固体水素燃料並びにその製造方法及びその使用方法
【課題】容易に使用することができ、且つ水素を効率的に放出することが可能な固体水素燃料の製造方法及びその使用方法を提供する。
【解決手段】少なくとも一つの水素化物粉末と、少なくとも一つの水素放出触媒粉末とを十分に混合する。次に、混合粉末を加圧により結合させてブロックにする。使用の際、該ブロック状固体水素燃料Ｆを水と混合する。水素化物粉末及び水が水素放出反応を起こし、水素を生成する。好ましい水素化物は、水素化ホウ素ナトリウムであり、好ましい水素放出触媒粉末は、ルテニウム、コバルト、ニッケル、鉄、マンガン及び銅から成る群より
選択される１つ又は複数を含む複数の固体金属ナノ粒子である。該水素放出触媒粉末は、水素放出反応を触媒して水素を生成するのに使用される。該固体水素燃料は、
より高い水素生成量を有し、水素を完全に放出することができる。
【解決手段】少なくとも一つの水素化物粉末と、少なくとも一つの水素放出触媒粉末とを十分に混合する。次に、混合粉末を加圧により結合させてブロックにする。使用の際、該ブロック状固体水素燃料Ｆを水と混合する。水素化物粉末及び水が水素放出反応を起こし、水素を生成する。好ましい水素化物は、水素化ホウ素ナトリウムであり、好ましい水素放出触媒粉末は、ルテニウム、コバルト、ニッケル、鉄、マンガン及び銅から成る群より
選択される１つ又は複数を含む複数の固体金属ナノ粒子である。該水素放出触媒粉末は、水素放出反応を触媒して水素を生成するのに使用される。該固体水素燃料は、
より高い水素生成量を有し、水素を完全に放出することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して固体水素燃料並びにその製造方法及びその使用方法に関し、より詳細には、容易に使用することができ、且つ水素を効率的に放出することが可能な固体水素燃料に関する。本発明の固体水素燃料を使用する方法は、液体水素燃料における大きな進歩である。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、化学エネルギーを電気エネルギーに転換することが可能な装置である。燃料及び酸化剤が絶えず供給されている間、燃料電池は電気エネルギーを連続的に発生させることができる。水素燃料電池に関して、燃料は水素であり、酸化剤は酸素である。しかしながら、水素は危険な可燃性ガスであるため、貯蔵条件が厳密である。したがって、従来では、水素を含有する水素化物溶液又は水素吸蔵材が水素源として使用されている。水素はそこから取り出されて燃料電池へと供給される。
【０００３】
水素燃料電池における従来の水素生成システム及びその動作方法は次のように説明される。水素生成システムでは水素化ホウ素ナトリウム溶液が水素源として使用される。図１を参照されたい。図１は従来の水素生成システムを例示している。従来の水素生成システム１１０は、水素を水素化ホウ素ナトリウム溶液から取り出して水素を燃料電池１００へと供給するのに使用される。水素生成システム１１０は、燃料タンク１１１と、再利用タンク１１２と、ポンプ１１３と、触媒床１１４と、気液分離チャンバ１１５と、圧力センサ１１６と、制御装置１１７とを備える。
【０００４】
図１において、制御装置１１７は、ポンプ１１３及び圧力センサ１１６と接続されている。ポンプ１１３は、水素化ホウ素ナトリウム溶液（液体燃料）を触媒床１１４へと運搬する。水素が放出された後、過ホウ酸ナトリウム溶液は触媒床１１４から取り出される。化学式（１）は次の通りである：
【０００５】
【化１】
【０００６】
従来の水素生成システム１１０が動作を開始すると、制御装置１１７が、気液分離チャンバ１１５内で検出される水素の圧力に応じる圧力センサ１１６により、ポンプ１１３を制御し、さらに水素の生成を制御する。水素の圧力が不十分であると圧力センサ１１６が検出すると、ポンプ１１３は燃料タンク１１１内の水素化ホウ素ナトリウム溶液及び燃料電池１００の生成水を触媒床１１４に運搬する。水素化ホウ素ナトリウムの加水分解反応は、水素を急速に生成するために触媒床１１４の触媒作用によって促進される。その後、気液分離チャンバ１１５において、水素化ホウ素ナトリウムの加水分解反応の生成物、即ち、過ホウ酸ナトリウム溶液が、再利用タンク１１２へと戻されて貯蔵される。水素は燃料電池１００のアノードへと運搬されて、直流及び生成水を連続的に生成させる電気化学反応を起こす。しかしながら、式（１）が示す、水素化ホウ素ナトリウム／過ホウ酸ナトリウムの析出物がパイプに詰まる。結果として、ポンプ１１３は液体燃料を触媒床１１４へ送り込むことができず、水素の生成が止まる。
【０００７】
さらに、液体水素化ホウ素ナトリウム溶液は、従来、水素源として使用されており、水素はそこから取り出される。したがって、水素の生成は、水素化ホウ素ナトリウムの水への溶解性によって制限される。例えば、固体水素化ホウ素ナトリウムの加水分解反応では、理論的な水素生成は１０．８ｗｔ％に達し得る。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、水素化ホウ素ナトリウムが溶液の形態で使用されている場合、水素化ホウ素ナトリウムの溶解性が考慮されなければならない。水素化ホウ素ナトリウムの水への溶解性は、室温で約０．５５ｇ ＮａＢＨ４／１ｇ Ｈ２Ｏであり、理論的な水素生成は７．５ｗｔ％となる。さらに、過ホウ酸ナトリウムの析出物がパイプに詰まらないようにするために、過ホウ酸ナトリウムの水への溶解性が考慮されなければならない。過ホウ酸ナトリウムの水への溶解性は約０．２８ｇ ＮａＢＯ２／１ｇ Ｈ２Ｏである。したがって、理論的な水素生成は実際には４．６ｗｔ％しかない。
【０００９】
加えて、従来の液体水素燃料は、水素が短時間で放出され得ないという問題を有する。図２（Ａ）は、従来の液体水素燃料の使用方法を例示している。図２（Ｂ）は、従来の液体水素燃料を用いた水素放出曲線を示している。従来の液体水素燃料を使用する場合には、触媒１４をアルカリ性液体水素化ホウ素ナトリウム（ＮａＢＨ４）溶液１１に添加し得る。触媒１４が溶液１１と接触及び反応すると、水素が放出される。１ｇの水素化ホウ素ナトリウムが、水素化ナトリウム溶液を生成するために４０ｇの水に溶解される。０．２ｇのカチオン交換樹脂（ＩＲ−１２０）キレート化コバルトイオン（Ｃｏ２＋／ＩＲ−１２０）が触媒として使用される。図２（Ｂ）中の水素放出曲線は、図２（Ａ）に示される従来の液体水素燃料の使用方法によって得られたものである。
【００１０】
しかしながら、過ホウ酸ナトリウムの水への溶解性に加えて、他の問題も残っている。図２（Ｂ）に示されるように、開始時に水素が放出された直後、水素放出速度は急激に減少する。Ａ点にまで降下した後、水素放出速度は、長時間低いままである。時間軸の最後で、水素放出速度は依然として低いままである。このため、従来の液体水素燃料は短時間で水素を完全に放出することができない。
【００１１】
上述のように、液体燃料を使用する場合、理論的な水素生成が１０．８ｗｔ％から４．６ｗｔ％へと下がる溶解性の問題は、水素貯蔵量に大きな損失をもたらす。損失を補うためにより大きな燃料タンク及び再利用タンクを使用したとしても、その大容量により燃料電池の用途が限定される。さらに、水素化ホウ素ナトリウム溶液等の液体水素源は、システム機構設計をより複雑にし、製品の用途も限定する。その上、触媒と水素化ホウ素溶液との接触反応を用いて水素を放出させる従来方法では、短時間で水素が完全に放出され得ない。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、固体水素燃料及び、その製造方法及びその使用方法に関する。固体水素化物粉末と固体触媒粉末とを十分に混合させた後、加圧により結合させて固体水素燃料を形成する。水素は、単に固体水素燃料を水と混合することによって生成され、この水素放出速度は高い。それゆえ、固体水素燃料は高出力燃料電池に適用されうる。加圧によりブロックに成形した後、固体水素燃料は輸送が容易となり、また、様々な形態に成形されうる。固体水素燃料をシステム及び製品の機構設計に適合させることは難しくなく、このためこの製品を使用しようというユーザーの意欲をさらに高める。その上、水素を生成するのに水素化物溶液を用いた従来法と比べて、固体水素化物の水素生成量の方が高く、水素は短時間で完全に放出されうる。
【００１３】
本発明によれば、固体水素燃料を製造する方法が提供される。初めに、固体水素化物粉末と固体触媒粉末とが十分に混合される。混合粉末は加圧によりブロックに成形される。当該ブロックは、十分に混合された、少なくとも一つの水素化物粉末と、少なくとも一つの水素放出触媒粉末とを含む。本発明によれば、固体水素燃料が提供される。当該固体水素燃料は、十分に混合された、少なくとも一つの水素化物粉末と、少なくとも一つの水素放出触媒粉末とを含む。水素化物粉末及び水素放出触媒粉末は、ブロックを形成するように、加圧により結合される。
