(57)【要約】【課題】非平衡化学反応系の揺らぎを利用した水素発電機により、環境にほとんど負荷をかけず、かつ安価な電力を供給できるようにすることを目的とする。【解決手段】水素発電機１００を構成する反応容器１０６内で水を電気分解して水素および酸素を生成した後、酸素を吸着可能な極板活物質で構成された負極板１０３に前記反応容器１０６内の酸素を吸着させて水素濃度が過剰となる非平衡化学反応環境を生成し、水素と電解質１０１に含まれる触媒物質とを用いて発電する発電工程と、水素と触媒物質を回復する回復工程とを、非平衡化学反応を生じさせつつ交互に繰り返して発電を継続する。これにより、燃料として地下資源を浪費することなく安価な電力を供給できる。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
初期工程によって水素濃度が過剰となる非平衡化学反応環境を生成し、前記初期工程後、水素と触媒物質とを用いて発電する発電工程と、水素と触媒物質を回復する回復工程とを、非平衡化学反応を生じさせつつ交互に繰り返して発電を継続するようにしたことを特徴とする水素発電機。
【請求項２】
前記初期工程は、発電機の正極板および負極板間に電圧を印加して、水を電気分解して水素を生成しつつ、前記正極板に発生する酸素をトラップして隔離することにより、水素濃度が過剰となる非平衡化学反応環境を生成する請求項１に記載の水素発電機。
【請求項３】
前記発電工程は、金属化合物を含む前記触媒物質を水素で還元し、金属イオンと水を生成しつつ発電を行う請求項２に記載の水素発電機。
【請求項４】
前記回復工程は前記発電工程とは逆方向の反応を生じ、加水分解により水素と触媒物質を回復する請求項３に記載の水素発電機。
【請求項５】
前記酸素は、前記負極板内の物質にトラップされる請求項２〜請求項４のいずれか１つに記載の水素発電機。
【請求項６】
耐腐食性および比表面積の大きい極板活物質で構成された正極板と、
酸素を吸着可能な極板活物質で構成された負極板と、
水素と反応して水を生成する金属化合物を含む前記触媒物質を含んで構成される電解質と、
を有する反応容器を含んで構成され、
前記負極板に前記反応容器内の酸素をトラップして隔離することにより、水素濃度が過剰となる非平衡化学反応環境を生成する請求項１〜請求項５のいずれか１つに記載の水素発電機。
【請求項７】
前記水素発電機は、前記反応容器内の正極板および負極板に電流を流すことにより水を電気分解して水素を生成させる始動用電源と、前記反応容器内に供給するための水を貯蔵する水タンクと、前記水素発電機の始動および前記反応容器内への水の供給を制御する水素発電機制御部を含んで構成される請求項６に記載の水素発電機。
【請求項８】
前記反応容器は、前記反応容器内部と大気との間の気密保持機能を有するように構成される請求項６または請求項７に記載の水素発電機。
【請求項９】
前記触媒物質は、冷水と反応して水素を発生するアルカリ金属またはアルカリ土類金属の少なくとも１つの金属化合物である請求項１〜請求項８のいずれか１つに記載の水素発電機。
【請求項１０】
前記触媒物質は、前記アルカリ金属またはアルカリ土類金属の水酸化物、臭化物、および酸化物を複数混合した後、加熱および溶融される請求項９に記載の水素発電機。
【請求項１１】
前記加熱および溶融された触媒物質は、電解質として機能する請求項１０に記載の水素発電機。
【請求項１２】
酸素との親和性および反応性の高い卑金属の酸化物を前記電解質中に混合することにより、前記反応容器内の酸素の除去を行う請求項６〜請求項１１のいずれか１つに記載の水素発電機。
【請求項１３】
前記反応容器内に水蒸気として水を供給する水蒸気供給部を含んで構成される請求項６〜請求項１２のいずれか１つに記載の水素発電機。
【請求項１４】
前記反応容器を格納する格納容器を含んで構成され、
前記反応容器および格納容器との間に設けられた間隙に、断熱材が充填される請求項６〜請求項１３のいずれか１つに記載の水素発電機。
【請求項１５】
前記水素発電機は、濃度の希薄な水素および不活性ガスの混合ガスを前記反応容器に供給することにより前記発電工程を行う請求項６〜請求項１４のいずれか１つに記載の水素発電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素濃度が過剰となる非平衡化学反応系の揺らぎを利用した水素発電機に関し、例えば、電気自動車の発電に適用できる水素発電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
エネルギー源の多様化を求められていることは言うに及ばず、大気汚染、放射能汚染、化石燃料の枯渇など、地球環境の劣化防止が急務になっている。その一例として、化石燃料の使用を抑えたハイブリッド電気自動車がある。
【０００３】
本出願人は、ハイブリッド電気自動車を試作し、数年に及ぶ走行試験の結果、電池の性能がその車の性能を大きく左右することを確認した。モータのみによる走行を目指す電気自動車（ＥＶ車）ではなおさらであろう。
