JP4049097B2 - ガス吸蔵材及びガス吸蔵装置 - Google Patents

Description

本発明は、ガスの貯蔵に好適なガス吸蔵材及びこれを用いたガス吸蔵装置に関する。

水素ガスを貯蔵して使用しようとする場合、水素ガスを圧縮して高圧に若しくは液状にして充填したタンク、または水素を吸蔵する水素吸蔵合金や水素吸着材料が一般に利用されてきた。しかしながら、高圧タンクでは、大きいわりに壁厚が厚く内容積を大きくできないため水素充填量が少なく、液体水素とすると気化ロスがあるほか、液化に多大なエネルギーを要するため総合的なエネルギー効率の点で望ましくない。しかも、水素を高圧化、液化するには設備を別途整備する必要もある。また、水素吸蔵合金や水素吸着材料では、例えば電気自動車等の車両への搭載などを考慮すると、必ずしも充分な水素貯蔵密度を確保し得るとはいい難い。

上記の状況に対し、近年では水素ガスや天然ガス等のガス成分の貯蔵技術として、カーボンナノチューブの利用が期待されている。カーボンナノチューブの合成法としては、例えばアーク放電法やレーザー蒸着法などが知られているが、チューブ形状や大きさ、配向性、密度（生成間隔）などの生成制御を生産規模で実現する技術が確立されるまでには至っていない。したがって、上記合成法のいずれにおいても、カーボンナノチューブの径や層数、長さ等の形状が大きくばらついてしまい、所望の形状で一定の配向性や密度（間隔）を有するように生成するのことは困難であった。

また、上記アーク放電法ではカーボンナノチューブの生成と共に多量に生成する黒鉛やアモルファスカーボン等の非晶質状の煤を分離するための複雑な精製を要し、上記レーザー蒸着法ではレーザー出力に対し生産性が極めて低い等、大量生成には課題があった。

一方、カーボンナノチューブを大量に生成可能な技術として、触媒を用いて炭化水素ガスを熱分解することによりカーボンナノチューブを生成する熱分解法（ＣＶＤ法）が提案されている（例えば、非特許文献１〜３参照）。このＣＶＤ法には、触媒を気相中に浮遊させる方法と、基板（Ｓｉ基板やゼオライト等）上に触媒を塗布する方法の二種類の方法が知られている。しかし、前記ＣＶＤ法の一つである、触媒を気相中に浮遊させる方法では、カーボンナノチューブの配向性を保ちながら生成することは不可能であり、基板上に触媒を塗布する方法では、生成時の温度条件や原料ガス濃度に敏感なため、大表面積の基板上に生成しようとする場合に均質な構造に生成することは困難である。また、プラズマＣＶＤ法によってカーボンナノチューブを合成する技術がある（例えば、特許文献１参照）。これは、反応容器内に直流あるいは交流グロー放電によるプラズマを発生させることで基体上にカーボンナノチューブを形成するものである。しかし、電離イオン種やエネルギー、イオン密度等のプラズマパラメータを独立制御することは困難であり、プラズマ制御性に劣るばかりか、基板に存在する微小な突起部でもプラズマが集中してしまう性質があるため、均一なチューブ径や長さ、成長方向、成長間隔を有するカーボンナノチューブを安定的に生成することはできない。

以上のような従来の合成法により生成されたカーボンナノチューブは、一般に各チューブがバラバラで不均一であると共に不規則に並んだ構造を持つために、チューブ間に数μｍオーダーの隙間（マクロ孔）が多く存在し、仮に１本ごとでは高いガス吸蔵能を有していたとしても複数本単位に結束して充填等しようとした場合にはガス貯蔵に寄与しないマクロ孔が多く存在する結果、０．０１〜０．３ｇ／ｃｃ程度の嵩密度しか得られず、チューブ間に吸着サイトが得られず、高いガス貯蔵量を確保することはできなかった。

一方、カーボンナノチューブは合成後にチューブ同士が接触し易く、エネルギー的にも数本から数十本でバンドルを形成した方が安定であるため、このバンドルをなすチューブ間、即ちチューブ壁の外側にガスの吸着サイトを確保することは困難であった。また従来、近隣のチューブ同士が所定の間隔を有するように制御されたバンドルを数億本から数兆本のオーダーで作製できる技術もなかったのが実情である。

