JP2018058920A - Chemical thermal storage medium for chemical heat pump, and production method - Google Patents

Chemical thermal storage medium for chemical heat pump, and production method Download PDF

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基宏 梅津
稲田 豊
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豊 稲田
石井 守
Mamoru Ishii
守 石井
浩平 小松
Kohei Komatsu
浩平 小松
今井 敏夫
Toshio Imai
敏夫 今井
裕直 小倉
Hironao Ogura
裕直 小倉
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a chemical thermal storage medium for a chemical heat pump, stable for a long period, having high reactivity, capable of preventing deterioration of the chemical thermal storage medium even when being used at a high temperature; and to provide a production method.SOLUTION: In a chemical thermal storage medium for a chemical heat pump, mainly composed of calcium oxide, and containing calcium oxide and a sintering auxiliary of metal oxide, the content of calcium oxide is 92-97 wt%, the mass ratio between calcium oxide and the sintering auxiliary of metal oxide is 15-35, a specific surface area is 8-13 m/g, and a breaking load is 90 N or more.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、ケミカルヒートポンプ用化学蓄熱材料および製造方法に関する。   The present invention relates to a chemical heat storage material for a chemical heat pump and a manufacturing method.

これまで、各種産業プロセスから発生する排熱を回収するために様々な蓄熱技術が開発されている。物質の顕熱(比熱)を利用する方法では、物質を冷却又は加熱して蓄熱し常温に戻るまでの温度差をエネルギーとして使用している。この方法では、蓄熱材を使わずにコンクリートなどを直接暖めるので低コストであるが、容積効率が低く、温度レベルが一定ではないという難点がある。   Until now, various heat storage technologies have been developed to recover exhaust heat generated from various industrial processes. In a method using sensible heat (specific heat) of a substance, a temperature difference from the cooling or heating of the substance to the accumulation of heat to return to normal temperature is used as energy. This method is low in cost because it directly heats concrete or the like without using a heat storage material, but has the disadvantage that the volumetric efficiency is low and the temperature level is not constant.

また、物質の潜熱を利用する方法では、物質を凍らせて(固体化)蓄熱し、溶けて液体になるまでのエネルギー、あるいはその逆のエネルギーを使用している。この方法では、蓄熱量が大きく、一定温度の熱エネルギーが得られるが、特殊な蓄熱材を使うので顕熱と比較して高コストである。   Moreover, in the method using the latent heat of a substance, the energy until the substance is frozen (solidified) to store heat and melted to become a liquid, or vice versa, is used. In this method, the amount of heat storage is large, and heat energy at a constant temperature can be obtained. However, since a special heat storage material is used, it is more expensive than sensible heat.

これらに対して、近年、物質の化学変化を利用した、ケミカルヒートポンプ(CHP)が提案されている。ケミカルヒートポンプとは、機械式ヒートポンプとは異なり、特定の化学材料によって蓄熱と熱出力を可逆的に行うものである。また、電気エネルギー等の投入を必要としないで、各種産業プロセスから発生する排熱を回収するシステムである。   On the other hand, in recent years, a chemical heat pump (CHP) using a chemical change of a substance has been proposed. Unlike a mechanical heat pump, a chemical heat pump reversibly stores heat and outputs heat with a specific chemical material. In addition, the system recovers exhaust heat generated from various industrial processes without requiring input of electric energy or the like.

ケミカルヒートポンプの特徴としては、蓄熱密度が高い、蓄熱時の熱損失が小さい、常温での蓄熱が可能、放熱時温度を蓄熱時温度より高くできる、といった長所がある。一方、高温での反応が多く容器の耐熱性および断熱が必要、反応材料の安全性の確保、経時劣化、反応および繰り返しの安定性の確保、といった点に注意が必要である。   The characteristics of the chemical heat pump are that it has a high heat storage density, a small heat loss during heat storage, a heat storage at room temperature, and a higher heat dissipation temperature than the heat storage temperature. On the other hand, it is necessary to pay attention to the fact that there are many reactions at high temperatures, and the heat resistance and heat insulation of the container are required, the safety of the reaction material is ensured, the deterioration over time, the reaction and the stability of repetition are ensured.

特許文献1は、熱伝導率のよい材質で構成されたハニカム構造体の隔壁内に化学蓄熱材を配することで、蓄放熱速度と繰り返し耐久性を向上させる蓄熱構造体の発明である。また、特許文献2は、樹脂を加熱して形成された多孔質体に化学蓄熱材粒子を担持させることで、繰り返し使用しても反応性を低下しにくくさせる化学蓄熱材成形体およびその製造方法の発明である。特許文献3は、多数の気孔を有する生石灰を主体とした化学蓄熱材およびその製造方法の発明で、化学蓄熱材を繰り返し使用することのできるようにした発明である。   Patent Document 1 is an invention of a heat storage structure that improves a heat storage heat dissipation rate and repeated durability by disposing a chemical heat storage material in a partition wall of a honeycomb structure made of a material having good thermal conductivity. Further, Patent Document 2 discloses a chemical heat storage material molded body in which a chemical heat storage material particle is supported on a porous body formed by heating a resin so that the reactivity is hardly lowered even when used repeatedly, and a method for manufacturing the same. It is invention of this. Patent Document 3 is an invention of a chemical heat storage material mainly composed of quicklime having a large number of pores and a method for producing the same, and is an invention in which a chemical heat storage material can be repeatedly used.

