氢气产生体、氢气产生装置、以及发电装置及驱动装置的制作方法

专利名称：氢气产生体、氢气产生装置、以及发电装置及驱动装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及产生氢气的氢气产生体以及使用该氢气产生体的氢气产生装置。本发明涉及应用氢气的发电装置以及驱动装置。
背景技术：
近年来，对有效地利用氢气的各种各样技术进行了开发。例如，燃料电池通过氢和氧的化学反应可以发电。此外，燃料电池除了其发电效率高之外，其排热也可以被利用(专利文献I)。此外，对通过直接燃烧氢而驱动的氢气引擎也进行了开发。因为氢气引擎作为废气主要排放出水蒸气，所以可以抑制如现有的汽油引擎那样的导致温室效应及环境污染的气体的排放，并且作为对环境负荷小的引擎其实用化受到期待。作为生成氢气的方法，已知例如利用水的电解的方法及对碳化氢进行改性的方法。[专利文献I]日本专利申请公开11-281072号公报但是，在生成氢气的方法中，当利用水的电解生成氢气时，需要多个电能级。此外，当采用对碳化氢进行改性而生成氢气的方法时，会产生二氧化碳等温室效应气体。并且，因为作为碳化氢使用石油等化石燃料或生质乙醇等，所以难以减轻对环境的负荷。另一方面，作为供应生成的氢气的方法，已提出了设立加氢站(hydrogen filling station)等，对气瓶等填充高压缩氢气等的方法，但是高压缩氢气的引起爆炸等的危险性高，所以又出现保管时及运输时的安全管理的问题。

发明内容
本发明是鉴于上述技术背景而提出的。从而本发明的一个方式的课题之一是提供能够高效且稳定地供应氢气，安全且对环境负荷小的氢气产生体。此外，本发明的一个方式的课题之一是提供应用该氢气产生体的氢气产生装置。此外，本发明的一个方式的课题之一是提供应用该氢气产生装置的发电装置以及驱动装置。为了解决上述课题，本发明着眼于由硅和水的氧化还原反应产生氢(H2)的现象。 可以通过使在金属表面上形成有表面积大的硅微小结构物的氢气产生体与水接触，高效地产生氢气。此外，可以利用金属表面和娃微小结构物之间的金属娃化物层忙藏氢气。就是说，本发明的一个方式是通过接触于水而产生氢气的氢气产生体，包括具有金属表面的基底以及基底上的针状或穹顶状的硅结构物，硅结构物的高度为O. Ιμ 以上且1000 μ m以下，直径为30nm以上且IOym以下。根据上述本发明的一个方式，可以通过硅还原水而产生氢气，所以可以在不消耗大量能量的情况下获得氢气。此外，该反应的副产物只有氧化硅，不形成成为环境负荷的温室效应气体等副产物，所以可以将对环境的负荷降低为极小，。
此外，硅结构物的形状是其表面积极大的微小针状或穹顶状，可以利用该大表面积闻效地广生氧气，并且不残留未反应的娃，所以可以提闻材料效率。该娃结构物的闻度优选为O. Ιμ 以上且1000 μ m以下，直径优选为30nm以上且IOym以下。该微小硅结构物可以通过对具有金属表面的基底沉积硅而形成。本发明的一个方式的硅结构物的特征在于形成在基底上。例如，当将粉末状的硅用作氢气产生体时该粉末状的硅在水中凝集或沉淀，因此为了使反应高效地进行需要搅拌以分散该凝集或沉淀于水中的硅，并且为了回收反应之后的副产物需要进行过滤或离心分离。此外例如，当将通过压缩粉末而成为固体化的硅用作氢气产生体时其表面积相对于其体积变小，因此未反应的部分残留下来而降低了氢气的产生效率。因此，通过在基底上形成表面积大的微小硅结构物，不但可以保持氢气的产生效率而且可以使反应之后的回收工作变得容易。本发明的一个方式是其基底具有导电性或导热性的上述氢气产生体。根据上述本发明的一个方式，由于可以通过通电或接触于热源来加热基底，因此当氢气产生量减小时通过加热基底可以提高硅结构物和水的反应性，来可以高效且稳定地
