(57)【要約】  本発明は、水素化可能材料を含む水素貯蔵、水素貯蔵の製造方法、及び水素貯蔵の製造装置に関する。【選択図】図１【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素化可能材料と、１種以上のポリマーを含むマトリックスとを含む水素貯蔵手段。
【請求項２】
前記水素化可能材料の割合が好ましくは５０体積％超〜９８体積％であり、前記マトリックスの割合が好ましくは複合材料の２体積％以上〜５０体積％であることを特徴とする請求項１に記載の水素貯蔵手段。
【請求項３】
前記ポリマーの密度が０．７ｇ／ｃｍ３〜１．３ｇ／ｃｍ３、特には０．８ｇ／ｃｍ３〜１．２５ｇ／ｃｍ３の範囲であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の水素貯蔵手段。
【請求項４】
前記ポリマーの引張強さが１０〜１００ＭＰａ、特には１５〜９０ＭＰａの範囲であることを特徴とする請求項１、請求項２、又は請求項３に記載の水素貯蔵手段。
【請求項５】
前記ポリマーがＥＶＡと、ＰＭＭＡと、ＥＥＡＭＡと、これらのポリマーの混合物と、を含む群から選択されることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の水素貯蔵手段。
【請求項６】
前記マトリックスが異なる炭素多形をさらに含み、前記マトリックスが膨張天然黒鉛及び／又は非膨張黒鉛をさらに含むことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の水素貯蔵手段。
【請求項７】
前記マトリックスが、放熱化合物を生成するための熱伝導金属材料を含むことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の水素貯蔵手段。
【請求項８】
各成分の割合が、前記マトリックスと前記水素化可能材料とを含む前記複合材料の長さにわたって変化することを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の水素貯蔵手段。
【請求項９】
前記複合材料が圧密化されていることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の水素貯蔵手段。
【請求項１０】
前記複合材料が、最低でその最大圧密度の２０％、最高でその最大圧密度の９２．３６％で圧密化されていることを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の水素貯蔵手段。
【請求項１１】
少なくとも気体透過性領域、熱伝導性領域、及び／又は水素貯蔵領域のそれぞれを含む、異なる主要機能を有する領域を有することを特徴とする請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の水素貯蔵手段。
【請求項１２】
水素化可能材料とマトリックスとを含む水素貯蔵手段の製造方法であって、前記マトリックスがポリマーを含み、前記水素化可能材料を前記マトリックスに組み込むことで水素を貯蔵する複合材料を形成することを特徴とする方法。
【請求項１３】
主に気体透過性領域、熱伝導性領域及び水素貯蔵領域を前記水素貯蔵手段内に形成するために、プレス装置内で前記マトリックス及び前記水素化可能材料の制御された配置が行われることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記水素化可能材料が、前記マトリックスに組み込まれる前に、貯蔵のために、既に少なくとも一度水素を吸収していることを特徴とする請求項１２又は請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記マトリックスに強固に組み込まれた前記水素化可能材料のサイズは水素貯蔵時に、特には前記水素化可能材料の粒子の崩壊に伴い、縮小する一方、前記マトリックスは少なくとも大部分が破壊されずにとどまることを特徴とする請求項１２、請求項１３、又は請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
水素貯蔵手段、好ましくは請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載の水素貯蔵手段を、より好ましくは請求項１２から請求項１５のいずれか１項に記載の方法により製造する装置であって、
空洞であって、前記水素貯蔵手段の１以上の個別材料が、好ましくは投入可能な粉末材料の形態で、第１炭素多形と別の第２炭素多形とを混和可能なミキサによって、導入される、空洞と、
さらに、前記第１炭素多形用の第１供給部と、前記第２炭素多形用の第２供給部と、前記水素化可能金属及びポリマー用の供給部と、
を有することを特徴とする装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素化可能材料とポリマーマトリックスとを含む水素貯蔵手段、水素貯蔵手段の製造方法、及び水素貯蔵手段の製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
２１世紀における主要な課題の１つは代替エネルギー源の提供である。周知のように、鉱油又は天然ガスのような化石エネルギーキャリアの資源は限られている。ここで注目されている代替物が水素である。水素（Ｈ２）そのものはエネルギー源ではなく、まず、他のエネルギー源を利用した準備が必要である。例えば太陽エネルギー手段による直接的な発電とは対照的に、水素は貯蔵、輸送することができる。さらに、水素は様々な方法、例えば燃料電池又は直接燃焼によりエネルギーに戻すことができる。発生する唯一の廃棄物は水である。しかしながら、可燃性が高いこと、及び空気と混合すると爆発性が高い水素／酸素混合物になることが水素を取り扱う際の欠点である。
【０００３】
したがって、輸送用の貯蔵、又は貯蔵自体を安全に行うことが大きな課題である。
【０００４】
水素は全ての気体の中で最も小さい分子を有することから、水素貯蔵手段に貯蔵したり取り出したりすることが容易ではない。米国特許出願公開第２００６／００３０４８３（Ａ１）号明細書には、水素貯蔵手段として中空のマイクロビーズが記載されている。米国特許出願公開第２０１２／００７７０２０（Ａ１）号及び米国特許出願公開第２０１３／０１３６６８４（Ａ１）号明細書には、水素貯蔵手段におけるマトリックス材料としての炭素の使用が開示されている。電池の電極における水素の貯蔵がドイツ特許第６００３０２２１（Ｔ２）号明細書で説明されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００６／００３０４８３（Ａ１）号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２０１２／００７７０２０（Ａ１）号明細書
