JP6549000B2 - 水素イオン製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、α粒子線の電離作用を利用して水素イオンを生成する水素イオン製造装置に関する。

従来、水の電気分解による水素製造、炭化水素の水蒸気改質による水素製造が実施されている（例えば、特許文献１）。
特許５６６３２５４号公報

しかし、電気分解は、その前提として、何らかの方法で電力を発生させる必要があり、電力発生のための設備あるいは装置が必要である。水蒸気改質は、
天然ガスや液化石油ガスなどの炭化水素系の原料が必要である。そして、そのような設備や装置において、原料として化石燃料を使用する場合には、二酸化炭素を発生させ、環境に負荷をかけるという問題がある。また、いずれの方法も、設備が大規模あるいは複雑になるという問題があり、製造コストも高いという問題もある。

本発明はかかる問題の解決を試みたものであり、大規模あるいは複雑な設備を要することなく、環境負荷が低い水素イオン製造装置の提供を目的とする。

第一の発明は、超高周波によって、処理対象となる水の水クラスターを細分化するクラスター細分化手段と、水を水滴に細分化する水滴生成手段と、前記クラスター細分化手段及び前記水滴生成手段による処理を経た水に放射線を照射して、前記水から水素イオンを解離させる放射線照射手段と、を有する水素イオン製造装置である。

第一の発明の構成によれば、クラスター細分化手段及び水滴生成手段によって、クラスターが細分化された状態の水滴になる。そして、放射線照射手段は、細分化されたクラスターからなる水滴に放射線を照射して水分子から水素イオンを解離させる。本発明の構成によれば、水クラスターが細分化され、しかも、水滴にされるから、放射線が個々の水分子に到達する確率が格段に向上する。そして、クラスター細分化手段、水滴生成手段、放射線照射手段は、大規模あるいは複雑な設備を要することはないし、電力をほとんど使用しないから、環境負荷も低い。

第二の発明は、第一の発明の構成において、 前記放射線照射手段によって解離した水素イオンを透過させる水素イオン透過手段を有する水素イオン製造想定である。

第三の発明は、第一又は第二の発明の構成において、前記放射線照射手段は、α線を放射するα線放射体で構成される水素イオン製造装置である。

第三の発明の構成によれば、強力な電離作用を有するα線によって、水分子から水素イオンを解離させることができる。

第四の発明は、第一乃至第三の発明の構成において、前記放射線照射手段を通過することによって水素イオンが解離されなかった分子乃至イオンを、再度、前記放射線照射手段を通過させる水素イオン製造装置である。

第四の発明の構成によれば、水素イオンを含む分子乃至イオンに対して、繰り返し放射線を照射することができるから、原料の水を効果的に利用することができる。また、水素イオンを含むイオンは、水分子よりも小さな解離エネルギーで水素イオンが解離するから、より効果的に水素イオンを解離させることができる。

第五の発明は、第一乃至第四の発明の構成において、前記クラスター細分化手段は、超高周波を発生する物質で構成される水素イオン製造装置である。

第六の発明は、第一乃至第五の発明の構成において、前記水滴生成手段は、ノズル噴霧方式による噴霧装置で構成される水素イオン製造装置である。

第七の発明は、第一乃至第五の発明の構成において、水滴生成手段は、蒸気を生成する蒸気製造装置で構成される水素イオン製造装置である。

第八の発明は、第一乃至第七の発明の構成において、前記水滴生成手段によって生成された水滴と、前記放射線照射手段によって前記水から解離させられた水酸基とから弱アルカリ性の水を生成するアルカリ水生成手段を有する水素イオン製造装置である。

以上のように、本発明によれば、大規模あるいは複雑な設備を要することなく、環境負荷が低い水素イオン製造装置を提供することができる。

水素イオン製造装置１の全体図である。

本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。なお、液相の水、水蒸気、イオンの伝送方法など、当業者が適宜実施できる構成については説明を省略し、本発明の基本的な構成についてのみ説明する。

図１に示すように、水素イオン製造装置１は、第一装置１０、第二装置２０及び第三装置３０を有する。第一装置１０は水供給手段（図示せず）とパイプ５１によって接続されている。第一装置１０と第二装置２０とは、圧力ポンプ５３を有するパイプ５２によって接続されている。第二装置２０と第三装置３０とは、パイプ５５及び５６によって接続されている。第二装置２０は、また、水素イオンを取集する装置、あるいは、水素イオンを使用する装置（図示せず）とパイプ５４によって接続されている。

第一装置１０は、上部１０ａ、中間部１０ｂ及び下部１０ｃから構成される。

上部１０ａは、外部の水供給手段から、パイプ５１を介して水（Ｈ_２Ｏ）の供給を受ける。上部１０ａにおいて、水は全体として大きな液相のバルク水であり、水クラスターも大きい。水クラスターは、水分子同士が水素結合で結びついたものであり、上部１０ａ中のバルク水においては、例えば、８個の水分子が結合した八量体が優位に存在する。

