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高校化学の実験や授業の工夫を紹介しています。これまでに紹介されている授業・実験を検証し、よりよいものへと進化させたいと願っています。 そのために、分子模型と結晶構造模型そして実験装置の販売/受注生産をしています。安価にできる実験装置や模型作りの道具や分子模型・結晶構造模型の作り方も解説します。化学の授業で活用されることを願っていますが、家庭のインテリアとしてもご利用ください。模型や道具もできるだけ安価に提供していきます。
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2024.02.20
カテゴリ： 科学技術
水素は脱炭素目指す世界では、エネルギーキャリアとして期待されています。
これまで様々な水素の生成法、採掘法について書いてきました。
水素H2エネルギー⑦天然に水素が存在する →2024/2/12ブログ
水素H2エネルギー⑥化石燃料から水素をつくる…CO2回収 →2024/2/4ブログ
水素H2エネルギー⑤化石燃料から水素をつくる →2024/2/3ブログ
水素H2エネルギー④「水素H2エネルギー①~③」のまとめ →2024/2/2ブログ
そのようにして取り出した水素をいかに貯蔵するか、多くの課題があります。
「アイアール技術者教育研究所」の記事を利用してまとめます。
３分でわかる技術の超キホン 水素の貯蔵方法と貯蔵材料
課題①水素H2を容器に貯蔵する：漏洩しやすく沸点が低い
現在流通している水素の大部分は、 圧縮水素 または 液化水素 として貯蔵されています。
(1)高圧水素をタンクにためる
水素は高圧で保存すると体積を減らすことができます。
しかし容器金属の水素浸食や水素脆化がおこり、漏洩(ひいては爆発)の危険があります。
そのため、 容器は肉厚のとなり、重く なります。
水素ステーション では特殊なステンレス鋼(18％クロム（Cr)と8％ニッケル（Ni）の鉄合金など）が使用されます。
また 自動車用水素タンク では金属、樹脂、炭素繊維など特性が異なる材料を組合せた複層構造が使われます。
(2)液化水素で圧縮水素より高密度に保存する
これまで様々な水素の生成法、採掘法について書いてきました。
水素H2エネルギー⑦天然に水素が存在する →2024/2/12ブログ
水素H2エネルギー⑥化石燃料から水素をつくる…CO2回収 →2024/2/4ブログ
水素H2エネルギー⑤化石燃料から水素をつくる →2024/2/3ブログ
水素H2エネルギー④「水素H2エネルギー①~③」のまとめ →2024/2/2ブログ
そのようにして取り出した水素をいかに貯蔵するか、多くの課題があります。
「アイアール技術者教育研究所」の記事を利用してまとめます。
３分でわかる技術の超キホン 水素の貯蔵方法と貯蔵材料
課題①水素H2を容器に貯蔵する：漏洩しやすく沸点が低い
現在流通している水素の大部分は、 圧縮水素 または 液化水素 として貯蔵されています。
(1)高圧水素をタンクにためる
水素は高圧で保存すると体積を減らすことができます。
しかし容器金属の水素浸食や水素脆化がおこり、漏洩(ひいては爆発)の危険があります。
そのため、 容器は肉厚のとなり、重く なります。
水素ステーション では特殊なステンレス鋼(18％クロム（Cr)と8％ニッケル（Ni）の鉄合金など）が使用されます。
また 自動車用水素タンク では金属、樹脂、炭素繊維など特性が異なる材料を組合せた複層構造が使われます。
(2)液化水素で圧縮水素より高密度に保存する
水素は液化すると体積が約800分の1となり、圧縮水素より高密度に貯蔵できます。
しかし、 液体水素の沸点は常圧で-253℃ 。
この温度以下に冷却しなければなりません。
しかし、 液体水素の沸点は常圧で-253℃ 。
この温度以下に冷却しなければなりません。
貯蔵容器には低温で使用可能なステンレス鋼やアルミが使用され、-253℃を保持するために、真空断熱や多層断熱材等が使用されます。
それでも蒸発します。蒸発した水素を圧縮水素として貯蔵するか、安全に排気する設備が必要になります。
課題②水素吸蔵材料：水素の貯蔵と放出に使うエネルギーが大きい
課題②水素吸蔵材料：水素の貯蔵と放出に使うエネルギーが大きい
(1)水素球場合金