上記状況に対し、カーボンナノチューブのバンドルに電子線を照射して局部的に構造欠陥を形成し、比表面積を拡げることにより水素貯蔵量を増加する方法が開示されている（例えば、特許文献２参照）。この方法では、局部的に比表面積を増加できるにすぎず、チューブ壁の外側には依然吸着サイトがなく、飛躍的な水素貯蔵量の増加は期待できない。従来よりガス成分をカーボンナノチューブのチューブ内部に吸着させて貯蔵できることは知られているが、チューブ壁の外側表面にガスの吸着サイトが得られれば貯蔵量の増加が期待できる。

上記以外に、分子材料の粉末を用いてガスを吸蔵するようにした技術が記載されたものがある（例えば、特許文献３参照）。

また、従来用いられた活性炭等の吸着材で構成された材料においても多くのマクロ孔が存在しており、圧縮成形してもマクロ孔は残ってしまい良好な成形体は得られていなかった。
特開平１１−１１９１７号公報 特開２００３−２６４１３号公報 特開２０００−２４４９５号公報 Ｃｈｅｍ.Ｐｈｙｓ.Ｌｅｔｔ.２６０（１９９６）４７１ Ｊ.Ｐｈｙｓ.Ｃｈｅｍ.Ｂ １０３（１９９９）６４８４ Ｃｈｅｍ.Ｐｈｙｓ.Ｌｅｔｔ.３１７（２０００）８３

以上のように、カーボンナノチューブを利用したガス貯蔵技術は、未だ単位体積当りの貯蔵量が不充分な水準にあり、貯蔵量の向上が課題となっている。ところが、これまでに知られている技術では、層構造やチューブ間の間隙、チューブ径等の構造を制御することによってガス貯蔵性能を飛躍的に向上させ得る技術については確立されておらず、カーボンナノチューブの吸着特性を充分に生かせていないのが現状である。

本発明の目的は、上記に鑑み成されたものであり、カーボンナノチューブを利用して構成され、ガス貯蔵量が大きく、短時間でのガス貯蔵が可能なガス吸蔵材及びガス吸蔵装置を提供することにある。

所望の直径に制御して得られるカーボンナノチューブを用いたガス吸蔵材及びガス吸蔵装置を提供することを目的とし、該目的を達成することを本発明の課題とする。

上記目的を達成するために、第１の発明であるガス吸蔵材は、平均直径の異なる少なくとも三種のカーボンナノチューブを用いて構成したものである。平均直径が異なる少なくとも三種を含む形態であれば、層構造や長さ等の形状の異なる他のカーボンナノチューブを含んでもよいし、上記の平均直径は、単層、多層の層構造に関わらずカーボンナノチューブの外径の平均値である。

第１の発明のガス吸蔵材においては、チューブ径を制御して生成された平均直径が異なる三種以上のカーボンナノチューブを用いることで、近隣のカーボンナノチューブ間に適度の隙間、すなわちガスの吸着サイトとして機能する間隙を形成することができるので、チューブ内部だけでなくチューブ壁の外側表面においてガスを吸蔵することが可能となり、高いガス貯蔵量を得ることができる。また、ガスの吸蔵は物理吸着により行なわれるので、吸着熱が小さく発熱しにくく、従来の水素吸蔵合金等のように発熱量が大きいために必要とされた熱交換器等の温調手段が不要となり、スペース的にも有利となる。

第１の発明は、平均直径が異なる少なくとも三種のカーボンナノチューブを分散して含み、成形加工して好適に構成することができ、例えば平均直径が異なる三種以上のカーボンナノチューブを分散して含む組成物（分散物）を用いて成形された成形体からなる構成とすることができる。三種以上のカーボンナノチューブがバンドルを崩して分散混合された状態で含有されるので、異径のカーボンナノチューブが均一に近隣に存在するようになり、カーボンナノチューブ間にガスの吸着サイトが効果的に形成され、ガスの貯蔵量を大幅に高めることができる。

カーボンナノチューブの分散は、成形体全体において均一であることが望ましく、平均直径の異なる複数種のカーボンナノチューブが配向性なくあるいは相互に配向性を有して均一に混合されるように行なわれるのが望ましい。かかる分散は、例えば、界面活性剤、溶融塩との超音波を使った混合により好適に行なえる。

また、カーボンナノチューブが分散された状態からさらに成形加工して構成されるので、ガスの吸蔵に寄与しないマクロ孔（数μｍ程度の隙間）がなくなり、カーボンナノチューブ間にガスの吸蔵に好適な細孔構造を形成することができる。すなわち、粉状ではなく所定の形状、構造を有して構成される。特に成形加工は圧縮成形により好適に行なうことができる。前記成形加工は、例えば、ホットプレス、ロール成形、押出成形などの公知の成形技術を用いて、円形、矩形等の平面形状や、断面が円形、矩形、台形等の柱状、筒状など、ガス吸蔵装置を構成する容器形状や諸目的に合わせて任意の形状が得られるように行なうことが可能である。

