WO2003064318A1 - Appareil generant de l'hydrogene, systeme generateur d'hydrogene et utilisation correspondante - Google Patents

Description

明細書

水素発生装置、 水素発生システムおよびこれらの用途 技術分野

本発明は、 水素発生装置、 水素発生システムおよびその用途に関する。 より詳 しく述べると、 特定の元素から構成された粒子間にエネルギ集中の場を持たせ、 このエネルギ集中の場に被処理物を通過または滞留させることによって、 当該物 質を活性化させて水素を含む気体を発生させる機能を有する活性構造体を用いた 水素発生装置おょぴ水素発生システム並びにかかる水素発生システムを用いた各 種用途に関する。 背景技術

近年、 石油等の既存の資源の枯渴ィ匕や二酸化炭素の放出等の観点から、 石油に 代わる代替燃料として水素が注目されている。

従来、 このようなエネルギ源として水素を製造するには水、 メタノール等の電 気分解が一般的であった。

例えば、 水を電気分解する場合、 下記式 （1 ) の反応に従って水素を発生させ る。

H₂0 → H₂ + 1 / 2 02 ( 1 ) この場合に、 水を電気分解して水素を得るためには標準状態で 1 . 2 3 Vの電 位差が必要とされるが、 水の有する高い電気抵抗のため、 それ以上の電位差を水 に与えなければ、 水の電気分解を行うことは不可能である。 そのため、 水素を発 生させるのに、 アルカリ等の電解質を水に溶解させた水溶液の電気分解が行われ ているが、 副産物として生成するアルカリ化合物を除去する必要があり、 また分 解率が低いという問題点もある。

水素を発生させる他の方法として、 水の熱分解が考えられる。 しかしながら、 水を熱分解させて水素を得るためには 4 3 0 0 °C程度の高温下で行う必要があり、 さらに大きなエネ ギが必要となり、 実用的でない。

また、 外部からのエネルギを加えることなしに水素を発生させる方法として、 アルミニウム、 マグネシウム、 ナトリゥム等のアル力リ金属またはアル力リ土類 金属類を水に添加してこれらの金属と水とを化学反応させる方法が考えられるが、 これらの金属は比較的高価であり、 またこれらの化学反応が急激であるので、 ェ 業的に利用するのは困難である。

メタノール、 ガソリン等の炭化水素では、 水素と炭素との結合エネルギが比較 的小さく、 それらの電気分解に必要とされる電位差は少なくてすむが、 反応時の C O、 C O2等の副産物の生成を伴うため、 そのままではクリーンなエネルギと して使用するのが困難であり、 これらの副産物を除去する対策を講じる必要があ る。

このように、 水素をエネルギとして使用する試みは数多く行われている。 例え ば、 燃料電池システム、 燃料電池システムを搭載する車両 （燃料電池自動車およ ぴ燃料電池システムと内燃機関の両者を備えたハイプリッド自動車)、 内燃機関、 外燃機関、 ハイブリッド燃料自動車、 更には水素を.動力源とするロケット等が挙 げられる。 ちなみに、 燃料電池システムは、 携帯機器用途としても注目されてい る。

このような目的に水素を使用する場合には、 水素を発生するための水素の発生 システムは小型ィ匕されることが望まれている。

従来、 例えばメタノール、 ガソリン等の炭化水素を出発原料として触媒の存在 下に改質することにより水素を製造していた。 しかしながら、 このような改質反 応を用いて水素を製造した場合、 選択率が低いために C O等の副産物を生成する ので、 これを除去するための対策を講じる必要があった。 さらに、 改質反応は高 温下で進行するので多大なエネルギを必要としていた。

さらに、 出発原料である炭化水素は限りある資源であり、 リサイクル可能な資 源を出発原料としたいという要望がある。

従って、 より少ないエネルギで、 好ましくは外部からエネルギを与えることな しにこのようなエネルギとして使用するための水素を発生する装置、 当該水素発 生装置を備えた水素発生システム、 特に燃料電池システム、 燃料電池システム搭 載車両、 更には水素を動力源とするロケット等に搭載するための省スペース化可 能な水素発生装置およぴ水素発生システムに対する強レヽ要望がある。 さらに、 水、 海水等のリサイクル可能な資源からより少ないエネルギを付与す ることで充分な量の水素を発生することが可能な水素発生装置および水素発生シ ステムに対する強い要望がある。

従って、 本発明の課題は、 より少ないエネルギで水素を発生することができ、 かつ省スペース化を図ることが可能な水素発生装置、 当該水素発生装置を備えた 水素発生システムを提供することである。

本発明者は、 前記の課題に鑑みて鋭意検討した結果、 所定の金属元素から構成 された粒子を所定の配列で配置させると、 当該粒子間に高いエネルギが生じ、 こ のエネルギを用いて、 物質を活性ィ匕させることを見出して先に特許出願を行った (特願 2 0 0 1 - 0 2 1 7 3 4 )o

この出願によると、 珪素、 チタン、 ニッケル、 サマリウムから成る群から選択 された単一成分の元素または弗化炭素から構成された粒子を、 各元素または弗化 炭素に固有の波動性エネルギを増幅させる位置に配置して、 前記粒子間にエネル ギ集中の場を持たせた活性構造体が、 当該粒子間で高いエネルギ （による相互作 用） を発生し、 すなわち、 エネルギ集中の場が生じ、 当該エネルギ集中の場に各 種物質を通過または滞留させることにより当該物質を活性化することが可能とな ることが記載されている。 発明の開示

本発明は、 この知見に基づいてなされたものであり、 板状に成形した前記活性 構造体を所定位置に所定の容器内に配置したものが上記課題を解決することを見 出して本発明を完成するに至った。

すなわち、 本発明は、 被処理物を活性ィ匕するための水素排出口を有する被処理 物容器と、 前記被処理物容器内に粒子間にエネルギ集中の場を有する活性構造体 とから構成された水素発生装置であって、 前記被処理物容器内の被処理物が前記 エネルギ集中の場に滞留または通過することによって水素を含む気体を発生させ ることを特徴とする水素発生装置に関するものである。

このように構成することによって、 簡単な構成でかつ外部エネルギをほとんど 使用せずに被処理物から水素を発生させることが可能な水素発生装置が提供され る。

本発明はまた、 前記活性構造体が、 珪素、 チタン、 ニッケル、 サマリウムから 成る群から選択された単一成分の元素または弗化炭素から構成された粒子を、 各 元素または弗化炭素に固有の波動性ェネルギを增幅させる位置に配置して、 前記 粒子間にエネルギ集中の場を持たせた活性構造体である水素発生装置に関するも のである。

このように構成すると、 被処理物が活性構造体の内部を通過して、 すなわち活 性構造体におけるエネルギ集中の場を通過するので、 被処理物を効率よく活性化 して水素を発生させることが可能である。

また、 前記板状活性構造体は板状に成形されていることが好ましく、 前記活性 構造体は、 前記被処理物容器内に対して気発生気体と流体が速やかに分離する構 造、 また発生気体により流体と触媒の接触が阻害されない位置に配置されていて ち良い。

さらに、 前記活性構造体は、 前記被処理物容器内に対して垂直方向に配置され ていても良く、 また、 前記被処理物容器を上下方向に仕切るように設けられてい ても良い。

このようにすることにより、 （板状)活性構造体の断面長さ方向に沿って被処理 物の対流が生じる。 このような対流により被処理物が （板状） 活性構造体におけ るエネルギ集中の場を通過する確率が増加する。 従って、 効率よく被処理物を活 性化して水素を発生させることが可能となる。

なお、 「前記被処理物容器に対して垂直方向に板状の活性構造体を設ける」とは、 「板状構造体の形状」、 「板状構造体の辺の方向」、板状構造体の「配置位置」 に限 定されないことを意味している。

すなわち、 活性構造体 （板状活性構造体） は、 その面方向の形状が円形、 楕円 形であっても、 正方形であっても、 長方形であってもよい （好ましくは長方形で ある）。 また、例えば長方形や楕円形等の長辺 （長軸） や短辺 （短軸） を有してい る形状の場合には、 長辺 （長軸） を被処理物容器に対して垂直に設けるのが好ま しい。

また、 板状活性構造体は、 前記被処理物容器の底面や側面に接触して配置され てもよく、また保持手段により底面や側面に接触しないで配置されていてもよい。 本発明において使用される用語 「活性化」 は、 被処理物である分子や原子にェ ネルギを付与することを包含している。したがって、本発明に使用される用語「活 性化」 は、 分子や原子を励起させることを包含していることを意味する。

なお、 「板状活性構造体が被処理物容器を上下方向に仕切るように配置する」と は、 一枚の板状活性構造体により被処理物容器を上下方向に仕切ってもよくある Vヽは各々別の一枚の板状活性構造体により被処理物容器を上下方向に仕切つても よいことを意味する。

また、 「板状活性構造体を被処理物容器を上下方向に仕切るように配置する」構 成と 「前記被処理物容器に対して垂直方向に板状活性構造体を設ける」 構成を組 合せた構成を有しているのが好ましい。

このように構成すると、 被処理物と板状活性構造体との接触面積、 すなわち被 処理物がエネルギ集中の場に浸入 （通過 ·滞留） する確率が増加するとともに、 活性構造体の断面長さ方向に沿って被処理物の対流が生じる。 このような滞留に より被処理物が板状活性構造体におけるエネルギ集中の場を通過する確率が増加 する。 従って、 効率よく被処理物を活性ィ匕することが可能となる。

