【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、特には燃料電池の水素供給源、あるいは水中や大気圏外など酸素が存在しないか少ない条件下で燃料電池の水素と酸素の供給源として有用な水素の製造方法及び水素−酸素の製造方法並びにこれらの製造装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、自動車等の移動体に使用される燃料電池に用いる水素は、重い高圧ボンベや水素貯蔵合金に充填して運ばれ、適時燃料電池内に放出して使用されている（特許文献１、特許文献２参照）。そのため、高圧ボンベや水素貯蔵合金の貯蔵容器の質量に対する貯蔵される水素の質量は極めて低く、移動体の走行距離や航続距離をより長くするためには高圧ボンベや水素貯蔵合金を巨大化しなければならないという欠点があった。また、適宜水素を高圧ボンベや水素貯蔵合金に充填しなければならず煩雑であった。
【０００３】
一方、陸上の移動体で用いられる燃料電池において水素と反応する酸素は、空気がその供給源となっている（特許文献１、特許文献２参照）。しかし、水中や大気圏外など酸素が不在か少ない条件下で用いる移動体に燃料電池を用いる場合、水素供給源以外に別途酸素供給源も準備する必要があるため、移動体に巨大な水素と酸素の各高圧ボンベあるいは水素貯蔵合金を積載しなければならないとい大きな問題があった。
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−９３４３８号公報
【特許文献２】特開２００２−８１５９７号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記事情に鑑みなされてものであり、高圧ボンベや水素貯蔵合金の強度を高めた重い貯蔵容器を用いることなく、小型化可能で軽量な装置により水素や酸素を効率的に発生させ、いちいち充填することが不要で簡便に水素と酸素を供給し、特に燃料電池に有用な水素、水素−酸素の製造方法及びその製造装置を提供することを課題とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記課題を解決するために鋭意検討を重ねて本発明に想到した。すなわち、本発明は、アルカリ金属とは化学的に反応しない貯蔵用液体中で貯蔵されたアルカリ金属に水を反応させて、空気に触れない状態にて水素を発生させることを特徴とする水素の製造方法を要旨とする。
【０００７】
上記発明における、アルカリ金属と水との反応を金属ナトリウムを例にとり反応過程を単純な量論式で示せば以下のようになる。
２Ｎａ＋２Ｈ２Ｏ→２ＮａＯＨ＋Ｈ２
この反応で、各々２モルの金属ナトリウムと水から１モルの水素ガスを発生させることができる。従って、水素の発生率を発生した水素の質量と用いた金属ナトリウムの質量の比Ｒｈで表すと、Ｒｈ＝１／４１＝０．０２４である。特に、水中で使用する場合には、水を積載する必要がないため、ナトリウムからの水素発生率Ｒｈは水を無視して０．０４３近くになるとみなすことができ、この値は水素貯蔵合金の２倍以上の水素発生率となることを示しているので（大角秦章著、「水素エネルギー利用技術」第７３頁参照、アグネ技術センター、２００２年春発行）、高圧ボンベや水素貯蔵合金を用いる場合に比し、極めて有利となる。
【０００８】
また、上記構成の発明では、貯蔵用液体中に貯蔵されたアルカリ金属に水を反応させるため、空気に触れない状態で反応が進行し、反応による爆鳴気体が発生することがない。なお、貯蔵用液体がアルカリ金属と化学的に反応しないとは、アルカリ金属と貯蔵用液体を共存させても両者間で何らの反応も生じることなく、いつまでも両者が共存する関係をいう。
【０００９】
また、本発明は、アルカリ金属と該アルカリ金属とは化学的に反応しないアルカリ金属の貯蔵用液体とを収容する水素発生容器と、該水素発生用容器と連通して水素発生容器内に水を注入する注水部と、水素発生容器に注入された水とアルカリ金属との空気に触れない状態での反応により前記水素発生容器内で発生した水素を外部に排出する水素排出部と、アルカリ金属と水との反応で発生する水素以外の反応物を前記水素発生容器内から水と共に廃棄する廃棄容器と、排出される水素に付随する不純物を除去する水素排出部に形成される不純物除去手段と、を備えてなる水素の製造装置を要旨とする。また、この装置に、注入される水により水素発生容器から溢れ出る貯蔵用液体を収容する水素発生容器に連通して予備容器を形成する構成としても良い。更に、前記の予備容器を形成した水素の製造装置において廃棄容器を形成しない構成としても良い。
【００１０】
上記構成の発明により、アルカリ金属と水を空気に触れない状態で反応させて水素を発生させることができる。また、水素発生容器内に注入する水の注入量を調整することにより水素の発生量を制御することができる。
【００１１】
また、本発明は、アルカリ金属とは化学的に反応しない貯蔵用液体中に貯蔵されたアルカリ金属に水を反応させて、空気に触れない状態にて水素を発生させ、この反応で発生する反応熱を利用して過酸化物を熱分解させて酸素を発生させ、前記水素と酸素を別々に取り出すことを特徴とする水素−酸素の製造方法を要旨とする。
【００１２】
上記構成の発明により、水素以外にアルカリ金属と水との反応で発生する反応熱を利用して過酸化物の熱分解により酸素を発生させることもでき、しかも両者を別々に取り出すことができるので、酸素が不在か少ない条件下でも燃料電池の水素供給源あるいは酸素供給源として有用である。
なお、過酸化物の熱分解を過酸化水素を例にとり示せば以下の通りである。
２Ｈ２Ｏ２→２Ｈ２Ｏ＋Ｏ２
【００１３】
