成果報告書詳細
管理番号20130000000550
タイトル平成24年度成果報告書 燃料電池自動車用水素貯蔵材料に関する調査研究
公開日2013/10/29
報告書年度2012 - 2012
委託先名国立大学法人九州大学 トヨタ自動車株式会社 日産自動車株式会社 株式会社本田技術研究所 株式会社豊田中央研究所 日本重化学工業株式会社 国立大学法人東北大学多元物質科学研究所 株式会社アツミテック 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構 独立行政法人日本原子力研究開発機構 独立行政法人産業技術総合研究所 国立大学法人東北大学金属材料研究所 国立大学法人佐賀大学
プロジェクト番号P12010
部署名新エネルギー部
和文要約燃料電池自動車用水素貯蔵材料に関する調査研究事業 
  国立大学法人九州大学、大学共同利用機関法人国立大学高エネルギー加速器研究機構、独立行政法人日本原子力研究開発機構、独立行政法人産業技術総合研究所、国立大学法人東北大学、国立大学法人佐賀大学、株式会社豊田中央研究所、日本重化学工業株式会社、株式会社アツミテック、トヨタ自動車株式会社、日産自動車株式会社、株式会社本田技術研究所
 我が国燃料電池・水素技術開発において取り組むべき技術課題を明確にし、技術開発の方向性を示すとともに、本分野における産業界・学術界の効率的かつ的確な研究開発への取り組みを先導するために、燃料電池・水素技術開発ロードマップ 2012を策定することとなった。なお、NEDO燃料電池・水素技術開発ロードマップは 2005年に第一版を作成し、今回は 4回目の改訂となる。
 気体である水素は体積エネルギー密度が液体燃料に比べて低いため、水素貯蔵技術が重要である。本事業ではNEDO燃料電池・水素技術開発ロードマップの内、水素貯蔵技術を担当した。今回策定のロードマップでは、2030年までの水素貯蔵技術(水素車載技術)を俯瞰し、その技術の現状・成果と主な課題、さらに実用化時期を特定した。
本事業では、水素を燃料電池自動車に搭載するための水素貯蔵システムに必要な実用化候補材料に関する調査を行った。
 金属系水素貯蔵材料の調査においては、V系BCC型水素貯蔵材料のサイクル特性の向上および高価なV量の減少を実験的に試みたところ、Nbの添加によりサイクル特性の向上とV量の減少の双方の方策を見出した。また、Vの安価な製造法の調査を行った。
 吸着系水素貯蔵材料物理吸着による吸着材料の室温での水素吸蔵量は約2 wt%程度が限界とされているが、新しい水素貯蔵メカニズム(スピルオーバー)を組み合わせた「物理吸着+スピルオーバー」の貯蔵方式は、その限界を大きく超える可能性を秘めている。その水素貯蔵メカニズムの解明のため、化学的に安定で分子構造の明らかな規則正しい炭素骨格から成り世界最大の水素吸蔵量(30 ℃、34 MPaで2.2 wt%)を示すゼオライト鋳型炭素(Zeolite Templated Carbon; ZTC)をベースに、各種解析評価機関から得られる理想吸蔵物質の合成実証を行うことで、水素吸蔵量5-6 wt%を達成するための材料開発指針を得るための調査および検討を行った。
 Mg系水素貯蔵材料は高い水素吸蔵性能を有している事が知られているが、水素吸蔵・放出が高温(300℃以上)である事が課題である。ここではMg-Ni系合金をナノ粒子レベルまでの微細化と薄膜化によって4-5wt%レベルで水素吸蔵温度を室温レベルに、水素吸蔵圧力を大気圧以下に下げるため、そのメカニズムと材料合成法に関して調査した。
 固溶体および窒素系水素貯蔵材料については、共に実用化候補材料として有力であるが、固溶体系では吸蔵した水素の一部が死蔵されているメカニズムを調査した。錯体系で最も水素放出温度が低い窒素系材料について、更なる反応温度の低下の方策を調査した。
 計算科学で高性能な水素貯蔵材料であると予測された化合物を合成することを試み、計算科学と実験科学の連携による高性能材料の開発について調査した。また、SPring-8の放射光およびJ-PARCの中性子を用いて実用化候補材料の特性を評価した。
英文要約Feasibility Study on Advanced Hydrogen Storage Materials for Automotive Applications (2012)
 Kyushu University, High Energy Accelerator Research Organization, Japan Atomic Energy Agency, The National Institute of Advanced Industrial Science and Technology, Tohoku University, Saga University, Toyota Central R&D Labs., Inc., Japan Metals & Chemicals Co., Ltd., Atsumitec Co., Ltd., Toyota Motor Corp., Nissan Motor Co., Ltd., Honda Motor Co., Ltd.

Roadmap of hydrogen storage technologies is revised but in real it has been renewed. The roadmap revised shows the overview of hydrogen storage technologies mainly of on board storage to 2030 but stationary storage is also included. The state-of-art of technologies, major subjects to be investigated and the period of applied to the real world are shown.
 Another subject of the project is the survey of potential hydrogen storage materials applied to on board hydrogen storage for fuel cell vehicle.
Ti-Cr-V hydrogen storage alloy with the body-centered cubic (BCC) crystal structure is a promising candidate for a hydrogen storage system because of its high rechargeable hydrogen capacity and operating performance around room temperature but issues are price of V and cycle life. Nb substitution is effective in the development of the vanadium-less alloy with both the high rechargeable hydrogen capacity and the good durability. It was found the ways to lower the cost of low oxygen V by combining thermite method, “thermite V”, and de-oxygenation by rare-earth metal. It was also found that oxygen content influences to the hydrogen storage properties.
 For the hydrogen storage materials based on physical adsorption, it has been reported that their hydrogen uptake is only 2 wt% at a maximum. However, if the physical adsorption is combined with the hydrogen spillover mechanism, it may be possible to exceed such a limit (2 wt%). In this research, zeolite-templated carbon (ZTC) that exhibits a hydrogen storage capacity of 2.2 wt% was used to understand the mechanism of the hydrogen spillover.
 Although Mg and Mg-Ni-based hydrogen storage alloys are known for having high hydrogen storage performance, the hydrogen absorption and desorption temperature (at least 300 ℃) is a challenge. By thinning the Mg-Ni alloy to nanoparticle levels, it has been succeeded in reducing the hydrogen storage pressure and lowering the hydrogen absorption temperature, while achieving hydrogen storage levels of 4 ~ 5wt%. Amides form FCC structure consisted of NHx groups and counter cations occupy the interstitial sites and are the most promising system for the real world application among so-called complex hydrides.
Synthesis of chemical compounds predicted by modeling has been done successfully. Synchrotron radiation (SPring-8) and neutron (J-PARC) were utilized to characterize various candidate materials throughout this project.
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