JP5602462B2 - 金属ナトリウムと水の反応により水素ガスを発生させる装置及び水素ガスの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、金属ナトリウムを水中に投入することにより、水と反応させ、水素ガスを得る装置及び水素ガスの製造方法に関する。

水素ガスは燃料電池の燃料としての用途が開かれてから、クリーンなエネルギー源として急激に注目を浴びるようになってきた。

ここで、金属ナトリウムと水を反応させると水素ガスが発生することは良く知られている化学反応である。しかし、金属ナトリウム自体は種々の用途に用いられるような材料ではなく、水素ガス発生の実験材料として用いられているに過ぎなかった。これは、金属ナトリウムは非常に危険な物質であり、空気に触れると急激に酸化し、また、水と触れると急激に反応し水素ガスを発生しながら燃焼する。それゆえ、金属ナトリウムの取扱いは細心の注意を払う必要があった。

一方、ナトリウムは地殻中に６番目に多く存在する元素であり、工業的にも金属ナトリウムの生産技術は確立されている。金属ナトリウムは融点が約９８℃と低いうえに比重も１以下、比熱も約０．３と小さいという性質を持っているため、高速増殖炉の冷却材として用いられている。また、不活性ガス雰囲気中でアルコール類と反応させてアルコラートを製造することにも利用されている。

特開２００６−１２２８６４号公報 特願２００８−３３０１２６号明細書 特願２００９−８３０１５号明細書

上記のような観点から、水素ガスがクリーンなエネルギー源であることは分かっていても、金属ナトリウムと水との反応で発生する水素ガスを利用しようとする試みはあまりなされていないのが現状であった。これは金属ナトリウムの取扱いが性状においても、安全性の面からも非常に難しかったためである。すなわち、いかに安全に、金属ナトリウムを水と接触させて水素ガスを発生させるかどうかが問題であった。

本発明者らはこれらの課題を解決するため鋭意研究した結果、金属ナトリウムの成形体をギロチン式カッターなどで粒状もしくは薄い板状の細片にカットした金属ナトリウム片を水に投入して水素ガスを発生させる装置において、水槽の水を水流ポンプにより撹拌させることで金属ナトリウムを安全で効率良く水と反応させて水素ガスを発生させられることを見出し、特願２００９−８３０１５として出願した。

特願２００９−８３０１５の発明によって、金属ナトリウムと水を反応させて安全に水素ガスを得ることができるようになったのである。しかし、希れに、金属ナトリウム片が水層中に投入するための投入管壁に付着してしまい、水層まで落下しない事態が起こった。このような事態が発生すると、管壁に付着した金属ナトリウム片は空気と反応して酸化ナトリウムになったり、後から投入された金属ナトリウム片とくっついて付着物が大きくなり、金属ナトリウム片の落下を妨げる現象が起こると云う欠点があった。

この欠点を解決するため本発明者らは鋭意研究した結果、輸送管の中を上下動する昇降器の中に金属ナトリウム片を載置し、昇降器を下降させることにより、金属ナトリウム片を管壁に付着させることなく水放出パイプ内に到達させることができることを見出し、本発明を完成させた。

すなわち、本発明は、棒状もしくは板状の細片にカットした金属ナトリウムを密閉した水槽内の水層に供給して水素ガスを発生させる装置において、金属ナトリウム片を輸送する輸送管内を上下動する昇降器内に載置し、輸送管を水層の中まで延ばし、輸送管下部を水層中に設置した水流ポンプと水放出パイプの中間部に開けた穴に接続し、下降し、水放出パイプ内に到達した昇降器内の金属ナトリウム片を水流ポンプを起動させることにより、金属ナトリウム片を放出水と一緒に水層中に押し出すことにより、金属ナトリウムと水とを反応させることを特徴とする水素ガスを発生させる装置および方法に関するものである。

