JP2010070408A - 水素発生材料とその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 従来、燃料電池・水素自動車等の燃料となる水素ガスを発生させる
水素発生材料は、製造過程の処理工程が複雑となり、結果的に高価となり、常
温で簡便・安全・安価に発生させられる水素発生材料及び該材料の製造方法が
課題となっていた。
【解決手段】 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の微粒子全体に微細な亀裂を有する非球形の水素発生材料微粒子を提供する。
また該水素発生材料微粒子の製造方法としては、アルミニウム又はアルミニウム合金を酸素を遮断した雰囲気中でボールミルなどの打撃型粉砕機で粉砕することにより非球形の微細亀裂を有する微粒子を製造する。
また、好ましくは該アルミニウムはガリウムに浸漬させて脆化させた後に引き上げる工程を加えたものであること。また、好ましくは、該アルミニウム合金の主要構成元素はアルミニウムとガリウムであること。
【選択図】図１

Description

本発明は、水の分解により水素ガスを発生させる水素発生材料及び該材料の
製造方法に関する。

近年、我々の生活を支えるエネルギーの元である原油が、需要と供給の不安
等により高騰したばかりでなく、とうもろこし等の農作物からエタノール等の
バイオ燃料を製造するようになったことから世界中の食料も高騰した。

また、地球環境の見地からも従来の化石燃料を軸とするエネルギー政策は、
根本から見直しが求められており、世界中で新エネルギーの開発が急がれてい
る。

特に燃焼しても水しか排出しない水素エネルギーの開発が積極的に推進され
ている。
しかし、地球環境を悪化させる温暖化ガスのひとつである二酸化炭素を全く
排出しない水からの水素の製造は簡単ではない。

中学校の理科で教えている昔からの方法として、水を電気分解して水素を得
る簡単な実験があるが、数十年経た現在も経済的にみると効率において劇的な
改善が見られない。

また、単純に加熱のみで水を水素と酸素に熱分解させるには約４，０００℃
の高温を必要とするが、そのためのエネルギーを太陽から得るとすると、大型
パラボラ鏡などの施設が必要となるうえ、現実的にそれほどの高温に耐えられ
る容器壁材が無く、あったとしても日中しか稼動させられないという難点があ
る。

しかし、地球環境を考えた場合に、水からの水素生成に勝るものが無いと考
えられることから、究極のエネルギーとしては水素であり、低温で水を分解し
て得た水素を燃料電池、水素自動車などに使用する技術が求められている。
２

このため多くの企業で水素発生材料の研究が進められており、特に携帯型パ
ソコン用の固体高分子型燃料電池に用いる水素製造のため様々な水素発生材料
が提案されている。
例えば、触媒を使用してメタンを水と反応させて分解させる方法、都市ガス
を触媒で改質して水素を発生させる方法、水を酸化チタンなどの半導体で光分
解して水素を得る方法などがあり、特許文献１、２他多数の文献に開示されて
いる。

特開２００４−１１５３２６号公報 特開２００６−１４３５６０号公報 「工業化学雑誌」第７２巻、１号、第１０８〜１１３頁（１９６９年）

以上に述べた従来の水素発生材料では、例えば、特許文献１のように、メ
タノールを水分子とともに触媒反応で分解する方法では１５０℃以上の高温が
必要であり副生成物の一酸化炭素を二酸化炭素にする必要があると同時にメタ
ノールを水に薄めて使用することから大量の水が必要となる、などの不都合が
ある。また同様に都市ガスを触媒で改質して水素を得る方法でも数百度の熱エ
ネルギーが必要である。

また、特許文献２のように、水蒸気と溶解性鉄塩の微粒子を接触させて水素
を発生させる方法が提案されているが、水素還元温度は２８０℃以上、水蒸気
酸化温度は２１０℃以上必要であり、水素の生成率は２１０℃で５３％と、携
帯型燃料電池用に簡単に持ち歩いて使用出来るものではない。

また、非特許文献１の、水を光分解して水素を得る方法は、ホンダ・フジシ
マ効果そのもので、半導体である酸化チタンを使用して水から水素を生成させ
るが、太陽光の波長のうちごく一部の紫外線部分しか利用出来ず、また、水素
の生成速度が非常に遅いことから水素ガスを長時間蓄積する必要が出てくるな
ど水素製造方法には適さない。