【特許文献３】米国特許出願公開第２０１３／０１３６６８４（Ａ１）号明細書
【特許文献４】ドイツ特許第６００３０２２１（Ｔ２）号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、従来技術より優れた性質、特にはより長い寿命を有する水素貯蔵手段を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１の特徴を有する水素貯蔵手段、請求項１２の特徴を有する水素貯蔵手段製造方法、及び請求項１４の特徴を有する水素貯蔵手段製造装置が提案される。有利な特徴、構成及び発展が、以下の説明、図及び請求項から、構成の個々の特徴を限定することなく明らかにされる。むしろ、ある構成の１つ以上の特徴を別の構成の１つ以上の特徴と組み合わせてさらに別の構成を得ることができる。とりわけ、各独立請求項をそれぞれ互いに組み合わせることもできる。独立請求項における表現を、本願発明の主題を限定するものとみなすべきではない。したがって、請求項の表現の１つ以上の特徴は入れ替えたり省略したり、さらに追加されたりもし得る。特定の実施例に関連して記載された特徴を、一般化した形態で用いたり、あるいは同様にそれらを他の実施例、特には応用例で用いたりすることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】水素貯蔵手段の詳細を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明は、水素化可能材料と、この水素化可能材料を埋め込んだマトリックスとを含む水素貯蔵手段に関し、ここでマトリックスは１種以上のポリマーを含む。マトリックスと水素化可能材料とが共に複合材料を形成する。
【００１０】
「水素貯蔵手段」とは、水素を貯蔵可能な貯蔵容器のことである。水素の貯蔵は、水素を保存し貯蔵する慣用的な方法を用いて行うことができ、例えば、圧縮機で圧縮することによる圧力容器での貯蔵のような圧縮ガス貯蔵、又は、冷却及び圧縮による液化形態での貯蔵のような液化ガス貯蔵で行うことができる。水素貯蔵の別の形態は固体又は液体をベースとしたものであり、例えば水素と金属又は合金との化合物として貯蔵するような金属水素化物貯蔵手段、又は高多孔質材料内での水素吸蔵が挙げられる。加えて、水素の貯蔵及び輸送については、一時的に水素を有機物に結合させることで、周囲圧力で貯蔵可能な「化学結合水素」と称される液状化合物にする水素貯蔵手段も考えられる。
【００１１】
水素貯蔵手段は、例えば、水素と反応して水素化物（金属水素化物）を生成する金属又は合金を含み得る。この水素貯蔵方法は水素化とも称され、熱を放出しながら進行する。したがって、これは発熱反応である。水素化で貯蔵した水素は脱水素で再度放出させることができる。脱水素は吸熱反応であるため、ここでは熱の供給が必要となる。したがって、対応する水素貯蔵手段は２つの極限状態を有し得る。（１）水素貯蔵材料に水素が完全に充填され、材料が完全に水素化物の形態である、（２）水素貯蔵材料が水素を全く貯蔵しておらず、材料が金属又は合金の形態である。
【００１２】
「複合材料」とは、２種以上の材料を組み合わせて構成される複合材のことである。この場合、第１材料（本発明の場合は水素化可能材料）が第２材料であるマトリックスに埋め込まれる。マトリックスは開口気孔又は閉鎖気孔を有し得る。マトリックスは好ましくは多孔質である。一方の材料を他方の材料に埋め込むことにより、例えば、埋め込まなければ個々の成分だけが有していた補助的な材料特性が得られる。複合材料の特性に関しては、成分の物理的性質及び形状が重要である。特に、サイズ効果がしばしば重要である。結合は、例えば、粘着的方法、又は、形状の一致による方法、又はこれらの組み合わせにより実現される。これにより、例えば、マトリックスにおける水素化可能材料の固定した位置決めを可能にすることができる。
【００１３】
１種以上のポリマーに加えて、マトリックスは１種以上の別の成分、例えば熱伝導及び／又は気体伝導のための材料、を含み得る。
【００１４】
本発明において、マトリックスは、１種以上のポリマーを含み得ることから、高分子マトリックスと称される。したがって、マトリックスは１種のポリマー、又は２種以上のポリマーの混合物を含み得る。マトリックスは好ましくは１種のポリマーのみを含む。とりわけ、マトリックスそのものが水素貯蔵性であってよい。例えば、エチレン（ポリエチレン、ＰＥ）が利用可能である。チタン−エチレン化合物の利用が好ましい。好ましい構成において、チタン−エチレン化合物は１４重量％以下の水素を貯蔵できる。
【００１５】
「ポリマー」とは、高分子と称され、構成繰り返し単位と称される同一又は同等の単位から成る直鎖又は分岐した分子から構成される化合物のことである。合成ポリマーは一般にプラスチックである。
【００１６】
１種以上のポリマーを使用することで、マトリックスは材料に良好な光学的、機械的、熱的及び／又は化学的性質を付与することができる。例えば、水素貯蔵手段は、このポリマーのおかげで、良好な熱安定性、周囲の媒質への耐性（耐酸化性、耐食性）、良好な伝導性、良好な水素吸収／貯蔵能、又はポリマーがなければ実現し得ない、例えば機械的強度のような他の性質を有し得る。例えば水素の貯蔵はできないが大きく膨張可能なポリマー、例えばポリアミド又はポリビニルアセテートの使用も可能である。
【００１７】
本発明において、ポリマーはホモポリマー又はコポリマーであってよい。コポリマーは、２種以上の異なるタイプのモノマー単位から構成されるポリマーである。３種の異なるモノマーから成るコポリマーはターポリマーと称される。本発明において、ポリマーは、例えば、ターポリマーも含み得る。
【００１８】
ポリマー（ホモポリマー）は、炭素及び水素に加えて、硫黄と、酸素と、窒素と、リンとから選択される１種以上のヘテロ原子を含むモノマー単位を有することが好ましく、得られるポリマーが、例えばポリエチレンとは対照的に、完全に無極性ではないことが好ましい。塩素と、臭素と、フッ素と、ヨウ素と、アスタチンとから選択される１種以上のハロゲン原子も存在してよい。ポリマーは、１種以上のモノマー単位が、炭素及び水素に加えて、硫黄と、酸素と、窒素と、リンとから選択される１種以上のヘテロ原子、及び／又は、塩素と、臭素と、フッ素と、ヨウ素と、アスタチンとから選択される１種以上のハロゲン原子を含む、コポリマー及び／又はターポリマーであることが好ましい。２種以上のモノマー単位が、対応するヘテロ原子及び／又はハロゲン原子を有してもよい。
【００１９】
ポリマーは水素貯蔵材料に対して付着性を有することが好ましい。つまり、ポリマーが水素貯蔵材料そのものに良好に付着することで、水素貯蔵中に生じる応力下にあっても水素貯蔵材料に安定性高く付着するマトリックスを形成する。
【００２０】
