(57)【要約】      （修正有）【課題】金属ナトリウムと水を反応させて発生する水素ガスを利用するにあたり、金属ナトリウムを空気に触れさせることなく、一定量ずつ水に投入できる方法を提供する。【解決手段】金属ナトリウム１を金属製のカートリッジ２に充填し、カートリッジ２を加熱して金属ナトリウム１を溶融させて流動性を与え、カートリッジ２内に備えたピストン３で溶融金属ナトリウムを一定量ずつ押出し、油類１０と水層１１の二層からなる水素ガス発生槽９中の水層１１に押出すか、油１０層の上から落下させることにより、溶融金属ナトリウムは沈降して水と接触し、水素ガスを発生する。金属ナトリウムを空気と触れさせることなく水と接触させられるので、安全に反応させて水素ガスを得ることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属ナトリウムを取換え自在の金属製カートリッジに充填し、この金属ナトリウムを融点以上に加熱、溶融させ、カートリッジの先端部より一定量ずつ水素ガス発生槽内の水層に押出すことを特徴とする水素ガス発生方法。
【請求項２】
金属ナトリウムを取換え自在の金属製カートリッジに充填し、この金属ナトリウムを融点以上に加熱、溶融させ、カートリッジの先端部より一定量ずつ水素ガス発生槽内の油層の上から落下させることを特徴とする水素ガス発生方法。
【請求項３】
金属ナトリウムを充填した取換え自在の金属製カートリッジと、該カートリッジは溶融金属ナトリウムを押出すピストンを内蔵しており、カートリッジ下部から水素ガス発生槽まで続く加熱、保温された流路と、溶融金属ナトリウムを押出す流路先端部のノズルと、油層と水層からなる水素ガス発生槽と、発生した水素ガスを貯蔵する貯蔵タンクからなることを特徴とする水素ガス発生装置。
【請求項４】
水素ガス貯蔵タンクに設けられた圧力センサおよび圧力スイッチと連動する油圧ポンプによりカートリッジ内のピストンの運動を制御することを特徴とする請求項３記載の水素ガス発生装置。
【請求項５】
水素ガス発生槽において、溶融金属ナトリウムを水層に押出すか油層の上部から落下させるノズルが複数本あることを特徴とする請求項３記載の水素ガス発生装置。
【請求項６】
水素ガス発生槽内の油層の厚みが０．１〜４．０ｍｍの範囲であることを特徴とする請求項３記載の水素ガス発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶融金属ナトリウムを水中に押出すことにより、水と反応させ、水素ガスを得る方法およびその装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属ナトリウムは非常に危険な物質である。空気に触れると急激に酸化し爆発を起こし、また、水と触れると急激に反応し水素ガスを発生しながら燃焼する。それゆえ、取扱いには細心の注意を要する。
【０００３】
ナトリウムは地殻中に６番目に多く存在する元素であり、工業的にも金属ナトリウムの生産技術は確立されている。金属ナトリウムは融点が約９８℃と低いうえに比重も１以下、比熱も約０．３と小さいという性質を持っているため、高速増殖炉の冷却材として用いられている。また、不活性ガス雰囲気中でアルコール類と反応させてアルコラートを製造することにも利用されている。先にも述べたように、金属ナトリウムと水を反応させると水素ガスが発生することは化学的常識であるが、水素ガス発生の実験材料として用いられているに過ぎなかったように、種々の用途に用いられるような材料ではなかった。
【特許文献１】特開２００６−１２２８６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記のような観点から、発生する水素ガスを工業的に利用しようとする試みはほとんどなされていないのが現状であった。これは金属ナトリウムの取扱いが性状においても、安全性の面からも非常に難しかったためである。すなわち、金属ナトリウムは常温では柔らかい固体であり、そのままでは均一に流動させることができなかった。いかに安全に金属ナトリウムを空気に触れさせることなく、水と接触させて水素ガスを発生させるかどうかが問題であった。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明者はこれらの課題を解決するため鋭意研究した結果、金属ナトリウムを金属製カートリッジに詰め、この金属製カートリッジを金属ナトリウムの融点以上に加熱し、金属ナトリウムを溶融して流動性を与えることでピストンで押出せるようにし、一定量ずつ水に押出すことができることを見出して本発明を完成した。
【０００６】
