JPH10195574A - 初期活性の良好な水素貯蔵合金 - Google Patents

初期活性の良好な水素貯蔵合金

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JPH10195574A
JPH10195574A JP9003356A JP335697A JPH10195574A JP H10195574 A JPH10195574 A JP H10195574A JP 9003356 A JP9003356 A JP 9003356A JP 335697 A JP335697 A JP 335697A JP H10195574 A JPH10195574 A JP H10195574A
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alloy
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storage alloy
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Shinichiro Kakehashi
伸一郎 梯
Yoshio Takizawa
与司夫 滝沢
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Mitsubishi Materials Corp
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    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/38—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of elements or alloys
    • H01M4/383—Hydrogen absorbing alloys
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 水素吸収放出速度が速く、かつ実用に際して
すぐれた初期活性の良好な水素貯蔵合金を提供する。 【解決手段】 本発明水素貯蔵合金が、原子%で、T
i:19〜30%、Zr:0.5〜10%、Mn:30
〜44%、Cr:4〜13%、V:7〜17%、Ni:
2〜9%、 Laおよび/またはCe:0.1〜3.5
%、酸素:1〜10%、Ti(%)+Zr(%)+Mn
(%)+Cr(%)+V(%)+Ni(%)+Laおよ
び/またはCe(%)+酸素(%)+不可避不純物
(%)=100%、なる組成を有し、かつTi−Mn系
合金の素地相に水素化酸化処理生成物相が分散分布し、
前記水素化酸化処理生成物相の主体が、La(Ce)の
酸化物と、La(Ce)−Ni系合金で構成された組織
を有し、 さらに水素化処理時に発生した無数の亀裂が
存在すると共に、前記亀裂内面には前記水素化酸化処理
生成物相が露出した構造を有する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、例えばヒ−トポ
ンプの吸発熱源として組み込み、或いは、水素貯蔵、輸
送用、電池の電極などとして実用に供するに際しては、
水素吸収および放出速度がきわめて速く、優れた初期活
性化を発揮する水素貯蔵合金に関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来、ヒ−トポンプの吸発熱源として組
み込むことを目的とした下記の組成範囲を有するTi−
Mn系水素貯蔵合金が知られている。原子%で、 Ti:27.5〜31.5%、 Zr:1〜5%、 Mn:38.5〜44.5%、 Cr:7〜13%、 V:10〜16%、 Ni:1〜5%、 不可避不純物:残、 結晶構造当量比:[Mn(%)+Cr(%)+V(%)
+Ni(%)]/[Ti(%)+Zr(%)]=2.0
