JP2004083967A - Method for producing hydrogen storage material and hydrogen storage material - Google Patents

Method for producing hydrogen storage material and hydrogen storage material Download PDF

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JP2004083967A JP2002244544A JP2002244544A JP2004083967A JP 2004083967 A JP2004083967 A JP 2004083967A JP 2002244544 A JP2002244544 A JP 2002244544A JP 2002244544 A JP2002244544 A JP 2002244544A JP 2004083967 A JP2004083967 A JP 2004083967A
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hydrogen storage
alloy
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Katsumi Miyashita
宮下 克己
Hidesumi Moriai
森合 英純
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Hitachi Cable Ltd
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Hitachi Cable Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for producing a low-cost hydrogen storage material which has a high hydrogen storage content at a low temperature, and has excellent mass-productivity, and to provide a hydrogen storage material. <P>SOLUTION: Either Mg or Mg alloy, and either Nb or Nb-V alloy are stacked to form a stacked body (steps S1 to S4); the stacked body is subjected to machining so as to be a fine wire shape or a sheet shape, and also so as to control the average thickness of the Mg layer formed of Mg or Mg alloy to ≤1 [μm] (steps S5 to S15); and the stacked body after the machining is subjected to heat treatment so as to rearrange the crystal orientation of the Mg layer (a step S16). <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水素吸蔵材の製造方法および水素吸蔵材に係り、線状あるいはシート状の水素吸蔵材の製造方法および水素吸蔵材に関する。
【0002】
【従来の技術】
車両用燃料電池の開発において、燃料である水素を直接搭載する方法としては、
▲1▼高圧水素ボンベ
▲2▼水素吸蔵合金
の二つが有力である。
【0003】
これらのうち、水素吸蔵合金は、単位体積あたりの水素原子個数が液体水素よりも多く、水素吸蔵タンクのコンパクト化が可能である。
【0004】
また、水素放出は吸熱反応であるため、安全性が高い。
【0005】
現在実用化されてる代表的な水素吸蔵合金としては、室温付近で安定な水素の吸放出反応を示すLaNi5系の水素吸蔵合金が知られており、Ni−H電池の負極材として広く使用されている。また、LaNi5系の水素吸蔵合金は、試作用の燃料電池自動車にも搭載されている。
【0006】
他の水素吸蔵合金としては、Mg系、Ti−Fe系、Ti−V系等の水素吸蔵合金が研究されている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の水素吸蔵合金としては、大別すると、以下のような問題点▲1▼〜▲5▼があった。
【0008】
▲1▼ 水素吸蔵合金は、金属であることからコンパクトにもかかわらず、重量がかさむため、LaNi5における重量あたりの水素吸蔵量は約1.3[wt%]と低くなってしまうという問題点があった。このため、重量密度の低い(軽い)Mg系の水素吸蔵合金が提案されており、このMg系の水素吸蔵合金によれば、3〜6[wt%]の水素貯蔵が可能となっている。しかしながら、Mg系水素吸蔵合金は、水素の吸放出反応が約250[℃]以上の温度で発生するため、別途熱源が必要となりエネルギー効率が悪いという新たな問題点が発生することとなっていた。
【0009】
▲2▼ LaNiは希土類元素を含むため、原料コストひいては製造コストが高くなってしまうという問題点がある。一方、Ti−Fe系の水素吸蔵合金は、LaNiと比較して低コスト化が可能であるとともに、LaNiに次いで試作例や実施例の多い水素吸蔵合金である。
【0010】
しかしながら、水素の吸蔵と放出でヒステリシスを示すなど水素の吸放出特性はLaNiより劣るという問題点があった。
【0011】
▲3▼ LaNiやTiFe系合金は、熱伝導度が低く、大量にタンクに貯蔵した場合、合金の加熱や冷却に時間がかかる結果、水素の吸蔵/放出に時間がかかってしまうという問題点があった。
【0012】
▲4▼ 水素吸蔵合金は、水素を吸蔵すると格子定数が増加し結晶サイズが大きくなる。ほとんどの水素吸蔵合金は脆いため、水素の吸蔵/放出を繰り返すと微粉化して、粉体間の分子間力(ファンデルワールス力)が増加し、合金を貯蔵しているタンクの内圧が高くなってしまうという問題点があった。
【0013】
▲5▼ 上述したようにMg系の合金は、単位重量あたりの水素吸蔵量が大きく、特にMg単体は、6[wt%]という最も高い水素吸蔵量を示すが、300[℃]以上に加熱しないと、水素吸蔵、放出反応を示さなかった。
【0014】
ところで、100[℃]以下で水素を吸蔵、放出する金属であるPdとMgをサブミクロン以下のオーダーで交互に積層させた多層薄膜で、100[℃]以下で〜5[wt%]の水素を吸蔵可能なことが判明し、注目されている。
【0015】
このPd/Mg多層薄膜による水素の吸蔵、放出現象の詳細は不明であるが、原理的には、PdとMgの協力現象であると説明されている。
【0016】
つまり、水素を吸蔵したPdは格子定数が増加し、面方向に膨張する。これに接しているMg層のごく薄い界面も格子定数が増加して水素を吸蔵すると考えられている。一方、水素の放出の際には、まずPdから水素が放出されることで、面方向に収縮し、Mgに圧縮応力が加わって、水素が放出されると考えられている。
