(57)【要約】【課題】簡易な構成で安全にしかも自動的にガスを生成することが可能なガス生成方法及びガス生成装置を提供する。【解決手段】反応槽１０には、ガス貯蔵槽３０内のガス圧と水貯蔵槽２０からの液体供給圧が互いに作用する構成とし、ガス貯蔵槽３０のガス圧が液体供給圧より相対的に大きくなると反応槽１０内の水が自動的に水貯蔵槽２０側に戻り固体原料２と非接触となって反応が停止し、ガス貯蔵槽３０のガス圧が液体供給圧より相対的に小さくなると、反応槽１０内に水が供給されて固体原料２と接触しガスを生成し、反応槽１０内の圧力バランスによってガス貯蔵槽３０に所定圧のガスを貯蔵する構成となっている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体原料と反応液体を反応させてガスを生成した後に分離貯蔵し、反応液体の供給圧と分離貯蔵したガスのガス圧との釣り合いによって、固体原料に供給される反応液体の液面を変化させ、ガスの生成を自動的に制御することを特徴とするガス生成方法。
【請求項２】
固体原料が、反応液体と反応して水素を生成する水素生成材料であり、反応液体が水である請求項１に記載のガス生成方法。
【請求項３】
前記反応液体の供給圧が水頭圧である請求項１又は２に記載のガス生成方法。
【請求項４】
固体原料を収納する反応槽、反応液体を貯蔵する液体貯蔵槽、及び反応槽で生成されたガスを貯蔵するガス貯蔵槽を備え、液体貯蔵槽と反応槽間に前記反応液体の移動を自在とする供給路を設け、反応槽とガス貯蔵槽をガス透過疎水性部材によって分離したことを特徴するガス生成装置。
【請求項５】
前記反応槽への反応液体の供給圧は、液体貯留槽内の水頭圧である請求項４に記載のガス生成装置。
【請求項６】
前記液体貯蔵槽、前記ガス貯蔵槽及び反応槽が、上下方向に３槽直列に配置されている請求項４または５に記載のガス生成装置。
【請求項７】
前記液体貯蔵槽を上段に、前記ガス貯蔵槽を中段に、さらに反応槽を下段に配置した３槽直列構成とした請求項６に記載のガス生成装置。
【請求項８】
反応液体は水、固体原料は水と反応して水素を生成する水素生成材料である請求項４乃至７のいずれかの項に記載のガス生成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、たとえば水素等の各種ガスを生成可能なガス生成方法及びガス生成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のこの種のガス生成装置としては、たとえば、特許文献１に記載のような水素供給装置が知られている。
この特許文献１に記載のものは、一定量の水が収納される反応室と、反応室に水と反応して水素を発生する水素発生材料を収納する収納室と、発生した水素を燃料電池に供給する供給部とを備えており、水素発生材料を粉体状又は粒状に形成すると共に、収納室と反応室の間に水素発生材料を所定の割合で供給する水素発生量調整機構を設けた構成となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−１８９４９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら上記した従来技術の場合には、水素発生量調整機構は、圧力センサによって水素圧力を検出し、必要な量の水素発生材料が反応室に供給する構成で、センサや、供給量を演算処理するコントロールユニットによる制御系が必要となるという問題があった。
【０００５】
