JP2022112534A - 水素の貯蔵方法及び貯蔵装置 - Google Patents

Abstract

【課題】大量で安全に水素を貯蔵できる。【解決手段】密閉容器１内壁をカーボン材２で内張りし、このカーボン材２を加熱して定常波の電磁波を放射させ、カーボン材２で形成される定常波の空間Ｓを形成し、この空間Ｓ内に水素を供給して陽子と電子に分離させ、密閉容器１を常温にして陽子と電子を分離状態で安全で大量に貯蔵し、必要時に真空ポンプ８で陽子と電子とを一緒に引出して水素とする。【選択図】図１

Description

本発明は、水素ガスを電離させて、陽子と電子に分離させて容積を縮小させ、必要時に陽子と電子とを再結合させて水素ガスとして取出すことが出来る水素の貯留方法及び貯留装置に関する。

本件発明者は、従来、ステンレス容器（反応炉）内に反応材として、カセイソーダとステンレス粉を入れて容器を５００℃以上に加熱して反応材を微粒子とし、この微粒子と反応炉の内壁間で核反応を起こさせようと実験を重ね、炭素ガスと水を分解して水素を発生させようと試みてきた。この際、水素は電離していることが判明している。

国際公開ＷＯ２０１２／０１１４９９Ａ１ 特開２０１７－２２２５０号

しかしながら、特許文献１、２においては、電離した水素は、反応炉内でどのような状態になると、水素ガスになって容積を持つようになるかが開示されておらず、水素を貯蔵することについての開示も全くなされていない。

本発明の水素の貯蔵方法は、密閉容器内でマイクロ波以上の周波数を有する電磁波の定常波を発生させ、この密閉容器内に水素を供給して電離させ、陽子と電子とを分離して貯蔵し、必要時に真空ポンプで陽子と電子とを一緒に引出すようにした。

本発明の水素の貯蔵装置は、密閉容器と、この内壁に内張りされたカーボン材と、密閉容器内にマイクロ波以上の周波数を持つ電磁波の定常波を放射する電磁波放射装置と、密閉容器内部を真空引きする真空ポンプとを有し、密閉容器内に供給された水素を電離させて陽子と電子に分離し、必要時に電離された陽子と電子を一緒に真空ポンプにより引出して水素ガスとする。

密閉容器内で発生するマイクロ波以上の周波数（１０⁹Ｈｚ以上）を有する電磁波は定常波であり、そのエネルギーは、その周波数の２乗に相当する周波数を持つ電磁波のそれに相当する。すなわち、マイクロ波の定常波のエネルギーは１０⁹ײＨｚの周波数の電磁波に相当するので、密閉容器内に供給された水素の電離エネルギー（３００ｋｃａｌ／ｍｏｌ）より大きなエネルギーとなり、容易に水素が電離して分離状態で陽子と電子が滞溜する。水素ガスとして使用したい時には、密閉容器内を真空引きして陽子と電子とを一緒に引出すと、再結合して水素ガスとなる。水素を電離させると殆ど容器を持たなくなり、密閉容器内に常圧で大量の水素を貯蔵できるし、陽子と電子は電離して水素の形態となっていないので、爆発の恐れがなく安全に貯蔵できる。

また、密閉容器内にプラス電極とマイナス電極とを配置すると、陽子はマイナス電極の周囲に、電子はプラズマ電極の周囲に集まり、電極の極性を反転させると陽子と電子とが逆の電極に移動して互いに接近して再結合し易くなり、水素としての容器内からの引出しの効率が向上する。

また、密閉容器内にナトリウム等の増幅材を入れてそれを加熱すると、増幅材が原子状で容器内に浮遊し、この増幅材は発生電磁波を増幅するので、例えば、ＣＯ₂を陽子と中性子と電子にプラズマ崩壊でき、一定時間後に密閉容器から引出せば、中性子もβ崩壊して陽子となり、この際電子も発生し、この電子も加わって大量の水素を取り出すことができる。

本発明の水素の貯蔵方法及び装置の概略構成図ある。 密閉容器内で発生する定常波の説明図である。 イオン化エネルギーを示すグラフである。 各元素の一核子当たりの結合エネルギーを示すグラフである。 大量生産可能で搬送に適した水素貯蔵装置の概略構成図である。 図５における可動増幅材供給装置の斜視図である。 図５における電極棒の配置を示す説明図である。 水素の電離状態説明図である。 トリチウムのプラズマ崩壊説明図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。

