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JP7680740B2 - Alloy, hydrogen extraction system, hydrogen storage material, and method for producing alloy - Google Patents
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Alloy, hydrogen extraction system, hydrogen storage material, and method for producing alloy Download PDF

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Description

本発明は、水素吸蔵に用いることができる合金などに関する。 The present invention relates to alloys that can be used for hydrogen storage.

二酸化炭素を排出しない燃料として水素が注目されている。しかしながら、水素は、体積当たりのエネルギー密度が低いため、水素を輸送、運搬する際に水素の高密度化のための水素吸蔵材が必要となる。例えば、特許文献1には、Al-Fe、または、Al-Mnからなる水素吸蔵材が開示されている。 Hydrogen has been attracting attention as a fuel that does not emit carbon dioxide. However, hydrogen has a low energy density per volume, so a hydrogen storage material is required to increase the density of hydrogen when it is transported or carried. For example, Patent Document 1 discloses a hydrogen storage material made of Al-Fe or Al-Mn.

特開2019-199640号公報JP 2019-199640 A

しかしながら、特許文献1に開示された水素吸蔵材は、水素を吸蔵させるために7万気圧以上の超高圧の水素が必要となり、水素を吸蔵させるためのコストが高くなってしまうという課題があった。 However, the hydrogen storage material disclosed in Patent Document 1 requires ultra-high pressure hydrogen of 70,000 atmospheres or more in order to store hydrogen, which poses the problem of high costs for storing hydrogen.

本発明の一態様は、常温かつ常圧で大気中から水素を吸蔵することができる合金を実現することを目的とする。 One aspect of the present invention aims to realize an alloy that can absorb hydrogen from the atmosphere at room temperature and pressure.

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る合金は、AlFe1-x(x=0.7~0.9)、AlCo1-x(x=0.7~0.9)またはAlMn1-x(x=0.7~0.9)の組成を有する合金であって、前記合金は、非晶質構造を含み、他の領域に比べて前記合金の密度が小さくなる複数の第1領域を有し、前記合金の表面に対して垂直な平面で前記合金を切断したときの断面において、隣接する前記第1領域の間の距離は、30nm以下である。 In order to solve the above problems, an alloy according to one embodiment of the present invention has a composition of Al x Fe 1-x (x=0.7 to 0.9), Al x Co 1-x (x=0.7 to 0.9) or Al x Mn 1-x (x=0.7 to 0.9), the alloy has an amorphous structure and a plurality of first regions in which the density of the alloy is lower than that of other regions, and in a cross section of the alloy cut along a plane perpendicular to a surface of the alloy, the distance between adjacent first regions is 30 nm or less.

本発明の一態様によれば、常温かつ常圧で大気中から水素を吸蔵する合金を実現できる。 According to one aspect of the present invention, it is possible to realize an alloy that absorbs hydrogen from the atmosphere at room temperature and pressure.

本発明の一実施形態の合金の構成を示す模式図である。FIG. 1 is a schematic diagram showing the structure of an alloy according to one embodiment of the present invention. 上記合金の基材側とは反対側の面のSEM写真である。1 is a SEM photograph of the surface of the alloy opposite to the substrate side. 走査TEM法による上記合金のHAADF像である。1 is a scanning TEM HAADF image of the alloy. 本発明の一実施形態における水素取出システムの構成を示すブロック図である。1 is a block diagram showing a configuration of a hydrogen extraction system in one embodiment of the present invention. FIG. 本発明の実施例1としての合金の断面TEM画像である。1 is a cross-sectional TEM image of an alloy according to Example 1 of the present invention. 本発明の比較例1としての合金の断面TEM画像である。1 is a cross-sectional TEM image of an alloy as Comparative Example 1 of the present invention. 基材側とは反対側の面を観察した比較例1の合金のSEM写真である。1 is a SEM photograph of the alloy of Comparative Example 1, showing the surface opposite to the substrate side. TEMを用いた実施例1の合金の電子線回折像である。1 is an electron beam diffraction image of the alloy of Example 1 obtained using a TEM. TEMを用いた比較例1の電子線回折像である。1 is an electron beam diffraction image of Comparative Example 1 obtained using a TEM. 実施例1の合金および比較例1の合金を常温・常圧で大気に曝した後に、合金の内部に存在する水素分布を測定した結果を示すグラフである。1 is a graph showing the results of measuring the hydrogen distribution present inside the alloy of Example 1 and the alloy of Comparative Example 1 after exposing them to the atmosphere at room temperature and normal pressure. 水素を吸蔵させた実施例1の変形例の合金の水素放出量を示すグラフである。1 is a graph showing the amount of hydrogen released from an alloy of a modification of Example 1 that has absorbed hydrogen. 本発明の参考例1の合金の断面TEM画像である。1 is a cross-sectional TEM image of an alloy of Reference Example 1 of the present invention. 参考例1の合金を常温・常圧で大気に曝した後に、合金の内部に存在する水素分布を測定した結果を示すグラフである。1 is a graph showing the results of measuring the hydrogen distribution present inside the alloy of Reference Example 1 after exposing the alloy to the atmosphere at room temperature and normal pressure. 参考例2の合金の走査TEM法によるHAADF像である。1 is a HAADF image of the alloy of Reference Example 2 by a scanning TEM method. 図14に示す線L1および線L2におけるコントラスト強度を算出して作成したグラフである。15 is a graph created by calculating contrast intensities on lines L1 and L2 shown in FIG. 14. 本発明の実施例2の合金の断面TEM画像である。1 is a cross-sectional TEM image of an alloy of Example 2 of the present invention. TEMを用いた実施例2の合金の電子線回折像である。1 is an electron beam diffraction image of the alloy of Example 2 obtained using a TEM. 水素を吸蔵させた実施例2の変形例の合金の水素放出量を示すグラフである。13 is a graph showing the amount of hydrogen released from an alloy of a modified example of Example 2 that has absorbed hydrogen. 本発明の実施例3の合金の断面TEM画像である。1 is a cross-sectional TEM image of an alloy of Example 3 of the present invention. 本発明の比較例2の合金の断面TEM画像である。1 is a cross-sectional TEM image of an alloy of Comparative Example 2 of the present invention. 基材側とは反対側の面を観察した実施例3の合金のSEM写真である。1 is a SEM photograph of the alloy of Example 3, showing the surface opposite to the substrate side. 基材側とは反対側の面を観察した比較例2の合金のSEM写真である。1 is an SEM photograph of the alloy of Comparative Example 2, showing the surface opposite to the substrate side. TEMを用いた実施例3の合金の電子線回折像である。1 is an electron beam diffraction image of the alloy of Example 3 obtained using a TEM. TEMを用いた比較例2の電子線回折像である。1 is an electron beam diffraction image of Comparative Example 2 obtained using a TEM. 実施例3の合金および比較例2の合金を常温・常圧で大気に曝した後に、合金の内部に存在する水素分布を測定した結果を示すグラフである。1 is a graph showing the results of measuring the hydrogen distribution present inside the alloys of Example 3 and Comparative Example 2 after exposing the alloys to the atmosphere at room temperature and normal pressure. 水素を吸蔵させた実施例3の変形例の合金の水素放出量を示すグラフである。13 is a graph showing the amount of hydrogen released from an alloy of a modified example of Example 3 that has absorbed hydrogen. 本発明の比較例3の合金の断面TEM画像である。1 is a cross-sectional TEM image of an alloy of Comparative Example 3 of the present invention. TEMを用いた本発明の比較例3としての合金の電子線回折像である。1 is an electron beam diffraction image of an alloy as Comparative Example 3 of the present invention, obtained using a TEM. 比較例3の合金を常温・常圧で大気に曝した後に、合金の内部に存在する水素分布を測定した結果を示すグラフである。1 is a graph showing the results of measuring the hydrogen distribution present inside the alloy of Comparative Example 3 after exposing the alloy to the atmosphere at room temperature and normal pressure. 水素を吸蔵させた、比較例3の変形例の合金の水素放出量を示すグラフである。13 is a graph showing the amount of hydrogen released from an alloy of a modified example of Comparative Example 3 that has absorbed hydrogen. 本発明の実施例4の合金の断面TEM画像である。1 is a cross-sectional TEM image of an alloy of Example 4 of the present invention. TEMを用いた実施例4の合金の電子線回折像である。1 is an electron beam diffraction image of the alloy of Example 4 obtained using a TEM. 実施例4の合金を常温・常圧で大気に曝した後に、合金の内部に存在する水素分布を測定した結果を示すグラフである。1 is a graph showing the results of measuring the hydrogen distribution present inside the alloy of Example 4 after exposing the alloy to the atmosphere at room temperature and normal pressure. 本発明の実施例5の合金の断面TEM画像である。1 is a cross-sectional TEM image of an alloy of Example 5 of the present invention. TEMを用いた実施例5の合金の電子線回折像である。1 is an electron beam diffraction image of the alloy of Example 5 obtained using a TEM. 実施例5の合金を常温・常圧で大気に曝した後に、合金の内部に存在する水素分布を測定した結果を示すグラフである。1 is a graph showing the results of measuring the hydrogen distribution present inside the alloy of Example 5 after exposing the alloy to the atmosphere at room temperature and normal pressure. 水素を吸蔵させた、実施例5の変形例の合金の水素放出量を示すグラフである。13 is a graph showing the amount of hydrogen released from an alloy of a modified example of Example 5 that has absorbed hydrogen.

