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論文

Quantitative evaluation of CO$$_{2}$$ emission reduction of active carbon recycling energy system for ironmaking by modeling with Aspen Plus

鈴木 克樹*; 林 健太郎*; 栗原 孝平*; 中垣 隆雄*; 笠原 清司

ISIJ International, 55(2), p.340 - 347, 2015/02

 被引用回数:6 パーセンタイル:53.23(Metallurgy & Metallurgical Engineering)

製鉄におけるCO$$_{2}$$排出量削減のために炭素循環製鉄(iACRES)が提案された。iACRESの効果を定量的に評価するために、化学プロセスシミュレータAspen PlusによりiACRESのプロセスフローモデルを作成し、熱物質収支からCO$$_{2}$$排出量とエクセルギー収支の解析を行った。高温ガス炉(HTGR)のエクセルギーを用いた固体酸化物電解(SOEC)と逆シフト反応をCO再生法として想定し、SOECではCO$$_{2}$$回収貯蔵の有無も考慮した。iACRESによってCO、H$$_{2}$$が高炉に循環されたことによりCO$$_{2}$$排出量は3-11%削減されたが、CO再生のためにHTGRからのエクセルギーを投入したためエクセルギー有効率は1-7%低下した。

論文

炭素循環製鉄のAspen Plusによるモデル化とシステム全体の評価

林 健太郎*; 鈴木 克樹*; 栗原 孝平*; 中垣 隆雄*; 笠原 清司

炭素循環製鉄研究会成果報告書; 炭素循環製鉄の展開, p.27 - 41, 2015/02

炭素循環製鉄(iACRES)によって、製鉄における石炭消費量とCO$$_{2}$$排出量の削減が期待される。iACRESの効果を定量的に評価するために、化学プロセスシミュレータAspen PlusによりiACRESプロセスにおける高炉のフロー図を作成し、熱物質収支からCO$$_{2}$$排出量とエクセルギー収支の解析を行った。高温ガス炉(HTGR)のエクセルギーを用いた固体酸化物電解(SOEC)と逆シフト反応をCO再生法として想定し、SOECではCO$$_{2}$$回収貯蔵の有無も考慮した。iACRESによって石炭消費量が削減されたことによりCO$$_{2}$$排出量は3-11%削減されたが、CO再生のためにHTGRからのエクセルギーを投入したためエクセルギー有効率は1-7%低下した。

論文

Hierarchical structure-property relationships in graft-type fluorinated polymer electrolyte membranes using small- and ultrasmall-angle X-ray scattering analysis

Tran Duy, T.*; 澤田 真一; 長谷川 伸; 吉村 公男; 大場 洋次郎*; 大沼 正人*; 勝村 庸介*; 前川 康成

Macromolecules, 47(7), p.2373 - 2383, 2014/04

 被引用回数:15 パーセンタイル:37.3(Polymer Science)

X線小角及び超小角散乱解析を用いて、ポリエチレンテトラフルオロエチレン共重合体(ETFE)基材を用いたグラフト型電解質膜(ETFE-PEM)の階層構造を検討した。イオン交換容量(IEC)2.4mmol/g以下のETFE-PEMは、ラメラ結晶の周りに相間距離21.8-29.1nmの導電性のグラフト領域、相間距離218-320nmと903-1124nmの結晶配向領域を有していた。IECが2.7mmol/g以上では、相間距離225-256nmの結晶ネットワーク領域からなる新しい相が形成され、IEC2.4-2.7mmol/gの間で、相転移現象が起こることを見出した。以上の結果により、高IECのETFE-PEMの高いプロトン伝導度は、結晶領域の周り存在する連結したイオンチャンネルに由来し、高い機械強度は残存するラメラ結晶と結晶粒に由来するとの結論を得た。

