(57)【要約】  本発明は、カソードがアルミニウム又はアルミニウム合金から作られている水溶液ベースの電解質又はガルバニ電池で水素ガスを発生するためのシステムを実現する。好ましい一配列において、電池は、ガルバニ電池であり、カソードは、アルミニウム又はアルミニウム合金から作られ、アノードは、マグネシウム又はマグネシウム合金から作られる。
2008544084.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水系電解質を入れた容器、電池を形成するため前記容器内に前記電解質中で間隔をあけて配置されているアノード電極及びカソード電極、前記電極を電気的に相互接続する制御電気回路、前記システムにより生成される水素を回収するための蓄積装置スペースを含み、前記カソードはアルミニウム又はアルミニウム合金から形成される、水から水素ガスを発生するための装置。
【請求項２】
前記電池は、電解槽であり、前記制御電気回路は、電位を前記電極に印加して前記アノードとカソードを定める請求項１に記載の水素ガスを発生するための装置。
【請求項３】
前記アノードとカソードの電極は両方とも、アルミニウム又はアルミニウム合金でできている請求項２に記載の水素ガスを発生するための装置。
【請求項４】
前記制御電気回路は、さらに、前記カソードをアノードに、前記アノードをカソードに選択的に同時に変える、及びその逆に変える手段を含む請求項３に記載の水素ガスを発生するための装置。
【請求項５】
前記電解質は、塩化ナトリウム水溶液である請求項１に記載の水素ガスを発生するための装置。
【請求項６】
前記電解質は、塩化ナトリウム水溶液である請求項２に記載の水素ガスを発生するための装置。
【請求項７】
前記電解質は、塩化ナトリウム水溶液である請求項３に記載の水素ガスを発生するための装置。
【請求項８】
前記電解質は、塩化ナトリウム水溶液である請求項４に記載の水素ガスを発生するための装置。
【請求項９】
前記電池は、ガルバニ電池であり、前記アノードは、マグネシウム又はマグネシウム合金から形成される請求項１に記載の水素ガスを発生するための装置。
【請求項１０】
前記電解質は、塩化ナトリウム水溶液である請求項９に記載の水素ガスを発生するための装置。
【請求項１１】
前記電極は、電気的絶縁層をそれらの間に挟んだサンドイッチ形態である請求項１に記載の水素ガスを発生するための装置。
【請求項１２】
前記サンドイッチは巻かれていて、実質的に円柱形状である請求項１１に記載の水素ガスを発生するための装置。
【請求項１３】
前記電極は、電気的絶縁層をそれらの間に挟んだサンドイッチ形態である請求項３に記載の水素ガスを発生するための装置。
【請求項１４】
前記サンドイッチは巻かれていて、実質的に円柱形状である請求項１３に記載の水素ガスを発生するための装置。
【請求項１５】
前記電極は、電気的絶縁層をそれらの間に挟んだサンドイッチ形態である請求項４に記載の水素ガスを発生するための装置。
【請求項１６】
前記サンドイッチは巻かれていて、実質的に円柱形状である請求項１５に記載の水素ガスを発生するための装置。
【請求項１７】
前記電極は、電気的絶縁層をそれらの間に挟んだサンドイッチ形態である請求項９に記載の水素ガスを発生するための装置。
【請求項１８】
前記サンドイッチは巻かれていて、実質的に円柱形状である請求項１７に記載の水素ガスを発生するための装置。
【請求項１９】
間隔をあけて配置されたアルミニウム又はアルミニウム合金から形成されたアノード電極及びカソード電極を水系電解質内に浸して、電池を形成することと、前記電極の間に電流の制御流を供給することと、発生した水素を回収することとを含む、水から水素ガスを発生する方法。
【請求項２０】
前記電池は、電解槽であり、前記アノードは、アルミニウム又はアルミニウム合金から形成される請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記電池は、ガルバニ電池であり、前記アノードは、マグネシウム又はマグネシウム合金から形成される請求項１９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２００５年６月２１日に出願した米国特許出願第１１／１５６，５４８号の利益を主張する。
【０００２】
本発明は、水素発生システム、より具体的には、電気化学システムを使用して水から水素を発生することに関係する。
【背景技術】
【０００３】
水素は、自然界に水として豊富に存在し、生成される副産物（水）に毒性のない未来の燃料であると多くの人々によりみなされているため、水素を発生する試みは、すべての工業国の多数の企業により広範囲にわたって追求されてきた。主に（１）炭化水素及び（２）水の２つの供給源から大量の水素を発生させることができる。
【０００４】
炭化水素、及び／又はメタノールから水素を発生することは、副産物として二酸化炭素を発生するため温室ガスフリーではない。これら２つのうち、水素供給源として水のみが無公害である。一般に、水からの水素発生は、電気分解又は水分解反応のいずれかによる。電気分解では、水を分解する際に電力を必要とする。無公害の発電は、水力発電、風力発電、太陽発電などの再生可能なエネルギー源が使用される場合にのみ可能である。原子力発電所を用いる発電ですら、完全に無公害とみなすことができない。
【０００５】
プロトン交換膜（ＰＥＭ）燃料電池の大規模商業化については、容易に利用可能な水素ガス供給源が必要である。この要件、つまり、オンデマンドで水素を供給するという条件を満たすために、水素ガス又は液体をタンク内に圧縮する、或いは水素を水素化物として化学的に蓄積する、或いは天然ガス及び／又はメタノール又は他の炭化水素の接触改質によりそのまま水素を発生させるなどのいくつかの方法が現在採用されている。水素をタンク内に貯蔵する、又は水素化物として貯蔵する場合は、明らかに、他の供給源から水素を発生させる必要がある。
【０００６】
水分解反応によりオンデマンドで水から水素を発生する試みは、一部の新しい開発で部分的に成功しており、これは、最近の特許において開示されている（２００２年８月２７日に発行された米国特許第６，４４０，３８５Ｂ１号及び２００３年６月２４日に発行された米国特許第６，５８２，６７６Ｂ２号）。これらの特許では、水から水素を発生させるためにアルミニウムが使用されたが、この方法では水分解反応を遂行するためにＡｌ内に高い濃度の他の物質が含まれる必要があるため、あまり効率的ではない。
【０００７】
特許文献において説明されている化学反応を通じて水から水素を発生する方法がいくつかあるが、それらの大半は、コスト及び環境に関して問題がある（米国特許第４，３５６，１６３号、米国特許第５，５１４，３５３号、米国特許第３，７１６，４１６号、及び米国特許第５，５９３，６４０号を参照）。
【０００８】
アルミニウム金属を主要な消耗可能構成要素として使用して水から水素を発生する特許が多数ある。しかし、これらのほとんどは、アルミニウムと反応して水素を発生するために水中に他の化学物質（活性剤）を入れる必要がある。この技術は、複数のグループに分けることができる。
１．ＮａＯＨ及びＫＯＨを含む水の中のＡｌ
２．Ａｌと他の金属との合金を形成し（機械的合金化を含む）、次いで、水に加えること
３．水中における、Ａｌと、Ｈｇ及び他の金属とのアマルガム
４．アノードとしての電解質溶液中のＡｌ。
【０００９】
従来技術では、すべての方法は、環境にやさしくない化学物質の使用、高コスト、水素発生率を制御できないこと、などいくつかの欠点を有する。
【００１０】
電解質を使用してマグネシウムから水素を発生する方法に関してさまざまな概念も進化しており、例えば、以下を参照。
【００１１】
２０００年９月５日付けの米国特許第６，１１３，８０６号及び２００１年１１月２７日付けの米国特許第６，３２２，７２３号は、両方ともＳｔｅｐｈｅｎ  Ｒ．Ｔｈｏｍａｓに発行されたもので、アルカリ塩といっしょに水に加えられた鉄、アルミニウム、及び亜鉛を含むマグネシウムの微粒子金属組成物を使用することを説明している。
【００１２】
