JP3430371B2 - 水素吸蔵体および水素吸蔵装置 - Google Patents

水素吸蔵体および水素吸蔵装置

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    • B82Y30/00Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/32Hydrogen storage

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、例えば、燃料電池
において燃料として用いられる水素の吸蔵技術に関する
ものである。
【0002】
【発明が解決しようとする課題】現在、化石燃料を燃焼
させて動力を得る内燃機関に替わる、クリーンな車両用
動力源が鋭意研究開発されている。なかでも、燃料電池
を発電機として用いた電気駆動システムへの期待は非常
に大きい。
【0003】さて、言うまでもなく、燃料電池にはさま
ざまな方式が存在し、目下のところは、水素と酸素とを
反応させるタイプが主流となっている。しかしながら、
依然として解決が急がれる問題も残されている。それ
は、燃料となる水素をいかにして燃料電池に供給するか
である。
【0004】水素の供給(貯蔵)には、概して、次の三
つの方式が考えられる。一つ目は水素吸蔵合金を使用す
る方式、二つ目は液化させて、あるいは気体のまま高圧
でタンクに貯蔵する方式、そして三つ目は改質器を用い
てメタノールなどから直接生成する方式である。だが、
いずれの方式にも欠点が存在する。
【0005】まず、水素吸蔵合金を使用する場合、それ
はかなりの大きさの金属塊として装置に組み込まれるの
で、装置の重量が非常に大きくなる。また、水素吸蔵合
金は早期に微粉末化するので耐久性が低い。一方、タン
ク貯蔵方式は取扱いが困難な上、安全性の点で劣る。改
質器を用いる方式は、装置が大掛かりで複雑なものとな
り、コストが非常に高くつく。
【0006】したがって、本発明が解決しようとする課
題は、軽量で、かつ、耐久性に優れ、しかも取扱いが容
易であって安全性が高く、更には構造が簡単で安価な水
素吸蔵装置を提供することである。特に、こうした水素
吸蔵装置を形成できる高性能な水素吸蔵体を提供するこ
とである。
【0007】
【課題を解決するための手段】この課題は、殻壁に複数
の細孔が形成された、石英ガラスを主成分とする球状の
カプセル本体と、このカプセル本体の外面を被覆するよ
う設けられた、水素のみを透過させる厚さ1〜数μmの
水素透過膜とを備えたカプセルと、 このカプセル内に封
入されたフラーレンとを具備してなることを特徴とする
水素吸蔵体によって解決される。ここで、特に好ましい
フラーレンとしては、C60を挙げることができる。
【0008】また上記の課題は、殻壁に複数の細孔が形
成された、石英ガラスを主成分とする球状のカプセル本
体と、このカプセル本体の外面を被覆するよう設けられ
た、水素のみを透過させる厚さ1〜数μmの水素透過膜
とを備えたカプセルと、 このカプセル内に封入されたナ
ノチューブとを具備してなることを特徴とする水素吸蔵
体によって解決される。
【0009】
【0010】ひるがえって先の課題は、上記水素吸蔵体
を用いて構成された水素吸蔵装置であって、水素供給・
排出口が設けられた気密性を有する容器と、この容器内
に収納された複数の前記水素吸蔵体と、この水素吸蔵体
を加熱するための加熱手段とを具備してなることを特徴
とする水素吸蔵装置によって解決される。
【0011】さて、本発明に係る上記水素吸蔵体では、
殻壁を透過してカプセル内に入った水素(水素分子)
は、カプセル内部に封入されたフラーレンによって物理
的に保持される。すなわち、フラーレン内部は完全な真
空であり、したがってカプセル内に入ってきた水素は、
直ちにフラーレン内部(真空空間)に侵入し、そこに閉
じ込められた状態となる。つまり、水素はカプセル内の
フラーレンに吸蔵され、この結果、水素吸蔵体によって
安定的に貯蔵された状態となる(ちなみに水素の放出は
水素吸蔵体をある一定温度まで加熱してやればよい)。
【0012】ところで本発明の水素吸蔵体は、上記のご
とく、カプセル内に炭素微粉末を封入したものであるか
ら金属塊よりも格段に軽量であり、水素吸蔵合金を使用
する場合に比して、大幅な軽量化が図れる。しかも本発
明の水素吸蔵体は、水素吸蔵合金と違って微粉末化する
ことがないので、長期間にわたって繰り返し使用可能で
ある。つまり、本発明の水素吸蔵体は極めて耐久性に優
れる。また、本発明の水素吸蔵体は、水素を液化させた
り、あるいは気体のまま高圧で圧縮したりして封じ込め
るものではないから取扱いが容易であり、安全性に優れ
る。更に本発明の水素吸蔵体は、構造が非常に簡素であ
るので、低コストにて提供できる。
【0013】よって、この高性能・高機能な水素吸蔵体
