JP2627302B2 - 水素吸蔵合金成形体の製造方法 - Google Patents

水素吸蔵合金成形体の製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】 (イ)産業上の利用分野 本発明は水素を可逆的に、且つ、迅速に吸蔵、放出し
得る水素吸蔵合金成形体の製造方法に関する。
(ロ)従来の技術 近年可逆的に水素を吸蔵、放出する能力を有する水素
吸蔵合金を用いた様々な応用システムの開発が盛んに行
なわれている。例えば、大量の水素吸蔵能力に着目した
水素貯蔵システム、放出時の水素圧力変化を利用したア
クチュエータ、水素との選択的な反応に着目した水素精
製システムおよび水素との反応熱を利用した蓄熱、ヒー
トポンプなどの熱利用システムなど、さまざまなシステ
ムが実用化に向けて開発されている。
ところで、このシステムに用いられる基礎部材となる
水素吸蔵合金は、一般的にアーク溶解炉、高周波誘導炉
などにより製造された金属間化合物であるため、延性、
展性に乏しい。それゆえ、そのままの状態で使用すると
水素の吸蔵、放出の繰返しに伴う応用力の作用により割
れが生じ、数ミクロン〜数十ミクロン程度に微粉化す
る。このため水素吸蔵合金を上記応用システムに使用し
た場合、熱伝導の低い水素吸蔵合金の粉体層が形成され
て、反応熱の迅速な供給、除去が阻害されて、水素吸
蔵、放出速度が低下し、システム全体の円滑な作動が困
難となる。
このため、水素吸蔵合金に延性、属性を持たせて水素
吸蔵、放出に伴う微粉化を防ぐために、従来では第4図
に示すような工程法により水素吸蔵合金を製造してい
た。即ち同図で示すように、先ず、溶解鋳造により、水
素を金属格子に取り込む性質を有するLaNi5等の単一相
製造の合金を作成し、次いで、この単一相の合金を粉
砕、粒度調整する。次に熱伝導性が良好で、且つ、合金
材料に比較して展延性に富むNiなどの金属を粉砕、粒度
調整してNiの金属粉末を作成、このNi金属粉末と先のLa
Nis合金の粉末とを混合して成型し、焼結することによ
り、水素吸蔵、放出に伴う微粉化を抑制し、熱伝導性を
高めた水素吸蔵合金を製造していた。
(ハ)発明が解決しようとする課題 しかしながら、上記方法では、熱伝導性の良好な金属
粉末と水素吸蔵合金粉末を均一に混合するためにその粒
度を適切に調整する必要があり、このため工程が複雑と
なる欠点がある。即ち、従来方法の第4図で、破線で囲
んだ枠内で示されるように、水素吸蔵合金粉末とNi金属
粉末との混合工程およびその前段作業であるNi粉末の粒
度調整という2つの工程が必要となる。
本発明は上記の点に鑑みなされたもので、熱伝導性が
高く、水素吸蔵、放出に伴う微粉化の起こりにくい水素
吸蔵合金を簡単な工程で製造する方法を提供することを
目的とする。
(ニ)課題を解決するための手段 このため、本発明の水素吸蔵合金の製造方法は、可逆
的に水素を吸蔵、放出し得る金属間化合物相と純金属相
もしくは、その固溶体相よりなる共晶組織を含む合金鋳
塊を粉砕、成形し、焼結することにより水素吸蔵合金成
形形体を得るようにしたものである。即ち、本発明の製
造方法を概略的に示す第1図で理解されるように例えば
水素吸蔵合金の原料金属であるLaおよびNiを溶解鋳造し
てLaN5なる水素吸蔵合金相(LaNi5の金属間化合物相)
とNiの金属相(または固溶体相)よりなる2相の共晶組
織を含む合金を作成し、この合金鋳塊を粉砕、粒度調整
した後、この合金粉末を焼結して得るという工程が、基
本的に3工程に短縮されている水素吸蔵合金成形体の製
造方法となっている。
(ホ)作用 水素吸蔵、放出能力を有する金属間化合物相と熱伝導
の高い純金属相あるいはその固溶体相の共晶組織は、こ
れらの相が各々数ミクロン程度の間隔で層状となってい
るため、これを単に粉砕することにより金属間化合物粉
末と純金属あるいはその固溶体の均質な混合粉末体が得
られ、これをただちに成形、焼結させて所望とする水素
吸蔵合金成形体を得ることができる。
従って、従来製法で必要とされていた水素吸蔵合金と
なる金属間化合物粉末に加えられる熱伝導性の高い純金
属粉末あるいはその固溶体粉末の粒度調整および両粉末
の均一な混合と言う工程が不要となり工程が極めて簡略
化される。
(ヘ)実施例 以下、本発明の一実施例をLa−Ni2元系合金の場合に
つき述べる。
La−Ni2元系合金はその組成(重量%)と温度(℃)
に応じて様々の状態を取り得る。そのLa−Ni2元系合金