論文

放射線照射プロセスを利用したフッ素系電解質膜の性能強化

八巻 徹也; 浅野 雅春; 吉田 勝

月刊エコインダストリー, 10(6), p.5 - 11, 2005/06

DMFC用の電解質膜にかかわる最も重要な研究課題として、メタノールクロスオーバーを抑制できる膜の開発がある。筆者らは、独自に開発した放射線照射プロセスを利用して、この課題をクリアする高性能な電解質膜の作製に成功した。高温下の$$gamma$$線照射で架橋構造を付与したポリテトラフルオロエチレン(PTFE)膜に放射線グラフト重合を応用することにより、スルホン酸基の量を市販膜ナフィオンの3倍にまで高めた新しいフッ素系高分子電解質膜を作製し、そのプロトン伝導性が最大で2倍に達することを明らかにした。この膜のメタノール透過試験を行ったところ、30体積%という高濃度の水溶液を用いても透過係数がナフィオンの約4分の1にまで大幅に抑制されていることがわかった。PTFE主鎖への架橋導入がメタノールクロスオーバーを抑制するのに不可欠であることを示すことができた。

論文

低湿度環境でも安定作動が可能なフッ素系高分子電解質膜; 放射線照射を利用してPEFC向けに開発

八巻 徹也; 浅野 雅春; 吉田 勝

工業材料, 53(1), p.63 - 67, 2005/01

PEFC用の高分子電解質膜にかかわる重要な研究課題の一つとして、低湿度下で作動する膜の開発がある。原研では、PTFE膜に放射線で架橋構造を付与し、それに放射線グラフト重合法を応用することにより、プロトン伝導を担う官能基(スルホン酸基)の量を従来の3倍にまで高めた新しいフッ素系高分子電解質膜を作製する技術を開発した。そして、最近の研究において、スルホン酸基の量を制御した架橋PTFE電解質膜に対し、温度,相対湿度(R.H.)の制御下でプロトン伝導性を検討したところ、その指標である伝導率$$sigma$$がR.H.を下げても大きく低下せず、低加湿の条件下であっても高伝導膜として十分に機能することがわかった。本稿では、独自開発による架橋PTFE電解質膜の作製技術とプロトン伝導性、さらには今後の課題などを紹介する。

論文

放射線による架橋フッ素系高プロトン伝導性高分子膜の開発

八巻 徹也; 吉田 勝

燃料電池, 4(3), p.73 - 78, 2005/01

固体高分子形燃料電池用の電解質膜として広く使われているナフィオンでは、プロトン伝導性を維持するのに絶えず加湿して高い含水状態を保たなければならず、膜の乾燥による作動中の出力低下が問題となっている。また、高分子主鎖に架橋構造を持たないため、水や燃料として用いられるメタノールによって大きく膨潤してしまい、このことも実用化を妨げている要因の一つである。われわれは、架橋構造を付与したPTFE膜に放射線グラフト重合法を応用することにより、プロトン伝導を担うスルホン酸基の量を最大でナフィオンの3倍にまで高めた新しいフッ素系高分子電解質膜を作製し、そのプロトン伝導性が相対湿度(R.H.)を下げても大きく低下しないことを明らかにした。例えば、相対湿度70%という低加湿の下では、ナフィオンの4倍に相当する伝導度0.14S/cm$$^{2}$$を示し、実用上十分なレベルであった。親水性領域をキャピラリーに見立てたミクロなモデルで伝導機構について考察した結果、高いイオン交換容量と寸法安定性を兼ね備えていることが高伝導性の原因と考えられた。

論文

架橋フッ素高分子電解質膜

八巻 徹也; 浅野 雅春; 吉田 勝

工業材料, 51(4), p.39 - 42, 2003/04

放射線架橋ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)膜に放射線グラフト重合を応用することによって高分子電解質膜を作製する技術を開発した。架橋PTFE膜は、$$gamma$$線をアルゴンガス雰囲気,340$$pm$$5 $$^{circ}C$$の温度で、60~320kGy照射して得た。この架橋膜に、アルゴンガス雰囲気、室温で$$gamma$$線を前照射することによりラジカルを生成させた後、60$$^{circ}C$$でスチレンを後グラフトした。最後に、グラフトされたポリスチレン鎖をクロルスルホン酸でスルホン化し、イオン交換基(スルホン酸基)を基材に導入した。合成した電解質膜のイオン交換容量は0.7~3meq/gで、従来膜ナフィオンの0.9~1.1meq/gよりはるかに高く、しかも広範囲で変化させることが可能であった。また、アルコールに対しては、ナフィオンが大きな膨潤性を示すのとは対照的に、われわれの電解質膜では膨潤し難く安定であることが確認できた。今後は、ポリスチレンのような炭化水素からなる側鎖の代わりに、フッ素系モノマーをグラフト重合し、燃料電池膜としての耐久性の向上を狙っている。

