JP3795443B2 - チタン−クロム−マンガン系水素吸蔵合金 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、可逆的に水素を吸蔵・放出することのできる水素吸蔵合金に関し、詳しくは、高圧下における水素吸蔵量の大きいチタン−クロム−マンガン系水素吸蔵合金に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、二酸化炭素の排出による地球の温暖化等の環境問題や、石油資源の枯渇等のエネルギー問題から、クリーンな代替エネルギーとして水素エネルギーが注目されている。水素エネルギーは、例えば、電気自動車用電源等に利用される燃料電池を始めとして、様々な用途への利用が期待されている。水素エネルギーを実用化するためには、水素を安全に貯蔵・輸送する技術が重要となる。水素を貯蔵する技術として、例えば、水素を高圧で圧縮したり、また低温で液化してボンベ等の容器に充填する方法がある。一方、容器に水素を吸蔵・放出可能な材料を充填しておき、その材料に水素を吸蔵させて貯蔵する方法もある。水素を吸蔵・放出可能な材料の一つとして、水素吸蔵合金が挙げられる。水素吸蔵合金は、水素を金属水素化物という安全な固体の形で貯蔵できることから、輸送可能な新しい貯蔵媒体として期待されている。
【０００３】
これまで、既に数多くの水素吸蔵合金が開発されてきた。例えば、チタン系の水素吸蔵合金としては、一般式Ｔｉ−Ｍｎ−Ｍ（ＭはＶ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、ＣｕおよびＭｏからなる群から選ばれる少なくとも一種）で示される合金が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。また、一般式Ｔｉ1+xＣｒ2-yＭｎy（０＜ｘ≦０．４、０＜ｙ≦１）で表される合金も開示されている（例えば、特許文献２参照。）。
【０００４】
【特許文献１】
特開昭５４−６２９１４号公報
【特許文献２】
特公昭５９−７７７４号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記いずれの水素吸蔵合金も、比較的低圧下では水素を吸蔵・放出するものの、高圧下における水素吸蔵・放出特性は満足いくものではない。すなわち、従来は、１ＭＰａ程度の比較的低圧下で、また、常温付近の温度で水素を多量に吸蔵・放出できる合金の開発が主流であった。そのため、１５ＭＰａ以上の高圧下、あるいは−４０℃程度の低温下で多量の水素を吸蔵・放出できる合金の開発は、ほとんど行われていない。
【０００６】
本発明は、このような実状に鑑みてなされたものであり、高圧下における水素吸蔵量が大きく、かつ低温から常温までの広い温度範囲で水素を吸蔵・放出できる水素吸蔵合金を提供することを課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明のチタン−クロム−マンガン系水素吸蔵合金は、組成式ＴｉxＣｒ2-yＭｎy（１．０＜ｘ＜１．２、１．０＜ｙ＜１．４）で表されることを特徴とする。本発明者は、種々の合金の高圧下における水素吸蔵特性について研究を重ねた結果、ある組成を有するチタン−クロム−マンガン系水素吸蔵合金は、高圧下で多量の水素を吸蔵できることを見出した。そして、合金成分であるチタン（Ｔｉ）およびマンガン（Ｍｎ）の含有割合により、水素の吸蔵・放出量が大きく変化するという知見を得た。ここで、本発明のチタン−クロム−マンガン系水素吸蔵合金の一例として、組成式Ｔｉ1.05Ｃｒ0.99Ｍｎ1.01で表される合金の水素吸蔵量と圧力との関係を図１に示す。図１より、組成式Ｔｉ1.05Ｃｒ0.99Ｍｎ1.01で表される本発明の水素吸蔵合金は、圧力の増加とともに水素吸蔵量が増加し、圧力が１５ＭＰａ以上で水素吸蔵量が急激に増えることがわかる。
【０００８】
後に実施例で詳述するが、例えば、合金中のＴｉのモル比、つまり上記組成式におけるｘの値が１．０以下の場合には、金属水素化物の平衡水素圧（以下「解離圧」と表す。）が上昇し、圧力を３５ＭＰａ程度まで高くした場合でも、水素はほとんど吸蔵されない。一方、ｘの値が１．２以上になると、解離圧が低下し、広い範囲の圧力下で水素は吸蔵されやすくなる。しかし、大気圧（約０．１ＭＰａ）以上の圧力下で放出される水素の量は減少するため、実用に適さない。特に、−４０℃程度の低温下では、大気圧下で水素をほとんど取り出すことができないため、低温下での使用が難しくなる。また、合金中のＭｎのモル比、つまり上記組成式におけるｙの値が１．０以下の場合には、解離圧はあまり変化しないものの、水素を吸蔵できるサイトが少なくなるため、水素吸蔵量が減少する。一方、ｙの値が１．４以上になると、解離圧が低下し、大気圧以上の圧力下で放出される水素の量は減少する。そのため、特に−４０℃程度の低温下での使用が難しくなる。
【０００９】
