JP2003171111A - 水素貯蔵用炭素材料 - Google Patents

水素貯蔵用炭素材料

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JP2003171111A
JP2003171111A JP2001369892A JP2001369892A JP2003171111A JP 2003171111 A JP2003171111 A JP 2003171111A JP 2001369892 A JP2001369892 A JP 2001369892A JP 2001369892 A JP2001369892 A JP 2001369892A JP 2003171111 A JP2003171111 A JP 2003171111A
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Kazuhiko Shindo
一彦 新藤
Toshihiko Kondo
利彦 近藤
Masayasu Arakawa
正泰 荒川
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  • Solid-Sorbent Or Filter-Aiding Compositions (AREA)
  • Hydrogen, Water And Hydrids (AREA)
  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】人間社会から自然界に排出される比較的低温な
273K−373Kの下で、水素吸蔵/放出特性を向上
させるため活性炭素材料の細孔へ水素分子に対する強い
吸着ポテンシャルを付加させ、ナノサイズ領域で細孔直
径を制御する水素貯蔵用炭素材料を提供する。 【解決手段】0.3nm以上1.5nm以下の細孔直径
を有することを特徴とするものであり、特に0.3nm
以上1.5nm以下の細孔直径、50m2/g以上80
0m2/g以下の比表面積、かつ0.01ml/g以上
0.3ml/g以下の細孔容積を有する活性炭素材料を
水素貯蔵用炭素材料とする。 【効果】273K−373Kの温度領域で高水素吸蔵能
を示すことが可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【技術分野】本発明は、水素吸蔵/放出特性の向上を実
現するために水素分子に対する強い吸着ポテンシャルを
付加させる細孔直径を有する水素貯蔵用炭素材料に関す
るものである。
【0002】
【従来技術】近年、化石燃料枯渇の問題や地球環境の保
全の観点から、無尽蔵に存在する風力や太陽光等の自然
エネルギーを利用する新エネルギー発電システムや水の
電気分解の逆反応を利用した燃料電池システムが注目を
浴びている。燃料もCO2を排出する石油や石炭からク
リーンな水素の利用を目指す試みが世界的に始まってい
る。また、IT産業の発展や携帯電話の普及により、こ
れらの端末にもマイクロ燃料電池の搭載が検討され、燃
料源となる水素の貯蔵媒体へより一層の高容量、小型、
軽量化なる要求条件が求められている。
【0003】最近、カーボンナノチューブ(CNT)や
グラファイトナノファイバー(GNF)なる特異な構造
を有する炭素材料が多量の水素を吸蔵することが報告さ
れ、水素貯蔵媒体の要求条件の実現が期待されている。
しかし、未だ研究段階であると同時に、データの再現性
の問題や水素貯蔵能を有するCNTやGNFの量産技術
の未確立のため、実用化には程遠い。
【0004】一方、高純度なグラファイト粉末を室温、
1MPaの水素雰囲気下で機械的粉砕法(Mechan
ical Grinding、以下MGと称す)により
ナノ構造化させたグラファイト粉末中に7.6wt%の
水素吸蔵が報告されてから、市販炭素材料でも室温付近
で水素吸蔵の可能性が示唆された。
【0005】市販炭素材料の中でも活性炭は古くから水
素を吸蔵することが知られている。しかしながら、活性
炭が水素吸蔵能を示すのは液体窒素温度(77K)付近
の低温領域のみであることから、高圧容器の他に冷媒と
して液体窒素、高圧容器を保冷するためのデュワー瓶が
必要であり、大規模なシステムと高コストを要すため活
性炭を水素吸蔵材料として実用化するのは困難であっ
た。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、上記
現状を改良し、人間社会から自然界に排出される比較的
低温な273K−373Kの下で、水素吸蔵/放出特性
を向上させるため活性炭素材料の細孔へ水素分子に対す
る強い吸着ポテンシャルを付加させ、ナノサイズ領域で
細孔直径を制御することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】かかる目的を達成するた
めに、本発明による水素貯蔵用炭素材料は、0.3nm
以上1.5nm以下の細孔直径を有することを特徴とす
