氢生成装置、激光还原装置、能量转换装置、氢生成方法及发电系统的制作方法

专利名称：氢生成装置、激光还原装置、能量转换装置、氢生成方法及发电系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及从钠、钾、镁、铝、钙、锌等元素回收反应能的同时， 使氢气产生的技术，更详细地说，涉及使用金属将水还原成氢的氢生 成装置及使用激光将生成的金属氧化物或者化学物质还原的激光还 原、能转换方法，氢生成及发电系统。
背景技术：
氢气即使使用氧化剂氧化也生成水，因此作为燃料电池的燃料等 清洁的燃烧正引人注目，另外近年来，从化石燃烧的枯竭和地球温暖 化的观点出发，也有使基本能源和基础结构从化石燃料向清洁能源转 换的必要，氢气是引人注目的燃料。到目前为止，氢通过水的电解反 应生成，填充到高压容器中后，运输到各处使用。因此，运输的重量 增加，并且是可燃性的，所以在其操作中也必须注意，另外，从长期 保存性这一点看，也是不充分的。因此可以认为，今后不是运输氢气，而是需要以简便且清洁的能 源来生成氢气的装置及方法。另外可以认为，关于氢气的生成，也不 是水的电解这样的大量使用用堆积如山的化石燃料生成的电的方法， 而是有必要成为一边更有效地利用可再生的能源， 一边产生氢气的技 术。另外，氢生成装置及用于氢生成的方法也优先选择尽可能重复利 用原料。以往，使用约IOOO"C高温的电弧放电使含镁氧化物(氧化镁、白云石)等氧化物资源进行热还原的方法是已知的，可以认为在这样的 系统中即使添加水也能够得到氢气。但是，如果鉴于得到氢气的目的是为了进行C02等的削减，生成清洁能源这一事实，则认为用于生成
电弧放电的电力，在许多情况下成为了使环境负荷增大的原因。另外，提出了各种氢生成装置及用于氢生成的方法。例如，特开2003 - 313001号公报(专利文献l)中公开了在能够密闭的主体容器 内，在使氢化物水解而产生氢的氢产生方法中，在利用至少一部分用 具有水蒸气透过性的拒水性水蒸气透过材料形成的构件将氢化物和水 隔离的同时，使透过该拒水性水蒸气透过材料的水分子和氢化物发生 反应而产生氢的氢产生方法。另外，特开2003 - 226502号公报(专利文献2)中公开了具备收 容包含铝和碱金属或者碱土金属的氢产生用燃料的容器、将收容在该 容器中的氢产生用燃料加热熔化而合金化的加热装置、以及向上述容 器内的氢产生用燃料供给水的水供给装置，利用氢回收装置回收已产 生的氢的氢生成装置。另外，在特开2002 - 69558号公报(专利文献3)中公开了使用 由铝和碱金属或者碱土金属的合金制成的氢产生用燃料，具备冷却容 器的内部的冷却装置的氢生成装置及使用该装置的氢产生方法。再有，特开平8 - 109001号公报(专利文献4)公开了通过热源 使反应金属体熔融，在将该熔融的熔融反应金属体贮存在上述容器的 底部的同时，向该熔融反应金属体供给水，使热化学反应发生，将得 到的氢导出到外部，通过排出装置使氧化金属体排出到容器外部的氢 产生方法。另外，特开平8 - 59201号公报(专利文献5 )和特开平7-109102 号公报(专利文献6)中公开了使用设置在容器内的水和发生热电化 学反应的反应金属体，从反应金属体的上部供给水，通过由反应金属 体和水产生的电热化学反应而产生氢气的氢产生方法及用于产生氢气 的装置。另外，特开2004 - 231466号公报(专利文献7)公开了为了从水 生成氢，使用含有铝粉末和氧化钙粉末、铝粉末的配合比是85质量％ 以下的氢产生材料和使用该材料的氢产生方法、装置。上述的氢生成装置和氢产生方法，是以通过为了使用金属使水处
于能够还原的高温状态，以氢产生材料作为混合物，为了加热该混合 物，使用电炉、电化学反应、或者含高氢原子物质生成氢气为目的。 此时，使氢产生后，金属元素被氧化而成为金属氧化物，但是在废弃 金属氧化物，或将金属氧化物使用于其他的用途时，为了生成氢，成 为无止境地需要金属元素，例如在使用铝的情况下等，包括电力消耗 及用于电力消耗的化石燃料的使用等的总环境成本未必能说是低的。
另一方面，金属元素的氧化和还原，除了使用湿式的电化学的方 法以外，都在高温下进行。在此情况下，认为如果能够提供可以最小 的装置成本使金属元素的氧化发生而生成氢，同时变更处理对象，以 最小的装置构成的变更还原金属氧化物来生成金属的氢生成装置，对 于氢发生来说，显著地降低包括原材料的环境成本是可能的。
再有，近年来，与化学物质相关的环境问题是已知的，例如在由
NO,产生的酸雨引起的自然破坏或构造物劣化这一点上，正在要求减低 氮氧化物N0x，另外关于二氧化碳C02，作为地球温暖化主要因素，需 要进行全世界的削减。再有，即使除此以外，关于二喁英、环境激素 等特定化学物质，其低成本的分解、转换方法也被看作是必要的。
另一方面，激光装置，主要将电能量转换成光(点亮灯)或放电 的形态，通过激发激光介质产生激光的光。该方法中，包含数级的能 转换过程，能效率低(效率为数％以下)是已知的。作为该理由，可 举出本来品质良好的电能经低效率能量转换转换成光利用。另外，作
