JPS61250135A - 水素吸蔵合金 - Google Patents

水素吸蔵合金

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JPS61250135A
JPS61250135A JP60087604A JP8760485A JPS61250135A JP S61250135 A JPS61250135 A JP S61250135A JP 60087604 A JP60087604 A JP 60087604A JP 8760485 A JP8760485 A JP 8760485A JP S61250135 A JPS61250135 A JP S61250135A
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alloy
pressure
hydrogen storage
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Kazuo Ebato
江波戸 和男
Keiji Tamura
田村 敬二
Hiroshi Yoshida
裕志 吉田
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は原素吸蔵用合金に関し、特に産業プラントから
の排熱として十分存在し得る利用温度範囲100〜25
0℃、水素圧力1〜30気圧で金属水素化物を形成し、
その水素の吸蔵圧と放出圧の差。
即ちヒステリシスの極めて小さい有用なる水素吸蔵合金
に関するものである。
(従来の技術) 水素は原料が水で資源的な制約がないこと、クリーンで
あること、輸送・貯蔵が可能であること。
自然の循環を乱さないことから化石燃料に代る新しいエ
ネルギー源として注目されている。
しかし、水素は常温において気体であり、かつ液化温度
が極めて低いので、これを貯蔵する技術の開発が従来大
きな課題罠なっている。上記課題を解決する一つの方法
として水素を金属水素化物の形で貯蔵する方法が注目さ
れている。この方法は、150気圧の市販水素ボンベの
2割以下の容積。
あるいは液体水素の8割以下の容積で同重量の水素を貯
蔵することができるため、容器がコンパクトとなシ、安
全性や取扱い易さの点で極めて優れている。
さて、水素を金属水素化物の形で吸蔵し、次に放出する
に適した材料が水素吸蔵合金であり、かかる合金の水素
吸蔵・放出の可逆反応に伴う反応熱の発生または吸収を
利用して蓄熱装置、ヒートポンプ、熱エネルギー−機械
エネルギー変換装置などの広範な応用システムの開発が
期待されている0 かかる水素吸蔵材料として要求される性質としては、 1)安価であり、資源的に豊富であること。
2)活性化が容易で、水素吸蔵量が大きいこと。
3)使用温度において好適な水素吸蔵・放出平衡圧を具
有し、吸蔵圧と放出圧との差であるヒステリシスが小さ
いこと。
4)水素吸蔵・放出反応が可逆的であり、その速度が大
きいこと。
などが挙げられる。
ところで、従来の金属または水素吸蔵合金の中で高温領
域で利用され、水素吸蔵量が多いことで知られているも
のとしては、マグネシウム系合金がある。また特公昭5
9−38293号により、高温領域で利用できる新規な
チタン系水素吸蔵合金が提案されている。前記特公昭5
9−38293号記載の合金は、一般式がTixCr2
−アVアで示されるチタン−クロム−バナジウム系水素
吸蔵用合金であり、式中x、yはそれぞれ0.8≦X≦
1.4およびO〈y<2である0この合金は水素吸蔵・
放出の温度範囲100〜250℃、水素圧力1〜40気
圧で金属水素化物を形成し、水素吸蔵量が比較的大きい
という特性を有する合金である0 (発明が解決しようとする問題点) 前記マグネシウム系合金としてマグネシウム−ニッケル
系合金、マグネシウム−銅系合金が知られており、これ
らの合金は焼結しやすく、このため反応速度の低下が見
られるなどの欠点があり、実用上大きな問題が残ってい
た0また前記特公昭59−38293号記載の合金は熱
貯蔵用として利用する水素吸蔵用合金の最も重要な特性
である吸蔵圧と放出圧との差、即ちヒステリシスが極め
て大きいという問題がいぜんとして残されていた0(問
