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JP6765198B2 - Latent heat storage material and heat storage system using it - Google Patents

Latent heat storage material and heat storage system using it Download PDF

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JP6765198B2 JP2016046443A JP2016046443A JP6765198B2 JP 6765198 B2 JP6765198 B2 JP 6765198B2 JP 2016046443 A JP2016046443 A JP 2016046443A JP 2016046443 A JP2016046443 A JP 2016046443A JP 6765198 B2 JP6765198 B2 JP 6765198B2
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    • Y02E70/30Systems combining energy storage with energy generation of non-fossil origin

Description

本開示は、第1のカチオンと水素及び13又は15族元素からなるアニオンから構成される第1の化合物と、第2のカチオンとアニオンから構成される第2の化合物との混合物を含み、400℃以下の温度範囲で蓄熱可能、かつ蓄熱密度の高い潜熱蓄熱材に関する。 The present disclosure comprises a mixture of a first compound composed of a first cation and an anion composed of hydrogen and a Group 13 or 15 element, and a second compound composed of a second cation and an anion, 400. It relates to a latent heat storage material that can store heat in a temperature range of ℃ or less and has a high heat storage density.

近年、化石燃料の使用削減が求められており、各プロセスの省エネルギー化に加え、未利用熱の利用を推進する必要がある。一次エネルギーの約70%は有効利用されず、環境中に未利用熱として排出されている。例えば、自動車のガソリンエンジンは20%、発電は40%しか、燃料の持つエネルギーを有効利用できていない。このような未利用熱を貯蔵し、元の温度に近い温度で利用できる技術があれば、エネルギー回収、エネルギー再利用の点で非常に有効である。未利用熱源としては、自動車のガソリンエンジンの他に、発電のガスエンジン、ディーゼルエンジン等もある。また、工場、ごみ焼却場等からは多くの熱エネルギーが未利用のまま排出されている。 In recent years, there has been a demand to reduce the use of fossil fuels, and in addition to saving energy in each process, it is necessary to promote the use of unused heat. About 70% of primary energy is not effectively used and is discharged into the environment as unused heat. For example, only 20% of automobile gasoline engines and 40% of electricity generation can effectively utilize the energy of fuel. If there is a technology that can store such unused heat and use it at a temperature close to the original temperature, it is very effective in terms of energy recovery and energy reuse. Unused heat sources include gasoline engines for automobiles, gas engines for power generation, diesel engines, and the like. In addition, a lot of heat energy is discharged unused from factories, waste incinerators, etc.

未利用熱を貯蔵する手段としては、大きく分けて、顕熱蓄熱、潜熱蓄熱、及び化学蓄熱がある。このうち、顕熱蓄熱として、水を利用した100℃以下の温水蓄熱が知られている。しかしながら、温水蓄熱には、(1)放熱損失があるため長時間の蓄熱が不可能である、(2)水顕熱量が小さいため、大量の水が必要であり、蓄熱設備のコンパクト化が困難である、(3)出力温度が利用量に応じて非定常で、次第に降下する、等の問題がある。従って、このような未利用熱利用を推進するためには、より効率の高い蓄熱技術を開発する必要がある。 The means for storing unused heat can be broadly divided into sensible heat storage, latent heat storage, and chemical heat storage. Of these, as sensible heat storage, hot water heat storage at 100 ° C. or lower using water is known. However, hot water heat storage cannot be stored for a long time due to (1) heat dissipation loss, and (2) a large amount of water is required because the amount of apparent heat in water is small, making it difficult to make the heat storage facility compact. (3) There are problems such as the output temperature is unsteady according to the amount of utilization and gradually decreases. Therefore, in order to promote such unused heat utilization, it is necessary to develop a more efficient heat storage technology.

また、化学蓄熱は、物質の吸着、水和等の化学変化を伴うため、材料自体(水、水和塩、パラフィン等)の顕熱または潜熱を利用する蓄熱方法と比べて、単位質量当りの蓄熱量が高くなる。化学蓄熱としては、水蒸気の吸脱着による方法、金属塩へのアンモニア吸収(アンミン錯体生成反応)、アルコール等の有機物の吸脱着反応等が提案されているが、環境負荷及び装置の簡便性を考慮すると水蒸気吸脱着法が最も有利である。 In addition, since chemical heat storage involves chemical changes such as adsorption and hydration of substances, it is per unit mass compared to heat storage methods that utilize the sensible heat or latent heat of the material itself (water, hydrated salt, paraffin, etc.). The amount of heat storage increases. As chemical heat storage, a method by adsorption / desorption of water vapor, absorption of ammonia into a metal salt (ammine complex formation reaction), adsorption / desorption reaction of organic substances such as alcohol, etc. have been proposed, but in consideration of environmental load and convenience of the device. Then, the water vapor absorption / desorption method is the most advantageous.

また、潜熱蓄熱は、物質の融解等の相変化を利用したものである。潜熱蓄熱は、顕熱蓄熱に比べて、蓄熱密度が高く、相変化温度が一定であるために熱の取り出し温度が安定であるという利点を有している。このため、潜熱蓄熱の実用化が進んでいる。潜熱蓄熱を用いて蓄熱を行う場合、蓄熱時には、潜熱蓄熱材を加熱して液体状態とする。この後、液体状態が維持されるように、潜熱蓄熱材を保温した状態で保持する。保持された潜熱蓄熱材に蓄えられた熱は、必要なときに、潜熱蓄熱材を結晶化(凝固)させることによって取り出すことができる。 In addition, latent heat storage utilizes phase changes such as melting of substances. Latent heat storage has the advantages that the heat storage density is higher and the phase change temperature is constant, so that the heat extraction temperature is stable, as compared with sensible heat storage. For this reason, the practical use of latent heat storage is progressing. When heat storage is performed using latent heat storage, the latent heat storage material is heated to a liquid state during heat storage. After that, the latent heat storage material is kept warm so that the liquid state is maintained. The heat stored in the retained latent heat storage material can be taken out by crystallizing (solidifying) the latent heat storage material when necessary.

この潜熱蓄熱材のうち、化学蓄熱同等以上に蓄熱密度(単位質量当りの蓄熱量)の高い材料として、水素化リチウム(LiH)が知られている(特許文献1、2))。 Among these latent heat storage materials, lithium hydride (LiH) is known as a material having a heat storage density (heat storage amount per unit mass) higher than that of chemical heat storage (Patent Documents 1 and 2).

特許第2746943号Patent No. 2746943 特許第5498191号Patent No. 5498191

しかしながら、前記特許文献1に記載の蓄熱器、特許文献2に記載の水素電力貯蔵システム及び水素電力貯蔵方法の水素化リチウムにおいて、イオン性の強い共有結合型分子、かつ低分子量であることから、高い重量当り蓄熱密度を有するものの、融点672℃と高温であり、自動車、ガスエンジンヒートポンプ等の排ガス浄化触媒下流の400℃以下の温度範囲から排熱回収及び蓄熱できないという課題があった。 However, the heat storage device described in Patent Document 1, the hydrogen power storage system described in Patent Document 2, and the lithium hydride of the hydrogen power storage method are covalently bonded molecules with strong ionicity and have a low molecular weight. Although it has a high heat storage density per weight, it has a high melting point of 672 ° C., and there is a problem that exhaust heat recovery and heat storage cannot be performed from a temperature range of 400 ° C. or lower downstream of an exhaust gas purification catalyst such as an automobile or a gas engine heat pump.