【0017】
ところで、このPd/Mg多層薄膜を形成するためのPdは、Ptと同等以上に高価な貴金属である。またPd/Mg多層薄膜の製造方法として、PVD法が用いられている。従って、量産性と製造コストの両面で問題となっていた。
【0018】
そこで、本発明の目的は、低温で水素吸蔵量が多く、低コストで量産性に優れた水素吸蔵材材の製造方法および水素吸蔵材を提供することにある。
【0019】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、水素吸蔵材の製造方法は、MgあるいはMg合金のいずれか一方と、NbあるいはNb−V合金のいずれか一方とを積層し積層体を形成する積層過程と、前記積層体を細線状あるいはシート状にするとともに、前記MgあるいはMg合金で形成されるMg層の平均厚さを1[μm]以下とすべく機械加工を施す機械加工過程と、前記機械加工後の前記積層体に前記Mg層の結晶方位を再配列させるための熱処理を施す熱処理過程とを備えたことを特徴としている。
【0020】
この場合に、前記積層過程において、MgあるいはMg合金のいずれか一方、および、NbあるいはNb−V合金のいずれか一方は、シート状態あるいはパイプ状態で積層されるようにしてもよい。
【0021】
また、前記機械加工は、押し出し加工、伸線加工あるいは圧延加工の少なくともいずれかを含むようにしてもよい。
【0022】
さらに、前記熱処理過程は、500[℃]以上800[℃]以下の温度で前記熱処理を行うようにしてもよい。
【0023】
さらにまた、前記積層体における前記MgあるいはMg合金の層の厚さTMgと、NbあるいはNb−V合金のいずれか一方の層の厚さTNbとの比Rは、次式を満たすようにしてもよい。
【0024】
2.7≦R≦8
ここで、R=TMg/TNb
また、前記機械加工過程に先だって前記積層体に金属被覆を行う金属被覆過程と、前記熱処理過程後に前記金属被覆を化学的あるいは機械的に除去する被覆除去過程とを備えるようにしてもよい。
【0025】
さらに、前記金属被膜として、Cu、Cu合金、AlあるいはAl合金のいずれかを用いるようにしてもよい。
【0026】
また、水素吸蔵材は、MgあるいはMg合金で構成されるMg層と、NbあるいはNb−V合金で構成されるNb層とを備え、前記Mg層および前記Nb層が多層構造とされ、各前記Mg層の平均厚さが1[μm]以下とされていることを特徴としている。
【0027】
【発明の実施の形態】
次に本発明の好適な実施の形態について説明する。
[1]実施形態の原理
まず実施形態の詳細な説明に先立ち、実施形態の原理について説明する。
【0028】
本実施形態においては、250〜300[℃]以上の温度で高い水素吸蔵量を有するMgシートあるいはMg合金シートと、100[℃]以下の温度で水素を吸蔵するが水素吸蔵量は低いNbあるいはNb−V合金シートを組み合わせて多層構造とし、細線化し、MgあるいはMg合金で構成されたMg層の平均厚さを1[μm]以下とすることで水素吸蔵量を向上させている。
【0029】
この場合において、Mg層の平均厚さを1[μm]以下としているのは、水素の吸蔵/放出におけるMg層と、NbあるいはNb−V合金層で構成されたNb層との協力現象は、Mg層の厚さがサブミクロン以下のオーダーにならないと発生しないからである。
【0030】
また、Mgは重量密度が、1.74[g/cc]で実際に水素を吸蔵/放出可能な量は6[wt%]である。一方、Nb−V合金であるNb0.9V0.1合金は、重量密度が8.3[g/cc]で実際に水素を吸蔵/放出可能な量は1.2[wt%]である。従って、単位重量あたりの水素吸蔵量が低いNb−V合金の比率が高くなると、複合材全体における単位重量あたりの水素吸蔵量も低下することとなる。
【0031】
ここで、Mg/Nb−V複合材(複合体)の水素吸蔵量が、個々の水素吸蔵材料の水素吸蔵能力の複合則で成立するものと仮定すると、最終的な水素吸蔵量を3[wt%]とするためには、Mg層とNb層との厚さ比は、約2.6以上必要となる。一方、室温で水素を吸蔵/放出するNbあるいはNb−V合金の影響でMgが低温で水素の吸蔵/放出を起こすと考えると、Nb層のMg層への影響がMg層全体に及ぶようにするためには、Mg層とNb層との厚さの比を大きくしすぎてはいけないこととなる。
【0032】
目安として、MgとNbの熱膨張率を比較すると、20[℃]におけるMgの熱膨張率=24.8×10−6/Kであるのに対し、Nbの熱膨張率=7.1×10−6であり、約3倍ほどMgの方が膨張しやすいということになる。
【0033】
従って、熱膨張率の異なる金属複合体における熱応力歪みを考慮すると、Mg層の厚さTMgとNb層の厚さTNbの比が、
TMg:TNb=1:8
以上となると、Mg層中央部における応力歪みがMg層とNb層との界面における歪みに比較して無視できるほど小さくなってしまい、協力現象による水素吸蔵反応が消滅すると考えられる。
【0034】
よって、本実施形態においては、Mg層とNb層の厚さ比(TMg/TNb)は8以下としている。
【0035】
また伸線や圧延加工された後のMg層におけるMgの粒子は、塑性変形の繰り返しにより、その結晶方向はランダムとなっている。ところで、水素の吸蔵には、Mg層において層の厚さ方向と結晶方位のc軸方向が一致した構造、六方晶が層方向に成長している状態)にすることが条件となっている。したがって、伸線加工後に500[℃]以上の温度で熱処理を行って、加工による結晶歪みを緩和し、加えて融点(660[℃])近傍またはそれ以上の温度(650[℃]〜800[℃])で熱処理することで結晶方位を再配列させることにより、Mg層において層の厚さ方向と結晶方位のc軸方向が一致した構造となるようにしている。
[2]水素吸蔵線材の製造方法
次に実施形態の水素吸蔵線材の製造方法について説明する。
【0036】
図1は、水素吸蔵材の製造過程図である。また、図2は、ジェリーロールの製造状態説明図である。
【0037】
まず、所定の厚さおよび幅を有する純Mgのシート11と、Nb−V合金シート12と、所定の直径を有するMg製の円柱状の心棒13と、を用意する(ステップS1、S2、S3)。
【0038】
次に、純Mgシート11が巻いたときに内側になるように重ねる。すなわち、Mg/Nb−V構造とする。
【0039】
そして、Mg製の円柱状の心棒13にMg/Nb−V構造に重ね合わせたシートを海苔巻き状に巻き付けることにより、(Mg/Nb−V)多層構造の円柱である所定の直径を有するジェリーロール(積層体)15(図3参照)を形成する(ステップS4)。
【0040】
そして、図3および図4に示すように、(Mg/Nb−V)多層構造のジェリーロール15を所定の内径および外径を有するNb−Vパイプ16内に挿入し(ステップS5)、さらにこのNb−Vパイプを所定の内径および外径を有するCuパイプ(金属被覆)17内に挿入する(ステップS6)。
【0041】
続いてジェリーロール15およびNb−Vパイプ16が挿入されたCuパイプ17を所定温度に加熱した状態で、所定の直径となるように静水圧押出し加工を行う(ステップS7)。
【0042】
次に得られた押出材を伸線加工して細線化し(ステップS8)、細線化の最終工程で所定の対辺距離を有する六角線とする(ステップS9)。
【0043】
さらに得られた六角線の形状を矯正し、所定長さの六角線材20に切り分ける(ステップS10)。図5に、六角線材20の拡大断面図を示す。