題点を解決するための手段) 本発明は、前記合金の有する特性をさらに向上させ、合
金の利用温度範囲100〜250℃、水素圧力1〜30
気圧で金属水素化物を形成し、その水素吸蔵圧と放出圧
との差であるヒステリシスを小さくした合金を提供する
ことを目的とするものであシ、特許請求の範囲記載の合
金を提供することによって前記目的を達成することがで
きるOすカわち本発明合金は、示性式がTikCr2−
tv!IIAnで示されることを特徴とする水素吸蔵用
合金であり、式中人はコバルト、銅、ニオブ、希土類元
素、ジルコニウムのなかから選ばれるいずれか少くとも
1mの元素ヲ示シ、0.8≦に≦1.4 、 Q(z(
2゜0<m<2.0<n≦0.2であ′す、2.0≦2
−t+m+n≦2.2なる関係を満足するものである0
次に本発明の詳細な説明する0 本発明者らは、前記特公昭59−38293号記載の合
金TixOr 2 □Vy中のTi、Or、Vのうちい
ずれか1部を前述のAなる金属で置換するかもしくは合
金全体に僅量添加させて水素吸蔵用合金の特性変化の推
移を研究したところ、全く予期に反して水素吸蔵圧と放
出圧との差であるヒステリシスを大幅に減少することを
新規に知見して本発明を完成した。
次に本発明合金において、成分組成を限定する理由を説
明する0 本発明合金において、kが1.4よシ大きいと熱力学的
に不均化が生起しやすく、高温にならないと解離しない
TiH2が生成するため、吸蔵水素の放出が困難となり
、高QIICするか、もしくは減圧あるいは真空下での
加熱によらなければ円滑な水素放出が達成できなく11
kが0.8よシ小さいと活性化が極めて困難となるので
、0.8≦に≦1.4の範囲内にする必要がある。また
tおよびmがそれぞれ2以上のときは吸蔵した水素が殆
んど放出されなくなるので、それぞれo<t<z 、Q
(m〈2にする必要がある。nが0.2よシ大きいと水
素吸蔵量が減少し、さらに水素吸蔵・放出曲線における
プラトー域が2段状になったシ、ヒステリシスが大きく
なる傾向が現われるのでOwn≦0゜2にする必要があ
る。
次に2.0≦2−2+m+n≦2.2の範囲内にする必
要のある理由を説明する0 前記(2−z+m+n)が2.0未満のときには吸蔵さ
れた水素の放出が困難となり、高温にするかもしくは減
圧あるいは真空下での加熱によらなければ円滑な水素の
放出が達成できなくなり、一方(2−z+m+n)が2
.2より大きいと、活性化が極めて困難になるので2.
0≦2−t+m+n≦2.2にする必要がある。
本発明合金において、t=m +nでかつm≧nのとき
には、前記特公昭59−38293号記載の合金である
TiXCr2□■アのOr及び/又はVの一部がAなる
金属によって置換され、かつVの原子数に五の原子数が
等しいか、もしくは少ない場合の合金であシ、以下の実
施例中第1表試料−4.第2表試料rklOに示すよう
にとステリシスが小さくなる。
また本発明合金において、t=m、m≧n、Qくn≦0
.2のときには、2.0<2−4+m+n≦2.2すな
わち2.0 < 2 + n≦2.2となり、以下の実
施例の第1表の試料Na1〜3.第2表の試料歯6〜9
に示すようにヒステリシスが小さくなる0ところで、本
発明合金において、Aなる金属がTiXCr2−アvy
合金のOr及び/又はVの一部と置換する場合はバナジ
ウムと同様にチタンおよびクロムとTier2型の六方
晶を形成する金属化合物となる◇また、前記入なる金属
がTixG 2−yVア合金に添加される場合は、その
構造は不明であるが、添加量が少量の場合は、基本的に
はTier2型の金属化合物である。上記2つの典型的
な例のはか、前記Aなる金属がTiXCr2−アVアの
一部と置換している場合と、この合金に添加されている
場合の両方に跨る範囲も当然に存在する。
ところで、前記特公昭59−38293号記載のTiX
Cr2−アvyで示される合金では水素吸蔵圧と放出圧
の差、即ちヒステリシスが著しく大きくなる0例えば、
Ti1.2 ”1.2 Vo、sの組成の合金では、水
素吸蔵圧が150℃で約22気圧、水素放出圧が約4気
圧であり、ヒステリシスは約18気圧もある。
ヒステリシスが大きいことは、水素吸蔵・放出操作をす