本発明は、上記した従来技術の問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは、簡易な構成で、安全にしかも自動的に所定圧のガスを生成することが可能なガス生成方法及び装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明のガス生成方法は、固体原料と反応液体を反応させてガスを生成した後に分離貯蔵し、反応液体の供給圧と分離貯蔵したガスのガス圧との釣り合いによって、固体原料に供給される反応液体の液面を変化させ、ガスの生成を自動的に制御することを特徴とする。
固体原料が、反応液体と反応して水素を生成する水素生成材料であり、反応液体が水であることすることができる。
前記反応液体の供給圧が水頭圧であることが好適である。
【０００７】
また、本発明のガス生成装置は、固体原料を収納する反応槽、反応液体を貯蔵する液体貯蔵槽、及び反応槽で生成されたガスを貯蔵するガス貯蔵槽を備え、液体貯蔵槽と反応槽間に前記反応液体の移動を自在とする供給路を設け、反応槽とガス貯蔵槽をガスの流通は許容し反応液体の流通を阻止する分離部材によって分離する構成としたことを特徴する。
前記反応槽への反応液体の供給圧は、液体貯留槽内の水頭圧であることが好適である。
前記液体貯蔵槽、前記ガス貯蔵槽及び反応槽が、上下方向に３槽直列に配置されていることが好ましい。その場合、液体貯蔵槽を上段に、前記ガス貯蔵槽を中段に、さらに反応槽を下段に配置した３槽直列構成とすることが好適である。
反応液体は水、固体原料は水と反応して水素を生成する水素生成材料とすれば、たとえば燃料電池に好適な水素を発生させることができる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、反応液体の供給圧と生成されたガス圧とのバランスにより、ガスの生成が自動的に調整されるので、従来のように複雑な制御をすることなく、供給圧に見合った圧力のガス自動的に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は本発明の実施例に係るガス生成装置を示すもので、同図（Ａ）は概略構成図、同図（Ｂ）はより具体的に記載した概略構成図、同図（Ｃ）は図（Ｂ）における分離プレートの部分拡大断面図である。
【図２】図２は図１のガス生成装置の動作状態を示すもので、同図（Ａ）はバルブ閉状態を示す図、同図（Ｂ）はバルブが開いて水が落下を開始した状態を示す図、同図（Ｃ）は水が落下してガスが発生している状態を示す図、同図（Ｄ）はガス貯蔵室内の圧力上昇に伴い水が上昇しガス発生が停止した状態を示す図、同図（Ｅ）はガス貯蔵室内の圧力低下に伴い水が落下しガスが発生している状態を示す図である。
【図３】図３（Ａ）乃至（Ｄ）は本発明のガス生成装置の各種変形例を示す概略図である。
【図４】図４（Ａ）及び（Ｂ）は固体原料を保持した原料カートリッジの第１の構成例を示すもので、同図（Ａ）は断面図、同図（Ｂ）は側面図、同図（Ｃ）乃至（Ｅ）は原料カートリッジの第２の構成例を示すもので、同図（Ｃ）は断面図、同図（Ｄ）は上面図、同図（Ｅ）は一つの筒状体の側面図、同図（Ｆ）は図１（Ａ）のガス生成装置の反応槽に原料カートリッジを載置する置き台を配置した構成例を示す概略構成図である。
【図５】図５（Ａ）、（Ｂ）は本発明のガス生成方法を説明する概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下に、本発明を実施するための形態を、図示の実施例に基づいて詳細に説明する。
図５に示すように、固体原料２と反応液体３を反応させてガスＧを生成した後に分離貯蔵し、反応液体３の供給圧と分離貯蔵したガスＧのガス圧との釣り合いによって、固体原料２に供給される反応液体３の液面Ｓを変化させ、ガスＧの生成を自動的に制御するものである。
【００１１】
