(57)【要約】【課題】酸化還元循環を完成可能な経済的、実用的で、しかも二次汚染を発生することのない水素生成方法及びその応用の提供。【解決手段】水素生成反応形成ステップ、水素生成反応加速ステップ、水素生成反応加速ステップを含み、水素生成反応形成ステップの一実施形態は、金属、金属合金、或いはその廃棄物を水素生成反応材料とし、洗浄処理後に、電解液と接触させ化学反応を起こさせ、これにより水素と副産物を得て、水素生成反応加速ステップの一実施形態は、水素生成反応形成ステップに有機酸或いは無機酸を添加し、化学反応により、水素生成の速度を速め、派生処理ステップは、水素生成反応の終了後に得られた金属イオンを含む電解液を乾燥及び適当な溶液による処理を経て、或いは電解法の還元処理により、金属に還元する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素生成反応形成ステップと水素生成反応加速ステップを含み、
前記水素生成反応形成ステップは、金属、金属合金、或いはその廃棄物を水素生成反応材料とし、洗浄処理後に、電解液と接触させ化学反応を起こさせ、これにより水素と副産物を得て、
前記水素生成反応加速ステップは、前記水素生成反応形成ステップに有機酸或いは無機酸を添加し、化学反応により、水素生成の速度を速め、
その反応方程式は以下の通りである
Mt+RCOOH→RCOOHMt+1/2H2
Mt+HCl→MtCl+1/2H2
ことを特徴とする水素生成方法。
【請求項２】
請求項１記載の水素生成方法において、前記電解液は、導電度を備える電解質溶液、或いは酸性水溶液を採用することを特徴とする水素生成方法。
【請求項３】
請求項１記載の水素生成方法において、前記有機酸は、酢酸、ギ酸、クエン酸等を採用し、前記無機酸は、塩酸、硫酸、硝酸等を採用することを特徴とする水素生成方法。
【請求項４】
請求項１記載の水素生成方法において、前記水素生成方法は、さらに派生処理ステップを含み、
前記派生処理ステップは、水素生成反応の終了後に得られた、金属イオンを含む電解液を、乾燥させ、テトラハイドロフランTetrahydrofuran、THF或いは無水アルコール等の適当な溶液により処理し、充電式電池に応用可能とすることを特徴とする水素生成方法。
【請求項５】
請求項１記載の水素生成方法において、前記金属、金属合金、或いはその廃棄物は、さらに触媒と結合し、酸性電解液中において、化学反応と電化学反応により水素生成速度を加速可能であることを特徴とする水素生成方法。
【請求項６】
請求項１記載の水素生成方法において、前記水素生成方法は、さらに派生処理ステップを備え、
前記派生処理ステップは、水素生成反応の終了後に得られた、金属イオンを含む電解液を、電解法の還元処理により、金属に還元し回収し、本発明の水素生成方法中に、或いは充電式電池の電極材料として応用可能であることを特徴とする水素生成方法。
【請求項７】
水素生成反応形成ステップと水素生成反応加速ステップを含み、
前記水素生成反応形成ステップは、異種金属により、洗浄処理後に、結合を行い、水素生成反応の材料とし、電解液或いは水中に置き、異種金属間の還元電位差により電化学反応を発生させ、水素と副産物を得て、
前記水素生成反応加速ステップは、前記水素生成反応形成ステップに有機酸或いは無機酸を添加し、化学反応により、水素生成の速度を速め、
その反応方程式は以下の通りである
Mt+RCOOH→RCOOHMt+1/2H2
Mt+HCl→MtCl+1/2H2
ことを特徴とする水素生成方法。
【請求項８】
請求項７記載の水素生成方法において、前記異種金属は、還元電位が比較的低い金属を陽極とし、前記陽極の金属は、マグネシウム合金、アルミニウム合金等の廃棄物を採用可能で、還元電位が比較的高い金属を陰極とし、前記陰極金属は、ステンレス、白金等を採用可能であることを特徴とする水素生成方法。
【請求項９】
請求項８記載の水素生成方法において、前記電化学反応中の電解液は、カリウムと塩素イオンを溶解させた水を採用し、それは水中の水素と水酸化イオンに対して変化を引き起こすことのない、塩化ナトリウム、生理食塩水、或いは塩化カリウム等の導電度を備える液体であることを特徴とする水素生成方法。
【請求項１０】
請求項９記載の水素生成方法において、前記異種金属により水素を生成する方法において、陰極及び陽極とする金属を結合させるステップでは、先ず陽極金属を粉砕し、さらに溶炉により溶解させた後、スプレーにより陰極金属上を覆い、円柱状に巻き、或いは、直接ベルトコンベア方式により、水素生成反応器に入れることを特徴とする水素生成方法。
