JP2005526678A - 大容量カルシウムリチウム・ベースの水素貯蔵材料およびその製法 - Google Patents

Abstract

水素燃料として用いるための不可逆的金属水素化物。不可逆的金属水素化物は、式Ｃａ_１＋ａＬｉ_２＋ｂを有する金属間化合物から形成される。Ｃａ_１＋ａＬｉ_２＋ｂは、適量の元素リチウム及びカルシウムを一緒に、アルゴン雰囲気中で電気誘導加熱により溶解して形成する。Ｃａ_１＋ａＬｉ_２＋ｂは、冷却され、粉体に破砕される。合金粉体は、引き続いて室温又は室温以下において水素化される。得られるものは、そのナノ結晶構造に起因して、加水分解時の水に対する特に優れた反応性を有する金属水素化物である。吸収され水素がリチウムおよびカルシウムに化学結合しているので、金属水素化物の脱水素は普通には発生しない。Ｃａ_１＋ａＬｉ_２＋ｂ水素化物は、水素燃料のような多様な用途に利用でき、Ｃａ_１＋ａＬｉ_２＋ｂ合金は、水素又は水素を含む流れから湿気を除去する乾燥剤としても利用できる。

Description

本発明は、一般的には、水素を貯蔵し且つ解放するために用いられる、不可逆的金属水素化物に関する。より具体的には、本発明は、多様な設計上の応用に使用するための一種の水素燃料としての、不可逆的金属水素化物に関する。

世界の人口が膨張しその経済が拡大するにつれて、二酸化炭素の大気中濃度が地球を温暖化し気候変化をもたらしている。しかし、地球規模のエネルギー体系は、燃焼して有害ガスを発生する炭素に富む燃料から離れて着実に移行しつつある。ほぼ一世紀半の間、高い炭素量を含む燃料がより少ない含有量のものに漸次置き換えられてきている。

米国においては、１９５０年以来、低炭素燃料を指向する傾向がより高いエネルギー効率と組み合わされた結果、経済生産の各単位に対して吐出される炭素量が約半分に減少されたと推定されている。このように、エネルギー体系の脱炭素化は、この体系の過去２０年の分析から明らかになった唯一の最も重要な事実である。この進歩が２１世紀の終わりまでに炭素を含まないエネルギー体系をもたらすであろう、ということが予言されている。本発明はこの期間を大きく短縮するのに役立つ。既に軌道宇宙船に動力を供給しているように、近い時期に、乗用車、トラック及び工業用装置用の燃料電池に水素が使用されるであろう。しかし究極的には、水素は、発電を含む全ての燃料需要を満たすような、総合的無炭素燃料をも提供するであろう。

１８００年代においては、燃料は主として薪であり、水素の炭素に対する比は約０.１であった。社会が石炭と石油の使用に切換えるにつれて、水素対炭素の比は最初１.３次いで２に増加した。現在、社会はメタンの使用に刻々と近づいており、その水素対炭素の比は更に４に増加する（メタンは安全、コスト、および基本的施設に関する深刻な問題を抱えている）。しかし、社会の究極の目標は、炭素を含まない燃料、即ち最も普遍的に存在する元素である純水素を採用することである。障害は、固体として貯蔵する能力と基本的施設の欠如であった。

水素は、「究極の燃料」である。それは、無尽蔵である。水素は宇宙で最も豊富な元素である（全物質の９５％を越える）。水素は我々の惑星に清浄で持続可能なエネルギー源を提供することが出来、水を水素と酸素に分解する種々の方法により生産することができる。次いで、その水素は、固体の形態として貯蔵し且つ輸送することが出来る。

世界の石油備蓄はいずれ枯渇するものであるが、水素の供給は殆ど無制限である。水素は、石炭、天然ガス、及びその他の炭化水素からも生産できるが、水の電気分解により形成されるのが好ましく、太陽からのエネルギーを用いるのがより好ましい(参考にしてここに取り入れてある、米国特許番号第４,６７８,６７９号を参照のこと)。しかし、水素は、その他の如何なる形態の経済的なエネルギー（例えば、風力、波力、地熱、水力発電、原子力、バイオマスのガス化、など）を用いた水の電気分解によっても生産することができる。更にその上、水素は本質的にコストの低い燃料である。水素は、化学燃料の中で単位重量あたり最高のエネルギー密度を有し、水素「燃焼」の主副産物が水であるから殆ど無公害性である。従って、水素は、気候変動、公害、石油への戦略的依存、などの世界的なエネルギー関連諸問題の多くを解決する手段でありうると同時に、持続可能な方法で発展途上国を援助する手段を提供する。

水素は、燃料としての広い応用範囲の可能性を有するが、利用するに当たっての、特に乗り物に動力を供給するような移動体での利用における主な欠点は、満足できるような軽量水素貯蔵媒体の欠如であった。圧縮気体としての水素の貯蔵は、大きくて重い容器の使用を伴う。加えて、水素を圧縮気体として貯蔵するのには大きくて非常に高価な圧縮機が必要であり、且つ圧縮水素は爆発／火災の非常に大きな危険性を持つものである。

