集光熱反応性セラミックスを用いるソーラ水素生産に関する研究

2000 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 12308022
• 研究機関: 東京工業大学
• 研究代表者: 玉浦 裕 東京工業大学, 炭素循環素材研究センター, 教授 (00108185)
• 研究分担者: 児玉 竜也 新潟大学, 工学部, 助教授 (60272811) ; 金子 宏 東京工業大学, 理学部, 助手 (90323774) ; 辻 正道 東京工業大学, 炭素循環素材研究センター, 助教授 (20111643)
• キーワード: 反応性セラミックス / マンガンフェライト / 炭酸ナトリウム / ビームダウン型集光装置 / 亜鉛フェライト / 太陽エネルギー / 化学エネルギー変換 / ソーラー水素

研究概要

太陽エネルギー/水素生産サイクルシステムの再生系において二相分解性反応性セラミックスABO_2とCO_2の反応により効率よくO_2を放出する反応系としてABO_2化合物Na(Mn_<1/3>Fe_<2/3>)O_2をヘマタイト(α-Fe_3O_4)とまず反応させ、その後にCO_2を反応させる系を新たに見出した。この系では酸素放出効率が600℃で70.9%となり、酸素放出過程を効率よく進行させ得ることが分かった。この再生系により、出発物質であるマンガンフェライトと炭酸ナトリウムが再生でき、低温二相分解性反応性セラミックスを用いる太陽エネルギー/水素生産サイクルシステムの構築できる可能性が大となった。
ビームダウン型集光装置のヘリオスタット面積及びフレネルレンズ面積を2倍にして太陽炉の熱量を800W級に改良し、直径10cmのCPC上部入口での入射光温度分布を測定したところ、中心付近で1300℃、周辺で1000℃の集光特性のあることを確認した。また、二相酸化物系による水素発生用の石英反応炉を試作し、集光太陽光を用いたNa_2CO_3/Fe_3O_4二相反応系による水素発生反応を行った。太陽エネルギーの水素エネルギーへの変換効率としては数%であったが初期調整段階としては十分な性能が確認でき、次年度に向けた太陽/化学エネルギー変換効率の実験準備が整った。
開発用小型試験反応炉(10kW)の設計に必要なデータを集積するため、本研究分担者の児玉竜也と金子宏(平成12年7月1日追加)が平成12年12月と平成13年2月にオーストラリア大学に出向き、同大学保有の20kW級パラボリック集光装置を用いて、共同実験を行った。オーストラリア大学側の共同研究者および実験協力者(K.Lovegrove)が参加し、スイスで開発中のParticle-Cloud法を想定した薄層充填固定床(厚み1mm)(直径6cm)の石英ウインドウ型反応炉を試作し、酸素放出反応と集光エネルギー(集光ビーム照射時間で制御)との関係を測定した。反応性セラミックス系にZn-フェライト系を用いることで酸素放出反応としてはかなり低温(1300℃)で進行することを見出した。Particle-Cloud型反応炉に低温で適用できることから実用化の可能性の高いものとして設計・試作・開発ができると期待される。このZn-フェライト系はさら太陽/化学エネルギー変換による水素生産用の反応性セラミックスとしても非常に有効で、平成12年10月に京都で開かれた国際フェライト会議において、Zn-フェライト系による太陽/化学エネルギー変換による水素生産への実用化の可能性について発表した。

研究成果

• [文献書誌] Y.Tamaura,O.Yokota,Y.Oku, et al.: "Steam reforming of methane using a solar simulator controlled by H_2O/CH_4=1/1."Applied Organometallic Chemistry. 14(12). 867-870 (2000)
• [文献書誌] T.Sano,M.Tsuji,N.Gokon,H.Kaneko,Y.Tamaura.: "Oxygen uptake and release mechanism of lithium manganese ferrite in the low temperature range of 573K-773K."Journal of the American Ceramic Society. 83(10). 2509-2514 (2000)
• [文献書誌] H.Kaneko,Y.Tamaura: "Thermodynamic studies of H_2 production and O_2 releasing in three-step water splitting with Na_2CO_3/MnFe_2O_4/Fe_2O_3 system."Renewable Energy Transforming Business, 38th Annual Conference of the Australian and New Zealand Solar Energy. 350-358 (2000)
• [文献書誌] H.Kaneko,Y.Hosokawa,Y.Tamaura, et al.: "Enhancement of O_2-releasing step with Fe_2O_3 in the water splitting by MnFe_2O_4-Na_2CO_3 system."Journal of Physics and Chemistry of Solids. (in press). (2001)
• [文献書誌] Y.Tamaura,N.Hasegawa,N.Kojima, et al.: "Solar H_2 Production by Two Step Water Splitting with Zn-Ferrite-Fe_3O_4 System."Proceeding of the 8th International Conference on Ferrites. (in press). (2001)
• [文献書誌] Y.Tamaura,N.Kojima,N.Hasegawa, et al.: "H_2 Generation by H_2O/Zn/Fe_3O_4 Reaction System."Proceeding of the 8th International Conference on Ferrites. (in press). (2001)