(57)【要約】【課題】いずれかの、あるいは全ての水の分解熱化学反応から水素ガスを生成する方法を利用するにあたって、実際の作業においては、時間単位あたり特異的な圧力をもった特異的な量の水素ガスが生成されうるので、その反応を制御する方法。【解決手段】水を水素及び酸素に分解するための制御方法であって、ある量の水溶液とある量の分解反応物質とを反応容器に接触させるステップと、反応容器内の温度または圧力もしくはその両方をモニターするステップと、水溶液と接触する分解反応物質の表面積をモニターするステップと、反応容器内の温度または圧力もしくはその両方、あるいはそれらの変化に応じて、水溶液と接触する分解反応物質の表面積を制御するステップと、を含んでなる制御方法。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水を水素及び酸素に分解するための制御方法であって、
ある量の水溶液とある量の分解反応物質とを反応容器に接触させるステップと、
反応容器内の温度または圧力もしくはその両方をモニターするステップと、
水溶液と接触する分解反応物質の表面積をモニターするステップと、
反応容器内の温度または圧力もしくはその両方、あるいはそれらの変化に応じて、水溶液と接触する分解反応物質の表面積を制御するステップと、
を含んでなる制御方法。
【請求項２】
水溶液と接触する分解反応物質の表面積をモニターするステップには、反応容器内の水溶液の水位をモニターするステップを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
水溶液と接触する分解反応物質の表面積を制御するステップには、反応容器内の水溶液の水位を調整するステップを含むことを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項４】
ある量の水溶液をある量の分解反応物質に接触させるステップには、反応容器に水溶液を導入するステップを、反応容器内の水溶液の水位を調整するステップには、反応容器に水溶液の導入のスピードを変化させるステップを、含むことを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項５】
反応容器内の水溶液の水位を調整するステップには、反応容器内の圧力増加に応じて反応容器の外に水の流れを押し出すステップを含むことを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項６】
反応容器の外に水の流れが押し出されるのは、反応容器と、該反応容器と流体伝達可能な別の容器との間に生じる圧力の差によることを特徴とする請求項５に記載の方法。
【請求項７】
反応容器の外に水の流れが押し出されるのは、ポンプによることを特徴とする請求項５に記載の方法。
【請求項８】
水溶液には水酸化アルカリ金属の水溶液を含むことを特徴とする請求項１の方法。
【請求項９】
水酸化アルカリ金属が水酸化ナトリウムであることを特徴とする請求項８の方法。
【請求項１０】
水酸化ナトリウム水溶液の濃度が約４Ｍと約１０Ｍとの間にあることを特徴とする請求項９の方法。
【請求項１１】
分解反応物質は金属、あるいは、アルミニウム、ナトリウムとアルミニウムとの合金、鉄、亜鉛、ナトリウム、水素化アルカリ金属化合物及び水素化アルカリ土類金属化合物からなるグループから選んだ金属化合物であることを特徴とする請求項１の方法。
【請求項１２】
分解反応物質はアルミニウムであることを特徴とする請求項１１の方法。
【請求項１３】
水溶液は水酸化ナトリウムであることと、分解反応物質はアルミニウムであることと、を特徴とする請求項１の方法。
【請求項１４】
制御された水の分解による水素の生成装置であって、
入口と出口とを有し、分解反応物質を含むことに適した反応容器と、
可動の遮蔽板によって第１仕切り空間と第２仕切り空間とに分けられ、反応容器と流体伝達可能な溶液貯蔵庫と、
反応容器内に取付けられる少なくとも一つの圧力センサーまたは少なくとも一つの温度センサー、もしくは、その両方と、
反応容器内に取付けられる少なくとも一つの水位センサーと、
反応容器と溶液貯蔵庫の第１仕切り空間との間に取付けられる少なくとも一つの制御しうるバルブと、
一定の圧力源と溶液貯蔵庫の第２仕切り空間との間に取付けられる少なくとも一つの制御しうるバルブと、
を含んでなる装置。
【請求項１５】
反応容器に取付けられる少なくとも一つの温度センサーをさらに含むことを特徴とする請求項１４の装置。
【請求項１６】
反応容器に取付けられる少なくとも一つの圧力センサーをさらに含むことを特徴とする請求項１４の装置。
【請求項１７】
反応容器と流体伝達可能な水素貯蔵庫をさらに含むことを特徴とする請求項１４の装置。
【請求項１８】
溶液貯蔵庫の第１仕切り空間と流体伝達可能な液体水源をさらに含むことを特徴とする請求項１４の装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本出願は、２０００年７月１３日に特許出願された米国仮特許出願第６０／２１７，９８３号に基づく利益を請求すると共に、ここではその全体を引用することにより本明細書の一部をなすものとする。