なお、このような構成を有する本発明の水素発生装置において、 （板状）活性構 造体、 被処理物容器あるいは両者を加熱する加熱手段を設けることによって強制 的に被処理物の対流を惹起させる構成とすることが好ましい。 このように構成す ると、 被処理物の対流を調整することが可能となるので、 被処理物の活性化速度 を調整することが可能となる。

同様な効果の享受を目的として、 前記 （板状） 活性構造体を振とうさせる振と う手段を設けた構成とすることも可能である。

また、 このような構成を有する本発明の水素発生装置において、 前記の加熱手 段を設ける構成に代えて、 あるいは加熱手段と組合せて被処理物を水素発生装置 内で循環させる循環手段を設けることが好ましい。 このように構成することによ つて、 被処理物の対流を調整することが可能となるので、 被処理物の活性化速度 を調整することが可能となる。

さらに、 このような構成を有する本発明の水素発生装置において、 前記活性構 造体と被処理物との上下方向の接触面積とを相対的に移動させる移動機構を設け ることが好ましい。

このように構成することによって、 被処理物と板状活性構造体との接触面積を 自在に変ィ匕させることが可能となるので、 被処理物の活性化、 活性化の停止およ ぴ活性化速度の停止を適宜調整することが可能となる。

なお、 好ましい移動機構手段は、 板状活性構造体を垂直方向に移動させる垂直 方向移動手段および水素発生装置本体に設けられた循環ポンプ等の移動手段を備 えた被処理物の予備槽である。

また、 前記被処理物が水、 水性媒体、 炭化水素、 またはこれらの混合物である ことが好ましい。

特に被処理物として水または水性媒体を選択すると、 本発明の活性構造体によ り活性ィ匕され、 水素、 酸素および窒素を含む混合気体が得られる。 このようにし て得られた混合気体を、 適当な手段により水素を分離することによって、 酸素と 窒素との混合気体が得られる。 従って、 水または水性媒体を本発明の活性構造体 により処理することによって、 空気を製造することが可能となる。

本発明において使用される用語 「炭化水素」 とは、 本発明の水素発生装置に使 用される板状活性構造体を用いて水素を遊離することが可能な炭化水素であって、 すなわち、 水素を遊離可能な OH結合または C H結合を有する飽和または不飽和 脂肪族炭化水素、 メタノール、 エタノール等の脂肪族アルコール、 脂肪族アルデ ヒド、 脂肪族ケトン、 ガソリン、 石油エーテル等を包含するものである。

水素は、 ィ匕石燃料をはじめとする各種既存のエネルギの代替エネルギとして非 常に注目されている。 本発明の水素発生装置を用いて、 このような水または炭化 水素から水素を遊離させることが可能となり、 特に本発明においては、 このよう に水または炭化水素から外部からエネルギを加えることなしに、 力つ副産物の生 成なしに選択的に水素を製造することが可能となる。

これらの水素発生装置は、 水素発生システムに有効に利用できる。 この水素発 生装置は、メインの水素発生装置としても水素発生補助装置としても利用できる。 このような水素発生システムは、 内燃機関、 外燃機関、 燃料電池システム、 水 素ロケット、 車両の水素エンジンなどとして有効に利用することが可能である。 図面の簡単な説明

第 1図は、 本発明に使用される活性構造体の配置の一例を示す図であり、 第 1 図（ a )は本発明に使用される活性構造体全体の一例を示す図であり、第 1図（b ) は、 第 1図 （a ) に示す本発明に使用される活性構造体の基本配置の一例を示す 図であり、 第 1図 （c ) は本発明の好ましい活性構造体全体の別の例を示す斜視 図であり、 第 1図 （d ) は、 第 1図 （c ) に示す本発明の活性構造体の基本配置 の一例を示す斜視図である。

第 2図 （a ) および第 2図 （b ) は、 各々本発明に使用される活性構造体を構 成する粒子の形状および比較用の粒子の形状を示す電子顕微鏡写真である。

第 3図は、 本発明に使用される活性構造体の好ましい形態の一例を示す図面で ある。 第 3図 （a ) は、 本発明に使用される活性構造体を I型の板状に成形する 前の構成を示す斜視図であり、 第 3図 （b ) は、 本発明に使用される活性構造体 を L型の板状に成形した場合の斜視図を示し、 第 3図 （c ) は、 本発明に使用さ れる活性構造体を U型の板状に成形した場合の斜視図を示し、 第 3図 （d ) は、 本発明に使用される活性構造体を S型の板状に成形した場合の斜視図を示した場 合の斜視図を示す。

第 4図 （a ) ないし第 4図 （c ) は、 各々第 3図 （a ) における本発明に使用 される板状に成形された活性構造体を構成する粒子の形状およぴ比較用の粒子の 形状を示す電子顕微鏡写真である。

第 5図 （a ) から第 5図 （g ) は、 本発明に使用される活性構造体の別の形状 の一例を示す斜視図である。

第 6図 （a ) から第 6図 （f ) は、 各々第 5図 （a ) から第 5図 （f ) に示す 活性構造体のコァを設けた場合の断面形状を示す断面図である。

第 7図は、 本発明の活性構造体を充填した水素発生装置の一例を示す断面図で ある （流動床式)。

第 8図は、 本発明の活性構造体を用いた水素発生装置の別の一例を示す断面図 である。

第 9図は、 本発明の活性構造体を用いた水素発生装置の別の一例を示す断面図 である。 第 1 0図は、 本発明の活性構造体を用いた水素発生装置の別の一例を示す断面 図である。

第 1 1図は、 本発明の活性構造体を用いた水素発生装置の別の一例を示す断面 図である。

第 1 2図は、 本発明の活性構造体を用いた水素発生装置の別の一例を示す断面 図である。

第 1 3図は、 本発明の活性構造体を用いた水素発生装置の別の一例を示す断面 図である。

第 1 4図は、 本発明に使用される板状活性構造体を直接加熱する方法の一例を 示す斜視図である。

第 1 5図は、 本発明に使用される板状活性構造体を直接加熱する方法の別の例 を示す斜視図である。

第 1 6図は、 本発明の水素発生装置により発生した水素を含む気体から水素を 分離する気体分離装置の一例を示す断面図である。

第 1 7図は、 本発明の水素発生装置により発生した水素を含む気体から水素を 分離する気体分離装置の一例を示す断面図である。

第 1 8図は、 本発明の水素発生システムの概略構成図である。

第 1 9図は、 本発明の水素発生システムのより具体的な概略構成図である。 第 2 0図は、 本発明の水素発生装置による効果を確認するために行った実験に 使用した装置の構成図である。 発明を実施するための最良の形態

以下、 本発明の実施の形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。 (活性構造体）

まず、 本発明に使用される活性構造体の基本構成について第 1図および第 2図 を用いて説明する。 (構成元素）

本発明に使用される活性構造体は、 珪素、 チタン、 ニッケル及ぴサマリウムか ら成る群から選択された元素から構成される。 これらの元素の選択は、 後述する 本発明者による繰り返しの実験結果から導き出したものであり、 珪素、 チタンお よびニッケルについては、 原子の最外核軌道 （M、 N) 公転電子数が偶数である 金属元素であり、 かつ酸素と反応しにくい元素であり、 またサマリウムについて は原子の最外核軌道（M、 N)公転電子数が偶数（2 )である希土類元素であり、 かつ酸素と反応しにくい元素である。 なお、 ニッケルおよびサマリウムは強い磁 性を有することを特徴としている。

本発明に使用される活性構造体において、 これらの元素を単体で使用するがそ の際の純度は、 使用する元素の種類および活性化しょうとする物質の種類等によ つて適宜選択される。 例えば、 前記活性構造体として珪素を用いて水を活性化し て水素と酸素を発生させる場合には、 珪素の純度は約 9 0 %以上、 好ましくは 9 5 %以上である。 これらの純度は高ければ高いほど好ましい。 また前記活性構造 体を構成し得る他の元素、 すなわち、 チタン、 ニッケル及ぴサマリウムも同様の 純度であることが好ましい。 また、 前記活性構造体は、 一般には、 例えば珪素な ら珪素を単独で構成されるが、 このような各単体元素を組み合わせて前記活性構 造体を構成してもよい。

前記活性構造体において、 カゝかる元素を造粒して粒子として使用するが、 所定 の位置への配置の容易さ、 造粒のしゃすさ等の観点から、 球状、 特に真球状であ るのが好ましく、 その際に粒径は、 5 ju m〜8 0 mとするのが好ましい。 5 w m以下の粒径を有する粒子を製造するのは比較的困難であるとともに、 粒子を所 定位置に配置した際に、 後記するエネルギ集中の場である粒子間に物質を通過さ せるのが比較的困難となるからである。 また粒径が 8 0 μ πιを超えた場合には、 粒子を配置した際に、 粒子間に十分なエネルギが発生しないからである。 一般に 粒径が 1 5 0 μ mを超えると本発明による物質を活性化させるエネルギの発生が 困難となる。

