JP7299467B2

JP7299467B2 - 水素発生装置

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Publication number: JP7299467B2
Application number: JP2018220219A
Authority: JP
Inventors: 陽祐竹内; 昌幸津田; 陽子小野; 拓哉上庄
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2018-11-26
Filing date: 2018-11-26
Publication date: 2023-06-28
Anticipated expiration: 2038-11-26
Also published as: US20220016591A1; WO2020110693A1; JP2020083702A

Description

本発明は、エネルギー源としての水素を発生させる技術に関する。

水素発生方法には、電気分解と化学反応による方法がある。水の電気分解による方法では、水中に配置した電極間に電圧を与えることで水素を発生させる。そのため、電極には、電気的に安定性が高く耐食性のよい材料が使用される。例えば、Ｎｉ系、導電性酸化物、ＦｅＮｉ合金系、Ｎｉ系、ＩｒＯ_２系、Ｐｔ系、導電性酸化物系、ニッケル／ＹＳＺ複合体などの高価な材料が使用される（非特許文献１）。一方、化学反応による方法には、鉄と酸の反応を用いる方法、アルミと水酸化カルシウムの反応を用いる方法などがある。

光島、外１名、"水電解技術の現状と課題"、水素エネルギーシステム、Vol.36、2011年、p.11-p.16 宮坂、外３名、"流体機械・環境装置のエロージョン・コロージョン"、Zairyo-to-Kankyo、Vol.57、No.3、2008年、p.111-p.117 南雲、"液相から金属への水素侵入Ｉ"、Zairyo-to-Kankyo、Vol.55、No.9、2006年、p.380-p.389

電気分解と化学反応のいずれの方法においても、安価な材料を用い、安全に水素を発生させることが望ましい。しかし、電気分解による方法では、一般に電極材料として貴金属や導電性酸化物などの高価な材料が用いられる。一方、化学反応による方法では、安価な材料により水素発生を行うことは可能である反面、腐食性が高いものや発熱を伴うものなど、危険性が高い。

本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、安価な材料を用いて水素発生可能な水素発生装置を提供することを第１の目的とし、安全に水素発生可能な水素発生装置を提供することを第２の目的とする。

本発明の水素発生装置は、自然界において自然法則に従い一方方向へ継続的に流れる川水、海水、滝水、雨水のうちいずれかが流入して流出する水流経路部と、前記水流経路部に流入した前記川水、海水、滝水、雨水のうちいずれかを溶液とし、前記溶液との化学反応により水素を発生させる金属から成る水素発生部と、前記水素発生部で発生した前記水素を回収するための水素回収部と、を備え、前記水素発生部は、メッシュ状の形状、多孔質状の形状、又は、積層構造を備え、前記水流経路部に流入した前記一方方向へ継続的に流れる前記溶液との摩擦により自体である前記金属の表面被膜が剥離して活性面が露出するように、前記水素回収部の内部に前記溶液の水流経路上に配置されていることを特徴とする。

上記水素発生装置において、前記水素発生部は、高所から低所へと落下する前記溶液との摩擦により自体である前記金属の表面被膜が剥離して活性面が露出するように、前記水素回収部の内部に前記溶液の水流経路上に配置されていることを特徴とする。

上記水素発生装置において、前記溶液は、アルカリ性から中性の範囲内の溶液、又はｐＨ７～ｐＨ１４の範囲内の溶液であることを特徴とする。

上記水素発生装置において、前記水素発生部は、前記溶液の内部で電気化学反応に伴う表面被膜を生じる金属であることを特徴とする。

上記水素発生装置において、前記水素発生部は、純鉄、炭素鋼、ＮｉとＺｎとＡｌとＣｕとＭｇとＴｉとＭｎとＡｇとを含む合金又は純金属のうちいずれかの金属であることを特徴とする。