反応液体３の供給圧ＰＬは、ポンプ等からの制御圧としてもよいが、反応液体３の位置エネルギを利用した水頭圧とすれば、動力が全く不要の装置構成とすることができる。また、反応液体とガスを確実に分離貯蔵するために、ガスの流通を許容し液体の流通を阻止する分離部材等を設けてもよい。
【００１２】
図1には、上記ガス生成方法が適用された本発明の実施例に係るガス生成装置が示され
ている。  この実施例では、反応液体として水を用いる場合を例にとり、水の符号を上記した反応液体と同じ符号３を用いて説明するものとする。
図において、ガス生成装置１は、固体原料２が収納される反応槽１０と、固体原料２と反応してガスを生成させる反応液体としての水３を貯蔵する水貯蔵槽２０と、反応槽１０で生成されたガスを貯蔵するガス貯蔵槽３０と、を備えた構成となっている。
【００１３】
この実施例では、固体原料２は水と反応して水素を生成する水素発生材料であり、たとえば、水素化マグネシウム（ＭｇＨ２）、マグネシウム（Ｍｇ）、水素化アルミニウム（Ａｌ）、鉄（Ｆｅ）等を用いることができ、形態としては、粉体あるいは粒状物、あるいは多孔質物質などの水との接触面積が大きくなるような形態が好ましい。
【００１４】
これらの反応式は、次の通りである。
ＭｇＨ２＋２Ｈ２Ｏ  →  Ｍｇ（ＯＨ）２＋２Ｈ２
Ｍｇ＋２Ｈ２Ｏ  →  Ｍｇ（ＯＨ）２＋Ｈ２
２Ａｌ＋６Ｈ２Ｏ  →２Ａｌ（ＯＨ）３＋３Ｈ２
Ｆｅ＋２Ｈ２Ｏ  →  Ｆｅ（ＯＨ）２Ｈ２
ここに挙げた水素発生材料は一例であり、本発明がこれらの材料に限定されるものではない。
【００１５】
各槽の配置は、水貯蔵槽２０を上段に、ガス貯蔵槽３０を中段に、さらに反応槽１０を下段に配置した３槽直列構成となっており、一体的に構成されてコンパクトになっている。水貯槽槽２０と反応槽１０は、ガス貯蔵槽３０を迂回し上下方向に延びる供給路４０を通じて連通され、供給路４０には、供給路４０を開閉するバルブ５０が設けられている。供給路４０の上端は水貯蔵槽２０の底部に設けられた出口ポート２０ａに接続され、下端が反応層１０の入口ポート１０ａに接続されている。
【００１６】
水貯蔵槽２０とガス貯蔵槽３０は隔壁２１によって離隔されており、反応槽１０とガス貯蔵槽３０間は、ガスの流通は許容し水の流通は阻止する分離部材である疎水性の分離膜７０によって分離される構成となっている。
【００１７】
反応槽１０には、水貯蔵槽２０から供給路４０を通じて所定の供給圧でもって水が供給されると共に、反応槽１０で生成されたガスが、分離膜７０を通してガス貯蔵槽３０に貯蔵される構成としている。
このようにすることで、水３のガス供給ポート６０への浸入を確実に防ぐことができる。また、固体原料２に接触したことで反応液体（水３）が濁って汚れる場合、その汚れがガス供給ポート６０側に伝搬するおそれがない。
【００１８】
水貯蔵槽２０には水の補給ポート２２が設けられ、補給ポート２２から水が補給される。水貯蔵槽２０には、不図示のフロート弁等を設け、水位を一定に保つようにしてもよい。また、水貯蔵槽２０には、適宜、空気置換ポートが設けられる。
ガス貯蔵槽３０には、ガス供給ポート６０が設けられ、たとえば燃料電池等の供給先に供給される。また、特に図示しないが、反応槽１０からガスが水貯蔵槽に逆流しないように、過大なガス圧を逃がすチェック弁等が適宜設けられる。
【００１９】
反応液体は、バルブ５０が開放中は水貯蔵槽２０から反応槽１０側に流入する方向及び反応槽１０から液体貯蔵槽２０側に戻る方向の両方向に移動自在となっており、水貯蔵槽２０から反応槽１０に所定の供給圧でもって水を供給すると共に、ガス貯蔵槽３０と反応槽１０を連通し、水の供給圧とガス圧の釣り合いによって反応槽１０内における水面が自動的に変化する構成となっている。
【００２０】
