(57)【要約】【課題】宇宙空間等の微小重力環境下で水を電気分解した場合における電極へのガス付着の問題を解決することができる推進装置を提供する。【解決手段】所定空間１１内に配置された電極２０を備え、所定空間１１内に電界液を収容した状態における電極２０への通電により電気分解で水素及び酸素を発生させ、これら水素及び酸素を反応させて推力を発生させるように構成された推進装置１であって、電極２０に付着したガスを除去する除去手段（圧電素子４０及び駆動装置４１）を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定空間内に配置された電極への通電により電気分解で水素及び酸素を発生させ、これら水素及び酸素を反応させて推力を発生させるように構成された推進装置であって、
前記電極、前記電極の支持部材及び配管の少なくとも一つに付着したガスを除去する除去手段を備える、推進装置。
【請求項２】
前記除去手段は、前記電極、前記支持部材及び前記配管の少なくとも一つを振動させる振動手段を有する、請求項１に記載の推進装置。
【請求項３】
前記振動手段は、１００Ｈｚ以下の周波数で前記電極、前記支持部材及び前記配管の少なくとも一つを振動させるものである、請求項２に記載の推進装置。
【請求項４】
前記振動手段は、２００ｋＨｚ以上の周波数で前記電極、前記支持部材及び前記配管の少なくとも一つを振動させるものである、請求項２に記載の推進装置。
【請求項５】
前記振動手段は、圧電素子を有する、請求項２から４の何れか一項に記載の推進装置。
【請求項６】
前記電気分解で発生させた水素及び酸素を貯留するためのガス貯留部を備える、請求項１から５の何れか一項に記載の推進装置。
【請求項７】
前記電極に交流電圧を印加する交流電源を備える、請求項１から５の何れか一項に記載の推進装置。
【請求項８】
所定空間内に配置された電極に交流電圧を印加する交流電源を備え、前記交流電源で前記電極に交流電圧を印加することにより電気分解で水素及び酸素の混合ガスを発生させ、前記混合ガスを反応させて推力を発生させるように構成された、推進装置。
【請求項９】
請求項１から８の何れか一項に記載の推進装置を備える、宇宙用装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、推進装置及び宇宙用装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、例えば５０〜１００ｋｇ程度の重量を有する超小型衛星の開発が進められている。かかる超小型衛星向けの推進系には、推進性能はそれほど要求されないものの搭載性が良好であることが望まれる。このような推進系として、一液式や二液式の化学推進系が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
また、近年においては、水を電気分解して水素及び酸素を発生させ、これらを反応させて推力を発生させる推進系の開発が進められている。極めて安定・安全である水を用いた推進系が実現された場合には、緊急排出要件（ロケットのフェアリング内で無通電の状態で推進剤の排出が可能であること）や耐圧要件の適用が除外され得ることから、燃料タンクの大幅な軽量化が達成される可能性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表２００２−５１１３８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、宇宙空間等の微小重力環境下で水の電気分解を行うと、以下のような問題が発生することが明らかとなっている。すなわち、微小重力環境下においては、水の電気分解で発生したガスが表面張力等によって電極に付着するため、水と電極との接触面積が減少して電気分解の効率が低下し、最終的にはガスにより電極が全て覆われて電気分解ができなくなる、という事態が起こり得る。さらに、表面張力等によって電気分解装置の配管内にガスが滞留した場合には、有効なガスが供給されなくなることに加え、電極からガスの滞留場所までの間の水が全て電気分解されてしまうとそれ以上の水の電気分解が行われなくなるという事態が起こり得る。
