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相変化材料（PCM ）とは、相転移時に十分なエネルギーを放出または吸収することで、有用な熱や冷却を提供する物質のことです。一般的に、相転移は物質の最初の2つの基本状態である固体と液体から他方の状態への変化です。相転移は、結晶の適合性など、非古典的な物質の状態間でも起こり得ます。この場合、物質はある結晶構造に適合する状態から、より高いエネルギー状態またはより低いエネルギー状態である別の結晶構造に適合する状態へと変化します。
物質を固体から液体に変化させるのに必要なエネルギーは、融解エンタルピーとして知られています。融解エンタルピーは温度上昇には寄与しません。そのため、物質が相変化を起こしている間に加えられた熱エネルギーは、温度上昇を引き起こしません。融解エンタルピーは一般的に比熱容量よりもはるかに大きいため、物質が等温状態を保ったまま大量の熱エネルギーを吸収することができます。例えば、氷を溶かすには333.55 J/gが必要ですが、水はわずか4.18 J/gの熱を加えるだけで1度上昇します。したがって、水/氷は非常に効果的な相変化物質であり、少なくともアケメネス朝ペルシア帝国の時代から、冬の冷気を蓄えて夏の建物を冷やすために使用されてきました。
相変化温度（PCT）で融解と凝固を繰り返すことで、PCMは顕熱蓄熱に比べて大量のエネルギーを蓄えたり放出したりすることができます。熱は、材料が固体から液体へ、あるいは液体から固体へと変化する時、または材料の内部構造が変化する時に吸収または放出されます。そのため、PCMは潜熱蓄熱（LHS）材料とも呼ばれます。
相変化物質には大きく分けて2種類あります。1つは石油、植物、動物由来の有機（炭素含有）物質、もう1つは塩水和物で、これらは一般的に海水や鉱床由来の天然塩を使用するか、他のプロセスの副産物として生成されます。3つ目の種類は固体から固体への相変化です。
PCM（相変化材料）は、エネルギー貯蔵や安定した温度が必要とされる様々な商業用途で使用されており、例えば、加熱パッド、電話交換機の冷却、衣類などが挙げられる。
圧倒的に最大の潜在市場は、建物の冷暖房分野です。この用途において、PCM（相変化材料）は、再生可能エネルギーのコストが徐々に低下していることと、その電力が断続的であることから、大きな可能性を秘めています。断続的な電力供給は、ピーク需要と供給量のミスマッチを引き起こす可能性があります。北米、中国、日本、オーストラリア、南ヨーロッパ、その他夏が暑い先進国では、供給のピークは正午頃である一方、需要のピークは午後5時から午後8時頃です。 こうした状況が、蓄熱媒体の活用機会を生み出しています。
PCM（相変化材料）には、大きく分けて2つの一般的な使用方法があります。1つ目は、受動的に使用する方法です。この場合、PCMは温度差によって熱を吸収・放出するように配置され、それによって温度変化を緩和します。このような用途では、PCMをカプセル化し、調整対象となる物体や空間の構造に組み込むことができます。また、特に繊維への組み込みが必要な場合など、一部の用途では、相変化材料をマイクロカプセル化します。マイクロカプセル化により、PCMのコアが溶融した後も、材料は小さな気泡の形で固体状態を保つことができます。
あるいは、PCMを容器に封入し、容器内のPCMに浸漬された熱交換器を通して熱伝達流体を循環させることで、PCMへの熱の流れを制御することもできる。この場合、システムは「蓄熱電池」または「TES」（熱エネルギー貯蔵）のサブカテゴリーに属し、顕熱貯蔵も含まれる。
熱エネルギー貯蔵に使用される相変化材料（PCM）は、一般的にその化学組成と相転移挙動に基づいて分類されます。ほとんどのレビューでは、有機、無機、共晶PCMの3つの大まかなグループを区別しており、最近では、複合PCMとマイクロカプセル化PCMは、低い熱伝導率、漏洩、相分離などの欠点を克服するために特別に設計されているため、別のサブクラスとして考えられています。[ 1 ] [ 2 ]
