JP5124728B2 - Hydrogen generator, laser reduction device, energy conversion device, hydrogen generation method and power generation system - Google Patents
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Description
本発明は、ナトリウム、カリウム、マグネシウム、アルミニウム、カルシウム、亜鉛などの元素から反応エネルギーを回収すると共に、水素ガスを発生させる技術に関し、より詳細には、金属を用いて水を水素に還元する水素生成装置、および生成された金属酸化物または化学物質を、レーザを使用して還元するレーザ還元、エネルギー変換方法、水素生成および発電システムに関する。 The present invention relates to a technique for recovering reaction energy from elements such as sodium, potassium, magnesium, aluminum, calcium, and zinc and generating hydrogen gas, and more particularly, hydrogen that reduces water to hydrogen using a metal. The present invention relates to a generation apparatus, and a laser reduction, energy conversion method, hydrogen generation, and power generation system that reduce a generated metal oxide or chemical substance using a laser.
水素ガスは、酸化剤により酸化しても水を生成するので、燃料電池の燃料などクリーンな燃焼として注目されており、また近年、化石燃焼の枯渇や、地球温暖化の観点から基幹エネルギー・インフラ基盤を、化石燃料からクリーンなエネルギーへと切換える必要もあり、注目されている燃料である。これまで、水素は、水の電気分解反応により生成され、高圧容器に充填された後、各所に運搬されて使用されている。このため、運搬において重量が増え、また可燃性であるが故にその取り扱いにも注意を必要とし、また、長期保存性という点から見ても充分なものではなかった。 Hydrogen gas generates water even when it is oxidized by an oxidant, so it is attracting attention as clean combustion for fuel in fuel cells. In recent years, it has become a core energy infrastructure from the viewpoint of depletion of fossil combustion and global warming. It is necessary to switch the base from fossil fuel to clean energy. Until now, hydrogen has been generated by electrolysis of water, filled into a high-pressure vessel, and then transported to various places for use. For this reason, the weight increases in transportation, and since it is flammable, it requires careful handling, and it is not sufficient from the viewpoint of long-term storage.
このため、今後、水素ガスを運搬するのではなく、簡便に、かつクリーンなエネルギーで生成する装置および方法が必要とされるものと考えられる。また、水素ガスの生成についても、水の電気分解といった膨大な化石燃料を使用して生成された電気を大量に使用する方法ではなく、より再生可能エネルギーを有効に利用しつつ、水素ガスを発生させる技術が必要となるものと考えられる。また、水素生成装置およびそのための方法もできるだけ原料を再利用することが好ましい。 For this reason, it is considered that an apparatus and a method for generating hydrogen gas simply and with clean energy will be required in the future. In addition, hydrogen gas generation is not a method that uses a large amount of fossil fuels such as electrolysis of water, but generates hydrogen gas while making more effective use of renewable energy. It is thought that technology to make it necessary. Further, it is preferable to reuse the raw materials in the hydrogen generator and the method therefor as much as possible.
従来、含マグネシウム酸化物(酸化マグネシウム、ドロマイト)などの酸化物資源を約1000℃の高温とするアーク放電を使用して熱的に還元する方法が知られており、このようなシステムに水を添加しても水素ガスを得ることができると考えられる。しかしながら、水素ガスを得る目的がCO2などの削減を行うためのクリーンエネルギー生成ということに鑑みれば、アーク放電を生成するための電力は、多くの場合に環境負荷を増大させる原因となると考えられる。 Conventionally, a method for thermally reducing oxide resources such as magnesium-containing oxides (magnesium oxide, dolomite) using an arc discharge at a high temperature of about 1000 ° C. is known. It is considered that hydrogen gas can be obtained even when added. However, considering that the purpose of obtaining hydrogen gas is to generate clean energy for reducing CO 2 and the like, the power for generating arc discharge is considered to cause an increase in environmental load in many cases. .
また、水素生成装置およびそのための方法が種々提案されている。例えば、特開2003−313001号公報(特許文献1)では、密閉可能な本体容器内で、水素化物を加水分解させて水素を発生させる水素発生方法において、水素化物と水とを、少なくとも一部が水蒸気透過性を有する撥水性水蒸気透過材で形成されている部材によって隔離すると共に、該撥水性水蒸気透過材を透過してくる水分子と水素化物と反応させて水素を発生させる水素発生方法が開示されている。 Various hydrogen generators and methods therefor have been proposed. For example, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-313001 (Patent Document 1), in a hydrogen generation method for generating hydrogen by hydrolyzing a hydride within a sealable main body container, at least a part of the hydride and water is used. A hydrogen generation method in which water is separated by a member formed of a water-repellent water-permeable water-vapor-permeable material and hydrogen is generated by reacting water molecules permeating the water-repellent water-vapor-permeable material with a hydride. It is disclosed.
また、特開2003−226502号公報(特許文献2)では、アルミニウムとアルカリ金属もしくはアルカリ土類金属とからなる水素発生用燃料を収容する容器と、該容器に収容された水素発生用燃料を加熱溶融して合金化する加熱手段と、前記容器内の水素発生用燃料に水を供給する水供給手段とを備え、水素回収手段により発生した水素を回収する水素発生装置を開示している。 Japanese Patent Laid-Open No. 2003-226502 (Patent Document 2) discloses a container for storing a hydrogen generating fuel made of aluminum and an alkali metal or an alkaline earth metal, and heating the hydrogen generating fuel stored in the container. There is disclosed a hydrogen generating apparatus that includes a heating means for melting and alloying and a water supply means for supplying water to the hydrogen generating fuel in the container, and recovering the hydrogen generated by the hydrogen recovery means.
また、特開2002−69558号公報(特許文献3)にはアルミニウムとアルカリ金属もしくはアルカリ土類金属との合金からなる水素発生用燃料を使用し、容器の内部を冷却する冷却手段を備える水素発生装置および該装置を用いる水素発生方法を開示している。 Japanese Patent Laid-Open No. 2002-69558 (Patent Document 3) uses a hydrogen generating fuel made of an alloy of aluminum and an alkali metal or an alkaline earth metal, and includes a cooling means for cooling the inside of the container. An apparatus and a hydrogen generation method using the apparatus are disclosed.
さらに、特開平8−109001号公報(特許文献4)では、反応金属体を熱源を介して溶融し、この溶融した溶融反応金属体を前記容器の底部に貯めると共にこの溶融反応金属体に水を供給し熱化学反応を発生させ、得られた水素を外部に導出し、酸化金属体を排出手段を介して容器外に排出する水素発生方法を開示している。 Further, in JP-A-8-109001 (Patent Document 4), a reaction metal body is melted through a heat source, the molten molten reaction metal body is stored at the bottom of the container, and water is added to the molten reaction metal body. A hydrogen generation method is disclosed in which a thermochemical reaction is supplied to generate hydrogen, the obtained hydrogen is led out, and a metal oxide body is discharged out of the container through a discharge means.
また、特開平8−59201号公報(特許文献5)および特開平7−109102号公報(特許文献6)では、容器内に設けられ水と電熱化学反応する反応金属体とを用い、反応金属体の上部から水を供給し、反応金属体と水とによる電熱化学反応によって水素ガスを発生する水素発生方法およびそのための装置が開示されている。 Japanese Patent Laid-Open No. 8-59201 (Patent Document 5) and Japanese Patent Laid-Open No. 7-109102 (Patent Document 6) use a reaction metal body that is provided in a container and that undergoes an electrothermal chemical reaction with water. A hydrogen generation method and an apparatus therefor are disclosed in which water is supplied from the upper part of the gas generator and hydrogen gas is generated by an electrothermal chemical reaction between a reaction metal body and water.
また、特開2004−231466号公報(特許文献7)では、水素を水から生成させるためにアルミニウム粉末と酸化カルシウム粉末とを含み、アルミニウム粉末の配合比が85質量%以下である水素発生材料および該材料を使用する水素発生方法、装置を開示している。 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-231466 (Patent Document 7) includes a hydrogen generating material that contains aluminum powder and calcium oxide powder in order to generate hydrogen from water, and the mixing ratio of the aluminum powder is 85% by mass or less. A hydrogen generation method and apparatus using the material are disclosed.