図１において、本発明の水素の貯留装置Ｍ₁は、耐熱性の金属材料からなる円筒状の密閉容器１を有し、この密閉容器１の内壁はカーボン材２によって内張りされて空間Ｓを形成している。このカーボン材２には、電気ヒータ３が埋込まれ、このカーボン材２と、これを加熱してカーボン材２の内面からマイクロ波以上の周波数の電磁波を容器内部に放射するヒータ３とが電磁波放射装置を形成している。電磁波放射装置としては、補助的に前記密閉容器１の周面にマグネトロン４を設け、このマグネトロン４から導波管５を容器内部に伸ばし、導波管５からの電磁波を内張りのカーボン材２の内面で反射させてもよい。前記密閉容器１の左端板１ａには、水素を供給する供給管６が、その右端板１ｂには、必要時に陽子と電子とを再結合させて取出すため排出管７が取付けられ、この排出管７には、真空ポンプ８が連結されている。

前記電気ヒータ３が、１５０℃～５００℃程度に加熱されると、加熱温度に応じてカーボン材からはマイクロ波（１０⁹～１０¹²Ｈｚ）及び遠赤外線（１０¹³Ｈｚ）が放射されるが、円筒形をなすカーボン材２からは、定常波が発生する。定常波とは、振動の両端が固定され半波長（１／２λ）の整数倍が、往復動の距離Ｌをなす波であり、往きの波と復りの波は重なり合うので波動のエネルギーは大きくなる。図２において、カーボン材２の直径をＬとすると、このカーボン材は量子学的に井戸形ポテンシャルをなし、カーボン壁内にエネルギーが閉じ込められて密閉容器１内の空間に存在する分子、原子に作用を及ぼす。

円筒形のカーボン材２の内壁から放射される電磁波には質量がないが、その運動量Ｐは、
Ｐ＝ｈ／λ＝h（エイチバー）κ …（１）
（ｈ：プランク定数、λ：波長、h（エイチバー）＝ｈ／２π、κ：波数 ２π／λ）
と表示され、その運動エネルギーＥは、
Ｅ＝ｈγ …（２）
と表示される。

ここで、シュレディンガー方程式によれば、

であり、運動エネルギーＥは、時間を含まない波動関数の場合（質量ｍを有する）、

となる。

更に、本装置の場合、放射される電磁波は、質量ｍを有しないので、（４）式をそのまま適用できないが、ド・ブロイの物質波の理論から基本的考え方は適用でき（１）式の運動量Ｐ＝κ／λに基づいてφの２回微分の係数（－h²／２ｍ）(hはエイチバー）を変えれば、適用できると思われる。すなわち、（３）式の－κ²がＥ＝ｈγに等しくなるように、∂²／∂χ²φの係数Ｘを定めればよい。
そこで、
－κ²Ｘ＝Ｅ＝ｈγ …（５）
を満足するＸを求めればよい。

したがって、γ・λ＝ｃ（光速）であるので

となり、

となる。これは、波動関数φに

という演算を行うと、運動エネルギーと波動関数のかけ算が求まることを意味する。

ここで、あるエネルギーＥｎの定常波の波長をλｎとすると

となり、カーボン材２内の波動関数φｎは、

となる。（７）式より、

これより、

となり、
したがって、

であり、ｎが２倍になると、エネルギーＥは４倍になり、結局エネルギーＥはｎの２乗に比例することとなり、（８）式よりｎとγとの関係を求めると、

となり、ｎ²とγ²とは比例するので、エネルギーＥは周波数の２乗にも比例することとなる。

前記カーボン材２の１５０℃～５００℃の加熱により、マイクロ波（周波数１０⁹～１０¹²Ｈｚ）及び遠赤外線（周波数１０¹³Ｈｚ）が放射されるが、定常波の場合には、マイクロ波は１０⁹ײ⁼¹⁸～１０¹²×²⁼²⁴の周波数のエネルギーに相当し、遠赤外線は１０²⁶Ｈｚの周波数のエネルギーに相当する。すなわち、カーボン材から放射される電磁波の定常波はＸ線からγ線に相当するエネルギーを有することとなる。

