(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アンモニアを水素と窒素に分解する方法で、窒素と水素を生成するのに有効な条件下でアンモニア分解触媒をアンモニアに晒すステップを備え、前記アンモニア分解触媒は、一般式Ｚｒ１−ｘＴｉｘＭ１Ｍ２Ａｌｙを有する合金であって、Ｍ１及びＭ２はＣｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉから成る群から独立に選択され、ｘが０．０以上１．０以下の範囲であり、ｙは２０重量％ないし５０重量％に相当する前記合金におけるアルミニウムの含有量である、方法。
【請求項２】
請求項１記載の方法で、少なくとも毎分１００標準リットル（ｓｌｍ）の流速で前記水素を生成するステップを更に備える、方法。
【請求項３】
請求項２記載の方法で、前記流速が１００ｓｌｍないし２００ｓｌｍの間である、方法。
【請求項４】
請求項３記載の方法で、前記水素が、５％未満の未反応アンモニアを含む、方法。
【請求項５】
請求項１記載の方法で、前記一般式において、ｘは０．０であり、Ｍ１及びＭ２はＭｎおよびＦｅである、方法。
【請求項６】
請求項５記載の方法で、少なくとも毎分１００標準リットル（ｓｌｍ）の流速で前記水素を生成するステップを更に備える、方法。
【請求項７】
請求項６記載の方法で、前記流速が１００ｓｌｍないし２００ｓｌｍの間である、方法。
【請求項８】
請求項７記載の方法で、前記水素が、５％未満の未反応アンモニアを含む、方法。
【請求項９】
請求項５記載の方法で、前記一般式において、ｙは２０重量％ないし４０重量％に相当する前記合金におけるアルミニウムの含有量である、方法。
【請求項１０】
請求項９記載の方法で、前記一般式において、ｙは２０重量％ないし３０重量％に相当する前記合金におけるアルミニウムの含有量である、方法。
【請求項１１】
請求項１０記載の方法で、前記一般式において、ｙは２０重量％に相当する前記合金におけるアルミニウムの含有量である、方法。
【請求項１２】
請求項１１記載の方法で、少なくとも毎分１００標準リットル（ｓｌｍ）の流速で前記水素を生成するステップを更に備える、方法。
【請求項１３】
請求項１２記載の方法で、前記流速が１００ｓｌｍないし２００ｓｌｍの間である、方法。
【請求項１４】
請求項１記載の方法で、前記触媒が、５００℃以上１０００℃以下の温度で保持される、方法。
【請求項１５】
請求項１４記載の方法で、前記触媒が、６００℃以上８００℃以下の温度で保持される、方法。
【請求項１６】
請求項１５記載の方法で、前記触媒が、７００℃の温度で保持される、方法。
【請求項１７】
請求項１記載の方法で、前記水素が、５％未満の未反応アンモニアを含む、方法。
【請求項１８】
アンモニア分解容器に接続されるアンモニア貯蔵容器を有する水素燃料内燃機関を駆動する方法で、前記アンモニア分解容器は、前記水素燃料内燃機関に接続され、前記方法は、
前記アンモニア貯蔵容器から前記アンモニア分解容器にアンモニアを供給するステップで、前記アンモニア分解容器がアンモニア分解触媒を含み、前記アンモニア分解触媒が、一般式Ｚｒ１−ｘＴｉｘＭ１Ｍ２Ａｌｙを有する合金であって、Ｍ１及びＭ２はＣｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉから成る群から独立に選択され、ｘは０．０以上１．０以下の範囲であり、ｙは２０重量％ないし５０重量％に相当する前記合金におけるアルミニウムの含有量であり、これにより窒素ガスと水素ガスを生成させるステップと、
前記水素ガスを前記水素燃料内燃機関に供給するステップと、
前記水素ガスを燃焼させて、前記水素燃料内燃機関を駆動するステップと、
を備える、方法。
【請求項１９】
請求項１８記載の方法で、前記水素ガスから前記窒素ガスを分離するステップを更に備える、方法。
【請求項２０】
請求項１８記載の方法で、前記一般式において、ｘは０．０であり、Ｍ１及びＭ２はＭｎおよびＦｅである、方法。
【請求項２１】
請求項２０記載の方法で、前記一般式において、ｙは２０重量％ないし４０重量％に相当する前記合金におけるアルミニウムの含有量である、方法。
【請求項２２】
請求項２０記載の方法で、前記一般式において、ｙは２０重量％ないし３０重量％に相当する前記合金におけるアルミニウムの含有量である、方法。
【請求項２３】
請求項２２記載の方法で、前記一般式において、ｙは２０重量％に相当する前記合金におけるアルミニウムの含有量である、方法。
