JP2011503360A - 水素の使用方法および装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、水素を使用するための方法および装置に関する。本発明の方法は、海水または別の水源からの水を、先ず太陽エネルギーを使用して予熱し、次に、蒸気を得るための加熱段階を実施し、この蒸気は、低温で水プラズマに変換され、その後、プラズマの分解が電極を使用する電気分解で行われ、得られた水素と酸素が分離される。水素はその後、水を生成すべき場所に搬送され、水素は、酸化されて、それによりエネルギーが回復され、水は直接使用するために再生産される。

Description

本発明は、水素の使用方法とその対応する装置を知らしめるものであり、該方法と装置により、水素を得ること、及び所望の場所において液体の水を生成するためにその水素を使用することの両者が可能になり、従って、本発明は、新規性と進歩性の重要な特徴を有する。

知られているように、現在我々は、砂漠が広がりつつあり、このことがスペイン、ギリシャ、およびイタリアのような国々を含む地中海周辺に影響を与える時代に生きている。更に、いわゆる温室効果により引き起こされる天候の変化の結果として、砂漠化の拡大状況が加速している。

状況は非常に深刻であり、数年前には、これに気づいた科学団体および科学者たちが、もし我々が砂漠化の問題に対する解決策を見出せなければ、危険は間近に迫っていると警告した。この理由により、本発明は、これらの問題を回避し、戦略的解決策として展開された。

本発明は、現場において水を再生するときに、得られた水素を使用することを可能にし、また随意的にエネルギーの生成も可能にする目的のために、水素を得るための経済的に実現可能且つ技術的に満足できる解決策を提供する。

水素を得るために現在利用されている種々の方法が、従来技術において知られており、例えば、天然ガスのような有機材料に基づくものがある。しかし、天然ガスは豊富には存在せず、他の用途があり、そのため、これは十分な供給源ではないことは明白である。天然ガスは、産業分野が非常に純粋な水素を必要とするときに使用されている。また、水素を供給できる発酵方法もあるが、生成される水素の量はわずかである。この理由のため、本発明は、水素の最も十分な供給源、つまり海水に関する。

現在水素を得るために使用されている方法は、液体プラズマの電気分解による分解であり、言い換えれば、物理学の世界ではプラズマ（導体流体）として知られているものを、電流を使用して分解することであり、これはしかし、炭酸ナトリウムの塩分を含む水溶液を使用して提供される。

蒸気からプラズマを得る他の手段も存在し、例えば、低密度気体を遷移（又は、変換）処理して、良好な導体に変換する電気放電に基づいて形成される容量性プラズマが得られる。問題は、水プラズマが分解して水素と酸素を形成すると、両者の気体が爆発性再結合をすると、装置が爆発する可能性があるということである。水溶性プラズマを、高温蒸気において可溶性塩を使用して生成することも試みられているが、これらによる生産性は非常に低い。

最終的に、太陽放射を集中することにより、または核施設において解放される熱エネルギーを使用して蒸気を非常に高温（３７００℃）に加熱することにより得られる、いわゆる熱プラズマを生成することができる。これらの手段はいずれも非常に高いエネルギーの消費を必要とする。第１の方法は非常にコストが低いが、太陽放射の存在に依存しており、核施設の場合は、この目的のために新しい核施設を再設計することが必要という事実に加えて、プラズマの分解はわずか４０％にしか到達しないので生産性が非常に低い。本発明者は、水素を得るための方法を改良すべく多数の研究と実験を遂行した。特に、本発明者により開発された論理モデルにおいて、正弦波形状を有し、周波数がマイクロ波の範囲であるスカラー電界であって、マイクロ波の範囲において、蒸気のスペクトルの吸収ピークに応答して作用するスカラー電界を加えることにより、蒸気から低温プラズマを得ることが可能であることが判明したために、本発明は蒸気から低温プラズマを得るべく設計されている。これは、マイクロ波の集中放射に晒された蒸気は、遷移処理を経てプラズマの特性を得る、つまり、良好な導伝性と非常に低い値の吸収ピークを有する反磁性流体となることを意味している。この目的のために、容器の幾何学的形状を選択して、共鳴により作用させる。この方法を実践するために本発明者により設計された装置は、実質的に、二十面体構造の電磁波ヒーターと、蒸気の圧力と温度を変えることができ、蒸気をプラズマに変換できる八面体構造のプラズマ生成器とを備え、更に、処理を最適化するために、マイクロ波のスカラー電界（または、スカラーポテンシャル場）の形態の電磁波を使用することを含む。従って、好ましくは、同時に複数の装置、例えば、３台の装置が、定率の生成を維持するために使用される。

水プラズマに基づくと、プラズマ生成器と類似している幾何学形状と機能を有する装置において、直流電流が加えられる２つの電極を使用して電気分解により、水を分解して対応する気体を分離することができる。水素と酸素は、別々の圧力タンクに分離される。

