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口頭

ブンゼン反応用イオン交換膜の開発

小平 岳秀; 池田 歩*; 松山 絵美*; 河野 伸輔*; 澤田 真一; 八巻 徹也; 野村 幹弘*

no journal, , 

熱化学水素製造法ISプロセスにおいては、イオン交換膜を隔膜として用いるブンゼン反応(SO$$_{2}$$+I$$_{2}$$+2H$$_{2}$$O=H$$_{2}$$SO$$_{4}$$+2HI)、いわゆる膜ブンゼン反応の単位操作を確立することが重要である。本研究では、放射線架橋や放射線グラフト重合の手法によって、膜ブンゼン反応に必要なイオン交換膜を開発することを目的とする。これまでに行った予備的検討で、グラフト重合条件によるイオン交換容量の制御性を確認できたので、物質透過の主要因子である膜電荷密度に基づく膜設計を今後行っていく。

口頭

熱化学水素製造ISプロセス用イオン交換膜の開発

小平 岳秀; 池田 歩*; 松山 絵美*; 河野 伸輔*; 澤田 真一; 八巻 徹也; 野村 幹弘*

no journal, , 

熱化学水素製造法ISプロセスは、数百$$^{circ}$$C程度という極めて低い温度域で水分解を可能にするので、太陽光の熱源利用も期待させる革新的技術である。同プロセスでは、ブンゼン反応(SO$$_{2}$$+I$$_{2}$$+2H$$_{2}$$O=H$$_{2}$$SO$$_{4}$$+2HI)の生成物であるHIを分離、濃縮する必要があるため、陽イオン交換膜を備えた電解セルにより反応から分離、濃縮までを担う、いわゆる膜ブンゼン反応を実現し、高効率化を図ることが急務である。本研究の目的は、放射線架橋や放射線グラフト重合の手法によって、膜ブンゼン反応の陽イオン交換膜を開発することである。今夏のプロジェクト開始からこれまでに行った検討により、グラフト重合条件によるイオン交換容量の制御性を確認できた。また、膜中の電荷密度を制御することで、SO$$_{2}$$の透過抑制能とH$$^{+}$$の輸率の両方を高めることが重要であることを明らかにした。

口頭

水素製造プロセス用カチオン交換膜の開発

小平 岳秀*; 池田 歩*; 松山 絵美*; 河野 伸輔*; 大浦 琴音*; 澤田 真一; 八巻 徹也; 野村 幹弘*

no journal, , 

本研究の目的は、放射線グラフト重合法によって、ISプロセスの膜ブンゼン反応(SO$$_{2}$$+ I$$_{2}$$+2H$$_{2}$$O=H$$_{2}$$SO$$_{4}$$+2HI)に必要なイオン交換膜を開発することである。今回は、得られたイオン交換膜の基礎物性として、イオン交換容量(IEC)や含水率などを検討した。イオン交換膜の作製は、エチレン-テトラフルオロエチレン共重合体膜へのスチレン-ジビニルベンゼン(DVB)の$$gamma$$線グラフト共重合により行った。化学架橋剤としてDVBを用いることで含水率は大きく低下し、同じIECの下でナフィオンの約4分の1であった。含水率の抑制に最も効果的なDVBの混合体積比は、スチレンに対して5%であることを見出した。

口頭

水素製造のためのイオン交換膜の開発

小平 岳秀*; 池田 歩*; 松山 絵美*; 河野 伸輔*; 大浦 琴音*; 澤田 真一; 八巻 徹也; 野村 幹弘*

no journal, , 

熱化学水素製造法ISプロセスでは、膜ブンゼン反応(SO$$_{2}$$+I$$_{2}$$+2H$$_{2}$$O=H$$_{2}$$SO$$_{4}$$+2HI)を実現し、その高効率化を図ることが急務である。本研究の目的は、放射線グラフト重合法によって、膜ブンゼン反応用のイオン交換膜を開発することである。膜ブンゼン反応におけるHI濃縮性能の低下は膜内水の移動によって起こることから、今回は得られたイオン交換膜に対し水の透過性をパーベーパレーション試験により調べた。イオン交換膜は、エチレン-テトラフルオロエチレン共重合体膜を基材として、スチレンとジビニルベンゼン(DVB)の$$gamma$$線グラフト共重合により作製した。同じ含水率の下で比較すると、グラフト重合によるイオン交換膜の水透過流束は7.5kg/m$$^{2}$$hでナフィオンの半分程度であった。DVBによる化学架橋が水の透過抑制に有効に働くことが明らかになった。

