JP2016069393A - 蓄熱材料、触媒ユニット、及び蓄熱システム - Google Patents

Abstract

【課題】熱交換効率が高い蓄熱材料、触媒ユニット、及び蓄熱システムの提供。【解決手段】強相関電子系材料を含み、多孔質形状を有する蓄熱材料５。前記強相関電子系材料は、金属−絶縁体相転移するものであり、遷移金属酸化物である蓄熱材料５。前記多孔質形状を構成する細孔６は、連通細孔、又は閉細孔である蓄熱材料５。上述した蓄熱材料５を含む触媒担体と、前記触媒担体に担持された触媒と、を含む触媒ユニット。熱輸送媒体の流路と、前記流路を流れる熱輸送媒体と熱交換を行う上述した蓄熱材料と、前記蓄熱材料に蒸気を供給する蒸気供給ユニットと、を備えることを特徴とする蓄熱システム。【選択図】図１

Description

本発明は、蓄熱材料、触媒ユニット、及び蓄熱システムに関する。

従来、電子相転移する物質から成る蓄熱材料が知られている（特許文献１参照）。この蓄熱材料は、電子相転移にともなうエンタルピー変化を蓄熱に利用する。

特開２０１０−１６３５１０号公報

特許文献１記載の蓄熱材料は、熱輸送媒体との間で熱交換をするときの熱交換効率が低かった。本発明はこうした問題にかんがみてなされたものであり、熱交換効率が高い蓄熱材料、触媒ユニット、及び蓄熱システムを提供することを目的としている。

本発明の蓄熱材料は、強相関電子系材料を含み、多孔質形状を有する。本発明の蓄熱材料は、多孔質形状を有することにより、熱輸送媒体との接触面積を大きくすることができ、熱交換効率を高くすることができる。

蓄熱材料５の構成を表す説明図である。 触媒担体１７の形態を表す説明図である。 触媒ユニットが奏する作用を表す説明図である。 触媒システム１９を含むシステム全体の構成を表す説明図である。 バルブ３１が開の状態にある触媒システム１９の構成を表す説明図である。 バルブ３１が閉の状態にある触媒システム１９の構成を表す説明図である。

本発明の実施形態を説明する。
１．蓄熱材料
（１−１）強相関電子系材料
本発明の蓄熱材料は、強相関電子系材料を含む。強相関電子系材料は、電子間の強いクーロン反発力により、電子が持つスピン・軌道・電荷の自由度のうち少なくとも一つ以上が顕在化した系である。顕在化したスピン・軌道・電荷の自由度は、それぞれ、秩序−無秩序相転移によって状態数の変化に伴う大きなエントロピー変化を示す（顕在化したスピン・軌道・電荷の自由度の相転移は、電子相転移と呼ばれる）。

強相関電子系材料としては、例えば、金属−絶縁体相転移するものが挙げられる。また、強相関電子系材料としては、例えば、遷移金属酸化物が挙げられる。
強相関電子系材料の具体例としては、例えば、Ｖ_{（１−Ｘ）}Ｗ_ＸＯ_２（０≦Ｘ≦０．０６５０）、Ｖ_{（１−Ｘ）}Ｔａ_ＸＯ_２（０≦Ｘ≦０．１１７）、Ｖ_{（１−Ｘ）}Ｎｂ_ＸＯ_２（０≦Ｘ≦０．１１５）、Ｖ_{（１−Ｘ）}Ｒｕ_ＸＯ_２（０≦Ｘ≦０．１５０）、Ｖ_{（１−Ｘ）}Ｍｏ_ＸＯ_２（０≦Ｘ≦０．１６１）、Ｖ_{（１−Ｘ）}Ｒｅ_ＸＯ_２（０≦Ｘ≦０．０９６４）、ＬｉＭｎ_２Ｏ_４、ＬｉＶＳ_２、ＬｉＶＯ_２、ＮａＮｉＯ_２、ＬｉＲｈ_２Ｏ_４、Ｖ_２Ｏ_３、Ｖ_４Ｏ_７、Ｖ_６Ｏ_１１、Ｔｉ_４Ｏ_７、ＳｍＢａＦｅ_２Ｏ_５、ＥｕＢａＦｅ_２Ｏ_５、ＧｄＢａＦｅ_２Ｏ_５、ＴｂＢａＦｅ_２Ｏ_５、ＤｙＢａＦｅ_２Ｏ_５、ＨｏＢａＦｅ_２Ｏ_５、ＹＢａＦｅ_２Ｏ_５、ＰｒＢａＣｏ_２Ｏ_５．５、ＤｙＢａＣｏ_２Ｏ_５．５４、ＨｏＢａＣｏ_２Ｏ_５．４８、ＹＢａＣｏ_２Ｏ_５．４９等が挙げられる。これらはいずれも、金属−絶縁体相転移するものであり、遷移金属酸化物である。