また、電気自動車の開発と並行して「理想的電池の探求」にも注力してきたが、以下に示す非特許文献１において、化学反応にも振動現象が存在することを知り、理想的電池における梵鐘効果の研究と題して行ってきた実験結果と符合する部分を見つけ、行き詰まっていた電池開発に大きな光明となった。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】研究概説：「非平衡化学反応系に於ける揺らぎの効果」、岩元和敏、妹尾学著（東京大学生産技術研究所）生産研究３０巻９号３３１〜３３８ページ、１９７８年９月１日発行
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
非特許文献１には、非平衡化学反応系においては、化学反応にある条件を与えれば、回転的反復性を伴う反応現象が発生したり、または消滅したりすることが述べられている。
このことから、遊具のブランコの揺れ、または寺院の梵鐘効果の余韻と相似的な現象が、化学反応においても実現できる可能性がある、との仮説を想起することができた。
【０００６】
ブランコの最初の一押しは、梵鐘に対して橦木を激突させることに相当し、その後もブランコが揺れ続ける現象は、梵鐘では余韻が生じてなり続けることに相当する。すなわち、適当な共鳴構造を与えれば余韻は相当長く響き続けることができる。
【０００７】
ハイブリッド電気自動車に用いられる電池においても、適当な化学反応を選択して、条件を整えれば非平衡化学反応系の揺らぎ（余韻）に相当する反応から思いがけない大きなエネルギーを取り出せることがわかった。特に、熱力学の常識として、出力エネルギーは入力されたエネルギーを上回ることはできない、という「熱力学の第二法則」を無視するような単セル試験機結果には大変驚く。
【０００８】
このような試験結果が現実に起こるのは、非平衡化学反応系の揺らぎの中で、水素の消費工程（発電）に続いて、電力の供給を求めることなく、触媒金属イオンの作用により水から水素（原料成分）を復元する一連の逆向き反応が繰り返されるためである。
このため、揺らぎ反応は、一般的には化学反応によって目的物質を生成する産業システムでは効率を阻害する要因となり、歓迎されるものではないが、非平衡化学反応系の揺らぎに適合する、意味のある反応形態を見つければ有効活用が可能となる。
【０００９】
非平衡化学反応系に使用可能な化学反応は、常識的には不可逆反応を含むものも採用できる。この不可逆反応の原因としては、
（１）カルシウム、リチウム等のようにイオン化傾向の強い単体金属を得るための反応
（２）特別な高温環境を必要とする反応
（３）反応要素の散逸が激しい物質の反応
（４）反応要素が混合しにくく、接触困難な物質の反応
がある。
【００１０】
ところが、揺らぎ反応により最終的に得られる生成物は電気であり、具体的な金属カルシウム（単体）を製造しようとするような目的とは異なり、その目的には金属カルシウムではなく、カルシウムイオン（Ｃａ２＋）であれば事足りる場合もある。すなわち、イオン化傾向の大きい物質の化学反応において、イオン状態として残るため金属状態の単体を得にくいことを裏返せば、イオン状態までは楽々と反応が進んでいることがわかる。
したがって、揺らぎ反応で活用するのはここまでであり、これは一見不可逆反応に見えて、実は可逆反応に他ならない。
【００１１】
上述した非特許文献１、すなわち非平衡化学反応系の揺らぎの効果は、その揺らぎ（回転的反復性）を利用して、人体の体温維持、またはわずかな食料により大海を飛翔する生物のエネルギー発生メカニズムの不思議さの解明に対する何らかのヒントになることを指摘したものである。
【００１２】
本発明は、上記のような現象から組み立てた水素と電力の発生機構を工業技術に応用するためになされたもので、非平衡化学反応系の揺らぎを利用した水素発電機により、環境にほとんど負荷をかけず、かつ安価な電力を供給できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
かかる目的を達成するため、本発明に係る水素発電機は、初期工程によって水素濃度が過剰となる非平衡化学反応環境を生成し、前記初期工程後、水素と触媒物質とを用いて発電する発電工程と、水素と触媒物質を回復する回復工程とを、非平衡化学反応を生じさせつつ交互に繰り返して発電を継続するようにしたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、水素と触媒物質とを用いて発電する発電工程と、水素と触媒物質を回復する回復工程とを、非平衡化学反応を生じさせつつ交互に繰り返して発電が継続されるので、燃料として地下資源を浪費することなく安価な電力を供給できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】実施形態における水素発電機を適用したハイブリッド電気自動車のシステム図
【図２】図１に示す水素発電機の本体部を示す正面断面図
【図３】同上Ａ−Ａ線断面図
【図４】同上水素発電機の運転を示すフロー図
【図５】同上水素発電機の反応容器における初期工程を示す概略図
【図６】同上反応容器における発電工程を示す概略図
【図７】同上反応容器における回復工程を示す概略図
【図８】非平衡化学反応系の揺らぎ発生と発電の関係をブランコの揺動に例えて示した概略図