【請求項２４】
請求項１８記載の方法で、前記触媒の温度を、５００℃以上１０００℃以下に保持するステップを更に備える、方法。
【請求項２５】
請求項２４記載の方法で、前記触媒の温度を、６００℃以上８００℃以下に保持するステップを更に備える、方法。
【請求項２６】
請求項２５記載の方法で、前記触媒の温度を、７００℃に保持するステップを更に備える、方法。
【請求項２７】
請求項２６記載の方法で、前記内燃機関から前記アンモニア分解容器に熱を循環させるステップを更に備える、方法。
【請求項２８】
請求項１８記載の方法で、前記水素が、５％未満の未反応アンモニアを含む、方法。
【請求項２９】
アンモニアを含むアンモニア分解容器に接続されるアンモニア貯蔵容器を有する水素燃料電池を駆動する方法で、前記アンモニア分解容器は、前記水素燃料内燃機関に接続され、前記方法は、
前記アンモニア貯蔵容器から前記アンモニア分解容器にアンモニアを供給するステップで、前記アンモニア分解容器がアンモニア分解触媒を含み、前記アンモニア分解触媒が一般式Ｚｒ１−ｘＴｉｘＭ１Ｍ２Ａｌｙを有する合金であって、Ｍ１及びＭ２はＣｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉから成る群から独立に選択され、ｘは、０．０以上１．０以下の範囲であり、ｙは２０重量％ないし５０重量％に相当する前記合金におけるアルミニウムの含有量であり、これにより窒素ガスと水素ガスを生成させるステップと、
前記水素ガスを前記水素燃料電池に供給するステップと、
前記水素燃料電池内で前記水素を反応させることにより、電流を発生させるステップと、
を備える、方法。
【請求項３０】
請求項２９記載の方法で、前記水素ガスから前記窒素ガスを分離するステップを更に備える、方法。
【請求項３１】
請求項３０記載の方法で、前記一般式において、ｘは０．０であり、Ｍ１及びＭ２はＭｎおよびＦｅである、方法。
【請求項３２】
請求項３１記載の方法で、前記一般式において、ｙは２０重量％ないし４０重量％に相当する前記合金におけるアルミニウムの含有量である、方法。
【請求項３３】
請求項３２記載の方法で、前記一般式において、ｙは２０重量％ないし３０重量％に相当する前記合金におけるアルミニウムの含有量である、方法。
【請求項３４】
請求項３３記載の方法で、前記一般式において、ｙは２０重量％に相当する前記合金におけるアルミニウムの含有量である、方法。
【請求項３５】
請求項３１記載の方法で、前記触媒の温度を、５００℃以上１０００℃以下に保持するステップを更に備える、方法。
【請求項３６】
請求項３５記載の方法で、前記触媒の温度を、６００℃以上８００℃以下に保持するステップを更に備える、方法。
【請求項３７】
請求項３６記載の方法で、前記触媒の温度を、７００℃に保持するステップを更に備える、方法。
【請求項３８】
請求項２９記載の方法で、前記水素が、５％未満の未反応アンモニアを含む、方法。
【請求項３９】
水素燃料内燃機関で、
ａ）アンモニア分解触媒を含むアンモニア分解室と接続されたアンモニア貯蔵容器で、ここで、前記アンモニア分解触媒が、一般式Ｚｒ１−ｘＴｉｘＭ１Ｍ２Ａｌｙを有する合金であって、Ｍ１及びＭ２はＣｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉから成る群から独立に選択され、ｘは、０．０以上１．０以下の範囲であり、ｙは２０重量％ないし５０重量％に相当する前記合金におけるアルミニウムの含有量である、アンモニア貯蔵容器と、
ｂ）前記アンモニア貯蔵容器に流体接続され、水素を燃焼させるのに有効な内燃機関と、
を備える、機関。
【請求項４０】
請求項３９記載の機関で、前記水素ガスから前記窒素ガスを分離する手段を更に備える、機関。
【請求項４１】
請求項４０記載の機関で、前記一般式において、ｘは０．０であり、Ｍ１及びＭ２はＭｎおよびＦｅである、機関。
【請求項４２】
請求項４１記載の機関で、前記一般式において、ｙは２０重量％ないし４０重量％に相当する前記合金におけるアルミニウムの含有量である、機関。
【請求項４３】
請求項４２記載の機関で、前記一般式において、ｙは２０重量％ないし３０重量％に相当する前記合金におけるアルミニウムの含有量である、機関。
【請求項４４】
請求項４３記載の機関で、前記一般式において、ｙは２０重量％に相当する前記合金におけるアルミニウムの含有量である、機関。
【請求項４５】
水素燃料電池で、
