(57)【要約】【課題】アルカリ土類金属の水酸化物の脱水反応を利用した蓄熱を行なう化学蓄熱材において、より高い反応率を示し、より低温での蓄熱を実現できる化学蓄熱材を提供すること。【解決手段】化学蓄熱材は、アルカリ土類金属と、鉄及び亜鉛からなる群より選択される少なくとも１種の金属との複合金属水酸化物及び／又は複合金属酸化物を含む。前記鉄及び亜鉛からなる群より選択される少なくとも１種の金属の量は、前記アルカリ土類金属に対して０．１〜４０モル％であってよい。前記化学蓄熱材は、さらに、アルカリ金属の化合物を含んでもよいし、また、金属の酸塩を含んでもよい。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルカリ土類金属と、鉄及び亜鉛からなる群より選択される少なくとも１種の金属との複合金属水酸化物及び／又は複合金属酸化物を含む化学蓄熱材。
【請求項２】
前記鉄及び亜鉛からなる群より選択される少なくとも１種の金属の量は、前記アルカリ土類金属に対して０．１〜４０モル％である、請求項１記載の化学蓄熱材。
【請求項３】
前記アルカリ土類金属が、カルシウム、マグネシウム、ストロンチウム及びバリウムからなる群より選択される少なくとも１種である、請求項１又は２に記載の化学蓄熱材。
【請求項４】
さらに、少なくとも１種のアルカリ金属の化合物を含み、
前記アルカリ金属の化合物の量は、前記アルカリ土類金属に対して０．１〜５０モル％である、請求項１〜３のいずれかに記載の化学蓄熱材。
【請求項５】
前記アルカリ金属が、リチウム、カリウム、及びナトリウムからなる群より選択される少なくとも１種である、請求項４に記載の化学蓄熱材。
【請求項６】
さらに、少なくとも１種の金属の酸塩を含み、
前記金属の酸塩の量は、前記アルカリ土類金属に対して０．０５〜３０モル％である、請求項１〜５のいずれかに記載の化学蓄熱材。
【請求項７】
前記金属の酸塩が、アルカリ金属及びアルカリ土類金属からなる群より選択される少なくとも１種の金属の酸塩である、請求項６に記載の化学蓄熱材。
【請求項８】
前記アルカリ金属及びアルカリ土類金属からなる群より選択される少なくとも１種の金属の酸塩が、リチウム、ナトリウム、カリウム、カルシウム、マグネシウム、ストロンチウム及びバリウムからなる群より選択される少なくとも１種の金属の酸塩である、請求項７に記載の化学蓄熱材。
【請求項９】
前記金属の酸塩が、アルミニウム、鉄、コバルト、ニッケル、銅、及び亜鉛からなる群より選択される少なくとも１種の金属の酸塩である、請求項６に記載の化学蓄熱材。
【請求項１０】
化学蓄熱材の製造方法であって、
アルカリ土類金属の水酸化物及び／又は酸化物の原料と、鉄及び亜鉛からなる群より選択される少なくとも１種の金属を含む成分を混合する工程と、
得られた混合物から、アルカリ土類金属と、鉄及び亜鉛からなる群より選択される少なくとも１種の金属との複合金属水酸化物及び／又は複合金属酸化物を形成する工程、
を含む、製造方法。
【請求項１１】
前記複合金属水酸化物及び／又は複合金属酸化物と、少なくとも１種のアルカリ金属の化合物を混合する工程、
をさらに含む、請求項１０に記載の製造方法。
【請求項１２】
前記複合金属水酸化物及び／又は複合金属酸化物と、少なくとも１種の金属の酸塩を混合する工程、
をさらに含む、請求項１０又は１１に記載の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、化学蓄熱材及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、二酸化炭素排出規制によって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、排熱の利用を進める必要がある。排熱の利用の手段としては、水を利用した１００℃以下の温水蓄熱が知られている。しかし、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）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。したがって、このような排熱の民生利用を進めるためには、より効率の高い蓄熱技術を開発する必要がある。
【０００３】
