KR101044260B1

KR101044260B1 - 알칼리 물에서 가수분해 반응에 의한 수소 고속생산을 위한알루미늄 합금설계 및 이의 제조방법

Info

Publication number: KR101044260B1
Application number: KR1020080090785A
Authority: KR
Inventors: 권혁상; 엄광섭; 박경진; 김민중; 권재영; 조근우
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2008-09-16
Filing date: 2008-09-16
Publication date: 2011-06-28
Also published as: KR20100031911A

Abstract

본 발명은 알칼리 물에서 알루미늄에 의한 가수분해 반응으로부터 수소를 고속으로 생산하기 위하여 알루미늄에 전기화학적 귀한(noble) 원소를 첨가한 새로운 알루미늄 합금 설계 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 알루미늄에 전기화학적으로 귀한 원소를 첨가하여 귀한 원소가 입계에 편석하거나 귀한 원소를 포함하는 전기화학적으로 귀한(noble) 상이 입계에 석출하도록 합금설계 및 제조함으로써 알칼리 물에 침지하면 알루미늄과 입계에 석출한 귀한 원소 혹은 귀한 상간의 갈바닉 부식과 입계부식이 동시에 일어나 수소 발생 속도를 획기적으로 높이는 알루미늄 합금의 설계 및 제조에 관한 것이다.

또한 알루미늄에 첨가하는 전기화학적으로 귀한 원소는 Fe, Cu, Ni, Co 또는 Sn로서 알루미늄 합금을 용해, 주조, 압연, 열처리하는 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금의 제조 방법에 관한 것이다.

본 발명의 수소생산은 경제적이며 안전하고 연료전지 수소 에너지원으로 자동차 동력원, 휴대용 전자기기용의 동력원 및 가정용 전기의 동력원으로 사용가능하다.

알루미늄 합금, 알칼리 물, 가수분해반응, 고속 수소발생, 입계부식, 갈바닉 부식

Description

알칼리 물에서 가수분해 반응에 의한 수소 고속생산을 위한 알루미늄 합금설계 및 이의 제조방법{Alloy design of Al alloys and their production method for fast hydrogen generation from hydrolysis reaction in alkaline water}

본 발명은 알칼리 물에서 알루미늄에 의한 가수분해(hydrolysis) 반응으로부터 수소를 고속 생산하기 위하여 알루미늄에 전기화학적 귀한 원소를 첨가하여 입계부식 및 갈바닉 부식이 동시에 일어나도록 알루미늄 합금을 설계하고 제조하는 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 알루미늄에 전기화학적으로 귀한 원소(Fe, Cu, Ni, Co 또는 Sn)를 소량 첨가하여 용해, 주조, 압연 및 열처리 공정을 거쳐 합금의 입계에 귀한원소 혹은 귀한 상(phase)이 석출하도록 합금설계 및 제조한 후 합금을 알카리 물에 침지하여 입계부식 및 갈바닉 부식이 동시에 일어나 빠른 가수분해 반응을 통하여 물에서 고속으로 수소를 생산하는 기술이다. 본 발명 합금은 벌크 상태의 순수 알루미늄 (99.9％)보다 4배 이상의 높은 수소발생속도를 나타내면 침지시간에 따라 수소 생산속도가 증가하는 특징을 보인다.

현재 에너지 시스템은 화석연료에 크게 의존하고 있으나, 화석연료는 매장량이 한정되어 있어 가까운 미래(20∼30년내)에 고갈될 것으로 예상된다. 또한 화석연료의 연소 시 발생하는 CO₂로 인하여 지구 온난화가 가속화되고 있다. 따라서 전 세계적으로 환경 친화적인 대체 에너지의 개발에 관한 연구가 꾸준히 진행되고 있다. 이 중 수소 에너지는 환경 친화적이며 높은 에너지 밀도를 갖기 때문에 자동차 동력원, 휴대용 전자기기용 연료전지의 연료로 활용이 가능하며, 연료전지 가격 또한 매년 감소하고 있어 수소에너지 시대가 앞당겨지고 있다.

