(57)【要約】【課題】  自動車への搭載に適した水素製造装置を提供することである。【解決手段】  アルミニウム材料から微粒子を製造するための微粒子製造部と、微粒子製造部の下方に配置され、微粒子製造部と連通した摩擦粉砕部と、摩擦粉砕部と連通した反応部とを備え、微粒子製造部には、アルミニウム材料を細かく粉砕するための一対の１次粉砕ローラと、１次粉砕ローラで粉砕されたアルミニウム片を更に細かく粉砕するための一対の２次粉砕ローラが設けられており、摩擦粉砕部には、２次粉砕ローラで細かく粉砕されたアルミニウム片を摩擦粉砕するための一対の摩擦粉砕ローラが設けられており、水素製造時に、微粒子製造部、摩擦粉砕部および反応部に水が充填されていることを特徴とする水素製造装置が提供される。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミニウム材料から微粒子を製造するための微粒子製造部と、前記微粒子製造部の下方に配置され、前記微粒子製造部と連通した摩擦粉砕部と、前記摩擦粉砕部と連通した反応部とを備え、
前記微粒子製造部には、前記アルミニウム材料を細かく粉砕するための一対の１次粉砕ローラと、前記１次粉砕ローラで粉砕されたアルミニウム片を更に細かく粉砕するための一対の２次粉砕ローラが設けられており、
前記摩擦粉砕部には、２次粉砕ローラで細かく粉砕されたアルミニウム片を摩擦粉砕するための一対の摩擦粉砕ローラが設けられており、
水素製造時に、前記微粒子製造部、前記摩擦粉砕部および前記反応部に水が充填されていることを特徴とする水素製造装置。
【請求項２】
前記アルミニウム材料が、厚さ５μｍ〜５０μｍのロール状のアルミフォイルであることを特徴とする請求項１に記載の水素製造装置。
【請求項３】
前記１次粉砕ローラおよび前記２次粉砕ローラには、互いに噛み合うように配置された凹部と凸部が設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の水素製造装置。
【請求項４】
前記一対の摩擦粉砕ローラが、異なる回転速度で回転するように構成されていることを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の水素製造装置。
【請求項５】
請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の水素製造装置を搭載した燃料電池自動車。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に、水素ガスを燃料とする燃料電池自動車に適用される技術に関する。より詳細には、本発明は、水素ガスを燃料とする燃料電池自動車に水素ガスを供給するための水素製造装置および該装置を搭載した燃料電池自動車に関する。なお、本発明の水素製造装置は、燃料電池自動車に限定されることなく、たとえば固定型コジェネ型燃料電池装置への応用等、広範な分野への適用が期待される。
【背景技術】
【０００２】
従来、自動車用の燃料として、ガソリン等の化石燃料が大半を占めているが、近年、化石燃料の燃焼によって排出される二酸化炭素等が問題となっている。そのため、地球環境保護の観点から、化石燃料ではなく燃料電池で走行する自動車の開発が急ピッチで進んでおり、燃料電池自動車の実用化が１０〜１５年後にも実現しそうな情勢である。現在のところ、自動車用燃料電池の水素源として、３５０〜７００気圧の水素ガスを内蔵する水素タンクが使用されている。
【０００３】
一方、携帯型燃料電池用の水素発生方法としては、燃料電池の水素電極に直接メタノールを注入することによって、メタノールと水を分解反応させて水素ガスと炭酸ガスを得る直接メタノール型燃料電池が検討されている（特許文献１、特許文献２参照）。
【０００４】
また、燃料電池に室温で水素ガスを供給する方法として、水とアルミニウムを反応させて水素ガスを発生させる方法が知られている。例えば、アルミニウム粉末およびこれよりイオン化傾向の小さい金属粉末を混合した粉末に水を供給して、水を分解することにより水素を発生させる方法（特許文献３参照）、活性化処理されたアルミニウム微粒子で水を分解して水素ガスを発生させる方法（特許文献４参照）等が提案されている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−２７０２０９号公報
【特許文献２】特開２００１−１４３７１４号公報
【特許文献３】特開２００２−１０４８０１号公報
