特開 2023-74131 水素製造用の反応器または水素製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023074131

(43)【公開日】2023-05-29

(54)【発明の名称】水素製造用の反応器または水素製造方法

(51)【国際特許分類】

   C01B 3/02 20060101AFI20230522BHJP

   C01B 3/08 20060101ALI20230522BHJP

【ＦＩ】

C01B3/02 F

C01B3/08 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】9

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021186913

(22)【出願日】2021-11-17

(71)【出願人】

【識別番号】000211307

【氏名又は名称】中国電力株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】504136568

【氏名又は名称】国立大学法人広島大学

(74)【代理人】

【識別番号】110000176

【氏名又は名称】弁理士法人一色国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】松村 栄郎

(72)【発明者】

【氏名】西田 秀高

(72)【発明者】

【氏名】市川 貴之

(72)【発明者】

【氏名】宮岡 裕樹

(57)【要約】

【課題】安定して水素を製造できる装置を提供する。
【解決手段】アルカリ金属とアルカリ金属水酸化物とを反応させてアルカリ金属酸化物と水素を生成する第１過程、アルカリ金属酸化物を加熱してアルカリ金属過酸化物とアルカリ金属を生成する第２過程、及び、アルカリ金属過酸化物と水とを反応させてアルカリ金属水酸化物と酸素を生成する第４過程、を実行する反応容器と、前記第２過程で発生したアルカリ金属を凝縮させる第３過程を実行する凝縮容器と、前記反応容器と前記凝縮容器とを接続し、前記反応容器と前記凝縮容器との間でアルカリ金属を移動させる移動部と、を備える、水素を製造する反応器を提供する。
【選択図】 図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

アルカリ金属とアルカリ金属水酸化物とを反応させてアルカリ金属酸化物と水素を生成する第１過程、アルカリ金属酸化物を加熱してアルカリ金属過酸化物とアルカリ金属を生成する第２過程、及び、アルカリ金属過酸化物と水とを反応させてアルカリ金属水酸化物と酸素を生成する第４過程、を実行する反応容器と、
前記第２過程で発生したアルカリ金属を凝縮させる第３過程を実行する凝縮容器と、
前記反応容器と前記凝縮容器とを接続し、前記反応容器と前記凝縮容器との間でアルカリ金属を移動させる移動部と、を備える、水素製造用の反応器。

【請求項2】

前記移動部は、
前記反応容器の上部と前記凝縮容器の上部とを接続し、前記第２過程で生成された気体のアルカリ金属を前記反応容器から前記凝縮容器へ移動させる第１配管と、
前記反応容器の下部と前記凝縮容器の下部とを接続し、前記第３過程で凝縮した液体のアルカリ金属を前記凝縮容器から前記反応容器へ移動させる第２配管と、を有する、
請求項１に記載の反応器。

【請求項3】

前記反応容器、前記凝縮容器、及び前記移動部を格納する、不活性ガスが充填された格納容器をさらに備える、請求項１または２に記載の反応器。

【請求項4】

前記反応容器の加熱及び冷却を行う反応用熱交換部と、
前記凝縮容器の加熱及び冷却を行う凝縮用熱交換部と、をさらに備える、請求項１から３のいずれか１項に記載の反応器。

【請求項5】

前記反応用熱交換部は、前記反応容器で生成された水素を燃焼して得られた熱を用いて前記反応容器の加熱を行う、請求項４に記載の反応器。

【請求項6】

前記反応容器から水素を排出する水素排出部と、
前記反応容器から酸素を排出する酸素排出部と、
前記反応容器に水を注入する注入部と、をさらに備える請求項１から５のいずれか１項に記載の反応器。