効率の高い蓄熱技術として化学蓄熱法が挙げられる。化学蓄熱法は、物質の吸着、水和等の化学変化を伴うため、材料自体（水、溶融塩等）の潜熱や顕熱による蓄熱法に比べて単位質量当たりの蓄熱量が高くなる。化学蓄熱法としては、大気中の水蒸気の吸脱着による水蒸気吸脱着法、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による反応等が提案されている。環境への負荷や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。水蒸気吸脱着法に用いられる化学蓄熱材として、アルカリ土類金属水酸化物である水酸化カルシウムや水酸化マグネシウムが知られている。
【０００４】
しかし、これら水酸化カルシウム及び水酸化マグネシウムは、１００〜３００℃の低温域では有効な脱水反応を起こさないため、実用的な蓄熱材として機能しないという問題があった。
【０００５】
この問題を解決するために、特許文献１では、マグネシウムと、ニッケル、コバルト、銅、及びアルミニウムからなる群から選ばれた少なくとも１種の金属成分との複合水酸化物を利用することで、１００〜３００℃程度で蓄熱可能な化学蓄熱材が提案されている。
【０００６】
さらに、特許文献２では、特許文献１に記載の化学蓄熱材の蓄熱量を改善することを目的に、マグネシウム又はカルシウムの水酸化物に、塩化リチウム等の吸湿性金属塩を添加してなる化学蓄熱材が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−３０９５６１号公報
【特許文献２】特開２００９−１８６１１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１及び２に開示された技術によれば、蓄熱動作温度をある程度低温化することができるものの、例えば工場廃熱を蓄熱しようとした時などには、工場廃熱の温度域が２００〜２５０℃又はより低温度域であることから、その蓄熱動作温度は十分に低いものではなく、工場廃熱を効率よく利用することが困難で、動作温度のより一層の低温化を図ることが求められている。蓄熱効率の改良や、蓄熱システムの適用温度域の拡張などの側面からも、化学蓄熱材の動作温度の改良は依然として重要な課題である。
【０００９】
本発明は、上記現状に鑑み、アルカリ土類金属の水酸化物の脱水反応を利用した蓄熱を行なう化学蓄熱材において、より高い反応率を示し、より低温での蓄熱を実現できる化学蓄熱材及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の課題を解決するために、本発明者らが種々検討を重ねたところ、アルカリ土類金属と、鉄及び亜鉛からなる群より選択される少なくとも１種の金属との複合金属水酸化物及び／又は複合金属酸化物を含む化学蓄熱材が、より高い反応率を示し、より低温での蓄熱を実現できることを見出し、本発明に至った。
【００１１】
すなわち第一の本発明は、アルカリ土類金属と、鉄及び亜鉛から選ばれた少なくとも1種の金属からなる複合金属水酸化物及び/又は複合金属酸化物を主成分とする化学蓄熱材に関する。前記鉄及び亜鉛からなる群より選択される少なくとも１種の金属の量は、前記アルカリ土類金属に対して０．１〜４０モル％であることが好ましい。前記アルカリ土類金属が、カルシウム、マグネシウム、ストロンチウム及びバリウムからなる群より選択される少なくとも１種であってもよい。
【００１２】
第一の本発明の一実施形態によると、前記化学蓄熱材は、さらに、少なくとも１種のアルカリ金属の化合物を含み、前記アルカリ金属の化合物の量は、前記アルカリ土類金属に対して０．１〜５０モル％であることが好ましい。前記アルカリ金属が、リチウム、カリウム、及びナトリウムからなる群より選択される少なくとも１種であってもよい。
【００１３】
第一の本発明の一実施形態によると、前記化学蓄熱材は、さらに、少なくとも１種の金属の酸塩を含み、前記金属の酸塩の量は、前記アルカリ土類金属に対して０．０５〜３０モル％であることが好ましい。前記金属の酸塩が、アルカリ金属及びアルカリ土類金属からなる群より選択される少なくとも１種の金属の酸塩であってもよく、前記アルカリ金属及びアルカリ土類金属からなる群より選択される少なくとも１種の金属の酸塩が、リチウム、ナトリウム、カリウム、カルシウム、マグネシウム、ストロンチウム及びバリウムからなる群より選択される少なくとも１種の金属の酸塩であってもよい。また、前記金属の酸塩が、アルミニウム、鉄、コバルト、ニッケル、銅、及び亜鉛からなる群より選択される少なくとも１種の金属の酸塩であってもよい。