为改进这点的对策，提出了半导体激光激发的固体激光，作为光电转 换效率，已经得到约50%左右的效率，可以认为其通用性也越来越提 高。
另一方面，作为光源，使用太阳光的太阳光激发激光也是已知的。 作为激发光源使用太阳光，不使用直接使用由化石燃料生成的电的电 -光转换方法，能够作为用于激光振荡的光源，可以认为对于氢生成 装置、激光还原装置这样的工业的装置，能够以更容易且低成本、进 而低环境负荷使用激光装置。此外，风力发电、潮汐发电、地热发电 等不依赖于化石燃料的发电方式也在实用化。例如近年来，风力发电
尽管具有由于条件不同发电量显著地变动这样的特征，但提供峰值发
电量超过2000kWh的电力被看作可能，然而具有由于条件不同发电量 显著地变化这样的大问题。通过使用借助该电力发生振荡的激光的激 光还原装置，能够以镁的形式储存能量，可提供减低环境负荷的能源。 另外，进行激光还原时，在金属氧化物等的分解初期过程中，发 现了金属离子生成。由激光还原产生的金属离子，形成局部的等离子 体，所以通过使用已有的磁约束装置是能够控制的，另外在垂直于磁 场方向的方向金属离子和负离子相互反方向地运动，因此期待通过向 系统外作为电流取出，由光电转换产生的能量转换成为可能。
专利文献l:特开2003-313001号7>报 专利文献2:特开2003-226502号/>报 专利文献3:特开2002-69558号〃^报 专利文献4:特开平8-109001号/>报 专利文献5:特开平8-59201号7>才艮 专利文献6:特开平7-109102号公报 专利文献7:特开2004-231466号公报

发明内容
在使用上述的金属元素从水制造氢时，作为副产物得到氧化物， 因为高碱性，其处理、废弃等是困难的。再有，金属元素的氧化物如 果在高温分解，就能够再次转化成碱金属或者碱土金属，因此，如果 能够使用可再生的能源生成高温环境，就能够使用对环境负荷最少的 方法生成氢气。
另外，以往通用的激光器，消耗电力，并且电-光能量转换效率 低，另一方面，太阳光激发激光，只不过是大学和研究机构等中的实 验研究，存在不能应用于工业用途这样的问题。
本发明是鉴于上述现有技术而完成的，本发明以提供高效地使用 可再生的能源，在回收反应能的同时，生成氢气的氢生成装置为目的。
另外，本发明的其他的目的，以提供使用可再生的能源使生成的 金属氧化物再还原成碱金属或者碱土类元素成为可能的激光还原装置 为目的。
再有，本发明以提供使用上述的氢生成装置和激光还原装置的氢 生成方法为目的。
另外，本发明以提供使N0x、 C02、 二嗜英、环境激素等舍氧化学
还原装置为目的。
再有，本发明发现，在将碱金属或者碱土类金属等进行激光还原 时生成金属阳离子，本发明以提供使用此时产生的电荷粒子，利用通 过磁场关闭来控制生成等离子体的能量转换装置和发电系统为目的。
本发明着眼于，金属元素燃烧而形成高温，从而得到水的还原能 力，或者通过仅与水接触，使水能够向氢气还原，生成的氧化物通过 热分解再次提供金属元素，从而完成了本发明。本发明中，首先使碱 金属元素或者碱土类元素燃烧，在保持在高温的状态下供给水。所供 给的水，由于金属元素的还原作用产生氢，回收产生的氢。
此后，作为副产物得到的氧化物，使用激光束加热至高温，将氧 化物热分解，再次再生金属元素。本发明中的加热，使用太阳光激发 激光进行，由于加热，能够使来自化石燃料的能的使用达到最小限度。 再生的金属元素，用于再次生成氢。
另外，在本发明中，碱金属、碱土类金属或者N0X、 C02等特定的 化学物质，使用太阳光激发激光等激光光源，高效率且低成本地分解 或者被转换，使用在等离子体中生成的电荷粒子，使进行能量转换成 为可能。
即，按照本发明，能够提供氢生成装置，该装置包括
保持金属元素的反应容器、
用于向上述反应容器中供给水的贮水槽、
激光器、以及
回收由上述金属元素和上述水的反应生成的氢气和反应能的氢取 出管。
在本发明中，上述金属元素可以选自钠、钾、镁、铝、钙、锌或 者它们的混合物。上述氢生成装置，包括贮藏上述已回收的氢气的氢
Ji&藏装置，上述氢贮藏装置也可以具备贮氢合金。
按照本发明的第2构成，提供激光还原装置，它是使用激光束将 金属氧化物还原成金属的激光还原装置，该装置具备
收容金属氧化物、备有照射窗的真空容器，以及
通过上述照射窗向上述真空容器内部照射激光束使上述金属氧化 物还原的激光器。
在本发明中，上述金属氧化物可以选自氧化钠、氧化钾、氧化镁、 氧化铝、氧化钓、氧化锌或者它们的混合物。上述激光器可以是太阳 光激发激光器。
按照本发明的第3构成，能够提供氢生成方法，它是利用金属还 原水而生成氢气的氩生成方法，上述方法包括
在高温下使金属元素和水接触还原成氢气、生成金属氧化物或者 金属氢氧化物的工序、
回收上述生成的氢气的工序，以及
激光还原上述生成的金属氧化物或者金属氢氧化物，进行金属再 生的工序。