5〜2.20、 を満足する組成を有する水素貯蔵合金。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】近年、水素貯蔵合金
が、多く適用されているヒートポンプなどの高出力化お
よび高性能化、また、電池の電極などとしての実用化に
際して、さらに省エネルギ−化に対する要求は強く、こ
れに伴ない、水素貯蔵合金に対し、大きな有効水素吸蔵
量と、更により一段と速い水素吸収放出速度と共に、よ
り短時間での初期活性化が可能であることが強く望まれ
ている。しかし上記従来の技術では、これら要求を十分
に満足させることは困難であるとの問題点があった。
【0004】
【課題を解決するための手段】そこで、本発明者等は、
上述のような観点から、水素貯蔵合金の有効水素吸蔵量
と水素吸収放出速度および初期活性化の向上をはかるべ
く研究を行なった結果、 (a) まず、原子%で、 Ti:19〜30%、 Zr:0.5〜10%、 Mn:30〜44%、 Cr:4〜13%、 V:7〜17%、 Ni:2〜9%、 Laおよび/またはCe[以下、La(Ce)で示す]:0.1〜3.5%、 酸素:1〜10%、 不可避不純物:残、 なる組成を有するTi−Mn系合金を溶製し、鋳造した
後、この合金のインゴットに、均質化熱処理を施すと、
Ti−Mn系合金の素地相の結晶粒界にそってLa(C
e)−Ni系合金の分散相が存在した組織を有するよう
になるが、さらに前記均質化熱処理に引き続いて水素雰
囲気中、400〜700℃の範囲内の所定温度に所定時
間保持後冷却の条件で水素化処理を施すと、前記均質化
熱処理で形成されたLa(Ce)−Ni系合金の分散相
が雰囲気の水素と優先的に反応して、主体がLa(C
e)の水素化物[以下、La(Ce)水素化物という]
と、La(Ce)−Ni系合金からなる水素化処理生成
物相となると共に、前記水素化処理生成物相はTi−M
n系合金の素地相に比して大きな熱膨脹を示すことか
ら、前記素地相には前記水素化処理生成物相を起点とし
て無数の亀裂が発生し、この亀裂内面には前記水素化処
理生成物相が露出した状態となり、さらに引続いて、例
えば酸化性雰囲気中、400〜500℃の範囲内の所定
温度に所定時間保持の酸化処理を施すと、上記La(C
e)水素化物がLa(Ce)酸化物となり、この結果T
i−Mn系合金は、図1に代表組織を例示する概略組織
拡大模写図で示される通りTi−Mn系合金の素地相に
水素化酸化処理生成物相が分散分布し、前記水素化酸化
処理生成物相の主体がLa(Ce)−Ni系合金とLa
(Ce)酸化物からなり、さらに無数の亀裂が存在し、
かつ前記亀裂内面には前記水素化酸化処理生成物相が露
出した組織をもつようになること。
【0005】(b) 上記(a)のTi−Mn系合金に
おいては、これを構成する水素化酸化処理生成物相のL
a(Ce)−Ni系合金およびLa(Ce)酸化物が、
図3に示される従来水素貯蔵合金に比して一段と速い速
度で吸収し、また放出はこの逆の機構による作用を示す
が、前記水素化酸化処理生成物相は無数の亀裂内面に多
くが露出した状態になっており、この結果作用面積の拡
大がなされることから、上記従来水素貯蔵合金における
水素吸収および放出速度に比して一段と速い速度での水
素吸収および放出となり、さらに初期活性時における上
記素地相の水素原子の吸収割合も広い作用面積で行なわ
れるため著しく増大することから、初期活性化の著しい
促進がはかられるようになること。以上(a)および
(b)に示される研究結果を得たのである。
【0006】本発明は、上記の研究結果にも基づいてな
されたものであって、 原子%で、 Ti:19〜30%、 Zr:0.5〜10%、 Mn:30〜44%、 Cr:4〜13%、 V:7〜17%、 Ni:2〜9%、 La(Ce):0.1〜3.5%、 酸素:1〜10%、 不可避不純物:残、 なる組成を有し、かつTi−Mn系合金の素地相に水素
化酸化処理生成物相が分散分布し、前記水素化酸化処理
生成物相の主体が、La(Ce)の酸化物と、La(C
e)−Ni系合金で構成された組織を有し、さらに水素
