Study on Hydrogen Magnetic Refrigeration

2016 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 26420890
• Research Institution: National Institute for Materials Science
• Principal Investigator: 沼澤 健則 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 先端材料解析研究拠点, 主席研究員 (30354319)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 松本 宏一 金沢大学, 数物科学系, 教授 (10219496)
• Project Period (FY): 2014-04-01 – 2017-03-31
• Keywords: エネルギー輸送 / エネルギー貯蔵 / 水素 / 磁気冷凍

Outline of Annual Research Achievements

本研究はこれまでに不十分であった水素磁気冷凍における熱力学サイクルの解明に注力し、50％を超える冷凍効率の実現を目指し、新しい磁気冷凍サイクルを検討・提案すると共に、その実証を試みた。
H26年では磁性材料の磁気転移温度近傍における熱力学特性を解明するため、モンテカルロ法を用いた新しい計算手法を開発し、磁性材料の諸特性を従来よりも精度よく見積もることができるようになった。さらに、これを取り込むことによって高度化されたサイクルシミュレーション計算コードを開発し、新しい冷凍サイクルについて検討を行った。
H27年では、広い温度幅を実現するAMR（能動的蓄冷器）サイクルについて、効率や冷凍能力の向上要因を探った。その結果、２つの対向するAMRによるサイクルが有望であることがわかった。これについての検証を行うため、既存装置の一部を流用改良し、小型の実験装置を構築した。しかし、極低温での実験は環境温度の保持に困難を伴うため、室温で擬似的にサイクルの検証を行うこととした。これには永久磁石および熱交換流体には水とアルコールの混合体を使用した。シミュレーションと基礎実験によって、このような実験システムのサイクル条件は水素磁気冷凍サイクルと変わらないことを検証した。
H28年では、装置のリファインを行い作動条件の最適化から冷凍サイクルの高効率化条件を求めた。その結果、0.8Tの磁場で温度幅18度以上の生成に成功した。また、ヒーターによる冷凍能力および冷凍サイクル駆動消費電力の計測結果から、室温におけるCOPとして2以上を達成できることがわかった。これには、対向流型のAMRサイクルと磁性体の熱交換効率の向上がきわめて有効であることがわかった。本結果は直ちに水素磁気冷凍サイクルに適用できるものであり、永久磁石を用いた水素磁気冷凍装置の実現に展望を与えた。