Our research focuses on CO2 emission reduction of energy conversion systems in terms of exergy engineering.

Exergy Engineering Research, Nakagaki Lab.

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2019年度の成果を紹介しています.This page introduces FY2019 synopses of our laboratory.

最新の外部発表の一覧はReaD & Researchmapでご覧になれます.

修士論文の抄録とポスターは環境エネルギー研究科のwebsiteでご覧になれます.
 *Synopses and posters of Master's Theses are available on the WEEE's site.

化学吸収法における吸収液劣化に伴う酸性物質の生成と運転特性変化への影響評価 (磯谷浩孝)Summary PDF
※2019年度修論発表賞
Evaluation post-combustion CO2 capture performance changes due to generation of acid species and accompanying amine degradation (Hirotaka Isogai)

Carbon dioxide absorption by aqueous amine solutions is the most technically mature and widely applied technology for post-combustion CO2 capture (PCC). One of the major barriers hindering the rapid deployment of amine-based PCC is amine degradation over long operation periods. Much effort has gone into preventing degradation through development of new amines and degradation inhibitors; however, some degree of degradation appears to be inevitable. The purpose of this research was to find operating conditions using the process simulator Aspen Plus that allow for continued CO2 capture even as amine degradation proceeds.
This year, a degraded solution of aqueous monoethanolamine solution (MEA) was made by continuous operation for 400 hours of a bench-scale, 10kg/day CO2 capture plant. The degradation of the MEA solution was confirmed by an increasing concentration of representative weak acids, the emergence of several unknown compounds, and the deterioration of performance indices in the bench-scale CO2 capture plant.
As an additional analysis step, simulated degraded amine solution was made by adding the weak acids identified in the actual degraded MEA solution to fresh MEA solution. A comparison of the process performance between simulated and actual degraded MEA solution indicated that the unknown compounds, only present in the actual degraded MEA solution, played a dominant role in determining process performance. Due to the compositional complexity and presence of unknown compounds, degraded solution property prediction by traditional methods yields poor results. A novel method to overcome this issue was developed wherein a hypothetical compound representing the various unknown compounds can be added to the simulation of solution properties.
This research will continue as doctoral research, following the progression of amine degradation over operation time and determining the ability to predict solution properties and system performance by using a hypothetical degradation compound.

CO2吸収塔からの微量アミン蒸気の 回収技術に関する研究 (長谷川 大介)Summary PDF
Investigation of subtle Vapor Amine Capture Technology from CO2 Absorber (Daisuke Hasegawa)

Capture of CO2 from power plants and industrial emissions is commonly achieved by an amine solvent-based chemical method. However, small amounts of amine can be released to the environment during this process. These amines are converted by natural processes into nitrosamines which can pose a threat to the environment and human health even at the ppm order. Amine release can occur through three pathways: 1) as aerosol emission, 2) as liquid entrained by a carrier gas, and 3) as an evaporated volatile amine. Aerosol amine emissions can be prevented by using a wet electrostatic precipitator. Gas-entrained liquid amine can be captured by demisters. However, volatile amines cannot be sufficiently removed using existing methods. Current research focuses on utilizing a water wash column to remove volatile amines. In this research, the physical properties of 5 amines were acquired by bench-scale experiment with the aim of designing a washing tower for volatile amine removal. While the existing theoretical framework in the literature qualitatively captured the behavior of observed in empirical testing, a degree of quantitative error remained. By manipulating the highly contributing gas phase diffusion coefficients of amines, the resulting values were within the theoretical framework. Inclusion of this data increased the prediction accuracy such that the conventional theoretical framework can be used to design a packed tower for removal of vapor amines.

