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。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。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。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。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(図)。らのグループによって行われました。(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。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。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。おいて、二酸化炭素を排出しない太陽光発電や風力発電などの再生可能エネルギーが注目されています。それらは日中に限られたり、気象条件に大きく左右されたりするなど電力を安定的に供給できないことが大きな課題となっており、再生エネルギーで生み出されたエネルギーを時間的に平準化することが強く求められています。そこで、二酸化炭素を排出せず、長期間安定に貯蔵できる物質に変換することが検討されています。その中でも水素は燃料電池や水素発電でも二酸化炭素を排出しない究極のグリーン燃料です。その場合、大量の水素を貯蔵し、輸送するには、気体状態よりも液体状態で行う方が圧倒的に有利です。今後、液体水素をより社会に普及させるためには、さらなるコストダウンが求められています。現在では、気体の圧縮(発熱)、膨張(吸熱)を繰り返す気体冷凍技術により徐々に水素の温度を下げ液化しています。他方、図1のように磁性体に外部磁場を掛けて整列させた原子磁石が、磁場を消失させた際に向きがバラバラになるために生じる磁気エントロピー(1)の増加分を、周囲(冷媒ガス)からの吸熱で補う現象(磁気熱量効果(2))を利用する方法が磁気冷凍です。磁気冷凍システムの実証機製作までの開発を進めています。Kまで温度を下げます。Kまでの温度範囲を冷却動作温度が異なる複数の磁気冷凍材料が必要になりますが、磁化と消磁の繰り返しに伴う劣化の少ない材料が求められます。Kの温度領域で動作する磁性体として有望視されてきました。これらの材料は磁気相転移(図1に模式的に示す)における磁化変化が急峻でそれと同時に起こる構造変化のために内部結晶に大きな体積変化が起こり、冷却サイクルを繰り返すことで材料の劣化が進行することから、長期間安定運転が求められる磁気冷凍システムに組み込むことは困難でした。(Ho1-xErx)Co2系化合物のコバルトを同じ3d遷移金属(3)である鉄やニッケルなどでわずかに置換しました。これらの元素は、原子配列の最外殻に同じ価電子構造を持ち、原子半径も近いので置換し易く、他方、ErCo2の磁気秩序にわずかな量でも影響を与えることが知られています。Kの間で調整でき、急峻な磁気相転移を緩やかにし、急峻な磁気相転移で引き起こされる体積膨張が起こらないことが実証されました。その例としてErCo2とErCo1.95Fe0.05合金の磁気相転移と体積変化について、極低温X線回折(XRD)および放射光(大型放射光施設SPring-8)(4)のBL25SUを利用した分光測定によって転移温度付近の磁気相転移と結晶体積変化を詳しく解析したところ、ErCo1.95Fe0.05合金ではErCo2で見られたような磁気相転移での大きな体積変化が見られず、ほぼゼロであるため冷却サイクルにおいて材料の劣化を防ぐことが期待できます。ErCo2系合金の磁気相転移の変化。[テスラ]の磁場で温度に対してプロットした。ErCo2系でコバルトを鉄やニッケルで置換した系で実施した。左図のErCo2(黒)とErCo1.97Fe0.03(青)は急峻な磁化変化を示していることから、急な磁気相転移と構造相転移が発生している。調整により構造相転移せず、材料の劣化を解消しつつ、磁気相転移温度をErCo2(黒)より高温(図a)や低温(図b)に調整できることを示している。(AMR)システム(5)の模式図です。Kの範囲でそれぞれ大きな冷却効果を発現する球状の磁気冷凍材料を、複数組み合わせて搭載することが必要です。K)での動作に適していることが確認されました。開発された材料群は、大きな磁気エントロピー変化を示しかつ体積膨張を引き起こす磁気歪みがほとんどないため、磁気冷凍システムの高効率長時間動作を実現できると期待されます。用いた水素の液化応用に3d元素置換Er(Ho)Co2系合金群が非常に有望であることを示しました。μm程度を持つ試料を大量に用意し、温度勾配に対し多段に配置し、低温側から高温側に熱を移動させ、排熱する必要があります。本課題の磁気冷凍システム開発を担当するグループと協力して、球状試料作製を試みており、冷凍装置で十分作動するレベルを達成しています。2024年度までには本材料群を組み込んだ実証機を完成させる計画です。応用が期待されており、これら冷凍機に大量で安価に実装できる磁気冷凍材料の作製技術開発を継続します。磁性体の各原子がもつ磁石(原子磁石)の向きが全体としてどれだけ乱れる/そろっているかを示す量。磁場をかけると各原子がもつ磁石(原子磁石)の向きが一様に揃い、磁気エントロピーが減少しますが、このエントロピー変化に相当するエネルギー分を放熱します(発熱反応)。次に磁場を取り除くと磁力の向きが不規則になり逆に熱を吸収します(吸熱反応)。これらの現象を磁気熱量効果といい、等温変化における磁気エントロピー変化(ΔSm)が大きい磁性体ほど、冷却効果が大きくなります。第4周期で第3族元素(Sc)から第11族元素(Cu)の間に存在する元素の総称で、4sを価電子とし内殻の3d軌道に安定な不対電子を持つことが可能なため多くは常磁性を示す金属元素。(4)大型放射光施設SPring-8理化学研究所が所有する兵庫県の播磨科学公園都市にある世界最高性能の放射光を生み出す大型放射光施設で、利用者支援等はJASRIが行っています。SPring-8では、放射光を用いてナノテクノロジー、バイオテクノロジーや産業利用まで幅広い研究が行われています。(5)能動型磁気冷凍(AMR)磁場の印加および消磁の変化によって引き起こされる磁性体の磁気熱量効果と、蓄冷器の役目を兼ねた磁気冷凍材料を利用した高効率冷凍サイクル方式。