【０００６】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、宇宙空間等の微小重力環境下で水を電気分解した場合における電極や配管等へのガス付着の問題を解決することができる推進装置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】
【０００７】
前記目的を達成するため、本発明に係る推進装置は、所定空間内に配置された電極への通電により電気分解で水素及び酸素を発生させ、これら水素及び酸素を反応させて推力を発生させるように構成されたものであって、電極、電極の支持部材及び配管の少なくとも一つに付着したガスを除去する除去手段を備えるものである。除去手段としては、電極、電極の支持部材及び配管の少なくとも一つを振動させる振動手段を採用することができる。また、本発明に係る宇宙用装置は、かかる推進装置を備えるものである。
【０００８】
かかる構成を採用すると、除去手段により、電気分解を起こすための電極等に付着したガスを除去することができる。例えば微小重力環境下においては、電気分解により発生したガス（水素及び酸素）が電極等に付着し、最終的にガスにより電極が全て覆われて電気分解ができなくなったり、電極周辺の水が全て電気分解されてしまい新たな水の供給が行われずに水の電気分解が停止してしまったりするという事態が起こり得るが、このような除去手段を採用することにより、微小重力環境下においても電極等に付着したガスを除去することができる。従って、水と電極との接触面積や水の電極への接触量が減少することを抑制することができ、かつ、発生したガスを無駄なく反応させることができる。この結果、より大きな推進エネルギを得ることができる。
【０００９】
本発明に係る推進装置において、１００Ｈｚ以下又は２００ｋＨｚ以上の周波数で電極、支持部材及び配管の少なくとも一つを振動させる振動手段を採用することができる。
【００１０】
かかる構成を採用すると、電極等を特定の周波数（１００Ｈｚ以下又は２００ｋＨｚ以上）で振動させることができるため、より高いガス除去効果を得ることができる。
【００１１】
本発明に係る推進装置において、圧電素子を有する振動手段を採用することができる。
【００１２】
このように圧電素子を有する振動手段を採用することにより、潤滑剤を要するモータ等の駆動系が不要となることから、真空中においても安定的に電極等を振動させることができ、装置の信頼性を高めることができる。また、圧電素子を採用しているため、モータ等の駆動系を採用する場合とは異なり、振動手段を設置する空間を気密にする必要がないという利点がある。
【００１３】
本発明に係る推進装置において、電気分解で発生させた水素及び酸素を貯留するためのガス貯留部を備えることができる。
【００１４】
かかる構成を採用すると、余剰電力を利用して電気分解で発生させたガス（水素及び酸素）をガス貯留部に一時的に貯留しておくことができる。従って、通電により電気分解を行う代わりに、ガス貯留部に貯留したガスを反応させて推力を発生させることができる。
【００１５】
本発明に係る推進装置において、電極に交流電圧を印加する交流電源を備えることができる。
【００１６】
かかる構成を採用すると、交流電源で電極に交流電圧を印加することにより水素及び酸素の混合ガスを発生させ、この混合ガスを反応させて推力を発生させることができる。すなわち、交流通電による電気分解と、水素及び酸素の混合ガスの反応と、の双方を利用した「電気化学推進」を実現させることができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、宇宙空間等の微小重力環境下で水を電気分解した場合における電極や配管等へのガス付着の問題を解決することができる推進装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の第一実施形態に係る推進装置の構成を説明するための構成図である。
【図２】本発明の第二実施形態に係る推進装置の構成を説明するための構成図である。
【図３】本発明の実施例及び比較例における供給電荷量と１Ｃあたりの水素発生量との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、各図を参照しながら、本発明の各実施形態について説明する。
【００２０】
