(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁性を有する金属粒子を具備してなる炭素繊維と、磁場を発生して前記炭素繊維を固定することのできる基板とを具備してなり、前記炭素繊維が気体を保持することができ、かつ前記基板が磁場を任意に発生することができるものであることを特徴とする、気体保持装置。
【請求項２】
炭素繊維の直径が１ｎｍ〜10μｍ、長さが50ｎｍ〜１ｃｍである、請求項１に記載の気体保持装置。
【請求項３】
基板から発生する磁場の強さが保磁力１〜300kA/m、残留磁束密度0.3〜２Ｔである、請求項１または２に記載の気体保持装置。
【請求項４】
Fe、Co、Ni、およびそれらの合金からなる群から選ばれる金属粒子、ならびにこの金属粒子を触媒として形成される繊維状炭素からなる炭素繊維と、磁場を発生する基板とを具備してなり、前記炭素繊維が気体を保持することができ、かつ前記基板が磁場を任意に発生することができるものであることを特徴とする気体保持装置。
【請求項５】
磁性を有する金属粒子を具備してなる炭素繊維を、磁場を発生する基板上に磁力により固定する炭素繊維固定方法であって、前記炭素繊維が気体を保持することができ、かつ前記基板が磁場を任意に発生することができるものであることを特徴とする炭素繊維固定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、気体保持装置に関するものである。より詳しくは、気体原子または気体分子を保持することのできる炭素繊維と、それを固定するための基板との組み合わせに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
Rodriguzらによって発表されたグラファイト・ナノ・ファイバー（以下、GNFという）は、従来の水素吸蔵合金やカーボンナノチューブと比較して極めて高い水素吸収能・放出能を有するものである(J.Phys.Chem.B, 102(1998)4253.)。このGNFはナノメーターオーダーの金属触媒粒子にC2H4などの原料ガスを供給しながら加熱する化学蒸着法により、触媒粒子を末端部に有する、触媒粒子と同等寸法のナノメーターオーダーの直径を有する炭素繊維として製造される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
このようなGNFや、カーボン・ナノ・ファイバー（以下、CNFという）などの炭素繊維は、その水素吸収能から、水素などの保存または搬送に応用することが検討されている。しかし、GNFやCNFは非常に微細なため、アセンブリ性が悪く、容器への封入が困難であった。また、封入後も気体の導入または排出時に、容易に容器より排出されてしまうという問題があった。
【０００４】
そこで、そのような炭素繊維を用いながら、炭素繊維の排出などの問題が起こらない気体保持装置が求められていた。また、同時に、そのような炭素繊維を容易に取り扱える方法が求められていた。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
［発明の概要］
＜要旨＞
本発明の気体保持装置は、磁性を有する金属粒子を具備してなる炭素繊維と、磁場を発生して前記炭素繊維を固定することのできる基板とを具備してなり、前記炭素繊維が気体を保持することができ、かつ前記基板が磁場を任意に発生することができるものであること、を特徴とするものである。
【０００６】
また、本発明の炭素繊維固定方法は、磁性を有する金属粒子を具備してなる炭素繊維を、磁場を発生する基板上に磁力により固定するものであって、前記炭素繊維が気体を保持することができ、かつ前記基板が磁場を任意に発生することができるものであること、を特徴とするものである。
【０００７】
＜効果＞
本発明の気体保持装置によれば、従来の水素吸蔵合金などを利用したものよりも軽量な気体保持装置が提供される。
【０００８】
また、本発明の炭素繊維固定方法によれば、炭素繊維を容易に固定することができ、従来、取り扱いが困難であった炭素繊維を容易に固定または運搬することができる。
【０００９】
［発明の具体的説明］
＜炭素繊維＞
本発明において、炭素繊維は磁性を有する金属粒子を具備してなる。金属粒子に必要とされる磁性の強さは、組み合わせて用いる基板から発生する磁場の強さにより決まるが、弱い磁場でも本発明の効果が得られるので、強磁性またはフェリ磁性の金属粒子を用いることが好ましい。具体的には、金属粒子を構成する金属は軟磁性体であることが好ましく、その飽和磁束密度として0.1〜1.7Ｔであることが好ましく、0.5〜1.5Tであることがより好ましい。このような金属としては、Fe、Co、Ni、およびそれらからなる合金、ならびにFe、Co、およびNiを多く含む合金などが揚げられる。
