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JP4537337B2 - Hydrogen generating material, method for producing hydrogen generating material, method for producing hydrogen, hydrogen producing apparatus and fuel cell - Google Patents
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Hydrogen generating material, method for producing hydrogen generating material, method for producing hydrogen, hydrogen producing apparatus and fuel cell Download PDF

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Description

本発明は、水との反応により水素を発生し得る水素発生材料とその製造方法、当該水素発生材料を用いた水素の製造方法とその装置、ならびにその水素の製造装置を備えてなる燃料電池に関するものである。   The present invention relates to a hydrogen generating material capable of generating hydrogen by reaction with water, a method for producing the same, a method for producing hydrogen using the hydrogen generating material, an apparatus therefor, and a fuel cell including the hydrogen producing apparatus. Is.

近年、パーソナルコンピューター、携帯電話などのコードレス機器の普及に伴い、その電源である二次電池は、ますます小型化、高容量化が要望されている。現在、エネルギー密度が高く、小型軽量化を図り得る二次電池としてリチウムイオン二次電池が実用化されており、ポータブル電源としての需要が増大している。しかし、使用されるコードレス機器の種類によっては、このリチウム二次電池では未だ十分な連続使用時間を保証する程度までには至っていない。   In recent years, with the widespread use of cordless devices such as personal computers and mobile phones, secondary batteries as the power source are increasingly required to be smaller and have higher capacities. Currently, lithium ion secondary batteries have been put into practical use as secondary batteries that have high energy density and can be reduced in size and weight, and demand for portable power sources is increasing. However, depending on the type of cordless device used, this lithium secondary battery has not yet reached a level that guarantees sufficient continuous use time.

このような状況の中で、上記要望に応え得る電池の一例として、固体高分子型燃料電池が挙げられる。電解質に固体高分子電解質、正極活物質に空気中の酸素、負極活物質に燃料(水素、メタノール)を用いる固体高分子型燃料電池は、リチウムイオン電池よりも高エネルギー密度化が期待できる電池として注目されている。燃料電池は、燃料および酸素の供給さえ行えば連続的に使用することができる。   In such a situation, a polymer electrolyte fuel cell can be cited as an example of a battery that can meet the above demand. A polymer electrolyte fuel cell that uses a solid polymer electrolyte as an electrolyte, oxygen in the air as a positive electrode active material, and fuel (hydrogen, methanol) as a negative electrode active material can be expected to have a higher energy density than a lithium ion battery. Attention has been paid. The fuel cell can be used continuously as long as fuel and oxygen are supplied.

燃料電池については、使用する燃料に関していくつかの候補が挙げられているが、それぞれ種々の問題点を有しており、最終的な決定が未だなされていない。   As for fuel cells, some candidates for the fuel to be used are listed, but each has various problems, and a final decision has not yet been made.

燃料として水素を用いる燃料電池としては、例えば、高圧タンク或いは水素吸蔵合金タンクに蓄えた水素を供給する方法が一部で実用化されているが、体積および重量が大きくなりエネルギー密度が低下するため、ポータブル電源用途には適さないという欠点を有している。   As a fuel cell using hydrogen as a fuel, for example, a method of supplying hydrogen stored in a high-pressure tank or a hydrogen storage alloy tank has been put into practical use in part, but the volume and weight increase and the energy density decreases. However, it has a drawback that it is not suitable for portable power supply applications.

また、燃料電池の燃料として、炭化水素系燃料を用い、それを改質して水素を取り出す方法もあるが、改質装置が必要となり改質装置への熱の供給および断熱などの問題があるため、やはりポータブル電源用途には不適である。この他、燃料としてメタノールを用い、直接電極でメタノールを燃料として反応させる直接メタノール型燃料電池もあり、これは小型化が容易で、将来のポータブル電源として期待されているが、メタノールのクロスオーバーによる電圧の低下およびエネルギー密度の減少という問題がある。   Also, there is a method of using hydrocarbon-based fuel as fuel cell fuel and reforming it to take out hydrogen, but it requires a reformer and has problems such as heat supply and heat insulation to the reformer Therefore, it is still unsuitable for portable power supply applications. In addition, there is a direct methanol fuel cell that uses methanol as a fuel and reacts with methanol directly as a fuel. This is easy to downsize and is expected as a portable power source in the future. There are problems of voltage drop and energy density reduction.

他方、100℃以下の低温での化学反応により発生させた水素を燃料電池の燃料に使用する方法も知られている(特許文献1〜5)。これらの方法は、例えば、アルミニウム、マグネシウム、ケイ素、亜鉛など、水と反応して水素を発生する金属を水素源としている。
米国特許第6506360号公報 特許第2566248号公報 特開2004−231466号公報 特開2001−31401号公報 米国特許第6582676号公報
On the other hand, there is also known a method in which hydrogen generated by a chemical reaction at a low temperature of 100 ° C. or less is used as fuel for a fuel cell (Patent Documents 1 to 5). In these methods, for example, a metal that generates hydrogen by reacting with water, such as aluminum, magnesium, silicon, or zinc, is used as a hydrogen source.
US Pat. No. 6,506,360 Japanese Patent No. 2566248 JP 2004-231466 A JP 2001-31401 A US Pat. No. 6,582,676

上記特許文献1〜3では、アルミニウムとアルカリまたは酸とを反応させる技術を開示しているが、これらの技術によれば、化学的に簡便に水素が発生するものの、アルミニウムに見合う当量のアルカリまたは酸を添加する必要があり、水素源以外の材料の比率が高くなることによるエネルギー密度の減少の問題が生じる。また、反応生成物である酸化物または水酸化物がアルミニウムの表面に皮膜を形成して、皮膜の内側のアルミニウムと水とが接触できなくなり、酸化反応がアルミニウムの表面のみで停止するという問題が生じやすい。   The above Patent Documents 1 to 3 disclose techniques for reacting aluminum with an alkali or an acid. According to these techniques, hydrogen is easily generated chemically, but an equivalent amount of alkali or aluminum suitable for aluminum is disclosed. An acid needs to be added, resulting in a problem of a decrease in energy density due to an increase in the ratio of materials other than the hydrogen source. In addition, the reaction product oxide or hydroxide forms a film on the surface of the aluminum, making it impossible for the aluminum inside the film to come into contact with water, and the oxidation reaction stops only on the surface of the aluminum. Prone to occur.

一方、機械的に表面皮膜を取り除くことによりこの問題を回避しようとする特許文献4に開示の技術では、表面皮膜を取り除くための機械的設備が必要になるなど装置が大型化するという問題がある。   On the other hand, in the technique disclosed in Patent Document 4 which attempts to avoid this problem by mechanically removing the surface film, there is a problem that the apparatus becomes large, such as requiring mechanical equipment for removing the surface film. .

また、特許文献5に開示の技術では、上記水酸化物の皮膜を形成しにくくするための触媒としてアルミナなどを添加して、低温で水素を発生させる。しかし、アルミニウムなどの金属だけでは水素が発生せず、触媒を添加するために、水素源であるアルミニウムなどの金属の含有量が低下して水素発生量が低下するという問題がある。   In the technique disclosed in Patent Document 5, alumina is added as a catalyst for making it difficult to form the hydroxide film, and hydrogen is generated at a low temperature. However, hydrogen alone is not generated by a metal such as aluminum, and a catalyst is added, so that there is a problem that the content of metal such as aluminum as a hydrogen source is reduced and the hydrogen generation amount is reduced.

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、簡便且つ効率よく水素を発生させ得る水素発生材料とその製造方法を提供し、さらに、上記水素発生材料を用いて水素を製造し、これを燃料電池の燃料として利用することにより、燃料電池の小型化、効率化を実現しようとするものである。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and provides a hydrogen generating material capable of easily and efficiently generating hydrogen and a method for producing the same, and further producing hydrogen using the hydrogen generating material. It is intended to realize miniaturization and efficiency improvement of the fuel cell by using it as fuel for the fuel cell.

上記目的を達成し得た本発明の水素発生材料は、アルミニウムおよびアルミニウム合金より選択される少なくとも1種の金属材料を含有し、上記金属材料が、その表面に、金属状態のアルミニウムを含有する金属相とアルミニウムの酸化物または水酸化物を含有する不活性相とを含む表面皮膜を有することを特徴とするものである。   The hydrogen generating material of the present invention capable of achieving the above object contains at least one metal material selected from aluminum and aluminum alloys, and the metal material contains a metal-state aluminum on its surface. It has a surface film containing a phase and an inert phase containing an oxide or hydroxide of aluminum.

また、本発明は、アルミニウムおよびアルミニウム合金より選択される少なくとも1種の金属材料を含有する水素発生材料を製造するに当たり、水と有機溶媒とを含む処理溶媒中で、原料となるアルミニウムまたはアルミニウム合金を粉砕して、金属状態のアルミニウムを含有する金属相とアルミニウムの酸化物または水酸化物を含有する不活性相とを含む表面皮膜を有する金属材料とすることを特徴とするものである。

The present invention also provides an aluminum or aluminum alloy as a raw material in a processing solvent containing water and an organic solvent in producing a hydrogen generating material containing at least one metal material selected from aluminum and an aluminum alloy. Is made into a metal material having a surface film including a metal phase containing aluminum in a metallic state and an inert phase containing an oxide or hydroxide of aluminum .

また、本発明は、上記水素発生材料と水とを反応させて水素を生成することを特徴とする水素の製造方法を提供するものである。   The present invention also provides a method for producing hydrogen, characterized in that hydrogen is produced by reacting the hydrogen generating material with water.

さらに、本発明は、上記水素発生材料を収容した容器を備え、さらに、上記水素発生材料と水が反応して生成する水素を、前記容器内から外部に取り出すことのできる導出口を上記容器に備えた水素の製造装置、ならびに、それを水素発生源として備えた燃料電池を提供するものである。   Furthermore, the present invention includes a container containing the hydrogen generating material, and the container has a lead-out port through which the hydrogen generated by the reaction of the hydrogen generating material and water can be taken out from the container. An apparatus for producing hydrogen and a fuel cell equipped with the same as a hydrogen generation source are provided.

本発明によれば、簡便且つ効率よく水素を発生させ得る水素発生材料、および上記水素発生材料を水素源とする水素の製造方法を提供できる。本発明の水素発生材料を水素源とすることで、水素発生装置や燃料電池の小型化や効率化を実現できる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the hydrogen generating material which can generate | occur | produce hydrogen simply and efficiently, and the manufacturing method of hydrogen which uses the said hydrogen generating material as a hydrogen source can be provided. By using the hydrogen generating material of the present invention as a hydrogen source, it is possible to reduce the size and efficiency of the hydrogen generator and the fuel cell.

本発明の水素発生材料は、アルミニウムおよびアルミニウム合金よりなる群から選択される少なくとも1種の金属材料を含むものである。そして、上記金属材料は、主にアルミニウム金属またはアルミニウム合金である粒子内部と、この粒子内部を被覆する表面皮膜で構成されており、この表面皮膜は、金属状態のアルミニウム(アルミニウム金属またはアルミニウム合金)を含有する金属相とアルミニウム酸化物またはアルミニウム水酸化物を含有する不活性相とを含有している。本発明の水素発生材料は、上述のような形態の金属材料を含むことによって、速やかに、かつ効率よく水素を発生させることができる。   The hydrogen generating material of the present invention contains at least one metal material selected from the group consisting of aluminum and aluminum alloys. The metal material is mainly composed of particles inside aluminum metal or aluminum alloy and a surface film covering the inside of the particles. The surface film is made of aluminum in a metal state (aluminum metal or aluminum alloy). And an inert phase containing aluminum oxide or aluminum hydroxide. The hydrogen generating material of the present invention can generate hydrogen quickly and efficiently by including the metal material having the above-described form.

