(57)【要約】複合大量貯蔵器／金属水素化物一段圧縮機（５１）、それに用いる水素貯蔵合金（５２）及び複合大量貯蔵器／金属水素化物一段圧縮機（５１）を取り入れた水素輸送／配達基幹設備。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
以下の構成から成る水素輸送／配達基幹設備用装置：
水素を精製し、圧縮する水素精製／圧縮副装置；及び
水素を末端消費者に配達する水素配達副装置；
此処で、前記副装置の一方又は両方は、以下の構成から成る複合大量水素貯蔵器／一段金属水素化物水素圧縮機を備えていることを特徴とする：
ａ）圧力保持容器、前記圧力保持容器は容器に水素を出し入れするための、少なくとも一つの入口／出口通気孔を有する；
ｂ）前記保持容器に配置された水素貯蔵合金、前記水素貯蔵合金は水素の大量貯蔵を提供するのに十分な量が存在し、前記水素貯蔵合金は２５℃以下の温度で５００ｐｓｉ以下のプラトー圧、２００℃以下の温度で１５００ｐｓｉ以上のプラトー圧を有する；及び
ｃ）前記水素貯蔵合金を交互に加熱冷却するための熱管理装置。
【請求項２】
前記水素貯蔵合金は、前記水素貯蔵合金は、２５℃以下の温度で４００ｐｓｉ以下のプラトー圧、２００℃以下の温度で２０００ｐｓｉ以上のプラトー圧を有することを特徴とする、請求項１の水素基幹設備用装置。
【請求項３】
前記水素貯蔵合金は、２５℃以下の温度で３００ｐｓｉ以下のプラトー圧、２００℃以下の温度で３６００ｐｓｉ以上のプラトー圧を有することを特徴とする、請求項１の水素基幹設備用装置。
【請求項４】
前記水素貯蔵合金は、２５℃以下の温度で２００ｐｓｉ以下のプラトー圧、２００℃以下の温度で５０００ｐｓｉ以上のプラトー圧を有することを特徴とする、請求項１の水素基幹設備用装置。
【請求項５】
前記水素貯蔵合金は、約１２℃の温度で約１００ｐｓｉのプラトー圧、約１８０℃の温度で約６０００ｐｓｉのプラトー圧を有することを特徴とする、請求項１の水素基幹設備用装置。
【請求項６】
前記水素貯蔵合金は、ＡＢ2合金であることを特徴とする、請求項１の水素基幹設備用装置。
【請求項７】
前記水素貯蔵合金は、変性されたＴｉ−Ｍｎ2合金であることを特徴とする、請求項６の水素基幹設備用装置。
【請求項８】
前記水素貯蔵合金は、原子パーセントで２〜５％Ｚｒ、２６〜３２％Ｔｉ、７〜１０％Ｖ、８〜２０％Ｃｒ、３８〜４２％Ｍｎと、１〜６％Ｎｉ、２〜６％Ｆｅ、０.１〜２％Ａｌから成る群から選ばれた少なくとも一つの元素とを含むことを特徴とする、請求項７の水素基幹設備用装置。
【請求項９】
前記水素貯蔵合金は、１原子パーセントまでのミッシュ・メタルを含むことを特徴とする、請求項８の水素基幹設備用装置。
【請求項１０】
前記水素貯蔵合金は、原子パーセントで３.６３％Ｚｒ、２９.８％Ｔｉ、８.８２％Ｖ、９.８５％Ｃｒ、３９.５％Ｍｎ、２.０％Ｎｉ、５.０％Ｆｅ、１.０％Ａｌ、及び０.４％ミッシュ・メタルを含むことを特徴とする、請求項９の水素基幹設備用装置。
【請求項１１】
前記水素貯蔵合金は、原子パーセントで３.６％Ｚｒ、２９.０％Ｔｉ、８.９％Ｖ、１０.１％Ｃｒ、４０.１％Ｍｎ、２.０％Ｎｉ、５.１％Ｆｅ、及び１.２％Ａｌを含むことを特徴とする、請求項８の水素基幹設備用装置。
【請求項１２】
前記水素貯蔵合金は、原子パーセントで３.６％Ｚｒ、２８.３％Ｔｉ、８.８％Ｖ、１０.０％Ｃｒ、４０.７％Ｍｎ、１.９％Ｎｉ、５.１％Ｆｅ、及び１.６％Ａｌを含むことを特徴とする、請求項８の水素基幹設備用装置。
【請求項１３】
前記水素貯蔵合金は、原子パーセントで４％Ｚｒ、２９.５％Ｔｉ、８.５％Ｖ、１５.０％Ｃｒ、３８％Ｍｎ、５％Ｎｉを含むことを特徴とする、請求項８の水素基幹設備用装置。
【請求項１４】
更に以下構成物を含むことを特徴とする、請求項１の水素基幹設備用装置：
ａ）電力発生副装置；
ｂ）水素生成に前記電力発生副装置の電力を用いる、水素発生副装置；
ｃ）前記水素精製／圧縮副装置からの精製且つ圧縮された水素を、金属水酸化物貯蔵タンク内に貯蔵する、水素貯蔵副装置；
ｄ）金属水酸化物貯蔵タンク内の貯蔵水素を輸送する、水素輸送副装置；及び
ｅ）前記水素配達副装置から配達水素を受け取り且つその水素を消費する末端消費副装置。
【請求項１５】
金属水素化物貯蔵タンクはマグネシウム基水素貯蔵合金粉を含み、前記合金は少なくとも９０重量％のマグネシウムを含む場合において、前記合金粉は以下の特性を有することを特徴とする、請求項１４の水素基幹設備用装置：
ｉ）少なくとも６重量％の水素貯蔵容量；
ｉｉ）合金粉が３００℃で５分以内にその全容量の８０％を吸収するような吸収反応速度；及び
ｉｉｉ）約７０ミクロン未満の粒径範囲。
【請求項１６】
前記合金粉は、少なくとも６.５重量％の水素貯蔵容量を有することを特徴とする、請求項１５の水素基幹設備用装置。
【請求項１７】
前記合金粉は、３００℃で２分以内にその全容量の８０％を吸収するような吸収反応速度を有することを特徴とする、請求項１６の水素基幹設備用装置。
【請求項１８】
前記合金粉は、少なくとも６.９重量％の水素貯蔵容量を有することを特徴とする、請求項１５の水素基幹設備用装置。
【請求項１９】
前記合金粉は、３００℃で１.５分以内にその全容量の８０％を吸収するような吸収反応速度を有することを特徴とする、請求項１８の水素基幹設備用装置。
【請求項２０】
前記合金は、更に０.５〜２.５重量％のＮｉを含むことを特徴とする、請求項１５の水素基幹設備用装置。
【請求項２１】
前記合金は、更に１.０〜４.０重量％のミッシュ・メタルを含むことを特徴とする、請求項２０の水素基幹設備用装置。
【請求項２２】
前記ミッシュ・メタルは、主としてＣｅ、Ｌａ、Ｐｒ、及びＮｄから成ることを特徴とする、請求項２１の水素基幹設備用装置。
【請求項２３】
前記合金は、３〜７重量％Ａｌ、０.１〜１.５重量％Ｙ、及び０.３〜１.５重量％珪素から成る群からの一つ以上の元素と、更に１％までの炭素及び／又は硼素を随意的に含むことを特徴とする、請求項２２の水素基幹設備用装置。
【請求項２４】
前記合金は、９１.０重量％Ｍｇ、０.９重量％Ｎｉ、５.６重量％Ａｌ、０.５重量％Ｙ及び２.０原子％ミッシュ・メタルを含むことを特徴とする、請求項１５の水素基幹設備用装置。
【請求項２５】
前記合金は、９５.６重量％Ｍｇ、１.６重量％Ｎｉ、０.８重量％Ｓｉ及び２.０重量％ミッシュ・メタルを含むことを特徴とする、請求項１５の水素基幹設備用装置。
【請求項２６】
前記合金は、９６重量％Ｍｇ、２重量％Ｎｉ及び３.０重量％ミッシュ・メタルを含むことを特徴とする、請求項１５の水素基幹設備用装置。
【請求項２７】
前記水素配達副装置は、乗物燃料再補給所、家庭消費用配達設備、及び産業／業務消費用配達設備から成る群から選ばれた、少なくとも一つを備えることを特徴とする、請求項１４の水素基幹設備用装置。
【請求項２８】
前記水素配達副装置は、乗物燃料再補給所を備えることを特徴とする、請求項２７の水素基幹設備用装置。
【請求項２９】
前記末端消費副装置は、乗物、家庭、産業及び業務から成る群から選ばれた少なくとも一つを含むことを特徴とする、請求項１４の水素基幹設備用装置。
【請求項３０】
前記末端消費副装置は、乗物を含むことを特徴とする、請求項２９の水素基幹設備用装置。
【請求項３１】
前記乗物は、燃料電池動力車を含むことを特徴とする、請求項３０の水素基幹設備用装置。
【請求項３２】
前記乗物は、内燃動力車を含むことを特徴とする、請求項３０の水素基幹設備用装置。
【請求項３３】
以下の構成から成る複合大量水素貯蔵器／一段金属水素化物水素圧縮機：
ａ）圧力保持容器、前記圧力保持容器は容器に水素を出し入れするための、少なくとも一つの入口／出口通気孔を有する；
ｂ）前記保持容器に配置された水素貯蔵合金、前記水素貯蔵合金は水素の大量貯蔵を提供するのに十分な量が存在し、前記水素貯蔵合金は２５℃以下の温度で５００ｐｓｉ以下のプラトー圧、２００℃以下の温度で１５００ｐｓｉ以上のプラトー圧を有する；及び
ｃ）前記水素貯蔵合金を交互に加熱冷却するための熱管理装置。
【請求項３４】
前記水素貯蔵合金は、２５℃以下の温度で４００ｐｓｉ以下のプラトー圧、２００℃以下の温度で２０００ｐｓｉ以上のプラトー圧を有することを特徴とする、請求項３３の複合大量水素貯蔵器／一段金属水素化物水素圧縮機。