を用いて形成された本発明の水素吸蔵装置は、軽量で、
かつ、耐久性に優れ、しかも取扱いが容易であって安全
性が高く、更には構造が簡単で安価なものとなる。こう
した点は、フラーレンに替えてナノチューブを用いた場
合についても同様である。
【0014】なお、上記カプセル形状の一例としては、
完全な真球状、多少ひしゃげた球状、球を一方向に引き
伸ばしてなるラグビーボールのような形状(回転楕円
体)を挙げることができる。しかしながら、水素吸蔵体
を密に容器内に充填する際のスペース効率や表面利用効
率、更には強度などを考慮すると、カプセルは真球状で
あるのが最も望ましい。
【0015】ここで参考までに上記フラーレン、特にC
60について簡単に説明する。C は、概して言う
と、計60個の炭素原子が、正二十面体の頂点を切り落
としてできる切頭二十面体形に、いいかえればサッカー
ボール形に結合した構造となっている。フラーレンには
60以外にも、例えばC70やC76、C78、C
といったものが存在する。しかし総合的に判断する
と、フラーレンとしては、やはりC60が最も望まし
い。一方、ナノチューブについては、炭素原子が長尺な
管状に結合した構造となっており、したがって分子量
は、フラーレンのそれよりも格段に大きい。
【0016】
【発明の実施の形態】以下、図1および図2を用い、本
発明の一実施形態について具体的に説明する。なお、図
1は本実施形態に係る水素吸蔵体の半断面図、図2は本
実施形態に係る水素吸蔵装置の概略断面図である。
【0017】本実施形態に係る水素吸蔵体(以下、本水
素吸蔵体と言う)は、同じく本実施形態に係る水素吸蔵
装置(以下、本水素吸蔵装置あるいは本装置と言う)を
構成するものである。すなわち、無数の本水素吸蔵体か
ら本装置の主要部が形成されている。なお、以下で説明
する本装置は、車両用燃料電池において燃料として用い
られる水素の吸蔵(貯蔵)を目的とするものである。い
いかえれば、本装置は水素供給源としての役割を果た
す。
【0018】さて本水素吸蔵体は、図1から判るよう
に、水素のみを透過させる真球状のカプセル1と、この
カプセル1内に封入されたフラーレン(正確にはフラー
レンからなる一定量の微粉末)2とを主要構成要素とし
て具備する。但し、ここではフラーレン2として、C
60を用いた。また、フラーレン2のカプセル内部空間
占有率(見かけの占有率)は、80%程度である。
【0019】カプセル1は二層構造を有する。更に詳し
く言うとカプセル1は、殻壁に無数の細孔(貫通孔)1
aが形成された、直径(外径)が数mm程度のカプセル
本体11と、このカプセル本体11の外面を被覆するよ
う設けられた水素透過膜12とからできている。このう
ち前者は、石英ガラスを主成分とするものであり、上記
細孔1aは、例えば、公知慣用の光エッチング処理など
を用いて形成されている。
【0020】一方、後者すなわち水素透過膜12は、水
素(水素分子)のみを透過させる役割を果たすもので、
その厚みは、1〜数μm程度である。本実施形態では、
この水素透過膜12を、パラジウム単体を材料とし、真
空蒸着やメッキなどの手法を用いて形成した。しかし、
パラジウム単体に替えて、パラジウム・銀・金系の合金
やランタン・ニッケル系の合金を上記水素透過膜12の
材料として用いてもよい。
【0021】この水素透過膜12を設けたことで、カプ
セル本体11内には水素以外のガス、例えば酸素が侵入
しなくなる。このためフラーレン2の酸化が、したがっ
てその水素吸蔵能力の低下が効果的に抑止される。ちな
みに、本水素吸蔵体の製造に関しては、開口を有するカ
プセル原材内に、同開口から適量のフラーレンを注入
し、その後、加熱して開口を閉塞する方法を用いた。但
し、本水素吸蔵体の製造作業の全工程は、水素雰囲気中
にて実施されることになる。これは、カプセル1内に酸
素などの無用なガスが入り込まないようにするためであ
る。
【0022】続いて、上記構造の本水素吸蔵体を用いて
形成された本実施形態に係る水素吸蔵装置について説明
する。本装置は、図2から判るように、気密性を有する
金属製の堅牢な容器31と、その内部に収納された無数
(例えば数万〜数百万)の上記水素吸蔵体32と、この
水素吸蔵体32を加熱するための電熱式のヒータ(加熱
手段)33とを主要構成要素として具備する。
【0023】なお、上記構成要素のうち容器31には、
水素供給口31aおよび水素排出口31bが設けられて
いる。それらの開口にはフィルター(図示せず)を配置
してあり、したがって容器31内の水素吸蔵体32が外
に飛び出すことはない。なお、水素供給口31aおよび
水素排出口31bを一つにまとめ、弁で切り換えるよう
にしてもよい。
【0024】本装置を用いて水素を吸蔵するには、ヒー
タ33を用いて水素吸蔵体32を所定の温度まで加熱し
ておき、この状態で、水素供給口31aから容器31の