上記金属材料は、アルミニウム(純アルミニウム)またはアルミニウム合金から構成されている。アルミニウム合金としては、アルミニウムが主たる構成元素であればよく、合金の組成については特に限定されない。合金元素としては、例えば、ケイ素、鉄、銅、マンガン、マグネシウム、亜鉛、ニッケル、チタン、鉛、スズ、およびクロムなどが挙げられる。なお、金属材料中のアルミニウムの含有比率を高めて水素発生量を多くする観点から、アルミニウム合金中におけるアルミニウムの含有量は、80質量%以上であることが好ましい。   The metal material is made of aluminum (pure aluminum) or an aluminum alloy. As an aluminum alloy, aluminum should just be a main structural element and it does not specifically limit about the composition of an alloy. Examples of the alloy elements include silicon, iron, copper, manganese, magnesium, zinc, nickel, titanium, lead, tin, and chromium. From the viewpoint of increasing the amount of hydrogen generated by increasing the content ratio of aluminum in the metal material, the content of aluminum in the aluminum alloy is preferably 80% by mass or more.

一般に、アルミニウムは、アルミニウム金属である粒子内部の表面に、アルミニウム酸化物またはアルミニウム水酸化物で構成される緻密な難水溶性の不活性相よりなる表面皮膜(酸化皮膜)が形成されている。アルミニウムと水との反応の際には、上記表面皮膜に水が浸透して、粒子内部のアルミニウム金属まで水が到達すると、水素が発生する。そのため、アルミニウムを水素発生源とする通常の水素発生材料では、水素の発生開始までに、ある一定の時間を要する。   In general, aluminum has a surface film (oxide film) formed of a dense, poorly water-soluble inert phase composed of aluminum oxide or aluminum hydroxide on the surface inside particles of aluminum metal. In the reaction between aluminum and water, when water penetrates the surface film and reaches the aluminum metal inside the particles, hydrogen is generated. Therefore, in a normal hydrogen generating material using aluminum as a hydrogen generation source, a certain period of time is required until hydrogen generation starts.

本発明者らが鋭意検討した結果、アルミニウムを用いて水素を製造する場合、アルミニウム粒子の表面状態によって、水素の発生開始までの時間および水素発生速度が最大になるまでの時間に大きな差が生じることが明らかとなった。具体的には、アルミニウム粒子の有する表面皮膜の少なくとも一部に、金属状態のアルミニウムを含有する金属相が存在する場合には、アルミニウム粒子の表面にアルミニウム酸化物またはアルミニウム水酸化物で構成される緻密な皮膜のみが存在している場合に比べ、水素の発生開始までの時間および水素発生速度が最大になるまでの時間を短縮できることが判明した。   As a result of intensive studies by the present inventors, when hydrogen is produced using aluminum, there is a large difference in the time until the hydrogen generation rate and the time until the hydrogen generation rate is maximized depending on the surface state of the aluminum particles. It became clear. Specifically, when a metal phase containing aluminum in a metallic state exists in at least a part of the surface coating of the aluminum particles, the surface of the aluminum particles is composed of aluminum oxide or aluminum hydroxide. It has been found that the time until the start of hydrogen generation and the time until the hydrogen generation rate reaches the maximum can be shortened as compared with the case where only a dense film exists.

これは、表面皮膜の少なくとも一部に、金属状態のアルミニウムを含有する金属相が存在することよって、表面皮膜に水が浸透し、粒子内部のアルミニウム金属にまで水が到達する前に、表面皮膜に存在する上記金属相と水が反応して反応の起点となり、粒子内部と水との反応が促進されるため、水素の発生開始までの時間および水素発生速度が最大になるまでの時間が短縮されると考えられる。   This is because at least part of the surface film has a metal phase containing aluminum in a metallic state, so that water penetrates into the surface film and before the water reaches the aluminum metal inside the particles. The above metal phase present in the water reacts with water to start the reaction, and the reaction between the inside of the particle and water is promoted, so the time to start hydrogen generation and the time to maximum hydrogen generation speed are shortened. It is thought that it is done.

表面皮膜における金属相と不活性相の形態は、特に限定されるものではないが、上記金属相と上記不活性相の少なくとも一部が、それぞれ層を形成しており、表面皮膜が、上記金属相からなる層と上記不活性相からなる層とが互いに積層した積層部を含んで構成されている場合、金属相と水との反応が連続して生じ反応性が高くなることが期待される。また、不活性相の内部に微小な粒径の金属相が分散した形態であってもよい。   The form of the metal phase and the inert phase in the surface coating is not particularly limited, but at least a part of the metal phase and the inert phase each form a layer, and the surface coating is the metal When the layer composed of the phase and the layer composed of the inert phase are included so as to be laminated with each other, it is expected that the reaction between the metal phase and water continuously occurs and the reactivity increases. . Moreover, the form which the metal phase of a fine particle size disperse | distributed inside the inert phase may be sufficient.

このように、本発明の水素発生材料に含まれる金属材料は、その表面皮膜の構成により、従来のアルミニウムやアルミニウム合金で構成される金属材料(表面に緻密な酸化皮膜のみが形成されている金属材料)に比べて、水素の発生開始までの時間および水素発生速度が最大になるまでの時間が短縮されており、簡便且つ効率的に水素を製造することができる。   As described above, the metal material contained in the hydrogen generating material of the present invention is a metal material composed of a conventional aluminum or aluminum alloy (a metal on which only a dense oxide film is formed on the surface). Compared to (material), the time until the start of hydrogen generation and the time until the hydrogen generation rate is maximized are shortened, and hydrogen can be produced easily and efficiently.

なお、上記金属材料では、表面皮膜(上記積層部の内部、または上記積層部と上記粒子内部との界面)に空孔を有している場合には、上記積層部分および上記粒子内部に水が浸透しやくなり、上記積層部に含有される金属相または上記粒子内部と水とが反応しやすくなるので好ましい。   In the metal material, when there are pores in the surface film (the inside of the laminated part or the interface between the laminated part and the inside of the particle), water is contained in the laminated part and the inside of the particle. This is preferable because it easily penetrates and the metal phase contained in the laminated portion or the inside of the particles easily reacts with water.

図1(a)〜(c)に、通常のアルミニウム粉末の断面の電子顕微鏡による観察結果を示す。また、図2(a)〜(c)に、本発明の実施例1の水素発生材料に用いた金属材料の断面の電子顕微鏡による観察結果を示す。図1(a)および図2(a)は上記断面の走査型電子顕微鏡(SEM)での像を示し、図1(b)および図2(b)は上記断面の走査透過電子顕微鏡(STEM)での像を示し、図1(c)および図2(c)は、それぞれ図1(b)および図2(b)の視野における、エネルギー分散型X線マイクロアナライザー(EDX)による元素マッピングを示す。   The observation result by the electron microscope of the cross section of a normal aluminum powder is shown to Fig.1 (a)-(c). Moreover, the observation result by the electron microscope of the cross section of the metal material used for FIG.2 (a)-(c) for the hydrogen generating material of Example 1 of this invention is shown. 1 (a) and 2 (a) show images of the above-mentioned cross section with a scanning electron microscope (SEM), and FIGS. 1 (b) and 2 (b) show the above-mentioned cross-sectional scanning transmission electron microscope (STEM). FIGS. 1 (c) and 2 (c) show elemental mapping by an energy dispersive X-ray microanalyzer (EDX) in the field of view of FIGS. 1 (b) and 2 (b), respectively. .

図1(a)から明らかなように、通常のアルミニウム粉末では、粒子の外表面に約5nmの厚みの緻密な表面皮膜が存在している。図1(c)の元素マッピングを見ると、酸素はほぼアルミニウム粉末の表面のみに分布していることから、表面皮膜はアルミニウムの酸化物または水酸化物であると考えられる。また、粒子内部に分布している元素がほぼアルミニウムのみであることから、内部はアルミニウム金属で構成されていると考えられる。   As is clear from FIG. 1A, in a normal aluminum powder, a dense surface film having a thickness of about 5 nm is present on the outer surface of the particles. Looking at the elemental mapping in FIG. 1 (c), oxygen is distributed almost only on the surface of the aluminum powder, so the surface film is considered to be an oxide or hydroxide of aluminum. Moreover, since the element distributed inside the particles is almost only aluminum, the inside is considered to be composed of aluminum metal.

なお、図1(a)、(b)および図2(a)、(b)で示している「保護膜」とは、電子顕微鏡観察に際して粒子を保護する目的で粒子表面に付着させた分析用の膜であり、アルミニウム粉末の最表面に存在しているのは、実際には「表面皮膜」で現された部分である。   The “protective film” shown in FIGS. 1 (a), 1 (b) and 2 (a), 2 (b) is used for analysis that is attached to the particle surface for the purpose of protecting the particles during observation with an electron microscope. The film present on the outermost surface of the aluminum powder is actually the portion represented by the “surface film”.

一方、図2(a)〜(c)に示す金属材料では、粒子はアルミニウム金属で構成された内部とその外表面に存在する約1μm以下の表面皮膜とで構成されている。この表面皮膜を図2(c)の元素マッピングで見ると、最外表側(保護膜の内側)から、主に酸素が分布している層(すなわち、アルミニウム酸化物またはアルミニウム水酸化物を含有する不活性相からなる層)と、主にアルミニウムが分布している層(すなわち、金属状態のアルミニウムを含有する金属相からなる層)とが交互に積層されて積層部を形成し、この積層部にはどちらの層も2層以上存在していることが分かる(図2(b)参照)。また、図2(a)から、上記表面皮膜には空孔が形成されていることも分かる。   On the other hand, in the metal material shown to Fig.2 (a)-(c), particle | grains are comprised by the inner surface comprised with the aluminum metal, and the surface membrane | film | coat of about 1 micrometer or less which exists in the outer surface. When this surface film is seen by element mapping in FIG. 2 (c), a layer in which oxygen is mainly distributed (that is, aluminum oxide or aluminum hydroxide) is contained from the outermost surface side (inside the protective film). A layer composed of an inert phase) and a layer in which aluminum is mainly distributed (that is, a layer composed of a metal phase containing aluminum in a metallic state) are alternately laminated to form a laminated portion. It can be seen that there are two or more layers in each layer (see FIG. 2B). Moreover, it turns out that the void | hole is formed in the said surface film from Fig.2 (a).

水素発生材料における上記表面皮膜は、その少なくとも一部に上記積層部を有していればよく、その全体が上記積層部で構成されていてもよいが、例えば、上記表面皮膜の一部に上記積層部が形成され、その他の部分が不活性相だけで構成されていても構わない。具体的には、上記表面皮膜における上記積層部の割合は、水素発生材料の全表面積中、例えば、25面積%以上とすることができ、全量すなわち100面積%であってもよい。   The surface film in the hydrogen generating material only needs to have the laminated portion in at least a part thereof, and the whole may be constituted by the laminated portion. For example, the surface film is formed on a part of the surface film. A laminated part may be formed, and the other part may be composed of only an inert phase. Specifically, the ratio of the laminated portion in the surface film can be, for example, 25 area% or more in the total surface area of the hydrogen generating material, and may be the total quantity, that is, 100 area%.

また、上記表面皮膜における上記積層部は、金属相からなる層と、不活性相からなる層とが、それぞれ1層ずつ積層された構造であってもよく、例えば、図2(b)に示すように、金属相からなる層と不活性相からなる層とが、それぞれ2層以上互いに積層された構造を有していてもよい。積層部の総数の上限は特に限定されないが、例えば各層それぞれ4〜5層とすることができる。   Further, the laminated portion in the surface film may have a structure in which a layer made of a metal phase and a layer made of an inert phase are laminated one by one, for example, as shown in FIG. As described above, the metal phase layer and the inert phase layer may have a structure in which two or more layers are stacked on each other. Although the upper limit of the total number of laminated parts is not specifically limited, For example, each layer can be 4-5 layers.

上記表面皮膜における上記積層部の厚みは、厚すぎると、水素発生反応に関与しないアルミニウム酸化物やアルミニウム水酸化物の割合が多くなるため、水素発生効率の観点から、例えば、2μm以下であることが好ましい。また、上記積層部の厚みの下限は、例えば、10nmとすることができる。   If the thickness of the laminated portion in the surface coating is too thick, the proportion of aluminum oxide and aluminum hydroxide that do not participate in the hydrogen generation reaction increases. From the viewpoint of hydrogen generation efficiency, for example, it is 2 μm or less. Is preferred. Moreover, the minimum of the thickness of the said laminated part can be 10 nm, for example.