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて説明する。
図１は、実施形態における水素発電機１００を適用したハイブリッド電気自動車のシステム図である。尚、本実施形態においては、水素発電機１００をハイブリッド電気自動車の負荷システム２０に適用したが、これに限られず、電力の供給が必要なものであれば他の負荷システムに適用することもできる。
【００１７】
図１において、水素発電システム１０は、非平衡化学反応系の揺らぎにより発電する水素発電機１００と、発電始動時に水素発電機１００に電流を流す始動用電源である始動用蓄電池１と、負荷システム２０の負荷の急激な変化を吸収して水素発電機１００への電気的衝撃を緩和する緩衝キャパシタ２と、水素発電機１００の発電電圧を負荷システム２０側の要求電圧に合せるように調整する電圧調整回路３と、水素発電機１００内部の後述する反応容器１０６（図２）の内圧を調整する内圧調整器４と、水ポンプ６および水タンク７に接続され、前記反応容器１０６に水蒸気を供給する水蒸気供給部５と、を含む。
【００１８】
始動用蓄電池１、緩衝キャパシタ２および電圧調整回路３の各正極は、水素発電機１００の正極端子との接続を介して、該発電機１００内部の後述する正極板１０２側に接続されている。また、内圧調整器４と水蒸気供給部５は、水素発電機１００内部の反応容器１０６に接続されている。
【００１９】
また、水素発電システム１０には、水素発電機制御部８が設けられ、この水素発電機制御部８からの信号の出力により水素発電システム１０全体が制御される。
【００２０】
負荷システム２０は、水素発電システム１０の電圧調整回路３を介して水素発電機１００の正極側に接続された走行用動力キャパシタ２１と、走行用動力キャパシタ２１の正極側に接続された動力スイッチ２２を介して接続されたインバータ２３と、インバータに接続されたモータ２４と、モータ２４と一体に連結されたエンジン２５と、アクセルペダル等の出力要求手段２６と、を含む。
【００２１】
また、負荷システム２０には、水素発電システム１０の水素発電機制御部８と相互に通信可能な原動機制御ユニット２７が設けられ、出力要求手段２６からの要求信号を受け取って、動力スイッチ２２およびインバータ２３に信号を出力することにより負荷システム２０全体が制御される。
【００２２】
水素発電機１００は、図２〜３に示すように、内部に電解質１０１と、正極板１０２が取付けられた正極集電子１０４と、負極板１０３が取付けられた負極集電子１０５とを有する反応容器（リアクタ）１０６と、反応容器１０６を覆う外装ケースである格納容器１０７とで構成されている。
【００２３】
電解質１０１としては、冷水と反応して水素を発生する触媒物質として水酸化カルシウム（消石灰）を含むアルカリ金属またはアルカリ土類金属の化合物を複数種混合して、加熱溶融したものが用いられる。
アルカリ金属またはアルカリ土類金属としては、上記カルシウムの他、リチウム、カリウム、ナトリウム等が挙げられ、それらの化合物としては、上記水酸化カルシウムの他、例えば、水酸化リチウムなどの水酸化物、臭化物、または酸化物等を用いる。
【００２４】
反応容器１０６は、非平衡化学反応系の揺らぎによる水素発電機１００の中枢部分を含む容器で、耐熱性および耐腐食性を備えた材料と加工方法により製作される。
【００２５】
反応容器１０６内部で実行される非平衡化学反応は、酸素によって大きく妨害されるため、反応容器１０６内部および大気間を導通可能な通路、例えば反応容器１０６を貫通する図示しない電力端子、温度センサ等の信号線があると、その通路を経由して大気から反応容器１０６内に酸素が供給されてしまう。
そこで、反応容器１０６の上部に、反応容器カバー１０８を設けることにより、導通可能な通路を塞ぎ、また、細かい隙間には耐熱接着能力がある充填物を詰めて封鎖する。
【００２６】
反応容器カバー１０８と格納容器１０７との間には、高温の反応容器１０６と格納容器１０７との間の断熱を図るために断熱カバー１０９が設けられている。
【００２７】
正極板１０２は、電気分解時には始動用蓄電池１の正極に接続され、発電機として作動中は負荷システム２０の正極側に接続される。
負極板１０３は、格納容器１０７の上部に設けられた負極端子１１１を介して、電気分解時は始動用蓄電池１の負極に接続され、発電機として作動中は負荷システム２０の負極側に接続される。
また、正極板１０２および負極板１０３と反応容器１０６の内壁との間には、断熱効果を有する絶縁層１１２、１１３が設けられている。
【００２８】
ここで、反応容器１０６内部で生じる非平衡化学反応には必須の要素である水を、反応現場である各極板１０２、１０３に水蒸気の形で届ける必要がある。
そこで、反応容器１０６内部に水蒸気通路１１４、１１５、１１６を設け、正極端子１１０および負極端子１１１とそれぞれ一体に形成された正極および負極給水ニップル１１７、１１８を介して、水ポンプ６および水蒸気供給部５により水タンク７から反応容器１０６内部の極板１０２、１０３に水蒸気を供給する。
【００２９】
正極板１０２および負極板１０３には、それぞれ、自らの極板１０２、１０３および電解質の加熱用に、棒状の伝熱ヒータであるカートリッジヒータ１１９、１２０が取付けられている。
