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Jun 01, 2024

材料科学は水素航空機の課題を解決できるでしょうか?

気体状態の水素貯蔵に代わる有望な代替手段は、大気圧での極低温タンク（21.2K/-251.8℃）での液体状態の貯蔵である。 クレジット: Dudaeva、Shutterstock 経由。 の選択とエンジニアリング

気体状態の水素貯蔵に代わる有望な代替手段は、大気圧での極低温タンク（21.2K/-251.8℃）での液体状態の貯蔵である。 クレジット: Dudaeva、Shutterstock 経由。

特定の先端材料 (AdM) の選択とエンジニアリングは、水素航空機の設計において重要な役割を果たします。 特に重要なのは水素の効率的な貯蔵であり、そのためには選択された材料が水素と強い相互作用を持つか、まったく反応しないかのいずれかである必要があります。 高い体積密度および重量密度を備えた可逆的な水素貯蔵の 6 つの方法が特定されています。これらは漠然と 3 つの貯蔵タイプを中心としています。高圧ガス貯蔵、極低温液体貯蔵、および水素が材料に吸収され、その後選択的に放出される吸収貯蔵です。 。

高圧 (<20MPa) ガスシリンダーは現在、水素貯蔵の最も普及した方法であり、オーステナイト系ステンレス鋼 (大量のクロムとニッケルを含むステンレス鋼の一種) とアルミニウム合金が現在最も普及しています。非常に高い引張強度と比較的低い密度に加え、周囲温度での水素の影響（反応と拡散）に対する高い耐性を備えています。 軽量の繊維強化複合構造も開発されており、強度は等方性（どの方向でも等しい）ではありませんが、移動式水素貯蔵の重要な要素である体積密度を大きくするために、最大80MPaの圧力に耐えるように設計できます。 しかし、高圧ガス貯蔵に関する重大な問題は、体積密度と重量密度の対立であり、圧力を上げると前者は増加しますが、後者は減少し、その逆も同様です。 これまではガスシリンダーで十分でしたが、水素航空機には新しい設計が必要です。

気体状態の水素貯蔵に代わる非常に有望な代替手段の 1 つは、大気圧での極低温タンク (21.2K/-251.8°C) での液体状態の貯蔵です。 これにより、動作圧力の低下による安全性の向上や、加圧タンクは通常円筒形状でしか構築できないためタンク設計の柔軟性が向上するなど、多くの利点が得られます。 ただし、極低温液体の保管にはコストという根本的な問題が 1 つあります。 最も単純な水素液化法であるジュール・トンプソン/リンデサイクルは依然として複雑であり、そのため高価です。 さらに、極低温での保管は複雑であり、熱漏れによりボイルオフ損失が発生する可能性があります。 最適な条件 (二重壁で真空断熱された球状デュワー) では、100m3 タンクでは通常 1 日あたり 0.2% の損失が発生しますが、航空機に必要とされる可能性が高い非最適なタンク設計 (非球形タンクなど) では、この損失は増加します。

あまり開発されていませんが、吸収による貯蔵も可能です。 固体表面への水素分子の物理吸着 (引力) など、いくつかの命題があります。 ナノ構造カーボンや活性炭、カーボンナノチューブ (CNT) などの比表面積 (つまり、重量に対する表面積) の大きな材料が基板として使用できます。 CNT は、数分子直径未満の幅を持ち、フィールドの重複と炭素と水素間の引力の増加を引き起こすチューブキャビティとして特に興味深いものです。 比較すると、グラファイトの平面グラフェン シートは吸引力が低いですが、製造が容易です。

水素貯蔵のための物理吸着には、動作圧力と材料コストが低く、設計アーキテクチャが単純であるため、可能性がありますが、体積密度と重量密度が小さいことが大きな欠点です。 固体水素を貯蔵する別の方法は、高温で遷移金属と反応して水素化物を形成することです。 水素は、多くのより電気陽性の元素 (つまり、Sc、Ti、Va) と反応し、系内の圧力変化なしに金属結晶構造内に留まります。 これにより、体積水素密度が非常に高くなる可能性があり、金属水素化物は大量の水素を安全かつコンパクトに貯蔵するための非常に効果的な方法となります。 しかし、現在達成可能な重量密度は約 3 質量% であり、航空機にとっては制限要因となっており、軽量の金属水素化物システムを設計するという課題が依然として残っています。