【０００２】
技術分野
本発明は、制御された工程の中で水分解から水素ガスを生成するための方法及びその装置に関する。制御された方法及びその装置は、所望の水素生成物を得ること、多様な用途に対応する水素を生成させるのに適する装置とプロセスをつくることができる。
【０００３】
従来の技術の説明
水素ガスは数多くの化学反応によって生成することができる。たとえば、以下の化学式のように、金属を無機酸と反応させると水素及び金属化合物を得ることができることが知られている。
【０００４】
金属　＋　酸　―→　金属化合物　＋　水素ガス
たとえば、亜鉛及び鉄と塩酸及び硫酸とを用いる反応例として：
Ｚｎ　＋　２ＨＣｌ　―→　ＺｎＣｌ２　＋　Ｈ２↑
Ｆｅ　＋　Ｈ２ＳＯ４　―→　ＦｅＳＯ４　＋　Ｈ２↑
がある。
【０００５】
これらの金属の中で、カリウム（Ｋ）、ナトリウム（Ｎａ）、カルシウム（Ｃａ）、マグネシウム（Ｍｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、亜鉛（Ｚｎ）、鉄（Ｆｅ）、鉛（Ｐｂ）を薄い無機酸（溶液）と反応させると水素ガスが得ることができる。
【０００６】
アルカリ金属とアルカリ土類金属とが水と反応させると、水素及び対応する水酸化アルカリ金属化合物もしくはアルカリ土類金属化合物を生成することはこの分野においては周知である。しかしながら、このタイプの反応は典型的に早くて激しい、ときには爆発をも伴う。これらの反応は、かなりの熱と発し、多くの場合には水素ガス爆発を引き起こす。
【０００７】
たとえば、ナトリウム及びカルシウム金属は水と激しく反応し、熱を発すと共に水素ガスを発生させ、水酸化金属化合物を生成する。
【０００８】
２Ｎａ　＋　２Ｈ２Ｏ　―→　Ｈ２　＋　２ＮａＯＨ
水酸化カルシウム及びホウ水酸化ナトリウム（ｓｏｄｉｕｍ ｂｏｒｏ−ｈｙｄｒｉｄｅ）のような特定の水酸化物が水と反応させると、下記化学式のように水素を放出する。
【０００９】
ＣａＨ２　＋　２Ｈ２Ｏ　―→　Ｃａ（ＯＨ）２　＋　２Ｈ２↑
ＮａＢＨ４　＋　４Ｈ２Ｏ　―→　ＮａＢ（ＯＨ）４　＋　４Ｈ２↑
特定の水酸化アルカリ金属の水溶液は金属と反応し、中間化合物を及び水素ガスを生成することも周知である。水酸化ナトリウム、カリウム及びリチウム（溶液）等は、アルミニウム、亜鉛、珪素、鉄、鉛等と反応し、熱を発し、水素ガスを放出し、中間化合物を生成する。文献では以下の化学式が例として挙げられている。
【００１０】
２Ａｌ＋２ＮａＯＨ＋６Ｈ２Ｏ　―→　２ＮａＡｌ（ＯＨ）４＋３Ｈ２↑
Ｓｉ　＋　４ＮａＯＨ　―→　Ｎａ４ＳｉＯ４＋２Ｈ２↑
自然状況下では、これらの反応は例外なく全ては激しい発熱反応であり、大量の熱を発生する。制御されていない自然状況下での反応では、生成された水素ガスを点火できるほど温度を上昇させることができるので、爆発という結果につながる。
【００１１】
水を水素あるいは水素と酸素とに分解する複数のステップを有する数多くの閉じられた反応系（ｃｌｏｓｅｄ ｃｙｃｌｅ）が、米国特許第３，８２１，３５８号、３，９２８，５４９号、４，０１１，３０５号、３，９６９，４９５号、３，５７４，５６１号、４，１８２，７４８号、４，２０７，０９５号、４，２８７，１６９号、及び、４，２８９，７４４号に記載されている。特に興味を引くものとしては、米国特許第５，８１７，１５７号と第５，７８２，４６４号（Ｃｈｅｃｋｅｔｔｓら）及び米国特許第５，６９０，９０２号（Ｗｅｒｔｈら）である。Ｃｈｅｃｋｅｔｔｓらの特許には、コーティングされた粒状のナトリウムを所望（量）の水に投入し、そのコーティング層がはがれると中にあるナトリウムを水と反応させて水素と水酸化アルカリ化合物とが生成される一連の反応が記載されている。実際の応用において、大量の水素を生成させるためにこのスキームを用いると、それに適する大きさの粒状のナトリウムは、水と反応すると、激しい反応を引き起こすことになり、それによって生成した大量の熱が反応温度を生成された水素の自爆温度までに押し上げることが可能となる。よって、Ｃｈｅｃｋｅｔｔｓらの特許は、理論上では正しいが、現実での応用においては失敗に終わる。
【００１２】
Ｗｅｒｔｈらの特許では、水酸化カリウムを酵素として高温下で水による鉄粒子の酸化から水素を生成する発明が記載されている。実際、水酸化アルカリ溶液が鉄と反応して水素、アルカリ金属及び酸化鉄を生成する。したがって、水酸化カリウムは酵素ではなく、その化学反応の反応物である。鉄粒子の表面に酸化鉄が（膜のように）形成されると、（鉄を）水酸化物や水のいずれとの更なる反応から遮断し、数多くの鉄が反応に参加できないので、コンスタントの新しい鉄粒子を補充しなくてはならない。よって、Ｗｅｒｔｈらの特許は、理論上では正しいが、現実での応用においては失敗に終わる。
【００１３】
いずれかの、あるいは全ての水の分解熱化学反応から水素ガスを生成する方法を利用するにあたって、実際の作業においては、時間単位あたり特異的な圧力をもった特異的な量の水素ガスが生成されうるので、その反応を制御する必要がある。本願発明は、このような制御方法に関する。