【0044】
次に61本の六角線材およびこの61本の六角線材20を収納可能な所定の内径を有するCuパイプ(金属被覆)21を用意する(ステップS11、12)。ここで、六角線材20の本数を61本としているのは、六角線材20を六角柱状に配置するのに、六角柱を5層(各層毎に1本、6本、12本、18本、24本)で形成し、隙間無く並べる場合に必要な本数だからである。従って、5層未満あるいは6層以上の場合にはその層数に応じて本数が定まる。
【0045】
図6は、マルチビレットの断面模式図である。
【0046】
そして、図6に示すように、Cuパイプ21内に61本の六角線材20を挿入する(ステップS13)。なお、図6においては、図示の簡略化のため、六角線材の本数については正確に描いていない。
【0047】
続いて、六角線材が挿入されたCuパイプ21を所定温度に加熱した状態で所定の直径となるように静水圧押出し加工を行う(ステップS14)。
【0048】
次に得られた押出材を伸線加工して所定の直径、具体的には直径1[mm]まで細線化した(ステップS15)。この状態において、Mg層部分の平均厚さは1[μm]以下とされている。
【0049】
続いて、伸線加工後の材料をArガス中で熱処理を行い結晶歪みの緩和と結晶方位の再配列を行わせる(ステップS16)。具体的には、650[℃]で1時間、熱処理する。
【0050】
次に硝酸で金属被覆であるCuを除去する(ステップS17)。
【0051】
続いて、洗浄、乾燥後のフィラメントの束を真空中で熱処理を行う(ステップS18)。具体的には、450[℃]で1時間、熱処理する。
【0052】
そして、水素吸蔵初期活性化処理を行い、水素吸蔵材を得る(ステップS19)
[3]実施形態の効果
本実施形態の製造方法による水素吸蔵材によれば、従来の水素吸蔵合金に比較して単位重量あたりの水素吸蔵量を増加させることができるので、車載用として1回の水素補給で航続距離を伸ばすことができる。
【0053】
また、本実施形態の水素吸蔵材は、延性のある金属の複合体のため、従来の水素吸蔵合金に見られた水素吸蔵、放出の繰り返しによる微粉末化により容器内圧が上昇することもない。
【0054】
加えて本実施形態の水素吸蔵材は、比較的熱伝導製の高いMgを複合化した線により構成されているので、容器内の温度コントロールの追従性も他の合金と比較して高くより早い水素充填が可能になる。
[4]実施形態の変形例
以上の説明においては、マルチビレットとすることでMg層の厚さを1[μm]以下、すなわち、サブミクロンオーダーとしていたが、最初に用意するMgシートおよびNb−Vシートの厚さを薄くしておくとともに、シングルビレットの直径を大きくすることにより、マルチビレットにしなくても、サブミクロンオーダーのMg層を得ることが可能である。この大型シングルビレットの採用によれば、加工工程を低減することができ、加工コストを大幅に低減することが可能である。
【0055】
以上の説明においては、従来粉末で使用されていた水素吸蔵合金を線材化しているが、変形例としては、製造過程において海苔巻き状の円柱形状ではなく、Mg/Nb−V積層シートを何枚も交互に積層させて板状とした状態で、圧延加工を繰り返して、多層構造のシート状に形成した水素吸蔵シートとして構成することも可能である。
【0056】
以上の説明においては、純Mgのシートと、Nb−V合金シートと、を用意し、所定の直径を有するMg製の円柱状の心棒にMg/Ti/Fe−Ni構造に重ね合わせたシートを海苔巻き状に巻き付けることにより、(Mg/Nb−V)多層構造の円柱である所定の直径を有するジェリーロール(積層体)を形成していたが、Fe−Ni合金に代えNbシートを用いてジェリーロール(積層体)を形成するように構成することも可能である。
【0057】
以上の説明においては、金属被覆として、Cuパイプを用いる場合について説明したが、Cu合金パイプ、Alパイプ、Al合金パイプを用いるように構成することも可能である。
【0058】
以上の説明においては、車両用燃料電池の場合を例として説明したが、水素の吸蔵/放出反応が発熱/吸熱反応であることを利用し、無冷媒のヒートポンプへの適用が可能である。この場合には、従来の水素吸蔵合金を使用したヒートポンプに比較して、高い熱伝導性がヒートポンプの即応性やエネルギー効率向上に寄与することが期待できる。
【0059】
【実施例】
次により具体的な実施例について説明する。
【0060】
厚さ0.2[mm]、幅100[mm]の純Mgシートと、厚さ0.05[mm]、幅100[mm]のNb−V合金シートと、を純Mgシートが巻いたときに内側になるように純Mgシート、Nb−Vシートの順番で重ねる。すなわち、Mg/Nb−V構造とする。
【0061】
そして、直径7[mm]のMg製の円柱状の心棒にMg/Nb−V構造に重ね合わせたシートを海苔巻き状に巻き付けることにより、(Mg/Nb−V)多層構造の円柱を形成とする。
【0062】
そして、(Mg/Nb−V)多層構造の円柱の外径が22.7[mm]となるまで、巻付けを行う。
【0063】
続いて(Mg/Ti/Fe−Ni)多層構造の円柱を内径23[mm]、外径24[mm]のNb−V合金パイプ内に挿入する。さらにこのNb−V合金パイプを内径24.2[mm]、外径28[mm]のCuパイプ内に挿入し、Cuパイプの一端にCuプラグ、他端にFeプラグを取り付けてシングルビレットとした。
【0064】
続いてシングルビレットを300[℃]に加熱した状態で、直径10[mm]に静水圧押し出し加工を行い、シングルビレット押出材を得た。
【0065】
次に得られたシングルビレット押出材を伸線加工して細線化し、細線化の最終工程で対辺距離2.6[mm]の六角線とし、直状に矯正したのち、長さ100[mm]の六角線材に切り分けた。
【0066】
次に切り分けた六角線材61本を内径23[mm]、外径28[mm]のCuパイプ内に挿入し、Cuパイプの一端(先端側)にCuプラグ、他端(後端側)にFeプラグを取り付けてマルチビレットとした。
【0067】
続いて、マルチビレットを300[℃]に加熱した状態で直径10[mm]に静水圧押し出し加工を行い、マルチビレット押出材を得た。
【0068】
次に得られたマルチビレット押出材を伸線加工して直径1[mm]まで細線化した。
【0069】
さらに細線化後のマルチビレット押出材をArガス中650[℃]で1時間熱処理して、結晶歪みの緩和と結晶方位の再配列を行わせた。
【0070】
その後、細線化後のマルチビレット押出材を所定濃度の硝酸溶液に浸漬して、Cuを溶かして除去し、フィラメント61本の束とし、水で洗浄後、真空中で乾燥させた。
【0071】
乾燥後の直径75[μm]のフィラメントの束をArガス中600[℃]で1時間熱処理した。
【0072】
このときの計算上のMg層の厚さは、0.625[μm]、Nb−V層の厚さは、0.156[μm]であった。
【0073】
さらに水素初期活性化処理として、内容積が1000[cc]のステンレス製高圧容器に1000[mg]のフィラメントを入れ、下記の▲1▼〜▲4▼までの処理を3回繰り返した。
【0074】
▲1▼ ステンレス製高圧容器の真空引き
▲2▼ 水素ガスを2[MPa]まで加圧
▲3▼ ステンレス製高圧容器を100[℃]まで加熱した状態で3時間保持
▲4▼ 20[℃]まで冷却した後、ステンレス製高圧容器の圧力を大気圧とする