수소 에너지의 효율적 이용을 위해서는 NO_x, SO_x, CO₂ 등이 배출되지 않는 환경 친화적이고 경제적이며 간편하게 수소를 발생시키는 수소 생산 방법이 필요하다. 또한, 생산한 수소를 저장하고 필요한 곳으로 안전하게 운반하기 위하여 높은 수소 저장용량을 가지며, 가볍고 안전한 수소 저장기술이 필요하다. 이와 함께 수소가 필요할 때 필요한 양의 수소를 안정적으로 생산하는 기술이 필요하다. 이러한 문제점을 해결하고자 최근 Al, Mg, Zn, Na 등의 활성적인 금속들을 이용하여 가수분해 반응을 통한 수소를 생산하는 연구가 주목 받고 있다. 이러한 활성적 금속 중 특히 알루미늄은 풍부하고 값이 저렴할 뿐만 아니라 높은 수소발생량을 제공하여 주목받고 있다.

본 발명과 관련된 종래기술은 WO 2002-008118(알루미늄용액과 가성소다로부터 수소생산), 한국특허공개 2008-0030919(수소발생 장치 및 이를 갖는 연료전지), 한국특허공개 2007-0121511(수소발생용 조성물 및 이를 이용한 수소발생 장치)은 알루미늄의 수소발생속도를 높이기 위하여 알루미늄 분말을 사용하지만 제조공정이 복잡하여 가격이 비싸고, 폭발성이 높아 산소나 습기가 제거된 밀폐된 용기에 보관해야 하는 단점이 있다. 한편 루이스 솔러 등의 알칼리 용액내에서 알루미늄 분말과 Al/Si, Al/Co등의 알루미늄합금분말을 이용한 수소발생에 대한 연구(Aluminum and aluminum alloys as sources of hydrogen for fuel cell application, Lluis Soler a, Jorge Macan as, Maria Muoz a, Juan Casado, Journal of Power Sources 169, 144-149, 2007), 정 등의 알루미늄 분말에 알칼리 용액을 조금씩 가하여 이때 나오는 수소를 이용하여 연료전지를 가동 시킨 연구(Hydrogen from aluminum in a flow reactor for fuel cell applications, C.R.Jung, Arunabha Kundu, B. Ku, J.H.gIL, h.r.lEE, j.h. Jang, Journal of Power Sources 175, 490-494, 2008), 그리고 에르 동 왕가 등의 99％ 순도의 폐 알루미늄 strip을 이용하여 저속(12.5ml/min.g)으로 발생하는 수소를 이용하여 연료전지를 가동시킨 연구(Amini-typee hydrogen generator from aluminum for proton exchange membrane fuel cells, Er-Dong Wanga, Peng-Fei Sha, Chun-Yu Dua, Xiao-RuiWang, Journal of PowerSources 181, 144-148, 2008) 등의 종래의 기술은 본 발명과 기술적 구성이 다르다.

Al에 의한 가수분해 반응을 통하여 수소를 생산하면 수소저장을 위한 수소 저장체가 필요 없고 물 자체가 수소 생산 및 저장 물질이 된다. 하기의 화학 반응식(2), 반응식(2-1), 반응식(2-2)은 알카리 물에서 알루미늄에 의한 가수분해 반응을 통한 수소 생산 반응을 보여준다. 식 2는 식(2-1)과 식(2-2)의 반응이 연속적으로 일어난 결과다.