ａ）アンモニア分解触媒を含むアンモニア分解室と接続されたアンモニア貯蔵容器で、ここで、前記アンモニア分解触媒が、一般式Ｚｒ１−ｘＴｉｘＭ１Ｍ２Ａｌｙを有する合金であって、Ｍ１及びＭ２はＣｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉから成る群から独立に選択され、ｘが０．０以上１．０以下の範囲であり、ｙは２０重量％ないし５０重量％に相当する前記合金におけるアルミニウムの含有量である、アンモニア貯蔵容器と、
ｂ）前記アンモニア分解室に流体接続され、水素を反応させて、電流を発生させるのに有効な燃料電池と、
を備える、燃料電池。
【請求項４６】
請求項４５記載の燃料電池で、前記水素ガスから前記窒素ガスを分離する手段を更に備える、燃料電池。
【請求項４７】
請求項４６記載の燃料電池で、前記一般式において、ｘは０．０であり、Ｍ１及びＭ２はＭｎおよびＦｅである、燃料電池。
【請求項４８】
請求項４７記載の燃料電池で、前記一般式において、ｙは２０重量％ないし４０重量％に相当する前記合金におけるアルミニウムの含有量である、燃料電池。
【請求項４９】
請求項４８記載の燃料電池で、前記一般式において、ｙは２０重量％ないし３０重量％に相当する前記合金におけるアルミニウムの含有量である、燃料電池。
【請求項５０】
請求項４９記載の燃料電池で、前記一般式において、ｙは２０重量％に相当する前記合金におけるアルミニウムの含有量である、燃料電池。
【発明の詳細な説明】
発明の背景
１．発明の分野
本発明は、水素ガスの製造に関する。更に詳しくは、本発明は、アンモニアから水素ガスを製造するための方法、素材、並びに装置を提供する。アンモニアから放出される水素は、例えば、燃料として用いられる。
２．関連技術
過去三十年以上に渡り、米国並びに他の工業国は、汚染物質の排出を規制する努力を続けてきたが、これにより、環境および健康に重大な危険を及ぼす可能性のある大気汚染物質の量を大幅に削減することができた。例えば、米国では、多くの都市部で、平均すると、十年前に比べて、大気の質が顕著に改善されている。しかし、燃料駆動により成り立っている経済活動から大気に吐き出される有害な化学物質を更に削減するためには、より一層の努力が求められる。自動車産業が設けた主要目標の一つが、環境に対する影響を減らす、更に言えば、ゼロにするような自動車用低公害エンジン技術の開発である。例えば、カリフォルニア州では、もうすぐ、州内で販売される自動車の少なくとも２％が汚染物質を排出しない無公害車でなければならないという規制が適用される。
これらの要求を満たすことは、大変難しい挑戦になる。現在の自動車は、全て内燃機関（ＩＣＥ）を用いているが、これは、燃料（通常、炭化水素（ＣnＨ2n+2））と空気（主に窒素と酸素を含む混合物）の混合物の爆発的反応を利用することにより、自動車を推進させるエネルギーを発生させるものである。空気中で炭化水素を燃焼させることにより、一酸化炭素（ＣＯ）、二酸化炭素（ＣＯ2）、オゾン（Ｏ3）、窒素酸化物及び硫黄酸化物（すなわち、ＮＯｘ及びＳＯｘ）、アルデヒド、炭化水素、更には、鉛化合物等、さまざまな汚染ガスが発生する（Greenwood ＆ Earnshaw １９８４）。ＣＯ2は、赤外線を閉じ込め、その結果、地球大気からの熱の放出を妨げる「温室効果ガス」として悪名高いものである。オゾンは、呼吸器系疾患に密接な関係があり、強い酸化剤でもあり、空気中の汚染物質による経済的損失の一因となっている。窒素酸化物及び硫黄酸化物は、大きな環境問題になっている酸性雨として地上に降り注ぎ、また、大気に含まれる水分（Ｈ2Ｏ）との接触により、硝酸や硫酸等の酸を形成し、経済的損失を与える。酸性雨は、ローマのコロシアムやアテネのパルテノン宮殿等、有名な古代建築を崩壊させつつあり、ヨーロッパ各国では特に大きな問題となっている。また、その他のガスも、健康に様々な被害を与える危険性があり、特に、鉛は脳に損傷を与える可能性がある。
