(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
式：ＴｉａＭｎｂＶｃＺｒｄＡｅＢｆＣｇＮｉｈで表され、結晶構造が六方稠密構造からなる水素吸蔵合金の製造方法において、溶融させた原料を急冷凝固させて該水素吸蔵合金を得ることを特徴とする水素吸蔵合金の製造方法。
ただし、ａは１０〜４０原子％、ｂは４０〜６０原子％、ｃは５〜３０原子％、ｄは２〜１５原子％、ｅ、ｆ、ｇ、ｈ、ｅ＋ｆ＋ｇ＋ｈは０〜１０原子％
Ａ：Ｆｅ、Ｃｏの一種または二種
Ｂ：Ｃｕ、Ｚｎ、Ｃａの一種または二種以上
Ｃ：Ａｌ、Ｍｏの一種または二種
【請求項２】
溶融させた原料を急冷凝固させ、これに均質化処理を施すことなく最終合金とすることを特徴とする請求項１記載の水素吸蔵合金の製造方法。
【請求項３】
急冷凝固時の冷却速度が１０３℃／秒以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の水素吸蔵合金。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水素貯蔵・供給用材料、熱変換用水素吸収材料、燃料電池用水素供給用材料、Ｎｉ−水素電池用負極材料、水素精製回収用材料、水素ガスアクチュエータ用水素吸収材料等に用いられる水素吸蔵合金の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、水素の貯蔵・輸送用としてボンベ方式や液体水素方式があるが、これらの方式に代わって水素貯蔵合金を使った方式が注目されている。周知のように、水素貯蔵合金は水素と可逆的に反応して、反応熱の出入りを伴って水素を吸蔵、放出する性質を有している。この化学反応を利用して水素を貯蔵、運搬する技術の実用化が図られており、さらに反応熱を利用して、熱貯蔵、熱輸送システム等を構成する技術の開発、実用化が進められている。これらの実用化に向けて各種の水素吸蔵合金が開発されており、代表的な水素吸蔵合金としてはＬａＮｉ５、ＴｉＦｅ、ＴｉＭｎ１．５等がよく知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、多種用途の実用化においては、水素貯蔵材料の特性を一層向上させる必要があり、水素貯蔵量の増加、原料の低廉化、プラトー特性の改善、耐久性の向上などが大きな課題として挙げられている。
上記した代表的な水素吸蔵合金の中で、ＴｉＭｎ系合金は最大水素吸蔵量が大きく、プラトー特性が良好で組成によっては非常に優れた耐久性を持つため、実用化に向けて期待されている合金系の１つである。しかし、この合金においてもプラトー＋ヒステリシス因子が大きく、有効水素移動量が小さいため、実用時には十分な性能が得られず、ヒートポンプ等、圧力範囲に厳しいシステムには適用が困難である。このため、Ｔｉの一部をＶで置換することにより水素化初期のα相領域を低減して有効水素移動量を増加させる方法が知られているが、実用域に達するまでには至っていない。そこでＴｉＭｎＶ元系合金のＴｉの一部をＺｒで置換することによって最大水素吸蔵量を増加させつつ固溶領域を減少させ、よって有効水素移動量を大幅に増加された合金が特開平７−１０２３３９号公報等において提案されているが、Ｚｒの置換はその置換量とともにプラトーの傾きを増大させるので、そのままではシステムに適用することができず、Ｚｒの添加量もごく少量（原子量比で１．７％）が可能とされているにすぎない。
【０００４】
本発明は上記事情を背景としてなされたものであり、常温で有効に水素を吸収、放出でき、従来材に比べても優れた水素吸蔵量ならびに有効水素移動量を示し、しかも優れたプラトー＋ヒステリシス特性を示し、特に室温付近で優れた特性を有する実用的な水素吸蔵合金が得られる製造方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本願発明の水素貯蔵合金の製造方法のうち第１の発明は、式：ＴｉａＭｎｂＶｃＺｒｄＡｅＢｆＣｇＮｉｈで表され、結晶構造が六方稠密構造からなる水素吸蔵合金の製造方法において、溶融させた原料を急冷凝固させて該水素吸蔵合金を得ることを特徴とする。