【００１４】
発明の概要
本発明は、水素ガスを生成する水分解反応のための何れかのあるいは全ての発熱化学反応に使える水素の生成を制御する方法とその装置に関する。具体的な態様においては、本発明の方法等は、アルミニウムと水酸化ナトリウムと水とのコンビネーションによって水素を生成させる反応に使用することができる。
【００１５】
一の態様では、大量の水溶液を大量の分解反応物質（ｄｉｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ ｉｎｉｔｉａｔｉｎｇ ｍａｔｅｒｉａｌ）を反応容器に接触させ、その反応容器内の温度または圧力もしくはその両方をモニターし、その反応容器内の温度または圧力もしくはその両方に応じて、あるいは、その反応容器内の変化に応じて、水溶液と接触する分解反応物質の表面積を制御することによる、水を水素と酸素とに分解する反応を制御する方法に関する。本発明においては、水溶液の投入、及び、水溶液との接触する分解反応物質の表面積への制御が多くの方法で成し遂げられ、以下はそれらをさらに詳細に説明する。分解反応物質そのもの及び水溶液は、水素ガスを生成するために特別な反応によって、変えることができる。その一つコンビネーションそしては、水溶液には水酸化ナトリウム水溶液を、分解反応物質には金属アルミニウムを用いることが好ましい。
【００１６】
別の態様では、制御された水の分解による水素生成物のための反応装置に関する。その反応装置は、
分解反応物質を含むのに適応し、入口と出口を有する反応容器と、
移動可能な遮蔽板（ｂａｒｒｉｅｒ）によって第一仕切り空間（ａ ｆｉｒｓｔ ｃｏｍｐａｒｔｍｅｎｔ）と第二仕切り空間（ａ ｓｅｃｏｎｄ ｃｏｍｐａｒｔｍｅｎｔ）とに分けられ、反応容器との間に液体バイプ（ｆｌｕｉｄ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ）でつながっている溶液貯蔵庫と、
反応容器に配置される少なくとも一つの圧力センサー、または、少なくとも一つの温度センサー、もしくはその両方と、
反応容器に配置される少なくとも水位センサー（ｌｉｑｕｉｄ ｌｅｖｅｌ ｓｅｎｓｏｒ）と、
溶液貯蔵庫の第一仕切り空間と反応容器との間に配置される少なくとも一つの制御可能なバルブと、
溶液貯蔵庫の第一仕切り空間と反応容器との間に配置される少なくとも一つの制御可能なバルブと、
溶液貯蔵庫の第二仕切り空間と定圧源との間に配置される少なくとも一つの制御可能なバルブと、
を有してなる。
【００１７】
水溶液と接触させる分解反応物質の表面積の調整は、水素生成のための発熱し、爆発しうる反応を慎重に制御し、所望の水素生成物の量を制御することができる結果に結びつく。本発明が提供する方法は、たとえば、水素と空気との混合物を直接に燃焼することに、あるいは、燃料電池に水素を用いることに、たとえば、生成された水素を燃料として使用する乗物に搭載する場合に適用することができる。
【００１８】
本発明の方法及びその装置は、たとえば、アルカリ金属水酸化物等のような塩基性水溶液、硫酸やハロゲン化水素酸（ｈｙｄｒｏ−ｈａｌｉｄｅ ａｃｉｄｓ）にような無機酸水溶液及び水を含んだ多種類の水溶液を用いて、当該水溶液と選択された分解反応物質（ｄｉｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ ｉｎｉｔｉａｔｉｎｇ ｍａｔｅｒｉａｌ）と反応させることで水溶液における水を分解するために用いられることができる。塩基もしくは酸の濃度は、実質上薄い濃度から濃い濃度まで多様に渡り用いることができる。一般的に、その濃度は約０．１Ｍから約１０Ｍの範囲内とされるが、たとえば、水酸化ナトリウム水溶液なら、約４Ｍから約１０Ｍの範囲内とすることが好ましい。一方、好ましい分解反応物質の例として、アルミニウム、ナトリウムとアルミニウムの合金（２００１年６月１９日の米国特許出願第０９／８８５，７７６号に記載された内容のように、ここではその全体を引用することにより本明細書の一部をなすものとする。）鉄、亜鉛、ナトリウム、水素化アルカリと水素化アルカリ土類金属、及びそれらの類似化合物が上げられる。
【００１９】
以下の詳細な説明は、水を分解するための水酸化アルカリと所定の金属との反応に関するものであり、本発明の請求の範囲で記載するものであるが、それを限定するものではない。さらに詳しく説明すると、水酸化アルカリ、水酸化ナトリウムとアルミニウムとの反応に関するものである。以下に記載された内容は、技術分野の当業者にとって、水溶液と分解反応物質との他の反応システムに応用することと、水を分解し水素を生成するための反応システムを提供することとを容易に理解できるものである。
【００２０】
いろいろな化学反応理論を持ち出すまでもなく、水酸化ナトリウムとアルミニウムとの反応を包括的に書くと以下の式に要約されることには疑う余地はない。
【００２１】
６Ｈ２Ｏ＋２Ａｌ＋６ＮａＯＨ――＞２Ｎａ３Ａｌ（ＯＨ）６＋３Ｈ２↑
