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技術 水素発生具および水素発生方法

出願人 川口寅之輔前園明一
発明者 川口寅之輔前園明一
出願日 2004年9月10日 (15年9ヶ月経過) 出願番号 2004-263914
公開日 2006年3月23日 (14年3ヶ月経過) 公開番号 2006-076846
状態 未査定
技術分野 水素、水、水素化物 燃料電池(システム)
主要キーワード 電気発生源 切断小片 反応遅延 化学方程式 発電ランプ 外被覆 災害対策用 外側パイプ
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2006年3月23日)のものです。
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図面 (5)

課題

ナトリウム溶融状態充填され、固化されて保持されるアルミニウム製パイプの先端部のナトリウムが、水又は乳化水に接触されることにより、連続して発生される水素が、燃料電池メカニズムによって電気を発生させる、又は水素を燃焼させる、或いは、水素を貯蔵する等の広い用途に使用でき、長期保存に適した形態で、災害時における電気発生源等または携帯用として使用可能である水素発生具および水素発生方法を提供する。

解決手段

ナトリウム2が溶融状態でアルミニウム製パイプ3内に充填され、ナトリウム2が固化されて保持されるアルミニウム製パイプ3の先端部4aのナトリウム2が分離され、分離されたナトリウム2は、水12または乳化水13に接触され、ナトリウム2と水12または乳化水13は化学的に反応して水素が連続して発生される。長期保存に適した形態で災害時または携帯用として、必要に応じて水素を得ることができる。

概要

背景

従来、例えば、特開2004−107146(特許文献1)において、高圧水素製造装置が提案されている。上述の従来例は、水と反応して水素を発生する水素発生物質と水とを、目標とする高圧水素が得られるように量して水素発生器であるアルミニウム合金球形器体内に入れられるというきわめて簡単な手段により低コストで高圧水素を発生させる。 水素発生物質としては、例えば、NaH、Na、NaBH4、MgH2、Mg、Mg(BH)2、Mg(AlH)4、LiH、LiAlH4、LiBH4、Li、K、Ca、SrおよびBeから選択される少なくとも一種粉末または粒状物が用いられる。発生した高圧水素は水素貯臓器に蓄えられた後、水素貯臓器は水素発生器から分離される。用途である燃料電池車に搭載する場合は、水素発生器や反応生成物であるなどの重量が除かれるため車両の重量軽減上有利であるとしている。
特開2004−107146号公報

概要

ナトリウム溶融状態充填され、固化されて保持されるアルミニウム製パイプの先端部のナトリウムが、水又は乳化水に接触されることにより、連続して発生される水素が、燃料電池メカニズムによって電気を発生させる、又は水素を燃焼させる、或いは、水素を貯蔵する等の広い用途に使用でき、長期保存に適した形態で、災害時における電気発生源等または携帯用として使用可能である水素発生具および水素発生方法を提供する。ナトリウム2が溶融状態でアルミニウム製パイプ3内に充填され、ナトリウム2が固化されて保持されるアルミニウム製パイプ3の先端部4aのナトリウム2が分離され、分離されたナトリウム2は、水12または乳化水13に接触され、ナトリウム2と水12または乳化水13は化学的に反応して水素が連続して発生される。長期保存に適した形態で災害時または携帯用として、必要に応じて水素を得ることができる。

目的

そこで、本発明は、ナトリウムが溶融状態で充填され、固化されて保持されるアルミニウム製パイプの先端部のナトリウムが、水又は乳化水に接触されることにより、連続して発生される水素が、燃料電池のメカニズムによって電気を発生させる、又は水素を燃焼させる、或いは、水素を貯蔵する等の広い用途に使用でき、長期保存に適した形態で、災害時における電気発生源等または携帯用として使用可能である水素発生具および水素発生方法を提供することを目的とする。

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
1件

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請求項1

ナトリウム溶融状態充填され、前記ナトリウムが固化されて保持されるアルミニウム製パイプから成り、前記ナトリウムが水または乳化水に接触されて水素が発生されることを特徴とする水素発生具