上記金属材料は、金属状態のアルミニウムを60質量%以上含有することが好ましく、70質量%以上含有することがより好ましい。金属材料における金属状態のアルミニウム含有量が低下すると、水素発生量が低下することがある。   The metal material preferably contains 60% by mass or more, and more preferably 70% by mass or more, of aluminum in a metal state. When the aluminum content in the metal state in the metal material is lowered, the hydrogen generation amount may be lowered.

アルミニウムは、加温された状態では表面の一部が水と反応して水素を発生するが、表面に安定な酸化皮膜を形成するため、板状、ブロック状または1mm以上の粒子などのいわゆるバルクの状態では、水との反応が進行せず、室温での水素発生量は、金属材料1g当たり5ml以下となる。   In the heated state, a part of the surface reacts with water to generate hydrogen, so that aluminum forms a stable oxide film on the surface, so that a so-called bulk such as a plate, a block, or a particle of 1 mm or more is formed. In this state, the reaction with water does not proceed, and the amount of hydrogen generated at room temperature is 5 ml or less per 1 g of the metal material.

よって、本発明の水素発生材料に用いる金属材料は、微粒子を一定以上の割合で含むことが望ましく、粒径が60μm以下の粒子の割合が、80体積%以上であることが好ましく、90体積%以上であることがより好ましい。また、金属材料の平均粒径としては、30μm以下であることが好ましく、20μm以下であることがより好ましい。ただし、金属材料の形態は粒子状に限られるものではなく、金属箔のような形状であっても構わない。   Therefore, the metal material used for the hydrogen generating material of the present invention desirably contains fine particles at a certain ratio or more, and the ratio of particles having a particle diameter of 60 μm or less is preferably 80% by volume or more, and 90% by volume. More preferably. Further, the average particle size of the metal material is preferably 30 μm or less, and more preferably 20 μm or less. However, the form of the metal material is not limited to the particulate form, and may be a shape like a metal foil.

アルミニウムが水素および酸化生成物を生成する反応は次式のいずれかによって進行していると考えられる。
2Al+6HO→Al・3HO+3H (1)
2Al+4HO→Al・HO+3H (2)
2Al+3HO→Al+3H (3)
It is considered that the reaction in which aluminum generates hydrogen and an oxidation product proceeds according to one of the following formulas.
2Al + 6H 2 O → Al 2 O 3 .3H 2 O + 3H 2 (1)
2Al + 4H 2 O → Al 2 O 3 .H 2 O + 3H 2 (2)
2Al + 3H 2 O → Al 2 O 3 + 3H 2 (3)

上述したように、アルミニウムがバルクの状態ではこれらの反応により、表面に酸化皮膜を形成して安定化する。しかし、粒径を小さくすることにより、粒子内部のアルミニウムと水との反応が酸化皮膜によって阻害されにくくなり、水素発生反応が連続的に生じるようになる。すなわち、金属材料が、上記の粒度分布や平均粒径を有している場合には、酸化皮膜形成による水との反応抑制作用を小さくすることができ、効率よく水素を発生させることができる。   As described above, when aluminum is in a bulk state, these reactions stabilize the formation of an oxide film on the surface. However, by reducing the particle size, the reaction between aluminum and water inside the particles is less likely to be inhibited by the oxide film, and the hydrogen generation reaction occurs continuously. That is, when the metal material has the above particle size distribution and average particle size, the action of suppressing the reaction with water due to the formation of the oxide film can be reduced, and hydrogen can be generated efficiently.

一方、金属材料の粒径を小さくしすぎた場合、水素発生速度が増加するものの、引火性が高まり空気中での取り扱いが困難になる。さらに、嵩密度が小さくなるため、水素発生装置における水素発生材料の充填密度が低下し、エネルギー密度が低下しやすくなる。このため、水素発生材料における金属材料の平均粒径は、0.1μm以上とすることが好ましい。   On the other hand, if the particle size of the metal material is too small, the hydrogen generation rate increases, but the flammability increases and handling in the air becomes difficult. Furthermore, since the bulk density is reduced, the filling density of the hydrogen generating material in the hydrogen generator is lowered, and the energy density is likely to be lowered. For this reason, the average particle size of the metal material in the hydrogen generating material is preferably 0.1 μm or more.

本明細書でいう金属材料の平均粒径は、体積基準の積算分率における50%径の値を意味している。また、本明細書でいう金属材料の粒度分布や平均粒径は、レーザ回折・散乱法で測定した値である。この方法は、具体的には、水などの液相に分散させた測定対象物質にレーザ光を照射することによって検出される散乱強度分布を利用した粒子径分布の測定方法である。レーザ回折・散乱法による粒子径分布測定装置としては、例えば、日機装株式会社製「マイクロトラックHRA」などを用いることができる。   The average particle diameter of the metal material as used in this specification means the value of 50% diameter in the volume-based integrated fraction. Further, the particle size distribution and average particle size of the metal material referred to in the present specification are values measured by a laser diffraction / scattering method. Specifically, this method is a particle size distribution measurement method using a scattering intensity distribution detected by irradiating a measurement target substance dispersed in a liquid phase such as water with laser light. As a particle size distribution measuring apparatus by the laser diffraction / scattering method, for example, “Microtrack HRA” manufactured by Nikkiso Co., Ltd. can be used.

上記積層部を含む表面皮膜を有する金属材料は、水と有機溶媒を含む処理溶媒中で、アルミニウムまたはアルミニウム合金を粉砕し、上記金属材料の表面改質を行った後、上記処理溶媒を除去することによって得ることができる。   The metal material having a surface film including the laminated portion is obtained by pulverizing aluminum or an aluminum alloy in a treatment solvent containing water and an organic solvent, and performing surface modification of the metal material, and then removing the treatment solvent. Can be obtained.

水素発生源として使用されるアルミニウムやその合金は、粉砕されることによってその表面積が増大し、水素の発生速度が向上する。ここで、一般的な機械的粉砕法であるスタンプミル法、ボールミル法、振動ミル法などでアルミニウムを粉砕すると、アルミニウムが展性に富む金属であるため、箔状に伸びて金属光沢を有する鱗片状の粉末となる。   Aluminum or an alloy thereof used as a hydrogen generation source is pulverized to increase its surface area and improve the hydrogen generation rate. Here, when aluminum is pulverized by a general mechanical pulverization method such as a stamp mill method, a ball mill method, or a vibration mill method, aluminum is a highly malleable metal. A powder.

これに対して、アルミニウムまたはアルミニウム合金を、水と有機溶媒を含む処理溶媒中で機械的に粉砕すると、黒色の粒状微粉末が得られ、上記の如き一般的な機械的粉砕法により作製したアルミニウム粉砕物よりも、速やかに水と反応して効率的に水素を生成し得る金属材料となる。これは、上述したように、上記の製法を採用することによって、上記金属材料の表面に、金属状態のアルミニウムを含有する金属相と、アルミニウム酸化物またはアルミニウム水酸化物を含有する不活性相とを含む表面皮膜が形成されていることによるものと考えられる。また、上記の製法を採用することで、金属相の少なくとも一部と不活性相の少なくとも一部とが、それぞれ層状に形成され、上記表面皮膜は、上記金属相からなる層と、上記不活性相とからなる層とが互いに積層した積層部を有するようになる。さらに、上記の製法を採用することによって、粒子表面に形成される上記表面皮膜には、空孔が形成される
上記の通り、本発明の水素発生材料は、原料となるアルミニウムまたはアルミニウム合金を、水と有機溶媒とを含む処理溶媒中で粉砕して形成される金属材料を用いることにより得られる。粉砕時に使用する液体が水を含有せず、有機溶媒のみで構成されていると、粉砕後の金属材料の一部または全部が、金属光沢を有する鱗片状の粒子となって水素発生効率が低下し、また、粉砕装置の粉採用ポットなどの内壁面に粉砕物が付着しやすいため、効率よく目的とする金属材料を作製することができない。
On the other hand, when aluminum or an aluminum alloy is mechanically pulverized in a processing solvent containing water and an organic solvent, a black granular fine powder is obtained, and aluminum produced by the general mechanical pulverization method as described above. It becomes a metal material that can react with water more quickly and efficiently generate hydrogen than the pulverized product. As described above, by adopting the above-described manufacturing method, the surface of the metal material includes a metal phase containing aluminum in a metal state and an inert phase containing aluminum oxide or aluminum hydroxide. This is considered to be due to the formation of a surface film containing Further, by adopting the above-described manufacturing method, at least a part of the metal phase and at least a part of the inert phase are respectively formed in layers, and the surface film includes the layer made of the metal phase and the inert phase. A layer composed of a phase has a laminated portion laminated with each other. Furthermore, by adopting the above production method, pores are formed in the surface film formed on the particle surface. As described above, the hydrogen generating material of the present invention is obtained by using aluminum or an aluminum alloy as a raw material, It can be obtained by using a metal material formed by pulverization in a processing solvent containing water and an organic solvent. If the liquid used for pulverization does not contain water and is composed of only an organic solvent, part or all of the metal material after pulverization becomes scale-like particles with metallic luster, resulting in reduced hydrogen generation efficiency. In addition, since the pulverized material easily adheres to the inner wall surface of the powder adoption pot or the like of the pulverizer, the target metal material cannot be produced efficiently.

また、アルミニウムまたはアルミニウム合金の粉砕に使用する処理溶媒が有機溶媒を含有せず、水のみで構成されている場合には、粉砕の過程で金属材料の表面の酸化が過剰に進行して、酸化物または水酸化物が多量に形成される。このため、金属材料中に金属状態で存在するアルミニウムの含有量が低下して、水素発生量が減少してしまう。   In addition, when the processing solvent used for pulverizing aluminum or aluminum alloy does not contain an organic solvent and is composed only of water, the oxidation of the surface of the metal material proceeds excessively during the pulverization process. A large amount of product or hydroxide is formed. For this reason, content of the aluminum which exists in a metal state in a metal material falls, and the amount of hydrogen generation will reduce.

一方、上記処理溶媒に有機溶媒を含有させることにより、アルミニウムまたはアルミニウム合金の粉砕時の酸化反応を制御して、表面皮膜における上記積層部の厚みを調整することができる。また、上記積層部の厚みは、粉砕時間の制御によっても調整することが可能である。   On the other hand, when the treatment solvent contains an organic solvent, the oxidation reaction during the pulverization of aluminum or the aluminum alloy can be controlled to adjust the thickness of the laminated portion in the surface film. In addition, the thickness of the laminated portion can be adjusted by controlling the pulverization time.

アルミニウムまたはアルミニウム合金の粉砕に使用する上記処理溶媒は、前述した表面皮膜の構造を形成するために、粉砕を行うアルミニウムまたはアルミニウム合金1質量部に対して、水の量が0.02質量部以上となるようその割合を調整することが望ましく、水の量を0.1質量部以上とすることがより望ましい。一方、アルミニウムまたはアルミニウム合金の粉砕中における酸化の進行を抑制するため、水の量は2質量部以下とすることが望ましく、1質量部以下とすることがより望ましく、0.4質量部以下とすることが最も望ましい。原料であるアルミニウムまたはアルミニウム合金に対する水の量が少なすぎると、金属材料の表面改質が不十分となり、金属光沢を有する鱗片状の粉末が得られやすくなって、金属材料の水素発生効率が低くなることがある。一方、水の量が多すぎると、金属材料中の金属アルミニウム含有量が減少し、水素発生量の低下を引き起こすことがある。   The treatment solvent used for pulverizing aluminum or aluminum alloy has an amount of water of 0.02 parts by mass or more with respect to 1 part by mass of aluminum or aluminum alloy to be pulverized in order to form the surface film structure described above. The ratio is desirably adjusted so that the amount of water is 0.1 mass parts or more. On the other hand, in order to suppress the progress of oxidation during the pulverization of aluminum or aluminum alloy, the amount of water is preferably 2 parts by mass or less, more preferably 1 part by mass or less, and 0.4 parts by mass or less. It is most desirable to do. If the amount of water relative to the raw material aluminum or aluminum alloy is too small, the surface modification of the metal material becomes insufficient, and it becomes easy to obtain a scaly powder having a metallic luster, and the hydrogen generation efficiency of the metal material is low. May be. On the other hand, if the amount of water is too large, the content of metal aluminum in the metal material may be reduced, causing a decrease in the amount of hydrogen generated.