これらのエネルギーを有する電磁波は、空間Ｓ内において、いかなる作用をするかを検討する。
（１）カーボン材３の内壁面の温度上昇
電気ヒータ３の設定温度を１５０℃～５００℃の任意の温度に設定する場合において、例えば、１５０℃に設定した場合、１５０℃に対応する電磁波（周波数１０⁹Ｈｚ）が発生するが、この定常波のエネルギーは１０¹⁸Ｈｚに相当する。この定常波は、図２に示すように対向壁面に吸収され、その部分で電子を振動させ反射波を放射せしめる。この反射波は、対向壁の放射点に戻る。この間、放射電磁波は、カーボン材２の内面を電気ヒータ３からの入力エネルギーで加熱するので、カーボン材２の表面は入力波による電子の振動が電気ヒータ３の表面より大きく、熱の吸収も大きいので、電気ヒータ３の設定温度より高くなる。一旦カーボン材３の温度を上昇せしめると、以後殆ど電力は不要となり、エネルギーの著しい節約となる。
（２）水素の電離
空間Ｓ内に水素ガス（Ｈ₂）が供給された場合、水素原子（Ｈ）に電磁波が当たった場合、例えば、周波数１０⁹Ｈｚの定常波の運動エネルギーＥは、１光子当たり、
Ｅ＝ｈγ²＝６．６２×１０^-34×１０⁹ײ
＝６．６２×１０^-16Ｊ（ジュール） …（１４）
となる。

一方、図３に示すように、水素（Ｈ）のイオン化エネルギー（電離エネルギー）は３００Ｋｃａｌ／ｍｏｌであり、
これを、１原子当たりのエネルギーに換算すると、
３００，０００（ｃａｌ）×４．１８（Ｊ）／６×１０²³×２（個）
＝３×１０⁵×４．１８（Ｊ）／１．２×１０²⁴＝１．０４５×１０^-18（Ｊ）
…（１５）
この（１５）式の値は、（１４）式の値よりはるかに小さいので、１０⁹Ｈｚの周波数の定常波は確実に水素原子を電離させることができる。
（３）トリチウムの無害化
トリチウムを無害化させるためには、どのような周波数をもつ定常波が必要かを検討する。それには、トリチウムの原子核の核力（結合エネルギー）は図４に示すように、２．５７ＭｅＶであり、核崩壊のためにはこれ以上のエネルギーを持つ電磁波が必要である。２．５７ＭｅＶをジュールに換算すると、
２．５７×１０⁶×１．６×１０^-19（Ｊ）＝４．１１×１０^-13（Ｊ）
…（１６）
となり、（１４）式の値よりはるかに大きくなり、１０⁹Ｈｚの定常波では、トリチウムの無害化は不可能で、１０¹¹Ｈｚ以上の周波数を有する定常波を必要とする。そこで電気ヒータ３の設定温度を上げて４００℃以上として周波数の高い電磁波を発生せしめる必要がある。この際、補助的にマグネトロン４を作動させて、電磁波のエネルギーを増やすことが望ましい。

次に空間Ｓ内での水素の挙動について説明する。

真空ポンプ８を作動させ真空引きした空間Ｓ内に水素ガス（Ｈ₂）が供給されると、水素原子に電磁波が当たり、電子ｅ^-が軌道から飛び出して（図８）、陽子と分離し（電離）、気体としての容積を持たなくなり、重量は増えるが圧力は上昇しない。したがって、大量の水素が陽子と電子に分離した状態で貯蔵される。すなわち、空間Ｓは、プラズマ空間を形成し陽子と電子は別々に運動する。

供給水素内にトリチウム（Ｔ）が混入している場合には、カーボン材２の温度を４００℃以上に上昇させて遠赤外線（１０¹⁴Ｈｚ）を放射させ、図９に示すように、エネルギーの大きな核力以上のエネルギー（２．５７ＭｅＶ）を持つ電磁波をトリチウム原子に当てる。これにより、原子核の陽子ｐと中性子ｎを結合する核力は遮断され、陽子ｐと２個の中性子は飛散する。これに伴って電子ｅ^-も回転軌道から飛び出す。なお、この際、中性子ｎは運動量が小さく、カーボン材２を突き抜けることはなく、１０～１５分間でβ崩壊して陽子ｐとなり、β崩壊の際に放出された電子も加わって、プラズマ空間Ｓから引出される水素量が増加することとなる。