ポリマーの付着性によって、材料を水素貯蔵手段に安定的に浸透させ、また、材料を水素貯蔵手段の定められた位置に最長時間、すなわち、数サイクルの水素貯蔵及び水素放出にわたって位置決めすることが可能になる。サイクルとは、１回の水素化とそれに続く脱水素の作業を指す。水素貯蔵材料は、好ましくは、材料を経済的に使用できるように、５００サイクル以上、特には１０００サイクル以上にわたって安定であるべきである。本発明の文脈における「安定」とは、貯蔵可能な水素量と水素貯蔵速度とが、５００又は１０００サイクル後であっても水素貯蔵手段の使用開始時の値に略一致することを意味する。とりわけ、「安定」とは、水素化可能材料が最初に導入された水素貯蔵手段内の少なくともほぼ同じ位置で維持されることを意味する。「安定」とは、特には、微小な粒子が粗大な粒子から分離および除去される分離作用がサイクル中に起きないことであると理解されるべきである。
【００２１】
本発明の水素貯蔵材料は特には低温水素貯蔵材料である。したがって、発熱過程である水素貯蔵の間、温度は最高１５０℃に達する。対応する水素貯蔵材料のマトリックスに使用するポリマーはこれらの温度で安定でなくてはならない。したがって、好適なポリマーは１８０℃以下、特には１６５℃以下、特には１４５℃以下で分解されない。
【００２２】
とりわけ、ポリマーの融点は、１００℃以上、特には１０５℃以上であり、かつ１５０℃未満、特には１４０℃未満、とりわけ１３５℃以下である。好ましくは、ＩＳＯ１１８３に準拠して２０℃で求められるポリマー密度は０．７ｇ／ｃｍ３以上、特には０．８ｇ／ｃｍ３以上、好ましくは０．９ｇ／ｃｍ３以上であるが１．３ｇ／ｃｍ３以下、好ましくは１．２５ｇ／ｃｍ３以下、特には１．２０ｇ／ｃｍ３以下である。ＩＳＯ５２７に準拠した引張強さは好ましくは１０〜１００ＭＰａの範囲、特には１５〜９０ＭＰａの範囲、より好ましくは１５〜８０ＭＰａの範囲である。ＩＳＯ５２７に準拠した引張弾性率は好ましくは５０〜５０００ＭＰａの範囲、特には５５〜４５００ＭＰａの範囲、より好ましくは６０〜４０００ＭＰａの範囲である。驚くべきことに、これらの機械的性質を有するポリマーは特に安定性が高く且つ良好な加工性を有することが判明している。とりわけ、マトリックスと、マトリックスに埋め込まれた水素化可能材料との間で安定した密着が可能にするため、水素化可能材料は数サイクルにわたって水素貯蔵手段内の同じ位置に留まる。これにより水素貯蔵手段の寿命は長くなる。
【００２３】
より好ましくは、本発明において、ポリマーはＥＶＡ、ＰＭＭＡ、ＥＥＡＭＡ及びこれらのポリマーの混合物から選択される。
【００２４】
ＥＶＡ（エチルビニルアセテート）とは、ビニルアセテートの割合が２〜５０重量％の範囲であるエチレンとビニルアセテートとのコポリマー群のことである。ビニルアセテートの割合が低いと剛性のフィルムが形成され、割合が高いとポリマーの付着性が高くなる。典型的なＥＶＡは室温で固体であり且つ最高７５０％の引張伸びを有する。加えて、ＥＶＡは応力亀裂に耐性がある。ＥＶＡは以下の一般式（Ｉ）を有する。
【００２５】
【化１】
2017523105.tif 000002
【００２６】
本発明におけるＥＶＡは好ましくは０．９〜１．０ｇ／ｃｍ３（ＩＳＯ１１８３に準拠）の密度を有する。ＩＳＯ５２７に準拠した降伏応力は特には４〜１２ＭＰａ、好ましくは５〜１０ＭＰａの範囲、とりわけ５〜８ＭＰａである。とくに適切なものは、１２ＭＰａ超、特には１５ＭＰａ超であり、かつ５０ＭＰａ未満、特には４０ＭＰａ未満、とりわけ２５ＭＰａ以下である引張強さ（ＩＳＯ５２７に準拠）を有するＥＶＡである。破断伸び（ＩＳＯ５２７に準拠）は特には３０％超又は３５％超、とりわけ４０％超又は４５％超、好ましくは５０％超である。引張弾性率は好ましくは３５〜１２０ＭＰａの範囲、とりわけ４０〜１００ＭＰａ、好ましくは４５〜９０ＭＰａ、特には５０〜８０ＭＰａである。適切なＥＶＡは、例えばＡｘａｌｔａ  Ｃｏａｔｉｎｇ  Ｓｙｓｔｅｍｓ  ＬＬＣから商品名Ｃｏａｔｈｙｌｅｎｅ（登録商標）ＣＢ  ３５４７で販売されている。
【００２７】
ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）は、以下の一般構造式（ＩＩ）を有する合成透明熱可塑性ポリマーである。
【００２８】
【化２】
2017523105.tif 000003
【００２９】
ガラス転移温度は、モル質量に応じて約４５〜１３０℃である。軟化温度は好ましくは８０〜１２０℃、特には９０〜１１０℃である。熱可塑性コポリマーは、耐候性、耐光性、及び耐ＵＶ性に優れる。
【００３０】
本発明におけるＰＭＭＡの密度は好ましくは０．９〜１．５ｇ／ｃｍ３（ＩＳＯ１１８３に準拠）、特には１．０〜１．２５ｇ／ｃｍ３である。特に適しているのは、３０ＭＰａ超、好ましくは４０ＭＰａ超、特には５０ＭＰａ超であり、かつ９０Ｍｐａ未満、特には８５ＭＰａ未満、とりわけ８０ＭＰａ以下の引張強さ（ＩＳＯ５２７に準拠）を有するＰＭＭＡである。破断伸び（ＩＳＯ５２７に準拠）は特には１０％未満、とりわけ８％未満、好ましくは５％未満である。引張弾性率は好ましくは９００〜５０００ＭＰａの範囲、好ましくは１２００〜４５００ＭＰａ、特には２０００〜４０００ＭＰａである。適切なＰＭＭＡは例えばＴｅｒ  Ｈｅｌｌ  Ｐｌａｓｔｉｃｓ  ＧｍｂＨ（ドイツ、ボーフム）から商品名７Ｍ  Ｐｌｅｘｉｇｌａｓ（登録商標）ペレットで販売されている。
【００３１】
ＥＥＡＭＡは、エチレン、アクリル酸エステル及び無水マレイン酸モノマー単位から形成されるターポリマーである。ＥＥＡＭＡは、モル質量に応じて約１０２℃の融点を有する。好ましくは２０℃で（ＤＩＮ５３２１７／ＩＳＯ２８１１）１．０ｇ／ｃｍ３以下であり０．８５ｇ／ｃｍ３以上の相対密度を有する。適切なＥＥＡＭＡは、例えば、Ａｘａｌｔａ  Ｃｏａｔｉｎｇ  Ｓｙｓｔｅｍｓ  ＬＬＣから商品名Ｃｏａｔｈｙｌｅｎｅ（登録商標）ＴＢ３５８０で販売されている。
【００３２】
好ましくは、複合材料は本質的に水素貯蔵材料とマトリックスとを含む。複合材料の総重量を基準としたマトリックスの重量割合は好ましくは１０重量％以下、特には８重量％以下、より好ましくは５重量％以下であり、好ましくは１重量％以上、特には２〜３重量％以上である。マトリックスの重量割合を最小限にすることが望ましい。
【００３３】
マトリックスが水素を貯蔵できるとしても、水素貯蔵能は水素貯蔵材料そのもののものほど高くない。しかしながら、まず水素貯蔵材料の酸化を低レベルにとどめる、又は酸化を完全に防止することで材料粒子間の密着性を確保するために、マトリックスは必要である。
【００３４】
マトリックスは結晶化度の低いポリマーであることが好ましい。ポリマーの結晶化度は材料の性質を大きく変化させる可能性がある。半結晶性材料の性質はポリマーの結晶質領域及び非晶質領域の両方により決定される。その結果、同様に２種以上の物質から形成されている複合材料との間には一定の関係がある。例えば、マトリックスの膨張能は密度の上昇と共に低下する。
