液中プラズマが拓く水素社会 - プラズマ・核融合学会

J. Plasma Fusion Res. Vol.89, No.4 (2013)1
99‐206
解説
液中プラズマが拓く水素社会
−廃油で水素自動車を走らせろ!−
In-Liquid Plasma Can Bring Us a Hydrogen-Powered World
“Running a Hydrogen Vehicle on Waste Oil”
野村信福
NOMURA Shinfuku
愛媛大学大学院理工学研究科生産環境工学専攻
(原稿受付:2
0
1
3年1月2
4日)
液中プラズマとは液体中の気泡中に温度数千 K のプラズマを発生させる技術である.この技術を使えば,油
や廃液などの有機溶媒を直接プラズマで分解し,水素を取り出すことができる.日本は水素社会の到来に向けて,
水素自動車を普及させるためにインフラを整備し,2015年までに1
00か所に水素ステーションの設置を計画して
いる.廃棄物から安価な方法で水素を取り出し,内燃機関として利用することができれば,従来のエンジンを改
良するだけで,水素自動車が実現できる.2011年,著者らは液中プラズマ技術で分解,回収された水素で,水素
燃焼型自動車を動かす実験を行い,走行実験に成功した.この技術を応用すれば,日本近海に存在するメタンハ
イドレートを水素として回収することも可能となる.
Keywords:
in-liquid plasma, hydrogen, hydrogen vehicle, methane hydrate, plasma process, sustainable energy
1.はじめに
知られているが,この電気分解のエネルギーを太陽光で賄
エネルギー資源に乏しい日本にとって,エネルギー確保
うことができれば,不安定な自然エネルギーを水素の形で
に向けた研究・政策は焦眉の急であり,その中で,水素は
備蓄でき,二酸化炭素を出さない再生可能なエネルギーサ
低炭素社会,環境問題,資源問題を解決できるエネルギー
イクルが実現できる.2012年からは電気分解によるオンサ
である.水素貯蔵や輸送方法などの要素技術に関して解決
イト型の水素ステーション(ソーラー水素ステーション,
しなければいけない問題はあるが,水素は様々な原材料や
Honda)の実用化に向けた実証試験が埼玉県で実施されて
廃棄物中に存在しており,燃料として利用した場合の生成
いる[2].
物が水であることが最大の魅力である.水素は,石炭,石
さて,液体中にマイクロ波や高周波を照射すると液体中
油,天然ガスなどのように自然界に存在する1次エネル
の気泡の中にプラズマが発生する.このプラズマを著者ら
ギーではなく,これらの1次エネルギーを加工することに
は,“液中プラズマ,in-liquid plasma”と呼んでいる.プラ
よって得られる2次エネルギーであるため,その取り出し
ズマ内部のガス温度は大気圧中で 3500 K に達するため
回収には必ずエネルギーを必要とする.このため,効果的
[3,
4],あらゆる物質を分解できると同時に残渣を炭素と
な回収システムの確立が望まれている.宇宙から見れば地
して固形化できる[5].この技術を発展させれば,これまで
球は閉鎖系であり,エネルギーとしてプラスの効果として
リサイクルやリユースできなかった廃油を有効活用でき,
考えられるのは,外から来る太陽エネルギー,地球がため
廃油分解によるオンサイトの水素ステーションが実現でき
込んでいる地熱エネルギー,地表と地球内部との圧力差で
るかもしれない.液中プラズマを使えばアルコールからダ
ある.これらのエネルギーを利用することなしに,スマー
イヤモンドを合成することができるので
[6,
7],有価物を
トコミュニティやサスティナブル社会を構築することは困
同時に生み出すことができるかもしれない.プラズマ発生
難である.
に自然エネルギーを利用すれば,様々な液体を水素として
日本政府は,東京,名古屋,大阪,福岡までの都市間を
貯蔵するシステムが可能となる.さらにこの技術は日本近
水素自動車で移動できるようにするために,2015年までに
海に存在するメタンハイドレートからの燃料回収にも応用
100か所の水素ステーションの設置をめざしている[1].こ
できる.