＜第一実施形態＞
まず、図１を用いて、本発明の第一実施形態に係る推進装置１について説明する。
【００２１】
本実施形態に係る推進装置１は、図１に示すように、スラスタ１０と、スラスタ１０の内部に配置された電極２０と、電極２０に交流電圧を印加する交流電源３０と、電極２０を振動させる振動手段（圧電素子４０及び駆動装置４１）と、を備えている。本推進装置１は、スラスタ１０の内部に電界液を収容した状態において交流電源３０で電極２０に交流電圧を印加することにより電気分解で水素及び酸素の混合ガスを発生させ、この混合ガスを反応させて推力を発生させるように構成されたものである。
【００２２】
スラスタ１０は、図１に示すように、電解液を収容可能な電気分解室１１と、電気分解室１１に連通する燃焼室１２と、をその内部に有している。電気分解室１１は、本発明における所定空間に相当するものであり、その内部には電極２０が配置されている。電気分解室１１では、（図示されていない）注入口を介して注入された電界液を電極２０への交流通電により電気分解することにより、水素及び酸素の混合ガスを発生させることができる。燃焼室１２は、電気分解室１１から供給される混合ガスを反応（燃焼）させて推力を発生させる空間である。本実施形態においては、ガス挿通孔１３ａを有する隔壁１３を電気分解室１１と燃焼室１２との間に設けており、電気分解室１１で発生した混合ガスが隔壁１３のガス挿通孔１３ａを介して燃焼室１２へと供給されるようになっている。
【００２３】
本実施形態においては、スラスタ１０の電気分解室１１に注入される電界液として、電解質を含む水を採用している。電解質としては、水溶性のアルカリ金属水酸化物（例えばＫＯＨ、ＮａＯＨ等）やアルカリ土類金属水酸化物（例えばＢａ（ＯＨ）2、Ｍｇ（ＯＨ）2、Ｃａ（ＯＨ）2等）又は酸性溶液（例えば希硫酸等）を使用することができる。電界液中の電解質の含有量は、０．０５〜０．１％であることが好ましい。
【００２４】
電極２０は、その周囲に電界液が存在する状態で交流電源３０から交流電圧が印加されることにより、電気分解で水素及び酸素の混合ガスを発生させるものである。すなわち、電極２０の周囲に電界液が存在する状態で電極２０に交流電圧が印加されると、電極２０の正負が交互に入れ替わり、それにより水素と酸素が交互に発生することが知られている。電極２０を構成する材料、強度、耐腐食性、加工性、コスト等を考慮して適宜決定することができる。本実施形態における電極２０は、陽極と陰極の双方を構成可能な材料（例えばチタン合金、白金、炭素、ステンレス等）で構成される。なお、本実施形態においては２本の電極２０を採用した例を示したが、電極２０の本数はこれに限定されるものではない。
【００２５】
交流電源３０は、電極２０に交流電圧を印加させるためのものである。交流の周波数は１０００Ｈｚ未満（例えば５０〜６０Ｈｚ程度）であることが好ましい。交流の周波数が１０００Ｈｚ以上になると電気分解反応が起こらず、水素及び酸素の混合ガスを発生させることができないためである。
【００２６】
振動手段は、各電極２０の内部に埋め込まれた圧電素子４０と、各圧電素子４０を駆動することにより各電極２０を振動させる駆動装置４１と、を、を有している。本実施形態における駆動装置４１は、電極２０を特定の周波数（１００Ｈｚ以下又は２００ｋＨｚ以上の周波数）で振動させるように圧電素子４０を駆動するものである。電極２０を１００Ｈｚ以下又は２００ｋＨｚ以上の周波数で振動させると、電極２０に付着したガス（水素及び酸素）を効率良く振り払うことができる。本実施形態における振動手段は、本発明における除去手段に相当するものである。
【００２７】
本推進装置１は、宇宙空間で使用される（図示されていない）宇宙用装置に搭載される。宇宙用装置の用途に限定はなく、例えば超小型衛星自身であっても、超小型衛星に搭載して超小型衛星の軌道を修正する装置であってもよい。また、宇宙に存在する使用済み又は破損した超小型衛星やロケットに接着して、これらの軌道を変えて廃棄するデブリ除去装置であってもよい。
【００２８】