いろいろな理論を組み合わせるまでもなく、水素を生成する実際のメカニズムはこの包括的な（式であらわす）反応より複雑であることには疑う余地はない。純アルミニウムもしくは市販から入手できるアルミニウム合金のいずれとも大気に曝すと、その曝された表面に薄い酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）の層ができてしまう。この酸化物のフィルムこそが金属に高度な防侵食性を持たせた。水酸化ナトリウム水溶液（ＮａＯＨ）に浸すと、水酸基との反応で表層の酸化物が溶液に溶けるアルミン酸ナトリウム（ＮａＡｌＯ２）に変換し、アルミニウムの表面から取除かれる。そして、純アルミニウム金属は露出し、水と反応して酸化もしくは水酸化アルミニウムを生成すると共に水素を放出する。この反応での生成物の生成率は水酸化ナトリウム水溶液の濃度に影響を受ける。図５では、グラフを使って７０°Ｆ（ラインＡ）と６４．７８°Ｆ（ラインＢ）とにおける異なる水酸化ナトリウムの濃度下の生成率がどう変化するかを示した。
【００２２】
生成物の生成率は、図６（水酸化ナトリウムの４０重量％における異なる温度下の生成率がどう変化するかを示した）及び図７（水酸化ナトリウムの６０重量％における異なる温度下の生成率がどう変化するかを示した）に示されたようにこのシステムの温度によっても変化する。生成物の生成率は、溶液に露出されたアルミニウム金属の表面積によっても変化するが、本発明では、それを利用して生成物の生成率を制御するとともに、圧力の変化で反応物の提供を制御する。これらのパラメーターを総合的に考えると、外からの力を加えることなく、所定の圧力下の各単位時間において所定量の水素ガスを生成させる目的を達成するための下記の方法が開発された。
【００２３】
図１で示した本発明の一態様は、分解反応がアルミニウム金属にスプレーする水溶液の総量を調整することで制御する態様である。この態様においては、化学等量的（ｓｔｏｉｃｈｉｏｍｅｔｒｉｃ ｑｕａｎｔｉｔｙ）に必要な量の水酸化ナトリウムのパウダーと粒状もしくは塊状のアルミニウムとを混合して反応装置に配置する。一般に、アルミニウムパウダーより大きいサイズのアルミニウム粒状の使用は、反応を制御する点では優れている。大きな表面積を提供するアルミニウムパウダーがより早く反応を進めるが、その場合は反応が激しく、大量の熱を生成し、そして生成された水素の爆発のリスクを高めることから好ましくない。一旦、反応化合物が反応容器に加えられるとその反応容器が密封され、水は貯蔵タンクから反応容器に吸い上げられ、そしてスプレーノズルを通じて反応化合物に加えられる。加えられた水が水酸化ナトリウムと反応し水酸化アルカリ化合物水溶液が生成される。水酸化ナトリウム溶液はアルミニウムと反応して水素ガスと水酸化アルミニウムナトリウム（ｓｏｄｉｕｍ−ａｌｕｍｉｎｕｍ ｈｙｄｒｏｘｉｄｅ）とを生成すると考えられる。この反応は発熱で反応容器内の溶液を加熱する。生成された水酸化アルミニウムナトリウムは熱いアルカリ溶液に溶ける。このように、（生成された水酸化アルミニウムナトリウム）は、溶液に溶けて残されたアルミニウムの表面から取除かれて、引続き反応が続くことになる。上記Ｗｅｒｔｈらの特許で生じる鉄粒子の表面に酸化鉄の形成による反応に限界があるという問題点を克服することができる。
【００２４】
反応容器内の圧力が予め設定したレベルに達すると、圧力スイッチが水ポンプを止める。反応できる水がなくなるまで残った水は水酸化ナトリウムと引続き反応する。反応容器内の圧力が予めに設定した圧力まで下がったとき、水がポンプから加えられ、反応が再開される。予めに設定した圧力に達した水素ガスは、気体を凝縮できる凝縮器（ｃｏｎｄｅｎｓｅｒ）にチェックバルブ（ｃｈｅｃｋ ｖａｌｖｅ）を通って送られる。そして、別のチェックバルブを通して貯蔵庫に送られ、そこから（反応装置の）外部での使用のために調整される。システムの全体の圧力は、予め所望の圧力に設定した圧力スイッチのよって制御される水ポンプから反応容器に加える水の頻度及び期間によって決定する。
【００２５】
図１に示された本発明の一特殊な態様において、化学反応に必要なアルミニウムと水酸化ナトリウムと量を比率（１：５．１３）にしたがって、反応容器（５）に入れ、そして、反応容器が密封される。圧力スイッチ（３）を予め所望の圧力、たとえば、７５ｐｓｉｇあたりに設定する。このシステムは、水ポンプ（１０）及び圧力スイッチ（３）によって起動される。水をスプレーノズル（１１）を通して水貯蔵タンク（１）から水を吸い上げ、反応容器（５）にある混合され反応物に加える。水は水酸化ナトリウムパウダーを溶かして水酸化ナトリウム水溶液にする。この水酸化ナトリウム水溶液がアルミニウムと反応し水素ガスとを水酸化アルミニウムナトリウムこの生成する。この反応は、圧力スイッチ（３）を作動させる予め設定した圧力まで続き、所定の圧力に達しスイッチが作動すると水ポンプが閉じられ、水の流れがストップされる。反応容器（５）にある溶液は、短期間の間アルミニウムに接触している水が尽きるまで引続き水を分解して水素ガスを生成する。生成された水素ガスは、高圧下、反応容器（５）からチェックバルブ（２）を通じて凝縮容器（６）に送られる。別にチェックバルブ（２）は、勢いのついたガスから生成した圧力の水貯蔵タンク（１）への移動を阻止している。凝縮容器（６）では、水は凝縮されることによって、最終的に使用するための貯蔵タンク（７）に通された生成された水素ガスから分離される。この貯蔵された高圧の水素は、圧力調整装置（８）に通されることで、各種用途に最適な状況で提供される。圧力測定器（４）は、反応容器（５）と貯蔵タンク（７）との圧力を示してくれる。凝縮された水は、バルブ（９）を通って凝縮容器（６）から定期的に排出される。