〔実施形態1〕
以下、本発明の一実施形態について、詳細に説明する。
[Embodiment 1]
Hereinafter, one embodiment of the present invention will be described in detail.

〔水素吸蔵材〕
本発明者らは、鋭意研究の結果、AlFe1-x(x=0.7~0.9)の組成を有する合金、AlCo1-x(x=0.7~0.9)の組成を有する合金、またはAlMn1-x(x=0.7~0.9)の組成を有する合金を含む水素吸蔵材において、下記の構成を有する合金が、常温かつ常圧で大気中の水素を吸蔵することを見出した。ここで、本明細書において、「常温」とは、15℃~30℃の温度であり、「常圧」とは、大気圧すなわち1気圧(1013hPa)のことを指す。なお、大気圧といっても天候によって低気圧や高気圧の差異があるため、ここでは、「常圧」とは、大気圧近傍(970hPa~1030hPa)の圧力のことを意味する。まず、水素吸蔵材の構造の詳細について説明する。
[Hydrogen storage material]
As a result of intensive research, the present inventors have found that in hydrogen storage materials including alloys having a composition of Al x Fe 1-x (x = 0.7 to 0.9), alloys having a composition of Al x Co 1-x (x = 0.7 to 0.9), or alloys having a composition of Al x Mn 1-x (x = 0.7 to 0.9), the alloys having the following configurations store hydrogen in the atmosphere at room temperature and normal pressure. Here, in this specification, "room temperature" refers to a temperature of 15°C to 30°C, and "normal pressure" refers to atmospheric pressure, that is, 1 atmosphere (1013 hPa). Note that, even though it is atmospheric pressure, there are differences in low pressure and high pressure depending on the weather, so here, "normal pressure" means a pressure near atmospheric pressure (970 hPa to 1030 hPa). First, the details of the structure of the hydrogen storage material will be described.

図1は、本発明の一実施形態としての合金10の構成を示す模式図である。合金10は、例えばスパッタリング法によって基材1上に薄膜として作製される。本実施形態の基材1は、Si(シリコン)により構成されている。 Figure 1 is a schematic diagram showing the structure of alloy 10 according to one embodiment of the present invention. Alloy 10 is formed as a thin film on substrate 1 by, for example, a sputtering method. Substrate 1 in this embodiment is made of Si (silicon).

合金10は、AlFe1-x(x=0.7~0.9)、AlCo1-x(x=0.7~0.9)、またはAlMn1-x(x=0.7~0.9)の組成を有する。合金10は、非結晶(アモルファス)構造となっている。ただし、合金10は、結晶粒径が数nm以下の微結晶を含んでいてもよい。換言すれば、合金10は、非晶質構造の領域と、微結晶の領域とを含む構成であってもよい。ここで、「微結晶」とは、「結晶構造を有する微小な結晶粒」をいう。 Alloy 10 has a composition of Al x Fe 1-x (x=0.7-0.9), Al x Co 1-x (x=0.7-0.9), or Al x Mn 1-x (x=0.7-0.9). Alloy 10 has a non-crystalline (amorphous) structure. However, alloy 10 may contain microcrystals with a crystal grain size of several nm or less. In other words, alloy 10 may have a structure including an amorphous structure region and a microcrystal region. Here, "microcrystals" refers to "tiny crystal grains having a crystalline structure."

合金10は、表面に平行な平面の任意の直線上において、30nm以下の間隔で他の領域に比べて密度が小さくなる領域を有する。これについて、図2および図3を用いながら説明する。 Alloy 10 has regions that are less dense than other regions at intervals of 30 nm or less on any straight line in a plane parallel to the surface. This will be explained using Figures 2 and 3.

図2は、合金10の基材1側とは反対側の面(すなわち、合金10の表面)の走査型電子顕微鏡(Scanning Electron Microscope:SEM)写真である。図3は、透過型電子顕微鏡(Transmission Electron Microscope:TEM)法による合金10のHAADF(High-angle Annular Dark Field)像である。図3に示すHAADF像は、基材1上に合金10が積層される方向(換言すれば、合金10の厚み方向)に平行な平面で切断した合金10のHAADF像である。なお、図2および図3に示す合金10は、常温の基材1上に、原子比率でAl:Fe=76:24の組成を有するターゲットを用いて成膜したものである。合金10の製造方法の詳細については後述する。 Figure 2 is a scanning electron microscope (SEM) photograph of the surface of alloy 10 opposite to the substrate 1 (i.e., the surface of alloy 10). Figure 3 is a high-angle annular dark field (HAADF) image of alloy 10 by a transmission electron microscope (TEM) method. The HAADF image shown in Figure 3 is an HAADF image of alloy 10 cut along a plane parallel to the direction in which alloy 10 is layered on substrate 1 (in other words, the thickness direction of alloy 10). Note that alloy 10 shown in Figures 2 and 3 was formed on substrate 1 at room temperature using a target having a composition of Al:Fe = 76:24 in atomic ratio. The manufacturing method of alloy 10 will be described in detail later.

図2および図3に示すように、合金10は、合金10の厚み方向(換言すれば、合金10の表面に対して垂直な方向)に沿って延びる、直径が30nm以下の柱状構造体11(第1柱状体)の集まりによって構成されている。なお、図2のSEM写真において、真円も含む略円形状に見える領域が、柱状構造体11の長手方向の端部に相当する。また、図3に示すように、柱状構造体11は、複数の微小な柱状構造体12(第2柱状体)の集まりによって構成されている。より詳細には、柱状構造体11は、当該柱状構造体11における他の領域に比べて合金10の密度が小さくなる第2領域14を介して隣接する複数の柱状構造体12を含む。 2 and 3, the alloy 10 is composed of a collection of columnar structures 11 (first columnar structures) with a diameter of 30 nm or less that extend along the thickness direction of the alloy 10 (in other words, the direction perpendicular to the surface of the alloy 10). In the SEM photograph of FIG. 2, the region that appears to be approximately circular, including a perfect circle, corresponds to the longitudinal end of the columnar structure 11. Also, as shown in FIG. 3, the columnar structure 11 is composed of a collection of multiple tiny columnar structures 12 (second columnar structures). More specifically, the columnar structure 11 includes multiple columnar structures 12 adjacent to each other via a second region 14 in which the density of the alloy 10 is lower than that of other regions in the columnar structure 11.

合金10は、その大部分が複数の柱状構造体11によって構成されている。また、図3に示すHAADF像では、1つの柱状構造体11と当該柱状構造体11に隣接する柱状構造体11との間の領域(以降では、第1領域13とも称する)が、柱状構造体11に比べて暗くなっている。合金10では、第1領域13が合金10の表面に対して垂直な平面で合金10を切断したときの断面において、合金10の一方の表面から他方の表面まで連続して形成されている。HAADF像では、組成が同じ場合、密度が高いほど明るく表示される。したがって、第1領域13は、柱状構造体11よりも密度が小さくなっている。すなわち、合金10は、隣接する第1領域13の間の距離が30nm以下となっている。上記の構成を有していることにより、合金10は、合金10の内部における、合金10の表面に平行な平面の任意の直線上において、30nm以下の間隔で他の領域に比べて密度が小さくなる領域を有する構造となっている。換言すれば、合金10は、他の領域に比べて合金10の密度が小さくなる複数の第1領域13を有し、合金10の表面に対して垂直な平面で合金10を切断したときの断面において、隣接する第1領域13の間の距離が30nm以下となっている。なお、本明細書では、隣接する第1領域13の間の距離とは、第1領域13における密度が最も低い点と、当該第1領域13に隣接する第1領域における密度が最も低い点との間の距離をいう。 The alloy 10 is mostly composed of a plurality of columnar structures 11. In the HAADF image shown in FIG. 3, the region between one columnar structure 11 and the columnar structure 11 adjacent to the columnar structure 11 (hereinafter also referred to as the first region 13) is darker than the columnar structure 11. In the alloy 10, the first region 13 is continuously formed from one surface to the other surface of the alloy 10 in a cross section when the alloy 10 is cut on a plane perpendicular to the surface of the alloy 10. In the HAADF image, when the composition is the same, the higher the density, the brighter it appears. Therefore, the first region 13 has a lower density than the columnar structure 11. That is, the distance between the adjacent first regions 13 in the alloy 10 is 30 nm or less. With the above configuration, the alloy 10 has a structure in which, on any straight line on a plane parallel to the surface of the alloy 10 inside the alloy 10, there are regions with a lower density than other regions at intervals of 30 nm or less. In other words, alloy 10 has a plurality of first regions 13 in which the density of alloy 10 is lower than other regions, and in a cross section of alloy 10 cut along a plane perpendicular to the surface of alloy 10, the distance between adjacent first regions 13 is 30 nm or less. In this specification, the distance between adjacent first regions 13 refers to the distance between the point of lowest density in first region 13 and the point of lowest density in the first region adjacent to said first region 13.