尚、断熱カバー１０９は、これを貫通する正極および負極端子１１０、１１１、給水ニップル１１５、１１６、およびカートリッジヒータ１１９、１２０を保持している。
【００３０】
また、格納容器７の頂壁、断熱カバー１０９および反応容器カバー１０８を貫通して水蒸気リターンニップル１２１が設けられ、反応容器１０６の内圧が大気圧よりも高くなった場合に、反応容器１０６内部の水蒸気を、水蒸気リターンニップル１２１を経由して水タンク７に戻すことができる。尚、水蒸気リターンニップル１２１は、逆止弁となっているため、大気から反応容器１０６に向けて酸素が流入することはない。
【００３１】
また、反応容器１０６内は、後述する各工程において、始動初期のカートリッジヒータ１１９，１２０による加熱、加熱後は発電した電力の一部と触媒の化学反応による発熱で温度が維持される。
さらに、反応容器１０６と格納容器１０７との間、水蒸気通路１１４と反応容器１０６との間等に適当な隙間を設け、その隙間に、リアクタ１０６内部から外部（大気中）に熱を逃がさないように耐熱および耐薬品性のある断熱材１２２を挿入して熱損失を軽減する。
【００３２】
図１に戻って、水素発電機１００の負極板１０３側には、水素発電機制御部８からのスリープスイッチ制御信号の出力によりＯＮ／ＯＦＦが切替わるスリープスイッチ９が接続され、スリープスイッチ９のＯＦＦ時には、水素発電機１００本体部分が切離状態となる。
【００３３】
始動用蓄電池１の負極側には、水素発電機制御部８からのスタート信号が出力されるとＯＮになるスタートアップスイッチ９が接続されている。
また、始動用蓄電池１は、水素発電機１００と正極同士で接続され、スリープスイッチ９がＯＮ、かつスタートアップスイッチ１１がＯＮになると始動用蓄電池１から水素発電機１００に向けて電流が流れ、水素発電機１００内の電解質１０１の加熱および水の電気分解が行われた後、発電工程を経て発電が行なわれる。
【００３４】
このとき、電圧調整回路３の負極側に接続された負荷接続スイッチ１２が水素発電機制御部８から出力された負荷接続信号によりＯＮとなることにより電圧調整回路３が作動し、水素発電機１００からの発電電圧が電圧調整回路３によって調整されて負荷システム２０に供給される。
【００３５】
以上では、電力の生成を概略的に説明したが、本発明による水素発電機１００における非平衡化学反応系の揺らぎを利用した発電について、以下、図４〜図８と併せて詳細に説明する。
【００３６】
本実施形態の非平衡化学反応系の揺らぎによる水素発電機１００をスイングジェネレータ（ＳＧ（swing generator））と呼び、非特許文献１において、ＳＧは、化学反応においてある程度の規模で非平衡状態を与えると「揺らぎ」が発生し、平衡点に直行するのではなく、平衡点周辺で回転的反復性を保ちながら化学反応を起こし、その結果は反応要素成分の波形的な濃度変化が観測されることで確認できると述べられている。
【００３７】
本実施形態において、正極板１０２は、耐腐食性および比表面積が大きい極板活物質を用い、負極板１０３は、水の電気分解で発生する酸素を吸着して、揺らぎ反応中になるべく酸素の放出を抑制する極板活物質が用いられる。
【００３８】
ここで、上述したように、反応容器１０６には、電力端子や、温度センサ等の信号線が貫通しており、これらのわずかな隙間を通って、大気中から酸素が反応容器１０６内部に侵入することにより、反応容器１０６内部の水素が酸素と優先的に結合するために消耗し、揺らぎ反応の発生と継続が阻害されてしまう。
したがって、反応容器１０６は、できる限り気密保持できる構造を有することが好ましく、また、反応容器カバー１０８で密閉することにより反応容器１０６内部および大気間の流通が遮断されている。
【００３９】
反応容器１０６内に充填された電解質１０１は、例えば、水酸化カルシウム（消石灰）に代表される固体型微粉状の複数の触媒物質を混合したものである。しかしながら、固体のままではほとんど絶縁体であり、電解質としては相応しくない。
そこで、その混合物を加熱、溶融して使用することにより、元来は触媒でありながら、溶融して電解質としての機能も合わせ持つようになる。
【００４０】
したがって、後述する初期工程に移る前に、まず、ステップＳ１０１では、電解質１０１の予熱、すなわち、カートリッジヒータ１１９、１２０に通電して電解質１０１を加熱する。その後、反応容器１０６内に設けてある図示しないサーミスタにより内部温度を測定し、水素発電機制御部８により適温に制御する。
尚、本実施形態において、水素発電機１００（ＳＧ）は、３００℃前後の温度条件で運転される。
【００４１】
このとき、電解質１０１の溶融温度が問題となるが、例示した水酸化カルシウム単体の融点は５８０℃である。
そのため、この融点より加熱温度が低いと電解質１０１は粉体（固体）のままで略絶縁体であるため、電解質としての適性を欠いてしまう。
【００４２】
そこで、複数材料の混合による融点降下を目的として、水酸化カルシウムの他、できるだけ融点が低く、かつ危険性の少ない類似の触媒になり得る物質を３〜１０種類選んで混合した電解質１０１を使用する。