上記処理溶媒を構成するための有機溶媒は、アルミニウムやアルミニウム合金と反応しにくい溶媒であれば特に限定されず、また、水と混ざり合わないものでも構わない。具体的には、例えば、トルエンなどの芳香族炭化水素、ヘキサン、シクロヘキサンなどの脂肪族炭化水素、アセトンなどのケトン類、エーテル類、N,N−ジメチルホルムアミドなどが挙げられる。なお、上記有機溶媒のうち、水と共沸混合物になるもの(例えば、トルエン、シクロヘキサンなど)は、上記処理溶媒を粉砕物から除去し易くすることから、より好適に用いられる。上記有機溶媒は、1種のみを用いてもよいし、2種以上を用いても構わない。また、アルコールを用いることもでき、メタノールやエタノールのような低分子量(例えば炭素数10以下)のアルコールは、上記例示の有機溶媒と比較すればアルミニウムとの反応性が高い溶媒であり、条件によってはアルミニウムと反応してアルコキシドを生成する可能性もあるが、水との比較においてはその反応性はかなり低い溶媒であることから、上記例示の有機溶媒に代えて、あるいは上記例示の有機溶媒と共に用いることが可能である。   The organic solvent for constituting the treatment solvent is not particularly limited as long as it is a solvent that does not easily react with aluminum or an aluminum alloy, and may be one that does not mix with water. Specific examples include aromatic hydrocarbons such as toluene, aliphatic hydrocarbons such as hexane and cyclohexane, ketones such as acetone, ethers, N, N-dimethylformamide, and the like. Among the organic solvents, those that become an azeotropic mixture with water (for example, toluene, cyclohexane, etc.) are more preferably used because they facilitate removal of the treatment solvent from the pulverized product. Only 1 type may be used for the said organic solvent, and 2 or more types may be used for it. Moreover, alcohol can also be used, and low molecular weight (for example, carbon number 10 or less) alcohol like methanol and ethanol is a solvent with high reactivity with aluminum compared with the organic solvent of the said illustration, and it depends on conditions. May react with aluminum to produce an alkoxide, but its reactivity is considerably low in comparison with water. Therefore, instead of the organic solvent exemplified above or together with the organic solvent exemplified above It is possible to use.

アルミニウムまたはアルミニウム合金の粉砕に用いる上記処理溶媒においては、水と有機溶媒の使用比率は、必ずしも限定されるものではないが、金属材料の酸化の進行を適度に抑制するために、例えば、水1質量部に対して有機溶媒の量を5質量部以上とするのが好適であり、一方、表面改質の効果を高めるために、有機溶媒の量を300質量部以下とするのが好適である。   In the processing solvent used for pulverization of aluminum or aluminum alloy, the ratio of water and organic solvent used is not necessarily limited. However, in order to moderately suppress the progress of oxidation of the metal material, for example, water 1 The amount of the organic solvent is preferably 5 parts by mass or more with respect to part by mass, and on the other hand, the amount of the organic solvent is preferably 300 parts by mass or less in order to enhance the effect of surface modification. .

上記処理溶媒中でのアルミニウムまたはアルミニウム合金の粉砕方法は、特に制限されるものではなく、例えば、ボールミル、サンドミル、振動ミルあるいはジェットミルなどを用いた機械的粉砕方法が採用できる。なお、本発明の水素発生材料に用いる金属材料を製造する際には、粉砕中に水素が発生するため、上述のような粉砕装置では、かかる水素を逃がす機構を設けることが望ましい。   The method for pulverizing aluminum or aluminum alloy in the treatment solvent is not particularly limited, and for example, a mechanical pulverization method using a ball mill, a sand mill, a vibration mill, a jet mill or the like can be employed. In addition, when manufacturing the metal material used for the hydrogen generating material of the present invention, since hydrogen is generated during pulverization, it is desirable to provide a mechanism for escaping such hydrogen in the pulverizing apparatus as described above.

このような工程を経て得られる金属材料を用いて本発明の水素発生材料は作製されるが、前述のように上記金属材料は、金属状態のアルミニウムを60質量%以上含有することが好ましく、70質量%以上含有することがより好ましい。金属材料中における金属状態のアルミニウムの含有量が低下すると、水素発生量が低下することがある。なお、本発明では、水を含む処理溶媒中で粉砕を行うため、金属材料中に含有されるアルミニウム元素のすべてを金属状態で存在させることは難しい。しかし、上記のように、粉砕に用いる処理溶媒に有機溶媒を含有させて、この処理溶媒中の水の含有量を制限することにより、粉砕中のアルミニウムまたはアルミニウム合金の酸化を制御することができるため、本発明では金属状態のアルミニウムを多く含み、効率よく水素を発生し得る金属材料を用いて水素発生材料を構成することができる。   The hydrogen generating material of the present invention is produced using a metal material obtained through such a process. As described above, the metal material preferably contains 60% by mass or more of aluminum in a metal state, and 70 It is more preferable to contain it by mass% or more. When the content of metallic aluminum in the metal material is reduced, the hydrogen generation amount may be reduced. In the present invention, since pulverization is performed in a processing solvent containing water, it is difficult for all of the aluminum elements contained in the metal material to exist in a metal state. However, as described above, the oxidation of aluminum or aluminum alloy during pulverization can be controlled by adding an organic solvent to the treatment solvent used for pulverization and limiting the content of water in the treatment solvent. Therefore, in the present invention, the hydrogen generating material can be configured using a metal material that contains a large amount of aluminum in a metal state and can efficiently generate hydrogen.

なお、本明細書において、金属材料中の金属状態のアルミニウムの含有量は、以下のようにして測定される。金属材料をX線回折装置により分析すると、アルミニウムまたはアルミニウム合金と水酸化アルミニウムが観測される。そこで、蛍光X線分析(XRF)によって金属材料中のアルミニウムおよび酸素の含有量を測定し、酸素の含有量から水酸化アルミニウム含有量を求め、残りを金属状態のアルミニウム含有量とする。   In the present specification, the content of metallic aluminum in the metal material is measured as follows. When the metal material is analyzed by an X-ray diffractometer, aluminum or an aluminum alloy and aluminum hydroxide are observed. Therefore, the contents of aluminum and oxygen in the metal material are measured by fluorescent X-ray analysis (XRF), the aluminum hydroxide content is determined from the oxygen content, and the remainder is used as the aluminum content in the metallic state.

上記処理溶媒中でアルミニウムまたはアルミニウム合金の粉砕を行うと、略球状または不規則粒状の金属材料が得られる。このような金属材料は、そのまま用いてもよいし、圧延して鱗片状にするなど、さらに加工を施してから用いてもよい。   When aluminum or an aluminum alloy is pulverized in the processing solvent, a substantially spherical or irregularly-shaped metal material is obtained. Such a metal material may be used as it is, or may be used after further processing, such as rolling into a scale shape.

本発明の水素発生材料は、上記金属材料を後述する発熱材料や添加剤などと混合することにより構成される。ただし、上記金属材料は水との反応性が良好であるため、発熱材料や添加剤などの含有量を低減したり、あるいは添加を省いたりすることもでき、その場合にも簡便且つ効率よく水素を発生させることができるので、エネルギー密度を向上させることができる。   The hydrogen generating material of the present invention is constituted by mixing the metal material with a heat generating material, an additive and the like described later. However, since the metal material has good reactivity with water, the content of heat generating materials and additives can be reduced or the addition can be omitted. Therefore, the energy density can be improved.

また、上記水素発生材料の形態としては、特に制限はなく、例えば、上記の金属材料と同じ形状を有する粉体状(粒子状)のままでもよいが、ペレット状または顆粒状に成形されていることがより好ましい。粉体状の水素発生材料を圧縮成形してペレット状にすると、充填密度が向上して体積が小さくなるので、エネルギー密度が向上する。また、顆粒状の場合は、水素発生材料を造粒して、例えば、ミリメートルサイズの顆粒状にすることにより、水素発生速度を大きくすることができる。   Moreover, there is no restriction | limiting in particular as a form of the said hydrogen generating material, For example, although it may remain with the powder form (particulate form) which has the same shape as said metal material, it is shape | molded by the pellet form or the granule form. It is more preferable. When the powdered hydrogen generating material is compression-molded into a pellet, the packing density is improved and the volume is reduced, so that the energy density is improved. In the case of granules, the hydrogen generation rate can be increased by granulating the hydrogen generating material into, for example, millimeter-sized granules.

なお、詳しくは後述するが、本発明の水素発生材料は、水との反応開始時には加熱することが好ましく、外部からの加熱の他、水と反応して発熱する発熱材料であって上記金属材料以外の材料を、水素発生材料と水との反応時に共存させておくことにより、該発熱材料の水との反応による発熱を利用することもできる。よって、水素発生材料は、水と反応して発熱する発熱材料を含有していることも好ましい。このような発熱材料としては、酸化カルシウム、酸化マグネシウム、塩化カルシウム、塩化マグネシウム、硫酸カルシウムなどのように、水と反応して発熱するか、または水和することにより発熱するアルカリ金属またはアルカリ土類金属の酸化物などの材料を例示することができる。また、鉄粉のように、酸素と反応して発熱する金属粉を発熱材料として用いることもできる。   As will be described in detail later, the hydrogen generating material of the present invention is preferably heated at the start of the reaction with water. In addition to external heating, the hydrogen generating material is a heat generating material that generates heat by reacting with water. By making other materials coexist at the time of the reaction between the hydrogen generating material and water, the heat generated by the reaction of the heat generating material with water can be used. Therefore, it is also preferable that the hydrogen generating material contains a heat generating material that generates heat by reacting with water. Examples of such heat generating materials include calcium oxide, magnesium oxide, calcium chloride, magnesium chloride, calcium sulfate and the like, alkali metals or alkaline earths that generate heat by reacting with water or generate heat by hydration. Examples thereof include materials such as metal oxides. Moreover, metal powder which reacts with oxygen and generates heat, such as iron powder, can also be used as a heat generating material.

水素発生材料に上記発熱材料を含有させる場合には、上記発熱材料の含有量は、水素生成速度を高める点からは、例えば、水素発生材料の全量中1質量%以上であることが好ましく、3質量%以上であることがより好まし。また、水素発生総量の点からは、例えば、15質量%以下であることが好ましく、10質量%以下であることがより好ましい。   When the hydrogen generating material contains the exothermic material, the content of the exothermic material is preferably, for example, 1% by mass or more in the total amount of the hydrogen generating material from the viewpoint of increasing the hydrogen generation rate. It is more preferable to be at least mass%. Further, from the viewpoint of the total amount of hydrogen generation, for example, it is preferably 15% by mass or less, and more preferably 10% by mass or less.

水素発生材料に上記発熱材料を含有させる場合には、この発熱材料も含めて、ペレット状または顆粒状に成形することが好ましい。   When the heat generating material is contained in the hydrogen generating material, it is preferable to form the heat generating material including the heat generating material into pellets or granules.

また、本発明の水素発生材料には、種々の目的に応じて各種添加剤を含有させることができる。   Further, the hydrogen generating material of the present invention can contain various additives according to various purposes.

例えば、上記添加剤として、親水性酸化物(アルミナ、シリカ、マグネシア、酸化亜鉛など)、炭素、吸水性高分子(カルボキシメチルセルロース、ポリビニルアルコール、ポリエチレングリコールなど)などを、水素発生材料に含有させることで、より効率よく水素を発生させることができる。これらの添加剤は1種のみを用いてもよく、2種以上を併用しても構わない。これら添加剤の作用については不明だが、添加剤により上記金属材料と水との接触が良好になる、金属材料が水と反応することにより生成した反応生成物と未反応の金属材料とが凝結するのを防ぐ、または後述するペレットにした場合には、ペレット内部まで水が浸透するなどの効果があると考えられる。   For example, a hydrophilic material (alumina, silica, magnesia, zinc oxide, etc.), carbon, a water-absorbing polymer (carboxymethylcellulose, polyvinyl alcohol, polyethylene glycol, etc.), etc. are included in the hydrogen generating material as the additive. Thus, hydrogen can be generated more efficiently. These additives may be used alone or in combination of two or more. Although the action of these additives is unclear, the contact between the metal material and water is improved by the additive, and the reaction product produced by the reaction of the metal material with water condenses the unreacted metal material. It is considered that there is an effect such that water penetrates into the inside of the pellet when the above is prevented or the pellet is formed as described later.

