KR100956669B1

KR100956669B1 - 수소발생재료 및 수소발생장치

Info

Publication number: KR100956669B1
Application number: KR1020077027887A
Authority: KR
Inventors: 다케시 미키; 도시히로 나카이; 료 나가이; 쇼지 사이바라
Original assignee: 히다치 막셀 가부시키가이샤
Priority date: 2005-08-11
Filing date: 2006-08-09
Publication date: 2010-05-10
Also published as: WO2007018244A1; JP4947718B2; EP1908729A1; EP1908729A4; JPWO2007018244A1; KR20080003454A; US20090049749A1

Abstract

본 발명의 수소발생재료는 물과 반응하여 수소를 발생시키는 금속재료와, 상기 금속재료 이외의 재료로서 물과 반응하여 발열하는 발열재료를 포함하고, 상기 발열재료는 상기 금속재료에 대하여 편재하고, 상기 발열재료의 함유율이 다른 복수의 영역을 가지고 있다. 상기 발열재료의 함유율이 가장 높은 영역에 있어서의 상기 발열재료의 함유율은 30 내지 80 wt% 인 것이 바람직하다. 또, 본 발명의 수소발생장치는 상기 수소발생재료와 상기 수소발생재료를 수용한 용기를 포함하고, 상기 용기는 다시 그 내부에 내용기를 더 포함할 수 있다.

Description

수소발생재료 및 수소발생장치{HYDROGEN-GENERATING MATERIAL AND HYDROGEN GENERATION APPARATUS}

본 발명은 물과 반응하여 수소를 발생시키는 수소발생재료 및 그 수소발생재료를 사용한 수소발생장치에 관한 것이다.

최근, 퍼스널 컴퓨터, 휴대전화 등의 전지로 작동하는 기기(cordless equipment)의 보급에 따라, 그 전원인 전지는 점점 소형화, 고용량화가 요망되고 있다. 현재, 리튬 이온 이차 전지는 에너지 밀도가 높고, 소형 경량화를 도모할 수 있는 전지로서 실용화되어 있고, 휴대용 전원으로서의 수요가 증대되고 있다. 그러나, 이 리튬 이온 이차 전지는 일부의 전지로 작동하는 기기에 대하여 충분한 연속사용시간을 보증할 수 없다는 문제가 있다.

상기 문제의 해결을 향하여, 예를 들면 고체고분자형 연료전지(PEFC) 등의 연료전지의 개발이 진행되고 있다. 연료전지는 연료 및 산소의 공급을 행하면 연속적으로 사용하는 것이 가능하다. 전해질에 고체고분자 전해질, 양극 활성물질에 공기중의 산소, 음극 활성물질에 연료를 사용하는 PEFC는 리튬 이온 이차 전지보다도 에너지 밀도가 보다 높은 전지로서 주목받고 있다.

PEFC에 사용하는 연료에 관해서는 몇가지 후보를 들 수 있으나, 각각의 연료 에 기술적 과제가 있다. 연료로서 메탄올을 사용하여 직접 전극에서 메탄올을 반응시키는 직접 메탄올형 연료전지(DMFC)는 용이하게 소형화할 수 있는 전지이고, 장래의 휴대용 전원으로서 기대받고 있다. 그러나, DMFC에는 음극의 메탄올이 고체 전해질을 투과하여 양극에 달하는 크로스오버(crossover)에 의하여 전압이 저하하고, 높은 에너지밀도가 얻어지지 않게 된다고 하는 문제가 있다. 한편, 연료로서 수소를 사용한 연료전지로서는, 예를 들면 수소를 축적한 고압탱크 또는 수소흡장합금탱크를 사용한 전지가 일부에서 실용화되고 있다. 그러나, 이와 같은 탱크를 사용한 전지는 그 체적 및 중량이 커지고 에너지밀도가 저하하기 때문에, 휴대용 전원에 적합하지 않다. 또, 연료로서 탄화수소계 연료를 사용한 전지에는, 이 연료를 개질하여 수소를 인출하는 개질장치(reformer)를 사용한 전지가 있다. 그러나, 이 종류의 전지는 개질장치에 열을 공급하거나, 개질장치를 단열하는 등의 필요가 있기 때문에, 휴대용 전원에 적합하지 않다.

이와 같은 상황에 있어서, 물과, 예를 들면 알루미늄, 마그네슘, 규소, 아연 등의 수소발생물질을 100℃ 이하의 저온에서 화학반응시켜 수소를 발생시키고, 발생된 수소를 연료로서 사용하는 연료전지가 제안되어 있다(예를 들면, 특허문헌 1 내지 3 참조). 또, 철의 분말을 포함하는 대용기의 내부에 철의 분말을 포함하는 소용기를 배치하여, 대용기에 공기를 더하여 열을 발생시키고, 소용기에 물을 더하여 수소를 발생시키는 장치가 알려져 있다(예를 들면, 특허문헌 4 참조).

특허문헌 1 : 미국 특허 제6506360호 명세서

특허문헌 2 : 일본국 특허 제2566248호 공보

특허문헌 3 : 일본국 특개2004-231466호 공보

특허문헌 4 : 일본국 특개2005-317443호 공보

그러나, 특허문헌 1 내지 3에 기재되어 있는 방법에서는, 상기 수소발생물질의 양에 걸맞는 당량의 산화칼슘, 수산화나트륨 등의 염기성 물질을 첨가하지 않으면 안된다. 수소발생물질 이외의 물질의 비율이 높아지면 에너지 밀도가 감소하기 때문에, 결과적으로 수소발생량이 적어진다. 특히, 특허문헌 3에 개시되어 있는 방법은 산화칼슘과 물과의 반응열을 수소발생물질의 반응에 이용한 방법인데, 산화칼슘의 함유율이 15 wt% 이상인 경우는 수소발생반응이 양호하게 진행하기는 하나, 산화칼슘의 함유율을 15 wt% 미만으로 하면 수소가 발생하지 않게 되는 것이 명확하게 되어 있다.

한편, 특허문헌 4에 기재되어 있는 방법에서는, 특허문헌 3에 기재된 바와 같은 염기성 물질을 첨가하지 않고 수소를 발생할 수 있기는 하나, 반응열이 크기 때문에 계(系)가 200℃ 내지 400℃의 고온이 되고, 또 장치의 경량화가 곤란하기 때문에 휴대용 전원에 적합하지 않다는 과제가 있다.

본 발명자들이 산화칼슘과 같은 발열재료를 수소발생물질과 균일하게 혼합하여 얻어지는 수소발생재료를 사용하여 수소를 발생시키는 것을 검토한 결과, 수소발생물질과 발열재료와의 중량비에 따라 수소가 발생하기까지의 시간 및 수소를 발생시키는 속도가 최대가 되기까지의 시간에 큰 차가 생기는 것을 알았다. 구체적으로는, 수소발생물질과 발열재료의 총량에 대하여 발열재료의 함유율을 30 wt% 이상으로 하는 경우는, 그 함유율을 30 wt% 미만으로 하는 경우에 비하여 수소가 발생 하기까지의 시간 및 수소를 발생시키는 속도가 최대가 되기까지의 시간을 대폭으로 단축할 수 있는 것을 알았다. 이는 발열재료와 물과의 반응에 의한 발열량이 증가하고, 수소발생물질과 물과의 반응이 촉진되기 때문이라고 생각된다.

그러나, 수소발생재료 중에서 발열재료의 함유율을 크게 하면, 수소발생원인 수소발생물질의 비율이 감소하고, 에너지 밀도가 감소하기 때문에, 수소발생량이 적어진다. 한편, 발열재료의 함유율을 저감하면, 수소발생에 시간이 걸리는 등의 문제를 일으키는 외, 반응의 진행에 따라 수소발생물질의 표면에 퇴적하는 반응생성물에 의하여 수소발생반응이 저해되는 경우가 있고, 수소발생물질의 비율이 높아지더라도 반드시 반응효율이 향상하는 것이 아닌 등, 해결하여야 하는 과제도 존재하고 있는 것이 분명해졌다.

본 발명의 수소발생재료는 물과 반응하여 수소를 발생시키는 금속재료와, 물과 반응하여 발열하는 발열재료이고 상기 금속재료 이외의 재료를 포함하고, 상기 발열재료는 상기 금속재료에 대하여 편재되어 있는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명의 수소발생장치는 수소발생재료와 상기 수소발생재료를 수용한 용기를 포함하고, 상기 수소발생재료는 물과 반응하여 수소를 발생시키는 금속재료와, 물과 반응하여 발열하는 발열재료이고 상기 금속재료 이외의 재료를 포함하며, 상기 발열재료는 상기 금속재료에 대하여 편재되어 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 수소발생재료는 발열재료가 금속재료에 대하여 편재되어 있는, 즉 수소발생재료 중에서 일부의 영역에 대하여 발열재료의 함유율을 다른 곳 보다 높게 함으로써, 그 부분의 발열재료가 물과 반응하여 발생하는 반응열을 금속재료와 물과의 반응에 유효하게 이용하고, 수소발생반응을 단시간에 용이하게 개시시킬 수 있다. 이 때문에, 수소발생재료 전체에서 그 중에 포함되는 발열재료의 양을 저감할 수 있다. 즉, 본 발명의 수소발생재료는 수소발생원이 되는 금속재료의 함유율을 크게 할 수 있기 때문에, 수소를 효율 좋게 발생시킬 수 있다.

또, 본 발명의 수소발생장치에서는 상기 수소발생재료를 사용하여 효율 좋게 수소를 제조할 수 있다.

도 1은 본 발명의 수소발생장치의 일례를 나타내는 모식 단면도,

도 2는 본 발명의 수소발생장치와 조합되는 연료전지의 일례를 나타내는 모식 단면도,

도 3은 본 발명의 수소발생장치의 다른 예를 나타내는 모식 단면도,

도 4는 본 발명의 수소발생장치의 또 다른 예를 나타내는 모식 단면도,

도 5는 실시예 1의 수소발생장치에 있어서의 용기의 표면 온도의 시간변화(a) 및 수소발생속도의 시간변화(b)를 나타내는 도,

도 6은 비교예 1의 수소발생장치에 있어서의 용기의 표면 온도의 시간변화(a) 및 수소발생속도의 시간변화(b)를 나타내는 도,

도 7은 실시예 6의 수소발생장치에 있어서의 외용기의 표면 온도의 시간변화(a) 및 수소발생속도의 시간변화(b)를 나타내는 도면이다.

