JP5209409B2 - ガス吸着材料に吸着されたガス吸着量の算出方法 - Google Patents
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Description
具体的には、所定の測定装置内に取り付けられた試料容器内に水素吸蔵材料を収容し、この試料容器内に少量の水素ガスを導入してバルブを閉じ、吸蔵反応が収束した後、圧力と温度を測定し、この計測値から気体の状態方程式を用いて水素吸蔵量を算出する。所定の圧力に達するまで、水素ガスの導入及び圧力と温度の計測、水素吸蔵量の算出を繰り返し、これらの計測値及び算出された水素吸蔵量の値からPCT線を作成することとなるわけである。尚、水素ガスの放出量を算出するときには、上記とは逆に、試料容器から断続的に繰り返し排気を行い、排気毎に水素吸蔵量を算出し、この値から水素ガス放出量を求めることができる。
本発明の他の目的は、上記で算出されたガス吸着量を用いて、ガス吸着材料の吸着特性を示す圧力−ガス吸着重量等温線を作成する方法を提供することにある。
前記試料容器のフリー空間容積として、該試料容器の内容積からガス吸着材料容積及び該ガス吸着材料に吸着された、ガスの沸点温度での液体密度を用いて算出されるガス吸着容積を減じた値を用いて気体の状態方程式を適用してガス吸着重量を算出することを特徴とする方法が提供される。
(1)n回目のガス供給乃至排気を行ってガス吸着重量を算出するに際し、(n−1)回目のガス供給乃至排気により算出されたガス吸着重量の値から算出されたガス吸着容積を用いること、
(2)前記ガスとして水素ガスを用いること、
が好適である。
Vr=Vc−Vs−Vad
式中、Vcは、試料容器の内容積であり、
Vsは、試料容器内に収容されたガス吸着材料の容積であり、
Vadは、ガス吸着材料に吸着されたガス(吸着質)の容積である、
により決定される値を用いて気体状態方程式を適用する点に重要な特徴を有している。即ち、水素吸蔵合金の水素吸蔵量を算出するに際しては、吸蔵される水素は、反応等により水素吸蔵合金の内部に入り込んで行くため、試料容器内のフリー空間容積は一定であるとして計算が行われていた。しかしながら、ガス吸着材料に吸着されたガスは、その表面に存在しているため、この容積を考慮せずに計算を行っていくと、ガスの吸着容量は、実際の値よりも小さく算出されてしまい、理論上のズレを生じてしまうのである。しかるに、本発明にしたがい、ガス吸着材料の容積(Vs)と共に、該吸着材に吸着されたガスの容積(Vad)を試料容器の内容積(Vc)から減じた値を試料容器内のフリー空間容積(Vr)として、気体の状態方程式を適用することにより、正確なガス吸着量(吸着重量)を算出し、この結果に基づいて、ガス吸着材料の圧力−ガス吸着重量等温線を作成することが可能となる。例えば、後述する実施例により作成されたガス吸着材料(活性炭)に水素ガスを吸着させたときの圧力−ガス吸着重量等温線(PCT線)を示す図2によれば、高圧部での吸着量の落ち込みがなく、正確にガス吸着重量が算出されていることが判る。
また、試料容器5は外部から熱媒体を用いて温度調節され、例えば、液体窒素などにより極低温に保持されることができるようになっており、一方測定系3は室温付近に保持されるように構成されている。
さらに、図示されていないが、この装置には、温度計及び圧力計が取り付けられており、所定の部位の温度及び圧力を測定し得るようになっている。
尚、以下のガス吸着量の算出にあたっては、測定系3の容積をVd、配管4の容積をVh、及び試料容器5のフリー空間容積をVrとする。
まず、バルブI3および排出側バルブI2を閉じる。次いで、バルブI1からガスを導入し、適当量だけ圧を増大させた後、バルブI1を閉じてから、導入圧Pda及び測定系3の温度Tdaを測定する。
このときの測定系3内でのガスのモル数は、気体の状態方程式から以下の通りとなる。
nda=(Pda・Vd)/(zda・R・Tda)
式中、ndaは、測定系3内でのガスモル数であり、
Rはガス定数であり、
zdaは、その圧力、温度下でのガス圧縮係数である。
この後、バルブI3を開放し、平衡圧Prb、測定系3の温度Tdb、配管4の温度Thb及び試料容器5の温度Trbを測定する。このときの各部位でのガスのモル数は、気体の状態方程式から以下の通りとなる。
ndb=(Prb・Vd)/(zdb・R・Tdb)
nhb=(Prb・Vh)/(zhb・R・Thb)
nrb=(Prb・Vr)/(zrb・R・Trb)
式中、ndbは、測定系3内でのガスモル数であり、
nhbは、配管4内でのガスモル数であり、
nrbは、試料容器5のフリー空間内でのガスモル数であり、
zdb、zhb及びzrbは、それぞれ、平衡圧Prb、各温度下でのガス圧
縮係数である。
そして、またプロセス(a)を繰り返す。測定された導入圧Pdcと測定系3の温度Tdcとを用いて、測定系3のガスのモル数は気体の状態方程式から以下の通りとなる。
ndc=(Pdc・Vd)/(zdc・R・Tdc)
式中、ndcは、測定系3内でのガスモル数であり、
zdcは、その圧力、温度下でのガス圧縮係数である。