Ｔ．Ｓｕｚｕｋｉらの２００４年１月２９日付けの米国特許第２００４／００１８１４５Ａ１号では、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｖ、Ｍｎ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｃａ、Ｚｎ、Ｚｒ、又はＡｌと合金化されたＭｇからなる凝集体及びＮａＨ、Ｎａ、Ｃａ、Ｄ、Ｓｒ、Ｌｉ、又はＢｅ及び水との水素化物などの他の水素発生物質の使用を教示している。これもＭ．Ｓｕｚｕｋｉに発行された１９７６年の米国特許第３，９５７，４８３号では、Ｆｅ、Ｚｎ、Ｃｒ、Ａｌ、及びＭｎが水に加えられたＭｇ組成物を使用している。
【００１３】
Ｋ．Ｉｚｕｒｕらの２００３年６月３０日付けの日本特許第２００３２１２５０１Ａ２号では、水素を発生するために水に加えられたマグネシウム粒及び触媒金属微粒子から形成された凝集体の使用を教示している。金属微粒子は、Ｎｉ、Ｎｉ合金、Ｆｅ、Ｆｅ合金、Ｖ、Ｖ合金などを含む。
【００１４】
水素を電気化学的に発生するという概念は、よく知られており、文献において説明されている。１９７２年３月１４日にＰａｃｈｅｃｏに発行された米国特許第３，６４８，６６８号では、マグネシウム（Ｍｇ）電極と炭素電極を海水中又は食塩水中で使用して水素を発生し、生成され貯蔵されている水素ガスの圧力を感知する圧力センサによりさらに制御されるポテンショメータにより生成を制御することを教示している。
【００１５】
Ｆ．Ｐａｃｈｅｃｏの１９７５年７月付けの米国特許第３，８９２，６５３号では、マグネシウムをアノードとして使用し、ステンレス鋼をカソードとして使用し、海水を電解質として使用することを教示している。電解質は循環される。電流は使用されないが、システム内で発生した電力は、水を電気分解するために使用された。
【００１６】
Ｆ．Ｐａｃｈｅｃｏの１９９２年２月１８日付けの米国特許第５，０８９，１０７号では、１つ又は複数の類似の電池により構成される自動電解水素発生装置システムについて説明しており、犠牲元素のマグネシウムとアルミニウムの板をアノードとし、ステンレス鋼をカソードとし、海水を電解質とするガルバニ配列が使用されている。短絡で接続されると、電流がシステム内に流れ込み、その場で水素発生が開始する。システムの余剰電気エネルギーがオプションの電解槽に印加される。
【００１７】
Ｍ．Ｓｕｚｕｋｉの１９８２年７月２０日付け米国特許第４，３４０，５８０号では、電解質溶液中でマグネシウム（Ｍｇ）電極と他の電極とを使用して水素を発生することを教示している。交流及び直流の電圧が印加された。
【００１８】
Ｇｏｌｄｅｎｂｅｒｇの１９６２年５月２２日付けの米国特許第３，０３６，１４１号及び３，０３６，１４２号では、水素（Ｈ２）を発生するために使用されたマグネシウム又はマグネシウム合金のアノード、電解質水溶液、及び不活性カソード（鋼鉄又はクロムメッキ鋼）を含むマグネシウムガルバニ電池を説明している。発生した水素は、電解質液をかき混ぜるために使用された。
【００１９】
Ｆｉｄｅｌｍａｎの１９６６年６月１４日付けの米国特許第３，２５６，５０４号では、マグネシウムを水と反応させることにより水素を発生することを説明しており、この反応は、Ｍｇと活発な不活性金属カソードを塩水中でガルバニ電池のように結合することにより行われる。
【００２０】
Ｓ．  Ｒｏｓｎｅｒの１９９５年２月２日国際公開のＷＯ９５／０３６３７では、フローシートと指定の反応炉を用意し、多数の以前の特許を使用して、水素ガスを発生させている。
【００２１】
公開日２００４年１月１５日のＰ．Ｊ．Ｐｅｔｉｌｌｏ及びＳ．Ｃ．Ｐｅｔｉｌｌｏの米国特許公開第２００４／０００９３９２Ａ１号では、（ａ）アノード材料、（ｂ）カソード材料、及び（ｃ）電解質液を含む水素発生装置を教示しており、その電解質は、金属水素化物を含む。
【００２２】
Ｍ．Ｓｕｚｕｋｉの１９８２年１１月２５日付けの日本特許第５７１９１２０３Ａ２号では、Ｍｇが電気伝導物質に接触させるか、又は電気的に接続することにより活性化され、中性電解質水溶液、特に海水に浸されることを説明している。したがって、１０ｇのＭｇ板を粉末ＣｕＣｌで擦り、２０％のＮａＣｌに浸して、水素を発生させる。
【００２３】
Ａｚｕｍｉらによる「ホウ酸イオン及び硫酸イオンを含む溶液中のカソード溶解挙動又はアルミニウム線電極（Ｃａｔｈｏｄｉｃ  ｄｉｓｓｏｌｕｔｉｏｎ  ｂｅｈａｖｉｏｕｒ  ｏｒ  ａｎ  ａｌｕｍｉｎｕｍ  ｗｉｒｅ  ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  ｉｎ  ｓｏｌｕｔｉｏｎ  ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ  ｂｏｒａｔｅ  ａｎｄ  ｓｕｌｆａｔｅ  ｉｏｎｓ）」Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｅｌｅｃｔｒｏａｎａｌｙｔｉｃａｌ  Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ  ５６７  （２００４）  １−７では、アルミニウムに作用して、水素を発生させ、Ａｌ（ＯＨ）−４を形成することについて報告している。
【００２４】
アルミニウムは、水素の形成に必要な反応を阻害する酸化物を形成することにより自己保護能力を持つ傾向を有し、場合によっては、拡張された期間にわたって使用することは、不可能でないとしても困難なことである。
【００２５】
燃焼による発電を含むさまざまな異なる目的のために水素を供給する水素発生プロセスを開発するために多くの研究がなされたことは明らかである。一部は制御システムを実現し、オンデマンドの水素発生を教示しているが、これらのプロセスによる発生率は、必要以上のサイズの生産ユニットを用意しない限り、常に必要な発生率に達するとは限らない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２６】
本発明の一目的は、アルミニウムから水素を得る電気化学的水溶液システムを実現することである。
【００２７】
本発明の他の目的は、アルミニウムから水素を発生させるためのガルバニ水溶液システムを実現することである。
【００２８】
本発明の主目的は、アルミニウム又はアルミニウム合金をカソードとして、マグネシウム又はマグネシウム合金をアノードとして使用して水から水素を発生させるためのガルバニシステムを実現することである。
【課題を解決するための手段】
【００２９】
概して、本発明は、水系電解質を入れた容器、電池を形成するため前記容器内に前記電解質中で間隔をあけて配置されているアノード電極及びカソード電極、前記電極を電気的に相互接続する制御電気回路、前記システムにより生成される水素を回収するための蓄積装置スペースを含む、水から水素ガスを発生するための装置に関するものであり、前記カソードは、アルミニウム又はアルミニウム合金から形成される。
【００３０】
概して、本発明は、間隔をあけて配置されたアルミニウム又はアルミニウム合金から形成されたアノード電極及びカソード電極を水系電解質内に浸して電池を形成することと、前記電極の間の電流の制御流を供給することと、発生した水素を回収することとを含む、水から水素ガスを発生する方法に関するものである。
【００３１】
場合によっては、前記電池は、電解槽であり、前記制御電気回路は、電位を前記電極に印加して前記アノードとカソードを定める。
【００３２】
好ましくは、前記電極の極性を選択的に逆転する手段が実現される。
【００３３】
好ましくは、前記アノードとカソードは両方とも、アルミニウム又はアルミニウム合金から作られる。
【００３４】
好ましくは、前記電池は、ガルバニ電池であり、前記アノードは、マグネシウム又はマグネシウム合金から形成される。
【００３５】
好ましくは、前記電解質は、塩化ナトリウム水溶液である。
【００３６】
好ましくは、前記電極は、絶縁層をそれらの間に挟んだサンドイッチ形態である。
【００３７】
好ましくは、前記サンドイッチは巻かれていて、実質的に円柱形状である。
【００３８】
他の特徴、目的、及び利点は、付属の図面とともに本発明の好ましい実施形態の詳細な説明を読むと明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３９】