ただし、ａは１０〜４０原子％、ｂは４０〜６０原子％、ｃは５〜３０原子％、ｄは２〜１５原子％、ｅ、ｆ、ｇ、ｈ、ｅ＋ｆ＋ｇ＋ｈは０〜１０原子％
Ａ：Ｆｅ、Ｃｏの一種または二種
Ｂ：Ｃｕ、Ｚｎ、Ｃａの一種または二種以上
Ｃ：Ａｌ、Ｍｏの一種または二種
【０００６】
第２の発明の水素吸蔵合金の製造方法は、第１の発明において、溶融させた原料を急冷凝固させ、これに均質化処理を施すことなく最終合金とすることを特徴とする。
【０００７】
第３の発明の水素吸蔵合金の製造方法は、第１または第２の発明において、急冷凝固の際の冷却速度が１０３℃／秒以上であることを特徴とする。
【０００８】
以下に、本願発明における成分および冷却条件の限定理由について説明する。
Ｔｉ：１０〜４０原子％
Ｍｎ：４０〜６０原子％
Ｔｉ、Ｍｎは、六方稠密構造のＴｉ−Ｍｎ系水素吸蔵合金を構成する基本元素であり、該系の合金としての基本的な特性を得るために、それぞれ上記範囲内での量比が必要である。
【０００９】
Ｖ：５〜３０原子％
Ｖは、水素化初期のα相領域を低減して有効水素移動量を増加させる。このために５原子％以上の量比が必要である。一方、３０原子％を越えた量になると、プラトー幅が狭くなってプラトー特性を低下させるので、上限を３０原子％とする。なお、同様の理由で、下限を１３原子％、上限を２０原子％とするのが望ましい。
【００１０】
Ｚｒ：２〜１５原子％
Ｚｒは、有効水素移動量を増大させるために、含有させる。その一方で、Ｚｒを添加すると、平衡水素圧が低下し、プラトー＋ヒステリシス特性も悪化する。ただし、本発明では、水素吸蔵合金を後述する急冷凝固によって製造するため、Ｚｒによる上記の弊害を大幅に低下させることができ、従来材以上にＺｒを多く添加することができる。ただし、この手法を講じてもＺｒを過剰に含有すると上記弊害が顕著になるため、その上限を１５原子％とする。なお、Ｚｒの良い作用を確実に得るために２原子％以上含有させる。また、上記と同様の理由で上限を１０原子％とするのが望ましい。
【００１１】
Ａ群（Ｆｅ、Ｃｏの一種または二種）：０〜１０原子％
Ｆｅ、Ｃｏは平衡圧上昇の効果があり、常温での有効水素移動量の増大に効果があるので、平衡圧調整元素として所望により添加する。ただし、１０原子％を越えて添加すると、最大水素吸蔵量の著しい低下、α相領域の増加による有効水素移動量の著しい低下、プラトーの傾きの増加等、合金の特性に対して悪影響を及ぼすことから、上限を１０原子％とする。
なお、同様の理由で、下限を４原子％、上限を６原子％とするのが望ましい。
【００１２】
Ｂ群（Ｃｕ、Ｚｎ、Ｃａの一種または二種以上）：０〜１０原子％
Ｃｕ、Ｚｎ、Ｃａはプラトー性向上元素として作用するので、所望により一種以上を添加する。ただし、１０原子％を越えると、上記Ａ群元素と同様に合金特性に悪影響を与えるので、上限を１０原子％とする。
なお、同様の理由で、下限を１原子％、上限を３原子％とするのが望ましい。
【００１３】
Ｃ群（Ａｌ、Ｍｏの一種または二種）：０〜１０原子％
Ａｌ、Ｍｏは、格子定数を増加させる元素であることから、微量添加により最大水素吸蔵量を増加させる元素として所望により添加する。この中でＺｎを添加した合金は溶解のままの合金にて、熱処理材と同等のプラトー特性を得ることができる。ただし、１０原子％を越えると、上記Ａ群元素と同様に合金特性に悪影響を与えるので、上限を１０原子％とする。
なお、同様の理由で、下限を３原子％、上限を５原子％とするのが望ましい。
【００１４】
Ｎｉ：０〜１０原子％
Ｎｉは反応性を向上させる元素として、所望により添加する。ただし、１０原子％を越えると、上記Ａ群元素と同様に合金特性に悪影響を与えるので、上限を１０原子％とする。
また、同様の理由で、下限を２原子％、上限を６原子％とするのが望ましい。
なお、Ａ群、Ｂ群、Ｃ群およびＮｉの総量は個別には、上記上限以下であっても、個別の上限理由と同様の理由で総量においても１０原子％以下とすることが必要がある。
