JP2010269946A - 水素発生剤、及び水素ガスの発生方法、並びに水素ガス供給装置 - Google Patents

Abstract

【課題】常温で効率よく大量の水素を生成することのできる水素発生剤、及び水素ガスの発生方法、並びにこの水素ガスの発生方法を使用した水素ガス供給装置を実現する。
【解決手段】テラヘルツ等の電磁波を放射する人工鉱石が、少なくともＡｌ、Ｓｉ及びアルカリ金属元素を含有したゼオライト粉末粒子とカルシウム化合物との混合粉末中に混在されている。ゼオライト粉末粒子は平均粒径が５０μｍ以下であり、人工鉱石は、混合粉体１００重量部に対し０．１〜３０重量部含有されている。また、前記混合粉体１００重量部に対し０．１〜１０重量部のナノ孔カーボン（植物性微細活性炭）が含有されている。水素発生剤を真水又は海水が貯留された貯留槽に浸漬させ、水素ガスを発生させる。必要に応じ浸透液を注入する。
【選択図】なし

Description

本発明は、水素発生剤、及び水素ガスの発生方法、並びに水素ガス供給装置に関する。

現在、水素は世界で推定年間５０００億Ｎｍ^３以上が製造されている。そして、そのうち９７％が化石燃料から熱化学的方法で製造され、残りは水の電気分解により製造され、現在ではアンモニアやメタノール等の化学合成や石油精製に広く使用されている。

燃料としての水素は、その製造コストが高価であることから実用化が遅れているのが現状である。

一方、化石燃料を燃焼させた場合、大量の二酸化炭素が排出されることから地球の温暖化を引き起こし、地球上の生物体系の変化や海面の上昇、気象変動等、地球規模での深刻な環境問題を招いている。

このため無色・無臭で、燃焼温度が約３０００℃と高く、燃焼しても二酸化炭素や有害ガスが発生せず、貯蔵安定性に優れたクリーンなエネルギーである水素製造技術の開発が要請されている。

そして、従来より、水とアルミニウムとを反応させて水素を発生させる方法が知られている。

例えば、特許文献１には、アルミニウムまたはその合金について新生表面生成手段により新生面を生成させ、その新生表面と水との反応により水素ガスを発生させるようにした水素ガスの製造方法が提案されている。

この特許文献１では、アルミニウムまたはその合金に対し常温の水中で切削加工あるいは研削加工を施し、加工によって生成された新生面と水とを反応させ、これにより水素ガスを発生させている。

また、特許文献２には、アルミニウム粉末又はアルミニウム粉末とアルミニウムよりイオン化傾向の小さい金属粉末の少なくとも一種類以上とを混合した粉末を、水と反応させて水素ガスを発生させるようにした水素ガス発生方法が提案されている。

特許文献２では、アルミニウムよりもイオン化傾向の小さい金属粉末、例えば亜鉛とアルミニウムからなる亜鉛アルミニウムの溶射粉末を水と反応させて水素を製造している。

さらに、特許文献３には、アルミニウム粉末と酸化カルシウム粉末とを含んでなり、該アルミニウム粉末と該酸化カルシウム粉末の合計を１００重量％として、該アルミニウム粉末の配合比が８５重量％以下である水と反応する水素発生材料が提案されている。

特許文献３では、酸化カルシウムと水と反応させて得られた水酸化カルシウムをアルミニウムと反応させて水素を発生させている。

特開２００１−３１４０１号公報 特開２００２−１０４８０１号公報 特開２００４−２３１４６６号公報

しかしながら、特許文献１では、外部から加熱を行わないと、反応速度が不十分となり、このため大量生産に適さない。

また、特許文献２では、アルミニウムよりイオン化傾向の小さい金属粉末を混合することで、水とアルミニウムとの見かけの反応速度を高めることができるものの、亜鉛アルミニウムの粉末を溶射しており、したがって溶射のための制御が必要となり、製造装置も大規模となる。

さらに、特許文献３の方法では、低コストで大量に水素を発生させるのは困難であり、携帯電話に必要とされる程度の電力しか実用上発生させることができない。

本発明はこのような事情に鑑みなされてものであって、常温で効率よく大量の水素を生成することのできる水素発生剤、及び水素ガスの発生方法、並びにこの水素ガスの発生方法を使用した水素ガス供給装置を提供することを目的とする。

本発明者らは、大規模な装置を要することなく短時間で大量の水素ガスを得るべく鋭意研究を行ったところ、ゼオライト粉末粒子とカルシウム化合物の混合粉末中に電磁波を発生する人工鉱石を混在させた物質を水中に浸漬させると、人工鉱石から発する電磁波の微振動によりゼオライトに含まれるＡｌ等の成分とカルシウム化合物との反応が水中で促進され、これにより短時間で大量の水素ガスを発生させることができるというという知見を得た。