るものであり、特に0.3nm以上1.5nm以下の細
孔直径、50m2/g以上800m2/g以下の比表面
積、かつ0.01ml/g以上0.3ml/g以下の細
孔容積を有する活性炭素材料を提案するものである。
【0008】本発明を図を用いてさらに詳しく説明す
る。
【0009】該活性炭素材料の特徴は、通常の活性炭素
材料より近距離の秩序性が向上していることである。通
常の活性炭は微結晶炭素と呼ばれ、ミクログラファイト
が二次元もしくは三次元的に高次構造を組み、それらの
空隙が細孔となっている。
【0010】本発明による炭素材料の構造概念図を図1
に示す。図中、1はMG処理前の活性炭素の構造、2は
MG処理後の活性炭素の構造、3は活性炭素の近距離秩
序の様子を示している。炭素材料をMG処理して粉砕す
ることによって、炭素材料は微細化され、かつ近距離秩
序性が向上していることがわかる。活性炭素材料はMG
処理することにより、通常の活性炭の比表面積1000
2/g〜3000m2/g程度、細孔容積0.3ml/
g〜0.8ml/g程度より、比表面積50m 2/g以
上800m2/g以下、かつ細孔容積0.01ml/g
以上0.3ml/g以下と小さくなる。
【0011】しかし、細孔直径を通常の2nm〜50n
m程度より小さく、かつ水素分子直径(0.289n
m)より大きな0.3nm以上1.5nm以下の範囲に
制御することにより、水素分子に対し強い吸着ポテンシ
ャルを付加させることが可能となる。また、MG処理は
特異吸着能を示すエッジ面を集中的に露出させ、かつ細
孔入口付近及びエッジ面にダングリングボンドを形成す
ることを助長するため、それらの相乗効果により室温付
近でも多量の水素吸蔵が可能となる。
【0012】代表的な活性炭素材料は活性炭(Acti
ve Carbon、以下AC)、活性炭素繊維(Ac
tivated Carbon Fiver、以下AC
F)、アセチレンブラック(Acetylene Bl
ack、以下AB)等のいずれかあるいはこれらの一種
以上の混合物である。
【0013】このような効果は従来の活性炭を用いては
期待できなかった。即ち、従来用いられた活性炭は、水
素分子直径の約10倍以上の細孔径であり、水素分子に
対する吸着ポテンシャルが弱く、かつダングリングボン
ドを有するエッジ面の集中的な露出度が不十分なため室
温付近で水素吸着が困難であった。
【0014】本発明における水素分子に対する強い吸着
ポテンシャルを付加させる細孔直径を有する活性炭素材
料を水素貯蔵材料に適用することにより、従来深刻な問
題であった活性炭への水素貯蔵時の液体窒素とデュワー
瓶が不用となり、該活性炭素材料は室温付近で効果的に
水素の吸蔵/放出を可能としたものである。
【0015】該活性炭素材料はAC、ACF、AB等の
試料をボウルミリングすることにより作製することがで
きる。図2にMG処理時間(0〜100時間)によるA
CのX線回折パターンの変化を示す。図中、4はMG処
理していないサンプルのX線回折パターン、5は0.5
時間MG処理したサンプルのX線回折パターン、6は3
時間MG処理したサンプルのX線回折パターン、7は5
時間MG処理したサンプルのX線回折パターン、8は1
0時間MG処理したサンプルのX線回折パターン、9は
20時間MG処理したサンプルのX線回折パターン、1
0は100時間MG処理したサンプルのX線回折パター
ンを示す。26°付近のブロードなピークはMG処理時
間と共に高角度側へシフトし、ピーク強度も増大する。
これはMG処理により微結晶炭素であるACの近距離秩
序性が向上したことを示している。
【0016】比表面積、細孔容積及び細孔径の大きさは
試料とボウルの数、大きさ、ミリング時間等によって決
定される。
【0017】一例として、45mlクロム鋼容器内に7
φクロム鋼ボウル22ケと試料を混入し、回転数400
rpmでMG処理した場合を挙げる。図3にMG処理時
間によるACの比表面積及び細孔容積の変化を示す。図
3中、11は0.5時間MG処理したサンプルの比表面
積、12は1時間MG処理したサンプルの比表面積、1
3は3時間MG処理したサンプルの比表面積、14は5
時間MG処理したサンプルの比表面積、15は10時間
MG処理したサンプルの比表面積、16は20時間MG
処理したサンプルの比表面積、17は50時間MG処理
したサンプルの比表面積、18は80時間MG処理した
サンプルの比表面積、19は100時間MG処理したサ
ンプルの比表面積を示す。さらに20は0.5時間MG
処理したサンプルの細孔容積、21は1時間MG処理し
たサンプルの細孔容積、22は3時間MG処理したサン
プルの細孔容積、23は5時間MG処理したサンプルの
細孔容積、24は10時間MG処理したサンプルの細孔
容積、25は20時間MG処理したサンプルの細孔容
積、26は50時間MG処理したサンプルの細孔容積、
27は80時間MG処理したサンプルの細孔容積、28
は100時間MG処理したサンプルの細孔容積を示す。
