KR100837291B1 - 수소발생재료, 수소의 제조장치 및 연료전지 - Google Patents

Abstract

알루미늄, 마그네슘 및 그들의 합금으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1 이상의 금속재료를 포함하고, 상기 금속재료는 60 ㎛ 이하인 입경의 입자를 80 중량% 이상의 비율로 포함하고, 물과 반응하여 수소를 발생시키는 수소발생재료를 사용함으로써, 저온에서 간편하고 효율적으로 수소를 제조할 수 있다. 또한, 상기 수소발생재료를 사용함으로써 수소의 제조장치를 휴대 가능한 것으로 할 수 있다. 또한, 상기 수소발생재료를 수소연료원으로 함으로써 연료전지의 소형화, 발전효율의 향상을 실현할 수 있다.

Description

수소발생재료, 수소의 제조장치 및 연료전지{HYDROGEN GENERATING MATERIAL, HYDROGEN GENERATOR AND FUEL CELL}

본 발명은 물과의 반응에 의하여 수소를 발생하는 금속재료를 포함하는 수소발생재료와, 그 수소발생재료를 사용한 수소의 제조장치와, 그 수소발생재료를 수소연료원으로서 사용한 연료전지에 관한 것이다.

최근, 퍼스널 컴퓨터, 휴대전화 등의 전지로 작동하는 기기(cordless equipment)의 보급에 따라, 그 전원인 이차 전지는 점점 소형화, 고용량화가 요망되고 있다. 현재, 에너지 밀도가 높고, 소형 경량화가 도모되는 이차 전지로서 리튬 이온 이차 전지가 실용화되어 있고, 휴대용 전원으로서 수요가 증대되고 있다. 그러나, 사용되는 전지로 작동하는 기기의 종류에 따라서는 이러한 리튬 이차 전지로는 아직 충분한 연속사용시간을 보증할 정도까지는 이르지 못했다.

이와 같은 상황속에서, 상기 요망에 따를 수 있는 전지의 일례로서, 고체고분자형 연료전지가 검토되고 있다. 전해질에 고체고분자 전해질, 양극 활성물질에 공기 중의 산소, 음극 활성물질에 연료(수소, 메탄올 등)를 사용하는 고체고분자형 연료전지는 리튬이온 이차 전지보다도 높은 에너지 밀도화를 기대할 수 있는 전지계로서 주목받고 있다. 연료전지는 연료 및 산소의 공급만 행하면 연속적으로 사용 하는 것이 가능하다. 연료전지에 사용하는 연료에 관해서는 몇가지 후보를 들 수 있으나, 각각 여러 문제점을 가지고 있어, 최종적인 결정이 아직 이루어져 있지 않다.

연료로서 메탄올을 사용하여 직접 전극에서 반응시키는 직접 메탄올형 연료전지(DMFC)는 소형화가 용이하여 장래의 휴대용 전원으로서 기대받고 있다. 그러나, DMFC는 음극측의 메탄올이 고체 전해질을 투과하여 양극측에 달하는 크로스오버(crossover)현상에 의한 전압 저하의 문제를 안고 있어, 기대되는 에너지밀도가 얻어지고 있지 않다.

한편, 연료로서 수소를 사용할 경우에는, 예를 들면 고압탱크 또는 수소흡장합금탱크에 축적된 수소를 공급하는 방법이 일부 실용화되어 있다. 그러나, 이와 같은 탱크를 사용한 연료전지는 그 체적 및 중량이 커지고 에너지밀도가 저하하기 때문에, 휴대용 전원으로서 적합하지 않다. 또한, 연료로서 탄화수소계 연료를 사용하고, 그것을 개질하여 수소를 인출하는 방법도 있다. 그러나, 탄화수소계 연료를 사용한 연료전지에는 개질장치(reformer)가 필요로 되고, 개질장치에의 열의 공급 및 단열 등의 문제가 생기기 때문에, 역시 휴대용 전원으로서는 적합하지 않은 것이다.

이와 같은 상황에 있어서, 100℃ 이하의 저온에서 화학반응에 의하여 수소를 발생시켜서 연료로서 사용하는 방법이 제안되고 있다. 예를 들면, 알루미늄, 마그네슘, 규소, 아연 등 물과 반응하여 수소를 발생하는 금속을 수소원으로서 사용하는 것이다(특허문헌 1 내지 5 참조).

특허문헌 1 : 미국특허 제6506360호 공보

특허문헌 2 : 일본국 특개평1-61301호 공보(특허 제2566248호 공보)

특허문헌 3 : 일본국 특개2004-231466호 공보

특허문헌 4 : 일본국 특개2001-31401호 공보

특허문헌 5 : 일본국 특표2004-505879호 공보

알루미늄과 알칼리 또는 산을 반응시키는 상기 특허문헌 1 내지 3에 기재된 방법에 의하면, 화학적으로 간편하게 수소를 발생시킬 수 있으나, 알루미늄에 알맞는 당량의 알칼리 또는 산을 첨가할 필요가 있고, 수소원 이외의 재료의 비율이 높아짐에 의한 에너지밀도의 감소의 문제가 생긴다. 또한, 반응생성물인 산화물 또는 수산화물이 상기 금속의 표면에 피막을 형성하여, 내부의 금속과 물이 접촉할 수 없게 되어, 산화반응이 상기 금속의 표면에서만 정지한다고 하는 문제가 생기기 쉽다. 특히, 특허문헌 3에 개시되어 있는 방법은 산화칼슘과 물과의 반응열을 알루미늄의 수소발생반응에 이용한 방법인데, 산화칼슘의 함유율을 15 중량% 미만으로 하면, 수소를 발생시키는 것이 곤란하게 된다. 이 때문에, 특허문헌 3에서는 알루미늄의 비율을 85 중량% 이하로 하여 수소발생재료를 구성하고 있다.

한편, 기계적으로 표면 피막을 제거함으로써 이 문제를 회피하고자 하는 특허문헌 4에서는, 표면 피막을 제거하기 위한 기계적 설비가 필요로 되는 등 장치가 대형화된다는 문제를 일으킨다. 또한, 특허문헌 5에서는 상기 수산화물의 피막을 형성하기 어렵게 하기 위한 촉매로서 알루미나를 첨가하여, 50℃라는 저온에서 수소를 발생시키고 있다. 그러나, 일정량의 촉매를 첨가함으로써, 수소발생재료 중의 알루미늄의 함유량이 저하한다고 하는 문제가 있다.

