KR20100126419A

KR20100126419A - 수소 발생장치

Info

Publication number: KR20100126419A
Application number: KR1020107021077A
Authority: KR
Inventors: 다케시 미키; 도시히로 나카이; 쇼지 사이바라
Original assignee: 히다치 막셀 가부시키가이샤
Priority date: 2008-02-27
Filing date: 2009-02-27
Publication date: 2010-12-01
Also published as: JPWO2009107779A1; CN101959791A; WO2009107779A1; US20110008216A1

Abstract

본 발명의 수소 발생장치는, 물과의 발열반응에 의하여 수소를 발생시키는 금속재료를 포함하는 수소 발생재료를 수납하는 용기를 구비하고, 상기 용기는, 상기 용기의 내부에 물을 공급하기 위한 물 공급관과, 상기 용기 내에서 발생한 수소를 상기 용기의 외부로 도출하기 위한 수소 도출구를 구비하고, 상기 수소 도출구에 대향하는 상기 용기의 벽면을 기준면으로 하여, 상기 용기의 내부에 배치된 상기 물 공급관의 선단인 물 공급구는, 상기 기준면의 근방에 배치되고, 상기 물 공급관은, 상기 기준면의 중앙 근방으로부터, 상기 기준면에 대하여 수직방향으로 신장되는 수직부분을 포함하고, 상기 물 공급관의 상기 수직부분의 바깥 둘레에는, 흡수재가 배치되며, 상기 수직부분의 유효 길이 중, 상기 수소 도출구 측의 15% 이상의 길이부분에는, 상기 흡수재가 배치되어 있지 않은 것을 특징으로 한다.

Description

수소 발생장치{HYDROGEN GENERATOR}

본 발명은, 물과 반응하여 수소를 발생시키는 금속재료를 사용하는 수소 발생장치에 관한 것이다.

최근, 퍼스널 컴퓨터, 휴대전화 등의 코드리스 기기의 보급에 따라, 그 전원인 2차 전지는, 점점 더 소형화, 고용량화가 요망되고 있다. 현재, 에너지 밀도가 높고, 소형 경량화를 도모할 수 있는 2차 전지로서 리튬이온 2차 전지가 실용화되어 있고, 포터블 전원으로서의 수요가 증대하고 있다. 그러나, 사용되는 코드리스 기기의 종류에 따라서는, 이 리튬이온 2차 전지에서는 아직 충분한 연속 사용시간을 보증할 정도까지는 이르고 있지 않다.

이와 같은 상황 중에서, 상기 요망에 따를 수 있는 전지의 일례로서, 고체 고분자형 연료전지를 들 수 있다. 전해질에 고체 고분자 전해질, 양극 활물질에 공기 중의 산소, 음극 활물질에 연료(수소, 메탄올 등)를 사용하는 고체 고분자형 연료전지는, 리튬이온 전지보다 고에너지 밀도화를 기대할 수 있는 전지로서 주목받고 있다.

연료전지는, 연료 및 산소의 공급만 행하면 연속적으로 사용할 수 있으나, 사용하는 연료에 관해서는 몇가지 후보를 들 수 있다. 현재 시점에서 후보로 되어 있는 연료에는, 각각 여러가지 문제점을 가지고 있어, 최종적인 결정이 아직 이루어져 있지 않다.

연료로서 수소를 사용하는 연료전지로서는, 예를 들면, 고압 탱크 또는 수소흡장합금 탱크에 축적한 수소를 공급하는 방법이 일부에서 실용화되고 있으나, 체적 및 중량이 커져 에너지 밀도가 저하하기 때문에, 포터블 전원 용도로는 적합하지 않다는 단점을 가지고 있다.

또, 연료전지의 연료로서, 탄화수소계 연료를 사용하고, 그것을 개질하여 수소를 추출하는 방법도 있으나, 개질장치가 필요하게 되어 개질장치에 대한 열의 공급 및 단열 등의 문제가 있기 때문에, 역시 포터블 전원 용도로는 부적당하다. 이밖에, 연료로서 메탄올을 사용하여, 직접 전극에서 메탄올을 연료로서 반응시키는 직접 메탄올형 연료전지도 있으며, 이것은 소형화가 용이하여, 장래의 포터블 전원으로서 기대되고 있으나, 음극의 메탄올이 고체 전해질을 투과하여 양극에 도달하는 크로스오버에 의한 전압의 저하 및 에너지 밀도의 감소라는 문제가 있다.

이와 같은 상황에서, 연료전지의 연료원인 수소를 제조하는 방법으로서, 물과, 예를 들면 알루미늄, 마그네슘, 규소, 아연 등의 수소 발생 재료를, 100℃ 이하의 저온에서 화학 반응시켜 수소를 발생시키는 방법이 제안되어 있다(예를 들면, 특허문헌 1 및 특허문헌 2 참조.).

그러나, 특허문헌 1에 기재된 방법에 의하면, 산화칼슘을 알루미늄과의 총량에 있어서 15 중량% 이상 첨가하지 않으면, 수소를 발생시킬 수 없을 뿐만 아니라, 반응시간과 함께 수소 발생 속도가 크게 변동하여, 수소 발생 반응의 효율이나 안정성의 점에서 큰 문제를 일으키게 된다.

또, 특허문헌 2에 기재된 방법에서도, 수소 발생 반응을 효율적으로 진행시키기 위해서는 다량의 첨가제를 필요로 하여, 효율적이고 또한 안정적으로 수소를 제조하는 방법을 제공할 수 있는 것은 아니다.

본 발명자들은, 특허문헌 1, 2에 기재된 방법이 안고 있는 상기 문제를 회피하도록 검토를 거듭하여, 물과의 발열반응에 의해 수소를 발생하는 수소 발생 재료를 수용한 용기의 내부에 물을 공급하는 공정과, 상기 물과 상기 수소 발생 재료를 상기 용기 내에서 반응시켜 수소를 발생시키는 공정을 포함하는 수소의 제조방법으로서, 상기 물을 공급하는 공정에서, 상기 물의 공급량을 제어함으로써, 상기 용기의 내부를 상기 발열반응을 유지할 수 있는 온도로 유지하여, 수소 발생 속도의 변동을 억제하는 기술을 개발하고, 이것을 특허문헌 3에서 제안하고 있다. 특허문헌 3에 기재된 기술이면, 수소 발생 반응을 안정적으로 유지할 수 있어, 간편하고 효율적이며 또한 안정적으로 수소를 제조할 수 있다.

또, 본 발명자들은, 더욱 효율적으로 수소를 발생시키기 위하여, 물과 반응하여 수소를 발생시키는 금속재료와, 물과 반응하여 발열하는 발열재료이고 상기 금속재료 이외의 재료를 포함하는 수소 발생 재료로서, 상기 발열재료가, 상기 금속재료에 편재하고 있는 수소 발생 재료와, 그 수소 발생 재료를 사용한 수소 발생장치를 개발하여, 이것을 특허문헌 4에서 제안하고 있다.

[특허문헌 1]

일본국 특개2004-231466호 공보

[특허문헌 2]

일본국 특표2004-505879호 공보

[특허문헌 3]

일본국 특개2007-45646호 공보

[특허문헌 4]

국제공개 제2007/018244호 팜플릿

그러나, 특허문헌 3, 4에 개시된 기술에서도, 수소 발생효율의 향상에 더하여, 수소 발생 재료를 수용한 용기의 구성에 대하여, 아직 개량의 여지가 있는 것을 알았다.