2Al + 6 H₂O → 2Al (OH)₃ + 3H₂ + heat (821 kJ/mol)......식(2)

2Al + 6H₂O + NaOH → 2NaAl (OH)₄ ......식(2-1)

NaAl (OH)₄ → NaOH + Al (OH)₃ ......식(2-2)

알루미늄은 가수분해 반응 시 이론적으로 3.7 wt.％ (Mg: 3.3 wt.％, Zn: 2.4 wt.％)의 높은 수소 저장 밀도를 가지며, 연소(산화)시의 에너지 밀도 또한 21,994Wh/kg으로 Mg(6,859Wh/kg) Zn(9,677Wh/kg)보다 우수하며, 가솔린 (9,741Wh/kg) 보다도 높다. 알루미늄 가수분해 반응 시 1kg당 111g(상온, 1245L)의 수소를 생산할 수 있고 이때의 반응열로 30,407kJ/mol 이 방출되어 반응열(폐열)능 이용할 수 있다. 알루미늄 가수분해 반응(식(2) 참조)은 알칼리 용액 내에서 매우 활발히 일어나는 데, 이때 촉매제로 사용되는 NaOH는 반응에 소비되지 않아 가수분해 반응에 반복적으로 사용 가능하여 재사용 시 부족한 물만 공급하면 된다(상기 반응식(2-1), 반응식(2-2) 참조). 또한 가수분해 반응을 통하여 생성된 Al(OH)₃는 전기야금공정을 거쳐 Al로 재생 할 수 있다. 이러한 장점 때문에 최근 일부 연구자들이 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 이용하여 수소를 발생시키는 연구를 하고 있다. 그러나 대부분의 연구자들은 알루미늄이 알카리 물에서 수소발생속도가 낮은 단점을 보완하고자 이를 분말 상태로 제조하여 사용하고 있다. 그러나 알루미늄 분말은 표면적이 매우 넓어 수소발생속도가 높은 장점이 있지만, 공기 중의 수분과 반응하여 폭발할 위험성 있다. 그리고 알루미늄 분말은 판재 보다 제조가격이 비싸고 사용이 위험하고, 진공에서 저장해야하는 등 불편하다.

본 발명은 알칼리 물에서 수소발생속도가 빠르나 가격이 비싸고, 위험하여 사용이 불편한 알루미늄 분말의 단점을 개선하기 위하여, 알칼리 물에서 입계부식과 갈바닉 부식에 동시에 일어나 식(2)의 알루미늄에 의한 가수분해 반응 속도를 획기적으로 높이고 결과적으로 고속의 수소생산이 가능하도록 알루미늄 합금을 설계하고 판재와 같은 벌크 상태에서 안전하게 수소를 생산할 수 있는 알루미늄 합금 판재의 제조방법에 관한 것이다.

본 발명은 알루미늄보다 전기화학적으로 귀하고 합금시 알루미늄과 전기화학적으로 귀한 금속간 화합물을 형성하는 철, 구리, 니켈, 코발트 또는 주석을 소량 첨가한 후 용해, 주조, 압연, 시효 열처리 공정을 거쳐 입계에 전기화학적으로 귀한 금속간 화합물이 석출한 알루미늄 합금 판재를 제조하는 기술이다. 이러한 알루미늄합금을 알카리 물에 침지하면 입계부식과 알루미늄 과 입계에 석출한 금속간 화합물 간의 갈바닉 부식이 동시에 일어나 가수분해 반응을 통한 수소생산 속도를 획기적으로 높인다.

본 발명으로 제조되는 알루미늄 합금은 폐 알루미늄을 이용하여 제조되므로 값이 저렴하고, 분말이 아닌 판재로 제조되어 안전하고 취급하기가 편리하다. 따라서 알루미늄 합금으로 부터의 수소생산은 경제적이며 안전하여 연료전지 수소 에너지원으로 자동차 동력원, 휴대용 전자기기용의 동력원, 가정용 전기의 동력원으로 사용가능하다.

본 발명은 알칼리 물에서 가수분해 반응에 의한 고속 수소생산을 위한 전기화학적으로 귀한 원소가 첨가되도록 설계된 알루미늄 합금을 나타낸다.