高純度α-Al2O3によるCH4の熱化学再生 ~表面反応スキームの改良による炭素析出予測精度の向上~ (辻 祥平) Summary PDF
Thermochemical recuperation of methane on high-purity α-alumina - Increased prediction accuracy of carbon deposition via an improved surface reaction scheme - (Shohei Tsuji)

Thermochemical recuperation (TCR) is an attractive technology for the utilization of unused heat in excess of 1000 ˚C, as can be found in industries using high temperature furnaces. In the TCR process, high temperatures are used to upconvert fuel via steam reforming and dry CO2 reforming reactions. The higher value fuel reduces fossil fuel consumption and CO2 emissions. A prototypical example of TCR is the conversion of natural gas (CH4) into syngas (a mixture of H2 and CO). An issue with TCR is the deposition of elemental carbon on alumina catalyst surfaces, blocking the gas-catalyst reactions at the heart of TCR. To evaluate the potential for carbon deposition and preventative measures, the TCR reactions were modelled in CHEMKIN-II and CRESLAF. CHEMKIN-II can consider non-isothermal gas phase reactions, Al2O3 catalyst surface reactions, and mass transport. The 2D CRESLAF model operates in parallel to the CHEMKIN-II model. In this research, we aimed to improve the carbon deposition model.
An in-house, carbon deposition calculation to supplement the basic TCR reaction scheme provided qualitative approximation of carbon deposition but lacked the quantitative accuracy necessary for system design and implementation. However, this method only considered gas phase reactions on the assumption that CH4, CO2, and CO would not be adsorbed on the alumina catalyst surface. However, we confirmed experimentally the adsorption of CO and CO2 on the catalyst surface. To incorporate carbon deposition into the theoretical framework, a new gas phase reaction scheme including surface adsorption was created.
In the elementary carbon deposition reaction, the activation energy was gleaned from the literature and the frequency factor was determined based on fitting to experimental results to be 1.0 × 1022 s-1. Using the new reaction scheme and the fitted parameters, carbon deposition and low CO concentration TCR reactions (i.e., steam/CH4= 3~4) can be accurately simulated.

製糖工場の未利用熱蓄熱輸送システムの研究 ~技術経済分析に基づくシステム設計と蓄熱コストの低減~(阿部弥生)Summary PDF
Techno-economic design and cost reduction of heat charging portion of a thermochemical energy storage and transport system of unused heat from sugar mill operations (Yayoi Abe)

A spatiotemporal mismatch between unused heat exhausted from sugar mill and heat demands at factories exists on the island of Tanegashima. The unused heat comes from the burning of biomass that remains after sugar production (called, ‘bagasse’) in a boiler. A thermochemical energy storage and transport system utilizing a zeolite steam ad/desorption cycle is proposed to move the unused heat from bagasse combustion to heat demands at nearby factories. Zeolite releases heat upon adsorbing water and is ‘re-charged’ by simple drying. This study focused on the heat storage portion of the system. First, a unit to dry zeolite using flue gas from the bagasse boiler was designed; this unit is called the ‘Heat Charger’. Two types of gas-solid heat exchangers were considered for the Heat Charger: a counter-flow type and a cross-flow type. Each Heat Charger was designed using 1D and 2D simulations that coupled mass, energy, and steam conservation equations. Due to pressure loss through the Heat Charger, power must be supplied to a blower, which in turn increases operating costs. The design method of the Heat Charger aimed to minimize this blower power consumption. The analyses indicated a higher blower power consumption in the cross-flow design. Accordingly, only the counter-flow design optimized for minimal power consumption was adopted.
Based on the optimal Heat Charger design, a techno-economic analysis of the heat charging cost (JPY/kWh) was calculated on a levelized cost basis. The sensitivity of levelized cost to the gas temperature entering the Heat Charger and the dryness of zeolite exiting the Heat Charger was analyzed, accounting for differences in Heat Charger design needed to achieve these operational criteria. From this analysis, an optimal pinch temperature between the inlet gas and flue gas of 5.0 °C was determined. Additionally, optimal operations occur when zeolite exiting the Heat Charger achieves a dryness of 0.06 kg-H2O/kg-zeolite.
In addition to design of the Heat Charger, it was posited that the enthalpy of the flue gas could be increased by drying bagasse prior to combustion in the boiler. Process simulation of heat and material flow in the sugar mill found that reducing the moisture content of bagasse by 2% increased the flue gas temperature from 182 °C to 188 °C and increased the power generation by 31 kW. This increased power generation can be applied to the blower that provides hot air to the Heat Charger. Applying all the additional power to blower operation allows for decrease in operational heat charging costs and results in up to 2600 kg/h of zeolite to be re-charged. Since the reduction in blower power cost exceeds the increase in equipment cost which accompanies the bagasse drying process, if bagasse drying is applied to the optimized 2000-2200 kg-zeolite/h Heat Charger, it is expected that heat charging costs will be further reduced.

