(57)【要約】  本発明は、水とアルミニウムの反応を利用した水素製造方法及び装置において、水素の総発生量を低下させることなく長時間継続して水素を発生させることができる水素製造方法及び水素製造装置を提供することを目的とする。本発明の一実施形態に係る水素製造装置１は、容器３内に配置されたシート状アルミニウム５と該容器３内に収容された水酸化カルシウム７とを有している。上記構成の水素製造装置１では、容器３内に水を加え、水酸化カルシウム７を溶かして水溶液として該水溶液にシート状アルミニウム５を浸漬させる。これにより、水素発生反応が開始され、水素ガスが発生する。この場合、シート状アルミニウム５の面積や厚さを調整することにより、水素ガスの発生量や発生速度、発生時間を調整することができる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水酸化カルシウムを含む水溶液に、１又は複数のシート状アルミニウムを縦置き状態で浸漬させることにより水素ガスを発生させる水素製造方法。
【請求項２】
複数枚の前記シート状アルミニウムが縦置き状態で配置される場合、隣接するシート状アルミニウムの間にはスペーサが介装されていることを特徴とする請求項１に記載の水素製造方法。
【請求項３】
１枚のシート状アルミニウムを複数回巻回したロール状アルミニウムを、水酸化カルシウムを含む水溶液に縦置き状態で浸漬させることにより水素ガスを発生させる水素製造方法。
【請求項４】
前記ロール状アルミニウムの各層の間にはスペーサが介装されていることを特徴とする請求項３に記載の水素製造方法。
【請求項５】
前記スペーサが吸水性材料から構成され、該スペーサに粒状の水酸化カルシウムが保持されていることを特徴とする請求項２又は４に記載の水素製造方法。
【請求項６】
a) 水が収容される容器と、
b) 前記容器内に縦置き状態に配置された、１枚のシート状アルミニウムを複数回巻回したロール状アルミニウムと、
c) 前記容器内に収容された粒状の水酸化カルシウムと
を備える水素製造装置。
【請求項７】
前記ロール状アルミニウムの各層の間にはスペーサが介装されていることを特徴とする請求項６に記載の水素製造装置。
【請求項８】
前記スペーサが吸水性材料から構成され、該スペーサに前記粒状の水酸化カルシウムが保持されていることを特徴とする請求項７に記載の水素製造装置。
【請求項９】
さらに
d) 前記容器内に設置される、前記ロール状のアルミニウムを保持するフォルダー
を備える請求項６〜８のいずれかに記載の水素製造装置。
【請求項１０】
水酸化カルシウムを水に溶解させて水溶液を作製し、
該水溶液に総表面積が１５０ｃｍ２〜３０００ｃｍ２の範囲にあるシート状アルミニウムを浸漬させることにより水素ガスを発生させる水素製造方法。
【請求項１１】
厚さの異なる複数種のシート状アルミニウムを用意し、
水素ガスの発生量に応じた厚さのシート状アルミニウムを選択し、前記水溶液に浸漬させて水素ガスを発生させることを特徴とする請求項１０に記載の水素製造方法。
【請求項１２】
前記シート状アルミニウムは厚さが６．５μｍ〜１００μｍの範囲にあることを特徴とする請求項１１に記載の水素製造方法。
【請求項１３】
予め求めた前記シート状アルミニウムの厚さと水素発生量の相関関係に基づいて水素ガスの発生量に応じた厚さのシート状アルミニウムを選択することを特徴とする請求項１１又は１２に記載の水素製造方法。
【請求項１４】
前記水溶液が、さらにグルコースを含むことを特徴とする請求項１０〜１３のいずれかに記載の水素製造方法。
【請求項１５】
a) 水が収容される容器と、
b) 前記容器内に配置された、総表面積が１５０ｃｍ２〜３０００ｃｍ２の範囲にあるシート状アルミニウムと、
c) 前記容器内に収容された粒状の水酸化カルシウムと
を備える水素製造装置。
【請求項１６】
前記容器が、複数枚のシート状アルミニウムを互いに離間した状態で保持可能な保持部を備え、
前記保持部に、複数枚のシート状アルミニウムが保持されていることを特徴とする請求項１５に記載の水素製造装置。
【請求項１７】
厚さが異なる複数種のシート状アルミニウムを備え、
前記保持部に、水素ガスの発生量に応じた厚さのシート状アルミニウムを複数枚保持されることを特徴とする請求項１６に記載の水素製造装置。
【請求項１８】
前記シート状アルミニウムは厚さが６．５μｍ〜１００μｍの範囲にあることを特徴とする請求項１７に記載の水素製造装置。
【請求項１９】
前記容器内に、さらに、グルコースが収容されていることを特徴とする請求項１５〜１８のいずれかに記載の水素製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の燃料等に利用される水素の製造方法及び装置に関し、特に、アルミニウムと水との反応を利用した水素製造方法及び水素製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水素と酸素の化学反応により電力を取り出す発電装置の一つであり、既存の発電装置に比べると発電効率が非常に高く、騒音や振動が少ない。また、環境汚染物質をほとんど排出しないことから、ノートパソコン・携帯電話等の携帯機器、家電製品、自動車等の様々な分野での利用が期待されている。このような燃料電池においては、燃料となる水素ガスの生産効率の向上が課題の一つとなっている。【０００３】
