(57)【要約】  本発明のシステムは、連続制御された水素流を安全に発生できる。本発明の被動自動充足水素システムは、例えば、緊急時バックアップ電源、推進応用、バッテリ充電やポータブル装置への電力供給に非常に有益である。また、本発明は、アルカリ金属、アルカリ土類金属、アルカリ金属やアルカリ土類金属の水素化物を用いて水素を発生させ、水から1次副産物を得るための化学プロセスに関する。次いで、1次副産物は金属反応物と反応させ、追加の水素を得る。【選択図】  図１【特許請求の範囲】
【請求項１】
水から水素を生成するためのシステムであって、下記の構造を有する：
(a)支持用の構造材料：
アルカリ金属、アルカリ土類金属、アルカリ-アルカリ土類金属合金、アルカリ金属またはアルカリ土類金属の水素化物から選択される固体状態の1次反応物；および
珪素、スズ、鉄、亜鉛、マンガン、アルミニウム、鉄、ベリリウム、マグネシウムまたはそれらの合金から選択される固体状態のブースト反応物；
(b)構造材料と接触する減速器材料
(c)１次反応物と反応する前に水が拡散され、得られた水素が透過する拡散器材料。
【請求項２】
アキン反応で水から水素を発生させる方法であって、次の段階を含む：
(a)アルカリ金属、アルカリ土類金属、アルカリ-アルカリ土類金属合金、固体状態のアルカリ金属またはアルカリ土類金属の水素化物から選択される固体状態の反応物と液体水を室温で反応させ、1次生成物として対応する水酸化物を得るプロセス；
(b)珪素、スズ、亜鉛、マンガン、アルミニウム、鉄、ベリリウム、マグネシウムまたはそれらの合金から選択された固体状態のブースト反応物と水と、段階aで得た水酸化物を反応させて、追加の水素と2次副生成物としての酸化物を得るプロセス；
(c)残留反応生成物から水素を分離するプロセス
(d)水素を収集するプロセス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素発生システムとそのプロセスに関する。
【背景技術】
【０００２】
様々な選択肢の中で、水素燃料は、汚染物質および温室ガスの排出を低減するという点では、最大の潜在的利益を提供するが、現在のところ、その生産は依然として効率が低い。
【０００３】
被動システムは、異なった化学プロセスに基づくことができる。化学的水分解プロセスは、この種の水素発生プロセスの選択肢の1つである。最近、特許文献１に記載されているように、アルカリ金属、アルカリ土類金属、および合金を液体状態で使用することにより、この分野でいくつかの進歩が達成されている。
【０００４】
特許文献１には、液化したアルカリ金属、アルカリ土類金属、またはそれらの金属合金と水の間での反応ばかりでなく、水素発生後のそれらの金属または合金を再利用する、改善された方法が記載されている。
【０００５】
特許文献２は、水とアルカリ金属水酸化物から水素を発生する方法を記載している。この方法は、アルカリ金属水酸化物と金属元素供給体をセレブル性容器に収容し、アルカリ金属水酸化物の上に反応空間を形成して、アルカリ金属水酸化物の融点以上の温度に加熱し、多量の金属を含む粒子と供給蒸気を除去して、溶解塩をつくる段階を含んでいる。この特許出願のプロセスは、アルカリ金属水酸化物の融点に達するまで非常な高温に加熱する必要があるので、非常に高価なプロセスである。
【０００６】
最後に、特許文献３は、アルミニウムと水との反応性を高めて水素を得る方法に関する。本発明の出願人は、アルミニウムを少量のリチウムまたはリチウム水素化物で処理して活性化すると、アルミニウムリチウム固溶体を形成することを明確に解明した。活性化されたアルミニウムベースの組成物は、その後、水に何らかの化学物質を添加することなく、室温で中性または中性付近のpHでも自発的に水と反応させることができる。
【０００７】
水素生産量を増加させる多くの試みがなされたが、それら全てが、工業的応用が限られたものであった。
【０００８】
それ故、本技術分野で周知のように、水素製造方法の開発は依然として大きな関心事である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】欧州特許第2394953号明細書
【特許文献２】米国特許第20140363370(a)号明細書
