水素貯蔵
NASAケネディ宇宙センターの液体水素タンク

水素を貯蔵する方法はいくつかある。[ 1 ]これらには、高圧および低温を使用するなどの機械的なアプローチや、必要に応じてH 2を放出する化合物の使用が含まれる。様々な産業で大量の水素が生産されているが、そのほとんどは生産現場で消費され、特にアンモニアの合成に多く使われている。長年、水素は圧縮ガスまたは極低温液体として貯蔵され、シリンダー、チューブ、極低温タンクで輸送され、産業で使用したり、宇宙計画で推進剤として使用したりしてきた。最大の課題はH 2の沸点が非常に低いことである。H 2 の沸点は、約20.268 K（-252.882 °Cまたは-423.188 °F）である。このような低温を達成するには、かなりのエネルギーを費やす必要がある。

分子状水素は、分子量が低いこともあり、質量ベースでは非常に高いエネルギー密度を有しますが、常温のガスとしては体積ベースでは非常に低いエネルギー密度を有します。車両に搭載して燃料として使用する場合、十分な走行距離を確保するためには、純粋な水素ガスをエネルギー密度の高い状態で貯蔵する必要があります。水素は分子が最も小さいため、容器から容易に放出されます。100年実効地球温暖化係数（GWP100）は11.6±2.8と推定されています。

確立された技術

水素の純貯蔵密度

圧縮水素

圧縮水素は、水素ガスを加圧することで貯蔵密度を高める貯蔵形態です。350バール（5,000psi）および700バール（10,000psi）の圧縮水素を水素タンクに充填したものが、タイプIV炭素複合技術に基づく車両の水素タンクシステムに使用されています。[ 2 ]ホンダ[ 3 ]や日産[ 4 ]などの自動車メーカーがこのソリューションの開発に取り組んでいます。

液化水素

自動車用の液化水素タンク。例えば、BMW Hydrogen 7 を製造している。日本には神戸港に液化水素（LH2）貯蔵施設がある。[ 5 ]水素は、-162℃で貯蔵される液化天然ガス（LNG）と同様に、-253℃まで温度を下げることで液化される。潜在的な効率損失はわずか12.79%、つまり33.3kW・h/kgのうち4.26kW・h/kgに抑えられる。[ 6 ]

化学物質の保管

水素燃料用に提案されている貯蔵材料の水素重量容量と水素放出温度の関係。目標値はその後引き下げられた。[ 7 ]

化学物質の貯蔵は、高い貯蔵密度により高い貯蔵性能を実現できます。例えば、30℃、500barの超臨界水素の密度はわずか15.0mol/Lですが、メタノールの水素密度は49.5mol H 2 /Lメタノール、飽和ジメチルエーテルの密度は30℃、7barで42.1mol H 2 /Lジメチルエーテルです。

貯蔵材料の再生は困難である。多くの化学的貯蔵システムが研究されてきた。水素の放出は加水分解反応または触媒脱水素反応によって引き起こされる。貯蔵化合物の例としては、炭化水素、水素化ホウ素、アンモニア、アランなどがある[ 8 ]。最も有望な化学的アプローチは電気化学的水素貯蔵であり、これは水素の放出を印加電気によって制御できるためである[ 9 ] 。以下に挙げる材料のほとんどは、電気化学的水素貯蔵に直接使用できる。

ナノ材料、特にボールミルと強大塑性変形によって生成されるナノ材料は、バルク材料の2つの主要な障壁である吸着速度と活性化を克服する代替手段を提供します。[ 10 ] TiZrCrMnFeNiなどの高エントロピー合金材料も、室温での高速かつ可逆的な水素貯蔵の利点を示し、定置用途では優れた貯蔵容量を備えています。[ 11 ] [ 12 ]

南フロリダ大学クリーンエネルギー研究センターの研究で示されているように、ナノ材料ベースの触媒ドーピングによって吸着速度と貯蔵容量を向上させることができます。[ 13 ]この研究グループは、ニッケルナノ粒子をドープしたLiBH 4を研究し、異なる種の重量損失と放出温度を分析しました。彼らは、ナノ触媒の量が増えると放出温度が約20℃低下し、材料の重量損失が2～3％増加することを観察しました。Ni粒子の最適量は3 mol％であることがわかりました。この量では温度は設定された制限値（約100℃）内に収まり、重量損失はドーピングされていない種よりも著しく大きくなりました。

ナノスケールでは、バルク材料に比べて拡散距離が短いため、水素吸着速度が向上します。また、表面積と体積の比も優れています。

物質の放出温度は、脱着プロセスが開始される温度として定義されます。放出を誘発するエネルギーまたは温度は、あらゆる化学物質貯蔵戦略のコストに影響を与えます。水素の結合が弱すぎると、再生に必要な圧力が高くなり、エネルギー節約が打ち消されます。車載水素燃料システムの目標温度は、放出温度が概ね100℃未満、再充填温度が700 bar未満（20～60 kJ/mol H 2）です。[ 14 ]修正ファントホッフの式は、脱着プロセス中の水素の温度と分圧を関連付けています。標準式への修正は、ナノスケールにおけるサイズ効果に関連しています。

ln⁡（pH2）＝ΔH（r）RT+3VメートルγrRT+ΔS（r）R{\displaystyle \ln(p_{\mathrm {H_{\mathrm {2} }} })={\frac {\Delta H(r)}{RT}}+{\frac {3V_{\mathrm {m} }\gamma }{rRT}}+{\frac {\Delta S(r)}{R}}}

ここで、p H 2は水素の分圧、Δ Hは吸着過程のエンタルピー（発熱）、 Δ Sはエントロピーの変化、Rは理想気体定数、T はケルビン温度、V mは金属のモル容積、 rはナノ粒子の半径、γは粒子の 表面自由エネルギーです。

上記の関係から、脱着過程におけるエンタルピー変化とエントロピー変化はナノ粒子の半径に依存することがわかります。さらに、粒子の比表面積を考慮した新たな項​​が追加され、粒子半径の減少が所定の分圧における放出温度の低下につながることが数学的に証明されています。[ 15 ]

CO2の水素化

CO 2をメタノールに水素化する技術は、水素貯蔵の観点から評価されている。CO 2水素化の障壁としては、回収したCO 2の精製、水の分解によるH 2源、そして水素化に必要なエネルギー投入などが挙げられる。工業用途では、CO 2はメタノールに変換されることが多い。これまで、CO 2からC1分子への変換は大きな進歩を遂げてきた。しかし、CO 2から高付加価値分子への変換には依然として多くの課題が残っており、CO 2水素化の将来は触媒技術の進歩にかかっている。[ 16 ]

