JP4686865B2

JP4686865B2 - 水素吸蔵放出装置

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Publication number: JP4686865B2
Application number: JP2001028062A
Authority: JP
Inventors: 光史宮腰; 弘宮沢; 富一渡辺; 享弘中村; 淳夫山田; 誠司白石; 竜一郎丸山; 尚志梶浦
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2001-02-05
Filing date: 2001-02-05
Publication date: 2011-05-25
Anticipated expiration: 2021-02-05
Also published as: JP2002228099A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水素吸蔵放出装置に関するものであり、さらに詳細には、大量の水素を、水素吸蔵合金や炭素質材料などの水素吸蔵用材料に、効率的に吸蔵させることがきるとともに、水素を吸蔵した水素吸蔵材料から、水素を効率的に放出させることのできる水素吸蔵放出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
産業革命以後、自動車などのエネルギー源としてはもちろん、電力製造などのエネルギー源として、ガソリン、軽油などの化石燃料が広く用いられてきた。この化石燃料の利用によって、人類は飛躍的な生活水準の向上や産業の発展などの利益を享受することができたが、その反面、地球は深刻な環境破壊の脅威にさらされ、さらに、化石燃料の枯渇の虞が生じてその長期的な安定供給に疑問が投げかけられる事態となりつつある。
【０００３】
そこで、水素は、水に含まれ、地球上に無尽蔵に存在している上、物質量あたりに含まれる化学エネルギー量が大きく、また、エネルギー源として使用するときに、有害物質や地球温暖化ガスなどを放出しないなどの理由から、化石燃料に代わるクリーンで、かつ、無尽蔵なエネルギー源として、近年、大きな注目を集めるようになっている。
【０００４】
ことに、近年は、水素エネルギーから電気エネルギーを取り出すことができる燃料電池の研究開発が盛んにおこなわれており、大規模発電から、オンサイトな自家発電、さらには、自動車用電源としての応用が期待されている。
【０００５】
しかしながら、水素は、常温常圧において、気体状態にあるため、液体や固体と比べて、取り扱いが難しく、ことに、液体や固体と比べて、気体の密度は非常に小さいため、体積あたりの化学エネルギーが小さく、また、貯蔵や運搬が困難であるという問題がある。さらに、気体であるため、水素は漏洩しやすく、漏洩すると、爆発の危険があるという問題もあり、水素エネルギーの活用上、大きな障害となっていた。
【０００６】
したがって、水素エネルギーを用いたエネルギーシステムの実用化に向けて、気体状態にある水素を、効率的かつ安全に、小体積内に貯蔵する技術の開発が進められており、高圧ガスとして貯蔵する方法、液化水素として貯蔵する方法、水素吸蔵材料を用いる方法などが提案されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、高圧ガスとして貯蔵する方法にあっては、貯蔵容器として、ボンベのような非常に強固な金属製の耐圧容器を用いる必要があるため、容器自体がきわめて重くなり、また、高圧ガスの密度も、通常１２ｍｇ／ｃｃ程度であって、水素の貯蔵密度が非常に小さく、貯蔵効率が低いという問題があるだけでなく、高圧であるため、安全面にも問題を有していた。
【０００８】
これに対して、液化水素として貯蔵する方法においては、水素の貯蔵密度は、通常７０ｍｇ／ｃｃ程度であって、水素の貯蔵密度はかなり大きいが、水素を液化するため、水素を−２５０℃以下に冷却することが必要になり、冷却装置などの付加的な装置が要求され、システムが複雑になるだけでなく、冷却のためのエネルギーが必要になるという問題があった。
【０００９】
一方、水素吸蔵材料の中では、水素吸蔵合金が最も有効な材料とされ、たとえば、ランタンニッケル系、パナジウム系、マグネシウム系の水素吸蔵合金が知られているが、これらの水素吸蔵合金の実用的な水素貯蔵密度は、通常１００ｍｇ／ｃｃ前後であり、他の物質中に、水素を貯蔵するにもかかわらず、液体水素の密度以上で、従来の水素貯蔵方法の中では、最も効率的である。しかも、水素吸蔵合金を用いる場合には、室温レベルの温度で、水素吸蔵合金へ水素を吸蔵させ、水素吸蔵合金から水素を放出させることができ、さらには、水素分圧との平衡で、水素の吸蔵状態が制御されるため、高圧ガスや液体水素に比して、取り扱いが容易であるという利点もある。
【００１０】
しかしながら、水素吸蔵合金は、構成材料が金属合金であるため重く、現在のところ、単位重量あたりの水素吸蔵量も十分とは言えないため、近年、水素吸蔵材料として、炭素質材料に注目が集まっており、種々の角度からの研究がなされている。
【００１１】
たとえば、特開平５−２７０８０１号公報は、フラーレン類に、水素を付加反応させ、水素を吸蔵させる方法を提案している。しかしながら、この方法にあっては、炭素原子と水素原子の間に、共有結合的な化学結合が形成されてしまうため、吸蔵というよりは、水素付加と呼ぶべきもので、化学結合によって、付加することのできる水素量の上限は、基本的に、炭素原子の不飽和結合数に限定されるので、水素の吸蔵量には限界があった。
【００１２】
