JP7093977B2 - 発熱材料、並びにこれを用いた発熱システムおよび熱供給方法 - Google Patents
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Description
図1は、本発明の一実施形態に係る発熱材料を模式的に表す断面図である。図1に示す発熱材料10は、第1の金属であるアルミニウム(Al)(融点:660.3℃)20と、第2の金属であるニッケル(Ni)(融点:1455℃)30との合金40を含んでいる。、本実施形態において、アルミニウム(Al)20とニッケル(Ni)30との合金40は、組成比の異なる複数の相を有している。図2は、本実施形態に係る発熱材料(実施例1および実施例2において製造された発熱材料)に含まれる合金の微細構造を、走査電子顕微鏡付属の元素分析装置、SEM-EDXを用いて分析した結果を示す顕微鏡写真(倍率:500倍)である。図2に示すように、本実施形態に係る合金は組成比の異なる複数の相を有している。具体的に、図2に示す顕微鏡写真においては、薄灰色を示す相と濃灰色を示す相との2つの相が存在していることがわかる。ここで、図2の左に示すグラフは、図2に示す顕微鏡写真における薄灰色の相の元素組成を分析した結果を示すものであり、この結果から、薄灰色の相はAl:Ni=61原子%:39原子%(Al:Ni=3.12:2(原子比))の組成を有していることがわかる。一方、図2の右に示すグラフは、図2に示す顕微鏡写真における濃灰色の相の元素組成を分析した結果を示すものであり、この結果から、濃灰色の相はAl:Ni=76原子%:24原子%(Al:Ni=3.16:1(原子比))の組成を有していることがわかる。
本形態に係る発熱材料は、少なくとも2種の金属を含むものである。本形態に係る発熱材料に含まれる金属のうち、より低い融点を有するものを「第1の金属」と称し、より高い融点を有するものを「第2の金属」と称する。なお、第1の金属の融点は230℃以上であることが必須である。また、本形態に係る発熱材料に含まれる第1の金属および第2の金属のうち、少なくとも一方は、前記第2の金属の融点未満の温度で銀よりも大きい水素溶解度を有するものである。このような構成とすることによって、本形態に係る発熱材料が大量の発熱を生じる際に起こる水素化物合金の相転移の繰り返しのための水素の吸蔵が十分に行われる。これに対し、第1の金属および第2の金属の水素溶解度がともに銀の水素溶解度以下であると、材料が十分な量の水素を吸蔵することができず、発熱材料として用いることができない。好ましい実施形態においては、第1の金属および第2の金属の双方が、上記温度で銀よりも大きい水素溶解度を有するものである。なお、ある金属に対する水素溶解度の値は、実験的に求めた値であってもよいし、コンピューターシミュレーションを用いた計算により求めた値であってもよい。
本形態に係る発熱材料は、後述する実施例8(発熱材料(7))および図3に示すように、無機多孔質体からなる外殻体の内部に位置するものであってもよい。図3に示す実施形態において、金属(アルミニウム(Al)20およびニッケル(Ni)30)は、合金40の状態で無機多孔質体である金属酸化物(シリカ(SiO2))からなる外殻体50の内部に位置している。
本形態に係る発熱材料の製造方法について特に制限はなく、後述する実施例の欄の記載に基づき、従来公知の技術常識を参照することにより、本形態に係る発熱材料を製造することができる。
上述した形態に係る発熱材料は、熱を利用する種々の用途に適用可能な発熱システムとして用いることができる。すなわち、本発明の他の形態によれば、上述した形態に係る発熱材料が配置された発熱装置と、前記発熱材料を加熱するヒーターと、前記発熱材料に対して水素ガスを供給する水素ガス供給装置とを備えた、発熱システムもまた、提供される。さらには、上述した形態に係る発熱材料を、水素ガスの存在下、前記第1の金属の融点以上、前記第2の金属の融点未満の温度に加熱することにより、前記発熱材料を発熱させることを含む、熱供給方法もまた、提供される。
以下の手法により、発熱材料(1)を調製し、示差走査熱量(DSC)測定を行った。
まず、第1の金属として、アルミニウム(Al)(融点:660.3℃)粉末(純度99.5%)を準備した。また、第2の金属として、ニッケル(Ni)(融点:1455℃)粉末を準備した。このアルミニウム(Al)粉末20mgと、ニッケル(Ni)粉末20mgとを秤量し、乳鉢および乳棒を用いて1~2分間混合して、金属粉末の混合物の状態の発熱材料(1)を調製した。
上記で調製された発熱材料(1)について、下記の測定条件により、水素ガス(H2)フローまたはヘリウムガス(He)フローの条件下における示差走査熱量(DSC)測定を実施した。
・DSC測定条件
試料量 :40mg
昇温範囲:室温~800℃
昇温速度:5℃/min
ガス流量:H2 120mL/min、He 120mL/min
