水素貯蔵材料およびその製造方法、水素貯蔵材料前駆体
【課題】 水素放出ピーク温度を低温化させた水素貯蔵材料とその製造方法を提供する。
【解決手段】 水素貯蔵材料は、金属水素化物と金属アミド化合物との混合物および反応物を有し、金属種をナトリウムとマグネシウムの２種類とした。例えば、金属水素化物として水素化マグネシウムを、金属アミド化合物としてナトリウムアミドを用い、これらをミリング処理等により粉砕、混合して水素貯蔵材料を製造する。
【解決手段】 水素貯蔵材料は、金属水素化物と金属アミド化合物との混合物および反応物を有し、金属種をナトリウムとマグネシウムの２種類とした。例えば、金属水素化物として水素化マグネシウムを、金属アミド化合物としてナトリウムアミドを用い、これらをミリング処理等により粉砕、混合して水素貯蔵材料を製造する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池等の燃料として用いられる水素を発生させる水素貯蔵材料およびその製造方法、水素の吸放出により水素貯蔵材料との間で可逆的に変化する水素貯蔵材料前駆体に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＮＯＸやＳＯＸ等の有害物質やＣＯ２等の温室効果ガスを出さないクリーンなエネルギー源として燃料電池の開発が盛んに行われており、既に幾つかの分野で実用化されている。この燃料電池技術を支える重要な技術として、燃料電池の燃料となる水素を貯蔵する技術がある。水素の貯蔵形態としては、高圧ボンベによる圧縮貯蔵や液体水素化させる冷却貯蔵、水素貯蔵物質による貯蔵等が知られている。
【０００３】
これらの水素貯蔵形態の中で、水素貯蔵物質による貯蔵は、分散貯蔵や輸送の点で有利である。水素貯蔵物質としては、水素貯蔵効率の高い材料、つまり水素貯蔵物質の単位重量または単位体積あたりの水素貯蔵量が高い材料、低い温度で水素の吸収／放出が行われる材料、良好な耐久性を有する材料が望まれる。
【０００４】
公知の水素貯蔵物質としては、希土類系、チタン系、バナジウム系、マグネシウム系等を中心とする金属材料、金属アラネード（例えば、ＮａＡｌＨ４やＬｉＡｌＨ４）等の軽量無機化合物、カーボン等が挙げられる。また、例えば、下式（１）で示されるリチウム窒化物を用いた水素貯蔵方法も報告されている（例えば、非特許文献１、２参照）。
Ｌｉ３Ｎ＋２Ｈ２⇔Ｌｉ２ＮＨ＋ＬｉＨ＋Ｈ２⇔ＬｉＮＨ２＋２ＬｉＨ…（１）
【０００５】
ここで、Ｌｉ３Ｎによる水素の吸収は１００℃程度から開始し、２５５℃、３０分で９．３質量％の水素吸収が確認されている。また、吸収された水素の放出特性としては、ゆっくり加熱することによって２００℃弱で６．３質量％、３２０℃以上で３．０質量％と、二段階のステップを経ることが報告されている。すなわち、上記（１）式の右辺部分に相当する下式（２）の反応は２００℃弱で進行し始め、上記（１）式の左辺部分に相当する下式（３）の反応は約３２０℃で進行し始めることが示されている。
ＬｉＮＨ２＋２ＬｉＨ→Ｌｉ２ＮＨ＋ＬｉＨ＋Ｈ２↑ …（２）
Ｌｉ２ＮＨ＋ＬｉＨ→Ｌｉ３Ｎ＋Ｈ２↑ …（３）
【０００６】
しかしながら、上記（１）式に示されるリチウム窒化物は水素放出ピーク温度が高いという問題がある。
【非特許文献１】Ruff, O. , and Goerges, H., Berichte derDeutschen Chemischen Gesellschaft zu Berlin，Vol.44,502-6(1911)
【非特許文献２】Ping Chen et al., Interaction of hydrogenwith metalnitrides and imides, NATURE Vol.420, 21 NOVEMBER 2002, p302〜304
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、水素放出ピーク温度の低い水素貯蔵材料を提供することを目的とする。また本発明はこのような水素貯蔵材料の製造方法を提供することを目的とする。さらに本発明は、水素の吸放出により水素貯蔵材料との間で可逆的に変化する水素貯蔵材料前駆体を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の第１の観点によれば、金属水素化物と金属アミド化合物との混合物および反応物を有し、これらの金属種がナトリウムとマグネシウムの２種類であることを特徴とする水素貯蔵材料、が提供される。
【０００９】
この水素貯蔵材料においては、金属水素化物として水素化マグネシウムを用い、金属アミド化合物としてナトリウムアミドを用いることが好ましい。このとき、ナトリウムアミドに対する水素化マグネシウムの混合比はモル比で０．３以上５以下とすることが好ましく、０．３以上１以下とすることがより好ましい。
【００１０】
また、この水素貯蔵材料においては、金属水素化物として水素化ナトリウムを用い、金属アミドとしてはマグネシウムアミドを用いることも好ましい。このとき、マグネシウムアミドに対する水素化ナトリウムの混合比はモル比で０．５以上５以下とすることが好ましく、１以上４以下とすることがより好ましい。
【００１１】
このような水素貯蔵材料は、水素吸放出能を高める触媒をさらに含んでいることが好ましい。この触媒としては、Ｂ、Ｃ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｎａ、Ｍｇ、Ｋ、Ｉｒ、Ｎｂ、Ｎｄ、Ｌａ、Ｃａ、Ｖ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｒｕ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｚｒ、ＨｆおよびＡｇから選ばれた１種もしくは２種以上の化合物、または水素貯蔵合金、が好適に用いられる。このような触媒の担持量は、金属水素化物と金属アミド化合物との混合物および反応物の０．１質量％以上２０質量％以下とすることが好ましい。さらにこの水素貯蔵材料は、メカニカルミリング処理によりナノ構造化・組織化されていることが好ましい。
【００１２】
本発明の第２の観点によれば、このような水素貯蔵材料の製造方法が提供される。すなわち、金属成分としてナトリウムとマグネシウムを含む金属水素化物と金属アミド化合物とを、不活性ガス雰囲気下もしくは水素ガス雰囲気下または不活性ガスと水素ガスとの混合ガス雰囲気下において混合する工程と、
前記混合工程においてさらに水素吸放出能を有する触媒をさらに加えることによって前記触媒を被処理物に担持させる工程、または前記混合工程後に得られる被処理物と水素吸放出能を有する触媒とを混合して当該被処理物に当該触媒を担持させる工程、または前記混合工程前に前記金属水素化物と前記金属アミド化合物の少なくとも一方に水素吸放出能を有する触媒を担持させる工程、のいずれかの工程と、
を有することを特徴とする水素貯蔵材料の製造方法、が提供される。
【００１３】
この水素貯蔵材料の製造方法において、金属水素化物と金属アミド化合物の混合工程は、得られる被処理物がナノ構造化・組織化されるように、メカニカルミリング処理により行うことが好ましく、また、その混合工程は大気圧以上のガス圧雰囲気下で行うことが好ましい。なお、金属水素化物または金属アミド化合物に、またはこれらの混合物および反応物にそれぞれ添加する触媒は先に示した通りである。
【００１４】
本発明の第３の観点によれば、上記製造方法により製造されたことを特徴とする水素貯蔵材料、が提供される。