【００１４】
本発明によれば、固体水素燃料の使用方法が提供される。当該固体水素燃料は、十分に混合された、少なくとも一つの水素化物粉末と、少なくとも一つの水素放出触媒粉末とを含む。上記固体水素燃料に水を添加するだけで水素を放出させることができる。固体水素燃料中の水素化物粉末は水と反応して水素を放出する。水素放出触媒粉末は、反応を触媒して水素を生成するためのものである。
【００１５】
本発明は、好ましいが非限定的な実施形態の以下の詳細な説明から明らかとなる。以下の説明は添付の図面を参照して為される。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】従来の水素生成システムを例示する図である。
【図２】従来の液体水素燃料の使用方法を例示する図と、従来の液体水素燃料を用いた水素放出曲線とを示す。
【図３】本発明の固体水素燃料を用いた水素生成システムを例示する図である。
【図４】本発明の実施形態の固体水素燃料の使用方法を例示する図と、本発明の実施形態の固体水素燃料を用いた水素放出曲線とを示す。
【図５】本発明の実施形態の２つの固体水素燃料の水素生成率（転換率）を示す図である。
【図６】本発明の実施形態の２つの固体水素燃料の水素生成量の重量パーセントを示す。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
［固体水素燃料］
本発明の実施形態において、燃料電池で用いられる水素を生成するための固体水素燃料が提供される。固体水素化物粉末と触媒粉末とは十分に混合され、固体水素燃料を形成する。固体水素燃料と水とは混合され、化学式（１）に示されるように水素を生成する。この水素放出量は高い。それゆえ、固体水素燃料は高出力燃料電池に適用することができる。その上、従来の水素化物溶液と比べて、固体水素化物の水素生成量は従来の液体水素化物の水素生成量よりも高い（従来の液体水素化物の理論的な生成は４．６ｗｔ％にしか達し得ない）。さらに、粉末は加圧によりブロックに成形された後、ブロックは輸送が容易となり、様々な形態に成形されることができる。ブロックをシステム及び製品の機構設計に適合させることは難しくなく、このためこの製品を使用しようというユーザーの意欲をさらに高める。
【００１８】
本発明の実施形態によれば、固体水素燃料は、第１の水素化物粉末と、水素放出触媒粉末とを含む。第１の水素化物粉末は、水と反応して水素を放出させるためのものである。水素放出触媒粉末は、水素の生成を増大させるために、第１の水素化物粉末と十分に混合され、水素放出反応を触媒するのに用いられる。
【００１９】
水素放出触媒粉末の多彩な構造が、本実施形態の固体水素燃料において用いられ得る。３つのタイプの水素放出触媒粉末が、本実施形態の固体水素燃料の水素放出触媒粉末を例示するように以下のように説明される。しかしながら、本発明はこれに限定されない。第１の触媒粉末は例えば金属ナノ粒子である（即ち、第１の触媒粉末は多数の金属ナノ粒子を含む）。第２の触媒粉末は例えば、多数の金属原子及び／又は金属ナノ粒子を有する触媒キャリアである（即ち、第２の触媒粉末は、多数の触媒キャリア、並びに金属原子及び／又は金属ナノ粒子を含み、金属原子及び／又は金属ナノ粒子は、触媒キャリアの表面を被覆している）。第３の触媒粉末は例えば、表面上で多数の金属イオンをキレートする触媒キャリアである（即ち、第３の触媒粉末は多数の触媒キャリア及び金属イオンを含み、表面上で触媒キャリアは金属ナノ粒子をキレートする）。
【００２０】
好ましくは、限定するものではないが、上記金属ナノ粒子としては、ルテニウム、コバルト、ニッケル、鉄、マンガン及び銅から成る群より選択される少なくとも１つ又は複数を含む。例えば、第１の触媒粉末は２つ以上の金属ナノ粒子を含む。別の例では、第２の触媒粉末の触媒キャリアが、２つ以上の金属ナノ粒子を含み得る。同様に、上記金属イオンは、ルテニウム、コバルト、ニッケル、鉄、マンガン及び銅から成る群より選択される少なくとも１つ又は複数を含む。例えば、第３の触媒粉末は２つ以上の金属イオンを含み得る。
【００２１】
さらに、固体水素燃料の組成において、総重量に対する触媒粉末の重量パーセントは好ましくは０．０００１ｗｔ％〜５０ｗｔ％である。第２の触媒粉末と第３の触媒粉末との平均粒子径は好ましくは１μｍ〜１０ｍｍである。この範囲は使用される金属又は金属イオンに応じて異なる。ルテニウムを例にとる。ルテニウムの費用は高いが、水素化ホウ素ナトリウムの加水分解反応に対する優れた触媒作用を有する。このため、用途の要求が満たされれば、ルテニウムの重量パーセントは下げることができ、そのため製造コストが下がる。したがって、このタイプの金属及び触媒粉末の重量パーセントは、実用条件に応じて調節することができる。本発明はこれに限定されない。
【００２２】
本発明の固体水素燃料の組成において、固体水素化ホウ素ナトリウムは、一例として本発明の第１の水素化物として使用される。水素化ホウ素ナトリウムの加水分解反応率は良好であり、水素化ホウ素ナトリウムは高価なものでなく容易に入手できる。水素化ホウ素ナトリウムは室温下で乾燥条件で安定である。水素化ホウ素ナトリウムを粉砕して粉末を形成することは容易である。しかしながら、実際に適用する場合、本発明はこれに限定されない。
【００２３】
さらに、第２の水素化物粉末は固体水素燃料の組成物に添加されうる。第２の水素化物粉末は第１の水素化物粉末及び水素放出触媒粉末と十分に混合される。また、第２の水素化物粉末は水と作用して、第２の水素放出反応を起こす。一方、水素放出触媒粉末は、第２の水素放出反応に触媒作用を及ぼして水素の生成を促す。
【００２４】
第２の水素化物粉末は好ましくは、水素化ホウ素ナトリウムよりも高い加水分解反応率を有する水素化物であり、このため水素の総生成量が増大する。例えば、第２の水素化物粉末は、水素化アルミニウムリチウム、水素化アルミニウムナトリウム、水素化アルミニウムマグネシウム、水素化アルミニウムカルシウム、水素化ホウ素リチウム、水素化ホウ素カリウム、水素化ホウ素ベリリウム、水素化ホウ素マグネシウム、水素化ホウ素カルシウム、水素化リチウム、水素化ナトリウム、水素化マグネシウム及び水素化カルシウムから成る群より選択され得る。実施形態において、固体水素燃料の組成における、総重量に対する第２の水素化物粉末の重量パーセントは好ましくは０．００１ｗｔ％〜５０ｗｔ％である。第２の水素化物粉末の比率（重量パーセント）は、固体水素燃料を適用する燃料電池の条件に応じて調節される。例えば、固体水素燃料が高出力燃料電池に適用される場合、第２の水素化物粉末の重量パーセントは、高出力燃料電池の需要を満たすように水素生成量を高めるように増加させることができる。
【００２５】
［固体水素燃料を製造する方法］
本発明の実施形態では、固体水素燃料を製造する方法が提供される。しかしながら、本発明はこれに限定されない。本方法を実用用途の条件に応じて変更することができることは本発明の当業者により理解され得る。固体水素燃料を製造する方法は次の工程を含む。初めに、第１の水素化物粉末及び水素放出触媒粉末が準備される。第１の水素化物粉末及び水素放出触媒粉末の組成及び割合については上記を参照されたい。
【００２６】
次に、第１の水素化物粉末と水素放出触媒粉末とは十分に混合される。この工程において、第１の水素化物粉末及び水素放出触媒粉末は好ましくは製粉によって十分に混合される。もしくは、水素放出触媒粉末及び水素化物粉末がそれぞれ製粉されたその後、第１の水素化物粉末と水素放出触媒粉末とが十分に混合される。
【００２７】
次に、実用条件に応じて加圧により混合粉末を結合するか否かを決定することができる。例えば、第１の水素化物粉末と水素放出触媒粉末との混合物は、加圧により棒状又は任意の他の形状に成形されうる。加圧によりブロックに成形した後、混合粉末は、持ち運びが容易となり、そして、適用されるシステム及び製品の設計に適合するように形状は変えられうる。
【００２８】
第２の水素化物粉末が固体水素燃料の組成物に添加される場合には、上記製造方法にわずかな変更が必要とされる。例えば、粉末を準備する工程が、第２の水素化物粉末を準備することをさらに含む。同様に、第２の水素化物粉末の組成及び割合については上記の説明を参照されたい。粉末を混合する工程は、第１の水素化物粉末と、第２の水素化物粉末と、水素放出触媒粉末とを混合することをさらに含む。加圧により粉末を成形する工程は、第１の水素化物粉末と、第２の水素化物粉末と、水素放出触媒粉末との混合物を、加圧により棒状又は任意の他の形状に成形することをさらに含む。
【００２９】
［燃料電池における水素を生成する方法］
本発明の実施形態では、燃料電池における水素を生成する方法が提供される。本方法は次の工程を含む。初めに、固体水素燃料が燃料電池に供給される。固体水素燃料は、十分に混合された、少なくとも一つの水素化物粉末及び水素放出触媒粉末を含む。この混合粉末を加圧により選択的に結合させる。
【００３０】
