JP4846075B2 - 水素発生剤、並びに該発生剤を用いた水素発生方法および水素発生装置 - Google Patents

Description

本発明は、水に浸漬させると水素を発生させることができる水素発生剤、並びにこの水素発生剤を用いた水素発生方法および水素発生装置に関する。

現在、世界では推定年間５０００億Ｎｍ^３以上の水素が製造されている。そして、このうちの９７％は化石燃料を燃焼させることにより製造され、残りは水を電気分解等することにより製造されている。製造された水素は、アンモニアやメタノール等の化学合成や、石油精製の分野で広く使用されている。

また、水素は、無色・無臭であること、燃焼温度が３０００℃と高いこと、燃焼しても二酸化炭素や有害なガスを発生しないこと等の特徴を有していることから、特に近年はクリーンなエネルギー源として活用することの検討が進められている。しかしながら、エネルギー源としての水素は、その製造コストが高価であることから実用化があまり進んでいない。

上記のように、水素の発生方法には、化石燃料を燃焼させる方法と水を電気分解等させる方法とがあるが、前者は大量の二酸化炭素を排出するので地球環境の面で問題がある。このため、水素をクリーンなエネルギー源として活用していくためには、化石燃料に頼らないで、安価に、しかも大量に水素を発生させる方法を見つけ出す必要がある。

化石燃料を使用せずに水から水素を発生させる従来の方法としては、例えば、特許文献１〜３に記載のものが知られている。

特許文献１には、常温の水中でアルミニウムまたはアルミニウム合金を切削／研削加工することにより酸化膜に覆われていない新生面を生成し、その新生面と水とを反応させることにより水素を発生させる方法が開示されている。

特許文献２には、アルミニウム粉末、またはアルミニウム粉末および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、亜鉛粉末）からなる混合粉末と水とを反応させることにより、水素を発生させる方法が開示されている。

また、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からなる水素発生剤が開示されている。この水素発生剤を水に浸漬させると、酸化カルシウムと水とが反応して水酸化カルシウムが生成され、さらにこの水酸化カルシウムとアルミニウム粉末が反応して水素が発生する。

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に記載の方法では、水を外部から加熱しないと十分な反応速度が得られないため、水素を大量に発生させることはできなかった。

また、特許文献２に記載の方法は、アルミニウム粉末または亜鉛アルミニウム粉末を得るための溶射装置を必要とするので、装置の大型化、複雑化が避けられず、安価に水素を発生させることはできなかった。

さらに、特許文献３に記載の水素発生剤では、エネルギー源として使用できる程度の量の水素を発生させることはできなかった。具体的には、この水素発生剤で発生することはできる量の水素では、携帯電話の駆動に必要となる電力しか発生させることができなかった。

本発明はこのような事情を鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、安価かつ大量に水素を発生させることができる水素発生剤、並びにこの水素発生剤を用いた水素発生方法および水素発生装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係る水素発生剤は、水に浸漬されると水素を発生させるものであって、（１）Ａｌ、Ｓｉおよびアルカリ金属を少なくとも含むゼオライト粉末とカルシウム化合物粉末とからなる混合粉末と、（２）多数の微細孔を有し、比表面積が１０００ｍ^２／ｇ以上である活性炭粉末と、（３）β鉄シリサイドとを含み、前記混合粉末を１００重量部とすると、前記活性炭粉末および前記β鉄シリサイドはそれぞれ０．１重量部以上であることを特徴とする。

上記水素発生剤は、さらに０．１重量部以上のマグネシウム化合物を含むことが好ましく、さらに前記活性炭粉末は、杉間伐材、やし殻、珪藻土、草花、おが屑、豆腐粕、籾殻および米ぬかから選択された少なくとも１種類の植物性材料を炭化させたものであることが好ましい。

また、上記課題を解決するために、本発明に係る水素発生方法は、上記水素発生剤を用いた方法であって、粉末状の前記β鉄シリサイドを、少なくとも前記混合粉末および前記活性炭粉末とともに前記水に投入して浸漬させることを特徴とする。

また、上記課題を解決するために、本発明に係るもうひとつの水素発生方法は、上記水素発生剤を用いた方法であって、内表面に前記β鉄シリサイドをあらかじめ配しておいた容器に前記水を貯留し、貯留された前記水に少なくとも前記混合粉末および前記活性炭粉末を投入して浸漬させることを特徴とする。