第１の発明を構成するカーボンナノチューブには、単層カーボンナノチューブを用いることができる。単層構造以外に、二層構造や三層構造等の多層カーボンナノチューブを用いることもでき、単層カーボンナノチューブと多層カーボンナノチューブとを併用してもよく、例えば平均直径の異なる少なくとも三種のカーボンナノチューブのうち一つを単層カーボンナノチューブとし、他を二層構造のカーボンナノチューブとして構成してもよい。これらのカーボンナノチューブは、アーク放電法やＣＶＤ法、ＨｉＰｃｏ法（P. Nikolaev, M.J. Bronikowski, R.K. Bradley, F. Rohmund, D.T. Colbert, K.A. Smith, R.E. Smalley, Chem.Phys. Lett. 313 (1999) 91-97.等参照）などの公知の合成法を利用して生成することが可能である。

平均直径が異なる二種以上のカーボンナノチューブのうち、一方は平均直径が１ｎｍ以上２ｎｍ未満のカーボンナノチューブＡとし、他方は平均直径が２ｎｍ以上５ｎｍ以下のカーボンナノチューブＢとすることができる。二種の小径側と大径側の平均直径がそれぞれ上記範囲にあるカーボンナノチューブＡ及びＢを組合せるので、ガスの吸着サイトを得るのに最適な細孔構造が形成され、ガスの吸蔵量を特に効果的に向上させることができる。

また、第１の発明には、平均直径の異なる前記カーボンナノチューブＡ及びＢと共に、さらに平均直径が１０〜１００ｎｍのカーボンナノチューブＣを併用して構成することができる。平均直径が１０〜１００ｎｍのカーボンナノチューブＣが前記カーボンナノチューブＡ及びＢの近隣に（好ましくは分散されて）存在するので、ガスを貯蔵する際のガス拡散性が高められてガス吸蔵時間を短縮でき、短時間で多量のガスの吸蔵が可能となる。

上記のように、カーボンナノチューブＡとＢとＣとを含んでガス吸蔵材を構成するときには、カーボンナノチューブの総質量に対し、カーボンナノチューブＡを５０〜８０質量％含有し、カーボンナノチューブＣを０．１〜１質量％含有し、これにカーボンナノチューブＢを所望量含有して構成することができる。上記三種のカーボンナノチューブの含有比率を上記範囲とするので、細孔容積がさらに高められ、ガス貯蔵量がより向上する。また、ガス拡散性の点でも有利であり、より短時間でのガス充填（貯蔵）が可能となる。

上記のカーボンナノチューブＣは、チューブ壁に開口部を設けることができる。径の大きいカーボンナノチューブには開口部が設けられるので、ガス吸蔵能を低下させることなく大径のカーボンナノチューブを混合して用いることができると共に、ガス拡散性が向上して吸蔵時間が短縮され、歩留りをも飛躍的に向上させることができる。

また、第１の発明には、更に粒子径２〜１０ｎｍの微粒子を含有させることができる。平均直径の異なる少なくとも三種のカーボンナノチューブと共に微粒子を（好ましくは均一に分散させて）存在させるので、嵩密度が高く、細孔容積の大きいガス吸蔵材に構成することができる。特に成形加工による場合に高嵩密度を得ることができ、細孔容積が拡大される点で有用である。また、微粒子（特にフラーレン）の存在により、カーボンナノチューブを分散させた際の分散性を高めることができる。

第１の発明であるガス吸蔵材が成形体で構成される場合には、ガス吸蔵材中に存在する５ｎｍを超える孔の総容積を０．０１〜０．２ｃｃ／ｇに構成することができる。５ｎｍを超える孔はガス吸蔵効果はそれほど期待できないものの、上記範囲で存在するときにはガス拡散のための拡散経路として機能し、ガスの吸蔵効率を高める点で有用である。上記範囲内では、従来の活性炭等の吸蔵材のマクロ孔のように孔サイズが大きすぎて吸蔵量を大きく損なうこともない。

第２の発明であるガス吸蔵装置は、上記した第１の発明であるガス吸蔵材を用いて構成したものである。既述のように、第１の発明であるガス吸蔵材は多量のガスの速やかな貯蔵が可能であるため、これを備えたガス吸蔵装置は短時間でのガス吸蔵が可能であり、水素ガスや天然ガス等のガス貯蔵に優れる。

