特許 6016401 水素発生装置及び水素発生方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6016401

(24)【登録日】2016年10月7日

(45)【発行日】2016年10月26日

(54)【発明の名称】水素発生装置及び水素発生方法

(51)【国際特許分類】

   C01B 3/08 20060101AFI20161013BHJP

【ＦＩ】

   C01B3/08 A

【請求項の数】9

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2012-70824(P2012-70824)

(22)【出願日】2012年3月27日

(65)【公開番号】特開2013-203555(P2013-203555A)

(43)【公開日】2013年10月7日

【審査請求日】2015年3月27日

(73)【特許権者】

【識別番号】512129217

【氏名又は名称】株式会社ＴＩ

(74)【代理人】

【識別番号】100120189

【弁理士】

【氏名又は名称】奥 和幸

(72)【発明者】

【氏名】石川 泰男

【審査官】 村岡 一磨

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１２−００１４０７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−２３５３３１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−２１３６０９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−２１０４９７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−０３７６８３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｃ０１Ｂ ３／００−３／５８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

空気中の酸素を除去した無酸素状態の反応容器内に配置されたアルカリ金属及び酸素を含む反応剤と、前記反応容器内に配置された表面に酸化物の膜を形成する金属材料又は酸化物から形成される酸化物材料と、水を加熱する加熱手段と、
前記反応容器内の気圧を測定する気圧測定手段と、
前記測定された気圧が常圧以上である時間を計測する時間計測手段と、
前記計測された時間が予め設定された上限時間に達した場合に、前記反応容器内から水素を排出させて、前記反応容器内の気圧を低下させる気圧制御手段と、
前記反応容器内を冷却するための冷却手段と、
前記測定された気圧が上昇している際に、前記冷却手段を作動させる冷却制御手段と、
を備えることを特徴とする水素発生装置。

【請求項2】

空気中の酸素を除去した無酸素状態の反応容器内に配置されたアルカリ金属及び酸素を含む反応剤と、前記反応容器内に配置された表面に酸化物の膜を形成する金属材料又は酸化物から形成される酸化物材料を加熱する加熱手段と、
前記反応容器内の気圧を測定する気圧測定手段と、
前記測定された気圧が予め設定された上限値まで上昇した場合に前記反応容器内から水素を排出させて、前記反応容器内の気圧を低下させる気圧制御手段と、
前記反応容器内を冷却するための冷却手段と、
前記測定された気圧が上昇している際に、前記冷却手段を作動させる冷却制御手段と、
を備えることを特徴とする水素発生装置。

【請求項3】

請求項２に記載の水素発生装置であって、
前記上限値は、常圧を示す値以下に設定されていることを特徴とする水素発生装置。

【請求項4】

請求項１乃至３の何れか一項に記載の水素発生装置であって、
前記反応容器内に予め設定された設定量の水又は水蒸気を供給する水供給手段、
を更に備えることを特徴とする水素発生装置。

【請求項5】

請求項４に記載の水素発生装置であって、
前記水供給手段は、前記測定された気圧の単位時間当たりの上昇値が予め設定された下限値を下回った場合に、水又は水蒸気を供給することを特徴とする水素発生装置。

【請求項6】

請求項４に記載の水素発生装置であって、
前記水供給手段は、予め設定された設定時間毎に、水又は水蒸気を供給することを特徴とする水素発生装置。

【請求項7】

請求項４乃至６の何れか一項に記載の水素発生装置であって、
前記水供給手段が、ｎ回（ｎ＞１）に一回は、前記設定量より多くの水又は水蒸気を供給することを特徴とする水素発生装置。

【請求項8】

空気中の酸素を除去した無酸素状態の反応容器内に配置されたアルカリ金属及び酸素を含む反応剤と、前記反応容器内に配置された表面に酸化物の膜を形成する金属材料又は酸化物から形成される酸化物材料と、水を加熱する加熱工程と、
前記反応容器内の気圧を測定する気圧測定工程と、
前記測定された気圧が常圧以上である時間を計測する時間計測工程と、
前記計測された時間が予め設定された上限時間に達した場合に、前記反応容器内から水素を排出させて、前記反応容器内の気圧を低下させる気圧制御工程と、
前記反応容器内を冷却するための冷却工程と、
前記測定された気圧が上昇している際に、前記冷却工程を作動させる冷却制御工程と、
を含むことを特徴とする水素発生方法。