また、上記課題を解決するために、本発明に係る水素発生装置は、上記水素発生方法を用いて水素を発生させるものであって、水を貯留するための容器と、少なくとも前記混合粉末および前記活性炭粉末を前記容器内に投入するための投入口と、前記容器に貯留されている前記水の温度を測定する水温測定手段と、前記容器に貯留されている前記水の量を測定する水量測定手段と、前記水温測定手段および／または前記水量測定手段の測定結果に基づいて、前記水を注入する水注入手段と、発生した水素を取り出すための水素取出口とを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、安価かつ大量に水素を発生させることができる水素発生剤、並びにこの水素発生剤を用いた水素発生方法および水素発生装置を提供することができる。また、本発明によれば、化石燃料を燃焼させる必要がないので、地球環境に負担をかけることなく水素を発生させることができる。

水素総発生量の測定結果であって、（Ａ）〜（Ｃ）はそれぞれ１２０分間、４８時間、５日間の総発生量の推移を示すグラフである。 所定時間毎の水素発生量の測定結果であって、（Ａ）〜（Ｃ）はそれぞれ５分毎、２時間毎、１日毎の発生量を示すグラフである。 本発明に係る水素発生装置の構成を説明するための模式図である。

［水素発生剤、水素発生方法］
以下、図１および図２に示す実験結果を参照しながら、本発明に係る水素発生剤および水素発生方法の好ましい実施形態について説明する。

本発明に係る水素発生剤は、水に浸漬されると水素を発生させるものであって、ゼオライト粉末およびカルシウム化合物粉末からなる混合粉末に、活性炭粉末と、β鉄シリサイド（β−ＦｅＳｉ_２）とを添加してなる。水素発生剤は、全体としても粉末状を有しているが、プレス加工で成形してペレット状やタブレット状にすれば保存や取り扱いが容易になる。

ゼオライト粉末は、ケイ素、アルミニウム、鉄、マグネシウム、カルシウム、ナトリウム、カリウム、リン、マンガン、二酸化チタン等の他、微量のストロンチウム、ルビジウム、バリウム、亜鉛、硫黄、モリブデン等を含む種々のゼオライトのうちの、少なくともアルミニウム、ケイ素およびアルカリ金属（例えば、Ｍｇ、Ｒｂ等）を含む天然に産出されるものである。本発明では、例えば、モルデナイト型のゼオライト、Ａ型ゼオライト、ドロマイトの粉末、または消石灰を加工した人工ゼオライト粉末もゼオライト粉末として使用することができる。

カルシウム粉末は、例えば、水酸化カルシウム（Ｃａ（ＯＨ）_２）、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ_３）の粉末である。炭酸カルシウムの粉末は、牡蠣、ホタテまたは真珠の各種貝殻を洗浄、粉砕、および天日干しすることにより、非常に安価に入手することができる。

ゼオライト粉末およびカルシウム化合物粉末からなる混合粉末を１００重量部とすると、ゼオライト粉末の含有量は約４０〜７０重量部であることが好ましく、カルシウム粉末の含有量は約５０〜６０重量部であることが好ましい。ゼオライト粉末の含有量が３０重量部を下回ると、水素の発生量が低下して生産性が低下する。これは、後述する水素生成反応に寄与するゼオライト粉末が少な過ぎるためだと考えられる。

カルシウム粉末の含有量が３５重量部を下回った場合も、同様に、後述する水素生成反応の速度が低下して、生産性が低下する。また、カルシウム粉末の含有量が６２重量部を超えると、発生する水素の中に未反応のカルシウムが含まれることとなり、発生した水素を輸送する配管等の内部にカルシウムが付着し、好ましくない。

活性炭粉末は、植物性材料を炭化したものである。具体的には、活性炭粉末は、杉間伐材、やし殻、珪藻土、草花、おが屑、豆腐粕、籾殻、米ぬか等の安価で入手が容易な植物性材料を４００〜８００℃の炉中で炭化して燻炭を生成し、さらにこの燻炭を１０^-1Ｐａ〜１０^-5Ｐａ程度の真空状態で所定時間加熱処理（温度：４００〜８００℃、時間：６０〜３６０分）して生成したものである。

活性炭粉末は、炭素化率が９０％以上、ｐＨが９．０〜１１．０である高炭素質を有している。また、活性炭粉末の表面には、約３ｎｍ径の多数の微細孔が形成されており、比表面積は１０００ｍ^２／ｇ以上となっている。また、活性炭粉末は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、ホーン型を有している。

β鉄シリサイドは、クラーク数が高く、かつ人体に対して毒性がない元素からなるいわゆる環境半導体の一種であり、常温で数ミリＨｚ〜数テラＨｚの帯域の電磁波を放射することが知られている。

