特開 2023-74632 気体の水素化方法及び水素化装置

(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】P2023074632

(43)【公開日】2023-05-30

(54)【発明の名称】気体の水素化方法及び水素化装置

(51)【国際特許分類】

   C01B 3/02 20060101AFI20230523BHJP

【ＦＩ】

C01B3/02 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021187651

(22)【出願日】2021-11-18

(71)【出願人】

【識別番号】502030271

【氏名又は名称】石川 泰男

(74)【代理人】

【識別番号】110000958

【氏名又は名称】弁理士法人インテクト国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】石川 泰男

【テーマコード（参考）】

4G140

【Ｆターム（参考）】

4G140BA03

(57)【要約】

【課題】ＣＯ_２ガス、水蒸気等の気体を処理して水素を発生させた増幅材の残渣から更に水素を発生させて水素を大量に発生せしめる。
【解決手段】反応炉２を加熱しながら炉壁からの電磁波を増幅するためのＮａＯＨを主成分とする増幅材をその中に供給し、リードスクリュー２２、２４で増幅材を撹拌せしめてその寿命を延ばしつつ処理気体を水素に変換し（第１段階採集）、更に、増幅材の残渣を１０００℃～１６００℃に加熱する残渣処理釜５０内に送って残渣から水素を回収し（第２段階採集）、これにより残渣をほぼ消滅させるとともに大量の水素を採集する。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

加熱により電磁波を放射する反応炉内に前記電磁波を増幅する増幅する増幅材を入れ、この増幅材を撹拌しながらＣＯ_２、水蒸気等の処理気体を反応炉内に供給して処理気体をプラズマ崩壊させ水素を発生せしめ、前記プラズマ崩壊と同時に発生する増幅材と処理ガスの反応物を所定時間運転後に残渣として排出し、この残渣を１０００℃以上加熱される残渣処理釜に供給し、残渣処理釜から発生する電磁波により残渣をプラズマ崩壊により水素に変換させる水素化方法。

【請求項2】

前記増幅材はＮａＯＨを主成分とし、残渣は主成分がＮａ_２ＣＯ_３である請求項１記載の気体の水素化方法。

【請求項3】

前記残渣処理釜は、太陽光を集中させて１０００℃以上の熱を得る請求項１記載の気体の水素化方法。

【請求項4】

加熱により電磁波を放射する反応炉とこの反応炉内に供給され、前記電磁波を増幅する増幅材と、前記反応炉内に設けられ、前記増幅材を撹拌する撹拌装置と、反応炉を一定時間運転した後に増幅材の残渣を排出する残渣排出装置と、前記残渣を加熱して処理気体のプラズマ崩壊により水素に変換する残渣処理釜とからなる水素化装置。

【請求項5】

前記撹拌装置は、モータにより回転する回転羽根であり、残渣排出装置は反応炉を傾斜させて振動させる機構からなる請求項４記載の気体の水素化装置。

【請求項6】

前記撹拌装置と残渣排出装置は、正逆回転可能なリードスクリューが兼ねる請求項４記載の気体の水素化装置。

【請求項7】

前記残渣処理釜は、セラミックの本体とこの本体を１０００℃以上に加熱する加熱装置とからなり、増幅材の残渣は本体内で気体となり、セラミック本体から放射される高周波数の電磁波によりプラズマ崩壊して水素に変換される請求項４記載の気体の水素化装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、炭酸ガス、水蒸気、空気等の気体を増幅材を収納した反応炉内のプラズマ雰囲気でプラズマ崩壊させた後、増幅材の残渣を再加熱して水素を発生させるようにした気体の水素化方法及び装置に関する。

【背景技術】

【0002】

本件発明者は、従来、従来ＳＵＳ３０４の反応炉内にＮａＯＨ又はＫＯＨからなる反応材を収納し、この反応材を５００℃以上に加熱して核反応を生ぜしめることを開示している（特開２０１４－２５７４３）。
また、従来、反応材としてＮａＯＨとステンレス粉をステンレス容器内に入れ、ステンレス容器を５００℃以上に加熱して反応材を微粒子として、この微粒子と反応炉の内壁間で核反応を起こさせるようにしている（国際公開番号ＷＯ２０１２／０１１４９９Ａ１）

