JP2021138850A - Heat storage material and heat storage power generator - Google Patents

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Abstract

To provide a heat storage material which can be used at a high temperature and has excellent heat storage and heat radiation characteristics, and to provide a heat storage power generator which can be operated at a high temperature and has excellent power generating efficiency.SOLUTION: A heat storage material of the present invention comprises a Ge alloy. The Ge alloy is preferably an Fe-Ge alloy, and the Ge alloy preferably contains a eutectic alloy. Especially, the Ge alloy is preferably a hyper-eutectic Ge alloy containing excess Ge in addition to the eutectic alloy. A ratio of Ge in the Ge alloy is preferably 70 atom% to 99 atom%. Further, the heat storage material of the present invention is preferably used in a temperature range of 650°C or higher.SELECTED DRAWING: None

Description

本発明は、蓄熱材料および蓄熱発電装置に関する。 The present invention relates to a heat storage material and a heat storage power generation device.

近年、化石燃料の枯渇や、環境破壊への対策として、工場排熱等の産業廃熱や、太陽熱等の自然エネルギーといった、非定常的な熱を蓄熱装置に蓄熱し、必要な時に作動媒体により取出して蒸気タービン、超臨界CO、スターリングエンジン、ガスタービン発電や温水等として利用する発電および熱利用技術の開発が進められている。 In recent years, as a measure against the depletion of fossil fuels and environmental destruction, non-stationary heat such as industrial waste heat such as factory waste heat and natural energy such as solar heat is stored in a heat storage device, and when necessary, it is used as an operating medium. Development of power generation and heat utilization technologies that are taken out and used as steam turbines, supercritical CO 2 , Stirling engines, gas turbine power generation, hot water, etc. is underway.

このような蓄熱装置としては、単位装置あたりで大きな熱容量を確保する観点から、物質の温度変化に伴う熱と共に、固体と液体間等の相変化の際の潜熱を利用して蓄熱を行う潜熱蓄熱材料(PCM)を応用したものが注目されている。従来、PCMとして、アルカリ金属の塩化物、炭酸塩、フッ化物塩や各種硝酸塩等の溶融塩を用いることが提案されている(例えば、特許文献1参照)。しかしながら、単位量当たりに蓄熱可能な熱量が必ずしも大きくない。また、特に硝酸塩系溶融塩は約600℃で熱分解するため、その使用温度域が500℃から550℃に限定されると共に、熱伝導率が低いため、容器に充填して使用する場合には温度偏差が発生しやすく、出力応答が遅いという問題がある。 As such a heat storage device, from the viewpoint of securing a large heat capacity per unit device, latent heat storage is performed by utilizing the latent heat at the time of phase change between solid and liquid as well as the heat accompanying the temperature change of the substance. Attention is being paid to those that apply materials (PCM). Conventionally, it has been proposed to use molten salts such as alkali metal chlorides, carbonates, fluoride salts and various nitrates as PCM (see, for example, Patent Document 1). However, the amount of heat that can be stored per unit amount is not always large. In particular, since the nitrate-based molten salt is thermally decomposed at about 600 ° C., its operating temperature range is limited to 500 ° C. to 550 ° C., and its thermal conductivity is low. Therefore, when it is used by filling it in a container. There is a problem that temperature deviation is likely to occur and the output response is slow.

一方、当該硝酸塩系溶融塩の問題を解消する手段として、Al−Si系の合金が知られている(北大の文献:特開2019−203128号公報)。Al−Si系合金においては、硝酸塩系溶融塩と比較して高い熱伝導が得られると共に、より高温域まで蓄熱材として使用することが可能である。 On the other hand, as a means for solving the problem of the nitrate-based molten salt, an Al—Si-based alloy is known (Hokkaido University document: JP-A-2019-203128). In the Al—Si alloy, higher heat conduction can be obtained as compared with the nitrate molten salt, and it can be used as a heat storage material up to a higher temperature range.

Al−Si系合金をPCMとして使用して、融解した当該合金を凝固させて放熱を生じさせる過程においては、Al−Si系合金が共晶を形成することから、その組成に応じて初晶であるSi相(又はAl相)が析出して同相の潜熱放出を伴った冷却の後、580℃付近の共晶温度に至った際に共晶温度を維持したままでAl相とSi相が析出して全ての凝固潜熱の放出が完了するため、上記硝酸塩系溶融塩と比較して高い温度域での動作が可能になる。また、一般の金属が融解する際に体積膨張が生じるのに対して、特にSiが融解する際には体積の収縮を生じることから、Siを含む合金をPCMとして使用することによって、溶融と凝固を含む熱サイクルにおける体積変化を小さくできる点でも、Al−Si系合金はPCMとしての優位性を有する。 In the process of using an Al—Si alloy as a PCM and solidifying the melted alloy to generate heat dissipation, the Al—Si alloy forms a eutectic, so that it is a primary crystal depending on its composition. After a certain Si phase (or Al phase) is precipitated and cooled with latent heat release of the same phase, when the eutectic temperature reaches around 580 ° C., the Al phase and the Si phase are precipitated while maintaining the eutectic temperature. Since all the latent heat of solidification is released, it is possible to operate in a higher temperature range than the above-mentioned nitrate-based molten salt. Further, since volume expansion occurs when a general metal melts, volume contraction occurs especially when Si melts. Therefore, by using an alloy containing Si as a PCM, melting and solidification occur. The Al—Si alloy also has an advantage as a PCM in that the volume change in the thermal cycle including the above can be reduced.

また、PCMを使用して蓄積された熱は、例えば、水蒸気を作動媒体とした水蒸気タービンや高温空気を作動媒体としてガスタービン発電により電力に変換されて使用することが一般的である。当該使用においては、システムの管理や熱効率の観点から、純粋物質における融点や共晶系における共晶温度のように、一定の温度が保たれた状態で継続して凝固潜熱に起因する熱が使用できることが望まれる。この点においても、上記580℃付近に共晶温度を有するAl−Si系合金はPCMとして望ましい特性を有する。 Further, the heat accumulated by using the PCM is generally converted into electric power by gas turbine power generation using steam turbine as a working medium or high temperature air as a working medium, for example. In this use, from the viewpoint of system management and thermal efficiency, heat caused by latent heat of solidification is continuously used while maintaining a constant temperature, such as the melting point in pure materials and the eutectic temperature in eutectic systems. It is hoped that it can be done. In this respect as well, the Al—Si alloy having a eutectic temperature near 580 ° C. has desirable characteristics as PCM.

特開2016−166705号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2016-166705

PCMを使用して蓄積された熱を、水蒸気を作動流体とした水蒸気タービン発電により電力に変換して使用する際には、100〜560℃の温度範囲で大きな熱の移動があることが好ましい。また、COを作動流体とする太陽熱による超臨界COタービンでは550〜800℃の温度範囲で大きな熱の移動があることが好ましい。また、高温空気を作動媒体としたガスタービン発電により電力に変換されて使用する際には、850〜1000℃の温度範囲で大きな熱の移動があることが好ましい。(国立研究開発法人 科学技術振興機構 研究開発センター(研究開発の俯瞰報告書)環境・エネルギー分野(2019年)/CRDS-FY2018-FR-01)温度差を利用するスターリングエンジンにより、PCMを使用して蓄積された熱を電力に変換されて使用する際には、50〜900℃の温度範囲で大きな熱の移動があることが好ましい。また、一般に高い温度域で発電等を行うことで高い熱効率が実現される。一方、特に集光した太陽光を熱源として1000℃以上にPCMを加熱しようとすると、加熱されたPCMからの放熱が顕著になり、熱効率が低下する問題を生じる。 When the heat accumulated by using the PCM is converted into electric power by steam turbine power generation using steam as a working fluid, it is preferable that there is a large heat transfer in the temperature range of 100 to 560 ° C. Further, in a supercritical CO 2 turbine using solar heat using CO 2 as a working fluid, it is preferable that a large amount of heat is transferred in a temperature range of 550 to 800 ° C. Further, when it is converted into electric power by gas turbine power generation using high temperature air as an operating medium and used, it is preferable that there is a large heat transfer in the temperature range of 850 to 1000 ° C. (National Research and Development Organization Research and Development Center (Overview Report of Research and Development) Environment and Energy Field (2019) / CRDS-FY2018-FR-01) Using PCM with a Stirling engine that uses temperature difference When the stored heat is converted into electric power and used, it is preferable that there is a large heat transfer in the temperature range of 50 to 900 ° C. In addition, high thermal efficiency is generally achieved by generating electricity in a high temperature range. On the other hand, when the PCM is heated to 1000 ° C. or higher by using the condensed sunlight as a heat source, heat dissipation from the heated PCM becomes remarkable, which causes a problem that the thermal efficiency is lowered.

現在の太陽熱発電では水蒸気タービンによる発電が主流であるが、最先端の技術では作動媒体の高温化技術により、超臨界COタービン、ガスタービンやスターリングエンジン等のような水蒸気タービンより高温で作動する発電技術が開発されつつある。上記、PCMを使用した発電等を考慮した場合には、上記Al−Si系合金が示す共晶温度(580℃付近)は、必ずしも望ましい温度域にはなく、更に高い温度域に融点又は共晶温度を有する物質系をPCMとして使用することが望まれる。つまり、次世代のPCMに求められる特性として、1000℃以下程度の温度範囲にPCM材料の全てが融解する最高融解温度(その化学組成での液相線温度)を有することで全体積について凝固潜熱が利用可能であって、融点や共晶温度等の最低融解温度がより高温にあり、特に太陽熱を利用した超臨界CO、スターリングエンジン、ガスタービン発電において高い効率が期待される650℃以上の最低融解温度を有することが望まれる。さらに好ましくは、高い熱効率の観点から超臨界COタービンでは700℃〜800℃程度の最低融解温度を有することが望まれる。さらに好ましくは、高い熱効率の観点からスターリングエンジンによる発電では800〜900℃程度の最低融解温度を有することが望まれる。さらに好ましくは、高い熱効率の観点からガスタービン発電では850〜1000℃程度の最低融解温度を有することが望まれる。また、室温から当該最高融解温度に加熱する際に、単位量当たりのPCMに必要となる熱量(凝固潜熱と比熱の合計値)がより大きいPCM材料が望まれる。 In the current solar thermal power generation, power generation by a steam turbine is the mainstream, but in the state-of-the-art technology, it operates at a higher temperature than a steam turbine such as a supercritical CO 2 turbine, a gas turbine, a Stirling engine, etc. due to the high temperature technology of the operating medium. Power generation technology is being developed. Considering the above-mentioned power generation using PCM, the eutectic temperature (around 580 ° C.) indicated by the above-mentioned Al—Si alloy is not necessarily in the desired temperature range, and the melting point or eutectic in a higher temperature range. It is desirable to use a material system with temperature as the PCM. That is, as a characteristic required for the next-generation PCM, the latent heat of solidification with respect to the total volume is obtained by having the maximum melting temperature (liquidus line temperature in the chemical composition) in which all the PCM materials are melted in a temperature range of about 1000 ° C. or less. Is available, and the minimum melting temperature such as melting point and eutectic temperature is higher, and especially in supercritical CO 2 using solar heat, sterling engine, gas turbine power generation, high efficiency is expected at 650 ° C or higher. It is desirable to have a minimum melting temperature. More preferably, the supercritical CO 2 turbine is desired to have a minimum melting temperature of about 700 ° C. to 800 ° C. from the viewpoint of high thermal efficiency. More preferably, from the viewpoint of high thermal efficiency, it is desired that the power generation by the Stirling engine has a minimum melting temperature of about 800 to 900 ° C. More preferably, from the viewpoint of high thermal efficiency, it is desired that the gas turbine power generation has a minimum melting temperature of about 850 to 1000 ° C. Further, a PCM material having a larger amount of heat (total value of latent heat of solidification and specific heat) required for PCM per unit amount when heating from room temperature to the maximum melting temperature is desired.

本発明の目的は、高温での使用が可能であり、蓄熱放熱特性に優れた蓄熱材料を提供すること、また、高温で稼働することができ発電効率に優れた蓄熱発電装置を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a heat storage material that can be used at a high temperature and has excellent heat storage and heat dissipation characteristics, and also to provide a heat storage power generation device that can operate at a high temperature and has excellent power generation efficiency. be.

このような目的は、下記に記載の本発明により達成される。
本発明の蓄熱材料は、凝固状態において、Ge相と第二相とが平衡して存在し、前記Ge相と前記第二相とが共晶を形成する合金を含むことを特徴とする。
Such an object is achieved by the present invention described below.
The heat storage material of the present invention is characterized by containing an alloy in which the Ge phase and the second phase are in equilibrium and the Ge phase and the second phase form a eutectic in a solidified state.

本発明では、前記第二相がGeを含む金属間化合物であることが好ましい。 In the present invention, it is preferable that the second phase is an intermetallic compound containing Ge.

本発明では、前記Ge相と平衡するGeを含む前記金属間化合物は、K、Sc、Ti、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Mg、Sr、Rh、Pd、Hf、Pt、又は、希土類元素の内の少なくとも一つを構成元素に含むことが好ましい。 In the present invention, the intermetallic compound containing Ge that is in equilibrium with the Ge phase is K, Sc, Ti, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Mg, Sr, Rh, Pd, Hf, Pt, or a rare earth element. It is preferable that at least one of the elements is contained in the constituent elements.

本発明では、前記合金は、前記Ge相と前記Ge相と平衡するGeを含む前記金属間化合物との間の共晶組成、又は、当該共晶組成に対して過剰のGeを含む組成であることが好ましい。 In the present invention, the alloy is a eutectic composition between the Ge phase and the intermetallic compound containing Ge that is in equilibrium with the Ge phase, or a composition containing an excess of Ge with respect to the eutectic composition. Is preferable.

本発明では、前記Ge相と前記第二相とが形成する前記共晶の共晶温度が、650℃以上であることが好ましい。 In the present invention, the eutectic temperature of the eutectic formed by the Ge phase and the second phase is preferably 650 ° C. or higher.

本発明では、前記合金におけるGe元素の含有量が40原子%以上であることが好ましい。 In the present invention, the content of Ge element in the alloy is preferably 40 atomic% or more.

本発明の蓄熱材料は、Ge合金を含むことを特徴とする。 The heat storage material of the present invention is characterized by containing a Ge alloy.

本発明では、前記Ge合金は、Fe−Ge合金であることが好ましい。 In the present invention, the Ge alloy is preferably a Fe—Ge alloy.

本発明では、前記Ge合金は、共晶合金を含むものであることが好ましい。 In the present invention, the Ge alloy preferably contains a eutectic alloy.

本発明では、前記Ge合金は、前記共晶合金に加え、過剰のGeを含む過共晶Ge合金であることが好ましい。 In the present invention, the Ge alloy is preferably a hypereutectic Ge alloy containing an excess of Ge in addition to the eutectic alloy.

本発明では、前記Ge合金におけるGeの割合が、70原子%以上99原子%以下であることが好ましい。 In the present invention, the proportion of Ge in the Ge alloy is preferably 70 atomic% or more and 99 atomic% or less.

本発明では、前記Ge合金の潜熱蓄熱容量が1.28GJ/m以上であることが好ましい。 In the present invention, the latent heat storage capacity of the Ge alloy is preferably 1.28 GJ / m 3 or more.

本発明では、650℃以上の温度域で使用されることが好ましい。 In the present invention, it is preferably used in a temperature range of 650 ° C. or higher.

本発明の蓄熱発電装置は、蓄熱材料を備えることを特徴とする。 The heat storage power generation device of the present invention is characterized by comprising a heat storage material.

本発明では、蓄熱発電装置は、太陽光を集光して得られる熱を蓄熱するものであることが好ましい。 In the present invention, the heat storage power generation device preferably stores heat obtained by condensing sunlight.

本発明によれば、高温での使用が可能であり、蓄熱放熱特性に優れた蓄熱材料を提供すること、また、高温で稼働することができ発電効率に優れた蓄熱発電装置を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a heat storage material that can be used at a high temperature and has excellent heat storage and heat dissipation characteristics, and also provides a heat storage power generation device that can operate at a high temperature and has excellent power generation efficiency. can.

1013hPa(1気圧)におけるFe−Geの二元系についての状態図(相図)である。It is a state diagram (phase diagram) about the dual system of Fe-Ge at 1013 hPa (1 atm). 本発明の蓄熱材料の使用形態の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the use form of the heat storage material of this invention. 本発明の蓄熱材料の使用形態の他の一例を示す図である。It is a figure which shows another example of the use form of the heat storage material of this invention. 太陽熱発電装置の一例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows an example of the solar thermal power generation apparatus. 実施例1、2の蓄熱材料のXRDパターンである。It is an XRD pattern of the heat storage material of Examples 1 and 2. 蓄熱放熱特性の評価に用いた装置の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the apparatus used for the evaluation of the heat storage heat dissipation characteristic. 実施例1、2の蓄熱材料について行った蓄熱放熱試験の結果を示す図である。It is a figure which shows the result of the heat storage heat dissipation test performed on the heat storage material of Examples 1 and 2. 蓄熱モードと放熱モードでの(a)実施例1の蓄熱材料および(b)実施例2の蓄熱材料についてのDSC曲線である。It is a DSC curve about (a) the heat storage material of Example 1 and (b) the heat storage material of Example 2 in a heat storage mode and a heat dissipation mode. 蓄熱材料の比熱容量と体積あたりの蓄熱容量とを示す図である。It is a figure which shows the specific heat capacity of a heat storage material, and the heat storage capacity per volume. 実施例2についての、真空中での(a)蓄熱モードと(b)放熱モードとにおける、時間tに対する、蓄熱材料温度Tの時間微分(dT/dt)の変化を示す図である。It is a figure which shows the change of the time derivative (dT / dt) of the heat storage material temperature T with respect to time t in (a) heat storage mode and (b) heat dissipation mode in vacuum about Example 2. FIG. 実施例2についての、不活性ガス(N)流下での(a)蓄熱モードと(b)放熱モードとにおける、時間tに対する、蓄熱材料温度Tの時間微分(dT/dt)の変化を示す図である。The change in the time derivative (dT / dt) of the heat storage material temperature T with respect to time t in (a) heat storage mode and (b) heat dissipation mode under the flow of the inert gas (N 2) for Example 2 is shown. It is a figure. 実施例2の蓄熱材料についての、不活性ガス流下での蓄熱放熱サイクルにおける質量損失の測定結果を示した図である。It is a figure which showed the measurement result of the mass loss in the heat storage heat dissipation cycle under the inert gas flow about the heat storage material of Example 2. 実施例2の蓄熱材料についての、蓄熱放熱サイクルの前後における断面のBEI顕微鏡写真および元素マッピング画像である。It is a BEI micrograph and an element mapping image of the cross section before and after the heat storage heat dissipation cycle about the heat storage material of Example 2. 実施例2の蓄熱材料についての、蓄熱放熱サイクル後における断面のBEI顕微鏡写真および炭素マッピング画像である。It is a BEI micrograph and a carbon mapping image of the cross section of the heat storage material of Example 2 after a heat storage heat dissipation cycle.

以下、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。
[1]蓄熱材料
上記課題を解決するために本発明者が種々の検討を行ったところ、周期律表上でSiの直下にあるGe(ゲルマニウム)を使用し、平衡状態(固相)においてGe相を含む所定の合金系を使用することによって、上記Al−Si系よりも高い共晶温度を有すると共に、1000℃以下で完全に溶融可能であり、完全溶融から完全凝固する間で放出される熱量が大きなPCMを構成可能であることに想到し、本発明に至ったものである。
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail.
[1] Heat storage material When the present inventor conducted various studies to solve the above problems, Ge (germanium) directly under Si on the periodic table was used, and Ge in an equilibrium state (solid phase). By using a predetermined alloy system containing a phase, it has a higher eutectic temperature than the above Al—Si system, can be completely melted at 1000 ° C. or lower, and is released between complete melting and complete solidification. We came up with the idea that a PCM with a large amount of heat can be constructed, and came up with the present invention.

純粋なGeの融点は938℃程度であって、比較的低い温度で融解が可能である。また、通常の金属の融解潜熱が10〜18kJ/mol(参考:アルミニウム;8.4kJ/mol。鉄;13.8kJ/mol)であるのに対して、Geの融解潜熱は34.7kJ/molであり、特に大きな融解潜熱を示すことが知られている(改訂4版 金属データブック、日本金属学会編)。このため、Ge相を含む合金系は、上記PCMが使用される温度域において単位量当たり大きな蓄熱量を示すPCMとしての使用が期待される。 Pure Ge has a melting point of about 938 ° C. and can be melted at a relatively low temperature. Further, the latent heat of melting of a normal metal is 10 to 18 kJ / mol (reference: aluminum; 8.4 kJ / mol; iron; 13.8 kJ / mol), whereas the latent heat of melting of Ge is 34.7 kJ / mol. It is known that it exhibits a particularly large latent heat of melting (Revised 4th Edition Metal Data Book, edited by the Japan Institute of Metals). Therefore, the alloy system containing the Ge phase is expected to be used as a PCM that exhibits a large amount of heat storage per unit amount in the temperature range in which the PCM is used.

