太陽熱駆動ケミカルヒートポンプの共同研究

• 研究課題/領域番号: 06044074
• 研究種目: 国際学術研究
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 共同研究
• 研究機関: 東京農工大学
• 研究代表者: 亀山 秀雄 東京農工大学, 工学研究科, 教授 (10114448)
• 研究分担者: NAZIM Murado フロリダ太陽エネルギーセンター, 主任研究員 ; ALI Raissi T フロリダ太陽エネルギーセンター, 主任研究員 ; 土井 卓也 工業技術院電子総合研究所 エネルギー部, 研究官 ; FUNK James E ケンタッキー大学, 工学部, 教授 ; BKOCK David フロリダ太陽エネルギーセンター, 所長 ; 田中 忠良 工業技術院電子総合研究所, エネルギー部, 主任研究官 ; 加藤 之貴 東京工業大学, 原子炉工学研究所, 助手 (20233827) ; 斉藤 泰和 東京農工大学, 工学部, 教授 (10010761) ; 山本 協子 東京農工大学, 工学研究科, 助手 (30191399) ; MURADOV Nazim CHIEF RESEARCHER OF FLORIDA SOLAR ENERGY CENTER ; T-RAISSI Ali CHIEF RESEARCHER OF FLORIDA SOLAR ENERGY CENTER ; FUNK E.James ケンタッキー大学, 工学部, 教授 ; BLOCK L.Davi フロリダ太陽エネルギーセンター, 所長
• 研究期間 (年度): 1994 – 1995
• 研究課題ステータス: 完了 (1995年度)
• 配分額: 12,400千円 (直接経費: 12,400千円); 1995年度: 6,600千円 (直接経費: 6,600千円); 1994年度: 5,800千円 (直接経費: 5,800千円)
• キーワード: 太陽熱利用 / ケミカルヒートポンプ / プレート状触媒 / 液相脱水素反応 / アセトン / 2-プロパノール / 液膜式反応器 / プロセスシミュレーション

研究概要

平成7年度の実施計画に基づき以下の研究成果が得られた。
1)プロセス設計
日米が共同して、太陽熱駆動のケミカルヒートポンプシステムの概念設計を行うため、東京農工大学、フロリダ太陽エネルギーセンターの2カ所で検討会を持ち、100kW規模のシステムの概念設計を行った。特に、平成7年8月1日から8月9日にかけてフロリダ太陽エネルギーセンター内で本研究テーマに関するワークショップを開催し、日本側から5件、米国側から4件の研究発表が行われ、十分に時間をかけて討論が実施された。
2)プレート型触媒の開発
東京農工大学において開発したのプレート触媒調整の技術を応用して、2-プロパノールの脱水素用のプレート触媒を調製し、液膜式反応装置を作成し2-プロパノールの80℃での吸熱脱水素反応を東京農工大学、東京理科大学、フロリダ太陽エネルギーセンターの3カ所でそれぞれが工夫した装置を使用して行った。特にフロリダ太陽エネルギーセンターでは、太陽熱を直接利用したパネル型の液膜反応装置を試作し、良好な反応の進行を確認している。日本側の実験結果では、従来の懸濁式反応や気相反応と比較して、反応活性が数倍高く、アセトン吸着阻害に強い触媒であることが再確認されるとともに、液膜を通して反応生成物の一つである水素が気相に放出されることにより、反応場からの生成物の分離が進行することになり、常に非平衡の状態を作り出すことが分かり、2-プロパノールの平衡転化率以上の転化率が両方の実験により確認された。
3)太陽熱駆動触媒吸熱反応器の研究
フロリダ太陽エネルギーセンターにおける太陽熱集熱技術を応用して、触媒反応と分離操作の機能を持つ太陽熱集熱パネルの設計を行い、電子総合研究所並びにフロリダ太陽エネルギーセンターの2カ所で太陽熱集熱パネル型小型反応器を製作した。フロリダ太陽エネルギーセンターでは、実際に屋外に反応装置を出しての実験が行われ、水素の発生を確認している。
4)発熱反応器の研究
東京農工大学既設の反応装置を用いて、アセトンの水素化の熱交換型管状触媒反応実験を行い、反応速度、伝熱速度の測定を行い、伝熱は十分早く反応律速となり、反応速度も当初の50モル/m2を上回る結果が得られたが、反応の選択性に問題があることが分かった。そこで陽極酸化アルミナを炭素でコーティングする方法とルテニウムでアルミナの酸点を弱める方法を試み、両方法とも選択性の向上に十分効果があることが分かった。
5)両反応器の連結システムの研究
農工大学とケンタキ-大学そしてフロリダ太陽エネルギーセンターとでフローシートの検討を行い、ASPEN PLUSプロセスシミュレーター上でのプロセスの検討をエネルギーとエクセルギーの観点から行い、プロセスの改良点を明らかにし、技術的な対策案を提出した。
6)太陽熱利用反応器の制御システムの研究
作成したフローシートに基づき、農工大、ケンタッキー大学、フロリダ太陽エネルギーセンターにおけるASPEN PLUSプロセスシミュレーターを使用して、提案フローのシミュレーターを作成し、3者間でプロセスフローの解析を行なった。
7)共同研究全体について
今回の共同研究の実施により、日本で提案されたケミカルヒートポンプの研究が、アメリカでも継続的な研究として実施されるようになり、本プロジェクト終了後も引き続き研究協力関係が継続することが確認された。米国側は、エネルギー省に独自に研究申請を行っている。また、新たにハワイ大学の自然エネルギーセンターやユナイテッドテクノロジー社と実験上の協力関係も築くことができた。また、中国の華東理工大学からも共同研究の申し入れがあり、今後、本プロジェクトで明らかにされた技術的な問題点を日本、米国、中国の3国間で協力しながらそれぞれの立場で解決し、近い将来実用規模のプラントを国際共同研究として建設することが望まれる。