【請求項１１】
請求項９記載の水素生成方法において、前記異種金属により水素を生成する方法において、陰極及び陽極とする金属を結合させるステップでは、先ず粉砕し、球状とし、或いは他の不規則形状とした陽極金属と、さらに同様に粉砕し球状とし、或いは他の不規則形状とした陰極金属を、水素生成反応器内において接触させることを特徴とする水素生成方法。
【請求項１２】
請求項７記載の水素生成方法において、前記有機酸は、酢酸、ギ酸、クエン酸等を採用し、前記無機酸は、塩酸、硫酸、硝酸等を採用することを特徴とする水素生成方法。
【請求項１３】
請求項７記載の水素生成方法において、前記水素生成方法は、さらに派生処理ステップを含み、
前記派生処理ステップは、水素生成反応の終了後に得られた、金属イオンを含む電解液を、乾燥させ、テトラハイドロフランTetrahydrofuran、THF或いは無水アルコール等の適当な溶液により処理し、充電式電池に応用可能とすることを特徴とする水素生成方法。
【請求項１４】
請求項７記載の水素生成方法において、前記水素生成方法は、さらに派生処理ステップを備え、
前記派生処理ステップは、水素生成反応の終了後に得られた、金属イオンを含む電解液を、電解法の還元処理により、金属に還元し回収し、本発明の水素生成方法中に、或いは充電式電池の電極材料として応用可能であることを特徴とする水素生成方法。
【請求項１５】
水素生成方法は、金属、金属合金、或いはその廃棄物を水素生成反応材料とし、洗浄処理後に、電解液と接触させ化学反応を起こさせ、これにより水素と副産物を得ることを特徴とする水素生成方法。
【請求項１６】
請求項１５記載の水素生成方法において、前記電解液は、導電度を備える電解質溶液、或いは酸性水溶液を採用することを特徴とする水素生成方法。
【請求項１７】
水素生成方法、その派生応用を含み、
前記水素生成方法は、水素生成反応形成ステップ、派生処理ステップを含み、
前記水素生成反応形成ステップは、金属、金属合金、或いはその廃棄物を水素生成反応材料とし、洗浄処理後に、電解液と接触させ化学反応を起こさせ、これにより水素と副産物を得て、
前記派生処理ステップは、前記水素生成反応の終了後に得られた、金属イオンを含む電解液を、乾燥及び適当な溶液による処理を経て、或いは電解法の還元処理により、金属に還元することを特徴とする水素生成方法及びその応用。
【請求項１８】
水素生成方法、その派生応用を含み、
前記水素生成方法は、水素生成反応形成ステップ、派生処理ステップを含み、
前記水素生成反応形成ステップは、異種金属により、洗浄処理後に、結合を行い、水素生成反応の材料とし、電解液或いは水中に置き、異種金属間の還元電位差により電化学反応を発生させ、水素と副産物を得て、
前記派生処理ステップは、前記水素生成反応の終了後に得られた、金属イオンを含む電解液を、乾燥及び適当な溶液による処理を経て、或いは電解法の還元処理により、金属に還元することを特徴とする水素生成方法及びその応用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は水素生成方法及びその応用に関し、特に化学反応、或いは化学反応と電化学反応を同時に経て、最適な速度で水素を発生可能な方法で、しかも該反応終了後には金属イオンを含む電解液を得ることができ、該電解液を処理することにより、金属に還元し回収可能で、本発明の水素生成方法中に使用することができ、或いは充電式電池の電極材料として応用可能である。このようにして、酸化還元循環を完成可能な経済的、実用的、且つ二次汚染を発生することのない水素生成方法及びその応用に関する。
【背景技術】
【０００２】
水素は、クリーンなエネルギーとして、燃料、ニッケル水素電池の原料として使用される他、石油加工、化学工業、治金工業、半導体工業において、脱硫反応材料として使用されている。
しかも、水素燃料電池は、その反応において二酸化炭素を発生しないため、水素は新エネルギーのソースとして期待されており、その需要量の増加が見込まれる。
【０００３】
しかし周知のように、水素は特定の条件下では地殻中に存在するが、量が少ないため、採掘と回収が難しい。よって、人工的に水素を生成する技術が求められている。