本発明はこのような知見に基づきなされたものであって、本発明に係る水素発生剤は、電磁波を放射する人工鉱石が、少なくともＡｌ、Ｓｉ及びアルカリ金属元素を含有したゼオライト粉末粒子とカルシウム化合物との混合粉末中に混在されていることを特徴としている。

また、本発明の水素発生剤は、前記ゼオライト粉末粒子の平均粒径が５０μｍ以下であり、前記人工鉱石は、前記混合粉体１００重量部に対し０．１〜３０重量部含有されていることを特徴としている。

また、本発明の水素発生剤は、前記混合粉体にナノ孔カーボンが含有されていることを特徴としている。

また、本発明の水素発生剤は、前記ナノ孔カーボンは、前記混合粉体１００重量部に対し０．１〜１０重量部含有されていることを特徴としている。

さらに、本発明の水素発生剤は、前記ナノ孔カーボンは、植物性微細活性炭であることを特徴としている。

また、本発明に係る水素ガスの発生方法は、上記水素発生剤を真水又は海水が貯留された貯留槽に浸漬させ、水素ガスを発生させることを特徴としている。

また、本発明の水素ガスの発生方法は、電磁波を放出する人工鉱石を前記貯留層の内部に配すると共に、前記貯留層に浸透液を注入し、水素ガスを発生させることを特徴としている。

さらに、本発明に係る水素ガス供給装置は、上記水素ガスの発生方法で発生した水素ガスがユーテリティに供給されるように構成されていることを特徴としている。

上記水素発生剤によれば、電磁波を放射する人工鉱石が、少なくともＡｌ、Ｓｉ及びアルカリ金属元素を含有したゼオライト粉末粒子とカルシウム化合物との混合粉末中に混在されているので、該水素発生剤を水中に浸漬させることにより、人工鉱石から発する電磁波の微振動で水素生成反応が促進され、短時間で大量の水素を発生させることが可能となる。

前記混合粉体にナノ細孔カーボンが含有されているので、水分子の水素−酸素結合が分断され、水素発生を促進することができる。

また、本発明の水素ガスの発生方法によれば、上記水素発生剤を真水又は海水が貯留された貯留槽に浸漬させ、水素ガスを発生させ、好ましくは電磁波を放出する人工鉱石を前記貯留層の内部に配すると共に、前記貯留層に浸透液を注入し、水素ガスを発生させるので、大規模な設備を要することなく、簡単に大量の水素ガスを得ることができる。

本発明の水素ガス供給装置によれば、上記水素ガスの発生方法で発生した水素ガスがユーテリティに供給されるように構成されているので、大量の水素ガスを低コストで燃料電池や水素燃料エンジン、水素バーナー等の各種ユーテリティに供給することができる。

次に、本発明の実施の形態を詳説する。

本発明の水素発生剤は、電磁波を放射する人工鉱石が、天然に産出する少なくともＡｌ、Ｓｉ及びアルカリ金属元素を含有したゼオライト粉末粒子とカルシウム化合物との混合粉末中に混在されている。

ここで、ゼオライト粉末粒子の含有量は、３０〜７２重量％が好ましく、４０〜７０重量％がより好ましい。ゼオライト粉末粒子の含有量が３０重量％未満になると、水素生成反応に寄与するゼオライト粉末粒子の含有量が少なくなり、水素ガスの発生量が低下するおそれがある。また、ゼオライト粉末粒子の含有量が７２重量％を超えるとカルシウム化合物の含有量が相対的に過少となって、十分に水素生成反応が迅速に進行しなくなる。

カルシウム化合物の含有量は、１５〜３６重量％が好ましく、２０〜３５重量％がより好ましい。カルシウム化合物の含有量が１５重量％未満になると、水素ガスを発生させるための反応速度が低下し、生産性が低下するおそれがある。一方、カルシウム化合物の含有量が３６重量％を超えると、発生した水素ガス中に多量の未反応のカルシウムが含まれ、このためカルシウム化合物が配管や水素ガス発生容器に付着し、好ましくない。

尚、ゼオライト粉末粒子及びカルシウム化合物の平均粒径は、特に限定されるものではないが、５０μｍ以下が好ましく、６〜３６μｍがより好ましい。

ゼオライトは、一般にＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｆｅ_２Ｏ_３、ＭｇＯ、ＣａＯ、Ｎａ_２Ｏ、Ｋ_２Ｏ、Ｐ_２Ｏ_５、ＭｎＯ、ＴｉＯ_２の他、微量のＳｒ、Ｒｂ、Ｂａ、Ｚｎ、Ｓ、Ｍｏが含まれ得るが、Ａｌ、Ｓｉ及びアルカリ金属を含む天然に産出されるものであれば特に限定されるものでなく、例えばモルデナイト型、Ａ型ゼオライトなどを使用することができる。