【0018】また、図4に細孔直径及び粒度の変化を示
す。図4中、29は0.5時間MG処理したサンプルの
細孔直径、30は1時間MG処理したサンプルの細孔直
径、31は3時間MG処理したサンプルの細孔直径、3
2は5時間MG処理したサンプルの細孔直径、33は1
0時間MG処理したサンプルの細孔直径、34は20時
間MG処理したサンプルの細孔直径、35は50時間M
G処理したサンプルの細孔直径、36は80時間MG処
理したサンプルの細孔直径、37は100時間MG処理
したサンプルの細孔直径、38は0.5時間MG処理し
たサンプルの粒径、39は1時間MG処理したサンプル
の粒径、40は3時間MG処理したサンプルの粒径、4
1は5時間MG処理したサンプルの粒径、42は10時
間MG処理したサンプルの粒径、43は20時間MG処
理したサンプルの粒径、44は50時間MG処理したサ
ンプルの粒径、45は80時間MG処理したサンプルの
粒径、46は100時間MG処理したサンプルの粒径を
示す。
【0019】MG処理時間と共に比表面積、細孔容積、
細孔直径は単調に減少するが、粒度は20時間を超える
と増大する。
【0020】特に20時間以上のMG処理では結晶粒界
の凝集による細孔の閉塞やエッジ面の潰れが起こりはじ
め、有効な水素吸着サイトの低減、かつ水素吸着ポテン
シャルの低下をもたらすと共に、水素吸着に適した細孔
の分布やエッジ面の露出度の極端な低下をもたらし、該
活性炭素材料の特徴を活かすことが困難となる。つま
り、該活性炭素材料を製造するためには、0.5時間以
上20時間以下のMG処理が好ましい。これらの傾向は
他の活性炭素材料でも同様である。
【0021】以下に、本発明の実施例について詳述する
が、本発明は何らこれらの実施例に限定されることはな
い。
【0022】
【実施例1】比表面積2400m2/g、細孔容積0.
6ml/g、細孔直径37nmのACF0.3gをピン
セットで解したものを45mlクロム鋼容器内に7φク
ロム鋼ボウル22ケと混入し、回転数400rpmで5
時間回転粉砕を行った。粉砕後の比表面積は450m2
/g、細孔容積は0.2ml/g、細孔直径は1.2n
mであった。
【0023】この試料を400℃、3時間真空脱気した
後、高圧水素雰囲気におけるPCT(Pressure
−Composition−Temperature)
装置により278K(符号47)、298K(符号4
8)、373K(符号49)における水素吸蔵/放出特
性を評価した。
【0024】結果を図5に示す。温度の上昇と共に水素
吸蔵/放出特性は低下するが、298K、9MPaで有
効水素量5.6wt%を確認した。また、MG処理して
いない試料(符号50)では、最高278K、9MPa
で有効水素量0.3wt%を示しただけであった。
【0025】本発明の活性炭素材料は、MG処理で細孔
へ水素分子に対する強い吸着ポテンシャルを付加させる
ことにより、278K−373Kの温度領域において大
きな水素吸蔵能を示し、良好な水素吸蔵/放出特性を示
すことがわかった。
【0026】
【実施例2】比表面積が1500m2/gのAC粉末
0.3gを45mlクロム鋼容器内に7φクロム鋼ボウ
ル22ケと混入し、回転数400rpmで0.5時間、
3時間、10時間、20時間、50時間、100時間回
転粉砕を行った。粉砕後の比表面積、細孔容積、細孔直
径及び粒径を表1に示す。
【0027】表1
【表1】
【0028】これらの試料を400℃、3時間真空脱気
した後、298K、9MPaの高圧水素雰囲気下で磁気
天秤を用いた重量変化により水素吸蔵/放出特性を評価
した。
【0029】結果を図6に示す。図6中、51は0.5
時間MG処理したサンプルの水素量、52は3時間MG
処理したサンプルの水素量、53は5時間MG処理した
サンプルの水素量、54は20時間MG処理したサンプ
ルの水素量、55は50時間MG処理したサンプルの水
素量、56は100時間MG処理したサンプルの水素量
を示す。
【0030】粉砕時間が増大すると共に水素吸蔵量も増
大するが、粉砕時間50時間からは水素吸蔵量も減少し
た。これは長時間の回転粉砕により結晶粒界が凝集し、
細孔を塞ぎ、水素分子より小さな細孔直径となるためで
ある。
【0031】各粉砕時間における水素吸蔵量はそれぞれ
0.3wt%(粉砕時間0の時)、5.0wt%(符号
51)、5.2wt%(符号52)、5.6wt%(符号
53)、5.4wt%(符号54)、2.1wt%(符
号55)、1.3wt%(符号56)であった。また、
同条件下でサイクルを重ねた結果、同様な水素吸蔵量を
示した。
【0032】本発明の活性炭素材料は、MG処理で細孔
直径を0.3nm〜1.5nm、比表面積を50m2
g〜800m2/g、かつ細孔容積を0.01ml/g
〜0.3ml/gに制御することにより、大きな水素吸
蔵能を示すと共に、良好な水素吸蔵/放出特性を示すこ
とがわかった。
【0033】
【実施例3】比表面積1200m2/g、細孔容積0.
