JP7453272B2 - Ｍｏｆ焼結体およびその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、ＭＯＦを焼結したＭＯＦ焼結体に関する。
近年は、二酸化炭素の排出を低減して地球環境上の悪影響を低減する等の観点から、ＥＶやＨＥＶ等の電動車両の普及が進んでいる。電動車両等には、リチウムイオン電池等のバッテリが搭載される。
通常、バッテリは、温度が高過ぎると、放電や劣化が進んでしまう。他方、温度が低過ぎると、充分な電圧を出力することができない。そのため、バッテリについては、温度制御が重要となる。
本発明者らは、ＭＯＦを用いてバッテリの温度を制御することを考えた。つまり、例えばバッテリの高温時には、ＭＯＦに吸着している水や二酸化炭素等の吸着物質をバッテリの熱によってＭＯＦから脱離させることによって、ＭＯＦに潜熱を蓄えると共にその際の吸熱によってバッテリを冷却する。また、例えばバッテリの低温時には、ＭＯＦに水や二酸化炭素等の吸着物質を吸着させることによって、ＭＯＦから潜熱を放出させると共にその際の発熱によってバッテリを暖機する。
ＭＯＦは水や二酸化炭素等の吸着性能に優れるが、粉体のままでは飛散してしまう。そのため、ＭＯＦにバインダー等を添加してバルク体に焼結する必要がある。しかしながら、ＭＯＦは耐熱性が低いため、低温での焼結が求められる。また、バインダーがＭＯＦの吸着性能を阻害しないこと、つまりＭＯＦの吸着性能を充分大きく確保できること、が求められる。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、ＭＯＦについて、吸着性能を充分確保しつつ、低温で充分強固に焼結することを目的とする。
本発明者らは、テレフタル酸系リガンドを有するＭＯＦに、水酸基を有するバインダーを混合すれば、当該ＭＯＦについて、吸着性能を充分確保しつつ、低温で充分強固に焼結できることを見出して、本発明に至った。本発明は、以下の（１）～（３）の構成のＭＯＦ焼結体、および（４）の構成のＭＯＦ焼結体製造方法である。
（１）テレフタル酸系リガンドを有するＭＯＦと、
水酸基を有するバインダーと、
を含有するＭＯＦ焼結体。
水酸基を有するバインダーと、
を含有するＭＯＦ焼結体。
本構成によれば、前述の通り、ＭＯＦについて、吸着性能を充分確保しつつ、低温で充分強固に焼結できる。
（２）前記バインダーはシリカであって、
前記シリカの含有量は、前記ＭＯＦの２～８重量％である、
前記（１）に記載のＭＯＦ焼結体。
前記シリカの含有量は、前記ＭＯＦの２～８重量％である、
前記（１）に記載のＭＯＦ焼結体。
シリカが２重量％以上なのは、それによりＭＯＦがより強固に焼結するからである。また、シリカが８重量％以下なのは、過剰なシリカによってＭＯＦ焼結体の蓄熱密度が低下してしまうのを抑制できるからである。
（３）前記ＭＯＦ焼結体は、移動体に搭載されており、
前記ＭＯＦ焼結体は、前記移動体を移動させる駆動装置に電力を供給するバッテリと熱交換を行う、
前記（１）又は（２）に記載のＭＯＦ焼結体。
前記ＭＯＦ焼結体は、前記移動体を移動させる駆動装置に電力を供給するバッテリと熱交換を行う、
前記（１）又は（２）に記載のＭＯＦ焼結体。
本構成によれば、移動体に搭載されるバッテリの温度を、ＭＯＦ焼結体を用いて制御できる。
（４）テレフタル酸系リガンドを有するＭＯＦと、水酸基を有するバインダーとを含有するスラリーを生成するスラリー生成工程と、
前記スラリーを１２０℃以下で加熱してＭＯＦを焼結させる焼結工程と、
を有するＭＯＦ焼結体製造方法。
前記スラリーを１２０℃以下で加熱してＭＯＦを焼結させる焼結工程と、
を有するＭＯＦ焼結体製造方法。
本構成によれば、スラリーを１２０℃以下で加熱することによって、耐熱温度の低いＭＯＦを損傷させることなく、前記（１）のＭＯＦ焼結体を製造できる。
以上、前記（１）の構成によれば、ＭＯＦについて、吸着性能を充分確保しつつ、低温で充分強固に焼結できる。さらに前記（２）～（４）の構成によれば、それぞれの追加の効果が得られる。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。ただし、本発明は、以下の実施形態に何ら限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更して実施できる。