本発明によれば、安価な材料を用いて水素発生可能な水素発生装置を提供することができる。また、安全に水素発生可能な水素発生装置を提供することができる。

第１の実施例に係る水素発生装置１の側面を示す模式図である。第２の実施例に係る水素発生装置１の側面を示す模式図である。水素の測定結果を示す図である。

本発明は、化学反応による水素発生について、反応性の低いアルカリ性（ｐＨ１４）から中性（ｐＨ７）の範囲内の溶液を用いた安全な系において、流入する当該溶液の摩擦作用により金属の表面被膜を剥離（摩耗）して活性面を露出させることにより、溶液と金属の反応を促進して水素を発生させることに特徴を有する。

例えば、鉄（Ｆｅ）を用いた場合、アルカリ性から中性の範囲内の水溶液中では、Ｆｅ（ＯＨ）_２、Ｆｅ（ＯＨ）_３などの表面被膜を形成することから、ＦｅとＨ_２Ｏとの反応が生じず、ほとんど水素を発生させることはない。そこで、本発明では、このような安全な系において、Ｆｅの表面被膜をＨ_２Ｏの流れで除去することでＦｅ面を新たに露出させ、当該新たに露出したＦｅ面とＨ_２Ｏが反応することで水素を発生させる。

金属表面被膜の除去には、溶液と金属の摩擦・摩耗作用を用いる。具体的には、水平方向に流れる溶液の流れや垂直方向に落ちる溶液の落下を用いる。溶液の流れや溶液の落下を機械的に発生させてもよいし、再生可能エネルギー、すなわち、川の流れ、海流の流れ、滝水、雨水などを用いてもよい。

図１は、第１の実施例に係る水素発生装置１の側面を示す模式図である。当該水素発生装置１は、水平方向に一定方向へ流れる川の流れや海流の流れなどを利用して水素を発生させる。当該水素発生装置１は、図１に示すように、主として、水流経路部１１と、水素発生部１２と、水素回収部１３と、水素排出筒１４と、を備えて構成される。

水流経路部１１は、水素発生装置１の外部から溶液Ｓを流入して流出するための水流経路であり、溶液Ｓを流出入可能な筒状の形状及び構造を備える。水流経路部１１は、第１の部位１１ａと第２の部位１１ｂで構成され、水素発生装置１の母体である水素回収部１３の対向側面にそれぞれ固定配置される。第１の部位１１ａと第２の部位１１ｂは、水素回収部１３に流出入する溶液Ｓの流れが滑らかになるよう、つまり、溶液Ｓと金属Ｍ（水素発生部１２）の摩擦・摩耗作用に影響を与えないように、互いが同一軸上に位置するように位置調整されている。

水素発生部１２は、水流経路部１１から流入する溶液Ｓとの反応により水素を発生させる板状の金属Ｍである。水素発生部１２は、水素回収部１３の内部において、水流経路部１１から流入する溶液Ｓとの摩擦・摩耗により、自体である金属Ｍの表面被膜を剥離して活性面を露出させ、当該表面被膜の剥離及び活性面露出が生じるように水素回収部１３の内部に固定配置されている。例えば、水素発生部１２は、図１に示したように、水流経路部１１と同一軸上、つまり水流経路部１１の第１の部位１１ａから第２の部位１１ｂへ又はその逆方向へ直線状に流れる溶液Ｓの水流経路上に位置するように固定配置されている。

水素回収部１３は、水素発生部１２で発生させた水素を回収するための筐体である。水素回収部１３は、内部が空洞である直方体の形状を備え、内部に水素発生部１２（金属Ｍ）が固定配置される。また、水素回収部１３は、水流経路部１１の第１の部位１１ａと第２の部位１１ｂにそれぞれ結合する各側面に溶液Ｓを流出入させるための貫通孔がそれぞれ形成されるとともに、上面に水素発生部１２で発生した水素Ｈを放出するための貫通孔が形成されている。また、当該上面の貫通孔の位置には、水素を外部に放出するための水素排出筒１４が固定配置されている。

