JP2017128498A - 水素・酸素分離式エネルギー生成システム - Google Patents

Abstract

【課題】発熱量が高く、低コストで、汚染のないクリーンなエネルギーを生成できる、水素・酸素分離式エネルギー生成システムの提供。
【解決手段】複数のリアクター１１０と、集気槽１２０と、補水槽１３０を含み、複数のリアクター１１０が、水含有水素ガス、水、金属触媒反応物を含有する反応棒を収容でき、前記水と前記金属触媒反応物を反応させて前記水含有水素ガス及び金属触媒酸化物を含有する反応溶液が生成され、かつ複数のリアクター１１０に前記水含有水素ガスを排出するための通気弁Ｖ２と、給水を制御するための給水弁Ｖ１と、前記反応溶液を排出するための排水弁Ｖ３がそれぞれ設けられる、水素・酸素分離式エネルギー生成システム。
【選択図】図１

Description

本発明は水素・酸素分離式エネルギー生成システムに関し、特に、発熱量が高く、低コストで、汚染のないクリーンなエネルギーを生成する反応物と設備構造を備えた水素・酸素分離式エネルギー生成システムに関する。

水素が燃焼するとき、大量の熱エネルギーが放出され、かつきれいな水分に還元されるが、例えば硫黄酸化物（ＳＯ_x）または粉塵などのいかなる有害物質も発生せず、またＣＯ、ＣＯ_２など炭素を含む成分もない。水素は高い発熱量とクリーンさという特性を備えているため、熱の供給、暖房、発電等の幅広い用途、および民生、工業、運輸、救助等の分野に応用することができる。水素で製造した製品の迅速な大規模化および商業化を実現し、エネルギーと動力市場に供給することができれば、炭素排出ゼロ、汚染なし、低コスト、高い安全性などの特色によって、国の省エネ、二酸化炭素排出量削減、汚染防止、経済発展、生態保護といった目標を達成することができ、エネルギー不足、環境汚染、気候変動等の重要な議題を徹底的に解決することができる。

これに鑑み、性能に優れ、空間を比較的占用せず、原料を入手しやすく、操作が安全で、コストが経済的であり、迅速かつ大量に発熱量が高く、低コストで、汚染のないクリーンなエネルギーを生成できる、水素・酸素分離式エネルギー生成システムが必要とされている。

本発明の目的は、発熱量が高く、低コストで、汚染のないクリーンなエネルギーを生成できる、水素・酸素分離式エネルギー生成システムを提供することにある。

本発明の提供する水素・酸素分離式エネルギー生成システムは、複数のリアクターと、補水槽と、集気槽を含み、前記複数のリアクターが、水含有水素ガス、水、金属触媒反応物を含有する反応棒を収容でき、前記水と前記金属触媒反応物を反応させて前記水含有水素ガスと、金属触媒酸化物を含有する反応溶液が生成され、かつ前記複数のリアクターの上部に前記水含有水素ガスを排出するための通気弁がそれぞれ設けられ、側辺部に給水を制御するための給水弁がそれぞれ設けられ、底部に前記反応溶液を排出するための排水弁がそれぞれ設けられ、前記補水槽が前記複数のリアクターの前記給水弁に連接され、前記複数のリアクターの反応に必要な前記水を補充し、前記集気槽が、前記複数のリアクターの前記通気弁に連接され、前記複数のリアクターから排出された前記水含有水素ガスを収集する。

本発明の一実施例において、前記金属触媒反応物の材料は、重量百分率が８０％以上のアルミニウムを含む。

本発明の一実施例において、前記金属触媒反応物の材料はさらに、リチウム、ナトリウム、マグネシウム、ガリウム、モリブデンのうち少なくとも１つを含む。

本発明の一実施例において、前記システムはさらに、前記複数のリアクターの前記排水弁に連接され、前記反応溶液を収集する少なくとも１つの沈殿槽を含む。

本発明の一実施例において、前記少なくとも１つの沈殿槽の底部にそれぞれ螺旋式除去装置が設置され、前記少なくとも１つの沈殿槽の底部に沈殿した前記金属触媒酸化物を除去する。

本発明の一実施例において、前記少なくとも１つの沈殿槽の上部に前記補水槽が連接され、前記反応溶液上層の上澄み液を前記補水槽に戻す。

本発明の一実施例において、前記システムはさらに、前記集気槽に連接されたフィルタ槽を含み、前記集気槽の前記水含有水素ガスが前記フィルタ槽を通過した後、余分な水気とミストが除去され、かつ温度が低下されて、本システムが得ようとする水素混合ガスとされる。

