JP2009196835A - 水素発生材料および該水素発生材料の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 10°C以下の水中で摩擦粉砕されたアルミニウム又はアルミニウム合金の微粒子を、含水状態で10°Cから50°Cの温度範囲で活性化させ乾燥させてなることを特徴とする、水を分解して水素を発生する水素発生材料が提供される。好ましくは、アルミニウム合金は、アルミニウム−ケイ素系合金、アルミニウム−マグネシウム系合金、アルミニウム−マグネシウム−ケイ素系合金、又はアルミニウム−リチウム系合金である。
【選択図】 図1
Description
一方、上述のアルミニウムを用いた水素ガス発生方法では、水との反応を開始させる際、水素ガスの発生までに時間がかかるうえ、反応により生ずる水素ガスの発生量が理論値と比較して十分とは言えず、多くの改善すべき点がある。
すなわち、本発明の水素発生材料は、アルミニウム又はアルミニウム合金を10°C以下の水の中で摩擦粉砕し、得られた微粒子を、水を含む状態で10°Cから50°Cの温度範囲で活性化させた後に乾燥することを特徴としている。
2Al+H2 O+H(a) → AlH3 +AlO (1)
式(1)の反応は、活性アルミニウム微粒子の亀裂先端(応力集中点で、アルミニウム原子の配列が乱れている)で生ずる特殊な水分子分解の反応であり、亀裂内表面では吸着水素H(a)および表面酸化物AlOの存在が必要である。水中での摩擦粉砕と活性化の過程では、式(1)の反応が進行する。
活性化処理後、乾燥した活性アルミニウム微粒子は、常温で水と接触させることにより、式(1)の反応と同時に式(2)の反応を起こし、水が分解される。
AlH3 +AlO+2H2 O → Al2 O3 +3H2 +H(a) (2)
したがって、活性アルミニウム微粒子による水分子分解と水素生成の全反応は、式(3)により表され、イオン反応機構ではなくラジカル反応機構により理解される。
Al+(3/2)H2 O → (1/2)Al2 O3 +(3/2)H2 (3)
アルミニウム合金(6000番系)を使用した自動車エンジン製造の切削アルミニウム屑材(カール)を原料として、活性アルミウニム微粒子を製造した。この合金は、やや硬く、脆い合金であるので、微粒子化し易い。原料は、厚さ0.3mm程度、長さ4cm程度の細長いアルミウニム屑であるので、一旦1mm程度のフレイク状に砕き、洗浄した後、水中において摩擦、粉砕を実施した。このようにして得られたアルミニウム微粒子は、4μm〜20μmに粒子分布した微粒子であった。この微粒子を活性化処理した後、水との反応性が如何に強いかを示す実験を、他のアルミニウム材と比較して行った。比較対象として、アトマイズ法により製造された高純度アルミニウム微粒子(数ミクロンサイズ)および粉砕したアルミニウム屑材(カール)を選定した。比較対象の2種類のアルミニウム材は水との反応性が弱いので、反応を加速させるため、1モルのNaOH水溶液中で水素生成の実験を行った。図6は、その結果を示したものである。図6を見ると、活性アルミウニム微粒子の初期水素発生速度は、高純度アルミニウム微粒子の10倍にも達することが分かる。
一方、純粋アルミニウムに近いアルミニウムフォイル(厚さ10μm〜20μm)に水中で打撃を加え、圧縮、摩擦により粉砕してアルミニウム微粒子を製造した。アルミニウム微粒子は、カールを原料とした場合と異なり、厚さが5μm〜10μm、幅が30μm〜50μmのフレイク状である。このアルミニウム微粒子は、カールを原料とした微粒子よりも水素発生速度が遅いため、水素発生を長く継続させようとする場合に有用である。