金属水素化物

金属水素化物水素貯蔵

金属水素化物（ MgH 2、NaAlH 4、LiAlH 4、LiH、LaNi 5 H 6、TiFeH 2、アンモニアボラン、パラジウム水素化物など）は、貯蔵水素源として知られています。金属水素化物には主に3つの種類があります。[ 17 ] [ 18 ]

  • 金属間水素化物：反応速度が速く、水素容量は中程度です。例：LaNi 5 H 6、TiFeH 2。
  • 複合水素化物：より高い水素貯蔵容量を有するが、触媒を必要とする。例：NaAlH 4、LiBH 4。
  • 軽量水素化物：高い重量比水素貯蔵能力を有するが、脱着には高温を必要とする。例：MgH 2、CaH 2。

いくつかの金属水素化物の特性は以下のとおりである。[ 19 ]

金属水素化物 H₂容量（重量％） 吸収温度（°C） 脱着温度（°C） アプリケーション
ラニ5H6​​1.5～2.0 30～60歳 50～100 定置型ストレージ、燃料電池
ナトリウムAlH 45.6 100～150 200～250 固体水素電池
マグネシウム水素27.6 300～400 >300 高密度水素貯蔵

ここでも依然として残る問題は、それらが運ぶ水素の重量比と貯蔵プロセスの可逆性である。[ 20 ]常温常圧で容易に燃料として利用できる液体もあれば、ペレット化できる固体もある。これらの物質はエネルギー密度は高いが、比エネルギーは主要な炭化水素燃料よりも劣ることが多い。

解離温度を下げる別の方法として、活性剤をドーピングする方法があります。この戦略は水素化アルミニウムに用いられてきましたが、合成が複雑なため、あまり魅力的ではありません。[ 21 ]

水素経済での利用を目的とした水素化物としては、マグネシウム[ 22 ]や遷移金属の単純水素化物、およびナトリウム、リチウム、カルシウムとアルミニウムまたはホウ素を典型的に含む複合金属水素化物が挙げられる。貯蔵用途に選ばれた水素化物は、反応性が低く（安全性が高い）、水素貯蔵密度が高い。有力な候補としては、水素化リチウム、水素化ホウ素ナトリウム、水素化アルミニウムリチウム、アンモニアボランが挙げられる。フランスの企業であるMcPhy Energyは、マグネシウム水素化物をベースとした初の工業製品を開発しており、既に岩谷産業やENELなどの大手顧客に販売されている。

可逆的な水素貯蔵はフラストレートしたルイス対によって示される。[ 23 ] [ 24 ] [ 25 ]

ホスフィノボラン水素貯蔵
ホスフィノボラン水素貯蔵

左側のホスフィノボランは、1気圧、25℃で1当量の水素を吸収し、100℃に加熱することで再び放出します。貯蔵容量は0.25重量%です。

金属水素化物を用いた注目の進歩

アルミニウム

水素はアルミニウムの加水分解によって生成される。これまでは、アルミニウムを水と反応させるには、アルミニウムから天然の酸化物不動態層を剥がすか、[ 26 ]またはガリウムと混合する（アルミニウムの90%が反応できるアルミニウムナノ粒子を生成する）必要があると考えられていた。[ 27 ]その後、反応の温度と圧力を高めることで効率的な反応が可能になることが実証された。[ 28 ]水素を生成する反応の副産物は酸化アルミニウムで、ホール・エルー過程によってアルミニウムに戻すことができるため、この反応は理論的には再生可能となる。これには大量のエネルギーを消費する電気分解が必要であるが、エネルギーはアルミニウムに蓄えられ（アルミニウムが水と反応すると放出される）、

マグネシウム

従来のMgH 2は7.6重量%の水素を貯蔵しますが、脱離温度が高い（>300 °C）ため、用途が制限されます。Mg-Ti-Vナノ複合材料は、脱離温度を200 °C以下に下げることができます。炭素配位MgH 2は、1000サイクル以上のサイクル安定性が80%向上します。[ 29 ]

LiBH 4 + MgH 2複合材料は約11重量%の水素を貯蔵し、これは報告されている中で最も高い容量の一つです。また、アンモニアボラン（H₃NBH₃）は中温（約100～150℃）で12重量%の水素を放出します。[ 18 ]

Mg系水素貯蔵材料には、純Mg、Mg系合金、Mg系複合材料がある。[ 30 ]しかしながら、金属水素化物の過度の熱力学的安定性に起因する水​​素吸収/脱離速度の劣悪さから、Mg系水素貯蔵合金は現時点では実際の用途には適しておらず、これらの欠点を克服するための多大な努力がなされてきた。Mg系水素貯蔵合金の動的性能とサイクル寿命を変えるために、製錬、粉末焼結、拡散、メカニカルアロイング、水素化燃焼合成法、表面処理、熱処理などの試料調製方法が広く用いられてきた。さらに、マグネシウム系水素吸蔵合金の性能を本質的に向上させるために、合金化、[ 31 ] [ 32 ] [ 33 ] [ 34 ]ナノ構造化、[ 35 ] [ 36 ] [ 37 ]触媒添加剤によるドーピング、[ 38 ] [ 39 ]他の水素化物とのナノ複合体の製造、[ 40 ] [ 41 ]など、いくつかの本質的な改質戦略が主に研究されてきた。[ 42 ]アルミニウムと同様に、マグネシウムも水と反応して水素を生成する。[ 43 ]

これまでに開発された主要な水素吸蔵合金の中で、マグネシウムおよびマグネシウムベースの水素吸蔵材料は、以下の利点から実用化の大きな可能性を秘めていると考えられている。1)マグネシウムの資源は豊富で経済的である。マグネシウム元素は豊富に存在し、地殻の約2.35%を占め、第8位である。2)密度はわずか1.74 g cm-3と低い。3)優れた水素吸蔵能力を持つ。理論上の水素吸蔵量は、純マグネシウムで7.6 wt%（重量パーセント）[ 44 ] [ 45 ] [ 46 ]、Mg2Niで3.6 wt%である[ 42 ] 。

アラネートベースのシステム

リチウムアラネート（LiAlH 4 ）は、1947年に塩化アルミニウムのエーテル溶液に水素化リチウムを溶解することによって初めて合成されました。[ 47 ] LiAlH 4は理論的な重量容量が10.5 wt %H 2であり、次の3段階で脱水素化します：[ 48 ] [ 49 ] [ 50 ] 3LiAlH 4 ↔ Li 3 AlH 6 + 3H 2 + 2Al（423〜448 K、5.3 wt %H 2、∆H = −10 kJ·mol−1 H 2）、Li 3 AlH 6 ↔ 3LiH + Al + 1.5H 2（453〜493 K、2.6 wt %H 2、∆H = 25 kJ·mol−1 H 2）、 3LiH + 3Al ↔ 3LiAl + 3/2H 2 (>673 K; 2.6 wt %H 2 ; ∆H = 140 kJ·mol−1 H 2 ). [ 51 ]最初の2つのステップで放出される水素の総量は7.9 wt %に相当し、これは実用化には魅力的であるが、動作温度と脱離速度は依然として実用目標には程遠い。これらの限界を克服するために、ここ数年、ボールミル処理や触媒添加など、いくつかの戦略が適用されてきた。[ 52 ] [ 53 ] [ 54 ] [ 55 ] [ 56 ] [ 51 ]