【特許文献４】特開２００４−２３１４６６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、水素タンクに水素を供給するためには、数多くの水素ステーションを設置しなければならず、安全性や建設コストを含めて大きな課題となっている。
また、上述の直接メタノール型燃料電池では、メタノールが電解質膜を透過する、２００°Ｃのメタノール分解の触媒温度が必要である、等の問題があり、実用化するには数多くの技術課題が残されている。
さらに、上述のアルミニウムを用いた水素ガス発生方法では、水との反応を開始させる際、水素ガスの発生までに時間がかかるうえ、反応により生ずる水素ガスの発生量が理論値と比較して十分とは言えず、多くの改善点がある。
自動車は、高速で走行するため、転倒や衝突などの障害が想定される機械であるので、安全性や使い勝手の良さ等が価格と同様に重要な要素となっている。そのため、現状の技術状況では、自動車への搭載に適した水素製造装置は、見当たらないのが現状である。
【０００７】
本発明は、このような現状に鑑みて開発されたものであって、自動車への搭載に適した水素製造装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者は、アルミニウム又はアルミニウム合金を水中において微粒子化し、活性化処理することにより、室温において水と反応して短時間に効率良く水素ガスを発生させる技術を開発し、その成果を開示している（例えば、特願２００３−３０４１０５、特願２００４−１２３５１７、特願２００４−２２９１７２、特願２００４−２４８４３０等）。
【０００９】
これらの技術により得られたアルミニウム微粒子（以下「活性アルミニウム微粒子」という）は、直径がナノスケールの亀裂が内部に密に分布しており、亀裂の周辺にアルミニウム水素化物（ＡｌＨ3 ）が蓄積した状態にある。換言すると、活性アルミニウム微粒子は、内部にアルミニウム水素化物が蓄積された微粒子である。活性アルミニウム微粒子の亀裂の先端では、水分子が分解され、水素化物が形成される。通常、水分子はイオン性が強く、イオン化機構により分解する考えられている（Ｈ2 Ｏ  →  Ｈ+ ＋ＯＨ- ）。しかし、亀裂先端のナノの細部には液体の水は存在せず、水和によるイオンの安定化は起こらない。亀裂先端への水分子の拡散は、亀裂壁面上の表面拡散により１分子ずつ移動すると考えられる。
【００１０】
活性アルミニウム微粒子による水分子分解と水素生成の全反応は、式（１）により表され、イオン反応機構ではなくラジカル反応機構により理解される。
Ａｌ＋（３／２）Ｈ2 Ｏ  →  （１／２）Ａｌ2 Ｏ3 ＋（３／２）Ｈ2   （１）
式（１）の反応は強い発熱反応であり、生成される反応熱は、８２０ｋＪ／ｍｏｌである。
このようにして生成された水素ガスは、燃料電池内において酸素分子と反応して、電気と熱に変換される。その反応は、
２Ｈ2 ＋Ｏ2   →  ２Ｈ2 Ｏ                                        （２）
により表され、得られるエネルギーは２９４ｋＪ／ｍｏｌであり、その７割が電力に変換される。また、式（２）の燃料電池反応に比較して式（１）の水素生成反応はより大きなエネルギーを放出するので、燃料電池自動車内での利用が期待される。
【００１１】
本発明者は、自動車への搭載の容易性を考慮して、活性アルミニウム微粒子を作る原料として、アルミフォイルを選定した。
【００１２】
本願請求項１に記載の水素製造装置は、アルミニウム材料から微粒子を製造するための微粒子製造部と、前記微粒子製造部の下方に配置され、前記微粒子製造部と連通した摩擦粉砕部と、前記摩擦粉砕部と連通した反応部とを備え、前記微粒子製造部には、前記アルミニウム材料を細かく粉砕するための一対の１次粉砕ローラと、前記１次粉砕ローラで粉砕されたアルミニウム片を更に細かく粉砕するための一対の２次粉砕ローラが設けられており、前記摩擦粉砕部には、２次粉砕ローラで細かく粉砕されたアルミニウム片を摩擦粉砕するための一対の摩擦粉砕ローラが設けられており、水素製造時に、前記微粒子製造部、前記摩擦粉砕部および前記反応部に水が充填されていることを特徴とするものである。
【００１３】
本願請求項２に記載の水素製造装置は、前記請求項１の装置において、前記アルミニウム材料が、厚さ５μｍ〜５０μｍのロール状のアルミフォイルであることを特徴とするものである。
【００１４】
本願請求項３に記載の水素製造装置は、前記請求項１又は２の装置において、前記１次粉砕ローラおよび前記２次粉砕ローラには、互いに噛み合うように配置された凹部と凸部が設けられていることを特徴とするものである。
【００１５】