本実施形態では、水酸化カルシウムを含む４種類の触媒物質を混合して、２２５〜２５０℃の溶融温度である電解質１０１を使用した。
【００４３】
反応容器１０６内部が適温になった場合は、図５〜図７下部の矢印に示すように、その温度に略等しい温度の高温水蒸気を水蒸気供給部５により反応容器１０６内に供給する。尚、この注水量は厳密に管理される。
【００４４】
続いて、ステップＳ１０２では、図５に示すように、第一段階として非平衡化学反応を発生させる環境を整備する初期工程（水の電気分解）を行う。
また、以下に続く一連の化学反応を図８に示すブランコの揺動になぞらえて説明すると、まず、反応の初期位置（ＳＧ作動開始時）とは、ブランコの支点からロープが垂直に垂れ、ロープと重力方向が一致している状態（最初にブランコが静止している状態）である（図８のポイントａ）。
【００４５】
すなわち、このＳＧ作動開始時では反応容器１０６内の各反応要素が略平衡している。
そこで、初期工程では、反応容器１０６内部で水を電気分解して、水素濃度が過剰となる非平衡化学反応環境を生成する。初期工程は、例えばブランコに子供を乗せて、子供にとって後方に向けて引き上げることに相当する（図８のポイントｂ→ｃ）。
【００４６】
具体的には、始動用蓄電池１から正極板１０２と負極板１０３との間に適当な電圧を印加することによりステップＳ１０１で供給した高温水蒸気から水素を生成する。およその目安としては単セル当たり１．２Ｖ前後の電圧を印加するが、負荷側の要求出力に応じて電気分解強度（水素の発生量）の調整を行う。
【００４７】
ちなみに、水素を燃料とする燃料電池では、単セル当たりの理論的起電圧は１．２３Ｖとされているが、実際の電圧は０．８Ｖ前後である。本発明の非平衡化学反応系の揺らぎによる水素発電機１００においても、後述する揺らぎの効果により発電機内部で水素を発生させ、直後に内部でその水素を用いて「水素型燃料電池」を駆動するものとみなされる。
【００４８】
初期工程では、下記式に示すように、高温水蒸気（水（Ｈ２Ｏ））を電気分解することにより、負極板１０３側で水素（Ｈ２）、正極板１０２側で酸素（Ｏ２）が生成される。
２Ｈ２Ｏ  →  ２ＯＨ−  ＋  ２Ｈ＋
→  ４Ｈ＋  ＋  ４ｅ−  ＋  ２Ｏ２−
→  ２Ｈ２  ＋Ｏ２
【００４９】
上記電気分解の中間状態としては、水素および酸素それぞれがイオン化した状態があり、その後、結合して正極板１０２側には酸素分子が、負極板１０３側には水素分子が生成され、恣意的に反応要素のバランスを崩す。
【００５０】
ここで、発生した酸素を遊離状態の下に置いたままにすると、水素は酸素とよく結合する。その結果、初期工程開始時の平衡位置までに酸素が水素を使い果たしてしまい、反応はその平衡点で止まるため、後述する発電工程および回復工程の揺らぎ反応が発生しない。このときのエネルギー回収量は電気分解において外部電源から与えられたエネルギー量を上回ることはできない。
【００５１】
したがって、発生した酸素を以降の反応に参加させないようにするために、上述したように負極板１０３に用いられる、例えば、モリブデン等の負極活物質の分子内に吸着させるか（Ｏ２−→ＭｏＯ３）、または電解質１０１中にも酸素捕捉剤を混合することにより酸素を吸着（トラップ）する。
【００５２】
これにより、電気分解の終了時点で、反応容器１０６内部で平衡状態に対して水素濃度が過剰となる非平衡化学反応環境が人為的に生成され、この状態が後述する発電工程の始点となる（図８のポイントｃ）。
【００５３】
次いで、ステップＳ１０３では、第二段階として、図６に示すように、第一段階の初期工程（水の電気分解）または後述する回復工程により生成した水素と、電解質１０１に含まれるか、または後述する回復工程により回復した水酸化カルシウムとの非平衡化学反応が開始され、発電工程が生じる。
すなわち、発電工程は、ブランコを放すと前方に向かって動き始めることに相当する（図８のポイントｃ→ｄ）。
【００５４】
下記式に示すように、水酸化カルシウムと水素を反応させると水酸基が水素と反応して水およびカルシウムイオンが生成される。
Ｃａ（ＯＨ）２  ＋  Ｈ２  →  Ｃａ２＋  ＋  ２ＯＨ−  ＋２Ｈ＋  ＋  ２ｅ−
→  Ｃａ２＋  ＋  ２Ｈ２Ｏ  ＋２ｅ−
【００５５】
上記の反応の途中段階、すなわち、電気分解直後（および後述する回復工程の終了直後）、水素は負極板１０３付近に集合した状態となる。その後、水素がイオン化し（Ｈ＋）、これに伴ってその陽イオンに対して同数の電子（陰イオン）が生成される。水素イオンが水酸基または酸素と反応して水になると、反応前に水素イオンが保有していた陽イオンを失い、電子はそこに留まるための引力を失う。これにより負極板１０３から負荷システム２０を経由して正極板１０２に向けて電子が流れる。
すなわち、水素発電機１００により発電した電流が負荷システム２０に供給される。
【００５６】
電子が正極板１０２に移動すると、電解質１０１内の水素イオン（＋）が電子（−）に誘引されて正極板１０２に移動する。その後、水素イオンは正極板１０２付近で水酸基（ＯＨ−）と結合して水（Ｈ２Ｏ）が生成され、同時に触媒物質は水酸基を失ってカルシウムイオンが生成される。