【請求項３５】
前記水素貯蔵合金は、２５℃以下の温度で３００ｐｓｉ以下のプラトー圧、２００℃以下の温度で３６００ｐｓｉ以上のプラトー圧を有することを特徴とする、請求項３３の複合大量水素貯蔵器／一段金属水素化物水素圧縮機。
【請求項３６】
前記水素貯蔵合金は、２５℃以下の温度で２００ｐｓｉ以下のプラトー圧、２００℃以下の温度で５０００ｐｓｉ以上のプラトー圧を有することを特徴とする、請求項３３の複合大量水素貯蔵器／一段金属水素化物水素圧縮機。
【請求項３７】
前記水素貯蔵合金は、約１２℃の温度で約１００ｐｓｉのプラトー圧、約１８０℃の温度で約６０００ｐｓｉのプラトー圧を有することを特徴とする、請求項３３の複合大量水素貯蔵器／一段金属水素化物水素圧縮機。
【請求項３８】
前記水素貯蔵合金は、ＡＢ2合金であることを特徴とする、請求項３３の一段金属水素化物水素圧縮機。
【請求項３９】
前記水素貯蔵合金は、変性されたＴｉ−Ｍｎ2合金であることを特徴とする、請求項３８の一段金属水素化物水素圧縮機。
【請求項４０】
前記水素貯蔵合金は、原子パーセントで２〜５％Ｚｒ、２６〜３２％Ｔｉ、７〜１０％Ｖ、８〜２０％Ｃｒ、３８〜４２％Ｍｎと、１〜６％Ｎｉ、２〜６％Ｆｅ、０.１〜２％Ａｌから成る群から選ばれた少なくとも一つの元素とを含むことを特徴とする、請求項３９の一段金属水素化物水素圧縮機。
【請求項４１】
前記水素貯蔵合金は、１原子パーセントまでのミッシュ・メタルを含むことを特徴とする、請求項４０の一段金属水素化物水素圧縮機。
【請求項４２】
前記水素貯蔵合金は、原子パーセントで３.６３％Ｚｒ、２９.８％Ｔｉ、８.８２％Ｖ、９.８５％Ｃｒ、３９.５％Ｍｎ、２.０％Ｎｉ、５.０％Ｆｅ、１.０％Ａｌ、及び０.４％ミッシュ・メタルを含むことを特徴とする、請求項４１の一段金属水素化物水素圧縮機。
【請求項４３】
前記水素貯蔵合金は、原子パーセントで３.６％Ｚｒ、２９.０％Ｔｉ、８.９％Ｖ、１０.１％Ｃｒ、４０.１％Ｍｎ、２.０％Ｎｉ、５.１％Ｆｅ、及び１.２％Ａｌを含むことを特徴とする、請求項４０の一段金属水素化物水素圧縮機。
【請求項４４】
前記水素貯蔵合金は、原子パーセントで３.６％Ｚｒ、２８.３％Ｔｉ、８.８％Ｖ、１０.０％Ｃｒ、４０.７％Ｍｎ、１.９％Ｎｉ、５.１％Ｆｅ、及び１.６％Ａｌを含むことを特徴とする、請求項４０の一段金属水素化物水素圧縮機。
【請求項４５】
前記水素貯蔵合金は、原子パーセントで４％Ｚｒ、２９.５％Ｔｉ、８.５％Ｖ、１５.０％Ｃｒ、３８％Ｍｎ、５％Ｎｉを含むことを特徴とする、請求項４０の一段金属水素化物水素圧縮機。
【請求項４６】
２５℃以下の温度で５００ｐｓｉ以下のプラトー圧、２００℃以下の温度で１５００ｐｓｉ以上のプラトー圧を有する、大量水素貯蔵合金。
【請求項４７】
前記水素貯蔵合金は、２５℃以下の温度で４００ｐｓｉ以下のプラトー圧、２００℃以下の温度で２０００ｐｓｉ以上のプラトー圧を有することを特徴とする、請求項４６の大量水素貯蔵合金。
【請求項４８】
前記水素貯蔵合金は、２５℃以下の温度で３００ｐｓｉ以下のプラトー圧、２００℃以下の温度で３６００ｐｓｉ以上のプラトー圧を有することを特徴とする、請求項４６の大量水素貯蔵合金。
【請求項４９】
前記水素貯蔵合金は、２５℃以下の温度で２００ｐｓｉ以下のプラトー圧、２００℃以下の温度で５０００ｐｓｉ以上のプラトー圧を有することを特徴とする、請求項４６の大量水素貯蔵合金。
【請求項５０】
前記水素貯蔵合金は、約１２℃の温度で約１００ｐｓｉのプラトー圧、約１８０℃の温度で約６０００ｐｓｉのプラトー圧を有することを特徴とする、請求項４６の大量水素貯蔵合金。
【請求項５１】
前記水素貯蔵合金は、ＡＢ2合金であることを特徴とする、請求項４６の大量水素貯蔵合金。
【請求項５２】
前記水素貯蔵合金は、変性されたＴｉ−Ｍｎ2合金であることを特徴とする、請求項５１の大量水素貯蔵合金。
【請求項５３】
前記水素貯蔵合金は、原子パーセントで２〜５％Ｚｒ、２６〜３２％Ｔｉ、７〜１０％Ｖ、８〜２０％Ｃｒ、３８〜４２％Ｍｎと、１〜６％Ｎｉ、２〜６％Ｆｅ、０.１〜２％Ａｌから成る群から選ばれた少なくとも一つの元素とを含むことを特徴とする、請求項５２の大量水素貯蔵合金。
【請求項５４】
前記水素貯蔵合金は、１原子パーセントまでのミッシュ・メタルを含むことを特徴とする、請求項５３の大量水素貯蔵合金。
【請求項５５】
前記水素貯蔵合金は、原子パーセントで３.６３％Ｚｒ、２９.８％Ｔｉ、８.８２％Ｖ、９.８５％Ｃｒ、３９.５％Ｍｎ、２.０％Ｎｉ、５.０％Ｆｅ、１.０％Ａｌ、及び０.４％ミッシュ・メタルを含むことを特徴とする、請求項５４の大量水素貯蔵合金。
【請求項５６】
前記水素貯蔵合金は、原子パーセントで３.６％Ｚｒ、２９.０％Ｔｉ、８.９％Ｖ、１０.１％Ｃｒ、４０.１％Ｍｎ、２.０％Ｎｉ、５.１％Ｆｅ、及び１.２％Ａｌを含むことを特徴とする、請求項５３の大量水素貯蔵合金。
【請求項５７】
前記水素貯蔵合金は、原子パーセントで３.６％Ｚｒ、２８.３％Ｔｉ、８.８％Ｖ、１０.０％Ｃｒ、４０.７％Ｍｎ、１.９％Ｎｉ、５.１％Ｆｅ、及び１.６％Ａｌを含むことを特徴とする、請求項５３の大量水素貯蔵合金。
【請求項５８】
前記水素貯蔵合金は、原子パーセントで４％Ｚｒ、２９.５％Ｔｉ、８.５％Ｖ、１５.０％Ｃｒ、３８％Ｍｎ、５％Ｎｉを含むことを特徴とする、請求項５３の大量水素貯蔵合金。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願）
本出願は、米国出願番号０９／４３５,４９７号で現特許番号６,１９３,９２９号の一部継続出願である、米国出願番号０９／４４４,８１０号の一部継続出願である。
【０００２】
（技術分野）
本発明は、一般的には水素基幹設備に関する。より詳しくは、このような水素基幹設備における使用のための、大量水素貯蔵装置としても働く、金属水素化物一段圧縮機の有用性について此処に説明されている。これらの圧縮機は、損耗する可動部品のない、安全で、効率的、且つ信頼性のある圧縮機である。これらの圧縮機は、実施例を挙げる目的であって制限するものではないが、内燃機関又は燃料電池車に燃料を再補給するための水素の配達を可能にする。
【背景技術】
【０００３】
以前、米国出願番号０９／４４４,８１０号（開示内容は此処に引用して取り入れてある）において、水素に基づいた経済活動のための水素の完全な発生、貯蔵、輸送及び配達体系について記述した。これは、それまで解決不能と考えられてきた化学的、物理的、電子工学的並びに触媒的障壁を克服した水素貯蔵合金によって可能となった。これらの合金は、オブシンスキー他への、開示内容が此処に引用して取り入れてある、米国特許番号第６,１９３,９２９号に完全に記述されている。この特許は、一般的且つ詳細に亘る、内燃機関及び燃料電池車に動力を供給するなど水素に基づいた経済活動に燃料を供給するための、水素の安全で効率的な貯蔵を可能にするようなきわめて速い反応速度と十分な水素貯蔵容量を併せ持つという未解決な問題を解決した合金に関するものである。「発生源から車輪まで」の完全な基幹設備用装置が、米国出願番号０９／４４４,８１０号の主題である。
【０００４】
‘９２９特許において、発明者等は、約６重量％を超える水素貯蔵容量と驚くべき反応速度とを併せ持つＭｇ基合金の生産について初めて開示した。この革命的な発見は、材料を一つの体系として捕らえ、表面などの必要な触媒活性局所秩序性の環境を提供するような方法で、化学的変性剤及びスタンフォードＲ.オブシンスキーによって開拓された無秩序と局所秩序の原理を利用すること、と同時に貯蔵及び高速充／放電サイクル対して全体積的特性を設計することによって可能となった。言い換えれば、これらの原理は、粒子乃至結晶粒径、トポロジー、表面状態、触媒活性度、顕微鏡的組織、及び貯蔵容量に対する全体的相互作用環境を制御することにより、材料を注文通り仕立てることを可能にした。
【０００５】
水素は、次の千年間の「究極の燃料」であり、且つ無尽蔵である。水素は、宇宙で最も多量に存在する元素であり、水を水素と酸素に分解する多様な方法によって生産可能な、この地球に無尽蔵で清浄なエネルギー源を提供することが出来る。水素は、固体の形で貯蔵し輸送することが出来る。
【０００６】