【請求項9】

空気中の酸素を除去した無酸素状態の反応容器内に配置されたアルカリ金属及び酸素を含む反応剤と、前記反応容器内に配置された表面に酸化物の膜を形成する金属材料又は酸化物から形成される酸化物材料を加熱する加熱工程と、
前記反応容器内の気圧を測定する気圧測定工程と、
前記測定された気圧が予め設定された上限値まで上昇した場合に前記反応容器内から水素を排出させて、前記反応容器内の気圧を低下させる気圧制御工程と、
前記反応容器内を冷却するための冷却工程と、
前記測定された気圧が上昇している際に、前記冷却工程を作動させる冷却制御工程と、
を含むことを特徴とする水素発生方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、水素を発生させる水素発生装置等の技術分野に関する。

【背景技術】

【0002】

出願人は、空気中の酸素を除去した無酸素状態雰囲気が形成された反応容器内において、表面に酸化物の膜を形成する金属材料又は酸化物から形成される酸化物材料と、アルカリ金属溶融塩と、水を加熱することにより、金属材料又は酸化物材料の表面から水素を発生させる技術に関して出願を行っている（例えば、特許文献１、２）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】国際出願ＰＣＴ／ＪＰ２０１１／６６４７２

【特許文献2】特願２０１１−２６１４３０

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ところが、上記出願の技術では、水素を発生させる反応が特殊反応であるため、常圧（減圧も加圧もしないときの気圧）以上の気圧下で反応容器内に水素を一定時間以上滞留させておくと反応容器を損傷させてしまう場合があった。

【0005】

本発明は、このような問題等に鑑みて為されたもので、反応容器内の気圧を常圧以上に保持することを避けることにより反応容器を損傷してしまうことのない水素発生装置等を提供することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、空気中の酸素を除去した無酸素状態の反応容器内に配置されたアルカリ金属及び酸素を含む反応剤と、前記反応容器内に配置された表面に酸化物の膜を形成する金属材料又は酸化物から形成される酸化物材料と、水を加熱する加熱手段と、前記反応容器内の気圧を測定する気圧測定手段と、前記測定された気圧が常圧以上である時間を計測する時間計測手段と、前記計測された時間が予め設定された上限時間に達した場合に、前記反応容器内から水素を排出させて、前記反応容器内の気圧を低下させる気圧制御手段と、を備えることを特徴とする水素発生装置である。

【0007】

この発明によれば、反応容器内の気圧が常圧以上である時間が予め設定された上限時間に達した場合に、反応容器内から水素が排出されることから、反応容器内の気圧が一定時間以上常圧より高い状態が継続することがなくなり、反応容器が損傷してしまう危険性を回避することができる。

【0008】

請求項２に記載の発明は、空気中の酸素を除去した無酸素状態の反応容器内に配置されたアルカリ金属及び酸素を含む反応剤と、前記反応容器内に配置された表面に酸化物の膜を形成する金属材料又は酸化物から形成される酸化物材料を加熱する加熱手段と、前記反応容器内の気圧を測定する気圧測定手段と、前記測定された気圧が予め設定された上限値まで上昇した場合に前記反応容器内から水素を排出させて、前記反応容器内の気圧を低下させる気圧制御手段と、を備えることを特徴とする水素発生装置である。

【0009】

この発明によれば、反応容器内の気圧が予め設定された上限値まで上昇した場合に、反応容器内から水素が排出されて反応容器内の気圧が低下することから、上限値を適切に設定することにより、反応容器内の気圧が一定時間以上常圧より高い状態が継続することを避けることができ、反応容器が損傷してしまう危険性を回避することができる。

【0010】

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の水素発生装置であって、前記上限値は、常圧を示す値以下に設定されていることを特徴とする。反応容器内が常圧より高い気圧であると、発生した水素が反応容器の内壁付近に滞溜して反応容器を損傷することがあるが、この発明によれば反応容器の損傷を避けることができる。

【0011】

請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３の何れか一項に記載の水素発生装置であって、前記反応容器内に予め設定された設定量の水又は水蒸気を供給する水供給手段、を更に備えることを特徴とする。この発明によれば、反応容器内に供給された水蒸気（又は水が熱せられてできた水蒸気）は、反応容器の内壁に接触し電離して水素を放出することから、水素の発生量を増加させることができる。

【0012】

請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の水素発生装置であって、前記水供給手段は、前記測定された気圧の単位時間当たりの上昇値が予め設定された下限値を下回った場合に、水又は水蒸気を供給することを特徴とする。この発明によれば、水素の発生量が減少した場合（反応容器内の気圧の上昇値が低下した場合）に、水又は水蒸気が供給されることから、水素の発生量が減少している時間を短くすることができる。

【0013】

請求項６に記載の発明は、請求項４に記載の水素発生装置であって、前記水供給手段は、予め設定された設定時間毎に、水又は水蒸気を供給することを特徴とする。この発明によれば、設定量の水（又は水蒸気）を供給してから水素の発生反応が活発化し、反応が鈍くなるまでの時間を予め求めておき、その時間を設定時間として設定することで、水素の発生量が減少している時間を短くすることができる。