【００３５】
マトリックスは、プリプレグの形態もとり得る。プリプレグは「予備含浸繊維（Ｐｒｅｉｍｐｒｅｇｎａｔｅｄ  Ｆｉｂｅｒｓ）」の英略語である。プリプレグはポリマーを予備含浸させた準完成布地製品であり、部品製造のために熱及び圧力により硬化される。適切なポリマーは、粘性は高いが重合していない熱硬化性ポリマーマトリックスを有するものである。本発明で好ましいポリマーは、プリプレグの形態もとり得る。
【００３６】
プリプレグ中に存在する繊維は、純粋な単方向層として、織地又はスクリムとして存在し得る。プリプレグは、本発明において、細かく砕き、フレーク又は削り屑として水素化可能材料と共に加工して複合材料にもされ得る。
【００３７】
本発明の１つの態様において、ポリマーは、水素化可能材料と接触する液体の形態をとり得る。ここでの「液体」の１つの意味は、ポリマーが溶融していることである。しかしながら、ポリマーが適切な溶媒に溶解されていることも本発明の範囲に含まれ、この場合は、複合材料の製造後、例えば蒸発により溶媒を再度除去する。しかしながら、ポリマーは、水素化可能材料と混合されるペレットの形態をとることも可能である。複合材料の圧密化の結果として、ポリマーは軟化し、水素化可能材料を埋め込むマトリックスが形成される。ポリマーを粒子、すなわちペレットの形態で使用するならば、３０〜６０μｍの範囲、特には４０〜４５μｍのｘ５０粒径（体積に基づいた粒径）を有することが好ましい。ｘ９０粒径は特には９０μｍ以下、好ましくは８０μｍ以下である。
【００３８】
水素化可能材料は水素を吸収し、必要に応じて再度放出することができる。好ましい実施形態において、材料は任意の三次元形態の粒状材料を含み、例えば粒子、ペレット、繊維、好ましくは切断繊維、フレーク及び／又は他の形状である。とりわけ、材料はシート又は粉末の形態もとり得る。この場合、材料は必ずしも一様な形態を有さない。むしろ、形態は規則的又は不規則であってよい。本発明における粒子は、例えば、事実上球形の粒子、また不規則で角のある外形を有する粒子である。表面は滑らかであってよいが、材料の表面が粗さ、及び／又は凸凹、及び／又はくぼみ、及び／又は隆起を有していてもよい。本発明において、水素貯蔵手段は、１種だけの特定の三次元形態の材料を含み得るため、材料の粒子は全て同じ空間的広がりを有する。しかしながら、水素貯蔵手段が異なる形態／形状の材料を含むことも可能である。材料が多様な形状又は形態を有することで、材料は多様な水素貯蔵手段で使用することができる。
【００３９】
好ましくは、材料は中空体、例えば１つ以上の空洞部を有する及び／又は中空形状を有する粒子、例えば中空繊維又は中空チャネルを有する押出成形体を含む。「中空繊維」とは、１本以上の連続的な空洞部を断面に有する円筒形繊維のことである。中空繊維を使用することで、複数本の中空繊維を組み合わせて中空繊維膜を得ることが可能であり、その結果、高い多孔性によって、水素の吸収及び／又は材料からの水素の放出を容易にすることができる。
【００４０】
好ましくは、水素化可能材料は二峰性のサイズ分布を有する。このようにして、水素貯蔵手段における水素化可能材料のバルク密度ひいては密度を高めることができ、それにより水素貯蔵能、すなわち貯蔵手段中に貯蔵できる水素の量は向上する。
【００４１】
本発明において、水素化可能材料は、１種以上の水素化可能金属及び／又は１種以上の水素化可能合金を含んでよく、好ましくはこれらから構成されてよい。
【００４２】
使用されるその他の水素化可能材料は、
-アルカリ土類金属及びアルカリ金属アラネート、
-アルカリ土類金属及び水素化ホウ素アルカリ金属、
-金属−有機構造体（ＭＯＦ）及び／又は
-クラスレート、
並びに、当然ながら、それぞれの材料のそれぞれの組み合わせ、であってよい。
【００４３】
本発明において、材料は非水素化可能金属又は合金も含み得る。
【００４４】
本発明において、水素化可能材料は低温水素化物及び／又は高温水素化物を含み得る。「水素化物」は、水素化された形態にあるか水素化されていない形態にあるかに関わらず、水素化可能材料を指す。低温水素化物は好ましくは−５５〜１８０℃、特には−２０〜１５０℃、とりわけ０〜１４０℃の温度範囲内で水素を貯蔵する。高温水素化物は好ましくは２８０℃以上、特には３００℃以上の温度範囲内で水素を貯蔵する。ここで挙げた温度で、水素化物は水素を貯蔵するだけでなくそれを放出することもでき、すなわちこれらの温度範囲内で機能可能である。
【００４５】
この文脈で説明される「水素化物」は、水素化形態にある、および非水素化形態にある水素化可能材料を意味すると理解される。本発明では、水素貯蔵手段の製造において、水素化可能材料を水素化形態又は非水素化形態で使用することが可能である。
【００４６】
本開示の文脈における水素化物及びその性質に関しては、Ｓ．Ｓａｋｉｅｔｕｎａ  ｅｔ  ａｌ．、Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｅｎｅｒｇｙ，３２（２００７）、ｐ．１１２１−１１４０の表１〜４が参照される。
【００４７】
水素貯蔵（水素化）は室温で行うことができる。水素化は発熱反応である。発生する反応熱は除去することができる。一方、脱水素の場合は、エネルギーを水素化物に熱の形で供給する必要がある。脱水素は吸熱反応である。
【００４８】
例えば、低温水素化物は高温水素化物と共に使用され得る。例えば、一構成において、例えば低温水素化物と高温水素化物とが第２領域の層において混合物として提供され得る。異なる層又は領域、特には異なる第２領域においてこれらをそれぞれ別々に配置することも可能である。したがって、例えば、第１領域がこれらの第２領域の間に配置され得る。さらに別の構成において、第１領域は、マトリックス中に分散された低温水素化物と高温水素化物との混合物を有する。異なる第１領域が低温水素化物又は高温水素化物を含むことも可能である。
【００４９】
好ましくは、水素化可能材料は、マグネシウム、チタン、鉄、ニッケル、マンガン、ニッケル、ランタン、ジルコニウム、バナジウム、クロム又はこれらの金属の２種以上の混合物から選択される金属を含む。水素化可能材料は、上掲の金属のうち１種以上を含む合金も含み得る。
【００５０】