しかし、特許文献1は、ケミカルヒートポンプに使用される化学蓄熱材料自体の構成には注目していない。また、特許文献2は、ケミカルヒートポンプに使用される化学蓄熱材料の平均粒子径については考察しているものの、それ以外の構成には注目していない。特許文献3は、生石灰が多数の気孔を有することで繰り返し耐久性が上がることを見出したが、それ以外の構成には注目していない。   However, Patent Document 1 does not pay attention to the configuration of the chemical heat storage material itself used for the chemical heat pump. Moreover, although patent document 2 considers about the average particle diameter of the chemical thermal storage material used for a chemical heat pump, it is not paying attention to the structure other than that. Patent Document 3 found that quick lime has a large number of pores, and the durability is repeatedly increased, but does not pay attention to other configurations.

特開2013−124823号公報JP2013-124823A 特許第5586262号公報Japanese Patent No. 5586262 特許第2539480号公報Japanese Patent No. 2539480

ケミカルヒートポンプに使用される化学蓄熱材料に求められる条件として、蓄熱材料の高性能化、安全性の向上、コストの低減などが挙げられる。高性能化の具体的な内容としては、反応性の向上、高蓄熱密度、長寿命化(繰り返し耐久性)、適用条件の拡大などが挙げられる。   Conditions required for chemical heat storage materials used in chemical heat pumps include higher performance of heat storage materials, improved safety, and cost reduction. Specific contents of high performance include improved reactivity, high heat storage density, long life (repeated durability), and expanded application conditions.

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、高い反応性を有し、高温で使用した場合でも化学蓄熱材料の劣化を防止でき、長期に安定したケミカルヒートポンプ用化学蓄熱材料および製造方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such circumstances, has high reactivity, can prevent deterioration of the chemical heat storage material even when used at high temperatures, and stable chemical heat storage material for chemical heat pumps for a long period of time, and An object is to provide a manufacturing method.

(1)上記の目的を達成するため、本発明のケミカルヒートポンプ用化学蓄熱材料は、主成分が酸化カルシウムであるケミカルヒートポンプ用化学蓄熱材料であって、酸化カルシウムと金属酸化物の焼結助剤を含み、前記酸化カルシウムの含有率が92〜97wt%、前記酸化カルシウムと前記金属酸化物の焼結助剤との質量比が15〜35、比表面積が8〜13m/g、破壊荷重が90N以上、であることを特徴としている。 (1) In order to achieve the above object, the chemical heat storage material for chemical heat pump of the present invention is a chemical heat storage material for chemical heat pump whose main component is calcium oxide, and is a sintering aid for calcium oxide and metal oxide. The content ratio of the calcium oxide is 92 to 97 wt%, the mass ratio of the calcium oxide to the sintering aid for the metal oxide is 15 to 35, the specific surface area is 8 to 13 m 2 / g, and the breaking load is It is characterized by 90N or more.

これにより、主成分である酸化カルシウムの含有率が92〜97wt%なので、蓄熱反応を生じる材料の密度が十分あるため、十分な蓄熱密度を有する。また、焼結助剤との質量比が15〜35なので、酸化カルシウムの融点が低下して粒子の結合が進み、破壊荷重が大きくなる一方、粒子の結合が進み過ぎず、比表面積が低下しにくい。よって、膨張/収縮による繰り返しの歪に対する耐久性に優れ、化学蓄熱材料として反応性を高くできる。   Thereby, since the content rate of the calcium oxide which is a main component is 92-97 wt%, since there is enough density of the material which produces a thermal storage reaction, it has sufficient thermal storage density. In addition, since the mass ratio with the sintering aid is 15 to 35, the melting point of calcium oxide is lowered and the bonding of the particles proceeds and the breaking load increases, but the bonding of the particles does not proceed too much and the specific surface area decreases. Hateful. Therefore, it is excellent in durability against repeated strain due to expansion / contraction, and can be highly reactive as a chemical heat storage material.

(2)また、本発明のケミカルヒートポンプ用化学蓄熱材料は、前記焼結助剤がMgOであることを特徴としている。これにより、高温使用時の膨張/収縮による繰り返しの歪に対する耐久性に優れ、化学蓄熱材料として反応性を高くできる。MgOは入手容易なので、低コストで製造できる。   (2) Moreover, the chemical heat storage material for a chemical heat pump of the present invention is characterized in that the sintering aid is MgO. Thereby, it is excellent in the durability with respect to the repeated distortion by expansion / contraction at the time of high temperature use, and can make reactivity high as a chemical heat storage material. Since MgO is readily available, it can be manufactured at low cost.

