JP6761219B2 - 水素気球とその運転方法 - Google Patents

Description

本発明は、水素の浮力で空中に浮上する水素気球とその運転方法に関する。

一般に気球は、周囲の空気より軽い気体又は熱せられることで膨張し体積あたりの重さが周囲の空気より軽くなった空気を気嚢に充填し、その浮力により、空中に浮上する。

ヘリウム等の、周囲の空気より軽い気体を気嚢に充填して空中に浮上する気球（以下、軽ガス気球）を運転する際には、ゴンドラに搭載した錘（例えばバラスト）を捨てることにより上昇し、気嚢中のガスを捨てることにより降下していた。

一方、水素の浮力を利用した気球として、例えば特許文献１、２が開示されている。

特許文献１には、水の電気分解によって生成した水素をヘリウム嚢に供給することにより、ヘリウムの漏洩による浮力の減少を水素で補償する飛行体が開示されている。

特許文献２には、水素が充填された気嚢から燃料電池へ水素を供給する気球が開示されている。水素と酸素の反応により生成された水は、燃料電池の冷却水として利用される。

また、水素と酸素の混合ガスが自着火するか否かの境界の初期温度と初期圧力の関係等の水素の燃焼特性が複雑であることが、特許文献３に開示されている。
図１は、特許文献３に開示されている水素と酸素の混合ガスの断熱容器中での爆発限界を示すグラフである。この図において、横軸が温度（℃）、縦軸が圧力（ｔｏｒｒ）、斜線部分が爆発反応領域を示す。

図１において、断熱容器の温度を４８０℃に保った場合、水素は、図中のＵ点（圧力１ｔｏｒｒ）では、着火しない。水素は、圧力がＰ点（爆発第一限界Ｐ）以上になると、自着火する。この爆発第一限界Ｐの圧力は、反応容器の大きさや容器壁の表面状態によって異なることが知られている。Ｑ点（爆発第二限界Ｑ）とＲ点（爆発第三限界Ｒ）との間では、水素は再び着火しなくなる。爆発第三限界Ｒ以上の圧力になると、水素は、容器の状態に限らず安定して着火することが知られている。

特開２００２−２５５０９６号公報 特開２００２−１２７９９１号公報 越 光男、水素安全の基礎：水素の燃焼・爆発の化学反応機構、水素エネルギーシステム、一般社団法人水素エネルギー協会、２０１１年、Ｖｏｌ．３６，Ｎｏ．３、第５ページ〜第１３ページ

上述した軽ガス気球では、上昇する際に錘を捨て、降下する際にガスを捨てる。一旦、降下の際にガスを減らすと、ガスの補充手段が無いため、再び上昇できない。
そのため軽ガス気球は、上昇と降下を繰り返せなかった。

また、上述した特許文献１の飛行体はヘリウム嚢に水素を供給する。そのため、電気分解に使用できる水が無くなった後は、水素を発生させることができず、再び上昇できなかった。

特許文献２の気球は、気嚢の水素から燃料電池で発生した水を燃料電池の燃料としては使用しない。そのため気嚢の水素が無くなった後には、再び上昇することができなかった。

本発明は上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち本発明の目的は、長期間空中に浮上可能な水素気球とその運転方法を提供することにある。

本発明によれば、水素を貯留し水素の浮力でゴンドラを空中に浮上させる気嚢と、
水を貯留する水タンクと、
前記水を水素と酸素に電気分解する電気分解装置と、
大気中の酸素と前記気嚢中の水素とから水を生成させる水素利用装置と、を備え、
前記電気分解装置により発生した水素は、気体状態のまま前記気嚢に貯留され前記浮力の増加又は前記水素利用装置の駆動に再利用され、
前記電気分解装置により発生した酸素は、大気中に放出され、
前記水素利用装置により生成された水は、前記水タンクに貯留され前記電気分解に再利用される、水素気球が提供される。

また水素専用の水素用ポンプを備え、
前記水素用ポンプは、前記気嚢から前記水素利用装置へ送る水素又は前記電気分解装置から前記気嚢へ送る水素を、加圧して送気する。

また、前記電気分解装置と前記水素用ポンプとの間に該電気分解装置で発生した水素を一時的に貯留する水素タンクを有する。

また、前記水タンク、前記電気分解装置、及び前記水素利用装置を収容する格納室を備え、
前記格納室は、前記気嚢の下端部に該気嚢の内側と外側とを跨いで取り付けられ、前記気嚢との間で水素を出し入れし、大気から空気を取り込み大気に酸素を放出する。

また、前記水素利用装置は、酸素と水素とから発電する燃料電池、又は酸素と水素とを燃焼させる水素燃焼器である。

また、前記電気分解装置及び前記水素利用装置を制御する制御装置を備え、
前記制御装置は、上昇させるときに前記電気分解装置を駆動し、発生した水素を前記気嚢に貯留させ、発生した酸素を大気中に放出させ、
降下させるときに前記水素利用装置を駆動して前記気嚢内の水素と大気中の酸素とから水を生成させる。

また、マイクロ波又はレーザ光を介して外部から受電し電力を出力する受電装置又は太陽光発電し電力を出力する発電装置を備え、
前記電気分解装置は、前記電力により電気分解する。