また、本発明は、アルカリ金属と該アルカリ金属とは化学的に反応しないアルカリ金属の貯蔵用液体とを収容する水素発生容器と、該水素発生用容器と連通して水素発生容器内に水を注入する注水部と、水素発生容器に注入された水とアルカリ金属との空気に触れない状態での反応により前記水素発生容器内で発生した水素を外部に排出する水素排出部と、アルカリ金属と水との反応で発生する水素以外の反応物を前記水素発生容器内から水と共に廃棄する第１の廃棄容器と、排出される水素に付随する不純物を除去する水素排出部に形成される第１の不純物除去手段と、過酸化物を収容する酸素発生容器と、前記水素発生容器と前記酸素発生容器の各々に連通してアルカリ金属と水との反応で発生する反応熱を伝導する熱伝導部と、前記酸素発生容器に連通して高濃度の過酸化物を前記酸素発生容器に供給する過酸化物供給部と、過酸化物の前記反応熱を利用する熱分解で発生する酸素以外の反応物を廃棄する第２の廃棄容器と、排出される酸素に付随する不純物を除去する酸素排出部に形成される第２の不純物除去手段と、を備えてなる水素−酸素の製造装置を要旨とする。また、この装置に、注入される水により前記水素発生容器から溢れ出る貯蔵用液体を収容する前記水素発生容器に連通して予備容器を形成する構成としても良い。更に、前記の予備容器を形成した水素−酸素の製造装置において第１の廃棄容器を形成しない構成としても良い。
【００１４】
上記構成の発明により、アルカリ金属と水を空気に触れない状態で反応させて水素を製造でき、更にこの反応熱を利用して容易に酸素をも製造できる。また、水素発生容器内に注入する水の注入量を調整することにより水素の発生量を制御でき、ひいては酸素の発生量の制御も可能となる。
【００１５】
上記の水素の製造方法あるいはその製造装置、水素−酸素の製造方法あるいはその製造装置において、貯蔵用液体を容積比重が水とアルカリ金属より低くかつ水と混じり合わない液体とし、アルカリ金属を水より容積比重が低いものとしても良く、この場合、アルカリ金属を金属ナトリウム、貯蔵用液体を石油類としても良い。また、水素−酸素の製造方法あるいは製造装置において、過酸化物を過酸化水素水としても良い。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１７】
〔第１実施形態〕
本実施形態は、水素の製造装置５０に関する。図１は、水が注入される前の本装置５０を模式的な断面で示す説明図である。図２は、水Ｗが注入された後の本装置５０を模式的な断面で示す説明図である。本装置５０は、貯蔵用液体の石油Ｐと共に粒状の金属ナトリウムＭを収容する水素発生容器１０を備えている。水素発生容器１０内の下方には、容積比重が石油Ｐより高い金属ナトリウムＭを下方で溜め置くネット状の金属ナトリウム受け部１１が形成されている。
【００１８】
所定量の水Ｗを水素発生容器１０に供給できるバルブなどで制御された注水部に相当する水供給装置２０が水素発生容器１０に連通して形成されている。水Ｗが注入される前の水素発生容器１０が図１に示されるが、水供給装置２０から水素発生容器１０の下部に供給された水Ｗは、図２に示すように、石油Ｐより容積比重が高いため水素発生容器１０内の下部に溜まり、容積比重が石油Ｐより高く水Ｗより低い金属ナトリウムＭは石油Ｐと水Ｗとの境界面に積層する。そして、注入された水Ｗは、石油Ｐと水Ｗの境界面で金属ナトリウムＭと反応して水素と水酸化ナトリウムを発生する。このようにして製造される水素は、空気に触れない状態での反応で製造されるため、反応に際し爆鳴気体を発生することがない。
【００１９】
発生した水素は、水素発生容器１０の上部に形成された水素排出管１２から外部に排出される。水素排出管１２には、水素に付随することがある石油蒸気などの不純物を除去するための不純物除去手段に相当する冷却装置１３が形成されている。また、不純物除去手段は、除去フィルターなどを採用しても良い。不純物の石油蒸気などは冷却装置１３で凝縮除去され、あるいは除去フィルターで選択的に捕集・除去され清浄化された水素のみを排出できる。また、冷却装置１３を用いれば、水素自体を冷却することもできる。不純物除去手段は、水素に伴う不純物を除去できれば、特にどのような構成でも良く、上記冷却装置１３あるいは除去フィルターに限定されない。清浄化された水素は、燃料電池の水素供給源として用いることができる。水素と共に発生する水酸化ナトリウムの水溶液は、水より容積比重が高いので、水素発生容器１０の下部に溜まる。
【００２０】
水素発生容器１０の上部から溢れ出る供給された水の容量相当分の石油Ｐを貯蔵する予備容器３０が水素発生容器１０に連通して形成されている。予備容器３０は、空気抜き管３１が形成されている。また、水素発生容器１０内の下側には、金属ナトリウムＭと水Ｗとの反応で発生する水酸化ナトリウムの水溶液を廃棄するための廃棄容器４０が形成されている。水酸化ナトリウムの水溶液は、水より容積比重が高いため水素発生容器１０の下部に溜まるため水素発生容器１０の下部からの廃棄が容易となる。また、水酸化ナトリウムの水溶液の廃棄により、水素発生容器１０内は負圧となるため、予備容器３０に溢れ出た石油Ｐは水素発生容器１０内へと戻り、水素発生容器１０内の石油Ｐのロスを抑制できる。なお、回収された水酸化ナトリウムの水溶液から、金属ナトリウムを再生することも可能である。
【００２１】
所定量の水Ｗが金属ナトリウムＭと反応し水素を発生した後、反応は停止する。反応停止後、水素発生容器１０内には、過剰の金属ナトリウムＭが収容されているので、未反応の金属ナトリウムＭが水素発生容器１０内に残る。また、水素発生容器１０内の下部に金属ナトリウム受け部１１が形成されているので、水酸化ナトリウムの水溶液の廃棄に際し、未反応の金属ナトリウムＭもこれと共に廃棄されてしまうことがなく、また、金属ナトリウム受け部１１があるため、金属ナトリウムＭは石油Ｐの下方に沈むことなく、石油Ｐ中に貯蔵されることとなる。このように、未反応の金属ナトリウムＭが残るため、必要に応じ水素発生容器１０内に水を注入することにより、所望量の水素を発生させることが可能となる。
