JP2009143750A

JP2009143750A - ＡｌＨｘの製造方法

Info

Publication number: JP2009143750A
Application number: JP2007320846A
Authority: JP
Inventors: Izuru Kanoya; 出鹿屋
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2007-12-12
Filing date: 2007-12-12
Publication date: 2009-07-02

Abstract

【課題】水素貯蔵容器の一般的な充填圧力においても、アルミニウムを容易に水素化してアルミニウム水素化物を得る。
【解決手段】Ａｌ（好適にはアルミニウム粉末ＰＷ）を収容した粉末収容容器１４を、電気炉１２に挿入する。電気炉１２によって粉末収容容器１４を４５０〜５５０℃の間の所定温度とした後、粉末収容容器１４内の圧力を１ｍｍＨｇ以下として１０〜６０分間保持する。さらに、粉末収容容器１４内に水素を導入して圧力を４〜７０ＭＰａとし、１０〜６０分間保持する。以上の操作を５０〜１５０回繰り返すことにより、アルミニウム粉末ＰＷが水素化したＡｌＨｘ（０＜ｘ≦３）が得られる。
【選択図】図１

Description

本発明は、アルミニウム水素化物であるＡｌＨｘ（ただし、０＜ｘ≦３）の製造方法に関する。

燃料電池車は、水素と、酸素を電気化学的に反応させて発電する燃料電池を搭載する。すなわち、燃料電池によって得られた電力でモータを付勢し、これによりタイヤを回転駆動させる走行駆動力を得る。

ここで、酸素は大気から得ることが可能であるが、水素は水素貯蔵用容器から供給される。すなわち、燃料電池車には、水素貯蔵用容器も搭載される。

水素貯蔵用容器の水素収容量が大きいほど、燃料電池車を長距離にわたって走行させることができる。しかしながら、過度に大きなガス貯蔵用容器を搭載することは、燃料電池車の重量を大きくすることになり、結局、燃料電池の負荷が大きくなるという不具合を招く。この観点から、水素貯蔵用容器の体積を小さく維持しながら水素収容量を向上させる様々な試みがなされている。その１つとして、水素貯蔵用容器内に水素吸蔵材を収容することが提案されている。例えば、特許文献１には、自身の重量のおよそ１０重量％という多量の水素を貯蔵することが可能なＡｌＨ₃がこの種の水素吸蔵材として有効であると報告されている。

ＡｌＨ₃は、下記の式（１）に従って水素を放出する一方、式（２）に従って水素を吸蔵する。なお、式（１）、（２）は任意の吸蔵／放出サイトでの反応であり、ＡｌＨ₃のすべてが酸化・還元されることを意味するものではない。
ＡｌＨ₃→Ａｌ＋３／２Ｈ₂ …（１）
Ａｌ＋３／２Ｈ₂→ＡｌＨ₃ …（２）

ところで、上記式（１）は比較的容易に進行するものの、式（２）は容易に進行しない。すなわち、例えば、非特許文献１には、ＡｌにＨ₂ガスを接触させる気相法で水素化を行うにあたっては、２８０〜３００℃で２．５ＧＰａ（約２５０００気圧）よりも高圧とする必要がある、との記載がある。該非特許文献１によれば、４５０〜５５０℃とした場合には、さらに高圧の４〜６ＧＰａが必要である。

これに対し、一般的な水素貯蔵容器の充填圧力は数十ＭＰａ（数百気圧）程度、具体的には３５〜７５ＭＰａ程度である（特許文献２参照）。前記非特許文献１の記載によれば、このような圧力では前記式（２）の反応が進行しないことになる。すなわち、通常の圧力下では、アルミニウム水素化物を得ることは容易ではないという不具合がある。

特開２００４−１８９８０号公報特開２００４−２９３５７１号公報（特に、段落［００１３］）セルゲイケーコノバロフ、ボリスエムブルシェフ無機化学１９９５年第３４巻第１７２頁〜第１７５頁（Sergei K. Konovalov，Boris M. Bulychev Inorganic Chemistry 1995, 34, 172-175）（特に、第１７３頁右欄第２６行〜第２８行、図２）

本発明は上記した問題を解決するためになされたもので、水素貯蔵容器の一般的な充填圧力においてアルミニウム水素化物を得ることが可能なアルミニウム水素化物の製造方法を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明は、アルミニウム水素化物であるＡｌＨｘ（ただし、０＜ｘ≦３）の製造方法であって、
アルミニウムを４５０〜５５０℃、圧力が１ｍｍＨｇ以下である雰囲気下で１０〜６０分間保持した後、４５０〜５５０℃、圧力４〜７０ＭＰａの水素雰囲気下で１０〜６０分間保持する工程を５０〜１５０回繰り返すことでアルミニウム水素化物を得ることを特徴とする。