以上が第１の実施例に係る水素発生装置１の構成である。当該水素発生装置１において、本実施形態で用いる溶液Ｓは、アルカリ性（ｐＨ１４）から中性（ｐＨ７）の範囲内の溶液である。当該溶液Ｓは、腐食性が高く発熱を伴う酸性よりも危険性が低く比較的安全である。そのため、安全に水素を発生させることができる。また、金属Ｍは、溶液Ｓの内部で電気化学反応に伴う表面被膜を生じる金属である。例えば、金属Ｍは、純鉄、炭素鋼、ＮｉとＺｎとＡｌとＣｕとＭｇとＴｉとＭｎとＡｇとを含む合金又は純金属、である。

図１に示した水素発生装置１の水素回収部１３を一定以上の流速を持つ川に沈めると、当該川の水（溶液Ｓ）が一方の水流経路部１１（第１の部位１１ａ又は第２の部位１１ｂ）から流入して他方の水流経路部１１（第２の部位１１ｂ又は第１の部位１１ａ）から流出する。このとき、流入した水が流水経路上の水素発生部１２である鉄（金属Ｍ）に接触して摩擦が発生する。当該摩擦の発生状況を継続させると、鉄の表面が摩耗し表面被膜が剥離して活性面が露出し、新たに露出した鉄の活性面と川の水が反応して水素が発生する。発生した水素は水素回収部１３の空洞内部に集まり、水素排出筒１４から水素発生装置１の外部に放出される。

なお、水平方向に流れる溶液の流れを用いる場合、水素発生装置１の材料や流水環境によって流速が異なるので、溶液Ｓと金属Ｍの摩擦・摩耗作用が生じる必要な所定流速を予め算出し、水流経路部１１の流水経路構造に流速調整するための絞りを与えるなどして、水素回収部１３に流入して水素発生部１２（金属Ｍ）に接触する溶液Ｓの流速を調節することが望ましい（非特許文献２）。

また、水素発生部１２の金属Ｍは、任意の形状でよいが、水素の発生量を増やすため、メッシュ状、多孔質状、積層構造にするなど、表面積を増やすことが望ましい。また、水素発生部１２は、腐食により摩耗することから、消耗部品として機能する。

図２は、第２の実施例に係る水素発生装置１の側面を示す模式図である。当該水素発生装置１は、高所から低所へと落下する滝水、雨水などの位置エネルギーを利用して水素を発生させる。当該水素発生装置１も、図２に示すように、主として、水流経路部１１と、水素発生部１２と、水素回収部１３と、水素排出筒１４と、を備えて構成される。水流経路部１１の第１の部位１１ａと第２の部位１１ｂが水素回収部１３の上下側面にそれぞれ固定配置されることが、第１の実施例と異なる。他の構成は、第１の実施例と同様である。

図２に示した水素発生装置１を滝に入れると、落下する当該滝の水（溶液Ｓ）が上部の水流経路部１１（第１の部位１１ａ）から流入して下部の水流経路部１１（第２の部位１１ｂ）から流出する。このとき、流入した水が流水経路上の水素発生部１２である鉄（金属Ｍ）に接触して摩擦が発生する。当該摩擦の発生状況を継続させると、鉄の表面が摩耗し表面被膜が剥離して活性面が露出し、新たに露出した鉄の活性面と滝の水が反応して水素が発生する。発生した水素は水素回収部１３の空洞内部に集まり、水素排出筒１４から水素発生装置１の外部に放出される。

なお、第２の実施例では、溶液Ｓは滝水や雨水の貯水など高い位置に存在する水を用い、その位置エネルギーを運動エネルギーに変えて利用する。したがって、金属Ｍの表面被膜の剥離に必要な位置エネルギーを予め見積もり、水流経路部１１の垂直方向の長さや流入前の溶液貯蔵量を調節することが望ましい。

図３は、鉄の活性面露出により水素発生させた測定結果を示す図である。比較のために、従来の電気分解法の測定結果を併せて示す。図３に示した測定結果は、いずれも発生した水素の一部が鉄中に侵入したものを昇温脱離分析装置により計測した結果である。活性面露出に用いた鉄は、φ７ｍｍ、厚さ１ｍｍのディスク形状であり、擬似的に機械的に湿式研磨を１０分ほど行うことで活性面を露出させた。また、電気分解で供した鉄は、活性面露出に供した鉄と同形状であり、銀塩化銀電極基準で－１Ｖの電圧を印加することで１２時間かけて水素を発生させた。