【００１４】
第二の本発明は、化学蓄熱材の製造方法であって、アルカリ土類金属の水酸化物及び／又は酸化物の原料と、鉄及び亜鉛からなる群より選択される少なくとも１種の金属を含む成分を混合する工程と、得られた混合物から、アルカリ土類金属と、鉄及び亜鉛からなる群より選択される少なくとも１種の金属との複合金属水酸化物及び／又は複合金属酸化物を形成する工程、を含む、製造方法に関する。
【００１５】
第二の本発明の一実施形態によると、前記製造方法は、前記複合金属水酸化物及び／又は複合金属酸化物と、少なくとも１種のアルカリ金属の化合物を混合する工程、をさらに含むことが好ましい。
【００１６】
第二の本発明の一実施形態によると、前記製造方法は、前記複合金属水酸化物及び／又は複合金属酸化物と、少なくとも１種の金属の酸塩を混合する工程、をさらに含むことが好ましい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によると、アルカリ土類金属の水酸化物の脱水反応を利用した蓄熱を行なう化学蓄熱材において、より高い反応率を示し、より低温での蓄熱を実現できる化学蓄熱材及びその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】実施例１〜３と比較例１で示された反応率の経時変化を示すグラフ（横軸は昇温開始時からの経過時間（秒）、縦軸は反応率（％））
【図２】実施例４及び５と比較例１で示された反応率の経時変化を示すグラフ（横軸は昇温開始時からの経過時間（秒）、縦軸は反応率（％））
【図３】実施例６及び７と比較例１〜３で示された反応率の経時変化を示すグラフ（横軸は昇温開始時からの経過時間（秒）、縦軸は反応率（％））
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施形態を詳細に説明する。
本発明で製造する化学蓄熱材は、アルカリ土類金属の水酸化物及び酸化物による以下の可逆反応を利用したものである。なお、以下の反応式では、アルカリ土類金属としてカルシウム又はマグネシウムを用いた場合について示した。
ＣａＯ＋Ｈ２Ｏ⇔Ｃａ（ＯＨ）２    △Ｈ＝−１０９．２ｋＪ／モル
ＭｇＯ＋Ｈ２Ｏ⇔Ｍｇ（ＯＨ）２    △Ｈ＝−８１．２ｋＪ／モル
【００２０】
各式中、右方向への反応は酸化カルシウム又は酸化マグネシウムの水和発熱反応である。反対に、左方向への反応は水酸化カルシウム又は水酸化マグネシウムの脱水吸熱反応である。すなわち本発明の化学蓄熱材は、水酸化カルシウム又は水酸化マグネシウムの脱水反応が進行することによって蓄熱することができ、また、蓄えられた熱エネルギーを、酸化カルシウム又は酸化マグネシウムの水和反応が進行することによって供給することができる。
【００２１】
本発明における化学蓄熱材は、アルカリ土類金属の水酸化物、アルカリ土類金属の酸化物いずれかを含むものであればよく、双方を含むものであってもよい。前記アルカリ土類金属としては、カルシウム、マグネシウム、ストロンチウム、バリウムが挙げられる。これらを１種のみ含むものであってもよく、２種以上を組み合わせて含むものであっても良い。このうち、カルシウム及び／又はマグネシウムが好ましく、マグネシウムがより好ましい。アルカリ土類金属の水酸化物、アルカリ土類金属の酸化物として、好ましくは、水酸化マグネシウム、水酸化カルシウム、マグネシウムとカルシウムの複合水酸化物、酸化マグネシウム、酸化カルシウム、マグネシウムとカルシウムの複合酸化物が挙げられ、これらを単独で使用しても良いし、２種以上を混合して使用しても良い。
【００２２】
本発明における化学蓄熱材は、複合金属水酸化物及び／又は複合金属酸化物を含むものであり、当該複合金属水酸化物及び／又は複合金属酸化物は、アルカリ土類金属と、鉄及び亜鉛からなる群より選択される少なくとも１種の金属とを含むものである。本発明において、複合金属水酸化物及び／又は複合金属酸化物とは、アルカリ土類金属と、鉄及び／又は亜鉛が化学的に結合した構造を含む水酸化物／酸化物のことをいい、アルカリ土類金属の水酸化物及び／又は酸化物と、鉄及び／又は亜鉛の水酸化物及び／又は酸化物との単なる混合物を指すものではない。
【００２３】
