Giant magnetocarolic effect caused by metamagnetic transition for hydrogen magnetic refrigeration

• Project/Area Number: 21H01820
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 29030:Applied condensed matter physics-related
• Research Institution: Kanazawa University
• Principal Investigator: 松本 宏一 金沢大学, 数物科学系, 教授 (10219496)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 齋藤 明子 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 磁性・スピントロニクス材料研究拠点, 主席研究員 (20426612) ; 沼澤 健則 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 技術開発・共用部門, NIMS特別研究員 (30354319) ; 神谷 宏治 国立研究開発法人物質・材料研究機構, エネルギー・環境材料研究拠点, グループリーダー (70549154) ; 阿部 聡 金沢大学, 数物科学系, 教授 (60251914)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥16,770,000 (Direct Cost: ¥12,900,000、Indirect Cost: ¥3,870,000); Fiscal Year 2023: ¥3,510,000 (Direct Cost: ¥2,700,000、Indirect Cost: ¥810,000); Fiscal Year 2022: ¥6,760,000 (Direct Cost: ¥5,200,000、Indirect Cost: ¥1,560,000); Fiscal Year 2021: ¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000)
• Keywords: 水素 / エネルギー効率化 / 熱工学 / 磁気冷凍 / 磁性

Outline of Research at the Start

本研究では、遍歴電子メタ磁性体が示す一次相転移による巨大磁気熱量効果や圧力熱量効果に着目し、化学圧力を用いてエントロピー特性を最適化した磁性体を開発する。磁化、磁場中比熱、断熱消磁測定などにより磁気熱量効果の評価を行い、磁気冷凍用磁性材料の研究を行う。さらに、実用となる球状磁性体の合成を行うとともに、試験冷凍機での実証評価を行い、高性能な水素液化磁気冷凍の研究開発を進める。

Outline of Annual Research Achievements

水素エネルギーを利用する社会の実現が近づいている。液体水素は水素の貯蔵や輸送形態に有利であり、さらには超伝導技術との融合により、高効率な電力伝送 にも活用できる。一方、液体水素を生成するには所定のエネルギーの投入が必要となるため、これに見合う高効率な冷凍技術が鍵となる。申請者らはこれまでに 水素磁気冷凍というジャンルを日本で確立してきた。磁気冷凍の要素研究である、磁性体開発・熱力学サイクルの両面の研究から液化の実証に成功してきた。この過程で、実用冷凍機の実現には、巨大磁気熱量効果を示す磁性体が必要であり、一次相転移磁性体の最適化が有望であることが明らかになった。 令和５年度では、前年度まで取り組んだ一次転移磁性体ErCo2, HoCo2や二次相転移磁性体のRNi2, RAl2系列に加えて、磁気熱量効果の大きなHoB2の熱伝導、電気伝導測定を行い、輸送特性から磁気冷凍用磁性材料の適性を評価した。具体的には磁気冷凍サイクルの磁場変化周期や熱交換時間と得られた熱伝導率を用いて、磁気冷凍用磁性材料の具体的なサイズの検討をおこなった。また、磁場変化時における渦電流発熱を電気 伝導率から計算し、熱伝導から要請される磁性体サイズでは冷凍性能に与える影響は非常に小さいことを明らかにし、これらの磁性体が磁気冷凍冷媒物質として優れていることを学術論文や学会講演で発表した。一次転移磁性体の磁 気熱量効果やエントロピー特性を用いて、小型磁気冷凍試験機での性能をサイクルシミュレーションにより解析し、液化冷凍サイクル試験結果の解析を行なった。これら成果について、論文発表や国内外での学会発表をおこなった。