(3)また、本発明のケミカルヒートポンプ用化学蓄熱材料は、連通孔となる気孔が形成され、前記気孔の平均直径が40〜60μm、であることを特徴としている。これにより、連通孔が形成されているので、微細な孔を有する多孔質体を形成し、HO(水または水蒸気)やその他の物質の流路が確保され、化学蓄熱材料の内部まで反応させることができ、反応性を高くできる。また、十分な破壊強度を有する。 (3) Further, the chemical heat storage material for chemical heat pump of the present invention is characterized in that pores serving as communication holes are formed, and the average diameter of the pores is 40 to 60 μm. Thereby, since the communication hole is formed, a porous body having fine pores is formed, a flow path of H 2 O (water or water vapor) and other substances is secured, and the reaction to the inside of the chemical heat storage material is performed. The reactivity can be increased. Moreover, it has sufficient breaking strength.

(4)また、本発明のケミカルヒートポンプ用化学蓄熱材料は、連通孔となる気孔が形成され、前記気孔の気孔率が25〜45%、であることを特徴としている。これにより、十分な破壊強度と反応性を有する。   (4) Further, the chemical heat storage material for chemical heat pump of the present invention is characterized in that pores serving as communication holes are formed, and the porosity of the pores is 25 to 45%. Thereby, it has sufficient fracture strength and reactivity.

(5)また、本発明のケミカルヒートポンプ用化学蓄熱材料の製造方法は、主成分が酸化カルシウムであるケミカルヒートポンプ用化学蓄熱材料の製造方法であって、酸化物換算でCa含有率が92〜97wt%、且つ、金属酸化物の焼結助剤を含み、酸化物換算のCa含有量と前記焼結助剤の含有量との質量比が15〜35である炭酸カルシウムを準備する工程と、前記準備された炭酸カルシウムを昇温速度1〜15℃/minで昇温する工程と、前記昇温された炭酸カルシウムの温度を700℃〜1000℃で0時間〜5時間保持し熱処理する工程と、を含むことを特徴としている。このような工程により、結晶の粒成長を抑制しつつ粒子の結合を適切な範囲に制御することで、微細な孔を維持した構成を有するケミカルヒートポンプ用化学蓄熱材料を容易に製造することができる。その結果、得られたケミカルヒートポンプ用化学蓄熱材料は、十分な反応性を維持しつつ、高温使用時の膨張/収縮による繰り返しの歪に対する耐久性を十分に有する。   (5) Moreover, the manufacturing method of the chemical heat storage material for chemical heat pumps of this invention is a manufacturing method of the chemical heat storage material for chemical heat pumps whose main component is calcium oxide, Comprising: Ca content rate is 92-97 wt in oxide conversion %, And a step of preparing calcium carbonate containing a sintering aid for metal oxide and having a mass ratio of Ca content in terms of oxide and content of the sintering aid of 15 to 35, and A step of heating the prepared calcium carbonate at a heating rate of 1 to 15 ° C./min, a step of heat-treating the heated calcium carbonate at a temperature of 700 to 1000 ° C. for 0 to 5 hours, and It is characterized by including. Through such a process, a chemical heat storage material for a chemical heat pump having a configuration in which fine pores are maintained can be easily manufactured by controlling the bonding of particles to an appropriate range while suppressing crystal grain growth. . As a result, the obtained chemical heat storage material for chemical heat pumps has sufficient durability against repeated strain due to expansion / contraction during high temperature use while maintaining sufficient reactivity.

本発明によれば、化学蓄熱材料として、高温使用時の膨張/収縮による繰り返しの歪に対する耐久性に優れ、反応性を高くできる。   According to the present invention, as a chemical heat storage material, it is excellent in durability against repeated strain due to expansion / contraction during high temperature use, and can be highly reactive.