のインフラ整備によって水素自動車の導入を促進させる計
ここでは高周波もしくはマイクロ波液中プラズマの特徴
画である.水素を作り出す方法として水の電気分解はよく
を紹介し,次に,これらの液中プラズマを使って廃油から
author’s address: Engineering for Production and Environment, Graduate Schools of Engineering and Science, Ehime University, Matsuyama 790-8577, Japan
author’s e-mail: nomura.shinfuku.mg@ehime-u.ac.jp
199
!2013 The Japan Society of Plasma
Science and Nuclear Fusion Research
Journal of Plasma and Fusion Research Vol.89, No.4 April 2013
の割合が9:1である.この溶液を使用するとダイヤモン
水素を取り出す技術について解説する[8,
9].
ドを液中合成することができる
[6])で測定されたプラズ
2.液中プラズマの特徴
マの発光スペクトルの一例である.水プラズマの場合は,
ここで述べる液中プラズマ法は,液体内に設置された金
OH,H!,H",O などが確認できる.一方,アルコール水溶
属電極に高周波やマイクロ波電力を効率的に投入し,継続
液では,CO,CH,C2 などの炭素由来のスペクトルがさら
的に安定なプラズマを液体中の気泡の中に発生させる技術
に観察できる.水素原子の H!と H"の発光スペクトルから
である.著者らは様々な装置を製作し,液中プラズマを数
励 起 温 度[10],H"の ス ペ ク ト ル 広 が り か ら 電 子 密 度
10 kHz 帯から2.45 GHzの範囲で発生させている.周波数が
[11]
,OH や,C2 のスペクトルの分析からそれぞれの分子
低い場合はプラズマ発生前後でのインピーダンス整合,周
の温度を求めることができる[12,
13].
波数が高いマイクロ波になると波長が短くなり実験装置の
図3∼図5は系圧力が 1 kPa から 400 kPa の範囲で液中
形状の影響を強く受けるので,伝送経路の設計にそれぞれ
プラズマを発生させ,分光測定から求めた励起温度,電子
注意を払う必要がある[10].高周波の周波数としては,
密度,OH の回転温度をそれぞれ示している[3].圧力が増
13.56 MHz,27.12 MHz,マイクロ波の周波数としては電子
加するにつれて励起温度が減少し,逆にガス温度は増加し
レンジに使われている 2.45 GHz を利用すれば,比較的安価
ていく.この傾向は通常の気相プラズマと同じである.大
な装置でプラズマを発生させることができる.電極に高周
気圧下(約 100 kPa)で温度 3500 K の化学反応場が液中に
波やマイクロ波を投入すると,金属電極がジュール加熱さ
れ,周囲の液体が気化し気泡が発生,その気泡中にプラズ
マが発生する.
図1は 27.12 MHz の 高 周 波 液 中 プ ラ ズ マ の 様 子 で あ
る.液体は左からエタノール,炭酸リチウム水溶液,塩化
ナトリウム水溶液である.プラズマが発生した後は,電源
を切らない限りプラズマは安定に液中で発生する.左か
ら,青,赤,橙色の発光が観察され[10],炎色反応のよう
に色によってプラズマ内部の物質を予測することができ
る.液中プラズマは,気泡内部は気相プラズマであるが,
周りを気液界面で覆われているのが最大の特徴である.
図2は水とアルコール溶液中(メタノールとエタノール
図1
図3
高周波液中プラズマの発生写真.圧力は 20 kPa.下部から
直径 3 mm のタングステン電極が反応容器内に挿入され,
電極から 20 mm 離れた位置にはプラズマの発生を容易に
するために直径 10 mm のアルミニウムの対向電極が設置
されている.容器内は液体で満たされており,左から,エ
タノール,炭酸リチウム水溶液,塩化ナトリウム水溶液で
ある.
図2
液中プラズマの発光スペクトル.
200
プラズマの励起温度(圧力は 1 kPa から 400 kPa)
.
図4
水中プラズマの電子密度.
図5
液中プラズマのガス温度.
Commentary
In‐Liquid Plasma Can Bring Us a Hydrogen‐Powered World
表1
方法
電気分解
水蒸気改質
熱分解
液中プラズマ
*n‐ドデカン
(C
S. Nomura
水素生成エネルギーの比較.