이하, 본 발명의 수소발생재료 및 그 수소발생재료를 사용한 수소발생장치에 대하여 설명한다.

(실시형태 1)

본 발명의 수소발생재료의 일례는, 물과 반응하여 수소를 발생시키는 수소발생재료에 있어서, 물과 반응하여 수소를 발생시키는 금속재료와, 물과 반응하여 발열하는 발열재료(단, 상기 금속재료 이외의 재료)를 포함한다. 또, 본 발명의 수소발생재료는 상기 발열재료가 금속재료에 대하여 편재되어 있다.

본 발명의 수소발생재료는 상기 구성으로 함으로써 수소발생재료에 포함되는 발열재료의 양을 저감하여도 수소를 효율 좋게 발생시킬 수 있다.

상기 수소발생재료와 물과의 반응은 수소를 발생시키는 반응이면 반응기구 등에 의하여 특별히 한정되는 것은 아니다. 이 반응의 일례는, 먼저 발열재료가 많이 편재하는 영역에서 발열재료와 물과의 발열반응이 일어나고, 다음에 이 발열반응에 의해 발생하는 열에 의하여 상기 발열반응이 일어나 있는 영역 또는 그 근방에 있는 금속재료와 물과의 반응이 개시된다. 이 금속재료와 물과의 반응도 발열반응이기 때문에, 한번 반응이 개시되면, 발열재료와 물과의 반응에 의하여 공급되는 열량이 적어지더라도 수소발생반응을 지속시킬 수 있고, 상기 발열재료가 많이 편재하는 영역으로부터 다른 영역으로 서서히 수소발생반응을 진행시킬 수 있다. 그리고, 최종적으로 수소발생재료 전체에서 반응을 발생시킬 수 있다.

그 때문에, 상기 발열재료가 많이 편재하는 영역 이외에서는 발열재료가 적거나 또는 발열재료를 포함하지 않는 구성으로 할 수 있고, 결과적으로 수소발생재 료 전체에 포함되는 발열재료의 양을 저감할 수 있다. 또, 수소발생재료에 발열재료가 많이 편재하는 영역을 포함함으로써, 상기 영역에 물이 공급되고나서 바로 국소적으로 큰 발열이 발생하여, 금속재료와 물과의 반응을 유기하게 되므로, 수소를 발생시키기까지의 시간 및 수소를 발생시키는 속도가 최대가 되기까지의 시간을 단축시킬 수도 있다.

본 발명의 수소발생재료에서는 발열재료가 부분적으로 편재되어 있으면, 금속재료와 발열재료의 조합은 다양한 형태로 할 수 있다. 예를 들면, (1) 금속재료와 발열재료의 혼합체이고, 일부의 영역에 있어서 발열재료의 함유량이 다른 영역보다 높아져 있는 수소발생재료, (2) 금속재료와 발열재료의 혼합체를 포함하고, 또한 일부의 영역이 금속재료만 또는 발열재료만으로 구성된 수소발생재료, (3) 금속재료만으로 구성된 영역과 발열재료만으로 구성된 영역으로 이루어지는 수소발생재료 등을 예시할 수 있다.

또, 수소발생재료의 형상도 특별히 한정되는 것은 아니고, (i) 금속재료 및 발열재료의 각각이 입자형상, 과립형상 또는 펠릿형상인 수소발생재료, (ii) 입자형상의 금속재료와 입자형상의 발열재료로 이루어지는 이차 입자로 구성된 수소발생재료, (iii) 금속재료 및 발열재료를 포함하는 펠릿형상, 과립형상 등의 형상으로 성형된 수소발생재료 등을 예시할 수 있다. 그 중에서도 수소발생재료가 펠릿형상 또는 과립형상이면, 휴대성이 우수하기 때문에 보다 바람직하다. 또, 압축성형되어 펠릿형상으로 형성된 수소발생재료는 충전밀도가 커지고, 에너지 밀도가 증가하므로 바람직하다. 한편, 조립되어 과립형상으로 형성된 수소발생재료는 입경의 조절이 용이하고, 예를 들면 입경이 5 ㎛ 내지 300 ㎛의 수소발생재료를 형성함으로써 수소를 발생시키기까지의 시간을 단축할 수 있으므로 바람직하다.

본 발명의 수소발생재료의 한쪽 끝부, 중심부 및 표면부로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나의 영역에 존재하는 발열재료의 함유율은 다른 영역에 존재하는 발열재료의 함유율보다도 높은 것이 바람직하다.

예를 들면, 펠릿형상 또는 과립형상으로 형성된 수소발생재료의 경우, 수소발생재료의 한쪽 끝부란, 그 표면의 일부에 접하거나 또는 근접하는 부분을 말하고, 수소발생재료의 표면부란, 그 표면의 일부에 접하는 부분을 말한다. 또, 입자형상의 금속재료 및 발열재료로 이루어지는 수소발생재료를 용기에 넣은 경우, 수소발생재료의 한쪽 끝부란, 상기 용기의 내표면의 일부에 접하거나 또는 근방하는 영역을 말하고, 수소발생재료의 표면부란, 상기 용기의 내표면의 일부에 접하는 영역을 말한다. 수소발생재료의 한쪽 끝부 또는 표면부에 있어서 함유율이 높으면, 뒤에서 설명하는 수소의 제조방법을 사용할 때 그 장소에 최초로 물을 공급하고, 상기 영역의 발열재료와 물을 재빨리 접촉시킴으로써 단시간에 수소발생반응을 개시시킬 수 있다.

한편, 수소발생재료의 중심부란, 예를 들면 펠릿형상이나 과립형상으로 형성된 수소발생재료의 경우, 그 중심 또는 중심에 근접하는 부분, 입자형상의 금속재료 및 발열재료로 이루어지는 수소발생재료를 용기에 넣은 경우, 그 중심 또는 중심에 근접하는 영역 등이다. 상기 수소발생재료의 중심부에 있어서 함유율이 높으면, 뒤에서 설명하는 수소의 제조방법을 사용할 때 그 장소에 물이 달하기까지 다 소 시간을 요하기 때문에, 상기 수소발생재료의 한쪽 끝부 또는 표면부에 있어서 함유율이 높은 재료에 비하여 수소발생반응을 개시시키기까지 시간이 걸린다. 그러나, 수소발생재료의 중심부에서 발생한 열은 외부로 방산되기 어렵고, 재료 내부에 축적되어 금속재료의 온도를 보다 효율적으로 높일 수 있기 때문에, 금속재료와 물과의 반응을 보다 안정적으로 유지할 수 있다.

또한, 펠릿형상의 수소발생재료는 발열재료의 함유율이 높은 부분이 형성되도록 금형 중에 수소발생재료를 투입하는 공정을 복수로 나누어 제작하면 좋다. 또, 과립형상의 수소발생재료는 재료의 투입공정을 나누어 조립함으로써 과립의 표면부와 중심부의 발열재료의 비율을 바꿀 수 있다.

본 발명의 수소발생재료에 있어서의 금속재료의 함유율은 85 wt% 이상 99 wt% 이하가 바람직하고, 보다 바람직하게는 90 wt% 이상 97 wt% 이하이다. 상기 범위로 함으로써 많은 수소를 발생시킬 수 있기 때문이다. 이 함유율은 수소발생재료 전체에 있어서의 금속재료와 발열재료의 합계 중량을 100으로 한 경우의 금속재료의 중량의 비율이다.

본 발명에 있어서의 금속재료로서는, 적어도 가온시에 물와 반응하여 수소를 발생시키는 것이 가능한 물질이면 특별히 한정되는 것은 아니나, 알루미늄, 규소, 아연 및 마그네슘으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 금속 또는 그 합금이 바람직하게 사용된다. 상기 합금은 그 조성에 대하여 특별히 한정되는 것은 아니나, 상기 군으로부터 선택되는 원소를 주체로 하는 합금이 바람직하고, 상기 원소의 함유율은 80 wt% 이상이 바람직하고, 보다 바람직하게는 85 wt% 이상이다. 상기 함유율이 적으면 물과의 반응에 있어서 수소발생량이 저하하기 때문이다.

상기 금속재료는 적어도 상온 이상으로 가온된 상태에 있어서, 물과 반응하여 수소를 발생시킬 수 있다. 그러나, 표면에 안정한 산화 피막이 형성되기 때문에, 저온하, 또는 판형상, 블록형상 등의 벌크 형상에서는 수소를 발생하지 않거나 또는 수소를 발생하기 어려운 물질이다. 한편, 상기 산화 피막의 존재에 의하여 공기중에서의 취급은 용이하다.

예를 들면, 상기 금속재료의 하나인 알루미늄과 물과의 반응은 하기 화학식 (1) 내지 (3) 중 어느 하나에 의하여 진행하고 있다고 생각된다.

2Al + 6H₂O → Al₂O₃·3H₂O + 3H₂

2Al + 4H₂O → Al₂O₃·H₂O + 3H₂

2Al + 3H₂O → Al₂O₃·3H₂

본 발명에 사용하는 금속재료는 그 입경에 의하여 특별히 한정되는 것은 아니나, 입경이 작으면 작을수록 반응속도는 향상되기 때문에, 그 입경을 100 ㎛ 이하, 바람직하게는 50 ㎛ 이하로 하면 좋다. 또, 이 입도분포에 있어서, 입경이 0.1 ㎛ 이상 60 ㎛ 이하인 금속재료의 입자를 전체 금속재료의 80 체적% 이상 포함하는 것이 바람직하고, 90 체적% 이상이 보다 바람직하며, 금속재료 입자의 모두를 상기 입경으로 하는 것이 가장 좋다. 또, 상기 금속재료 입자의 평균 입경은 0.1 ㎛ 이상 30 ㎛ 이하인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 0.1 ㎛ 이상 20 ㎛ 이하이다. 이들 입경을 가지는 금속재료는 체에 의하여 분급함으로써 용이하게 얻을 수 있다.