このように、カーボン材２を加熱しつつ水素ガスを空間Ｓ内に充分供給した後に、電気ヒータ３を切り温度を下げると、空間Ｓ内の陽子と電子の動きは鈍くなる。

そして、貯蔵された水素を取り出す際には、電気ヒータ３を作動させて空間Ｓを暖めて（１００℃前後）陽子と電子の動きを活発にした後に、真空ポンプ８を作動させて空間Ｓ内の陽子と電子とを排出管７に引き込み、陽子と電子と近接させ水素ガスとして容積を持たせる。

このようにして、水素必要時に真空ポンプ８で引き出した時に陽子と電子が再結合して水素ガスとなるので、貯蔵中には陽子と電子が分離されており、常圧以下で大量の陽子と電子を貯蔵でき、電離した水素は火に触れても爆発することなく、安全である。

次に、本発明の他の実施例について説明する。

水素は、一般に搬搬送するためにボンベに充填され、再充填して何度も使用する必要があり、搬送可能で大量生産容易なものが水素社会には必要である。

図５に示すタイプの小型の水素の貯蔵装置Ｍ₂は、ステンレス製の密閉容器をなすボンベケーシング３０を有し、このケーシング３０内には、カーボン材３１が内張りされ、このカーボン材３には、電気ヒータ３２が埋設され、これにより、カーボン材３１からの放射する電磁波の周波数を調整するとともにプラズマ空間Ｓ₂の温度が調整される。前記ケーシング３１は、真空室ＶＲに設置された充填台３３、３３に着脱自在に取り付けられ、このケーシング３１のフランジ端板３４に対向して蓋体３５が真空室ＶＲ内に水平に往復動自在に設けられている。この蓋体３５は、前記フランジ端板３４と協働してケーシング３１内のプラズマ空間Ｓ₂を密閉する蓋体フランジ３６を有している。この蓋体フランジ３６には、図５、６に示すような支持板３７が水平に取り付けられ、この支持板３７には、電気ヒータ３８が埋設されている。前記支持板３７上には、電磁波のエネルギーを増幅する増幅材３９を収納した収納箱４０が支持されており、前記増幅材３９は、加熱されて原子状で気化してプラズマ空間Ｓ内に充満し、カーボン材３１内壁からの電磁波を増幅する。この増幅材３９としては、金属ナトリウム（Ｎａ）、リチウム（Ｌｉ）、カリウム（Ｋ）等のアルカリ金属が好ましく、アルカリ金属に亜鉛粉、ステンレス粉、アルミニウム粉等を加えたものでも良い。これらの成分が気化した原子状の微粒子は、放射された電磁波と作用して、電磁波の周波数を増大させたり、電磁波の数を増やして電磁波のエネルギーを増大させる。前記ケーシング３１の密閉端面３０ａには、４本の電極棒４１が、端面３０aの周囲に沿って固定され、この電極棒４１は、プラズマ空間Ｓ内をその軸に沿って長く伸び、端面３０ａの周囲に沿う方向に沿ってプラス極、マイナス極、プラス極、マイナス極に設定されている（図7）。これら電極棒４１及び電気ヒータ３２はコントローラ４２に連結され、このコントローラ４２は、電気ヒータ３２のコントロールと、電極棒４１の極性切換とを行うもので、制御箱４３内に収納されている。前記ボンベケージング３０には、プラズマ空間Ｓと外部とを連結する連結管４４が設けられ、この連結管４４は真空ポンプ８に連なって、弁４４aの開閉によって、外部からプラズマ空間内に水素ガス（Ｈ₂）又はＣＯ₂ガス（これについては後述する）を供給したり、処理されたガスを真空引きにより外部に引出すのに使用される。