また、 これらの粒子の粒度分布は、 狭ければ狭いほど好ましい。 具体的には、 本発明者の繰り返しの予備実験の結果、粒径のバラツキが土 1 5 μ πι (すなわち、 粒子径の大小の誤差が 3 0 m)以内の際に顕著な効果が得られることが判った。 本発明における特定の元素をこのような形状に造粒する方法は、 特に限定され るものではなく、 触媒製造分野で一般に知られている造粒方法を適用することが 可能である。 製造の簡便さ、 粒子形状を比較的均質にすることが可能であるとい う観点からガスアトマイズ法が好ましい。 しかしながら、 前記活性構造体は、 上 記した粒子を形成できれば特にガスァトマイズ法により成形した粒子に限定され るものではなく、 例えばゾル一ゲル法等の従来公知の方法を好適に使用すること ができる。

また、 例えばジェット粉碎法により前記球状粒子を製造することができる。 ジ エツト粉砕法も、 ガスァトマイズ法と同様に触媒粒子を製造する一般的方法であ り、本発明における活性構造体における各粒子を製造するのにも適用可能である。 第 1図に示す通り、 本発明においてこのようにして、 珪素、 チタン、 ニッケル 及びサマリゥムから成る群から選択された元素から構成された粒子 Pを、 波動性 エネルギを増幅させる位置に配置する。

すなわち、 前記活性構造体を構成するこれらの各元素は、 例えばイオン化時に は各々表 1に示す通り、 式： E = h v (式中、 Eは各元素に固有のイオン化エネ ルギ （e V) であり、 hはプランク定数であり、 そして Vは周波数である） で表 される固有の周波数を有しており、 前記活性構造体を構成するこれらの元素は電 気磁場的振動を発振している。 そして、 このような電気磁場的振動は、 所定の揺 らぎを有している。 このことから、 前記活性構造体を構成するこれらの元素は常 態においても固有の振動を持つものと推測され、 これらの各元素に固有の振動を 効果的に与える位置に粒子 Pを配置することによって、 粒子間に形成された間隙 Sを通過または滞留する物質に、 振動エネルギを付与し、 当該物質を活性化する ものと推測される。 兀 イオン化エネルギ （e V) 周波数 （X 1 0 ^{1 5}H z )

S i 8 . 1 4 4 1 . 9 7 1

N i 7 . 6 3 1 . 8 4 6

T i 6 . 8 2 1 . 6 4 9

S m 5 . 6 3 1 . 3 6 1 また、 どのような理由で同様の作用 ·効果を示すかは明確ではないが、 本発明 者がさらに繰り返し実験を行ったところ、 弗化炭素 （F C) も前記金属元素を用 いた場合と同様な作用効果を示すことを見出した。 従って、 前記活性構造体は、 弗化炭素から構成された粒子も包含するものである。

本発明に使用する活性構造体は、 このような推測に基づいて、 繰り返しの実験 により実証されたものであり、 各粒子を実質的に均一なサイズ （同一の粒径を有 する真球） とした場合に、 例えば第 1図 （b ) に示す通り三角形の頂点に配置す ると高い活性を示すことを見出したものである。 すなわち、 本発明において物質 が特定の元素から構成された粒子 Pと粒子 Pの間の空隙 S (エネルギ集中の場） を通過または滞留する際に、 前記活性構造体を構成する各元素の固有の振動 ·揺 らぎ等により、 当該物質に高いエネルギを付与する。

本発明に使用する活性構造体においては、 このような位置に所定の元素から構 成された粒子を配置する。 なお、 実際には各粒子は、 完全に球体となるとは限ら ず、 また各粒子の粒径も一定ではないので実際には正確に正三角形の各頂点に配 置するのは困難である。 本発明において使用される用語 「正三角形の各頂点に配 置する」 とは、 このような誤差範囲を含むことを意味し、 例えば参考図である第 2図 （a ) に示す通りに各粒子を配置することを意味する。 なお、 第 2図 （a ) は、ガスアトマイズ法により製造した粒子 Pを 5 2ミクロンメッシュの篩にかけ、 篩を通過した粒子を収集して （均一なサイズの粒子)、 配置させたものである。 また、 第 1図 （b ) に示す通り、 正三角形の頂点に粒子を配置させた場合、 粒 子 Pと粒子 Pの間の空隙 Sに形成される三角形、 すなわち、 粒子の接線の交点か ら形成される三角形の各頂点は、 9 0度以下であることが必要であり、 好ましく は 3 9〜7 0 . 5度であり、 理想的には約 6 0度である。

また、 第 1図 （d ) に示す通り、 本発明に係る各粒子を正四面体の頂点に配置 すると最も高い活性を示すことを見出した。 すなわち、 正四面体構造は、 本発明 において物質が特定の元素から構成された粒子 Pと粒子 Pの間の空隙 S (ェネル ギ集中の場） を通過または滞留する際に、 前記活性構造体を構成する各元素の固 有の振動 ·揺らぎ等により、 当該物質に高いエネルギを付与する正三角形構造を 四面配置した構造となり、 より一層高いエネルギ集中の場が構成される。 正三角 形構造と同様にして、 本発明においては、 このような位置に所定の元素から構成 された粒子を配置する。なお、実際には各粒子は、完全に球体となるとは限らず、 また各粒子の粒径も一定ではないので実際には正確に正四面体の各頂点に配置す るのは困難である。 したがって、 本発明において使用される用語 「正四面体の各 頂点に配置する」 とは、 このような誤差範囲を含むことを意味し、 例えば参考図 である第 2図 （a ) に示す通りに各粒子を配置することを意味する。 なお、 第 2 図 （a ) は、 ガスアトマイズ法により製造した粒子 Pを 5 2ミクロンメッシュの 篩にかけ、篩を通過した粒子を収集して（均一なサイズの粒子）、配置させたもの である。

正三角形の頂点に各粒子を配置した形態と同様にして、 正四面体を構成する各 正三角形についても、 粒子 Pと粒子 Pの間の空隙 Sに形成される三角形、 すなわ ち、 粒子の接線の交点から形成される三角形の各頂点は、 9 0度以下であること が必要であり、好ましくは 3 9〜 7 0 . 5度であり、理想的には約 6 0度である。 また、 本発明に使用する活性構造体における波動性ェネルギを增幅させる位置 とは、 前記の正四面体の頂点の位置に限らず、 物質が特定の元素から構成された 粒子 Pと粒子 Pの間の空隙 S (エネルギ集中の場） を通過または滞留する際に、 各元素の固有の振動 ·揺らぎ等により、 当該物質に高いエネルギを付与すること が可能な位置であれば特に限定されるものでない。すなわち、例えば第 2図（b ) に示す通りの不規則な形状の粒子をランダムに配置すると、 各元素に固有の振動 が互いに打ち消し合って、 各粒子間に存在する間隙に、 高いエネルギの場が生じ るのが困難となり、 被処理物質の活性化が生じなくなる。 第 2図 （b ) に示す粒 子は、 ガスアトマイズ装置のチャンバ壁面に付着した原料物質を破碎した後、 5 2ミクロンメッシュの篩にかけ、 篩を通過した粒子を収集して、 配置させたもの である。

(板状活性構造体）

本発明は、 このような基本構成を有する活性構造体を板状に成形した板状活性 構造体を用いる。 以下、 本発明に使用する板状活性構造体 （以下、 単に 「板状活 性構造体」 と言う） について、 第 3図および第 4図を用いて説明する。 (板状活性構造体の構成）

板状活性構造体は、 このような基本構成を有する活性構造体を板状に成形した ものである。 すなわち、 上記した粒子を、 圧縮成形、 焼結成形等の種々の成形方 法により成形して構成することができる。 すなわち、 第 1図 （a ) に示す通り、 前記の通り珪素、 チタン、 ニッケル、 サマリウムから成る群から選択された単一 成分の元素または弗化炭素から構成された粒子 Pを各元素または弗化炭素に固有 の波動性エネルギに増幅させる位置 S、 代表的には、 正三角形の頂点、 好ましく は正四面体の頂点に各粒子 Pが配列するように配置する。 そして、 加熱下、 例え ば粒子の溶融温度以下の温度で加熱して、 圧縮することによって、 第 3図 （b ) に示すような板状活性構造体を得ることができる。

また、 後述する板状活性構造体から構成される水素発生装置の構成に応じて、 第 3図（b )に示すような L型や、第 3図（c )に示すような U型や、第 3図（d ) に示すような S型の板状活性構造体に形成することができる。 なお、 本発明で言 う板状活性構造体とは、 所定の厚み、 幅および長さを持った活性構造体であれば 特にその形状は、 限定されるものではなく、 また、 用語 " L型"、 "U型" および " S型" とは、 厳密に " L型"、 "U型" および " S型"形状を有するものでなく ともよい。例えば、 "U型"の板状活性構造体は、 曲線部のない垂直な 3つの板状 からなる形態であってもよい。

このような板状活性構造体は、 第 4図 （a ) に示す通り、 粒子 P間にエネルギ 集中の場である空隙 Sが多数形成されている （この空隙の好ましい形態は前述の 粒状の活性構造体と同様であるので省略する）。すなわち、板状に成形しても珪素、 チタン、 ニッケルまたはサマリウム元素または弗化炭素から構成された粒子を本 発明に規定する各元素または弗ィヒ炭素に固有の波動性エネルギに増幅させる位置 に配置することによって、 同様な物質の活性効果を示す。