水素は、液体として貯蔵することも出来る。しかし、液体としての貯蔵は、水素が極度に可燃性であるため、自動車用の燃料として用いる場合には深刻な安全上の問題を提起することになる。また液体水素は、−２５３℃より低い極度の低温に保たなければならず、もしこぼした場合は非常に揮発性である。更に、液体水素は生産するのに費用がかかり、液化工程に必要なエネルギーは、水素を燃焼させることによって発生するエネルギーの主な割合を占める。液体水素として貯蔵することのもう一つの欠点は蒸発に起因する高額な水素の損失であり、その一日あたりの損失は５％に及ぶこともある。

水素は固体水素化物中に貯蔵でき、圧縮気体又は液体として高圧タンク内に貯蔵するよりも大きな重量貯蔵割合を提供できる。また固体水素化物中での水素貯蔵は安全であり、気体または液体として容器中に貯蔵された水素が提起するような危険物としての諸問題のいずれをも提起しない、何故なら、固体水素化物の形で貯蔵された場合、水素はその最も低い自由エネルギー状態にあるからである。

気体または液体水素の貯蔵に伴う諸問題に加えて、このような形態での水素の輸送に伴う問題がある。例えば、液体水素の輸送は、高度に断熱絶縁されたタンクを必要とし、それは重くて嵩張り、且つ破壊や爆発を起こし易い。更に、大きな熱損失を伴うタンクの加熱冷却を避けるためには、液体水素の一部が常にタンク内に残っていることが必要である。気体水素の輸送に関しては、少量の水素の場合は加圧タンカーが使用できるけれども、これらも亦、破壊や爆発を起こし易い。多量の場合は、全く新しい水素配管輸送システムが建設されるか、既存の天然ガス用配管システムの圧縮機ステーション、弁、及びパッキングを水素用に適合させ改造する必要がある。勿論、このことは、これら既存の配管の構成材料が水素輸送に適したものであることを仮定しているが、そうでない場合もありうる。

可逆的及び不可逆的固体水素化物の何れもが水素源として使用できる。可逆的固体水素化物は、多サイクルに亘って使用できる。その貯蔵水素が枯渇したら、可逆的水素化物は水素を再吸収して、再び水素源として使用できる。可逆的水素化物は通常、特定の温度に加熱されると水素を放出するように設計されているので、可逆的水素化物を通しての熱伝導が支配的因子である。

可逆的水素化物と異なり、不可逆的水素化物は１サイクルだけしか使用できない。不可逆的水素化物は1回のサイクル寿命を有するが、容易には脱水素されない。水素は、通常水素化物中で化学結合しているので、水素化物を極めて安定なものとしている。これらの水素化物は、アルカリ土類金属の水との反応性の理由で、アルカリ金属又はアルカリ土類金属を用いて作製されるのが好ましい。水がアルカリ又はアルカリ土類金属に導入されると、水素ガスが直ちに加水分解によって発生する。不可逆的水素化物を使用する場合の欠点は、加水分解反応が廃棄物を生成することである。廃棄物は、その装置から除去される必要があり、水素の安定した供給を維持するためには水素化物を補給しなければならない。

室温で水素化によって容易に形成される金属水素化物が、非常に好ましい。大抵の水素化物は、高温においてのみ最大水素容量を吸収できるので費用の嵩むことがある。小さい結晶粒径を有する水素化物が同様に望ましいものである。最適な反応性のある合金を調製するためには、先ず微粒子に粉砕する必要があり、それにより合金の反応表面積を増加し、反応効率を増加させる。小さな結晶粒径を有する水素化物は、大規模な粉砕装置を必要としないで簡単に微粒子に粉砕することが出来る。微細な水素化物粒子は、望みの効率を達成するのに必要な反応性を提供する。熱的安定性もまた主な関心事であるが、多くの水素化物は低い温度で脱水素化を始める。吸収された水素が水素化物内で化学結合している水素化物は、その特に優れた熱安定性により非常に有用なものとなる。本発明は、室温で最大水素容量を吸収できる金属水素化物を提供する。室温で水素化物を形成することにより、得られる水素化物はナノ結晶構造を有し、それにより水素化物を容易に微粒子へと粉砕することを可能にする。本発明物は更に、水素が水素化物内で化学的に結合している点において、優れた熱安定性を有する。この水素化物は、室温よりかなり上の温度に加熱してはじめて少量の水素の脱着を始める。この水素化物は、特に優れた安定性、反応性、及び水素化性があるために、広く多様な設計上の応用において有用であることが見出されるであろう。