【特許文献３】国際公開第WO2010/076802号
【発明の概要】
【００１０】
本発明のシステムは、連続制御された水素流を安全に発生できる。本発明の被動自動充足水素システムは、例えば、緊急時バックアップ電源、推進応用、バッテリ充電やポータブル装置への電力供給に非常に有益である。
【００１１】
また、本発明は、アルカリ金属、アルカリ土類金属、アルカリ金属やアルカリ土類金属の水素化物を用いて水素を発生させ、水から1次副産物を得るための化学プロセスに関する。次いで、1次副産物は金属反応物と反応させ、追加の水素を得る。
【００１２】
発明者は、水との自発反応によって高純度かつ高効率で低コストの水素発生をもたらす水素発生システムおよび方法を見出した。
【００１３】
本発明のシステムは、連続制御された水素流を安全に発生できる。システムは、1次反応物及びブースト反応物をサポートする構造材料と、減速器材料および拡散器材料を含む。
【００１４】
この構造材料は異なる目的に必要である。第1機能は、1次反応物を水とが特定の接触界面を表すように分布させる。第2機能は、異なる反応物からの適切な接触を保証する。第3機能は、輸送および使用中に安全に取り扱い、形態および形状の保護を保証する。第4機能は、反応表面から減速器材料へ熱を伝達する。
【００１５】
構造材料は、重量、体積、ロバストネスの仕様に合わせて設計できる。構造は、層状、シェルタイプ、フレーム、粒子ベッド、管状、大型構造、ハニカム、サンドイッチ型、小柱または使用に必要な任意のタイプが可能である。
【００１６】
本発明のプロセス反応は強烈な発熱を伴う。それ故、このプロセスが可能になるのは、減速器が1次と2次反応および副産物の影響を低減できる材料で作られているためである。本明細書で使用する「減速器材料」は、プロセス速度を遅くする材料として定義される。
【００１７】
減速器は、個々の反応の質量作用の法則に従って、構造材料や1次及び2次反応への熱を相対した方向に除去することにより、1次反応速度を低下できる。
【００１８】
拡散器材料は、必要な水素の純度を確保するため、１次反応物表面との適切な接触を確保し、反応表面から水素を透過する制御された方法で、水を伝達できる材料である。
【００１９】
したがって、本発明の第1の態様は：
水から水素を生成するためのシステムであって、下記の構造を有する：
(a)支持用の構造材料：
アルカリ金属、アルカリ土類金属、アルカリ-アルカリ土類金属合金、アルカリ金属またはアルカリ土類金属の水素化物から選択される固体状態の1次反応物；および
珪素、スズ、鉄、亜鉛、マンガン、アルミニウム、鉄、ベリリウム、マグネシウムまたはそれらの合金から選択される固体状態のブースト反応物；
(b)構造材料と接触する減速器材料
(c)１次反応物と反応する前に水が拡散され、得られた水素が透過する拡散器材料。
【００２０】
本発明の別の態様は、被動的に自動充足する１つのプロセスである。本発明のプロセスは、液体水と1次反応物との反応で始まり、水素を得て、１次副産物を生成する。第2段階において、第1副産物は金属から選択されたブースト反応物と反応して追加の水素ガスを発生させ、第2副産物を生成する。
【００２１】
従って、本発明の第2の態様は、連鎖反応において水から水素を生成する方法であって、次の段階を含む：
(a)アルカリ金属、アルカリ土類金属、アルカリ-アルカリ土類金属合金、固体状態のアルカリ金属またはアルカリ土類金属の水素化物から選択される固体状態の反応物と液体水を室温で反応させ、1次生成物として対応する水酸化物を得る；
(b)珪素、スズ、亜鉛、マンガン、アルミニウム、鉄、ベリリウム、マグネシウムまたはそれらの合金から選択された固体状態のブースト反応物と水と、段階aで得た水酸化物を反応させて、追加の水素と2次副生成物としての酸化物を得る；
(c)残留反応生成物から水素を分離する
(d)水素を回収する。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】図１は、本発明のシステムのフロー線図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
上記のように、本発明の態様は、水から水素を生成するためのシステムであって、次の構造を有する：
