(57)【要約】【課題】蓄熱量が大きい蓄熱材料、触媒ユニット、及び蓄熱システムを提供すること。【解決手段】強相関電子系材料と、多孔質材料とを含む蓄熱材料（５）。前記強相関電子系材料は、金属−絶縁体相転移するものであることが好ましい。前記強相関電子系材料は、遷移金属酸化物であることが好ましい。前記多孔質材料の比表面積は、１ｍ２／ｇ以上であることが好ましい。蓄熱材料を含む触媒担体（１７）と、前記触媒担体に担持された触媒と、を含む触媒ユニット。熱輸送媒体の流路（３５）と、前記流路を流れる熱輸送媒体（１０１）と熱交換を行う上述した蓄熱材料（２５）と、前記蓄熱材料に蒸気を供給する蒸気供給ユニット（２３、２７、３１）と、を備えることを特徴とする蓄熱システム（１９）。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
強相関電子系材料と、多孔質材料とを含む蓄熱材料（５）。
【請求項２】
請求項１に記載の蓄熱材料であって、
前記強相関電子系材料が、金属−絶縁体相転移するものであることを特徴とする蓄熱材料。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の蓄熱材料であって、
前記強相関電子系材料が、遷移金属酸化物であることを特徴とする蓄熱材料。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の蓄熱材料であって、
前記多孔質材料の比表面積が１ｍ２／ｇ以上であることを特徴とする蓄熱材料。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の蓄熱材料を含む触媒担体（１７）と、
前記触媒担体に担持された触媒と、
を含む触媒ユニット。
【請求項６】
熱輸送媒体の流路（３５）と、
前記流路を流れる熱輸送媒体（１０１）と熱交換を行う請求項１〜４のいずれか１項に記載の蓄熱材料（２５）と、
前記蓄熱材料に蒸気を供給する蒸気供給ユニット（２３、２７、３１）と、
を備えることを特徴とする蓄熱システム（１９）。
【請求項７】
請求項６に記載の蓄熱システムであって、
前記熱輸送媒体は、エネルギー変換器（２１）が排出する排ガス（１０１）、又は前記エネルギー変換器の冷却に用いられる冷却媒体であることを特徴とする蓄熱システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蓄熱材料、触媒ユニット、及び蓄熱システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、電子相転移する物質から成る蓄熱材料が知られている（特許文献１参照）。この蓄熱材料は、電子相転移にともなうエンタルピー変化を蓄熱に利用する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−１６３５１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１記載の蓄熱材料は、必ずしも十分な熱量を蓄えることができなかった。本発明は、こうした問題にかんがみてなされたものであり、蓄熱量が大きい蓄熱材料、触媒ユニット、及び蓄熱システムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の蓄熱材料は、強相関電子系材料と、多孔質材料とを含む。本発明の蓄熱材料は、蓄熱量を大きくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】蓄熱材料の形態を表す説明図である。
【図２】蓄熱材料の形態を表す説明図である。