井桁構造機能層を介挿したSOFCの性能予測 (高橋和也)Summary PDF
Performance prediction of SOFC with cross-hatched functional layers (Kazuya Takahashi)

After the Great East Japan Earthquake, there is demand for transformation to a bi-directional energy transmission system with more distributed power sources. In this role, a fuel cell co-generation system with improved energy utilization is an attractive technology. Even in their current state of development, solid oxide fuel cells (SOFC) are a highly efficiency power generation system. However, it is necessary to reduce the raw material cost and increase the power density to accelerate penetration of SOFC. In SOFC, electrochemical reactions convert fuel directly into electricity. These reactions occur only at locations called triple phase boundaries (TPB). The TPB is where an uninterrupted pathway for electron flow, ion diffusion, and fuel gas flow exist. Increasing the volumetric density of TPB produces a SOFC with improved performance. This researched aimed to generate a multi-layered, cross-hatched microscale geometry to increase the TPB density. Each layer consists of a solid anode and solid electrolyte material which are manufactured in a method similar to weaving. Numerical calculations were used to determine the impact on SOFC performance of fiber diameter, degree of overlap between neighboring fibers, degree of overlap between fiber layers, and the number of layers. By decreasing the fiber diameter, anode overvoltage was reduced. When the fiber diameter was reduced to 3 μm or less, the anode overvoltage fell below that of a SOFC without a designed microstructure. Additionally, increasing overlap between neighboring fibers and fiber layers resulted in reduction of anode overvoltage; this effect was due to an increase in the TPB density. The highest TPB density was found to occur when neighboring fiber overlap is 8% of fiber diameter and fiber layer overlap is 30% of fiber diameter. The optimal structure to reduce anode overvoltage was determined to have a fiber diameter of 1 μm, the degrees of overlap mentioned above, and 14 fiber layers. Using this structure reduced anode overvoltage compared to an unstructured SOFC by 66.4%.

廃かん水を用いた有価物併産CO2固定化プロセス ~プロセスごとの要求仕様の明確化~ (佐藤航平)Summary PDF
Net CO2 mineralization using seawater desalination brine with profitable polyproduction of commodities - Sub-process design for conversion of CO2 and waste brine into valuable products - (Kohei Sato)

Carbon dioxide removal from the atmosphere at the scale of 10 GtCO2/y by the end of the century is likely necessary for a 50% chance of meeting the 2°C scenario set out by the Paris Agreement. We have previously developed a profitable pathway to use desalination brine to mineralize CO2 into stable magnesium carbonates while also producing fresh water, gypsum (CaSO4˙2H2O), halite (NaCl), sodium sulfate (Na2SO4 ˙10H2O), and aqueous hydrochloric acid. The process uses evaporative concentration of desalination brine to separately precipitate gypsum and halite. Subsequent cooling of the solution removes sodium sulfate. Hydrochloric acid is added to precipitate NaCl and then recovered by addition of magnesium chloride. The remaining magnesium chloride is thermally decomposed, forming hydrochloric acid and periclase (MgO). The MgO is then used to mineralize atmospheric CO2 into stable MgCO3˙3H2O.
The sub-process consuming the greatest amount of energy is the evaporative concentration of desalination brine due to the large latent heat of water vaporization. To reduce the energy consumption of evaporative concentration, a crossflow, thin-film evaporator was designed. The system takes advantage of low relative humidity air and the sensible heat of desalination brine to drive evaporation. The system, sized to treat 100,000 tonne/d of desalination brine, achieved brine evaporation at an electrical energy consumption of 23 kJ/kg-water while increasing the footprint of the desalination plant by only ~5%.
The other bottleneck in the process is the mineralization of gaseous CO2 by solid MgO, which is typically considered a slow reaction. In this year, experiments showed that the thermal decomposition of magnesium chloride in air can be realized at 350 ˚C, instead of 400 ˚C as is commonly reported in the literature. Performing thermal decomposition at this lower temperature not only reduces energy consumption, but also generates an amorphous MgO structure. Experiments showed that this amorphous MgO mineralizes gaseous CO2 many orders of magnitude faster than crystalline MgO. Mineralization was further accelerated by producing MgO as a micrometer thin sheet, resulting in complete CO2 mineralization within one day.

