JPH0628210B2 - 超電導セラミック材料を用いた電力蓄積装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はセラミック系超電導材料
を応用した電力蓄積装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、超電導材料はNb-Ge(例えばNb₃Ge)
等の金属材料が用いられている。この材料は金属である
ため、延性、展性または曲げ性を高く有し、超電導マグ
ネット用コイル、また電力蓄積用コイルとして用いるこ
とが可能である。

【０００３】しかし、この金属の超電導材料はTc( 超電
導臨界温度を以下Tcという) オンセットが小さく、23K
またはそれ以下でしかなかった。しかしその工業的応用
を考えるならば、このTcが100Kまたはそれ以上を有し、
Tco(電気抵抗が零となる温度) が液体窒素温度である77
K またはそれ以上であることがきわめて重要である。

【０００４】最近、かかる超電導材料として、銅の酸化
物セラミック材料が注目されている。しかしこの銅の酸
化物セラミックスは延性、展性および曲げ性に乏しい。
加えて成型した後の加工がきわめて困難であるという他
の欠点を有する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】このため、銅の酸化物
セラミックスを用いて、リング状またはコイル状に設け
るとともに、その始点と終点とを同時に超電導セラミッ
クスで連結し、電力蓄積装置とする試みはまったくな
い。加えて、コイル構造を有しつつ、同時にセラミック
スを機械的に金属で補強する手段も、また自らに冷媒を
有し冷却する構造もまったく知られていない。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、超電導セラミ
ック材料を用いた電力蓄積装置であって、該電力蓄積装
置は、前記電力蓄積装置を構成する超電導セラミック材
料に所望の形状を付与すると共に、前記超電導セラミッ
ク材料が非超電導状態の際に電流の通路として機能すべ
く設けられた導電性を有する中空金属支持体を有し、該
中空金属支持体内壁には前記超電導セラミック材料が均
一かつ密着して設けられ、これら全体がリング状または
コイル状を有し、その始点と終点とが互いに連結して設
けられていることを特徴とする超電導セラミック材料を
用いた電力蓄積装置である。本発明における酸化物セラ
ミック材料としては、例えば(A_1-x Bx)yCuOzｘ＝0.01〜
0.3,ｙ＝1.3 〜2.2,ｚ＝2.0 〜4.5 で示される分子構造
を有し、ＡはY(イットリュ−ム),Ga （ガリュ−ム),Zr
(ジルコニュ−ム),Nb( ニオブ),Ge( ゲルマニュ−ム),Y
b( イッテルビュ−ム）またはその他ランタノイドより
１つまたは複数の元素が選ばれ、ＢはRa( ラジュ−ム),
Ba( バリュ−ム)またはSr( ストロンチュ−ム),Ca( カ
ルシュ−ム),Mg( マグネシュ−ム）またはBe( ベリリュ
−ム）より１つまたは複数の元素が選ばれた超電導性セ
ラミック材料を用いることができる。

【０００７】本発明は超電導セラミックスをリング状ま
たはコイル状に設け、その始点と終点とを超電導セラミ
ックスで連結する電力蓄積装置である。さらに本発明は
このセラミックスに金属または金属化合物の支持体を添
わしめ、機械的補強に加えて、このセラミックスが非超
電導状態となった時も電流を速やかに流し得る手段とし
ている。このことは超電導体を用いた装置の実用化にお
いて最も重要な問題である。

【０００８】さらにこの中空の支持体の内部に超電導セ
ラミック材料となるべき材料を混合または溶かした、ま
たはゲル状にした溶液を中空パイプの一方を一次的に塞
いで他方より注入する。

【０００９】次にこの中空パイプ全体を加熱し、液体成
分である溶媒全体を気化して除去する。するとこの超電
導セラミック材料は中空パイプの内壁にコ−ティングさ
れる。これを加熱し、焼成させるとともに、酸化または
還元を繰り返し行うことにより、超電導性を有するセラ
ミック材料、例えば銅の酸化物セラミックスである(A
_1-x Bx)yCuOz ｘ＝0.01〜0.3,ｙ＝1.3 〜2.2,ｚ＝2.0
〜4.5 で示される分子構造を有し、ＡがY(イットリュ−
ム),Ga( ガリュ−ム),Zr( ジルコニュ−ム),Nb(ニオ
ブ),Ge( ゲルマニュ−ム),Yb( イッテルビュ−ム）また
はその他のランタノイドより１つまたは複数種選ばれ、
ＢはRa( ラジュ−ム),Ba( バリュ−ム) またはSr( スト
ロンチュ−ム),Ca( カルシュ−ム),Mg( マグネシュ−
ム),Be( ベリリュ−ム）より１つまたは複数種選ばれ、
セラミックスを形成する。 本発明で用いられるセラミ
ックスは上記以外の元素をA,B または添加不純物として
加えることが可能である。