【図３】蓄熱材料の形態を表す説明図である。
【図４】触媒担体１７の形態を表す説明図である。
【図５】触媒ユニットが奏する作用を表す説明図である。
【図６】触媒システム１９を含むシステム全体の構成を表す説明図である。
【図７】バルブ３１が開の状態にある触媒システム１９の構成を表す説明図である。
【図８】バルブ３１が閉の状態にある触媒システム１９の構成を表す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
本発明の実施形態を説明する。
１．蓄熱材料
（１−１）強相関電子系材料
本発明の蓄熱材料は、強相関電子系材料を含む。強相関電子系材料は、電子間の強いクーロン反発力により、電子が持つスピン・軌道・電荷の自由度のうち少なくとも一つ以上が顕在化した系である。顕在化したスピン・軌道・電荷の自由度は、それぞれ、秩序−無秩序相転移によって状態数の変化に伴う大きなエントロピー変化を示す（顕在化したスピン・軌道・電荷の自由度の相転移は、電子相転移と呼ばれる）。
【０００８】
強相関電子系材料としては、例えば、金属−絶縁体相転移するものが挙げられる。また、強相関電子系材料としては、例えば、遷移金属酸化物が挙げられる。
強相関電子系材料の具体例としては、例えば、Ｖ（１−Ｘ）ＷＸＯ２（０≦Ｘ≦０．０６５０）、Ｖ（１−Ｘ）ＴａＸＯ２（０≦Ｘ≦０．１１７）、Ｖ（１−Ｘ）ＮｂＸＯ２（０≦Ｘ≦０．１１５）、Ｖ（１−Ｘ）ＲｕＸＯ２（０≦Ｘ≦０．１５０）、Ｖ（１−Ｘ）ＭｏＸＯ２（０≦Ｘ≦０．１６１）、Ｖ（１−Ｘ）ＲｅＸＯ２（０≦Ｘ≦０．０９６４）、ＬｉＭｎ２Ｏ４、ＬｉＶＳ２、ＬｉＶＯ２、ＮａＮｉＯ２、ＬｉＲｈ２Ｏ４、Ｖ２Ｏ３、Ｖ４Ｏ７、Ｖ６Ｏ１１、Ｔｉ４Ｏ７、ＳｍＢａＦｅ２Ｏ５、ＥｕＢａＦｅ２Ｏ５、ＧｄＢａＦｅ２Ｏ５、ＴｂＢａＦｅ２Ｏ５、ＤｙＢａＦｅ２Ｏ５、ＨｏＢａＦｅ２Ｏ５、ＹＢａＦｅ２Ｏ５、ＰｒＢａＣｏ２Ｏ５．５、ＤｙＢａＣｏ２Ｏ５．５４、ＨｏＢａＣｏ２Ｏ５．４８、ＹＢａＣｏ２Ｏ５．４９等が挙げられる。これらはいずれも、金属−絶縁体相転移するものであり、遷移金属酸化物である。
【０００９】
（１−２）多孔質材料
本発明の蓄熱材は、多孔質材料を含む。多孔質材料は、ミクロポーラス材料、メソポーラス材料、及びマクロポーラス材料のいずれであってもよい。多孔質材料としては、例えば、ゼオライト、活性炭、ＳｉＯ２系多孔質材料（例えば珪藻土）等が挙げられる。
【００１０】
多孔質材料の比表面積は１ｍ２／ｇ以上であることが好ましい。この範囲内であることにより、多孔質材料に蒸気の分子を吸着させ、蒸発潜熱を蓄熱する効果が一層顕著になる。なお、比表面積は、ＢＥＴ法により測定した値である。
【００１１】
多孔質材料における細孔径は０．１ｎｍ以上であることが好ましい。この範囲内であることにより、多孔質材料に蒸気の分子を吸着させ、蒸発潜熱を蓄熱する効果が一層顕著になる。なお、細孔径は、多孔質材料を撮影したＳＥＭ写真又はＴＥＭ写真において計測した細孔径から算出することができる。
【００１２】
（１−３）蓄熱材料の形態
本発明の蓄熱材料における、強相関電子系材料と多孔質材料との形態の例としては、例えば、図１に示す形態Ａと、図２に示す形態Ｂと、図３に示す形態Ｃとがある。形態Ａでは、強相関電子系材料を含む海１の中に、多孔質材料を含む島３が分散しており、その島３は、蓄熱材料５における表面７側に偏在している。強相関電子系材料を含む海１は、強相関電子系材料から成るものであってもよいし、さらに他の材料を含んでいてもよい。また、多孔質材料を含む島３は、多孔質材料から成るものであってもよいし、さらに他の材料を含んでいてもよい。
【００１３】