すなわち、本発明は、金属ナトリウムを取換え自在の金属製カートリッジに充填し、この金属ナトリウムを融点以上に加熱、溶融させ、カートリッジの先端部のノズルより一定量ずつ水素ガス発生槽内の水層に押出すか、槽内の油層の上から落下させることにより水と反応させ、水素ガスを発生させる方法および水素ガスを安全に発生させる装置に関するものである。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、金属ナトリウムと水とを反応させることで水素ガスを発生させることができ、新しいエネルギー源として活用することができる。石油資源等が乏しいか皆無の国においても、容易にエネルギー源を確保することができる。金属ナトリウムは食塩電解法やアマルガム法にて得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下に本発明を図面を交えながら説明する。本発明で云うカートリッジとは、内部に円板状のピストンを備えた円筒状物を云い、持ち運びができ、水素ガス発生装置に着脱自在にできるものを云う。その他では、角柱状や楕円柱状のものも考えられる。この場合は、ピストンの形状もカートリッジの断面にあわせた形状となる。［図１］に、金属ナトリウムを水中に押出し、水素ガスを発生させる場合の装置を示している。［図２］には金属ナトリウムを油層の上から落下さて水素ガスを発生せる場合の装置を示している。油層に落ちた金属ナトリウムは油類より比重が大きいため油層を通過し、下の水に触れて水素ガスを発生させることもできる。
【０００９】
金属ナトリウム１を金属製のカートリッジ２に入れる。金属製カートリッジの材質としては、例えば、鉄、アルミ、ニッケル、チタンまたはこれらの合金製のものが考えられるが、なかでもステンレス製のものが好ましく用いられる。ここではステンレス製カートリッジで説明する。ステンレス製のカートリッジの材質は溶融金属ナトリウムに対する腐食の面からＳＵＳ４１０が好ましい。カートリッジには金属ナトリウムのほか、ごく少量の油類を添加することもできる。油類の存在で金属ナトリウムの酸化を防ぐことができるので好ましい。ステンレス製のカートリッジには金属ナトリウムを押出す円板状のピストン３が設けられ、これは油圧ポンプ１５に連結していてピストンを押し下げる。
【００１０】
カートリッジ下端部にはリミットスイッチが設けられており、ピストンが下降してリミットスイッチに触れると油圧ポンプが停止するようにしてある。これによりカートリッジ内の金属ナトリウムがほとんど使い切られたかどうかを検出でき、カートリッジの取換え時期が分かるようにしてある。
【００１１】
カートリッジの下端部先端には溶融した金属ナトリウムを押出すノズル４があり、溶融金属ナトリウムの流路５に嵌合されている。カートリッジは底面に穴のあいた金属製の収納筒６にセットして使用する。穴の大きさはノズルと流路の接続部が通る大きさがあれば十分である。
【００１２】
収納筒の下部に絶縁体でシールしたニクロム線からなるリボンヒータ７を巻き、電気を流して加熱するようになっており、この熱で金属ナトリウムを溶融させて流動性を持たせること、およびその流動性を保持するようにしてある。加熱温度は金属ナトリウムの融点より高ければ良い。本発明では１１０℃〜１３０℃程度の温度範囲で好ましく実施されるが、この温度範囲に限定されることはない。
【００１３】
ノズルより押出された溶融金属ナトリウムは、流量制御器８を経由して油層１０と水層１１の二層構造とした水素ガス発生槽９に導かれる。油層に使用した油類は、空気遮断効果を有し、比重が金属ナトリウムより小さく、常温で液体であり、ナトリウムの融点以上の沸点を有する油類が好ましく用いられるが、入手と取扱いが容易であることからここでは灯油を使った。流路の周りは溶融金属ナトリウムが固化しないようリボンヒータを巻付け、１１０℃近辺の温度に加熱している。このように溶融状態のまま押出されてきた溶融金属ナトリウムは、槽中の水層に押出されるか、槽内の油層の上から落下させる。押出されるか落下された溶融金属ナトリウムは水に触れ、反応して水素ガスを発生させながら浮き上がり、油層と水層の界面で反応が進む。水層の上には油層があるため、直接空気に触れることを防ぐことができる。
【００１４】
金属ナトリウムと水とが反応し、水素ガスを発生させるメカニズムは両者とも同じなので、ここでは金属ナトリウムを槽中の水層に押出した場合についてのみ説明する。
【００１５】
溶融金属ナトリウムを押出す流路先端部のノズル４は、直接空気に触れないように流路から折れ曲がって水中に差込まれるようにしてある。押出された金属ナトリウムが水と反応し、発生する水素ガスが上部に放散され易いように、水中に直角に差込まれる場合に比べ、９０°以下の角度で差込まれる方が好ましい。押出しノズルは１本でも良いし、水素ガス生成量を増加させるために複数本に枝分かれした構造としても良い。
【００１６】
ノズルは先端部がラッパ状に拡がっているのが金属ナトリウムを押出し易いので好ましいが、金属ナトリウムが淀みなく押出されるのならどのような形状でも良い。
【００１７】
水素ガス発生槽の上部は、発生した水素ガスが取出しやすいように逆漏斗状になっているのが好ましい。空気遮断用の油膜層の代わりに水素は通すが空気は通さない性能を有する薄い隔膜を使用することもできる。水中に押出された金属ナトリウムは、水と反応し、水素ガスを生成しながら浮き上がってくるので、直接空気と触れないような油層の厚みが必要である。このため、油層の厚みは０．１〜４．０ｍｍの範囲が好ましい。０．１ｍｍより薄いと空気遮断効果が乏しいし、４．０ｍｍより厚くすると空気遮断効果は十分であるが、発生した水素ガスが上部に通り抜けにくくなるので好ましくない。
