从减少二氧化碳排放和充分利用可再生能源的角度来看，急需构建一个利用氢能的社会（氢能社会）。在氢能社会中，氢是运输和储存能量的介质（载体），因此需要一种安全且高效的氢运输和储存技术。针对该课题，本文介绍了最近的储氢技术、能够以氢原子状态安全且高密度地储存氢的材料（氢化物）、以及该材料的吸氢与放氢反应、种类和特征。
1、引言
为实现二氧化碳净零排放的目标，从充分利用可再生能源的角度来看，急需构建一个利用氢能的社会（氢能社会）。在氢能社会中，氢是运输和储存能量的介质（载体），因此安全且高效的氢运输和储存技术必不可缺。针对该课题，本文将介绍氢储存的最近动向，并着眼于比高压氢气和液氢更安全且更高密度储存氢的材料（氢化物），对其储氢与放氢反应、种类以及特征进行介绍。
2、氢储存及其最近动向
氢的储存方法包括以分子状态储存氢的“高压氢气”或“液氢”，以及以原子状态储存氢的“储氢材料（氢化物）”等。图1中通过体积储氢密度和质量储氢密度展示了各种方法的储氢量。体积储氢密度和质量储氢密度越高，表明该储存方法中氢的体积越小、重量越轻1~4)。燃料电池汽车行驶500km大约需要5kg的氢。氢气在标准状态下时，体积储氢密度低，因此需要经高压压缩后再利用。目前的燃料电池汽车装载的是70MPa（700个大气压）的高压氢气（5）。关于液氢，在制备压力和温度条件方面存在课题，而且在常温下使用时氢会蒸发导致损耗等。针对液氢，日本零碳氢能供应链技术研究联盟（HySTRA）目前正在开展将在澳大利亚精制的液氢海上运输到日本的实证6)。
图1. （黑线）高压氢气，（红线）液氢，（蓝线）代表性氢化物的体积储氢密度与质量储氢密度2)。高压氢气线上的数字表示压力，液氢线表示的是20.3K时的体积储氢密度。
储氢材料利用吸氢与放氢现象，该吸氢与放氢现象伴随在含氢原子氢化物的形成与分解反应过程中。代表性的储氢材料（LaNi5）通过下述反应吸收和释放氢。在吸氢（氢化物）的状态下（反应式右边），氢以原子形态被储存，被吸收的氢会以氢气形态释放出来（反应式左边）。
LaNi5+3H2(g)↔LaNi5H6
金属有机结构体（Metal Organic Frameworks: MOF）和碳系材料是将氢以分子形态储存（吸收）4)，但本文中将含有氢原子的氢化物称为储氢材料。关于将氢以分子形态储存的高压氢气和液氢，氢分子之间存在排斥作用，因此很难压缩至70.8kg/m3（20.3k）以上。但是，将氢以原子形态储存的储氢材料可以避免氢分子之间的排斥作用，实现70.8kg/m3以上的体积储氢密度（图1）。LaNi5虽然存在低质量储氢密度的课题，但是在室温和1MPa以下（10个大气压以下）的条件下，具有1.4mass%的质量储氢密度和92.3kg/m3的体积储氢密度，能够实现安全且高密度的储氢。目前，储氢材料也被用于其他用途，例如，以氢的形式储存来自可再生能源的剩余电力（例如东芝研发的独立型氢能供给系统H2One7)）。
3、作为储氢材料的氢化物
3.1 气态氢与金属的反应（吸氢与放氢反应）
在以高密度储存氢的氢化物吸氢与放氢反应中，如图2所示，气态氢（氢分子）在金属M的表面由氢分子变成氢原子，侵入M的晶格内（固溶相）。固溶相的氢以无特定位置的不规则排列存在，然后通过进一步的反应形成固溶氢规则排列的氢化物8)。由此，吸氢反应的过程为，氢分子在金属表面变成原子，在晶格内固溶，然后形成氢化物相。作为储氢材料，还要将吸收的氢从氢化物中释放出来，可逆的吸氢和放氢反应是必不可少的（图2）。该可逆反应由氢化反应的氢压力、温度、金属元素种类和组成比例控制。以图3所示元素周期表的第5族和第6族元素为界，左侧是容易与氢反应形成氢化物的元素A（与氢的亲和性高），右侧是不易形成氢化物的元素B（与氢的亲和性低）。
如果某一元素与氢的亲和性高，则表示该元素很难将吸收的氢释放出来，相反，如果与氢的亲和性低，则表示该元素难以吸收氢。因此，在典型的储氢材料（以下称为“间隙型氢化物”）中，根据与氢亲和性高的元素和亲和性低的元素的构成元素以及组成比例，控制吸氢与放氢反应的压力和温度。将与氢亲和性高的元素和亲和性低的元素进行合金化是目前储氢材料的设计方针。
图2. 吸氢与放氢反应中（a）固溶相和氢化物相形成过程的示意图，以及（b）氢压和氢吸收量的关系。
图3. 金属元素与氢亲和性的高低情况
关于储氢材料的吸氢与放氢反应（储氢特性），评估等温下的反应氢压力和吸氢与放氢量，根据压力（Press）、氢吸收量（组成（Component））、温度（Temperature）的首字母，将压力、氢吸收量、温度统称为“PCT特性”。
图2和图4（a）示出典型的PCT特性曲线。氢在金属晶格内固溶