JPWO2019172152A1 - 水素の製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】水素発生量の低下を抑制し、発生する水素の総量を増加させることができる水素の製造方法を提供する。【解決手段】本発明に係る水素の製造方法は、粉砕媒体21を収容した容器12内で、無機物質である砕料22と、溶媒23とを混合し、メカノケミカル反応により水素を製造する。また、容器12及び粉砕媒体21の少なくともいずれかは、砕料22との共存下でメカノケミカル反応により酸化反応及び還元反応を生じる相手方無機物質を含む。【選択図】図2

Description

本発明は、水素の製造方法に関する。
簡易で安価な水素の製造方法として、メカノケミカル反応を利用した水素の製造方法が開発されている。例えば、特許文献1では、ケイ素、アルミニウム等の無機物質の粉末と水、水酸化ナトリウム等の溶媒を混合して、遊星ボールミルで機械的エネルギーを付与し、無機物質と溶媒の活性を高めている。これにより、メカノケミカル反応が生じ、常温で水素が製造される。
特開2016−47789号公報
特許文献1の方法では、メカノケミカル反応により、無機物質の表面が酸化する。そして、酸化の進行にともない反応量は減少し、水素の発生量が頭打ちとなり、水素の生成が停止する。
本発明は、上述の事情に鑑みてなされたものであり、水素発生量の低下を抑制し、発生する水素の総量を増加させることができる水素の製造方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明の第1の観点に係る水素の製造方法は、
粉砕媒体を収容した容器内で、無機物質である砕料と、溶媒とを混合し、メカノケミカル反応により水素を製造する方法であって、
前記容器及び前記粉砕媒体の少なくともいずれかは、前記砕料との共存下で前記メカノケミカル反応により酸化反応及び還元反応を生じる相手方無機物質を含む。
また、本発明の第2の観点に係る水素の製造方法は、
粉砕媒体を収容した容器内で、無機物質である砕料と、溶媒と、反応促進材とを混合し、メカノケミカル反応により水素を製造する方法であって、
前記反応促進材は、前記砕料との共存下で前記メカノケミカル反応により酸化反応及び還元反応を生じる相手方無機物質を含む。
また、前記反応促進材は、2種以上の前記相手方無機物質を含む、
こととしてもよい。
また、前記砕料は、2種以上の前記無機物質を含む、
こととしてもよい。
また、前記砕料は、チタニウム、二酸化チタン、炭化タングステン、鉄又はマンガンのいずれかである、
こととしてもよい。
また、前記相手方無機物質は、
炭化タングステン又はステンレス鋼である、
こととしてもよい。
また、前記溶媒は水を含む、
こととしてもよい。
また、前記粉砕媒体は、2種以上の前記相手方無機物質を含む、
こととしてもよい。
また、前記メカノケミカル反応は、遊星ボールミルで行う、
こととしてもよい。
本発明によれば、砕料の表面に生成される酸化物を還元させることにより、水素発生量の低下を抑制することができるので、発生する水素の総量を増加させることが可能である。
遊星ボールミル装置の構成を示す概念図である。 容器の回転によるミリングの状態を示す概念図である。 本発明の実施の形態1に係る水素製造処理の流れを示すフローチャートである。 砕料の種類ごとの水素の発生量を示すグラフである。 動作時間を3時間とした場合の砕料の種類ごとの水素の発生量と酸化反応に基づく理論値(全ての砕料が酸化反応し生成する水素の量)との比を示すグラフである。 動作時間を12時間とした場合の砕料の種類ごとの水素の発生量と酸化反応に基づく理論値との比を示すグラフである。 砕料をチタニウムとした場合の水素の発生量を示すグラフである。 実施の形態1に係る、水素発生後の粉体のラマンスペクトルを示す図である。 ミリング時間と容器内圧力との関係の例を示すグラフである。 水素製造処理後の発生気体の定性分析結果を示す図である。 実施の形態1に係る、遊星ボールミルの回転速度と水素発生量との関係を示すグラフである。 鉄を砕料とした場合とチタニウムを砕料とした場合の水素の発生量を示すグラフである。 容器の材質ごとの水素の発生量を示すグラフである。 実施の形態2に係る、遊星ボールミルの回転速度と水素発生量との関係を示すグラフである。 二酸化チタンを砕料とした場合の水素の発生量を示すグラフである。 実施の形態2に係る、砕料の種類ごとの水素の発生量を示すグラフである。 実施の形態3に係る水素の発生量を示すグラフである。 実施の形態4に係る水素の発生量を示すグラフである。
