JP4574717B2 - 金属ナトリウムと水の反応により水素ガスを発生させる装置及び水素ガスの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、金属ナトリウムを水中に投入することにより、水と反応させ、水素ガスを得る装置に関する。

水素ガスは燃料電池の燃料としての用途が開かれてから、クリーンなエネルギー源として急激に注目を浴びるようになってきた。

ここで、金属ナトリウムと水を反応させると水素ガスが発生することは化学的常識であるが、種々の用途に用いられるような材料ではなく、水素ガス発生の実験材料として用いられているに過ぎなかった。これは、金属ナトリウムが非常に危険な物質であり、空気に触れると急激に酸化し、また、水と触れると急激に反応し水素ガスを発生しながら燃焼することによる。それゆえ、取扱いには細心の注意を要する。

一方、ナトリウムは地殻中に６番目に多く存在する元素であり、工業的にも金属ナトリウムの生産技術は確立されている。金属ナトリウムは融点が約９８℃と低いうえに比重も１以下、比熱も約０．３と小さいという性質を持っているため、高速増殖炉の冷却材として用いられている。また、不活性ガス雰囲気中でアルコール類と反応させてアルコラートを製造することにも利用されている。

特開２００６−１２２８６４号公報

上記のような観点から、金属ナトリウムと水との反応で発生する水素ガスを利用しようとする試みはあまりなされていないのが現状であった。これは金属ナトリウムの取扱いが性状においても、安全性の面からも非常に難しかったためである。すなわち、いかに安全に金属ナトリウムを、水と接触させて水素ガスを発生させるかどうかが問題であった。

本発明者はこれらの課題を解決するため鋭意研究した結果、粒状もしくは薄い板状の細片にカットした金属ナトリウムを水に投入して水素ガスを発生させる装置において、水槽の水を水流ポンプにより撹拌させることで金属ナトリウムを安全で効率良く水と反応させて水素ガスを発生させられることを見出して本発明を完成した。

本発明の一実施形態による水素ガス発生装置は、（１）水層を収容する水槽と、金属ナトリウム片が一端に投入され、前記水層に配置された他端から前記金属ナトリウム片が前記水層に落下する投入管と、前記水層中に設けられ、前記投入管から落下してきた前記金属ナトリウム片を、放出する水と一緒に前記水層中に押し出す水流ポンプと、前記金属ナトリウム片と前記水層との反応によって生成させた水素ガスを取り出す取り出し口とを備え、前記水槽は投入口と水素取り出し口を除き密閉されていることを特徴とする水素ガス発生装置である。
本発明の他の実施形態は、（２）吸水孔が設けられ、一端が前記水流ポンプに接続され、前記水層中に設置される水放出パイプを更に備え、前記水放出パイプには、前記吸水孔と前記水放出パイプの他端との中間部に、前記金属ナトリウム片が通過する穴が設けられ、前記水放出パイプに設けられた穴の部分で、前記水放出パイプと前記投入管の前記他端が固定され、前記水流ポンプは前記水放出パイプ中の前記水層に落下する前記金属ナトリウム片を、前記水放出パイプの前記他端から押し出すことを特徴とする前記（１）記載の水素ガス発生装置である。
本発明の更に他の実施形態は、前記（１）又は前記（２）記載の装置の水槽に収容された水層の水面には油膜が形成されていることを特徴とする水素ガス発生装置である。

本発明によれば、金属ナトリウムと水とを安全に反応させることによって水素ガスを発生させることができる。

本発明の水素ガス発生装置を示す概略図。

以下に本発明を図面を交えながら説明する。本発明では使用する金属ナトリムが水と反応し易いように金属ナトリウムを細片にカットする。金属ナトリウムを細片にカットする好ましい一態様としてはギロチン式カッターを用いることができる。もちろん他の切断装置を用いることもできる。ここではギロチン式カッターを使用した場合について説明する。ギロチン式カッターは市販されているタイプのものが使用できる。すなわち、カムの駆動とバネにより上刃が上下し、上刃と下刃との間に供給される物をカットするタイプのものである。