4000番系および6000番系のアルミニウム合金切り子材を使用して、活性アルミニウム微粒子を製造した。チェインソウによる切り屑(ビレット)は1mm〜2mmのフレイクであり、洗浄した後、水中で摩擦、圧縮により粉砕して3μm程度の微粒子を製造した。このアルミニウム微粒子は、微粒子化したままでは、水素発生能が十分ではない。その理由は、図4に示されるように、微粒子の内部にマイクロサイズ/ナノサイズの亀裂の成長が不十分であるからである。亀裂成長(高密度化)のために、5°C〜10°Cに保持し、さらに、45°C〜55°Cに加温して熱処理活性化を行った。これらの処理により、水素発生速度および水素発生量が大幅に向上することが確認された。数十時間5°Cに保持することにより得られる効果と比較して、50°Cに熱処理することにより得られる効果は、数倍になることが分かった。
図7は、アルミニウムビレット屑材を使用して製造した2種類の活性アルミニウム微粒子(平均2μmと平均6μm)の水素発生能を比較した結果を示したものである。これらの水素発生能の相違は、表面積の違いによる微粒子亀裂への水分子の侵入速度および亀裂の密度の違いによるものと理解される。
活性アルミニウム微粒子を、石臼型の摩擦粉砕式微粒子製造機により水中で製造した。その際、冷却剤により製造(粉砕)時の温度を制御し、20°Cと50°Cでそれぞれ製造した。図2は、活性アルミニウム微粒子を20°Cで製造した場合と50°Cで製造した場合の水素発生能を比較したものである。これらの水素発生能の相違は、微粒子製造中のアルミニウム原子と水分子との水素発生反応が低温では抑制されることに起因すると理解される。
活性アルミニウム微粒子は、図4に示されるように、その内部に亀裂が成長し、亀裂の周辺にアルミニウム水素化物が蓄積している。亀裂が成長(高密度化)し微粒子サイズが小さくなると比表面積が大きくなるが、それに比例して水素生成速度の向上が観測される。図5は、50°Cで活性化された活性アルミニウム微粒子のBET法(77Kにおける窒素ガスの吸着量)により測定した比表面積を示したものである。
活性アルミニウム微粒子からの水素の昇温脱離スペクトル(TDS)を測定することにより、活性アルミニウム微粒子の亀裂周辺におけるアルミニウム水素化物の存在の有無を観測した。本測定においては、ペレット化した活性アルミニウム微粒子0.5g程度を真空装置に入れ、温度を室温から500°Cまで徐々に上げながら、試料から放出される水素ガスをガスクロマトグラフ法により計測した。図8は、その結果を示したものである。この結果から、活性アルミニウム微粒子中に存在する水素の状態は複雑であり、2種の水素化物からの水素のみならず、亀裂表面の近傍にある水素(H(a))、結晶粒界にある水素(400°C近傍のピーク)が混在しているのが分かる。
Claims (4)
- 水を分解して水素を発生する水素発生材料であって、
10°C以下の水中で摩擦粉砕されたアルミニウム又はアルミニウム合金の微粒子を、含水状態で10°Cから50°Cの温度範囲で活性化させ乾燥させてなることを特徴とする水素発生材料。 - 前記アルミニウム合金が、アルミニウム−ケイ素系合金、アルミニウム−マグネシウム系合金、アルミニウム−マグネシウム−ケイ素系合金、又はアルミニウム−リチウム系合金であることを特徴とする請求項1に記載の水素発生材料。
- 前記微粒子の粒径が5ミクロン以下、比表面積が200m2 /g以上であり、その表面近傍および内部に、マイクロメートル又はサブマイクロメートルのオーダーの長さ、ナノメートルのオーダーの直径を有する亀裂が分布しており、前記亀裂の内部に、アルミニウム水素化物を含有することを特徴とする請求項1又は2に記載の水素発生材料。
- 水素発生材料の製造方法であって、
アルミニウム又はアルミニウム合金を10°C以下の水中で摩擦粉砕してアルミニウム微粒子を得る工程と、
前記アルミニウム微粒子を含水状態で10°Cから50°Cの温度範囲で活性化させて乾燥させる工程と、
を含むことを特徴とする方法。
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