【請求項7】

前記アルカリ金属はナトリウム、リチウム、及びカリウムから選択される、請求項１から６のいずれか１項に記載の反応器。

【請求項8】

請求項１から７のいずれか１項に記載の反応器を複数備え、
複数の前記反応器は、互いに周期をずらして前記第１過程から前記第４過程を実行する、システム。

【請求項9】

反応容器、凝縮容器、及び、前記反応容器と前記凝縮容器とを接続し、前記反応容器と前記凝縮容器との間でアルカリ金属を移動させる移動部を備えた反応器において、
前記反応容器でアルカリ金属とアルカリ金属水酸化物とを反応させてアルカリ金属酸化物と水素を生成する第１過程と、
前記反応容器でアルカリ金属酸化物を加熱してアルカリ金属過酸化物とアルカリ金属を生成する第２過程と、
前記第２過程で発生したアルカリ金属を前記凝縮容器で凝縮させる第３過程と、
前記反応容器でアルカリ金属過酸化物と水とを反応させてアルカリ金属水酸化物と酸素を生成する第４過程と、を実行する、
水素製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、水素製造用の反応器または水素製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来技術として、熱を利用して水素製造する低温熱化学水分解による水素製造法が提案されている（非特許文献１）。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0003】

【非特許文献1】小島由継、他３名、"５００℃以下の熱を利用した水分解による水素製造"、2015年9月8日、新技術説明会、[2021年７月5日検索]、インターネット＜ＵＲＬ：https://shingi.jst.go.jp/past_abst/abst/p/15/hiroshima/hiroshima06.pdf＞

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

従来技術では、水素の製造理論が明らかになっている。しかし、この理論を用いて安定して水素を製造するための装置及び方法は、いずれも明らかになっていない。

【課題を解決するための手段】

【0005】

前述した課題を解決するため本発明は、一態様として、アルカリ金属とアルカリ金属水酸化物とを反応させてアルカリ金属酸化物と水素を生成する第１過程、アルカリ金属酸化物を加熱してアルカリ金属過酸化物とアルカリ金属を生成する第２過程、及び、アルカリ金属過酸化物と水とを反応させてアルカリ金属水酸化物と酸素を生成する第４過程、を実行する反応容器と、前記第２過程で発生したアルカリ金属を凝縮させる第３過程を実行する凝縮容器と、前記反応容器と前記凝縮容器とを接続し、前記反応容器と前記凝縮容器との間でアルカリ金属を移動させる移動部と、を備えた、水素製造用の反応器を提供する。

【発明の効果】

【0006】

本発明によれば、安定して水素を製造するための装置または方法が提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】第１実施形態に係る発電システムの構成を示す図である。

【図2】第１実施形態に係るＯＲＣ発電機構の構成を示す図である

【図3】第１実施形態に係る反応器の構成を示す図である。

【図4】反応器における反応１の過程を（ａ）～（ｃ）の順に示す図である。

【図5】反応器における反応２、３の過程を（ａ）～（ｃ）の順に示す図である。

【図6】反応器における反応４の過程を（ａ）～（ｃ）の順に示す図である。

【図7】反応器における反応４の過程を（ａ）～（ｂ）の順に示す図である。

【図8】（ａ）反応器における温度経過を示すグラフである。（ｂ）、（ｃ）の各図は、第２、第３の反応器（変形例）での温度経過を示すグラフである。

【図9】発電システムにおける熱量の移動と発電効率を示す図であり、熱源から供給される熱が（ａ）１００℃であった場合と（ｂ）１５０℃であった場合とにおける、計算結果を示す。

【図10】第２実施形態に係る発電システムを示す図である。

【図11】変形例に係る、低温加熱媒体として蒸気を使用した発電システムの構成を示す図である。

【図12】変形例に係る、低温加熱媒体として空気を使用した発電システムの構成を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0008】

＜第１実施形態＞
図１～図９を参照しつつ、発電方法の一実施形態である発電システム１００について、以下のとおり説明する。図１は、発電システム１００の構成の一例を示す図である。