分離された後、気体は貯蔵タンクに供給され、そこで圧縮され、最も最適な手順により輸送の準備がされる。この処理のためにポンプ（および全設備のポンプ）に供給される動力は、再生可能なエネルギーにより供給されるか、または主電力線からの夜間供給による。

プラズマ生成器と全く同様に、３つの構成部品が並列に具備され、プラズマ生成器に直列に配置されて定率の生産を維持する。各プラズマ生成器から電気分解装置への供給は、交差する流れなしで行われる。

水素が得られたあとの、本発明による水素の使用法は、水素を、必要とする場所へ輸送することを含み、その場所において水素は空気中の酸素と再結合して、必要とする場所において再び水が得られる。上述した再結合は、代替の熱エンジン、タービン、または燃料電池により行うことができ、一般的な目的のために使用できる水とエネルギーを得ることが可能になる。本発明に関連して、八面体の内部において得られるスカラー電界は、物質内における変換は非常に大きいので、非常に大きな効果を有するという事実を考慮しなければならない。実際、スカラー電界のエネルギーは、物質の内部エネルギーを減少させるが、電流の生成に使用される代わりに、物質の構造に直接作用するので、内部エネルギーの減少は実質的に無制限である。水自身の成分への作用に基づいて、水素と酸素の結合は弱められ、最終的には分離する。

スカラー電界の特徴は、電流が関係しないこと、また磁場も関係しないことであり、これはプラズマの分解の全処理における基本的事実である。実際、２種類の初期気体の結合により形成された水を分解することが目的であれば、水素と酸素に分解するために、プラズマに作用して、スカラー電界を使用して、２つの気体の間の結合を変えることが必要である。しかし、熱勾配または任意のタイプの不安定性がプラズマの内部で発生すると、これらのベクトル場は、スカラー電界を含むベクトル磁場を生成する電流を生成し、このベクトル磁場の効果はスカラー電界の効果の逆であり、言い換えれば、分離しようとしている水の成分のエネルギーを回復する傾向がある。要約すると、いかなるタイプの不安定性により誘導される電流は、気体の再結合に貢献し、処理の効率の低下という結果になる。この理由のため、プラズマに安定性を与えるように貢献する「安定した」幾何学形状を選択することは優先されるべき事項である。

一般的に、いかなるタイプの不安定性も、プラズマだけにではなく、いずれの中間処理にもエネルギーを与えるので、最大安定性の原則が、水素生成の異なる段階において使用されるすべての構成部品および装置に対する設計原則として使用される。

プラズマ生成器および電解装置に対する幾何学的構造の選択に関して、プラトンの立体は、十二面体を除き、程度は異なるが安定した幾何学形状を有していることが判明した。立方体から解析を始めると、この立体は最低レベルのエネルギーを有していることが判明した。更に、立方体の幾何学形状は、実用的ではなく、そのため、我々の目的には適していない。これに続くのは二十面体であり、最後は八面体である。蒸発処理とプラズマ生成処理におけるいかなるタイプの不安定性もエネルギーの損失に繋がり、すべての処理の効率低下という結果になるので、二十面体が蒸発器に最も適した幾何学形状として選択され、八面体が電解装置に最も適した幾何学形状として選択された。

材料の選択に関しては、蒸発器の二十面体においては大きな問題はないが、蒸発される水は高い蒸気圧においては汚染物質を含むことができないので、鋼鉄またはニッケル鋼から構成される安定材料を選択することで十分である。しかし、二十面体の上部表面は、形状に対して囲う物として作用するだけでなく、アンテナとして、またはマイクロ波を放射する指向性アンテナの支持体としても作用するように、そして、二十面体に含まれる水を加熱するよう意図されている。これらの表面は、水が海水であるかまたは汚染されていない場合だけ、蒸気と接触する。

八面体の内部においては、プラズマと接触する内表面は、囲う物であることに加えて、この周波数範囲における蒸気スペクトルの吸収ピークと共鳴してマイクロ波場を放射し、放射アンテナに影響を与え、材料を急速に劣化させる常温核融合の影響を受ける可能性もあるアンテナとしても作用するということを考慮しなければならない。この理由のため、これらの表面は、プラズマの高い反応性レベルを考慮して、耐性のある安定した材料により覆う必要がある。