［第１実施形態］
図１は、本実施形態の蓄熱システム２０を示す概略図である。蓄熱システム２０は、ＥＶ，ＨＥＶ等の電動車両１００に搭載されている。電動車両１００には、当該電動車両１００を走行させるモータ等の駆動装置４０と、駆動装置４０に電力を供給するバッテリ３０とが搭載されている。バッテリ３０は、例えば、液体電解質を有するリチウムイオン電池である。
図１は、本実施形態の蓄熱システム２０を示す概略図である。蓄熱システム２０は、ＥＶ，ＨＥＶ等の電動車両１００に搭載されている。電動車両１００には、当該電動車両１００を走行させるモータ等の駆動装置４０と、駆動装置４０に電力を供給するバッテリ３０とが搭載されている。バッテリ３０は、例えば、液体電解質を有するリチウムイオン電池である。
蓄電システム２０は、バッテリ３０に対して設置されており、バッテリ３０との熱交換によって、バッテリ３０を冷却および暖機する。蓄熱システム２０は、ＭＯＦ焼結体Ｘと、ＭＯＦ焼結体Ｘに吸着する吸着物質Ａｄとを備える。吸着物質Ａｄは、例えば水であってもよいし、エタノールであってもよいし、二酸化炭素であってもよい。
ＭＯＦ焼結体Ｘは、主成分としてのＭＯＦつまり金属有機構造体と、バインダーとしてのシリカｂ１とを含有する。ＭＯＦは、ＭＩＬ１０１のであって、細孔構造およびテレフタル酸系リガンドＴｐを有する。ＭＯＦの粒径は５０ｎｍ程度であり、シリカｂ１の粒径は５ｎｍ程度である。つまり、ＭＯＦの粒径は、シリカｂ１の粒径の１０倍程度である。シリカｂ１は、水酸基ＯＨを有する。シリカｂ１の水酸基ＯＨが、ＭＯＦのテレフタル酸系リガンドＴｐに結合することによって、ＭＯＦどうしがシリカｂ１を介して結合している。
図２は、ＭＯＦに潜熱を蓄える蓄熱時におけるＭＯＦを示すイメージ図である。細孔構造であるＭＯＦに吸着していた吸着物質Ａｄが、バッテリ３０の熱を吸収することによってＭＯＦから脱離する。これによって、ＭＯＦに潜熱が蓄えられると共に、その際の吸熱によってバッテリ３０が冷却される。
図３は、ＭＯＦに潜熱を放出させる放熱時におけるＭＯＦを示すイメージ図である。細孔構造であるＭＯＦに吸着物質Ａｄが吸着する。これによって、ＭＯＦから潜熱が放出されると共にその際の発熱によってバッテリ３０が暖機される。
図４は、ＭＯＦ焼結体Ｘの製造方法を示すフローチャートである。まず、Ｓ１において、ＭＯＦの粉体を用意する。次に、Ｓ２において、ＭＯＦの粉体に、二酸化ケイ素を２０重量％含有するバインダー液としてのシリカゾルを、ＭＯＦの１０～４０重量％添加する。これによって、ＭＯＦの粉体に、シリカｂ１をＭＯＦの２～８重量％添加する。これによって、ＭＯＦとシリカｂ１とを含有するスラリーを生成する。次に、Ｓ３において、スラリーを型に詰めて、０．５ＭＰａ程度加えることにより、スラリーを成型する。以上のＳ１～Ｓ３は、スラリー生成工程に相当する。
次に、Ｓ４において、スラリーの成型体を７５～１５０℃で加熱することによって、ＭＯＦ焼結体Ｘを製造する。このときの加熱温度は、ＭＯＦの耐熱温度が低いことから、１２０℃以下であることが好ましい。この加熱によって、ＭＯＦ焼結体Ｘが完成する。このＳ４は、焼結工程に相当する。ＭＯＦ焼結体Ｘは、例えば、平面視で１辺５ｍｍ程度の正方形で、且つ厚さ１ｍｍ程度のバルク体である。ＭＯＦ焼結体Ｘにおけるシリカの含有量は、前述の通り、ＭＯＦの２～８重量％である。
次に図５～図９を参照しつつ、バインダーとして、シリカｂ１を採用する理由について説明する。
図５は、本実施形態のＭＯＦ焼結体Ｘとバインダーが同じ、つまり、バインダーがシリカｂ１のＭＯＦ焼結体Ｘ１の構造を示すイメージ図である。具体的には、ＭＯＦ焼結体Ｘ１は、ＭＯＦに対して前述の濃度のシリカゾルをＭＯＦの４０重量％添加して成型したスラリーを、１２０℃で１時間程度加熱して焼結させたものである。シリカｂ１の粒子サイズは、前述の通り、５ｎｍであり、ＭＯＦの粒子サイズの１０分の１程度である。