在本发明中，上述金属可以选自钠、钾、镁、铝、钙、锌或者它 们的混合物。上述方法包括回收上述生成的氬气的工序，ji&藏上述回 收的氢气的工序可以包括使上述氢气被贮氢合金吸收的工序。上述激 光还原，可使用太阳光激发激光器还原金属氧化物或者金属氢氧化物。
按照本发明的第4构成，提供激光还原装置，它是使用激光束还 原含氧化学物质的激光还原装置，该装置具备
收容上述化学物质、备有照射窗的真空容器，以及
通过上述照射窗向上述真空容器内部照射激光束使上述化学物质 还原的太阳光激发激光器。 按照本发明的第5构成，提供能量转换装置，它是通过使用激光 束还原含氧化合物的激光还原进行能量转换的装置，该装置包括 收容上述化学物质的容器、 用于从上述化学物质生成等离子体的激光器、 产生使上述等离子体偏向的磁场的磁场发生装置、 配置在上述容器内、用于从上述容器内的上述等离子体取出电流 的樹极，以及将由上述等离子体产生的电荷在上述容器外蓄积的电容器。按照本发明的第6构成，能够提供氢生成装置，该装置具备使金属元素反应的反应容器、用于向上述反应容器供给水的贮水槽、为了和上述水接触向上述反应容器内供给上述金属元素的成形体 的送料器、回收由上述金属元素和上述水的反应生成的氢气和反应能的氢取 出管，以及使上述反应容器内活化成上述金属的氧化反应持续进行的状态的 活化装置。再有，按照本发明，能够提供具备用于冷却上述反应容器的冷却 介质套的氢生成装置。在本发明中，可以具备用筛网与上述反应容器 分离、回收上述金属元素的氧化物粉体的回收容器。此外，按照本发明的第7构成，能够提供具备上述任一项中记载 的氢生成装置的发电系统。另外，按照本发明的第8构成，能够提供再生型氢生成装置，该 装置包括保持含金属物质的反应容器、用于向上述反应容器供给水的贮水槽、加热上述含金属物质与上述水接触的部分，使上述含金属物质氧 化，回收由上述含金属物质和上述水的反应生成的氢气和反应能的氢 取出管、
使用来自上述氢取出管的上述氢气进行能量转换的能量转换装置、将上述含金属物质被氧化而生成的含氧化合物还原，使上述含金 属物质再生的还原装置，以及用于回收利用上述还原装置再生的含金属物质的回收装置。按照本发明，通过高效率地使用可再生的能源，能够提供生成氢 气的氢生成装置。另外，按照本发明能够提供激光还原装置，该装置使用可再生的 能源使生成的金属氧化物再还原成金属成为可能。再有，按照本发明能够提供使用上述的氢生成装置和激光还原装 置的氢生成方法。另外，按照本发明能够提供可高效率地、并且由于还原，进而没有伴随由于N0x或C02的发生产生的能量消耗地，去除NO,或C02等给 予大的环境负荷的化学物质的激光还原装置。再有，可提供使用进行 含有上述有害物质等的特定化学物质分解的激光的物质转化装置及有 效地利用分解时的电荷粒子，使光电转换成为可能的能量转换装置。另外，按照本发明能够提供环境负荷小的氢生成系统，其可使在 含金属物质这样的生成中使用极大能量的材料高效地再生利用，如果 考虑到海水，只消耗几乎无尽地存在于地球上的水，可最低限度地控 制含金属物质的消耗。


图l是本发明的氢生成装置的概略图。图2是本发明的激光还原装置的概略图。图3是本发明中使用的太阳光激发激光器的概略侧视图。图4是本发明的能量转换装置的概略图。图5是本发明的能量转换装置内的电荷粒子的漂移运动的概略图。图6表示来自使用本发明的能量转换装置生成的等离子体的阳离
子的发光光镨的图。图7表示本发明的第2实施方式的氢生成装置的本质构成的图。 图8表示本发明的第2实施方式的氢生成装置的详细构成的图。 图9表示本发明的激光还原装置的其他实施方式的图。符号说明10 氢生成装置、12反应容器、14氢取出管、16贮水槽、 18阀、20 开口、 22传动装置、24材料、26 氢贮藏装置、 30激光还原装置、32真空容器、34管线、36 管线、 38光学系统、La激光、40太阳光激发激光器、42激光介质、 44收容装置、46全反射镜、48半透镜、50太阳光、 52光学元件、ARC防反射膜、54冷凝器、56铸造装置、 58 金属揪、60 能量转^j:、 62 环形絲、64^^t学系统、 66 栅极、68回收容器、70电容器、72负荷、74 耙、 76 透光性窗口、 78 等离子体、80排气管线、LB激光的光具体实施方式