カリウムアラネート（KAlH 4）は、アシュビーら[ 57 ]によって、トルエン、テトラヒドロフラン、ジグライム中での一段階合成によって初めて合成されました。このアラネートの水素吸収および脱離特性については、ほとんど研究されていませんでした。 Morioka et al., [ 58 ]は昇温脱離（TPD）分析により、以下の脱水素機構を提案した：3KAlH 4 →K 3 AlH 6 + 2Al + 3H 2（573 K、∆H = 55 kJ·mol−1 H 2 ; 2.9 wt %H 2）、K 3 AlH 6 → 3KH + Al + 3/2H 2（613 K、∆H = 70 kJ·mol−1 H 2 ; 1.4 wt %H 2）、3KH → 3K + 3/2H 2（703 K、1.4 wt %H 2）。これらの反応は、比較的低い水素圧および温度において、触媒を添加せずに可逆的に進行することが実証された。TiCl3の添加により、最初の脱水素化段階の作業温度が50K低下することが判明したが[ 59 ]、最後の2つの反応段階では変化は記録されなかった。[ 51 ]

有機水素キャリア

N-エチルカルバゾールの可逆的水素化。

不飽和有機化合物は大量の水素を貯蔵することができる。これらの液体有機水素キャリア（LOHC）は貯蔵のために水素化され、エネルギー/水素が必要なときに再び脱水素される。LOHCを使用することで、比較的高い重量貯蔵密度（約6重量%）を達成することができ、水素からメタンを生成するなどの他の化学的貯蔵オプションよりも全体的なエネルギー効率が高くなります。[ 60 ] LOHCの水素化と脱水素はどちらも触媒を必要とする。[ 61 ]炭化水素をN、Oなどのヘテロ原子に置換すると、可逆的な脱水素/水素化特性が向上することが実証されている。

シクロアルカン

シクロアルカンは比較的高い水素容量（6～8重量％）を有する。[ 61 ]複素環芳香族化合物（またはN-ヘテロ環）もこの用途に適している。[ 62 ]しかし、他にも多くの化合物が存在する。[ 63 ]すでに産業界で熱伝達流体として使用されているジベンジルトルエンは、潜在的なLOHC材料として特定された。-39℃（融点）から390℃（沸点）の広い液体範囲と6.2重量％の水素貯蔵密度を持つジベンジルトルエンは、LOHC材料として理想的である。[ 64 ]ギ酸は、4.4重量％の水素容量を持つ有望な水素貯蔵材料として提案されている。[ 65 ]

LOHCとして報告されているシクロアルカンには、シクロヘキサン、メチルシクロヘキサン、デカリンが含まれる。シクロアルカンの脱水素反応は非常に吸熱的（63-69 kJ/mol H 2）であり、高温が必要となる。[ 61 ]デカリンの脱水素反応は3種類のシクロアルカンの中で最も熱力学的に有利であり、メチルシクロヘキサンはメチル基を有するため2番目に有利である。[ 66 ]シクロアルカンの脱水素反応は成熟した分野である。ニッケル、モリブデン、白金をベースとした触媒が確立されている。コーキングは依然として課題である。[ 67 ] [ 68 ]

N-ヘテロ環

水素化と脱水素化に必要な温度は、複素環式化合物の場合、単純な炭素環式化合物に比べて大幅に低下します。[ 69 ]すべてのN-複素環式化合物の中で、飽和-不飽和のドデカヒドロ-N-エチルカルバゾール（12H-NEC）とNECのペアは、かなり高い水素含有量（5.8wt%）を持ち、水素貯蔵の有望な候補と考えられてきました。[ 70 ]右上の図は、12H-NECとNECのペアの脱水素化と水素化を示しています。NECから12H-NECへの標準的な触媒は、RuとRhをベースとしています。水素化の選択性は、7 MPa、130℃～150℃で97%に達します。[ 61 ] N-ヘテロ環はシクロアルカンの不利な熱力学的性質を最適化することができるが、高コスト、高毒性、運動学的障壁など、多くの未解決の問題が残っている。[ 61 ]

アルキル（アリール）-3-メチルイミダゾリウムN-ビス（トリフルオロメタンスルホニル）イミデート塩などのイミダゾリウムイオン液体は、古典的なPd/CまたはIrOナノ粒子触媒の存在下で6～12個の水素原子を可逆的に付加することができ、車載水素貯蔵装置の代替材料として使用することができます。これらの塩は、大気圧下で最大30 g/Lの水素を保持できます。 [ 71 ]

ギ酸

ギ酸は水素密度は低いものの、非常に効果的な水素貯蔵材料です。一酸化炭素を含まない水素は、非常に広い圧力範囲（1～600 bar）で生成されています。水溶性ルテニウム触媒に基づく均一触媒システムは、水溶液中でHCOOHをH 2とCO 2に選択的に分解します。 [ 72 ]この触媒システムは、ギ酸の分解における他の触媒の制限（例：安定性が低い、触媒寿命が限られている、COが形成される）を克服し、ギ酸を実行可能な水素貯蔵材料にしています。[ 73 ]また、この分解の副産物である二酸化炭素は、第2段階で水素化してギ酸に戻すことで、水素ベクターとして使用できます。 CO 2 の接触水素化は長年にわたって研究されており、効率的な手順が開発されています。[ 74 ] [ 75純粋なギ酸は引火点が69℃の液体です（ガソリンは-40℃、エタノールは13℃）。85%のギ酸は不燃性です。

アンモニア

アンモニア（NH 3）は、適切な触媒改質装置でH 2を放出します。アンモニアは、軽度の加圧と極低温条件下で液体として高い水素貯蔵密度を提供します。また、水と混合することで常温常圧で液体として貯蔵することも可能です。アンモニアは世界で2番目に多く生産されている化学物質であり、アンモニアの製造、輸送、流通のための大規模なインフラが整備されています。アンモニアは改質することで有害な廃棄物を出さずに水素を生成できるほか、既存の燃料と混合して適切な条件下で効率的に燃焼させることも可能です。アンモニアには炭素が含まれていないため、炭素副産物は生成されません。そのため、この可能性は将来的な「カーボンニュートラル」な選択肢となります。純粋なアンモニアは、天然ガスを燃料とする給湯器やストーブのような大気圧では燃焼が困難です。自動車エンジン内で圧縮されると、わずかに改造されたガソリンエンジンに適した燃料となります。アンモニアは、NTP（国家熱負荷試験）で18.6 MJ/kgのエネルギー密度を持ち、燃焼副産物も炭素を含まないため、適切な代替燃料です。[ 76 ]