これに対して、 第 4図 （b ) に示す通り前記粒子を本発明の規定する範囲外、 すなわちランダムに配置すると、 例え粒子間にある程度の空隙を有していても前 記 （本発明の） 活性構造体の有する物質の活性効果を示すものではない。

なお、 板状活性構造体は、 使用する目的に応じて種々の寸法とすることができ るが、 効率よく被処理物を本発明で規定するエネルギ集中の場に導くため （滞留 およぴ通過）、その厚さは、 3 5 0 /i m〜l 5 0 0 t m、好ましくは 5 0 0 ^ m〜 1 0 0 0 mであることが好ましい （すなわち、 本発明の活性構造体を構成する 粒子が 5〜 1 5層積層された状態であることが好まし ヽ)。板厚が上記範囲より小 さい場合には破損等の取扱いの点で注意を要することになり、 逆に、 板厚が上記 範囲より大きい場合には、 被処理物が充分に板状活性構造体におけるエネルギ集 中の場に導けない場合がある。

また、 板状活性構造体は、 構造体全体として、 嵩密度 4 5〜6 0 %の範囲であ ることが好ましく、 特に約 5 0 %であることが好ましレ、。 上記の範囲の嵩密度を 有する板状活性構造体を使用すると、 被処理物を比較的少ない流量 （圧力） で板 状活性構造体におけるエネルギ集中の場に導入して処理することが可能である。 活性構造体の嵩密度が上記範囲よりも大きい場合には、被処理物を処理する際に、 高い圧力が必要となり、 板状活性構造体の破損や被処理物中の不純物によるエネ ルギ集中の場の目詰まりが生じることがある。 逆に、 板状活性構造体の嵩密度が 上記範囲よりも小さい場合には被処理物が板状活性構造体のエネルギ集中の場で 充分に滞留 ·通過する時間が取れず活性ィ匕しにくい場合がある。 なお、 最も好ま しい板状活性構造体の嵩密度は約 5 0 %である。

(活性構造体の製造）

以下、 本発明に使用される板状活性構造体および活性構造物の製造方法につい て記載する。

(粒子の製造：段階 a )

本発明の好ましい実施の形態において、 本発明の活性構造体は、 前記した板状 活性構造体以外に種々の形状の活性構造体とすることができる。 以下、 本発明の 板状活性構造体について、 第 5図および第 6図を用いて説明する。

本発明の活性構造体は、 上記した板状活性構造体以外に、 例えば図種々の形状 に成形することができる。 例えば、星型（コンペィ糖型） （第 5図 （a ))、 円盤状

(第 5図 （b ))、 少なくとも 1個の穴を有する板状 （第 5図 （c ) )、 球形 （第 5 図 （d ) )、 回転楕円体 （第 5図 （e ) )、 ひょうたん型 （第 5図 （f ) ) またはハニ カム状（第 5図 （g ) ) 等の形状に成形することが可能である。 すなわち、例えば 第 5図 （a ) から第 5図 （g ) に示すように、 従来の触媒粒子と同様な形状、 寸 法に本発明の活性構造体 （活性構造物） を成形することによって、 従来の触媒粒 子と同様な取扱いをすることが可能となる。 また、 従来の触媒を用いた反応装置 を本発明の活性構造体を用いた物質の活性化装置に流用することも可能であると いう効果も奏する。

また、 第 6図 （a ) から第 6図 （f ) に示すように、 例えば第 5図 （a ) から 第 5図 （f ) に示す構造を有する本発明の活性構造体 （活性構造物） は、 斜線で 示すように中心に本発明粒子と反応性が少ない材料あるいは比熱の高い金属から 構成されたコア上に形成することができる。 このように形成することによって、 本発明の活性構造体を安価に製造したり、 あるいは熱伝導率の高い金属を使用す ることで被処理物との熱交換を容易に行うことが可能となるという効果を奏する 場合がある。

このように、 コア上に本発明の活性構造体をコーティングする方法は、 従来公 知の方法、 例えば転動流動法、 噴霧乾燥法によって形成することができる。

(活性構造体の製造）

以下、 本発明の活性構造体のうち、 板状活性構造体および活性構造物の製造方 法について記載する。

(粒子の製造：段階 a )

まず、 活性構造体の基本単位となる所定元素または弗ィ匕炭素から構成された粒 子を形成する。 この粒子の形成方法は、 前述の通りである。

すなわち、 例えばガスァトマイズ法ゃゾルーゲル法等の触媒粒子の製造分野に 公知の方法により、 球状、 特に真球状の粒子を形成する。

(帯電防止処理：段階 b )

次いで、 各粒子間の配置を容易に行う目的で、 このようにして形成された粒子 に帯電防止処理を行う。 すなわち、 形成された粒子は、 粒子を配列する際に静電 気により各粒子が付着あるいは反発して所望の位置に配置できない場合がある。 そのため、 陰陽両イオンを粒子に施すことによって、 帯電防止処理を行う。

(焼結処理：段階 c )

このようにして帯電した所定の元素または弗化炭素から構成された粒子を第 1 図 （a ) に示すように配置し、 そして所定形状に焼結成形を行う。 この際の焼結 条件は、 使用する粒子を構成する元素または弗化水素の融点以下の温度で力つ焼 結成形可能な温度 （例えば珪素元素を使用する場合には 1 2 0 0〜 1 3 0 0 °C) であり、焼結時間は 2 · 5〜3 . 5 h、焼結圧力は 1 2〜 2 5 MP aである。 （な お、 弗ィヒ炭素の場合には直接焼結不能であるので、 例えば C I P (コールド立体 プレス） により作製する）。

このようにして焼結成形を行うと第 1図 （b ) に示すような配列をもった第 3 図に示すような形状を有する板状活性構造体が得られる。また、板状以外の構造、 すなわち第 5図に示すような構造を有する本発明の活性構造体 （活性構造物） を 得ることも可能である。

本発明における板状活性構造体あるいは活性構造物の形成の際に、 通常の焼結 成形とは異なりバインダを使用しないで焼結成形することに特徴がある。 すなわ ち、 従来公知のパインダを用いて焼結処理を行うと、 各粒子間の隙間 S、 すなわ ちエネルギの集中を均一に配置して板状活性構造体あるいは活性構造物を作製す るのが困難である、 粒子表面にバインダ由来の不純物が付着し、 粒子の活性が失 われる恐れがあるからである。 もちろん、 本発明に規定する粒子間を配置できか つ不純物の表面への付着を防止できればバインダを用いて焼結成形することも可 能であり、 本発明の製造方法はバインダの使用 '不使用に限定されるものではな い。 パインダを用いる際の焼結温度は、 ノ^ンダの分解点温度以上である。 以下、 このようにして形成された板状活性構造体を使用した水素発生装置につ いて記載する。 (被処理物）

本発明において被処理物として、 水、 水性媒体、 過酸化水素水、 炭化水素等の 水素を有する液体化合物が使用される。 水性媒体とは、 水に溶解または混和可能 な成分、 例えば塩ィ匕ナトリウム等の電解質、 低級アルコール等の極性溶剤、 ショ 糖等の糖分、 その他種々の成分を含む水溶液、 乳液、 懸濁液等を含むことを意味 するものである。 また、 炭化水素とは、 本発明による活性構造体を構成する粒子 間を通過させた際に、 C— H結合、 C一 OH結合等の結合から水素を遊離させる ものであれば特に制限されるものではなく、 例えばメタノール、 エタノール等の 脂肪族アルコール、 ガソリン、 石油エーテル等の炭化水素の混合物等まで幅広い 範囲を包含する。

(予備処理：不純物の除去 ·加熱等）

このような被処理物の液体は、目的に応じて適宜選択されるものである。また、 例えば被処理物である液体中に前記 （本発明の） 活性構造体におけるエネルギ集 中の場に対して目詰まりを生じさせるような不純物が存在する場合 （例えば海水 を使用する場合には海水中に存在する砂、 微粒子等の不純物） を凝集 ·沈殿ある いはろ過等により予め除去してから前記 （本発明の） 活性構造体に通過させるの が好ましい。 また、 所望に応じて、 液体を加熱手段により加熱してから前記 （本 発明の） 活性構造体に通過させてもよい。

このようにして、 前記 （本発明の） 活性構造体におけるエネルギ集中の場 （粒 子間） に水または炭化水素を介在させることによって、 O— H結合または C— H 結合等の結合エネルギより高いエネルギを付与し、 水素 （H) を遊離させること が可能である。 このようにして遊離した水素は、 水素分子 （H2) として、 従来 公知の方法により容易に回収することが可能である。

(装置例：板状活性構造体の例：液体処理例）

この実施の形態は、 例えば第 3図に記載されたような板状に成形された板状活 性構造体を水素発生装置に使用する例を説明するものである。 以下、 本実施の形 態を第 7図から第 1 3図に基づいて説明する。 第 7図から第 1 3図に示す前記 （本宪明の） 活性構造体を充填した水素発生装 置は、 各々板状活性構造体を用いて流体を活性化する装置であって、 予備的に加 熱手段が施されている。

第 7図から第 1 3図に示すように、 本発明の水素発生装置は、 板状活性構造体 1が設けられた被処理物を処理するための被処理物槽 2から主として構成されて いる。

