(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１水素吸蔵材料の水素吸蔵量を測定する水素吸蔵量測定方法において、
水素もしくは水素を含む混合ガス雰囲気中、所定温度、所定圧力下での前記第１水素吸蔵材料のＸ線回折により、前記第１水素吸蔵材料の格子体積の変化量を測定する第１ステップと、
前記第１水素吸蔵材料とは異なる水素吸蔵材料であって前記第１水素吸蔵材料と結晶構造が同一である材料を用いて、その結晶構造に対応する格子体積膨張量と水素吸蔵量の関係を求める第２ステップと、
前記第２ステップにより求めた格子体積膨張量と水素吸増量との関係を用いて、前記第１ステップにより測定した前記格子体積の変化量から前記第１水素吸蔵材料の水素吸蔵量を算出する第３ステップと、
を有することを特徴とする水素吸蔵量測定方法。
【請求項２】
第１水素吸蔵材料の水素吸蔵量を測定する水素吸蔵量測定方法において、
水素もしくは水素を含む混合ガス雰囲気中、所定温度、所定圧力下での前記第１水素吸蔵材料のＸ線回折により、前記第１水素吸蔵材料の格子体積の変化量を測定する第１ステップと、
前記第１水素吸蔵材料と結晶構造が同一である複数の水素吸蔵材料を用いて、その結晶構造に対応する格子体積膨張量と水素吸蔵量の関係を求める第２ステップと、
前記第２ステップにより求めた格子体積膨張量と水素吸増量との関係を用いて、前記第１ステップにより測定した前記格子体積の変化量から前記第１水素吸蔵材料の水素吸蔵量を算出する第３ステップと、
を有することを特徴とする水素吸蔵量測定方法。
【請求項３】
前記第１ステップは、水素を含む混合ガスを流しながら行う、ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の水素吸蔵量測定方法。
【請求項４】
第１水素吸蔵材料の水素吸蔵量を測定する水素吸蔵量測定方法において、
水素を含む混合ガス雰囲気中、その混合ガスを流しながら、所定温度、所定圧力下での前記第１水素吸蔵材料のＸ線回折により、前記第１水素吸蔵材料の格子体積の変化量を測定する第１ステップと、
前記第１水素吸蔵材料の結晶構造に対応する格子体積膨張量と水素吸蔵量の関係を求める第２ステップと、
前記第２ステップにより求めた格子体積膨張量と水素吸増量との関係を用いて、前記第１ステップにより測定した前記格子体積の変化量から前記第１水素吸蔵材料の水素吸蔵量を算出する第３ステップと、
を有することを特徴とする水素吸蔵量測定方法。
【請求項５】
前記第１ステップは、混合ガス雰囲気中で行い、
前記混合ガスは、前記第１水素吸蔵材料と反応するガスを含み、
前記第１水素吸蔵材料は、前記第１水素吸蔵材料とは結晶構造もしくは格子定数が異なる材料で被膜されている、ことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の水素吸蔵量測定方法。
【請求項６】
前記第１水素吸蔵材料は、前記第１水素吸蔵材料とは結晶構造もしくは格子定数が異なり、前記第１水素吸蔵材料よりも水素の吸蔵・放出速度が速い第２水素吸蔵材料で被膜されている、ことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の水素吸蔵量測定方法。
【請求項７】
前記第１水素吸蔵材料の結晶構造は、体心立方構造、六方最密構造、または面心立方構造である、ことを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の水素吸蔵量測定方法。
【請求項８】
格子体積膨張量と水素吸蔵量の関係は、比例関係である、ことを特徴とする請求項７に記載の水素吸蔵量測定方法。
【請求項９】
請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載の水素吸蔵量測定方法を用いて、前記第１水素吸蔵材料のＰＣＴ曲線を測定することを特徴とするＰＣＴ曲線測定方法。
【請求項１０】
試料室内に水素吸蔵材料を配置し、前記試料室内の前記水素吸蔵材料にＸ線を照射して前記水素吸蔵材料により回折されたＸ線を検出するＸ線回折装置と、
前記Ｘ線回折装置により取得されたＸ線回折データから前記水素吸蔵材料の水素吸蔵量を算出する水素吸蔵量算出部と、
を有し、
前記Ｘ線回折装置は、
前記試料室内に水素もしくは水素を含む混合ガスを供給する供給管と、
