JP4731905B2 - 電気化学的に反応する組成物及びその製法 - Google Patents

電気化学的に反応する組成物及びその製法 Download PDF

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Description

本発明は、電気化学的に反応する組成物及びその調製のためのプロセスに関する。
電気化学的に反応する組成物は、熱と水素の迅速な発生源として使用され、この熱や水素は、塩と水の電解質溶液をこれらの熱生産組成物に添加する時の電気化学反応中に生じる。そのため、これらの組成物は、食品パケット、人体、機器などを加熱するための携帯型の無炎ヒーターとして使用される。これらの熱生産組成物はまた、携帯目的の適切な小型パウチ中に簡便に詰めることができ、長期間保存できる。これらの組成物はまた、熱源を必要とする種々の用途に採用される。例えば、この組成物のペレットは熱センサー試験用の「試験熱源」として使用できる。上記電気化学反応中に、副生成物として水素も発生するため、これらの組成物は、水素源としても活用し得る。この水素は、水中作業用として必要な浮上用途と同様、燃料電池用途としても利用できる。しかしながら、これらの電気化学的に反応する組成物を熱生産性要素として使用する場合、電気化学反応の途中での水素の発生は、大量に生産されると危険と成り得るため望ましくない。
これらの電気化学的熱源は本質的に活性金属であるマグネシウムと不動態金属である鉄を含む。この電気化学反応は水に溶解した塩の存在下で、陰極(カソード)として作用する鉄のような比較的貴なる金属と、陽極(アノード)として作用するマグネシウムのような比較的貴でない金属の間の微視的レベルで起こる。この反応は、水に溶解した塩化ナトリウムのような電解質の存在下で起こる。
陽極で起こるこの反応は次のように示すことができる:
Mg+2HO=Mg(OH)+H
これは、マグネシウム1グラムあたり14.67キロジュールの熱を放出する発熱反応である。加えて、この反応は使用されるマグネシウム1グラムあたり0.9mlの水素も放出する。
マグネシウムと鉄を含むこの電気化学的に反応する組成物は熱と水素を生産する技術としてよく知られている。これらの組成物を利用する種々の熱生産装置も従来技術として公知である。しかしながら、これらの従来技術で知られている組成物には次のような短所がある。
従来技術として公知のこれら電気化学的に反応する組成物の主要な短所は、これらの組成物が非常に高価なマグネシウムを主に利用することである。
従来技術として公知のこれら電気化学的に反応する組成物のもう一つの短所は、これらの組成物が長期間に亘って熱を生産できないことである。
従来技術として公知のこれら電気化学的に反応する組成物の更にもう一つの短所は、これらの組成物が組成物単位重量あたり低めの熱出力しか生産できないことである。
従来技術として公知のこれら電気化学的に反応する組成物のまた更にもう一つの短所は、これらの組成物が全電気化学プロセスのために、その組成物単位重量あたりより多くの水を必要とすることである。
従来技術として公知のこれら電気化学的に反応する組成物のまた更なる短所は、この場合、反応速度が簡便に制御できないことである。
本発明の主要目的は、水素源と同様に熱源としても使用できる、電気化学的に反応する組成物及びその調製プロセスを供することである。
本発明のもう一つの目的は、成分としてマグネシウムに加えアルミニウムを利用し、そうすることで組成物をより安価にする、電気化学的に反応する組成物及びその調製のためのプロセスを供することである。
本発明の更にもう一つの目的は、組成物全体の単位重量あたりより高いエネルギー出力を供給できる、電気化学的に反応する組成物及びその調製のためのプロセスを供することである。
本発明の更にもう一つの目的は、水素捕捉剤として過マンガン酸カリウム(KMnO)を利用し、そうすることで電気化学反応中での水素放出に含まれるいかなる危険性をも低減する、電気化学的に反応する組成物及びその調製のためのプロセスを供することである。