現在、炭化水素燃料の代替となる可能性を持つ多くの案が検討されている。検討されている様々な代替案の中でも、多くの理由から、水素（Ｈ2）は、非常に有望な代替燃料であると考えられている。ＩＣＥで水素燃料を使う場合、既存のエンジン設計に対する変更はわずかなものですむ。水素を空気中で燃焼させた場合、できるのは水であり、これは、もちろん、何ら重大な環境問題を引き起こさず、かなり大量のエネルギーを発生させることができる。代替推進技術、例えば、電気自動車において、水素を燃料電池の形態で用い、電気化学反応を通して、燃焼よりも制御可能な方法で、大気中の酸素と結合させることができる。燃料電池で発生した電気エネルギーは、バッテリーに保存することもできるし、あるいは、そのまま電気モータに供給して、電気自動車を駆動することも可能である。後者の場合、ＩＣＥよりもかなり効率がよく、ＩＣＥの効率が約３０％であるのに対して、約９０％に効率をあげることができる。工業ベースに載せる前に、燃料電池駆動エンジンを最適の状態に改良する必要はあるが、将来的に、輸送技術の分野で重大な役割を果たすことになると期待されている。水素を用いた場合、問題となる点の一つは、安全な取り扱いである。水素は、空気と爆発的に反応する。気体あるいは液体（この場合にも、冷却に費用がかかる）の形状で、燃料として広範囲に水素を用いる場合には、安全面、技術面、並びに、経済面で数多くの問題があり、これが、水素の燃料としての利用を妨げている。
水素を燃料として用いる場合の問題を解決するアプローチの一つとして、水素の担体として利用可能な、安価で簡単な素材を考えることが挙げられる。アンモニア（ＮＨ3）は、適当な水素担体として認められている。アンモニアは、基本的に不燃性であり、費用が掛かり複雑な冷却技術を必要とすることなく、容易に液体の形状で入手・取り扱い可能である。更に、所定体積の液体で比べた場合、アンモニアに含まれる水素の量は、液体水素の約１．７倍になる。すなわち、水素燃料をより効率よく輸送可能になる。アンモニアは、次の反応に従って、エンジンの上流に配置された適当な分離装置において、水素と窒素（Ｎ2）に不均化される。
２ＮＨ3→３Ｈ2＋Ｎ2
窒素は、環境に対して何ら重大な影響を与えることなく、大気中に放出可能である。アンモニアは、水素／酸素燃料混合物中に、少量、燃料混合物の容量の約５％までなら、存在していてもかまわない。これは、水素の燃焼に何ら重大な影響を及ぼさない。実際のところ、純粋なアンモニアを空気中で燃焼させるのは難しく、水素が混ざっていた方が簡単に燃焼する。すなわち、装置の解離収率は１００％である必要はない。さらに、アンモニアは、非常に大きな蒸気圧を有している（２７℃で１立方インチ当たり約１００ポンド（ｐｓｉ））。
水素燃料用の貯蔵媒体としてアンモニアを使う技術は、例えば、あらゆる目的で本明細書に参照文献として組み込まれる、Ｖａｌｄｅｓｐｉｎｏに譲渡された米国特許第４，４７８，１７７号並びに第４，７５０，４５３号に開示されている。これらの特許には、分離チャンバ（室）でのアンモニア不均化反応により得られた水素を燃料とするＩＣＥが記述されている。アンモニア分離装置は、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、オスミウム（Ｏｓ）、亜鉛（Ｚｎ）、ウラン（Ｕ）を含む一つあるいはそれ以上の金属から成る触媒を含むチャンバである。これらの金属は、アンモニアを解離させる物質としてよく知られている。鉄系の不均化反応触媒も同様に提案されている（Ｇｅｏｒｇｉｅｖ １９８９）。ただし、これらの金属上でアンモニアの不均化反応を進めるためには、アンモニアの流速が低く、及び／あるいは、触媒温度が高いことが必要である。アンモニアを水素と窒素に分解するのに有用であると考えられる他の物質は、４０．５重量％のＺｒ、２４．５重量％のＭｎ、並びに、２５重量％のＦｅを含む合金（イタリア・レナテのＳＡＥＳ ＧｅｔｔｅｒｓからＳｔ９０９の商品名で市販されている）に、接着剤として１０％のアルミニウム（Ａｌ）を加えたものである（Ｂａｋｅｒ ｅｔａｌ．１９９４）。
しかし、周知のアンモニア分解技術は、ＩＣＥにおける水素燃料の使用を可能にするためには残念ながら不十分である。特に、現在用いられているアンモニア分解触媒は、上述したように、流速が低く、これが、ＩＣＥや燃料電池で水素を燃料として用いる際の妨げになる。予備的な計算（Ｂｒａｂｂｓ １９７８）によれば、水素をＩＣＥの燃料用に炭化水素の代替として実用化するためには、毎分約１００標準リットル（ｓｌｍ）ないし約２００ｓｌｍの流速で水素をエンジンに供給することが必要である。
従って、環境に優しいエネルギー源としての水素燃料の大きな可能性を実現するためには、ＩＣＥあるいは燃料電池での利用に十分な速度でアンモニアの不均化反応を触媒する能力のある素材を同定し、開発することが重要である。
発明の概要
本発明は、効率よくアンモニアを不均化して水素を得るための素材並びに方法を提供する。ここで説明される素材及び方法を用いて、内燃機関で水素を使用するために許容可能な流速で、アンモニアから水素を生成することができる。従って、本発明は、環境に優しいエネルギー源の採用に大きく貢献する、と考えられる。