また、前記気嚢は、その内腔を前後方向に複数に分ける複数の小気嚢を有し、
前記水素気球は、前記電気分解装置及び前記水素利用装置と各小気嚢との間にそれぞれ設けられた複数のバルブを備え、
前記制御装置は、前記バルブの開閉を制御することにより、水素を取り出す又は貯留する前記小気嚢を選択し、前記水素気球の姿勢を制御する構成としてもよい。

また、本発明によれば、水素を貯留し水素の浮力でゴンドラを空中に浮上させる気嚢と、
水を貯留する水タンクと、
前記水を水素と酸素に電気分解する電気分解装置と、
大気中の酸素と前記気嚢中の水素とから水を生成させる水素利用装置と、を備える水素気球の運転方法であって、
（Ａ）前記水素気球を上昇させるときに、前記電気分解装置で水素と酸素とを発生させ、水素を気体状態のまま前記気嚢に貯留させ、酸素を大気中に放出し、
（Ｂ）前記水素気球を降下させるときに、前記水素利用装置で前記気嚢内の水素と大気中の酸素とから水を生成し、前記水タンクに貯留し、
（Ｃ）前記（Ａ）と前記（Ｂ）とを繰り返す、水素気球の運転方法が提供される。

上述した本発明の装置と方法によれば、水素気球が、水素を貯留する気嚢、水タンク、電気分解装置、及び水素利用装置を備える。本発明は、電気分解装置により水を分解して生成された水素を気嚢に貯留し、酸素を大気中に放出し、大気中から酸素を取り込んで水素利用装置で水を生成し、水タンクに貯留する。そのため本発明によれば、水を電気分解に再利用し、水素を水素利用装置で再利用し続けることができる。つまり、電気分解装置と水素利用装置との間で、水素と水の水素原子を循環し続けることができる。
したがって本発明は、電気分解装置による電気分解と水素利用装置による水の生成とを繰り返すことができる。

電気分解装置が水を電気分解することにより、気嚢中の水素が増加するため、浮力が増し、水素気球は上昇する。
水素利用装置が大気中から取り込んだ酸素と気嚢中の水素を反応させ、水を生成することにより、気嚢中の水素が減少し、気嚢の浮力が減少する。それと共に、大気中から取り込んだ酸素の分だけ、水素気球の総重量が増加する。そのため水素気球は、降下する。

したがって、本発明は、電気分解装置と水素利用装置との間で水素原子を循環し、水と水素を再利用し続けることにより、上昇と降下を繰り返すことができる。また本発明の水素気球は、気嚢の浮力を燃料に依存しないため、電気分解装置と水素利用装置を駆動できる限り、必要に応じて昇降を繰り返しながら、長期間空中に浮上し続けることができる。

特許文献３に開示されている水素と酸素の混合ガスの断熱容器中での爆発限界を示すグラフである。 本発明の第１実施形態の水素気球の説明図である。 本発明の格納室の説明図である。 本発明の水素気球を上昇させるときの説明図である。 本発明の水素気球を降下させるときの説明図である。 本発明の第２実施形態の水素気球の説明図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

（第１実施形態）
図２は、本発明の第１実施形態の水素気球１の説明図である。
本実施形態の水素気球１は、例えば水素を浮力源にする気球又は飛行船であり、気嚢４、電源６、格納室８、及び制御装置２０を備える。水素気球１は、空気より軽いガスとして、水素Ｈを使用する。

気嚢４は、紐状部材で又は直接にゴンドラ２に連結されており、内部に水素Ｈを貯留し、水素Ｈの浮力でゴンドラ２を空中に浮上させる。本実施形態の気嚢４の内腔は、一つである。

電源６は、電力を出力する。電源６は、格納室内に設けられていてもよい。もしくは、例えば図２に示すように、電源６が格納室８とは別の場所（例えばゴンドラ２）に備えられ、電源６から格納室８へ延びる電源ケーブル６ｄで、電力を格納室８に送電してもよい。
電源６は、例えば電力を出力する受電装置６ａ又は発電装置６ｂであることが好ましい。しかし電源６の種類は、その他のものでもよい。

電源６が受電装置６ａである場合、受電装置６ａは、マイクロ波又はレーザ光を介して、水素気球１の外部（例えば遠方の施設）から受電し、その電力を電源ケーブル６ｄへ送電する。ここで「遠方の施設」とは、地上の施設や軌道上の発電衛星であってもよい。

電源６が発電装置６ｂである場合、水素気球１は、太陽電池フィルム６ｃを備える。太陽電池フィルム６ｃは、気嚢４の外面に貼り付けられてもよく、図２に示すように、ゴンドラ２の表面に貼り付けられていてもよい。また太陽電池フィルム６ｃは、太陽電池パネルであってもよい。

この構成により、発電装置６ｂは、太陽電池フィルム６ｃで太陽光発電し、その電力を電源ケーブル６ｄへ送電する。

例えば電源６は、図２に示すように、受電装置６ａと発電装置６ｂの両方を有していてもよい。それにより、水素気球１が空中に浮上する環境に応じて受電装置６ａと発電装置６ｂとを使い分けることができる。例えば日中は発電装置６ｂで発電し、夜間は受電装置６ａで受電してもよい。もしくは、マイクロ波等が届くときは受電装置６ａで受電し、届かないときは日中に発電装置６ｂで発電してもよい。