本発明の化学蓄熱材における鉄及び亜鉛からなる群より選択される少なくとも１種の金属の含有量としては、前記アルカリ土類金属の含有量を１００モル％としたときに前記金属の含有量が０．１〜４０モル％となる量であることが好ましい。これより前記金属の含有量が少なくなると、複合金属水酸化物及び／又は複合金属酸化物を形成しても反応率向上または蓄熱温度の低温化を達成することが困難となる。また、前記金属の含有量が前記範囲より多くなると、化学蓄熱材による単位体積又は単位質量あたりの蓄熱量が低下する恐れがあるとともに、さらに固溶限界を超え、前記金属の添加効果が発揮されにくくなる。前記金属の含有量は、３〜４０モル％が好ましく、５〜３０モル％がより好ましく、１０〜２５モル％がさらに好ましい。前記金属の含有量を調節することで、化学蓄熱材の脱水吸熱温度を制御することができる。
【００２４】
本発明の化学蓄熱材は、アルカリ土類金属と、鉄及び亜鉛からなる群より選択される少なくとも１種の金属との複合金属水酸化物及び／又は複合金属酸化物に加えて、さらにアルカリ金属の化合物を含有するものであっても良い。アルカリ金属の化合物をさらに配合することで、化学蓄熱材の反応率をより高めることができる。
【００２５】
前記アルカリ金属の化合物を構成するアルカリ金属としては、リチウム、カリウム、ナトリウムが挙げられ、これらを１種のみ含むものであってもよく、２種以上を組み合わせて含むものであっても良い。このうち、リチウム、ナトリウムが好ましく、リチウムがより好ましい。前記アルカリ金属の化合物としては、本発明の効果を奏するものである限り特に限定されないが、吸湿性を有する塩であって、雰囲気中の水分を吸着するか、又は対応する水和物を生成することができる塩が好ましい。そのような塩としては、例えば、取り扱いが容易なものとして、塩化物、臭化物等のハロゲン化物、水酸化物、炭酸塩、酢酸塩、硝酸塩、又は硫酸塩などが挙げられる。これらを単独で使用しても良いし、２種以上を混合して使用しても良い。
【００２６】
より具体的には、リチウムの塩としては、ハロゲン化リチウム及び／又は水酸化リチウムが好ましく、塩化リチウム、臭化リチウム、及び／又は水酸化リチウムがより好ましい。カリウムの塩としては、ハロゲン化カリウム及び／又は水酸化カリウムが好ましく、塩化カリウム、臭化カリウム、及び／又は水酸化カリウムがより好ましい。ナトリウムの塩としては、ハロゲン化ナトリウム及び／又は水酸化ナトリウムが好ましく、塩化ナトリウム、臭化ナトリウム、及び／又は水酸化ナトリウムがより好ましい。
【００２７】
前記アルカリ金属の化合物の使用量としては、前記複合金属水酸化物及び／又は複合金属酸化物に含まれるアルカリ土類金属の量を１００モル％としたときに、アルカリ金属の化合物の量が０．１〜５０モル％となる量であることが好ましい。これよりアルカリ金属の化合物の量が少なくなると、アルカリ金属の化合物の使用による反応率向上または蓄熱温度の低温化を達成することが困難となる。また、アルカリ金属の化合物の量が前記範囲より多くなると、化学蓄熱材による単位体積又は単位質量あたりの蓄熱量が低下する恐れがある。前記アルカリ金属の化合物の量は、０．５〜３０モル％が好ましく、１．０〜２０モル％がより好ましく、２．０〜１０モル％がさらに好ましい。当該アルカリ金属の化合物の量を調節することで、化学蓄熱材の脱水吸熱温度を制御することができる。
【００２８】
本発明の化学蓄熱材は、アルカリ土類金属と、鉄及び亜鉛からなる群より選択される少なくとも１種の金属との複合金属水酸化物及び／又は複合金属酸化物に加えて、さらに金属の酸塩を含有するものであっても良い。また、アルカリ土類金属と、鉄及び亜鉛からなる群より選択される少なくとも１種の金属との複合金属水酸化物及び／又は複合金属酸化物と、アルカリ金属の化合物に加えて、さらに金属の酸塩を含有するものであっても良い。金属の酸塩をさらに配合することで、化学蓄熱材の反応率をより高めることができる。
【００２９】
金属の酸塩とは、金属の化合物を酸と反応することで形成される塩のことをいい、特には、金属の水酸化物を酸で中和することで形成される塩が好ましい。具体的には、例えば、硝酸マグネシウム、酢酸マグネシウム、安息香酸マグネシウム、クエン酸マグネシウム、硝酸カルシウム、酢酸カルシウム、安息香酸カルシウム、クエン酸カルシウムなどが挙げられるが、これらに限定されない。
【００３０】