【００２２】
上記で説明したように、本装置５０は水素発生容器１０内に過剰の金属ナトリウムＭを収容しておけば、水Ｗの注入量を調整するだけで水素発生量を制御でき、簡便に所望量の水素を発生させることが可能となる。
【００２３】
水素発生容器１０から排出された水素は、図示しない水素備蓄容器に一旦収容し、ここから一定量ずつの水素を燃料電池に供給することもできる。また、本装置５０を燃料電池に用いる場合、燃料電池で発生する水を本装置５０の水供給装置２０に循環させることも可能である。
【００２４】
また、上記構成の水素の製造装置５０における予備容器３０を形成しない水素の製造装置を構成することもできる。この構成の水素の製造装置は、貯蔵用液体の量を少なくして水素発生容器内に一定のスペースを設け、そのスペース内に収まる範囲内で水を注入し、反応停止後水酸化ナトリウムの水溶液を廃棄すれば良い。更に、上記第１実施形態の水素の製造装置５０における廃棄容器４０を形成しない水素の製造装置を構成することもできる。この構成の水素の製造装置は、水素発生容器内に順次水を注入し、各注水ごとの反応で生成する水酸化ナトリウムの水溶液を水素貯蔵容器内にそのまま蓄え、水酸化ナトリウムの水溶液が一定量になった段階で別途容器などに廃棄すれば良い。
【００２５】
〔第２実施形態〕
本実施形態は、水素と酸素を同時に製造して別々に取り出せる水素−酸素の製造装置１００に関する。図３は、本装置１００による製造工程及び反応物の流れを示すフロー図である。図３中、点線はヒートポンプを示す。また、図４は本装置１００を模式的な断面で示す説明図である。本装置１００は、第１実施形態の水素の製造装置５０に熱伝導部７０と酸素発生容器６０を形成したものである。したがって、第１実施形態の水素の製造装置５０と共通の構成については、詳細な説明を省略し、共通の要素については同一の符号を用いる。
【００２６】
水素発生容器１０の下部には、熱伝導部に相当するヒートポンプ７０が形成されている。ヒートポンプ７０は、熱伝導管を介して過酸化水素Ｈが収容される酸素発生容器６０の下部に連通している。そして、第１実施形態の水素の製造装置５０と同様にして水素発生容器１０内の金属ナトリウムＭと水Ｗとの反応により発生する反応熱は、ヒートポンプ７０により酸素発生容器６０に伝導されるようになっている。このように、熱伝導部にヒートポンプ７０を用いれば、熱伝導の調整が可能となる。また、水素発生容器１０には、第１の廃棄容器４０と予備容器３０が連通している。第１実施形態の水素の発生装置５０と同じように水素発生容器１０で発生した水素は、第１の冷却装置１３や除去フイルターなどの第１の不純物除去手段により清浄化され水素排出管１２から外部に排出される。また、水酸化ナトリウムの水溶液は、第１の廃棄容器４０に廃棄される。未反応の金属ナトリウムＭが水素発生容器１０内に残るため、再度水を水素発生容器１０に加えることにより、水素を新たに発生させることができる。
【００２７】
酸素発生容器６０に収容された過酸化水素水Ｈは、ヒートポンプ７０により伝導された反応熱により熱分解され、酸素と水を発生する。発生した酸素は、酸素発生容器６０の上部に形成された酸素排出管６１から外部に排出できるようになっている。酸素排出管６１には、過酸化水素を含む水蒸気などの不純物を除去するための第２の不純物除去手段が形成されている。第２の不純物除去手段は、水蒸気など酸素に伴う不純物を除去できればどのような構成でも良く、第２の冷却装置６２や除去フイルターを採用することができるが、これらに限定されるものではない。
【００２８】
また、過酸化物供給部に相当する濃度維持装置８０が酸素発生容器６０に連通して形成されている。酸素発生容器６０内の過酸化水素水Ｈは、熱分解されて発生する水により希釈化されるので、適宜酸素発生容器６０内には高濃度な過酸化水素水Ｈを供給できるようになっている。また、酸素発生容器６０は、熱分解で発生した水と希釈化された過酸化水素水を廃棄する第２の廃棄容器９０が連通して形成されている。濃度維持装置８０から酸素発生容器６０に供給された高濃度の過酸化水素水Ｈは、希釈化された過酸化水素水より容積比重が高いので、酸素発生容器６０の下部に溜まり、一方、容積比重の低い希釈化された過酸化水素水は酸素発生容器６０の上部から第２の廃棄容器９０へと排出される。これにより、酸素発生容器６０の下部には、常時、高濃度の過酸化水素水Ｈが供給され、これに伴いヒートポンプ７０により伝導された反応熱により容易に熱分解される。
【００２９】
水素発生容器１０から排出された水素と酸素発生容器６０から排出された酸素は、各々図示しない水素備蓄容器と酸素備蓄容器に一旦収容し、ここから一定量ずつの水素あるいは酸素を燃料電池に供給することもできる。
【００３０】
このように、本装置１００は、水素発生容器１０から水素、酸素発生容器６０から酸素というように両者を別々に取り出すことができるので、酸素が不在又は少ない条件下で用いる燃料電池の水素供給源、酸素供給源として有用である。
【００３１】