以下、本発明の実施の形態に係る水素の製造方法について、図面を参照して詳細に説明する。
(実施の形態1)
本実施の形態に係る水素の製造方法では、遊星ボールミル装置1を用いた方法を例として説明する。遊星ボールミル装置1は、図1の概念図に示すように、回転駆動される中心軸11と、中心軸11と一体に回転するテーブル13と、テーブル13に回転可能に支持された複数の容器12を備える。
容器12は、中心軸11の周りを、図2に示すように、図中の矢印Aの方向に公転しながら、容器12の中心軸12aのまわりを図中の矢印Bの方向に自転する。これにより、各容器12内で、粉砕媒体21により、砕料22が粉砕される。この時、砕料22と溶媒23に付与される機械的エネルギーにより、砕料22と溶媒23の活性が高まり、メカノケミカル反応が生じて、水素が発生する。
本実施の形態に係る水素の製造処理では、図3のフローチャートに示すように、まず、容器12に粉砕媒体21を投入する(ステップS11)。
容器12は、粉砕する砕料22、溶媒23等を収容するものであり、例えば円筒形状の蓋付き容器である。容器12は、上述のように、遊星ボールミル装置1にセットされ、遊星ボールミル装置1の動作によって回転する。これにより、容器12内部の砕料22と溶媒23にメカノケミカル反応が生じる。
容器12及び粉砕媒体21の少なくともいずれかは、砕料22との共存下でメカノケミカル反応により酸化反応及び還元反応を生じる相手方無機物質を含む。本実施の形態に係る容器12の材質は、炭化タングステン(WC)である。酸化反応及び還元反応については、後述する。容器12の容量は特に限定されず、製造する水素の量、反応時の許容温度等によって適宜選択すればよい。本実施の形態に係る容器12の容量は80mlである。
粉砕媒体21は、砕料22、溶媒23とともに容器12に収容され、遊星ボールミル装置1の回転によって砕料22を粉砕する媒体である。粉砕媒体21の形状は、ボール状、ロッド状等、特に限定されず、その大きさも特に限定されない。また、粉砕媒体21の材質は、一般的に、容器12の材質と同じである。より詳細には、粉砕媒体21の材質は、一般的に、砕料22、溶媒23等が接する容器12内部の材質と同じである。また、上述の通り、容器12及び粉砕媒体21の少なくともいずれかは、砕料22との共存下でメカノケミカル反応により酸化反応及び還元反応を生じる相手方無機物質を含む。本実施の形態に係る粉砕媒体21は、直径約1.6mmの炭化タングステン製ボールである。また、容器12内に投入される粉砕媒体21の重量は、約100gである。
続いて、容器12に砕料22を投入する(ステップS12)。砕料22は、容器12内で粉砕されるとともにメカノケミカル反応を生じる無機物質である。砕料22の形状、大きさ等は特に限定されない。本実施の形態では、砕料22はチタニウム(Ti)の粉末であり、粒径は大凡10μm〜60μmである。また、容器12内に投入される砕料22の量は、特に限定されないが、本実施の形態では、3.7mmolである。
続いて、容器12に溶媒23を投入する(ステップS13)。溶媒23は、蒸留水等の水、海水等の水酸化ナトリウム(NaOH)溶液、水酸化カリウム(KOH)溶液等のアルカリ溶液、塩化アンモニウム、炭酸ナトリウム等のアルカリ緩衝溶液等である。本実施の形態では、蒸留水を溶媒23として用いる。また、容器12内に投入される溶媒23の量は、10mlである。砕料22と溶媒23は、容器12へ投入する前に、予め混合されていてもよい。
砕料22、溶媒23が投入された後、容器12は、蓋を閉められて密閉される。本実施の形態では、密閉前に容器12内をアルゴンガス雰囲気に調整している。これにより、メカノケミカル反応による水素その他の気体成分の分析が容易となる。
密閉された容器12は、図1に示すように、遊星ボールミル装置1にセットされる(ステップS14)。本実施の形態で用いる遊星ボールミル装置1は、ドイツ・フリッチュ社製の遊星ボールミル(商品名:プレミアムラインP−7)である。
容器12を遊星ボールミル装置1にセットした後、遊星ボールミル装置1の動作を開始する(ステップS15)。本実施の形態では、遊星ボールミルの回転速度、すなわち容器12の回転速度は、400rpmである。