前記試料室内のガスを排気する排気管と、
前記水素吸蔵材料を加熱する加熱装置と、
を有し、
前記水素吸蔵量算出部は、
前記水素吸蔵材料とは異なる水素吸蔵材料であって前記水素吸蔵材料と結晶構造が同一である材料を用いて求めた格子体積膨張量と水素吸蔵量との関係についてのデータを保持する記憶部を有する、
ことを特徴とする水素吸蔵量測定装置。
【請求項１１】
試料室内に水素吸蔵材料を配置し、前記試料室内の前記水素吸蔵材料にＸ線を照射して前記水素吸蔵材料により回折されたＸ線を検出するＸ線回折装置と、
前記Ｘ線回折装置により取得されたＸ線回折データから前記水素吸蔵材料の水素吸蔵量を算出する水素吸蔵量算出部と、
を有し、
前記Ｘ線回折装置は、
前記試料室内に水素もしくは水素を含む混合ガスを供給する供給管と、
前記試料室内のガスを排気する排気管と、
前記水素吸蔵材料を加熱する加熱装置と、
を有し、
前記水素吸蔵量算出部は、
前記水素吸蔵材料と結晶構造が同一である複数の水素吸蔵材料を用いて求めた格子体積膨張量と水素吸蔵量との関係についてのデータを保持する記憶部を有する、
ことを特徴とする水素吸蔵量測定装置。
【請求項１２】
試料室内に水素吸蔵材料を配置し、前記試料室内の前記水素吸蔵材料にＸ線を照射して前記水素吸蔵材料により回折されたＸ線を検出するＸ線回折装置と、
前記Ｘ線回折装置により取得されたＸ線回折データから前記水素吸蔵材料の水素吸蔵量を算出する水素吸蔵量算出部と、
を有し、
前記Ｘ線回折装置は、
前記試料室内に水素を含む混合ガスを供給する供給管と、
前記試料室内のガスを排気する排気管と、
前記水素吸蔵材料を加熱する加熱装置と、
を有し、
前記水素吸蔵量算出部は、
前記水素吸蔵材料の結晶構造に対応する格子体積膨張量と水素吸蔵量との関係についてのデータを保持する記憶部を有する、
ことを特徴とする水素吸蔵量測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素吸蔵材料の水素吸蔵量を測定する水素吸蔵量測定方法、および水素吸蔵量測定装置に関する。特に、Ｘ線回折を用いることに特徴を有する。
【背景技術】
【０００２】
従来、水素吸蔵材料の水素吸蔵量を評価するために、ＰＣＴ特性（圧力−組成等温特性）の測定が行われている。一般的に行われているのはジーベルツ型ＰＣＴ測定装置を用いた測定であり、非特許文献１のＪＩＳ  Ｈ  ７２０１：２００７に規格化されている。これは、体積が既知の空間に試料を入れ、そこに純水素を導入し、圧力の変化から水素吸蔵量を見積もる方法である。この方法では容器の気密性が重要となる。
【０００３】
また、水素吸蔵材料が水素を吸蔵したときの質量の変化を測定することで水素吸蔵量を測定する方法も知られている。
【０００４】
他の水素吸蔵量測定方法としては、特許文献１、２に記載の方法がある。特許文献１には、水素吸蔵材料が水素を吸蔵する際の熱量変化を検出し、その熱量変化から水素吸蔵量を測定する方法が記載されている。また、その水素吸蔵量の測定とともに、Ｘ線回折により結晶構造を解析することが記載されている。特許文献２には、電気化学的な方法により水素吸蔵材料の水素吸蔵量を測定する方法が記載されている。
【０００５】
また、特許文献３には、金属水素化物が水素を吸蔵したときの結晶格子の膨張による体積変化を検出し、水素貯蔵タンク内の水素残量を推定することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−１３９７２６号公報
【特許文献２】特開２００３−４２９９８号公報
【特許文献３】特開平５−２２３０１２号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】日本工業規格ＪＩＳ  Ｈ  ７２０１：２００７
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、従来の水素吸蔵量測定方法では、測定対象である水素吸蔵材料と反応しうるガスと水素とを含む混合ガス雰囲気中での水素吸蔵量を測定することができなかった。これは、混合ガス中の水素以外のガスが反応した場合、圧力変化、重量変化、体積変化、電気抵抗変化などを生じるためである。
【０００９】