化処理時に発生した無数の亀裂が存在すると共に、前記
亀裂内面には前記水素化酸化処理生成物相が露出した構
造を有する水素貯蔵合金、に特徴を有するものである。
【0007】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、説明する。通常の高周波誘導溶解炉にて、原料とし
てそれぞれ99.9%以上の純度をもったNi,Zr,
Ti,Mn,V,La、およびCe、さらにミッシュメ
タルを用い、Ar雰囲気中で溶解して、それぞれ表1に
示される組成をもった合金溶湯を調製し、水冷銅鋳型に
鋳造してインゴットとし、このインゴットに、真空雰囲
気中、950〜1050℃の範囲内の所定温度に20時
間保持の条件で均質化熱処理を施し、ついで1〜1.2
気圧の範囲内の所定の圧力の水素雰囲気中、まず室温で
1時間保持した後、昇温を開始して400〜700℃の
範囲内の所定温度に加熱し、この温度に1時間保持して
から、Arガスによる強制空冷を行なう条件で水素化処
理を施し、さらに大気中、450℃にて1時間保持の条
件で酸化処理を施すと、図1に代表組織を例示する概略
組織拡大模写図で示されるTi−Mn系合金の素地相に
水素化酸化処理生成物相が分散分布し、この水素反応生
成物相の主体が、La(Ce)の酸化物と、La(C
e)−Ni系合金で構成された組織を有し、さらに上記
水素化酸化処理生成物相の形成時に発生した無数の亀裂
が存在すると共に、前記亀裂内面には前記水素化酸化処
理生成物相が露出した構造を有する本発明水素貯蔵合金
が得られ、この合金を例えばヒ−トポンプの吸発熱源と
して組み込み、或いは、水素貯蔵、輸送用、電池の電極
などとして実用に供するに際しては、大きい有効水素吸
蔵量を有すると共に、水素吸収および放出速度がきわめ
て速く、優れた初期活性化を発揮する水素貯蔵合金にな
るのである。一般に、水素貯蔵合金を、例えばヒ−トポ
ンプの吸発熱源として適用する場合には、水素貯蔵合金
が組込まれた前記ヒ−トポンプに対して、数回の水素吸
収放出を繰り返すと、水素吸蔵量が徐々に上昇し何れ一
定の値となる初期活性化が行なわれ、この初期活性化が
行なわれた状態で実用に供されるものである。活性化に
必要な繰り返し数、水素圧等は合金組成によって異な
る。
【0008】なお、本発明の水素貯蔵合金では、JIS
規格による有効水素吸蔵量の測定は、すなわち(50℃
での吸蔵平衡圧:11気圧時の水素吸蔵量)−(−5℃
での放出平衡圧:1気圧時の水素吸蔵量)の条件により
測定された(図4参照)。
【0009】つぎに、本発明の水素貯蔵合金において、
これを構成するTi−Mn系合金の組成を上記の通りに
限定した理由を説明する。 (a) TiおよびZr 有効水素吸蔵量を増大させるには、Tiの一部をZrで
置換する必要があるが、その置換割合が、合金全体(1
00%)に占める割合で(以下、同じ)、0.5未満ま
たはTiの含有割合が30%を越えて多くなった場合で
は、圧力組成等温線における低温側曲線および高温側曲
線のプラト−圧が高くなり過ぎて、所望の有効水素吸蔵
量の増大が計れず、一方その置換割合が10%を越える
か、またはTiの含有割合が19%未満となった場合は
逆に圧力組成等温線における低温側曲線および高温側曲
線のプラト−圧が著しく低下し、所望の大きな有効水素
吸蔵量を確保することが出来ないことから、その含有割
合を、それぞれTi:19〜30%、Zr:0.5〜1
0%と定め、望ましくは、それぞれTi:23〜29
%、Zr:1〜5%とした。
【0010】(b) Mn、Cr、V、およびNi さらに、有効水素吸蔵量の増大には、上記の通りTiの
Zrによる一部置換に加えて 、MnのCr、Vおよび
Niによる一部置換が不可欠であり、更に言い換えれ
ば、Tiの所定量のZrによる一部置換が行なわれない
場合や、置換元素であるCr、VおよびNiのうちの少
なくともいずれかの元素が含有しない場合は勿論のこ
と、Mnのそれぞれ所定量のCr、VおよびNiによる