中間部１０ｂには、高周波発生装置１１が配置されている。高周波発生装置１１は、クラスター細分化手段の一例である。高周波発生装置１１は、高周波を発生する物質で構成される多数の粒状物１１ｂが、上下の網１１ａ及び１１ｃによって保持されて構成される。粒状物１１ｂは、例えば、１テラヘルツ〜５０テラヘルツの超高周波を発生する。粒状物１１ｂは、例えば、９８．６％程度の高純度珪素、あるいは、モナザイト等の希土類を単独で、あるいは、複数種類を混合して形成する。個々の粒状物１１ｂは、例えば、直径が１ｍｍ〜１０ｍｍの球状であり、複数の粒状物１１ｂの間に隙間があり、水に対して、超高周波を効率的に照射あるいは振動を伝達できるようにするとともに、中間部１０ｂを水が通過するときの抵抗が小さくなるようになっている。中間部１０ｂを水が通過する間に、超高周波によって水クラスターが細分化される。なお、水クラスターが超高周波によって細分化されることは、例えば、特開２０１１−２２４５２９に記載されている。下部１０ｃには、中間部１０ｂによってクラスターが細分化された水が供給される。

第二装置２０は、下部２０ａ、第一中間部２０ｂ、第二中間部２０ｃ及び上部２０ｄから構成されている。

下部２０ａは、噴霧装置２１を有する。噴霧装置２１は、水滴生成手段の一例である。噴霧装置２１は、第一装置１０からパイプ５２を介して供給を受けた水を水滴化し、噴霧ノズル２１ａから微細な霧状の水滴を放出する。圧力ポンプ５３によって、水は、例えば、１〜２気圧の圧力を付与されて、噴霧装置２１に供給される。本実施形態の噴霧装置２１は、圧送式のノズル噴霧方式であるが、噴霧方式はこれに限らず、例えば、水と気体を混合して噴霧する二気方式でもよい。下部２０ａには、噴霧装置２１によって、霧状にされた水滴が供給される。下部２０ａに供給される霧状の水滴に含まれる水分子は、第一装置１０において水クラスターが細分化されている。噴霧装置２１としては、例えば、空円錐ノズル／微霧発生極小噴量形のＫシリーズ、ＫＢシリーズ、ＫＢＮシリーズ（いずれも、株式会社いけうち製）を使用することができる。

第一中間部２０ｂは、放射線照射装置２２を有する。放射線照射装置２２は、放射線照射手段の一例である。放射線照射装置２２は、１又は複数の放射線照射網から構成される。本実施形態においては、放射線照射装置２２は、放射線照射網２２ａ，２２ｂ，２２ｃ及び２２ｄから構成される。放射線照射網２２ａを構成する放射体は、酸化トリウムを主材とする。放射体は、公知の作用によって水分子にα線を衝突（接触）させて電離（イオン活性化）することができる。すなわち、水分子（Ｈ₂Ｏ）は水素イオン（Ｈ⁺）と水酸基（ＯＨ^-）とに電離する。本実施形態において、放射体は、４〜１０ＭeＶ／個程度の解離エネルギーを有するα線を放射するようにしている。これは、水分子（Ｈ₂Ｏ）の結合エネルギーよりも１０万倍〜８０万倍大きな解離エネルギーである。解離エネルギーをこのように設定することにより、水分子を確実に解離させることができる。

放射線照射網２２ａ等は、例えば、アルミニウム合金等の金属を心材とし、その上に、炭素を主成分とするポリマー等で構成される固着剤を塗布し、その固着剤にα線を放射する放射体（酸化トリウム）を固着して加熱焼成して形成する。放射線照射網２２ａ等の構造の一例については、例えば、本発明の発明者の一人の発明による特許第４９３８５０８号に記載されている。

放射線照射網２２ａ等の網目の形状は、例えば、正方形の格子状であり、その内形、すなわち、格子を構成する対向する辺と辺との距離は、α線の飛程距離（２５ｍｍ程度）を踏まえて設定される。具体的には、当該距離は、５〜３０ｍｍ程度が望ましく、本実施形態においては３０ｍｍである。これにより、放射線照射網２２ａ等を通過した水滴に、確実にα線が照射されるようになっている。さらに、下部２０ａ、第一中間部２０ｂの内壁にトリウムコーティングを施すことで、一層確実に、水滴にα線を照射することができる。なお、放射線照射網２２ａ等は、本実施形態においては格子状であるが、格子状に限らず、例えば、菱形状の網目であってもよいし、板状のものにパンチで多数の孔を空けた態様でもよい。また、放射線照射手段としては、トリウムを焼きつけ又はコーティングしたアルミニウム（Ａｌ）メッシュであってもよいし、網に替えて、トリウムコーティングしたビーズを上下の網で挟み込んで構成してもよい。