すなわち、ガス貯蔵槽３０のガス圧が水３の供給圧より相対的に大きくなると反応槽１０内の水３が自動的に水貯蔵槽２０側に戻り固体原料２と非接触となって反応が停止し、ガス貯蔵槽３０のガス圧が水供給圧より相対的に小さくなると、反応槽１０内に水３が供給されて固体原料２と接触しガスを生成する構成となっている。この例では、水の供給圧は水貯蔵槽２０に貯蔵されている水の水頭圧である。
【００２１】
また、図１に示すように、分離膜７０の配置により、反応槽１０が狭く、ガス貯蔵槽３０を広くすれば、水３を固体原料２から素早く退け、非接触状態とすることが可能になり、また、水素ガスＧを広いガス貯蔵槽３０内に蓄えることが出来るので、水素ガスＧの生成のＯＮ／ＯＦＦコントロールや、水素ガスＧのガス供給ポート６０への供給を安定できる点で好ましくなる。
【００２２】
ここで、図１（Ｂ）を参照して、各槽のより具体的な構成例について説明する。
すなわち、ガス生成装置は、２段に直列に積み上げられた筒状の第１タンク本体１１１と、第２タンク本体１１２とを有し、第１タンク本体１１１と第２タンク本体１１２間が隔壁２１を構成する中間プレート１１３を介して連結されている。第１タンク１１１が下方に位置し、その下端が底プレート１１４で密閉され、第２タンク１１２の上端が蓋プレート１１５で密閉されている。第２タンク１１２内が水貯蔵槽２０を構成し、第１タンク１１１内が基本的にガス貯蔵槽３０を構成している。
【００２３】
この第１タンク１１１内においては、底プレート１１４には、反応槽１０を画成する筒状壁１１７が固定され、筒状壁１１７の上端が分離膜を備えた分離プレート７０Ａによって封止されている。
分離プレート７０Ａは、一対の支持プレート７１，７１によって分離膜７０を挟んだサンドイッチ構造で、各支持プレート７１，７１には多数の穴７１ａがもうけられ、穴７１ａが開いた部分からガスが流通するようになっている。
【００２４】
この構成では、水貯蔵槽２０の出口ポート２０ａは、中間プレート１１３に設けられ、反応槽１０への入口ポート１０ａは底部プレート１１４に設けられている。
水貯蔵槽２０の出口ポート２０ａの水貯蔵槽側の開口は水貯蔵槽２０の底面に開口し、供給路４０に接続される側の開口は中間プレート１１３の側面に開口している。また、中間プレート１１３には、ガス貯蔵槽３０のガスを送り出すガス供給ポート６０が設けられている。ガス供給ポート６０のガス貯蔵室側３０の開口部はガス貯蔵室３０の天面に開口し、ガス送出管６１が接続される接続口が中間プレート１１３の側面に設けられている。
【００２５】
底部プレート１１４の入口ポート１０ａの反応槽１０側の開口部は、反応槽１０の底面に開口し、供給通路４０に接続される接続口は底部プレート１１４の側面に設けられている。入口ポート１０ａの反応槽側の開口部が形成される反応槽１０の底面には、筒壁部１１７の固定面より一段深い凹部１０ｂとなっている。
そして、反応槽１０内には、固体原料２が保持された原料カートリッジ２００が配置される。この例では、原料カートリッジ２００の固体原料２は粉末や粒状ではなく固形化した大型の構造で、図４（Ａ）に示すように、固体原料２を保持筒２０１に単に嵌めている状態で保持され、反応槽１０内の底面に載置される。水は反応槽１０の底面の入口ポート１０ａから供給され、水面の上昇によっての固体原料２と接触して反応する。
【００２６】
その際に、保持筒２０１の側面に、図４（Ｂ）に示すような開口部としての縦長の鉛直方向のスリット２０２を複数設けておいてもよい。このようにすれば、水及び発生するガスの通りがよくなって、反応が効率的に進行する。図示例では、スリット２０２を周方向に等配するような構成としているが、開口部の形状としては円形等の小穴を多数ランダムに配置してもよいし、また、スリットを斜めに設けてもよい。
【００２７】