본 발명은 상기 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적은, 간편하고 효율적으로 수소를 발생시킬 수 있는 수소 발생장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 수소 발생장치는, 물과의 발열반응에 의해 수소를 발생시키는 금속재료를 포함하는 수소 발생 재료를 수납하는 용기를 구비한 수소 발생장치로서, 상기 용기는, 상기 용기의 내부에 물을 공급하기 위한 물 공급관과, 상기 용기 내에서 발생한 수소를 상기 용기의 외부로 도출하기 위한 수소 도출구를 구비하고, 상기 수소 도출구에 대향하는 상기 용기의 벽면을 기준면으로 하여, 상기 용기의 내부에 배치된 상기 물 공급관의 선단인 물 공급구는, 상기 기준면의 근방에 배치되고, 상기 물 공급관은, 상기 기준면의 중앙 근방으로부터, 상기 기준면에 대하여 수직방향으로 신장되는 수직부분을 포함하며, 상기 물 공급관의 상기 수직부분의 바깥 둘레에는, 흡수재가 배치되고, 상기 수직부분의 유효 길이 중, 상기 수소 도출구 측의 15% 이상의 길이 부분에는, 상기 흡수재가 배치되어 있지 않은 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 간편하고 효율적으로 수소를 발생시킬 수 있는 수소 발생장치를 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 수소 발생장치의 일례인 연료 카트리지를 나타내는 모식 단면도,
도 2는 도 1의 I-I선의 화살 표시 단면도,
도 3은 물 공급관의 바깥 둘레에 흡수재를 배치하지 않고 수소 발생 반응을 행한 연료 카트리지의 수소 발생 반응 도중에서의 모식 단면도,
도 4는 실시예 1에서 사용한 연료 카트리지의 모식 단면도,
도 5는 도 4의 II-II선의 화살 표시 단면도,
도 6은 실시예 4에서 사용한 연료 카트리지의 모식 단면도,
도 7은 도 6의 III-III선의 화살 표시 단면도,
도 8은 비교예 1에서 사용한 연료 카트리지의 모식 단면도,
도 9는 도 8의 IV-IV선의 화살 표시 단면도,
도 10은 비교예 3에서 사용한 연료 카트리지의 모식 단면도,
도 11은 실시예 1 및 비교예 1에서의 수소 발생 속도와, 경과시간의 관계를 나타내는 도면이다.

본 발명의 수소 발생장치에서 사용하는 금속재료는, 주로, 알루미늄, 규소, 아연, 마그네슘이라는 금속이나 이들 금속원소를 주체로 하는 합금으로 구성되어 있고, 각종 형상을 가지는 입자로서 사용하나, 이와 같은 입자는, 일반적으로, 상기 금속이나 합금을 금속상태로 함유하는 입자 내부와, 해당 입자 내부의 적어도 일부를 피복하는 표면 피막(산화 피막)으로 구성되어 있다. 그리고, 이와 같은 금속재료와 물과의 반응 시에는, 상기 표면 피막에 물이 침투하여, 입자 내부의 금속이나 합금에까지 물이 도달하면, 물과 금속재료가 반응하여 수소가 발생한다.

예를 들면, 상기 금속재료의 하나인 알루미늄과 물과의 반응은, 하기 식(1)∼(3) 중 어느 하나에 의하여 진행되고 있다고 생각된다. 하기 식(1)에 의한 발열량은, 419 kJ/mol이다.

이 중, 100℃ 이하의 저온에서 우선적으로 일어난다고 생각되는 상기 식(1) 및 (2)의 반응에서는, 반응생성물로서 수화물을 생성한다. 이 수화물도 난수용성이기 때문에, 그대로 금속재료의 입자 표면에 머물러, 산화 피막이 두꺼워진다. 그리고, 입자 표면에 머문 상기 수화물과, 미반응 금속재료가 응결하는 현상이 일어난다고 생각된다. 이 현상에 의하여, 미반응 금속재료의 입자 내부까지 물이 침투하기 어렵게 된다. 그 때문에, 상기 금속재료를 포함하는 수소 발생 재료를 수용한 용기 내에서 상기한 특허문헌 3 및 특허문헌 4의 기술을 사용하여 수소를 발생시킬 때, 반응조건에 따라서는, 상기 현상이 일어나기 쉬워지고, 그 결과, 상기 용기 내에서 수소 발생 재료의 불균일한 반응이 진행되어, 수소 발생효율이 나빠진다는 단점이 생기는 경우가 있었다.

그런데, 본 발명자들이 예의 검토를 거듭한 결과, 상기와 같은 현상이 일어날 수 있는 수소 발생 재료와 물을 사용하여 수소를 발생시키는 수소 발생장치의 구조를 개선함으로써, 수소 발생량을 증대시켜, 효율적인 수소 발생을 가능하게 할 수 있는 것을 찾아내고, 본 발명을 완성시켰다.

즉, 본 발명의 수소 발생장치는, 물과의 발열반응에 의해 수소를 발생시키는 금속재료를 포함하는 수소 발생 재료를 수납하는 용기를 구비한 수소 발생장치로서, 상기 용기는, 상기 용기의 내부에 물을 공급하기 위한 물 공급관과, 상기 용기 내에서 발생한 수소를 상기 용기의 외부로 도출하기 위한 수소 도출구를 구비하고, 상기 수소 도출구에 대향하는 상기 용기의 벽면을 기준면으로 하여, 상기 용기의 내부에 배치된 상기 물 공급관의 선단인 물 공급구는, 상기 기준면의 근방에 배치되고, 상기 물 공급관은, 상기 기준면의 중앙 근방으로부터, 상기 기준면에 대하여 수직방향으로 신장되는 수직부분을 포함하며, 상기 물 공급관의 상기 수직부분의 바깥 둘레에는, 흡수재가 배치되고, 상기 수직부분의 유효 길이 중, 상기 수소 도출구 측의 15% 이상의 길이 부분에는, 상기 흡수재가 배치되어 있지 않은 것을 특징으로 한다.

상기 본 발명의 수소 발생장치를 사용함으로써, 간편하고 효율적으로 수소를 발생시킬 수 있다. 또, 본 명세서에서 말하는 「수직부분의 유효 길이」란, 상기수직부분의 바깥 둘레에 흡수재를 배치하지 않은 경우에 있어서, 상기 수직부분이 상기 수소 발생 재료와 접하는 부분의, 상기 기준면에 대한 수직방향의 총 길이를 말한다.

이하, 본 발명의 수소 발생장치의 일례를 도면에 의거하여 구체적으로 설명한다. 도 1은, 본 발명의 수소 발생장치의 일례인 연료 카트리지를 나타내는 모식단면도이다. 도 2는, 도 1의 I-I선의 화살 표시 단면도이다. 도 1 및 도 2는, 본 발명의 수소 발생장치의 일례를 나타내는 것으로, 본 발명의 수소 발생장치는, 도 1 및 도 2에 나타내는 구성의 것에 한정되는 것은 아니다.

도 1에서, 연료 카트리지(100)는, 수소 발생 재료를 수용 가능한 용기 본체(1a)와, 덮개(1b)를 구비하고, 덮개(1b)에는 용기 본체(1a)에 물을 공급하는 물 공급관(3)과, 수소를 도출하는 수소 도출관(5)이 설치되어 있다. 도 1에서는 물 공급관(3)은, 수평방향(도 1의 좌우방향)으로 배치되어 있으나, 연직방향(도 1의 상하방향)으로 배치하여도 된다. 또, 도 1에서는, 물 공급관(3)을 L자 형상으로 형성하였으나, 물 공급관(3)의 전체를 직선형상으로 형성하여도 된다.

