スライド 1

独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構
産業技術研究助成事業（若手研究グラント）
平成20年度第2回公募研究開発
研究テーマ名：
多孔質触媒層を利用した超小型燃焼器の
開発と携帯小型電源への応用
研究代表者名：
高橋 周平
岐阜大学工学部機械システム工学科 准教授
〒501-1193 岐阜県岐阜市柳戸１－１
TEL: 058-293-2539 FAX: 058-293-2491
E-mail: [email protected]
Specific energy (Wh/kg)
燃焼エネルギーを利用するメリット
14000
8000
7000
13000
12000
6000
13956
炭化水素に代表される可燃性燃料は，エネルギー密度（単位質量あ
たり，あるいは単位体積あたりのエネルギー量）が大きく，エネル
ギーの缶詰と呼ばれます ．これは既存の高性能バッテリーと比較して，
２桁大きな値をとります．また，一般に炭化水素燃料は電気などに比
べて低コストです．
10%効率の熱機関
12340
リチウムイオン電池
5509
5000
・非常に小さなバーナー内で燃焼を維持させることにより，ご
く微量の炭化水素燃料の化学エネルギーを，熱エネルギーに
連続的に変換して利用することができます．
・非常に小さな空間でも燃焼エネルギーを利用できるようにす
ることで，従来では電気以外に選択肢のなかったフィールド
において，安価なエネルギー供給を行うことが可能です．
4000
3000
2000
1000
1234
710
470
200
170
164
90
70
55
0
炭化水素燃料および電池のエネルギー密度
微小燃焼器の利用が期待される新分野
ウルトラマイクロガスタービン
オンボードコジェネ（分散型エネルギーシステム）
6cm
燃料タンク(ブタン： 10cc)
5W出力で15時間
1.5W出力で50時間
空気取入口と流量調整器
4cm
Gas Turbine Laboratory, Massachusetts Institute of Technology
携帯機器
マイクロコンバスター
熱電素子
災害時バックアップ
スポーツ
ミリタリー
革新的な特徴
1. 燃焼を利用していながら携帯可能な小出力
出力:~5W
(min. 0.3W, max 10.4W) 高いターンダウンレシオ
2. 非常に大きな発熱密度
体積当たりの出力:~5GW/m3
(管内径：0.8mm, 高温部分長さ：約2mm)
面積あたりの出力:~10MW/m2 (管出口にて)
3. 高温排気が利用できる 1100K以上
Mixture flow rate (cc/min)
本提案のマイクロコンバスタの特徴
200
150
100
(メタン，ブタン，DMEなど燃料を選びません)
5. 安価な制作コスト (研究室レベルで1つ100円)
6. 高い耐久性 (連続作動時間：1300時間以上)
管内径0.8mm，外径1.2mm
当量比1.0（ CH4: 10sccm, Air: 95sccm ）
作動中のマイクロコンバスタ
0
0.0
Mixture flow rate (cc/min)
4. 広い作動範囲(当量比: 0.2 ~ 8.0)
Methane
希薄側限界：当量比0.8
低出力限界：1.5W
50
200
Mixture flow rate (cc/min)
(エクセルギ効率が高いことを意味します)
0/3
1/3
2/3
3/3
200
0.2
0.4
0.6
0.8 1.0 1.2 1.4
Equivalence ratio
1.6
1.8
2.0
Butane
150
希薄側限界：当量比0.4
低出力限界：1.0W
100
50
0
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8 1.0 1.2 1.4
Equivalence ratio
1.6
1.8
2.0
DME
150
希薄側限界：当量比0.2
低出力限界：0.3W
100
50
0
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8 1.0 1.2 1.4
Equivalence ratio
各種燃料における可燃限界
