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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2020年度の成果を紹介しています.This page introduces FY2020 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.

 *Synopses and posters of Master's Theses are available on the WEEE's site.

酸素高炉による炭素循環を適用した一貫製鉄所の熱物質収支評価 (中村健人)Summary PDF
Evaluation of mass and energy balances for oxygen blast furnace steelworks utilizing carbon recycling for methane synthesis and injection (Kento Nakamura)

The modern integrated steelmaking process consumes large quantities of coal both as a reductant and an energy source. From the viewpoint of global warming, the steel industry must reexamine its utilization of carbon. The next generation oxygen blast furnace is expected to allow flexible design of low carbon intensity steelmaking due to two of its unique characteristics. Firstly, by using pure oxygen in place of hot blast, the top gas composition of the oxygen blast furnace is not diluted with nitrogen. As such, it is possible to apply the top gas to methane synthesis without a CO2 capture step. An additional advantageous trait is the ability to co-inject a larger amount of hydrocarbon with pulverized coal into the blast furnace, leading to a reduced consumption of coking coal. Taking advantage of these traits, this study focuses on design and evaluation of a carbon recycling system for the oxygen blast furnace. Both the methane synthesis from top gas process and the injection of methane into the oxygen blast furnace are considered. In this study, reductant ratios for the oxygen blast furnace are obtained from the Rist diagram and the possibility of heat-balanced operation is judged by simulation. The simulation flow of the oxygen blast furnace was developed by using Aspen Plus modeling with the combination of unit operation blocks and material streams. Consequently, the system level CO2 mitigation, accounting for mass and energy balances, is calculated.

化学吸収法への固液分離プロセスの適用に関する研究 ~実験による準安定領域に基づく固体析出プロセスの最適化~ (松井瑛尚)Summary PDF
CO2 capture system applying phase separation process -Optimizing precipitation process based on metastable zone width by experimentation- (Akihisa Matsui)

In chemical absorption method, a large quantity of regeneration energy is required for stripping CO2 and regeneration of solution and needed to be reduced. Solid-liquid phase separation process using high concentration 2-Amino-2-methyl-1-propanol (AMP) solution can reduce sensible heat by separating and sending precipitated carbonate with absorption of CO2 to stripper. In conventional phase separation process, sensible heat was decreased by 50%, however increasing the amount of precipitated carbonate can be expected to reduce energy further. In this study, precipitation conditions of AMP solution were explored by experimentation and precipitation method was changed to secondary nucleation in metastable zone width (MSZW) to control of the amount of carbonate. MSZW of AMP solution was defined 33-44 degree by the measurement of solubility and supersolubility. The heat exchanger and jacket type precipitation container were designed based on results of testing to cool the solution to the temperature of precipitation and keep it warm. The regeneration energy was evaluated by CO2 capture and recovery tests using the improved apparatus. As a result, separation rate of solid phase increased and regeneration heat was decreased compared to the conventional process.

滴定による酸・塩基度の定量化に基づくCO2分離回収用化学吸収劣化液の運転特性予測 (丁娆) Summary PDF
Performance prediction of degraded CO2 capture solution based on total acidity/alkalinity quantified by titration- (Ding Rao)

Among CO2 capture technologies, chemical absorption method by aqueous amine solutions is the most technically mature and have a wide range of applications for its practicability and maneuverability on the traditional energy-intensive industries. One of the critical issues preventing the rapid deployment of chemical absorption method is the degradation of amine-based absorption solution over the long-term operation. Various undesired compounds which affect the solution composition are generated from amine degradation and result in alteration in solution properties and the deterioration of capture process performance. The total acidity and alkalinity are relevant to the type and the concentration of degradation products and reflect the change of the solution composition.
A holistic approach quantifying the total acidity/alkalinity without the identification of all degradation compounds by titration was proposed in this research. A degraded solution of aqueous monoethanolamine (MEA) solution was made by 750 hours continuous operation of a bench-scale, 10kg/day CO2 capture apparatus in the laboratory. The simulated degraded solution which has a same acidity/alkalinity with the real degraded solution was prepared according to the titration results. The CO2 capture experiments for these degraded solutions were performed under the same conditions to experimentally investigate the effect of total acidity/alkalinity on solution properties and understand the mechanisms leading to the variation in operating characteristics.
As a result, it was confirmed that total acidity/alkalinity is the dominant influencing factor in vapor-liquid equilibrium characteristics of the solution based on the good reproducibility of CO2 loading profile in the absorber. Besides, the simulated degraded solution accurately simulated the real degraded solution from the perspectives of CO2 capture rate and the vapor pressure at the outlet of the stripper.