さらに詳しく言及すると、
（請求項１）
水層を収容する水槽と、金属ナトリウム片を載置して輸送する昇降器と、管内を前記昇降器が上下動する輸送管と、前記水層中に設けられ、運ばれてきた昇降器上の金属ナトリウム片を、放出する水と一緒に水層中に押し出す水流ポンプと、前記金属ナトリウム片と前記水層の水との反応によって生成させた水素ガスを取り出す取り出し口とを備え、前記水槽は輸送管の昇降器に金属ナトリウム片を供給する部分を除き密閉されていることを特徴とする水素ガス発生装置。
（請求項２）
一端が前記水流ポンプに接続され、前記水層中に設置される水放出パイプを更に備え、前記水放出パイプの他端と前記水流ポンプの中間部に前記昇降器が通過する穴が設けられ、前記水放出パイプに設けられた穴の部分で、前記水放出パイプと前記輸送管の下部他端が固定され、前記水流ポンプは前記昇降器で運ばれてきた金属ナトリウム片を、前記水放出パイプの前記他端から押し出すことを特徴とする請求項１記載の水素ガス発生装置。
（請求項３）
前記水層の水面には油膜が形成されていることを特徴とする請求項１記載の水素ガス発生装置。
（請求項４）
前記水層の水面には油膜が形成されていることを特徴とする請求項２記載の水素ガス発生装置。
（請求項５）
請求項１乃至４のいずれかに記載された水素ガス発生装置を用いて、前記水層に前記昇降器を用いて金属ナトリウム片を前記水放出パイプ内に輸送する工程と、前記昇降器に載置された金属ナトリウム片を昇降器到達領域から水流によって遠ざける工程とを含むことを特徴とする水素ガス製造方法。
である。

本発明によれば、金属ナトリウムと水とを反応させることで水素ガスを発生させることができ、新しいエネルギー源として活用することができる。石油資源等が乏しいか皆無の国においても、容易にエネルギー源を確保することができる。金属ナトリウムは食塩電解法やアマルガム法にて得ることができる。

本発明の水素ガス発生装置を示す概略図。 本発明で使用する昇降器の構造を示す概略図。

以下に本発明を図面を交えながら説明する。本発明では使用する金属ナトウリムが水と反応し易いように金属ナトリウムを細片にカットする。金属ナトリウムを細片にカットする好ましい一態様としてはギロチン式カッターを用いることができる。もちろん他の切断装置を用いることもできる。ここではギロチン式カッターを使用した場合について説明する。ギロチン式カッターは市販されているタイプのものが使用できる。すなわち、カムの駆動とバネにより上刃が上下し、上刃と下刃との間に供給される物をカットするタイプのものである。

供給ベルトなどに乗せられた金属ナトリウムは上刃の上がっている時に上刃と下刃の間に押し出される。カッターの出側にはカッターの上刃を落下させる働きをするカムの駆動装置と電線で繋がれている金属製のストッパーが設けられている。押し出された金属ナトリウムが所定の位置まで突き出た時、光センサの切断信号が検出され、その信号を受けて上刃が落下するように設定されている。金属ナトリウムが切断されると電流が流れなくなり、カムの駆動装置がオフになって、上刃を吊り下げているバネの力で上刃は引き上げられる。このように金属ナトリウムの１回の切断量がコントロールされている。

図１に水素ガスを発生させるための装置の概略を示す。ギロチン式カッター２０に供給されカットされた金属ナトリウム片１は水２を入れた水槽３に差し込まれた輸送管４内を上下動する昇降器５が最上部位置に停止する部分の輸送管壁に開けられた投入口６から昇降器内に供給される。図１には、昇降器が金属ナトリウムが供給される位置にある場合と、下降して水放出パイプの底部にある場合を示している。

図２に昇降器５の概略を示している。昇降器は上下２枚の網状の皿と複数の支持体及び支持棒で構成されている。上皿７と下皿８の間には複数の支持体９があり、上下２枚の網状の皿の位置を固定している。下皿の中心部に設置された支持棒１０は上皿７の中心部を貫通しており、昇降器を上下動させる動力源に繋がっている。２枚の皿は網状のものが好ましく、上皿は昇降器が水中に入った際、金属ナトリウム片が浮き上がってくるのを防ぐ働きをし、下皿は金属ナトリウム片を載置して水層に運ぶ働きをする。上下動にともなって発生する水との抵抗を少なくするため、皿は網状にすることが好ましい。昇降器の上下動は、このようなカムと支持棒によるものや、昇降器上部にワイヤーを取り付け、巻上機により上下動させるもの、あるいはラックアンドピニオンギアを用いてモーターの正逆回転により昇降させる方法を用いることができる。ラックアンドピニオンギアを用いた方法については、例えば、昇降器にラックを備えた部材を設置し、ピニオンギアの正逆回転により上下動させることができる。