产生氢气。此外，本发明的一个方式是在上述基底和硅结构物之间具有由硅化物构成的氢气忙藏层的上述氢气产生体。根据上述本发明的一个方式，通过利用设置在基底和硅微小结构物之间的硅化物层，可以贮藏硅微小结构物产生的氢气。从而，可以安全地贮藏且运输氢气。被贮藏的氢气可以通过加热基底等而加热该硅化物层来释放。此外，本发明的一个方式是上述氢气产生体，其中硅化物包含Ti或Ni中的任何一个的上述氢气产生体。当上述硅化物包含Ti时，可以以高密度形成硅的微小结构物。此外，当上述硅化物包含Ni时，不但可以提高氢气的贮藏量，而且同时可以以低温释放氢气。本发明的一个方式是一种氢气产生装置，其中其包括的外装部件具有气体取出部和水导入部，并且该外装部件的内部具有上述氢气产生体。通过对具有上述氢气产生体且在外装部件中设置有气体取出部的氢气产生装置内导入水，可以从氢气产生体取出氢气。这样的结构的氢气产生装置可以安全地对氢气进行保管和运输，而在不导入水的状态下不产生氢气。此外本发明的一个方式是具有上述氢气产生装置和燃料电池的发电装置。另外本发明的一个方式是具有该氢气产生装置和氢气引擎的驱动装置。通过将这样的氢气产生装置连接到燃料电池，可以制造安全且对环境负荷小的发电装置。而且，通过组合氢气引擎可以制造对环境负荷更小的驱动装置。注意，在本说明书等中，在由硅构成的微小结构物中，将为针状(包括棒状、枝状) 的形状描述为针状的硅结构物。另一方面，将为穹顶状(包括半球状及其顶端为半球状的柱状)的形状描述为穹顶状的硅结构物。注意，有时将它们概括为硅结构物。本发明可以提供能够高效且稳定地供应氢气，安全且对环境负荷小的氢气产生体以及氢气产生装置。此外，可以提供使用该氢气产生装置，安全且对环境负荷小的发电装置以及驱动装置。


图IA至图IC是说明本发明的一个方式的氢气产生体的图；图2是说明本发明的一个方式的氢气产生体的图；图3是说明本发明的一个方式的氢气产生体的图；图4A和图4B是说明本发明的一个方式的氢气产生体的图；图5A至图5C是说明本发明的一个方式的氢气产生装置的图；图6A至图6C是说明本发明的一个方式的电动汽车及氢气汽车的图；图7A和图7B是根据实施例I的SEM观测图；图8A和图8B是根据实施例2的SEM观测图；图9A和图9B是根据实施例4的TDS测定结果；图IOA和图IOB是根据实施例4的TDS测定结果。
具体实施例方式参照附图对实施方式进行详细说明。但是，本发明不局限于以下说明，而所属技术领域的普通技术人员可以很容易地理解一个事实就是其方式及详细内容在不脱离本发明的宗旨及其范围的情况下可以被变换为各种各样的形式。因此，本发明不应该被解释为仅局限在以下所示的实施方式所记载的内容中。注意，以下说明的发明结构中，在不同的附图中共同使用相同的附图标记来表示相同的部分或具有相同功能的部分，而省略反复说明。另外，有时为了明确起见，夸大表示用于说明本发明的附图中的各结构的尺寸、层的厚度或区域。因此，它们不一定局限于附图中所示的尺度。实施方式I在本实施方式中，使用图IA至图IC说明本发明的一个方式的具有硅微小结构物的氢气产生体的一例。〈基本结构例〉图IA是示意性地示出本发明的一个方式的氢气产生体的图。氢气产生体100具有接触于基底101上的硅化物层103以及接触于硅化物层103 上的硅结构物105。作为基底101，可以使用具有导电性或导热性的材料。并且，可以使用与硅起反应而形成硅化物的材料。作为形成硅化物的材料，可以举出钛(Ti)、镍(Ni)、钴(Co)、锆(Zr)、 铪(Hf)、钒(V)、铌(Nb)、钽(Ta)、铬(Cr)、钥(Mo)钨(W)等。此外，通过作为基底101使用具有柔性的基底，例如使用薄金属片等可以加工为任意的形状，可以扩大氢气产生体的用途，所以是优选的。此外基底101可以是具有表面的有形结构体，除了板状及片状以外，还可以是棒状、筒状。并且其表面既可以是平面又可以是曲面。硅化物层103是由包含构成基底101的材料的硅化物构成的层。此外，硅化物层 103的组成不一定是均匀的，有时在膜厚方向上离基底101越远，构成硅化物层103的硅的
比率越高。硅结构物105是由硅(Si)构成的针状或穹顶状的微小结构物，且接触于硅化物层103形成。硅结构物105优选为如下微小结构物，其高度为O. I μ m以上且1000 μ m以下，其直径为30nm以上且10 μ m以下。在此硅结构物的高度是指硅结构物的最长轴的长度，硅结构物的直径是指当以垂直于硅结构物的最长轴的方式切断时的近似椭圆形的最大截面的最长直径。。这样形状的微小硅结构物的表面积极大，当在后面说明的氢气的产生时，可以使接触于水的面积变得大，因此可以高效地产生氢气。此外，娃结构物105也可以具有结晶性。具有结晶性的娃结构物105可以提闻纯度，而可以使每单位面积的氢气产生量变大，所以是优选的。〈氢气的产生方法〉通过使氢气产生体100接触于水，可以产生氢气。具体地说，通过硅和水的氧化还原反应，生成氧化硅和氢气。这个反应式可以表示为如下算式。[算式I]