【0009】

なお、明細書及び図面では、物質の個体、液体、気体の別を、物質名の後にそれぞれ（ｓ）、（ｌ）、（ｇ）を付すことによって示している。

【0010】

（概要）
発電システム１００は、図１に示すように、熱源１、熱交換器２、反応器３、水素（Ｈ_２）タンク４、圧縮機５、発電機構６、ＯＲＣ発電機構７、ファン８、ポンプ９、及び供給部１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃを備える。

【0011】

熱源１は、発電所及び工場の少なくとも１つから排出される廃熱を含む。例えば、ボイラ煙道や製造設備からの廃熱などである。または、熱源１は、太陽熱などの自然エネルギーを由来とする熱源を含んでもよい。

【0012】

熱源１から供給される熱の温度は、１００℃（摂氏１００度）以上４００℃未満であり、特に工場や発電所の廃熱である場合は、１００℃以上２００℃以下である。

【0013】

熱交換器２は、熱源１からの熱を用いて媒体（低温加熱媒体）を加熱する機能を有する。本実施形態では図１のように低温加熱媒体として水を用いるが、この場合、熱交換器２は水を加熱して蒸気（１００℃以上１５０℃以下）を生成する。なお、熱源１から熱を運ぶ低温加熱媒体としては、空気などの気体など、水の他にも様々な物質が考えられる。

【0014】

反応器３は、熱交換器から低温加熱媒体を介して熱の供給を受け、水素を製造する。反応器３が用いる水素の製造方法は、ナトリウム、カリウム、リチウムなどのアルカリ金属を用いた低温熱化学水分解である（非特許文献１参照）。本実施形態ではアルカリ金属としてナトリウムを用いるものとし、詳細は後述する。

【0015】

水素タンク４は、反応器３で製造された水素を貯蔵するタンクである。圧縮機５は、水素タンク４から水素を取り出して加圧し、発電機構６へ供給する機能を有する。

【0016】

発電機構６は、水素を燃料として発電を行う機構である。発電機構６は、発動機６１と発電機６２とを備える。

【0017】

発動機６１は、水素を燃料として動力を発生させる装置であり、本実施形態ではロータリエンジンが用いられる。発電機６２は発動機６１から動力を得て、発電を行う。発動機６１は高温の廃熱を発生させる。

【0018】

なお、発動機６１にはレシプロエンジン、ガスタービン等、ロータリエンジン以外の発動機が用いられてもよいし、発電機構６として燃料電池が用いられてもよい。いずれの装置も熱を発生させるが、廃熱温度が高いロータリエンジンを発動機６１として用いることが好適である。また、ロータリエンジンは、レシプロエンジンと異なってローターの慣性力が大きく、定常運転に適している。

【0019】

ＯＲＣ発電機構７は、１００℃以下で気化する有機媒体を用いたオーガニックランキンサイクル（ＯＲＣ）による発電を行う機構である。ＯＲＣ発電機構７は、蒸発器７１、タービン７２、タービン７２によって駆動される発電機７３、及び凝縮器７４を備える（図２）。

【0020】

蒸発器７１は、有機媒体を加熱して蒸発させる装置である。なお、図２では有機媒体として、シリコンオイルを用いた例を示す。蒸発器７１の熱源は、反応器３で発生する約１００℃の加熱空気または蒸気である。

【0021】

蒸発器７１で蒸発した有機媒体は、タービン７２を駆動し、発電機７３はタービン７２から駆動力を得て発電を行う。

【0022】

タービン７２を駆動した後の有機媒体は凝縮器７４で凝縮し、ポンプによって再び蒸発器７１へ供給される。

【0023】

ファン８は、外気を冷却媒体として反応器３へ送り込む機能を有する。

【0024】

ポンプ９は、蒸発器７１で冷却された水を熱交換器２へ供給する機能を有する。

【0025】

供給部１０Ａは、発電機構６で発生した熱を、発動機６１へ供給する機能を有する。本実施形態において、供給部１０Ａは、発動機６１の廃熱を用いて５００℃以上８００℃以下の蒸気を発生させ、発生した蒸気を高温加熱媒体として配管を介して反応器３へ供給する。