【００２６】
本発明におけるこの態様の第一の利点は、水酸化ナトリウムとアルミニウムとの間の反応が特定されたアルミニウム粒子の大きさ、及び、この（反応）システムに水を断続的に加えることで制御されたことである。細かいスプレーから水酸化アルミニウム混合物に、制御しうる予め設定された所望の圧力の水を加えることによって、反応率が制御されうる。反応容器に投下したアルミニウムの量の全てが、化学等量的な水酸化ナトリウムの量と反応することができる。
【００２７】
本発明の別の態様では、反応装置の圧力は、アルミニウムと接触する水酸化ナトリウム溶液のレベルの変化を直接的に強いることによって、分解反応物質の表面積と水溶液との接触を調節するために用いられることができる。図２を参照すると、この本発明の態様において用いられる容器は、反応容器（１）と、溶液貯蔵庫（１３）と、化学コンテナ（３２）と、計量ポンプ（ｍｅｔｅｒｉｎｇ ｐｕｍｐ）（２０）と、水タンク（１９）と、凝縮器（２４）と、圧力調節器（２６）とを含んでなる。図から分かるように、制御された方法で水素を生成するための容器には（図示の）全ての構成要素は必要がなく、または、これらの構成要素の一部はオプションであり、この他は、分解反応の開始または特定の応用にのみ好ましい、または、必要なものである。
【００２８】
反応容器（１）は、両端が閉じたれた円柱状の圧力容器であるが、この中、水溶液の収容、水素ガスの放出、圧力への抵抗ができるための他の構成を含んでなることができる。反応容器の上部には、多穴性焼結金属フィルター（２）、また、低部には穴のあいた板（３）が取付けられている。多穴性焼結金属フィルター（２）は、生成されたガスを逃がすと共に、任意の液体あるいは固体粒子の通過を防ぐ。穴のあいた板（３）は、アルミニウム（２３）のための支持体として役割をし、そして、溶液が反応容器（１）の高圧領域の下部（ｌｏｗｅｒ ｐｌｅｎｕｍ ａｒｅａ）を通じて反応空間に出入りできるようにさせる。圧力測定器（４）は高圧領域の上部に取付けられている。温度センサー（５）は高圧領域の下部に取付けられている。水位センサー（６、７、８）は、反応領域において一定の間隔にあけて取付けられ、第４の水位センサー（９）は、高圧領域の下部で、穴のあいた板（３）のすぐ下部に取付けられている。反応容器は、外部配管（１０）を通じて凝縮容器（２４）と、外部配管（１１）と電磁弁（ｓｏｌｅｎｏｉｄ ｖａｌｖｅ）（１２）とを通じて溶液貯蔵庫（１３）と、流体伝達可能的に（ｆｌｕｉｄ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ）つながっている。反応容器は、また、外部配管と電磁弁（１４）とを通じて溶液貯蔵庫と流体伝達可能的につながっている。
【００２９】
溶液貯蔵庫（１３）は、円柱状の圧力容器であるが、その他の形状の圧力容器を用いることもできる。そこには、弾性に富む横隔膜のような移動可能な遮蔽板（２９）が取付けられていて、容器に内部を第１と第２仕切り空間に分ける第２仕切り空間は、外部配管と電磁弁（１５）を通じて大気につながっている。その移動可能な遮蔽板は、弾力性のあるふいごにあるいは移動可能なピストンに成り代わり、もしくは、二つ仕切りの容量を収縮したり拡張したりさせることのできる　慣習的なデバイスになることは考えられる。溶液貯蔵庫は、第１仕切り空間の上部と底部とにおいて、外部配管と電磁弁（１２、１４）を通じて反応容器と、外部配管（１８）と電磁弁（１６）を通じて化学コンテナ（３２）と、流体伝達可能的につながっている。
【００３０】
そしてこの化学コンテナ（３２）は、多穴性焼結金属フィルター（３０）が上部に取付けられて、外部配管（２１）を通じて計量ポンプ（２０）とつながっている円柱状の圧力容器として図示される。この計量ポンプ（２０）は水タンク（１９）とつながっている。
【００３１】
凝縮容器（２４）は、底に到達するほど伸びている外部配管（１０）を通じて反応容器とつながっている円柱状の圧力容器である。それは、圧力調節器（２６）とつながり、外部配管（２５）を通じて外部につながる。凝縮容器（２４）の下半分は、薄い水酸化ナトリウム溶液によって満たされる。もう一度確認すると、他の以外の装置を取付けることもできる。
【００３２】
チェックバルブ（２２）と（２３）とは、凝縮容器（２４）から反応容器（１）への、あるいは、溶液貯蔵容器（１３）から化学コンテナ（３２）への、ガスあるいは液体の逆流を阻止する。