权利要求
1.一种氢气产生装置包括氢气产生体，包括基底；以及所述基底上的硅结构物，该硅结构物的高度为O. Iym以上且IOOOym以下，直径为 30nm以上且10 μ m以下，其中，所述氢气产生体通过接触于水而产生氢气。
2.根据权利要求I所述的氢气产生装置，其中所述硅结构物为针状。
3.根据权利要求I所述的氢气产生装置，其中所述硅结构物为穹顶状。
4.根据权利要求I所述的氢气产生装置，其中所述基底具有导电性或导热性。
5.根据权利要求I所述的氢气产生装置，还包括具备气体取出部和水导入部的外装部件，该外装部件包括所述氢气产生体。
6.一种包括根据权利要求5所述的氢气产生装置以及燃料电池的发电装置。
7.一种包括根据权利要求5所述的氢气产生装置以及氢气引擎的驱动装置。
8.一种氢气产生装置包括氢气产生体，包括包括金属表面的基底；以及所述基底上的硅结构物，该硅结构物的高度为O. Iym以上且IOOOym以下，直径为 30nm以上且10 μ m以下，其中，所述氢气产生体通过接触于水而产生氢气。
9.根据权利要求8所述的氢气产生装置，其中所述硅结构物为针状。
10.根据权利要求8所述的氢气产生装置，其中所述硅结构物为穹顶状。
11.根据权利要求8所述的氢气产生装置，其中所述基底具有导电性或导热性。
12.根据权利要求8所述的氢气产生装置，还包括所述基底和所述硅结构物之间的包括硅化物的氢气贮藏层。
13.根据权利要求12所述的氢气产生装置，其中所述硅化物包括Ti和Ni中的任何一个。
14.根据权利要求8所述的氢气产生装置，还包括具备气体取出部和水导入部的外装部件，该外装部件包括所述氢气产生体。
15.一种包括根据权利要求14所述的氢气产生装置以及燃料电池的发电装置。
16.一种包括根据权利要求14所述的氢气产生装置以及氢气引擎的驱动装置。
17.一种氢气产生装置包括氢气产生体，包括基底；所述基底上的金属层；以及所述金属层上的硅结构物，该硅结构物的高度为O. Ιμ 以上且1000 μ m以下，直径为 30nm以上且10 μ m以下，其中，所述氢气产生体通过接触于水而产生氢气。
18.根据权利要求17所述的氢气产生装置，其中所述硅结构物为针状。
19.根据权利要求17所述的氢气产生装置，其中所述硅结构物为穹顶状。
20.根据权利要求17所述的氢气产生装置，其中所述基底具有导电性或导热性。
21.根据权利要求17所述的氢气产生装置，还包括所述基底和所述金属层之间的包括娃化物的氢气忙藏层。
22.根据权利要求21所述的氢气产生装置，其中所述硅化物包括Ti和Ni中的任何一个。
23.根据权利要求17所述的氢气产生装置，还包括具备气体取出部和水导入部的外装部件，该外装部件包括所述氢气产生体。
24.一种包括根据权利要求23所述的氢气产生装置以及燃料电池的发电装置。
25.—种包括根据权利要求23所述的氢气产生装置以及氢气引擎的驱动装置。
全文摘要
本发明的课题之一是提供能够高效且稳定地供应氢气，并且安全且对环境负荷小的氢气产生体。此外，本发明的课题之一是提供适用了该氢气产生体的氢气产生装置。另外，本发明的课题之一是提供适用了该氢气产生装置的发电装置以及驱动装置。可以通过使用在基底上形成有针状或穹顶状的硅微小结构物的氢气产生体，使针状或穹顶状的硅微小结构物和水起反应来高效地产生氢气。此外，可以将该氢气产生体适用于氢气产生装置。并且，将该氢气产生装置适用于发电装置及驱动装置。
文档编号H01M8/04GK102610837SQ20121003115
公开日2012年7月25日 申请日期2012年1月20日 优先权日2011年1月21日
发明者吉住健辅, 吉富修平, 横井智和 申请人:株式会社半导体能源研究所