（１−２）多孔質形状
本発明の蓄熱材料は、多孔質形状を有する。多孔質形状は、例えば、図１に示すように、蓄熱材料５の内部に多数の細孔６が存在する形状である。多孔質形状は、ミクロポーラス、メソポーラス、及びマクロポーラスのいずれであってもよい。細孔は連通気孔であってもよいし、閉気孔であってもよい。

多孔質形状を構成する細孔の細孔径は０．１ｎｍ以上であることが好ましい。この範囲内であることにより、蒸気の分子を吸着させ、蒸発潜熱を蓄熱する効果が一層顕著になる。なお、細孔径は、蓄熱材料の多孔質形状を撮影したＳＥＭ写真又はＴＥＭ写真において計測した細孔径から算出することができる。

蓄熱材料において細孔が占める体積の割合は、０ｖｏｌ％より大きく、８０ｖｏｌ％以下であることが好ましい。この範囲内であることにより、蓄熱量と強度とが一層向上する。

蓄熱材料は、その全体にわたって多孔質形状を有していてもよいし、一部において多孔質形状を有していてもよい。多孔質形状を有する部分において、細孔の大きさ、細孔の数密度等は均一であってもよいし、場所により変化してもよい。

（１−３）蓄熱材料の効果
強相関電子系材料は単位体積当りの蓄熱量が大きい。本発明の蓄熱材料は、その強相関電子系材料を含むため、単位体積当りの蓄熱量が大きい。

さらに、本発明の蓄熱材料は、多孔質形状を有し、蒸気の分子を、多孔質形状を構成する細孔に吸着させることができる。このとき、蒸発潜熱が発生し、本発明の蓄熱材料は、その蒸発潜熱も蓄熱することができる。よって、本発明の蓄熱材料は、蒸気を含む環境下で蓄熱するとき、一層多くの熱を蓄熱することができる。

また、本発明の蓄熱材料は、細孔に吸着していた蒸気の分子を脱離させることができる。このとき、蓄熱材料から蒸発潜熱が奪われ、蓄熱材料は冷却される。
また、本発明の蓄熱材料は多孔質形状を有するので、比表面積が大きい。そのため、本発明の蓄熱材料は熱交換効率が高い。

２．触媒ユニット
（２−１）触媒担体
本発明の触媒ユニットは、上述した蓄熱材料を含む触媒担体を有する。触媒担体は、蓄熱材料から成るものであってもよいし、さらにそれ以外の材料を含んでいてもよい。触媒担体の形状は、従来の触媒ユニットに用いられていた形状の中から適宜選択することができ、例えば、図２に示すハニカム形状の触媒担体１７とすることができる。

（２−２）触媒
本発明の触媒ユニットは、上述した触媒担体に担持された触媒を含む。触媒の種類は特に限定されず、公知の触媒（例えば、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ等）から適宜選択できる。触媒は、例えば、ウオッシュコート法等の方法で、触媒担体の表面に担持することができる。

（２−３）触媒ユニットの効果
本発明の触媒ユニットは、蓄熱材料を含む触媒担体を有するので、温度変化が緩和される。そのため、触媒反応を安定して行うことができる。

また、蓄熱材料は多孔質形状を有するので、上述したとおり、蒸発潜熱を蓄熱することができる。そのため、蓄熱材料を含む触媒担体、及びそれに担持された触媒の温度が一層高くなり、結果として、触媒ユニットにおける触媒反応が一層促進される。

（２−４）触媒ユニットの用途
本発明の触媒ユニットは、種々の用途に用いることができ、例えば、内燃機関（例えばガソリンエンジン、ディーゼルエンジン等）の排ガスを浄化する用途に用いることができる。排ガスを浄化する用途に用いる場合、例えば、図３に示すように、触媒担体１７に担持した触媒により、排ガス中のＣＯ、ＣＨ、ＮＯｘ等を浄化することができる。また、排ガスを浄化する用途に用いる場合、排ガスに含まれる蒸気の分子が、蓄熱材料の多孔質形状を構成する細孔に吸着される。その結果、触媒担体、及びそれに担持された触媒の温度が一層高くなり、排ガスを浄化する触媒反応が一層促進される。

３．蓄熱システム
（３−１）熱輸送媒体の流路
本発明の蓄熱システムは、熱輸送媒体の流路を備える。流路としては、例えば、中空配管等が挙げられる。熱輸送媒体としては、例えば、エネルギー変換器が排出する排ガス、又はエネルギー変換器の冷却に用いられる冷却媒体等が挙げられる。エネルギー変換機としては、例えば、内燃機関、燃料電池等が挙げられる。冷却媒体は、液体（例えば、水、アルコール、油、有機溶媒等）であってもよいし、気体（例えば空気、窒素ガス、希ガス等）であってもよい。