상기에서 알루미늄보다 전기화학적으로 귀한 원소(noble elements)는 알루미늄과 고용하지 않고 입계에 편석 혹은 전기화학적으로 귀한 상을 석출할 수 있는 철(Fe), 구리 (Cu), 니켈(Ni), 코밭트(Co) 또는 주석(Sn)을 사용할 수 있다.

상기에서 알루미늄보다 전기화학적으로 귀한 원소는 알루미늄과 고용하지 않고 입계에 편석 혹은 전기화학적으로 귀한 상을 석출할 수 있는 철(Fe), 구리 (Cu), 니켈(Ni), 코밭트(Co) 또는 주석(Sn)의 금속 화합물을 사용할 수 있다. 이때 금속 화합물의 일예로서 FeAl, Fe₂Al₅, FeAl₃Al₂Cu, Al₃Ni, Al₃Ni₂, Al₉Co₂, Al1₃Co₄, Al₅Co₂또는 AlCo 중에서 선택된 어느 하나 이상을 사용할 수 있다.

상기에서 알루미늄 합금은 전기화학적으로 귀한 원소 중에서 선택된 어느 하나 이상이 0.1∼20 wt％ 함유될 수 있다.

상기에서 알루미늄 합금은 알루미늄에 전기화학적으로 귀한 원소를 첨가하여 귀한 원소가 입계에 편석 되게 설계함으로써 알칼리 수용액 내에서 입계부식 및 갈바닉 부식를 일으켜 알칼리 용액 내에서 고속으로 수소를 발생시킬 수 있다.

본 발명은 알루미늄에 알루미늄보다 전기화학적으로 귀한 원소의 소스 및 상기의 귀한 원소가 알루미늄 입계에 편석이 되게 하는 합금 주조 및 열처리법을 통하여 제조하는 단계와, 입계에 귀한 원소의 편석이 석출됨에 따라 부식을 일으켜 알칼리 용액 내에서 가수분해를 통하여 고속으로 수소를 발생시키는 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 벌크 알루미늄 합금의 제조 방법을 나타낸다.

상기 알루미늄 합금의 제조시 알루미늄보다 전기화학적으로 귀한 원소는 알루미늄과 고용하지 않고 입계에 편석 혹은 전기화학적으로 귀한 상을 석출할 수 있는 철(Fe), 구리 (Cu), 니켈(Ni), 코밭트(Co) 또는 주석(Sn)을 사용할 수 있다.

상기 알루미늄 합금의 제조시 알루미늄보다 전기화학적으로 귀한 원소는 알루미늄과 고용하지 않고 입계에 편석 혹은 전기화학적으로 귀한 상을 석출할 수 있는 철(Fe), 구리 (Cu), 니켈(Ni), 코밭트(Co) 또는 주석(Sn)의 금속 화합물을 사용할 수 있다. 이때 금속 화합물의 일예로서 FeAl, Fe₂Al₅, FeAl₃Al₂Cu, Al₃Ni, Al₃Ni₂, Al₉Co₂, Al1₃Co₄, Al₅Co₂또는 AlCo 중에서 선택된 어느 하나 이상을 사용할 수 있다.

상기 알루미늄 합금의 제조시 알루미늄보다 전기화학적으로 귀한 원소를 포함하는 벌크 상태의 알루미늄 합금 내에서 귀한 원소가 0.1∼20wt％ 함유되도록 알루미늄 용탕에 첨가할수 있다.

상기 알루미늄 합금의 제조시 알루미늄 합금 주조 후 열간압연 또는 냉간압연하고, 시효 열처리를 통하여 알루미늄 합금을 판재나 포일(foil) 형태로 얻을 수 있다.

상기 알루미늄 합금의 제조시 알루미늄을 폐 알루미늄으로 대체하여 사용할 수 있다.