海水は、二十面体の低部に位置するパイプを介して蒸発器に流入し、ブライン（濃縮塩化ナトリウム水溶液）はまた、このパイプを通して排出される。

全体として、海岸から法令で定められた距離において収集された海水が使用されて、好ましくは再生可能エネルギーユニットにおいて生成されたエネルギーにより、または、ネットワークの夜間供給によるエネルギーによりポンプに供給される。そして、家庭温水のような既知技術により、水は太陽エネルギーにより予熱され、太陽熱を使用して蒸気を直接的に生成する可能性もある。水はある温度になるとヒーターに導入され、電磁波を使用して、適切な温度および圧力を得、それにより水が蒸発されると、海に戻されるか、ある条件下では売却することができるブラインの形の残留物を残す。

本発明をより良く理解するために、そして説明のためであり、それに制限されることのない例により、本発明を説明する図面が添付されている。

図１は、本発明による水素の生成に対して使用される構成部品のセットを模式的に示している。 図２は、水の収集と予熱を詳細に示している。 図３は、拡大されたヒーター／蒸発器を模式的に示している。 図４は、プラズマ生成器の透視図である。

本発明は、図１において数字１で示されている海に起因する十分な水源か、または別のタイプの十分な水源と、例えば、太陽エネルギー供給用の設備２による電気の分離生成に基づいており、ヒーター／蒸発器３において水を予熱し、ベクトル電磁波により予熱された水を蒸気に変換し、その後、生成器４の蒸気はプラズマに変換される。その後、生成されたプラズマは電解装置５に搬送され、そこにおいてプラズマの、水素および酸素への分解が、電極および、電磁波の起動により行われる。八面体の上部および下部の頂点を介して電解装置からそれぞれ放出される水素と酸素はタンク６に貯蔵され、そこから、加圧およびポンプステーション７により、パイプ、タンクおよび他の手段を介して、供給場所へと搬送される。

図２は、大量の海水または別のタイプの水１から、パイプ９により収集された水の予熱のための３つの並置されたユニット８、８’および８”を示している。

水は予め、約５０℃のレベルまで加熱されており、後続の加熱は、水の吸収ピークに共鳴するマイクロ波の電気ベクトル場を使用して、加熱装置において行われており、即ち、マイクロ波の電気ベクトル場が、電力が十分であれば水を加熱して蒸発させ、マイクロ波の電気ベクトル場が、水の内部エネルギーの減少に貢献し、それにより、プラズマの生成処理を支援するという方法である。大気圧よりも高い圧力において相遷移が起きると、潜熱は減少し、圧力が減少すると潜熱は増加する。蒸気の連続的な生成処理を維持するために、０.５バールから約２バールの範囲で、５バールの上限まで到達する一定の圧力値が保持される。

太陽エネルギーにより予め加熱された水の吸収ピークと共鳴する２.１６ＧＨｚのベクトル電界を加えることにより蒸気が生成される。言い換えれば、共鳴しているベクトル電界により発散されるエネルギーによるジュール効果により水は加熱される。

均一な分布を得るために、蒸気は、八面体の水平な正方形に対応する４つの頂点を介して電解装置に流入する。

好ましくは、蒸発器は二十面体のような安定した幾何学形状を有し、二十面体のほとんどの容積は水と、蒸気による残留物により占められる。

好ましくは、電極は平坦であり、海水が電気を通すので、水の外側に位置する指向性アンテナとして作用する。

可能性のある、磁場形成を削減する方法は、二十面体の表面の数箇所に位置する分離した電極を使用することで構成される。

腐食の問題を回避するために、電極の表面は、ニッケルまたは耐腐食性の特殊鋼に基づく安定金属で覆われる。

二十面体の寸法に対しては、二十面体を囲む球の半径は３メートルと考えられている。従って、
Ｖ＝５／１２ａ³（３＋√５）≒２.１８１７ａ³
であり、ここで、半径Ｒが３メートルで、Ｖ＝２.５３５９９９１Ｒ³＝６８.４７ｍ³のときは、ａ＝３.１５４３８メートルである。

一旦、水素と酸素が別々に得られ、適切に貯蔵されると、酸素を産業分野で使用することが可能であり、水素は、適切な圧力と温度で、パイプまたは他の手段により、水の供給が自然に不足しているため、水の生成が所望されている場所へ搬送することができ、上述した手段のいずれかにより使用できる。

本発明は、例としての目的のみのための好適な実施の形態を参照して記載されたが、これらにより本発明は制限されるものと考えるべきではなく、本発明は、下記の請求項の幅広い解釈により定義される。

Claims (19)