【００１０】
炭素繊維は、所望の気体を保持、すなわち吸蔵、するものであれば任意のものをもちいることができる。しかしながら、気体吸収能が効果的に発揮されるように選択されるべきである。従って、炭素繊維の直径は、一般に１ｎｍ〜10μｍ、好ましくは１ｎｍ〜500ｎｍであり、長さは一般に50ｎｍ〜１ｃｍ、好ましくは50ｎｍ〜５ｍｍである。また、炭素繊維の主構造は炭素原子だけからなるものが最も一般的であるが、必要に応じて置換基などにより置換されていてもよい。
【００１１】
本発明において、炭素繊維の構造は任意であり、中実の線状繊維であっても、中空のチューブ状繊維であってもよく、必要に応じて枝分かれした構造であってもよい。
【００１２】
本発明の炭素繊維は、前記の金属粒子を具備してなるものである。これらの構造は任意であり、炭素繊維の末端部に金属粒子が結合したもの、中空のチューブ状炭素繊維の内側に金属粒子が内包されているもの、繊維の外側に化学的に金属粒子が結合しているもの、およびその他の構造があげられる。これらのうち、炭素繊維の末端部に金属粒子が結合しているものが好ましい。このような金属粒子含有炭素繊維は、前記の金属粒子を、炭素繊維を形成させる反応の触媒として用いることにより容易に製造することができる。
【００１３】
このような金属粒子を末端部に金属粒子が結合した炭素繊維、すなわち金属粒子およびその金属粒子を触媒として形成される繊維状炭素とからなる炭素繊維、の製造法を説明すると以下の通りである。
【００１４】
まず、ここで金属粒子は炭素繊維形成反応の触媒としても作用する。この反応において、炭素繊維の直径は金属粒子の大きさに依存し、金属粒子の粒径と同程度の直径を有する炭素繊維が得られる。金属粒子は、より微細な１次粒子が凝集した２次粒子の形態をとることが多いが、本発明において、走査型電子顕微鏡で観察される断面積から求められる１次粒子の平均粒径が１ｎｍ〜10μｍのものが好ましく、１ｎｍ〜500ｎｍのものがより好ましい。
【００１５】
このような微細な金属微粒子を得るために、以下の作成方法を用いることが望ましい。まず水溶液中にNi,Co,Feなどの硝酸塩、炭酸塩、水酸化物などを沈殿させた後、空気中で焼成を行い酸化物とし、ついで水素還元を行う。水素還元を行った後、大気中に取り出すと表面が酸化されてしまうので、同じバッチで炭素繊維の合成に供することが望ましい。大気中に取り出す場合には、表面の弱酸化処理を行った後で反応容器より取り出す。可能であれば、不活性雰囲気中に保管することが望ましい。炭素繊維の合成前に再度還元を行う。微細化するために還元処理を行なう前に、触媒前駆体をボールミル等にかけることも好ましい。同様に、シリカやアルミナなどのセラミックス微粒子を担持体に用い、触媒金属前駆体を担持させてもよい。またガス中蒸着法などの物理的手法で微細な金属粒子を得てもよい。
【００１６】
このようにして得た金属粒子を触媒として、炭素繊維を形成させる。金属粒子を真空中、または非酸化気体雰囲気中におき、ここに炭素繊維の原料となる気体、たとえばエチレン、一酸化炭素、およびその他、必要に応じて、原料を還元するための気体、たとえば水素、を導入する。反応系全体を300〜1000℃、好ましくは500〜800℃、0.01〜２atm、好ましくは0.1〜１atmにする。原料ガスは実質的に一定の速度で連続的に導入されてもよい。このようにすることで、金属粒子が末端に結合した炭素繊維を得ることができる。なお、このような方法によれば、一般的には一つの金属粒子に結合している炭素繊維の数は１本であるが、炭素繊維生成時の条件を調整して、１つの金属粒子に２本以上の炭素繊維を結合させることもできる。
【００１７】
このようにして生成させた炭素繊維は、ほかの炭素繊維と同様に気体、たとえば水素、を吸収する能力を有すると共に、磁場を印加することで固定することが可能なものである。
【００１８】
＜基板＞
本発明において、炭素繊維を固定するための基板は、炭素繊維を固定しようとする面の全面、あるいは炭素繊維を固定したい部分を磁場を発生し得るものである。このような基板として用いることのできる材料としては、炭素繊維を常時固定する場合にはパーマロイ等の硬質磁性材料等、また炭素繊維を運搬する場合など炭素繊維の着脱が必要な場合には、磁場を任意に発生することのできる電磁石等があげられ、これらを用いることが好ましい。