【0014】

請求項７に記載の発明は、請求項４乃至６の何れか一項に記載の水素発生装置であって、前記水供給手段が、ｎ回（ｎ＞１）に一回は、前記設定量より多くの水又は水蒸気を供給することを特徴とする。この発明によれば、水を多く供給した回では、他の回よりも反応容器内の水蒸気量が急激に増加することにより、水素発生反応を刺激し、水素の発生量を増加させることができる。

【0015】

請求項８に記載の発明は、請求項１乃至７の何れか一項に記載の水素発生装置であって、前記反応容器内を冷却するための冷却手段と、前記測定された気圧が上昇している際に、前記冷却手段を作動させる冷却制御手段と、を更に備えることを特徴とする。この発明によれば、反応容器内が水素発生反応中に一時的に冷却されることとなり、水素発生反応を刺激し、水素の発生量を増加させることができる。

【0016】

請求項９に記載の発明は、空気中の酸素を除去した無酸素状態の反応容器内に配置されたアルカリ金属及び酸素を含む反応剤と、前記反応容器内に配置された表面に酸化物の膜を形成する金属材料又は酸化物から形成される酸化物材料と、水を加熱する加熱工程と、前記反応容器内の気圧を測定する気圧測定工程と、前記測定された気圧が常圧以上である時間を計測する時間計測工程と、前記計測された時間が予め設定された上限時間に達した場合に、前記反応容器内から水素を排出させて、前記反応容器内の気圧を低下させる気圧制御工程と、を含むことを特徴とする水素発生方法。

【0017】

請求項１０に記載の発明は、空気中の酸素を除去した無酸素状態の反応容器内に配置されたアルカリ金属及び酸素を含む反応剤と、前記反応容器内に配置された表面に酸化物の膜を形成する金属材料又は酸化物から形成される酸化物材料を加熱する加熱工程と、前記反応容器内の気圧を測定する気圧測定工程と、前記測定された気圧が予め設定された上限値まで上昇した場合に前記反応容器内から水素を排出させて、前記反応容器内の気圧を低下させる気圧制御工程と、を含むことを特徴とする水素発生方法である。

【発明の効果】

【0018】

本発明によれば、反応容器内の気圧が予め設定された上限値まで上昇した場合に、反応容器内から水素が排出されて反応容器内の気圧が低下することから、反応容器が損傷してしまう危険性を回避することができる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】水素発生装置Ｍの一例を示す図である。

【図2】制御装置１の構成を示すブロック図である。

【図3】制御部１１による制御処理の一例を示すフローチャートである。

【図4】反応容器２内の気圧の変化の一例を示す図である。

【図5】制御部１１による制御処理の一例を示すフローチャートである。

【図6】反応容器２内の気圧の変化の一例を示す図である。

【図7】反応容器２に設置される水冷ジャケットＪの設置例を示す図である。

【図8】反応容器２内の気圧及び気温の変化の一例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0020】

以下、図面を用いて本発明の実施形態について説明する。

【0021】

図１に示すように、本実施形態における水素発生装置Ｍは、密閉性の反応容器２を備え、反応容器２は加熱手段としての加熱装置３（マントルヒーター、面状ヒーター等を用いることができる。ガス加熱でもよい。）により少なくとも３５０℃以上に加熱される。なお、加熱装置３は反応容器２を５００℃程度の温度に加熱するのが好ましい。また、反応容器２内には気圧測定手段としての気圧計Ｂが設けられている。

【0022】

反応容器２には水素排出管２２が設けられ、水素排出管２２は真空ポンプ２５に接続されている。水素発生装置Ｍの運転開始前には真空ポンプ２５により反応容器２内の空気中の酸素を除去するために減圧処理がなされる。減圧処理により反応容器２内の酸素が除去された後には、バルブ２４が閉じられ、反応容器２内には無酸素状態雰囲気が形成され、この状態を初期状態として運転が開始される。真空ポンプ２５としては、例えば、ドライポンプを用いることとし、水素とともに排出される水蒸気によって作動不能にならないように耐水処理をなしておくのが好ましい。なお、真空ポンプ２５の代わりに、吸引ファンを用いることとしてもよい。