본 발명은 안전한 수소의 저장체로 알칼리 수용액에서 고속 수소 생산이 가능하여 연료전지의 동력원으로 사용가능하며, 이때 발생되는 열을 이용하여 보일러의 열원으로도 사용가능한 것을 특징으로 하는 전기화학적으로 귀한 원소가 첨가된 벌크 알루미늄 합금의 용도를 나타낸다.

상기 알루미늄 합금의 용도는 노트북, 휴대폰 등의 휴대용 전자기기의 연료전지, 가정용 연료전지, 물로 가는 자동차, 물로 가는 배 등의 운송수단의 동력원으로 이용 할 수 있다.

상기 알루미늄 합금의 용도는 알칼리 수용액 내에서 고속 수소 발생 시 발생하는 열을 이용하여 가정용 보일러의 열원으로 사용 할 수 있다.

이하 본 발명을 보다 상세히 설명하고자 한다.

본 발명은 알칼리 용액 내에서 가수분해 반응으로부터 고속으로 수소를 발생시킬 수 있는 전기화학적으로 귀한 원소가 함유된 벌크상태의 알루미늄 합금을 나타낸다. 보다 상세하게는 알루미늄에 전기화학적으로 귀한 원소를 첨가하여 귀한 금속간화합물 상이 입계에 편석 되게 합금을 설계하고 제조하여 알칼리 수용액 내에서 입계부식 및 갈바닉 부식이 동시에 일어나 가수분해 반응 속도, 즉 수소 발생 속도를 급격히 향상시키는 알루미늄 합금에 관한 것이다.

상기에서 알루미늄보다 전기화학적으로 귀한 원소로 알루미늄에 소량(1∼10wt％) 첨가되는 귀한 원소는 철(Fe), 구리 (Cu), 니켈(Ni), 코발트(Co) 또는 주석(Sn)으로서 알루미늄에 합금시 금속간 화합물을 형성한다.

본 발명에서 설계한 알루미늄 합금 제조방법은 가열로 내에서 알루미늄과 귀한 원소 금속(Fe, Cu, Ni, Co 또는 Sn) 또는 알루미늄-귀한 원소 합금의 금속간 화합물(FeAl, Fe₂Al₅, FeAl₃Al₂Cu, Al₃Ni, Al₃Ni₂, Al₉Co₂, Al1₃Co₄, Al₅Co₂, AlCo)중에서 하나 이상을 첨가하여 용해한 후, 주조, 압연, 시효 열처리 공정을 통하여 제조한다.

본 발명에서 전기화학적으로 귀한 원소가 함유된 벌크 알루미늄 합금은 첨가원소 (Fe, Cu, Ni, Co 또는 Sn)를 0.1∼20 wt.％ 함유한다. 본 발명의 첨가 원소가 벌크 알루미늄 합금에서 함량이 0.1wt.％ 미만으로 첨가되면 알칼리용액 내에서 알 루미늄 합금으로부터 수소발생량의 증가가 크지 않고, 첨가 원소의 함량이 20wt.％ 초과하면 알칼리 수용액 내에서 가수분해반응을 통한 수소발생량, 즉 수소발생 효율이 감소하고, 불순물이 많이 생성될 수 있다. 따라서 본 발명의 알칼리 용액 내에서 가수분해 반응을 통한 수소 발생용 벌크 알루미늄 합금은 첨가 원소(Fe, Cu, Ni, Co 또는 Sn)를 0.1∼20wt％로 함유하는 것이 좋다.

가열로를 이용한 본 발명의 벌크상태의 알루미늄 합금의 제조의 일예는 다음과 같다.

먼저 가열로에서 도가니에 순수 알루미늄과 합금 원소금속 혹은 금속간 화합물 금속을 적절한 무게 비율로 넣고 가열하여 알루미늄 합금 용탕을 만든 후 알루미늄 합금 용탕을 금형에 넣어 인곳(ingot)을 제조한다. 인곳을 다시 열간 가공온도로 가열한 후 적절한 두께로 열간압연을 한다. 그리고 로 안에서 서서히 냉각하거나 적절한 온도에서 시효열처리를 하여 입계에 귀한 금속간화합물을 석출시켜 사용한다.