【００５７】
ここで、発電工程における上記の化学反応式には、一般的には不可逆反応とされている下式の部分が含まれている。
Ｃａ（ＯＨ）２  ＋  Ｈ２  ←  Ｃａ  ＋  ２Ｈ２Ｏ
【００５８】
例えば、「カルシウムおよびカルシウム化合物の化学的性質と化学反応」（大下浩司著、文化財情報研究第１０号４７）に記載のように、上式の左向き反応は起こり得るが、金属カルシウムを抽出するための右向き反応は、通常、特殊な製法以外では起こらないとされている。
すなわち、カルシウムのイオン化傾向が高いため、イオン（Ｃａ２＋）までは進むが、金属カルシウム（単体）の析出および抽出は困難である。
【００５９】
したがって、一般的には水酸化カルシウムと水素から金属カルシウムを製造することは、不可逆反応であり、実現困難であるから、金属カルシウムの抽出を目的とするならばそれに相応しいシステムによって実行すべきである。
【００６０】
他方、本発明による水素発電機１００（ＳＧ）においては、カルシウムイオンのまま反応を終結していることから、上記の発電工程における反応が可能となる。
【００６１】
したがって、この発電工程では、水の電気分解で生成した水素がある限り、電解質１０１の持つ水酸基、酸素等の酸化剤と結合して水とアルカリ金属イオン、アルカリ土類金属イオンを生成しながら発電する。このとき、非平衡化学反応系の揺らぎにより平衡点を超えて（図８のポイントｄ→ｅ）、水素濃度が極希薄になるまで反応が進む（図８のポイントｅ→ｆ）。同時に、電解質１０１中の触媒物質が還元されて、触媒物質の材種に応じてアルカリ金属イオン、アルカリ土類金属イオンが生成され、この生成された金属イオン類が後述する回復工程の原動力となる。
【００６２】
すなわち、発電工程の化学反応において、水素が残っている期間は水を生成しながら発電し、水素が尽きると発電は停止するが、発電工程のもう一つの役割は、後続の回復工程におけるアルカリ金属（本実施形態ではアルカリ土類金属である金属カルシウム）またはそのイオン等の水分解能力のある金属またはそのイオンを再生成する逆向き反応の準備を目的とするものである。
【００６３】
第二段階の終盤では、水酸化カルシウムは電解質１０１を兼ねる触媒物質中に豊富に含まれているため欠乏することはないが、水素は様々な事情により減損する。そのため、第二段階の発電時に消耗した水素と、生成された水との関係により、ルシャトリエの原理に従って反応方向が逆転することになる。
以下では、逆転以降、すなわち揺らぎ反応の後半部を第三段階として説明する。
【００６４】
尚、本実施形態による水素発電機１００（ＳＧ）では、水素を消費する往路（発電工程）の反応によって、復路（回復工程）の原動力であるカルシウムイオンを生成する。一方、復路では、往路の原料成分である水酸化カルシウムおよび水素が回復されればよい。
したがって、復路における反応の推進剤はカルシウムイオンの加水分解能力であり、往路、すなわち発電工程は、金属カルシウムを析出または抽出させることを目的とするものではない。
【００６５】
発電工程で水素が尽きると、ステップＳ１０４では、図７に示すように、第三段階として触媒物質と水素を生成する回復工程が生じる。
すなわち、回復工程は、発電工程にてブランコが前方に上がりきった後、後方に向かって戻されることに相当する（図８のポイントｇ→ｈ）。
【００６６】
第三段階では、第二段階の発電工程を繰り返すために、電解質１０１内の水酸化カルシウムおよび水素の少なくとも２要素を第二段階の初期量に回復すること、また、反応過程でカルシウム（イオン）および水の２要素が消費されて、望ましくは第二段階の初頭に存在したレベルに復帰することを目的とする。
【００６７】
これら４要素を第二段階の初期量に回復させることができれば、第二段階を複数回繰り返すことができるので、外部から電力を受け取ることなく発電工程を継続することができる。
【００６８】
回復工程では、下記式に示すように、発電工程で生成されたカルシウムイオンと水から水酸化カルシウムと水素が生成される逆反応が進み始める。
Ｃａ２＋  ＋  ２Ｈ２Ｏ  →  Ｃａ２＋  ＋  ４Ｈ＋  ＋  ２Ｏ２−
→  Ｃａ２＋  ＋  ２ＯＨ−  ＋２Ｈ＋
→  Ｃａ（ＯＨ）２  ＋  Ｈ２
【００６９】
回復工程では、発電工程の化学反応が逆向きに進み始めるが、この反応では、発電工程の結果、水素から発生した水と、水素によって還元された触媒物質に由来するカルシウムイオンが反応要素の主体を占めることになる。
【００７０】
カルシウムイオンは、水と接触すると、加水分解により水素を発生しながら水酸化カルシウムに戻る。
この反応途中でイオンの非平衡があっても、金属カルシウムはイオン化傾向が上位３番目（１．Ｌｉ，２．Ｋ，３．Ｃａ，…，１２．Ｈ２）の高さなので最終化合物はイオンのままであり、水素イオンのように反応時に電子を伴うことはない。
【００７１】
すなわち、アルカリ金属、アルカリ土類金属およびそれらのイオンは、水の電気分解のように電力を要求することなく、水を分解して水素を発生しながら、例えば触媒物質の水酸化カルシウムを生成して、発電工程の非平衡化学反応を再び開始するための原料成分を復元する。したがって、回復工程では発電はできないが、電力の消費もない。