保持温度:250~800℃
保持時間:2時間
・DSC測定の手順
測定前日以前に、下記と同じ手順で空試料でのベースライン測定を行った;
前処理として,10-3Pa以下になるまで真空脱気を行った(所要時間は2~3);
HeまたはH2気流中で室温から所定温度まで昇温し、その温度で保持する測定を実施した。
以下の手法により、発熱材料(2)を調製し、示差走査熱量(DSC)測定を行った。
アルミニウム(Al)粉末に代えて、ジルコニウム(Zr)粉末を用いたこと以外は、上述した実施例1と同様の手法により、発熱材料(2)を調製した。ここで、ジルコニウム(Zr)の融点は1855℃であることから、発熱材料(2)においてはニッケル(Ni)が第1の金属であり、ジルコニウム(Zr)が第2の金属である。
上記で調製された発熱材料(2)について、保持温度を700℃から450℃にしたこと以外は、上述した実施例1と同様の測定条件による示差走査熱量(DSC)測定を実施した。
以下の手法により、発熱材料(3)を調製し、示差走査熱量(DSC)測定を行った。
ニッケル(Ni)粉末に代えて、チタン(Ti)粉末を用いたこと以外は、上述した実施例1と同様の手法により、発熱材料(3)を調製した。ここで、チタン(Ti)の融点は1668℃であることから、発熱材料(3)においてはアルミニウム(Al)が第1の金属であり、チタン(Ti)が第2の金属である。
上記で調製された発熱材料(3)について、上述した実施例1と同様の測定条件による示差走査熱量(DSC)測定を実施した。
以下の手法により、発熱材料(4)を調製し、示差走査熱量(DSC)測定を行った。
アルミニウム(Al)粉末に代えて、スズ(Sn)粉末を用いたこと以外は、上述した実施例4と同様の手法により、発熱材料(4)を調製した。ここで、チタン(Ti)の融点は1668℃であることから、発熱材料(4)においてはスズ(Sn)が第1の金属であり、チタン(Ti)が第2の金属である。
上記で調製された発熱材料(4)について、上述した実施例1と同様の測定条件による示差走査熱量(DSC)測定を実施した。
以下の手法により、発熱材料(5)を調製し、示差走査熱量(DSC)測定を行った。
チタン(Ti)粉末に代えて、マンガン(Mn)粉末を用いたこと以外は、上述した実施例4と同様の手法により、発熱材料(5)を調製した。ここで、マンガン(Mn)の融点は1246℃であることから、発熱材料(5)においてはアルミニウム(Al)が第1の金属であり、マンガン(Mn)が第2の金属である。
上記で調製された発熱材料(5)について、上述した実施例1と同様の測定条件による示差走査熱量(DSC)測定を実施した。
以下の手法により、発熱材料(6)を調製し、示差走査熱量(DSC)測定を行った。
マンガン(Mn)粉末に代えて、カルシウム(Ca)粉末を用いたこと以外は、上述した実施例6と同様の手法により、発熱材料(6)を調製した。ここで、カルシウム(Ca)の融点は842℃であることから、発熱材料(6)においてはアルミニウム(Al)が第1の金属であり、カルシウム(Ca)が第2の金属である。
上記で調製された発熱材料(6)について、保持温度を700℃から600℃に変更したこと以外は、上述した実施例1と同様の測定条件による示差走査熱量(DSC)測定を実施した。
以下の手法により、発熱材料(7)を調製し、示差走査熱量(DSC)測定を行った。
まず、第1の金属として、アルミニウム(Al)(融点:660.3℃)粉末(純度99.5%)を準備した。このアルミニウム(Al)粉末0.50gに、溶媒として蒸留水25mLを添加した。次いで、後述するシリカ化(加水分解・縮合)反応の触媒としてトリエチルアミン84μLを添加し、10分間撹拌して液相部を均一にした。
上記で調製された発熱材料(7)について、下記の測定条件により、水素ガス(H2)フローまたはヘリウムガス(He)フローの条件下における示差走査熱量(DSC)測定を実施した。
・DSC測定条件
試料量 :40mg
昇温範囲:室温~800℃
昇温速度:5℃/min
ガス流量:H2 120mL/min、He 120mL/min
保持温度:250~800℃
保持時間:2時間
・DSC測定の手順
測定前日以前に、下記と同じ手順で空試料でのベースライン測定を行った;
前処理として,10-3Pa以下になるまで真空脱気を行った(所要時間は2~3);
HeまたはH2気流中で室温から所定温度まで昇温し、その温度で保持する測定を実施した。
高温における水素吸蔵金属であることが知られているニッケル(Ni)粉末を用いて、上述した実施例1と同様の測定条件により、水素ガス(H2)フローまたはヘリウムガス(He)フローの条件下における示差走査熱量(DSC)測定を実施した。
アルミニウム(Al)粉末を用いて、上述した実施例1と同様の測定条件により、水素ガス(H2)フローまたはヘリウムガス(He)フローの条件下における示差走査熱量(DSC)測定を実施した。