つまり、PCMには、その最高融解温度(固体がすべて液体に融解する温度であり、液相線温度に相当する)と最低融解温度(共晶温度)が共に超臨界CO、スターリングエンジン、ガスタービン発電に使用できる温度域内に存在することが望まれるところ、本発明者は、Geが有する大きな融解潜熱を活かすために、少ない添加量によって最高融解温度と最低融解温度を所定の範囲内に調整可能な合金元素を添加することによって、大きな融解潜熱を有するGe相を母相とした高効率の発電等を可能にするPCMが提供可能であることに想到した。 In other words, the PCM has both the maximum melting temperature (the temperature at which all solids melt into a liquid, which corresponds to the liquidus temperature) and the minimum melting temperature (symbol temperature), which are supercritical CO 2 , a sterling engine, and a gas. Where it is desired to be within a temperature range that can be used for turbine power generation, the present inventor adjusts the maximum melting temperature and the minimum melting temperature within a predetermined range with a small amount of addition in order to utilize the large latent melting heat of Ge. By adding a possible alloy element, we have come up with the idea that it is possible to provide a PCM that enables highly efficient power generation or the like using a Ge phase having a large latent heat of melting as a matrix phase.

以下、本発明に係る蓄熱材料の一例として、Ge相と第二相としてのFeGe2相を含む合金について説明する。図1には、Fe−Ge系の平衡状態図を示す。図1に示すように、Fe−Ge系においては、Fe−66.6〜99.9at%Geの組成域においてGe相とFeGe2相とが平衡して存在し、当該2相が実質的に共晶(共晶温度:838℃)の関係にあることが知られている。当該組成域において、例えば、Ge相とFeGe2相の共晶組成であるFe−70at%Geの組成を有する合金においては、当該合金の全体が共晶温度の838℃において融解と凝固を生じ、その融解潜熱の吸収と放出を生じることとなる。そして、当該凝固(融解)の際には、近似的にFeとGeの凝固潜熱の加重平均に相当する潜熱量(30.0kJ/mol)が放出(吸収)される。 Hereinafter, as an example of the heat storage material according to the present invention, an alloy containing a Ge phase and a FeGe2 phase as a second phase will be described. FIG. 1 shows an equilibrium phase diagram of the Fe-Ge system. As shown in FIG. 1, in the Fe-Ge system, the Ge phase and the FeGe2 phase exist in equilibrium in the composition range of Fe-66.6 to 99.9 at% Ge, and the two phases are substantially eutectic. It is known that there is a crystal (eutectic temperature: 838 ° C.) relationship. In the composition range, for example, in an alloy having a composition of Fe-70 at% Ge, which is a eutectic composition of a Ge phase and a FeGe2 phase, the entire alloy undergoes melting and solidification at the eutectic temperature of 838 ° C. It will result in the absorption and release of latent heat of melting. Then, at the time of the solidification (melting), a latent heat amount (30.0 kJ / mol) approximately corresponding to the weighted average of the solidification latent heat of Fe and Ge is released (absorbed).

なお、上記Fe−Ge系と同様に、Ge相と第二相が平衡して存在する組成域を、本明細書においては「Ge相含有組成」ということがある。また、当該Ge相と平衡するGeを含む金属間化合物を以後「Ge含有金属間化合物」ということがある。また、当該2相間に共晶点が存在する場合について、当該共晶点における合金組成を特に「Ge相含有共晶組成」(或いは、単に「共晶組成」)と記載し、当該「Ge相含有共晶組成」にある合金を「Ge相共晶合金」ということがある。また、本明細書においてGe相とは、金属Geの結晶構造内に第二元素等が固溶しているものを意味するものとする。 Similar to the Fe-Ge system, the composition range in which the Ge phase and the second phase exist in equilibrium is sometimes referred to as "Ge phase-containing composition" in the present specification. Further, an intermetallic compound containing Ge that is in equilibrium with the Ge phase may be hereinafter referred to as a “Ge-containing intermetallic compound”. Further, in the case where a eutectic point exists between the two phases, the alloy composition at the eutectic point is particularly described as "Ge phase-containing eutectic composition" (or simply "eutectic composition"), and the "Ge phase" is described. The alloy in the "containing eutectic composition" may be referred to as a "Ge phase eutectic alloy". Further, in the present specification, the Ge phase means a metal Ge in which a second element or the like is solid-solved in the crystal structure.

つまり、上記Fe−70at%Geの組成を有する合金は上記「Ge相共晶合金」に相当し、共晶温度である838℃が最高融解温度、且つ最低融解温度であり、30.0kJ/molの凝固潜熱を示す蓄熱材料として機能する。当該合金を蓄熱材料として使用することで、その共晶温度において当該合金の凝固潜熱の全量を取り出すことができるため、液相が存在する限りにおいて、その蓄熱量の変化に関わらず838℃の熱媒体を介した熱エネルギーの取り出しが可能となり、安定的な発電等が可能となる。 That is, the alloy having the composition of Fe-70 at% Ge corresponds to the "Ge phase eutectic alloy", and the eutectic temperature of 838 ° C. is the maximum melting temperature and the minimum melting temperature of 30.0 kJ / mol. It functions as a heat storage material that shows the latent heat of solidification. By using the alloy as a heat storage material, the total amount of latent heat of solidification of the alloy can be taken out at the eutectic temperature. Therefore, as long as the liquid phase exists, the heat of 838 ° C. regardless of the change in the heat storage amount. Thermal energy can be taken out through a medium, and stable power generation can be performed.

また、放熱と同時に所定の熱源からの吸熱を行う場合においても、液相と固相が共存する範囲においては外部からの熱量の供給によって固相の一部が融解して液相に変化することによって838℃の温度が維持されるため、当該熱源の温度等に依らずに安定的な蓄熱や発電等が可能となる。 In addition, even when heat is absorbed from a predetermined heat source at the same time as heat is dissipated, a part of the solid phase is melted and changed to the liquid phase by supplying heat from the outside within the range where the liquid phase and the solid phase coexist. Since the temperature of 838 ° C. is maintained, stable heat storage and power generation can be performed regardless of the temperature of the heat source.

例えば、577℃に共晶温度を有するAl−Si系合金においても、上記のように共晶温度を維持した状態で蓄熱と放熱を行うことが可能であるが、本発明に係る蓄熱材料においては、より高い温度範囲に存在する共晶温度を活用可能である点で優位性を有する。また、本発明に係る蓄熱材料においても、当該共晶温度以上の適宜の温度まで加熱することによって、凝固潜熱に加えて当該温度までの顕熱を蓄熱することが可能であり、より大きな熱量の蓄熱が可能となる。 For example, even in an Al—Si alloy having a eutectic temperature at 577 ° C., it is possible to store heat and dissipate heat while maintaining the eutectic temperature as described above, but in the heat storage material according to the present invention, It has an advantage in that it can utilize the eutectic temperature existing in a higher temperature range. Further, also in the heat storage material according to the present invention, by heating to an appropriate temperature equal to or higher than the eutectic temperature, it is possible to store sensible heat up to the temperature in addition to the latent heat of solidification, and a larger amount of heat can be stored. Heat can be stored.

また、本発明に係る蓄熱材料として、上記Ge相含有共晶組成よりもGeが富化された組成(例えば、Fe−87at%Ge等)の合金を使用することも可能である。当該合金を使用した場合、固相状態でGe相とFeGe2相(Ge含有金属間化合物)とが平衡し、実質的に当該2相が共晶(共晶温度:838℃)の関係にあることに加えて、Ge相含有共晶組成より過剰なGeが共存することが知られている。融解した当該合金から熱を取り出す過程において、900℃近辺に存在する液相線で示される温度を最高融解温度として、Ge相含有共晶組成より過剰なGe相の析出に伴う潜熱の放出が開始し、最低融解温度である共晶温度に至るまで温度の低下を伴った潜熱の放出を生じる。そして、共晶温度の838℃において、上記と同様に一定温度で共晶組成の液相の全量が凝固して、共晶組成に由来する潜熱を一定温度において取り出すことが可能である。 Further, as the heat storage material according to the present invention, it is also possible to use an alloy having a composition richer in Ge than the Ge phase-containing eutectic composition (for example, Fe-87 at% Ge). When the alloy is used, the Ge phase and the FeGe2 phase (Ge-containing intermetallic compound) are in equilibrium in the solid phase state, and the two phases are substantially in a eutectic (eutectic temperature: 838 ° C.) relationship. In addition, it is known that Ge coexists in excess of the Ge phase-containing eutectic composition. In the process of extracting heat from the melted alloy, the temperature indicated by the liquidus line existing at around 900 ° C. is set as the maximum melting temperature, and the release of latent heat due to the precipitation of the Ge phase excessive from the Ge phase-containing eutectic composition starts. However, latent heat is released with a decrease in temperature up to the eutectic temperature, which is the minimum melting temperature. Then, at the eutectic temperature of 838 ° C., the entire amount of the liquid phase having the eutectic composition is solidified at a constant temperature in the same manner as described above, and the latent heat derived from the eutectic composition can be taken out at the constant temperature.

つまり、本発明に係る蓄熱材料の内で、特にGe相含有共晶組成よりもGe含有量の多い合金を用いる場合には、その組成に応じて最高融解温度と最低融解温度間の温度差を生じる一方で、単位量当たりの凝固潜熱が大きいGeの含有割合が高いことに起因して、当該合金の融解と凝固の間で蓄熱可能な熱量をGe相含有共晶組成の合金よりも大きくすることができるため、特に一定の範囲で温度変化が許容される用途における蓄熱に好ましく使用することができる。 That is, when an alloy having a Ge content higher than that of the Ge phase-containing eutectic composition is used among the heat storage materials according to the present invention, the temperature difference between the maximum melting temperature and the minimum melting temperature is set according to the composition. On the other hand, due to the high content ratio of Ge, which has a large latent heat of solidification per unit amount, the amount of heat that can be stored between melting and solidification of the alloy is made larger than that of an alloy having a Ge phase-containing eutectic composition. Therefore, it can be preferably used for heat storage in applications where temperature changes are allowed in a certain range.

一方、上記Ge相含有共晶組成よりもGeの割合が低い組成の合金を用いることで、凝固の際にGeを含む金属間化合物を初晶として析出することが可能であり、凝固組織の組織制御等の観点から、その使用が有効である。 On the other hand, by using an alloy having a composition in which the proportion of Ge is lower than that of the Ge phase-containing eutectic composition, it is possible to precipitate an intermetallic compound containing Ge as a primary crystal during solidification, and the structure of the solidified structure. Its use is effective from the viewpoint of control and the like.

これにより、次世代のPCMに求められる特性である、1000℃以下程度の温度範囲にPCM材料の全てが融解する最高融解温度を有することで全体積について凝固潜熱が利用可能であって、且つ、融点や共晶温度等の最低融解温度がより高温にあり、特に太陽熱を利用した超臨界CO2、スターリングエンジン、ガスタービン発電において高い効率が期待される650℃以上の最低融解温度で融解潜熱の吸収と放出が太陽熱発電に利用できることになる。 As a result, the latent heat of solidification can be used for the total volume by having the maximum melting temperature at which all the PCM materials are melted in the temperature range of about 1000 ° C. or less, which is a characteristic required for the next-generation PCM. The minimum melting temperature such as melting point and eutectic temperature is higher, and the latent heat of melting is absorbed at the minimum melting temperature of 650 ° C or higher, which is expected to be highly efficient especially in supercritical CO2 using solar heat, sterling engine, and gas turbine power generation. And the emission will be available for solar thermal power generation.

本合金のFeに代わる合金元素XとGe合金系(X-Ge合金)においても、目的に応じた共晶温度を持つことが好ましい。さらに好ましくはGe含有共晶組成よりも過剰Geを含有する平衡状態を有することが好ましい。X-Ge合金においては、特に太陽熱を利用した超臨界CO、スターリングエンジン、ガスタービン発電において高い効率が期待される650℃以上にGe含有共晶温度を有することが好ましい。発電効率をさらに高めるため、超臨界COタービンでは700℃〜800℃程度にGe含有共晶温度を有することが好ましい。さらに好ましくは、さらに高い熱効率の観点からスターリングエンジンによる発電では800〜900℃程度、ガスタービン発電では850〜1000℃にGe含有共晶温度を有することが好ましい。 It is preferable that the alloy element X instead of Fe of the present alloy and the Ge alloy system (X-Ge alloy) also have a eutectic temperature according to the purpose. More preferably, it has an equilibrium state containing excess Ge rather than a Ge-containing eutectic composition. The X-Ge alloy preferably has a Ge-containing eutectic temperature of 650 ° C. or higher, which is expected to have high efficiency in supercritical CO 2 utilizing solar heat, Stirling engine, and gas turbine power generation. In order to further increase the power generation efficiency, the supercritical CO 2 turbine preferably has a Ge-containing eutectic temperature of about 700 ° C. to 800 ° C. More preferably, from the viewpoint of higher thermal efficiency, it is preferable to have a Ge-containing eutectic temperature at about 800 to 900 ° C. for power generation by a Stirling engine and 850 to 1000 ° C. for gas turbine power generation.

表1には、本発明に係る蓄熱材料の一例であるFe−Ge系を含み、Fe以外の合金元素XとGeとのX−Ge合金系の蓄熱材料を示す。表1に示すGe相と平衡する化合物はGe含有金属間化合物を示し、共晶組成はGe相含有共晶組成を示している。また、共晶温度はGe相含有共晶組成の融解凝固温度を示している。 Table 1 shows an X-Ge alloy-based heat storage material containing an Fe-Ge system, which is an example of the heat storage material according to the present invention, and an alloy element X other than Fe and Ge. The compounds equilibrated with the Ge phase shown in Table 1 represent Ge-containing intermetallic compounds, and the eutectic composition shows the Ge phase-containing eutectic composition. The eutectic temperature indicates the melting and solidification temperature of the Ge phase-containing eutectic composition.

例1では、表1のNi−67at%Geの組成を有するGe相共晶合金は、固相状態でGe相とNiGe相(Ge含有金属間化合物)とが平衡し、実質的に当該2相が共晶(共晶温度:762℃)の関係にある。762℃の共晶点において近似的にNiとGeの凝固潜熱の加重平均に相当する潜熱量(30.5kJ/mol)が放出される。例えば、硝酸ナトリウム等を含む蓄熱材料の動作温度の上限が500〜550℃、凝固潜熱が13.81kJ/mol程度であるのに対して、より高い温度域で大きな潜熱の放出が可能な蓄熱材料として機能する。 In Example 1, in the Ge phase eutectic alloy having the composition of Ni-67 at% Ge in Table 1, the Ge phase and the NiGe phase (Ge-containing intermetallic compound) are in equilibrium in the solid phase state, and substantially the two phases are present. Is in a eutectic relationship (eutectic temperature: 762 ° C.). At the eutectic point at 762 ° C., a latent heat amount (30.5 kJ / mol) approximately corresponding to the weighted average of the solidification latent heat of Ni and Ge is released. For example, while the upper limit of the operating temperature of a heat storage material containing sodium nitrate or the like is 500 to 550 ° C and the latent heat of solidification is about 13.81 kJ / mol, the heat storage material capable of releasing a large latent heat in a higher temperature range. Functions as.

例2では、上記Ge含有共晶組成よりもGeが富化された組成(例えば、Ni−90at%Ge)の合金を使用した場合、固相状態でGe相とNiGe相(Ge含有金属間化合物)とが平衡し、実質的に当該2相が共晶(共晶温度:762℃)の関係にあることに加えて、Ge含有共晶組成より過剰量のGe相が共存することが知られている。当該組成を有する合金においては、当該Ge相共晶合金が共晶温度の762℃において融解と凝固を生じ、その融解潜熱の吸収と放出を生じることに加えて、Ge相共晶組成より過剰量のGe相が762〜938℃において融解と凝固を生じ、Ge相の融解潜熱の吸収と放出を生じる。これにより、当該合金はGe相共晶合金よりも高温度域で融解潜熱の吸収と放出を生じることとなる。 In Example 2, when an alloy having a composition richer in Ge than the above Ge-containing eutectic composition (for example, Ni-90 at% Ge) is used, the Ge phase and the NiGe phase (Ge-containing metal-to-metal compound) are used in the solid phase state. ) Is in equilibrium, and the two phases are substantially in a eutectic relationship (eutectic temperature: 762 ° C.), and it is known that an excess amount of Ge phase coexists from the Ge-containing eutectic composition. ing. In the alloy having the composition, the Ge-phase eutectic alloy melts and solidifies at the eutectic temperature of 762 ° C., and in addition to absorbing and releasing the latent heat of melting, an excess amount from the Ge-phase eutectic composition. The Ge phase of the Ge phase undergoes melting and solidification at 762-938 ° C., resulting in the absorption and release of the latent melting heat of the Ge phase. As a result, the alloy absorbs and releases latent heat of melting in a higher temperature range than the Ge-phase eutectic alloy.

例3では、例えば、表1のCo−73at%Geの組成を有するGe相含有共晶合金は、固相状態でGe相とCoGe2相(Ge含有金属間化合物)とが平衡し、実質的に当該2相が共晶(共晶温度:817℃)の関係にある。817℃の共晶点において近似的にCoとGeの凝固潜熱の加重平均に相当する潜熱量(31.3kJ/mol)が放出される。例えば、硝酸ナトリウム等を含む蓄熱材料の動作温度の上限が500〜550℃、凝固潜熱が13.81kJ/mol程度であるのに対して、より高い温度域で大きな潜熱の放出が可能な蓄熱材料として機能する。 In Example 3, for example, in the Ge phase-containing eutectic alloy having the composition of Co-73 at% Ge in Table 1, the Ge phase and the CoGe2 phase (Ge-containing intermetallic compound) are in equilibrium in a solid phase state, and substantially The two phases are in a eutectic relationship (eutectic temperature: 817 ° C.). At the eutectic point at 817 ° C., a latent heat amount (31.3 kJ / mol) approximately corresponding to the weighted average of the solidification latent heat of Co and Ge is released. For example, while the upper limit of the operating temperature of a heat storage material containing sodium nitrate or the like is 500 to 550 ° C and the latent heat of solidification is about 13.81 kJ / mol, the heat storage material capable of releasing a large latent heat in a higher temperature range. Functions as.

例4では、上記Ge相含有共晶組成よりもGeが富化された組成(例えば、Co−90at%Ge)の合金を使用した場合、固相状態でGe相とCoGe2相(Ge含有金属間化合物)とが平衡し、実質的に当該2相が共晶(共晶温度:817℃)の関係にあることに加えて、Ge相含有共晶組成より過剰量のGe相が共存することが知られている。当該組成を有する合金においては、当該Ge相共晶合金が共晶温度の817℃において融解と凝固を生じ、その融解潜熱の吸収と放出を生じることに加えて、Ge相共晶組成より過剰量のGe相が817〜938℃において融解と凝固を生じ、Ge相の融解潜熱の吸収と放出を生じる。これにより、当該合金はGe相共晶合金よりも高温度域で融解潜熱の吸収と放出を生じることとなる。 In Example 4, when an alloy having a composition richer in Ge than the Ge phase-containing eutectic composition (for example, Co-90 at% Ge) is used, the Ge phase and the CoGe2 phase (between Ge-containing metals) are used in a solid phase state. The compound) is in equilibrium, and in addition to the fact that the two phases are eutectic (eutectic temperature: 817 ° C.), an excess amount of Ge phase may coexist from the Ge phase-containing eutectic composition. Are known. In the alloy having the composition, the Ge phase eutectic alloy melts and solidifies at the eutectic temperature of 817 ° C., and in addition to absorbing and releasing the latent heat of melting, an excess amount from the Ge phase eutectic composition. The Ge phase of the Ge phase undergoes melting and solidification at 817-938 ° C., resulting in the absorption and release of the latent melting heat of the Ge phase. As a result, the alloy absorbs and releases latent heat of melting in a higher temperature range than the Ge-phase eutectic alloy.