本発明は金属水素化物燃料を開示する。この金属水素化物は、リチウム、カルシウム、及び水素からなる。水素化物内の水素はリチウム及びカルシウムと化学結合して、安定な水素化物を形成する。金属水素化物が加水分解により水と反応すると、気体水素が発生する。
金属水素化物は、Ｃａ_１＋ａＬｉ_２＋ｂＨ_４＋ｃの式を有し、ここでａ及びｂは−０.５と０.５の間であり、且つｃ＝２ａ＋ｂである。金属水素化物は、結晶が１００ナノメータより小さい寸法を有するナノ結晶構造を有する。微結晶粒径が小さいので、金属水素化物を容易に微細な粉体に粉砕できる。金属水素化物は、少なくとも５重量％の最大水素貯蔵容量を有する優れた水素貯蔵容量を備えている。

金属水素化物燃料は、最初に、元素リチウムと元素カルシウムを溶解して金属混合物にし、リチウム・カルシウム合金を生成することにより生産される。元素リチウム及びカルシウムは、坩堝中で混ぜ合わせてカルシウムの融点（８３９℃）直上まで加熱され、金属液体を形成する。この金属液体を３００℃より上に１０分間保持して、均質な金属混合物を生産する。リチウムとカルシウムは、アルゴン雰囲気で誘導電気炉を用いて加熱される。誘導電気炉は、１０,０００Ｈｚで作動して金属混合物を混合させる。金属混合物は次いで冷却されインゴットを形成する。インゴットは合金粉に粉砕され、合金粉体は室温で水素化される。合金の水素化速度は、水素ガスの圧力を増すことにより増大できる。一旦水素化されると、金属水素化物は、多様な用途において水素燃料としていつでも利用できる状態になる。

このような用途の一つは、水素ガス流を提供するために使用される装置におけるものである。このような装置においては、金属水素化物は入口及び出口を有する容器中に配置される。入口は、金属水素化物に水量を調節して導入するように設計してある。水は、液状でも又は霧状でもよい。水は金属水素化物と接触し、気体水素が発生する。気体水素は、次いで出口を通って進み、燃料源などとして利用される。このような応用は、乗り物や分散型で定置型の発電に用いられる燃料電池へ、気体水素を供給するのに利用できる。

本発明は、室温又は室温以下で水素を吸収する能力を有する、不可逆的水素貯蔵合金を開示する。この水素貯蔵合金は、約７重量％の水素をこのような条件下で吸収できる。水素貯蔵合金は、水素化の前に活性化処理を必要としない。

室温における水素吸収により形成されて得られた金属水素化物は、ナノ結晶構造を有する。室温が、ナノ結晶構造の生成において鍵となる役割を演じている。もし水素化がもっと高い温度で行われると、より大きな結晶が構造内に形成される。金属水素化物のナノ結晶構造により、金属水素化物は特に優れた反応性を示し、水素燃料としての多様な用途において比較的容易にこの金属水素化物を利用することが可能となっている。この金属水素化物は非常に安定で、室温では脱水素反応は起こらない。金属水素化物は、吸収された水素が水素化物内で化学結合しているので、非常に安定している。脱水素反応は、３５０℃より下の温度では起こらない。燃料として使用するのに水素を解放するには水が金属水素化物に導入され、水素ガスが加水分解により形成される。

先行技術において開示されている不可逆合金は、本発明で示すもののように、室温でこの様な特異の性質を示すことはできなかった。先行技術の参考文献、英国特許第２,２６４,１１２Ａ号は、５０％までの水素化カルシウム又は水素化リチウムから成る水素発生組成物を開示しているが、この組成物は、水素化物を不動態化し、水素の分量を調節しながら放出するのに、塩化ナトリウムの使用を必要とする。もう一つの先行技術参考文献、米国特許番号第３,３６６,４５３号は、水素化リチウム及び水素化カルシウムを単独で教示しているが、単独のこれらの水素化物は、本発明の性質を有せず水素化に高い温度を必要とする。本発明は、活性化を必要とせず、室温で直ちに水素を吸収するので、高温高圧で作動する容器を必要としないで水素化することが出来る。本発明の物件は、更に極めて安定でもあり、金属水素化物の脱水素反応は、室温において水の存在し無い状態では発生しない。水に接触させると、本発明の物件は、広く多様な設計上の応用において使用するため、量が調節できる水素を提供する。