図３に示した測定結果は、発生した水素の一部が鉄中に侵入したものを計測した結果であり、電気分解では約３ｐｐｍの水素が検出された一方、活性面露出では約１ｐｐｍであったことから、活性面露出では、電気分解ほどではないものの、同じオーダーでの水素が発生することが示された。本結果は、機械的に湿式研磨を行い活性面露出を行うことで短時間での水素発生が実現されたものだが、水流を用いた場合にも活性面が露出されれば同程度の水素発生が生じることは原理的に明らかである。なお、鉄の内部に侵入する水素は金属表面に吸着する水素のごく一部である（非特許文献３）。

本実施の形態によれば、外部から溶液Ｓを流入して流出する水流経路部１１と、流入する溶液Ｓとの反応により水素Ｈを発生させる金属Ｍから成る水素発生部１２と、発生させた水素Ｈを回収するための水素回収部１３と、を備え、水素発生部１２は、流入する溶液Ｓとの摩擦により自体である金属Ｍの表面被膜を剥離して活性面を露出させるように配置されている。つまり、本実施の形態では、金属Ｍの活性面露出に溶液の流れによる摩耗を用いて水素Ｈを発生させるので、安価な材料を用いて水素発生可能な水素発生装置を提供することができる。

また、本実施の形態によれば、アルカリ性（ｐＨ１４）から中性（ｐＨ７）の範囲内の溶液Ｓを用いるので、安全に水素発生可能な水素発生装置を提供することができる。

纏めると、本実施形態では、アルカリ性から中性の溶液中で表面被膜の生成により金属と水の反応が抑制される条件において、摩擦・摩耗作用により断続的に被膜を剥離させ活性面を露出させることで、金属と水の化学反応に伴う水素発生を促進する。これにより、安価な材料を用い、安全な反応系で、水素発生を実現できる。例えば、再生可能エネルギーを用いて水素発生を実現することができる。

１…水素発生装置
１１…水流経路部
１１ａ…第１の部位
１１ｂ…第２の部位
１２…水素発生部
１３…水素回収部
１４…水素排出筒

Claims

自然界において自然法則に従い一方方向へ継続的に流れる川水、海水、滝水、雨水のうちいずれかが流入して流出する水流経路部と、
前記水流経路部に流入した前記川水、海水、滝水、雨水のうちいずれかを溶液とし、前記溶液との化学反応により水素を発生させる金属から成る水素発生部と、
前記水素発生部で発生した前記水素を回収するための水素回収部と、を備え、
前記水素発生部は、
メッシュ状の形状、多孔質状の形状、又は、積層構造を備え、前記水流経路部に流入した前記一方方向へ継続的に流れる前記溶液との摩擦により自体である前記金属の表面被膜が剥離して活性面が露出するように、前記水素回収部の内部に前記溶液の水流経路上に配置されていることを特徴とする水素発生装置。
前記水素発生部は、
高所から低所へと落下する前記溶液との摩擦により自体である前記金属の表面被膜が剥離して活性面が露出するように、前記水素回収部の内部に前記溶液の水流経路上に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の水素発生装置。
前記溶液は、
アルカリ性から中性の範囲内の溶液、又はｐＨ７～ｐＨ１４の範囲内の溶液であることを特徴とする請求項１又は２に記載の水素発生装置。
前記水素発生部は、
前記溶液の内部で電気化学反応に伴う表面被膜を生じる金属であることを特徴とする請求項３に記載の水素発生装置。
前記水素発生部は、
純鉄、炭素鋼、ＮｉとＺｎとＡｌとＣｕとＭｇとＴｉとＭｎとＡｇとを含む合金又は純金属のうちいずれかの金属であることを特徴とする請求項４に記載の水素発生装置。