例えば、特許文献１には、粒子状のアルミニウムと水酸化カルシウムを含む水素発生剤を水と接触させることにより水素ガスを発生させる方法が開示されている。この方法では、アルミニウムと水との反応により粒子表面に形成される不溶層（アルミ酸化物又はアルミ水酸化物の不動態層）を水酸化カルシウムによって可溶化して未反応のアルミニウム金属面を形成することにより、水素の発生効率を高めている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開2013-6734号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記方法では、不溶層の形成を抑えて水素ガスの総発生量を増加させるためには、アルミニウムの粒径を小さくして比表面積（表面積／体積）を大きくすることが望ましい。ところが、アルミニウムの粒径を小さくすると水との反応が急激に進行するため、短時間で反応が終了してしましまう。しかも、粒径が150μm以下のアルミニウム粉末は消防法において危険物（第一種可燃性固体（危険等級II））として指定されており（危険物の規制に関する政令第１条の１１、別表第三）、取り扱い量によっては届出が必要となるという問題があった。【０００６】
本発明が解決しようとする課題は、水とアルミニウムの反応を利用した水素製造方法及び装置において、水素の総発生量を低下させることなく長時間継続して水素を発生させることができ、しかも、水素を発生させるための材料の取り扱いが容易な水素製造方法及び水素製造装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者は、上記課題を解決するため鋭意検討を重ねた結果、シート状のアルミニウムを水素発生の材料として用いることにより、水素の発生反応を長時間持続させることができるだけでなく、危険物の指定の枠から外せることを見出し、本発明に至った。【０００８】
すなわち、上記課題を解決するために成された本発明の第１の態様に係る水素製造方法は、
水酸化カルシウムを水に溶解させて水溶液を作製し、
該水溶液に総表面積が１５０ｃｍ２〜３０００ｃｍ２の範囲にあるシート状アルミニウムを浸漬させることにより水素ガスを発生させることを特徴とする。
ここで、「総表面積」とは、シート状アルミニウムが前記水溶液と接触して水素ガスの発生反応に寄与する面積を指し、シート状アルミニウムが複数枚の場合は、各シート状アルミニウムの表面積を合算したものを「総表面積」という。但し、シート状アルミニウムの厚さが非常に小さい場合は、該シート状アルミニウムの表面積は面積の２倍で近似できる。【０００９】
上記構成においては、厚さの異なる複数種のシート状アルミニウムを用意し、
水素ガスの発生量に応じた厚さのシート状アルミニウムを選択し、前記水溶液に浸漬させて水素ガスを発生させるようにすると、所望の量の水素ガスを得ることができる。この場合、厚さが６．５μｍ〜１００μｍのシート状アルミニウムを用いるとよい。【００１０】
さらに、予め求めたシート状アルミニウムの厚さと水素発生量の相関関係に基づいて水素ガスの発生量に応じた適宜の厚さのシート状アルミニウムを選択するようにすると良い。【００１１】
また、本発明の第２態様に係る水素製造装置は、
a) 水が収容される容器と、
b) 前記容器内に配置された、総表面積が１５０ｃｍ２〜３０００ｃｍ２の範囲にあるシート状アルミニウムと、
c) 前記容器内に収容された固体状の水酸化カルシウムと
を備えることを特徴とする。【００１２】
上記構成の水素製造装置においては、容器内に水を加え、水酸化カルシウムを溶かして水溶液として該水溶液にシート状アルミニウムを浸漬させる。これにより、水素発生反応が開始され、水素ガスが発生する。このとき、水酸化カルシウムは水に対して難溶性のため、容器内に収容された固体状の水酸化カルシウムは完全に溶解するわけではなく、一部が溶解する。
この場合、前記容器が、複数枚のシート状アルミニウムを互いに離間した状態で保持可能な保持部を備えるようにすれば、水素ガスの発生量に応じた枚数のシート状アルミニウム、あるいは水素ガスの発生量に応じた厚さのシート状アルミニウムを前記保持部に保持させることができる。
【発明の効果】
【００１３】
アルミニウムと水との反応を利用した水素製造方法及び水素製造装置において通常用いられていた粒状のアルミニウムに代えてシート状アルミニウムを用いることにより、長時間継続して水素ガスを発生させることができる。しかも、総表面積が１５０ｃｍ２〜３０００ｃｍ２のシート状アルミニウム、特に、厚さが６．５μｍ〜１００μｍのシート状アルミニウムを用いたため、水素発生反応が途中で停止することを防止することができ、水素発生効率を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の第一実施形態に係る水素製造装置の概略構成図。
【図２】参考実験１の結果である、アルミニウム粒子の直径と総水素発生量の関係を示すグラフ。
【図３】アルミニウムと水との反応機構の説明図。
【図４】参考実験２の結果である、添加剤と収率との関係を示すグラフ。
【図５】実施例１の結果である、総水素発生量と水素発生速度の時間的変化を示すグラフ。
【図６】実施例２の結果である、シート状アルミニウム（アルミ箔）の厚さを変えたときの水素発生速度の時間的変化を示すグラフ。
【図７】アルミ箔の厚さと水素の発生率の関係を示すグラフ。
【図８】アルミ箔の厚さと単位面積あたりの水素発生量の関係を示すグラフ。
【図９】実施例３の結果である、水素発生速度の時間的変化を示すグラフ。
【図１０】図９の反応開始初期における水素発生速度の時間的変化を拡大して示すグラフ。
【図１１】厚さ１００μｍと３００μｍのアルミ箔の水素発生速度の時間的変化を示すグラフ。
【図１２】アルミ箔の厚さと水素発生時間の関係を示すグラフ。
【図１３】異なる厚さのアルミ箔における、水素発生速度とｐＨの時間的変化を示すグラフ。
【図１４】反応温度を変えて行った実施例４における水素ガスの発生速度の時間的変化を示すグラフ。
【図１５】反応終了後のアルミ箔の状態を示す写真。