水素貯蔵合金は、リチウム及びカルシウムから成ることが出来る。合金は、−０.５と０.５の間にあるａ及びｂを含むＣａ_１＋ａＬｉ_２＋ｂの式を有する。合金を生成するためには、元素のリチウムとカルシウムを坩堝内に配置し、融解して金属液体の均質な混合物を形成することができる。水素貯蔵合金の主な相は、金属間化合物のＣａＬｉ_２である。ＣａＬｉ_２結晶は、六方晶構造を有する。Ｃａ_１＋ａＬｉ_２＋ｂ合金のインゴットは脆性を示し、容易により小さな断片に粉砕される。ＣａＬｉ_２のインゴットは、化学的安定性が増大しているのでリチウムに比べて酸化速度が遅い。Ｃａ_１＋ａＬｉ_２＋ｂ合金は、室温又は室温以下で活性化処理することなく瞬間的に水素を吸収し、式Ｃａ_１＋ａＬｉ_２＋ｂＨ_４＋ｃを有する水素化物を形成するが、ここでａ及びｂは−０.５と０.５の間であり、ｃ＝２ａ＋ｂである。水素吸収速度は、水素ガスの圧力に依存する。ガス圧力が高ければ高いほど、水素化速度は高くなる。１５０psigにおいては、水素貯蔵合金は、、約２４時間で全容量を吸収し、約５時間後にその吸収の半分が起る。１０００psigでは、水素貯蔵合金は、約５時間以内にその全容量を吸収する。

完全に水素化された水素化物Ｃａ_１＋ａＬｉ_２＋ｂＨ_４＋ｃは、暗色である。合金の水素化が室温で発生する場合、水素化の際に成長が制限されるため、Ｃａ_１＋ａＬｉ_２＋ｂ合金は、ナノ結晶構造を有する水素化物Ｃａ_１＋ａＬｉ_２＋ｂＨ_４＋ｃを形成する。水素化がより高い温度で生ずる場合、水素化物は格段とより大きな結晶構造を有する状態で形成される。各種の用途に使用するのに、それぞれ異なった結晶粒径を有する水素化物を形成するよう温度を制御することが出来る。Ｃａ_１＋ａＬｉ_２＋ｂ水素化物のナノ結晶構造は、その結晶の大きさのために特に優れた反応性がある。水素化物Ｃａ_１＋ａＬｉ_２＋ｂＨ_４＋ｃは、二つの解離した金属水素化物ＬｉＨ及びＣａＨ_２から成る。ＬｉＨは立方晶構造で、ＣａＨ_２は斜方晶構造である。ＣａＨ_２は２４ナノメータの平均結晶粒径を有し、ＬｉＨは２９ナノメータの平均結晶粒径を有する。水素化物Ｃａ_１＋ａＬｉ_２＋ｂＨ_４＋ｃは、図１に示すように、１００ナノメータ未満の粒径を有する。水素化物Ｃａ_１＋ａＬｉ_２＋ｂＨ_４＋ｃは、結晶の粒径が小さいので、小さい粒子に粉砕するのが非常に簡単である。このナノ結晶構造であるという特徴は、加水分解により調節可能な水素発生を行なわせるという機構を可能にする。水素化物粒子が小さな粒径であるために、水素化物は空気中に存在する湿気に非常に敏感である。アルゴン雰囲気が、水素化物材料の貯蔵には好ましい。同じく、これと類似の環境も好ましい。

水素化物Ｃａ_１＋ａＬｉ_２＋ｂＨ_４＋ｃは、水と反応して加水分解により水素ガスを形成する。完全に水素化されたＣａＬｉ_２化合物の加水分解反応は次のように表すことができる：

この反応は、８個の水素原子を各ＣａＬｉ_２Ｈ_４式が放出する。Ｈ／(Ｈ＋Ｍ)の比、（ここでＭは金属間合金を表す）、を計算すると、化学量論的ＣａＬｉ_２化合物は６.４５％の最大水素貯蔵容量を有する。完全に水素化されたＣａＬｉ_２化合物に水を添加する場合、水素容量は、水を考慮しないと１３.８重量％、水の重量を考慮すると６.１５重量％である。

加水分解反応の副産物として、水酸化カルシウム及び水酸化リチウムが形成される。これらの化合物はもはや水素を放出する能力は無いので、堆積するのを防ぐため系から取り除かねばならない。これら化合物は、そのあとで上述の合金として戻して処理を繰り返すことができる。

本発明の合金は、アルゴン雰囲気中で電気誘導加熱により形成することが出来る。この方法の場合、元素カルシウム及びリチウムが坩堝中に置かれ、カルシウムの融点（８３９℃）より僅かに高い温度まで加熱される。坩堝の内部では、リチウムが底に置かれ、カルシウムはリチウムの上を覆って置かれ、リチウムの蒸発を防ぐのを助ける。加熱後、混合物は３００℃より高い温度で約１０分間保持され、金属液体の均質な混合物を生ずる。炉の誘導周波数は約１０,０００Ｈｚであり、それにより金属液体を電磁的に混合する。坩堝は、ステンレス鋼、酸化マグネシウムなどの材料から構成することが出来る。しかし、その材料と溶融材料との反応が無視できるほど僅少なものでさえあれば、他の材料で置き換えることができる。

溶融金属混合物は、次いで冷却されインゴットに形成される。冷却されたＣａ_１＋ａＬｉ_２＋ｂ合金は非常に脆く、微粒子に粉砕するのが簡単である。次に、冷却されたインゴットは、ボール・ミル、粉砕機、又はこの技術分野でよく知られたその他の機械を用いて、粉体へと粉砕される。