本発明の更なる目的は、組成物中に使用される過マンガン酸カリウムの量を変えることによって水素放出の程度を好ましく制御できる、電気化学的に反応する組成物及びその調製のためのプロセスを供することである。
本発明の更なる目的は、より多くの熱を生産するために過マンガン酸カリウムが発生期水素と反応し、そのことによって熱生成プロセスを長期間持続する、電気化学的に反応する組成物及びその調製のためのプロセスを供することである。
本発明の更なる目的は、圧縮成型を介して、食品パケット、人体、機器など用の熱源として利用するための形状を簡便に付与できる、電気化学的に反応する組成物及びその調製のためのプロセスを供することである。
本発明の更なる目的は、組成物中にシリカ等のような充填材料を添加することだけでなく、使用するマグネシウムとアルミニウムの比率を変えることによっても、熱出力を制御するために反応速度を簡便に変え得る、電気化学的に反応する組成物及びその調製のためのプロセスを供することである。
本発明の更なる目的は、高地、超低温及び水中環境を含むいかなる環境下でも利用できる、電気化学的に反応する組成物及びその調製のためのプロセスを供することである。
本発明の更なる目的は、非毒性の電気化学的に反応する組成物及びその調製のためのプロセスを供することである。
本発明の更なる目的は、取り扱いがより安全な電気化学的に反応する組成物及びその調製のためのプロセスを供することである。
本発明の更なる目的は、電気化学反応中に副生成物としていかなる毒性物質も生産しない、電気化学的に反応する組成物及びその調製のためのプロセスを供することである。
本発明の更なる目的は、充填材料として環境に優しい珪砂を使用する、電気化学的に反応する組成物及びその調製のためのプロセスを供することである。
本発明の更なる目的は、その調製プロセスが非常に簡単である、電気化学的に反応する組成物及びその調製のためのプロセスを供することである。
本発明に従えば、活性材料のアルミニウム、マグネシウム及び鉄、珪砂のような充填材料、過マンガン酸カリウムのような水素捕捉剤、珪酸ナトリウムのような添加剤及び塩化ナトリウムのような電解質を含む電気化学的に反応する組成物であって、
該マグネシウムが該活性材料の10−90重量%で含まれ、
該アルミニウムが該活性材料の10−90重量%で含まれ、
該鉄が該活性材料の0−15重量%で含まれ、
該充填材料の珪砂が該活性材料の5−50重量%で含まれ、
該水素捕捉剤の過マンガン酸カリウムが該活性材料の5−30重量%で含まれ、
ここで該添加剤の珪酸ナトリウムが該活性材料の0−20重量%で含まれる、
電気化学的に反応する組成物が供される。
更に本発明に従えば、以下の工程を含む電気化学的に反応する組成物を調製するためのプロセスが供される:
(1)市販品として入手できる、活性材料総重量の10−90%、好ましくは15−50%であって、1−500μmの範囲の粒子径を有するマグネシウム;活性材料総重量の10−90%、好ましくは40−75%であって、2−100μmの範囲の粒子径を有するアルミニウム;活性材料総重量の0−15%、好ましくは7−12%であって、20−200μmの範囲の粒子径を有する鉄を一般的なボールミル容器に入れることによって活性材料を調製し;
(2)該活性材料に、該活性材料総重量の5−50重量%、好ましくは5−25重量%の珪砂のような充填材料を添加し;
(3)該活性材料と該充填材料の混合物を約4−6時間、好ましくはアルゴンの不活性ガス雰囲気下でボールミリングしそして、このボールミリング操作が完了後にこの混合物全量を他の容器に移し;
(4)塩化銅、塩化第二鉄、好ましくは過マンガン酸カリウムのような水素捕捉剤を活性材料総重量の5−30重量%、好ましくは5−20重量%添加しそして、完全に混合して均一な混合物を得て;
(5)工程(4)で得られたこの均一な混合物に、活性材料総重量の2−20重量%、好ましくは2−10重量%の珪酸ナトリウム添加剤を添加し;
(6)工程(5)で得られたこの混合物に、活性材料総重量の2−10重量%、好ましくは5−10重量%の、塩化カリウム、硫酸第一鉄、好ましくは塩化ナトリウムのような強酸と強/弱塩基の塩を添加し;