【００１８】
発生させた水素ガスは圧力を３気圧程度に調整して貯蔵タンク１２に貯えられる。貯蔵タンクには圧力センサ１３が取付けられている。圧力センサで感知された信号は、圧力スイッチ１４に送られ電源（図示していない）をオン・オフして、油圧ポンプ１５を駆動したり止めたりする。貯蔵タンク内の圧力が制限値より大きくなると、センサが働いてスイッチを切り、油圧ポンプの動きを止めてピストンの押出し動作を止める。これにより金属ナトリウムの水への押出しが止まり、過剰な水素ガスの発生を抑えることができる。
【００１９】
貯蔵タンクに集められた水素ガスは、水などの不純物を除去するためにストレーナ１６に導かれる。不純物はストレーナの下部に設けてあるバルブ１８から系外に抜き取られる。ストレーナからはバルブ１９を通し、種々の用途に使用するために次の工程に送られる。例えば、内燃機関である水素エンジンの燃料として使用できるし、燃料電池の燃料、化学品合成の原料として用いることができる。
【００２０】
溶融金属ナトリウムと反応して水素ガスを発生させた槽中の水には、ナトリウムが溶解するため、徐々に水酸化ナトリウムの量が増加する。このため槽の底部の排水管１７に取付けたバルブ１８を開けて水酸化ナトリウムの溶液を抜き取った後、新たに水と油類の混合液を排水管より槽に供給して元の状態に復元する。抜き取られた水酸化ナトリウムを多量に含む水は、濃縮して金属ナトリウムを回収する原料として利用することができる。
【００２１】
以上説明したように、本発明によれば金属ナトリウムを空気に触れさせることなく安全に水と反応させて水素ガスを発生させることができる。また金属ナトリウムは取換え自在のカートリッジに詰められているため、どこにでも持ち運びして使用することができる。水素ガスは内燃機関のガソリンの代替として有効なエネルギー源として使用できるし、燃料電池の燃料として、化学品合成の原料としても使用できる。
【００２２】
金属ナトリウムの製造は、電気分解法で行われるが、そのために使用する電力は本発明者らが先に特願２００７−１２４９４０や特願２００７−１５６２８４にて提案した太陽熱を利用して発電した電気を使うことができる。そのため、本発明は石油資源やその他のエネルギー資源が乏しいか全く持たない国々にとって、エネルギー源確保という面から多大な貢献をする発明である。
【実施例】
【００２３】
以下、実施例にて本発明を説明する。
【００２４】
（実施例１）
金属製カートリッジとして直径５ｃｍ、長さ２０ｃｍのステンレス（ＳＵＳ４１０）製のパイプ下端先端部に内径５ｍｍのステンレスパイプを取付けたものをカートリッジとした。カートリッジ上部にはパイプ内壁に密着して油圧ポンプと連動するピストンを嵌め込んだ。このカートリッジ内に市販の金属ナトリウム５０ｇを入れた。カートリッジ下部にリボンヒータを巻付け、通電して約１２０℃に加熱したところ、金属ナトリウムは溶融し、カートリッジ底部に蓄積した。これをピストンで押下げ、流路に続くノズルから押出し、リボンヒータで１２０℃に加熱した流路を通して水素ガス発生槽に導いた。水素ガス発生槽には灯油と水が入っており、溶融金属ナトリウムを水層に押出したところ、金属ナトリウムは沈降し、水と接触して水素ガスが発生した。
【００２５】
発生した水素ガスは水素ガス貯蔵タンクに貯えられるが、水素ガス貯蔵タンク内の圧力が限界値に達すると、圧力センサに感知され、電源スイッチがオフになって油圧ポンプが停止した。本実施例では、限界圧力を３気圧に設定した。
【００２６】
貯蔵タンク内の水素ガスが消費すると水素タンク内の圧力が低下し、圧力センサからの信号で圧力スイッチが電源オンになり、油圧ポンプが起動してピストンを押下げ、金属ナトリウムを押出し、水素ガスを発生させた。これらの動作が繰り返され、連続して水素ガスを発生させることができた。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明のノズルを水層に入れた場合の水素ガス発生装置を示す概略図。
【図２】本発明のノズルを油層の上部に設置した場合の水素ガス発生装置を示す概略図。
【符号の説明】
【００２８】
１  ……  金属ナトリウム
２  ……  金属製カートリッジ
３  ……  ピストン
４  ……  押出しノズル
５  ……  流路
６  ……  収納筒
７  ……  リボンヒータ
８  ……  流量制御器
９  ……  水素ガス発生槽
１０  ……  灯油層
１１  ……  水層
１２  ……  貯蔵タンク
１３  ……  圧力センサ
１４  ……  圧力スイッチ
１５  ……  油圧ポンプ
１６  ……  ストレーナ
１７  ……  排水管
１８  ……  バルブ
１９  ……  バルブ
【図１】
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【図２】
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