본 발명의 제 1 수소발생재료는 물과 반응하여 수소를 발생시키는 수소발생재료에 있어서, 알루미늄, 마그네슘 및 그들의 합금으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 금속재료를 포함하고, 상기 금속재료는 아토마이즈법에 의하여 제작된 분말로서, 60 ㎛ 이하인 입경의 입자를 80 중량% 이상의 비율로 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제 2 수소발생재료는 물과 반응하여 수소를 발생시키는 수소발생재료에 있어서, 알루미늄, 마그네슘 및 그들의 합금으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1 이상의 금속재료와, 상온에서 물과 반응하여 발열하는 발열재료를 포함하고, 상기 금속재료는 60 ㎛ 이하인 입경의 입자를 80 중량% 이상의 비율로 포함하고, 상기 금속재료와 상기 발열재료의 전체 중량에 대하여 상기 금속재료의 비율이 85 중량%보다 많고, 99 중량% 이하이다.
본 발명의 제 3 수소발생재료는 물과 반응하여 수소를 발생시키는 수소발생재료에 있어서, 금속재료를 포함하고, 상기 금속재료는 60 ㎛ 이하인 입경의 입자를 80 중량% 이상의 비율로 포함하고, 상기 금속재료는 알루미늄 합금이고, 상기 알루미늄 합금은 알루미늄 이외의 원소를 2 내지 20 중량%의 비율로 포함한다.
본 발명의 제 4 수소발생재료는 물과 반응하여 수소를 발생시키는 수소발생재료에 있어서, 알루미늄, 마그네슘 및 그들의 합금으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1 이상의 금속재료를 포함하고, 상기 금속재료는 60 ㎛ 이하인 입경의 입자를 80 중량% 이상의 비율로 포함하고, 상기 금속재료는 화학적 수단 또는 기계적 수단에 의하여 표면의 반응성을 향상시키는 표면 처리가 행하여진 것이다.
본 발명의 제 5 수소발생재료는 물과 반응하여 수소를 발생시키는 수소발생재료에 있어서, 알루미늄, 마그네슘 및 그들의 합금으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1 이상의 금속재료와, 상온에서 물과 반응하여 발열하는 발열재료를 포함하고, 상기 금속재료는 입경이 100 ㎛ 이하의 입자이고, 수소발생재료 전체에 대하여 상기 발열재료의 비율이 1 중량% 이상, 20 질량% 이하인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 수소의 제조장치는 적어도 수소를 배출시키기 위한 배출구를 가지는 용기를 구비하고, 상기 용기의 내부에 상기 본 발명의 수소발생재료가 수용되고, 상기 수소발생재료에 물을 공급하고, 상기 수소발생재료에 포함되는 금속재료와 물과의 반응에 의하여 수소를 발생시키는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명의 연료전지는 산소를 환원하는 양극과, 수소를 산화하는 음극과, 상기 양극과 상기 음극 사이에 배치된 고체 전해질로 이루어지는 막 전극 접합체와, 상기 본 발명의 수소발생재료를 수용하고, 적어도 수소를 배출시키기 위한 배출구를 가지는 반응용기를 구비하고, 상기 수소발생재료에 포함되는 금속재료와 물과의 반응에 의하여 발생하는 수소를 연료원으로 하는 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명의 수소의 제조방법은 상기 본 발명의 수소발생재료에 물을 공급하고, 상기 수소발생재료에 포함되는 금속재료와 물과의 반응에 의하여 수소를 발생시키는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 수소발생재료 및 수소의 제조방법에 의하면, 저온에서 간편하고 효율적으로 수소를 제조할 수 있다. 또한, 본 발명의 수소발생재료를 사용함으로써, 수소의 제조장치를 휴대 가능한 것으로 할 수 있다. 또한, 본 발명의 수소발생재료에 포함되는 금속재료와 물과의 반응에 의하여 발생하는 수소를 연료원으로 함으로써, 연료전지의 소형화, 발전효율의 향상을 실현할 수 있다.

도 1은 본 발명의 수소의 제조장치의 일례를 나타내는 개략 단면도,

도 2는 본 발명의 연료전지의 일례를 나타내는 모식단면도이다.

이하, 본 발명의 실시형태를 구체적으로 설명한다.

(실시형태 1)

먼저, 본 발명의 수소발생재료의 실시형태에 대해서 설명한다. 본 발명의 수소발생재료는 적어도 물과의 반응에 의하여 수소를 발생하는 알루미늄, 마그네슘 및 그들의 합금으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 금속재료를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 수소발생재료는 물과 접촉시킴으로써 그 중에 포함되는 금속재료와 물이 반응하여 수소를 발생하는 것이 가능하게 된다.

상기 금속재료는 통상 표면에 안정한 산화 피막을 형성하기 위하여, 판 또는 블록 등의 벌크상태에서는 물과의 반응이 거의 진행하지 않고, 가열된 경우에도 수소가스의 발생원이 되기 어려우나, 미소한 입자가 된 경우는 물과의 반응을 일으켜 수소를 발생하게 되고, 특히 가열된 경우에 반응이 가속되어 우수한 수소발생원으로서 이용할 수 있다. 한편, 물과 반응시키지 않을 때는 상기 산화 피막이 존재하기 때문에, 상기 금속재료의 공기중에서의 취급은 비교적 용이하다.

예를 들면, 상기 금속재료로서 알루미늄을 사용할 경우, 물과 반응하여 수소 및 산화생성물을 생성하는 반응은 하기 화학식 1 내지 3 중 어느 하나로 나타난다고 생각할 수 있다.

상기 반응에 있어서, 알루미늄은 표면에 산화 피막을 형성하여 안정화하나, 상기 반응이 발열반응이므로, 반응시의 온도가 상승하여 물과의 반응이 생기기 쉬워져, 수소발생반응이 계속하게 된다. 단, 알루미늄의 입경이 너무 클 경우는 반응이 도중에 진행하지 않게 되는 경우도 있기 때문에, 알루미늄의 입경을 가능한 한 작게 하고, 반응면적을 크게 하는 것이 요구된다. 알루미늄합금, 마그네슘 및 마그네슘합금의 경우도 마찬가지이다.

상기 알루미늄합금 및 상기 마그네슘합금으로서는, 그 조성 등은 특별히 한정되지는 않으나, 수소발생에 관계하는 알루미늄 또는 마그네슘의 함유량이 많은 쪽이 바람직하고, 이들 함유량이 80 중량% 이상인 것이 바람직하며, 85 중량% 이상인 것이 보다 바람직하다. 즉, 첨가원소의 함유량이 20 중량% 이하인 것이 바람직하고, 15 중량% 이하인 것이 보다 바람직하다. 한편, 첨가원소의 종류에도 따르는데, 그 작용을 충분히 발휘시키기 위해서는 첨가원소의 함유량이 2 중량% 이상인 것이 바람직하다.

상기 알루미늄합금에 있어서의 첨가원소로서는, 예를 들면 규소, 철, 구리, 망간, 마그네슘, 아연, 니켈, 티탄, 납, 주석 및 크롬 등을 들 수 있고, 이들 첨가 원소를 2종 이상 함유하여도 상관없다. 그 중에서도, 규소, 마그네슘 및 구리가 특히 바람직하고, 규소의 함유량은 4 내지 13 중량%, 마그네슘의 함유량은 2 내지 10중량%, 구리의 함유량은 3 내지 6 중량%인 것이 바람직하다. 단, 이들 첨가원소를 2종 이상 함유하는 경우에는 규소, 마그네슘 및 구리로부터 선택되는 적어도 2종을 포함하는 첨가원소의 합계량이 상기 20 중량% 이하의 적절한 값을 만족하도록 조정하는 것이 추천된다. 이와 같은 조성의 알루미늄합금이면, 순알루미늄보다도 경도를 높일 수 있고(예를 들면 브리넬 경도로 55 내지 95 HB), 뒤에서 설명하는 표면 산화 피막 제거를 위한 처리에 적절한 경도로 할 수 있다. 또 물과의 반응성이 높아져, 수소발생량을 증대시키는 것도 기대된다.