しかしこれに限らず本発明の水素気球１は、電源６として、受電装置６ａと発電装置６ｂのどちらか一方を有していてもよい。また、水素気球１は、電源６が発電装置６ｂのみである場合は、日中に発電した電力を充電し、その電力を夜間に使用するための充電器を搭載していてもよい。

この構成により電源６は、発電装置６ｂである場合は発電装置６ｂや太陽電池フィルム６ｃが故障するまで、受電装置６ａである場合には受電装置６ａが故障するか、マイクロ波等による給電が終了するまで、電源ケーブル６ｄへ送電し続けることができる。

これにより、電源６が受電装置６ａか発電装置６ｂであることにより、水素気球１は、電気分解装置１２、水素利用装置１４、制御装置２０、若しくは後述するバルブ２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄ（図３を参照）等を長期間駆動し続けることができる。

格納室８は、気嚢４の下端部に気嚢４の内側と外側とを跨いで取り付けられている。気嚢４と格納室８の間には、気密シール２８が設けられており、気嚢内の水素Ｈが大気中に漏れ出ないように構成されている。なお、水素気球１が飛行船である場合は、飛行船の気嚢４の下端部に取り付けられたゴンドラ２を、格納室８として使用してもよい。

図３は、本発明の格納室８の説明図である。
格納室８は、水タンク１０、電気分解装置１２、水素利用装置１４、水素用ポンプ１６、水素タンク１８、複数のバルブ２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄ、空気圧縮ポンプ２４、水ポンプ２６、ヒーター３０、復水装置３２を収容する。また格納室８には大気吸気口３４、水素吸排気口３６、酸素放出口３８、窒素放出口４０が開口する。

なお、水素用ポンプ１６と水素利用装置１４の間のバルブをバルブ２２ａ、水素用ポンプ１６と電気分解装置１２の間のバルブをバルブ２２ｂとする。これらのバルブ２２ａ、２２ｂは、水素Ｈが通過する配管を開閉する。また、水タンク１０と水素利用装置１４の間のバルブをバルブ２２ｃ、水タンク１０と電気分解装置１２の間のバルブをバルブ２２ｄとする。これらのバルブ２２ｃ、２２ｄは、水Ｗが通過する配管を開閉する。バルブ２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄは、例えば電磁弁であってもよい。

制御装置２０は、電気分解装置１２及び水素利用装置１４の駆動、複数のバルブ２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄの開閉、ヒーター３０の出力を制御する。また制御装置２０は、水素用ポンプ１６、空気圧縮ポンプ２４、若しくは水ポンプ２６の駆動、及び水素用ポンプ１６と水ポンプ２６の回転方向を制御する。

制御装置２０は、電源６の電力により、駆動することが好ましい。制御装置２０は、気嚢４の下端部（図３の例では、格納室８の内部）に設けられていてもよい。もしくは、図２に示すように水素気球１が気球である場合には、制御装置２０は、気嚢４に吊り下げられたゴンドラ２に設けられ、格納室８と制御装置２０との間で制御信号を出入力するケーブルが設けられていてもよい。

なお、図３に示した水素気球１の例は、制御装置２０が自動制御することを想定しているが、本発明の制御装置２０は、これに限らない。例えば制御装置２０が地上との通信装置を有しており、地上から、水素気球１の上昇と降下を遠隔操作できる構成となっていてもよい。

図３において、格納室８は、大気Ａとの間に大気吸気口３４、酸素放出口３８、及び窒素放出口４０を有し、気嚢４の内腔との間に水素吸排気口３６を有する。格納室８は、気嚢４との間で水素Ｈを出し入れし、大気Ａから空気を取り込み大気Ａに酸素Ｏを放出する。

大気吸気口３４は、水素気球１の周囲（大気Ａ）の空気を取り込む吸い込み口である。大気吸気口３４から吸い込まれた空気は、空気圧縮ポンプ２４で圧縮され、配管を介して水素利用装置１４へ送気される。これにより水素利用装置１４に、空気が供給される。水素利用装置１４は、この空気に含まれる酸素Ｏを、水素Ｈとの反応に使用する。

水素吸排気口３６は、気嚢４の内腔に連通する水素Ｈの吸気口兼排気口である。水素吸排気口３６は、配管を介して、水素利用装置１４と電気分解装置１２とに連結される。

電気分解装置１２は、電源６からの電力により、水Ｗを水素Ｈと酸素Ｏに電気分解する。電気分解装置１２には、水Ｗが溜まった容器と、２本の電極が設けられている。２本の電極は、電源６に接続されている。なお、水素利用装置１４が燃料電池である場合は、電気分解の電力として燃料電池の電力を併用してもよい。

電気分解装置１２は、水Ｗが入れられた空間が水中で連結して区切られている。２つの空間には、一方にマイナス極側の電極が、他方にプラス極側の電極が、水中に設けられている。

プラス極側の電極からは酸素Ｏが発生し、その空間の水面上に溜まる。プラス極側の空間の水面上には、酸素放出口３８に連通する配管が接続されている。酸素放出口３８は、水素気球１の外部（大気Ａ）に開口する排気口である。

