希土類硫酸塩の高速水和反応メカニズムの解明とそれを利用した新規化学蓄熱材の開発

稀土硫酸盐快速水合反应机理的阐明及新型化学蓄热材料的开发

基本信息

批准号：
19J15085
负责人：
鎮目邦彦
金额：
$ 1.34万
依托单位：
Kyoto University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2019
资助国家：
日本
起止时间：
2019-04-25 至 2021-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本課題では200 ℃以下の低温排熱利用が可能な化学蓄熱材の開発を目指し、次の3つの研究を遂行した。1) 前年度に引き続き、新規の候補材料として硫酸イットリウムに着目し、脱水・水和反応による蓄放熱性能を検討した。多段的に進行する脱水・水和過程における主な生成相としては、前年度に報告した硫酸イットリウムの8水和物、3水和物に加えて、0～3の間で不定比の水和数をとり得る菱面体晶相の存在を新たに確認した。菱面体晶相は、結晶内細孔への水分子の挿入・脱離という硫酸塩には珍しい反応機構に基づいて水和・脱水し、特に水和数が0～2間の挿入・脱離反応が速やかに進行する。0～2間の反応の蓄熱密度を示差走査熱量計によって評価し、299 kJ/kgであると導出した。これは既存材料である硫酸カルシウム（240 kJ/kg）よりも大きい。以上のことから、菱面体晶相の水和・脱水（水和数0～2）が反応速度と蓄熱密度の両面に優れる有望な反応系であることを同定した。2) 新たな候補材料として、硫酸イットリウムの菱面体晶相と結晶構造が同じ9種の金属硫酸塩M2(SO4)3 (M = Sc, Yb, Er, Gd, Dy, Al, Ga, Fe, In)の脱水・水和反応挙動を調査した。結果、いずれの硫酸塩の反応も150 ℃以下で進行し蓄放熱動作が可能であることを実証したが、硫酸イットリウムよりも高い蓄熱密度を期待できる材料を見出すことはできなかった。3) 当グループが過去に見出した蓄熱材料である硫酸ランタンの伝熱性をレーザーフラッシュ法で評価した。硫酸ランタンは平板状結晶粒が積層した材料組織を有し、平板面内方向の熱拡散率は面垂直方向と比べて1.7倍であり、伝熱性に異方性があることを確認した。これは、材料組織制御による伝熱性向上の可能性を示唆しており、今後の新たな蓄熱材の開発指針となり得るものであると考える。

该受试者旨在开发可以使用低于200°C的低温废热并进行以下三项研究。 1）从上一年开始，我们将重点放在硫酸盐作为新的候选材料上，并检查了由脱水和水合反应引起的热量存储和耗散性能。除了上一年报道的硫酸盐八水合物和三水合物外，我们还新证实了菱形晶体相的存在，这些晶体阶段可以将未指定的水合数在0和3之间取决于多阶段脱水和水合过程中产生的主要相。基于一种反应机制，菱形阶段是水合并脱水的，该反应机制对于硫酸盐盐而言是不寻常的，例如将水分子插入和溶解水中的晶体中的孔中，以及与水合数量在0和2之间的插入和解吸反应。使用差分扫描量热仪评估了0和2之间反应的热量储存密度，并将其得出为299 kJ/kg。这大于现有材料，硫酸钙（240 kJ/kg）。从上面可以确定，菱形晶体相的水合和脱水（水合号为0到2）是一个有前途的反应系统，具有出色的反应速率和热量存储密度。 2）我们研究了硫酸yttrium yttrium yttrium yttrium yttrium yttrium yttrium yttrium yttrium yttrium的九个金属硫酸盐M2（SO4）M2（M = SC，YB，ER，GD，AL，GA，FE，IN）的脱水和水合行为。结果，证明了任何硫酸盐的反应在150°C以下进行，并且可以进行热量储存操作，但是无法找到可以预期的材料比硫酸Yttrium yttrium yttrium更高。 3）通过激光闪光法评估了我们组先前发现的供热材料的硫酸根植物的传热特性。硫酸腺体具有材料结构，其中板状晶粒被层压，并且平面方向的热扩散率比垂直于平面的方向高1.7倍，并确认热传递性能是各向异性的。这表明可以通过材料结构控制改善传热的可能性，被认为是将来开发新的储热材料的指南。