【0023】

反応容器２の少なくとも内壁は、表面に酸化被膜を作る金属材料で構成される。例えば、鉄（Ｆｅ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、クロム（Ｃｒ）、チタン（Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ）等の板状構造体となり得る単体金属、あるいは、ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４、４３０、３１６等）、ニッケル合金（インコネル）、チタン合金（航空機用）、アルミニウム合金（ジェラルミン）、銅合金（黄銅、青銅、白銅）等の合金、更には、鉄に亜鉛（Ｚｎ）、スズ（Ｓｎ）をメッキしたトタン、ブリキ等が含まれる。これらは、その表面に酸化鉄（Ｆｅ２Ｏ３、Ｆｅ３Ｏ４）、酸化銅（ＣｕＯ）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化クロム（Ｃｒ２Ｏ３）、酸化チタン（ＴｉＯ２）、酸化ニッケル（ＮｉＯ）の酸化膜をそれぞれ形成する。

【0024】

また、合金としてのステンレス鋼は酸化クロムの不動態膜、ニッケル合金は酸化ニッケル（ＮｉＯ）チタン合金は酸化チタン（ＴｉＯ２）、アルミニウム合金は酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、銅合金又は酸化銅、トタンは酸化亜鉛（ＺｎＯ）、ブリキは酸化スズ（ＳｎＯ２）の膜をそれぞれ形成する。

【0025】

さらに、金属材料で形成された反応容器２の内壁には、酸化ケイ素（ＳｉＯ２）を主成分とする水性塗料又は酸化鉄（Ｆｅ２Ｏ３）、酸化クロム（Ｃｒ２Ｏ３）、酸化マンガン（ＭｎＯ２）、酸化銅（ＣｕＯ）、酸化ケイ素（ＳｉＯ２）を均等に配分した塗料を塗布すると水素の発生量が増大する。

【0026】

なお、反応容器２の材料は、金属ではなく、酸化物で構成されたセラミック材、例えば酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、又は酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）等を主成分とするものでもよい。

【0027】

これらの材料が３５０℃以上、特に５００℃前後に加熱されると、反応容器２の内壁から水素が発生してくる。水素が発生すると反応容器２内の気圧が上昇するとともに特殊反応故に熱線等の影響により放置すると反応容器２が破損するおそれがある。そのため、反応容器２内での水素の滞留時間を制御する必要がある。

【0028】

反応容器２には同様の材料で形成された水供給管２１が設けられ、水供給手段としての水供給装置４から設定量の水が供給される。反応容器２内に水が供給されると、水は直ちに１２０℃程度の水蒸気となり、反応容器２内の水蒸気は、反応容器２の内壁に接触し電離して水素を放出する。水供給装置４内には図示しない貯水タンクが設けられており、制御装置１からの制御の下、貯水タンクから水を抽出し、反応容器２内に水を供給する。なお、水供給装置４は、水を加熱して生成した水蒸気を反応容器２内に供給することとしてもよい。

【0029】

反応容器２には、反応剤８を収納する収納皿７が出入自在に配置されている。反応剤８としては、３００℃以上で溶融塩を作る水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）、水酸化カリウム（ＫＯＨ）が最も好ましい。固体反応剤としては、チタン酸カリウム（Ｋ２ＴｉＯ３）、チタン酸ナトリウム（Ｎａ２ＴｉＯ３）が好ましい。これらの反応剤は大きな親水性を示す。すなわち、反応剤８はアルカリ金属と酸素を含むものである。反応剤８の表面からは、ナノオーダーの目には見えない無数の微細粒子が飛散し、この微細粒子が反応容器２の内壁と反応して水素が発生する。更に、水蒸気と親水性の微細粒子とが接触して著しく大量の水素を発生させる。なお、微細粒子の飛散量は、反応容器２内の温度が高い程増加するため、反応容器２内の温度が低下しないように管理することが重要となる。

【0030】

本実施形態では、反応容器２が水素発生反応に寄与しているが、反応容器２を水素発生反応に寄与しない上述の材料以外の材料、例えば炭素（Ｃ）、あるいはコンクリートブロック等で形成されている場合には、反応容器２内に前述の金属材料又はセラミック材の収納物を収納する必要がある。

【0031】

真空ポンプ２５の下流には水タンク５が設けられている。反応容器２内で発生した水素と未反応の水蒸気は真空ポンプ２５を通過し水タンク５内の水Ｗの中に流入する。水蒸気は水タンク５に入って水となる。一方、水素は水素採集管２３を介して更にその下流側に配置された流量計Ｆを通って水素タンク６に採集される。なお、水タンク５内の水Ｗは、水供給装置４の貯水タンクに戻してやっても良い。

【0032】

水素発生装置Ｍを制御する制御装置１は、気圧計Ｂ、流量計Ｆ、加熱装置３、水供給装置４、真空ポンプ２５及びバルブ２４と接続されている。制御装置１は、例えば、パーソナルコンピュータ等により構成され、図２に示すように、気圧制御手段の一例である制御部１１、記憶部１２、インターフェース部１３、表示部１４及び操作部１５を備えている。