【００３３】
圧力測定器（４）と、温度センサー（５）、水位センサー（６、７、８、９、１７）は、外部（ここでは示しておらず）にあるプログラムされた制御機器（ここでは示しておらず）に電気的に接続しており、その制御機器は、それらの入力シグナルを、電磁弁（１２、１４、１５、１６）を操作する多様な出力継電器（ｏｕｔｐｕｔ ｒｅｌａｙ）に変換する。
【００３４】
反応の準備にこのシステムを導入するためには、まず、アルミニウム金属を反応容器（１）の反応領域に配置することから始める。その分解反応物質は、図示の通り、アルミニウム、より好ましくは多数の垂直に整えられたアルミニウム板（２８）であり、そして、それらを溶液が全ての露出した表面に達することと、反応容器の上部までに生成された水素ガスが上昇していくこととができるように配列する。アルミニウムは、望まれた応用及び水素の生成物と望まれた制御とのレベルによって、板状、チューブ状、棒状、ブロック状、らせん状のシート、球状、あるいはその他の形状と外形に成形されることができる。化学コンテナ（３２）の下部は、球状もしくはパウダー状の水酸化ナトリウム（３１）で充満されている。電磁弁（１５）と（１６）が開くことにより、遮蔽板（２９）の上の部分にある第２仕切り空間を大気とつながせ、外部の混合ソースから化学コンテナを通じて溶液貯蔵庫（１３）にある水位センサー（１７）によって感知する第１仕切り空間に予め決めた水位までに圧縮された水酸化の水溶液はポンプされる。そして、バルブ（１５及び１６）は閉められる。計量ポンプ（２０）は、水で満タンになっている水タンク（１９）とつながれると、システムは反応のための操作の準備が完了した。
【００３５】
このシステムの操作を始めるために、電磁弁（１２）及び（１５）が開かれる。貯蔵庫が充満すると溶液と遮蔽板（２９）との間に作られたわずかな圧力が、電磁弁（１２）を通じて溶液を反応容器（１）に押し流せ始める。水位センサー（９）に溶液が達したとき、電磁弁（１５）が閉じられ、電磁弁（１４）が開かれ、反応容器（１）と溶液貯蔵庫（１３）との間に圧力を均等にさせる。残った溶液が重力によって、水位センサー（６）によって感知する予め決めたレベルに流れ出すと、そして、電磁弁（１２）が閉じられる。
【００３６】
アルミニウム板（２８）にその溶液が接触すると、反応が始まる。アルミニウムの表面にできた薄い酸化膜は除去され、そして、アルミニウムは水と反応し、酸化物と水酸化物とを生成し、水素ガスが放出される。反応容器（１）に圧力が生まれると、そのガスは、外部配管（１０）と通って凝縮容器（２４）に流れる。そこでは、薄い水酸化ナトリウム溶液（２７）を通り、泡立てて凝縮容器（２４）に蓄えられる。
【００３７】
反応容器（１）内の圧力が　圧力センサー（４）によって予め設定したレベルまで達したとき、電磁弁（１４）が閉じられ、電磁弁（１２）と（１５）が開かれる。電磁弁を動かすために必要とされる圧力レベルは、最終的な使用において要求される水素ガスの量、反応容器の容量、貯蔵容器の容量、そしてその他の要素に依存し、そして、定期的な実験（ｒｏｕｔｉｎｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｔｉｏｎ）によって決定する。また、もっとも多くの最終的な使用量でも２５０ｐｓｉｇを超えることはないと予測される。
【００３８】
電磁弁の開放は、遮蔽板（２９）を膨らませて溶液貯蔵庫（１３）内を低圧力にする。反応容器（１）内の圧力は、外部配管（１１）と通じて溶液を溶液貯蔵庫に押し戻す。反応容器（１）内の流れのレベルが水位センサー（９）によって感知するレベルまで達したとき、電磁弁（１２）は閉じられる。溶液貯蔵庫（１３）内の水位が水位センサー（１７）に達していないとき、計量ポンプ（２０）は始動し、電磁弁（１６）が開かれ、水タンク（１９）からの水は、水酸化ナトリウムを通って化学コンテナ（３２）に水位センサー（１７）のレベルに達するまで吸い上げられる。達したときに計量ポンプ（２０）が止められ、電磁弁（１６）が閉じられる。水酸化ナトリウムを通って化学コンテナ（３２）に水が通ったとき、水が水酸化ナトリウムを溶かし、反応に必要の水溶液の濃度を維持する。
【００３９】
この時点においては、装置自体は活動休止状態に入り、特定の圧力下にある特定の量の水素ガスは反応装置（１）及び凝縮容器（２４）に含まれ、そして、圧力調節器（２６）を通して放出されれば、特定の用途に使用されうる。
【００４０】
圧力調節器（２６）が開かれると、水素ガスが特定の低圧力及び特定の量の割合（ｖｏｌｕｍｅｔｒｉｃ ｒａｔｅ）で供給されうる。圧力調節器（２６）を通って、凝縮容器（２４）から放出されるとき、凝縮容器内の圧力は比例して下がる。凝縮容器（２４）内の圧力が下げると、反応容器（１）内の高圧は外部配管（１０）を通って水素ガスを凝縮容器（２４）に押し流すことで、反応容器（１）内の圧力を引き下げる。反応容器内の圧力が、圧力測定器（４）が感知する予め設定した低圧力に下がったとき、電磁弁（１２）及び電磁弁（１５）は開かれ、電磁弁（１４）は閉じられ、溶液を溶液貯蔵庫（１３）から外部配管（１１）に通らせて反応容器（１）に流させる。反応容器内の水溶液の水位が水位センサー（９）のレベルまで達したとき、電磁弁（１５）は閉じられ、電磁弁（１４）は、開かれ、溶液を溶液貯蔵庫（１３）から反応容器（１）までに流させる。溶液水位センサー（６）によって感知するレベルまで達すると、電磁弁（１２）が閉じられる。その溶液がアルミニウム板（２８）に接触すると、反応を再開し、追加の水素ガスが生成される。