島が偏在する表面７は、蓄熱材料５が熱輸送媒体等から熱を受け取る側の表面であることが好ましい。島３が偏在する表面７は、蓄熱材料５における一方の表面であってもよいし、複数の側の表面（例えば、蓄熱材料５における一方の側の表面と、その反対側の表面）であってもよい。
【００１４】
また、形態Ｂの蓄熱材料５では、多孔質材料を含む海９の中に、強相関電子系材料を含む島１１が分散している。多孔質材料を含む海９は、多孔質材料から成るものであってもよいし、さらに他の材料を含んでいてもよい。また、強相関電子系材料を含む島１１は、強相関電子系材料から成るものであってもよいし、さらに他の材料を含んでいてもよい。
【００１５】
また、形態Ｃの蓄熱材料５では、強相関電子系材料を含む海１３の中に、多孔質材料を含む島１５が分散している。強相関電子系材料を含む海１３は、強相関電子系材料から成るものであってもよいし、さらに他の材料を含んでいてもよい。また、多孔質材料を含む島１５は、多孔質材料から成るものであってもよいし、さらに他の材料を含んでいてもよい。
【００１６】
（１−４）蓄熱材料の組成比
本発明の蓄熱材料における強相関電子系材料の重量比は、２０ｗｔ％以上であることが好ましい。この範囲であることにより、蓄熱量を一層大きくすることができる。また、本発明の蓄熱材料における多孔質材料の重量比は、９０ｗｔ％以下であることが好ましい。この範囲であることにより、吸着性能が一層向上する。
【００１７】
本発明の蓄熱材料は、強相関電子系材料と多孔質材料とから成るものであってもよいし、さらに他の材料を含んでいてもよい。
（１−５）蓄熱材料の効果
強相関電子系材料は単位体積当りの蓄熱量が大きい。本発明の蓄熱材料は、その強相関電子系材料を含むため、単位体積当りの蓄熱量が大きい。
【００１８】
さらに、本発明の蓄熱材は、蒸気の分子を多孔質材料に吸着させることができる。このとき、蒸発潜熱が発生し、本発明の蓄熱材料は、その蒸発潜熱も蓄熱することができる。よって、本発明の蓄熱材料は、蒸気を含む環境下で蓄熱するとき、一層多くの熱を蓄熱することができる。
【００１９】
また、本発明の蓄熱材料は、多孔質材料に吸着していた蒸気の分子を、多孔質材料から脱離させることができる。このとき、蓄熱材料から蒸発潜熱が奪われ、蓄熱材料は冷却される。
【００２０】
２．触媒ユニット
（２−１）触媒担体
本発明の触媒ユニットは、上述した蓄熱材料を含む触媒担体を有する。触媒担体は、蓄熱材料から成るものであってもよいし、さらにそれ以外の材料を含んでいてもよい。触媒担体の形状は、従来の触媒ユニットに用いられていた形状の中から適宜選択することができ、例えば、図４に示すハニカム形状の触媒担体１７とすることができる。
【００２１】
（２−２）触媒
本発明の触媒ユニットは、上述した触媒担体に担持された触媒を含む。触媒の種類は特に限定されず、公知の触媒（例えば、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ等）から適宜選択できる。触媒は、例えば、ウオッシュコート法等の方法で、触媒担体の表面に担持することができる。
【００２２】
（２−３）触媒ユニットの効果
本発明の触媒ユニットは、蓄熱材料を含む触媒担体を有するので、温度変化が緩和される。そのため、触媒反応を安定して行うことができる。
【００２３】
また、蓄熱材料は多孔質材料を含むので、上述したとおり、蒸発潜熱を蓄熱することができる。そのため、蓄熱材料を含む触媒担体、及びそれに担持された触媒の温度が一層高くなり、結果として、触媒ユニットにおける触媒反応が一層促進される。
【００２４】
（２−４）触媒ユニットの用途