各試料の組成を示す表である。It is a table | surface which shows the composition of each sample. (a)は、各試料の温度900℃での熱処理の保持時間と破壊荷重との関係を示す表である。(b)はそのグラフである。(A) is a table | surface which shows the relationship between the holding time of the heat processing in the temperature of 900 degreeC of each sample, and a fracture load. (B) is the graph. (a)は、各試料の温度900℃での熱処理の保持時間と比表面積の関係を示す表である。(b)はそのグラフである。(A) is a table | surface which shows the relationship between the holding time of the heat processing at the temperature of 900 degreeC of each sample, and a specific surface area. (B) is the graph. (a)は、図2(a)と図3(a)を合わせた表である。(b)は、各試料の温度900℃での比表面積と破壊荷重の関係を表したグラフである。(A) is a table combining FIG. 2 (a) and FIG. 3 (a). (B) is a graph showing the relationship between the specific surface area of each sample at a temperature of 900 ° C. and the breaking load. (a)は、各試料の保持時間3時間での温度と破壊荷重との関係を示す表である。(b)はそのグラフである。(A) is a table | surface which shows the relationship between the temperature in the retention time of 3 hours of each sample, and a destruction load. (B) is the graph. (a)〜(c)いずれも、試料1の10000倍のSEM写真である。(A) to (c) are all 10,000 times SEM photographs of Sample 1. (a)〜(c)いずれも、試料2の10000倍のSEM写真である。(A) to (c) are all 10,000 times SEM photographs of Sample 2. (a)〜(c)いずれも、試料3の10000倍のSEM写真である。(A) to (c) are all SEM photographs of 10000 times that of Sample 3. (a)〜(c)いずれも、試料4の10000倍のSEM写真である。(A) to (c) are all SEM photographs of 10000 times that of Sample 4. (a)〜(c)いずれも、試料5の10000倍のSEM写真である。(A) to (c) are all 10,000 times SEM photographs of Sample 5. 各試料の組成および特性を示す表である。It is a table | surface which shows the composition and characteristic of each sample.

次に、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。   Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

[ケミカルヒートポンプ用化学蓄熱材料の構成]
本発明のケミカルヒートポンプ用化学蓄熱材料は、CaOと金属酸化物の焼結助剤とその他の不純物から構成されている。主成分は酸化カルシウムであり、酸化カルシウムの含有率が92〜97wt%である。また、焼結助剤は、酸化カルシウムと焼結助剤との質量比が15〜35となる量含まれている。本実施形態において、焼結助剤はMgOであり、熱処理時にCaO結晶粒子間の結合力を向上させる効果がある。酸化カルシウムの含有率と、酸化カルシウムと焼結助剤との質量比がこのような範囲にあることで、CaO結晶粒子が適度に結合し、高強度を実現する。
[Configuration of chemical heat storage material for chemical heat pump]
The chemical heat storage material for a chemical heat pump of the present invention is composed of a sintering aid of CaO and a metal oxide and other impurities. The main component is calcium oxide, and the content of calcium oxide is 92 to 97 wt%. The sintering aid is included in an amount such that the mass ratio of calcium oxide and sintering aid is 15 to 35. In the present embodiment, the sintering aid is MgO, which has an effect of improving the bonding force between CaO crystal particles during heat treatment. When the content ratio of calcium oxide and the mass ratio of calcium oxide and sintering aid are in such a range, CaO crystal particles are appropriately bonded to achieve high strength.

また、ケミカルヒートポンプ用化学蓄熱材料は、連通孔となる気孔が形成され、気孔の平均直径は40〜60μmであることが好ましい。ケミカルヒートポンプ用化学蓄熱材料は、発熱反応をするときも吸熱反応をするときもHO(水または水蒸気)やその他の物質の流路の確保が必要である。本発明のケミカルヒートポンプ用化学蓄熱材料は連通孔となる気孔が形成されているので、微細な孔を有する多孔質体を形成し、HO(水または水蒸気)やその他の物質の流路が確保される。 Moreover, the chemical heat storage material for chemical heat pump is preferably formed with pores serving as communication holes, and the average diameter of the pores is 40 to 60 μm. A chemical heat storage material for a chemical heat pump needs to secure a flow path for H 2 O (water or water vapor) or other substances when performing an exothermic reaction or an endothermic reaction. Since the chemical heat storage material for chemical heat pump of the present invention has pores as communication holes, a porous body having fine pores is formed, and a flow path for H 2 O (water or water vapor) or other substances is formed. Secured.

よって、化学蓄熱材料の内部まで反応させることができ、反応性を高くできる。また、気孔の平均直径は、60μmより大きいと破壊強度が低下し、40μmより小さいと反応性が低下する。本発明のケミカルヒートポンプ用化学蓄熱材料は、気孔の平均直径が40〜60μmであるので、十分な破壊強度と反応性を有する。   Therefore, it can be made to react to the inside of a chemical heat storage material, and reactivity can be made high. Further, if the average diameter of the pores is larger than 60 μm, the fracture strength is lowered, and if it is smaller than 40 μm, the reactivity is lowered. The chemical heat storage material for chemical heat pump of the present invention has sufficient fracture strength and reactivity since the average diameter of the pores is 40 to 60 μm.

また、ケミカルヒートポンプ用化学蓄熱材料は、連通孔となる気孔が形成され、気孔率は25〜45%であることが好ましい。気孔率が40%より大きいと破壊強度が低下し、25%未満だと反応性が低下する。本発明のケミカルヒートポンプ用化学蓄熱材料は、気孔の気孔率が25〜45%であるので、十分な破壊強度と反応性を有する。   Moreover, the chemical heat storage material for a chemical heat pump is preferably formed with pores serving as communication holes and a porosity of 25 to 45%. If the porosity is larger than 40%, the fracture strength is lowered, and if it is less than 25%, the reactivity is lowered. The chemical heat storage material for chemical heat pump of the present invention has a sufficient fracture strength and reactivity since the porosity of the pores is 25 to 45%.