上述した水素発生装置および水素発生方法は、金属を使用して水を還元することができる高温状態にするために水素発生材料を混合物とし、この混合物を加熱するため、電気炉、電気化学反応、または高水素原子含有物質を使用することにより水素ガスを生成することを目的とするものである。この際、金属元素は、水素を発生させた後、酸化されて金属酸化物となるが、金属酸化物を廃棄してしまったり、他の用途に使用したりするのでは、水素を生成するため、際限なく金属元素を必要とすることになり、例えばアルミニウムを使用する場合などは、電力消費およびそのための化石燃料の使用などを含めたトータルな環境コストは、必ずしも低いものと言うことはできない。 In the hydrogen generator and the hydrogen generation method described above, a hydrogen generating material is used as a mixture in order to obtain a high-temperature state in which water can be reduced using a metal, and the mixture is heated. Or it aims at producing | generating hydrogen gas by using a high hydrogen atom content substance. At this time, the metal element generates hydrogen and then is oxidized to a metal oxide. However, if the metal oxide is discarded or used for other purposes, it generates hydrogen. For example, when aluminum is used, the total environmental cost including power consumption and use of fossil fuel for that purpose cannot always be said to be low.
一方、金属元素の酸化および還元は、湿式の電気化学的方法を使用する以外に、いずれも高温下で進行する。この場合、最小の装置コストで金属元素の酸化を生じさせて水素を生成し、同時に処理対象を変更し、最小の装置構成の変更で金属酸化物を還元して金属を生成することが可能な水素発生装置が提供できれば、水素発生に対して原材料を含めた環境コストを著しく低減することが可能となると考えられる。 On the other hand, the oxidation and reduction of metal elements both proceed at a high temperature, other than using a wet electrochemical method. In this case, it is possible to generate metal element by oxidizing metal element with minimum apparatus cost, and simultaneously change the object to be processed, and reduce metal oxide to generate metal with the minimum apparatus structure change. If a hydrogen generator can be provided, it is considered that environmental costs including raw materials can be significantly reduced for hydrogen generation.
さらに、近年では、化学物質に関連する環境的な問題が知られており、例えばNOxにより発生した酸性雨による自然破壊や構造物劣化といった点で、窒素酸化物NOxの低減が求められており、また二酸化炭素、CO2については、地球温暖化の大きな要因として全世界的に削減を行う必要がある。さらに、これ以外でも、ダイオキシン、環境ホルモンなどの特定化学物質についてもその低コストの分解・変換方法が必要とされている。 Furthermore, in recent years, environmental problems related to chemical substances are known. For example, reduction of nitrogen oxides NOx is required in terms of natural destruction and deterioration of structures due to acid rain generated by NOx. Carbon dioxide and CO 2 must be reduced worldwide as a major cause of global warming. In addition, low-cost decomposition / conversion methods are required for specific chemical substances such as dioxins and environmental hormones.
一方、レーザ装置は、主に電気エネルギーを光(ランプ点灯)や放電の形態に変換し、レーザ媒体を励起することによりレーザ光を発生している。この手法には、複数段のエネルギー変換過程が含まれており、エネルギー効率が低い(効率数%以下)ことが知られている。この理由としては、もともと品質の良い電気エネルギーを、低効率エネルギー変換を経て光に変換して利用することを挙げることができる。また、この点を改良したものとして、半導体レーザ励起の固体レーザが提案されており、光電変換効率としては、約50%程度のものが得られるようになってきており、その汎用性もますます向上すると考えられる。 On the other hand, a laser device mainly generates electric light by converting electric energy into light (lamp lighting) or discharge form and exciting a laser medium. This method includes a plurality of energy conversion processes, and is known to have low energy efficiency (efficiency of several percent or less). The reason for this is that originally good quality electrical energy is converted into light through low-efficiency energy conversion. In addition, semiconductor laser-excited solid-state lasers have been proposed as an improvement of this point, and a photoelectric conversion efficiency of about 50% has been obtained, and its versatility is also increasing. It is thought to improve.
一方では、光源として太陽光を使用する太陽光励起レーザも知られている。太陽光を励起光源として使用すれは、化石燃料により生成された電気を直接使用した電気−光変換プロセスを使用することなく、レーザ発振のための光源とすることができ、水素発生装置、レーザ還元装置といった工業的装置に対して、レーザ装置をより容易、かつ低コスト、さらに低い環境負荷のもとで使用することができると考えられる。加えて、風力発電、潮力発電、地熱発電など化石燃料に依存しない発電方式も実用化されつつある。例えば、近年では、風力発電は、条件により発電量が著しく変動するという特徴はあるものの、ピーク発電量では、2000kWhを超える電力を提供することが可能とされているが、条件により発電量が著しく変化するという大きな問題を抱えている。この電力によって発振するレーザを使用するレーザ還元装置を用いることにより、マグネシウムの形でエネルギーを蓄えることができ、環境負荷を低減したエネルギー供給が可能となる。 On the other hand, solar pumped lasers that use sunlight as a light source are also known. If sunlight is used as an excitation light source, it can be used as a light source for laser oscillation without using an electricity-light conversion process that directly uses electricity generated by fossil fuels. For industrial equipment such as equipment, it is considered that the laser equipment can be used more easily, at lower cost, and with lower environmental load. In addition, power generation methods that do not depend on fossil fuels, such as wind power generation, tidal power generation, and geothermal power generation, are being put into practical use. For example, in recent years, although wind power generation has a characteristic that the power generation amount fluctuates significantly depending on conditions, the peak power generation amount can provide power exceeding 2000 kWh. I have the big problem of changing. By using a laser reduction device that uses a laser that oscillates with this electric power, energy can be stored in the form of magnesium, and energy can be supplied with reduced environmental load.
また、レーザ還元を行う場合、金属酸化物などの分解の初期プロセスにおいては、金属イオンが生成することが見出された。レーザ還元により発生する金属イオンは、局所的なプラズマを形成するので、既存の磁気閉じこめ装置を使用することにより制御可能であり、また磁場方向に垂直な方向に金属イオンおよび負イオンは互いに逆方向に運動するため、系外に電流として取り出すことにより、光電変換によるエネルギー変換が可能となるものと期待される。
上述した金属元素を用いて水から水素を製造する場合、酸化物が副生物として得られ、高いアルカリ性の故に、その処理・廃棄などが困難であった。さらに、金属元素の酸化物は高温で分解すれば、再度アルカリ金属またはアルカリ土類金属に変換することができ、このため、再生可能エネルギーを使用して高温環境を生成することができれば、環境に対して最も負荷の少ない方法で水素ガスを生成することができるということができる。 When hydrogen is produced from water using the metal elements described above, an oxide is obtained as a by-product, and because of its high alkalinity, it has been difficult to treat and dispose of it. Furthermore, if the metal element oxide decomposes at a high temperature, it can be converted back to an alkali metal or alkaline earth metal. Therefore, if renewable energy can be used to create a high temperature environment, On the other hand, it can be said that hydrogen gas can be generated by a method with the least load.
また、従来の汎用レーザは、電力を消費し、また電気−光エネルギー変換効率が低く、一方、太陽光励起レーザは、大学・研究機関などにおける実験的研究がなされるにすぎず、工業用途に適用することができないという問題があった。 Conventional general-purpose lasers consume power and have low electrical-light energy conversion efficiency. On the other hand, solar-pumped lasers are only experimentally researched at universities and research institutions, and are applied to industrial applications. There was a problem that could not be done.
本発明は上記従来技術に鑑みてなされたものであり、本発明は、再生可能なエネルギーを効率的に使用し、反応エネルギーを回収すると共に、水素ガスを生成する、水素生成装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above prior art, and the present invention provides a hydrogen generator that efficiently uses renewable energy, recovers reaction energy, and generates hydrogen gas. With the goal.
また、本発明の他の目的は、生成した金属酸化物を再生可能エネルギーを使用して再度アルカリ金属またはアルカリ土類元素に還元することを可能とするレーザ還元装置を提供することを目的とする。 Another object of the present invention is to provide a laser reduction apparatus that can reduce the generated metal oxide to an alkali metal or alkaline earth element again using renewable energy. .
さらに、本発明は上述した水素生成装置およびレーザ還元装置を用いた水素生成方法を提供することを目的とする。 Furthermore, an object of the present invention is to provide a hydrogen generation method using the above-described hydrogen generation apparatus and laser reduction apparatus.
また、本発明は、NOx、CO2、ダイオキシン、環境ホルモンなどの含酸素化学物質の還元による分解または他の化合物への変換することを可能とするレーザ還元装置を提供することを目的とする。 Another object of the present invention is to provide a laser reduction device that can decompose oxygen-containing chemical substances such as NOx, CO 2 , dioxins, and environmental hormones by reduction or convert them into other compounds.
さらに、本発明は、アルカリ金属またはアルカリ土類金属などをレーザ還元する場合に金属陽イオンが生成することを見出し、このときに発生する荷電粒子を使用し、磁場閉じこめにより生成プラズマを制御することによる、エネルギー変換装置および発電システムを提供することを目的とする。 Furthermore, the present invention finds that metal cations are generated when laser reduction of alkali metal or alkaline earth metal is performed, and uses the generated charged particles to control the generated plasma by confining the magnetic field. An object of the present invention is to provide an energy conversion device and a power generation system.