請求項2

前記ナトリウムは、100〜130℃の溶融状態で、前記アルミニウム製パイプ内に充填される請求項1記載の水素発生具。

請求項3

前記アルミニウム製パイプは、水との接触が遮断され、さらに100〜300℃の範囲に保たれ、前記ナトリウムが溶融状態で充填される請求項1記載の水素発生具。

請求項4

前記ナトリウムが充填された前記アルミニウム製パイプは、棒状または渦巻き状の形態に形成される請求項1記載の水素発生具。

請求項5

請求項1記載の前記水素発生具を構成する前記アルミニウム製パイプの先端部が裂かれて前記アルミニウム製パイプから剥離され、剥離によって露出された前記ナトリウムの先端部が前記ナトリウムの本体部から分離され、分離された前記ナトリウムは、水又は乳化水に接触され、前記ナトリウムと前記水又は乳化水は化学的に反応して水素が連続して発生されることを特徴とする水素発生方法

請求項6

連続して発生される前記水素は捕集され、上記反応と同時に反応生成物である水酸化ナトリウムが生成され、反応に関与しない過剰の水と共に排出、回収される請求項5記載の水素発生方法。

技術分野

0001

本発明は、ナトリウム加水分解反応により水素を発生させる水素発生具および水素発生方法に関する。

背景技術

0002

従来、例えば、特開2004−107146(特許文献1)において、高圧水素製造装置が提案されている。上述の従来例は、水と反応して水素を発生する水素発生物質と水とを、目標とする高圧水素が得られるように量して水素発生器であるアルミニウム合金球形器体内に入れられるというきわめて簡単な手段により低コストで高圧水素を発生させる。 水素発生物質としては、例えば、NaH、Na、NaBH4、MgH2、Mg、Mg(BH)2、Mg(AlH)4、LiH、LiAlH4、LiBH4、Li、K、Ca、SrおよびBeから選択される少なくとも一種粉末または粒状物が用いられる。発生した高圧水素は水素貯臓器に蓄えられた後、水素貯臓器は水素発生器から分離される。用途である燃料電池車に搭載する場合は、水素発生器や反応生成物であるなどの重量が除かれるため車両の重量軽減上有利であるとしている。
特開2004−107146号公報

発明が解決しようとする課題

0003

そこで、本発明は、ナトリウムが溶融状態充填され、固化されて保持されるアルミニウム製パイプの先端部のナトリウムが、水又は乳化水に接触されることにより、連続して発生される水素が、燃料電池メカニズムによって電気を発生させる、又は水素を燃焼させる、或いは、水素を貯蔵する等の広い用途に使用でき、長期保存に適した形態で、災害時における電気発生源等または携帯用として使用可能である水素発生具および水素発生方法を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

0004

請求項1の本発明は、ナトリウムが溶融状態で充填され、前記ナトリウムが固化されて保持されるアルミニウム製パイプから成り、前記ナトリウムが水または乳化水に接触されて水素が発生されることを特徴とする水素発生具である。

0005

請求項2記載の本発明は、前記ナトリウムは、100〜130℃の溶融状態で、前記アルミニウム製パイプ内に充填される請求項1記載の水素発生具である。

0006

請求項3の本発明は、前記アルミニウム製パイプは、100〜300℃の範囲に保たれ、前記ナトリウムが溶融状態で充填される請求項1記載の水素発生具である。

0007

請求項4の本発明は、前記ナトリウムが充填された前記アルミニウム製パイプは、棒状または渦巻き状の形態に形成される請求項1記載の水素発生具である。

0008

請求項5の本発明は、請求項1記載の前記水素発生具を構成する前記アルミニウム製パイプの先端部が裂かれて前記ナトリウムから剥離され、
露出された前記ナトリウムの先端部が前記ナトリウムの本体部から分離され、
分離された前記ナトリウムは、水又は乳化水に接触され、
前記ナトリウムと前記水又は乳化水は化学的に反応して水素が連続して発生されることを特徴とする水素発生方法である。