次に、固体水素燃料は水と混合され、燃料電池の電極が使用する水素を生成する。固体水素燃料は水と混合され、第１の水素化物粉末は水と作用し水素を放出させる。水素放出触媒粉末は、水素放出反応を触媒するために使用され、水素の生成を促進させる。
【００３１】
同様に、第２の水素化物粉末が固体水素燃料の組成物に添加される場合、第２の水素化物粉末は水と作用し水素を放出させ、そして、水素放出触媒粉末は、水素放出反応に触媒作用を及ぼし、固体水素燃料と水とを混合する工程における水素の生成を促進させる。
【００３２】
さらに、燃料電池における水素放出反応を触媒する触媒は費用が高いが、再利用により再度使用することができる。したがって、本発明による、燃料電池における水素を生成する方法は、水素放出触媒粉末を再利用する工程をさらに含み得る。結果として、地球上に存在する有限資源の無駄を省くことができ、その上、製造コストもが下がる。
【００３３】
本実施形態では、加水分解反応を触媒する触媒は固体水素燃料中で混合される。ゆえに、固体水素燃料が水と完全に作用した後、触媒粉末は過ホウ酸ナトリウム溶液中に堆積する。水素放出触媒粉末を再利用する２つの方法は、触媒粉末のタイプに応じて以下のように説明される。第１の再利用方法は、第２の触媒粉末及び第３の触媒粉末（触媒キャリアを含む触媒粉末）に適用される。第２の触媒粉末及び第３の触媒粉末は触媒キャリアを含むため、平均粒子径がより大きい。ゆえに、触媒粉末は、スクリーニングによって捕捉及び再利用されることができる。第２の再利用方法は、第１の触媒粉末（触媒キャリアを含まない触媒粉末）に適用される。第１の触媒粉末はナノ粒子である。スクリーニングによって触媒粉末を再利用することは難しい。このため、磁石によって磁性触媒粉末は回収及び再利用されうる。
【００３４】
燃料電池における本発明の固体水素燃料を用いた水素生成システムは、以下のように説明される。しかしながら、同じ原理を用いる際にも、燃料電池の実用的な機構設計を変更することができることは、本発明の当業者により理解され得る。適切な変更を、実用条件に応じて行うことができる。ゆえに、後述する燃料電池及び水素生成システムは、本発明の当業者にとって参照として用いられるにすぎず、本発明の範囲を限定するものではない。
【００３５】
図３を参照されたい。図３は、本発明の固体水素燃料を用いた水素生成システムを例示している。水素生成システム２１０は、固体水素燃料Ｆと燃料電池２００の生成水とを混合して、燃料電池２００用の水素を生成するためのものである。水素生成システム２１０は、燃料タンク２１１、再利用タンク２１２、送出ベルト２１３、反応チャンバ２１４、圧力センサ２１６及び制御装置２１７を備える。
【００３６】
図３において、制御装置２１７は、圧力センサ２１６及び送出ベルト２１３と接続されている。水素生成システム２１０が動作を開始すると、制御装置２１７が、圧力センサ２１６により反応チャンバ２１４内で検出される水素の圧力に応じて送出ベルト２１３の動作を制御し、さらに水素の生成を制御する。水素の圧力が不十分であると圧力センサ２１６が検出すると、送出ベルト２１３は、固体水素燃料Ｆが、燃料電池２００の生成水と反応して、加水分解反応を起こすように、燃料タンク２１１内の固体水素燃料Ｆを反応チャンバ２１４へと運搬する。結果として、水素が急速に生成される。その上、加水分解反応の生成溶液及び堆積した触媒粉末は、再利用タンク２１２へと運搬され貯蔵される。水素は燃料電池２００のアノードへと運搬され、直流及び生成水を連続的に発生させる電気化学反応を起こす。
【００３７】
さらに、固体水素燃料（即ち、水素化物粉末及び触媒粉末が互いに混合される固体加圧成形ブロック）の使用方法において、水素を放出する唯一の工程は水を添加することである。固体水素燃料は、燃料電池と作用して電気を発生させる。（特に、輸送し易い細片状、棒状又は任意の他の加圧成形ブロックに成形された場合に）固体水素燃料を輸送することが容易となるため、この製品を使用しようというユーザーの意欲を有意に高める。また、固体水素燃料の形状を、システム及び製品の機構設計に適合するように変更することができ、ゆえに、応用分野が広がる。その上、本発明の固体水素燃料は、水素を完全に効率的に放出することができる。図４（Ａ）及び図４（Ｂ）を参照されたい。図４（Ａ）は、本発明の実施形態の固体水素燃料の使用方法を例示している。図４（Ｂ）は、本発明の実施形態の固体水素燃料を用いた水素放出曲線を示している。本発明の実施形態の固体水素燃料が使用される場合、４０ｇの水が３０ｇの固体水素燃料に添加されると、水素放出反応が引き起こされ、水素が生成する。図４（Ｂ）では、１ｇの水素化ホウ素ナトリウム粉末と０．２ｇのコバルトイオン触媒とが互いに混合された固体加圧成形ブロックが、固体水素燃料３０として用いられている。図４（Ｂ）中の水素放出曲線は、図４（Ａ）に示されるように水（４０ｇ）を固体水素燃料に添加することによって得られる。
【００３８】
図４（Ｂ）に示されるように、本発明の実施形態の固体水素燃料が使用される場合、水素放出速度は開始時に高い。Ｑ点が示している（水素放出量が０となる）ように、水素は短時間（約６００秒）で完全に放出される。固体水素燃料の水素放出速度は、水素を放出している間高いままであり、約１８０ｓｃｃｍ〜３５０ｓｃｃｍである。図２（Ｂ）と図４（Ｂ）とを比較すると、本発明の実施形態の固体水素燃料は、或る特定時間内で水素を完全に放出することが示される（図４（Ｂ））。従来の液体水素燃料の水素放出速度が長時間低いままである（図２（Ｂ））という問題は解決される。
【００３９】
さらに、従来の水素化物溶液と比較すると、本発明の実施形態の固体水素燃料の水素の生成の方が高い（従来の液体水素化物の水素の生成量は理論的な生成量、即ち４．６ｗｔ％にしか達し得ない）。図５及び図６を参照されたい。図５は、本発明の実施形態の２つの固体水素燃料の水素生成率（転換率）を示している。図６は、本発明の実施形態の２つの固体水素燃料の水素生成量の重量パーセントを示している。図６中の水素の生成は図５における水素生成率を用いて計算される。図５中、約１ｇの水素化ホウ素ナトリウムと、０．１５ｇのコバルトイオン触媒（Ｃｏ２＋／ＩＲ−１２０）又は０．１５ｇルテニウムイオン触媒（Ｒｕ３＋／ＩＲ−１２０）とを互いに混合して、固体水素燃料３０として用いられる固体加圧成形ブロックを形成する。図５中の水素生成率は、図４に示されるように水（２ｇ）を固体水素燃料に添加することによって得られる。図６中の水素生成量は、図５における水素生成率に基づき計算されている。
【００４０】
図５に示されるように、本発明の実施形態の固体水素燃料が使用される場合、水素生成率（転換率）は理論値の９０％を超え得る。コバルトイオン触媒（Ｃｏ２＋／ＩＲ−１２０）の水素生成率は約２０分で９０％に達成することができる。ルテニウムイオン触媒（Ｒｕ３＋／ＩＲ−１２０）の水素生成率は約１０分で９６％に達成することができる。計算後、（１）コバルトイオン触媒（Ｃｏ２＋／ＩＲ−１２０）を用いた場合の水素生成量の重量パーセントは６．７３％に達し得る。（２）ルテニウムイオン触媒（Ｒｕ３＋／ＩＲ−１２０）を用いた水素生成量の重量パーセントは７．３５％に達し得る。計算は以下の通りである。
【００４１】
（１）コバルトイオン触媒（Ｃｏ２＋／ＩＲ−１２０）
【００４２】
【数１】
【００４３】
【数２】
【００４４】
【数３】
【００４５】
（２）ルテニウムイオン触媒（Ｒｕ３＋／ＩＲ−１２０）
【００４６】
【数４】
【００４７】
【数５】
【００４８】
【数６】
【００４９】
本発明の実施形態の固体水素燃料は、それに水を添加するだけで水素を生成することができる。使用方法は簡単であり、またこの水素生成率は高い。固体水素燃料は、高出力燃料電池に適用されうる。さらに、従来の液体水素化物の最大水素生成は理論値、即ち４．６ｗｔ％にしか達し得ない。従来の液体水素化物と比べて、本実施形態の固体水素化物の水素生成は高く、約６．７３％〜７．３５％（ｗｔ％）である（図６）。言い換えると、同体積の水素化物溶液と比べて、固体水素燃料はより多くの水素を保有している。このため、所要空間が効果的に低減され、製品の重量は下げされる。その上、加圧によりブロックに成形された後では、粉末は持ち運びすることが容易となり、多くの形態に成形することができる。水を添加するだけの水素放出反応において電気は発生されうる。システム及び製品の機構設計に適合させることはより簡便であり、これは、水素生成システムの設計を単純化する。さらに、固体水素燃料は、より効果的及び急速に水素を完全に放出する。上記利点は、この製品を使用しようというユーザーの意欲を高め、製品の応用分野を広げる。
【００５０】
