JP2016509570A - アルミニウムとの反応により水素を生成する方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、アルミニウムとの反応によって水素を発生させる方法に関し、溶液への溶媒としてアルコールの添加を含む水酸化物溶液中でアルミニウムを水と反応させることに基づいている。アルコールは、低密度、高蒸気温度及び低反応性を有しているタイプであり、好ましくはイソプロパノール、エタノール又はバイオエタノールである。リアクタは、アルミニウムで最初に満たされる、そして、続いて、リアクタが完全に満杯になるようにアルコールが添加される。それのみがアルミニウムを被覆するように、アルコールの部分は次いで取り除かれ、残りのスペースが空にされる。そして、水酸化物溶液が、水素の要求に従って調整される。発生した水素及びアルコール蒸気は、交換器内で蒸留される。蒸留して得たアルコールはリアクタに還流され、水素は濾過され貯蔵される。【選択図】図１

Description

本発明は、本明細書の発明の名称で述べたように、アルミニウムとの反応によって水素を生成する方法に関し、これは、意図される機能において、後述されるいくつかの利点及び革新的な特徴をもたらし、適用分野において、現状技術の改善を示す。

より詳しくは、本発明の目的は、水素を生成する革新的な方法を焦点とし、その目的は、燃料電池への使用であり、水酸化物溶液中のアルコール等の溶媒の使用を考慮する特殊性を有し、水素の製造におけるアルミニウムの水との反応を支持する効果を提供する。

本発明の応用分野は、燃料電池又は他の産業用のために、アルミニウムを用いて水素を製造することを専門とする産業のセクターにある。

歴史的に、アルミニウムを用いた水素の製造に用いられる方法論は、水及び試薬を含むリアクタ内に配置されるバスケット内にアルミニウムスクラップを導入すること、又は、アルミニウムを粉体又はナノ粒子に変換し、それを高温で蒸気と結合すること、又は、連通容器の間で、圧力又は高さにより要求に応じてレベルを変えることにより、リアクタ中の全ての金属を浸漬することに基づいている。

さらに、方法を特定することなく、化学製品、アマルガム及び合金の添加によってアルミニウムを水と反応させる別々の特許が存在する。

アルミニウム、合金又はアマルガムのダスト又はナノ粒子を用いた稼働上の問題としては、原料に関連したコスト及び環境上の問題があり、そのため、標準アルミニウム合金の製品又はそれらの廃棄物より稼働することが好ましい。

水素を得るためにアルミニウム水反応を速める最も共通の方法の一つは、水酸化ナトリウム等のアルカリを使用する方法であり、それは、反応の終わりに、エネルギーの必要なく水酸化物が回復されるのでコストが最小となるからである。

この反応は以下の通りである：アルミニウム（固体）が水（液体）と反応し、水酸化物アルミニウム（固体）及び水素（ガス）が得られる。

概ね、水酸化物は、金属表面に常に存在する酸化被膜を除去するために用いられるのみである。
Ａｌ(ｓ) + Ｈ２Ｏ（ｌｉｑ）--> Ａｌ（ＯＨ）３(ｓ)+ ３／２ Ｈ２(ｇ)

しかしながら、アルミニウム表面上には、水酸化アルミニウムが水酸化アルミニウムが沈降するので、水との接触が妨げられる際に、この反応は停止する。これは、より高い濃度の水酸化ナトリウム溶液と共に稼働することを必要とし、アルミン酸ナトリウム（水）中、水酸化アルミニウム（固体）への変換を引き起こし、そしてそれは溶解される。

高濃度の水酸化ナトリウムと共に稼働する問題の一つは、反応がより激しく、高温を発生させ、生成された水素流量は経時的に一定でなく、また、水素は燃料電池を汚染し得る水酸化ナトリウム粒子を同伴する。

アルミニウム上への液体の浸入又はドーズと共に稼働することに由来する問題のもう一つは、反応が不活発であるとき、液体が回収される際に、滴下し、又はアルミニウム上に付着して固体膜になり得るとともに、これは反応の再起動を延ばし得ることである。

したがって、本発明の目的は、アルコール等の溶媒を用いて上記の問題を回避する、アルミニウムの水との反応から水素を発生させる方法を開発することにあり、そして、ここにクレームされて提案される方法によって提示した発明に類似した技術上及び構成要素上の特性を有するあらゆる他の発明の存在は、少なくとも出願人には未知であることが指摘されなければならない。