CCUのための高温CO2吸収材の実用化に関する研究 ~ハニカム型リチウムシリケートの設計~(穆 雨薇)Summary PDF
Research on practical application of high temperature CO2 absorber for CCU
-Honeycomb type lithium silicate design-(Yuwei Mu)

In recent years, global warming has become one of the most serious problems around the world, so various measures are developed to reduce greenhouse gas emissions. Considering the sustainability for environment and economy, CO2 capture and utilization (CCU) technology applied to the iron making process (iACRES) is being promoted. From the perspective of energy saving, Lithium ortho-silicate (Li4SiO4, LS) is the optimal CO2 absorbent for application in iACRES. It is desirable to design a practical honeycomb type which balances absorption rate, pressure loss and absorption capacity. In this study, we analyzed the CCU system for iACRES and designed the application of honeycomb type LS to experimental equipment. Since the calorific value of the blast furnace gas (BFG) is low, 30% of combusted BFG can be branched and operated with a recovery rate of about 80% in the absorption tower to make the absorption heat during the regeneration process self-supporting. Assuming switched in 40 minutes, it can be predicted that the required LS amount is 259t in a full-scale 5,000 m3 blast furnace, and the CO2 recovery amount is 92t / 40min. This reaction tower has a diameter of 4.9 m, a height of 15 m, an internal volume of 261 m3, and the space velocity is about 3128 h-1 at a packing ratio of 75%. Matching the space velocity, the absorption behavior during the experiment was predicted with the honeycomb type LS which is suitable for the experimental space on campus.

ネガポジ法を用いた付加製造技術によるSOFC用三相界面井桁構造の作製 (石川悠哉)Summary PDF
Production of the parallel-cross triple phase boundary for SOFC by additive manufacturing using negative-positive process (Yuya Ishikawa)

Solid Oxide Fuel Cells (SOFC) are high efficiency power sources and expected to be distributed power sources. However, to accelerate the penetration of SOFC, it is important to reduce the material and manufacturing cost by increasing the single cell power density. Unlike the other heat engines, SOFC can convert the chemical energy of fuel into electricity directly. Since the electrochemical reaction of SOFC occurs only at the triple phase boundary (TPB), composed of the electrode as the electron path, the electrolyte as the oxide ion path and the pore for the fuel flow. In order to increase the TPB density, this research aimed to make a multilayered cross-hatched microscale geometry. The structure is produced by squeegeeing the electrode and electrolyte slurry and removing negative step by step. It is called nega-posi method. The negative is made of polyvinyl alcohol (PVA) which is water soluble resin and polylactic acid (PLA) which is thermoplastic resin by using fuse deposition modeling 3D printer. Water insoluble electrode slurry is composed of NiO, N-methylpyrrolidone (NMP) and polyvinyl butyral (PVB). Electrolyte slurry which squeegeed after water dissolve is composed of yttria stabilized zirconia (YSZ), pure water and polyvinylpyrrolidone (PVP) + YB-132A. Addition rate of the binder is determined to be 10wt%. It is achieved 84.6% filling rate by squeegeeing with high concentration (82.8wt%) and high viscosity (13800 Pa・s when shear velocity is 1 /s) slurry. The sintering is successfully produced by the heating process considering the oxidation and heating reaction of the resin. Finally, we have succeeded to make the cross-hatched structure made of electrode and electrolyte..