本発明は、一例として及び好ましい実施形態に関して説明されているが、本発明がこれに限定されないことを理解されたい。反対に、本発明は、多様な変更並びに類似の配置及び手法を網羅することを意図され、したがって、添付の特許請求の範囲に、全てのかかる変更並びに類似の配置及び手法を包含するように最も広範な解釈を与えるものとする。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して固体水素燃料並びにその製造方法及びその使用方法に関し、より詳細には、容易に使用することができ、且つ水素を効率的に放出することが可能な固体水素燃料に関する。本発明の固体水素燃料を使用する方法は、液体水素燃料における大きな進歩である。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、化学エネルギーを電気エネルギーに転換することが可能な装置である。燃料及び酸化剤が絶えず供給されている間、燃料電池は電気エネルギーを連続的に発生させることができる。水素燃料電池に関して、燃料は水素であり、酸化剤は酸素である。しかしながら、水素は危険な可燃性ガスであるため、貯蔵条件が厳密である。したがって、従来では、水素を含有する水素化物溶液又は水素吸蔵材が水素源として使用されている。水素はそこから取り出されて燃料電池へと供給される。
【０００３】
水素燃料電池における従来の水素生成システム及びその動作方法は次のように説明される。水素生成システムでは水素化ホウ素ナトリウム溶液が水素源として使用される。図１を参照されたい。図１は従来の水素生成システムを例示している。従来の水素生成システム１１０は、水素を水素化ホウ素ナトリウム溶液から取り出して水素を燃料電池１００へと供給するのに使用される。水素生成システム１１０は、燃料タンク１１１と、再利用タンク１１２と、ポンプ１１３と、触媒床１１４と、気液分離チャンバ１１５と、圧力センサ１１６と、制御装置１１７とを備える。
【０００４】
図１において、制御装置１１７は、ポンプ１１３及び圧力センサ１１６と接続されている。ポンプ１１３は、水素化ホウ素ナトリウム溶液（液体燃料）を触媒床１１４へと運搬する。水素が放出された後、過ホウ酸ナトリウム溶液は触媒床１１４から取り出される。化学式（１）は次の通りである：
【０００５】
【化１】
【０００６】
従来の水素生成システム１１０が動作を開始すると、制御装置１１７が、気液分離チャンバ１１５内で検出される水素の圧力に応じる圧力センサ１１６により、ポンプ１１３を制御し、さらに水素の生成を制御する。水素の圧力が不十分であると圧力センサ１１６が検出すると、ポンプ１１３は燃料タンク１１１内の水素化ホウ素ナトリウム溶液及び燃料電池１００の生成水を触媒床１１４に運搬する。水素化ホウ素ナトリウムの加水分解反応は、水素を急速に生成するために触媒床１１４の触媒作用によって促進される。その後、気液分離チャンバ１１５において、水素化ホウ素ナトリウムの加水分解反応の生成物、即ち、過ホウ酸ナトリウム溶液が、再利用タンク１１２へと戻されて貯蔵される。水素は燃料電池１００のアノードへと運搬されて、直流及び生成水を連続的に生成させる電気化学反応を起こす。しかしながら、式（１）が示す、水素化ホウ素ナトリウム／過ホウ酸ナトリウムの析出物がパイプに詰まる。結果として、ポンプ１１３は液体燃料を触媒床１１４へ送り込むことができず、水素の生成が止まる。
【０００７】
さらに、液体水素化ホウ素ナトリウム溶液は、従来、水素源として使用されており、水素はそこから取り出される。したがって、水素の生成は、水素化ホウ素ナトリウムの水への溶解性によって制限される。例えば、固体水素化ホウ素ナトリウムの加水分解反応では、理論的な水素生成は１０．８ｗｔ％に達し得る。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、水素化ホウ素ナトリウムが溶液の形態で使用されている場合、水素化ホウ素ナトリウムの溶解性が考慮されなければならない。水素化ホウ素ナトリウムの水への溶解性は、室温で約０．５５ｇ ＮａＢＨ４／１ｇ Ｈ２Ｏであり、理論的な水素生成は７．５ｗｔ％となる。さらに、過ホウ酸ナトリウムの析出物がパイプに詰まらないようにするために、過ホウ酸ナトリウムの水への溶解性が考慮されなければならない。過ホウ酸ナトリウムの水への溶解性は約０．２８ｇ ＮａＢＯ２／１ｇ Ｈ２Ｏである。したがって、理論的な水素生成は実際には４．６ｗｔ％しかない。
【０００９】
加えて、従来の液体水素燃料は、水素が短時間で放出され得ないという問題を有する。図２（Ａ）は、従来の液体水素燃料の使用方法を例示している。図２（Ｂ）は、従来の液体水素燃料を用いた水素放出曲線を示している。従来の液体水素燃料を使用する場合には、触媒１４をアルカリ性液体水素化ホウ素ナトリウム（ＮａＢＨ４）溶液１１に添加し得る。触媒１４が溶液１１と接触及び反応すると、水素が放出される。１ｇの水素化ホウ素ナトリウムが、水素化ナトリウム溶液を生成するために４０ｇの水に溶解される。０．２ｇのカチオン交換樹脂（ＩＲ−１２０）キレート化コバルトイオン（Ｃｏ２＋／ＩＲ−１２０）が触媒として使用される。図２（Ｂ）中の水素放出曲線は、図２（Ａ）に示される従来の液体水素燃料の使用方法によって得られたものである。
【００１０】
しかしながら、過ホウ酸ナトリウムの水への溶解性に加えて、他の問題も残っている。図２（Ｂ）に示されるように、開始時に水素が放出された直後、水素放出速度は急激に減少する。Ａ点にまで降下した後、水素放出速度は、長時間低いままである。時間軸の最後で、水素放出速度は依然として低いままである。このため、従来の液体水素燃料は短時間で水素を完全に放出することができない。
【００１１】
上述のように、液体燃料を使用する場合、理論的な水素生成が１０．８ｗｔ％から４．６ｗｔ％へと下がる溶解性の問題は、水素貯蔵量に大きな損失をもたらす。損失を補うためにより大きな燃料タンク及び再利用タンクを使用したとしても、その大容量により燃料電池の用途が限定される。さらに、水素化ホウ素ナトリウム溶液等の液体水素源は、システム機構設計をより複雑にし、製品の用途も限定する。その上、触媒と水素化ホウ素溶液との接触反応を用いて水素を放出させる従来方法では、短時間で水素が完全に放出され得ない。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、固体水素燃料及び、その製造方法及びその使用方法に関する。固体水素化物粉末と固体触媒粉末とを十分に混合させた後、加圧により結合させて固体水素燃料を形成する。水素は、単に固体水素燃料を水と混合することによって生成され、この水素放出速度は高い。それゆえ、固体水素燃料は高出力燃料電池に適用されうる。加圧によりブロックに成形した後、固体水素燃料は輸送が容易となり、また、様々な形態に成形されうる。固体水素燃料をシステム及び製品の機構設計に適合させることは難しくなく、このためこの製品を使用しようというユーザーの意欲をさらに高める。その上、水素を生成するのに水素化物溶液を用いた従来法と比べて、固体水素化物の水素生成量の方が高く、水素は短時間で完全に放出されうる。
【００１３】
本発明によれば、固体水素燃料を製造する方法が提供される。初めに、固体水素化物粉末と固体触媒粉末とが十分に混合される。混合粉末は加圧によりブロックに成形される。当該ブロックは、十分に混合された、少なくとも一つの水素化物粉末と、少なくとも一つの水素放出触媒粉末とを含む。本発明によれば、固体水素燃料が提供される。当該固体水素燃料は、十分に混合された、少なくとも一つの水素化物粉末と、少なくとも一つの水素放出触媒粉末とを含む。水素化物粉末及び水素放出触媒粉末は、ブロックを形成するように、加圧により結合される。
【００１４】
本発明によれば、固体水素燃料の使用方法が提供される。当該固体水素燃料は、十分に混合された、少なくとも一つの水素化物粉末と、少なくとも一つの水素放出触媒粉末とを含む。上記固体水素燃料に水を添加するだけで水素を放出させることができる。固体水素燃料中の水素化物粉末は水と反応して水素を放出する。水素放出触媒粉末は、反応を触媒して水素を生成するためのものである。
【００１５】
本発明は、好ましいが非限定的な実施形態の以下の詳細な説明から明らかとなる。以下の説明は添付の図面を参照して為される。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】従来の水素生成システムを例示する図である。
【図２】従来の液体水素燃料の使用方法を例示する図と、従来の液体水素燃料を用いた水素放出曲線とを示す。
【図３】本発明の固体水素燃料を用いた水素生成システムを例示する図である。
【図４】本発明の実施形態の固体水素燃料の使用方法を例示する図と、本発明の実施形態の固体水素燃料を用いた水素放出曲線とを示す。
【図５】本発明の実施形態の２つの固体水素燃料の水素生成率（転換率）を示す図である。
【図６】本発明の実施形態の２つの固体水素燃料の水素生成量の重量パーセントを示す。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
［固体水素燃料］