本願請求項４に記載の水素製造装置は、前記請求項１から請求項３までのいずれか１項の装置において、前記一対の摩擦粉砕ローラが、異なる回転速度で回転するように構成されていることを特徴とするものである。
【００１６】
本願請求項５に記載の燃料電池自動車は、前記請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の水素製造装置を搭載したことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の水素製造装置を燃料電池自動車に搭載することにより、水素ステーションを必要とせずに、燃料電池自動車を安全かつ比較的容易に走行させることができる。本発明の水素製造装置では、水素生成時に発生する反応熱を有効に活用することもできる。本発明の水素製造装置は、燃料電池自動車以外にも、種々の発電装置や水素ステーション用水素製造機等にも適用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
次に図面を参照して、本発明の好ましい実施の形態に係る水素製造装置について説明する。図１は、本発明の好ましい実施の形態に係る水素製造装置を模式的に示した全体図である。図１において全体として参照符号１０で示される本発明の好ましい実施の形態に係る水素製造装置は、原料となるロール状アルミフォイルＡを保持するフォイルローラ１２を備えている。アルミフォイルＡは、後述する活性アルミニウム微粒子を得るため、５μｍ〜５０μｍの厚さを有するのが好ましい。
【００１９】
水素製造装置１０は又、微粒子製造部１４と、微粒子製造部１４の上部に配置され、フォイルローラ１２から供給されたアルミフォイルＡを１次粉砕する一対の１次粉砕ローラ１６と、微粒子製造部１４の下部に配置され、１次粉砕ローラ１６で１次粉砕されたアルミフォイル片Ａ′を更に細かく粉砕（２次粉砕）する一対の２次粉砕ローラ１８とを備えている。
【００２０】
１次粉砕ローラ１６には各々、図２に示されるように、互いに噛み合うように配置された凹部１６ａと凸部１６ｂが設けられており、アルミフォイルＡを各１次粉砕ローラ１６間の隙間に導入することにより、所定の大きさに粉砕されるようになっている。なお、図２では、凹部１６ａと凸部１６ｂは、矩形形の横断面を有するものとして示されているが、アルミフォイルＡを互いの隙間の間で所定の大きさに粉砕することができるのであれば、他の任意の形状（例えば、台形状横断面、三角形状横断面、楕円状横断面など）にしてもよい。
【００２１】
２次粉砕ローラ１８にも各々、１次粉砕ローラ１６と同様に、互いに噛み合うように配置された凹部１８ａと凸部１８ｂが設けられており（図３参照）、１次粉砕ローラ１６で１次粉砕されたアルミフォイル片Ａ′を一層細かく粉砕するようになっている。なお、２次粉砕ローラ１８に設けられる凹部１８ａ、凸部１８ｂは、細かく粉砕する必要上、１次粉砕ローラ１６に設けられる凹部１６ａ、凸部１６ｂよりも小さく作られている。また、凹部１８ａ、凸部１８ｂは、凹部１６ａ、凸部１６ｂと同様に、アルミフォイル片Ａ′を所定の大きさに粉砕することができるのであれば、任意の形状にしてもよい。
【００２２】
水素製造装置１０は又、微粒子製造部１４の下方に配置され、微粒子製造部１４と連通した摩擦粉砕部２０と、摩擦粉砕部２０内に配置され、微粒子製造部１４内で細かく破砕されたアルミフォイル片Ａ′′を摩擦粉砕する一対の摩擦粉砕ローラ２２とを備えている。
【００２３】
摩擦粉砕ローラ２２の各々の表面は、アルミフォイル片Ａ′を良好に摩擦粉砕するため、耐磨耗性の材料（例えば、セラミック）で形成するのが好ましい。また、摩擦粉砕ローラ２２は各々、異なる回転速度（例えば、一方の摩擦粉砕ローラ２２を速度ｖ1 、一方の摩擦粉砕ローラ２２をｖ2 （＞ｖ1 ）で回転させることができ、これによりアルミフォイル片Ａ′′を確実に摩擦粉砕し、活性アルミニウム微粒子＜Ａ＞を形成することができるようになっている。
【００２４】
水素製造装置１０は更に、摩擦粉砕部２０と連通した反応部２４を備えている。反応部２４内で発生した水素ガスは、昇圧ポンプ２６を用いて管路２８を介して貯蔵タンク３０に移送されるようになっている。また、反応部２４内の化学反応の際に生じた反応熱は、熱電素子３２に蓄積されるようになっている。さらに、水素製造工程において生ずるアルミナは、反応部２４の一角に設けられたアルミナ回収部２４ａに収集されるようになっている。
【００２５】
なお、水素製造時には、微粒子製造部１４、摩擦粉砕部２０、および反応部２４に、水が充填されている。また、図１における参照符号３４は、アルミフォイルＡをフォイルローラ１２から１次粉砕ローラ１６に供給するための送り機を表している。送り機３４は、公知のローラ型式のものを使用してよい。