또 상기 마그네슘합금에 있어서의 첨가원소로서는, 예를 들면 알루미늄, 아연, 지르코늄, 규소, 철, 구리, 망간, 니켈 및 희토류 원소 등을 들 수 있고, 이들 첨가원소를 2종 이상 함유하여도 상관없다. 특히 알루미늄, 아연 및 지르코늄으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 원소를 함유하는 것이 바람직하다. 첨가원소의 종류에 따라 함유량의 적합한 범위는 다르고, 알루미늄의 경우는 4 내지 12 중량%, 아연의 경우는 1 내지 8 중량%, 지르코늄의 경우는 0.2 내지 4 중량%가 보다 바람직한 함유량이 된다. 단, 이들의 첨가원소를 2종 이상 함유하는 경우에는, 알루미늄, 아연 및 지르코늄으로부터 선택되는 적어도 2종을 포함하는 첨가원소의 합계량이 상기 20 중량% 이하의 적절한 값을 만족하도록 조정하는 것이 추천된다. 상기 원소의 첨가에 의하여 알루미늄합금의 경우와 마찬가지로, 경도를 높이거나(예를 들면, 브리넬 경도로 55 내지 95 HB), 수소발생량을 증대시키는 것이 기대된다.

또 상기 금속재료의 제조방법이나 형상은 특별히 한정되지 않고, 기계적 분화법이나 아토마이즈법 등에 의하여 제작된 비늘조각형상, 대략 구형상, 방추형상, 물방울형상 등 다양한 형상의 금속재료를 사용할 수 있다. 특히, 아토마이즈법과 같은 급냉응고법에 의하여 형성된 금속재료가 바람직하게 사용된다. 즉, 급냉응고법에 의하여 상기 금속재료를 형성함으로써, 결정입자가 미세화하여 활성점이 되는 입계가 증가하고, 물과의 반응이 진행되기 쉬워지는 것이 기대된다. 또한, 급냉응고법에 의하여 형성된 금속재료는 물과의 습윤성이 비교적 높기 때문에, 반응을 일으키기 쉬운 것도 기대된다.

아토마이즈법에서는 용해된 금속을 가는 줄기(narrow flow)로 공급하고, 그 용해된 금속류에 가스나 회전 디스크 등을 이용한 아토마이즈에 의하여 전단력(shearing force)을 부여하여 상기 용해된 금속류를 분산시켜서 가루형상으로 한다. 가스의 경우의 분산매는 공기 또는 질소나 아르곤 등의 불활성 가스를 사용할 수 있다. 분산매에 의하여 분산된 용체입자에 액체 또는 기체를 내뿜어 급냉처리함으로써, 용체입자가 응고하여 금속분체가 얻어진다. 상기 냉각매체로서의 액체 또는 기체에는 물, 액체질소, 공기, 질소, 아르곤 등이 사용된다.

한편, 기계적 분화법에 의하여 금속재료가 제조되는 경우, 건식에서의 공정에서는 윤활제가 사용되기 때문에, 금속재료의 표면이 윤활제로 덮힘으로써 물과의 습윤성이 나빠지고, 미립자이어도 반응이 진행되기 어려운 일이 있다. 그와 같은 경우는 뒤에서 설명하는 표면처리에 의하여 습윤성을 높여주면 된다.

본 발명에 사용하는 금속재료의 형태를 구체적으로 나타내면, 저온에서도 물과의 반응을 효율 좋게 발생시키기 위하여, 그 입경을 100 ㎛ 이하로 하는 것이 바람직하고, 또한 50 ㎛ 이하로 하는 것이 보다 바람직하다. 특히, 40℃ 정도의 온화한 조건에서도 수소를 발생시키기 위해서는, 입경이 60 ㎛ 이하의 입자를 80 중량% 이상, 보다 바람직하게는 90 중량% 이상, 더욱 바람직하게는 100 중량%의 비율로 포함하는 금속재료를 사용하는 것이 적합하다.

또한, 반응효율을 한층 향상시키기 위해서는, 금속재료의 평균입경이 30 ㎛ 이하가 되는 것이 바람직하고, 20 ㎛ 이하가 되는 것이 보다 바람직하다.

한편, 금속재료의 입경이 작을수록 수소발생속도가 증가하나, 0.1 ㎛ 보다 입경이 작아지면 공기중에서의 안성성이 저하하여 취급이 곤란하게 되고, 또한 부피밀도가 작아져 수소발생재료의 충전밀도가 저하하기 때문에, 금속재료의 입경을 0.1 ㎛ 이상으로 하는 것이 바람직하다.

상기 금속재료의 입경은 본 명세서에서는 원칙적으로 레이저회절·산란법에 의하여 측정하는 것으로 한다. 구체적으로는 물 등의 액상에 분산시킨 측정대상물질에 레이저광을 조사함으로써 검출되는 산란강도분포를 이용하여 입경분포를 측정한다. 또한, 그 측정장치로서는, 예를 들면 닛키소사 제품의 입경분포측정장치 "마이크로트랙 HRA" 등을 사용할 수 있다. 단, 보다 간편하게는 체에 의한 입자의 분급으로 목적으로 하는 입경을 가지는 금속재료를 얻을 수 있고, 예를 들면 그물눈이 50 ㎛의 체로 금속재료를 분급함으로써 입경이 50 ㎛ 이하의 분말을 얻을 수 있다. 또한 본 명세서에 있어서 평균입경이란 체적기준의 적산분율 50%에 있어서의 입자의 직경의 값을 의미하고 있다.

또한, 본 발명의 수소발생재료에 포함되는 금속재료를 40℃ 이상으로 가온하기위하여, 상온에서도 물과 반응하여 발열하는 발열재료를 상기 금속재료와 함께 수소발생재료 중에 함유시켜 두는 것이 바람직하다. 또한 본 명세서에 있어서 상온이란 25℃를 말한다. 상기와 같이 금속재료의 입경을 작게 하면, 금속재료와 발열재료를 균일하게 혼합하기 쉬워지므로 보다 바람직한 결과가 얻어진다.

여기서, 금속재료와 발열재료의 혼합상태로서는 금속재료만이 1 mm 이상의 덩어리가 되지 않도록 혼합되는 것이 바람직하다. 물과의 반응이 저해되는 것을 방지하기 위함이다.

상기 입경의 금속재료와 발열재료를 균일하게 혼합함으로써, 금속재료 전체가 가열되어 물과 효율 좋게 반응해서 수소를 발생하게 된다. 이 때문에 수소발생재료 중의 발열재료의 비율을 줄이고, 수소발생원이 되는 금속재료를 많이 함유시키는 것이 가능하게 된다. 한편, 금속재료로서 상기 설명한 바와 같이 미소한 입자를 사용할 경우, 발열재료의 비율이 많으면, 반응이 급속하게 너무 진행하여 발열이 심해져, 수소발생반응을 제어할 수 없게 될 염려가 생긴다. 따라서, 그 점에서도 수소발생재료 전체에 대한 발열재료의 비율을 20 중량% 이하로 하는 것이 바람직하고, 15 중량% 미만으로 하는 것이 보다 바람직하다.