エネルギー
kJ/mol-H2
286
41.3
37.5
27*
CO2
mol
0
1
0
CO2→C(s)
原料
kJ/mol
0
水
394
メタン+水
0
メタン
0
―
廃液
分解時のデータ
13H26)
させるには表1に示すように多くのエネルギーを必要とす
る.天然ガスの水蒸気改質法は大量の水素を製造する方法
として商用向けに確立された技術であり,以下の2つの反
図6
4気圧下で発生する液中プラズマ.
応の組み合わせで記述される.
CH4+H2O → CO+3H2, ΔH298 K=+206 kJ/mol(1)
CO+H2O → CO2+H2,
ΔH298 K=−41 kJ/mol(2)
(1)式が吸熱反応で,(2)式が発熱反応である.総合的に
は 165 kJ/mol の吸熱反応となるので,外部から熱を加える
必要がある.1 mol のメタンガスと 2 mol の水から,4 mol
の水素と 1 mol の二酸化炭素が生成する.このため 1 mol
あたりの水素製造エネルギーが水の電気分解と比べて格段
に低くなる.都市ガスや LP ガスなどから改質器を用いて
水素を取り出し,これを酸素と反応させて発電,このとき
の反応熱を給湯として利用する家庭用燃料電池コージェネ
図7
レーションシステムがすでに市販されている.しかし,水
沸騰曲線とプラズマ熱流束.
蒸気改質反応では最終段階で二酸化炭素を排出するので,
何らかの対策が必要となる.二酸化 炭 素 を 回 収・貯 留
発生する[14].また,電子密度は減圧下でも 1015 cm−3 の
(CCS:Carbon Dioxide Capture and Storage)する研究が別
オーダーである.図6は4気圧で発生するプラズマの様子
途に進められている[15,
16].もしこれを固形化するエネ
である.写真からは放電が発生している箇所を除いて,電
ルギーまで含めて考えると,結果的には電気分解と比べて
極表面は液体と接しているように見える.電極表面の大部
同程度か,それ以上のエネルギーが必要になる.水素エネ
分が液体によって濡れて電極全体の表面温度はそれほど高
ルギー社会を実現させるためには低コストで二酸化炭素を
くなっていないことを示唆している.図7は,大気圧下で
排出しない水素製造法の開発が望まれる.
得 ら れ る 典 型 的 な 沸 騰 曲 線 で あ る.横 軸 は 過 熱 度
二酸化炭素を排出しない方法としてメタンガスからプラ
(!!"!#)であり,沸騰曲線では伝熱面温度と液体の飽和温
ズマによる熱分解によって水素を取り出す方法もあるが,
度(沸点)との差である.例えば,液中プラズマではプラ
熱分解に投入するエネルギーが大きく,分解によって得ら
ズマのガス温度と飽和温度の差を過熱度とし,電気出力を
れた水素は次の分解エネルギーとして使われる程度であ
電極の断面積で割って得られる熱流束を使って実験点を図
り,そのままでは何も生み出さないのが現状である.民生
中にプロットすると,限界熱流束をはるかに越えた,数千
用のシステムとして熱分解法を普及させるには,製造コス
K の過熱度を持つ沸騰現象が 実 現 し て い る こ と になる
トを低くするか,副生成物として高付加価値の物質を生み
[14]
.これは,通常の加熱壁からの沸騰では実現困難な現
出す必要がある.
象である.電子密度から推測される液中プラズマの電離度
一方,液中プラズマ法は,様々な液体中で発生させるこ
は 0.1% 程度であるが,液中プラズマはこの荷電粒子の運
とができるので,油などの有機溶媒を直接プラズマ分解す
動によって数千 K の化学反応場を液中に提供している.
る.分解エネルギーのみの比較では最も少ないエネルギー
で水素を製造できる.
(3)式は n‐ドデカン(灯油の主成
3.電子レンジによる燃料ガス生成実験
分である.)がすべて水素とグラファイトに分解する反応
液中プラズマによって生成される数千 K の化学反応場
である.