より好ましくは、水素化可能材料（水素貯蔵材料）は、１５０℃以下の温度、特には−２０〜１４０℃、特には０〜１００℃の温度範囲内で水素を貯蔵及び再度放出可能な合金を１種以上含む。ここでこの１種以上の合金は好ましくはＡＢ５タイプ、ＡＢタイプ及び／又はＡＢ２タイプの合金から選択される。ここでＡ及びＢはそれぞれ異なる金属を指し、Ａ及び／又はＢは特にはマグネシウム、チタン、鉄、ニッケル、マンガン、ランタン、ジルコニウム、バナジウム及びクロムを含む群から選択される。添え字は特定の合金における金属の化学量論比を表す。本発明において、ここでの合金には異質な原子をドープし得る。本発明において、ドーピングレベルは５０原子％以下、特には４０原子％以下又は３５原子％以下、好ましくは３０原子％以下又は２５原子％以下、とりわけ２０原子％以下又は１５原子％以下、好ましくは１０原子％以下又は５原子％以下のＡ及び／又はＢであってよい。ドーピングは、例えばマグネシウム、チタン、鉄、ニッケル、マンガン、ランタン又は他のランタニド、ジルコニウム、バナジウム及び／又はクロムで行うことができる。ここでドーピングは１種以上の異なる異質な原子で行うことができる。ＡＢ５タイプの合金は速やかに活性化可能であり、つまり、活性化に必要な条件が水素貯蔵手段の動作におけるものと同様である。ＡＢ５タイプの合金はさらにＡＢ又はＡＢ２タイプの合金より高い延性を有する。それに対して、ＡＢ２又はＡＢタイプの合金はＡＢ５タイプの合金より高い機械的安定性及び硬度を有する。ここではＡＢタイプの合金としてＦｅＴｉ、ＡＢ２タイプの合金としてＴｉＭｎ２、ＡＢ５タイプの合金としてＬａＮｉ５を例示し得る。
【００５１】
より好ましくは、水素化可能材料（水素貯蔵材料）は、２種以上の水素化可能合金と、１種以上のＡＢ５タイプの合金と、ＡＢタイプ及び／又はＡＢ２タイプの合金である第２合金との混合物を含む。ＡＢ５タイプの合金の割合は、水素化可能材料の総重量を基準として、特には１〜５０重量％、特には２〜４０重量％、より好ましくは５〜３０重量％、とりわけ５〜２０重量％である。
【００５２】
水素化可能材料（水素貯蔵材料）は好ましくは粒状形態（粒子）である。
【００５３】
粒子は特には２０〜７００μｍ、好ましくは２５〜５００μｍ、とりわけ３０〜４００μｍ、特には５０〜３００μｍであるｘ５０粒径を有する。ｘ５０は、粒子の５０％が記載の値以下のメジアン粒径を有することを意味する。粒径はレーザー回折により求めたが、例えば篩分析により求めることもできる。この場合のメジアン粒径は重量を基準とした粒径であり、体積を基準とした粒径はこの場合同じである。ここで記載するのは初回の水素化が行われる前の水素化可能材料の粒径である。水素貯蔵中、材料内では応力が生じ、これは数サイクルの間にｘ５０粒径が縮小することにつながり得る。
【００５４】
好ましくは、水素化可能材料は、水素貯蔵時にサイズが減少するよう強固にマトリックスに組み込まれる。したがって、水素化可能材料として崩壊する粒状材料を用いる一方、マトリックスの少なくとも大部分が破壊されないことが好ましい。体積の増大により大きな膨張が起きる水素貯蔵中、水素化可能材料の体積が増大した結果としての膨張時に崩壊するものがあるとすればそれはマトリックスであると予測されていたため、この結果は驚くべきものである。体積増大時に、マトリックス内での結合に起因して粒子に働く外力は、体積の増大に起因する粒子内の応力と共に粒子の崩壊を引き起こすと現時点では考えられている。粒子の崩壊は、マトリックス内のポリマー材料への組み込み時に特に明確に観察された。ポリマー材料から構成されるマトリックスは、このように、崩壊した粒子を安定した固定位置で保持することも可能であった。
【００５５】
なお、これらの粒子を固定するのにマトリックスにおいてバインダ、特には付着性バインダを用いれば、マトリックス内での特に良好な固定位置決めが可能になることが試験により明らかになった。バインダ含有量は好ましくは、マトリックス体積の２〜３体積％であってよい。
【００５６】
水素貯蔵の結果として粒子が崩壊することにより、粒径が、開始時のｘ５０粒径を基準として、１００貯蔵動作後には０．６倍、より好ましくは０．４倍に変化することが好ましい。
【００５７】
驚くべきことに、このサイズの材料は水素貯蔵において特に良好な性質を示すことが判明している。水素の貯蔵及び放出では、材料が膨張（水素化の過程で）又は収縮（脱水素の過程で）する。この体積変化は最高で３０％であってよい。その結果、水素化可能材料の粒子内、すなわち水素貯蔵材料内で機械的応力が生じる。水素の充填及び放出（水素化及び脱水素）を繰り返す間に、粒子が崩壊することが判明している。そのため、特に水素化可能材料が５０μｍ未満、とりわけ３０μｍ未満、特には２５μｍ未満の粒径を有すると、使用中に微粉末となり、水素を効果的に貯蔵できなくなる可能性がある。さらに、水素貯蔵手段そのものにおける材料の分布に変化が起きる場合がある。数ナノメートルの極めて小さい直径を有する材料粒子を有する床は水素貯蔵手段における最も低い位置で回収を行うことができる。水素を充填する場合（水素化）、水素貯蔵材料が膨張するため、この時点で、水素貯蔵手段の壁に高い機械的応力が生じる。材料に適切な粒径を選択することで、少なくとも部分的にはこれを回避することが可能である。他方、より小さい粒径では粒子がマトリックスと相互作用して付着する接触点の数が増えるため安定性が改善されるが、これは７００μｍ超、特には５００μｍ超のサイズを有する粒子の場合は達成できない。
【００５８】
「材料」、「水素化可能材料」及び「水素貯蔵材料」という語は、本願においては、異なる定義がなされない限り、同義として使用される。
【００５９】
さらに別の構成では、水素貯蔵手段が高温水素化物の容器及び低温水素化物の容器を有することを構想している。高温水素化物は３５０℃より高い温度を発生させ得て、これは放散させなくてはならない。この熱は極めて迅速に放出され、例えば水素貯蔵手段に関連したコンポーネントの加熱に利用することができる。利用する高温水素化物は例えばマグネシウムをベースとした金属粉末であってよい。これに対し、低温水素化物は、好ましくは−５５〜１５５℃の範囲、特に好ましくは８０〜１４０℃の温度範囲内の温度を有する。低温水素化物は例えばＴｉ０．８Ｚｒ０．２ＣｒＭｎ又はＴｉ０．９８Ｚｒ０．０２Ｖ０．４３Ｃｒ０．０５Ｍｎ１．２である。一構成では、水素を高温水素化物の容器から低温水素化物の容器へ、又はその逆方向に、移動させ、それぞれの場合にそこで貯蔵することを構想している。本開示の範囲内で、この目的の例示として、ここでドイツ特許第３６３９５４５（Ｃ１）号明細書が参照される。
【００６０】
本発明の開示の文脈における水素化物及びその性質に関しては、Ｓａｋｉｅｔｕｎａ  ｅｔ  ａｌ．  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｅｎｅｒｇｙ，３２（２００７）、ｐ．１１２１−１１４０の表１〜４が参照される。
【００６１】