상기 금속재료는 벌크형상에서는 물과의 반응이 진행되기 어려우나, 입경을 작게(예를 들면, 100 ㎛ 이하) 하면, 산화 피막에 의한 반응억제작용이 감소하고, 또한 가열하면 물과의 반응성이 높아져 수소발생반응이 지속되게 된다. 한편, 상기 금속재료의 평균 입경을 0.1 ㎛ 미만으로 하면, 공기중에서 발화성이 높아지기 때문에 취급이 곤란해진다. 또, 수소발생재료의 부피밀도가 작아지기 때문에, 충전밀도가 저하하여 에너지 밀도가 저하하기 쉬워진다. 이 때문에, 금속재료의 평균 입경은 0.1 ㎛ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 즉, 상기 금속재료는 상기 입도분포나 상기 평균 입경을 가지고 있으면, 상기 설명한 산화 피막의 영향을 받기 어려워, 효율 좋게 수소를 발생시킬 수 있다.

본 명세서에서 말하는 평균 입경은 체적 기준의 적산분율 50%에 있어서의 직경의 값을 의미하고 있다. 또, 본 명세서에서 말하는 입도분포나 평균 입경은 레이저 회절·산란법을 사용하여 측정한 값이다. 구체적으로는 물 등의 액상으로 분산시킨 측정대상물질에 레이저광을 조사함으로써 검출되는 산란강도 분포를 이용한 입자지름 분포의 측정방법이다. 레이저 회절·산란법에 의한 입자지름 분포 측정장치로서는, 예를 들면 닛키소사제의 "마이크로트랙 HRA" 등을 사용할 수 있다.

또한, 상기 금속재료는 그 입자형상이 비늘조각형상인 것이 바람직하고, 예 를 들면 긴 지름이 수십 ㎛이고 두께가 0.1 ㎛ 이상 5 ㎛ 이하인 것이 보다 바람직하다. 두께를 작게 함으로써 산화 피막의 형성에 의한 영향이 작아져, 입자의 중심까지 물과 반응하기 쉬워지기 때문이라고 생각된다.

또, 금속재료가 물과 반응하기 쉽게 하기 위해서는, 금속재료만으로 이루어지는 1 mm 이상의 크기의 응집체가 형성되지 않는 것이 바람직하다. 상기 응집체의 형성을 방지하기 위해서는, 예를 들면 수소발생재료를 제작할 때에 금속재료와 발열재료를 교반 혼합하거나, 금속재료를 발열재료로 코팅하면 좋다.

상기 발열재료는 상온에 있어서 물과 발열반응을 일으키는 물질이면 좋다. 예를 들면, 물과 반응하여 수산화물이나 수화물이 되는 물질, 물과 반응하여 수소를 생성하는 물질 등을 사용할 수 있다. 또한, 본 명세서에 있어서 상온이란, 20 내지 30℃의 범위의 온도이다. 상기 물과 반응하여 수산화물이나 수화물이 되는 물질로서는, 예를 들면 알칼리 금속의 산화물(예를 들면, 산화리튬 등), 알칼리 토류 금속의 산화물(예를 들면, 산화칼슘, 산화마그네슘 등), 알칼리 토류 금속의 염화물(예를 들면, 염화칼슘, 염화마그네슘 등), 알칼리 토류 금속의 황산화합물(예를 들면, 황산칼슘 등) 등을 사용할 수 있다. 상기 물과 반응하여 수소를 생성하는 물질로서는, 예를 들면 알칼리금속(예를 들면 리튬, 나트륨 등), 알칼리 금속 수소화물(예를 들면, 수소화 붕소 나트륨, 수소화 붕소 칼륨, 수소화 리튬 등) 등을 사용할 수 있다. 이들 물질은 단독 또는 조합하여 사용할 수 있다. 또, 상기 발열재료가 염기성 물질이면, 물에 용해되어 고농도의 알칼리 수용액이 되기 때문에, 수소발생물질의 표면에 형성된 산화 피막을 용해시키고, 물과의 반응성을 크게 할 수 있기 때문에 바람직하다. 이 산화 피막을 용해하는 반응은 금속재료와 물과의 반응의 기점이 되는 일도 있다. 특히, 발열재료가 알칼리 토류 금속의 산화물이면, 염기성 물질이고 또한 취급이 용이하기 때문에 보다 바람직하다.

또한, 물 이외의 물질과 상온에서 발열반응을 일으키는 물질, 예를 들면 철분과 같이 산소와 반응하여 발열하는 물질도 알려져 있다. 그러나, 수소발생재료가 상기 산소와 반응하는 물질과, 상기 수소발생원이 되는 금속재료를 포함하는 경우, 반응을 위하여 필요로 되는 산소는 동시에 금속재료로부터 발생하는 수소의 순도를 저하시키거나 금속재료를 산화시켜 수소발생량을 저하시키거나 하는 등의 문제를 일으키는 경우가 있다. 이 때문에, 본 발명에 있어서는, 발열재료로서는 상기 설명한 물과 반응하여 발열하는 알칼리 토류 금속의 산화물 등을 사용하는 것이 바람직하다. 또, 동일한 이유에서 발열재료는 반응시에 수소 이외의 기체를 생성하지 않는 것이 바람직하다.

상기 발열재료는 입경에 의하여 특별히 한정되는 것은 아니나, 입경이 0.1 ㎛ 이상 200 ㎛ 이하, 바람직하게는 0.1 ㎛ 이상 60 ㎛ 이하, 보다 바람직하게는 0.1 ㎛ 이상 20 ㎛ 이하의 범위의 것을 사용하는 것이 좋다. 발열재료의 입경은 작으면 작을수록 반응속도는 향상된다. 한편, 발열재료의 입경을 0.1 ㎛ 미만으로 하면 취급이 곤란해지거나, 상기 수소발생재료의 충전밀도가 저하하여 에너지밀도가 저하하기 쉬워진다. 이 때문에, 상기 발열재료의 입경은 상기 범위 내로 하는 것이 바람직하다.

수소발생재료에는 친수성 산화물, 탄소 및 흡수성 고분자로 이루어지는 군으 로부터 선택되는 적어도 1종(이하, 첨가제라고 함)을 더 포함시킬 수도 있다. 상기 첨가제가 금속재료와 공존함으로 인하여 금속재료와 물과의 반응이 촉진되고, 효율 좋게 수소를 발생시킬 수 있다. 이는 수소발생재료와 물과의 접촉을 양호하게 하거나, 수소발생재료와 물과의 반응에 의하여 생성된 반응생성물이 미반응의 금속재료의 표면에 퇴적하는 것을 방지하기 때문이라고 생각된다. 또, 수소발생재료가 펠릿형상으로 형성된 경우는, 첨가제에 의하여 수소발생재료의 내부까지 물이 침투하기 쉬워지는 것도 기대된다. 상기 친수성 산화물로서는, 알루미나, 뵘석(boehmite), 실리카, 마그네시아, 지르코니아, 제올라이트 및 산화아연 등을 예시할 수 있고, 이들 산화물로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종을 함유시키는 것이 좋다. 또, 상기 탄소로서는 아세틸렌블랙, 케첸블랙(Ketjen black) 등의 카본블랙류, 흑연, 이흑연화성 탄소, 난흑연화성 탄소, 활성탄 등을 사용할 수 있다. 상기 흡수성 고분자로서는 카르복시메틸셀룰로오스 등의 셀룰로오스류, 폴리비닐피롤리돈, 폴리비닐알콜, 폴리아크릴산 등을 사용할 수 있다. 이들 첨가제는 1종만을 사용하여도, 2종 이상을 병용하여도 좋다.

본 발명의 수소발생재료에서는 상기 금속재료로서 알루미늄 분말 및 알루미늄 합금 분말로부터 선택되는 적어도 1종인 것이 보다 바람직하고, 상기 친수성 산화물로서 알루미나 또는 뵘석을 더 포함하면 보다 한층 바람직하다.

(실시형태 2)

본 발명의 수소발생재료의 다른 예는, 물과 반응하여 수소를 발생시키는 수소발생재료에 있어서, 물과 반응하여 수소를 발생시키는 금속재료와, 물과 반응하 여 발열하는 발열재료(단, 상기 금속재료 이외의 재료)를 포함하는 수소발생재료(A)와, 수소발생재료(A)보다도 발열재료의 함유율을 저감한 수소발생재료(B)를 각각 독립하여 포함한다.

상기 수소발생재료와 물과의 반응은 수소를 발생시키는 반응이면 반응기구 등에 의하여 특별히 한정되는 것은 아니다. 이 반응의 일례는, 먼저 수소발생재료(A)에 있어서, 발열재료와 물과의 발열반응이 일어나고, 이 때에 발생하는 반응열에 의하여 수소발생재료(A)에 포함되는 금속재료와 물과의 반응이 개시된다. 다음에, 수소발생재료(A)에서 발생한 반응열이 수소발생재료(A)에 인접하는 수소발생재료(B)로 전해지고, 이것을 기점으로 하여 수소발생재료(B)에서의 수소발생반응이 개시된다.

상기 수소발생재료(B)는 발열재료를 포함하지 않거나 또는 발열재료의 함유량을 수소발생재료(A)보다도 대폭으로 저감할 수 있기 때문에, 수소발생재료 전체로서 발열재료를 균일하게 함유하는 경우에 비하여 발열재료의 양을 저감하는 것이 가능하게 된다. 이에 의하여 금속재료의 비율을 증가시켜 수소발생량을 크게 할 수 있다. 또는 발열재료의 양을 저감하지 않은 경우에도, 수소를 발생시키기까지의 시간 및 수소를 발생시키는 속도가 최대가 되기까지의 시간을 단축시킬 수 있고, 어느 경우도 수소발생효율의 향상을 도모할 수 있다.

상기 수소발생재료는 실시형태 1에서 사용한 금속재료 및 발열재료와 동일한 재질, 동일한 사이즈의 것을 사용할 수 있다. 또, 실시형태 1에서 사용한 첨가제를 사용할 수도 있다.

본 실시형태의 수소발생재료(A)는 수소발생재료 전체 중에서 그 표면부 또는 모퉁이부에 배치되어 있는 것이 바람직하고, 그와 같은 배치이면, 최초로 수소발생재료(A)에 물을 공급하고, 그 중에 포함되는 발열재료와 물을 재빠르게 접촉시킴으로써 단시간에 수소발생반응을 개시시킬 수 있다. 또, 수소발생재료(A)가 수소발생재료(B)에 전체 둘레가 둘러싸여 배치되고, 보다 바람직하게는 수소발생재료 전체의 중심에 배치되어 있으면 금속재료와 물과의 반응을 보다 안정적으로 유지할 수 있기 때문에 바람직하다. 수소발생재료에 물을 공급할 때, 수소발생재료(A)에 물이 도달하기까지 다소 시간을 요하나, 수소발생재료(A)에서 발생한 열은 외부로 방산되기 어렵고, 수소발생재료의 내부에 축적되어 금속재료의 온도를 보다 효율적으로 높일 수 있기 때문이다.