本開示は、400℃以下の温度範囲で蓄熱可能であり、かつ蓄熱密度の高い潜熱蓄熱材及びそれを用いる蓄熱システムを提供することを目的とする。すなわち、本開示は、自動車、ガスエンジンヒートポンプ等の排ガス浄化触媒下流から排熱回収及び蓄熱し、始動時の暖機等に利用することができる、潜熱蓄熱材及びそれを用いる蓄熱システムを提供することを目的とする。また、本開示は、150℃以下の低温度範囲においても蓄熱可能であり、かつ蓄熱密度の高い潜熱蓄熱材及びそれを用いる蓄熱システムを提供することを他の目的とする。 An object of the present disclosure is to provide a latent heat storage material capable of storing heat in a temperature range of 400 ° C. or lower and having a high heat storage density, and a heat storage system using the latent heat storage material. That is, the present disclosure provides a latent heat storage material and a heat storage system using the latent heat storage material, which can be used for warming up at the time of starting by recovering and storing exhaust heat from the downstream of an exhaust gas purification catalyst of an automobile, a gas engine heat pump, or the like. The purpose is. Another object of the present disclosure is to provide a latent heat storage material capable of storing heat even in a low temperature range of 150 ° C. or lower and having a high heat storage density, and a heat storage system using the latent heat storage material.

前記従来の課題を解決するために、本開示は、
第1のカチオンと、水素及び13又は15族元素からなるアニオンとから構成される第1の化合物と、
第2のカチオンと、前記アニオンとから構成される第2の化合物との混合物を含み、
前記第1のカチオン及び第2のカチオンがアルカリ金属イオンである、
潜熱蓄熱材を提供する。
In order to solve the conventional problems, the present disclosure is made.
A first compound composed of a first cation and an anion consisting of hydrogen and a Group 13 or 15 element,
Contains a mixture of a second cation and a second compound composed of said anion.
The first cation and the second cation are alkali metal ions.
Provide a latent heat storage material.

本開示によれば、400℃以下の温度範囲で蓄熱可能であり、かつ蓄熱密度の高い潜熱蓄熱材及びそれを用いる蓄熱システムを提供することができる。すなわち、本開示は、自動車、ガスエンジンヒートポンプ等の排ガス浄化触媒下流から排熱回収及び蓄熱し、始動時の暖機等に利用することができる、潜熱蓄熱材及びそれを用いる蓄熱システムを提供することができる。また、本開示は、150℃以下の低温度範囲においても蓄熱可能であり、かつ蓄熱密度の高い潜熱蓄熱材及びそれを用いる蓄熱システムを提供することができる。 According to the present disclosure, it is possible to provide a latent heat storage material capable of storing heat in a temperature range of 400 ° C. or lower and having a high heat storage density, and a heat storage system using the latent heat storage material. That is, the present disclosure provides a latent heat storage material and a heat storage system using the latent heat storage material, which can be used for warming up at the time of starting by recovering and storing exhaust heat from the downstream of an exhaust gas purification catalyst of an automobile, a gas engine heat pump, or the like. be able to. Further, the present disclosure can provide a latent heat storage material capable of storing heat even in a low temperature range of 150 ° C. or lower and having a high heat storage density, and a heat storage system using the latent heat storage material.

本開示の潜熱蓄熱材を用いた蓄熱システムの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the heat storage system using the latent heat storage material of this disclosure. ステンレス密閉パンを用いた場合の装置定数算出のための示差走査熱量評価結果である。This is the differential scanning calorimetry evaluation result for calculating the device constant when a stainless steel sealed pan is used. 比較例1の水素化リチウムの示差走査熱量評価結果である。It is a differential scanning calorimetry evaluation result of lithium hydride of Comparative Example 1. 比較例1の水素化リチウムの示差走査熱量評価前のX線回折装置による解析結果である。It is an analysis result by an X-ray diffractometer before the differential scanning calorimetry evaluation of lithium hydride of Comparative Example 1. 比較例1の水素化リチウムの示差走査熱量評価後のX線回折装置による解析結果である。It is an analysis result by an X-ray diffractometer after the differential scanning calorimetry of lithium hydride of Comparative Example 1. アルミパンを用いた場合の装置定数算出のための示差走査熱量評価結果である。This is the differential scanning calorimetry evaluation result for calculating the device constant when using an aluminum pan. 参考例1のリチウムボロハイドライ(LiBH4)の示差走査熱量評価結果である。Is a differential scanning calorimetry results of evaluation of lithium borohydride high dry de of Reference Example 1 (LiBH 4). 参考例1のリチウムボロハイドライ(LiBH4)の示差走査熱量評価前のX線回折装置による解析結果である。It is an analysis result of differential scanning calorimetry evaluation prior to X-ray diffraction apparatus lithium borohydride high dry de of Reference Example 1 (LiBH 4). 参考例1のリチウムボロハイドライ(LiBH4)の示差走査熱量評価後のX線回折装置による解析結果である。Is an analysis result by X-ray diffraction apparatus after differential scanning calorimetry assessment of lithium borohydride high dry de of Reference Example 1 (LiBH 4). 比較例2のカリウムボロハイドライ(KBH4)の示差走査熱量評価結果である。Is a differential scanning calorimetry results of evaluation of potassium borohydride high dry de of Comparative Example 2 (KBH 4). 比較例2のカリウムボロハイドライ(KBH4)の示差走査熱量評価前及び後のX線回折装置による解析結果である。Potassium borohydride high dry de of Comparative Example 2 is a result of analysis by X-ray diffraction apparatus of differential scanning calorimetry evaluated before and after (KBH 4). 実施例1のLiBH4:KBH4=0.92:0.08(モル比)の混合物から構成される潜熱蓄熱材の示差走査熱量評価結果である。This is a differential scanning calorimetry result of a latent heat storage material composed of a mixture of LiBH 4 : KBH 4 = 0.92: 0.08 (molar ratio) of Example 1. 実施例1のLiBH4:KBH4=0.87:0.13(モル比)の混合物から構成される潜熱蓄熱材の示差走査熱量評価結果である。This is a differential scanning calorimetry result of a latent heat storage material composed of a mixture of LiBH 4 : KBH 4 = 0.87: 0.13 (molar ratio) of Example 1. 実施例1のLiBH4:KBH4=0.80:0.20(モル比)の混合物から構成される潜熱蓄熱材の示差走査熱量評価結果である。This is a differential scanning calorimetry result of a latent heat storage material composed of a mixture of LiBH 4 : KBH 4 = 0.80: 0.20 (molar ratio) of Example 1. 実施例1のLiBH4とKBH4との混合物から構成される潜熱蓄熱材の示差走査熱量評価後のX線回折装置による解析結果である。It is an analysis result by an X-ray diffractometer after differential scanning calorimetry evaluation of a latent heat storage material composed of a mixture of LiBH 4 and KBH 4 of Example 1. 実施例1のLiBH4とKBH4との混合物の相図である。It is a phase diagram of the mixture of LiBH 4 and KBH 4 of Example 1.

本開示の第1態様は、
第1のカチオンと、水素及び13又は15族元素からなるアニオンとから構成される第1の化合物と、
第2のカチオンと、前記アニオンとから構成される第2の化合物との混合物を含み、
前記第1のカチオン及び第2のカチオンがアルカリ金属イオンである、
潜熱蓄熱材を提供する。
The first aspect of the present disclosure is
A first compound composed of a first cation and an anion consisting of hydrogen and a Group 13 or 15 element,
Contains a mixture of a second cation and a second compound composed of said anion.
The first cation and the second cation are alkali metal ions.
Provide a latent heat storage material.

第1態様の潜熱蓄熱材によれば、高い蓄熱密度で、かつ400℃以下の温度範囲で蓄熱することができる。 According to the latent heat storage material of the first aspect, heat can be stored at a high heat storage density and in a temperature range of 400 ° C. or lower.

また、第1態様によれば、混合前化合物(第1の化合物と第2の化合物)は、アニオンサイズの大きいイオン結合型分子であることに起因して、化合物の結晶構造の不安定性が高くなるとともに、化合物の混合により、凝固点降下を生じる。そのため、混合前化合物の相転移又は相変化温度を低温化できるとともに、更に混合物の凝固点降下により、上記温度を低温化できる。 Further, according to the first aspect, the pre-mixing compound (the first compound and the second compound) has high instability of the crystal structure of the compound due to being an ion-bonded molecule having a large anion size. At the same time, mixing of the compounds causes a freezing point drop. Therefore, the phase transition or phase change temperature of the compound before mixing can be lowered, and the temperature can be further lowered by lowering the freezing point of the mixture.