論文

Extraction of europium(III) into W/O microemulsion containing aerosol OT and a bulky diamide, 1; Cooperative effect

鈴木 英哉*; 長縄 弘親; 館盛 勝一

Solvent Extraction and Ion Exchange, 21(4), p.527 - 546, 2003/03

 被引用回数:11 パーセンタイル:54.85(Chemistry, Multidisciplinary)

陰イオン性界面活性剤である、Aerosol OT(AOT)と、分子性抽出剤である、かさ高なジアミドとを組合せることによって、硝酸水溶液からヘキサンへのユウロピウムの抽出に対し、非常に大きな効果が現れることがわかった。これは、有機相であるヘキサン中にW/Oマイクロエマルションが生成したことに起因する。このW/Oマイクロエマルション中には、AOTの負電荷と疎水基に囲まれた特殊な微小液滴が存在し、静電相互作用と疎水相互作用に基づいて、陽電荷を持ち、なおかつ疎水基を持った化学種が濃縮されやすい「場」となっている。よって、金属イオンと分子性抽出剤との錯体のような両親媒性の陽イオン化学種が非常に効率よく濃縮されることになる。本研究では、W/Oマイクロエマルションの安定化や、それに伴う金属イオンの抽出に及ぼす、分子性抽出剤や電解質の役割について検討した。

論文

新しい固体電解質を用いた先進的核熱変換プロセスと高温ガス炉による電力水素併産システム,1; 電気・化学・熱複合エネルギー変換プロセス

石山 新太郎

日本原子力学会和文論文誌, 2(1), p.14 - 23, 2003/01

高温ガス炉を利用した先進的核熱変換プロセスとして、固体燃料電池(SOFC)を利用したメタンの部分酸化反応による電力水素併産システムに関する概念検討を行った。その結果、下記結論が得られた。(1)電力水素併産システムでは、発熱反応であるメタンの部分酸化反応系にエンタルピー変化と等量の核熱を投入することにより、電力,膨脹仕事エネルギー及び合成ガスを同時に併産できるシステムである。(2)その際、核熱投入量の熱電変換効率$$varepsilon$$を電力/(核熱+反応エンタルピー)で定義した場合、理論的には100%となる。さらに、メタン燃料を合成ガスに転換した場合の熱エネルギー変化は反応エンタルピー分であり、極めてわずかのエネルギー変化でのエネルギー変換が可能である。(3)電力水素併産システムでは、1273K級の高温場における高性能固体電解質が必要であり、そのため本研究ではCe$$_{0.8}$$(Sm$$_{1-x}$$M$$_{x}$$)$$_{0.2}$$O$$_{1.9}$$について3b族(M=Mg$$^{2+}$$,Al$$^{3+}$$,In$$^{3+}$$,Ga$$^{3+}$$)を中心としたSmサイトへのメタルカチオンの置換による組成最適化を行った結果、Ce$$_{0.8}$$Sm$$_{0.15}$$In$$_{0.05}$$O$$_{1.9}$$の最適組成を決定した。(4)1273Kにおいて本固体電解質による電力水素併産試験を実施した結果、自由エネルギー変化$$Delta$$Gの約74%を電気変換することに成功すると同時に、その際のメタン転換率として約90%を達成した。以上の結果から、核熱を電力にすべて変換できる究極的なエネルギー変換システムがあり得ることが結論された。

論文

Styrene grafted and sulfonated proton conducting membranes based on radiation-crosslinked polytetrafluoroethylene and their fuel cell applications