本発明の触媒ユニットは、種々の用途に用いることができ、例えば、内燃機関（例えばガソリンエンジン、ディーゼルエンジン等）の排ガスを浄化する用途に用いることができる。排ガスを浄化する用途に用いる場合、図５に示すように、触媒担体１７に担持した触媒により、排ガス中のＣＯ、ＣＨ、ＮＯｘ等を浄化することができる。また、排ガスを浄化する用途に用いる場合、排ガスに含まれる蒸気の分子が、蓄熱材料に含まれる多孔質材料における細孔に吸着する。その結果、触媒担体、及びそれに担持された触媒の温度が一層高くなり、排ガスを浄化する触媒反応が一層促進される。
【００２５】
３．蓄熱システム
（３−１）熱輸送媒体の流路
本発明の蓄熱システムは、熱輸送媒体の流路を備える。流路としては、例えば、中空配管等が挙げられる。熱輸送媒体としては、例えば、エネルギー変換器が排出する排ガス、又はエネルギー変換器の冷却に用いられる冷却媒体等が挙げられる。エネルギー変換機としては、例えば、内燃機関、燃料電池等が挙げられる。冷却媒体は、液体（例えば、水、アルコール、油、有機溶媒等）であってもよいし、気体（例えば空気、窒素ガス、希ガス等）であってもよい。
【００２６】
（３−２）蓄熱材料
本発明の蓄熱システムは、流路を流れる熱輸送媒体と熱交換を行う蓄熱材料を備える。蓄熱材料は、上述したものである。蓄熱材料は、例えば、流路の外周面の少なくとも一部と接触させることができる。また、蓄熱材料は、他の部材（例えば、熱伝導率が蓄熱材料より高い材料から成る部材）を介して、熱輸送媒体と熱交換を行ってもよい。熱交換は、熱輸送媒体の熱を蓄熱材料に蓄えるものであってもよいし、蓄熱材料に蓄えていた熱を熱輸送媒体に放出するものであってもよい。
【００２７】
（３−３）蒸気供給ユニット
本発明の蓄熱システムは、蓄熱材料に蒸気を供給する蒸気供給ユニットを備える。蒸気供給ユニットにより蓄熱材料に蒸気を供給し、蒸気の分子が蓄熱材料に含まれる多孔質材料に吸着すると、蒸発潜熱が発生する。そのため、本発明の蓄熱システムは、蓄熱材料に蒸発潜熱を蓄熱することができる。また、本発明の蓄熱システムは、蓄熱材料に蓄熱した蒸発潜熱を熱輸送媒体に放出することができる。
【００２８】
（３−４）蓄熱システムの効果
本発明の蓄熱システムが備える蓄熱材料は、強相関電子系材料と、多孔質材料とを含む。そのため、本発明の蓄熱システムは、熱輸送媒体の熱を一層多く蓄積し、また、一層多くの熱を熱輸送媒体に放出することができる。
【００２９】
また、本発明の蓄熱システムは、蓄熱材料に蒸気を供給する蒸気供給ユニットを備える。本発明の蓄熱システムは、上述したとおり、蒸気供給ユニットにより、蓄熱材料に蒸発潜熱を蓄熱することができる。そのため、本発明の蓄熱システムは、一層多くの熱を熱輸送媒体に放出することができる。
（実施例１）
まず、VO2粉末を冶具の下部に充填した。その後、さらに、ゼオライト粉末とVO2粉末との混合粉末を、治具の上部に充填した。ゼオライト粉末の比表面積は３５０ｍ２／ｇである。次に、ホットプレスの手法を用いて焼結し、図１に示す形態Ａの蓄熱材料を製造した。
【００３０】
なお、製造した蓄熱材料のうち、ゼオライト粉末とVO2粉末との混合粉末から成る部分が、多孔質材料（ゼオライト）を含む島が分散した部分となる。
VO2粉末は強相関電子系材料の一例である。ゼオライト粉末は多孔質材料の一例である。VO2粉末に代えて、他の強相関電子系材料を用いてもよい。また、ゼオライト粉末に代えて、他の多孔質材料を用いてもよい。また、ホットプレスの手法に代えて、放電プラズマ焼結（ＳＰＳ）、熱間等方圧加圧法（ＨＩＰ）等の手法で焼結してもよい。
（実施例２）