上記初期活性化処理後、ステンレス製高圧容器内にフィラメントの束を保持したままで、室温で水素ガスを0.5[MPa]まで加圧した状態で、容器を140[℃]まで加熱して1時間保持した後、室温に戻して、大気圧まで減圧した。
【0075】
この状態で、容器から取り出したフィラメントの重量を測定した結果、1025[mg]の重量増加を確認した。
【0076】
実験結果より、本実施例の水素吸蔵線材を用いたフィラメントは、2.5[wt%]の水素を吸蔵することが確認された。
【0077】
この値は、Nb−V合金単体の水素吸蔵量(約1[wt%])や、実用化されているLaNiの1.3[wt%]に比較して約2倍以上の高い吸蔵量であった。
【0078】
【発明の効果】
本発明によれば、従来の水素吸蔵合金に比較して単位重量あたりの水素吸蔵量を増加させることができるので、車載用として1回の水素補給で航続距離を伸ばすことができる。
【0079】
また、延性のある金属の複合体のため、従来の水素吸蔵合金に見られた水素吸蔵、放出の繰り返しによる微粉末化により容器内圧が上昇することもない。
【0080】
加えて比較的熱伝導製の高いMgを複合化した線により構成されているので、容器内の温度コントロールの追従性も他の合金と比較して高くより早い水素充填が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】水素吸蔵材の製造過程図である。
【図2】ジェリーロール(積層体)の製造状態説明図である。
【図3】シングルビレットの断面模式図である。
【図4】シングルビレットの構造説明斜視図である。
【図5】六角線材の拡大断面模式図である。
【図6】マルチビレットの断面模式図である。
【符号の説明】
11 純Mgシート
12 Nb−V合金シート
13 Mg心棒
15 ジェリーロール(ジェリーロール)
16 Nb−Vパイプ
17 Cuパイプ(金属被覆)
20 六角線材
21 Cuパイプ(金属被覆)
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for producing a hydrogen storage material and a hydrogen storage material, and more particularly to a method for producing a linear or sheet-shaped hydrogen storage material and a hydrogen storage material.
[0002]
[Prior art]
In the development of fuel cells for vehicles, methods for directly mounting hydrogen as a fuel include:
(1) High-pressure hydrogen cylinder (2) Two hydrogen storage alloys are promising.
[0003]
Among them, the hydrogen storage alloy has a larger number of hydrogen atoms per unit volume than liquid hydrogen, and the hydrogen storage tank can be made compact.
[0004]
Further, since hydrogen release is an endothermic reaction, safety is high.
[0005]
As a typical hydrogen storage alloy currently in practical use, a LaNi5-based hydrogen storage alloy that exhibits a stable hydrogen absorption / desorption reaction at around room temperature is known, and is widely used as a negative electrode material for Ni-H batteries. I have. The LaNi5-based hydrogen storage alloy is also mounted on a trial fuel cell vehicle.
[0006]
As other hydrogen storage alloys, hydrogen storage alloys such as Mg-based, Ti-Fe-based, and Ti-V-based have been studied.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
The above-mentioned conventional hydrogen storage alloys are roughly classified into the following problems (1) to (5).
[0008]
{Circle around (1)} Although the hydrogen storage alloy is a metal and is compact, despite its compactness, the weight increases, so that the amount of hydrogen storage per weight in LaNi5 is reduced to about 1.3 [wt%]. there were. For this reason, an Mg-based hydrogen storage alloy having a low weight density (light) has been proposed. According to this Mg-based hydrogen storage alloy, 3 to 6 wt% of hydrogen can be stored. However, the Mg-based hydrogen storage alloy has a new problem that a heat source is required because the hydrogen absorption / desorption reaction occurs at a temperature of about 250 [° C.] or more, resulting in poor energy efficiency. .
[0009]
{Circle around (2)} Since LaNi 5 contains a rare earth element, there is a problem that the raw material cost and the production cost are increased. On the other hand, the Ti—Fe-based hydrogen storage alloy is a hydrogen storage alloy that can be reduced in cost as compared with LaNi 5, and has many prototypes and examples after LaNi 5 .