6ml/gのAC、AB粉末及びピンセットで解したA
CF0.3gをそれぞれ300℃、2時間真空脱気処理
した後、45ml高圧クロム鋼容器内に7φクロム鋼ボ
ウル22ケと混入し、回転数400rpmで1MPa、
2MPa、5MPa、8MPaの水素雰囲気下において
10時間回転粉砕を行った。粉砕後のAC、AB、AC
Fの比較表面積、細孔容積、細孔直径及び粒径を表2、
表3、表4にそれぞれ示す。
【0034】表2
【表2】
【0035】表3
【表3】
【0036】表4
【表4】
【0037】水素吸蔵特性の結果を図7に示す。図7
中、57は水素圧1MPa下でMG処理したACFの水
素量、58は水素圧2MPa下でMG処理したACFの
水素量、59は水素圧5MPa下でMG処理したACF
の水素量、60は水素圧8MPa下でMG処理したAC
Fの水素量、61は水素圧1MPa下でMG処理したA
Cの水素量、62は水素圧2MPa下でMG処理したA
Cの水素量、63は水素圧5MPa下でMG処理したA
Cの水素量、64は水素圧8MPa下でMG処理したA
Cの水素量、65は水素圧1MPa下でMG処理したA
Bの水素量、66は水素圧2MPa下でMG処理したA
Bの水素量、67は水素圧5MPa下でMG処理したA
Bの水素量、68は水素圧8MPa下でMG処理したA
Bの水素量を示す。
【0038】それぞれの試料において、圧力増大と共に
水素量は増大するが、5MPa以上の水素雰囲気下では
水素量に変化はなかった。吸蔵量はどの水素雰囲気下で
もACFが最大で、次にAC、ABの順となった。吸蔵
量の最大値はそれぞれ8.1wt%(符号59)、7.
3wt%(符号63)、6.5wt%(符号67)であっ
た。また、水素吸蔵した試料をDSC(Differe
ncial Scanning Calorimetr
y)測定したところ、350K〜373Kの領域に吸熱
ピークを観測し、重量もほぼ吸蔵前に戻り、吸蔵水素が
放出したことを確認した。
【0039】本発明の活性炭素材料は、水素雰囲気中の
MG処理により室温で大きな水素吸蔵能を示し、かつ3
73K程度の温度下で水素放出を示すことがわかった。
【0040】
【発明の効果】以上述べたように、本発明の水素貯蔵用
炭素材料は、MG処理で水素分子に対する強い吸着ポテ
ンシャルを付加させ、ナノサイズ領域で細孔直径を制御
することにより、273K−373Kの温度領域で高水
素吸蔵能を示すことが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図1】MG処理した活性炭素材料の構造概念の一例を
示した図。
【図2】活性炭素材料のX線回折強度のMG時間変化の
一例を示す図。
【図3】活性炭素材料の比表面積及び細孔容積のMG時
間変化の一例を示す図。
【図4】活性炭素材料の細孔直径及び粒径のMG時間変
化の一例を示す図。
【図5】実施例1における試験結果を示す図。
【図6】実施例2における試験結果を示す図。
【図7】実施例3における試験結果を示す図。
【符号の説明】
1 MG処理前の活性炭素の構造 2 MG処理後の活性炭素の構造 3 MG処理後の活性炭素の近距離秩序 4 MG処理していないサンプルのX線回折パター
ン 5 0.5時間MG処理したサンプルのX線回折パ
ターン 6 3時間MG処理したサンプルのX線回折パター
ン 7 5時間MG処理したサンプルのX線回折パター
ン 8 10時間MG処理したサンプルのX線回折パタ
ーン 9 20時間MG処理したサンプルのX線回折パタ
ーン 10 100時間MG処理したサンプルのX線回折
パターン 11 0.5時間MG処理したサンプルの比表面積 12 1時間MG処理したサンプルの比表面積 13 3時間MG処理したサンプルの比表面積 14 5時間MG処理したサンプルの比表面積 15 10時間MG処理したサンプルの比表面積 16 20時間MG処理したサンプルの比表面積 17 50時間MG処理したサンプルの比表面積 18 80時間MG処理したサンプルの比表面積 19 100時間MG処理したサンプルの比表面積 20 0.5時間MG処理したサンプルの細孔容積 21 1時間MG処理したサンプルの細孔容積 22 3時間MG処理したサンプルの細孔容積 23 5時間MG処理したサンプルの細孔容積 24 10時間MG処理したサンプルの細孔容積 25 20時間MG処理したサンプルの細孔容積 26 50時間MG処理したサンプルの細孔容積 27 