供給ベルトなどに乗せられた金属ナトリウムは上刃の上がっている時に上刃と下刃の間に押し出される。カッターの出側にはカッターの上刃を落下させる働きをするカムの駆動装置と電線で繋がれている金属製のストッパーが設けられている。押し出された金属ナトリウムがストッパーに接触すると両者間に電流が流れ、その電気信号を受けて上刃が落下するように設定されている。金属ナトリウムが切断されると電流が流れなくなり、カムの駆動装置がオフになって、上刃を吊り下げているバネの力で上刃は引き上げられる。このように金属ナトリウムの１回の切断量がコントロールされている。

図１に水素ガスを発生させるための装置の概略を示す。ギロチン式カッター（図示してない）に供給されカットされた金属ナトリウム１は水２を入れた水槽３に差し込まれた管４の上部にある投入口５に落とされ、水中に落ちる。水槽には空気遮断効果を有する油が加えられており、水面に薄い油膜を形成している。管はガラス製、塩ビなどの合成樹脂製、または金属製でもよい。耐アルカリ性を有するガラス製若しくは軽量化を図るために耐アルカリ性を有する合成樹脂製の物が好ましく用いられる。管の先端部は水面下にあり、管内の水層の上面には油膜面６がある。

管の下部は開口している。水槽の水層中には水流ポンプ７が設置されている。水流ポンプには水を放出するための放出パイプ８が取付けられている。該パイプには水を吸い込むための複数個のスリット９が設けられている。また吸い込んだ水の放出口（パイプ先端）とスリットの中間部に穴が開けられていて、管４の下端部と固定してある。固定するには接着剤を使用することができる。これにより、管４から落下してきた金属ナトリウム細片は直ちに水流ポンプから放出される水と一緒に水層中に押し出される。水流ポンプの設置位置は水層中ならばどの位置でもよいが、水面下１〜２ｃｍの位置に設置するのが好ましい。

水流ポンプの水の放出とともに落下してくる金属ナトリウムは、すぐに水層中に押し出されるため、水と反応して発生した水素ガスは管４内を逆流することもなく、ガス取出し管１０に導かれることになる。水流ポンプを回転させない場合、投入された金属ナトリウムは管４内の油膜を通って水層に落ちるが、水流ポンプの放出パイプ内で水と反応し、水素ガスを発生させる。発生した水素ガスは管４内を逆流することもあり、危険を生じることもある。

発生した水素ガスは、水槽の上部に設けられたガス取出し管１０から取出され、水の入ったストレーナ１１を通して水などの不純物を取り除いてからガス取出し管１３を通して貯蔵タンク（図示していない）に貯えられる。ストレーナ内には隔壁１２が設けられており、導かれてきた水素ガスは逆流することなく貯蔵タンクへのガス取出し管１３に導かれ貯蔵タンクに貯えられる。貯蔵タンク内は３気圧程度に調整されている。貯蔵タンクには圧力センサが取付けられている。圧力センサで感知された信号は、圧力スイッチに送られ電源をオン・オフして、金属ナトリウムの供給装置を駆動したり止めたりする。供給装置がギロチン式カッターの場合は、貯蔵タンク内の圧力が制限値より大きくなると、センサが働いてスイッチを切り、供給装置の動きを止めてカッターへの押出し動作を止める。これにより金属ナトリウムの水への投入が止まり、過剰な水素ガスの発生を抑えることができる。また、貯蔵タンクのガス取出し管１３には逆流を防止するための弁１４が設けられている。

貯蔵タンクに集められた水素ガスは、種々の用途に使用するために次の工程に送られる。例えば、内燃機関である水素エンジンの燃料として使用できるし、燃料電池の燃料、化学品の合成原料として用いることができる。

水流ポンプは市販のポンプを使用することができる。

溶融金属ナトリウムと反応して水素ガスを発生させた槽中の水には、ナトリウムが溶解するため、徐々に水酸化ナトリウムの量が増加する。このため槽の底部の排水管に取り付けた排水弁１５から水酸化ナトリウムの溶液を抜き取った後、新たに水と油類の混合液を排水管より槽に供給して元の状態に復元する。抜き取られた水酸化ナトリウムを多量に含む水は、濃縮して金属ナトリウムを回収する原料として利用することができる。