有機PCMは主にパラフィンワックス（直鎖アルカン）と脂肪酸、脂肪アルコール、ポリオールなどの非パラフィン有機物に基づいています。[ 1 ]これらは比較的狭い温度範囲で固体-液体相転移を起こし、建物に関連する温度範囲（0～65 ℃）で通常約150～250 kJ・kg⁻¹の潜熱値を示します。[ 3 ]有機PCMは化学的に安定しており、過冷却がほとんどまたは全くなく、サイクル安定性も優れているため、長期運転に適しています。また、ほとんどの容器材料に対して非腐食性であり、石油化学またはバイオベースの原料から製造できます。
しかし、有機PCMは一般的に熱伝導率が低い（通常約0.2 W·m⁻¹·K⁻¹）ため、導電性充填材やフィンを追加しない限り、蓄熱と放出の速度が制限されます。[ 1 ]パラフィンは可燃性でもあり、一部の脂肪酸系PCMは臭気を発したり、複合システム内のポリマーマトリックスと相互作用したりする可能性があります。また、密度が低いため、体積エネルギー密度は多くの無機塩水和物よりも低くなります。
無機PCMには、塩水和物（例えば、硫酸ナトリウム十水和物、塩化カルシウム六水和物）、無水塩、酸化物、金属合金が含まれます。[ 2 ]塩水和物は、一般的な有機PCMよりも高い熱伝導率と高い体積蓄熱密度に加え、比較的高い潜熱（多くの場合200～300 kJ・kg⁻¹）を兼ね備えているため、低温および中温の熱エネルギー貯蔵用として広く研究されています。[ 3 ]無機PCMは不燃性であり、多くの組成が安価であるため、建物の外皮、ヒートポンプ、産業廃熱回収などの大規模システムにとって魅力的です。
塩水和物の主な欠点は、過冷却、相分離、不均一融解を起こしやすいことであり、核生成剤、増粘剤、カプセル化戦略によって緩和されない場合、繰り返しサイクルで徐々に蓄熱容量が失われる可能性がある。[ 2 ] [ 4 ]また、一部の無機PCMは金属を腐食させる可能性があり、容器や熱交換器の材料を慎重に選択する必要がある。
より高い動作温度（約 120 °C 以上 ）では、硝酸塩、塩化物、またはフッ化物に基づく金属合金および溶融塩が、集光型太陽光発電および産業プロセス熱用の高温 PCM として検討されています。[ 5 ]これらの材料は高い熱安定性と良好な熱伝導性を提供しますが、腐食性、酸化、および高温封じ込めの必要性などの問題は、重要な設計上の課題として残っています。
共晶PCMは、固定された組成と、個々の成分の融点よりも低い単一の明確に定義された温度で、2つ以上の成分が同時に融解および凝固する混合物です。[ 1 ]共晶システムは、有機-有機、無機-無機、または有機-無機の組み合わせから構成することができ、相変化温度を特定の用途に合わせて調整する大きな柔軟性を提供します。たとえば、脂肪酸またはパラフィンの共晶混合物は、建物の外皮における人間の快適温度に合わせて調整されることが多く、塩-塩共晶は、中高温の蓄熱のために研究されています。
共晶PCMは均一に融解するため、一部の塩水和物に見られる相分離の問題を回避できる。しかし、その熱物性は構成成分の選択に大きく依存するため、長期サイクル安定性や容器材料との適合性を確認するには、実験的な特性評価が必要となることが多い。[ 2 ]
複合PCMは、ベースPCMと支持マトリックスまたは高伝導性フィラーを組み合わせることで、熱伝導率、形状安定性、機械的強度などの特性を向上させるように配合されます。[ 2 ] [ 1 ]一般的な戦略としては、有機または無機PCMを多孔質金属、カーボンフォーム、膨張黒鉛、シリカエアロゲル、またはポリマーネットワークに埋め込むことが挙げられます。これらは液体相を物理的に閉じ込め、融解中の漏れを防ぎます。特に黒鉛および炭素ベースの複合材料は、高い潜熱を維持しながら、実効熱伝導率を1～2桁向上させることができます。
