(57)【要約】  【課題】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。【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。【選択図】 図１
2006076846.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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。
【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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ナトリウムの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秤量して水素発生器であるアルミニウム合金製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の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。
【特許文献１】特開２００４−１０７１４６号公報
【発明の開示】
【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。
【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素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の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を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、物量資源は岩塩、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に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で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が複数条に切り裂かれて、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は小片に破砕され、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な突起部を有し、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。
【産業上の利用可能性】
【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】
【図１】本発明の水素発生具の斜視図である。
【図２】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−ｂ】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−ｂ−ｃ】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  
【図１】
2006076846.tif 000003
【図２】
2006076846.tif 000004
【図３ａ−ｂ】
2006076846.tif 000005
【図４ａ−ｂ−ｃ】
2006076846.tif 000006