の状態図を示したものが第2図である。
先ず、同図のA点で示される組成と温度の状態を取り
得るLaNi5相とNi相の共晶金属を以下の手順で作成し
た。即ち、原料金属であるLaおよびNiを粉末状、ロット
状、あるいは破片状いずれの形状であっても構わない
が、それらを共晶組成であるLa18重量%、Ni82重量%と
なるように秤量した後、これを混合し、更に適当な大き
さにプレス成形し、水冷銅鋳型内にてアリゴンアークに
より溶解後、鋳造してLaNi5相とNi相の2相より共晶合
金を作成した。なお、このようにして得た共晶合金は、
光学的顕微鏡観察の結果、相間隙が数ミクロン程度の層
状の共晶組織を呈していることが判った。更に、この共
晶合金のLaNi5相とNi相との比率は、状態図より3:2(重
量比)と推定され遊離Ni相は約40%含まれる。
次に、上記の方法により得た共晶合金を単に200ミク
ロン程度以下に粉砕した後、プレス成形および焼結を行
ない、水素吸蔵合金成形体を得た。ここで、焼結は真空
雰囲気下のもとで、焼結温度約1100℃、5時間の条件下
にて行なった。なお、焼結雰囲気はArなどの不活性ガス
の雰囲気下でもよい。
このように、共晶組織を含む合金鋳塊を単に、粉砕、
焼結すると言う極めて簡単な工程により、熱伝導性が高
く、しかも水素吸蔵、放出の繰り返しによっても微粉化
しにくい水素吸蔵合金成形体が得られる。
次に、以上の実施例により作製した水素吸蔵合金成形
体と、公知のものとの水素吸蔵速度比較のため、以下の
要領で水素吸蔵合金成形体を作製した。
[比較例(1)] 原料金属であるLaおよびNiをそれぞれLa32.2重量%、
Ni67.8重量%となるように秤量した後、これを混合し更
に適当な大きさにプレス成形し、水冷銅鋳型内にてアル
ゴンアークにより溶解後、鋳造してLaNi5単一相の合金
を作成した次に上記の方法により得たLaNi5単一相合金
を200ミクロン以下に粉砕して水素吸蔵合金粉末を得
た。
[比較例(2)] 上記比較例(1)で得た水素吸蔵合金粉末を、更に20
0ミクロン程度以下に粒度調整したNi粉と重量比で3:2に
混合した後プレス成形し、これを真空雰囲気下にて約10
00℃、5時間の条件下にて焼結し、水素吸蔵合金成形体
を得た。なお、前記の混合重量比は共晶合金のLaNi5
とNi相の重量比にほぼ相当する。
以上のようにして得た従来方法に基づく比較例
(1),(2)による水素吸蔵合金粉末および水素吸蔵
合金成形体と、前述した本発明の一実施例による水素吸
蔵合金成形体との水素吸蔵速度の比較を以下に説明す
る。
先ず、各試料合金を反応容器に充填し、公知のジーベ
ルツの反応装置を用いて処理活性化処理を行なった。初
期活性化処理はいずれの試料合金も100℃の真空排気の
後室温にて10atmの水素ガスの加圧にて行なうことがで
きた。これを10回程度繰り返したのち、30℃にて初期圧
力を10atmとして水素吸蔵量−時間曲線を測定し水素吸
蔵速度を調べた。
即ち、第3図に本発明の一実施例に係る製造方法によ
る水素吸蔵合金成形体と、比較例(1),(2)による
水素吸蔵合金粉末および水素吸蔵合金成形体の水素吸蔵
反応率(最大水素吸蔵量に対する割合)と時間との関係
を示す。
同図より実線で示した本発明の一実施例による水素吸
蔵合金成形体は、反応時間が約3分で95%以上の反応率
となり、破線で示す比較例(1)の水素吸蔵合金粉末お
よび一点鎖線で示す比較例(2)の水素吸蔵合金成形体
よりも水素吸蔵速度が大きいことが判る。これらの傾向
は水素放出速度においても同様であった。なお、水素吸
蔵、放出速度測定後の水素吸蔵合金には、比較例(1)
を除いて他の水素吸蔵合金には微粉化は認められなかっ
た。
以上のようにLa−Ni2元系合金鋳塊を粉砕、成形、焼
結して得た本発明の一実施例による水素吸蔵合金成形体
が、従来公知の製造方法に基づく水素吸蔵合成粉末およ
び水素吸蔵合金成形体に比較して、水素吸蔵、放出速度
が優れていることが判明したが、ここで本発明の一実施
例に係る水素吸蔵合金成形体の原料体とも言うべき合金
鋳塊は必ずしも共晶組成に限るものではなく、第3図よ
り明らかなようにNiが67.8重量%より大きく、100重量
%未満であれば共晶組織を含む合金鋳塊を得ることがで
きる。これを単に粉砕、成形、焼結することにより、前
述と同様の水素吸蔵合金成形体の製造が可能である。ま
た、焼結温度は、La−Ni2元系合金の場合、共晶組織を
含むLa−Ni2元系合金の実質的な合金融点である共晶温
度(1245℃)以下であることが望ましい。