また、本発明のケミカルヒートポンプ用化学蓄熱材料は、比表面積が8〜13m/gである。ケミカルヒートポンプ用化学蓄熱材料は、物質や熱の出入りが材料の表面で起こることから、発熱反応も吸熱反応も表面積が大きいほど速く進む。本発明のケミカルヒートポンプ用化学蓄熱材料はこのように高い比表面積を有するので、化学蓄熱材として高い反応性を有する。 Moreover, the chemical heat storage material for chemical heat pumps of the present invention has a specific surface area of 8 to 13 m 2 / g. In chemical heat storage materials for chemical heat pumps, since the entry and exit of substances and heat occurs on the surface of the material, both the exothermic reaction and the endothermic reaction progress faster as the surface area increases. Since the chemical heat storage material for chemical heat pump of the present invention has such a high specific surface area, it has high reactivity as a chemical heat storage material.

また、本発明のケミカルヒートポンプ用化学蓄熱材料は、破壊荷重が90N以上である。ケミカルヒートポンプ用化学蓄熱材料は、発熱反応をするときはHOと化合し膨張する。吸熱反応をするときは分解しHOが放出され収縮する。また、ケミカルヒートポンプ用化学蓄熱材料は高温で使用されるので、その熱によっても膨張する。破壊荷重が小さいと、上記のような膨張/収縮の繰り返しにより化学蓄熱材料が破壊され、蓄熱機能が低下する。本発明のケミカルヒートポンプ用化学蓄熱材料はこのように高強度であるので、高温使用時の膨張/収縮による繰り返しの歪に対する耐久性に優れ、化学蓄熱材料の劣化を防止できる。 Moreover, the chemical heat storage material for chemical heat pumps of the present invention has a breaking load of 90 N or more. A chemical heat storage material for chemical heat pumps combines with H 2 O and expands when undergoing an exothermic reaction. When endothermic reaction occurs, it decomposes and H 2 O is released and contracts. Moreover, since the chemical heat storage material for chemical heat pumps is used at a high temperature, it is expanded by the heat. When the breaking load is small, the chemical heat storage material is destroyed by the repetition of expansion / contraction as described above, and the heat storage function is lowered. Since the chemical heat storage material for a chemical heat pump of the present invention has such a high strength, the chemical heat storage material is excellent in durability against repeated strain due to expansion / contraction during high temperature use, and can prevent deterioration of the chemical heat storage material.

このように、高温使用時の膨張/収縮による繰り返しの歪に対する耐久性に優れつつ、化学蓄熱材料として高い反応性を有するケミカルヒートポンプ用化学蓄熱材料は、工場や自動車などの排熱を効率よく回収するために好適に使用される。高い反応性を有するので、各種産業プロセスから発生する排熱を効率よく回収することができ、また、耐久性に優れるので、長期間使用することができる。   In this way, chemical heat storage materials for chemical heat pumps that have high reactivity as chemical heat storage materials while being excellent in durability against repeated strain due to expansion / contraction during high temperature use efficiently recover waste heat from factories and automobiles. It is preferably used to Since it has high reactivity, exhaust heat generated from various industrial processes can be efficiently recovered, and since it has excellent durability, it can be used for a long time.

[ケミカルヒートポンプ用化学蓄熱材料の製造方法]
次に、上記のように構成されるケミカルヒートポンプ用化学蓄熱材料の製造方法を説明する。まず、酸化物換算でCa含有率が92〜97wt%、且つ、金属酸化物の焼結助剤を含み、酸化物換算のCa含有量と前記焼結助剤の含有量との質量比が15〜35である炭酸カルシウムを準備する。焼結助剤はこのような比率になるように炭酸カルシウムに添加してもよいし、このような比率を有する石灰石などの鉱物を用いてもよい。材料となる炭酸カルシウムの平均粒径は、反応器の大きさによって適宜選択される。また、粒度分布は、HO(水または水蒸気)やその他の物質の流路を確保する観点から、シャープなものが好ましい。
[Method for producing chemical heat storage material for chemical heat pump]
Next, the manufacturing method of the chemical heat storage material for chemical heat pumps comprised as mentioned above is demonstrated. First, the Ca content in terms of oxide is 92 to 97 wt%, and includes a sintering aid for metal oxide, and the mass ratio of the Ca content in terms of oxide and the content of the sintering aid is 15 Prepare calcium carbonate which is ~ 35. The sintering aid may be added to calcium carbonate so as to have such a ratio, or a mineral such as limestone having such a ratio may be used. The average particle diameter of the calcium carbonate used as a material is appropriately selected depending on the size of the reactor. The particle size distribution is preferably sharp from the viewpoint of securing a flow path for H 2 O (water or water vapor) or other substances.