第一に、本発明は、約９５％の効率でアンモニアから水素を生成することが可能なアンモニア分解素材を提供する。一つの態様において、本発明のアンモニア分解素材は、一般式Ｚｒ１−ｘＴｉｘＭ１Ｍ２Ａｌｙを有する合金であって、Ｍ１及びＭ２はＣｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉから成る群から独立に選択され、ｘが０．０以上１．０以下の範囲であり、ｙは２０重量％ないし５０重量％に相当する前記合金におけるアルミニウムの含有量である。ある態様では、合金に含まれるＡｌの量は、２０重量％ないし４０重量％の間である。別の態様では、合金に含まれるＡｌの量は、２０重量％ないし３０重量％の間である。更に別の態様では、合金に含まれるＡｌの量は、２０重量％である。
一つの態様では、一般式Ｚｒ１−ｘＴｉｘＭ１Ｍ２Ａｌｙを有する合金は、ｘの値が０．０の合金、すなわち、一般式ＺｒＭ１Ｍ２Ａｌｙを有し、ここで、Ｍ1及びＭ2はＣｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉから成る群から独立に選択される合金である。更に特定すれば、この合金は、ＺｒＭｎＦｅＡｌｙである。
第二に、上述した素材を、水素と窒素を生成するのに有効な条件下で、アンモニアと反応させる。一つの態様では、約５００℃以上約１０００℃以下の温度で、上述したアンモニア分解素材をアンモニアと反応させ、水素ガスと窒素ガスを生成する。別の態様では、温度範囲は、約６００℃以上約８００℃以下であり、更に特定すれば、約６００℃以上約７００℃以下である。更に別の態様では、アンモニアを分解させるために採用された本発明の素材温度は約７００℃である。
第三に、本発明は、上述した方法並びに素材を用いて、水素駆動内燃機関及び燃料電池を駆動するための方法、並びに、本発明のアンモニア分解素材を含む燃料電池及びエンジンに関する。一つの態様では、本発明は、アンモニアを本発明の素材と反応させて水素を生成し、更に、この水素を反応させることにより電流を発生させる水素駆動燃料電池を駆動するための方法を提供する。別の態様では、ここに述べる素材並びに方法を用いて、水素燃焼内燃機関用の水素燃料を提供する。
本発明の、上述した、並びに、これ以外の観点及び利点に関しては、付随する図面を参照した以下の説明により、更に明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明のアンモニア分解素材の分解効率を求めるために用いられる装置を示す説明図である。
図２は、５００℃、６００℃、７００℃において、本発明のアンモニア分解素材とＳｔ９０９の流速に対して、アンモニア分解効率をプロットした図である。
図３は、５００℃において、Ｓｔ９０９と本発明の素材の流速に対して、アンモニア分解効率をプロットした図である。
図４は、６００℃において、Ｓｔ９０９と本発明の素材の流速に対して、アンモニア分解効率をプロットした図である。
図５は、７００℃において、Ｓｔ９０９と本発明の素材の流速に対して、アンモニア分解効率をプロットした図である。
好適な実施態様の説明
第一の観点に従うと、本発明は、アンモニアを分解する方法を提供し、この方法は、アンモニアをアンモニア分解素材に接触させるステップを備える。一つの態様において、アンモニア分解素材は、一般式Ｚｒ１−ｘＴｉｘＭ１Ｍ２Ａｌｙを有する合金であって、Ｍ１及びＭ２はＣｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉから成る群から独立に選択され、ｘが０．０以上１．０以下の範囲であり、ｙは２０重量％ないし５０重量％に相当する前記合金におけるアルミニウムの含有量である。あるいは、合金に含まれるＡｌの量が、２０重量％ないし４０重量％の間でもよい。更に、合金に含まれるＡｌの量が、２０重量％ないし３０重量％の間でもよい。また、合金に含まれるＡｌの量を、２０重量％とすることもできる。
例えば、一般式Ｚｒ１−ｘＴｉｘＭ１Ｍ２Ａｌｙを有する合金は、ｘの値が０．０の合金、すなわち、一般式ＺｒＭ１Ｍ２Ａｌｙを有し、ここで、Ｍ1及びＭ2はＣｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉから成る群から独立に選択される合金である。更に特定すれば、この合金は、ＺｒＭｎＦｅＡｌｙである。