【0026】

供給部１０Ｂは、熱源１からの熱を、低温加熱媒体を用いて反応器３へ供給する配管である。低温加熱媒体としては水または空気が考えられるが、本実施形態では水が用いられる。

【0027】

供給部１０Ｃは、ファン８から空気の供給を受け、冷却媒体として反応器３へ供給する配管である。

【0028】

（反応器の詳細）
反応器３の詳細を以下に説明する。反応器３は、ナトリウムレドックスサイクルによる低温熱化学水分解を行う装置である。反応器３は、図３に示すように、熱交換部３１、反応部３２、凝縮部３３、冷却部３４、配管３５Ａ、３５Ｂ、配管３７Ａ、３７Ｂ、３７Ｃを備え、これらは格納容器３０の内部に格納される。

【0029】

格納容器３０は、反応器３の外殻を成す容器であり、反応器３を構成する主要な装置を内部に格納する。格納容器３０の内部には、ナトリウム流出時の火災や被害拡大を防止するため、窒素などの不活性ガスが充填される。

【0030】

反応部３２は密閉可能な容器であり、内部で水素の生成、製造がおこなわれる。反応部３２にはナトリウムまたはナトリウム化合物が貯蔵される。反応部３２は凝縮部３３と配管３５Ａ、３５Ｂを介して接続されている。反応部３２に貯蔵されるナトリウムは、配管３５Ａ、３５Ｂを介して凝縮部３３との間で移動可能である。反応部３２の上部には、配管３７Ａ、３７Ｂ、３７Ｃが接続されており、水、酸素、及び水素の排出又は供給が行われる。

【0031】

熱交換部３１は、反応部３２の加熱と冷却を行う装置である。熱交換部３１は、供給部１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃと接続されており、それぞれから高温加熱媒体、低温加熱媒体、及び冷却媒体の供給を受ける。供給部１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃには、熱交換部３１との接続部付近においてそれぞれ弁が備えられており、配管の開閉が可能である。

【0032】

凝縮部３３は中空の容器であり、反応部３２で気化したナトリウムを凝縮させる機能を有する。凝縮部３３は、配管３５Ａ、３５Ｂを介して反応部３２と接続され、反応部３２との間でナトリウムの授受を行う。

【0033】

配管３５Ａ、３５Ｂにはそれぞれ、配管の開閉を可能とする弁が備わっている。また、配管３５Ａ、３５Ｂは加温されており、通過するナトリウムの相変化が防止されている。

【0034】

配管３５Ａは、反応部３２の上部と凝縮部３３の上部とを接続し、配管３５Ａは、気化したナトリウムを反応部３２から凝縮部３３へ移動させる機能を備える。

【0035】

配管３５Ｂは、反応部３２の下部と凝縮部３３の下部とを接続し、液体ナトリウムを凝縮部３３から反応部３２へ流す機能を備える。配管３５Ｂは、凝縮部３３から反応部３２へ向けて下方に傾斜しており、ナトリウムの流動を容易にしている。

【0036】

冷却部３４は、凝縮部３３の周囲を囲むように取り付けられた中空の容器であり、凝縮部３３を冷却する機能を有する。冷却部３４は供給部１０Ｃと接続しており、その内部に冷却媒体として空気の供給を受ける。また、冷却部３４は供給部１０Ｂと接続しており、蒸気（低温加熱媒体）の供給を受ける。そのため冷却部３４は、凝縮部３３を加熱することもできる。

【0037】

配管３７Ａ、３７Ｂ、３７Ｃは、反応部３２に接続される。配管３７Ａ、３７Ｂ、３７Ｃにはそれぞれ、配管の開閉を可能とする弁が備わっている。配管３７Ａは反応部３２への水の供給を行う機能を有し、配管３７Ｂは反応部３２から酸素（ｇ）の排出を行う機能を有する。配管３７Ｃは、反応部３２と水素タンク４を接続しており、水素を反応部３２から水素タンク４へ供給する機能を有する。