【００７２】
その後、ステップＳ１０４の回復工程において第二段階（発電工程）の原料成分（水素および水酸化カルシウム）が復元され、ステップＳ１０５で第二段階が再実行可能であると、再びステップＳ１０３に戻り、発電工程の開始位置（非平衡化学反応の開始位置）に復帰する（図８のポイントｈ→ｉ）。
これは、回復工程の反応途中でカルシウムイオンと水の濃度が希薄となる一方、触媒物質（原料成分）である水酸化カルシウムの濃度が高くなり、ルシャトリエの原理により化学平衡から見て過剰な物質を消費して不足物質を生成する反応に変わるためである。その後、回復工程で復元された原料成分を用いて発電工程により電力が生成される。
したがって、発電工程および回復工程の繰り返し回数が多いほど有効な発電機を実現することができる。
【００７３】
ところで、加水分解の原料となる水は、第二段階の発電工程時に生じた全量を活用できれば補給の必要はないが、加水分解の発生源となるカルシウムイオンと接触すべき水が都合よく均等に分布しているとは限らない。
このため、水蒸気供給部５により適切に制御された水を補給する。尚、水の補給はこの回復工程に限られず全工程で実行される。
【００７４】
上記の加水分解は、冷水であっても反応するが、熱水または水蒸気の方が活発に反応することは周知の現象である。また、触媒物質として、例えば、卑金属のマグネシウムを用いた場合の加水分解の発生は、アルカリ金属またはアルカリ土類金属に比べて高温の熱水または高温水蒸気に限られ、冷水では反応しない。
【００７５】
尚、アルカリ金属イオンまたはアルカリ土類金属イオンは水蒸気と接触すると、水または水蒸気を分解して水素を発生する能力があるが、これら以外にも同様な、またはこれら以上に水蒸気の分解能力を持つ元素が存在する。
しかしながら、安全性を考慮すると、上記元素の化合物の中から複数の適切な触媒物質を選択することが好ましい。
【００７６】
水素の浪費や抵抗成分等の発生がなければ、ステップＳ１０３の発電工程の再開は複数回観測され、反応要素物質の濃度変化としてオシロスコープ上に様々な波形が描出される。一回の初期工程（電気分解）に対して、発電工程が繰り返される回数がゲインに直接影響する。
【００７７】
また、以上の各工程において、水素発電機１００の加熱、制御、およびその他の付帯装置等の所要電力が必要である。したがって、発電工程の発電電気量から上記各消費電力を差し引いた値が最終的な発電量となる。
【００７８】
発電工程および回復工程が繰り返される何度も平衡点を通過しているうちに非平衡反応系による揺らぎは平衡点に収束する。すなわち、これは、図８に示すブランコの振幅が小さくなって、最初の静止位置で止まることに相当し、ステップＳ１０５で発電工程が再実行不可能または反応容器１０６内の環境が再実行にとって不適当であるとして、ステップＳ１０２の第一段階（初期工程）に戻る。
このように、水素発電機１００による発電も停止するので、再び初期工程から発電を開始する（図８のポイントａ）。
【００７９】
また、水素発電機１００の製作中、その構成材料が空気と触れることを完全に防止することはできないため、反応容器１０６内に酸素が多く含まれてしまう。
そこで、充分に水素濃度の希薄な水素と不活性ガスの混合ガスを反応容器１０６内に供給することにより、発電工程を行う。
【００８０】
すなわち、反応容器１０６内に酸素が多く含まれる場合は、前記混合ガスの供給により加えられた水素と反応して水を生じるので、この水の生成量を見て内部の酸素が除去された程度を推量することができる。
これにより、反応容器１０６内の疑似的な非平衡化学反応環境を生成することができるので、反応容器１０６内の環境が、発電工程に最適な状態に初期化、または更新される。
【００８１】
以上に示した一連の化学反応において、電解質１０１として反応容器１０６内部に封入されたアルカリ金属またはアルカリ土類金属の化合物などは、反応途中で水酸化物または酸素が存在すればこれと結合して姿を変えるか、またはイオンの形のまま留まる場合を含めて、消耗して失われることはない。
このように、電解質１０１は、水素イオン等の通路となるのみならず、自身がサイクリックに姿を変化させながら非平衡化学反応系の揺らぎをもたらす触媒となる。
【００８２】
ここで他の実施形態として、電解質１０１に含まれる触媒物質に、例えば卑金属であるマグネシウムの酸化物（ＭｇＯ）を用いた場合について説明する。
第二段階（発電工程）では酸化マグネシウム分子内の酸素と水素が結合して水を生じると同時に水素から電子が放出され発電する。
２ＭｇＯ  ＋  ２Ｈ２  →  ２Ｍｇ２＋  ＋  ２Ｏ２−  ＋  ４Ｈ＋  ＋  ４ｅ−
→  ２Ｍｇ２＋  ＋  ２Ｈ２Ｏ  ＋４ｅ−
【００８３】
マグネシウムのイオン化傾向はリチウムを先頭に第５番目とされているため、この反応から更に進めて金属マグネシウム（単体）を水素による還元によって生成することは水酸化カルシウムを用いた場合と同様に難しい。
しかしながら、酸化マグネシウムを触媒として電解質１０１に混入する目的は、下記式のように、電解質１０１中に漂う余剰酸素を除去することである。
２Ｍｇ２＋  ＋  ４ｅ−  ＋  Ｏ２  →  ２Ｍｇ２＋  ＋  ２Ｏ２−  ＋  ４ｅ−
