(57)【要約】【課題】設計上の制約が多い自動車搭載用とするのに好適なものとし、フィルタなどの飛び散り防止手段を省略ないし簡便化すると共に、車両の重心位置が移動するのを阻止する。【解決手段】水素を吸着可能あるいは吸蔵可能な炭素質材料としての粉末状のカーボンナノチューブを薄膜状に成形してなる水素貯蔵部材２と、内部空間３ａおよび水素流入孔３ｂ，水素流出孔３ｃを有する容器３を備え、薄膜状の水素貯蔵部材２を容器３の内壁面３ｄに接触させて固定した。【選択図】　　　　図１
2004052814.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素を吸着可能あるいは吸蔵可能な粉末状の炭素質材料を薄膜あるいは固形物に成形してなる水素貯蔵部材と、内部空間および水素流通孔を有する容器を備え、水素貯蔵部材を容器の内壁面に接触させて固定してあることを特徴とする水素貯蔵装置。
【請求項２】
水素を吸着可能あるいは吸蔵可能な粉末状の炭素質材料を薄膜あるいは固形物に成形してなる水素貯蔵部材と、内部空間および水素流通孔を有する容器を備え、水素貯蔵部材を複数積層させて容器の内部空間に固定してあることを特徴とする水素貯蔵装置。
【請求項３】
水素を吸着可能あるいは吸蔵可能な粉末状の炭素質材料を薄膜あるいは固形物に成形してなる水素貯蔵部材と、内部空間および水素流通孔を有する容器と、水素貯蔵部材を接触させた状態で支持する支持部材を備え、この支持部材を介して水素貯蔵部材を容器の内部空間に固定してあることを特徴とする水素貯蔵装置。
【請求項４】
水素貯蔵部材の薄膜表面あるいは固形物表面に凹凸が形成してある請求項１ないし３のいずれかに記載の水素貯蔵装置。
【請求項５】
粉末状の炭素質材料は、微細化したグラファイト，カーボンナノチューブ，カーボンナノホーン，カーボンナノファイバー，フラーレン，バッキーオニオン，活性炭およびアモルファスカーボンのうちの少なくとも一つの材料からなっている請求項１ないし４のいずれかに記載の水素貯蔵装置。
【請求項６】
支持部材を炭素質材料よりも高い熱伝導率の素材から形成した請求項３ないし５のいずれかに記載の水素貯蔵装置。
【請求項７】
容器の外部または内部に、支持部材の一部に接触する吸熱部を設けた請求項３ないし６のいずれかに記載の水素貯蔵装置。
【請求項８】
水素貯蔵部材を支持部材で挟み込んで容器の内部空間に固定してある請求項３ないし７のいずれかに記載の水素貯蔵装置。
【請求項９】
支持部材は中実な棒状あるいは繊維状をなし、その表面に水素貯蔵部材を接触させて支持している請求項３ないし７のいずれかに記載の水素貯蔵装置。
【請求項１０】
車両に搭載される車両用の水素貯蔵装置とした請求項１ないし９のいずれかに記載の水素貯蔵装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水素を吸着したり吸蔵したりすることが可能な粉末状の炭素質材料からなる水素貯蔵部材を構成要素とした水素貯蔵装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、上記したような水素を貯蔵する水素吸蔵装置としては、例えば、ＬａＮｉ５などに代表される水素貯蔵合金を用いた水素貯蔵装置がある。この水素貯蔵合金は、液体水素以上の高密度に水素を貯蔵することができる反面、燃料電池自動車の水素貯蔵装置として用いるには重量が嵩み過ぎるという欠点がある。
【０００３】
これに対して、カーボンナノチューブやフラーレンやカーボンナノファイバーや活性炭のようなナノ構造を有する炭素質材料は、水素を大量に吸蔵あるいは吸着できるにもかかわらず、金属材料と比較して非常に軽量であるといった利点を有しており、これらの炭素質材料を容器内に充填すれば、軽量な水素貯蔵部材あるいは水素貯蔵装置を得ることができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記した炭素質材料を用いた水素貯蔵部材を構成要素とする水素貯蔵装置において、炭素質材料は、粉末状ネットワークあるいはフェルト状ネットワークを形成するために粉末状に合成される場合が多く、このような粉末状の炭素質材料にあっては、炭素粉末同士の距離が水素吸着のための細孔径に比べて著しく大きくなることから、デッドスペースが大きくなってしまい、すなわち、粉末状炭素質材料の見かけ体積あたりの水素貯蔵能が大幅に低くなってしまい、大量の水素を貯蔵するためには非常に大きな空間が必要となり、設計上大きさの制約を受ける自動車搭載用とするには無理があるという問題を有していた。