前記金属の酸塩を構成する金属としては、カルシウム、マグネシウム、ストロンチウム、バリウム等のアルカリ土類金属；リチウム、ナトリウム、カリウム等のアルカリ金属；アルミニウム、鉄、コバルト、ニッケル、銅及び亜鉛が挙げられる。これらを１種のみ含むものであってもよく、２種以上を組み合わせて含むものであっても良い。このうち、カルシウム及び／又はマグネシウムが好ましく、マグネシウムがより好ましい。前記金属の酸塩を構成するアルカリ土類金属は、前記複合金属水酸化物及び／又は複合金属酸化物を構成するアルカリ土類金属と同じものであってよいし、異なるものであってもよいが、化学蓄熱材の反応率向上の観点から、同じものであることが好ましい。ただし、本発明で使用する金属の酸塩がアルカリ土類金属の酸塩である時、当該アルカリ土類金属の酸塩としては、アルカリ土類金属の炭酸塩および塩化物を用いないことが好ましい。
【００３１】
前記金属の酸塩を構成する酸としては、特に限定されず、公知の酸を適宜使用することができ、無機酸、有機酸のいずれであってもよい。また、水溶性の酸であってもよいし、水に難溶性または不溶性の酸であってもよい。また、１種類のみを使用してもよいし、２種類以上を適宜組み合わせて使用してもよい。
【００３２】
無機酸としては、例えば、塩酸、臭化水素酸、ヨウ化水素酸、フッ化水素酸、ハロゲンオキソ酸、硫酸、硝酸、リン酸、ホスホン酸、スルホン酸、ホウ酸、シアン化水素酸、ヘキサフルオロリン酸などが挙げられる。
【００３３】
有機酸としては、例えば、有機スルホン酸、有機ホスホン酸、脂肪族ヒドロキシ酸（ジヒドロキシ酸、トリヒドロキシ酸を含む）、芳香族ヒドロキシ酸（ジヒドロキシ酸、トリヒドロキシ酸を含む）、脂肪族カルボン酸（ジカルボン酸、トリカルボン酸を含む）、脂肪族不飽和カルボン酸（ジカルボン酸、トリカルボン酸を含む）、芳香族カルボン酸（ジカルボン酸、トリカルボン酸を含む）、芳香族不飽和カルボン酸（ジカルボン酸、トリカルボン酸を含む）、その他のオキシ酸、その他のオキソカルボン酸、アミノ酸、及びこれら誘導体の酸が挙げられる。
【００３４】
有機スルホン酸としては、例えば、メタンスルホン酸、トルフルオロメタンスルホン酸、ベンゼンスルホン酸、ｐ−トルエンスルホン酸などが挙げられる。有機ホスホン酸類としては、例えば、リン酸ジメチルエステル、フェニルホスホン酸などが挙げられる。脂肪族ヒドロキシ酸または芳香族ヒドロキシ酸としては、例えば、乳酸、リンゴ酸、クエン酸、酒石酸などが挙げられる。脂肪族カルボン酸または脂肪族不飽和カルボン酸としては、例えば、蟻酸、酢酸、プロピオン酸、酪酸、アクリル酸、ソルビン酸、ピルビン酸、オキサロ酢酸、スクアリン酸、シュウ酸、マロン酸、コハク酸、グルタル酸、マレイン酸、アコニット酸などが挙げられる。芳香族カルボン酸または芳香族不飽和カルボン酸としては、安息香酸、フタル酸、サリチル酸、シキミ酸、没食子酸、ピロメリト酸などが挙げられる。アミノ酸としては、例えば、アスパラギン酸、グルタミン酸などが挙げられる。
【００３５】
前記金属の酸塩の使用量は、前記複合金属水酸化物及び／又は複合金属酸化物に含まれるアルカリ土類金属の量を１００モル％としたときに、０．０５〜３０モル％であることが好ましい。これより金属の酸塩の使用量が少なくなると、当該酸塩の添加による反応率向上または蓄熱温度の低温化を達成することができない。また、金属の酸塩の使用量が前記範囲より多くなると、母材となる前記複合金属水酸化物及び／又は複合金属酸化物への影響が大きく、化学蓄熱材による単位体積又は単位質量あたりの蓄熱量が低下する恐れがある。前記金属の酸塩の使用量は、０．１〜２０モル％が好ましく、０．３〜１５モル％がより好ましく、０．５〜１０モル％がさらに好ましく、０．８〜８モル％がよりさらに好ましく、１〜６％が特に好ましい。
【００３６】
本発明における化学蓄熱材が前記複合金属水酸化物及び／又は複合金属酸化物と、前記アルカリ金属の化合物及び／又は前記金属の酸塩を含有する場合、前記複合金属水酸化物及び／又は複合金属酸化物と、前記アルカリ金属の化合物及び／又は前記金属の酸塩は、単に物理的に混合又は分散されているものであってもよいが、これに限定されない。各構成成分の一部又は全部が互いと化学的に複合化したものであってよいし、また、各構成成分の一部又は全部が互いと化学的に反応して第三成分を生じているものであってもよい。
【００３７】