このように、本発明によれば、一般的な水素貯蔵容器の充填圧力である４〜７０ＭＰａの範囲内でアルミニウムを水素化することが可能である。従って、非特許文献１に記載されるような高圧に耐え得る耐圧容器を用いる必要がないので、設備投資を低廉化することができる。

上記した操作を繰り返すことによってアルミニウム水素化物が容易に得られるようになる理由は、熱処理及び水素露呈によってアルミニウムの表面に存在する吸着種が除去されるとともに不動態膜が徐々に還元され、その結果、該アルミニウムの水素化が進行し易くなるものと推察される。

なお、アルミニウムは粉末であることが好ましい。粉末はバルク体に比して比表面積が大きく、このために水素化が迅速に進行するからである。

本発明によれば、アルミニウムに対して所定の圧力下で熱処理を施し、次に、一般的な水素貯蔵容器の充填圧力で水素露呈を行うことを繰り返すことにより、アルミニウムを容易に水素化することができる。換言すれば、設備投資を低廉化することができるとともに、簡便な操作でアルミニウム水素化物を得ることができる。

以下、本発明に係るアルミニウム水素化物の製造方法につき、添付の図面を参照して詳細に説明する。

図１は、アルミニウム水素化物（以下、ＡｌＨｘと表記することもある。なお、０＜ｘ≦３であり、以下においても同様である）を製造するための製造装置１０を模式的に示した概略構成図である。この製造装置１０は、電気炉１２と、該電気炉１２に挿入・取り出し自在に収容された粉末収容容器１４に水素ガスを供給するための供給ライン１６と、前記粉末収容容器１４から排気を行うための排気ライン１８とがコネクタ２０から分岐して設けられる。

供給ライン１６は、水素ガスボンベ２２から粉末収容容器１４にわたって橋架される。供給ライン１６には、水素ガスボンベ２２側から、レギュレータ２４、バルブ２６が介装される。

一方、排気ライン１８には真空ポンプ２８が設けられ、この真空ポンプ２８に至るまでにバルブ３０が介装される。さらに、コネクタ２０と粉末収容容器１４を接続する配管３２にも、バルブ３４が介装される。

なお、図１中、参照符号３６、３８は、ともに圧力計を示す。

以上の構成において、粉末収容容器１４の外壁には、温度測定用の熱電対（図示せず）が当接している。

アルミニウム水素化物は、アルミニウム粉末ＰＷを原材料とし、以下のようにして製造される。

はじめに、粉末収容容器１４に所定量のアルミニウム粉末ＰＷを収容し、さらに、バルブ３４が介装された配管３２を接続した後、コネクタ２０に接続する。そして、粉末収容容器１４を電気炉１２に挿入する。

次に、電気炉１２を４５０〜５５０℃の間に昇温する。昇温後、真空ポンプ２８を付勢してバルブ３０を開放し、さらに、バルブ３４を開いて粉末収容容器１４内を排気する。この際、粉末収容容器１４内の圧力が１ｍｍＨｇ以下となるようにする。

この状態で、１０〜６０分間保持する。すなわち、アルミニウム粉末ＰＷは、４５０〜５５０℃の温度下、圧力が１ｍｍＨｇ以下である雰囲気に１０〜６０分間露呈される。この加熱処理により、アルミニウム粉末ＰＷの表面に存在する吸着種（例えば、Ｈ₂Ｏ、Ｏ₂、Ｎ₂等）が除去されると推察される。

次に、バルブ３０を閉止する一方、レギュレータ２４を４〜７０ＭＰａの間の所定値に設定し且つバルブ２６を開放する。これにより、レギュレータ２４の設定圧力に対応する圧力となるまで、粉末収容容器１４に水素が導入される。

粉末収容容器１４内の水素圧力が平衡圧に到達した後、バルブ２６を閉止する。この状態で、１０〜６０分間保持する。すなわち、アルミニウム粉末ＰＷを、４〜７０ＭＰａの水素雰囲気に１０〜６０分間露呈する。この水素加圧処理により、アルミニウム粉末ＰＷの表面に存在する不動態膜（酸化物膜）が還元除去されると推察される。

本実施の形態においては、上記した圧力が１ｍｍＨｇ以下である雰囲気下での保持、及び４〜７０ＭＰａの水素雰囲気下での保持が５０〜１５０回繰り返される。すなわち、２回の保持を併せて１サイクルとすると、５０〜１５０サイクルが行われる。

以上の操作が行われることにより、アルミニウム粉末ＰＷが水素化してＡｌＨｘに変化する。この理由は、上記したように、アルミニウム粉末ＰＷの表面に存在する吸着種及び不動態膜が除去され、このために該アルミニウム粉末ＰＷの水素化反応が進行し易くなったためであると考えられる。