３

このように従来の方法では、燃料電池・自動車などの燃料としての水素ガス
を製造するのが非常に困難であるというのが実情である。

したがって、本発明は、燃料電池・水素自動車などの燃料となる水素ガスを
常温で簡易に安全かつ安価に提供することが出来る水素発生材料及び該材料の
製造方法を提供することを目的とする。

以上の課題を解決するために、請求項１の発明は、アルミニウム又はアルミ
ニウム合金の微粒子全体に微細な亀裂を設けた水素発生材料であって、該水素
発生材料中、非球形微粒子を全部又は少なくとも重量で半分以上占めるものと
し、該アルミニウム合金はその主要構成元素がアルミニウムとガリウムである
ことを特徴とした水素発生材料を提供する。

又、請求項２から４に記載の発明は、前記請求項１の水素発生材料の製造方
法であり、請求項２の発明は、アルミニウム又はアルミニウム合金を粉砕して
得た微粒子全体に微細な亀裂を設けた水素発生材料の製造方法であり、酸素を
遮断した反応室内で、該アルミニウム又はアルミニウム合金にガリウムを作用
させたものをボールミル又はジェットミル又は媒体かく拌型粉砕機などの打撃
型粉砕機で粉砕し、該水素発生材料中、非球形の該微粒子を全部又は少なくと
も重量で半分以上の割合で得ることを特徴とした水素発生材料の製造方法を提
供するものである。

更に、請求項３は、前記請求項２の発明の中で、該アルミニウムは、ガリウ
ムに浸漬させてから引き上げて両者を分離する工程を含むことを特徴とした水
素発生材料の製造方法である。

更に、請求項４の発明は、該アルミニウム合金は、その主たる構成元素がガ
リウムとアルミニウムであることを特徴とした請求項２に記載の水素発生材料
の製造方法である。

ここで、本発明で使用するアルミニウムとガリウムの性状及び作用等を説明
する。

４

アルミニウムは水との反応性が強い金属で、通常のアルミニウムは表面が酸
化アルミニウムで覆われており、そのままでは水との反応が弱いが、酸素を遮
断した窒素雰囲気などでこのアルミニウム表面の酸化アルミニウムを取り除い
て脱気した水を接触させると激しく反応するようになる。

また、アルミニウムに低融点金属であるガリウムをつけて力をかけると曲が
らずに折れてしまうが、この現象はアルミニウム多結晶では、ガリウムがアル
ミニウムの結晶粒と結晶粒の間の結晶粒界部分にしみこみ、結晶粒界の強度を
著しく低下させることが原因で液体金属脆化が起こると考えられている。

つまり、低融点金属のガリウムをアルミニウムに充分長い時間つけておけば、
アルミニウム表面の低融点金属ガリウムを取り去っても脆化はおきることにな
る。

従って、ガリウムに浸漬したアルミニウム、又はアルミニウムとガリウムの
合金を粉砕する場合は、既にアルミニウム又はアルミニウム合金はガリウムに
よって脆化しているため簡単に粉砕することが出来る。

本発明では、この脆化の仕組みを利用した水素発生材料を提供する。

加えて、亀裂を有するアルミニウム微粒子を作るに際して、ボールミル又は
ジェットミル又は媒体かく拌型粉砕機などの打撃による粉砕機で粉砕した場合
には、全体に微小亀裂を生じさせた微粒子は球形とならず、ガリウムによる脆
化の作用を受けて無数の亀裂を持った状態で粉砕されるため、様々な形状の微
粒子を簡単に作ることが出来、しかも球形微粒子よりも球形でない微粒子の方
が表面積が大きくなり、該微粒子表面からその内部に作る亀裂の数も比例して
多くなる。更に本発明の水素発生材料の該微粒子間はより多くの空隙を生ずる
ので嵩張ることになる。

結果として、本発明の該水素発生材料に水を加えて水素を発生させる際に、
水との接触面積が更に増えることになるため反応が極限まで進行することとな
り、しかも反応時間も短縮されるという効果も出てくる。

