弱い圧力をかけるだけで熱を取り出せる蓄熱セラミックスを開発――自動車用の蓄熱材料として有効 東京大と筑波大

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今回開発した蓄熱セラミックスの結晶構造

東京大学と筑波大学は2019年9月18日、長時間の蓄熱が可能で、弱い圧力を加えると瞬時に熱を放出できる新しい蓄熱材料を開発したと発表した。

熱エネルギーを蓄積できる蓄熱材料は、顕熱蓄熱材料と固液潜熱蓄熱材料に大別される。顕熱蓄熱材料は、温度上昇分の熱エネルギーを蓄え、固液潜熱蓄熱材料は、融解するときの潜熱を熱エネルギーとして蓄える。しかし、いずれの材料も時間経過とともに蓄積した熱エネルギーが放出されるという課題があった。

そこで、研究グループは今回、圧力を加えることで放熱するラムダ五酸化三チタンに注目。低圧でも熱エネルギーを取り出せる蓄熱セラミックスの開発に着手した。その結果、ブロック型ラムダ五酸化三チタンと名付けた蓄熱セラミックスの合成に成功した。さらには、開発した蓄熱セラミックスが、弱い圧力でベータ五酸化三チタンへ相転移し、放熱することを発見した。

圧力変化と圧力誘起の放熱。(a)ラムダ相(●)とベータ相(○)の圧力依存性(b)試料温度の時間依存性

ブロック型ラムダ五酸化三チタンの長期蓄熱特性と低圧における蓄積熱エネルギーの放出は、開発した蓄熱セラミックスが2つの安定相を持ち、2つの相の間に低いエネルギー障壁が存在することに由来するという。熱力学計算により、弱い圧力でエネルギー障壁が消失するために、ラムダ構造はベータ構造に変化し、蓄積された潜熱エネルギーが放出されることが示唆された。

研究グループは、この蓄熱セラミックスにより、自動車の熱エネルギーを有効利用し、燃費向上を図れると説明。また、太陽熱発電所の蓄熱システムとしての応用も期待できるとしている。

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