上記の各種添加剤を用いる場合には、その含有量は、水素発生効率の点からは、例えば、水素発生材料中で1質量%以上とすることが好ましく、10質量%以上とすることがより好ましく、また、水素発生総量の点からは、例えば、30質量%以下とすることが好ましく、20質量%以下とすることがより好ましい。   In the case of using the above-mentioned various additives, the content thereof is, for example, preferably 1% by mass or more, more preferably 10% by mass or more in the hydrogen generating material from the viewpoint of hydrogen generation efficiency. Also, from the viewpoint of the total amount of hydrogen generation, for example, it is preferably 30% by mass or less, and more preferably 20% by mass or less.

本発明の水素発生材料は、水と接触させることにより水素を発生するが、反応性を向上させ一定以上の水素発生速度を得るためには、外部からの加熱により反応を促進させることが望ましい。加熱温度は40℃以上とするのが望ましく、水の蒸発を防ぐためには95℃以下とすることが望ましい。加熱方法としては、水素発生材料および水を上記温度範囲内に保ち得る方法であれば、特にその方法については限定されるものではなく、例えば、発熱源として、抵抗体に通電することによる電気加熱、化学的発熱反応などを用い、水素発生材料および水を収容した容器を外部から加熱する方法を採用することができる。   The hydrogen generating material of the present invention generates hydrogen when brought into contact with water. However, in order to improve the reactivity and obtain a hydrogen generation rate above a certain level, it is desirable to promote the reaction by heating from the outside. The heating temperature is desirably 40 ° C. or higher, and is desirably 95 ° C. or lower in order to prevent water evaporation. The heating method is not particularly limited as long as it is a method capable of keeping the hydrogen generating material and water within the above temperature range. For example, electric heating by energizing a resistor as a heat source is possible. A method of heating a container containing a hydrogen generating material and water from the outside using a chemical exothermic reaction or the like can be employed.

化学反応により発熱する発熱源としては、例えば、上記の、水と反応して発熱する発熱材料として例示した各種化合物が挙げられる。発熱材料は、水と反応させて発熱させ、その熱で水素発生材料を収容した反応容器を加熱することができるが、水素発生材料と共に反応容器内に収容し、反応容器内で発熱させて水素発生材料を直接加熱してもよい。この場合の発熱材料の使用量は、水素発生材料に予め発熱材料を含有させた場合の上記好適含有量と同等程度とすることが好ましい。すなわち、水素発生材料と発熱材料との合計中、発熱材料の量を1質量%以上とすることが好ましく、また30質量%以下とすることが好ましい。   Examples of the heat source that generates heat by a chemical reaction include the various compounds exemplified as the heat generating material that generates heat by reacting with water. The exothermic material reacts with water to generate heat, and the heat can be used to heat the reaction vessel containing the hydrogen generating material. However, the exothermic material is contained in the reaction vessel together with the hydrogen generating material, and heat is generated in the reaction vessel to generate hydrogen. The generated material may be heated directly. In this case, it is preferable that the amount of the heat generating material used is approximately equal to the above preferred content when the heat generating material is previously contained in the hydrogen generating material. That is, in the total of the hydrogen generating material and the heat generating material, the amount of the heat generating material is preferably 1% by mass or more, and more preferably 30% by mass or less.

また、アルミニウムと水との反応は発熱反応であるため、その反応熱の放熱を防ぎ、水素発生材料と水の温度上昇に利用すれば、上記発熱源を有さずとも連続的に水素を発生させることが可能である。   In addition, since the reaction between aluminum and water is an exothermic reaction, heat generation from the reaction heat is prevented, and if it is used to increase the temperature of the hydrogen generating material and water, hydrogen is continuously generated without the above heat source. It is possible to make it.

さらに、水素発生材料と反応させる水の供給を制御することによって、水素発生量を制御することもできる。   Furthermore, the amount of hydrogen generation can be controlled by controlling the supply of water to be reacted with the hydrogen generating material.

本発明の水素発生材料は、上記水素発生材料と水を収容する容器を備え、その内部でこの水素発生材料と水とを反応させ、生成する水素を取り出す機構を有する水素発生装置において、水素発生源として使用できる。上記水素発生装置における上記容器は、外部から水素発生材料と水を加熱する上述の加熱手段を有していてもよく、必要に応じて水素発生を促進させることも可能である。この場合、加熱温度を制御することにより、発生水素量を制御することができる。   The hydrogen generating material of the present invention includes a container for storing the hydrogen generating material and water, and in the hydrogen generating apparatus having a mechanism for reacting the hydrogen generating material with water and taking out the generated hydrogen. Can be used as a source. The container in the hydrogen generator may have the above-described heating means for heating the hydrogen generating material and water from the outside, and hydrogen generation can be promoted as necessary. In this case, the amount of generated hydrogen can be controlled by controlling the heating temperature.

上記水素発生装置における上記容器の形態および形状は特に限定されないが、水の供給口と水素の排出口を備え、内部を密閉可能にして水および水素が外部に漏れないような構造とすることが望ましい。上記容器に用いる材質は水および水素を透過しにくく、かつ100℃程度に加熱しても破損しない材質であれば特に限定されない。例えば、耐熱ガラス、チタン、ニッケルなどの金属およびポリエチレン、ポリプロピレンなどの樹脂を用いることができる。上記水素発生装置の一例を図3に示す。この水素発生装置は、水素発生材料6を収容する収容容器2と蓋3とを備えた反応容器1と、蓋3に設けられた水の供給口4を通じて水7を反応容器1内に供給するポンプ8とで構成され、発生した水素は、蓋3に設けられた水素の排出口5を通じて外部に取り出すことができるものである。   The form and shape of the container in the hydrogen generator is not particularly limited, but it may be provided with a water supply port and a hydrogen discharge port so that the inside can be sealed so that water and hydrogen do not leak to the outside. desirable. The material used for the container is not particularly limited as long as it is difficult to permeate water and hydrogen and does not break even when heated to about 100 ° C. For example, heat resistant glass, metals such as titanium and nickel, and resins such as polyethylene and polypropylene can be used. An example of the hydrogen generator is shown in FIG. This hydrogen generation apparatus supplies water 7 into the reaction vessel 1 through a reaction vessel 1 having a container 2 for containing a hydrogen generating material 6 and a lid 3, and a water supply port 4 provided in the lid 3. The generated hydrogen is composed of the pump 8 and can be taken out through the hydrogen discharge port 5 provided in the lid 3.

上記水素発生装置の水素の排出口5には、上記容器の内容物が外に漏れ出さないようにフィルターを設置することが好ましい。このフィルターは、気体を通すが液体および固体を通しにくい構造であれば特に限定されることはなく、燃料電池などに用いられる多孔性のポリテトラフルオロエチレン製気液分離膜を用いてもよい。また、電池のセパレータとして利用されるポリプロピレン製の多孔質フィルムなどを用いることもできる。   It is preferable to install a filter at the hydrogen outlet 5 of the hydrogen generator so that the contents of the container do not leak out. The filter is not particularly limited as long as it is a structure that allows gas to pass but hardly allows liquid and solids to pass therethrough, and a porous polytetrafluoroethylene gas-liquid separation membrane used in a fuel cell or the like may be used. Moreover, the porous film made from a polypropylene utilized as a separator of a battery can also be used.

上記水素発生装置において、上記容器内部への水の供給は、流量を制御できるようにすることが望ましく、上記の通り、水の供給を制御することにより、発生する水素量を制御することができる。   In the hydrogen generator, it is desirable that the flow rate of water to be supplied to the inside of the container can be controlled. As described above, the amount of hydrogen generated can be controlled by controlling the supply of water. .

本発明の水素発生材料を用いて発生させた水素は、炭化水素系燃料の改質で得られる水素において問題とされるCOおよびCOを含まない。そのため、100℃以下で作動する固体高分子型燃料電池において、上記ガスによる被毒の問題が発生せず、また、反応に水が関与するため、ガス中に適度な水分を含んでおり、水素を燃料とする燃料電池において非常に有用である。 Hydrogen generated using the hydrogen generating material of the present invention does not contain CO and CO 2 which are problematic in hydrogen obtained by reforming hydrocarbon-based fuels. Therefore, in the polymer electrolyte fuel cell operating at 100 ° C. or lower, the problem of poisoning due to the gas does not occur, and water is involved in the reaction. It is very useful in a fuel cell using as a fuel.

以下、実施例に基づいて本発明を詳細に述べる。ただし、下記実施例は本発明を制限するものではなく、前・後記の趣旨を逸脱しない範囲で変更実施をすることは、全て本発明の技術的範囲に包含される。   Hereinafter, the present invention will be described in detail based on examples. However, the following examples are not intended to limit the present invention, and all modifications made without departing from the spirit of the preceding and following descriptions are included in the technical scope of the present invention.

<実験1 金属材料および水素発生材料の作製、並びに水素発生試験>
(実施例1)
アトマイズ法により作製された平均粒径が55μmのアルミニウム粉末:5g、トルエン:15g、水:1g(上記アルミニウム粉末1質量部に対して0.2質量部)および粒径2μmのジルコニア製のビーズ:85gを、遊星ボールミルの粉砕用ポットに入れ、200rpmの回転速度でアルミニウム粉末を粉砕した。粉砕中に水素が発生したため、10分間回転させた後一旦回転を停止させて、ポット内に発生した水素を放出させて再び回転させた。この手順を繰り返して合計1時間ポットを回転させた。その後、トルエンおよび水を減圧乾燥で除去して、本発明の水素発生材料を構成するための金属材料を得た。得られた金属材料は、表面の金属光沢が失われて黒茶色をしており、平均粒径が12μmの不規則粒状の粒子となった。この金属材料について、金属状態のアルミニウムの含有量を前述の方法で測定したところ80質量%であり、原材料であるアトマイズ法により作製されたアルミニウム粉末では、99質量%であった。また、上記金属材料の粒度分布を、前述の粒子径分布測定装置により測定した。
<Experiment 1 Production of metal material and hydrogen generating material, and hydrogen generation test>
Example 1
Aluminum powder with an average particle size of 55 μm prepared by the atomization method: 5 g, toluene: 15 g, water: 1 g (0.2 parts by mass with respect to 1 part by mass of the aluminum powder) and zirconia beads having a particle size of 2 μm: 85 g was put into a grinding pot of a planetary ball mill, and aluminum powder was crushed at a rotation speed of 200 rpm. Since hydrogen was generated during the pulverization, the rotation was stopped after 10 minutes, and the generated hydrogen was released in the pot and rotated again. This procedure was repeated to rotate the pot for a total of 1 hour. Thereafter, toluene and water were removed by drying under reduced pressure to obtain a metal material for constituting the hydrogen generating material of the present invention. The obtained metal material was black-brown due to loss of surface metallic luster, and became irregularly-shaped particles having an average particle diameter of 12 μm. With respect to this metal material, the content of aluminum in the metal state was measured by the above-mentioned method, and found to be 80% by mass, and in the aluminum powder produced by the atomizing method as the raw material, it was 99% by mass. Further, the particle size distribution of the metal material was measured by the particle size distribution measuring apparatus described above.

