JP4838952B2

JP4838952B2 - 水素ガス生成装置及び発電機

Info

Publication number: JP4838952B2
Application number: JP2001195716A
Authority: JP
Inventors: 正行飯島
Original assignee: Ulvac Inc
Current assignee: Ulvac Inc
Priority date: 2001-06-28
Filing date: 2001-06-28
Publication date: 2011-12-14
Anticipated expiration: 2021-06-28
Also published as: JP2003012301A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水素ガス生成装置及びこの水素ガス生成装置を利用した発電機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、水素ガスを生成させる方法として、例えば、（１）天然ガスや石油を用いる部分酸化法や改質法、及び（２）ＮａＣｌや水の電気分解法等の方法が知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術の方法（１）の場合には、高純度の水素ガスを得ることができないという問題がある。また、この方法を実施する際には１０００〜１５００℃程度の高温が必要であると共に、原料として用いる化石燃料は、天然資源であって、枯渇が心配されているものであるという問題もある。方法（２）の場合には、電力を多量に消費するので製造コストが高くつき、製造コストを下げようとして太陽エネルギーを用いて電解したとしても、効率が悪い上、太陽発電用の高価な設備が必要になるという問題がある。
【０００４】
また、水素ガスの貯蔵・供給は、水素貯蔵合金等を用いて行うことも可能であるが、この場合、高耐圧の容器が必要になるので、全体の重量が重くなり、取り扱いが不便であるという問題がある。さらに、燃料電池に用いられる水素ガスは一般に水素ガスボンベから供給されているが、このボンベが破損すると大きな事故の原因になるという問題がある。
本発明の課題は、上記した従来技術の問題点を解決することにあり、高純度の水素ガスを簡単にかつ効率よく生成させるための簡便な軽量の水素ガス生成装置、及びこの装置を利用した発電機を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記課題を解決すべく鋭意努力を重ね、低融点金属に、アルミニウム、マグネシウム及び亜鉛から選ばれた金属を拡散せしめて得た組成物を水と接触させれば、簡単に水素ガスを生成することができることを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００６】
本発明の水素ガス生成用組成物は、１００℃以下、好ましくは３０℃以下で液状である低融点金属に、該低融点金属基準で０．１重量％以上、好ましくは０．１〜１０重量％、より好ましくは１〜５重量％のアルミニウム、マグネシウム及び亜鉛から選ばれた少なくとも１種の金属を拡散してなるものである。この低融点金属として、例えば、インジウム・ガリウム合金（本発明では、この合金の中にガリウム単独の場合も含まれるものとする。）を用いることが好ましい。かかる組成物を液体状態で用いれば、該少なくとも１種の金属と所定の温度の水、すなわち、インジウム・ガリウム合金等の融点以上の温度の水との反応により容易に水素を生成することができる。アルミニウム等の金属の液状合金中への原子の拡散が大きく、例えば、合金と水との界面に該金属が拡散して水と反応するものと思われる。
【０００７】
該少なくとも１種の金属の使用量が０．１重量％未満であると水素の生成効率が低下するが、上限の使用量は特に制限されるわけではない。しかし、１０重量％を超えると組成物自体の重量が重くなり、これを用いる水素ガス生成装置の重量が重くなるので、携帯用水素ガス生成装置又はより軽量であることが必要な場合の水素ガス生成装置を作製する場合には問題となる。また、使用するアルミニウム等の金属の形状は、特に制限はないが、薄片状であって、表面積の大きいものが水素の生成量は多くなるので好ましい。
インジウム・ガリウム合金としては、融点が低いものほど好ましい。この合金の組成割合と融点との関係は、図１に示すインジウム・ガリウム二元合金状態図に従って変化する。図中の斜線領域Ａは、１５．７〜３０℃で液状である合金組成を示すものであり、本発明で使用するのに好ましい組成範囲を示す。すなわち、合金組成は、重量％で、インジウム：ガリウム＝０〜約３０：１００〜約７０であることが好ましい。重量％で、インジウム：ガリウム≒１：３の割合の合金は、インジウム・ガリウム合金中で最も低い融点（１５．７℃）を有するので最も好ましい。
【０００８】