これらの素材の製造は、冶金学の分野でよく知られている方法、例えば、あらゆる目的のために本明細書に参照文献として組み込まれる、米国特許第４，２６９，６２４号並びに５，１８０，５６８号に記載された方法に従って、行われる。例えば、所望の重量比で、所望の成分の塊やチャンクを溶融させることにより合金が得られる。一般に、塊やチャンクでは、大気中の気体成分からの表面汚染の量が少なくなるため、好適に用いられる。ただし、所望の重量にあわせるのに、少量の粉末を用いるようにしてもよい。一度溶融したインゴットを粉砕して、得られた粉末を混合し、再び溶融するという再溶融の操作を２ないし５回繰り返すことにより、合金の均一性を高めることができる。本発明に有用な素材は、例えば、平均粒度が約１０μｍ以上約２５０μｍ以下であり、更に特定すれば、約５０μｍ以上約２００μｍ以下である。ガスの流入、流出がで可能なように多孔性の端部を有する適当なチャンバ（室）に粉末を入れる。このようなチャンバを提供するための材料や方法に関しては、ゲッタ材の分野の当業者に周知である。粉末を圧縮して、ペレット状にしてもよい。一般に、粉末素材よりもペレット錠剤量の方が取り扱いが楽である。
本発明の合金を、標準的な方法に従って、精製アルゴン（Ａｒ）大気中で金属成分をアーク溶融することにより、製造してもよい。例えば、水冷銅基板上で「低温炉床技術」と呼ばれる方法を用いることにより、金属成分のインゴットを作る。インゴットを再溶融して、均一にする。例えば、少なくとも約４回インゴットを再溶融することにより、有用な均一性が選られる。次に、不活性ガス大気中で、ジョーミルを用いて、インゴットを粉末に粉砕する。粉末を篩にかけて、所望の粒度とする。約５％ないし約１０％のアルミニウム粉末を機械的接着剤として加えてもよい。得られた粉末混合物をピルに圧縮する。上述した本発明の合金を製造するための他の方法に関しては、冶金分野の当業者に周知である。
アンモニアから窒素と水素を生成するのに有効な条件下で、アンモニアとアンモニア分解素材を反応させる。例えば、約５００℃以上約１０００℃以下の温度で、上述したアンモニア分解素材をアンモニアと反応させ、水素ガスと窒素ガスを生成する。温度範囲を、約６００℃以上約８００℃以下、更に特定すれば、約６００℃以上約７００℃以下としてもよい。アンモニアを分解させるために採用される本発明の素材温度を約７００℃としてもよい。また、アンモニア分解反応は、約１バールないし約５バールの間の圧力で実行される。ただし、高温条件下では、水素がパイプ及び解離装置の金属壁を透過することが知られている。本発明の実施例では、約５容量％未満の未反応アンモニアを含む水素を生成するのに有効な条件下で、アンモニアと上述の素材との反応を行う。また、水素の流速が、毎分約１００標準リットル（ｓｌｍ）ないし２００ｓｌｍの間となるように、反応条件を設定する。
アンモニア分解素材と接触させる前に、触媒温度と同じ温度くらいまでアンモニアを予備加熱するようにしてもよい。このように予備加熱を行うことにより、不均化反応の効率を高め、流速を上げることが可能になる。ＩＣＥでは、エンジン内部での水素の燃焼により発生した熱を利用して、アンモニアを予備加熱することができる。エンジンの燃焼室からつながる排気マニホールドを、アンモニア流路を有する向流部に配置し、水素の燃焼によって放出される熱を用いて、解離室外側のアンモニアガスを予備加熱するようにしてもよい。
別の観点によると、本発明は、上述した方法並びに素材を用いて、水素駆動エンジン及び燃料電池を駆動するための方法、並びに、本発明のアンモニア分解素材を含む燃料電池及びエンジンに関する。このようなエンジンと燃料電池の構成は当業者に周知のものである。一般に、ここに記載した方法及び素材の利点を生かすことができるように、水素で駆動される既存のエンジンあるいは燃料電池の設計を変更する。例えば、上述したアンモニア分解素材を収容する反応室を備えるようにする。反応室は、供給されるアンモニアと流体接続され、アンモニアを反応室内部に導入するための流入口と、燃焼室あるいは発電室と流体接続され、生成された水素ガスを燃焼あるいは電気化学反応に送り込むための流出口と、を備える。独立の窒素排気部を備えるようにしてもよい。あるいは、水素と一緒に窒素を燃焼室あるいは発電室に送り込むようにしてもよい。反応室、アンモニア貯蔵容器、および種々の接続部の構成と材料に関しては、当業者に周知である。
