(57)【要約】【課題】水素を繰り返し吸蔵・放出することができる水素吸蔵体を提供することにある。【解決手段】ナノクラスダイヤモンドをガス容器に収納し、容器内を真空にして加熱乾燥処理を施した後、水素ガスを容器内に導入し、水素雰囲気下でナノクラスダイヤモンドに水素を吸蔵したことを特徴とする水素吸蔵体。【選択図】　　　　図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
平均粒径が１００ｎｍ以下のナノクラスダイヤモンドであることを特徴とする水素吸蔵体。
【請求項２】
ナノクラスダイヤモンドとバインダーとの複合体からなることを特徴とする水素吸蔵体。
【請求項３】
前記バインダーは、樹脂等の有機化合物と水素吸蔵合金等の金属材料との中から選ばれる１種もしくは２種以上により構成され、総体積の０〜９０％であることを特徴とする請求項２記載の水素吸蔵体。
【請求項４】
前記バインダーは、Ａｌ、Ａｌ合金、Ｃｕ合金、ＬａＮｉ５、合金、鋳鉄、銀、ポリイミド、エポキシ樹脂、ＰＴＦＥのいずれか１つもしくは複数混合物からなる粉末であることを特徴とする請求項２記載の水素吸蔵体。
【請求項５】
平均粒径が１００ｎｍ以下のナノクラスダイヤモンド又はナノクラスダイヤモンドとバインダーとの複合体からなる水素吸蔵体を真空中で加熱乾燥する第１の工程と、
前記水素吸蔵体に水素ガスを常圧又は加圧下で導入して加熱、冷却により前記水素吸蔵体に水素を吸着・吸蔵させる第２の工程とからなることを特徴とする水素貯蔵方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、エネルギー貯蔵材料として用いる水素吸蔵体及び水素貯蔵方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
輸送関連分野においては、燃料となる石油の供給やＮＯｘ、ＣＯ２等の有害ガスの排出による環境負荷の問題解決が急務となっている。石油代替エネルギーとして、エネルギー密度が極めて高く環境負荷のない水素エネルギーの利用が期待されている。水素貯蔵方法としては、安全性、貯蔵量等の理由から水素吸蔵材料の利用が注目されている。代表的な水素吸蔵材料として、ＬａＮｉ合金、ＴｉＭｎ合金等が挙げられ、２次電池として電気自動車や携帯電子機器等への応用が見込まれている。
【０００３】
しかし、これらの金属系水素吸蔵材料では、材料の比重が大きく水素吸蔵量も小さいため、特に電気自動車等に利用する燃料タンクの用途としては適さない。
【０００４】
最近、例えば、特開２０００−２８１３２４号公報、特開平１０−７２２０１号公報に示すように、フラーレン、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバーといった新しい炭素系水素貯蔵材料が注目されている。特開２０００−２８１３２４号公報はＳｉＣ等の炭化物材料よりなる多孔質体の内部に炭素を充填した水素吸蔵体である。また、特開平１０−７２２０１号公報は、フラーレン、カーボンナノチューブ等の多孔質体に冷却かつ加圧下において水素を吸着・吸蔵させた水素貯蔵方法である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述した炭素系水素貯蔵材料は、実用上の問題点として、材料コストが極めて高く、安定して供給できないこと、使用するには一定容量の容器に充填する方法しかないこと、任意形状に成形することができないことがある。
【０００６】
特に、カーボンナノチューブ、フラーレン等の先進炭素系水素吸蔵材料は、材料コストが７，０００〜４０，０００円／ｇ程度と極めて高価であり、大量安定供給できないことから実用的でない。また、フラーレン、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバーは、成形性が極めて悪いためプレス成形しても形状を維持することはできず、予め成形した多孔質体に充填するなどして形状を付与する方法しかない。
【０００７】
様々な実用を考えた場合、水素吸蔵材料には、材料比重が小さく水素吸蔵量が多いこと、これに加えて、安価かつ安定供給が可能であること、任意形状に成形可能であることが求められる。