80時間MG処理したサンプルの細孔容積 28 100時間MG処理したサンプルの細孔容積 29 0.5時間MG処理したサンプルの細孔直径 30 1時間MG処理したサンプルの細孔直径 31 3時間MG処理したサンプルの細孔直径 32 5時間MG処理したサンプルの細孔直径 33 10時間MG処理したサンプルの細孔直径 34 20時間MG処理したサンプルの細孔直径 35 50時間MG処理したサンプルの細孔直径 36 80時間MG処理したサンプルの細孔直径 37 100時間MG処理したサンプルの細孔直径 38 0.5時間MG処理したサンプルの粒径 39 1時間MG処理したサンプルの粒径 40 3時間MG処理したサンプルの粒径 41 5時間MG処理したサンプルの粒径 42 10時間MG処理したサンプルの粒径 43 20時間MG処理したサンプルの粒径 44 50時間MG処理したサンプルの粒径 45 80時間MG処理したサンプルの粒径 46 100時間MG処理したサンプルの粒径 47 MG処理したサンプルの278KにおけるP
CT曲線 48 MG処理したサンプルの298KにおけるP
CT曲線 49 MG処理したサンプルの373KにおけるP
CT曲線 50 MG処理していないサンプルの278Kにお
けるPCT曲線 51 0.5時間MG処理したサンプルの水素量 52 3時間MG処理したサンプルの水素量 53 5時間MG処理したサンプルの水素量 54 20時間MG処理したサンプルの水素量 55 50時間MG処理したサンプルの水素量 56 100時間MG処理したサンプルの水素量 57 水素圧1MPa下でMG処理したACFの水
素量 58 水素圧2MPa下でMG処理したACFの水
素量 59 水素圧5MPa下でMG処理したACFの水
素量 60 水素圧8MPa下でMG処理したACFの水
素量 61 水素圧1MPa下でMG処理したACの水素
量 62 水素圧2MPa下でMG処理したACの水素
量 63 水素圧5MPa下でMG処理したACの水素
量 64 水素圧8MPa下でMG処理したACの水素
量 65 水素圧1MPa下でMG処理したABの水素
量 66 水素圧2MPa下でMG処理したABの水素
量 67 水素圧5MPa下でMG処理したABの水素
量 68 水素圧8MPa下でMG処理したABの水素
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 荒川 正泰 東京都千代田区大手町二丁目3番1号 日 本電信電話株式会社内 Fターム(参考) 4G040 AA36 AA42 4G046 HA10 HB02 HB05 HC14 4G066 AA04B AA05B AA06D BA23 BA25 BA26 BA31 BA36 CA38 DA01 EA20 FA17 FA33 FA35 GA01

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 0.3nm以上1.5nm以下の細孔直
    径を有する活性炭素材料であることを特徴とする水素貯
    蔵用炭素材料。
  2. 【請求項2】 該活性炭素材料は50m2/g以上80
    0m2/g以下の比表面積、かつ0.01ml/g以上
    0.3ml/g以下の細孔容積を有することを特徴とす
    る請求項1記載の水素貯蔵用炭素材料。
  3. 【請求項3】 該活性炭素材料は炭素材料を0.5時間
    以上20時間ボウルミリングし、粉砕することにより作
    製したことを特徴とする請求項1または2記載の水素貯
    蔵用炭素材料。
  4. 【請求項4】 該活性炭素材料は炭素材料を5MPa以
    下の水素雰囲気下で粉砕することにより作製されたこと
    を特徴とする請求項3記載の水素貯蔵用炭素材料。
  5. 【請求項5】 該活性炭素材料は活性炭、活性炭素繊
    維、アセチレンブラックのいずれかあるいはこれらの一
    種以上の混合物であることを特徴とする請求項1〜4の
    いずれか1項記載の水素貯蔵用炭素材料。
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JP2008093661A (ja) * 2006-10-12 2008-04-24 Bluecher Gmbh 活性炭に基づく高性能吸着剤
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