以上、説明したように、上記本発明に係る蓄熱材料はGe相を母相とする合金を含む蓄熱材料であって、特に、当該蓄熱材料に蓄えられた熱を使用するための各種の手段に適した温度域で合金の融解潜熱の放出と吸収を生じさせるために、Geに対して各種の合金元素を混合してなる合金を含む蓄熱材料である。また、当該合金元素としては、Geに混合することによって合金の最高融解温度を低下し、且つ、一定の温度において潜熱の吸収と放出が可能となる共晶点をGe相との間で形成する元素が好ましく使用される。当該要請を満たす合金元素は、Geを含む各種の平衡状態図を検討することによって特定することが可能である。 As described above, the heat storage material according to the present invention is a heat storage material containing an alloy having a Ge phase as a matrix phase, and is particularly used as various means for using the heat stored in the heat storage material. It is a heat storage material containing an alloy formed by mixing various alloying elements with Ge in order to cause the release and absorption of latent heat of melting of the alloy in a suitable temperature range. Further, as the alloying element, a eutectic point is formed between the Ge phase and the alloy element so that the maximum melting temperature of the alloy can be lowered by mixing with Ge and latent heat can be absorbed and released at a constant temperature. Elements are preferably used. Alloy elements that satisfy this requirement can be identified by examining various equilibrium phase diagrams including Ge.

また、例えば、本発明に係る蓄熱材料に蓄熱した熱を利用してガスタービン等による発電を行う際には、より高温の熱を利用することで熱効率を高くできることから、上記のようにGeに合金元素を混合することで形成される合金の共晶温度が650℃程度以上となる合金元素が好ましく使用される。 Further, for example, when the heat stored in the heat storage material according to the present invention is used to generate power by a gas turbine or the like, the thermal efficiency can be increased by using the heat at a higher temperature. An alloy element having a eutectic temperature of about 650 ° C. or higher of the alloy formed by mixing the alloy elements is preferably used.

Geとの二成分系において共晶温度が650℃程度以上の共晶温度を生じる元素として、例えば、周期律表の第4周期に含まれる原子番号が19〜28の元素のうちでK、Sc、Ti、Cr,Mn,Fe,Co,Ni、アルカリ土類金属のうちでMg、Sr、周期律表の第5周期に含まれる原子番号が45、46の元素Rh、Pd、周期律表の第6周期に含まれる原子番号が72、78の元素Hf、Pt及び希土類金属(La,Pr,Nd,Sm,Ho、Tm,Yb、Lu等)が知られている。また、当該元素をGeに混合した際には、いずれもGe相と平衡して存在するGeを含む金属間化合物相を生成し、当該金属間化合物相とGe相の間に共晶点が存在することが知られている。 As an element that produces a eutectic temperature of about 650 ° C. or higher in a two-component system with Ge, for example, K, Sc among the elements having atomic numbers 19 to 28 included in the fourth period of the periodic table , Ti, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Mg, Sr among alkaline earth metals, elements Rh, Pd with atomic numbers 45 and 46 included in the 5th period of the periodic table, Elements Hf, Pt and rare earth metals (La, Pr, Nd, Sm, Ho, Tm, Yb, Lu, etc.) having atomic numbers 72 and 78 included in the sixth period are known. Further, when the element is mixed with Ge, an intermetallic compound phase containing Ge that exists in equilibrium with the Ge phase is generated, and a eutectic point exists between the intermetallic compound phase and the Ge phase. It is known to do.

表1には、上記各元素をGeに混合した際に生じる共晶温度、共晶組成等をまとめて示す。表1に示すように、上記各元素をGeに添加した際には、Ge相と平衡する金属間化合物を生成し、当該金属間化合物相とGe相間に所定の共晶点を生じることが知られており、蓄熱材料に蓄えられた熱を使用するための発電手段等に適した共晶温度等を与える元素を適宜選択して使用することができる。また、一般に複数種の合金元素を使用することで生じる共晶点の温度が低下することを利用して、共晶温度を使用する発電手段等に応じて調整することも有効である。 Table 1 summarizes the eutectic temperature, eutectic composition, etc. generated when each of the above elements is mixed with Ge. As shown in Table 1, it is known that when each of the above elements is added to Ge, an intermetallic compound that is in equilibrium with the Ge phase is generated, and a predetermined eutectic point is generated between the intermetallic compound phase and the Ge phase. An element that gives a eutectic temperature or the like suitable for a power generation means or the like for using the heat stored in the heat storage material can be appropriately selected and used. Further, it is also effective to adjust the temperature of the eutectic point according to the power generation means or the like using the eutectic temperature by utilizing the fact that the temperature of the eutectic point generally generated by using a plurality of kinds of alloying elements is lowered.

一方、Geの凝固潜熱は表1に示す元素と比べて3倍程度の値であることから、単位量の蓄熱材料当たりの蓄熱量を確保する観点からは、より少ない添加元素の添加量において、共晶点を生じる元素が好ましく使用される。また、本発明に係る蓄熱材料を構成する合金は必ずしも共晶組成を有する必要はなく、上記のように、特に共晶組成よりもGeを富化した組成とすることで、単位量当たりの熱容量を大きくすることが可能である。 On the other hand, since the latent heat of solidification of Ge is about three times as high as that of the elements shown in Table 1, from the viewpoint of securing the amount of heat storage per unit amount of heat storage material, the amount of added element added is smaller. Elements that produce eutectic points are preferably used. Further, the alloy constituting the heat storage material according to the present invention does not necessarily have to have a eutectic composition, and as described above, the heat capacity per unit amount is particularly increased by making the composition richer in Ge than the eutectic composition. Can be increased.

本発明に係る蓄熱材料を用いる温度範囲内では、蓄熱材料と物理的に密着し、蓄熱材料を格納する蓄熱容器(るつぼ材料)との高温反応性(高温腐食)が問題となる場合がある。るつぼ材料との反応性等の化学的性質等を考慮して、高温反応性を回避することを目的としてGeに混合する合金元素を決定することができる。 Within the temperature range in which the heat storage material according to the present invention is used, high temperature reactivity (high temperature corrosion) with the heat storage container (crucible material) that physically adheres to the heat storage material and stores the heat storage material may become a problem. The alloying elements to be mixed with Ge can be determined for the purpose of avoiding high temperature reactivity in consideration of chemical properties such as reactivity with the crucible material.

また、本発明の効果を害しない程度で複数種の合金元素を含んでもいい。
また、凝固時の核生成を円滑にするために、本発明に係る蓄熱材料を用いる温度範囲内では融解せず固相のまま存在する成分を合金に混合して用いることも可能である。
Further, a plurality of types of alloying elements may be contained to the extent that the effects of the present invention are not impaired.
Further, in order to facilitate nucleation during solidification, it is also possible to mix and use a component that does not melt and remains in a solid phase in the temperature range in which the heat storage material according to the present invention is used.

すなわち、本発明の蓄熱材料は、Ge合金を含むことを特徴とする。
これにより、高温での使用が可能であり、蓄熱放熱特性に優れた蓄熱材料を提供することができる。
That is, the heat storage material of the present invention is characterized by containing a Ge alloy.
As a result, it is possible to provide a heat storage material that can be used at a high temperature and has excellent heat storage and heat dissipation characteristics.

上記要求を満たす合金元素(Ge合金を構成するGe以外の金属元素)として、当該合金元素とGeの平衡状態図においてGe相と平衡する金属間化合物等とGe相の間に共晶点が存在し、当該共晶点の温度(共晶温度)が概ね650℃以上であり、且つ、当該共晶点におけるGeの原子比率(共晶組成)が40原子%以上である合金元素を用いることにより、大きな融解潜熱を有するGe相を母相として、使用する超臨界CO、スターリングエンジン、ガスタービン発電において望ましい温度域に応じたPCMを形成することが可能である。 As an alloy element (a metal element other than Ge that constitutes a Ge alloy) that satisfies the above requirements, an eutectic point exists between the Ge phase and an intermetal compound that is in equilibrium with the Ge phase in the equilibrium state diagram between the alloy element and Ge. By using an alloy element in which the temperature of the eutectic point (eutectic temperature) is approximately 650 ° C. or higher and the atomic ratio of Ge at the eutectic point (eutectic composition) is 40 atomic% or more. It is possible to form a PCM corresponding to a desirable temperature range in supercritical CO 2 to be used, a sterling engine, and a gas turbine power generation using a Ge phase having a large latent heat of melting as a parent phase.

上記Geに添加される合金元素としては、例えば、周期律表の第4周期に含まれる原子番号が20〜28の元素(Ca,Sc,Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni)、アルカリ土類金属のうちでMg,Ca,Sr、及び希土類金属(La,Nd,Sm,Tm,Lu等)が挙げられる。表1には、上記各元素をGeに添加した際に、Ge相と平衡する金属間化合物と、当該金属間化合物とGe相間の共晶温度と共晶組成を示す。表1に示すように、上記元素をGeに添加した場合には、Geの原子比率が40原子%以上の範囲に共晶点を生じると共に、その共晶温度を650℃以上とすることができる。 Examples of the alloying element added to the Ge include elements having an atomic number of 20 to 28 included in the fourth period of the periodic table (Ca, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni). , Mg, Ca, Sr, and rare earth metals (La, Nd, Sm, Tm, Lu, etc.) among the alkaline earth metals. Table 1 shows an intermetallic compound that balances with the Ge phase when each of the above elements is added to Ge, and the eutectic temperature and eutectic composition between the intermetallic compound and the Ge phase. As shown in Table 1, when the above elements are added to Ge, eutectic points can be generated in the range where the atomic ratio of Ge is 40 atomic% or more, and the eutectic temperature can be set to 650 ° C. or higher. ..

Figure 2021138850
Figure 2021138850

合金元素は、2種以上の元素を組み合わせて用いてもよい。 As the alloy element, two or more kinds of elements may be used in combination.

Ge合金の組成は、Ge相と平衡する化合物と、Ge相とが共存するものであればよく、好ましくは、共晶組成よりもGe含有率が多いものである。 The composition of the Ge alloy may be such that a compound equilibrating with the Ge phase and the Ge phase coexist, and preferably, the Ge content is higher than the eutectic composition.

個別の用途において好ましい最高融解温度と最低融解温度とを与えるように、上記の範囲から合金元素、組成を決定することができる。 The alloying elements, composition can be determined from the above range so as to provide the preferred maximum melting temperature and minimum melting temperature for the individual application.

一般の金属元素が融解する際には体積膨張を生じる一方で、Geは融解の際に体積の縮小を生じる。このため、上記合金元素の添加は、融解の際の体積の変化量を縮小する点でも好ましい。
以下の説明では、本発明の蓄熱材料において、前記Ge合金がFe−Ge合金である場合について、中心的に説明する。
While general metal elements cause volume expansion when they melt, Ge causes volume reduction when they melt. Therefore, the addition of the alloying element is also preferable in terms of reducing the amount of change in volume during melting.
In the following description, in the heat storage material of the present invention, the case where the Ge alloy is a Fe-Ge alloy will be mainly described.

このような本発明の蓄熱材料は、合金系の材料であり、従来の溶融塩系の蓄熱材料と比べて高い温度域に固相−液相の相変化温度を有するものであり、耐熱性に優れている。 Such a heat storage material of the present invention is an alloy-based material and has a solid-phase-liquid phase phase change temperature in a higher temperature range than a conventional molten salt-based heat storage material, and has heat resistance. Are better.

これにより、本発明では、従来よりも高温、例えば、650℃以上での使用が可能であり、使用可能な温度域を広げることができる。
また、本発明の蓄熱材料は、蓄熱容量も大きいものである。
Thereby, in the present invention, it can be used at a higher temperature than the conventional one, for example, 650 ° C. or higher, and the usable temperature range can be expanded.
Further, the heat storage material of the present invention has a large heat storage capacity.

また、本発明の蓄熱材料は、従来の溶融塩系の蓄熱材料と比べて、熱伝導率が非常に高い。これにより、熱応答性に優れる、すなわち、蓄熱や放熱を速やかに行うことができる。 Further, the heat storage material of the present invention has a very high thermal conductivity as compared with the conventional molten salt type heat storage material. As a result, the heat responsiveness is excellent, that is, heat storage and heat dissipation can be performed quickly.

また、従来の蓄熱材料では、固相から液相に変化、すなわち、融解する際の体積膨張率が大きいという問題があったのに対し、本発明の蓄熱材料は、温度変化による体積変化、特に、融解時の体積膨張率を小さくすることができる。 Further, the conventional heat storage material has a problem of changing from a solid phase to a liquid phase, that is, having a large volume expansion rate at the time of melting, whereas the heat storage material of the present invention has a volume change due to a temperature change, particularly. , The volume expansion rate at the time of melting can be reduced.

以上のようなことから、本発明の蓄熱材料は、高温での使用が可能であり、蓄熱放熱特性に優れていると言える。 From the above, it can be said that the heat storage material of the present invention can be used at a high temperature and has excellent heat storage and heat dissipation characteristics.

また、本発明の蓄熱材料では、合金を構成する各元素、例えば、Fe、Geの組成比を変更することによって、合金の融点を調整することができ、蓄熱容量や蓄熱温度等の特性を調整させることができる。これにより、種々の使用形態での蓄熱材料に好適に適用することができる。 Further, in the heat storage material of the present invention, the melting point of the alloy can be adjusted by changing the composition ratio of each element constituting the alloy, for example, Fe and Ge, and the characteristics such as the heat storage capacity and the heat storage temperature can be adjusted. Can be made to. Thereby, it can be suitably applied to the heat storage material in various usage forms.

これに対し、上記のような条件を満たさない場合には、上記のような優れた効果は得られない。 On the other hand, if the above conditions are not satisfied, the above excellent effect cannot be obtained.

例えば、蓄熱材料がGe以外の合金元素(Fe)を含まない金属材料、例えば、単体金属としてのGeの場合には融解温度を変更できないという問題が生じる。また、上記に掲載した表1以外の合金である場合には、Geとの共晶を形成しないという問題やGe含有率が小さいという問題が生じる。 For example, when the heat storage material is a metal material containing no alloying element (Fe) other than Ge, for example, Ge as a simple substance metal, there arises a problem that the melting temperature cannot be changed. Further, in the case of alloys other than those listed in Table 1 described above, there arises a problem that eutectic is not formed with Ge and a problem that the Ge content is small.

図1は、1013hPa(1気圧)におけるFe−Geの二元系についての状態図(相図)である。状態図の横軸は、GeおよびFeの含有率(質量%および原子%)、縦軸は温度(℃)を示している。 FIG. 1 is a state diagram (phase diagram) of a dual system of Fe-Ge at 1013 hPa (1 atm). The horizontal axis of the phase diagram shows the content of Ge and Fe (mass% and atomic%), and the vertical axis shows the temperature (° C.).

図中「L」はGeおよびFeが融解した液相を示し、それ以外は固相を示す。ただし、液相線lと共晶等温線eとの間の領域は、固相と液相とが共存する固相/液相共存領域を示す。固相については、「α1、α2およびαFe」は、立方構造をとるα相を示し、特に、αFeはフェライト相を示す。「β」は、体心立方構造をとるβ相を示す。「γFe」は、面心立方構造を有するオーステナイト相を示す。「ε」は、γ相からα相への変化における中間相であるε相を示す。「η」は、相安定性の低いη相を示す。そして、「Tc」は、強磁性体が常磁性体に変化する転移温度(キュリー温度)を示す。 In the figure, "L" indicates a liquid phase in which Ge and Fe are melted, and the others indicate a solid phase. However, the region between the liquid phase line l and the eutectic isotherm e indicates a solid phase / liquid phase coexistence region in which the solid phase and the liquid phase coexist. Regarding the solid phase, "α1, α2 and αFe" indicate an α phase having a cubic structure, and in particular, αFe indicates a ferrite phase. “Β” indicates a β phase having a body-centered cubic structure. “ΓFe” represents an austenite phase having a face-centered cubic structure. “Ε” indicates the ε phase, which is the intermediate phase in the change from the γ phase to the α phase. “Η” indicates an η phase having low phase stability. Then, "Tc" indicates the transition temperature (Curie temperature) at which the ferromagnet changes to a paramagnetic material.

本発明の蓄熱材料は、Ge合金を含んでいればよいが、当該Ge合金は、共晶合金を含むものであることが好ましい。さらに好ましくは共晶合金と過共晶のGeが共存する2層共存領域を有する化学組成がより好ましい。 The heat storage material of the present invention may contain a Ge alloy, but the Ge alloy preferably contains a eutectic alloy. More preferably, a chemical composition having a two-layer coexistence region in which a eutectic alloy and a hypereutectic Ge coexist is more preferable.

これにより、共晶合金の化学組成による潜熱蓄熱に加えて、過共晶組成のGeによる融解潜熱を潜熱蓄熱に利用することができる。 As a result, in addition to the latent heat storage due to the chemical composition of the eutectic alloy, the latent heat of melting due to Ge having a hypereutectic composition can be utilized for the latent heat storage.

図1に示す状態図において、Ge合金は、Geの割合が70原子%で共晶組成をとることがわかる。線Aは共晶点におけるFeおよびGeの組成比(30原子%Fe−70原子%Ge)を示す。 In the phase diagram shown in FIG. 1, it can be seen that the Ge alloy has a eutectic composition with a Ge ratio of 70 atomic%. Line A shows the composition ratio of Fe and Ge at the eutectic point (30 atomic% Fe-70 atomic% Ge).

図1に示す状態図において、共晶合金は、838℃の共晶温度付近で周囲から熱を吸収した場合に固相から液相へ相変化して該熱を潜熱として蓄え、言い換えると蓄熱し、周囲へ熱を放出した場合に液相から固相へ相変化して潜熱を放出、言い換えると放熱することができる。 In the state diagram shown in FIG. 1, when the eutectic alloy absorbs heat from the surroundings near the eutectic temperature of 838 ° C., the phase changes from the solid phase to the liquid phase and stores the heat as latent heat, in other words, heat is stored. When heat is released to the surroundings, the phase changes from the liquid phase to the solid phase to release latent heat, in other words, it can dissipate heat.

Fe−Ge合金が共晶合金を含むことで、Fe−Ge合金は図1に示す平衡状態図に従って可逆的に潜熱を蓄熱/放熱するものとなる。
これにより、蓄熱材料は、熱力学的に安定であり、サイクル特性が特に優れたものとなる。
When the Fe-Ge alloy contains a eutectic alloy, the Fe-Ge alloy reversibly stores / dissipates latent heat according to the equilibrium phase diagram shown in FIG.
As a result, the heat storage material is thermodynamically stable and has particularly excellent cycle characteristics.

Ge合金は、共晶合金に加え、過剰のGeを含む過共晶Ge合金であることが好ましい。 The Ge alloy is preferably a hypereutectic Ge alloy containing an excess of Ge in addition to the eutectic alloy.

図1に示す状態図において、Geの割合が70原子%を超えるとFe−Ge合金は、共晶合金に加え、過剰のGeを含む過共晶Fe−Ge合金となる。過共晶合金は、共晶合金(FeGe)と過剰なGeとの混合物である。線Bは過共晶合金の一例の組成比(23原子%Fe−87原子%Ge)を示している。 In the phase diagram shown in FIG. 1, when the proportion of Ge exceeds 70 atomic%, the Fe-Ge alloy becomes a hypereutectic Fe-Ge alloy containing excess Ge in addition to the eutectic alloy. The hypereutectic alloy is a mixture of the eutectic alloy (FeGe 2 ) and excess Ge. Line B shows the composition ratio (23 atomic% Fe-87 atomic% Ge) of an example of a hypereutectic alloy.

図1に示す状態図において、線Bと液相線との交点が示す温度、つまり液体の過共晶合金を冷却したときに金属Ge(共晶合金を構成しない過剰のGe)が凝固する温度は約838℃から約895℃であり、この温度範囲においては、共晶合金の固液相変化によって周囲の熱を潜熱として蓄え、また、潜熱として蓄えた熱を放出することができるとともに、金属Ge(共晶合金を構成しない過剰のGe)の固液相変化によって周囲の熱を潜熱として蓄え、また、潜熱として蓄えた熱を放出することができる。 In the state diagram shown in FIG. 1, the temperature indicated by the intersection of the line B and the liquidus line, that is, the temperature at which the metal Ge (excess Ge that does not form the eutectic alloy) solidifies when the liquid hypereutectic alloy is cooled. Is about 838 ° C to about 895 ° C, and in this temperature range, the ambient heat can be stored as latent heat by the solid-liquid phase change of the eutectic alloy, and the stored heat can be released as latent heat, and the metal can be released. The solid-liquid phase change of Ge (excessive Ge that does not form a eutectic alloy) can store ambient heat as latent heat and release the stored heat as latent heat.

このように、Fe−Ge合金を過共晶組成に調整することで、Fe−Ge合金を加熱または冷却する際に固体成分と液体成分とが共存する相変化温度に幅を持たせることが可能となる。 By adjusting the Fe-Ge alloy to a hypereutectic composition in this way, it is possible to have a range in the phase change temperature at which the solid component and the liquid component coexist when the Fe-Ge alloy is heated or cooled. It becomes.