過去において、水素の燃料又は燃料補助材としての利用について、かなりの注目が払われてきた。世界の石油の備蓄は枯渇することが出来ても、水素の供給は殆ど無尽蔵にとどまる。水素は、石炭、天然ガス及びその他の炭化水素から生産でき、又は、好ましくは、主として水素で構成されてそれ自身が巨大な水素「炉」と考えられる太陽からのエネルギーによって、水の電解により生成することができる。更に、水素は、原子力又は太陽エネルギー、又はその他の形の経済的エネルギー（風力、波力、地熱、など）を用いた水の電気分解などにより、化石燃料を使用しないで生産することが出来る。更に、水素は、本来低費用燃料である。水素は、化学的燃料の中で単位重量当り最も高いエネルギー密度を有し、水素「燃焼」の主な副産物は水であるから本質的に非汚染性である。従って、水素は、気候変動、汚染、石油への戦略的依存、などの世界のエネルギー関連問題を解決する手段であると同時に、発展途上国を支援する手段を提供する。
【０００７】
水素を利用する上での主な問題の一つは、水素を圧縮すると同時に貯蔵するための、簡単な、効率的で、信頼性が高く、且つ費用効果の高い手段の必要性であった。金属水素化物水素圧縮機は、先行技術分野において知られたものである。例えば、米国特許番号第４,０８５,５９０号；第４,４０２,１８７号；第４,５０５,１２０号；及び第４,９９５,２３５号を参照されたい。これらの水素圧縮機は、全て共通の欠点を有し、その一つはエネルギー的に非効率なことである。この理由は、水素を低圧から高（有用な）圧まで圧縮するのに複数の段階を必要とし、これらの各段階がエネルギー効率的でないからである。圧縮の各段階が、加熱及び冷却の繰返しを必要とする。この加熱及び冷却は一サイクル当りに（水素の燃焼による）利用できるエネルギーの五分の一に及ぶ損失がありそれが廃熱となる。従って、一段で水素を低圧から高圧へ圧縮でき、それにより廃棄される熱を最小に出来るような圧縮機を持つことは有用である。
【０００８】
多段圧縮のエネルギー損失に加えて、これらの圧縮機は、水素の大量貯蔵を達成できない。従って、圧縮された水素は、他の貯蔵装置であるガスタンクに貯蔵しなければならない。統合された圧縮と大量貯蔵を提供できないことは、熱損失の問題を悪化させるが、その理由は、有用な量を供給するには圧縮機の各段階で非常に多くのサイクルを行なう必要があるからであり、一方複合貯蔵圧縮装置は、非常に多量の水素を供給するのに一回の加熱／冷却サイクルを必要とするのみである。
加えて、先行技術圧縮機がその圧縮機内に大量貯蔵能をもたせようと試みたとしても、Ｍｍ−Ｎｉ型の合金は本来低い貯蔵容量（１.５重量％未満）を有し、約１５０℃を超える温度でのサイクルは、Ｍｍ合金に非常に安定な水素化物を形成させ、それ以上サイクルが続かなくなる。それ故、これらの装置は、高圧の場合に要求される高温での信頼性がない。
【０００９】
従って、この技術分野において、安全な、効率的で、信頼性が高く、費用効果があり、且つ大量の高圧水素を貯蔵且つ配達できる複合大量貯蔵圧縮装置の緊急で極めて重要な必要性が存在する。本発明の複合大量貯蔵／金属水素化物水素一段圧縮機は、先行技術の限界を克服するものである。
【発明の開示】
【００１０】
本発明の目的は、複合大量貯蔵器／金属水素化物一段圧縮機、並びにそれに用いる水素貯蔵合金を包含している。本発明は、更に、複合大量水素貯蔵器／金属水素化物一段圧縮機を取り入れた水素輸送／配達基幹設備を包含している。複合大量水素貯蔵器／金属水素化物水素一段圧縮機は、１）容器に水素を出し入れするための、少なくとも一つの入口／出口通気孔を有する圧力保持容器；２）保持容器に配置された水素貯蔵合金、水素貯蔵合金は水素の大量貯蔵を提供するのに十分な量が存在し、水素貯蔵合金は２５℃以下の温度で５００ｐｓｉ以下のプラトー圧、２００℃以下の温度で１５００ｐｓｉ以上のプラトー圧を有する；及び３）水素貯蔵合金を交互に加熱冷却するための熱管理装置を備えている。
【００１１】
より好ましいのは、２５℃以下の温度で４００ｐｓｉ以下のプラトー圧、２００℃以下の温度で２０００ｐｓｉ以上のプラトー圧を有する合金である。  更に一層好ましい合金は、２５℃以下の温度で３００ｐｓｉ以下のプラトー圧、２００℃以下の温度で３６００ｐｓｉ以上のプラトー圧を有する。更に好ましい合金は、２５℃以下の温度で２００ｐｓｉ以下のプラトー圧、２００℃以下の温度で５０００ｐｓｉ以上のプラトー圧を有する。最も好ましい合金は、約１２℃の温度で約１００ｐｓｉのプラトー圧、約１８０℃の温度で約６０００ｐｓｉのプラトー圧を有する。
【００１２】
正確に言えば、水素貯蔵合金は、変性されたＴｉ−Ｍｎ2型合金などのＡＢ2型合金であり、原子パーセントで２〜５％Ｚｒ、２６〜３２％Ｔｉ、７〜１０％Ｖ、８〜２０％Ｃｒ、３８〜４２％Ｍｎと、１〜６％Ｎｉ、２〜６％Ｆｅ、０.１〜２％Ａｌから成る群から選ばれた少なくとも一つの元素とを含む。合金は、１原子パーセントまでのミッシュ・メタルを更に含むこともある。これらの合金の例は、原子パーセントで：１）３.６３％Ｚｒ、２９.８％Ｔｉ、８.８２％Ｖ、９.８５％Ｃｒ、３９.５％Ｍｎ、２.０％Ｎｉ、５.０％Ｆｅ、１.０％Ａｌ、及び０.４％ミッシュ・メタル；２）３.６％Ｚｒ、２９.０％Ｔｉ、８.９％Ｖ、１０.１％Ｃｒ、４０.１％Ｍｎ、２.０％Ｎｉ、５.１％Ｆｅ、及び１.２％Ａｌ；３）３.６％Ｚｒ、２８.３％Ｔｉ、８.８％Ｖ、１０.０％Ｃｒ、４０.７％Ｍｎ、１.９％Ｎｉ、５.１％Ｆｅ、及び１.６％Ａｌ；及び４）４％Ｚｒ、２９.５％Ｔｉ、８.５％Ｖ、１５.０％Ｃｒ、３８％Ｍｎ、５％Ｎｉを含む。
【００１３】
水素輸送／配達基幹設備用装置は、少なくとも１）水素を精製し、圧縮する水素精製／圧縮副装置；及び２）水素を末端消費者に配達する水素配達副装置；を備えており、此処で、前記副装置の一方又は両方は、本発明の複合大量水素貯蔵器／金属水素化物水素一段圧縮機を取り入れている。
【００１４】
水素輸送／配達基幹設備用装置は、更に、ａ）電力発生副装置；ｂ）水素生成に前記電力発生副装置の電力を用いる水素発生副装置；ｃ）前記水素精製／圧縮副装置からの精製且つ圧縮された水素を金属水酸化物貯蔵タンク内に貯蔵する水素貯蔵副装置；ｄ）金属水酸化物貯蔵タンク内の貯蔵水素を輸送する水素輸送副装置；及びｅ）前記水素配達副装置から配達水素を受け取り且つその水素を消費する末端消費副装置；を備えることがある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明は、複合大量貯蔵器／金属水素化物一段圧縮機、其処で有用な合金、並びに複合貯蔵器／圧縮機を用いた水素輸送／配達基幹設備から構成される。以下では、「複合大量貯蔵器／金属水素化物一段圧縮機」、「複合貯蔵器／圧縮機」、及び「圧縮機」という用語は、同義語として用いられる。最も簡単な概念的形態で圧縮機５１が図１に示されている。圧縮機は、圧力保持容器５３内に配置された水素貯蔵合金５２からなる。圧縮機は更に、低圧水素で（合金は冷却される）充填されているか又は貯蔵された水素が放出（合金は加熱される）のために圧縮されているかによって、水素貯蔵合金を交互に加熱及び冷却する熱管理装置５４を備えている。圧縮機は更に、水素がそれを通過して水素貯蔵合金５２へ／から供給／放出される、入口／出口も備えている。
【００１６】
熱管理装置５４は、貯蔵合金に熱を加えたり放出させたりし得る限りにおいては、この技術分野で知られる如何なる型の装置であってもよい。熱管理装置は、貯蔵装置とは別の装置として図１には描写されているが、必ずしも別装置である必要はない。実際、熱管理装置５４の一体化は、加熱冷却の均一性をもたらす。本発明の圧縮機で特に有用な一体化された熱管理装置の一つの型が、“HYDROGEN STORAGE BED SYSTEM INCLUDING AN INTEGRATED THERMAL MANAGEMENT SYSTEM”と題され、その開示内容は此処に引用して取り入れてある２０００年１２月２０日出願の米国出願番号第０９／７４２,８２７号において開示されている。
【００１７】
