水素の質量比エネルギー密度 水素(33.3kWh/kg)はすべての燃料の中で最も高いもののひとつであるため、水素を移動手段やエネルギー貯蔵媒体として利用することは、これまでも、そして現在も大きな関心を集めている。しかし、解決すべき重要な問題のひとつは、水素貯蔵が困難であり、注意深く考慮しなければならないいくつかの欠点があるという事実である。
従来の水素貯蔵は、20K、密度71kg/m^3の液体状態の水素を使用するのが一般的だった。
しかし、液化には水素が貯蔵できるエネルギーの30％が必要である。
その上、水素は気体の状態でボトル内に700バールまでの圧力レベルで貯蔵されるが、圧縮により貯蔵エネルギーの約12％が失われる。
どちらのタイプも、ほとんどの材料を通過する水素の拡散速度が速いため、水素ガスが不要に放出される危険性がある。
水素は化学的に結合していないため拡散しやすく、水素貯蔵施設では常に火災や爆発の危険性がある。
これを克服するため、最近では、有機金属骨格、金属水素化物の組み合わせ、さらにはゼオライト構造を用いて、水素貯蔵を機械的に結合させる研究が行われている。
利点は拡散のリスクが低いことだが、ほとんどの金属水素化物は金属と水素の比率が低く、水素の取り込みと放出速度が遅い。
その結果、ニッケル-金属-水素化物系だけが、水素貯蔵用電池として広く受け入れられている。
熱分析は、水素の収着・脱着プロセスを調査するのに最適なツールです。
調査は、重量および体積収着分析装置と加圧熱天秤を使用して行われる。
ガス経路、流量、圧力、真空レベルを適切に設定することで、ゼオライトや有機金属骨格を以下の方法で特性評価することができる。 TGA（熱重量測定） およびDSC(示差走査熱量計)吸着脱離熱を測定することができる。
現在、ジベンジルトルエン(DBT)のような液体有機キャリア(LOHC)を用いた液体水素貯蔵技術という新しいコンセプトがある。
DBTは無毒で燃えにくい液体であり、Rh触媒を用いて200℃、5バールで水素を取り込むことができる。
その結果、いわゆるペルオキシDBTは、液体1リットル当たり600リットルの気体水素を取り込むことができ、これは2kWh/kgの貯蔵容量を意味する。
放出は減圧下、300℃で達成できる。
この技術により、固体の水素貯蔵システムよりもはるかに高い取り込みと放出速度を達成することができ、拡散速度が低いという利点は維持されるため、水素が制御されずに放出されるリスクも低くなる。
液体水素貯蔵媒体という新技術のほかに、水素を別の分子に化学的に結合させて貯蔵するというアプローチもある。
この種の反応の典型的な例としては、有名な ハーバー・ボッシュ合成水素と窒素からアンモニアを合成する方法である。
アンモニアの年間生産量は2,000億トンを超え、その3/4は肥料生産に使用される。
ハーバー・ボッシュ反応は通常、鉄触媒を用いて200バール、450℃で行われる。
得られるアンモニアは水素ガスよりも取り扱いや貯蔵が容易だが、純水素にはない毒性と腐食性がある。
アンモニアのエネルギー含有量は5.2kWh/kgで、元素から製造する際の効率は63％である。
エネルギー含有量はペルオキシDBTの2.6倍だが、それでも純水素の1/6に過ぎない。
アンモニアの他にも、メタンガスやその他の炭化水素のように、水素から合成できるガスがあり、水素放出の危険性は低い。
例えばメタンは、いわゆる 石炭ガス化木炭やバイオマスを高温高圧の水蒸気で処理し、まず一酸化炭素と水素を発生させ、次にメタンと水を発生させる。
このプロセスは、高温高圧の熱天秤(高圧TGAおよび 高圧TG-DSC).
これらのシステムは 湿度と 蒸気発生器ガス化度、炭素含有量、反応熱を同時に測定することができる。
水素貯蔵の話題は、今後何年も私たちとともにあるだろう。