연료 카트리지(100)는, 마이크로 펌프 등의 펌프(도시 생략.)를 사용하여, 물 공급관(3)의 물 공급구(4)를 통하여 용기(1)에 물을 공급하고, 용기(1) 내에서 수소 발생 재료(2)와 물을 반응시켜 수소를 발생시킨다. 따라서, 용기(1)는, 수소 발생 재료(2)와 물과의 반응용기로서의 역할도 담당하고 있다. 용기(1)에서 발생한 수소는, 수소 도출구(6)로부터 수소 도출관(5)을 거쳐, 수소를 필요로 하는 연료전지 등의 기기에 공급된다.

용기(1)는, 수소 발생 재료(2)를 수납 가능하면, 그 재질이나 형상은 특별히 한정되지 않으나, 수소 발생 재료(2)와 물과의 수소 발생 반응을 행하는 반응용기로서 사용되기 때문에, 물 공급구(4)나 수소 도출구(6) 이외로부터 물이나 수소가 새지 않는 재질이나 형상이 바람직하다. 구체적인 용기(1)의 재질로서는, 물 및 수소를 투과하기 어렵고, 또한 100℃ 정도로 가열하여도 용기가 파손되지 않는 재질이 바람직하며, 예를 들면, 알루미늄, 티탄, 니켈, 철 등의 금속, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리카보네이트 등의 수지를 사용할 수 있다. 또, 용기(1)의 형상으로서는, 각진 기둥 형상, 원주 형상 등을 채용할 수 있다.

수소 도출구(6)는, 수소를 외부로 도출할 수 있는 구조이면 특별히 한정되지 않고, 예를 들면, 덮개(1b)에 형성된 개구이어도 되며, 또, 덮개(1b)에 직접 접속된 파이프[도 1의 수소 도출관(5)에 해당한다.]를 수소 도출구로 하는 것이어도 된다. 수소 도출구(6)에는, 필터를 배치하면, 용기(1)의 내용물이 밖으로 새어 나가지 않기 때문에 더욱 바람직하다. 이 필터는, 기체를 통과시키고 액체 및 고체를 통과시키기 어려운 구조이면 특별히 한정되지 않고, 예를 들면, 다공성의 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)제의 기액 분리막, 폴리프로필렌제의 다공질 필름 등을 사용할 수 있다.

도 1에서, 수소 도출구(6)에 대향하는 용기(1)의 벽면을 기준면으로 한 경우, 용기(1)의 내부에 배치된 물 공급관(3)의 선단인 물 공급구(4)는, 상기 기준면의 근방에 배치되어 있다. 여기서, 본 명세서에서 말하는 「기준면의 근방」이란, 상기 기준면으로부터의 수직방향의 거리가, 물 공급구(4)의 최대 외경의 2배 이하의 길이가 되는 범위를 말한다. 또, 물 공급관(3)은, 상기 기준면의 중앙 근방으로부터, 상기 기준면에 대하여 수직방향으로 신장되는 수직부분을 구비하고 있다. 여기서, 본 명세서에서 말하는 「기준면의 중앙 근방」이란, 상기 기준면 상의 중심점으로부터의 평면거리가, 물 공급구(4)의 최대 외경의 4배 이하의 길이가 되는 범위를 말한다.

또, 물 공급관(3)은, 뒤에서 상세하게 설명하나, 물의 공급량을 제어할 수 있는 펌프와 접속되어 있으면, 물의 공급량을 조절함으로써, 발생하는 수소의 양을 제어할 수 있기 때문에 더욱 바람직하다.

또, 물 공급관(3)의 상기 수직부분의 바깥 둘레에는, 흡수재(7a)가 배치되고, 상기 수직부분의 유효 길이(이하, 단지 유효 길이라는 경우가 있다.) 중, 수소 도출구(6) 측의 15% 이상의 길이 부분에는, 흡수재(7a)가 배치되어 있지 않다. 또, 상기 유효 길이 중, 수소 도출구(6) 측의 19% 이상 69% 이하의 길이 부분에는, 흡수재(7a)가 배치되어 있지 않은 것이 더욱 바람직하다.

흡수재(7a)를 상기한 바와 같이 배치함으로써, 효율적으로 수소를 발생시킬 수 있다. 이 이유의 상세는 불분명하나, 물 공급관(3)의 바깥 둘레에 흡수재(7a)를 배치하고 있지 않은 수소 발생장치와 비교하여, 생각되는 이유를 간단하게 설명한다. 도 3은, 물 공급관(3)의 바깥 둘레에 흡수재를 배치하고 있지 않은 것 이외는, 도 1의 연료 카트리지(100)와 대략 동일한 구성을 가지는 연료 카트리지를 나타내는 모식 단면도이다. 도 3에서, 도 1과 동일부분에는 동일한 부호를 붙이고 그 상세한 설명은 생략한다.

도 3은, 물 공급관(3)의 바깥 둘레에 흡수재를 배치하지 않고 수소 발생 반응을 행한 연료 카트리지(100)의 수소 발생 반응의 도중(정상상태 종료 시)에서의 모식 단면도를 나타낸다. 도 3의 오른쪽은 용기(1)의 기준면측, 왼쪽은 수소 도출구(6) 측이다. 또, 도 3에 나타내는 모식 단면도는, 연료 카트리지(100)를 X선 CT로 관찰한 결과에 의거하여 도시하고 있다.

여기서, 본 명세서에서 말하는 「정상상태」란, 수소 발생 속도가 최대값에 도달한 후에, 수소 발생 속도가 거의 일정해진 상태를 말한다.

도 3에서 분명한 바와 같이, 용기(1)의 기준면의 근방에 배치된 물 공급구(4)로부터 수소 발생 반응이 진행되고 있으나, 물 공급구(4)가 배치되는 수소 발생 재료(2)의 오른쪽에서 왼쪽을 향하여 균일하게 반응이 진행되는 것은 아니고, 용기(1)의 중앙 상부에 미반응 수소 발생 재료(2a)가 선택적으로 퇴적되고, 이 미반응 수소 발생 재료(2a)를 둘러싸도록 반응 후의 수소 발생 재료(2b)가 존재하고 있는 것을 알았다. 이것은, 상기한 바와 같이, 수소 발생 재료(2)에 포함되는 금속재료와 물과의 반응 시에, 금속재료의 입자 표면에 머문 반응생성물인 수화물과, 미반응 금속재료가 응결하는 현상이, 미반응 수소 발생 재료(2a)와 반응 후의 수소 발생 재료(2b)의 경계부분(도 3의 굵은 선 부분)에서 일어나고, 그 결과, 미반응 수소 발생 재료(2a)에 포함되는 금속재료 분말의 입자 내부로의 물의 침투가 곤란하게 되었기 때문이 아닌가라고 추찰된다.

한편, 도 1에 나타내는 본 발명의 수소 발생장치에서는, 상기 응결현상이, 상기 경계부분(도 3의 굵은 선 부분)에서 일어났다 하여도, 물 공급관(3)의 바깥 둘레에 흡수재(7a)가 배치됨으로써, 물이 유지된 흡수재(7a)가, 용기(1)의 중앙 상부 내에 위치하고, 또한 그 물이 상기 응결현상이 일어나 있지 않은 미반응 금속재료 분말로 침투하기 때문에, 도 3에 나타내는 미반응 수소 발생 재료(2a)에서도 효율적으로 반응이 진행된 것으로 추찰된다.

흡수재(7a)의 재질은, 물을 빨아들여 유지할 수 있는 재질이면 특별히 한정되는 것은 아니고, 일반적으로는, 탈지면, 부직포, 면포, 거즈 또는 스펀지 등을 사용할 수 있다.