容器12が回転することによって砕料22がミリング(破砕)される。この際、砕料22と溶媒23に機械的なエネルギーが付与されて、砕料22と溶媒23の活性が高まり、メカノケミカル反応が生じる。これにより、下記式(1)に示すように、水素(H)が発生する(ステップS16)。
Ti+2HO→TiO+2H ・・・ (1)
予め設定された動作時間(本実施の形態では3時間)が経過すると、遊星ボールミル装置1は動作を停止し(ステップS17)、水素製造処理は終了する。
図4に、本実施の形態に係る方法によって水素を製造した場合の水素発生量の例を示す。図4では、比較のため、砕料22としてチタニウム、アルミニウム(Al)、亜鉛(Zn)、マンガン(Mn)、鉄(Fe)、スズ(Sn)の各粉末材料を用いた場合の水素発生量を示している。この結果から、アルミニウム、亜鉛、スズを砕料22とした場合、水素の発生量は3時間程度のミリング時間で頭打ちとなり、水素の発生反応が停止又は大幅に減少している。また、マンガン、鉄を砕料22とした場合、水素の発生量は緩やかに増加し続ける。また、チタニウムを砕料22とした場合、3時間経過後も水素の発生は、大きく減少することなく継続しており、発生する水素の総量は、増加し続けている。
図5は、図4に示された水素の発生量を、砕料22の材質ごとに、全ての砕料22が酸化反応し生成する水素の量(以下、酸化反応に基づく理論値という。)に対する比((実験値(mmol)/酸化反応に基づく理論値(mmol))×100(%))として表したものである。ここで、酸化反応に基づく理論値は、式(2)又は式(3)で表される。具体的には、xモルの無機物質が全て酸化反応し、yモルの水素を生成した場合が、酸化反応に基づく理論値100%に相当する。
xM+yHO→M+yH ・・・ (2)
xM+2yHO→xM(OH)2y/x+yH ・・・ (3)
図5に示すように、砕料22としてチタニウムを用いた場合に、式(2)、(3)に示す酸化反応に基づく理論値である7.4mmolを超えて水素が発生している。
さらに、動作時間(ミリング時間)を12時間まで延ばした場合の水素発生量を図6に示す。図6に示されるように、チタニウム、鉄、マンガンを砕料22とした場合、水素の発生量は継続して増加していることがわかる。また、チタニウムの砕料22を0.5mmol用い、動作時間を約50時間まで延ばした場合の水素発生量を図7に示す。図7に示すように、水素の発生量は継続して増加していることがわかる。
砕料22にチタニウムを用いた場合に、特に、酸化反応に基づく理論値を超えて水素が発生される原因としては、チタニウム以外の非酸化物による水素発生が考えられる。本実施の形態では、容器12及び粉砕媒体21の材質として炭化タングステンを用いている。そして、硬度の高いチタニウムを砕料22として用いているため、ミリングによって容器12内の壁及び粉砕媒体21の一部が削られて、炭化タングステン中のタングステンが溶出し、(4)式の反応が生じる。これにより、図8のラマンスペクトルの例に示すように、水素と三酸化タングステンが観測されている。
W+3HO→WO+3H ・・・ (4)
また、別の原因として、水素の発生にともない生成されるチタニウムの酸化物(二酸化チタン:TiO)の還元反応が考えられる。図9は、二酸化チタンを砕料22とし、水を溶媒23として、ミリングした場合の気体発生の様子を示したものである。図9に示された結果から、ミリング時間の進行につれて容器12内で気体が発生し、容器12内の圧力が上昇していることがわかる。また、発生した気体の成分分析から、水素が発生していることがわかる(図10)。すなわち、二酸化チタンを原料として、水素が生成されることが確認できる。このことから、水素発生時に生成された二酸化チタンが還元されてチタニウムが生成され、再反応することにより、水素の発生量が増加していることがわかる。
また、図11に容器12の回転速度と水素発生量との関係の例を示す。この比較実験では、反応時間を長く設定して条件による差異を明確化する一方、大量の水素の発生によって装置が損傷することを避けるため、砕料22であるチタニウムの量を2.0mmolとしている。よって、水素発生量の酸化反応に基づく理論値は4.0mmolである。図11に示す結果から、容器12の回転速度が200rpm以上の場合に、水素の発生量は、8時間以内の短時間で、酸化反応に基づく理論値を超えることがわかる。