リチウム空気電池における輸送現象を考慮した正極構造の数値計算モデルによる設計 (池松諒太郎)Summary PDF
Design for positive electrode structure of Lithium Air Battery by numerical calculation modeling transport phenomena (Ryotaro Ikematsu)

An electric vehicle does not emit carbon dioxide while driving. However, there is a problem that the energy density of the secondary battery is low. A lithium-air battery is attracting attention because they have a theoretical capacity about 10 times that of lithium-ion batteries. However, the diffusion of oxygen in the electrolytic solution is rate-determining, and it has not been put into practical use.
In this study, we conducted a discharge experiment of a lithium-air battery, fitted it with a one-dimensional model, and then investigated the oxygen transport resistance due to the structure of the positive electrode. As a result, it was found that the tortuosity has a great influence on oxygen transport. Therefore, when constructing a three-dimensional model and examining a structure with a small tortuosity , a structure in which electrodes were arranged parallel to the direction of the separator from the air source to secure an oxygen transport path had a low tortuosity and oxygen transport resistance. When a new structure was constructed based on the above and the discharge capacity was fitted with a one-dimensional model, it was found that the tortuosity of the new structure was smaller than that of the positive electrode used in the discharge experiment. In addition, focusing on the fact that the transport in the gas phase is faster than that in the liquid phase, we devised a structure in which the transport path of the gas phase was inserted in the positive electrode, and calculated the conditions for achieving the theoretical capacity under the experiment conditions of this study.

シビアアクシデント時の水素処理システムの開発 ~銅系酸化物の還元反応における誘導期間のモデル化~ (関根尚志)Summary PDF
Development of hydrogen treatment system in severe accidents of nuclear power plants -Modeling of induction period in reduction reaction of copper oxide-
(Hisashi Sekine)

In the basic energy plan announced by the government, nuclear power is positioned as an important base load power source from the viewpoint of 3E+S strategy (Energy Security, Economic Efficiency, and Environment + Safety). Hydrogen countermeasures in the event of a severe accident are one of the important issues to ensure the safety of nuclear power plant. In the hydrogen treatment system using CuO(Ⅱ), there is an induction period at the beginning of the reaction. In this study, we focused on the changes in the surface structure of CuO(Ⅱ) and the crystal structure peculiar to the surface, which are considered to be the causes of the induction period and compared and evaluated the experimental values and the calculation model for the effects of these on the induction period. Changes in the surface structure were measured by SEM image analysis on the CuO(Ⅱ) surface before and after the reduction reaction. As a result of evaluation by a numerical calculation model incorporating the change of the surface structure, it was found this was not the main factor of the induction period. The crystal structure peculiar to the surface was analyzed by using TEM and XPS on the CuO(Ⅱ) surface. Two types of binding energies, 933 eV and 931 eV, were measured before and after the reduction reaction, and it was presumed that the latter was a crystal structure peculiar to the surface, and different correction terms were given to the reaction rate equation for hydrogen adsorption before and after the induction period. The calculation results generally simulated the behavior of the unsteady reduction reaction including the induction period and proved that the influence of the site that is poor at adsorbing hydrogen is dominant during the induction period.

製糖工場の未利用熱蓄熱輸送システムの研究 ~非定常解析に基づくゼオライトボイラの詳細設計~ (樋口明寛)Summary PDF
Detailed design of zeolite boiler based on the unsteady numerical analysis in thermochemical energy storage and transport system utilizing unused heat from sugar mill
(Akihiro Higuchi)