흡수재(7a)는, 상기 수직부분의 유효 길이의 30% 이상 70% 이하의 길이 부분에, 상기 기준면 측으로부터 배치되는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 40% 이상 60% 이하의 길이 부분에 상기 기준면 측으로부터 배치된다. 흡수재(7a)가, 상기 기준면 측으로부터 배치됨으로써, 용기 본체(1a)의 상기 기준면의 근방에 배치된 물 공급구(4)로부터 공급되는 물이, 물 공급관(3)의 바깥 둘레에 배치되는 흡수재(7a)로 원활하게 침투할 수 있다.

또, 흡수재(7a)가, 상기 유효 길이의 30% 미만의 길이 부분에 배치되는 경우, 흡수재(7a)에 유지된 물이 상기 중앙 상부 내에 위치하는 상기 응결현상이 일어나 있지 않은 미반응 금속재료 분말로 침투하는 효과가 약해진다. 한편, 흡수재(7a)가, 상기 유효 길이의 70%를 넘는 길이 부분에 배치되는 경우, 흡수재(7a)에 의해, 수소 도출구(6) 측으로의 물의 침투가 과도하게 진행됨으로써, 상기 기준면의 근방 및 용기(1)의 중앙부분 부근(도 1의 I-I선의 단면 부근)으로의 물의 침투가 곤란해져, 상기 기준면의 근방 및 용기(1)의 중앙부분 부근에 위치하는 수소 발생 재료(2)의 반응이 일어나기 어렵게 된다.

도 1에 나타낸 연료 카트리지(100)에서는, 상기 기준면 측과는 반대측에 위치하는 흡수재(7a)의 선단부로부터, 물 공급관(3)에 대하여 수직방향으로, 흡수재(7b)가 더 신장되어 있고, 또한 흡수재(7b)는, 용기(1)의 벽면에 접하지 않도록 배치되어 있다. 흡수재(7b)는, 반드시 필요하지는 않으나, 흡수재(7b)에 유지된 물이, 상기 중앙 상부 내에 위치하는 상기 응결현상이 일어나 있지 않은 미반응 금속재료 분말이 광범위하게 침투할 수 있기 때문에, 배치하는 것이 바람직하다. 여기서, 흡수재(7b)는, 용기(1) 내의 벽면에 접하여 배치하여도 되나, 그 경우, 상기 흡수재(7b)에 유지된 물이 용기(1)의 벽면을 타고 흘러, 상기 중앙 상부 내에 위치하는 상기 응결현상이 일어나 있지 않은 미반응 금속재료 분말에 침투하는 효과가 약해질 가능성이 있다. 그 때문에, 흡수재(7b)는, 용기(1) 내의 벽면에 접하지 않도록 배치하는 것이 더욱 바람직하다. 또한, 흡수재(7b)는, 도 1에 나타내는 바와 같이, 용기 본체(1a)의 기준면이 연직 방향으로 설치되는 경우에 있어서 배치하는 것이 바람직하다. 또, 흡수재(7b)의 재질은, 물을 빨아들여 유지할 수 있는 재질이면 특별히 한정되는 것은 아니고, 흡수재(7a)와 동일한 재료를 사용할 수 있다.

도 1에 나타낸 연료 카트리지(100)에서는, 용기(1)의 내부에서의 물 공급구(4) 및 수소 도출구(6)의 각각의 선단부에, 흡수재(7c, 7d)가 더 배치되어 있다. 흡수재(7c 또는 7d)는, 반드시 필요하지는 않으나, 수소 발생 반응에 의한 물의 소비에 따라, 흡수재(7c 또는 7d)에 유지된 물이 수소 발생 재료(2)에 공급되어, 수소 발생 속도의 시간 변동을 어느 정도 억제하는 것이 가능해지기 때문에, 배치하는 것이 바람직하다. 게다가, 흡수재(7d)는, 수소 발생 반응 시에, 수소 발생 재료(2)가 수소 도출구(6)로부터 수소 도출관(5)을 거쳐, 수소를 필요로 하는 연료전지 등의 기기로 유출되는 것을 방지하는 필터의 역할도 담당하기 때문에, 배치하는 것이 바람직하다. 흡수재(7c 또는 7d)의 재질은, 물을 빨아들여 유지할 수 있는 재질이면 특별히 한정되는 것은 아니고, 흡수재(7a)와 동일한 재료를 사용할 수 있다.

본 발명의 수소 발생장치에 사용되는 금속재료로서는, 물과 반응하여 수소를 발생시키는 재료이면 특별히 한정되지 않으나, 알루미늄, 규소, 아연, 마그네슘 및 이들 원소를 주체로 하는 합금으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종을 적합하게 사용할 수 있다. 상기 합금의 주체가 되는 원소 이외의 원소는 특별히 한정되지 않는다. 여기서, 주체란, 합금 전체에 대하여 80 질량% 이상, 더욱 바람직하게는 90 질량% 이상 함유되어 있는 것을 말한다. 이들 금속재료는, 상온에서는 물과 반응하기 어려우나, 가열함으로써 물과의 발열반응이 용이해지는 물질이다. 여기서, 본 명세서에서 「상온」이란, 20∼30℃ 범위의 온도이다.

상기 금속재료는, 적어도 상온 이상으로 가온된 상태에서, 물과 반응하여 수소를 발생시킬 수 있다. 그러나, 표면에 안정된 산화 피막이 형성되기 때문에, 저온 하, 또는, 판 형상, 블럭 형상 등의 벌크 형상에서는, 수소를 발생하지 않는 또는 수소를 발생하기 어려운 재료이다. 한편, 상기 산화 피막의 존재에 의하여, 공기 중에서의 취급은 용이하다.

상기 금속재료는, 그 평균 입자지름에 의해 특별히 한정되지 않으나, 그 평균 입자 지름이 0.1 ㎛ 이상 100 ㎛ 이하로 하는 것이 바람직하고, 0.1 ㎛ 이상 50 ㎛ 이하가 더욱 바람직하다. 상기 금속재료는, 일반적으로, 표면에 안정된 산화 피막이 형성되어 있다. 그 때문에, 판 형상, 블럭 형상 및 입자지름 1 mm 이상의 벌크 형상 등의 금속재료는, 가열하여도 물과의 반응이 진행되지 않아, 실질적으로 수소를 발생시키지 않는 경우도 있다. 그러나, 상기 금속재료의 평균 입자지름을 100 ㎛ 이하로 하면, 산화 피막에 의한 물과의 반응 억제 작용이 감소하여, 상온에서는 물과 반응하기 어려우나, 가열하면 물과의 반응성이 높아져, 수소 발생 반응을 지속할 수 있게 된다. 또, 상기 금속재료의 평균 입자지름을 50 ㎛ 이하로 하면, 40℃ 정도의 온화한 조건에서도 물과 반응하여 수소를 발생시킬 수 있다.

또, 상기 금속재료의 평균 입자지름이 50 ㎛를 넘는 경우에도, 상기 금속재료가 플레이크 형상이고, 또한 그 두께가 5 ㎛ 이하인 경우에는, 물과의 반응성을 높여, 더욱 효율적으로 수소를 발생시킬 수 있고, 특히 상기 금속재료의 두께가 3 ㎛ 이하인 경우에는, 반응효율을 한층 더 향상시킬 수 있다.

한편, 금속재료의 평균 입자지름을 0.1 ㎛ 미만으로 하거나, 플레이크 형상의 금속재료의 두께를 0.1 ㎛ 미만으로 하면, 발화성이 높아져 취급이 곤란해지거나, 상기 금속재료의 충전 밀도가 저하하여 에너지 밀도가 저하하기 쉬워진다. 그 때문에, 상기 금속재료의 평균 입자지름은, 0.1 ㎛ 이상으로 하는 것이 바람직하고, 또, 상기 금속재료가 플레이크 형상인 경우에는, 그 두께는 0.1 ㎛ 이상인 것이 바람직하다.