現行の技術では、蒸気リフォーミング法(steam reforming)、部分酸化法(partial oxidation)、ガス化技術(gasification)、或いは電解水により水素を製造する方法等がある。
前三者は、水素の生成過程で多くの二酸化炭素を発生するため、地球環境に影響を及ぼし、後者は、水素の製造過程に大量の電力を消費するため、コストが高く、経済的ではない。
【０００４】
これに対して、アルカリ性溶液中で水素化ホウ素ナトリウム(NaBH4)を利用し、さらに、ルビー(Ru)、プラチナ(Pt)等の触媒を使用し、水素を生成する方法がある。
該方法は、迅速かつ簡便に水素を生成可能であるため、徐々に注目を集めている。
しかし、該方法に用いられる水素化ホウ素ナトリウムは、ホウ酸塩鉱から精錬する必要があり、現在、水素化ホウ素ナトリウム1kgの精錬コストは約80ドルである。
しかも、ホウ酸塩鉱は少数の国(米国、トルコ等)に集中しており、取得が容易でなく、コストも高い。
【０００５】
さらに、アルミ缶から水素材料を回収する研究等、金属廃棄物を利用し、再生水素エネルギーを生成する方法もあるが、アルミ缶表面の塗装材料を硫酸溶液を用い、除去する必要があり、排水を適切に処理できなければ、二次汚染の恐れが生じる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は金属、金属合金、或いは廃棄物を反応材料とし、電解液を用い化学反応、或いは化学反応と電化学反応を同時に行うことで、水素を生成し、これにより大型工場（製鉄所、焼却場）、或いは大型の水素使用装置（定置型燃料電池）、及び小型或いは携帯式燃料電池に適用し、しかも本発明の方法の反応後に得られる金属イオンを含む電解液は、再処理により金属に還元し回収し、本発明の水素生成方法中に使用可能で、充電式電池の電解質或いは充電式電池の電極材料として応用することができる。これにより酸化還元循環を完成可能な経済的、実用的で、しかも二次汚染を発生することのない水素生成方法及びその応用を提供することである。
【０００７】
本発明のもう一つの目的は、水素を生成する化学反応或いは、化学反応と電化学反応を同時に行う過程において、有機酸或いは無機酸を添加し、水素生成速度を加速する水素の生成効率が高い水素生成方法及びその応用を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するため、本発明は下記の水素生成方法及びその応用を提供する。
水素生成方法及びその応用は、水素生成反応形成ステップ、水素生成反応加速ステップ、水素生成反応加速ステップを含み、
該水素生成反応形成ステップの第一実施形態は、金属、金属合金、或いはその廃棄物を水素生成反応材料とし、洗浄処理後に、電解液と接触させ化学反応を起こさせ、これにより水素と副産物を得る。
該水素生成反応形成ステップの電解液は、導電度を備える酸性電解質溶液或いは酸性水溶液を採用することができる。
該水素生成反応形成ステップの第二実施形態は、異種金属により、洗浄処理後に、結合を行い、水素生成反応の材料とし、電解液或いは水中に置き、異種金属間の還元電位差により電化学反応を発生させ、水素と副産物を得る。
該水素生成反応形成ステップ中の異種金属は、還元電位が比較的低い金属を陽極とし、該陽極の金属は、マグネシウム合金、アルミニウム合金等の廃棄物を採用可能で、還元電位が比較的高い金属を陰極とし、該陰極金属は、ステンレス、白金等を採用可能である。
該電化学反応中の電解液は、塩化ナトリウム、生理食塩水、或いは塩化カリウム(KCl)等の導電度を備える液体である。
該水素生成反応加速ステップの第一実施形態は、水素生成反応形成ステップに有機酸或いは無機酸を添加し、化学反応により、水素生成の速度を速める。
該有機酸は、酢酸、ギ酸、クエン酸等を採用し、該無機酸は、塩酸、硫酸、硝酸等を採用する。
該水素生成反応加速ステップの第二実施形態は、金属、金属合金、あるいはその廃棄物と触媒を結合し、酸性電解液中において、化学反応と電化学反応により水素生成の速度を速める。