プラス極側の水面上の空間には、空間の圧力を測定するセンサが取り付けられている。センサが測定した計測値は、制御装置２０に出力される。

この構成により、水Ｗから発生した酸素Ｏが大気中に捨てられるので、質量保存の法則により、捨てた酸素Ｏの分、水素気球１が軽くなる。

マイナス極側の電極からは水素Ｈが発生し、水面上のマイナス極側の空間に溜まる。マイナス極側の空間には、気嚢４の水素吸排気口３６へ続く配管が連結されている。

これにより、電気分解装置１２により水Ｗを分解して生成された水素Ｈは、気体状態のまま気嚢４に水素Ｈとして貯留され、浮力の増加又は水素利用装置１４の駆動に再利用される。

図３に示すように、気嚢４の手前（水素吸排気口３６と電気分解装置１２との間）の配管には、水素用ポンプ１６が設けられている。水素用ポンプ１６は、水素専用のポンプであり、電気分解装置１２により水Ｗを分解して生成された水素Ｈを加圧して気嚢４へ送気できる。それにより水素気球１は、気嚢４を積極的に膨らませて上昇することができる。

なお、本発明の水素用ポンプ１６は、図３に示すように、電気分解装置１２と水素利用装置１４の双方に連結され、水素用ポンプ１６と電気分解装置１２との間にはバルブ２２ｂが、水素用ポンプ１６と水素利用装置１４との間にはバルブ２２ａが設置されている。水素Ｈを流す方向に応じて、水素用ポンプ１６の回転方向と、バルブ２２ａ，２２ｂの開閉を切り替える。それにより、気嚢４に水素Ｈを送り込む時と、気嚢４から水素利用装置１４へ水素Ｈを送り込む時との両方に、同じ水素用ポンプ１６を使用できる。
したがって本発明の水素気球１は、水素用ポンプ１６を２台搭載する場合に比べて、格納室８を軽量化することができる。

例えば気嚢４から水素利用装置１４へ送気する場合には、水素用ポンプ１６は、電気分解装置１２から気嚢４へ送気する場合の逆方向に回転する。

また、水素気球１は、水素用ポンプ１６を備える場合、電気分解装置１２と水素用ポンプ１６との間に水素タンク１８を有することが好ましい。水素タンク１８は、電気分解装置１２により水Ｗを分解して生成された水素Ｈを一時的に貯留するタンクである。水素タンク１８には、内部の圧力を計測し、その計測結果を制御装置２０へ出力する図示しないセンサが取り付けられている。制御装置２０は、この計測結果に基づき、水素用ポンプ１６の駆動を作動又は停止させる。

上述のように、電気分解装置１２のプラス極側の空間上部は、酸素放出口３８に連結されている。そのため、水素用ポンプ１６は、電気分解装置１２のマイナス極側の空間、水Ｗ、及びプラス極側の空間を介して、水素気球１の外部の大気Ａに連通している。

そのため、仮に水素用ポンプ１６と電気分解装置１２が直接連結されていた場合、水素用ポンプ１６を駆動すると、電気分解装置１２のプラス極側（酸素側）の空間よりマイナス極側（水素側）の空間の方が低圧になる。それにより、水素用ポンプ１６が電気分解装置１２に貯められた水Ｗごと酸素Ｏも吸い上げるおそれがある。

そのため本発明の水素気球１は、水素タンク１８の内圧が電気分解装置１２のプラス極側の空間の内圧より低圧にならないように（水柱を所定の高さ以上に維持するように）、制御装置２０で調整しながら、水素用ポンプ１６を駆動する。このように本発明の水素気球１は、水素タンク１８を有することによりマイナス極側（水素側）の水柱の高さが設定した範囲内に維持できるので、酸素Ｏが水素Ｈの気嚢４へ混入するのを防ぐことができる。

この構成により本発明の水素気球１は、空気より軽いガスとして水素Ｈを使用しても、酸素Ｏと水素Ｈが水素利用装置１４ではない場所で混合するのを防ぐので、水素気球１の安全性を確保できる。

水素利用装置１４は、大気中の酸素Ｏと気嚢中の水素Ｈとから、水Ｗを生成させる装置である。水素利用装置１４は、酸素Ｏと水素Ｈとから発電する燃料電池であってもよく、又は、酸素Ｏと水素Ｈとを燃焼させる水素燃焼器であってもよい。

水素利用装置１４の酸素取り込み口は、大気吸気口３４に配管で連結されている。水素利用装置１４で使用する酸素Ｏは、大気吸気口３４から取り込んだ空気中の酸素Ｏである。

図３に示すように、大気吸気口３４と水素利用装置１４との間には、空気圧縮ポンプ２４が設けられていることが好ましい。上空の大気Ａは薄いため、その分、大気中の酸素濃度は、地上付近のそれよりも低くなっている。
そのため本発明の水素気球１は、空気圧縮ポンプ２４を有することにより、大気吸気口３４から積極的に空気を取り込み、圧縮した状態で水素利用装置１４に送り込むことができる。

また気嚢４と水素利用装置１４との間の配管にも、水素用ポンプ１６が設けられている。上述したように、気嚢４と水素利用装置１４との間の水素用ポンプ１６は、電気分解装置１２と気嚢４との間にあるものと同一のものであることが好ましい。