図６は、バインダーがシリコンシーラントｂ２のＭＯＦ焼結体Ｘ２の構造を示すイメージ図である。具体的には、ＭＯＦ焼結体Ｘ２は、ＭＯＦに対してケイ素のペーストをＭＯＦの４０重量％添加して成型したスラリーを、１５０℃で３０分程度加熱して焼結させたものである。シリコンシーラントｂ２の粒子サイズは、分子サイズ、具体的には５Å程度であり、これはＭＯＦの粒子サイズの１００分の１程度である。
図７は、バインダーがρ－アルミナｂ３のＭＯＦ焼結体Ｘ３の構造を示すイメージ図である。具体的にはＭＯＦ焼結体Ｘ３は、ＭＯＦに対してρ－アルミナｂ３の粉末をＭＯＦの４０重量％添加して成型したスラリーを、１１０℃で１時間程度加熱して焼結させたものである。ρ－アルミナｂ３の粒子サイズは、１０μｍ程度であり、これはＭＯＦの粒子サイズの２００倍程度である。
図８は、以上に示したＭＯＦ焼結体Ｘ１～Ｘ３ごとに、単位重量あたりのＣＯ２吸着量を示すグラフである。縦軸は、バインダー無しの場合と比較してのＣＯ２吸着量の増減を示している。シリコンシーラントｂ２がバインダーのＭＯＦ焼結体Ｘ２の場合は、バインダー無しの場合に比べて、ＣＯ２吸着量が大きく減少してしまった。また、ρ－アルミナｂ３がバインダーのＭＯＦ焼結体Ｘ３の場合でも、バインダー無しの場合に比べて、ＣＯ２吸着量が若干低下した。これらのことから、シリコンシーラントｂ２およびρ－アルミナｂ３は、ＭＯＦの吸着性能を阻害していることが伺える。
それに対して、シリカｂ１がバインダーのＭＯＦ焼結体Ｘ１の場合は、バインダー無しの場合に比べて、逆にＣＯ２吸着量が増加した。このことから、吸着性の点については、これら３種類のバインダーｂ１～ｂ３の中では、シリカｂ１が最も好ましいことが伺える。
図９は、ＭＯＦ焼結体Ｘ１～Ｘ３ごとに、曲げ強度を示すグラフである。シリコンシーラントｂ２がバインダーのＭＯＦ焼結体Ｘ２の場合、およびρ－アルミナｂ３がバインダーのＭＯＦ焼結体Ｘ３の場合、のいずれの場合よりも、シリカｂ１がバインダーのＭＯＦ焼結体Ｘ１の場合の方が、曲げ強度が高いことが確認された。このことから、強度の点においても、これら３種類のバインダーの中では、シリカｂ１が最も好ましいことが伺える。なお、このように曲げ強度が高くなるのは、前述の通り、ＭＯＦのテレフタル酸系リガンドＴｐとシリカｂ１の水酸基ＯＨとが強く結合することに起因すると考えられる。
以上、吸着量および曲げ強度のいずれの点においても、バインダーとしてはシリカｂ１が最も好ましいことが確認できた。そのことから、本実施形態では、前述の通り、バインダーとして、シリカｂ１を採用している。
次に図１０を参照しつつ、シリカｂ１の含有量を、ＭＯＦの２～８重量％とする理由について説明する。
図１０は、ＭＯＦに対するシリカゾルの添加量と、ＭＯＦ焼結体の曲げ応力との関係を示すグラフである。なお、ここでのＭＯＦ焼結体の焼結温度も１２０℃である。このグラフからはシリカゾルの添加量がＭＯＦの１０重量％程度で、曲げ応力は最大となり、その後は、添加量が増えるに従い曲げ応力が徐々に減少してくことが分かる。ただし、シリカゾルの添加量がＭＯＦの４０重量％でも、１０重量％の場合と、さほどＭＯＦ焼結体の曲げ強度が変わらない。そのことから、シリカゾルの添加量は、１０重量％以上が好ましく、ＭＯＦ焼結体におけるシリカｂ１の含有量でいえば、ＭＯＦの２重量％以上が好ましいことが分かる。
なお、ＭＯＦ焼結体におけるシリカｂ１の含有量の上限については、特に限定されないが、シリカｂ１が無駄に多くなり過ぎないように、当該含有量は、ＭＯＦの８重量％以下であることが好ましく、６重量％以下であることがより好ましく、４重量％以下であることがさらに好ましい。
以上のことから、本実施形態では、前述の通り、ＭＯＦ焼結体におけるシリカｂ１の含有量を、ＭＯＦの２～８重量％としている。
以下に、本実施形態の構成および効果をまとめる。