昇降器の皿の大きさは輸送管の内寸より少し小さめにするのが良い。皿の大きさが輸送管内寸とほとんど同じだと、管壁と擦れて上下動の妨げになるし、あまり小さいと左右方向への動きが発生して好ましくないからである。支持体は皿の周縁部に設置し上下皿の間隔をほぼ一定に保てれば良いが、水流ポンプからの水の流れを阻害しない部位に設置する。本願の図面では、棒状のもので示している。中心部の支持棒は昇降器を支えるに必要な強力を持ち、上下動の際、撓まない程度の剛性を有する材質のものが選ばれる。また、これらの支持体及び支持棒は濃厚なアルカリ液に浸るので、耐アルカリ性を有するものから選ばれる。例えば、耐アルカリ性を有するプラスチック製のもの、耐アルカリ性を有する金属棒が使用される。皿の網目の大きさは、金属ナトリウム片が擦り抜けなければ良く、皿の材質も耐アルカリ性が必要である。

カッターなどでカットされた金属ナトリウム片は昇降器が最上部に停止する位置の輸送管壁に開けられた投入口６から昇降器に供給され、下皿上に載置された状態で水中に運ばれる。水槽には空気遮断効果を有する油が加えられており、水層面上に薄い油膜１１が形成されている。油膜の厚みは空気を遮断する効果が出る厚みで良く、あまり厚いと発生した水素ガスが通りにくくなるので好ましくない。油膜の厚みは１ｍｍ程度で十分である。

輸送管は耐アルカリ性を有する材質の物なら何でも用いられる。例えば、耐アルカリ性を有する合成樹脂製の管、ガラス製の管、金属製の管などが好ましく用いられる。輸送管の下端部は水面下にあるため、管内の水層の上面にも油膜面がある。輸送管の下端部は開口している。水槽の水層中には水流ポンプ１２が設置されている。水流ポンプには水放出パイプ１３が取付けられており、該パイプの他端から水を放出するようになっている。水放出パイプの水放出口（パイプ先端）と水流ポンプの中間部に穴が開けられていて、輸送管の下端部と固定してある。固定するには接着剤を使用することができる。金属ナトリウム片を載置している昇降器は輸送管内を下降して水放出パイプの底部に達する。運ばれてきた昇降器上の金属ナトリウム片は直ちに水流ポンプから放出される水と一緒に水層中に押し出される。水流ポンプの設置位置は水層中ならばどの位置でもよいが、水面下１〜１０ｃｍの位置に設置するのが好ましい。

輸送されてきた金属ナトリウム片は水流ポンプの水の放出とともに直ちに水層中に押し出されるため、水と反応して発生した水素ガスは輸送管内を逆流することもなく、ガス取出し管１４に導かれることになる。水流ポンプを回転させない場合、金属ナトリウム片は輸送されてきた水放出パイプ内の位置で水と反応し、水素ガスを発生させる。発生した水素ガスは輸送管内を逆流することもあり、危険を生じることもある。水流ポンプを運転することにより、輸送されてきた金属ナトリウム片を水流ポンプからの水流で直ちにその位置から移動させることができ、先に述べた危険を回避できるのである。

発生した水素ガスは、水槽の上部に設けられたガス取出し管１４から取出され、水の入ったストレーナ１５を通して水などの不純物を取り除いてからガス取出し管１７を通して貯蔵タンク（図示していない）に貯えられる。ストレーナ内には隔壁１６が設けられており、導かれてきた水素ガスは逆流することなく貯蔵タンクへのガス取出し管１７に導かれ貯蔵タンクに貯えられる。貯蔵タンク内は３気圧程度に調整されている。貯蔵タンクには圧力センサが取付けられている。圧力センサで感知された信号は、圧力スイッチに送られ電源をオン・オフして、金属ナトリウムの供給装置を駆動したり止めたりする。供給装置がギロチン式カッターの場合は、貯蔵タンク内の圧力が制限値より大きくなると、センサが働いてスイッチを切り、供給装置の動きを止めてカッターへの押出し動作を止める。これにより金属ナトリウムの水への投入が止まり、過剰な水素ガスの発生を抑えることができる。また、貯蔵タンクへのガス取出し管１７には逆流を防止するための弁１８が設けられている。

貯蔵タンクに集められた水素ガスは、種々の用途に使用するために次の工程に送られる。例えば、内燃機関である水素エンジンの燃料として使用できるし、燃料電池の燃料、化学品の合成原料として用いることができる。

水流ポンプは市販のポンプを使用することができる。

金属ナトリウムと反応して水素ガスを発生させた槽中の水には、ナトリウムが溶解するため、徐々に水酸化ナトリウムの量が増加する。このため槽の底部の排水管に取り付けた排水弁１９から水酸化ナトリウムの溶液を抜き取った後、新たに水と油類の混合液を排水管より槽に供給して元の状態に復元する。抜き取られた水酸化ナトリウムを多量に含む水は、濃縮して金属ナトリウムを回収する原料として利用することができる。