また、上記構成の水素−酸素の製造装置１００における予備容器３０を形成しない水素−酸素の製造装置を構成することができる。この構成の水素−酸素の製造装置は、貯蔵用液体の量を少なくして水素発生容器内にスペースを設け、そのスペース内に収まる範囲内で水を注入し、反応停止後水酸化ナトリウムの水溶液を廃棄すれば良い。更に、上記第２実施形態の水素−酸素の製造装置１００における第１の廃棄容器４０を形成しない水素−酸素の製造装置を構成することができる。この構成の水素−酸素の製造装置は、水素発生容器内に順次水を注入し、各注水ごとの反応で生成する水酸化ナトリウムの水溶液を水素貯蔵容器内にそのまま蓄え、水酸化ナトリウムの水溶液が一定量になった段階で別途容器などに廃棄すれば良い。
【００３２】
以上、本発明を説明するために実施の形態を記載したが、本発明は上記の実施の形態に限定されず、その技術的範囲に属する限り種々形態を変更することが可能である。
アルカリ金属、貯蔵用液体、過酸化物は、上記第１実施形態と第２実施形態で記載した各々金属ナトリウム、石油、過酸化水素に限定されるものではない。
アルカリ金属には、ナトリウム以外にリチウム、カリウム、ルビジウム、セシウム、フランシウムがあるが、これらを用いることも可能である。
また、貯蔵用液体は石油を用いる場合、灯油が好ましく、また広く動植物油を用いることもでき、例えばヒマシ油、ナタネ油などを挙げることができる。
過酸化物は、酸化性液体、硝酸などでも良いが、硝酸の場合、二酸化窒素の除去装置が必要となる。
【００３３】
水素の製造装置あるいは水素−酸素の製造装置は、水素発生容器内にアルカリ金属を供給するアルカリ金属供給部あるいは貯蔵用液体を補充する貯蔵用液体補充部のいずれかあるいは両者を設置する構成としても良い。
【００３４】
水素−酸素の製造装置における熱伝導部は、熱伝導の調整が容易なためヒートポンプの採用が好ましいが、これに限定されるものではなく、例えば断熱パイプ内に収容される熱伝導率の高い銅板などを水素発生容器と酸素発生容器間に設置する構成としても良い。また、水素発生容器と酸素発生容器を隣り合わせて接触させるようにしても良いが、この場合、熱伝導の調整が難しい。
【００３５】
水素の製造装置あるいは水素−酸素の製造装置における注水部の水の注入量、水素−酸素の製造装置における過酸化物供給部における高濃度の過酸化物の供給量は、コンピュータにより自動制御してもあるいはマニュアルにより制御しても良い。自動制御を行う場合、制御部を設けて例えば次のように行うこともできる。水素備蓄容器内の水素量が設定量（所定の水素圧）となると同時に、注水部から所定量の水を水素発生容器内に注入するよう指令が出て水素を発生させる。これに伴い、過酸化物が熱分解され、酸素を発生する。そして、反応の停止後（水酸化ナトリウムの水溶液のｐＨをモニターする）、廃棄容器に水酸化ナトリウムの水溶液あるいは希釈化された過酸化水素水を廃棄できるようにし、更に所定量の高濃度の過酸化物を酸素発生容器に供給して本装置のすべての動作を終了させることができる。
【００３６】
【発明の効果】
本発明は、上記のように構成されるため、以下の効果を奏する。
本発明の水素の製造方法、水素の製造装置によれば、小型化可能で軽量な装置により水素を発生させることができるので、燃料電池に用いた場合、水素供給源の高圧ボンベや水素貯蔵合金のように、水素を適宜充填するという煩雑な作業が不要となる。また、本装置を自動車等の移動体の燃料電池における水素供給源として用いることにより、移動体の長距離の走行あるいは航続にも容易に対応でき、高圧ボンベや水素貯蔵合金の巨大化という問題が生じない。更に、本装置を所定の場所に固定して用いれば、高圧ボンベや水素貯蔵合金へ水素を供給するエネルギーステーションとして供することもできる。
【００３７】
本発明の水素−酸素の製造方法、水素−酸素の製造装置によれば、水素と共に酸素を製造し、これらを別々に取り出すことができるので、例えば潜水艦、海中作業機、深海探査機、衛星など酸素が不在あるいは少ない条件下で用いる燃料電池の水素供給源及び酸素供給源として有用である。更に、本装置を所定の場所に固定して用いれば、高圧ボンベや水素貯蔵合金へ水素、あるいは酸素を供給するエネルギーステーションとして供することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】水が注入される前の本装置を模式的な断面で示す説明図である。
【図２】水が注入された後の本装置を模式的な断面で示す説明図である。
【図３】本装置による製造工程及び反応物の流れを示すフロー図である。
【図４】本装置を模式的な断面で示す説明図である。
【符号の説明】
１０ 水素発生容器
１１ 金属ナトリウム受け部
１２ 水素排出管
１３ 冷却装置（第１の冷却装置）
２０ 水供給装置
３０ 予備容器
４０ 廃棄容器（第１の廃棄容器）
６０ 酸素発生容器
６１ 酸素排出管
６２ 第２の冷却装置
７０ ヒートポンプ
８０ 濃度維持装置
９０ 第２の廃棄容器
５０ 水素の製造装置
１００ 水素−酸素の製造装置[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention particularly relates to a method for producing hydrogen and a method for producing hydrogen useful as a supply source of hydrogen and oxygen for a fuel cell under conditions where oxygen is absent or low, such as in water or outside the atmosphere, such as in a water supply or outside the atmosphere. The present invention relates to a method and an apparatus for producing the same.