また、固体原料２として粉末や粒形状の場合には、水（好ましくはさらにガス）を通すが固体原料の粒や粉末を通さない目の細かさの、または材質の膜、または目の細かさを備えた網あるいは穴の開いた部材、多孔質体等を用いて筒状部の底部を覆ってもよいし、水とガスを通す膜，部材で固体原料２を覆うか、筒状部ごと覆っておくとよい。また、粉末あるいは粒状の固体原料が溢れこぼれないように保持筒上端に栓をしてもよい。
【００２８】
図４（Ｃ）乃至（Ｅ）には、原料カートリッジの他の構成例を示している。
この原料カートリッジ２１０では、保持プレート２１１上に、小径の筒状体２１２を複数立設させた構成例で、固体原料２を小分けしたものである。この例では、円形の保持プレート２１１上に筒状体２１２を円周方向に沿って複数配置し、中央のスペースにも一つ配置した構成となっている。保持プレート２１１には、各筒状体２１２に対応して開口部２１６が設けられ、この開口部２１３を通じて各筒状体２１２に水が進入する。筒状体２
１２の側面には、縦長のスリット２１３が周方向に複数設けられている。もちろん、スリットではなく、小穴を多数設けてもよいし、スリットを斜めにしてもよいし、他の開口形状としてもよい。
【００２９】
各筒状体２１２内に固体原料２が収納される。固体原料２は固形化されていてもよいし、粉体や粒状体でもよい。粉体や粒状体の場合には、前記した通り、保持プレート２１１の開口部２１６（底側の穴）を、水（好ましくはさらにガス）を通すが粉や粒状物を通さない目の細かさの、または材質の膜、または目の細かさを備えた網、穴の開いた部材、多孔質体などの分離部材２１４によって覆ってもよいし、水とガスを通す膜，部材で固体原料２を覆うか、筒状体２１２ごと覆っておくとよい。また、各筒状体には側面にスリット２１３が開いているので、上端開口部を栓体２１５によって封止してもよい。
【００３０】
図４（Ｆ）には、原料カートリッジを置き台上に配置した例を示している。
原料カートリッジとしては、図４（Ｄ）乃至（Ｅ）に示したカートリッジを例示しているが、このようなカートリッジ構造に限定するものはなく、図４（Ａ）に示すカートリッジ構成でもよいし、他の構成としてもよいし、固形の固体原料をそのまま載置してもよい。
【００３１】
置き台２２０は、反応槽１０の底面に載置される脚部２２１と、脚部２２１を介して底面から所定高さ間隔をあけて保持される台板部２２２とを有し、台板部２２２に多数の穴２２３が設けられている。原料カートリッジ２１０の場合は、上記穴２２３は各筒状体の開口部と連通するように設けることはもちろんである。
このように、原料カートリッジ２１０を底面から離間させておくことにより、水面が低下していく際に速やかに固体原料２から水が引くことになり、あるいは、反応槽１０の底面に水が残っていたとしても、底面からに残った水からは離間できるので、水素ガスＧの生成のＯＮ／ＯＦＦのコントロールが一層安定あるいは確実となる。
なお、置き台２２０のほかに、吊り下げ構成として底面から離間させるようにしてもよい。
【００３２】
図２には水素ガスの発生工程を示している。
図２（Ａ）は、水供給路４０のバルブ５０を閉じた状態を示している。この状態では、反応室１０には水３は供給されず、水素ガスは発生していない。
【００３３】
図２（Ｂ）はバルブ５０を開いて水貯蔵槽２０から水供給路４０を通じて水３が落下を開始した状態を示している。落下した水は、図２（Ｃ）に示すように、反応槽１０に流入し、固体原料２と接触して水素ガスが発生する。発生した水素ガスは分離膜７０を通じて、反応槽１０の直上に設けられたガス貯蔵室３０に流入して水素ガスが溜まっていく。
【００３４】
水素ガスの発生によって中段のガス貯蔵槽３０内の圧力が高くなり、圧力上昇に伴って、下部の反応槽１０内の水が供給路４０を通じて上部に押し上げられ、反応槽１０内の水位が下がり、固定原料２が水と非接触となって水素ガスの発生が止まる（図２（Ｄ）参照）。