カーボンナノチューブの製造方法は、カーボンナノチューブを酸処理した後、１５００〜１９００℃の温度領域で加熱処理する工程を設けて構成したものである。例えば、上記した平均直径の小さいカーボンナノチューブＡやＢを塩酸や硝酸等の酸剤を用いて酸処理を行ない、その後更に上記温度領域で加熱するようにしたので、直径１０ｎｍ以上の大径のカーボンナノチューブ（例えば前記カーボンナノチューブＣ）を得ることができる。

本発明に係る被貯蔵ガスには、水素ガス、天然ガス等が含まれる。

本発明によれば、カーボンナノチューブを利用して構成され、ガス貯蔵量が大きく、短時間でのガス貯蔵が可能なガス吸蔵材及びガス吸蔵装置を提供することができる。

以下、図面を参照して、本発明のガス吸蔵装置の実施形態について詳細に説明すると共に、該説明を通じて本発明のガス吸蔵材、並びにカーボンナノチューブ及びその製造方法の実施形態についても詳述する。なお、下記の実施形態において、被貯蔵ガスとして水素ガスを用いた場合を中心に説明する。但し、本発明においてはこれら実施形態に制限されるものではない。

本発明のガス吸蔵装置の実施形態を図１〜図２を参照して説明する。本実施形態は、平均直径の異なる三種類のカーボンナノチューブを含有して圧縮成形された水素ガス吸蔵材を内装し、水素ガスを吸蔵できるようにしたものである。以下、本実施形態において水素ガス吸蔵装置という。

図１に示すように、本実施形態の水素ガス吸蔵装置１は、内部中空の円筒状タンク１０と、法線方向が円筒状タンク１０の軸心方向と略平行となるように重ねて設けられた複数の円盤形の水素ガス吸蔵材２０と、を備えている。

水素ガス吸蔵材２０は、図２に示すように、平均直径ｒが１ｎｍ≦ｒ＜２ｎｍの単層カーボンナノチューブ１１と２ｎｍ≦ｒ≦５ｎｍの単層カーボンナノチューブ１２と１０ｎｍ≦ｒ≦１００ｎｍの単層カーボンナノチューブ１３とを含んで直径が略円筒内径の円盤状に成形されており、三種類のカーボンナノチューブは均一に分散された状態で固定されている。

カーボンナノチューブの平均直径は、例えば透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）やラマン分析法により測定することができる。

単層カーボンナノチューブ１１は、例えばアーク放電法や、触媒金属を用い、これに炭化水素系ガスや水素系ガスを供給等して合成するＣＶＤ法、高温・高圧条件下において一酸化炭素の不均化反応（CO+CO→C+CO₂）を起こさせて合成するＨｉＰｃｏ法など、公知の合成法を利用して生成することができる。基体に触媒金属を担持した触媒担持体を用いて合成したときには触媒担自体を除去した後、触媒担持体を用いずに合成したときにはそのまま、合成されたカーボンナノチューブを使用することができる。以下、触媒担持体を用いて単層カーボンナノチューブを合成する場合の一例を示す。

真空中、触媒金属であるＦｅを所望の厚み（例えば２ｎｍ）で担持しかつ所定温度以上に加熱された触媒担持体に、原料ガスを供給すること（カーボンナノチューブ生成工程）により生成することができる。また、カーボンナノチューブ生成工程以外に、触媒担持工程や基材洗浄工程、後処理工程などの他の工程が適宜設けることができる。

カーボンナノチューブ生成工程では、触媒担持体を真空の室に配置すると共にカーボンナノチューブの生成に適した所定温度に加熱された状態とし、該触媒担持体に原料ガス（炭化水素系ガス、アルコール系ガス、及び水素系ガス等）を供給する。供給にあたり触媒金属の厚みを変えることでチューブ生成間隔を所望範囲に制御することができ、また、触媒金属の大きさ（粒子径）を変える、あるいは生成されたカーボンナノチューブを更に１５００〜１８５０℃の温度領域で加熱することによりチューブ径を制御することができる。また、原料ガスを例えばイオン銃等を用いてイオン化するなど、原料ガスの性状を生成しようとするカーボンナノチューブの層構造や径、長さ等の形状、配向性に合わせて制御することも有用である。