当該構造を有することにより、詳細なメカニズムは明らかではないが、合金10が常温・常圧で大気中から水素を吸蔵することができることが本発明者らの鋭意研究により明らかになった。したがって、合金10は、水素吸蔵材として好適に用いることができる。なお、合金10は、大気に含まれる水分子または水素分子から水素を吸蔵していると考えられる。 The inventors' intensive research has revealed that due to this structure, alloy 10 can absorb hydrogen from the atmosphere at room temperature and pressure, although the detailed mechanism is not clear. Therefore, alloy 10 can be suitably used as a hydrogen storage material. It is believed that alloy 10 absorbs hydrogen from water molecules or hydrogen molecules contained in the atmosphere.

上述したように、図2に示すSEM写真において、真円も含む略円形状に見える領域が、柱状構造体11の長手方向の端部に相当する。すなわち、合金10は、合金10の表面に対して平行な平面で合金10を切断したときの断面において、隣接する第1領域の間の距離は、30nm以下となっている。 As described above, in the SEM photograph shown in FIG. 2, the regions that appear to be approximately circular, including perfect circles, correspond to the longitudinal ends of the columnar structures 11. In other words, in the cross section of alloy 10 when alloy 10 is cut along a plane parallel to the surface of alloy 10, the distance between adjacent first regions is 30 nm or less.

本実施形態における合金10は、柱状構造体11の集まりによって構成されることにより、30nm以下の間隔で他の領域に比べて密度が小さくなる領域を有する構造となっている構成であったが、本発明の合金はこれに限られない。本発明の合金は、30nm以下の間隔で他の領域に比べて密度が小さくなる領域を有する構造となっている構成を有していれば他の構成であってもよく、例えば、粒子状、層状などの構造を有する構成であってもよい。 In the present embodiment, the alloy 10 is composed of a collection of columnar structures 11, and has a structure with regions that are spaced 30 nm or less apart and have a lower density than other regions, but the alloy of the present invention is not limited to this. The alloy of the present invention may have other configurations as long as it has a structure with regions that are spaced 30 nm or less apart and have a lower density than other regions, and may have a particulate or layered structure, for example.

上記のように、合金10は、AlFe1-x(x=0.7~0.9)の組成を有する合金、AlCo1-x(x=0.7~0.9)の組成を有する合金、またはAlMn1-x(x=0.7~0.9)の組成を有している。これにより、下記の製造方法で合金10を作製した場合、上記の構成を有する合金10とすることができる。xが0.7未満の場合、作製される合金は、アモルファス構造ではなく、結晶構造を有する合金となり、水素吸蔵量が少なくなってしまう。また、xが0.9を超える場合、結晶構造を有する合金となり、水素吸蔵量が少なくなってしまう。 As described above, alloy 10 has a composition of Al x Fe 1-x (x=0.7-0.9), an alloy having a composition of Al x Co 1-x (x=0.7-0.9), or an alloy having a composition of Al x Mn 1-x (x=0.7-0.9). As a result, when alloy 10 is produced by the manufacturing method described below, alloy 10 having the above configuration can be obtained. When x is less than 0.7, the produced alloy has a crystalline structure, not an amorphous structure, and the hydrogen storage capacity is reduced. Also, when x exceeds 0.9, the alloy has a crystalline structure, and the hydrogen storage capacity is reduced.

本実施形態における合金10は、吸蔵した水素を加熱することにより、水素を放出する。具体的には、本実施形態における合金10は、加熱されると約100℃から徐々に水素を放出し、約150℃まで温度が上昇するにつれて水素の放出量が多くなる。加熱速度は、10℃/分が好ましい。 In this embodiment, alloy 10 releases hydrogen by heating the absorbed hydrogen. Specifically, when alloy 10 in this embodiment is heated, it gradually releases hydrogen from about 100°C, and the amount of hydrogen released increases as the temperature rises to about 150°C. A heating rate of 10°C/min is preferred.

本実施形態における合金10は、Alと、Fe、CoまたはMnとからのみ構成されている。これらの物質は安価な金属であり、既存の水素吸蔵合金と比べて安価に製造することができる。 In this embodiment, the alloy 10 is composed only of Al and Fe, Co, or Mn. These substances are inexpensive metals and can be produced more cheaply than existing hydrogen storage alloys.

〔水素吸蔵材の製造方法〕
合金10は、例えば、スパッタリング法によって製造することができる。より詳細には、基材1の温度を200℃未満、好ましくは100℃以下、より好ましくは常温(具体的には、15℃~30℃)に保持した状態でスパッタリング処理(合金積層工程)を行うことにより、上記の構成を有する合金10を製造することができる。
[Method of manufacturing hydrogen storage material]
The alloy 10 can be produced, for example, by a sputtering method. More specifically, the temperature of the base material 1 is kept below 200° C., preferably below 100° C., and more preferably at room temperature (specifically, 15° C. to 30° C.), and a sputtering process (alloy lamination process) is performed to produce the alloy 10 having the above-mentioned configuration.

基材1は、特に限定されるものではないが、例えば、Si、Al、ステンレスなどの金属、ポリイミドなどの耐熱性高分子物質、SiC、アルミナなどのセラミックスなどを用いることができる。スパッタリング処理では、作製する合金と同じ組成(すなわち、AlFe1-x(x=0.7~0.9)、AlCo1-x(x=0.7~0.9)、またはAlMn1-x(x=0.7~0.9)の組成)を有する混合粉末の焼結体をターゲットとして用いる。スパッタリング処理は、不活性ガス雰囲気(例えば、Ar雰囲気)で行うことができる。 The substrate 1 is not particularly limited, and may be, for example, metals such as Si, Al, and stainless steel, heat-resistant polymeric substances such as polyimide, and ceramics such as SiC and alumina. In the sputtering process, a sintered body of a mixed powder having the same composition as the alloy to be produced (i.e., a composition of Al x Fe 1-x (x=0.7-0.9), Al x Co 1-x (x=0.7-0.9), or Al x Mn 1-x (x=0.7-0.9)) is used as a target. The sputtering process can be performed in an inert gas atmosphere (for example, an Ar atmosphere).

基材1の温度を常温よりも高い温度でスパッタリング処理を行った場合、表面に平行な平面の任意の直線上において、30nm以下の間隔で他の領域に比べて密度が小さくなる領域を有する構造とはならなくなる。例えば、基材1の温度を200℃でスパッタリング処理を行った場合、表面に平行な平面の任意の直線上において他の領域に比べて密度が小さくなる領域の間の間隔が30nmよりも大きくなってしまう。また、基材1の温度を300℃以上でスパッタリング処理を行った場合、アモルファス構造ではなく、結晶構造を有する合金となり、水素吸蔵量が少なくなってしまう。 If the sputtering process is performed at a temperature of the substrate 1 higher than room temperature, the structure will not have regions with a lower density than other regions at intervals of 30 nm or less on any straight line on a plane parallel to the surface. For example, if the sputtering process is performed at a temperature of the substrate 1 of 200°C, the interval between regions with a lower density than other regions on any straight line on a plane parallel to the surface will be greater than 30 nm. Furthermore, if the sputtering process is performed at a temperature of the substrate 1 of 300°C or higher, the alloy will have a crystalline structure rather than an amorphous structure, and the hydrogen storage capacity will be reduced.

なお、上記の水素吸蔵材の製造方法は、合金10を製造する方法の一例である。合金10は、基材1の温度を常温に保持した状態で成膜すればよく、例えば、真空蒸着法、溶射法、レーザー蒸着法などの物理気相成長法を用いて作製することができる。また、ボールミリング装置を用いたメカニカルアロイング法によって合金10を製造することができる。 The above-mentioned method for producing the hydrogen storage material is one example of a method for producing alloy 10. Alloy 10 can be produced by forming a film while maintaining the temperature of substrate 1 at room temperature, for example, by physical vapor deposition methods such as vacuum deposition, thermal spraying, and laser deposition. Alloy 10 can also be produced by mechanical alloying using a ball milling device.

〔合金10の適用例〕
上記のように、合金10は、常温かつ常圧において大気から水素を吸蔵することができる。そのため、合金10は、大気から水素を取り出す水素取出システムに好適に適用することができる。ここでは、水素取出システムの一例について説明する。
[Application example of Alloy 10]
As described above, the alloy 10 can absorb hydrogen from the atmosphere at room temperature and pressure. Therefore, the alloy 10 can be suitably applied to a hydrogen extraction system that extracts hydrogen from the atmosphere. Here, an example of the hydrogen extraction system will be described.

図4は、本実施形態における水素取出システム100の構成を示すブロック図である。図4に示すように、水素取出システム100は、水素吸蔵部110と、水素放出部120と、を備えている。 Figure 4 is a block diagram showing the configuration of the hydrogen extraction system 100 in this embodiment. As shown in Figure 4, the hydrogen extraction system 100 includes a hydrogen storage section 110 and a hydrogen release section 120.

水素吸蔵部110は、合金10を水素吸蔵材として用いて水素を吸蔵する。水素吸蔵部110は、例えば、合金10をコーティングしたコンテナなどであってもよい。水素吸蔵部110は、合金10を備えているため、水素吸蔵部110を大気に曝すことにより水素吸蔵部110に水素を吸蔵させることができる。 The hydrogen absorbing unit 110 absorbs hydrogen using alloy 10 as a hydrogen absorbing material. The hydrogen absorbing unit 110 may be, for example, a container coated with alloy 10. Since the hydrogen absorbing unit 110 comprises alloy 10, hydrogen can be absorbed in the hydrogen absorbing unit 110 by exposing the hydrogen absorbing unit 110 to the atmosphere.