→  ２ＭｇＯ  ＋  ４ｅ−
【００８４】
ただし、この反応では水素により生成されたマグネシウムイオンが消費され、水素も再生されないので、非平衡化学反応の揺らぎを消滅させる作用が働いてしまう。
【００８５】
また、上述したようにマグネシウムの加水分解の発生は、アルカリ金属またはアルカリ土類金属に比べて高温の熱水または高温水蒸気に限られ、また、その能力もいくぶん弱めになるため、異なる特性を示す。そのため、水素の再生にはあまり寄与しない。
【００８６】
すなわち、金属マグネシウム（単体）は、水との反応により水素を回復するよりも、酸素との親和性および反応性が高く結合傾向が強いために、下記式のように、電解質１０１中に残された酸素と反応して酸化マグネシウムを生成し、結果として電解質１０１中の酸素を除去する。
２Ｍｇ２＋  ＋  Ｏ２  →２ＭｇＯ
【００８７】
このように、マグネシウムは酸素との強力な結合作用を活かして酸化マグネシウムに復元され、電解質１０１中の酸素の除去機能に活用される。
【００８８】
したがって、触媒物質として、アルカリ金属またはアルカリ土類金属の化合物の他、上記のような酸素との親和性および反応性の高い卑金属のマグネシウム、またはこれに類する還元剤を複数混合することにより、反応容器１０６内の酸素を除去することができる。
また、触媒物質として用いられる上記各金属の化合物は、水酸化物および酸化物のみに限られるものでなく、臭化物等であってもよい。
【００８９】
尚、本実施形態において、極板活物質にも酸素をトラップする機能を持たせたが、この両者による酸素の除去能力の合計を超え、第三段階で酸素濃度が高い場合は回復すべき水素が回復されず、揺らぎ反応は停止することになる。すなわち、反応容器１０６内に電気分解時に生成される酸素以外の酸素が侵入すると、揺らぎ反応継続において重要な水素がこの酸素量に応じて失われる。その後、これに続く揺らぎ反応は残存水素量により規模が規制され、水素の減少と共に反応規模が縮小する。
また、極板活物質または酸素捕捉剤により捕捉された酸素は水（Ｈ２Ｏ）の形で反応容器１０６から水タンク７に排出される。
【００９０】
また、各実施形態において、水は、原理的に揺らぎ反応の中で姿を変化させるが、失われることはない。しかしながら、ハイブリッド電気自動車の運転中、酸素侵入または出力調整等で発生した余剰水分は水蒸気リターンニップル１２１により水タンク７に放出されることもあるため、運転が継続されるうちに徐々に減少する。反応容器１０６内の水が失われた場合は、次の出力増加時等に水タンク７から反応容器１０６に向けて水が供給される。
【００９１】
また、通常運転時でも電解質１０１全体に均一に水蒸気を供給することは、現実的に困難であり、いくぶんかの過不足が生じる。このため、過剰な量の水は排気されるので反応容器１０６内の水の消耗につながる。
このように、本発明による水素発電機１００は、水が補給されるため、水を燃料とする燃料電池の一種とも考えられる。
【００９２】
本発明による水素発電機と水素燃料電池との大きな相違点は、水素タンクを装備しないことにより、反応容器内部での水素の生成後、揺らぎ反応の過程（時間内）でたちまち消費されるため、反応容器内で制御された反応に止まるため爆発を伴うような過激な反応を起こし得る水素量を貯蔵することはない点である。
【００９３】
以上示した各実施形態では、水素発電機の反応容器内で発生した酸素を負極板に吸着させるか、または除去しつつ、水素を生成および回復させて水素濃度が過剰となる非平衡化学反応環境を生成することにより、水素と触媒物質とを用いて発電する発電工程と、水素と触媒物質を回復する回復工程とを、非平衡化学反応を生じさせつつ交互に繰り返して発電が継続されるので、燃料として地下資源を浪費することなく安価な電力を供給できる。
【００９４】
また、本発明による水素発電機は、家庭用として各戸別に設置することによりスマートグリッドの構成がたやすくなり、ハイブリット電気自動車に用いた場合には、排出ガスが抑制され、発電施設に用いた場合には、放射性物質を使うこともないので環境汚染を恐れることなく電力の生成が可能となり災害にも耐えうるなど、家庭用、自動車用または発電施設など適用対象は広い。
【００９５】
尚、上述のことから水素発電機を構成する各材料自体の汚染等もなく、反応容器および格納容器を構成する金属材料、および極板材料である活物質は再生使用可能であり、触媒を兼ねた電解質も再生使用の可能性がある。
【符号の説明】
【００９６】
１…始動用蓄電池
２０…負荷システム
１００…水素発電機
１０１…電解質（触媒物質）
１０２…正極板
１０３…負極板
１０６…反応容器
１０８…反応容器カバー
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2016100129.tif 000007
【図６】
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【図７】
2016100129.tif 000009
【図８】
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