以上説明した実施形態に係る推進装置１においては、電気分解を起こすための電極２０を振動手段（圧電素子４０及び駆動装置４１）で振動させることができる。微小重力環境下においては、電気分解により発生したガス（水素及び酸素）が電極２０に付着し、最終的にガスにより電極２０が全て覆われて電気分解ができなくなるという事態が起こり得るが、このような振動手段を採用することにより、微小重力環境下においても電極２０に付着したガスを除去することができる。従って、電解液と電極２０との接触面積が減少することを抑制することができ、かつ、発生したガスを無駄なく反応させることができる。この結果、より大きな推進エネルギを得ることができる。
【００２９】
また、以上説明した実施形態に係る推進装置１においては、電極２０を特定の周波数（１００Ｈｚ以下又は２００ｋＨｚ以上）で振動させることができるため、より高いガス除去効果を得ることができる。
【００３０】
また、以上説明した実施形態に係る推進装置１においては、圧電素子４０を有する振動手段を採用することにより、潤滑剤を要するモータ等の駆動系が不要となることから、真空中においても安定的に電極２０を振動させることができ、装置の信頼性を高めることができる。また、圧電素子４０を採用しているため、モータ等の駆動系を採用する場合とは異なり、振動手段を設置する空間を気密にする必要がないという利点がある。
【００３１】
また、以上説明した実施形態に係る推進装置１においては、交流電源３０で電極２０に交流電圧を印加することにより水素及び酸素の混合ガスを発生させ、この混合ガスを反応させて推力を発生させることができる。すなわち、交流通電による電気分解と、水素及び酸素の混合ガスの反応と、の双方を利用した「電気化学推進」を実現させることができる。
【００３２】
＜第二実施形態＞
次に、図２を用いて、本発明の第二実施形態に係る推進装置１Ａの構成について説明する。
【００３３】
本実施形態に係る推進装置１Ａは、図２に示すように、スラスタ１０Ａと、電界槽２と、電界槽２の内部に配置された正負一対の電極（陽極２１及び陰極２２）と、電極に直流電圧を印加する直流電源３０Ａと、電極を振動させる振動手段（圧電素子４０及び駆動装置４１）と、電気分解で発生させた水素及び酸素を貯留するためのガス貯留部（水素貯留部５１及び酸素貯留部５２）と、を備えている。本推進装置１Ａは、電界槽２の内部に電界液を収容した状態において直流電源３０Ａで電極に直流電圧を印加することにより電気分解で水素及び酸素を発生させ、これら水素及び酸素を反応させて推力を発生させるように構成されたものである。
【００３４】
スラスタ１０Ａは、図２に示すように、その内部に燃焼室１１Ａを有している。燃焼室１１Ａは、供給される水素及び酸素を反応（燃焼）させて推力を発生させる空間である。本実施形態においては、スラスタ１０Ａの燃焼室１１Ａとガス貯留部（水素貯留部５１及び酸素貯留部５２）とを配管３で接続しており、ガス貯留部に貯留した水素及び酸素が配管３を介して燃焼室１１Ａへと供給されるようになっている。また、本実施形態においては、配管３に設けられた制御弁４、５により、水素貯留部５１から燃焼室１１Ａへと供給される水素の量と、酸素貯留部５２から燃焼室１１Ａへと供給される酸素の量と、が別々に制御されるようになっている。
【００３５】
電界槽２は、電極（陽極２１及び陰極２２）及び電界液を収容するための筐体であり、本発明における所定空間に相当する内部空間２Ａを有している。電界槽２の内部空間２Ａには、図２に示すように、正負一対の電極（陽極２１及び陰極２２）が配置されている。また、電界槽２の内部空間２Ａには、（図示されていない）注入口を介して電界液が注入されるようになっている。電界槽２の内部空間２Ａに注入される電界液としては、第一実施形態と同様のものを採用することができる。
【００３６】
電極（陽極２１及び陰極２２）は、その周囲に電界液が存在する状態で直流電源３０Ａから直流電圧が印加されることにより、電気分解で水素及び酸素を発生させるものである。陽極２１は、例えば二酸化鉛、マグネタイト、フェライト、黒鉛、白金、チタン合金等で構成することができ、陰極２２は、例えばロジウム、ニッケル、ニッケル合金、チタン合金等で構成することができる。直流電源３０Ａは、電極に直流電圧を印加させるためのものであればよい。
【００３７】
振動手段は、各電極（陽極２１及び陰極２２）の内部に埋め込まれた圧電素子４０と、各圧電素子４０を駆動することにより各電極を振動させる駆動装置４１と、を、を有しており、第一実施形態と実質的に同一の構成を採用することができる。本実施形態における振動手段もまた、本発明における除去手段に相当するものである。