次に、図1(a)〜(c)に、実施例1の金属材料を作製する際に原材料として用いたアルミニウム粉末の断面の電子顕微鏡による観察結果を示す。また、図2(a)〜(c)に、実施例1で作製した金属材料の断面の電子顕微鏡による観察結果を示す。前述のとおり、図1(a)および図2(a)は上記断面の走査型電子顕微鏡(SEM)での像を示し、図1(b)および図2(b)は上記断面の走査透過電子顕微鏡(STEM)での像を示し、図1(c)および図2(c)は、それぞれ図1(b)および図2(b)の視野における、エネルギー分散型X線マイクロアナライザー(EDX)による元素マッピングを示す。   Next, the observation result by the electron microscope of the cross section of the aluminum powder used as a raw material when producing the metal material of Example 1 is shown to Fig.1 (a)-(c). Moreover, the observation result by the electron microscope of the cross section of the metal material produced in Example 1 is shown to Fig.2 (a)-(c). As described above, FIG. 1 (a) and FIG. 2 (a) show images of the above section with a scanning electron microscope (SEM), and FIG. 1 (b) and FIG. FIG. 1 (c) and FIG. 2 (c) are images obtained with an energy dispersive X-ray microanalyzer (EDX) in the fields of FIG. 1 (b) and FIG. 2 (b), respectively. Element mapping is shown.

前述したように、図1(a)〜(c)に示した原材料のアルミニウム粉末では、粒子内部には主にアルミニウムが分布しているのに対し、その外表面には、約5nmの幅で主に酸素が分布している。すなわち、原材料アルミニウム粉末では、アルミニウム金属で構成されていると考えられる粒子の表面に、酸化皮膜と考えられる緻密な表面皮膜が存在している。   As described above, in the raw material aluminum powder shown in FIGS. 1A to 1C, aluminum is mainly distributed inside the particles, whereas the outer surface has a width of about 5 nm. Mainly oxygen is distributed. That is, in the raw material aluminum powder, a dense surface film that is considered to be an oxide film exists on the surface of particles that are considered to be composed of aluminum metal.

これに対し、図2(a)〜(c)に示した実施例1の金属材料では、粒子内部には主にアルミニウムが分布しており、粒子内部はアルミニウム金属で構成されているが、その外表面には、主に酸素が分布している層(すなわち、アルミニウム酸化物またはアルミニウム水酸化物を含有する不活性相からなる層)と、主にアルミニウムが分布している層(すなわち、金属状態のアルミニウムを含有する金属相からなる層)とが、交互に1層ずつ積層され、それぞれの層を複数層有する積層部を含む約1μm以下の厚みの表面皮膜が存在している。   In contrast, in the metal material of Example 1 shown in FIGS. 2A to 2C, aluminum is mainly distributed inside the particles, and the inside of the particles is made of aluminum metal. On the outer surface, a layer in which oxygen is mainly distributed (that is, a layer made of an inert phase containing aluminum oxide or aluminum hydroxide) and a layer in which aluminum is mainly distributed (that is, metal) A layer made of a metal phase containing aluminum in a state) is alternately laminated one by one, and there is a surface film having a thickness of about 1 μm or less including a laminated portion having a plurality of layers.

上記の金属材料を単独で用いて水素発生材料とし、水素発生試験を行った。上記金属材料:1gと水:10gをサンプル瓶に入れ、サンプル瓶の外側に抵抗体を設置した。抵抗体により容器を50℃に加熱することにより水素を発生させ、発生した水素は水上置換法により捕集して発生量を測定した。   A hydrogen generation test was performed using the above metal material alone as a hydrogen generation material. The metal material: 1 g and water: 10 g were put in a sample bottle, and a resistor was placed outside the sample bottle. Hydrogen was generated by heating the container to 50 ° C. with a resistor, and the generated hydrogen was collected by a water displacement method and the amount of generation was measured.

(比較例1)
実施例1において原材料として用いたアルミニウム粉末をそのまま水素発生材料とし、実施例1と同様にして水素発生試験を行い、水素発生量を測定した。
(Comparative Example 1)
The aluminum powder used as a raw material in Example 1 was directly used as a hydrogen generating material, and a hydrogen generation test was performed in the same manner as in Example 1 to measure the amount of hydrogen generation.

実施例1および比較例1の水素発生材料について、2分ごとに捕集した水素の量を測定し、水素発生試験の開始から水素の発生開始までの時間を求めた。また、水素の捕集量の時間変化から水素の生成速度を求め、その値が最大値に達するまでの時間も求めた。それらの結果を表1に示す。   For the hydrogen generating materials of Example 1 and Comparative Example 1, the amount of hydrogen collected every 2 minutes was measured, and the time from the start of the hydrogen generation test to the start of hydrogen generation was determined. In addition, the hydrogen production rate was determined from the change in the amount of hydrogen collected over time, and the time until the value reached the maximum value was also determined. The results are shown in Table 1.

Figure 0004537337
Figure 0004537337

表1より、アルミニウム粉末を、水と有機溶媒とを含む処理溶媒中で粉砕して作製した実施例1では、比較例1において水素発生材料として用いた原料粉末よりも、水素の発生開始までの時間および水素発生速度が最大になるまでの時間を大幅に短縮することができた。これは、図2(a)〜(c)に示す粒子断面像から考慮すると、表面皮膜の一部が、金属相と不活性相との積層部で構成されていることによって、表面皮膜に水が浸透し、粒子内部のアルミニウム金属まで水が到達する前に、表面皮膜の上記積層部における金属相と水が反応して反応の起点となり、粒子内部と水との反応が促進されるため、水素が発生するまでの時間および水素発生速度が最大になるまでの時間が大幅に短縮されたと考えられる。また、実施例1の金属材料で観測された上記積層部分の内部に存在している空孔も、水素の発生開始までの時間および水素発生速度が最大になるまでの時間が大幅に短縮された要因の一つであると考えられる。   From Table 1, in Example 1, which was prepared by pulverizing aluminum powder in a processing solvent containing water and an organic solvent, compared to the raw material powder used as the hydrogen generating material in Comparative Example 1, the time until the start of hydrogen generation was reached. The time and the time until the hydrogen generation rate was maximized could be greatly reduced. In consideration of the particle cross-sectional images shown in FIGS. 2 (a) to 2 (c), this is because a part of the surface film is composed of a laminated portion of a metal phase and an inert phase, so that the surface film has water. Before the water reaches the aluminum metal inside the particle, the metal phase and water in the layered portion of the surface film reacts to become the starting point of the reaction, and the reaction between the inside of the particle and water is promoted. It is considered that the time until hydrogen is generated and the time until the hydrogen generation rate is maximized are greatly reduced. In addition, the vacancies present in the laminated portion observed in the metal material of Example 1 were also greatly reduced in the time until the start of hydrogen generation and the maximum hydrogen generation rate. This is considered to be one of the factors.

(実施例2)
アルミニウム粉末の粉砕に用いる水の量を0.5g(上記アルミニウム粉末1質量部に対して0.1質量部)に変更した以外は、実施例1と同様にして金属材料を作製した。この金属材料のみで水素発生材料を構成して水素発生試験を行い、水素発生量を測定した。
(Example 2)
A metal material was produced in the same manner as in Example 1 except that the amount of water used for pulverizing the aluminum powder was changed to 0.5 g (0.1 part by mass with respect to 1 part by mass of the aluminum powder). A hydrogen generation material was composed of only this metal material, a hydrogen generation test was performed, and a hydrogen generation amount was measured.

(実施例3)
粉砕に使用するアルミニウム粉末の量を3g、および水の量を3g(上記アルミニウム粉末1質量部に対して1質量部)に変更した以外は、実施例1と同様にして金属材料を作製した。この金属材料のみで水素発生材料を構成して水素発生試験を行い、水素発生量を測定した。
(Example 3)
A metal material was produced in the same manner as in Example 1 except that the amount of aluminum powder used for pulverization was changed to 3 g and the amount of water was changed to 3 g (1 part by mass with respect to 1 part by mass of the aluminum powder). A hydrogen generation material was composed of only this metal material, a hydrogen generation test was performed, and a hydrogen generation amount was measured.

(実施例4)
粉砕に使用するアルミニウム粉末の量を1g、および水の量を3g(上記アルミニウム粉末1質量部に対して3質量部)に変更した以外は、実施例1と同様にして金属材料を作製した。この金属材料のみで水素発生材料を構成して水素発生試験を行い、水素発生量を測定した。
Example 4
A metal material was produced in the same manner as in Example 1 except that the amount of aluminum powder used for pulverization was changed to 1 g and the amount of water was changed to 3 g (3 parts by mass with respect to 1 part by mass of the aluminum powder). A hydrogen generation material was composed of only this metal material, a hydrogen generation test was performed, and a hydrogen generation amount was measured.

(実施例5)
粉砕用ポットの総回転時間を10分に変更した以外は、実施例1と同様にして金属材料を作製した。この金属材料のみで水素発生材料を構成して水素発生試験を行い、水素発生量を測定した。
(Example 5)
A metal material was produced in the same manner as in Example 1 except that the total rotation time of the grinding pot was changed to 10 minutes. A hydrogen generation material was composed of only this metal material, a hydrogen generation test was performed, and a hydrogen generation amount was measured.

(実施例6)
アルミニウム粉末の粉砕に用いる水の量を0.05g(上記アルミニウム粉末1質量部に対して0.01質量部)にした以外は、実施例1と同様にして金属材料を作製した。この金属材料のみで水素発生材料を構成して水素発生試験を行い、水素発生量を測定した。
(Example 6)
A metal material was produced in the same manner as in Example 1 except that the amount of water used for pulverizing the aluminum powder was 0.05 g (0.01 parts by mass with respect to 1 part by mass of the aluminum powder). A hydrogen generation material was composed of only this metal material, a hydrogen generation test was performed, and a hydrogen generation amount was measured.

(実施例7)
実施例1で作製した金属材料0.9gと、平均粒径が1μmのアルミナ0.1gを乳鉢で混合して水素発生材料を作製した。この水素発生材料を用いて、実施例1と同様にして水素発生試験を行い、水素発生量を測定した。
(Example 7)
A hydrogen generating material was prepared by mixing 0.9 g of the metal material prepared in Example 1 and 0.1 g of alumina having an average particle diameter of 1 μm in a mortar. Using this hydrogen generating material, a hydrogen generation test was performed in the same manner as in Example 1, and the amount of hydrogen generation was measured.

(実施例8)
実施例1で作製した金属材料0.93gと、炭素(キャボット社製「バルカンXC−72R」)0.07gを混合して水素発生材料を作製した。この水素発生材料を用いて、実施例1と同様にして水素発生試験を行い、水素発生量を測定した。
(Example 8)
A hydrogen generating material was produced by mixing 0.93 g of the metal material produced in Example 1 and 0.07 g of carbon (“Vulcan XC-72R” manufactured by Cabot Corporation). Using this hydrogen generating material, a hydrogen generation test was performed in the same manner as in Example 1, and the amount of hydrogen generation was measured.

(実施例9)
実施例1で作製した金属材料0.96gと、カルボキシメチルセルロース(ダイセル社製)0.04gを混合して水素発生材料を作製した。この水素発生材料を用いて、実施例1と同様にして水素発生試験を行い、水素発生量を測定した。
Example 9
0.96 g of the metal material produced in Example 1 and 0.04 g of carboxymethyl cellulose (manufactured by Daicel) were mixed to produce a hydrogen generating material. Using this hydrogen generating material, a hydrogen generation test was performed in the same manner as in Example 1, and the amount of hydrogen generation was measured.

(比較例2)
アルミニウム粉末の粉砕に用いる処理溶媒を、水16gのみとした以外は、実施例1と同様にして金属材料を作製した。この金属材料のみで水素発生材料を構成して水素発生試験を行い、水素発生量を測定した。
(Comparative Example 2)
A metal material was produced in the same manner as in Example 1 except that the processing solvent used for grinding the aluminum powder was only 16 g of water. A hydrogen generation material was composed of only this metal material, a hydrogen generation test was performed, and a hydrogen generation amount was measured.

(比較例3)
アルミニウム粉末の粉砕に用いる処理溶媒を、トルエン15gのみとした以外は、実施例1と同様にして金属材料を作製した。この金属材料のみで水素発生材料を構成して水素発生試験を行い、水素発生量を測定した。
(Comparative Example 3)
A metal material was produced in the same manner as in Example 1 except that the processing solvent used for pulverizing the aluminum powder was only 15 g of toluene. A hydrogen generation material was composed of only this metal material, a hydrogen generation test was performed, and a hydrogen generation amount was measured.