【００１５】
本発明の第４の観点によれば、水素と反応することによって、ナトリウムとマグネシウムの２種類の金属を含む金属水素化物と金属アミドとの混合物および反応物からなる水素貯蔵材料に可逆的に変化する、ナトリウムイミドとマグネシウムイミドの混合物および複合物、または窒化ナトリウムと窒化マグネシウムの混合物および複合物、またはナトリウムイミドと窒化マグネシウムの混合物および複合物、を有することを特徴とする水素貯蔵材料前駆体、が提供される。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、水素貯蔵材料の水素放出ピーク温度を従来よりも大きく下げることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
本発明に係る水素貯蔵材料は、金属水素化物と金属アミド化合物との混合物および反応物を有し、これらの金属種はナトリウム（Ｎａ）とマグネシウム（Ｍｇ）の２種類である。具体的には、（ａ）金属水素化物を構成する金属がナトリウムであり、金属アミド化合物を構成する金属がマグネシウムである水素貯蔵材料、（ｂ）金属水素化物を構成する金属がナトリウムであり、金属アミド化合物を構成する金属がマグネシウムおよびナトリウムである水素貯蔵材料、（ｃ）金属水素化物を構成する金属がマグネシウムであり、金属アミド化合物を構成する金属がナトリウムである水素貯蔵材料、（ｄ）金属水素化物を構成する金属がマグネシウムであり、金属アミド化合物を構成する金属がマグネシウムおよびナトリウムである水素貯蔵材料、（ｅ）金属水素化物を構成する金属がマグネシウムおよびナトリウムであり、金属アミド化合物を構成する金属がマグネシウムおよびナトリウムである水素貯蔵材料、が挙げられる。
【００１８】
好適な構成は、水素放出温度の低温化のみを考慮すると、金属水素化物が水素化マグネシウム（ＭｇＨ２）であり、かつ、金属アミド化合物がナトリウムアミド（ＮａＮＨ２）の単体またはこれとマグネシウムアミド（Ｍｇ（ＮＨ２）２）との混合物である、という組み合わせである。これは、水素化マグネシウムは金属水素化物の中では分解温度が低いという性質を有するからであり、ナトリウムアミドは水素化マグネシウムより低温で分解し、アンモニア（ＮＨ３）を生成するからである。
【００１９】
マグネシウムとナトリウムとが当量となるように、水素化マグネシウムとナトリウムアミドを用いて水素貯蔵材料を構成する場合には、下式（４）に示す組成とすればよく、水素化ナトリウム（ＮａＨ）とマグネシウムアミドとを用いて水素貯蔵材料を構成する場合には、下式（５）に示す組成とすればよい。下式（４），（５）にそれぞれ示す水素貯蔵材料の理論水素貯蔵率はともに３．８３質量％となる。
ＭｇＨ２+２ＮａＮＨ２⇔ＭｇＮＨ+Ｎａ２ＮＨ+２Ｈ２ …（４）
Ｍｇ（ＮＨ２）２+２ＮａＨ⇔ＭｇＮＨ+Ｎａ２ＮＨ+２Ｈ２ …（５）
【００２０】
水素化マグネシウムとナトリウムアミドを用いて水素貯蔵材料を構成する場合は、ナトリウムアミドに対する水素化マグネシウムの混合比（＝水素化マグネシウム／ナトリウムアミド）をモル比で０．３以上５以下とすることが好ましい。この混合比が０．３未満であると、水素化マグネシウムが不足し、反応系外にナトリウムアミドから放出されたアンモニアが反応しきれずに放出される恐れがある。一方、この混合比が５超となると、水素化マグネシウムが過剰となり、放出可能な水素の質量％が低下する。
【００２１】
水素化マグネシウムとナトリウムアミドを用いて水素貯蔵材料を構成する場合は、さらに、ナトリウムアミドに対する水素化マグネシウムの混合比を０．３以上１以下とすることが、より好ましい。例えば、ナトリウムアミドに対する水素化マグネシウムの混合比をモル比で１とした場合の化学反応式を下式（６）に示す。この下式（６）に示す水素貯蔵材料の理論水素貯蔵率は６．１２質量％となり、上記（４）式に示す水素貯蔵材料よりも高い水素貯蔵率が得られる。
３ＭｇＨ２+３ＮａＮＨ２⇔Ｍｇ３Ｎ２+Ｎａ３Ｎ+６Ｈ２ …（６）
【００２２】
また、３モルの水素化マグネシウムと４モルのナトリウムアミドから水素貯蔵材料を構成した場合（つまり、ナトリウムアミドに対する水素化マグネシウムの混合比をモル比で０．７５とした場合）の化学反応式を下式（７）に示す。この下式（７）に示す水素貯蔵材料の理論水素貯蔵率は５．１１質量％となり、上記（６）式には及ばないものの上記（４）式と比べて高いものとなる。
３ＭｇＨ２＋４ＮａＮＨ２⇔Ｍｇ３Ｎ２＋２Ｎａ２ＮＨ＋６Ｈ２ …（７）
【００２３】
水素化ナトリウムとマグネシウムアミドを用いて水素貯蔵材料を構成する場合には、マグネシウムアミドに対する水素化ナトリウムの混合比（＝水素化ナトリウム／マグネシウムアミド）をモル比で０．５以上５以下とすることが好ましい。この混合比が０．５未満であると、水素化ナトリウムが不足し、反応系外にマグネシウムアミドから放出されたアンモニアが反応しきれずに放出される恐れがある。一方、この混合比が５超であると、水素化マグネシウムが過剰となり、放出可能な水素の質量％が低下する。
【００２４】
水素化ナトリウムとマグネシウムアミドを用いて水素貯蔵材料を構成する場合には、さらに、マグネシウムアミドに対する水素化ナトリウムの混合比をモル比で１以上４以下とすることが、より好ましい。たとえば、マグネシウムアミドに対する水素化ナトリウムの混合比をモル比で４とした場合の化学反応式を下式（８）に示す。この下式（８）に示す水素貯蔵材料の理論水素貯蔵率は５．２５質量％となり、上記（６）式には及ばないものの上記（５）式と比べて高いものとなる。
３Ｍｇ（ＮＨ２）２+１２ＮａＨ⇔Ｍｇ３Ｎ２+４Ｎａ３Ｎ+１２Ｈ２ …（８）
【００２５】
また、３モルのマグネシウムアミドと８モルの水素化ナトリウムから水素貯蔵材料を構成した場合（つまり、マグネシウムアミドに対する水素化ナトリウムの混合比をモル比で約２．６７とした場合）の化学反応式を下式（９）に示す。この下式（９）に示す水素貯蔵材料の理論水素貯蔵率は４．４３質量％となり、上記（８）式には及ばないものの上記（５）式と比べて高いものとなる。
３Ｍｇ（ＮＨ２）２＋８ＮａＨ⇔Ｍｇ３Ｎ２＋４Ｎａ２ＮＨ＋８Ｈ２ …（９）
【００２６】
なお、前記非特許文献１，２に記載されている上記（１）式の逆反応（すなわち水素放出反応）においては、リチウムアミド（ＬｉＮＨ２）と水素化リチウム（ＬｉＨ）が窒化リチウム（Ｌｉ３Ｎ）となることで９．３質量％の水素放出率が確認されているものの、この水素放出率を得るためには、リチウムアミドと水素化リチウムから水素が放出されることにより生成するリチウムイミド（Ｌｉ２ＮＨ）をさらに水素化リチウムと反応させて窒化リチウムとする必要があるため、高い水素放出率は得られるものの、高温が必要であり水素放出温度を低温化することは困難である。
【００２７】
これに対して、金属水素化物と金属アミド化合物の組み合わせを、水素化リチウムとリチウムアミドの組み合わせよりも分解反応が進行しやすいナトリウムとマグネシウムの組み合わせに変え、上記（６）〜（９）式に示す組成とすることで、比較的高い水素放出率を維持しながら、水素放出ピークを低温化することができる。
【００２８】