気嚢４と水素利用装置１４との間に水素用ポンプ１６を有することにより、気嚢４から水素利用装置１４へ送る水素Ｈを、加圧して送気することができる。

水素利用装置１４で水素Ｈと酸素Ｏを反応させるためには、水素利用装置１４の燃焼容器の温度と圧力の条件を揃える必要がある。水素利用装置１４での反応を安定して行うには、図１における爆発第三限界Ｒより高い圧力を燃焼容器にかけることが好ましい。

そのため、水素気球１は、水素用ポンプ１６と空気圧縮ポンプ２４を有することにより、水素利用装置１４の燃焼容器の圧力を高く維持できるので、水素Ｈと酸素Ｏの反応を安定化させることができる。

水素Ｈは、水素利用装置１４で酸素Ｏと反応し、水Ｗを生成する。水素利用装置１４から排出される水Ｗは、水蒸気Ｗ２として窒素ガスとともに排出される。

水素利用装置１４と電気分解装置１２は、復水装置３２と水タンク１０を介して、配管で連結される。

水タンク１０は、水素利用装置１４で生成された水Ｗを貯留するタンクである。

電気分解装置１２及び復水装置３２と水タンク１０との間には、水ポンプ２６が設けられる。水タンク１０と水素利用装置１４との間（図３の例では、水ポンプ２６と復水装置３２との間）には、バルブ２２ｃが設けられている。水タンク１０と電気分解装置１２の間（図３の例では、水ポンプ２６と電気分解装置１２との間）には、バルブ２２ｄが設けられている。

これらのバルブ２２ｃ，２２ｄの開閉と水ポンプ２６の回転方向を切り替えることにより、同一の水ポンプ２６で、水タンク１０に水Ｗを送り込み、又は水タンク１０から水Ｗを引き出すことができる。これにより、水タンク１０に水Ｗを送り込む用のポンプと引き出す用のポンプの２つを設ける場合に比べて、水素気球１を軽量化することができる。

水タンク１０には、ヒーター３０が取り付けられていることが好ましい。水素気球１は、高度２０〜３０ｋｍの位置を飛行する。例えば高度２０ｋｍの外気温度は、約−５６℃であり、高度３０ｋｍの位置ではさらに低温となっている。

そのため水素利用装置１４で生成された水Ｗは外気により、容易に凍ってしまう。電気分解をするためには、水Ｗが液体である必要がある。そのため水Ｗを０℃以上に保温し、液体の状態を維持するため、本発明の水素気球１は、水タンク１０や配管を保温するためのヒーター３０を備えることが好ましい。ヒーター３０は、例えば電源６の電力により作動するものであってもよい。また、水素利用装置１４が燃料電池である場合は、燃料電池の電力をヒーター３０に利用してもよい。

また、高度変更や時刻に応じてヒーター３０を加熱するスケジュール管理を制御装置２０で行ってもよく、常時保温し続けてもよい。

また、復水装置３２は、水Ｗが通る配管や水タンク１０に巻き付けられた配管であってもよい。これによって復水装置３２をヒーター３０として使用してもよい。この場合、水素利用装置１４から排出された水蒸気Ｗ２を含む燃焼ガスが復水装置３２を通過する間に水タンク１０と熱を交換する。それにより、復水装置３２の水蒸気Ｗ２は冷やされ、液体の水Ｗとなり、水タンク１０の氷は温められて液体の水Ｗとなる。それにより復水装置３２と水タンク１０を介して、水Ｗが、水素利用装置１４から電気分解装置１２へ滞りなく流れることができる。

復水装置３２がヒーター３０でない場合は、復水装置３２は、格納室８の外壁に近い位置に設けられていることが好ましい。水素気球１の周辺の大気Ａの温度は氷点下であるため、復水装置３２が外気の近くに配置されることにより、短時間で復水装置内の水蒸気Ｗ２を冷やし、液体の水Ｗにすることができる。復水装置３２は、窒素放出口４０と水タンク１０へ繋がる配管とに連結され、窒素ガスは窒素放出口４０から大気Ａへ放出される。液体となった水Ｗは、水タンク１０へ繋がる配管へ流れる。

このように、水素利用装置１４により生成された水Ｗは、水タンク１０に貯留され、必要なときに水タンク１０から引き出され、電気分解装置１２に送られる。これにより、水素利用装置１４で生成された水Ｗは、電気分解に再利用される。

この構成により、電気分解装置１２や制御装置２０を作動させる電力が途切れず、またはその他の装置が故障しない限り、上昇と降下を繰り返しながら、長期間空中に浮上し続けることができる。

図４は、本発明の水素気球１を上昇させるときの説明図である。この図において、黒いバルブ２２ａ，２２ｃは閉鎖しており、白いバルブ２２ｂ，２２ｄは開放されている。
図４に示すように本発明の制御装置２０は、水素気球１を上昇させるときに、電気分解装置１２を駆動し、発生した水素Ｈを気体状態のまま気嚢４に水素Ｈとして貯留させ、発生した酸素Ｏを大気中に放出させる。

具体的には、水タンク１０から電気分解装置１２に水Ｗを流すように水ポンプ２６を駆動させるとともに、バルブ２２ｄを開放し、バルブ２２ｃ、バルブ２２ｂ、及びバルブ２２ａを閉鎖する。

次いで、制御装置２０は、電気分解装置１２に電力を供給し、水Ｗを電気分解させ、酸素Ｏと水素Ｈを発生させる。また制御装置２０は、電気分解装置１２のプラス極側の空間の圧力と水素タンク１８の圧力とを比較する。それにより、水素タンク１８に水素Ｈが溜まる。