本開示の第2態様は、例えば、第1態様に加えて、前記第1のカチオンと前記第2のカチオンとのイオン半径差が、39pm(ピコメートル)以上87pm以下である、潜熱蓄熱材を提供する。本開示において、特に記載した場合を除いて、「pm」はピコメートルを意味する。 In the second aspect of the present disclosure, for example, in addition to the first aspect, a latent heat storage material having an ionic radius difference between the first cation and the second cation of 39 pm (picometer) or more and 87 pm or less is used. provide. In the present disclosure, "pm" means picometer, unless otherwise stated.

第2態様によれば、混合前化合物のカチオン間の最適なイオン半径差により、混合物として、共晶が形成される(イオン半径差が小さ過ぎる場合、固溶体が形成され、大き過ぎる場合、相分離を生じる)ため、混合物の凝固点降下度を大きくすることができる。 According to the second aspect, the optimum ionic radius difference between the cations of the premixed compound forms a eutectic as a mixture (if the ionic radius difference is too small, a solid solution is formed, if it is too large, phase separation. Therefore, the degree of freezing point depression of the mixture can be increased.

本開示の第3態様は、例えば、第1又は第2態様に加えて、第1のカチオンがリチウムイオン(Li+)であり、第2のカチオンがカリウムイオン(K+)である潜熱蓄熱材を提供する。 In the third aspect of the present disclosure, for example, in addition to the first or second aspect, a latent heat storage material in which the first cation is lithium ion (Li + ) and the second cation is potassium ion (K + ). I will provide a.

第3態様によれば、高い蓄熱密度で、かつ400℃以下の温度範囲で蓄熱することができる。 According to the third aspect, heat can be stored at a high heat storage density and in a temperature range of 400 ° C. or lower.

本開示の第4態様は、例えば、第1〜第3態様のいずれかの態様に加えて、前記アニオンがボロハイドライイオン(BH4 -)である、潜熱蓄熱材を提供する。 The fourth aspect of the present disclosure, for example, in addition to any of the embodiments of the first to third aspect, wherein the anion is Borohaidorai de ion (BH 4 -) a, to provide a latent heat storage material.

第4態様によれば、第1の化合物と第2の化合物に、低原子量元素である水素とホウ素)を含めることにより、混合前化合物(第1の化合物と第2の化合物)として、アニオンサイズの大きい低分子量のイオン結合型分子を構成することによって、化合物の結晶構造の不安定性を高めることができ、混合前化合物の重量当りの蓄熱密度の向上と、相転移又は相変化温度の低温化とを両立することができる。 According to the fourth aspect, by including the low atomic weight elements hydrogen and boron in the first compound and the second compound, the anion size is obtained as the pre-mixing compound (the first compound and the second compound). By constructing an ion-bonded molecule having a large and low molecular weight, the instability of the crystal structure of the compound can be enhanced, the heat storage density per weight of the compound before mixing is improved, and the phase transition or phase change temperature is lowered. Can be compatible with.

本開示の第5態様は、例えば、第1又は第2態様に加えて、前記第1の化合物がリチウムボロハイドライ(LiBH4)であり、前記第2の化合物がカリウムボロハイドライ(KBH4)である、潜熱蓄熱材を提供する。 A fifth aspect of the present disclosure, for example, in addition to the first or second aspect, wherein the first compound is lithium borohydride high dry de (LiBH 4), wherein said second compound potassium borohydride high dry de ( Provide a latent heat storage material, which is KBH 4 ).

第5態様によれば、カチオン間のイオン半径差が39pm以上87pm以下となる2種のアルカリ金属イオンの組み合わせの中で、2種のカチオンの原子量和が最小となる元素の組み合わせを選択することによって、低分子量の共晶が形成されるため、第1の化合物と第2の化合物の混合物の重量当りの蓄熱密度の向上と、凝固点降下度の増大とを両立することができる。 According to the fifth aspect, the combination of the elements having the smallest sum of atomic weights of the two cations is selected from the combination of the two alkali metal ions having the ionic radius difference between the cations of 39 pm or more and 87 pm or less. As a result, low molecular weight eutectic crystals are formed, so that it is possible to both improve the heat storage density per weight of the mixture of the first compound and the second compound and increase the degree of freezing point depression.

本開示の第6態様は、例えば、第5態様に加えて、前記第1の化合物のリチウムボロハイドライ(LiBH4)と、前記第2の化合物のカリウムボロハイドライ(KBH4)とのモル比が、LiBH4:KBH4=17:3〜7:3である、潜熱蓄熱材を提供する。 A sixth aspect of the present disclosure, for example, in addition to the fifth aspect, a lithium borohydride high dry de of the first compound (LiBH 4), wherein the potassium second compound Greensboro high dry de and (KBH 4) Provided is a latent heat storage material having a molar ratio of LiBH 4 : KBH 4 = 17: 3 to 7: 3.

第6態様によれば、混合前の第1の化合物と第2の化合物との適正な組成比により、共晶点を生じるため、混合物の凝固点降下度を最大にできるとともに、単一の相転移又は相変化温度が得られ、特定温度範囲で熱利用し易くなる。 According to the sixth aspect, since the eutectic point is generated by the appropriate composition ratio of the first compound and the second compound before mixing, the degree of freezing point depression of the mixture can be maximized and a single phase transition can be achieved. Alternatively, a phase change temperature can be obtained, which facilitates heat utilization in a specific temperature range.

本開示の第7態様は、例えば、第1〜第6態様のいずれかにかかる潜熱蓄熱材を備える、蓄熱システムを提供する。第7態様によれば、自動車、ガスエンジンヒートポンプ等の排ガス浄化触媒下流から400℃以下の温度範囲において排熱回収及び蓄熱し、始動時の暖機等に利用することができる。 A seventh aspect of the present disclosure provides, for example, a heat storage system including the latent heat storage material according to any one of the first to sixth aspects. According to the seventh aspect, exhaust heat can be recovered and stored in a temperature range of 400 ° C. or lower from the downstream of the exhaust gas purification catalyst of an automobile, a gas engine heat pump, or the like, and can be used for warming up at the time of starting.

以下、本開示の実施形態について図面を参照しながら詳しく説明する。なお、以下の説明は本開示の一例に関するものであり、本開示はこれらによって限定されるものではない。 Hereinafter, embodiments of the present disclosure will be described in detail with reference to the drawings. The following description relates to an example of the present disclosure, and the present disclosure is not limited thereto.

(実施形態)
最初に、図1を参照しながら、本実施形態の潜熱蓄熱材を用いた蓄熱システムの一例を説明する。蓄熱システム100は、蓄熱装置10と、熱源装置20と、熱出力装置22と、これらの間で熱媒体を流通させる熱媒体流路14とを備える。蓄熱装置10は、潜熱蓄熱材を収容する容器12を備える。熱媒体流路14には、ポンプ16及び三方弁18が設けられている。熱媒体流路14は、熱媒体が容器12を介して潜熱蓄熱材と熱交換し得るように構成される。
(Embodiment)
First, an example of a heat storage system using the latent heat storage material of the present embodiment will be described with reference to FIG. The heat storage system 100 includes a heat storage device 10, a heat source device 20, a heat output device 22, and a heat medium flow path 14 for circulating a heat medium between them. The heat storage device 10 includes a container 12 for accommodating a latent heat storage material. A pump 16 and a three-way valve 18 are provided in the heat medium flow path 14. The heat medium flow path 14 is configured so that the heat medium can exchange heat with the latent heat storage material via the container 12.