このような金属種がナトリウムとマグネシウムの２種である金属水素化物と金属アミド化合物との混合物および反応物は、メカニカルミリング処理によりナノ構造化・組織化されていることが好ましい。このメカニカルミリング処理は、少量生産の場合には遊星型ボールミル等を用いることで行うことができ、大量生産の場合にはローラーミルや内外筒回転型ミル、アトライター、インナーピース型ミル、気流粉砕型ミル等を用いて行うことができる。なお、発明者らは、先に特願２００４−０３６９６７号において、このような大量生産に適した水素貯蔵材料の製造装置および製造方法について、提案している。
【００２９】
金属種がナトリウムとマグネシウムの２種である金属水素化物と金属アミド化合物との混合物および反応物を得るための、金属水素化物と金属アミド化合物の混合／粉砕処理は、不活性ガス（例えば、アルゴンガス、窒素ガス）雰囲気下、または水素ガス雰囲気下、または不活性ガスと水素ガスとの混合ガス雰囲気下において行う。このとき、雰囲気圧力（ガス圧力）を大気圧以上とすることが好ましい。これにより、混合／粉砕処理後の混合物および反応物からの水素放出量を増加させることができる。
【００３０】
金属種がナトリウムとマグネシウムの２種である金属水素化物と金属アミド化合物との混合物および反応物は、水素吸放出能を高める触媒を含んでいることが好ましい。好適な触媒としては、Ｂ、Ｃ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｎａ、Ｍｇ、Ｋ、Ｉｒ、Ｎｂ、Ｎｄ、Ｌａ、Ｃａ、Ｖ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｒｕ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｚｒ、ＨｆおよびＡｇから選ばれた１種もしくは２種以上の化合物、または水素貯蔵合金を挙げることができる。
【００３１】
このような触媒の担持量は、金属種がナトリウムとマグネシウムの２種である金属水素化物と金属アミドとの混合物および反応物の０．１質量％以上２０質量％以下とすることが好ましい。触媒担持量が０．１質量％未満の場合には、水素発生反応促進の効果が得られず、２０質量％を超えると逆に金属水素化物等の反応物質どうしの反応を阻害したり、単位質量あたりの水素放出率が目減りするという問題が生じる。
【００３２】
金属種がナトリウムとマグネシウムの２種である金属水素化物と金属アミド化合物との混合物および反応物に、水素吸放出能を有する触媒物質を担持させる方法としては、以下の３つの方法のいずれかが用いられる。すなわち、（ａ）金属水素化物と金属アミド化合物を混合、粉砕する際に触媒物質を加えることにより、被処理物（つまり、金属水素化物、金属アミド化合物、これらの混合物、これらの反応物）に担持させる方法、（ｂ）金属水素化物と金属アミド化合物を混合、粉砕することによって得られる被処理物と触媒物質とを混合することによって被処理物に触媒物質を担持させる方法、（ｃ）金属水素化物と金属アミド化合物を混合、粉砕する前に、金属水素化物と金属アミド化合物の少なくとも一方に水素吸放出能を有する触媒物質を混合粉砕処理等により担持させる方法、のいずれか用いられる。
【００３３】
上述したナトリウムとマグネシウムの２種類の金属を含む金属水素化物と金属アミドとの混合物および反応物からなる水素貯蔵材料は、水素を放出することによって、水素貯蔵材料前駆体（つまり、水素を吸収することによって元の水素貯蔵材料に戻る物質）に変化する。つまり、水素貯蔵材料と水素貯蔵材料前駆体との間では、水素の授受を通した可逆的な反応を行うことができる。このような水素貯蔵材料前駆体は、上式（４）・（５）の右辺に示されるように、ナトリウムイミド（Ｎａ２ＮＨ）とマグネシウムイミド（ＭｇＮＨ）の混合物および複合物、または上式（６）・（８）の右辺に示されるように、窒化ナトリウム（Ｎａ３Ｎ）と窒化マグネシウム（Ｍｇ３Ｎ２）の混合物および複合物、または上式（７）・（９）の右辺に示されるように、ナトリウムイミドと窒化マグネシウムの混合物および複合物、である。
【００３４】
ナトリウムとマグネシウムの２種類の金属を含む金属水素化物と金属アミドとの混合物および反応物からなる水素貯蔵材料は、先に上述の水素貯蔵材料前駆体を製造し、それに水素を吸蔵させてもよい。つまり、例えば、ナトリウムイミドとマグネシウムイミドをメカニカルミリング処理を用いて混合し、得られた水素貯蔵材料前駆体を水素と反応させもよい。
【実施例】
【００３５】
次に、本発明の実施例と比較例について説明する。
【００３６】
（マグネシウムアミドの調整）
マグネシウムアミドは、１ｇの水素化マグネシウムを高純度アルゴングローブボックス内で高クロム鋼製のミル容器（内容積：２５０ｍｌ）に投入した後、このミル容器内を真空排気し、続いてアンモニアガスを下記（１０）式のモル比以上となるように、かつ、ミル容器内が０．４ＭＰａ以下（絶対圧）となるように、ミル容器内に導入した後にミル容器を封止し、次いでこれを室温、大気雰囲気下、２５０ｒｐｍの回転数で所定時間ミリング処理することにより、調整した。ミリング処理後のミル容器から反応ガス中の水素量やＸＲＤ測定により各種金属アミドの生成を確認した。なお、使用原料の詳細は表１に示す通りである。
ＭｇＨ２＋２ＮＨ３（ｇ）→ Ｍｇ（ＮＨ２）２＋２Ｈ２（ｇ）…（１０）
【００３７】
（実施例１〜６の試料調製）
表２および表３に実施例１〜６の出発原料の配合組成を示す。水素化ナトリウム、水素化マグネシウム、ナトリウムアミド、マグネシウムアミドから選ばれた所定の原料（表１参照）を、表２および表３に示すようにナトリウムとマグネシウムが含まれる所定の組成となるように、高純度アルゴングローブボックス中で計量し、高クロム鋼製のバルブ付ミル容器に投入した。続いて、このミル容器内を真空排気した後、高純度水素ガスを１ＭＰａ導入し、遊星型ボールミル装置（Ｆｒｉｔｓｃｈ社製，Ｐ−５）を用いて、室温、大気雰囲気下、２５０ｒｐｍの回転数で２時間、ミリング処理した。ミリング後の試料は、ミル容器内を真空排気してアルゴンガスを充填した後、高純度アルゴングローブボックス中で取り出した。
【００３８】
（比較例１〜４の試料調製）
表４に比較例１〜４の出発原料の配合組成を示す。比較例１，２では水素化リチウムとマグネシウムアミドを、比較例３では水素化リチウムとリチウムアミドとを、比較例４では水素化マグネシウムとマグネシウムアミドとを、それぞれ表４に示す所定の組成となるように、かつ、三塩化チタン（ＴｉＣｌ３）が出発原料の金属成分の合計モル量の１．０ｍｏｌ％となるように、高純度アルゴングローブボックス中で計量し、それぞれ、高クロム鋼製のバルブ付ミル容器に投入した。続いて各ミル容器について、その内部を真空排気した後、高純度水素ガスを１ＭＰａ導入し、遊星型ボールミル装置を用いて、室温、大気雰囲気下、２５０ｒｐｍの回転数で２時間、ミリング処理した。ミリング後の試料は、ミル容器内を真空排気してアルゴンガスを充填した後、高純度アルゴングローブボックス中で取り出した。
【００３９】
（試料評価方法）
上述の通り作製した試料を、高純度アルゴングローブボックス内に設置されたＴＧ−ＭＡＳＳ装置（熱重量・質量分析装置）を用い、昇温速度を５℃／分として昇温し、その際の各試料からの脱離ガスを採取して分析を行った。
【００４０】
（結果）
図１に実施例１〜３のＴＧ−ＭＡＳＳ装置による昇温に伴う脱離水素ガスの放出スペクトル、つまり、温度と水素放出強度と関係を示すグラフを、図２に比較例１〜４のＴＧ−ＭＡＳＳ装置による昇温に伴う脱離水素ガスの放出スペクトルを、図３に実施例４〜６のＴＧ−ＭＡＳＳ装置による昇温に伴う脱離水素ガスの放出スペクトルをそれぞれ示す。また、表２〜表４に各試料の水素ガスの放出スペクトル曲線のピーク温度（℃）（以下「水素放出ピーク温度」という）を併記する。