【００３８】
ガス貯留部は、図２に示すように、電気分解で発生させた水素を貯留するための水素貯留部５１と、電気分解で発生させた酸素を貯留するための酸素貯留部５２と、から構成されている。本実施形態においては、電界槽２とガス貯留部とを配管６で接続しており、電界槽２の内部空間２Ａで電気分解により発生した水素及び酸素が配管６を介してガス貯留部へと供給されて貯留されるようになっている。
【００３９】
本推進装置１Ａもまた、宇宙空間で使用される（図示されていない）宇宙用装置に搭載される。
【００４０】
以上説明した実施形態に係る推進装置１Ａにおいては、電気分解を起こすための電極（陽極２１及び陰極２２）を振動手段（圧電素子４０及び駆動装置４１）で振動させることができる。微小重力環境下においては、電気分解により発生したガス（水素及び酸素）が電極に付着し、最終的にガスにより電極が全て覆われて電気分解ができなくなるという事態が起こり得るが、このような振動手段を採用することにより、微小重力環境下においても電極に付着したガスを除去することができる。従って、電解液と電極との接触面積が減少することを抑制することができ、かつ、発生したガスを無駄なく反応させることができる。この結果、より大きな推進エネルギを得ることができる。
【００４１】
また、以上説明した実施形態に係る推進装置１Ａにおいては、圧電素子４０を有する振動手段を採用することにより、潤滑剤を要するモータ等の駆動系が不要となることから、真空中においても安定的に電極を振動させることができ、装置の信頼性を高めることができる。また、圧電素子４０を採用しているため、モータ等の駆動系を採用する場合とは異なり、振動手段を設置する空間を気密にする必要がないという利点がある。また、電極を特定の周波数で振動させることができるため、より高いガス除去効果を得ることができる。
【００４２】
また、以上説明した実施形態に係る推進装置１Ａにおいては、余剰電力を利用して電気分解で発生させたガス（水素及び酸素）をガス貯留部（水素貯留部５１及び酸素貯留部５２）に一時的に貯留しておくことができる。従って、通電により電気分解を行う代わりに、ガス貯留部に貯留したガスを反応させて推力を発生させることができる。
【００４３】
なお、以上説明した各実施形態においては、除去手段として、電極を振動させる振動手段（圧電素子４０及び駆動装置４１）を採用した例を示したが、除去手段の構成はこれに限られるものではなく、電極に付着したガスを除去することができる他の構成を採用することもできる。また、以上説明した各実施形態においては、電極のみを振動させる振動手段を採用した例を示したが、電極の支持部材や配管を振動させる振動手段を採用して、これら支持部材や配管に付着したガスを除去することもできる。また、電極、支持部材及び配管の少なくとも一つを振動させる振動手段を採用してもよい。
【００４４】
また、以上説明した各実施形態においては、電界液を用いて電気分解を行う例について説明したが、電界液を用いる代わりに、フッ素系高分子を電解質として利用する固体高分子膜（Polymer Electrolyte Membrane:以下、「ＰＥＭ」と称する）を用いて電気分解を行ってもよい。ＰＥＭを用いる場合には、ＰＥＭの両側に電極（陽極及び陰極）を接合して膜・電極接合体を構成し、この膜・電極接合体の電極に付着したガスを除去手段で除去するようにする。
【００４５】
本発明は、以上の各実施形態に限定されるものではなく、これら実施形態に当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。すなわち、前記各実施形態が備える各要素及びその配置、材料、条件、形状、サイズ等は、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、前記各実施形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。
【００４６】
＜実施例＞