この用途全体を通して、カソードという用語は、還元反応が生じる電極を意味し、アノードという用語は、酸化反応が生じる電極を意味する。電解質システムでは、電流がそれぞれの電極に印加され、アノードとカソードを定める。ガルバニ電池では、電気的陰性の高い物質から作られた電極は、電子を放出し、したがってアノードとなる。マグネシウム（Ｍｇ）とアルミニウム（Ａｌ）電極とともにガルバニ電池を使用する本発明の好ましい実施形態では、Ｍｇは、電気的陰性度が高く、電子を放出し、そのため、アノードとして働き、Ａｌはカソードとして働く。
【００４０】
図１を参照すると、概略が例示されている電池１０は、電解質水溶液１４を入れた容器１２を備える。電解質１４には、電極１６及び１８が浸され、電極１６は、カソードであり、電極１８は、アノードである（１つのアノード電極と１つのカソード電極のみが示されているが、明らかに多数の異なる板をカソード及びアノード電極として使用できる）。
【００４１】
参照番号２０により概略が示されている外部電気回路は、オン／オフスイッチ２２を介して電極１６及び１８を制御可能な形で相互接続する。電池１０が電解槽である場合、電源２４は、回路２０内に入れられ、回路セクション２６が取り除かれており、これにより電源２４が電極と直列に配置され、電流を電極１６及び１８に印加し、それらをカソード及びアノードを形成する。
【００４２】
図１Ａに示されているように、電源２４は、２極２位置スイッチ２５に接続する＋及び−端子により示されるような直流（ｄｃ）の何らかの形態を含み、例示されているような位置１では、図１に示されているような正電荷を持つように＋端子を、例示されている場合の電極１８につながる端子Ａに接続し、また電極１６が図１に示されているように−電荷を有するように実質的に同時に−端子を、スイッチ２２及び電極１６につながる端子Ｂに接続する。スイッチ２５が第２の位置（図に示されていない）に移動されると、＋端子は、端子Ｂに接続し、スイッチ２２を通して、電極１６につながり、電極を＋にし、また実質的に同時に、−端子は、端子Ａ及び電極１８に接続される端子Ｃに接続し、電極を−（負）にする。この配列を使用すると、スイッチ２５の位置を変更することにより、スイッチ２５の位置に応じて、アノードは、カソードに変換され、またその逆に変換される。
【００４３】
スイッチ２５は、指定時刻に位置を例示されている位置から説明されている他の位置に、またその逆に変更するようにすることができるか、又は変更を手動で若しくは他の好適な方法で課すことができ、また２つの電極が必ずより均等に消費されるようにするために使用される。これは、アルミニウム又はアルミニウム合金をアノードとカソードの両方に使用する電解質システムにおいて特に有利である。
【００４４】
電池１０が、ガルバニ電池として機能している場合、電源２４は省かれ、回路セクション２６は、保持される、つまり、電極１８は、スイッチ２２の片側に接続され、電極１６は、反対側に接続される。
【００４５】
例示されているシステムでは、塔２８が電極１６及び１８の上のある位置に設けられ、これにより、電極（１６及び１８）で発生し、電解質１４から上がってくる水素ガス（Ｈ２）を受け取り、また発生したＨ２用の、管路３０及び制御弁３２を介してＨ２を制御可能な形で引き出すことができる貯蔵スペースを提供する。
【００４６】
本発明にとって、カソード電極が、以下でさらに詳しく説明されるようなアルミニウム（Ａｌ）又は好適なアルミニウム合金で作られることが重要である。電解槽では、アノードは、好適な金属としてよいが、アノードとして使用するのに最も適している物質は、以下でさらに詳しく説明されるようにアルミニウム及びその好適な合金であることが判明している。Ｍｇ及び／又はその合金をアノードとして使用することは、電池１０がガルバニ電池である場合に特に重要である。
【００４７】
本発明のより完全なバージョンは、図２に概略が示されている。このバージョンでは、電池１０の容器１２は、電解質水溶液（好ましくは塩水）１４中に少なくとも部分的に沈められている、複数のカソード電極１６と、それらの間に挟まれているアノード電極１８を備えている。隣接する電極１６及び１８の隣接する面の間に、必要な電解質１４が流れるようにしながら、隣接する電極板１６及び１８を電気的に絶縁する電気的絶縁体１７が差し挟まれる。容器１２は、絶縁ライナー１３を備え、その上側部分４０は、発生したＨ２を回収する機能を持つ。好適な圧力逃し弁４１は、通常、システム内の圧力がプリセット値を超えた場合その圧力を解放するために備えられる。
【００４８】
発生したＨ２は、一端がスペース４０に接続され、他端が直列に配列された好適な水分離器５０及び乾燥剤フィルタ５２に、次いで通常は上述の弁３２と同等の調節弁（図に示されていない）を備える矢印４８で表されているような出力管路（管路３０と同等）に接続されている取付具４２を経由して例示されているバージョンにおけるスペース４０を出る。
【００４９】
電気的絶縁体１７は、セラミック、プラスチック、及びポリマーなどの好適な材料で作ることができるが、好ましくは、プラスチックであり、通常は、電極同士が短絡することなく、またその一方で十分に広い、できる限り近いアノード電極１８とカソード電極１６との間に、又は形成される沈殿物がシステムの動作を損なわない構造を有する電極同士の間に所望の空間を設ける。
【００５０】
電極１６は、５４のところに略図として示されているバスバーに接続され、電極１８は、５６に略図として示されている別のバスバーに接続されており、両方又はどちらかが、５８に略図として示されている電気的フィードスルーを通り、電極１６及び１８を回路２０に接続する。
【００５１】
図２の配列における電気回路２０は、さらに、回路２０を開く圧力センサスイッチ４４も備え（つまり、スイッチ２２と同様に機能し）、スイッチ２２（図２には示されていない）と同等の手動スイッチと直列につなぐことができる。スイッチ４４は、圧力に応じてシステムを自動的にオン又はオフにするために使用され、これにより、水素は、常に、選択された圧力で利用することができ、圧力が過剰に高くなる危険性はない。電解質システムにおいて、このスイッチは、電極に流れる電流を停止し、発生を中断するように機能し、またガルバニシステムでは、電極間の回路を開き、発生を停止させるように機能する。
【００５２】
図３は、巻き電極システムを絶縁体１７と同等の絶縁体１７Ａを間に入れたサンドイッチ構造に形成され、次いで容器１２と同等である図に示されていない実質的に円柱形状の容器内に受け入れるように巻かれて実質的に円柱状の形態にされた細長い電極要素１６Ａ及び１８Ａの形態である１６及び１８と同等の電極でどのように構成するかを略図として例示する断面略図である。好適なバスバー５４Ａ及び５６Ａは、回路２０（図３に示されていない）の電極要素のそれぞれに接続される。それぞれの要素１６Ａ及び１８Ａの長さにそって間隔をあけて配置されているバスバーへの複数の接続部がありうる。
【００５３】
後述のように、好適な電解質水溶液を使用することができ、またメッシュ又は格子などの好適な電極構造も使用できる。これらの電極構造により、形成された沈殿物を分離することができ、また発生したＨ２を４０に例示されているのと同等のリザーバ内に容易に通すことができることが重要である。電極１６と１８との間の間隔は、所定のシステムについて上で説明されているように最適化することができる。
【００５４】
アルミニウム合金という用語は、Ｈ２を発生するためにかなりの量の利用可能なアルミニウムを有する大半のアルミニウム合金を含む。同様に、Ｈ２を発生するためにかなりの量の利用可能なマグネシウムを有する、さらに電極の完全性を維持する傾向を有する腐食性の低い元素を含むマグネシウム合金という用語も含む。
【００５５】
電解槽システム
本発明は、電解槽として、アルミニウム又はアルミニウム合金をカソードとして使用し、好ましくはアルミニウム又はアルミニウム合金をアノードとして使用し、オンデマンドで水から水素を発生させる方法を実現する。アルミニウム金属又はアルミニウム合金は、水の存在下で水素を発生し、電極の間に小電流を通したときに電解質水溶液中で消費可能電極（好ましくはカソードとアノードの両方）として機能する。電流が停止すると、水素発生も停止する。
【００５６】
本発明の電解質システムについて得られた結果を含む実施例
