Key challenges to the market acceptance of polymer electrolyte fuel cell for FCEV are cost reduction, improvement of its power density, and extension of its life. In order to solve these challenges, development of long-life polymer electrolyte membrane (PEM) is indispensable.
In this study, chemical degradation of cerium and iron ion mixed PEM was
considered by Fenton test and one direction transport-reaction simulation.
Under the Fenton test condition, iron ion accelerates chemical degradation
by its generation function of HO radical. By contrast, under the OCV test
condition, iron ion decelerates degradation by its consumption of HO radical.
On the other hand, cerium ion decelerates degradation by consuming HO radical
under the both Fenton and OCV test. In addition, high cerium contaminating
rates PEM was likely to include iron ion, therefore using that PEM will
be useful for extension of PEM’s life by cerium and iron ion’s suppressing
chemical degradation.
Solid oxide fuel cells (SOFC) are high-efficiency power generation systems, that are expected to be an important power source in the coming years. To increase the adoption of SOFC it is important to increase the power density and power generation efficiency while reducing the operating and materials costs. To achieve these aims it is necessary to optimize the fine structure of the electrode. The SOFC electrode used in this work is composed of an electron-transporting path made of Nickel, an oxide ion transport path made of GDC (Gadolinia Doped Ceria), and voids for gas diffusion. This Triple Phase Boundary (TPB) is the only reaction area. As it stands now, SOFC's contain a large number of TPBs that are functionally useless.
In order for ideal reactions to occur, each phase of the TPB structure
must have an unbroken network. The current state of manufacturing doesn't
allow for the precision required to produce effective TPB. As such, we
examined the use of the 3D printer technology as a means of producing SOFC.Our
testing and analysis predicts that the 3D-printed SOFC increased power
density by 1.6 times.
Thermo-chemical-recuperation (TCR) is gaining high temperature furnace
industry interest as one of the most practical technologies for reducing
CO2 emissions. TCR is a method for introducing into the furnace as a fuel
instead of methane to hydrogen rich gas generated by the reforming reaction
of methane using of heat from furnace body in excess of 1000 deg C. CO2
and fuel cost of 5-10% can be reduced by TCR. TCR must be incarnated by
using Al2O3 tube without metal catalysts because catalysts deteriorate
in high temperature for long time. In previous study, we could predict
the outcome of reforming reaction by using a scheme that is considered
adsorption of water and desorption of OH radicals. It was found that there
is some possibility of concerning of OH radicals to reforming reaction.
In this study, we analyze a reaction pathway for steam reforming. It is
found that chemical reactions for reaction intermediates are accelerated
by OH radicals. OH radicals produced from the water returns to the water
by reacting on H2. Therefore, the addition of H2 for suppressing carbon
deposition is some possibility of inhibiting steam reforming. From the
result that steam reforming is to react in the vicinity of the Al2O3 surface,
we predict that active site increased Al2O3 surface accelerates steam reforming.
But, it has not been shown in the experiments. It is thought that the reasons
for heat transference and transport limitation. Therefore, it is necessary
to control surface temperature and central temperature accurately.
Japanese iron and steel manufacturing industries import a significant amount of expensive coking coal (coke); reduction of coke consumption is a great challenge for the industry. As an method for low-carbon iron making process, Packed bed type Partial Smelting Reduction process (PSR) was proposed. This process uses scrap for iron making and requires lower exergy to reduce the ore than the blast furnace due to high exergy from the scrap.
In this study, we propose an Sustainable Iron and Steel Making System based
on Material Recycling Technologies (SMART) which supplements coke with
gaseous CO as a reducing agent in PSR. The source CO for reductant is assumed
the CO2 from the process gas. The CO2 is reduced by Solid Oxide Electrolysis
Cell and blown into PSR. Process flow diagrams of PSR with CO recycling
was built in Aspen Plus and the effect of SMART on coal conservation, exergy
efficiency, and CO2 emission were quantitatively evaluated. By applying
SMART to PSR, coal consumption was decreased by 25 kg with blowing 50 kg
CO, while the CO2 emission increased in the case of the electricity for
SMART supplied from the power plant. To reduce the CO2 emission, it is
necessary to supply the electricity derived from non-fossil fuels. It is
possible to make the CO2 emission from SMART lower than that of PSR not
applied CO recycling. Thus, it is possible to reduce the coal consumption
and the CO2 emission by using non fossil fuels, while CO recycling alone
is ineffective for CO2 emissions reduction.