なお、過共晶Fe−Ge合金の場合、後述する実施例に示すように、Fe−Ge合金の温度プロファイルまたはdT/dtプロファイル(図7、図10、図11参照)、DSC曲線(図8参照)において、共晶合金の相変化に起因するピーク、および、過剰のGeの相変化に起因するピークの2つのピークが現れる。 In the case of a hypereutectic Fe-Ge alloy, as shown in Examples described later, the temperature profile or dT / dt profile of the Fe-Ge alloy (see FIGS. 7, 10, 11) and the DSC curve (FIG. 8). (See), two peaks appear, one due to the phase change of the eutectic alloy and the other due to the excessive Ge phase change.

Ge合金(特に、Fe−Ge合金)におけるGeの割合は、70原子%以上99原子%以下であることが好ましく、75原子%以上98原子%以下であることがより好ましく、80原子%以上97原子%以下であることがさらに好ましい。 The proportion of Ge in the Ge alloy (particularly, Fe-Ge alloy) is preferably 70 atomic% or more and 99 atomic% or less, more preferably 75 atomic% or more and 98 atomic% or less, and 80 atomic% or more and 97. It is more preferably atomic% or less.

これにより、蓄熱材料の熱伝導率を効果的に高めることができ、熱応答性をより優れたものとすることができる。また、融解時の体積変化をより効果的に抑制することができる。 As a result, the thermal conductivity of the heat storage material can be effectively increased, and the thermal responsiveness can be made more excellent. In addition, the volume change at the time of melting can be suppressed more effectively.

なお、本発明の蓄熱材料を構成するFe−Ge合金は、Fe、Ge以外の元素を含んでいてもよい。以下、このような元素のことを、「その他の元素」ともいう。 The Fe-Ge alloy constituting the heat storage material of the present invention may contain elements other than Fe and Ge. Hereinafter, such an element is also referred to as "other elements".

Fe−Ge合金中におけるその他の元素の含有率は、1.0質量%未満であることが好ましく、0.5質量%未満であることがより好ましい。ただし、Fe−Ge合金が、その他元素として、複数種の元素を含有する場合、これら複数の元素の含有率の和が前記の条件を満足するのが好ましい。 The content of other elements in the Fe—Ge alloy is preferably less than 1.0% by mass, more preferably less than 0.5% by mass. However, when the Fe-Ge alloy contains a plurality of kinds of elements as other elements, it is preferable that the sum of the contents of the plurality of elements satisfies the above conditions.

1013hPa(1気圧)におけるFe−Ge合金の潜熱蓄熱容量は、代表的な炭酸系溶融塩であるNaCOの蓄熱容量である1.28GJ/m以上であることが好ましく、Cu−Si合金の蓄熱容量である2.67GJ/m以上であることがより好ましい。 The latent heat storage capacity of the Fe-Ge alloy at 1013 hPa (1 atm) is preferably 1.28 GJ / m 3 or more, which is the heat storage capacity of Na 2 CO 3 which is a typical carbonate-based molten salt, and Cu-Si. It is more preferable that the heat storage capacity of the alloy is 2.67 GJ / m 3 or more.

上記のFe−Ge合金の潜熱蓄熱容量の値としては、後述する測定方法、測定条件での蓄熱時(蓄熱モード)での測定値を採用することができる。 As the value of the latent heat storage capacity of the Fe-Ge alloy described above, the measurement method and the measurement value at the time of heat storage (heat storage mode) under the measurement conditions can be adopted.

Fe−Ge合金は、650℃以上の温度域で使用されるものであることが好ましく、700℃以上の温度域で使用されるものであることがより好ましく、800℃以上1000℃以下の温度域で使用されるものであることがさらに好ましい。 The Fe-Ge alloy is preferably used in a temperature range of 650 ° C. or higher, more preferably used in a temperature range of 700 ° C. or higher, and a temperature range of 800 ° C. or higher and 1000 ° C. or lower. It is more preferable that it is used in.

Fe−Ge合金は、耐熱性が高いものであるため、上記のような高温域でも好適に使用することができる。また、Fe−Ge合金は、上述したように、相変化温度が高く、上記のような高温域でも好適に使用することができる。そして、例えば、室温付近のような低温域から上記のような高温域にわたって使用することにより、蓄熱材料の単位容積あたりの蓄熱量をより大きくすることができ、本発明の効果をさらに顕著に発揮させることができる。 Since the Fe-Ge alloy has high heat resistance, it can be suitably used even in the high temperature range as described above. Further, as described above, the Fe-Ge alloy has a high phase change temperature and can be suitably used even in the above-mentioned high temperature range. Then, for example, by using the heat storage material from a low temperature region such as around room temperature to a high temperature region as described above, the amount of heat storage per unit volume of the heat storage material can be further increased, and the effect of the present invention is further exhibited. Can be made to.

本発明の蓄熱材料は、上述したFe−Ge合金(蓄熱材料用合金)を含むものであればよいが、Fe−Ge合金に加えて、さらに、Fe−Ge合金以外の成分(以下、「その他の成分」ともいう)を含むものであってもよい。 The heat storage material of the present invention may contain the above-mentioned Fe-Ge alloy (alloy for heat storage material), but in addition to the Fe-Ge alloy, components other than the Fe-Ge alloy (hereinafter, "others"). It may also contain "components of").

その他の成分としては、例えば、上記表1に示したFe−Ge合金以外の合金、アルミナ、石英、シリカ、SiC等が挙げられる。 Examples of other components include alloys other than the Fe-Ge alloy shown in Table 1 above, alumina, quartz, silica, SiC, and the like.

本発明の蓄熱材料中におけるその他の成分の含有率は、30質量%以下であることが好ましく、20質量%以下であることがより好ましく、10質量%以下であることがさらに好ましい。 The content of other components in the heat storage material of the present invention is preferably 30% by mass or less, more preferably 20% by mass or less, and further preferably 10% by mass or less.

Fe−Ge合金は、比較的高温とした場合であっても蒸発等による損失を生じにくい。
本発明の蓄熱材料について、不活性ガス(例えば、Ar、N等)流下、25℃(室温)から1000℃までの蓄熱/放熱を360サイクル行った際の質量変化率は、5%未満であることが好ましく、3%未満であることがより好ましい。
The Fe-Ge alloy is less likely to cause loss due to evaporation or the like even when the temperature is relatively high.
The heat storage material of the present invention, an inert gas (e.g., Ar, N 2, etc.) under a stream of the mass change ratio when the heat storage / heat radiation was performed 360 cycles from 25 ° C. (room temperature) to 1000 ° C., less than 5% It is preferably present, and more preferably less than 3%.

これにより、蓄熱材料のサイクル特性、長期信頼性は特に優れたものとなる。したがって、例えば、本発明の蓄熱材料を、蓄熱・放熱を繰り返し行う蓄熱発電等に適用した場合であっても、長期間にわたって安定的な稼働を保証することができる。 As a result, the cycle characteristics and long-term reliability of the heat storage material are particularly excellent. Therefore, for example, even when the heat storage material of the present invention is applied to a heat storage power generation or the like that repeatedly stores and dissipates heat, stable operation can be guaranteed for a long period of time.

本発明の蓄熱材料は、650℃以上の温度域で使用されるものであることが好ましく、700℃以上の温度域で使用されるものであることがより好ましく、800℃以上の温度域で使用されるものであることがさらに好ましい。 The heat storage material of the present invention is preferably used in a temperature range of 650 ° C. or higher, more preferably used in a temperature range of 700 ° C. or higher, and is used in a temperature range of 800 ° C. or higher. It is more preferable that the temperature is increased.

本発明の蓄熱材料は、耐熱性が高いものであるため、上記のような高温域でも好適に使用することができる。また、本発明の蓄熱材料を構成するFe−Ge合金は、上述したように、相変化温度が高く、本発明の蓄熱材料は、上記のような高温域でも好適に使用することができる。そして、例えば、室温付近のような低温域から上記のような高温域にわたって使用することにより、蓄熱材料の単位容積あたりの蓄熱量をより大きくすることができ、本発明の効果をさらに顕著に発揮させることができる。 Since the heat storage material of the present invention has high heat resistance, it can be suitably used even in the high temperature region as described above. Further, as described above, the Fe-Ge alloy constituting the heat storage material of the present invention has a high phase change temperature, and the heat storage material of the present invention can be suitably used even in the high temperature region as described above. Then, for example, by using the heat storage material from a low temperature region such as around room temperature to a high temperature region as described above, the amount of heat storage per unit volume of the heat storage material can be further increased, and the effect of the present invention is further exhibited. Can be made to.

[2]蓄熱材料の使用形態
次に、本発明の蓄熱材料の使用形態について説明する。
[2] Usage pattern of heat storage material Next, a usage pattern of the heat storage material of the present invention will be described.

潜熱蓄熱型の蓄熱材料では、蓄熱時に融解するため、液体の蓄熱材料の漏出を防止するために、カプセル内に充填して用いられることがある。 In the latent heat storage type heat storage material, since it melts during heat storage, it may be used by filling it in a capsule in order to prevent leakage of the liquid heat storage material.

従来の蓄熱材料をカプセルに充填して用いる場合、相変化時の体積変化率が大きかったため、カプセルが蓄熱材料の体積変化に追従できず破損してしまうという問題があった。そのため、融解時の体積膨張による応力緩和のための隙間が必要となり、蓄熱材料をカプセル内に十分充填することはできなかった。そのため、蓄熱容量の低下や、熱抵抗の増大を招いていた。あるいは、カプセルに孔をあけることにより、体積変化を吸収していた。このように、従来の蓄熱材料を用いた場合にはカプセルを密閉することができなかったため、充填された蓄熱材料の蒸発や漏洩の問題があった。 When a conventional heat storage material is filled in a capsule and used, there is a problem that the capsule cannot follow the volume change of the heat storage material and is damaged because the volume change rate at the time of phase change is large. Therefore, a gap for stress relaxation due to volume expansion during melting is required, and the heat storage material cannot be sufficiently filled in the capsule. Therefore, the heat storage capacity is lowered and the thermal resistance is increased. Alternatively, the volume change was absorbed by making a hole in the capsule. As described above, when the conventional heat storage material is used, the capsule cannot be sealed, so that there is a problem of evaporation or leakage of the filled heat storage material.

これに対し、本発明の蓄熱材料では、相変化の際の体積変化率が小さいため、カプセルに孔をあけたりする必要がなく、カプセルを密閉することが可能である。これにより、蓄熱材料の蒸発や漏洩等の問題の発生をより効果的に防止することができ、サイクル特性、長期信頼性を特に優れたものとすることができる。また、カプセル内に隙間を設けることなく蓄熱材料を充填することができるため、高蓄熱密度化、蓄熱容器のコンパクト化を図ることができる。また、熱抵抗が小さくなり熱交換効率のさらなる向上を図ることができる。 On the other hand, in the heat storage material of the present invention, since the volume change rate at the time of phase change is small, it is possible to seal the capsule without making a hole in the capsule. As a result, it is possible to more effectively prevent the occurrence of problems such as evaporation and leakage of the heat storage material, and it is possible to make the cycle characteristics and long-term reliability particularly excellent. Further, since the heat storage material can be filled without providing a gap in the capsule, it is possible to increase the heat storage density and make the heat storage container compact. In addition, the thermal resistance is reduced, and the heat exchange efficiency can be further improved.

図2は、本発明の蓄熱材料の使用形態の一例を示す図である。より具体的には、本発明の蓄熱材料をカプセルに収容し蓄熱カプセルとして用いる構成の一例を示す図である。図2(a)は蓄熱カプセルの分解斜視図であり、図2(b)は、蓄熱カプセルの断面図である。 FIG. 2 is a diagram showing an example of a usage pattern of the heat storage material of the present invention. More specifically, it is a figure which shows an example of the structure which holds the heat storage material of this invention in a capsule and uses it as a heat storage capsule. FIG. 2A is an exploded perspective view of the heat storage capsule, and FIG. 2B is a cross-sectional view of the heat storage capsule.

蓄熱カプセル1は、本発明の蓄熱材料2と、蓄熱材料2を収容するカプセル3とを備える。 The heat storage capsule 1 includes a heat storage material 2 of the present invention and a capsule 3 that houses the heat storage material 2.

カプセル3は、例えば、その内径が、蓄熱材料2の外径と略同一である中空略球形をなし、第1半体3aおよび第2半体3bを備える。第1半体3aおよび第2半体3bは、中空のカプセル3を半分に切断したような形状であり、環状縁部にそれぞれ雄ねじ4aおよび雌ねじ4bが形成され、互いに螺合している。なお、カプセル3の内径を蓄熱材料2よりも大寸法に形成する場合、カプセル3と、蓄熱材料2との間に空隙が生ずるが、蓄熱材料2の酸化を防止したり、温度変化による過度な体積増加を抑制したりするためにこの空隙は真空にすることが好ましい。 The capsule 3 has, for example, a hollow substantially spherical shape whose inner diameter is substantially the same as the outer diameter of the heat storage material 2, and includes a first semifield 3a and a second semifield 3b. The first half body 3a and the second half body 3b are shaped like a hollow capsule 3 cut in half, and male threads 4a and female threads 4b are formed on the annular edges, respectively, and are screwed together. When the inner diameter of the capsule 3 is formed to be larger than that of the heat storage material 2, a gap is generated between the capsule 3 and the heat storage material 2, but oxidation of the heat storage material 2 is prevented or excessive due to a temperature change. It is preferable that this void is evacuated in order to suppress the increase in volume.

なお、図示の構成では、カプセル3の中空部に、1個の蓄熱材料2が収容されているが、例えば、1個のカプセル3の中空部に、複数個の蓄熱材料2が収容されていてもよい。例えば、粉末状の蓄熱材料を用いてもよい。 In the illustrated configuration, one heat storage material 2 is housed in the hollow portion of the capsule 3, but for example, a plurality of heat storage materials 2 are housed in the hollow part of one capsule 3. May be good. For example, a powdery heat storage material may be used.

蓄熱材料2およびカプセル3の大きさや形状は、特に限定されず、用途等に応じて適宜選択されるが、球形であることが好ましい。これにより、蓄熱カプセル1の熱伝導率に異方性がなくなり、種々の蓄熱装置により好適に適用可能である。 The size and shape of the heat storage material 2 and the capsule 3 are not particularly limited and may be appropriately selected depending on the intended use, but are preferably spherical. As a result, the thermal conductivity of the heat storage capsule 1 is not anisotropic, and it can be suitably applied to various heat storage devices.

カプセル3の構成材料としては、例えば、各種セラミックスを好適に用いることができる。 As the constituent material of the capsule 3, for example, various ceramics can be preferably used.

また、Fe−Ge合金は、蓄熱放熱を繰り返しても、炭素系材料とほとんど反応しないものであるため、カプセル3の材料としては、炭素を含む材料も好適に使用することができる。また、炭素を含む材料は、ステンレス鋼等からなる、蓄熱材料の収容体(カプセルや貯蔵槽等の筐体)の不動態化層(ライナー材料)としても使用することができる。 Further, since the Fe-Ge alloy hardly reacts with the carbon-based material even if the heat storage and heat dissipation are repeated, a material containing carbon can be preferably used as the material of the capsule 3. Further, the material containing carbon can also be used as a passivation layer (liner material) of a heat storage material accommodating body (a housing such as a capsule or a storage tank) made of stainless steel or the like.

このような炭素を含む材料としては特に限定されないが、例えば、黒鉛(グラファイトカーボン)等の炭素系材料等が挙げられる。炭素を含む材料としては、炭素系のセラミックス材料や、炭素原子を含む合金材料等も挙げられる。 The material containing such carbon is not particularly limited, and examples thereof include carbon-based materials such as graphite (graphite carbon). Examples of the material containing carbon include carbon-based ceramic materials and alloy materials containing carbon atoms.

また、本発明の蓄熱材料は、上述したようなカプセルに充填して用いられる場合に限定されない。また、蓄熱材料および収容体の形状についても限定されず、適用機器に応じて任意の形状を採用することができる。 Further, the heat storage material of the present invention is not limited to the case where it is used by filling it in a capsule as described above. Further, the shape of the heat storage material and the housing is not limited, and any shape can be adopted depending on the applicable equipment.

図3は、本発明の蓄熱材料の使用形態の他の一例を示す図である。より具体的には、本発明の蓄熱材料を備えた蓄熱体10の一例を示した斜視図である。 FIG. 3 is a diagram showing another example of the usage mode of the heat storage material of the present invention. More specifically, it is a perspective view which showed an example of the heat storage body 10 provided with the heat storage material of this invention.

蓄熱体10は、略円筒状の収容体11と、収容体11に収容された本発明の蓄熱材料12とを備えている。 The heat storage body 10 includes a substantially cylindrical housing body 11 and a heat storage material 12 of the present invention housed in the housing body 11.

収容体11は、外筒11aと、該外筒11aの中心線(中心軸)に沿って同軸的に配された細管11bとを有する。細管11bの外周面には、径方向外側へ放射状に延びるように複数枚の板材11cが設けられ、外筒11aと接続されている。複数枚の板材11cは、周方向に等間隔に配されており、細管11b、外筒11aおよび板材11cによって囲まれた空間の軸断面は略扇形をなしている。本発明の蓄熱材料12は、断面略扇形の長尺形状とされて、上記空間にそれぞれ挿嵌される。 The accommodating body 11 has an outer cylinder 11a and a thin tube 11b coaxially arranged along the center line (central axis) of the outer cylinder 11a. A plurality of plate members 11c are provided on the outer peripheral surface of the thin tube 11b so as to extend radially outward in the radial direction, and are connected to the outer cylinder 11a. The plurality of plate materials 11c are arranged at equal intervals in the circumferential direction, and the axial cross section of the space surrounded by the thin tube 11b, the outer cylinder 11a, and the plate material 11c has a substantially fan shape. The heat storage material 12 of the present invention has a long shape having a substantially fan-shaped cross section, and is inserted into each of the above spaces.

このように構成された蓄熱体10は、例えば、図3に示すように複数本束ねて、外部からの熱エネルギーである廃熱を利用した発電システムに適用することができる。 As shown in FIG. 3, a plurality of heat storage bodies 10 configured in this way can be bundled and applied to a power generation system using waste heat, which is heat energy from the outside.

蓄熱材料12は、高熱伝導率、高い蓄熱容量を有するため、廃熱は効率的に外筒11aから蓄熱体10に伝えられ、細管11bを通流している水または高温ガスに伝導する。廃熱によって加熱された加熱水蒸気または高圧高温ガスは、例えば、細管の他端から発電部のタービンへ放出されることにより、発電に利用される。 Since the heat storage material 12 has high heat conductivity and high heat storage capacity, waste heat is efficiently transferred from the outer cylinder 11a to the heat storage body 10 and conducted to water or high temperature gas flowing through the thin tube 11b. The heated steam or high-pressure high-temperature gas heated by the waste heat is used for power generation by being discharged from the other end of the thin tube to the turbine of the power generation unit, for example.

上述したように、本発明の蓄熱材料は、Fe−Ge合金を含むことで、従来よりも高い温度での蓄熱/放熱が可能である。また、例えば、溶融塩等に比べて熱伝導率が高いため、効率的な熱輸送、熱交換等が可能である。これらのことから、高い蓄熱密度、蓄熱容量を有することができる。また、相変化温度での熱供給量、熱吸収量を大きいものとすることができる。さらに、基本的に物質の相変化を繰り返すだけなので、多数回安定的に繰り返し使用することができ耐久性の面でも優れている。 As described above, the heat storage material of the present invention can store / dissipate heat at a higher temperature than the conventional one by containing the Fe-Ge alloy. Further, for example, since the thermal conductivity is higher than that of molten salt or the like, efficient heat transport, heat exchange, etc. are possible. From these things, it is possible to have a high heat storage density and a high heat storage capacity. In addition, the amount of heat supplied and the amount of heat absorbed at the phase change temperature can be increased. Furthermore, since it basically only repeats the phase change of the substance, it can be used stably and repeatedly many times and is excellent in terms of durability.

したがって、本発明の蓄熱材料は、例えば、太陽熱発電や廃熱利用、その他のエネルギー分野等で好適に利用可能である。 Therefore, the heat storage material of the present invention can be suitably used in, for example, solar thermal power generation, waste heat utilization, and other energy fields.

例えば、蓄熱発電は、太陽電池、太陽熱等の経時変動する再生可能エネルギーを熱に変換して低コストで蓄熱し、必要に応じて熱を電力に変換して平準化することで、24時間安定利用することができる発電方法である。 For example, heat storage power generation is stable for 24 hours by converting renewable energy that fluctuates over time such as solar cells and solar heat into heat and storing it at low cost, and converting heat into electric power and leveling it as needed. It is a power generation method that can be used.