さらに、またプロセス(b)を繰り返す。測定された平衡圧Prd、測定系3の温度Tdd、配管4の温度Thd及び試料容器5の温度Trdとを用いて、各部位でのガスのモル数は気体の状態方程式から以下の通りとなる。
ndd=(Prd・Vd)/(zdd・R・Tdd)
nhd=(Prd・Vh)/(zhd・R・Thd)
nrd=(Prd・Vr)/(zrd・R・Trd)
式中、nddは、測定系3内でのガスモル数であり、
nhdは、配管4内でのガスモル数であり、
nrdは、試料容器5のフリー空間内でのガスモル数であり、
zdd、zhd及びzrdは、それぞれ、平衡圧Prd、各温度下でのガス圧
縮係数である。
nt=ndc+nhb+nrb
で表される。
一方、プロセス(d)でガスを試料容器5内へ導入した後の装置内に存在するガスの総モル数nt’は、下記式:
nt’=ndd+nhd+nrd
で表される。
しかるに、プロセス(d)で試料容器5内にガスを導入することにより、ガス吸着材料に吸着したガス重量は、ガス導入前後の総モル数の差に相当するので、このときのガス吸着量を、吸着材料の単位重量当りの重量割合Δwで示すと、Δwは下記式で表される。
Δw=[M(nt−nt’)/X]・100
ここで、X(g)は吸着材料重量(ガスを吸着していない状態での重量)を表す。
p1Vd=p2(v+Vd) …(2)
が成り立つ。この式から測定系3の容積Vdが算出される。
z=1+p(A+BT−1+CT−2+DT−3+ET−4)
式中、pは圧力(MPa)であり、
Tは温度であり、
Aは、4.93482×10−5、
Bは、2.04036
Cは、8.1534×10+1、
Dは、−6.5561×10+4、
Eは、4.56516×10+6である。
で近似されるので、この式により圧縮係数を算出して使用することができる。測定した温度及び圧力から、ガス圧縮係数zが1で近似されるような場合には、圧縮係数zを無視することができる。
試料容器の内容積:Vc(cm3)
吸着材料密度(ガスを吸着していない状態での密度):ρ(g/cm3)
吸着材料重量(ガスを吸着していない状態での重量):X(g)
吸着したガスの沸点温度での液体密度:ρL(g/cm3)
(水素ガスの液体密度は、0.0708g/cm3である。)
n回目の測定で算出される吸着材料に吸着したガスの累積重量:Wn(g)
Vr1=Vc−X/ρ1=Vc−X/ρ
(このときの吸着材料の密度ρ1は、ガスを吸着していない状態での密度ρである。)
この試料空間容積Vr(Vr1)を用いて前述した式(1)からガス吸着重量割合Δw(wt%)算出され、その値に吸着材料重量X(g)を掛け合わせることでガス吸着重量W1(g)が得られる。
ρ2=(X+W1)/[(X/ρ)+(W1/ρL)]
従って、このときの試料容器のフリー空間容積Vr(Vr2)は、以下の式で表されることとなる。
Vr2=Vc−(X+W1)/ρ2
=Vc−[(X/ρ)+(W1/ρL)]
W2=W1+ΔW2
により算出されることとなる。
ρn=(X+Wn−1)/[(X/ρ)+(Wn−1/ρL)]
Vrn=Vc−(X+Wn−1)/ρn
=Vc−[(X/ρ)+(Wn−1/ρL)]
従って、n回目でのガス吸着量ΔWnは、n−1回目までの測定で算出された吸着材料に吸着したガスの累積重量Wn−1を用いて計算されることとなる。
ガスの脱着量の算出も同様にして行えばよい。
鈴木商館製PCT測定装置を用いて、活性炭の水素ガス吸着特性を測定した。
試料の活性炭には市販の高純度活性炭であるクラレケミカル製クラレコールRP−20(以下、RP−20)を使用した。
実施例1において測定された各測定回毎の圧力値と温度値から、RP−20に吸着された水素ガスの容積を考慮せず、即ち、
Vr=Vc−Vs
のように試料容器内のフリー空間容積は一定であるとして、水素ガス吸着重量割合を算出した。そして、実施例と同様に測定された平衡圧と算出された累積の水素ガス吸着重量割合とから圧力−ガス吸着重量等温線を作成し、図3に示した。
2:リザーバータンク
3:測定系
4:配管
5:試料容器
Claims (4)
- ガス吸着材料が収容された試料容器内に、断続的に複数回に分けてガスを供給或いは排気し、ガス供給乃至排気毎の圧力及び温度から気体の状態方程式を用いて、各供給乃至排気毎にガス吸着材料に吸着されたガス吸着重量を算出する方法において、
前記試料容器のフリー空間容積として、該試料容器の内容積からガス吸着材料容積及び該ガス吸着材料に吸着された、ガスの沸点温度での液体密度を用いて算出されるガス吸着容積を減じた値を用いて気体の状態方程式を適用してガス吸着重量を算出することを特徴とする方法。 - n回目のガス供給乃至排気を行ってガス吸着重量を算出するに際し、(n−1)回目の水素ガス供給乃至ガス排気により算出されたガス吸着重量の値から算出されたガス吸着容積を用いる請求項1に記載の方法。
- 前記ガスとして水素ガスを用いる請求項1または2の何れかに記載の方法。
- 試料容器を所定の温度に維持しながら請求項1の方法を実施してガス吸着重量を算出し、この結果に基づいてガス吸着材料の圧力−ガス吸着重量等温線を作成する方法。
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