一部置換が行われない場合には、所望の大きな有効水素
吸蔵量を確保することが出来ないものであり、その理由
は、Mn:30%、Cr:4%、V:7%およびNi:
2%未満であったり、またMn:44%、Cr:13
%、V:17%およびNi:9%をそれぞれ越えると、
圧力組成等温線におけるプラト−の傾きやヒステリシス
が大きくなることになり、したがって、その含有割合
を、それぞれMn:30〜44%、Cr:4〜13%、
V:7〜17%およびNi:2〜9%と定め、望ましく
は、それぞれMn:33〜40%、Cr:7〜11、
V:9〜15%およびNi:3〜7%とした。
【0011】(c) La(Ce) これらの成分は、上記の通り雰囲気中の水素を主体相よ
り一段と速い速度で解離吸収し、かつ再結合させて雰囲
気中に放出する作用を有するLa(Ce)−Ni系合金
相を形成するのに不可欠な成分であり、したがってその
割合が0.1%未満では、前記La(Ce)−Ni系合
金相の生成割合が少なすぎて、これのもつ上記作用を十
分に発揮させることが出来ず、一方その割合が3.5%
を越えると、水素吸蔵能の小さい前記La(Ce)−N
i系合金相の割合が多くなりすぎ、合金全体の水素吸蔵
量が低下するようになることから、その割合を0.1〜
3.5%、望ましくは1〜3.0%と定めた。
【0012】(g) 酸素 酸素は、主に水素化酸化処理生成物相を構成するLa
(Ce)−Ni系合金と共に、雰囲気中の水素分子(H
2 )を素地相より速い速度で水素原子(H)に解離して
吸収し、吸収した水素原子を素地相中に拡散させ、一方
水素放出にあたっては素地相からの拡散水素原子をいち
速く水素分子に再結合させる作用を有するLa(Ce)
酸化物の形成に不可欠な成分であるが、その割合が1%
未満では、La(Ce)酸化物の形成が少なすぎて上記
の作用効果を十分に発揮させることができず、また亀裂
の形成も不十分となり、一方その割合が10%を越える
と、相対的にLa(Ce)酸化物の割合が多くなりすぎ
て強度が低下し、微粉化傾向が促進されるようになるこ
とから、その割合を、1〜10%、望ましくは1.5〜
7%と定めた。
【0013】なお、この発明の水素貯蔵合金は、通常の
機械的粉砕により所定粒度の粉末とすることができるほ
か、加圧水素雰囲気中、10〜200℃の範囲内の所定
温度に加熱の水素吸収と、真空排気による水素放出の水
素化粉砕によっても粉末とすることができ、この結果の
粉末は、いずれも図2に代表組織を例示する概略組織拡
大模写図で示される通りの組織をもつものとなる。
【0014】
【実施例】つぎに、本発明の水素貯蔵合金を実施例によ
り、具体的に説明する。通常の高周波誘導溶解炉にて、
原料としてそれぞれ99.9%以上の純度をもったN
i,Zr,Ti,Mn,V,La、およびCe、さらに
ミッシュメタルを用い、Ar雰囲気中で溶解して、それ
ぞれ表1に示される組成をもった合金溶湯を調製し、水
冷銅鋳型に鋳造してインゴットとし、このインゴット
に、真空雰囲気中、表2に示される所定温度に20時間
保持の条件で均質化熱処理を施し、ついで表2に示され
る所定の圧力の水素雰囲気中、まず室温で1時間保持し
た後、昇温を開始して同じく表2に示される所定温度に
加熱し、この温度に1時間保持してから、Arガスによ
る強制空冷を行なう条件で水素化処理を施し、さらに大
気中、450に1時間保持の条件で酸化処理を施すこと
により本発明水素貯蔵合金1〜16(以下、本発明合金
1〜16という)をそれぞれ製造した。また、比較の目
的で、合金溶湯の組成を表1に示される通りとし、かつ
均質化熱処理後の水素化処理および酸化処理を行なわな
い以外は同一の条件で従来水素貯蔵合金(以下、従来合
金という)を製造した。この結果得られた水素貯蔵合金
について、その組織を走査型電子顕微鏡で観察したとこ
ろ、本発明合金1〜16は、いずれも図1に示される通
り無数の亀裂が存在し、この亀裂の内面には、La(C
e)−Ni系合金とLa(Ce)酸化物で構成された水
素化酸化処理生成物相が露出し、この水素化酸化処理生