【００１５】
急冷凝固（冷却速度：１０３℃／秒以上）
本願発明によれば、Ｔｉ、Ｍｎ、Ｖ、Ｚｒの組成成分の作用により種々温度範囲で水素を有効に吸放出させることができる。しかも、ロール急冷等の急冷凝固により溶製したことによりプラトー＋ヒステリシス特性が大きく改善され、水素の貯蔵・輸送効率が向上する。従来の製造方法における合金溶製時の冷却は放冷や水冷によって行われており、その際の冷却速度は高々１０２℃／秒程度である。本発明はこれを上回る冷却速度で急冷凝固させることにより上記作用を得る。ただし、該急冷凝固の際の冷却速度は、１０３℃／秒以上とするのが望ましい。
なお、一般には、Ｔｉ−Ｚｒ−Ｍｎ−Ｖ系合金はそのＺｒ添加量に伴い、平衡水素圧の低下、有効水素移動量の上昇といった効果が得られるが、プラトーの傾きを増大させるという悪影響も及ぼす。本発明者等の研究によれば、このプラトーの傾き増大の大きな原因は合金中のＺｒの偏析であることが判明している。通常、水素吸蔵合金には熱処理として合金を高温に加熱した後、冷却する均質化処理を施しているが、熱処理温度を合金が溶融しない程度の温度（例えば１０００℃程度）に高めてもこのＺｒの偏析は改善されない。また、熱処理からの冷却速度を通常の炉冷から水冷（冷却速度は１０２℃／秒程度）に高めたとしても、Ｚｒの偏析は改善されず、プラトーの傾きは大きいままである。そこで本願発明では、凝固時の偏析を抑制するために、元来、主にアモルファス合金作製のために用いられている急冷凝固法を高速冷却のために用い、合金成分の均一性を高めることによって、プラトーの傾きを改善した。この作用を得るためには、１０３℃／秒以上の冷却速度が望ましい。なお、成分の選定においては、この急冷凝固の効果が有効に得られて合金特性が向上するように配慮されている。
上記した急冷凝固の方法は特に限定されるものではなく、上記冷却速度が得られる種々の方法を採択することができ、例えばガスアトマイズ法、遠心法、回転液中噴出法、ロール急冷法等を採用することができる。
【００１６】
なお、急冷凝固法のうちでロール急冷法では、ロール回転数、ノズルの穴径、Ａｒ噴射圧、ロールとノズルとのギャップ等を調整することによって薄片状に凝固した水素吸蔵合金を得ることができる。この合金は、均等に冷却されて合金成分の均一性が向上している。また、従来の製造過程では通常は合金を粉砕して粉末化しており、その過程にかかるコストや歩留まりの問題が課題となっていたが、上記急冷凝固法によれば、水素吸蔵合金を薄片状とすることができるので、粉砕作業を容易に行うことができ、効率的に水素吸蔵合金粉末を得ることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明では、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｖ、Ｍｎ等の各成分原料を本発明で規定する原子量比になるように、それぞれ秤量して、常法により溶解し、前記したロール急冷法等の急冷凝固によって水素吸蔵合金を得る。
なお、従来は、水素吸蔵合金を溶製した後、成分の均質化を図るために、合金を高温に加熱する均質化処理を施しているが、本発明では、上記した急冷凝固によって十分な均質化効果が得られており、従来、行われているような均質化処理を省略して最終合金とすることが可能である。最終合金とは、その後、熱処理等に供することなく目的用途に利用される状態の合金をいう。
得られた水素吸蔵合金は、上記したように所望により機械的な方法等によって粉砕し、粉末状の水素吸蔵合金とする。なお、粉砕の方法は特に限定されるものではなく、公知方法等の適宜の方法を採択することができる。
水素吸蔵合金は、粉末状のものでは、そのまま用いたり、成形したりして所望の用途に使用する。なお、本発明により得られる水素吸蔵合金の用途は特に限定されるものではなく、水素の吸放出現象を利用する各種用途に使用することができ、例えば、熱輸送システムや冷凍システムのヒートパイプ、水素の貯蔵システムなどに使用することができ、これらシステムでは本発明により得られる水素吸蔵合金の使用によってシステム効率を大幅に向上させることができる。