（３−２）蓄熱材料
本発明の蓄熱システムは、流路を流れる熱輸送媒体と熱交換を行う蓄熱材料を備える。蓄熱材料は、上述したものである。蓄熱材料は、例えば、流路の外周面の少なくとも一部と接触させることができる。また、蓄熱材料は、他の部材（例えば、熱伝導率が蓄熱材料より高い材料から成る部材）を介して、熱輸送媒体と熱交換を行ってもよい。熱交換は、熱輸送媒体の熱を蓄熱材料に蓄えるものであってもよいし、蓄熱材料に蓄えていた熱を熱輸送媒体に放出するものであってもよい。

（３−３）蒸気供給ユニット
本発明の蓄熱システムは、蓄熱材料に蒸気を供給する蒸気供給ユニットを備える。蒸気供給ユニットにより蓄熱材料に蒸気を供給し、蒸気の分子が、蓄熱材料が有する多孔質形状を構成する細孔に吸着すると、蒸発潜熱が発生する。そのため、本発明の蓄熱システムは、蓄熱材料に蒸発潜熱を蓄熱することができる。また、本発明の蓄熱システムは、蓄熱材料に蓄熱した蒸発潜熱を熱輸送媒体に放出することができる。

（３−４）蓄熱システムの効果
本発明の蓄熱システムが備える蓄熱材料は、多孔質形状を有する。そのため、本発明の蓄熱システムは、熱輸送媒体の熱を一層多く蓄積し、また、一層多くの熱を熱輸送媒体に放出することができる。

また、本発明の蓄熱システムは、蓄熱材料に蒸気を供給する蒸気供給ユニットを備える。本発明の蓄熱システムは、上述したとおり、蒸気供給ユニットにより、蓄熱材料に蒸発潜熱を蓄熱することができる。そのため、本発明の蓄熱システムは、一層多くの熱を熱輸送媒体に放出することができる。
（実施例１）
V₂O₅とシュウ酸とをオートクレーブに所定量入れ、水熱合成した。その結果、多孔質形状を有する蓄熱材料を製造することができた。この蓄熱材料は、強相関電子系材料として、VO₂を含む。
（実施例２）
セルロースにVO₂を担持させ、加熱した。このとき、セルロースが鋳型として機能する。上記の製法によって、VO₂から成り、多孔質形状を有する蓄熱材料を製造することができた。
（実施例３）
（ａ）蓄熱システム１９の構成
蓄熱システム１９の構成を図４〜図６に基づき説明する。図４に示すように、エネルギー変換器２１が排出した排ガス１０１は蓄熱システム１９内を通過する。なお、エネルギー変換器２１は、内燃機関又は燃料電池である。また、排ガス１０１は熱輸送媒体の一例である。

蓄熱システム１９内を通過する排ガス１０１の温度が高ければ、蓄熱システム１９は排ガス１０１の熱を蓄熱する。また、排ガス１０１の温度が低ければ、蓄熱システム１９は、それまで蓄熱していた熱を排ガス１０１に放出し、排ガス１０１の温度を上げる。

排ガス１０１の温度が上がると、エネルギー変換器２１の暖気を迅速に行うことができる。また、排ガス１０１の温度が上がると、排ガス１０１を浄化する触媒反応を促進することができる。

図５、図６に示すように、蓄熱システム１９は、中空の容器２３と、その内部に収容された蓄熱材料２５及び水２７を備える。容器２３は、その中央に細くくびれた通路２９を備える。通路２９には開閉自在のバルブ３１が設けられている。バルブ３１は、図５に示すように、通路２９を開放する状態と、図６に示すように、通路２９を閉じる状態とのうちのいずれの状態も実現できる。バルブ３１はユーザが手動で操作するものであってもよいし、蓄熱システム１９が備える制御部、又は外部からの指令に応じて自動的に動作するものであってもよい。

蓄熱材料２５は、容器２３の内部のうち、通路２９よりも上方に存在する。蓄熱材料２５は、メッシュ状の支持板３３により、下方に落下しないように支持されている。蓄熱材料２５は、前記実施例１で製造したものである。また、蓄熱材料２５は、前記実施例２で製造したものであってもよい。水２７は、容器２３の内部のうち、通路２９よりも下側に存在する。

容器２３の上方には、容器２３を横方向に貫通する媒体流路３５が設けられている。媒体流路３５と、容器２３の内部とは、容器２３の外壁３７により隔てられ、連通していない。蓄熱材料２５は媒体流路３５の周囲に配置されている。媒体流路３５は、排ガス１０１の流路である。

また、容器２３の下方には、容器２３を横方向に貫通する空気流路３９が設けられている。空気流路３９と、容器２３の内部とは、容器２３の外壁３７により隔てられ、連通していない。水２７は、空気流路３９の周囲に存在する。空気流路３９は、水２７を冷却するための空気１０３の流路である。