水素放出部120は、水素を吸蔵した水素吸蔵部110を加熱することにより、水素吸蔵部110から水素を放出させる。具体的には、水素放出部120は、合金10が貯蔵している水素を放出する温度である150℃以上に水素吸蔵部110を加熱する。 The hydrogen release unit 120 heats the hydrogen storage unit 110 that has absorbed hydrogen, thereby releasing hydrogen from the hydrogen storage unit 110. Specifically, the hydrogen release unit 120 heats the hydrogen storage unit 110 to 150°C or higher, which is the temperature at which the alloy 10 releases the hydrogen stored therein.

上記の構成を有する水素取出システム100では、水素吸蔵部110に常温かつ常圧で大気中の水素を吸蔵させることができ、水素を吸蔵した水素吸蔵部110を加熱するだけで、所望のタイミングで水素を取り出すことができる。 In the hydrogen extraction system 100 having the above configuration, hydrogen can be absorbed in the hydrogen storage unit 110 at room temperature and pressure, and hydrogen can be extracted at the desired timing simply by heating the hydrogen storage unit 110 that has absorbed hydrogen.

第1実施例First embodiment

本発明の一実施例について以下に説明する。図5は、本発明の実施例1としての合金の断面TEM画像である。図6は、本発明の比較例1としての合金の断面TEM画像である。図7は、基材側とは反対側の面を観察した比較例1の合金のSEM写真である。なお、実施例1の合金について基材側とは反対側の面を観察したSEM写真は、図2に示したSEM写真である。 One embodiment of the present invention will be described below. Figure 5 is a cross-sectional TEM image of an alloy serving as Example 1 of the present invention. Figure 6 is a cross-sectional TEM image of an alloy serving as Comparative Example 1 of the present invention. Figure 7 is an SEM photograph of the alloy of Comparative Example 1, taken from the side opposite the substrate. The SEM photograph of the alloy of Example 1, taken from the side opposite the substrate, is the SEM photograph shown in Figure 2.

実施例1の合金は、基材としてのSiを用い、マグネトロンスパッタリング処理をして作製した。より詳細には、スパッタリング処理は、モル比でAl:Fe=76:24の組成を有する混合粉末焼結体をターゲットとして用い、Arガス圧力を0.183Paとし、基材の温度を25℃に保持した状態で行った。実施例1の合金は、5.4nm/分の成膜速度で、約250nmの膜厚となるように成膜した。 The alloy of Example 1 was produced by magnetron sputtering using Si as the substrate. More specifically, the sputtering was carried out using a mixed powder sintered body having a molar ratio of Al:Fe = 76:24 as the target, with the Ar gas pressure set to 0.183 Pa and the substrate temperature held at 25°C. The alloy of Example 1 was deposited to a thickness of approximately 250 nm at a deposition rate of 5.4 nm/min.

比較例1の合金は、スパッタリング処理における基材の保持温度を200℃とした以外は、実施例1の作製方法と同じ方法で作製した。 The alloy of Comparative Example 1 was prepared in the same manner as in Example 1, except that the substrate was held at a temperature of 200°C during the sputtering process.

図5および図6に示すように、実施例1の合金は、比較例1の合金と比べて、合金の厚み方向に沿って延びる白い線がより多く見られた。具体的には、実施例1の合金では、表面に平行な平面の任意の直線上において30nm以下の間隔で白い線が見られた。一方で、比較例1の合金では、表面に平行な平面の任意の直線上において30nmより長い間隔(例えば、50nmの間隔)で白い線が見られた。後述するように、上記白い線は、黒く見える領域に比べて密度が小さくなる領域である。したがって、実施例1の合金は、表面に平行な平面の任意の直線上において30nm以下の間隔で他の領域に比べて密度が小さくなる領域を有する構造となっていた。図5および図6に示した写真における黒い領域は、柱状構造体となっている。図2および図7のSEM写真において、略円形状に見える領域が、柱状構造体の長手方向の端部に相当する。 As shown in Figures 5 and 6, the alloy of Example 1 had more white lines extending along the thickness direction of the alloy than the alloy of Comparative Example 1. Specifically, in the alloy of Example 1, white lines were observed at intervals of 30 nm or less on any straight line on a plane parallel to the surface. On the other hand, in the alloy of Comparative Example 1, white lines were observed at intervals longer than 30 nm (for example, 50 nm) on any straight line on a plane parallel to the surface. As will be described later, the white lines are regions with a lower density than the black regions. Therefore, the alloy of Example 1 had a structure having regions with a lower density than other regions at intervals of 30 nm or less on any straight line on a plane parallel to the surface. The black regions in the photographs shown in Figures 5 and 6 are columnar structures. In the SEM photographs of Figures 2 and 7, the regions that appear approximately circular correspond to the longitudinal ends of the columnar structures.

図8は、TEMを用いた実施例1の合金の電子線回折像である。図9は、TEMを用いた比較例1の電子線回折像である。図8に示すように、実施例1の合金の電子線回折像は、ハロー形状に近い構造であり、結晶構造に起因したスポットは確認されなかった。ここで、ハロー(halo)形状とは光輪を意味する。すなわち、実施例1の合金は、非結晶(アモルファス)構造となっていることがわかる。ただし、図8に示すように、実施例1の合金の電子線回折像は、完全なハロー形状になっておらずリング形状の像が観察されることから、結晶粒径が数nm未満(具体的には、5nm未満)の微結晶を含んでいる可能性があると考えられる。なお、通常、結晶粒径が数nmの結晶が存在する場合は、TEM像において確認することができるが、実施例1のTEM像では結晶粒径が数nmの結晶は観察することができなかった。 Figure 8 is an electron beam diffraction image of the alloy of Example 1 using a TEM. Figure 9 is an electron beam diffraction image of Comparative Example 1 using a TEM. As shown in Figure 8, the electron beam diffraction image of the alloy of Example 1 has a structure close to a halo shape, and no spots due to the crystal structure were confirmed. Here, the halo shape means a halo. In other words, it can be seen that the alloy of Example 1 has a non-crystalline (amorphous) structure. However, as shown in Figure 8, the electron beam diffraction image of the alloy of Example 1 is not a complete halo shape, and a ring-shaped image is observed, so it is thought that it may contain microcrystals with a crystal grain size of less than a few nm (specifically, less than 5 nm). Note that, normally, when crystals with a grain size of several nm exist, they can be confirmed in a TEM image, but crystals with a grain size of several nm could not be observed in the TEM image of Example 1.

また、図9に示すように、比較例1の合金についても、実施例1の合金と同様の電子線回折像となっており、アモルファス構造になっていた。 As shown in Figure 9, the alloy of Comparative Example 1 also had the same electron beam diffraction pattern as the alloy of Example 1, and had an amorphous structure.

図10は、実施例1の合金および比較例1の合金を常温・常圧で大気に曝した後に、合金の内部に存在する水素分布を測定した結果を示すグラフである。合金内部の水素の量は、2.8MeVのHeを解析ビームとして用いた反跳粒子検出法により測定した。図10に示すグラフにおいて、横軸としてのチャンネル数は基材からの距離に相当し、縦軸の規格化収量は、水素量に相当する。 10 is a graph showing the results of measuring the hydrogen distribution inside the alloy of Example 1 and the alloy of Comparative Example 1 after exposing them to the atmosphere at room temperature and pressure. The amount of hydrogen inside the alloy was measured by a recoil particle detection method using 2.8 MeV 4He + as an analysis beam. In the graph shown in FIG. 10, the number of channels on the horizontal axis corresponds to the distance from the substrate, and the normalized yield on the vertical axis corresponds to the amount of hydrogen.

図10に示すように、実施例1の合金は、比較例1の合金と比べて多くの水素を含有していた。すなわち、実施例1の合金は、比較例1の合金と比べて水素吸蔵量が高いことが示された。図10に示すグラフから算出したところ、実施例1の合金は、合金の重量に対して1.3wt%の水素を吸蔵していた。この数値は、従来から水素吸蔵材として知られているLaNi、TiFeなどを高濃度の水素ガスを用いて水素を吸蔵させた場合の水素吸蔵量と同程度である。すなわち、実施例1の合金は、常温・常圧で大気に曝すだけで、従来の水素吸蔵材と同程度の水素を吸蔵した。 As shown in FIG. 10, the alloy of Example 1 contained more hydrogen than the alloy of Comparative Example 1. That is, it was shown that the alloy of Example 1 had a higher hydrogen storage capacity than the alloy of Comparative Example 1. Calculations based on the graph shown in FIG. 10 showed that the alloy of Example 1 absorbed 1.3 wt% of hydrogen relative to the weight of the alloy. This value is about the same as the hydrogen storage capacity when LaNi 5 , TiFe, etc., which are conventionally known as hydrogen storage materials, are absorbed using high-concentration hydrogen gas. That is, the alloy of Example 1 absorbed hydrogen to the same extent as conventional hydrogen storage materials simply by exposing it to the atmosphere at room temperature and normal pressure.