本発明の化学蓄熱材は、アルカリ土類金属の水酸化物による吸熱脱水反応とアルカリ土類金属の酸化物の水和発熱反応を利用した化学蓄熱材である。その範囲において、本発明の化学蓄熱材には、他の成分が含まれていても良く、以上で説明した構成成分以外の化学蓄熱成分や、化学蓄熱作用を示さない成分（例えばバインダー）が含まれていても良い。
【００３８】
本発明の化学蓄熱材の形状は特に限定されないが、例えば、粉末や、造粒体、成形体などの形状であってよい。
【００３９】
次に、本発明における化学蓄熱材を製造する方法について説明する。
まず、アルカリ土類金属の水酸化物及び／又は酸化物の原料と、鉄及び亜鉛からなる群より選択される少なくとも１種の金属を含む成分を混合する。前記アルカリ土類金属の水酸化物及び／又は酸化物の原料や、鉄及び／又は亜鉛を含む成分としては、それぞれ、水酸化物、酸化物、塩化物などの形態が挙げられるが、これらに特に限定されない。
【００４０】
次いで、得られた混合物から、前記複合金属水酸化物及び／又は複合金属酸化物を形成する。この形成にあたっては、焼成法、共沈法、金属アルコキシドを用いたゾル−ゲル法などの手法を採用することができるが、複合金属水酸化物及び/又は複合金属酸化物を形成する手法であれば、特に限定されない。
【００４１】
本発明における化学蓄熱材を製造する具体的な手順は特に限定されないが、一例として、アルカリ土類金属の水酸化物の粉末と、亜鉛及び／又は鉄の水酸化物又は酸化物粉末を混合し、焼成を行う。得られた粉末を解砕し、温水中に投入してスラリー状態で水和させた後、スラリーをろ過、乾燥、解砕し、乾燥粉末として複合金属水酸化物を主成分とする化学蓄熱材を製造することができる。
【００４２】
前記複合金属水酸化物及び／又は複合金属酸化物と前記アルカリ金属の化合物を含む化学蓄熱材を製造する場合には、例えば、前記複合金属水酸化物乾燥粉末と、アルカリ金属の化合物をイオン交換水に溶解したアルカリ金属化合物水溶液を混合した後、乾燥させることで化学蓄熱材を製造することができる。この場合の混合方法は複合金属水酸化物とアルカリ金属の化合物が十分に混合できればよく、特に限定されない。
【００４３】
また、前記複合金属水酸化物及び／又は複合金属酸化物と前記金属の酸塩を含む化学蓄熱材を製造する場合には、例えば、前記複合金属水酸化物乾燥粉末を、金属の酸塩をイオン交換水に溶解して調製した金属の酸塩水溶液に加えて、攪拌混合し、再度乾燥させることで、化学蓄熱材を製造することができる。あるいは、金属の酸塩ではなく、酸のみを複合金属水酸化物に添加し、該複合金属水酸化物中のアルカリ土類金属と酸を反応させて、所望の金属の酸塩を含有する化学蓄熱材を製造することもできる。
【００４４】
前記複合金属水酸化物及び／又は複合金属酸化物と前記アルカリ金属の化合物と前記金属の酸塩を含む化学蓄熱材を製造する場合には、前述した製造方法を適宜組み合わせればよい。前記アルカリ金属の化合物の添加と前記金属の酸塩の添加は同時に行なってもよいし、順番に行なってもよい。この場合、添加の順序は特に限定されないが、例えば、最初に金属の酸塩をイオン交換水に溶解して、これに複合金属水酸化物の粉末を加えてスラリーを作製し、続いてアルカリ金属の化合物を添加した後に、乾燥させて化学蓄熱材を製造することができる。
【００４５】
本発明の化学蓄熱材は、１００〜３００℃程度の熱源、例えば工場排熱等からの未利用熱を吸熱して脱水することにより蓄熱することができる。脱水された化学蓄熱材は、乾燥状態に保つことにより容易に蓄熱状態を維持することができ、またその蓄熱状態を維持しながら所望の場所へ持ち運ぶことができる。放熱する場合には、水、好ましくは水蒸気と接触させることにより水和反応熱（場合により、水蒸気収着熱）を熱エネルギーとして取り出すことができる。また、気密封鎖空間内の一方で水蒸気収着を行わせると共に、他方では水を蒸発させることにより冷熱を発生させることもできる。
【００４６】
また、本発明の化学蓄熱材は、エンジンや燃料電池等から排出される排気ガスの熱を有効利用するのにも適している。例えば、排気ガスの熱は、自動車の暖機運転の短縮、搭乗者のアメニティーの向上、燃費の改善、排気ガス触媒の活性向上による排気ガスの低害化等に活用することができる。特に、エンジンでは運転による負荷が一定でなく排気出力も不安定であることから、エンジンからの排気熱の直接利用は必然的に非効率であり、不便を伴う。本発明の化学蓄熱材を利用すると、エンジンからの排気熱を一旦化学的に蓄熱し、熱需要に応じて熱出力することで、より理想的な排気熱利用が可能となる。
【実施例】