여기서, 본 명세서에서 말하는 「평균 입자지름」은, 체적기준의 적산분률 50%에서의 입자 직경의 값인 D₅₀을 의미한다. 평균 입자지름의 측정방법으로서는, 예를 들면, 레이저 회절·산란법 등을 사용할 수 있다. 구체적으로는, 물 등의 액상에 분산시킨 측정 대상 물질에 레이저광을 조사함으로써 검출되는 산란강도 분포를 이용한 입자지름 분포의 측정방법이다. 레이저 회절·산란법에 의한 입자지름 분포 측정장치로서는, 예를 들면, 니키소(주)사제의 "마이크로트랙HRA" 등을 사용할 수 있다.

또, 본 명세서에서 플레이크 형상의 금속재료의 두께는, 주사형 전자현미경(SEM)으로 관찰하기로 한다.

또, 상기 금속재료의 입자 형상도 특별히 한정되지 않으나, 예를 들면, 대략 구 형상(완전한 구 형상을 포함한다.)이나 럭비볼 형상 외에, 상기한 플레이크 형상의 것 등을 들 수 있다. 대략 구 형상이나 럭비볼 형상 등의 경우에는 상기한 평균 입자지름을 만족하는 것이 바람직하고, 플레이크 형상의 경우에는 상기한 두께를 만족하는 것이 바람직하다. 또, 플레이크 형상의 금속재료의 경우에는, 상기한 평균 입자지름도 만족하고 있는 것이 더욱 바람직하다.

또한, 상기 금속재료에, 친수성 산화물, 탄소 및 흡수성 고분자로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 하나의 물질(이하, 첨가제라 한다.)을 첨가하면, 금속재료와 물과의 반응을 촉진시킬 수 있기 때문에 바람직하다. 상기 친수성 산화물로서는, 알루미나, 실리카, 마그네시아, 지르코니아, 제올라이트, 산화아연 등을 사용할 수 있다.

물과 금속재료의 발열반응을 용이하게 개시시키기 위하여, 사용되는 수소 발생 재료는, 상기 금속재료 이외의 재료로서 물과 반응하여 발열하는 발열재료를 포함하는 것이 바람직하다.

상기 발열재료는, 물과 발열 반응하여 수산화물이나 수화물이 되는 재료, 물과 발열 반응하여 수소를 생성하는 재료 등을 사용할 수 있다. 상기 발열재료 중, 물과 반응하여 수산화물이나 수화물이 되는 재료로서는, 예를 들면 알칼리 금속의 산화물(예를 들면, 산화리튬 등.), 알칼리토류 금속의 산화물(예를 들면, 산화칼슘, 산화마그네슘 등.), 알칼리토류 금속의 염화물(예를 들면, 염화칼슘, 염화마그네슘 등.), 알칼리토류 금속의 황산화합물(예를 들면, 황산칼슘 등.) 등을 사용할 수 있다. 상기 물과 반응하여 수소를 생성하는 재료로서는, 예를 들면, 알칼리금속(예를 들면, 리튬, 나트륨 등.), 알칼리금속 수소화물(예를 들면, 수소화붕소나트륨, 수소화붕소칼륨, 수소화리튬 등.) 등을 사용할 수 있다. 이들 재료는, 단독으로 사용하여도 되고, 2종 이상을 병용하여도 된다.

또, 발열재료가 염기성 재료이면, 수소 발생 반응에 사용되는 물에 용해하여, 고농도의 알칼리수용액을 생성하기 때문에, 상기 금속재료의 표면에 형성된 산화 피막을 용해시켜, 물과의 반응성을 크게 할 수 있기 때문에 바람직하다. 이 산화 피막을 용해하는 반응은, 금속재료와 물과의 반응의 기점이 되는 것도 있다. 특히, 발열재료가 알칼리토류 금속의 산화물이면, 염기성 재료이고 또한 취급이 용이하기 때문에 더욱 바람직하다.

상기 발열재료로서는, 물 이외의 물질과 상온에서 발열반응을 일으키는 재료, 예를 들면, 철분과 같이 산소와 반응하여 발열하는 재료도 알려져 있다. 그러나, 수소 발생 재료가, 상기 산소와 반응하는 재료와, 상기 수소 발생원이 되는 금속재료를 포함하는 경우, 반응을 위해 필요하게 되는 산소는, 동시에, 금속재료로부터 발생하는 수소의 순도를 저하시키거나, 금속재료를 산화시켜 수소 발생량을 저하시키는 등의 문제를 일으키는 경우가 있다. 이 때문에, 본 발명에서는, 발열재료로서는, 상기한 바와 같이, 물과 반응하여 발열하는 알칼리토류 금속의 산화물 등을 사용하는 것이 바람직하다. 또, 동일한 이유로부터, 수소 발생 재료에 포함되는 발열재료는, 반응 시에 수소 이외의 기체를 생성하지 않는 것이 바람직하다.

상기 수소 발생 재료 전체 중에서의 상기 금속재료의 함유율은, 보다 많은 수소를 발생시키는 관점에서, 바람직하게는 85 질량% 이상, 더욱 바람직하게는 90 질량% 이상이며, 또, 발열재료의 병용에 의한 효과를 더욱 확실하게 하는 관점에서, 바람직하게는 99 질량% 이하, 더욱 바람직하게는 97 질량% 이하이다. 또, 수소 발생 재료 전체 중에서의 발열재료의 함유율은, 바람직하게는 1 질량% 이상, 더욱 바람직하게는 3 질량% 이상이고, 바람직하게는 15 질량% 이하, 더욱 바람직하게는 10 질량% 이하이다.

상기 발열재료를 함유하는 수소 발생 재료는, 상기 금속재료와 상기 발열재료를 혼합함으로써 얻을 수 있다. 금속재료와 발열재료의 혼합 시에는, 금속재료만이 1 mm 이상의 응집체가 되지 않도록 하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 금속재료와 발열재료를 교반 혼합함으로써, 금속재료가 응집하는 것을 억제하면서, 수소 발생 재료를 제작할 수 있다. 또, 금속재료의 표면에 발열재료를 코팅하여 복합화하여, 수소 발생 재료로 하여도 된다.

또, 수소 발생 재료와 물과의 반응을 용이하게 개시시키기 위하여, 수소 발생 재료 및 물의 적어도 한쪽을 가열하는 것이 바람직하고, 용기(1)의 내부로의 물의 공급과 가열을 동시에 행하여도 된다.

상기 수소 발생 재료 및 상기 물의 적어도 한쪽을 가열하는 온도는, 40℃ 이상 90℃ 미만이 바람직하고, 40℃ 이상 70℃ 이하가 더욱 바람직하다. 이 발열반응을 유지할 수 있는 온도는, 상기한 바와 같이 통상은 40℃ 이상이고, 일단 발열반응이 개시하여 수소가 발생하면, 용기의 내압이 상승하여 물의 비점이 상승하는 경우도 있어, 용기 내 온도가 120℃ 정도에 도달하는 경우도 있으나, 수소 발생 속도의 제어의 점에서 상기한 범위의 온도영역에서 가열하는 것이 바람직하다.

수소 발생 재료가 상기 발열재료를 포함하는 경우, 상기 가열은 반응의 개시 시에만 행하면 된다. 일단, 물과 수소 발생 재료의 발열반응이 개시되면, 그 발열반응의 열에 의해 그 후의 반응을 계속할 수 있기 때문이다.