【図１６】Ｘ線構造解析結果を示す図。
【図１７】反応後のアルミ箔のSEM画像。
【図１８】実施例５の結果を示す、水素発生速度の時間的変化を示すグラフ。
【図１９】面積と水素発生速度の関係を示すグラフ。
【図２０】本発明の第二実施形態に係る水素製造装置の概略構成図。
【図２１】同水素製造装置のフォルダーの概略斜視図。
【図２２】ロール状アルミニウムの作製方法を説明する図（ａ）〜（ｃ）、及びロール状アルミニウムをフォルダーに保持した状態を示す概略斜視図（ｄ）。
【図２３】実施例６の結果である、水素発生速度の時間的変化を示すグラフ。
【図２４】実施例６の反応終了後のアルミニウムを撮影した写真であり、（ａ）はロールを縦に裁断して帯状に展開した写真、（ｂ）は重なった帯状のアルミニウムの内側部分（（ａ）の矢印部分）の写真、（ｃ）は（ａ）の断面部分を拡大した写真、（ｄ）はロールの最も外側の部分の写真、及び（ｅ）は未反応部分を拡大した写真である。
【図２５】実施例７のロール状アルミニウムの作製方法を説明する図。
【図２６】実施例７の結果である、水素発生速度の時間的変化を示すグラフ。
【図２７】実施例７の反応終了後のアルミニウムを撮影した写真であり、（ａ）はロールの一部を縦に裁断して帯状に展開した写真、（ｂ）はロールの中心まで裁断した写真、（ｃ）は反応部分の写真、及び（ｄ）は未反応部分の写真である。
【図２８】実施例８の結果である、水素発生速度の時間的変化を示すグラフ。
【図２９】実施例９の（Ｉ）の結果である、水素発生速度（ａ）及び総水素発生量（ｂ）の時間的変化を示すグラフ。
【図３０】実施例９の（ＩＩ）の結果である、水素発生速度の時間的変化を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
上述したように、本発明は、粒子状のアルミニウムに代えてシート状のアルミニウムに水を接触させ、水素ガスを発生させたものである。以下、本発明のいくつかの実施形態について詳細に説明する。
まず、図１を参照して、本発明の第１実施形態に係る水素製造装置を説明する。この水素製造装置１は、蓋付きアクリル製容器３と、この中に収容されるシート状アルミニウム５及び粒状の水酸化カルシウム７とから構成される。なお、図１では容器３の形状を四角筒状としたが、これに限らず円筒状でもよい。容器３は、シート状アルミニウム５を複数枚保持することができる保持部（図示せず）を有しており、目的とする水素ガスの発生量に応じた適宜の枚数のシート状アルミニウム５を保持するようになっている。また、容器３は発生した水素ガスを排出するための排出口３ａを有している。
【００１６】
上記の水素製造装置１を用いて水素ガスを発生させる際は、容器３内に水を入れ、水酸化カルシウム７を溶かして水溶液を作製する。これにより、アルミニウムと水が接触して水素発生反応が開始され、水素ガスが発生する。発生した水素ガスは排出口３ａから排出され、燃料電池等に供給される。なお、図１では、水素ガスの発生量を測定するために排出口３ａに膜式流量計９及びパーソナルコンピュータ（ＰＣ）１０を水素製造装置１に接続しているが、これらは水素製造装置の構成要素ではない。
【００１７】
以下、上記水素製造装置１を用いて水素ガスの発生反応を行った具体的な例について説明する。
まずは、本実施形態の特徴であるシート状アルミニウムを用いた実施例に先立ち、粒状のアルミニウムを用いた参考実験を行った。以下に、参考実験について説明する。
【００１８】
［参考実験１］
室温（２０℃）下で、丸底フラスコに入れた１５ｍｌの純水に粒状の水酸化カルシウム３ｇを溶解し、これに３ｇの粒状のアルミニウムを浸漬させて水素発生反応を行った。用いた粒状のアルミニウムの粒径は、１０μｍ、４５μｍ、９０μｍ、１５０μｍ、２５０μｍの５種類とした。そのときの総水素発生量と時間との関係を図２に示す。この実験では、粒径が１０μｍのアルミニウムを用いたときに約１００％の反応率が得られた。ただし、図２から分かるように、このときの水素発生反応は爆発的に進行し、反応は約５分で終了した。
また、粒径が２５０μｍのアルミニウム粒子を用いた場合は、水素ガスはほとんど発生することなく反応が終了した。これは、反応開始とほぼ同時にアルミニウム粒子の表面に不動態層が形成されてしまい、アルミニウムと水との反応がほとんど生じなかったためと思われる。
【００１９】
以上の結果から推測されるアルミニウムと水との反応機構を図３に示す。図３に示すように、水酸化カルシウムを添加することにより、アルミニウムと水は、３段階の反応（開始反応、反応初期の反応、反応後期の反応）が順に進行することが推測された。
【００２０】
［参考実験２］
丸底フラスコに入れた２００ｍｌの純水に粒状の水酸化カルシウム９ｇと粒径が４５μｍの粒状のアルミニウム９ｇを加えて撹拌し、これに、塩化ナトリウム６．０ｇ又はグルコース６．０ｇを添加して水素発生反応を行った。その他の条件は参考実験１と同じにした。このときの、水素発生量の時間的変化を図４に示す。比較のために、図４には添加剤を無添加（blank）の結果も併せて示す。
【００２１】
図４から分かるように、塩化ナトリウムを添加すると反応が加速された。これは塩素イオン（Cl-）によって孔食腐食反応が起き、アルミニウム粒子の腐食反応が促進されたためと推測された。一方、グルコースを添加すると反応が抑えられ、反応開始から３０分近く経過してから水素の発生が開始された。以上より、塩化ナトリウムやグルコースが、反応速度を調節する添加剤として利用可能であることが分かった。
【００２２】
次に、シート状のアルミニウム（以下では「アルミ箔」という。)を用いた本実施形態の具体的な実施例について説明する。
［実施例１］