<第1部分氢生成装置-第1实施方式>图1是表示本发明的氢生成装置的概略构成的图。本发明的氢生 成装置10大致包括反应容器12、用于将产生的氢取出到系统外的氢 取出管14、以及用于向反应容器中供给水的贮水槽16。在反应容器 l2和贮水槽16之间设置开口 20，在不供给水时阀18关闭。在向反应 容器12内供给水时，利用手操作或者电传动装置22驱动阀18，将储 备在贮水槽16中的水供给反应容器l2。在反应容器12的下部蓄积有 包含金属镁这样的金属元素的材料24。所谓本发明中的金属，意指钠、 钾、镁、铝、钙、锌或者它们的混合物。另外，在本发明中，更广泛 地可以包括碱金属元素或者碱土类元素，再有，作为按照本发明可分 解的化合物，可举出是含有氧的化学物质的NOx、 C02、 二噍英、环境 激素等。 再有，若说明图1所示的实施方式的话，金属镁这样的材料24， 在反应容器12内首先点火，在氧的存在下燃烧，达到高温状态。另外 在本发明中，所谓"高温"意味着不包括常温,本发明中使用的材料 能够还原水的温度。在该阶段，利用手动或者电传动装置打开阀18， 使水喷淋到反应容器12的内部。此时金属镁以本发明的特定的实施方 式在高温下燃烧，被加热至高温的镁将供给的水还原，生成氢气。产 生的氢气通过配设在反应容器12的上侧的氢取出管14被取出到系统 外，利用热交换器(未图示)等回收其反应能后，通过例如搭载燃料 电池的汽车等氢消耗装置直接被消费。回收的反应能，可以再利用于 反应容器12的加热等。另外，在本发明中，生成的氢气的全部或者一 部分也可以贮藏在具备贮氢合金等的氢贮藏装置26中，根据需要使氢 放出而使用。再者，在本发明中，在金属钠、金属锂等在常温下还原 水而产生氢气的情况下，不必特别将材料加热至高温。在本发明中，作为贮氢合金，例如可举出LauNbo.2Ni2.5C02.4Al。.！、 La0.8Nb0.2Zr0.o3Ni3.8Co0.7Al。.5 、 MmNi3.65Co0.75Mno.4Al0.3 、 MmNi2.5Co0.7Alu 、 Mm。.S5Zr。.15NiuAl。.8V。.2 (上述通式中，Mm是铈镧合金，是以Ce(40 50 o/0)、 La(20~40%)、 Pr、 Nd作为主要构成元素的稀土类混合物)。 除此以外，在本发明中，作为贮氢合金，也可以使用拉弗斯相(AB2型) 合金，具体地可以使用Ti-Mn系、Ti-Cr系、Zr-Mn系的合金，更具体 地有(Tiz—xZrxV4—yNiy)hCr2、 ZrV。."Niu、 ZrMnuCr^Niu等，但不限于这 些。产生氢的反应后的镁，转化成氧化镁或氢氧化镁等氧化物或者氢 氧化物，积蓄在反应容器12的内部。蓄积的氧化镁或氢氧化镁，此后 被取出至反应容器12外，也可以作为用于金属镁等再生的原料使用。<第2部分激光还原装置>图2是表示在金属镁再生中使用的激光还原装置的图。图2所示 的装置30，大致包括真空容器32、供给金属氧化物的管线34、供给 在本发明的特定实施方式中用于还原中使用的硅化铁的管线36、以及 包含用于导入激光束在局部生成高温的配置在真空容器上的照射窗的 光学系统38。首先，金属氧化物用未图示的炉子加热，在使氢氧化物 转化成氧化物后，通过管线34和料斗供给真空容器32内。再者，在 本发明的其他实施方式中，也可以单独使用珪(Si)元素，另外也可 以不使用用于还原的硅元素。同时在通过管线36供给硅化铁后，真空容器32被减压，此后通 过光学系统38照射激光束使还原反应发生。在此情况下，在本发明中， 可以使用闪光灯激发、半导体激光激发等的^f吏用在红宝石、Nd3+:YAG、 石榴石、蓝宝石、纯绿宝石、翠绿宝石等中掺杂Cr3+、 Co2+、 Ce、 Pr、 Pm、 Sm、 Eu、 Tb、 Dy、 Ho、 Er、 Tm、 Yb、 Lu等镧系元素、或者其离子 或过渡金属元素或者过渡金属离子的激光介质的激光。另外，在本发 明的其他实施方式中，也可以使用用于促进还原的介质。再有，在本 发明中，为了更效率良好地照射激光束，在光学系统38中设置光扫描 机构，在氧化镁等对象物质上也能够尽可能均匀地照射激光。另外，在本发明中，可与上述的激光一起，或代替上述的激光， 使用太阳光激发激光，使还原反应发生。图3是表示本发明的太阳光 激发激光器40的概略构成的图。本发明的太阳光激发激光器40,包 括激光介质42、收容激光介质42的收容装置44、配设在激光介质42 的一端的全反射镜46、以及配设在另一端的半透镜48而构成。收容 装置44还包括使太阳光50向激光介质42聚光的光学元件52，光学 地激发激光介质42，使其形成反转分布。光学元件52包括反射元件、 透镜元件等而构成，通过保持在收容装置44中的水等冷却液体冷却， 在效率良好的冷却下，使高效率的振荡成为可能。通过形成收容装置44的端部的材料和空气，或者在激光介质42 直接露出收容装置44的端部的情况下，通过激光介质42和空气，图 3所示的收容装置44的两端给出规定的布鲁斯特角(Brewster angle)。再者，在本发明中，特别在不必要设置布鲁斯特角时，也可 以使用其他角度的端部。收容装置44可以和激光介质42作为一体形 成，也可以使用合适的法兰、O型环将激光介质固定在收容装置44的 端面。另外，在收容装置44的端部涂布防反射膜ARC来提高效率。再 者，在本发明中，在不必要使用防反射膜ARC时，或在结构上不能使