ゼオライト粉末とVO2粉末との混合粉末を治具に充填した。このとき、ゼオライト粉末の重量は、VO2粉末の重量に比べて多くした。ゼオライト粉末の比表面積は３５０ｍ２／ｇである。次に、ホットプレスの手法を用いて焼結し、図２に示す形態Ｂの蓄熱材料を製造した。
【００３１】
VO2粉末に代えて、他の強相関電子系材料を用いてもよい。また、ゼオライト粉末に代えて、他の多孔質材料を用いてもよい。また、ホットプレスの手法に代えて、放電プラズマ焼結（ＳＰＳ）、熱間等方圧加圧法（ＨＩＰ）等の手法で焼結してもよい。
（実施例３）
ゼオライト粉末とVO2粉末との混合粉末を治具に充填した。このとき、ゼオライト粉末の重量は、VO2粉末の重量に比べて少なくした。ゼオライト粉末の比表面積は３５０ｍ２／ｇである。次に、ホットプレスの手法を用いて焼結し、図３に示す形態Ｃの蓄熱材料を製造した。
【００３２】
VO2粉末に代えて、他の強相関電子系材料を用いてもよい。また、ゼオライト粉末に代えて、他の多孔質材料を用いてもよい。また、ホットプレスの手法に代えて、放電プラズマ焼結（ＳＰＳ）、熱間等方圧加圧法（ＨＩＰ）等の手法で焼結してもよい。
（実施例４）
（ａ）蓄熱システム１９の構成
蓄熱システム１９の構成を図６〜図８に基づき説明する。図６に示すように、エネルギー変換器２１が排出した排ガス１０１は蓄熱システム１９内を通過する。なお、エネルギー変換器２１は、内燃機関又は燃料電池である。また、排ガス１０１は熱輸送媒体の一例である。
【００３３】
蓄熱システム１９内を通過する排ガス１０１の温度が高ければ、蓄熱システム１９は排ガス１０１の熱を蓄熱する。また、排ガス１０１の温度が低ければ、蓄熱システム１９は、それまで蓄熱していた熱を排ガス１０１に放出し、排ガス１０１の温度を上げる。
【００３４】
排ガス１０１の温度が上がると、エネルギー変換器２１の暖気を迅速に行うことができる。また、排ガス１０１の温度が上がると、排ガス１０１を浄化する触媒反応を促進することができる。
【００３５】
図７、図８に示すように、蓄熱システム１９は、中空の容器２３と、その内部に収容された蓄熱材料２５及び水２７を備える。容器２３は、その中央に細くくびれた通路２９を備える。通路２９には開閉自在のバルブ３１が設けられている。バルブ３１は、図７に示すように、通路２９を開放する状態と、図８に示すように、通路２９を閉じる状態とのうちのいずれの状態も実現できる。バルブ３１はユーザが手動で操作するものであってもよいし、蓄熱システム１９が備える制御部、又は外部からの指令に応じて自動的に動作するものであってもよい。
【００３６】
蓄熱材料２５は、容器２３の内部のうち、通路２９よりも上方に存在する。蓄熱材料２５は、メッシュ状の支持板３３により、下方に落下しないように支持されている。蓄熱材料２５は、前記実施例１で製造したものである。また、蓄熱材料２５は、前記実施例２又は前記実施例３で製造したものであってもよい。水２７は、容器２３の内部のうち、通路２９よりも下側に存在する。
【００３７】
容器２３の上方には、容器２３を横方向に貫通する媒体流路３５が設けられている。媒体流路３５と、容器２３の内部とは、容器２３の外壁３７により隔てられ、連通していない。蓄熱材料２５は媒体流路３５の周囲に配置されている。媒体流路３５は、排ガス１０１の流路である。
【００３８】
また、容器２３の下方には、容器２３を横方向に貫通する空気流路３９が設けられている。空気流路３９と、容器２３の内部とは、容器２３の外壁３７により隔てられ、連通していない。水２７は、空気流路３９の周囲に存在する。空気流路３９は、水２７を冷却するための空気１０３の流路である。
【００３９】
なお、容器２３、水２７、及びバルブ３１は、蓄熱材料２５に蒸気（水蒸気）を供給する蒸気供給ユニットの一例である。
