長時間動作でも劣化しない磁気冷凍用の合金群開発―繰り返し使用可能で高効率な水素液化システム構築へ：物質・材料研究機構ほか
(2022年4月1日発表)
（国）物質・材料研究機構と東北大学、（公財）高輝度光科学研究センターの共同研究グループは4月1日、水素の液化に必要な全温度範囲をカバーする磁気冷凍用の合金群を開発したと発表した。液化効率が高く、繰り返し使用可能で、製造コストも安い水素液化システムの実現が期待されるという。
水素は二酸化炭素を出さない脱炭素社会のクリーンな燃料として期待され、水素社会実現に向けて各種の技術開発が推進されている。その一つが液体水素製造技術の開発。
水素はガスのままではかさばるため、貯蔵や輸送に液化が欠かせない。しかし、水素の液化温度は-253℃（20K（ケルビン））と低く、コンプレッサーを用いて圧縮･膨張を繰り返しながら冷やしていく従来の気体冷凍法ではコスト高になる。そのため、新たな高効率、低コストの冷凍技術が求められている。
研究グループが開発したのは磁気冷凍と呼ばれる冷凍法に関する技術。
磁気冷凍は、磁気エントロピーの増加に伴う吸熱現象を利用して冷却する技術で、従来の気体冷凍法の水素液化効率が約25％なのに対し、50％以上の効率が原理的に可能とされ、加えて、大型のコンプレッサーを必要としないので装置のコンパクト化や製造コストの大幅な低減が期待されている。
水素を液化するには液体窒素温度（77K）までは気体冷凍法で冷却し、その先の20Kまでは、冷却動作温度が異なる複数の磁気冷凍材料を使って冷却するが、この技術の開発に取り組んできた物質･材料研究機構は2年ほど前に優れた磁気冷凍材料を発見した。だが、これまで発見された磁気冷凍材料は冷却サイクルを繰り返すと材料の劣化が進行するという課題を抱えていた。
今回、冷凍能力が非常に大きい磁性体であるエルビウム･ホルニウム･コバルト系化合物のコバルトを鉄やニッケルなどでわずかに置換すると磁場印可･温度昇降の繰り返しに伴う構造変化による体積膨張が抑えられ、材料が劣化しないことを発見した。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で水素液化に必要な全温度範囲（77K～20K）をカバーできる一連の材料群の開発に成功した。
開発した材料群は，磁気冷凍システムの高効率長時間動作の実現が期待されることから、液体水素製造技術の構築に有望としている。