八巻 徹也; 浅野 雅春; 森田 洋右*; 諏訪 武*; 吉田 勝

Proceedings of 9th International Conference on Radiation Curing (RadTech Asia '03) (CD-ROM), 4 Pages, 2003/00

放射線架橋ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)膜にスチレンを放射線グラフト重合した後、スルホン化することによってイオン交換膜を合成した。スチレンのグラフト率は、PTFE基材の架橋密度とグラフト反応条件によって制御可能であった。グラフト率30%以上では、スルホン酸基が内部にまで均一に分布したイオン交換膜を合成することができた。得られた膜のイオン交換容量は、ナフィオンのような市販パーフルオロスルホン酸膜の性能を大きく上回る2.9meq g$$^{-1}$$という高い値であった。このことは、われわれのイオン交換膜が燃料電池膜として応用可能であることを示している。

論文

放射線架橋技術を利用したフッ素系高分子電解質膜の開発

吉田 勝; 八巻 徹也

最新燃料電池部材; その最先端技術と信頼性評価, p.82 - 92, 2003/00

最近、われわれは、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)膜に放射線で架橋構造を付与し、それに放射線グラフト重合を応用することにより、高性能の燃料電池用高分子電解質膜を作製することに成功した。すなわち、架橋PTFE膜にスチレンをグラフトした後、グラフト鎖をスルホン化したところ、従来膜ナフィオンを凌駕するイオン交換能,膨潤特性を付与することができたのである。これが世界初の「架橋」フッ素高分子電解質膜であり、しかもその作製プロセスが極めて簡便であることは特筆に値する。本稿では、はじめに本技術のポイントとなる放射線架橋の基礎を概説し、次にPTFE架橋技術と架橋PTFE膜を基材とした電解質膜の合成法について述べ、最後に新たな放射線利用にかかわる研究としてわれわれの有するイオンビーム微細加工技術とその応用について紹介する。

論文

放射線でつくる架橋フッ素高分子電解質膜

八巻 徹也; 吉田 勝

図解,燃料電池のすべて, p.117 - 119, 2003/00

機械的強度,耐熱性,耐薬品性に優れたフッ素樹脂を架橋すると、これらの諸特性がさらに向上するので、さまざまな用途を持つ材料として応用価値が高くなる。1990年代のはじめに、それまで放射線分解型の高分子であると信じられてきたポリテトラフルオロエチレン(PTFE)が、アルゴンなどの不活性ガス雰囲気下、結晶融点(327$$^{circ}$$C)以上という特殊な環境下で放射線照射したときのみ、架橋することが発見された。架橋フッ素高分子電解質膜の合成は、この架橋PTFEのシート(厚さ50$$sim$$100ミクロン)に放射線を照射して、非常に反応しやすい部位(ラジカル)を内部にまで均一につくり、これにスチレンなどの芳香族ビニル化合物を付加重合させた後にスルホン酸基をつけることで行う。得られた電解質膜のイオン交換容量は0.7$$sim$$3ミリ当量/gで、現在使われているパーフルオロスルホン酸膜の0.9$$sim$$1.1ミリ当量/gよりはるかに高い値である。また、アルコール-水混合液中では、架橋構造を持たない従来の電解質膜と比較して、膨潤し難く寸法安定性に優れていることが確認されている。このことから、架橋PTFEからなる電解質膜では、メタノールの透過が大幅に抑制されると考えられる。

論文

新しい核熱エネルギー変換技術を求めて; カルノーサイクルからの脱却

石山 新太郎

日本原子力学会誌, 44(12), p.879 - 881, 2002/12

原研入所から現在に至るまでの著者の研究の紹介を行った。主に、ガスタービンシステムに関する研究と電力水素併産システムに関する研究が主な内容である。(1)ガスタービンシステムに関する研究では、主に再生熱交換器の開発経緯について、主にその苦労話を中心に紹介した。(2)電力水素併産システムに関しては、その原理をわかりやすく紹介するとともに、最近のナノ薄膜合成の成功について紹介を行った。