次いで、制御装置２０は、水素Ｈが十分に水素タンク１８に溜まったとき（水素タンク１８の圧力が電気分解装置１２のプラス極側の空間の圧力より十分に高くなったとき）に、水素用ポンプ１６を駆動させ、バルブ２２ｂを開放する。

制御装置２０は、電気分解装置１２のマイナス極側の水柱の高さが所定の高さを超えないように調整し、水素タンク１８の圧力が電気分解装置１２のプラス極側の空間の圧力より低くなったときに、水素用ポンプ１６の駆動を停止する。

これにより、電気分解装置１２の水Ｗが、電気分解装置１２と気嚢４とを繋ぐ配管に入り込むのを防ぐので、気嚢内で酸素Ｏと水素Ｈが混合するのを防ぐことができ、水素気球１の安全性が保たれる。

また制御装置２０がこのように水Ｗと水素Ｈの流れを制御することにより、水素気球内の水素原子の量を保ったまま、気嚢４の水素Ｈを増量させることができる。酸素Ｏは、大気中に放出される。それにより、水素気球１は、気嚢４の浮力が増し、上昇することができる。

図５は、本発明の水素気球１を降下させるときの説明図である。この図において、黒いバルブ２２ｂ，２２ｄは閉鎖しており、白いバルブ２２ａ，２２ｃは開放されている。
図５に示すように制御装置２０は、水素気球１を降下させるときに、水素利用装置１４を駆動して気嚢内の水素Ｈと大気中の酸素Ｏとから水Ｗを生成させる。

具体的には制御装置２０は、気嚢４の水素Ｈと大気中の空気を水素利用装置１４に供給するように空気圧縮ポンプ２４、水素用ポンプ１６を駆動するように制御し、バルブ２２ａ及びバルブ２２ｃを開放し、バルブ２２ｂ及びバルブ２２ｄを閉鎖する。そして水素利用装置１４に集められた空気中の酸素Ｏと水素Ｈを反応させ、水Ｗを生成する。水Ｗは、例えば約４００℃以上の高温で生成されるため、水蒸気Ｗ２と窒素ガスとの混合ガスとして水素利用装置１４から排出される。

水素利用装置１４から排出された水蒸気Ｗ２と窒素ガスの混合ガスは、復水装置３２を通過している間に冷やされ、液体の水Ｗと窒素ガスとなる。窒素ガスは、窒素放出口４０から放出され、大気中に捨てられる。液体となった水Ｗは、水タンク１０へ誘導され、水タンク１０に溜められる。

これにより、気嚢内の水素Ｈが利用されて減り、水Ｗの量が増加し、取り込んだ酸素Ｏの分、水素気球１の質量が増加するので、水素気球１の浮力が低下する。それにより、水素気球１は降下する。

本発明の水素気球１は、これらの構成により、電気分解装置１２により水Ｗを分解して生成された水素Ｈを、気嚢４を介して水素利用装置１４へ送り、水素利用装置１４で再び水Ｗを生成するという作動を繰り返す。

本発明の水素気球１のように水素Ｈを利用する装置では、水素Ｈと酸素Ｏの存在を想定した上で設計された装置ではない場所で、水素Ｈと酸素Ｏが混合する事態を予め避けることにより、安全に水素Ｈを使用できる。

本発明の水素利用装置１４や電気分解装置１２は、予め水素Ｈと酸素Ｏが存在することを想定して設計された装置である。また、本発明の水素気球１は、水素専用の水素用ポンプ１６、空気圧縮ポンプ２４、水ポンプ２６とそれぞれのポンプが流体の種類ごとに分けられているので、水素利用装置１４や電気分解装置１２ではない場所でそれぞれの流体が混ざり合うおそれが無い。つまり流体の種類ごとに別々のポンプを使用するため、液体と気体又は酸素Ｏと水素Ｈで共有して一つのポンプを使用したときに発生する不具合を未然に防ぐことができる。
したがって本発明の水素気球１は、安全性を確保することができる。

次に、本発明の水素気球１の運転方法について説明する。
（ステップＳ１）
水素気球１を上昇させるときには、図４に示すように、電気分解装置１２で水素Ｈと酸素Ｏとを発生させ、発生した水素Ｈを気体状態のまま気嚢４に水素Ｈとして貯留させ、発生した酸素Ｏを大気中に放出する。

これにより、酸素Ｏを大気中に放出した分と、水Ｗが減少した分、水素気球１の質量は軽くなる。また水素Ｈが増量したことにより浮力が増加する。
したがって、ステップＳ１により、本発明の水素気球１は上昇する。

（ステップＳ２）
水素気球１を降下させるときに、水素利用装置１４で気嚢内の水素Ｈと、大気中の酸素Ｏと、から水Ｗを生成し、水タンク１０に貯留する。

これにより酸素Ｏを大気中から取り込んだ分と、水Ｗが増量した分、水素気球１の質量は重くなる。また水素Ｈの量が減少する分、浮力が減少する。
したがって、ステップＳ２により、本発明の水素気球１は降下する。