以下の一連の実験では、アルミニウム金属又はアルミニウム合金が両方とも、カソード及びアノードとして使用されており、他の金属（ステンレス鋼、白金（Ｐｔ）など）がアノードとして使用された場合と比べて水素発生が最大となる最良のシステムであることが実証されている。アルミニウム金属又はＡｌ合金は、シート、ロッド、ワイヤ、メッシュ、フォーム、ハニカムなどのさまざまな形態とすることができる。これらの材料は、アルミニウム製飲料缶、アルミニウム製台所用品などの一次合金又は二次リサイクル可能材料とすることができる。
【００５７】
発生したガスの定量
システム内で発生したガスを回収するために、プレキシグラス片から試料押さえ（図に示されていない）が作られた。試料押さえは、幅約２．３ｃｍ、厚さ〜１．０ｃｍ、長さ〜１５ｃｍであった。幅約１ｍｍ、深さ約２ｍｍの３つの溝が広い表面上に切られ、ガス回収システムの外部の電源と接続することが可能な、絶縁されたＰｔワイヤと試料を接続するために、それぞれの溝の中心にドリルで穴があけられた。ガス回収システムは、本質的に、２つの電極の上に配置されている、反転電解質充填測定シリンダーであった。発生したガスは、シリンダーの上で回収され、時間の経過に応じて視覚的に記録された。両方の電極の表面積は、９ｃｍ２一定に保たれた。
【００５８】
ガスは、以下に応じて回収された。
１．カソードとしての異なるアルミニウム金属又はアルミニウム合金材料
２．異なる電流
３．温度
４．アノード及びカソードとしてのアルミニウム金属又はアルミニウム合金。
【００５９】
ステンレス鋼をアノードとして使用して数回試験を行った後、溶液の着色が発生した場合、Ｐｔメッシュが、その後試験のためアノードとして使用された。このシステムで発生したＨ２の量とアノード及びカソードとしてのアルミニウムとの比較のため、Ｐｔをアノードとする試験が実施された。カソードについては、アルミニウム製ベーキングプレート、アルミ箔、バドワイザー（登録商標）のアルミ缶、ペプシコーラ（登録商標）のアルミ缶、及びアルミニウム合金（Ａ６０６１）が使用された。
【００６０】
シリーズＡ
次に、３つの異なるアルミニウム試料（１）パン焼き皿、（２）合金Ａ６０６１、及び（３）バドワイザー缶が、異なる温度で電流に応じて水素を発生させるために使用された。これらの結果は、表１に示されている。これらの試験で、Ｐｔメッシュはアノードとして使用された。
【表１】
2008544084.tif 000003
【００６１】
表１を見ると、水からＨ２を発生させることに対する電流及び／又は温度の増大の影響が確実にあることがわかる。電流又は温度のいずれかが増大した場合、システムから発生する水素が増えた。これは、アルミニウム試験したアルミニウムビール缶（バドワイザー、ベーキングプレート）及びアルミニウム合金Ａ６０６１の３種類すべてについて当てはまる。同一の試験条件の下で、これらの材料、つまり、Ａｌパン焼き皿、ビール缶、及び合金Ａ６０６１について水素産出量にあまり違いはないことは明らかである。これらの材料はすべて、９８〜９９％を超えるアルミニウムを含む。
【００６２】
シリーズＢ
この一連の試験では、アルミニウム金属又はアルミニウム合金板が、アノードとカソードの両方に使用された。これは、電解質中の２つの異種金属の電気化学ポテンシャルを下げることが予想されたが、このことはＡｌ合金をカソードとアノードの両方として使用するうえで非常に有利であり、またこれにより電圧、したがって水素を発生する電力要件が低減される。アルミニウム合金Ａ６０６１は、アノードとして使用され、Ａｌベーキングプレート及びペプシコーラ缶は、カソードとして使用された。電流は、２０から８０ｍＡの間で変えられ、水素を発生するためにやはり異なる温度が使用された。これらの結果は、表２に示されている。前のデータを比較すると、印加された電位が著しく下げられ、そのため水素を発生するために必要な電力が劇的に低減されることはすぐにわかる。
【表２】
2008544084.tif 000004
【００６３】
上記の表は、Ｐｔメッシュの代わりにアルミニウム合金がアノードとして使用されたときに水素発生量に関してガス産出量にある程度の増大が確かにあったことを示している。目で見ても、ガスの小さな気泡がアノード表面に形成されているが、ほとんどガスはカソード上に生成されることが観察された。
【００６４】
シリーズＣ
この一連の試験では、アノードとカソードは、両方とも、Ａ６０６１−Ａ６０６１及び（ペプシコーラ）Ａｌ缶−（ペプシコーラ）Ａｌ缶などの同じアルミニウム合金材料であり、電解質溶液は、２ＭのＮａＣｌ水溶液であった。これは、ガス発生に対する電解質強度の増大の影響があるかどうかを調べるものであった。これらの結果は、表３に示されている。
【００６５】
表１のデータを表３のと比較すると、２０℃、４０℃、及び６０℃で同じ材料Ａｌ合金Ａ６０６１について、水素発生に著しい増大があったことが容易にわかる。これは、（１）２Ｍ対１Ｍの溶液（すでに使用されている）の高い電解質濃度、及び（２）電流がシステム内を通ったときのアノードとカソード（Ａｌ合金）の両方の腐食という２つの効果によるものと考えられる。シリーズＢ試験ですでに指摘されているように、アルミニウムがアノードとして使用された場合も、アノードからある程度のガス発生があることがわかった。
【表３】
2008544084.tif 000005
【００６６】
ガス分析
以前に、電流がシステム内を通ったときに電気分解が起こっていたのではないかという疑いが表明された。これは、アルミニウムとの化学反応により水素ガスが発生するのと同時に起こっている可能性もある。回収されたガスに関する質量分析を実行したところ、ガスはシステム内で１％未満（〜０．７％の範囲内）の酸素を含むことが示された。この酸素は、水（試験時に水道水を使用したため）中に溶存している酸素に由来すると考えられる。プラスチック製チューブが、発生したガスを含む測定シリンダー内に導入され、これが質量分析計と接続された。この管路は、管路から空気を追い出すためにＮ２でほとんどパージされた。また、すべての接続部内にある程度の漏れがありうる。これらの試験から、システム内で水の電気分解が生じていないことがわかった。
【００６７】
反応生成物
電流がアノードとカソードとしてのＡｌの２つの電極の間を通ったときにシステム内に形成されたコロイド物質を濾過し、乾燥させて粉末にした。この粉末のＸ線分析から、反応副産物は、以下の反応で形成された、アルミニウム一水和物であると結論された。
Ａｌ＋２Ｈ２Ｏ→ＡｌＯＯＨ＋３／２Ｈ２
【００６８】
こうして形成された水酸化アルミニウム（ベーマイト）は、リサイクルすることができ、環境にやさしい。副産物がか焼されると（脱ヒドロキシル化）Ａｌ２Ｏ３が形成され、次いで、これは、電解精錬装置内でアルミニウム金属に転換して戻すことができる。
【００６９】
上記の結果は以下のようにまとめることができる。
【００７０】
１．アルミニウム金属又はその合金をカソードとして、好ましくはアノードとカソードに両方に使用して、電解質水溶液に小電流を通すことによりオンデマンドで（必要である限り）水から水素を発生させられることが確かに実証することができる。
【００７１】
２．本発明では、アルミニウム金属又はアルミニウム合金は、アノードとカソードの両方に使用され、アノードに他の金属が使用されたときよりも多くの水素を発生する。
【００７２】
３．電解質は、ＮａＣｌ、ＫＣｌ、ＬｉＣｌなどの水溶性塩を含む水としてよい。単純に海水であってよい。
【００７３】
４．水素発生は、リサイクルされた原料を使用し、副産物をリサイクルできる環境にやさしい費用効果の高いプロセスに基づく。
【００７４】
５．水素産出量は、一部は、電界と電流の強度に依存する。電流が大きいほど、水素の産出量が多い。
【００７５】
６．温度は、水素発生に著しい影響を及ぼし、温度が高いほど水素形成量は多い。
【００７６】
７．２枚のアルミニウムシートがアノード及びカソードとして使用された場合、電流（試験された範囲内の）が食塩水を通るときに水の電気分解は発生しなかった。
【００７７】
８．発生した水素の量は、電解質に曝される電極の表面積に依存する。
【００７８】
９．アノードとカソードの両方がＡｌ又はＡｌ合金の場合、アノード及びカソードが両方とも一様に溶解するように、極性を間欠的に反転させて、目的を達成する。