단, 수소발생재료가 발열재료를 포함하지 않는 경우, 상온 부근의 저온에서는 수소발생반응을 개시하지 않거나, 반응개시까지 상당한 시간을 요하기 때문에, 수소발생재료 전체에 대해서 발열재료를 1 중량% 이상 함유시키는 것이 바람직하 다. 수소발생재료에 상기 발열재료를 함유시키지 않는 경우는 외부로부터 가열하여 반응을 촉진시키는 것이 요구된다.

또한, 본 발명의 수소발생재료에 있어서의 금속재료의 비율은 금속재료와 발열재료의 전체 중량에 대해서 85 중량% 보다 많고, 99 중량% 이하인 것이 바람직하다. 이에 의하여 보다 많은 수소를 발생시킬 수 있기 때문이다.

상기 발열재료의 함유량에 의하여 반응시의 온도나 수소발생속도를 어느 정도 제어할 수 있으나, 반응시의 온도가 지나치게 너무 높아지면, 수소발생반응이 급격하게 진행하여 제어할 수 없게 되므로, 반응온도가 120℃ 이하가 되도록 발열재료의 첨가량을 조정하는 것이 바람직하고, 반응에 사용하는 물이 증발하여 손실되는 것을 방지하기 위하여, 반응온도가 100℃ 이하가 되도록 발열재료의 첨가량을 조정하는 것이 보다 바람직하다. 한편, 수소발생반응의 효율점에서는 반응온도가 40℃ 이상이 되는 것이 바람직하다.

여기서, 물과 반응하여 발열하는 발열재료로서는, 예를 들면 산화칼슘, 산화마그네슘, 염화칼슘, 염화마그네슘, 황산칼슘 등과 같이 물과의 반응에 의하여 수산화물이 되거나, 수화(水和)함으로써 발열하는 알칼리금속 또는 알칼리토류금속의 산화물, 염화물, 황산화합물 등을 예시할 수 있다. 특히, 산화칼슘은 단위중량당 발열량이 크고, 저렴하기 때문에 가장 바람직하다.

발열재료에 관하여 철가루와 같이 산소와 반응하여 발열하는 것도 알려져 있다. 그러나, 이 종류의 발열재료는 반응을 위한 산소를 반응시에 도입하지 않으면 안되고, 뒤에서 설명하는 본 발명의 수소의 제조장치와 같이 금속재료와 발열재료 가 동일한 반응용기 내에 설치되는 경우는 발생하는 수소의 순도가 저하하거나, 또는 수소발생원인 금속재료가 산소에 의하여 산화되고, 수소발생량이 저하하는 등의 문제를 일으키기 쉽게 된다. 이 때문에, 본 발명에 있어서는 발열재료로서는 상기 설명한 바와 같은 물과 반응하여 발열하는 재료가 적합하게 사용된다.

상기 금속재료와 상기 발열재료는 혼합되어 수소발생재료로서 사용된다. 또한, 금속재료의 표면에 발생재료를 코팅하여 복합화한 수소발생재료를 사용하여도 좋다.

또한, 상기 금속재료는 그대로 사용하여도 좋으나, 발열재료와 혼합하기 전에 금속재료 표면의 산화 피막 등의 반응을 저해하는 피막을 제거하거나, 표면을 부식시켜 친수성을 향사시키는 것 등에 의하여 금속재료의 표면의 반응성을 향상시키는 표면처리를 행하면, 수소발생속도가 향상하기 때문에 바람직하다. 표면처리의 구체적 수단은 특별히 한정되지 않으나, 불활성 가스 분위기 중, 또는 톨루엔, 에탄올, 아세톤 등의 유기용매 또는 물 등의 용매 중에서 금속재료를 기계적으로 교반하는 등의 기계적 수단을 사용할 수 있다. 또한, 알칼리 수용액으로 금속재료의 표면을 용해하는 등의 화학적 수단도 사용할 수 있다. 알칼리 수용액으로서는, 예를 들면 수산화나트륨, 수산화칼륨, 암모니아 등의 수용액을 사용할 수 있고, pH가 대략 9 내지 14인 수용액을 사용하면 좋다. 상기 표면처리를 행한 금속재료는 다시 표면이 산화되지 않도록 불활성 분위기 중에서 발열재료와 혼합하는 것이 바람직하다.

본 발명의 수소발생재료의 형상은 특별히 한정되지 않으나, 충전밀도를 높게 하기 위하여 펠릿형상으로 압축 성형하거나 과립형상으로 조립하는 것도 가능하다.

본 발명의 수소발생재료에는 알루미나, 실리카, 마그네시아, 산화아연, 탄소, 흡수성 고분자 등의 반응촉진제를 첨가하여도 좋고, 이들을 첨가함으로써 금속재료와 물과의 접촉이 양호하게 되거나, 또는 수소발생재료를 펠릿형상으로 성형한 경우에는 펠릿의 내부까지 물이 침투하기 쉬워지는 등의 효과가 있다고 생각된다.

(실시형태 2)

다음에, 본 발명의 수소의 제조장치의 실시형태에 대하여 설명한다. 본 발명의 수소의 제조장치는 적어도 수소를 배출시키기 위한 배출구를 가지는 용기를 구비하고, 상기 용기의 내부에 상기 설명한 실시형태 1의 수소발생재료가 수용되고, 상기 수소발생재료에 물을 공급함으로써 수소를 발생시키는 것을 특징으로 한다.

실시형태 1의 수소발생재료를 사용함으로써, 저온에서 간편하고 효율적으로 수소를 제조할 수 있고, 수소의 제조장치를 휴대가능한 것으로 할 수 있다.

상기 수소발생재료는 상기 용기 중에서 물과 반응시킴으로써, 뒤에서 설명하는 연료전지의 연료원이 되는 수소를 인출할 수 있다. 이 때, 수소발생재료에 반응시키는 물의 공급을 제어함으로써 발생수소량을 제어할 수 있다.

상기 용기는 수소발생재료를 수납 가능하면, 그 재질이나 형상은 특별히 한정되지 않으나, 물 및 수소를 투과하기 어렵고, 또한 100℃ 정도로 가열하여도 용기가 파손되지 않는 재질이 바람직하고, 예를 들면 알루미늄, 철 등의 금속, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 수지, 내열유리 등을 적합하게 사용할 수 있다. 또한, 상기 용기에의 물 공급수단은 특별히 한정되지 않으나, 용기의 외부로부터 물을 공 급하는 경우는, 용기에 물의 공급구를 설치하여, 펌프 등을 접속하여 용기 내에 물을 공급할 수 있도록 하면 좋다.