【0033】

記憶部１２は、例えば、ＨＤＤ（Hard disk drive）等により構成されており、オペレーティングシステムや、アプリケーションプログラム等の各種プログラムを記憶する。特に、本実施形態の記憶部１２には、水素発生装置Ｍを制御するための各種処理を実行するアプリケーションプログラムが記憶されている。なお、各種プログラムは、例えば、他のサーバ装置等からネットワークを介して取得されるようにしても良いし、記録媒体に記録されて外付けドライブ装置を介して読み込まれるようにしても良い。

【0034】

インターフェース部１３は、他の装置、機器、計測器との間で送受信されるデータの窓口の役割を果たす。具体的には、インターフェース部１３は、気圧計Ｂから送信された反応容器２内の気圧を示す気圧情報や、流量計Ｆから送信された水素採集管２３を通過した水素の量を示す水素量情報を制御部１１が処理可能なデータに変換する。また、インターフェース部１３は、加熱装置３、水供給装置４、真空ポンプ２５及びバルブ２４に対して各々を制御するための制御情報を送信する際のデータ変換を行う。なお、バルブ２４は、制御装置１より受信する制御情報に基づいて水素排出管２２を開閉するようになっている。また、バルブ２４は、必要に応じて手動で開閉可能な構造となっている。

【0035】

表示部１４は、例えば、液晶ディスプレイ等により構成されており、オペレータが水素発生装置Ｍ或いは制御装置１を操作する際の操作画面や、反応容器２内の温度、水素採集管２３を通過した水素の量などを逐次表示する画面等を表示する。また、操作部１５は、例えば、キーボードやマウス等により構成されており、オペレータの操作を受け付け、操作内容を示す操作信号を制御部１１に送信する。

【0036】

制御部１１は、演算機能を有するＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、作業用のＲＡＭ（Random Access Memory）、及び図示しない発振回路等を備えて構成されており、操作部１５から受信した操作信号に基づいて、オペレータの操作内容に応じた処理を行う。

【0037】

水素発生装置Ｍにおいては、反応容器２内の気圧が常圧の場合でも減圧された状態の場合でも、水素が発生するが、反応容器２内に注入された水が全て瞬間的に反応して水素が発生するわけではない。また、発生した水素は一定時間、反応容器２内に滞留させておくのが好ましいが、常圧より高い気圧下で長時間滞留させておくと、特殊反応時に熱線等の影響で反応容器２が破損することから、滞留時間を適切に制御する必要がある。特に、減圧下においては、特殊反応が生じやすいことから、より適切に滞留時間を制御して反応容器２への影響を軽減する必要がある。

【0038】

よって、制御部１１は、減圧下にある反応容器２内における水素の滞留時間を適切に制御するように、真空ポンプ２５及びバルブ２４を制御する。ここで、図３を用いて、制御部１１が、気圧計Ｂから受信した気圧情報に基づいて、水素発生装置Ｍを制御する制御処理について説明する。なお、本実施形態では、制御部１１は継続的に気圧情報を受信する。また、反応容器２が設置される場所における常圧の値は予め記憶部１２に記憶されているものとする。

【0039】

まず、制御部１１は、水素発生装置Ｍの運転開始前の反応容器２内を初期状態とするために減圧処理を行う（ステップＳ１１）。具体的には、反応容器２内の気圧が−０．５気圧から−１気圧程度になるまで減圧処理を行う。初期状態になったら、制御部１１は、水素発生装置Ｍの運転を開始すべく、加熱装置３に反応容器２に対する加熱を開始させ（ステップＳ１２）、水供給装置４に設定量分の水を供給させる（ステップＳ１３）。

【0040】

次に、制御部１１は気圧情報を参照し、反応容器２内の気圧が常圧を超えているか否かを判定する（ステップＳ１４）。制御部１１は、反応容器２内の気圧が常圧を超えていないと判定した場合（ステップＳ１４：ＮＯ）には、ステップＳ１８の処理に移行する。一方、制御部１１は、反応容器２内の気圧が常圧を超えていると判定した場合（ステップＳ１４：ＹＥＳ）には、時間の計測を開始する（ステップＳ１５）。なお、時間の計測は、システム時計などを用いて行うことができる。

【0041】

次いで、制御部１１は、ステップＳ１５の処理で時間の計測を開始してから、予め設定された上限時間に達したか否かを判定する（ステップＳ１６）。上限時間は、反応容器２内に常圧を超えた気圧下で水素を滞留させておいても反応容器２を損傷させない時間からマージン（余裕値）を差し引いた時間を実験的に取得して設定することとする。制御部１１は、計測時間が上限時間に達したと判定するまでステップＳ１６の処理を繰り返し（ステップＳ１６：ＮＯ）、計測時間が上限時間に達したと判定した場合には（ステップＳ１６：ＹＥＳ）、反応容器２内の気圧を減圧するために、減圧処理を行い（ステップＳ１７）、ステップＳ１４の処理に移行する。