は,地球上に存在するほとんどの物質を熱分解させる.こ
3H2,ΔH298 K=+351 kJ/mol
C12H26 → 12 C+1
の技術を使えば液体から水素を取り出せるが,何から水素
(3)
を作り出すのかが問題になる.表1は 1 mol の水素を得る
1 mol のドデカンから 13 mol の水素が生成されるので,
ために必要なエネルギーの比較である.水の電気分解によ
1 mol の水素を生成するのに必要なエンタルピは 27 kJ/mol
る方法はクリーンな水素製造方法として最も有力な方法で
になる.このように,油(炭化水素系の液体)は多くの水
ある.しかし,水は非常に安定な物質であり,これを分離
素を含んでいる.灯油などを用いた改質法も提案されてい
201
Journal of Plasma and Fusion Research Vol.89, No.4 April 2013
るが,液中プラズマ法では炭素成分を一気に固形化まで
る.しかし,電極の本数が増えてくると,どこかの電極で
もっていくことができるのが特徴である.液中プラズマ法
電界強度が最大となってプラズマが発生する.内部電場の
は電気分解と水蒸気改質の問題点を克服できる.
状況がよくわからない電子レンジ内では,プラズマを継続
的に発生させるには電極を複数本設置する方法が効果的で
著者らは液中プラズマを発生させる装置として電子レン
あることが経験的にわかっている.
ジを用いる方法を開発している[5,
17].電子レンジは一般
家庭に普及しており,将来分散型電源としての応用が期待
図9は水素回収システムの概略を示している.電子レン
できる.図8は電子レンジを使った液中プラズマ発生装置
ジの分解炉内では液保持タンクからポンプによって液体が
である.マイクロ波(2.45 GHz)の発生源はマグネトロン
強制循環される.プラズマによって分解炉外に排出される
であり,マグネトロンから照射されたマイクロ波をアンテ
生成気体は,気液分離器で分離され水上置換によって収集
ナで受信することにより,アンテナ先端でプラズマが発生
される.液流量は反応炉流入ホースとバイパスホースに接
して溶液が分解される.(4)式で表されるマイクロ波の波
続された2つのバルブによって調整される.液体を気液分
長の 1/4 程度の電極長さ(!)をもつ電極ユニットを電子レ
離器から活性炭フィルターに浸透させて液保持タンクへ導
ンジ内に設置する.
くために,液保持タンク内をアスピレータによって減圧し
#" #! !
$ #"
"
ている.分解時に発生する固形炭素は,液体と一共に循環
するが,活性炭フィルターでそのほとんどがトラップされ
(4)
る.気液分離器内の液量は排出バルブで調節され一定に保
ここで,#は波長,#は光速,$は周波数,"
"は液体の誘電
たれる.
率である.
電子レンジの出力は 700 W と表示されていたが,実際の
この装置は上部にガスの吸排気用の配管があることを除
出力 "(W)は,約 500 mL の水が60秒間の稼動によって上
いては市販の電子レンジとほとんど構造が同じである.電
昇する温度から求めた.また,出力を変化させるために電
子レンジ内に約 550 mL の耐熱ガラス容器を設置し,分解
源電圧を変圧器で調整した.プラズマを発生させて気体採
炉としている.分解炉内にマイクロ波受信アンテナを設置
集を行う前に,装置内にアルゴンガスまたはヘリウムガス
し,アンテナ先端部で電場が集中することによりプラズマ
を流して十分な置換を行い,さらにプラズマを発生させて
が発生する.アンテナは金属円板の中心に1本と,その円
生成気体による置換を行った.発生ガス分析用のガスクロ
周状に6本の銅棒を直立させたものであり,液体の種類に
マトグラフ(GC)の検出器には熱伝導型検出器(TCD)を
よって銅棒の長さを調整し気体生成速度が最大となる長さ
用い,GC の移動相(キャリアガス)にはヘリウムを用いて
としている[5].電子レンジ内の電場の状態がよくわから
いる.
ないが,電極の本 数 を 変 え る と ガ ス の 発 生 速 度 が 変化
実験結果の一例を表2に示す.n‐ドデカンにおける気体
し,7∼10本のあたりで最大値を示したので,その数を電
生成速度 %(mL/s)は出力が大きくなるに従って大きくな
極ユニットとして構成し電子レンジ内に挿入した.プラズ
るが,単位投入あたりの気体生成量 %!