圧力容器５３は、圧縮機５１の作動温度において水素の平衡圧に耐える如何なる材料又は複数の材料から作製してもよい。材料は、貯蔵された水素及び水素貯蔵合金と非反応性でなければならず、装置の典型的な作動温度にも耐えなければならない。材料はまた通り抜ける水素の拡散を防がねばならず、容器の寿命の続く間は水素脆性に対いし不感性でなければならない。温度及び時間は、当然のことながら用いられる特定の貯蔵合金５２に依存する。此処で開示した合金においては、典型的には圧力は５００バールまでの範囲、温度は２００℃までの範囲をとり得る。圧力容器５３用の典型的な構造材料は、ステンレス鋼のような金属を含む。圧力容器５３は、また容器を絶縁材料から構成したり、又は金属などの熱伝導性材料の外面又は内面を絶縁することにより、熱的に絶縁することも出来る。圧力容器５３を絶縁するか否かは、圧力容器を通しての外部からの加熱及び冷却が採用されるか否かに依存する。外部からの加熱及び冷却がある場合は、圧力容器５３を絶縁することは、その目的に反する。圧力容器５３は、炭素繊維強化エポキシ材料などの繊維強化ポリマー体材料から、単独又は他の材料と組合せて（即ち、多層圧力容器）、作ることも出来る。このような繊維強化ポリマー体及び多層構造材料の利点は、重量の節減である。
【００１８】
一般的に、本発明の複合貯蔵器／圧縮機において有用な大量水素貯蔵合金５２は、２５℃以下の温度で５００ｐｓｉ以下のプラトー圧、２００℃以下の温度で１５００ｐｓｉ以上のプラトー圧を有するものである。より好ましいのは、２５℃以下の温度で４００ｐｓｉ以下のプラトー圧、２００℃以下の温度で２０００ｐｓｉ以上のプラトー圧を有する合金である。  更に一層好ましい合金は、２５℃以下の温度で３００ｐｓｉ以下のプラトー圧、２００℃以下の温度で３６００ｐｓｉ以上のプラトー圧を有する。更に好ましい合金は、２５℃以下の温度で２００ｐｓｉ以下のプラトー圧、２００℃以下の温度で５０００ｐｓｉ以上のプラトー圧を有する。最も好ましい合金は、約１２℃の温度で約１００ｐｓｉのプラトー圧、約１８０℃の温度で約６０００ｐｓｉのプラトー圧を有する。
【００１９】
水素貯蔵合金は、一般的にはＡＢ2型合金であり、より正確に言えば変性されたＴｉＭｎ2型合金である。本発明の複合貯蔵器／圧縮機に有用な特定の合金族は、原子パーセントで２〜５％Ｚｒ、２６〜３２％Ｔｉ、７〜１０％Ｖ、８〜２０％Ｃｒ、３８〜４２％Ｍｎ；及び１〜６％Ｎｉ、２〜６％Ｆｅ、０.１〜２％Ａｌから成る群から選ばれた少なくとも一つの元素である。合金は、約１原子パーセントまでのミッシュ・メタル（Ｍｍ）を更に含むこともある。この族に入る三つの特定の合金は、（原子パーセントで）
【表１】
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【００２０】
図３は、表１の三合金のファントホッフ・グラフ表示である。特に、解放された水素の平衡（プラトー）圧力（対数目盛で）が１０００／Ｔ（ここでＴは合金のケルビン温度である）の関数としてグラフ表示されている。三つの曲線はＯｖ５３９（記号●）；Ｏｖ５８６（記号▲）；Ｏｖ５８７（記号◆）に対応する。見てわかるように、全合金が０℃の温度で１３５ｐｓｉ（９バール）未満の平衡（プラトー）圧、３０℃の温度で約１８０ｐｓｉ（１４バール）未満の平衡圧を有する。これらの合金は、更に約１８０℃の温度で約４０００ｐｓｉ（２７０バール）を超える平衡圧を有する。
【００２１】
本発明のＡＢ2型合金は、少なくとも１.６５重量％の、より好ましくは少なくとも１.９重量％の、最も好ましくは少なくとも２.２重量％の水素貯蔵容量を有している。
【００２２】
本発明の合金は発火性でもあり得るが、“NON-PYROPHORIC HYDROGEN STORAGE ALLOYS”と題され、その開示内容が此処に引用して取り入れてある、２００１年６月４日出願の、オブシンスキー他への米国出願番号第  −  号において、オブシンスキー他により開示された、原子レベルの巧みな処理の原理を用いて、もし必要ならば非発火性とすることも出来る。
【００２３】
図２は、水素燃料再補給所の様式的描写であり、如何にして水素が圧縮機５１（貯蔵装置としても働く）からポンプで送られるか、如何にして乗物の貯蔵装置４１内で発生した水素化物生成熱が捕捉され、補給所の水素化物圧縮機／貯蔵床５１に送られて、水素の圧縮と解放のために水素貯蔵合金を加熱するのを助けるか、を特に示している。さらに具体的には、高圧水素は、計器４３から水素供給配管４４ａを通り、乗物水素貯蔵床４０へ分配される。その水素の一部乃至全部が、床内の水素貯蔵合材料に吸収され、それによって水素化物生成熱を放出する。熱は、過剰な水素流量、又は冷却水など別の形の冷却法によって除去される。熱は貯蔵床４０を離れ、高温冷却水復帰配管４５ａを経由して計器４３へ運ばれる。次いで冷却水は、計器４３から冷却水復帰配管４５ｂを経由して補給所圧縮機／水素貯蔵床５１へと運ばれる。高温冷却水は、圧縮機内の水素貯蔵材料にその熱を放出して、貯蔵された水素の適切な圧縮及び解放の維持に必要な熱（脱水素化物化熱）を与えるのを助ける。解放された水素は、水素供給配管４４ｂを経由して計器４３へ供給され、究極的には乗物水素貯蔵床４０へ送られる。この方法は、比較的高い圧力下で乗物貯蔵床４０の非常に速い充填を可能にし、放出された熱の空費及び床４０の過熱を防止する。
【００２４】
水素燃料再補給所は、乗物の貯蔵タンクからの廃熱を用いて圧縮機を加熱することとの関連で説明したが、他の圧縮機の加熱源及び乗物の貯蔵タンクの冷却源を用いてもよいことに注目すべきである。例えば、もし水素が改質処理により現場で生成されるならば、改質処理からの廃熱が圧縮機を加熱するのに使用できる。廃熱が利用できないときは、天然ガス又は電気加熱も利用できる。加えて、乗物の貯蔵タンクを冷却するのに、例えば燃料再補給所の水道設備などの水を使用できる。水道は、再充填時に圧縮機から熱を除去するのにも用いることが出来、更に速くて大容量の再充填には液体窒素も使用できる。
【００２５】
図２は地下タンクとして圧縮機を描いてあるように見えるが、既に充填した状態で燃料再補給所にトラックで運び込まれる運搬可能な装置であっても良いということに注目すべきである。これは、周囲温度では水素の圧力が非常に低いからである。本発明の圧縮機の特別有利な点の一つは、改質装置又は電気分解装置からの水素を直接使用して、低圧（１５０〜４００ｐｓｉ）で充填できることである。
【００２６】
一般に、基幹設備体系は、ある体系内の副装置で発生した廃熱がそれ以外の副装置内で回収され再利用されるような、水素生産／配達体系である。従って、全体系の熱エネルギー収支は、最も効率的な熱エネルギーの利用を目標として最適化される。図４は、水素の発生／貯蔵／輸送／配達に用いる完全な基幹設備体系の様式的描写であるが、それが一方では水素生態系を可能にするものである。この基幹設備体系が高いエネルギー効率のものであるためには、非常に速い反応速度を有する大容量、低費用、軽量オボニック熱的水素貯蔵合金材料が、水素を貯蔵するのに用いられる。この装置は、以下の副装置を備えている：１）電力発生３１；２）水素発生３２；３）水素精製圧縮３３；４）水素化物床内での水素貯蔵３４；５）トラック、列車、荷船、などによる水素化物床の輸送３５；６）水素配達網３６；及び７）水素の末端消費３７。この基幹設備全体を通して、水素化物生成熱（即ち、Ｍ ＋1/2Ｈ2 → ＭＨ ＋ 熱）は、水素源水素化物床から水素を解放するため、又は水素／電力発生のためなどの再利用のために回収される。此処で使われているように、用語「廃熱」は、周囲環境へ普通は失われるか放棄されるような、基幹設備の何れかの工程中で発生する使用可能な如何なる形の熱をも一般に意味する。
【００２７】
（熱交換／熱回収）
上で触れたように、全基幹設備及び全ての副装置に亘る重要な一面は、多くの関連する工程によって発生する熱の回収と再利用である。これは、水素化物床を加熱して貯蔵水素を解放するのに追加すべきエネルギー負担を軽減し、廃熱を効率的に利用して、熱を環境中に放出する必要を無くする。
【００２８】
このような熱回収の一つは、副装置３１、３２、３３及び３４を組合せて使用される。熱が回収される第一の場所は、水素が水素化物床内に貯蔵される時に副装置内で発生する発熱水素化物反応からである。この廃熱は必要に応じて他の副装置へも移送され、例えば、副装置３１で電力を発生するために、又は副装置３２で水素を製造するために、又は必要ならば、副装置３３で水素を圧縮又は精製するために移送できる。副装置３３における水素の精製及び圧縮での過剰な熱は、副装置３１又は３２へ移送されることも可能である。