(7)工程(5)で得られた混合物全量を、一般的なプレス機を用いて圧縮成型して、ストリップ又はペレットのような望ましい形状を付与し;及び
(8)該圧縮成型されそして切断された電気化学的熱源を、水の潜入を防ぐためにパウチのような気密容器中に貯蔵する。
本発明に従えば、1−500μmの粒子径を有するマグネシウムが該活性材料総重量の15−50重量%で含まれ、2−100μmの粒子径を有するアルミニウムが該活性材料総重量の40−75重量%で含まれ、20−200μmの粒子径を有する鉄が該活性材料総重量の7−12重量%で含まれ;珪砂が該活性材料の5−25重量%で含まれ;過マンガン酸カリウムが好ましくは該活性材料の5−20重量%で含まれ;珪酸ナトリウムが該活性材料の0−10重量%で含まれる。
本発明の熱を生産する電気化学的に反応する組成物は、活性材料のアルミニウム、マグネシウム及び鉄、珪砂のような充填材料、珪酸ナトリウム、過マンガン酸カリウムのような添加剤及び塩化ナトリウムのような塩を含む。この組成物に、組成物中の活性材料の量に応じて、熱の生産が必要な時に何時でも少量の水が添加される。代替法として、活性材料のアルミニウム、マグネシウム及び鉄および充填材料の珪砂が圧縮成型されそして簡便なパウチ中に別個に詰められ得る。一方、過マンガン酸カリウムと珪酸ナトリウム添加剤と共に、塩と水の電解質溶液はもう一つのパウチに詰められ得る。これら2つのパウチは別々に携帯され、熱の発生が必要な時にこれらのパウチの内容物を一緒に混合することができる。
本発明の電気化学的に反応する組成物は、マグネシウムと鉄だけを活性材料として使用する従来技術と比べると、活性材料としてマグネシウムに加えて、マグネシウムとアルミニウムの混合物を採用している。マグネシウムと比較して、アルミニウムはその単位重量あたりにより多くの熱を供するものの、熱を生産するその電気化学反応速度がより低温ではより遅くなるという短所を有する。一方、マグネシウムの場合は、熱を生産するその電気化学反応速度がより低温でもより速い。反応性材料としてアルミニウムとマグネシウムの混合物を利用する本発明の場合、電気化学反応を開始するのはマグネシウムである。温度が低めである初期段階では、マグネシウムが電気化学反応を開始して熱を発生させる。次いで、温度が上がるにつれて、アルミニウムも活性となり電気化学的プロセスに関与することによって熱を生産し始める。電気化学反応中に発生する熱の量は、組成物に採用されるアルミニウムとマグネシウムの総量に依存する。充填材料である珪砂はヒートシンクとして作用し、ボールミル内での混合操作中で活性材料と鉄の均一な混合物を得るのに役立つ。過マンガン酸カリウムは、電気化学反応中で非常に重要な役割を演じる。一つのレベルで、それは電気化学反応中に発生する発生期水素と反応してよリ多くの熱を生産し、従って、その熱が反応中に発生する熱量に上乗せされるため熱発生プロセスをより長期間持続させる。もう一つのレベルで、それは、水素と反応した時に水も生産し、そのことによって電気化学反応自身を開始するために必要な水を削減する。更に、それは、電気化学反応中に生産される水素と反応して望ましくない水素を除去しより多くの水と熱を生産するため、水素捕捉剤としても作用する。珪酸ナトリウムはゲル化剤として働きそして過マンガン酸カリウムと一緒に使用された時に、熱の発生をより長期間に亘って持続する手助けをする。
上記プロセスに係わる反応を以下のように示すことができる:
Mg+2HO=Mg(OH)+H
2Al+6HO=2Al(OH)+3H
2KMnO+3H=KO+2MnO+3H
図1は、水、珪酸ナトリウムと水の混合物、及び珪酸ナトリウムと水と過マンガン酸カリウムの混合物の各存在下の、本発明の電気化学的に反応する組成物の温度−時間プロファイルを示す。
図2は、水、珪酸ナトリウムと水の混合物、及び珪酸ナトリウムと水と過マンガン酸カリウムの混合物の各存在下の、本発明の電気化学的に反応する組成物の水素発生プロファイルを示す。