最近の研究では、熱伝達を強化し、レオロジー特性を調整するために、カーボンナノチューブ、グラフェンナノプレートレット、金属ナノ粒子などのナノ構造添加剤を含む複合材料も検討されています。[ 6 ]複合PCMは、高出力密度、機械的完全性、形状安定性（例えば、壁板、バッテリーパック、電子機器冷却など）が求められる用途で広く使用されています。
マイクロカプセル化相変化材料（マイクロPCM）は、通常マイクロメートルサイズの薄いポリマーまたは無機シェルで囲まれたPCMコアで構成されています。マイクロカプセル化により、PCMは外部環境から物理的に隔離され、漏洩が防止され、マトリックスとの反応性が低下し、多数の微粒子により熱伝達面積が増加します。[ 7 ]
マイクロPCMは、水、ポリマーバインダー、モルタル、または繊維に分散させることができ、建築材料、コーティング、機能性ファブリックへの組み込みが可能になります。[ 7 ]シェル材料には、メラミンホルムアルデヒド樹脂、ポリウレタン、ポリ(メタクリル酸メチル)、そして最近ではシリカまたはチタニアをベースとした無機シェルが含まれます。重要な設計パラメータは、カプセル化効率、シェルの厚さ、機械的堅牢性、および長期熱サイクル安定性です。[ 8 ]
マイクロカプセル化は、塩水和物などの無機PCMにも適用され、過冷却や相分離を緩和しつつ、材料を水性スラリーやセメント系マトリックスと適合させます。[ 9 ]その結果、マイクロカプセル化されたPCMは、室内温度をパッシブに調整し、ピーク時の冷房負荷を低減するために、建物の外壁、軽量プラスター、コーティングにますます使用されるようになっています。
相変化材料は、以下の熱力学的特性を備えている必要があります。[ 10 ]
運動学的特性
化学的性質
経済的特性
相変化材料の主要な熱物性には、融点 (T m )、融解熱 (Δ H fus )、比熱 ( c p ) (固体および液体相)、密度 (ρ) (固体および液体相)、熱伝導率が含まれます。代表的な PCM の熱特性を以下に示します。[ 11 ] [ 12 ]体積変化や体積熱容量などの値は、そこから計算できます。大きな課題の 1 つは、多くの PCM の熱伝導率が本質的に低いことであり、これが熱伝達効率を制限します。この問題に対処するために、カーボン ナノチューブ、グラフェン、金属ナノ粒子などの高熱伝導性添加剤が導入され、その性能が向上しています。もう 1 つの重要な問題は過冷却であり、PCM が凝固点以下で液体状態のままになります。核生成剤やカプセル化技術などの解決策が、この影響を軽減するために開発されています。さらに、相転移中の体積膨張は材料の安定性に影響を与える可能性があり、高度な構造設計と封じ込め戦略が必要になります。最近の研究では、熱応答時間とサイクル安定性をさらに最適化するために、ナノ強化PCMと複合構造も検討されています。[ 13 ] [ 14 ]このナノ強化PCM、特に金属フォームを組み込んだものは、熱伝導率を高め、熱管理用途での効率を向上させることが示されています。
最も一般的に使用されているPCMは、塩水和物、脂肪酸およびエステル、そして様々なパラフィン（オクタデカンなど）である。近年では、イオン液体も新しいPCMとして研究されている。
有機系溶液のほとんどは水分を含まないため、空気に触れても問題ありませんが、塩をベースとしたPCM溶液はすべて、水の蒸発や吸収を防ぐためにカプセル化する必要があります。どちらのタイプにもそれぞれ長所と短所があり、適切に使用すれば、特定の用途においては短所が長所に転じることもあります。
これらは19世紀後半から蓄熱媒体として使用されてきました。鉄道[ 16 ]や道路[ 17 ]での冷蔵輸送[ 15 ]など、さまざまな用途で使用されており、その物理的特性はよく知られています。
しかし、氷蓄熱システムとは異なり、PCMシステムは、新規設置でも既存設備の改修でも、あらゆる従来型の水冷チラーと組み合わせて使用できます。正の温度相変化により、遠心式チラーや吸収式チラーはもちろん、従来型の往復動式チラーやスクリュー式チラーシステム、さらには冷却塔やドライクーラーを利用してTESシステムを充電する低温環境下でも使用可能です。