蓄熱をする際には、熱媒体を矢印26の方向に流通させる。熱媒体は、蓄熱装置10と熱源装置20との間で循環し、蓄熱装置10内の潜熱蓄熱材を加熱する。これにより、潜熱蓄熱材が融解する。加熱温度は、潜熱蓄熱材が融解できれば、特に限定されない。 When storing heat, the heat medium is circulated in the direction of arrow 26. The heat medium circulates between the heat storage device 10 and the heat source device 20 to heat the latent heat storage material in the heat storage device 10. As a result, the latent heat storage material is melted. The heating temperature is not particularly limited as long as the latent heat storage material can be melted.

熱回収をする際には、潜熱蓄熱材を冷却して凝固させ、潜熱蓄熱材から熱を放出させる。このとき、熱媒体を矢印28の方向に流通させる。熱媒体は、蓄熱装置10と熱出力装置22との間で循環し、これにより、潜熱蓄熱材から放出した熱を熱出力装置22に回収することができる。回収された熱は、熱出力装置22から、始動時の暖機等の用途に応じて利用される。冷却温度は、潜熱蓄熱材の融点以下であれば、特に限定されない。 When recovering heat, the latent heat storage material is cooled and solidified, and heat is released from the latent heat storage material. At this time, the heat medium is circulated in the direction of arrow 28. The heat medium circulates between the heat storage device 10 and the heat output device 22, whereby the heat released from the latent heat storage material can be recovered to the heat output device 22. The recovered heat is used from the heat output device 22 depending on the application such as warming up at the time of starting. The cooling temperature is not particularly limited as long as it is equal to or lower than the melting point of the latent heat storage material.

以上のように、自動車、ガスエンジンヒートポンプ等の排ガス浄化触媒下流から排熱回収及び蓄熱し、始動時の暖機等に利用するためには、400℃以下の温度範囲で蓄熱可能であり、かつ蓄熱密度の高い材料が必要となるが、LiHは、イオン性の強い共有結合型分子、かつ低分子量であることから、高い蓄熱密度(2170kJ/kg)を有するものの、固−液相変化温度も672℃と高温である。 As described above, in order to recover and store exhaust heat from the downstream of the exhaust gas purification catalyst of automobiles, gas engine heat pumps, etc. and use it for warming up at start-up, etc., heat can be stored in the temperature range of 400 ° C. or less, and A material with a high heat storage density is required. LiH has a high heat storage density (2170 kJ / kg) because it is a covalently bonded molecule with strong ionicity and a low molecular weight, but it also has a solid-liquid phase change temperature. It is as high as 672 ° C.

これに対して、本実施形態の蓄熱システムは、本開示の潜熱蓄熱材を備え、前記潜熱蓄熱材を、冷却及び/又は加熱することによって、排ガス浄化触媒下流から400℃以下の温度範囲において排熱回収及び蓄熱を行うことができる。本開示の潜熱蓄熱材を使用できる温度範囲の下限値は、特に限定されないが、熱源として利用できる範囲である点から、60℃程度以上であればよい。 On the other hand, the heat storage system of the present embodiment includes the latent heat storage material of the present disclosure, and by cooling and / or heating the latent heat storage material, it is discharged in a temperature range of 400 ° C. or lower from the downstream of the exhaust gas purification catalyst. Heat recovery and heat storage can be performed. The lower limit of the temperature range in which the latent heat storage material of the present disclosure can be used is not particularly limited, but may be about 60 ° C. or higher from the viewpoint of being usable as a heat source.

本実施形態の潜熱蓄熱材(蓄熱材組成物)は、実質的に前記第1の化合物及び第2の化合物のみから構成されるものが望ましい。実質的に前記1の化合物及び第2の化合物のみから構成されるとは、潜熱蓄熱材に含まれる前記1の化合物及び第2の化合物以外の成分の含有量が5.0wt%未満であり、3.0wt%未満であることが望ましく、1.0wt%未満であることがより望ましく、0.5wt%未満であることがさらに望ましい。 It is desirable that the latent heat storage material (heat storage material composition) of the present embodiment is substantially composed of only the first compound and the second compound. When the latent heat storage material is substantially composed of only the first compound and the second compound, the content of the components other than the first compound and the second compound contained in the latent heat storage material is less than 5.0 wt%. It is preferably less than 3.0 wt%, more preferably less than 1.0 wt%, and even more preferably less than 0.5 wt%.

本実施形態の潜熱蓄熱材に用いる第1のカチオン及び第2のカチオンのアルカリ金属イオンとしては、特に限定されないが、リチウムイオン、ナトリウムイオン、カリウムイオン、ルビジウムイオン等が挙げられる。 The alkali metal ions of the first cation and the second cation used in the latent heat storage material of the present embodiment are not particularly limited, and examples thereof include lithium ion, sodium ion, potassium ion, and rubidium ion.

本実施形態の潜熱蓄熱材に用いる前記第1の化合物及び第2の化合物が含有する13族元素としては、特に限定されないが、ホウ素、アルミニウム等が挙げられ、ホウ素が望ましい。本実施形態の潜熱蓄熱材に用いる前記第1の化合物及び第2の化合物が含有する15族元素としては、窒素が望ましい。 The group 13 element contained in the first compound and the second compound used in the latent heat storage material of the present embodiment is not particularly limited, and examples thereof include boron and aluminum, and boron is preferable. Nitrogen is desirable as the Group 15 element contained in the first compound and the second compound used in the latent heat storage material of the present embodiment.

本実施形態の潜熱蓄熱材に用いる前記第1の化合物及び第2の化合物が含有する15族元素としては、特に限定されないが、窒素、リン等が挙げられる。本実施形態の潜熱蓄熱材に用いる前記第1の化合物及び第2の化合物が含有する15族元素としては、窒素が望ましい。 The group 15 element contained in the first compound and the second compound used in the latent heat storage material of the present embodiment is not particularly limited, and examples thereof include nitrogen and phosphorus. Nitrogen is desirable as the Group 15 element contained in the first compound and the second compound used in the latent heat storage material of the present embodiment.

第1のカチオン及び第2のカチオンに用いるカチオンとしては、アルカリ金属イオンが望ましい。 As the cation used for the first cation and the second cation, an alkali metal ion is desirable.

第1のカチオン、水素及び13族元素から構成される化合物としては、リチウムアミド(LiNH2)が望ましい。 Lithium amide (LiNH 2 ) is desirable as the compound composed of the first cation, hydrogen and Group 13 elements.

第1のカチオン、水素及び15族元素から構成される化合物としては、リチウムボロハイドライ(LiBH4)が望ましい。 The compound composed of a first cation, hydrogen and Group 15 elements, lithium borohydride high dry de (LiBH 4) is desirable.

第2のカチオン、水素及び13族元素から構成される化合物としては、カリウムアミド(KNH2)が望ましい。 Potassium amide (KNH 2 ) is desirable as the compound composed of the second cation, hydrogen and the Group 13 element.

第2のカチオン、水素及び15族元素から構成される化合物としては、カリウムボロハイドライ(KBH4)が望ましい。 As the compound including a second cation, hydrogen and Group 15 elements, potassium borohydride high dry de (KBH 4) it is desirable.

混合物における前記第1のカチオンと前記第2のカチオンとのイオン半径差は、共晶を形成して、混合物の凝固点降下度を大きくする点から、40pm以上86pm以下であってもよく、42pm以上84pm以下であってもよい。 The difference in ionic radius between the first cation and the second cation in the mixture may be 40 pm or more and 86 pm or less, and 42 pm or more, from the viewpoint of forming eutectics and increasing the degree of freezing point depression of the mixture. It may be 84 pm or less.