また、容器12の回転速度が増すにつれて、水素の発生速度は大きくなる。したがって、大型の装置を用いる場合、短時間で大量の水素を製造したい場合等では、容器12の回転速度を高く設定し、砕料22、溶媒23に加える機械的なエネルギーを増加させることで、メカノケミカル反応を促進させることが好ましい。一方、本実施の形態で用いる卓上型の遊星ボールミル装置1のように小型の水素の製造装置では、容器12の回転速度が大きくなると、高速回転に対応させるために装置に求められる強度(安定性、容器12の耐圧性等)が大きくなる。したがって、遊星ボールミル、すなわち容器12の回転速度は、200rpm以上700rpm以下であることが好ましい。
以上、詳細に説明したように、本実施の形態では、砕料22の表面に生成される酸化物を還元させることにより、水素発生量の低下を抑制することができるので、発生する水素の総量を増加させることが可能である。特に、水素の供給源である水がなくなるまで反応が進行できるのは、酸化物を還元させる効果による。その結果、水素生成が頭打ちにならず、容器12内の水が尽きるまで永続的に水素が生成される。容器12内の水がなくなった後に、水を追加すれば、再び水素を生成することができる。
また、本実施の形態では、チタニウムの砕料22、炭化タングステン製の容器12及び粉砕媒体21を用いることで、メカノケミカル反応により酸化反応及び還元反応を発生させることとしたが、これに限られない。例えば、砕料22として鉄を用いた場合の水素発生量を図12に示す。図12に示すように、砕料22として鉄を用いた場合であっても、チタニウムを用いた場合と同様に、酸化反応に基づく理論値を超えた量の水素が発生される。
また、無機物質は、例えば、チタニウム、鉄、マンガン、クロム(Cr)、ニッケル(Ni)、モリブデン(Mo)、コバルト(Co)、タングステン(W)、亜鉛及びこれらのうち少なくともいずれかを含む合金、スチール鋼であってもよく、二酸化チタン等のチタン酸化物、チタン水酸化物であってもよい。また、砕料22は、これら無機物質のうち、2種以上の無機物質を含むこととしてもよい。
本実施の形態では、容器12全体の材質が、炭化タングステンであることとしたが、これに限られない。例えば、粉砕媒体21、砕料22、溶媒23等が接触する容器12の内部の一部が炭化タングステンであることとしてもよい。これにより、容器12の外面部、蓋部等に安価な材料を用い、容器12をより安価なものとすることができる。
また、本実施の形態では、容器12と粉砕媒体21とが相手方無機物質としての炭化タングステンであることとしたが、これに限られない。例えば、容器12又は粉砕媒体21のいずれか一方が相手方無機物質であることとしてもよい。これにより、容器12又は粉砕媒体21のいずれか一方をより安価な材質とすることができる。なお、粉砕媒体21のみを相手方無機物質とする例については、実施の形態3で説明する。
また、本実施の形態では、溶媒23として水を用いることとしたが、これに限られない。例えば、水酸化ナトリウム(NaOH)溶液、水酸化カリウム(KOH)溶液等のアルカリ溶液、塩化アンモニウム及び炭酸ナトリウム等のアルカリ緩衝溶液を用いてもよい。これにより、砕料22表面の酸化を抑制し、水素発生量の低下を防止することができる。
(実施の形態2)
本実施の形態に係る水素の製造方法では、容器12及び粉砕媒体21の材質がステンレス鋼である点で、実施の形態1と異なる。その他の構成は実施の形態1と同様であるので、同じ符号を付す。
本実施の形態に係る容器12の材質は、ステンレス鋼(SUS303)である。また、本実施の形態に係る容器12の容量は、実施の形態1に係る容器12と同様であり、80mlである。
本実施の形態に係る粉砕媒体21は、直径約1.6mmのステンレス鋼製ボールである。また、容器12内に投入される粉砕媒体21の重量は、約100gである。
以下、図3に示す実施の形態1に係る水素製造処理の流れと同様に、粉砕媒体21、砕料22となるチタニウム粉末2.0mmol、溶媒23としての蒸留水10mlを容器12内に投入する。
続いて、容器12を遊星ボールミル装置1にセットし、遊星ボールミル装置1を動作させる。これにより、容器12内でメカノケミカル反応が生じ、水素が発生する。
図13に、本実施の形態に係る方法によって水素を製造した場合の水素発生量の例を示す。図13に示すように、容器12をステンレス鋼製とした場合も、炭化タングステン製の場合と同様に、本実施の形態に係る酸化反応に基づく理論値である4.0mmolを超えて水素の生成が継続している。