"は出力が小さいほ
マ発生前後で,気泡や発生ガス,炭素微粒子の影響で電磁
ど大きくなる.このことから,本分解炉の規模に対して電
場分布が変化することや,生成する炭素の電極への付着な
子レンジの出力は大きすぎると考えられ,実用化において
どの効果によってプラズマの発生が間欠的になることがあ
適切な規模となるよう考慮する必要がある.
n‐ドデカンでは,プラズマ分解によって約8
9%の水素
と,低級炭化水素であるメタン,エチレン,アセチレンな
どの可燃性ガスが発生する(表2中の各ガスの割合は発生
ガス中に含まれる各成分ガスの体積割合を示している).
エンジンオイルや食用油を使った実験ではアセチレンの割
図8
電子レンジ利用型液中プラズマ分解装置と電極ユニット.
図9
202
電子レンジによる水素製造システム.
Commentary
In‐Liquid Plasma Can Bring Us a Hydrogen‐Powered World
S. Nomura
合が高くなるが,発生ガスのほとんどは水素ガスである.
時間あたり化学反応に消費されるエネルギーの割合であり
食用油には酸素が含まれるために一酸化炭素や二酸化炭素
次の式で表される.
が検出されている.食用油およびエンジンオイルについて
"!
#" $
!100%
#"
は,それらの廃液を使っても実験を行った.発生ガス中に
含まれる水素純度の測定を行い,65∼75%の水素純度を得
(13)
ここで,# は標準 mol 体積(22.4 L/mol),$はプラズマ
た.若干水素純度が低くなるが,問題なく液体をプラズマ
分解によって発生するガス生成速度である.ガス発生量は
で分解することができる.
ドデカンでは 118 W の場合に最大効率を示し,0.23 m3/
今,n‐ドデカンの分解について,1 mol の水素生成に必
kWh の水素ガスが発生する.
要なエネルギーを計算する.生成された気体成分を表1に
水素生成効率についてすでに商用化されているアルカリ
示す4種類のみとした場合,以下の化学反応式が仮定でき
水電解法のそれと比較する.単位投入エネルギーあたりの
る.
水素量は $!
"に生成気体の水素割合を乗じたものであ
aC12H26→
る.一方,表1から,水から水素 1 mol を生成させるのに必
nH2H2 + nCH4CH4 + nC2H4C2H4 + nC2H2C2H2 + bC(s)(5)
要なエンタルピは 286 kJ/mol なので,アルカリ水電解法の
エネルギー効率を約 80% とすると,6.27×10−2 mL/J とな
ただし,
a=(2nH2+4nCH4+4nC2H4+2nC2H2)/ 26
(6)
b=12a−(nCH4+2nC2H4+2nC2H2)
(7)
る.両者の比を $として表2に示す.出力が小さいときは
アルカリ水電解法と同程度であるが,出力が増加すると,
投入エネルギーの大部分が液体の液温上昇に使われてしま
うため,$は小さくなる.表1で示したように,油分からの
ここで,分子数比 nH2 : nCH4 : nC2H4 : nC2H2 は表2に示される
水素生成は,水から作るよりも理論上は 1/10 程度のエネル
とおりとする.
ギーで同量の水素を取り出すことができるが,水温上昇か
(5)式の反応における気体 1 mol あたりの生成エンタル
ら求められる電力の14%以下しか化学反応に使われないた
ピは,次の標準生成式から得ることができる.
め,水素生成に限れば現状システムでは水の電気分解程度
ドデカン: 12C(s)+13H2→C12H26(l),
しかない.実際の電子レンジの消費電力基準では,化学反
"HC12H26=−350.9 kJ/mol (8)
メタン:
"HCH4=−74.87 kJ/mol
エチレン:
応に消費されるエネルギーは表2の #の値のさらに70%程
C(s)+2H2→CH(g)
,
4
度になると推測される.
(9)
今後,熱の解散を防ぐなどの装置構成の最適化,改良に
2C(s)
+2H2→C2H(g)
,
4
"HC2H4 = 52.47 kJ/mol
よって,システム全体の効率をいかに向上させるのかが大
(1
0)
きな課題である.
アセチレン:2C(s)+H2→C2H(g)
,
2
"HC2H2= 226.73 kJ/mol
(1
1)
4.水素自動車走行実験
+nC2H4
こ れ ら4つ の 化 学 式 の 両 辺 を−a(8)+nCH4(9)
もう,古い映画になるが,1
985年に公開された「バッ
(10)+nC2H(
1)とすれば(5)式が得られる.エネルギー保
21
ク・トゥ・ザ・フューチャー」(Back to the Future)に登
存則(ヘスの法則)より,(5)式の化学反応の反応エンタ
場する乗用車デロリアンは,タイムマシンとして時空を駆
ルピ式は以下のようになる.