遠心分離による溶融鉄鋼スラグからの有価物回収に向けた研究 ~数値計算による分離メカニズムの解明~ (菅原一真)Summary PDF
Recovery of valuable materials from molten iron and steel slag by centrifugation - Elucidation of separation mechanisms by numerical calculation - (Kazuma Sugawara)

The iron and steel making industry (ISM) is one of the largest CO2 emitters in the world. In the ISM process, iron ore, calcium carbonate, and coking coal are reacted to form metallic iron. Concurrently, the process generates a molten calcium silicate melt (called ‘slag’) from impurities present in the starting materials. We propose reducing CO2 emissions in ISM by recovering CaO and FeO from molten slag via centrifuging. These materials would be recycled to the iron and steelmaking process, reducing CO2 emissions by ~13%. Lab-scale demonstration of molten slag separation by centrifuge for a number of slag compositions has been reported in the literature. However, no theoretical framework has been developed which can accurately predict the material composition and degree of separation of molten slag during centrifuging. This lack of theoretical basis prevents large-scale system design and optimization. Therefore, we simulated molten slag centrifuging experiments reported in the literature via numerical calculation with an aim to elucidate the relevant physical mechanisms controlling the separation phenomenon. In our numerical calculation model, the molten slag was simulated as an ensemble of microscale spherical aggregations of the fundamental compounds composing the molten slag. Particles did not directly interact but were also not allowed to share the same location. The particles moved under the balance of centrifugal, gravity, buoyancy, and drag forces based on the local molten slag properties. The molten slag properties of density, viscosity, liquidus temperature, and nucleation lag time were predicted using deep neural networks based on the local elemental composition and temperature. Initial simulations used monodisperse aggregations of simple oxides with some success. Greater accuracy was achieved by calculating aggregate sizes, accounting for the molar volumes, diffusivity, and statistical mechanics. Results from hard-sphere mixing theory and calculation by phase diagram suggested the presence of additional compounds for the given slag composition and experimental temperature. Inclusion of these compounds to the simulation yielded simulation results that matched quantitatively with experimental results. Based on the developed theoretical framework for molten slag separation, the increase of slag temperature will yield more rapid separation of purer materials through a lower slag viscosity and suppression of mixed compound nucleation.

卒業論文・計画(4年生)

製鋼スラグのCO2鉱物化速度向上のためのプロセス検討

地球温暖化対策として,再生可能エネルギー適用後もCO2を排出する製鉄所では,追加的な排出削減対策が求められる.しかし,量的寄与の大きなCCSは貯留地の選定等の社会的受容性および外部不経済の観点から,普及拡大には時間を要する.本研究では地中貯留以外のオプションとして,製鉄所の副生成物である鉄鋼スラグを用いて排ガス中のCO2を鉱物化するプロセスの実用化を目的とする.本プロセスは製鉄所由来CO2排出量の約10%の大規模削減に加え,利益も創出可能であることから急速な普及が期待できる.利用用途が自然砕石で代替可能で付加価値の低い製鋼スラグに着目し,鉱物化速度向上を目的としたプロセスを検討した.スラグは鉱物化挙動の異なる複数の化合物の混合物であるため,未反応種が反応種を隔離した状態(Mineral Locking,以下ML)が鉱物化の弊害となる.スラグを研削し,粒径を小さくすることで,複合要素における巨視的特性のモデリング理論(Effective Medium Theory)による算出値と実験値の乖離が小さくなることから,MLの抑制を実証した.このことから,スラグの研削によって,MLの抑制に加え,比表面積の増大に伴う鉱物化速度の向上も確認された.しかし,さらなる研削継続は,研削エネルギーがアモルファス化を引き起こし,鉱物化速度がかえって低下することが確認された.また,製鋼スラグの場合,粒径が大きい生石灰由来のCaOが多く内在しているため,その鉱物化特性を評価したところ,CaOの水酸化物Ca(OH)2の鉱物化は,CaOよりも速いことが確認された.したがって,製鋼スラグに内在するCaOを水酸化した上で,アモルファス化しない最小径まで研削後にCO2と反応させるプロセスが鉱物化速度向上にとって有効であるとわかった.(笹川 純)