[0010]
However, absorption and release properties of hydrogen, such as showing a hysteresis occlusion and release of hydrogen disadvantageously inferior LaNi 5.
[0011]
{Circle around (3)} LaNi 5 and TiFe-based alloys have low thermal conductivity, and when stored in a large amount in a tank, it takes time to heat and cool the alloy, resulting in a long time to occlude / release hydrogen. was there.
[0012]
{Circle around (4)} When a hydrogen storage alloy stores hydrogen, its lattice constant increases and the crystal size increases. Most hydrogen-absorbing alloys are brittle, and as hydrogen is repeatedly absorbed and released, the powder becomes finer, the intermolecular force between powders (van der Waals force) increases, and the internal pressure of the tank storing the alloy increases. There was a problem that would.
[0013]
{Circle around (5)} As described above, Mg-based alloys have a large hydrogen storage capacity per unit weight. Particularly, Mg alone shows the highest hydrogen storage capacity of 6 [wt%], but is heated to 300 [° C.] or more. Otherwise, there was no hydrogen storage / release reaction.
[0014]
By the way, a multilayer thin film in which Pd and Mg, which are metals that occlude and release hydrogen at 100 ° C. or less, are alternately stacked in the order of submicron or less. Has been found to be occluded and has attracted attention.
[0015]
Although the details of the hydrogen absorption and release phenomena by the Pd / Mg multilayer thin film are unknown, it is described in principle as a cooperative phenomenon of Pd and Mg.
[0016]
In other words, Pd that has absorbed hydrogen has an increased lattice constant and expands in the plane direction. It is considered that the very thin interface of the Mg layer in contact with this also increases the lattice constant and absorbs hydrogen. On the other hand, when hydrogen is released, it is considered that hydrogen is first released from Pd, so that it contracts in the plane direction, compressive stress is applied to Mg, and hydrogen is released.
[0017]
By the way, Pd for forming the Pd / Mg multilayer thin film is a noble metal which is at least as expensive as Pt. As a method for manufacturing a Pd / Mg multilayer thin film, a PVD method is used. Therefore, there has been a problem in both mass productivity and manufacturing cost.
[0018]
Accordingly, an object of the present invention is to provide a method of manufacturing a hydrogen storage material which has a large amount of hydrogen storage at a low temperature, is low in cost, and is excellent in mass productivity, and a hydrogen storage material.
[0019]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problem, a method for producing a hydrogen storage material includes a laminating step of laminating either one of Mg or an Mg alloy and one of Nb or an Nb-V alloy to form a laminate. A machining process of forming the body into a thin line or sheet shape, and performing machining to reduce the average thickness of the Mg layer formed of the Mg or Mg alloy to 1 [μm] or less; A heat treatment step of subjecting the laminated body to a heat treatment for rearranging the crystal orientation of the Mg layer.
[0020]
In this case, in the laminating process, either one of Mg and the Mg alloy and one of Nb or the Nb-V alloy may be laminated in a sheet state or a pipe state.
[0021]
Further, the machining may include at least one of extrusion, wire drawing, and rolling.
[0022]
Further, in the heat treatment process, the heat treatment may be performed at a temperature of 500 ° C. or more and 800 ° C. or less.
[0023]
Furthermore, the ratio R between the thickness TMg of the Mg or Mg alloy layer and the thickness TNb of one of the Nb and Nb-V alloy layers in the laminate may satisfy the following equation. Good.
[0024]
2.7 ≦ R ≦ 8
Here, R = TMg / TNb
The method may further include a metal coating step of applying a metal coating to the laminate before the machining step, and a coating removing step of chemically or mechanically removing the metal coating after the heat treatment step.
[0025]
Further, any of Cu, Cu alloy, Al and Al alloy may be used as the metal coating.
[0026]
In addition, the hydrogen storage material includes a Mg layer made of Mg or an Mg alloy, and an Nb layer made of Nb or an Nb-V alloy, wherein the Mg layer and the Nb layer have a multilayer structure. It is characterized in that the average thickness of the Mg layer is 1 [μm] or less.
[0027]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Next, a preferred embodiment of the present invention will be described.
[1] Principle of Embodiment Prior to detailed description of the embodiment, the principle of the embodiment will be described.
[0028]
In the present embodiment, a Mg sheet or Mg alloy sheet having a high hydrogen storage amount at a temperature of 250 to 300 [° C.] or higher, and Nb or Nb absorbing hydrogen at a temperature of 100 [° C.] or lower but having a low hydrogen storage amount. The hydrogen storage capacity is improved by combining the Nb-V alloy sheets to form a multilayer structure, thinning the wire, and setting the average thickness of the Mg layer made of Mg or Mg alloy to 1 [μm] or less.
[0029]
In this case, the reason why the average thickness of the Mg layer is 1 [μm] or less is that the cooperation between the Mg layer and the Nb layer composed of the Nb or Nb-V alloy layer in the storage / release of hydrogen is as follows. This is because it does not occur unless the thickness of the Mg layer is on the order of submicron or less.
[0030]
Further, Mg has a weight density of 1.74 [g / cc] and an amount capable of actually occluding / releasing hydrogen is 6 [wt%]. On the other hand, the Nb0.9V0.1 alloy, which is an Nb-V alloy, has a weight density of 8.3 [g / cc] and an amount capable of actually storing / releasing hydrogen is 1.2 [wt%]. Therefore, when the ratio of the Nb-V alloy having a low hydrogen storage amount per unit weight increases, the hydrogen storage amount per unit weight in the entire composite material also decreases.
[0031]
Here, assuming that the hydrogen storage capacity of the Mg / Nb-V composite material (composite) is satisfied by the combined rule of the hydrogen storage capacities of the individual hydrogen storage materials, the final hydrogen storage capacity is 3 [wt]. %], The thickness ratio between the Mg layer and the Nb layer needs to be about 2.6 or more. On the other hand, considering that Mg causes occlusion / release of hydrogen at a low temperature due to the influence of Nb or Nb-V alloy that occludes / releases hydrogen at room temperature, the influence of the Nb layer on the Mg layer extends to the entire Mg layer. Therefore, the ratio of the thickness of the Mg layer to the thickness of the Nb layer must not be too large.