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１４－２５７４３号

【特許文献2】国際公開ＷＯ２０１２／０１１４９９Ａ１

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、特許文献１、２においては、ステンレス炉内に反応材としてＮａＯＨ、ＫＯＨ、ステンレス粉を使用し、ステンレス炉を所定温度以上に加熱すれば、核反応が生じて水素が発生させることができることが認識されているが、本件発明者の最近（２０２０年以降）の実験によれば、反応材は使用中固まってしまい、これにより微粒子の発生が減少するとともに、その反応材は残渣として反応炉内に残留して反応炉が使用不可となることが判明しており、この反応材の寿命を伸ばしたり、最終的に残留してしまう残渣の処理については、何らの対応も開示されていない。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本発明の気体の水素化方法は、加熱により電磁波を放射する反応炉内に前記電磁波のエネルギーを増幅する増幅材を入れ、この増幅材を撹拌しながら、気化せしめて微粒子とし、この微粒子を電子波で電離させてイオン電子とからなるプラズマ雰囲気とし、このプラズマ雰囲気内にＣＯ_２、水蒸気、空気等の処理気体を供給して処理気体と増幅材の微粒子との相互作用により処理気体と微粒子とをプラズマ崩壊させて陽子と中性子と電子とに分離させ、β崩壊後の陽子を含む陽子と電子を再結合させて水素ガスを採集し、前記反応炉を所定時間運転後に増幅材の残渣を炉外に排出し、この残渣を１０００℃以上に加熱される残渣処理窯に供給し、残渣処理窯から発生する電磁波により水素に変換させる。

【0006】

また、本発明の処理気体の水素化装置は、加熱により電磁波を放射する反応炉と、この反応炉内に供給され、前記電磁波を増幅する増幅材と、前記反応炉内に設けられ、前記増幅材を撹拌する撹拌装置と、反応炉を一定時間運転した後に増幅材の残渣を排出する残渣排出装置と、前記残渣を加熱してプラズマ崩壊により水素に変換する残渣処理釜とで構成した。

【発明の効果】

【0007】

本発明においては、反応炉内で増幅材を撹拌させたので、増幅材表面に増幅材と処理気体との反応化合物が堆積しても増幅材表面からの微粒子の発生が十分に行われるので、プラズマ崩壊反応が長時間継継続して行われ得る。そして、十分な反応が行われた後に、僅かな量の増幅材は残渣として反応炉内に残るので、その残渣を排出した後に、新たな増幅材が供給されて処理ガスの処理操作が継続される。そして前記残渣は残渣処理釜に送られ、この残渣処理釜は高熱（１０００℃～１６００℃）に耐えられるように、例えば、セラミックスで構成されている。前記残渣処理釜では、供給された残渣（主としてＮａ_２ＣＯ_３）は、プラズマ崩壊部で釜壁面から放射される電磁波と高熱により気化して微粒子となり、この微粒子は自ら電磁波の増幅作用をするとともに増幅した電磁波に当った場合にプラズマ崩壊して陽子と中性子と電子に分離する。

【0008】

これら分離した陽子と電子は、プラズマ崩壊部に隣接して形成された再結合部で水素となり、分解した中性子は１０分～１５分後にはβ崩壊して陽子となり、β崩壊時に発生した電子も再結合部に引き寄せられて水素となる。このように残渣も完全にプラズマ崩壊できるので、捨てる物質はなくなる。なお、残渣釜の熱源として太陽光をフレネルレンズ（直径３～４ｍ）で集光すれば、電気ヒータを使う場合に比較してエネルギー収支効率が著しく向上する。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本発明のＣＯ_２等の処理気体の水素変換システムの概略構成図である。

【図2】本発明の気体の水素変換システムにおける反応炉の縦断面図である。

【図3】本発明の気体の水素変換システムにおける残渣処理釜の縦断面図である。

【図4】本発明の反応炉の他の実施例を示す縦断面図である。

【図5】本発明の残渣処理釜の他の実施例を示す縦断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。

【0011】

図１において、本発明のＣＯ_２、水蒸気、空気等の気体の水素化システムＳは、例えば、火力発電所、焼却炉、工場等で発生したＣＯ_２を空気から分離して、一旦貯留されるＣＯ_２タンク１を有し、このＣＯ_２タンク１からのＣＯ_２は複数並列配置された反応炉２、２…２に送られ、この反応炉でＣＯ_２がＨ_２に変換され、このＨ_２は、Ｈ_２タンク３に貯留されて、水素発電、燃料電池等の種々の用途に使用される。

【0012】

前記各反応炉２内には、加熱により発生する電磁波を増幅する増幅材が入れられているが、この増幅材は所定時間使用された後は残渣となり、この残渣は各反応炉２に沿って設けられたコンベア４によって運送され、それに接続されたコンベア５、６を経て高温の残渣処理釜７に送られ、ここで残渣もプラズマ崩壊して殆ど全て水素に変換され、種々の用途に使用され得る。