本発明の一実施例において、前記システムはさらに、前記フィルタ槽に連接された一時貯蔵槽を含み、濾過後の前記水素混合ガスを貯蔵する。

本発明の一実施例において、前記システムはさらに、前記フィルタ槽及び前記一時貯蔵槽の間に設置された緩衝槽を含み、濾過後の前記水素混合ガスを貯蔵してシステムの圧力解放に提供し、前記一時貯蔵槽の空気を排出する。

本発明の水素・酸素分離式エネルギー生成システムにより、高い発熱量、低コスト、無汚染のクリーンなエネルギーである水素混合ガスを生成することができ、性能に優れ、空間を比較的占用せず、原料を入手しやすく、操作が安全で、コストが経済的であるとともに、各リアクター上部及び底部に通気弁、給水弁、排水弁がそれぞれ設置され、これらの弁は隨時閉じることができ、各リアクターの気体と液体の通路を隔絶できるため、隨時特定のリアクター内の反応棒、及びその中の金属触媒反応物を個別に交換することができ、その他のリアクターに影響したり、水素・酸素分離式エネルギー生成システムの正常な稼働を中断したりすることがない。

本発明の水素・酸素分離式エネルギー生成システムの概略図である。 本発明のリアクター及び集気槽の細部の平面図である。 本発明のリアクター及び集気槽の細部の断面図である。 本発明のフィルタ槽の細部の概略図である。 本発明の沈殿槽の細部の概略図である。

前述の技術を熟知する者が本明細書の閲覧を通じて実施できるように、以下で本発明の実施方法についてより詳細に説明する。

図１に本発明の水素・酸素分離式エネルギー生成システム１の最良の実施例を示す。水素・酸素分離式エネルギー生成システム１は、リアクター１１０、集気槽１２０、補水槽１３０をふくむことができ、前記システムはさらにフィルタ槽１４０、緩衝槽１５０、一時貯蔵槽１６０、沈殿槽１７０、及びその間の連通パイプ、弁等のハードウェア設備を含んで構成することができ、無汚染の、可燃性水素混合ガス（略して水素混合ガスという）を提供する。上述の弁は以下で述べる弁のみに限らず、必要に応じて排気弁や制御水弁などを設置してもよい。詳細な内容については、後続の段落で説明する。

図２ａと図２ｂに示すように、システムの大きさまたは水素混合ガスの生産量の必要に応じて、複数のリアクター１１０を設置することができ、例えば３つのリアクター１１０を設置してもよい（但しこれに限らない）。各リアクター１１０内には、水含有水素ガス、水、金属触媒反応物１１１を含有する反応棒１１２を収容することができ、かつそれぞれに給水弁Ｖ１、通気弁Ｖ２、排水弁Ｖ３、安全弁Ｖ４、高低水位モニタリング装置１１３が設置される（図２ｂには示さない）。高低水位モニタリング装置１１３を通じ、かつ給水弁Ｖ１により補水槽１３０からの給水が制御され、金属触媒反応物１１１が反応棒１１２、リアクター１１０内で、水の水素・酸素分離反応を誘発できるようにする。水素・酸素分離反応を発生すると同時に、金属触媒反応物１１１も水中から分離された酸素原子とすぐに反応を発生し、極めて微細な副産物を生成する。これが即ち金属触媒酸化物であり、水中に懸濁され、反応溶液となる。反応で生成される気体は水含有水素ガスであり、集気槽１２０に連結された通気弁Ｖ２により、各リアクター１１０上層に生成された水含有水素ガスをそれぞれ集気槽１２０に収集し、集気槽１２０の気体排出弁Ｖ５から共同で排出することができる。また、各リアクター１１０の給水弁Ｖ１は隨時閉じることができ、各リアクター１１０に流入する水を隔絶することができる。このような設計方式は、各リアクター１１０で隨時上方の通気弁Ｖ２及び下方の給水弁Ｖ１を閉じられるようにすることで、個別にその中の反応棒１１２を交換したり、コアの金属触媒反応物１１１を置換したりすることを可能にし、水素・酸素分離式エネルギー生成システム１を２４時間連続運転し、年中無休で稼働させることができる。

各リアクター１１０の底部にそれぞれさらに個別の水排出弁Ｖ６ａが設置され、前述の金属触媒反応物１１１と水の水素・酸素分離反応が激しすぎるとき、または操作員が隨時あるいは緊急時にこの水素・酸素分離反応を制御または停止させたいときに、安全、迅速に水排出弁Ｖ６ａを開き、リアクター１１０内の水を速やかに安全な場所または容器内に排出して、直ちに水素・酸素分離反応を緩和または中止させることができる。

