JP4537337B2 - 水素発生材料、水素発生材料の製造方法、水素の製造方法、水素の製造装置および燃料電池 - Google Patents
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2Al+6H2O→Al2O3・3H2O+3H2 (1)
2Al+4H2O→Al2O3・H2O+3H2 (2)
2Al+3H2O→Al2O3+3H2 (3)
上記の通り、本発明の水素発生材料は、原料となるアルミニウムまたはアルミニウム合金を、水と有機溶媒とを含む処理溶媒中で粉砕して形成される金属材料を用いることにより得られる。粉砕時に使用する液体が水を含有せず、有機溶媒のみで構成されていると、粉砕後の金属材料の一部または全部が、金属光沢を有する鱗片状の粒子となって水素発生効率が低下し、また、粉砕装置の粉採用ポットなどの内壁面に粉砕物が付着しやすいため、効率よく目的とする金属材料を作製することができない。
(実施例1)
アトマイズ法により作製された平均粒径が55μmのアルミニウム粉末:5g、トルエン:15g、水:1g(上記アルミニウム粉末1質量部に対して0.2質量部)および粒径2μmのジルコニア製のビーズ:85gを、遊星ボールミルの粉砕用ポットに入れ、200rpmの回転速度でアルミニウム粉末を粉砕した。粉砕中に水素が発生したため、10分間回転させた後一旦回転を停止させて、ポット内に発生した水素を放出させて再び回転させた。この手順を繰り返して合計1時間ポットを回転させた。その後、トルエンおよび水を減圧乾燥で除去して、本発明の水素発生材料を構成するための金属材料を得た。得られた金属材料は、表面の金属光沢が失われて黒茶色をしており、平均粒径が12μmの不規則粒状の粒子となった。この金属材料について、金属状態のアルミニウムの含有量を前述の方法で測定したところ80質量%であり、原材料であるアトマイズ法により作製されたアルミニウム粉末では、99質量%であった。また、上記金属材料の粒度分布を、前述の粒子径分布測定装置により測定した。
実施例1において原材料として用いたアルミニウム粉末をそのまま水素発生材料とし、実施例1と同様にして水素発生試験を行い、水素発生量を測定した。
アルミニウム粉末の粉砕に用いる水の量を0.5g(上記アルミニウム粉末1質量部に対して0.1質量部)に変更した以外は、実施例1と同様にして金属材料を作製した。この金属材料のみで水素発生材料を構成して水素発生試験を行い、水素発生量を測定した。
粉砕に使用するアルミニウム粉末の量を3g、および水の量を3g(上記アルミニウム粉末1質量部に対して1質量部)に変更した以外は、実施例1と同様にして金属材料を作製した。この金属材料のみで水素発生材料を構成して水素発生試験を行い、水素発生量を測定した。
粉砕に使用するアルミニウム粉末の量を1g、および水の量を3g(上記アルミニウム粉末1質量部に対して3質量部)に変更した以外は、実施例1と同様にして金属材料を作製した。この金属材料のみで水素発生材料を構成して水素発生試験を行い、水素発生量を測定した。
粉砕用ポットの総回転時間を10分に変更した以外は、実施例1と同様にして金属材料を作製した。この金属材料のみで水素発生材料を構成して水素発生試験を行い、水素発生量を測定した。
アルミニウム粉末の粉砕に用いる水の量を0.05g(上記アルミニウム粉末1質量部に対して0.01質量部)にした以外は、実施例1と同様にして金属材料を作製した。この金属材料のみで水素発生材料を構成して水素発生試験を行い、水素発生量を測定した。
実施例1で作製した金属材料0.9gと、平均粒径が1μmのアルミナ0.1gを乳鉢で混合して水素発生材料を作製した。この水素発生材料を用いて、実施例1と同様にして水素発生試験を行い、水素発生量を測定した。
実施例1で作製した金属材料0.93gと、炭素(キャボット社製「バルカンXC−72R」)0.07gを混合して水素発生材料を作製した。この水素発生材料を用いて、実施例1と同様にして水素発生試験を行い、水素発生量を測定した。
実施例1で作製した金属材料0.96gと、カルボキシメチルセルロース(ダイセル社製)0.04gを混合して水素発生材料を作製した。この水素発生材料を用いて、実施例1と同様にして水素発生試験を行い、水素発生量を測定した。
アルミニウム粉末の粉砕に用いる処理溶媒を、水16gのみとした以外は、実施例1と同様にして金属材料を作製した。この金属材料のみで水素発生材料を構成して水素発生試験を行い、水素発生量を測定した。
アルミニウム粉末の粉砕に用いる処理溶媒を、トルエン15gのみとした以外は、実施例1と同様にして金属材料を作製した。この金属材料のみで水素発生材料を構成して水素発生試験を行い、水素発生量を測定した。
水素発生試験における容器の加熱温度を45℃に変更した以外は、実施例1と同様にして試験を行い、水素発生量を測定した。
水素発生試験における容器の加熱温度を40℃に変更した以外は、実施例1と同様にして試験を行い、水素発生量を測定した。
