お客様のサクセスストーリー
エネルギー貯蔵材料の熱物性を決定する方法
オーストリア工科大学AITエネルギーセンター持続可能な熱エネルギーシステム研究エンジニア、ダニエル・ラガー博士による現地レポート
AITオーストリア工科大学（https://www.ait.ac.at/）は、オーストリア最大の大学以外の研究機関です。7つのセンターを擁するAITは、産業界にとって高度に専門化された研究開発パートナーであり、将来の重要なインフラ・トピックに取り組んでいます。
“NETZSCH は、信頼できるパートナーとしての地位を確立している。測定器の品質とその寿命、そしてすべての測定変数に対応する測定ソフトウェア（ ）の使いやすさは、その重要な側面です。とりわけ、 の開発・応用研究所との良好な対話と良好なサービスは、すでに多くの困難な状況を解決してきました。Proteus® NETZSCH ”
AITの熱物理学研究所について
エネルギーセンター内の熱物性研究所は、認定試験所（EN ISO/IEC 17025）として、高品質かつ特殊な実験インフラと長年の経験により、材料、プロセス、製品の熱特性の測定、熱物性および遷移パラメータの測定を行っています。分析対象となる熱物性は、-180℃から1600℃までの温度範囲における熱伝導率λ(T)、熱拡散率a(T)、比熱容量Specific Heat Capacity (cp) - 比熱容量（Cp）熱容量は材料固有の物理量であり、試験片に供給される熱量をその結果生じる温度上昇で割ったものである。比熱容量は、試料の単位質量に関連している。cp(T)、熱膨張率ΔL(T)/L0、熱膨張係数Coefficient of Linear Thermal Expansion (CLTE/CTE) - 線膨張係数The coefficient of linear thermal expansion (CLTE) describes the length change of a material as a function of the temperature.CTEα(T) 、密度ρ(T)などである。熱物性に加え、赤外線と質量分析を併用した同時熱分析により、特性温度、エンタルピー差、質量変化を測定し、発生ガスを特定する。
NETZSCH は、機器メーカーとして信頼できるパートナーとしての地位を確立している。測定器の品質とその寿命、そして測定ソフトウェア（ ）の使いやすさは、すべての測定変数において重要な要素です。しかし何よりも、 の開発・応用研究所との良好な対話と良好なサービスが、すでに多くの困難な状況を解決してきた。Proteus® NETZSCH
AITで現在使用されている最も古い装置は、20年以上稼働しているレーザーフラッシュLFA427です：
熱エネルギー貯蔵用途の相変化材料(PCM)
顕熱エネルギー貯蔵（STES）は、現在最も一般的な熱貯蔵方法であり、温度差（例えば温水タンク）から生じる貯蔵材料の熱容量を利用する。最近の技術には、物質の相変化熱を利用する潜熱蓄熱（LTES）もある。蓄熱用途におけるPCMとSTES材料の主な違いは、前者では蓄えられた熱は狭い温度範囲にあり、相転移温度は一定であることである。この特性は、建築用途など特定の用途に使用される。測定手順における課題は、相変化または相転移温度Tt、実際の相転移エンタルピーΔht、および異なる相の比熱容量Specific Heat Capacity (cp) - 比熱容量（Cp）熱容量は材料固有の物理量であり、試験片に供給される熱量をその結果生じる温度上昇で割ったものである。比熱容量は、試料の単位質量に関連している。cp(T)を正確に測定することである。
調査したPCMは市販のパラフィンワックスで、融解温度範囲は69℃から71℃、62℃から77℃までのエンタルピー差Δh= 260 kJ kg-1、比熱容量Specific Heat Capacity (cp) - 比熱容量（Cp）熱容量は材料固有の物理量であり、試験片に供給される熱量をその結果生じる温度上昇で割ったものである。比熱容量は、試料の単位質量に関連している。cp= 2 kJ kg-1 K-1である。
以下のDSC実験は、タイプE DSCセンサーを装備したNETZSCH 204F1 DSCを用いて実施した。容積25μlのアルミるつぼにPCMを充填し、蓋をして冷間溶接した。固体の有機試料は、試料とるつぼ底部との接触が良好になるように、片面が平坦になるように切断した。DSC実験は、β = 0.25 K min -1とβ= 10 K min-1の2つの異なる加熱速度で行い、、マスフロー制御された窒素ガス雰囲気で行った。