原料ガス供給時の触媒担持体の所定温度としては、４００℃以上が好ましい。該所定温度が上記範囲であると、生成速度が確保でき、径や長さ、配向性の均一なカーボンナノチューブを安定的に生成することができる。特に好ましくは５００℃〜１０００℃であり、この範囲であると均質なカーボンナノチューブをより効率よく生成することができる。また、本工程における真空状態としては、一般に１０^-3〜１０Ｐａ程度が望ましい。

原料ガスには、炭化水素系ガスやアルコール系ガス（ＣＨ系ガス）、水素系ガス（Ｈ系ガス）が含まれる。具体的には、炭化水素系ガス及びアルコール系ガスから選択される少なくとも一種、あるいは炭化水素系ガス及びアルコール系ガスから選択される少なくとも一種と水素系ガスから選択される少なくとも一種との両方を（場合によりガス化して）用いることができる。前記炭化水素系ガスの炭化水素成分としては、炭素数１〜６の炭化水素（例えばメタン、エタン、アセチレン、ベンゼン等）が好適に挙げられ、前記アルコール系ガスとしては、例えばメタノール、エタノール等が好適に挙げられる。また、前記水素系ガスとしては、例えば水素ガス、アンモニアガス等が好適に挙げられる。ＣＨ系あるいはＨ系の原料が液相もしくは固相状態である場合には、予め気相にして供給することができる。また、ＣＨ系ガスとＨ系ガスとの混合系の場合、その混合比（ＣＨ系：Ｈ系）は、１：１〜１：２０（分圧比あるいは流量比）が好ましい。単層カーボンナノチューブ１１は、直線状、螺旋状のいずれの形状であってもよい。

触媒担持体は、基体の表面に触媒金属を担持して構成される。触媒金属としては、Ｆｅ以外にＰｄ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｗ、Ｍｏ、Ｍｎ又はこれらの合金などが挙げられる。基体としては、ＫＣｌやＮａＣｌなどの水に溶解性の材料、及びＡｌ、Ｎｉ、ステンレス、Ｓｉ、ＳｉＣ、ゼオライト、活性炭（Ｃ）等が挙げられ、触媒担持体を合成されたカーボンナノチューブから容易に除去でき、水に溶解後のＫＣｌやＮａＣｌなどの成分を容易にリサイクルすることが可能である等の点で、水に溶解性の基体が好適である。また、基体は任意の形状に構成でき、好ましくは板状に構成される。

単層カーボンナノチューブ１１の生成においては、前記カーボンナノチューブ生成工程の前工程に基体洗浄工程や触媒担持工程等を、カーボンナノチューブ生成工程の後工程に後処理工程等を更に設けることができる。

基体洗浄工程では、使用する基体（基板等）の表面を洗浄する。例えば、基体である基板を真空にした電気炉中で加熱処理することにより洗浄を行なうことができる。また、触媒担持工程では、基体に触媒金属を担持してカーボンナノチューブの生成に用いる触媒担持体を作製する。具体的な方法については特に制限はなく、例えば、所望の基体の上に蒸着などによりＦｅ等の所望の触媒金属を均一に微粒化して担持させることで触媒担持体とすることができる。合成後にカーボンナノチューブが一旦バンドルを形成してしまうと、径を増大させない場合にはバンドルを崩すことが困難である場合がある。したがって、合成時にバンドルを形成しないよう条件出しを行なう必要がある。

また、後処理工程では、前記カーボンナノチューブ生成工程で生成されたカーボンナノチューブやカーボンナノチューブが生成された触媒担持体の後処理を行なうことができる。具体的には、以下の工程が行なわれる。例えば、生成されたカーボンナノチューブに対し、更に１５００〜１８５０℃で加熱することによりチューブ径を制御して調整する処理を行なうことができる。この場合、逆にバンドルを元々形成しているものを用いる。上記範囲で更に加熱することでチューブサイズを大径側に調整することができる。あるいは、合成時に別条件で径の大きいものを作製（この場合にはバンドル形成させない）することにより対応できる。また、単層カーボンナノチューブ１１を空気中で再び５００〜６００℃程度に加熱（空気酸化処理）したり、あるいは塩酸、王水等を用いた酸処理などを行なうことができ、前者のように再加熱されたときには、チューブ端を開口（キャップオープン）できるほか、微粒子としてフラーレンが付与されているときは付着残存する水酸基の作用でカーボンナノチューブとフラーレンとの間により強固な結合が形成され、形状崩壊の抑制に効果的であり、後者の酸処理によっても、チューブ端をカッティングしてキャップオープンする処理やカーボンナノチューブの生成後に触媒金属の除去処理、付着したアモルファスカーボン等の煤を除去する処理、などを行なうことが可能である。