In Tanegashima, a sugar mill burns sugarcane bagasse as biomass fuel and exhausts a lot of unused heat about 200 oC during sugar milling period. On the other hand, many factories in the island require process steam about 120 oC through a year and now obtain this steam by burning imported heavy oil. Thermochemical energy storage and transport system utilizing zeolite steam adsorption and desorption cycle can overcome this spatial and seasonal heat mismatch. This system is divided into three processes: heat storage of zeolite at a sugar mill, transportation to heat demand factories, and heat output at there. This study focused on the heat output process of the system, and “zeolite boiler” employing moving bed and indirect heat exchanging process was devised as a pressurized steam generator. A cleaning factory in the industrial department and a hotel in the consumer / business department was assumed as heat demand areas, and parameters of the full-scale zeolite boiler installed in these areas was decided.
A rectangular zeolite boiler with a plate-fin-tube heat exchanger was devised as a full-scale zeolite boiler. the performance of this zeolite boiler was predicted by constructed 2D numerical model. As a result, the difference between the 2D analysis and the 1D analysis was only 0.4% in the heat increase rate. From the above, the 1D model has been adopted as a design tool of the rectangular zeolite boiler.
The 1D unsteady numerical model was constructed by modifying the 1D steady model. The validity of this model was confirmed by comparing the analysis results with the test results. When the performance of the full-scale zeolite boiler was predicted by this model, it was found that the temperature distribution at the start of the zeolite boiler had almost no effect on the fuel reduction.
Based on unsteady numerical analysis, the parameters of the full-scale zeolite boiler installed in a cleaning factory and a hotel was decided, and the fuel reduction by installing the zeolite boiler was predicted. As a result, an annual fuel reduction of about 8.6 kL in the cleaning factory and 49 kL in the hotel is expected.

サトウキビ由来複合生産プロセスにおける製糖工場内未利用資源の有効利用設計 (有本直昭)Summary PDF
Production potential of ethanol, electricity and heat using sugarcane and unused heat in sugar mill
(Naoaki Arimoto)

Combined production system of sugarcane byproducts which are ethanol production from molasses, excess electricity using surplus bagasse and heat demand of unused heat in sugar mill is focused in recent years. Sugar and ethanol combined production system is operated already in the world, and it is researched in Tanegashima. On the other hand, in Tanegashima heat charging process of thermochemical energy storage and transport system utilizing zeolite steam adsorption and desorption cycle is proposed to resolve spatial and seasonal thermal mismatch between unused heat source exhausted from a sugar mill operating winter to spring and heat demand in vicinal industry consuming imported fossil fuel all year around, too. Also, changing cultivated variety of sugarcane on the large scale to 2050 is planned in Tanegashima. In this study, I conducted design of sugar and byproducts from sugarcane combined production system of some sugarcane varieties.
Conducted sugarcane varieties are NiF8 which is major variety in Tanegashima and other three varieties which are high yielding, high yielding of ratooning and early high sugar. Furthermore, I considered two types of milled sugarcane flow which are conventional operation and high loading operation in other three varieties. Available steam to byproducts production process of each case calculated. First, in ethanol production process from molasses, about 73% input energy is for distillation process and supply of steam is necessary for this process. Second, this study is focused on distillation process and it was calculated about 3.7 kg-Ethanol/kg-steam by process flow diagram aimed at distillation process. Also, additional power generation for electricity using surplus bagasse puts additional steam to steam turbine in sugar mill. The additional generating electricity possible quantity calculated 150-400 kW in cases. Third, in heat charging process, blower power consumption for heat charging, fuel saving of heat discharging and some design parameters in the heat discharging device named “Zeolite Boiler” and the heat charging device named “Heat Charger”.
In combined production system, because the profit of ethanol production and additional power generation increases to supply steam flow, the system profit of each process is maximized to supply maximum steam flow to each process. On the other hand, the more the profit of the fuel saving increases involved steam supply in ZB, the more the cost of blower power consumption increases in HC. So, the system profit of combined production system is maximized to supply 1) maximum steam flow of ethanol production and additional power generation and 2) steam adjusted cost balance between fuel saving and blower power consumption of surplus steam to heat charging process in all cases of four sugarcane varieties and two operation types.