また、特開平１０−７２２９１号公報は、フラーレン類を水素吸蔵材料として用い、フラーレン類の表面を、真空蒸着やスパッタリングによって、白金などの触媒金属で覆い、水素を吸蔵させる技術を提案している。しかしながら、白金を触媒金属として用いて、フラーレン類の表面を覆うためには、多くの白金を使用する必要があり、コストが高くなるだけでなく、資源的にも問題があった。
【００１３】
したがって、従来、知られている水素の貯蔵方法は、水素エネルギーを活用する上で、実用的なものとは言い難く、とくに、自動車、船舶、一般家庭用電源、各種小型電気機器などのエネルギー源として、水素エネルギーを用いる場合や、大量の水素を運搬する必要がある場合には、従来の水素の貯蔵方法は、実用性を有していなかった。
【００１４】
したがって、本発明は、大量の水素を、水素吸蔵合金や炭素質材料などの水素吸蔵用材料に、効率的に吸蔵させることがきるとともに、水素を吸蔵した水素吸蔵材料から、水素を効率的に放出させることのできる水素吸蔵放出装置を提供することを目的とするものである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明のかかる目的は、鉄系金属、アルミニウム系金属、チタン系金属、ポリイミド樹脂、フッ素樹脂、ポリカーボネート樹脂、耐圧ガラス、炭素繊維およびセラミックよりなる群から選ばれる材料によって形成された耐圧容器を備えたことを特徴とする水素吸蔵放出装置によって達成される。
【００１６】
本発明によれば、水素吸蔵放出装置は、鉄系金属、アルミニウム系金属、チタン系金属、ポリイミド樹脂、フッ素樹脂、ポリカーボネート樹脂、耐圧ガラス、炭素繊維およびセラミックよりなる群から選ばれる材料によって形成された耐圧容器を備えているから、十分な耐圧性、耐熱性および高い熱伝導率を有し、したがって、大量の水素を効率よく、水素吸蔵用材料に吸蔵させ、吸蔵された水素を効率よく、放出させることが可能になる。
【００１７】
本発明の好ましい実施態様においては、水素吸蔵放出装置が、その外径が前記耐圧容器の内径よりも小さく、外周壁部および底壁部が多孔材料によって形成され、内部に水素吸蔵用材料を収容可能なカートリッジと、前記カートリッジを、前記カートリッジの前記底壁部が前記耐圧容器の前記底面と間隔を隔てて、位置するとともに、前記外周壁部が前記耐圧容器の内側面と間隔を隔てて、位置するように、前記耐圧容器内に保持する保持手段と、前記耐圧容器に接続されたガス通路と、前記ガス通路に設けられたバルブと、前記ガス通路によって、前記耐圧容器内と接続された水素ガス供給源とを備えている。
【００１８】
本発明の好ましい実施態様によれば、水素吸蔵放出装置は、さらに、その外径が耐圧容器の内径よりも小さく、外周壁部および底壁部が多孔材料によって形成され、内部に、水素吸蔵合金や炭素質材料などの水素吸蔵用材料を収容可能なカートリッジと、カートリッジを、カートリッジの底壁部が耐圧容器の底面と間隔を隔てて、位置するとともに、外周壁部が耐圧容器の内側面と間隔を隔てて、位置するように、耐圧容器内に保持する保持手段と、耐圧容器に接続されたガス通路と、ガス通路に設けられたバルブと、ガス通路によって、耐圧容器内と接続された水素ガス供給源とを備えているから、カートリッジ内に、水素吸蔵合金や炭素質材料などの水素吸蔵用材料を収容させた後、バルブを開いて、水素ガス供給源から、水素ガスを耐圧容器内に導入し、バルブを閉じて、所定時間にわたって、保持することにより、水素ガスは、多孔材料によって形成されたカートリッジの外周壁部および底壁部を介して、水素吸蔵合金や炭素質材料などの水素吸蔵用材料に吸蔵されるから、大きな面積で、水素と水素吸蔵用材料とを接触させることができ、したがって、大量の水素を、水素吸蔵合金や炭素質材料などの水素吸蔵用材料に、効率的に吸蔵させることが可能となり、バルブを開放することによって、吸蔵された水素を、ガス通路を介して、放出することが可能になる。
【００１９】
本発明のさらに好ましい実施態様においては、前記カートリッジの横断面が環状をなし、前記カートリッジの内周壁部が多孔材料によって形成されている。
【００２０】
本発明のさらに好ましい実施態様によれば、カートリッジの横断面が環状をなし、内周壁部が多孔材料によって形成されているから、水素が、多孔材料によって形成されたカートリッジの外周壁部、内周壁部および底壁部を介して、水素吸蔵合金や炭素質材料などの水素吸蔵用材料に吸蔵され、したがって、より一層大きな面積で、水素吸蔵用材料とを接触させることができるから、大量の水素を、水素吸蔵合金や炭素質材料などの水素吸蔵用材料に、より効率的に吸蔵させることが可能となる。
【００２１】
本発明のさらに好ましい実施態様においては、さらに、前記耐圧容器を加熱する加熱手段を備えている。
【００２２】
本発明のさらに好ましい実施態様によれば、水素吸蔵用材料として、カーボンナノチューブなどの炭素質材料を用いる場合に、バルブを開いて、水素ガス供給源から、耐圧容器内に、水素ガスを導入して、バルブを閉じ、加熱手段を用いて、耐圧容器を加熱して、所定時間にわたって、保持することによって、水素ガスにより、炭素質材料表面を洗浄して、水素と接触する炭素質材料の表面積を増大させるとともに、炭素質材料に、水素を供給し、水素を効率的に吸蔵させることが可能となる。
【００２３】
本発明のさらに好ましい実施態様においては、前記ガス通路に、第１の切り換えバルブと、第２の切り換えバルブが設けられ、前記水素ガス供給源が、前記第１の切り換えバルブを介して、前記ガス通路に接続され、さらに、前記第２の切り換えバルブを介して、前記ガス通路に接続された不活性なガスの供給源を備えている。
【００２４】