0009

請求項6の本発明は、連続して発生される前記水素は捕集され、上記反応と同時に反応生成物である水酸化ナトリウムが生成され、反応に関与しない過剰の水と共に排出、回収される請求項5記載の水素発生方法である。

0010

(1)水とナトリウムとは、次式によって水素を発生することは公知であるが、その化学反応は激しいものとされてきた。
2Na+2H2O→H2+2NaOH
基本的には簡単な化学方程式であるが、この反応は激しいため、徐々に所定量の水素を連続して発生させるという制御方法については、難事だとされてきた。このため、この化学的反応を利用した現場利用水発生装置は現在に至るまで実現されなかった。
水素発生のための化学的反応が激し過ぎるという場合には、反応に必要な水分の供給調整、ナトリウムの供給調整、又は、供給水の乳化(水と油の混合液に適当な界面活性剤を添加)による反応遅延等を計ることができる。
(2)前言したように、ナトリウムは他の多くの金属とは化学的反応を起こすため、ナトリウムと合金を作るうえで必要な2元素状態図は、Hansenによって『2元素状態図集』として集録されている。金属中のナトリウムと反応しないのは、唯一アルミニウムだけである。このことは上述のAl−Na系2元素状態図によってもこの事実を語っている。(Hansen:『Constitution of Binary Alloys』,117頁)
即ち、アルミニウム−ナトリウム状態図において、アルミニウム固体純度99.7%)中へのナトリウムの溶解度は常温ではゼロであるが、例えば温度がアルミニウムの融点660℃に近い550〜650℃になっても0.002wt.%と全くゼロに近く、アルミニウムの融点に当たる659℃でも0.003wt.%以下である。(W.F.Wink,L.A.Willy,H.C.Stumpf,E.Scheuer,C.E.Ransley,H.Neufeld等の文献による。)
(3)ナトリウムは融点が98℃であるため、100〜130℃のナトリウム溶融体にアルミニウム製パイプの先端部を浸漬しておき、他端より真空ポンプまたは他の吸引装置を用いて、細いアルミニウム製パイプにナトリウムを吸引できる。長いパイプの場合には、このパイプを例えば150〜200℃程度に保温することによってナトリウムの充填が容易になる。上記のようにアルミニウムが高温になってもナトリウムと反応しないからである。勿論この場合には、ナトリウムが水に触れないようにする。
(4)水素発生量に応じたアルミニウム製パイプ浸漬用水タンクの水量を用意するが、燃料電池を長期に亘って発電させる場合等には、アルカリ生成物(水酸化ナトリウム)のみ分離し、それに中和剤としての例えば塩化水素等の酸液補給して中和させることができる。
NaOH+HCl→H2O+NaCl

0011

元来、ナトリウム系燃料は災害時のときの緊急発電用燃料電池等に用いるのに適しているといわれているが、保管中仮に水に触れたとしても、外被覆物としてアルミニウムが存在するので長期に亘る保存が容易である。
そこで、ナトリウムが充填されたアルミニウム製パイプのような固化金属燃料を用いる利点は、次のようである。
(1)原料として単一金属ナトリウムを採用することにより、物量資源岩塩海水等に含まれる塩化ナトリウムから得られ、塩化ナトリウムの溶解塩電解法によって量産化によるコストダウンが期待される。
(2)ナトリウムとアルミニウムとは水や外気に触れない限り化学的反応を生じることがないので、ガソリンとか重油を保存するよりも長期保存には安心である。アメリカ(Power−Ball Engineering Co.)では特に、家庭用燃料電池として水素化ナトリウム(NaH)ボールを用いるものが市販されており、必要に応じて水中で順次にこの被覆ボールを破壊するようになっている。NaHを作製するための費用のほか、ナトリウムを芯とするアルミニウム製パイプの方が保存する上で安全であるといえる。このため、例えば災害対策用として設置されている燃料電池用水素発生のための資材としてはきわめて適当であると思われる。
(3)ナトリウムの融点は98℃であり、それほどの高温度でないため、溶融体容器自体やその冷却装置も特殊の手段を講ずる必要がなく、溶融加熱のための消費エネルギーも少なくて済む。