Research Progress Status

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Effects of moving magnetic materials in and out of superconducting magnet for active magnetic regenerative refrigeration system (2024)
  • Author(s): Natsume Kyohei、Shirai Tsuyoshi、Uchida Akira、Kimura Yusuke、Emori Yuki、Miyazaki Hiroshi、Nishijima Gen、Kamiya Koji、Matsumoto Koichi、Numazawa Takenori
  • Journal Title: IEEE Transactions on Applied Superconductivity Volume: 34 Issue: 5 Pages: 1-5
  • DOI: 10.1109/tasc.2024.3384342
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Magnetic Refrigerant Materials for Hydrogen Liquefaction by Active Magnetic Regenerative Refrigeration (2023)
  • Author(s): 齋藤明子、竹屋浩幸、山本孝史、神谷宏治、松本宏一、沼澤健則
  • Journal Title: TEION KOGAKU (Journal of Cryogenics and Superconductivity Society of Japan) Volume: 58 Issue: 2 Pages: 51-57
  • DOI: 10.2221/jcsj.58.51
  • ISSN: 0389-2441, 1880-0408
  • Year and Date: 2023-03-20
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Thermal and electrical conductivity of magnetic refrigerant RT2 Laves compounds (R: Rare earth; T: Al, Ni) for magnetic refrigerator application (2022)
  • Author(s): Anastasia Lopatina, Shota Watanabe, Kazumi Futatsuka, Naoya Kumazawa, Yusuke Hirano, Keigo Matsunaga, Satoshi Abe, Koichi Matsumoto, Akiko T. Saito, Hiroyuki Takeya, Takenori Numazawa
  • Journal Title: Cryogenics Volume: 126 Pages: 103519-103519
  • DOI: 10.1016/j.cryogenics.2022.103519
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Active magnetic regenerative refrigeration using superconducting solenoid for hydrogen liquefaction (2022)
  • Author(s): Koji Kamiya*, Koichi Matsumoto, Takenori Numazawa, Shinji Masuyama, Hiroyuki Takeya, Akiko T. Saito, Naoya Kumazawa, Kazumi Futatsuka, Keigo Matsunaga, Tsuyoshi Shirai, Suguru Takada, Teruhito Iida
  • Journal Title: Applied Physics Express Volume: 15 Issue: 5 Pages: 053001-053001
  • DOI: 10.35848/1882-0786/ac5723
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Thermal expansion and thermal conductivity of RT2 (R:Gd,Dy,Er; T:Al,Ni) intermetallic compounds for magnetic refrigerator (2021)
  • Author(s): WATANABE Shota, KOMATSU Shunsuke, FUTATSUKA Kazumi, KUMAZAWA Naoya, MATSUMOTO Koichi (Kanazawa U.); KAMIYA Koji, OYOSHI Keiji, TAKEYA Hiroyuki, NUMAZAWA Takenori (NIMS)
  • Journal Title: Journal of Physics: Conference Series Volume: 1857 Issue: 1 Pages: 012003-012003
  • DOI: 10.1088/1742-6596/1857/1/012003
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 磁気冷凍用磁性体HoB2の輸送特性 (2023)
  • Author(s): 長谷川博紀，堀江征生, 松本宏一, 北澤英明, 斎藤明子, 沼澤健則
  • Organizer: 第106回 低温工学・超電導学会研究発表会
• [Presentation] Effects of moving magnetic materials in and out of superconducting magnet for active magnetic regenerative refrigeration system (2023)
  • Author(s): Kyohei Natsume, Tsuyoshi Shirai, Akira Uchida, Yusuke Kimura, Yuki Emori, Hiroshi Miyazaki, Gen Nishijima, Koji Kamiya, Koichi Matsumoto, and Takenori Numazawa
  • Organizer: MT-28 International Magnet Technology
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Recent Progress of Magnetic Refrigerator for Hydrogen Liquefaction (2022)
  • Author(s): Koichi MATSUMOTO
  • Organizer: Muroran-IT Rare Earth Workshop 2022
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 回転型水素液化磁気冷凍機 (2022)
  • Author(s): 平野 優友, 松永 啓吾, 水口 皓平, 堀江 征生, 五十嵐 柚依, 松本 宏一, 神谷 宏治, 内田 公, 沼澤 健則
  • Organizer: 2022年度秋季低温工学・超電導学会
• [Presentation] Transport and magnetic properties of magnetic refrigerant RT2 Laves compounds (R: rare-earth) (2022)
  • Author(s): Anastasia Lopatina, Shota Watanabe, Kazumi Futatsuka, Naoya Kumazawa, Yusuke Hirano, Keigo Matsunaga, Koichi Matsumoto, Satoshi Abe, Akiko Saito, Takafumi Yamamoto, Hiroyuki Takeya, Takenori Numazawa
  • Organizer: The 28th International Cryogenic Engineering Conference and International Cryogenic Materials Conference
  • Int'l Joint Research