成物がTi−Mn系合金の素地相中に分散分布した組織
を示し、従来合金は、図3に示される通りTi−Mn系
合金の素地相からなる組織を示した。
【0015】
【表1】
【0016】
【表2】
【0017】つぎに、上記の本発明合金1〜16よび従
来合金について、それぞれ水素吸収速度と水素放出速度
をJIS・H7202の「水素吸蔵合金の水素化速度試
験測定法」にもとづいて測定した。なお、測定に先だっ
て、本発明合金1〜16および従来合金を、圧力容器に
封入し、水素雰囲気圧力:8気圧、加熱温度:200
℃、保持時間:1時間の条件での水素吸収と、真空排気
による水素放出からなる水素化粉砕を行なって200m
esh以下の粒度をもった粉末とし、この粉末を用いて
以下に示す条件で測定を行なった。
【0018】まず、水素吸収速度については、図5に概
略説明図で示される通り、(a) 粉末を浴(油または
水)に浸漬した容器内に封入し、前記浴の温度を200
℃に保持した状態で、弁Vb:閉、弁VaおよびVc:
開として水素ボンベから加圧水素を系内に導入し、系内
を30気圧とした時点で弁Va:閉とし、系内の圧力が
一定圧力に降下する(粉末による水素吸収完了)まで放
置して粉末の初期活性化を行ない、(b) 系内の圧力
が一定圧力(約20気圧程度)に降下した時点で弁V
b:開とし、真空ポンプで系内を10-2トルの真空雰囲
気とした後、浴温を20℃とし、弁VbおよびVc:
閉、弁Va:開にして容器を除く系内に水素を導入し、
その圧力が30気圧となった時点で弁Va:閉、弁V
c:開とし、この状態で系内の時間に対する圧力降下を
測定し、この結果の圧力降下曲線から粉末の水素吸蔵量
が80%になった時点の水素吸蔵量とそれまでに要した
時間を求め、(80%吸蔵時の水素吸蔵量)÷(80%
水素吸蔵に要した時間)を算出し、この値を水素吸収速
度とした。また、水素放出速度については、上記の水素
吸収速度測定後の状態、すなわち弁VaおよびVb:
閉、弁Vc:開であって系内の圧力が一定圧(通常20
気圧前後)となった状態で、浴温を100〜300℃の
範囲内の粉末の水素放出適正温度、例えば120℃とし
た後、弁Vb:開、弁Vc:閉として容器を除く系内を
10-2トルに排気し、ついで弁Vb:閉、弁Vc:開と
した状態で、系内の時間に対する圧力上昇を測定し、こ
の結果の圧力上昇曲線から粉末の水素放出量が80%に
なった時点の水素放出量とそれまでに要した時間を求
め、(80%放出時の水素放出量)÷(80%水素放出
に要した時間)を算出し、この値を水素放出速度とし
た。これらの結果を表3に示した。
【0019】
【表3】
【0020】さらに、上記本発明合金1〜16および従
来合金について、初期活性化を評価する目的で、以下に
詳述する通り、これを粉末にして電池に活物質として組
み込み、前記電池が最大放電容量を示すに至るまで、こ
れに充放電を繰り返し施し、前記最大放電容量の95%
±1%に相当する放電容量を示すまでの充放電回数を測
定した。すなわち、まず、従来合金について、ジョーク
ラッシャを用いて粗粉砕して直径:2mm以下の粗粒と
し、引続いて上記本発明合金1〜161および前記粗粉
砕した従来合金を、ボールミルを用いて微粉砕して20
0メッシュ以下の粒度とし、これに結着剤としてのポリ
テトラフルオロエチレン(PTFE)と増粘剤としての
カルボキシルメチルセルロース(CMC)を加えてペー
スト状とした後、95%の気孔率を有する市販の多孔質
Ni焼結板に充填し、乾燥し、加圧して、平面寸法:3
0mm×40mm、厚さ:0.40〜0.43mmの形状(前
記活物質粉末充填量:約1.8g)とし、これの一辺に
リードとなるNi薄板を溶接により取り付けて負極を形
成し、一方正極は、活物質として重量比で84:16の
割合に配合したNi(OH)2 とCoOを用い、これに
結着剤としてのポリテトラフルオロエチレン(PTF
E)と増粘剤としてのカルボキシルメチルセルロース
(CMC)を加えてペースト状とし、これを上記多孔質