容量が１００ｍｌの矩形状アクリル製容器３に９５ｍｌの純水を入れ、これに粒状の水酸化カルシウム１ｇを溶解した後、厚さ１２μｍのアルミ箔（日本製箔株式会社製、１Ｎ３０（アルミニウム純度９９．３％以上））１ｇを短冊状にカットしたものを浸漬させて水素発生反応を行った。このときの水素ガスの総発生量（ｍｌ）と、発生速度（ｍｌ／ｍｉｎ）の時間的変化を図５に示す。総発生量及び発生速度の測定は膜式流量計を用いた。
【００２３】
図５から、反応開始初期では発生速度が大きく増減するものの、反応開始から６０分経過する頃から水素の発生速度が安定し、反応開始後１８０分あたりまではほぼ一定の流量で水素が発生することが分かった。
【００２４】
［実施例２］
容量が１００ｍｌの矩形状アクリル製容器３に２５ｍｌの純水を入れ、これに粒状の水酸化カルシウム１ｇを溶解した後、厚さが異なる１０種のアルミ箔１ｇを短冊状にカットしたものをそれぞれ浸漬させて水素発生反応を行い、そのときの水素ガスの発生速度（ｍｌ／ｍｉｎ）を測定した。
１０種のアルミ箔の厚さは、それぞれ６．５μｍ、９μｍ、１１μｍ（２種）、１２μｍ、１５μｍ、１７μｍ、２０μｍ、２５μｍ、５０μｍとした。このうち、１１μｍのアルミ箔は東洋アルミエコープロダクツ株式会社のサンホイル（商品名）２種（ver.1 、ver.2）を、それ以外は、日本製箔株式会社のアルミ箔（１Ｎ３０）を用いた。
また、各アルミ箔の面積は次の通りである。
６．５μｍ：１１５０ｃｍ２、９μｍ：８３０ｃｍ２、１１μｍ：６８０ｃｍ２、１２μｍ：６２５ｃｍ２、１５μｍ：５００ｃｍ２、１７μｍ：４４０ｃｍ２、２０μｍ：３７５ｃｍ２、２５μｍ：３００ｃｍ２、５０μｍ：１５０ｃｍ２
【００２５】
各アルミ箔の水素発生速度の時間的変化を図６に示す。
図６より、アルミ箔の厚さが小さいほど、反応初期の水素発生速度が大きく、水素発生反応の継続時間が短いことが分かった。また、サンホイルver.1、ver.2は厚さ、面積が共に同じであるが、異なる結果が得られたことから、両者の反応率について調べたところ、ver.1の反応率が９６％であったのに対し、ver.2の反応率は７５％と低いことが分かった。そこで、ICP発光分析装置を用いて元素分析を行ったところ、ver.1 、ver.2のアルミニウム純度はそれぞれ９９％、９７％であり、ver.2の方が純度が低かった。つまり、純度の低下が反応率の低下の原因であると考えられる。
【００２６】
また、日本製箔株式会社製のアルミ箔（１Ｎ３０）８種について、上述した１０種のアルミ箔について行った方法と同じ方法で水素発生反応を行い、水素の発生率と厚さとの関係、及び単位面積当たりの水素の発生量を調べた。その結果を図７、図８に示す。
図７及び図８より、厚さが５０μｍ以外のアルミ箔では、厚さが大きくなるにつれて単位面積あたりの水素発生量が増加するものの、厚さが大きくなると水素の発生率が低下することが分かった。
【００２７】
［実施例３］
容量が５００ｍｌの円筒状ガラス製容器３に３００ｍｌの純水を入れ、これに粒状の水酸化カルシウム１ｇを溶解した後、厚さが異なる６種（厚さ６．５μｍ、１２μｍ、２０μｍ、５０μｍ、１００μｍ）のアルミ箔を面積が２００ｍｍ×２５０ｍｍとなるようにカットし、さらに２５ｍｍ角にカットしたものを浸漬させて水素発生反応を行い、そのときの水素ガスの発生速度（ｍｌ／ｍｉｎ）を測定した。また、この実施例では、ガラス製容器３内に撹拌子を入れて水素発生反応の間、溶液を撹拌した。なお、発生速度の測定は膜式流量計を用いた。
本実施例で用いた各厚さのアルミ箔の重量は次の通りである。
６．５μｍ：１．０１g、１２μｍ：１．６６g、１７μｍ：２．１９g、２０μｍ：２．５６g、５０μｍ：６．５５ｇ、１００μｍ：１３．２４g
その結果を図９及び図１０に示す。図１０は図９のうち反応開始初期の発生速度を、横軸を拡大して示したものである。
【００２８】
図９および１０の結果より、アルミ箔の厚さが６．５μｍから１００μｍまで増すにつれて水素の発生時間が延びていることがわかる。また、各厚さにおける総水素発生量から、アルミニウムの反応率を算出したところ、全て９５％以上の反応率で進行しており、アルミ箔の厚さの増大に伴い反応率が衰退した実施例２とは異なる結果であったことが判明した。これはアルミニウム表面に生成した水酸化アルミニウムやカルシウムアルミネートといった反応生成物が、撹拌により引き剥がされ、常にフレッシュな金属表面が水酸化カルシウム溶液中に暴露し、最後まで効率よく反応が進行したためと考えられる。
【００２９】
また、厚さが３００μｍで面積が２００ｍｍ×２５０ｍｍアルミ箔を上記した方法と同じ方法で水素発生反応を行ったときの水素発生速度の時間的変化を調べた。その結果を１００μｍのアルミ箔の結果と共に図１１に示す。
図１１の結果から、厚さが３００μｍのアルミ箔の水素発生時間は１００μｍと同程度であり、アルミニウムの反応率は３０％に留まったことが判明した。この原因を調べたところ、反応途中でアルミ箔と撹拌子が接触し、その際、アルミ箔によって撹拌子が容器底面から弾かれていたことが分かった。このことから、撹拌子がうまくスターラーと噛み合わなくなって撹拌が停止し、水素発生反応の途中から浸漬状態になったため、結果として、反応生成物がアルミ箔から剥がれず、さらにアルミ箔同士が容器底面で重なり合い、重みでアルミ箔表面と水酸化カルシウム溶液の接触面が減少したことが原因であると考えられる。
【００３０】
従って、撹拌子とアルミ箔との接触を防止するような構造、例えば、容器内にアルミ箔を吊り下げた状態で保持し、アルミ箔が容器底面と接触しないようにしたり、容器内のアルミ箔が、容器底面の上方１〜２ｃｍよりも下に位置することを規制するような段部や棚部材を設けたりすれば、水素発生反応時における撹拌子の回転が妨げられることがなく、水素発生反応を効率よく進行させることができ、この結果、厚さ３００μのアルミ箔の水素発生時間が厚さ１００μｍのアルミ箔の３倍程度になる可能性がある。