本発明のチタン−クロム−マンガン系水素吸蔵合金は、ＴｉおよびＭｎの含有割合を上記範囲に特定したため、高圧下における水素吸蔵量が大きく、かつ低温から常温までの広い温度範囲で水素を吸蔵・放出できる水素吸蔵合金となる。また、本発明のチタン−クロム−マンガン系水素吸蔵合金は、低温下でも水素吸蔵・放出速度が大きい。通常、水素吸蔵合金が水素を放出する反応は吸熱反応となる。したがって、水素を放出するにつれ水素吸蔵合金の温度は低下していく。そのため、低温下で水素を放出し難い合金では、水素放出速度が小さくなる。本発明のチタン−クロム−マンガン系水素吸蔵合金は、低温下でも充分水素を放出できるため、水素放出に伴う温度の低下の影響は少なく、水素の放出速度を維持できると考えられる。
【００１０】
また、本発明の水素貯蔵装置は、容器と、該容器に収容された水素貯蔵材料とを含む水素貯蔵装置であって、前記水素貯蔵材料は、組成式ＴｉxＣｒ2-yＭｎy（１．０＜ｘ＜１．２、１．０＜ｙ＜１．４）で表されるチタン−クロム−マンガン系水素吸蔵合金を含むことを特徴とする。すなわち、上記本発明の水素吸蔵合金を水素貯蔵材料として用いた水素貯蔵装置である。上記本発明の水素吸蔵合金を水素貯蔵材料として用いることで、本発明の水素貯蔵装置は、高圧下で水素を多量に貯蔵することができる装置となる。また、本発明の水素貯蔵装置は、低温から常温までの広い温度範囲で多量の水素を利用できる装置となる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のチタン−クロム−マンガン系水素吸蔵合金および水素貯蔵装置について詳細に説明する。なお、説明する実施形態は一実施形態にすぎず、本発明のチタン−クロム−マンガン系水素吸蔵合金および水素貯蔵装置は、下記の実施形態に限定されるものではない。本発明のチタン−クロム−マンガン系水素吸蔵合金および水素貯蔵装置は、下記実施形態を始めとして、当業者が行い得る変更、改良等を施した種々の形態にて実施することができる。
【００１２】
〈チタン−クロム−マンガン系水素吸蔵合金〉
本発明のチタン−クロム−マンガン系水素吸蔵合金は、組成式ＴｉxＣｒ2-yＭｎy（１．０＜ｘ＜１．２、１．０＜ｙ＜１．４）で表される。合金中のＴｉのモル比、つまり上記組成式におけるｘの値の範囲は１．０＜ｘ＜１．２とする。上述したように、Ｔｉのモル比が１．０以下の場合には、圧力を３５ＭＰａ程度まで高くしても水素をあまり吸蔵しない。Ｔｉのモル比を１．０より大きくすることで、高圧下で多量の水素を吸蔵させることができる。一方、Ｔｉのモル比が１．２以上であると、大気圧以上の圧力下で取り出すことのできる水素量が減少する。特に、大気圧以上かつ−４０℃程度の低温下で、より多くの水素を取り出すことができるという理由から、Ｔｉのモル比を１．１未満（ｘ＜１．１）とすることが望ましい。
【００１３】
合金中のＭｎのモル比、つまり組成式におけるｙの値の範囲は１．０＜ｙ＜１．４とする。上述したように、Ｍｎのモル比が１．０以下の場合には、水素の吸蔵サイトが少なくなるため、水素吸蔵量が減少する。Ｍｎのモル比を１．０より大きくすることで、高圧下における水素吸蔵量を大きくすることができる。一方、Ｍｎのモル比が１．４以上であると、大気圧以上の圧力下で取り出すことのできる水素量が減少する。Ｍｎのモル比を１．４未満とすることで、大気圧以上の低温下であっても充分な量の水素を取り出すことができる。
【００１４】
また、結晶構造の観点から、本発明のチタン−クロム−マンガン系水素吸蔵合金は、六方晶系Ｃ１４型結晶構造を有するラーベス相からなり、格子定数ａおよびｃがそれぞれａ：０．４８６４ｎｍ以上０．４８７７ｎｍ以下、ｃ：０．７９８０ｎｍ以上０．８０１０ｎｍ以下であることが望ましい。六方晶系Ｃ１４型結晶構造を有するラーベス相からなる場合には、水素を吸蔵・放出する際の結晶の相転移がなく、水素の吸蔵・放出速度が大きい。格子定数ａおよびｃの値は、水素の吸蔵および放出し易さに関係すると考えられる。すなわち、格子定数ａおよびｃがそれぞれ上記範囲より小さいと、格子体積が小さくなるため、水素を吸蔵し難くなると考えられる。反対に、格子定数ａおよびｃがそれぞれ上記範囲より大きいと、格子体積が大きくなるため、水素を吸蔵し易くなる。しかし、この場合、一旦吸蔵された水素は放出され難くなると考えられる。
【００１５】
本発明のチタン−クロム−マンガン系水素吸蔵合金は、その製造方法が特に限定されるものではない。アーク溶解法等の通常の合金の製造方法、すわわち、原料となる各金属を目的の組成となるように混合、溶解した後、凝固させるというプロセスに従えばよい。
【００１６】
〈水素貯蔵装置〉
本発明の水素貯蔵装置は、容器と、該容器に収容された水素貯蔵材料とを含む水素貯蔵装置であって、水素貯蔵材料は、組成式ＴｉxＣｒ2-yＭｎy（１．０＜ｘ＜１．２、１．０＜ｙ＜１．４）で表されるチタン−クロム−マンガン系水素吸蔵合金を含む。