【0038】

（水素製造）
反応器３における水素製造は、反応１～反応４という、４つの過程によって構成される。簡略に述べると、反応１は、アルカリ金属（本実施形態ではナトリウム）とアルカリ金属水酸化物とを反応させて、アルカリ金属酸化物と水素を生成させる過程である。反応２は、アルカリ金属酸化物を分解してアルカリ金属過酸化物とアルカリ金属を生成させる過程である。反応３はアルカリ金属を凝縮させる過程であり、反応２と並行して実施される。反応４は、アルカリ金属過酸化物と水とを反応させて、アルカリ金属水酸化物と酸素を発生させる過程である。

【0039】

以下に各反応の詳細を図４～図８を用いて順次説明する。

【0040】

〔反応１〕
反応１では、まず供給部１０Ａ、１０Ｂによって熱交換部３１に低温加熱媒体及び高温加熱媒体が供給され、反応部３２が３５０℃に加熱される（図４（ａ））。配管３５Ａ、３５Ｂはいずれも閉鎖されている。

【0041】

反応部３２の加熱に伴い、反応部３２に貯蔵される液体ナトリウムと水酸化ナトリウム（ｓ）が加熱され、酸化ナトリウム（ｓ）と水素（ｇ）が生成される（図４（ｂ）、（ｃ））。これは吸熱反応である。発生した水素（ｇ）は、配管３７Ｃを介して反応部３２から取り出され、水素タンク４へ供給される。

【0042】

〔反応２〕
次に、低温加熱媒体及び高温加熱媒体を用いて、反応部３２及びその内部の酸化ナトリウム（ｓ）が、さらに４００℃まで加熱される（図５（ａ））。一方で、冷却部３４に供給部１０Ｃを介して冷却媒体が供給され、凝縮部３３は１００℃以下に保たれる。

【0043】

加熱されることにより、酸化ナトリウム（ｓ）は、過酸化ナトリウム（ｓ）とナトリウム（ｇ）に分解される（図５（ｂ））。ナトリウム（ｇ）の生成に伴って配管３７Ａが開かれ、ナトリウム（ｇ）は凝縮部３３へ移動する。

【0044】

生成したナトリウム（ｇ）の移動が完了すると、配管３５Ａは再び閉鎖される（図５（ｃ））。

【0045】

反応２でナトリウム（ｇ）を全て凝縮部３３へ移動させることにより、後工程の反応４において、水とナトリウムとが爆発的に反応してしまうことが防止されている。

【0046】

〔反応３〕
凝縮部３３へ移動したナトリウム（ｇ）は１００℃以下に冷却されて凝縮し、ナトリウム（ｌ、ｓ）となる（図５（ｂ））。ナトリウム（ｓ）が含まれている場合、後で冷却部３４により凝縮部３３を加熱し、ナトリウム（ｓ）を融解させてもよい。

【0047】

〔反応４〕
反応４では、まず供給部１０Ｃから熱交換部３１に冷却媒体が供給され、反応部３２は１１０℃に保持される（図６（ａ））。一方、凝縮部３３は、１００℃以下に保たれ、ナトリウム（ｌ、ｓ）が内部に保持される。同時に、反応部３２に配管３７Ａから水（ｌ）が注入される。

【0048】

反応部３２の内部では、過酸化ナトリウム（ｓ）と水（ｌ）とが反応し、酸素（ｇ）と水酸化ナトリウム（ｓ）が生成される（図６（ｂ））。水（ｌ）の注入は、全ての過酸化ナトリウム（ｓ）が反応するまで継続される（図６（ｃ））。発生した酸素（ｇ）は、配管３７Ｂによって反応部３２から排出される。