け抜けることができるスーパーカーである.デロリアンを
著者なりに分析すると,
"H =−a"HC12H26+nCH4"HCH4
(1)燃料はゴミである.
+nC2H4"HC2H4+nC2H2"HC2H2 (12)
(2)原子炉を搭載している.
(3)光速を超えている.
これより,(5)式の化学反応における生成気体 1 mol あ
たりの生成エンタルピが求められる."H として表2に示
と思われる.もちろん,この車は SF の世界のフィクション
す.エネルギー効率 #は,投入された出力 "に対する単位
であるが,この映画はデロリアンを実現するためのいくつ
表2
Liquid
Pressure
(kPa)
n-dodecane
101
engine oil
101
cooking oil
発生ガスの分析結果と水素製造効率の比較例.
$
P
(W) (mL/s)
492
369
118
Fresh
Waste
Fresh
Waste
492
492
15
14.4
8.4
10.9
−
10.9
−
H2
84.8
84.6
88.6
83.1
65 - 75
76.1
65 - 75
Contents of produced gas(%)
CH4
C2H2
C2H4
CO
2.6
9.6
3
2
10.5
2.9
N/A
2.8
6.6
2
1.4
13.1
1.4
0.4
−
−
−
−
1.2
12.2
1.8
7.8
−
−
−
−
203
CO2
0
−
0.3
−
#
$
"H
(kJ/mol) (%) (%)
49.9
52.4
42.2
N/A
−
N/A
−
6.8
9.1
14
N/A
−
N/A
−
41
53
101
29
−
27
−
Journal of Plasma and Fusion Research Vol.89, No.4 April 2013
かのヒントを与えてくれている.項目
(1)はゴミからの燃
が起きやすくなる.これらの事情を勘案し,我々はロータ
料抽出であり,最も考えられる燃料は水素である.項目(2)
リーエンジンを搭載した,「マツ ダ 社 製 RX‐8ハ イ ド ロ
は映画で見る限り投入するゴミの量が少ないことから,考
ジェン RE」
(図10)を 実 験 用 水 素 自 動 車 と し て 選 択 し
えられる核反応は取り出した水素で核融合反応が起こって
た.この車両は水素およびガソリンの両方で駆動させるこ
いるということである.このためには,重水素を抽出する
とが可能である.ロータリーエンジンは図11に示すように
ための高性能な質量分離装置やトリチウム製造装置を搭載
吸気室と燃焼室が分離した構造であり,吸気室に熱源がな
していることになる.これで,項目
(1)との整合性がとれ
いので異常燃焼をおこすリスクが小さく水素燃焼に適して
る.項目(3)は著者ではコメント不可能である.あの映画に
いる.実際は,水素の純度が低くなっても内燃機関である
登場するような夢の車は作れないものだろうか.そこで,
ので,ガス燃料として燃焼しさえすればエンジンは問題な
著者らは液中プラズマ技術を用いてこのデロリアンを動か
く駆動し,故障のリスクも少ない.ただし,水素純度が低
すプロジェクトを実施した.これまでの研究成果を踏まえ
くなると,水蒸気以外のガスも発生する.水素燃焼型自動
て,
車は,将来,現行の内燃機関装置の改良で適用できるので,
(a)ゴミの替わりに廃液を利用する.
車 の 価 格 も 抑 え ら れ る と い う 利 点 が あ る(残 念 な が
(b)重水などからの核融合はまだ実現できないので,廃
ら,2012
(平成24)年12月現在,ロータリーエンジン搭載の
液から水素を取り出して,水素自動車を駆動する.
市販車は製造中止となっている).
(c)分解には電子レンジを使う.