본 발명의 수소발생재료가 발열재료의 함유율이 다른 복수의 영역을 가지는 경우, 발열재료의 함유율이 가장 높은 영역에 있어서의 발열재료의 함유율은 30 wt% 이상 80 wt% 이하로 하는 것이 바람직하고, 35 wt% 이상 65 wt% 이하로 하는 것이 보다 바람직하다. 예를 들면, 본 실시형태에 있어서는 수소발생재료(A)에 있어서의 발열재료의 함유율이 상기 범위인 것이 바람직하다. 이에 의하여 발열재료의 반응에 의한 수소를 발생시키기까지의 시간을 보다 단축시킬 수 있기 때문이다.

또, 상기 발열재료의 함유율이 가장 높은 영역이 수소발생재료 전체에 차지하는 비율, 즉 상기 발열재료의 함유율이 가장 높은 영역에 포함되는 수소발생재료의 수소발생재료 전체에 대한 비율은 3 wt% 이상 40 wt% 이하로 하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 본 실시형태에 있어서는 수소발생재료 전체에 대한 수소발생재 료(A)의 함유율이 상기 범위 내인 것이 바람직하다. 이에 의하여 효율 좋게 수소를 발생시킬 수 있기 때문이다.

수소발생재료(B)는 금속재료만으로 구성할 수도 있으나, 금속재료와 물과의 반응을 촉진시키기 위하여 발열재료를 포함하는 것이 바람직하다. 단, 수소발생재료(B)에 있어서의 발열재료의 함유율이 너무 높으면, 수소발생재료 전체에 있어서의 발열재료의 양을 저감한다고 하는 효과를 가지지 못하는 경우가 있다. 그래서, 수소발생재료(B)에 있어서의 발열재료의 함유율은 수소발생재료(A)의 발열재료의 함유율보다 낮고, 구체적으로는 1 wt% 이상 15 wt% 이하인 것이 보다 바람직하다.

수소발생재료(A) 및 수소발생재료(B)로부터 선택되는 적어도 하나의 재료의 형상은 과립형상인 것이 바람직하다. 과립형상의 수소발생재료는 조립하여 과립형상으로 형성하면 좋기 때문에, 입경의 조절이 용이하고, 예를 들면 입경이 5 ㎛ 내지 300 ㎛의 수소발생재료를 형성함으로써 수소를 발생시키기까지의 시간을 단축할 수 있다.

(실시형태 3)

본 발명에서는 상기 수소발생재료와 물을 반응시킴으로써 수소를 발생시키나, 그 수소의 제조방법의 일례를 이하에 나타낸다. 상기 수소발생재료를 준비하는 공정은 특별히 한정되지 않으나, 예를 들면 펠릿형상으로 형성되고, 발열재료가 한쪽 끝부에 편재되어 있는 수소발생재료를 반응용기 내에 배치하면 좋다. 또는, 금속재료의 분말과 발열재료의 분말을 따로따로 반응용기 내에 투입하고, 필요에 따라 혼합하여, 반응용기 내의 수소발생재료의 일부에 발열재료의 함유율이 높아지는 부분이 생기도록 투입량이나 투입 타이밍을 조정하면 좋다. 또는, 미리 금속재료와 발열재료를 혼합하여 제작한 발열재료의 함유율이 다른 복수종의 수소발생재료를 각각 따로 반응용기 내에 투입하는 방법을 사용하여도 좋다.

이와 같이 하여 준비된 수소발생재료에 물을 공급하는 공정은 수소발생재료가 물과 반응할 수 있는 것이면 특별히 한정되지 않는다. 즉, 반응용기 내의 물을 공급하는 장소나 공급속도 등을 적절히 선택할 수 있다. 이 공정에 의하여 공급된 물이 수소발생재료 중의 발열재료와 반응하고, 그 반응에 의하여 방출되는 열에 의하여 금속재료와 물과의 반응이 개시된다. 또, 발열재료의 반응에 의한 반응열이나, 금속재료와 물과의 반응에 의한 반응열을 기점으로 하여 새로운 금속재료와 물과의 반응이 개시되어, 수소발생반응이 계속되게 된다.

단, 공급하는 물을 발열재료 및 금속재료와 효율 좋게 반응시키기 위해서는, 수소발생재료에 있어서의 상기 발열재료의 함유율이 높아져 있는 부분에 먼저 물을 공급하는 것이 바람직하다. 이에 의하여 최초로 수소발생반응을 개시시키는 데 필요한 열량을 발생시킬 수 있으면, 그 이후의 반응을 효율적으로 진행시킬 수 있기 때문이다. 예를 들면, 상기 설명한 실시형태 2의 경우에는 반응용기 내에 배치된 수소발생재료(A)의 부분에 먼저 물을 공급하면 좋다.

(실시형태 4)

본 발명의 수소발생장치의 일례를 도면에 의거하여 구체적으로 설명한다. 도 1은 수소발생재료로서, 물과 반응하여 수소를 발생시키는 금속재료와, 물과 반응하여 발열하는 발열재료이고 상기 금속재료 이외의 재료를 수용한 용기를 구비한 수 소발생장치의 모식 단면도이고, 상기 발열재료가 상기 금속재료에 대하여 편재하도록 상기 용기의 내부에 상기 발열재료와 상기 금속재료를 배치시킨 것이다. 도 1에서 나타나는 수소발생장치는 카트리지의 형태를 가지고 있다. 도 1에 있어서, 카트리지(1)는 물을 공급하기 위한 공급구(7)와 수소를 배출시키기 위한 배출구(8)를 포함하는 용기(6)를 구비하고, 용기(6)의 내부에 수소발생재료(2a)와 수소발생재료(2b)로 이루어지는 수소발생재료(2)가 배치되어 있다. 수소발생재료(2a)는 상기 설명한 실시형태 2의 수소발생재료(A)에 상당하고, 수소발생재료(2b)는 상기 설명한 실시형태 2의 수소발생재료(B)에 상당한다.

카트리지(1)는 상기 설명한 바와 같은 구성으로 함으로써 수소발생재료(2)에 포함되는 발열재료의 양이 적어도 수소를 효율 좋게 발생시킬 수 있는 장치이다. 카트리지(1)는, 특히 실시형태 3에 기재한 수소의 제조방법의 실시에 적합한 것이다.

수소발생재료(2a) 및 수소발생재료(2b)는 실시형태 2에서 사용한 금속재료 및 발열재료와 동일한 것을 사용할 수 있다. 또, 수소발생재료(2a)와 수소발생재료(2b) 사이에 칸막이재(5)를 배치하여도 좋다. 이에 의하여 수소발생재료(2a)와 수소발생재료(2b)의 혼합을 방지할 수 있다. 칸막이재(5)를 구성하는 재료는 수소발생재료(2a) 및 수소발생재료(2b)와 물과의 반응을 저해하지 않고, 또 수소발생재료(2a)에서 발생한 열이 수소발생재료(2b)에 전달되는 것을 저해하지 않는 재료이면 좋고, 예를 들면 알루미늄박, 스테인리스스틸박, 구리박 등을 사용할 수 있다.

용기(6)의 크기, 형상 등은 특별히 한정되지 않으나, 수소발생재료와 물을 반응시키는 반응용기로서 사용되기 때문에, 공급되는 물 및 발생하는 수소가 외부로 누출되지 않도록 물의 공급구(7)와 수소의 배출구(8)를 제외하고 밀폐할 수 있는 구조인 것이 바람직하다. 또, 용기(6)에 사용하는 재질은 물 및 수소가 누출되기 어렵고, 내열성을 가지는 재질(예를 들면, 120℃ 정도로 가열하여도 파손되지 않는 재질)이 바람직하다. 예를 들면, 알루미늄, 티탄, 니켈 등의 금속, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리카보네이트 등의 수지, 알루미나, 실리카, 티타니아 등의 세라믹스, 및 내열유리 등의 재료를 사용할 수 있다.

공급구(7)의 구조는 물을 외부로부터 공급할 수 있으면 특별히 한정되지 않고, 예를 들면 용기(6)에 형성된 개구이어도 좋고, 또 용기(6)에 접속된 파이프를 공급구로 하는 것이어도 좋다. 공급구(7)는 물의 공급량을 제어할 수 있는 펌프와 접속되어 있으면 물의 공급량을 조절함으로써 발생하는 수소의 양을 제어할 수 있기 때문에 보다 바람직하다.

배출구(8)는 수소를 외부로 배출할 수 있는 구조이면 특별히 한정되지 않고, 예를 들면 용기(6)에 형성된 개구이어도 좋고, 또 용기(6)에 접속된 파이프를 배출구로 하는 것이어도 좋다. 용기의 내용물이 밖으로 누출되는 것을 방지하기 위하여, 배출구(8)에 필터를 배치할 수도 있다. 이 필터는 기체를 통과시키고, 또한 액체 및 고체를 통과시키기 어려운 구조이면 특별히 한정되지 않고, 예를 들면 다공성의 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)제의 기액분리막이나 폴리프로필렌제의 다공질 필름 등을 사용할 수 있다.

또, 도 1에 나타내는 바와 같이, 공급구(7) 및 배출구(8)의 내측의 선단부에 흡수재(9)를 배치하여도 좋다. 공급된 물의 일부는 흡수재(9)에 의하여 유지되고, 잔부는 수소발생재료를 적셔 수소발생반응을 개시시킨다. 발생된 수소는 배출구(8)를 통하여 연료전지의 음극에 공급할 수 있다. 흡수재(9)는 반드시 필요하지는 않으나, 수소발생반응에 의한 물의 소비에 따라 흡수재(9)에 유지된 물이 수소발생재료에 공급되고, 수소발생속도의 시간변동을 어느 정도 억제하는 것이 가능하게 되기 때문에, 배치하는 것이 바람직하다. 흡수재(9)는 물을 흡수하여 유지할 수 있는 재료이면 특별히 한정되는 것은 아니고, 일반적으로는 탈지면이나 부직포 등을 사용할 수 있다.