前記問題が解決されないため、従来材である水素吸蔵合金と比べ、軽量かつ高容量の炭素系水素吸蔵材料が存在していても、実用にならないという問題が存在していた。
【０００８】
本発明は前記事情に着目してなされたもので、その目的とするところは、水素を繰り返し吸蔵・放出することができるとともに、従来の炭素系水素吸蔵体に比べて安価で、かつ水素吸蔵量が大きく任意形状に成形可能な水素吸蔵体及び水素貯蔵方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記目的を達成するために、請求項１は、平均粒径が１００ｎｍ以下のナノクラスダイヤモンドであることを特徴とする水素吸蔵体にある。
請求項２は、水素吸蔵体は、ナノクラスダイヤモンドとバインダーとの複合体からなることを特徴とする。
請求項３は、請求項２の前記バインダーは、樹脂等の有機化合物と水素吸蔵合金等の金属材料との中から選ばれる１種もしくは２種以上により構成され、総体積の０〜９０％であることを特徴とする。
請求項４は、請求項２の前記バインダーは、Ａｌ、Ａｌ合金、Ｃｕ合金、ＬａＮｉ５、鋳鉄、銀、ポリイミド、エポキシ樹脂、ＰＴＦＥのいずれか１つもしくは複数混合物からなる粉末であることを特徴とする。
請求項５は、平均粒径が１００ｎｍ以下のナノクラスダイヤモンド又はナノクラスダイヤモンドとバインダーとの複合体からなる水素吸蔵体を真空中で加熱乾燥する第１の工程と、前記水素吸蔵体に水素ガスを常圧又は加圧下で導入して加熱、冷却により前記水素吸蔵体に水素を吸着・吸蔵させる第２の工程とからなることを特徴とする水素貯蔵方法にある。
【００１０】
前記構成によれば、ナノクラスダイヤモンドからなる水素吸蔵体を真空中で加熱乾燥し、水素吸蔵体に水素ガスを常圧又は加圧下で導入して加熱、冷却により水素吸蔵体に水素を吸着・吸蔵させることができ、水素吸蔵体に吸蔵された水素は、水素吸蔵体を所定の温度に加熱することにより、放出（取出し）させることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
本発明は、水素を吸着・放出させることのできる水素吸蔵体としてナノクラスダイヤモンドを使用する。ここで使用するダイヤモンド粒子の平均粒径は１００ｎｍ以下であることが好ましい。比表面積を上げることができるからである。ナノクラスダイヤモンドはフラーレン、カーボンナノチューブ等の先進炭素系材料に比べて安価かつ安定供給が可能である。
【００１２】
本発明のナノクラスダイヤモンドとしては、例えばクラスタダイヤモンド、グラファイトクラスタダイヤモンドを用いることができる。これらナノクラスのダイヤモンドのうち、クラスタダイヤモンドは、図１に示すように、平均粒径が５ｎｍであり、炭素原子が正四面体の位置に配置されたＳＰ３結合で単結晶構造をとっている。
【００１３】
図２は、グラファイトクラスタダイヤモンド１の断面図を示し、数原子層のカーボン層２が５ｎｍの超微粒ダイヤモンド３を覆っている構造を有している。これら表面の炭素原子に多くの水素原子を吸着させることができる。
【００１４】
ダイヤモンド粒子を結合させるバインダーとしては、ポリイミド、エポキシ樹脂、ＰＴＦＥ等の有機化合物及び／又は比較的低温で焼結できる金属材料のもの、例えば、Ａｌ、Ｍｇ、Ａｌ合金、Ｍｇ合金、Ｃｕ合金、ＬａＮｉ５、鋳鉄、銀、水素吸蔵合金等の材料を用いることができる。ここで、本発明の水素吸蔵体におけるバインダー粉末の配合比は、体積比で０〜９０％であるとよい。
【００１５】
ナノクラスダイヤモンドとバインダーの複合体を作製する方法は粉末合金法を用いることができる。ナノクラスダイヤモンド粉末とバインダー粉末を機械的に混合した後は、混合粉体を熱間成形金型に充填し、真空、不活性ガス等の雰囲気下でホットプレスにより成形すると同時に、形状を付与する。このとき、成形体形状は金型によって様々な形に成形可能である。
【００１６】
真空あるいは不活性ガス中で成形を行なう場合、成形温度は９００℃以下が好ましい。また、大気中で成形を行なう場合は、ナノクラスダイヤモンドの燃焼温度、４００℃以下での成形が適当である。成形圧力条件は、特に限定しない形状を保持できる程度に荷重を負荷するのが好ましい。
【００１７】