図１に示すように、本発明の補水槽１３０はリアクター１１０の給水弁Ｖ１に連接され、一般的な水道水を使用し、リアクター１１０の給水弁Ｖ１でリアクター１１０に供給する水の量及び水位の制御を行うことができる。補水槽１３０は加熱器を追加設置してもよく、必要時に、その中の水を加熱したり、凍結を防止したりする。補水槽１３０の下方にも水排出弁を追加設置してもよく、必要時に、水中の汚れや不純物を排出したり、迅速な排水を行ったりする。

図３に示すように、本発明のフィルタ槽１４０は集気槽１２０の気体排出弁Ｖ５に連接され、各リアクター１１０が生成する水含有水素ガスには大量の高温の水気とミストが含有されるため、管路を通じて水含有水素ガスを集気槽１２０に収集した後、２層構造のフィルタ槽１４０に導入し、フィルタ槽１４０の構造とその中の液体の水を利用して、水含有水素ガスに対し水気とミストの濾過を行い、同時に気体を冷却することができる。フィルタ槽１４０を通過した後、水含有水素ガス中の余分な水気とミストが除去されて、水素混合ガスとなる。

図１に示すように、本発明の緩衝槽１５０はフィルタ槽１４０に連接され、フィルタ槽１４０を通過した後に生成される水素混合ガスに、さらに緩衝槽１５０を通過させることができる。この緩衝槽１５０は、水素・酸素分離式エネルギー生成システム１が毎回オンにされて運転されるとき、システム圧力解放及び空気排出の機能を提供することができる。その後、さらに一時貯蔵槽１６０に導入され、水素混合ガスを安定的に出力させて、気体の回流を防止するとともに、フィルタ槽１４０と集気槽１２０を保護する目的を達する。

図１に示すように、本発明の一時貯蔵槽１６０は、緩衝槽１５０に連接することができ、水含有水素ガスが集気槽１２０、フィルタ槽１４０及び緩衝槽１５０を通過した後、水素混合ガスが形成される。水素混合ガスはさらに一時貯蔵槽１６０に輸送され、定量、定圧にした後、後続の使用に供することができる。

図４に示すように、本発明の沈殿槽１７０はリアクター１１０の排水弁Ｖ３に連接でき、かつ必要に応じて少なくとも１つ以上の沈殿槽１７０を設置することができる。金属触媒反応物１１１はリアクター１１０及び反応棒１１２中で、水の強烈な水素・酸素分離反応を誘発すると同時に、リアクター１１０の水中で分離された酸素原子とすぐに反応を発生し、極めて微細な副産物を生成する。これが即ち金属触媒酸化物であり、水中に懸濁され、反応溶液となる。この反応溶液はその濃度に基づいて、または定時に排水弁Ｖ３を開き沈殿槽１７０へと排出され、その中で微細な金属触媒酸化物を徐々に沈殿させることができ、かつ沈殿槽の底部に螺旋式除去装置１７１を設置して金属触媒酸化物を回収することができる。沈殿槽１７０上にはさらに水排出弁Ｖ６ｂを設置してもよく、必要時に開いて、沈殿槽１７０内外の圧力差を調整することができる。

図１と図４に示すように、沈殿槽１７０は液体管路を通じて補水槽１３０に連接してもよく、液体管路上に循環ポンプ１８０を設け、沈殿槽１７０上層の上澄み液を循環ポンプ１８０により補水槽１３０に戻すことができる。この運転方式により、水素・酸素分離式エネルギー生成システム１中の水を絶えず循環させて再利用でき、途中で停止させる必要がない。この過程はすべて自動化して運転させることができる。

本発明において、反応棒１１２中の金属触媒反応物１１１は、多種類の異なる金属触媒で製作して成る。金属触媒反応物１１１中、金属アルミニウムの含量が最高で、アルミニウムの重量成分百分率は８０％に達することができ、かつさらにリチウム、ナトリウム、マグネシウム、ガリウム、モリブデンのうち少なくとも１つを含むことができる。金属触媒反応物１１１を製作するとき、混合して小さな円球状またはその他形状にすることができる。製作する金属触媒反応物の大きさは、後続で必要な水素混合ガスの生産量に基づいて決めることができ、直径または粒が大きいほど、水含有水素ガスを生成する反応がより長く持続するため、水素混合ガスの生産量をより多くすることができる。