単層カーボンナノチューブ１３は、前記単層カーボンナノチューブ１２のように単に上記温度範囲で加熱するだけでは平均直径１０ｎｍ以上に成長させることは困難であるので、例えば単層カーボンナノチューブ１１を、塩酸や硝酸等の酸を用いて酸処理を行ない、酸処理された単層カーボンナノチューブ１１を更に（好ましくは真空中で）１５００〜１９００℃の温度領域で加熱処理する工程を設けることによって好適に生成することができる。

前記温度領域は、１７５０〜１８５０℃が好ましく、加熱時間は１〜５時間程度とするのが好ましい。前記加熱温度の範囲内で加熱処理すると、所望の径に制御するのが容易であり、高温（＞１９００℃）になりすぎて一部がグラファイト化してしまうこともない。ここでの加熱処理は、酸処理後水洗浄した後に行なうようにすることもできる。単層カーボンナノチューブ１１ではなく前記単層カーボンナノチューブ１２を用いて行なってもよい。また、カーボンナノチューブ生成工程後の後処理工程として行なう酸処理（キャップオープンする処理や触媒金属の除去処理、煤の除去処理の目的で）を終えた後に、引き続いて１５００〜１９００℃で加熱処理するようにしてもよい。

単層カーボンナノチューブ１３には、ガス吸蔵能が低下するのを抑止する点から、図４に示すように開口部１６が設けられている。開口部１６は、チューブ壁に電子線を照射する、硫酸水溶液とＨ₂Ｏ₂水溶液とで処理する、あるいは酸化処理する、等によって形成することができる。

単層カーボンナノチューブ１２及び１３は、上記のように単層カーボンナノチューブ１１を用いて生成する以外に、単層カーボンナノチューブ１１とは別個に合成して用いてもよい。この場合の合成も既述の合成法により行なえる。

水素ガス吸蔵材２０は、上記のようにして得た単層カーボンナノチューブ１１、１２及び１３のバンドルを崩しつつ均一に分散した後、成形加工して作製される。例えば、三種の単層カーボンナノチューブ１１、１２及び１３を混合して超音波分散された、あるいは三種をイミダゾリウム塩（例えば、1-ethyl-3-methylimidazolium〔ＥＭＩＢＦ４〕）と共に混合して加熱することにより溶融塩にして、超音波を加え均一混合することによって分散された分散物（組成物）を得た後、これを成形加工して作製できる。この後、水の超臨界状態にて内部のイミダゾリウム塩を溶解、除去することによってカーボンナノチューブのみからなる構造物を得ることが可能である。水素ガス吸蔵材の形態は主として成形加工によって決定され、任意の形状に成形して構成することができる。成形加工は、カーボンナノチューブ１１、１２及び１３が均一に分散された分散物を、例えばホットプレス法、ロール成形法、押出成形法など公知の成形技術を利用して行なわれる。

水素ガス吸蔵装置１は、例えばカーボンナノチューブ１１、１２及び１３を均一に分散した分散物をホットプレスにより図２に示す円形の平板形状（円盤状）に成形して水素ガス吸蔵材２０を作製し、この複数枚を図１に示すような積層構造をなすように積み重ねることで作製される。このように構成された水素ガス吸蔵装置は、コンパクトに構成されながら高い嵩密度を有し、水素ガス吸蔵能に優れる。

また、カーボンナノチューブ１１、１２及び１３を含む、図２に示す水素ガス吸蔵材２０では、図３に示すように、三種のカーボンナノチューブの間にフラーレン（Ｃ₆₀、Ｃ₇₂等）１５が均一に付着されており、チューブ同士が接触することなく水素ガスの吸蔵に好適な間隔を有して保持されている。この場合、カーボンナノチューブ１１、１２及び１３を含む中に更に微粒子であるフラーレンを加えた後、既述のようにして均一に分散されることによりカーボンナノチューブ間に均一にフラーレンを付与することができる。カーボンナノチューブを分散する場合、カーボンナノチューブ自体は束状のバンドルを形成し易い性状を有し、束状の単位でしか分散できないことがあるが、フラーレン添加により均一な分散性が得られ、また、加熱等により容易に固定することが可能である。

前記フラーレン以外には、微粒子としてＦｅやＡｕなどの金属クラスター等を使用することができる。

フラーレン等の微粒子は、カーボンナノチューブの全質量に対して１０質量％以下となる量が望ましく、この範囲で微粒子を付与することにより、微粒子が付与されたカーボンナノチューブを圧縮成形した場合に、カーボンナノチューブのみで得ることができる細孔容積を超える、大きな細孔容積（例えば０．８〜１．５ｃｃ／ｇ）を得ることができる。更には、微粒子の量は２質量％以上であるのが望ましい。