こうして形成したダイヤモンド複合体、あるいはナノクラスダイヤモンド単体を所定の容器に収納し、常圧又は加圧下において室温、あるいは加熱・冷却することで水素を吸蔵させる。加熱・冷却するのは、水素分子もしくは水素原子を活性化した後に振動を抑制し、吸蔵を促進するためであり、室温で吸蔵する場合に比べ吸蔵能は高まる。本発明において、加熱する温度は３００℃程度で十分である。また、圧力は、好ましくは０．０９８ＭＰａ（１気圧）以上、より好ましくは０．９８ＭＰａ（１０気圧）以上である。そして、吸蔵された水素は、温度を５０〜１００℃ほど上げることにより容易に取り出すことができる。
【００１８】
【実施例１】
クラスタダイヤモンドを容量１２リットルのガス容器に収納し、容器内を真空にし、１２０℃で乾燥処理を３時間施した。その後、水素ガスを２１／ｍｉｎの条件で容器内に導入し、各時間におけるクラスタダイヤモンドの重量変化を求めた。なお、用いたクラスタダイヤモンドの比表面積は３０２ｍｍ２／ｇである。また、グラファイトクラスタダイヤモンドについても同様にして重量変化を調べた。
その結果を図３に示す。この結果より明らかなように、室温−１気圧の水素雰囲気下では、クラスタダイヤモンド及びグラファイトクラスタダイヤモンドはそれぞれ１．７４ｍａｓｓ％、０．６９ｍａｓｓ％の水素を吸蔵した。クラスタダイヤモンドはグラファイトクラスタダイヤモンドに比べて水素吸蔵量が高いことがわかる。
【００１９】
【実施例２】
クラスタダイヤモンドを容量１００ミリリットルのガス容器に収納し、容器内を真空にし、３００℃で乾燥処理を１時間施した後、所定圧力下に水素ガスを容器内に導入して室温まで冷却した。その場合、各水素導入圧力におけるクラスタダイヤモンドの重量変化を求めた。
その結果を図４に示す。この結果より明らかなように、クラスタダイヤモンドに吸着する水素量は水素導入圧力とともに増加し、１気圧の水素雰囲気下で３．７ｍａｓｓ％、２気圧の水素雰囲気下で４．２ｍａｓｓ％の水素を吸蔵したことがわかる。
【００２０】
【実施例３】
実施例１と同じクラスタダイヤモンドを用い、純度９９．８ｍａｓｓ％のＡｌ粉末とクラスタダイヤモンド粉末を直径１０ｍｍのステンレス硬球とともに１００ミリリットルのステンレス製容器に不活性ガス中に封入し、回転数５００ｒｐｍで機械的に４時間混合した。なお、混合に当り、Ａｌ粉末とクラスタダイヤモンドとは体積比５：５の割合で混合した。
【００２１】
ナノクラスダイヤモンド粉末とＡｌ粉末を機械的に混合した後、この混合体を真空中にて５００℃の温度で５分間加圧・焼結することにより円柱状に成形し、この成形体を水素吸蔵装置に入れ、真空、３００℃で乾燥処理を１時間施した。その後、１気圧の水素ガスを装置内に導入し、室温まで冷却したところ、２ｍａｓｓ％の水素を吸収した。なお、バインダーはＡｌ合金、Ｃｕ合金、ＬａＮｉ５、鋳鉄、銀、ポリイミド、エポキシ樹脂、ＰＴＦＥ等の粉末を用いても成形でき、水素を吸蔵することを確認している。
【００２２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、従来の炭素系水素吸蔵体に比べて安価で、かつ水素吸蔵量が大きく任意形状に成形可能なエネルギー貯蔵体である水素吸蔵体を作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】クラスタダイヤモンドの単結晶構造を示す図。
【図２】グラファイトクラスタダイヤモンドの拡大した断面図。
【図３】実施例１の結果を示し、各時間におけるクラスタダイヤモンドとグラファイトクラスタダイヤモンドの水素吸蔵量を示すグラフ。
【図４】実施例２の結果を示し、水素導入圧力に対するクラスタダイヤモンドに吸着する水素量を示すグラフ。
【符号の説明】
１　　グラファイトクラスタダイヤモンド
２　　カーボン層
３　　超微粒ダイヤモンド
【図１】
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【図２】
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【図３】
2004141690.tif 000005
【図４】
2004141690.tif 000006