【００２９】
熱回収の次の場所は、副装置３４から副装置３５への水素の移送においてである。これは、水素は、副装置３４では据付け式貯蔵タンク内に貯蔵され、副装置３５での輸送のために可搬式タンクへ移送されることを仮定している。副装置３５内での水素化物生成熱は、副装置３４の水素化物床を加熱して貯蔵水素を解放するのに利用することができる。
【００３０】
更に、副装置３５から副装置３６への水素の移送において、熱回収が採用されることがあり得る。再び、ここでは、水素は副装置３５の可搬式タンクに貯蔵され、副装置３６の配達網における据付け式タンクへ移送されることを仮定する。副装置３６における水素化物生成熱は、副装置３５の水素化物床を加熱して貯蔵水素を解放するのに利用することができる。
【００３１】
最後に、副装置３６から副装置３７への水素移送において、熱を回収することが出来る。副装置３６における水素化物生成熱は、副装置３５の水素化物床を加熱して貯蔵水素を解放するのに利用することができる。勿論、一つの副装置からもう一つの副装置への水素の局所的な移送はあるが、局所的の輸送管による水素配達はないものと仮定する。
【００３２】
この熱交換（即ち、吸収が起きている水素化物床を冷却する）を実施する最も有用で且つ簡単な方法は、大流量水素ガス冷却によるものである。例えば、水素が水素化物床に吸収されている時に、過剰の水素ガスが床を通して流し、水素化物生成熱を運び去る。冷却／熱伝達から成るこの方法は、床設計を簡単にし、別の冷媒導管を必要としない。
【００３３】
（電力発生副装置３１）
水素発生／貯蔵／輸送／配達体系の第一段階は、電力の発生である。どのように水素が生産されるにしろ、何らかのエネルギー源が必要とされる。「非汚染」エネルギー源の例は、風力、太陽光、地熱、波力、水力、海洋熱エネルギー変換（ＯＴＥＣ）エネルギーを含む。それ以外のエネルギー源は、炭化水素又は石炭、石油、天然ガスなどの化石燃料の燃焼、及び原子力による電力の生成を含む。個々の手段又はそれらの組合せの如何なるものでも、必要なエネルギーを生成するのに十分である。生産するのに最も都合の良いエネルギーの形態は、通常は電気的なものであろうが、その理由は、電気的エネルギーが他の形態のエネルギーに容易に変換され、且つ水素と酸素を形成するための水の直接電気分解に役立つからである。
【００３４】
電力を生成するのに最も有用な手段は、太陽エネルギーによるものである。例えば、米国特許番号第４,６７８,６７９号（その開示内容は此処に引用して取り入れてある）に発表されたような、経済的で、軽量な三重接合非晶質シリコン太陽電池（本発明者等の一人である、スタンフォードＲオブシンスキーが先駆者となった発明）は、容易に水源の近傍に設置でき、その本来の高い開路電圧が水をその成分ガスに電気分解して、生成した水素を収集するのに使用することが出来る。またこれらの高効率太陽パネルを、近くの農場に、水中又は陸上に配置することによって。電力を発生して、水素を輸送し、金属水素化物床中へポンプで入れることが出来る。
【００３５】
（水素発生副装置３２）
一旦電力発生副装置３１で電力が発生すると、その電力の少なくとも一部が水素を発生するのに用いられる。商業的基盤での水素生産に対して現在用いられている考えは、天然ガスの水蒸気改質、石油製品の部分酸化及び水の電気分解である。これらの体系において、好ましい方法（現在最も経済的な方法ではないが）は、水の電気分解である。この方法が好ましい理由は、出発材料が水と電気であって、両者とも完全に回復可能だからであり、何故なら水素の「燃焼」の副産物は水であり、電気は回復可能なエネルギー源（即ち、太陽光、風、地熱、波、など）から生産されるからである。一方、炭化水素の改質または部分酸化は、熱エネルギーと水に加えて、枯渇する炭化水素源を使用する。
【００３６】
電気分解の有用な型の一つは、固体ポリマー電解質電解である。この方法は、従来の水素生産方法より高い効率を持ち低費用であると期待されている。ポリマー体イオン交換膜が電解質として用いられ、電極は直接膜に取り付けられる。この技術を用いて、高いエネルギー効率が達成される。アルカリを用いないで、純粋な水を循環水として使うことは、従来のアルカリ水電解法よりも設備の維持を容易にする。
【００３７】
水素を生産するもう一つの方法は、光電気分解によるものである。電気化学的電池において光陽極を用いる水素の発生は、電解液中に少なくとも一つの対向電極を必要とする。電気化学的電池は、光陽極と一緒に、光陰極又は従来の金属陰極の何れかを利用してもよい。電解液は酸性、アルカリ性の何れでもよい。電解液が酸性の場合、対向電極での反応は：
（ａ）２Ｈ＋＋２ｅ- → Ｈ2
この反応は、十分な電子が利用できる場合、暗闇でも進行する。光陽極において、反応は：
（ｂ）Ｈ2Ｏ ＋２Ｈ＋  → ２Ｈ＋  ＋1/2Ｏ2
電解液がアルカリ性の場合、対向電極での反応は：
（ｃ）Ｈ2Ｏ ＋ｅ- → 1/2Ｈ2 ＋ＯＨ-
光陽極での反応は：
（ｄ）２ＯＨ- ＋２Ｈ＋→ Ｈ2Ｏ ＋1/2Ｏ2
例として、ｎ型半導体光陽極が光に曝された場合、電子は価電子帯から伝導帯へ励起され、価電子帯に空孔を伝導体に自由電子を生ずる。光陽極で生成した電子は外部の電気的接続によって対向電極に導かれ、そこで電子は電解液中の水分子の水素イオンと結合して、水素ガスを生成する。光陽極では、電子は溶液中のヒドロキシ・イオンから供給され、光陽極の励起電子により生成された空孔を満たして、酸素を放出する。
【００３８】
光陽極における電子と空孔の間の良好な電荷分離を生じさせるために、例えば０.５ボルトの正電位が伝導及び価電子帯を曲げるために印加される。これは、光エネルギーの吸収に際して伝導体へ励起された電子が、価電子帯に生成された空孔と再結合するのを妨げるような、電場を生じさせる。バンドを曲げることは、励起された電子を電気回路内に、空孔を光陽極の表面に向かわせ、其処で電解液から供給されるヒドロキシ・イオンとより容易に結合できる。
【００３９】
Ｈ2Ｏ／Ｈ2エネルギー準位よりも陰性の強い伝導帯準位を有する半導体を選ぶことによって、水の電気分解は、太陽エネルギーのみを使用して達成できる。反応の電極電位の少なくとも一部は光によって供給されて、外の電力源から必要とするエネルギーを低減することが出来る。
【００４０】
最適効率のためには、光陽極として利用される半導体は、その電解液に適当なフェルミ準位を有する約１.５〜１.７ｅＶの範囲のバンド・ギャップを有するべきである。ｎ型半導体では、半導体が１.５ｅＶより僅かに大きいバンド・ギャップを有する時に、水の電気分解は最も良好に進行する。電子が水の中に拡散して熱平衡を達成するように、小さな仕事関数も同様に望ましいものである。これにより半導体のエネルギー・バンドを電解液の界面近くで上に曲がらせる。入射光はこれにより半導体に吸収され、電子−空孔対を生成する。光励起された空孔は、内部電場により半導体−電解液界面に向かって加速される。丁度なエネルギーで空孔が水に注入されると、酸性又はアルカリ性の何れの系が用いられたかに依存して、等式ａとｂ又はｃとｄで前に説明した反応に従って、酸素が光陽極近傍で放出され、水素は対向電極近傍で放出される。このような光電気分解装置で使用するための特別な光電極は、両方とも本発明の譲受人に譲渡された米国特許番号第４,５１１,６３８号及び第４,６５６,１０３号に記述されており、その開示内容は此処に引用して取り入れてある。
【００４１】
電気分解及び／又は改質処理によって生産された水素は、水素ガスの現場生産及び／又は可搬式圧縮機装置に対して特に有用な本発明の圧縮機装置内に容易且つ直接に貯蔵することが出来る。
【００４２】
（水素精製及び圧縮副装置３３）
水素発生副装置で水素が生産されると、それは精製される必要があり（即ち、有害、又は不活性な成分の除去が必要）、配達又は貯蔵のために圧縮される必要がある。水素を精製する最も有用な方法は、適当な水素濾過装置を通すことである。典型的な濾過装置は、水素は通過させるが、その他のガスが通過するのは妨げる。こういった種類の濾過装置は、Ｐｄ合金から又はより好ましくは（費用を考慮して）低費用の水素貯蔵材料から作製できる。即ち、従来の濾過装置は非常に高価であって、低費用で効率的にガス流から水素を濾過するオボニック水素貯蔵材料によって容易に置き換えられる。このような濾過装置に加えて、それ以外の有用な水素精製装置の構成要素は、酸素及び／又は水の不純物除去剤である。