（ステップＳ３）
上述したステップＳ１とステップＳ２とを繰り返す。

本発明の水素気球１の運転方法は、ステップＳ１とステップＳ２とを繰り返すことにより、電気分解装置１２、気嚢４、及び水素利用装置１４の間で水素原子を循環させることができる。それにより水素気球１は、上昇と降下を繰り返しながら、長期間、水素気球１を空中に浮上させることができる。

（第２実施形態）
図６は、本発明の第２実施形態の水素気球１の説明図である。
本実施形態の水素気球１は、例えば飛行船である。しかし、それに限らず、本実施形態の水素気球１は、気嚢４の内腔が前後方向に複数に分かれた気球であってもよい。

本実施形態の気嚢４は、その内腔を前後方向に複数に分ける複数の小気嚢４ａを有している。それにより気嚢４の内腔は、前後方向に気密に複数に分割されている。
各小気嚢４ａには、水素吸排気口３６が設けられている。また、水素気球１（飛行船）は、各小気嚢４ａと電気分解装置１２及び水素利用装置１４（好ましくは水素用ポンプ１６）との間に、それぞれバルブ２２ｅを有する。

本実施形態の制御装置２０は、水素Ｈを取り出す小気嚢４ａ又は電気分解装置１２により水Ｗを分解して生成された水素Ｈを貯留する小気嚢４ａを選択し、そのバルブ２２ｅの開閉を制御する。例えば、船首を上げて上昇するときには、制御装置２０は、前方に位置する小気嚢４ａのバルブ２２ｅのみを開放した状態で、電気分解装置１２を駆動するように制御する。それにより、電気分解装置１２により水Ｗから生成された水素Ｈが前方に位置する小気嚢４ａにのみ送り込まれるので、その小気嚢４ａのみの浮力が増加し、水素気球１が船首を上げた姿勢となる。

このように本実施形態の制御装置２０は、小気嚢毎に浮力を調整できるので、制御装置２０が飛行船（水素気球１）の姿勢を制御できる。

次に、本実施形態の水素気球１の運転方法について説明する。この運転方法は、複数の小気嚢４ａのうちから水素Ｈを出し入れする小気嚢４ａを選択し、その小気嚢４ａに水素Ｈを供給又はその小気嚢４ａから水素Ｈを取り出すことにより、飛行船の姿勢を制御するものである。例えば前方に位置する小気嚢４ａに水素Ｈを貯留させることにより、前方に位置する小気嚢４ａの浮力を増加させ、飛行船の船首を上げて上昇する運転をしてもよい。もしくは、前方に位置する小気嚢４ａから水素Ｈを引き出し、その水素Ｈを使用して水Ｗを生成することにより、前方に位置する小気嚢４ａの浮力を減少させ、飛行船の船首を下げて降下する運転をしてもよい。

本実施形態の水素気球１は、この構成により、水素気球１の左右方向を軸として上下に回転（ピッチング）するときの水素気球１の傾き（前後方向の傾き）を調整できる。
また、全てのバルブ２２ｅを開放して、水素Ｈを出し入れすることで、水素気球１の前後方向の傾きを変えずに上昇又は降下することができる。

なお、本実施形態の発明のその他の構成と運転方法、及び効果は、第１実施形態のそれと同様である。

上述した本発明の装置と方法によれば、水素気球１が、水素Ｈを貯留する気嚢４、水タンク１０、電気分解装置１２、及び水素利用装置１４を備える。本発明は、電気分解装置１２により水Ｗを分解して生成された水素Ｈを気嚢４に貯留し、酸素Ｏを大気中に放出し、大気中から酸素Ｏを取り込んで水素利用装置１４で水Ｗを生成し、水タンク１０に貯留する。そのため本発明によれば、水Ｗを電気分解に再利用し、水素Ｈを水素利用装置１４で再利用し続けることができる。つまり、電気分解装置１２と水素利用装置１４との間で、水素Ｈと水Ｗの水素原子を循環し続けることができる。
したがって本発明は、電気分解装置１２による電気分解と水素利用装置１４による水Ｗの生成とを繰り返すことができる。

電気分解装置１２が水Ｗを電気分解することにより、気嚢中の水素Ｈが増加するため、浮力が増し、水素気球１は上昇する。
水素利用装置１４が大気中から取り込んだ酸素Ｏと気嚢中の水素Ｈを反応させ、水Ｗを生成することにより、気嚢中の水素Ｈが減少し、気嚢４の浮力が減少する。それと共に、大気中から取り込んだ酸素Ｏの分だけ、水素気球１の総重量が増加する。そのため水素気球１は、降下する。

したがって、本発明は、電気分解装置１２と水素利用装置１４との間で水素原子を循環し、水Ｗと水素Ｈを再利用し続けることにより、上昇と降下を繰り返すことができる。また本発明の水素気球１は、気嚢４の浮力を燃料に依存しないため、電気分解装置１２と水素利用装置１４を駆動できる限り、必要に応じて昇降を繰り返しながら、長期間空中に浮上し続けることができる。