To be updated.
リチウムイオン電池（LIB）は他の二次電池に比べ，起電力やエネルギー密度が高い特徴があり，温暖化対策と排出ガス規制を背景にEVやHEVへ採用されているが，充電時間の長さに課題がある．LIBの高速充放電化には容量の確保と内部抵抗の低減が重要であるが，律速となる内部抵抗の要因が十分に解明されていない．要因特定のための方法として，Cレート・温度感度での過電圧変化の導出や電気化学インピーダンス診断が挙げられる．しかし，活物質や電解液を試験するための小型ラミネートセルでは，セル電圧とOCVの分離に必要なLIBの充放電特性やSOC-OCV特性の取得試験において，同一条件でもセルの構成や試験方法によって測定に無視できない差異が生じる．本研究ではこの差異の原因を考察し，再現性のある試験方法を検討した．まず，15サイクルで5％程度ある容量劣化の原因として，負極活物質表面での被膜形成が挙げられる．対策として9～19日間のエージング処理を実施したところ，容量低下が1％以内となった．次に同一条件での充放電特性取得において再現性の確保が難しい原因として，試験前の充放電履歴の影響が挙げられる．対策として，測定直前に1Cレート，25℃でのCC-CV充電を実施した後に放電・充電の順で測定する手順を踏むことで同一と見なせる充電状態から測定を開始したところ，再現性が向上した．SOC-OCV特性取得において充放電間のOCVに最大70mVのヒステリシスがある原因として，積層電極の端面や電極材のサイズ違いによる額縁部に起因する3次元性が挙げられる．対策として，積層数の増大，電極面積の拡大およびアスペクト比の縮小によって1次元に近いセルを作製したところ，最大20mVに改善された．（山田 章太）
分散型電源として実用化されているSOFCは，コスト削減と発電性能の向上が課題となっている．当研究室では，アノードおよび電解質にNiおよびGDC（Gadolinia Doped Ceria）をそれぞれ用いたSOFCの発電性能の向上に取り組んできた．昨年度は，アノードと比較してGDCがリッチであるAFL（Anode Functional Layer）をアノードと電解質層の界面に介挿することで，発電性能が向上することを実験的に確認し，アノードと電解質層界面の微細構造に起因する有効な三相界面を拡大すればさらなる発電性能の向上が可能であることを見出した．これまではAFLおよび電解質層を逐次ディップコートして共焼結させることでSOFCの電極を作製していた．この方法では，三次元方向に三相界面が拡大されるものの，有効なものは全体の約6割となる．本年度はさらなる有効な三相界面の拡大を目標として，様々な製造プロセスでの応用が期待される3Dプリンタを用いたアノード，電解質層および立体的な界面の作製を考案した．3Dプリンタは最小1µmオーダーでの制御が実現されているため，高精度な微細構造の作製が可能である．この場合の有効な三相界面長さは従来の約1.5倍になると試算しており，発電性能の向上が期待される．現在の3Dプリンタは，ステージの下降で鉛直方向，ノズルの移動で水平方向に制御する方式が一般的である．この方式では従来の円筒型よりも，単純な構造で薄い平板型の方がセル評価に適していることから，新たに平板型の発電試験用セルホルダーを開発した．また，基板となる電解質薄膜とアノード層を共焼結させ，カソード層を塗布する方法で簡易的な平板型SOFCを作製し，セルホルダーを用いて発電試験を実施した．（滝沢 雄太）