第一中間部２０ｂには、水クラスターが細分化された霧状の微細な水滴が供給されるから、個々の水分子にα線が直接照射される可能性が高い。α線は他の放射線に比べて電離作用は最も強いが、物質を透過する能力は弱いという性質があるところ、水滴は多数存在するから、他の水滴の影になって、α線が直接照射されない場合もある。そこで、放射線照射装置２２は、複数の放射線照射網２２ａ等を配置している。放射線照射網２２ａ等を複数配置していることで、例えば、第一段の放射線照射網２２ａを通過するときには、他の水滴の影になってα線が直接照射されなかった水滴についても、例えば、第二弾の放射線照射網２２ｂを通過するときには、他の水滴との配置が異なっている可能性が高いから、α線が直接照射される可能性も高くなる。本実施形態において、上述のα線の性質を踏まえて、水滴に直接的にα線が照射される確率が高くなるように、複数の放射線照射網２２ａ等を配置している。

第一中間部２０ｂにおいて、水分子（Ｈ₂Ｏ）がイオン化されて、第二中間部２０ｃには、水素イオン（Ｈ⁺）及び水酸基（ＯＨ^-）が流入する。なお、第一中間部２０ｂにおいて、すべての水分子がイオン化されるとは限らないから、水分子もある程度の確率で流入する。

第二中間部２０ｃに流入した水素イオン（Ｈ⁺）は、水素イオン透過膜２３を透過して、上部２０ｄに流入する。水酸基（ＯＨ^-）やイオン化されなかった水分子（Ｈ₂Ｏ）は、パイプ５５を通って、矢印Ｘ３に示すように第三装置３０に流入する。

水素イオン透過膜２３は、水素イオン（Ｈ⁺）のみを透過する膜である。水素イオン透過膜２３は、水素イオン透過手段の一例である。水素イオン透過膜２３としては、例えば、ナフィオン（登録商標）、フレミオン（登録商標）、アシプレックス（登録商標）、ネオセプタ（登録商標）などのポリパーフルオロスルホン酸系樹脂製の膜や、ホスホン酸基、カルボン酸基又はボロン酸基を有する高分子材料から成る固体高分子電解質膜または水素イオン伝導性ガラス等を使用することができる。

上部２０ｄに流入した水素イオンは、パイプ５４を通って、外部の水素イオン収集装置（図示せず）あるいは、燃焼エンジン（図示せず）に供給される。

第三装置３０ｃに流入した水酸基（ＯＨ^-）やイオン化されなかった水分子（Ｈ₂Ｏ）は、矢印Ｘ４に示すように、パイプ５６を通って、第二装置２０の下部２０ａに供給され、再度、第一中間部２０ｂに配置された放射線照射装置２２を通過して、イオン化される。

第二装置２０の下部２０ａに供給された水滴の一部はパイプ５７を通って下部２０ａから排出され、一方、第三装置３０の水酸基の一部はパイプ５８を通って第三装置３０から排出され、パイプ５９にて水滴と水酸基が交わり、弱アルカリ性（約８〜９ｐｈ）の水となる。この弱アルカリ性の水は、パイプ５９から排出されて、アルカリ水収集装置（図示せず）に取集される。ここで、第二装置２０の下部２０ａに供給された水滴は、クラスターが細分化されたうえで霧状の水滴になっているから、水酸基が付加されると、良質なアルカリ水になる。パイプ５７、５８及び５９はアルカリ水生成手段の一例である。

以下、水（Ｈ₂Ｏ）が水素イオン製造装置１に供給されて、水素イオン（Ｈ⁺）が製造されるまでの工程の概略を説明する。

バルク水（Ｈ₂Ｏ）がパイプ５１を通って、第一装置１０に供給されると、高周波発生装置１１によって、水クラスターが細分化される。そして、水クラスターが細分化された水（Ｈ₂Ｏ）は、第二装置２０の噴霧装置２１によって霧状の水滴にされ、放射線照射装置２２を通過する際にα線の照射を受けて、水素イオン（Ｈ⁺）と水酸基（ＯＨ^-）に電離する。水素イオン（Ｈ⁺）と水酸基（ＯＨ^-）は第二中間部２０ｃに流入し、水素イオン（Ｈ⁺）は水素イオン透過膜２３を透過して、パイプ５４を通って外部装置（図示せず）に供給される。一方、水酸基（ＯＨ^-）は、パイプ５５を通って第三装置３０に供給され、パイプ５６を通って、再度、第二装置２０の下部２０ａに流入する。

次に、水素イオン製造装置１を小型化したものを自動車のエンジンに装着して実験した得た排ガス組成及び燃費の変化のデータを示す（表１）。ただし、実験で使用した水素イオン製造装置１は、図１の水素イオン製造装置１から、パイプ５７、５８及び５９を省略した構造である。