本発明の実施形態において、燃料電池で用いられる水素を生成するための固体水素燃料が提供される。固体水素化物粉末と触媒粉末とは十分に混合され、固体水素燃料を形成する。固体水素燃料と水とは混合され、化学式（１）に示されるように水素を生成する。この水素放出量は高い。それゆえ、固体水素燃料は高出力燃料電池に適用することができる。その上、従来の水素化物溶液と比べて、固体水素化物の水素生成量は従来の液体水素化物の水素生成量よりも高い（従来の液体水素化物の理論的な生成は４．６ｗｔ％にしか達し得ない）。さらに、粉末は加圧によりブロックに成形された後、ブロックは輸送が容易となり、様々な形態に成形されることができる。ブロックをシステム及び製品の機構設計に適合させることは難しくなく、このためこの製品を使用しようというユーザーの意欲をさらに高める。
【００１８】
本発明の実施形態によれば、固体水素燃料は、第１の水素化物粉末と、水素放出触媒粉末とを含む。第１の水素化物粉末は、水と反応して水素を放出させるためのものである。水素放出触媒粉末は、水素の生成を増大させるために、第１の水素化物粉末と十分に混合され、水素放出反応を触媒するのに用いられる。
【００１９】
水素放出触媒粉末の多彩な構造が、本実施形態の固体水素燃料において用いられ得る。３つのタイプの水素放出触媒粉末が、本実施形態の固体水素燃料の水素放出触媒粉末を例示するように以下のように説明される。しかしながら、本発明はこれに限定されない。第１の触媒粉末は例えば金属ナノ粒子である（即ち、第１の触媒粉末は多数の金属ナノ粒子を含む）。第２の触媒粉末は例えば、多数の金属原子及び／又は金属ナノ粒子を有する触媒キャリアである（即ち、第２の触媒粉末は、多数の触媒キャリア、並びに金属原子及び／又は金属ナノ粒子を含み、金属原子及び／又は金属ナノ粒子は、触媒キャリアの表面を被覆している）。第３の触媒粉末は例えば、表面上で多数の金属イオンをキレートする触媒キャリアである（即ち、第３の触媒粉末は多数の触媒キャリア及び金属イオンを含み、表面上で触媒キャリアは金属ナノ粒子をキレートする）。
【００２０】
好ましくは、限定するものではないが、上記金属ナノ粒子としては、ルテニウム、コバルト、ニッケル、鉄、マンガン及び銅から成る群より選択される少なくとも１つ又は複数を含む。例えば、第１の触媒粉末は２つ以上の金属ナノ粒子を含む。別の例では、第２の触媒粉末の触媒キャリアが、２つ以上の金属ナノ粒子を含み得る。同様に、上記金属イオンは、ルテニウム、コバルト、ニッケル、鉄、マンガン及び銅から成る群より選択される少なくとも１つ又は複数を含む。例えば、第３の触媒粉末は２つ以上の金属イオンを含み得る。
【００２１】
さらに、固体水素燃料の組成において、総重量に対する触媒粉末の重量パーセントは好ましくは０．０００１ｗｔ％〜５０ｗｔ％である。第２の触媒粉末と第３の触媒粉末との平均粒子径は好ましくは１μｍ〜１０ｍｍである。この範囲は使用される金属又は金属イオンに応じて異なる。ルテニウムを例にとる。ルテニウムの費用は高いが、水素化ホウ素ナトリウムの加水分解反応に対する優れた触媒作用を有する。このため、用途の要求が満たされれば、ルテニウムの重量パーセントは下げることができ、そのため製造コストが下がる。したがって、このタイプの金属及び触媒粉末の重量パーセントは、実用条件に応じて調節することができる。本発明はこれに限定されない。
【００２２】
本発明の固体水素燃料の組成において、固体水素化ホウ素ナトリウムは、一例として本発明の第１の水素化物として使用される。水素化ホウ素ナトリウムの加水分解反応率は良好であり、水素化ホウ素ナトリウムは高価なものでなく容易に入手できる。水素化ホウ素ナトリウムは室温下で乾燥条件で安定である。水素化ホウ素ナトリウムを粉砕して粉末を形成することは容易である。しかしながら、実際に適用する場合、本発明はこれに限定されない。
【００２３】
さらに、第２の水素化物粉末は固体水素燃料の組成物に添加されうる。第２の水素化物粉末は第１の水素化物粉末及び水素放出触媒粉末と十分に混合される。また、第２の水素化物粉末は水と作用して、第２の水素放出反応を起こす。一方、水素放出触媒粉末は、第２の水素放出反応に触媒作用を及ぼして水素の生成を促す。
【００２４】
第２の水素化物粉末は好ましくは、水素化ホウ素ナトリウムよりも高い加水分解反応率を有する水素化物であり、このため水素の総生成量が増大する。例えば、第２の水素化物粉末は、水素化アルミニウムリチウム、水素化アルミニウムナトリウム、水素化アルミニウムマグネシウム、水素化アルミニウムカルシウム、水素化ホウ素リチウム、水素化ホウ素カリウム、水素化ホウ素ベリリウム、水素化ホウ素マグネシウム、水素化ホウ素カルシウム、水素化リチウム、水素化ナトリウム、水素化マグネシウム及び水素化カルシウムから成る群より選択され得る。実施形態において、固体水素燃料の組成における、総重量に対する第２の水素化物粉末の重量パーセントは好ましくは０．００１ｗｔ％〜５０ｗｔ％である。第２の水素化物粉末の比率（重量パーセント）は、固体水素燃料を適用する燃料電池の条件に応じて調節される。例えば、固体水素燃料が高出力燃料電池に適用される場合、第２の水素化物粉末の重量パーセントは、高出力燃料電池の需要を満たすように水素生成量を高めるように増加させることができる。
【００２５】
［固体水素燃料を製造する方法］
本発明の実施形態では、固体水素燃料を製造する方法が提供される。しかしながら、本発明はこれに限定されない。本方法を実用用途の条件に応じて変更することができることは本発明の当業者により理解され得る。固体水素燃料を製造する方法は次の工程を含む。初めに、第１の水素化物粉末及び水素放出触媒粉末が準備される。第１の水素化物粉末及び水素放出触媒粉末の組成及び割合については上記を参照されたい。
【００２６】
次に、第１の水素化物粉末と水素放出触媒粉末とは十分に混合される。この工程において、第１の水素化物粉末及び水素放出触媒粉末は好ましくは製粉によって十分に混合される。もしくは、水素放出触媒粉末及び水素化物粉末がそれぞれ製粉されたその後、第１の水素化物粉末と水素放出触媒粉末とが十分に混合される。
【００２７】
次に、実用条件に応じて加圧により混合粉末を結合するか否かを決定することができる。例えば、第１の水素化物粉末と水素放出触媒粉末との混合物は、加圧により棒状又は任意の他の形状に成形されうる。加圧によりブロックに成形した後、混合粉末は、持ち運びが容易となり、そして、適用されるシステム及び製品の設計に適合するように形状は変えられうる。
【００２８】
第２の水素化物粉末が固体水素燃料の組成物に添加される場合には、上記製造方法にわずかな変更が必要とされる。例えば、粉末を準備する工程が、第２の水素化物粉末を準備することをさらに含む。同様に、第２の水素化物粉末の組成及び割合については上記の説明を参照されたい。粉末を混合する工程は、第１の水素化物粉末と、第２の水素化物粉末と、水素放出触媒粉末とを混合することをさらに含む。加圧により粉末を成形する工程は、第１の水素化物粉末と、第２の水素化物粉末と、水素放出触媒粉末との混合物を、加圧により棒状又は任意の他の形状に成形することをさらに含む。
【００２９】
［燃料電池における水素を生成する方法］
本発明の実施形態では、燃料電池における水素を生成する方法が提供される。本方法は次の工程を含む。初めに、固体水素燃料が燃料電池に供給される。固体水素燃料は、十分に混合された、少なくとも一つの水素化物粉末及び水素放出触媒粉末を含む。この混合粉末を加圧により選択的に結合させる。
【００３０】
次に、固体水素燃料は水と混合され、燃料電池の電極が使用する水素を生成する。固体水素燃料は水と混合され、第１の水素化物粉末は水と作用し水素を放出させる。水素放出触媒粉末は、水素放出反応を触媒するために使用され、水素の生成を促進させる。
【００３１】
同様に、第２の水素化物粉末が固体水素燃料の組成物に添加される場合、第２の水素化物粉末は水と作用し水素を放出させ、そして、水素放出触媒粉末は、水素放出反応に触媒作用を及ぼし、固体水素燃料と水とを混合する工程における水素の生成を促進させる。
【００３２】
さらに、燃料電池における水素放出反応を触媒する触媒は費用が高いが、再利用により再度使用することができる。したがって、本発明による、燃料電池における水素を生成する方法は、水素放出触媒粉末を再利用する工程をさらに含み得る。結果として、地球上に存在する有限資源の無駄を省くことができ、その上、製造コストもが下がる。
【００３３】
本実施形態では、加水分解反応を触媒する触媒は固体水素燃料中で混合される。ゆえに、固体水素燃料が水と完全に作用した後、触媒粉末は過ホウ酸ナトリウム溶液中に堆積する。水素放出触媒粉末を再利用する２つの方法は、触媒粉末のタイプに応じて以下のように説明される。第１の再利用方法は、第２の触媒粉末及び第３の触媒粉末（触媒キャリアを含む触媒粉末）に適用される。第２の触媒粉末及び第３の触媒粉末は触媒キャリアを含むため、平均粒子径がより大きい。ゆえに、触媒粉末は、スクリーニングによって捕捉及び再利用されることができる。第２の再利用方法は、第１の触媒粉末（触媒キャリアを含まない触媒粉末）に適用される。第１の触媒粉末はナノ粒子である。スクリーニングによって触媒粉末を再利用することは難しい。このため、磁石によって磁性触媒粉末は回収及び再利用されうる。