(실시형태 5)

본 발명의 수소발생장치와 조합되는 연료전지의 일례를 도면에 의거하여 설명한다. 도 2는 연료전지의 일례를 나타내는 모식 단면도이다. 연료전지(10)는 산소를 환원하는 양극(12)과, 수소를 산화하는 음극(11)과, 양극(12)과 음극(11) 사이에 배치된 고체 전해질(13)을 포함하는 막 전극 접합체와, 음극(11)에 수소를 공급하는 수소발생장치(도시 생략)를 구비한 연료전지이다. 상기 수소발생장치로서는, 예를 들면 실시형태 4의 수소발생장치를 사용할 수 있다.

연료전지(10)에 사용하는 각 부재는 일반적으로 연료전지에 사용할 수 있는 것이면 특별히 한정되지 않는다.

양극(12)에는, 예를 들면 촉매를 담지한 도전성 재료를 사용할 수 있다. 상기 촉매로서는, 예를 들면 백금 미립자나, 철, 니켈, 코발트, 주석, 루테늄, 및 금으로부터 선택된 적어도 1종류의 금속과 백금과의 합금 미립자 등을 사용할 수 있 다. 상기 도전성 재료로서는 주로 탄소재료가 사용되고, 예를 들면 카본블랙, 활성탄, 카본 나노튜브, 카본나노혼 등을 사용할 수 있다. 일반적으로는, 도전성 재료의 표면에 상기 촉매를 분산시켜 담지시킨 촉매 담지 카본을 사용한다. 또, 양극(12)은 양극 단자(18)를 구비한다.

음극(11)에는, 예를 들면 촉매를 담지한 도전성 재료를 사용할 수 있다. 상기 촉매로서는, 예를 들면 백금 미립자나 루테늄, 인듐, 이리듐, 주석, 철, 티탄, 금, 은, 크롬, 규소, 아연, 망간, 몰리브덴, 텅스텐, 레늄, 알루미늄, 납, 파라듐 및 오스뮴으로부터 선택된 적어도 1종류의 금속과 백금과의 합금 미립자 등을 사용할 수 있다. 상기 도전성 재료로서는 상기 설명한 양극의 도전성 재료와 동일한 재료를 사용할 수 있다. 또, 음극(11)은 음극 단자(17)를 구비한다.

고체 전해질(13)은 양극(12)과 음극(11) 사이에 배치되고, 프로톤을 수송할 수 있는, 전자 전도성이 없는 재료로 형성된다. 예를 들면, 폴리퍼플루오로술폰산 수지막, 술폰화 폴리에테르술폰산 수지막, 술폰화 폴리이미드 수지막, 황산 도프 폴리벤즈이미다졸막, 고체 전해질인 인산 도프 SiO₂, 고분자와 인산 도프 SiO₂의 하이브리드, 고분자와 산화물에 산성 용액을 함침한 겔 전해질 등을 사용할 수 있다.

상기 막 전극 접합체는 양극(12) 및 음극(11)의 외면에 확산층(14)이 배치되어 있다. 확산층(14)으로서는, 예를 들면 다공성의 탄소재료를 사용할 수 있다.

상기 막 전극 접합체의 양극(12)측의 면에 공기(산소)를 공급하기 위한 양극 세퍼레이터(16)가 배치되어 있다. 또, 상기 막 전극 접합체의 음극(11)측의 면에 수소를 공급하기 위한 음극 세퍼레이터(15)가 배치되어 있다. 또, 음극 세퍼레이터(15)는 상기 설명한 수소를 공급하는 수소발생장치와 연통하고 있다.

연료전지(10)는 본 발명의 수소발생장치와 조합됨으로써, 수소원이 되는 금속재료로부터 효율 좋게 수소가 공급되기 때문에, 이 수소을 연료로 하여 효율적으로 발전(發電)할 수 있다. 또, 본 발명의 수소발생장치에서는 수소발생반응에 물이 관여하기 때문에, 수소가스 중에 적당한 수분을 포함하고 있어, 수소를 연료로 하는 연료전지에 바람직하게 사용할 수 있다.

(실시형태 6)

도 3은 본 발명의 수소발생장치의 다른 예를 나타내는 모식 단면도로서, 도 3에서 나타나는 수소발생장치는 상기 설명한 실시형태 4와는 다른 카트리지의 형태를 가지고 있다.

본 실시형태의 카트리지(20)는 외용기(21)와, 외용기(21) 내지 수용된 내용기(22) 및 수소발생재료(23)와, 내용기(22) 내에 수용된 수소발생재료(24)를 구비한다. 또, 내용기(22)는 수소발생재료(23)에 전체 둘레가 둘러싸여 배치되어 있다.

수소발생재료(23)는 상기 설명한 실시형태 2의 수소발생재료(B)에 상당하고, 수소발생재료(24)는 상기 설명한 실시형태 2의 수소발생재료(A)에 상당한다. 외용기(21)는 내부에 물을 공급하기 위한 제 1 공급구(25)와, 수소를 배출하기 위한 제 1 배출구(27)를 포함한다. 내용기(22)는 내부에 물을 공급하기 위한 제 2 공급구(26)와, 생성된 수소를 배출하기 위한 제 2 배출구(28)를 포함한다. 또, 제 1 공급구(25) 및 제 1 배출구(27)의 내측의 선단부에는 흡수재(29)가 배치되고, 제 2 공급구(26) 및 제 2 배출구(28)의 내측의 선단부에는 흡수재(30)가 배치되어 있다.

여기서, 수소발생재료(24)를 발열재료만의 구성, 즉 금속재료를 포함하지 않는 구성으로 치환할 수도 있고, 그 경우는 수소가 발생하지 않기 때문에, 제 2 배출구(28)를 생략할 수 있다. 또, 수소발생재료(23)를 금속재료만의 구성으로 하는 것도 가능하다.

본 실시형태의 카트리지(20)는 상기 설명한 바와 같은 구성으로 함으로써 발열재료의 양을 저감하여도 수소를 효율 좋게 발생시킬 수 있다. 그 이유를 이하에 설명한다.

본 실시형태의 카트리지(20)에 있어서의 수소를 발생시키는 반응의 일례는, 먼저 내용기(22)의 내부에 있어서, 외부로부터 공급된 물과 수소발생재료(24)에 포함되는 발열재료와의 발열반응이 일어나고, 다음에 내용기(22)의 내부에서 발생한 열이 외용기(21)의 내부에 있는 수소발생재료(23)로 전달되고, 이것을 기점으로 하여 외용기(21)의 내부에 공급된 물과 수소발생재료(23)와의 반응이 개시되고, 수소를 발생시킬 수 있다.

여기서, 내용기(22)의 내부에서 발생하는 열량이 충분히 크면, 수소발생재료(23)는 발열재료를 포함하지 않아도 수소를 발생시킬 수 있기 때문에, 카트리지(20) 전체에 사용되는 발열재료의 양을 저감할 수 있다. 또, 발열재료의 양을 저감하지 않은 경우에도, 상기와 같이 수소발생재료(24)에 있어서의 발열재료의 함유율을 수소발생재료(23)에 있어서의 발열재료의 함유율보다 높게 함으로써 수소를 발생시키기까지의 시간 및 수소를 발생시키는 속도가 최대가 되기까지의 시간을 단 축시킬 수 있다.

본 실시형태의 카트리지(20)는 내용기(22)가 수소발생재료(23)에 전체 둘레가 둘러싸여 배치되어 있기 때문에, 내용기(22)의 내부에서 발생한 열이 수소발생재료(23)로 전달되기 쉽고, 금속재료의 온도를 보다 효율적으로 높일 수 있다. 내용기(22)는 외용기(21)의 내부의 대략 중앙에 배치되고, 그 주위에 수소발생재료(23)가 배치되어 있는 것이 바람직하고, 제 2 공급구(26) 및 제 2 배출구(28)를 제외하는 내용기(22)의 외면이 모두 수소발생재료(23)에 접하고 있는 것이 보다 바람직하다. 내용기(22)의 내부에서 발생한 열을 내용기(22)로부터 수소발생재료(23)에 보다 효율 좋게 전달할 수 있기 때문이다.

또, 본 실시형태의 카트리지(20)는 수소발생재료(23)와 수소발생재료(24)를 합계한 총 중량에 대하여, 수소발생재료(24)의 중량의 비율이 3 wt% 이상 40 wt% 이하인 것이 바람직하고, 5 wt% 이상 15 wt% 이하이면 보다 바람직하다. 수소발생재료(24)의 비율을 이 범위에 조정함으로써, 수소의 발생효율과 수소발생량과의 밸런스가 양호해진다.

외용기(21)는 크기, 형상 등에 의하여 특별히 한정되지 않으나, 예를 들면 덮개부와 용기 본체부로 구성된다. 외용기(21)는 수소발생재료(23)와 물에 의한 수소발생반응을 행하는 반응용기가 되기 때문에, 이 용기에 공급된 물이 외부로 누출되지 않고, 발생시키는 수소가 제 1 배출구(27) 이외로부터 배출되지 않는, 밀폐성이 높은 구조인 것이 바람직하다. 또, 외용기(21)의 재료는 물 및 수소가 외부로 누출되기 어렵고, 내열성을 가지는 재질(예를 들면, 120℃ 정도로 가열하여도 파손 되지 않는 재질 등)이 바람직하다. 예를 들면, 알루미늄, 티탄, 니켈 등의 금속, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리카보네이트 등의 수지, 알루미나, 실리카, 티타니아 등의 세라믹스, 및 내열유리 등의 재료를 사용할 수 있다. 특히, 외용기(21)의 재료가 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리카보네이트로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 재료이면 높은 단열성과 충분한 내열성을 가지기 때문에 더욱 바람직하다.

내용기(22)는 크기, 형상 등에 의하여 특별히 한정되지 않으나, 예를 들면 덮개부와 용기 본체부로 구성된다. 내용기(22)는 수소발생재료(24)와 물과의 반응을 행하는 반응 용기로서 사용되기 때문에, 이 용기 내부에 공급된 물이 외부로 누출되지 않고, 또한 상기 반응에 의하여 생성된 수소가 제 2 배출구(28) 이외로부터 배출되지 않는, 밀폐성이 높은 구조인 것이 바람직하다. 또, 내용기(22)의 재료는 내열성을 가지는 재질(예를 들면, 120℃ 정도로 가열하여도 파손되지 않는 재질 등)이 바람직하고, 열전도성이 높은 재료인 것이 보다 바람직하다. 예를 들면, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리카보네이트 등의 수지, 알루미나, 실리카, 티타니아 등의 세라믹스, 내열유리 및 금속 등의 재료를 사용할 수 있다. 특히, 알루미늄, 티탄, 니켈, 철로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 금속이 보다 바람직하다.