LiBH4とKBH4との配合比(モル比)としては、相転移又は相変化温度を200℃以下に低下させつつ、310kJ/kg以上の蓄熱密度が得られる点から、LiBH4:KBH4=17:3〜7:3であってもよく、21:4〜3:1であってもよく、41;9〜39:11であってもよく、4:1であってもよい。 Compounding ratio of LiBH 4 and KBH 4 as (molar ratio), while reducing phase transition or phase change temperature 200 ° C. or less, from the viewpoint of 310kJ / kg or more thermal storage density is obtained, LiBH 4: KBH 4 = It may be 17: 3 to 7: 3, 21: 4 to 3: 1, 41; 9 to 39:11, or 4: 1.

以下に、実施例により本開示の潜熱蓄熱材をより詳細に説明する。ただし、本開示は、以下の実施例に限定されない。 Hereinafter, the latent heat storage material of the present disclosure will be described in more detail by way of examples. However, the present disclosure is not limited to the following examples.

以下の実施例及び比較例において、蓄熱密度の評価に用いる示差走査熱量測定(DSC)には、示差走査熱量計(TA Instruments製 DSC Q10)を用いた。示差走査熱量評価前及び後の試料の構造解析には、X線回折装置(Rigaku 製 RINT2000)を用いた。試料の重量は、電子天秤(PERKIN ELMER製 AD-6)を用いて測定した値である。なお、蓄熱密度の算出における測定容器による補正に用いる補正データの測定には、固−液相変化に伴う融解熱量が既知であるインジウム(モル融解熱量:3.281kJ/mol、原子量:114.82)を用いた。 In the following examples and comparative examples, a differential scanning calorimetry (DSC Q10 manufactured by TA Instruments) was used for the differential scanning calorimetry (DSC) used for evaluating the heat storage density. An X-ray diffractometer (RINT2000 manufactured by Rigaku) was used for the structural analysis of the sample before and after the differential scanning calorimetry. The weight of the sample is a value measured using an electronic balance (AD-6 manufactured by PERKIN ELMER). Indium (molar heat of fusion: 3.281 kJ / mol, atomic weight: 114.82), which has a known amount of heat of fusion due to solid-liquid phase change, is used to measure the correction data used for correction by the measuring container in the calculation of heat storage density. There was.

<比較例1>
リチウムと水素から構成される化合物として、LiHについて、相変化温度、蓄熱密度の評価を行った。
<Comparative example 1>
The phase change temperature and heat storage density of LiH as a compound composed of lithium and hydrogen were evaluated.

示差走査熱量測定の測定条件は、アルゴン雰囲気(流量:50sccm)、圧力:0.1MPa、昇温レート:10deg/min、温度範囲:室温〜715℃とした。また、試料として、1.56mgのLiH(Alfa Aesar 製 41596)をステンレス密閉パンに入れて、評価を行った。 The measurement conditions for the differential scanning calorimetry were an argon atmosphere (flow rate: 50 sccm), pressure: 0.1 MPa, temperature rise rate: 10 deg / min, and temperature range: room temperature to 715 ° C. Further, as a sample, 1.56 mg of LiH (41596 manufactured by Alfa Aesar) was placed in a stainless steel sealed pan for evaluation.

評価に当たり、示差走査熱量計及びステンレス密閉パンを用いた場合の装置定数を算出した。試料として、インジウムを用いて評価を行った結果、図2に示すように、蓄熱密度の測定値は33kJ/kgであった。この結果に基づき、インジウムの融解熱量、原子量を用いて算出される蓄熱密度28.575kJ/kgに補正するための装置定数は0.866であると算出した。 In the evaluation, the device constants when a differential scanning calorimeter and a stainless steel sealed pan were used were calculated. As a result of evaluation using indium as a sample, as shown in FIG. 2, the measured value of the heat storage density was 33 kJ / kg. Based on this result, it was calculated that the device constant for correcting the heat storage density to 28.575 kJ / kg, which was calculated using the heat of fusion and the atomic weight of indium, was 0.866.

図3に、LiHを用いた試料の相変化温度、蓄熱密度の評価結果を示す。この結果から、相変化温度は672℃であり、蓄熱密度は、測定値である2506kJ/kgに装置定数0.866を乗じた2170kJ/kgであった。 FIG. 3 shows the evaluation results of the phase change temperature and the heat storage density of the sample using LiH. From this result, the phase change temperature was 672 ° C., and the heat storage density was 2170 kJ / kg, which was obtained by multiplying the measured value of 2506 kJ / kg by the device constant 0.866.

また、図4及び図5に、示差走査熱量評価前及び後の試料のX線回折装置による解析結果を示す。この結果から、示差走査熱量評価前及び後の試料は、何れも水素化リチウム(LiH)であり、示差走査熱量評価における吸熱ピークは、化学変化ではなく、物理変化(固−液相変化)に起因することが確認された。 Further, FIGS. 4 and 5 show the analysis results of the samples before and after the differential scanning calorimetry evaluation by the X-ray diffractometer. From this result, the samples before and after the differential scanning calorimetry were both lithium hydride (LiH), and the endothermic peak in the differential scanning calorimetry was not a chemical change but a physical change (solid-liquid phase change). It was confirmed that it was caused.

以上のように、自動車、ガスエンジンヒートポンプ等の排ガス浄化触媒下流から排熱回収及び蓄熱し、始動時の暖機等に利用するためには、400℃以下の温度範囲で蓄熱可能であり、かつ蓄熱密度の高い材料が必要となるのに対して、LiHは、イオン性の強い共有結合型分子、かつ低分子量であることから、高い蓄熱密度(2170kJ/kg)を有するものの、固−液相変化温度も672℃と高温であった。 As described above, in order to recover and store exhaust heat from the downstream of the exhaust gas purification catalyst of automobiles, gas engine heat pumps, etc. and use it for warming up at start-up, etc., heat can be stored in the temperature range of 400 ° C. or less, and While a material with a high heat storage density is required, LiH has a high heat storage density (2170 kJ / kg) because it is a covalent bond type molecule with strong ionicity and a low molecular weight, but it is a solid-liquid phase. The change temperature was as high as 672 ° C.

<参考例1>
カチオンとしてリチウムイオン(Li+)と、アニオンとしてボロハイドライイオン(BH4 -)とから構成される化合物として、LiBH4について、相変化温度、蓄熱密度の評価を行った。
<Reference example 1>
A lithium ion (Li +) as the cation, Borohaidorai de ions as an anion (BH 4 -) as from the compounds consisting of, for LiBH 4, the phase change temperature and evaluated for heat storage density.

示差走査熱量測定の測定条件は、アルゴン雰囲気(流量:50sccm)、圧力:0.1MPa、昇温レート:5deg/min、温度範囲:室温〜450℃とした。また、試料として、6.32mgのLiBH4(Alfa Aesar 製686026)をアルミパンに入れて、評価を行った。 The measurement conditions for differential scanning calorimetry were an argon atmosphere (flow rate: 50 sccm), pressure: 0.1 MPa, temperature rise rate: 5 deg / min, and temperature range: room temperature to 450 ° C. Further, as a sample, 6.32 mg of LiBH 4 (686026 manufactured by Alfa Aesar) was placed in an aluminum pan and evaluated.

評価に当たり、示差走査熱量計及びアルミパンを用いた場合の装置定数を算出した。試料として、インジウムを用いて評価を行った結果、図6に示すように、蓄熱密度の測定値は24.85kJ/kgであった。この結果に基づき、インジウムの融解熱量、原子量を用いて算出される蓄熱密度28.575kJ/kgに補正するための装置定数は1.150であると算出した。 In the evaluation, the device constants when using a differential scanning calorimeter and an aluminum pan were calculated. As a result of evaluation using indium as a sample, as shown in FIG. 6, the measured value of the heat storage density was 24.85 kJ / kg. Based on this result, it was calculated that the device constant for correcting the heat storage density to 28.575 kJ / kg, which was calculated using the heat of fusion and atomic weight of indium, was 1.150.