本発明のさらに好ましい実施態様によれば、水素吸蔵用材料として、カーボンナノチューブなどの炭素質材料を用いる場合に、耐圧容器内への水素の供給に先立って、第２の切り換えバルブを開いて、不活性なガスの供給源から、ガス通路を介して、耐圧容器内に不活性なガスを供給し、不活性なガス雰囲気下で、加熱手段によって、カートリッジ中の炭素質材料を加熱することにより、炭素質材料の表面に付着した不純物を除去して、水素と接触可能な炭素質材料の表面積を増大させることができるから、その後に、第１の切り換えバルブを開いて、水素ガス供給源から、ガス通路を介して、耐圧容器内に導入し、バルブを閉じて、所定時間にわたって、保持することによって、大量の水素を、効率的に、炭素質材料に吸蔵させることが可能になる。
【００２５】
本発明のさらに好ましい実施態様においては、前記ガス通路に、さらに、第３の切り換えバルブが設けられ、還元性ガスの供給源が、前記第３の切り換えバルブを介して、前記ガス通路に接続されている。
【００２６】
本発明のさらに好ましい実施態様によれば、水素吸蔵用材料として、カーボンナノチューブなどの炭素質材料を用いる場合に、耐圧容器内への水素の供給に先立って、第３の切り換えバルブを開いて、還元性ガスの供給源から、ガス通路を介して、耐圧容器内に還元性ガスを供給し、還元性ガス雰囲気下で、加熱手段によって、カートリッジ中の炭素質材料を、５０℃以上の温度で、加熱することにより、炭素質材料の表面を効率的に洗浄して、炭素質材料の表面に付着した不純物を効率的に除去し、炭素質材料の表面と水素原子または水素分子とが接触する面積を大幅に増大させることができるから、その後に、第１の切り換えバルブを開いて、水素ガス供給源から、ガス通路を介して、耐圧容器内に導入し、バルブを閉じて、所定時間にわたって、保持することにより、大量の水素を、効率的に、炭素質材料に吸蔵させることが可能になる。
【００２７】
本発明のさらに好ましい実施態様においては、前記保持手段が、前記カートリッジの底壁部外面に設けられた少なくとも３つの脚部によって構成されている。
【００２８】
本発明のさらに別の好ましい実施態様においては、前記保持手段が、前記カートリッジの底壁部外面に設けられた１または２以上の板状の脚部材によって構成されている。
【００２９】
本発明のさらに好ましい実施態様においては、前記１または２以上の板状の脚部材が多孔材料によって形成されている。
【００３０】
本発明のさらに好ましい実施態様においては、前記保持手段が、前記カートリッジの外壁部に設けられた少なくとも２つの突起部と、前記耐圧容器の内面に設けられ、前記少なくとも２つの突起部と係合可能な係合突起部によって構成されている。
【００３１】
本発明において、水素吸蔵用材料は、ランタンニッケル系、パナジウム系、マグネシウム系の水素吸蔵合金およびフラーレン、カーボンナノファイバー、カーボンナノチューブ、炭素スス、ナノカプセル、バッキーオニオンおよびカーボンファイバーなどの曲率を有する炭素質材料を含んでいる。
【００３２】
本発明の好ましい実施態様においては、炭素質材料は、その表面に、水素分子を水素原子に、あるいは、さらにプロトンと電子に分離させる機能を有する金属または金属の合金の微粒子を有している。金属または合金の微粒子の平均サイズは１ミクロン以下であることが望ましく、金属としては、鉄、希土類元素、ニッケル、コバルト、パラジウム、ロジウム、白金、またはこれらの金属の１または２以上の合金よりなる群から選ばれる金属または合金が好ましく使用される。
【００３３】
フラーレン、カーボンナノファイバー、カーボンナノチューブ、炭素スス、ナノカプセル、バッキーオニオンおよびカーボンファイバーなどの曲率を有する炭素質材料をアーク放電法によって生成する場合には、アーク放電に先立って、金属またはその合金を、グラファイトのロッドに混入させることが好ましく、アーク放電の際に、かかる金属またはその合金を存在させることによって、これらの金属またはその合金の触媒的作用によって、炭素質材料の収率が高まり、曲率を有する水素吸蔵用炭素質材料の生成を促進させることができる。なお、これらの金属またはその合金は、レーザーアブレーション法によって、フラーレン、カーボンナノファイバー、カーボンナノチューブおよびカーボンファイバーなどの炭素質材料を生成する際、触媒的作用を果たすことが知られており、その方法により生成したフラーレン、カーボンナノファイバー、カーボンナノチューブおよびカーボンファイバーなどの炭素質材料を収集し、それを水素吸蔵用炭素質材料に添加混合して、水素吸蔵用炭素質材料の表面が、これらの金属またはその合金を有するようにしてもよい。
【００３４】
本発明のさらに好ましい実施態様においては、これらの金属または合金を含有する炭素質材料、あるいは、これらの金属または合金を含有しない炭素質材料の少なくとも表面に対し、水素分子を水素原子へ、さらには、プロトンと電子へと分離することのできる触媒能を有する金属微粒子が１０重量％以下、担持されている。そのような触媒能を有する好ましい金属としては、たとえば、白金または白金合金などを挙げることができ、炭素質材料の表面に、これらの金属を担持させるには、スパッタ、真空蒸着、化学的手法、混合などの公知の手法を用いることができる。
【００３５】
また、白金微粒子または白金合金微粒子を炭素質材料に担持させる場合には、白金錯体を含む溶液を用いる化学的担持法、あるいは、白金を含む電極を用いるアーク放電法の手法を適用することができる。化学的担持法においては、たとえば、塩化白金酸水溶液を亜硫酸水素ナトリウムや過酸化水素で処理し、次いで、この溶液に、炭素質材料を加えて、攪拌することによって、白金微粒子または白金合金微粒子を炭素質材料に担持させることができる。他方、アーク放電法においては、アーク放電の電極部に、白金や白金合金を部分的に組み込んでおき、それをアーク放電させることによって蒸発させ、チャンバー内に収納した炭素質材料上に付着させることができる。