【００３１】
さらに、６．５μｍから１００μｍまでの厚さの６種のアルミ箔について、厚さと水素発生時間の関係を調べた結果を図１２に示す。
図１２からアルミ箔の厚さが大きくなると水素発生時間が長くなることが分かる。
【００３２】
さらにまた、厚さ６．５μｍ、１２μｍ、２０μｍ、５０μｍのアルミ箔を用いて図１０と同様の実験条件で水素発生反応を行い、その時の水素発生速度の変化とｐＨの時間的変化を調べた結果を図１３に示す。図１３から、水素発生速度はｐＨの変化に追従することが分かった。
【００３３】
［実施例４］
容量が１００ｍｌの矩形状アクリル製容器３に１００ｍｌの純水を入れ、これに粒状の水酸化カルシウム１ｇを溶解した後、厚さ１２μｍのアルミ箔（日本製箔株式会社製、１Ｎ３０）１ｇを短冊状にカットしたものを浸漬させ、反応温度を２２℃、４０℃、５３℃、８０℃に変えて水素発生反応を行った。このときの水素ガスの発生速度（ｍｌ／ｍｉｎ）の時間的変化を図１４に、反応終了後のアルミ箔の状態を示す写真を図１５に示す。
反応開始前と反応終了後のアルミ箔の重量の比較から、反応温度が２２℃（室温）のときの収率は９７％、４０℃のときの収率は７０％、５３℃のときの収率は５３％、８０℃のときの収率は４０％であることが分かった。
【００３４】
反応温度が２２℃、４０℃、６０℃のときの反応後のアルミ箔のＸ線構造解析を行った。その結果を図１６に示す。構造解析の結果から、温度の上昇に伴い、アルミ箔表面にKatoite（カトアイト）が形成され、表面を硬化させるために反応が継続しないことが推測された。さらに、２２℃と６０℃反応時のアルミ箔のＳＥＭ画像（図１７）を撮影したところ、６０℃のときのＳＥＭ画像では、カトアイト表面に水酸化アルミニウムが析出している様子が観察された。
これらの結果から、温度が上昇するほど、反応は初期で停止する傾向があり、中期反応が優勢になることが推測された。
【００３５】
［実施例５］
容量が５００ｍｌの円筒状ガラス製容器３に３００ｍｌの純水を入れ、これに粒状の水酸化カルシウム１ｇを溶解した後、厚さが１２μｍのアルミ箔を２５ｍｍ角にカットし、総面積が１００x２５０ｍｍ２（x１）、 ２００ｘ２５０ｍｍ２（x２）、 ３００ｘ２５０ｍｍ２（x３）、 ４００ｘ２５０ｍｍ２（x４）、６００ｘ２５０ｍｍ２（x６）となる分量を浸漬し、撹拌しながら水素発生速度を測定した。その結果を図１８に示す。総面積を表す数値の後の括弧内の倍率の数字は、１００x２５０ｍｍ２を１としたときの比を示す。
【００３６】
また、図１８の結果から、各総面積における平均速度を算出し、アルミ箔の総面積と流速度との関係を求めた。その結果を図１９に示す。
【００３７】
図１８及び図１９から、アルミ箔の総面積が大きくなると、水素発生速度が上昇し、平均速度も右肩上がりに上昇した。また、全ての総面積の場合において、アルミニウムの反応率は９５％以上を示した。ただし、総面積が６００ｘ２５０ｍｍ２以外のアルミ箔では、面積と平均流速の関係は線形であったが、総面積が６００ｘ２５０ｍｍ２のアルミ箔では非線形になった。これはアルミと水の反応が発熱反応であり、総面積が４００ｘ２５０ｍｍ２のアルミ箔を用いた時の反応温度は３８℃であったが、６００ｘ２５０ｍｍ２のアルミ箔では反応温度が５２℃であり、４０℃を超えたことが原因であると推測された。反応温度が４０℃を超えると、アルミニウムと水の反応が暴走するためである。
【００３８】
実施例１〜５までの結果から、アルミ箔（シート状アルミニウム）の厚さや面積（総表面積）を適宜の値に設定することにより、水素の発生速度や、総発生量を制御できることが分かった。このことから、本発明の水素製造装置を燃料電池の水素供給源とすれば、シート状アルミニウムの厚さと総表面積の組み合わせにより、利用する燃料電池の出力と利用時間を選択することができるため、燃料電池用の水素ガス供給源として有用であることが分かる。
【００３９】
次に、本発明の第二実施形態に係る水素製造装置について説明する。
前述のように、撹拌子とシート状アルミニウムの接触や撹拌子の回転の停止などによって水とアルミニウムの反応が途中で停止し、反応率が低下することがある。そこで、本発明者らは、撹拌子を用いなくてもアルミニウムと水を継続的に反応させる方法を検討した。その結果、得られたものが本実施形態の水素製造装置である。
【００４０】
図２０に、本発明の第二実施形態に係る水素製造装置２１を示す。この水素製造装置２１は、蓋付きのアクリル製の容器２３と、この中に収容されるＰＥＴ（polyethylene terephthalate）製のフォルダー２４と、該フォルダー２４に保持されたロール状アルミニウム２５と、容器２３内に収容される粒状の水酸化カルシウム２７とから構成される。図２０では容器２３の形状は円筒状としたが、フォルダー２４全体を収容できる大きさであれば形状は特に限定されない。容器２３は、水素製造装置１の容器３と同様に、発生した水素ガスを排出するための排出口２３ａを有している。この排出口２３ａには膜式流量計９が接続されている。膜式流量計９はＰＣ１０に接続されており、水素の発生量を測定できるようになっている。
【００４１】
図２１に示すように、フォルダー２４は全体として円筒形状であり、環状部２４ａと、この環状部２４ａの下端部から下方に延びる５個の細長い矩形片部２４ｂと、環状部２４ａの上部開口の中心に位置する円筒部２４ｄから環状部２４ａの上端部に向かって放射状に延びる５本の帯状部２４ｃとから構成されている。
【００４２】