具体的に、したがって、アルミニウムとの反応によって、及び、水酸化物溶液中にアルコールを用いて、燃料電池のために水素を発生させる方法が、本発明によって提案される。

水酸化ナトリウム又はカリウムの溶液中にアルコールを添加することは、水素の製造のためのアルミニウムと水の反応に好ましい。アルコール類の利点は、それらがアルミニウムと反応せず、水酸化物を溶解し、水中に混合でき、アルミン酸塩より低い密度を有するということにある。

その主な利点は以下の通りである：
-それは、水素の製造用のリアクタ内への全てのアルミニウムへの導入を容易にし、そして、アルミニウムの計量のための複雑機械的な方法を回避する。
-水酸化ナトリウム溶液の計量に応じて、それは、リアクタで発生する水素流量の制御及び中断を容易にする。それは、停止及び急速な実行を可能にする。
-それは、アルコールフラッディングによってリアクタ内エアの一掃を容易にする。
-それは、リアクタの排水を容易にする。
-溶液に対して密度が低いことにより最も高い段階で膜が生成されるため、ソーダ腐食剤の粒子の放出は低減される。
-それは、水がアルミニウムのチップ又は粒子間に共有されることを促進し、撹拌により反応がより均一になる。
-それは、反応の制御を容易にすることにより、得られた水素の反応及び流量を、経時的にさらに一定にする。
-それは、リアクタ内温度の急速な上昇を抑制する。
-それは、反応に介入しないため、デカンテーション反応後の容易な回収ができない。
-その蒸発中に、蒸留により沈殿する水酸化物の粒子を捕捉する。
-それは、３０重量%〜４０重量％の濃度の水酸化ナトリウム溶液に用いられ、得られる流量及び合計の水素を最適化する。

異種のアルコールで実行された実験によれば、低密度のアルコールで、より良好な結果得られたことに留意する必要がある。さらに、これらの間で、蒸気温度が高く、反応性が低く、価格が最良である場合に稼働することが、好ましい。

この理由から、イソプロパノールが好ましい。なお、エタノール及びバイオエタノールを用いてもよい。

イソプロパノールの利点の中でも、以下のことを指摘すべきである。
６０℃を上回る温度で流量条件のもとでの、良好な挙動。
アルミニウム収率の良好な水素量、安値、低い時間加重平均濃度での無毒性、高い沸点、そしてこれは臭気の制御を容易にする。

イソプロピルアルコールを用いて稼働する不利益としては、得られる全水素収率が、理論収率と比較して、約８５%又は９０%であることである。しかしながら、これは、少量のマグネシウム又は水酸化カリウムの添加で修正することができる。

リアクタ内のアルコールを用いて稼働する方法に関し、ステップは以下の通りである：
-バー、ペレット、チップ、団鉱、圧縮粉体又はシートのアルミニウム又はアルミニウム合金でリアクタを充填する。
-アルコールをリアクタに添加して完全に充填し、内側からエアを除去する。次いで、アルコールの部分を除くことにより、アルミニウムを被覆するのみとし、残りのスペースを、空にする、又は貴ガス若しくは水素を添加する。他の形態をパージに用いることができる。
-次いで水素に要求に従い、水酸化物溶液を調整する。
-発生した水素及びアルコール蒸気を、交換器内で蒸留する。
-蒸留して得たアルコールを、リアクタに還流する。
-水素を濾過して貯蔵する。

アルミニウムとの反応によって水素を発生させる上記の方法はこのように、この目的達成のための範囲で、構成上及び構成要素の特性における未知の革新性を示すものであり、その実用的な有用性と組み合わせて、適用されるべき排他性特権を取得するに十分な理由を提供するものである。

遂行される説明を補完する目的で、また、本発明のより良好な理解を補助する目的で、本明細書と一体部分として添付した一組の図面は、例示的な及び非限定的な特徴を有しており、以下の通り示される。

アルコールを用いて得られる水素流量と、アルコールを用いない実験との比較を示すグラフである。 水酸化マグネシウムを添加した場合と添加しない場合との、水素製造の他の比較図である。 水素流量と溶液のドーズ流量との間での他の比較図である。