発明の効果

0012

請求項1の本発明の水素発生具によれば、図1に示されるように、ナトリウム2が溶融状態で充填され、ナトリウム2が固化されて保持されるアルミニウム製パイプ3から成り、ナトリウム2が図示されない水または乳化水に接触されて水素が連続して発生される。
このため、長期保存に適した形態で、携帯又は長期保存が可能である。このため、必要に応じて水素を得ることができる。

0013

請求項2の本発明の水素発生具によれば、図2に示されるように、ナトリウム2は、100〜130℃の溶融状態で、アルミニウム製パイプ3内に充填される。
このため、アルミニウム製パイプ3内にはナトリウム2のみが効率的に充填される。

0014

請求項3の本発明の水素発生具によれば、図2に示されるように、アルミニウム製パイプ3は、水との接触が遮断され、さらに100〜300℃の範囲に保たれ、ナトリウム2が溶融状態で充填される。
このため、アルミニウム製パイプ3内に水が混入する余地なく、ナトリウム2の充填が完了するまでナトリウム2の溶融状態が保持される。

0015

請求項4の本発明の水素発生具によれば、図1および図3aに示されるように、ナトリウムが充填されたアルミニウム製パイプは、棒状または渦巻き状の形態に形成される。
このため、長期保存に適した形態で、携帯又は長期保存が可能である。このため、必要に応じて水素を得ることができる。

0016

請求項5の本発明の水素発生方法によれば、図3bに示されるように、請求項1記載の水素発生具1を構成するアルミニウム製パイプ3の先端部4aが裂かれてナトリウム2から剥離され、露出されたナトリウム2の先端部7がナトリウム2の本体部2aから分離され、
分離されたナトリウム2は、水12又は乳化水13中に落下され、ナトリウム2と水12又は乳化水13は化学的に反応して水素が連続して発生される。
このため、長期保存に適した形態で、保存又は携帯が可能である。さらに必要に応じて水素を得ることができる。

0017

請求項6の本発明の水素発生方法によれば、図3bに示されるように、連続して発生される水素は捕集され、上記反応と同時に反応生成物14である水酸化ナトリウムが生成され、反応に関与しない外側パイプのアルミニウム切断小片11と過剰水は共に排出、回収される。
このため、捕集された水素は、電気を発生させる、又は水素を燃焼させる、或いは、水素を貯蔵する等の広い用途に使用することができる。即ち、災害時における電気発生源等または携帯用として使用可能である。また、回収された反応生成物14である水酸化ナトリウムとアルミニウム切断小片11と、および反応に関与しない水は再利用することができる。

発明を実施するための最良の形態

0018

以下、本発明を、図面を参照して、その実施の形態に基づいて説明する。
本発明の水素発生具の一実施の形態は、図1および図2に示されるように、ナトリウム2は融点が98℃であるため、100〜130℃のナトリウム2の溶融体5にアルミニウム製パイプ3の先端部4aを浸漬しておき、他端部4bより図示されない真空ポンプ又は他の吸引装置を用いて、細いアルミニウム製パイプ3内にナトリウム2を充填できる。 長いパイプの場合には、図示されない保温手段によりこの外側のアルミニウムパイプ3を100〜300℃に保温する。勿論この場合には、水に触れないようにする。
充填の手段は、上記の図示されない吸引装置に必ずしも限定されず、図示されない圧入装置により溶融状態のナトリウム2をアルミニウム製パイプ3内に圧入しても良い。
このため、アルミニウム製パイプ3内にはナトリウム2のみが効率的に充填される。また、アルミニウム製パイプ3内に水が混入する余地なく、ナトリウム2の充填が完了するまでナトリウム2の溶融状態が保持される。さらに、アルミニウム製パイプ3に充填されたナトリウム2は室温で固化されて保持される。
尚、アルミニウム製パイプ3の直径、長さ、肉厚等の外形寸法は用途に応じて選択することができるが、肉厚はアルミニウム製パイプ3を使用する際にアルミニウム製パイプ3が充填されたナトリウム2から容易に剥離する程度であることが望ましい。また、図1、図3aに示されるように、水素発生具1は、用途に応じて任意長さの棒状または渦巻き状などの形態に形成することができるが、必ずしもこれらに限定されない。
このため、長期保存に適した形態で、アルミニウムパイプの直径、長さ、肉厚などは使用条件合致するように適宜に決めることができる。