【００３６】
このような金属や合金を担持させることにより、それを担持させない場合に比べ、水素吸蔵能をより高めることができ、さらに、電子供与体であるフッ素やアンモニアなどのアミン系分子を炭素質材料と混合し、あるいは、結合させることによって、電荷分離がより能率的に生じることが判明している。
【００３７】
このように、上述の金属や合金を担持させた強い電子受容体である水素吸蔵用炭素質材料に、陽子と電子とからなる水素を供与することによって、水素が陽子の形態で、吸蔵され、そのため、占有体積が大幅に小さくなり、従来の水素原子の化学吸着による貯蔵に比して、大量の水素を水素吸蔵用炭素質材料中に貯蔵することが可能となる。すなわち、水素を、原子の状態から、電子と陽子に分離させて、水素吸蔵用炭素質材料中に効率的に電子を貯蔵することにより、水素を、最終的には、陽子の状態で、高密度にかつ大量に貯蔵することができる。したがって、水素吸蔵用炭素質材料の表面に、上述の金属や合金を担持させた場合は、水素をより効率的にかつより大量に吸蔵することができ、軽量で運搬が容易であり、構造破壊を伴わずに、室温レベルでの反復使用が可能で、取扱上も安全である。さらに、白金などの金属触媒の使用量も削減でき、出発原料であるフラーレンなどの炭素質材料も低コストで容易に製造することができ、資源調達の面で問題がない上に、使用時に環境破壊などの問題を起こすことがないという優れた実用性を発揮することが可能になる。
【００３８】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面に基づいて、本発明の好ましい実施態様につき、詳細に説明を加える。
【００３９】
図１は、本発明の好ましい実施態様にかかる水素吸蔵放出装置の略縦断面図である。
【００４０】
図１に示されるように、水素吸蔵放出装置１は、耐圧容器２と、耐圧容器２に収容されたカートリッジ３を備え、カートリッジ３内には、水素吸蔵用材料であるカーボンナノチューブ４が収容されている。
【００４１】
図２は、斜め下方から見たカートリッジ３の略斜視図である。
【００４２】
図２に示されるように、カートリッジ３は円筒状をなし、ステンレスによって形成されている。カートリッジの外周壁部３ａおよび底壁部３ｂには、多数の孔５が形成されており、また、底壁部３ｂの外面には、３つの脚部６、６、６が設けられている。カートリッジ３の軸線に垂直な一端面には、開口部３ｃが形成されている。
【００４３】
図１に示されるように、カートリッジ３の底壁部３ｂの外面に設けられた３つの脚部６、６、６が、耐圧容器２の底面２ｂに当接し、カートリッジ３の底壁部３ｂの外面は、耐圧容器２の底面２ｂと間隔を隔てて、配置されており、カートリッジ３の底壁部３ｂの外面と耐圧容器２の底面２ｂとの間には、空間が形成されている。また、カートリッジ３は、耐圧容器２の内径よりも小さな外径を有しており、図１に示されるように、カートリッジ３の外周壁部３ａは、耐圧容器２の内側面２ａと間隔を隔てて、配置され、カートリッジ３の外周壁部３ａと耐圧容器２の内側面２ａとの間には、空間が形成されている。
【００４４】
図１に示されるように、耐圧容器２には、ねじ７によって、蓋部材９が固定され、メタルシール８によって、耐圧容器２内が密閉される。蓋部材９には、第１の開口部１０ａが形成され、第１の開口部１０ａには、第１のガス通路１１ａが接続されている。
【００４５】
図１に示されるように、第１のガス通路１１ａには、第１のバルブ１２ａが設けられ、第１の切り換えバルブ１３を介して、水素ガス供給源１４が第１のガス通路１１ａに接続されている。
【００４６】
他方、耐圧容器２の底部には、第２の開口部１０ｂが形成され、第２の開口部１０ｂには、第２のガス通路１１ｂが接続されている。
【００４７】
図１に示されるように、第２のガス通路１１ｂには、第２のバルブ１２ｂが設けられ、第２の切り換えバルブ１５を介して、窒素ガス供給源１６が第２のガス通路１１ｂに接続されている。
【００４８】
耐圧容器２の周囲には、加熱コイル１７が巻回されている。
【００４９】
以上のように構成された本実施態様にかかる水素吸蔵放出装置１は、以下のようにして、カートリッジ３内に収容された水素吸蔵材料であるカーボンナノチューブ４に、水素を吸蔵させ、吸蔵した水素を放出させる。
【００５０】
まず、カートリッジ３内に、水素吸蔵用材料であるカーボンナノチューブ４が収容され、次いで、カートリッジ３の底壁部３ｂの外面と耐圧容器２の底面２ｂとの間に、空間が形成されるとともに、カートリッジの外周壁部３ａと耐圧容器２の内側面２ａとの間に、空間が形成されるように、カートリッジ３が耐圧容器２内に収容され、ねじ７によって、蓋部材９が耐圧容器２に固定され、メタルシール８によって、耐圧容器２内が密閉される。
【００５１】
その後、第２のバルブ１２ｂが開かれ、さらに、第２の切り換えバルブ１５が開かれて、窒素ガス供給源１６から、窒素ガスが、第２のガス通路１１ｂを介して、耐圧容器２内に導入され、同時に、電源（図示せず）から、加熱コイル１７に電流が供給され、カートリッジ３内のカーボンナノチューブ４が、窒素ガス雰囲気下で、８００℃ないし１０００℃の温度で、加熱されるように、加熱コイル１７によって、３時間にわたって、耐圧容器２が加熱される。
【００５２】
こうして、加熱コイル１７によって、耐圧容器２が加熱され、その結果、カートリッジ３内のカーボンナノチューブ４が、窒素ガス雰囲気下で、８００℃ないし１０００℃の温度で、加熱されて、カーボンナノチューブ４の表面に付着していた不純物が除去される。
【００５３】