【0042】

一方、制御部１１は、ステップＳ１４の処理で、反応容器２内の気圧が常圧を超えていないと判定した場合（ステップＳ１４：ＮＯ）には、次いで、単位時間当たりの気圧の上昇度を算出して、気圧の上昇度が予め定められた設定値を下回っているか否かを判定する（ステップＳ１８）。このとき、制御部１１は、気圧の上昇度が予め定められた設定値を下回っていないと判定した場合には（ステップＳ１８：ＮＯ）、ステップＳ１４の処理に移行する。一方、制御部１１は、気圧の上昇度が予め定められた設定値を下回っていると判定した場合には（ステップＳ１８：ＹＥＳ）、水供給装置４に設定量分の水（又は水蒸気）を供給させ（ステップＳ１９）、ステップＳ１４の処理に移行する。

【0043】

以上説明したように、本実施形態の水素発生装置Ｍは、加熱装置３が、空気中の酸素を除去した無酸素状態の反応容器２内に配置されたアルカリ金属及び酸素を含む反応剤８と、反応容器２内に配置された表面に酸化物の膜を形成する金属材料又は酸化物から形成される酸化物材料と、水を加熱し、気圧計Ｂが反応容器２内の気圧Ｐを測定し、制御部１１が、気圧計Ｂにより測定された気圧が常圧以上である時間を計測し、計測時間が予め設定された上限時間に達した場合に反応容器２内から水素を排出させて、反応容器２内の気圧を低下させる。したがって、本実施形態の水素発生装置Ｍによれば、反応容器２内の気圧が上限時間（一定時間）以上常圧より高い状態が継続することがなくなり、反応容器２が損傷してしまう危険性を回避することができる。

【0044】

なお、本実施形態では、単位時間当たりの気圧の上昇度を算出して、気圧の上昇度が予め定められた設定値を下回っている場合に、反応容器２内に新たに水を供給することとしたが、これに代えて又はこれに加えて、制御部１１が、気圧の上昇度が予め定められた設定値を下回っている場合に、加熱装置３による加熱温度を上昇させたり、気圧の上昇度が予め定められた設定値を下回っている旨を示す警告メッセージ（または、水素の発生量が減少している旨を示す警告メッセージ）を表示部１４に表示させたり、新たに反応剤８を供給させる指示内容を示すメッセージ（例えば「反応剤を追加して下さい。」）を表示部１４に表示させたりすることとしてもよい。

【0045】

次に、上記実施形態の変形例について説明する。上記実施形態では、反応容器２内の気圧が常圧以上である時間が予め設定された上限時間に達した場合に、反応容器２内から水素を排出させて、反応容器２内の気圧を低下させることとしたが、本変形例では反応容器２内の気圧が予め設定された上限値に達した場合に、反応容器２内から水素を排出させて、反応容器２内の気圧を低下させることとする。本変形例の気圧制御について図４を用いて説明する。運転開始前のＴ０の時点における反応容器２内の気圧Ｐ０は常圧である。まず、制御部１１は、反応容器２内を初期状態とするために、バルブ２４を開けるとともに真空ポンプ２５を作動させる減圧処理を行い、反応容器２内の気圧ＰをＰ１（本変形例では−１気圧とする。なお、Ｐ１は−０．５〜−１気圧に設定するのが好ましい。）まで減圧させる（Ｔ１〜Ｔ２）。

【0046】

初期状態になったら、制御部１１は水素発生装置Ｍの運転を開始する。具体的には、制御部１１は、加熱装置３に反応容器２の加熱を開始させるとともに、水供給装置４に予め設定された設定量分の水を供給させる。反応容器２が熱せられると、水素が発生して徐々に反応容器２内の気圧Ｐが上昇し始める（Ｔ３〜Ｔ４）。制御部１１は、気圧ＰがＰ０に達すると減圧処理、すなわち、バルブ２４を開けるとともに真空ポンプ２５を作動させ、水素及び水蒸気を排出する処理を行い、反応容器２内の気圧ＰをＰ１まで減圧させる（Ｔ４〜Ｔ５）。制御部１１は、反応容器２内の気圧ＰがＰ１まで下がったら、バルブ２４を閉じるとともに真空ポンプ２５を停止させ、減圧処理を停止する。