そして、準備した炭酸カルシウムを昇温速度1〜15℃/minで昇温する。次に、昇温した炭酸カルシウムの温度を700℃〜1000℃で一定時間保持し熱処理する。このような昇温速度で昇温し、最適な温度で熱処理することで、結晶の粒成長を抑制し、比表面積が大きい酸化カルシウムを製造できる。つまり、高い反応性を有するケミカルヒートポンプ用化学蓄熱材料を製造できる。   Then, the prepared calcium carbonate is heated at a heating rate of 1 to 15 ° C./min. Next, it heat-processes by hold | maintaining the temperature of the heated calcium carbonate at 700 to 1000 degreeC for a fixed time. By increasing the temperature at such a temperature increase rate and performing a heat treatment at an optimum temperature, it is possible to produce calcium oxide having a large specific surface area while suppressing crystal grain growth. That is, a chemical heat storage material for a chemical heat pump having high reactivity can be manufactured.

熱処理する工程の保持時間は、0時間〜5時間である。保持時間をこのような範囲にすることで、結晶粒子の結合を適切な範囲に制御することができる。結晶粒子の結合が進み過ぎないことで、微細な孔を維持した構成を有する多孔質体となり、比表面積を維持することができる。また、結晶粒子の結合がある程度進むことで、十分な破壊荷重とすることができる。つまり、化学蓄熱材料として高い反応性を有し、高温使用時の膨張/収縮による繰り返しの歪に対する耐久性を十分に有するケミカルヒートポンプ用化学蓄熱材料を容易に製造することができる。なお、熱処理の保持時間が0時間であるとは、目標温度に到達してすぐに降温制御に入るということである。   The holding time of the heat treatment step is 0 hour to 5 hours. By setting the holding time in such a range, the bonding of crystal grains can be controlled in an appropriate range. Since the bonding of the crystal particles does not proceed excessively, the porous body has a configuration in which fine pores are maintained, and the specific surface area can be maintained. Moreover, it can be set as sufficient destruction load because the coupling | bonding of a crystal grain advances to some extent. That is, a chemical heat storage material for chemical heat pumps that has high reactivity as a chemical heat storage material and has sufficient durability against repeated strain due to expansion / contraction during high temperature use can be easily produced. Note that the heat treatment holding time is 0 hour means that the temperature lowering control is started immediately after reaching the target temperature.

[実施例]
上記の製造方法に基づき、図1の表の組成を有する炭酸カルシウム(石灰石)を用いて、ケミカルヒートポンプ用化学蓄熱材料を作製した。得られた化学蓄熱材料の比表面積、破壊荷重、気孔の平均直径、および、気孔率を測定した。比表面積の測定には、島津製作所社製の流動式比表面積自動測定装置(フローソーブ 2305)を使用した。破壊荷重の測定には、脱炭酸処理後の粒子を7〜10mmの範囲で選定し、アイコーエンジニアリング社製プッシュプルゲージにて、粒子が破壊した時の荷重を使用した。気孔の平均直径と気孔率は、水銀圧入法(JIS R1655、JIS R1634)で測定した。ここで、平均直径とは、比表面積基準のメディアン細孔直径を意味する。
[Example]
Based on said manufacturing method, the chemical heat storage material for chemical heat pumps was produced using the calcium carbonate (limestone) which has a composition of the table | surface of FIG. The specific surface area, fracture load, average pore diameter, and porosity of the obtained chemical heat storage material were measured. For measurement of the specific surface area, a fluid type specific surface area automatic measuring device (Flowsorb 2305) manufactured by Shimadzu Corporation was used. For the measurement of the breaking load, particles after decarboxylation were selected within a range of 7 to 10 mm, and the load when the particles were broken was used with a push-pull gauge manufactured by Aiko Engineering. The average diameter and porosity of the pores were measured by a mercury intrusion method (JIS R1655, JIS R1634). Here, the average diameter means the median pore diameter based on the specific surface area.

また、ケミカルヒートポンプ用化学蓄熱材料の反応性と耐久性を測定した。反応性は、熱重量分析装置を用いて測定し、材料を710〜1000μmで分級し、材料を5℃/minで、100〜500℃の昇降温を行い、反応による重量変化量を測定した。反応式、CaO + HO ⇔ Ca(OH)から、CaOの投入量に対する重量変化量の理論値を算出し、測定した重量変化量を理論値で除した値を反応率とした。反応性の評価は、この反応率が80%以上であることを基準に判断した。耐久性は、反応性試験を連続して5回行い、1回目と比較して反応性が低下していないことを基準に判断した。図11の表の右端にその結果を示す。試料1は反応率が85%であり、5回の連続試験においても反応率の低下は認められなかった。しかしながら、試料5は反応率は95%と良好なものの、5回の連続試験において反応率の低下が認められた。 In addition, the reactivity and durability of chemical heat storage materials for chemical heat pumps were measured. The reactivity was measured using a thermogravimetric analyzer, the material was classified at 710 to 1000 μm, the material was heated at a rate of 100 to 500 ° C. at 5 ° C./min, and the weight change due to the reaction was measured. From the reaction formula, CaO + H 2 O Ca Ca (OH) 2 , the theoretical value of the weight change with respect to the input amount of CaO was calculated, and the value obtained by dividing the measured weight change by the theoretical value was defined as the reaction rate. The reactivity was evaluated based on the fact that this reaction rate was 80% or more. Durability was judged on the basis that the reactivity test was carried out five times in succession and the reactivity was not lowered as compared with the first. The results are shown at the right end of the table of FIG. Sample 1 had a reaction rate of 85%, and no decrease in the reaction rate was observed in five consecutive tests. However, although the reaction rate of sample 5 was as good as 95%, a decrease in the reaction rate was observed in five consecutive tests.

