通过机器学习发现世界上最好的磁制冷材料
~推进高效氢液化对于实现氢社会至关重要~
2020年5月12日
日本国立材料科学研究所（NIMS）
日本科学技术振兴机构（JST）
概要
1. NIMS利用机器学习，发现了用于氢液化的世界最高性能的磁制冷材料，有望削减液化氢制造成本，排除氢社会实现道路上的一大障碍。
2. 氢不产生导致全球变暖的二氧化碳，因而作为清洁燃料备受期待。由于气态氢的体积很大，所以为了储存和运输需要将其液化来缩小体积。但是，由于氢液化所需温度极低，达到-253度，使用现有的气体冷冻装置的话，压缩机等位置的氢气损失很大，液化效率仅有25%左右，这也是造成液化氢价格高的原因之一。磁制冷作为新的氢液化方法，液化效率有望达到50%以上，因此备受期待。磁制冷的原理是磁场中放置的磁性材料在去除磁场时熵会增大，通过吸收熵增大过程中的能量使温度降低。因此，需要找到一种在氢液化温度附近熵变较大的磁制冷材料。
3. 本研究小组利用机器学习，发现二硼化钬（HoB2）是在氢液化温度附近具有世界最高性能的磁制冷材料。为了探索高性能的磁制冷材料，从论文中收集了约1600个已知熵变的物质数据，并让机器学习物质组成和熵变的关系。在这项学习的基础上，使机器模拟了约800个熵变未知的强磁性材料的熵变，其中，发现了34个表现出较高值的候选材料。从中选出由2种元素构成的材料，对预测值最高的材料进行实际合成并测试。结果显示HoB2在氢液化温度-253度（20K）附近表现出世界最大的熵变：ΔS=0.35（J/cm3K）。
4. 通过将这种材料放入磁制冷装置中，有望在氢液化温度附近得到较高的制冷能力。今后，该研究团队将致力于颗粒或线性工艺和耐氢涂层等磁制冷设备中的利用研究，并通过开发高效的氢液化设备为氢社会的发展做出贡献。
5. 本研究在日本国立材料科学研究所的国际纳米技术研究据点的高野义彦小组的领导下，由寺岛健成主任研究员、卡斯特罗・佩德罗研究生组成的研究小组完成。另外，本研究属于日本科学技术振兴机构未来社会创造事业（研究开发代表者：西宫伸幸，日本国立材料科学研究所NIMS招聘研究员）的研究开发课题：“利用磁制冷技术开发创新型氢液化系统”的一部分。
6. 本研究成果已于英国时间2020年5月12日上午1点（日本时间12日上午9点）在线刊登于《NPG Asia Materials》杂志。
研究背景
现在的文明社会是由石油、煤炭、天然气等化石燃料所支撑的。但是，化石燃料的燃烧会产生大量二氧化碳，导致全球变暖。近年来全球变暖越发显著，由此导致的气候变化和海平面上升等成为世界性的社会问题。正如《京都议定书》上所写的那样，为了防止全球变暖，强烈要求削减二氧化碳排放。因此，氢作为完全不产生二氧化碳的清洁能源备受关注。
气态氢体积很大，所以不适合储存和运输。像液化天然气（LNG）那样，氢也需要液化，使体积变小，以便储存和运输。但是，氢的液化温度是-253度（约20K（开尔文）），非常低。使用通过压缩气体来降低温度的一般气体冷冻装置的话，无法避免摩擦生热等，会造成非常大能量损失。因此，气体冷冻方式的液化效率仅为25%左右，导致液化氢价格居高不下，成为一大难题。
为了提供廉价的液氢，人们一直期待能有一种新型氢液化方法代替气体冷冻，而本文所介绍的磁制冷技术正是一种优选的氢液化方法，其氢液化效率理论上可达50%以上。