最後のサイクルが終了した後、電気炉１２を自然放冷し、さらに、真空ポンプ２８の作用下に粉末収容容器１４から水素ガスを大気圧程度となるまで排気する。粉末収容容器１４を配管３２から切り離し、該粉末収容容器１４を開放すれば、アルミニウム水素化物の粉末が露呈するに至る。なお、露呈した粉末がアルミニウム水素化物であることは、例えば、フーリエ変換赤外分光（ＦＴ−ＩＲ）分析や、Ｘ線回折測定を行うことで確認することができる。

以上のように、本実施の形態によれば、水素圧力が、一般的な水素貯蔵容器の充填圧力である４〜７０ＭＰａの範囲内であっても、アルミニウムを容易に水素化することができる。すなわち、非特許文献１に示されるような高圧を必要とすることなく、アルミニウム水素化物を容易に得ることが可能となる。

なお、上記した実施の形態では、昇温した後に排気を行っているが、排気した後に昇温を行うようにしてもよいし、昇温と排気とを同時に行うようにしてもよい。

また、圧力が１ｍｍＨｇ以下での保持と、圧力４〜７０ＭＰａの水素雰囲気下での保持は、温度がともに４５０〜５５０℃の範囲内であれば同一であってもよいし、相違していてもよい。

粉末収容容器１４として、外径６．２ｍｍ、内径４ｍｍ、長さ２９０ｍｍであるＳＵＳ３１６製のものを選定し、その内部にアルミニウム粉末ＰＷを１２０ｇ収容した。この粉末収容容器１４を閉止した後に配管３２を接続し、該配管３２をコネクタ２０に連結した後に粉末収容容器１４を電気炉１２に収容した。すなわち、図１に示す製造装置１０を構築した。

電気炉１２によって、粉末収容容器１４に当接した熱電対で計測される温度が５００℃となるように昇温した後、上記に準拠して、圧力を１ｍｍＨｇ以下として３０分間保持した。その後、バルブ３０を閉止する一方でバルブ２６を開放し、レギュレータ２４の設定圧力を４．５ＭＰａとすることで粉末収容容器１４に４．５ＭＰａの水素を導入した。この操作も、温度を５００℃に維持して行った。

以上のサイクルを１００回繰り返し、粉末収容容器１４の温度が２５℃となるまで自然放冷させた。その後、真空ポンプ２８の作用下に粉末収容容器１４内の水素ガスを排気し、さらに、電気炉１２から取り出した粉末収容容器１４を大気中で開放した。

次に、粉末収容容器１４から取り出した粉末につきＦＴ−ＩＲ分析を行った。分析結果を、アルミニウム粉末のＦＴ−ＩＲ分析結果とともに図２に併せて示す。

図２に示されるように、アルミニウム粉末には１６００ｃｍ^-1付近にピークが出現しない。これに対し、上記の操作が行われた粉末では、Ａｌ−Ｈ結合に由来するピークが１６００ｃｍ^-1付近に出現している。このことは、上記の操作によってアルミニウムが水素化されたことを意味する。

図３に、アルミニウム粉末（上段）、及び得られた粉末（下段）の各Ｘ線回折パターンを併せて示す。下段の各Ｘ線回折パターンにおいて、回折角度２θの２５°付近にブロードなピークが出現していることが認められる。このピークは、ＡｌＨ₃の理論ピークに一致する。

以上のように、ＦＴ−ＩＲ分析でＡｌ−Ｈ結合に由来するピークが出現すること、及びＸ線回折パターンにおけるＡｌＨ₃の理論ピークに相当する出現ピークがブロードであることから、得られた粉末がＡｌＨｘ（０＜ｘ≦３）であることが分かる。

すなわち、上記の操作によって、アルミニウム粉末を容易に水素化することができることが明らかである。

アルミニウム水素化物を製造するための製造装置を模式的に示した概略構成図である。Ａｌ粉末及び得られた粉末（ＡｌＨｘ）のＦＴ−ＩＲ分析結果を示すチャート図である。Ａｌ粉末及び得られた粉末（ＡｌＨｘ）のＸ線回折パターンである。

符号の説明

１０…製造装置１２…電気炉
１４…粉末収容容器１６…供給ライン
１８…排気ライン２２…水素ガスボンベ
２４…レギュレータ２８…真空ポンプ
ＰＷ…アルミニウム粉末

Claims

アルミニウム水素化物であるＡｌＨｘ（ただし、０＜ｘ≦３）の製造方法であって、
アルミニウムを４５０〜５５０℃、圧力が１ｍｍＨｇ以下である雰囲気下で１０〜６０分間保持した後、４５０〜５５０℃、圧力４〜７０ＭＰａの水素雰囲気下で１０〜６０分間保持する工程を５０〜１５０回繰り返すことでアルミニウム水素化物を得ることを特徴とするＡｌＨｘの製造方法。
請求項１記載の製造方法において、前記アルミニウムとして粉末を用いることを特徴とするＡｌＨｘの製造方法。