第 7図に示す水素発生装置は、 被処理物である液体を本発明の板状活性構造体 により処理する基本的構造の活性装置であって、 第 7図 （a ) に示す水素発生装 置 1は、 板状活性構造体を被処理物槽 2内に垂直に配置した本発明の一実施の形 態を示し、 第 7図 （b ) に示す水素発生装置は、 板状活性構造体を被処理物槽 2 を上下方向に仕切るように設けた本発明の別の実施の形態を示す。 第 7図 （a ) およぴ第 7図 （b ) に示す水素発生装置は、 主として被処理物を活性化する際に 気体の発生を伴うことを想定した装置である。

第 7図 （a ) に示す水素発生装置 1は、 板状活性構造体の断面長さ方向に沿つ て前記活性構造体を配置し、 前記被処理物を前記活性構造体のエネルギ集中の場 に通過または滞留させることによって前記被処理物を活性ィ匕する水素発生装置 1 の一例を示し、 一方、 第 7図 （b ) に示す水素発生装置は、 板状活性構造体の断 面長さ方向の内部を通過させる位置に前記活性構造体を配置し、 前記被処理物を 前記活性構造体のエネルギ集中の場に通過または滞留させることによって前記被 処理物を活性化する装置である。

第 7図 （a ) に示す水素発生装置 1は、 被処理物槽 2内に本発明の板状活性構 造体 I ( I型） を複数平行に配置した構成を有している。 この被処理物槽 2は、 例えば流体を活性ィ匕して気体を放出する場合には、 気体の出口 3を有している。 そして、 例えば被処理物である液体として水を使用して、 本発明の板状活性構造 体 Iにおけるエネルギ集中の場により水を活性ィヒして水素を含む気体努生させる 場合、 まず、 板状活性構造体 Iにおけるエネルギ集中の場に浸入した水が活性化 されて気体を発生する。 発生した気体はエネルギ集中の場に留まるのではなく、 気泡として上方に浮上する。 この繰り返しにより第 7図 （a ) において矢印で示 すような被処理物の対流が発生する。 そして、 このようにして発生した液体の対 流により、 板状活性構造体 Iにより液体が活性化された際に放出される気泡が板 状活性構造体 Iのエネルギ集中の場に長期間滞留するのではなく、 素早く浮上で きる構成としている。 なお、 発生した気体の成分を分析したところ水素、 酸素お よび窒素であった。

このように板状活性構造体の断面長さ方向に沿って前記活性構造体を配置し、 前記被処理物を前記活性構造体のエネルギ集中の場に通過または滞留させる構成 とすることで、 効率的に被処理物である液体を活性ィ匕することが可能となる。

(上下の仕切り）

一方、 第 7図 （b ) に示す水素発生装置 1 aは、 板状活性構造体により被処理 物槽 2を上下方向に仕切った構成を有している。

板状活性構造体により被処理物槽 2を上下方向を仕切るためには、 一枚の板状 活性構造体 Iを被処理物層 2の底面に対して平行に設け、 被処理物槽 2を仕切る のが最も簡単な構成であるが（図示せず)、好ましくは、板状活性構造体により被 処理物槽 2を上下方向に仕切るのと同時に、 板状活性構造体を被処理物槽 2に対 して垂直方向へ配置する構成とするのが、 前述の被処理物を対流させる観点から 好ましい。

第 7図 （b ) に示す水素発生装置 1 aは、 このように板状活性構造体により被 処理物槽 2を上下方向に仕切るのと同時に、 板状活性構造体を被処理物槽 2に対 して垂直方向へ配置する構成を有している。 すなわち、 S型の板状活性構造体 S あるいは I型の板状活性構造体 I、 L型の板状活性構造体 Lおよび U型の活性構 造体 Uを組合せて、被処理物槽の水平面を板状活性構造体 Sまたは活性構造体 I、 L、 および Uで遮断している構成を有している （以下、 このような水素発生装置 1 aにおける活性構造体を総称して活性構造体 Sと称する）。

このようにして構成した第 7図 （b ) に示す水素発生装置 1 aは、第 7図 （a ) に示す水の活性化装置 1と同様にして、 例えば被処理物である液体として水を使 用して、 本発明の活性構造体 Sにおけるエネルギ集中の場により水を活性化して 水素を含む気体発生させる場合、 まず、 活性構造体 Sにおけるエネルギ集中の場 に浸入した水が活性化されて気体を発生する。 発生した気体はエネルギ集中の場 に留まるのではなく、気泡として上方に浮上する。この繰り返しにより第 7図（ b ) において矢印で示すような被処理物の対流が発生する。

また、 活性構造体 Sが被処理物槽 2の上下方向、 すなわち水平面を区切ってい るので、 被処理物の活性化によって発生した気泡は、 必ず活性構造体 Sを通過し て浮上する構成となっている。 このように構成することで、 被処理物である液体 は、 活性構造体 Sにおけるエネルギ集中の場に浸入する確率が増加し、 これによ つて活性化速度 （反応速度） が増加する。

(応用例 1 ：活性構造体加熱）

以下、 このような基本構成を有する水素発生装置の好ましい実施の形態を第 8 図から第 1 3図を用いて説明する。 なお、 以下の応用例の説明において、 第 7図 ( a ) に示す構成を有する水素発生装置 1と第 7図 （b ) に示す水素発生装置 1 aにおいて共通する説明については、 主として第 7図 （a ) に示す構成を有する 水素発生装置 1を説明し、 第 7図 （b ) に示す水素発生装置 1 aの説明は省略す る。

第 8図に示す水素発生装置 1 cは、 被処理物を加熱することによって積極的に 被処理物の対流を発生させる構成の水素発生装置である。 この水素発生装置 1 c は、 第 7図 （a ) に示す前記板状活性構造体 Iの断面長さ方向に沿って前記活性 構造体を配置した水素発生装置 1および第 7図 （b ) に示す被処理物が活性構造 体を通過することによって物質を活性化する水素発生装置 1 aの両方に対応可能 である。 すなわち、 第 7図 （a ) および （b ) に示す水素発生装置が被処理物の 活性化に伴う気体の発生によるいわゆる自然発生的に被処理物を対流させるのに 対して、 この装置は、 板状活性構造体 （および被処理物） を加熱することにより 積極的に対流を発生する構成としている。

第 8図に示す水素発生装置 1 cは、前記板状活性構造体 Iを複数平行に配置し、 前記板状活性構造体 I間に加熱手段 4である発熱体を各々間隔を設けて配置した 被処理物槽 2から構成されている。 なお、 この際の板状活性構造体 Iと加熱手段 4である発熱体との本数は特に制限されるものではなく、 被処理物の種類、 被処 理物槽 2の容積等に応じて適宜選択されるものである。

このように構成すると、 加熱手段 4である発熱体の放射熱が発熱体の近傍にあ る流体である被処理物に伝播して、 被処理物の対流が生じる。 そして、 このよう にして被処理物の対流が生じると、 板状活性構造体 Iにおけるエネルギ集中の場 (図示せず） に被処理物が通過する確率が増カ卩され、 そして被処理物の活性ィ匕が 促進される。

このような加熱手段による板状活性構造体 Iの加熱例を第 1 4図および第 1 5 図に示す。

すなわち、 第 1 4図は、 本発明の板状活性構造体を直接加熱する方法の一例を 示す斜視図であり、 第 1 5図は、 本発明の板状活性構造体を直接加熱する方法の 別の例を示す斜視図である。

第 1 4図に示す通り、 板状活性構造体 Iを加熱する加熱手段 4は、 板状活性構 造体 Iに異種導電性金属めつき加工を施し、 この板状活性構造体 Iに導線を介し て電源 P Sにより電圧を印加することにより板状活性構造体 Iを加熱する構成と なっている。 この際の、 異種導電性金属めつきの膜厚は、 活性構造体の作用を阻 害しない範囲で適宜選択される力 例えば 3〜5 μ ΐηの範囲である。 特に、 発熱 に有効なのは部分的にメツキする方法である。

なお、 例えば、 第 8図に示す 5枚の板状活性構造体 Iの全てに第 1 4図に示す 加熱手段 4を施してもよく、 あるいは一部、 例えば 1枚おきに加熱手段を構成し てもよい。 また、 複数枚の板状活性構造体 Iに第 1 4図に示す加熱手段 4を施す 場合、 全ての板状活性構造体 Iを並列または直列式に導線により接続して、 1つ の電源から電圧を印加してもよく、 あるレヽは各々別々の電源と接続されていても よい。

このように構成すると、 電源からの電圧を制御することによって、 板状活性構 造体 Iの発熱量を自由に制御可能である。 このように発熱量を自由に変ィヒさせる ことによって、 被処理物の対流を制御することが可能となるので、 物質の活性化 速度を調整することが可能となる。 また物質の活性ィ匕速度の制御は、 自然発生的 に対流が生じる第 7図に示す水素発生装置と比較して容易である。 第 1 5図に示す加熱手段 4は、 板状活性構造体 Iと板状活性構造体 Iとの間に 発熱体 H Eを設けた構成となっている。

この発熱体 HEは、 被処理物を効率的に板状活性構造体 Iにおけるエネルギ集 中の場へ通過させるために、 多孔質であることが必須である。 このような多孔質 発熱体 HEは、 各種セラミック発熱体として公知のものから選択することができ る。