ロール状アルミニウム２５は、厚さ１２μｍ、幅５０ｍｍ、長さ３０００ｍｍのシート状アルミニウム２６（日本製箔株式会社製、１Ｎ３０、重量５ｇ）を巻回して構成されている。図２２に示すように、ロール状アルミニウム２５は、シート状アルミニウム２６とほぼ同じ大きさで且つ同じ形状のスペーサ２８をシート状アルミニウム２６に重ねた後（図２２（ａ））、これを芯となる棒４０の周りに複数回巻回し（図２２（ｂ））、棒４０を抜いて形成される（図２２（ｃ））。
【００４３】
ロール状アルミニウム２５は、その中心がフォルダー２４の円筒部２４ｄと一致するようにフォルダー２４に収容される（図２２（ｄ））。このとき、ロール状アルミニウム２５の中心に円筒部２４ｄが差し込まれる。そして、ロール状アルミニウム２５が収容されたフォルダー２４を、環状部２４ａを上向きにして容器２３内に設置する（図２０）。これによって、ロール状アルミニウム２５は、巻回されているシート状アルミニウム２６が水平面とほぼ垂直な状態に配置されることになる（以下、この状態を「縦置き状態」という。）。
以下、本実施形態に係る水素製造装置２１を用いて水素ガスの発生反応を行った具体的な実施例について説明する。なお、以下の実施例ではいずれも撹拌子を用いていない。
【００４４】
［実施例６］
本実施例では、スペーサ２８として吸水性材料であるトイレットペーパー（商品名「ネピアロングロール（ダブル）」、王子ネピア株式会社製）を幅５０ｍｍ、長さ３０００ｍｍにカットしたものを用いた。
まず、５ｇの水酸化カルシウム２７を容器２３の底に入れた。その容器２３内に、フォルダー２４に保持したロール状アルミニウム２５を上記のように縦置き状態で配置した後、容器２３に純水４００ｍｌを加え、ロール状アルミニウム２５の全体を純水に浸漬させて水素発生反応を行った。
【００４５】
このときの水素ガスの発生速度（流速（ｍｌ／ｍｉｎ））を膜式流量計９で測定した。また、水素発生反応時の温度を測定した。発生速度及び温度の時間的変化を図２３に示す。図２３から分かるように、反応開始初期では発生速度が大きく増減するものの、反応開始から６０分を経過する頃から１８０分経過するまで発生速度は安定し、１０〜１４（ｍｌ／ｍｉｎ）の間で推移した。その後、水素発生速度は徐々に低下するものの、反応開始から３３０分経過した時点でも水素の発生が観察された。総水素発生量からアルミニウムの反応率を算出したところ、４０％であった。また、反応開始から３３０分経過するまでの温度は約２２℃〜約２９℃であった。
【００４６】
アルミニウムを縦置き状態にして水素発生反応を行った本実施例では、シート状アルミニウムを水溶液中で撹拌させて行った場合のような泡が発生せず、トイレットペーパーは原型を維持した状態で存在し続けていた。その結果、トイレットペーパーに吸収された水によって長時間にわたってアルミニウムを継続的に反応させることが可能になる。
また、スペーサによってロール状アルミニウムの各層間に確実に間隙を形成することができるため、アルミニウムと水の反応効率を向上させることができるという効果や、アルミニウムと水と反応により発生した水素の通路をロール状アルミニウムの各層間に確保することができるという効果もあると考えられる。
【００４７】
反応終了後のロール状アルミニウム２５を縦に裁断して展開し、撮影した写真を図２４（ａ）〜（ｅ）に示す。
図２４（ａ）〜（ｅ）から分かるように、ロール状アルミニウム２５の中心付近の層と最も外側の層では全面においてアルミニウムの腐食が進行していたが、その他の層では上端部及び下端部のみ腐食が進行し、それ以外の部分では未反応部分が多く残っていた。図２４（ｄ）および（e）より、トイレットペーパーの吸水能によりロール状アルミニウム２５の各層間にも水が存在していたと考えられることから、ロール状アルミニウム２５のうち純水及び水酸化カルシウムから成る水溶液中に露出している部分では水と反応が継続し、それ以外の部分では水との反応が途中で止まってしまったものと思われる。
【００４８】
以上より、水素の発生反応を継続するためには水の存在だけでは不十分であり、カルシウムイオン及び水酸化イオンによる不動態層（Ａｌ２Ｏ３被膜）の除去が必要であると考えられる。
なお、シート状アルミニウムを２５ｍｍ角にカットしたものを撹拌せずに水素発生反応を行った場合、容器の底の水酸化カルシウムの層の上に灰色のアルミニウムの残渣の層が積層されたが、ロール状アルミニウム２５を用いた本実施例では容器２３の底の水酸化カルシウムの層の上にアルミニウムの残渣の層は観察されなかった。
【００４９】
［実施例７］
ロール状アルミニウム２５の各層間におけるカルシウムイオン及び水酸化イオンの存在の、水素発生反応に及ぼす影響を調べるために、ロール状アルミニウム２５に代えてロール状アルミニウム２９を用いて実施例６と同様の水素発生反応を行った。
【００５０】
図２５に示すように、ロール状アルミニウム２９は、シート状アルミニウム２６上の全体に５ｇの粒状の水酸化カルシウム２７を略均等に分散させ、その上にトイレットペーパーから成るスペーサ２８を重ね合わせて複数回巻回して作製されている。本実施例では、ロール状アルミニウム２９とスペーサ２８の間に水酸化カルシウム２７が保持されているため、容器２３の底に水酸化カルシウム２７は入れられていない。その他の条件は実施例６と同じである。
【００５１】
本実施例における水素ガスの発生速度（ｍｌ／ｍｉｎ）及び温度の時間的変化を図２６に示す。また、反応終了後のロール状アルミニウム２９の一部又は全部を縦に裁断して撮影した写真を図２７（ａ）〜（ｄ）に示す。
【００５２】