アンモニアは、水素貯蔵材料として広く採用されるまでにはいくつかの課題がある。アンモニアは、常温常圧では強い臭気のある有毒ガスである。[ 77 ]さらに、燃料電池の膜は残留アンモニアに非常に敏感であり、現在の分解技術では収率が低いため、商業的に実現するには、アンモニア分解の効率と拡張性の向上が必要である。[ 78 ]さまざまな遷移金属がアンモニア分解反応の触媒として使用できるが、最も効果的なのはルテニウムである。この触媒は化学吸着によって機能し、 N2の吸着エネルギーは解離の反応エネルギーよりも小さい。[ 79 ]水素の精製はいくつかの方法で達成できる。透過性の水素選択性膜を使用して、未反応のアンモニアから水素を分離することができる。[ 80 ]アンモニアの吸着によっても精製でき、アンモニアはその極性により選択的に捕捉される。[ 81 ]

2005年9月、デンマーク工科大学の化学者たちは、塩タブレットに飽和させたアンモニアの形で水素を貯蔵する方法を発表しました。彼らは、これは安価で安全な貯蔵方法になると主張しています。[ 82 ]

アンモニアのプラスの特性
  • 高い理論エネルギー密度
  • 広範囲に利用可能
  • 大規模な商業生産
  • H 2と N 2への良性の分解経路
アンモニアのマイナス特性
  • 毒性
  • 腐食性
  • 高い分解温度により効率が低下する

ヒドラジン

ヒドラジンは細胞内で分解して窒素と水素を生成する。[ 83 ]水素化シリコンや水素化ゲルマニウムも水素貯蔵材料の候補であり、エネルギー的に有利な反応を起こして水素分子を失って共有結合した二量体を形成する可能性がある。[ 84 ] [ 85 ]

アミンボラン

1980 年より前には、水素化ホウ素錯体、または水素化アルミノ錯体、アンモニウム塩など、いくつかの化合物が水素貯蔵用に研究されていました。これらの水素化物の理論上の水素収率の上限は、重量で約 8.5% に制限されています。B、N、および H (正イオンと負イオンの両方) のみを含む化合物のうち、代表的な例としては、アミンボラン、水素化ホウ素アンモニア酸塩、ヒドラジンボラン錯体、およびオクタヒドロトリボレートまたはテトラヒドロボレートのアンモニウム塩があります。これらのうち、アミンボラン (特にアンモニアボラン) は、水素キャリアとして広範囲に研究されてきました。1970 年代から 1980 年代にかけて、米国陸軍と海軍は、HF/DF および HCl 化学レーザー、およびガスダイナミックレーザーで使用するための水素/重水素ガス発生化合物の開発を目指した取り組みに資金を提供しました。アミンボランを燃焼させると、窒化ホウ素（BN）と水素ガスが発生します。アンモニアボラン（H 3 BNH 3 ）に加えて、ジボランジアンモニア酸塩（H 2 B(NH 3 ) 2 BH 4 ）などのガス発生剤も生成します。

物理ストレージ

この場合、水素はガス、超臨界流体、吸着質、分子包有物などの物理的形態で残存する。ガラス製マイクロ容器、マイクロポーラス媒体、ナノポーラス媒体の容積および重量容量、安全性、充填時間に関する理論的限界と実験結果が考慮されている[ 86 ] 。水素は最小の分子であるため、容器から容易に逃げ出し、容器から容器へ移す際にも逃げ出す。水素は放射強制力に直接寄与することはないが、大気中のメタン酸化や対流圏オゾン生成などのプロセスに影響を与えるため、100年間の実効地球温暖化係数は11.6±2.8と推定されている[ 87 ]。[ 88 ]

ゼオライト

ゼオライトは、微細孔を有する高結晶性のアルミノケイ酸塩材料です。ケージ構造とトンネル構造を示すため、水素などの非極性ガスを封入することが可能です。このシステムでは、水素は、圧力と低温下で細孔内に押し込まれる吸着機構によって、ゼオライト細孔表面に物理吸着されます。 [ 89 ]したがって、他の多孔質材料と同様に、その水素貯蔵容量は、 BET表面積、細孔容積、分子状水素と微細孔の内表面との相互作用、そして圧力や温度などの動作条件に依存します。 [ 90 ]

チャネル径も、特に高圧下ではこの容量を決定するパラメータの一つである。この場合、効果的な材料は、大きな細孔容積と、水素分子の運動学的直径（d H =2.89Å）に近いチャネル径を示す必要がある。[ 89 ]

下の表は、液体窒素温度（77K）におけるいくつかのゼオライトの水素吸収を示しています。

いくつかの高表面積ゼオライトのH2吸収[ 91 ]
ゼオライト フレームワークタイプ（IZAコード） 圧力（バール） H 2吸収量（重量％） BET表面積（m2/g）
NaY（Si/Al = 2.4） FAU 0.57 0.37
HY（Si/Al = 2.7） FAU 0.95 0.56
MCM-41 1 0.58 1017
H-ZSM-5（Si/Al = 40） MFI 0.92 0.71 418
H-SAPO-34 チャ 0.92 1.09 547
H-CHA（Si/Al = 2.1） チャ 0.92 1.10 490
H-SSZ-13（Si/Al = 11.6） チャ 0.92 1.28 638
ナア LTA 0.93 1.21
LiX（Si/Al = 1.4） FAU 0.60 0.88
NaX（Si/Al = 1.05） FAU 0.61 1.22
CaX（Si/Al = 1.4） FAU 1.01 1.25 669
Li-LSX（Si/Al = 1.0） FAU 1.01 1.50 717
Na-LSX（Si/Al = 1.0） FAU 1.01 1.46 642
K-LSX（Si/Al = 1.0） FAU 1.01 1.33 570

多孔質または層状炭素

活性炭は、高い見かけ表面積を有する高多孔質の非晶質炭素材料です。見かけ表面積を増加させ、細孔径を約7Åに最適化することで、これらの材料における水素の物理吸着を高めることができます。 [ 92 ]これらの材料は、タバコの吸殻などの廃棄物から製造できることから特に注目されており、高容量水素貯蔵材料の前駆体材料として大きな可能性を示しています。[ 93 ] [ 94 ]

グラフェンは水素を効率的に貯蔵することができます。H₂は二重結合に付加してグラフェンを形成します。水素は450℃に加熱すると放出されます。[ 95 ] [ 96 ]

