5.5 分散輸送・貯蔵用水素吸蔵合金の開発
多量の水素を可逆的に吸収、放出する水素吸蔵合金は、水素輸送貯蔵用媒体として、水素充填密度、取扱い易さ、圧力調整、長期保存性、操作性、安全性、環境適合性、耐久性、水素化特性制御等の点に優れた特徴を有する。
平成６年度は、前年度に引き続き、研究開発目標を広い視野から合目的的に定めるために、水素吸蔵合金の開発動向調査として、軽量で３wt％以上の水素を吸収するが、製造が難しい等の難点を有するマグネシウム系合金の製造技術の調査と水素化特性の改良手法として有力なナノクリスタライン水素吸蔵合金の調査を実施するとともに、米国と欧州の研究開発と実用化の状況を調査した。
また、水素輸送貯蔵用途への水素吸蔵合金の適用性に関し、次の各項目について調査検討した。
- 携帯用水素貯蔵容器
- 遠隔地需要での分散型定置式水素貯蔵
- 水素自動車の燃料タンク
- 液体水素貯蔵−水素燃焼タービン発電プラントでのボイルオフ水素の処理
5.5.1 水素輸送貯蔵用水素吸蔵合金の研究動向調査
(1) マグネシウム合金の製造法
Mg合金は、工業的には、フラックスの添加または六フッ化イオウ等のカバーガスを用いる融解法により製造されている。その鋳造工程や操作条件、使用材料等について調査した。このカバーガスを用いる融解鋳造法はMg系水素吸蔵合金の大量製造にも応用できるであろうが、Mgの蒸気圧が高いため、所定の水素吸蔵合金の製造には改良を加える必要がある。また、圧縮成形・焼結法とメカニカルアロイング法についても調査した。さらに、これらの方法を水素吸蔵合金試料の作製に適用した例を調査し、融解法でのLa−Mg系三元合金、焼結法でのMg2Ni合金、メカニカルアロイングでのアモルファスMg−Ni系合金等の試料調製例を紹介した。
(2) ナノクリスタライン金属水素化物
ナノクリスタライン金属水素化物は、通常50nm以下の粒径からなる微粒子水素吸蔵合金である。結晶性合金と非晶質合金の中間の結晶化度を有し、水素化反応活性の向上と微粉化の抑制に有効である。ボールミル処理により代表的な水素吸蔵合金であるFeTiとMg2Ni、LaNi5のナノクリスタライン合金を調製し、これら３種の合金の水素化特性を測定した。各合金とも水素化活性と空気に対する耐性とが著しく向上していた。とくに初期の水素化が円滑に進み、従来の結晶性合金の場合に必要な高圧水素と高温による活性化処理は不用であった。また、水素化触媒としてPdを微量添加すると、水素化活性と空気耐性がさらに向上した。ナノクリスタライン化は活性化処理と不活性ガス中取扱いの軽滅に対して有用な手法といえる。
5.5.2 水素輸送・貯蔵システムヘの水素吸蔵合金の適用性の検討
(1) 携帯用水素貯蔵容器
まず、水素吸蔵合金を用いた水素貯蔵容器を調査し、開発された装置の水素貯蔵量、充填圧力、放出圧力、放出温度、使用合金、熱交換方式をまとめた。つぎに、携帯用水素貯蔵容器の開発例について、その仕様と性能、水素吸蔵合金と容器の設計開発指針を調べた。
携帯用の分野では、卓上型水素発生器とポータブル燃料電池用のカセット式水素燃料容器が実用化されている。単純な容器構造からなる大気熱交換型の小型水素貯蔵容器が多数試作されており、低価格化と軽量化を進めることにより、多彩な用途への展開が期待できる。
(2) 分散型定置式水素貯蔵
分散型水素貯蔵システムヘの水素吸蔵合金の適用性を高圧水素ガス貯蔵及び液体水素貯蔵とも比較して検討した。高圧水素ガス貯蔵には、水素充填密度と安全性の点での難点が認められた。また、液体水素貯蔵は、ボイルオフを伴うため、ある日時や季節にボイルオフ量より消費量が少なくなる用途には、長期貯蔵性と安全性の点で使用方法が複雑となるが、消費量が多くて安定している用途には水素充填密度の大きさで適用性が高いと思われる。一方、水素吸蔵合金は、遠隔地に離散して立地する民家等、小規模で変動の大きい水素消費地における水素貯蔵容器に高い適合性を有すると判断した。定置式水素貯蔵法としては、設置空間、安全性、取扱い保守、長期貯蔵性の点で、水素吸蔵合金による水素貯蔵が最も優れている。この貯蔵法を広く普及させるためには、100円／kgのオーダーの安価な合金の開発による経済性の向上が強く望まれるとともに、室温において1.65wt％以上の水素吸蔵量を有する合金と300Nｍ3／ｍ3程度の水素充填体積密度を有する貯蔵容器の開発も研究目標に挙げられる。
(3) 水素自動車用タンク