加熱コイル１７への電流の供給が断たれ、耐圧容器２内が室温に復帰したことが確認されると、第２の切り換えバルブ１５が閉じられ、第１のバルブ１２ａおよび第１の切り換えバルブ１３が開かれて、水素ガス供給源１４から、１００気圧の水素ガスが、第１のガス通路１１ａを介して、耐圧容器２内に導入される。その結果、耐圧容器２内の窒素ガスは、第２の開口部１０ｂを介して、第２のガス通路１１ｂに放出され、耐圧容器２内の窒素ガスが、水素ガスによって、置換される。ここに、窒素ガスは水素ガスに比して、重いため、蓋部材９に形成された第１の開口部１０ａから、水素ガスを耐圧容器２内に導入することによって、耐圧容器２の底部に形成された第２の開口部１０ｂから、窒素ガスを速やかに第２ガス通路１１ｂに放出し、窒素ガスを、水素ガスによって、置換することができる。
【００５４】
耐圧容器２内の窒素ガスが、完全に、その後、水素ガスによって、置換されると、第１の切り換えバルブ１３、第１のバルブ１２ａおよび第２のバルブ１２ｂが閉じられる。
【００５５】
本実施態様においては、カートリッジ３の底壁部３ｂの外面と耐圧容器２の底面２ｂとの間に、空間が形成されるとともに、カートリッジ３の外周壁部３ａと耐圧容器２の内側面２ａとの間に、空間が形成されるように、カートリッジ３が耐圧容器２内に収容され、カートリッジ３の外周壁部３ａおよび底壁部３ｂには、多数の孔５が形成されているから、カートリッジ３に収容されているカーボンナノチューブ４は、カートリッジ３の開口部３ｃ、カートリッジ３の外周壁部３ａに形成された多数の孔５およびカートリッジの底壁部３ｂに形成された多数の孔５を介して、水素ガス供給源１４から、耐圧容器２内に導入された水素ガスと接触し、したがって、従来のように、カートリッジ３の開口部３ｃを介して、カーボンナノチューブ４が水素ガスと接触する場合に比して、水素ガスとの接触面積が大幅に増大するから、大量の水素を、効率的に、カーボンナノチューブ４に吸蔵させることが可能になる。
【００５６】
こうして、所定の時間が経過すると、水素の吸蔵が完了する。
【００５７】
カーボンナノチューブ４に吸蔵された水素を放出させるときは、第１のバルブ１２ａおよび第２のバルブ１２ｂが開かれるとともに、第２の切り換えバルブ１５が開かれて、窒素ガス供給源１６から、窒素ガスが、第２のガス通路１１ｂおよび第２の開口部１０ｂを介して、耐圧容器２内に導入され、水素が窒素ガスによって置換され、カーボンナノチューブ４に吸蔵されていた水素は、第１の開口部１０ａを介して、第１のガス通路１１ａに放出される。
【００５８】
ここに、水素ガスは窒素ガスに比して、はるかに軽いため、耐圧容器２の底部に形成された第２の開口部１０ｂから、窒素ガスを耐圧容器２内に導入することによって、蓋部材９に形成された第１の開口部１０ａから、水素ガスを速やかに第１のガス通路１１ａ内に放出することができる。
【００５９】
本実施態様によれば、耐圧容器２は、ステンレスによって形成されているから、十分な耐圧性、耐熱性および高い熱伝導率を有し、したがって、大量の水素を効率よく、水素吸蔵用材料であるカーボンナノチューブ４に吸蔵させ、カーボンナノチューブ４に吸蔵された水素を効率よく、放出させることが可能になる。
【００６０】
また、本実施態様によれば、水素吸蔵用材料であるカーボンナノチューブ４を収容するカートリッジ３の外周壁部３ａおよび底壁部３ｂには、多数の孔５が形成されており、カートリッジ３の底壁部３ｂの外面に設けられた３つの脚部６、６、６が、耐圧容器２の底面２ｂに当接し、カートリッジ３の底壁部３ｂの外面は、耐圧容器２の底面２ｂと間隔を隔てて、配置され、また、カートリッジ３は、耐圧容器２の内径よりも小さな外径を有し、カートリッジ３の外周壁部３ａは、耐圧容器２の内側面２ａと間隔を隔てて、配置されており、その結果、カートリッジ３の底壁部３ｂの外面と耐圧容器２の底面２ｂとの間に、空間が形成されるとともに、カートリッジ３の外周壁部３ａと耐圧容器２の内側面２ａとの間に、空間が形成されているから、カートリッジ３に収容されているカーボンナノチューブ４は、カートリッジ３の開口部３ｃ、カートリッジ３の外周壁部３ａに形成された多数の孔５およびカートリッジ３の底壁部３ｂに形成された多数の孔５を介して、水素ガス供給源１４から、耐圧容器２内に導入された水素ガスと接触し、したがって、従来のように、カートリッジ３の開口部３ｃを介して、カーボンナノチューブ４が水素ガスと接触する場合に比して、水素ガスとの接触面積が大幅に増大するから、大量の水素を、効率的に、カーボンナノチューブ４に吸蔵させることが可能になる。
【００６１】
図３は、本発明の他の好ましい実施態様にかかる水素吸蔵放出装置の略縦断面図であり、図４は、カートリッジ３の略斜視図である。
【００６２】
図３および図４に示されるように、本発明の別の好ましい実施態様にかかる水素吸蔵放出装置２０は、その横断面が円環状をなしたカートリッジ２１を備えており、第２の切り換えバルブ１５を介して、第２のガス通路１１ｂに接続された窒素ガス供給源１６に代えて、第３の切り換えバルブ２２を介して、第２のガス通路１１ｂに、一酸化炭素ガス供給源２３が接続され、さらに、第４の切り換えバルブ２４を介して、第１のガス通路１１ａに、真空ポンプ２５が接続されている点を除き、図１および図２に示された水素吸蔵放出装置１と同様の構成を有している。
【００６３】
図４に示されるように、カートリッジ２１は、その横断面が円環状をなし、その外周壁部２１ａおよび底壁部２１ｂだけでなく、その内周壁部２１ｄにも、多数の孔５が形成されている。図４において、２１ｃは、カートリッジ２１の開口部である。
【００６４】
以上のように構成された本実施態様にかかる水素吸蔵放出装置２０は、以下のようにして、水素を、カートリッジ２１内に収容された水素吸蔵用材料であるカーボンナノチューブ４に吸蔵させ、吸蔵した水素を放出させる。
