貴⾦属を使わずにアルミニウムと鉄の合⾦で⽔素を蓄える
量⼦科学技術研究開発機構 量⼦ビーム科学部⾨関⻄光科学研究所 放射光科学研究センター
⾼圧・応⼒科学研究グル－プ
グループリーダー 齋藤 寛之
2022年7⽉26⽇
1

新技術の概要
量研の独⾃技術により、従来の⽔素化物探索指針に従わない「難⽔素化⾦属のみから構成される⽔素化物」を実現

貴⾦属を使わずに⽔素を蓄える技術

半世紀にわたる⽔素化物研究の歴史上にも類が無い研究成果

アルミニウムと鉄からなる合⾦を約7万気圧の⾼圧⽔素下に置くと合⾦が⽔素を取り込み、⾦属⽔素化物を⽣成することを明らかにした。
さらに、合⾦表⾯の改質などにより常⽤圧付近（数⼗気圧）でもこの合⾦による⽔素取り込みが実現できる可能性が⾼いことが⽰された。

⽔素を取り込んだ
アルミニウム鉄合⾦

持続可能な社会実現に貢献

2

本⽇の発表のアウトライン••••

背景 – ⽔素吸蔵合⾦
従来技術とその問題点
課題解決のための量研の技術
新技術の特徴・従来技術との⽐較•••••⾼温⾼圧下でのアルミニウム鉄合⾦の⽔素化
常圧での⽔素放出
常圧近傍での⽔素吸蔵の可能性
アルミニウム鉄合⾦⽔素化物の安定化機構
新技術のまとめ• 想定される⽤途• 実⽤化に向けた課題• 企業への期待

3

カーボンニュートラル社会と⽔素

さまざまなエネルギー利⽤形態においてエネルギー媒体としての⽔素が重要な役割を果たす
4

⽔素の貯蔵と⽔素吸蔵合⾦
気体でかさばる、爆発性がある、⽔素脆化を引き起こす⽔素をどのように貯蔵するか︖

⽔素吸蔵合⾦
LaNi5
TiFe•体積⽔素密度が液体⽔素と同程度•固体で⽔素を貯蔵•重量とコストに課題

典型的な
⽔素吸蔵合⾦【要求特性】
コストが最重要•LaNi5やTiFeと同程度の⽔素密度（~2 wt%, 100 kgH2/m3)•10気圧・100℃程度以下で⽔素吸放出可•100回以上のサイクル特性•合⾦作製が低コスト（低融点など）•消防法⾮適⽤……

5

従来の⽔素吸蔵合⾦探索指針
⾼重量・⾼価⽔素と反応しやすい⾦属と反応しにくい⾦属を組み合わせる
サンシャイン計画などの国家プロジェクトのもと、精⼒的な材料探索研究が進められ、常圧付近で⽔素吸放出可能な材料や、⽔素吸蔵合⾦を利⽤したNi-MH電池が実⽤化にされている
軽量な⾦属の組み合わせはほぼ調べ尽くされている• 中国では元素添加や置換による⽔素吸蔵合⾦の⾼性能化が近年強⼒に進められている• 欧州・⽇本でもコンプレッサー⽤途など新たな⽔素吸蔵合⾦の利⽤形態が注⽬されてきている

さらなる材料開発からの課題解決は困難︖

6

量研の技術︓⾼圧⽔素化(1)難⽔素化⾦属のみから構成される合⾦で⽔素吸蔵
半世紀にわたる⽔素化物研究の新たな展開︓量研の強⼒な独⾃技術

⽔素の反応性が⾼まる
⾼圧で新物質探索

Al
13

TM
⽔素の化学ポテンシャル
Fukai (2005).

軽量安価な⾦属の代表格
⽔素親和性が極めて低い
安価な⾦属が選択可能
⽔素親和性が低い
7

量研の技術︓⾼圧⽔素化(2)電極

⽔素源

試料加熱⽤ヒーター

試料試料容器
⽔素封⽌カプセル

試料を含む⽴⽅体圧⼒媒体を六⽅向からピストン（=アンビル）で等⽅的に圧縮⾼圧セル

内部⽔素源から⾼圧下、約600℃で⽔素発⽣発⽣した⽔素を⽔素封⽌カプセルで閉じ込め⾦属の⾼温⾼圧⽔素化を実現
Y. Fukai and N. Okuma (1993).