また、図14に、遊星ボールミル、すなわち容器12の回転速度と水素の発生量との関係の例を示す。図14の結果から、酸化反応に基づく理論値を超えて水素が発生していることがわかる。また、容器12の回転速度は、水素の発生速度の観点から、好ましくは200rpm以上、より好ましくは300rpm以上であることがわかる。また、実施の形態1の場合と同様に、容器12の回転速度が大きくなると遊星ボールミル装置1、容器12の安定性、耐圧性等を高くする必要がある。したがって、小型の遊星ボールミル装置1を用いる場合、容器12の回転速度は、700rpm以下であることが好ましい。
水素の発生量が酸化反応に基づく理論値よりも多くなる原因は、実施の形態1と同様に、水素の発生にともない生成される酸化物(二酸化チタン:TiO)の還元反応による水素の発生等であると考えられる。図15は、二酸化チタンを砕料22としてミリングを行った場合の水素発生量を示している。図15から容器12の材質がステンレス鋼の場合であっても、容器12の材質が炭化タングステンの場合と同様に、水素を発生させることがわかる。ただし、容器12と粉砕媒体21がジルコニアであると、容器12及び粉砕媒体21が反応開始時において既に酸化されているため、砕料22である二酸化チタンを還元することができず、還元反応は進行しないので、水素はほとんど生成されない。しかし、容器12と粉砕媒体21がジルコニアであっても、反応促進材24を入れることで、二酸化チタンの還元反応による水素生成を実現することができる。反応促進材24については、実施の形態4で説明する。
また、本実施の形態では、ミリングによって、容器12が微小に削られる。そして、ステンレス鋼の成分である鉄(Fe)、クロム(Cr)、ニッケル(Ni)等の遷移金属が、ミリング中の局所的な高温状態において、実施の形態4で後述する反応促進材24と同様に触媒として作用し、二酸化チタンの還元反応を引き起こしていると考えられる。
以上、詳細に説明したように、本実施の形態では、砕料22との共存下でメカノケミカル反応により酸化反応及び還元反応を生じる相手方無機物質であるステンレス鋼製の容器12を用いる。これにより、水素発生量の低下を抑制することができるので、発生する水素の総量を増加させることが可能である。特に、水素の供給源である水がなくなるまで反応が進行できるのは、酸化物を還元させる効果による。その結果、水素生成が頭打ちにならず、容器12内の水が尽きるまで永続的に水素が生成される。容器12内の水がなくなった後に、水を追加すれば、再び水素を生成することができる。
また、本実施の形態では、チタニウムの砕料22、ステンレス鋼製の容器12及び粉砕媒体21を用いることで、メカノケミカル反応により酸化反応及び還元反応を発生させることとしたが、これに限られない。図16に示すように、砕料22としてマンガンを用いた場合であっても、チタニウムを用いた場合と同様に、酸化反応に基づく理論値を超えて水素が発生される。
本実施の形態では、容器12全体の材質が、ステンレス鋼であることとしたが、これに限られない。例えば、粉砕媒体21、砕料22、溶媒23等が接触する容器12の内部の一部がステンレス鋼であることとしてもよい。これにより、容器12の外面部、蓋部等に安価な材料を用い、容器12をより安価なものとすることができる。
上記実施の形態1及び実施の形態2では、容器12及び粉砕媒体21の材質、すなわち相手方無機物質として、炭化タングステン、ステンレス鋼を用いることとしたが、これに限られない。相手方無機物質は、無機物質である砕料22との共存下でメカノケミカル反応により酸化反応及び還元反応を生じる物質であればよく、例えば、鉄、マンガン、クロム、ニッケル、モリブデン、コバルト、タングステン、亜鉛及びこれらのうち少なくともいずれかを含む合金、スチール鋼であってもよい。また、相手方無機物質は、チタニウムでもよく、二酸化チタン等のチタン酸化物、チタン水酸化物であってもよい。また、容器12及び粉砕媒体21は、これらの相手方無機物質のうち、2種以上の相手方無機物質を含むこととしてもよい。
(実施の形態3)
本実施の形態に係る水素の製造方法では、容器12の材質がジルコニア(ZrO)である点で、実施の形態1と異なる。その他の構成は実施の形態1と同様であるので、同じ符号を付す。
本実施の形態に係る容器12の材質は、ジルコニアであり、本実施の形態に係る容器12の容量は、実施の形態1に係る容器12と同様に、80mlである。