여기서, 수소발생재료를 내부에 수용한 용기, 즉 수소의 제조장치는 전자기기 본체나 연료전지 본체에 착탈 가능한 카트리지로 할 수도 있다. 이 경우, 휴대가 편리하도록 용기 내부에 물을 저장하는 저장부를 설치하여 두어도 좋고, 이 저장부로부터 수소발생재료에 물을 공급할 수 있는 구성으로 함으로써 물의 공급구나 펌프 등을 생략할 수 있어, 적어도 수소의 배출구를 상기 용기에 설치하여 둘 뿐으로 수소의 제조장치를 구성하는 것도 가능하게 된다. 이 때문에 용기의 외부로부터 물을 공급하는 장치에 비하여 장치의 간략화나 소형화가 용이하게 되고, 휴대용 연료원으로서 보다 바람직한 구성이 된다. 또한 상기 저장부는, 예를 들면 폴리에틸렌 필름 등으로 구성된 자루에 물을 봉입함으로써 구성할 수 있고, 자루에 구멍을 여는 등의 간편한 수단에 의하여 속의 물을 수소발생재료에 접촉시켜 주면, 수소발생이 가능하게 되어 수소의 제조장치로서 기능시킬 수 있다.

이하, 본 발명의 수소의 제조장치의 도면에 의거하여 설명한다. 도 1은 본 발명의 수소의 제조장치의 예를 나타내는 개략 단면도이다. 도 1에 있어서, 수소의 제조장치(1)는 용기 본체(2)와 덮개(3)로 구성되고, 덮개(3)는 물을 공급하기 위한 공급구(4)와, 수소를 배출시키기 위한 배출구(5)를 구비하고 있다. 공급구(4)와 튜브펌프(6)는 공급파이프(7)로 연결되어 있다. 또한, 배출구(5)에는 배출파이프(8)가 연결 접속되어 있다. 또한, 용기 본체(2)의 내부에는 실시형태 1의 수소발생재료(9)가 수납되어 있다. 튜브펌프(6)를 사용하여 물(10)을 연속적으로 수소의 제조장치(1)에 공급함으로써, 수소발생재료(9)와 물(10)을 반응시켜 수소를 발생시키고, 이 수소(H₂)를 배출구(5)에 연결 접속한 배출파이프(8)로부터 인출하여, 뒤에서 설명하는 연료전지의 수소원으로 할 수 있다.

(실시형태 3)

다음에, 본 발명의 연료전지의 실시형태를 설명한다. 본 발명의 연료전지는 상기 설명한 실시형태 1의 수소발생재료를 수소연료원으로 하는 것을 특징으로 한다. 이에 의하여 연료전지의 소형화, 발전효율의 향상을 실현할 수 있다.

또한, 실시형태 1의 수소발생재료를 사용하여 발생시킨 수소는 탄화수소계 연료의 개질로 제조하는 수소로 문제가 되고 있는 CO 및 CO₂를 포함하지 않기 때문에, 100℃ 이하에서 작동하는 고체고분자형 연료전지에 사용하여도 상기 기체에 의한 피독이 생기지 않는다. 또한, 수소발생반응에 물이 관여하기 때문에, 발생하는 수소가스는 적당한 수분을 포함하고 있어, 수소를 연료로 하는 연료전지에 있어서의 수소공급원으로서 매우 유용하다.

또 본 발명의 연료전지는 상기 설명한 실시형태 2의 수소의 제조장치로부터 수소의 공급을 받는 구성으로 할 수 있다. 이에 의하여, 연료전지를 휴대 가능한 것으로 할 수 있다.

이하, 본 발명의 연료전지를 도면에 의거하여 설명한다. 도 2는 본 발명의 연료전지의 일례를 나타내는 모식단면도이다. 연료전지(20)는 산소를 환원하는 양 극(22)과, 수소를 산화하는 음극(21)과, 양극(22)과 음극(21) 사이에 배치된 고체전해질(23)로 이루어지는 막 전극 접합체를 구비하고 있다. 연료전지(20)는, 예를 들면 실시형태 2의 수소의 제조장치(도시 생략)로부터 수소를 공급함으로써 연속하여 작동시킬 수 있다.

양극(22) 및 음극(21)의 바깥면에는 각각 확산층(24)이 배치되어 있다. 확산층(24)으로서는, 예를 들면 다공성의 탄소재료를 사용할 수 있다. 양극(22)측의 측면에는 공기(산소)를 공급하기 위한 양극 세퍼레이터(26)가 배치되고, 음극(21)측의 측면에는 수소를 공급하기 위한 음극 세퍼레이터(25)가 배치되어 있다. 또한, 음극 세퍼레이터(25)는, 예를 들면 실시형태 2의 수소의 제조장치(도시생략)와 연통하고 있다. 또한, 양극(22)은 양극단자(28)를 구비하고, 음극(21)은 음극단자(27)를 구비하고 있다.

실시형태 2의 수소의 제조장치 및 그것에 사용하는 실시형태 1의 수소발생재료 이외에 대해서는, 연료전지(20)는 그 크기, 형상, 재질 등에 따라 특별히 한정되지 않는다.

이하, 본 발명을 실시예에 의거하여 설명한다.

(실시예 1)

금속재료로서 가스 아토마이즈법에 의하여 제작된 평균입경 3 ㎛의 알루미늄 분말(입경이 60 ㎛이하인 입자의 비율: 100중량%)을 사용하고, 발열재료로서 산화칼슘 분말을 사용하고, 알루미늄 분말 및 칼슘분말은 표 1에 나타내는 비율로 분쇄기(mortar)를 사용하여 혼합하고, 수소발생재료를 제작하였다. 이 수소발생재료 1 g을 샘플병에 넣고, 물을 4 g 더하여 48시간 방치하고, 그 사이에 발생하는 수소를 수상치환법에 의하여 포집하였다. 시험은 실온(24 내지 26℃)에서 행하고, 포집한 수소의 체적을 측정하여 수소발생량으로 하였다. 그 결과를 표 1에 나타낸다. 또한 발열재료를 1 중량% 포함하는 수소발생재료에서는 시험 중의 수소발생재료의 반응온도는 최고 89℃이었다.

(실시예 2)

평균입경 3 ㎛의 알루미늄 분말 대신에 평균입경 30 ㎛의 알루미늄 분말(입경이 60 ㎛ 이하인 입자의 비율 : 100 중량%)을 표 2에 나타내는 양으로 혼합한 이외는, 실시예 1과 동일하게 하여 수소발생재료를 제작하고, 수소발생량을 구하였다. 그 결과를 표 2에 나타낸다.

(실시예 3)

산화칼슘 분말 대신에, 염화칼슘 분말을 표 2에 나타내는 양으로 혼합한 이외는 실시예 2와 동일하게 하여 수소발생재료를 제작하고, 수소발생량을 구하였다. 그 결과를 표 2에 나타낸다.

(실시예 4)

평균입경 3 ㎛의 알루미늄 분말 대신에, 체에 의하여 선별한 입경 45 ㎛ 이하의 마그네슘 분말을 표 2에 나타내는 양으로 혼합한 이외는 실시예 1과 동일하게 하여 수소발생재료를 제작하고, 수소발생량을 구하였다. 그 결과를 표 2에 나타낸다.

(비교예 1)

평균입경 3 ㎛의 알루미늄 분말 대신에, 평균입경 150 ㎛의 알루미늄 분말(입경이 60 ㎛ 이하인 입자의 비율 : 16 중량%)을 표 2에 나타내는 양으로 혼합한 이외는 실시예 1과 동일하게 하여 수소발생재료를 제작하고, 수소발생량을 구하였다. 그 결과를 표 2에 나타낸다.

