Giant magnetocarolic effect caused by metamagnetic transition for hydrogen magnetic refrigeration

2021 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 21H01820
• 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, エネルギー・環境材料研究拠点, 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) ; 阿部 聡 金沢大学, 数物科学系, 教授 (60251914) ; 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)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: 水素 / エネルギー効率化 / 熱工学 / 磁気冷凍

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。要素研究である、磁性体開発・熱力学サイクル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３年度では、遍歴電子メタ磁性体が示す一次相転移を持つ巨大磁気熱量効果を示すRCo2系の金属間化合物の中でErCo2(転移温度32K)の転移温度を制御する方法として、希土類ErをHoに置換した系の詳細を研究した。様々な組成比の金属間化合物の合成をおこなったが、特性評価により一部の組成では十分均質な物質が合成されていないことがわかり、熱処理炉の導入を行い、熱処理等の均質化を行った。コロナ禍のために、物質・材料研究機構に赴き合成を行うことが十分にできなかった。しかし、令和４年度に向けての転移温度制御の方針は確認できた。
ErCo2, HoCo2の一次転移磁性体以外のRNi2, RAl2系列の熱伝導、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、論文投稿した。試験冷凍機での液化実証に成功し、論文発表を行うともにプレスリリースを行った。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

一次転移材料の合成としては、一部磁性体の合成品位が十分でないことがあり、作成方法の詳細を検討する必要があったが、コロナ禍で物質・材料研究機構において長期間の実験を行うことができなかった。しかし、作成された試料の評価から研究方針の妥当性は確認された。
一方、同じLaves相の磁性体について磁気特性のみならず輸送特性を評価し、冷凍サイクルで用いられる磁気冷凍材料としての性能を評価を行い、優れた特性であることを明らかにし、成果発表した。
また、同じLaves相の磁性体を用いた蓄冷型サイクルによる水素液化に成功し、論文発表等を行うという重要な成果が挙げられた。
以上を総合し、磁性体合成についての評価を考え、おおむね順調　とする。

Strategy for Future Research Activity

磁性体作成の方針は確認できたので、令和４年度はコロナ禍の沈静化が見られるので、物質・材料研究機構に滞在して多くの試料合成と評価を進める。さらに、実用材料材料として重要な試料形状の球状化という合成方法も確率されつつあるので、実用材料という観点からの特性評価が可能になる。
磁性体の輸送特性評価法が確立されたので、熱サイクル運転上の特性を評価することを進める。特に、電気抵抗率と比熱の関係が明らかになりつつあるので、磁気熱量効果の新しい評価方法として研究を進める。
昨年度は、コロナ禍で実験での出張ができなかった期間を有効活用し、新しい熱サイクル解析シミュレーションコードの開発をおこなったので、これを用いて磁性材料の熱磁気特性と冷凍機としての性能の関係についても検討していく。

Research Products

• [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 Pages: 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, KAMIYA Koji, OYOSHI Keiji, TAKEYA Hiroyuki, NUMAZAWA Takenori
  • Journal Title: Journal of Physics: Conference Series Volume: 1857 Pages: 012003
  • DOI: 10.1088/1742-6596/1857/1/012003
  • Peer Reviewed / Open Access
• [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