【００４１】
一般的に、水素を消費する特殊な用途に、本発明の装置のサイズを合わせることができ、よって、アルミニウム（２８）の表面積を濃縮された水酸化ナトリウム溶液に接触させることで、用途の要求より少し多めに水素ガスを生成させることができる。これは、圧力調節器（２６）は、用途に提供する水素ガスは、予めに設定したアルミニウム（２８）の表面積によって生成する水素ガスより少し少ないので、反応容器（１）内と凝縮容器（２４）内との圧力はゆっくりと上昇する。もし、反応容器（１）内と凝縮容器（２４）内との圧力が、圧力測定器（４）が感知する予め設定した低圧力に達したとき、上記サイクルは再び繰り返される。しかしながら、ガスが凝縮容器（２４）から圧力調節器（２６）を通って使われたとき、反応容器（１）内と凝縮容器（２４）内との圧力が予め設定した圧力レベルに達するには、より長い時間がかかる。それは、この余分の時間は、他の要素が存在していることを考えなければならない。
【００４２】
水の分解、つまり水素の排出、という結果をもたらす反応は、自然界では発熱反応である。熱が発生する結果として、濃縮された水酸化ナトリウム溶液の温度が上昇する。溶液の温度の温度が上昇すると、反応がより激しく進み、容器の温度をいっそう高く上げる。激しくなった反応において、高い温度の溶液に曝されるアルミニウム（２８）の表面積は、要求される量以上に水素ガスを生成することになる。
【００４３】
このような現象を制御するためには、温度センサー（５）が予め設定した溶液の温度を検出すると、電磁弁（１４）は閉じられ、電磁弁（１２）及び（１５）が開かれ、反応容器にある溶液を圧力により外部配管（１１）を通じて溶液貯蔵庫（１３）に流れさせる。反応容器（１）にある溶液レベルが水位センサー（７）が感知するレベルに達すると、電磁弁（１２）及び（１５）が閉じられ、電磁弁（１４）が開かれる。この操作によって、濃縮された水酸化ナトリウム溶液により狭いアルミニウム（２８）の表面積が曝されることになる。しかしながら、上昇した溶液の温度のため、減少されたアルミニウムの表面積での水素ガス生成量が、低い温度における従来のアルミニウムの表面積での水素ガスの生成量と変わらない。
【００４４】
もし、反応容器内の圧力が予め設定したレベルに達するに余分の時間をかかり、上記サイクルを再開するとすれば、　結果として、溶液の温度が上昇しつづけ、上記サイクルが繰り返され、反応容器（１）にある溶液を水位センサー（８）にまで押し下げる。再び、この高い温度において、濃縮された水酸化ナトリウム溶液にさらされたアルミニウム（２８）の表面積の減少によって生成される水素は、低い温度における従来のアルミニウムの表面積での水素ガスの生成量とほぼ同じようにさせることができる。
【００４５】
この反応の過程で、反応容器（１）内と凝縮容器（２４）内との圧力は、周期的に予め設定されたレベルに到達することによって、上記のように反応容器（１）にある溶液が強制的に溶液貯蔵庫（１３）に押し流される。しかしながら、反応容器内の圧力が予め設定されたレベルに下がると、溶液は温度センサー（５）によって決定される溶液の温度によって決まる水位センサー（６、７、８）によって感知されるレベルまでに反応容器（１）に押し戻される。この方法において、各単位時間に生成するガスの量は、溶液に温度に依存する濃縮された水酸化ナトリウム溶液に曝されたアルミニウム（２８）の特定の表面積によって制御されうる。
【００４６】
このサイクルが繰り返す中、溶液貯蔵庫からの出たり、入ったりしていると、溶液が冷やされる。その結果、反応容器（１）に流れ込む溶液量は、入ってくる溶液の温度に左右され、水位センサー（６、７、８）の間さまざまの位置にある。
【００４７】
もし、使用されるガスの流れが圧力調節器（２６）を閉めることによって遮断されれば、反応容器（１）内と凝縮容器（２４）内との圧力は、予め設定した圧力レベルに達する。溶液は上述のように溶液貯蔵庫に押し出され、反応装置自体が再び活動休止状態に入る。そのときに、特定圧力下にある特定量の水素ガスが圧力調節器（２６）を通って使用されるために放出されうる。
【００４８】
反応過程で生成された酸化物及び水酸化物は穴のあいた板（３）の隙間から反応容器（１）の底に落ちる。それは、その副の産物の重力により起き、また、その動きはさらに多く出入りする溶液の動きによって促進される。一部の副産物はアルミン酸ナトリウムにかわり、溶液に溶けてしまう。溶けずに残ったの部分は、反応容器（１）の底あるいは溶液貯蔵庫（１３）の底の沈むことになる。残存物の増加が、この２つ容器の間の溶液の流れを干渉することなく、半流動状態で留まる。アルミニウム板（２８）が反応によって消費されると、徐々に下に下がり、最終的に穴のあいた板（３）の表面に残される。