熱化学再生（Thermo Chemical Recuperation; TCR）は，未利用の炉体放射熱を用いてCH4を改質反応でH2リッチなガスへと変化させ，燃料として投入する方法であり，10%程度の燃料使用量およびCO2削減が期待できる．本研究では，1000℃以上の未利用炉熱を想定し，改質器には固体酸が改質反応に有効な高純度アルミナ管のみで増熱率5～10%を目標としている．これまで，アルミナの固体酸が水蒸気を吸着・解離させ，生成したOHラジカルが気相中でも反応することで水素・COの生成に寄与しているとの仮説を立て，これに基づいた反応スキームを組み込んだCRESLAFで実験結果をシミュレーションしてきた．本年度はこの仮説の検証を目的に，反応管内の比表面積として整理した高純度アルミナ固体酸の活性点数を変更することでの水蒸気改質反応に与える影響を実験的に調査した．反応管体積は一定，内部のアルミナ表面の面積をパラメータとして実験すべく，内径φ11mmの高純度アルミナ反応管内部に外径φ6mmの同質のアルミナ管および固体酸の少ない同径のムライト管を同軸に挿入することで，反応管単管に対する相対比表面積を1.5および1.3倍に増大させた改質試験を実施した．アルミナ管およびムライト管を挿入した場合，CH4転化率はそれぞれ25%および12%にとどまり，単管アルミナ改質試験に対してそれぞれ9および22ポイント低下した．さらに，高純度アルミナ管にφ5mmのアルミナボールを充填させることで相対比表面積を2.3倍に増加させ，伝熱性の向上による温度分布の均一化を図った試験も実施した．転化率は23%に留まったことから，表面への物質輸送とOHラジカルによる素反応群のバランスが変化した可能性が示唆された．（藤田 和昌）
種子島内では主要産業の1つである製糖工場におけるサトウキビの圧搾工程で，残渣であるバガスが大量に発生している．このバガスはバイオマス燃料として製糖工場内で再利用されているが，バガスは保存が困難であるため冬季の製糖期間中に必要以上にバガスボイラに投入され，200℃程度の未利用熱が大量に発生している．一方，種子島内では焼酎工場やでんぷん工場などの100℃程度の熱需要が多々あり，現在は島外から輸入された高価な石油をボイラで焚くことでまかなっている．このバガス由来の未利用熱と熱需要の時空間的なミスマッチを解消するために，ゼオライトの水蒸気の吸脱着サイクルを用いた未利用熱輸送システムを検討している．昨年度の研究で吸着・脱着試験に基づく製糖工場の蓄熱可能熱量は需要熱量に対して十分と結論づけている．そこで今年度は出熱側に着目し，燃料削減効果を実証するため学内の蒸気原動機実験装置のボイラとの協調運転試験を計画し，補助出熱装置であるゼオライトボイラを設計した．吸着質は液水でなく水蒸気吸着とし，沸騰時の体積膨張によるゼオライトの破損を回避した．また，ゼオライトボイラの熱交換形式として直接式と間接式の2種類を考案し，焼酎工場を対象として既設ボイラの燃料削減率をそれぞれ概算した．その結果，燃料削減率は劣るが，コスト・技術的観点から間接熱交換式を採用した．これらの検討を踏まえ，燃料削減率が計測誤差に対して十分有意である10%に達するように，ボイラの運転負荷1/3，ゼオライトボイラへの水蒸気供給量12.5kg/h，ゼオライト投入量62.5kg/h，熱負荷10kWを条件として，移動層‐ボイラ水管の熱伝達を考慮しながらゼオライトボイラを設計した．（古谷 和真）
地球温暖化の主要因とされるCO2排出削減のため，鉄鋼業ではCO2をCOに還元し，還元剤の一部として炉内に再循環させる炭素循環製鉄の技術開発が進められている．本研究では高温である炉頂ガスの一時貯留媒体として，CO2を500~650℃で吸収，700~850℃で放出し，繰り返し使用可能なセラミックス吸収材であるリチウムシリケート（Li4SiO4，以下LS）を用いたCO2分離回収システムの実現を目指している．これまで既製の球状ペレットから得たCO2吸収・放出反応のデータを基に高い吸収性能を持つペレットを内製すべく，LS粉体の作製手順を確立し，押出成形により円筒状のペレットを作製してきた．本年度は昨年度の課題である高い吸収速度の確保と，CO2吸収・放出サイクルによる吸収容量低下の抑制を目的として，シンタリング防止効果の高いチタン酸カリウムウィスカを採用し，サイクル容量および吸収速度の実験から添加量をLSに対し2wt%と決定した．