[0002]
[Prior art]
BACKGROUND ART Conventionally, hydrogen used in fuel cells used for mobile bodies such as automobiles is transported after being filled in heavy high-pressure cylinders or hydrogen storage alloys and released into the fuel cells at appropriate times (Patent Document 1, Patent Document 1). Reference 2). Therefore, the mass of hydrogen stored is extremely low relative to the mass of a high-pressure cylinder or hydrogen storage alloy storage container, and in order to increase the traveling distance or cruising distance of a moving object, the high-pressure cylinder or hydrogen storage alloy must be enlarged. There was a drawback that it did not. In addition, hydrogen must be appropriately filled into a high-pressure cylinder or a hydrogen storage alloy, which is complicated.
[0003]
On the other hand, air is a source of oxygen that reacts with hydrogen in a fuel cell used in a land-based mobile object (see Patent Documents 1 and 2). However, when a fuel cell is used in a mobile object that is used under conditions where oxygen is absent or low, such as in water or outside the atmosphere, it is necessary to prepare a separate oxygen supply source in addition to the hydrogen supply source. There is a big problem that each high pressure cylinder or hydrogen storage alloy must be loaded.
[0004]
[Patent Document 1] JP-A-2002-93438 [Patent Document 2] JP-A-2002-81597
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and it is possible to efficiently generate hydrogen and oxygen by using a compact and lightweight device without using a high-pressure cylinder or a heavy storage container in which the strength of a hydrogen storage alloy is increased. Another object of the present invention is to provide a method and apparatus for producing hydrogen and hydrogen-oxygen useful for a fuel cell, in which hydrogen and oxygen are easily supplied without the need for filling each time.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
Means for Solving the Problems The present inventor has made extensive studies to solve the above-mentioned problems, and has arrived at the present invention. That is, the present invention is characterized in that hydrogen is generated by reacting alkali metal stored in a storage liquid that does not chemically react with alkali metal with water to generate hydrogen without touching air. A summary of the manufacturing method.
[0007]
In the above invention, the reaction between an alkali metal and water is exemplified by metal sodium, and the reaction process is represented by a simple stoichiometric equation as follows.
2Na + 2H 2 O → 2NaOH + H 2
In this reaction, 1 mole of hydrogen gas can be generated from 2 moles of metallic sodium and water, respectively. Accordingly, when expressed as the ratio R h of the mass of metallic sodium was used as the mass of the hydrogen generated the incidence of hydrogen, R h = 1/41 = 0.024 . In particular, when used in water, it is not necessary to load the water, hydrogen generation rate R h of sodium can be considered to be a 0.043 near ignoring water, this value hydrogen storage alloy (Hatsuaki Oozaki, “Hydrogen Energy Utilization Technology”, page 73, Agne Technology Center, published in the spring of 2002), use high-pressure cylinders and hydrogen storage alloys. This is extremely advantageous as compared with the case.
[0008]
Further, in the invention having the above configuration, since the alkali metal stored in the storage liquid is caused to react with water, the reaction proceeds without touching the air, and no bombing gas is generated by the reaction. The phrase "the storage liquid does not chemically react with the alkali metal" refers to a relationship in which the alkali metal and the storage liquid coexist forever without causing any reaction between them.
[0009]
In addition, the present invention provides a hydrogen generation container that contains an alkali metal and a storage liquid of the alkali metal that does not chemically react with the alkali metal, and that water is supplied into the hydrogen generation container in communication with the hydrogen generation container. A water injection unit for injecting, a hydrogen discharging unit for discharging hydrogen generated in the hydrogen generating container by a reaction of the water and the alkali metal injected into the hydrogen generating container without contacting the air, and an alkali metal; A waste container that disposes reactants other than hydrogen generated by reaction with water together with water from within the hydrogen generation container, and an impurity removing unit formed in a hydrogen discharge unit that removes impurities accompanying hydrogen that is discharged, The gist is an apparatus for producing hydrogen comprising: Further, the apparatus may be configured such that a spare container is formed in communication with the hydrogen generating container that stores the storage liquid that overflows from the hydrogen generating container due to the injected water. Further, a configuration may be adopted in which the waste container is not formed in the hydrogen production apparatus in which the above-mentioned spare container is formed.
[0010]
According to the invention having the above structure, hydrogen can be generated by reacting an alkali metal and water without contacting air. Further, the amount of hydrogen generated can be controlled by adjusting the amount of water injected into the hydrogen generating container.
[0011]
In addition, the present invention provides a method for reacting water with an alkali metal stored in a storage liquid that does not chemically react with an alkali metal to generate hydrogen in a state where the alkali metal is not in contact with air. The gist of the present invention is a method for producing hydrogen-oxygen, characterized in that peroxide is thermally decomposed using heat to generate oxygen, and the hydrogen and oxygen are separately extracted.
[0012]
According to the invention having the above structure, it is possible to generate oxygen by thermal decomposition of a peroxide by utilizing reaction heat generated by a reaction between an alkali metal and water in addition to hydrogen, and furthermore, both can be taken out separately. It is useful as a hydrogen supply source or an oxygen supply source for a fuel cell even under conditions where oxygen is absent or low.
The thermal decomposition of peroxide is shown below using hydrogen peroxide as an example.