【００１７】
本発明の水素貯蔵装置を構成する容器は、高圧、低温等の条件で使用できるものであれば、特に限定されるものではない。通常用いられる耐圧容器、ボンベ等種々の容器を使用すればよい。そして、容器に上記本発明の水素吸蔵合金を含む水素蔵貯蔵材料を充填し、圧力や温度を所定の条件に調整することにより、水素を吸蔵・放出させればよい。
【００１８】
本発明の水素貯蔵装置は、使用温度、圧力が特に限定されるものではない。上述したように、水素蔵貯蔵材料として収容される本発明のチタン−クロム−マンガン系水素吸蔵合金は、高圧下にて水素を多量に吸蔵する。このことを考慮すると、収容された本発明の水素吸蔵合金に、１５ＭＰａ以上の圧力下で水素を吸蔵させることが望ましい。つまり、本発明の水素貯蔵装置は、水素を１５ＭＰａ以上の圧力で充填して使用することが望ましい。水素充填時の圧力を２０ＭＰａ以上とするとより好適である。
【００１９】
【実施例】
上記実施形態に基づいて、本発明のチタン−クロム−マンガン系水素吸蔵合金を種々製造した。そして、各々の水素吸蔵合金に所定の条件下で水素を吸蔵・放出させ、その吸蔵量と放出量とを測定した。以下、製造したチタン−クロム−マンガン系水素吸蔵合金、およびそれらの水素吸蔵・放出特性について述べる。
【００２０】
（１）第１シリーズのチタン−クロム−マンガン系水素吸蔵合金
（ａ）水素吸蔵合金の製造
下記表１に示す９種類の組成のチタン−クロム−マンガン系水素吸蔵合金を、アーク溶解法にて製造した。まず、純度９９％以上のＴｉ、Ｃｒ、Ｍｎを所定の合金組成となるように混合し、アルゴン雰囲気にて加熱炉で溶解した。その後、鋳型に流し込み急冷することによりインゴットに鋳造した。得られた各水素吸蔵合金のインゴットを粉砕して、以下の種々の測定に用いた。なお、製造された水素吸蔵合金は、いずれも本発明の水素吸蔵合金に相当する。
【００２１】
（ｂ）水素吸蔵合金の水素吸蔵・放出量等の測定
上記製造された水素吸蔵合金中のＴｉ、Ｃｒ、Ｍｎ量を、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）発光分析法により求めた。また、各水素吸蔵合金について、ＣｕΚα線を用いた粉末法による広角Ｘ線回折測定を行った。そして、Ｘ線回折パターンにおける（１１０）面の回折角から格子定数ａを求め、（００４）面の回折角から格子定数ｃを求めた。さらに、各水素吸蔵合金に所定の条件下で水素を吸蔵・放出させ、各水素吸蔵合金の水素吸蔵・放出量をＰＣＴ特性測定装置（鈴木商館社製）を用いて測定した。水素吸蔵・放出量の測定は、二つの条件で行った。一つは、温度２５℃、圧力０．１〜２５ＭＰａにて行った。もう一つは、−４０℃、圧力０．１〜９ＭＰａにて行った。そして、水素吸蔵合金から放出された水素の質量を、水素吸蔵合金の質量で除した値を有効水素量とした。各々の水素吸蔵合金の水素吸蔵・放出量の測定結果を、合金組成および格子定数とともに表１に示す。
【００２２】
【表１】
【００２３】
表１より、いずれの水素吸蔵合金も、２５℃における有効水素量が１．７ｗｔ％以上と大きいことがわかる。また、−４０℃における有効水素量も、２５℃における値と比較すると若干低下しているが、１．６ｗｔ％以上と大きくなった。また、これらの水素吸蔵合金は、いずれも六方晶系Ｃ１４型結晶構造を有するラーベス相からなり、格子定数ａおよびｃがそれぞれａ：０．４８６５ｎｍ〜０．４８７６ｎｍ、ｃ：０．７９８１ｎｍ〜０．８００８ｎｍであることが確認された。以上より、本発明の水素吸蔵合金は、高圧下で多量の水素を吸蔵し、かつ大気圧以上で吸蔵した水素を放出することが確認できた。また、常温付近に限らず、−４０℃という低温下であっても、同様に水素を吸蔵・放出できることも確認できた。さらに、２５℃において、水素の吸蔵・放出開始からそれぞれ５分後の水素吸蔵・放出量を測定したところ、いずれの水素吸蔵合金も、５分後の水素吸蔵・放出量と、有効水素量とが同じ値となった。これより、本発明の水素吸蔵合金は、水素を吸蔵・放出する速度が大きいことがわかる。
【００２４】
（２）第２シリーズのチタン−クロム−マンガン系水素吸蔵合金
（ａ）水素吸蔵合金の製造
下記表２に示す１２種類の組成のチタン−クロム−マンガン系水素吸蔵合金を、上記第１シリーズのチタン−クロム−マンガン系水素吸蔵合金と同様にして、アーク溶解法にて製造した。なお、製造された水素吸蔵合金は、いずれも比較例の水素吸蔵合金となる。
【００２５】
（ｂ）水素吸蔵合金の水素吸蔵・放出量の測定
上記製造された水素吸蔵合金中のＴｉ、Ｃｒ、Ｍｎ量、格子定数（ａ、ｃ）、および各水素吸蔵合金の水素吸蔵・放出量を、上記第１シリーズのチタン−クロム−マンガン系水素吸蔵合金と同様にして求めた。各々の水素吸蔵合金の水素吸蔵・放出量の測定結果を、合金組成および格子定数とともに表２に示す。なお、参考例として、Ｔｉ1Ｃｒ1.336Ｖ1.558について上記同様に測定した結果も併せて示す。
【００２６】