廃かん水を用いたCO2鉱物化プロセスにおける副生成物回収法の検討

地球温暖化は深刻化しており,今世紀後半には世界のCO2排出量の正味ゼロが求められている.そのため,量的寄与が大きく,利益創出も可能なCO2削減技術が求められている.本研究では,造水プラント由来の廃かん水中MgとCO2から炭酸マグネシウム(MgCO3)を生成し,MgCO3(骨材)および回収した水等の副生成物上市による利益創出と,CO2鉱物化によるCO2排出量削減を両立させたプロセスの構築を目指す.本プロセスでは,副生成物であるCaSO4・2H2OおよびNaClを単一化合物として析出分離することを目的として,二段階蒸発濃縮を採用している.水の蒸発は膨大な熱量を必要とし,蒸発方法によって投入エネルギーが大きく変化する.そこで,本年度は投入エネルギーを抑制可能な蒸発方法を検討した.まず,有価物の析出条件調査のために,濃縮かん水の蒸発率(70~85%)および温度(10~90 ℃)を管理し,溶液中イオン組成をIon Chromatographyで分析した.その結果,有価物の単一化合物としての析出分離には,蒸発率を高精度に管理する必要があることがわかった.そこで,投入エネルギー低減が可能であり,蒸発率の管理も容易な送風蒸発法を検討した.この方法では,送風空気をかん水と接触させることで水を蒸発し,単一化合物を回収する.空気は蒸発した水を取り込み湿潤空気となるため,湿潤空気から有価物である水を回収する必要がある.湿潤空気中の水を凝縮・回収する方法として,地中に埋設した管路に湿潤空気を送風し,地熱をヒートシンクとして利用するEarth Air Heat Exchangerを検討した.その結果,地中への熱拡散率および湿潤空気温度に応じて,配菅の寸法および風速を変化させることで,利益創出が可能であることが分かった.(入江 龍雅)

化学吸収液のCO2吸収速度計測のための濡れ壁塔の設計

地球温暖化の緩和策として有望なCO2分離回収・貯留技術の中でもアミン系水溶液を用いた化学吸収法は,石炭火力発電所などのCO2集中排出源に適応可能であり実用化段階にあるが,設備および運転コストの低減が普及への課題である.吸収液の基礎特性のうち,吸収塔高さの設計に影響するCO2吸収速度は,設備コストに直結する重要な性能指標である.本研究では,高精度なCO2吸収速度の計測およびその決定因子の感度分析を可能とすべく,単位面積当たりのCO2吸収速度を計測可能な濡れ壁塔試験装置を設計・製作した.塔の入口・出口で計測するCO2濃度の差分からCO2吸収速度を算出できるが,気・液それぞれのCO2濃度変化が無視できる条件では気液平衡特性も取得可能である.試験装置は,気液接触面積を規定するため塔の壁面に均一な液膜が形成される構造とし,塔内での脈動が生じない高低差を利用した自然落下による送液方式を採用した.また,層流境界層理論に基づくガス側物質移動係数を用いて液側物質移動抵抗を分離・導出できるように,気液接触界面におけるガス中CO2濃度場および速度場の境界層発達域を確保した構造設計とした.CO2吸収速度の誤差要因において支配的なガス中CO2濃度に対して,必要な塔高さの確保に加え,塔全体をブラインで均温化することで温度によるCO2濃度計測の影響を極力回避し,想定されるCO2吸収速度の最大誤差を±4~6%に収めた.得られたCO2吸収速度,対数平均濃度差および既知の気液接触面積より,未知の液側物質移動係数を算出した.アミン吸収液として標準的なMEA30wt%水溶液の試験結果と,文献値および数値計算結果を比較することで,設計した濡れ壁塔の妥当性を確認し,CO2吸収速度の計測手段を確立した.(石原 学美)