そこで本発明は、純水素雰囲気中だけでなく水素を含む混合ガス雰囲気中でも水素吸蔵材料の水素吸蔵量を測定することができる水素吸蔵量測定方法、および水素吸蔵量測定装置を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
発明者らは、金属原子１個当りの格子体積膨張量と水素吸蔵量の関係は結晶構造に依存し、結晶構造が同一であれば材料の種類によらず同一であることを見いだした。本発明はこの発見に基づくものである。
【００１１】
本発明は、第１水素吸蔵材料の水素吸蔵量を測定する水素吸蔵量測定方法において、水素もしくは水素を含む混合ガス雰囲気中、所定温度、所定圧力下での第１水素吸蔵材料のＸ線回折により、第１水素吸蔵材料の格子体積の変化量を測定する第１ステップと、第１水素吸蔵材料とは異なる水素吸蔵材料であって第１水素吸蔵材料と結晶構造が同一である材料を用いて、その結晶構造に対応する格子体積膨張量と水素吸蔵量の関係を求める第２ステップと、第２ステップにより求めた格子体積膨張量と水素吸増量との関係を用いて、第１ステップにより測定した格子体積の変化量から第１水素吸蔵材料の水素吸蔵量を算出する第３ステップと、を有することを特徴とする水素吸蔵量測定方法である。
また本発明は、第１水素吸蔵材料の水素吸蔵量を測定する水素吸蔵量測定方法において、水素もしくは水素を含む混合ガス雰囲気中、所定温度、所定圧力下での第１水素吸蔵材料のＸ線回折により、第１水素吸蔵材料の格子体積の変化量を測定する第１ステップと、第１水素吸蔵材料と結晶構造が同一である複数の水素吸蔵材料を用いて、その結晶構造に対応する格子体積膨張量と水素吸蔵量の関係を求める第２ステップと、第２ステップにより求めた格子体積膨張量と水素吸増量との関係を用いて、第１ステップにより測定した格子体積の変化量から第１水素吸蔵材料の水素吸蔵量を算出する第３ステップと、を有することを特徴とする水素吸蔵量測定方法である。
また本発明は、第１水素吸蔵材料の水素吸蔵量を測定する水素吸蔵量測定方法において、水素を含む混合ガスを流しながら、所定温度、所定圧力下での第１水素吸蔵材料のＸ線回折により、第１水素吸蔵材料の格子体積の変化量を測定する第１ステップと、第１水素吸蔵材料の結晶構造に対応する格子体積膨張量と水素吸蔵量の関係を求める第２ステップと、第２ステップにより求めた格子体積膨張量と水素吸増量との関係を用いて、第１ステップにより測定した格子体積の変化量から第１水素吸蔵材料の水素吸蔵量を算出する第３ステップと、を有することを特徴とする水素吸蔵量測定方法である。
【００１２】
第１水素吸蔵材料は、結晶構造が既知で、その結晶構造における格子体積膨張量と水素吸蔵量の関係も既知な水素吸蔵材料であれば任意の材料を用いることができる。金属単体や合金、金属間化合物であってもよい。たとえば体心立方構造、六方最密構造や面心立方構造などの結晶構造の第１水素吸蔵材料について、本発明により水素吸蔵量を測定することができる。
【００１３】
格子体積膨張量は、所定の単位当たりに換算した量でもよく、たとえば金属原子１個当たりの量に換算した値でもよい。また、格子体積の変化量は、通常は同一温度、真空中での格子体積を基準とした格子体積の変化量（すなわち水素吸蔵量が０のときを基準とした格子体積の変化量）であるが、同一温度、同一の雰囲気であって所定の圧力での格子体積を基準とした変化量であってもよい。
【００１４】
本発明では、測定対象となる第１水素吸蔵材料とは結晶構造あるいは格子定数が異なる材料を含む場合であっても、水素吸蔵量を測定可能である。結晶構造や格子定数が異なれば、Ｘ線回折データにおいて第１水素吸蔵材料と異なる結晶のピークを分離することができるからである。たとえば、第１水素吸蔵材料に、第１水素吸蔵材料とは結晶構造あるいは格子定数が異なり、水素の吸蔵・放出速度が第１水素吸蔵材料よりも速い第２水素吸蔵材料を被膜したものを用いることができる。これにより、水素吸蔵速度の向上を図り、室温近傍の低温でも速やかに水素を吸蔵させてその水素吸蔵量を測定することができる。
【００１５】
本発明の水素吸蔵量測定方法では、純水素雰囲気下のみならず、水素を含む混合ガス雰囲気下での水素吸蔵量も測定することができる。そのため、容器の気密性などの問題で意図せず水素以外のガス（たとえば酸素や窒素など）が混入してしまう場合でも水素吸蔵量を測定することができる。したがって、装置に高度の気密性が要求されず、コストの低減を図ることができる。
【００１６】