研究成果

• [文献書誌] Hideo Kameyama: "Solar-driven Chemical Heat Pump" Proceedings of Int.Chem.Cong.of Pacific Basin Societirs,Honolulu,Hawaii. 1. ENVR 345a (1995)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] P.Gastauer,and H.Kameyama: "Combination of the Isopropanol/Acetone/Hydrogen Cycle and the Cyclohexane/Benzene/Hydrogen Chemical Heat Pump" Proceedings of Int.Symposium on Energy,Environmentand Economics,Melbourne,Australia. 1. 150-155 (1995)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] 亀山秀雄: "多孔質アルミナ層を有する伝熱材料" 水素エネルギーシステム、. 20. 16-23 (1995)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] 亀山秀雄、村田 究、寺井 聡、豊島 勇作: "アルミニウム陽極酸化皮膜による連続触媒体の開発" 表面技術. 46. 425-428 (1995)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] 寺井 聡、村田 究、山本協子、亀山秀雄、: "プレート状アルミナ触媒の細孔制御に関する研究" 化学工学論文集. 21. 1069-1074 (1996)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] Kyu.Mutata and Hide.Kameyama: "Performance of a Tube Wall Type Reactor for Transforming Heat Energy into Chemical Energy Efficiently" Int.J.of Hydrogen Energy. 21. 201-205 (1996)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] 亀山秀雄、小島紀徳 共著: "資源・エネルギーリサイクル" 培風館(印刷中), 250 (1996)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] Hideo Kameyama: "Solar-driven Chemical Heat Pump" Proceedings of Int.Chem.Cong.of Pacific Basin Societirs, Honolulu, Hawaii. 1. ENUR345a (1995)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] P.Gastauer, and H.Kameyama: "Combination of the Isopropanol /Acetone/Hydrogen Cycle and the Cyclohexane/Benzene/Hydrogen Chemical Heat Pump" Proceedings of Int.Symposium on Energy, Environmentand Economics, Melbourne, Australia. 1. 150-155 (1995)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] H.Kameyama: "Heat Transfer Materials with Porous Alumina Layr" Hydrogen Energy System. 20. 16-23 (1995)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] H.Kameyama, K.Murata, S.Terai andY.Toyoshima: "Development of continuous Catalyst by Anodic Oxidation of Aluminum" Hyoumen Gijyutsu. 46. 425-428 (1995)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] S.Terai, K.Murata, K.Yamamoto and H.Kameyama: "A Study on Pore Size Control of a Plate-Type Alumina Catalyst" Kagakukougaku Ponbunsyu. 21. 1069-1074 (1996)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] Kyu.Mutata and Hideo.Kameyama: "Performance of a Tube Wall Type Reactor for Transforming Heat Energy into Chemical Energy Efficiently" Int.J.of Hydrogen Energy.21. 201-205 (1996)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] Hideo Kameyama and Noritoku Kojima: Baifukan. Resources and Energy Recycling, -250 (1996)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] 亀山 秀雄: "ニッケル超微粒子の電着法によるプレート状触媒の調製法の研究" 化学工学論文集. 20. 131-133 (1994)
• [文献書誌] Kameyama,Hideo: "Performance of a Tube wWall Type Reactor Transforming Heat Energy into Chemical Energy Efficiently" Hydrogen Energy Progress X. 3. 537-546 (1994)
• [文献書誌] Saitou,Yasukazu: "Hydrogen Production from 2-Propanol as a Key Reaction for a Chemical Heat Pumpwith Reaction Couple of 2-Propanol Dehydrogenation/Acetone Hydrogenation" Int.J.Hydrogen Energy. 19. 216-222 (1994)
• [文献書誌] 斉藤 泰和: "ケミカルヒートポンプ" 化学と教育. 42. 51-56 (1994)
• [文献書誌] 土井 卓也: "太陽集熱器と組み合わせて中高温を作るケミカルヒートポンプ" 太陽のたより. 15. 32-36 (1994)
• [文献書誌] Gastauer,Paul: "Thermal Efficiency Limits of the Isopropanol/Acetone/Hydrogen Chemical Heat Pump" Proceedings of International Hydrogen and Clean Energy Symposium. 1. 317-320 (1995)
• [文献書誌] Kameyama,Hideo: "The Expanding World of Chemical Engineering" Gordon & Breach, 210 (1994)
• [文献書誌] 亀山 秀雄、田中 忠良: "エネルギー基礎学入門" パワー社, 234 (1994)
• [文献書誌] 斉藤 泰和: "季刊化学総説23 均一系金属錯体の光触媒作用とエネルギー変換" 日本化学会, 250 (1994)