用时，就不必要特别设置防反射膜ARC。在收容装置44的内部充满水 等冷却液体，来冷却伴随激光振荡的激光介质42，防止由热冲击引起 的激光介质的损伤。收容装置44的形状，可以使用断面是圆形、椭圃 形、抛物线形等，在使用圆形断面的收容装置的情况下，在与收容装 置的曲率和冷却介质的折射率对应的位置配置激光介质。另外，在收容装置是椭圆形的情况下，可作成在一方的焦点配置激光介质，将太 阳光聚光在另一方的焦点的配置，组合这些形状就能够在激光介质上 聚光。在本发明中，收容装置44具有向激光介质42聚集太阳光的功能， 并且由于在内部保持冷却液体，因此在冷却激光介质的同时，能够接 受由冷却液体引起的冷却。从成本和操作性的方面考虑优先选择使用 水作为冷却液体，另外，冷却介质也可以密闭或者使其流通在包含使 太阳光透过、同时可使太阳光聚光在激光介质上的形状或者透镜的收 容装置内。另外，在本发明中，为了能够适宜地触发激光，可以使用使与激 光波长相对应波长的激光束发生的发光二极管或半导体激光器。再有， 以触发激光振荡为目的，可以使用利用以来自外部的电触发产生偏振 光角度的光克尔效应(Kerr effect)的材料和偏振光板，或也可使用 过饱和色素，以Q开关方式将激光振荡触发。激光介质，作为具有数mm 数cm直径的光学上透明的棒形成。 作为能够在本发明中使用的激光介质，例如可举出红宝石 (Cr3+:A1203)， YAG ( Nd3+: Y3A15012)，翠绿宝石(Cr3+: BeAl204)，纯绿宝石 (Cr3+:Be3Al2(Si03)6)，以通式人38203012给出的、在位置A使用选自Ga 或者A1的元素、在位置B使用选自Ga、 Sc、 Lu的元素、在位置C使 用选自Y、 Gd、 La、 Lu的元素的所谓在石榴石中添加了 Cr3+、 Nd"的 激光介质，蓝宝石(Ti3+:A1203) ， Co2+:MgF2 ， Cr3+: ScB03 ， Nd3+:GGG(Gd3Ga5012)， Cr， Nd: GSGG (Gd3 (GaSc) 5012)等，但只要在太阳光 的范围能够形成由适宜的晶体场产生的吸收^普带，什么样的激光介质 都能够使用。另外，在本发明中，还可以使用在激光介质42中掺杂另
外其他的稀土类元素，例如Ce、 Pr、 Pin、 Sm、 Eu、 Tb、 Dy、 Ho、 Er、 Tni、 Yb、 Lu等镧系元素，或者它们的离子或过渡金属元素或者过渡金 属离子的不同特性的激光介质。全反射镜46，可以使用用Al蒸镀等金属涂层的反射镜、含有利用电介质多层膜涂层选择地反射激光振荡波长的涂层的反射镜、或者 使用全反射的棱镜系流等构成，半透镜48，可以优先选择含有电介质 多层膜涂层的、透射率10% ~90%左右的反射镜。另外，关于能够在 本发明中使用的光学元件52,电介质多层膜涂层、或者金属涂层等、 到目前为止已知的任何的涂层都能够使用。若再使用图2说明本发明的话，加热、还原生成的金属通过冷凝 器54冷却后，被回收，用铸造装置56进行铸造，作为金属铸块58 回收。另外，蓄积在真空容器32内的硅化铁也被回收，分离可溶性成 分后，作为渣回收。回收的金属铸块58，可再供给本发明的氢生成装 置，并且也可以在其他的用途中使用。再有，在本发明中，也不一定 使用硅化铁等催化剂。另外，按照本发明，在还原N0X、 C02、 二噁英、环境激素等时， 例如可在容器内导入用图1所示的氢生成装置生成的氢气，生成还原 性气氛，利用由太阳光激发激光的照射生成还原反应，进行分解或者 向其他的化学物质的转化。另外，在本发明中，在只用激光束就能够 进行效率良好的还原时，也不一定供给氢气。<第3部分使用激光还原的能量转换装置>图4是表示本发明的能量转换装置的其他实施方式的图。图4中 所示的能量转换装置60，在形成环形状的环形容器62内配置栅极66 和含氧化学物质74。作为含氧化学物质74，在本发明的特定的实施方 式中，可以使用MgO，但是本发明不限于MgO。激光束LB从透光性窗 口 76照射在含氧化学物质74上。此时能够使用的激光束，可以使用 上述的激光生成。激光束LB，通过透镜这样的聚光光学系统64向含 氧化学物质74聚光，使含氧化学物质74分解而生成等离子体78。在 本发明的特定的实施方式中，等离子体78含有Mg+，形成提供对应的
电荷平衡的负离子。另外，在能量转换装置60的环形容器62中，为了使磁场约束生 成的等离子体78成为可能，沿环形容器62的圆周方向外加磁场。由 此，等离子体78内的电荷粒子，按照以(VB/B) RsU提供的速度进行 漂移运动。在上述式中，B是磁场强度，VB是磁场的空间梯度，Rs 是拉莫尔半径(Larmor radius )(磁场中的旋转半径)，U是电荷粒 子的旋转速度。因此，在图4的构成中，由于在栅极66生成电位，正 负的电荷粒子，以拉莫尔半径在相互相反的方向 一边进行漂移运动一 边移动生成电流。图4所示能量转换装置60，使用密封等将该电流向 环形容器62外导出，蓄积在电容器70中。在本发明中使用的磁场的强度，可以规定为大约10T以下， 一定 时间蓄积在电容器中的电荷，向负荷72供给使负荷驱动。因此，通过 使用进行本发明的激光还原时生成的电荷粒子，可使化学-光能向电 能转换。