【００６５】
まず、カートリッジ２０内に、水素吸蔵用材料であるカーボンナノチューブ４が収容され、次いで、カートリッジ２０の底壁部２０ｂの外面と耐圧容器２の底面２ｂとの間に、空間が形成されるとともに、カートリッジの外周壁部２１ａと耐圧容器２の内側面２ａとの間に、空間が形成されるように、カートリッジ２１が耐圧容器２内に収容され、ねじ７によって、耐圧容器２に蓋部材９が固定されて、メタルシール８により、耐圧容器２が密閉される。
【００６６】
その後、第１のバルブ１２ａが開かれ、さらに、第４の切り換えバルブ２４が開かれた後、真空ポンプ２５が作動されて、耐圧容器２内が減圧に引かれるとともに、電源（図示せず）から、加熱コイル１７に電流が供給されて、カートリッジ３内のカーボンナノチューブ４が、４００℃ないし８００℃の温度で、加熱されるように、加熱コイル１７によって、３時間にわたって、減圧状態で、耐圧容器２が加熱される。
【００６７】
こうして、加熱コイル１７によって、耐圧容器２が加熱され、その結果、カートリッジ３内のカーボンナノチューブ４が、減圧状態で、４００℃ないし８００℃の温度で、加熱されて、カーボンナノチューブ４の表面に付着していた不純物が除去される。
【００６８】
加熱コイル１７への電流の供給が断たれ、耐圧容器２内が室温に復帰したことが確認されると、第４の切り換えバルブ２４が閉じられ、第１の切り換えバルブ１３が開かれて、水素ガス供給源１４から、１００気圧の水素ガスが、第１のガス通路１１ａを介して、耐圧容器２内に導入される。その後、第１の切り換えバルブ１３および第１のバルブ１２ａが閉じられる。
【００６９】
本実施態様においては、カートリッジ２１の底壁部２１ｂの外面と耐圧容器２の底面２ｂとの間に、空間が形成されるとともに、カートリッジ２１の外周壁部２１ａと耐圧容器２の内側面２ａとの間に、空間が形成されるように、カートリッジ２１が耐圧容器２内に収容され、しかも、カートリッジ２１は、その横断面が円環状に形成され、カートリッジ２１の外周壁部２１ａ、底壁部２１ｂおよび内周壁部２１ｄには、多数の孔５が形成されているから、カートリッジ２１に収容されているカーボンナノチューブ４は、カートリッジ２１の開口部２１ｃ、カートリッジ２１の外周壁部２１ａに形成された多数の孔５、カートリッジ２１の底壁部３ｂに形成された多数の孔５およびカートリッジ２１の内周壁部２１ｄに形成された多数の孔５を介して、水素ガス供給源１４から、耐圧容器２内に導入された水素ガスと接触する。したがって、カートリッジ３の開口部３ｃを介して、カーボンナノチューブ４が水素ガスと接触する場合に比して、水素ガスとの接触面積が大幅に増大するから、大量の水素を、効率的に、カーボンナノチューブ４に吸蔵させることが可能になる。
【００７０】
こうして、所定の時間が経過すると、水素の吸蔵が完了する。
【００７１】
カーボンナノチューブ４に吸蔵された水素を放出させるときは、第１のバルブ１２ａおよび第２のバルブ１２ｂが開かれるとともに、第３の切り換えバルブ２２が開かれて、一酸化炭素ガス供給源２３から、一酸化炭素ガスが、第２のガス通路１１ｂおよび第２の開口部１０ｂを介して、耐圧容器２内に導入され、水素が一酸化炭素ガスによって置換され、カーボンナノチューブ４に吸蔵されていた水素は、第１の開口部１０ａを介して、第１のガス通路１１ａに放出される。
【００７２】
ここに、水素ガスは一酸化炭素ガスに比して、はるかに軽いため、耐圧容器２の底部に形成された第２の開口部１０ｂから、一酸化炭素ガスを耐圧容器２内に導入することによって、蓋部材９に形成された第１の開口部１０ａから、水素ガスを速やかに第１のガス通路１１ａ内に放出することができる。
【００７３】
本実施態様によれば、水素を吸蔵すべきカーボンナノチューブ４を収容しているカートリッジ２１はその横断面が円環状に形成され、カートリッジ２１の外周壁部２１ａ、底壁部２１ｂおよび内周壁部２１ｄには、多数の孔５が形成されており、カートリッジ２１の底壁部２１ｂの外面に設けられた３つの脚部６、６、６が、耐圧容器２の底面２ｂに当接し、カートリッジ２１の底壁部２１ｂの外面は、耐圧容器２の底面２ｂと間隔を隔てて、配置され、また、カートリッジ２１は、耐圧容器２の内径よりも小さな外径を有し、カートリッジ２１の外周壁部２１ａは、耐圧容器２の内側面２ａと間隔を隔てて、配置されており、その結果、カートリッジ２１の底壁部２１ｂの外面と耐圧容器２の底面２ｂとの間に、空間が形成されるとともに、カートリッジ２１の外周壁部２１ａと耐圧容器２の内側面２ａとの間に、空間が形成されているから、カートリッジ２１に収容されているカーボンナノチューブ４は、カートリッジ３の開口部３ｃ、カートリッジ３の外周壁部３ａに形成された多数の孔５、カートリッジ３の底壁部３ｂに形成された多数の孔５およびカートリッジ２１の内周壁部２１ｄに形成された多数の孔５を介して、水素ガス供給源１４から、耐圧容器２内に導入された水素ガスと接触する。したがって、カートリッジ３の開口部３ｃを介して、カーボンナノチューブ４が水素ガスと接触する場合に比して、水素ガスとの接触面積が大幅に増大するから、大量の水素を、効率的に、水素吸蔵用材料であるカーボンナノチューブ４に吸蔵させることが可能になる。
【００７４】
本発明は、以上の実施態様に限定されることなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。
【００７５】
たとえば、前記実施態様においては、耐圧容器２は、ステンレスによって形成されているが、ステンレスに代えて、ステンレス以外の鉄系金属、アルミニウム系金属、チタン系金属、ポリイミド樹脂、フッ素樹脂、ポリカーボネート樹脂、耐圧ガラス、炭素繊維およびセラミックよりなる群から選ばれる材料によって、耐圧容器２を形成することもできる。