상기 가열의 방법은 특별히 한정되지 않으나, 저항체에 통전함에 의한 발열을 이용하여 가열할 수 있다. 예를 들면 도 1에 나타내는 바와 같이, 저항체(9)를 용기(1)의 외부에 설치하여 발열시키고, 용기(1)를 외부로부터 가열함으로써, 수소 발생 재료(2) 및 물의 적어도 한쪽을 가열할 수 있다. 상기 저항체의 종류에 대해서는 특별히 한정되지 않고, 예를 들면, 니크롬선, 백금선 등의 금속 발열체, 탄화규소, PTC 서미스터 등을 사용할 수 있다.

또, 상기 가열은, 발열재료의 화학반응에 의한 발열에 의해 행할 수도 있다. 발열재료를 용기의 외부에 배치하여 발열시키고, 용기를 외부로부터 가열함으로써, 수소 발생 재료 및 물의 적어도 한쪽을 가열할 수 있다. 이 발열재료로서도, 상기한 물과 발열 반응하는 재료를 사용할 수 있다.

또, 상기 가열은, 물 이외의 물질과 발열 반응하는 재료, 예를 들면, 철분과같이 산소와 발열 반응하는 재료에 의한 발열에 의해 행할 수도 있다. 이 재료는, 발열반응을 위해 산소를 도입하지 않으면 안되기 때문에, 용기의 외부에 배치하여 사용된다.

상기 발열재료를 함유하는 수소 발생 재료를 용기 본체(1a)에 수용하고, 이것에 물을 공급하여 가열하는 경우에는, 발열재료는 금속재료와 균일 또는 불균일하게 분산·혼합시킨 혼합물로서 사용하여도 되나, 용기 본체(1a) 내에서, 상기 수소 발생 재료 전체 중에서의 상기 발열재료의 평균 함유율보다 상기 발열재료의 함유율이 높은 편재부(偏在部)를 설치하는 것이 더욱 바람직하고, 용기 본체(1a) 내부의 물 공급관(3)의 물 공급구(4)의 근방에 상기 편재부를 배치하는 것이 특히 바람직하다. 용기 본체(1a)의 내부에서, 발열재료를 이와 같이 편재시킴으로써, 물을 공급하기 시작하고 나서 금속재료가 가온되기까지의 시간을 보다 짧게 하여, 더욱 신속한 수소 발생을 가능하게 할 수 있다.

용기(1) 내부의 물 공급구(4)의 근방에 상기 편재부를 배치하기 위해서는, 물 공급구(4)의 근방에 발열재료만을 배치하는 것 외에, 미리 발열재료의 함유율이 다른 2종 이상의, 금속재료와 발열재료의 단위 조성물을 조제하여 두고, 물 공급구(4)의 근방에는 발열재료의 함유율이 가장 높은 단위 조성물을 배치하며, 그 밖의 부분에는 발열재료의 함유율이 낮은 단위 조성물을 배치할 수도 있다.

또, 본 발명의 수소 발생장치에서는, 수소 발생 재료(2)를 수용하는 용기(1)의 내부에 물을 공급하는 물 공급부와, 상기 물의 공급량을 제어하는 물 공급량 제어부를 구비하고 있는 것이 바람직하다. 물의 공급량을 제어함으로써, 용기(1)의 내부를 발열반응을 유지할 수 있는 온도로 유지할 수 있다. 이에 의하여, 물과 수소 발생 재료의 발열반응을 안정되게 계속할 수 있어, 간편하고 효율적으로, 또한 안정적으로 수소를 제조할 수 있다. 물의 공급량의 제어는, 물의 공급 속도를 제어함으로써 행하는 것이 바람직하다.

상기 발열반응을 유지할 수 있는 온도는, 통상은 40℃ 이상이고, 일단 발열반응이 개시하여 수소가 발생되면, 용기(1)의 내압이 상승하여 물의 비점이 상승하는 경우도 있어, 용기(1) 내 온도가 120℃ 정도에 도달하는 경우도 있으나, 수소 발생 속도의 제어의 점에서 100℃ 이하로 하는 것이 바람직하다.

상기 물 공급부로서는 특별히 한정되지 않고, 물 공급관, 물 공급구 등을 용기(1)에 설치할 수 있으면 된다. 또, 상기 물 공급부에는, 펌프 등을 접속할 수도 있다.

상기 물 공급량 제어부로서는, 물의 공급량(공급 속도)을 정확하게 제어할 수 있는 것이면 특별히 한정되지 않고, 예를 들면, 튜브펌프, 다이어프램 펌프 또는 시린지 펌프 등이 사용된다. 또, 물의 공급 속도가 다른 적어도 2계통의 물의 공급 경로를 구비함으로써, 물의 공급량을 조정할 수도 있고, 예를 들면, 각각의 경로의 내경(內徑)을 적절하게 조정함으로써, 적어도 2종류의 공급 속도를 실현할 수 있다.

용기(1)의 외부에는, 보온재(8)를 더 배치하는 것이 바람직하다. 이에 의하여, 물과 금속재료의 발열반응을 유지할 수 있는 온도를 유지하기 쉬워지고, 또, 외기온의 영향도 받기 어렵게 된다. 보온재(8)의 재질은, 단열성이 높은 재질이면 특별히 한정되지 않고, 예를 들면, 발포스티롤, 폴리우레탄폼, 발포네오프렌고무 등의 다공성 단열재, 또는 진공 단열구조를 가지는 단열재 등을 사용할 수 있다.

또한, 본 발명의 수소 발생장치에는, 압력 릴리프 밸브를 설치하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 수소 발생 속도가 증대하여, 장치의 내압이 상승한 경우에도, 압력 릴리프 밸브로부터 수소를 장치 밖으로 배출함으로써, 장치의 파손을 방지할 수 있다. 압력 릴리프 밸브의 설치부분은, 수소 발생 재료(2)를 수용한 용기(1) 내에서 발생한 수소를 배출할 수 있는 부분이면 특별히 한정되지 않는다. 예를 들면 도 1에 나타내는 장치이면, 수소 도출관(5)으로부터, 수소를 필요로 하는 기기(도시 생략.)까지의 사이의 어느 하나의 부분에 압력 릴리프 밸브를 설치하면 된다.

이상으로 설명한 본 발명의 수소 발생장치에 의하면, 조건에 따라 변화되나, 예를 들면, 금속재료가 모두 반응하였다고 가정하였을 때의 이론수소 발생량(알루미늄의 경우는, 1 g 당 이론수소 발생량은, 25℃ 환산으로 약 1360 ml가 된다.)에 대하여, 실제로 얻어지는 수소 발생량은, 대략 60% 이상, 더욱 바람직하게는 80% 이상이 되어, 효율적으로 수소를 발생시키는 것이 가능해진다.

(실시예)

이하, 실시예를 사용하여 본 발명을 더욱 구체적으로 설명한다. 단, 본 발명은 이하의 실시예에 한정되는 것은 아니다.

(실시예 1)

도 4에 나타낸 본 발명의 수소 발생장치의 일례를 나타내는 연료 카트리지(100)를 사용하여 이하와 같이 수소를 제조하였다. 도 5는, 도 4의 II-II선의 화살 표시 단면도이다. 도 4 및 도 5에서는, 도 1 및 도 2와 동일부분에는 동일한 부호를 붙이고 그 상세한 설명은 생략한다. 뒤에서 설명하는 도 6∼도 10도 마찬가지이다.