地球温暖化抑制のため,その主要因であるCO2の大気隔離技術の早期確立が求められている.しかし,既存の技術の多くは量的寄与およびコストの観点で普及拡大の障害が大きい.造水プラント由来の廃かん水を用いたCO2固定化技術は,2050年に2.7 Gt-CO2/yの固定化ポテンシャルを有し,同時に有価物を多数併産できることから早期のビジネス化が期待できる.本技術は廃かん水に豊富に含まれるMgを原料とし,CO2と気固反応させて最終的に骨材として利用可能な炭酸マグネシウムを生成するまでの一連のプロセスによって構成される.本プロセスにおいてCO2固定化材料となるMgOを回収するためには,廃かん水からCa2+およびSO42-を石膏および芒硝として析出分離した後の濃縮かん水に含まれるMgCl2・6H2Oを高純度・高収率で分離回収する技術の確立が必要である.従来法として考案された塩酸法では,分離後のカチオンにおけるMgが約95 mol%に達している.しかし,分離時の有毒なHClガスの発生およびMgCl2・2H2Oの循環による装置の複雑化といった欠点もある.そこで本研究では,溶融塩分離法および共飽和法を新たな分離方法として検討した.塩酸法に対して,これらの分離法はHClガスが発生せず,装置が単純化できる利点がある.実験では濃縮廃かん水中のイオン組成の推測値および実測値を模擬した溶液をそれぞれ1 kg程度作製し,ガラス製反応器内で分離した.得られた分離後の液相についてカチオン中のMgの割合をICP分析で求めた.その結果,溶融塩分離法ではMgの割合が約97 mol%,共飽和法では約99 mol%となり,塩酸法よりも高純度で回収できた.したがって,塩酸法に代わるMgCl2・6H2Oの分離方法として,溶融塩分離法および共飽和法の確立に目途を得た.(山下 拓馬)


地球温暖化の主要因であるCO2の削減対策として,CO2を資源化するカーボンリサイクルが注目されている.鉄鋼業の副生成物である鉄鋼スラグを用いてCO2を鉱物化し,骨材等で利用するプロセスは,低炭素製鉄プロセス実現後も削減困難な石灰石熱分解に起因するCO2排出量の削減に加え,利益創出も可能であり早期普及が期待できる.鉄鋼スラグがアモルファス化するとCO2鉱物化速度が極端に遅延するため,鉱物化目的では溶融スラグを超徐冷して結晶粒を増大させることを検討している.現状の鉄鋼スラグのうち,高炉スラグの約8割は水砕急冷処理され高炉スラグ微粉末(Ground Granulated Blast furnace Slag,以下GGBS)としてセメント業で利用されている.普通ポルトランドセメントを代替することでCO2排出量削減に貢献しているが,水砕急冷処理ではアモルファス化するためセメントとして利用後のCO2鉱物化は期待できない.
そこで本研究では,超徐冷スラグを用いたCO2鉱物化プロセス(Slow-cooled Blast furnace Slag プロセス,以下SBSプロセス)と従来のGGBSプロセスによる正味CO2削減量を,ライフサイクルを通して比較した.原料の採取・輸送からCO2鉱物化までをシステム境界としたライフサイクル評価を実施したところ,SBSプロセスはGGBSに対して32.6 kg/t-cementのCO2削減となることが分かった.次に,投入エネルギーの電力化,CCS適用およびエネルギー転換部門の再生可能エネルギー適用を将来のシナリオとして想定し,感度分析を実施した.その結果,将来のシナリオでは前述の正味CO2削減量が352.3 kg/t-cementと10倍以上に拡大した.したがって,GGBSからSBSへのプロセス転換は,今後の正味CO2ゼロ化に大きく貢献する可能性が示唆された.(阿久津 洸)


現在,温暖化対策としてCO2排出量削減への取り組みが世界的に進められている.中でもCO2と再エネ由来のカーボンフリー水素を原料として原油由来の炭素化合物を製造することで,新たな化石燃料の消費を抑えるカーボンリサイクル技術が注目されているが,その実用化において,再エネ由来の電力コストが高いことが懸念されている.そこで本研究では,カーボンリサイクル技術の商用化に向けた事前検討として,非化石電源を用いたメタネーションプロセスのコストと,その合成メタンから化成品を製造し,輸入燃料を代替した場合の経済性とCO2削減量を評価した.公開されているメタネーションのパイロットプラントをモデルとして,合成メタン価格を解析すると,電力調達価格が2円/kWh以下であればLNG価格と同程度になることが分かった.次に,メタンコストがLNG価格と同等であることを前提として,JAPAN-GTLの15000 bbl/DのFT合成プラントをモデルにGTL油の製造価格を計算した結果,原油価格が124 $/bbl以上になると輸入価格を下回った.また,このプラント一基で年間約30 PJの燃料を代替し,年間230万トンの原油由来CO2を削減可能である.一方,合成メタノールから製造した軽質オレフィンでナフサを代替すると仮定したMTOでは,原油価格が100 $/bbl以上の場合,輸入ナフサ由来の製品よりも安くなった.また,MTOプラント一基で年間100 PJのナフサを代替し,年間160万トンの原油由来CO2が削減可能となる.自然エネルギー財団によると,2030年の太陽光の発電コストは5円/kWh以下と予測されており,市場では余剰電力が既にマイナス価格で取引されている実態もあることから,炭素税などの条件も揃えば,国産のカーボンリサイクルは市場性があると言える.(石山 永)