以上、La−Ni2元系合金の場合につき、本発明の一実
施例による水素吸蔵合金成形体の製造方法を示したが、
本発明の製造方法は、第2図で示したLa−Ni2元系合金
と同様の状態図を示すと考えられるCe,Nd,Pr,Smなどの
希土類、あるいはこれらの混合物、もしくはCaと、Cr,M
n,Fe,Co,Ni,Caなどの遷移金属からなるAB5型六方晶構造
の2元系合金や多元系合金、Ti,Zr,V又はCa,Mgなどのア
ルカリ土類金属と、Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Cuなどの遷移金属
からなるAB型立方晶構造もしくはAB2型六方晶構造であ
る2元系合金、多元系合金に対しても同様に適応でき
る。なお、上記したAB5型合金の例としては、LaCo5,CaN
i5,LaCu5等があり、また、AB型合金の例としては、TiF
e,TiCo,TiNi,ZrNi等があり、AB2型合金としてはTiMn5,Z
rMn2等の合金塊が上げられ、これらと金属相あるいは固
溶体相との共晶合金に本発明を適用できる。
以上述べたように、本発明の水素吸蔵合金成形体の製
造方法によれば、従来の水素吸蔵合成成形体の製造方法
を説明した比較例(2)の作成手順中の熱伝導性の高い
Ni,Cuなどの金属粉末と、水素吸蔵合金粉末との粒度調
整および混合という2工程を行なうことなく、単に合金
鋳塊を粉砕、焼結するという簡単な工程で、水素吸蔵合
金成形体を得ることができる。しかも、係る水素吸蔵合
金成形体は、熱伝導が高く合金材料に対して展延性に富
むNi,Cuなどが均一に混合されているため、微粉化が起
こりにくく、水素吸蔵、放出速度は第3図で示したよう
に、比較例(1)で示される単なる水素吸蔵合金粉末に
比べて格段に大きく、比較例(2)で示される従来の製
造方法による水素吸蔵合金成形体に比べても、同等もし
くはそれ以上となる。
(ト)発明の効果 以上本発明の水素吸蔵合金の製造方法によれば、共晶
組織を含む合金鋳塊の粉砕、および焼結という極めて簡
単な工程により、熱伝導性が高く、水素吸蔵、放出の繰
り返しによっても微粉化しにくい水素吸蔵合金が得られ
るため、これを使用することによって初めて、低コスト
でしかも高性能な応用システムの実現が可能になるとい
う多大な効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明による水素吸蔵合金成形体の製造方法を
示す工程概略図、第2図はLa−Ni元系合金の一部を示し
た状態図、第3図は本発明の製造方法による水素吸蔵合
金成形体と、従来製造法による水素吸蔵合金粉末および
水素吸蔵合金成形体の、水素吸蔵の反応率と時間との関
係を示す図、第4図は従来の水素吸蔵合金成形体の製造
方法を示す工程概略図である。

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】可逆的に水素を吸蔵、放出し得る金属間化
    合物相と純金属相、もしくはその固溶体相よりなる共晶
    組織を含む合金鋳塊を粉砕し、その微粒粉を成形、焼結
    して製造することを特徴とする水素吸蔵合金成形体の製
    造方法。
  2. 【請求項2】特許請求の範囲第1項記載において、金属
    間化合物相がAB5型六方晶構造であって、AがLa,Ce,Nd,
    Pr,Sm等の希土類元素もしくはその混合物、あるいはCa
    元素の少なくとも一種、BがCr,Mn,Fe,Co,Ni,Cu,等の遷
    移金属の少なくとも一種より選ばれることを特徴とする
    水素吸蔵合金成形体の製造方法。
  3. 【請求項3】特許請求の範囲第1項記載において、金属
    間化合物がAB型立方晶構造もしくはAB2型六方晶構造で
    あって、AがTi,Zr,V又はCa,Mgなどのアルカリ土類金
    属、BがCi,Mn,Fe,Co,Ni,Cuなどの遷移金属の少なくと
    も一種より選ばれることを特徴とする水素吸蔵合金成形
    体の製造方法。
  4. 【請求項4】特許請求の範囲第1項記載において、焼結
    は真空雰囲気もしくは不活性ガス雰囲気下にて、また、
    その焼結温度は合金に含まれる共晶組織の融点、即ち共
    晶温度以下で行なわれることを特徴とする水素吸蔵合金
    成形体の製造方法。
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