内部に、やや圧力をかけて水素を充填すればよい(この
際、水素排出口31bは閉塞状態とする)。すると、容
器31の内部に流入した水素は、水素吸蔵体32に、正
確には、それを構成するフラーレンによって直ちに吸蔵
され、この結果、安全確実に貯蔵される。
【0025】これに対して、吸蔵しておいた水素を放出
させる際には、ヒータ33を作動させ、水素吸蔵体32
の温度を吸蔵時の温度よりも200℃程度高くする(こ
の際、水素供給口31aは閉塞状態とする)。すると、
フラーレンの内部に閉じ込められていた水素は、速やか
に外に飛び出し、更にカプセル殻壁および水素透過膜を
通過して、最終的に水素排出口31bから容器31の外
に排出される。
【0026】このように本水素吸蔵体では、殻壁を透過
してカプセル内に入った水素は、カプセル内部に封入さ
れたフラーレンによって物理的に保持される。すなわ
ち、フラーレンの内部は完全な真空であるから、カプセ
ル内に入ってきた水素は、直ちにフラーレン内部に侵入
し、そこに閉じ込められた状態となる。つまり、水素は
カプセル内のフラーレンに吸蔵され、この結果、水素吸
蔵体によって安定的に貯蔵される。
【0027】その一方で本水素吸蔵体は、上記のごとく
カプセル内にフラーレンの微粉末を封入したものである
から金属塊よりも格段に軽量であり、いいかえれば水素
吸蔵合金を使用する場合に比して著しく軽量である。し
かも、水素吸蔵合金と違って微粉末化することがなく耐
久性に優れ、長期間にわたって繰り返し使用できる。
【0028】また、水素を液化させたり、あるいは気体
のまま高圧で圧縮したりして封じ込めるものではないの
で、取扱いが容易であり、安全性に優れる。更に本水素
吸蔵体は、構造が非常に簡素なので製造コストは低廉で
ある。よって、この高性能・高機能な水素吸蔵体を用い
てなる本水素吸蔵装置も、軽量で、かつ、耐久性に優
れ、しかも取扱いが容易であって安全性が高く、更には
構造が簡単で、安価にて提供できる。
【0029】なお本実施形態では、燃料電池への水素供
給源として使用した場合を例に挙げて、本装置の構造や
機能を説明した。しかし、言うまでもなく、本発明に係
る水素吸蔵装置の用途は、こうした事例に限られるもの
ではない。また、本発明に係る水素吸蔵体の他の実施形
態としては、水素のみを透過させるカプセルと、このカ
プセル内に封入されたナノチューブとを具備してなる構
造のものを挙げることができる。
【0030】
【発明の効果】本発明によれば、軽量で、かつ、耐久性
に優れ、しかも取扱いが容易であって安全性が高く、更
には構造が簡単で安価な水素吸蔵装置を提供できる。特
に、こうした水素吸蔵装置を形成できる高性能な水素吸
蔵体が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態に係る水素吸蔵体の半断面図
【図2】本発明の実施形態に係る水素吸蔵装置の概略断
面図
【符号の説明】
1 カプセル 1a 細孔(貫通孔) 2 フラーレン 11 カプセル本体 12 水素透過膜 31 容器 31a 水素供給口 31b 水素排出口 32 水素吸蔵体 33 ヒータ(加熱手段)
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01M 8/04 H01M 8/06 B01J 20/20 B01J 20/28 F17C 11/00

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 殻壁に複数の細孔が形成された、石英ガ
    ラスを主成分とする球状のカプセル本体と、このカプセ
    ル本体の外面を被覆するよう設けられた、水素のみを透
    過させる厚さ1〜数μmの水素透過膜とを備えたカプセ
    ルと、 このカプセル内に封入されたフラーレンと を具備してな
    ることを特徴とする水素吸蔵体。
  2. 【請求項2】 フラーレンがC60であることを特徴と
    する請求項1に記載の水素吸蔵体。
  3. 【請求項3】 殻壁に複数の細孔が形成された、石英ガ
    ラスを主成分とする球状のカプセル本体と、このカプセ
    ル本体の外面を被覆するよう設けられた、水素のみを透
    過させる厚さ1〜数μmの水素透過膜とを備えたカプセ
    ルと、 このカプセル内に封入されたナノチューブと を具備して
    なることを特徴とする水素吸蔵体。
  4. 【請求項4】 上記請求項1〜請求項3のいずれかに記
    載の水素吸蔵体を用いて構成された水素吸蔵装置であっ
    て、 水素供給・排出口が設けられた気密性を有する容器と、 この容器内に収納された複数の前記水素吸蔵体と、 この水素吸蔵体を加熱するための加熱手段とを具備して
    なることを特徴とする水素吸蔵装置。
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