図11は、水素を吸蔵させた、実施例1の合金の基材をAl、合金の膜厚を約1μmに変更した変形例としての合金の水素放出量を示すグラフである。図11において、左側の縦軸としてのイオン電流は、合金から放出される水素量に相当する。図11に示すグラフは、熱天秤-質量分析装置により測定した結果に基づき作製した。具体的には、試料をHeフローの条件下で室温から350℃まで昇温速度10℃/分で加熱し、その時の重量変化と試料から放出される水素量を計測した。 Figure 11 is a graph showing the amount of hydrogen released from a modified alloy in which hydrogen was absorbed from the alloy of Example 1, in which the base material was changed to Al and the film thickness of the alloy was changed to about 1 μm. In Figure 11, the ion current on the left vertical axis corresponds to the amount of hydrogen released from the alloy. The graph shown in Figure 11 was created based on the results of measurements using a thermobalance-mass spectrometer. Specifically, the sample was heated from room temperature to 350°C at a heating rate of 10°C/min under He flow conditions, and the weight change and the amount of hydrogen released from the sample were measured.

図11に示すように、実施例1の変形例の合金の温度を上昇させた場合、約100℃から徐々に水素を放出し、約150℃まで温度が上昇するにつれて水素の放出量が多くなった。また、図11に示されるように、水素の放出量が多くなるにつれて、合金の重量が減少した。水素の放出は、約250℃まで観察された。この結果から、実施例1の変形例の合金を10℃/分の昇温速度で250℃まで加熱することにより、吸蔵した水素を十分に放出させることができることがわかる。 As shown in FIG. 11, when the temperature of the alloy of the modified example of Example 1 was increased, hydrogen was gradually released from about 100°C, and the amount of hydrogen released increased as the temperature increased to about 150°C. Also, as shown in FIG. 11, the weight of the alloy decreased as the amount of hydrogen released increased. Hydrogen release was observed up to about 250°C. From these results, it can be seen that the alloy of the modified example of Example 1 can be sufficiently released of the absorbed hydrogen by heating it to 250°C at a heating rate of 10°C/min.

第2実施例Second embodiment

次に、本発明の参考例1としての合金について説明する。参考例1の合金は、基材としてのSiに対してAl76Fe24合金、Al、Al76Fe24合金をこの順序で積層して作製した以外は、実施例1と同様の方法で作製した。図12は、参考例1の合金の断面TEM画像である。図13は、参考例1の合金を常温・常圧で大気に曝した後に、合金の内部に存在する水素分布を測定した結果を示すグラフである。 Next, an alloy as Reference Example 1 of the present invention will be described. The alloy of Reference Example 1 was produced in the same manner as in Example 1, except that an Al 76 Fe 24 alloy, Al, and an Al 76 Fe 24 alloy were laminated in this order on a Si substrate. Figure 12 is a cross-sectional TEM image of the alloy of Reference Example 1. Figure 13 is a graph showing the results of measuring the hydrogen distribution present inside the alloy after exposing the alloy of Reference Example 1 to the atmosphere at room temperature and pressure.

図13に示すように、参考例1の合金では、表面に近い側に存在するAl76Fe24層に存在する水素量が、基材に近い側に存在するAl76Fe24層に存在する水素量よりも多かった。Al膜は水素を吸蔵することがない。これから、参考例1の合金に吸蔵された水素は、スパッタリング処理を行っている間に合金に吸蔵された水素ではなく、成膜後に大気に曝したことにより合金に吸蔵された水素であることがわかる。 As shown in Fig. 13, in the alloy of Reference Example 1, the amount of hydrogen present in the Al 76 Fe 24 layer present near the surface was greater than the amount of hydrogen present in the Al 76 Fe 24 layer present near the substrate. The Al film does not absorb hydrogen. This shows that the hydrogen absorbed in the alloy of Reference Example 1 is not hydrogen absorbed in the alloy during the sputtering process, but hydrogen absorbed in the alloy by exposure to the atmosphere after film formation.

第3実施例Third embodiment

次に、本発明の参考例2としての合金について説明する。参考例2の合金は、基材としてのSiに対して、基材の保持温度を200℃として第1Al76Fe24合金層10aを成膜した後、基材の保持温度を25℃として第2Al76Fe24合金層10bを成膜して作製した以外は、実施例1と同様の方法で作製した。図14は、参考例2の合金の走査TEM法によるHAADF像である。図15は、図14に示す線L1および線L2におけるコントラスト強度を算出して作成したグラフである。 Next, an alloy as Reference Example 2 of the present invention will be described. The alloy of Reference Example 2 was produced in the same manner as in Example 1, except that the first Al 76 Fe 24 alloy layer 10a was formed on a Si substrate at a substrate holding temperature of 200°C, and then the second Al 76 Fe 24 alloy layer 10b was formed at a substrate holding temperature of 25°C. Figure 14 is a HAADF image of the alloy of Reference Example 2 by a scanning TEM method. Figure 15 is a graph produced by calculating the contrast intensity on the lines L1 and L2 shown in Figure 14.

図14に示すように、密度が相対的に低いことを示す暗線が、第1Al76Fe24合金層10aよりも第2Al76Fe24合金層10bにおいて多く見られる。より詳細には、図15に示すように、第2Al76Fe24合金層10bでは密度が相対的に低い領域が30nm以下の間隔で存在しているのに対し、第1Al76Fe24合金層10aでは密度が相対的に低い領域が30nmよりも長い間隔で存在していることがわかる。 As shown in Fig. 14, dark lines indicating relatively low density are more frequently seen in the second Al 76 Fe 24 alloy layer 10 b than in the first Al 76 Fe 24 alloy layer 10 a. More specifically, as shown in Fig. 15, it can be seen that in the second Al 76 Fe 24 alloy layer 10 b, regions with relatively low density exist at intervals of 30 nm or less, whereas in the first Al 76 Fe 24 alloy layer 10 a, regions with relatively low density exist at intervals longer than 30 nm.

第4実施例Fourth embodiment

次に、本発明の実施例2としての合金について説明する。実施例2の合金は、モル比でAl:Fe=80:20の組成を有する混合粉末焼結体をターゲットとして用いた以外は、実施例1の合金と同様にして作製した。 Next, an alloy according to Example 2 of the present invention will be described. The alloy according to Example 2 was produced in the same manner as the alloy according to Example 1, except that a mixed powder sintered body having a molar ratio of Al:Fe = 80:20 was used as the target.

図16は、実施例2の合金の断面TEM画像である。図16に示すように、実施例2の合金は、実施例1の合金と同様に、表面に平行な平面の任意の直線上において30nm以下の間隔で白い線が見られた。すなわち、実施例2の合金は、表面に平行な平面の任意の直線上において30nm以下の間隔で他の領域に比べて密度が小さくなる領域を有する構造となっていた。 Figure 16 is a cross-sectional TEM image of the alloy of Example 2. As shown in Figure 16, the alloy of Example 2, like the alloy of Example 1, had white lines at intervals of 30 nm or less on any straight line on a plane parallel to the surface. In other words, the alloy of Example 2 had a structure with regions that had a lower density than other regions at intervals of 30 nm or less on any straight line on a plane parallel to the surface.

図17は、TEMを用いた実施例2の合金の電子線回折像である。図17に示すように、実施例2の合金は、実施例1の合金と同様に、ハロー形状に近い構造であり、結晶構造に起因したスポットは確認されなかった。すなわち、実施例2の合金は、非結晶(アモルファス)構造となっていることがわかる。ただし、図17に示すように、実施例2の合金の電子線回折像は、完全なハロー形状になっておらずリング形状の像が観察されることから、結晶粒径が数nm未満(具体的には、5nm未満)の微結晶を含んでいる可能性があると考えられる。 Figure 17 is an electron beam diffraction image of the alloy of Example 2 using a TEM. As shown in Figure 17, the alloy of Example 2, like the alloy of Example 1, has a structure close to a halo shape, and no spots due to a crystal structure were confirmed. In other words, it can be seen that the alloy of Example 2 has a non-crystalline (amorphous) structure. However, as shown in Figure 17, the electron beam diffraction image of the alloy of Example 2 does not have a complete halo shape, and a ring-shaped image is observed, so it is thought that it may contain microcrystals with a crystal grain size of less than a few nm (specifically, less than 5 nm).

図18は、水素を吸蔵させた、実施例2の合金の基材をAl、合金の膜厚を約1μmに変更した変形例としての合金の水素放出量を示すグラフである。ここでは試料を室温から200℃まで10℃/分の昇温速度で昇温した後、200℃で5分間保持した。図18に示すように、実施例2の変形例の合金の温度を上昇させた場合、約100℃から徐々に水素を放出し、約150℃まで温度が上昇するにつれて水素の放出量が多くなった。また、図18に示されるように、水素の放出量が多くなるにつれて、合金の重量が減少した。この結果から、実施例2の変形例の合金を10℃/分の昇温速度で200℃まで上昇させ、200℃で5分間保持することにより、吸蔵した水素を十分に放出させることができることがわかる。 Figure 18 is a graph showing the amount of hydrogen released from the alloy of Example 2, which is a modified example in which the alloy substrate is changed to Al and the alloy film thickness is changed to about 1 μm, in which hydrogen is absorbed. Here, the sample was heated from room temperature to 200°C at a heating rate of 10°C/min, and then held at 200°C for 5 minutes. As shown in Figure 18, when the temperature of the alloy of the modified example of Example 2 is increased, hydrogen is gradually released from about 100°C, and the amount of hydrogen released increases as the temperature increases to about 150°C. Also, as shown in Figure 18, the weight of the alloy decreases as the amount of hydrogen released increases. From this result, it can be seen that the alloy of the modified example of Example 2 can be sufficiently released by heating it to 200°C at a heating rate of 10°C/min and holding it at 200°C for 5 minutes.