【００７９】
１０．飲料などの市販のアルミニウム合金缶は、水素を発生するために簡単に利用できることが分かっている。
【００８０】
１１．水素発生率は、電流の強度を使用して制御することができる。
【００８１】
１２．このシステムは、水素がオンデマンドで生成され、水素が貯蔵されないため、このシステムは安全である。
【００８２】
本発明のガルバニ電池システムについて得られた結果を含む実施例
予備試験
マグネシウム金属を使用して水から水素を発生させる可能性を調べるために、１枚のＭｇ板及び１枚のステンレス板を鋼鉄製クランプで締め付け、次いでこの組合せを０．４Ｍ、０．８Ｍ、及び２ＭのＮａＣｌの食塩水中に浸すことにより初期実験が実施された。これにより、それぞれ、３０分間に水４４ｍｌ、４９ｍｌ、及び８５ｍｌから水素を直ちに発生した。その後、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｌなどの他の金属をマグネシウム金属とともに試験し、電解質水溶液から水素を発生させた。これらの試験は、さらに、異なるシステムの有効性を知る比較試験のため鋼鉄製クランプでも実施された。例えば、２０分以内に、また１ＭのＮａＣｌ水溶液中で、Ｍｇ＋Ｃｕ、Ｍｇ＋Ｎｉ、及びＭｇ＋Ａｌがそれぞれ２８ｍｌ、３８ｍｌ、及び６２ｍｌ生成された。これらの初期試験から、水素発生のための最良の組合せは、Ｍｇ＋Ａｌであることがわかった。その後、絶縁されたＰｔワイヤをスポット溶接して板を接続したところ、かなり多くの水素が発生するようになった。例えば、２枚の板（Ｍｇ＋Ａｌ）がＰｔワイヤで連結されると、両方とも０．８ＭのＮａＣｌ溶液とし、３０分間で、システムは７３ｍｌのガスを発生したが、鋼鉄製クランプではわずか４９ｍｌであった。
【００８３】
Ｍｇ−Ａｌは、他の試験されたすべてのシステムと比較して最大量の水素を発生することが観察された。Ｍｇ−Ａｌシステムは、Ｍｇ−Ｆｅシステムよりもいっそうよい。例えば、Ｍｇ−Ａｌシステムは、同じサンプルサイズのＭｇ−Ｆｅシステムの８０ｍｌ／ｈｒに対し１０５ｍｌ／ｈｒを生成した。これは、Ｍｇ−Ｆｅシステムのと比べて、Ｍｇ−Ａｌシステムの場合には約３０％以上水素発生量が多い。表４では、Ｍｇ−ＡｌとＭｇ−Ｆｅの２つのシステム間の水素ガス発生効率が比較されている。
【表４】
2008544084.tif 000006
【００８４】
詳細な調査のための実験設定及び材料
これらの予備試験の後、すべての後続試験は、マグネシウム金属とその合金及びアルミニウムとその合金のみを伴う。この一連の実験では、３種類のマグネシウム合金が使用される。商業的には、これらは、それぞれ、ＡＺ３１、ＡＭ６０Ｂ、及びＡＺ９１Ｄとして識別され、約３、６、及び９重量％のアルミニウムを含む。アルミニウムの場合、約２重量％の他の金属を含むベーキングホイル（９９％のＡｌ）及びアルミニウム合金Ａ６０６１が使用された。これらの合金の化学組成は、表５Ａ及び５Ｂに示されている。
【表５】
2008544084.tif 000007
【表６】
2008544084.tif 000008
【００８５】
システム内で発生したガスを回収するために、直径約２ｃｍのマグネシウムの円板及び約２ｃｍ×２．５ｃｍの１つ又は複数のアルミニウム板をスポット溶接により１つ又は複数の絶縁されたＰｔワイヤと接続した。次いで、この組合せを、ＮａＣｌ及び水を含む電解質に浸けた。次いで、電解質水溶液で満たされた反転された測定シリンダーを結合された金属片の上に配置した。すぐに、金属（Ｍｇ）円板と板（Ａｌ）の両方から水素の気泡が発生し始めた。しかし、Ｍｇ円板のほうがより活発に気泡が発生していることがわかった。
【００８６】
その後、試料押さえをテフロン（登録商標）片で作った。試料押さえは、幅約２．３ｃｍ、厚さ〜１．０ｃｍ、長さ〜１５ｃｍであった。幅約１ｍｍ、深さ約２ｍｍの３つの溝が広い表面上に切られ、ガス回収システムの外部と接続し、接続を切ることが可能な、絶縁されたＰｔワイヤとすべての試料を接続するために、それぞれの溝の中心にドリルで穴があけられた。これで、ワイヤを接続することにより水素発生を開始し、ワイヤの接続を切ることにより水素発生の反応を停止することができた。板と円板を溝内に置いて、それらの間の距離を一定に保った。ガス回収システムは、本質的に、電極の上に配置されている、反転電解質充填測定シリンダーであった。発生したガスは、シリンダーの上で回収され、時間の経過に応じて視覚的に記録された。すべての電極の表面積は、〜１３ｃｍ２一定に保たれた。システムの概略図が図１に示されている。このシステムは、２つ、又は３つの電極とともに使用できる。テフロン（登録商標）製標本押さえは、図に示されていない。
【００８７】
水素発生に影響を及ぼす要因
システムを調べるための変数が、以下の理由から選択される。マグネシウム及びアルミニウムの２枚の板の間を流れる電流は、電流が出会う全抵抗に依存する。これらは、（１）電流を運ぶ電解質中のイオン濃度、（２）金属の相対的表面積、（３）板同士を接続する１本又は複数のワイヤのオーム抵抗、（４）水素を発生する反応及び水酸化物の形成が発熱反応なので、システムの温度、並びに（５）アノード及びカソードに使用される物質の成分及び組成である。これに基づいて、以下の変数を調べ、システム内に発生した水素の量を推定した。
【００８８】
試験された変数：
１．電解質濃度
２．板と板との間の外部接続抵抗
３．温度の効果
４．異なるＭｇ合金
５．（開始停止）Ｍｇ−Ａｌシステムを使用するオンデマンドのＨ２発生
６．１０ｃｍ×２０ｃｍのサンプルサイズまでのスケールアップ
７．電極間距離の効果
８．反応によるＨ２圧力発生
【００８９】
電解質濃度
ほとんどすべての変数が、６重量％のアルミニウムを含む、マグネシウム合金＃ＡＭ６０Ｂを使って試験された。３つの異なる電解質濃度０．５、１．０及び２．０ＭのＮａＣｌ水溶液を使用して、水素発生の有効性を確認したが、その際にそれぞれ〜１３ｃｍ２の表面積を有する直列に接続された２枚のアルミニウム板と１枚のマグネシウム板（真ん中）の組合せ（Ａ−Ｍｇ−Ａｌシステム）を使用した。これらの板は、絶縁されたＰｔワイヤと接続されていた。これらの結果は、表６に示されている。
【表７】
2008544084.tif 000009
【００９０】
板と板との間の外部接続抵抗
１本の細いＰｔワイヤを使用して２枚の板を接続する場合、これは、Ｍｇ板とＡｌ板との間の電流の流れを制限する可能性があると考えられた。この考え方を検証するために、マグネシウム板とアルミニウム板の一セットをＰｔワイヤと接続し、第２のセットを３本のＰｔワイヤと接続した。これらは、２０℃において１ＭのＮａＣｌ溶液で試験され、得られた結果は、図６において比較される。２つのシステムからの最初のいくつかの初期の類似の水素発生挙動の後（最大２時間まで）、１本のＰｔワイヤは、さらに、電流を制限し、この結果、２時間後にＨ２の制限された形での形成が生じたが、３本のワイヤ接続を使用した場合、Ｈ２は、試験が停止されたときに、最大５時間まで同じ発生率で連続的に発生したことは明らかにわかる。
【００９１】
温度の効果
温度の効果については広範な研究はなされていないが、温度は水素発生に対し著しい影響を及ぼすと予想されており、これは、図７を見るとわかる。
【００９２】
異なるマグネシウム合金
同一条件の下で水素を発生するために３つの異なるマグネシウム合金が試験された。これらの合金は、商業的には＃ＡＺ３１、＃ＡＭ６０Ｂ、及び＃ＡＺ９１Ｄとして知られており、約３、６、及び９重量％のアルミニウムを含む。これらの試験では、２つのアルミニウム板片Ａ６０６１をＡｌ−Ｍｇ−Ａｌ構成としてマグネシウム板の一片と接続した。これらのシステムは、２０℃において２ＭのＮａＣｌ溶液で試験され、結果は、図８において比較される。
【００９３】
Ｍｇ−Ａｌを使用するオンデマンドのＨ２発生
主要な目的の１つは、水から水素を発生することがオンデマンドでなければならないという点にあった。つまり、水素が必要なときには、システムは、水素を発生することができなければならず、水素が必要ないときには、発生は停止しなければならないということである。マグネシウムはよく反応する金属であるため、結果として２０℃の２ＭのＮａＣｌ溶液中で水素を発生したこの研究で使用されるＭｇ合金の自己腐食挙動を調べることに決定した。これらの結果は、表７に示されている。この電解質水溶液中で、マグネシウムにおいてアルミニウム含量が多い合金からは水素は非常にわずかしか発生しないことに留意されたい。