Ｃａ_１＋ａＬｉ_２＋ｂ合金粉は、次いで水素化をうけて水素化物Ｃａ_１＋ａＬｉ_２＋ｂＨ_４＋ｃを形成する。水素は、Ｃａ_１＋ａＬｉ_２＋ｂ合金へ室温又はそれ以下で導入され、ナノ結晶構造の水素化物Ｃａ_１＋ａＬｉ_２＋ｂＨ_４＋ｃが生産される。水素化の際に熱が放出され、反応炉の温度が上昇する。Ｃａ_１＋ａＬｉ_２＋ｂ合金がより高い温度で水素化されると、より大きな結晶構造が形成されて、それにより水素化物Ｃａ_１＋ａＬｉ_２＋ｂＨ_４＋ｃを更に小さい粒状微粒子へ粒径を減少させるのに必要な仕事を増加させる。水素化物Ｃａ_１＋ａＬｉ_２＋ｂＨ_４＋ｃの粒径が小さいことは必要であり、その理由は、粒径が大きいと水素化物Ｃａ_１＋ａＬｉ_２＋ｂＨ_４＋ｃの反応性を低下させるからである。大きな結晶が成長するのを防ぐために、反応炉を室温に保つような冷却手段を用いることが出来る。このような冷却手段には、この技術分野でよく知られた熱交換器又はその他の装置を含む。水素ガスの圧力が、水素のＣａ_１＋ａＬｉ_２＋ｂ合金中への水素の吸収速度を決定する。水素ガス圧力の高いほど、より高い水素化速度をもたらす。１５０psigでは、合金は５時間で最大容量の約半分を吸収し、約２４時間で最大容量が達成される。１０００psigでは、Ｃａ_１＋ａＬｉ_２＋ｂ合金は約５時間で最大容量の水素を吸収する。設計上の要求に応じて、この範囲内及び範囲外において上記以外の水素圧力を用いることが出来る。

本発明に従って製造された水素化物Ｃａ_１＋ａＬｉ_２＋ｂＨ_４＋ｃは、多様な用途で水素ガス流を作り出すのに用いることができる。このような一用途において、水素化物Ｃａ_１＋ａＬｉ_２＋ｂＨ_４＋ｃは、気体水素の出口と水の入口を有する容器内に配置される。水は、水素化物Ｃａ_１＋ａＬｉ_２＋ｂＨ_４＋ｃへ導入され、水素が加水分解により生成される。このような諸用途においては、水素化物Ｃａ_１＋ａＬｉ_２＋ｂＨ_４＋ｃからの水素の放出を制御するために、水は、少量の制御された量で水素化物Ｃａ_１＋ａＬｉ_２＋ｂＨ_４＋ｃへ導入されることが好ましい。好ましくは、微細な霧状の水が用いられるが、その他の方法も採用できる。水素は水素化物から放出されると、容器から出口を通って出て、使用に供せられる。このような装置は、開示内容をここに参考にして取り入れてある、米国特許番号第４,１５５,７１２号において開示されている。

上述の装置は、乗り物に動力を与えるのに用いられる燃料電池へ水素を供給するのに用いることが出来る。燃料電池は、内燃機関や発電装置に比べて多くの重要な利点を提供する。これらは、比較的高い効率、特に水素を燃料として使った時の環境的に清浄な作動、高い信頼性、動く部品少ないこと、及び静かな作動を含んでいる。燃料電池は、カルノー・サイクルに基づく他の従来型の動力源よりも、効率がより高いという可能性を持っている。

典型的な燃料電池の主要部品は、水素酸化用の負極と酸素還元用の正極であって、両者とも電解質（アルカリ性電解液など）を入れた電池内に配置される。典型的には、水素及び酸素のような反応物は、それぞれ多孔質の負極及び正極を通して供給され、電解液と表面接触することになる。正極と負極に用いられる特異な材料は、生ずる反応の効率的な触媒として働く必要があるので、重要である。

燃料電池の負極活物質は、水素貯蔵材料と添加される触媒材料との複合材料であることが出来る。好ましい水素貯蔵合金は、水素貯蔵容量に関係なく、可逆的に水素を吸収・放出でき、且つ、速い水素化反応速度、電解液内での優れた安定性、及び永い保管寿命という性質を有するものである。水素貯蔵能力とは、安定した形態で材料が水素を貯蔵し、その量が痕跡量よりは多くてゼロではないものであることを意味する、ということに注意すべきである。好ましい材料は、約０.１重量％以上の水素を貯蔵する。好ましくは、合金は、例えば、希土類／ミッシュメタル合金、ジルコニウム及び／又はチタニウム合金、又はそれらの混合物を含む。水素入力表面側の材料は、水素分子の水素原子への解離に対して高い触媒作用を示すように特別に設計された材料で形成され、一方電解液界面側の材料は、水素と水酸基イオンからの水の生成に対して高い触媒作用を示すよう設計されているというように、負極材料を積層体にすることも出来る。