(a)支持用の構造材料：
アルカリ金属、アルカリ土類金属、アルカリ-アルカリ土類金属合金、アルカリ金属またはアルカリ土類金属の水素化物から選択される固体状態の1次反応物；および
珪素、スズ、鉄、亜鉛、マンガン、アルミニウム、鉄、ベリリウム、マグネシウムまたはそれらの合金から選択される固体状態のブースト反応物；
(b)構造材料と接触する減速器材料
(c)１次反応物と反応する前に水が拡散され、得られた水素が透過する拡散器材料。
【００２４】
好ましい実施形態では、構造材料は、無機固体金属、酸化物、塩、黒鉛、硫黄および鋼から選択される。アルカリ金属水酸化物およびアルカリ土類金属水酸化物は、腐食性が強いと知られている。それ故、特定の実施形態では、構造材料は鋼である。
【００２５】
好ましい実施形態では、減速器材料は、塩水化物、金属、塩、共晶化合物、またはナノ構造材料、無機吸着材料、ゼオライト等の、温度上昇時に1次または2次副生成物を放出する任意の相変化材料（PCM）から選択される。好ましい実施形態において、減速器材料はバリウム塩である。
【００２６】
拡散器材料は、合成鋼、他の材料間の金属膜等の、拡散特性を有する任意の多孔質材料であり得る。拡散器材料は、反応物、副産物、水および水素と不活性または適合性を有する。
【００２７】
上記した、本発明の態様は、以下の段階を含む連鎖反応において、水から水素を生成するプロセスに関する。
【００２８】
(a)アルカリ金属、アルカリ土類金属、アルカリ‐アルカリ土類金属の合金、アルカリ金属またはアルカリ土類金属水素化物から選択された１次反応物と水を反応させ、1次副産物として対応する水酸化物を得るプロセス；
(b)段階aで得られた水酸化物を水および珪素、スズ、亜鉛、マンガン、アルミニウム、鉄、ベリリウム、マグネシウムまたはこれらの合金の中から選択された金属と、固体状態で反応させ、追加の水素および酸化物を2次副産物として得るプロセス；
(c)残留反応生成物から水素を分離するプロセス
(d)水素を収集するプロセス。
【００２９】
好ましい実施形態において、アルカリおよびアルカリ土類金属は、下記の金属から選択される：Li、Na、K、およびMg、好ましい適切な金属試薬は、NaとLiであり、特に好ましいのは、比較的低い融点を有し豊富なNaである。特に興味深い合金は、Naの単独よりも高いエネルギー強度と、Naより10℃低い融点（=89℃）を有する5/95Li/Na合金である。他の有用な合金は、例えば、6.8℃で融解するカリウムとナトリウムの56/44Na/k合金と、132℃で融解するリチウムとストロンチウムの12/88Li/Sr等の合金がある。
【００３０】
本発明のプロセスの効率は、90％以上である。
例
この例は次のように準備される：
反応物質と材料
反応物質：金属ナトリウム；フェロシリコン；構造材料：スチール箔減速材：CuSO4+BaCl2+NH4Cl；メッシュ：鋼SS304メッシュ
反応の進行は以下の通りである：
１．
Na+H2O→NaOH+1/2・H2
２．
3Fe+4H2O→Fe3O4+4H2
2NaOH+Si+H2O→Na2SiO3+2H2
相変化材料の反応
BaCl2+NaOH→Ba(OH)2+NaCl（反応媒体から水酸化物を除去する）
Ba(OH)2.8H2O(s)+2NH4Cl(s)→2NH3(g)+10H2O(l)+BaCl2(s)（強吸熱性）
CuSO4+4NH3+H2O→[Cu(NH3)4]SO4.H2O（NH3を分泌）
異なる元素の総重量は以下の通りである：
金属Na；50g
金属Si；50g
金属Fe；200g
BaCl2；75g
NH4Cl；35g
CuSO4；210g
鋼箔：90g
鋼SS304メッシュ：14g
総重量：724g
発生した水素（重量）：H2；13g
発生した水素（体積）：145,6SL
貯蔵エネルギー：433.33Wh
重量エネルギー密度：724Wh/Kg
反応に必要な最小限の水：125g
【図１】
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【国際調査報告】
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