【００１０】本発明において、中空金属支持体の内壁に
第１の層として超電導セラミック材料がコ−ティングさ
れるが、さらにその上側にこの第１の層のセラミック材
料を十分固化した後、第２層のセラミック材料をコ−テ
ィングすべく、同一工程を繰り返しすることは有効であ
る。またその場合、それぞれのコ−ティング層でＡまた
はＢの種類、X,Y,Z の値の一部を変更してもよい。本発
明において、さらにこれを繰り返して多層構造としても
よいことはいうまでもない。

【００１１】本発明の超電導電力蓄積装置により、初め
て安価な大電力用バッテリを作ることが可能となった。
特にその応用として、太陽電池等の光電変換装置で発
電した電気エネルギを蓄積させ得る。さらにこの蓄積装
置が需要地と数百〜数千Kmも離れている場合、この蓄積
装置に電気エネルギを充電して、それをトラック、船等
により輸送することにより、電気エネルギという目に見
えないエネルギを移送し得る。かつ本発明の蓄積装置は
化学反応を用いないため、長期使用においても何らの化
学的な劣化もない。

【００１２】また本発明のコイル状の始点と終点を互い
に電気的に抵抗が零であるセラミックスで連結すること
により、エンドレスコイルとし得る。このコイルは電流
損失のないコイル、即ち電気エネルギの蓄積用装置とし
て用いることが可能となる。以下図面に従って本発明の
実施例を示す。

【００１３】

【実施例】〔実施例１〕この実施例では(A_1-x Bx)yCuOz
においてＡとしてＹをY₂O₃,BとしてBaをBaCO₃ またCuと
してCuO を用いた。それぞれ高純度化学社製の99.95%以
上のものを用いた。これらをｘ＝0.05, ｘ＝0.075 及び
ｘ＝0.1,ｙ＝1.8,ｙ＝2.0,ｙ＝2.2 とした。これらを混
合して９種類の混合物を作った。これらを一度３Kg/cm²
の圧力で加圧しタブレットとし700 ℃、3 時間さらに10
00℃10時間で大気中で仮焼成した。さらにこれらを再び
粉砕した。そしてその平均粒径が100 μｍ以下、例えば
10μｍ程度となるようにした。この混合物をカプセル内
に封入し、再びこれを５Kg/cm²の圧力でプレスし、タブ
レット状とした。そしてこれを1000℃、10時間酸化性雰
囲気例えば大気中で本焼成した。するとこの構造はペル
プスカイト構造もみられるが、変形K₂NiF₄型がＸ線解析
像から観察された。

【００１４】次にこの本焼成したTcオンセットが40K 以
上好ましくは90K,Tco が好ましくは77K 以上あることを
電圧−電流−温度特性より確認する。再びこのタブレッ
トを微粉末とした。そしてこの平均粒径が100 μｍ以下
〜５μｍ例えば30μｍになるようにした。この工程にお
いて、この粉砕の際、その結晶構造が基本的に破壊しな
いように努めた。この粉末を液体、例えばフロン液また
はアルコ−ル例えばエタノ−ルその他の液体中に混合、
または溶かした。この溶液を中空の支持体である図１に
示した金属パイプ(2) 、例えば銅または銅の化合物（例
えばNiCu化合物) の内部に他方を塞いで注いだ。このパ
イプをセラミック粒子が内壁に均一な厚さに付着すべ
く、回転、上下振動をしつつ全体を100 〜400 ℃の温度
に加熱した。

【００１５】かくしてこの中空パイプの内部の溶媒を除
去することができ、その内壁にセラミック粒をコ−ティ
ング(3) した。この時内壁とより密着させやすくするた
め、エポキシ系、アクリル系の樹脂をとかした溶媒、例
えばトルエン等を用いてもよい。

【００１６】この後この内壁に付着し乾燥させたセラミ
ックスに対して、その中空部に酸素または酸素とアルゴ
ンの混合気体を導入して、酸化させつつ500〜1100℃、
例えば600 ℃３時間さらに800 ℃5 時間の加熱焼成を行
った。

【００１７】かかる工程をさらに１〜５回繰り返すこと
により、このセラミック材を50μｍ〜１cm（代表的には
0.5 〜5mm)の平均厚さにパイプ内に付着させることが可
能となった。かくして図１に示す如き中空支持体(2) の
内側に超電導セラミックス(3) を中空(4) を有して本発
明の超電導セラミックスを用いたパイプ(1) を作ること
ができた。

【００１８】この実施例において、パイプは円環型中空
支持体を用いた。しかしその形状は角型中空支持体を用
いてもよい。また他の形とすることも可能である。かか
る超電導セラミックパイプにおいて、Tcはタブレット等
で作られた時のTcよりは５〜20K 低い値となってしまっ
た。しかしこれは初期のタブレットでのTcを向上させる
とともにより改良が可能である。