PCM技術が提供する温度範囲は、中高温エネルギー貯蔵用途に関して、建築設備および冷凍技術者に新たな可能性をもたらします。この熱エネルギー利用の範囲は広く、太陽熱暖房、温水、放熱（冷却塔など）、およびドライクーラー回路の熱エネルギー貯蔵用途に及びます。
PCMは熱サイクルで固体と液体の間で変化するため、カプセル化[ 18 ]が当然ながら貯蔵の選択肢となった。
相変化材料は小型容器内で最も性能を発揮するため、通常はセルに分割されます。セルは浅い形状で、静水頭を低減します。これは浅い容器形状の原理に基づいています。包装材は熱伝導性に優れ、相変化に伴う貯蔵材料の体積の頻繁な変化に耐えられるだけの耐久性が必要です。また、材料が乾燥しない（または吸湿性材料の場合は水が抜けない）ように、壁面からの水の浸透を制限する必要があります。さらに、包装材は漏れや腐食にも耐性が必要です。室温PCMと化学的適合性を示す一般的な包装材には、ステンレス鋼、ポリプロピレン、ポリオレフィンなどがあります。
カーボンナノチューブ、グラファイト、グラフェン、金属、金属酸化物などのナノ粒子は、PCMに分散させることができます。ナノ粒子の添加は、PCMの熱伝導特性だけでなく、潜熱容量、過冷却、相変化温度とその持続時間、密度、粘度などの他の特性も変化させることに注目すべきです。新しいPCMのグループはNePCMと呼ばれます。[ 19 ] NePCMは、金属フォームに添加して、さらに高い熱伝導性の組み合わせを構築することができます。[ 20 ]
熱複合材料とは、相変化材料（PCM）と他の（通常は固体）構造の組み合わせを指す用語です。簡単な例としては、パラフィンワックスに浸した銅メッシュが挙げられます。パラフィンワックス内の銅メッシュは複合材料とみなすことができ、熱複合材料と呼ばれます。このようなハイブリッド材料は、特定の全体的またはバルク特性を実現するために作成されます（例としては、表面積対体積比を増加させ、それによって熱伝達速度を向上させるために、パラフィンを個別の二酸化ケイ素ナノスフェアにカプセル化することなどが挙げられます[ 21 ]）。
熱伝導率は、熱複合材料を作成することで最大化を目指す一般的な特性です。この場合、基本的な考え方は、比較的伝導率の低いPCMに高伝導性の固体（銅メッシュやグラファイト[ 22 ]など）を添加することで熱伝導率を高め、全体または体積（熱）伝導率を高めることです[ 23 ] 。PCMが流動する必要がある場合は、固体はメッシュなどの多孔質である必要があります。
航空宇宙産業向けのグラスファイバーやケブラープリプレグなどの固体複合材料は、通常、繊維（ケブラーまたはガラス）とマトリックス（繊維を保持し圧縮強度を与えるために固化する接着剤）を指します。熱複合材料はそれほど明確に定義されていませんが、同様にマトリックス（固体）とPCM（通常は条件に応じて液体および/または固体）を指す可能性があります。また、地球中の微量元素を発見することも目的としています。
PTCPCESMは光熱材料と複合相変化材料です。高い熱伝導率、光熱変換効率、潜熱蓄熱容量、物理化学的安定性、省エネルギー効果により、さまざまな産業で幅広く使用されています。[ 24 ]
PTCPCESMは主に機能性キャリア材料と有機PCMで構成されています。固体-液体相転移の間、有機PCMは大量の潜熱を吸収および放出することができます。一方、機能性キャリア材料は光熱変換の安定性と効率を高めるだけでなく、さまざまなエネルギー変換機能も導入します。[ 24 ]光熱変換は、光熱材料のバンド構造やその他の電気的特性に関連しており、異なる吸収太陽光スペクトルに寄与します。これは、炭素ベースのナノ構造（例：グラフェン、CNT）、プラズモンナノ粒子（例：Au、Ag）、半導体（例：TiO2、MoS2）などの材料を使用して実現されます。一般的なPCMには、有機材料（パラフィン、脂肪酸）と無機材料（塩水和物、金属合金）が含まれます。