またサイクル試験中のペレットの収縮変化をもたらす共晶による液相焼結の低減を目的として，特許を参考に粉砕時間を調整することで平均粒径が1~2µmになるまで粒径を細分化し，さらに焼成条件の変更により粒子間の結合強度を増大させ，ペレットの圧縮強度を計測した．概して結合強度と吸収速度はトレードオフであるため，文献を参考に感度の低い保持時間を3hと定め，感度の高い焼成温度を吸収速度が確保できるように800℃と決定した．作製したペレットは5サイクル目においても23.5wt%の吸収容量を示し，初期値の78.4%の容量を確保した．この結果は昨年度の製法での容量に対して12.5ポイント向上し，試験後のペレットに凹凸を生じる形状変化も見られなかった．（津守 悟）
地球温暖化対策の一つとして，大規模集中排出源を対象としたCO2分離回収技術（CCS）が注目されている．実用化段階に最も近い化学吸収法ではアミン系吸収液を再生するために多量のエネルギーを必要とし，その中でも再生熱量の低減が大きな課題であり，吸収液性能の向上やプロセス改善によってこれらの低減に取り組んでいる．本研究では，アミン系吸収液の性能のうち，CO2吸収速度に影響を与える粘度に着目する．従来研究では粘度を一定値として吸収速度を算出していたが，吸収液の粘度は温度，濃度，CO2ローディングによって変化し，Re数，Sc数，Sh数に影響を与える．また，同時にガス液吸収理論の二重境膜説，浸透説，表面更新説においても反応係数に影響を与えるため，粘度の変化によるCO2吸収速度への影響を評価しておく必要がある．温度を30～50℃，CO2ローディングを0.0～0.5，濃度を30～45wt%と変化させ，恒温槽と音叉型振動式粘度計を組み合わせて粘度を計測した．30wt%のMEAでCO2ローディング0.0の吸収液は，30℃に対して50℃では粘度が32%低下した．温度40℃，CO2ローディング0.0の吸収液は，30wt%に対して45wt%では粘度が106%上昇した．また，温度40℃，濃度45wt%の吸収液は，CO2ローディング0.0に対して0.5では粘度が98%上昇した．以上の計測結果を基に，上記三つの説によるCO2吸収速度への影響を推算した．二重境膜説で粘度の影響を考慮すると，50℃，30wt%，CO2ローディング0.0の吸収液でCO2吸収速度は最大26.2%低下した．一方，浸透説および表面更新説では，30℃，30wt%，CO2ローディング0.245の吸収液でCO2吸収速度は最大7.89%の低下に留まった．（鐘 涛）
地球温暖化対策としてCCS（CO2分離回収・貯留）技術の必要性が高まっている．CO2分離回収法としてアミン吸収液を用いた化学吸収法が実用化に最も近いが，石炭焚き火力発電などの排出ガスに含まれる不純物や酸素，再生塔での高温の熱などにより吸収液が劣化し，再生熱量が増大することが課題の一つに挙げられている．劣化の主要因である酸化劣化はギ酸などの有機酸が主生成物であると報告されており，当研究室においても40℃，CO2ローディング0のMEAの吸収反応熱は，ギ酸生成量の増加に伴って増加する傾向にあると確認されている．吸収液の再生熱量は液昇温熱，蒸発潜熱，解離熱で構成されるが，解離熱はこれまで吸収・放散の反応が可逆であると仮定し，40℃の吸収反応熱を用いて評価してきた．昨年度より小型ループ試験装置の再生塔ヒータの入力電力量から再生塔における解離熱を推算する方法の精度向上に取り組んでおり，本年度はMEAにギ酸を添加した模擬劣化吸収液の解離熱を推算することで，他の吸収液においても本計測方法を適用し評価できるか検討した．試験条件としてCO2分圧15kPa，L/G= 4（試験1）とCO2分圧10kPa，L/G=6（試験2），試験溶液としてMEA30wt%およびMEA28.2wt%にギ酸1.8wt%を添加して試験した．MEA30wt%および模擬劣化吸収液の解離熱は試験1では86.5および80.3kJ/molとなり，試験2では82.9および87.3kJ/molとなった．試験1の模擬劣化吸収液のCO2ローディングは0.454であり，反応機構の変化域に達したため解離熱が低下した可能性が高い．一方，試験2ではカルバメート生成域のローディングに留めたことから，再生塔でのCO2解離熱が4.4kJ/mol上昇し，CO2吸収反応と同様の傾向が見られた．（尾関 啓）
