水素社会実現に不可欠な水素液化の高効率化に前進
2020-05-12 物質・材料研究機構,科学技術振興機構
ＮＩＭＳは、機械学習を用いて、水素液化に用いる世界最高性能の磁気冷凍材料を発見しました。これにより水素社会実現への大きな壁となっている液化水素製造コストの削減が期待されます。
水素は、地球温暖化の原因となる二酸化炭素を出さないクリーンな燃料として期待されています。水素はガスのままではかさばるため、貯蔵や輸送のために液化して体積を小さくする必要があります。しかし、水素の液化温度が－２５３度と大変低いため、従来の気体冷凍装置ではコンプレッサーなどの損失が大きく液化効率が２５パーセント程度と低いことが液化水素の価格が高い一因となっていました。そこで新たな水素液化の方法として期待されているのが、５０パーセント以上の効率が期待されている磁気冷凍です。磁気冷凍は、磁場中に置かれた磁性体が、磁場を取り除いた際にエントロピーが増大し、その変化分のエネルギーが吸収されることにより温度が下がる原理を用いた冷凍方法です。このことから、水素液化温度付近でエントロピー変化が大きい磁気冷凍材料の発見が求められていました。
本研究グループは、機械学習を用いて、二ホウ化ホルミウム（ＨｏＢ２）が水素液化温度付近で世界最高性能の磁気冷凍材料として機能することを発見しました。今回、高性能な磁気冷凍材料を探索するために、エントロピー変化が既知である約１６００個の物質データを論文から集め、組成とエントロピー変化の関係を機械に学習させました。その学習を基に、エントロピー変化が未知の約８００個の強磁性体についてエントロピー変化を機械に予想させたところ、比較的高い値を示す候補物質が３４個見つかりました。その中から２元素で構成された材料に絞り込み、最も高い値が予想された物質を実際に合成し、評価した結果、ＨｏＢ２が水素液化温度である－２５３度（２０ケルビン（Ｋ））付近では世界最高の、非常に大きなエントロピー変化ΔＳ＝０．３５（Ｊ／ｃｍ３Ｋ）を示すことが分かりました。
この材料を磁気冷凍装置に組み込むことにより、水素液化温度付近で高い冷凍能力を示すことが期待されます。今後、粒状または線状への加工や耐水素コーティングなど、磁気冷凍装置で活用するための研究を進め、効率のよい水素液化装置開発を通じて、水素社会の発展への貢献を目指します。
本研究成果は、２０２０年５月１２日（英国時間）、「ＮＰＧ Ａｓｉａ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ」にオンライン掲載されます。
本研究は、国立研究開発法人 物質・材料研究機構 国際ナノアーキテクトニクス研究拠点の高野 義彦 グループリーダー、寺嶋 健成 主任研究員、カストロ・ペドロ 大学院生からなる研究チームによって行われました。また、国立研究開発法人 科学技術振興機構 未来社会創造事業（研究開発代表者：西宮 伸幸 物質・材料研究機構ＮＩＭＳ招聘研究員）研究開発課題名：「磁気冷凍技術による革新的水素液化システムの開発」の一環として行われました。