実施例1〜9および比較例2、3における水素発生試験を20時間行い、その間2分ごとに捕集した水素の量を測定し、水素発生試験の開始から水素の発生開始までの時間および試験中の水素発生量の総量を求めた。また、水素の捕集量の時間変化から水素の生成速度を求め、その値が最大になるまでの時間とその時の最大値を求めた。これらの結果を表2および表3に示す。   The hydrogen generation test in Examples 1 to 9 and Comparative Examples 2 and 3 was performed for 20 hours, during which time the amount of hydrogen collected every 2 minutes was measured, and the time and test from the start of the hydrogen generation test to the start of hydrogen generation The total amount of hydrogen generation was determined. In addition, the hydrogen generation rate was determined from the change in the amount of hydrogen collected over time, and the time until the value reached the maximum and the maximum value at that time were determined. These results are shown in Tables 2 and 3.

また、実施例2〜9および比較例2、3における金属材料について、それぞれ平均粒径および金属状態のアルミニウムの含有量を実施例1と同様にして測定した。これらの結果も表2に示す。   Further, for the metal materials in Examples 2 to 9 and Comparative Examples 2 and 3, the average particle diameter and the aluminum content in the metal state were measured in the same manner as in Example 1. These results are also shown in Table 2.

また、図4に、横軸に金属材料の粒径(μm)を、縦軸に頻度(体積%)をとり、実施例1、2および5の金属材料の粒度分布を表すグラフを示す。図4から明らかなように、実施例1、2および5の各金属材料は、粒径が60μm以下の粒子を80質量%以上の割合で含有している。   FIG. 4 is a graph showing the particle size distribution of the metal materials of Examples 1, 2, and 5, with the horizontal axis representing the particle size (μm) and the vertical axis representing the frequency (volume%). As is clear from FIG. 4, each of the metal materials of Examples 1, 2, and 5 contains particles having a particle size of 60 μm or less in a proportion of 80% by mass or more.

Figure 0004537337
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Figure 0004537337
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アルミニウム粉末を、水と有機溶媒とを含む処理溶媒中で粉砕して作製した金属材料を含む実施例1〜9の水素発生材料では、いずれも比較例1の水素発生材料よりも水素の発生開始までの時間や、水素生成速度が最大に達するまでの時間が短縮され、容易に水と反応して水素の発生が可能な水素発生材料を得ることができた。ただし、金属材料の処理条件により粒度分布や表面皮膜の形態などが異なるため、水素発生量や水素の生成速度の最大値には差が認められた。   In the hydrogen generating materials of Examples 1 to 9 including the metal material prepared by pulverizing aluminum powder in a processing solvent containing water and an organic solvent, generation of hydrogen starts more than the hydrogen generating material of Comparative Example 1 And the time until the hydrogen production rate reaches the maximum, the hydrogen generation material capable of generating hydrogen by easily reacting with water could be obtained. However, since the particle size distribution and the form of the surface film differ depending on the processing conditions of the metal material, differences were observed in the maximum amount of hydrogen generation and the maximum hydrogen generation rate.

実施例2および実施例5の水素発生材料は、実施例1の水素発生材料に比べて水素発生量および生成速度が小さい値となった。これは、図4に示すように、実施例2および実施例5の金属材料の粒径が実施例1の金属材料の粒径よりも大きく、表面積が低下したためと考えられる。実施例3の水素発生材料では、水素の生成速度は増加したが、水素発生量は低下した。上記生成速度の増加は、金属材料の粒径が小さくなり反応面積が増加したためと考えられるが、粉砕処理時に添加した水が多かったことにより、アルミニウムの酸化が進行して金属状態のアルミニウムが減少したため、水素発生量が低下したものと思われる。実施例4の水素発生材料では、処理時に添加した水の割合が実施例3よりも多かったため、さらにアルミニウムの酸化が進行し、水素発生量および生成速度が実施例1の水素発生材料に比べて低下したと考えられる。従って、処理時のアルミニウムと水の比率を変えることより、金属アルミニウム含有量を制御することができ、水素発生量および生成速度を制御できるものと思われる。また、処理時のアルミニウムと水の比率を変えることによって金属材料の粒径を制御できることも分かった。また、実施例5から、粉砕時間を変えることによっても金属材料の粒径を制御できることがわかった。これら粉砕条件を制御することにより、金属材料の粒径を制御して水素発生量および水素生成速度を制御できると考えられる。   The hydrogen generation materials of Example 2 and Example 5 had values of lower hydrogen generation amount and production rate than the hydrogen generation material of Example 1. As shown in FIG. 4, it is considered that the particle size of the metal material of Example 2 and Example 5 was larger than the particle size of the metal material of Example 1 and the surface area was reduced. In the hydrogen generating material of Example 3, the hydrogen generation rate increased, but the hydrogen generation amount decreased. The increase in the production rate is thought to be because the particle size of the metal material was reduced and the reaction area was increased. However, the amount of water added during the pulverization treatment increased the oxidation of aluminum and the aluminum in the metallic state decreased. Therefore, it seems that the amount of hydrogen generation decreased. In the hydrogen generating material of Example 4, the ratio of water added at the time of treatment was higher than that of Example 3, so that the oxidation of aluminum further progressed, and the hydrogen generation amount and the generation rate were higher than those of Example 1 hydrogen generating material. It is thought that it fell. Therefore, it is considered that the metal aluminum content can be controlled by changing the ratio of aluminum and water during the treatment, and the hydrogen generation amount and the production rate can be controlled. It was also found that the particle size of the metal material can be controlled by changing the ratio of aluminum and water during the treatment. Further, from Example 5, it was found that the particle size of the metal material can be controlled also by changing the pulverization time. By controlling these grinding conditions, it is considered that the amount of hydrogen generation and the rate of hydrogen generation can be controlled by controlling the particle size of the metal material.

実施例6で用いた金属材料は、アルミニウム粉末の粉砕に用いる処理溶媒中の水の割合を減らして作製したものであるが、粉砕後の金属材料の大半が、粉砕用ポットの表面に付着した。また、一部が、金属光沢を有する鱗片状の粒子として得られた。この金属材料を水素発生材料として水素発生試験を行ったところ、金属材料が水に浮いてしまい、水と反応しにくくなったため、実施例1に比べて水素発生量が低下した。これに対し、実施例1〜5および実施例7〜9で用いた金属材料は水に沈み、水との親和性が良好であった。   The metal material used in Example 6 was prepared by reducing the proportion of water in the processing solvent used for pulverizing the aluminum powder, but most of the pulverized metal material adhered to the surface of the pulverizing pot. . Moreover, a part was obtained as scale-like particles having a metallic luster. When a hydrogen generation test was performed using this metal material as a hydrogen generation material, the metal material floated in water and became difficult to react with water. Therefore, the amount of hydrogen generation was lower than that in Example 1. On the other hand, the metal materials used in Examples 1 to 5 and Examples 7 to 9 were submerged in water and had good affinity with water.

実施例7は、添加剤としてアルミナを加え、金属材料の含有量を90質量%として水素発生材料を構成したものである。この実施例では、実施例1の水素発生材料に比べて、金属材料の含有量を減少させたが、添加剤であるアルミナが反応を促進させることにより金属材料中のアルミニウムの反応率が増加したため、実施例1と同等の水素発生量および水素の生成速度を得ることができた。これは、アルミナを添加することにより、未反応の金属材料と、金属材料の反応により生じる生成物との凝結が防止されたためと考えられる。   In Example 7, alumina was added as an additive, and the content of the metal material was 90% by mass to constitute the hydrogen generating material. In this example, the content of the metal material was reduced as compared with the hydrogen generating material of Example 1, but the reaction rate of aluminum in the metal material increased due to the fact that alumina as an additive promoted the reaction. As a result, it was possible to obtain a hydrogen generation amount and a hydrogen generation rate equivalent to those in Example 1. This is presumably because the addition of alumina prevented the condensation of the unreacted metal material and the product produced by the reaction of the metal material.

また、添加剤として炭素を加えて水素発生材料とした実施例8、および添加剤として吸水性高分子であるカルボキシメチルセルロースを加えて水素発生材料とした実施例9においても、実施例7と同様に、実施例1の水素発生材料に比べて金属材料の含有量が減少しているが、実施例1と同等以上の水素発生量および水素の生成速度が確保されており、水素発生材料中の炭素や吸水性高分子についても、実施例7に係るアルミナと同様の作用があることが分かった。   Similarly to Example 7, also in Example 8 in which carbon was added as an additive to form a hydrogen generating material, and Example 9 in which carboxymethyl cellulose as a water-absorbing polymer was added as an additive to form a hydrogen generating material. Although the content of the metal material is reduced as compared with the hydrogen generating material of Example 1, the hydrogen generation amount and the hydrogen generation rate equal to or higher than those of Example 1 are secured, and the carbon in the hydrogen generating material is It was also found that the water-absorbing polymer has the same action as the alumina according to Example 7.

一方、アルミニウム粉末の粉砕を水のみを用いて行った比較例2では、粉砕処理中にアルミニウムの大部分が水と反応して酸化してしまったため、金属状態のアルミニウムがほとんど残存しておらず、水素発生試験で得られた水素の量はわずかであった。   On the other hand, in Comparative Example 2 in which the aluminum powder was pulverized using only water, most of the aluminum reacted with water and oxidized during the pulverization treatment, so that almost no metallic aluminum remained. The amount of hydrogen obtained in the hydrogen generation test was very small.

また、比較例3では、アルミニウム粉末の粉砕を、水を含有しない有機溶媒のみを用いて実施したが、粉砕用ポットの表面に付着する粉砕物量や、金属光沢を有する鱗片状の粒子の割合が、実施例6に比べて更に増大した。そして、この粉砕物を用いて水素発生試験を行っても、粉砕物が水に浮いてしまい、水素発生量が極めて低下した。実施例1〜5で作製した金属材料と比較例3の粉砕物との粒子形状の違いや表面性状の違いなどが、水素発生の違いに影響を与えていると考えられる。   In Comparative Example 3, the aluminum powder was pulverized using only an organic solvent not containing water. However, the amount of pulverized matter adhering to the surface of the pulverizing pot and the proportion of scale-like particles having a metallic luster were obtained. Compared with Example 6, it further increased. And even if the hydrogen generation test was performed using this pulverized product, the pulverized product floated in water, and the amount of hydrogen generation was extremely reduced. It is considered that the difference in particle shape and surface property between the metal materials produced in Examples 1 to 5 and the pulverized product in Comparative Example 3 affect the difference in hydrogen generation.

実施例2〜6で作製した金属材料について、その断面を電子顕微鏡で観察し、かつ、その表面をArでエッチングしながら、X線光電子分光法(XPS)により、アルミニウムの金属状態に由来するピークおよび酸化物(または水酸化物)に由来する2pのピークについて、深さ方向の分析を行うことにより、それぞれの金属材料の表面には、図5の模式図に示すような構造の積層部を有する表面皮膜が存在していることが確認された。   About the metal material produced in Examples 2-6, while observing the cross section with an electron microscope and etching the surface with Ar, the peak derived from the metallic state of aluminum by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) And by analyzing the depth of the 2p peak derived from the oxide (or hydroxide), the surface of each metal material has a laminated portion having a structure as shown in the schematic diagram of FIG. It was confirmed that the surface film had.

(実施例10)
水素発生試験における容器の加熱温度を45℃に変更した以外は、実施例1と同様にして試験を行い、水素発生量を測定した。
(Example 10)
The test was performed in the same manner as in Example 1 except that the heating temperature of the container in the hydrogen generation test was changed to 45 ° C., and the amount of hydrogen generation was measured.

(実施例11)
水素発生試験における容器の加熱温度を40℃に変更した以外は、実施例1と同様にして試験を行い、水素発生量を測定した。
(Example 11)
The test was performed in the same manner as in Example 1 except that the heating temperature of the container in the hydrogen generation test was changed to 40 ° C., and the amount of hydrogen generation was measured.