【００２６】
以上のように構成された水素製造装置１０の作動について説明する。まず、送り機３４を駆動させ、アルミフォイルＡをフォイルローラ１２から１次粉砕ローラ１６に供給すると、アルミフォイルＡは、１次粉砕ローラ１６の凹部１６ａと凸部１６ｂにより、１次粉砕されて、所定の大きさのアルミフォイル片Ａ′になる。次いで、アルミフォイル片Ａ′を２次粉砕ローラ１８に供給すると、２次粉砕ローラ１８の凹部１８ａと凸部１８ｂにより、一層細かく粉砕されたアルミフォイル片Ａ′′になる。上述のように、微粒子製造部１４内が水で充填されているので、アルミフォイルＡの１次粉砕および２次粉砕は水中で実施される。
【００２７】
次いで、細かく粉砕されたアルミフォイル片Ａ′′は、摩擦粉砕部２０の摩擦粉砕ローラ２２に送られ、一対の摩擦粉砕ローラ２２間の隙間で摩擦粉砕される。この際、各摩擦粉砕ローラ２２が異なる速度で回転されるので、アルミフォイル片Ａ′′が水中において確実に摩擦粉砕される。
【００２８】
このようにして得られたアルミニウム微粒子は、図１に示されるように、反応部２４の底部に堆積し、水中において適温（１０°Ｃ〜６０°Ｃ）で放置されることにより次第に活性化され、活性アルミニウム微粒子＜Ａ＞となる。そして、活性アルミニウム微粒子＜Ａ＞は、水分子と反応して水素を生成する。生成された水素は、管路２８を介して、昇圧ポンプ２６により数十気圧程度に昇圧して貯蔵タンク３０に貯蔵される。なお、水素生成反応に際して発生される熱は、熱電素子３２に蓄積され、種々の用途に活用される。
【００２９】
一方、水素を生成したアルミニウム微粒子は、酸化物となって軽くなり、生成された水素ガスバブルとともに、反応部２４の上部に浮上するが、水素の生成を終了したアルミニウム微粒子はアルミナとなり、反応部２４の一角に設けられたアルミナ回収部２４ａに沈殿する。アルミナ回収部２４ａに沈殿したアルミナは、弁２４ｂを開閉して適宜回収される。
【００３０】
水素製造装置１０を燃料電池自動車に搭載することにより、自動車に、安全で使い勝手のよい燃料供給源を提供することができる。
【００３１】
図４は、水素生成材料としてのアルミフォイルの妥当性を検証するために行われた実験の結果を示したグラフである（実験では、厚さ１１μｍのアルミフォイルを使用した）。この実験では、水中において叩いて活性化した１ｍｍアルミフォイル片および約１ｍｍ、約３ｍｍにそれぞれ切断したアルミフォイル片に関して、水素発生量を比較したものである。図４に示されるように、叩いて活性化処理することにより得られたアルミフォイル片から、相当量の水素が発生していることが分かる。
【００３２】
本発明は、以上の発明の実施の形態に限定されることなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内で、種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。
【００３３】
たとえば、図示した水素製造装置の各部の形状は、単なる例示的なものにすぎず、アルミフォイルから活性化アルミニウム微粒子を形成することができるものであれば、図示した形状に限定されるものではない。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明の技術は、燃料電池自動車に用いられる他、家庭用のコジェネ型燃料電池や水素ステーションに設置される水素製造機としても利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の好ましい実施の形態に係る水素製造装置を模式的に示した全体図である。
【図２】図１の水素製造装置の１次粉砕ローラを示した図である。
【図３】図１の水素製造装置の２次粉砕ローラを示した図である。
【図４】アルミフォイルから製造される水素発生量を示したグラフである。
【符号の説明】
【００３６】
１０  水素製造装置
１２  フォイルローラ
１４  微粒子製造部
１６  １次粉砕ローラ
１８  ２次粉砕ローラ
２０  摩擦粉砕部
２２  摩擦粉砕ローラ
２４  反応部
２６  昇圧ポンプ
２８  管路
３０  貯蔵タンク
３２  熱電素子
３４  送り機
Ａ  アルミフォイル
Ａ′  １次粉砕されたアルミニウム片
Ａ′′２次粉砕されたアルミニウム片
＜Ａ＞  活性アルミニウム微粒子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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