1. 水素生成の方法および装置であって、海水または別のタイプの水を供給源とし、太陽エネルギーを使用して前記水を予熱し、その後、マイクロ波のベクトル場に対するジュール効果により、前記水を加熱して蒸気を得るための加熱段階があり、この蒸気はマイクロ波の電気ベクトル場を重ね合わせることにより生成されるマイクロ波のスカラー場により低温で水プラズマに変換され、前記マイクロ波の電気ベクトル場は、前記マイクロ波のスカラー場と同じ周波数であり、指向性アンテナにより放射され、そのベクトル和はゼロであり（または、重ね合わされた異なる強度の電気ベクトル場のエネルギーの一部でもある部分和はゼロである）、前記気体内での放電によってではなく、また前記気体を加熱するのでもなく、前記蒸気の変換により水プラズマを生成でき、前記水プラズマの導電性は非常に強く増大し、余分な熱の供給を必要とせずに相遷移を引き起こし、そして、熱エネルギーの代替として、前記プラズマの分解が電極による電気分解で行われ、それにより、得られた水素と酸素が分離され、前記水素は、エネルギーの回復を伴う前記水素の酸化により水を生成すべき場所に搬送され、直接的に使用するために水が再生されることを特徴とする装置および方法。
2. 太陽熱エネルギーによる前記水の前記予熱は、前記水を約４０℃と６０℃の間の温度に加熱することにより行われることを特徴とする請求項１に記載の水素の使用方法。
3. 前記水の前記予熱は、約５０℃において行われることを特徴とする請求項２に記載の水素の使用方法。
4. 前記蒸気の形成のための前記水の前記加熱は、前記波長の範囲における、前記水の前記吸収ピークに共鳴するマイクロ波の電気ベクトル場により行われることを特徴とする請求項１に記載の水素の使用方法。
5. 前記水の前記予熱は、約０.５バールと５バールの間の圧力における蒸気の形成と共に行われることを特徴とする請求項４に記載の水素の使用方法。
6. 前記蒸気圧は、約２バールであることを特徴とする請求項５に記載の水素の使用方法。
7. 前記蒸気からの前記プラズマの前記形成は、マイクロ波の電気ベクトル場を重ね合わせることにより生成されるマイクロ波のスカラー場により行われ、前記マイクロ波の電気ベクトル場は、前記マイクロ波のスカラー場と同じ周波数であり、指向性アンテナにより放射され、そのベクトル和はゼロであり（または、重ね合わされた異なる強度の電気ベクトル場のエネルギーの一部でもある部分和はゼロである）、前記気体内での放電を必要とせず、また前記気体を加熱するのでもなく、前記蒸気内の変換により水プラズマを生成でき、前記水プラズマの導電性は非常に強く増大し、余分な熱の供給を必要とせずに、そして熱エネルギーの代替として、相遷移を引き起こすことを特徴とする請求項１に記載の水素の使用方法。
8. 前記蒸気の前記生成のための前記加熱は、二十面体構造を有する反応器の中で行われ、前記プラズマの前記生成および、電極による分解のための前記プラズマの電気分解は八面体構造を有する反応器の中で行われることを特徴とする請求項１から７に記載の前記方法を実行する装置。
9. 残留物の前記取込みおよび放出は、二十面体の形状の前記反応器の前記下部を介して行われることを特徴とする請求項８に記載の装置。
10. 前記水を加熱するように設計されている前記電極は、指向性アンテナとして作用し且つ前記水の外側に位置している、平坦電極であることを特徴とする請求項８に記載の装置。
11. 前記電極は、前記反応器内に含まれ、前記水の外側に位置していることを特徴とする請求項１０に記載の装置。
12. 前記電極は、耐腐食性の安定金属により覆われていることを特徴とする請求項１０又は１１に記載の装置。
13. 前記プラズマ生成器および前記電気分解装置の前記八面体の前記表面のそれぞれは、各表面に直交する方向に放射する、アンテナであって、それにより、ゼロまたはスカラー電界である電気ベクトル場を生成する、アンテナとして作動することを特徴とする請求項８に記載の装置。
14. 前記容積的生成フローを規制するための、前記プラズマ生成フェーズおよび前記電気分解フェーズの両者における複数の八面体生成器の配列を特徴とする請求項８に記載の装置。
15. 前記八面体の前記表面の前記内部表面は、前記プラズマの前記反応性に関して安定性を呈示する材料の層で覆われていることを特徴とする請求項８に記載の装置。
16. 蒸気の前記電気分解装置への前記取込みは、前記八面体形状の水平な正方形の４つの頂点を介して行われることを特徴とする請求項８に記載の装置。
17. 前記水素および酸素の前記電気分解装置からの前記放出は、前記プラズマの前記電気分解装置に対応する前記八面体形状の前記上部および下部頂点を介してそれぞれ行われることを特徴とする請求項８に記載の装置。
18. 前記水素および酸素分離の前記機能を達成する、前記電気分解装置の前記電極には直流が供給されることを特徴とする請求項８に記載の装置。
19. 前記気体の分離の前記機能を達成する、前記電気分解装置の前記電極は、前記酸素の放出のために、前記下部頂点に近接する陽極を有し、前記水素の放出のために、前記上部頂点に近接する陰極を有することを特徴とする請求項１８に記載の装置。

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