また、廃熱の利用としては、例えば、高温の工場排熱を利用した発電が挙げられる。工場排熱を有効利用することで、工場からのCO排出量を効果的に削減することができ、また省エネルギーの観点からも非常に有効である。 Further, examples of the use of waste heat include power generation using high-temperature factory waste heat. By effectively utilizing the waste heat from the factory, it is possible to effectively reduce the amount of CO 2 emitted from the factory, and it is also very effective from the viewpoint of energy saving.

また、その他のエネルギー分野としては、例えば、太陽光を集光して得られる熱を利用して水熱分解により水素を製造する方法、メタンの改質、バイオマスのガス化等が挙げられる。 In addition, other energy fields include, for example, a method of producing hydrogen by hydrothermal decomposition using heat obtained by condensing sunlight, reforming methane, gasifying biomass, and the like.

[3]蓄熱発電装置
次に、本発明の蓄熱発電装置について説明する。
本発明の蓄熱発電装置は、上述したような本発明の蓄熱材料を備える。
[3] Heat storage power generation device Next, the heat storage power generation device of the present invention will be described.
The heat storage power generation device of the present invention includes the heat storage material of the present invention as described above.

蓄熱発電装置は、太陽電池のような非定常の電力、深夜における安価な余剰電力等を熱に変換して蓄熱し、必要時に熱を電気に変換することにより発電する。 The heat storage power generation device converts non-stationary power such as a solar cell, inexpensive surplus power at midnight, etc. into heat to store heat, and converts the heat into electricity when necessary to generate electricity.

また、蓄熱発電装置は、太陽熱、すなわち太陽光を集光して得られる熱、燃料電池等の熱源の排熱、また、工場等における、産業廃棄物の燃焼による発生熱、ボイラー等から発生する熱、ボイラーおよびエンジンの排気ガス等の工場排熱あるいは間欠的発生熱等の熱を貯蔵しておき、発電するものであってもよい。 Further, the heat storage power generation device generates solar heat, that is, heat obtained by condensing sunlight, exhaust heat of a heat source such as a fuel cell, heat generated by combustion of industrial waste in a factory, etc., a boiler, etc. Heat, factory exhaust heat such as boiler and engine exhaust gas, or heat such as intermittently generated heat may be stored and generated.

このような蓄熱発電装置において、本発明の蓄熱材料を備えることで、より高温で稼働することができ、また、より多くの熱を蓄熱することができ、発電効率をより優れたものとすることができる。 By providing the heat storage material of the present invention in such a heat storage power generation device, it is possible to operate at a higher temperature, store more heat, and improve the power generation efficiency. Can be done.

蓄熱発電装置は、太陽光を集光して得られる熱を蓄熱する、いわゆる太陽熱発電装置であることが好ましい。 The heat storage power generation device is preferably a so-called solar thermal power generation device that stores heat obtained by condensing sunlight.

これにより、雲の通過や急な悪天候時においても蓄熱器からの熱放出により大きな温度変化を緩和できるという効果が得られる。また、太陽日射がない夜間においては昼間に蓄熱した熱を蓄熱器からの熱放出により発電を継続でき、24時間の発電を実現できる。 As a result, it is possible to obtain the effect that a large temperature change can be mitigated by the heat release from the heat storage even when the clouds pass or the weather is suddenly bad. Further, in the nighttime when there is no solar radiation, the heat stored in the daytime can be continuously generated by releasing the heat from the heat storage device, and the power generation for 24 hours can be realized.

[3−1]太陽熱発電装置
以下、本発明の蓄熱材料を備えた太陽熱発電装置について説明する。
[3-1] Solar Thermal Power Generation Device The solar thermal power generation device provided with the heat storage material of the present invention will be described below.

なお、太陽熱発電装置としては、太陽光の集光方式の違いにより、例えば、パラボリック・ディッシュ型、ソーラータワー型、パラボリック・トラフ型、フレネル型、ビームダウン型等が挙げられる。
以下の説明では、ソーラータワー型の太陽熱発電装置を例に挙げて説明する。
Examples of the solar thermal power generation device include a parabolic dish type, a solar tower type, a parabolic trough type, a Frenel type, a beam down type, and the like, depending on the difference in the sunlight condensing method.
In the following description, a solar tower type solar thermal power generation device will be described as an example.

図4は、太陽熱発電装置の一例を示す模式図である。図4(a)は、太陽熱発電装置の全体構成を模式的に示す図であり、図4(b)は太陽熱発電装置が備える蓄熱器の一例を示す図である。 FIG. 4 is a schematic view showing an example of a solar thermal power generation device. FIG. 4A is a diagram schematically showing the overall configuration of the solar thermal power generation device, and FIG. 4B is a diagram showing an example of a heat storage device included in the solar thermal power generation device.

太陽熱発電装置200は、ミラー20と、太陽熱蓄熱装置100と、発電機30とを含む。太陽熱蓄熱装置100と発電機30とを媒介するエネルギー変換部Eは、熱交換器により構成されている。 The solar thermal power generation device 200 includes a mirror 20, a solar heat storage device 100, and a generator 30. The energy conversion unit E that mediates between the solar heat storage device 100 and the generator 30 is composed of a heat exchanger.

ミラー20は、例えば、ヘリオスタットのような反射鏡等により構成され、太陽Sからの太陽光を反射して太陽熱蓄熱装置100の受熱部110に導く役割を果たす。例えば、多数のミラー20が受熱部110の周囲に放射状に配置される。また、図示しない制御装置が時間の経過に伴う太陽Sの位置に合わせて各ミラー20の向きを最適な位置に設定する。 The mirror 20 is composed of, for example, a reflecting mirror such as a heliostat, and plays a role of reflecting sunlight from the sun S and guiding it to a heat receiving portion 110 of the solar heat storage device 100. For example, a large number of mirrors 20 are arranged radially around the heat receiving portion 110. Further, a control device (not shown) sets the orientation of each mirror 20 to an optimum position according to the position of the sun S with the passage of time.

太陽熱蓄熱装置100は、ミラー20により導かれた太陽光の太陽熱を吸収する受熱部110と、熱媒体の熱を蓄積するとともに放出可能な蓄熱器120と、エネルギー変換部Eとを含む。さらに、太陽熱蓄熱装置100は、受熱部110と、蓄熱器120と、エネルギー変換部Eとを接続し、熱媒体が流通する熱媒体パイプである流路配管130を含む。 The solar heat storage device 100 includes a heat receiving unit 110 that absorbs the solar heat of sunlight guided by the mirror 20, a heat storage unit 120 that can store and release the heat of the heat medium, and an energy conversion unit E. Further, the solar heat storage device 100 includes a flow path pipe 130 that connects the heat receiving unit 110, the heat storage device 120, and the energy conversion unit E, and is a heat medium pipe through which the heat medium flows.

受熱部110はレシーバーとも呼ばれ、例えば、太陽光の太陽熱を吸収しつつ、高温に耐え得るセラミック構造体等により構成される。受熱部110は、例えば、タワーのような高い建物の頂上に設けられ、ミラー20により導かれた太陽光の太陽熱を吸収する。受熱部110は流路配管130に接続されており、流路配管130を流通する熱媒体を熱することにより熱交換を行う。受熱部110の配置位置、種類等も特に限定されない。 The heat receiving unit 110 is also called a receiver, and is composed of, for example, a ceramic structure that can withstand high temperatures while absorbing the solar heat of sunlight. The heat receiving unit 110 is provided on the top of a tall building such as a tower, and absorbs the solar heat of sunlight guided by the mirror 20. The heat receiving unit 110 is connected to the flow path pipe 130, and heat exchange is performed by heating the heat medium flowing through the flow path pipe 130. The arrangement position, type, etc. of the heat receiving unit 110 are not particularly limited.

蓄熱器120は、流路配管130を流通する熱媒体の熱を蓄積するとともに放出可能であり、その詳細については後に説明する。エネルギー変換部Eは、太陽熱蓄熱装置100と発電機30との間で熱交換(エネルギー交換)を行う熱交換器により構成されている。 The heat storage device 120 can store and release the heat of the heat medium flowing through the flow path pipe 130, and the details thereof will be described later. The energy conversion unit E is composed of a heat exchanger that exchanges heat (energy exchange) between the solar heat storage device 100 and the generator 30.

流路配管130は、受熱部110と、蓄熱器120と、エネルギー変換部Eとを接続し、閉じた流路を形成する。熱媒体は、流路配管130中を受熱部110→蓄熱器120→エネルギー変換部E→受熱部110の経路に沿って流通する。流路配管130を流通する熱媒体としては、例えば、空気、水、オイル、溶融塩等、種々のものが用いられる。 The flow path pipe 130 connects the heat receiving unit 110, the heat storage unit 120, and the energy conversion unit E to form a closed flow path. The heat medium circulates in the flow path pipe 130 along the path of the heat receiving unit 110 → the heat storage device 120 → the energy conversion unit E → the heat receiving unit 110. As the heat medium flowing through the flow path pipe 130, various ones such as air, water, oil, and molten salt are used.

発電機30は、例えば、スチームガスタービン発電機等により構成され、太陽熱蓄熱装置100との間でエネルギー変換部(熱交換器)Eを介して熱交換を行い、温められた熱媒体により、内蔵されたタービンを回転させて発電を行う。発電機30の種類は、特に限定されず、太陽熱蓄熱装置100との間で熱交換の可能な種々のタイプの発電機を適用することができる。 The generator 30 is composed of, for example, a steam gas turbine generator or the like, heat is exchanged with the solar heat storage device 100 via an energy converter (heat exchanger) E, and is built in by a heated heat medium. The turbine is rotated to generate electricity. The type of the generator 30 is not particularly limited, and various types of generators capable of exchanging heat with the solar heat storage device 100 can be applied.

太陽熱蓄熱装置100は、流路配管130を流通する熱媒体の熱を適宜蓄積可能な蓄熱器120を備えており、太陽Sから得られる太陽熱(太陽光)の変動に伴う出力変動を吸収することができる。すなわち、急激な天候変化により太陽Sから得られる太陽熱の量(日照量)が変動しても、蓄熱器120の作用により、出力変動を抑制することができる。 The solar heat storage device 100 includes a heat storage device 120 capable of appropriately storing the heat of the heat medium flowing through the flow path pipe 130, and absorbs output fluctuations due to fluctuations in the solar heat (sunlight) obtained from the sun S. Can be done. That is, even if the amount of solar heat (amount of sunshine) obtained from the sun S fluctuates due to a sudden change in weather, the output fluctuation can be suppressed by the action of the heat storage device 120.

図4(b)に示すように、蓄熱器120は、蓄熱材料123の流路(流路配管130)において、受熱部110とエネルギー変換部Eとの間に設けられている。蓄熱器120は、筐体121と、筐体121の内部に封入された本発明の蓄熱材料123と、蓄熱材料123を筐体121の内部および外部の間で移送させる移送装置124とを備えている。 As shown in FIG. 4B, the heat storage device 120 is provided between the heat receiving unit 110 and the energy conversion unit E in the flow path (flow path pipe 130) of the heat storage material 123. The heat storage device 120 includes a housing 121, a heat storage material 123 of the present invention sealed inside the housing 121, and a transfer device 124 for transferring the heat storage material 123 between the inside and the outside of the housing 121. There is.

筐体121は、例えば、セラミックス、金属、コンクリート等の材料により形成される。また、図示の構成では、筐体121は、箱形の形状を有しているが、筐体121の形状は、特に限定はされない。 The housing 121 is made of, for example, a material such as ceramics, metal, or concrete. Further, in the illustrated configuration, the housing 121 has a box shape, but the shape of the housing 121 is not particularly limited.

蓄熱材料123は、筐体121の内部空間に封入されている。この蓄熱材料123として、本発明の蓄熱材料を用いる。蓄熱材料は、例えば、上述したようなカプセル3に収容された状態で用いられるものであってもよいし、カプセル3に収容されていない状態で用いられるものであってもよい。 The heat storage material 123 is enclosed in the internal space of the housing 121. As the heat storage material 123, the heat storage material of the present invention is used. The heat storage material may be used, for example, in a state of being contained in the capsule 3 as described above, or may be used in a state of not being contained in the capsule 3.

移送装置124は、筐体121の内部と外部との間で、流動性を有する蓄熱材料123を循環させるポンプ125と、液化した蓄熱材料123を蓄積可能なリザーブタンク126と、筐体121とポンプ125とリザーブタンク126とを接続する配管127とを含む。この構成によれば、簡易かつ安価に移送装置124を構築することが可能となる。移送装置124により、液化した蓄熱材料123を筐体121の内部と外部との間で容易に循環させることが可能となる。なお、ここで、「流動性を有する」とは、例えば、蓄熱材料123が液状化した状態や粉末状である場合の他、蓄熱材料123をカプセル3内に収容した蓄熱カプセル1を用いる場合には、蓄熱材料123自体が流動性を有していなくても、蓄熱カプセル1が流動性を有する状態を含む。 The transfer device 124 includes a pump 125 for circulating the heat storage material 123 having fluidity between the inside and the outside of the housing 121, a reserve tank 126 capable of storing the liquefied heat storage material 123, and the housing 121 and the pump. Includes a pipe 127 connecting the 125 and the reserve tank 126. According to this configuration, the transfer device 124 can be constructed easily and inexpensively. The transfer device 124 makes it possible to easily circulate the liquefied heat storage material 123 between the inside and the outside of the housing 121. Here, "having fluidity" means, for example, when the heat storage material 123 is in a liquefied state or in a powder state, or when the heat storage capsule 1 in which the heat storage material 123 is housed in the capsule 3 is used. Includes a state in which the heat storage capsule 1 has fluidity even if the heat storage material 123 itself does not have fluidity.

また、蓄熱器120の運転を制御する制御装置128が、移送装置124のポンプ125の運転状態を制御する。制御装置128は、プロセッサ、メモリ等を備えるコンピュータである。そして、制御装置128は、蓄熱材料123内に設けられた温度センサS1と接続されており、温度センサS1からの蓄熱材料123の温度信号を受信し、当該温度信号に基づく制御信号をポンプ125に送り、ポンプ125の運転制御を行う。 Further, the control device 128 that controls the operation of the heat storage device 120 controls the operating state of the pump 125 of the transfer device 124. The control device 128 is a computer including a processor, a memory, and the like. Then, the control device 128 is connected to the temperature sensor S1 provided in the heat storage material 123, receives the temperature signal of the heat storage material 123 from the temperature sensor S1, and transmits the control signal based on the temperature signal to the pump 125. Feed and control the operation of the pump 125.

図4(b)に示すように、流路配管130は、蓄熱器120の内部の空間を貫通しており、流路配管130は、3本のサブ配管130a、130b、130cから構成されている。流路配管130に対する蓄熱材料123の接触面積を増加させるため、流路配管130は、蓄熱器120の内部を含む蓄熱器120の周辺領域で複数(3本)に分かれている。しかしながら、サブ配管の数は、特に限定されない。また、図4(b)では、サブ配管の配置位置の一例として、総てのサブ配管が筐体121の上部に配置された構成を示しているが、サブ配管の位置も特に限定されない。 As shown in FIG. 4B, the flow path pipe 130 penetrates the space inside the heat storage device 120, and the flow path pipe 130 is composed of three sub-pipes 130a, 130b, and 130c. .. In order to increase the contact area of the heat storage material 123 with respect to the flow path pipe 130, the flow path pipe 130 is divided into a plurality (three) in the peripheral region of the heat storage device 120 including the inside of the heat storage device 120. However, the number of sub-pipes is not particularly limited. Further, in FIG. 4B, as an example of the arrangement position of the sub-pipes, all the sub-pipes are arranged in the upper part of the housing 121, but the position of the sub-pipes is not particularly limited.

このような太陽熱発電装置において、本発明の蓄熱材料を蓄熱材料123として用いることで、従来よりも高温、例えば、650℃以上で稼働させることができるため、より高温の蒸気を生成可能であり、これにより発電効率の向上を図ることができる。 In such a solar thermal power generation device, by using the heat storage material of the present invention as the heat storage material 123, it can be operated at a higher temperature than the conventional one, for example, 650 ° C. or higher, so that it is possible to generate steam at a higher temperature. As a result, the power generation efficiency can be improved.

また、本発明の蓄熱材料は高い蓄熱容量、蓄熱密度を有することから、小型蓄熱システムを実現し太陽熱発電装置の低コスト化にも寄与できる。 Further, since the heat storage material of the present invention has a high heat storage capacity and heat storage density, it is possible to realize a small heat storage system and contribute to cost reduction of the solar thermal power generation device.

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は、これらに限定されるものではない。 Although preferred embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited thereto.

例えば、本発明の蓄熱発電装置は、本発明の蓄熱材料を備えたものであればよく、前述したような太陽熱発電装置に限定されない。 For example, the heat storage power generation device of the present invention may be any one provided with the heat storage material of the present invention, and is not limited to the solar thermal power generation device as described above.

以下に具体的な実施例をあげて本発明をさらに詳しく説明するが、本発明はこれら実施例のみに限定されるものではない。
なお、以下の説明において、特に温度条件を示していない処理および測定は、室温(25℃)において行ったものである。また、以下の説明において、特に圧力条件を示していない処理および測定は、1013hPa(1気圧)において行ったものである。
The present invention will be described in more detail with reference to specific examples below, but the present invention is not limited to these examples.
In the following description, the treatments and measurements that do not particularly indicate the temperature conditions were performed at room temperature (25 ° C.). Further, in the following description, the treatments and measurements that do not particularly indicate the pressure conditions were performed at 1013 hPa (1 atm).

[4]蓄熱材料の製造
(実施例1)
原料として、高純度化学研究所社製の高純度Fe粉末とGe粉末とを用いて、以下のようにして、Fe−Ge合金を製造した。
[4] Production of heat storage material (Example 1)
Using high-purity Fe powder and Ge powder manufactured by High-Purity Chemical Laboratory Co., Ltd. as raw materials, an Fe-Ge alloy was produced as follows.

まず、Fe粉末:30原子%と、Ge粉末:70原子%とをそれぞれ秤量し、アルミナボートに入れて混合した。 First, Fe powder: 30 atomic% and Ge powder: 70 atomic% were weighed and placed in an alumina boat and mixed.

次に、この混合粉末が入れられたアルミナボートを、真空中、1400℃で2時間加熱することにより、混合粉末を溶融し、Fe−Ge合金のインゴットを形成した。 Next, the alumina boat containing the mixed powder was heated in vacuum at 1400 ° C. for 2 hours to melt the mixed powder and form an ingot of Fe-Ge alloy.

その後、インゴットをペレット状に切断し、化学的に洗浄して表面の不純物等を除去した。これにより、Feを30原子%、Geを70原子%で含有するFe−Ge合金(以下、FeGe70合金とも記す。)を得た。
本実施例では、このようにして得られたFe−Ge合金を蓄熱材料とした。
Then, the ingot was cut into pellets and chemically washed to remove impurities and the like on the surface. As a result, an Fe-Ge alloy containing 30 atomic% of Fe and 70 atomic% of Ge (hereinafter, also referred to as FeGe70 alloy) was obtained.
In this example, the Fe-Ge alloy thus obtained was used as a heat storage material.

(実施例2)
原料粉末の秤量量を、Fe粉末:23原子%と、Ge粉末:87原子%としたこと以外は、前記実施例1と同様にして、蓄熱材料を製造した。本実施例で得られた蓄熱材料は、Feを23原子%、Geを87原子%で含有するFe−Ge合金(以下、FeGe87合金とも記す。)であった。
(Example 2)
A heat storage material was produced in the same manner as in Example 1 except that the weighed amount of the raw material powder was Fe powder: 23 atomic% and Ge powder: 87 atomic%. The heat storage material obtained in this example was a Fe-Ge alloy containing Fe in 23 atomic% and Ge in 87 atomic% (hereinafter, also referred to as FeGe87 alloy).

(比較例1)
Furuya Metalにて、Cu:80質量部と、Si:20質量部とを含むCu−Si合金のインゴットを作製し、購入した。
(Comparative Example 1)
A Cu—Si alloy ingot containing 80 parts by mass of Cu and 20 parts by mass of Si was prepared and purchased from Furuya Metal.

このインゴットをペレット状に切断し、化学的に洗浄して表面の不純物等を除去した。これにより、Cuを80質量%、Siを20質量%で含有するCu−Si合金を得た。
本比較例では、このようにして得られたCu−Si合金を蓄熱材料とした。
This ingot was cut into pellets and chemically washed to remove impurities and the like on the surface. As a result, a Cu—Si alloy containing 80% by mass of Cu and 20% by mass of Si was obtained.
In this comparative example, the Cu—Si alloy thus obtained was used as a heat storage material.