【表２】
【００２７】
表２からわかるように、本第２シリーズの水素吸蔵合金は、ＴｉおよびＭｎの少なくとも一方のモル比が、本発明の水素吸蔵合金におけるｘ、ｙの範囲外の値となっている。このため、いずれの水素吸蔵合金も、上記表１に示した本発明の水素吸蔵合金と比較して、有効水素量が小さくなった。特に、Ｔｉのモル比が１．０以下の＃２２、＃２６および＃３１の水素吸蔵合金は、２５℃における有効水素量が０．２５ｗｔ％以下と非常に小さいことがわかる。これらの水素吸蔵合金は、解離圧が高いため、２５ＭＰａという高圧下であっても水素をほとんど吸蔵しなかったと考えられる。また、＃２３〜＃２５、＃２７、＃２９、＃３０および＃３２の水素吸蔵合金は、−４０℃における有効水素量が、２５℃における有効水素量と比較して低下した。これらの水素吸蔵合金は、ＴｉおよびＭｎの少なくとも一方のモル比が、本発明の水素吸蔵合金におけるｘ、ｙの範囲の上限を超えているため、解離圧が低く、低温下では水素を放出できなかったと考えられる。
【００２８】
また、参考例であるＴｉ1Ｃｒ1.336Ｖ1.558は、２５℃における有効水素量は大きいものの、−４０℃における有効水素量は０ｗｔ％であった。そして、水素の吸蔵・放出開始からそれぞれ５分後の水素吸蔵・放出量も、有効水素量より小さかった。つまり、Ｔｉ1Ｃｒ1.336Ｖ1.558は、水素を吸蔵・放出する速度が小さいことがわかる。
【００２９】
さらに、上記第１および第２シリーズの＃１２、＃１３、＃１５〜＃１７、＃１９、＃２２、＃２３、および＃２６の水素吸蔵合金における有効水素量のデータを採用し、Ｔｉの含有量と有効水素量との関係を調査した。その結果を図２に示す。図２より、２５℃、−４０℃のいずれの温度下であっても、Ｔｉの量が１．０を超えると有効水素量が急激に増加することがわかる。また、Ｔｉの量が１．２以上では、有効水素量は低下することがわかる。すなわち、組成式ＴｉおよびＭｎのモル比がそれぞれ１．０＜ｘ＜１．２、１．０＜ｙ＜１．４である本発明のチタン−クロム−マンガン系水素吸蔵合金は、広い温度範囲で多量の水素を吸蔵・放出できることが確認された。
【００３０】
（３）水素貯蔵装置の水素貯蔵量の測定
上記＃１７の水素吸蔵合金（Ｔｉ1.02Ｃｒ0.99Ｍｎ1.01）の１２ｇを内容量３５ｃｃの高圧容器に収容して、水素貯蔵装置を作製した。なお、本水素貯蔵装置は、本発明の水素貯蔵装置となる。この水素貯蔵装置に１８〜２１℃の温度下で水素を充填し、所定の圧力にした。その後、同温度で水素を大気圧となるまで放出させ、水上置換法により各圧力における水素貯蔵量を求めた。一方、何も収容しない空の高圧容器（内容量３５ｃｃ）を用いて水素貯蔵装置を作製し、比較例の水素吸蔵装置とした。この比較例の水素貯蔵装置に、上記同様に水素を充填し、所定の圧力にした後、各圧力における水素貯蔵量を求めた。図３に、上記二種類の水素貯蔵装置の各圧力における水素貯蔵量を示す。図３より、どちらの水素貯蔵装置も圧力が大きいほど、水素貯蔵量は大きくなっている。しかし、＃１７の水素吸蔵合金（Ｔｉ1.02Ｃｒ0.99Ｍｎ1.01）を容器に収容した本発明の水素貯蔵装置は、空の容器に水素を充填した比較例の水素吸蔵装置と比較して、すべての圧力において水素貯蔵量が大きくなった。このように、本発明の水素貯蔵装置は、単位体積当たりの水素吸蔵量が大きい水素貯蔵装置となる。
【００３１】
【発明の効果】
本発明のチタン−クロム−マンガン系水素吸蔵合金は、組成式ＴｉxＣｒ2-yＭｎy（１．０＜ｘ＜１．２、１．０＜ｙ＜１．４）で表される。ＴｉおよびＭｎのモル比を上記範囲に特定したため、高圧下における水素吸蔵量が大きく、かつ低温から常温までの広い温度範囲で水素を吸蔵・放出できる水素吸蔵合金となる。また、本発明のチタン−クロム−マンガン系水素吸蔵合金は、低温下でも水素吸蔵・放出速度が大きい。
【００３２】
本発明の水素貯蔵装置は、水素貯蔵材料として上記本発明のチタン−クロム−マンガン系水素吸蔵合金を含む。このため、高圧下で水素を多量に貯蔵することができ、さらに、低温から常温までの広い温度範囲で多量の水素を利用できる装置となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 組成式Ｔｉ1.05Ｃｒ0.99Ｍｎ1.01で表される本発明のチタン−クロム−マンガン系水素吸蔵合金の水素吸蔵量と圧力との関係を示す。
【図２】 水素吸蔵合金におけるＴｉの含有量と有効水素量との関係を示す。
【図３】 二種類の水素貯蔵装置の各圧力における水素貯蔵量を示す。
【発明の属する技術分野】