口頭

Development of cation exchange membrane for hydrogen production

小平 岳秀*; 池田 歩*; 松山 絵美*; 河野 伸輔*; 大浦 琴音*; 澤田 真一; 八巻 徹也; 野村 幹弘*

no journal, , 

熱化学水素製造法ISプロセスでは、膜ブンゼン反応(SO$$_{2}$$ + I$$_{2}$$ + 2H$$_{2}$$O = H$$_{2}$$SO$$_{4}$$ + 2HI)を実現し、その効率向上を図ることが急務である。膜ブンゼン反応におけるHI濃縮性能の低下は膜内水の移動によって起こることから、本反応に用いるイオン交換膜には水透過を抑制する特性が要求される。そこで本研究では、放射線グラフト重合法によって膜ブンゼン反応用のイオン交換膜を作製し、その水透過流速をパーベーパレーション試験により調べた。イオン交換膜の作製は、エチレン-テトラフルオロエチレン共重合体膜を基材として、スチレンとジビニルベンゼン(DVB)の$$gamma$$線グラフト共重合によって行った。同じ含水率(37%)の下で比較すると、グラフト重合によるイオン交換膜の水透過流束は7.4kg/m$$^{2}$$hで、ナフィオンの19kg/m$$^{2}$$hと比較して半分以下であった。DVBによる化学架橋が水の透過抑制に有効に働くことが明らかになった。

口頭

新規カチオン交換膜の水透過性とその応用

小平 岳秀*; 池田 歩*; 大浦 琴音*; 小野 竜平*; 松山 絵美*; 澤田 真一; 八巻 徹也; 野村 幹弘*

no journal, , 

原子力機構では、水素の製造を目的として、水の熱分解法の1つであるISプロセスの研究を進めている。ISプロセスにおける膜ブンゼン反応(SO$$_{2}$$ + I$$_{2}$$ + 2H$$_{2}$$O $$rightarrow$$ H$$_{2}$$SO$$_{4}$$ + 2HI)では、カチオン交換膜の中を水が移動してしまい、結果としてHI濃縮性能が低下することが問題視されている。そこで本研究では、放射線グラフト重合法を利用し、化学架橋により膜内の水移動が抑制されたカチオン交換膜の作製を行った。試料は、基材であるエチレンーテトラフルオロエチレン共重合体膜に対する$$gamma$$線の前照射、スチレンと化学架橋剤であるジビニルベンゼン(DVB)の共グラフト重合、スルホン化によるスルホン酸基の導入、という手順で作製し、その水透過性はパーベーパレーション試験によって調べた。DVB架橋カチオン交換膜は、水透過係数が従来膜Nafionの約半分と低い値を示した。したがって、DVBによるグラフト鎖の架橋構造が水の透過を抑制することがわかった。

口頭

熱化学水素製造法改善のためのカチオン交換膜開発

小平 岳秀*; 池田 歩*; 松山 絵美*; 大浦 琴音*; 澤田 真一; 八巻 徹也; 野村 幹弘*

no journal, , 

本研究の目的は、放射線グラフト重合法によって、熱化学水素製造法ISプロセスの膜ブンゼン反応(SO$$_{2}$$ + I$$_{2}$$ + 2H$$_{2}$$O = H$$_{2}$$SO$$_{4}$$ + 2HI)に必要なカチオン交換膜を開発することである。今回は、膜ブンゼン反応におけるHI濃縮性能の低下は膜内水の移動によって起こることから、水移動を抑制した化学架橋カチオン交換膜を作製した。試料は、エチレン-テトラフルオロエチレン共重合体膜を基材として、スチレンとジビニルベンゼン(DVB)の$$gamma$$線グラフト共重合によって作製し、その水透過性はパーベーパレーション試験により調べた。放射線グラフト重合によるカチオン交換膜は、ナフィオンと比較して、水透過流束が半分、水拡散係数の活性化エネルギーが約3倍であった。つまり、DVBによるグラフト鎖の化学架橋が水の透過抑制に有効に働くことが明らかになった。