【００４１】
図１および表１に示されるように、実施例１〜３の水素放出ピーク温度はそれぞれ１４９℃，１４７℃，１６３℃であり、これらは、図２に示した比較例１〜４のそれぞれの水素放出ピーク温度の１９２℃，２０９℃，２４０℃，３１７℃と比較して、大きく低温化することが確認された。
【００４２】
特に、ナトリウムアミドに対する水素化マグネシウムの混合比がモル比で０．３〜１．０の範囲にある実施例１〜３（実施例１では０．３７５、実施例２では０．５、実施例３では０．７５）においては水素放出ピーク温度が低くなっており、特に実施例１および実施例２の水素放出ピーク温度の低温化が顕著であった。
【００４３】
また表３および図３に示されるように、水素化ナトリウムとマグネシウムアミドを用いた実施例４〜６においても、比較例１〜４と比較すると、水素放出ピーク温度が低温化することが確認された。なお、マグネシウムアミドに対する水素化ナトリウムの混合比がモル比で１である実施例４においては、水素放出ピーク温度が低温部でシャープになっており、水素放出ピーク温度の低温化が顕著に現れることを確認した。
【００４４】
【表１】
【００４５】
【表２】
【００４６】
【表３】
【００４７】
【表４】
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本発明は、水素と酸素を燃料として発電する燃料電池およびその運転等に好適である。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】実施例１〜３に係る水素貯蔵材料の昇温温度と水素放出強度との関係を示すグラフ。
【図２】比較例１〜４に係る水素貯蔵材料の昇温温度と水素放出強度との関係を示すグラフ。
【図３】実施例４〜６に係る水素貯蔵材料の昇温温度と水素放出強度との関係を示すグラフ。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池等の燃料として用いられる水素を発生させる水素貯蔵材料およびその製造方法、水素の吸放出により水素貯蔵材料との間で可逆的に変化する水素貯蔵材料前駆体に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＮＯＸやＳＯＸ等の有害物質やＣＯ２等の温室効果ガスを出さないクリーンなエネルギー源として燃料電池の開発が盛んに行われており、既に幾つかの分野で実用化されている。この燃料電池技術を支える重要な技術として、燃料電池の燃料となる水素を貯蔵する技術がある。水素の貯蔵形態としては、高圧ボンベによる圧縮貯蔵や液体水素化させる冷却貯蔵、水素貯蔵物質による貯蔵等が知られている。
【０００３】
これらの水素貯蔵形態の中で、水素貯蔵物質による貯蔵は、分散貯蔵や輸送の点で有利である。水素貯蔵物質としては、水素貯蔵効率の高い材料、つまり水素貯蔵物質の単位重量または単位体積あたりの水素貯蔵量が高い材料、低い温度で水素の吸収／放出が行われる材料、良好な耐久性を有する材料が望まれる。
【０００４】
公知の水素貯蔵物質としては、希土類系、チタン系、バナジウム系、マグネシウム系等を中心とする金属材料、金属アラネード（例えば、ＮａＡｌＨ４やＬｉＡｌＨ４）等の軽量無機化合物、カーボン等が挙げられる。また、例えば、下式（１）で示されるリチウム窒化物を用いた水素貯蔵方法も報告されている（例えば、非特許文献１、２参照）。
Ｌｉ３Ｎ＋２Ｈ２⇔Ｌｉ２ＮＨ＋ＬｉＨ＋Ｈ２⇔ＬｉＮＨ２＋２ＬｉＨ…（１）
【０００５】
ここで、Ｌｉ３Ｎによる水素の吸収は１００℃程度から開始し、２５５℃、３０分で９．３質量％の水素吸収が確認されている。また、吸収された水素の放出特性としては、ゆっくり加熱することによって２００℃弱で６．３質量％、３２０℃以上で３．０質量％と、二段階のステップを経ることが報告されている。すなわち、上記（１）式の右辺部分に相当する下式（２）の反応は２００℃弱で進行し始め、上記（１）式の左辺部分に相当する下式（３）の反応は約３２０℃で進行し始めることが示されている。
ＬｉＮＨ２＋２ＬｉＨ→Ｌｉ２ＮＨ＋ＬｉＨ＋Ｈ２↑ …（２）
Ｌｉ２ＮＨ＋ＬｉＨ→Ｌｉ３Ｎ＋Ｈ２↑ …（３）
【０００６】
しかしながら、上記（１）式に示されるリチウム窒化物は水素放出ピーク温度が高いという問題がある。
【非特許文献１】Ruff, O. , and Goerges, H., Berichte derDeutschen Chemischen Gesellschaft zu Berlin，Vol.44,502-6(1911)
【非特許文献２】Ping Chen et al., Interaction of hydrogenwith metalnitrides and imides, NATURE Vol.420, 21 NOVEMBER 2002, p302〜304
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、水素放出ピーク温度の低い水素貯蔵材料を提供することを目的とする。また本発明はこのような水素貯蔵材料の製造方法を提供することを目的とする。さらに本発明は、水素の吸放出により水素貯蔵材料との間で可逆的に変化する水素貯蔵材料前駆体を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の第１の観点によれば、金属水素化物と金属アミド化合物との混合物および反応物を有し、これらの金属種がナトリウムとマグネシウムの２種類であることを特徴とする水素貯蔵材料、が提供される。
【０００９】
この水素貯蔵材料においては、金属水素化物として水素化マグネシウムを用い、金属アミド化合物としてナトリウムアミドを用いることが好ましい。このとき、ナトリウムアミドに対する水素化マグネシウムの混合比はモル比で０．３以上５以下とすることが好ましく、０．３以上１以下とすることがより好ましい。
【００１０】
また、この水素貯蔵材料においては、金属水素化物として水素化ナトリウムを用い、金属アミドとしてはマグネシウムアミドを用いることも好ましい。このとき、マグネシウムアミドに対する水素化ナトリウムの混合比はモル比で０．５以上５以下とすることが好ましく、１以上４以下とすることがより好ましい。
【００１１】
このような水素貯蔵材料は、水素吸放出能を高める触媒をさらに含んでいることが好ましい。この触媒としては、Ｂ、Ｃ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｎａ、Ｍｇ、Ｋ、Ｉｒ、Ｎｂ、Ｎｄ、Ｌａ、Ｃａ、Ｖ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｒｕ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｚｒ、ＨｆおよびＡｇから選ばれた１種もしくは２種以上の化合物、または水素貯蔵合金、が好適に用いられる。このような触媒の担持量は、金属水素化物と金属アミド化合物との混合物および反応物の０．１質量％以上２０質量％以下とすることが好ましい。さらにこの水素貯蔵材料は、メカニカルミリング処理によりナノ構造化・組織化されていることが好ましい。
【００１２】
本発明の第２の観点によれば、このような水素貯蔵材料の製造方法が提供される。すなわち、金属成分としてナトリウムとマグネシウムを含む金属水素化物と金属アミド化合物とを、不活性ガス雰囲気下もしくは水素ガス雰囲気下または不活性ガスと水素ガスとの混合ガス雰囲気下において混合する工程と、