本発明は、可逆的に水素を吸蔵・放出することのできる水素吸蔵合金に関し、詳しくは、高圧下における水素吸蔵量の大きいチタン−クロム−マンガン系水素吸蔵合金に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、二酸化炭素の排出による地球の温暖化等の環境問題や、石油資源の枯渇等のエネルギー問題から、クリーンな代替エネルギーとして水素エネルギーが注目されている。水素エネルギーは、例えば、電気自動車用電源等に利用される燃料電池を始めとして、様々な用途への利用が期待されている。水素エネルギーを実用化するためには、水素を安全に貯蔵・輸送する技術が重要となる。水素を貯蔵する技術として、例えば、水素を高圧で圧縮したり、また低温で液化してボンベ等の容器に充填する方法がある。一方、容器に水素を吸蔵・放出可能な材料を充填しておき、その材料に水素を吸蔵させて貯蔵する方法もある。水素を吸蔵・放出可能な材料の一つとして、水素吸蔵合金が挙げられる。水素吸蔵合金は、水素を金属水素化物という安全な固体の形で貯蔵できることから、輸送可能な新しい貯蔵媒体として期待されている。
【０００３】
これまで、既に数多くの水素吸蔵合金が開発されてきた。例えば、チタン系の水素吸蔵合金としては、一般式Ｔｉ−Ｍｎ−Ｍ（ＭはＶ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、ＣｕおよびＭｏからなる群から選ばれる少なくとも一種）で示される合金が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。また、一般式Ｔｉ1+xＣｒ2-yＭｎy（０＜ｘ≦０．４、０＜ｙ≦１）で表される合金も開示されている（例えば、特許文献２参照。）。
【０００４】
【特許文献１】
特開昭５４−６２９１４号公報
【特許文献２】
特公昭５９−７７７４号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記いずれの水素吸蔵合金も、比較的低圧下では水素を吸蔵・放出するものの、高圧下における水素吸蔵・放出特性は満足いくものではない。すなわち、従来は、１ＭＰａ程度の比較的低圧下で、また、常温付近の温度で水素を多量に吸蔵・放出できる合金の開発が主流であった。そのため、１５ＭＰａ以上の高圧下、あるいは−４０℃程度の低温下で多量の水素を吸蔵・放出できる合金の開発は、ほとんど行われていない。
【０００６】
本発明は、このような実状に鑑みてなされたものであり、高圧下における水素吸蔵量が大きく、かつ低温から常温までの広い温度範囲で水素を吸蔵・放出できる水素吸蔵合金を提供することを課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明のチタン−クロム−マンガン系水素吸蔵合金は、組成式ＴｉxＣｒ2-yＭｎy（１．０＜ｘ＜１．２、１．０＜ｙ＜１．４）で表されることを特徴とする。本発明者は、種々の合金の高圧下における水素吸蔵特性について研究を重ねた結果、ある組成を有するチタン−クロム−マンガン系水素吸蔵合金は、高圧下で多量の水素を吸蔵できることを見出した。そして、合金成分であるチタン（Ｔｉ）およびマンガン（Ｍｎ）の含有割合により、水素の吸蔵・放出量が大きく変化するという知見を得た。ここで、本発明のチタン−クロム−マンガン系水素吸蔵合金の一例として、組成式Ｔｉ1.05Ｃｒ0.99Ｍｎ1.01で表される合金の水素吸蔵量と圧力との関係を図１に示す。図１より、組成式Ｔｉ1.05Ｃｒ0.99Ｍｎ1.01で表される本発明の水素吸蔵合金は、圧力の増加とともに水素吸蔵量が増加し、圧力が１５ＭＰａ以上で水素吸蔵量が急激に増えることがわかる。
【０００８】
後に実施例で詳述するが、例えば、合金中のＴｉのモル比、つまり上記組成式におけるｘの値が１．０以下の場合には、金属水素化物の平衡水素圧（以下「解離圧」と表す。）が上昇し、圧力を３５ＭＰａ程度まで高くした場合でも、水素はほとんど吸蔵されない。一方、ｘの値が１．２以上になると、解離圧が低下し、広い範囲の圧力下で水素は吸蔵されやすくなる。しかし、大気圧（約０．１ＭＰａ）以上の圧力下で放出される水素の量は減少するため、実用に適さない。特に、−４０℃程度の低温下では、大気圧下で水素をほとんど取り出すことができないため、低温下での使用が難しくなる。また、合金中のＭｎのモル比、つまり上記組成式におけるｙの値が１．０以下の場合には、解離圧はあまり変化しないものの、水素を吸蔵できるサイトが少なくなるため、水素吸蔵量が減少する。一方、ｙの値が１．４以上になると、解離圧が低下し、大気圧以上の圧力下で放出される水素の量は減少する。そのため、特に−４０℃程度の低温下での使用が難しくなる。
【０００９】
本発明のチタン−クロム−マンガン系水素吸蔵合金は、ＴｉおよびＭｎの含有割合を上記範囲に特定したため、高圧下における水素吸蔵量が大きく、かつ低温から常温までの広い温度範囲で水素を吸蔵・放出できる水素吸蔵合金となる。また、本発明のチタン−クロム−マンガン系水素吸蔵合金は、低温下でも水素吸蔵・放出速度が大きい。通常、水素吸蔵合金が水素を放出する反応は吸熱反応となる。したがって、水素を放出するにつれ水素吸蔵合金の温度は低下していく。そのため、低温下で水素を放出し難い合金では、水素放出速度が小さくなる。本発明のチタン−クロム−マンガン系水素吸蔵合金は、低温下でも充分水素を放出できるため、水素放出に伴う温度の低下の影響は少なく、水素の放出速度を維持できると考えられる。