金属ナトリウムの製造は、溶融食塩などの電気分解法やアマルガム法で得られるが、そのために使用する電力は本発明者らが先に特願２００７−１３９７８８や特願２００７−１５６２８４にて提案した太陽熱を利用して発電した電気を使うことができる。そのため、本発明は石油資源やその他のエネルギー資源が乏しいか全く持たない国々にとって、エネルギー源確保という面から多大な貢献をする発明である。

以下、本発明を実施例により具体的に説明する。

（実施例１）
図１に示すような装置を用いた。自家製のギロチン式カッターを用いて板状の金属ナトリウムを切断し、金属ナトリウム投入口から管を通して落とし込んだ。管の下部、管の出口には水流ポンプを設置した。水流ポンプには水の吸水スリットが設けられている放出パイプが繋がれている。スリットと放出パイプの先端の中間部に穴を開け、管の下部先端と接着剤で固定した。水流ポンプはセンダック社製タイプＦＰ−１５Ｓを用いた。投入された金属ナトリウムは直ちに水流ポンプによって起こされた水の流れにより水層中に押出され、水素ガスの泡を吹き出しながら動き回った。

発生した水素ガスはストレーナを通して貯蔵タンクに貯蔵した。貯蔵タンクの内部圧上限を３気圧に設定しておいた。内部圧が３気圧近くになった時、圧力センサに接続した圧力スイッチが働き、ギロチン式カッターの駆動が止まり、金属ナトリウムの供給を止めることができた。貯蔵タンク内の圧力が３気圧よりかなり小さくなった時、圧力スイッチがオンになり、カッターの駆動が再開し、金属ナトリウムの供給が始まり、連続して水素ガスを発生させることができた。

（比較例１）
水流ポンプを駆動しないこと以外は実施例１と同様の操作を行ったところ、投入された金属ナトリウムの細片はポンプの放出パイプの内部に止まり、そこで水と反応して水素ガスを発生した。発生した水素ガスのほとんどは金属ナトリウム投入管の方に逆流し、投入口から漏れて空気に触れ、小さな爆発を起こし危険であった。

以上説明したように、本発明によれば金属ナトリウムを安全に水と反応させて水素ガスを発生させることができる。水素ガスは内燃機関のガソリンの代替として有効なエネルギー源として使用できるし、燃料電池の燃料として、化学品合成の原料としても使用できる。

１ …… 金属ナトリウム
２ …… 水
３ …… 水槽
４ …… 管
５ …… 投入口
６ …… 油膜面
７ …… 水流ポンプ
８ …… 水放出パイプ
９ …… 吸水スリット
１０ …… ガス取出し管
１１ …… ストレーナ
１２ …… 隔壁
１３ …… ガス取出し管
１４ …… 逆流防止弁
１５ …… 排水弁

Claims (5)

1. 水層を収容する水槽と、
   金属ナトリウム片が一端に投入され、前記水層に配置された他端から前記金属ナトリウム片が前記水層に落下する投入管と、
   前記水層中に設けられ、前記投入管から落下してきた前記金属ナトリウム片を、放出する水と一緒に前記水層中に押し出す水流ポンプと、
   前記金属ナトリウム片と前記水層との反応によって生成させた水素ガスを取り出す取り出し口とを備え、
   前記水槽は投入口と水素取り出し口を除き密閉されていることを特徴とする水素ガス発生装置。
2. 吸水孔が設けられ、一端が前記水流ポンプに接続され、前記水層中に設置される水放出パイプを更に備え、
   前記水放出パイプには、前記吸水孔と前記水放出パイプの他端との中間部に、前記金属ナトリウム片が通過する穴が設けられ、
   前記水放出パイプに設けられた穴の部分で、前記水放出パイプと前記投入管の前記他端が固定され、
   前記水流ポンプは前記水放出パイプ中の前記水層に落下する前記金属ナトリウム片を、前記水放出パイプの前記他端から押し出すことを特徴とする請求項１記載の水素ガス発生装置。
3. 前記水層の水面には油膜が形成されていることを特徴とする請求項１記載の水素ガス発生装置。
4. 前記水層の水面には油膜が形成されていることを特徴とする請求項２記載の水素ガス発生装置。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載された水素ガス発生装置を用いて、
   前記水層に金属ナトリウム片を投入するステップと、
   前記水槽に収容された水層に落下する前記金属ナトリウム片を落下領域から水流によって遠ざけるステップとを含むことを特徴とする水素ガス製造方法。