(比較例2)
本比較例では、LiCOを蓄熱材料とした。LiCOについては熱力学データベースFactSageの熱力学データを参照した。
(Comparative Example 2)
In this comparative example, Li 2 CO 3 was used as the heat storage material. For Li 2 CO 3 , the thermodynamic data of the thermodynamic database FactSage was referred to.

(比較例3)
本比較例では、KCOを蓄熱材料とした。KCOについては熱力学データベースFactSageの熱力学データを参照した。
(Comparative Example 3)
In this comparative example, K 2 CO 3 was used as the heat storage material. For K 2 CO 3 , the thermodynamic data of the thermodynamic database FactSage was referred to.

(比較例4)
本比較例では、NaCOを蓄熱材料とした。NaCOについては熱力学データベースFactSageの熱力学データを参照した。
(Comparative Example 4)
In this comparative example, Na 2 CO 3 was used as the heat storage material. For Na 2 CO 3 , the thermodynamic data of the thermodynamic database FactSage was referred to.

[5]固相の同定
前記各実施例の蓄熱材料について、固相の同定を行った。
固相の同定は、X線回折装置(XRD:D2Phaser、Burker)により、室温で、CuKα放射線(λ=0.15418nm)(30kV−10mA)を用いて行った。
[5] Identification of solid phase The solid phase of the heat storage material of each of the above examples was identified.
The solid phase was identified by an X-ray diffractometer (XRD: D2Phaser, Burker) at room temperature using CuKα radiation (λ = 0.15418 nm) (30 kV-10 mA).

回折データは、10°<2θ<80°の角度範囲で、0.02°の刻み幅と1秒間のステップ間隔で収集された。 Diffraction data were collected over an angle range of 10 ° <2θ <80 ° with a step size of 0.02 ° and a step interval of 1 second.

結晶相の特定は、標準参照パターンとしてICSD(無機結晶構造データベース)およびCOD(Crystallography Open Database)を用いて、ピーク位置を比較することにより行った。 The crystal phase was identified by comparing the peak positions using ICSD (Inorganic Crystal Structure Database) and COD (Crystallography Open Database) as standard reference patterns.

固相の精密構造の格子定数は、FullProfパッケージのwhileパターン同定法を用いて、構造モデルのリートベルト解析によって評価した。 The lattice constants of the precision structure of the solid phase were evaluated by Rietveld analysis of the structural model using the while pattern identification method of the FullProf package.

図5に、(a)実施例1(FeGe70合金)および(b)実施例2(FeGe87合金)のXRDパターンを示す。図5において、XRDパターンの下に示されている縦線は、Fe−Ge合金のピーク位置を示す。 FIG. 5 shows the XRD patterns of (a) Example 1 (FeGe70 alloy) and (b) Example 2 (FeGe87 alloy). In FIG. 5, the vertical line shown below the XRD pattern indicates the peak position of the Fe—Ge alloy.

XRDパターンにおいて、Ge固溶体相に対応する一連のピークが、実施例1および実施例2の双方で明らかに認められた。さらに、FeGe相(構成元素の積分原子比で定義される金属間化合物)に対応する一連の非常に強いピークが認められた。XRDパターンには他のピークは認められなかった。 In the XRD pattern, a series of peaks corresponding to the Ge solid solution phase were clearly observed in both Example 1 and Example 2. Furthermore, a series of very strong peaks corresponding to the FeGe 2 phase (intermetallic compound defined by the integrated atomic ratio of the constituent elements) was observed. No other peaks were observed in the XRD pattern.

Ge固溶体相およびFeGe相として割り当てられたすべての回折ピークにインデックスを付け、固相の格子定数を構造モデルのリートベルト法によって決定した。その結果を表2に示す。 All diffraction peaks assigned as the Ge solid solution phase and the FeGe 2 phase were indexed and the lattice constants of the solid phase were determined by the Rietveld method of the structural model. The results are shown in Table 2.

Figure 2021138850
Figure 2021138850

Ge固溶体相として割り当てられたすべてのピークは立方晶系単位格子(空間群Pm−3m(227))としてインデックス付けられ、FeGe相として割り当てられたピークは正方晶系単位格子(空間群I4/mcm(140))としてインデックス付けられた。 All peaks assigned as the Ge solid solution phase are indexed as a cubic unit cell (space group Pm-3m (227)), and peaks assigned as the FeGe 2 phase are tetragonal unit cells (space group I4 /). It was indexed as mcm (140)).

Ge固溶体相の格子定数は、「Wyckoff RWG. Second Edition. Interscience Publishers, New York, Crystal Structures 1963; 1: 7-83.」に記載の格子定数(a=5.657(3)Å)と非常によく一致した。FeGe相は化学量論線上の化合物であるため、その格子定数は、前記各実施例の蓄熱材料(Fe−Ge合金)で特定された。 The lattice constant of the Ge solid solution phase is very high as the lattice constant (a = 5.657 (3) Å) described in "Wyckoff RWG. Second Edition. Interscience Publishers, New York, Crystal Structures 1963; 1: 7-83." It matched well with. Since the FeGe 2 phase is a compound on the stoichiometric line, its lattice constant was specified by the heat storage material (Fe-Ge alloy) of each of the above examples.

これらの結果は、図1に示すFe−Ge合金の状態図に従って、不純物および熱力学的に不安定な相なしでFe−Ge合金が正常に製造されたことを意味する。
特に、実施例1の蓄熱材料は共晶合金(FeGe)を含み、実施例2の蓄熱材料は、共晶合金と過剰なGe(Ge主相)との混合物からなる過共晶合金であった。
These results mean that the Fe-Ge alloy was successfully produced without impurities and thermodynamically unstable phases according to the phase diagram of the Fe-Ge alloy shown in FIG.
In particular, the heat storage material of Example 1 contains a eutectic alloy (FeGe 2 ), and the heat storage material of Example 2 is a hypereutectic alloy composed of a mixture of a eutectic alloy and an excess Ge (Ge main phase). rice field.

[6]特性評価
前記各実施例および各比較例で得られた蓄熱材料について、蓄熱放熱特性の評価を行った。
[6] Characteristic evaluation The heat storage and heat dissipation characteristics of the heat storage materials obtained in each of the above Examples and Comparative Examples were evaluated.

[6−1]蓄熱放熱特性の評価
前記各実施例の蓄熱材料について、以下のようにして、N雰囲気下で、蓄熱放熱特性を評価した。
[6-1] The storage material of Evaluation of the embodiments of the heat storage heat dissipation characteristics, as follows, under N 2, was evaluated heat storage and heat radiation characteristics.

図6は、蓄熱放熱特性の評価に用いた装置の構成を示す図であり、図6(a)は、評価に用いた装置の全体構成を模式的に示す図であり、図6(b)は、蓄熱放熱特性の評価に用いた装置の試験容器内に配置されたPCM容器に蓄熱材料が充填された状態を示す図である。
試験容器は、ステンレス鋼(SUS310S)から構成され、長さ(高さ)が200mm、内径が93.6mm、外径が101.6mmであった。
FIG. 6 is a diagram showing a configuration of an apparatus used for evaluating the heat storage and heat dissipation characteristics, and FIG. 6A is a diagram schematically showing an overall configuration of the apparatus used for the evaluation, FIG. 6B. Is a figure showing a state in which a heat storage material is filled in a PCM container arranged in a test container of the apparatus used for evaluating the heat storage and heat dissipation characteristics.
The test container was made of stainless steel (SUS310S) and had a length (height) of 200 mm, an inner diameter of 93.6 mm, and an outer diameter of 101.6 mm.

試験容器内に配置され、蓄熱材料が充填されるPCM容器は、黒鉛(グラファイトカーボン)から構成されたるつぼであり、長さ(高さ)が35mm、内径が30mm、厚さが10mmであった。 The PCM container arranged in the test container and filled with the heat storage material was a crucible composed of graphite (graphite carbon), and had a length (height) of 35 mm, an inner diameter of 30 mm, and a thickness of 10 mm. ..

前記各実施例および各比較例の蓄熱材料を、それぞれ、異なるPCM容器に充填した。PCM容器内に充填された蓄熱材料の質量は、実施例1では28.0g、実施例2では23.0g、比較例1では61.5gであった。 The heat storage materials of each of the Examples and Comparative Examples were filled in different PCM containers. The mass of the heat storage material filled in the PCM container was 28.0 g in Example 1, 23.0 g in Example 2, and 61.5 g in Comparative Example 1.

蓄熱モードでは、蓄熱材料の組成に応じて、4℃/分から6℃/分の割合で加熱温度を上昇させ、液相線温度以上の温度に到達後、当該温度で2時間維持することにより、加熱した。
その後、放熱モードでは、蓄熱材料の組成に応じて、−4℃/分から−10℃/分の割合で冷却した。
In the heat storage mode, the heating temperature is raised at a rate of 4 ° C./min to 6 ° C./min depending on the composition of the heat storage material, and after reaching a temperature equal to or higher than the liquidus temperature, the temperature is maintained for 2 hours. Heated.
Then, in the heat dissipation mode, the mixture was cooled at a rate of -4 ° C./min to −10 ° C./min depending on the composition of the heat storage material.

加熱中および冷却中の蓄熱放熱特性は、加熱時および冷却時の、時間tに対する、蓄熱材料温度Tの時間微分(dT/dt)から評価した。 The heat storage and heat dissipation characteristics during heating and cooling were evaluated from the time derivative (dT / dt) of the heat storage material temperature T with respect to the time t during heating and cooling.

蓄熱材料温度Tは、蓄熱材料を試験容器内部の黒鉛るつぼに直接充填し、タイプKの熱電対(温度分解能±0.0075×|t|℃)を用いて測定した。 The heat storage material temperature T was measured by directly filling the graphite crucible inside the test vessel with the heat storage material and using a type K thermocouple (temperature resolution ± 0.0075 × | t | ° C.).

以下、図7(a)に示す蓄熱モードの結果について詳細に述べる。
実施例1の蓄熱材料については、温度プロファイルは、838℃付近までは、凹凸がほとんどなく滑らかに上昇したが、838℃付近から950℃付近までの範囲において、1つの小さなプラトー(停滞領域)が観測された。一方、dT/dtプロファイルは、838℃付近まではほぼ一定の値を示していたが、838℃を超えた辺りで減少し、その後、895℃付近で急上昇している。これは、838℃付近で共晶混合物が融解し始め、895℃付近で共晶混合物の融解が終了し、潜熱としての吸収が終了したためと考えられる。
Hereinafter, the results of the heat storage mode shown in FIG. 7A will be described in detail.
For the heat storage material of Example 1, the temperature profile rose smoothly with almost no unevenness up to around 838 ° C, but one small plateau (stagnation region) was found in the range from around 838 ° C to around 950 ° C. It was observed. On the other hand, the dT / dt profile showed an almost constant value up to around 838 ° C, but decreased around 838 ° C and then rapidly increased around 895 ° C. It is considered that this is because the eutectic mixture started to melt at around 838 ° C, the melting of the eutectic mixture was completed at around 895 ° C, and the absorption as latent heat was completed.

一方、実施例2の蓄熱材料については、温度プロファイルは、650℃付近から838℃付近までは、実施例1と同様の挙動を示した。そして、838℃付近から950℃付近までの範囲では、実施例1では小さなプラトーが1つであったのに対し、実施例2では、2つの小さなプラトーが観測された。dT/dtプロファイルについても、895℃より低い温度では実施例1とほぼ同様の挙動を示したが、895℃付近でわずかに上昇した後、急激に低下した。これは、895℃を超えた辺りでGe主固相が急激に融解し始め、潜熱としての吸収が起こったためと考えられる。そして、Ge主固相の融解終了後、dT/dtプロファイルは上昇している。このようなことから、実施例2では、蓄熱材料に供給された熱は、共晶混合物の液相の温度上昇による顕熱およびGe主固相の融解による潜熱として蓄えられたためと考えられる。
液相/固相共存領域における、顕熱および潜熱は、838℃付近から液相線温度である895℃付近まで続いた。
On the other hand, with respect to the heat storage material of Example 2, the temperature profile showed the same behavior as that of Example 1 from around 650 ° C to around 838 ° C. In the range from around 838 ° C to around 950 ° C, one small plateau was observed in Example 1, whereas two small plateaus were observed in Example 2. The dT / dt profile also showed almost the same behavior as in Example 1 at a temperature lower than 895 ° C, but slightly increased at around 895 ° C and then decreased sharply. It is considered that this is because the Ge main solid phase began to melt rapidly around 895 ° C. and was absorbed as latent heat. Then, after the completion of melting of the Ge main solid phase, the dT / dt profile is increased. From this, it is considered that in Example 2, the heat supplied to the heat storage material was stored as sensible heat due to the temperature rise of the liquid phase of the eutectic mixture and latent heat due to melting of the Ge main solid phase.
The sensible heat and latent heat in the liquid phase / solid phase coexistence region continued from around 838 ° C to around 895 ° C, which is the liquidus temperature.

蓄熱モードでのdT/dtプロファイルの挙動から、共晶混合物および過共晶混合物の顕熱および潜熱が、図1に示した状態図に対して良好な追従性を有していることが確認された。 From the behavior of the dT / dt profile in the heat storage mode, it was confirmed that the sensible heat and latent heat of the eutectic mixture and the hypereutectic mixture have good followability to the phase diagram shown in FIG. rice field.

また、図7(b)に示す放熱モードについても、上記の蓄熱モードと同様に、図1の状態図に対応する結果が得られた。 Further, as for the heat dissipation mode shown in FIG. 7B, the results corresponding to the state diagram of FIG. 1 were obtained as in the above heat storage mode.

特に、本発明の蓄熱材料を構成するFe−Ge合金は、高い温度に相変化温度を有するため、従来よりも高い温度、例えば650℃以上の温度で、蓄熱材料として好適に用いることができると言える。 In particular, since the Fe-Ge alloy constituting the heat storage material of the present invention has a phase change temperature at a high temperature, it can be suitably used as a heat storage material at a temperature higher than the conventional one, for example, 650 ° C. or higher. I can say.

また、Fe−Ge合金が共晶合金を含むことで、Fe−Ge合金は熱力学的に安定となり、例えば、図1で示される状態図に従って可逆的に潜熱を蓄熱/放熱することができることが確認された。 Further, since the Fe-Ge alloy contains a eutectic alloy, the Fe-Ge alloy becomes thermodynamically stable, and for example, latent heat can be reversibly stored / dissipated according to the phase diagram shown in FIG. confirmed.

さらに、Fe−Ge合金が過共晶合金であることで、相変化温度に幅を持たせることが可能となる。 Further, since the Fe—Ge alloy is a hypereutectic alloy, it is possible to have a range in the phase change temperature.

また、実施例1、2以外の実施例についても同様の結果が確認された。 In addition, similar results were confirmed for Examples other than Examples 1 and 2.

[6−2]潜熱蓄熱容量の評価
前記各実施例および各比較例の蓄熱材料について、潜熱蓄熱容量を評価した。
潜熱蓄熱容量の評価は、示差走査熱量測定装置(DSC:NETZSCH DSC 404 F3 Pegasus、温度分解能±0.0025×|t|℃)を用いて、Ar流量:20ml/分の条件で行った。また、蓄熱モードでは、20℃/分の割合で加熱温度を上昇させ、放熱モードでは、−10℃/分の割合で冷却した。
[6-2] Evaluation of Latent Heat Storage Capacity The latent heat storage capacity was evaluated for the heat storage materials of each of the above-mentioned Examples and Comparative Examples.
The latent heat storage capacity was evaluated using a differential scanning calorimetry device (DSC: NETZSCH DSC 404 F3 Pegasus, temperature resolution ± 0.0025 × | t | ° C.) under the condition of Ar flow rate: 20 ml / min. Further, in the heat storage mode, the heating temperature was raised at a rate of 20 ° C./min, and in the heat dissipation mode, the temperature was cooled at a rate of −10 ° C./min.

蓄熱モードおよび放熱モードにおける潜熱容量は、DSC曲線のピーク面積から算出した。 The latent heat capacity in the heat storage mode and the heat dissipation mode was calculated from the peak area of the DSC curve.

なお、前記各実施例については、共晶合金に由来する潜熱蓄熱容量と、固相/液相共存領域におけるGe主固相に由来する潜熱蓄熱容量をそれぞれ求め、それらの和を総容量とした。 For each of the above examples, the latent heat storage capacity derived from the eutectic alloy and the latent heat storage capacity derived from the Ge main solid phase in the solid phase / liquid phase coexistence region were obtained, and the sum of these was taken as the total capacity. ..

図8に、蓄熱モードおよび放熱モードでの(a)実施例1の蓄熱材料および(b)実施例2の蓄熱材料についてのDSC曲線を示す。 FIG. 8 shows DSC curves for (a) the heat storage material of Example 1 and (b) the heat storage material of Example 2 in the heat storage mode and the heat dissipation mode.

図8(a)に示すように、実施例1では、蓄熱モードにおいて、780℃付近から794℃付近の小さいピーク、および、841℃付近から898℃付近の大きいピークの、2つのピークが観察された。同様に、放熱モードでは、794℃付近の小さいピーク、780℃付近から761℃付近の大きいピークの、2つのピークが観察された。これらのピークは、DSC曲線で再現可能に観察された。大きいピークは、Ge固溶体相およびFeGe固相を含む共晶混合物の融解に対応していた。一方、小さいピークは、図1に示した状態図において、いずれの相変化および磁気遷移にも対応していなかった。したがって、この小さいピークは、FeGe固相の未知の相変化に関連している可能性がある。このように、実施例1についてのDSC結果から、蓄熱モードでは、共晶混合物の融解が状態図に好適に従って進行したことを示している。共晶混合物の融解の開始温度(841℃付近)は、図1に示した状態図における液相線温度(838℃)とほぼ同じであった。これに対し、放熱モードでは、液相の凝固開始温度(794℃付近)は、図1の状態図で示された温度と比較して約45℃低くなった。また、この結果は、図7(b)に示した蓄熱放熱試験の結果とほぼ一致していた。したがって、蓄熱/放熱速度がさらに低下すると、融解/凝固温度は状態図の共晶温度に近づくと考えられる。 As shown in FIG. 8A, in Example 1, two peaks were observed in the heat storage mode, a small peak from around 780 ° C to around 794 ° C and a large peak from around 841 ° C to around 898 ° C. rice field. Similarly, in the heat dissipation mode, two peaks were observed, a small peak near 794 ° C and a large peak near 780 ° C to 761 ° C. These peaks were reproducibly observed on the DSC curve. The large peaks corresponded to the melting of the eutectic mixture containing the Ge solid solution phase and the FeGe 2 solid phase. On the other hand, the small peak did not correspond to any phase change or magnetic transition in the state diagram shown in FIG. Therefore, this small peak may be associated with an unknown phase change in the FeGe 2 solid phase. As described above, the DSC results for Example 1 indicate that the melting of the eutectic mixture proceeded in accordance with the phase diagram in the heat storage mode. The melting start temperature (around 841 ° C.) of the eutectic mixture was substantially the same as the liquidus temperature (838 ° C.) in the state diagram shown in FIG. On the other hand, in the heat dissipation mode, the solidification start temperature (around 794 ° C.) of the liquid phase was about 45 ° C. lower than the temperature shown in the state diagram of FIG. Further, this result was almost the same as the result of the heat storage heat dissipation test shown in FIG. 7 (b). Therefore, if the heat storage / heat dissipation rate is further reduced, the melting / solidification temperature is considered to approach the eutectic temperature in the phase diagram.

図8(b)に示すように、実施例2では、蓄熱モードにおいて、838℃付近から940℃付近までの範囲に2つの大きいピークが観察された。838℃付近のピークは共晶混合物の融解に対応し、920℃付近のピークはGe主固相の融解に対応すると考えられる。DSC曲線では、2つのピークが重なり合っていたため、Ge主固相の融解の開始温度は明確ではなかった。蓄熱モードでは、Ge主固相の融解が、液相線温度の895℃を超え940℃付近まで続いた。放熱モードでは、液相からのGe主固相の凝固が約900℃で始まり、その後、約813℃で共晶混合物の凝固に移行した。これらの結果から、Ge主固相および共晶混合物の潜熱が液相線温度と共晶温度で蓄熱または放熱されたことがわかる。 As shown in FIG. 8B, in Example 2, two large peaks were observed in the range from around 838 ° C to around 940 ° C in the heat storage mode. It is considered that the peak around 838 ° C corresponds to the melting of the eutectic mixture and the peak around 920 ° C corresponds to the melting of the Ge main solid phase. In the DSC curve, the starting temperature of melting of the Ge main solid phase was not clear because the two peaks overlapped. In the heat storage mode, the melting of the Ge main solid phase continued above the liquidus temperature of 895 ° C. to around 940 ° C. In the heat dissipation mode, solidification of the Ge main solid phase from the liquid phase started at about 900 ° C., and then shifted to solidification of the eutectic mixture at about 813 ° C. From these results, it can be seen that the latent heat of the Ge main solid phase and the eutectic mixture is stored or dissipated at the liquidus temperature and the eutectic temperature.