본 실시형태에 있어서, 제 1 공급구(25), 제 1 배출구(27), 제 2 공급구(26) 및 제 2 배출구(28)는 각각 독립되어 있으나, 이 형태에 특별히 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 제 1 공급구(25)와 제 2 공급구(26)는 그 일부분이 접속한 구성 이면 외용기(21)와 내용기(22)에 따로따로 물을 공급하지 않아서 좋으므로 바람직하다. 또, 수소발생재료(24)의 반응에 의하여 수소가 발생하는 경우에는, 제 1 배출구(27)와 제 2 배출구(28)의 일부분을 접속한 구성으로 하면 수소를 모아서 회수할 수 있으므로 바람직하다.

또, 제 1 공급구(25)를 생략하고, 제 2 배출구(28)를 통하여 내용기(22)의 내부와 외용기(21)의 내부를 연통시키도록 함으로써 내용기(22)에 공급되는 물이 다시 외용기(21)의 수소발생재료(23)에도 도달하도록 할 수도 있다. 이 경우, 외용기(21)에는 제 2 공급구(26)와 제 1 배출구(27)만 설치하여도 좋고, 구조를 간략화할 수 있다. 이 구성에 있어서, 제 2 공급구(26)로부터 공급되는 물은, 먼저 내용기(22) 내의 수소발생재료(24)와 반응하여 발열을 일으키므로, 수소발생재료(23)에 수소발생반응을 일으키는 계기로 할 수 있다. 또, 내용기(22) 중에서 발생하는 수소도 내용기(22)에 공급되는 물과 함께 제 2 배출구(28)를 통하여 외용기(21)쪽으로 이동시킬 수 있고, 내용기(22) 중에서 발생하는 수소와 수소발생재료(23)의 반응에 의하여 일어나는 수소를 모두 제 1 배출구(27)로부터 인출할 수 있다.

그러나, 제 2 배출구(28)로부터 배출되는 수소에 불순물, 예를 들면 염기성 미스트 등이 많이 혼입되는 경우에는, 제 1 배출구(27)와 제 2 배출구(28)는 독립된 구성으로 하고, 내용기(22) 중에서 발생하는 수소가 수소발생재료(23)의 반응에 의하여 발생하는 수소에 혼입되지 않도록 하는 것이 바람직하다. 이것은 상기 염기성 미스트 등을 포함하는 수소를, 예를 들면 연료전지의 연료로서 사용한 경우, 고체 전해질막의 열화의 원인이 될 수 있기 때문이다. 여기서 상기 염기성 미스트란, 프로톤을 수용하는 염기를 포함하는 미스트이고, 예를 들면 발열재료가 염기성 물질일 때 생성된다.

본 실시형태의 도 3에 나타나는 카트리지를 사용하면, 발열재료의 함유율이 적은 수소발생재료(23)가 물과 반응하여 발생하는 수소, 즉 염기성 미스트 등의 혼입이 적은 수소를 연료전지의 연료로서 사용할 수 있기 때문에, 상기 고체 전해질막의 열화의 문제를 방지할 수 있다. 또, 외용기(21)와 내용기(22) 각각의 공급구(25 및 26)를 따로따로 설치하는 경우에는, 내용기(22)에는 물 이외의 반응물질, 예를 들면 산소를 공급할 수도 있기 때문에, 내용기(22)에 수용하는 발열재료로서 철분 등과 같이 산소와 반응하여 발열하는 금속분을 사용하는 것도 가능하다.

(실시형태 7)

도 4는 본 발명의 수소발생장치의 또 다른 예를 나타내는 모식 단면도이고, 도 4에서 나타나는 수소발생장치는 실시형태 6과는 다른 카트리지의 형태를 나타낸다.

본 실시형태의 카트리지(40)는 외용기(21)와 외용기(21) 내에 수용된 내용기(22) 및 수소발생재료(23)와, 내용기(22) 내에 수용된 수소발생재료(24)와, 단열재(41)를 구비한다. 내용기(22)는 내용기(22)의 한쪽 측면의 외측이 외용기(21)의 한쪽 측면의 내측에 접하여 배치되고, 단열재(41)는 외용기(21)의 외주면에 배치되어 있다.

단열재(41)는 재료, 형상 등에 의하여 특별히 한정되는 것은 아니나, 예를 들면 발포 스티롤, 폴리우레탄 폼 등의 다공성 단열재, 또는 진공단열구조를 가지 는 단열재 등의 재료로 이루어지는 시트 등을 적절히 사용하면 좋다. 다른 구성에 대해서는 실시형태 6의 카트리지(20)와 동일하고, 도 4에서는 도 3과 동일한 부분에는 동일한 부호를 붙이고 그 설명은 생략한다.

본 실시형태의 카트리지(40)는 내용기(22)가 외용기(21)와 접하여 배치되어 있기 때문에, 내용기(22) 내부로부터 발생한 열이 외용기(21) 전체에 재빠르게 전달되어, 수소발생재료(23) 전체의 온도를 보다 효율적으로 높일 수 있다. 내용기(22)와 외용기(21)의 접하는 면적이 클수록 보다 효율 좋게 열을 전달할 수 있기 때문에 보다 바람직하다. 이 때, 외용기(21) 및 내용기(22)는 금속 등의 열전도성이 높은 재료로 이루어지는 것이 바람직하고, 2개의 용기의 재료는 동일한 재료이어도 다른 재료이어도 좋다. 또, 외용기(21)의 외주면에 단열재(41)가 배치되어 있기 때문에, 외용기(21)에 전달된 열이 외부로 방산되기 어려워, 용기 내에 열을 축적시킬 수 있다.

이하, 실시예를 사용하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 또한, 본 발명은 이하의 실시예에 한정되는 것은 아니다.

(실시예 1)

알루미늄 분말(평균입경 3 ㎛) 0.5 g과 산화칼슘 분말(평균 입경 40 ㎛) 0.5 g을 유발에서 혼합하여 수소발생재료(A)(발열재료의 함유율 : 50 wt%)를 제작하였다. 또, 상기 알루미늄 분말 3.8 g과 상기 산화칼슘 분말 0.2 g을 유발에서 혼합하여 수소발생재료(B)(발열재료의 함유율 : 5 wt%)를 제작하였다.

다음에, 알루미늄 외장캔(세로 8 mm, 가로 34 mm, 높이 50 mm)의 내부에 흡 수재로서 탈지면을 0.05 g 넣고 나서, 상기 수소발생재료(A)를 1 g과 상기 수소발생재료(B)를 4 g을 도 1에 나타낸 바와 같이 경사지게 하여 충전하였다. 상기 수소발생재료(A)와 상기 수소발생재료(B) 사이에는 칸막이재로서 알루미늄박을 배치하였다. 또한, 상기 수소발생재료(B) 상에 흡수재로서 탈지면을 0.05 g 넣었다. 수소발생재료 전체에 대하여 수소발생재료(A)의 비율은 20 wt%이고, 알루미늄 분말의 비율은 86 wt%이었다.

다음에, 물을 공급하기 위한 알루미늄제의 물 공급 파이프와, 수소를 도출시키는 알루미늄제의 수소 배출 파이프를 구비한 알루미늄판으로 덮개를 하고, 상기 물 공급 파이프의 선단을 상기 수소발생재료(A)의 근방에 배치함으로써 도 1에 나타나는 수소발생장치를 얻었다.

다음에, 상기 물 공급 파이프를 상기 수소발생재료(A 및 B)에 물을 공급하기 위한 펌프와 접속하였다. 상기 펌프로부터 물을 0.17 ㎖/분의 속도로 송출하고, 상기 알루미늄 외장캔의 내부에 물을 공급함으로써, 먼저 물과 상기 수소발생재료(A)에 포함되는 발열재료(산화칼슘 분말)를 반응시키고, 계속해서 그 반응열에 의하여 상기 수소발생재료(A 및 B)에 포함되는 알루미늄 분말과 물과의 반응을 개시시켜 수소를 발생시켰다. 25℃에 있어서, 수소가 발생하지 않게 될 때까지 물을 공급하고, 상기 알루미늄 외장캔의 표면 온도를 측정하면서 상기 수소 배출 파이프로부터 나오는 수소를 포집하였다. 또한, 상기 수소의 포집에는 수상치환법을 사용하였다.

상기 포집한 수소의 체적을 측정하여 수소발생량으로 하였다. 또, 25℃, 1 기압에서의 알루미늄 1 g당 이론 수소발생량(1360 ㎖)을 기준으로 하여, 사용한 알 루미늄 중량의 상기 이론 수소발생량에 대한 비율을 알루미늄의 반응율로서 구하였다. 또한, 수소발생량의 시간변화로부터 수소발생속도를 계산하고, 그것이 최대가 될 때까지의 시간을 구하였다.

시험 중, 상기 알루미늄 외장캔의 온도(캔 표면온도), 즉 수소발생재료의 반응온도는 최고 95℃까지 상승하였다. 한편, 수소는 거의 일정한 발생속도로 연속적으로 발생하고, 물의 공급을 정지하면 수소의 발생은 수분 후에 멈추는 것도 확인되었다.

(실시예 2)

알루미늄 분말 0.65 g과 산화칼슘 분말 0.35 g을 유발에서 혼합하여 수소발생재료(A)(발열재료의 함유율 : 35 wt%)를 제작하고, 또 알루미늄 분말 3.65 g과 산화칼슘 분말 0.35 g을 유발에서 혼합하여 수소발생재료(B)(발열재료의 함유율 : 8.75 wt%)를 제작한 이외는 실시예 1과 동일하게 하여 수소발생장치를 제작하였다. 수소발생재료 전체에 대하여 수소발생재료(A)의 비율은 20 wt%이고, 알루미늄 분말의 비율은 86 wt%이었다. 또한, 실시예 1과 동일하게 하여 수소를 발생시켰다.