【0049】

全ての過酸化ナトリウム（ｓ）が反応した後、配管３５Ｂが開かれ、ナトリウム（ｌ）が凝縮部３３から反応部３２へと移動する（図７（ａ））。ナトリウム（ｌ）の移動完了後、配管３５Ｂは閉鎖される。

【0050】

反応４の終了後は、図７（ｂ）に示すように、反応１の開始時と同じ状態となっている。図８（ａ）は、反応１～４における反応器３の温度変化を示したものであるが、この図に示すように、反応器３において反応１～４のサイクル（周期）を繰り返すことによって、水素の製造が継続される。

【0051】

（熱効率）
上記のように構成される発電システム１００における発電効率を、図９を用いて説明する。図９では、発電システム１００における熱量の移動を矢印で示し、さらに各装置、機構において消費される熱量を計算している。

【0052】

図９におけるカッコ内の数字は各装置及び機構に供給される熱量を示したものであり、熱源１から反応器３へ供給される熱量を１００として基準化している。

【0053】

図９では、反応器３に供給された熱量の３５％が水素製造に利用され、６５％の熱量が排出されるものとしている。

【0054】

ＯＲＣ発電機構７では反応器３から排出される熱量の６０％が利用され、その６０％の熱量のうち１９％が電気に変換されるものとする。また、発電機構６では発動機６１としてロータリエンジンを使用し、水素の燃焼により発生する熱量の３０％が電気に変換されるものとする。

【0055】

このような前提の下で、反応器３での水素製造に使用される熱量と排出される熱量、並びに、ＯＲＣ発電機構７及び発電機構６における発電効率は、図９に示すように計算される。

【0056】

詳細に述べると、発動機６１であるロータリエンジンの廃熱は高温であるため、エンジンの廃熱から５００℃以上８００℃以下の蒸気（高温加熱媒体）を生成して、さらに熱源１から供給される１００℃の蒸気（低温加熱媒体）に加えることにより、４００℃以上の蒸気を得ることができる。４００℃以上の蒸気を反応器３で用いることにより、４００℃以上の温度を必要とする低温熱化学水分解が実行可能となる。

【0057】

この場合、発動機６１から供給されるべき熱量は、熱源１からの熱量の２２％程度（エンジン廃熱の約７５％）で足りる。これは、０．１ＭＰａ（１気圧）における４００℃の過熱蒸気の比エンタルピ（３２７９ｋＪ／ｋｇ）が、１００℃の過熱蒸気の比エンタルピ（２６７６ｋＪ／ｋｇ）の約１２２％であることから明らかである。

【0058】

発電システム１００の全体での発電効率は、発電機構６での発電量１２．８とＯＲＣ発電機構７での発電量９．０とを加算し、システム全体の発電量が２１．８であることから、２１．８％と導出できる。発電システム１００は、１００℃の廃熱を使用しながらも、このような高効率な発電を実現している。

【0059】

なお、熱源１からの熱が１５０℃である場合、反応器３へ供給する熱を４５０℃とできるため、図９（ｂ）に示すように、発電効率は２２．６％とさらに高くなる。このように熱源１から供給される温度が高いほどシステムの発電効率は高くなる。

【0060】

熱源１から供給される熱の温度は４００℃未満であるため、この熱を直接用いても水素製造を実行することはできない。水素製造ができない場合、１００℃の廃熱からはＯＲＣ発電が実行できるだけであり、システム全体での発電効率は１１％程度しか望めない。

【0061】

一方、発電システム１００では、高温の廃熱を生み出す発電機構６を組み込むことによって４００℃以上の温度生成を実現し、低温熱化学水分解による水素製造を可能としている。そして、製造された水素を燃料とした発電が実行されることにより、上記のような高効率の発電を実現している。

【0062】

特に、発電機構６の発電効率が１２．８％であり、ＯＲＣ発電機構７よりも高効率であることに着目すべきである。これは、熱源１－反応器３－発電機構６という系統だけで、従来と同等か、それよりも高い発電効率を実現していることを示唆する。