口頭

水素透過シリカ複合膜による膜反応器開発

池田 歩*; 小野 竜平*; 松山 絵美*; 野村 幹弘*; 田中 伸幸; 久保 真治

no journal, , 

熱化学水素製造法ISプロセスにおいて、水素分離膜を組み込んだ膜反応器を用いてヨウ化水素(HI)分解反応の平衡転化率を向上させれば、熱効率の向上や機器の小型化ができる可能性がある。他の系で優れた特性を示すことが報告されている対向拡散CVD法で成膜した水素分離シリカ複合膜を試作し、本系への適用性を調べた。水素及びHIの透過性能を測定したところ、400$$^{circ}$$C条件で、水素/HI透過率比6820、水素透過率5.0$$times$$10$$^{-7}$$mol m$$^{-2}$$s$$^{-1}$$ Pa$$^{-1}$$が得られ、本系への適応性を確認することができた。さらに、水素分離膜の透過性能評価に標準的に使用されているSF$$_{6}$$ガスとHIガスの透過性能の相関性を検証し、正の相関が認められることを明らかにした。これは、SF$$_{6}$$の透過性能がHIの透過性能の指標となりうることを示しており、この知見を用いることにより、取扱いが難しいHIを用いずとも試作水素分離膜の性能データをSF$$_{6}$$により容易に評価することができ、開発を加速させることができると考えられる。

口頭

イオン交換膜を用いたレドックス型反応器の開発

小平 岳秀*; 大浦 琴音*; 池田 歩*; 小野 竜平*; 松山 絵美*; 野村 幹弘*; 澤田 真一; 八巻 徹也; 田中 伸幸; 久保 真治

no journal, , 

熱化学水素製造法ISプロセスのブンゼン反応器は、イオン交換膜を組み込んだレドックス反応器を用いることにより、熱効率の向上及び機器の小型化ができる可能性がある。この反応器の実現には、レドックス反応器の性能を左右する最適なイオン交換膜開発がカギとなる。本発表では、イオン交換膜の開発を進める上で、性能の基準とするNafion212を用いた反応試験によりその膜性能データ(プロトン輸率(t$$_{+}$$)及び電気浸透係数($$beta$$))の取得を行った。その結果、t$$_{+}$$及び$$beta$$はそれぞれ0.63, 2.82を示し、反応に必要なH$$^{+}$$のみならず、I$$^{-}$$及び水が膜内を透過していることを明らかにした。これらの成分の透過は電圧上昇や電極表面への硫黄の析出を起こす原因となり得る。これらの結果より、今後、I$$^{-}$$や水の移動を抑制した新規なイオン交換膜開発が必要であることを明らかにした。

口頭

Status of the ITER plasma modeling activities in JAEA

白石 淳也; 本多 充; 林 伸彦; 相羽 信行; 藤間 光徳; 松山 顕之; 内藤 磨; 宮田 良明; 井上 静雄; 成田 絵美; et al.

no journal, , 

原子力機構はITERプラズマモデリングに関して様々な研究分野に貢献してきた。そのなかでも、原子力機構における最近の統合モデリング活動について報告する。統合モデリングは、ITERのような自律的で複雑な挙動を示すプラズマのシミュレーションには必要不可欠である。原子力機構では統合モデリングコードTOPICSを開発してきた。TOPICSは、その予測正確性を高めるために様々な物理モデルを導入し、ITERプラズマに対する知見を与えてきた。最近では、ITERにおけるトロイダル回転の予測シミュレーションに成功した。TOPICSを3次元平衡コードVMEC及び3次元ドリフト運動論方程式ソルバーFORTEC-3Dと結合することにより、NTV及び径方向電場を計算すうことに成功し、その結果回転を自己無撞着に計算した。もう一つの成果としてITERにおいてペレット入射によるELMペーシングの定量的評価に成功した。TOPICSに新しいペレットモデルを導入し、MHD安定性コードMARG2Dと結合することでELMペーシングのシミュレーションに成功した。

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