水素吸蔵合金を燃料タンクに用いて試作された水素自動車について、仕様、性能、燃料タンク構成等を調査し、それらの多くが実用走行的に問題のない性能を有していることがわかった。また、法規性と利便性、価格の面から、水素吸蔵合金燃料タンクの水素自動車への適用性を検討した。水素吸蔵合金燃料タンクは、安全性と保守性に優れ、現状の技術レベルでも我国の法的基準を満たすと判断される。航続距離すなわち水素貯蔵量の増大が最重要課題であり、３wt％程度の水素吸蔵量を有し、100℃以下で水素を放出できる合金の開発が必要である。また、低価格化、水素充填時間の短縮、残存水素量の正確な計測も解決すべき課題に挙げられる。
(4) 液体水素貯蔵−水素燃焼タービン発電プラント
100万kW水素燃焼タービン発電プラント、60％の発電効率、30日分の液体水素備蓄量、10万ｍ3の液体水素タンカー輸送容量、0.2％のタンカーからタンクヘの移送でのボイルオフ（ＢＯＧ）水素量、0.1％／日の液体水素タンクからのＢＯＧ水素量を想定し、このプラントでのＢＯＧ水素発生量を算定した。その結果、タンカーからタンクヘの移送によるＢＯＧ水素量は16万Nｍ3に達し、液体水素タンクからのＢＯＧ水棄量は15千ｍ3／ｈになると推算され、この規模のプラントには10万Nｍ3のオーダーの水素ガス貯蔵設備をＢＯＧ水素処理用として付設する必要があると見積もった。
これらのＢＯＧ水素の貯蔵用として、高圧水素ガス貯蔵法と水素吸蔵合金を用いる方法を検討した。高圧水素ガス貯蔵法は有力な方法であるが、耐圧10atmの直径20ｍの球形タンクでも約４万Nｍ3の容量であり、タンク規模が非常に大きくなるとともに、大容量水素圧縮機の付設が必要になるという難点が存在した。一方、水素吸蔵合金を用いる貯蔵法は、１／300の体積比すなわち10万Nｍ3の水素を約340ｍ3に縮小して貯蔵できる上に、昇圧装置としても利用できるため、これらのＢＯＧ水素の貯蔵を兼ねた昇圧装置として、高い適用性を有すると判断した。
水素吸蔵合金は、100℃の温度差で水素解離平衡圧が約１桁変化する特性を有しており、水素燃焼タービンの温排水とＰＣＴ特性の異なる水素吸蔵合金を収納した複数の貯蔵容器とを使用することにより、ＢＯＧ水素を1atmから50atmへとカスケード式に昇圧できる。
移送と貯蔵に伴うＢＯＧ水素の発生量の試算から、総量で約20万Nｍ3の貯蔵装置を設置し、水素の貯蔵と昇圧を各６時間、合計12時間の間隔で行う操作が考えられる。１日当たり２回の貯蔵回数であり、20年間では、14,000回の水素貯蔵回数になる。この使用では、合金価格を現状推定価格3,500円／kgとしても、合金分の水素貯蔵価格は1.25円／Nｍ3と推算される。この方法は、水素貯蔵設備の規模を２倍にする必要があるため、設備費を増大させるが、水素圧縮機の設置とその動力を不要とする利点をもたらすので、ＢＯＧ水素の貯蔵昇圧法として極めて有用であると考えられる。
5.5.3 水素吸蔵合金の利用技術に関する海外研究調査
海外における水素エネルギーと水素吸蔵合金の研究開発の現状と動向の把握を目的に(1)水素電池と水素化物電池のシンポジウムが開催された米国電気化学会の秋季大会に出席するとともに、(2)水素吸蔵合金の研究開発と事業化を精力的に進めていたエルジェニクス社（米国）、(3)日本の研究学園都市構想のモデルともなったリサーチトライアングル（米国）、(4)太陽エネルギーを水素に変換利用する研究を実施しているINTAエネルギー研究所（スペイン）、(5)水素吸蔵合金と水素貯蔵容器を製造販売しているＧｆＥ社（ドイツ）を訪問した。
(1) 米国調査
電気化学会秋季大会への参加とリサーチトライアングルヘの訪問から、米国では、水素吸蔵合金の応用研究は、ニッケル−水素化物電池についてかなり盛んに行われており、負極用合金のキャラクタリゼーション等の基礎研究から電池性能の試験評価、リサイクル手法にわたる広い範囲に及んでいることを確認した。また、エルジェニクス社では、高性能なヒートポンプ等を製作しているが、水素吸蔵合金関連製品の事業化は主に経済性の点で難しく、政府系研究機関や民間からの受託研究を主に行っている状況であった。
(2) 欧州調査
ＩＮＡＴでは、8.5kWの太陽電池、5.2kWのアルカリ水電解槽、TiMn2系水素吸蔵合金を用いた水素貯蔵容器（24ｍ3）、圧縮水素ガス貯蔵容器からなる水素製造・貯蔵システムの運転研究が行われていた。水素貯蔵方法としては、経済性では高圧ガスが優れ、安全性やスペース的には水素吸蔵合金が優れていると判断していた。
ＧｆＥ社は、各種の水素吸蔵合金と１〜100ｍ3容量の水素吸蔵合金用貯蔵容器を製造販売している。自動車用水素燃料タンク等の共同研究にも参加しており、水素貯蔵容器の製作にかなり高い技術力をノウハウとして有しているとみられる。