【００１９】
本発明において、基板から発生される磁場の強さは、炭素繊維が具備してなる金属粒子の磁性の強さや量に依存するが、一般的には保磁力が１〜300kA/m、残留磁束密度が0.3〜２Ｔ、好ましくは保磁力が１〜10kA/m、残留磁束密度が0.5〜1.5T、である。
【００２０】
＜炭素繊維固定方法および気体保持装置＞
前記の基板上に、磁力によって前記の炭素繊維を固定することにより、本発明の気体保持装置が得られる。この装置において、炭素繊維は基板上に固定されているので、取り扱い性にすぐれるとともに、炭素繊維の飛散などが防止される。さらに、基板から発生する磁場を制御することにより、炭素繊維をある基板上から別の基板上に移動させることも容易にできる。
【００２１】
また、前記の炭素繊維は水素吸収能を有するものであるから、この気体保持装置を、必要な耐圧を有する容器に挿入することにより、水素吸蔵合金を使用するのに比べて軽量な水素運搬容器を作成することが出来る。また、本発明の気体保持装置を容器内部に挿入するのではなく、容器の外周にコイルを配置することで耐圧容器内部に磁場を発生させてもよい。このときには、耐圧容器と外周のコイルが基板の機能を有している。
【００２２】
またこのような容器内部に基板に固定された炭素繊維を挿入した後、基板の磁力を停止させ、炭素繊維を容器側に固定したあと、基板を容器から取り出せば、容器の重量をより軽くすることが可能となる。
【００２３】
【実施例】
本発明の具体的な実施例について説明すると以下の通りである。
【００２４】
実施例１
硝酸鉄および硝酸銅を純水に溶かした後、炭酸水素アンモニウムを添加し、触媒前駆体を沈殿させた。沈殿物を熱水で洗浄した後乾燥させ、ついで大気中／400℃で熱処理を行い、酸化物を作成した。得られた酸化物を走査型電子顕微鏡で観察したところ、数μm程度の２次粒子が形成されていることが確認された。EDS測定によりこの触媒にはFeが90重量％含まれていることが確認された。この酸化物微粒子を水素中で還元処理して、鉄および銅からなる金属微粒子とした。真空容器中にこの金属微粒子封入し、エチレンと水素の混合ガスを0.8リットル／分の流速導入して、金属粒子を触媒とした反応によって炭素繊維を作成した。作成された炭素繊維を走査型電子顕微鏡で観察したところ、数百nm径の炭素繊維が作成されていることが確認された。
【００２５】
ついで、フェライト磁石粉末を含有させたポリマーシートを作成した。このシート上に前記の炭素繊維を分散配置し、炭素繊維をシート上に固定した。このシートを反転させても、炭素繊維はシートに固定されたままであった。
【００２６】
実施例２
硝酸ニッケルおよび硝酸銅を純水に溶かした後、尿酸を添加し、触媒前駆体を沈殿させた。沈殿物を熱水で洗浄した後乾燥させ、ついで大気中／500℃で熱処理を行い、酸化物を作成した。EDS測定によりこの触媒にはニッケルが80重量％含まれていることが確認された。この酸化物微粒子を水素中で還元処理し、金属微粒子とした。真空容器中にこの金属微粒子を封入し、一酸化炭素と水素の混合ガスを１リットル／分の流速で導入して、金属粒子を触媒とした反応により炭素繊維を作成した。
【００２７】
ついで、ポリマーシート内部にコイルを配置して基板を作成した。コイルに通電し、電磁石として作動させた後、作成した炭素繊維をシート上に配置した。この炭素繊維にエアブローをかけたが、炭素繊維がシートから離散することはなかった。
【００２８】
実施例３
ガス中蒸着法によりFe微粒子を作成した。表面を弱酸化処理した後、大気中に取り出した。これを透過型電子顕微鏡で確認したところ200nm前後の微粒子が作成されていることが確認された。真空容器中にこの金属微粒子を封入し、エチレンと水素の混合ガスを0.8リットル／分の流速で導入し、金属微粒子を触媒とした反応により炭素繊維を作成した。
【００２９】
内容積１リットルの耐圧容器中に、ステンレス棒で補強された電磁石を10本配置した。このステンレス棒は耐圧容器の補強材も兼ねるよう設計した。容器内に作成した炭素繊維を導入した後、電磁石を作動させた。この後、容器に水素ガスを導入し炭素繊維に水素を吸蔵させた。吸蔵後、水素ガスの放出試験を行なったが、炭素繊維が容器より排出されることなく、水素ガスのみを取出すことが可能であった。
【００３０】
【発明の効果】
本発明によれば軽量な気体保持装置が提供され、また、炭素繊維を容易に固定することができる炭素繊維固定方法が提供されることは、［発明の概要］の項に前記したとおりである。