本発明は、金属元素は、燃焼して高温となって水の還元能力を得るか、または水と接触させるだけで水を水素ガスへと還元でき、生成した酸化物は、熱分解により再度、金属元素を与えることに着目し、本発明に至ったものである。本発明では、アルカリ金属元素またはアルカリ土類元素を、まず燃焼させ、高温下に保持された状態の下で水を供給する。供給された水は、金属元素の還元作用により水素を発生し、発生した水素を回収する。 In the present invention, the metal element can be burned to obtain a water reducing ability at a high temperature, or the water can be reduced to hydrogen gas simply by contacting with water. Focusing on providing a metal element, the present invention has been achieved. In the present invention, an alkali metal element or an alkaline earth element is first combusted, and water is supplied in a state maintained at a high temperature. The supplied water generates hydrogen by the reduction action of the metal element, and recovers the generated hydrogen.
その後、副生物として得られた酸化物が、レーザ光線を使用して高温に加熱され、酸化物を熱分解して、再度金属元素を再生する。本発明における加熱は、太陽光励起レーザを使用して行い、加熱のために化石燃料に由来するエネルギーの使用を最小限とすることができる。再生された金属元素は、再度水素の生成のために使用される。 Thereafter, the oxide obtained as a by-product is heated to a high temperature using a laser beam, and the oxide is thermally decomposed to regenerate the metal element again. The heating in the present invention is performed using a solar light excitation laser, and the use of energy derived from fossil fuel for heating can be minimized. The regenerated metal element is used again for the production of hydrogen.
また、本発明では、アルカリ金属、アルカリ土類金属または、NOx、CO2などの特定化学物質は、太陽光励起レーザなどのレーザ光源を使用して、効率的かつ低コストに分解または変換され、プラズマ中で生成した荷電粒子を使用して、エネルギー変換を行うことが可能となる In the present invention, a specific chemical substance such as an alkali metal, an alkaline earth metal, or NOx, CO 2 is decomposed or converted efficiently and at low cost by using a laser light source such as a solar light pumped laser. It is possible to perform energy conversion using charged particles generated in
すなわち、本発明によれば、
金属元素を保持する反応容器と、
前記反応容器に水を供給するための貯水槽と、
前記金属元素が前記水に接触する部分を加熱して前記金属元素を加熱するレーザと、
前記金属元素と前記水との反応により生成した水素ガスおよび反応エネルギーを回収する水素取出管と、
を含む水素生成装置を提供することができる。
That is, according to the present invention,
A reaction vessel holding a metal element;
A water tank for supplying water to the reaction vessel;
A laser for heating the metal element by heating a portion where the metal element is in contact with the water;
A hydrogen extraction pipe for recovering hydrogen gas and reaction energy generated by the reaction between the metal element and the water;
Can be provided.
本発明では、前記金属元素は、ナトリウム、カリウム、マグネシウム、アルミニウム、カルシウム、亜鉛またはそれらの混合物を含む群から選択することができる。前記水素生成装置は、前記回収された水素ガスを貯蔵する水素貯蔵装置を含み、前記水素貯蔵装置は、水素吸蔵合金を備えていてもよい。 In the present invention, the metal element can be selected from the group comprising sodium, potassium, magnesium, aluminum, calcium, zinc or mixtures thereof. The hydrogen generation device may include a hydrogen storage device that stores the recovered hydrogen gas, and the hydrogen storage device may include a hydrogen storage alloy.
本発明の第2の構成によれば、レーザ光線を使用して金属酸化物を金属に還元するレーザ還元装置であって、
金属酸化物を収容し、照射窓を備える真空容器と、
前記真空容器内部に前記照射窓を介してレーザ光線を照射して前記金属酸化物を還元するレーザと
を備える、レーザ還元装置が提供される。
According to a second configuration of the present invention, there is provided a laser reduction device for reducing a metal oxide to a metal using a laser beam,
A vacuum vessel containing a metal oxide and provided with an irradiation window;
There is provided a laser reduction device comprising: a laser that irradiates a laser beam inside the vacuum vessel through the irradiation window to reduce the metal oxide.
本発明では、前記金属酸化物は、酸化ナトリウム、酸化カリウム、酸化マグネシウム、酸化アルミニウム、酸化カルシウム、酸化亜鉛またはこれらの混合物から選択することができる。前記レーザは、太陽光励起レーザとすることができる。 In the present invention, the metal oxide can be selected from sodium oxide, potassium oxide, magnesium oxide, aluminum oxide, calcium oxide, zinc oxide or a mixture thereof. The laser can be a solar light pumped laser.
本発明の第3の構成によれば、金属により水を還元して水素ガスを生成する水素生成方法であって、前記方法は、
金属元素を高温下で水と接触させて水素ガスに還元して、金属酸化物または金属水酸化物を生成する工程と、
前記生成した水素ガスを回収する工程と、
前記生成した金属酸化物または金属水酸化物をレーザ還元して金属を再生する工程と
を含む水素生成方法が提供できる。
According to a third configuration of the present invention, there is provided a hydrogen generation method for generating hydrogen gas by reducing water with a metal, the method comprising:
A step of bringing a metal element into contact with water at a high temperature and reducing it to hydrogen gas to produce a metal oxide or a metal hydroxide;
Recovering the generated hydrogen gas;
And a step of regenerating the metal by laser reduction of the generated metal oxide or metal hydroxide.
本発明では、前記金属が、ナトリウム、カリウム、マグネシウム、アルミニウム、カルシウム、亜鉛またはこれらの混合物を含む群から選択することができる。前記方法は、前記生成した水素ガスを回収する工程を含み、前記回収された水素ガスを貯蔵する工程は、前記水素ガスを水素吸蔵合金に吸収させる工程を含むことができる。前記レーザ還元は、太陽光励起レーザを使用して金属酸化物または金属水酸化物を還元することができる。 In the present invention, the metal can be selected from the group comprising sodium, potassium, magnesium, aluminum, calcium, zinc or mixtures thereof. The method may include a step of recovering the generated hydrogen gas, and the step of storing the recovered hydrogen gas may include a step of causing the hydrogen storage alloy to absorb the hydrogen gas. The laser reduction can reduce a metal oxide or a metal hydroxide using a solar light excitation laser.
本発明の第4の構成では、
レーザ光線を使用して含酸素化学物質を還元するレーザ還元装置であって、
前記化学物質を収容し、照射窓を備える真空容器と、
前記真空容器内部に前記照射窓を介してレーザ光線を照射して前記化学物質を還元する太陽光励起レーザと
を備える、レーザ還元装置が提供される。
In the fourth configuration of the present invention,
A laser reduction device for reducing oxygen-containing chemicals using a laser beam,
A vacuum vessel containing the chemical substance and provided with an irradiation window;
There is provided a laser reduction device comprising: a solar-excited laser that irradiates a laser beam inside the vacuum vessel through the irradiation window to reduce the chemical substance.
本発明の第5の構成では、
レーザ光線を使用して酸素含有化合物を還元するレーザ還元によりエネルギー変換を行う装置であって、
前記化学物質を収容する容器と、
前記化学物質からプラズマを生成させるためのレーザと、
前記プラズマを偏向する磁場を生成する磁場発生装置と、
前記容器内に配置され、前記容器内の前記プラズマから電流を取り出すためのグリッドと、
前記プラズマにより発生した電荷を前記容器外で蓄積するキャパシタとを含むエネルギー変換装置が提供される。
In the fifth configuration of the present invention,
An apparatus that performs energy conversion by laser reduction using a laser beam to reduce an oxygen-containing compound,
A container for containing the chemical substance;
A laser for generating plasma from the chemical substance;
A magnetic field generator for generating a magnetic field for deflecting the plasma;
A grid disposed in the vessel for extracting current from the plasma in the vessel;
There is provided an energy conversion device including a capacitor for accumulating charges generated by the plasma outside the container.
本発明の第6の構成によれば、
金属元素を反応させる反応容器と、
前記反応容器に水を供給するための貯水槽と、
前記水と接触するように前記金属元素の成形体を前記反応容器内に供給するフィーダと、
前記金属元素と前記水との反応により生成した水素ガスおよび反応エネルギーを回収する水素取出管と、
前記反応容器内で前記金属の酸化反応が持続する状態に活性化する活性化手段と
を備える水素生成装置が提供できる
さらに、本発明によれば、前記反応容器を冷却するための冷媒ジャケットを備える、水素生成装置を提供することができる。本発明では、前記反応容器から篩いで分離され、前記金属元素の酸化物粉体を回収する回収容器を備えることができる。
According to the sixth configuration of the present invention,
A reaction vessel for reacting metal elements;
A water tank for supplying water to the reaction vessel;
A feeder that supplies the molded body of the metal element into the reaction vessel so as to come into contact with the water;
A hydrogen extraction pipe for recovering hydrogen gas and reaction energy generated by the reaction between the metal element and the water;
And an activating means for activating the metal oxidation reaction in the reaction vessel. Further, according to the invention, a refrigerant jacket for cooling the reaction vessel is provided. A hydrogen generator can be provided. In this invention, it can isolate | separate from the said reaction container with a sieve, and can provide the collection | recovery container which collect | recovers the oxide powder of the said metal element.