【0013】

前記反応炉２は図２に示すように、ＳＵＳ３０４製の筒状の本体２０を有し、この本体２０の外周面は、面状ヒータ２１によって４００～５００℃に加熱され、この加熱により本体壁面からは種々の周波数を有する電磁波ｗ、ｗ、…ｗが放射される。前本体２０の中心には、回転軸２２が設けられこの回転軸２２はその右端でモータ２３に接続され、前記回転軸２２には旋回羽根２４が設けられ回転軸２２と旋回羽根２３とでリードスクリューをなしている。前記モータ２３は正転逆転が可能であり、前記回転軸２２はその先端（左端）が左端板２５の軸受２６で右端板２８の軸受２７で回転自在に支持される。前記反応炉２の右端上部にはホッパー３０が設けられ、このホッパー３０内には前記電磁波ｗのエネルギーを増幅するための増幅材の主成分としてカセイソーダ粉（ＮａＯＨ）が収納され、このＮａＯＨは回転弁３３の回転によりバッチ式で所定量反応炉内に送給される。反応炉内のＮａＯＨはリードスクリューによってゆっくりと前方に撹拌されながら送られ、ＮａＯＨが反応炉２の先端に溜ったら、モータ２３を逆転させてリードスクリューを逆転させ、ＮａＯＨを反応炉の右端に移動させる。このようにゆっくりと増幅材の主成分としてのＮａＯＨ３１を撹拌しながら移動させると、右端板２８の開口から送られるＣＯ_２等の処理ガスと長時間反応を継続できる。すなわち反応炉２の加熱と電磁波との作用によりＮａＯＨは微粒子となり炉内で飛行しているが、この微粒子はＣＯ_２の一部と反応して、
２ＮａＯＨ＋ＣＯ_２→Ｎａ_２ＣＯ３＋Ｈ_２Ｏ ……（１）
の反応によりＮａ_２ＣＯ_３となり、このＮａ_２ＣＯ_３は固化する傾向にあるが、このＮａ_２ＣＯ_３がリードスクリューにより撹拌されるので、再び微粒子となり反応が継続される。しかしながら前記（１）式は化学的反応であるが、反応炉内でＮａＯＨは微粒子化すると、この微粒子の一部は電磁波により化学結合が切断されて、ＮａとＯとＨに分離されるとともに、更に電離してＮａ^＋イオン、Ｏ^２－イオン、Ｈ^＋イオンと電子ｅ^－とで構成されるプラズマ雰囲気となり、この中で高エネルギーの電磁波が発生して炉内に供給された各原子の原子核がプラズマ崩壊して陽子と中性子に分離される。分離後１０～１５分で中性子は陽子にβ崩壊するので、元々の陽子と中性子から変換した陽子を含む陽子と電子が再結合した場合に水素として排出される。

【0014】

反応炉内の作用をまとめると、炉内は電磁波に寄りＮａとＯとＨのイオンと電子ｅ^－とのプラズマ雰囲気が形成され、このプラズマ雰囲気内にＣＯ_２が供給されると、その一部は化学的反応により、主としてＮａ_２ＣＯ_３を形成し、その残りはプラズマ崩壊して陽子、中性子、電子に分離して炉内を飛行する。この場合、陽子と電子がタイミングよく再結合したものは水素として排出されるが、分離した核子（陽子、中性子）の大部分は炉の運転を停止して温度を下げると残渣としてのＮａ_２ＣＯ_３に吸収される。所定時間運転後にＮａ_２ＣＯ_３は残渣としてリードスクリューの回転により左端壁の出口２９を通ってコンベア４上に排出される。

【0015】

なお、プラズマ崩壊は炉内を負圧にすると活発に起きることが判っているので、炉には真空ポンプ３４が設けられ、ＣＯ_２の注入量はプラズマ雰囲気が負圧で維持されるように真空ポンプの能力とＣＯ_２の注入量が調整される。

【0016】

なお、増幅材は必ずしもＮａＯＨのみに限定されず、Ｚｎ粉、Ａｌ粉、ステンレス粉を加えると効率が向上する。

【0017】

前記反応炉内に設けられたリードスクリューは、増幅材を撹拌する撹拌装置としての機能と増幅材を前後に送る搬送装置としての機能を有するが、これら装置を別個に設けてもよい。すなわち図４に示すように軸４０に単純な平板状の羽根４１、４１、４１を軸４０の回転方向に角度をずらして設けたものでもよい。また、前記反応炉２の本体２０の左端下部には回動機構４２が、本体２０の右端下部には上下動機構４３が設けられ、上下動機構４２により反応炉２を上下動させれば炉内の増幅材は前後に移動する。更に増幅材３２を所定時間使用後には前記搬送装置（上下動機構４２と撹拌装置）を作動させて、右端壁の下部に設けた排出口４４から残渣４６を収納する残渣収納箱４５に排出する。なお、処理すべき気体はＣＯ_２に限定されず、水蒸気（Ｈ_２Ｏ）、空気（Ｎ_２、Ｏ_２）でも水素化が可能である。なお、水蒸気の場合は残渣は水和カセイソーダ（ＮａＯＨ・Ｈ_２Ｏ）であり、空気の場合にはＮ_２Ｏが残渣となり、ＣＯ_２の場合の残渣であるＮａ_２ＣＯ_３の処理よりも単純に処理可能である。