マトリックスには、１種以上のポリマーに加えてさらに別の成分も存在し得る。これらの成分は主に、主水素貯蔵、主熱伝導、及び／又は主気体伝導、のうち１以上の機能を有する。これは、複合材料において各成分が少なくともこの機能を主な目的として果たすことを意味すると理解される。例えば、ある成分が主に水素貯蔵のために利用され、同時に少なくとも一定の熱伝導性を付与可能であることが考えられる。しかしながら、この場合、主機能として熱伝導を担う１種以上の他の成分があり、つまり、その他の成分と比較して、熱の大部分がこの成分を介して圧縮された複合材料から放散される。この場合でも、主に気体を伝導する成分を利用することが可能であり、これにより例えば水素（流体）は複合材料内に、また例えば複合材料外に誘導される。この場合、流動流体は熱も運ぶことができる。本発明の文脈において、この流動流体は水素、又は水素を５０体積％以上、好ましくは６０体積％以上、特には７０体積％以上、好ましくは８０体積％以上、とりわけ９０体積％又は９５体積％以上の割合で含む気体混合物である。水素化可能材料は、流体として気体混合物が使用される場合であっても本質的に水素だけが貯蔵されるよう、水素を排他的に貯蔵することが好ましい。
【００６２】
水素貯蔵手段は好ましくは２以上、好ましくは２超の異なる層を有し、この場合、１つの層は複合材料を含み、別の層は、主水素貯蔵、主熱伝導、及び／又は主気体伝導のうち１以上の機能を有する。
【００６３】
用語「層」は、ある材料又は２種以上の材料が好ましくは薄板状に配置され、隣接する環境から薄板として区切られ得ることを意味する。例えば、隣接する層が直接接触するように、異なる材料が順次、緩い配置で重ねて注入されてよい。好ましい構成において、水素の吸収及び／又は放出時に生じる熱を水素化可能材料から直接隣接層に放出できるよう、水素化可能層は熱伝導層と隣接するように配置されてよい。
【００６４】
主水素貯蔵、主熱伝導、及び／又は主気体伝導の１以上である主要機能は、各層が少なくともこの機能を複合材料の第２領域における主目的として果たすことを意味すると理解される。例えば、ある層が主に水素貯蔵のために利用され、同時に熱伝導性を付与可能であることが考えられる。そのような場合には、主に熱伝導を担う１以上の別の層が存在していることが好ましく、これは、水素貯蔵手段の他の層と比較して、熱の大部分がこの層を経て、圧縮された複合材料から放散されることを意味する。この場合、主に気体を伝導する層を利用することが可能であり、これにより、例えば水素（流体）は複合材料に流れ込む、あるいは、例えば複合材料から導き出される。この場合、流動流体は熱も運ぶことができる。
【００６５】
本発明において、熱伝導層は１種以上の熱伝導金属及び／又は黒鉛を含み得る。これらの材料は熱伝導成分としても使用できる。熱伝導材料は第一に良好な熱伝導性を有さなくてはならず、第二に、水素貯蔵手段の総重量を最小限に抑えるために重量が最小限でなくてはならない。金属の熱伝導率λは、好ましくは１００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上、特には１２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上、好ましくは１８０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上、とりわけ２００以上である。
【００６６】
本発明において、熱伝導金属は合金又は異なる金属の混合物であってもよい。熱伝導金属は好ましくは銀、銅、金、アルミニウム、及びこれらの金属の混合物又はこれらの金属を含む合金、から選択される。銀が特に好ましいが、これは銀が４００Ｗ／（ｍ・Ｋ）を超える高い熱伝導率を有するからである。同様にアルミニウムも好ましいが、これは２３６Ｗ／（ｍ・Ｋ）の高い熱伝導率に加えて低密度ゆえに低重量だからである。
【００６７】
本発明において、黒鉛は膨張黒鉛及び非膨張黒鉛の両方を含む。膨張黒鉛又は膨張性黒鉛の使用が好ましい。あるいは、カーボンナノチューブ（単層、２層又は多層）の使用も可能であるが、これはカーボンナノチューブもまた極めて高い熱伝導性を有するからである。ナノチューブは高コストであるため、膨張黒鉛、又は膨張黒鉛と非膨張黒鉛との混合物が好ましく用いられる。混合物が存在する場合、重量基準で、膨張黒鉛よりも非膨張黒鉛をより多く使用する。
【００６８】
細砕形状の天然黒鉛（非膨張黒鉛）は、複合材料における付着性が低く、また不変で安定した複合材を得るための加工が困難である。したがって、金属水素化物による水素貯蔵の場合、膨張黒鉛をベースとした品質の黒鉛を利用するのが好ましい。膨張黒鉛は特には天然黒鉛から製造され、また非膨張黒鉛よりはるかに低い密度を有しながらも、複合材における良好な付着性を有するため、安定した複合材料を得ることができる。しかしながら、圧密化しない形状の膨張黒鉛だけを使用すると水素貯蔵手段の体積が大きくなりすぎて経済的な運用が不可能になるおそれがある。したがって、膨張黒鉛と非膨張黒鉛との混合物の使用が好ましい。
【００６９】
製造中の水素貯蔵材料をプレスにより圧密化すると、膨張黒鉛は熱を特に効率的に伝導できる配向層を形成する。膨張黒鉛の黒鉛層（六角形面）は圧縮時の圧力により互いにずれ、薄板又は層が形成される。この時、黒鉛のこれらの六角形の面は横方向（軸方向のプレス作業時の圧力の方向に対して略直角）に配置されるため、水素を複合材料に速やかに導入でき、また熱を内外に効率的に伝導できる。結果的に、熱の伝導だけでなく気体の伝導又は流体の伝導も可能になる。
【００７０】
あるいは、膨張黒鉛を例えばカレンダー加工でフィルムにすることができる。その後、これらのフィルムを再度細砕する。このようにして得られたフレークを熱伝導材料として使用できる。この圧延によってもまた炭素格子に優先方向がもたらされ、その結果、熱及び流体の特に良好なさらなる伝導が可能になる。
【００７１】
例えば高温水素化物が水素化可能材料として複合材料中に存在する場合、熱伝導材料として黒鉛を使用するのが好ましい。低温水素化物の場合は、熱伝導金属、特にはアルミニウムが好ましい。この組み合わせは２つの層が直接隣り合っている場合に特に好ましい。本発明においては、例えば、第１領域を構成する第１層、すなわち高温水素化物を含む本発明の複合材料が、黒鉛を含む第２層に直接隣接することが可能である。この第２層は熱伝導金属を含む第３層に直接隣接してよく、第３層はさらに黒鉛を含む第４層に隣接する。さらにこの第４層は複合材料を含む第１層に直接隣接し得る。本発明においては任意の層順序が可能である。本発明の文脈において、「〜を含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」とは、記載の材料だけでなく別の構成要素も存在し得ることを意味するが、好ましくは、「〜を含む」は「〜から成る」を意味する。
【００７２】
黒鉛及び／又はアルミニウム及び／又は他の熱伝導金属は、顆粒、粉末、シート又はフィルムの形態をとり得る。シート又はフィルムは本発明の文脈における層をすでに構成し得る。しかしながら、複合材料の層に少なくとも部分的に入り込む層を形成する三次元構成の存在も考えられ、この場合にはより良好に熱を除去及び供給することが可能である。特に、黒鉛は、熱伝導性に加えて、良好な気体伝導性も有する。しかしながら、黒鉛と比較するとアルミニウムはより良好な熱伝導性を有する。