【００４７】
以下に実施例を掲げて本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
【００４８】
（評価方法）
各実施例及び比較例で得られた化学蓄熱材について、熱重量／示差熱分析測定装置（ＴＧ／ＤＴＡ６３００、セイコーインスツルメンツ社製）を用いて熱評価を行った。具体的には、昇温速度１０℃／ｍｉｎ．，大気条件下・常圧で、常温から３００℃へ昇温し、その後温度を３００℃で一定に保ち、経時的に重量減少量及び示差熱を測定した。得られた重量減少値に基づいて、各化学蓄熱材中の水酸化マグネシウムが酸化マグネシウムに変化した割合として反応率を算出した。
【００４９】
反応率の算出は、揮発成分等の影響を除外するため、２００℃に昇温した時点での化学蓄熱材の重量を開始重量として反応率０％に設定し、水酸化マグネシウムが全て酸化マグネシウムに変化したと仮定した場合の重量減少値を反応率１００％と定めて行った。
【００５０】
化学蓄熱材の性能評価は、特に、昇温開始時点から４，０００秒が経過した時点での重量減少値から算出された反応率に基づいて行なった。すなわち、本評価方法は、水酸化マグネシウムの熱分解が実質的に進行しない温度である３００℃で化学蓄熱材を所定時間保持した時点での反応率を比較するものである。当該反応率が高いほど、吸熱脱水反応が早く進行しており、蓄熱量が大きく、かつ、より低温の熱によって蓄熱できることを示している。なお、表中の反応率の数字は、絶対値ではなく、比較例１の反応率を基準の１とした時の相対値を示すものである。
【００５１】
本実施例及び比較例で用いた水酸化マグネシウムは本発明者らが製造したものを使用した。水酸化マグネシウムの純度は、多元素同時蛍光Ｘ線分析装置（Ｓｉｍｕｌｔｉｘ１２  株式機会社リガク製）にて、主要な不純物となるＣａ、Ｓｉ、Ｐ、Ｓ、Ｆｅ、Ｂ、Ｎａを酸化物換算し、１００％から減算して算出した。ＢＥＴ比表面積は、比表面積測定装置（Ｍａｃｓｏｒｂ、Ｍｏｕｎｔｅｃｈ  Ｃｏ．Ｌｔｄ．製）を使用して、窒素ガスを用いたガス吸着法（ＢＥＴ法）によりＢＥＴ比表面積を測定した。体積平均粒子径は、レーザー回折散乱式粒度分布測定装置（ＭＴ３３００  日機装株式会社製）を用いて測定した。
【００５２】
（実施例１）
水酸化マグネシウム（純度９９%以上、ＢＥＴ比表面積８．４ｍ２／ｇ、体積平均粒子径３．５μｍ）を５ｇ秤量し、さらに、該水酸化マグネシウムに対して１０モル％となる量の酸化亜鉛（関東化学製、試薬特級）を秤量した。秤量した水酸化マグネシウムと酸化亜鉛を十分に混合し、アルミナ製坩堝に入れ、電気炉（ＡＤＶＡＮＴＥＣ社製  ＦＵＭ３３２ＰＢ）にて９００℃で６時間焼成した。焼成した粉末を解砕後、スラリー化（固形分５％）し、９０℃で１６０時間攪拌して水和反応を行った。反応後のスラリーをろ過後、乾燥機（アドバンテック株式会社製、ＤＲＡ４３０ＤＡ）にて１１０℃で１２時間以上乾燥させて水分を除去することで、化学蓄熱材を製造した。得られた化学蓄熱材について、上記評価方法で熱挙動を確認し、反応率を算出した。
【００５３】
（実施例２）
酸化亜鉛の量を、水酸化マグネシウムに対して２０モル％となる量に変更した以外は実施例１と同様の方法で化学蓄熱材を製造して、同様に反応率を算出した。
【００５４】
（実施例３）
酸化亜鉛の量を、水酸化マグネシウムに対して３０モル％となる量に変更した以外は実施例１と同様の方法で化学蓄熱材を製造して、同様に反応率を算出した。
【００５５】
（実施例４）
実施例１の方法で製造した化学蓄熱材粉末を５ｇ秤量し、さらに、該化学蓄熱材に含まれるマグネシウムの物質量と亜鉛の物質量の合計に対して２０モル％となる量の水酸化リチウム一水和物（関東化学試薬、特級、純度９８．０％）を秤量した。イオン交換水５０ｍＬに、上記で秤量した化学蓄熱剤粉末及び水酸化リチウム一水和物を投入し、マグネチックスターラーで３００秒間、回転数６０（ｒｐｍ）で攪拌してスラリーを作製した。該スラリーを、乾燥機（アドバンテック株式会社製  ＤＲＡ４３０ＤＡ）にて１１０℃で１２時間以上乾燥させて水分を除去することで、リチウムを含む化学蓄熱材を製造した。得られた化学蓄熱材について、上記評価方法で熱挙動を確認し、反応率を算出した。
【００５６】
（実施例５）
水酸化リチウムの代わりに塩化リチウム（関東化学試薬、特級、純度９９．０％）を用いた以外は実施例４と同様の方法で化学蓄熱材を製造して、同様に反応率を算出した。