【００４３】
圧縮については、水素は、此処までに説明した本発明の複合大量貯蔵容器／金属水酸化物一段圧縮機を用いて圧縮される。本発明の圧縮機は、直接水素を精製はしないということに注目すべきである。また水素の貯蔵と圧縮は、ある場合にはこの副装置を貯蔵及び輸送副装置と組合せたような、単一装置の中で行なうことが出来る。
【００４４】
（水素貯蔵副装置３４）
水素が副装置３３で精製され圧縮されると、その水素は貯蔵しなければならない。上で説明したように、最も経済的で安全な水素を貯蔵する方法は、固体水素化物の形態においてである。合金は、典型的には「床」の形で貯蔵タンク内に収納される。水素は貯蔵タンク内にポンプで入れられて、水素化物合金に吸収され、水素が必要となる時まで貯蔵される。
【００４５】
以下の説明ではマグネシウム合金を用いた輸送用装置内での水素の貯蔵を考察するが、本貯蔵器／圧縮機装置も、ある場合には好ましい貯蔵装置（輸送に対してさえも）として働くことが出来る。
【００４６】
一般に、別個の貯蔵装置内での輸送に有用な合金は、約９０重量％を超えるマグネシウムを含み、且つ少なくとも一つの変性剤元素を含有する。この少なくとも一つの変性剤元素は、少なくとも６重量％の水素を貯蔵可能であり、３００℃において５分以内に水素の全貯蔵容量の少なくとも８０％を吸収できるマグネシウム基合金を形成する。より好ましくは、変性された合金は、少なくとも６.５重量％の水素を貯蔵し、３００℃において２分以内に水素の全貯蔵容量の８０％を吸収できる。最も好ましくは、変性された合金は、少なくとも６.９重量％の水素を貯蔵し、３００℃において１.５分以内に水素の全貯蔵容量の８０％を吸収できる。変性剤元素は、主としてＮｉ及びＭｍ（ミッシュ・メタル）を含み、Ａｌ、Ｙ及びＳｉなどの添加元素も含んでよい。従って、合金は典型的に０.５〜２.５重量％のニッケル及び約１.０〜４.０重量％のＭｍ（主にＣｅ、Ｌａ、Ｐｒ、及びＮｄを含む）を含有する。この合金は更に、３〜７重量％のＡｌ、０.１〜１.５重量％のＹ及び０.３〜１.５重量％の珪素の一つ以上を含むこともある。また、炭素及び／又は硼素などの少量（１％まで）の軽元素を合金に任意に添加して、触媒活性部位の数を増やすこともある。幾つかの実施例が、好ましい水素貯蔵合金を例示するのに役立つ。
【００４７】
（実施例１）
組成：９１.０重量％Ｍｇ、０.９重量％Ｎｉ、５.６重量％Ａｌ、０.５重量％Ｙ及び２.０原子％Ｍｍを有し、ＦＣ−１０と呼ぶことにした変性マグネシウム合金が製造された。個々の原料合金元素がグローブ・ボックス中で混合された。混合物は、黒鉛坩堝中に置かれ、坩堝は炉の中に置かれた。坩堝は、その底に、取外しできる窒化硼素の棒で栓をした２.０ｍｍの窒化硼素の開口を有していた。炉は非常に低い圧力まで排気して、アルゴンで三回洗浄した。炉内のアルゴンの圧力は、１ｐｓｉまで上げて、炉が６００℃に加熱されるまでこの圧力に保った。融成物が出来たら、窒化硼素の棒が引き上げられ、アルゴンを圧力下で炉中に注入した。溶融合金は、黒鉛坩堝から窒化硼素の開口を通して、水冷されていない水平に回転する銅製の回転円盤の上へ流出させた。約１０００ｒｐｍで回転する回転円盤は、溶融合金を凝固させて粒子にし、粒子は回転する円盤を覆う銅製の水冷覆いで跳ね返って、ステンレス鋼の皿の中へ落ち其処で徐々に冷却される。凝固した合金の片状粉の五グラムを１００Ｍｇの黒鉛粉砕助剤と混合した。混合物は、機械的に３時間粉砕した。粉砕された合金は次いで篩い分けて分級し、３０と６５ミクロンの間の粒径を有する材料を回収した。この合金は、約６.５重量％水素の貯蔵容量を有し、約３００℃の温度において５分未満に最大容量の８０％を吸収する。この合金特性のそれ以外の詳細は以下に呈示されている。
【００４８】
（実施例２）
組成：９５.６重量％Ｍｇ、１.６重量％Ｎｉ、０.８重量％Ｓｉ及び２.０重量％Ｍｍを有し、ＦＣ−７６と呼ぶことにした変性マグネシウム合金が製造された。この合金は、実施例１と同じ方法で形成されたが、炉の温度は８５０℃で、開口寸法は２.５ｍｍであった。この合金は、約６.９重量％水素の貯蔵容量を有し、約３００℃の温度において１.５分未満に最大容量の８０％を吸収する。この合金特性のそれ以外の詳細は以下に呈示されている。
【００４９】
（実施例３）
組成：９５重量％Ｍｇ、２重量％Ｎｉ及び２.０重量％Ｍｍを有し、ＦＣ−８６と呼ぶことにした変性マグネシウム合金が製造された。この合金は、実施例１と同じ方法で作られたが、炉の温度は７５０℃で、円盤回転速度は１４００ｒｐｍであった。この合金は、約７重量％水素の貯蔵容量を有し、約２７５℃の温度において２.３分未満に最大容量の８０％を吸収する。この合金特性のそれ以外の詳細は以下に呈示されている。
【００５０】
これらの水素貯蔵合金は、大貯蔵容量と優れた吸収／脱着反応速度の組み合わせにおいて独特のものである。水素貯蔵材料の合金組成及び粒径の両者が反応速度に重大な影響を及ぼす。即ち、材料の反応速度は（特定の組成には関係なく）粒径が小さくなるほど改善される。特に、７０ミクロン以下の粒径を有する材料が最も有用である。更に正確に言えば、３０〜７０ミクロンの粒径が、容易に製造できるという状況を保ちつつ、優れた反応速度を与える。粒径を大きくすることは製造を容易にするが、材料の反応速度を極度に低下させ、一方粉砕によって粒径を小さくすることは、これらＭｇ基合金の高い靭性のために困難である。事実、これらの合金は効率的に粉砕するには靭性が大きすぎるために、工業的に大量の微粒合金を製造するのに気相アトマイジング法の利用が必要と考えられる。このような合金に関してもう一つの注目すべき重要な点は、純粋なマグネシウム水素化物粉とは反対に、これらの微粉砕された粉体は空気中で自然発火して燃えることはない。しかし、もし望まれるなら、粒子は保護するが水素は通過させる材料（炭素、ニッケル又はポリマー体材料など）の単原子層で、粒子を被覆することも出来る。
【００５１】
図５は、水素貯蔵合金が燃料電池及び内燃機関を推進するのに必要な反応速度をもつために、このような合金に要求される性質の図式的、様式的描写であり、これらの概念を概略的に図示している。特に、図５は、表面核生成に加えて、如何に体積内核生成がＨ2の２Ｈへの解離に対する触媒部位の数を増加させることが出来るかを示している。更に、表面核生成部位のみを有する粒子は先ず表面層に水素を吸着するので、一種の「障壁」が表面に生成して水素のそれ以上の吸収を遅らせる。従って、必要なのは、この表面「障壁」を迂回して直接粒子内部への水素の吸収を可能にする方法である。
【００５２】
小さい粒子は、結晶性固体と非晶質固体との間のギャップを橋渡しする独特の性質を有する、即ち、小さな幾何学的寸法が新しい物理的性質を生じさせる。５０オングストロームの粒子は「ほとんどが表面」であり、それによって新しいトポロジー的配置と特異な結合の立体配置とを生じるということに注目すべきである。また、５０オングストローム粒子内の全原子の２１％が表面にあり、そのうえに４０％が表面から一原子以内に存在する。従って、多元素、微細組織合金における組成的無秩序は、小さい粒子、例えば５０オングストロームの粒子、において大きくなり、１０元素合金の各元素は単に統計的理由から濃度で３％の変動を示すことになる。この様に小さな粒子の場合、量子力学的閉じ込め効果は明白であり、バンド構造効果は乱される。
【００５３】
この局所的な化学的且つ電子的環境を原子のレベルで巧みに処理する能力は、このような環境が粒子内に体積内核生成をもたらすことを可能にする。本発明者等は、局所的な化学的且つ電子的環境を、原子レベルで巧みに処理し且つ注文通りに仕立てるという原理を適用することによって、マグネシウムは、貯蔵水素の経済的回収を可能にするような著しく増大された反応速度を有し、６重量％を超える水素を貯蔵するように変性することが出来ることを発見した。増大された反応速度は、低い温度での水素の解放を可能にし、従って水素基盤エネルギー体系における金属水素化物貯蔵の実用性を増加させる。このように、これら合金は商業的に実行可能な、低費用、軽量の水素貯蔵材料を提供する。
【００５４】
