JP2935972B2 - 水素および水素同位体吸蔵合金 - Google Patents
水素および水素同位体吸蔵合金Info
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- Hydrogen, Water And Hydrids (AREA)
Description
び水素同位体すなわち重水素(D2)や三重水素(T2)
を高密度でしかも可逆的に吸蔵・放出することができる
水素および水素同位体吸蔵合金に関する。
は、水素あるいは水素同位体の分離・回収・貯蔵、反応
熱を利用したヒートポンプ・熱輸送等の熱利用、二次電
池材料などへの応用が行われてきた。これらの用途にお
いて、水素吸蔵材料に求められる最も基本的な特性とし
ては、水素貯蔵密度が大きいこと、材料と水素あるいは
水素同位体との反応が早く可逆的なこと、材料コストが
安価なこと、また安全に使用できることにある。
しては、TiFe系、MmNi5系、熱利用の材料とし
ては、TiMn1.5系、TiCr2系、二次電池水素吸蔵
材料としてはMmNi5系、ZrNi2系、あるいは水素
同位体取り扱い用吸蔵材料としてはウラン(U)、Zr
Ni合金等の水素吸蔵材料が用いられており、さらに特
性を改良するために、これらの基本的合金から派生した
多元系合金も提唱されている。
Ni合金を除き、いずれの合金も水素貯蔵密度として
は、水素/金属原子比(H/M)で高々1程度であり、
水素貯蔵能力としては十分とはいえない。一方、ウラン
に関しては、貯蔵密度がH/M=3と大きいものの、材
料コストが高く、また核燃料物資として法律で厳しく規
制されているため、その使用は著しく困難である。しか
も、ウランは水素同位体と反応して著しい微粉化を生
じ、その後大気に触れさせた場合激しく燃焼するという
性質を有しているため、安全性の点からも問題がある。
また、ZrNi合金は、その水素貯蔵密度がH/M=
1.4程度と高いものの、水素同位体取り扱い材料とし
ては、その代表的な材料であるウランに比べて平衡解離
圧が高い等の欠点を有しており、また、その反応も遅
い。本発明は、上記事情を背景としてなされたものであ
り、水素および水素同位体を高密度で吸収・放出でき、
しかも従来材に比べて優れた反応特性を有するととも
に、安全性も高く、経済的にも優れた水素吸蔵合金を提
供することを目的とする。
本発明の水素および水素同位体吸蔵合金は、組成が下記
一般式からなり、かつ結晶構造が、CrB構造を有する
ことを特徴とする。 Zr1−xAx(Ni1−yBy)z ただし、A:Hf,希土類元素,Mo,Nbの一種以上 B:Fe,Co,Mn,Cr,Cuの一種以上 0≦x<0.5 0≦y<0.5 x+y>0 0.8≦z≦1.2
ベースとしてZrおよびNiの一部を他元素で置換した
3元系以上の組成からなり、その結晶構造はCrB構造
からなることを特徴としており、常法により製造するこ
とができる。なお、本発明の合金はZrNi合金をベー
スとするCrB構造としたことによって、従来材に比べ
て水素吸蔵量を飛躍的に増大させることが可能となり、
さらに安全にかつ低コストで水素または水素同位体を可
逆的に吸収・放出することが可能となった。また、Cr
B構造を維持しつつ、ZrおよびNiの一部を他元素で
置換したことによりZrNiの持つ大きな貯蔵密度を維
持しつつ、平衡解離圧特性を自由に制御することが可能
となり、さらに可逆的な水素および水素同位体吸収・放
出速度を高めることが可能となる。
添加は、水素吸蔵量を減少させることなしに、水素化特
性における平衡解離圧を自由に調整することが可能とな
る。また、これらの元素で置換させることにより、圧力
−組成−等温線図(P−C−T線図)上にあらわれるプ
ラトーの幅すなわち、有効水素移動量を大きくすること
ができるので、所望によりZrの一部をこれら元素で置
換する。しかし、過剰の添加は、他の結晶構造を析出さ
せ、CrB構造の有する大きな高密度な貯蔵能力を著し
く減少させる。このために、Hf等の添加量比xを0.
5以内に限定した。なお、希土類元素の添加に際しては
1種添加することは勿論のこと2種以上添加することも
可能であり、希土類元素としてミッシュメタルを添加す
ることも可能である。なお、上記量比xは、上記作用を
十分に得るためには0.1以上が望ましく、また上記と
同様の理由で上限を0.3とするのが望ましい。
r、Cuの一種以上で置換しても同様の効果が得られ
る。これらの金属の置換は、CrB構造の格子定数を微
妙に変化させ、それにともない平衡解離圧特性を精度よ
く調整することが可能となる。また、水素化特性として
のP−C−T線図のプラトー特性(プラトーの平坦性)
やヒステリシス特性の改善に寄与するので所望により添
加する。しかし、過剰の添加は、CrB構造を他の結晶
構造に変化させ、これに伴って、立方晶系CrB構造の
持つ大きな水素吸蔵量の特徴を減少させてしまう。従っ
て、Fe、Co、Mn、Cr、Cuの添加量比yを0.
