ｈの結合エネルギーより非常に小さいので、結合を切ることは容易であり、このため小さいエネルギーで効率良く水素を得ることが可能となる。

水素の結合を分離するためには、従来のように高い電圧で電極間に放電を起こさせて通常のグロー放電によるプラズマを使用することにより分解することも可能ではあるが、この場合は加えたエネルギーの多くは熱エネルギーへ変換されてしまい分解に寄与するエネルギーは少なくなるので効率が悪く好ましくない。
これに対して、本発明はグロー放電又はアーク放電はさせないので、印加電圧の多くの部分は電場の発生に寄与し、熱エネルギーへの転換が極めて少なく、エネルギーが直接分解に寄与する結果、電場で水素の分解を効率良く行って水素を発生させるこが可能となり、これにより、発生した水素を、液化させることなく気体のまま直接水素燃料電池へ供給して電気的エネルギーを取り出すことでエネルギー効率を高めることが可能となる。

次に本発明の水素発生方法について説明する。
図４は、典型的な印加される電圧と放電によって発生する電流との関係を説明するために示したものである。
本発明では電極間に存在する、液体や固体を事前に気化した気体化合物を対象とする。

この図４中の符号Ｅから符号Kの領域はグロー放電とアーク放電の領域であり、符号Ｃから符号Ｄは前記グロー放電及びアーク放電とは異なるタウンゼント又はダーク放電と呼ばれる領域である。
本発明では、反応器内に設けられた電極間に、図４に示した符号Ｅから符号Kのグロー放電とアーク放電の領域は除いた符号Ｃから符号Ｄ又は最大でもＥまでの領域を中心と下領域で、パルス電圧を断続的に印加して、可及的に高い電場を形成させる。
そして、その際に、両極間に存在する水素含有化合物から水素を分離する。
パルス幅の時間積分はエネルギー損に対応することから、パルス幅も短い(狭い)方がエネルギー効率を高めるためには好ましい。このため本発明ではエネルギー効率を高めるために、立ち上がり時間が１μｓｅｃ以下と非常に短いパルスを断続的に印加し、パルス電流の生じる時間帯を短くする。
そして、立ち上がり時間が非常に短いパルスで形成された電場で効率良く水素含有化合物から水素を発生させることが可能となる。

次に、水素含有化合物の一例である炭化水素を例に、本発明で使用しているバリヤー放電によって、少ないエネルギーで水素が分離できる理由を説明する。
大気圧下では体積比でメタンガスは天然ガスの８７％を占めており、その沸点は−１６１．６°Ｃである。
一方、水素の沸点は−２５２．８７°Ｃで超低温であるから、水素を液化するためには極めて高い圧力を加えて液化が行われる。

以下主要な下記化学結合の式の例を化１の（１）〜（３）に示す。

上記化１の（１）式はプロパンの分解の化学式であり、（２）式はエチレンガスの分解の化学式である。また前記化１の（３）式は水の分解を示す。
プロパンの化学構造式は下記化２の式となる。

このプロパンの沸点は−４２．１°Ｃである
ここで重要なのは原子間の結合解離エネルギーである。炭素原子間の結合解離エネルギーは次の化３に示す。

また、炭素と水素間の結合解離エネルギーは次の化４に示す。

一方、水の結合における基本構成である結合解離エネルギーは次の化５及び化６に示す。

すなわち、化４に示すように、炭素と水素の結合解離エネルギーである３．５ｅＶは、化４に示すように、酸素と水素の結合解離エネルギーある５．２ｅＶより小さいため、Ｃ−Ｈ結合は容易に切ることが可能であるが、水のＯＨ−Ｈ結合の分離は容易ではない。
換言すると水を分解して水素を発生させるためには、炭化水素を分解して水素を発生させる方法に比較して、非常に大きなエネルギーを必要とすることになる。