Ni焼結板に充填し、乾燥し、加圧して、平面寸法:3
0mm×40mm、厚さ:0.71〜0.73mmの形状と
し、同じくこれの一辺にNi薄板を取り付けることによ
り形成し、ついで、上記負極の両側に、それぞれポリプ
ロピレンポリエチレン共重合体のセパレータ板を介して
上記正極を配置し、さらに前記正極のそれぞれの外面か
ら活物質の脱落を防止する目的で塩化ビニール製の保護
板ではさんで一体化し、これを塩化ビニール製のセルに
装入し、前記セルに電解液として30%KOH水溶液を
装入することにより電池を製造した。ついで、上記電池
に、充電速度:0.15C、放電速度:0.15C、充
電電気量:負極容量の135%の条件で充放電を行な
い、前記充電と放電を充放電1回と数え、前記電池が最
大放電容量を示すに至るまで前記充放電を繰り返し行な
った。表3に、前記最大放電容量の95%の放電容量を
示すに要した充放電回数を示し、これによって初期活性
化を評価した。
【0021】
【発明の効果】表3に示される結果から、本発明合金1
〜16においては、表面および無数の亀裂内面に露出
し、これによって全体的に広い表面積で雰囲気中に露出
した状態にある水素化酸化処理生成物相のLa(Ce)
−Ni系合金およびLa(Ce)酸化物を通して、雰囲
気中の水素が水素原子に解離されて吸収され、この吸収
水素がTi−Mn系合金の素地相に拡散して水素吸蔵が
行なわれるが、上記の通りきわめて速い水素吸収能を有
するLa(Ce)−Ni系合金およびLa(Ce)酸化物
が全体的に広い表面積で分布するので、水素吸収速度は
相対的にきわめて速いものなり、かつ初期活性化も著し
く促進されるようになり、また水素放出もこの逆の機構
によるものであるため速い速度での水素放出が行なわれ
るのに対して、従来合金においては、水素吸蔵は、水素
化処理による積極的亀裂形成が行なわれない分だけ相対
的に小さく、この結果水素吸収および放出速度は遅くな
らざるを得ず、かつ初期活性化も遅いものとなることが
明らかである。上述のように、この発明の水素貯蔵合金
においては、水素吸収および放出速度がきわめて速く、
かつ実用に際してはすぐれた初期活性化を示すので、水
素貯蔵合金が適用されている各種機械装置の高出力化お
よび高性能化、さらに省エネ化に大いに寄与するもので
ある。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の水素貯蔵合金の代表組織を例示する
概略組織拡大模写図である。
【図2】 本発明の水素貯蔵合金粉砕粉末の代表組織を
例示する概略組織拡大模写図である。
【図3】 従来水素貯蔵合金の代表組織を例示する概略
組織拡大模写図である。
【図4】 本発明の水素貯蔵合金の圧力組成等温線を示
す図である。
【図5】 水素貯蔵合金の水素吸収放出速度を測定する
のに用いた装置の概略説明図である。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 原子%で、 Ti:19〜30%、 Zr:0.5〜10%、 Mn:30〜44%、 Cr:4〜13%、 V:7〜17%、 Ni:2〜9%、 Laおよび/またはCe:0.1〜3.5%、 酸素:1〜10% 不可避不純物:残、なる組成を有し、 かつTi−Mn系合金の素地相に水素化酸化処理生成物
    相が分散分布し、前記水素化酸化処理生成物相の主体
    が、Laおよび/またはCeの酸化物と、Laおよび/
    またはCe−Ni系合金で構成された組織を有し、さら
    に水素化処理時に発生した無数の亀裂が存在すると共
    に、前記亀裂内面には前記水素化酸化処理生成物相が露
    出した構造を有することを特徴とする水素貯蔵合金。
JP9003356A 1997-01-10 1997-01-10 初期活性の良好な水素貯蔵合金 Withdrawn JPH10195574A (ja)

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