【表８】
2008544084.tif 000010
【００９４】
次に、水素を発生し、必要な場合に反応を停止する可能性を評価する試験が実施された。これは、２ＭのＮａＣｌ水溶液中に置かれたＭｇの１枚の板とＡｌの２枚の板の外部的接続及び接続の切断を間欠的に繰り返すことにより行われた。これらの板が、Ｐｔワイヤを介して接続された場合、システムからかなりの量の水素が発生した。その後、これらのワイヤの接続が切られると、再び水素が発生していることがわかった。これらの結果は、図９に例示されている。図から、電極の接続がいったん切られると水素はごくわずかしか形成されないことがわかるが、このことは、システムＭｇ−Ａｌは、オンデマンドで水素発生に使用され、したがって、このプロジェクトの主要目的の１つを達成することができることを示している。
【００９５】
サンプルサイズ１０ｃｍ×２０ｃｍまでのスケールアップと、電極間距離の効果
Ｍｇ−Ａｌシステムは、修正された圧力釜を使用し、Ｍｇ  ＡＺ３１及びＡｌ６０６１のシート（１０ｃｍ×２０ｃｍ）を２ＭのＮａＣｌ溶液中で使用して試験された。ＡＺ３１を４本のステンレス鋼のネジを使用して２枚のＡｌ６０６１シートで両側に接続した。電極間抵抗の効果を調べるために、板のスペースは異なる距離２つ分（３及び６ｍｍ）に設定された。ガス体積及び温度に関する自動データ収集が使用された。これらの結果は、表８に示されている。上記の結果から、板の間隔は、発生率に明らかな影響を及ぼすことがわかる。
【表９】
2008544084.tif 000011
【００９６】
反応によるＨ２圧力発生
この技術により発生するＨ２圧力は、圧力変換器及びデータ収集システムに接続されている圧力容器内で試験された。Ａｌ（Ａｌ６０６１）−Ｍｇ（ＡＺ３１）−Ａｌ（Ａｌ６０６１）の仕様が使用されており、Ｍｇ及びＡｌの実効表面積は、３２ｃｍ２である。図１０は、Ｈ２圧力及び時間の関係を示している。圧力容器の試験限界のせいで、試験は、圧力１４３４１ｐｓｉで中断された。この技術により発生したＨ２圧力は、終点でも圧力がまだ上昇しているときになおいっそう高くなる可能性がある。
【００９７】
ガス分析
回収されたガスに関する質量分析を実行したところ、ガスは９９％を超える水素ガスを含むことが示された。
【００９８】
反応生成物
水素ガスが生成されたときにシステム内に形成されたコロイド物質が回収され、濾過され、乾燥された。この粉末のＸ線分析から、反応副産物は、以下の反応で形成された、アルミニウム一水和物（ベーマイト）及び水酸化マグネシウムであると結論された。
Ｍｇ＋２Ｈ２Ｏ→Ｍｇ（ＯＨ）２＋Ｈ２
Ａｌ＋２Ｈ２Ｏ→ＡｌＯＯＨ＋３／２Ｈ２
【００９９】
Ａｌ−Ａｌ及びＭｇ−Ａｌ電極システムからのＨ２発生の説明
アノード反応
水素を発生するＭｇ−Ａｌ又はＡｌ−Ａｌシステムの原理は類似している。Ｍｇ−Ａｌシステムでは、Ｍｇ及びＡｌは、高い活性と電位列のためＭｇをアノードとし、Ａｌをカソードとするガルバニ電池を含む。アノードＭｇは、電子供与体として使用されており、腐食反応は、以下のように書くことができる。
Ｍｇ−２ｅ＝Ｍｇ２＋（Ｅ０＝−２．３７Ｖ）
沈殿反応に続いて、
Ｍｇ２＋＋２ＯＨ−→Ｍｇ（ＯＨ）２
組み合わせた溶解反応は、
Ｍｇ＋２ＯＨ−＝Ｍｇ（ＯＨ）２＋２ｅ
【０１００】
上記の電流発生反応に加えて、アノードは、さらに水素発生腐食プロセスの作用を受ける。Ｍｇアノードに対するこの寄生化学腐食反応は、以下のように表すことができる。
Ｍｇ＋２Ｈ２Ｏ＝Ｍｇ（ＯＨ）２＋Ｈ２
【０１０１】
自己腐食反応により、Ｍｇアノード上でＨ２が大量に発生するが、Ｍｇ自体は消費されており、Ｍｇ−ＡｌシステムによるＨ２発生の基礎をなしている。
【０１０２】
以上のことから明らかなように、Ｍｇ−Ａｌシステムにおいて、腐食反応により、Ｍｇ−Ａｌガルバニ電池から駆動力が供給された。しかし、Ａｌ−Ａｌシステムでは、Ａｌアノード溶解に対する駆動力は、印加された電界である。Ａｌがアノードとして使用された場合、アノード溶解は以下のように表すことができる。
Ａｌ−３ｅ＝Ａｌ３＋          Ｅ＝−１．６６Ｖ  ｖｓ．  ＳＨＥ
アノードプロセスの寄生反応は以下のようになる可能性がある。
【化１】
2008544084.tif 000012
【０１０３】
その結果として、−１．６６に比べて正である混成電位が観察された。図４は、混成電位Ｅｃｏｒｒ＝−１．１３４  ｖｓ．  ＳＣＥであるアノードプロセスに対する実験的分極曲線が得られたことを示している。アノードにおける寄生Ｈ２発生反応は、ある程度Ａｌ−Ａｌシステムの全Ｈ２発生に寄与する。
【０１０４】
他のＡｌ金属システム、例えば、アノードとして使用されるＰｔと比較すると、アノード反応は、Ｏ２発生である。
【化２】
2008544084.tif 000013
【０１０５】
高い酸素発生過剰電位のせいで、アノード反応を遂行するために、更にかなり高い電池電圧及びその後のもっと高いエネルギー消費が必要である。Ａｌアノード脱分極反応に対する混成電位により、Ａｌ−ＡｌシステムにおけるＨ２発生に必要なエネルギーが著しく低減され、これは、本発明に特有の特徴の１つである。
【０１０６】
図５は、Ａｌをカソード及びアノードとする電池電圧の変動を示している。電池電圧が５０ｍＡで２．８６Ｖ、１０ｍＡで２．６１ＶであるＡｌカソード及びＰｔアノードと比較すると、Ａｌ−Ａｌシステムでは、かなり低い電池電位、５０ｍＡで１．３５Ｖ、１０ｍＡで０．９８Ｖが得られる。これらの結果から、Ａｌをアノード及びカソードとして使用することは、Ｈ２発生のため電圧を下げ、エネルギーを節約するうえで有望である。
【０１０７】
カソード反応
Ｍｇ−Ａｌ及びＡｌ−Ａｌの両方のシステムにおいて、カソード反応は同じである。違いは、電子がＭｇ−Ａｌシステム内のＭｇ−Ａｌガルバニ電池から放出され、電子は、Ａｌ−Ａｌシステムにおいて外部ＤＣ源により供給されたという点である。
【０１０８】
Ａｌがカソードとして使用された場合、以下の化学式に従って表面がアルカリ性になるため、アルミニウム表面フィルムが最初に水素発生中に化学溶解の作用を受ける。
Ｈ２Ｏ＋ｅ→ＯＨ−＋１／２Ｈ２
【０１０９】
表面酸化膜が破壊されると、水によるむき出しのＡｌの化学攻撃は、反応を介して進行する。
Ａｌ＋２Ｈ２Ｏ→ＡｌＯＯＨ＋３／２Ｈ２
【０１１０】
Ａｌカソードから化学溶解は、不活性な電極上の通常のカソード還元よりかなり高いＨ２発生を保証し、これにより、Ｍｇ−Ａｌ及びＡｌ−ＡｌシステムによるＨ２発生が、他の従来のＭｇ−Ｐｔ又はＭｇ−ステンレス（不活性カソード）システムと比べて独自のものとなる。
【０１１１】
Ａｌ−Ａｌシステムでは、Ｈ２発生速度は、外部電流を制御することにより調節することができる。しかし、Ｍｇ金属システムにおけるＨ２発生のための駆動力は、アノードとカソードの腐食電位に依存し、腐食電流は、基本的に以下の式で決定される。
ｉｇ＝（Ｅｃ−Ｅａ）／（Ｒａ＋Ｒｃ＋Ｒｓ）
【０１１２】
ただし、ｉｇは、アノードとカソードとの間のガルバニ電流であり、Ｅｃ及びＥａは、カソード及びアノードの等価電位であり、Ｒｃ及びＲａは、それぞれカソード抵抗及びアノード抵抗であり、Ｒｓは、アノードとカソードとの間の溶液の抵抗である。これらのパラメータに影響を及ぼす可能性のある要因は、腐食電位に、そしてその後のガルバニ腐食速度に影響を与える。アノード酸化被膜抵抗が高いため、ガルバニ電流密度が低くなり、最初からＨ２発生が遅い。アノード被膜が破壊されている場合、ガルバニ電流が、次いでＭｇ−ＡｌシステムのＨ２発生速度が高められる。適切なアノード／カソード実効面積比が、カソードとアノード電流密度のバランスを取り、これによりアノード酸化被膜が効果的に除去され、次いで、Ｈ２発生速度が最大にされる。電極間距離を変更するか、又は導電性の高い電解質、例えば、２Ｍ  ＮａＣｌ水溶液を使用しても、腐食率を最大にし、Ｈ２発生速度を高めることができる。これらのことで、水素発生速度に対するさまざまなパラメータの影響の説明がつく。
【０１１３】
結論
１．Ｍｇ−Ａｌシステムは、Ｍｇ−他の金属システムよりも高い水素発生速度を有する。