0019

次に、本発明の水素発生方法の一実施の形態は、図3bに示されるように、ナトリウム2が充填された渦巻き状のアルミニウムコイル15の先端部15aがアルミニウムコイル送出装置16a、16bにより巻きほぐされ、スリッター8によりアルミニウム製パイプ3の長手方向に沿って裂かれて、剥離され、ナトリウム2が露出され、アルミニウム製パイプ3の先端部4aおよびナトリウム2の先端部7は、分離手段例えばカッター9によって順次切断され、水素発生に適した大きさにアルミニウム製パイプ3から分離される。
スリッター8によるアルミニウム製パイプ3からの剥離を容易にするために、スリッター8後さらにカッター9による切断方法を併用することもできる。
分離されたアルミニウムパイプ3の切断小片11とナトリウム2は、水素発生器6内に充填された水12または乳化水13に浸漬され、ナトリウム2と水12または乳化水13は化学的に反応して水素が連続して発生される。また、アルミニウムコイル15の先端部15aを直接、水12または乳化水13に浸漬して水素を連続して発生させることも可能である。乳化水13は、ナトリウム2と水12との化学的反応が激しい場合に、これを緩和する目的で用いることができる。

0020

また、図3bに示されるように、連続して発生される水素は、水素発生器6に接続される捕集管17を介して用途に応じた図示されない次工程へ送出される。即ち、水素と酸素の化学的反応による電気エネルギーを利用する燃料電池、電気変換装置、或いは水素の貯蔵装置等の広範な用途に適用することができる。 具体的にはキャンプ用の発電ランプバーベキュー電源電池、或いは遭難信号用の水素ガス入り風船等であり、また燃料電池による車椅子への適用も可能である。従って、水素発生具1と水12さえあればどのような状況下でも重量のある水素ボンベを準備することなく、容易に水素を作ることができる。
さらに、ナトリウム2と水12または乳化水13との化学的反応と同時に生成される反応生成物14である水酸化ナトリウムとアルミニウムパイプ3の切断小片11は、水素発生器6内に沈殿され、反応に関与しない水と共に適宜回収される。このとき、スリッター8又はカッター9又は両者併用によるアルミニウムの小切断片11は、幾分かの付着ナトリウム2を持っているかとも思われるので、スタラー10による水12または乳化水13の攪拌によってナトリウム2の完全水素化を行うことができる。
水素発生具1の使用により発生する廃物としては、アルミニウムの切断小片11はスクラップとして回収し、生成される反応生成物14である水酸化ナトリウムは家庭石鹸にするなど再利用することができる。

0021

次に、本発明の水素発生方法の他の実施の形態は、図4aおよび図4cに示されるように、棒状の水素発生具1が水素発生器30の上部挿入口31から挿入され、ナトリウム2が充填されたアルミニウム製パイプ3の先端部4aが,水素発生器30内に設けられたセパレータ32の先端刃部33と、先端刃部33の円周方向に設けられた複数個の図示されないスリッターの先端刃部に当接し、さらに水素発生具1を押し込むことにより、セパレータ32の先端刃部33および図示されないスリッターの先端刃部によってアルミニウム製パイプ3の先端部4aが複数条切り裂かれて、アルミニウム製パイプ3の壁34はナトリウム2から剥離され、ナトリウム本体部2aが露出する。同時に、剥離された複数条のアルミニウム製パイプ3の壁34は、ガイド面36に沿って水素発生器30の外へ順次押し出される。
アルミニウム製パイプ3が挿入される上部挿入口31、セパレータ32の先端刃部33、および図示されないスリッターの先端刃部は、図示されないアダプターを水素発生器30の所定の位置に嵌め込むことにより、異なる直径や肉厚のアルミニウム製パイプ3に適合させることができる。