なお、水素ガス吸蔵材２０において、カーボンナノチューブ生成のために設けた触媒金属は、除去されあるいは存在する状態のいずれであってもよい。

円筒状タンク１０は、内部中空で断面円形の筒状に構成されており、別途作製された水素ガス吸蔵材２０を内装可能であると共に、開口する側端を閉塞して密閉されるようになっている。また、円筒状タンク１０の一端には閉塞されたタンク内部に水素ガスを供給するための図示しない供給口が設けられており、他端には水素ガスを取出すための図示しない取出口が設けられている。

円筒状タンク１０は、鉄やステンレス等の金属製タンクやポリエステル類等の樹脂製タンクなどを適宜選択して構成することができ、形状としては円筒状以外に、断面が矩形や楕円、三角形、四角形、台形等の筒形状など場合により適宜選択した形状に構成することができる。また、筒内壁にはカーボンナノチューブを生成するようにしてもよく、この場合には予めカーボンナノチューブを生成した後に筒形状としてもよいし、筒形状のままカーボンナノチューブを生成するようにしてもよい。

上記の実施形態では、水素ガスを被貯蔵ガスとした例を説明したが、水素ガス以外にメタンガス等の天然ガスの貯蔵においても同様に有用である。

以下、実施例により本発明をより具体的に説明する。但し、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

（実施例１）
まず、ＣＶＤ法によって、８００℃のもと水素ガスとエチレンガスとを流しながら、触媒として鉄（Ｆｅ）を用いて平均直径１．５ｎｍの単層カーボンナノチューブ（１）を生成した。そして、得られた単層カーボンナノチューブ（１）の一部を残して、ＨＮＯ₃水溶液（１〜３Ｍ、液温５０〜８０℃）に３時間浸漬して酸処理を施し、さらに水で洗浄し、充分に乾燥させた。続いて、酸処理が施された単層カーボンナノチューブ（１）の一部を取出し、さらに真空中、１８００℃で５時間加熱し、平均直径５０ｎｍの単層カーボンナノチューブ（３）を生成した。その後、単層カーボンナノチューブ（３）に対し、硫酸と硝酸との混合液中に浸漬することによってチューブ壁に孔（開口部）を形成した。

次に、得られた単層カーボンナノチューブ（１）のうち酸処理を施していない一部について、さらに真空中、１７５０℃で３時間加熱し、平均直径３．３ｎｍの単層カーボンナノチューブ（２）を生成した。

ここで、単層カーボンナノチューブ（３）の、カーボンナノチューブの総質量に対する量を０．５質量％、３質量％とし、この場合のカーボンナノチューブ（１）及び（２）の比率を変えて得られるガス吸蔵量（Ｖ／Ｖ₀；３５ＭＰａ、２４℃）の変化を求めた。その結果を図５−(ａ)、(ｂ)に示す。図５−(ａ)、(ｂ)に示すように、カーボンナノチューブ（２）／カーボンナノチューブ（１）＝５〜３５％であるときに特にガス吸蔵効率が高く、また、カーボンナノチューブ（３）の割合としては０．５質量％にて吸蔵量が良好であり、３質量％では飛躍的な向上効果は認められなかった。

上記の結果をもとに、平均直径の異なる三種のカーボンナノチューブを、カーボンナノチューブ（１）７９．５質量％、カーボンナノチューブ（２）２０質量％、及びカーボンナノチューブ（３）０．５質量％の割合で混合すると共に、これに更にＦｅ微粒子（粒子径５ｎｍ）をカーボンナノチューブの総質量の１質量％添加した後、超音波を加えながらイミダゾリウム塩を添加し、混合機にて均一に分散させて分散物を得た。引き続いて、得られた分散物を一旦３０ｋｇｆ／ｃｍ²で圧縮プレスを行ない、水の超臨界状態下にて５時間曝すことにより、溶融塩を含むアモルファスカーボン等の溶解、除去を行なった。さらに、３０〜５０ｋｇｆ／ｃｍ²でのプレス成型にて直径φ４inch、厚さ１０ｍｍの円形の平面形状（いわゆる円盤形状）に圧縮成形した（図２参照）。この成形工程を複数回繰り返し行なって、円盤状の成形体を複数枚作製した。その後、ガスの吸蔵効率を高めるために、空気中で４５０℃にて加熱することにより空気酸化処理を行ない、各カーボンナノチューブのチューブ端をキャップ開放した。このようにして、本発明のカーボンナノチューブを有する水素ガス吸蔵材を得た。