るために、水素吸蔵用合金もしくは金属水素化物をよシ
大きな温度差で加熱、冷却するか、あるいは大きな圧力
差で水素を加圧、減圧しなければならず、水素貯蔵能力
、水素化反応熱を有効に利用することができない0 前記Aなる金属の存在により、本発明合金の140℃に
おける水素吸蔵圧と放出圧の差、IEちヒステリシスは
、例えばAが置換型のTi1.20r、2■0.77 
Zr01O!!では約5.5気圧、Aが添加型のTi1
.2Cr4.2vo、8zro、。3では約6気圧であ
り、ジルコニウムが置換ないし添加されていない従来の
合金に比べてヒステリシスが約1/3以下に減少した0
本発明のTiX0r2−yV、 ItCAなる金属を置
換および/または添加した合金は、l’1xOr2−ア
Vアに比べて、水素放出圧は殆んど変化することなく、
水素吸蔵圧のみを低減してヒステリシスを小さくするた
め特に有益である。全属人の働きの詳細は明確ではない
が、金jIAの量が多くなると合金の水素吸蔵量が減少
し、水素吸蔵・放出圧が全体的にやや低くなる。しかし
ながら、大方晶の結晶形を有する範囲では全属人単独で
の水素吸蔵は現出しないため特に問題はない0従って、
大方晶形を維持するために、TiX0r2−tV、An
合金においてnは0<n≦0.2 K限定されるのであ
る。
次に本発明合金の製造方法を述べる0 本発明合金を製造するには従来知られているチタン多元
系水素吸蔵合金の製造方法によることができるが、アー
ク溶融法によることが最も好適である。次にアーク溶融
法による本発明合金の製造方法を述べると、Ti 、 
Or 、 Vおよび金MAの元素をそれぞれ秤量して混
合した後、任意の形状にプレス成形し、この成形体をア
ーク溶融炉に装入して不活性雰囲気下で加熱溶融し、炉
内で凝固させて室温まで冷却した後炉外に取出す。この
取出した合金を均質にするためこの合金を真空にするこ
とのできる容器内に装入し10  Torr以下の高 
“真空雰囲気中で1000〜1100℃、8時間以上炉
中に保持した後、真空容器を炉外に取出し放冷するか、
または真空容器を水中に投入して冷却する。
その後合金の表面積を拡大して水素吸蔵能力を高めるた
め、破砕して粒状にする。
次に本発明を実施例について説明する。
実施例1゜ 市販のTl + Cr I V + Zrを適量秤取し
、これを高真空アーク溶融炉の銅製ルツボ内に装入し、
炉内を99.99%Ar雰囲気とした後約2000 ℃
に加熱溶融して約4Orの下記の原子数組成のボタン状
合金塊4mをそれぞれ製造した。
Ti1.2 ”rl、 2 vo、 8 zrO,03
Ti1.2 Orl2 vo、s Zro、asTil
、2 Orl、2 vo、8 Zr0.1Tit、2 
 Cr1.2 vO,77Z”Q、03各ボタン状試料
をそれぞれ石英管内に装入し、ロータリーポンプを用い
てIF2Torrの真空下で加熱炉内で1100℃、8
時間保持した後、試料を常温の水中に投入して急冷する
均質熱処理を施した。その後−100メツシユに粉砕し
て、水素の吸蔵・放出特性を調べた。
合金の活性化ならびに水素の吸蔵・放出量の測定方法を
第1図に示す原理図について説明する。
ステンレス製水素吸蔵・放出反応器10には、前記粉砕
した15grの水素吸蔵合金試料12が収納されており
、前記反応器10はパルプ14を経てリザーバー16に
連結されている。リザーバー16はパルプ18を経て水
素ポンベ20に、またパルプ22を経てロータリ一式真
空ポンプ24に連結されている。パルプ14とリザーバ
ー16との間に圧力変換器26.デジタル圧力指示計2
8が配設されている。
反応器lOを真空ポンプ24に接続して1O−2T O
rrの真空下140℃で脱気した。次に反応器10を常
温水で冷却しながら純度99.999%、圧力30気圧
の水素を器内に導入して水素の吸蔵を開始させた。水素
の吸蔵が略完了した後、再び140℃で真空脱気した後
常温水で冷却しながら、水素加圧する操作を活性化が完
了するまで繰り返した。
次に水素吸蔵・放出量を以下の如く測定した〇反応器1
0を140℃に保持した後真空ポンプ24を運転し、パ
ルプ14.22を開いてリザーバー16と反応器10内
を真空にした後パルプ14゜22を閉じる。パルプ18