製鉄所ではCO2排出量削減の義務化や炭素資源の高騰・枯渇に備え，炭材消費量の抑制に取り組んでいる．本研究では製鉄プロセスにおいて排出される高温のスラグの未利用熱に着目し，その顕熱の回収による製鉄プロセスの省エネルギーおよび低炭素化の効果を試算するとともにエクセルギーフローによるプロセス評価を実施した．スラグ顕熱の利用先として，まずは高炉に高温空気を吹き込むための熱風炉において，空気の吸入温度から数百度までの低エクセルギー部の加温を補助することで燃料・炭材としての液化石油ガス（LPG）の削減を目指す．昨年度の研究では，炉頂ガス中のCO2の水素化によるメタン合成により還元性ガスへと再生させ，高炉へ再投入することで低炭素化の効果を試算したが，水素の調達は外部からの購入を仮定し，水素の製造エクセルギーを境界から除外して評価した．本年度はメタン合成プロセスにおいて，水素製造段階まで遡及して評価することとした．水素製造には電解電圧の低い固体電解質型セル（SOEC）による水蒸気の高温電気分解を用い，その電力エクセルギーは再生可能エネルギー由来とした．スラグ顕熱をSOECに供給する水蒸気の生成に利用することも検討しながら，Aspen Plus®により全てのプロセスをモデル化し，製鉄所全体でのCO2排出量の削減とエクセルギーフローへの影響を評価した．現在開発中のスラグ顕熱回収技術を適用すると仮定し，熱風炉において空気過剰率を1.05として計算した結果，LPGを2.54kg/THM削減することが可能であるとの試算結果を得た．SOECで利用する水蒸気を生成する目的でスラグ顕熱を供給した場合，水素を6.12kg/THM製造するための水蒸気の生成が可能であるとの試算結果を得た．（西田 皓一）
地球温暖化問題を背景に，CO2排出削減の動きが高まっている．日本の産業部門のCO2排出量は429Mt/yで国内全体のCO2排出量の33％を占めており，さらに産業部門の中の鉄鋼業のCO2排出量は183Mt/yで産業部門最大の43%を占めている．したがって，鉄鋼業のCO2排出削減は，日本のCO2排出削減に大きな影響を与える．日本の製鉄プロセスは世界最高水準のエネルギー効率であることを背景に，近年では鉄鋼製造の各プロセスにおいて副産物として発生するスラグのリサイクルが注目されている．従来のスラグリサイクルプロセスでは，スラグに含まれる粒鉄が99.8%回収できるまで細かく研削をして粒鉄を回収し，回収後のスラグは主に建設材料としてリサイクルされている．本研究では，鉄鋼所のスラグが高温状態で発生することに着目し，スラグを高温状態から急冷却することによりサーマルショックを与え，リサイクル時のスラグの破砕エネルギーの低減及び粒鉄の分離回収の向上を目的とする．本年度は転炉スラグに分類される脱珪スラグを900℃の高温状態から20℃に急冷却し，粒径1mmまで圧縮・破壊し，サーマルショックが破砕エネルギーに与える影響を検討した．その結果，高温状態から徐冷したスラグに対して，SiO2およびCa2SiO4が主成分の急冷スラグではそれぞれ26.8%および33.9%の破砕エネルギーが減少した．この結果から，従来のスラグリサイクルプロセスに急冷プロセスを適用した場合の高炉スラグ，転炉スラグおよび電気炉スラグの破砕エネルギーをそれぞれ計算し，総CO2排出削減量を算出した．日本国内の総スラグ発生量は39.4Mt/y であり，従来プロセスと比較したところ，日本全体の製鉄所ではCO2が0.98Mt/y削減される見通しとなった．（三田村 拓哉）