さらに、本発明の第7の構成では、上記いずれか1項に記載の水素生成装置を備える発電システムを提供することができる。 Furthermore, in the seventh configuration of the present invention, it is possible to provide a power generation system including the hydrogen generation device described in any one of the above.
また、本発明の第8の構成によれば、含金属物質を保持する反応容器と、
前記反応容器に水を供給するための貯水槽と、
前記含金属物質が前記水に接触する部分を加熱して前記含金属物質を酸化させ、前記含金属物質と前記水との反応により生成した水素ガスおよび反応エネルギーを回収する水素取出管と、
前記水素取出管からの前記水素ガスを用いてエネルギー変換を行うエネルギー変換装置と、
前記含金属物質が酸化されて生成した含酸素化合物を還元して前記含金属物質を再生する還元装置と、
前記還元装置により再生された含金属物質を回収するための回収装置と、
を含む再生型水素生成装置が提供できる。
Further, according to the eighth configuration of the present invention, a reaction vessel holding a metal-containing substance,
A water tank for supplying water to the reaction vessel;
A portion of the metal-containing material that comes into contact with the water to oxidize the metal-containing material to recover hydrogen gas and reaction energy generated by the reaction between the metal-containing material and the water;
An energy conversion device that performs energy conversion using the hydrogen gas from the hydrogen extraction pipe;
A reducing device that regenerates the metal-containing material by reducing an oxygen-containing compound produced by oxidation of the metal-containing material;
A recovery device for recovering the metal-containing material regenerated by the reduction device;
Can be provided.
本発明によれば、再生可能なエネルギーを効率的に使用することで水素ガスを生成する、水素生成装置を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the hydrogen generator which produces | generates hydrogen gas by using renewable energy efficiently can be provided.
また、本発明によれば、生成した金属酸化物を、再生可能エネルギーを使用して再度金属に還元することを可能とするレーザ還元装置を提供することができる。 In addition, according to the present invention, it is possible to provide a laser reduction device that can reduce the generated metal oxide to metal again using renewable energy.
さらに、本発明によれば、上述した水素生成装置およびレーザ還元装置を用いた水素生成方法を提供することができる。 Furthermore, according to this invention, the hydrogen production | generation method using the hydrogen production | generation apparatus and laser reduction apparatus which were mentioned above can be provided.
また、本発明によれば、NOxやCO2など、大きな環境負荷を与える化学物質を効率的、かつ還元のために、さらにNOxやCO2の発生を伴うエネルギー消費を伴うことなく、除去することを可能とする、レーザ還元装置を提供することができ、さらには、上述した有害物質などを含む特定化学物質の分解を行うレーザを使用した物質変換装置および分解の際の荷電粒子を有効に利用して光電変換を可能とする、エネルギー変換装置を提供することが可能となる。 In addition, according to the present invention, chemical substances such as NOx and CO 2 that have a large environmental load are removed efficiently and for reduction without energy consumption accompanied by generation of NOx and CO 2. In addition, it is possible to provide a laser reduction device that enables the use of a material conversion device that uses a laser that decomposes a specific chemical substance including the above-mentioned harmful substances and the like, and to effectively use charged particles at the time of decomposition. Thus, an energy conversion device that enables photoelectric conversion can be provided.
また、本発明によれば、含金属物質といった生成するに多大なエネルギーを使用する材料を効率的に再生利用することを可能とし、海水まで考慮すればほとんど無尽蔵に地球上に存在する水だけを消費し、含金属物質の消費を最低限に抑制することを可能とする、環境負荷の小さな水素生成システムを提供することができる。 In addition, according to the present invention, it is possible to efficiently recycle a material that uses a great deal of energy to produce a metal-containing substance. It is possible to provide a hydrogen generation system with a small environmental load that can be consumed and the consumption of metal-containing substances can be minimized.
<セクション1:水素生成装置−第1の実施の形態−>
図1は、本発明の水素生成装置の概略的構成を示した図である。本発明の水素生成装置10は、概ね、反応容器12と、発生した水素を系外に取り出すための水素取出管14と、反応容器に水を供給するための貯水槽16とを含んでいる。反応容器12と貯水槽16との間には、開口20が設けられていて、水を供給しない場合には、バルブ18が閉じられている。バルブ18は、反応容器12内に水を供給する場合には、手作業または電気的アクチュエータ22により駆動されて、貯水槽16に蓄えられた水を反応容器12へと供給する。反応容器12の下部には、金属マグネシウムといった金属元素を含む材料24が蓄積されている。本発明における金属とは、ナトリウム、カリウム、マグネシウム、アルミニウム、カルシウム、亜鉛、またはこれらの混合物を意味する。また、本発明においてはより広く、アルカリ金属元素、またはアルカリ土類元素を含むことができ、さらに、本発明により分解可能な化合物としては、酸素を含有する化学物質であるNOxおよびCO2、ダイオキシン、環境ホルモンなどを挙げることができる。
<Section 1: Hydrogen generator-first embodiment->
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a hydrogen generator of the present invention. The
さらに図1に示した実施の形態を説明すると、金属マグネシウムといった材料24は、反応容器12内でまず点火され、酸素の存在下燃焼し、高温状態にされる。また本発明では、「高温」とは、常温を含まず、本発明で使用する材料が水を還元することができる温度を意味する。この段階で、手動、または電気的アクチュエータによりバルブ18を開き、反応容器12の内部に水をシャワリングさせる。このとき金属マグネシウムは、本発明の特定の実施の形態では高温で燃焼しており、高温に加熱されたマグネシウムは、供給された水を還元して、水素ガスを生成させる。発生した水素ガスは、反応容器12の上側に配設された水素取出管14を介して系外へと取り出され、熱交換器(図示せず)などによりその反応エネルギーを回収した後、例えば燃料電池を搭載した自動車などの水素消費装置により直接消費される。回収した反応エネルギーは、反応容器12の加熱などに再利用することができる。また、本発明では、生成した水素ガスの全部または一部を水素吸蔵合金などを備えた水素貯蔵装置26に貯蔵しておき、必要に応じて水素ガスを放出させて使用することもできる。なお、本発明においては、金属ナトリウム、金属リチウムなど、常温で水を還元して水素ガスを発生させる場合には、特に材料を高温に加熱する必要はない。