カーボンナノチューブ

ナノ構造炭素（カーボンバッキーボールやカーボンナノチューブなど）をベースとした水素キャリアが提案されている。しかし、77Kにおける水素含有量は最大約3.0～7.0 wt%にまで達し、これは米国エネルギー省が設定した値（ほぼ常温で6 wt%）から大きく外れている。

炭素材料を効果的な水素貯蔵技術として実現するために、カーボンナノチューブ（CNT）にMgH 2がドープされている。[ 13 ]金属水素化物は、米国エネルギー省の6 wt%の要件を満たす理論的な貯蔵容量（7.6 wt%）があることが証明されているが、放出温度が高いため実際の用途は限られている。提案されているメカニズムには、MgH 2格子内でCNTが高速拡散チャネルを作成することが含まれる。フラーレン物質は、このセンターで水素貯蔵についてテストされている別の炭素質ナノ材料である。フラーレン分子はC 60クローズケージ構造で構成されており、二重結合炭素の水素化が可能で、理論的には水素含有量が7.7 wt%のC 60 H 60異性体になります。ただし、これらのシステムの放出温度は高く（600 °C）、

金属有機構造体

金属有機構造体（ MOF）は、分子レベルで水素とエネルギーを貯蔵する合成多孔質材料の新たなクラスです。MOFは、金属クラスターまたはイオン（二次構成単位）をノードとして、有機リガンドをリンカーとして含む、結晶性の高い無機-有機ハイブリッド構造です。細孔を占有するゲスト分子（溶媒）を溶媒交換と真空加熱中に除去することで、MOFの多孔質構造は構造体を不安定化させることなく実現され、水素分子は物理吸着によって細孔表面に吸着されます。従来のゼオライトや多孔質炭素材料と比較して、MOFは非常に多くの細孔と表面積を有しており、一定体積あたりの水素吸収量を増加させることができます。

水素貯蔵能力に影響を与える要因

MOFの温度、圧力および組成は、その水素貯蔵能力に影響を与える可能性がある。MOFの吸着容量は、高温では低く、低温では高い。温度が上昇すると、物理吸着は減少し、化学吸着は増加する。[ 97 ] MOF-519およびMOF-520の場合、等体積吸着熱は圧力の上昇とともに減少した。[ 98 ] MOF-5の場合、重量基準および体積基準の水素吸収量は両方とも圧力の上昇とともに増加した。[ 97 ]圧力スイング条件下では、総容量が使用可能容量と一致しない可能性がある。たとえば、総体積容量が最も高いMOF-5およびIRMOF-20は、最も低い使用可能体積容量を示す。[ 99 ]吸収容量は構造の修正によって増加させることができる。たとえば、PCN-68の水素吸収量はPCN-61よりも高い。[ 100 ]高表面積材料として知られる多孔質芳香族骨格（PAF-1）は、ドーピングによってさらに高い表面積を実現することができる。[ 101 ]

MOFの改変

MOFの改質には、MOF触媒、MOFハイブリッド、金属中心を持つMOF、ドーピングなど、さまざまな方法があります。MOF触媒は、高い表面積、多孔度、水素貯蔵容量を備えています。しかし、活性金属中心は低いです。MOFハイブリッドは、表面積、多孔度、負荷容量、水素貯蔵容量が向上しています。しかし、安定性が低く、活性中心が欠けています。MOFにドーピングすると水素貯蔵容量は向上しますが、立体効果が生じる可能性があり、不活性金属は安定性が不十分です。金属中心を持つMOFは、結合エネルギーが高く、安定性が向上する可能性がありますが、相互接続された細孔が形成され、耐食性が低下する可能性があります。さまざまな種類の改質MOFのこれらの長所と短所は、高表面積、多孔度、安定性のための材料選択の制御性が高いため、MOFハイブリッドがより有望であることを示しています。[ 97 ]

2006 年に化学者は、低温 77 Kで MOF-74 に最大 7.5 wt% の水素貯蔵濃度を達成しました。[ 102 ] [ 103 ] MOF NOTT-112 は 77 bar (1,117 psi) で 10 wt% を示し、77 K では を示します。[ 104 ] MOF の水素貯蔵に関するほとんどの論文では、温度 77 K、圧力 1 bar での水素のサブ吸収容量が報告されています。これは、これらの条件が一般的に利用可能であり、この温度での水素と MOF 間の結合エネルギーが熱振動エネルギーに比べて大きいためです。表面積、細孔サイズ、連鎖構造、リガンド構造、サンプル純度などのいくつかの要因が変化すると、MOF への水素吸収量が異なる場合があります。

超多孔性金属有機構造体（MOF）であるNU-1501-Alは、14.0% w/w、46.2 g/リットルの水素供給能力を持っています。[ 105 ] [ 106 ]

冷凍圧縮

水素の極低温圧縮貯蔵は、容積効率と重量効率に関する2015年のDOE目標を満たす唯一の技術である（[ 107 ]のスライド6の「CcH2」を参照）。

さらに、別の研究では、極低温圧縮は興味深いコスト上の利点を示すことが示されています。所有コスト（1マイルあたりの価格）と貯蔵システムコスト（車両あたりの価格）は、他のどの技術と比較しても実際に最も低いです（[ 108 ]のスライド13の3行目を参照）。

液体貯蔵と同様に、極低温圧縮貯蔵では、高いエネルギー密度を得るために低温水素（20.3 K またはそれよりわずかに高い温度）を使用します。しかし、主な違いは、水素が周囲環境との熱伝達によって温まる（「沸騰」する）際に、タンク内の圧力がはるかに高くなることです（液体貯蔵では数バールであるのに対し、極低温圧縮貯蔵では最大350バール）。その結果、水素が放出されるまでに時間がかかり、ほとんどの運転状況では、水素は車内で十分に消費されるため、放出が必要となる限界圧力をはるかに下回った状態を維持できます。

その結果、極低温圧縮タンクを使用することで長い走行距離を実現できることが実証されました。トヨタ・プリウスの水素燃料エンジンにタンクを満タンにした場合、650マイル（1,050 km）以上走行することができました。[ 109 ] [ 110 ]

2010年現在、BMWグループは、極低温圧縮車両ストレージの商用製品化に向けて、コンポーネントとシステムレベルの徹底的な検証を開始しています。[ 111 ]

極低温超臨界

クラスレート水和物

クラスレート水和物に閉じ込められた水素は、非常に高い圧力下でも安定である。THF存在下では、常温、数十バールの圧力下で固体の水素含有水和物が形成されることもある。[ 112 ] [ 113 ]これらのクラスレートの理論的な最大水素密度は約5重量%、最大40 kg/m 3である。