第１の実験では、リットル毎分で得られる流量につき、３５重量％の水酸化ナトリウム濃度でイソプロパノールアルコールを含む溶液と、他の非アルコールのものとの比較が遂行され、これは、秒での時間の関数として、厚さ１ｍｍのチップの３０グラムのアルミニウムの同様の試料に対して行われる。５ｍｌの添加で開始し、続いて１０ｍｌ/分のタイミングの滴下とし、２５０秒内に投与量を増加する。

アルコールを有する溶液の流量を実線で示し、アルコールが無い溶液のそれを破線で示す図１のグラフに示されるように、アルコールを有する方は、水酸化ナトリウム量の変更に対する応答が、より即時的であることが理解されよう。アルミニウムが消費され又は添加量が低減したときに、流量は低減する。

第２の実験では、スパチュラひと掻きの水酸化マグネシウムが、混合物に添加され、得られた合計水素収率が、アルミニウムの量に伴って上昇することが観測される。

次に、純度が８５%、厚さ１ｍｍの４５グラムのアルミニウムチップに対して、ソーダ腐食剤中に３５%の濃度で、マグネシウムの存在下または不存在下で、得られる全水素量（リットル）に応じて、１０ｍｌ/分のタイミングで一滴ずつ溶液を添加した場合の、リットル/分での得られた流量を比較する。実線が水酸化マグネシウムを有する混合物で得られる水素の発生を示し、破線がそれを含まない混合物を示す図２の中にグラフにより、この実験の結果が評価される。

添加量に関して、以下のことが注目すべきである。
得られる水素の流量は、添加される溶液の量に比例しているが、反応に十分なアルミニウムが存在する場合に限る。また、温度に依存するが、これは溶液に対して一定状態に保つことができる。

注目すべき他の特徴は、チップの厚さである。
厚さ１ｍｍのチップ及び６０℃〜７５℃の温度に対して、３５%のアルコール溶液１ｍｌ/分当たり、得られる水素の量は、水素約０．３リットル/分である。チップ混合物の製造のために、３５%のアルコール溶液１ｍｌ/分当たり、水素が０．２リットル/分のオーダーである。

図３のグラフでは、生成した水素の全リットルによるが、イソプロパノール２００ｍｌ、スパチュラ二掻きの水酸化マグネシウム及び厚さ１ｍｍの１００ｇのアルミニウムを含む水酸化ナトリウム中３５重量％の溶液（実線）に対する水素（破線）の流量を示す。

純度８５%のアルミニウムに対して、合計１１５．５リットルの水素が得られる。

Claims (7)

1. アルミニウムとの反応によって水素を発生させる方法であって、アルミニウムをあらゆる金属フォーマットで反応させて前記水素を発生させ、それは液体アルコールと共にリアクタ内に含まれ、これは水酸化物を含む溶液中に添加された水であることを特徴とする、方法。
2. 粘度が反応を遅くするため、使用されるアルコールは、アルコール１ｇ/ｍｌより低い濃度となるよう選択されることを特徴とする、請求項１に記載の、アルミニウムとの反応によって水素を発生させる方法。
3. 蒸気の過剰な生成を予防するため、使用されるアルコールは、温度が６５Ｃを超えるアルコールから選択されることを特徴とする、請求項２に記載の、アルミニウムとの反応によって水素を発生させる方法。
4. 使用されるアルコールは、イソプロパノールであることを特徴とする、請求項１に記載の、アルミニウムとの反応によって水素を発生させる方法。
5. 使用されるアルコールは、エタノールであることを特徴とする、請求項１に記載の、アルミニウムとの反応によって水素を発生させる方法。
6. 使用されるアルコールは、バイオエタノールであることを特徴とする、請求項１に記載の、アルミニウムとの反応によって水素を発生させる方法。
7. 請求項１〜６のいずれかに記載の、アルミニウムとの反応によって水素を発生させる方法であって、以下のステップを含む：
   -バー、ペレット、チップ、団鉱、圧縮粉体又はシートのアルミニウム又はアルミニウム合金でリアクタを充填する。
   -アルコールをリアクタに添加して完全に充填し、内側からエアを除去する。-次いで、アルコールの部分を除くことにより、アルミニウムを被覆するのみとし、残りのスペースを空にする。
   -次いで水素に要求に従い、水酸化物溶液を調整する。
   -発生した水素及びアルコール蒸気を、交換器内で蒸留する。-
   -蒸留して得たアルコールを、リアクタに還流する。
   -水素を濾過して貯蔵する。
   

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