CO2吸収塔脱炭素ガスからの微量アミン蒸気回収に向けた基礎データ取得

近年の深刻な地球温暖化の抑制対策としてCO2の分離回収技術であるCCS技術が注目されている.中でもアミン系溶液を用いた化学吸収法は実証実績も多く商用化も進んでいる.その一方で,CO2分離回収後の脱炭素ガスは微量のアミン蒸気を含有しているため,環境面・健康面への影響から大気中へのアミンエミッションが懸念されており,対策を講じる必要がある.エミッション低減の対策案として,技術的成熟度の高い気液接触型充填層による洗浄塔があり,物性値と運転条件から決定される無次元数などを用いた既往の実験式によって設計が可能とされる.本研究では,微量なアミン蒸気-洗浄水間の物理吸収においても既往のガス吸収理論に基づいた設計法の確立を目的に,標準アミンであるMEAをはじめとした化学吸収法で用いられる数種のアミンについて,基礎的なデータを実験的に取得した.吸収によるアミン蒸気の輸送と保存を考慮した移流方程式によって洗浄塔入口-出口間のアミン濃度分布を数値計算によって求め,試験によって得られる洗浄塔出口のアミン濃度との比較から,総括物質移動係数は既往の実験式によって概ね模擬可能と判断した.一例として,MEA60wt%の試験では,1.9×10-6 mol/(m2·s·Pa)程度であると算出された.
充填層型洗浄塔の設計のために,実プラントにおいて排出されるアミン蒸気量を予測する必要がある.そこで,アミン水溶液-キャリアガス間における気液平衡特性の取得を目的としたバブリングによる気液平衡試験を実施した.MEA30wt%での試験結果では,Fresh液で約150 ppmであり,文献値と同等の値が得られた.また,CO2ローディングの上昇に伴って平衡のアミン蒸気濃度が線形に減少することを確認した.(有川 大悟)

SOFCにおける井桁構造機能層作製のための高濃度スラリーの調整

SOFCのさらなる普及には出力密度と発電効率の向上による材料費の削減が重要である.SOFCは電子伝導のパスである電極材(本研究ではNi),酸化物イオン伝導パスである電解質材(本研究ではGadolinia Doped Ceria,GDC)および反応ガスのパスである空隙の有効なネットワークが形成された三相界面(Triple phase boundary,以下TPB)でのみ反応が生じる.昨年度まで,アノードと電解質界面に多孔質のアノードとGDCの層を3Dプリンタにて積層することによりTPBの立体的な拡大を図ってきた.しかし,インクジェット式の3Dプリンタでは構造の微細化に限界があり,作製速度の観点でも低コスト化が難しい.そこで,1次元部材の任意の配合比により3次元的に異方性を持つ設計が可能な井桁構造の機能層をTPBとして介挿することを考案し,共焼結まで通した作製方法の確立と,輸送抵抗に起因する過電圧低減の実験的評価を大目標とする.本年度は,井桁構造機能層の結合状態をEx-situの抵抗計測で確認する供試体のための1次元基本構成部材を,微細スリットを有するマスク板への塗布によって作製すべく,これまでの10倍程度の高濃度GDCスラリーを調整した.文献から高濃度スラリーの組成として,GDC:PVB(質量比)=10:1とし,溶媒(α-テルピネオール)の添加量比によって50.0,55.6,66.7,69.0%のスラリーを作製した.直接観察法にて凝集を調査した結果,高濃度ほど凝集の影響が小さく,均一なスラリーが得られた.しかし,高濃度化による流動性の悪化が見られたため,両者のトレードオフ関係からスラリー濃度を66.7%と決定した.また,塗布・自然乾燥・焼結の工程の条件を確立し,焼結後の形状測定によって,所望の焼結体が作製可能であることを確認した.(湯川 詩織)