第5実施例Fifth embodiment

次に、本発明の実施例3としての合金および比較例2としての合金について説明する。 Next, we will explain the alloy as Example 3 of the present invention and the alloy as Comparative Example 2.

実施例3の合金は、モル比でAl:Mn=76:24の組成を有する混合粉末焼結体からなる合金をターゲットとして用いた以外は、実施例1の合金と同様にして作製した。比較例2の合金は、モル比でAl:Mn=76:24の組成を有する混合粉末焼結体からなる合金をターゲットとして用いた以外は、比較例1の合金と同様にして作製した。 The alloy of Example 3 was prepared in the same manner as the alloy of Example 1, except that an alloy consisting of a mixed powder sintered body having a molar ratio of Al:Mn = 76:24 was used as a target. The alloy of Comparative Example 2 was prepared in the same manner as the alloy of Comparative Example 1, except that an alloy consisting of a mixed powder sintered body having a molar ratio of Al:Mn = 76:24 was used as a target.

図19は、実施例3の合金の断面TEM画像である。図20は、比較例2の合金の断面TEM画像である。図21は、基材側とは反対側の面を観察した実施例3の合金のSEM写真である。図22は、基材側とは反対側の面を観察した比較例2の合金のSEM写真である。 Figure 19 is a cross-sectional TEM image of the alloy of Example 3. Figure 20 is a cross-sectional TEM image of the alloy of Comparative Example 2. Figure 21 is an SEM photograph of the alloy of Example 3, observed from the side opposite the substrate. Figure 22 is an SEM photograph of the alloy of Comparative Example 2, observed from the side opposite the substrate.

図19および図20に示すように、実施例3の合金は、比較例2の合金と比べて、合金の厚み方向に沿って延びる白い線がより多く見られた。具体的には、実施例3の合金では、表面に平行な平面の任意の直線上において30nm以下の間隔で白い線が見られた。一方で、比較例2の合金では、表面に平行な平面の任意の直線上において30nmより長い間隔(例えば、50nmの間隔)で白い線が見られた。すなわち、実施例3の合金は、表面に平行な平面の任意の直線上において30nm以下の間隔で他の領域に比べて密度が小さくなる領域を有する構造となっていた。図19および図20に示した写真における黒い領域は、柱状構造体となっている。図21および図22のSEM写真において、略円形状に見える領域が、柱状構造体の長手方向の端部に相当する。 As shown in Figures 19 and 20, the alloy of Example 3 had more white lines extending along the thickness direction of the alloy than the alloy of Comparative Example 2. Specifically, in the alloy of Example 3, white lines were observed at intervals of 30 nm or less on any straight line on a plane parallel to the surface. On the other hand, in the alloy of Comparative Example 2, white lines were observed at intervals longer than 30 nm (e.g., 50 nm) on any straight line on a plane parallel to the surface. That is, the alloy of Example 3 had a structure having regions with a lower density than other regions at intervals of 30 nm or less on any straight line on a plane parallel to the surface. The black regions in the photographs shown in Figures 19 and 20 are columnar structures. In the SEM photographs of Figures 21 and 22, the regions that appear to be approximately circular correspond to the longitudinal ends of the columnar structures.

図23は、TEMを用いた実施例3の合金の電子線回折像である。図24は、TEMを用いた比較例2の電子線回折像である。図23に示すように、実施例3の合金の電子線回折像は、ハロー形状に近い構造であり、結晶構造に起因したスポットは確認されなかった。すなわち、実施例3の合金は、非結晶(アモルファス)構造となっていることがわかる。ただし、図23に示すように、実施例3の合金の電子線回折像は、完全なハロー形状になっておらずリング形状の像が観察されることから、結晶粒径が数nm未満(具体的には、5nm未満)の微結晶を含んでいる可能性があると考えられる。また、図24に示すように、比較例2の合金についても、実施例3の合金と同様の電子線回折像となっており、アモルファス構造になっていた。 Figure 23 is an electron beam diffraction image of the alloy of Example 3 using a TEM. Figure 24 is an electron beam diffraction image of Comparative Example 2 using a TEM. As shown in Figure 23, the electron beam diffraction image of the alloy of Example 3 has a structure close to a halo shape, and no spots due to a crystal structure were confirmed. In other words, it can be seen that the alloy of Example 3 has a non-crystalline (amorphous) structure. However, as shown in Figure 23, the electron beam diffraction image of the alloy of Example 3 is not a complete halo shape, and a ring-shaped image is observed, so it is thought that it may contain microcrystals with a crystal grain size of less than a few nm (specifically, less than 5 nm). In addition, as shown in Figure 24, the alloy of Comparative Example 2 also has the same electron beam diffraction image as the alloy of Example 3, and has an amorphous structure.

図25は、実施例3の合金および比較例2の合金を常温・常圧で大気に曝した後に、合金の内部に存在する水素分布を測定した結果を示すグラフである。図25に示すように、実施例3の合金は、比較例2の合金と比べて多くの水素を含有していた。すなわち、実施例3の合金は、比較例2の合金と比べて水素吸蔵量が高いことが示された。図25に示すグラフから算出したところ、実施例3の合金は、合金の重量に対して0.5wt%の水素を吸蔵していた。 Figure 25 is a graph showing the results of measuring the hydrogen distribution inside the alloy of Example 3 and the alloy of Comparative Example 2 after exposing them to the atmosphere at room temperature and pressure. As shown in Figure 25, the alloy of Example 3 contained more hydrogen than the alloy of Comparative Example 2. In other words, it was shown that the alloy of Example 3 has a higher hydrogen absorption capacity than the alloy of Comparative Example 2. Calculations made from the graph shown in Figure 25 showed that the alloy of Example 3 absorbed 0.5 wt% hydrogen relative to the weight of the alloy.

図26は、水素を吸蔵させた、実施例3の合金の基材をAl、合金の膜厚を約1μmに変更した変形例としての合金の水素放出量を示すグラフである。ここでは試料を室温から200℃まで10℃/分の昇温速度で昇温した後、200℃で5分間保持した。図26に示すように、実施例3の変形例の合金の温度を上昇させた場合、約100℃から徐々に水素を放出し、約150℃まで温度が上昇するにつれて水素の放出量が多くなった。また、図26に示されるように、水素の放出量が多くなるにつれて、合金の重量が減少した。この結果から、実施例3の変形例の合金を10℃/分の昇温速度で200℃まで上昇させ、その後200℃で5分間保持することにより、吸蔵した水素を十分に放出させることができることがわかる。 Figure 26 is a graph showing the amount of hydrogen released from the alloy of Example 3, which is a modified example in which the substrate of the alloy is changed to Al and the thickness of the alloy is changed to about 1 μm. Here, the sample was heated from room temperature to 200°C at a heating rate of 10°C/min, and then held at 200°C for 5 minutes. As shown in Figure 26, when the temperature of the alloy of the modified example of Example 3 is increased, hydrogen is gradually released from about 100°C, and the amount of hydrogen released increases as the temperature increases to about 150°C. Also, as shown in Figure 26, the weight of the alloy decreases as the amount of hydrogen released increases. From this result, it can be seen that the alloy of the modified example of Example 3 can be sufficiently released by heating the alloy to 200°C at a heating rate of 10°C/min and then holding it at 200°C for 5 minutes.

第6実施例Sixth embodiment

次に、本発明の比較例3としての合金について説明する。比較例3の合金は、基材としてのSiを用い、マグネトロンスパッタリング処理をして作製した。より詳細には、スパッタリング処理は、モル比でAl:Fe=76:24の組成を有する混合粉末焼結体をターゲットとして用い、Arガス圧力を0.183Paとし、基材の温度を25℃に保持した状態で行った。比較例3の合金は、49nm/分の成膜速度で、約250nmの膜厚となるように成膜した。 Next, an alloy as Comparative Example 3 of the present invention will be described. The alloy of Comparative Example 3 was produced by magnetron sputtering using Si as the substrate. More specifically, the sputtering was carried out using a mixed powder sintered body having a molar ratio of Al:Fe = 76:24 as the target, with the Ar gas pressure set to 0.183 Pa and the substrate temperature held at 25°C. The alloy of Comparative Example 3 was deposited to a thickness of approximately 250 nm at a deposition rate of 49 nm/min.