或る種の水素貯蔵材料は、アルカリ性燃料電池の負極材料として極めて有用である。有用な水素貯蔵合金は、水素分子からの水素イオンの生成に対して優れた触媒活性を有し、且つ水素イオンと水酸基イオンからの水の生成に対しても卓越した触媒活性を有している。これらの材料は特に優れた触媒能力を有するのに加えて、燃料電池のアルカリ性電解液に対して顕著な耐食性を有している。使用に当たって、合金材料は、１）負極の全体積にわたる水素分子の分解触媒として；２）水素と水酸基イオン（水溶性アルカリ電解液からの）から水を生成する、水生成触媒として；並びに３）水素イオンを常時直ちに供給できることを保証するための内部水素貯蔵緩衝材として、作用する。

負極材料として特に有益な合金は、直径５０〜７０オングストロームの触媒作用のあるニッケル富化領域が酸化物界面全体に分布し、その領域相互間の距離が２〜３００オングストローム、好ましくは５０〜１００オングストロームの程度で変化する合金である。これらのニッケル領域の結果として、材料は特別な触媒作用及び導電性を示す。富化されたニッケル領域を有する最も好ましい合金は、以下の組成を有する合金である：
(ベース合金)_ａＣｏ_ｂＭｎ_ｃＦｅ_ｄＳｎ_ｅ
ここで、ベース合金は、０.１から６０原子％のＴｉ、０.１から４０原子％のＺｒ、０から６０原子％のＶ、０.１から５７原子％のＮｉ、及び０から５６原子％のＣｒを含み；ｂは０から７.５原子％；ｃは１３から１７原子％；ｄは０から３.５原子％；ｅは０から１.５原子％；且つａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＋ｅ＝１００原子％である。

基板部品が、導電体と支持構造物の両者として働くことが好ましい。電極は、活性材料を多孔質金属基板へと圧縮成形することにより形成することが出来る。電極の導電率は、電極の多孔質金属基板の導電率を増加させることで、増大させることが出来る。一般に、多孔質金属基板は、網、格子、マット、箔、気泡体、板、及びエキスパンド・メタルを含むがそれらに限定されない。好ましくは、電極に用いられる多孔質基板は、網、格子、気泡体、又はエキスパンド・メタルである。基板は、導電性で且つ電解液による腐食又は化学的侵食に耐えられるものであれば、いかなる材料によって形成することも出来る。ニッケル又はニッケル合金は非常に良い材料であるが、大電力応用に対しては電気抵抗が高すぎることがある。従って、大電力が要求される場合は、その開示内容がここに参考にして取り入れてある、米国特許番号第５,８５６,０４７号（Venkatesanら）並びに第５,８５１,６９８号（Reichmanら）に教示されているように、基板は、銅、銅めっきニッケル、又は銅ニッケル合金から形成される。本願においては「銅」とは、純銅又は銅合金の何れもを意味し、「ニッケル」とは、純ニッケル又はニッケル合金の何れもを意味する。電極の多孔質金属基板を形成するのに銅を使用することは、幾つかの重要な利点がある。銅は、優れた導電体である。従って、それの基板材料としての使用は、負極の抵抗を低下させる。このことは、内部電力損失に起因する燃料電池出力損失を低減し、それにより増大した出力を有する燃料電池を提供する。銅は亦、可鍛性の金属である。基板の可鍛性が増大すると、基板表面上に押圧された活性水素貯蔵材料を、より高い信頼性で基板が保持出来る。このことは、活性材料が基板上に押圧された後で電極を焼結する必要性を低下させ、それによって負極製造工程を簡単にし、そのコストを低減する。

正極は、酸素分子の酸素原子への解離に対して触媒作用があり、水と酸素イオンからの水酸基イオン（ＯＨ⁻）の形成に対して触媒作用があり、電解液に対して耐食性で、且つ触媒毒作用に対して耐性がある活物質を含有することが出来る。正極における活物質として有用な材料は、触媒特性を向上させるような少なくとも一つの変性元素を取り入れることにより、構造的に変性したものである。このような材料は、その開示内容がここに参考にして取り入れてある、オブシンスキー他への、米国特許番号第４,４３０,３９１号（‘３９１）、１９８４年２月７日公開、に開示されている。このような活性体は、高密度の触媒的活性部位、触媒毒作用に対する耐性、及び永い作動寿命を有するように設計された、無秩序で非平衡の材料に基づいている。Ｌａ、Ａｌ、Ｋ、Ｃｓ、Ｎａ、Ｌｉ、Ｃ、及びＯなどの変性元素は、一つ以上のＭｎ、Ｃｏ、及びＮｉなどの遷移元素を含むホスト・マトリクスの局所的な化学的環境を変性し、正極の触媒材料を形成する。これら過電圧の低い触媒材料は、それを採用した燃料電池の作動効率を増大させる。