このように、 発熱体の発熱量を制御することによって、 被処理物の対流を制御 することが可能となるので、 物質の活性化速度を調整することが可能となる。 ま た物質の活性化速度の制御は、 自然発生的に対流が生じる第 7図に示す水素発生 装置と比較して容易である。

なお、 第 1 4図おょぴ第 1 5図に示した加熱手段 4は、 第 7図 （ b ) に示す水 素発生装置 1 aにおける板状活性構造体の、 垂直方向の板状活性構造体に同様な 構成を施すことによって、 同様な効果を得ることが可能となる。 (応用例 2 ：活性構造体間接加熱）

第 9図に示す水素発生装置は、 本発明の板状活性構造体 I ( S ) を配置した被 処理物槽 2および前記被処理物槽 2中の被処理物を外部から加熱する加熱手段 4 力 構成されている。

第 9図 （a ) に示す水素発生装置 1 dは、 加熱手段 4を被処理物槽 2に接触さ せて配置した構成の一例である。 例えば、 図示した構成以外にも、 被処理物槽 2 の側面に加熱手段を設けてもよく、 あるいは加熱手段、 例えば熱媒チューブを被 処理物槽 2の全面を覆う形式で設けても良い。 また、 第 9図 （b ) に示す活性化 装置 1 eは、 加熱手段 4である外部加熱器を被処理物槽 2と一体成形して設けた 構成を有している。 この構成は、 例えばガス釜により浴槽内の水を加熱する方式 と同様な形式である。

板状活性構造体 Iを直接加熱する第 8図に示す水素発生装置 1 cとは異なり、 第 9図に示す水素発生装置 1 d、 1 eは、 被処理物を加熱することによって間接 的に板状活性構造体 Iを加熱する方式である。このように構成することによって、 第 8図に示す水素発生装置 1 cと同様に、 被処理物槽 2内で被処理物の対流が生 じる。 そして、 このようにして被処理物の対流が生じると、 本発明の板状活性構 造体 Iにおけるエネルギ集中の場 （図示せず） に被処理物が通過する確率が増加 され、 そして被処理物の活性化が促進される。

なお、 発熱体の発熱量を制御することによって、 被処理物の対流を制御するこ とが可能となるので、 第 8図に示す例と同様にして物質の活性ィ匕速度をより容易 に調整することが可能となる。

(応用例 ³ ：活性構造体上下方向移動）

第 1 0図に示す、 水素発生装置 1 f は、 被処理物を活性化する水素発生装置で あって、 板状活性構造体 I ( S ) と被処理物槽 2内で水または水性媒体の液面相 対的な高さ位置関係を変化させる構成の水素発生装置である。 このように板状活 性構造体 I ( S ) と水または水性媒体の液面の相対的な高さ位置関係を変化させ ることによって板状活性構造体 Iと被処理物である液体との接触面積を変化させ る。 すなわち反応容積を変化させることで活性速度を調整する。

この型の装置は、 大別して 2種類の構成をとることが可能である。 すなわち、 第 1 0図 （a ) は、 外部タンク 5を被処理物槽 2と一体成形し、 外部タンク 5に より被処理物の液面を変化させる方式の水素発生装置 1 f である。第 1 0図（a ) に示す水素発生装置 1 f において、 外部タンク 5は図示しない液量調節手段 （液 量調節バルブ等） により被処理物槽 2内の液量 （容積） を変ィ匕させる。 このよう にして、 液量が変化すると板状活性構造体 Iと被処理物である液体との接触面積 が変化する。換言すると、板状活性構造体 Iの被処理物中への浸漬量が変化する。 このように板状活性構造体 Iにおける図示しないエネルギ集中の場へ浸入する被 処理物である液体の絶対量が変化することとなる。

第 1 0図 （b ) に示す水素発生装置 1 gは、 第 1 0図 （a ) における外部タン ク 5の代わりに各板状活性構造体 Iに接続された垂直方向移動手段 5， により板 状活性構造体 Iを垂直方向 （高さ方向） に移動させるように構成されている。 被処理物である液体の容積を変化させる構成を有する第 1 0図 （a ) に示す水 素発生装置 1 f と異なり、 第 1 0図 （b ) に示す水素発生装置 1 gは、 板状活性 構造体 Iを直接垂直方向に垂直方向移動手段 5， により移動することによって、 板状活性構造体 Iと被処理物である液体との接触面積を変化させている。 第 1 0 図 （a ) に示す水素発生装置 1 f と同様に、 液体と板状活性構造体 Iとの接触面 積の変化により物質の反応量を制御とする構成を有している。

第 1 0図 （a ) および第 1 0図 （b ) に示すように、 板状活性構造体 Iと被処 理物である液体との相対的接触面積が変化する構成とした場合には、 板状活性構 造体 Iと被処理物である液体とを完全に離間させることによって、 被処理物の活 性化を停止することができるという利点を有する。

第 1 1図から第 1 2図 （b ) に示す水素発生装置 1 h〜l jは、 被処理物であ る液体を循環させる循環手段を設けて、 被処理物を強制的に循環させる水素発生 装置である。

第 1 1図に示す水素発生装置 1 hは、 第 7図に示す本発明の水素発生装置にお いて、 さらに被処理物槽 2の側面に循環手段が設けられた構成を有している。 第 1 1図に示す水素発生装置 1 hは、 循環手段を、 例えば循環式のポンプ 7 P と、被処理物の入口 7 i nと、被処理物の出口 7 o u tとから構成した例である。 このように構成すると、 矢印に示す通りに被処理物槽 2の側面の下側に位置する 入口 7 i nから入った被処理物は、 循環式のポンプ 7 Pにより圧送されて被処理 物層 2の側面の上側に位置する出口 7 o u tから所定の流速で排出される。

このようにして循環手段により起こされた被処理物の流れにより、 強制的な被 処理物の対流が生じる。 この対流の度合いは、 循環式のポンプ 7 Pによる圧送速 度により調整できるので、 被処理物の物質の活性化速度は、 所望に応じて調整す ることが可能となる。

第 1 2図 （a ) および第 1 2図 （b ) に示す水素発生装置は、 被処理物槽 2の 底部に循環手段の本体であるポンプ 7 Pが設けられた構成を有している。そして、 第 1 2図 （a ) に示す水素発生装置 1 iにおいては、 被処理物槽 2の底部に被処 理物の出口 7 o u tが設けられており、 また第 1 2図 （b ) に示す水素発生装置 1 jにおいては、 被処理物槽 2の上方の側部に被処理物の排出口である出口 7 o u tが設けられている。

第 1 2図 （a ) に示す水素発生装置 1 iにおいて、 ポンプ 7 Pを被処理物槽 2 の底部の中心に配置し、 そしてポンプ 7 Pの周辺に複数の被処理物の出口 7 o u tを設けている。 このように構成するとポンプ 7 Pにより圧送された被処理物で ある流体が被処理物槽 2内で均一に拡散される。

第 1 2図 （ b ) に示す水素発生装置 1 jにおいて、 ポンプ 7 Pを被処理物槽 2 の低部の中心に配置し、 そして被処理物槽 2の側部の所定箇所、 すなわち被処理 物の界面より高い任意の箇所に少なくとも 1個の被処理物の出口 7 o u tを有し ている。 そして、 ポンプ 7 Pから圧送された被処理物の流体は、 所定の流速で上 方に送られて被処理物の界面の上方に設けられた出口 7 o u tからォ バーフロ 一して流出する構成となっている。 このように構成すると、 第 1 2図 （a ) に示 す水素発生装置 1 iと同様に、 第 1 2図 （b ) に示す水素発生装置 1 jもポンプ 7 Pにより圧送された被処理物である流体が被処理物槽 2内で均一に拡散される。 このように、 第 1 2図 （a ) および第 1 2図 （b ) に示す、 被処理物槽 2の底 面に循環手段であるポンプ 7 Pを有する水素発生装置 1 i、 1 jは、 ポンプ 7 P により被処理物の流量を調整することにより被処理物の活性化速度を高めるだけ でなく被処理物の活性化速度を調整することが可能である。

なお、 第 1 2図 （a ) および第 1 2図 （b ) に示す、 被処理物槽 2の底面に循 環手段であるポンプ 7 Pを有する水素発生装置 1 i、 1 jは、 第 7図 （b ) に示 す基本構成を有する水素発生装置 1 a、 すなわち被処理物が活性構造体 Sの内部 を横切って活性化させる構成を有する水素発生装置に適用するのが特に好ましい。 第 1 3図に示す、 水素発生装置 l kは、 第 7図に示す物質の活性装置 1におい て、 板状活性構造体 I (板状活性構造体 S ) の垂直方向に平行に発振体 8を設け た構成を有している。

発振体 8を設けて、 この発振体 8より所定の振動を板状活性構造体 Iに印加す ることによって、 板状活性構造体 Iの近傍およぴ板状活性構造体 Iの内部に存在 する物質を効率よく板状活性構造体におけるエネルギ集中の場に導くことが可能 となり、 被処理物の活性化が効率よく行うことが可能となる。 特に、 板状活性構 造体 Iの内部に滞留する被処理物おょぴ殊に処理によって発生した気泡を放出す ることが可能となる。

以上、 第 7図から第 1 3図を用いて、 主として被処理物が液体である水素発生 装置を説明したが、 これらの技術を組合せることも本発明の範囲内である。 すな わち、 例えば第 7図に示す基本構成を有する水素発生装置に、 加熱手段 4と循環 手段 7の両方を有する構成とすることも可能である。