混合ガスを用いる場合、第１ステップでは、混合ガスを流しながら行うとよい。混合ガス中の水素分圧の変化を抑制することができ、より精度よく水素吸蔵量を算出することができるためである。
【００１７】
混合ガスが第１水素吸蔵材料と反応するガスを含む場合、材料の一部が部分的に反応しても良い。反応生成物のＸ線回折ピークを分離して解析することができるからである。なお、混合ガスが第１水素吸蔵材料と反応するガスを含む場合には、第１水素吸蔵材料は、そのガス成分と反応しない第２水素吸蔵材料で被膜されていることが望ましい。より精度よく水素吸蔵量を測定することができるからである。ここで、混合ガスが第１水素吸蔵材料と反応するガスを含む場合とは、故意にそのようなガスを混入してその特性を評価する場合に限らず、容器の気密性などの問題で意図せず混入するような場合も含む。
【００１８】
本発明の水素吸蔵量測定方法を用いて、圧力を段階的に増加させながら、あるいは減少させながら、各圧力で水素吸蔵量を算出することで、第１水素吸蔵材料のＰＣＴ曲線を測定することができる。
【００１９】
また、他の本発明は、試料室内に水素吸蔵材料を配置し、試料室内の水素吸蔵材料にＸ線を照射して水素吸蔵材料により回折されたＸ線を検出するＸ線回折装置と、Ｘ線回折装置により取得されたＸ線回折データから水素吸蔵材料の格子膨張量を求めて水素吸蔵量を算出する水素吸蔵量算出部と、を有し、Ｘ線回折装置は、試料室内に水素もしくは水素を含む混合ガスを供給する供給管と、試料室内のガスを排気する排気管と、水素吸蔵材料を加熱する加熱装置と、を有し、水素吸蔵量算出部は、水素吸蔵材料とは異なる水素吸蔵材料であって水素吸蔵材料と結晶構造が同一である材料を用いて求めた格子体積膨張量と水素吸蔵量との関係についてのデータを保持する記憶部を有する、ことを特徴とする水素吸蔵量測定装置である。
また、他の本発明は、試料室内に水素吸蔵材料を配置し、試料室内の水素吸蔵材料にＸ線を照射して水素吸蔵材料により回折されたＸ線を検出するＸ線回折装置と、Ｘ線回折装置により取得されたＸ線回折データから水素吸蔵材料の水素吸蔵量を算出する水素吸蔵量算出部と、を有し、Ｘ線回折装置は、試料室内に水素もしくは水素を含む混合ガスを供給する供給管と、試料室内のガスを排気する排気管と、水素吸蔵材料を加熱する加熱装置と、を有し、水素吸蔵量算出部は、水素吸蔵材料と結晶構造が同一である複数の水素吸蔵材料を用いて求めた格子体積膨張量と水素吸蔵量との関係についてのデータを保持する記憶部を有する、ことを特徴とする水素吸蔵量測定装置である。
また、他の本発明は、試料室内に水素吸蔵材料を配置し、試料室内の水素吸蔵材料にＸ線を照射して水素吸蔵材料により回折されたＸ線を検出するＸ線回折装置と、Ｘ線回折装置により取得されたＸ線回折データから水素吸蔵材料の水素吸蔵量を算出する水素吸蔵量算出部と、を有し、Ｘ線回折装置は、試料室内に水素を含む混合ガスを供給する供給管と、試料室内のガスを排気する排気管と、水素吸蔵材料を加熱する加熱装置と、を有し、水素吸蔵量算出部は、水素吸蔵材料の結晶構造に対応する格子体積膨張量と水素吸蔵量との関係についてのデータを保持する記憶部を有する、ことを特徴とする水素吸蔵量測定装置である。
【発明の効果】
【００２０】
本発明は、水素を吸蔵したときの水素吸蔵材料の格子体積の膨張量から水素吸蔵量を算出する方法であるため、純水素雰囲気下のみならず水素を含む混合ガス雰囲気下でも水素吸蔵材料の水素吸蔵量を測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】実施例１の水素吸蔵量測定装置の構成を示した図。
【図２】水素吸蔵材料が体心立方構造の場合の金属原子１個当りの格子体積の膨張量と水素吸蔵量の関係を示したグラフ。
【図３】水素吸蔵材料が面心立方構造の場合の金属原子１個当りの格子体積の膨張量と水素吸蔵量の関係を示したグラフ。
【図４】水素吸蔵量の測定方法を示したフローチャート。
【図５】実施例１の水素吸蔵量測定方法により測定したＰＣＴ曲線。
【図６】実施例１の水素吸蔵量測定方法により測定したＰＣＴ曲線。
【図７】実施例１の水素吸蔵量測定方法により測定したＰＣＴ曲線。
【図８】Ｘ線回折パターンを示した図。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の具体的な実施例について図を参照に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。