なお、容器２３、水２７、及びバルブ３１は、蓄熱材料２５に蒸気（水蒸気）を供給する蒸気供給ユニットの一例である。
（ｂ）蓄熱システム１９が実行する処理
（ｂ−１）蓄熱処理
排ガス１０１の温度が高いとき、排ガス１０１の熱は蓄熱材料２５に蓄熱される。このとき、バルブ３１は、図５に示すように、開の状態となる。蓄熱によって蓄熱材料２５の温度が上昇すると、後述する第１の放熱処理によって蓄熱材料２５に吸着していた水蒸気は蒸発し、通路２９を通り、容器２３の下方に移動する。そして、空気１０３により冷却されている水２７に接触し、凝縮する。上記のように、蓄熱材料２５から水蒸気が除去されることで、蓄熱材料２５は再生する。

（ｂ−２）第１の放熱処理
第１の放熱処理では、図５に示すように、バルブ３１は開の状態となる。排ガス１０１の温度が低いとき、蓄熱材料２５は、それまで蓄熱していた熱を排ガス１０１に放出する。さらに、水２７から蒸発した水蒸気が、蓄熱材料２５が有する多孔質形状を構成する細孔に吸着する。このことにより、蓄熱材料２５には、蒸発潜熱が蓄熱される。蓄熱材料２５は、その蒸発潜熱も、排ガス１０１に放出する。

水２７から水蒸気が蒸発するとき、水２７から蒸発潜熱が奪われ、水２７は冷却される。そのため、空気１０３は、水２７により冷却される。
なお、蓄熱システム１９は、第１の放熱処理と、後述する第２の放熱処理とのうちの一方を選択して行うことができる。

（ｂ−３）第２の放熱処理
第２の放熱処理では、図６に示すように、バルブ３１は閉の状態となる。排ガス１０１の温度が低いとき、蓄熱材料２５は、それまで蓄熱していた熱を排ガス１０１に放出する。なお、バルブ３１は閉の状態であるので、水２７から蒸発した水蒸気が、蓄熱材料２５に吸着することはない。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されることなく、種々の形態を採り得る。
（１）前記実施例３において、蓄熱システム１９は、排ガス１０１に代えて、エネルギー変換器２１の冷却に用いられる冷却水（冷却媒体の一例）の熱を蓄熱し、蓄熱した熱を冷却水に放出してもよい。この場合、冷却水の温度を安定化し、過度に低下しないようにすることができる。そのため、エネルギー変換器２１の暖気を迅速に行うことができる。
（２）上記実施形態における１つの構成要素が有する機能を複数の構成要素として分散させたり、複数の構成要素が有する機能を１つの構成要素に統合させたりしてもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、同様の機能を有する公知の構成に置き換えてもよい。また、上記実施形態の構成の一部を省略してもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加又は置換してもよい。なお、特許請求の範囲に記載した文言のみによって特定される技術思想に含まれるあらゆる態様が本発明の実施形態である。
(３)上述した蓄熱材料の他、蓄熱方法、排ガス浄化方法、熱交換方法等、種々の形態で本発明を実現することもできる。

５…蓄熱材料、６…細孔、１７…触媒担体、１９…蓄熱システム、２１…エネルギー変換器、２３…容器、２５…蓄熱材料、２７…水、２９…通路、３１…バルブ、３３…支持板、３５…媒体流路、３７…外壁、３９…空気流路、１０１…排ガス、１０３…空気

Claims (7)

1. 強相関電子系材料を含み、多孔質形状を有する蓄熱材料（５）。
2. 請求項１に記載の蓄熱材料であって、
   前記強相関電子系材料が、金属−絶縁体相転移するものであることを特徴とする蓄熱材料。
3. 請求項１又は２に記載の蓄熱材料であって、
   前記強相関電子系材料が、遷移金属酸化物であることを特徴とする蓄熱材料。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の蓄熱材料であって、
   前記多孔質形状を構成する細孔（６）が、連通細孔、又は閉細孔であることを特徴とする蓄熱材料。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の蓄熱材料を含む触媒担体（１７）と、
   前記触媒担体に担持された触媒と、
   を含む触媒ユニット。
6. 熱輸送媒体の流路（３５）と、
   前記流路を流れる熱輸送媒体（１０１）と熱交換を行う請求項１〜４のいずれか１項に記載の蓄熱材料（２５）と、
   前記蓄熱材料に蒸気を供給する蒸気供給ユニット（２３、２７、３１）と、
   を備えることを特徴とする蓄熱システム（１９）。
7. 請求項６に記載の蓄熱システムであって、
   前記熱輸送媒体は、エネルギー変換器（２１）が排出する排ガス（１０１）、又は前記エネルギー変換器の冷却に用いられる冷却媒体であることを特徴とする蓄熱システム。