また、人工鉱石は、大小様々な大きさを有し、自然界に存在するケイ素、鉄、アルミニウム、カルシウム、二酸化チタン等の毒性を有さない無害の各種成分元素で構成され、ミリヘルツ帯域、サブミリヘルツ帯域、テラヘルツ帯域の電磁波を常温で放射する。

そして、上記人工鉱石の含有量は、ゼオライト粉末粒子及びカルシウム化合物の混合粉末１００重量部に対し、０．１〜３０重量部が好ましく、３〜１６重量部がより好ましい。人工鉱石の含有量が、前記混合粉末１００重量部に対し、０．１重量部未満になると、人工鉱石の含有量が少なすぎるため電磁波が混合粉末全域に行き渡らず、水素ガスの発生量が低下する。また、前記混合粉末１００重量部に対し、３０重量部を超える人工鉱石を含有させても、人工鉱石の含有量が過剰になる一方、反応に寄与する混合粉末の含有量が相対的に少なくなるため、水素発生量が鈍化する。

このような水素発生剤を粉末状態のまま、不織布袋に収納し、真空に密封して保存することにより、貯蔵性に優れた水素発生剤を得ることができる。

そして、水素ガス発生容器に貯留された真水又は海水中に上記水素発生剤を浸漬させると、例えば、化学反応式（１）に示すように、人工鉱石から発する電磁波の微振動により、ゼオライトに含有されるＡｌと、カルシウム化合物、例えばＣａ（ＯＨ）_２が水中で反応して水素の発生が促進され、短時間で大量の水素が発生する。

Ｃａ（ＯＨ）_２＋２Ａｌ＋２Ｈ_２Ｏ → ＣａＯ・Ａｌ_２Ｏ_３＋３Ｈ_２…（１）
尚、化学反応式（１）では、反応が進行すると発熱するが、発熱温度は２０〜１５０℃、好ましくは３６〜７２℃に制御するのが好ましい。すなわち、化学反応式（１）の反応は、上記温度内で効果的に進行することから、適宜、補給水を注入し、反応環境を上記温度に制御するのが好ましい。

また、人工鉱石をフェノール樹脂中に分散させ、該フェノール樹脂を水素ガス発生容器の底面に配したり、人工鉱石をスラリー化させて水素ガス発生容器の内周に塗布し、水素ガスの発生を促進するようにしてもよい。

このようにして発生した水素ガスをガスタンクに貯蔵することにより、水素ガス供給装置が得られる。そして、この水素ガス供給装置に貯蔵された水素ガスが燃料電池、水素燃料エンジン、水素バーナー、水素ガスタービンエンジン等に使用することができる。また、水素発生剤を水素ガス供給装置に収容し、該水素ガス供給装置に真水又は海水を供給して該水素ガス供給装置で水素ガスを発生させ、該水素ガスを燃料電池、水素燃料エンジン、水素バーナー、水素ガスタービンエンジン等に供給することができる。

また、本発明は、上記水素発生剤中にナノ孔カーボンを含有させるのも好ましい。

このナノ孔カーボンは植物性微細活性炭からなり、例えば、やし殻、珪藻土、草花、おが屑、豆腐粕、籾殻、杉間伐材、米ぬか等を４００〜８００℃の炉中で炭化して燻炭を生成し、燻炭を真空状態で所定時間熱処理して形成され、炭素化率が９０％以上、比表面積が１０００ｍ^２／ｇ以上、ｐＨが９．０〜１１．０の高炭素質を有している。ナノ孔カーボンは、表面に約３ｎｍの多数の微細孔が形成され、様々なフラーレン形状、例えば、サッカーボール型、カーボンナノチューブ型、バッキーオニオン型、ホーン型等を有している。そして、水分子は、ナノ孔カーボンの微細孔によって水素−酸素結合を切断し、酸素成分を外部に放出する。そして、これにより水素ガスの発生が促進される。

ここで、ナノ孔カーボンの含有量は、ゼオライト粉末粒子とカルシウム化合物の混合粉末１００重量部に対し０．１〜１０重量部が好ましい。

尚、本発明は上記実施の形態に限定されるものではない、上記実施の形態では、水素発生剤を真水又は海水に浸漬させているが、海水を使用した場合は、海水中で水素ガスが生成されることから、副次的に海水から淡水を得ることができる。

また、上記実施の形態では、水素発生剤は粉末状であるが、プレス加工をして成型し、ペレット状やタブレット状に圧密化することにより、より一層保存に適したものとなる。

次に、本発明の実施例を具体的に説明する。

まず、天然に産出するゼオライト（平均粒径：３０μｍ）が６０重量％、水酸化カルシウム（平均粒径：５０μｍ）が３０重量％、人工鉱石が１０重量％となるように、これらを秤量して混合し、総計で５０ｇ、１００ｇの水素発生剤をそれぞれ作製した。尚、人工鉱石の含有量は、ゼオライトと水酸化カルシウムの混合粉末１００重量部に換算すると約１１重量部である。