前記混合工程においてさらに水素吸放出能を有する触媒をさらに加えることによって前記触媒を被処理物に担持させる工程、または前記混合工程後に得られる被処理物と水素吸放出能を有する触媒とを混合して当該被処理物に当該触媒を担持させる工程、または前記混合工程前に前記金属水素化物と前記金属アミド化合物の少なくとも一方に水素吸放出能を有する触媒を担持させる工程、のいずれかの工程と、
を有することを特徴とする水素貯蔵材料の製造方法、が提供される。
【００１３】
この水素貯蔵材料の製造方法において、金属水素化物と金属アミド化合物の混合工程は、得られる被処理物がナノ構造化・組織化されるように、メカニカルミリング処理により行うことが好ましく、また、その混合工程は大気圧以上のガス圧雰囲気下で行うことが好ましい。なお、金属水素化物または金属アミド化合物に、またはこれらの混合物および反応物にそれぞれ添加する触媒は先に示した通りである。
【００１４】
本発明の第３の観点によれば、上記製造方法により製造されたことを特徴とする水素貯蔵材料、が提供される。
【００１５】
本発明の第４の観点によれば、水素と反応することによって、ナトリウムとマグネシウムの２種類の金属を含む金属水素化物と金属アミドとの混合物および反応物からなる水素貯蔵材料に可逆的に変化する、ナトリウムイミドとマグネシウムイミドの混合物および複合物、または窒化ナトリウムと窒化マグネシウムの混合物および複合物、またはナトリウムイミドと窒化マグネシウムの混合物および複合物、を有することを特徴とする水素貯蔵材料前駆体、が提供される。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、水素貯蔵材料の水素放出ピーク温度を従来よりも大きく下げることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
本発明に係る水素貯蔵材料は、金属水素化物と金属アミド化合物との混合物および反応物を有し、これらの金属種はナトリウム（Ｎａ）とマグネシウム（Ｍｇ）の２種類である。具体的には、（ａ）金属水素化物を構成する金属がナトリウムであり、金属アミド化合物を構成する金属がマグネシウムである水素貯蔵材料、（ｂ）金属水素化物を構成する金属がナトリウムであり、金属アミド化合物を構成する金属がマグネシウムおよびナトリウムである水素貯蔵材料、（ｃ）金属水素化物を構成する金属がマグネシウムであり、金属アミド化合物を構成する金属がナトリウムである水素貯蔵材料、（ｄ）金属水素化物を構成する金属がマグネシウムであり、金属アミド化合物を構成する金属がマグネシウムおよびナトリウムである水素貯蔵材料、（ｅ）金属水素化物を構成する金属がマグネシウムおよびナトリウムであり、金属アミド化合物を構成する金属がマグネシウムおよびナトリウムである水素貯蔵材料、が挙げられる。
【００１８】
好適な構成は、水素放出温度の低温化のみを考慮すると、金属水素化物が水素化マグネシウム（ＭｇＨ２）であり、かつ、金属アミド化合物がナトリウムアミド（ＮａＮＨ２）の単体またはこれとマグネシウムアミド（Ｍｇ（ＮＨ２）２）との混合物である、という組み合わせである。これは、水素化マグネシウムは金属水素化物の中では分解温度が低いという性質を有するからであり、ナトリウムアミドは水素化マグネシウムより低温で分解し、アンモニア（ＮＨ３）を生成するからである。
【００１９】
マグネシウムとナトリウムとが当量となるように、水素化マグネシウムとナトリウムアミドを用いて水素貯蔵材料を構成する場合には、下式（４）に示す組成とすればよく、水素化ナトリウム（ＮａＨ）とマグネシウムアミドとを用いて水素貯蔵材料を構成する場合には、下式（５）に示す組成とすればよい。下式（４），（５）にそれぞれ示す水素貯蔵材料の理論水素貯蔵率はともに３．８３質量％となる。
ＭｇＨ２+２ＮａＮＨ２⇔ＭｇＮＨ+Ｎａ２ＮＨ+２Ｈ２ …（４）
Ｍｇ（ＮＨ２）２+２ＮａＨ⇔ＭｇＮＨ+Ｎａ２ＮＨ+２Ｈ２ …（５）
【００２０】
水素化マグネシウムとナトリウムアミドを用いて水素貯蔵材料を構成する場合は、ナトリウムアミドに対する水素化マグネシウムの混合比（＝水素化マグネシウム／ナトリウムアミド）をモル比で０．３以上５以下とすることが好ましい。この混合比が０．３未満であると、水素化マグネシウムが不足し、反応系外にナトリウムアミドから放出されたアンモニアが反応しきれずに放出される恐れがある。一方、この混合比が５超となると、水素化マグネシウムが過剰となり、放出可能な水素の質量％が低下する。
【００２１】
水素化マグネシウムとナトリウムアミドを用いて水素貯蔵材料を構成する場合は、さらに、ナトリウムアミドに対する水素化マグネシウムの混合比を０．３以上１以下とすることが、より好ましい。例えば、ナトリウムアミドに対する水素化マグネシウムの混合比をモル比で１とした場合の化学反応式を下式（６）に示す。この下式（６）に示す水素貯蔵材料の理論水素貯蔵率は６．１２質量％となり、上記（４）式に示す水素貯蔵材料よりも高い水素貯蔵率が得られる。
３ＭｇＨ２+３ＮａＮＨ２⇔Ｍｇ３Ｎ２+Ｎａ３Ｎ+６Ｈ２ …（６）
【００２２】
また、３モルの水素化マグネシウムと４モルのナトリウムアミドから水素貯蔵材料を構成した場合（つまり、ナトリウムアミドに対する水素化マグネシウムの混合比をモル比で０．７５とした場合）の化学反応式を下式（７）に示す。この下式（７）に示す水素貯蔵材料の理論水素貯蔵率は５．１１質量％となり、上記（６）式には及ばないものの上記（４）式と比べて高いものとなる。
３ＭｇＨ２＋４ＮａＮＨ２⇔Ｍｇ３Ｎ２＋２Ｎａ２ＮＨ＋６Ｈ２ …（７）
【００２３】
水素化ナトリウムとマグネシウムアミドを用いて水素貯蔵材料を構成する場合には、マグネシウムアミドに対する水素化ナトリウムの混合比（＝水素化ナトリウム／マグネシウムアミド）をモル比で０．５以上５以下とすることが好ましい。この混合比が０．５未満であると、水素化ナトリウムが不足し、反応系外にマグネシウムアミドから放出されたアンモニアが反応しきれずに放出される恐れがある。一方、この混合比が５超であると、水素化マグネシウムが過剰となり、放出可能な水素の質量％が低下する。
【００２４】
水素化ナトリウムとマグネシウムアミドを用いて水素貯蔵材料を構成する場合には、さらに、マグネシウムアミドに対する水素化ナトリウムの混合比をモル比で１以上４以下とすることが、より好ましい。たとえば、マグネシウムアミドに対する水素化ナトリウムの混合比をモル比で４とした場合の化学反応式を下式（８）に示す。この下式（８）に示す水素貯蔵材料の理論水素貯蔵率は５．２５質量％となり、上記（６）式には及ばないものの上記（５）式と比べて高いものとなる。
３Ｍｇ（ＮＨ２）２+１２ＮａＨ⇔Ｍｇ３Ｎ２+４Ｎａ３Ｎ+１２Ｈ２ …（８）
【００２５】
また、３モルのマグネシウムアミドと８モルの水素化ナトリウムから水素貯蔵材料を構成した場合（つまり、マグネシウムアミドに対する水素化ナトリウムの混合比をモル比で約２．６７とした場合）の化学反応式を下式（９）に示す。この下式（９）に示す水素貯蔵材料の理論水素貯蔵率は４．４３質量％となり、上記（８）式には及ばないものの上記（５）式と比べて高いものとなる。
３Ｍｇ（ＮＨ２）２＋８ＮａＨ⇔Ｍｇ３Ｎ２＋４Ｎａ２ＮＨ＋８Ｈ２ …（９）
【００２６】