図7に、LiBH4を用いた試料の相変化温度、蓄熱密度の評価結果を示す。この結果から、1、2回目の測定値を平均すると、第1の相変化温度は114℃であり、蓄熱密度は192kJ/kgであり、第2の相変化温度は286℃であり、蓄熱密度は、測定値である314.1kJ/kgに装置定数1.150を乗じた361kJ/kgであった。 FIG. 7 shows the evaluation results of the phase change temperature and the heat storage density of the sample using LiBH 4 . From this result, when the first and second measured values are averaged, the first phase change temperature is 114 ° C., the heat storage density is 192 kJ / kg, the second phase change temperature is 286 ° C., and the heat storage density. Was 361 kJ / kg, which was obtained by multiplying the measured value of 314.1 kJ / kg by the device constant 1.150.

また、図8及び図9に、示差走査熱量評価前及び後の試料のX線回折装置による解析結果を示す。この結果から、示差走査熱量評価前及び後の試料は、何れもLiBH4とアルミパンに起因するアルミニウム(Al)であり、示差走査熱量評価における吸熱ピークは、化学変化ではなく、物理変化(相変化)に起因することが確認された。 Further, FIGS. 8 and 9 show the analysis results of the samples before and after the differential scanning calorimetry evaluation by the X-ray diffractometer. From this result, the samples before and after the differential scanning calorimetry are both LiBH 4 and aluminum (Al) caused by the aluminum pan, and the endothermic peak in the differential scanning calorimetry is not a chemical change but a physical change (phase). It was confirmed that it was caused by (change).

さらに、表1に、カチオンとしてリチウムイオン(Li+)、アニオンとして各種1価イオンを含む各化合物について、分子量、アニオンサイズ、相変化温度、及び蓄熱密度を示す。この結果から、水素及び13族元素からなるアニオンにより、アニオンサイズの大きい低分子量のイオン結合型分子を構成することによって、化合物の結晶構造の不安定性を高めることができ、結果として、アニオンとしてハロゲンイオンを含むリチウム化合物に比べて、相変化温度を低温化することができることがわかる。さらに、低原子量元素である水素とホウ素からなるアニオンであるBH4 -を含む化合物を潜熱蓄熱材の成分に含むことによって、重量当りの蓄熱密度を向上させることができる。結果として、相変化温度:114℃(第1)、286℃(第2)、蓄熱密度(第1、第2の相変化温度の和):553kJ/kgとなり、相変化温度:613℃の塩化リチウム(LiCl)、505℃の臭化リチウム(LiBr)、469℃のヨウ化リチウム(LiI)に比べて、相変化温度を低温化させることができ、かつ重量当りの蓄熱密度を向上させることができる。 Further, Table 1 shows the molecular weight, anion size, phase change temperature, and heat storage density for each compound containing lithium ion (Li + ) as a cation and various monovalent ions as anions. From this result, the instability of the crystal structure of the compound can be enhanced by forming a low molecular weight ion-bonded molecule having a large anion size with an anion composed of hydrogen and a group 13 element, and as a result, halogen as an anion. It can be seen that the phase change temperature can be lowered as compared with the lithium compound containing ions. Moreover, BH 4 is an anion consisting of hydrogen and boron is a low atomic weight elements - by including a compound containing the components of the latent heat storage material, it is possible to improve the thermal storage density per weight. As a result, the phase change temperature: 114 ° C. (first), 286 ° C. (second), the heat storage density (sum of the first and second phase change temperatures): 553 kJ / kg, and the phase change temperature: 613 ° C. Compared with lithium (LiCl), lithium bromide (LiBr) at 505 ° C, and lithium iodide (LiI) at 469 ° C, the phase change temperature can be lowered and the heat storage density per weight can be improved. it can.

Figure 0006765198
Figure 0006765198

<比較例2>
次に、カチオンとしてカリウムイオン(K+)、アニオンとしてボロハイドライイオン(BH4 -)から構成される化合物として、KBH4について、相変化温度、蓄熱密度の評価を行った。
<Comparative example 2>
Then, potassium as cation (K +), Borohaidorai de ions as an anion (BH 4 -) as a compound composed of, for KBH 4, the phase change temperature and evaluated for heat storage density.

示差走査熱量測定の測定条件は、アルゴン雰囲気(流量:50sccm)、圧力:0.1MPa、昇温レート:10deg/min、温度範囲:室温〜700℃とした。また、試料として、3.5mgのKBH4(Aldrich製 455571-100G)をアルミパンに入れて、評価を行った。 The measurement conditions for differential scanning calorimetry were an argon atmosphere (flow rate: 50 sccm), pressure: 0.1 MPa, temperature rise rate: 10 deg / min, and temperature range: room temperature to 700 ° C. In addition, as a sample, 3.5 mg of KBH 4 (455571-100G manufactured by Aldrich) was placed in an aluminum pan and evaluated.

図10に、KBH4を用いた試料の相変化温度、蓄熱密度の評価結果を示す。この結果から、1、2回目の測定値を平均すると、相変化温度は628℃、蓄熱密度は409kJ/kgであった。 FIG. 10 shows the evaluation results of the phase change temperature and the heat storage density of the sample using KBH 4 . From this result, when the first and second measured values were averaged, the phase change temperature was 628 ° C. and the heat storage density was 409 kJ / kg.

また、図11に、示差走査熱量評価前及び後の試料のX線回折装置による解析結果を示す。この結果から、示差走査熱量評価前及び後の試料は、何れもKBH4であり、示差走査熱量評価における吸熱ピークは、化学変化ではなく、物理変化(相変化)に起因することが確認された。 In addition, FIG. 11 shows the analysis results of the samples before and after the differential scanning calorimetry by the X-ray diffractometer. From this result, it was confirmed that the samples before and after the differential scanning calorimetry were both KBH 4 , and the endothermic peak in the differential scanning calorimetry was caused not by the chemical change but by the physical change (phase change). ..

表2に、カチオンとしてカリウムイオン(K+)、アニオンとして各種1価イオンを含む各化合物について、分子量、アニオンサイズ、及び相変化温度を示す。この結果から、水素及び13族元素からなるアニオンにより、アニオンサイズの大きい低分子量のイオン結合型分子を構成することによって、化合物の結晶構造の不安定性を高めることができ、結果として、アニオンとしてハロゲンイオンを含むカリウム化合物に比べて、相変化温度を低温化することができることがわかる。さらに、低原子量元素である水素とホウ素とから構成されるアニオンであるBH4 -を含む化合物を潜熱蓄熱材の成分に含むことによって、重量当りの蓄熱密度を向上させることができる。しかしながら、カリウム化合物では、相変化温度は、いずれも600℃以上と高温であった。 Table 2 shows the molecular weight, anion size, and phase change temperature of each compound containing potassium ion (K + ) as a cation and various monovalent ions as an anion. From this result, the instability of the crystal structure of the compound can be enhanced by forming a low molecular weight ion-bonded molecule having a large anion size with an anion composed of hydrogen and a group 13 element, and as a result, halogen as an anion. It can be seen that the phase change temperature can be lowered as compared with the potassium compound containing ions. Moreover, BH 4 is an anion composed of hydrogen and boron is a low atomic weight elements - by including a compound containing the components of the latent heat storage material, it is possible to improve the thermal storage density per weight. However, for potassium compounds, the phase change temperature was as high as 600 ° C. or higher.