5以下とした。なお、上記量比yは、上記作用を十分に
得るためには0.2以上が望ましく、また上記と同様の
理由で上限を0.4とするのが望ましい。
あるいはNiの一部をFe、Co等で置換させて得られ
る効果は、ZrおよびNiをこれらの元素で同時置換さ
せることによって、さらにより大きな効果が得られる。
すなわち、Zrの一部をHf等に置換させることによ
り、プラトー部の有効水素移動量を増大させ、さらに、
Niの一部をFe、Co等に置換させることにより、プ
ラトーの平坦性やヒステリシス特性を大きく改善するこ
とが可能となる。また、反応速度も大きくなる。
zの値は、化学量論比組成である1が基本となり、これ
により均一なCrB構造が得られ、水素吸蔵量も大きな
値を示す。ただし、置換元素によっては、必ずしも化学
量論比組成でなくとも均一なCrB構造が得られ、これ
によって水素吸蔵量も大きな値を維持する。従って、z
の範囲として0.8から1.2の範囲に定めた。
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。これら配合物を、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、溶解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、結晶構造
をCrB単相にすることを目的として、Arガス雰囲気
下において約1100℃の温度にて約10時間程度の熱
処理を施した。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CrB単相となってい
ることが粉末X線回折測定による構造解析から確認され
た。これらの合金は、大気中で、48〜70メッシュに
粉砕して測定試料とし、各試料20g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。
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500℃に保持したま
ま、容器内を1×10-7Paの高真空下で約8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1kgf/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500℃
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、1kgf/cm2まで加圧し水素を
吸収させた。
/cm2までの圧力−組成−等温線図の測定および反応
速度の測定を行った。また、これらの測定後、反応容器
を大気解放させ、合金の着火状態を調べた。表1には、
本発明材および比較材の結晶構造と室温にて1kgf/
cm2まで加圧し水素を吸収させたときの水素吸蔵量、
平衡解離圧、および大気解放させたときの合金材料の着
火状態を示す。また、図1は、上記試料のうち一部材料
の反応速度の例を示す。
材は、ZrNi合金の有する大きな水素および水素同位
体貯蔵密度を損なうことなくP−C−T線図上のプラト
ー特性やヒステリシス特性を改善し、さらに平衡解離圧
を自由に制御することができ、また反応速度が大きく安
全性にも優れている。これに対し、比較材は、これら特
性のいずれかで劣っており、本発明によってこれら特性
の全てに優れた水素吸蔵材料が得られる。以上の実施例
で説明したように本発明材は水素吸蔵において良好な特
性を有しているが、平衡解離圧が小さく、しかも安全性
が高いという点から水素同位体吸蔵材料としても好適で
ある。
び水素同位体吸蔵合金によれば、組成が一般式Zr
1−xAx(Ni1−yBy)zからなり、 ただし、A:Hf,希土類元素,Mo,Nbの一種以上 B:Fe,Co,Mn,Cr,Cuの一種以上 0≦x<0.5 0≦y<0.5 x+y>0 0.8≦z≦1.2 かつ結晶構造がCrB構造を有するので、優れた水素ま
たは水素同位体貯蔵能力を有しているとともに、平衡解
離圧、反応速度に優れており、また安全性も高く、各種
用途の水素吸蔵材料として利用することができる。
度を示すグラフである。
Claims (1)
- 【請求項1】 組成が下記一般式からなり、かつ結晶構
造が、CrB構造を有することを特徴とする水素および
水素同位体吸蔵合金 Zr1−xAx(Ni1−yBy)z ただし、A:Hf,希土類元素,Mo,Nbの一種以上 B:Fe,Co,Mn,Cr,Cuの一種以上 0≦x<0.5 0≦y<0.5 x+y>0 0.8≦z≦1.2
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP8062061A JP2935972B2 (ja) | 1996-02-23 | 1996-02-23 | 水素および水素同位体吸蔵合金 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP8062061A JP2935972B2 (ja) | 1996-02-23 | 1996-02-23 | 水素および水素同位体吸蔵合金 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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JPH09227974A JPH09227974A (ja) | 1997-09-02 |
JP2935972B2 true JP2935972B2 (ja) | 1999-08-16 |
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Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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JP8062061A Expired - Fee Related JP2935972B2 (ja) | 1996-02-23 | 1996-02-23 | 水素および水素同位体吸蔵合金 |
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Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2935972B2 (ja) |
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---|---|---|---|---|
CN110249066B (zh) * | 2017-02-23 | 2021-04-30 | 爱知制钢株式会社 | 储氢合金 |
-
1996
- 1996-02-23 JP JP8062061A patent/JP2935972B2/ja not_active Expired - Fee Related
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JPH09227974A (ja) | 1997-09-02 |
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