8

量研の技術︓放射光その場観察
上⾯図

⾼温⾼圧下の反応を
⼤型放射光施設SPring-8でその場観察→ 放射光で⾒ながら物質探索
9新技術の特徴・従来技術との⽐較• 従来、⽔素吸蔵材の探索は「⽔素化し易い⾦属と、し難い⾦属を組み合わせる」という⼿法が⽤いられてきた。
• しかしながら⽔素化し易い⾦属の多くが⾼価な⾦属であって合⾦の低コスト化の妨げになってきた。
• 本開発は従来の探索⼿法に反し、⽔素化し難い⾦属の組み合わせで構成されるアルミニウム-鉄合⾦による⽔素取り込みを実現したもの。
• Mg-Ni系、Fe-Ti系に次ぐ⽔素吸蔵材の低コスト化が期待される。
10

⾼温⾼圧⽔素化実験の⼿順• 出発物質︓Al13Fe4合⾦⼩⽚(アーク炉にて作製)• 9 万気圧まで加圧、750℃で⽔素流体中に保持• ⽔素化後、室温まで降温、常圧まで脱圧• 反応過程を放射光その場観察• 常圧下に回収された試料を各種分析• ⾦属原料は3N程
度の試薬レベル• 不純物の影響な
どは未調査

1 mm

回収試料
出発物質、⾼圧セルパーツと⾼圧装置の写真
11⽔素化反応の放射光その場観察

9万気圧, 750℃の温度圧⼒条件下でAl13Fe4合⾦が⽔素化し、新規⽔素化物Al3FeH4を形成することを発⾒

12⽔素放出温度・吸蔵量

合成されたAl3FeH4は⼤気圧下に取り出すことができ、約150℃以上で⽔素を放出
⽔素量は2.9重量%→LaNi5 (1.4重量%)やTiFe(1.9重量%) と同等のレベル

13⽔素吸蔵に必要な圧⼒
表⾯酸化膜

Al13Fe4 合⾦の表⾯(1) Al3FeH4 は常温常圧で熱⼒学的に安定(2) ⾼い熱⼒学的安定性→ どのようなメカニズムで⽔素化物が安定化しているのか︖

14

⽔素化物の安定化メカニズム

Feまわりの⽔素は、[FeH6]4-錯イオンに類似の構造ユニット
ただし、⽔素サイトは1/3の部分占有中間的な構造ユニットが特異な構造を安定化させている可能性

15

アルミニウム鉄合⾦⽔素化物のまとめAl-Fe合⾦新規⽔素化物を得ることに成功[FeH2]中間体などの特異な構造ユニットが⽔素化物を安定化している可能性
熱⼒学的には常圧近傍でも⽔素化反応が進⾏する可能性が⾼い

16

想定される⽤途(1)• 材料コスト低下が⾒込めるので、既存の⽔素吸蔵合⾦を置き換えることのメリットが⼤きいと考えられる。
• 定置型の⽔素吸蔵システムやフォークリフトの⽔素吸蔵システムなど再⽣可能エネルギーを利⽤した⽔素ネルギー利⽤システム

17

想定される⽤途(2)• ⼤幅なコスト削減の可能性も有しているため、現在想定されていないような⽔素貯蔵としての利⽤⽅法もありえる• 研究開発現場での安価で安全な⽔素貯蔵• 局地での⽔素運搬など

18

実⽤化に向けた課題• 現在は合⾦に⽔素を吸蔵させるために7万気圧の超⾼圧が必要• 熱⼒学的には常圧近傍で⽔素吸蔵可能• 実⽤化に向けて、⽔素吸蔵圧⼒を低減することが最優先• ⽔素化できる試料量が1回あたり1 mg程度
• 圧⼒低減後に量産技術を検討• 消防法⾮適⽤とできるかなど、⽔素吸蔵合⾦への要求性能の達成
19企業への期待• ⽔素化圧⼒低減を中⼼とする基礎研究を共同研究で進めさせていただきたい– ⾼圧や放射光など特殊技術は量研が担当– ⾦属材料の⼀般的な評価や、表⾯酸化膜の分析などの知⾒を有する企業を想定• ⽔素化圧⼒低減実現後、実⽤化までのギャップを埋める応⽤研究（試料の量産など）を共同で進めさせていただきたい• コスト削減効果の試算（原料価格、原料の⼊⼿しやすさ、合⾦作製コスト）・企業ニーズ予測などでご協⼒いただきたい• ⽔素吸蔵材料開発に興味を持つ企業との意⾒交換をさせていただきたい20

本技術に関する知的財産権• 発明の名称 ︓⽔素吸蔵材、⽔素化⽔素吸蔵材の製造⽅法および⽔素吸蔵合⾦の製造⽅法• 出願番号 ︓特願2018-094658• 出願⼈
︓国⽴研究開発法⼈量⼦科学技術研究開発機構• 発明者
︓齋藤 寛之、⾕上 真惟、森本 勝太、綿貫 徹

21

お問い合わせ先
国⽴研究開発法⼈
量⼦科学技術研究開発機構
イノベーションセンターまでお願いいたします。
ＴＥＬ 043－206 － 3146（共同研究）
ＴＥＬ 043－206 － 3027（ライセンス）
ＦＡＸ 043－206 － 4061
e-mail innov-prom1＠qst.go.jp（共同研究）
e-mail chizai＠qst.go.jp（ライセンス）
22

ご清聴ありがとうございました23