【００４９】
上述の制御スキームは、上記のような水素ガスの排出において全ての発熱化学反応に応用できる。水溶液としては、水、あるいは、たとえば、水酸化アルカリ金属溶液、無機酸のいずれかを用いることができ、また、分解反応物質としては、たとえば、金属、化学物質、水素化物の何れかを用いることができ、さらに、上記制御スキームとしては、外部から加わる力なく特定の圧力下で時間単位ごとに特定量の水素ガスの提供できるような使用に適する大きさにしたものを用いることができる。
【００５０】
金属アルミニウム及び水酸化ナトリウムの水溶液の好ましい使用態様として、化学的な反応量のパンダー状のアルミニウム金属及び水酸化ナトリウムは、圧力及びゆるい熱の下で、完全に均質化され、任意的に焼結され、そして、この混合物を円柱状あるいはブロック状の固形物に形成する。この円柱状あるいはブロック状の固形物は、図示のアルミニウム（２８）の代わりとして反応容器（１）に置くことができ、また、濃縮された水酸化ナトリウム溶液を水で置き換える（化学コンテナ（３２）を省略する）。水が円柱状あるいはブロック状の固形物に接触すると、水酸化ナトリウムは溶け、そして、直ちにアルミニウムと反応し、上記と同様な反応に続く。そして、その反応速度が上記のように制御できる。
【００５１】
上述したように、図２及び上記したように円柱状の圧力容器のように示された装置の構成部分にも関わりなく、装置の数多くの構成部分の形は、実際に使用する場合の要求に適した何れかの形状に、もしくは、配置に加工されうることが容易に理解できる。たとえば、もし、小さいなスペースにより大きいなアルミニウムの表面積が要求される場合に、図３のように反応容器が長方形状に加工されうる（図２にある数字をこれらに相当する数字を示した図３を参照）。さらに、図４にように、２つの反応容器を並列して設け、溶液はその中の一つの反応容器から別の反応容器に順に導入する態様も好ましい。上記同様、図４に示している数字は図２のと対応する。
【００５２】
図示したケースにように、複数の容器間の圧力に違いによって引き起こされる反応容器と溶液貯蔵庫との間の溶液に流れとは別に、同様な溶液の流れが外部ポンプの使用によって引き起こされ、そして制御されることはように理解される。そのような態様を、図２の数字に対応した図８に記載された。その操作において、ポンプ（Ｐ−１）は、溶液貯蔵庫（１９）から反応容器（１）に、もしくは、反応容器（１）から溶液貯蔵庫（１９）に、溶液を流れさせる。バルブ（Ｖ−１）及び（Ｖ−３）が開かれると、バルブ（Ｖ−２）、（Ｖ−４）及び（Ｖ−５）が閉じられ、ポンプは、溶液を溶液貯蔵庫（１９）から引き上げ、反応容器（１）に押し込む。バルブ（Ｖ−１）及び（Ｖ−３）が閉じられると、バルブ（Ｖ−２）、（Ｖ−４）及び（Ｖ−５）が閉じられ、ポンプは、溶液を溶反応容器（１）から引き上げ、液貯蔵庫（１９）に押し込む。
【００５３】
圧力調節器（４）、あるいは、温度センサー（５）及び水位センサー（６、７、８、９）のいずれの一方からの適当なシグナルが送られるたびに、流れを適当に動かす圧力を導くバルブの開放の代わりに、ポンプ（Ｐ−１）は起動され、適当なバブル（Ｖ−１、Ｖ−２、Ｖ−３、Ｖ−４、Ｖ−５）が開いたり、閉じたりして適した溶液の流れを誘導する。
【００５４】
本発明は、その発明の特異な実施態様によって表されることができ、同業者は添付するクレームあるいはそれと同等の範囲内にある本発明と同様なコンセプトの使用によって得られうる数多くの改良品を考え出しうる。たとえば、実際の使用に適合するための、何れかのサイズの組み合わせ及び要求された配置は、本発明で提案した詳細な説明のような成功した機械的及び物理的制御によって利用される。
【図面の簡単な説明】
【図１】反応容器に水溶液を導入するためにスプレー型ノズルを用いた本発明の一態様を表した装置及び方法を示した概略図である。
【図２】水溶液の水位を調整するために圧力を用いた本発明の別の態様を表した装置及び方法を示した概略図である。
【図３】より狭い場所において、分解反応物の表面積を増大させる本発明の好ましい態様を示した概略図である。
【図４】複数の反応を並列に行えるように配置した本発明の好ましい態様し示した概略図である。
【図５】異なる２種類の温度下、水酸化ナトリウム濃度の推移に伴う水からの分解率の変化を示したグラフである。
【図６】ある特定の水酸化ナトリウム濃度下、温度の推移に伴う水からの分解率の変化を示したグラフである。
【図７】図６のと異なる水酸化ナトリウム濃度下、温度の推移に伴う水からの分解率の変化を示したグラフである。
【図８】溶液の水位を制御するためにポンプを用いた本発明の一態様を表した装置及び方法を示した概略図である。
【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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