５

上述してきたように、本発明によれば、地球環境を悪化させるような二酸化
炭素を排出せずに常温で安全、安価かつ簡単に水素を発生させることの出来る
水素発生材料とその製造方法を提供することが出来る。

本発明の実施の形態を図１及び図２に基づいて説明する。

図においては、１はアルミニウムまたはアルミニウム合金で、２は亀裂、３
は融点以上に暖めた液体のガリウム、４は容器、５はボールミル粉砕機、６は
ボールミル粉砕機５の蓋、７はボールミル粉砕機５の構成要素であるセラミッ
クボール、８は水素発生材料微粒子、９はボールミル粉砕機を稼動させるため
のモーター、１０は無酸素室である。

以下、上記構成の動作等を説明する。図１は本発明の請求項１記載の非球形
の水素発生材料微粒子８で亀裂２の入ったアルミニウムまたはアルミニウム合
金で、これに脱気した水を加えると容易に水素が発生する。

また、図２は本発明の請求項２及び３記載の一実施例で、水素発生材料の製
造方法を示したもので全体の工程を酸素を遮断した無酸素室１０内で行う。

図２の左図はアルミニウム１の素材であり、好ましくは、あらかじめ表面の
酸化物は除去したものを中央図のように融点温度以上に暖めた液体のガリウム
３に一定時間漬けてから引き上げ、右図のボールミル粉砕機５の中にセラミッ
クボール７とともに入れてモーター９で回転をさせ、粉砕して図１の非球形の
水素発生材料微粒子８を得る。

これにより、出来上がった水素発生材料の全部又は少なくとも重量で半分以
上の非球形の水素発生材料微粒子８を得ることが出来る。

また、請求項３に記載のように、該アルミニウムは、ガリウムに浸漬させてか
ら両者を分離する工程を入れることにより、アルミニウムの表面からガリウム
が結晶粒と結晶粒の間の結晶粒界部分にしみこみ、結晶粒界の強度を著しく低
下させて脆化させ、その後の工程である打撃型粉砕装置による微粒子化を容易
にする。
６

なお、その他の一実施例としては、図２において、ガリウムとアルミニウム
の合金を使用する場合は、中央図の工程は省いて右図のボールミル粉砕機５に
該アルミニウム合金１を入れて粉砕して水素発生材料微粒子８を得ることが出
来る。

これは、請求項２及び請求項４記載の一実施例であるが、該合金とすること
により、前記と同様の理由により、アルミニウムの表面からガリウムがアルミ
ニウムの粒界部分にしみこんでいき、アルミニウムを脆化させて、粉砕機によ
る粉砕・微粒子化を容易にする。

本発明の１実施例で、水素発生材料である微粒子を模式的に示した概略図。 本発明の１実施例で水素製造材料の製造過程を模式的に示した概略図。

符号の説明

１ アルミニウムまたはアルミニウム合金
２ 亀裂
３ ガリウム
４ 容器
５ ボールミル粉砕機
６ 蓋
７ セラミックボール
８ 水素発生材料微粒子
９ モーター
１０ 無酸素室

Claims (4)

1. アルミニウム又はアルミニウム合金の微粒子全体に微細な亀裂を設けた水素
   発生材料であって、該水素発生材料中、非球形の該微粒子が全部又は少なくと
   も重量で半分以上占めるものとし、該アルミニウム合金はその主要構成元素が
   アルミニウムとガリウムであることを特徴とした水素発生材料。
2. アルミニウム又はアルミニウム合金を粉砕して得た微粒子全体に微細な亀裂
   を設けた水素発生材料の製造方法であって、酸素を遮断した反応室内で、該ア
   ルミニウム又はアルミニウム合金にガリウムを作用させたものをボールミルな
   どの打撃型粉砕機で粉砕し、該水素発生材料中、非球形の該微粒子を全部又は
   少なくとも重量で半分以上の割合で得ることを特徴とした水素発生材料の製造
   方法。
3. 該アルミニウムは、ガリウムに浸漬させてから両者を分離する工程を含むこ
   とを特徴とした請求項２記載の水素発生材料の製造方法。
4. 該アルミニウム合金は、その主要構成元素がガリウムとアルミニウムである
   ことを特徴とした請求項２記載の水素発生材料の製造方法。
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   １
   

Images