前記各実施例および各比較例の蓄熱材料について、蓄熱モードおよび放熱モードにおける潜熱蓄熱容量をそれぞれ求めた。 For the heat storage materials of each of the Examples and Comparative Examples, the latent heat storage capacities in the heat storage mode and the heat dissipation mode were determined, respectively.

DSC曲線では、蓄熱モードまたは放熱モードでは2つのピークが重なり合っていたため、Fe−Ge合金の体積あたりの総容量から、潜熱蓄熱容量を算出した。その結果を表3に示す。 In the DSC curve, since the two peaks overlapped in the heat storage mode or the heat dissipation mode, the latent heat storage capacity was calculated from the total capacity per volume of the Fe-Ge alloy. The results are shown in Table 3.

Figure 2021138850
Figure 2021138850

表3から明らかなように、本発明の蓄熱材料は、潜熱蓄熱容量が大きいものであった。 As is clear from Table 3, the heat storage material of the present invention has a large latent heat storage capacity.

[6−3]潜熱蓄熱容量の温度依存性の評価
前記各実施例および各比較例の蓄熱材料について、潜熱蓄熱容量と比熱容量Cpとの、200℃から837℃の温度範囲での温度依存性について測定した。
さらに、潜熱蓄熱容量の温度依存性を、DSCによって測定された蓄熱材料のCp値を使用して推定した。
[6-3] Evaluation of Temperature Dependence of Latent Heat Storage Capacity For the heat storage materials of the above Examples and Comparative Examples, the temperature dependence of the latent heat storage capacity and the specific heat capacity Cp in the temperature range of 200 ° C. to 837 ° C. Was measured.
Furthermore, the temperature dependence of the latent heat storage capacity was estimated using the Cp value of the heat storage material measured by DSC.

DSC測定の際の加熱/冷却条件を以下に示す。
(1)20℃/分の昇温速度で、室温から150℃まで加熱した。
(2)150℃で20分間保持した。
(3)20℃/分の昇温速度で、最高1000℃まで加熱した。
(4)1000℃で20分間保持した。
(5)10℃/分の降温速度で、1000℃から400℃まで冷却した。
上記の加熱/冷却サイクルを、流量100mL/分のAr流下で3回繰り返した。
The heating / cooling conditions for DSC measurement are shown below.
(1) Heating was performed from room temperature to 150 ° C. at a heating rate of 20 ° C./min.
(2) It was held at 150 ° C. for 20 minutes.
(3) The temperature was raised to a maximum of 1000 ° C. at a heating rate of 20 ° C./min.
(4) It was held at 1000 ° C. for 20 minutes.
(5) The temperature was cooled from 1000 ° C. to 400 ° C. at a temperature lowering rate of 10 ° C./min.
The above heating / cooling cycle was repeated 3 times under an Ar flow at a flow rate of 100 mL / min.

図9に、蓄熱材料の比熱容量と体積あたりの蓄熱容量とを示す。図9(a)は、実施例1、2の蓄熱材料について、以下の近似式から計算した(a)比熱容量Cpを示す図であり、図9(b)は、実施例1、2の蓄熱材料の体積あたりの蓄熱容量を示す図であり、図9(c)は、比較例1〜4の体積あたりの蓄熱容量を示す図である。 FIG. 9 shows the specific heat capacity of the heat storage material and the heat storage capacity per volume. FIG. 9A is a diagram showing (a) specific heat capacity Cp calculated from the following approximate formula for the heat storage materials of Examples 1 and 2, and FIG. 9B is a diagram showing the heat storage of Examples 1 and 2. It is a figure which shows the heat storage capacity per volume of a material, and FIG. 9C is a figure which shows the heat storage capacity per volume of Comparative Examples 1 to 4.

なお、図9(b)および(c)において、蓄熱容量は、500℃を基準温度として示している。また、図9(b)には、比較のために、理論熱力学的計算によって推定された、溶融塩であるNaCl、KCl、LiClについても併せて示している。 In addition, in FIGS. 9 (b) and 9 (c), the heat storage capacity is shown with 500 ° C. as a reference temperature. In addition, FIG. 9B also shows the molten salts NaCl, KCl, and LiCl estimated by theoretical thermodynamic calculation for comparison.

Figure 2021138850
Figure 2021138850

近似式は、測定されたCp値の2次フィッティングから推定した。決定係数は、実施例1の蓄熱材料でR=0.968、実施例2の蓄熱材料でR=0.995であった。液相で測定されたCp値を用いて、液相の放熱容量を求めた。 The approximate expression was estimated from the quadratic fitting of the measured Cp value. The coefficient of determination was R 2 = 0.968 for the heat storage material of Example 1 and R 2 = 0.995 for the heat storage material of Example 2. The heat dissipation capacity of the liquid phase was determined using the Cp value measured in the liquid phase.

溶融塩であるNaCl、KCl、およびLiClの潜熱蓄熱容量および放熱容量は、熱力学的平衡ソフトウェアプログラム(FactSage ver 6.4)を使用して、理論的に計算した。 The latent heat storage capacity and heat dissipation capacity of the molten salts NaCl, KCl, and LiCl were theoretically calculated using a thermodynamic equilibrium software program (FactSage ver 6.4).

不連続な変化の大きさは、実施例1、2では、各Fe−Ge合金の838℃で放熱/蓄熱された潜熱の量に対応しており、いずれも、潜熱蓄熱容量は、いずれの溶融塩よりも大きかった。 In Examples 1 and 2, the magnitude of the discontinuous change corresponds to the amount of latent heat radiated / stored at 838 ° C. of each Fe-Ge alloy, and the latent heat storage capacity of each melts. It was bigger than salt.

さらに、838℃付近から895℃付近までの範囲では、共晶混合物からの放熱に加えて、Ge主相からの放熱により、実施例2の蓄熱材料の蓄熱能力が高められた。図1に示す状態図における液相線温度(895℃)を超えると、液相からの放熱がFe−Ge合金の蓄熱容量の増加に寄与した。 Further, in the range from about 838 ° C. to about 895 ° C., the heat storage capacity of the heat storage material of Example 2 was enhanced by the heat radiation from the Ge main phase in addition to the heat radiation from the eutectic mixture. When the liquidus temperature (895 ° C.) in the state diagram shown in FIG. 1 was exceeded, heat dissipation from the liquid phase contributed to an increase in the heat storage capacity of the Fe—Ge alloy.

このように、Fe−Ge合金では、化学組成を変えることによって、Ge主相に関連する潜熱の総蓄熱容量と温度範囲とを好適に調整できることが確認された。 As described above, it was confirmed that in the Fe-Ge alloy, the total heat storage capacity and the temperature range of the latent heat related to the Ge main phase can be suitably adjusted by changing the chemical composition.

[6−4]蓄熱放熱サイクル特性の評価
前記各実施例および各比較例の蓄熱材料について、蓄熱放熱サイクル特性、特に、短期的な信頼性として、異なる雰囲気下での蓄熱放熱特性の再現性、昇温速度および降温速度の影響を評価した。
[6-4] Evaluation of Heat Storage and Heat Dissipation Cycle Characteristics Regarding the heat storage materials of each of the above Examples and Comparative Examples, the reproducibility of the heat storage and heat dissipation cycle characteristics, particularly the short-term reliability, of the heat storage and heat dissipation characteristics under different atmospheres. The effects of the rate of temperature rise and the rate of temperature decrease were evaluated.

<蓄熱放熱特性の再現性についての評価結果>
試験容器内をN雰囲気とする代わりに真空とした以外は、上記[6−2]と同様にして、蓄熱モードおよび放熱モードを行い、これを10サイクル繰り返し行った。
なお、サイクル1〜9では昇温速度および降温速度を4℃/分に設定し、サイクル10では昇温速度および降温速度を4℃/分から7℃/分の間で動的に変化させた。
<Evaluation result of reproducibility of heat storage and heat dissipation characteristics>
The heat storage mode and the heat dissipation mode were performed in the same manner as in [6-2] above, except that the inside of the test container was evacuated instead of the N 2 atmosphere, and this was repeated for 10 cycles.
In cycles 1 to 9, the rate of temperature rise and temperature decrease was set to 4 ° C./min, and in cycle 10, the rate of temperature increase and temperature decrease was dynamically changed from 4 ° C./min to 7 ° C./min.

図10は、実施例2についての、真空中での(a)蓄熱モードと(b)放熱モードとにおける、時間tに対する、蓄熱材料温度Tの時間微分(dT/dt)の変化を示す図である。
なお、図10では、10サイクル行ったうちの、2、5、7、10サイクル目について示している。
FIG. 10 is a diagram showing a change in the time derivative (dT / dt) of the heat storage material temperature T with respect to time t in (a) heat storage mode and (b) heat dissipation mode in vacuum according to the second embodiment. be.
Note that FIG. 10 shows the second, fifth, seventh, and tenth cycles of the ten cycles.

熱力学の観点から、蓄熱材料は、該蓄熱材料が収容されるPCM容器、例えば、黒鉛るつぼと化学的に反応しない場合、サイクル試験においては、図1に示す状態図に基づいて再現性を示す。固相と液相との間の相変化の速度論の観点から、蓄熱および放熱は、状態図に基づくサイクル試験において迅速に応答する。 From the viewpoint of thermodynamics, when the heat storage material does not chemically react with the PCM container in which the heat storage material is housed, for example, a graphite crucible, the heat storage material shows reproducibility in the cycle test based on the phase diagram shown in FIG. .. In terms of the kinetics of the phase change between the solid phase and the liquid phase, heat storage and heat dissipation respond rapidly in phase diagram-based cycle tests.

蓄熱放熱特性は、外部ヒーターから蓄熱材料への対流なしの熱伝導と放射の影響を受ける。図10(a)に示すように、dT/dtプロファイルでは、すべてのサイクルで強い吸熱ピークが840℃付近に観察され、900℃付近から940℃付近に広く弱い吸熱ピークが観察された。
これらのピーク温度は図1に示す状態図における、Fe−Ge合金の共晶温度(838℃)および液相線温度(895℃)とほぼ一致した。
The heat storage and heat dissipation characteristics are affected by heat conduction and radiation without convection from the external heater to the heat storage material. As shown in FIG. 10A, in the dT / dt profile, a strong endothermic peak was observed around 840 ° C., and a wide and weak endothermic peak was observed around 900 ° C. to 940 ° C. in all cycles.
These peak temperatures were substantially the same as the eutectic temperature (838 ° C.) and the liquidus line temperature (895 ° C.) of the Fe—Ge alloy in the state diagram shown in FIG.

したがって、実施例2の蓄熱材料は、真空中で潜熱を連続的に蓄熱できることがわかった。蓄熱の終了により、946℃付近から965℃付近に大きな発熱ピークが観察された。蓄熱モードでのdT/dtプロファイルの変化は、蓄熱材料の放熱および蓄熱が、容器と反応することなく再現可能に繰り返されることを示した。 Therefore, it was found that the heat storage material of Example 2 can continuously store latent heat in a vacuum. Due to the end of heat storage, a large exothermic peak was observed from around 946 ° C to around 965 ° C. Changes in the dT / dt profile in the heat storage mode showed that the heat dissipation and heat storage of the heat storage material were reproducibly repeated without reacting with the vessel.

図10(b)に示すように、サイクル1〜9の放熱モードでは、900℃付近の強い発熱ピークと、835℃付近の強い発熱ピークとが、再現性よく現れた。900℃付近のピークは、溶融合金からのGeの凝固に対応し、835℃付近のピークは、共晶合金の析出に対応していた。この温度は、図10(a)の蓄熱モードで観察された2つの吸熱ピークの開始温度とほぼ同様であった。 As shown in FIG. 10B, in the heat dissipation mode of cycles 1 to 9, a strong heat generation peak near 900 ° C. and a strong heat generation peak near 835 ° C. appeared with good reproducibility. The peak around 900 ° C. corresponded to the solidification of Ge from the molten alloy, and the peak around 835 ° C. corresponded to the precipitation of the eutectic alloy. This temperature was substantially the same as the start temperature of the two endothermic peaks observed in the heat storage mode of FIG. 10 (a).

一定圧力での熱力学的平衡条件下での共晶混合物の潜熱の蓄熱/放熱は、理論的には二元系の一定温度で発生する。したがって、dT/dtプロファイルの実験結果は、共晶混合物とGe主相の融解または凝固が再現性よく発生したことを示した。 The latent heat storage / heat dissipation of the eutectic mixture under thermodynamic equilibrium conditions at a constant pressure theoretically occurs at a constant temperature in the binary system. Therefore, the experimental results of the dT / dt profile showed that the melting or solidification of the eutectic mixture and the Ge main phase occurred with good reproducibility.

図10(b)に示すサイクル10では、放熱モードでの降温速度を、4℃/分から7℃/分の間で動的に変化させた。サイクル10のdT/dtプロファイルは900℃付近まで減少し、冷却時間とともに降温速度が増加したことを示す。サイクル2、5、および7では900℃付近で一定の降温速度で放熱が再現的に発生したが、サイクル10では放熱の開始温度が893℃付近であり、サイクル2、5、および7の場合よりも低温側にシフトした。 In cycle 10 shown in FIG. 10B, the temperature lowering rate in the heat dissipation mode was dynamically changed from 4 ° C./min to 7 ° C./min. The dT / dt profile of cycle 10 decreased to around 900 ° C., indicating that the cooling rate increased with the cooling time. In cycles 2, 5, and 7, heat dissipation was reproducibly generated at a constant temperature drop rate around 900 ° C, but in cycle 10, the start temperature of heat dissipation was around 893 ° C, compared to the cases of cycles 2, 5, and 7. Also shifted to the low temperature side.

同様に、共晶混合物の凝固による放熱温度は、サイクル10では、サイクル2、5および7で観察された温度よりも低温側にシフトした。サイクル10の結果は、液体状態のFe−Ge合金の放熱が降温速度に影響されることを示した。降温速度を変えた場合に放熱が遅れた大きな理由は、凝固速度が遅いことと、温度変化から生じるサンプル周辺の不均一な熱伝導率に起因する可能性がある。 Similarly, in cycle 10, the heat dissipation temperature due to solidification of the eutectic mixture shifted to a lower temperature side than the temperature observed in cycles 2, 5 and 7. The results of cycle 10 showed that the heat dissipation of the liquid Fe-Ge alloy was affected by the rate of temperature decrease. The major reasons for the delay in heat dissipation when the temperature drop rate is changed may be due to the slow solidification rate and the non-uniform thermal conductivity around the sample resulting from the temperature change.

以上の結果から、本発明の蓄熱材料は、容器と化学的に反応してガス等を発生することなく、放熱特性について、良好な再現性が得られることが確認された。 From the above results, it was confirmed that the heat storage material of the present invention can obtain good reproducibility of heat dissipation characteristics without chemically reacting with the container to generate gas or the like.

<昇温速度および降温速度のサイクル特性への影響>
上記[6−2]と同様にして、蓄熱モードおよび放熱モードを行い、これを20サイクル繰り返し行った。
<Effect of temperature rise rate and temperature decrease rate on cycle characteristics>
In the same manner as in [6-2] above, the heat storage mode and the heat dissipation mode were performed, and this was repeated for 20 cycles.

蓄熱モードでは、昇温速度は3℃/分から7℃/分の間で動的に変化させた。放熱モードでは、サイクル1〜19では降温速度を5℃/分に設定し、サイクル20では5℃/分から10℃/分の間で動的に変化させた。 In the heat storage mode, the heating rate was dynamically changed from 3 ° C./min to 7 ° C./min. In the heat dissipation mode, the temperature lowering rate was set to 5 ° C./min in cycles 1 to 19, and was dynamically changed between 5 ° C./min and 10 ° C./min in cycle 20.

図11は、実施例2についての、不活性ガス(N)流下での(a)蓄熱モードと(b)放熱モードとにおける、時間tに対する、蓄熱材料温度Tの時間微分(dT/dt)の変化を示す図である。
なお、図11では、20サイクル行ったうちの、11、15、17、20サイクルについて示している。
FIG. 11 shows the time derivative (dT / dt) of the heat storage material temperature T with respect to the time t in the (a) heat storage mode and (b) heat dissipation mode under the flow of the inert gas (N 2) for Example 2. It is a figure which shows the change of.
Note that FIG. 11 shows 11, 15, 17, and 20 cycles out of 20 cycles.

また、N流量は、サイクル1〜19では0.1dm/分、サイクル20では0.5dm/分の流量で試験容器内を通過させ、流量の影響を調べた。 Further, N 2 flow rate in cycle 1~19 0.1dm 3 / min was passed through the test containers in cycle 20 in 0.5 dm 3 / min flow rate, investigated the effect of flow rate.

図11(a)の結果から以下のようなことがわかった。
(1)図1の状態図によるFeGe90合金の融解開始温度である838℃付近での共晶混合物の融解による蓄熱、および、895℃付近でのGe主固相の融解による蓄熱は、サイクル数およびN流量にはほとんど依存しなかった。
From the results of FIG. 11 (a), the following was found.
(1) The heat storage by melting the eutectic mixture at around 838 ° C., which is the melting start temperature of the FeGe90 alloy according to the phase diagram of FIG. 1, and the heat storage by melting the Ge main solid phase at around 895 ° C. are the number of cycles and the heat storage. It was almost independent of the N 2 flow rate.

(2)N流下での共晶混合物の蓄熱の終了温度は、図10(a)に示した真空中での蓄熱終了温度とほぼ同じであったにも関わらず、N流下でのGe主固相の蓄熱終了温度(920℃付近)は、真空中での蓄熱終了温度(940℃付近)よりも低く、液相線温度に近づいた。したがって、これらの結果から、N流が試験容器内に対流を作り出し、固相/液相共存領域におけるGe主固相の融解が促進されたことを示される。 (2) end temperature of the heat storage eutectic mixture under N 2 flow, despite were similar to the heat storage completion temperature in a vacuum as shown in FIG. 10 (a), Ge in a stream of N 2 The heat storage end temperature of the main solid phase (around 920 ° C.) was lower than the heat storage end temperature in vacuum (around 940 ° C.) and approached the liquidus temperature. Therefore, from these results, creating a convection stream of N 2 is the test vessel, the melting of Ge principal solid phase in the solid / liquid phase coexisting region is shown to have been promoted.

図11(b)に示す放熱モードにおいて、発熱ピークは、すべてのサイクルでGe主相および共晶混合物の凝固の開始温度および終了温度について再現可能に観察された。これらの結果は、FeGe合金が熱力学的平衡に基づいて再現可能に動作し、サイクル20でのN流量の増加は、Ge主相および共晶混合物の双方について凝固の開始温度および終了温度に影響しなかったことを示す。 In the heat dissipation mode shown in FIG. 11B, exothermic peaks were reproducibly observed for the start and end temperatures of solidification of the Ge principal phase and eutectic mixture in all cycles. These results are reproducibly operate based FeGe alloy in thermodynamic equilibrium, increase of the flow rate of N 2 at cycle 20, the start temperature and end temperature of the coagulation for both Ge main phase and eutectic Indicates that it did not affect.

これに対し、図10(b)に示した、真空中での結果と比較すると、Ge主相の凝固の開始温度、および、共晶混合物の凝固の開始温度は、それぞれ、液相線温度側および共晶温度側にシフトした。この結果は、放熱モードで、試験容器内のN流が、試験容器から蓄熱材料の蓄熱を排出することで、Ge主相および共晶混合物の凝固が真空中よりも促進されたことを示す。
このように、蓄熱放熱特性は、熱伝導、対流および不活性ガス流下のヒーターから蓄熱材料への放射の影響を受けることが確認された。
た。
On the other hand, when compared with the results in vacuum shown in FIG. 10B, the start temperature of solidification of the Ge main phase and the start temperature of solidification of the eutectic mixture are on the liquidus temperature side, respectively. And shifted to the eutectic temperature side. This result, in the heat radiation mode, N 2 flow of the test vessel, by discharging the heat storage of the heat storage material from the test vessel, indicating that coagulation of Ge main phase and the eutectic mixture has been promoted than vacuo ..
Thus, it was confirmed that the heat storage and heat dissipation characteristics are affected by the radiation from the heater under heat conduction, convection and inert gas flow to the heat storage material.
rice field.