Figure 0006765198
Figure 0006765198

<実施例1>
次に、第1のカチオンとしてリチウムイオン(Li+)、アニオンとしてボロハイドライイオン(BH4 -)から構成される化合物であるLiBH4と、第2のカチオンとしてカリウムイオン(K+)、アニオンとしてボロハイドライイオン(BH4 -)から構成される化合物であるKBH4との混合物について、相変化温度、蓄熱密度の評価を行った。ここで、第1のカチオンとしてリチウムイオン(Li+)のイオン半径は60pmであり、第2のカチオンとしてカリウムイオン(K+)のイオン半径は133pmであり、第1のカチオンと第2のカチオンのイオン半径差は73pmである。
<Example 1>
Next, lithium-ion (Li +) as the first cation, Borohaidorai de ions as an anion (BH 4 -) and LiBH 4 is a compound composed of potassium as the second cation (K +), as an anion Borohaidorai de ion (BH 4 -) for mixtures of KBH 4 is a compound composed of a phase change temperature and evaluated for heat storage density. Here, the ionic radius of lithium ion (Li + ) as the first cation is 60 pm, the ionic radius of potassium ion (K + ) as the second cation is 133 pm, and the first cation and the second cation are The ionic radius difference of is 73 pm.

なお、ナトリウムイオン(イオン半径95pm)とカリウムイオン(イオン半径133pm)の間のイオン半径差38pmのように、イオン半径差が小さ過ぎる場合、アニオンサイズ181pm(塩化物イオン(Cl-))以上で固溶体が形成される。一方、リチウムイオン(イオン半径60pm)とルビジウムイオン(イオン半径148pm)の間のイオン半径差88pmのように、イオン半径差が大き過ぎる場合、相分離を生じる。 Incidentally, as in the ion radius difference 38pm between sodium ions (ionic radius 95Pm) and potassium ions (ionic radius 133Pm), if the ion radius difference is too small, the anion size 181Pm (chloride ion (Cl -)) above A solid solution is formed. On the other hand, if the ionic radius difference is too large, such as the ionic radius difference of 88 pm between lithium ions (ionic radius 60 pm) and rubidium ions (ionic radius 148 pm), phase separation occurs.

示差走査熱量測定の測定条件は、アルゴン雰囲気(流量:50sccm)、圧力:0.1MPa、昇温レート:5deg/min、温度範囲:室温〜400℃とした。また、試料として、LiBH4(Aldrich製 686026-10G)、KBH4(Aldrich製 455571-100G)を用い、LiBH4:KBH4のモル混合比として、条件(1)0.92:0.08、(2)0.87:0.13、(3)0.80:0.20となるように、グローブボックス内にて、乳鉢に入れ、乳棒で3分間の混合を行った後、3.5mgをアルミパンに入れて、評価を行った。 The measurement conditions for differential scanning calorimetry were an argon atmosphere (flow rate: 50 sccm), pressure: 0.1 MPa, temperature rise rate: 5 deg / min, and temperature range: room temperature to 400 ° C. Further, as a sample, LiBH 4 (Aldrich Ltd. 686026-10G), using KBH 4 the (Aldrich Ltd. 455571-100G), LiBH 4: the molar mixing ratio of KBH 4, the condition (1) 0.92: 0.08, (2) 0.87: 0.13, (3) 0.80: 0.20, put in a mortar in a glove box, mix with a pestle for 3 minutes, and then 3.5 mg. Was put in an aluminum pan and evaluated.

図12〜14に、LiBH4とKBH4との混合物から構成される潜熱蓄熱材を用いた試料の相変化温度、蓄熱密度の評価結果を示す。この結果から、1、2回目の測定値を平均すると、以下のとおりであった:
条件(1)LiBH4:KBH4=0.92:0.08において、第1の相変化温度は113℃、蓄熱密度は301kJ/kg、及び第2の相変化温度は238℃、蓄熱密度は208kJ/kg;
条件(2)LiBH4:KBH4=0.87:0.13において、第1の相変化温度は113℃、蓄熱密度は286kJ/kg、及び第2の相変化温度は203℃、蓄熱密度は86kJ/kg;
条件(3)LiBH4:KBH4=0.80:0.20において、相変化温度は112℃、蓄熱密度は339kJ/kg。
FIGS. 12 to 14 show the evaluation results of the phase change temperature and the heat storage density of the sample using the latent heat storage material composed of a mixture of LiBH 4 and KBH 4 . From this result, the average of the first and second measurements was as follows:
Conditions (1) Under LiBH 4 : KBH 4 = 0.92: 0.08, the first phase change temperature is 113 ° C., the heat storage density is 301 kJ / kg, and the second phase change temperature is 238 ° C., and the heat storage density is 208kJ / kg;
Condition (2) Under LiBH 4 : KBH 4 = 0.87: 0.13, the first phase change temperature is 113 ° C., the heat storage density is 286 kJ / kg, and the second phase change temperature is 203 ° C., and the heat storage density is 86kJ / kg;
Conditions (3) At LiBH 4 : KBH 4 = 0.80: 0.20, the phase change temperature is 112 ° C. and the heat storage density is 339 kJ / kg.

図14に示されるように、特定の比率で配合したLiBH4とKBH4との混合物を潜熱蓄熱材の有効成分として用いる場合、150℃以下の低温度範囲のみであっても、300kJ/kg以上の高い蓄熱密度を得ることができることが確認された。 As shown in FIG. 14, when a mixture of LiBH 4 and KBH 4 blended in a specific ratio is used as an active ingredient of a latent heat storage material, it is 300 kJ / kg or more even in a low temperature range of 150 ° C. or less. It was confirmed that a high heat storage density can be obtained.

また、図15に、示差走査熱量評価後の試料のX線回折装置による解析結果を示す。この結果から、示差走査熱量評価後の試料は概ねLiBH4、KBH4であり、示差走査熱量評価における吸熱ピークは、化学変化ではなく、物理変化(相変化)に起因すること、及びLiBH4とKBH4との共晶が形成されることが確認された。 Further, FIG. 15 shows the analysis result of the sample after the differential scanning calorimetry by the X-ray diffractometer. From this result, the samples after differential scanning calorimetry are generally LiBH 4 and KBH 4 , and the endothermic peak in differential scanning calorimetry is not due to chemical change but due to physical change (phase change), and LiBH 4 It was confirmed that a eutectic with KBH 4 was formed.

さらに、図7、10、12〜14の相変化温度、蓄熱密度の評価結果、及び図8、9、11、15のX線回折装置による解析結果に基づき作成したLiBH4とKBH4との混合物の相図を、図16に示す。この結果から、第1の化合物のLiBH4と、第2の化合物のKBH4とのモル比4:1の組成で共晶点となり、混合前の第1の化合物のLiBH4に対する凝固点降下は174K、第2の化合物のKBH4に対する凝固点降下は516Kであった。 Further, a mixture of LiBH 4 and KBH 4 prepared based on the evaluation results of the phase change temperature and heat storage density in FIGS. 7, 10, 12 to 14 and the analysis results by the X-ray diffractometer in FIGS. 8, 9, 11 and 15. The phase diagram of is shown in FIG. From this result, the LiBH 4 of the first compound, the molar ratio of KBH 4 the second compound 4: becomes eutectic point in the first composition, the freezing point depression relative to LiBH 4 of the first compound before mixing 174K The freezing point depression of the second compound with respect to KBH 4 was 516K.