用途によっては、水素ガスの流速を制御する必要がある。例えば、燃焼エンジンの場合、毎分約１００標準リットル（ｓｌｍ）ないし約２００ｓｌｍの間の水素流速が、有効なエンジン性能のためには必要である。さらに、アンモニア燃料を液体及び／あるいは気体状態で保持し、反応室へのアンモニアの流量を制御可能なように、供給されたアンモニアを加熱するヒーターを設けるようにしてもよい。当業者に周知のように、このようなヒーターの特性並びに構造、及び、種々の流速に調節する際のヒーターの制御は、システムが実際に運転される環境の室温等、様々な要因に依存する。
例えば、本発明に従う有用な水素燃焼エンジンは、あらゆる目的で本明細書に参照文献として組み込まれる、Ｖａｌｄｅｓｐｉｎｏに譲渡された米国特許第４，４７８，１７７号並びに第４，７５０，４５３号に記載されるエンジンに基づくものである。例えば、アンモニアをその成分である窒素ガスと水素ガスに分解するために用いられる触媒を本明細書に記載される素材から選択するように、上記の米国特許に記載されているエンジンを変更するようにしてもよい。このようなエンジンの使用は、アンモニアの供給と取り扱いのネットワーク、施設、並びに、方法が確立されている農業分野（例えば、トラクター、トラック、発動機）で特に有用である。
本発明の素材を用いることにより、高い効率で、アンモニアを分解することができる。以下の実施例で説明するように、本発明の素材が９５％という高い分解効率を達成可能なのに対して、Ｓｔ９０９ゲッタと称される合金を用いた場合のアンモニアの分解効率は７５％に過ぎない。また、本発明の素材は、約１００ｓｌｍないし約２００ｓｌｍの間の流速で水素を生成可能であるが、これは、内燃機関用の燃料として水素を有効に利用する場合に必要な値である。
実施例
以下の実施例は本発明を詳述するものであり、当業者において本発明の理解並びに実施を助けるためのものである。ただし、これらの実施例は、何ら本発明を限定するものではない。
実施例１
ＺｒＭｎＦｅＡｌ合金の製造
精製Ａｒ雰囲気中で、３６．１グラム（ｇ）のＺｒ、２１．８ｇのＭｎ、２２．１ｇのＦｅ、２０．０ｇのＡｌ、合計１００グラムをアーク溶融することにより、上記の合金を製造した。これは、水冷銅基板上でいわゆる「低温炉床技術」を用いることにより実行された。得られたＺｒＭｎＦｅＡｌ合金のインゴットを４回再溶融して、組成を均一にした。組成は、標準金属組織学的分析により確認した。次に、標準的な方法に従い、不活性ガス雰囲気下で、ジョーミルを用いて、インゴットを粉末に粉砕した。得られた粉末を篩にかけ、約８８ミクロンないし約１８０ミクロンの粒度のものを得た。１０（重量）％のＡｌ粉末を機械的接着剤として加え、粉末混合物を直径６ｍｍ高さ４ｍｍのピルに圧縮した。
実施例２（比較例）
ＺｒＭｎＦｅ＋１０％Ａｌ焼結体の製造
４０．６ｇのＺｒ、２４．５ｇのＭｎ、２４．９ｇのＦｅをアーク溶融して、９０ｇのＳｔ９０９を製造した。得られたＺｒ1Ｍｎ1Ｆｅ1金属間化合物のインゴットを４回再溶融して、組成を均一にした。得られた粉末を篩にかけ、約８８ミクロンないし約１８０ミクロンの粒度のものを得た。Ｓｔ９０９粉末の粒度範囲と同一の粒度を有するＡｌ粉末１０ｇをこの粉末に混合して、粉末混合物を直径６ｍｍ高さ４ｍｍのピルに圧縮した。
実施例３
本発明による合金のアンモニア分解効率の測定
図１に示す実験システム１００を用いて、上述した実施例１に従い製造された合金のアンモニア分解特性を測定した。このシステムは、ステンレススチール製のガスマニホールド１０２を有し、不活性ガスあるいは液体アンモニアの蒸気は、このガスマニホールド１０２を介して反応室１０４に導入された。ガスは、二つの流量調節器１０６のいずれか（所望の流速範囲に依る）、及び、触媒カートリッジ１０８を通り、四重極質量分析計に達し、ここで、少量のガス流の分析を行った。可変漏れ弁１１２を使って、試験対象となるガスの一部を質量分析計に導入した。また、分路１１４によりガス流の一部がアンモニア分解素材をバイパスするようにして、未処理ガス流中に存在するアンモニアの相対量を測定した。この実験で用いたアンモニア分解素材の容量は、４０立方センチメートル（ｃｃ）であった。アンモニア分解素材と同じ温度までアンモニアを予備加熱した。温度と流速を様々に変えて、実験を行った。温度は約５００℃ないし約７００℃の範囲で変化させ、流速は、毎分約０．１ないし約１０．０標準リットル（ｓｌｍ）の範囲で変化させた。アンモニアガスがアンモニア分解素材を通過する時系列で質量スペクトルをとることにより、実験データを得た。各流速及び温度で３本ずつスペクトルを取り、これを平均した。ＮＨ3、Ｎ2及びＨ2に対応するピークの高さを、アンモニア分解素材を通過したガスと、分路１１４を通り、アンモニア分解素材をバイパスしたガスとで、比較して、素材の分解効率を求めた。５００℃、６００℃及び７００℃で実施した試験の結果を図２のグラフに、それぞれ曲線１、２、３として示す。