水素のボンベ３０への充填時においては、ボンベケージング３０を充填台３３上に固定し、蓋体３５を作動させて蓋体フランジ３６をボンベケージング３０のフランジ端板３４に密着させる。この時、増幅材３９は、収納箱を介して支持板３７に支持されプラズマ空間Ｓ内に位置している。この状態でカーボン材３１の電気ヒータ３２及び支持板３７の電気ヒータ３８をオンさせて電磁波を発生させるとともに増幅材３９を気化させ増幅材の原子状微粒子を電離させてプラズマ空間Ｓを形成する。

この状態で連結管４４を介して水素ガス（Ｈ₂）を供給すると、水素ガスは電離して陽子ｐ⁺と電子ｅ^-に分離して電子ｅ^-はプラズマ電極棒４１、陽子ｐ⁺はマイナス電極棒４１の周囲に集合する。所定量の水素ガスを処理した後に蓋体フランジ３６をケーシングフランジ３４から離すように蓋体３５を駆動せしめ、支持体３７をプラズマ空間Ｓ₂から引き抜いた後にケーシング３１の開口端を着脱自在の端板５０で閉塞し、この端板５０はフランジ端板３４にクランプ締めされる。ケーシング３１が開口された時に、真空雰囲気なので陽子ｐと電子が外に飛び出すことはない。

充填する水素ガスの代わりに、ＣＯ₂ガスをプラズマ空間Ｓ内に供給する場合、放射される電磁波は、増幅材３９により増幅されるので、ＣＯ₂のＣ原子、Ｏ原子がプラズマ崩壊して陽子と中性子と電子に崩壊し、中性子は１０～１５分後にβ崩壊して電子を出して陽子となり、貯蔵される。β崩壊で放出された電子は、再結合時に使用されるので電子不足となる恐れはない。

ボンベケージング３０から水素を取り出す時には、真空ポンプ８を駆動させるとともにコントローラ４２により電極棒４１の極性を反転させると、陽子ｐ⁺はプラスに反転した電極棒４１から離れ、マイナスに反転した電極棒４１方向に移動すると同時に電子ｅ^-も反対の電極棒４１方向に移動する。このように、陽子と電子とが向かい合う方向に移動するので、再結合が起き易くなる。この時には、各電気ヒータ３２、３８を駆動させてプラズマ空間の温度を上昇させれば、再結合がより活発に生じることとなる。

本発明は、水素社会実現のための全般的水素貯蔵分野に寄与でき、搬送型のものは自動車業界で使用が可能となる。

１…密封容器
２…カーボン材
３…電気ヒータ
４…マグネトロン
３０…ボンベケージング
３１…カーボン材
３３…充填台
３５…蓋体
３９…増幅材

Claims (8)

1. 密閉容器内でマイクロ波以上の周波数を有する定常波の電磁波を発生させ、この密閉容器内に水素を供給して電離させ、陽子と電子とを分離させて貯蔵し、必要時に真空ポンプで陽子と電子とを一緒に引出すようにした水素の貯蔵方法。
2. 前記密閉容器はカーボン材で内張りされ、このカーボン材を加熱して定常波を発生せしめた請求項１記載の水素の貯蔵方法。
3. 前記密閉容器内にマグネトロンの導波管が臨まされ、これによりマイクロ波が放射される請求項１又は２記載の水素の貯蔵方法。
4. 密閉容器と、この内壁に内張りされたカーボン材と、密閉容器内にマイクロ波以上の周波数を持つ定常波を放射する電磁波放射装置と、密閉容器内部を真空引きする真空ポンプとを有し、密閉容器内に供給された水素は電離されて陽子と電子に分離され、必要時に電離された陽子と電子は一緒に真空ポンプにより引出されて水素となる水素の貯蔵装置。
5. 電気電磁波放射装置は、カーボン材を加熱するヒータである請求項４記載の水素の貯蔵装置。
6. 電気電磁波放射装置は、マグネトロン装置であり、このマグネトロン装置の導波管が密閉容器内に臨まされている請求項４又は５記載の水素の貯蔵装置。
7. 前記密閉容器内には、複数の電極が配置され、少なくとも一対の電極の一つはプラス電極でもう一つはマイナス電極であり、これらの電極の極性が可変である請求項４記載の水素の貯蔵装置。
8. 前記密閉容器内に電磁波のエネルギーを増幅するための増幅材を供給し、この増幅材を加熱するようにした請求項４記載の貯蔵装置。

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