【０１１４】
２．外部回路抵抗を低くすると、水素発生量が増える。
【０１１５】
３．電極間距離は、システムの内部抵抗に影響を及ぼすので水素発生速度に影響を及ぼす。距離を短くすると、水素発生量が増えるが、距離が非常に小さいと、堆積した副産物で、システムが詰まり、水素発生量が減る。
【０１１６】
４．電解質水溶液の導電性、したがって濃度は、水素発生速度に著しい影響を与える。
【０１１７】
５．水素発生は、Ｍｇ及びＡｌ電極との接続を切った後停止させることが可能であり、またＭｇ及びＡｌ電極を再接続した後再始動することが可能である。
【０１１８】
６．Ｍｇ及びＡｌは両方とも、水素発生時に重さを失う。理論的な計算により、Ｍｇ及びＡｌは連携してＨ２ガスを発生することが示された。
【０１１９】
７．システムは、環境にやさしく、安全である。
【０１２０】
８．副産物は不活性であり、無毒である。副産物は、副産物として形成された水酸化物からＭｇとＡｌの両方の金属にリサイクルできる。
【０１２１】
本発明の説明が済んだので、付属の請求項で定義されているように本発明の範囲から逸脱することなく修正形態は当業者にとっては明白なことであろう。
【図面の簡単な説明】
【０１２２】
【図１】本発明を組み込んだ電解槽又はガルバニ電池の略図である。
【図１Ａ】電解槽システムで使用する極性反転システムをさらに詳しく示す図である。
【図２】本発明を例示するガルバニ電池の略図である。
【図３】本発明に適している電極配列の巻いた形態の略図である。
【図４】アルミニウム電極上のアノードとカソードの分極曲線を示す図である。
【図５】１０ｍＡ及び５０ｍＡの電流が流れているＡｌ−ＡｌシステムとＡｌ−Ｐｔシステムとの比較結果を示す電池電圧のグラフである。
【図６】アルミニウムカソード及びマグネシウムアノードを持つガルバニ電池内の接続回路のオーム抵抗の効果を示すグラフである。
【図７】アルミニウムカソード及びマグネシウムアノードを持つガルバニ電池内の温度の効果を示すグラフである。
【図８】得られた結果のグラフと、２ＭのＮａＣｌ溶液中の３つの異なる知られているマグネシウム合金から得られる水素生成の比較結果を示す図である。
【図９】電極板と電極板との間が３ｍｍであるＭｇ−Ａｌシステムが電気回路の接続（短絡）及び接続の切断により２ＭのＮａＣｌ溶液で試験された始動−停止の試験結果を示すグラフである。
【図１０】Ｍｇ−Ａｌシステム内の水素圧力発生を示すグラフである。
【図１】
2008544084.tif 000014
【図１Ａ】
2008544084.tif 000015
【図２】
2008544084.tif 000016
【図３】
2008544084.tif 000017
【図４】
2008544084.tif 000018
【図５】
2008544084.tif 000019
【図６】
2008544084.tif 000020
【図７】
2008544084.tif 000021
【図８】
2008544084.tif 000022
【図９】
2008544084.tif 000023
【図１０】
2008544084.tif 000024
【手続補正書】
【提出日】平成20年3月12日(2008.3.12)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水系電解質を入れた容器、電池を形成するため前記容器内に前記電解質中で間隔をあけて配置されているアノード電極及びカソード電極、前記電極を電気的に相互接続する制御電気回路、前記システムにより生成される水素を回収するための蓄積装置スペースを含み、前記カソードはアルミニウム又はアルミニウム合金から形成される、水から水素ガスを発生するための装置。
【請求項２】
前記電池は、電解槽であり、前記制御電気回路は、電位を前記電極に印加して前記アノードとカソードを定める請求項１に記載の水素ガスを発生するための装置。
【請求項３】
前記アノードとカソードの電極は両方とも、アルミニウム又はアルミニウム合金でできている請求項２に記載の水素ガスを発生するための装置。
【請求項４】
前記制御電気回路は、さらに、前記カソードをアノードに、前記アノードをカソードに選択的に同時に変える、及びその逆に変える手段を含む請求項３に記載の水素ガスを発生するための装置。
【請求項５】
前記電解質は、塩化ナトリウム水溶液である請求項１に記載の水素ガスを発生するための装置。
【請求項６】
前記電解質は、塩化ナトリウム水溶液である請求項２に記載の水素ガスを発生するための装置。
【請求項７】
前記電解質は、塩化ナトリウム水溶液である請求項３に記載の水素ガスを発生するための装置。
【請求項８】
前記電解質は、塩化ナトリウム水溶液である請求項４に記載の水素ガスを発生するための装置。
【請求項９】
前記電池は、ガルバニ電池であり、前記アノードは、マグネシウム又はマグネシウム合金から形成される請求項１に記載の水素ガスを発生するための装置。
【請求項１０】
前記電解質は、塩化ナトリウム水溶液である請求項９に記載の水素ガスを発生するための装置。
【請求項１１】
前記電極は、電気的絶縁層をそれらの間に挟んだサンドイッチ形態である請求項１に記載の水素ガスを発生するための装置。
【請求項１２】
前記サンドイッチは巻かれていて、実質的に円柱形状である請求項１１に記載の水素ガスを発生するための装置。
【請求項１３】
前記電極は、電気的絶縁層をそれらの間に挟んだサンドイッチ形態である請求項３に記載の水素ガスを発生するための装置。
【請求項１４】
前記サンドイッチは巻かれていて、実質的に円柱形状である請求項１３に記載の水素ガスを発生するための装置。
【請求項１５】
前記電極は、電気的絶縁層をそれらの間に挟んだサンドイッチ形態である請求項４に記載の水素ガスを発生するための装置。
【請求項１６】
前記サンドイッチは巻かれていて、実質的に円柱形状である請求項１５に記載の水素ガスを発生するための装置。
【請求項１７】
前記電極は、電気的絶縁層をそれらの間に挟んだサンドイッチ形態である請求項９に記載の水素ガスを発生するための装置。
【請求項１８】
前記サンドイッチは巻かれていて、実質的に円柱形状である請求項１７に記載の水素ガスを発生するための装置。
【請求項１９】
水系電解質内に、間隔をあけて配置されたアルミニウム又はアルミニウム合金から形成されたアノード電極及びカソード電極を浸して、電池を形成することと、前記電極の間に電流の制御流を供給することと、発生した水素を回収することとを含む、水から水素ガスを発生する方法。
【請求項２０】
前記電池は、電解槽であり、前記アノードは、アルミニウム又はアルミニウム合金から形成される請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記電池は、ガルバニ電池であり、前記アノードは、マグネシウム又はマグネシウム合金から形成される請求項１９に記載の方法。
【請求項２２】
前記制御電気回路は、オン−オフスイッチを備える請求項１から１８までのいずれか一項に記載の装置。
【請求項２３】
アノード及びカソードと直列に接続されている電源を備える、請求項２から４まで、６から８まで、及び１３から１６までのいずれか一項に記載の装置。
【請求項２４】
水系電解質を入れた容器、電池を形成するため前記容器内に前記電解質中で最大６ｍｍまでの間隔をあけて配置されているアノード電極及びカソード電極、前記電極を電気的に相互接続する制御電気回路、前記システムにより生成される水素を回収するための蓄積装置スペースを含み、前記カソードはアルミニウム又はアルミニウム合金から形成される、水から水素ガスを発生するための装置。
【請求項２５】
前記電解質は、海水である請求項２４に記載の装置。
【請求項２６】
前記電解質は、濃度０．５から２Ｍの塩化ナトリウム水溶液である請求項２４に記載の装置。
【請求項２７】
前記電池は、アノード及びカソードと直列に接続された電源を備え、２０から８０ｍＡの範囲の印加された電流を１３ｃｍ２の表面積の電極に供給する、電解槽である請求項２４、２５、及び２６のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２８】
前記アノードは、アルミニウム又は９８〜９９重量％のアルミニウムを含有するアルミニウム合金から形成される請求項２７に記載の装置。