図2(a)は、各試料の温度900℃での熱処理の保持時間と破壊荷重との関係を示した表である。(b)は、そのグラフである。これによると、熱処理時間が長くなると破壊荷重は概ね大きくなる傾向にあることが分かる。これは、熱処理時間が長くなると結晶粒子のネッキングが進むからであると考えられる。   FIG. 2A is a table showing the relationship between the heat treatment holding time and the breaking load at a temperature of 900 ° C. for each sample. (B) is the graph. According to this, it can be seen that the fracture load tends to increase as the heat treatment time increases. This is thought to be because the necking of the crystal particles proceeds as the heat treatment time increases.

また、図3(a)は、各試料の温度900℃での熱処理の保持時間と比表面積との関係を示した表である。(b)は、そのグラフである。これによると、熱処理時間が長くなると比表面積は小さくなることが分かる。これも上記と同様に、熱処理時間が長くなると結晶粒子のネッキングが進むからであると考えられる。   FIG. 3A is a table showing the relationship between the heat treatment holding time and the specific surface area of each sample at a temperature of 900 ° C. (B) is the graph. This shows that the specific surface area decreases as the heat treatment time increases. Similarly to the above, it is considered that the necking of the crystal particles proceeds as the heat treatment time becomes longer.

図4(a)は、これらを合わせた表である。また、図4(b)は、各試料の温度900℃での比表面積と破壊荷重との関係を表したグラフである。これによると、比表面積が大きくなると破壊荷重が小さくなることが分かる。上記の結果と合わせると、比表面積と破壊荷重はトレードオフの関係にあり、熱処理時間が長くなると、破壊荷重の点では有利になるが、比表面積の点では不利になる。   FIG. 4A is a table combining these. FIG. 4B is a graph showing the relationship between the specific surface area of each sample at a temperature of 900 ° C. and the breaking load. According to this, it can be seen that the fracture load decreases as the specific surface area increases. When combined with the above results, the specific surface area and the breaking load are in a trade-off relationship, and a long heat treatment time is advantageous in terms of breaking load but disadvantageous in terms of specific surface area.

図5(a)は、各試料の保持時間3時間での温度と破壊荷重との関係を示す表である。(b)はそのグラフである。これによると、熱処理温度が高くなると破壊荷重は小さくなることが分かる。これは、熱処理温度が高くなると結晶粒子の粒成長が促進され、結晶粒子のネッキングが進みづらくなるからであると考えられる。   FIG. 5A is a table showing the relationship between the temperature and the breaking load at a holding time of 3 hours for each sample. (B) is the graph. According to this, it can be seen that the fracture load decreases as the heat treatment temperature increases. This is considered to be because when the heat treatment temperature is increased, the grain growth of the crystal grains is promoted, and the necking of the crystal grains is difficult to proceed.

以上の結果から、必要な蓄熱材料の性質を考え、必要な性質が得られる熱処理時間、および、熱処理温度を見極めることが重要である。また、出発材料の組成によって結果が大きく異なることから、出発材料の組成も非常に重要である。   From the above results, it is important to consider the properties of the necessary heat storage material and determine the heat treatment time and heat treatment temperature at which the necessary properties are obtained. Also, the composition of the starting material is very important since the results vary greatly depending on the composition of the starting material.

次に、日本電子社製の走査型電子顕微鏡(SEM)(JSM−7001F)を使用して、得られた化学蓄熱材料のSEM写真を撮影した。   Next, an SEM photograph of the obtained chemical heat storage material was taken using a scanning electron microscope (SEM) (JSM-7001F) manufactured by JEOL.

図6〜図10は、各試料の10000倍のSEM写真である。図6〜図10の(a)はそれぞれ、熱処理において900℃で3時間保持したときのSEM写真である。同様に、(b)はそれぞれ900℃で24時間保持したときの、(c)はそれぞれ1000℃で3時間保持したときのSEM写真である。   6 to 10 are 10,000 times SEM photographs of each sample. FIGS. 6A to 10A are SEM photographs when the heat treatment is held at 900 ° C. for 3 hours. Similarly, (b) is an SEM photograph when held at 900 ° C. for 24 hours, and (c) is an SEM photograph when held at 1000 ° C. for 3 hours.