本発明の水素ガス生成方法は、１００℃以下、好ましくは３０℃以下で液状である上記低融点金属に、該低融点金属基準で０．１重量％以上のアルミニウム、マグネシウム及び亜鉛から選ばれた少なくとも１種の金属を拡散せしめて得た水素ガス生成用組成物を液体状態で所定の温度の水と接触せしめ、該少なくとも１種の金属と水とを反応させて水素ガスを生成させることからなる。アルミニウム等の金属は原子状で低融点金属中に拡散している。
本発明の別の水素ガス生成方法は、１００℃以下、好ましくは３０℃以下で液状である低融点金属を、アルミニウム、マグネシウム及び亜鉛から選ばれた少なくとも１種の金属の表面に付着させて得た水素ガス生成用材料を所定の温度の水と接触せしめ、例えば、該材料を所定の温度の水中に浸し、該低融点金属中に原子状で拡散した該少なくとも１種の金属と水とを反応させて水素ガスを生成させることからなる。この水素ガス生成用材料の場合、該アルミニウム等の金属がインジウム・ガリウム合金のような低融点金属中へ拡散してアルミニウム等の金属と水とが反応すると共に、低融点金属もアルミニウム等の金属中へ拡散して、残りかすの中に消えるので、低融点金属を使い切り、アルミニウム等の金属の表面から無くなったら、新しい上記水素ガス生成用材料を補充することが必要である。
【０００９】
上記水素ガス生成方法によれば、エネルギーをほとんど使わずに、特定の金属と水とを用いて高純度水素ガスを生成できる。その原料、特にアルミニウムは、容易に入手可能な材料でありかつ電力の安い地域で再生可能であるので、また、インジウム・ガリウム合金は、アルミニウム、マグネシウム、亜鉛と水との反応には直接に関与せずかつ重量が重いためその回収が容易でありかつ再利用可能であるので、さらにまた、水は地球上に無尽蔵に存在するので、高純度の水素ガスを簡単な方法で安価にかつ効率よく生成させることができる。水の温度は特に制限されないが、使用する低融点金属の融点以上であることが必要である。この方法は、周辺雰囲気に有害物質をまき散らすこともないので、地球の環境に優しいものであるといえる。アルミニウム、マグネシウム、亜鉛と水との反応によりそれら金属の表面に析出した水酸化物を主体とする副生物は、この反応を継続させるために必要に応じて取り除くことが好ましい。例えば、水を循環させ、水を攪拌し、又は超音波等を照射して取り除くことが可能である。
【００１０】
本発明の水素ガス生成装置は、容器内に１００℃以下で液状であるインジウム・ガリウム合金が収容されてなり、該容器には、アルミニウム、マグネシウム及び亜鉛から選ばれた少なくとも１種の金属を供給するための供給管と、給水管と、該少なくとも１種の金属と水との反応により生成した水素ガスの取出し口と、該反応の副生物を水と共に排出するための排出管と、該排出された水を循環させて該容器内に戻す循環路とが設けられ、さらに、この循環路の途中には該副生物を除去する手段が設けられている。このように構成することにより、簡単にかつ連続的に水素ガスを生成させることができ、水素ガス要求量に合わせた簡便で軽量の水素ガス生成装置として有用である。
この副生物を除去する手段は、例えば、排出された水を攪拌し、又は、排出された水に超音波を照射するように構成することが好ましい。
このインジウム・ガリウム合金（本発明では、この合金の中にガリウム単独の場合も含まれるものとする。）を液体状態で用いれば、該少なくとも１種の金属と所定の温度の水、すなわち、インジウム・ガリウム合金の融点以上の温度の水との反応により容易に水素を生成することができる。アルミニウム等の金属の液状合金中への原子の拡散が大きく、例えば、合金と水との界面に該金属が拡散して水と反応するものと思われる。
インジウム・ガリウム合金としては、融点が低いものほど好ましい。この合金の組成割合と融点との関係は、図１に示すインジウム・ガリウム二元合金状態図に従って変化する。図中の斜線領域Ａは、１５．７〜３０℃で液状である合金組成を示すものであり、本発明で使用するのに好ましい組成範囲を示す。すなわち、合金組成は、重量％で、インジウム：ガリウム＝０〜約３０：１００〜約７０であることが好ましい。重量％で、インジウム：ガリウム≒１：３の割合の合金は、インジウム・ガリウム合金中で最も低い融点（１５．７℃）を有するので最も好ましい。
【００１１】
本発明の発電機は、上記水素ガス生成装置と燃料電池とを組み合わせてなる発電機であって、水素ガス生成装置により生成した水素ガスを燃料電池の水素源として用いるように構成されている。水素ガスの生成量は、アルミニウム、マグネシウム、亜鉛の使用量に応じて定まる。従って、これら金属の供給量を絶えず所定の値に維持でき、連続して水素ガスを生成させることのできるように構成された水素ガス生成装置を用いれば、生成する水素ガスを燃料電池に連続して供給することができるので、一定の連続発電が可能になる。本発明によれば、燃料電池の水素ガス要求量に合わせて水素ガスを生成できる簡便で軽量の水素ガス生成装置を用いることにより、有用な発電機として構築することが可能となる。
【００１２】