また、 第 5図および第 6図に示す粒状の活性構造体や所定形状を有する活性構 造物を流動床として被処理物槽 2の低部または上部に設けることも可能である。

(水素分離）

このようにして第 7図から第 1 3図に記載の水素発生装置により発生した水素 を含む気体は、 使用した被処理物に応じて水素以外に、 主として酸素、 窒素等の 不純物ガスを含んでいる。 従って、 これらの不純物ガスを分離'除去する必要が ある。 以下に、 第 1 6図から第 1 8図を用いて水素を含有する気体から水素を単 雜する方法を説明する。

第 1 6図および第 1 7図は、 各々本発明の水素発生装置により発生した水素を 含む気体から水素を単離する気体分離装置の一例を示す断面図であり、 そして第 1 8図は、気体分離装置を設けた水素の分離システムの一例を示す模式図である。 第 1 6図に示す気体分離装置 5 0は、 第 7図から第 1 3図に示す本発明の水素 発生装置で発生し、 そして気体出口 3からの気体を導入する導入口 5 1と、 導入 した気体を水素とその他のガスとに分離する本体 5 2と、 前記本体 5 2の上部に 設けられ、 単離された水素を回収するための水素出口 5 3と、 前記水素出口 5 3 の下方に設けられた水素以外の気体を排出するための排出口 5 4とから構成され ている。

所定の流速で導入口 5 1から本体 5 2に導入された気体は、 図中矢印で示すよ うな旋回流を発生する。 ここで水素は、 比重の軽い気体であるので、 導入口 5 1 から導入された気体中の水素は本体 5 2の上方から排出される。 一方、 水素以外 の気体は、 水素と比較して重いので、 下方の排出口 5 4から排出される。 このよ うにして、 本発明の水素分離装置で発生した気体から濃度の高い水素を回収する ことが可能となる。

第 1 7図に示す気体分離装置 6 0は、 第 1 6図に示す気体分離装置 5 0の本体 に遠心分離器 6 1が設けられた構成を有している。 遠心分離器 6 1は、 攪拌する ためのファン Fと、 ファン Fを駆動するためのモータ Mとから構成されている。 そしてファン Fを所定速度で回転させることにより、 水素と他の気体とを高速 に分離することが可能である。

以上説明した気体分離装置の中で、 気体分離装置 5 0を第 7図から第 1 3図に 示す本発明の水素発生装置 1〜： L kの下流に設けた、 水素発生システム 7 0の基 本構成の一例を第 1 8図に基づいて説明する。

第 1 8図に示す通り、 本発明の水素発生システム 7 0は、 被処理物中に存在す るダスト等の不純物を除去するためのフィルタ 7 1、 被処理物を循環させるため のポンプ P、 被処理物から水素を含む気体を発生するための本発明の水素発生装 置 1 (第 7図から第 1 3図参照)、前記水素発生装置 1で活性化された被処理物 (液 体と気体を含む） を気体と液体とに分離するための気液分離器 7 2、 前記気液分 離器 7 2で分離された気体を水素と他の気体とに分離するための気体分離装置 5 0とから概ね構成されている。 そして、 前記気液分離器 7 2で分離された液体は 配管 7 3を介してフィルタ 7 1に戻される。 このように、 本発明の水素発生シス テム 7 0は、 循環系を形成している。

まず、 フィルタ 7 1にて不純物が除去された水等の被処理物は配管を通りボン プ Pを介して水素発生装置 1に導入される。

そして、 水素発生装置 1に導入された被処理物は配管を介して気液分離器 7 2 に送られる。 気液分離器 7 2により水素を含む気体と、 被処理物である液体とに 分離され、 水素を含む気体は、 気体分離装置 5 0に送られる。 そして、 ここで気 体は、 前記の通り水素とそれ以外の気体に分離されて、 水素が回収される。

—方、 被処理物の液体は、 再ぴフィルタ 7 1に戻され循環再利用される。

(水素発生システム）

以上説明した水素発生システムの具体例を第 1 9図に基づいて説明する。 なお、 以下の記載においては被処理物として水を例として挙げたが、 同様に水 性媒体、 炭化水素類等を通流しても同様な効果を奏するものである。

( 1 ) 最初に弁 V I， V 2 , V 3を開として V Iから水を供給し水の小循環ライ ンを形成する。水循環ポンプ 1 1を起動し水を循環する。弁 V 4及ぴ弁 V 5を開、 弁 V 3を閉とする。 (2) ヒータ 12、 水素発生装置 1、 電解槽 13、 気液分離器 14、 弁 V5、 弁 V 2、 循環ポンプ 11、弁 V4から形成される大循環ラインに水を循環させる。

(3) ヒータ 12のスィッチ ON。 尚、 ヒータ 12で加熱するのは、 被処理物で ある水の活性ィ匕をさらに促進するために行う。 なお、 ヒータ 12の代わりに、 例 えば第 9図に示す水素発生装置における加熱手段 4を使用することも可能である。 また、 本発明に係る水素発生装置に水を通過すると、 板状活性構造体 I (S) に おける波動性エネルギ集中の場でエネルギーを付与され、 水が活性化される。

(4) 電解槽 13のスィッチ ON。 水を電解することによりガスを発生。

このとき水はヒータ 12 (加熱手段 4) で加熱され、 水素発生装置 1によりさ らに水分子が活性化される結果、 電解槽 13内の水の分解が促進され単位電力当 たりの水素の発生量が向上する。

(5) 電解槽 13をから排出される気泡を含んだ液は、 気液分離器 14に導入さ れ、 電解槽 13から発生する気泡を含んだ液から気泡のみを分離する。

(6) 気液分離器 14で分離された気泡は、 水素透過膜を備えた膜分離離装置 1 5により、 水素を回収され、 水素透過膜を透過できなかった酸素含有ガスはその まま大気に放出される。

(7) 一方、 気液分離器 14で気泡を分離された液は、 再び水循環ポンプ 11で 系内を循環される。

(8) 運転中に電解され消費された水の量は、 弁 VIから補給水として補給され る。

尚、 本発明に係る水素発生装置 1の活性が高いときは電解槽 13を省略するこ ともでき、 あるいは電解槽 13の代わりに更に水素発生装置 1を直列配置するこ とも可能である。 (実施例）

以下、 本発明を実施例に基づいて詳細に説明するが、 本発明はこれらの実施例 に限定されるものではない。 [：実施例 1 ]

この実施例は太陽光の入射がなく、 カ つ室内灯の直接当たらない場所にて行つ た。

純度 98. 0%の珪素を用いてガスアトマイズ法により第 2図 （a) に示す通 りの直径 5〜80μπι (最大 150μπι) の真球状の粒子を製造し、 このように して構成した粒子 (Ρ 1) 100 cm3を、 容量 300 c cの三角フラスコ 10 2内に積層して第 20図に示すような本発明による活性構造体を含む水素発生装 置を作製した。

なお、 この水素発生装置 100は、 加熱台 101に搭載された粒子 Pが導入さ れた三角フラスコ 102と、 気体と氷水で満たした水槽 103中で気体を捕集す る捕集瓶 105とを導管 106を介して気密に接続している。

なお、 水槽 103を氷水で満たしたのは、 水槽 103の中であらかじめ水蒸気 を凝縮させておくことで、 水槽から取り出した後の捕集瓶 105の内気圧が室内 圧よりも低くならないようにするためであり、 水槽内の温度を 10°C以下に保持 した。

また、 捕集瓶 105内の気体は比重差により分離することが予備実験で確認さ れたので、 ガスクロマトグラフィで分析する前に十分に攪拌するためにシリコン 材から構成したチップ 107を捕集瓶に予め入れておいた。

次いで、 このようにして構成された活性構造体中に、 精製水 (92°C) を三角 フラスコ 102から容量 164 c cの捕集瓶 105の先まで満たし、 この温度で 放置して捕集瓶 105に発生した気体を捕集した。 このようにして捕集した気体 をガスクロマトグラフィにより分析したところ、 水素ガス 78容量％、 酸素ガス 5容量。 /₀およぴその他ガス 17容量。 /₀となつた。 [実施例 2]

精製水の温度を 50°Cおよび 90°Cに保つ以外は実施例 1と同様にして実験を 繰り返した。 その結果、 50°Cにおけるガス発生量は、 28 c cZ時であり、 9 0°Cにおけるガス発生量は、 56 c cZ時であった。 この実験により 90°Cにお いて水の分解速度が 50°Cの場合に比較して加速されたことを見出した。 同様に捕集した気体をガスクロマトグラフィにより分析したところ、 水素ガス

7 8容量⁰ /₀、 酸素ガス 5容量％および窒素ガス 1 7容量％となった。 [実施例 3〜実施例 1 0 ]

活性構造体の容積を 7 5 c m³とし、精製水の温度を 9 0 °Cまたは 9 9 °Cとし、 そして活性構造体の粒径を表 2に示す通りとした以外は実施例 1を繰り返した。 気体の発生量を表 2に併記する。 表 2

表 2の結果から、 同一温度において本発明における活性構造体を構成する粒子 の粒径が小さいほどガスの発生量が増加し、 高い活性を示すことが分かった。 ま た、 同一の粒径の場合、 温度が高い方がガスの発生量が増加し、 高い活性を示す ことが分かった。