これらのSEM写真を観察すると、熱処理時間が長くなると結晶粒子の粒成長はあまり進まず、結晶粒子の結合は進んでいることが分かる。また、熱処理温度が高くなると結晶粒子の粒成長が進んでいることが分かる。つまり、上記測定結果の数値から仮定される、熱処理時間と熱処理温度が化学蓄熱材料の性質(性能)に影響するメカニズムは、SEM写真からも読み取れる。   From observation of these SEM photographs, it can be seen that the grain growth of crystal grains does not progress much and the bonding of crystal grains progresses as the heat treatment time increases. Moreover, it turns out that the grain growth of a crystal grain is progressing when the heat processing temperature becomes high. That is, the mechanism that the heat treatment time and the heat treatment temperature that are assumed from the numerical values of the measurement results affect the properties (performance) of the chemical heat storage material can also be read from the SEM photograph.

以上の考察により、本発明のケミカルヒートポンプ用化学蓄熱材料は、高い反応性と高い耐久性の両方を有する化学蓄熱材料であり、本発明のケミカルヒートポンプ用化学蓄熱材料の製造方法により、高い反応性と高い耐久性の両方を有する化学蓄熱材料を製造することができる。   Based on the above considerations, the chemical heat storage material for chemical heat pump of the present invention is a chemical heat storage material having both high reactivity and high durability, and the method for producing the chemical heat storage material for chemical heat pump of the present invention has high reactivity. And a chemical heat storage material having both high durability.

Claims (5)

主成分が酸化カルシウムであるケミカルヒートポンプ用化学蓄熱材料であって、
酸化カルシウムと金属酸化物の焼結助剤を含み、
前記酸化カルシウムの含有率が92〜97wt%、
前記酸化カルシウムと前記金属酸化物の焼結助剤との質量比が15〜35、
比表面積が8〜13m/g、
破壊荷重が90N以上、であることを特徴とするケミカルヒートポンプ用化学蓄熱材料。
A chemical heat storage material for a chemical heat pump whose main component is calcium oxide,
Including sintering aids for calcium oxide and metal oxides,
The calcium oxide content is 92-97 wt%,
A mass ratio of the calcium oxide to the sintering aid of the metal oxide of 15 to 35,
A specific surface area of 8 to 13 m 2 / g,
A chemical heat storage material for a chemical heat pump, wherein the breaking load is 90 N or more.
前記焼結助剤がMgOであることを特徴とする請求項1記載のケミカルヒートポンプ用化学蓄熱材料。   The chemical heat storage material for a chemical heat pump according to claim 1, wherein the sintering aid is MgO. 連通孔となる気孔が形成され、前記気孔の平均直径が40〜60μm、であることを特徴とする請求項1または請求項2記載のケミカルヒートポンプ用化学蓄熱材料。   The chemical heat storage material for a chemical heat pump according to claim 1 or 2, wherein pores serving as communication holes are formed, and the average diameter of the pores is 40 to 60 µm. 連通孔となる気孔が形成され、前記気孔の気孔率が25〜45%、であることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれかに記載のケミカルヒートポンプ用化学蓄熱材料。   The chemical heat storage material for a chemical heat pump according to any one of claims 1 to 3, wherein pores serving as communication holes are formed, and the porosity of the pores is 25 to 45%. 主成分が酸化カルシウムであるケミカルヒートポンプ用化学蓄熱材料の製造方法であって、
酸化物換算でCa含有率が92〜97wt%、且つ、金属酸化物の焼結助剤を含み、酸化物換算のCa含有量と前記焼結助剤の含有量との質量比が20〜30である炭酸カルシウムを準備する工程と、
前記準備された炭酸カルシウムを昇温速度1〜15℃/minで昇温する工程と、
前記昇温された炭酸カルシウムの温度を700℃〜1000℃で0時間〜5時間保持し熱処理する工程と、を含むことを特徴とするケミカルヒートポンプ用化学蓄熱材料の製造方法。
A method for producing a chemical heat storage material for a chemical heat pump whose main component is calcium oxide,
The Ca content is 92 to 97 wt% in terms of oxide, and includes a sintering aid for metal oxide, and the mass ratio of Ca content in terms of oxide and the content of the sintering aid is 20 to 30. A step of preparing calcium carbonate,
Heating the prepared calcium carbonate at a heating rate of 1 to 15 ° C./min;
And a step of heat-treating the heated calcium carbonate at 700 to 1000 ° C. for 0 to 5 hours and performing a heat treatment.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2020158696A (en) * 2019-03-27 2020-10-01 太平洋セメント株式会社 Chemical heat storage material for chemical heat pump covered with inorganic porous material and its manufacturing method
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