を開いてリザーバー16に数気圧の水素を導入し、パル
プ18を閉じ、その圧力Pt1と雰囲気温度T1を測定
する。次いでパルプ14を開き、リザーバー内の水素を
反応器10へ導入し、試料が水素を吸蔵して平衡圧にな
ったときの圧力pe1を測定する。パルプ14を閉じパ
ルプ18を開いてリザーバー16内の水素圧を数気圧増
加させ、パルプ18を閉じその圧力Pt2と雰囲気温度
T2を測定する。パルプ14を開いて反応器10に新た
な水素を導入し、試料がさらに水素を吸蔵して平衡圧に
なったときの圧力Pa2を測定する。この操作をPtn
(nは繰シ返し回数)がおよそ40気圧になるまで繰り
返す。n回目の水素吸蔵量は次の要領で算出される。
圧力P2体積V、水素ガスの絶対温度で、水素ガスのモ
ル数M、気体定数R1理想気体から実在水素ガスへの補
正係数2(圧力、温度の関数)とすると、 P V = MZRT           ・・・・
・・・−・・・・・・・ (1)の関係がある。これを
利用してn回目のリザーバーの水素圧Ptn l pe
nと反応器の水素圧Pg (n−Q vP、ユおよびそ
れぞれの測定時の雰囲気温度Tn。
’[’n+1e反応器の温度Tr (413°K)から
n回目の吸蔵水素量を求めることができる。
リザーバー16にPtnの圧力を導入した状態で反応器
10(内部空間容積v1)とりザーバ−16(内容積V
2)の中にある水素ガスM□モルは式(2)となる〇 次にパルプ14を開き、合金試料12が新たに水素ΔM
nモル(H2分子換算)吸蔵して平衡圧P。n!/c達
したとき、上記M1モルの水素量は反応器10とリザー
バー16の中で次の通りに存在している。
+ΔMn・・・・・・ (3) 従って、n回目に合金試料12に吸蔵された水素量ΔM
nモルは式(2) 、 (3)を等しいとおいて次の通
り計算される。
式(4)を用いて各回の水素吸蔵量を算出し、水素平衡
圧と合金の水素吸蔵量との関係を得ることができる。水
素放出量の測定はリザーバー16と反応器10がはぼ4
0気圧の平衡水素圧になった時から開始する。バルブ1
4を閉じ、パルプ22を開き、リザーバー16内の水素
圧を数気圧減圧してパルプ22を閉じる。圧力と雰囲気
温度を測定する。次いでバルブ14を開き反応器10内
の水素をリザーバー16に導入し、合金試料に吸蔵され
た水素を一部放出させ、平衡になった圧力を測定する。
この操作を反応器、10が真空になるまで繰り返す。水
素放出量の算出は上記吸蔵の場合の算出方法に準する。
水素放出における水素平衡圧と合金の水素放出量との関
係を得ると七ができる。
このようKして等温における平衡水素圧カー組成の関係
を求めて、その結果を第1表に示す。同表中試料−5は
公知組成材料(特公昭59−38293号記載の合金)
であり、この試料に対応する本発明合金は宛1,2,3
.4である。また、1例として試料1’lhlの平衡水
素圧−組成等混線を第2図に示す。点線で示したのは、
T11.2Or1.2vo、8の組成を有する比較材の
合金の平衡水素圧−組成等温線である。第1表および第
2図から明らかなように、本発明合金は比較材に比べて
ヒステリシスが大幅に改善されている。又比較材に比べ
て、水素放出圧は殆んど変化なく、水素吸蔵圧が低減し
ているので、比較材の圧力特性から大きくずれることが
ないから、金属水素化物反応装置の設計に有利である。
尚、比較材では、活性化にはよシ高圧の水素加圧が必要
である。
実施例2゜ 市販のTi 、 Or 、 V 、 Co 、 Cu 
、 La 、 Nbを適量秤取し、実施例1と同じ方法
で下記の原子数組成の合金を溶製した。
Ti1.2Cr1.2vO08C00,05”il、2
 C”1.2 vo、s cue、05Ti1,2 C
r1,2 vOoII ”aO,05Ti1.2 Cr
1.2 ■0.+1 Nb00O5Ti1.2 Crt
、2 vO075La00O5このようKして得られた
ボタン状試料をロータリーポンプにより10  Tor
rの真空下で1100 tl::。
8時間保持後、常温の水中に投入して急冷する均質熱処
理を施し、次いで一100メツシュに粉砕して活性化処
理を行った。次に140℃における水素吸蔵・放出量を
実施例1と同じ方法で測定し等温における平衡水素圧−