【００３４】
燃料電池における本発明の固体水素燃料を用いた水素生成システムは、以下のように説明される。しかしながら、同じ原理を用いる際にも、燃料電池の実用的な機構設計を変更することができることは、本発明の当業者により理解され得る。適切な変更を、実用条件に応じて行うことができる。ゆえに、後述する燃料電池及び水素生成システムは、本発明の当業者にとって参照として用いられるにすぎず、本発明の範囲を限定するものではない。
【００３５】
図３を参照されたい。図３は、本発明の固体水素燃料を用いた水素生成システムを例示している。水素生成システム２１０は、固体水素燃料Ｆと燃料電池２００の生成水とを混合して、燃料電池２００用の水素を生成するためのものである。水素生成システム２１０は、燃料タンク２１１、再利用タンク２１２、送出ベルト２１３、反応チャンバ２１４、圧力センサ２１６及び制御装置２１７を備える。
【００３６】
図３において、制御装置２１７は、圧力センサ２１６及び送出ベルト２１３と接続されている。水素生成システム２１０が動作を開始すると、制御装置２１７が、圧力センサ２１６により反応チャンバ２１４内で検出される水素の圧力に応じて送出ベルト２１３の動作を制御し、さらに水素の生成を制御する。水素の圧力が不十分であると圧力センサ２１６が検出すると、送出ベルト２１３は、固体水素燃料Ｆが、燃料電池２００の生成水と反応して、加水分解反応を起こすように、燃料タンク２１１内の固体水素燃料Ｆを反応チャンバ２１４へと運搬する。結果として、水素が急速に生成される。その上、加水分解反応の生成溶液及び堆積した触媒粉末は、再利用タンク２１２へと運搬され貯蔵される。水素は燃料電池２００のアノードへと運搬され、直流及び生成水を連続的に発生させる電気化学反応を起こす。
【００３７】
さらに、固体水素燃料（即ち、水素化物粉末及び触媒粉末が互いに混合される固体加圧成形ブロック）の使用方法において、水素を放出する唯一の工程は水を添加することである。固体水素燃料は、燃料電池と作用して電気を発生させる。（特に、輸送し易い細片状、棒状又は任意の他の加圧成形ブロックに成形された場合に）固体水素燃料を輸送することが容易となるため、この製品を使用しようというユーザーの意欲を有意に高める。また、固体水素燃料の形状を、システム及び製品の機構設計に適合するように変更することができ、ゆえに、応用分野が広がる。その上、本発明の固体水素燃料は、水素を完全に効率的に放出することができる。図４（Ａ）及び図４（Ｂ）を参照されたい。図４（Ａ）は、本発明の実施形態の固体水素燃料の使用方法を例示している。図４（Ｂ）は、本発明の実施形態の固体水素燃料を用いた水素放出曲線を示している。本発明の実施形態の固体水素燃料が使用される場合、４０ｇの水が３０ｇの固体水素燃料に添加されると、水素放出反応が引き起こされ、水素が生成する。図４（Ｂ）では、１ｇの水素化ホウ素ナトリウム粉末と０．２ｇのコバルトイオン触媒とが互いに混合された固体加圧成形ブロックが、固体水素燃料３０として用いられている。図４（Ｂ）中の水素放出曲線は、図４（Ａ）に示されるように水（４０ｇ）を固体水素燃料に添加することによって得られる。
【００３８】
図４（Ｂ）に示されるように、本発明の実施形態の固体水素燃料が使用される場合、水素放出速度は開始時に高い。Ｑ点が示している（水素放出量が０となる）ように、水素は短時間（約６００秒）で完全に放出される。固体水素燃料の水素放出速度は、水素を放出している間高いままであり、約１８０ｓｃｃｍ〜３５０ｓｃｃｍである。図２（Ｂ）と図４（Ｂ）とを比較すると、本発明の実施形態の固体水素燃料は、或る特定時間内で水素を完全に放出することが示される（図４（Ｂ））。従来の液体水素燃料の水素放出速度が長時間低いままである（図２（Ｂ））という問題は解決される。
【００３９】
さらに、従来の水素化物溶液と比較すると、本発明の実施形態の固体水素燃料の水素の生成の方が高い（従来の液体水素化物の水素の生成量は理論的な生成量、即ち４．６ｗｔ％にしか達し得ない）。図５及び図６を参照されたい。図５は、本発明の実施形態の２つの固体水素燃料の水素生成率（転換率）を示している。図６は、本発明の実施形態の２つの固体水素燃料の水素生成量の重量パーセントを示している。図６中の水素の生成は図５における水素生成率を用いて計算される。図５中、約１ｇの水素化ホウ素ナトリウムと、０．１５ｇのコバルトイオン触媒（Ｃｏ２＋／ＩＲ−１２０）又は０．１５ｇルテニウムイオン触媒（Ｒｕ３＋／ＩＲ−１２０）とを互いに混合して、固体水素燃料３０として用いられる固体加圧成形ブロックを形成する。図５中の水素生成率は、図４に示されるように水（２ｇ）を固体水素燃料に添加することによって得られる。図６中の水素生成量は、図５における水素生成率に基づき計算されている。
【００４０】
図５に示されるように、本発明の実施形態の固体水素燃料が使用される場合、水素生成率（転換率）は理論値の９０％を超え得る。コバルトイオン触媒（Ｃｏ２＋／ＩＲ−１２０）の水素生成率は約２０分で９０％に達成することができる。ルテニウムイオン触媒（Ｒｕ３＋／ＩＲ−１２０）の水素生成率は約１０分で９６％に達成することができる。計算後、（１）コバルトイオン触媒（Ｃｏ２＋／ＩＲ−１２０）を用いた場合の水素生成量の重量パーセントは６．７３％に達し得る。（２）ルテニウムイオン触媒（Ｒｕ３＋／ＩＲ−１２０）を用いた水素生成量の重量パーセントは７．３５％に達し得る。計算は以下の通りである。
【００４１】
（１）コバルトイオン触媒（Ｃｏ２＋／ＩＲ−１２０）
【００４２】
【数１】
【００４３】
【数２】
【００４４】
【数３】
【００４５】
（２）ルテニウムイオン触媒（Ｒｕ３＋／ＩＲ−１２０）
【００４６】
【数４】
【００４７】
【数５】
【００４８】
【数６】
【００４９】
本発明の実施形態の固体水素燃料は、それに水を添加するだけで水素を生成することができる。使用方法は簡単であり、またこの水素生成率は高い。固体水素燃料は、高出力燃料電池に適用されうる。さらに、従来の液体水素化物の最大水素生成は理論値、即ち４．６ｗｔ％にしか達し得ない。従来の液体水素化物と比べて、本実施形態の固体水素化物の水素生成は高く、約６．７３％〜７．３５％（ｗｔ％）である（図６）。言い換えると、同体積の水素化物溶液と比べて、固体水素燃料はより多くの水素を保有している。このため、所要空間が効果的に低減され、製品の重量は下げされる。その上、加圧によりブロックに成形された後では、粉末は持ち運びすることが容易となり、多くの形態に成形することができる。水を添加するだけの水素放出反応において電気は発生されうる。システム及び製品の機構設計に適合させることはより簡便であり、これは、水素生成システムの設計を単純化する。さらに、固体水素燃料は、より効果的及び急速に水素を完全に放出する。上記利点は、この製品を使用しようというユーザーの意欲を高め、製品の応用分野を広げる。
【００５０】
本発明は、一例として及び好ましい実施形態に関して説明されているが、本発明がこれに限定されないことを理解されたい。反対に、本発明は、多様な変更並びに類似の配置及び手法を網羅することを意図され、したがって、添付の特許請求の範囲に、全てのかかる変更並びに類似の配置及び手法を包含するように最も広範な解釈を与えるものとする。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水と反応して水素放出反応を起こして水素を生成することができる少なくとも一つの水素化物粉末と、
前記水素化物粉末と十分に混合され前記水素放出反応を触媒する少なくとも一つの水素放出触媒粉末と、を含み、
前記水素放出触媒粉末は、複数の触媒キャリアと、金属イオンとを含み、前記触媒キャリアは表面上で複数の前記金属イオンをキレートし、且つ該金属イオンは、ルテニウム、コバルト、ニッケル、鉄、マンガン及び銅から成る群より選択される少なくとも１つ又は複数を含み、
前記水素化物粉末が水素化ホウ素ナトリウム（ＮａＢＨ４）である、
固体水素燃料。
【請求項２】
第１の水素化物粉末と、第２の水素化物粉末と、少なくとも一つの前記水素放出触媒粉末とを含み、前記第２の水素化物粉末が前記第１の水素化物粉末及び前記水素放出触媒粉末と十分に混合され、且つ前記第１の水素化物粉末及び前記第２の水素化物粉末がそれぞれ水と反応して第１の水素放出反応及び第２の水素放出反応を起こし、水素を生成する、請求項１に記載の固体水素燃料。
【請求項３】
前記固体水素燃料の総重量に対する前記第２の水素化物粉末の割合が０．００１ｗｔ％〜５０ｗｔ％である、請求項２に記載の固体水素燃料。
【請求項４】