【0063】

＜第２実施形態＞
第１実施形態では、低温加熱媒体として蒸気を用いたが、第２実施形態として以下に示すように、低温加熱媒体として空気を用いることも可能である。

【0064】

第２実施形態による、低温加熱媒体として空気を用いた発電システム１０１を図１０に示す。発電システム１０１では、熱交換器２で加熱される低温加熱媒体として空気を用いている。熱交換器２で加熱された空気は、１００℃以上１５０℃以下の加熱空気として供給部１０Ｂにより反応器３へ供給される。

【0065】

また、発電システム１０１では、ポンプ９の代わりにファン８が空気を熱交換器２に供給するため、ポンプ９が省略されて簡易な構成となっている。その他の構成は、第１実施形態の発電システム１００と同様である。

【0066】

上記のような発電システム１０１においても、第１実施形態と同様に、低温熱化学水分解による水素製造を用いた高効率な発電を行うことができる。

【0067】

＜変形例＞
また、第１、第２実施形態において発電システム１００、１０１は反応器３を１つ備える構成であったが、変形例として図１１及び図１２に示すように、反応器３を複数個用いる構成としてもよい。

【0068】

図１１及び図１２は、それぞれ、低温加熱媒体を蒸気及び空気とした発電システム１００Ａ、１０１Ａである。いずれのシステムも、反応器３を複数基並列に備える。

【0069】

発電システム１００Ａ、１０１Ａでは、水素製造過程における反応１～４の周期の位相を、複数の反応器３の間でずらしている。図８（ａ）～（ｃ）では、３基の反応器３（図中、第１～第３反応器としている）による水素製造の周期を示しているが、反応１を３基の反応器３が順次起こし、システム全体として定常的に水素が製造される状態となっている。

【0070】

発電システム１００Ａ、１０１Ａでは、反応１がいずれかの反応器３で発生し、定常的に水素が製造、供給される。発電機構６に常に水素が供給されるため、発電効率を下げずに安定した発電を行うことができる。また、高温及び低温の加熱媒体を常にいずれかの反応器３に供給することができ、加熱媒体の滞留や、これに伴う熱損失が低減される。そのため、発電システム１００Ａ、１０１Ａでは高効率の水素製造または高効率の発電が実現できる。

【0071】

（その他変形例）
上記の各実施形態、変形例において、ＯＲＣ発電機構７は、反応器３の廃熱を用いていたが、発電機構６の廃熱を用いてもよい。またＯＲＣ発電機構７は、反応器３及び発電機構６双方の廃熱を用いてもよい。加えて、ＯＲＣ発電機構７は、オーガニックランキンサイクル発電の代わりに、バイナリー発電を行ってもよい。

【0072】

上記の各実施形態、変形例において、必要により反応器３と水素タンク４の間に反応器３から水素を吸引するための圧縮機を設置してもよい。

【0073】

＜効果＞
上述の各実施形態、変形例における反応器３の反応部３２（本発明の反応容器に相当）は、アルカリ金属とアルカリ金属水酸化物とを反応させてアルカリ金属酸化物と水素を生成する反応１、アルカリ金属酸化物を加熱してアルカリ金属過酸化物とアルカリ金属を生成する反応２、及び、アルカリ金属過酸化物と水とを反応させてアルカリ金属水酸化物と酸素を生成する反応４を行う。また、凝縮部３３（凝縮容器）は、反応２で発生したアルカリ金属を凝縮させる反応３を行う。配管３５Ａ、３５Ｂは、反応部３２と凝縮部３３とを接続し、反応部３２と凝縮部３３との間でアルカリ金属を移動させる。

【0074】

反応器３は、反応１～反応４を別容器で分割して行うことにより、継続して一定量の水素製造を行うことが可能である。特に、アルカリ金属を反応部３２から凝縮部３３に分離して凝縮させるため、反応部３２に供給される水や酸素とアルカリ金属との接触が防止され、安全に水素の製造を実行できる。