1.6
1.8
2.0
本提案のマイクロコンバスタの原理
高温排気利用
ここが革新的（環境エネルギー分野）
触媒表面反応による発熱で気相部分の予熱を行い，微小空間における燃
焼を維持する．予熱過程が短時間で行われるため，大幅なサイズ低減が
可能．また，触媒反応を利用するため作動範囲が広い．高温で作動する
ので被毒の影響が小さい．
気相反応
触媒反応
スポット加熱
既燃ガス
予混合気
触媒層
セラミックス管
熱の流れ
具体的な利用例
マイクロコンバスタ概念図
既存のマイクロコンバスタ
熱
酸素
気相反応
壁を通した熱再循環システムにより微小
空間内での燃焼を維持しているが，・・・
メタン
表面反応
触媒層近傍の反応機構
1. 複雑な形状のため，製作コストが高い
2. 流路が長いため燃焼器の小型化に限界
がある
3. 原理上，高温の廃棄を使うことができ
ない
排気
吸気
スイスロール型マイクロコンバスタ
(東北大学，IHI)
表面反応を利用した多孔質触媒層の形成法
断熱反応温度
2500
ここが革新的（ナノテクノロジー・材料分野）
触媒微粒子をコロイド状に分散させたペーストを塗布・乾燥
させた後，表面反応を利用して微粒子を溶融させて多孔質構
造を構築．焼結時の予混合気の当量比によって温度制御が可
能．触媒担持部の形状が自由で，製造コストが安価．
Melting point of Pt (2041K)
2000
Melting point of Pd (1828K)
1500
Overheat
zone
1000
500
0
1
2
3
4
5
6
当量比
反応温度と当量比および融点の関係
50mm
5mm
スぺーサー
セラミックス管
材質：ムライトセラミックス
サイズ：内径=0.8mm, 外径=1.2mm
熱伝導率：λ= 3.4W/m·K
触媒コロイドペースト
スペーサーを挿入
白金（Pt）ペースト
Pt powder: 67wt%
(粒径1μm, 密度21.5g/cm3, 融点2041K)
パーム油 or 水: 33wt%
触媒ペースト
焼結前
触媒ペーストを管内に塗布
5μm
吸着した粒子状触媒
マッフル炉で溶媒を揮発
多孔質状触媒層
予混合気
過濃予混合気を導入して焼結
焼結法による多孔質触媒層の形成法
焼結後
0.1mm
焼結後
焼結前後の触媒層のSEM画像
5μm
7
熱電素子を利用した携帯小型電源への応用
温度
0
100
200
300 400
Bi-Te系
ここが革新的（ナノテクノロジー・材料分野＆環境エネルギー分野）
熱電変換
モジュール
低温型の素子で既に3.5%の最終変換効率．（世界最高レベル）
高温型素子の利用で10%までの効率向上が見込める．
熱源が超小型なので放熱プロセスが容易である．
500
600 700
（低温用）
Zn-Sb系
（高温用）
シリサイド系
カスケードタイプ
各種熱電素子の使用温度
25
Environment: 300K
燃料投入量: 4.73W
T=1500K
1000K
出力電力: 166.4mW (1.29V, 129mA)
熱電モジュール: Bi-Te (計34対，ZT~0.72)
最終熱電変換効率: 3.52%
Efficiency (%)
20
(DME:5.22cc/min, Air: 74.78cc/min)
750K
15
600K
Zn-Sb 500K
10
375K
Heat sink block
Heat sink block
Thermoelectric
modules
5
Bi-Te with ZT~1.0
present
0
Thermoelectric
modules
800 (℃)
0.5
1
1.5
2
ZT
ZT値および作動温度と変換効率
Microcombustor
Copper heat receiver
338K
Microcombustor
Copper heat receiver
8.5mm
461K
9mm
303
523 (K)
Heat sink
熱電モジュール: Bi-Te 型 (２個直列)
1MD04-017-12 (RMT Ltd.), 17 pairs, 3.8mm x 3.8mm x t2.3mm
Z=2.4 x 10-3/K, ZT=0.72@300K
発電試験用熱電モジュールと超小型燃焼器
想定される携帯小型電源のモックアップ