次に、本発明の実施例について説明する。本実施例においては、ＰＥＭの両側に電極を接合した膜・電極接合体を用いた直流電源による電気分解手法を採用し、膜・電極接合体に圧電素子を取り付け、圧電素子を駆動装置で駆動することにより、電気分解で発生させたガス（水素及び酸素）を効果的に除去した例について説明することとする。なお、第二実施形態におけるガス貯留部及びスラスタ１０Ａに相当する構成については省略した。
【００４７】
本実施例においては、第二実施形態における電界槽２及び電極（陽極２１及び陰極２２）に相当する構成として、ＰＥＭ型電気分解装置（テックジャム社製、製品名：3036/KN3123161）を採用し、直流電源３０Ａに相当する構成として、直流安定化電源（TAKASAGO社製、製品名：LX018-2B）を採用し、圧電素子４０に相当する構成として、積層型の圧電アクチュエータ（NEC TOKIN社製、製品名：AE0203D08DF）を採用した。また、第二実施形態における駆動装置４１に相当する構成としては、比較的小型のＤＣ−ＤＣコンバータを用いて自作した駆動回路を採用した。本駆動回路においては、ＦＥＴを用いたスイッチングを利用しており、最大動作周波数は約５ＭＨｚであった。さらに、本実施例においては、不純物による影響を減らすため、純粋製造装置（ヤマト科学社製、製品名：WG250B）を用いて純度の高い蒸留水を製造し、この蒸留水をＰＥＭ型電気分解装置の陽極側に供給することにより、電気分解を行うこととした。
【００４８】
上記装置を用いて、以下の表１に示す条件で実験を行った。
【００４９】
【表１】
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【００５０】
[実施例]
本実施例においては、ＰＥＭ型電気分解装置のＰＥＭへの印加電圧を２Ｖ、ＰＥＭへの供給電流（最大値）を２Ａに設定して電気分解を行ってガス（水素及び酸素）を発生させた。また、本実施例においては、ＰＥＭ型電気分解装置の膜・電極接合体の陰極側に圧電アクチュエータを取り付け、圧電アクチュエータを１００Ｈｚの駆動周波数で駆動して膜・電極接合体を振動させた。
【００５１】
[第一比較例]
第一比較例においては、ＰＥＭ型電気分解装置のＰＥＭへの印加電圧を２Ｖ、ＰＥＭへの供給電流（最大値）を２Ａに各々設定して電気分解を行ってガス（水素及び酸素）を発生させた。また、第一比較例においては、ＰＥＭ型電気分解装置の膜・電極接合体の陰極側に取り付けた圧電アクチュエータを１ｋＨｚの駆動周波数で駆動して膜・電極接合体を振動させた。
【００５２】
[第二比較例]
第二比較例においては、ＰＥＭ型電気分解装置のＰＥＭへの印加電圧を２Ｖ、ＰＥＭへの供給電流（最大値）を２Ａに各々設定して電気分解を行ってガス（水素及び酸素）を発生させた。なお、第二比較例においては、ＰＥＭ型電気分解装置の膜・電極接合体の陰極側に取り付けた圧電アクチュエータを駆動させなかった（すなわち、第二比較例においては、膜・電極接合体を振動させなかった）。
【００５３】
以上の条件で実験を行った場合における供給電荷量と１Ｃあたりの水素発生量との関係について、図３に示した。
【００５４】
図３から明らかなように、本実施例（□）においては、１Ｃあたりの水素発生量がほぼ一定となったのに対し、第一比較例（△）及び第二比較例（○）においては、電気分解開始直後において１Ｃあたりの水素発生量が顕著に低下した。本実施例においては、圧電アクチュエータを特定（１００Ｈｚ）の駆動周波数で駆動することによって引き起こされた振動により気泡又はＰＥＭ若しくは膜・電極接合体や支持部材、配管等が共振（又は気泡の運動が活発化）した結果、電極に付着して水が浸透するのを阻害していた気泡が効率良く除去されたものと考えられる。
【符号の説明】
【００５５】
１・１Ａ…推進装置
２Ａ…電界槽の内部空間（所定空間）
１１…スラスタの電気分解室（所定空間）
２０…電極
２１…陽極（電極）
２２…陰極（電極）
３０…交流電源
４０…圧電素子（除去手段、振動手段）
４１…駆動装置（除去手段、振動手段）
５１…水素貯留部（ガス貯留部）
５２…酸素貯留部（ガス貯留部）
【図１】
2017141768.tif 000004
【図２】
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【図３】
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