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しほこおとじま
5 years ago
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1 水素製造システム ( 第 7 回 ) 熱化学水素製造松本

2 第 3 回 2 本日の講義の目的水の熱分解熱化学水素製造の考え方エネルギー効率実際の熱化学水素製造プロセス UT-3 IS 本スライドには以下の資料を参考にした : 吉田エクセルギー工学 - 理論と実際原子力辞典 ATOMICA

3 再生可能エネルギーを利用した水素製造 ( 第 1 回スライドから再掲 ) バイオマス木質バイオマス炭化水素改質下水汚泥消化ガス改質熱化学水素水の分解反応 IS サイクル : ヨウ化水素硫酸分解を利用した化学サイクルにより 900 程度の熱から水素を製造することができる例 > 日本原子力機構 : 高温ガス炉光触媒 ( 水分解 ) 本多藤島効果現在性能として変換効率 2% 水 / 水蒸気電解アルカリ水電解高分子電解質水電解高温水蒸気電解電気から水素を作る手法 CO 2 (GHG) 排出抑制の観点から上記の水素製造法の技術的な発展が重要

4 第 3 回 4 水の熱分解反応 300 r H o 300 r H o r G o, r H o (kj/mol) r G o (b) 0~1000 o C H 2 O (g, l) H 2 (g) +1/2O 2 (g) 温度 ( o C) r G o, r H o (kj/mol) r G o (a) 0~5000 o C H 2 O (g, l) H 2 (g) +1/2O 2 (g) 温度 ( o C) H 2 O H O では自発的に進行 4100 では生じた水素と酸素を分離するすべがない

5 第 3 回の熱太陽熱を利用した水素製造蓄熱を含めの熱を想定高温ガス炉程度の熱を想定

6 第 3 回 6 熱化学水素製造の考え方 H 2 O H O 2 (1) (1) (2)+(3) に分割例えば H 2 O+X H 2 +XO (2) XO X+O 2 (3) あるいは H 2 O+X H 2 X+O 2 (2) H 2 X X+H 2 (3) X を循環物質という (2) および (3) が望ましい条件 ( 温度圧力ほか ) において進行しうることが必要

7 反応の自由エネルギー変化 ( 実線 ) 反応のエンタルピー変化 ( 点線 ) 第 3 回 7 熱化学水素製造の考え方 H 2 O+X H 2 +XO (2) XO X+O 2 (3) r G(3) r H(2) r H(H 2 O) r G(H 2 O) T H r H(3) r G(2) T H Q H =n r H(2) 以下の関係は成り立っているはず r H(H 2 O)= r H(2)+ r H(3) r G(H 2 O)= r G(2)+ r G(3) 引用元 : 吉田エクセルギー工学 - 理論と実際 H 2 O X XO H 2,O 2 Q L =n r H(3)

8 第 3 回 8 エネルギー効率水電解カルノー効率 η th = W Q H = Q H Q L Q L = T H T H Q H W Q L 温度 T H の熱 Q H 用いて発電し電気分解により水素を製造した時に最大で何 mol の水素を作ることができるか? W = Q H T H 1molのH 2 を製造するのに要する最小の仕事は r G(H 2 O) n H 2 本日の小テスト = W/ r G(H 2 O) = Q H / r G(H 2 O) T H

9 反応の自由エネルギー変化 ( 実線 ) 反応のエンタルピー変化 ( 点線 ) 第 3 回 9 エネルギー効率熱化学水素 r G(3) r H(2) r H(H 2 O) r G(H 2 O) T H r H(3) r G(2) T H Q H =n r H(2) H 2 O X XO H 2,O 2 T H の熱 Q H は吸熱反応 (2) に用いられる n H 2 = Q H / r H(2) Q L =n r H(3)

10 反応の自由エネルギー変化 ( 実線 ) 反応のエンタルピー変化 ( 点線 ) 第 3 回 10 水電解 vs. 熱化学水素製造 r G(3) r H(2) r H(H 2 O) r G(H 2 O) T H r H(3) r G(2) 水電解 n H 2 = Q H / r G(H 2 O) T H 熱化学水素製造 n H 2 = Q H / r H(2) 一概には言えないが熱化学水素が上回る場合もある

11 第 3 回 11 実際の熱化学水素製造プロセス 2 段で行うのはなかなか難しい実際には 3 反応あるいは 4 反応によるプロセスが現実的である熱化学水素製造は Funk と Reinstorm により 1960 年代に提案された依頼様々なプロセスが提起されたが現在残っているのは以下の 2 プロセスである UT-3 サイクル : プロセス循環物質としてカルシウム鉄臭素などの化合物を用いる IS( ヨード硫黄 ) プロセス : ヨウ化水素硫酸を潤亜 k ン物質として用いる引用元原子力辞典 ATOMICA

12 第 3 回 12 UT-3 サイクル以下の 4 反応からなる : (1) CaBr 2 +H 2 O CaO+2HBr ( 吸熱 K) (2) CaO+Br 2 CaBr O 2 ( 発熱 K) (3) Fe 3 O 4 +8HBr 3FeBr 2 +4H 2 O+Br 2 ( 発熱 K) (4) 3FeBr 2 +4H 2 O Fe 3 O 4 +6HBr+H 2 ( 吸熱 K) 引用元 : 吉田エクセルギー工学 - 理論と実際

13 第 3 回 13 UT-3 サイクル (4) 3FeBr 2 +4H 2 O Fe 3 O 4 +6HBr+H 2 fg/kj mol (1) CaBr 2 +H 2 O CaO+2HBr (3) Fe 3 O 4 +8HBr 3FeBr 2 +4H 2 O+Br 2 (2) CaO+Br 2 CaBr O T/K 引用元 : 吉田エクセルギー工学 - 理論と実際

14 第 3 回 14 UT-3 サイクル引用元原子力辞典 ATOMICA

15 15 Thermochemical water splitting Iodine-sulfur process (IS process)

16 16 Iodine-sulfur process (IS process) Formation of hydrogen iodide and sulfuric acid from water(bunsen reaction), I 2 + SO 2 + 2H 2 O 2HI + H 2 SO 4 (~100 o C) Hydrogen generation (Decomposition of hydrogen iodide 2HI H 2 + I 2 ( o C) Oxygen generation (Decomposition of sulfuric acid) H 2 SO 4 H 2 O + SO O 2 ( o C)

International Institute for Carbon-Neutral Energy Research 1 水電解による水素製造の展望九州大学カーボンニュートラルエネルギー国際研究所電気化学エネルギー変換研究部門松本広重

International Institute for Carbon-Neutral Energy Research 1 水電解による水素製造の展望九州大学カーボンニュートラルエネルギー国際研究所電気化学エネルギー変換研究部門松本広重 WPI プログラムの目標 ( 世界トップレベル研究拠点プログラム (WPI)) きわめて高い研究水準を誇る目に見える研究拠点の形成を目指して - (1) 2