(비교예 2)

평균입경 3 ㎛의 알루미늄 분말 대신에, 평균입경 150 ㎛의 마그네슘 분말(입경이 60 ㎛ 이하인 입자의 비율 : 12 중량%)을 표 2에 나타내는 양으로 혼합한 이외는 실시예 1과 동일하게 하여 수소발생재료를 제작하고, 수소발생량을 구하였다. 그 결과를 표 2에 나타낸다.

(비교예 3)

평균입경 3 ㎛의 알루미늄 분말 대신에, 평균입경 5 ㎛의 규소 분말을 표 2에 나타내는 양으로 혼합한 이외는 실시예 1과 동일하게 하여 수소발생재료를 제작하고, 수소발생량을 구하였다. 그 결과를 표 2에 나타낸다.

(비교예 4)

평균입경 3 ㎛의 알루미늄 분말 대신에, 평균입경 7 ㎛의 아연 분말을 표 2에 나타내는 양으로 혼합한 이외는 실시예 1과 동일하게 하여 수소발생재료를 제작하고, 수소발생량을 구하였다. 그 결과를 표 2에 나타낸다.

수소발생재료 중 금속재료의 입경을 작게 하고, 입경이 60 ㎛ 이하인 입자의 비율을 80 중량% 이상으로 한 실시예 1 내지 4의 수소발생재료에서는 동일한 금속재료로 비교한 경우, 큰 입경의 재료를 사용한 비교예 1 또는 비교예 2의 수소발생재료보다도 수소발생량을 많게 할 수 있고, 반응의 효율화를 도모할 수 있었다. 이 때문에, 발열재료의 비율을 15 중량% 미만으로 저감하여도 금속재료와 물과의 반응을 계속시킬 수 있고, 발열재료의 비율이 적은 쪽이 오히려 반응효율이 높아지는 것을 알 수 있었다.

특히, 금속재료의 평균입경을 3 ㎛로 한 실시예 1에서는, 발열재료의 비율이 겨우 1 중량% 이어도 수소발생량의 이론값(Al: 1 g당 약 1.3 L)의 약 70%에 상당하는 수소가스를 얻을 수 있고, 100℃ 이하의 온화한 조건하에서도 수소발생반응을 효율 좋게 진행시킬 수 있었다.

또한, 금속재료로서 규소를 사용한 비교예 3 및 금속재료로서 아연을 사용한 비교예 4에서는 평균입경이 10 ㎛ 이하의 미소입자를 사용하였음에도 불구하고, 수소발생량이 적었기 때문에, 수소발생원이 되는 금속재료로서는 알루미늄 또는 마그네슘이 다른 금속재료보다도 적합한 것을 알 수 있었다.

또한, 비교예 1의 수소발생재료에서는, 입경이 60 ㎛ 이하인 입자를 16 중량%밖에 포함하지 않는 알루미늄 분말을 사용하였음에도 불구하고, 어느 정도 양의 수소가스를 발생시킬 수 있었는데, 이는 가스 아토마이즈법에 의하여 제작된 알루미늄 분말을 사용한 것에 의하여 물과의 반응성이 높아졌기 때문이라고 생각된다.

(실시예 5)

알루미늄 분말과 산화칼슘 분말을 표 3에 나타내는 양으로 혼합한 이외는, 실시예 1과 동일하게 하여 제작한 수소발생재료 1 g을 40 MPa의 압력으로 가압 성형함으로써, 직경 12 mm의 펠릿을 제작하였다. 이 펠릿을 사용하고, 실시예 1과 동일하게 하여 수소발생량을 구하였다. 그 결과를 표 3에 나타낸다.

(실시예 6)

알루미늄 분말과 산화칼슘 분말과 평균입경 1 ㎛의 알루미나를 표 3에 나타내는 양으로 혼합한 이외는, 실시예 1과 동일하게 하여 제작한 수소발생재료를 사용하여, 실시예 5와 동일하게 하여 펠릿형상의 수소발생재료를 형성하고, 수소발생량을 구하였다. 그 결과를 표 3에 나타낸다.

실시예 5 및 실시예 6의 결과로부터 본 발명의 수소발생재료는 성형된 상태에서도 수소발생반응을 일으키는 것이 확인되었다. 또한, 알루미나를 첨가함으로써 반응효율이 향상하는 것도 확인되었다.

(실시예 7)

실시예 1에서 사용한 알루미늄 분말만으로 이루어지는 수소발생재료 1 g과 물 2g을 바깥쪽에 가열용의 저항체를 배치한 샘플병에 넣고, 저항체에 통전함으로써 용기를 여러 온도로 가열하여 수소발생재료를 물과 반응시키고, 반응한 수소를 수상치환법에 의하여 포집하여, 실험개시로부터 20시간에 걸쳐 수소발생량 및 생성속도를 측정하였다. 그 동안의 수소발생량(총량)과 수소의 최대 생성속도를 표 4에 나타낸다. 또한, 표 4에서 「가열 안함」이란, 저항체에 통전하지 않고 실온(24 내지 26℃)에서 측정한 것을 의미한다.

실시예 7에서는 가열을 멈추고 수소발생재료 및 물을 냉각하면, 수분 후에 수소발생이 멈추는 것을 확인하였다. 또한, 가열을 전혀 행하지 않은 경우에는 수소가 전혀 발생하지 않았다.

(실시예 8)

표 5에 나타내는 여러 평균입경의 알루미늄 분말을 사용하여, 첨가하는 물의 양을 10 g으로 하고, 가열온도를 50℃로 한 이외는 실시예 7과 동일하게 하여 수소발생량 및 생성속도를 측정하였다. 그 결과를 표 5에 나타낸다.

(비교예 5)

실시예 1에서 사용한 알루미늄 분말 대신에, 비교예 1에서 사용한 알루미늄 분말을 그대로 사용한 이외는 실시예 8과 동일하게 하여 수소발생량 및 생성속도를 측정하였다. 그 결과를 표 5에 나타낸다.

(비교예 6)

실시예 1에서 사용한 알루미늄 분말 대신에, 평균입경이 55 ㎛인 알루미늄 분말(입경이 60 ㎛ 이하인 입자의 비율 : 70 중량%)를 사용한 이외는, 실시예 8과 동일하게 하여 수소발생량 및 생성속도를 측정하였다. 그 결과를 표 5에 나타낸다.

(실시예 9)

비교예 6에서 사용한 평균입경 55 ㎛의 알루미늄 분말을 250 메시의 체를 사용하여 걸렀다. 체를 통과한 알루미늄 분말은 입경이 60 ㎛ 이하인 입자를 87 중량% 포함하고 있었다. 실시예 1에서 사용한 알루미늄 분말 대신에, 이 체를 통과한 알루미늄 분말을 사용한 이외는, 실시예 8과 동일하게 하여 수소발생량 및 생성속도를 측정하였다. 그 결과를 표 5에 나타낸다.