正極は、白金触媒を用いる従来型の正極と同様に形成されるが、上述の非貴金属触媒が白金に置き換えられている。非貴金属触媒は、微細に分割され、多孔質炭素マット状物質の全体に亘って分散されている。材料は、必要に応じて導電性の基板を備えることが出来る。基板は、もし使用する場合は、上で述べたようなものを使用できる。

アルカリ性燃料電池において、負極での反応は、水素燃料と電解液中に存在する水酸基イオン（ＯＨ⁻）との間で起り、反応して水を生成し、電子を放出する：
Ｈ_２＋２ＯＨ⁻ → ２Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻
正極では、正極触媒の存在下で酸素、水、及び電子が反応して、酸素を還元し、水酸基イオン（ＯＨ⁻）を生成する：
Ｏ_２＋２Ｈ_２Ｏ＋４ｅ⁻ → ４ＯＨ⁻
電子の流れは、負極と正極へ外部で接続された負荷に電気エネルギーを供給するのに利用される。

アルカリ性燃料電池の負極触媒は、Ｈ^＋イオンとＯＨ⁻イオンが水を生成する反応の触媒作用をする以上のことを要求されるということに注目すべきである。最初に、負極は、Ｈ_２からＨ^＋イオンとｅ⁻が生成することの触媒作用と加速作用を行はなければならない。これは、水素分子からの水素原子の生成をを中間過程として起るものである。全体の反応は（ここでＭは触媒である）：
Ｍ＋Ｈ_２ → ２ＭＨ → Ｍ＋２Ｈ^＋＋２ｅ⁻
のように表すことが出来る。

このように、負極触媒は、効率的に電解液界面での水の生成の触媒作用をするばかりでなく、水素分子を水素イオンへ効率的に解離させねばならない。従来の負極材料を用いると、解離した水素は過渡的なもので、水素原子は酸化反応により非常に早く使用されないと、容易に再結合して水素を形成する。本発明の瞬間始動燃料電池の水素貯蔵負極材料を用いれば、水素は生成すると同時に水素化物の形で捕獲され、次いで必要に応じて用いられて動力を提供する。このような燃料電池は、ここに参考にして取り入れてある、オブシンスキー他が２０００年３月１３日に出願した、「新規アルカリ性燃料電池」と題する、米国出願番号第０９／５２４,１１６号に開示されている。

Ｃａ_１＋ａＬｉ_２＋ｂ合金は、水素又は水素を含むガスから湿気を除去する乾燥剤としても利用できる。このような用途においては、Ｃａ_１＋ａＬｉ_２＋ｂ水素化物は、特定の系全体に亘って多様な位置においてガスと接触するように配置することができる。Ｃａ_１＋ａＬｉ_２＋ｂは室温で容易に水素を吸収する能力があるので、Ｃａ_１＋ａＬｉ_２＋ｂ合金は、多様な設計上の応用に用途を見出すことが出来る。

Ｃａ_３０Ｌｉ_７０水素化物の加水分解実験が、図２に示すような装置を用いて行なわれた。Ｃａ_３０Ｌｉ_７０水素化物は、粉砕されて粉体１として紙製の濾過袋２に包まれる。袋２は次いでフラスコ３の底に置かれる。工程は、零ppmの酸素と１.７０ppmの水分を含むアルゴン雰囲気中で行なわれた。試料を入れたフラスコ３は、容量１ガロンのガラス瓶７の中へ水素ガスを送り込むためのアルミニウム管６（径３/３２インチ）を通したシリコン栓４ａで蓋をされる。注射器５がシリコン栓４ａを貫通して押し込まれ、フラスコ３内に水を注入するのに用いられる。フラスコ３はアルゴン雰囲気で内部が気密封止されており、フラスコ３から伸びた１¹/₂フィートのアルミニウム管６を備えている。一ガロンガラス瓶７は、二つの孔を有するシリコン栓４ｂで蓋をされている。フラスコ３から伸びているアルミニウム管６は、一方の孔を通して挿入され瓶７の約半分まで下へ伸びている。第二のアルミニウム管８が、第二の孔を通して挿入され１ガロン瓶７の底まで下へ伸びている。第二のアルミニウム管８の他端は、一ガロン瓶７から目盛付きシリンダー１０へと伸びている。一ガロン瓶７は、次に水９で満たされる。

注射器５から水がフラスコ内３内へ注入されると、粉体のＣａ_３０Ｌｉ_７０水素化物１を収納する濾過袋２の上に滴り落ちる。水は濾過袋２を通って移行し、液体又は蒸気の形でＣａ_３０Ｌｉ_７０水素化物と接触する。一旦Ｃａ_３０Ｌｉ_７０水素化物１が水と接触すると、直ちに加水分解が始まり水素ガスを放出する。水素ガスはフラスコ３を出て、アルミニウム管６を通って１ガロン瓶７に入る。水素ガスが1ガロン瓶７の頂部に溜まると、水が1ガロン瓶７の外へ押出され、目盛付きシリンダー１０へと注がれる。ガスによって置換された水は、水素ガスの体積に等しい。置換された水は、目盛付きシリンダーで測定され生成した水素の量が計算できる。