【００１０】
また、本発明の水素貯蔵装置は、容器と、該容器に収容された水素貯蔵材料とを含む水素貯蔵装置であって、前記水素貯蔵材料は、組成式ＴｉxＣｒ2-yＭｎy（１．０＜ｘ＜１．２、１．０＜ｙ＜１．４）で表されるチタン−クロム−マンガン系水素吸蔵合金を含むことを特徴とする。すなわち、上記本発明の水素吸蔵合金を水素貯蔵材料として用いた水素貯蔵装置である。上記本発明の水素吸蔵合金を水素貯蔵材料として用いることで、本発明の水素貯蔵装置は、高圧下で水素を多量に貯蔵することができる装置となる。また、本発明の水素貯蔵装置は、低温から常温までの広い温度範囲で多量の水素を利用できる装置となる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のチタン−クロム−マンガン系水素吸蔵合金および水素貯蔵装置について詳細に説明する。なお、説明する実施形態は一実施形態にすぎず、本発明のチタン−クロム−マンガン系水素吸蔵合金および水素貯蔵装置は、下記の実施形態に限定されるものではない。本発明のチタン−クロム−マンガン系水素吸蔵合金および水素貯蔵装置は、下記実施形態を始めとして、当業者が行い得る変更、改良等を施した種々の形態にて実施することができる。
【００１２】
〈チタン−クロム−マンガン系水素吸蔵合金〉
本発明のチタン−クロム−マンガン系水素吸蔵合金は、組成式ＴｉxＣｒ2-yＭｎy（１．０＜ｘ＜１．２、１．０＜ｙ＜１．４）で表される。合金中のＴｉのモル比、つまり上記組成式におけるｘの値の範囲は１．０＜ｘ＜１．２とする。上述したように、Ｔｉのモル比が１．０以下の場合には、圧力を３５ＭＰａ程度まで高くしても水素をあまり吸蔵しない。Ｔｉのモル比を１．０より大きくすることで、高圧下で多量の水素を吸蔵させることができる。一方、Ｔｉのモル比が１．２以上であると、大気圧以上の圧力下で取り出すことのできる水素量が減少する。特に、大気圧以上かつ−４０℃程度の低温下で、より多くの水素を取り出すことができるという理由から、Ｔｉのモル比を１．１未満（ｘ＜１．１）とすることが望ましい。
【００１３】
合金中のＭｎのモル比、つまり組成式におけるｙの値の範囲は１．０＜ｙ＜１．４とする。上述したように、Ｍｎのモル比が１．０以下の場合には、水素の吸蔵サイトが少なくなるため、水素吸蔵量が減少する。Ｍｎのモル比を１．０より大きくすることで、高圧下における水素吸蔵量を大きくすることができる。一方、Ｍｎのモル比が１．４以上であると、大気圧以上の圧力下で取り出すことのできる水素量が減少する。Ｍｎのモル比を１．４未満とすることで、大気圧以上の低温下であっても充分な量の水素を取り出すことができる。
【００１４】
また、結晶構造の観点から、本発明のチタン−クロム−マンガン系水素吸蔵合金は、六方晶系Ｃ１４型結晶構造を有するラーベス相からなり、格子定数ａおよびｃがそれぞれａ：０．４８６４ｎｍ以上０．４８７７ｎｍ以下、ｃ：０．７９８０ｎｍ以上０．８０１０ｎｍ以下であることが望ましい。六方晶系Ｃ１４型結晶構造を有するラーベス相からなる場合には、水素を吸蔵・放出する際の結晶の相転移がなく、水素の吸蔵・放出速度が大きい。格子定数ａおよびｃの値は、水素の吸蔵および放出し易さに関係すると考えられる。すなわち、格子定数ａおよびｃがそれぞれ上記範囲より小さいと、格子体積が小さくなるため、水素を吸蔵し難くなると考えられる。反対に、格子定数ａおよびｃがそれぞれ上記範囲より大きいと、格子体積が大きくなるため、水素を吸蔵し易くなる。しかし、この場合、一旦吸蔵された水素は放出され難くなると考えられる。
【００１５】
本発明のチタン−クロム−マンガン系水素吸蔵合金は、その製造方法が特に限定されるものではない。アーク溶解法等の通常の合金の製造方法、すわわち、原料となる各金属を目的の組成となるように混合、溶解した後、凝固させるというプロセスに従えばよい。
【００１６】
〈水素貯蔵装置〉
本発明の水素貯蔵装置は、容器と、該容器に収容された水素貯蔵材料とを含む水素貯蔵装置であって、水素貯蔵材料は、組成式ＴｉxＣｒ2-yＭｎy（１．０＜ｘ＜１．２、１．０＜ｙ＜１．４）で表されるチタン−クロム−マンガン系水素吸蔵合金を含む。
【００１７】
本発明の水素貯蔵装置を構成する容器は、高圧、低温等の条件で使用できるものであれば、特に限定されるものではない。通常用いられる耐圧容器、ボンベ等種々の容器を使用すればよい。そして、容器に上記本発明の水素吸蔵合金を含む水素蔵貯蔵材料を充填し、圧力や温度を所定の条件に調整することにより、水素を吸蔵・放出させればよい。
【００１８】