【０００５】
また、試料形態が粉末状であると、水素の流入や流出に伴う気流によって試料が飛散してしまうことから、飛散した炭素質材料が容器外部に流出するのを抑制するための炭素質材料粉末の平均粒径よりも微細な孔を持つフィルタを設けるなどといった手段を講じる必要があるうえ、粉末状試料を容器内部で固定することができないため、車両の傾きに伴う粉末状炭素質材料の容器内での移動により、車両の重心が変動することが無いとは言えないといった問題があった。
【０００６】
なお、水素を吸蔵することのできるあるいは吸着することのできる固体状の炭素質材料をコンパクトに車載する手法として、例えば、多孔質体の細孔内部に高密度な炭素質材料を合成するといった手法（特開２０００−２８１３２４号）や、板状の基盤部材上に水素吸収層を形成させる手法（特開２００１−２５４８７９号）があるが、いずれも基盤部材上に直接炭素質材料を合成させるプロセスを経ており、水素を吸蔵させることが可能な粉末状炭素質材料あるいは吸着させることが可能な粉末状炭素質材料を用いるものではなく、したがって、上記問題を解決することが従来の課題となっていた。
【０００７】
【発明の目的】
本発明は、上記した従来の課題に着目してなされたもので、設計上の制約が多い自動車搭載用とするのに好適であり、フィルタなどの飛び散り防止手段を省略ないし簡便化することができると共に、車両の重心移動を阻止することが可能である水素貯蔵装置を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、鋭意研究を重ねてきた結果、粉末状の炭素質材料を薄膜あるいは固形物に成形することで、自動車搭載用の水素貯蔵装置に用い得ることを見出すに至った。
【０００９】
すなわち、本発明に係わる水素貯蔵装置は、水素を吸着可能あるいは吸蔵可能な粉末状の炭素質材料を薄膜あるいは固形物に成形してなる水素貯蔵部材と、内部空間および水素流通孔を有する容器を備え、水素貯蔵部材を容器の内壁面に接触させて固定してある構成としたことを特徴としており、この水素貯蔵装置の構成を前述した従来の課題を解決するための手段としている。
【００１０】
【発明の効果】
本発明に係わる水素貯蔵装置によれば、上記した構成としているので、大きな空間を必要とすることなく大量の水素を貯蔵することができ、その結果、設計上大きさの制約を受ける自動車搭載用に適したものとなり、加えて、水素の流入や流出に伴う気流によって炭素質材料が飛散するようなことが無いので、従来必要としていたフィルタなどの飛び散り防止手段を省略したり簡便化することができると共に、炭素質材料の移動に伴う車両の重心位置の移動を防ぐことが可能であるという非常に優れた効果がもたらされる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
ここで、水素の貯蔵または吸蔵が可能な粉末状の炭素質材料を薄膜化する手法について説明する。
【００１２】
粉末状の炭素質材料を薄膜化する手法としては、例えば、文献Ｊ．Ｌｉｕ　ｅｔ　ａｌ．，Ｓｃｉｅｎｃｅ，２８０［２２］，１２５３−１２５６，（１９９８）　に示されているような、カーボンナノチューブを紙状（バッキーペーパ）にする方法がある。
【００１３】
本発明において、ＨｉＰＣＯ法で作製後、純度９９．５％以上に精製された市販のカーボンナノチューブに対して、上記文献に記載されている処理を行って、ナノチューブを切断してバッキーペーパを作製した。
【００１４】
すなわち、原料に用いたカーボンナノチューブは、見かけ上の相対密度が０．００５程度のフェルト状ネットワークを有する粉末状の形態をなしている。そして、このカーボンナノチューブの粉末を濃硫酸および濃硝酸を３：１の比率で混合させた溶液中に浸漬させ、約６５℃の温度で１時間の超音波処理を行った。その後、ポア孔０．１ミクロンのポリテトラフルオロエチレン製メンブレンフィルタを用いた吸引ろ過を行うのに続いて、ｐＨ＝４以上になるまでイオン交換水を用いて洗浄し、その後、エタノールで置換、再度の吸引ろ過を行うことにより、バッキーペーパ状の炭素質材料を得た。
【００１５】
得られたバッキーペーパ状の炭素質材料に対して真空乾燥を行い、試料中の残留エタノールを取り除いた。上記手法により薄膜化された粉末状の炭素質材料は、厚みが約１００ミクロン、相対密度が約１．１以上となった。
【００１６】
なお、粉末状の炭素質材料を薄膜化する手法は、上記バッキーペーパ状とすることに限定されることはなく、例えば、溶媒中にボールミル等で分散させた粉末状炭素質材料に対して、蒸発乾燥法を施す手法によって作製してもよいほか、容器内に直接堆積させてもよく、薄膜化された粉末状炭素質材料の強度を保つために、適当なバインダ材料を混合してもよい。