（ｂ）蓄熱システム１９が実行する処理
（ｂ−１）蓄熱処理
排ガス１０１の温度が高いとき、排ガス１０１の熱は蓄熱材料２５に蓄熱される。このとき、バルブ３１は、図７に示すように、開の状態となる。蓄熱によって蓄熱材料２５の温度が上昇すると、後述する第１の放熱処理によって蓄熱材料２５に吸着していた水蒸気は蒸発し、通路２９を通り、容器２３の下方に移動する。そして、空気１０３により冷却されている水２７に接触し、凝縮する。上記のように、蓄熱材料２５から水蒸気が除去されることで、蓄熱材料２５は再生する。
【００４０】
（ｂ−２）第１の放熱処理
第１の放熱処理では、図７に示すように、バルブ３１は開の状態となる。排ガス１０１の温度が低いとき、蓄熱材料２５は、それまで蓄熱していた熱を排ガス１０１に放出する。さらに、水２７から蒸発した水蒸気が、蓄熱材料２５に含まれる多孔質材料に吸着する。このことにより、蓄熱材料２５には、蒸発潜熱が蓄熱される。蓄熱材料２５は、その蒸発潜熱も、排ガス１０１に放出する。
【００４１】
水２７から水蒸気が蒸発するとき、水２７から蒸発潜熱が奪われ、水２７は冷却される。そのため、空気１０３は、水２７により冷却される。
なお、蓄熱システム１９は、第１の放熱処理と、後述する第２の放熱処理とのうちの一方を選択して行うことができる。
【００４２】
（ｂ−３）第２の放熱処理
第２の放熱処理では、図８に示すように、バルブ３１は閉の状態となる。排ガス１０１の温度が低いとき、蓄熱材料２５は、それまで蓄熱していた熱を排ガス１０１に放出する。なお、バルブ３１は閉の状態であるので、水２７から蒸発した水蒸気が、蓄熱材料２５に含まれる多孔質材料に吸着することはない。
【００４３】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されることなく、種々の形態を採り得る。
（１）前記実施例４において、蓄熱システム１９は、排ガス１０１に代えて、エネルギー変換器２１の冷却に用いられる冷却水（冷却媒体の一例）の熱を蓄熱し、蓄熱した熱を冷却水に放出してもよい。この場合、冷却水の温度を安定化し、過度に低下しないようにすることができる。そのため、エネルギー変換器２１の暖気を迅速に行うことができる。
（２）上記実施形態における１つの構成要素が有する機能を複数の構成要素として分散させたり、複数の構成要素が有する機能を１つの構成要素に統合させたりしてもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、同様の機能を有する公知の構成に置き換えてもよい。また、上記実施形態の構成の一部を省略してもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加又は置換してもよい。なお、特許請求の範囲に記載した文言のみによって特定される技術思想に含まれるあらゆる態様が本発明の実施形態である。  
(３)上述した蓄熱材料の他、蓄熱方法等、排ガス浄化方法、熱交換方法等、種々の形態で本発明を実現することもできる。
【符号の説明】
【００４４】
１、９、１３…海、３、１１、１５…島、５…蓄熱材料、７…表面、１７…触媒担体、１９…蓄熱システム、２１…エネルギー変換器、２３…容器、２５…蓄熱材料、２７…水、２９…通路、３１…バルブ、３３…支持板、３５…媒体流路、３７…外壁、３９…空気流路、１０１…排ガス、１０３…空気
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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