なお、前記非特許文献１，２に記載されている上記（１）式の逆反応（すなわち水素放出反応）においては、リチウムアミド（ＬｉＮＨ２）と水素化リチウム（ＬｉＨ）が窒化リチウム（Ｌｉ３Ｎ）となることで９．３質量％の水素放出率が確認されているものの、この水素放出率を得るためには、リチウムアミドと水素化リチウムから水素が放出されることにより生成するリチウムイミド（Ｌｉ２ＮＨ）をさらに水素化リチウムと反応させて窒化リチウムとする必要があるため、高い水素放出率は得られるものの、高温が必要であり水素放出温度を低温化することは困難である。
【００２７】
これに対して、金属水素化物と金属アミド化合物の組み合わせを、水素化リチウムとリチウムアミドの組み合わせよりも分解反応が進行しやすいナトリウムとマグネシウムの組み合わせに変え、上記（６）〜（９）式に示す組成とすることで、比較的高い水素放出率を維持しながら、水素放出ピークを低温化することができる。
【００２８】
このような金属種がナトリウムとマグネシウムの２種である金属水素化物と金属アミド化合物との混合物および反応物は、メカニカルミリング処理によりナノ構造化・組織化されていることが好ましい。このメカニカルミリング処理は、少量生産の場合には遊星型ボールミル等を用いることで行うことができ、大量生産の場合にはローラーミルや内外筒回転型ミル、アトライター、インナーピース型ミル、気流粉砕型ミル等を用いて行うことができる。なお、発明者らは、先に特願２００４−０３６９６７号において、このような大量生産に適した水素貯蔵材料の製造装置および製造方法について、提案している。
【００２９】
金属種がナトリウムとマグネシウムの２種である金属水素化物と金属アミド化合物との混合物および反応物を得るための、金属水素化物と金属アミド化合物の混合／粉砕処理は、不活性ガス（例えば、アルゴンガス、窒素ガス）雰囲気下、または水素ガス雰囲気下、または不活性ガスと水素ガスとの混合ガス雰囲気下において行う。このとき、雰囲気圧力（ガス圧力）を大気圧以上とすることが好ましい。これにより、混合／粉砕処理後の混合物および反応物からの水素放出量を増加させることができる。
【００３０】
金属種がナトリウムとマグネシウムの２種である金属水素化物と金属アミド化合物との混合物および反応物は、水素吸放出能を高める触媒を含んでいることが好ましい。好適な触媒としては、Ｂ、Ｃ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｎａ、Ｍｇ、Ｋ、Ｉｒ、Ｎｂ、Ｎｄ、Ｌａ、Ｃａ、Ｖ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｒｕ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｚｒ、ＨｆおよびＡｇから選ばれた１種もしくは２種以上の化合物、または水素貯蔵合金を挙げることができる。
【００３１】
このような触媒の担持量は、金属種がナトリウムとマグネシウムの２種である金属水素化物と金属アミドとの混合物および反応物の０．１質量％以上２０質量％以下とすることが好ましい。触媒担持量が０．１質量％未満の場合には、水素発生反応促進の効果が得られず、２０質量％を超えると逆に金属水素化物等の反応物質どうしの反応を阻害したり、単位質量あたりの水素放出率が目減りするという問題が生じる。
【００３２】
金属種がナトリウムとマグネシウムの２種である金属水素化物と金属アミド化合物との混合物および反応物に、水素吸放出能を有する触媒物質を担持させる方法としては、以下の３つの方法のいずれかが用いられる。すなわち、（ａ）金属水素化物と金属アミド化合物を混合、粉砕する際に触媒物質を加えることにより、被処理物（つまり、金属水素化物、金属アミド化合物、これらの混合物、これらの反応物）に担持させる方法、（ｂ）金属水素化物と金属アミド化合物を混合、粉砕することによって得られる被処理物と触媒物質とを混合することによって被処理物に触媒物質を担持させる方法、（ｃ）金属水素化物と金属アミド化合物を混合、粉砕する前に、金属水素化物と金属アミド化合物の少なくとも一方に水素吸放出能を有する触媒物質を混合粉砕処理等により担持させる方法、のいずれか用いられる。
【００３３】
上述したナトリウムとマグネシウムの２種類の金属を含む金属水素化物と金属アミドとの混合物および反応物からなる水素貯蔵材料は、水素を放出することによって、水素貯蔵材料前駆体（つまり、水素を吸収することによって元の水素貯蔵材料に戻る物質）に変化する。つまり、水素貯蔵材料と水素貯蔵材料前駆体との間では、水素の授受を通した可逆的な反応を行うことができる。このような水素貯蔵材料前駆体は、上式（４）・（５）の右辺に示されるように、ナトリウムイミド（Ｎａ２ＮＨ）とマグネシウムイミド（ＭｇＮＨ）の混合物および複合物、または上式（６）・（８）の右辺に示されるように、窒化ナトリウム（Ｎａ３Ｎ）と窒化マグネシウム（Ｍｇ３Ｎ２）の混合物および複合物、または上式（７）・（９）の右辺に示されるように、ナトリウムイミドと窒化マグネシウムの混合物および複合物、である。
【００３４】
ナトリウムとマグネシウムの２種類の金属を含む金属水素化物と金属アミドとの混合物および反応物からなる水素貯蔵材料は、先に上述の水素貯蔵材料前駆体を製造し、それに水素を吸蔵させてもよい。つまり、例えば、ナトリウムイミドとマグネシウムイミドをメカニカルミリング処理を用いて混合し、得られた水素貯蔵材料前駆体を水素と反応させもよい。
【実施例】
【００３５】
次に、本発明の実施例と比較例について説明する。
【００３６】
（マグネシウムアミドの調整）
マグネシウムアミドは、１ｇの水素化マグネシウムを高純度アルゴングローブボックス内で高クロム鋼製のミル容器（内容積：２５０ｍｌ）に投入した後、このミル容器内を真空排気し、続いてアンモニアガスを下記（１０）式のモル比以上となるように、かつ、ミル容器内が０．４ＭＰａ以下（絶対圧）となるように、ミル容器内に導入した後にミル容器を封止し、次いでこれを室温、大気雰囲気下、２５０ｒｐｍの回転数で所定時間ミリング処理することにより、調整した。ミリング処理後のミル容器から反応ガス中の水素量やＸＲＤ測定により各種金属アミドの生成を確認した。なお、使用原料の詳細は表１に示す通りである。
ＭｇＨ２＋２ＮＨ３（ｇ）→ Ｍｇ（ＮＨ２）２＋２Ｈ２（ｇ）…（１０）
【００３７】
（実施例１〜６の試料調製）
表２および表３に実施例１〜６の出発原料の配合組成を示す。水素化ナトリウム、水素化マグネシウム、ナトリウムアミド、マグネシウムアミドから選ばれた所定の原料（表１参照）を、表２および表３に示すようにナトリウムとマグネシウムが含まれる所定の組成となるように、高純度アルゴングローブボックス中で計量し、高クロム鋼製のバルブ付ミル容器に投入した。続いて、このミル容器内を真空排気した後、高純度水素ガスを１ＭＰａ導入し、遊星型ボールミル装置（Ｆｒｉｔｓｃｈ社製，Ｐ−５）を用いて、室温、大気雰囲気下、２５０ｒｐｍの回転数で２時間、ミリング処理した。ミリング後の試料は、ミル容器内を真空排気してアルゴンガスを充填した後、高純度アルゴングローブボックス中で取り出した。
【００３８】
（比較例１〜４の試料調製）
表４に比較例１〜４の出発原料の配合組成を示す。比較例１，２では水素化リチウムとマグネシウムアミドを、比較例３では水素化リチウムとリチウムアミドとを、比較例４では水素化マグネシウムとマグネシウムアミドとを、それぞれ表４に示す所定の組成となるように、かつ、三塩化チタン（ＴｉＣｌ３）が出発原料の金属成分の合計モル量の１．０ｍｏｌ％となるように、高純度アルゴングローブボックス中で計量し、それぞれ、高クロム鋼製のバルブ付ミル容器に投入した。続いて各ミル容器について、その内部を真空排気した後、高純度水素ガスを１ＭＰａ導入し、遊星型ボールミル装置を用いて、室温、大気雰囲気下、２５０ｒｐｍの回転数で２時間、ミリング処理した。ミリング後の試料は、ミル容器内を真空排気してアルゴンガスを充填した後、高純度アルゴングローブボックス中で取り出した。
