JP2013100193A - 水素吸蔵方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】一般的に知られている理論値を超えて、水素吸蔵合金が有する水素の最大吸蔵量まで吸蔵させることができる水素吸蔵方法を提供する。
【解決手段】雰囲気中の圧力を上昇させながら水素吸蔵合金を水素化する水素化工程と、雰囲気中の圧力を下降させながら水素化された水素吸蔵合金を脱水素化する脱水素化工程とを備え、前記水素化工程にて、前記水素吸蔵合金と水素との原子量比で算出される水素吸蔵率を理論値として予め求め、前記水素吸蔵合金が前記水素を前記理論値まで吸蔵したときの圧力を第１の圧力値として設定し、該第１の圧力値の１０倍以上の圧力値を第２の圧力値として設定し、該第２の圧力値まで圧力を上昇させ、前記脱水素化工程にて、前記第２の圧力値から前記第１の圧力値以下まで前記圧力を下降させ、前記水素化工程及び前記脱水素化工程を繰り返す。
【選択図】 図１

Description

本発明は、水素吸蔵合金、特に薄膜化された水素吸蔵合金を用いた水素吸蔵方法に関する。
水素センサが特許文献１に開示されている。この水素センサは、水素を吸蔵する合金を薄膜化している。そして、水素が吸蔵されると合金の光学的反射率が変化することを利用して、水素の吸蔵を検知できるものとしている。
このような水素を吸蔵する合金は、センサのみならず、水素蓄電池の電極としても利用できる。電極として用いた場合は、なるべく多くの水素を吸蔵できることが好ましい。しかしながら、水素吸蔵合金には水素を吸蔵できる理論値というものがあり、一般的にこの理論値を超えて水素が吸蔵されることは知られていない。
特開２０１０−２１０２４２号公報
本発明は、上記従来技術を考慮したものであり、一般的に知られている理論値を超えて、水素吸蔵合金が有する水素の最大吸蔵量まで吸蔵させることができる水素吸蔵方法を提供する。
前記目的を達成するため、本発明では、雰囲気中の圧力を上昇させながら水素吸蔵合金を水素化する水素化工程と、雰囲気中の圧力を下降させながら水素化された水素吸蔵合金を脱水素化する脱水素化工程とを備え、前記水素化工程にて、前記水素吸蔵合金と水素との原子量比で算出される水素吸蔵率を理論値として予め求め、前記水素吸蔵合金が前記水素を前記理論値まで吸蔵したときの圧力を第１の圧力値として設定し、該第１の圧力値の１０倍以上の圧力値を第２の圧力値として設定し、該第２の圧力値まで圧力を上昇させ、前記脱水素化工程にて、前記第２の圧力値から前記第１の圧力値以下まで前記圧力を下降させ、前記水素化工程及び前記脱水素化工程を繰り返すことを特徴とする水素吸蔵方法を提供する。
また、前記水素吸蔵合金はｎｍ単位の粒径であることを特徴としている。
本発明によれば、水素化工程と脱水素化工程とを繰り返すことにより、理論値を超えて水素吸蔵合金に水素が吸蔵されることができる。
また、ｎｍ単位、具体的には５ｎｍ以下の粒径である水素吸蔵合金を用いることにより、第１の圧力値を低くすることができるので、これに伴い第２の圧力値も低くなり、したがって水素吸蔵のために過大な圧力を加えることが不要となる。
本発明に係る水素吸蔵方法を行ったときの水素吸蔵量と圧力との関係を示すグラフである。
図１は水素吸蔵合金としてＭｇ6Ｎｉを用いた例を示している。具体的には、アラミドフィルム基板１５０ｍｍ×１５０ｍｍに対し、Ｍｇ6Ｎｉを両面にスパッタしたものを４枚用意した。この水素吸蔵合金を３０℃の環境下で水素雰囲気中にさらし、水素化工程と脱水素化工程とを繰り返し行った。水素化工程は、雰囲気中の圧力を上昇させて行われる（図１の実線）。そして、脱水素化工程は、雰囲気中の圧力を下降させて行われる（図１の点線）。
本発明では、水素化工程にて、第１圧力値と第２圧力値とを設定する。第１圧力値を設定するに際し、予め水素吸蔵合金が水素を吸蔵できる理論値を予め求めておく。この理論値は、水素吸蔵合金と水素との原子量比で算出することができる。例えば、水素吸蔵合金がＭｇ2Ｎｉの場合、理論的にはＨを４個吸蔵するので反応式は以下のようになる。
Ｍｇ2Ｎｉ＋２Ｈ2→Ｍｇ2ＮｉＨ4