3Dプリンタを用いた三相界面実装SOFCにおけるアノード基板改良による拡散抵抗の低減

固体酸化物形燃料電池(Solid Oxide Fuel Cells, SOFC)の製造コストにおいて原材料費の占める割合が高いことから,さらなる普及には出力密度を向上させ,セルスタックのコンパクト化が望まれる.SOFCのアノードにおける反応は電子伝導パスである電極材とイオン伝導パスである電解質材の異粒子の接合界面にガス拡散パスである空隙が介在する三相界面(TPB)でのみ生じ,それらが断裂なくネットワークを形成している必要がある.そこで,3DプリンタによりTPBの微細構造を作製し,有効なTPB密度を増大させ出力密度の向上を本研究目的としている.昨年度までに平滑なアノード基板上の微細構造は作製可能となったが,発電試験では濃度過電圧の増加により大幅な性能向上には至らなかった.その要因として,表面性状改善のため,アノード基板への小径の造孔剤の適用による空隙率の低下が予測された.細孔分析の測定結果より,従来のマイクロチューブ型セルのアノードスラリーの添加物組成に基づき作製した基板の空隙率は約30%であったが,平滑化した円盤状アノード基板の空隙率は約15%であり,基板内空隙率の低下が顕著であった.本年度は,造孔剤添加量の調整により空隙率30%を指標として基板を作製した.材料変更に伴い,アノード基板上に作製した電解質層に膜の剥離が発生したためその要因を分析した.剥離した電解質層にはアノード基板表面のNiO粒子が付着しており基板の焼結不足が示唆されたため,基板脱脂温度を900から1100 ℃に変更し,欠陥の無い電解質層の作製が可能となった.これらの対策を講じた結果,拡散抵抗低減が見込める空隙率を有した基板と,その上に3Dプリンティングした微細構造を含む単セルの作製に成功した.(川上 勇人)

リチウム空気電池の放電EIS試験による内部抵抗要因の分離

近年,地球温暖化に伴いCO2排出量削減に向けた取り組みが世界各国で図られている中で,効用の電化と電源の脱化石化がメガトレンドである.輸送部門でも電動化が進んでおり,中でも電気自動車(EV)の普及が最も期待されている.しかし,現在のEVは燃油利用の車に対して航続距離が短いため,動力源であるリチウムイオン電池に代わる新たな二次電池の開発が求められている.本研究ではエネルギー密度が高く,理論容量の増大が期待されるリチウム空気電池に着目した.リチウム空気電池には,放電中に正極の多孔構造内での過酸化リチウム(Li2O2)の析出による内部抵抗増大や,酸素拡散の律速による反応速度の低下等の課題があり,実用化には至っていない.そこで本研究では,リチウム空気電池の内部抵抗の分離を通して抵抗の主要因を明らかにすることを目的として,放電EIS試験を実施した.既往研究から,負極のインピーダンスの影響は正極に比べ十分小さいと判断して正極での反応のみに注目し,等価回路から各要素を抽出した.イオン伝導の阻害要因となる抵抗成分として,電解液内(バルク)の抵抗(Rb),電解液と電極間の界面抵抗(Rint),電荷移動抵抗(Rct),容量成分としてバルク容量(Cb),界面容量(Cint),電荷移動容量(Cct)が挙げられる.Li2O2の析出による内部抵抗の増大はRintに相当する.放電EIS試験でDOD=13.2~86.0%における内部抵抗要素を分離した結果,Rb=48.7 Ω,Rint=858 Ω,Rct=442 ΩとなりRintが抵抗の主要因であることが示唆された.Rintの抵抗値が他と比較して大きくなった要因としてLi2O2の析出による反応抵抗が考えられる.また,Rctの値はLi2O2の析出によって電子の動きが阻害されて増大したと考えられる.(河西 竜之介)