합금 용해시 분위기는 진공상태 혹은 불활성 원소를 채워진 상태, 대기 중 어느 하나를 선택하여도 무방하다.

상기 기술한 알루미늄 합금제조공정 중 열간압연 공정을 빼고, 합금 용해, 인곳 제조, 그리고 인곳을 시효 열처리하여 입계에 금속간 화합물을 석출시켜 사용할 수 있다.

이하 본 발명의 내용을 비교예, 실시예를 통하여 구체적으로 설명한다. 그러 나, 이들은 본 발명을 보다 상세하게 설명하기 위한 것으로 본 발명의 권리범위가 이들에 의해 한정되는 것은 아니다.

<비교예 1>

본 발명에서 제조한 알루미늄 합금의 알칼리 물에서 수소발생 특성을 동일한 크기와 형태의 순수 알루미늄과 비교하기 위하여, 순수 알루미늄 (순도 99.9％)를 5mm×5mm×5mm의 정육면체형태로 절삭한 시편을 사용하였다. 이 형태는 하기의 실시예1,2 에서 제조한 알루미늄합금의 형태와 동일하다.

<실시예 1>

하기의 Al과 Al-50 wt. Fe 원료를 사용하여 Al-x Fe(x=1,3,5,10 또는 15wt ％)합금을 용해 및 주조하였다. 이 때 카본 도가니에 원료를 넣고 온도를 1,200 ℃로 2시간 동안 가열하고 용해한 후 금형에 넣고 주조하였다. 이후, 주조물(인곳)을 550℃에서 6시간동안 시효열처리 하여 입계에 알루미늄-철 금속간 화합물이 석출한 Al-x Fe (x=1,3,5,10 and 15)을 제조하였다.

Al-x Fe (x=1,3,5,10 and 15)합금의 가수분해 반응은 10 wt.％ NaOH 용액에서 온도를 30℃ 유지하면서 시행하였다.

표 1. 알루미늄-철 합금의 조성

Al-xFe 합금조성	x (wt.％)
Al-xFe 합금조성	1	3	5	10	15
제조시 조성	무게 (g)
pure Al (99.9％)	98	94	90	80	70
Al-50wt.％Fe (FeAl)	2	6	10	20	30

<실시예 2>

하기의 표 2의 순수 Al과 Al-50 wt.％Fe, 그리고 구리 금속을 원료로 카본 도가니에 넣어 전기로에서 1200 C로 가열하여 용해한 후 금형에 부어 인곳을 주조하였다. 인곳을 550 ℃에서 6시간동안 시효열처리 하여 입계에 Al-Cu Al-Fe 금속간 화합물이 석출하였다. 이렇게 제조한 Al-Fe-Cu 합금을 30℃, 10wt.％ NaOH 용액에서 가수분해 반응에 의한 수소생산 시험을 수행하였다.

표 2. 알루미늄-철-구리 합금의 조성

Al-xFe-yCu 합금조성	x, y (wt.％)
x	3	3	0
y	3	20	20
제조 시 조성	무게(g)
pure Al (99.9％)	91	74		80
Al-50wt.％Fe (FeAl)	6	6		0
Cu (99.9％)	3	20		20

<실시예 3>

실시예 1의 방법으로 제조한 벌크형태의 Al-1wt.％Fe 합금을 두께 5 mm로 절삭하고 450 ℃에서 30분 동안 가열한 후, 열간압연을 통하여 0.3 mm 두께의 포일(foil) 형태로 제조하였다. 열간압연을 실시한 포일 형태의 Al-1wt.％Fe 합금은 비교예 1, 실시예 1, 실시예2 의 Al합금의 형태와는 다르다.