金属触媒反応物１１１を製作するときは、機械研磨方式を利用することができ、各金属触媒反応物表面の酸化保護膜を圏まで除去する。または金属触媒反応物をアルカリ性物質（アルカリ金属、アルカリ土類金属、過渡金属等の元素またはアンモニウムイオンの水酸化物あるいは酸化物、水素化物、あまたは有機化合物等を含む）の水溶液中に浸漬し、金属触媒反応物表面の酸化保護膜を除去してもよい。その後、水で金属触媒反応物を洗浄し、水を切って使用に備える。反応前に、水切り後の金属触媒反応物を反応棒１１２内に均一に入れてから、水を加えたリアクター１１０に反応棒１１２を入れて、水の水素・酸素と分離反応を行う。

リアクター１１０内で、反応棒１１２内の金属触媒反応物１１１が水と接触したとき、誘発される水の水素・酸素分離現象の主な反応過程と原理は、各リアクター１１０で単独で反応が行われ、高温高圧下で各種原子、分子のリアクター１１０の密閉チャンバ内で粒子間の跳ね返り、衝突、ぶつかり合い、共振運動が行われ、転化して高含水気、ミストを多く含む水含有水素ガスの形成が促進される。その主な反応式は次の式（Ｉ）で示される。

Ｘ_（Ｓ） + Ｈ_２Ｏ_（ｌ） → Ｈ_２（ｇ）+ ＸＯ_{（ａｑ.）} 式（Ｉ）
Ｘ_（Ｓ）：金属触媒反応物、固体である。

Ｈ_２Ｏ_（ｌ）：水、きれいな水道水など、一般的なきれいな水を指す。

Ｈ_２（ｇ）：主要反応産物の水素である。但し、水中で激しく反応することで、同時に大量の水気とミストが混合されるため、水含有水素ガスと呼ぶ。その後、水含有水素ガスをフィルタ槽に導入して水気とミストを濾過で除去すると、本システムが得ようとする水素混合ガスとなる。

ＸＯ_{（ａｑ.）}：反応の副産物のひとつである金属触媒酸化物で、微細な粒子が水溶液に懸濁された状態である。

後続で、水含有水素ガスがさらに集められて濾過され、水気、ミストが除去された後、得ようとしている水素混合ガスを得ることができる。

高温高圧の密閉チャンバ内で、前述の跳ね返り、衝突、ぶつかり合い、共振運動において、水素原子、水素分子、水分子の間で相互に極めて高速のぶつかり合いの発生する確率を高め、一部の原子、分子間に転化組み換え現象を発生させ、水気、ミストを多く含む水含有水素ガスを生成することができる。システムは反応の放熱現象により、温度、圧力を徐々に高め、より激しい、より高速の持続的反応を形成することができる。このとき、外部からいかなる電気エネルギー、熱エネルギーも提供する必要なく、リアクター１１０内の水の自然な温度上昇とシステムの段階的な圧力上昇を引き起こすことができる。反応棒１１２内部の水は１００℃以上の熱源に触れて圧力環境に置かれると、より高速に水素原子、酸素原子を放出し、より激しい高速のぶつかり合いを発生して、より多くの渦輪共振転化を発生するため、連鎖的な水素・酸素分離反応現象が形成される。

一般に、約１０分間反応させると、反応棒１１２中心の温度が摂氏４００度、リアクター１１０の水温が１００度以上に達し、２０分間反応させると、反応棒１１２中心の温度が８００〜１０００度、リアクター１１０の局部的水温が約１００〜１３５度以上に達する。そのうち、一部の分離された水素原子が反応棒１１２、リアクター１１０内で転化して本発明の水含有水素ガスを形成し、リアクター１１０上方及び集気槽１２０に徐々に累積される。集気槽１２０により水含有水素ガスが集められた後、フィルタ槽１４０を経由してそのうちの水気、ミストを濾過して除去すると、水素混合ガスとなり、さらに緩衝槽１５０、一時貯蔵槽１６０に導入して使用に備えることができる。

反応速度を制御するという目的を達成したい場合は、各リアクター１１０内の水位を低くするか、水分を迅速に排除することで、すぐに前述の水素・酸素分離反応を緩慢にする、または中止させることができる。

重量比８０％以上のアルミニウム成分を含む金属触媒反応物１１１は１キログラム当たり約１０立方メートルの水含有水素ガスを生成することができる。水含有水素ガスは集気槽１２０、フィルタ槽を経て水気、ミストを濾過して除去した後、水素混合ガスとなり、所謂水素混合ガスとは、その成分中に３０％以上水素成分を含有する可燃性気体であるため、可燃性を備えており、発熱量は１立方メートル当たり１１,０００カロリー、燃焼温度は１０００〜１３００℃に達することができる。この水素混合ガスは硫黄、炭素、またはその他不純物を含まないため、燃焼（酸化）して大量の熱エネルギーを放出した後、きれいな水分（Ｈ_２Ｏ）に還元されるのみであり、いかなる硫黄酸化物（ＳＯ_Ｘ）、燃料性窒素酸化物（ｆｕｅｌ-ＮＯ_Ｘ）、炭素酸化物（ＣＯ、ＣＯ_２）、粉塵（ＰＭ_１０、ＰＭ_２.５）等の汚染物質または危険物質も生成されない。

