水素液化に対応可能な磁気冷凍材料を開発 NIMSや東北大

物質・材料研究機構（NIMS）は2022年4月1日、東北大学、高輝度光科学研究センター（JASRI）と共同で、水素の液化に必要な全温度範囲（77～20K）に対応できる新たな高効率磁気冷凍用材料を開発したと発表した。低コストで高効率な水素液化の実現につながる可能性がある発見だとしている。

新たに開発されたのは、冷凍能力が非常に大きい磁性体であるEr(Ho)Co₂系化合物に微量の3d遷移金属を添加した一連の合金。研究グループは、この材料を使えば、水素液化温度(20K)から窒素液化温度(77K)で、磁場印可、温度昇降を繰り返しても、構造変化による体積膨張を抑え、材料は劣化しないことを確認した。

さらに、添加元素の種類と量を調整するだけで、大きな冷凍能力を保持したまま、水素液化に必要な全温度範囲（77～20K）をカバーできる類似の組成、結晶構造をもった一連の材料群を開発する手法も開発した。

脱炭素社会の実現に向け、水素の活用に注目が集まっているが、大量の水素の貯蔵や輸送には、安全面も考慮して液体にする必要がある。しかし、液体水素には多大なコストがかかり、普及には低コストでの製造を可能にする技術開発が欠かせない。

今回開発された材料は、磁気冷凍技術への活用が想定されている。磁気冷凍技術は、外部磁場に従って整列した原子磁石の向きが、磁場が消失してバラバラになる際に生じる磁気エントロピーの増加分を周囲からの熱で補う吸熱現象を利用し、水素を間接的に冷却、液化する技術。装置のコンパクト化が可能で、コストの大幅削減が期待されているが、磁場や温度の昇降に対して劣化せずに、効率的に冷却できる適当な材料がなかった。

同グループは2024年度までに、この新材料を組み込んだ実証機を完成させる予定で、低コストの磁気冷凍システムの開発に向けて研究を進める。

今回の研究成果は2022年4月1日、Nature Communications誌オンライン版に掲載された。

水素液化に対応可能な磁気冷凍材料を開発　NIMSや東北大