(실시예 3)

알루미늄 분말 0.7 g과 산화칼슘 분말 0.3 g을 유발에서 혼합하여 수소발생재료(A)(발열재료의 함유율 : 30 wt%)를 제작하고, 또 알루미늄 분말 3.6 g과 산화칼슘 분말 0.4 g을 유발에서 혼합하여 수소발생재료(B)(발열재료의 함유율 : 10 wt%)를 제작한 이외는 실시예 1과 동일하게 하여 수소발생장치를 제작하였다. 수소발생재료 전체에 대하여 수소발생재료(A)의 비율은 20 wt%이고, 알루미늄 분말의 비율은 86 wt%이었다. 또한, 실시예 1과 동일하게 하여 수소를 발생시켰다.

(실시예 4)

알루미늄 분말 3.55g과 산화칼슘 분말 0.2 g과 알루미나(평균 입경 1 ㎛) 0.25 g을 유발에서 혼합하여 수소발생재료(B)(발열재료의 함유율 : 5 wt%)를 제작한 이외는 실시예 1과 동일하게 하여 수소발생장치를 제작하였다. 수소발생재료 전체에 대하여 수소발생재료(A)의 비율은 20 wt%이고, 알루미늄 분말의 비율은 81 wt%이었다. 또한, 실시예 1과 동일하게 하여 수소를 발생시켰다.

(비교예 1)

알루미늄 분말 4.3 g과 산화칼슘 분말 0.7 g을 유발에서 혼합하여 수소발생재료(발열재료의 함유율 : 14 wt%)를 제작하고, 이 수소발생재료를 알루미늄 외장캔 내부에 균일하게 충전한 이외는 실시예 1과 동일하게 하여 수소발생장치를 제작하였다. 또한, 실시예 1과 동일하게 하여 수소를 발생시켰다.

실시예 1 내지 4 및 비교예 1에 있어서의 수소발생재료의 구성을 표 1에 나타낸다. 또, 각각의 수소발생재료에 대하여 수소발생반응에 있어서의 알루미늄의 반응율과, 수소발생속도가 최대가 되기까지 요하는 시간의 측정 결과를 표 2에 나타낸다. 또한, 도 5 및 도 6에 실시예 1 및 비교예 1의 수소발생장치에 있어서의 상기 알루미늄 외장캔(용기)의 표면 온도의 시간변화(a) 및 수소발생속도의 시간변화(b)를 표시하는 그래프를 나타낸다.

실시예 1 내지 4의 경우, 모두 60%를 초과하는 반응율로 수소를 발생시킬 수 있고, 또한 수소발생속도가 최대에 도달하기까지의 시간이 모두 3분 이내로 단시간이었다. 이 때문에 물을 공급하기 시작하고 나서 단시간에 반응이 정상상태에 도달하고 안정되게 수소를 인출할 수 있었다. 한편, 알루미늄 분말과 발열재료를 균일하게 혼합한 비교예 1의 경우는 실시예 1 내지 4와 동일하게 수소의 발생은 확인되었으나, 수소발생속도가 최대에 도달하기까지의 시간이 40분으로 길고, 반응이 정상상태에 도달하고, 안정되게 수소를 인출할 수 있기까지 장시간을 요하였다.

또, 도 5 및 도 6으로부터 실시예 1의 쪽이 비교예 1에 비하여 단시간에 캔 표면온도가 상승하고 있는 것을 알 수 있으나, 이는 최초로 발열재료의 함유율이 높은 수소발생재료(A)에 물을 공급함으로써 금속재료(알루미늄 분말)와 물과의 반응의 개시에 충분한 열량이 알루미늄 분말에 부여되어, 수소발생반응이 촉진되었기 때문이라고 생각된다.

실시예 1 내지 3에 대하여 수소발생속도다 최대가 되기까지 요하는 시간을 비교하면, 수소발생재료(A)에 있어서의 발열재료의 함유율에 의존하고 있는 것이 확인되었다. 이는 발열재료의 증가에 의하여 반응열이 증가하여 알루미늄 분말과 물과의 반응이 보다 한층 촉진되었기 때문이라고 생각된다. 한편, 알루미늄의 반응율은 수소발생재료(A)의 발열재료의 함유율에 의존하지 않고 거의 동등하였기 때문에, 발열재료의 함유율보다도 알루미늄 분말의 입경이나 형상쪽이 반응율에 미치는 영향이 큰 것으로 생각된다.

실시예 4는 알루미나를 첨가하였기 때문에, 수소발생재료 중의 금속재료의 비율이 실시예 1보다도 적다. 그러나, 알루미나가 수소발생반응을 촉진시켰기 때문에, 반응율은 실시예 1보다도 높고, 발생속도가 최대에 도달하기까지의 시간은 실시예 1과 동등하였다. 이는 알루미나를 첨가함으로써 금속재료와 그 반응생성물과의 결합(결착)이 방지되었기 때문이라고 생각된다.

(실시예 5)

백금을 50 wt% 담지시킨 백금 담지 카본 10 중량부와 폴리퍼플루오로술폰산 수지 용액〔알드리치(Aldrich)사제의 "나피온(Nafion)"〕80 중량부와 물 10 중량부를 충분히 교반하여 균일하게 분산시킨 전극 페이스트를 조제하였다. PTFE 필름 상에 상기 전극 페이스트를 도포하여 건조하고, 양극을 얻었다.

다음에, 상기 양극의 백금 담지 카본 대신에, 백금과 루테늄과의 합금(Pt:Ru의 몰비 2:3)을 54 wt% 담지시킨 백금·루테늄 합금 담지 카본을 사용한 것 이외는 상기 양극과 동일한 방법으로 음극을 제작하였다.

또, 고체 전해질로서 폴리퍼플루오로술폰산 수지막〔듀퐁(Dupont)사제의 "나피온(Nafion) 112"〕을 준비하였다.

다음에, 상기 양극의 전극 페이스트 도포면과 상기 음극의 전극 페이스트 도포면 사이에 상기 고체 전해질을 배치한 후, 핫 프레스하여 접합하였다. 상기 양극 및 상기 음극에 부수한 PTFE 필름을 벗기고, 이 필름이 벗겨진 면에 확산층으로서 카본 페이퍼를 배치하고, 막 전극 접합체를 얻었다. 또, 상기 양극에는 양극 단자를 설치하고, 상기 음극에는 음극 단자를 설치하였다.

상기 막 전극 접합체의 양극측의 면에 공기(산소)를 공급하기 위한 세퍼레이터를 설치하고, 상기 막 전극 접합체의 음극측의 면에 수소를 공급하기 위한 세퍼레이터를 설치함으로써, 도 2에 나타내는 연료전지를 얻었다. 이 연료전지를 상기 설명한 실시예 1의 수소발생장치와 조합하여, 이 수소발생장치에서 발생한 수소를 수소 배출 파이프를 통하여 연료전지의 음극에 공급한 바, 25℃에 있어서 200 mW/㎠의 높은 출력이 얻어졌다. 본 발명의 수소발생재료를 사용하여 구성되는 수소발생장치는 소형으로 휴대에 적합하고, 연료전지의 연료 공급원으로서 유용하였다.

(실시예 6)

내용기가 되는 알루미늄제의 외장캔〔내용기(세로 5 mm, 가로 18 mm, 높이 20 mm)〕의 내부에 흡수재로서 탈지면을 0.01 g 넣고 나서, 상기 설명한 실시예 1의 수소발생재료(A)와 동일한 수소발생재료를 0.8 g 충전하고, 그 위에 흡수재로서 탈지면을 0.01 g 넣었다. 다음에, 물을 공급하기 위한 알루미늄제의 물 공급 파이프(제 2 공급구)와 수소를 도출시키는 알루미늄제의 수소 배출 파이프(제 2 배출구)를 구비한 알루미늄제의 덮개로 밀폐하였다.

또, 알루미늄 분말(평균 입경 3 ㎛) 4.0 g과 산화칼슘 분말(평균입경 40 ㎛) 0.3 g을 유발에서 혼합하여 수소발생재료(B)를 제작하였다. 다음에, 도 3에 나타낸 바와 같이, 외용기가 되는 알루미늄제의 외장캔〔외용기(세로 8 mm, 가로 34 mm, 높이 50 mm)〕의 내부에 흡수재로서 탈지면을 0.05 g 넣고 나서, 상기 수소발생재료(B)와 상기 내용기를 내용기가 상기 수소발생재료(B)에 둘러싸여 상기 외용기의 중앙에 배치되도록 넣었다. 또한, 그 위에 흡수재로서 탈지면을 0.05 g 넣었다. 마지막으로, 물을 공급하기 위한 알루미늄제의 물 공급 파이프(제 1 공급구)와 수소를 도출시키는 알루미늄제의 수소 배출 파이프(제 1 배출구)를 구비한 알루미늄제의 덮개로 밀폐하고, 수소발생장치로 하였다.

다음에, 주사기를 사용하여 상기 제 2 공급구로부터 상기 내용기 내에 물을 1 ㎖ 공급하고, 물과 상기 수소발생재료(A)에 포함되는 발열재료(산화칼슘 분말)를 반응시켜 발열시켰다. 또, 펌프를 사용하여 상기 제 1 공급구로부터 상기 외용기 내에 물을 0.17 ㎖ /분의 속도로 공급하고, 상기 내용기에서 발생한 열에 의하여 물과 상기 수소발생재료(B)에 포함되는 금속재료(알루미늄 분말)를 반응시켜 수소를 발생시켰다. 발생한 수소는 상기 제 1 배출구를 통하여 외부로 인출하고, 수상치환법을 사용하여 포집하였다. 이하, 실시예 1과 동일하게 하여 알루미늄의 반응율 및 수소발생속도가 최대가 되기까지의 시간을 구하였다. 또, 시험중, 외용기의 온도(캔 표면온도)는 최고 95℃까지 상승하였다. 한편, 수소는 거의 일정한 발생속도로 연속적으로 발생하고, 물의 공급을 정지하면 수소의 발생은 수분 후에 멈추는 것도 확인되었다.