금속재료로서 평균 입자지름 6 ㎛의 알루미늄 분말 1.0 g과, 발열재료로서 평균 입자지름 3 ㎛의 산화칼슘분말 1.0 g을 유발로 혼합하여, 수소 발생 재료 A를 제작하였다. 또, 금속재료로서 상기 알루미늄 분말 98.5 g과, 발열재료로서 상기 산화칼슘 분말 12.5 g을 유발로 혼합하여, 수소 발생 재료 B를 제작하였다.

다음에, 폴리에틸렌제의 용기(1)(세로 51 mm, 가로 51 mm, 높이 105 mm, 내용적 165 ㎤)의 내부에, 수소 발생 재료 A(도 4에서, 2c) 2 g과, 수소 발생 재료 B(도 4에서, 2d) 111.0 g을, 도 4에 나타낸 바와 같이 경사시켜 충전하였다. 또한, 수소 발생 재료 B의 위에, 흡수재(7d)로서 탈지면을 0.4 g 넣었다.

다음에, 물을 공급하기 위한 알루미늄제의 물 공급관(3)(내경 2 mm, 외경 3 mm)을 도 4에 나타낸 바와 같이, 물 공급관(3)의 바깥 둘레에, 상기한 유효 길이의 50%에 걸쳐, 흡수재(7a)로서 두께 2 mm의 탈지면을 배치하였다. 또, 물 공급관(3)의 물 공급구(4)의 선단에는 흡수재(7c)로서 탈지면을 0.1 g 배치하고, 물 공급구(4)를 수소 발생 재료 A의 근방이 되도록 배치하여, 수소를 도출시키는 알루미늄제의 수소 도출관(5)(내경 3 mm, 외경 4 mm)을 구비한 실리콘 마개로 덮개를 하여, 수소 발생 재료 A, B를 내부에 충전한 용기(1)를 얻었다. 그리고, 용기(1)의 측면에, 용기(1)의 표면 온도를 검출하기 위한 온도센서(도시 생략.)를 설치하였다. 또, 도 4에 나타낸 바와 같이, 용기(1)의 바깥 둘레를 둘러싸도록 두께 5 mm의 발포스티롤제의 보온재(8)를 설치하였다.

다음에, 물 공급관(3)의 용기(1) 측과는 반대측의 선단에, 수소 발생 재료 A 및 B에 물을 공급하기 위한 펌프(도시 생략.)를 설치하였다. 즉, 상기 펌프를 사용하여 물 수용 용기(도시 생략.)로부터 물을 공급함으로써, 먼저, 물과 수소 발생 재료 A에 포함되는 발열재료(산화칼슘 분말)가 발열 반응하고, 계속해서, 물과 수소 발생 재료 A 및 B 에 포함되는 금속재료(알루미늄 분말)가 수소 발생 반응을 개시하게 된다.

계속해서, 상기 펌프로부터 순수를 0.8 ㎖/min의 속도로 보내고, 그 후, 용기(1)의 온도가 60℃를 넘은 이후는 2.5 ㎖/min의 속도로 순수를 보내어, 연료 카트리지(100)의 내부에 물을 공급함으로써, 수소 발생 재료(2)와 물을 반응시켜 수소를 발생시켰다. 25℃에서, 수소가 발생하지 않게 될 때까지 물을 공급하고, 수소 도출관(5)으로부터 수소를 도출시켰다. 생성한 수소는 염화칼슘관을 경유시켜 함유수분을 제거하였다. 그리고, 매스플로우미터(코플록제)에 의하여, 정상상태 종료 시 및 시험 종료 시에 있어서의 알루미늄의 반응율을 구하였다. 펌프에 의해 공급되는 물이, 물 공급관(3)의 선단[물 공급구(4)]에 도달한 시간을 시험 개시로 하고, 매스플로우미터에 의해 계측되는 순간 수소 발생 속도가, 5 ㎖/min 미만을 60분 이상 지속된 시간을 시험 종료로 하였다.

상기 반응율은, 금속재료가 모두 반응하였다고 가정하였을 때의 이론수소 발생량(예를 들면, 알루미늄의 경우는, 1 g 당 이론수소 발생량은, 25℃ 환산으로 약1360 ㎖가 된다.)에 대한, 실제로 얻어지는 수소 발생량의 비율로서 구하였다. 또, 상기 반응율은, 매스플로우미터로 산출되는 적산 수소 발생량으로부터 구하였다.

(실시예 2∼3)

표 1에 나타내는 배치조건에 의하여, 물 공급관(3)의 바깥 둘레에, 흡수재(7a)로서 탈지면을 배치시킨 것 이외는, 실시예 1과 동일하게 하여 수소 발생장치를 제작하였다. 계속해서, 실시예 1과 동일하게 하여 수소를 발생시켜, 반응율을 측정하였다.

(실시예 4)

도 6 및 도 7에 나타내는 바와 같이, 흡수재(7b)로서 탈지면을 0.2 g 배치시킨 것 이외는, 실시예 1과 동일하게 하여 수소 발생장치를 제작하였다. 즉, 도 6 및 도 7에서는, 상기한 기준면 측과는 반대측에 위치하는 흡수재(7a)의 선단부로부터 상부에 위치하는 용기(1)의 벽면을 향하여, 흡수재(7b)가 더욱 신장되어 있고, 또한 흡수재(7b)는 상기 벽면에 접하고 있지 않다. 계속해서, 실시예 1과 동일하게 하여 수소를 발생시키고, 반응율을 측정하였다. 또한, 도 6은, 본 실시예에서 사용한 연료 카트리지의 모식 단면도이고, 도 7은, 도 6의 III-III선의 화살 표시 단면도이다.

(비교예 1)

도 8 및 도 9에 나타내는 바와 같이, 물 공급관(3)의 바깥 둘레에 흡수재를 배치시키지 않은 것 이외는, 실시예 1과 동일하게 하여 수소 발생장치를 제작하였다. 계속해서, 실시예 1과 동일하게 하여 수소를 발생시키고, 반응율을 측정하였다. 또한, 도 8은, 본 비교예에서 사용한 연료 카트리지의 모식 단면도이고, 도 9는, 도 8의 IV-IV선의 화살 표시 단면도이다.

(비교예 2)

표 1에 나타내는 배치조건에 의하여, 물 공급관(3)의 바깥 둘레에, 흡수재(7a)로서 탈지면을 배치시킨 것 이외는, 실시예 1과 동일하게 하여 수소 발생장치를 제작하였다. 계속해서, 실시예 1과 동일하게 하여 수소를 발생시키고, 반응율을 측정하였다.

(비교예 3)

도 10에 나타내는 바와 같이, 물 공급관(3)의 수직부분의 전체 바깥 둘레에, 흡수재(7a)로서 탈지면을 배치시킨 것 이외는, 실시예 1과 동일하게 하여 수소 발생장치를 제작하였다. 계속해서, 실시예 1과 동일하게 하여 수소를 발생시키고, 반응율을 측정하였다.

실시예 1∼4 및 비교예 1∼3에서의 흡수재(7a)의 배치조건, 정상상태 종료 시 및 시험 종료 시에 있어서의 알루미늄의 반응율을 표 1에 나타낸다. 또, 도 11에, 실시예 1 및 비교예 1에서의 수소 발생 속도와, 경과시간의 관계를 나타내는 도면을 나타낸다.