2H 2 O 2 → 2H 2 O + O 2
[0013]
In addition, the present invention provides a hydrogen generation container that contains an alkali metal and a storage liquid of the alkali metal that does not chemically react with the alkali metal, and that water is supplied into the hydrogen generation container in communication with the hydrogen generation container. A water injection unit for injecting, a hydrogen discharging unit for discharging hydrogen generated in the hydrogen generating container by a reaction of the water and the alkali metal injected into the hydrogen generating container without contacting the air, and an alkali metal; A first disposal container configured to dispose a reactant other than hydrogen generated by reaction with water together with water from the hydrogen generation container and a first discharge unit formed in a hydrogen discharge unit configured to remove impurities accompanying the discharged hydrogen. Impurity removing means, an oxygen generating container containing a peroxide, and a heat conducting portion communicating with each of the hydrogen generating container and the oxygen generating container and conducting reaction heat generated by a reaction between the alkali metal and water. And the acid A peroxide supply unit that communicates with the generating vessel to supply a high-concentration peroxide to the oxygen generating vessel, and discards reactants other than oxygen generated by pyrolysis using the reaction heat of the peroxide; The gist of the present invention is a hydrogen-oxygen production apparatus including a second waste container and a second impurity removing unit formed in an oxygen discharge unit that removes impurities accompanying oxygen to be discharged. Further, the apparatus may be configured such that a spare container is formed in communication with the hydrogen generation container that stores the storage liquid that overflows from the hydrogen generation container due to the injected water. Further, in the hydrogen-oxygen production apparatus having the above-mentioned spare container, the first waste container may not be formed.
[0014]
According to the invention having the above structure, hydrogen can be produced by reacting an alkali metal and water without contacting air, and oxygen can be easily produced by utilizing the reaction heat. Further, the amount of generated hydrogen can be controlled by adjusting the amount of water to be injected into the hydrogen generating container, so that the amount of generated oxygen can be controlled.
[0015]
In the method for producing hydrogen or the apparatus for producing hydrogen, the method for producing hydrogen-oxygen or the apparatus for producing hydrogen, the storage liquid is a liquid whose volume specific gravity is lower than that of water and an alkali metal and is immiscible with water, and the alkali metal is formed of water. The volume specific gravity may be low. In this case, the alkali metal may be metal sodium and the storage liquid may be petroleum. In the method or apparatus for producing hydrogen-oxygen, the peroxide may be hydrogen peroxide.
[0016]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0017]
[First Embodiment]
The present embodiment relates to an apparatus 50 for producing hydrogen. FIG. 1 is an explanatory diagram showing a schematic cross section of the device 50 before water is injected. FIG. 2 is an explanatory diagram showing a schematic cross section of the device 50 after water W has been injected. The present apparatus 50 includes a hydrogen generating container 10 that stores granular metallic sodium M together with storage liquid petroleum P. A net-shaped metallic sodium receiving portion 11 for storing metallic sodium M having a specific gravity higher than that of petroleum P is formed below the hydrogen generating container 10.
[0018]
A water supply device 20 corresponding to a water injection unit controlled by a valve or the like capable of supplying a predetermined amount of water W to the hydrogen generation container 10 is formed in communication with the hydrogen generation container 10. FIG. 1 shows the hydrogen generation container 10 before the water W is injected. As shown in FIG. 2, the water W supplied from the water supply device 20 to the lower portion of the hydrogen generation container 10 has a larger volume than the oil P. Since the specific gravity is high, the metal sodium M accumulates in the lower part in the hydrogen generation container 10 and the volume specific gravity is higher than the petroleum P and lower than the water W, and is stacked on the boundary surface between the petroleum P and the water W. The injected water W reacts with the metallic sodium M at the interface between the petroleum P and the water W to generate hydrogen and sodium hydroxide. Since the hydrogen produced in this manner is produced by a reaction without contacting air, no explosive gas is generated during the reaction.
[0019]
The generated hydrogen is discharged to the outside from a hydrogen discharge pipe 12 formed at the upper part of the hydrogen generation container 10. The hydrogen discharge pipe 12 is provided with a cooling device 13 corresponding to impurity removing means for removing impurities such as petroleum vapor that may accompany hydrogen. The impurity removing means may employ a removing filter or the like. Impurities such as petroleum vapor can be condensed and removed by the cooling device 13 or can be selectively collected and removed by a removal filter to discharge only purified hydrogen. Further, if the cooling device 13 is used, hydrogen itself can be cooled. The impurity removing means may have any configuration as long as it can remove impurities accompanying hydrogen, and is not limited to the cooling device 13 or the removing filter. The purified hydrogen can be used as a hydrogen source for a fuel cell. Since the aqueous solution of sodium hydroxide generated together with hydrogen has a higher volume specific gravity than water, it accumulates in the lower part of the hydrogen generation container 10.
[0020]
A spare container 30 for storing oil P corresponding to the volume of supplied water overflowing from the upper portion of the hydrogen generation container 10 is formed in communication with the hydrogen generation container 10. The preliminary container 30 has an air vent tube 31 formed therein. A disposal container 40 for disposing an aqueous solution of sodium hydroxide generated by a reaction between the metal sodium M and the water W is formed below the hydrogen generation container 10. Since the aqueous solution of sodium hydroxide has a higher volume specific gravity than water, it accumulates in the lower portion of the hydrogen generation container 10 and is easily disposed of from the lower portion of the hydrogen generation container 10. Also, the disposal of the aqueous solution of sodium hydroxide causes a negative pressure in the hydrogen generation container 10, so that the oil P overflowing into the preliminary container 30 returns to the hydrogen generation container 10, and the oil P in the hydrogen generation container 10 Loss can be suppressed. In addition, it is also possible to regenerate metallic sodium from the recovered aqueous solution of sodium hydroxide.
[0021]
After a predetermined amount of water W reacts with metallic sodium M to generate hydrogen, the reaction stops. After the reaction is stopped, unreacted metal sodium M remains in the hydrogen generation container 10 because excess hydrogen sodium M is stored in the hydrogen generation container 10. Further, since the metallic sodium receiving portion 11 is formed at the lower part in the hydrogen generating container 10, when the aqueous solution of sodium hydroxide is discarded, the unreacted metallic sodium M is not discarded along with it. Due to the presence of the metallic sodium receiving portion 11, the metallic sodium M is stored in the petroleum P without sinking below the petroleum P. As described above, since the unreacted metal sodium M remains, a desired amount of hydrogen can be generated by injecting water into the hydrogen generation container 10 as necessary.