【００１９】本発明はかかるセラミックスを用いてエン
ドレスコイル構造の電力蓄積装置を作った。図２にその
縦断面図を示す。このエンドレスコイルは太陽電池等で
発電した電気エネルギのバッテリとして用いることがで
きる。図面より明らかなごとく、予め中空を実施例１と
同様に有するパイプをコイル(7) 形状に作る。さらにこ
の始点(5),終点(6) も同様に中空パイプ(4) で連結す
る。このエンドレスコイルは注入口(8) を有する。この
注入口は電気エネルギの入力および出力端子として用い
ることができる。

【００２０】ここに実施例１と同様の方法で超電導セラ
ミックスを混合またはとかした溶液を注ぎ込む。これを
乾燥し、不要溶媒を気体として(8),(8')より放出し、パ
イプの内部を乾燥させる。さらに実施例１と同様に酸化
物気体を導入し、セラミックスを乾燥させる。

【００２１】かくして内部が中空、かつその内壁に超電
導セラミックスがコ−ティングされたパイプ(1) を用い
たエンドレスコイル(7) を作ることができた。このTco
は実験では45K であった。しかし超電導材料の選択によ
りTco を向上させ得る。また、この中空部に液体水素を
導入することにより、このエンドレスコイルをして抵抗
零の閉回路を作る例とし得たため、電気エネルギ蓄積装
置として用いることができた。この実施例において、電
気エネルギの入力、出力部には失電力用ダイオ−ドを設
け、充電、放電させた時に無限大の電流が流れないよう
にした。

【００２２】〔実施例２〕この実施例は(A_1-X Bx)yCuOz
・(A_1-X'B'x')y'Cuz'において、ＡとしてYb、Ｂ,B' と
してBaおよびSrを用いた。x,x'として0.075,y,y'として
2.0 を調整した。するとパイプ形状とした後もTco を74
K に保つことができた。その他は実施例１と同様であ
る。

【００２３】〔実施例３〕この実施例は実施例１と同じ
成分を用い、仮焼成をした。材料を粉砕し、微粉末とし
た後、型に入れ、ド−ナツ型または指輪型のリッグ構造
として再プレスし、本焼成を行った。

【００２４】ここに外部より磁場を用いてエネルギを加
えた。 するとこのリング内を電流が無限時間流れ、電
力蓄積をさせ得る磁場を発生する。このエネルギの取り
出しは、このリングの磁場を切るようにして取り出すこ
とができる。

【００２５】

【発明の効果】本実施例はかかるパイプ形状とした後、
これらをその内部の中空部に冷却材である液体、例えば
液体窒素または液体水素を封入し、連続的にこのパイプ
を内部より最も温度が重要なセラミックスを直接冷やす
手段と同時になり得る。また、この外側の金属を銅また
は銅の化合物とすることにより、外部との溶接も可能で
あり、電気装置の一部として用いることが可能である。
この金属または金属化合物として銅または銅化合物とす
ることにより、特にその部品としての用途をひろげるこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の超電導セラミックパイプを示す。

【図２】本発明のパイプを用いた電気蓄積装置のー例を
示す。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】超電導セラミック材料を用いた電力蓄積装
   置であって、該電力蓄積装置を構成する超電導セラミッ
   ク材料に所望の形状を付与すると共に、前記超電導セラ
   ミック材料が非超電導状態の際に電流の通路として機能
   すべく設けられた導電性を有する中空金属支持体を有
   し、該中空金属支持体内壁に前記超電導セラミック材料
   が密着して設けられ、これらがリング状またはコイル状
   を有し、その始点と終点とが互いに連結して設けられて
   いることを特徴とする超電導セラミック材料を用いた電
   力蓄積装置。
2. 【請求項２】請求項１において、酸化物セラミック材料
   は(A_1-x Bx)yCuOzｘ＝0.01〜0.3,ｙ＝1.3 〜2.2,ｚ＝2.
   0 〜4.5 で示される分子構造を有し、ＡはY(イットリュ
   −ム),Ga （ガリュ−ム),Zr( ジルコニュ−ム),Nb( ニ
   オブ),Ge( ゲルマニュ−ム),Yb( イッテルビュ−ム）ま
   たはその他ランタノイドより１つまたは複数の元素が選
   ばれ、ＢはRa( ラジュ−ム),Ba( バリュ−ム) またはSr
   (ストロンチュ−ム),Ca( カルシュ−ム),Mg( マグネシ
   ュ−ム）またはBe( ベリリュ−ム）より１つまたは複数
   の元素が選ばれた超電導性セラミック材料であることを
   特徴とする超電導セラミック材料を用いた電力蓄積装
   置。