	흡수재(7a)의 배치	알루미늄의 반응율
	수직부분의 유효 길이 중 흡수재와 접하는 부분의 길이의 비율(%)	정상상태 종료 시 (%)	시험 종료 시 (%)
실시예 1	50	56	81
실시예 2	20	54	80
실시예 3	80	52	78
실시예 4	50	61	83
비교예 1	0	46	72
비교예 2	90	42	64
비교예 3	100	36	49

실시예 1∼3의 경우, 최종적으로 약 80%의 반응율로, 또한, 정상상태 종료 시에 있어서는 약 50% 이상의 반응율로 수소를 발생시킬 수 있었다. 특히, 실시예 1의 경우에는, 최종적으로 81%의 반응율로, 또한, 정상상태 종료 시에 있어서 56%의 높은 반응율이 얻어져, 안정되고 효율적으로 수소를 발생시킬 수 있었다. 한편, 흡수재(7a)를 배치하지 않은 비교예 1의 경우는, 실시예 1∼3의 경우에 비하여, 정상상태 종료 시 및 시험 종료 시에 있어서의 알루미늄의 반응율이 모두 저하하였다. 특히, 도 11로부터 정상상태 종료 후에 있어서의 반응율이 현저하게 저하한 것을 알 수 있다. 이것은, 물 공급관(3)의 바깥 둘레에 흡수재가 배치되어 있지 않음으로써, 알루미늄 분말과 물과의 반응 시에 입자 표면에 머문 반응생성물인 알루미나 수화물과, 미반응 알루미늄 분말이 응결되는 현상이, 도 3과 같이 미반응 수소 발생 재료(2a)와 반응 후의 수소 발생 재료(2b)의 경계부분에서 일어나, 상기 미반응 알루미늄 분말의 입자 내부로의 물의 침투가 곤란해졌기 때문이라고 생각된다. 그 결과, 수소 발생효율이 나빠졌다고 생각된다.

또, 용기(1)의 기준면으로부터 수직방향으로 신장되는 물 공급관(3)의 유효 길이 중, 수소 도출구(6) 측의 15% 미만의 길이 부분에서도 흡수재(7a)를 배치한 비교예 2∼3의 경우, 실시예 1∼3의 경우에 비하여, 정상상태 종료 시 및 시험 종료 시에 있어서의 알루미늄의 반응율이 모두 저하하였다. 특히, 표 1로부터, 정상상태 종료 시에 있어서의 반응율이 현저하게 저하한 것을 알 수 있다. 이것은, 물 공급관(3)의 바깥 둘레에 배치되는 흡수재(7a)가, 물 공급관(3)의 유효 길이 중, 수소 도출구(6) 측의 15% 미만의 물 공급관(3)에서도 배치되는 경우, 수소 도출구(6) 측으로의 물의 침투가 과도하게 진행됨으로써, 기준면의 근방 및 용기(1)의 중앙 근방으로의 물의 침투가 곤란해져, 상기 기준면의 근방 및 용기(1)의 중앙 근방에 위치하는 수소 발생 재료(2)의 반응이 일어나기 어렵게 되었기 때문이라고 생각된다.

실시예 1 및 실시예 4에 대하여, 정상상태 종료 시 및 시험 종료 시에 있어서의 알루미늄의 반응율을 비교하면, 실시예 1에 비하여, 실시예 4의 쪽이 어느 반응율에 있어서도 높은 것을 알 수 있었다. 이것은, 흡수재(7b)가 배치됨으로써, 용기(1)의 중앙 상부 내에 위치하는 상기한 응결현상이 일어나 있지 않은 미반응 알루미늄 분말에, 물이 더욱 광범위하게 침투할 수 있었기 때문이라고 생각된다. 그 결과, 수소 발생효율이 향상하였다고 생각된다.

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

이상과 같이 본 발명의 수소 발생장치는, 100℃ 이하의 저온에서, 간편하고 효율적으로 수소를 제조할 수 있다. 본 발명의 수소 발생장치에 의해 제조한 수소는, 연료전지에 공급할 수 있고, 특히 소형 휴대기기용 연료전지의 연료원으로서 폭 넓게 이용 가능하다.

Claims

물과의 발열반응에 의해 수소를 발생시키는 금속재료를 포함하는 수소 발생 재료를 수납하는 용기를 구비한 수소 발생장치에 있어서,
상기 용기는, 상기 용기의 내부에 물을 공급하기 위한 물 공급관과, 상기 용기 내에서 발생한 수소를 상기 용기의 외부로 도출하기 위한 수소 도출구를 구비하고,
상기 수소 도출구에 대향하는 상기 용기의 벽면을 기준면으로 하고,
상기 용기의 내부에 배치된 상기 물 공급관의 선단인 물 공급구는, 상기 기준면의 근방에 배치되고,
상기 물 공급관은, 상기 기준면의 중앙 근방으로부터, 상기 기준면에 대하여 수직방향으로 신장되는 수직부분을 포함하고,
상기 물 공급관의 상기 수직부분의 바깥 둘레에는, 흡수재가 배치되며,
상기 수직부분의 유효 길이 중, 상기 수소 도출구 측의 15% 이상의 길이 부분에는, 상기 흡수재가 배치되어 있지 않은 것을 특징으로 하는 수소 발생장치.
제 1항에 있어서,
상기 흡수재는, 상기 수직부분의 유효 길이의 30% 이상 70% 이하의 길이 부분에, 상기 기준면 측으로부터 배치되어 있는 수소 발생장치.
제 1항에 있어서,
상기 기준면 측과는 반대측에 위치하는 상기 흡수재의 선단부로부터, 상기 물 공급관에 대하여 수직방향으로, 상기 흡수재가 더 신장되어 있고, 또한 상기 흡수재는, 상기 용기의 벽면에 접하고 있지 않은 수소 발생장치.
제 1항에 있어서,
상기 물 공급구 및 상기 수소 도출구의 각각의 선단부에, 상기 흡수재가 더배치되어 있는 수소 발생장치.
제 1항에 있어서,
상기 흡수재는, 탈지면, 부직포, 면포, 거즈 및 스펀지로 이루어지는 군에서 선택된 어느 한 종인 수소 발생장치.
제 1항에 있어서,
상기 금속재료는, 알루미늄, 규소, 아연, 마그네슘 및 이들 원소를 주체로 하는 합금으로 이루어지는 군에서 선택된 적어도 1종인 수소 발생장치.
제 1항에 있어서,
상기 수소 발생 재료는, 상기 금속재료 이외의 재료로서 물과 반응하여 발열하는 발열재료를 더 포함하는 수소 발생장치.
제 7항에 있어서,
상기 발열재료는, 산화칼슘, 산화마그네슘, 염화칼슘, 염화마그네슘 및 황산칼슘으로 이루어지는 군에서 선택된 적어도 1종인 수소 발생장치.
제 7항에 있어서,
상기 수소 발생 재료는, 상기 수소 발생 재료 전체 중에서의 상기 발열재료의 평균 함유율보다 상기 발열재료의 함유율이 높은 편재부를 가지는 수소 발생장치.
제 9항에 있어서,
상기 용기 내에 물이 공급될 때에, 상기 편재부에 최초로 물이 공급되도록, 상기 수소 발생 재료를 배치하고 있는 수소 발생장치.
제 7항에 있어서,
상기 수소 발생 재료는, 상기 발열재료의 함유율이 다른 2종 이상의 단위 조성물을 포함하는 수소 발생장치.
제 11항에 있어서,
상기 용기 내에 물이 공급될 때에, 상기 단위 조성물 중 상기 발열재료의 함유율이 가장 높은 단위 조성물에 최초로 물이 공급되도록, 상기 수소 발생 재료를 배치하고 있는 수소 발생장치.
제 1항에 있어서,
상기 용기의 내부에 물을 공급하는 물 공급부와, 상기 물의 공급량을 제어하는 물 공급량 제어부를 더 구비하는 수소 발생장치.
제 1항에 있어서,
상기 용기의 외부에 보온재를 더 배치한 수소 발생장치.