高温太陽熱水分解のための反応性セラミックデバイスの開発

2006 年度 研究成果報告書概要

• 研究課題/領域番号: 17360463
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: エネルギー学
• 研究機関: 新潟大学
• 研究代表者: 児玉 竜也 新潟大学, 自然科学系, 教授 (60272811)
• 研究分担者: 郷右近 展之 新潟大学, 自然科学系, 助手 (20361793) ; 清水 研一 名古屋大学, 大学院工学研究科, 助手 (60324000)
• 研究期間 (年度): 2005 – 2006
• キーワード: 集光太陽熱 / 水素製造 / エネルギー転換 / 水分解 / 熱化学サイクル / 金属酸化物 / サンベルト / 反応器

研究概要

サンベルトで得られる高温太陽熱を利用し、水の熱分解で水素を製造する二段階水分解サイクルに必要とされる反応性セラミックデバイスの開発を行い、下記の研究成果を得た。
1.高反応性セラミック微粉体の開発
反応性セラミックとして研究代表者が開発したフェライト/ジルコニア担持体について他金属ドープ効果を比較し、高活性のNi_<1.0>Fe_<2.0>O_4/ZrO_4を見出した。一方、研究代表者は、担体を単斜晶ジルコニアから、イットリウム含有量が8mol%以上の立方晶安定化ジルコニア(YSZ)に替えると、熱還元反応においてFe^<2+>含有立方晶ジルコニアが生成し、低温水分解反応ではこれが水蒸気と反応して水素を生成しフェライトではなくFe^<3+>含有立方晶ジルコニアを生成するという新しいサイクル反応機構を見出した。
2.反応デバイスの合成と反応試験
Ni_<1.0>Fe_<2.0>O_4/ZrOとFe_3O_4/YSZの2つの微粉末反応体をそれぞれジルコニア発泡体に担持したデバイスを作製し、反応性を検討した結果、熱還元温度1400℃、水分解温度1100℃の2段階サイクル反応で13-30サイクル以上の水素発生が観測された。しかし、次第にデバイスの亀裂が起こった。そこで熱耐久性の高いSiC発泡体をマトリックスとすることとした。
3.SiC発泡体のジルコニア被覆と太陽光照射耐久試験による性能評価
熱力学計算からSiC発泡体をFe_3O_4に対して不活性のジルコニアで被覆することが必要であることが見出されたため、スピンコート法によりこれを検討し、良好なジルコニア被覆をすることができた。一方、SiC発泡体マトリックスについては、太陽炉による太陽光照射下試験で良好な熱耐久性を有することが確認された。