また、 繰り返し実験の結果、 どのような理由かは明確でないが窒素ガスの発生 かみられた。 また、 酸素ガスと窒素ガスとの容量比は、 1 ：約 3 . 4でありやや 酸素過剰な空気が得られた。

[比較例 1 ]

活性構造体を構成する粒子として第 2図 （b ) に示す不規則な粒子を用いて作 製した比較用活性構造体 ( P C) を使用した以外実施例 1と同様な操作を行つた ところガスの発生は観察されなかった。 [実施例 11〜14]

実施例 1と同様にして、 T i (活性構造体（P2))、N i (活性構造体（P3))、 Sm (活性構造体 (P4)) および FC (活性構造体 （P5)) を用いて本発明の 活性構造体 （2) 〜 （5) を作製した。

[実施例 15、 比較例 2および 3] (板状活性構造体）

実施例 1で得られた活性構造体 (P 1) を静電気防止処理した後、 表 3に示す 条件で焼結して本発明の板状活性構造体 （T1) を作製した。

比較例 1で得られた比較構造体 （PC) を表 3に佘す条件で焼結して比較用構 造体 （TC2) を作製した （比較例 2)。 また、静電気防止処理を行わない以外実 施例 15と同様な方法で比較構造体 （TC3) を作製した （比較例 3)。

なお、 比較用構造体 TC 2は、 本発明の構造体 T1と同様な範囲の空隙率を有し ており、 T C 3は、 空隙率 60 %以上である。

これらの板状活性構造体の物性を表 3およぴに示す。 表 3

第 4図より明らかな通り、 本発明の条件で製造された活性構造体 T1は、 粒子 間にエネルギ集中の場を有するが、 本発明の条件を逸脱した、 すなわちエネルギ 集中の場を有していない比較用構造体 T C 2および T C 3は、 充分なエネルギ集 中の場を有していないのが判る。

なお、 比較用構造体 T C 1および 3を使用した所、 気体の発生は観察されなか つた o

[実施例 1 6 ] (その他の活性構造体）

実施例 1 1〜1 4により得られた本発明の活性構造体（P 2〜P 5 )を用いて、 実施例 1 5と同様な実験を行ったところ、 水素の発生が観察された。

このことより、 所定条件で製造されたチタン、 ニッケル、 サマリウムおよび弗 化炭素粒子からなる活性構造体も S iを用いた構造体と同様の効果があることが わかる。

[実施例 1 7および比較例 5〜 6 ]

第 8図に示す装置を用いて、 本発明の板状活性構造体 T l、 比較用構造体 T C 2および T C 3を用いて実施例 7と同様な実験を行った所、 本発明の板状活性構 造体 T 1は激しい気体の発生が観察されたが、 比較用構造体 T C 2および T C 3 は気体の発生は観察されなかった。

実施例 1 7で捕集した気体をガスクロマトグラフィにより分析したところ、 水 素ガス 7 8容量⁰ /₀、 酸素ガス 5容量％および窒素ガス 1 7容量％となった。

[実施例 1 8 ]

表 4に示す液体を用いた以外は実施例 1 5と同様な実験を行って、気体（水素） の発生を観察した。 結果を表 4に示す。 なお、 気体の発生状態を、 目視評価し、 良好に発生を * *、 発生を *、 若干の発生を Xで示した。 表 4

このことより、本発明の活性構造体は、水以外にも、電解質水 （海水）、有機極 性溶剤、 有機非極性溶剤等の種々の非処理物質を活性化することが判る。

これに対して、 比較用構造体 T C 2および TC 3では、 いずれも非処理物質の 活性化は観察されなかつた。

[実施例 19 ] (暖めた場合との比較）

第 9図に示す装置を用いて、 本発明の板状活性構造体 Tl、 比較用構造体 TC 2および TC 3を用いて実施例 15と同様な実験を行った所、 第 8図に示す装置 よりも大量の気体の発生が観察された （液温： 92°C)。

[実施例 20]

第 10図に示す装置を用いて、 本発明の板状活性構造体 Tl、 比較用構造体 Τ C 2および TC 3を用いて実施例 15と同様な実験を行った所、 第 8図に示す装 置よりも大量の気体の発生が観察された。

[実施例 21]

第 1 1図に示す装置を用いて、 本発明の板状活性構造体 Tl、 比較用構造体 Τ C 2および TC 3を用いて実施例 15と同様な実験を行った所、 第 8図に示す装 置よりも大量の気体の発生が観察された。 [実施例 2 2 ]

第 1 2図に示す装置を用いて、 本発明の板状活性構造体 T l、 比較用構造体 Τ C 2および T C 3を用いて実施例 1 5と同様な実験を行った所、 第 8図に示す装 置よりも大量の気体の発生が観察された。

[実施例 2 3 ]

第 1 3図に示す装置を用いて、 本発明の板状活性構造体 T l、 比較用構造体 Τ C 2および T C 3を用いて実施例 1 5と同様な実験を行った所、 第 8図に示す装 置よりも大量の気体の発生が観察された。

[実施例 2 4 ]

第 1 4図に示す装置を用いて、 本発明の板状活性構造体 T l、 比較用構造体 Τ C 2および T C 3を用いて実施例 1 5と同様な実験を行った所、 第 8図に示す装 置よりも大量の気体の発生が観察された。

以上、 本発明を実施の形態おょぴ実施例を元に説明したが、 本発明はこの構成 に特に限定されるものではない。 たとえば、 粒子間のエネルギ集中の場を有する 活性構造体で有れば活性構造体を構成する元素、 化合物は特に限定されるもので はない。

Claims

請求の範囲

1 . 被処理物を活性化するための水素排出口を有する被処理物容器と、 前記被 処理物容器内に粒子間にエネルギ集中の場を有する活性構造体とから構成された 水素発生装置であって、

前記被処理物容器内の被処理物が前記エネルギ集中の場に滞留または通過する ことによって水素を含む気体を発生させることを特徴とする水素発生装置。

2 . 前記活性構造体が、 珪素、 チタン、 ニッケル、 サマリウムから成る群から 選択された単一成分の元素または弗ィ匕炭素から構成された粒子を、 各元素または 弗化炭素に固有の波動性エネルギを増幅させる位置に配置して、 前記粒子間にェ ネルギ集中の場を持たせた活性構造体であることを特徴とする請求の範囲第 1項 に記載の水素発生装置。

3 . 前記活性構造体は板状に成形されていることを特徴とする請求の範囲第 1 項または第 2項に記載の水素発生装置。

4 . 前記活性構造体は、 前記被処理物容器内に対して、 発生気体と流体が速や かに分離する構造、 または発生気体により流体と触媒の接触が阻害されない位置 に配置されていることを特徴とする請求の範囲第 3項に記載の水素発生装置。

5 . 前記活性構造体は、 前記被処理物容器内に対して垂直方向に配置されてい ることを特徴とする請求の範囲第 3項に記載の水素発生装置。

6 . 前記活性構造体は、 前記被処理物容器を上下方向に仕切るように設けられ ていることを特徴とする請求の範囲第 3項に記載の水素発生装置。

7. 前記被処理物容器を加熱する加熱手段を設けたことを特徴とする請求の範 囲第 1項ないし第 6項のいずれか 1項に記載の物質の水素発生装置。

8 . 前記活性構造体を直接加熱する加熱手段を設けたことを特徴とする請求の 範囲第 1項ないし第 7項のいずれか 1項に記載の水素発生装置。

9 . 前記活性構造体を振とうさせる振とう手段を設けたことを特徴とする請求 の範囲第 1項ないし第 8項のいずれか 1項に記載の水素発生装置。

1 0 . 前記被処理物を前記被処理物内で循環させる循環機構を設けたことを特 徴とする請求の範囲第 1項な 、し第 9項のいずれか 1項に記載の水素発生装置。

1 1 . 前記活性構造体と被処理物との上下方向の接触面積を相対的に移動させ る移動機構を設けたことを特徴とする請求の範囲第 1項ないし第 1 0項に記載の 水素発生装置。

1 2. 前記被処理物が水、 水性媒体、 炭化水素またはこれらの混合物であるこ とを特徴とする請求の範囲第 1項ないし第 1 1項のいずれか 1項に記載の水素発

1 3. 請求の範囲第 1項ないし請求の範囲第 1 2項のいずれか 1項に記載の水 素発生装置を含む水素発生システム。

1 4. 請求の範囲第 1項ないし請求の範囲第 1 3項のいずれか 1項に記載の水 素発生装置を水素発生補助装置として含む水素発生システム。

1 5 . 請求の範囲第 1 3項または第 1 4項に記載の水素発生システムを搭載し た燃料電池システム。

1 6 . 請求の範囲第 1 3項または第 1 4項に記載の水素発生システムを搭載し た水素ロケット。

1 7. 請求の範囲第 1 5項に記載の燃料電池システムを搭載した車両。

1 8 . 請求の範囲第 1項ないし請求の範囲第 1 3項のいずれか 1項に記載の水 素発生装置で得られた水素を用いる内燃機関。

1 9. 請求の範囲第 1項ないし請求の範囲第 1 3項のいずれか 1項に記載の水 素発生装置で得られた水素を用 ヽる外燃機関。