또, 상기 제 1 배출구가 되는 외용기의 수소 배출 파이프와 수상치환장치 사이에 냉각 트랩을 설치함으로써 염기성 미스트의 포집도 행하였다. 즉, 냉각트랩에 의하여 발생한 미스트를 냉각하고 액체로 하여 회수하고, 이것을 중화적정(中和滴定)함으로써 발생한 염기성 미스트, 즉 OH^- 이온을 포함하는 수증기 중의 OH^-의 몰수를 산출하였다. 이 중화적정에는 산으로서 염산의 표준용액(농도 1.0×10^-3 mol/l)을 사용하고, 지시액으로서 페놀프탈레인을 사용하였다.

(비교예 2)

비교예 1의 수소발생장치에 있어서의 수소발생시험시에 실시예 6과 동일하게 하여 수소가스에 포함되는 염기성 미스트를 포집하여 그 양을 측정하였다.

실시예 6 및 비교예 2에 있어서의 수소발생재료의 구성을 표 3에 나타낸다. 또, 각각의 수소발생재료에 대하여 수소발생반응에 있어서의 알루미늄의 반응율과 수소발생속도가 최대가 되기까지 요하는 시간, 및 포집된 염기서 미스트(OH^- 이온)의 몰수를 표 4에 나타낸다.

다음에, 도 7에 실시예 6의 수소발생장치에 있어서의 외용기의 표면 온도의 시간변화(a) 및 수소발생속도의 시간변화(b)를 표시하는 그래프를 나타낸다.

표 4 및 도 7에 나타나는 바와 같이, 실시예 6의 수소발생장치에서도 상기 설명한 실시예 1 내지 4의 수소발생장치와 동일하게 60 %를 초과하는 반응율로 수소를 발생시킬 수 있고, 또한 물을 공급하기 시작하고 나서 단시간에 반응이 정상상태에 도달하고, 안정되게 수소를 인출할 수 있었다.

또, 실시예 6의 수소발생장치에서는 염기성 물질인 발열재료(산화칼슘)의 함유율이 낮은 수소발생재료〔수소발생재료(B)〕로부터 생성되는 수소만을 포집할 수 있기 때문에, 비교예 1의 수소발생장치에서 생성한 수소가스에 비하여 염기성 미스트의 함유량이 적은 수소가스를 얻을 수 있었다. 실시예 6의 수소발생장치와 같이 염기성 물질의 함유량이 많은 수소발생재료를 다른 용기에 나눔으로써 염기성 미스트의 비산을 저감할 수 있다.

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

이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 수소발생재료에서는 수소발생원이 되는 금속재료의 함유율을 크게 할 수 있기 때문에, 수소를 효율 좋게 발생시킬 수 있고, 연료전지용의 연료원으로서 특히 소형 휴대기기용의 연료전지 등에 폭넓게 이용 가능하다.

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물과 반응하여 수소를 발생시키는 금속재료와, 상기 금속재료 이외의 재료로서 물과 반응하여 발열하는 발열재료를 포함하는 수소발생재료에 있어서,

상기 발열재료는 상기 수소발생재료 내에서 상기 금속재료에 대하여 편재되어 있고,

상기 수소발생재료의 일부 영역에 있어서 상기 발열재료의 함유율을 다른 영역보다 높게 하며,

상기 수소발생재료는 상기 금속재료와 상기 발열재료를 함유하는 수소발생재료 A와, 상기 수소발생재료 A보다 발열재료의 함유율이 낮은 수소발생재료 B를 포함하며,

상기 수소발생재료 A에 있어서의 발열재료의 함유율이 30 내지 80 wt%이고,

상기 수소발생재료 B에 있어서의 발열재료의 함유율이 15 wt% 이하인 것을 특징으로 하는 수소발생재료.
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제 39항에 있어서,

상기 수소발생재료 A의 비율이 상기 수소발생재료 전체의 3 내지 40 wt%인 것을 특징으로 하는 수소발생재료.
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제 39항에 있어서,

상기 수소발생재료의 형상이 펠릿형상 또는 과립형상인 것을 특징으로 하는 수소발생재료.
제 39항에 있어서,

상기 수소발생재료의 한쪽 끝부, 중심부 및 표면부로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나의 영역에 존재하는 상기 발열재료의 함유율을, 다른 영역에 존재하는 상기 발열재료의 함유율보다도 높게 한 것을 특징으로 하는 수소발생재료.
제 39항에 있어서,

상기 수소발생재료 전체에 있어서의 상기 금속재료의 함유율이 85 내지 99 wt%인 것을 특징으로 하는 수소발생재료.
제 39항에 있어서,

상기 금속재료는 알루미늄, 규소, 아연 및 마그네슘으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 금속 또는 상기 금속을 주체로 하는 합금인 것을 특징으로 하는 수소발생재료.
제 39항에 있어서,

상기 금속재료는 입경이 0.1 내지 60 ㎛의 입자를 80 체적% 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 수소발생재료.
제 39항에 있어서,

상기 금속재료는 평균입경이 0.1 내지 30 ㎛의 입자로 이루어지는 것을 특징으로 하는 수소발생재료.
제 39항에 있어서,

상기 금속재료의 형상이 비늘조각형상인 것을 특징으로 하는 수소발생재료.
제 49항에 있어서,

상기 금속재료의 두께가 0.1 내지 5 ㎛인 것을 특징으로 하는 수소발생재료.
제 39항에 있어서,

상기 발열재료는 산화칼슘, 산화마그네슘, 염화칼슘, 염화마그네슘 및 황산칼슘으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종인 것을 특징으로 하는 수소발생재료.
제 39항에 있어서,

상기 수소발생재료는 친수성 산화물, 탄소 및 흡수성 고분자로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수소발생재료.
제 52항에 있어서,

상기 친수성 산화물은 알루미나, 뵘석, 실리카, 마그네시아, 지르코니아, 제올라이트 및 산화아연으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 산화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 수소발생재료.
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수소발생재료와, 상기 수소발생재료를 수용한 용기를 포함하는 수소발생장치에 있어서,

상기 수소발생재료는 물과 반응하여 수소를 발생시키는 금속재료와, 상기 금속재료 이외의 재료로서 물과 반응하여 발열하는 발열재료를 포함하고,

상기 발열재료는 상기 수소발생재료 내에서 상기 금속재료에 대하여 편재되어 있고,

상기 수소발생재료의 일부 영역에 있어서 상기 발열재료의 함유율을 다른 영역보다 높게 하며,

상기 수소발생재료는, 상기 금속재료와 상기 발열재료를 함유하는 수소발생재료 A와, 상기 수소발생재료 A보다 발열재료의 함유율이 낮은 수소발생재료 B를 포함하며,

상기 수소발생재료 A에 있어서의 발열재료의 함유율이 30 내지 80 wt%이고,

상기 수소발생재료 B에 있어서의 발열재료의 함유율이 15 wt% 이하인 것을 특징으로 하는 수소발생장치.
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상기 제 56항에 기재된 수소발생장치를 구비한 연료전지시스템.
제 56항에 있어서,

상기 수소발생재료 A의 비율이 상기 수소발생재료 전체의 3 내지 40 wt%인 것을 특징으로 하는 수소발생장치.
삭제
제 56항에 있어서,

상기 수소발생재료의 형상이 펠릿형상 또는 과립형상인 것을 특징으로 하는 수소발생장치.
제 56항에 있어서,

상기 수소발생재료의 한쪽 끝부, 중심부 및 표면부로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나의 영역에 존재하는 상기 발열재료의 함유율이 다른 영역에 존재하는 상기 발열재료의 함유율보다도 높은 것을 특징으로 하는 수소발생장치.
제 56항에 있어서,

상기 수소발생재료 전체에 있어서의 상기 금속재료의 함유율이 85 내지 99 wt%인 것을 특징으로 하는 수소발생장치.
제 56항에 있어서,

상기 금속재료는 알루미늄, 규소, 아연 및 마그네슘으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 금속 또는 상기 금속을 주체로 하는 합금인 것을 특징으로 하는 수소발생장치.
제 56항에 있어서,

상기 금속재료는 입경이 0.1 내지 60 ㎛의 입자를 80 체적% 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 수소발생장치.
제 56항에 있어서,

상기 금속재료는 평균입경이 0.1 내지 30 ㎛의 입자로 이루어지는 것을 특징으로 하는 수소발생장치.
제 56항에 있어서,

상기 금속재료의 형상이 비늘조각형상인 것을 특징으로 하는 수소발생장치.
제 67항에 있어서,

상기 금속재료의 두께가 0.1 내지 5 ㎛인 것을 특징으로 하는 수소발생장치.
제 56항에 있어서,

상기 발열재료는 산화칼슘, 산화마그네슘, 염화칼슘, 염화마그네슘 및 황산칼슘으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종인 것을 특징으로 하는 수소발생장치.
제 56항에 있어서,

상기 수소발생재료는 친수성 산화물, 탄소 및 흡수성 고분자로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수소발생장치.
제 70항에 있어서,

상기 친수성 산화물은 알루미나, 뵘석, 실리카, 마그네시아, 지르코니아, 제올라이트 및 산화아연으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 산화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 수소발생장치.
제 56항에 있어서,

상기 용기는 그 속에 물을 공급하기 위한 공급구(A)와, 그 속으로부터 수소를 배출시키기 위한 배출구(B)를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소발생장치.
제 56항에 있어서,

상기 용기 내에 물이 공급될 때, 상기 발열재료의 함유율을 높게 한 영역에 먼저 물이 공급되는 것을 특징으로 하는 수소발생장치.
제 56항에 있어서,

상기 용기는 그 내부에 내용기를 더 포함하고, 상기 내용기는 상기 발열재료를 수용하고, 또한 그 속에 물을 공급하기 위한 공급구(C)를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소발생장치.
제 74항에 있어서,

상기 내용기는 상기 금속재료를 더 수용한 것을 특징으로 하는 수소발생장치.
제 75항에 있어서,

상기 내용기 내에 수용된 상기 발열재료와 상기 금속재료의 전체에 있어서의 상기 발열재료의 함유율이 상기 내용기 밖에 존재하는 상기 수소발생재료 전체에 있어서의 상기 발열재료의 함유율보다도 높은 것을 특징으로 하는 수소발생장치.
제 76항에 있어서,

상기 내용기 밖에 존재하는 상기 수소발생재료 전체에 있어서의 상기 발열재료의 함유율이 1 내지 15 wt%인 것을 특징으로 하는 수소발생장치.
제 72항에 있어서,

상기 발열재료의 함유율을 높게 한 영역을 상기 공급구(A)의 선단부 근방에 배치한 수소발생장치.