前記第１の水素化物粉末が水素化ホウ素ナトリウムであり、前記第２の水素化物粉末が、水素化アルミニウムリチウム、水素化アルミニウムナトリウム、水素化アルミニウムマグネシウム、水素化アルミニウムカルシウム、水素化ホウ素リチウム、水素化ホウ素カリウム、水素化ホウ素ベリリウム、水素化ホウ素マグネシウム、水素化ホウ素カルシウム、水素化リチウム、水素化ナトリウム、水素化マグネシウム及び水素化カルシウムから成る群より選択される、請求項２に記載の固体水素燃料。
【請求項５】
前記固体水素燃料の総重量に対する前記水素放出触媒粉末の割合が０．００１ｗｔ％〜５０ｗｔ％である、請求項１に記載の固体水素燃料。
【請求項６】
前記水素放出触媒粉末の平均粒子径が約１μｍ〜１０ｍｍである、請求項１に記載の固体水素燃料。
【請求項７】
固体水素燃料を製造する方法であって、
水と反応して水素放出反応を起こして水素を生成することができる少なくとも一つの水素化物粉末と、
前記水素化物粉末と十分に混合され前記水素放出反応を触媒する少なくとも一つの水素放出触媒粉末とを準備すること、
前記固体水素化物粉末と、前記固体水素放出触媒粉末とを十分に混合すること、
を含み、
前記水素放出触媒粉末は、複数の触媒キャリアと、金属イオンとを含み、前記触媒キャリアは表面上で複数の前記金属イオンをキレートし、且つ該金属イオンは、ルテニウム、コバルト、ニッケル、鉄、マンガン及び銅から成る群より選択される少なくとも１つ又は複数を含む、
固体水素燃料を製造する方法。
【請求項８】
十分に混合された前記固体水素化物粉末及び前記固体水素放出触媒粉末を、加圧により固体ブロックに成形する工程をさらに含む、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記固体水素化物粉末が水素化ホウ素ナトリウムである、請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
第１の固体水素化物粉末と、第２の固体水素化物粉末と、少なくとも一つの前記固体水素放出触媒粉末とを準備すること、及び
前記第１の固体水素化物粉末と、前記第２の固体水素化物粉末と、少なくとも一つの前記固体水素放出触媒粉末とを十分に混合すること、
をさらに含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
十分に混合された前記第１の固体水素化物粉末及び前記第２の固体水素化物粉末、並びに前記固体水素放出触媒粉末を、加圧により固体ブロックに成形する工程をさらに含む、
請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記固体水素燃料の総重量に対する前記第２の固体水素化物粉末の割合が０．００１ｗｔ％〜５０ｗｔ％である、請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
前記第１の固体水素化物粉末が水素化ホウ素ナトリウムであり、且つ前記第２の水素化物粉末が、水素化アルミニウムリチウム、水素化アルミニウムナトリウム、水素化アルミニウムマグネシウム、水素化アルミニウムカルシウム、水素化ホウ素リチウム、水素化ホウ素カリウム、水素化ホウ素ベリリウム、水素化ホウ素マグネシウム、水素化ホウ素カルシウム、水素化リチウム、水素化ナトリウム、水素化マグネシウム及び水素化カルシウムから成る群より選択される、請求項１０に記載の方法。
【請求項１４】
総重量に対する前記固体水素放出触媒粉末の割合が０．０００１ｗｔ％〜５０ｗｔ％である、請求項７に記載の方法。
【請求項１５】
前記固体水素放出触媒粉末の平均粒子径が約１μｍ〜１０ｍｍである、請求項７に記載の方法。
【請求項１６】
前記固体水素化物粉末及び前記固体水素放出触媒粉末が製粉によって十分に混合される、請求項７に記載の方法。
【請求項１７】
前記固体水素放出触媒粉末が製粉された後に、前記固体水素化物粉末と該固体水素放出触媒粉末とが十分に混合される、請求項７に記載の方法。
【請求項１８】
燃料電池に適用することができる固体水素燃料を使用する方法であって、
少なくとも一つの水素化物粉末と少なくとも一つの水素放出触媒粉末とを含み、それらが十分に混合された固体水素燃料を準備すること、及び
前記固体水素燃料を水と混合することであって、前記水素化物粉末及び前記水が水素放出反応を起こし、前記水素放出触媒粉末は前記水素放出反応を触媒して前記燃料電池の電極用の水素を生成するために使用されること、
を含み、
前記水素放出触媒粉末は、複数の触媒キャリアと、金属イオンとを含み、前記触媒キャリアは表面上で複数の前記金属イオンをキレートし、且つ該金属イオンは、ルテニウム、コバルト、ニッケル、鉄、マンガン及び銅から成る群より選択される少なくとも１つ又は複数を含む、
方法。
【請求項１９】
前記水素化物粉末が水素化ホウ素ナトリウムである、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記固体水素燃料が、十分に混合された前記水素化物粉末と前記水素放出触媒粉末とを含む加圧成形ブロックである、請求項１８に記載の方法。
【請求項２１】
前記固体水素燃料と水とを混合する工程が、水の添加量により前記水素放出反応を制御する工程をさらに含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記水素放出反応の水素生成量が、前記固体水素燃料が使用された場合の理論値の９０％に達する、請求項２０に記載の方法。
【請求項２３】
前記水素放出反応が完了した後に、前記水素放出触媒粉末を再利用する工程をさらに含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２４】
スクリーニング法又は磁気回収によって前記水素放出触媒粉末を再利用することをさらに含む、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記固体水素燃料が、第１の水素化物粉末と、第２の水素化物粉末とを含み、且つ前記方法が、前記第１の水素化物粉末と、前記第２の水素化物粉末と、並びに少なくとも一つの前記水素放出触媒粉末とを十分に混合することを含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２６】
前記固体水素燃料と前記水とを混合する工程において、前記第１の水素化物粉末及び前記水が第１の水素放出反応を起こし、且つ前記第２の水素化物粉末及び前記水が第２の水素放出反応を起こす、請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
前記固体水素燃料の総重量に対する前記第２の水素化物粉末の割合が０．００１ｗｔ％〜５０ｗｔ％である、請求項２５に記載の方法。
【請求項２８】
前記第１の水素化物粉末が水素化ホウ素ナトリウムであり、且つ前記第２の水素化物粉末が、水素化アルミニウムリチウム、水素化アルミニウムナトリウム、水素化アルミニウムマグネシウム、水素化アルミニウムカルシウム、水素化ホウ素リチウム、水素化ホウ素カリウム、水素化ホウ素ベリリウム、水素化ホウ素マグネシウム、水素化ホウ素カルシウム、水素化リチウム、水素化ナトリウム、水素化マグネシウム及び水素化カルシウムから成る群より選択される、請求項２５に記載の方法。
【請求項２９】
前記固体水素燃料の総重量に対する前記水素放出触媒粉末の割合が０．０００１ｗｔ％〜５０ｗｔ％である、請求項１８に記載の方法。
【請求項３０】
前記水素放出触媒粉末の平均粒子径が約１μｍ〜１０ｍｍである、請求項１８に記載の方法。
【請求項１】
水と反応して水素放出反応を起こして水素を生成することができる少なくとも一つの水素化物粉末と、
前記水素化物粉末と十分に混合され前記水素放出反応を触媒する少なくとも一つの水素放出触媒粉末と、を含み、
前記水素放出触媒粉末は、複数の触媒キャリアと、金属イオンとを含み、前記触媒キャリアは表面上で複数の前記金属イオンをキレートし、且つ該金属イオンは、ルテニウム、コバルト、ニッケル、鉄、マンガン及び銅から成る群より選択される少なくとも１つ又は複数を含み、
前記水素化物粉末が水素化ホウ素ナトリウム（ＮａＢＨ４）である、
固体水素燃料。
【請求項２】
第１の水素化物粉末と、第２の水素化物粉末と、少なくとも一つの前記水素放出触媒粉末とを含み、前記第２の水素化物粉末が前記第１の水素化物粉末及び前記水素放出触媒粉末と十分に混合され、且つ前記第１の水素化物粉末及び前記第２の水素化物粉末がそれぞれ水と反応して第１の水素放出反応及び第２の水素放出反応を起こし、水素を生成する、請求項１に記載の固体水素燃料。
【請求項３】
前記固体水素燃料の総重量に対する前記第２の水素化物粉末の割合が０．００１ｗｔ％〜５０ｗｔ％である、請求項２に記載の固体水素燃料。
【請求項４】
前記第１の水素化物粉末が水素化ホウ素ナトリウムであり、前記第２の水素化物粉末が、水素化アルミニウムリチウム、水素化アルミニウムナトリウム、水素化アルミニウムマグネシウム、水素化アルミニウムカルシウム、水素化ホウ素リチウム、水素化ホウ素カリウム、水素化ホウ素ベリリウム、水素化ホウ素マグネシウム、水素化ホウ素カルシウム、水素化リチウム、水素化ナトリウム、水素化マグネシウム及び水素化カルシウムから成る群より選択される、請求項２に記載の固体水素燃料。