本発明の水素貯蔵装置は、使用温度、圧力が特に限定されるものではない。上述したように、水素蔵貯蔵材料として収容される本発明のチタン−クロム−マンガン系水素吸蔵合金は、高圧下にて水素を多量に吸蔵する。このことを考慮すると、収容された本発明の水素吸蔵合金に、１５ＭＰａ以上の圧力下で水素を吸蔵させることが望ましい。つまり、本発明の水素貯蔵装置は、水素を１５ＭＰａ以上の圧力で充填して使用することが望ましい。水素充填時の圧力を２０ＭＰａ以上とするとより好適である。
【００１９】
【実施例】
上記実施形態に基づいて、本発明のチタン−クロム−マンガン系水素吸蔵合金を種々製造した。そして、各々の水素吸蔵合金に所定の条件下で水素を吸蔵・放出させ、その吸蔵量と放出量とを測定した。以下、製造したチタン−クロム−マンガン系水素吸蔵合金、およびそれらの水素吸蔵・放出特性について述べる。
【００２０】
（１）第１シリーズのチタン−クロム−マンガン系水素吸蔵合金
（ａ）水素吸蔵合金の製造
下記表１に示す９種類の組成のチタン−クロム−マンガン系水素吸蔵合金を、アーク溶解法にて製造した。まず、純度９９％以上のＴｉ、Ｃｒ、Ｍｎを所定の合金組成となるように混合し、アルゴン雰囲気にて加熱炉で溶解した。その後、鋳型に流し込み急冷することによりインゴットに鋳造した。得られた各水素吸蔵合金のインゴットを粉砕して、以下の種々の測定に用いた。なお、製造された水素吸蔵合金は、いずれも本発明の水素吸蔵合金に相当する。
【００２１】
（ｂ）水素吸蔵合金の水素吸蔵・放出量等の測定
上記製造された水素吸蔵合金中のＴｉ、Ｃｒ、Ｍｎ量を、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）発光分析法により求めた。また、各水素吸蔵合金について、ＣｕΚα線を用いた粉末法による広角Ｘ線回折測定を行った。そして、Ｘ線回折パターンにおける（１１０）面の回折角から格子定数ａを求め、（００４）面の回折角から格子定数ｃを求めた。さらに、各水素吸蔵合金に所定の条件下で水素を吸蔵・放出させ、各水素吸蔵合金の水素吸蔵・放出量をＰＣＴ特性測定装置（鈴木商館社製）を用いて測定した。水素吸蔵・放出量の測定は、二つの条件で行った。一つは、温度２５℃、圧力０．１〜２５ＭＰａにて行った。もう一つは、−４０℃、圧力０．１〜９ＭＰａにて行った。そして、水素吸蔵合金から放出された水素の質量を、水素吸蔵合金の質量で除した値を有効水素量とした。各々の水素吸蔵合金の水素吸蔵・放出量の測定結果を、合金組成および格子定数とともに表１に示す。
【００２２】
【表１】
表１より、いずれの水素吸蔵合金も、２５℃における有効水素量が１．７ｗｔ％以上と大きいことがわかる。また、−４０℃における有効水素量も、２５℃における値と比較すると若干低下しているが、１．６ｗｔ％以上と大きくなった。また、これらの水素吸蔵合金は、いずれも六方晶系Ｃ１４型結晶構造を有するラーベス相からなり、格子定数ａおよびｃがそれぞれａ：０．４８６５ｎｍ〜０．４８７６ｎｍ、ｃ：０．７９８１ｎｍ〜０．８００８ｎｍであることが確認された。以上より、本発明の水素吸蔵合金は、高圧下で多量の水素を吸蔵し、かつ大気圧以上で吸蔵した水素を放出することが確認できた。また、常温付近に限らず、−４０℃という低温下であっても、同様に水素を吸蔵・放出できることも確認できた。さらに、２５℃において、水素の吸蔵・放出開始からそれぞれ５分後の水素吸蔵・放出量を測定したところ、いずれの水素吸蔵合金も、５分後の水素吸蔵・放出量と、有効水素量とが同じ値となった。これより、本発明の水素吸蔵合金は、水素を吸蔵・放出する速度が大きいことがわかる。
【００２４】
（２）第２シリーズのチタン−クロム−マンガン系水素吸蔵合金
（ａ）水素吸蔵合金の製造
下記表２に示す１２種類の組成のチタン−クロム−マンガン系水素吸蔵合金を、上記第１シリーズのチタン−クロム−マンガン系水素吸蔵合金と同様にして、アーク溶解法にて製造した。なお、製造された水素吸蔵合金は、いずれも比較例の水素吸蔵合金となる。
【００２５】
（ｂ）水素吸蔵合金の水素吸蔵・放出量の測定
上記製造された水素吸蔵合金中のＴｉ、Ｃｒ、Ｍｎ量、格子定数（ａ、ｃ）、および各水素吸蔵合金の水素吸蔵・放出量を、上記第１シリーズのチタン−クロム−マンガン系水素吸蔵合金と同様にして求めた。各々の水素吸蔵合金の水素吸蔵・放出量の測定結果を、合金組成および格子定数とともに表２に示す。なお、参考例として、Ｔｉ1Ｃｒ1.336Ｖ1.558について上記同様に測定した結果も併せて示す。
【００２６】
【表２】
表２からわかるように、本第２シリーズの水素吸蔵合金は、ＴｉおよびＭｎの少なくとも一方のモル比が、本発明の水素吸蔵合金におけるｘ、ｙの範囲外の値となっている。このため、いずれの水素吸蔵合金も、上記表１に示した本発明の水素吸蔵合金と比較して、有効水素量が小さくなった。特に、Ｔｉのモル比が１．０以下の＃２２、＃２６および＃３１の水素吸蔵合金は、２５℃における有効水素量が０．２５ｗｔ％以下と非常に小さいことがわかる。これらの水素吸蔵合金は、解離圧が高いため、２５ＭＰａという高圧下であっても水素をほとんど吸蔵しなかったと考えられる。また、＃２３〜＃２５、＃２７、＃２９、＃３０および＃３２の水素吸蔵合金は、−４０℃における有効水素量が、２５℃における有効水素量と比較して低下した。これらの水素吸蔵合金は、ＴｉおよびＭｎの少なくとも一方のモル比が、本発明の水素吸蔵合金におけるｘ、ｙの範囲の上限を超えているため、解離圧が低く、低温下では水素を放出できなかったと考えられる。