LaNi5H6
があります。
水素吸蔵合金では、加圧すると合金中に水素が吸蔵され、水素を吸蔵した状態から減圧すると水素が放出されます（下図）。
３）佐藤、折茂「安全かつ高密度に水素貯蔵を実現する材料」応用物理 90(2021) 570-573
水素吸蔵合金は、圧縮水素よりも低圧で水素を貯蔵できる、
水素放出速度が緩やかといった特徴があります。
ボンベに吸蔵合金をつめて利用しますが、安全性は高圧水素より高く、期待されています。
(2)水素化マグネシウムMgH2
MgH2は、マグネシウム（Mg）に高温高圧化で水素を反応させて作ります。
水素の質量密度が高く、常温常圧の大気下でも安定な物質です。
水素を放出するには
400℃まで加熱 して放出。
水と反応 させて
MgH2 ＋ 2H2O → Mg（OH）2 ＋ 2H2
のように発生させる材料が開発されています。
(3)錯体水素化物
アンモニアは窒素N2と水素H2から合成する方法が確立されています。
N2 + 3H2 ⇄ 2NH3 (ハーバー・ボッシュ法)
アンモニアは沸点が高い(-33℃)ので液体水素より保存が楽です。
３）佐藤、折茂「安全かつ高密度に水素貯蔵を実現する材料」応用物理 90(2021) 570-573
水素吸蔵合金は、圧縮水素よりも低圧で水素を貯蔵できる、
水素放出速度が緩やかといった特徴があります。
ボンベに吸蔵合金をつめて利用しますが、安全性は高圧水素より高く、期待されています。
(2)水素化マグネシウムMgH2
MgH2は、マグネシウム（Mg）に高温高圧化で水素を反応させて作ります。
水素の質量密度が高く、常温常圧の大気下でも安定な物質です。
水素を放出するには
400℃まで加熱 して放出。
水と反応 させて
MgH2 ＋ 2H2O → Mg（OH）2 ＋ 2H2
のように発生させる材料が開発されています。
(3)錯体水素化物
錯体水素化物は、水素を含む錯イオンと金属イオンが結合した材料です。
高密度に水素貯蔵ができます。代表的な物質の一つがLiBH4で、全個体電池の電解質材料としても利用が期待されています。
高密度に水素貯蔵ができます。代表的な物質の一つがLiBH4で、全個体電池の電解質材料としても利用が期待されています。
しかし、水素が他の構成物質と強く結合しているため、水素放出時に高温加熱が必要です。
(4)アンモニアNH3
アンモニアは窒素N2と水素H2から合成する方法が確立されています。
N2 + 3H2 ⇄ 2NH3 (ハーバー・ボッシュ法)
アンモニアは沸点が高い(-33℃)ので液体水素より保存が楽です。
水素を取り出すには触媒と高温が必要ですが、
そのまま燃料として直接燃焼させることができます。
(5)メチルシクロヘキサンC7H14(MCH)
メチルシクロヘキサンはトルエンに水素付加して得られます。
どちらも常温で液体です。
水素を1/500の体積で保存できます。
水素放出にはＭＣＨを300℃以上で触媒を使って反応させます。
(6)j吸蔵材料の吸蔵密度
佐藤、折茂「安全かつ高密度に水素貯蔵を実現する材料」応用物理 90(2021) 570-573
多くの吸蔵材料は液体水素より体積密度が高い。
つまり、同じ容量のタンクにたくさん貯蔵することができます。
質量密度については、原子量の小さい原子を使った吸蔵材料が高くなるようです。
多くの材料において水素の吸蔵と放出には高温が必要で、そのための設備とエネルギー低減が課題です。
そのまま燃料として直接燃焼させることができます。
(5)メチルシクロヘキサンC7H14(MCH)
メチルシクロヘキサンはトルエンに水素付加して得られます。
どちらも常温で液体です。
水素を1/500の体積で保存できます。
水素放出にはＭＣＨを300℃以上で触媒を使って反応させます。
(6)j吸蔵材料の吸蔵密度
佐藤、折茂「安全かつ高密度に水素貯蔵を実現する材料」応用物理 90(2021) 570-573
多くの吸蔵材料は液体水素より体積密度が高い。
つまり、同じ容量のタンクにたくさん貯蔵することができます。
質量密度については、原子量の小さい原子を使った吸蔵材料が高くなるようです。
多くの材料において水素の吸蔵と放出には高温が必要で、そのための設備とエネルギー低減が課題です。
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