テレフタル酸系リガンドＴｐを有するＭＯＦであるＭＩＬ１０１に、水酸基ＯＨを有するバインダーであるシリカｂ１を添加すれば、図８等に示すように、ＭＯＦの吸着性能を充分確保でき、且つ、１２０℃という低温でも、図９等に示すようにＭＯＦを充分強固に焼結できることを確認した。そのため、ＭＩＬ１０１とシリカｂ１とを含有する本実施形態のＭＯＦ焼結体Ｘによれば、ＭＯＦの吸着性能を充分確保しつつ、低温でもＭＯＦを充分強固に焼結できる。
また、図１０等に示すように、ＭＯＦ焼結体Ｘにシリカｂ１をＭＯＦの２重量％以上含有させれば、ＭＯＦをより強固に焼結できることを確認した。そのため、当該２重量％以上含有する本実施形態のＭＯＦ焼結体Ｘによれば、ＭＯＦをより強固に焼結させることができる。しかも、シリカｂ１の含有量が、ＭＯＦの８重量％以下であるため、過剰なシリカｂ１によってＭＯＦ焼結体の蓄熱密度が低下してしまうのを抑制できる。
ＭＯＦ焼結体Ｘを含む蓄熱システム２０は、電動車両１００に搭載されており、電動車両１００の駆動装置４０に電力を供給するバッテリ３０と熱交換を行う。そのため、電動車両１００に搭載されるバッテリ３０の温度を、ＭＯＦ焼結体Ｘを用いて制御できる。
焼結工程Ｓ４では、前述のとおり、スラリーを１２０℃以下で加熱することが好ましい。そして、実際に１２０℃以下で加熱することによって、耐熱温度の低いＭＯＦを損傷させることなく、ＭＯＦ焼結体Ｘを製造できる。
［変更形態］
以上の実施形態は、例えば次のように変更して実施できる。前述の通り、以上の実施形態の効果は、テレフタル酸系リガンドＴｐと、水酸基ＯＨとの組み合わせによって、奏するものと考えられる。そのため、ＭＯＦについては、ＭＩＬ１０１以外の、テレフタル酸系リガンドを有するＭＯＦに変更してもよい。また、バインダーについても、シリカ以外の、水酸基を有するバインダーに変更してもよい。
以上の実施形態は、例えば次のように変更して実施できる。前述の通り、以上の実施形態の効果は、テレフタル酸系リガンドＴｐと、水酸基ＯＨとの組み合わせによって、奏するものと考えられる。そのため、ＭＯＦについては、ＭＩＬ１０１以外の、テレフタル酸系リガンドを有するＭＯＦに変更してもよい。また、バインダーについても、シリカ以外の、水酸基を有するバインダーに変更してもよい。
ＭＯＦ焼結体Ｘにおけるシリカｂ１の含有量がＭＯＦの２重量％未満でも十分な曲げ強度が得られる場合等には、シリカｂ１の含有量をＭＯＦの２重量％未満にしてもよい。
バッテリ３０および蓄熱システム２０が、例えば船舶、ドローン等の、電動車両１００以外の移動体に搭載されていてもよいし、固定物に搭載されていてもよい。蓄熱システム２０が、例えば発熱量の大きい各種回路等の、バッテリ３０以外のものに対して設置されていてもよい。
２０ 蓄熱システム
３０ バッテリ
４０ 駆動装置
１００ 移動体としての電動車両
ｂ１ 水酸基を有するバインダーとしてのシリカ
Ｓ１ スラリー生成工程の一部の工程
Ｓ２ スラリー生成工程の一部の工程
Ｓ３ スラリー生成工程の一部の工程
Ｓ４ 焼結工程
３０ バッテリ
４０ 駆動装置
１００ 移動体としての電動車両
ｂ１ 水酸基を有するバインダーとしてのシリカ
Ｓ１ スラリー生成工程の一部の工程
Ｓ２ スラリー生成工程の一部の工程
Ｓ３ スラリー生成工程の一部の工程
Ｓ４ 焼結工程
Claims (3)
- テレフタル酸系リガンドを有するＭＯＦと、
水酸基を有するバインダーとしてのシリカと、
を含有するＭＯＦ焼結体であって、
移動体に搭載されており、
前記移動体を移動させる駆動装置に電力を供給するバッテリと熱交換を行う、
ＭＯＦ焼結体。 - 前記シリカの含有量は、前記ＭＯＦの２～８重量％である、
請求項１に記載のＭＯＦ焼結体。 - 移動体に搭載されているＭＯＦ焼結体であって、前記移動体を移動させる駆動装置に電力を供給するバッテリと熱交換を行うＭＯＦ焼結体の製造方法であって、
テレフタル酸系リガンドを有するＭＯＦと、水酸基を有するバインダーとしてのシリカとを含有するスラリーを生成すると共に、前記スラリーを型に詰めて加圧成型するスラリー生成工程と、
加圧成型した前記スラリーを１２０℃以下で加熱してＭＯＦ焼結体を製造する焼結工程と、
を有するＭＯＦ焼結体製造方法。
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