0022

また、図4aおよび図4cに示されるように、棒状の水素発生具1をさらに押し込むことにより、露出されたナトリウム本体部2aの先端部7が水素発生器30内に設けられた分離用刃部37に当接し、水素発生具1に加えられる軸方向或いは円周方向の適宜の外力により、ナトリウム本体部2aの先端部7は小片破砕され、分離され、分離されたナトリウム2は落下して、図示されない貯蔵タンクから水素発生器30の注入口37を介して充填された水12または乳化水13中に直ぐに浸漬される。ナトリウム2と水12または乳化水13は化学的に反応して水素が連続して発生される。特に、このような分離用刃部37を適用するのには、ナトリウムの入ったアルミニウム製パイプの直径が大きい場合には効果的にナトリウムの破砕ができるという利点がある。
図4bに示されるように、分離用刃部37は、好適には複数個の鋭利突起部を有し、支持バー39により支持される。
このため、一旦、上部挿入口より挿入された棒状の水素発生具1は、ナトリウム2を使い切るまで連続的に水素発生作業を続けることが可能である。また、水素発生具1の押込み量を調節することにより、必要に応じて水素の発生量を調整することも可能である。

0023

さらに、図4aに示されるように、連続して発生される水素は、水素発生器30に接続される捕集管17を介して用途に応じて図示されない次工程へ送出される。 即ち、水素と酸素の化学的反応による反応エネルギーを利用する燃料電池、電気変換装置、或いは水素の貯蔵装置等の広範な用途に適用することができる。 具体的にはキャンプ用の発電ランプ、バーベキュー用電源電池、或いは遭難信号用の水素ガス入り風船等であり、また燃料電池による車椅子への適用も可能である。従って、水素発生具1と水12さえあればどのような状況下でも重量のある水素ボンベを準備することなく、容易に水素を作ることができる。
さらに、ナトリウム2と水12または乳化水13との化学的反応と同時に生成される反応生成物14である水酸化ナトリウムは、水素発生器30内に沈殿され、反応に関与しない水と共に適宜回収される。このとき、スタラー38による水12または乳化水13の攪拌によって、上記の化学的反応をより円滑に行うことができる。
水素発生具1の使用により発生する廃物としては、生成される反応生成物14である水酸化ナトリウムは化学工業用などとして再利用することができる。

0024

水素発生具から得られる水素と、酸素との化学的反応を利用する燃料電池から得られる電気エネルギーを利用するキャンプ用の発電ランプやバーベキュー用電源、或いは遭難信号用の水素ガス入り風船等があり、また燃料電池による車椅子への適用も可能である。

図面の簡単な説明

0025

本発明の水素発生具の斜視図である。
本発明の水素発生具におけるナトリウムの充填手段の概念図である。
図3aは、本発明の水素発生方法の一実施の形態における水素発生具の斜視図である。図3bは、本発明の水素発生方法の一実施の形態における水素発生具の使用状況を示した概念図である。
図4aは、本発明の水素発生方法の他の実施の形態における水素発生器の断面図である。図4bは、本発明の水素発生方法の他の実施の形態における水素発生器を構成する分離用刃部の略平面図である。図4cは、本発明の水素発生方法の他の実施の形態における水素発生具におけるナトリウム先端部分の斜視図である。

符号の説明

0026

1水素発生具2ナトリウム
2a ナトリウムの本体部 3アルミニウム製パイプ
4a アルミニウム製パイプの先端部 4b アルミニウム製パイプの他端部
5溶融体6水素発生器
7 ナトリウムの先端部 8スリッター
9カッター10スタラー
11アルミニウムの切断小片12 水
13乳化水 14反応生成物
15渦巻き状のアルミニウムコイル
16a,16b アルミニウムコイル送出装置
17捕集管 30 水素発生器
31 上部挿入口 32セパレータ
33 セパレータ先端刃部 34 アルミニウム製パイプの壁
36ガイド面 37分離用刃部
38 スタラー 39 支持バー

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