JP2935806B2 - 水素貯蔵材料 - Google Patents
水素貯蔵材料Info
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- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/32—Hydrogen storage
Description
常温にて可逆的に水素を吸蔵・放出することができる水
素貯蔵材料に関する。
素の水素密度と同等かあるいはそれ以上の密度で水素を
貯蔵できる材料であることから、これまでの液化水素あ
るいは高圧ボンベ方式のように極低温あるいは高圧力を
必要としない優れた水素貯蔵方式を可能にする。さら
に、水素貯蔵材料は、水素と可逆的に反応して、反応熱
の出入りを伴って水素を吸蔵、放出する性質を有してい
る。この反応を利用して水素を貯蔵、運搬する技術の実
用化が図られており、さらに反応熱を利用して水素を熱
貯蔵、熱輸送システムを構築する技術の開発、実用化が
進められている。
実用化されるか否かは、その水素貯蔵合金の性能、とり
わけ経済性の観点から水素吸蔵量の大小が問題になる。
これまでに、水素貯蔵材料として、La−Ni,Mg−
Ni,Ti−Fe,Mm−Ni,Ti−Mn、およびこ
れらの多元化した合金が開発、提唱されており、上記し
た各種用途への応用、実用化が図られている。
貯蔵材料のうち、Mg−Ni合金を除き、いずれもその
水素吸蔵量は最大で200cc/g程度である。この程
度の水素吸蔵量は、高圧水素ボンベの水素貯蔵密度と同
程度であり、また反応熱を利用するシステムにおいても
この材料から得られる熱量としては、従来の水素貯蔵合
金を用いないシステムから得られる熱量と同程度であ
る。しかし、水素貯蔵合金の合金コストがまだ高いこと
もあり、上記程度の水素吸蔵量では、水素貯蔵合金を用
いたシステムは経済性から考えて必ずしも優位であると
は言い難い。一方、Mg−Ni合金は、400cc/g
と優れた水素吸蔵量を示す。しかし、水素吸蔵・放出反
応が遅く、350℃以上の高温でなければスムーズに水
素の吸収・放出ができないなどの欠点を有しており、実
用化は難しい。本発明は、上記事情を背景としてなされ
たものであり、常温で可逆的に速やかに水素を吸収・放
出でき、しかも従来材に比べて優れた水素吸蔵量を示す
水素貯蔵材料を提供することを目的とする。
ち、第1の発明の水素貯蔵材料は、一般式Ti100-x-y-
zCrxAyBzで表され、AがV,Nb,Mo,Ta,W
の一種以上、BがZr,Mn,Fe,Co,Ni,Cu
の二種以上からなり、x、y、zが、0<x<70、0
<y<80、0<z<20、ただし0<x+y+z<1
00の範囲内にあり、かつ結晶構造が体心立方構造であ
ることを特徴とする。
格子定数aが、2.95Å<a<3.10Åの範囲内に
あり、かつ、隣接する単位格子の体心にある2個の金属
と、この体心間の近接する隅点にある2個の金属にそれ
ぞれ接する仮想球の大きさが、半径で0.33Å以上で
あることを特徴とする。
れる合金であり、その結晶構造が体心立方構造であるこ
とを特徴としている。体心立方構造とすることによっ
て、従来の水素吸蔵量を飛躍的に増大させることが可能
となった。ここで、Crの組成比xを限定した理由を述
べると、xが70以上では水素吸蔵量そのものがH/M
=lよりも低下し、従来合金よりも水素吸蔵量が低下す
る。xが70未満では、従来合金よりもおおきな水素吸
蔵量を示すが、特にxが10<x<60の範囲では、H
/M=1.4以上となり、従来合金と比べて著しく大き
な水素吸蔵量を示すようになる。このため、xの組成範
囲を、0<x<70に定めた。望ましくは、10<x<
60である。
℃以上の高温で体心立方晶を示す合金であるが、これに
Aの元素を添加することにより、比較的低温にても体心
立方晶が出現しやすくなり、より簡単な処理により体心
立方晶を作り出すことが可能となる。また、単に体心立
方晶が得られやすくなるばかりではなく、その水素吸蔵
量を飛躍的に増加させる効果も有している。特に、Aの
中でもVおよびMoにおいてこの効果が著しい。しかし
その組成比yが80以上では、水素吸蔵量は大きいもの
の、水素放出がしずらくなり、可逆的な水素吸・放出量
すなわち有効に利用できる水素吸蔵量が低下する。よっ
て、yの組成範囲を0<y<80に定めた。
中の圧力−組成−等温曲線におけるプラトー性の改善や
平衡解離圧特性の制御に効果を示す。とりわけ、Feと
他の元素との複合添加は、平衡解離圧特性を常温常圧付
近に保ったまま、プラトー性の改善に大きく寄与する。
しかし、B元素の組成比zが20以上では、体心立方晶
以外の相が出現しやすくなり、それによって体心立方晶
の有する高吸蔵性の特徴が低下するようになる。このた
め、0<z<20の範囲に限定する。