【００３９】
（試料評価方法）
上述の通り作製した試料を、高純度アルゴングローブボックス内に設置されたＴＧ−ＭＡＳＳ装置（熱重量・質量分析装置）を用い、昇温速度を５℃／分として昇温し、その際の各試料からの脱離ガスを採取して分析を行った。
【００４０】
（結果）
図１に実施例１〜３のＴＧ−ＭＡＳＳ装置による昇温に伴う脱離水素ガスの放出スペクトル、つまり、温度と水素放出強度と関係を示すグラフを、図２に比較例１〜４のＴＧ−ＭＡＳＳ装置による昇温に伴う脱離水素ガスの放出スペクトルを、図３に実施例４〜６のＴＧ−ＭＡＳＳ装置による昇温に伴う脱離水素ガスの放出スペクトルをそれぞれ示す。また、表２〜表４に各試料の水素ガスの放出スペクトル曲線のピーク温度（℃）（以下「水素放出ピーク温度」という）を併記する。
【００４１】
図１および表１に示されるように、実施例１〜３の水素放出ピーク温度はそれぞれ１４９℃，１４７℃，１６３℃であり、これらは、図２に示した比較例１〜４のそれぞれの水素放出ピーク温度の１９２℃，２０９℃，２４０℃，３１７℃と比較して、大きく低温化することが確認された。
【００４２】
特に、ナトリウムアミドに対する水素化マグネシウムの混合比がモル比で０．３〜１．０の範囲にある実施例１〜３（実施例１では０．３７５、実施例２では０．５、実施例３では０．７５）においては水素放出ピーク温度が低くなっており、特に実施例１および実施例２の水素放出ピーク温度の低温化が顕著であった。
【００４３】
また表３および図３に示されるように、水素化ナトリウムとマグネシウムアミドを用いた実施例４〜６においても、比較例１〜４と比較すると、水素放出ピーク温度が低温化することが確認された。なお、マグネシウムアミドに対する水素化ナトリウムの混合比がモル比で１である実施例４においては、水素放出ピーク温度が低温部でシャープになっており、水素放出ピーク温度の低温化が顕著に現れることを確認した。
【００４４】
【表１】
【００４５】
【表２】
【００４６】
【表３】
【００４７】
【表４】
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本発明は、水素と酸素を燃料として発電する燃料電池およびその運転等に好適である。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】実施例１〜３に係る水素貯蔵材料の昇温温度と水素放出強度との関係を示すグラフ。
【図２】比較例１〜４に係る水素貯蔵材料の昇温温度と水素放出強度との関係を示すグラフ。
【図３】実施例４〜６に係る水素貯蔵材料の昇温温度と水素放出強度との関係を示すグラフ。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属水素化物と金属アミド化合物との混合物および反応物を有し、これらの金属種がナトリウムとマグネシウムの２種類であることを特徴とする水素貯蔵材料。
【請求項２】
前記金属水素化物は水素化マグネシウムであり、前記金属アミド化合物はナトリウムアミドであることを特徴とする請求項１に記載の水素貯蔵材料。
【請求項３】
ナトリウムアミドに対する水素化マグネシウムの混合比がモル比で０．３以上５以下であることを特徴とする請求項２に記載の水素貯蔵材料。
【請求項４】
ナトリウムアミドに対する水素化マグネシウムの混合比がモル比で０．３以上１以下であることを特徴とする請求項３に記載の水素貯蔵材料。
【請求項５】
前記金属水素化物は水素化ナトリウムであり、前記金属アミドはマグネシウムアミドであることを特徴とする請求項１に記載の水素貯蔵材料。
【請求項６】
マグネシウムアミドに対する水素化ナトリウムの混合比がモル比で０．５以上５以下であることを特徴とする請求項５に記載の水素貯蔵材料。
【請求項７】
マグネシウムアミドに対する水素化ナトリウムの混合比がモル比で１以上４以下であることを特徴とする請求項６に記載の水素貯蔵材料。
【請求項８】
水素吸放出能を高める触媒をさらに含む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材料。
【請求項９】
前記触媒は、Ｂ、Ｃ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｎａ、Ｍｇ、Ｋ、Ｉｒ、Ｎｂ、Ｎｄ、Ｌａ、Ｃａ、Ｖ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｒｕ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｚｒ、ＨｆおよびＡｇから選ばれた１種もしくは２種以上の元素の化合物または水素貯蔵合金であることを特徴とする請求項８に記載の水素貯蔵材料。
【請求項１０】
前記触媒の担持量は、前記金属水素化物と金属アミド化合物の混合物および反応物の０．１質量％以上２０質量％以下であることを特徴とする請求項８または請求項９に記載の水素貯蔵材料。
【請求項１１】
前記混合物および反応物はメカニカルミリング処理によりナノ構造化・組織化されてい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材料。
【請求項１２】
金属成分としてナトリウムとマグネシウムを含む金属水素化物と金属アミド化合物とを、不活性ガス雰囲気下もしくは水素ガス雰囲気下または不活性ガスと水素ガスとの混合ガス雰囲気下において混合する工程と、
前記混合工程においてさらに水素吸放出能を有する触媒をさらに加えることによって前記触媒を被処理物に担持させる工程、または前記混合工程後に得られる被処理物と水素吸放出能を有する触媒とを混合して当該被処理物に当該触媒を担持させる工程、または前記混合工程前に前記金属水素化物と前記金属アミド化合物の少なくとも一方に水素吸放出能を有する触媒を担持させる工程、のいずれかの工程と、
を有することを特徴とする水素貯蔵材料の製造方法。
【請求項１３】
前記金属水素化物と金属アミド化合物との混合工程は、得られる被処理物がナノ構造化・組織化されるように、メカニカルミリング処理により行われることを特徴とする請求項１２に記載の水素貯蔵材料の製造方法。
【請求項１４】
前記金属水素化物と金属アミド化合物との混合工程は、大気圧以上のガス圧力雰囲気下で行うことを特徴とする請求項１２または請求項１３に記載の水素貯蔵材料の製造方法。
【請求項１５】
前記触媒は、Ｂ、Ｃ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｎａ、Ｍｇ、Ｋ、Ｉｒ、Ｎｂ、Ｎｄ、Ｌａ、Ｃａ、Ｖ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｒｕ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｚｒ、ＨｆおよびＡｇから選ばれた１種もしくは２種以上の化合物、または水素貯蔵合金であることを特徴とする請求項１２から請求項１４に記載の水素貯蔵材料の製造方法。
【請求項１６】
請求項１２から請求項１５のいずれかの水素貯蔵材料の製造方法により製造されたことを特徴とする水素貯蔵材料。
【請求項１７】