実施例４
従来技術の材料のアンモニア分解効率
実施例３で上述した装置並びに方法を用いて、上述した実施例２に従って製造された材料の分解効率を測定した。分解試験の結果を図３に示す。曲線４は６００℃における試験の結果を、また、曲線５は７００℃における試験の結果を示す。５００℃の場合には材料の変換効率が非常に低いため、この温度における分解試験の結果は示していない。実施例３および４の試験結果を、更に、図４および５のグラフに示す。このグラフの曲線２ないし５は、上述した曲線と同一のものである。図４では、本発明の合金（曲線２）と従来技術の材料（曲線４）の６００℃におけるアンモニア分解特性を比較した。また、図５では、本発明の合金（曲線３）と従来技術の材料（曲線５）の７００℃におけるアンモニア分解特性を比較した。
グラフの解析からわかるように、本発明の合金は、Ａｌを結合させたＳｔ９０９と比較して、優れたアンモニア分解特性を有している。図４に示すように、６００℃で、本発明の合金は高いアンモニア分解効率を示す。特に、本発明の合金は、２ｓｌｍのような高い流速でも、少なくとも９５％の効率でアンモニアを分解することができる。同一の条件下において、従来技術の材料のアンモニア分解効率は、約１ｓｌｍの流速で、すなわち、本発明の合金により達成される流速の約半分で、９５％の限界ラインより下に落ちる。同様に、図５に示すように、本発明の合金は、約８ｓｌｍの流速まで、９５％以上のアンモニア分解効率を保持している。一方、従来技術の材料に関しては、約４ｓｌｍの流速で、すなわち、本発明の素材により達成される値の半分の流速で、すでに効率が落ちている。
上述したように、本明細書で記載した方法並びに素材は、高い効率で、アンモニアを分解して、水素を試製する手段を提供する。これらの素材及び方法を利用することにより、安全で効率よくアンモニアから水素を供給することが可能である。特に、本発明は、水素燃焼内燃機関での使用に許容可能な流速で水素を効率よく供給可能である。すなわち、本発明の方法並びに素材は、よりクリーンな燃焼エンジンの開発及び実用化に大きく寄与するものである。
以上、本発明を実施態様及び実施例に従って説明したが、当業者に周知のように、本発明の要旨を逸脱することなく、様々な変更をこれらの実施態様及び／あるいは実施例に加えることが可能である。例えば、当業者に周知の技術や材料を用いて、本明細書で説明した方法及び素材に対して、様々な燃料電池及びエンジンの設計を適用可能である。さらに、本発明のアンモニア分解素材は、粉末状、ピル状等、様々な形状で適用可能である。
以下に挙げる文献全体を、あらゆる目的のために本発明の参照文献として組み入れる。
Baker, J.D., et al. 1994 “Tritium Purification Via Zirconium-Manganese-Iron Alloy Getter St 909 in Flow Processes”（フロー処理におけるジルコニウム−マンガン−鉄合金ゲッタＳｔ ９０９を介したトリチウムの精製）J.Vac.Sci.Technol.A, 12(2):548-553
Georgiev, et al. 1989“Properties and Structure of a Catalyst for Dissociation of Ammonia”（アンモニア分解用触媒の特性と構造）Poroshkovaya Metallurgiya, 7(319):59-65
Greenwood, N.N. and Earnshaw, A., 1984, Chemistry of the Elements, (元素化学) Pergammon
Brabbs, T.A. 1978“Catalytic Decomposition of Methanol for Onboard Hydrogen Generation”（内蔵水素精製のためのメタノールの触媒分解）NASA Publication TP-1247
【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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