Further, the embodiment shown in FIG. 1 will be described. A material 24 such as metallic magnesium is first ignited in the
本発明では、水素吸蔵合金としては、例えば、La0.8Nb0.2Ni2.5Co2.4Al0.1、La0.8Nb0.2Zr0.03Ni3.8Co0.7Al0.5、MmNi3.65Co0.75Mn0.4Al0.3、MmNi2.5Co0.7Al0.8、Mm0.85Zr0.15Ni1.0Al0.8V0.2(上記一般式中、Mmは、ミッシュメタルで、Ce(40〜50%),La(20〜40%)、Pr、Nd
を主要構成元素とした希土類の混合物である。)を挙げることができる。この他にも、本発明においては、水素吸蔵合金として、ラーベス相(AB2型)合金、具体的には、Ti-Mn 系、Ti-Cr 系、Zr-Mn系の合金も用いることができ、より具体的には、(Tiz-xZrxV4-yNiy)1-zCr2、ZrV0.41Ni1.6、ZrMn0.6Cr0.2Ni1.2などがあるが、これらに限定されるものではない。水素を発生させた反応後のマグネシウムは、酸化マグネシウムや水酸化マグネシウムなどの酸化物または水酸化物に変換され、反応容器12の内部に蓄積される。蓄積した酸化マグネシウムや水酸化マグネシウムは、その後反応容器12の外に取り出され、金属マグネシウムなどの再生のための原料として使用することもできる。
In the present invention, as the hydrogen storage alloy, for example, La 0.8 Nb 0.2 Ni 2.5 Co 2.4 Al 0.1 , La 0.8 Nb 0.2 Zr 0.03 Ni 3.8 Co 0.7 Al 0.5 , MmNi 3.65 Co 0.75 Mn 0.4 Al 0.3 , MmNi 2.5 Co 0.7 Al 0.8 , Mm 0.85 Zr 0.15 Ni 1.0 Al 0.8 V 0.2 (In the above general formula, Mm is misch metal, Ce (40-50%), La (20-40%), Pr, Nd
It is a mixture of rare earths with the main constituent element. ). In addition, in the present invention, a Laves phase (AB 2 type) alloy, specifically, a Ti-Mn, Ti-Cr, or Zr-Mn alloy can be used as the hydrogen storage alloy. More specifically, (Ti zx Zr x V 4-y Ni y ) 1-z Cr 2 , ZrV 0.41 Ni 1.6 , ZrMn 0.6 Cr 0.2 Ni 1.2 and the like are not limited thereto. The magnesium after the reaction that generates hydrogen is converted into an oxide or hydroxide such as magnesium oxide or magnesium hydroxide, and accumulated in the
<セクション2:レーザ還元装置>
図2は、金属マグネシウムの再生に用いるレーザ還元装置を示した図である。図2に示される装置30は、概ね真空容器32と、金属酸化物を供給するライン34と、本発明の特定の実施の形態で還元のために使用されるケイ化鉄を供給するライン36と、レーザ光線を導入して局所的に高温を生成するための真空容器に配設された照射窓を含む光学系38とを含んでいる。まず、金属酸化物は、図示しないキルンで加熱され、水酸化物を酸化物に変換した後に、ライン34およびホッパを介して真空容器32内に供給される。なお、本発明の他の実施の形態では、ケイ素(Si)元素を単独で使用することもでき、また還元のためのケイ素元素を使用しなくともよい。
<Section 2: Laser reduction device>
FIG. 2 is a diagram showing a laser reduction device used for the regeneration of metallic magnesium. The
同時にケイ化鉄がライン36を介して供給された後、真空容器32が減圧され、その後光学系38を介してレーザ光線を照射して還元反応を生じさせる。この場合、本発明では、フラッシュランプ励起、半導体レーザ励起などの、ルビー、Nd3+:YAG、ガーネット、サファイア、エメラルド、アレキサンドライトなどにCr3+、Co2+、Ce、Pr、Pm、Sm、Eu、Tb、Dy、Ho,Er、Tm、Yb、Luなどのランタノイド元素、またはそれらのイオンや、遷移金属元素または遷移金属イオンがドーピングされたレーザ媒体を使用するレーザを使用することができる。また、本発明の他の実施の形態では、還元を促進させるため触媒を使用することもできる。さらに、本発明では、より効率的にレーザ光線を照射するため、光学系38に光走査機構を設け、できるだけ均一にレーザ光を酸化マグネシウムなどの対象物質に照射することもできる。
At the same time, after iron silicide is supplied through the
また、本発明では、上述したレーザと共に、または上述したレーザに変えて、太陽光励起レーザを使用して、還元反応を生じさせることができる。図3は、本発明の太陽光励起レーザ40の概略的構成を示した図である。本発明の太陽光励起レーザ40は、レーザ媒体42と、レーザ媒体42を収容する収容装置44と、レーザ媒体42の一端に配設された全反射ミラー46と、他端に配設されたハーフ・ミラー48とを含んで構成されている。収容装置44は、さらに太陽光50をレーザ媒体42へと集光する光学要素52を含んでいて、レーザ媒体42を光学的に励起させ、反転分布を形成させている。光学要素52は反射要素、レンズ要素などを含んで構成されていて、収容装置44に保持された水などの冷却液体により冷却され、効率的な冷却の下で高い効率のレーザ発振を可能としている。
Further, in the present invention, a reduction reaction can be caused by using a sunlight-excited laser together with the laser described above or in place of the laser described above. FIG. 3 is a diagram showing a schematic configuration of the solar light pumped
図3に示した収容装置44の両端は、収容装置44の端部を形成する材料、または、レーザ媒体42が収容装置44の端部に直接露出している場合にはレーザ媒体42と空気とにより規定されるブリュースター角度を与えている。なお、本発明において特にブリュースター角を設けることが必要でない場合には、他の角度の端部を使用することができる。収容装置44は、レーザ媒体42と一体として形成されていても良いし、収容装置44の端面に、適切なフランジ、O−リングなどを使用して固定されていてもよい。また、収容装置44の端部には、反射防止膜ARCがコーティングされていて、効率を向上させている。なお、本発明で反射防止膜ARCを使用することが必要ではない場合や、構造的に使用できない場合には、特に反射防止膜ARCを設ける必要はない。収容装置44の内部には、水などの冷却液体が満たされていて、レーザ発振に伴うレーザ媒体42を冷却し、熱衝撃によるレーザ媒体の損傷を防止している。収容装置44の形状は、断面が円形、楕円形、放物線形などを使用することができ、円形断面の収容装置を使用する場合には、収容装置の曲率と冷却冷媒の屈折率に応答した位置にレーザ媒質が配置される。また、収容装置が楕円形の場合には、レーザ媒質を一方の焦点に配置し、他方の焦点に太陽光を集光した配置とすることができ、これらの形状を組み合わせてレーザ媒質に集光させることができる。
The two ends of the
本発明では、収容装置44は、レーザ媒体42へと太陽光を集光させる機能を有しており、また内部に冷却液体を保持しているのでレーザ媒体の冷却と共に冷却液体による冷却を受けることができる。冷却液体としては水を使用することが、コストおよび操作性の点から好ましく、また、冷却冷媒は、太陽光線を透過させ、同時にレーザ媒体に太陽光を集光させることが可能な形状またはレンズを含む収容装置内に密閉または流通させることもできる。
In the present invention, the
また、本発明ではレーザを適切にトリガすることができるように、レーザ波長に対応する波長のレーザ光を発生させる発光ダイオードや半導体レーザを使用することができる。さらに、レーザ発振をトリガする目的で、外部からの電気的なトリガで偏光角度を偏光する光カー効果を使用する材料と偏光板とを使用することができるし、また過飽和色素を使用してレーザ発振をQスイッチ・モードでトリガすることもできる。 In the present invention, a light emitting diode or a semiconductor laser that generates laser light having a wavelength corresponding to the laser wavelength can be used so that the laser can be appropriately triggered. Furthermore, for the purpose of triggering laser oscillation, it is possible to use a polarizing plate with a material that uses the optical Kerr effect that polarizes the polarization angle with an external electrical trigger, and a laser using a supersaturated dye. Oscillation can also be triggered in Q switch mode.