次に、人工鉱石をフェノール樹脂中に分散させて電波発信促進材を０．５Ｌの三角フラスコの底部に配した。そして、上記水素発生剤を袋に入れ、水と０．０１Ｌのイソプロピルアルコールと共に、三角フラスコに投入し、水素発生量、重量、水の減量（消費量）を確認した。

すなわち、三角フラスコの開口部に貫設孔を有するゴム栓を装着し、前記孔にパイプを貫挿させ、水素発生剤から発生した水素ガスを水上置換法により密封状容器に捕集した。重量は測定前後の三角フラスコの重量から求めた。また、水の減量は、三角フラスコの重量変化から求めた。

尚、水量は５０ｇの水素発生剤に対しては０．２Ｌ(試料番号１)、１００ｇの水素発生剤に対しては０．３５Ｌ（試料番号２）、０．７０Ｌ(試料番号３)とし、水素発生を確認した。

表１〜表３は試料番号１〜３の測定結果をそれぞれ示している。尚、測定は試料番号１（表１）については室温２１℃、水温１３℃、試料番号２(表２)、試料番号３(表３)については室温２３℃、水温１５℃で行った。

試料番号１は、１週間（１００８０分）に渡って継続して水素発生量を測定した。

その結果、表１から明らかなように、３０分経過後には１．２Ｌの水素ガスが発生し、６０分（１時間）経過後には２．０Ｌの水素ガスが発生し、また３６０分（６時間）経過後には４．０Ｌの水素ガスが発し、さらに１００８０分（１週間）後には、５０ｇの水素発生剤と０．２Ｌの水から４０Ｌの水素ガスが発生することが確認された。また、４０Ｌの水素を発生するのに必要な水量は１６０ｇであり、水素１Ｌ発生させるのに４ｇの水が消費されることが分かった。

試料番号２は、３日間（４３２０分）に渡って継続して水素発生量を測定した。

その結果、表２から明らかなように、３０分経過後には４．５Ｌの水素ガスが発生し、６０分（１時間）経過後には６．７８Ｌの水素ガスが発生し、また１４４０分（１日）経過後には２９．５Ｌの水素ガスが発し、さらに４３２０分（３日）後には、１００ｇの水素発生剤と０．３５Ｌの水から７７．５Ｌの水素ガスが発生することが確認された。また、７７．５Ｌの水素を発生するのに必要な水量は３００ｇであり、水素１Ｌ発生させるのに３．８８ｇの水が消費されることが分かった。

試料番号３は、２日間（２８８０分）に渡って継続して水素発生量を測定した。

その結果、表３から明らかなように、３０分経過後には６．５Ｌの水素ガスが発生し、６０分（１時間）経過後には１０Ｌの水素ガスが発生し、また１４４０分（１日）経過後には６７．５Ｌの水素ガスが発し、さらに２８８０分（２日）後には、１００ｇの水素発生剤と０．７０Ｌの水から１２７．５Ｌの水素ガスが発生することが確認された。また、１２７．５Ｌの水素を発生するのに必要な水量は５１０ｇであり、水素１Ｌ発生させるのに４ｇの水が消費されることが分かった。

従来のように大規模な装置を要することなく大量の水素を発生させることが可能となる。

Claims (8)

1. 電磁波を放射する人工鉱石が、少なくともＡｌ、Ｓｉ及びアルカリ金属元素を含有したゼオライト粉末粒子とカルシウム化合物との混合粉末中に混在されていることを特徴とする水素発生剤。
2. 前記ゼオライト粉末粒子は平均粒径が５０μｍ以下であり、前記人工鉱石は、前記混合粉体１００重量部に対し０．１〜３０重量部含有されていることを特徴とする請求項１記載の水素発生剤。
3. 前記混合粉体にナノ孔カーボンが含有されていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の水素発生剤。
4. 前記ナノ孔カーボンは、前記混合粉体１００重量部に対し０．１〜１０重量部含有されていることを特徴とする請求項３記載の水素発生剤。
5. 前記ナノ孔カーボンは、植物性微細活性炭であることを特徴とする請求項３又は請求項４記載の水素発生剤。
6. 請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の水素発生剤を真水又は海水が貯留された貯留槽に浸漬させ、水素ガスを発生させることを特徴とする水素ガスの発生方法。
7. 電磁波を放出する人工鉱石を前記貯留層の内部に配すると共に、前記貯留層に浸透液を注入し、水素ガスを発生させることを特徴とする水素ガスの発生方法。
8. 請求項６又は請求項７記載の水素ガスの発生方法で発生した水素ガスがユーテリティに供給されるように構成されていることを特徴とする水素ガス供給装置。