該派生処理ステップは、水素生成反応の終了後に得られた、金属イオンを含む電解液を、乾燥及び適当な溶液による処理を経て、或いは電解法の還元処理により、金属に還元し、回収し、本発明の水素生成方法中に使用し、或いは充電式電池の電極材料に応用することができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明は、化学反応、或いは化学反応と電化学反応を同時に経て、最適な速度で水素を発生可能な方法で、しかも該反応終了後には金属イオンを含む電解液を得ることができ、該電解液を処理することで、金属に還元し回収可能で、本発明の水素生成方法中に使用することができ、或いは充電式電池の電極材料として応用可能で、このようにして酸化還元循環を完成可能であり、経済的、実用的で、しかも二次汚染を発生することがない方法である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図１は、本発明一実施形態による水素生成方法及びその応用において、第一実施形態のフローチャートである。
本発明一実施形態による水素生成方法及びその応用の第一実施形態である水素生成方法１は、水素生成反応形成ステップ２と水素生成反応加速ステップ３、及び派生ステップ４を備える。
水素生成反応形成ステップ２は、金属、金属合金、或いはその廃棄物を水素生成反応材料２０とし、洗浄処理２１を経て、電解液２２(導電性を備える酸性電解質溶液或いは酸性水溶液を採用可能)と接触させ、化学反応を起こさせる。
これにより、水素５０と副産物５１を得る。
生成された水素５０は、大型工場（製鉄所、焼却場）、或いは大型の水素使用装置（定置型燃料電池）６０に適用することができる。
【００１１】
水素生成反応加速ステップ３は、水素生成反応形成ステップ２中の電解液２２に有機酸(酢酸、ギ酸、クエン酸等を採用可能)、或いは無機酸(塩酸、硫酸、硝酸等を採用可能)３０を添加し、化学反応により水素生成の速度を加速する。
その反応方程式は以下の通りである(内、Mtは金属、金属合金、及びその廃棄物を表す)。
Mt+RCOOH→RCOOHMt+1/2H2
Mt+HCl→MtCl+1/2H2
派生ステップ４では、上記した水素生成反応の完了後に得られた金属イオンを含む電解液５２を、乾燥４０及び適当な溶液(テトラハイドロフランTetrahydrofuran、THF或いは無水アルコール)４１により処理し充電式電池６１に応用可能で、或いは電解法４２により還元処理する。
これにより、金属に還元し回収し、本発明の水素生成方法中に使用可能で、或いは充電式電池の電極材料６２として応用することができる。
水素生成反応加速ステップ３は、金属、金属合金、或いはその廃棄物を水素生成反応材料２０とし、触媒と結合し、酸性電解液中において、化学反応と電化学反応により水素生成速度を加速することができる。
【００１２】
図２は、本発明一実施形態による水素生成方法及びその応用において、第二実施形態のフローチャートである。
本発明一実施形態による水素生成方法及びその応用の第二実施形態である水素生成方法１’は、水素生成反応形成ステップ２’と水素生成反応加速ステップ３’、及び派生ステップ４’を備える。
水素生成方法１’は、異種金属２０’により、陽極金属（マグネシウム合金、アルミニウム合金等の廃棄物を採用可能）２０１’と陰極金属(ステンレス、白金等を採用可能)２０２’を含み、洗浄処理２１’後に、陽極金属２０１’を粉砕２３’(或いは、さらに溶炉により溶解させた)し、スプレー２４’により陰極金属２０２’上を覆い、円柱状に巻き(或いは、直接ベルトコンベア方式により)、水素生成反応器に入れ、結合させ、水素生成反応の材料(注：陽極金属は粉砕し球状とし、或いは他の不規則形状とすることができ、陰極金属も同様に粉砕し球状とし、或いは他の不規則形状とすることができ、こうした後に、水素生成反応器において接触させる)とする。
次に、電解液２５’(或いは水中)に置き、異種金属間の還元電位差により電化学反応を発生させ、水素５０’と副産物５１’を得る。
生成された水素５０’は、大型工場（製鉄所、焼却場）、或いは大型の水素使用装置（定置型燃料電池）６０’に適用することができる。
【００１３】
本実施形態において、陰極に採用する金属と陽極に採用する金属の相互の電位差は、0.71Vから3.49Vが最適である。
しかも、本発明は、電化学反応期間に電解液を加えるが、電解液は塩化ナトリウム或いは塩化カリウム(KCl)溶液を採用することができる。
これにより、電解液は電化学反応中において、陽極金属２０１’、陰極金属２０２’電極を通して電位差を利用し、気体を発生する。このようにして、水素５０’と水素酸化物である副産物５１’を得ることができる。
その反応方程式は以下の通りである(内、陽極金属はマグネシウム合金を採用し、陰極電極はステンレスAIISI304を採用する)。
Mg+2H2O→Mg(OH2)+H2