【００７６】
また、前記実施態様においては、水素吸蔵用材料として、カーボンナノチューブを用いているが、本発明の水素吸蔵用材料は、カーボンナノチューブに限定されるものではなく、カーボンナノファイバー、フラーレン、炭素スス、ナノカプセル、バッキーオニオン、カーボンファイバーなどの炭素質材料、さらには、ランタンニッケル系、パナジウム系、マグネシウム系の水素吸蔵合金を、本発明の水素吸蔵用材料として、好ましく用いることができる。
【００７７】
さらに、前記実施態様においては、水素吸蔵放出装置１、２０は、加熱コイル１７を備えているが、水素吸蔵用材料として、ランタンニッケル系、パナジウム系、マグネシウム系の水素吸蔵合金を用いる場合には、加熱コイル１７などの加熱手段を設ける必要はなく、耐圧容器２内を加熱する手段を設ける場合にも、加熱手段は加熱コイル１７に限定されるものではなく、耐圧容器２に巻回された加熱コイル１７に代えて、任意の加熱手段を設けることができる。
【００７８】
また、図１および図２に示された実施態様においては、第２の切り換えバルブ１５を介して、窒素ガス供給源１６が第２のガス通路１１ｂに接続されており、図３および図４に示された実施態様においては、第３の切り換えバルブ２２を介して、第２のガス通路１１ｂに一酸化炭素ガス供給源２３が接続され、第４の切り換えバルブ２４を介して、第１のガス通路１１ａに真空ポンプ２５が接続されているが、図１および図２に示された実施態様において、第４の切り換えバルブ２４を介して、第１のガス通路１１ａに真空ポンプ２３が接続され、第３の切り換えバルブ２２を介して、第２のガス通路１１ｂに、一酸化炭素ガス供給源２３が接続されるように構成することも、図３および図４に示された実施態様において、第２の切り換えバルブ１５を介して、窒素ガス供給源１６が第２のガス通路１１ｂに接続されるように構成することもでき、水素吸蔵放出装置１、２０は、窒素ガス供給源１６、一酸化炭素ガス供給源２３および真空ポンプ２５のすべてを備えていてもよく、あるいは、これらのうち、少なくとも１つを備えていても、これらを全く備えていなくともよい。
【００７９】
さらに、図１および図２に示された実施態様においては、水素吸蔵放出装置１は窒素ガス供給源１６を備えているが、窒素ガス供給源１６に代えて、ヘリウムガス、ネオンガス、アルゴンガス、クリプトンガス、キセノンガスおよびラドンガスよりなる群から選ばれる不活性なガスを供給可能なガス供給源を有していてもよい。
【００８０】
また、図３および図４に示された実施態様においては、水素吸蔵放出装置１は一酸化炭素ガス供給源２３を備えているが、一酸化炭素ガス供給源２３に代えて、一酸化窒素ガス、亜酸化窒素ガスおよびアンモニアガスよりなる群から選ばれる還元性ガスを供給可能なガス供給源を有していてもよい。
【００８１】
さらに、図１および図２に示された実施態様においては、不活性な窒素ガス雰囲気下で、カーボンナノチューブ４を加熱して、カーボンナノチューブ４の表面を洗浄しているが、窒素ガスに代えて、耐圧容器２内に、水素ガスを含み、不純物ガスとして、反応性ガスを実質的に含まないガス、好ましくは、水素ガスを導入して、加熱し、同じ水素ガスの雰囲気下で、カーボンナノチューブ４の表面洗浄と、カーボンナノチューブ４への水素吸蔵をおこなってもよい。
【００８２】
さらに、図３および図４に示された実施態様においては、真空ポンプ２５を用いて、耐圧容器２内を減圧に引き、減圧状態で、カーボンナノチューブ４を加熱して、カーボンナノチューブ４の表面を洗浄しているが、真空ポンプ２５を用いずに、一酸化炭素ガス供給源２３から、一酸化炭素ガスを耐圧容器２内に導入して、カーボンナノチューブ４を加熱し、カーボンナノチューブ４の表面を洗浄するようにしてもよい。
【００８３】
また、前記実施態様においては、１００気圧の水素ガスを導入して、水素を吸蔵させているが、水素ガスの吸蔵圧力は、格別に限定されるものではなく、目的、状況に応じて、所望の圧力で、水素ガスを吸蔵させることができる。
【００８４】
さらに、前記実施態様においては、カートリッジ３、２１の壁部に多数の孔５を形成し、前記実施例においては、ステンレス製メッシュよりなるカートリッジを用いているが、カートリッジの壁部が、水素を容易に透過可能に構成されていれば、その方法は任意であり、カートリッジ３、２１の壁部に多数の孔５を形成し、あるいは、ステンレス製メッシュよりなるカートリッジを用いることは、必ずしも必要でない。
【００８５】
また、図３および図４に示された実施態様においては、横断面が円環状のカートリッジ２１を用いているが、カートリッジ２１の横断面が円環状であることは必ずしも必要でなく、環状で、中央部に、水素ガスが供給可能な通路が形成されていれば、その横断面形状は任意に選択することができる。
【００８６】
また、前記実施態様においては、カートリッジ３、２１は、その底壁部３ｂ、２１ｂ外面に、３つの脚部６、６、６を備えているが、カートリッジ３、２１の底壁部３ｂ、２１ｂの外面が、耐圧容器２の底面２ｂと間隔を隔てて、位置するように、カートリッジ３、２１を耐圧容器２内に収容可能であれば足り、カートリッジ３、２１の底壁部３ｂ、２１ｂの外面に、３つの脚部６、６、６が設けられていることは必ずしも必要でない。たとえば、図５に示されるように、カートリッジ３の底壁部３ｂの外面に、多孔材料によって形成された２つの板状脚部材３０、３０を設けて、あるいは、図６に示されるように、カートリッジ３の底壁部３ｂの外面に、多孔材料によって形成された円環状の脚部材３５を設けて、カートリッジ３の底壁部３ｂの外面が、耐圧容器２の底面２ｂと間隔を隔てて、位置するように、カートリッジ３を耐圧容器２内に収容してもよく、横断面円環状のカートリッジ２１についても同様である。さらには、カートリッジ３、２１が脚部６、６、６や板状の脚部材３０、３０、円環状の脚部材３５を備えていることも必ずしも必要でなく、たとえば、図７に示されるように、カートリッジ３、２１が、少なくとも２つの突起部４０、４０を有し、耐圧部材２の内面２ａに、カートリッジ３、２１に設けられた少なくとも２つの突起部と係合可能な係合部４１、４１を設け、突起部４０、４０と係合部４１、４１とを係合させて、カートリッジ３、２１の底壁部３ｂ、２１ｂの外面が、耐圧容器２の底面２ｂと間隔を隔てて、位置するように、カートリッジ３、２１を耐圧容器２内に収容することもできる。