<시험예 1>

30℃의 (10 wt％ NaOH+물) 용액 (NaOH 무게: 10g, 물 무게: 90 g) 내에 상기 비교예 1의 순수 알루미늄, 상기 실시예 1의 알루미늄-철 합금(Al-1∼15wt.％Fe)을 침지하여 수소를 발생시켰으며, 가스 플로우 메터(gas flow meter)를 통하여 수소발생속도를 측정하고 그 결과를 도 1에 나타냈다.

상기의 모든 알루미늄 및 알루미늄 합금의 시편의 초기 표면적은 150 mm² 으로 모두 동일하다.

도 1을 보면 순수 알루미늄 (■), Al-1wt.％Fe (●), Al-3wt.％ Fe(▲), Al-5wt.％Fe(▼), Al-10wt.％Fe(◆), Al-15wt.％Fe (◀)의 평균 수소발생속도는 각각 11.0 ml/min.g-catalysts, 39.5 ml/min.g-catalysts, 28.0 ml/min.g-catalysts, 26.8 ml/min.g-catalysts, 35.6ml/min.g-catalysts, 54.1ml/min.g-catalysts로 측정되었다. 알루미늄에 철의 함량이 1wt.％일 때 순수 알루미늄보다 약 4배 정도 수소발생속도가 증가하였으며, 3∼10wt％.Fe 합금에서는 2∼3배 증가하였다. 이후 Al-15wt.％Fe는 5배 정도 더 높은 수소발생속도를 보이는 것으로 나타났다.

이로부터 알루미늄에 전기화학적으로 귀한 원소인 철을 첨가하여 입계에 편석을 형성시킨 벌크상태의 알루미늄-철 합금은 알칼리 물 내에서 높은 수소발생 속도를 보이는 것으로 확인되었다.

<시험예 2>

도 2는 알루미늄-철-구리 또는 알루미늄-구리 합금에서 철과 구리의 조성(Fe: 3 wt.％, Cu: 3∼20 wt.％)이 알칼리 용액 내에서 알루미늄의 가수분해 반응을 통한 수소발생특성에 미치는 영향을 보여준다.

상기 비교예 1의 순수알루미늄, 상기 실시예 2의 알루미늄-철-구리(Al-3wt.％Fe-3wt.％Cu, Al-3wt.％Fe-20wt.％Cu), 알루미늄-구리 합금(Al-20wt.％Cu)을 5wt.％ NaOH 용액에 침지하여 수소를 발생시켰다.

상기의 모든 알루미늄 합금의 초기 표면적은 150 mm² 으로 모두 동일하다.

도 2를 보면 순수 알루미늄 (■), Al-3wt.％Fe-3wt.％Cu (●), Al-3wt.％ Fe-20wt.％Cu(▼), Al-20wt.％Cu(◆)의 평균 수소발생속도는 각각 6.6 ml/min.g-catalysts, 47.8 ml/min.g-catalysts, 21.4 ml/min.g-catalysts, 33.1 ml/min.g-catalyst로 측정되었다. 알루미늄에 철의 함량이 3wt.％, 구리 함량이 3wt.％인 Al-3Fe-3Cu는 순수 알루미늄에 비하여 약 7배 정도 수소발생속도가 증가하였으며, Al-3Fe-20Cu합금은 3배, Al-20Cu 합금은 5배 증가하였다.

이로부터 알루미늄에 전기화학적으로 귀한 원소인 철, 구리를 첨가하고 입계에 편석을 형성시킨 알루미늄-철-구리, 알루미늄-구리 합금은 알칼리 물 내에서 높은 수소발생 속도를 보이는 것으로 확인되었다.

<시험예 3>

도 3은 Al-1Fe 합금의 압연효과가 알칼리 물 내에서 무게당 수소발생특성에 미치는 영향을 보여준다.