【請求項２９】
前記アノード及びカソードは、アルミニウム又は９８〜９９重量％のアルミニウムを含有するアルミニウム合金から形成される請求項２７に記載の装置。
【請求項３０】
前記電池は、ガルバニ電池であり、前記アノードは、マグネシウム又はマグネシウム合金から形成される請求項２４、２５、及び２６のいずれか一項に記載の装置。
【請求項３１】
前記間隔は、３から６ｍｍの範囲内にある請求項２９又は３０に記載の装置。
【請求項３２】
前記アノードは、マグネシウム又は３から９重量％のアルミニウムを含有するマグネシウム合金から形成され、前記カソードは、アルミニウム又は９８〜９９重量％のアルミニウムを含有するアルミニウム合金から形成される請求項２９、３０、及び３１のいずれか一項に記載の装置。
【請求項３３】
前記アノード及びカソードは、導線により電気的に接続される請求項２９、３０、３１、及び３２のいずれか一項に記載の装置。
【請求項３４】
前記電解質は、濃度０．５〜２Ｍの塩化ナトリウム水溶液である請求項１９、２０、及び２１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３５】
２０から６０℃までの温度で実行される請求項１９、２０、２１、及び３４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３６】
前記間隔は、最大６ｍｍまでである請求項１９、２０、２１、及び３５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３７】
前記電池は、電解槽であり、前記アノードは、アルミニウム又は９８〜９９重量％のアルミニウムを含有するアルミニウム合金から形成される請求項１９、３４、３５、及び３６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３８】
１３ｃｍ２の表面積の電極に対し２０から８０ｍＡの範囲の印加される電流を供給するステップを含む請求項３７に記載の方法。
【請求項３９】
前記アノード及びカソードは、アルミニウム又は９８〜９９重量％のアルミニウムを含有するアルミニウム合金から形成される請求項３８に記載の方法。
【請求項４０】
前記電池は、ガルバニ電池であり、前記アノードは、マグネシウム又は３から９重量％のアルミニウムを含有するマグネシウム合金から形成され、前記カソードは、アルミニウム又は９８〜９９重量％のアルミニウムを含有するアルミニウム合金から形成される請求項１９、２１、３４、３５及び３６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項４１】
水素発生は、式
ｉｇ＝（Ｅｃ−Ｅａ）／（Ｒａ＋Ｒｃ＋Ｒｓ）
により決定される腐食電流により制御され、
ｉｇは、アノードとカソードとの間のガルバニ電流であり、Ｅｃ及びＥａは、前記カソード及びアノードのそれぞれの電位であり、Ｒｃ及びＲａは、それぞれ前記カソード抵抗及びアノード抵抗であり、Ｒｓは、前記アノードとカソードとの間の溶液の抵抗である請求項４０に記載の方法。
【請求項４２】
前記アノード及びカソードは、導線により電気的に接続される請求項２１、３４、３５、及び４１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項４３】
前記間隔は、３から６ｍｍである請求項４２に記載の方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６４】
シリーズＣ
この一連の試験では、アノードとカソードは、両方とも、Ａ６０６１−Ａ６０６１及び（ペプシコーラ）Ａｌ缶−（ペプシコーラ）Ａｌ缶などの同じアルミニウム合金材料であり、電解質溶液は、２ＭのＮａＣｌ水溶液であった。これは、ガス発生に対する電流強度の増大及び温度の影響があるかどうかを調べるものであった。これらの結果は、表３に示されている。
【手続補正書】
【提出日】平成20年3月13日(2008.3.13)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水系電解質を入れた容器、電池を形成するため前記容器内に前記電解質中で間隔をあけて配置されているアノード電極及びカソード電極、前記電極を電気的に相互接続する制御電気回路、前記システムにより生成される水素を回収するための蓄積装置スペースを含み、前記カソードはアルミニウム又はアルミニウム合金から形成され、前記電池はガルバニ電池であり、前記アノードはマグネシウム又はマグネシウム合金から形成される、水から水素ガスを発生するための装置。
【請求項２】
前記電解質は、塩化ナトリウム水溶液である請求項１に記載の水素ガスを発生するための装置。
【請求項３】
前記電極は、電気的絶縁層を間に挟んだサンドイッチ形態である請求項１に記載の水素ガスを発生するための装置。
【請求項４】
前記サンドイッチは巻かれていて、実質的に円柱形状である請求項３に記載の水素ガスを発生するための装置。
【請求項５】
水系電解質内に、間隔をあけて配置されたアノード電極及びカソード電極を浸して、電池を形成し、ここで前記カソードはアルミニウム又はアルミニウム合金から形成されることと、前記電極の間の電流の制御流を供給することと、発生した水素を回収することとを含み、前記電池がガルバニ電池であり、前期アノードはマグネシウム又はマグネシウム合金から形成されている、水から水素ガスを発生する方法。
【請求項６】
前記制御電気回路は、オン−オフスイッチを備える請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記間隔は、最大６ｍｍまでである請求項６に記載の装置。
【請求項８】
前記電解質は、濃度０．５から２Ｍの塩化ナトリウム水溶液である請求項７に記載の装置。
【請求項９】
前記間隔は、３から６ｍｍの範囲内にある請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
前記アノードは、マグネシウム又は３から９重量％のアルミニウムを含有するマグネシウム合金から形成され、前記カソードは、アルミニウム又は９８〜９９重量％のアルミニウムを含有するアルミニウム合金から形成される請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記アノード及びカソードは、導線により電気的に接続される請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
前記電解質は、濃度０．５〜２Ｍの塩化ナトリウム水溶液である請求項５に記載の方法。
【請求項１３】
２０から６０℃までの温度で実行される請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記アノードは、マグネシウム又は３から９重量％のアルミニウムを含有するマグネシウム合金から形成され、前記カソードは、アルミニウム又は９８〜９９重量％のアルミニウムを含有するアルミニウム合金から形成される請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
水素発生は、式
ｉｇ＝（Ｅｃ−Ｅａ）／（Ｒａ＋Ｒｃ＋Ｒｓ）
により決定される腐食電流により制御され、
ｉｇは、アノードとカソードとの間のガルバニ電流であり、Ｅｃ及びＥａは、前記カソード及びアノードのそれぞれの電位であり、Ｒｃ及びＲａは、それぞれ前記カソード抵抗及びアノード抵抗であり、Ｒｓは、前記アノードとカソードとの間の溶液の抵抗である請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記アノード及びカソードは、導線により電気的に接続される請求項１２に記載の方法。
【請求項１７】
前記間隔は、最大６ｍｍまでである請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記間隔は、３から６ｍｍである請求項１６に記載の方法。
【国際調査報告】
2008544084.tif 000025
2008544084.tif 000026
2008544084.tif 000027
2008544084.tif 000028