β鉄シリサイドは、粉末状にして活性炭粉末とともに混合粉末に添加することができる。混合粉末を１００重量部とした場合のβ鉄シリサイドおよび活性炭粉末の添加量は、それぞれ０．１重量部以上であればよい。すなわち、混合粉末に微量のβ鉄シリサイドおよび活性炭粉末を添加するだけで、後述する水素生成反応により、大量の水素を長時間に亘って発生させることができる水素発生剤となる。

また、β鉄シリサイドは、フェノール樹脂中に分散させて水素生成反応に供される水を貯留する容器の底に配置したり、スラリー化させて容器の内部に塗布したりすることもできる。このようにしても、β鉄シリサイドは、後述する水素生成反応に寄与することができる。なお、本願の明細書および特許請求の範囲中の用語“浸漬”には、貯留されている水に水素発生剤を投入することだけでなく、水素発生剤を構成するβ鉄シリサイドをあらかじめ塗布等しておいた容器に水を貯留することも含まれるものとする。

カルシウム化合物として水酸化カルシウムを使用した水素発生剤を水に浸漬させると、基本的には、以下に示す既知の水素生成反応が行われ、水素が発生すると考えられる。

Ｃａ（ＯＨ）_２＋２Ａｌ＋２Ｈ_２Ｏ → ＣａＯ・Ａｌ_２Ｏ_３＋３Ｈ_２

ここで、反応式左辺のＡｌは、ゼオライト粉末に含まれているアルミニウムである。

また、上記反応とともに、水が活性炭粉末の微細孔に高速回転しながら吸い込まれ、活性炭粉末の周辺の水が微振動する。そして、この微振動によって刺激されたβ鉄シリサイドからより多くの電磁波が放出され、上記反応が促進される。

すなわち、本発明によれば、ゼオライト粉末とカルシウム化合物粉末とからなる混合粉末に活性炭粉末とβ鉄シリサイドとを添加することによって、上記既知の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でき、しかも長期間に亘って水素を発生させ続けることができる。

続いて、本発明に係る水素発生剤（実施例１、２）と比較のために従来の水素発生剤（従来例）とを用いて、水素を発生させた実験結果について説明する。

上表に示すように、実施例１に係る水素発生剤は、ゼオライト粉末４８ｇと水酸化カルシウム粉末５０ｇとからなる混合粉末に、杉間伐材を炭化等して得た比表面積１０００ｍ^２／ｇ以上の活性炭粉末１ｇとβ鉄シリサイド粉末１ｇとを添加し、計１００ｇとしたものである。実施例２に係る水素発生剤は、実施例１に係る水素発生剤にさらにマグネシウムシリサイド（ＭｇＳｉ_２）の粉末１ｇを添加し、ゼオライト粉末を４７ｇとしたものである。従来例に係る水素発生剤は、β鉄シリサイドを添加せず、ゼオライト粉末を４９ｇとしたものである。また、実験では、ガラス容器に貯留した５００ｍｌの水に各水素発生剤を浸漬させ、一定時間毎の水素発生量を流量計で測定した。

なお、上記水素生成反応が進行すると、水温が上昇し、水の量が減少するが、本実験では水を適宜補充することによって、水温を４５〜９０℃の範囲に維持しつつ、水量が３００ｍｌを下回らないようにした。

上記条件で試験を行った結果を図１および図２に示す。

図１（Ａ）および図２（Ａ）に示すように、実施例１（■）および実施例２（△）に係る水素発生剤によれば、実験開始直後から大量の水素を発生させることができる。例えば、３０分経過後の水素総発生量は、従来例（＊）が１８０Ｌであるのに対して、実施例１が１３３２Ｌ、実施例２が１６０７Ｌである。

また、従来例に係る水素発生剤では、約２４時間経過するとほとんど水素が発生しなくなる（特に、図２（Ｂ）参照）。これに対して、図１（Ｃ）および図２（Ｃ）に示すように、実施例１および実施例２に係る水素発生剤によれば、２４時間を経過した後も少なくとも５日を経過するまではほぼ一定の量の水素を発生させ続けることができる。

また、実施例１と実施例２とを比較すると、マグネシウムシリサイドをさらに添加した実施例２の方が実験開始直後約９０分間の水素発生量が多かった。これは、マグネシウムシリサイドが上記水素生成反応をさらに促進させたからだと考えられる。なお、マグネシウムシリサイドに替えて、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を添加した場合でも従来型と比較し水素発生量が増加することが確認できた。