另夕卜，在环形容器62中，形成回收提供阳离子的金属的回收 容器68，回收Mg这样的金属，同时从阴离子生成的气体，通过排气 管线80向环形容器62的外部排出。图5是表示在栅极66之间进行漂移运动的电荷粒子的状态的示意 图。栅极66，上侧与大地接地，在等离子体78中产生的阳离子向下 侧一边进行拉莫尔半径的漂移运动一边移动，阴离子在不进行拉莫尔 半径的漂移运动的同时，向上侧移动，在栅极间生成电流。栅极66 作为合适的网格形成，使阳离子的放电和通过成为可能。再者，在本 发明中，也能够在栅极66上设置合适的电位差。图6表示在按照本发明形成的等离子体中观测到的阳离子形式的 发光光语。图6是关于在MgO靶上照射Nd3+: YAG激光(脉沖输出0. 3J， 脉冲宽度5ns )形成的、相当于约10000K左右的等离子体得到的Mg+ 的发光光镨(MgII， 448. 1130nm， 2P6 4f-2p6 3d，和MgI， 518. 36042nm， 3s4s-3s3p)。如图6所示，按照本发明从封入环形容器内的等离子体， 明确地观测到Mg +的发光，在由照射激光生成的等离子体中显示能够 生成电荷粒子。<第4部分氢生成装置-第2实施方式>图7是表示本发明的氢生成装置的第2实施方式的本质构成的图。 图7所示的氢生成装置90，在通过用H20使钠(Na)、钾(K)、镁(Mg)、 钓(Ca)、铝(Al )、锌(Zn)或者它们的任何的混合物等氧化，相 反将H20还原成H2，使氢产生这点上，和图l等所示的氢生成装置是 共同的。特别是，图7所示的第2实施例，在氢生成装置内不导入粉 末状的Mg等材料，而是连续地导入薄膜状、片状、薄片状、碎片状的 材料，使氢产生。若更详细地说明图7的话，图7所示的氢生成装置90具备反应容 器92、插入反应容器92内、用于向反应容器92内导入&0的导入管 94以及用于导入Mg这样的材料的加料器96。反应容器92等，可以由 SUS304、 SUS316、 SUS321、 SUS329、 SUS309、 SUS310、 SUS317、 SUS405、 SUS347、 SUS420、 SUS410等材料形成，使用O型环、金属密封等适宜 的密封手段，就能够确保与外界的密封性。优先选择在高温、高压的 水蒸气的状态向反应容器92的内部导入1120，在图7所示的实施方式 中，在从导入管94被排出的位置，与形成薄膜状的Mg接触使氧化反 应发生。作为氧化反应的结果，生成MgO和H2。生成的H2，通过排气管114 向反应容器92的外部导出，直接供给燃料电池，或者为了蓄积供给贮 氢合金等。另一方面，图7所示的氢生成装置90具备由通过内部延伸、 相互重合的网眼形成的筛网108。筛网108利用配置在反应容器92的 外部的电动机110等在纸面左右方向往复运动，破碎生成的块状MgO， 作为规定粒径的粉体112蓄积在反应容器92的下侧。另外，Mg这一材料的薄膜、片、薄片、碎片等通过加料器96被 导入反应容器92内，送料器96只要具有适合于薄膜、片等形状的供 给能力，无论什么样的送料器都能够使用。例如，在Mg等作为薄膜或 者片导入反应容器92内时，作为送料器96可以使用模头(die)。另 外，在本发明中，在导入模头前，为了 Mg等不发生空气氧化，薄膜、 片、薄片、碎片状的Mg等材料可以另外预先收容在供给室98中。
收容室98的内部，优先选择利用N2、 Ar等合适的惰性气体进行 置换。能够在本发明中使用的材料，作为薄膜或片时，可以是0. 1~ 数mm厚，作为薄片时，长径可以是数mm 数cm。 在本发明中，通过 控制供给的H20量和材料薄膜等的供给量，除放热量以外，还可控制 生成的H20量。另外，以控制放热量为目的，氧化反应可以混合吸热 或者放热量比镁小的材料，例如锌。在收容室98的内部配置材料滚筒104和运送辊102，对应反应容 器92内的材料的氧化、消耗的程度，向反应容器92内供给薄膜状或 者片状的材料100。再者，在本发明的另外的别的实施方式中，使材 料滚筒104转动，通常为了提供具有新表面的材料，在收容室98内配 置切削刃，使用从反应容器92排出的&或者热也能够得到材料滚筒 104的转动力。生成的Mg0等氧化物的粉体112定期地或者每当规定 量蓄积时从未图示的排出口回收，提供给利用激光还原的能转换等。图8是表示本发明的氢生成装置的第2实施方式的更详细构成的 图。图8所示的氢生成装置120具备反应容器124、包围反应容器124、 用于交换来自反应容器124的热的热交换套122。热交换套122通过 阀128和冷却介质(水)的供给管线130连接。阀128例如可以是三 通阀，响应其停止位置，能够将致冷剂供给方式和连接供给管线132 进行热交换-水蒸气供给方式相互切换。供给管线132的前端向反应 容器124的内部导入，使由热交换生成的水蒸气(-2001C )向反应容 器124的内部导入。另外，在图8所示的实施方式中，使用设置在上部的导入缝隙(未 图示)和给料机构(未图示)，沿反应容器124的内侧壁，供给镁这 样的材料的片或者薄膜。再者，在本发明中，用不妨碍处理的配置， 无论使用什么样的方法都能够导入材料的片、薄膜或者薄片等，也不 一定沿内侧壁导入材料。另一方面，以鴒(W)制等的火花放电器134 作为用于赋予提供使反应持续的温度的初期燃烧的活化装置插入反应 容器124中，可使初期的反应容器124内产生材料的燃烧。在本发明的另外的实施方式中，代替火花放电器134，可以将YAG2