酸化ジルコニウム(ZrO2)粉末を用いて、保持温度を300℃としたこと以外は上述した実施例1と同様の測定条件により、水素ガス(H2)フローまたはヘリウムガス(He)フローの条件下における示差走査熱量(DSC)測定を実施した。その結果、酸化ジルコニウム(ZrO2)の粉末については、温度を300℃まで上げたとしても、H2フローの場合にHeフローの場合よりも大きい発熱現象は確認されなかった。
二酸化銀(AgO2)粉末を用いて、保持温度を300℃としたこと以外は上述した実施例1と同様の測定条件により、水素ガス(H2)フローまたはヘリウムガス(He)フローの条件下における示差走査熱量(DSC)測定を実施した。その結果、二酸化銀(AgO2)の粉末については、温度を300℃まで上げたとしても、H2フローの場合にHeフローの場合よりも大きい発熱現象は確認されなかった。
(発熱材料(8)の調製)
第2の金属として、ニッケル(Ni)に代えて、銀(Ag)を用いたこと以外は、上述した実施例1と同様の手法により、発熱材料(8)を調製した。ここで、アルミニウム(Al)の融点は660.3℃であり、銀(Ag)の融点は961.8℃であることから、発熱材料(8)においてはアルミニウム(Al)が第1の金属であり、銀(Ag)が第2の金属である。
上記で調製された発熱材料(8)について、上述した実施例1と同様の測定条件による示差走査熱量(DSC)測定を実施した。その結果、発熱材料(8)については、温度を700℃まで上げたとしても、H2フローの場合にHeフローの場合よりも大きい発熱現象は確認されなかった。これは、銀(Ag)の水素溶解度が小さすぎるために、十分な量の水素を吸蔵することができなかったことによるものと考えられる。
(発熱材料(9)の調製)
第2の金属として、ニッケル(Ni)に代えて、銅(Cu)を用いたこと以外は、上述した実施例1と同様の手法により、発熱材料(9)を調製した。ここで、アルミニウム(Al)の融点は660.3℃であり、銅(Cu)の融点は1085℃であることから、発熱材料(9)においてはアルミニウム(Al)が第1の金属であり、銅(Cu)が第2の金属である。
上記で調製された発熱材料(9)について、上述した実施例1と同様の測定条件による示差走査熱量(DSC)測定を実施した。その結果、発熱材料(9)については、温度を700℃まで上げたとしても、H2フローの場合にHeフローの場合よりも大きい発熱現象は確認されなかった。これは、銅の水素溶解度が小さすぎるために、十分な量の水素を吸蔵することができなかったことによるものと考えられる。
20 アルミニウム(Al)、
30 ニッケル(Ni)
40 アルミニウム(Al)とニッケル(Ni)との合金、
50 シリカからなる外殻体。
Claims (10)
- 230℃以上の融点を有する第1の金属と、
前記第1の金属よりも高い融点を有する第2の金属と、
を含み、
この際、前記第1の金属または前記第2の金属の少なくとも一方が、前記第2の金属の融点未満の温度で銀よりも大きい水素溶解度を有し、かつ、前記第1の金属または前記第2の金属の少なくとも一方の水素化物が、CaH2の標準生成エンタルピー以上の標準生成エンタルピーを有し、
前記第2の金属の融点未満の温度において、前記第1の金属および前記第2の金属が水素ガスと接触することにより発熱する、発熱材料(ただし、ランタンを含むものを除く)。 - 前記第1の金属と前記第2の金属とが、組成比の異なる複数の相を有する合金の状態で存在している、請求項1に記載の発熱材料。
- 前記第1の金属が、アルミニウム、スズまたは鉛である、請求項1または2に記載の発熱材料。
- 前記第2の金属が、ニッケル、チタン、ジルコニウム、マンガン、亜鉛、バナジウムまたはカルシウムである、請求項1~3のいずれか1項に記載の発熱材料。
- 前記第1の金属と前記第2の金属との組み合わせが、ニッケル-ジルコニウム、アルミニウム-ニッケル、アルミニウム-チタン、アルミニウム-マンガン、アルミニウム-亜鉛、スズ-チタンまたはアルミニウム-カルシウムである、請求項1~4のいずれか1項に記載の発熱材料。
- 前記第1の金属および前記第2の金属が、無機多孔質体からなる外殻体の内部に位置している、請求項1~5のいずれか1項に記載の発熱材料。
- 前記無機多孔質体は金属酸化物を含む、請求項6に記載の発熱材料。
- 前記金属酸化物はシリカまたはジルコニアを含む、請求項7に記載の発熱材料。
- 請求項1~8のいずれか1項に記載の発熱材料が配置された発熱装置と、
前記発熱材料を加熱するヒーターと、
前記発熱材料に対して水素ガスを供給する水素ガス供給装置と、
を備えた、発熱システム。 - 請求項1~8のいずれか1項に記載の発熱材料を、水素ガスの存在下、前記第1の金属の融点以上、前記第2の金属の融点未満の温度に加熱することにより、前記発熱材料を発熱させることを含む、熱供給方法。
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