(実施例12)
実施例1と同様にして作製した金属材料をそのまま水素発生材料とし、図3に示す構成の水素発生装置を用いて水素発生試験を行った。水素発生材料1gを、内容積50mlのガラス製収容容器2に入れた。このガラス製収容容器2を水供給口4および水素排出口5を有する蓋3で密閉した。加熱用手段として抵抗体を収容容器2の外側に配置した。抵抗体に通電して容器を50℃に加熱した状態で、ポンプ8を用いて水供給口4から水を0.02ml/minの速度で供給したところ、実施例1と同様に水素発生が確認された。また、水の供給を停止すると、数分後に水素発生が止まることを確認した。
実施例12において、水の供給を停止する代わりに、加熱を止めて容器を放冷したところ、数分後に水素発生が止まることを確認した。
実施例1と同様にして水素を発生させ、発生した水素を固体高分子型燃料電池に供給して放電試験を行った。その結果、室温で200mW/cm2という高い出力が得られ、小型、可搬型燃料電池の燃料源として有効であることが分かった。
2 収容容器
3 蓋
4 水供給口
5 水素排出口
6 水素発生材料
7 水
8 ポンプ
Claims (21)
- アルミニウムおよびアルミニウム合金より選択される少なくとも1種の金属材料を含有し、水との反応により水素ガスを発生する水素発生材料であって、
上記金属材料は、金属状態のアルミニウムを含有する金属相とアルミニウムの酸化物または水酸化物を含有する不活性相とを含む表面皮膜を有することを特徴とする水素発生材料。 - 上記表面皮膜は、上記金属相からなる層と、上記不活性相からなる層とが互いに積層した積層部を含んで構成されている請求項1に記載の水素発生材料。
- 上記積層部において、上記金属相からなる層と、上記不活性相からなる層とは、それぞれ2層以上積層している請求項2に記載の水素発生材料。
- 上記積層部の厚みが、2μm以下である請求項2または3に記載の水素発生材料。
- 上記表面皮膜が、空孔を有することを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の水素発生材料。
- 上記金属材料は、粒径が60μm以下の粒子を80体積%以上の割合で含有する請求項1〜5のいずれかに記載の水素発生材料。
- 上記金属材料の平均粒径が、30μm以下である請求項1〜6のいずれかに記載の水素発生材。
- 上記金属材料に含まれるアルミニウムは、60質量%以上が金属状態で存在する請求項1〜7のいずれかに記載の水素発生材料。
- 水と反応して発熱する発熱材料であって、上記金属材料以外の発熱材料を更に含有する請求項1〜8のいずれかに記載の水素発生材料。
- 親水性酸化物、炭素および吸水性高分子より選択される少なくとも1種の添加剤を更に含有する請求項1〜9のいずれかに記載の水素発生材料。
- アルミニウムおよびアルミニウム合金より選択される少なくとも1種の金属材料を含有し、水との反応により水素ガスを発生する水素発生材料の製造方法であって、
水と有機溶媒とを含む処理溶媒中で、原料であるアルミニウムまたはアルミニウム合金を粉砕することにより、金属状態のアルミニウムを含有する金属相とアルミニウムの酸化物または水酸化物を含有する不活性相とを含む表面皮膜を有する金属材料を形成することを特徴とする水素発生材料の製造方法。
- 上記処理溶媒が、芳香族炭化水素または脂肪族炭化水素を含む請求項11に記載の水素発生材料の製造方法。
- 上記処理溶媒が、水と共沸混合物になる有機溶媒を含む請求項11に記載の水素発生材料の製造方法。
- 上記処理溶媒が、トルエンまたはシクロヘキサンを含む請求項13に記載の水素発生材料の製造方法。
- 原料となるアルミニウムまたはアルミニウム合金1質量部に対して、上記処理溶媒中の水の量を0.02〜2質量部とする請求項11〜14のいずれかに記載の水素発生材料の製造方法。
- 原料となるアルミニウムまたはアルミニウム合金1質量部に対して、上記処理溶媒中の水の量を0.1〜1質量部とする請求項15に記載の水素発生材料の製造方法。
- 上記処理溶媒中、水1質量部に対する有機溶媒の量を5質量部以上とする請求項11〜16のいずれかに記載の水素発生材料の製造方法。
- 請求項1〜10のいずれかに記載の水素発生材料を水と反応させ、水素を生成させることを特徴とする水素の製造方法。
- 上記水素発生材料および水のうち少なくとも一方を加熱することを特徴とする請求項18に記載の水素の製造方法。
- 請求項1〜10のいずれかに記載の水素発生材料を収容した容器を備え、さらに、上記水素発生材料が水と反応して生成する水素を、上記容器内から外部に取り出すことのできる導出口を上記容器に備えたことを特徴とする水素の製造装置。
- 水素を燃料とする燃料電池であって、水素発生源として請求項20に記載の水素の製造装置を備えたことを特徴とする燃料電池。
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