【0047】

このように、制御部１１は、水素が発生することにより反応容器２内の気圧ＰがＰ０に達する度に減圧処理を行い、気圧ＰをＰ１まで減圧させる（Ｔ５〜Ｔ７）。一方で、制御部１１は、単位時間当たりの気圧Ｐの上昇度が予め定められた設定値を下回った場合に（Ｔ７〜Ｔ８）、水供給装置４に水を設定量分、新たに供給させる（Ｔ８）。但し、収納皿７内の反応剤８は十分に残っているものとし、反応剤８の残量が少ない場合には反応剤８を追加する必要がある。以降、制御部１１は、反応容器２内の気圧Ｐに応じて、減圧処理及び水供給処理を行う。つまり、制御部１１は、反応容器２内の気圧ＰをＰ０からＰ１の範囲内に制御するとともに、単位時間当たりの気圧Ｐの上昇度が予め定めた設定値を下回った場合（反応容器２内の水蒸気の量が減った場合）に、水を供給するようになっている。なお、ここでは、気圧Ｐの上限値をＰ０（常圧）としたが、上限値を常圧より低い値に設定することとしてもよい。

【0048】

次に、図５を用いて、制御部１１が、気圧計Ｂから受信した気圧情報に基づいて、水素発生装置Ｍを制御する制御処理について説明する。なお、制御部１１は継続的に気圧情報を受信するものとする。

【0049】

まず、制御部１１は、水素発生装置Ｍの運転開始前の反応容器２内を初期状態とするために減圧処理を行う（ステップＳ３１）。初期状態になったら、制御部１１は、水素発生装置Ｍの運転を開始すべく、加熱装置３に反応容器２に対する加熱を開始させ（ステップＳ３２）、水供給装置４に設定量分の水を供給させる（ステップＳ３３）。

【0050】

次に、制御部１１は気圧情報を参照し、反応容器２内の気圧ＰがＰ０（常圧）に達しているか否かを判定する（ステップＳ３４）。このとき、制御部１１は、反応容器２内の気圧ＰがＰ０（常圧）に達していると判定した場合（ステップＳ３４：ＹＥＳ）には、反応容器２内の気圧ＰをＰ１まで減圧するために、減圧処理を行い（ステップＳ３５）、ステップＳ３４の処理に移行する。一方、制御部１１は、反応容器２内の気圧ＰがＰ０（常圧）に達していないと判定した場合（ステップＳ３４：ＮＯ）には、次いで、単位時間当たりの気圧Ｐの上昇度を算出して、気圧Ｐの上昇度が予め定められた設定値を下回っているか否かを判定する（ステップＳ３６）。このとき、制御部１１は、気圧Ｐの上昇度が予め定められた設定値を下回っていないと判定した場合には（ステップＳ３６：ＮＯ）、ステップＳ３４の処理に移行する。一方、制御部１１は、気圧Ｐの上昇度が予め定められた設定値を下回っていると判定した場合には（ステップＳ３６：ＹＥＳ）、水供給装置４に設定量分の水（又は水蒸気）を供給させ（ステップＳ３７）、ステップＳ３４の処理に移行する。

【0051】

以上説明したように、本変形例の水素発生装置Ｍは、加熱装置３が、空気中の酸素を除去した無酸素状態の反応容器２内に配置されたアルカリ金属及び酸素を含む反応剤８と、反応容器２内に配置された表面に酸化物の膜を形成する金属材料又は酸化物から形成される酸化物材料を加熱し、気圧計Ｂが反応容器２内の気圧Ｐを測定し、制御部１１が、気圧計Ｂにより測定された気圧Ｐが図４におけるＰ０（「予め設定された上限値」の一例。）まで上昇した場合に反応容器２内から水素を排出させて、反応容器２内の気圧を低下させる。したがって、本変形例の水素発生装置Ｍによれば、反応容器２内の気圧ＰがＰ０まで上昇した場合に、反応容器２内から水素が排出されて反応容器２内の気圧Ｐが低下することから、Ｐ０を適切に設定することにより、反応容器２内の気圧Ｐが一定時間以上常圧より高い状態が継続することを避けることができ、反応容器２が損傷してしまう危険性を回避することができる。

【0052】

また、本変形例では、反応容器２内の気圧ＰがＰ０（常圧）以下である状態で水素発生装置Ｍを運転するために、減圧処理を開始する気圧としてＰ０を設定した。これは、反応容器２内が常圧以上の気圧であると、発生した水素が反応容器２の内壁付近に滞溜して反応を妨げたり、反応容器２を損傷させたりする場合があるためである。したがって、本変形例のように減圧環境下で運転した場合、発生した水素がその内壁から除去され、反応が活性化し、より大量の水素を採集することができるとともに、反応容器２を損傷させない。また、水素発生装置Ｍの運転中、常時、反応容器２内の気圧が常圧以下の気圧（例えば、−１気圧）となるよう真空ポンプ２５を作動させることもできるが、本変形例のように反応容器２内の気圧が一定の値まで上昇した場合にのみ真空ポンプ２５を作動させることにより運転コストを下げることができる。