【００１７】
また、粉末状の炭素質材料には、上記カーボンナノチューブのほかに、グラファイト，カーボンナノホーン，カーボンナノファイバー，フラーレン，バッキ−オニオン，活性炭，アモルファスカーボンのうちの少なくとも一つの材料から構成される材料を用いることができる。
【００１８】
さらに、上記のようにして薄膜化した粉末状炭素質材料を収容する容器の形状は、単純な閉空間を有する直方体形状のほかに、内部にリブや柱を設けた補強型のものであってもよい。
【００１９】
【実施例】
以下、本発明を図面に基づいて説明する。
【００２０】
［実施例１］
図１は、本発明に係わる水素貯蔵装置の一実施例を示している。
【００２１】
図１に示すように、この水素貯蔵装置１は、水素を吸着可能あるいは吸蔵可能な粉末状炭素質材料（カーボンナノチューブ）を上記のようにして薄膜化してなる水素貯蔵部材２を備えていると共に、内部空間３ａを有しかつ水素流通孔としての水素流入孔３ｂおよび水素流出孔３ｃを有するステンレス製の容器３を備えており、薄膜状の水素貯蔵部材２は、容器３の内壁面３ｄに接触させた状態で固定してある。
【００２２】
次に、図６に示す水素貯蔵装置１’を比較例として、すなわち、粉末状の炭素質材料２’を原材料の粉末状形態のまま容器３’内に充填した構成の水素貯蔵装置１’を比較例として、本実施例の作用効果について説明する。
【００２３】
比較例では、試料形態が粉末状であるため、水素が流入あるいは流出する際の水素ガス気流Ｆにより、炭素質材料そのものが飛散し、容器外に飛び散る恐れがある。これを抑制するために、容器の水素流入孔３ｂ’および水素流出孔３ｃ’付近に炭素質材料粉末より微細な孔を有するフィルタ４’を設けるなどの手段を講じる必要がある。
【００２４】
これに対して、本実施例による水素貯蔵装置１では、水素ガス気流Ｆの流入出に伴う炭素質材料の飛散を抑制することができるので、フィルタを省略または簡易なものにすることが可能になる。
【００２５】
また、比較例において、炭素質材料を容器に固定することができないことから、自動車に搭載した場合には、車両の傾きに伴って炭素質材料が容器内で移動し、車両の重心位置が変動してしまう恐れがあるのに対して、本実施例による水素貯蔵装置１では、薄膜化した水素貯蔵部材２が容器３に対して固定されているため、上記車両の重心位置の移動を抑制することも可能となった。
【００２６】
さらに、水素貯蔵部材２を容器３内から取り除く場合において、比較例では、水素貯蔵部材２’が粉末状の炭素質材料からなっていることで、容器２’や取り外し装置の汚染、あるいは、粉末状の炭素質材料が飛散することによる周辺装置の汚染が不可避となるのに対して、本実施例による水素貯蔵装置１では、薄膜状にした水素貯蔵部材２を容器３内から取り除くだけでよく、その結果、水素貯蔵部材２（炭素質材料）の取り外しの手間を大幅に低減することが可能になる。
【００２７】
［実施例２］
図２は、本発明に係わる水素貯蔵装置の他の実施例を示している。
【００２８】
図２に示すように、本実施例に係わる水素貯蔵装置２１では、表面２２ａに複数の溝（凹凸）２２ｂを具備した水素貯蔵部材２２を容器２３内に複数枚積層した構成をなしており、他の構成は、先の実施例による水素貯蔵装置１と同じである。
【００２９】
この場合、水素貯蔵部材２２の表面２２ａに位置する複数の溝２２ｂは、粉末状炭素質材料（カーボンナノチューブ）を薄膜化する際の吸引ろ過時におけるろ過器にあらかじめパターンを入れておくことで形成するようにしてもよいし、平板状の薄膜とした後に研削加工することで形成するようにしてもよい。
【００３０】
上記したように、本実施例に係わる水素貯蔵装置２１では、水素貯蔵部材２２の表面２２ａに複数の溝２２ｂを設けたことにより、薄膜化した水素貯蔵部材２２を積層させても、曝露面積の大幅な減少を抑えることができ、隣接する他の水素貯蔵部材２２による水素の吸着や脱離の阻害を抑制することが可能になる。
【００３１】
また、水素貯蔵部材２２の表面２２ａにおける複数の溝２２ｂが互いに同一方向を向くように形成することにより、水素ガス流Ｆを整えることが可能となり、効率よく水素を流入出させることが可能になる。
【００３２】
加えて、見かけの相対密度が０．００５の粉末状カーボンナノチューブをバッキーペーパ化して積層させると、見かけの相対密度を１まで上昇させることができ、これにより、単位体積あたりの水素貯蔵量を２００倍程度増加させることが可能となった。
