磁化サイクルを繰り返しても歪まない磁気冷凍材料を開発

- 安定に繰り返し使用可能な水素液化システム構築へ -

国立研究開発法人物質・材料研究機構 (NIMS)
国立研究開発法人科学技術振興機構
国立大学法人東北大学
公益財団法人高輝度光科学研究センター

NIMSは東北大学、高輝度光科学研究センターと共同で、水素の液化に必要な全温度範囲 (77~20 K[ケルビン]) に対応する新たな高効率磁気冷凍用材料として、Er(Ho)Co2系化合物を基本とした一連の合金を開発しました。

概要

  1. 物質・材料研究機構 (NIMS) は東北大学、高輝度光科学研究センター (JASRI) と共同で、水素の液化に必要な全温度範囲 (77~20 K[ケルビン]) に対応する新たな高効率磁気冷凍用材料として、Er(Ho)Co2系化合物を基本とした一連の合金を開発しました。これらの合金を組み合わせた磁気冷凍システムを用いることで、グリーン燃料社会実現のキーテクノロジーの1つである高効率な水素液化が可能となると期待されます。
  2. 水素は脱炭素社会の実現に向けて重要な役割を担っています。大量の水素の貯蔵や輸送には、気体状態よりも液体状態の方が、安全面も含め圧倒的に有利です。水素の普及のためには、液体水素の製造コストを大幅に下げる技術開発が求められています。磁気冷凍技術は、外部磁場に従って整列した原子磁石の向きが、磁場が消失してバラバラになる際に生じる磁気エントロピーの増加分を周囲 (冷媒ガス) からの熱で補う吸熱現象を利用し、水素を間接的に冷却・液化する技術です。従来の気体冷凍技術に比べ大幅に省エネルギーになり、水素液化効率を約25% (気体冷凍)から50%以上に向上させることが原理的に可能で、装置のコンパクト化につながり、大きなコストを占めている大型のコンプレッサーを使用しないため、製造コストを大幅に下げる効果が期待されています。しかし、液体窒素温度から水素の液化に必要とされる広い動作温度範囲 (77~20 K) をカバーすることができる、冷却能力が高くかつ磁場・温度の昇降に対しても材料劣化(内部応力の蓄積による破壊) が起こらない適当な材料がありませんでした。
  3. 本研究では、水素液化温度(20 K)から窒素液化温度(77 K)で、冷凍能力が非常に大きい磁性体であるEr(Ho)Co2系化合物に微量の3d遷移金属を添加することで、磁場印加・温度昇降の繰り返しに伴う構造変化による体積膨張を抑え材料を劣化させないことを発見しました。さらに添加元素の種類と量を調整するだけで、大きな冷凍能力を保持したままで水素液化に必要な全温度範囲 (77~20 K) をカバーできる類似の組成・結晶構造をもった一連の材料群を開発しました。
  4. 本研究は、NIMSのX. Tang ICYSフェロー、H. Sepehri-Amin主幹研究員、東北大学の中村哲也教授、JASRIの小谷佳範主幹研究員らのグループによって行われました。また本研究は 、国立研究開発法人科学技術振興機構 (JST) 未来社会創造事業 大規模プロジェクト型「未来社会に必要な革新的水素液化技術」研究開発課題名 (磁気冷凍技術による革新的水素液化システムの開発、(研究開発代表者 : 西宮伸幸NIMS招聘研究員)) の一環として行われました。本研究成果は、Nature Communications誌にて2022年4月1日 (日本時間) にオンライン掲載されました。

「プレスリリース中の図 : 水素の液化に必要な全温度範囲 (77~20 K) において、大きな冷却効果を示す、Er(Ho)Co2系化合物を基本とした一連の材料を開発しました。」の画像

プレスリリース中の図 : 水素の液化に必要な全温度範囲 (77~20 K) において、大きな冷却効果を示す、Er(Ho)Co2系化合物を基本とした一連の材料を開発しました。



掲載論文

題目 : Magnetic refrigeration material operating at a full temperature range required for hydrogen liquefaction
著者 : X. Tang, H. Sepehri-Amin, N. Terada, A. Martin-Cid, I. Kurniawan, S. Kobayashi, Y. Kotani, H. Takeya, J. Lai, Y. Matsushita, T. Ohkubo, Y. Miura, T. Nakamura, K. Hono
雑誌 : Nature Communications (2022)
掲載日時 : 2022年4月1日 (日本時間)
DOI : 10.1038/s41467-022-29340-2


お問い合わせ先

(研究内容に関すること)

国立研究開発法人物質・材料研究機構
磁性・スピントロニクス材料研究拠点
H. Sepehri-Amin
E-Mail: H.SEPEHRIAMIN=nims.go.jp
([ = ] を [ @ ] にしてください)
大久保 忠勝 (おおくぼ ただかつ)
TEL: 029-859-2716
E-Mail: OHKUBO.Tadakatsu=nims.go.jp
([ = ] を [ @ ] にしてください)
液体水素材料研究センター
竹屋 浩幸 (たけや ひろゆき)
E-Mail: TAKEYA.Hiroyuki=nims.go.jp
([ = ] を [ @ ] にしてください)

(報道・広報に関すること)

国立研究開発法人 物質・材料研究機構
経営企画部門 広報室
〒305-0047 茨城県つくば市千現1-2-1
TEL: 029-859-2026
FAX: 029-859-2017
E-Mail: pressrelease=ml.nims.go.jp
([ = ] を [ @ ] にしてください)
国立研究開発法人科学技術振興機構
広報課
〒102-8666 東京都千代田区四番町5番地3
TEL : 03-5214-8404
FAX: 03-5214-8432
E-Mail: jstkoho=jst.go.jp
([ = ] を [ @ ] にしてください)
国立大学法人東北大学国際放射光イノベーション・スマート研究センター
TEL : 022-217-5204
FAX : 022-217-5211
E-Mail: sris=grp.tohoku.ac.jp
([ = ] を [ @ ] にしてください)

(SPring-8/SACLAに関すること)

公益財団法人高輝度光科学研究センター
利用推進部 普及情報課
〒679-5198 兵庫県佐用郡佐用町光都1-1-1
TEL : 0791-58-2785
FAX : 0791-58-2786
E-Mail: kouhou=spring8.or.jp
([ = ] を [ @ ] にしてください)

(JST事業に関すること)

国立研究開発法人科学技術振興機構
未来創造研究開発推進部 低炭素研究推進グループ
加藤 真一 (かとう しんいち)
〒102-0076 東京都千代田区五番町7 K’s五番町
TEL : 03-3512-3543
FAX : 03-3512-3533
E-Mail: alca=jst.go.jp
([ = ] を [ @ ] にしてください)

似たキーワードを含む プレスリリース

2022.04.11
革新的水素液化技術への挑戦 (磁気冷凍,磁気,冷凍,水素液化,水素,JST)
2020.05.12
2021.04.13