金属ナトリウムの製造は、溶融食塩などの電気分解法やアマルガム法で得られるが、そのために使用する電力は本発明者らが先に特願２００７−１３９７８８や特願２００７−１５６２８４にて提案した太陽熱を利用して発電した電気を使うことができる。そのため、本発明は石油資源やその他のエネルギー資源が乏しいか全く持たない国々にとって、エネルギー源確保という面から多大な貢献をする発明である。

以下、本発明を実施例により具体的に説明する。

（実施例１）
図１に示すような装置を用いた。自家製のギロチン式カッターを用いて棒の金属ナトリウムを切断し、金属ナトリウム輸送管に穿けられた投入口から昇降器の下皿の上に落とし込んだ。輸送管の内部には金属ナトリウム片を載置して上下する昇降器が設置されている。輸送管の下部は水流ポンプに接続されている放出パイプに繋がれている。繋がれている部位は水流ポンプと放出パイプの先端の中間部に開けられた穴の部位で、輸送管の下部先端とを接着剤で固定した。水流ポンプはセンダック社製タイプＦＰ−１５Ｓを用いた。昇降器により運ばれてきた金属ナトリウム片は直ちに水流ポンプによって起こされた水の流れにより水層中に押出され、水素ガスの泡を吹き出しながら動き回った。

発生した水素ガスはストレーナを通して貯蔵タンクに貯蔵した。貯蔵タンクの内部圧上限を３気圧に設定しておいた。内部圧が３気圧近くになった時、圧力センサに接続した圧力スイッチが働き、ギロチン式カッターの駆動が止まり、金属ナトリウムの供給を止めることができた。貯蔵タンク内の圧力が３気圧よりかなり小さくなった時、圧力スイッチがオンになり、カッターの駆動が再開し、金属ナトリウムの供給が始まり、連続して水素ガスを発生させることができた。

以上説明したように、本発明によれば金属ナトリウムを安全に水と反応させて水素ガスを発生させることができる。水素ガスは内燃機関のガソリンの代替として有効なエネルギー源として使用できるし、燃料電池の燃料として、化学品合成の原料としても使用できる。

１ …… 金属ナトリウム片
２ …… 水（水層）
３ …… 水槽
４ …… 輸送管
５ …… 昇降器
６ …… 投入口
７ …… 上皿
８ …… 下皿
９ …… 支持体
１０ …… 支持棒
１１ …… 油膜
１２ …… 水流ポンプ
１３ …… 水放出パイプ
１４ …… ガス取出し管
１５ …… ストレーナ
１６ …… 隔壁
１７ …… ガス取出し管
１８ …… 逆流防止弁
１９ …… 排水弁
２０ …… カッター

Claims (5)

1. 水層を収容する水槽と、金属ナトリウム片を載置して輸送する昇降器と、管内を前記昇降器が上下動する輸送管と、前記水層中に設けられ、運ばれてきた昇降器上の金属ナトリウム片を、放出する水と一緒に水層中に押し出す水流ポンプと、前記金属ナトリウム片と前記水層の水との反応によって生成させた水素ガスを取り出す取り出し口とを備え、前記水槽は輸送管の昇降器に金属ナトリウム片を供給する部分を除き密閉されていることを特徴とする水素ガス発生装置。
2. 一端が前記水流ポンプに接続され、前記水層中に設置される水放出パイプを更に備え、前記水放出パイプの他端と前記水流ポンプの中間部に前記昇降器が通過する穴が設けられ、前記水放出パイプに設けられた穴の部分で、前記水放出パイプと前記輸送管の下部他端が固定され、前記水流ポンプは前記昇降器で運ばれてきた金属ナトリウム片を、前記水放出パイプの前記他端から押し出すことを特徴とする請求項１記載の水素ガス発生装置。
3. 前記水層の水面には油膜が形成されていることを特徴とする請求項１記載の水素ガス発生装置。
4. 前記水層の水面には油膜が形成されていることを特徴とする請求項２記載の水素ガス発生装置。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載された水素ガス発生装置を用いて、前記水層に前記昇降器を用いて金属ナトリウム片を前記水放出パイプ内に輸送する工程と、前記昇降器に載置された金属ナトリウム片を昇降器到達領域から水流によって遠ざける工程とを含むことを特徴とする水素ガス製造方法。