図1に関していえば、図1は、反応経時的な温度プロファイルを示し、典型的な状態における電気化学反応中に発生する熱の程度を表している。添加剤として過マンガン酸カリウムと珪酸ナトリウムを使用しない場合では、反応の温度は時間と共に急激に上昇するが、ある時間が過ぎると時間と共に低下し始める。これは、熱の発生が長時間持続できるものではないことを示している。組成物中の添加剤として珪酸ナトリウムのみを使用する場合では、反応の温度はそれほど急激ではなく上昇し、最大レベルに到達した後、時間と共にそれほど急激ではないがやはり低下し始める。これは、第一の場合と比較して状況が改良されてはいるが、この場合でさえ熱の発生が長時間持続できるものではないことを示している。理想的状態において、添加剤として珪酸ナトリウムだけでなく過マンガン酸カリウムと共に両方を使用する場合では、反応中の温度がそれほど急激ではなく上昇し、最大値に到達した後でも、時間と共に低下しない。この熱発生持続状態は、上記のように、過マンガン酸カリウムが発生期の水素と反応して熱と水を生産するという理由のためである。この追加の熱生産が、電気化学反応中に生産される熱に上乗せされることによって熱発生がより長期間に亘って持続される。使用される活性材料と添加剤の量は引き続いて本明細書中で示される実施例1中のものと同一である。
図2に関していえば、図2は、電気化学反応中の水素捕捉における過マンガン酸カリウムと珪酸ナトリウムの有効性を示す。この図は、典型的な状況での電気化学的に反応する組成物の電気化学的プロセス中の経時的な水素発生プロファイルを示している。一つの状況下で、添加剤として過マンガン酸カリウムと珪酸ナトリウムを使用しない場合では、反応中に発生する水素が時間と共に増加し、ある時間が過ぎるとそれが飽和に達する。組成物中の添加剤として珪酸ナトリウムのみを使用する場合では、反応中に発生する水素の量が最初は減少する。しかしながら、ある時間が過ぎると反応中に発生する水素の量が再び増加し始める。理想的状態において、添加剤として過マンガン酸カリウムと珪酸ナトリウムの両方を使用する場合では、反応中に発生する水素の量が著しく低下し、時間がたっても著しくは増加しない。使用される活性材料と添加剤の量は、引き続いて本明細書で示される実施例−1に示されるものと同一である。
図2は明らかに、珪酸ナトリウムと共に過マンガン酸カリウムの有効な水素捕捉剤としての重要な役割を示している。
本発明によれば、本発明の電気化学的に反応する組成物を調製するためのプロセスは以下の工程を含む:
(1)活性材料の調製
全て市販品として入手できる、活性材料の10−90重量%、好ましくは15−50重量%であって、1−500μmの範囲の粒子径を有するマグネシウム、活性材料の10−90重量%、好ましくは40−75重量%であって、2−100μmの範囲の粒子径を有するアルミニウム、活性材料の0−15重量%、好ましくは7−12重量%であって、20−200μmの範囲の粒子径を有する鉄を、一般的なボールミル容器に入れる。
(2)充填材料の添加
上記混合物に、活性材料の5−50重量%、好ましくは5−25重量%の量の珪砂を充填材料として添加する。珪砂は、ヒートシンクとして作用し、ボールミル内でこれら活性材料を混合する時のアロイ化(合金化)操作に役立つ。代替法として、ポリエチレンまたはポリプロピレンのような有機充填剤も充填材料として使用できる。
(3)ボールミリングによるアロイ(合金)の調製
工程(2)で調製された上記混合物を、一般的なボールミルを使用して好ましくはアルゴンの不活性雰囲気下で4−6時間、ボールミル混合する。混合操作が一旦完了したら、反応材料と充填材料のアロイ混合物が得られる。この混合操作が完了した後、この混合物をもう一つの容器に移す。
(4)水素捕捉剤の添加
次に、水素捕捉剤として、活性材料の5−30重量%、好ましくは5−20重量%の市販品として入手できる過マンガン酸カリウムをこのアロイに添加し、完全に混合して均一な混合物を得る。代替法として、市販品として入手できる塩化銅と塩化第二鉄も水素捕捉剤として利用できる。この捕捉剤を直接、電解反応に使用する水に添加することもできる。
(5)その他添加剤の混合