【００１８】
【実施例】
表１に示す組成となるように、原料を配合し、この配合物を銅水冷単ロール式急冷凝固装置にある高周波溶解るつぼに収容し、るつぼ内で目標組成に配合した合金原料を高周波溶解し、その後、合金をＣｕ単ロール法により急冷凝固した。この際の冷却速度は、１０５℃／秒であることが確認された。得られた合金は薄片状になっており、粉砕せずそのままの形状で発明材としての測定試料とした。また、比較のため、同じく表１に示す組成で原料を配合し、この原料を常法によって溶解し、放冷によって凝固させた。次いで、得られた合金塊に対し、１１００℃で２４時間加熱した後、炉冷する均質化処理を施し、さらに機械的に粉砕して比較材としての測定試料とした。
各試料５ｇを高圧法金属水素化物製造装置内のステンレス鋼製反応容器内に封入した。なお、上記試料を用いて水素吸蔵・放出特性を測定する前の処理として、活性化処理を行った。すなわち、前記反応容器内を減圧（約１．３Ｐａ）排気しながら４００℃にて約２時間加熱して脱ガスした後、同温度で４．９ＭＰａ圧の高純度水素を導入し、ついで２０℃まで冷却した。このような処理によって試料は直ちに水素を吸蔵し始め、３０分後には水素の吸蔵が完了した。さらに容器を４００℃に加熱しながら排気して前記試料から水素を放出させた。これらの処理を複数回繰り返して活性化処理を終了した。
【００１９】
次に各試料の水素吸蔵放出特性を測定した。すなわち容器温度を２０℃に降下させ保持した後、容器内に高純度水素を所定量導入した。試料に水素が吸収され容器内の圧力が安定した後、容器内の水素圧力および定容積法を用いて試料に吸収された水素量を求めた。再び、所定量の水素を容器に導入し、圧力の安定後、水素圧力および水素吸収量を求めた。以下の操作を容器内の圧力が４．９ＭＰａとなるまで繰り返し、水素圧力−吸収量−等温曲線を求めた。
上記のように、水素を各試料に４．９ＭＰａの圧力まで吸蔵させた後、反応容器を前記２０℃に保持したままで、容器から所定量の水素を排出した。容器内の水素圧力が安定した後、容器内の圧力及び定容積法を用いて試料から放出された水素量を求めた。再び反応容器から所定量の水素を排出した。以上の操作を容器内の圧力が２０ｋＰａとなるまで繰り返し、水素放出過程における水素−圧力−吸収曲線を求めた。なお、試験材の一部について該曲線を表したグラフを図１、２に示した。
上記水素放出時の水素圧力−吸収量−等温曲線上のプラトー中心部における曲線の傾きよりプラトー性を評価した。具体的には、Ｌｎ（Ｐａｂ／Ｐｄｅ）をプラトー性評価値とし、その値を表１に示した。なおＰａｂは水素吸収時のプラトー部高吸蔵側の水素圧力、Ｐｄｅは水素放出時のプラトー部低吸蔵側の水素圧力を示す。
【００２０】
【表１】
0003775639.tif 000002
【００２１】
表から明らかなように、本発明の方法によって製造された発明材は、従来法によって製造された比較材に比べ、水素吸蔵量、有効水素移動量は同等であって、プラトー性は顕著に改善されている。
【００２２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の水素吸蔵合金の製造方法によれば、六方稠密構造の特定成分のＴｉＭｎＶＺｒ系の合金を急冷凝固（望ましくは１０３℃／秒以上の冷却速度での凝固）させて得るものとしたので、成分の均質化が有効になされ、よって有効水素移動量、最大水素吸蔵量等の水素化特性を変化させずに、プラトー性、ヒステリシス特性を顕著に改善することができ、実用性に優れた水素吸蔵合金を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施例における一部供試材について、水素放出過程での水素−圧力−吸収曲線を示すグラフである。
【図２】  同じく他の供試材について、水素放出過程での水素−圧力−吸収曲線を示すグラフである。
【図１】
0003775639.tif 000003
【図２】
0003775639.tif 000004