図3 (a)：β=0.25Kmin-1およびβ=10Kmin-1におけるパラフィンワックスのDSC測定による見かけのSpecific Heat Capacity (cp) - 比熱容量（Cp）熱容量は材料固有の物理量であり、試験片に供給される熱量をその結果生じる温度上昇で割ったものである。比熱容量は、試料の単位質量に関連している。cp(T)の結果。
図3は、2つの異なる加熱速度における有機PCMのDSC測定の結果を示している。β =0.25K・min- 1の低加熱速度の結果は、シャープなピークを示したが、実際の比熱容量Specific Heat Capacity (cp) - 比熱容量（Cp）熱容量は材料固有の物理量であり、試験片に供給される熱量をその結果生じる温度上昇で割ったものである。比熱容量は、試料の単位質量に関連している。cp(T)に関する固相または液相の不確実性も高かった。β =10K・min- 1の速い加熱速度は、融解範囲を不鮮明に表現しているが、固相または液相における実際の比熱容量cp(T) に関しては、はるかに正確な結果を示している。
これらの結果から、特性温度と変態エンタルピーの評価には、試料内の熱輸送過程を除外しつつ、相転移温度とエンタルピー、さらに比熱容量に関して意味のある結果を得るために、異なる加熱速度で複数のDSC測定が必要であると結論づけました。
電池セルの実効熱伝導率と比熱容量の測定
電池パックの熱挙動と熱管理を理解する上で、電池セルのさまざまな方向の実効熱伝導率λeff(T)と比熱容量cp(T)は極めて重要である。
以下の実験では、これらの特性を評価するために、NETZSCH Laser Flash LFA 427、NETZSCH DSC 204F1 Phoenix® およびNETZSCH Heat Flow Meter HFM 446 を使用した。LFA 427とDSC 204F1 を使用して、分解したリチウムイオンパウチセルの負極、正極、セパレータ、パウチ材料の面内方向の熱拡散率a(T)とcp(T) を測定した。HFM法は、異なる充電状態(SoC)におけるリチウムイオンパウチセルのパウチ表面に垂直な方向のcp(T)とλeff(T)を評価するために適用された。
図4：パウチセルのパウチ素材のLFA（右）とDSC測定（左
図4は、調査したパウチ電池セルのパウチ材料のcp(T)とa(T)の 結果である。この測定手順は、パウチ電池セルのすべての固体部品について実施し、追加有限要素計算に基づいて面内方向の実効熱伝導率を評価した。
図5：左：HFM 446で積層されたパウチセル、右：HFM 446の測定結果に基づく実効熱伝導率
図5は、左側にHFM446とパウチセルスタックを用いた実効熱伝導率の面内測定セットアップを、右側に受信した結果を示しています。
適用した拡張セットとパウチセルスタックを用いた HFM 446 測定法に基づく測定手順は、λeff(T)（λeff= 0.1K-1）で良好な再現性を示しました。715 W m-1 K-1(T= 25°C)、拡張複合不確かさU(k=2)= 0.02 W m-1 K-1 であった。SoCによるλeff(T)の違いは、結果において解決できなかった。
パウチ部品の面内方向のcp(T) と a(T)の決定されたデータを有限要素（FE）モデルで処理し、パウチセル全体の面内熱伝導率をλeff= 52.54 W m-1 K-1で計算しました。
評価結果は、HFMがパウチセルの面内方向の実効熱伝導率を解析するのに適した非破壊手法であることを示している。面内方向の実効熱伝導率は、セルを構成要素まで分解して面内熱拡散率、比熱容量、密度を測定することで求めることができます。このデータをFEモデルで処理することで、面内方向の実効熱伝導率を評価することができます。
著者について
ダニエル・ラガー博士（MSc）は、2007年から熱物理学と熱分析の分野で活躍している。2019年現在、AITオーストリア工科大学GmbHの関連認定研究所の所長。2017年、蓄熱材料の熱物理学的特性評価に関する学位論文でウィーン工科大学（TU Wien）から博士号を取得。著書・共著多数。
2005年、テクニクム・ウィーン応用科学大学で電子工学のディプロマを取得し、2008年には生物医学工学の修士号を取得した。
AITでの勤務と並行して、ブルゲンラント応用科学大学で外部講師を務める。ダニエル・ラガーは、イオン治療用粒子加速器のシステム物理学者、公共安全アプリケーションのデータ伝送システムのシステムエンジニア、損傷検出システムのソフトウェア開発者、電磁両立性の影響分野の研究者としての経験も積んでいる。