鉄鋼業は2018年度時点で国内CO2排出量の約14%を占めており,その集中排出源である製鉄所の低炭素化は重要課題である.製鉄所で排出されるCO2の主要因は高炉で鉄鉱石の還元材と熱源の役割を兼ねるコークスの使用であり,コークス比の低減は製鉄所全体での排出量削減に直結する.酸素高炉は羽口から熱風の代わりに常温の酸素を吹き込む操業であり,通常の高炉と比較して熱ロスの低減,高炉ガス発熱量の増大,補助還元材吹き込み量の拡大などの利点を持つことから製鉄プロセスのさらなる低炭素化が期待できる.本研究では酸素高炉による操業をベースとして高炉ガスのCO2をコークス炉ガス(COG: Coke Oven Gas)の改質反応に用いる炭素循環プロセスの導入を検討し,本年度はまず高炉をシステム境界とした範囲で評価を行った.
コークス比は微粉炭や天然ガスなどの補助還元材を使用することで低減できるが,羽口部への補助還元材吹き込み量は羽口先酸素過剰率および羽口先温度からなる高炉操業制約によって制限される.一方でH2とCOを主成分とする改質COGはシャフト下部への吹き込みが可能であり,高炉操業制約の緩和と吹き込み量の拡大が期待できる.部分熱物質収支モデルであるRistモデルとプロセスシミュレータAspen Plus®による高炉シミュレーションモデルを用いて高炉操業制約下の微粉炭,天然ガス,改質COG,コークスの各種還元材比を求めた.その結果,改質COGを羽口部へ吹き込むケースでは微粉炭と天然ガスのみを吹き込むケースと比較して補助還元材比は減少し,コークス比は増大した.一方で改質COGをシャフト下部へ吹き込むケースでは高炉操業制約の緩和によって補助還元材比が増大し,コークス比の低減が可能となることが確認された.(片岡 亮馬)


近年,地球温暖化対策としてCO2の集中排出源である発電所や製鉄所に適用するCO2分離回収技術についての研究が加速している.その一環として日本のCO2排出量の10%以上を占める鉄鋼業では,CO2排出量の30%削減を目標に高炉ガス中に含まれる炭素を高炉に再循環させる炭素循環製鉄に関する技術開発が進められている.炭素循環製鉄に適用するCO2分離回収技術として固体吸収材の利用を検討している.リチウムシリケート(Li4SiO4,LS)は高温で使用可能なセラミックスで,400~650 ℃でCO2を吸収,700~850 ℃で再生する.すなわち,800 ℃の再生熱を600 ℃程度のエクセルギーとして回収できるため,炭素循環製鉄など高温プロセスに適している.反応器は温度スイングが可能な2塔バッチ式とし,高炉の炉頂ガスの燃焼ガスからCO2を分離して,その燃焼熱を再生塔の熱源として利用するシステムを想定した.これまでの研究で,吸収速度は放出速度に比べて遅く,吸収済みの層が輸送抵抗となる未反応核モデルで近似できることがわかっている.そのため,円筒ペレット形やストロー形のLSについて形状設計がなされてきた.また,吸収容量と吸収速度・圧力損失はトレードオフの関係にあるため,本研究では四角格子のハニカム形に着目した.単位時間当たりの分離回収量はハニカムの格子寸法に依存するため,周期境界で切り出したハニカム中の単チャンネルにおける吸収・放出挙動を予測可能な二次元数値解析モデルを開発した.計算結果から1サイクル当たりの回収量は反応器形状,ハニカム形状,各反応器の入口温度,バッチ操作の切り替え時間に依存し,反応容器の80%程度の充填率のハニカム形状とすることで最大の回収量が得られることがわかった.(田中 宏治)