表１に示すように、水素イオン製造装置１を装着して水素イオンをエンジンに供給した場合、炭化水素（ＨＣ）は約７０％減少し、一酸化炭素（ＣＯ）は約８５％減少し、一酸化窒素（ＮＯ）は約７５％減少し、燃費は約５５％向上した。また、軸出力は、１２００ｒｐｍにおいて約５％、１６００ｒｐｍにおいて約６％、２０００ｒｐｍにおいて約９％向上した。

以上のように、本実施形態において、α線の照射による電離を効果的に実施するために、水クラスターを細分化し、さらに、水を霧状の水滴にする構成を有し、さらに、α線を確実に水滴に照射する構成を有している。また、本実施形態の基本的な構成中、駆動部は圧力ポンプ５３だけであり、他の基本的な構成は、いずれも水（Ｈ₂Ｏ）、水素イオン（Ｈ⁺）及び水産基（ＯＨ^-）を通過させるだけであるから、装置の構成は簡潔である。このため、上記実験のように、水素イオン製造装置１を小型化して、自動車などの移動体に搭載することも可能である。

なお、本発明の水素イオン製造装置１は、上記実施形態に限らず、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加えることができる。例えば、水素イオン製造装置１において、パイプ５１を介して第一装置１０に供給する水を水蒸気とし、噴霧装置２１を省略する構成としてもよい。蒸気の製造は、例えば、ボイラーやバイオマス発電の余熱を利用したり、工場から廃棄される水蒸気を利用したり、大規模工場の煙突排出口から出る水蒸気を利用してもよい。あるいは、超音波を利用して常温水から蒸気を発生させてよいし、常温水に１８度以上の温度差を付与することで蒸気を発生させてもよいし、温泉などの天然の水蒸気を利用してもよい。また、第二装置２０の第二中間部２０ｃに水酸基を吸着する触媒を配置して、水酸基を吸収し、第三装置３０を省略する構成としてもよい。このような構成にすれば。水素イオン製造装置１は、一層小型化が可能になる。また、水素イオン製造装置１の第二装置２０の第二中間部２０ｃに、例えば、電極を配置するなどして、電子プラズマや静電気を供給することで、水素イオンに電子を付与することによって、水素分子(Ｈ₂)とし、水素イオン透過膜２３に替えて水素（Ｈ_２）透過膜を配置して、上部２０ｄには水素が供給されるようにしてもよい。さらに、水素イオン製造装置１の第二装置２０に空気を供給し、空気中の窒素（Ｎ_２）をα線によって、酸素イオンと水酸基に分離して、エネルギーとして利用するようにしてもよい。この場合の反応は核の人工変化によるものであり、Ｎ＋Ｈｅ→Ｏ＋Ｈというラザフォードの理論に基づく。

１ 水素製造装置
１０ 第一装置
１１ 高周波発生手段
２０ 第二装置
２１ 噴霧装置
２２ 放射線照射装置
２３ 水素イオン透過膜
３０ 第三装置
５１，５２，５４，５５，５６，５７，５８．１９ パイプ
５３ 圧力ポンプ

Claims (8)

1. 超高周波によって、処理対象となる水の水クラスターを細分化するクラスター細分化手段と、
   水を水滴に細分化する水滴生成手段と、
   前記クラスター細分化手段及び前記水滴生成手段による処理を経た水に放射線を照射して、前記水から水素イオンを解離させる放射線照射手段と、
   を有する水素イオン製造装置。
2. 前記放射線照射手段によって解離した水素イオンを透過させる水素イオン透過手段を有する請求項１に記載の水素イオン製造装置。
3. 前記放射線照射手段は、α線を放射するα線放射体で構成される請求項１又は請求項２のいずれかに記載の水素イオン製造装置。
4. 前記放射線照射手段を通過することによって水素イオンが解離されなかった分子乃至イオンを、再度、前記放射線照射手段を通過させる請求項１乃至３のいずれかに記載の水素イオン製造装置。
5. 前記クラスター細分化手段は、超高周波を発生する物質で構成される請求項１乃至４のいずれかに記載の水素イオン製造装置。
6. 前記水滴生成手段は、ノズル噴霧方式による噴霧装置で構成される請求項１乃至５のいずれかに記載の水素イオン製造装置。
7. 前記水滴生成手段は、蒸気を生成する蒸気製造装置で構成される請求項１乃至５のいずれかに記載の水素イオン製造装置。
8. 前記水滴生成手段によって生成された水滴と、前記放射線照射手段によって前記水から解離させられた水酸基とから弱アルカリ性の水を生成するアルカリ水生成手段を有する請求項１乃至７のいずれかに記載の水素イオン製造装置。