［水素発生装置］
次に、図３を参照しながら、本発明に係る水素発生装置の好ましい実施形態について説明する。

図３に示すように、本発明に係る水素発生装置１は、ガラス製の容器本体２ａおよび当該容器本体２ａを密封する蓋２ｂからなる容器２と、容器２の中に水素発生剤を投入するための投入口３と、発生した水素を容器２の外に取り出すための水素取出口７と、容器２内に水を貯留するための水注入手段６とを備える。この他、水素発生装置１は、容器２に貯留されている水８の温度を測定するための水温測定手段４と、水８の量を測定するための水量測定手段５とを備えている。水温測定手段４および水量測定手段５から出力される信号は、水注入手段６に入力される。

この水素発生装置１で水素を発生させる際は、はじめに水注入手段６で容器２内に適当な量の水を貯留する。そして、投入口３の栓を外し、そこから水素発生剤を投入して浸漬させる。発生した水素は、水素取出口７を通って取り出され、ガスタンクに貯蔵される。

水素が発生している間、水温測定手段４は水８の温度を測定し、水量測定手段５は水８の量を測定する。そして、水温測定手段４および水量測定手段５は、それぞれ測定結果に応じた信号を出力する。水注入手段６は、水量が所定の閾値を下回った旨の信号または水温が所定の閾値を上回った旨の信号が入力されると、容器２内に適当な量の新たな水を補充する。これにより、水温が高くなり過ぎたり、水が減り過ぎたりするのが防止される。

この水素発生装置１によれば、水素の発生が始まった後の水温および水量の調整が自動化され、手間がかからないので、水素の製造コストを低減することができる。

以上、本発明に係る水素発生剤、水素発生方法および水素発生装置の好ましい実施形態について説明してきたが、本発明は上記の構成に限定されるものではない。

例えば、上記水素発生装置では、水温と水量の両方に基づいて水が補充されるようになっているが、いずれか一方にのみ基づいて補充されるようにしてもよい。
また、天然および人工の各種ゼオライト粉末、水酸化カルシウム以外のカルシウム化合物粉末、杉間伐材以外の植物性材料からなる活性炭粉末を使用した場合も、上記とほぼ同様の水素発生効果を得ることができる。
また、水素発生剤を浸漬させる水は純水に限定されず、水道水または海水を使用した場合も、上記とほぼ同様の水素発生効果を得ることができる。

１ 水素発生装置
２ 容器
３ 投入口
４ 水温測定手段
５ 水量測定手段
６ 水注入手段
７ 水素取出口
８ 水

Claims (6)

1. 水に浸漬されると水素を発生させる水素発生剤であって、
   Ａｌ、Ｓｉおよびアルカリ金属を少なくとも含むゼオライト粉末と、カルシウム化合物粉末とからなる混合粉末と、
   多数の微細孔を有し、比表面積が１０００ｍ^２／ｇ以上である活性炭粉末と、
   β鉄シリサイドと、
   を含み、前記混合粉末を１００重量部とすると、前記活性炭粉末および前記β鉄シリサイドはそれぞれ０．１重量部以上であることを特徴とする水素発生剤。
2. ０．１重量部以上のマグネシウム化合物をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の水素発生剤。
3. 前記活性炭粉末は、杉間伐材、やし殻、珪藻土、草花、おが屑、豆腐粕、籾殻および米ぬかから選択された少なくとも１種類の植物性材料を炭化させたものであることを特徴とする請求項１または２に記載の水素発生剤。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の水素発生剤を用いた水素発生方法であって、
   粉末状の前記β鉄シリサイドを、少なくとも前記混合粉末および前記活性炭粉末とともに前記水に投入して浸漬させることを特徴とする水素発生方法。
5. 請求項１〜３のいずれかに記載の水素発生剤を用いた水素発生方法であって、
   内表面に前記β鉄シリサイドをあらかじめ配しておいた容器に前記水を貯留し、貯留された前記水に少なくとも前記混合粉末および前記活性炭粉末を投入して浸漬させることを特徴とする水素発生方法。
6. 請求項４または請求項５に記載の水素発生方法を用いて水素を発生させる水素発生装置であって、
   水を貯留するための容器と、
   少なくとも前記混合粉末および前記活性炭粉末を前記容器内に投入するための投入口と、
   前記容器に貯留されている前記水の温度を測定する水温測定手段と、
   前記容器に貯留されている前記水の量を測定する水量測定手段と、
   前記水温測定手段および／または前記水量測定手段の測定結果に基づいて、前記水を注入する水注入手段と、
   発生した水素を取り出すための水素取出口と、
   を備えたことを特徴とする水素発生装置。

Images