図27は、比較例3の合金の断面TEM画像である。図28は、TEMを用いた比較例3としての合金の電子線回折像である。図28に示すように、比較例3の合金の電子線回折像は、ハロー形状に近い構造であり、結晶構造に起因したスポットは確認されなかった。すなわち、比較例3の合金は、非結晶(アモルファス)構造となっていることがわかる。また、比較例3の合金は、図27に示すように、図5に示す実施例1の合金に見られる柱状構造体は確認することができなかった。 Figure 27 is a cross-sectional TEM image of the alloy of Comparative Example 3. Figure 28 is an electron beam diffraction image of the alloy of Comparative Example 3 using a TEM. As shown in Figure 28, the electron beam diffraction image of the alloy of Comparative Example 3 has a structure close to a halo shape, and no spots due to a crystalline structure were confirmed. In other words, it can be seen that the alloy of Comparative Example 3 has a non-crystalline (amorphous) structure. Furthermore, as shown in Figure 27, the columnar structure seen in the alloy of Example 1 shown in Figure 5 could not be confirmed in the alloy of Comparative Example 3.

図29は、比較例3の合金を常温・常圧で大気に曝した後に、合金の内部に存在する水素分布を測定した結果を示すグラフである。図29に示すように、比較例3の合金では、図10に示す実施例1の合金と比較すると、内部に吸蔵されている水素の量が少なかった。 Figure 29 is a graph showing the results of measuring the hydrogen distribution inside the alloy of Comparative Example 3 after exposing the alloy to the atmosphere at room temperature and pressure. As shown in Figure 29, the alloy of Comparative Example 3 had a smaller amount of hydrogen stored inside than the alloy of Example 1 shown in Figure 10.

図30は、水素を吸蔵させた、比較例3の合金の基材をAl、合金の膜厚を約1μmに変更した変形例としての合金の水素放出量を示すグラフである。図30において、縦軸としてのイオン電流は、合金から放出される水素量に相当する。図30に示すグラフは、試料をHeフローの条件下で室温から450℃まで昇温速度10℃/分で加熱して測定した測定結果を示している。図30に示すように、比較例3の合金の上記変形例の合金を用いた試験では、水素の放出がなかった、または、水素の放出があったとしても検出限界の量以下であった。 Figure 30 is a graph showing the amount of hydrogen released from a modified alloy in which hydrogen was absorbed, in which the base material of the alloy of Comparative Example 3 was changed to Al and the film thickness of the alloy was changed to about 1 μm. In Figure 30, the ion current on the vertical axis corresponds to the amount of hydrogen released from the alloy. The graph shown in Figure 30 shows the measurement results obtained by heating the sample from room temperature to 450°C at a heating rate of 10°C/min under He flow conditions. As shown in Figure 30, in the test using the above modified alloy of the alloy of Comparative Example 3, no hydrogen was released, or even if hydrogen was released, it was below the detection limit.

以上の結果から、比較例3の合金のように非晶質構造であるが柱状構造体が形成されていない合金では、常温・常圧における水素の吸蔵量が少なく、また、水素を放出しないまたはほとんど放出しないことが示された。 These results show that alloys that have an amorphous structure but do not form columnar structures, such as the alloy in Comparative Example 3, absorb a small amount of hydrogen at room temperature and pressure, and do not release hydrogen or release very little hydrogen.

第7実施例Seventh embodiment

次に、本発明の実施例4としての合金について説明する。実施例4の合金は、モル比でAl:Fe=90:10の組成を有する混合粉末焼結体からなる合金をターゲットとして用いた以外は、実施例1の合金と同様にして作製した。 Next, an alloy according to Example 4 of the present invention will be described. The alloy according to Example 4 was produced in the same manner as the alloy according to Example 1, except that an alloy consisting of a mixed powder sintered body having a molar ratio of Al:Fe = 90:10 was used as the target.

図31は、実施例4の合金の断面TEM画像である。図31に示すように、実施例4の合金は、実施例1の合金と同様に、表面に平行な平面の任意の直線上において30nm以下の間隔で白い線が見られた。すなわち、実施例4の合金は、表面に平行な平面の任意の直線上において30nm以下の間隔で他の領域に比べて密度が小さくなる領域を有する構造となっていた。図31に示す写真における黒い領域は、柱状構造体となっている。 Figure 31 is a cross-sectional TEM image of the alloy of Example 4. As shown in Figure 31, the alloy of Example 4, like the alloy of Example 1, had white lines at intervals of 30 nm or less on any straight line on a plane parallel to the surface. In other words, the alloy of Example 4 had a structure having regions with a lower density than other regions at intervals of 30 nm or less on any straight line on a plane parallel to the surface. The black regions in the photograph shown in Figure 31 are columnar structures.

図32は、TEMを用いた実施例4の合金の電子線回折像である。図32に示すように、実施例4の合金は、実施例1の合金と同様に、ハロー形状に近い構造であり、結晶構造に起因したスポットは確認されなかった。すなわち、実施例4の合金は、非結晶(アモルファス)構造となっていることがわかる。ただし、図32に示すように、実施例4の合金の電子線回折像は、完全なハロー形状になっておらずリング形状の像が観察されることから、結晶粒径が数nm未満(具体的には、5nm未満)の微結晶を含んでいる可能性があると考えられる。 Figure 32 is an electron beam diffraction image of the alloy of Example 4 using a TEM. As shown in Figure 32, the alloy of Example 4, like the alloy of Example 1, has a structure close to a halo shape, and no spots due to a crystal structure were confirmed. In other words, it can be seen that the alloy of Example 4 has a non-crystalline (amorphous) structure. However, as shown in Figure 32, the electron beam diffraction image of the alloy of Example 4 does not have a complete halo shape, and a ring-shaped image is observed, so it is thought that it may contain microcrystals with a crystal grain size of less than a few nm (specifically, less than 5 nm).

図33は、実施例4の合金を常温・常圧で大気に曝した後に、合金の内部に存在する水素分布を測定した結果を示すグラフである。図33に示すように、実施例4の合金は、図10に示すグラフにおける実施例1の合金についてのデータと相似しており、実施例1の合金と同様に多くの水素を吸蔵していることがわかる。水素を吸蔵している態様が実施例1の合金と相似しているため、実施例4の合金についても加熱することにより吸蔵を放出すると考えられる。 Figure 33 is a graph showing the results of measuring the hydrogen distribution inside the alloy of Example 4 after exposing it to the atmosphere at room temperature and pressure. As shown in Figure 33, the alloy of Example 4 is similar to the data for the alloy of Example 1 in the graph shown in Figure 10, and it can be seen that it absorbs a large amount of hydrogen like the alloy of Example 1. Since the manner in which hydrogen is absorbed is similar to that of the alloy of Example 1, it is thought that the alloy of Example 4 also releases the absorbed hydrogen when heated.

第8実施例Eighth embodiment

次に、本発明の実施例5としての合金について説明する。実施例5の合金は、モル比でAl:Co=76:24の組成を有する混合粉末焼結体からなる合金をターゲットとして用いた以外は、実施例1の合金と同様にして作製した。 Next, an alloy as Example 5 of the present invention will be described. The alloy of Example 5 was produced in the same manner as the alloy of Example 1, except that an alloy consisting of a mixed powder sintered body having a molar ratio of Al:Co = 76:24 was used as a target.

図34は、実施例5の合金の断面TEM画像である。図34に示すように、実施例5の合金は、実施例1の合金と同様に、表面に平行な平面の任意の直線上において30nm以下の間隔で白い線が見られた。すなわち、実施例5の合金は、表面に平行な平面の任意の直線上において30nm以下の間隔で他の領域に比べて密度が小さくなる領域を有する構造となっていた。図34に示す写真における黒い領域は、柱状構造体となっている。 Figure 34 is a cross-sectional TEM image of the alloy of Example 5. As shown in Figure 34, the alloy of Example 5, like the alloy of Example 1, had white lines at intervals of 30 nm or less on any straight line on a plane parallel to the surface. In other words, the alloy of Example 5 had a structure having regions with a lower density than other regions at intervals of 30 nm or less on any straight line on a plane parallel to the surface. The black regions in the photograph shown in Figure 34 are columnar structures.

図35は、TEMを用いた実施例5の合金の電子線回折像である。図35に示すように、実施例5の合金は、実施例1の合金と同様に、ハロー形状に近い構造であり、結晶構造に起因したスポットは確認されなかった。すなわち、実施例5の合金は、非結晶(アモルファス)構造となっていることがわかる。ただし、図35に示すように、実施例5の合金の電子線回折像は、完全なハロー形状になっておらずリング形状の像が観察されることから、結晶粒径が数nm未満(具体的には、5nm未満)の微結晶を含んでいる可能性があると考えられる。 Figure 35 is an electron beam diffraction image of the alloy of Example 5 using a TEM. As shown in Figure 35, the alloy of Example 5, like the alloy of Example 1, has a structure close to a halo shape, and no spots due to a crystal structure were confirmed. In other words, it can be seen that the alloy of Example 5 has a non-crystalline (amorphous) structure. However, as shown in Figure 35, the electron beam diffraction image of the alloy of Example 5 does not have a complete halo shape, and a ring-shaped image is observed, so it is thought that it may contain microcrystals with a crystal grain size of less than a few nm (specifically, less than 5 nm).

