| 研究課題/領域番号 |
21K04521
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| 研究機関 | 国立研究開発法人海上・港湾・航空技術研究所 |
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研究代表者 |
関口 秀紀 国立研究開発法人海上・港湾・航空技術研究所, その他部局等, 研究員 (80415843)
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| 研究期間 (年度) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| キーワード | プラズマ支援着火・燃焼技術 / マイクロ波 / アンモニア |
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| 研究実績の概要 |
近年、大気中の温室効果ガス（GHG: greenhouse gas）濃度の増加に起因する気候変動に伴い、洪水、干ばつ、豪雨、高潮などの自然災害の発生が増加することが懸念されています。この温室効果ガス（GHG）の中で、石油や石炭、天然ガスなどの炭化水素燃料の燃焼によって排出される二酸化炭素（CO2）は、気候変動の主要因と考えられています。そこで、本研究課題では、内燃機関から排出される温室効果ガス（GHG）を低減するため、燃焼時に二酸化炭素（CO2）を排出しないアンモニア（NH3）ガスを燃料として利用する技術開発を行っています。具体的には、炭化水素燃料と比べて着火温度が高く燃焼速度が遅いアンモニア（NH3）と空気（Air）の予混合ガスの燃焼特性（着火性および燃焼性（火炎伝播速度等））を改善する手法として、マイクロ波プラズマ支援着火・燃焼技術を適用し、アンモニア（NH3）燃焼時の一酸化二窒素（N2O：温室効果ガス（GHG）の１つ、二酸化炭素（CO2）の約310倍の地球温暖化係数を持つ）の生成を抑制しながら、アンモニア（NH3）・空気（Air）予混合ガスを安定・高効率に着火・燃焼させる技術を開発することを目的としています。
令和4年度は、令和3年度に製作したマイクロ波プラズマ生成装置の改造を実施し、改造した装置がアルゴン（Ar）ガスおよび空気（Air）を安定的にプラズマ化できることを確認しました。その際、光学カメラによるプラズマ画像取得と、マルチチャネル分光器によるプラズマ中のラジカル特定を行い、本マイクロ波プラズマ生成装置が投入したガスをイオン化できることを確認しました。特に、空気（Air）プラズマでは、プラズマはロウソクの炎のような形状となり、そのプラズマ炎内で窒素や酸素がイオン化し、窒素酸化物（NOx）を生成することを確認しました。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
令和4年度は、令和3年度に製作したマイクロ波プラズマ生成装置の改造を実施し、改造した装置がアルゴン（Ar）ガスおよび空気（Air）を安定的にプラズマ化できることを確認しました。その際、光学カメラによるプラズマ画像取得と、マルチチャネル分光器によるプラズマ中のラジカル特定を行い、本マイクロ波プラズマ生成装置が投入したガスをイオン化できることを確認しました。特に、空気（Air）プラズマでは、プラズマはロウソクの炎のような形状となり、そのプラズマ炎内で窒素や酸素がイオン化し、窒素酸化物（NOx）を生成することを確認しました。
開発したマイクロ波プラズマ生成装置は、ガスを直接プラズマ化させることができ、その組成を変更することが可能であることを実証できたため、本マイクロ波プラズマ生成装置を「大気圧下においてガス処理やガス改質に利用可能な棒電極型マイクロ波プラズマ源」として、論文投稿および特許申請を行いました。
また、開発したマイクロ波プラズマ生成装置は、ガス改質装置として、アンモニア（NH3）を改質し水素（H2）を生成できる可能性が高いため、令和5年度に向けて、0～100%のアンモニア（NH3）を計測可能な質量分析計の準備を進めています。
これらの研究の進捗から本研究課題は、「(2) おおむね順調に進展している」と考えています。
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| 今後の研究の推進方策 |
本研究課題の最終年度となる令和5年度は、開発したマイクロ波プラズマ生成装置を用いて、100%アンモニア（NH3）ガス単体のプラズマ化を実施し、アンモニア（NH3）改質水素（H2）生成の改質率について実験を行う予定です。
また、本マイクロ波プラズマ生成装置は、空気（Air）プラズマを生成可能であることを既に確認しているため、アンモニア（NH3）・空気（Air）予混合ガスに対するマイクロ波プラズマ支援着火・燃焼技術として、その燃焼速度や排ガス成分（未燃アンモニア（NH3）、窒素酸化物（NOx）、および一酸化二窒素（N2O）生成量）の測定を行う予定です。この際、マイクロ波プラズマ生成装置への入力電力やアンモニア（NH3）・空気（Air）予混合ガスの当量比・流速を調整し、その燃焼や排ガス成分を基に、本マイクロ波プラズマ支援着火・燃焼技術の有効適用範囲を明らかにすることを目標としています。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
本研究課題では、腐食性および毒性を持つアンモニア（NH3）ガスと空気（Air）の予混合ガス供給設備（アンモニア（NH3）ガスおよび空気（Air）の流量制御装置、耐アンモニア（NH3）ガス用レギュレータ・配管等から構成）を構築すると共に、マイクロ波プラズマ生成装置の出力電力を制御するためのインバータ式プラズマ生成用電源の開発（電源回路構成、回路図作成、回路・部品選定等を実施済み）を行う計画でした。また、排ガス中の一酸化二窒素（N2O）や未燃アンモニア（NH3）ガス、窒素酸化物（NOx）を計測するためのガスクロマトグフィ、およびその校正用を含む各種ガスボンベを準備する計画としており、それらを設備備品費および消耗品費として計上すると共に、出張のための旅費を計上しました。
令和4年度の物品費に関しては、消耗品が節約できたために生じた残額、旅費に関しては、コロナ渦により、出張予定を取りやめたために生じた残額です。
これらの残額については、最終年度となる令和5年度に、本研究課題を円滑に推進するために必要となる物品購入等（主に構築した実験システム等の改良）に適正に使用する予定です。
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