ガラスキャピラリーアレイ

ガラスキャピラリーアレイは、モバイルアプリケーションにおける水素の安全な注入、貯蔵、および制御された放出の可能性を示しています。[ 114 ] [ 115 ] C.En技術は、車載水素貯蔵システムに関する米国エネルギー省（DOE）の2010年の目標を達成しました。 [ 116 ] DOEの2015年の目標は、柔軟なガラスキャピラリーと極低温圧縮水素貯蔵法を使用することで達成できます。[ 117 ]

ガラス微小球

中空ガラス微小球（HGM）は、水素の制御された貯蔵と放出に利用できます。直径1～100μm、密度1.0～2.0gm/cc、開口部10～1000オングストロームの多孔質壁を持つHGMが水素貯蔵に利用されています。水素貯蔵におけるHGMの利点は、無毒、軽量、安価、リサイクル可能、可逆性、大気条件下での取り扱いが容易、タンクに貯蔵可能、内部の水素が非爆発性であることです。[ 118 ]これらのHGMはそれぞれ、大型の加圧タンクの重さやかさばりがなく、最大150MPaの水素を貯蔵できます。これらすべての特性は、車両用途に好ましいものです。これらの利点に加えて、HGMは水素の拡散率に大きな温度依存性があるため、水素ソリューションとして有望視されています。室温では拡散率は非常に低く、水素はHGMに閉じ込められます。 HGMの欠点は、水素を効果的に充填および放出するためには、少なくとも300℃の温度が必要であり、水素貯蔵におけるHGMの運用コストが大幅に増加することです。[ 119 ]高温になるのは、ガラスが絶縁体であり、熱伝導率が低いことが一因です。このことが水素の拡散を妨げ、結果として所望の貯蔵容量を達成するためにはより高い温度が必要になります。

この技術をより経済的に商業的に実現可能にするため、 HGMを通じた水素拡散効率を高める研究が行われている。Dalaiらによる研究では、ガラスにコバルトを添加することでHGMの熱伝導率を高めようとした。その結果、 10 wt% Coで熱伝導率は0.0072 W/mKから0.198 W/mKに増加した。しかし、水素吸着量の増加は、金属酸化物がガラスシェルの細孔を覆い始めると、2 wt% Co（0.103 W/mK）までしか見られなかった。この研究では、200 °C、10 barで2 wt% Coの水素貯蔵容量は3.31 wt%と結論付けられた。[ 118 ]

ラップとシェルビーによる研究では、従来の加熱方法と比較して、ドープされたHGMにおける光誘起ガス放出による水素放出速度の向上が試みられました。ガラスには、高強度赤外線と相互作用する光学活性金属がドープされていました。この研究では、0.5重量%のFe 3 O 4をドープした7070ホウケイ酸ガラスにおいて、赤外線ランプの強度に比例して水素放出が増加することがわかりました。赤外線のみによる拡散率の改善に加えて、水素と鉄ドープガラスとの反応によりFe 2+ /Fe 3+比が増加し、赤外線吸収が増加して水素収率がさらに増加し​​ました。[ 120 ]

2020年現在、HGMの研究は進歩し、その効率は向上していますが、エネルギー省が目標とするこの技術には依然として達していません。水素の吸着と放出の両方の動作温度が、商業化への最大の障壁となっています。[ 121 ]

定置型水素貯蔵

モバイル用途とは異なり、定置型用途では水素密度は大きな問題ではありません。モバイル用途と同様に、定置型用途では既存の技術を使用できます。

地下水素貯蔵

「利用可能な貯蔵技術、その容量と放電時間」[ 123 ]：12

地下水素貯蔵[ 124 ]は、洞窟、岩塩ドーム、枯渇した油田やガス田に水素を貯蔵する方法である。ICIは長年、何の問題もなく大量のガス状水素を洞窟に貯蔵してきた。 [ 125 ]大量の液体水素を地下に貯蔵すると、グリッドエネルギー貯蔵として機能することができる。往復効率は約 40% (揚水発電 (PHES)の場合は 75～80% ) で、貯蔵時間が限られている場合は揚水発電よりもコストがわずかに高くなる。[ 126 ]欧州スタッフワーキングペーパーで参照されている別の調査によると、大規模貯蔵の場合、最も安価な選択肢は、電解装置、岩塩洞窟貯蔵、複合サイクル発電所を使用して 2,000 時間の貯蔵で 140 ユーロ/MWh の水素であることが判明した。[ 123 ] : 15 欧州プロジェクト Hyunder [ 127 ]は、風力と太陽エネルギーの貯蔵には、PHESとCAESシステムではカバーできないため、さらに 85 の洞窟が必要であることを 2013 年に示しました。[ 128 ]ドイツの塩洞窟での水素貯蔵に関するケース スタディでは、ドイツの余剰電力 (2025 年までに変動性再生可能エネルギー総発電量の 7%、2050 年までに 20%) を水素に変換して地下に貯蔵する場合、2025 年までに 50 万立方メートルの洞窟が約 15 個、2050 年までに 60 個必要になることがわかりました。これは、現在ドイツで稼働しているガス洞窟の数の約 3 分の 1 に相当します。[ 129 ]米国では、サンディア研究所が枯渇した油田やガス田での水素貯蔵の研究を行っています。枯渇した油田やガス田には約270万の枯渇した油井が存在するため、再生可能で生産された大量の水素を容易に吸収できる可能性があります。[ 130 ]

地下水素貯蔵は、洞窟、[ 131 ] [ 132 ]岩塩ドーム、枯渇した油田/ガス田に水素を貯蔵する方法である。[ 133 ] [ 134 ]長年にわたり、大量のガス状水素が洞窟に貯蔵されてきた。[ 135 ]溶液採掘された岩塩ドーム、[ 136 ]帯水層、[ 137 ]掘削された岩の洞窟、または鉱山で の大量の水素の地下貯蔵は、グリッドエネルギー貯蔵として機能することができ、[ 138 ]水素経済に不可欠である。[ 139 ]ターボエキスパンダーを使用すると、200 barでの圧縮貯蔵に必要な電力はエネルギー量の2.1%に達する。[ 140 ]

塩の洞窟

テキサス州のシェブロン・フィリップス・クレメンス・ターミナルは、1980年代から溶液採掘による岩塩洞窟に水素を貯蔵している。洞窟の天井は地下約850メートル（2,800フィート）にある。洞窟は直径49メートル（160フィート）、高さ300メートル（1,000フィート）の円筒形で、利用可能な水素貯蔵量は1,066百万立方フィート（30.2 × 10 6  m 3）、つまり2,520メートルトン（2,480ロングトン、2,780ショートトン）である。[ 141 ]^

岩塩洞窟は、地表から岩塩層に水を注入することで人工的に作られます。岩塩層は、塩化ナトリウム（NaCl）と岩塩岩塩からなる多結晶構造です。岩塩洞窟の形成には、通常、岩塩ドームや岩塩層などの場所が選ばれます。岩塩洞窟は最大深度2000メートル、最大容積100万立方メートルに達することがあります。注入と汲み出しの頻度は年間10～12回です。漏出率は約1%です。[ 142 ] [ 143 ]