【0053】

さらに、本変形例の水素発生装置Ｍは、水供給装置４が、反応容器２内に予め設定された設定量の水又は水蒸気を供給する。したがって、本変形例の水素発生装置Ｍによれば、反応容器２内に供給された水蒸気（又は水が熱せられてできた水蒸気）は、反応容器２の内壁に接触し電離して水素を放出することから、水素の発生量を増加させることができる。

【0054】

さらにまた、本変形例の水素発生装置Ｍは、水供給装置４が、気圧計Ｂにより測定された気圧の単位時間当たりの上昇値が予め設定された下限値を下回った場合に、水又は水蒸気を供給する。したがって、本変形例の水素発生装置Ｍによれば、水素の発生量が減少した場合（反応容器２内の気圧の上昇値が低下した場合）に、水又は水蒸気が供給されることから、水素の発生量が減少している時間を短くすることができる。

【0055】

なお、本変形例では、上述したように、水素発生装置Ｍを減圧環境下で運転するために、減圧処理を開始させる気圧の上限値としてＰ０を設定したが、減圧処理を開始させる気圧の上限値は、Ｐ０以外の常圧より低い気圧を示す値（例えば、−０．１気圧等）を設定することとしてもよい。

【0056】

その一方で、反応容器２内の気圧が常圧以上の気圧である場合であっても、水素は発生する。よって、図６に示すように、反応容器２内の気圧ＰがＰ０（常圧）の状態で水素発生装置Ｍの運転を開始し、反応容器２内の気圧ＰがＰ２に達したら、反応容器２内の気圧ＰをＰ０（常圧）になるまで減圧処理を行う構成としてもよい。このとき、Ｐ２（減圧処理を開始する気圧）は、反応容器２内の気圧（内圧）により損傷する値からマージン（余裕値）を差し引いた値に設定するのが好適である。これにより、反応容器２が内圧により損傷することなく、安全に水素発生装置Ｍを運転させることができる。

【0057】

また、図７に示すように、反応容器２の外周に冷却手段としての水冷ジャケットＪを巻き付け、冷却制御手段としての制御部１１が、反応容器２内で水素が発生している際に、水冷ジャケットＪに水を供給し、反応容器２を冷却することしてもよい。この場合、制御部１１は、反応容器２を絶えず冷却するのではなく、図８に示すように、水素が発生している期間（例えば、図８におけるＴ３〜Ｔ４、Ｔ５〜Ｔ６、Ｔ７〜Ｔ９）の一部の期間について、反応容器２内の気温Ｔを低下させることとする。これにより、反応容器２内が、水素発生反応中に一時的に冷却されることとなり、水素発生反応を刺激し、水素の発生量を増加させることができる。

【0058】

さらに、本変形例では、気圧の上昇度が予め定められた設定値を下回った場合に（図５のステップＳ３６：ＮＯ）、水（又は水蒸気）を設定量分供給することとしたが、ステップＳ３６の処理を行うことなく、設定量分の水（又は水蒸気）を供給してから水素の発生反応が活発化し、反応が鈍くなるまでの時間を予め求めておき、その時間が経過する毎に水（又は水蒸気）を設定量分供給することとしてもよい（すなわち、定期的に水（又は水蒸気）を供給することとしてもよい）。また、図５のステップＳ３７の処理において水（又は水蒸気）を供給する場合、又は一定時間毎に水（又は水蒸気）を供給する場合において、所定回数（例えば、５回）に一回は設定量より多くの水（又は水蒸気）を供給することとしてもよい。具体的には、所定回数おき（例えば、５回目、１０回目、１５回目、・・・）に、設定量の２倍の水を供給することとしてもよい。水を多く供給した回では、他の回よりも反応容器２内の水蒸気量が急激に増加することにより、水素発生反応を刺激し、水素の発生量を増加させることができる。

【符号の説明】

【0059】

Ｍ 水素発生装置
１ 制御装置
１１ 制御部
１２ 記憶部
１３ インターフェース部
１４ 表示部
１５ 操作部
２ 反応容器
３ 加熱装置
４ 水供給装置
５ 水タンク
６ 水素タンク
７ 収納皿
８ 反応剤
２１ 水供給管
２２ 水素排出管
２３ 水素採集管
２４ バルブ
２５ 真空ポンプ
Ｆ 流量計
Ｂ 気圧計

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】