比熱と反応熱は示差式反応熱量計を用い,気液平衡特性は加圧容器によるCO2ローディング後のTOC分析および中和滴定によってそれぞれ取得した.劣化液は未劣化液に対し,酸性物質による比熱の低下,重炭酸塩イオン生成反応の低ローディング域側へのシフトによる高ローディング域での反応熱の減少,気液平衡特性における所与のCO2分圧下でのCO2ローディングの低下がみられた.また,汎用プロセスシミュレータAspen Plus®上にて,ギ酸の物性パラメータを初期値としてもつ仮想物質を劣化液の全酸濃度分添加した溶液を作成し,取得した劣化液の液特性の模擬を試みた.気液平衡特性では劣化液と同様の傾向がみられたものの,比熱,反応熱は模擬できなかった.そのため,仮想物質のパラメータ調整による液特性の模擬を実施し,液特性模擬の課題等について考察した.(河原塚 康太)


アミン水溶液を用いた化学吸収法は,再エネ主力化時の調整力として期待されるガスタービン複合発電など比較的低濃度のCO2排出源にも適応可能であり,商業的実用段階であることから有望なCO2分離回収技術であるが,導入には全体の70%を占める回収コストの低減が必要である.高濃度AMP溶液を用いた固液分離プロセスでは,CO2ローディングの大きい炭酸塩を析出させ,選択的に再生することで再生熱量の大幅な低減が可能である.本研究では,昨年度までの課題である析出の安定性を向上させるために,炭酸塩の析出方法を工業的に安定な二次核形成に変更し,過溶解度・溶解度測定試験より析出条件を実験的に探索した.過溶解度測定では,一次核形成による急激な析出により生じる結晶化熱を温度推移から観測し,温度上昇点を過溶解度とした.溶解度測定では,マイクロスコープの映像から結晶を観察し,結晶の最後の可視点を溶解度とした.測定の結果,析出容器内に想定されるCO2ローディング範囲0.40~0.45では溶解度,過溶解度ともに一定の傾向は見られなかった.溶解度は平均温度として算出し,47.2 ℃となった.過溶解度は冷却速度を3つのレンジ~0.35,0.35~0.40,0.40~に分けて平均値を算出した.それぞれ28.5,26.3,25.1 ℃となり,冷却速度が大きくなるほど下がる文献通りの傾向が確認された.次に,種晶を添加によって二次核形成が生じるか実験したところ,40 ℃以下で発生することを確認した.これらの試験結果を基に熱交換器を設計し,改良したベンチスケール試験装置でのCO2分離回収試験にて析出プロセスを実験的に評価した.(毛 孟傑)


2020年に,欧州や日本で2050年までに温室効果ガスの正味ゼロ排出が政策に掲げられ,運輸部門においても大容量のバッテリー搭載車の普及が期待されている.しかしながら,BEVは航続距離・充電時間の面で現行のHEVやPHEV車に劣っており,動力源としてリチウムイオン電池に代わる高エネルギー密度の二次電池が求められている.全固体電池のほか,リチウム空気電池も注目されているが,正極に多くの課題があり,実用化には至っていない.そこで本研究では,市販の燃料電池用GDLを正極とするコイン型リチウム空気電池を専用のセルホルダー内にセットし,放電試験を繰り返しているが,容量に大きな個体差が生じることが問題となっている.そこで容量個体差の要因検討を目的として,コインセル組立による圧縮面圧で生じる正極カーボンペーパーの空隙率および屈曲度の構造変化,厚さ変化,放電開始電圧などをパラメータとした数値計算による放電試験の模擬で,その原因を探索した.初期電圧を2.83 V~3.15 Vで変化させた場合は容量が1500 mAs~2100 mAs, 面圧0 MPa~4 MPaで空隙率および屈曲度を変化させた場合は750 mAs~1780 mAs, さらにそれらに加え,正極厚さも変更した場合は900 mAs~1750 mAsであった.これらの数値計算の結果から,空隙率と屈曲度の影響が最も大きく,次いで初期電圧による影響も無視できないことが示唆された.また,酸素の有効拡散係数モデルとして2種類の近似式で容量を比較しても大きな差が見られた.数値計算の結果,容量個体差の主な原因の一つに,カーボンペーパーの構造変化が挙げられ,圧縮面圧の管理が重要であることが分かった.(森平 遼)