[0022]
As described above, if excess metal sodium M is stored in the hydrogen generation container 10, the present device 50 can control the amount of hydrogen generation only by adjusting the injection amount of water W, and can easily set the desired amount of hydrogen. Of hydrogen can be generated.
[0023]
The hydrogen discharged from the hydrogen generation container 10 may be temporarily stored in a hydrogen storage container (not shown), and a fixed amount of hydrogen may be supplied to the fuel cell from the hydrogen storage container. When the present device 50 is used for a fuel cell, water generated in the fuel cell can be circulated to the water supply device 20 of the present device 50.
[0024]
Further, an apparatus for producing hydrogen that does not form the preliminary container 30 in the apparatus for producing hydrogen 50 having the above-described configuration may be configured. In the hydrogen production apparatus having this configuration, a certain space is provided in the hydrogen generation container by reducing the amount of the storage liquid, water is injected within a range that can be accommodated in the space, and after stopping the reaction, an aqueous solution of sodium hydroxide is used. Should be discarded. Further, a hydrogen production apparatus that does not form the waste container 40 in the hydrogen production apparatus 50 of the first embodiment can be configured. The hydrogen production apparatus with this configuration sequentially injects water into the hydrogen generation container, stores the aqueous solution of sodium hydroxide generated by the reaction for each water injection in the hydrogen storage container as it is, and supplies a fixed amount of the aqueous solution of sodium hydroxide. At the stage when it becomes, it may be disposed separately in a container or the like.
[0025]
[Second embodiment]
The present embodiment relates to a hydrogen-oxygen production apparatus 100 capable of producing hydrogen and oxygen simultaneously and separately extracting hydrogen and oxygen. FIG. 3 is a flowchart showing a manufacturing process and a flow of a reactant by the present apparatus 100. In FIG. 3, a dotted line indicates a heat pump. FIG. 4 is an explanatory diagram showing the device 100 in a schematic cross section. The present apparatus 100 is obtained by forming a heat conducting unit 70 and an oxygen generating container 60 in the hydrogen producing apparatus 50 of the first embodiment. Therefore, a detailed description of the same configuration as that of the hydrogen production apparatus 50 of the first embodiment is omitted, and the same reference numerals are used for common elements.
[0026]
A heat pump 70 corresponding to a heat conducting part is formed below the hydrogen generation container 10. The heat pump 70 communicates with a lower portion of the oxygen generating container 60 that stores the hydrogen peroxide H via a heat conduction tube. The heat of reaction generated by the reaction between the metal sodium M and the water W in the hydrogen generation container 10 in the same manner as in the hydrogen production device 50 of the first embodiment is transmitted to the oxygen generation container 60 by the heat pump 70. It has become. As described above, when the heat pump 70 is used for the heat conduction unit, the heat conduction can be adjusted. Further, the first waste container 40 and the spare container 30 communicate with the hydrogen generation container 10. Like the hydrogen generator 50 of the first embodiment, the hydrogen generated in the hydrogen generation container 10 is purified by a first impurity removing means such as a first cooling device 13 or a removal filter, and is discharged from the hydrogen discharge pipe 12. It is discharged outside. The aqueous solution of sodium hydroxide is discarded in the first waste container 40. Since unreacted metallic sodium M remains in the hydrogen generating container 10, hydrogen can be newly generated by adding water to the hydrogen generating container 10 again.
[0027]
The hydrogen peroxide solution H stored in the oxygen generation container 60 is thermally decomposed by the reaction heat conducted by the heat pump 70, and generates oxygen and water. The generated oxygen can be discharged to the outside from an oxygen discharge pipe 61 formed on the upper part of the oxygen generation container 60. The oxygen discharge pipe 61 is provided with a second impurity removing means for removing impurities such as water vapor containing hydrogen peroxide. The second impurity removing means may have any configuration as long as it can remove impurities accompanying oxygen such as water vapor, and may employ the second cooling device 62 or the removal filter, but is not limited thereto.
[0028]
Further, a concentration maintaining device 80 corresponding to a peroxide supply unit is formed so as to communicate with the oxygen generating container 60. Since the hydrogen peroxide solution H in the oxygen generation container 60 is diluted with water generated by thermal decomposition, a high-concentration hydrogen peroxide solution H can be supplied to the oxygen generation container 60 as appropriate. I have. Further, the oxygen generation container 60 is formed by communicating with a second disposal container 90 for disposing water generated by thermal decomposition and diluted hydrogen peroxide water. The high-concentration hydrogen peroxide solution H supplied from the concentration maintaining device 80 to the oxygen generation container 60 has a higher volume specific gravity than the diluted hydrogen peroxide solution, and thus accumulates in the lower portion of the oxygen generation container 60. The diluted hydrogen peroxide solution having a low specific gravity is discharged from the upper portion of the oxygen generation container 60 to the second waste container 90. As a result, a high concentration of hydrogen peroxide solution H is always supplied to the lower portion of the oxygen generating container 60, and the thermal decomposition is easily performed by the reaction heat conducted by the heat pump 70.
[0029]
The hydrogen discharged from the hydrogen generating container 10 and the oxygen discharged from the oxygen generating container 60 are temporarily stored in a hydrogen storage container and an oxygen storage container (not shown), respectively, and supply a certain amount of hydrogen or oxygen to the fuel cell therefrom. You can also.