[6−5]蓄熱放熱サイクルによる質量変化率の評価
前記各実施例および各比較例の蓄熱材料について、360サイクルまでの長期信頼性として、蓄熱放熱サイクルの前後における蓄熱材料の質量変化を評価した。
[6-5] Evaluation of Mass Change Rate by Heat Storage and Heat Dissipation Cycle The mass change of the heat storage material before and after the heat storage and heat dissipation cycle was evaluated as long-term reliability up to 360 cycles for the heat storage materials of each of the above Examples and Comparative Examples. ..

蓄熱モードと放熱モードとを真空中で繰り返し行い、蓄熱と放熱との繰り返しサイクルにさらされるサンプルの質量の変化を評価した。 The heat storage mode and the heat dissipation mode were repeatedly performed in a vacuum, and the change in the mass of the sample exposed to the repeated cycle of the heat storage and heat dissipation was evaluated.

標準状態で100ml/分のAr流内で、25℃/分の昇温速度および降温速度で、750℃から1000℃までの間での加熱/冷却を1サイクルとし、この120サイクルを3回行う、最大360サイクルのサイクル試験を行った。 In a standard state of 100 ml / min in an Ar stream, heating / cooling between 750 ° C. and 1000 ° C. at a temperature raising rate and a temperature lowering rate of 25 ° C./min is set as one cycle, and this 120 cycle is performed three times. , A cycle test of up to 360 cycles was performed.

質量変化率の評価は、熱重量分析(TG)(TG分解能<0.03g)と示差熱分析(DTA)(温度精度0.3K)とを組み合わせた同時熱分析(STA2500Regulus、Netzsch)を使用して行った。 Evaluation of the mass change rate uses simultaneous thermal analysis (STA2500 Regulus, Netzsch) that combines thermogravimetric analysis (TG) (TG resolution <0.03 g) and differential thermal analysis (DTA) (temperature accuracy 0.3 K). I went.

図12は、実施例2の蓄熱材料についての、不活性ガス流下での蓄熱放熱サイクルにおける質量損失の測定結果を示した図である。 FIG. 12 is a diagram showing the measurement results of mass loss in the heat storage heat dissipation cycle under the flow of an inert gas for the heat storage material of Example 2.

図12に示すように、120サイクルの1回目の実行後の質量変化は2%未満であったが、120サイクルの2回目の実行後は1.3%、120サイクルの3回目の実行後は0.8%の最小質量減少が見られた。いずれも、質量減少が小さく抑えられていることから、360サイクル中に合金の顕著な流出および蒸発がないことが確認された。したがって、例えば、当該蓄熱材料を、蓄熱・放熱を繰り返し行う蓄熱発電等に適用した場合であっても、長期間にわたって安定的な稼働を保証することができる。 As shown in FIG. 12, the mass change after the first execution of 120 cycles was less than 2%, but 1.3% after the second execution of 120 cycles and after the third execution of 120 cycles. A minimum mass reduction of 0.8% was seen. In both cases, the mass loss was kept small, confirming that there was no significant runoff and evaporation of the alloy during the 360 cycles. Therefore, for example, even when the heat storage material is applied to a heat storage power generation or the like that repeatedly stores and dissipates heat, stable operation can be guaranteed for a long period of time.

[6−6]蓄熱放熱サイクル前後での金属組織および元素分布の評価
前記各実施例および各比較例の蓄熱材料について、蓄熱放熱サイクルの前後における蓄熱材料の金属組織および元素分布を評価した。
[6-6] Evaluation of metal structure and element distribution before and after the heat storage and heat dissipation cycle For the heat storage materials of each of the above Examples and Comparative Examples, the metal structure and element distribution of the heat storage material before and after the heat storage and heat dissipation cycle were evaluated.

蓄熱放熱サイクル試験前および試験後の蓄熱材料中の元素分布を、波長分散型X線分光計(WDS、相対誤差<1%)を備えた電子プローブマイクロアナライザー(EPMA、島津EPMA−1610)を用いて、加速電圧が15kV、ビーム電流が200mA、ビームサイズが2μm、ステップサイズが2μm、サンプリング時間が30msの条件で測定した。 The element distribution in the heat storage material before and after the heat storage heat dissipation cycle test was measured using an electron probe microanalyzer (EPMA, Shimadzu EPMA-1610) equipped with a wavelength dispersion type X-ray spectrometer (WDS, relative error <1%). The measurement was performed under the conditions of an acceleration voltage of 15 kV, a beam current of 200 mA, a beam size of 2 μm, a step size of 2 μm, and a sampling time of 30 ms.

なお、EPMA解析に先立って、微細構造解析のサンプルを、樹脂結合ダイヤモンド研削ディスク(Struers、MD−Piano1200、2000および4000)を用いた機械的研削および研磨によって、鏡面仕上げした。 Prior to the EPMA analysis, the microstructure analysis sample was mirror-finished by mechanical grinding and polishing using a resin-bonded diamond grinding disk (Struers, MD-Piano 1200, 2000 and 4000).

図13は、実施例2の蓄熱材料についての、蓄熱放熱サイクルの前後における断面のBEI顕微鏡写真および元素マッピング画像である。図13(a)は、実施例2の蓄熱材料についての、蓄熱放熱サイクル試験前の断面の反射電子像(BEI)顕微鏡写真、および、元素マッピング画像であり、図13(b)は、実施例2の蓄熱材料についての、真空中での蓄熱放熱サイクル試験後の断面の反射電子像(BEI)顕微鏡写真、および、元素マッピング画像であり、図13(c)は、実施例2の蓄熱材料についての、N流下でのサイクル試験後の断面の反射電子像(BEI)顕微鏡写真、および、元素マッピング画像である。 FIG. 13 is a BEI micrograph and an element mapping image of the cross section of the heat storage material of Example 2 before and after the heat storage heat dissipation cycle. FIG. 13 (a) is a reflected electron image (BEI) micrograph of a cross section of the heat storage material of Example 2 before the heat storage heat dissipation cycle test, and an element mapping image, and FIG. 13 (b) is an example. FIG. 13 (c) is a reflected electron image (BEI) micrograph and an element mapping image of a cross section of the heat storage material of No. 2 after a heat storage heat dissipation cycle test in vacuum, and FIG. 13 (c) shows the heat storage material of Example 2. the reflection electron image of a cross section after the cycle test under N 2 flow (BEI) micrographs, and an element mapping images.

なお、図13(a)、図13(b)、図13(c)では、元素マッピング画像として、Fe、GeおよびOの各元素について画像を示している。 In addition, in FIG. 13A, FIG. 13B, and FIG. 13C, images of each element of Fe, Ge, and O are shown as element mapping images.

図13(a)では、BEI顕微鏡写真に、粒子サイズが1mm未満のGe主結晶の明るい灰色の領域と母相の暗い灰色の領域とが観察された。画像の左側に観察された黒い領域は、サンプルのマウントに使用したエポキシ樹脂に対応する。また、Fe元素のマッピング画像では、共晶構造の金属組織に特徴的な多数の微視的なスポットと針状領域(FeGe相)およびGe固溶体相の領域が観察された。これらは、BEI顕微鏡写真の暗い灰色の領域に対応した。これらの結果は、サイクル試験前の合金の過共晶混合物にFeGe相とGe固溶体相とが均一に分布していることを示している。Ge元素のマッピング画像では、Ge結晶の粗い領域(Ge主相)が共晶混合物の領域とともに観察された。マッピングに示される1秒あたりのカウント値(cps)は、標準サンプルの検量線を使用したGe元素濃度と相関性があった。FeおよびGeの最大強度は、それぞれ1222cpsおよび5706cpsであった。O元素のマッピング画像では、Ge主結晶および共晶混合物はOの検出限界レベルを示した。 In FIG. 13 (a), a light gray region of the Ge main crystal having a particle size of less than 1 mm and a dark gray region of the matrix were observed in the BEI micrograph. The black area observed on the left side of the image corresponds to the epoxy resin used to mount the sample. Further, in the mapping image of the Fe element, a large number of microscopic spots characteristic of the metal structure of the eutectic structure, a needle-like region (FeGe 2 phase), and a region of the Ge solid solution phase were observed. These corresponded to the dark gray areas of the BEI micrograph. These results indicate that the FeGe 2 phase and the Ge solid solution phase are uniformly distributed in the hypereutectic mixture of the alloy before the cycle test. In the mapping image of the Ge element, a coarse region (Ge main phase) of the Ge crystal was observed together with a region of the eutectic mixture. The count value per second (cps) shown in the mapping was correlated with the Ge element concentration using the standard sample calibration curve. The maximum intensities of Fe and Ge were 1222 cps and 5706 cps, respectively. In the O element mapping image, the Ge main crystal and eutectic mixture showed the detection limit level of O.

図13(b)では、BEI顕微鏡写真に、Ge主相(明るい灰色)および共晶混合物(暗い灰色)が熱力学的に安定した相として再現的に現れた。図13(a)に示したサイクル試験前の試料とは対照的に、図13(b)では、両方の相は凝集した相として観察された。これは、サンプルが高温で加熱/冷却サイクルにさらされたためであると考えられる。Fe元素マッピングでは、FeGe相の多くのスポットが密接に凝集し、共晶混合物中に集中していた。さらに、FeGe相のスポットのFe強度(最大値1335cps)は、図13(a)で観察されたものよりも大きかった。これらの結果は、FeGe相がサイクル試験により粗大化および共晶混合物に局在化したことを示した。Ge元素のマッピングでは、Ge主相の領域が粗大化して現れたが、Ge元素は共晶混合物中に均一に分布していた。Ge主相の領域のGe強度(5991cpsの最大値)は、図13(a)で観測された強度よりも大きかった。 In FIG. 13 (b), the Ge principal phase (light gray) and the eutectic mixture (dark gray) reappeared as thermodynamically stable phases in the BEI micrograph. In contrast to the sample before the cycle test shown in FIG. 13 (a), both phases were observed as aggregated phases in FIG. 13 (b). This is believed to be due to the sample being exposed to a heating / cooling cycle at high temperatures. In the Fe element mapping, many spots of the FeGe 2 phase were closely aggregated and concentrated in the eutectic mixture. Furthermore, the Fe intensity (maximum value 1335 cps) of the FeGe 2- phase spot was larger than that observed in FIG. 13 (a). These results showed that the FeGe 2 phase was coarsened and localized to the eutectic mixture by cycle testing. In the mapping of the Ge element, the region of the Ge main phase appeared to be coarsened, but the Ge element was uniformly distributed in the eutectic mixture. The Ge intensity (maximum value of 5991 cps) in the region of the Ge main phase was larger than the intensity observed in FIG. 13 (a).

図13(c)では、BEI顕微鏡写真において、共晶混合物の濃い灰色の領域は、密な領域と希薄な領域とに分離された。密な領域(最大値1933cps)はFe高含有領域に対応し、希薄な領域はFe元素マッピングのFe低含有領域に相当した。 In FIG. 13 (c), in the BEI micrograph, the dark gray region of the eutectic mixture was separated into a dense region and a dilute region. The dense region (maximum value 1933 cps) corresponded to the Fe high content region, and the dilute region corresponded to the Fe low content region of the Fe element mapping.

さらに、高温でのサイクル試験の間に、Fe高含有領域がFe低含有領域に囲まれ、FeおよびGeが共晶混合物に存在することを示す周期的組成変調が、図1に示した状態図に基づいて2つの領域に分散された。周期的組成変調の金属組織は、ラメラ微細構造として知られ、共晶混合物の熱力学的に安定な相構造を表す。凝固(放熱)中の短い範囲での原子拡散によって金属組織が形成されるため、金属組織の形態は、共晶システム、冷却条件、および核生成成長プロセスによる容器に依存する。 Further, during the cycle test at high temperature, the phase diagram showing the periodic composition modulation showing that the Fe high content region is surrounded by the Fe low content region and Fe and Ge are present in the eutectic mixture is shown in FIG. It was distributed in two regions based on. The periodic composition-modulated metallographic structure is known as the lamella microstructure and represents a thermodynamically stable phase structure of the eutectic mixture. The morphology of the metallographic structure depends on the eutectic system, cooling conditions, and the vessel by the nucleation growth process, as the metallic structure is formed by short-range atomic diffusion during solidification (radiation).

<PCM容器との反応性についての評価結果>
PCM容器として、炭素系材料、具体的には黒鉛で構成されたるつぼを用いた場合の影響について調べた。
<Evaluation result of reactivity with PCM container>
The effect of using a carbon-based material, specifically a crucible made of graphite, as the PCM container was investigated.

図14は、実施例2の蓄熱材料についての、蓄熱放熱サイクル後における断面のBEI顕微鏡写真および炭素マッピング画像である。図14(a)は、実施例2の蓄熱材料についての、真空中でのサイクル試験後の断面の反射電子像(BEI)顕微鏡写真、および、炭素マッピング画像であり、図13(b)は、実施例2の蓄熱材料についての、不活性ガスとしてN流下でのサイクル試験後の断面の反射電子像(BEI)顕微鏡写真、および、炭素マッピング画像である。 FIG. 14 is a BEI micrograph and a carbon mapping image of the cross section of the heat storage material of Example 2 after the heat storage heat dissipation cycle. FIG. 14 (a) is a reflected electron image (BEI) micrograph and a carbon mapping image of a cross section of the heat storage material of Example 2 after a cycle test in vacuum, and FIG. 13 (b) is a carbon mapping image. FIG. 3 is a reflected electron image (BEI) micrograph and a carbon mapping image of a cross section of the heat storage material of Example 2 after a cycle test under N 2 flow as an inert gas.

BEI顕微鏡写真から、(a)真空中、(b)N流下でのサイクル試験後のいずれにおいても、炭素はほとんど含まれていないことがわかる。
すなわち、実施例2の蓄熱材料は、真空中およびN流下でのサイクル試験中に黒鉛るつぼとほとんど反応しなかった。さらに、EPMAの点分析による炭素の量は検出限界よりも少なかった。
BEI from photomicrographs, (a) in a vacuum, in any of the post-cycle test in (b) N 2 flow, it can be seen that carbon scarcely included.
That is, the heat storage material of Example 2 was hardly react with the graphite crucible during the cycle test in a vacuum and under a stream of N 2. In addition, the amount of carbon by point analysis of EPMA was below the detection limit.

したがって、Fe−Ge合金の蓄熱材料の非酸化性雰囲気下における容器、例えば、カプセル化材料として黒鉛等の炭素系材料を好適に使用することができることが分かった。 Therefore, it was found that a container of the heat storage material of the Fe-Ge alloy in a non-oxidizing atmosphere, for example, a carbon-based material such as graphite can be preferably used as the encapsulation material.

また、本発明の蓄熱材料では、いずれも、融解に伴う体積変化が2%未満であり、体積変化が十分に小さく抑えられていることが確認された。 Further, it was confirmed that in all of the heat storage materials of the present invention, the volume change due to melting was less than 2%, and the volume change was sufficiently suppressed.

本発明の蓄熱材料は、Ge合金を含むことにより、高温での使用が可能であり、蓄熱放熱特性に優れている。
したがって、本発明の蓄熱材料は、産業上の利用可能性を有する。
Since the heat storage material of the present invention contains a Ge alloy, it can be used at a high temperature and has excellent heat storage and heat dissipation characteristics.
Therefore, the heat storage material of the present invention has industrial applicability.

1…蓄熱カプセル
2…蓄熱材料
3…カプセル
3a…第1半体
3b…第2半体
4a…雄ねじ
4b…雌ねじ
10…蓄熱体
11…収容体
11a…外筒
11b…細管
11c…板材
12…蓄熱材料
100…太陽熱蓄熱装置
20…ミラー
30…発電機
110…受熱部
120…蓄熱器
121…筐体
123…蓄熱材料
124…移送装置
125…ポンプ
126…リザーブタンク
127…配管
128…制御装置
130…流路配管
130a…サブ配管
130b…サブ配管
130c…サブ配管
200…太陽熱発電装置
E…エネルギー変換部(熱交換器)
S…太陽
S1…温度センサ
1 ... Heat storage capsule 2 ... Heat storage material 3 ... Capsule 3a ... First half body 3b ... Second half body 4a ... Male screw 4b ... Female screw 10 ... Heat storage body 11 ... Accommodator 11a ... Outer cylinder 11b ... Thin tube 11c ... Plate material 12 ... Heat storage Material 100 ... Solar heat storage device 20 ... Mirror 30 ... Generator 110 ... Heat receiving part 120 ... Heat storage device 121 ... Housing 123 ... Heat storage material 124 ... Transfer device 125 ... Pump 126 ... Reserve tank 127 ... Piping 128 ... Control device 130 ... Flow Road piping 130a ... Sub piping 130b ... Sub piping 130c ... Sub piping 200 ... Solar thermal power generation device E ... Energy conversion unit (heat exchanger)
S ... Sun S1 ... Temperature sensor

Claims (15)

凝固状態において、Ge相と第二相とが平衡して存在し、前記Ge相と前記第二相とが共晶を形成する合金を含むことを特徴とする蓄熱材料。 A heat storage material characterized in that the Ge phase and the second phase exist in equilibrium in a solidified state, and the Ge phase and the second phase contain an alloy forming a eutectic. 前記第二相がGeを含む金属間化合物である請求項1に記載の蓄熱材料。 The heat storage material according to claim 1, wherein the second phase is an intermetallic compound containing Ge. 前記Ge相と平衡するGeを含む前記金属間化合物は、K、Sc、Ti、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Mg、Sr、Rh、Pd、Hf、Pt、又は、希土類元素の内の少なくとも一つを構成元素に含む請求項2に記載の蓄熱材料。 The intermetallic compound containing Ge that is in equilibrium with the Ge phase is one of K, Sc, Ti, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Mg, Sr, Rh, Pd, Hf, Pt, or a rare earth element. The heat storage material according to claim 2, wherein at least one is contained as a constituent element. 前記合金は、前記Ge相と前記Ge相と平衡するGeを含む前記金属間化合物との間の共晶組成、又は、当該共晶組成に対して過剰のGeを含む組成である請求項3に記載の蓄熱材料。 The third aspect of claim 3 is that the alloy has a eutectic composition between the Ge phase and the intermetallic compound containing Ge that is in equilibrium with the Ge phase, or a composition containing an excess of Ge with respect to the eutectic composition. The heat storage material described. 前記Ge相と前記第二相とが形成する前記共晶の共晶温度が、650℃以上である請求項1ないし4のいずれか1項に記載の蓄熱材料。 The heat storage material according to any one of claims 1 to 4, wherein the eutectic temperature of the eutectic formed by the Ge phase and the second phase is 650 ° C. or higher. 前記合金におけるGe元素の含有量が40原子%以上である請求項1ないし5のいずれか1項に記載の蓄熱材料。 The heat storage material according to any one of claims 1 to 5, wherein the content of the Ge element in the alloy is 40 atomic% or more. Ge合金を含むことを特徴とする蓄熱材料。 A heat storage material characterized by containing a Ge alloy. 前記Ge合金は、Fe−Ge合金である請求項7に記載の蓄熱材料。 The heat storage material according to claim 7, wherein the Ge alloy is a Fe-Ge alloy. 前記Ge合金は、共晶合金を含むものである請求項7または8に記載の蓄熱材料。 The heat storage material according to claim 7 or 8, wherein the Ge alloy contains a eutectic alloy. 前記Ge合金は、前記共晶合金に加え、過剰のGeを含む過共晶Ge合金である請求項9に記載の蓄熱材料。 The heat storage material according to claim 9, wherein the Ge alloy is a hypereutectic Ge alloy containing an excess of Ge in addition to the eutectic alloy. 前記Ge合金におけるGeの割合が、70原子%以上99原子%以下である請求項7ないし10のいずれか1項に記載の蓄熱材料。 The heat storage material according to any one of claims 7 to 10, wherein the proportion of Ge in the Ge alloy is 70 atomic% or more and 99 atomic% or less. 前記Ge合金の潜熱蓄熱容量が1.28GJ/m以上である請求項7ないし11のいずれか1項に記載の蓄熱材料。 The heat storage material according to any one of claims 7 to 11, wherein the latent heat storage capacity of the Ge alloy is 1.28 GJ / m 3 or more. 650℃以上の温度域で使用される請求項7ないし12のいずれか1項に記載の蓄熱材料。 The heat storage material according to any one of claims 7 to 12, which is used in a temperature range of 650 ° C. or higher. 請求項7ないし13のいずれか1項に記載の蓄熱材料を備えることを特徴とする蓄熱発電装置。 A heat storage power generation device comprising the heat storage material according to any one of claims 7 to 13. 太陽光を集光して得られる熱を蓄熱するものである請求項14に記載の蓄熱発電装置。 The heat storage power generation device according to claim 14, wherein the heat obtained by condensing sunlight is stored.
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