図６は、マグネシウム基水素貯蔵合金の水素化物化に及ぼす表面核生成の影響を確証する走査電顕像である。図６の材料は、最初は表面核生成部位でのみ水素を吸収し、水素はその後に粒子の内部へ拡散しなければならない。特に、図６は、表面水素化物化（核生成）２１のみが起こっている粒子２０を示す。図６及び７において、明るい領域は材料の水素化物化されていない部分であり、暗い領域は材料の水素化物化された部分であるということに注目すべきである。
【００５５】
一方図７は、体積内核生成（及びそれに伴う触媒活性部位）の影響を確証する走査電顕像である。図７の材料は、最初に体積内核生成部位で水素を吸収するので、水素はより簡単に粒子の内部まで吸収され得る。特に、図７は、体積２３の内部での水素化物化（触媒的核生成部位による）を明示しているもう一つの粒子２２を示す。
【００５６】
表面及び体積内核生成の両者を提供する局所的な化学的電子的環境を原子レベルで巧みに処理するこの技術は、熱的水素貯蔵材料に適用されてきたが、他の材料に適用してその特性に影響を及ぼすことが出来る。例えば、一般的な水素貯蔵材料（即ち、電気化学的又は熱的）、並びに材料一般に適用することが出来る。特に望ましい材料は、高速で冷却された多元素材料である。それらは、典型的には１００オングストローム以下の結晶粒径を有する１００ミクロン以下の寸法の微粒材料である。
【００５７】
図８は、合金ＦＣ−１０の２７９℃（記号○で示す）、３０６℃（記号▲で示す）及び３３５℃（記号△で示す）における圧力−組成−温度（ＰＣＴ）曲線のグラフである。グラフは、この合金が２７９℃で１０５０トル、３０６℃で２２００トル、及び３３５℃で４３００トルのプラトー圧を有することを示している。ＰＣＴ曲線は、ＦＣ−１０合金が約６.５重量％水素の最大容量、及び約７０ｋＪ／モルの水素結合エネルギーを有することを示す。
【００５８】
図９は、合金ＦＣ−７６の２７８℃（記号■で示す）、２９３℃（記号◆で示す）及び３２０℃（記号▲で示す）におけるＰＣＴ曲線のグラフである。グラフは、この合金が２７８℃で７５０トル、２９３℃で１１００トル、及び３２０℃で２４００トルのプラトー圧を有することを示している。ＰＣＴ曲線は、ＦＣ−７６合金が約６.９重量％水素の最大容量、及び約７５ｋＪ／モルの水素結合エネルギーを有することを示す。
【００５９】
図１０は、ＦＣ−７６合金の吸収反応速度のグラフ表示である。特に、３つの温度２７５℃（記号◇）、３００℃（記号○）、及び３２５℃（記号△）における重量％水素吸収対時間の関係がグラフ表示されている。見て分かるように、２７５℃でこの合金は１.３分以内に全容量の８０％を吸収し、３００℃でこの合金は１.４分以内に全容量の８０％を吸収し、３２５℃でこの合金は２.０分以内に全容量の８０％を吸収する。
【００６０】
図１１は、ＦＣ−７６合金の脱着反応速度のグラフ表示である。特に、３つの温度２７５℃（記号□）、３００℃（記号○）、及び３２５℃（記号△）における、重量％水素脱着対時間の関係がグラフ表示されている。見て分かるように、２７５℃でこの合金は８.０分以内に全容量の８０％を脱着し、３００℃でこの合金は３.４分以内に全容量の８０％を脱着し、３２５℃でこの合金は２.５分以内に全容量の８０％を脱着する。
【００６１】
図１２は、ＦＣ−８６合金の吸収反応速度のグラフ表示である。特に、３つの温度２３０℃（記号◇）、２４０℃（記号○）、及び２７５℃（記号＊）における重量％水素吸収対時間の関係がグラフ表示されている。見て分かるように、２３０℃でこの合金は５.２分以内に全容量の８０％を吸収し、３００℃でこの合金は２.４分以内に全容量の８０％を吸収し、３２５℃でこの合金は２.３分以内に全容量の８０％を吸収する。
【００６２】
図１３は、二つの異なった粒径を有するＦＣ−７６合金粉の吸収反応速度のグラフ表示である。粒径範囲７５〜２５０ミクロン（記号○）、及び３２〜６３ミクロン（記号◇）を有する材料について、重量％水素吸収対時間の関係がグラフ表示されている。見て分かるように、小さい粒径は吸収反応速度を著しく向上させる。
【００６３】
図１４は、本発明による７重量％貯蔵容量オボニック熱的水素吸収合金の場合の、３００℃における吸収（記号■）及び脱着（記号●）ＰＣＴ曲線のグラフ表示である。この材料は大きなヒステリシスが全く無いことに注目すべきである。即ち、吸収された殆ど水素の全てが脱着に際して回収される。従ってこの合金における水素貯蔵は完全に可逆的である。
【００６４】
上述の実施例における水素貯蔵合金粉の形成法は、高速凝固とそれに続く粉砕であったが、ガス・アトマイゼーション法を使用してもよい。材料が粉砕される場合は、アトライターを使用するのが好ましい粉砕方法である。これらの合金を粉砕する場合、炭素のような粉砕補助剤の添加が特に有用である。
【００６５】
水素貯蔵副装置３４は、水素を貯蔵するための金属水素化物水素貯蔵手段を容器又はタンク内に備えている。一つの実施形態において、貯蔵手段は、支持手段に物理的に結合された前述の水素貯蔵合金材料から構成される。一般に、支持手段は、貯蔵合金材料を保持できるような如何なる構造の形態をもとることが出来る。支持手段の実例は、網状物、格子状物、マット、箔、気泡体、及び板を含むがこれらに限定されるわけではない。これらはそれぞれ金属又は非金属のいずれであってもよい。
【００６６】
支持手段は、必要な熱伝達機構を提供できるような適切な熱力学的性質を有する多様な材料から形成することが出来る。これらは金属と非金属の両者を含んでいる。好ましい金属は、Ｎｉ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｆｅ及びこれらの混合物又は合金からなる群からのものを包含する。金属から形成できる支持手段の実施例は、金属線網状物、エキスパンド金属、及び気泡体化された金属を含む。
【００６７】
水素貯蔵合金材料は、圧縮固化及び／又は焼結処理により支持手段に物理的に結合することが出来る。合金材料は、先ず微細粉に転換される。粉体は次いで支持手段上へ圧縮固化される。圧縮固化処理は、粉体を支持手段に接着させ、支持手段と一体化させる。圧縮固化された後に、合金粉で充填された支持手段は予熱され、次いで焼結される。予熱処理は、過剰な湿気を除去して、合金粉の酸化を防止する。焼結は、高温の、水素を含む殆ど不活性な雰囲気下で行なわれる。温度は十分に高く、支持手段への合金材料の結合は勿論、合金材料の粒子同士の結合も促進する。
【００６８】
支持手段／合金材料は、多くの異なった構成で容器／タンク内に収納される。図１５は、支持手段／合金材料が、渦巻状にコイルに巻かれている構成を示す。図１６は、支持手段／合金材料が、複数の積層された円板として容器内で組み立てられている別の構成を示す。その他の構成もまた可能である（例えば、積層板）。
【００６９】
支持手段の上へ合金材料を圧縮固化し且つ焼結することは、合金材料の充填密度を向上させ、それにより水素貯蔵装置の熱力学的特性及び反応速度を改善する。支持手段と合金材料の間の密着した接触は、水素が吸収されたり脱着したりする時に、水素貯蔵合金の中へ又はそれから外への熱伝達の効率を改善する。加えて、容器内全体に亘る支持手段の均一な分布は、合金材料の床全体に亘っての均一な温度および熱の分布を与える。このことは、全体に亘っての水素の吸収および脱着の速度をより均一なものとし、従ってより効率的なエネルギー貯蔵装置を生成する。
【００７０】
合金粉体のみ（支持手段を用いない）を水素貯蔵床に用いる場合の一つの問題点は、粒径が小さくなることによる自己圧縮固化の問題である。即ち、水素化物化及び脱水素化物化のサイクルが繰り返される際、水素を吸収し脱着する時に合金材料は膨張し収縮する。ある合金は、材料の結晶格子中への水素の導入とそれからの解放の結果として、体積で２５％まで膨張且つ収縮することが見出されている。合金材料の寸法変化の結果として、割れが生じ、破壊されて次第に細かい粒子へと分割される。サイクルを繰り返したの後で、微粒子自己圧縮固化は、貯蔵容器の壁に向かう方向の高い応力及び、非効率な水素の移行の原因にもなる。
【００７１】
しかし、支持手段に合金材料を取り付けるのに用いられた方法は、吸収及び脱着サイクルに際し、合金粒子が支持手段に強固に結合しているばかりでなく粒子相互間にも強固に結合された状態に保つ。更に、容器内に支持手段が緊密に充填されていることは、材料の膨張、収縮、及び破壊に際して、合金粒子を固定位置に保持するための機械的支持体としても作用する。