【００２８】
また、参考例であるＴｉ1Ｃｒ1.336Ｖ1.558は、２５℃における有効水素量は大きいものの、−４０℃における有効水素量は０ｗｔ％であった。そして、水素の吸蔵・放出開始からそれぞれ５分後の水素吸蔵・放出量も、有効水素量より小さかった。つまり、Ｔｉ1Ｃｒ1.336Ｖ1.558は、水素を吸蔵・放出する速度が小さいことがわかる。
【００２９】
さらに、上記第１および第２シリーズの＃１２、＃１３、＃１５〜＃１７、＃１９、＃２２、＃２３、および＃２６の水素吸蔵合金における有効水素量のデータを採用し、Ｔｉの含有量と有効水素量との関係を調査した。その結果を図２に示す。図２より、２５℃、−４０℃のいずれの温度下であっても、Ｔｉの量が１．０を超えると有効水素量が急激に増加することがわかる。また、Ｔｉの量が１．２以上では、有効水素量は低下することがわかる。すなわち、組成式ＴｉおよびＭｎのモル比がそれぞれ１．０＜ｘ＜１．２、１．０＜ｙ＜１．４である本発明のチタン−クロム−マンガン系水素吸蔵合金は、広い温度範囲で多量の水素を吸蔵・放出できることが確認された。
【００３０】
（３）水素貯蔵装置の水素貯蔵量の測定
上記＃１７の水素吸蔵合金（Ｔｉ1.02Ｃｒ0.99Ｍｎ1.01）の１２ｇを内容量３５ｃｃの高圧容器に収容して、水素貯蔵装置を作製した。なお、本水素貯蔵装置は、本発明の水素貯蔵装置となる。この水素貯蔵装置に１８〜２１℃の温度下で水素を充填し、所定の圧力にした。その後、同温度で水素を大気圧となるまで放出させ、水上置換法により各圧力における水素貯蔵量を求めた。一方、何も収容しない空の高圧容器（内容量３５ｃｃ）を用いて水素貯蔵装置を作製し、比較例の水素吸蔵装置とした。この比較例の水素貯蔵装置に、上記同様に水素を充填し、所定の圧力にした後、各圧力における水素貯蔵量を求めた。図３に、上記二種類の水素貯蔵装置の各圧力における水素貯蔵量を示す。図３より、どちらの水素貯蔵装置も圧力が大きいほど、水素貯蔵量は大きくなっている。しかし、＃１７の水素吸蔵合金（Ｔｉ1.02Ｃｒ0.99Ｍｎ1.01）を容器に収容した本発明の水素貯蔵装置は、空の容器に水素を充填した比較例の水素吸蔵装置と比較して、すべての圧力において水素貯蔵量が大きくなった。このように、本発明の水素貯蔵装置は、単位体積当たりの水素吸蔵量が大きい水素貯蔵装置となる。
【００３１】
【発明の効果】
本発明のチタン−クロム−マンガン系水素吸蔵合金は、組成式ＴｉxＣｒ2-yＭｎy（１．０＜ｘ＜１．２、１．０＜ｙ＜１．４）で表される。ＴｉおよびＭｎのモル比を上記範囲に特定したため、高圧下における水素吸蔵量が大きく、かつ低温から常温までの広い温度範囲で水素を吸蔵・放出できる水素吸蔵合金となる。また、本発明のチタン−クロム−マンガン系水素吸蔵合金は、低温下でも水素吸蔵・放出速度が大きい。
【００３２】
本発明の水素貯蔵装置は、水素貯蔵材料として上記本発明のチタン−クロム−マンガン系水素吸蔵合金を含む。このため、高圧下で水素を多量に貯蔵することができ、さらに、低温から常温までの広い温度範囲で多量の水素を利用できる装置となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 組成式Ｔｉ1.05Ｃｒ0.99Ｍｎ1.01で表される本発明のチタン−クロム−マンガン系水素吸蔵合金の水素吸蔵量と圧力との関係を示す。
【図２】 水素吸蔵合金におけるＴｉの含有量と有効水素量との関係を示す。
【図３】 二種類の水素貯蔵装置の各圧力における水素貯蔵量を示す。
Claims (4)
- 組成式ＴｉｘＣｒ２−ｙＭｎｙ（１．０＜ｘ＜１．２、１．０＜ｙ＜１．４）で表されるチタン−クロム−マンガン系水素吸蔵合金。
- 前記組成式におけるｘは１．１未満（ｘ＜１．１）である請求項１に記載のチタン−クロム−マンガン系水素吸蔵合金。
- 六方晶系Ｃ１４型結晶構造を有するラーベス相からなり、格子定数ａおよびｃがそれぞれａ：０．４８６４ｎｍ以上０．４８７７ｎｍ以下、ｃ：０．７９８０ｎｍ以上０．８０１０ｎｍ以下である請求項１に記載のチタン−クロム−マンガン系水素吸蔵合金。
- 容器と、該容器に収容された水素貯蔵材料とを含む水素貯蔵装置であって、
前記水素貯蔵材料は、組成式ＴｉｘＣｒ２−ｙＭｎｙ（１．０＜ｘ＜１．２、１．０＜ｙ＜１．４）で表されるチタン−クロム−マンガン系水素吸蔵合金を含むことを特徴とする水素貯蔵装置。
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