水素生成反応加速ステップ３’は、水素生成反応形成ステップ２’中の電解液２５’（或いは水中）に有機酸(酢酸、ギ酸、クエン酸等を採用可能)、或いは無機酸(塩酸、硫酸、硝酸等を採用可能)３０’を添加し、化学反応により水素生成の速度を加速する。
その反応方程式は以下の通りである。
Mt+RCOOH→RCOOHMt+1/2H2
Mt+HCl→MtCl+1/2H2
派生ステップ４’では、上記した水素生成反応の完了後に得られた金属イオンを含む電解液５２’を、乾燥４０’及び適当な溶液(テトラハイドロフランTetrahydrofuran、THF或いは無水アルコール)４１’により処理し、充電式電池６１’に応用可能で、或いは電解法４２’により還元処理する。
これにより、金属に還元し回収し、本発明の水素生成方法中に使用可能で、或いは充電式電池の電極材料６２’として応用することができる。
【００１４】
上記した第一及び第二実施形態により明らかなように、本発明の方法は、反応処理により、水素を生成し利用可能であるばかりか、水酸化マグネシウムを得ることができ、耐熱製品の断熱材料として使用することができる。
図３、４は、本発明一実施形態による水素生成方法及びその応用において、水素生成総量と時間の関係を示すグラフである。
図３、４に示すように、相同の条件(電解液は3.5wt%の塩化ナトリウム水溶液1500mlを、陽極金属はマグネシウム合金を、陰極はサイズが2×8cm2のステンレスAISI304を採用する)下で、有機酸（酢酸）を添加すると、水素生成速度と水素生成総量を効果的に上げ水素を得ることが分かる。
【００１５】
図５は、本発明一実施形態による水素生成方法及びその応用において、第三実施形態のフローチャートである。
本実施形態の水素生成方法は、単純な化学反応により行い、水素生成反応形成ステップ２、水素生成加速ステップ３を行わずに、水素生成の目的を達成することができる。
図５に示すように、本発明第三実施形態による水素生成方法１”は、水素生成反応形成ステップ２”を含む。
水素生成反応形成ステップ２”は、金属、金属合金、或いはその廃棄物を、水素生成反応材料２０”とし、洗浄処理２１”後に、酸性溶液（酸性電解質溶液、或いは酸性水溶液）２２”と接触させ、化学反応を起こさせ、水素５０”と副産物５１”を得る。
得られた水素５０”は、工業上の利用に適用することができる。
【００１６】
上記したように、本発明の方法は、金属、金属合金、或いはその廃棄物を利用し、再処理し利用可能で、さらに二次汚染の恐れもないため、現行の環境保護基準に合致している。また水素生成反応の副産物である、水酸化物、有機或いは無機金属化合物は、他の用途に用いることができるため、付加価値を高め、高度な産業上の利用性を備える。しかも、本発明の方法の反応終了後に得られた金属イオンを備える電解液は、処理を経て充電式電池の電解質及び電極材料に応用することができるため、酸化還元循環を達成し、経済的で実用的である。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明第一実施形態のフローチャートである。
【図２】本発明第二実施形態のフローチャートである。
【図３】本発明水素生成総量と時間の関係を示すグラフである。
【図４】本発明水素生成総量と時間の関係を示すグラフである。
【図５】本発明第三実施形態のフローチャートである。
【符号の説明】
【００１８】
１、１’、１”  水素生成方法
２、２’、２”  水素生成反応形成ステップ
２０、２０”  水素生成反応材料
２０’  異種金属
２１、２１’、２１”  洗浄処理
２２、２２’、２２”  電解液
２３’  粉砕
２４’  スプレー
２５’  電解液
２０１’  陽極金属
２０２’  陰極金属
３、３’、３”  水素生成反応加速ステップ
３０  有機酸（或いは無機酸）
４、４’、４”  派生ステップ
４０、４０’  乾燥
４１、４１’  溶液
４２、４２’  電解法
５０、５０’、５０”  水素
５１、５１’、５１”  副産物
５２、５２’、５２”  電解液
６０、６０’  大型工場（或いは水素使用装置）
６１、６１’  充電式電池
６２、６２’  充電式電池の電極材料
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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