水素貯蔵物質、最新の技術

石油や石炭天然ガスに変わるエネルギーとしてクリーンで枯渇しないエネルギーの「水素」がいま注目されていますね。

水素の利用の仕方は1つは燃焼ガスとして、2つは燃料電池としての2つに大別されます。
そしてその製造方法や輸送、貯蔵・保管方法がいま世界中で研究開発されています。

水素の製造方法についてはいろいろありますが、以前そのうちの1つに少し触れたので、今回は貯蔵媒体(貯蔵物質)について。

水素の貯蔵方法(運搬媒体)には、
1.超高圧ガスタンクを使う。
2.水素を吸収(吸蔵)する物質を使う
3.水素と化合する有機物を使う
の大きく分けて3つあります。

それぞれの特徴は

1.高圧ガスタンクを使う
 燃料電池車、水素ステーション、水素運搬車などがある。
  充填密度を高めるために70MPa(700気圧)位の超高圧で充填される為
 タンクの耐久性や対圧性が重要であり、また危険で取り扱いにくいという 欠点がある。
2.水素を吸収する物質を使う
 2-1.古くから水素吸蔵合金が研究・開発されてきた。
 2-2.昨年水素貯蔵ポリマーが開発された。
 2-3.3月新規な水素結合物質合成の発表。
3.水素と化合する物質を使う
 有機ハイドライド法と呼ばれ、ベンゼンやトルエン、ナフタリン等の分子中のC=Cの不飽和結合部分に水素を結合させることで分子内に水素を貯蔵する。
但し水素の取り出しには特殊な設備が必要で燃料電池車向けには出来ない。しかし産出場所からや施設間の大量運搬には最適な方法。
尚今回は上記1,2,3の内特に2.について紹介します。
(1は省略、3は下記)

2-1.水素吸蔵合金

水素吸蔵(貯蔵)合金とは、大量の水素を可逆的に吸収および放出できる独特の性質を持った金属材料をいう。

特にマグネシウム(Mg)、チタン(Ti)、バナジウム(Mg)、ランタン(La)等の元素は、水素と化合して水素化物となる。これらの金属と他の例えばニッケル(Ni)、鉄(Fe)、コバルト(Co)等とある配合比(組成)で混ぜて合金にすると、圧力や温度を利用して比較的簡単に水素を吸蔵し、また可逆的に水素を放出することができるものが出来る。

水素吸蔵合金は1960年代にマグネシウム-ニッケル系合金が発見されてから各種の合金で特性の向上が図られて来た。

現在まで研究されてきた各種の水素吸蔵合金は、金属元素組成と結晶構造で5種類に分類されている。(詳しくはここから)
この中では水素吸蔵能力の高さと運用条件の面で、ABおよびAB型合金の2つのグループが最も優れている。

吸蔵合金の一般的な利点と欠点は以下の通り。
<利点>
・水素を取り出し易い。
・貯蔵容量が大きい
・吸蔵物の運搬や運用も容易
<欠点>
・水素による脆化が大きく合金の耐久性が低い。
・製造コストが高い

吸蔵合金方式は水素による脆化の問題が解決されれば飛躍的な発展が期待される。

2-2.水素貯蔵プラスチック

昨年9月、早稲田大学の西出教授、小柳津教授らは「水素運搬プラスチック」を開発したと発表した。ケトンポリマーを常温で水に浸しマイナス1.5ボルトの電圧を掛けると水から水素イオンが取り込まれ水素が固定されたアルコールポリマーが生成されることを発見した。こうして水素がケトンポリマーに固定される。
更にこのアルコールポリマーは80度に加温すると、固定した水素ガスを放出することも分かった。さらに水素の固定と放出のサイクルは温和な条件下で簡易に行え、その繰り返しも可能であることを確認された。

軽量かつ加工も容易で、水素をためた状態でも手で触れられる特徴があり
身近な場所(家庭内)での水素貯蔵を可能にする新材料として期待出来る。

詳しくはこちらをご参照。

2-3.新規水素結合物質の誕生

東北大学の高木准教授と折茂教授らの研究グループは、「1 つの金属原子に 9 つもの水素が結合した 新たな物質群」の合成に成功した。

金属の中には2-1で例示したように水素と容易に結合出来る金属がある一方、単独では水素と結合しにくい元素群(=ハイドライド・ギャップ)が存在する。しかしこれらの元素も錯体水素化物とすることで多くの水素と結合することができる。
ただし、クロム(Cr)とその仲間であるモリブデン(Mo)、タングステン(W)、及びニオブ(Nb)、タンタル(Ta)は水素との結合はできなかったが昨年クロムと水素(7個)との結合に成功した。