[0032]
As a guide, when comparing the thermal expansion coefficients of Mg and Nb, the thermal expansion coefficient of Mg at 20 [° C.] = 24.8 × 10 −6 / K, whereas the thermal expansion coefficient of Nb = 7.1 × 10-6, which means that Mg is about three times easier to expand.
[0033]
Therefore, considering the thermal stress strain in the metal composites having different coefficients of thermal expansion, the ratio of the thickness TMg of the Mg layer to the thickness TNb of the Nb layer is as follows.
TMg: TNb = 1: 8
In this case, the stress strain at the central portion of the Mg layer becomes negligibly small compared to the strain at the interface between the Mg layer and the Nb layer, and it is considered that the hydrogen storage reaction due to the cooperative phenomenon disappears.
[0034]
Therefore, in the present embodiment, the thickness ratio (TMg / TNb) between the Mg layer and the Nb layer is set to 8 or less.
[0035]
The crystal orientation of Mg particles in the Mg layer after wire drawing and rolling is random due to repeated plastic deformation. By the way, the condition for hydrogen absorption is that the Mg layer has a structure in which the thickness direction of the layer and the c-axis direction of the crystal orientation coincide with each other, and the hexagonal crystal grows in the layer direction). Therefore, after the wire drawing, heat treatment is performed at a temperature of 500 ° C. or more to alleviate the crystal distortion due to the working, and in addition, the temperature (650 ° C.) to 800 ° C. near or above the melting point (660 ° C.). [° C.]), the crystal orientation is rearranged by heat treatment so that the Mg layer has a structure in which the thickness direction of the layer matches the c-axis direction of the crystal orientation.
[2] Method of Manufacturing Hydrogen Storage Wire Next, a method of manufacturing the hydrogen storage wire of the embodiment will be described.
[0036]
FIG. 1 is a diagram showing a process of manufacturing a hydrogen storage material. FIG. 2 is an explanatory diagram of a manufacturing state of the jelly roll.
[0037]
First, a pure Mg sheet 11 having a predetermined thickness and width, an Nb-V alloy sheet 12, and a Mg columnar mandrel 13 having a predetermined diameter are prepared (steps S1, S2, S3). ).
[0038]
Next, the pure Mg sheets 11 are stacked so as to be inside when wound. That is, an Mg / Nb-V structure is adopted.
[0039]
Then, a sheet having a Mg / Nb-V structure overlapped on a cylindrical columnar mandrel 13 made of Mg is wound in a laver winding shape, so that a jelly having a predetermined diameter, which is a cylinder having a (Mg / Nb-V) multilayer structure, is obtained. A roll (laminate) 15 (see FIG. 3) is formed (Step S4).
[0040]
Then, as shown in FIGS. 3 and 4, a jelly roll 15 having a (Mg / Nb-V) multilayer structure is inserted into an Nb-V pipe 16 having predetermined inner and outer diameters (step S5). The Nb-V pipe is inserted into a Cu pipe (metal coating) 17 having a predetermined inner diameter and outer diameter (step S6).
[0041]
Subsequently, while the jelly roll 15 and the Cu pipe 17 in which the Nb-V pipe 16 is inserted are heated to a predetermined temperature, hydrostatic extrusion is performed to a predetermined diameter (step S7).
[0042]
Next, the obtained extruded material is drawn and thinned (step S8), and is made into a hexagonal line having a predetermined opposite side distance in a final step of thinning (step S9).
[0043]
Further, the shape of the obtained hexagonal wire is corrected and cut into hexagonal wires 20 having a predetermined length (step S10). FIG. 5 shows an enlarged sectional view of the hexagonal wire 20.
[0044]
Next, 61 hexagonal wires and a Cu pipe (metal coating) 21 having a predetermined inner diameter capable of accommodating the 61 hexagonal wires 20 are prepared (steps S11 and S12). Here, the number of the hexagonal wires 20 is set to 61 because the hexagonal wires 20 are arranged in a hexagonal column shape, and five layers of hexagonal columns (one, six, twelve, eighteen, twenty-four, for each layer) are used. This is because the number is necessary for forming in the form of the above) and arranging them without gaps. Therefore, in the case of less than five layers or six or more layers, the number is determined according to the number of layers.
[0045]
FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of the multi billet.
[0046]
Then, as shown in FIG. 6, 61 hexagonal wires 20 are inserted into the Cu pipe 21 (step S13). In FIG. 6, the number of hexagonal wires is not accurately drawn for simplification of the drawing.
[0047]
Subsequently, the Cu pipe 21 into which the hexagonal wire is inserted is subjected to hydrostatic extrusion so as to have a predetermined diameter while being heated to a predetermined temperature (step S14).
[0048]
Next, the obtained extruded material was drawn to be thinned to a predetermined diameter, specifically, a diameter of 1 [mm] (step S15). In this state, the average thickness of the Mg layer portion is set to 1 [μm] or less.
[0049]
Subsequently, the material after the wire drawing is subjected to a heat treatment in an Ar gas to relax crystal distortion and rearrange the crystal orientation (step S16). Specifically, heat treatment is performed at 650 ° C. for one hour.
[0050]
Next, Cu which is a metal coating is removed with nitric acid (Step S17).
[0051]
Subsequently, the bundle of the washed and dried filaments is heat-treated in a vacuum (Step S18). Specifically, heat treatment is performed at 450 [° C.] for one hour.
[0052]
Then, a hydrogen storage initial activation process is performed to obtain a hydrogen storage material (step S19).
[3] Effects of Embodiment According to the hydrogen storage material according to the manufacturing method of this embodiment, the amount of hydrogen storage per unit weight can be increased as compared with the conventional hydrogen storage alloy, so that the hydrogen storage material can be used once for a vehicle. Range can be extended by hydrogen supply.
[0053]
Further, since the hydrogen storage material of the present embodiment is a composite of a ductile metal, the internal pressure of the container does not increase due to fine powder due to repetition of hydrogen storage and release, which is observed in a conventional hydrogen storage alloy.