工程(4)で得られたこの均一な混合物に、活性材料全重量の0−20重量%、好ましくは0−10重量%の量の添加剤である珪酸ナトリウムを混合する。珪酸ナトリウムはゲル化操作によって電気化学反応中での熱の発生を改良する助けになる。それは好ましくは組成物重量の0−10重量%の量で用いられる。代替法として、これを直接、電解反応に使用する水に添加することもできる。
(6)電解質用の塩の添加
工程(5)で得られたこの均一な混合物に、活性材料全重量の2−10重量%、好ましくは5−10重量%の量の塩化ナトリウムを添加する。代替法として、塩化カリウム、塩化カルシウム、硫酸第一鉄のような強酸と強/弱塩基のいかなる塩をも添加することができる。
代替法として、これを直接、電解反応に使用する水に添加することもできる。
(7)均一混合物の圧縮成型
工程(5)で調製されたこの均一混合体全量をプレス機を用いて圧縮成型し、ストリップまたはペレットなどのあらゆる簡便な形状を付与する。
(8)組成物の貯蔵
最後に、水の浸入を避けるためにこの圧縮成型された電気化学的に反応する組成物を気密容器中に貯蔵する。
さて、本発明を実施例を用いて例示するが、これらは本発明の作業を表す典型的な例であり、本発明の範囲を厳密に示唆し、限定すると取られることを意図したものではない。
(実施例1)
実験室において、粒子径が約20−400μmのマグネシウム粉末40g、粒子径が5−100μmのアルミニウム粉末60g、粒子径が20−120μmの鉄粉末10g及び粒子径が15−100μmの珪砂10gを混合することによって電気化学的に反応する組成物を調製した。この混合物を一般的なボールミル中にて、アルゴンの不活性雰囲気下で5時間ボールミリングを行った。ボールミル操作が完了した後、12gの塩化ナトリウムと10gの過マンガン酸カリウムをそれに添加した。この組成物全量を240mlの5%珪酸ナトリウム水溶液と反応させた。
(実施例2)
実験室において、粒子径が約20−400μmのマグネシウム粉末80g、粒子径が5−100μmのアルミニウム粉末20g、粒子径が20−120μmの鉄粉末10g及び粒子径が15−100μmの珪砂10gを混合することによって電気化学的に反応する組成物を調製した。この混合物を一般的なボールミル中にて、アルゴンの不活性雰囲気下で5時間ボールミリングを行った。ボールミル操作が完了した後、12gの塩化カリウムと10gの過マンガン酸カリウムをそれに添加した。この組成物全量を240mlの水と反応させ熱を生産した。
本発明のプロセスは当業者によって適合、変更および改良がなされてもよいと理解すべきである。そのような適合、変更および改良は、さらに以下の特許請求の範囲に示される本発明の範囲内であると意図するものである。
電気化学的に反応する組成物の温度−時間プロファイルを示す。 電気化学的に反応する組成物の水素発生プロファイルを示す。

Claims (26)

  1. 活性材料としてのアルミニウム、マグネシウム及び鉄珪砂、ポリエチレン及びポリプロピレンから選択される充填材料;水素捕捉剤;珪酸ナトリウム;及び電解質;を含む電気化学的に反応する組成物であって、
    該マグネシウムが該活性材料の10−83重量%で含まれ、
    該アルミニウムが該活性材料の10−83重量%で含まれ、
    該鉄が該活性材料の7−15重量%で含まれ、
    該充填材料が該活性材料の5−50重量%で含まれ、
    該水素捕捉剤が該活性材料の5−30重量%で含まれ、
    珪酸ナトリウムが該活性材料の2−20重量%で含まれる、
    電気化学的に反応する組成物。
  2. 該充填材料が、珪砂である、請求項1に記載の組成物。
  3. 該珪砂が該活性材料の5−25重量%で含まれる請求項2に記載の組成物。
  4. 該水素捕捉剤は、塩化銅、塩化第二鉄及び過マンガン酸カリウムからなる群から選択される、請求項1〜3のいずれか一項に記載の組成物。
  5. 該水素補足剤が、過マンガン酸カリウムである、請求項4に記載の組成物。
  6. 該過マンガン酸カリウムが、該活性材料の5−20重量%で含まれる請求項5記載の組成物。