上記実施例10および実施例11について、水素発生量および水素の生成速度の最大値を表4に示す。   Table 4 shows the maximum amount of hydrogen generation and the rate of hydrogen generation for Example 10 and Example 11.

Figure 0004537337
Figure 0004537337

水素発生試験時の加熱温度を変化させた実施例10および実施例11においても、いずれも水素発生が認められ、水素発生材料を40℃以上に加熱すれば、水素発生量および水素の生成速度が大幅に増加することが確認された。50℃に加熱した実施例1では、水素の生成速度が最大となったのは加熱開始14分後であり、その後急激に生成速度が低下した。これに対し、45℃および40℃で加熱した実施例10および実施例11では、実施例1よりも生成速度は低いが、長時間にわたり安定に水素を発生させることができた。従って、加熱温度を制御することによっても、水素発生速度を制御することが可能と考えられる。   In both Example 10 and Example 11 in which the heating temperature during the hydrogen generation test was changed, hydrogen generation was observed. If the hydrogen generating material was heated to 40 ° C. or higher, the amount of hydrogen generation and the rate of hydrogen generation were reduced. A significant increase was confirmed. In Example 1 heated to 50 ° C., the maximum hydrogen generation rate was 14 minutes after the start of heating, and then the generation rate rapidly decreased. In contrast, in Examples 10 and 11 heated at 45 ° C. and 40 ° C., the production rate was lower than in Example 1, but hydrogen could be generated stably over a long period of time. Therefore, it is considered that the hydrogen generation rate can be controlled also by controlling the heating temperature.

<実験2 水素発生装置による水素発生試験>
(実施例12)
実施例1と同様にして作製した金属材料をそのまま水素発生材料とし、図3に示す構成の水素発生装置を用いて水素発生試験を行った。水素発生材料1gを、内容積50mlのガラス製収容容器2に入れた。このガラス製収容容器2を水供給口4および水素排出口5を有する蓋3で密閉した。加熱用手段として抵抗体を収容容器2の外側に配置した。抵抗体に通電して容器を50℃に加熱した状態で、ポンプ8を用いて水供給口4から水を0.02ml/minの速度で供給したところ、実施例1と同様に水素発生が確認された。また、水の供給を停止すると、数分後に水素発生が止まることを確認した。
<Experiment 2 Hydrogen generation test with hydrogen generator>
(Example 12)
A metal material produced in the same manner as in Example 1 was used as a hydrogen generation material as it was, and a hydrogen generation test was performed using a hydrogen generation apparatus having the configuration shown in FIG. 1 g of the hydrogen generating material was placed in a glass container 2 having an internal volume of 50 ml. The glass container 2 was sealed with a lid 3 having a water supply port 4 and a hydrogen discharge port 5. A resistor was disposed outside the container 2 as a heating means. When the resistor was energized and the container was heated to 50 ° C., water was supplied from the water supply port 4 at a rate of 0.02 ml / min using the pump 8, and hydrogen generation was confirmed as in Example 1. It was done. It was also confirmed that when water supply was stopped, hydrogen generation stopped after a few minutes.

(実施例13)
実施例12において、水の供給を停止する代わりに、加熱を止めて容器を放冷したところ、数分後に水素発生が止まることを確認した。
(Example 13)
In Example 12, instead of stopping the supply of water, when heating was stopped and the container was allowed to cool, it was confirmed that hydrogen generation stopped after a few minutes.

<実験3 固体高分子型燃料電池の作製>
実施例1と同様にして水素を発生させ、発生した水素を固体高分子型燃料電池に供給して放電試験を行った。その結果、室温で200mW/cmという高い出力が得られ、小型、可搬型燃料電池の燃料源として有効であることが分かった。
<Experiment 3 Production of polymer electrolyte fuel cell>
Hydrogen was generated in the same manner as in Example 1, and the generated hydrogen was supplied to a polymer electrolyte fuel cell to conduct a discharge test. As a result, it was found that a high output of 200 mW / cm 2 was obtained at room temperature, and it was effective as a fuel source for a compact and portable fuel cell.

実施例1の金属材料の作製に際し、原材料として使用したアルミニウム粉末の断面の電子顕微鏡による観察結果を示す図である。It is a figure which shows the observation result by the electron microscope of the cross section of the aluminum powder used as a raw material in the case of preparation of the metal material of Example 1. FIG. 実施例1で作製した水素発生材料に用いた金属材料の断面の電子顕微鏡による観察結果を示す図である。It is a figure which shows the observation result by the electron microscope of the cross section of the metal material used for the hydrogen generating material produced in Example 1. FIG. 水素発生装置の構造を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the structure of a hydrogen generator. 実施例1、2および5の水素発生材料に用いた金属材料の粒度分布を示すグラフである。It is a graph which shows the particle size distribution of the metal material used for the hydrogen generating material of Example 1, 2 and 5. 実施例2〜6の水素発生材料に用いた金属材料の表面皮膜の構造を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the structure of the surface film | membrane of the metal material used for the hydrogen generating material of Examples 2-6.

符号の説明Explanation of symbols

1 反応容器
2 収容容器
3 蓋
4 水供給口
5 水素排出口
6 水素発生材料
7 水
8 ポンプ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Reaction container 2 Storage container 3 Lid 4 Water supply port 5 Hydrogen discharge port 6 Hydrogen generating material 7 Water 8 Pump

Claims (21)

アルミニウムおよびアルミニウム合金より選択される少なくとも1種の金属材料を含有し、水との反応により水素ガスを発生する水素発生材料であって、
上記金属材料は、金属状態のアルミニウムを含有する金属相とアルミニウムの酸化物または水酸化物を含有する不活性相とを含む表面皮膜を有することを特徴とする水素発生材料。
A hydrogen generating material containing at least one metal material selected from aluminum and aluminum alloys and generating hydrogen gas by reaction with water,
The metal material has a surface film including a metal phase containing aluminum in a metal state and an inert phase containing an oxide or hydroxide of aluminum.
上記表面皮膜は、上記金属相からなる層と、上記不活性相からなる層とが互いに積層した積層部を含んで構成されている請求項1に記載の水素発生材料。   2. The hydrogen generating material according to claim 1, wherein the surface film includes a laminated portion in which a layer made of the metal phase and a layer made of the inert phase are laminated with each other. 上記積層部において、上記金属相からなる層と、上記不活性相からなる層とは、それぞれ2層以上積層している請求項2に記載の水素発生材料。   3. The hydrogen generating material according to claim 2, wherein in the laminated portion, two or more layers each including the metal phase and the inert phase are stacked. 上記積層部の厚みが、2μm以下である請求項2または3に記載の水素発生材料。   The hydrogen generating material according to claim 2 or 3, wherein the thickness of the laminated portion is 2 µm or less. 上記表面皮膜が、空孔を有することを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の水素発生材料。   The hydrogen generating material according to claim 1, wherein the surface film has pores. 上記金属材料は、粒径が60μm以下の粒子を80体積%以上の割合で含有する請求項1〜5のいずれかに記載の水素発生材料。   The hydrogen generating material according to claim 1, wherein the metal material contains particles having a particle size of 60 μm or less in a proportion of 80% by volume or more. 上記金属材料の平均粒径が、30μm以下である請求項1〜6のいずれかに記載の水素発生材。   The hydrogen generating material according to claim 1, wherein the metal material has an average particle size of 30 μm or less. 上記金属材料に含まれるアルミニウムは、60質量%以上が金属状態で存在する請求項1〜7のいずれかに記載の水素発生材料。   The aluminum contained in the metal material is a hydrogen generating material according to any one of claims 1 to 7, wherein 60 mass% or more is present in a metal state. 水と反応して発熱する発熱材料であって、上記金属材料以外の発熱材料を更に含有する請求項1〜8のいずれかに記載の水素発生材料。   The heat generating material which generates heat by reacting with water, and further contains a heat generating material other than the metal material. 親水性酸化物、炭素および吸水性高分子より選択される少なくとも1種の添加剤を更に含有する請求項1〜9のいずれかに記載の水素発生材料。   The hydrogen generating material according to any one of claims 1 to 9, further comprising at least one additive selected from a hydrophilic oxide, carbon, and a water-absorbing polymer. アルミニウムおよびアルミニウム合金より選択される少なくとも1種の金属材料を含有し、水との反応により水素ガスを発生する水素発生材料の製造方法であって、
水と有機溶媒とを含む処理溶媒中で、原料であるアルミニウムまたはアルミニウム合金を粉砕することにより、金属状態のアルミニウムを含有する金属相とアルミニウムの酸化物または水酸化物を含有する不活性相とを含む表面皮膜を有する金属材料を形成することを特徴とする水素発生材料の製造方法。
A method for producing a hydrogen generating material containing at least one metal material selected from aluminum and an aluminum alloy and generating hydrogen gas by reaction with water,
By crushing aluminum or an aluminum alloy as a raw material in a processing solvent containing water and an organic solvent, a metal phase containing aluminum in a metal state and an inert phase containing an oxide or hydroxide of aluminum A method for producing a hydrogen generating material , comprising forming a metal material having a surface coating containing
上記処理溶媒が、芳香族炭化水素または脂肪族炭化水素を含む請求項11に記載の水素発生材料の製造方法。   The method for producing a hydrogen generating material according to claim 11, wherein the treatment solvent contains an aromatic hydrocarbon or an aliphatic hydrocarbon. 上記処理溶媒が、水と共沸混合物になる有機溶媒を含む請求項11に記載の水素発生材料の製造方法。   The method for producing a hydrogen generating material according to claim 11, wherein the treatment solvent contains an organic solvent that becomes an azeotropic mixture with water. 上記処理溶媒が、トルエンまたはシクロヘキサンを含む請求項13に記載の水素発生材料の製造方法。   The method for producing a hydrogen generating material according to claim 13, wherein the treatment solvent contains toluene or cyclohexane. 原料となるアルミニウムまたはアルミニウム合金1質量部に対して、上記処理溶媒中の水の量を0.02〜2質量部とする請求項11〜14のいずれかに記載の水素発生材料の製造方法。   The method for producing a hydrogen generating material according to any one of claims 11 to 14, wherein the amount of water in the treatment solvent is 0.02 to 2 parts by mass with respect to 1 part by mass of aluminum or aluminum alloy as a raw material. 原料となるアルミニウムまたはアルミニウム合金1質量部に対して、上記処理溶媒中の水の量を0.1〜1質量部とする請求項15に記載の水素発生材料の製造方法。   The method for producing a hydrogen generating material according to claim 15, wherein the amount of water in the treatment solvent is 0.1 to 1 part by mass with respect to 1 part by mass of aluminum or aluminum alloy as a raw material. 上記処理溶媒中、水1質量部に対する有機溶媒の量を5質量部以上とする請求項11〜16のいずれかに記載の水素発生材料の製造方法。   The manufacturing method of the hydrogen generating material in any one of Claims 11-16 which makes the quantity of the organic solvent with respect to 1 mass part of water 5 mass parts or more in the said process solvent. 請求項1〜10のいずれかに記載の水素発生材料を水と反応させ、水素を生成させることを特徴とする水素の製造方法。   A method for producing hydrogen, wherein the hydrogen generating material according to any one of claims 1 to 10 is reacted with water to produce hydrogen. 上記水素発生材料および水のうち少なくとも一方を加熱することを特徴とする請求項18に記載の水素の製造方法。   19. The method for producing hydrogen according to claim 18, wherein at least one of the hydrogen generating material and water is heated. 請求項1〜10のいずれかに記載の水素発生材料を収容した容器を備え、さらに、上記水素発生材料が水と反応して生成する水素を、上記容器内から外部に取り出すことのできる導出口を上記容器に備えたことを特徴とする水素の製造装置。   11. A lead-out port provided with a container containing the hydrogen generating material according to claim 1 and further capable of taking out hydrogen generated by the reaction of the hydrogen generating material with water from the inside of the container. Is provided in the container. 水素を燃料とする燃料電池であって、水素発生源として請求項20に記載の水素の製造装置を備えたことを特徴とする燃料電池。
A fuel cell using hydrogen as a fuel, comprising the hydrogen production apparatus according to claim 20 as a hydrogen generation source.
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