[0030]
As described above, the present apparatus 100 can separately extract hydrogen such as hydrogen from the hydrogen generation container 10 and oxygen from the oxygen generation container 60. Therefore, the hydrogen supply source of the fuel cell used in the absence or low oxygen condition Useful as an oxygen source.
[0031]
Moreover, the hydrogen-oxygen production apparatus which does not form the preliminary container 30 in the hydrogen-oxygen production apparatus 100 having the above configuration can be configured. In the hydrogen-oxygen production apparatus having this configuration, a space is provided in the hydrogen generating container by reducing the amount of the storage liquid, water is injected within a range that can be accommodated in the space, and after stopping the reaction, an aqueous solution of sodium hydroxide is provided. Should be discarded. Further, a hydrogen-oxygen production apparatus that does not form the first waste container 40 in the hydrogen-oxygen production apparatus 100 of the second embodiment can be configured. The hydrogen-oxygen production apparatus of this configuration sequentially injects water into the hydrogen generation vessel, stores the aqueous solution of sodium hydroxide generated by the reaction for each water injection in the hydrogen storage vessel as it is, and converts the aqueous solution of sodium hydroxide into water. When a certain amount is reached, it may be discarded separately in a container or the like.
[0032]
As described above, the embodiments have been described for describing the present invention. However, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modes can be modified as long as they belong to the technical scope.
The alkali metal, the storage liquid, and the peroxide are not limited to the metallic sodium, petroleum, and hydrogen peroxide described in the first and second embodiments, respectively.
Alkali metals include lithium, potassium, rubidium, cesium, and francium in addition to sodium, but these can also be used.
When petroleum is used as the liquid for storage, kerosene is preferable, and animal and vegetable oils can also be widely used, such as castor oil and rapeseed oil.
The peroxide may be an oxidizing liquid, nitric acid or the like, but in the case of nitric acid, a device for removing nitrogen dioxide is required.
[0033]
The apparatus for producing hydrogen or the apparatus for producing hydrogen-oxygen may be configured so that either or both of an alkali metal supply unit for supplying alkali metal and a storage liquid replenishment unit for replenishing storage liquid are installed in the hydrogen generation container. good.
[0034]
The heat conduction part in the hydrogen-oxygen production apparatus is preferably a heat pump because the heat conduction can be easily adjusted, but is not limited thereto. For example, a copper plate having a high heat conductivity accommodated in a heat insulating pipe May be installed between the hydrogen generating container and the oxygen generating container. Further, the hydrogen generation container and the oxygen generation container may be brought into contact with each other, but in this case, it is difficult to adjust the heat conduction.
[0035]
The amount of water injected into the water injection section in the hydrogen production apparatus or the hydrogen-oxygen production apparatus, and the supply rate of high-concentration peroxide in the peroxide supply section in the hydrogen-oxygen production apparatus are automatically controlled by a computer. Or manual control. When performing automatic control, a control unit may be provided to perform the control as follows, for example. At the same time when the amount of hydrogen in the hydrogen storage container reaches a set amount (predetermined hydrogen pressure), a command is issued from the water injection unit to inject a predetermined amount of water into the hydrogen generation container to generate hydrogen. Along with this, the peroxide is thermally decomposed to generate oxygen. After stopping the reaction (monitoring the pH of the aqueous solution of sodium hydroxide), the aqueous solution of sodium hydroxide or diluted hydrogen peroxide solution can be discarded in a waste container, and a predetermined amount of a high-concentration excess The oxide can be supplied to the oxygen generating vessel to terminate all operations of the apparatus.
[0036]
【The invention's effect】
The present invention has the following effects because it is configured as described above.
According to the method for producing hydrogen and the apparatus for producing hydrogen of the present invention, hydrogen can be generated by a compact and lightweight apparatus. Therefore, when used in a fuel cell, a high-pressure cylinder or a hydrogen storage alloy of a hydrogen supply source is used. As described above, the complicated operation of appropriately filling hydrogen is not required. In addition, by using this device as a hydrogen supply source in a fuel cell of a mobile body such as an automobile, it can easily cope with long-distance running or cruising of the mobile body, and there is a problem that the high-pressure cylinder and the hydrogen storage alloy become huge. Does not occur. Furthermore, if the present apparatus is fixed and used at a predetermined place, it can be used as an energy station for supplying hydrogen to a high-pressure cylinder or a hydrogen storage alloy.
[0037]
According to the method for producing hydrogen-oxygen and the apparatus for producing hydrogen-oxygen of the present invention, oxygen can be produced together with hydrogen, and these can be taken out separately. For example, a submarine, an underwater working machine, a deep-sea probe, a satellite, etc. It is useful as a hydrogen supply source and an oxygen supply source for a fuel cell used under conditions where oxygen is absent or low. Further, if the present apparatus is fixed to a predetermined place and used, it can be used as an energy station for supplying hydrogen or oxygen to a high-pressure cylinder or a hydrogen storage alloy.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory diagram showing a schematic cross section of the device before water is injected.
FIG. 2 is an explanatory diagram showing a schematic cross section of the device after water has been injected.
FIG. 3 is a flowchart showing a manufacturing process and a flow of a reactant by the present apparatus.
FIG. 4 is an explanatory view showing the present apparatus in a schematic cross section.
[Explanation of symbols]
Reference Signs List 10 Hydrogen generating container 11 Metal sodium receiving part 12 Hydrogen discharge pipe 13 Cooling device (first cooling device)
Reference Signs List 20 water supply device 30 spare container 40 waste container (first waste container)
Reference Signs List 60 Oxygen generating container 61 Oxygen exhaust pipe 62 Second cooling device 70 Heat pump 80 Concentration maintaining device 90 Second waste container 50 Hydrogen production device 100 Hydrogen-oxygen production device