レーザ媒体は、数mm〜数cmの径を有する光学的に透明なロッドとして形成されている。本発明で使用することができるレーザ媒体としては、例えば、ルビー(Cr3+:Al2O3)、YAG(Nd3+:Y3Al5O12)、アレキサンドライト(Cr3+:BeAl2O4)、エメラルド(Cr3+:Be3Al2(SiO3))6)、一般式がA3B2C3O12で与えられ、サイトAには、GaまたはAlからなる群から選択される元素が使用され、サイトBには、Ga、Sc、Luからなる群から選択される元素が使用され、サイトCには、Y、Gd、La、Luからなる群から選択される元素が用いられる、所謂ガーネットにCr3+、Nd3+を添加したレーザ媒体、サファイア(Ti3+:Al2O3)、Co2+:MgF2、Cr3+:ScBO3、Nd3+:GGG(Gd3Ga5O12)、Cr,Nd:GSGG(Gd3(GaSc)5O12)などを挙げることができるが、太陽光の範囲に適切な結晶場による吸収バンドを形成することができる限り、いかなるレーザ媒体でも用いることができる。また、本発明では、レーザ媒体42には、さらに他の希土類元素、例えば、Ce、Pr、Pm、Sm、Eu、Tb、Dy、Ho,Er、Tm、Yb、Luなどのランタノイド元素、またはそれらのイオンや、遷移金属元素または遷移金属イオンがドーピングされた異なる特性のレーザ媒体を使用することができる。
The laser medium is formed as an optically transparent rod having a diameter of several mm to several cm. Examples of the laser medium that can be used in the present invention include ruby (Cr 3+ : Al 2 O 3 ), YAG (Nd 3+ : Y 3 Al 5 O 12 ), alexandrite (Cr 3+ : BeAl 2 O 4 ), Emerald (Cr 3+ : Be 3 Al 2 (SiO 3 )) 6 ), the general formula is given by A 3 B 2 C 3 O 12 , and an element selected from the group consisting of Ga or Al is used at site A The site B uses an element selected from the group consisting of Ga, Sc, and Lu, and the site C uses an element selected from the group consisting of Y, Gd, La, and Lu. Cr 3+, laser medium with the addition of Nd 3+, sapphire (Ti 3+: Al 2 O 3 ), Co 2+: MgF 2, Cr 3+: ScBO 3, Nd 3+: GG (Gd 3 Ga 5 O 12) , Cr, Nd: GSGG (Gd 3 (GaSc) 5 O 12) and the like can be mentioned, it is possible to form an absorption band with a suitable crystal field in the range of sunlight As long as any laser medium can be used. In the present invention, the
全反射ミラー46は、Al蒸着などの金属コーティングを使用したミラー、誘電体多層膜コーティングによりレーザ発振波長を選択的に反射するコーティングを含むミラー、または全反射を使用したプリズム系などを使用して構成することができ、ハーフ・ミラー48は、好ましくは、誘電体多層膜コーティングを含む、透過率が10%〜90%程度のミラーとすることができる。また、本発明に使用することができる光学要素52についても、誘電体多層膜コーティング、または金属コーティングなど、これまで知られたいかなるコーティングでも使用することができる。
The
再度図2を使用して本発明を説明すると、加熱され、還元されて生成された金属は、コンデンサ54により冷却された後、回収され、鋳造装置56により鋳造されて、地金58として回収される。また、真空容器32内に蓄積したケイ化鉄も回収され、可溶性成分を分離した後、スラグとして回収される。回収された地金58は、本発明の水素生成装置に再度供給することもできるし、また他の用途に使用することもできる。さらに、本発明においては、必ずしもケイ化鉄などの触媒を使用しなくともよい。
Referring to FIG. 2 again, the metal produced by heating and reduction is recovered by being cooled by a
また、本発明に従い、NOx、CO2、ダイオキシン、環境ホルモンなどを還元する場合には、例えば、図1に示した水素発生装置で生成した水素ガスをチャンバ内に導入して還元性雰囲気を生成させ、太陽光励起レーザによる照射により還元反応を生成させ、分解または他の化学物質への変換を行うことができる。また、本発明においてレーザ光線だけで効率的な還元を行うことができる場合には、必ずしも水素ガスを供給する必要はない。 When reducing NOx, CO 2 , dioxin, environmental hormones, etc. according to the present invention, for example, hydrogen gas generated by the hydrogen generator shown in FIG. 1 is introduced into the chamber to generate a reducing atmosphere. Then, a reduction reaction can be generated by irradiation with a solar light excitation laser, and decomposition or conversion into other chemical substances can be performed. In the present invention, when efficient reduction can be performed only with a laser beam, it is not always necessary to supply hydrogen gas.
<セクション3:レーザ還元を使用するエネルギー変換装置>
図4は、本発明のエネルギー変換装置の他の実施の形態を示した図である。図4に示したエネルギー変換装置60は、トロイダル状に形成されたトロイダル容器62内に、グリッド68と、酸素含有化学物質74とが配置されている。酸素含有化学物質74としては、本発明の特定の実施の形態では、MgOを使用できるが本発明では、MgOに限定されるものではない。酸素含有化学物質74には、光透過性ウィンドウ76から、レーザ光線LBが照射されている。この際に用いることができるレーザ光線は、上述したレーザを使用して生成させることができる。レーザ光線LBは、レンズといった集光光学系64を通して酸素含有化学物質74へと集光されていて、酸素含有化学物質74を分解してプラズマ78を生成させている。プラズマ78は、本発明の特定の実施の形態では、Mg+を含んでいて、対応する電荷バランスを与える負イオンが形成されている。
<Section 3: Energy converter using laser reduction>
FIG. 4 is a diagram showing another embodiment of the energy conversion device of the present invention. In the
また、エネルギー変換装置60のトロイダル容器62には、生成したプラズマ78を磁気閉じこめが可能なように、磁場がトロイダル容器62の周方向に沿って印加されている。このため、プラズマ78内の荷電粒子は、(∇B/B)RsUで与えられる速度でドリフト運動する。上記式中、Bは、磁場強度、∇Bは、磁場の空間勾配、Rsは、ラーモア半径(磁場中の旋回半径)、Uは、荷電粒子の旋回速度である。このため、図4の構成において、グリッド66に電位を生成させることにより、正負の荷電粒子は、ラーモア半径で互いに反対方向にドリフト運動を行いながら移動して電流を生成する。図4に示したエネルギー変換装置60は、この電流を、ハーメチック・シールなどを使用してトロイダル容器62の外へと導出し、キャパシタ70に蓄積している。
Further, a magnetic field is applied to the
本発明において使用される磁場の強度は、概ね10T以下とすることができ、一定時間キャパシタに蓄積された電荷は、負荷72へと供給され、負荷を駆動させる。このため、本発明のレーザ還元を行う際に生成する荷電粒子を使用することにより、化学−光エネルギーを、電気エネルギーへと変換することが可能となる。また、トロイダル容器62には、カチオンを与える金属を回収する回収容器68が形成されていて、Mgといった金属を回収し、同時にアニオンから生成した気体が、排気ライン80を介してトロイダル容器62の外部へと排出されている。
The intensity of the magnetic field used in the present invention can be approximately 10 T or less, and the electric charge accumulated in the capacitor for a certain time is supplied to the
図5は、グリッド66の間をドリフト運動する荷電粒子の様子を示した模式図である。グリッド66は、上側がグランドに接地されており、プラズマ78において発生した陽イオンが下側へと、ラーモア半径のドリフト運動を行いながら移動し、陰イオンがラーモア半径のドリフト運動を行ないながら、上側へと移動しており、グリッド間に電流を生成させている。グリッド66は、適切なメッシュとして形成されていて、陽イオンの放電および通過を可能としている。なお、本発明では、グリッド66に適切な電位差を設定することもできる。
FIG. 5 is a schematic diagram showing a state of charged particles that drift between the
図6は、本発明により形成されたプラズマ中で観測された陽イオン種の発光スペクトルを示す。図6では、Nd3+:YAGレーザ(パルス出力0.3J、パルス幅5ns)をMgOターゲットに照射して形成された、約10000K程度に相当するプラズマについて得られたMg+の発光スペクトル(MgII、448.1130nm、2P6 4f−2p6 3d、およびMgI、518.36042nm、3s4s−3s3p)である。図6に示されるように本発明によりトロイダル容器内に封じ込めたプラズマから、Mg+の発光が明確に観測され、レーザ照射により生成したプラズマ中に荷電粒子を生成させることができることが示された。 FIG. 6 shows the emission spectrum of a cationic species observed in a plasma formed according to the present invention. In FIG. 6, an emission spectrum of Mg + (MgII, obtained for a plasma corresponding to about 10,000 K, formed by irradiating an MgO target with an Nd 3+ : YAG laser (pulse output 0.3 J, pulse width 5 ns). 448.1130 nm, 2P6 4f-2p6 3d, and MgI, 518.36042 nm, 3s4s-3s3p). As shown in FIG. 6, the emission of Mg + was clearly observed from the plasma confined in the toroidal container according to the present invention, and it was shown that charged particles can be generated in the plasma generated by laser irradiation.
<セクション4:水素生成装置−第2の実施の形態>
図7は、本発明の水素発生装置の第2の実施の形態の本質的な構成を示した図である。図7に示した水素発生装置90は、ナトリウム(Na)、カリウム(K)、マグネシウム(Mg)、カリウム(Ca)、アルミニウム(Al)、亜鉛(Zn)またはこれらのいかなる混合物などをH2Oにより酸化、逆にH2OをH2に還元することで水素を発生させる点では、図1などに示した水素発生装置と共通する。特に、図7に示した第2の実施例では、粉末状のMgなどの材料ではなく、フィルム状、プレート状、フレーク状、切片状の材料を連続的に水素発生装置内に導入し、水素を発生させる。
<Section 4: Hydrogen Generator—Second Embodiment>
FIG. 7 is a diagram showing an essential configuration of the second embodiment of the hydrogen generator of the present invention. Hydrogen generating apparatus shown in FIG. 7 90, sodium (Na), potassium (K), magnesium (Mg), potassium (Ca), aluminum (Al), zinc (Zn) or of H 2 O, such as those of any mixture It is common with the hydrogen generator shown in FIG. 1 and the like in that hydrogen is generated by oxidation, and conversely, H 2 O is reduced to H 2 . In particular, in the second embodiment shown in FIG. 7, instead of powdery material such as Mg, film-like, plate-like, flake-like, and slice-like materials are continuously introduced into the hydrogen generator, Is generated.