Ｍｇの原子量は２４．３０５０であり、Ｎｉの原子量は５８．６９３４であり、Ｈの原子量は１．００７９４である。したがって、Ｍｇ2ＮｉＨ4中におけるＭｇ2Ｎｉと水素との原子量比たる割合は、
（（１．００７９４×４）／（２４．３０５０×２）＋５８．６９３４）×１００
で表すことができ、その値は約３．７６（ｗｔ％）となる。このように、水素吸蔵合金に応じた水素吸蔵率を理論値として予め求めておく。
また、水素吸蔵合金がＭｇ6Ｎｉの場合は、反応式が以下のようになる。
Ｍｇ6Ｎｉ＋６Ｈ2→Ｍｇ2ＮｉＨ12
したがって、Ｍｇ6ＮｉＨ12中におけるＭｇ6Ｎｉと水素との原子量比たる割合は、（（１．００７９４×１２）／（２４．３０５０×６）＋５８．６９３４）×１００
で表すことができ、５．９１（ｗｔ％）となる。
この理論値まで水素が吸蔵されたときの圧力を第１の圧力値として設定する。図１では、理論値が４．５ｗｔ％のとき圧力は０．１ＭＰａである。これが第１の圧力値となる。第２の圧力値は、この第１の圧力値の１０倍以上の値として設定される。図１の例では第１の圧力値の２０倍である２ＭＰａを第２の圧力値として設定している。
この第２の圧力値まで圧力を上昇させる。具体的には、第１の圧力値を超えてさらに昇圧すると、理論値を超えてさらに水素が吸蔵され、所定圧力値（図１の例では０．３ＭＰａ程度）で水素吸蔵率がほぼ一定となる（図１の例では約６．２ｗｔ％）。この状態でさらに第２の圧力値まで昇圧する。
第２の圧力値まで昇圧した後、脱水素化工程を行う。具体的には、雰囲気中の圧力を第２の圧力値から第１の圧力値以下まで圧力を降下させる。図１の例では、第１の圧力値の１／１０である０．０１ＭＰａまで降圧させている。ここで注目すべきは、第１の圧力値を下回った当たりから、水素が再吸蔵されている点である。したがって、最終的に降圧させた０．０１ＭＰａでは、約４．５ｗｔ％の水素が吸蔵されている。
そして再び水素化工程を繰り返すと、さらに水素が吸蔵される。２回目の水素化工程においても、第２の圧力値まで昇圧する。そして２回目の脱水素化工程においても、１回目の脱水素化工程と同様の圧力まで降圧させる。これを繰り返すことにより、徐々に水素が水素吸蔵合金に吸蔵され、最終的にグラフとして安定した軌跡を描くようになる。すなわち、水素化工程での水素吸蔵率と圧力との関係を示すグラフが、脱水素化工程でのグラフと略一致する。このときに第１の圧力値に合せると、略２０ｗｔ％の水素を吸蔵することができている。
つまり、本発明によれば、水素化工程と脱水素化工程とを繰り返すことにより、理論値を超えて水素吸蔵合金に水素が吸蔵されることができ、これを実験にて確認した。
なお、本実験では、水素吸蔵合金としてｎｍ単位の粒径からなるものを用いた。具体的には５ｎｍ以下の粒径である水素吸蔵合金を用いた。このように粒径を小さくすることで、第１の圧力値を低くすることができるので、これに伴い第２の圧力値も低くなり、したがって水素吸蔵のために過大な圧力を加えることが不要となる（低圧環境下での水素吸蔵の実現が達成できる）。さらに、雰囲気中の温度も低く設定することができる。さらに、吸蔵のための時間も短縮することができる。具体的には、従来１２０分〜１６０分かかっていた水素化工程及び脱水素化工程を９０分程度でともに終えることができる。

Claims (2)

  1. 雰囲気中の圧力を上昇させながら水素吸蔵合金を水素化する水素化工程と、
    雰囲気中の圧力を下降させながら水素化された水素吸蔵合金を脱水素化する脱水素化工程と
    を備え、
    前記水素化工程にて、前記水素吸蔵合金と水素との原子量比で算出される水素吸蔵率を理論値として予め求め、前記水素吸蔵合金が前記水素を前記理論値まで吸蔵したときの圧力を第１の圧力値として設定し、該第１の圧力値の１０倍以上の圧力値を第２の圧力値として設定し、該第２の圧力値まで圧力を上昇させ、
    前記脱水素化工程にて、前記第２の圧力値から前記第１の圧力値以下まで前記圧力を下降させ、
    前記水素化工程及び前記脱水素化工程を繰り返すことを特徴とする水素吸蔵方法。
  2. 前記水素吸蔵合金はｎｍ単位の粒径であることを特徴とする請求項１に記載の水素吸蔵方法。
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