순수 알루미늄 (무게:0.68 g), 벌크형태의 Al-1wt.％Fe 합금(무게:0.75 g),실시예 3의 열간압연을 통하여 0.3 mm 두께의 포일(foil) 형태로 제조한 Al-1wt.％ Fe 합금 (무게: 0.69 g)을 10 wt.％ NaOH 용액에 침지하여 수소를 발생시켰다.

도 3을 보면 순수 알루미늄 (■), 벌크 형태의 Al-1wt.％Fe (●), 포일 형태의 Al-1wt.％ Fe(▲)의 평균 수소발생속도는 각각 4.6 ml/min.g-catalysts, 14.7 ml/min.g-catalysts, 83 ml/min.g-catalysts로 측정되었다. 열간압연을 통해 제조한 알루미늄-철 합금은 벌크 형태의 알루미늄-철 합금보다 무게 당 수소발생속도가 5.6 배 증가하였으며, 벌크형태의 순수 알루미늄 보다 18 배 증가하였다.

이로부터 알루미늄 합금의 압연으로부터 무게당 수소발생속도를 급격히 높일 수 있는 것으로 확인되었다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예, 시험예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 다음의 특허청구의 범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상 및 구성으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

본 발명에 의해 경제적이며 안전한 수소생산은 물 자체를 수소의 저장 및 발생 물질로 이용하기 때문에 매우 안전하고 경제적이다. 따라서 차세대 연료전지 수 소 에너지원으로 자동차 및 소형 선박의 동력원, 휴대용 전자기기용의 동력원, 가정용 전기의 동력원으로 사용가능하다. 특히, 합금 제조 시 폐 알루미늄을 이용할 경우에는 수소 생산 가격이 1/3로 절감되기 때문에 차세대 연료전지 동력원으로써 산업상의 이용가능성이 매우 크다.

도 1은 알루미늄-철 합금 (철의 조성=1∼15 wt.％)이 알칼리 물(10wt.％ NaOH)내에서 알루미늄의 가수분해 반응을 통한 수소발생특성에 미치는 영향을 나타낸 그래프이다.

도 2는 알루미늄-철-구리 또는 알루미늄-구리 합금에서 철과 구리의 조성(Fe: 3 wt.％, Cu: 3∼20 wt.％)이 알칼리 물(5wt.％NaOH) 내에서 알루미늄의 가수분해 반응을 통한 수소발생특성에 미치는 영향을 나타낸 그래프이다.

도 3은 Al-1Fe 합금의 압연효과가 알칼리 물 내에서 무게 당 수소발생특성에 미치는 영향을 나타낸 그래프이다.

도 4는 알칼리 용액내에서 Al-1wt.％Fe 합금의 수소생산 반응 중의 표면 형상을 보여주는 주사전자현미경 사진(배율: X34)으로 전기화학적으로 귀한 상이 입계에 석출한 것을 보여준다.

도 5는 알칼리 용액내에서 Al-1wt.％Fe 합금의 수소생산 반응 중의 표면 형상을 보여주는 주사전자현미경 사진(배율:×500)으로 결정립이 입계부식에 의하여 떨어져 나간 형상을 보여준다.

Claims

알칼리 물에서 가수분해 반응에 의한 고속 수소생산을 위해 철(Fe), 주석(Sn), FeAl, Fe₂Al₅ 및 FeAl₃으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 0.1∼20 wt％ 함유하는 것을 특징으로 하고;

상기 철, 상기 주석, 상기 FeAl, 상기 Fe₂Al₅ 및 상기 FeAl₃은 입계에 편석 되게 설계함으로써 알칼리 수용액 내에서 입계부식 및 갈바닉 부식를 일으켜 알칼리 용액 내에서 고속으로 수소를 발생시키는 것을 특징으로 하며;

노트북, 휴대폰의 연료전지, 물로 가는 자동차의 동력원 및 물로 가는 배의 동력원으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나에 이용되는 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금.
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