【００５７】
（実施例６）
実施例１の方法で製造した化学蓄熱材粉末を５ｇ秤量し、さらに、該化学蓄熱材に含まれるマグネシウムの物質量と亜鉛の物質量の合計に対して２．４モル％となる量の硝酸マグネシウム（和光純薬試薬、特級）を秤量し、さらに、該化学蓄熱材に含まれるマグネシウムの物質量と亜鉛の物質量の合計に対して２０モル％となる量の水酸化リチウム一水和物（関東化学試薬、特級、純度９８．０％）を秤量した。秤量した硝酸マグネシウムをイオン交換水５０ｍＬに全溶させて硝酸マグネシウム水溶液を得た。該硝酸マグネシウム水溶液に、上記で秤量した化学蓄熱剤粉末及び水酸化リチウム一水和物を投入し、マグネチックスターラーで３００秒間、回転数６０（ｒｐｍ）で攪拌してスラリーを作製した。該スラリーを、乾燥機（アドバンテック株式会社製、ＤＲＡ４３０ＤＡ）にて１１０℃で１２時間以上乾燥させて水分を除去することで、酸の塩及びリチウムを含む化学蓄熱材を製造した。得られた化学蓄熱材について、上記評価方法で熱挙動を確認し、反応率を算出した。
【００５８】
（実施例７）
硝酸マグネシウムの代わりに酢酸マグネシウム（関東化学試薬、特級）を用いた以外は実施例６と同様の方法で化学蓄熱材を製造して、同様に反応率を算出した。
【００５９】
（比較例１）
水酸化マグネシウム（純度９９%以上、ＢＥＴ比表面積８．４ｍ２／ｇ、体積平均粒子径３．５μｍ）そのものについて、同様に反応率を算出した。
【００６０】
表１では、比較例１で得られた水酸化マグネシウム単体の反応率を基準の１とし、実施例１〜３で得られた反応率を相対反応率に変換して得られた数字を示した。
【００６１】
表２では、比較例１で得られた水酸化マグネシウム単体の反応率を基準の１とし、実施例４及び５で得られた反応率を相対反応率に変換して得られた数字を示した。
【００６２】
表３では、比較例１で得られた水酸化マグネシウム単体の反応率を基準の１とし、実施例６及び７と比較例２及び３で得られた反応率を相対反応率に変換して得られた数字を示した。
【００６３】
図１は、実施例１〜３と比較例１で示された反応率の経時変化を示すグラフである。
【００６４】
図２は、実施例４及び５と比較例１で示された反応率の経時変化を示すグラフである。
【００６５】
図３は、実施例６及び７と比較例１〜３で示された反応率の経時変化を示すグラフである。
【００６６】
なお、表１〜３で示した相対反応率は、図１〜３におけるグラフの４，０００秒時点での反応率に基づいて算出した相対値である。
【００６７】
【表１】
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【００６８】
【表２】
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【００６９】
【表３】
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【００７０】
表１と図１より、実施例１〜３のアルカリ土類金属と亜鉛との複合金属水酸化物／酸化物からなる化学蓄熱材は、比較例１のアルカリ土類金属単体の水酸化物／酸化物からなる化学蓄熱材と比較して、反応率が大幅に高く、吸熱脱水反応が迅速に進行していることが確認できる。これより、実施例１〜３の化学蓄熱材は、比較例１の水酸化マグネシウム単体と比較して、蓄熱量が大きく、また、より低温の熱でも蓄熱できることが分かる。
【００７１】
また、表２と図２より、アルカリ土類金属と亜鉛との複合金属水酸化物／酸化物に対し、アルカリ金属の化合物を添加してなる実施例４及び５の化学蓄熱材は、反応率がさらに向上していることが確認できる。
【００７２】
さらに、表３と図３より、アルカリ土類金属と亜鉛との複合金属水酸化物／酸化物に対し、アルカリ金属の化合物及び金属の酸塩を添加してなる実施例６〜７の化学蓄熱材は、比較例１のアルカリ土類金属単体の水酸化物／酸化物からなる化学蓄熱材、及び、亜鉛を含まず、アルカリ土類金属単体の水酸化物／酸化物に対しアルカリ金属の化合物及び金属の酸塩を添加してなる比較例２及び３の化学蓄熱材と比較して、反応率が向上していることが確認できる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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