【００３５】
中段のガス貯蔵槽３０のガスが使用されると、ガス貯蔵槽３０の槽内が減圧されて、水供給圧より相対的に小さくなると、図２（Ｅ）に示すように、反応槽１０内に水が供給されて固体原料２と再び接触し、水素ガスを生成する。
水の供給圧は水貯蔵槽２０内の水の水頭圧であり、この水位を一定に保持すれば、供給圧を常に一定圧に保持することができ、ガス貯蔵室３０内に貯められるガス圧も一定に保持することができる。
【００３６】
このように、本実施例によれば、水の供給をポンプなどの動力を使わずに、水頭圧と発生ガス  圧の調整によってガスの発生量を自動的に調整することができる。
この実施例では、水の供給圧を水頭圧としているが、本発明は水頭圧に限定されるものではなく、ポンプ等によって水圧を得るようなものなど、要するに水の供給圧と発生ガス圧の調整によってガスの発生量を自動的に調整するものが含まれる。
【００３７】
なお、上記実施例では、水貯蔵槽２０が上段で、ガス貯蔵槽３０が中段で、反応槽１０が下段に配置されているが、たとえば、図３（Ａ）に示すように、ガス貯蔵槽３０が上段で、水貯蔵槽２０が中段、反応槽１０が下段に配置される構成となっていてもよい。
【００３８】
また、上記実施例では、水貯蔵槽２０、ガス貯蔵槽３０及び反応槽１０の３槽が上下に直列に配置された構成としたが、場合によっては、図３（Ｂ）に示すように、反応槽１０とガス貯蔵槽３０の２槽を直列に配置し、水貯蔵槽２０を並列に配置してもよいし、図３（Ｃ）に示すように、水貯蔵槽２０と反応槽１０の２槽を直列にし、ガス貯蔵槽３０を並列に配置してもよい。また、図３（Ｄ）に示すように、３槽並列に構成してもよい。
なお、これら実施例と異なる形態について実施する際も、水頭圧が活用できるように水貯蔵槽２０の水面が反応槽１０内の固体原料２よりなるべく上方にある方が好ましい。
【００３９】
また、上記実施例では、水素ガスを発生させる場合を例にとって説明したが、水素ガスに限るものではなく、各種固体原料と液体媒体を選択することにより、酸素、二酸化炭素等各種ガスの発生装置として利用することができる。
【００４０】
これらのガス発生の反応式は、次の通りである。
酸素の場合は、超酸化カリウムと水だけで酸素が発生する。
４ＫＯ２＋２Ｈ２Ｏ  →  ４ＫＯＨ＋３Ｏ２
できた水酸化カリウムが、二酸化炭素と反応して炭酸カリウムになる。
２ＫＯＨ＋ＣＯ２  →  Ｋ２ＣＣＯ３＋Ｈ２Ｏ
また、炭酸カリウムは水と二酸化炭素で最終的に炭酸水素カリウムになる。
Ｋ２ＣＯ３+ＣＯ２+Ｈ２Ｏ  →  ２ＫＨＣＯ３
一連の反応をまとめたものが次式である。
４ＫＯ２+２Ｈ２Ｏ+４ＣＯ２  →３Ｏ２+４ＫＨＣＯ３
【００４１】
二酸化炭素の場合は、炭酸カルシウムと塩酸、あるいは炭酸水素ナトリウムと塩酸から、次のような反応で得られる。
ＣａＣＯ３＋２ＨＣｌ  →  ＣａＣｌ２＋ＣＯ２＋Ｈ２Ｏ
ＮａＨＣＯ３＋ＨＣｌ  →  Ｈ２Ｏ＋ＮａＣｌ＋ＣＯ２
もちろん、これらは一例にすぎず、本発明は、各種固体原料と液体媒体を選択することにより、各種ガスを発生させることができる。
【符号の説明】
【００４２】
１     ガス生成装置
２     固体原料
３     水（反応液体）
１０   反応槽
２０   水貯蔵槽
３０   ガス貯蔵槽
４０    水供給路
５０    バルブ
６０    ガス供給路
７０  分離膜（分離部材）
【図１】
2010188329.tif 000003
【図２】
2010188329.tif 000004
【図３】
2010188329.tif 000005
【図４】
2010188329.tif 000006
【図５】
2010188329.tif 000007