  7. 該珪酸ナトリウムが、該活性材料の2−10重量%で含まれる請求項1〜6のいずれか一項に記載の組成物。
  8. 該電解質が、塩化カリウム、硫酸第一鉄及び塩化ナトリウムからなる群から選択される、強酸と強/弱塩基の塩である、請求項1〜のいずれか一項に記載の組成物。
  9. 該電解質が、塩化ナトリウムである、請求項に記載の組成物。
  10. 該マグネシウムが、該活性材料の15−50重量%で含まれ、粒子径が1−500μmの範囲である請求項1〜のいずれか一項に記載の組成物。
  11. 該アルミニウムが、該活性材料の40−75重量%で含まれ、粒子径が2−100μmの範囲である請求項1〜10のいずれか一項に記載の組成物。
  12. 該鉄が、該活性材料の7−12重量%で含まれ、粒子径が20−200μmの範囲である請求項1〜11のいずれか一項に記載の組成物。
  13. 下記の工程を含む、請求項1の電気化学的に反応する組成物を調製するためのプロセス:
    (1)市販品として入手できる、活性材料総重量の10−83%である、1−500μmの範囲の粒子径を有するマグネシウム;活性材料総重量の10−83%である、2−100μmの範囲の粒子径を有するアルミニウム;活性材料総重量の7−15%である、20−200μmの範囲の粒子径を有する鉄を一般的なボールミル容器に入れることによって活性材料を調製し;
    (2)該活性材料に、該活性材料総重量の5−50重量%の、珪砂、ポリエチレン及びポリプロピレンから選択される充填材料を添加し;
    (3)該活性材料と該充填材料の混合物を約4−6時間ボールミリングしそして、このボールミリング操作が完了後にこの混合物全量をもう一つの容器に移し;
    (4)水素捕捉剤を活性材料総重量の5−30重量%添加しそして、完全に混合して均一な混合物を得て;
    (5)工程(4)で得られたこの均一な混合物に、活性材料総重量の2−20重量%の珪酸ナトリウム添加剤を添加し;
    (6)工程(5)で得られたこの混合物に、活性材料総重量の2−10重量%の塩を添加し;
    (7)工程(5)で得られた混合物全量を、一般的なプレス機を用いて圧縮成型して、ストリップ又はペレットのような望ましい形状を付与し;及び
    (8)該圧縮成型されそして切断された電気化学的熱源を、水の潜入を避けるためにパウチのような気密容器中に貯蔵する。
  14. 該マグネシウムが、活性材料総重量の15−50%である、請求項13に記載のプロセス。
  15. 該アルミニウムが、活性材料総重量の40−75%である、請求項13又は14に記載のプロセス。
  16. 該鉄が、活性材料総重量の7−12%である、請求項13〜15のいずれか一項に記載のプロセス。
  17. 該充填材料が、該活性材料総重量の5−25重量%である、請求項13〜16のいずれか一項に記載のプロセス。
  18. 該充填材料が、珪砂である、請求項13〜17のいずれか一項に記載のプロセス。
  19. 該水素捕捉剤が、塩化銅、塩化第二鉄及び過マンガン酸カリウムからなる群から選択される、請求項13〜18のいずれか一項に記載のプロセス。
  20. 該水素補足剤が、過マンガン酸カリウムである、請求項19に記載のプロセス。
  21. 該水素捕捉剤が、活性材料総重量の5−20重量%である、請求項19又は20に記載のプロセス。
  22. 該珪酸ナトリウム添加剤が、活性材料総重量の2−10重量%で添加される、請求項1321のいずれか一項に記載のプロセス。
  23. 該塩が、塩化カリウム、硫酸第一鉄及び塩化ナトリウムからなる群から選択される、強酸と強/弱塩基の塩である、請求項1322のいずれか一項に記載のプロセス。
  24. 該塩が、塩化ナトリウムである、請求項23に記載のプロセス。
  25. 該塩が、活性材料総重量の5−10重量%で添加される、請求項23又は24に記載のプロセス。
  26. ボールミリングがアルゴンの不活性ガス雰囲気下で行われる、請求項1325のいずれか一項に記載のプロセス。
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