【請求項５】
前記固体水素燃料の総重量に対する前記水素放出触媒粉末の割合が０．００１ｗｔ％〜５０ｗｔ％である、請求項１に記載の固体水素燃料。
【請求項６】
前記水素放出触媒粉末の平均粒子径が約１μｍ〜１０ｍｍである、請求項１に記載の固体水素燃料。
【請求項７】
固体水素燃料を製造する方法であって、
水と反応して水素放出反応を起こして水素を生成することができる少なくとも一つの水素化物粉末と、
前記水素化物粉末と十分に混合され前記水素放出反応を触媒する少なくとも一つの水素放出触媒粉末とを準備すること、
前記固体水素化物粉末と、前記固体水素放出触媒粉末とを十分に混合すること、
を含み、
前記水素放出触媒粉末は、複数の触媒キャリアと、金属イオンとを含み、前記触媒キャリアは表面上で複数の前記金属イオンをキレートし、且つ該金属イオンは、ルテニウム、コバルト、ニッケル、鉄、マンガン及び銅から成る群より選択される少なくとも１つ又は複数を含む、
固体水素燃料を製造する方法。
【請求項８】
十分に混合された前記固体水素化物粉末及び前記固体水素放出触媒粉末を、加圧により固体ブロックに成形する工程をさらに含む、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記固体水素化物粉末が水素化ホウ素ナトリウムである、請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
第１の固体水素化物粉末と、第２の固体水素化物粉末と、少なくとも一つの前記固体水素放出触媒粉末とを準備すること、及び
前記第１の固体水素化物粉末と、前記第２の固体水素化物粉末と、少なくとも一つの前記固体水素放出触媒粉末とを十分に混合すること、
をさらに含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
十分に混合された前記第１の固体水素化物粉末及び前記第２の固体水素化物粉末、並びに前記固体水素放出触媒粉末を、加圧により固体ブロックに成形する工程をさらに含む、
請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記固体水素燃料の総重量に対する前記第２の固体水素化物粉末の割合が０．００１ｗｔ％〜５０ｗｔ％である、請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
前記第１の固体水素化物粉末が水素化ホウ素ナトリウムであり、且つ前記第２の水素化物粉末が、水素化アルミニウムリチウム、水素化アルミニウムナトリウム、水素化アルミニウムマグネシウム、水素化アルミニウムカルシウム、水素化ホウ素リチウム、水素化ホウ素カリウム、水素化ホウ素ベリリウム、水素化ホウ素マグネシウム、水素化ホウ素カルシウム、水素化リチウム、水素化ナトリウム、水素化マグネシウム及び水素化カルシウムから成る群より選択される、請求項１０に記載の方法。
【請求項１４】
総重量に対する前記固体水素放出触媒粉末の割合が０．０００１ｗｔ％〜５０ｗｔ％である、請求項７に記載の方法。
【請求項１５】
前記固体水素放出触媒粉末の平均粒子径が約１μｍ〜１０ｍｍである、請求項７に記載の方法。
【請求項１６】
前記固体水素化物粉末及び前記固体水素放出触媒粉末が製粉によって十分に混合される、請求項７に記載の方法。
【請求項１７】
前記固体水素放出触媒粉末が製粉された後に、前記固体水素化物粉末と該固体水素放出触媒粉末とが十分に混合される、請求項７に記載の方法。
【請求項１８】
燃料電池に適用することができる固体水素燃料を使用する方法であって、
少なくとも一つの水素化物粉末と少なくとも一つの水素放出触媒粉末とを含み、それらが十分に混合された固体水素燃料を準備すること、及び
前記固体水素燃料を水と混合することであって、前記水素化物粉末及び前記水が水素放出反応を起こし、前記水素放出触媒粉末は前記水素放出反応を触媒して前記燃料電池の電極用の水素を生成するために使用されること、
を含み、
前記水素放出触媒粉末は、複数の触媒キャリアと、金属イオンとを含み、前記触媒キャリアは表面上で複数の前記金属イオンをキレートし、且つ該金属イオンは、ルテニウム、コバルト、ニッケル、鉄、マンガン及び銅から成る群より選択される少なくとも１つ又は複数を含む、
方法。
【請求項１９】
前記水素化物粉末が水素化ホウ素ナトリウムである、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記固体水素燃料が、十分に混合された前記水素化物粉末と前記水素放出触媒粉末とを含む加圧成形ブロックである、請求項１８に記載の方法。
【請求項２１】
前記固体水素燃料と水とを混合する工程が、水の添加量により前記水素放出反応を制御する工程をさらに含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記水素放出反応の水素生成量が、前記固体水素燃料が使用された場合の理論値の９０％に達する、請求項２０に記載の方法。
【請求項２３】
前記水素放出反応が完了した後に、前記水素放出触媒粉末を再利用する工程をさらに含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２４】
スクリーニング法又は磁気回収によって前記水素放出触媒粉末を再利用することをさらに含む、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記固体水素燃料が、第１の水素化物粉末と、第２の水素化物粉末とを含み、且つ前記方法が、前記第１の水素化物粉末と、前記第２の水素化物粉末と、並びに少なくとも一つの前記水素放出触媒粉末とを十分に混合することを含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２６】
前記固体水素燃料と前記水とを混合する工程において、前記第１の水素化物粉末及び前記水が第１の水素放出反応を起こし、且つ前記第２の水素化物粉末及び前記水が第２の水素放出反応を起こす、請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
前記固体水素燃料の総重量に対する前記第２の水素化物粉末の割合が０．００１ｗｔ％〜５０ｗｔ％である、請求項２５に記載の方法。
【請求項２８】
前記第１の水素化物粉末が水素化ホウ素ナトリウムであり、且つ前記第２の水素化物粉末が、水素化アルミニウムリチウム、水素化アルミニウムナトリウム、水素化アルミニウムマグネシウム、水素化アルミニウムカルシウム、水素化ホウ素リチウム、水素化ホウ素カリウム、水素化ホウ素ベリリウム、水素化ホウ素マグネシウム、水素化ホウ素カルシウム、水素化リチウム、水素化ナトリウム、水素化マグネシウム及び水素化カルシウムから成る群より選択される、請求項２５に記載の方法。
【請求項２９】
前記固体水素燃料の総重量に対する前記水素放出触媒粉末の割合が０．０００１ｗｔ％〜５０ｗｔ％である、請求項１８に記載の方法。
【請求項３０】
前記水素放出触媒粉末の平均粒子径が約１μｍ〜１０ｍｍである、請求項１８に記載の方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１３−１０６８７（Ｐ２０１３−１０６８７Ａ）
【公開日】平成２５年１月１７日（２０１３．１．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−１８２１５８（Ｐ２０１２−１８２１５８）
【出願日】平成２４年８月２１日（２０１２．８．２１）
【分割の表示】特願２００９−１２８２２６（Ｐ２００９−１２８２２６）の分割
【原出願日】平成２１年５月２７日（２００９．５．２７）
【出願人】（３９００２３５８２）財團法人工業技術研究院 (524)
【住所又は居所原語表記】１９５ Ｃｈｕｎｇ Ｈｓｉｎｇ Ｒｄ．，Ｓｅｃ．４，Ｃｈｕｔｕｎｇ，Ｈｓｉｎ−Ｃｈｕ，Ｔａｉｗａｎ Ｒ．Ｏ．Ｃ
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月１７日（２０１３．１．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年８月２１日（２０１２．８．２１）
【分割の表示】特願２００９−１２８２２６（Ｐ２００９−１２８２２６）の分割
【原出願日】平成２１年５月２７日（２００９．５．２７）
【出願人】（３９００２３５８２）財團法人工業技術研究院 (524)
【住所又は居所原語表記】１９５ Ｃｈｕｎｇ Ｈｓｉｎｇ Ｒｄ．，Ｓｅｃ．４，Ｃｈｕｔｕｎｇ，Ｈｓｉｎ−Ｃｈｕ，Ｔａｉｗａｎ Ｒ．Ｏ．Ｃ
【Ｆターム（参考）】
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