본 발명의 수소발생재료에 포함되는 금속재료는 표 4에 나타내는 바와 같이 30℃ 이하의 온도에서는 물과의 반응을 일으키기 어렵기 때문에, 발열재료를 포함하지 않는 경우, 외부로부터 가열하는 등의 방법에 의하여 반응을 개시시키는 것이 바람직하다. 이 경우, 40℃ 정도의 온화한 조건하에서도 반응이 진행하므로, 적어도 40℃ 이상으로 가열되면, 충분한 반응효율이 얻어진다. 따라서, 간이한 가열설비로도 수소를 생성시킬 수 있고, 연료원의 소형화·간소화가 요구되는 소형의 연료전지에 사용하는 수소원으로서 적합하게 사용할 수 있다.

또한, 표 5의 결과로부터 분명한 바와 같이, 발열재료를 포함하지 않는 경우에도, 금속재료로서 입경이 작은 입자만 선별하여 사용함으로써 수소발생반응을 일으키기 쉽게 할 수 있고, 특히 평균입경을 20 ㎛ 이하로 한 경우에 반응효율을 현저하게 향상시키는 것이 가능하게 된다.

(실시예 10)

일본공업규격(JIS)으로 규정되어 있는 알루미늄 합금 "ADC6"(조성 : Al 함유량 : 97 중량%, Mg 함유량 : 2.5 중량%, 형태 : 절삭층, 브리넬 경도 : 67 HB)을 수중에서 기계적으로 교반하여 표면의 산화 피막을 제거하는 표면처리를 행하고, 평균입경이 10 ㎛의 알루미늄 합금 분말(입경이 60 ㎛ 이하인 입자의 비율 : 100 중량%)을 제작하였다. 상기 금속재료와 산화칼슘을 표 6에 나타내는 비율로 분쇄기를 사용하여 혼합하고, 수소발생재료를 제작하였다. 이 수소발생재료를 사용한 이외는, 실시예 1과 동일하게 하여 수소발생량을 측정하였다. 이 결과를 표 6에 나타낸다. 또한 발열재료를 1 중량% 포함하는 수소발생재료에서는 시험 중의 수소발생재료의 반응온도는 최고 87℃이었다.

(실시예 11)

실시예 10에서 사용한 알루미늄 합금 분말의 평균입경을 50 ㎛(입경이 60 ㎛ 이하인 입경의 비율 : 82 중량%)로 하고, 이것을 표 6에 나타내는 비율로 산화칼슘과 혼합한 이외는, 실시예 10과 동일하게 하여 수소발생재료를 제작하고, 수소발생량의 측정을 행하였다. 그 결과를 표 6에 나타낸다.

(실시예 12)

알루미늄 합금 "ADC6" 대신에 JIS로 규정되어 있는 알루미늄 합금 "ADC3"(조성 : Al 함유량 : 88 중량%, Si 함유량 : 10 중량%, Mg 함유량 : 0.5 중량%, 형태 : 절삭층, 브리넬 경도 : 76 HB), "ADC1"(Al 함유량 : 85 중량%, Si 함유량 : 12 중량%, 형태 : 절삭층, 브리넬 경도 : 72 HB), "AC4B"(Al 함유량 : 80 중량%, Si 함유량 : 10 중량%, Cu 함유량 : 4 중량%, 형태 : 절삭층, 브리넬 경도 : 80 HB)을 각각 사용하고, 표 6에 나타내는 비율로 산화칼슘과 혼합한 이외는, 실시예 11과 동일하게 하여 3종류의 수소발생재료를 제작하고, 수소발생량의 측정을 행하였다. 그 결과를 표 6에 나타낸다.

(실시예 13)

알루미늄 합금 "ADC6"대신에 JIS로 규정되어 있는 마그네슘 합금 "MC10"(조성 : Mg 함유량 : 94 중량%, Zn 함유량 : 4 중량%, Zr 함유량 : 0.8 중량%, 형태 : 절삭층)을 사용한 이외는, 실시예 10과 동일하게 하여 수소발생재료를 제작하고, 수소발생량의 측정을 행하였다. 그 결과를 표 7에 나타낸다. 또한 발열재료를 1 중량% 포함하는 수소발생재료에서는 시험중의 수소발생재료의 반응온도는 최고 80℃이었다.

(실시예 14)

실시예 13에서 사용한 마그네슘 합금 분말의 평균입경을 50 ㎛(입경이 60 ㎛ 이하인 입자의 비율 : 82 중량%)로 하고, 이것을 표 7에 나타내는 비율로 산화칼슘과 혼합한 이외는, 실시예 13과 동일하게 하여 수소발생재료를 제작하고, 수소발생량의 측정을 행하였다. 그 결과를 표 7에 나타낸다.

(실시예 15)

마그네슘 합금 "MC10" 대신에 JIS로 규정되어 있는 마그네슘 합금 "MC12"(조성 : Mg 함유량 : 92 중량%, Zr 함유량 : 0.8 중량%, 형태 : 절삭층), "MDC1B"(조성 : Mg 함유량 : 90 중량%, Al 함유량 : 8.5 중량%, 형태 : 절삭층), "MC3"(Mg 함유량 : 87 중량%, Al 함유량 : 9.5 중량%, Zn 함유량 : 2 중량%, 형태 : 절삭층)을 각각 사용하고, 표 7에 나타내는 비율로 산화칼슘과 혼합한 이외는, 실시예 14와 동일하게 하여 3종류의 수소발생재료를 제작하고, 수소발생량의 측정을 행하였다. 그 결과를 표 7에 나타낸다.

실시예 10 내지 실시예 15에서는 높은 경도를 가지는 알루미늄 합금 또는 마그네슘 합금을 사용한 것에 의하여, 금속 재료의 표면처리를 용이하게 행할 수 있고, 수소발생량을 증대시킬 수 있었다.

(실시예 16)

도 1에 나타낸 수소의 제조장치(1)의 용기 본체(2)에 실시예 5에서 제작한 펠릿을 수소발생재료(9)로서 수용하고, 튜브 펌프(6)를 사용하여 공급 파이프(7)를 통하여 공급구(4)로부터 0.05 mL/min의 비율로 물(10)을 용기 본체(2) 내에 연속적으로 공급함으로써, 수소발생재료(9)와 물(10)을 반응시켜 수소를 발생시켰다. 이 수소를 배출구(5)로부터 배출 파이프(8)를 통하여 인출하고, 도 2에 나타낸 고체고분자형의 연료전지(20)에 공급하고, 연료전지(20)에 의한 발전량을 측정하였다. 그 결과, 실온에서 200 mW/㎠의 고출력이 얻어지고, 연료전지를 구동하는 연료원으로서 충분히 기능하는 것이 확인되었다.

또한, 본 실시예에 있어서는 튜브 펌프(6)에 의한 물의 공급을 정지하면, 수분 후에 수소발생이 멈추는 것을 확인하고, 물의 공급을 제어함으로써 수소발생량을 제어할 수 있는 것이 확인되었다.

본 발명은 그 취지를 일탈하지 않는 범위에서, 상기 이외의 형태로서도 실시가 가능하다. 본 출원에 개시된 실시형태는 일례이고, 이들에 한정되지는 않는다. 본 발명의 범위는 상기 설명한 기재보다도 첨부되어 있는 청구범위의 기재를 우선하여 번역되고, 청구범위와 균등한 범위 내에서의 모든 변경은 청구범위에 포함되는 것이다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 수소발생재료에 의하면 저온에서 간편하 고 효율적으로 수소를 제조할 수 있다. 또한, 본 발명의 수소발생재료를 사용함으로써 수소의 제조장치를 휴대 가능한 것으로 할 수 있다. 또한 본 발명의 수소발생재료를 수소연료원으로 함으로써, 연료전지의 소형화, 발전효율의 향상을 실현할 수 있다.

