JP3338176B2 - 水素貯蔵材料 - Google Patents

水素貯蔵材料

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【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、水素を高密度でしかも
常温にて可逆的に吸蔵・放出することができる水素貯蔵
材料に関する。
【0002】
【従来の技術】水素貯蔵材料は、常温、常圧下で液体水
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り、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での貯蔵を
必要としない優れた水素貯蔵方式である。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おり、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
られている。さらには、この反応熱を利用した熱貯蔵、
熱輸送システムを構築する技術の開発、実用化も進めら
れている。水素貯蔵材料を用いたこれらのシステムが実
用化されるか否かは、その水素貯蔵材料の性能、とりわ
け経済性の観点から考えれば水素吸蔵量が大きく影響す
るものと考えられる。
【0003】これまでに、水素貯蔵材料として、La−
Ni,Mg−Ni,Ti−Fe,Mm−Ni,Ti−M
n合金(TiMn1.5)やこれらの元素を多元化した合
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。しかし、上記した水素貯蔵
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であり、高圧水素ボンベの水
素貯蔵密度と同程度である。また、上記水素貯蔵材料に
おける反応熱量を見ても、従来の熱貯蔵、熱輸送システ
ムで得られる熱量と同程度である。したがって、水素貯
蔵材料の合金コストがまだ高いことを考慮すれば、こら
れの水素貯蔵合金を用いたシステムは、従来のシステム
と比べて経済性の点で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
吸蔵量を示すが、水素吸蔵・放出反応が遅く、また、3
50℃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、実用性に劣って
いる。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蔵・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。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】すなわち本発明の水素
貯蔵材料は、化学式が下記一般式からなり、かつ、結晶
構造が立方晶系E93構造を有することを特徴とする。 一般式:Ti2-xx(B1-yyz A:Zr,Vの一種以上 B:Co,Niの一種以上 C:V,Fe,Mn,Cu,Mo,Nb,Mmの一種以
上 ただし、0≦x≦1.0、0≦y≦0.5、0<x+
y、0.8≦z≦1.2であり、Vは、A、Cの両方か
らは選択しない。
【0005】
【作用】本発明の合金は、三元系以上の組成から構成さ
れる合金であり、Tiと、CoまたはNiの一種以上を
基本元素として立方晶系E93結晶構造を有するもので
ある。結晶構造をこの立方晶系E93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。
【0006】そして、Zr、Vの添加により、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。しかし、これ
ら元素の過剰添加は平衡解離圧を著しく減少させ、水素
放出させるためには、300℃以上の高温に高めなけれ
ばならず、容易に吸収・放出させることができる水素量
が減少する。このために、Zr、Vの添加量を1.0以
下に限定した。
【0007】またCo、Niの一部をV、Fe、Mn、
Cu、Mo、Nb、Mm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、立方晶系E93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
特性としての圧力組成等温線図(P−C−T線図)のプ
ラトー特性やヒステリシス特性の改善に寄与する。しか
し、置換する金属の過剰添加は、立方晶系E93構造を
他の結晶構造に変化させて、立方晶系E93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、
yの範囲を0.5以下に抑えた。
【0008】zの値は、基本的には化学量論比に従って
2にすることによって均一なE93構造が得られ、その
結果、水素吸蔵量も大きな値を示す。しかし、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
E93構造が得られ、水素吸蔵量もさらに大きな値とな
る。従って、zの範囲として0.8から1.2の範囲に
定めた。
【0009】
【実施例】
(実施例1)以下に、この発明の実施例(発明材)を、
本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。次いで、
溶解後、合金の組成を均質化させること、さらに発明材
については立方晶系E93単相にすることを目的とし
て、Arガス雰囲気下において1200℃の任意の温度
にて、10時間程度の熱処理を施した。熱処理後の発明
材は、粉末X線回折測定による構造解析からいずれも立
方晶系E93単相であることが確認された。
【0010】次いで、これらの合金を、大気中で50〜
200メ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150℃に保持した
まま、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、50kgf/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
300℃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50℃に保持し、50kgf/cm2まで加圧し水
素を吸収させて、その水素吸蔵量を測定した。その結果
は、本発明材および比較材の水素吸蔵量として表1に示
した。以上のように、本発明材は、特別な活性化処理を
施すことなく、簡単な操作により水素を吸蔵させること
ができ、しかも、表1に示すように、いずれも従来材
(比較材)に比べて、著しく大きな吸蔵量を示してお
り、優れた水素貯蔵材料であることが確認された。
【0011】
【表1】
【0012】(実施例2)次に、他の実施例として、発
明材用にTi2NiのTiの一部をZrで、またNiの
一部をV、Fe、Mn、Co、Cu、Mo、Nb、Mm
でそれぞれ10%置換させた組成となるように各原材料
を配合した。また、比較材としてTi2Ni用の配合物
を用意した。これらの配合物を、上記実施例1と同様に
して、溶解、凝固させた後、Arガス雰囲気下において
920℃の温度にて、24時間の熱処理を施した。本発
明材は、粉末X線回折測定によって、いずれも立方晶系
E93単相であることが確認された。
【0013】これらの合金を、大気中で、50〜200
メッシュに粉砕し、各試料5gを、ステンレス鋼製反応
容器内に封入した。次いで、前記反応容器内を150℃
に保持したまま、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、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150℃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
で加圧し水素を吸収させた。
【0014】従来材であるTi2Ni合金は、このよう
な水素吸蔵操作によって、220cc/g程度の水素吸蔵量
を示した。これに対し、本発明材は、Ti2Ni合金以
上の水素吸蔵量を示し、優れた水素吸蔵材料であること
が判明した。また、Tiの一部をZrで、またNiの一
部をZr、V、Fe、Mn、Co、Cu、Mo、Nb、
Mmで置換させることにより、その平衡解離圧がその置
換量とともに変化し、また変化する方向がそれぞれ置換
元素で異なっている。例えば、Zr、Coの置換では平
衡解離圧は低下する方向にあり、それ以外の元素の置換
では逆に上昇する傾向を示した。これらのことから、置
換元素の種別や置換量を適当に選定することによって、
平衡解離圧を自由に調整することが可能となった。
【0015】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の水素貯蔵
材料によれば、Ti2CoまたはTi2Niの一部を他の
元素で置換した立方晶系E93構造結晶からなるので、
特別な活性化処理を必要とすることなく常温で優れた水
素吸蔵特性が得られ、水素貯蔵材料を使用したシステム
を経済的かつ実用的に構築することが可能となった。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C22C 14/00

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 化学式が下記一般式からなり、かつ、結
    晶構造が立方晶系E9構造を有することを特徴とする
    水素貯蔵材料 一般式:Ti2−x(B1−y A:Zr,Vの一種以上 B:Co,Niの一種以上 C:V,Fe,Mn,Cu,Mo,Nb,Mmの一種以
    上 ただし、0≦x≦1.0、0≦y≦0.5、0<x+
    y、0.8≦z≦1.2であり、Vは、A,Cの両方か
    らは選択しない。
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