更に今年これら4種の金属を9個の水素と結合させることに成功した。
この成果で、ほとんどの金属原子と水素とを結合させる技術が確立した。
水素を高密度に含む物質群は、水素貯蔵材料の外、高速イオン伝導材料、超伝導材料としての応用が 期待され、今回の成果で、基礎・応用の両方について今後の進展が大いに注目される。
詳しくはここからどうぞ。(プレス発表)

 

 

 

尚、上記1.と3.については既に言及しているので今回は省略しますが、
詳しくは次のサイトをご参照。
1.水素貯蔵タンクに関して

3..水素を分子内に貯蔵する方法

参照ブログ:水素の常温、大量輸送方法

水素の貯蔵に関しての一般的な解説はここからどうぞ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

次世代自動車用バイオ樹脂の研究がすすむ

今自動車の軽量化を目的に新素材の研究が進んでいる。

車体用途では強度的に強く、軽いのはジェット機にも使われている炭素繊維だろう。
高級車には一部使われ始められたが価格が高く一般車への普及は大分先になりそうだ。

プラスチック素材なら軽くていいのだが、これまでは強度が不十分で塩ビのバンパーやアクリルのインパネなど一部に使用されてきただけであった。樹脂バンパーは壊れてもいいという前提なので使われている。しかし窓はそうはいかない。

窓は透明性が必須なのだが、アクリルやその他透明な樹脂では強度が足りない。
ポリカ―ボネイトは警察が使う盾になっているほど十分な強度はあるのだが、傷が付き易さを克服できていなかった。(表面硬化はあるが不十分)

これらの動きと平行に、非石油由来のプラスチック樹脂が二酸化炭素(CO2)などの温室効果ガス削減に役立つ新素材(バイオプラスチック)として注目を集めている。

新素材はこれまでの欠点だった熱に弱い性質を克服し金属やガラス等に代わりになる可能性を秘めている。

環境省も新素材を将来的に次世代自動車の部品の部品などに使う事を目指し技術面から地球温暖化防止対策を進めようとしている。

先ずは先行の製紙会社で研究がすすむ新素材セルロースナノファイバー(CNF)だ。
これにはこれまでにも当ブログに書いてきたので詳細は割愛します。(下のリンクご参照)

CNFは耐熱温度が最高約280℃のため、自動車のエンジン回りには使えない。

そこで注目されているのが本題の新素材だ。

1.バイオポリイミド
イミドと聞いただけですぐははーと思った人もいるでしょう。
北陸先端科学技術大学院大学の金子教授らは、植物から得られるブドウ糖を遺伝子操作した大腸菌によってアミノ桂皮酸に変化させた後、紫外線を当てて分子構造を変えて
熱に強いポリアミド樹脂を合成した。
耐熱性は400℃あり、エンジン回り部品への使用を第一とし、透明なので窓ガラスやライトカバーへの使用も想定されている。

2.リグノフェノール
 リグニンは良く知られているように、木材の繊維を束ねる接着剤の役割を果たしている物質だが、リグノフェノールはこのリグニンから抽出した粉状の素材で、他の樹脂と混ぜる事で軽くても丈夫で加工し易い素材になる。
高い断熱性があり燃えにくいため、車のボンネット裏の遮熱材や配線が通るコネクターなど、熱が生じやすいところに使える。金属部品に比べて15~50%重量を低減させることができると期待されている。(島根県の建設会社で開発が進む)
環境省は、上記の研究について、昨年から実証実験を始め、生産コスト削減や安定した供給方法を探っている。

目標は、先行して研究が進む木や竹由来のCNFと組み合わせることで、車体重量を10%削減した次世代自動車の実現だ。

(一部用語間違いがありましたので修正いたしました。遅くなりました。お詫び申し上げます。)

 

夢のある超伝導の話

超伝導とはある種の金属・合金・酸化物を零下269℃以下の極超低温に冷やすと電気抵抗がゼロになる現象。(超電導とも書く)