Claims (26)

1. 물과 반응하여 수소를 발생시키는 수소발생재료에 있어서,

   알루미늄, 마그네슘 및 그들의 합금으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1 이상의 금속재료를 포함하고,

   상기 금속재료는 아토마이즈법에 의하여 제작된 분말로서, 60 ㎛ 이하인 입경의 입자를 80 중량% 이상의 비율로 포함하는 것을 특징으로 하는 수소발생재료.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 수소발생재료는 상온에서 물과 반응하여 발열하는 발열재료를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수소발생재료.
3. 물과 반응하여 수소를 발생시키는 수소발생재료에 있어서,

   알루미늄, 마그네슘 및 그들의 합금으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1 이상의 금속재료와, 상온에서 물과 반응하여 발열하는 발열재료를 포함하고,

   상기 금속재료는 60 ㎛ 이하인 입경의 입자를 80 중량% 이상의 비율로 포함하고,

   상기 금속재료와 상기 발열재료의 전체 중량에 대하여 상기 금속재료의 비율이 85 중량%보다 많고, 99 중량% 이하인 것을 특징으로 하는 수소발생재료.
4. 제 2항 또는 제 3항에 있어서,

   상기 발열재료는 산화칼슘, 산화마그네슘, 염화칼슘, 염화마그네슘 및 황산칼슘으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1 이상의 화합물인 것을 특징으로 하는 수소발생재료.
5. 제 4항에 있어서,

   상기 발열재료는 산화칼슘인 것을 특징으로 하는 수소발생재료.
6. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 금속재료는 알루미늄 또는 알루미늄 합금인 것을 특징으로 하는 수소발생재료.
7. 물과 반응하여 수소를 발생시키는 수소발생재료에 있어서,

   금속재료를 포함하고,

   상기 금속재료는 60 ㎛ 이하인 입경의 입자를 80 중량% 이상의 비율로 포함하고,

   상기 금속재료는 알루미늄 합금이고,

   상기 알루미늄 합금은 알루미늄 이외의 원소를 2 내지 20 중량%의 비율로 포함하는 것을 특징으로 하는 수소발생재료.
8. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 금속재료는 마그네슘 합금이고,

   상기 마그네슘 합금은 마그네슘 이외의 원소를 2 내지 20 중량%의 비율로 포함하는 것을 특징으로 하는 수소발생재료.
9. 제 7항에 있어서,

   상기 알루미늄 합금은 규소, 철, 구리, 망간, 마그네슘, 아연, 니켈, 티탄, 납, 주석 및 크롬으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1 이상의 원소를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소발생재료.
10. 제 8항에 있어서,

    상기 마그네슘 합금은 알루미늄, 아연, 지르코늄, 규소, 철, 구리, 망간, 니켈 및 희토류 원소로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1 이상의 원소를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소발생재료.
11. 제 1항 내지 제 3항, 제 7항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 금속재료의 입경이 0.1 ㎛ 이상인 것을 특징으로 하는 수소발생재료.
12. 제 1항 내지 제 3항, 제 7항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 금속재료의 평균 입경이 30 ㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 수소발생재료.
13. 삭제
14. 물과 반응하여 수소를 발생시키는 수소발생재료에 있어서,

    알루미늄, 마그네슘 및 그들의 합금으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1 이상의 금속재료를 포함하고,

    상기 금속재료는 60 ㎛ 이하인 입경의 입자를 80 중량% 이상의 비율로 포함하고,

    상기 금속재료는 화학적 수단 또는 기계적 수단에 의하여 표면의 반응성을 향상시키는 표면 처리가 행하여진 것을 특징으로 하는 수소발생재료.
15. 제 14항에 있어서,

    상기 금속재료는 용매 중에서 기계적으로 교반됨으로써 상기 표면 처리가 행하여진 것을 특징으로 하는 수소발생재료.
16. 제 1항 내지 제3항, 제 7항, 제 14항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 수소발생재료가 펠릿형상 또는 과립형상으로 형성된 것을 특징으로 하는 수소발생재료.
17. 적어도 수소를 배출시키기 위한 배출구를 가지는 용기를 구비하고,

    상기 용기의 내부에 제 1항 내지 제 3항, 제 7항, 제 14항 중 어느 한 항에 기재된 수소발생재료가 수용되고,

    상기 수소발생재료에 물을 공급하고, 상기 수소발생재료에 포함되는 금속재료와 물과의 반응에 의하여 수소를 발생시키는 것을 특징으로 하는 수소의 제조장치.
18. 제 17항에 있어서,

    상기 용기는 물을 공급하기 위한 공급구를 가지는 것을 특징으로 하는 수소의 제조장치.
19. 제 17항에 있어서,

    상기 용기는 그 내부에 물을 저장하기 위한 저장부를 가지고,

    상기 저장부로부터 상기 수소발생재료에 물이 공급되는 것을 특징으로 하는 수소의 제조장치.
20. 산소를 환원하는 양극과, 수소를 산화하는 음극과, 상기 양극과 상기 음극 사이에 배치된 고체 전해질로 이루어지는 막 전극 접합체와,

    제 1항 내지 제 3항, 제 7항, 제14항 중 어느 한 항에 기재된 수소발생재료를 수용하고, 적어도 수소를 배출시키기 위한 배출구를 가지는 반응용기를 구비하고,

    상기 수소발생재료에 포함되는 금속재료와 물과의 반응에 의하여 발생하는 수소를 연료원으로 하는 것을 특징으로 하는 연료전지.
21. 제 7항 또는 제 14항에 있어서,

    상온에서 물과 반응하여 발열하는 발열재료를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수소발생재료.
22. 제 21항에 있어서,

    상기 발열재료는 산화칼슘인 것을 특징으로 하는 수소발생재료.
23. 물과 반응하여 수소를 발생시키는 수소발생재료에 있어서,

    알루미늄, 마그네슘 및 그들의 합금으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1 이상의 금속재료와, 상온에서 물과 반응하여 발열하는 발열재료를 포함하고,

    상기 금속재료는 입경이 100 ㎛ 이하의 입자이고,

    수소발생재료 전체에 대하여 상기 발열재료의 비율이 1 중량% 이상, 20 질량% 이하인 것을 특징으로 하는 수소발생재료.
24. 제 23항에 있어서,

    상기 발열재료는 산화칼슘인 것을 특징으로 하는 수소발생재료.
25. 제 1항 내지 제 3항, 제 7항, 제 14항, 제 23항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 금속재료의 형상이 비늘조각형상인 것을 특징으로 하는 수소발생재료.
26. 제 1항 내지 제 3항, 제 7항, 제 14항, 제 23항 중 어느 한 항에 기재된 수소발생재료에 물을 공급하고, 상기 수소발생재료에 포함되는 금속재료와 물과의 반응에 의하여 수소를 발생시키는 것을 특징으로 하는 수소의 제조방법.

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