より詳細に図7を説明すると、図7に示した水素発生装置90は、反応容器92と、反応容器92内に挿通され、H2Oを反応容器92内に導入するための導入管94とMgといった材料を導入するためのフィーダ96とを備えている。反応容器92などは、SUS304、SUS316、SUS321、SUS329、SUS309、SUS310、SUS317、SUS405、SUS347、SUS420、SUS410などの材料から形成することができ、O−リング、メタルシールなどの適切なシール手段を使用して外界からの密閉性を確保することができる。H2Oは、好ましくは高温・高圧の水蒸気の状態で反応容器92の内部へと導かれ、導入管94から排出された位置で図7に示した実施の形態では、フィルム状に形成されたMgと接触して酸化反応を生じさせている。
Referring to FIG. 7 in more detail, the
酸化反応の結果としてMgOとH2とが生成する。生成したH2は、排気管114を介して反応容器92の外部へと導出され、燃料電池へと直接、または水素吸蔵合金などに蓄積するために供給されている。一方、図7に示した水素発生装置90は、内部を通して延び、互いに重合したメッシュから形成された篩い108を備えている。篩い108は、反応容器92の外部に配置されたモータ110などにより紙面左右方向に往復運動されていて、生成した塊状のMgOを解砕して所定の粒径の粉体112として反応容器92の下側に蓄積させる。
As a result of the oxidation reaction, MgO and H 2 are formed. The generated H 2 is led out of the
また、Mgといった材料のフィルム、プレート、フレーク、切片などは、フィーダ96を通して反応容器92内に導入されるが、フィーダ96は、フィルム、フレークなどの形状に適合した供給能力を有している限り、いかなるものでも用いることができる。例えば、Mgなどをフィルムまたはプレートとして反応容器92内に導入する場合には、フィーダ96としては、ダイを使用することができる。また、本発明では、ダイに導入される前にMgなどが空気酸化されてしまわないようにフィルム、プレート、フレーク、切片状のMgなどの材料は、供給室98に別に収容しておくことができる。
In addition, films, plates, flakes, slices, and the like of materials such as Mg are introduced into the
収容室98の内部は、N2、Arなどの適切な不活性ガスにより置換することが好ましい。本発明で使用することができる材料は、フィルムまたはプレートとする場合には、0.1〜数mm厚とすることができ、フレークとする場合には、長径を数mm〜数cmとすることができる。本発明では、供給するH2Oの量と材料フィルムなどの供給量とを制御することにより発熱量の他、生成させるH2の量を制御することが可能となる。また、発熱量を制御する目的で酸化反応が吸熱または発熱量がMgよりも小さい材料、例えば亜鉛を混合することもできる。
The inside of the
収容室98の内部には、材料ロール104と、搬送ローラ102とが配置されていて、反応容器92内での材料の酸化・消耗の程度に応答して、フィルム状またはプレート状の材料100を反応容器92内に供給している。なお、本発明のさらに別の実施の形態では、材料ロール104を回動させ、常にフレッシュな表面を有する材料を提供するため、切削刃を収容室98内に配置し、材料ロール104の回動力を、反応容器92から排出されるH2または熱を使用して得ることもできる。生成したMgOなどの酸化物の粉体112は、図示しない排出口から定期的または所定量蓄積するごとに回収され、レーザ還元によるエネルギー変換などに提供される。
A
図8は、本発明の水素生成装置の第2の実施の形態のより詳細な構成を示した図である。図8に示した水素生成装置120は、反応容器124と、反応容器124を包囲して反応容器124からの熱を交換するための熱交換ジャケット122とを備えている。熱交換ジャケット122には、冷媒(水)の供給ライン130がバルブ128を介して連結されている。バルブ128は、例えば3方バルブとすることができ、その停止位置に応答して冷媒の供給モードと、供給ライン132を接続して熱交換−水蒸気供給モードとを相互に切り換えることができる。供給ライン132の先端は、反応容器124の内部へと導入され、熱交換により生成した水蒸気(〜200℃)を反応容器124の内部へと導入している。
FIG. 8 is a diagram showing a more detailed configuration of the second embodiment of the hydrogen generator of the present invention. The
また、図8に示した実施の形態では、反応容器124の内側壁に沿ってMgといった材料のプレートまたはフィルムが、上部に設けられた導入スリット(図示せず)およびフィード機構(図示せず)を用いて供給されている。なお、本発明では、材料のプレート、フィルム、またはフレークなどは、処理を妨げない配置でいかなる方法を使用しても導入することができ、内側壁に沿って材料を導入することは必ずしも必要とされない。一方、反応容器124には、タングステン(W)製などのスパークギャップ134が反応を持続させる温度を提供する初期燃焼を与えるための活性化手段として挿入されていて、初期の反応容器124内での材料の燃焼を生じさせることが可能とされている。
Further, in the embodiment shown in FIG. 8, a plate or film of a material such as Mg along the inner wall of the
本発明のさらに別の実施の形態では、スパークギャップ134の代わりに、YAGレーザ、半導体レーザ、太陽光励起レーザなどを、活性化手段として使用することができる。また、本発明は、高温下で水の還元反応が発熱反応として生成する金属を使用することが好ましく、この際、亜鉛といった水の還元反応に際して吸熱または発熱量の小さい材料を生成する材料を、反応制御添加物として使用することもできる。
In still another embodiment of the present invention, instead of the
反応容器124の上部には、締結手段の形成されたキャップ138が連結されている。キャップ138は、キャップ138から生成したH2を外部に排出させるための排出ライン140が延ばされている。キャップ138は、高温・高圧に耐えられる締結手段を使用して反応容器124に連結されている。このような締結手段としてはこれまで知られたいかなる手段でも用いることができるものの、具体的にはカクラ式ジョイントを挙げることができる。反応容器124の下側には、生成した酸化物を粉砕するための篩い126が形成されており、解砕された酸化物の粉体146は、篩い126の下側に形成された回収容器142に蓄積される。なお、本発明では、反応容器124と回収容器142との間は、フランジを使用して連結されていて、例えば、回収容器142に形成された観測窓から生成した粉体料をモニタして、所定料が蓄積した後に、ボルト・ナットにより締結された反応容器124と回収容器142とを分離して、粉体を回収することができる。
A
回収されたMgOなどの酸化物は、再度、図2などに示したレーザ還元法に供給されて、Mgなどの再生に使用することができる。また、図8の水素発生装置120により生成したH2は、燃料電池のための燃料に直接使用することができる。生成したH2は、より取扱性を向上させるため、水素吸蔵合金などに蓄積させ、燃料電池の燃料として使用することができる。本発明のさらに別の実施の形態では、余剰の水蒸気を蒸気タービンへと供給することにより、発電を行うことができる。蒸気タービンにより冷却された水は、再度供給ライン130へと循環され、反応容器124内で発生する熱の熱交換媒体として使用してもよい。
The recovered oxide such as MgO is supplied again to the laser reduction method shown in FIG. 2 and can be used for regeneration of Mg and the like. Further, H 2 generated by the
本発明では、反応容器124の熱交換を行う媒体として直接水を使用することができるが、冷却媒体として代替フロン、超臨界流体などの冷媒を水とは別に使用することにより、冷却効率の制御を可能とし、反応の制御性を高めることが可能となる。上述したように、本発明の図8に示した水素発生装置120は、水素供給源としてばかりではなく、無公害型内燃機関、無公害型発電機などに適用することが出来、環境負荷を著しく低減することが可能となる。
In the present invention, water can be directly used as a medium for performing heat exchange of the
また、本発明は、災害時における都市緊急ライフラインのために使用することができる。大震災の災害時には、ライフラインの確保と消火が重要であり、特に、東京、大阪、名古屋、福岡などの大都市でM7クラスの地震が起きれば、損壊家屋77%は、火災により失われると推定されている。このため、東京都などでは、1万2千箇所に防災用水を確保しているものの、災害時、消防車がここに到達するのは不可能と考えられる。 The present invention can also be used for an urban emergency lifeline in the event of a disaster. In the event of a major earthquake, securing lifelines and extinguishing fires are important. In particular, if an M7 class earthquake occurs in large cities such as Tokyo, Osaka, Nagoya, and Fukuoka, 77% of damaged houses are estimated to be lost by fire. Has been. For this reason, in Tokyo and other places, water for disaster prevention is secured at 12,000 locations, but it is considered impossible for fire trucks to reach here during a disaster.
本発明は、水と、自発燃焼性のないMgと、水との反応を利用した緊急ライフライン復旧装置としても使用することができる。本発明は以下の通り、緊急ライフライン復旧装置として機能する。 The present invention can also be used as an emergency lifeline restoration device using a reaction between water, Mg having no spontaneous combustibility, and water. The present invention functions as an emergency lifeline restoration device as follows.