SOFCの更なる普及には,出力密度の向上による原材料費の削減が急務である.SOFCにおける電気化学反応は,電極,電解質および空隙の各ネットワークが断裂なく有効な三相界面(TPB)でのみ生じ,その作製には積層造形法(AM)が適している.これまでのAMで代表的なインクジェット式3DプリンタによるSOFCでは,アノード-電解質層間に3Dプリンタを用いてTPBの微細構造を介挿し,TPBの立体的な拡大を図ってきた.しかし,3Dプリンタのノズル径に依存した積層幅によって10 μm以下の微細化が極めて困難であり,大面積のセル作製は時間もかかり非効率的であった.そこで本研究では,特許登録されたネガポジ法による井桁構造作製法の具現化を通して,最終的にセルの作製法までを確立し,出力密度の向上およびセル作製の効率化を図る.昨年度までに,数値計算によって井桁構造の有効性を確認し,スラリー調整方法を確立した.本年度はスラリー充填工程,焼結工程を確立し,井桁焼結体の作製までを目標とした.熱溶解積層法により作製した井桁構造ネガに電極材の酸化ニッケルスラリーを充填し,スラリーの組成および充填方法を比較検討した.粘度不足によるスラリーの流出と低揮散性による乾燥不足の懸念があり,スラリーの高濃度化と分散媒の変更によって対策を講じた.充填試験によりN-メチルピロリドンを分散媒として濃度を30 vol%と決定した.充填方法のうち,スキージングが唯一充填可能であった.焼結工程の条件決定では,樹脂含侵固定による焼結体の断面観察によってクラック発生状況を調査し,バインダーの添加量を10 wt%と決定した.電極材での井桁焼結体の作製方法を確立し,同方法で電解質材のイットリア安定化ジルコニアでも作製可能であった.(松岡 俊秀)


種子島では,冬春季に稼働する製糖工場におけるバガス由来の200 ℃程度の未利用熱発生と,年間を通じた他産業工場における島外からの重油の燃焼による120 ℃程度の熱需要との間に熱の時空間的ミスマッチが発生している.種子島内の未利用資源の有効利用によるCO2削減および重油の域外流出コストの削減と島内の経済,資源循環の活性化を目的として,ゼオライトの水蒸気吸脱着サイクルを用いた未利用熱蓄熱輸送システムの構築を検討している.昨年度までに移動床・間接熱交換方式を採用した出熱装置「ゼオライトボイラ」および向流・直接接触式蓄熱装置「ヒートチャージャー」を考案し,学内試験による実証および技術経済分析に基づくシステム評価を完了した.しかし,学内試験で蓄熱材として使用したゼオライト13Xは,長時間の高温高湿環境における劣化が報告されており,平衡吸着量および吸着熱の低下が懸念される.そのため,同様に劣化の懸念はあるものの,吸着熱の大きなLSXや,劣化がほとんど見られない4Aにゼオライトを変更したシステムの性能予測を実施した.
3種のゼオライトは,希釈充填層で温度と相対湿度を変えながら平衡吸着量を計測した.ゼオライトの吸着熱が大きいほど,出熱側での燃料削減効果は大きくなるが,蓄熱側では蓄熱のための送風動力が大きくなると考えられる.本研究では,劣化によってゼオライトの平衡吸着量および吸着熱が一定の割合で減少すると仮定し,既往研究で確立済みの出熱・蓄熱装置の定常一次元解析モデルにより,性能を予測した.ゼオライトの変更・劣化による各装置の性能変化をそれぞれ考慮したシステム全体の評価によって,本システムに適したゼオライトの特性を考察した.(池田 和登)


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