図２６から分かるように、反応開始初期では実施例６と同様に発生速度が大きく増減するものの、実施例６と異なり反応開始から６０分を経過する頃から発生速度は急激に上昇し、１００分を経過した頃には発生速度は４５ｍｌ／ｍｉｎ前後に達した。その後、発生速度は急激に低下し、反応開始から２１０分を経過する頃の発生速度は１０ｍｌ／ｍｉｎに、３００分を経過したときの発生速度は２．５ｍｌ／ｍｉｎであった。総水素発生量からアルミニウムの反応率を算出したところ、９７％であった。また、反応開始直後は約２０℃であった水溶液の温度は、その後、徐々に上昇し、反応開始から１４０分を経過する頃には３５℃を超えていた。また、反応開始から１８０分を経過した後、温度は徐々に低下したが、３０℃を下回ったのは反応開始から２７０分経過してからであった。
【００５３】
また、図２７（ａ）〜（ｄ）より、本実施例では、ロール状アルミニウム２９の全体において腐食が進んでいることが分かる。しかも、図２７（ａ）から分かるように、アルミニウムの腐食が進んだ状態であっても、残渣の多くはスペーサ２８に付着したままのため、ロール状アルミニウム２９の形状は維持されていた。
【００５４】
このように、本実施例は、水素発生速度、アルミニウムの反応率、アルミニウムの腐食が見られた領域の広さ、のいずれにおいても実施例６より優れていた。これは、吸水性材料であるトイレットペーパーをスペーサ２８として用い、さらに、スペーサ２８とロール状アルミニウム２９の各層の間に水酸化カルシウム２７を介在させたことにより、ロール状アルミニウム２９の全体において、不動態層の形成が抑制されたためと考えられる。特に、トイレットペーパーは多数の微小な孔を有するため、これらの孔に粒状の水酸化カルシウム２７が入り込んで保持される。このため、ロール状アルミニウム２９の各層間に存在する水酸化カルシウム２７が流れ落ちることが防止され、一層、アルミニウムと水の反応が持続したものと思われる。
【００５５】
［実施例８］
ロール状アルミニウム２９のスペーサ２８の機能を調べるため、トイレットペーパーの他、コピー用紙、メッシュ、ガラス繊維シートをスペーサ２８として使用して、実施例７と同様の水素発生反応を行った。コピー用紙には大王製紙株式会社製のリサイクルＰＰＣを、メッシュには網戸に用いられているダイオ化成株式会社製のクラウンネット（網目間隔０．８４ｍｍ）を、ガラス繊維シートには株式会社相互理化学硝子製作所製のガラス繊維クロスを、それぞれ用いた
【００５６】
このときの水素ガスの発生速度（ｍｌ／ｍｉｎ）の時間的変化を図２８に示す。また、それぞれのスペーサ２８でのアルミニウムの反応率は、大きい順に、トイレットペーパー９８％、メッシュ８０％、コピー用紙６４％、ガラス繊維シート３０％であった。図２８より、スペーサ２８としてトイレットペーパーやメッシュを用いた場合は、コピー用紙やガラス繊維シートを用いた場合よりもアルミニウムの反応率が高いが、水素発生反応が急激に進行し、反応開始から３００分（トイレットペーパー）、２１０分（メッシュ）でほぼ反応が停止することが分かる。一方、スペーサ２８としてコピー用紙を用いた場合は、水素発生速度は低いものの変動が小さく、水素発生反応がゆっくりと進行した。このため、反応開始から１７０〜２００分を超えるとコピー用紙の水素発生速度はトイレットペーパーやメッシュの水素発生速度を上回った。これに対して、ガラス繊維シートを用いた場合は、反応開始直後から発生速度が低く、また、反応率も他に比べて低かった。
【００５７】
ガラス繊維シートは、トイレットペーパーやコピー用紙のような吸水性もなく、また、トイレットペーパーやメッシュのように粒状の水酸化カルシウムが入り込むような孔を有しない。このため、ガラス繊維シートはロール状アルミニウム２９の各層間に水やカルシウムイオン、水酸化イオンを存在させることができなかったものと思われる。一方、トイレットペーパーは吸水性に優れ、しかも吸水によって膨潤しロール状アルミニウム２９の各層間の間隙を広げることができる。このため、アルミニウムと水と反応が効率よく進み、また、カルシウムイオン及び水酸化イオンによる不動態層の形成抑制効果が得られたものと思われる。
以上より、スペーサとしては、トイレットペーパーの他、多数の微細な孔を有する紙や布、不織布等の吸水性に優れ、且つ吸水により膨潤する材料が好適である。
【００５８】
［実施例９］
ロール状アルミニウム２９の各層間に保持させる水酸化カルシウム２７の量が水素発生反応に及ぼす影響を、以下の２段階の実験により確認した。
（Ｉ）第一実施形態に係る水素製造装置１を用いた実験
純水３００ｍｌに水酸化カルシウム２７（０．５ｇ、１ｇ、１．５ｇ、２ｇ、３ｇ、４ｇ、又は５ｇ）を溶かした水溶液に、厚さ１２μｍのシート状アルミニウム２０ｃｍ×２５ｃｍ（日本製箔株式会社製、１Ｎ３０、重量１．６ｇ）を浸漬させ、撹拌しながら水素発生反応を行った。このときの水素ガスの発生速度（ｍｌ／ｍｉｎ）の時間的変化を図２９（ａ）に、水素ガスの発生量（総水素発生量）の時間的変化を図２９（ｂ）に示す。
【００５９】
図２９（ａ）より分かるように、水酸化カルシウム２７の量が０．５ｇ〜４ｇの場合、水素発生速度は反応開始直後から上昇した後、一旦低下した。その後、水素発生速度は再び上昇した後、適宜の時間が経過した後、低下し、水素発生反応は終了した。反応開始から水素発生速度が一旦低下するまでの時間は、水酸化カルシウム２７の量が少ないほど短くなる傾向にあった。また、水素発生速度が再び上昇してから水素発生反応が終了するまでの時間は水酸化カルシウム２７の量が少ないほど長くなる傾向にあった。
一方、水酸化カルシウム２７の量が５ｇの場合は、水素発生速度が上昇する状態が反応開始から約６０分経過するまで継続し、その後、低下して水素発生反応は終了した。つまり、水酸化カルシウム２７の量が５ｇの場合は、水素発生速度が一旦低下する状態が見られなかった。
【００６０】
また、図２９（ｂ）に示すように、水酸化カルシウムの量の違いによる水素の総発生量の違いはなく、いずれの場合も水素発生反応はほぼ１００％進行していた。