[0054]
In addition, since the hydrogen storage material of the present embodiment is constituted by a composite wire of Mg having relatively high thermal conductivity, the followability of temperature control in the container is higher and faster than other alloys. Hydrogen filling becomes possible.
[4] Modification of Embodiment In the above description, the thickness of the Mg layer is set to 1 [μm] or less, that is, on the order of submicron by using a multi-bilette, but the Mg sheet and the Nb- By reducing the thickness of the V-sheet and increasing the diameter of a single billet, it is possible to obtain a submicron-order Mg layer without using a multi-bilette. According to the adoption of this large single billet, the number of processing steps can be reduced, and the processing cost can be significantly reduced.
[0055]
In the above description, the hydrogen storage alloy conventionally used as a powder is made into a wire, but as a modified example, a number of Mg / Nb-V laminated sheets are used instead of a laver-wrapped cylindrical shape in the manufacturing process. It is also possible to form a hydrogen storage sheet formed in a multilayered sheet shape by repeating rolling in a state in which the sheet is formed by alternately stacking the sheets.
[0056]
In the above description, a sheet prepared by preparing a pure Mg sheet and an Nb-V alloy sheet and superimposing the Mg / Ti / Fe-Ni structure on an Mg cylindrical mandrel having a predetermined diameter is prepared. A jelly roll (laminated body) having a predetermined diameter, which is a cylindrical column having a (Mg / Nb-V) multilayer structure, was formed by winding in a laver winding shape. However, an Nb sheet was used instead of the Fe-Ni alloy. It is also possible to configure so as to form a jelly roll (laminate).
[0057]
In the above description, the case where the Cu pipe is used as the metal coating has been described. However, it is also possible to use a Cu alloy pipe, an Al pipe, or an Al alloy pipe.
[0058]
In the above description, the case of a fuel cell for a vehicle has been described as an example. However, the invention can be applied to a heat pump without refrigerant by utilizing the fact that the hydrogen storage / release reaction is an exothermic / endothermic reaction. In this case, higher heat conductivity can be expected to contribute to the responsiveness and energy efficiency of the heat pump as compared to a heat pump using a conventional hydrogen storage alloy.
[0059]
【Example】
Next, specific examples will be described.
[0060]
When a pure Mg sheet is formed by winding a pure Mg sheet having a thickness of 0.2 [mm] and a width of 100 [mm] and an Nb-V alloy sheet having a thickness of 0.05 [mm] and a width of 100 [mm]. And a pure Mg sheet and an Nb-V sheet in this order. That is, an Mg / Nb-V structure is adopted.
[0061]
Then, a (Mg / Nb-V) multi-layered cylinder is formed by winding a sheet laminated on the Mg / Nb-V structure on a Mg-made cylindrical mandrel having a diameter of 7 [mm] in a laver winding shape. I do.
[0062]
Then, the winding is performed until the outer diameter of the (Mg / Nb-V) multilayered cylinder becomes 22.7 [mm].
[0063]
Subsequently, a (Mg / Ti / Fe-Ni) multilayer cylinder is inserted into an Nb-V alloy pipe having an inner diameter of 23 [mm] and an outer diameter of 24 [mm]. Further, this Nb-V alloy pipe was inserted into a Cu pipe having an inner diameter of 24.2 [mm] and an outer diameter of 28 [mm], and a Cu plug was attached to one end of the Cu pipe and an Fe plug was attached to the other end to form a single billet. .
[0064]
Subsequently, while the single billet was heated to 300 ° C., it was subjected to hydrostatic extrusion to a diameter of 10 mm to obtain a single billet extruded material.
[0065]
Next, the obtained single billet extruded material is drawn into a thin line by wire drawing. In the final step of thinning, the hexagonal wire has an opposite side distance of 2.6 [mm], and after being straightened straight, has a length of 100 [mm]. Hexagonal wire.
[0066]
Next, 61 cut hexagonal wires are inserted into a Cu pipe having an inner diameter of 23 [mm] and an outer diameter of 28 [mm], and a Cu plug is inserted into one end (front end) of the Cu pipe, and Fe is inserted into the other end (rear end). A plug was attached to form a multi billet.
[0067]
Subsequently, the multi billet was extruded with a hydrostatic pressure to a diameter of 10 mm while the multi billet was heated to 300 ° C. to obtain a multi billet extruded material.
[0068]
Next, the obtained multi-billet extruded material was drawn and thinned to a diameter of 1 [mm].
[0069]
Further, the extruded multi-billet material after the thinning was heat-treated at 650 [° C.] in Ar gas for 1 hour to relax the crystal distortion and rearrange the crystal orientation.
[0070]
Thereafter, the extruded multi-billette material after the thinning was immersed in a nitric acid solution having a predetermined concentration to dissolve and remove Cu, thereby forming a bundle of 61 filaments, washed with water, and dried in vacuum.
[0071]
The dried bundle of filaments having a diameter of 75 [μm] was heat-treated in Ar gas at 600 [° C] for 1 hour.
[0072]
At this time, the calculated thickness of the Mg layer was 0.625 [μm], and the thickness of the Nb-V layer was 0.156 [μm].
[0073]
Further, as an initial hydrogen activation treatment, 1000 [mg] filament was put in a stainless steel high pressure vessel having an internal volume of 1000 [cc], and the following processes (1) to (4) were repeated three times.
[0074]
(1) evacuation of the stainless steel high-pressure vessel (2) pressurization of hydrogen gas to 2 [MPa] (3) holding the stainless steel high-pressure vessel heated to 100 [° C] for 3 hours [4] 20 [° C] After the above-mentioned initial activation treatment in which the pressure of the stainless steel high-pressure vessel is set to the atmospheric pressure, the hydrogen gas is reduced to 0.5 [MPa] at room temperature while keeping the bundle of filaments in the stainless steel high-pressure vessel. In a pressurized state, the vessel was heated to 140 ° C. and maintained for 1 hour, then returned to room temperature and depressurized to atmospheric pressure.