液中プラズマによる水素回収システムは図9とほとんど
を課題設定にして,車の駆動実験を実施した.油などの化
同じであるが,プラズマで分解されたガスは液体窒素ト
石燃料から水素を作る方法は,化石燃料を使うよりも高コ
ラップによって水素以外のガスを液化分離され,純度97∼
ストになるため,エンジンオイルや発電機,あるいは食用
99%の水素ガスが回収できるようにした.水素ガスは水上
油などの使用済み廃液を利用する方法が現実的である.電
置換によって水素貯蔵タンクに貯められた後,水素吸蔵合
子レンジを使うのは,どこにでもあるありきたりの装置で
金(LmNi5型,ランタン成分がリッチになるように調整
あると同時に,このサイズで実現できれば自動車への搭載
した希土類金属混合物)に吸着させた.実証実験では廃油,
が容易であると考えたからである.図8の電子レンジ型装
約 150 ml を電子レンジ内で分解して取り出した水素約
置を使って液中プラズマ技術で分解,回収された水素で水
200 !を水素ロータリーエンジン搭載車に注入した.時速
素自動車の走行実験を行った.
10 km で約 360 m の車の走行を確認した.
燃料電池型水素自動車を駆動させるためには非常に高い
液中プラズマは液体自身を直接分解するので,溶液の種
水素純度を必要とする(99.99% 以上)
.一方,内燃機関の
類に関わらず水素ガスを生成することができ,太陽電池な
場合はある程度の水素濃度があればエンジンを駆動するこ
どの自然エネルギーを使ってプラズマを発生させることが
とができる.水素は最小点火エネルギーがガソリンと比べ
できれば,廃油分解型のソーラーステーションが実現でき
て小さいため(水素:0.02 mJ,ガソリン:0.24 mJ)
[18],
る.不安定な自然エネルギーを水素で貯蔵することができ
火花で点火する前に作動室内の高温部位によって異常燃焼
る.また,油分をプラズマ分解すると,炭素が同時に生成
される.実験終了後,残留炭素量を測定した.ただし,炭
化物は各種の配管内に付着したものや,ガスとともに排出
された量は測定していない.その結果,約 500 W の電力で,
10 !のガス回収に要した時間320秒で 1.8 g の炭素量が固形
化されていた.これは(5)式から予測される炭素量の44%
である.廃油を分解すると炭素を固形化できる.これを再
び炭素燃料として利用できるが,燃焼して CO2 が発生して
しまっては,水素を作るこの方法のメリットがない.分解
図1
0 水素自動車駆動実験の様子.
図1
2 液中プラズマ利用による廃油分解型の水素ステーション.
廃液を燃料として車が走る.炭素成分は固形化.最終目標
は自然(サスティナブル)エネルギー利用で液中プラズマ
を発生させる.廃液の含まれる有害物質の分解処理も同時
に行える利点も持つ.
図1
1 水素ロータリーエンジン.
204
Commentary
In‐Liquid Plasma Can Bring Us a Hydrogen‐Powered World
S. Nomura
時にゼオライトなどの触媒を存在させると,残渣(炭素)
近傍にマグネトロンやガン・ダイオードなどの半導体素子
の性状をコントロールすることができ,原料油の種類によ
を設置しておけば,直流電圧の供給によってプラズマ発生
りカーボンナノチューブなど有用な炭素材料を合成するこ
装置を動作できる.例えば,太陽電池により発電させた電
とができる[19].将来,残留炭化物を高付加価値の材料に
力を用いれば,電極先端ユニットに搭載された直流動作の
転換することができれば,図12に示すような廃液などから
マグネトロンを電力変換せずに電極先端からプラズマを発
燃料ガスを回収することによってゼロエミッションの油分
生させることができる.電力供給源としては潮流発電の利
分解システムを構築できる.このためには,プラズマに
用も期待できる.ハイドレードの溶解を補助するために地
よって発生する水素は副生水素となるようなプロセスが必
熱の利用は必要であろう.著者らはすでにメタンハイド
要となる.プラズマ発生には電気を必要とするので,水素
レートを液中プラズマによって分解し,水素が回収できる
生成のみに限って本手法を適用するにはエネルギー的に厳
ことを報告している[8,
9].
しいだろう.