水素と反応することによって、ナトリウムとマグネシウムの２種類の金属を含む金属水素化物と金属アミドとの混合物および反応物からなる水素貯蔵材料に可逆的に変化する、ナトリウムイミドとマグネシウムイミドの混合物および複合物、または窒化ナトリウムと窒化マグネシウムの混合物および複合物、またはナトリウムイミドと窒化マグネシウムの混合物および複合物、を有することを特徴とする水素貯蔵材料前駆体。
【請求項１】
金属水素化物と金属アミド化合物との混合物および反応物を有し、これらの金属種がナトリウムとマグネシウムの２種類であることを特徴とする水素貯蔵材料。
【請求項２】
前記金属水素化物は水素化マグネシウムであり、前記金属アミド化合物はナトリウムアミドであることを特徴とする請求項１に記載の水素貯蔵材料。
【請求項３】
ナトリウムアミドに対する水素化マグネシウムの混合比がモル比で０．３以上５以下であることを特徴とする請求項２に記載の水素貯蔵材料。
【請求項４】
ナトリウムアミドに対する水素化マグネシウムの混合比がモル比で０．３以上１以下であることを特徴とする請求項３に記載の水素貯蔵材料。
【請求項５】
前記金属水素化物は水素化ナトリウムであり、前記金属アミドはマグネシウムアミドであることを特徴とする請求項１に記載の水素貯蔵材料。
【請求項６】
マグネシウムアミドに対する水素化ナトリウムの混合比がモル比で０．５以上５以下であることを特徴とする請求項５に記載の水素貯蔵材料。
【請求項７】
マグネシウムアミドに対する水素化ナトリウムの混合比がモル比で１以上４以下であることを特徴とする請求項６に記載の水素貯蔵材料。
【請求項８】
水素吸放出能を高める触媒をさらに含む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材料。
【請求項９】
前記触媒は、Ｂ、Ｃ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｎａ、Ｍｇ、Ｋ、Ｉｒ、Ｎｂ、Ｎｄ、Ｌａ、Ｃａ、Ｖ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｒｕ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｚｒ、ＨｆおよびＡｇから選ばれた１種もしくは２種以上の元素の化合物または水素貯蔵合金であることを特徴とする請求項８に記載の水素貯蔵材料。
【請求項１０】
前記触媒の担持量は、前記金属水素化物と金属アミド化合物の混合物および反応物の０．１質量％以上２０質量％以下であることを特徴とする請求項８または請求項９に記載の水素貯蔵材料。
【請求項１１】
前記混合物および反応物はメカニカルミリング処理によりナノ構造化・組織化されてい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材料。
【請求項１２】
金属成分としてナトリウムとマグネシウムを含む金属水素化物と金属アミド化合物とを、不活性ガス雰囲気下もしくは水素ガス雰囲気下または不活性ガスと水素ガスとの混合ガス雰囲気下において混合する工程と、
前記混合工程においてさらに水素吸放出能を有する触媒をさらに加えることによって前記触媒を被処理物に担持させる工程、または前記混合工程後に得られる被処理物と水素吸放出能を有する触媒とを混合して当該被処理物に当該触媒を担持させる工程、または前記混合工程前に前記金属水素化物と前記金属アミド化合物の少なくとも一方に水素吸放出能を有する触媒を担持させる工程、のいずれかの工程と、
を有することを特徴とする水素貯蔵材料の製造方法。
【請求項１３】
前記金属水素化物と金属アミド化合物との混合工程は、得られる被処理物がナノ構造化・組織化されるように、メカニカルミリング処理により行われることを特徴とする請求項１２に記載の水素貯蔵材料の製造方法。
【請求項１４】
前記金属水素化物と金属アミド化合物との混合工程は、大気圧以上のガス圧力雰囲気下で行うことを特徴とする請求項１２または請求項１３に記載の水素貯蔵材料の製造方法。
【請求項１５】
前記触媒は、Ｂ、Ｃ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｎａ、Ｍｇ、Ｋ、Ｉｒ、Ｎｂ、Ｎｄ、Ｌａ、Ｃａ、Ｖ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｒｕ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｚｒ、ＨｆおよびＡｇから選ばれた１種もしくは２種以上の化合物、または水素貯蔵合金であることを特徴とする請求項１２から請求項１４に記載の水素貯蔵材料の製造方法。
【請求項１６】
請求項１２から請求項１５のいずれかの水素貯蔵材料の製造方法により製造されたことを特徴とする水素貯蔵材料。
【請求項１７】
水素と反応することによって、ナトリウムとマグネシウムの２種類の金属を含む金属水素化物と金属アミドとの混合物および反応物からなる水素貯蔵材料に可逆的に変化する、ナトリウムイミドとマグネシウムイミドの混合物および複合物、または窒化ナトリウムと窒化マグネシウムの混合物および複合物、またはナトリウムイミドと窒化マグネシウムの混合物および複合物、を有することを特徴とする水素貯蔵材料前駆体。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２００６−２２４０２１（Ｐ２００６−２２４０２１Ａ）
【公開日】平成１８年８月３１日（２００６．８．３１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−４２４３５（Ｐ２００５−４２４３５）
【出願日】平成１７年２月１８日（２００５．２．１８）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）国等の委託研究の成果に係る特許出願（平成１６年度、独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構、メカノケミカル法グラファイト系及びリチウム系水素貯蔵材料の委託研究、産業活力再生特別措置法第３０条の適用を受ける特許出願）
【出願人】（００００００２４０）太平洋セメント株式会社 (1,449)
【出願人】（５０４１３６５６８）国立大学法人広島大学 (924)
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年８月３１日（２００６．８．３１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年２月１８日（２００５．２．１８）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）国等の委託研究の成果に係る特許出願（平成１６年度、独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構、メカノケミカル法グラファイト系及びリチウム系水素貯蔵材料の委託研究、産業活力再生特別措置法第３０条の適用を受ける特許出願）
【出願人】（００００００２４０）太平洋セメント株式会社 (1,449)
【出願人】（５０４１３６５６８）国立大学法人広島大学 (924)
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
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