本発明、技術、流れ、及びその産物は従来の化石エネルギーに対する依存を減少でき、かつエネルギーの使用が環境に対して引き起こす害と汚染を大幅に減少し、エネルギー不足、環境汚染、気候変動等の重要な問題を緩和することができる。

但し、以上で開示した図面及び説明は、単に本発明の最良の実施例であり、本発明の実施を限定するものではなく、前述の技術を熟知した者による本発明の要旨に基づいた変化や修飾はすべて、以下の本願の特許請求の範囲内に含まれる。

１ 水素・酸素分離反応システム
１１０ リアクター
１１１ 金属触媒反応物
１１２ 反応棒
１１３ 高低水位モニタリング装置
１２０ 集気槽
１３０ 補水槽
１４０ フィルタ槽
１５０ 緩衝槽
１６０ 一時貯蔵槽
１７０ 沈殿槽
１７１ 螺旋式除去装置
１８０ 循環ポンプ
Ｖ１ 給水弁
Ｖ２ 通気弁
Ｖ３ 排水弁
Ｖ４ 安全弁
Ｖ５ 気体排出弁
Ｖ６ａ、Ｖ６ｂ 水排出弁

Claims (9)

1. 水素・酸素分離式エネルギー生成システムであって、複数のリアクターと、集気槽と、補水槽を含み、
   前記複数のリアクターが、水含有水素ガス、水、金属触媒反応物を含有する反応棒を収容でき、前記水と前記金属触媒反応物を反応させて前記水含有水素ガス及び金属触媒酸化物を含有する反応溶液が生成され、かつ前記複数のリアクターに前記水含有水素ガスを排出するための通気弁と、給水を制御するための給水弁と、前記反応溶液を排出するための排水弁がそれぞれ設けられ、
   前記集気槽が、前記複数のリアクターの前記通気弁に連接され、前記複数のリアクターから排出された前記水含有水素ガスを収集し、
   前記補水槽が、前記複数のリアクターの前記給水弁に連接され、前記複数のリアクターの反応に必要な前記水を補充する、
   ことを特徴とする、水素・酸素分離式エネルギー生成システム。
2. 前記金属触媒反応物の材料が、重量百分率８０％以上のアルミニウムを含むことを特徴とする、請求項１に記載の水素・酸素分離式エネルギー生成システム。
3. 前記金属触媒反応物の材料がさらに、リチウム、ナトリウム、マグネシウム、ガリウム、モリブデンのうち少なくとも１つを含むことを特徴とする、請求項２に記載の水素・酸素分離式エネルギー生成システム。
4. 前記システムがさらに、前記集気槽に連接されたフィルタ槽を含み、前記集気槽の前記水含有水素ガスが前記フィルタ槽を通過した後、余分な水気とミストが除去され、かつ温度が低下されることを特徴とする、請求項１に記載の水素・酸素分離式エネルギー生成システム。
5. 前記システムがさらに、前記フィルタ槽に連接された一時貯蔵槽を含み、濾過後の前記水素混合ガスを貯蔵することを特徴とする、請求項４に記載の水素・酸素分離式エネルギー生成システム。
6. 前記システムがさらに、前記フィルタ槽及び前記一時貯蔵槽の間に設置された緩衝槽を含み、濾過後の前記水素混合ガスを貯蔵してシステムの圧力解放に提供し、前記一時貯蔵槽の空気を排出することを特徴とする、請求項５に記載の水素・酸素分離式エネルギー生成システム。
7. 前記システムがさらに、前記複数のリアクターの前記排水弁に連接され、前記反応溶液を収集する少なくとも１つの沈殿槽を含むことを特徴とする、請求項１に記載の水素・酸素分離式エネルギー生成システム。
8. 前記少なくとも１つの沈殿槽の底部にそれぞれ螺旋式除去装置が設置され、前記少なくとも１つの沈殿槽の底部に沈殿した前記金属触媒酸化物を除去することを特徴とする、請求項７に記載の水素・酸素分離式エネルギー生成システム。
9. 前記少なくとも１つの沈殿槽の上部に前記補水槽が連接され、前記反応溶液上層の上澄み液を前記補水槽に戻すことを特徴とする、請求項７に記載の水素・酸素分離式エネルギー生成システム。

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