製糖工場の未利用熱蓄熱輸送システムにおける低ブロワ動力型ヒートチャージャーの検討

種子島における120 ℃前後の年間熱需要に対し,製糖工場での冬春季の製糖期間中に発生するバガス由来の200 ℃程度の未利用熱の時空間的ミスマッチ解消のため,ゼオライトの水蒸気吸脱着サイクルを用いた蓄熱輸送システムを検討しており,本研究では蓄熱過程に着目した.昨年度までに検討されたゼオライトとガスが向流で熱交換する向流接触式の蓄熱装置は,充填層の圧力損失に起因するブロワ動力が大きく,経済性の悪化の主要因であることが明らかになった.そこで今年度は低ブロワ動力型として,ガスの通過断面積が向流接触式に比べて大きく,ゼオライト充填層の主流方向長さの短縮により圧力損失の低減が期待されるゼオライトとガスが直交接触する直交十字流式を検討した.フルスケールの1/400規模の向流接触式の蓄熱試験で妥当性を確認した数値解析モデルを用いて,ゼオライト流量を与条件としてブロワ動力が最小となるように導入風量と層高さを決定し,必要ブロワ動力を算出した.次に,向流接触式と同様の伝熱・脱着速度モデルを用いて,直交十字流式の性能を予測する二次元数値解析モデルを開発し,向流接触式と同様に処理量毎の最小ブロワ動力を算出し,性能を比較した.直交十字流式における圧力損失は向流接触式よりも低減したが,ガス主流方向にゼオライトを均一に昇温・脱着させるためには導入風量が1.5倍必要であり,ブロワ動力は直交十字流式が上回った.
直交十字流式でのブロワ動力低減策として,脱着が最も遅いガス流出側でゼオライトの沈降速度を下げる速度分布の導入を検討した.ゼオライトの沈降速度に分布を与えることで,向流接触式よりも低ブロワ動力でゼオライトを処理できることが示唆された.液を用いて,入熱250W,液ガス比5で小規模CO2回収試験装置にて試験を実施したところ,CO2回収率は85%に達した.試験後の溶液は,アミン濃度50wt%に濃縮されており,液ガス比一定条件でリッチローディングの増加が見込める45wt%に再調整して試験を実施した結果,吸収塔下部のローディングは0.40から0.47に増加してCO2回収率は90%に達し,MAPAの加速助剤としての優位性を確認した.(飯田 河人)

乾燥工程の高温高湿排気によるゼオライトボイラの燃料削減効果

種子島では,サトウキビの製糖期間中に発生するサトウキビバガス由来の200 ℃程度の未利用熱と,島外からの重油によって賄われる年間を通した120 ℃程度の熱需要の時空間ギャップが発生しており,ゼオライトの水蒸気吸脱着サイクルを用いた蓄熱輸送システムによる解消を検討している.本研究で着目した出熱装置であるゼオライトボイラはゼオライトが重力沈降しながら,既設ボイラから噴射された蒸気を吸着し,発生した吸着熱を給水に伝熱して蒸気を生成する移動床間接熱交換方式を採用している.ゼオライトボイラにより生成した蒸気と既設ボイラが噴射した蒸気のエンタルピの差分が燃料削減効果となる.本年度は熱需要地として想定している食品加工工場の乾燥工程から排気される高温高湿空気をゼオライトボイラに導入することで,既設ボイラから噴射する蒸気の一部を高温高湿排気に含まれる蒸気で代替するプロセスを検討した.
本プロセスの性能を予測する一次元数値解析モデルを開発し,フルスケールの1/200規模での試験条件を決定した.湿潤空気を混合して噴射したゼオライトボイラ試験により妥当性を確認した数値解析モデルを用いて,フルスケールのゼオライトボイラの燃料削減効果を予測した.70 ℃露点の高温高湿排気を導入した場合,燃料削減量は既設ボイラからの噴射蒸気を利用する通常のゼオライトボイラに比べて最大で93%向上したが,ゼオライトボイラ内に流通するガス流量および圧力損失増大に起因するブロワ電力コストを考慮すると,コストメリットは見込めず,導入のメリットが得られない可能性が高い.一方,高温高湿排気が80 ℃露点であれば,燃料削減効果がブロワ電力増を上回り,約2倍の収益が見込めることがわかった.(宮川 大河)

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