【0075】

配管３５Ａは、反応部３２の上部と凝縮部３３の上部とを接続し、反応２で発生した気体のアルカリ金属を反応部３２から凝縮部３３へ移動させる。また、配管３５Ｂは、反応部３２の下部と凝縮部３３の下部とを接続し、反応３で発生した液体のアルカリ金属を反応部３２から凝縮部３３へ移動させる。

【0076】

反応器３では、気体のアルカリ金属と液体のアルカリ金属を、配管３５Ａと配管３５Ｂという２つの系統で独立して移動させる。アルカリ金属に対する不要な加熱や冷却が防止され、反応部３２と凝縮部３３との間における効率のよいアルカリ金属の移動が可能となる。配管３５Ａは、反応部３２と凝縮部３３との上部を接続するため、気体のアルカリ金属の移動に好適である。配管３５Ｂは、反応部３２と凝縮部３３との下部を接続するため、液体のアルカリ金属を効率よく流動させることができる。

【0077】

反応器３は、格納容器３０を備え、反応部３２、凝縮部３３、及び配管３５Ａ、３５Ｂを格納する。また、格納容器３０には不活性ガスが充填される。

【0078】

格納容器３０により、反応部３２、凝縮部３３及び配管３５Ａ、３５Ｂは、外部環境から隔離される。そのため、反応器３ではアルカリ金属の急激な反応が防止され、安全な水素製造が実施できる。

【0079】

反応器３は、反応部３２の加熱及び冷却を行う熱交換部３１と、凝縮部３３の加熱及び冷却を行う冷却部３４（凝縮用熱交換部に相当）とを備える。また、熱交換部３１は、反応部３２で生成された水素を燃焼して得られた熱を高温加熱媒体として使用し、反応部３２を加熱する。

【0080】

熱交換部３１及び冷却部３４によって、反応部３２及び凝縮部３３の温度を制御することにより、反応器３は、反応１～反応４を適切なタイミングで発生させることができる。特に、熱交換部３１は反応部３２から発生した水素の燃焼熱を利用しており、効率よく反応部３２を加熱することができる。

【0081】

反応器３は反応部３２から水素を排出する配管３７Ｃ、酸素を排出する配管３７Ｂ、及び反応部３２に水を供給する配管３７Ａを備える。

【0082】

上記構成のように、水素、酸素、及び水の移動する配管を物質別に設置することにより、物質が混合してしまったり、誤った物質が反応部３２に投入されたり、誤ったタイミングで水が反応部３２に注入されたりする虞が低減または防止される。また、物質の投入、排出の各操作も容易となる。

【0083】

アルカリ金属はナトリウム、リチウム、及びカリウムのいずれかである。

【0084】

用いるアルカリ金属をナトリウム、リチウム、及びカリウムのいずれかとすることで、反応器３では、安定して効率よく水素製造を行うことができる。なお、熱力学特性などを考慮すると、ナトリウムを用いることが好ましい。

【0085】

変形例に示すように、発電システム１００Ａ、１０１Ａは反応器３を複数基備えている。また、複数の反応器３の間で水素製造過程の周期の位相が異なる。

【0086】

このような構成とすることで、発電システム１００Ａ、１０１Ａは、定常的に水素を製造できる。発電機構６に常に水素を供給できるため、安定した発電が可能となる。また、低温、高温加熱媒体を常にいずれかの反応器３に供給することができ、加熱媒体の滞留や、これに伴う熱損失が低減される。そのため、発電システム１００Ａ、１０１Ａでは高効率の水素製造または高効率の発電が実現できる。

【符号の説明】

【0087】

発電システム１００、１０１、１００Ａ、１０１Ａ
熱源１
熱交換器２
反応器３
水素タンク４
圧縮機５
発電機構６
発動機６１
発電機６２
ＯＲＣ発電機構７
ファン８
ポンプ９
供給部１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】