【実施例１】
【００２３】
図１は、実施例１の水素吸蔵量測定装置の構成を示した図である。実施例１の水素吸蔵量測定装置は、試料（水素吸蔵合金）３にＸ線を照射してＸ線回折データを得るＸ線回折装置１と、Ｘ線回折装置により測定したＸ線回折データを解析し、水素吸蔵量を算出する水素吸蔵量算出部２と、を有している。
【００２４】
Ｘ線回折装置１は、試料３にＸ線を照射するＸ線源１０と、試料３により回折され散乱されたＸ線を検出するＸ線検出器１１と、測定対象の試料３を配置する試料室１２と、試料室１２にガスを供給する供給管１３と、試料室１２内のガスを排気する排気管１４と、試料室１２内の試料３を加熱するヒータ１５と、試料室１２内の圧力を測定する圧力ゲージ１６により構成されている。
【００２５】
試料室１２にはＸ線を透過する窓が設けられており、その窓を介して、Ｘ線源１０により試料室１２内の試料３にＸ線を照射し、試料３により回折され散乱されたＸ線をＸ線検出器１１により検出する。試料３は図示しない試料台に納められている。Ｘ線源１０を試料３に対して回転させることで、Ｘ線の入射方向を変更可能となっている。また、Ｘ線源１０の回転に伴い、Ｘ線検出器１１も連動して回転し、入射角θに対して回折角２θを測定する。また、試料３とＸ線検出器１１の間にモノクロメータ（図示しない）を設け、モノクロメータにより反射させてからＸ線検出器１１により検出することで、バックグラウンドの低減を図っている。また、Ｘ線源１０と試料３の間には多層膜ミラー（図示しない）が設けられており、これにより平行ビームを照射し、回折角の測定精度の向上を図っている。また、正しい回折条件が得られるように、試料３の高さを調節する機構を備えている。
【００２６】
供給管１３にはガスボンベが連結されており、ガスボンベ内の純水素または水素を含む混合ガスが供給管１３を介して試料室１２内に供給される。水素を含む混合ガスは、水素に窒素や酸素、アルゴンなど、任意のガスが混合されたものであってよい。排気管１４には真空ポンプが連結されており、試料室１２内のガスは排気管１４を介して排気される。供給管１３、排気管１４にはバルブ（図示しない）が設けられており、バルブの開閉状態を制御することにより試料室１２内の圧力を制御可能となっている。また、試料台近傍に配置されたヒータ１５により加熱することで試料３の温度を制御することができる。
【００２７】
ヒータ１５は、試料室１２内部に配置され、試料３を加熱する装置である。その加熱方式は任意でよく、抵抗加熱方式、放射加熱方式、誘導加熱方式などを用いることができる。試料台を加熱して間接的に試料３を加熱するものでもよい。なお、ヒータ１５を試料室１２の外部に設けてもよい。
【００２８】
このＸ線回折装置１により、試料室１２内に所定のガスを供給し、試料室１２内の圧力を所定圧力とし、試料３の温度を所定温度として、Ｘ線の入射角度を変化させながら試料３により反射されたＸ線の強度を測定することで、Ｘ線回折データ（試料３によって散乱されたＸ線の散乱角度に対するＸ線強度分布のデータ）が得られる。
【００２９】
水素吸蔵量算出部２は、コンピュータおよびコンピュータにおいて実行されるプログラムにより実現される。水素吸蔵量算出部２には、Ｘ線回折装置１により測定したＸ線回折データが入力される。また、水素吸蔵量算出部２は記憶部（ストレージ）２０を有し、格子体積膨張量と水素吸蔵量の関係についてのデータが記憶されている。そして、水素吸蔵量算出部２は、Ｘ線回折装置１からのＸ線回折データと、コンピュータの記憶部２０に記憶された格子体積膨張量と水素吸増量との関係についてのデータから水素吸蔵量を算出する。その具体的な算出方法については後述する。
【００３０】
発明者らは、金属原子１個当りの格子体積の膨張量と水素吸蔵量の関係は結晶構造ごとに異なり、結晶構造が同一であれば、水素吸蔵材料の材料によらず同一であることを見いだした。実施例１の水素吸蔵量測定装置はこの発見を利用して水素吸蔵材料の水素吸蔵量を算出するものである。したがって、少なくとも測定対象である試料３の結晶構造に対応した格子体積膨張量と水素吸蔵量の関係をストレージに記憶しておく必要がある。なお、格子体積膨張量と水素吸蔵量の関係は、結晶構造（結晶構造が水素吸蔵量によって変化する場合には水素吸蔵量が０のときの結晶構造）ごとに規定されるものと考えられるが、ある結晶構造と他の結晶構造とで同一となる可能性もありうる。