一方、水素を燃焼させる場合の発生エネルギーは下記の化７の式で示される。

一般的に、化１の(３)式において分解の為に加えられたエネルギーの多くは熱となり分解に寄与しないことが多い。
一方、化７の式から明らかなように、水素ガスの燃焼によって外部へ放出されるエネルギーは、生成される水が液体であることから効率的に利用することができる。即ち、水を分解して水素を得るために要するエネルギーに比較して、炭化水素の分解で水素を得るに必要なエネルギーの方が小さいことを示している。
結果として、分解に必要な入力エネルギーと水素の燃焼によって発生する出力エネルギーの差は炭化水素を使用する方が小さくなる。
即ち、水を原料として水素を生成・利用することはエネルギー効率が悪いということとなる。

一方、炭化水素は天然ガスやプロパンガス、ブタンガス等として精製され、エチレンガスやメタンガスは農業地域からも発生し、本発明ではこれらを燃料とすることが可能である。
さらに、ブタン、ヘキサン等の高級炭化水素やアルコール類についても使用が可能である。これらのＣ-Ｈの結合解離エネルギーは上記化４に示した３．５ｅＶと低い。
上記図５の実験において、パルス電圧はピークが２ｋＶとなり、立ち上がり時間は０．５μｓｅｃとした数値は、水のＯＨ−Ｈ結合を分離する５．２ｅＶまでには至らないが、炭化水素類など水素含有化合物に含まれるＣ−Ｈ結合は切ることができる３．５ｅＶのエネルギーが発生できる値である。しかもこの値ではグロー放電又はアーク放電は起こらない条件の範囲内にある。
このように、本発明では立ち上がり時間の短いパルスの電圧の印加で水素含有化合物から最小限のエネルギーで効率良く水素を発生させることが可能となるのである。

本発明のプラズマを利用した水素発生装置は自動車用以外にも家庭用などの発電用としても利用可能である。

１ 吸入口
２ 反応器
３ 筐体内空間
４ フィルター
５ フィルター管の内部
６ 排出口
７ フィルター材
８ フィルター管
９ 水素発生装置
１０ 内電極
１１ 外電極
１２ 外電極

Claims (6)

1. 反応器内に一対の電極を設け、該電極間にグロー放電又はアーク放電を発生させない範囲で、外部から供給して両極間に存在させた水素含有化合物から水素を分離可能とする可及的に高い電圧で立ち上がり時間の非常に短いパルスを断続的に印加し、形成された電場で水素含有化合物から水素を発生させることを特徴とする水素発生方法。
2. 請求項１に記載の水素発生方法において、パルスの立ち上がり時間を１μｓｅｃ以下としたことを特徴とする水素発生方法。
3. 請求項１又は２に記載の水素発生方法を実施するための水素発生装置であって、
   水素含有化合物が通過可能とする流路中に、近接させた平行な網状電極を２層に設け、両極を同一電位に接続し、前記流路に水素含有化合物を供給可能とする原料供給手段と、発生した水素を収集する水素収集手段とを備えたことを特徴とする水素発生装置。
4. 請求項１又は２に記載の水素発生方法を実施するための水素発生装置であって、
   水素含有化合物が通過可能とする流路中に、近接させた平行な網状電極を３層に設け、外側の接続された電極と中間の電極とを同一電位に接続し、前記流路に水素含有化合物を供給可能とする原料供給手段と、発生した水素を収集する水素収集手段とを備えたことを特徴とする水素発生装置。
5. 請求項３から４のうちいずれかに記載の水素発生装置において、
   水素含有化合物が炭化水素類又はアルコール類であることを特徴とする水素発生装置。
6. 請求項３から５のうちいずれかに記載の水素発生装置を用いた自動車用燃料発電装置であって、
   プラズマを利用した前記水素発生装置と燃料の水素含有化合物とを自動車に搭載すると共に該自動車に搭載した自動車用燃料電池に前記水素発生装置を接続し、前記水素発生装置で発生させた水素を前記自動車用燃料電池に供給して発電すること特徴とする自動車用燃料発電装置。