研究者たちは高効率のPTCPCESMに取り組んできた。相変化材料と光熱変換材料を統合した二官能性相変化複合材料の組み合わせ形態は、51.25%の光熱変換効率を達成し、60 ℃で24時間漏洩しないことが示された。[ 25 ]一部の研究者は、アミノ官能化単層カーボンナノチューブをポリエチレングリコールベースのポリウレタンPCMに組み込むことにより、新規な形状安定型太陽熱変換および貯蔵材料を合成し、89.3%の太陽熱変換および貯蔵効率を達成した。[ 26 ]
高性能PCMの開発
近年の研究は、材料革新を通じてPCMの効率と安定性を向上させることに焦点を当てている。パラフィンベースのマイクロカプセル化システムや熱伝導率が向上した塩水和物などの新しい有機無機複合PCMは、エネルギー貯蔵能力の向上を示している。[ 27 ]さらに、金属有機構造体（MOF）は、調整可能な相転移特性と高い熱貯蔵密度のため、潜在的なPCM候補として研究されている。[ 28 ]
エネルギー貯蔵および管理における応用
PCMは、特に再生可能エネルギー用途において、エネルギー貯蔵システムでますます利用されるようになっている。有望なアプローチの1つは、太陽光発電および風力発電システムの熱エネルギー貯蔵ユニットにPCMを統合することである。[ 29 ]これらの材料は、発電の変動を緩和することで、再生可能エネルギー源の信頼性を向上させる。さらに、リチウムイオン電池システムにPCMを組み込むことで、熱暴走を管理し、それによって電池の安全性と寿命を向上させる可能性が示されている。[ 30 ] [ 31 ] [ 32 ]また、PCMを強化したスマートウィンドウと壁が開発され、室内温度を調整し、建物のエネルギー消費を最大30%削減している。[ 33 ] PCMを統合したヒートポンプシステムも、暖房および冷房用途で大幅な節約を実現している。
課題と今後の展望
PCM蓄熱には多くの利点があるものの、その普及には解決すべき課題がいくつか存在する。多くの場合、有機材料の熱伝導率の低さが大きな制約となっている。
上記の課題に対処するため、グラフェンやカーボンナノチューブなどの高熱伝導性フィラーを組み込む取り組みが進められている。[ 34 ]
もう一つの懸念は、PCMの長期安定性です。有機PCMの場合、相転移の繰り返しによって材料が劣化する可能性があり、特定の塩水和物の場合、相分離が生じる可能性があります。ただし、これは通常、PCMを「加熱」してすべての材料を同じ相に戻すことで元に戻すことができます。
これらの問題を克服するために、カプセル化技術や新しい安定化添加剤が開発されている。[ 35 ]今後、ナノ強化PCMやハイブリッド材料の進歩により、その用途がさらに拡大し、将来のエネルギー効率の高い技術に不可欠なものになると期待されている。
しかしながら、適切なPCMが利用可能であれば、そのような障害に直面しない用途もいくつか存在する。例えば、PCMを含む大型容器内に塩水和物を用いた能動型蓄熱システムがあり、熱交換器によって充放電が行われる。
相変化材料の応用例[ 36 ] [ 37 ]には、以下のようなものがあるが、これらに限定されない。
塩水和物相変化材料は、約50%の水分を含み、不燃性です。一般的に海水に含まれる一般的な塩類から構成されており、通常は無毒（ただし腐食性あり）で、不要になった場合は、原則として元の海に投棄して処分することができます。
有機PCMは一般的に可燃性です。また、一部は有毒であり、蒸留が通常完全ではないため、微量の芳香族化合物や石油精製過程で生じるその他の有毒成分を含む場合があります。
そのため、PCMは防火基準、建築基準、および適切な工学的手法に従って、非常に慎重に選定・適用する必要があります。容器に保管した場合、火災リスク、煙の発生、爆発の危険性が高まるため、住宅やその他の常時人が居住する建物内では可燃性PCMを使用しない方が賢明でしょう。供給業者から安全データシートを入手してください。
{{cite journal}}: CS1メンテナンス: DOIは2025年11月現在非アクティブです（リンク）