【００３１】
格子体積膨張量と水素吸蔵量の関係は、試料３と同一の結晶構造である他の水素吸蔵材料の格子体積膨張量と水素吸蔵量について既知の値を集計してその関係を求めてもよいし、既知の水素吸蔵量測定方法を用いて実際にその関係を求めてもよい。また、格子体積膨張量は、金属原子１個当たりの量に換算した値に限らず、所定の単位当たりに換算した量でもよい。
【００３２】
たとえば、結晶構造が体心立方構造（ＢＣＣ）であれば、水素貯蔵合金の材料を問わず、格子体積膨張量と水素吸蔵量は比例関係にある。また、結晶構造が面心立方構造（ＦＣＣ）である場合も、格子体積膨張量と水素吸蔵量は比例関係にある。
【００３３】
図２は、水素吸蔵材料が体心立方構造（ＢＣＣ）である場合の、金属原子１個当りの格子体積の膨張量と水素吸蔵量の関係を示したグラフである。縦軸は水素固溶濃度（金属原子数に対する水素原子数）、横軸は格子体積の膨張量を金属原子１個当たりに換算した値であり、水素固溶濃度が０のときを基準とした膨張量である。図２に示した体心立方構造の水素吸蔵材料は、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｖ−１０Ｆｅ  （Ｖが９０ａｔ％、Ｆｅが１０ａｔ％の合金）、Ｖ−２０Ａｌ（Ｖが８０ａｔ％、Ａｌが２０ａｔ％の合金）である。
【００３４】
図２のように、水素吸蔵材料が体心立方構造であれば、その種類によらず、金属単体であろうと合金であろうと、水素固溶濃度は格子体積膨張量に比例し、その比例係数は０. ３８８９８であることがわかる。
【００３５】
図３は、水素吸蔵材料が面心立方構造（ＦＣＣ）である場合の、格子体積の膨張量と水素吸蔵量の関係を示したグラフである。縦軸、横軸は図２の場合と同様である。図３に示した面心立方構造の水素吸蔵材料は、Ｐｄ、Ｉｒ−Ｐｄ、Ａｕ−Ｐｄ、Ａｇ−Ｐｄ、Ｐｔ−Ｐｄ、Ｃｕ−Ｐｄ、Ｃｕ−Ｎｉである。
【００３６】
図３のように、水素吸蔵材料が面心立方構造であれば、その種類によらず、金属単体であろうと合金であろうと、水素固溶濃度は格子体積膨張量に比例し、その比例係数は０．３５７４４にあることがわかる。
【００３７】
なお、格子体積膨張量と水素吸蔵量の関係において、格子体積膨張量をこれに関連する他の物理量に置き換えてもよいし、水素吸蔵量をこれに関連する他の物理量に置き換えてもよい。
【００３８】
次に、実施例１の水素吸蔵量測定装置を用いて水素吸蔵量を測定可能な試料３について説明する。
【００３９】
試料３は、結晶構造が既知で、その結晶構造における格子体積膨張量と水素吸蔵量の関係も既知な水素吸蔵材料であれば任意の材料を用いることができる。金属単体や合金、金属間化合物であってもよい。たとえば体心立方構造や面心立方構造、六方最密構造などの結晶構造の試料３について、図２、３に示した格子体積膨張量と水素吸蔵量の関係を用いて水素吸蔵量を測定することができる。より具体的には、体心立方構造であるＶ系合金、Ｎｂ系合金、Ｔａ系合金、Ｐｄ−Ｃｕ系合金、Ｌｉ系合金、Ｎａ系合金、Ｃｒ系合金、Ｍｏ系合金、Ｗ系合金、Ｔｉ系合金、Ｚｒ系合金、Ｔｉ−Ｆｅ系合金、Ｔｉ−Ｃｏ系合金、Ｔｉ−Ｎｉ系合金、面心立方構造であるＰｄ系合金、Ｃｕ−Ｎｉ系合金、Ｃａ系合金、Ｓｒ系合金、Ｐｔ系合金、Ｃｕ系合金、Ａｌ系合金、Ｙｂ系合金、などである。温度により体心立方構造にも面心立方構造にもなるＹ系合金、Ｌａ系合金、Ｃｅ系合金などの希土類系合金も含まれる。
【００４０】
また、実施例１の水素吸蔵量測定装置による水素吸蔵量測定方法では、試料３が測定対象となる水素吸蔵材料とは結晶構造や格子定数の異なる材料を含む場合であってもよい。このような場合であっても、測定対象の水素吸蔵材料の水素吸蔵量を測定することができる。結晶構造が異なれば、Ｘ線回折データにおいて異なる結晶構造のピークを分離することができるからである。たとえば、試料３として、測定対象とする第１水素吸蔵材料に、第１水素吸蔵材料とは結晶構造あるいは格子定数が異なり、水素の吸蔵・放出速度が第１水素吸蔵材料よりも速い第２水素吸蔵材料を被膜したものを用いることができる。これにより、第１水素吸蔵材料が混合ガスと反応することを防止するとともに、水素の吸蔵速度を向上させることができる。すなわち、従来の方法では測定に長時間を必要とする室温付近の低温での測定を短時間で行うことができる。