本実施の形態に係る粉砕媒体21は、直径約1.6mmの炭化タングステン製ボールである。また、容器12内に投入される粉砕媒体21の重量は、約100gである。
以下、図3に示す実施の形態1に係る水素製造処理の流れと同様に、粉砕媒体21、砕料22となるチタニウム粉末2.0mmol、溶媒23としての蒸留水10mlを容器12内に投入する。
続いて、容器12を遊星ボールミル装置1にセットし、遊星ボールミル装置1を動作させる。これにより、容器12内でメカノケミカル反応が生じ、水素が発生する。
図17に、本実施の形態に係る方法によって水素を製造した場合の水素発生量の例を示す。本実施の形態では、炭化タングステン製の粉砕媒体21を用いることにより、容器12の材質がジルコニアであっても、酸化反応に基づく理論値である4.0mmolを超えて水素の生成が継続している。
以上、詳細に説明したように、本実施の形態では、砕料22との共存下でメカノケミカル反応により酸化反応及び還元反応を生じる相手方無機物質を含む粉砕媒体21を、砕料22とともに容器12に収容してメカノケミカル反応を生じさせるので、酸化反応に基づく理論値を超えて水素を生成することができる。また、容器12をジルコニア、すなわち砕料22との共存下でメカノケミカル反応により酸化反応及び還元反応を生じない材質とすることにより、容器12が侵されることなく水素を製造することができる。したがって、容器12の寿命を長くすることが可能であり、長時間水素を製造する大型プラントにも適用することができる。
また、上記のように、砕料22との共存下でメカノケミカル反応により酸化反応及び還元反応を生じない材質であって、容器12の材質として適するものは、例えば、ジルコニア、酸化アルミニウム(Al)及びこれらのうち少なくともいずれかを含む金属酸化物、セラミック等である。また、容器12の材質は、メノウ及び二酸化ケイ素(SiO)を含むセラミックであってもよく、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリアミド(PA)、繊維強化プラスチック(FRP)等の硬化プラスチックであってもよい。
(実施の形態4)
本実施の形態に係る水素の製造方法では、容器12及び粉砕媒体21の材質がジルコニア(ZrO)である点、及び反応促進材24として炭化タングステンを用いる点で、実施の形態1と異なる。その他の構成は実施の形態1と同様であるので、同じ符号を付す。
本実施の形態に係る容器12の材質は、ジルコニアであり、本実施の形態に係る容器12の容量は、実施の形態1に係る容器12と同様に、80mlである。
本実施の形態に係る粉砕媒体21は、直径約1.6mmのジルコニア製ボールである。また、容器12内に投入される粉砕媒体21の重量は、約100gである。
以下、図3に示す実施の形態1に係る水素製造処理の流れと同様に、粉砕媒体21、砕料22となるチタニウム粉末0.5mmol、溶媒23としての蒸留水10mlを容器12内に投入する。さらに、反応促進材24として炭化タングステン粉末1.5mmolを容器12内に投入する。なお、反応促進材24の形状、大きさ等は特に限定されない。本実施の形態に係る反応促進材24は、粒子サイズ1〜10μmの炭化タングステンである。
続いて、容器12を遊星ボールミル装置1にセットし、遊星ボールミル装置1を動作させる。これにより、容器12内でメカノケミカル反応が生じ、水素が発生する。
図18に、本実施の形態に係る方法によって水素を製造した場合の水素発生量の例を示す。本実施の形態では、炭化タングステンの反応促進材24を加えることにより、容器12及び粉砕媒体21の材質がジルコニアであっても、図18に示すように、酸化反応に基づく理論値である1.0mmolを超えて水素の生成が継続している。
以上、詳細に説明したように、本実施の形態では、砕料22との共存下でメカノケミカル反応により酸化反応及び還元反応を生じる相手方無機物質を含む反応促進材24を、砕料22とともに容器12に収容してメカノケミカル反応を生じさせるので、水素を製造することができる。また、これにより、水素生成が頭打ちにならず、容器12内の水が尽きるまで永続的に水素が生成される。容器12内の水がなくなった後に、水を追加すれば、再び水素を生成することができる。