論文

高温固体電解質を用いた先進的核熱変換プロセスと高温ガス炉による電力水素併産システムに関する研究,2; 高温作動型固体電解質のナノ薄膜合成

石山 新太郎

日本金属学会誌, 66(11), p.1150 - 1156, 2002/11

高温ガス炉から供給される核熱エネルギーを利用してメタン原料から固体電解質により極めて高い効率で電力及び水素を併産できる新しいエネルギー変換技術の確立を目指して、800~1000$$^{circ}C$$の高温領域で高いイオン伝導性を有し、かつ起電力時の固有抵抗損の少ない薄膜高温固体電解質を開発するため、スピンコート中でゾルーゲル合成を行う薄膜合成法によりCe$$_{0.8}$$Sm$$_{0.2}$$O$$_{1.9}$$薄膜を生成し、この薄膜の基本的特性を調べた。その結果、下記結論が得られた。(1)スピンコート中にエチレングリコール系溶液中のCe(NO$$_{3}$$)$$_{3}$$6H$$_{2}$$O及びSm(NO$$_{3}$$)$$_{3}$$6H$$_{2}$$Oのゾルーゲル化合成反応を進行させることによってサファイア基盤上に数10~100nmの緻密なCe$$_{0.8}$$Sm$$_{0.2}$$O$$_{1.9}$$ナノ薄膜を生成した。(2)スピンコート後の成膜を1000$$^{circ}C$$で焼成処理するによってほぼ完全なCe$$_{0.8}$$Sm$$_{0.2}$$O$$_{1.9}$$結晶構造を有し極めて緻密なナノ薄膜固体電解質を生成することに成功した。(3)このナノ薄膜は、1000$$^{circ}C$$で1.4Scm$$^{-1}$$の極めて高いイオン伝導率を示すことが明らかとなった。この値は、高温作動型固体電解質において世界最高値である。

論文

Demonstration of fuel cleanup system consisting of electrolytic reactor and tubular reservoir tank for fusion reactors

磯部 兼嗣; 今泉 秀樹*; 林 巧; 小西 哲之; 西 正孝

Fusion Science and Technology, 41(3), p.988 - 992, 2002/05

燃料精製システム(FCU)は、核融合炉のプラズマ排ガスから水素同位体を回収するシステムである。原研では、電解反応器,管状リザーバタンク,パラジウム拡散器から成るFCUシステムを研究開発してきた。固体電解質を用いた電解反応器は、水素同位体を含む化合物から水素を分子として取り出す世界に例のない独自の装置である。また、管状リザーバタンクは少ない循環回数で高い除染係数を得るために導入したものである。実証試験は、プラズマ排ガスを模擬した水素同位体,メタン,ヘリウムの混合ガスをFCUシステムで循環処理することで実施し、メタン濃度は3回の循環処理で2.3%から12ppm以下までステップ状に減少した。このことから、FCUシステムが少ない循環回数で高い除染係数が得られるシステムであることを実証した。

論文

放射線による燃料電池膜の開発

諏訪 武; 森田 洋右

放射線と産業, (93), p.22 - 28, 2002/03

現在固体高分子型燃料電池(PEFC)に使用されているナフィオン等パーフルオロスルホン酸(PFS)膜の現状、さらに高性能で低コスト化を目指した高分子電解値膜(イオン交換膜)の開発状況,特に放射線グラフト法による膜に焦点をあてて紹介する。最後に、われわれの進めている架橋PTFEを基材に放射線グラフト法で作製したイオン交換膜の特徴を紹介する。イオン交換容量は0.5~3meq/g,含水率は20~150wt%,25$$^{circ}C$$における導電率は50~200mS/cmである。また、アルコール類に対する膨潤性は、ナフィオン膜に比較して小さく非常に安定である。