【0018】

次に、残渣処理釜７について説明する。

【0019】

前記残渣処理釜７は、残渣（Ｎａ_２ＣＯ_３）を気化せしめるための気化部５０と、この気化部５０から水平に張り出して陽子と電子とを再結合させて水素ガスを発生させるための再結合部５１とからなり、前記気化部５０内には、コンベア６（図１）からの残渣を受けて気化部５０内に供給するホッパー５２が設けられている。前記気化部５０及び再結合部５１は肉厚の黒鉛材からなる耐熱壁５２、５３を有し、これら耐熱壁５２、５３内には伝達ヒータ５４，５５が配設され、電熱ヒータ５４は１６００℃迄加熱でき電熱ヒータ５５は５００℃まで加熱できる。

【0020】

前記再結合部５１の上下空間内には、所定間隔でプラスの電極板７、７…７とマイナスの電極板６、６…６が対向配置されており、これら電極板５６，５７は並列配置された直流電源５８、５９に接続されスイッチ６０の切換により電極のプラス、マイナスを切換可能になっている。そして、前記再結合部の左端壁には、発生した水素ガスを排出する排出口６１が設けられている。
次に気化部および再結合部の作用について説明する。
前記気化部５０内に送られた残渣としてのＮａ_２ＣＯ_３は、耐熱壁５０が１０００～１６００℃に加熱されており、しかも耐熱壁５０の内壁からは高周波数の電磁波が放射されているので、Ｎａ原子、Ｃ原子及びＯ原子に分離し高速で気化部内を飛行しており、この時電磁波に当たるとそれら原子は中性のＮａ、Ｃ、Ｏ原子に加えて電離してＮａ^＋、Ｎａ^２＋…Ｎａ^ｎ＋のイオン、Ｃ^ｎ＋イオン、Ｏ^ｎ－イオン及び電子に分離されプラズマ雰囲気となり、ハイデルベルグの不確定原理の範囲内で高エネルギー電磁波が発生し、これにより各中性原子、各イオンがプラズマ崩壊して陽子と中性子と原子に分離する。

【0021】

このようにして分離した陽子と中性子（１０分程度でβ崩壊して陽子に変換される）と電子は再結合部５１に送り込まれ、陽子－電極近傍に電子は＋電極に引寄せられ、１分間に１度切換スイッチ６０が切替わり、これに伴ってその電極の極性も変わるので、＋電極側の電子は反対側に、また、－電極側の陽子はその反対側に移動するので、陽子と電子は交叉して再結合が生じて水素ガスが排出口６１から排出される。

【0022】

前記残渣処理釜７は電気ヒータにより加熱するようになっているが、１０００～１６００℃の温度を図５に示すように太陽光を集束させて得ることができる。図５に示す残渣処理釜７０は、セラミック材からなる円筒状の気化部７１と、この気化部７１から水平に張出した再結合部７２を有し、前記気化部７１の上面は透明な光透過材７３を備え、残渣７４は気化部７１の側面上部に形成された残渣供給口７５から供給される。
前記残渣処理釜７０の上方には直径３ｍ～５ｍのフレネルレンズ７６が設けられ、更にフレネルレンズ７６の上方には太陽光を遮る遮光板７７が開閉自在に設けられ、遮蔽板７７を開放した時に、フレネルレンズ７６を透過した太陽光は、前記気化部７１の残渣７４内で焦点を結ぶようになっている。

【0023】

このように集束された太陽光は、１５００～２０００℃程度に残渣７４を加熱するので、この熱と釜のセラミックスの壁からの高エネルギーの電磁波により残渣７４は気化するとともに電磁波の作用により電離してプラズマ雰囲気となりプラズマ崩壊して陽子、中性子及び電子に分離し、中性子からβ崩壊した陽子を含む陽子群と電子群とが、再結合部７２で電極５６、５７の作用により再結合して水素ガスとなる。

【産業上の利用可能性】

【0024】

ＣＯ_２を大量に排出する石炭、石油産業全般に適用され得る。

【符号の説明】

【0025】

１…ＣＯ２タンク
２…反応炉
７…残渣処理釜
２３…モータ
５６、５７…電極板
７０…残渣処理釜
７３…光透過材
７６…フレネルレンズ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】