成果報告書詳細
管理番号20110000001600
タイトル平成17年度~平成19年度成果報告書 水素安全利用等基盤技術開発 水素に関する共通基盤技術開発 高容量水素吸蔵合金と貯蔵タンクの開発
公開日2011/10/19
報告書年度2005 - 2007
委託先名独立行政法人産業技術総合研究所
プロジェクト番号P03015
部署名燃料電池・水素技術開発部
和文要約水素の輸送貯蔵に利用するために重量当たりの水素貯蔵量の高い水素貯蔵材料が求められている。「水素安全利用等基盤技術開発」では、有効水素貯蔵量の目標値を5.5 mass%以上と設定している。本研究開発の目的は、水素の安全かつ効率的な輸送貯蔵に用いるためのハイブリッドタンク用水素吸蔵合金およびマグネシウム、アルミニウム、カルシウム等の軽量な金属を利用した軽量な水素貯蔵材料を開発することにある。ハイブリッドタンク用水素吸蔵合金の開発に先立ち、高圧下水素貯蔵特性の評価技術の確立を目指した。中でも特性評価装置に不可欠である空気圧作動式バルブの開発を行った。5万回以上実使用環境で使用しても水素漏れが発生しない、高圧化水素貯蔵特性評価装置に適した空気圧作動式バルブの開発に成功した。このバルブを使用した高圧下水素貯蔵特性評価装置を用いて、Ti-V-Mn系のBCC合金、ラーベス合金及びこれらが混在した多相合金の研究開発及び水素貯蔵特性評価を行い、3.64 mass%の水素を吸蔵するBCC構造のTi0.9V1.2Mn0.9合金や有効水素移動量が1.5 mass%のC14ラーベス構造のTi0.5V0.5Mn合金を開発した。またTi-V-MnのBCC合金では、目的の温度域にて必要な水素放出圧を有する材料を合成するための材料開発指針を見出した。マグネシウム、アルミニウム等の軽金属を利用した新規水素化物の研究開発として、「Mg系BCC合金の格子定数の最適化と水素貯蔵特性の相関」、「バルクメカニカルアロイング(BMA)を用いた高効率なMg系合金の創製」、「Mg2Cu合金の相分離メカニズムの解明」に取り組んだ。「Mg系BCC合金の格子定数の最適化と水素貯蔵特性の相関」では、格子定数が0.3068 nmのときに最も水素を吸蔵し、この値より格子定数が大きくても小さくても吸蔵量が減少することを見出した。すなわち、高容量の合金開発において軽量なMgを含有すること、BCC構造であることに加えて最適な格子定数が存在することを見出した。「バルクメカニカルアロイング(BMA)を用いた高効率なMg系合金の創製」では合成中の雰囲気を制御することで、各種金属間化合物の合成に成功した。また、雰囲気制御型の金型を用いることにより、ボールミリングと比較して100倍以上の効率で金属間化合物を合成できるようにした。「Mg2Cu合金の相分離メカニズムの解明」では、脱水素化過程でMgが析出する準安定状態を経由して反応が進行することを見出した。さらに、結晶粒を微細化することで、非平衡の反応経路を通らず反応速度を改善できることを提案した。カルシウムを主成分としたラーベス相合金の研究開発ではCa-Li-Mgの3元系合金に着目した。CaLi1.8Mg0.2とCaLi1.5Mg0.5で不均化を抑制できること、また、水素吸蔵量がそれぞれ4、6 mass%以上であることを発見した。
英文要約Title:Development for Safety Utilization and Infrastructure of Hydrogen (FY2005-FY2007) Final Report
The development of hydrogen storage materials with high gravimetric hydrogen density are expected for the hydrogen transportation and storage. The purpose under “development for safety utilization and infrastructure of hydrogen” is to develop the hydrogen storage materials with 5.5 mass% of the gravimetric hydrogen density. Our task under this project is a development of hydrogen storage materials for hybrid tank system and Mg, Al or Ca containing light-weighed hydrogen storage materials. We conducted the development of Ti-V-Mn alloys for hybrid tank system and evaluation of their properties. Ti0.9V1.2Mn0.9 alloy with BCC structure absorbed 3.64 mass% of hydrogen. Ti0.5V0.5Mn alloy with C14 Laves structure showed the 1.5 mass% of effective amount for the hydrogen transfer. The air-actuated valves which are suitable for the equipment of evaluation for the hydrogen storage properties under high hydrogen pressure were also developed. The hydrogen molecules have never leaked from our air-actuated valves for at least 15 months under real experimental condition. We had three subjects for the development of new hydrogen storage materials containing the light-weighed elements such as Mg or Al. One is the identification of the suitable lattice parameter for hydrogen storage on Mg based BCC alloys. Another is the highly efficient production of Mg based alloys by bulk mechanical alloying (BMA). The other is the clarification of the mechanism for the phase separation during the hydrogenation and dehydrogenation on Mg2Cu. Mg60Ni5Co35-xXx alloys with 0.3068 nm of the lattice constant shows the maximum hydrogen absorption and the amount of hydrogen absorption decreased with increasing the deviation from 0.3068 nm. We found that this is the suitable lattice parameter for hydrogen absorption on Mg based BCC alloys. The intermetalic compound of Mg-Al and Mg-Ag systems were synthesized by BMA technique under Ar atmosphere. BMA technique shows more than 100 times higher efficient production than conventional ball milling. During the dehydrogenation process of Mg2Cu, a part of Mg hydride decomposed into Mg and then Mg reacted with MgCu2 to form Mg2Cu. This dehydrogenation process completed through the metastable state. We found that the reaction time may reduce without the metastable state to make the fine structure. For Ca containing Laves phase alloys, ternary system of Ca-Li-Mg was evaluated. CaLi1.8Mg0.2 and CaLi1.5Mg0.5 absorbed 4 and 6 mass% of hydrogen. These alloys kept C14 Laves structure during the hydrogenation.
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