【００６１】
（ＩＩ）第二実施形態に係る水素製造装置２１を用いた実験
実験（Ｉ）の結果から、水酸化カルシウムの量を増やすと、水素発生速度が一旦低下する現象がなくなることが予想されることから、ロール状アルミニウム２９の各層間に保持する水酸化カルシウム２７の量を２０ｇにして、実施例７と同様の水素発生反応を行った。このときの水素ガスの発生速度（ｍｌ／ｍｉｎ）の時間的変化を図３０に示す。図３０には、比較のために実施例７の結果も併せて示す。なお、この実験でのアルミニウムの反応率は８８％であった。
【００６２】
図３０より、第２実施形態の水素製造装置２１の場合は、水酸化カルシウム２７の量を２０ｇにしても、水素発生速度が一旦低下する現象はなくならなかったが、水酸化カルシウム２７の量が５ｇの場合に比べて水素発生速度の低下量が小さくなることが分かった。
【００６３】
本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、適宜の変更が可能である。
例えば、フォルダーは、ロール状アルミニウムを水素発生容器内に固定して保持しつつ、保持したロール状アルミニウムと水の接触を妨げないものであれば、素材や形状は特に限定されない。
本発明に係る水素発生容器に収容される水素発生剤はアルミニウムに限らず、マグネシウムやシリコン、亜鉛等の金属を用いることができる。また、水酸化カルシウムの他、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム等を用いても良い。
【符号の説明】
【００６４】
１、２１…水素発生装置
３、２３…容器
３ａ、２３ａ…排出口
５、２６…シート状アルミニウム
７、２７…水酸化カルシウム
９…膜式流量計
１０…パーソナルコンピュータ
２４…フォルダー
２５、２９…ロール状アルミニウム
２８…スペーサ
【図３】
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【図１２】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２５】
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【図１】
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【図２】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【手続補正書】
【提出日】平成28年7月13日(2016.7.13)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１６】
上記の水素製造装置１を用いて水素ガスを発生させる際は、容器３内に水を入れ、水酸化カルシウム７を溶かして水溶液を作製する。これにより、アルミニウムと水が接触して水素発生反応が開始され、水素ガスが発生する。発生した水素ガスは排出口３ａから排出され、燃料電池等に供給される。なお、図１では、水素ガスの発生量を測定するために水素製造装置１の排出口３ａに膜式流量計９を接続し、該膜式流量計９をパーソナルコンピュータ（ＰＣ）１０に接続しているが、これらは水素製造装置の構成要素ではない。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２７】
［実施例３］
容量が５００ｍｌの円筒状ガラス製容器３に３００ｍｌの純水を入れ、これに粒状の水酸化カルシウム１ｇを溶解した後、厚さが異なる６種（厚さ６．５μｍ、１２μｍ、１７μｍ、２０μｍ、５０μｍ、１００μｍ）のアルミ箔を面積が２００ｍｍ×２５０ｍｍとなるようにカットし、さらに２５ｍｍ角にカットしたものを浸漬させて水素発生反応を行い、そのときの水素ガスの発生速度（ｍｌ／ｍｉｎ）を測定した。また、この実施例では、ガラス製容器３内に撹拌子を入れて水素発生反応の間、溶液を撹拌した。なお、発生速度の測定は膜式流量計を用いた。
本実施例で用いた各厚さのアルミ箔の重量は次の通りである。
６．５μｍ：１．０１g、１２μｍ：１．６６g、１７μｍ：２．１９g、２０μｍ：２．５６g、５０μｍ：６．５５ｇ、１００μｍ：１３．２４g
その結果を図９及び図１０に示す。図１０は図９のうち反応開始初期の発生速度を、横軸を拡大して示したものである。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３３】
［実施例４］
容量が１００ｍｌの矩形状アクリル製容器３に１００ｍｌの純水を入れ、これに粒状の水酸化カルシウム１ｇを溶解した後、厚さ１２μｍのアルミ箔（日本製箔株式会社製、１Ｎ３０）１ｇを短冊状にカットしたものを浸漬させ、反応温度を２２℃、４０℃、６０℃、８０℃に変えて水素発生反応を行った。このときの水素ガスの発生速度（ｍｌ／ｍｉｎ）の時間的変化を図１４に、反応終了後のアルミ箔の状態を示す写真を図１５に示す。
反応開始前と反応終了後のアルミ箔の重量の比較から、反応温度が２２℃（室温）のときの収率は９７％、４０℃のときの収率は７０％、６０℃のときの収率は５３％、８０℃のときの収率は４０％であることが分かった。
【手続補正４】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図３０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図３０】
2015099129.tif 000033
【国際調査報告】
2015099129.tif 000034
2015099129.tif 000035
2015099129.tif 000036
2015099129.tif 000037