また、容器12及び粉砕媒体21をジルコニア、すなわち砕料22との共存下でメカノケミカル反応により酸化反応及び還元反応を生じない材質とすることにより、容器12及び粉砕媒体21が侵されることなく水素を製造することができる。したがって、容器12及び粉砕媒体21の寿命を長くすることが可能であり、長時間水素を製造する大型プラントにも適用することができる。
本実施の形態では、反応促進材24として炭化タングステンを用いることとしたが、これに限られず、任意の相手方無機物質を含むこととしてもよく、2種以上の相手方無機物質含むこととしてもよい。
また、上記各実施の形態では、メカノケミカル反応は遊星ボールミルで行うこととしたが、これに限られない。砕料22と溶媒23とを混合し、摩擦や衝撃等により機械的なエネルギーを付与してメカノケミカル反応を発生させることができる方法であればよく、例えば、振動ミルであってもよい。
また、上記各実施の形態では、容器12は密閉されていることとしたが、これに限られない。例えば、容器12の蓋部に貫通孔を設け、貫通孔に接続された配管部材を介して、生成された水素を取り出すこととしてもよい。これにより、生成された水素により容器12の内部圧力の過度な上昇を防止し、大規模な装置で大量の水素を製造する場合であっても、より安全に水素の製造を行うことができる。
この発明は、この発明の広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施の形態及び変形が可能とされるものである。また、上述した実施の形態は、この発明を説明するためのものであり、この発明の範囲を限定するものではない。すなわち、この発明の範囲は、実施の形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。そして、特許請求の範囲内及びそれと同等の発明の意義の範囲内で施される様々な変形が、この発明の範囲内とみなされる。
本発明は、自動車用燃料電池などに使用される水素の製造施設における水素製造装置に好適である。また、本発明は、水素製造施設に限らず、車載用、家庭用等の小電力電源向けの水素製造装置に応用可能である。また、電気分解の1/5程の電力で同量の水素が製造できるので、スケールアップにより水素発電用の水素製造としての応用も可能である。
1 遊星ボールミル装置、11 中心軸、12 容器、12a 中心軸、13 テーブル、21 粉砕媒体、22 砕料、23 溶媒、24 反応促進材

Claims (9)

  1. 粉砕媒体を収容した容器内で、無機物質である砕料と、溶媒とを混合し、メカノケミカル反応により水素を製造する方法であって、
    前記容器及び前記粉砕媒体の少なくともいずれかは、前記砕料との共存下で前記メカノケミカル反応により酸化反応及び還元反応を生じる相手方無機物質を含む、
    ことを特徴とする水素の製造方法。
  2. 粉砕媒体を収容した容器内で、無機物質である砕料と、溶媒と、反応促進材とを混合し、メカノケミカル反応により水素を製造する方法であって、
    前記反応促進材は、前記砕料との共存下で前記メカノケミカル反応により酸化反応及び還元反応を生じる相手方無機物質を含む、
    ことを特徴とする水素の製造方法。
  3. 前記反応促進材は、2種以上の前記相手方無機物質を含む、
    ことを特徴とする請求項2に記載の水素の製造方法。
  4. 前記砕料は、2種以上の前記無機物質を含む、
    ことを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載の水素の製造方法。
  5. 前記砕料は、チタニウム、二酸化チタン、炭化タングステン、鉄又はマンガンのいずれかである、
    ことを特徴とする請求項1から4のいずれか一項に記載の水素の製造方法。
  6. 前記相手方無機物質は、
    炭化タングステン又はステンレス鋼である、
    ことを特徴とする請求項1から5のいずれか一項に記載の水素の製造方法。
  7. 前記溶媒は水を含む、
    ことを特徴とする請求項1から6のいずれか一項に記載の水素の製造方法。
  8. 前記粉砕媒体は、2種以上の前記相手方無機物質を含む、
    ことを特徴とする請求項1から7のいずれか一項に記載の水素の製造方法。
  9. 前記メカノケミカル反応は、遊星ボールミルで行う、
    ことを特徴とする請求項1から8のいずれか一項に記載の水素の製造方法。
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