6.あとがき
5.メタンハイドレートからも水素
水素生成のみに限れば現状での製造コストは高い.しか
し,液中プラズマ法では CO2 の排出をゼロにすることがで
液中プラズマ技術は日本近海に存在するメタンハイド
レートからの燃料回収にも応用できる.メタンハイドレー
き,シクロヘキサンやベンゼン,エンジンオイルや植物油,
トは石油・天然ガスに代わる次世代資源として重要な研究
さらにはそれらの使用後の廃液などの様々な液体を利用す
テーマである.低温高圧環境下で安定に存在するメタンハ
ることができる.さらに,液中プラズマの内部温度は約
イドレートの相当量が四国近海(水深 500 m 程度)に分布
3000∼5000 K に達するので,分解が困難とされる塩素系潤
している.政府は平成28年度までの量産技術の確立をめざ
滑油などの処理と同時に水素を生成できるメリットを持っ
し「減圧法」と呼ばれる方法での回収を検討しているが,
ている.
コストやメタンガスによる地球温暖化への影響など,解決
本技術がゴミやバイオマスの分解技術として展開できれ
しなければならない問題は山積している.万が一の場合に
ば,廃液やゴミなどを燃料としてクリーンな水素自動車を
備えて,新しい技術による代替回収法を準備しておく必要
動かす映画に登場するような夢の車が実現するかもしれな
がある.著者らの方法は従来の採掘方法と異なり,メタン
い.
ハイドレートからメタンではなく水素を取り出すので,採
表3は 100 kW の太陽電池を設置して,そのうち半分の
取したメタンガスが坑井内を上昇移動する際に,再びメタ
50 kW が出力として得られた場合に,100 kg のセルロース
ンハイドレートを生成してしまうという問題が克服でき
が何時間で分解 で き る の か を 概 算 で 求 め た 値 で あ る.
る.特に,プラズマ法は地球温暖化の原因となる二酸化炭
50 kW の電力で10時間駆動するとセルロース100 kgが分解
素の排出を大幅に削減できる.
でき,そのとき発生する水素で 35 MPa タンク搭載の水素
図13は著者らが提案しているプラズマによるメタンハイ
自動車に 2.5 台充填可能となる.このとき同時に 20 kg の炭
ドレートから水素を回収するプロセスのイメージ図であ
素成分が固形化できる.35 MPa の水素タンクを搭載して
る.プラズマ発生用電極ユニットはメタンハイドレート層
いるロータリエンジン車が水素のみで走行できる距離は約
に挿入され,海上からケーブルで電力が供給される.電極
150 km である.プラズマ発生には電力が必要なので,核融
合が実現できていない現状ではエネルギー収支を考えれば
自然エネルギーでプラズマを駆動させる方法が現実的であ
ろう.しかし,それが実現できれば廃液やゴミ処理問題を
一挙に解決できるようなオンサイト型水素ステーションを
設置することができる.
参考文献
表3
ごみ処理技術の組み合わせ(予測値)
.
ゴミ処理量(セルロース)kg
太陽電池(100 kW,実働出力5
0%)
水素製造量(Nm3/hr)
分解能力 kg/kWh
ゴミ分解に必要な時間(hr)
水素自動車の台数(35 MPa)
固形炭素量(kg/hr)
図1
3 プラズマによる水素ガスの回収と炭素の固形化.水素ガス
で回収するのでパイプラインの温度・圧力制御,回収後の
分離装置が不要である.堅固なパイプラインがいらない.
ハイドレートは自噴しないので,同一場所での回収には限
界がある.如何なる方法を採用しても,パイプラインの移
動は必須条件となっている.本手法ではハイドレートの溶
解を補助するために地熱の利用を提案している.地熱とプ
ラズマの熱で溶解し,海底を容易に移動しながらガスを回
収する.
100
50 kW
10
0.2
10
2.5
2.0
1日 100 kg のごみ処理なら 100 kW の太陽電池を1
0時間駆動する
必要がある.セルロース(C6H10O5)1 kg のプラズマ分解で 1 Nm3
の水素ガスが発生する.
205
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[1
0]野村信福:よくわかる実験技術・学術用語 第2版,
!!!!!!!!!!!!!!
の
むら
しん
ふく
野 村 信 福
愛媛大学理工学研究科生産環境工学
専攻,教授,専門は熱工学.核融合
発電は小職が生存中に実現すると信
じている.趣味はジョギングとプロ
レス観戦.マラソンの自己ベストは3時間3
7分.学生時代は
プロレス研究会に所属.写真はその時のキメポーズ.好き
だったレスラーはジャンボ鶴田.
!!!!!!!!!!!!!!
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
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