図36は、実施例5の合金を常温・常圧で大気に曝した後に、合金の内部に存在する水素分布を測定した結果を示すグラフである。図36に示すように、実施例5の合金は、図10に示すグラフにおける実施例1の合金についてのデータと相似しており、実施例1の合金と同様に多くの水素を吸蔵していることがわかる。 Figure 36 is a graph showing the results of measuring the hydrogen distribution inside the alloy of Example 5 after exposing it to the atmosphere at room temperature and pressure. As shown in Figure 36, the alloy of Example 5 is similar to the data for the alloy of Example 1 in the graph shown in Figure 10, and it can be seen that the alloy of Example 5 absorbs a large amount of hydrogen, just like the alloy of Example 1.

図37は、水素を吸蔵させた、実施例5の合金の基材をAl、合金の膜厚を約1μmに変更した変形例としての合金の水素放出量を示すグラフである。図37において、縦軸としてのイオン電流は、合金から放出される水素量に相当する。図37に示すグラフは、試料をHeフローの条件下で室温から450℃まで昇温速度10℃/分で加熱して測定した測定結果を示している。図37に示すように、実施例5の変形例の合金の温度を上昇させた場合、約100℃から徐々に水素を放出し、約150℃まで温度が上昇するにつれて水素の放出量が多くなった。 Figure 37 is a graph showing the amount of hydrogen released from a modified alloy of Example 5, in which hydrogen was absorbed and the base material was changed to Al and the film thickness of the alloy was changed to about 1 μm. In Figure 37, the ion current on the vertical axis corresponds to the amount of hydrogen released from the alloy. The graph shown in Figure 37 shows the results of measurements taken when the sample was heated from room temperature to 450°C at a heating rate of 10°C/min under He flow conditions. As shown in Figure 37, when the temperature of the alloy of the modified example of Example 5 was increased, hydrogen was gradually released from about 100°C, and the amount of hydrogen released increased as the temperature increased to about 150°C.

<付記事項:本件出願時において、本発明に係る「物」をその構造又は特性により直接特定することが不可能又はおよそ非実際的である事情>
現在の科学技術では、水素吸蔵材料の微小領域の非晶質の状態及び水素吸蔵状態を評価するのには限界があるため、本件出願時において、現在のクレームに記載した範囲でしか「物」の構造又は特性を解析することが技術的に不可能であった。また、特許出願の性質上、迅速性等を必要とすることに鑑みて、物の構造又は特性を特定する作業を行うことに著しく過大な経済的支出又は時間を要する。
<Additional Note: At the time of filing this application, it is impossible or almost impractical to directly identify the "product" according to the present invention by its structure or characteristics>
Because there is a limit to the ability of current science and technology to evaluate the amorphous state and hydrogen storage state of a microscopic region of a hydrogen storage material, it was technically impossible to analyze the structure or characteristics of the "substance" to the extent described in the current claims at the time of filing this application. In addition, in light of the need for speed, etc., due to the nature of patent applications, it would require significantly excessive economic expenditure or time to carry out the work of identifying the structure or characteristics of the substance.

1 基材
10 合金
11 柱状構造体(第1柱状体)
12 柱状構造体(第2柱状体)
13 第1領域
14 第2領域
100 水素取出システム
110 水素吸蔵部
120 水素放出部
1 Base material 10 Alloy 11 Columnar structure (first columnar body)
12 Columnar structure (second columnar body)
13 First region 14 Second region 100 Hydrogen extraction system 110 Hydrogen storage section 120 Hydrogen release section

Claims (10)

AlFe1-x(x=0.7~0.9)、AlCo1-x(x=0.7~0.9)またはAlMn1-x(x=0.7~0.9)の組成を有する合金であって、
前記合金は、
薄膜であり、
非晶質構造を含み、
他の領域に比べて前記合金の密度が小さくなる複数の第1領域を有し、
前記合金の表面に対して垂直な平面で前記合金を切断したときの断面において、隣接する前記第1領域の間の距離は、30nm以下である、合金。
An alloy having a composition of Al x Fe 1-x (x=0.7 to 0.9), Al x Co 1-x (x=0.7 to 0.9) or Al x Mn 1-x (x=0.7 to 0.9),
The alloy is
It is a thin film,
Contains an amorphous structure,
a plurality of first regions in which the alloy has a lower density than other regions;
An alloy, wherein the distance between adjacent first regions is 30 nm or less in a cross section of the alloy cut along a plane perpendicular to a surface of the alloy.
前記断面において、前記第1領域は、前記合金の一方の表面から他方の表面まで連続して形成されている、請求項1に記載の合金。 The alloy of claim 1, wherein in the cross section, the first region is formed continuously from one surface of the alloy to the other surface. 前記合金の表面に対して平行な平面で前記合金を切断したときの断面において、隣接する前記第1領域の間の距離は、30nm以下である、請求項1または2に記載の合金。 The alloy according to claim 1 or 2, wherein the distance between adjacent first regions is 30 nm or less in a cross section of the alloy cut along a plane parallel to the surface of the alloy. 前記非晶質構造は、前記第1領域を介して隣接される複数の第1柱状体を有し、
前記第1柱状体は、当該第1柱状体における他の領域に比べて前記合金の密度が小さくなる第2領域を介して隣接する複数の第2柱状体を含む、請求項1~3のいずれか1項に記載の合金。
the amorphous structure has a plurality of first columns adjacent to each other with the first region interposed therebetween,
The alloy according to any one of claims 1 to 3, wherein the first columnar body includes a plurality of second columnar bodies adjacent to each other via a second region in which the density of the alloy is lower than that of other regions in the first columnar body.
請求項1または2に記載の合金を水素吸蔵材として用いた水素吸蔵部と、
水素を吸蔵した前記水素吸蔵部を加熱することにより、前記水素吸蔵部から水素を放出させる水素放出部と、を備える水素取出システム。
A hydrogen storage part using the alloy according to claim 1 or 2 as a hydrogen storage material;
a hydrogen release section that releases hydrogen from the hydrogen storage section by heating the hydrogen storage section in which hydrogen has been stored.
水素を吸蔵するための水素吸蔵材であって、
AlFe1-x(x=0.7~0.9)、AlCo1-x(x=0.7~0.9)またはAlMn1-x(x=0.7~0.9)の組成を有する合金を含み、
前記合金は、
薄膜であり、
非晶質構造を含み、
他の領域に比べて前記合金の密度が小さくなる複数の第1領域を有し、
前記合金の表面に対して垂直な平面で前記合金を切断したときの断面において、隣接する前記第1領域の間の距離は、30nm以下である、水素吸蔵材。
A hydrogen storage material for storing hydrogen,
The alloy includes an alloy having a composition of Al x Fe 1-x (x=0.7 to 0.9), Al x Co 1-x (x=0.7 to 0.9), or Al x Mn 1-x (x=0.7 to 0.9),
The alloy is
It is a thin film,
Contains an amorphous structure,
a plurality of first regions in which the alloy has a lower density than other regions;
A hydrogen storage material, wherein the distance between adjacent first regions is 30 nm or less in a cross section of the alloy cut along a plane perpendicular to a surface of the alloy.
前記合金の表面に対して平行な平面で前記合金を切断したときの断面において、隣接する前記第1領域の間の距離は、30nm以下である、請求項6に記載の水素吸蔵材。 The hydrogen storage material according to claim 6, wherein the distance between adjacent first regions is 30 nm or less in a cross section of the alloy cut along a plane parallel to the surface of the alloy. 前記非晶質構造は、前記第1領域を介して隣接される複数の第1柱状体を有し、
前記第1柱状体は、当該第1柱状体における他の領域に比べて前記合金の密度が小さくなる第2領域を介して隣接する複数の第2柱状体を含む、請求項6または7に記載の水素吸蔵材。
the amorphous structure has a plurality of first columns adjacent to each other with the first region interposed therebetween,
8. The hydrogen storage material according to claim 6, wherein the first columnar body includes a plurality of second columnar bodies adjacent to each other via a second region in which the density of the alloy is lower than that of other regions of the first columnar body.
基材上に合金を製造する方法であって、
モル比でAl:Fe=x:1-x(x=0.7~0.9)、モル比でAl:Co=x:1-x(x=0.7~0.9)、またはモル比でAl:Mn=x:1-x(x=0.7~0.9)の組成を有するターゲットを用いて、15℃以上200℃未満の温度に保持した前記基材上に、合金を積層する、合金積層工程を含む、合金の製造方法。
1. A method for producing an alloy on a substrate, comprising the steps of:
The method for producing an alloy includes an alloy laminating step of laminating an alloy on the base material held at a temperature of 15° C. or higher and lower than 200° C., using a target having a composition of Al:Fe=x:1-x (x=0.7 to 0.9) in a molar ratio, Al:Co=x:1-x (x=0.7 to 0.9) in a molar ratio, or Al:Mn=x:1-x (x=0.7 to 0.9) in a molar ratio.
モル比でAl:Fe=x:1-x(x=0.7~0.9)、モル比でAl:Co=x:1-x(x=0.7~0.9)またはモル比でAl:Mn=x:1-x(x=0.7~0.9)の組成を有するターゲットを用いて、15℃以上200℃未満の温度に保持した基材上に積層することにより製造される合金。 An alloy manufactured by layering a target having a molar ratio of Al:Fe=x:1-x (x=0.7-0.9), Al:Co=x:1-x (x=0.7-0.9), or Al:Mn=x:1-x (x=0.7-0.9) on a substrate maintained at a temperature of 15°C or higher but lower than 200°C.
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