岩塩の物理化学的性質により、岩塩洞窟には多くの利点がある。主な特徴は、水分含有量の低さ、多孔度と浸透性の低さ、そして水素に対する化学的慣性である。[ 144 ]浸透性は地下水素貯蔵において重要なパラメータであり、密閉能力に影響する。研究では、膨張性と伸長破壊により浸透性が著しく増加することが明らかになっているが、岩塩結晶の再結晶化（粒界治癒過程）が機械的剛性と浸透性の回復に寄与している可能性がある。[ 145 ]岩塩の塑性特性により亀裂の形成と拡大が防止され、水素貯蔵にとって特に重要な気密性が失われるのを防ぐ。[ 144 ]岩塩洞窟の欠点としては、貯蔵容量が低いこと、大量の水が必要になること、腐食の影響などがある。貯留層からガスを引き出すときに圧力降下によるクリープを避けるためにクッションガスが必要である。クッションガスの必要量は20%程度と比較的少ないものの、貯蔵容量が大きい場合は運用コストがかさむ可能性があります。建設費と運用費が依然として高いため、コストも大きな懸念事項となっています。[ 143 ] [ 146 ]

天然ガスの貯蔵は経験豊富ですが、水素の貯蔵ははるかに複雑です。固体中の水素の拡散率などの要因が、岩塩洞窟貯蔵の制約となります。微生物の活動は水素損失に影響を及ぼすため、世界中で広範な研究が行われています。メタン生成細菌の代謝により、二酸化炭素と水素が消費され、メタンが生成されます。これが岩塩洞窟に貯蔵された水素の損失につながります。[ 147 ] [ 146 ]

発達

  • サンディア国立研究所は2011年に水素の地中貯留のためのライフサイクルコスト分析フレームワークを発表しました。[ 148 ]
  • 欧州プロジェクト「ヒュンダー」[ 149 ]は2013年に、風力と太陽エネルギーの貯蔵には揚水発電と圧縮空気エネルギー貯蔵システムではカバーできないため、さらに85の洞窟が必要であると指摘した。[ 150 ]
  • ETIは2015年に「クリーンで応答性の高い電力システムにおける水素貯蔵の役割」という報告書を発表し、英国には数十GWeを供給するのに十分な塩床資源があると指摘した。[ 151 ]
  • RAGオーストリアAGは2017年にオーストリアの枯渇した油田・ガス田における水素貯蔵プロジェクトを完了し、現在2番目のプロジェクト「地下太陽変換」を実施している。[ 152 ]

高さ800メートル、直径50メートルの洞窟には150GWhに相当する水素を貯蔵できる。[ 153 ] [ 154 ]

電力からガスへ

パワー・トゥ・ガスは、電力をガス燃料に変換する技術である。2つの方法がある。1つ目は、電気を使用して水を分解し、生成された水素を天然ガスグリッドに注入する方法である。2つ目は、効率の低い方法で、電気分解とサバティエ反応を使用して二酸化炭素と水素をメタンに変換する（天然ガスを参照）。3番目のオプションは、電気分解で得た水素を、バイオメタン化を介して炭素源（バイオガス、工業プロセス、または直接空気捕捉した二酸化炭素からの二酸化炭素または一酸化炭素）と組み合わせることである[ 155 ] [ 156 ]。バイオメタン化では、バイオメタン生成菌（古細菌）が二酸化炭素と水素を消費し、嫌気性環境内でメタンを生成する。このプロセスは、古細菌が自己複製し、反応を実行するために低度の（60℃）熱のみを必要とするため、非常に効率的である。

SoCalGasは、生のバイオガス中の二酸化炭素を単一の電気化学的ステップでメタンに変換する別のプロセスも実現しました。これは、余剰の再生可能電力を貯蔵可能な天然ガスに変換するより簡単な方法を表しています。 [ 157 ]

英国は調査を完了し、ガス網への水素注入を開始する準備を進めている。以前は石炭から生成される水素とメタンを50%含むガスである「都市ガス」が供給されていたためである。監査法人KPMGの試算によると、英国で水素ガスへの転換は、英国の住宅の配線を低炭素エネルギー源による電気暖房に置き換えるよりも、1500億ポンドから2000億ポンドのコスト削減につながる可能性がある。[ 158 ]

風力発電機や太陽光発電システムで発電された余剰電力やオフピーク電力は、エネルギーグリッドの負荷分散に活用されます。燃料電池メーカーのHydrogenics社と天然ガス販売業者のEnbridge社は、既存の天然ガスシステムを利用して水素を生成するシステムの開発に協力し、カナダでこのような電力からガスを生成するシステムを開発しました。[ 159 ]

天然ガスネットワークを水素貯蔵に利用するパイプライン式水素貯蔵。天然ガスへの切り替え以前、ドイツのガスネットワークは都市ガスを使用して運用されており、その大部分（60～65%）は水素で構成されていた。ドイツの天然ガスネットワークの貯蔵容量は200,000 GW·h以上で、数か月分のエネルギー需要を満たすのに十分である。比較すると、ドイツの揚水発電所全体の容量は約40 GW·hに過ぎない。ガスネットワークを介したエネルギー輸送は、電力ネットワーク（8%）よりもはるかに少ない損失（<0.1%）で行われる。既存の天然ガスパイプラインを水素に利用する研究は、NaturalHyによって行われた。[ 160 ]

自動車搭載型水素貯蔵

自動車業界において、可搬性は最大の課題の一つであり、高密度貯蔵システムは安全性への懸念から困難を極めています。高圧タンクは、貯蔵できる水素の量よりもはるかに重いです。例えば、2014年式トヨタ・ミライでは、満タンのタンクには水素がわずか5.7%しか含まれておらず、残りの重量はタンクです。[ 161 ]

システム密度は、多くの場合、作動材料の約半分であるため、材料が 6 wt% のH2を貯蔵できるとしても、その材料を使用する作動システムでは、タンク、温度および圧力制御装置などの重量を考慮すると、3 wt% しか達成できない場合があります。

燃料電池と貯蔵

水素はクリーンな燃焼特性を有するため、自動車産業にとってクリーンな代替燃料です。水素ベースの燃料は、CO2、SO2、NOxなどの温室効果ガスの排出量を大幅に削減できます。水素燃料電池（ HFC ）の使用における3つの課題は、効率、サイズ、そしてガスの安全な車載貯蔵です。この新興技術の他の大きな欠点は、コスト、操作性、耐久性の問題であり、これらは既存のシステムから改善される必要があります。これらの課題に対処するため、従来の水素貯蔵システムの代替案としてナノ材料の使用が提案されています。ナノ材料の使用により、より高密度のシステムを実現し、エネルギー省（DOE ）が設定した目標である300マイル（約480km）に向けて航続距離を延ばすことができます。カーボンナノチューブや金属水素化物などの炭素質材料が研究の主な焦点です。これらは、汎用性、多機能性、機械的特性、そして他の代替材料に比べて低コストであることから、現在車載貯蔵システムへの適用が検討されています。[ 162 ]