論文

燃料電池用の高分子電解質膜を放射線でつくる

諏訪 武

ポリマーダイジェスト, 54(3), p.17 - 26, 2002/03

現在最も注目されている燃料電池は固体高分子型燃料電池(PEFC)である。まずPEFCの原理と構造について電解質膜の役割と関連づけて紹介する。現在使用されているナフィオン等のパーフルオロスルホン酸(PFS)膜の現状、さらに高性能で低コスト化を目指した高分子電解質膜の開発状況、特に放射線グラフト法で作製された電解質膜の特徴を紹介する。本法は、架橋型の高分子膜を用いた場には優れた電解質膜を作製できる可能性を有する。最後に、われわれの進めている架橋PTFEを基材に放射線グラフト法で作製した電解質膜の特徴を紹介する。

論文

Temperature-switchable vapor sensor materials based on ${it N}$-isopropylacrylamide and calcium chloride

Chen, J.; 吉田 勝; 前川 康成; 坪川 紀夫*

Polymer, 42(23), p.9361 - 9365, 2001/11

 被引用回数:30 パーセンタイル:25.98

塩化カルシウムを含むアルコール溶液中でN-イソプロピルアクリルアミドを放射線重合して得られた高分子素材を温度応答性蒸気センサーに応用した。センサー素材の電気伝導度は、温度変化に追従して、水とエタノール蒸気中で顕著に変わることがわかった。すなわち、電気伝導度は昇温と共に、エタノール蒸気中で増加、逆に水蒸気中で減少する傾向を示した。二つの蒸気が電解質に対し正反対の応答を示すことから、有機溶媒中に含まれる微量の水を測定するための濃度計を試作し、性能を評価した。その結果、電気伝導度と水の濃度の間で良好な直線関係が得られた。

論文

Development of oxygen sensors using zirconia solid electrolyte for fuel rods

日浦 寛雄*; 遠藤 泰一; 山浦 高幸; 松井 義典; 新見 素二; 星屋 泰二; 小檜山 守*; 本橋 嘉信*

JAERI-Conf 99-006, p.343 - 348, 1999/08

軽水炉の高燃焼度燃料の健全性確認には、燃料内の酸素ポテンシャル変化を把握することが重要なファクタとなっている。この変化を把握するためには高温度及び高照射量で使用可能と考えられるジルコニア固体電解質を用いた酸素センサが有力である。また、Ni/NiOを固体標準極として使用することによりセンサの小型化が可能となり燃料棒への内蔵が容易になると期待される。そこでこのセンサをJMTRで中性子照射し、中性子照射下における起電力特性を調べた。この結果、Y$$_{2}$$O$$_{3}$$で安定化したジルコニア固体電解質(YSZ)を用いたセンサは、中性子フルエンス(E$$>$$1MeV)1.5$$times$$10$$^{23}$$m$$^{-2}$$まで照射しても、未照射センサとほぼ同じ起電力特性を示した。しかしながら、この起電力は計算値より低い値であった。この原因は固体電解質と標準極の密着性が不十分であったためと判明し、このため、この密着性を改善した結果、センサの起電力特性を著しく改善した。

論文

Development of electrolytic reactor for processing of gaseous tritiated compounds

小西 哲之; 丸山 智義*; 奥野 健二*; 井上 雅彦*; 山下 晃弘*

Fusion Engineering and Design, 39-40, p.1033 - 1039, 1998/00

 被引用回数:7 パーセンタイル:43.5

核融合燃料サイクルへの適用を目的としたプラズマ排ガスの処理プロセスにおいて、トリチウム水蒸気とトリチウム化炭化水素の水素ガス形のトリチウムへの転換を行う単一の装置、電解反応器を開発した。開放端ジルコニア焼結体の内外面に多孔質の電極を形成し、反応ガスを外側、ついで内側に流して酸化・還元を連続して行うことによって水蒸気中の酸素によって炭化水素を分解する一方、水素ガスと二酸化炭素を得る。酸素は循環使用するが、過不足及び変動への対応のために閉口端ジルコニア管によって酸素濃度を測定するとともにその値を帰還制御して透過により酸素の供給・抜き出しをし、酸素収支を制御して常に反応を完了する。広範な混合比のガスを用いた実験で、99.9%以上の転換率が得られ、核融合炉燃料系への適用可能性が確認された。

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