激光器、半导体激光器、太阳光激发激光器等作为活化装置使用。另 外，优选使用在高温下使水的还原反应作为放热反应发生的金属，此 时，生成锌这样的在水的还原反应时吸热量或者放热量小的材料的材 料也可以作为反应控制添加物使用。在反应容器124的上部连接形成连接装置的帽138。帽138将用 于从帽138把生成的&排出到外部的排出管线140延伸。帽138使用 耐高温高压的连接装置连接在反应容器124上。作为这样的连接装置， 迄今已知的任何手段都可以使用，但具体地可举出Kakura式连接。在 反应容器124的下侧，形成用于粉碎生成的氧化物的筛网126，被粉 碎的氧化物的粉体146蓄积在筛网126的下侧形成的回收容器142中。 再者，在本发明中，反应容器124和回收容器142之间使用法兰连接。 例如可从回收容器142上形成的观测窗监测生成的粉体料，在蓄积规 定的料后，分离通过螺栓和螺母连接的反应容器124和回收容器142, 回收粉体。被回收的MgO等氧化物，再供给图2等所示的激光还原法，能够 在Mg等的再生中使用。另外，使用图8的氢生成装置120生成的H2 可以在用于燃料电池的燃料中直接使用。为了使操作性更加提高，生 成的H2被蓄积在贮氢合金中，能够作为燃料电池的燃料使用。在本发 明的其他的实施方式中，通过将剩余的水蒸气供给蒸汽透平，能够进 行发电。由蒸汽透平冷却的水，再向供给管线130循环，也可以作为 在反应容器124内产生的热的热交换介质使用。在本发明中，作为进行反应容器124的热交换的介质，可以直接 使用水，但作为冷却介质，通过和水分开使用氟利昂代替物、超临界 流体等致冷剂，能够控制冷却效率，可提高反应的控制性。如上所述， 本发明的图8所示的氢生成装置120,不仅可以作为氢供给源，而且 可以应用于无公害型内燃机、无公害型发电机等，可显著地减低环境 负荷。另外，本发明能够用于灾害时的都市紧急生命线(life line)。 在大地震的灾害时，确保生命线和灭火是重要的，特别是在东京、大
阪、名古屋、福冈等大都市如果发生M7级地震，则推断房屋损害的 77%是由火灾引起的损失。因此，在东京都等，尽管在1万2千处确 保防灾用水，但认为灾害时消防车不可能到达那里。
本发明，也能够作为利用水和非自发燃烧性的镁与水的反应的紧 急生命线复原装置使用。本发明如下所述作为紧急生命线复原装置发 挥作用。(1) 灭火利用Mg和水产生的热和由氢产生的热启动燃气轮机， 使用防火用水泵，承担自治体灭火活动。如果使用燃烧以大约35cm 见方的Mg的量生成的氢的燃气轮机、转缸发动机、往复式发动机、斯 特林发动机(Stirling engine)，就应该能够确保消防车6 ~ 8小时 的动力。(2) 饮料水由于在Mg和水反应时产生的热，能够使水蒸发， 因而由此确保蒸馏水，来提供饮料水。例如使用消防用水，利用35cm 见方的Mg的反应时的放热，除了氢以外产生水蒸气，通过使该水蒸气 凝结，可生成800kg安全的饮料水。(3) 电力作为燃气轮机、转缸发动机、往复式发动机的动力， 使用氢进行发电，能够确保电力。认为在此情况下，用35cm见方的 Mg,能够确保一家的l-2周~约1个月的电力。(4) 热水再生地使用上述蒸馏水的冷凝过程的热，使消防用水 沸腾就能够确保浴池等的热水。在本发明中，Mg的优点是没有像汽油 或重油那样的可燃性，预先埋入地表面附近，通过简单的遮蔽处理， 就能够安全地贮藏，在大灾害时也不会产生漏泄、爆炸、卫生安全的 问题。<第5部分使用激光烧蚀的还原装置>
图9表示本发明的激光还原装置的另外的实施方式。图9所示的 激光还原装置150具有备有使激光束入射的窗口 160的容器152、 在容器152内喷射氦、氩、氮等惰性气体的喷嘴156。在容器152的 下部蓄积块状、粒状、小球状的Mg0 148。另外，从容器152的上部， 激光束162向MgO照射，在MgO的适当位置聚光，利用激光烧蚀使MgO熔化。另一方面，高速的惰性气体从喷嘴156向利用激光束162熔化的 Mg0 148喷射，使作为2MgO—2Mg + 02分解并生成的Mg和02不再结合 地分离。生成的固体Mg，由于惰性气体的压力附着在容器152的内壁 上，以后被回收。另一方面，生成的02,通过配置在容器152的上部 的排气管和阀被导出至容器152的外部。再者，在图9所示的本发明 的激光还原装置150中，使激光束162在箭头线A方向移动，^吏MgO 的熔化面积增加，能够提高效率。另外，在本发明中，为了容器152 内部不会由于惰性气体的喷射被冷却，可以使惰性气体达到高温后再 喷射到容器152内。产业上的应用可能性按照本发明，能够提供可一方面对环境给予最小的负荷， 一方面 根据需要生成、贮藏氢，因此使氢能的更广泛的供给成为可能，可大 大改变能源和基础结构，对地球温暖化、化石燃烧的枯竭化这样的问 题做出大的贡献、产业上价值极高的氢生成装置、激光还原装置、能 量转换装置及氢生成方法。另外，按照本发明生成的氢，也能够提供 给燃料电池用，也能够将产生的氢作为内燃机的燃料直接使用，也能 够适用于提供紧急生命线。