【００４１】
具体例としては、体心立方構造であるＶ系合金（Ｖ−Ｆｅ合金やＶ−Ａｌ合金など）に、面心立方構造であってＶ系合金よりも水素の吸蔵・放出速度が速いＰｄ系合金（Ｐｄ−Ａｇ合金など）を被膜した試料３について、Ｖ系合金の水素吸蔵量を測定することができる。
【００４２】
混合ガスに水素吸蔵材料と反応するガスが含まれている場合に、実施例１の水素吸蔵量測定方法は特に有効である。たとえば窒素を含む混合ガス中で、窒素と反応する第１水素吸蔵材料の水素吸蔵量を測定したい場合、その第１水素吸蔵材料を結晶構造や格子定数の異なる他の材料で覆った試料３を用意する。これにより、第１水素吸蔵材料が窒素と反応しないようにすることができ、その状態で第１水素吸蔵合金の水素吸蔵量を測定できるため精度をより向上させることができる。この手法は、故意に水素吸蔵材料と反応するガスを混入する場合のみならず、試料室１２の気密性などの問題で意図せず水素吸蔵材料と反応するガスが含まれてしまう場合でもよい。試料室１２の気密性が高くなくてもよいので水素吸蔵量測定装置の低コスト化にも有利である。
【００４３】
次に、実施例１の水素吸蔵量測定装置を用いた水素吸蔵量測定方法について、図３のフローチャートに従って説明する。
【００４４】
［ステップＳ１］
まず、Ｘ線回折装置１の試料室１２に試料３を配置する。そして、試料室１２内のガスを排気し、試料室１２内を真空とする。また、ヒータ１５によって試料室１２の温度が所定温度となるように調整する。この状態で、Ｘ線源１０とＸ線検出器１１を連動して回転させながらＸ線を照射してＸ線回折データを取得する。すなわち、試料３の水素吸蔵量が０のときのＸ線回折データを取得する。Ｘ線回折データは、試料３によって散乱されたＸ線の散乱角度に対するＸ線強度分布のデータである。
【００４５】
［ステップＳ２］
次に、試料室１２内に水素、あるいは水素を含む混合ガスを供給し、その供給量、排気量を調整することで試料室１２内の圧力が所定圧力となるように調整する。また、ヒータ１５によって試料室１２の温度はステップＳ１における所定温度と同一とする。そしてこの状態で、Ｘ線源１０とＸ線検出器１１を連動して回転させながらＸ線を照射してＸ線回折データを取得する。
【００４６】
水素を含む混合ガスでの水素吸蔵量特性を測定する場合、水素吸蔵材料による水素の吸蔵により混合ガスの水素分圧が変化する。そのため、混合ガスを滞留させず、流しながらステップＳ１のＸ線回折データを取得するとよい。水素吸蔵材料による水素の吸蔵があったとしても混合ガスの水素分圧が一定となり、より精度よく水素吸蔵量の測定を行うことができる。なお、試料室１２の水素分圧は試料室１２の全圧と混合ガスの水素濃度から求めても良く、水素分圧計を用いた測定から求めても良い。
【００４７】
［ステップＳ３］
次に、水素吸蔵量算出部２において、ステップＳ１、Ｓ２で取得したＸ線回折データから、それぞれの格子体積を算出し、格子体積の変化量を算出する。具体的には、Ｘ線回折データから所定の結晶面のピークを抽出し、そのピークにおけるＸ線の散乱角度から格子定数を算出し、金属原子１個当りの格子体積を算出する。さらに、ステップＳ１での金属原子１個当りの格子体積（水素吸蔵量が０の時の金属原子１個当りの格子体積）をＶ０、ステップＳ２での金属原子１個当りの格子体積（水素を吸蔵した時の金属原子１個当りの格子体積）をＶとして、Ｖ−Ｖ０によって格子体積膨張量を算出する。
【００４８】
なお、試料３に測定対象の水素吸蔵材料とは結晶構造の異なる材料が含まれている場合、Ｘ線回折データからその異なる結晶構造のピークを除去し、測定対象の水素吸蔵材料に対応する結晶構造のピークのみを抽出するようにすればよい。
【００４９】
［ステップＳ４］
次に、水素吸蔵量算出部２において、試料３の結晶構造に対応する格子体積膨張量と水素吸蔵量の関係とを用いて、ステップＳ２で算出した格子体積膨張量から水素吸蔵量を算出する。以上が実施例１の水素吸蔵量測定方法である。
【００５０】
この水素吸蔵量測定方法を用いて、圧力を段階的に増加させながら、あるいは減少させながら、各圧力での水素吸蔵量を測定することで、所定温度、所定の雰囲気下での試料３のＰＣＴ曲線を求めることができる。
【００５１】