以上のようにして作製した水素ガス吸蔵材の嵩密度は０．８５ｇ／ｍｌであった。また別途、上記のＦｅ微粒子を添加しない以外同様に作製した場合においては、水素ガス吸蔵材の嵩密度は０．７ｇ／ｍｌであった。この両者について１〜５ｎｍの細孔容積を比較したところ、Ｆｅ添加の場合は０．８５ｃｃ／ｇ、Ｆｅ非添加の場合は０．７８ｃｃ／ｇであり、微粒子の添加により細孔容量を向上できたことを確認した。また、Ｆｅを添加して成形された水素ガス吸蔵材の、５ｎｍを超える孔の総容積は０．９３ｃｃ／ｇであった。

上記円盤状の水素ガス吸蔵材を、９．２ｃｍ×φ１．０５inchの円筒状タンク内にその法線方向が円筒状タンクの軸心と略平行となるように、図１に示す積層構造に９枚収容し、本発明の水素ガス吸蔵装置を作製した。この水素ガス吸蔵装置は、ほぼ同容量の従来の圧縮高圧タンクに比して１．１〜１．４倍程度のガス貯蔵量を有し、ガス貯蔵効率に優れており、ガス充填に要する時間もほぼ１０分程度の短時間で略平衡に達した。

本発明の実施形態に係る水素ガス吸蔵装置を示す概略図である。 本発明の実施形態に係る水素ガス吸蔵材を示す概略図である。 分散されたカーボンナノチューブ間にフラーレンが設けられているところを説明するための概略拡大図である。 図３の点線枠内の、開口部が設けられたカーボンナノチューブを拡大して示す概略図である。 最大径のカーボンナノチューブの比率を（ａ）０．５質量％又は（ｂ）３質量％としたときの、平均直径の異なる二種のカーボンナノチューブの割合とガス貯蔵量との関係を示すグラフである。

符号の説明

１…水素ガス吸蔵装置
１１，１２，１３…単層カーボンナノチューブ
１５…フラーレン（微粒子）
１６…開口部
２０…水素ガス吸蔵材

Claims (10)

1. カーボンナノチューブＡと、カーボンナノチューブを熱処理してカーボンナノチューブＡよりも平均直径を大きくしたカーボンナノチューブＢと、カーボンナノチューブを酸処理後、加熱処理してカーボンナノチューブＢよりも平均直径を大きくしたカーボンナノチューブＣと、を含むガス吸蔵材。
2. 前記カーボンナノチューブＢは、カーボンナノチューブを１５００〜１８５０℃で熱処理してカーボンナノチューブＡよりも平均直径を大きくしたものであり、カーボンナノチューブＣは、カーボンナノチューブを酸処理後、１５００〜１９００℃で加熱処理してカーボンナノチューブＢよりも平均直径を大きくしたものである請求項１に記載のガス吸蔵材。
3. 前記少なくとも３種のカーボンナノチューブＡ、Ｂ、Ｃを分散して含む成形体を有する請求項１又は２に記載のガス吸蔵材。
4. 前記カーボンナノチューブは単層構造に構成された請求項１〜３のいずれか１項に記載のガス吸蔵材。
5. カーボンナノチューブＡは平均直径が１ｎｍ以上２ｎｍ未満であり、カーボンナノチューブＢは平均直径が２ｎｍ以上５ｎｍ以下であり、カーボンナノチューブＣは、平均直径が１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下である請求項１〜４のいずれか１項に記載のガス吸蔵材。
6. 前記カーボンナノチューブＡ５０〜８０質量％及び前記カーボンナノチューブＣ０．１〜１質量％と、前記カーボンナノチューブＢとを含む請求項１〜５のいずれか１項に記載のガス吸蔵材。
7. 前記カーボンナノチューブＣは、チューブ壁に開口部を有する請求項１〜６のいずれか１項に記載のガス吸蔵材。
8. 粒子径２〜１０ｎｍのフラーレン又は金属クラスターを更に含む請求項１〜７のいずれか１項に記載のガス吸蔵材。
9. 前記成形体における、５ｎｍを超える孔の総容積が０．０１〜０．２ｃｃ／ｇである請求項１〜８のいずれか１項に記載のガス吸蔵材。
10. 請求項１〜９のいずれか１項に記載のガス吸蔵材を備えたガス吸蔵装置。

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