权利要求
1.氢生成装置，该装置包括保持金属元素的反应容器、用于向上述反应容器供给水的贮水槽、加热上述金属元素与上述水接触的部分而加热上述金属元素的激光器、回收由上述金属元素和上述水的反应生成的氢气和反应能的氢取出管。
2. 根据权利要求1所述的氢生成装置，其中，上述金属元素选自 钠、钾、镁、铝、钙、锌或者它们的混合物。
3. 根据权利要求1所述的氢生成装置，其中，上述氢生成装置包 括l&藏上述回收的氢气的氢贮藏装置，上述贮藏装置具备贮氢合金。
4. 激光还原装置，它是使用激光束将金属的金属氧化物还原为金 属的激光还原装置，该装置具备收容金属氧化物、备有照射窗的真空容器，以及 通过上述照射窗向上述真空容器内部照射激光束使上述金属氧化 物还原的激光器。
5. 根据权利要求4所述的激光还原装置，其中，上述金属氧化物 选自氧化钠、氧化钾、氧化镁、氧化铝、氧化钙、氧化锌或者它们的 混合物。
6. 根据权利要求4或5所述的激光还原装置，其中，上述激光器 是太阳光激发激光器。
7. 氢生成方法，它是利用金属还原水而生成氢气的氢生成方法， 上述方法包括使金属元素和水接触还原成氢气，生成金属氧化物或者金属氢氧 化物的工序、回收上述生成的氢气的工序，以及激光还原上述生成的金属氧化物或者金属氢氧化物，进行金属再 生的工序。
8. 根据权利要求7所述的方法，其中，上述金属选自钠、钾、镁、 铝、钓、锌或者它们的混合物。
9. 根据权利要求7或8所述的方法，其中上述方法包括贮藏上述 回收的氢气的工序，贮藏上述回收的氢气的工序包括使上述氢气被贮 氢合金吸收的工序。
10. 根据权利要求7~9中的任一项所述的方法，其中上述激光还 原使用太阳光激发激光器还原金属氧化物或者金属氢氧化物。
11. 激光还原装置，它是使用激光束还原含氧化学物质的激光还原 装置，该装置具备收容上述化学物质、备有照射窗的真空容器，以及 通过上述照射窗向上述真空容器内部照射激光束来还原上述化学 物质的太阳光激发激光器。
12. 能量转换装置，它是通过利用激光束将含氧化合物还原的激光 还原，进行能量转换的装置，该装置包括收容上述化学物质的容器、 用于从上述化学物质生成等离子体的激光器、 产生使上述等离子体偏向的磁场的磁场发生装置、 配置在上述容器内、用于从上述容器内的上述等离子体取出电流 的樹极，以及使由上述等离子体产生的电荷在上述容器外蓄积的电容器。
13. 氢生成装置，该装置具备 使金属元素反应的反应容器、用于向上述反应容器供给水的贮水槽、为了和上述水接触向上述反应容器内供给上述金属元素的成形体 的送料器、将由上述金属元素和上述水的反应生成的氢气和反应能回收的氢 取出管，以及使上述反应容器内活化成上述金属元素的氧化反应持续进行的状态的活化装置。
14. 根据权利要求13所述的氢生成装置，其中，还包括用于冷却上述反应容器的冷却介质套。
15. 根据权利要求13或14所述的氢生成装置，其中，具备用筛网 与上述反应容器分离、回收上述金属元素的氧化物粉体的回收容器。
16. 发电系统，该系统具备权利要求13~15中的任一项所述的氢 生成装置。
17. 再生型氢生成装置，该装置包括 保持含金属物质的反应容器、用于向上述反应容器供给水的贮水槽、加热上述含金属物质与上述水接触的部分使上述含金属物质氧 化，回收由上述含金属物质和上述水的反应生成的氢气和反应能的氢 取出管、用来自上述氢取出管的上述氢气进行能量转换的能量转换装置、 将上述含金属物质被氧化而生成的含氧化合物还原，使上述含金 属物质再生的还原装置，以及用于回收利用上述还原装置再生的含金属物质的回收装置。
全文摘要
本发明提供氢生成装置、激光还原装置、能量转换装置、氢生成方法及发电系统。本发明的氢生成装置10包括保持金属元素的反应容器12、用于向反应容器12供给水的贮水槽16、回收由金属元素和水反应生成的氢气的氢取出管14。在本发明中，也可以包括贮藏回收的氢气的氢贮藏装置26。另外，本发明，将还原氢气而生成的金属元素的氧化物或者氢氧化物进行激光还原使金属元素再生。在激光还原中，可使用太阳光激发激光。另外，按照本发明，能够提供使用利用在激光还原时形成的电荷粒子生成电流的能量转换装置和上述的氢发生系统的发电系统。
文档编号C01B3/08GK101163639SQ20068001295
公开日2008年4月16日 申请日期2006年3月8日 优先权日2005年3月18日
发明者生田一成, 矢部孝 申请人:国立大学法人东京工业大学