試験されたＣａ_３０Ｌｉ_７０水素化物は、室温において、１２時間、５００psigの圧力下で水素化された。実験で用いたＣａ_３０Ｌｉ_７０の重量は、１.１３０グラムであった。脱イオン水がフラスコ内に注入されて、Ｃａ_３０Ｌｉ_７０水素化物と加水分解により反応した。反応によって生成された水素の全量は、１６５９.５立方センチメートルであり、それは化学量論的ＣａＬｉ_２Ｈ_４から得られる理論的水素生成量の９５％であった。

本発明の水素化物の粒径を示すＳＥＭ像である。 本発明物を試験するのに用いられる装置の図である。

Claims (20)

1. 本質的にカルシウム、リチウム、及び水素からなり、水と反応して気体水素を発生する金属水素化物燃料。
2. Ｃａ_１＋ａＬｉ_２＋ｂＨ_４＋ｃの式を有しており、ここでａ及びｂが−０.５と０.５の間であり、且つｃ＝２ａ＋ｂである請求項１による金属水素化物。
3. 前記金属水素化物はナノ結晶構造を有する請求項２の金属水素化物。
4. 前記金属水素化物は１００ナノメートルよりも小さい結晶粒径を有する請求項３の金属水素化物。
5. 前記金属水素化物は少なくとも５重量％の最大水素貯蔵容量を有する請求項２の金属水素化物。
6. 前記金属水素化物は少なくとも６重量％の最大水素貯蔵容量を有する請求項２の金属水素化物。
7. 前記金属水素化物は少なくとも６.７５重量％の最大水素貯蔵容量を有する請求項２の金属水素化物。
8. 前記水素は前記リチウム及び前記カルシウムと化学結合している請求項２の金属水素化物。
9. 元素リチウム及び元素カルシウムを坩堝中で溶融し；
   前記溶融元素リチウムと前記溶融元素カルシウムを混合して、金属液体を形成し；
   前記金属液体を冷却して複数の合金インゴットにし；
   前記合金インゴットを粉砕して合金粉体にし；
   室温又は室温以下で、前記合金粉体を水素化する；工程を含む金属水素化物燃料の生産方法。
10. 前記元素リチウムが前記坩堝の底に置かれ、前記元素カルシウムは前記リチウムの上に置かれる請求項９の方法。
11. 前記元素リチウム及び前記元素カルシウムが、８３９℃より僅かに高い温度まで、アルゴン雰囲気中で加熱される請求項１０の方法。
12. 前記元素リチウム及び前記元素カルシウムは３００℃を越える温度に、約１０分間維持される請求項１１の方法。
13. 前記元素リチウム及び前記元素カルシウムは誘導電気炉を用いて加熱される請求項１１の方法。
14. 前記誘導炉は１０,０００Ｈｚの周波数で作動する請求項１３による方法。
15. 前記合金の最大水素貯蔵容量が１５０psigにおいて２４時間以内に達成される請求項９の方法。
16. 前記合金の最大水素貯蔵容量が１０００psigにおいて５時間以内に達成される請求項９の方法。
17. 前記坩堝はステンレス鋼を含む請求項１０による方法。
18. 前記坩堝は酸化マグネシウムを含む請求項１０による方法。
19. 水素燃料を供給するための装置であって：
    Ｃａ_１＋ａＬｉ_２＋ｂＨ_４＋ｃの式を有し、ここでａ及びｂが−０.５と０.５の間であり、且つｃ＝２ａ＋ｂである金属水素化物；
    前記金属水素化物を収納する容器であって、前記容器は入口と出口を有するもの；
    前記金属水素化物へ制御された量の水を導入するように適合させられた、前記入口；
    水素ガスを供給するように適合させられた、前記出口；及び
    液体又は蒸気の形態を有する、前記制御された量の水；
    を含む装置。
20. 乗り物に動力を供給するための装置であって：
    Ｃａ_１＋ａＬｉ_２＋ｂＨ_４＋ｃの式を有し、ここでａ及びｂが−０.５と０.５の間であり、且つｃ＝２ａ＋ｂである金属水素化物；
    前記金属水素化物を収納する容器であって前記容器は入口と出口を有するもの；
    燃料電池、ここで前記燃料電池は水素流、酸素流、及び電解液流に応じて電流を供給するもの；
    前記金属水素化物へ制御された量の水を導入するように適合させられた、前記入口；
    水素ガスを供給するように適合させられた、前記出口；
    液体又は蒸気の形態を有する、前記制御された量の水；及び
    乗り物へ動力を供給するように適合させられた燃料電池；
    を含む装置。

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