組成の関係を求めた。これらの結果を第2表に示す。同
表中の試料Na1lは公知組成材料(特公昭59−38
293号記載の合金)であシ、この試料に対応する本発
明合金は−6゜7.8,910である0また、1例とし
て試料翫8の平衡水素圧−組成等混線を第3図に示す。
点線で示したのは、”1.2 ”rl、2 vo、8の
組成を有する比較材の合金の平衡水素圧−組成等温線で
ある0第2表および第3図から明らかなように、本発明
合金は比較材に比べてヒステリシスが大幅に改善されて
いる。又比較材に比べて、水素放出圧は殆んど変化なく
、水素吸蔵圧が低減しているので、比較材の圧力特性か
ら大きくずれることが表いから、金属水素化物反応装置
の設計に有利である。
尚、比較材では、活性化にはより高圧の水素加圧が必要
である0 (本発明の効果) 本発明合金は上述の緒特性を有することから、本発明合
金を使用することにより下記の如き効果を挙げることが
できる。
■ 平衡水素圧は、100〜250℃の温度範囲内で、
1〜30気圧の範囲にあるので取シ扱い易く、産業プラ
ントからの工業排熱を利用することができる。
■ 水素の吸蔵圧と放出圧の差、即ちヒステリシス例従
来合金に比べ小さいので、水素吸蔵能力や水素化反応熱
を有効に利用することができる。
■′活゛性化は140℃以下の真空脱気、30気圧以下
の水素加圧によシ容易に行うことができ、従来合金に比
べ活性化の温度、水素圧を低減することができる。
■ 水素の吸蔵・放出速度は大きく、従来合金と同等で
ある。
■ 水素の吸蔵・放出を何回繰シ返しても合金自体の劣
゛化は実質的に′f1gめられない。
■ 酸′素、窒素、アルゴン、炭酸ガスなどの不純ガス
による影響は少ない。
本発明合金は、以上の通り水素吸蔵材料として要求され
る諸性能を殆んど具備しており、特に平衡水素圧のヒス
テリシス、活性化の温度、水素圧は、従来の水素吸蔵合
金に比べ大幅に改善されている@本発明合金は、活性化
が極めて容易で大量の水素を密度高く吸蔵し得、且つヒ
ステリシスが小さく、水素の吸蔵・放出反応が100〜
250℃の温度範囲、水素圧力1〜30気圧で完全に可
逆的に行なわれるなど、水素吸蔵用合金として数々の優
れた特長を有している@従って、本発明合金は、水素貯
蔵材料としての用途、水素吸蔵・放出反応に伴う反応熱
を利用する排熱、地熱などの熱貯蔵システムや熱を機械
エネルギーに変換して利用するコンプレッサーなどのエ
ネルギー変換システム応用分野への用途々どに卓越した
効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明合金の活性化並びに水素の吸蔵・放出量
の測定方法の説明図、第2図は本発明合金1の合金と比
較材の合金の平衡水素圧−組成等温線図、第3図は本発
明合金2の合金と比較材の合金の平衡水素圧−組成等混
線図である。 10・・・反応器、12・・・水素吸蔵用合金試料、1
4・・・パルプ、16−・・リザーバー、18・・・パ
ルプ、20・・・水素ボンベ、22・・・パルプ、24
・・・ロータリ一式真空ポンプ、26・・・圧力変換器
、28・・・デジタル圧力指示計。 特許出願人 日本冶金工業株式会社 代 埋 人 弁理士  村  1) 政  油量   
弁理士  秦  野  拓  也昏勧鰻璽l

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、原子数組成比が下記の示性式で示される水素吸蔵合
    金。 Ti_kCr_2_−_lV_mA_n 但し、式中 Aはコバルト、銅、ニオブ、希土類元素、 ジルコニウムのなかから選ばれるいずれか少くとも1種
    の元素であり、0.8≦k≦1.4、0<l<2、0<
    m<2、0<n≦0.2、2.0≦2−l+m+n≦2
    .2である。 2、l=m+n、m≧nである特許請求の範囲第1項記
    載の合金。 3、l=m、m≧nである特許請求の範囲第1項記載の
    合金。
JP60087604A 1985-04-25 1985-04-25 水素吸蔵合金 Granted JPS61250135A (ja)

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