【００８７】
さらに、図３および図４に示された実施態様においては、カートリッジ２１の外周壁部２１ａと耐圧容器２の内側面２ａとの間に、空間が形成されるように、カートリッジ２１が、耐圧容器２内に配置されているが、カートリッジ２１の外径と耐圧容器２の内径とがほぼ等しくなるように、カートリッジ２１を構成して、カートリッジ２１の外周壁部２１ａと耐圧容器２の内側面２ａとが接するように、カートリッジ２１を耐圧容器２内に配置し、カートリッジ２１の開口部２１ｃ、底壁部２１ｂ形成された多数の孔５および内周壁部２１ｄに形成された多数の孔５を介して、水素ガスと、カーボンナノチューブ４とを接触させるように構成することもできる。
【００８８】
【発明の効果】
本発明によれば、大量の水素を、水素吸蔵合金や炭素質材料などの水素吸蔵用材料に、効率的に吸蔵させることがきるとともに、水素を吸蔵した水素吸蔵材料から、水素を効率的に放出させることのできる水素吸蔵放出装置を提供することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の好ましい実施態様にかかる水素吸蔵放出装置の略縦断面図である。
【図２】図２は、カートリッジ３の略斜視図である。
【図３】図３は、本発明の他の好ましい実施態様にかかる水素吸蔵放出装置の略縦断面図である。
【図４】図４は、本発明の他の好ましい実施態様にかかる水素吸蔵放出装置の略縦断面図である。
【図５】図５は、カートリッジの底壁部の外面に設けられた脚部材の例を示す略斜視図である。
【図６】図６は、カートリッジの底壁部の外面に設けられた脚部材の例を示す略斜視図である。
【図７】図７は、カートリッジの外壁部に設けられた突起部と耐圧容器の内面に設けられた係合部を示す略断面図である。
【符号の説明】
１水素吸蔵放出装置
２耐圧容器
２ａ耐圧容器の内側面
２ｂ耐圧容器の底面
３カートリッジ
３ａカートリッジの外周壁部
３ｂカートリッジの底壁部
３ｃカートリッジの開口部
４カーボンナノチューブ
５孔
６脚部
７ねじ
８メタルシール
９蓋部材
１０ａ第１の開口部
１０ｂ第２の開口部
１１ａ第１のガス通路
１１ｂ第２のガス通路
１２ａ第１のバルブ
１２ｂ第２のバルブ
１３第１の切り換えバルブ
１４水素ガス供給源
１５第２の切り換えバルブ
１６窒素ガス供給源
１７加熱コイル
２０水素吸蔵放出装置
２１カートリッジ
２１ａカートリッジの外周壁部
２１ｂカートリッジの底壁部
２１ｃカートリッジの開口部
２１ｄカートリッジの内周壁部
２２第３の切り換えバルブ
２３一酸化炭素ガス供給源
２４第４の切り換えバルブ
２５真空ポンプ
３０板状脚部材
３５円環状の脚部材
４０突起部
４１係合部

Claims

鉄系金属、アルミニウム系金属、チタン系金属、ポリイミド樹脂、フッ素樹脂、ポリカーボネート樹脂、耐圧ガラス、炭素繊維およびセラミックよりなる群から選ばれる材料によって形成された耐圧容器を備えた水素吸蔵放出装置であって、
その外径が前記耐圧容器の内径よりも小さく、外周壁部および底壁部が多孔材料によって形成され、内部に水素吸蔵用材料を収容可能なカートリッジと、前記カートリッジを、前記カートリッジの前記底壁部が前記耐圧容器の底面と間隔を隔てて、位置するとともに、前記外周壁部が前記耐圧容器の内側面と間隔を隔てて、位置するように、前記耐圧容器内に保持する保持手段と、前記耐圧容器に接続されたガス通路と、前記ガス通路に設けられたバルブと、前記ガス通路によって、前記耐圧容器内と接続された水素ガス供給源とを備え、
前記カートリッジの横断面が環状をなし、前記カートリッジの内周壁部が多孔材料によって形成された、
水素吸蔵放出装置。
さらに、前記耐圧容器を加熱する加熱手段を備えた、請求項１に記載の水素吸蔵放出装置。
前記ガス通路に、第１の切り換えバルブと、第２の切り換えバルブが設けられ、前記水素ガス供給源が、前記第１の切り換えバルブを介して、前記ガス通路に接続され、さらに、前記第２の切り換えバルブを介して、前記ガス通路に接続された不活性なガスの供給源を備えた、請求項１に記載の水素吸蔵放出装置。
前記ガス通路に、さらに、第３の切り換えバルブが設けられ、還元性ガスの供給源が、前記第３の切り換えバルブを介して、前記ガス通路に接続された、請求項３に記載の水素吸蔵放出装置。
前記保持手段が、前記カートリッジの底壁部外面に設けられた少なくとも３つの脚部によって構成された、請求項１に記載の水素吸蔵放出装置。
前記保持手段が、前記カートリッジの底壁部外面に設けられた１または２以上の板状の脚部材によって構成された、請求項１に記載の水素吸蔵放出装置。
前記１または２以上の板状の脚部材が多孔材料によって形成された、請求項６に記載の水素吸蔵放出装置。
前記保持手段が、前記カートリッジの外壁部に設けられた少なくとも２つの突起部と、前記耐圧容器の内面に設けられ、前記少なくとも２つの突起部と係合可能な係合突起部によって構成された、請求項１に記載の水素吸蔵放出装置。