研究成果

• [雑誌論文] Thermochemical two-step water splitting by ZrO_2-supported Ni_xFe_<3-x>O_4 for solar hydrogen production (2007)
  • 著者名/発表者名: 児玉 竜也
  • 雑誌名: Solar Energy (印刷中)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] A Two-Step Thermochemical Water Splitting by Iron-Oxide on Stabilized Zirconia (2006)
  • 著者名/発表者名: 児玉 竜也
  • 雑誌名: Journal of Solar Energy Engineering 128 ページ: 3-7
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Pillaring of Ruddlesden-Popper perovskite tantalates, H_2ATa_2O_7 (A=Sr or La_<2/3>), with n-alkylamines and oxide nanoparticles (2006)
  • 著者名/発表者名: 清水 研一
  • 雑誌名: J. Mater. Chem. 16 ページ: 773-779
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Pillaring of high charge density synthetic micas (Na-4-mica and Na-3-mica) by intercalation of oxides nanoparticles (2006)
  • 著者名/発表者名: 清水 研一
  • 雑誌名: Microporous and Mesoporous Materials 95 ページ: 135-140
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Ru/Ni-Mg-O Catalyzed SiC-Foam Absorber for Solar Reforming Receiver-Reactor (2006)
  • 著者名/発表者名: 児玉 竜也
  • 雑誌名: Journal of Solar Energy Engineering 128 ページ: 318-325
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Iron-containing YSZ (Yttrium-Stabilized Zirconia) system for a two-step thermochemical water splitting (2006)
  • 著者名/発表者名: 郷右近 展之
  • 雑誌名: Proceedings of 13th International Symposium on Concentrated Solar Power and Chemical Energy Technologies (CD-ROM)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] A new solar chemical reactor with an internally circulating fluidized bed for direct irradiation of reacting particles (2006)
  • 著者名/発表者名: 児玉 竜也
  • 雑誌名: Proceedings of 13th International Symposium on Concentrated Solar Power and Chemical Energy Technologies (CD-ROM)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Thermochemical water splitting with ferrite particles in an internally circulating fluidized bed under direct solar irradiation - Concept and its exploratory testing (2006)
  • 著者名/発表者名: 郷右近 展之
  • 雑誌名: Proceedings of the ASME Solar Energy Division, International Solar Energy Conference (ISEC2006) (CD-ROM)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Solar tubular reformer with molten-salt thermal storage -design modification of the reactor tube and testing (2006)
  • 著者名/発表者名: 児玉 竜也
  • 雑誌名: Proceedings of the ASME Solar Energy Division, International Solar Energy Conference (ISEC2006) (CD-ROM)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] A Two-Step Thermochemical Water Splitting by Iron-Oxide on Stabilized Zirconia (2006)
  • 著者名/発表者名: Tatsuya Kodama
  • 雑誌名: Journal of Solar Energy Engineering Vol.128 ページ: 3-7
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Pillaring of Ruddlesden-Popper perovskite tantalates, H_2ATa_2O_7 (A=Sr or La_<2/3>), with n-alkylamines and oxide nanoparticles (2006)
  • 著者名/発表者名: Ken-ichi Shimuzu
  • 雑誌名: J.Mater.Chem. Vol.16 ページ: 773-779
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Pillaring of high charge density synthetic micas (Na-4-mica and Na-3-mica) by intercalation of oxides nanoparticles (2006)
  • 著者名/発表者名: Ken-ichi Shimizu
  • 雑誌名: Microporous and Mesoporous Materials Vol.95 ページ: 135-140
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Ru/Ni-Mg-O Catalyzed SiC-Foam Absorber for Solar Reforming Receiver-Reactor (2006)
  • 著者名/発表者名: Tatsuya Kodama
  • 雑誌名: Journal of Solar Energy Engineering Vol.128 ページ: 318-325
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Iron-containing YSZ (Yttrium-Stabilized Zirconia) system for a two-step thermochemical water splitting (2006)
  • 著者名/発表者名: Nobuyuki Gokon
  • 雑誌名: Proceedings of 13th International Symposium on Concentrated Solar Power and Chemical Energy Technologies (CD-ROM)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] A new solar chemical reactor with an internally circulating fluidized bed for direct irradiation of reacting particles (2006)
  • 著者名/発表者名: Tatsuya Kodama
  • 雑誌名: Proceedings of 13th International Symposium on Concentrated Solar Power and Chemical Energy Technologies (CD-ROM)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Thermochemical water splitting with ferrite particles in an internally circulating fluidized bed under direct solar irradiation・Concept and its exploratory testing (2006)
  • 著者名/発表者名: Nobuyuki Gokon
  • 雑誌名: Proceedings of the ASME Solar Energy Division, International Solar Energy Conference (ISEC2006) (CD-ROM)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Solar tubular reformer with molten-salt thermal storage-design modification of the reactor tube and testing (2006)
  • 著者名/発表者名: Tatsuya Kodama
  • 雑誌名: Proceedings of the ASME Solar Energy Division, International Solar Energy Conference (ISEC2006) (CD-ROM)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Degradation of hydrophobic organic pollutants by titania pillared fluorine mica as a substrate specific photocatalyst (2005)
  • 著者名/発表者名: 清水 研一
  • 雑誌名: Applied Catalysis B : Environmental 55 ページ: 141-148
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Michael reaction of β-ketoesters with vinyl ketones by iron(III)-exchanged fluorotetrasilicic mica : catalytic and spectroscopic studies (2005)
  • 著者名/発表者名: 清水 研一
  • 雑誌名: Journal of Catalysis 229 ページ: 470-479
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Acidic properties of sulfonic acid -functionalized FSM-16 mesoporous silica and its catalytic efficiency for acetalization of carbonyl compounds (2005)
  • 著者名/発表者名: 清水 研一
  • 雑誌名: Journal of Catalysis 231 ページ: 131-138
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Carbonate Composite Catalyst with High-Temperature Thermal Storage for Use in Solar Tubular Reformers (2005)
  • 著者名/発表者名: 旗町 剛
  • 雑誌名: Journal of Solar Energy Engineering 127 ページ: 396-400
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Degradation of hydrophobic organic pollutants by titania pillared fluorine mica as a substrate specific photocatalyst (2005)
  • 著者名/発表者名: Ken-ichi Shimizu
  • 雑誌名: Applied Catalysis B : Environmental Vol.55 ページ: 141-148
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Michael reaction of 8-ketoesters with vinyl ketones by iron(III)-exchanged fluorotetrasilicic mica : catalytic and spectroscopic studies (2005)
  • 著者名/発表者名: Ken-ichi Shimizu
  • 雑誌名: Journal of Catalysis Vol.229 ページ: 470-479
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Acidic properties of sulfonic acid-functionalized FSM-16 mesoporous silica and its catalytic efficiency for acetalization of carbonyl compounds (2005)
  • 著者名/発表者名: Ken-ichi Shimizu
  • 雑誌名: Journal of Solar Energy Engineering Vol.127 ページ: 396-400
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Carbonate Composite Catalyst with High-Temperature Thermal Storage for Use in Solar Tubular Reformers (2005)
  • 著者名/発表者名: Tsuyoshi Hatamachi
  • 雑誌名: Journal of Solar Energy Engineering Vol.127 ページ: 396-400
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Thermochemical two-step water splitting by ZrO_2-supported Ni_xFe_<3-x>O_4 for solar hydrogen production
  • 著者名/発表者名: Tatsuya Kodama
  • 雑誌名: Solar Energy (in press)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [図書] エネルギー・環境キーワード辞典 (2005)
  • 著者名/発表者名: 社団法人日本エネルギー学会編
  • 総ページ数: 480
  • 出版者: コロナ社
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [図書] Energy and Environment Keyword Dictionary-with categorized index- (2005)
  • 著者名/発表者名: The Japan Institute of Energy
  • 出版者: Corona Publishing Co., LTD., Tokyo, Japan
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より