【００７２】
（水素輸送副装置３５）
副装置３４で、水素化物タンク内、又は貯蔵器／圧縮機内に水素が貯蔵されると、水素はある地点から他の地点へと輸送することが必要となる。これは、水素化物化された水素貯蔵合金の充満した貯蔵タンクの従来法による輸送により達成される。これらのタンクは火災や爆発の危険からは完全に安全であるので、従来の輸送手段で運ぶのは簡単なことである。これらは、トラック、列車、小舟、荷船の何れか又は全部による輸送を含む。タンクは従来の方法で、タンク収納枠その他の輸送機関へ固定するための手段を用いて、取扱ったり積み込んだりできる。
【００７３】
（水素配達網副装置３６）
副装置３５で水素が輸送された後、配達網に届けられる。この配達網は、乗物燃料再補給所を含む水素貯蔵施設、家庭用配達業者、及び工業／業務用配達業者を包含している。水素タンクが（小舟、荷船、トラック、列車、などにより）到着すると、水素は二つの方法中の一つで取り扱うことが可能である。第一は、貯蔵タンク（又はボンベなど）は、配達業者に物理的に荷降ろしされ（又はトラック牽引車が後に残されてもよい）、水素が既に配達されて空になったタンクが燃料再補給のために回収出来る。別法としは、水素は、配達業者の所在地において、輸送された貯蔵タンクから固定貯蔵タンク（また好ましくは水素貯蔵床）へ移される。
【００７４】
配達副装置３５は、本発明の複合大量貯蔵器／金属水素化物一段圧縮機を備えることができ、図２の水素燃料再補給所を備えることも出来るが、両者は上で説明してある。
【００７５】
（水素末端消費副装置３７）
最後に、配達網３６の施設で貯蔵されている水素は、最終消費者に送られる。最終消費者の用途は、乗物に動力を与えることであることもあり、その場合消費者は上で説明したような燃料再補給所で乗物に再充填する。最終消費は、既に天然ガスを使用しているような家庭での用途（例えば、暖房、温水、衣料乾燥、料理、など）であることもある。この場合、水素は家庭に届けられて其処の水素化物貯蔵タンクに貯蔵されるか、又は水素は局所的配管配達網を介して家庭内に配管される（長距離の圧力必要条件や水素の損失という理由で、全国的な配達網よりも非常に経済的）。最後に、末端消費は工業的乃至は業務的な性質のものの場合がある。この場合もこの消費者への選択肢は、現場への配達と其処での貯蔵、又は局所的な配管での配達である。
【００７６】
（水素動力内燃機関及び燃料電池車）
本発明の合金、貯蔵材料体系、及び基幹設備は、多くの用途に対する水素の供給源として有用である。このような用途の一つは自動車の分野である。特に、基幹設備体系は、自動車へ水素を供給する手段として用いられ、貯蔵装置は、これらの車輌の内燃機関（ＩＣＥ）又は燃料電池（ＦＣ）用の水素源として使用できる。
【００７７】
図１７は、ＩＣＥ車のための水素ガス供給装置を概略表示しており、水素エンジン１に水素ガスを供給するためのものである。装置は、水素ガス貯蔵部２と、エンジン１から放出されたエンジン廃熱（排気ガス又はエンジン冷却水として）を水素ガス貯蔵部２へ導くエンジン廃熱伝達供給路３とを有している。更に装置は、水素貯蔵材料を加熱するのに用いられたエンジン冷却水をエンジン１に戻すための帰路４と、使用済みの排気ガスを解放するための排気ガス通気孔７とを備えている。装置は更に、水素ガスを水素ガス貯蔵部２からエンジン１へ導く水素ガス供給路５を備えている。エンジン廃熱伝達供給路３は、水素ガス貯蔵部２へ導入される廃熱の温度を調節する温度調節部６を備えている。このような装置を用いて、ＩＣＥ内部で発生した廃熱は、ＩＣＥで使用する水素を解放するため水素貯蔵材料を加熱するのに効率的に利用することが出来る。
【００７８】
図１８は、ＦＣ車用の水素ガス供給装置を概略表示しており、燃料電池８に水素ガスを供給するためのものである。装置は、水素ガス貯蔵部１２と、燃料電池の廃熱及び燃料電池８から放出された未使用水素を水素ガス燃焼器１０へ導く燃料電池廃熱／水素伝達供給路９とを有している。燃料電池からの廃熱は、加熱されたガス又は加熱された水溶性電解液の形をとる。水素ガス燃焼器１０は、燃料電池８からの廃熱を用いて、並びに水素を燃焼させることによって、熱伝達媒体（燃料電池からの水溶性電解液の形が好ましい）を加熱する。水素は、燃料電池８からの未使用水素によって、並びに水素供給配管１４を経由して水素貯蔵装置１２から供給される新鮮水素によって、燃焼器１０へ供給される。加熱された熱伝達媒体は、供給配管１３を経由して水素貯蔵装置１２へ供給される。装置はまた、水素貯蔵材料を加熱するのに用いられた燃料電池水溶性電解液を燃料電池８に戻すための帰路１６と、使用済みの燃焼器ガスを解放するための排気ガス通気孔１５とを備えている。装置は更に、水素ガス貯蔵部１２からの水素ガスを燃料電池８へ導く水素ガス供給路１１を備えている。
【００７９】
本発明は、好ましい実施形態及び方法との関連において説明したが、説明した実施形態及び方法に発明を限定することは意図されていないということが理解されるべきである。逆に、以下に添付された特許請求の範囲によって規定された発明の精神と範囲内に包含される全ての代替物、修正物並びに等価物を網羅することが意図されている。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】本発明の複合大量貯蔵器／金属水素化物一段圧縮機の様式的描写である。
【図２】本発明の複合大量貯蔵器／金属水素化物一段圧縮機を取り入れた水素燃料再補給所の様式的描写である。
【図３】本発明の複合大量貯蔵器／金属水素化物一段圧縮機用として有用な三つの水素貯蔵合金のファントホッフ・グラフ表示である。
【図４】本発明の複合大量貯蔵器／金属水素化物一段圧縮機が使用されている本発明の水素の発生／貯蔵／輸送／配達に用いる完全な基幹設備体系の様式的描写である。
【図５】水素貯蔵合金が望ましい反応速度をもつために合金に要求される性質の、図式的、様式的描写であり、特に表面核生成と体積内核生成の対比が描写されている。
【図６】マグネシウム基水素貯蔵合金の水素化物化に際しての、表面核生成のみの影響を示す走査電顕像。
【図７】マグネシウム基水素貯蔵合金の水素化物化に際しての、体積内核生成のみの影響を示す走査電顕像。
【図８】合金ＦＣ−１０の３つの異なる温度における圧力・組成・温度（ＰＣＴ）曲線のグラフである。
【図９】合金ＦＣ−７６の３つの異なる温度におけるＰＣＴ曲線のグラフである。
【図１０】ＦＣ−７６合金の吸収反応速度のグラフ表示であり、特に３つの異なった温度における重量％水素吸収に対する時間の関係がグラフ表示されている。
【図１１】ＦＣ−７６合金の脱着反応速度のグラフ表示であり、特に３つの異なった温度における重量％水素脱着に対する時間の関係がグラフ表示されている。
【図１２】ＦＣ−８６合金の吸収反応速度のグラフ表示であり、特に３つの異なった温度における重量％水素吸収に対する時間の関係がグラフ表示されている。
【図１３】二つの異なった粒径を有するＦＣ−７６合金粉の吸収反応速度のグラフ表示である。
【図１４】７％マグネシウム基オボニック熱的水素吸収合金の場合の、吸収及び脱着ＰＣＴ曲線のグラフ表示であり、特にこの材料に大きなヒステリシスが無いことに注目すべきである。
【図１５】水素貯蔵合金材料と結合される、渦巻状にコイルに巻いた支持手段を示す図である。
【図１６】水素貯蔵合金材料と結合される複数の積層された板として組み立てられた支持手段を示す図である。
【図１７】内燃機関車に動力を与えるための水素ガス供給装置を概略表示する図である。
【図１８】燃料電池車に動力を与えるための水素ガス供給装置を概略表示する図である。
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１７】
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【図１８】
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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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