[0075]
In this state, the weight of the filament taken out of the container was measured. As a result, a weight increase of 1025 [mg] was confirmed.
[0076]
From the experimental results, it was confirmed that the filament using the hydrogen storage wire of the present example stored 2.5 [wt%] of hydrogen.
[0077]
This value is about twice or more higher than the hydrogen storage amount (about 1 [wt%]) of the Nb-V alloy alone or 1.3 [wt%] of LaNi 5 which is practically used. Met.
[0078]
【The invention's effect】
According to the present invention, the hydrogen storage amount per unit weight can be increased as compared with the conventional hydrogen storage alloy, so that the cruising distance can be extended by one hydrogen supply for a vehicle.
[0079]
In addition, since the metal composite is ductile, the internal pressure of the container does not increase due to fine powder due to repetition of hydrogen storage and release, which is observed in a conventional hydrogen storage alloy.
[0080]
In addition, since it is constituted by a composite wire of Mg, which is relatively high in thermal conductivity, the followability of temperature control in the container is higher than that of other alloys, and faster hydrogen filling is possible.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a manufacturing process diagram of a hydrogen storage material.
FIG. 2 is an explanatory diagram of a manufacturing state of a jelly roll (laminate).
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of a single billet.
FIG. 4 is a perspective view illustrating the structure of a single billet.
FIG. 5 is an enlarged schematic sectional view of a hexagonal wire.
FIG. 6 is a schematic sectional view of a multi billet.
[Explanation of symbols]
11 Pure Mg sheet 12 Nb-V alloy sheet 13 Mg mandrel 15 Jelly roll (Jerry roll)
16 Nb-V pipe 17 Cu pipe (metal coating)
20 hexagonal wire 21 Cu pipe (metal coating)

Claims (8)

MgあるいはMg合金のいずれか一方と、NbあるいはNb−V合金のいずれか一方とを積層し積層体を形成する積層過程と、
前記積層体を細線状あるいはシート状にするとともに、前記MgあるいはMg合金で形成されるMg層の平均厚さを1[μm]以下とすべく機械加工を施す機械加工過程と、
前記機械加工後の前記積層体に前記Mg層の結晶方位を再配列させるための熱処理を施す熱処理過程とを備えたことを特徴とする水素吸蔵材の製造方法。
A laminating process of laminating any one of Mg or Mg alloy and one of Nb or Nb-V alloy to form a laminate;
A machining process of forming the laminate into a thin wire or sheet shape, and performing machining to reduce the average thickness of the Mg layer formed of the Mg or Mg alloy to 1 μm or less;
Performing a heat treatment for rearranging the crystal orientation of the Mg layer on the laminated body after the mechanical processing.
請求項1記載の水素吸蔵材の製造方法において、
前記積層過程において、MgあるいはMg合金のいずれか一方、および、NbあるいはNb−V合金のいずれか一方は、シート状態あるいはパイプ状態で積層されることを特徴とする水素吸蔵材の製造方法。
The method for producing a hydrogen storage material according to claim 1,
In the laminating process, any one of Mg and Mg alloy and one of Nb and Nb-V alloy are laminated in a sheet state or a pipe state.
請求項1または請求項2記載の水素吸蔵材の製造方法において、
前記機械加工は、押し出し加工、伸線加工あるいは圧延加工の少なくともいずれかを含むことを特徴とする水素吸蔵材の製造方法。
The method for producing a hydrogen storage material according to claim 1 or 2,
The method for producing a hydrogen storage material, wherein the machining includes at least one of extrusion, drawing, and rolling.
請求項1ないし請求項3のいずれかに記載の水素吸蔵材の製造方法において、
前記熱処理過程は、500[℃]以上800[℃]以下の温度で前記熱処理を行うことを特徴とする水素吸蔵材の製造方法。
The method for producing a hydrogen storage material according to any one of claims 1 to 3,
The method for producing a hydrogen storage material, wherein the heat treatment is performed at a temperature of 500 ° C. or more and 800 ° C. or less.
請求項1ないし請求項4のいずれかに記載の水素吸蔵材の製造方法において、
前記積層体における前記MgあるいはMg合金の層の厚さTMgと、NbあるいはNb−V合金のいずれか一方の層の厚さTNbとの比Rは、次式を満たすことを特徴とする水素吸蔵材の製造方法。
2.7≦R≦8
ここで、R=TMg/TNb
The method for producing a hydrogen storage material according to any one of claims 1 to 4,
The ratio R of the thickness TMg of the Mg or Mg alloy layer to the thickness TNb of one of the Nb and Nb-V alloys in the laminate satisfies the following equation: The method of manufacturing the material.
2.7 ≦ R ≦ 8
Here, R = TMg / TNb
請求項1ないし請求項5のいずれかに記載の水素吸蔵材の製造方法において、
前記機械加工過程に先だって前記積層体に金属被覆を行う金属被覆過程と、
前記熱処理過程後に前記金属被覆を化学的あるいは機械的に除去する被覆除去過程とを備えたことを特徴とする水素吸蔵材の製造方法。
The method for producing a hydrogen storage material according to any one of claims 1 to 5,
A metal coating step of performing metal coating on the laminate before the machining step;
A method of chemically or mechanically removing the metal coating after the heat treatment step.
請求項6記載の水素吸蔵材の製造方法において、
前記金属被膜として、Cu、Cu合金、AlあるいはAl合金のいずれかを用いることを特徴とする水素吸蔵材の製造方法。
The method for producing a hydrogen storage material according to claim 6,
A method for producing a hydrogen storage material, wherein any one of Cu, Cu alloy, Al and Al alloy is used as the metal film.
MgあるいはMg合金で構成されるMg層と、
NbあるいはNb−V合金で構成されるNb層とを備え、
前記Mg層および前記Nb層が多層構造とされ、
各前記Mg層の平均厚さが1[μm]以下とされていることを特徴とする水素吸蔵材。
A Mg layer composed of Mg or a Mg alloy;
An Nb layer composed of Nb or an Nb-V alloy,
The Mg layer and the Nb layer have a multilayer structure,
The hydrogen storage material, wherein the average thickness of each Mg layer is 1 [μm] or less.
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