実施例１の水素吸蔵量測定方法の利点をまとめると次の通りである。第１に、純水素雰囲気下だけでなく水素を含む混合ガス雰囲気下でも水素吸蔵量を測定可能である。そのため、雰囲気ガスの違いによる水素吸蔵量の違いを評価することが可能である。また、実施例１の水素吸蔵量測定方法は、故意に水素以外のガスを混入させる場合だけでなく、試料室１２の気密性などの問題で意図せず水素以外のガス（たとえば空気など）が含まれてしまう場合にも測定可能である。したがって、試料室１２に高度な気密性は必要とされず、水素吸蔵量測定装置の低コスト化にも有利である。
【００５２】
第２に、試料３として、測定対象の第１水素吸蔵材料とは結晶構造あるいは格子定数の異なる材料（水素吸蔵材料でなくともよい）を含む場合にも、第１水素吸蔵材料の水素吸蔵量を測定することができる。したがって、複数の水素吸蔵材料を含む複相材料の水素吸蔵量を相ごとに個別に求めることができる。また、そのような材料を第１水素吸蔵材料に被膜して第１水素吸蔵材料と混合ガスとの反応を防止する保護膜とすることで、第１水素吸蔵材料の水素吸蔵量の測定精度の向上を図ることができる。さらに、水素の吸蔵・放出速度が第１水素吸蔵材料よりも速い第２水素吸蔵材料で被覆することにより、水素の吸蔵速度を向上させて室温近傍の低温でも速やかに水素を吸蔵させることができる。
【００５３】
次に、実施例１の水素吸蔵量測定方法に関する各種実験例を説明する。
【００５４】
［実験例１］
図５は、実施例１の水素吸蔵量測定方法を用いて、水素雰囲気下でのＰｄ−２３Ａｇ合金（Ｐｄが７７ａｔ％、Ａｇが２３ａｔ％の合金）のＰＣＴ曲線を測定した結果である。温度は、１００℃、１５０℃、２００℃、３００℃、４００℃それぞれで測定した。水素圧力が増加するのにしたがって水素吸蔵量が増加していくのがわかる。また、温度が低いほど水素吸蔵量が大きいことがわかる。
【００５５】
図６は、温度２００℃におけるＰｄ−２３Ａｇ合金のＰＣＴ曲線を、実施例１の水素吸蔵量測定方法（実施例１−Ａとする）と従来の水素吸蔵量測定方法（比較例１−Ａとする）とで比較した場合である。従来の水素吸蔵量測定方法はジーベルツ法である。また、図７は、温度１５０℃におけるＰｄ−２３Ａｇ合金のＰＣＴ曲線を、実施例１の水素吸蔵量測定方法（実施例１−Ｂとする）と従来の水素吸蔵量測定方法（比較例１−Ｂとする）とで比較した場合である。
【００５６】
図６、７のように、実施例１の水素吸蔵量測定方法によるＰＣＴ曲線は、従来の水素吸蔵量測定方法によるＰＣＴ曲線とよく一致していた。したがって、実施例１の水素吸蔵量測定方法は、従来の水素吸蔵量測定方法と同等の精度で水素吸蔵量を測定できることがわかった。
【００５７】
［実験例２］
図８は、Ｖ−１０Ｆｅ（Ｖが９０ａｔ％、Ｆｅが１０ａｔ％の合金）にＰｄ−２７Ａｇ（Ｐｄが７３ａｔ％、Ａｇが２７ａｔ％の合金）を被膜した試料についてのＸ線回折パターンである。図８（ａ）は３００℃、真空中、図８（ｂ）は３００℃、水素分圧が０．８ＭＰａの雰囲気下でＸ線回折を行ったものである。
【００５８】
図８のように、Ｖ−１０Ｆｅは体心立方構造、Ｐｄ−２７Ａｇは面心立方構造であるため異なる位置にピークが出現しており、Ｖ−１０ＦｅのピークをＰｄ−２７Ａｇのピークから分離して抽出可能であることがわかる。また、図８（ａ）と図８（ｂ）とを比較すると、Ｖ−１０Ｆｅのピークがシフトしていることがわかる。これは、Ｖ−１０Ｆｅが水素を吸蔵して格子体積が変化したことによるものである。したがって、ピークシフトから格子体積膨張量を算出することができ、図２の体心立方構造の場合の格子体積膨張量と水素吸蔵量の関係から、水素吸蔵量を算出することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５９】
本発明は、混合ガス中でのＰＣＴ曲線も測定することができ、従来の純水素中でのＰＣＴ曲線との違いの評価などに用いることができる。
【符号の説明】
【００６０】
１：Ｘ線回折装置
２：水素吸蔵量算出部
３：試料
１０：Ｘ線源
１１：Ｘ線検出器
１２：試料室
１３：供給管
１４：排気管
１５：加熱装置
１６：圧力ゲージ
２０：記憶部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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