(1)消火:Mgと水で発生する熱と、水素による熱とにより、ガスタービンを起動させ、防火用水からのポンプにより、自治体で消火活動にあたる。概ね、35cm角のMgの量で本発明生成した水素を燃焼させたガスタービン、ロータリーエンジン、レシプロエンジン、スターリング・エンジンなどを使用するとすれば、消防車の6〜8時間分の動力が確保できることになる。 (1) Fire extinguishing: A gas turbine is started by heat generated by Mg and water and heat by hydrogen, and fire extinguishing activities are carried out in a local government by a pump from fire prevention water. Generally, if you use a gas turbine, rotary engine, reciprocating engine, Stirling engine, etc., in which hydrogen produced in the present invention is combusted in an amount of 35 cm square Mg, you will be able to secure 6-8 hours of power for a fire engine. become.
(2)飲料水:Mgと水との反応時に発生する熱は、水を蒸発させることができるので、これにより、蒸留水を確保し、飲料水を提供する。例えば、防火用水を使用して、35cm角のMgの反応時の発熱により、水素の他、水蒸気が発生し、この水蒸気を凝集させることで、安全な飲料水800kgが生成可能となる。 (2) Drinking water: The heat generated during the reaction between Mg and water can evaporate the water, thereby securing distilled water and providing drinking water. For example, by using fire prevention water, heat is generated in addition to hydrogen due to heat generated during the reaction of 35 cm square Mg, and by condensing the water vapor, 800 kg of safe drinking water can be generated.
(3)電気:ガスタービン、ロータリーエンジン、レシプロエンジンの動力として水素を用いて発電を行い、電気を確保することができる。この場合、35cm角のMgで、1家庭の電気、1−2週間〜約1ヶ月分確保できると考えられる。 (3) Electricity: Electricity is generated by using hydrogen as power for gas turbines, rotary engines, and reciprocating engines to ensure electricity. In this case, it is considered that 35 cm square Mg can secure electricity for one household for 1-2 weeks to about 1 month.
(4)温水:上述した蒸留水の凝縮課程の熱を再生的に使用し、防火用水を沸かし風呂などの温水を確保することができる。本発明において、Mgのメリットは、ガソリンや重油のような引火性がないので、地中表面近くに埋めておき、簡単な遮蔽処理によって安全に貯蔵することができ、大災害時にも漏洩・爆発・安全衛生的な問題を生じさせることがないことにある。 (4) Hot water: Heat of the condensation process of distilled water described above can be used regeneratively to boil fire-proof water and ensure hot water such as a bath. In the present invention, the merit of Mg is that it is not flammable like gasoline and heavy oil, so it can be stored near the ground surface and stored safely with a simple shielding process.・ It does not cause health and safety problems.
<セクション5:レーザアブレーションを使用する還元装置>
図9は、本発明のレーザ還元装置のさらに他の実施の形態を示す。図9に示したレーザ還元装置150は、レーザ光線を入射させるウィンドウ160を備える容器152と、容器152内に、ヘリウム、アルゴン、窒素などの不活性ガスを噴射するノズル156とを備えている。容器152の下部には、塊状、粒状、ペレット状のMgO148が蓄積される。また、容器152の上部からは、レーザ光線162が、MgOへと照射され、MgOの適切な位置に集光されていて、レーザアブレーションによりMgOを溶融させている。
<Section 5: Reduction device using laser ablation>
FIG. 9 shows still another embodiment of the laser reduction device of the present invention. The
一方、ノズル156からは、高速の不活性ガスが、レーザ光線162により溶融したMgO148へと噴射されていて、2MgO→2Mg+O2として分解・生成したMgとO2とが再結合しないように分離している。生成した固体Mgは、不活性ガスの圧力により、容器152の内壁に付着し、以後に回収される。一方、生成したO2は、容器152の上部に配置された排気管およびバルブを通して容器152の外部へと導出される。なお、図9に示す本発明のレーザ還元装置150では、レーザ光線162を、矢線Aの方向に移動させて、MgOの溶融面積を増加させ、効率を向上させることができる。また、本発明では、不活性ガスの噴射により冷却させることがないように、不活性ガスを、高温としてから、容器152内に噴射させることができる。
On the other hand, a high-speed inert gas is injected from the
本発明によれば、環境に対して最小限の負荷を与えつつ、水素を必要に応じて生成し、貯蔵することを可能とするので、水素エネルギーのより汎用的な供給を可能とし、エネルギー・インフラ基盤を大きく変更することを可能とし、地球温暖化、化石燃焼の枯渇化といった問題に対して大きな貢献をなす、極めて産業上価値の高い水素生成装置、レーザ還元装置、エネルギー変換装置、および水素生成方法を提供することができる。また、本発明により生成された水素は、燃料電池用に提供することもできるが、発生した水素を直接内燃機関の燃料として適用することもでき、緊急ライフライン提供用にも適切に使用することができる。 According to the present invention, hydrogen can be generated and stored as needed while giving a minimum load to the environment, so that a more versatile supply of hydrogen energy is possible. An extremely industrially valuable hydrogen generator, laser reduction device, energy converter, and hydrogen that can greatly change the infrastructure and make a significant contribution to global warming and depletion of fossil combustion. A generation method can be provided. The hydrogen produced by the present invention can be provided for a fuel cell, but the generated hydrogen can be directly applied as a fuel for an internal combustion engine, and should be appropriately used for providing an emergency lifeline. Can do.
10…水素生成装置、12…反応容器、14…水素取出管、16…貯水槽、18…バルブ、20…開口、22…アクチュエータ、24…材料、26…水素貯蔵装置、30…レーザ還元装置、32…真空容器、34…ライン、36…ライン、38…光学系、La…レーザ、40…太陽光励起レーザ、42レーザ媒体、44…収容装置、46…全反射ミラー、48…ハーフ・ミラー、50…太陽光、52…光学要素、ARC…反射防止膜、54…コンデンサ、56…鋳造装置、58…地金、60…エネルギー変換装置、62…トロイダル容器、64…集光光学系、66…グリッド、68…回収容器、70…キャパシタ、72…負荷、74…ターゲット、76…光透過性ウィンドウ、78…プラズマ、80…排気ライン、LB…レーザ光
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記反応容器に水蒸気を間歇的に供給するための供給ラインと、
前記金属材料と水との初期燃焼を生じさせ、前記金属材料と水との反応を持続させるための活性化手段である、スパークギャップまたはレーザと、
前記金属材料と前記水蒸気との反応により生成した水素ガスを回収するための排出ラインと、
前記水蒸気を生成させるため前記反応容器からの熱を交換する熱交換ジャケットと、
を備え、前記供給ラインは、前記反応容器からの熱により生成した前記水蒸気を前記反応容器の内部に供給する、
水素生成装置。 A reaction vessel holding a metal material ;
A supply line for intermittently supplying water vapor to the reaction vessel;
A spark gap or a laser, which is an activating means for causing an initial combustion of the metallic material and water and sustaining the reaction of the metallic material and water;
A discharge line for recovering hydrogen gas generated by the reaction between the metal material and the water vapor ;
A heat exchange jacket for exchanging heat from the reaction vessel to generate the water vapor;
The supply line supplies the water vapor generated by heat from the reaction vessel to the inside of the reaction vessel.
Hydrogen generator.
前記水素貯蔵装置は、水素吸蔵合金を備える、請求項1に記載の水素生成装置。 The hydrogen generator includes a hydrogen storage device that stores the recovered hydrogen gas,
The hydrogen generation device according to claim 1, wherein the hydrogen storage device includes a hydrogen storage alloy.
前記金属酸化物を供給するためのラインと、
ケイ化鉄を供給する第2のラインと、
前記金属酸化物および前記ケイ化鉄を収容し、照射窓を備える真空容器と、
前記真空容器内部に前記照射窓を介して減圧下でレーザ光線を照射して前記金属酸化物を還元するレーザと
を備える、レーザ還元装置。 A laser reduction device for reducing the metal oxide generated by the hydrogen generation device according to any one of claims 1 to 3 to a metal using a laser beam,
A line for supplying the metal oxide;
A second line for supplying iron silicide;
A vacuum vessel containing the metal oxide and the iron silicide and provided with an irradiation window;
A laser reduction apparatus comprising: a laser that irradiates a laser beam inside the vacuum vessel through the irradiation window under reduced pressure to reduce the metal oxide.
前記水素生成装置が生成した水素ガスを用いてエネルギー変換を行うエネルギー変換装置と、
請求項4〜6のいずれか1項に記載のレーザ還元装置と、
前記レーザ還元装置により再生された金属材料を回収するための回収装置と、
を含む再生型水素生成装置。 The hydrogen generator according to any one of claims 1 to 3,
An energy conversion device that performs energy conversion using the hydrogen gas generated by the hydrogen generation device;
The laser reduction device according to any one of claims 4 to 6,
A recovery device for recovering the metal material regenerated by the laser reduction device;
Regenerative hydrogen generator.
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