【００７３】
気体の伝導のため、水素貯蔵手段は多孔質層を有することが好ましい。これは、例えば、上述したように、黒鉛を含む熱伝導層であってよい。本発明において、多孔質層は、熱伝導金属又は水素化可能材料が高密度に圧縮されず気体の伝導（流体の伝導）が速やかに可能となる多孔質領域であってもよい。
【００７４】
加えて、複合材料の１以上の成分、例えば１以上のアルミニウムの中間層が、焼結工程で形成されてよい。焼結工程において、通常セラミック又は金属物質である細粒は加熱されるが、温度は主成分の融点より低く留まり、工作物の形状は保たれるのが一般的である。一般的に収縮は、あったとしても１０分の数ミリで、極わずかである。また、出発材料の粒子の密度が上昇して細孔空間が充填されるように材料を選択することが可能である。固相焼結と、溶融を伴う液相焼結とは、根本的に区別される。焼結の熱処理により、先行する加工ステップ、例えば押出成形、で形成された細粒又は粗粒子素地が、固形の工作物に変換される。焼結体は、熱処理を行って初めて、特定の用途で必要とされるその最終的な性質、例えば硬度、強度又は熱伝導性、を獲得する。これにより、例えば、水素化可能材料が収容される開口気孔マトリックスを形成することが可能である。また、これにより、例えば気体伝導性であり且つ水素貯蔵手段で使用するチャネル構造体を形成することも可能である。
【００７５】
水素化可能材料の割合は５０体積％超〜９８体積％であることが好ましく、マトリックスの割合は好ましくは複合材料の２体積％以上〜５０体積％であることが好ましい。水素化可能材料及びマトリックスの体積百分率の割合は、公知の試験法及び検出法により、例えば走査型電子顕微鏡を用いて求めることができる。また、光学顕微鏡を使用することも可能である。撮像プログラムを、コンピュータプログラムによる自動評価と併せて用いることが好ましい。
【００７６】
マトリックスはさらに、異なる炭素多形を含み得る。異なる炭素多形の使用により、水素貯蔵手段の熱伝導性を向上させることができる。このようにして、水素の吸収及び／又は放出時に生じる熱をより良好に放散させることが可能である。
【００７７】
マトリックス及び／又は層が、例えば膨張天然黒鉛を炭素多形の１つとして含む、異なる炭素多形の混合物を含むことが好ましい。非膨張黒鉛を膨張天然黒鉛と共に使用するのが好ましく、この場合は、重量基準で膨張黒鉛よりも非膨張黒鉛をより多く使用する。とりわけ、マトリックスは、例えば水素化可能材料を内部に含む膨張天然黒鉛を含み得る。さらなる炭素多形には例えば単層、２層又は多層ナノチューブ、グラフェン及びフラーレンが含まれる。
【００７８】
マトリックスは、複合材料中の１〜２０重量％の重量割合で膨張天然黒鉛を含むことが好ましい。
【００７９】
好ましい実施形態において、各成分の割合は複合材料の長さにわたって変化する。変化の割合は、単調又は非単調な勾配、もしくは階段関数の形態をとり得る。その結果、マトリックス中の水素化可能材料において勾配又は上昇をもたらすことが可能である。このようにして、例えば水素貯蔵材料内を流動する流体に応じて、マトリックスの構造を調節することが可能である。
【００８０】
さらに、マトリックスは追加で短繊維状の炭素多形を含み得る。このようにして、長さの変化を相殺することが可能である。加えて、繊維の使用によりマトリックスの安定性の改善が可能になる。
【００８１】
好ましくは、複合材料は多孔質マトリックスを有する。一構成において、多孔質マトリックスは、水素化可能材料の体積の膨張によるマトリックスの損傷を確実に防止できる。
【００８２】
好ましくは、マトリックスは膨張性、好ましくは弾性を１以上の領域において有する。このようにして、例えば水素吸収時に、水素化可能材料が、複合材料を損傷したり過大な応力を加えたりすることなく膨張できるようにすることが可能である。水素を吸収した結果、例えば、水素化可能材料は、体積が正の変化をする（収縮する）ような形で膨張できる。水素放出時、水素化可能材料は、体積における負の膨張すなわち収縮が起きるような形で収縮できる。１以上の領域における膨張性、好ましくは弾性のおかげで、マトリックスは少なくとも水素化可能材料の体積の膨張に追随することができ、マトリックスへの損傷は起きない。
【００８３】
好ましい構成において、水素化可能材料はコーティングを有する。コーティングは水素化可能材料にさらなる性質をもたらすことができる。例えば、コーティングはポリマーであってよく、コーティングは水素化可能材料の気体の伝導及び熱伝導性を改善し得る。コーティングはマトリックスを構成しているものと同じポリマーを含み得る。ただし、コーティングとマトリックスとに異なるポリマーを使用することも可能である。材料のコーティングにより、水素を材料に貯蔵するのと同時に、例えば酸化の結果として材料が脆弱化するのを防止、又は少なくとも軽減できる。材料の酸化は表面に層を形成するおそれがあり、水素はこの層を透過できないか、透過できるとしてもかなりの困難を伴う。したがって、水素化及び脱水素の速度が著しく低下する。この速度は、経済的に妥当な使用を可能にするために最大であるべきである。加えて、材料のうち酸化された領域は水素を貯蔵できなくなるため、材料が貯蔵できる水素の量、すなわち水素貯蔵能が低下する。具体的には、水素貯蔵能は、経済的に妥当な使用を可能にするために、最大であるべきである。
【００８４】
コーティングによって得られる酸化防止層は、材料の貯蔵能を著しく損なうことなく、水素貯蔵材料を多サイクル数にわたって使用することを可能にし、これにより水素貯蔵手段の寿命を長くすることができる。複合材料は圧密化されていることが好ましい。圧密化は例えば圧縮により行うことができる。圧縮は例えば上方ラム及び下方ラムを用いて圧力により行うことができる（軸方向プレス）。また、圧縮は静水圧プレスにより行うことができる。静水圧プレス法は、圧力は液体及び気体中を全方向に均一に伝播するという物理法則に基づいたものであり、対象となる面において、その面積に直接比例する力を発生させる。第１及び第２領域をプレス系の圧力容器、例えばゴム型に導入することができる。圧力容器内の液体を介してゴム金型の全ての面に作用する圧力により、封入された第１及び第２領域が均等に圧縮される。第１及び第２領域を備えたプリフォームを静水圧プレス、例えば液体に挿入することも可能である。好ましくは５００〜６０００ｂａｒの範囲内の高圧を印加することで、複合材料を製造することができる。静水圧プレスにおける高圧が、例えば、複合材料において新しい材料特性を実現することを可能にする。
【００８５】
好ましい実施形態において、複合材料は、その最大圧密度の２０％以上、その最大圧密度の９２．３６％以下で圧密化されている。このようにして混合密度を得ることができる。
【００８６】
後者は、１以上の気体透過性領域、熱伝導性領域及び水素貯蔵領域のそれぞれを含む、異なる主要機能を有する領域を有することが好ましい。