超伝導状態のコイルに一度電流を流すと半永久的に流れ続けるので超伝導コイルを使えば強力な磁石が作れ、以下の応用が考えられている。

・リニアモーターカーへの応用(2027年に開業)
・医療機器への応用(MRIの小型化、新装置・新医療)
・線材として送電線に使用(現在5%の送電ロス低減)
・電力貯蔵の他、発電機、変圧器等
・微小磁気センサー、超高速演算素子等

以上の様に非常に夢のある技術で、産業界は勿論、人間の生活も大きく変える可能性を秘めた技術だ。
1987年までは冷却剤は高価な希少資源である液体ヘリウム(零下269℃、絶対温度4K)Kはケルビン)まで冷やす実験しかできなかったが、1987年の銅酸化物系の超伝導物質が発見されてから安価な液体窒素(零下196℃、77K)が使えるようになり、研究も、新素材開発も大きく進んだ。

 

とりあえず今回は超伝導の発見と開発の歴史について復習しておこう。

<超伝導の歴史の大きな流れ>
超電導現象の研究は1911年オランダで水銀の電気抵抗がなくなることの発見から始まった。そして各種新材料の発見、1962年日本でのリニア新幹線計画と着工、そして2008年磁気素材である鉄系の発見、2012年、送電実験の開始、2016年超伝導理論に対しノーベル物理学賞が送られた。

 

<超電導研究史概要>
(新聞、インターネットサイト、その他より調査引用)

1911年、オランダの物理学者オンネスが水銀の電気抵抗が4.2K(-268.8度)以下で
消失することを発見
1933年、超電導材料に特有の磁力線を排除するマイスナー効果発見
1953年、実用的な合金系のニオブ・ズズ合金発見(約20°K)(抵抗消失温度、以下同じ)
1957年、超電導現象を説明するBCS理論発表
1962年、微弱な磁場検出に使えるジョセフソン効果発見
1970後半、MRI(核磁気共鳴画像装置)(液体ヘリウム使用)の開発、病院への設置
1986年、米IBM・チューリッヒ研で最初の銅酸化物系高温超電導材料発見(約30K)
1987年、米ヒューストン大等イットリウム系超電導材発見(零下196度、77K)
1988年、金属材料技術研究所(当時)ビスマス系超電導材発見
2005年、IHI等船舶用モーター試作、
R東海、ビスマス系で超電導用リニア用磁石開発(時速500km以上での
走行試験成功)
2006年、住友電工、米プロジェクトでビスマス系送電実験成功
2008年、東工大、細野教授鉄系の新超電導材発表(零下218度、55度k)
2011年、超電導現象発見100周年。国内外でセレモニー開催。
2012年、東京電力と住友電気工業、前川製作所は、高温超電導ケーブルを
実際の系統電力に接続して送電する実証試験を実施
(この間追記予定)
2016年、米国のサウレス名誉教授とコスタリッツ教授は1970年代にトポロジーの概念を
使い、物質の超電導が低温で起こり、高温では消滅することを理論的に説明
たことでノーベル物理学賞受賞

尚2027年開業予定のリニア新幹線については別途単独記載予定。

<付記>
1.高温超伝導と常温超伝導について
通常の使用では「高温」は「常温」より高い。
しかしこと超電導の世界では、常温はそのまま日常の生活温度と考えればいいが、
高温超伝導はマイナス230℃(43K)以上で電気抵抗がゼロになる材料を指すと
言われているがなぜか明確ではない。

したがって簡単に考えれば液体窒素「マイナス269℃(77°K)以上で超伝導現象が
生じる物質を指すと覚えておけばいいのでは無いかと思う。
今の所代表格は銅酸化物系化合物が今のところトップランナーだ。

一方常温超伝導は全科学者の夢ではあるがまだ実現していない。
世界の研究者が必死で探している状態だ。

常温超伝導が実現すれば、送電線への応用は最初だろうが、自動車への応用が大き用途だろう。

この様に夢のある超電導についてこれからニュースの都度取り上げて行きたい。

 

 

 

スポンサードリンク </br>

<script async src=”//pagead2.googlesyndication.com/pagead/js/adsbygoogle.js”></script>

<!– scitech-servs&nprds –>

<ins class=”adsbygoogle”

style=”display:block”

data-ad-client=”ca-pub-9691934154552425″

data-ad-slot=”1555189997″

data-ad-format=”auto”></ins>

<script>

(adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});

</script>

 

[ad#gad0214]

[ad#gad0214]