なお本発明は上述した実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更を加え得ることは勿論である。

１ 水素気球、２ ゴンドラ、
４ 気嚢、４ａ 小気嚢、
６ 電源、６ａ 受電装置、６ｂ 発電装置、
６ｃ 太陽電池フィルム、６ｄ 電源ケーブル、
８ 格納室、１０ 水タンク、
１２ 電気分解装置、１４ 水素利用装置、
１６ 水素用ポンプ、１８ 水素タンク、２０ 制御装置、
２２ａ 水素用ポンプと水素利用装置の間のバルブ、
２２ｂ 水素用ポンプと電気分解装置の間のバルブ、
２２ｃ 水タンクと水素利用装置の間のバルブ、
２２ｄ 水タンクと電気分解装置の間のバルブ、
２２ｅ 電気分解装置及び水素利用装置と小気嚢との間のバルブ、
２４ 空気圧縮ポンプ、２６ 水ポンプ、
２８ 気密シール、３０ ヒーター、３２ 復水装置、
３４ 大気吸気口、３６ 水素吸排気口、
３８ 酸素放出口、４０ 窒素放出口、
Ａ 大気、Ｈ 水素、Ｏ 酸素、
Ｗ 水、Ｗ２ 水蒸気、
Ｐ 爆発第一限界、Ｑ 爆発第二限界、Ｒ 爆発第三限界

Claims (9)

1. 水素を貯留し水素の浮力でゴンドラを空中に浮上させる気嚢と、
   水を貯留する水タンクと、
   前記水を水素と酸素に電気分解する電気分解装置と、
   大気中の酸素と前記気嚢中の水素とから水を生成させる水素利用装置と、
   前記水タンク、前記電気分解装置、及び前記水素利用装置を収容する格納室と、を備え、
   前記電気分解装置により発生した水素は、気体状態のまま前記気嚢に貯留され前記浮力の増加又は前記水素利用装置の駆動に再利用され、
   前記電気分解装置により発生した酸素は、大気中に放出され、
   前記水素利用装置により生成された水は、前記水タンクに貯留され前記電気分解に再利用され、
   前記格納室は、前記気嚢の下端部に該気嚢の内側と外側とを跨いで取り付けられ、前記気嚢との間で水素を出し入れし、大気から空気を取り込み大気に酸素を放出する、水素気球。
2. 水素を貯留し水素の浮力でゴンドラを空中に浮上させる気嚢と、
   水を貯留する水タンクと、
   前記水を水素と酸素に電気分解する電気分解装置と、
   大気中の酸素と前記気嚢中の水素とから水を生成させる水素利用装置と、
   前記電気分解装置から前記気嚢へ送る水素を加圧して送気する水素専用の水素用ポンプと、
   前記電気分解装置と前記水素用ポンプとの間に設けられ該電気分解装置で発生した水素を一時的に貯留する水素タンクと、を備え、
   前記電気分解装置により発生した水素は、気体状態のまま前記気嚢に貯留され前記浮力の増加又は前記水素利用装置の駆動に再利用され、
   前記電気分解装置により発生した酸素は、大気中に放出され、
   前記水素利用装置により生成された水は、前記水タンクに貯留され前記電気分解に再利用される、水素気球。
3. 前記水素用ポンプは、前記気嚢から前記水素利用装置へ送る水素を、加圧して送気する、請求項２に記載の水素気球。
4. 前記水素利用装置は、酸素と水素とから発電する燃料電池、又は酸素と水素とを燃焼させる水素燃焼器である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の水素気球。
5. 前記電気分解装置及び前記水素利用装置を制御する制御装置を備え、
   前記制御装置は、上昇させるときに前記電気分解装置を駆動し、発生した水素を前記気嚢に貯留させ、発生した酸素を大気中に放出させ、
   降下させるときに前記水素利用装置を駆動して前記気嚢内の水素と大気中の酸素とから水を生成させる、請求項１〜４のいずれか一項に記載の水素気球。
6. マイクロ波又はレーザ光を介して外部から受電し電力を出力する受電装置又は太陽光発電し電力を出力する発電装置を備え、
   前記電気分解装置は、前記電力により電気分解する、請求項１〜５のいずれか一項に記載の水素気球。
7. 前記気嚢は、その内腔を前後方向に複数に分ける複数の小気嚢を有し、
   前記水素気球は、前記電気分解装置及び前記水素利用装置と各小気嚢との間にそれぞれ設けられた複数のバルブを備え、
   前記制御装置は、前記バルブの開閉を制御することにより、水素を取り出す又は貯留する前記小気嚢を選択し、前記水素気球の姿勢を制御する、請求項５に記載の水素気球。
8. 前記水素用ポンプの駆動を制御する制御装置と、
   前記電気分解装置のプラス極側の水面上の空間の圧力を測定しその計測値を前記制御装置へ出力する第１センサと、
   前記水素タンクの内圧を計測しその計測結果を前記制御装置へ出力する第２センサと、を備え、
   前記制御装置は、前記水素タンクの前記内圧が前記電気分解装置のプラス極側の空間の前記圧力より低圧にならないように前記水素用ポンプの前記駆動を調整する、請求項２に記載の水素気球。
9. 請求項１又は２に記載の水素気球の運転方法であって、
   （Ａ）前記水素気球を上昇させるときに、前記電気分解装置で水素と酸素とを発生させ、
   水素を気体状態のまま前記気嚢に貯留させ、酸素を大気中に放出し、
   （Ｂ）前記水素気球を降下させるときに、前記水素利用装置で前記気嚢内の水素と大気中の酸素とから水を生成し、前記水タンクに貯留し、
   （Ｃ）前記（Ａ）と前記（Ｂ）とを繰り返す、水素気球の運転方法。
   

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