燃料電池におけるナノ材料のその他の利点

車載水素貯蔵システムへのナノ材料の導入は、自動車産業にとって大きな転換点となる可能性があります。しかし、ナノ材料が貢献できる燃料電池の側面は貯蔵だけではありません。様々な研究により、HFCに使用されるナフィオン膜の輸送特性と触媒特性は、 TiO 2 / SnO 2ナノ粒子によって向上することが示されています[ 162 ] 。この性能向上は、ナノ粒子の触媒活性による水素分解速度の改善によるものです。さらに、このシステムはセル全体にわたるプロトン輸送を高速化するため、ナノ粒子複合膜を備え たHFCは有望な代替手段となります。

英国マンチェスターメトロポリタン大学の研究グループが、グラフェンのような材料からなるスクリーン印刷電極を使用して、ナノ材料を水分解に応用する別の方法を紹介した。[ 163 ]同様のシステムが光電気化学技術を用いて開発されている。

加圧水素ガス

ガス圧を高めることで体積当たりのエネルギー密度が向上し、コンテナタンクの小型化が可能になります。チューブトレーラーで加圧水素を貯蔵するための標準的な材料は鋼鉄です（水素ガスには水素脆化の問題はありません）。トヨタ・ミライやケンワースのトラックに搭載されているような、炭素繊維とガラス繊維で強化されたプラスチック製のタンクは、安全基準を満たす必要があります。水素は小さな分子であるため、多くの高分子材料を透過して拡散する傾向があるため、タンクに適した材料は限られています。2020年の車両に搭載された水素貯蔵装置で最も一般的だったのは、700bar（70MPa）の圧力で貯蔵された水素でした。この圧力まで水素を圧縮するには、かなりのエネルギーコストがかかります。

加圧ガスパイプラインは常に鋼鉄で作られており、チューブトレーラーよりもはるかに低い圧力で稼働します。

液体水素

代わりに、体積エネルギー密度が高い液体水素やスラッシュ水素を使用することもできます。しかし、液体水素は極低温であり、沸騰温度は 20.268 K（-252.882 °C または -423.188 °F）です。極低温貯蔵は重量を軽減しますが、液化に大量のエネルギーを必要とします。加圧と冷却のステップを含む液化プロセスは、多くのエネルギーを消費します。[ 164 ]液化水素の体積エネルギー密度はガソリンの約 4 分の 1 ですが、これは液体水素の密度が低いためです。ガソリン 1 リットル（116 グラム）には、純粋な液体水素 1 リットル（71 グラム）よりも多くの酸化可能な水素原子が含まれています。極低温にある他の液体と同様に、液体水素貯蔵タンクも沸騰を最小限に抑えるために十分に断熱する必要があります。

日本は神戸のターミナルに液体水素（LH2）貯蔵施設を有しており、2020年にはLH2輸送船による最初の液体水素の受け入れが予定されている。[ 165 ]水素は、-162℃で貯蔵される液化天然ガス（LNG）と同様に、-253℃まで温度を下げることで液化される。潜在的な効率損失は12.79%、つまり33.3 kWh/kgのうち4.26 kWh/kgに達する可能性がある。[ 166 ]

液体有機水素キャリア（LOHC）

研究

水素貯蔵材料の研究分野は広大で、数万件の論文が発表されている。[ 167 ] Web of Science から収集され、VantagePoint 文献計量ソフトウェアで処理された 2000 年から 2015 年までの論文によれば、水素貯蔵材料の研究の科学計量学的レビューが構成された。文献によれば、水素エネルギーは 2000 年代に誇大宣伝サイクル型の開発を経た。水素貯蔵材料の研究は 2000 年から 2010 年にかけて増加率で成長した。その後、成長は続いたものの減少率となり、2015 年に横ばい状態に達した。各国の生産量を見ると、2010 年以降生産量が一定またはわずかに減少に転じた EU 諸国、米国、日本と、中国、韓国のように 2015 年まで生産量が伸び続けた国とに分かれる。中国は全期間を通じてトップの地位を維持し、研究成果全体に占める水素貯蔵材料に関する出版物の割合が高かった。[ 168 ]

材料の種類別では、金属有機構造体が最も研究されており、次いで単純水素化物が続きました。3つの典型的な挙動が確認されました。

  1. MOF やボロヒドリドなど、主に 2004 年以降に研究された新材料。
  2. 古典的な材料は、単純な水素化物などの論文数が増えている全期間を通じて存在し、
  3. AB5合金やカーボンナノチューブなど、研究期間の終わりまで研究が停滞または減少した材料。[ 168 ]

しかし、現在の物理吸着技術は実用化には程遠い。実験研究は100g未満の少量サンプルを対象に実施されている。[ 169 ]記載されている技術は、原則として高圧および／または低温を必要とする。したがって、現状では、これらの技術は独立した新技術ではなく、既存の圧縮・液化技術への有益な付加技術として捉えられている。

物理吸着プロセスは、活性化エネルギーを必要とせず、相​​互作用エネルギーが非常に低いため、可逆的です。金属有機構造体、多孔質炭素、ゼオライト、クラスレート、有機ポリマーなどの材料では、水素は細孔表面に物理吸着されます。これらの材料群では、水素貯蔵容量は主に表面積と細孔容積に依存します。これらの吸着剤を水素貯蔵材料として使用する際の主な制約は、水素と吸着剤表面との間のファンデルワールス相互作用エネルギーが弱いことです。そのため、多くの物理吸着ベースの材料は、液体窒素温度および高圧下では高い貯蔵容量を示しますが、常温および常圧下では容量が非常に低くなります。

LOHC（液体有機水素貯蔵システム）は、将来の水素貯蔵技術として有望視されている。LOHCは、化学反応によって水素を吸収・放出できる有機化合物である。これらの化合物は、循環プロセスで相当量の水素を充填・放出できることが特徴である。原理的には、あらゆる不飽和化合物（CC二重結合または三重結合を持つ有機分子）は、水素化中に水素を吸収することができる。この技術により、水素貯蔵において化合物が大気中に放出されることが完全に回避される。したがって、LOHCは、今日の化石燃料と同様のエネルギー貯蔵密度と管理性を持つ液体エネルギー運搬分子の形で、モビリティ用途に風力や太陽エネルギーを提供する魅力的な方法である。[ 170 ]

参照

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