次に、インジウム・ガリウム合金及びアルミニウムを例にとり本発明の作用を説明する。液状のインジウム・ガリウム合金にアルミニウムを添加し、原子状に拡散せしめ、得られた組成物を液体状態で水と接触させると、インジウム・ガリウム合金と水との界面に存在する、また、この合金の表面近傍に存在する原子状アルミニウムが水と反応し、水素ガスと水酸化アルミニウムとを生成する。金属アルミニウムの場合は、室温で空気中に放置すると、その表面が酸化膜で覆われて、水とは直接反応できなくなる。この場合、表面の酸化膜を削り取った金属アルミニウムの表面を水と接触させても、アルミニウムの表面には直ぐに酸化膜ができてしまい、室温では反応は進行しない。しかし、金属アルミニウム周辺にインジウム・ガリウム合金が存在していると、この金属アルミニウムは合金中へ原子状で拡散するので、上記と同様に、水と反応することができるようになる。使用するアルミニウムの表面積が大きい程生成する水素ガスの量は多い。
【００１３】
【実施例】
以下、実施例に基づいて本発明を詳細に説明するが、本発明の範囲はこれらの実施例によって限定されるものではない。
（実施例１）
図２に示す装置断面図を用いて水素ガスの生成過程を説明する。まず、容器１内に、インジウム・ガリウム合金（インジウム：ガリウム≒１：３、融点：１５．７℃）にこの合金基準で１重量％の純アルミニウム片を添加・拡散せしめた組成物２を供給し、その組成物上に水（３０℃）３を供給して、この組成物について、反応の状態を観察した。組成物中のアルミニウムが水と反応し、組成物と水との界面、特にアルミニウム片の周辺に灰白色の水酸化アルミニウム４が生成すると共に、ガス５が発生した。ガス取出し口６から取り出したガスを集めて火を近づけると酸素と反応し水が生成し
たので、このガスを水素ガスであると同定した。
アルミニウムの添加量を種々変えて（１〜１０重量％）上記と同様の操作を行ったところ、水素ガスの生成量は、アルミニウムの添加量が増えるに従って増大した。
（実施例２）
【００１４】
本実施例では、図３に示す水素ガス生成装置を用いてガス生成方法を実施した。この水素ガス生成装置では、容器１１内に収容した液状のインジウム・ガリウム合金（融点１５．７℃）１２に、純アルミニウムを供給管１３を通して供給し、給水管１４から水１５を供給した。アルミニウムと水との反応が起こり、水素ガス１６と灰白色の水酸化アルミニウムとが連続して生成した。生成した水素ガスを水素ガス取出し口１７から取り出し、また、該反応の副生物である水酸化アルミニウムを水と共に排出管１８を経て排出した。排出された水を循環路を介して循環させて給水管１４から容器１１内に戻し、再利用すると共に、容器内に所定量の水が供給されているように適宜水を補充した。また、水酸化アルミニウムは、この循環路の途中に設けられた除去手段を通して取り除いた。取り出された水素ガスを公知の空気水素燃料電池に供給し、発電を行った。この発電機の出力は０．１Ａ／ｃｍ^２で７００ｍＶであった。
【００１５】
【発明の効果】
本発明の水素ガス生成用組成物によれば、エネルギーをほとんど使わずに、水を用いて高純度の水素ガスを生成できる。
この組成物中のアルミニウム等は容易に入手可能な材料でありかつ電力の安い地域で再生可能であるので、また、インジウム・ガリウム合金等の低融点金属は、アルミニウム等と水との反応には直接関与せずかつ重量が重いためその回収が容易であって再利用可能であるので、さらにまた、水は地球上に無尽蔵に存在するので、本発明の水素ガス生成方法によれば、高純度の水素ガスを簡単な方法で安価にかつ効率よく生成させることができる。この方法を実施しても周辺雰囲気に有害物質をまき散らすことがないので、地球の環境に優しいものである。
また、該アルミニウム等の大きさ（重量）に応じて水素ガスの生成量が定まるので、燃料電池に利用する場合に、電池の水素ガス要求量に合わせて簡便で軽量の水素ガス生成装置を構築することが可能である。
さらにまた、このような水素ガス生成装置を用いれば、簡便で軽量の発電機を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】インジウム・ガリウム二元合金の状態図を示すグラフ。
【図２】本発明の水素ガス生成方法を説明するための装置の断面図。
【図３】本発明の水素ガス生成装置の一実施例の概略断面図。
【符号の説明】
１容器２組成物
３水４水酸化アルミニウム
５ガス６ガス取出し口
１１容器１２インジウム・ガリウム合金
１３供給管１４給水管
１５水１６水素ガス
１７水素ガス取出し口１８排出管

Claims

容器内に１００℃以下で液状であるインジウム・ガリウム合金が収容されてなり、該容器には、アルミニウム、マグネシウム及び亜鉛から選ばれた少なくとも１種の金属を供給するための供給管と、給水管と、該少なくとも１種の金属と水との反応により生成した水素ガスの取出し口と、該反応の副生物を水と共に排出するための排出管と、該排出された水を循環させて該容器内に戻す循環路とが設けられ、さらに、この循環路の途中に、該排出された水を攪拌し、又は、該排出された水に超音波を照射することで該副生物を除去する手段が設けられ、連続的に水素ガスを生成させることを特徴とする水素ガス生成装置。
前記インジウム・ガリウム合金が、３０℃以下で液状である請求項１記載の水素ガス生成装置。
請求項１又は２記載の水素ガス生成装置と燃料電池とを組み合わせてなる発電機であって、該水素ガス生成装置により生成したガスを該燃料電池の水素源として用いるように構成されていることを特徴とする発電機。