というだけではなく、格子定数aが、2.95Å以上か
つ3.10Å以下の範囲にあり、かつ結晶格子内の空隙
が一定以上の場合に、水素吸蔵量が急激に増大する。す
なわち、格子定数が上記範囲にあっても、水素吸蔵量の
大幅な増加は期待されず、結晶格子内の空隙に配置可能
な仮想球の大きさが半径で0.33Å以上の場合に水素
吸蔵量が大幅に増大する。この仮想球は、例えば図1に
示すように、隣接する単位格子1、1の体心にある金属
B1、B2と、体心間の近接する隅点にある金属A1、
A2間の空隙におかれる仮想的なものであり、各金属に
内接するものである。この0.33Å以上確保される空
隙に水素が侵入して占有することによって、水素吸蔵量
が大幅に増大することになる。この大きさが0.33Å
未満であると、空隙への水素の侵入が円滑になされず、
水素吸蔵量の大幅な増大は望めない。
発明の範囲外の比較材と比較しつつ説明する。各成分原
料をそれぞれ秤量して、表1に示す組成となるように配
合した。この配合物を、アーク式真空溶解装置の銅製ル
ツボ内に収納し、高純度Arガス雰囲気下でアーク溶解
し、装置内で室温まで冷却して凝固させた。さらに溶解
後、合金の組成を均質化させることと、体心立方晶単相
とする目的で、Arガス雰囲気下において1200℃か
ら1400℃の任意の温度にて、約10時間程度の熱処
理を施した後、直ちに水冷処理を行った。このような処
理を施すことによって、表1に示した本発明材は、いず
れも体心立方晶単相であることを、粉末X線回折測定に
よる構造解析から確認した。
ッシュに粉砕して測定試料とし、各試料5gを、水素吸
収・放出量測定装置内のステンレス鋼製反応容器内に封
入した。なお、上記試料を用いて水素吸収・放出特性を
測定する前処理として、初期活性化処理を行った。すな
わち、前記反応容器内を約80℃に保持したまま、約1
時間真空脱ガス処理を行い、その後反応容器温度を20
℃まで降下させ、約40kgf/cm2の高純度水素を
導入した。本発明材の試料は、このような操作によりた
だちに水素を吸収し始めた。水素吸収完了後、容器を8
0℃に加熱しながら真空排気し、前記試料から水素を放
出させ、初期活性化処理を完了させた。次に、反応容器
を再び20℃に保持し、40kgf/cm2まで加圧し
水素を吸収させて水素吸蔵量を測定した。
造と上記水素吸蔵量の測定結果を示す。表から明らかな
ように、本発明材はいずれも体心立方構造を有してお
り、比較材と比較して優れた水素吸蔵量を有していた。
次に、図2は、Ti−Cr−V−Fe−Cu五元合金に
おけるTi,Cr,Vの組成比と格子定数および水素吸
蔵量の関係を示す。この図から、格子定数が2.95Å
以上かつ3.10Åの場合に、水素吸蔵量が200cc
/g以上の優れた値を示している。
ずしも水素吸蔵量が大きな値を示しているわけではな
い。さらに、格子定数がこの範囲にある合金で、図1の
B1、B2の2個の金属と、A1、A2の2個の金属間
の空隙に配置可能な仮想球の大きさと、水素吸蔵量との
関係を図3に示す。この図からわかるように、水素が反
応することによって水素が占有すると考えられる上記空
隙の大きさと水素吸蔵量とは相関関係があり、大きな水
素吸蔵量を示すためには、上記した格子間空隙の大きさ
が0.33Å以上なければならないことがわかる。
材料によれば、特定組成の五元系以上の材料の結晶構造
を体心立方構造に限定したので、水素吸蔵量が向上し、
水素の貯蔵等のシステムを経済的に実用化することが可
能になる。また、結晶の格子定数および格子位置の金属
間空隙大きさを限定することにより、さらに水素吸蔵量
が増大する効果がある。
ある
グラフである
蔵量との関係を示すグラフである。
Claims (2)
- 【請求項1】 一般式Ti100-x-y-zCrxAyBzで表さ
れ、AがV,Nb,Mo,Ta,Wの一種以上、BがZ
r,Mn,Fe,Co,Ni,Cuの二種以上からな
り、x、y、zが、0<x<70、0<y<80、0<
z<20、ただし0<x+y+z<100の範囲内にあ
り、かつ結晶構造が体心立方構造であることを特徴とす
る水素貯蔵材料 - 【請求項2】 結晶の格子定数aが、2.95Å<a<
3.10Åの範囲内にあり、かつ、隣接する単位格子の
体心にある2個の金属と、この体心間の近接する隅点に
ある2個の金属にそれぞれ接する仮想球の大きさが、半
径で0.33Å以上であることを特徴とする請求項1記
載の水素貯蔵材料
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1994
- 1994-03-14 JP JP6068103A patent/JP2935806B2/ja not_active Expired - Fee Related
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