このように、混合物中において第1のカチオンであるリチウムイオン(Li+)と第2のカチオンであるカリウムイオン(K+)のイオン半径差を39pm以上87pm以下とすることにより、混合前化合物のカチオン間の最適なイオン半径差に基づいて、混合物として、共晶が形成される(イオン半径差が小さ過ぎる場合、固溶体が形成され、大き過ぎる場合、相分離を生じる)ため、混合物の凝固点降下度を大きくすることができる。また、カチオン間のイオン半径差が39pm以上87pm以下となる2種のアルカリ金属イオンの組み合わせの中で、2種のカチオンの原子量和が最小となる元素の組み合わせ(すなわち、リチウムイオン(Li+)とカリウムイオン(K+))を選択することによって、低分子量の共晶が形成されるため、混合物の重量当りの蓄熱密度の向上と、凝固点降下度の増大とを両立することができる。さらに、第1の化合物であるLiBH4と、第2の化合物であるKBH4とのモル比4:1で特に適正な組成となり、共晶点を生じるため、混合物の凝固点降下度を最大にできるとともに、単一の相転移又は相変化温度が得られ、特定温度範囲(例えば、150℃以下)で熱利用し易くなる。結果として、相変化温度を低温化(相変化温度:112℃)できるとともに、同温度範囲の従来材料:エリスリトール(相変化温度:120℃、蓄熱密度:320kJ/kg)に比べて、より高い蓄熱密度(339kJ/kg)を実現できた。 As described above, by setting the ionic radius difference between the lithium ion (Li + ), which is the first cation, and the potassium ion (K + ), which is the second cation, in the mixture to be 39 pm or more and 87 pm or less, the compound before mixing can be used. Eutectic formation is formed as a mixture based on the optimum ionic radius difference between cations (if the ionic radius difference is too small, a solid solution is formed, and if it is too large, phase separation occurs), so that the freezing point of the mixture drops. The degree can be increased. Further, among the combinations of two kinds of alkali metal ions in which the difference in ionic radius between cations is 39 pm or more and 87 pm or less, the combination of elements that minimizes the sum of atomic weights of the two kinds of cations (that is, lithium ion (Li + )). And potassium ion (K + )) to form low molecular weight eutectic, which makes it possible to improve the heat storage density per weight of the mixture and increase the degree of freezing point drop. Further, a particularly appropriate composition is obtained at a molar ratio of 4: 1 between the first compound LiBH 4 and the second compound KBH 4, and eutectic points are generated, so that the degree of freezing point depression of the mixture can be maximized. At the same time, a single phase transition or phase change temperature is obtained, which facilitates heat utilization in a specific temperature range (for example, 150 ° C. or lower). As a result, the phase change temperature can be lowered (phase change temperature: 112 ° C.), and the heat storage is higher than that of the conventional material: erythritol (phase change temperature: 120 ° C., heat storage density: 320 kJ / kg) in the same temperature range. A density (339 kJ / kg) could be achieved.

以上のことから、第1のカチオンと、水素及び13又は15族元素からなるアニオンとから構成される第1の化合物と、第2のカチオンと、前記アニオンとから構成される第2の化合物との混合物を含み、前記第1のカチオン及び第2のカチオンがアルカリ金属イオンである潜熱蓄熱材とすることで、アニオンサイズの大きいイオン結合型分子により、化合物の結晶構造の不安定性が高まるとともに、混合により、凝固点降下を生じるため、相転移又は相変化温度を低温化できる。 From the above, the first compound composed of the first cation, the anion composed of hydrogen and the group 13 or 15 element, the second cation, and the second compound composed of the anion By using a latent heat storage material in which the first cation and the second cation are alkali metal ions, the instability of the crystal structure of the compound is enhanced by the ion-bonded molecule having a large anion size. Since the mixing causes a freezing point drop, the phase transition or phase change temperature can be lowered.

本開示にかかる潜熱蓄熱材によれば、第1のカチオンと、水素及び13又は15族元素からなるアニオンから構成される第1の化合物と、第2のカチオンとアニオンから構成される第2の化合物との混合物を含み、前記第1のカチオン及び第2のカチオンがアルカリ金属イオンである潜熱蓄熱材とすることによって、アニオンサイズの大きいイオン結合型分子により、化合物の結晶構造の不安定性が高まるとともに、混合により、凝固点降下を生じ、相転移又は相変化温度を低温化できる。そのため、400℃以下の温度範囲で蓄熱可能であり、かつ蓄熱密度の高い材料が必要となる、自動車、ガスエンジンヒートポンプ等の排ガス浄化触媒下流から排熱回収及び蓄熱し、始動時の暖機等に利用することができる。 According to the latent heat storage material according to the present disclosure, a first compound composed of a first cation, an anion composed of hydrogen and a group 13 or 15 element, and a second compound composed of a second cation and an anion. By using a latent heat storage material containing a mixture with the compound in which the first cation and the second cation are alkali metal ions, the instability of the crystal structure of the compound is enhanced by the ion-bonded molecule having a large anion size. At the same time, the mixing causes a freezing point drop, and the phase transition or phase change temperature can be lowered. Therefore, exhaust heat is recovered and stored from the downstream of the exhaust gas purification catalyst of automobiles, gas engine heat pumps, etc., which can store heat in the temperature range of 400 ° C or less and requires a material with high heat storage density, and warms up at start-up. Can be used for.

Claims (7)

第1のカチオンと、水素及び13若しくは15族元素からなるアニオンとから構成される第1の化合物と、
第2のカチオンと、前記アニオンとから構成される第2の化合物と
の混合物を含み、
前記第1のカチオン及び第2のカチオンがアルカリ金属イオンであり、
前記アニオンが、ボロハイドライドイオン(BH 4 - )である、
潜熱蓄熱材。
A first compound composed of a first cation and an anion composed of hydrogen and a Group 13 or 15 element,
Contains a mixture of a second cation and a second compound composed of said anion.
The first cation and the second cation Ri alkali metal ions der,
The anion is, borohydride ion - is, (BH 4)
Latent heat storage material.
前記第1のカチオンと前記第2のカチオンとのイオン半径差が、39pm以上87pm以下である、請求項1に記載の潜熱蓄熱材。 The latent heat storage material according to claim 1, wherein the difference in ionic radius between the first cation and the second cation is 39 pm or more and 87 pm or less. 第1のカチオンがリチウムイオン(Li+)であり、第2のカチオンがカリウムイオン(K+)である、請求項1又は2に記載の潜熱蓄熱材。 The latent heat storage material according to claim 1 or 2, wherein the first cation is lithium ion (Li + ) and the second cation is potassium ion (K + ). 前記第1の化合物がリチウムボロハイドライ(LiBH4)であり、前記第2の化合物がカリウムボロハイドライ(KBH4)である、請求項1又は2に記載の潜熱蓄熱材。 Wherein said first compound is lithium borohydride high dry de (LiBH 4), wherein said second compound is potassium borohydride high dry de (KBH 4), latent heat storage material according to claim 1 or 2. 前記第1の化合物のLiBH4と前記第2の化合物のKBH4とのモル比が、LiBH4:KBH4=17:3〜7:3である、請求項に記載の潜熱蓄熱材。 Molar ratio of KBH 4 the first LiBH 4 and the second compound compound, LiBH 4: KBH 4 = 17 : 3~7: a 3, latent heat storage material according to claim 4. 請求項1〜のいずれか1項に記載の潜熱蓄熱材を備える、蓄熱システム。 A heat storage system comprising the latent heat storage material according to any one of claims 1 to 5 . 第1のカチオンと、水素及び13若しくは15族元素からなるアニオンとから構成される第1の化合物と、
第2のカチオンと、前記アニオンとから構成される第2の化合物と
の混合物を含み、
前記第1のカチオン及び第2のカチオンがアルカリ金属イオンであり、
前記アニオンが、ボロハイドライドイオン(BH 4 - )である、
潜熱蓄熱材に蓄熱する方法であって、
前記潜熱蓄熱材を収容する容器に沿って、熱源から流出した熱媒体を流通させ、
前記容器を介して前記潜熱蓄熱材と前記熱媒体とを熱交換させて前記潜熱蓄熱材を加熱し、
前記潜熱蓄熱材を融解させることで前記潜熱蓄熱材に蓄熱させる、
方法。
A first compound composed of a first cation and an anion composed of hydrogen and a Group 13 or 15 element,
Contains a mixture of a second cation and a second compound composed of said anion.
The first cation and the second cation Ri alkali metal ions der,
The anion is, borohydride ion - is, (BH 4)
It is a method of storing heat in a latent heat storage material.
A heat medium flowing out of the heat source is circulated along the container containing the latent heat storage material.
The latent heat storage material and the heat medium are exchanged for heat through the container to heat the latent heat storage material.
By melting the latent heat storage material, heat is stored in the latent heat storage material.
Method.
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