【００８７】
小さなハウジングを備えた複数の水素貯蔵手段を互いに接合できることが好ましい。このようにして、水素の吸収及び／又は放出において良好な結果を得ることが可能である。
【００８８】
本発明はさらに、水素化可能材料とマトリックスとを含む水素貯蔵手段の製造方法に関する。マトリックスは好ましくはポリマーに加えて異なる炭素多形を含む。水素化可能材料をこのマトリックスに組み込むと、水素を貯蔵する複合材料が形成される。
【００８９】
水素化可能材料及び各炭素をそれぞれ個別化した形態、特には粒子又はフレークの形態で供給し、圧縮して複合材料を形成することが好ましい。マトリックスが、例えば膨張天然黒鉛を炭素多形の１つとして含む、異なる炭素多形の混合物を含むことが好ましい。非膨張黒鉛を膨張天然黒鉛と共に使用するのが好ましく、この場合は、重量基準で膨張黒鉛よりも非膨張黒鉛をより多く使用する。とりわけ、マトリックスは、例えば水素化可能材料を内部に含む膨張天然黒鉛を含み得る。さらなる炭素多形には例えば単層、２層又は多層ナノチューブ、グラフェン及びフラーレンが含まれる。
【００９０】
好ましい実施形態において、主に気体透過性領域、熱伝導性領域及び水素貯蔵領域を水素貯蔵手段内に形成するために、プレス装置内でマトリックス及び水素化可能材料の制御された配置が行われる。
【００９１】
マトリックス材料だけを水素貯蔵手段において水素化可能成分として使用することが好ましい。さらなる構成においては、水素貯蔵手段における水素化可能成分の大部分、すなわち５０重量％以上マトリックス材料を使用する。さらなる構成において、この割合は８０重量％超、好ましくは９０重量％超、特には約１００重量％以上である。別の水素化可能な成分は例えば層材料であってよい。
【００９２】
本発明はさらに、水素貯蔵手段、好ましくは上記の水素貯蔵手段を、より好ましくは上記の方法により製造する装置に関し、装置は、空洞であって、水素貯蔵手段の１以上の個別材料が、好ましくは投入可能な粉末材料の形態で、第１炭素多形と別の第２炭素多形とを混和可能なミキサによって、導入される、空洞と、さらに、第１炭素多形用の第１供給部と、第２炭素多形用の第２供給部と、水素化可能金属及びポリマー用の供給部と、を有する。
【００９３】
さらなる有利な構成及び特徴が、添付の図及び対応する説明から明らかである。図及び説明で明らかにされる個々の特徴は例示にすぎず、特定の構成に限定されない。むしろ、１以上の図の１以上の特徴を別の図、またこれまでの説明の他の特徴と組み合わせることでさらに別の構成を得ることができる。したがって、特徴は、限定としてではなく、単なる例示として記載される。
【００９４】
図１は水素貯蔵手段１０の詳細を示す。水素貯蔵手段１０は２つの外壁１２、１４を有し、その間に複数のマトリックス１６が配置されている。水素化可能材料はマトリックス１６に埋め込まれている。マトリックス１６は水素化可能材料と共に複合材料を形成する。水素化可能材料は合金であり、その割合は複合材料の５０〜９８体積％である。マトリックス１６は様々な炭素多形、例えば膨張天然黒鉛及び非膨張黒鉛を含み、その割合は複合材料の２０〜５０体積％である。マトリックス１６の膨張天然黒鉛の重量割合は、複合材料の１〜２０重量％である。各成分の割合は複合材料の長さにわたって変化する。水素化可能材料はマトリックス１６に埋め込まれる。複合材料は圧縮により、例えばその最大圧密度の７０％まで圧密化されている。
【００９５】
以下のポイント１〜１４に、本発明のさらなる極めて重要な特徴をまとめる。
【００９６】
１．水素化可能材料と、水素化可能材料が埋め込まれたマトリックスとを含み、水素化可能材料がマトリックスと共に複合材料を形成する水素貯蔵手段。
【００９７】
２．水素化可能材料の割合が好ましくは５０体積％超〜９８体積％であり、マトリックスの割合が好ましくは複合材料の２体積％以上〜５０体積％であり、マトリックスが異なる炭素多形を含む、ポイント１に記載の水素貯蔵手段。
【００９８】
３．マトリックスが膨張天然黒鉛を含むことを特徴とする、ポイント１又は２に記載の水素貯蔵手段。
【００９９】
４．マトリックスが非膨張黒鉛を含むことを特徴とする、ポイント１〜３のいずれかに記載の水素貯蔵手段。
【０１００】
５．マトリックスが膨張天然黒鉛を複合材料の１〜２０重量％の重量割合で含むことを特徴とする、ポイント１〜４のいずれかに記載の水素貯蔵手段。
【０１０１】
６．特定の成分の割合が複合材料の長さにわたって変化することを特徴とする、ポイント１〜５のいずれかに記載の水素貯蔵手段。
【０１０２】
７．複合材料が、水素化可能材料を埋め込んだ炭素を主成分とする多孔質マトリックスを有することを特徴とする、ポイント１〜６のいずれかに記載の水素貯蔵手段。
【０１０３】
８．複合材料が圧密化されており、複合材料が好ましくは黒鉛と組み合わせたポリマーから構成されるマトリックスを含むことを特徴とする、先行するポイントのいずれかに記載の水素貯蔵手段。
【０１０４】
９．複合材料が、最低でその最大圧密度の２０％、最高でその最大圧密度の９２．３６％で圧密化されていることを特徴とする、ポイント１〜８のいずれかに記載の水素貯蔵手段。
【０１０５】
１０．少なくとも気体透過性領域、熱伝導性領域、及び水素貯蔵領域のそれぞれを含む、異なる主要機能を有する領域を有することを特徴とする、ポイント１〜９のいずれかに記載の水素貯蔵手段。
【０１０６】
１１．マトリックスが異なる炭素多形により作製され、水素化可能材料をこのマトリックスに組み込むと、水素を貯蔵する複合材料が形成される、水素化可能材料とマトリックスとを含む水素貯蔵手段の製造方法。
【０１０７】
１２．水素化可能材料及び特定の炭素をそれぞれ個別化した形態、特には粒子又はフレークとして供給し、圧縮して複合材料を得ることを特徴とする、ポイント１１に記載の方法。
【０１０８】
１３．主に気体透過性領域、熱伝導性領域及び水素貯蔵領域を水素貯蔵手段内に形成するために、プレス装置内でマトリックス及び水素化可能材料の制御された配置が行われることを特徴とする、ポイント１１又は１２に記載の方法。
【０１０９】
１４．水素貯蔵手段、好ましくはポイント１〜１０のいずれかに記載の水素貯蔵手段を、より好ましくはポイント１１〜１３のいずれかに記載の方法により製造する装置であって、空洞であって、水素貯蔵手段の１以上の個別材料が、好ましくは投入可能な粉末材料の形態で、第１炭素多形と別の第２炭素多形とを混和可能なミキサによって、導入される、空洞と、さらに、第１炭素多形用の第１供給部と、第２炭素多形用の第２供給部と、水素化可能金属及びポリマー用の供給部と、を有することを特徴とする装置。
【図１】
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【国際調査報告】
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