【００３３】
［実施例３］
図３は、本発明に係わる水素貯蔵装置のさらに他の実施例を示している。
【００３４】
図３に示すように、本実施例に係わる水素貯蔵装置３１では、薄膜化した水素貯蔵部材３２をステンレス製の板状支持部材３４で挟み込んだ状態で容器３３内に積層固定した構成をなしており、他の構成は、先の実施例による水素貯蔵装置１と同じである。
【００３５】
薄膜化した水素貯蔵部材３２を挟み込む板状支持部材３４は、ボルト孔３４ａに挿通した図示しないボルトによって互いの締め付けがなされており、薄膜化した水素貯蔵部材３２は容器３３内において強固に固定されている。この際、水素貯蔵部材３２の表面３２ａにも複数の溝（凹凸）３２ｂが設けてあり、水素貯蔵部材３２の曝露面積を確保している。
【００３６】
つまり、本実施例に係わる水素貯蔵装置３１では、上記した構成とすることにより、曝露面積を確保しつつ、接着等の締結手段を用いなくても、薄膜化した水素貯蔵部材３２を容器３３内部に固定することが可能になる。
【００３７】
［実施例４］
図４は、本発明に係わる水素貯蔵装置のさらに他の実施例を示している。
【００３８】
図４に示すように、本実施例に係わる水素貯蔵装置４１では、薄膜化した水素貯蔵部材４２を炭素質材料よりも熱伝導率の高い銅合金製の板状支持部材４４に接触させた状態で固定し、この板状支持部材４４を容器４３に固定した構成をなしている。
【００３９】
この場合、板状支持部材４４の一部を容器４３の外部に突出させており、この板状支持部材４４の一部を容器４３の外部に設けた吸熱容器４５内の吸熱部４６に接触させている。
【００４０】
上記したように、本実施例に係わる水素貯蔵装置４１では、水素貯蔵部材４２に水素が吸着あるいは放出する際の発熱を板状支持部材４４の熱伝導を利用して効率よく放出することが可能になる。
【００４１】
［実施例５］
図５は、本発明に係わる水素貯蔵装置のさらに他の実施例を示している。
【００４２】
図５に示すように、本実施例に係わる水素貯蔵装置５１では、複数が絡み合った繊維質支持部材５４の表面に水素貯蔵部材５２を接触させて支持した構成をなしている。
【００４３】
この場合、繊維質支持部材５４は十分に荒くしてあり、面方向にも孔５６を介して水素ガス流Ｆを透過させることが可能な部材となっている。このような繊維質支持部材５４を複数積層して容器５３内に固定することにより、水素貯蔵部材５２を高密度に保ちつつ、曝露面積を広く保持することが可能になり、より効率よく水素の貯蔵および放出を行うことが可能になる。
【００４４】
また、薄膜化した水素貯蔵部材５２は、繊維状支持部材５４によって強化されているため、水素貯蔵部材５２自体の強度も高くなるといった利点もあるのに加えて、薄膜化した水素貯蔵部材５２に対する支持部材５４の質量を低くできるといった利点もある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わる水素貯蔵装置の一実施例を示す断面説明図である。
【図２】本発明に係わる水素貯蔵装置の他の実施例を示す水素貯蔵部材の斜視説明図（ａ）およびこの水素貯蔵部材を用いた水素貯蔵装置の断面説明図（ｂ）である。
【図３】本発明に係わる水素貯蔵装置のさらに他の実施例を示す支持部材に固定した水素貯蔵部材の斜視説明図（ａ）およびこの水素貯蔵部材を用いた水素貯蔵装置の断面説明図（ｂ）である。
【図４】本発明に係わる水素貯蔵装置のさらに他の実施例を示す断面説明図である。
【図５】本発明に係わる水素貯蔵装置のさらに他の実施例を示す支持部材に固定した水素貯蔵部材の斜視説明図（ａ）およびこの水素貯蔵部材を用いた水素貯蔵装置の断面説明図（ｂ）である。
【図６】比較例に係わる水素貯蔵装置の断面説明図である。
【符号の説明】
１，２１，３１，４１，５１　　水素貯蔵装置
２，２２，３２，４２，５２　　水素貯蔵部材
３，２３，３３，４３，５３　　容器
３ａ　内部空間
３ｂ　水素流入孔（水素流通孔）
３ｃ　水素流出孔（水素流通孔）
３ｄ　内壁面
２２ａ，３２ａ　水素貯蔵部材の薄膜表面
２２ｂ，３２ｂ　溝（凹凸）
３４，４４　板状支持部材
４６　吸熱部
５４　繊維質支持部材
【図１】
2004052814.tif 000003
【図２】
2004052814.tif 000004
【図３】
2004052814.tif 000005
【図４】
2004052814.tif 000006
【図５】
2004052814.tif 000007
【図６】
2004052814.tif 000008