2. 3列シート車用プラットフォーム
5. マツダの人工光合成の研究
大阪市立大学人工光合成研究センター天尾教授とマツダ は，酢酸から自動車の燃料になるエタノールを作り出す新 規の人工光合成技術を開発した(15)。
5.1 研究コンセプト
光触媒あるいは人工光合成による CO2還元生成物とし て，CO，ギ酸，メタノール等が報告されている。メタノ ールについては，天尾教授らによって原理検証が行われて
いる(16),(17)。このようにCO2を炭素数1のメタノールに変
換する人工光合成系は報告されていたが，炭素数を更に一 つ増やしたエタノールを作り出す技術には至っていなかっ た。光エネルギーのみで CO2から一段でエタノールを人 工的に合成することが可能かどうかは現時点では分からな いが，酢酸を出発原料にすれば天尾教授の CO2－メタノ
ール変換技術を応用し，CO2→酢酸→アセトアルデヒド→
エタノールの経路でエタノール合成が可能ではないかと考 えた。CO2からの酢酸合成は，CO2と水素と酢酸生成菌 で成立する可能性がある。この反応の原料となる水素は，
再生エネルギーや光触媒等を用いて製造することができる ので，化石燃料を一切用いないシステムを構築できる可能 性がある。上記のコンセプトをFig. 4に示す。
天尾教授の人工光合成による CO2からのメタノール合 成の知見をベースに，CO2を酢酸に変換する酢酸生成菌 を組み合わせることを前提に，酢酸－エタノール合成人工 光合成システムを検証した。
Fig. 4 Concept of Visible-light Induced Ethanol Synthesis from Carbon Dioxide, Water
5.2 実験結果と考察
酢酸－エタノール合成人工光合成システムは，電子供与
体NADPH，光増感剤クロリン-e6 亜鉛錯体，電子伝達体
メチルビオローゲン及びアルデヒド脱水素酵素，アルコー ル脱水素酵素から成る（Fig. 5）。
Fig. 5 Experimental Condition
このシステムに可視光を照射し，150分後に反応溶液を 分析した結果，エタノールが生成した（Fig. 6）。生成エ タノール濃度を原料の酢酸の濃度で除した変換効率は，
4.7％となった。電子伝達体メチルビオローゲンの濃度が 高くなるほど, エタノールの生成濃度・効率が向上するこ とを見出した。一方，光照射が無い条件では，エタノール
0.01 0.1 1 10
Toyota Central R&D
Lab @2011 Panasonic
@2014 Toshiba
@2014 NEDO
@2015 Toyota Central R&D
Lab @2015
Energy conversion efficiency(%)
CO2→CO 1.5 % CO2→CH4
0.3 %
H2O→H2 2.2 %
CO2→HCOO -0.04 %
CO2→HCOO -4.6 %
Dehydrogenases
CH3COOH CH3CH2OH
MV2+ MV.+
Zn Chl-e6+
*Zn Chl-e6
ZnChl-e6
NADPH
NADP+ Visible-light
CO2 H2
H2O Zn Chl-e6：visible light photosensitization of chlorophyll derivative, chlorin-e6of zinc complex MV2+：methylviologen
NADPH：electron donating reagent Photoredox
system
・Photo Voltaic + Electrolysis
or
・Photocatalyst Acetogenic
bacteria
Dehydrogenases
CH3COOH CH3CH2OH
MV2+ MV.+
Zn Chl-e6+
*Zn Chl-e6
ZnChl-e6
NADPH
NADP+
Visible-light Zn Chl-e6：visible light photosensitization of chlorophyll derivative, chlorin-e6of zinc complex MV2+：methylviologen
NADPH：electron donating reagent Photoredox
system
30 mM 1.4 mM
(150 min)
(3.3 mM) (100 µM)
マ ツ ダ 技 報
No.33（2016）は生成しなかった。
光照射によりメチルビオローゲンが還元され，還元型の メチルビオローゲンがアルデヒド及びアルコール脱水素酵 素の基質となり，酢酸がアルデヒドを経由してエタノール に変換することを確認した。光合成のカルビン回路に相当 する物質変換系に酵素系触媒を用いた高効率・高選択性を もつ人工光合成システムの可能性が検証できた。
Fig. 6 Time Dependence of Photochemical Ethanol Synthesis under Steady State Irradiation with Visible Light
6. まとめ
大阪市立大学人工光合成研究センターと共同研究を行い，
酢酸から光エネルギーを用いてエタノールを合成する新規 反応系を世界で初めて見出した。これまで人工光合成によ るCO2還元反応の生成物は，CO，ギ酸，メタノール等炭 素数が1のものに限られていたが，Fig. 4に示した技術が 達成できれば，炭素数が 2 のエタノールを太陽光と CO2
から作り出すことが可能になる。
この技術を発展させると，CO2と水を原料に太陽光エ ネルギーのみを使ってガソリン，軽油相当の液体燃料も合 成可能になる。再生可能液体燃料の実現・普及によって，
内燃機関自動車が永遠に存在し続け，エンジンの鼓動を感 じながら走る歓びを未来のお客様と共有していきたい。
参考文献
(1) 次世代自動車戦略研究会：次世代自動車戦略2010， p.9（2010）
(2) 池島ほか：微細藻類からの潤滑油，PETROTECH，
Vol.35，No.5，pp.47-55（2012）
(3) 産業技術総合開発機構：NEDO におけるバイオ燃料 製造技術開発の取り組み（2015）
(4) 石油エネルギー技術センター：JPECレポート2011 年度第5回（2011）
(5) 中央大学研究開発機構：微細藻類バイオマス利用シ ンポジウム予稿，2015年9月3日（2015）
(6) TOYOTA CRDL,INC.NEWS, 2011年9月20日
(7) S. Sato et al.: Selective CO2 Conversion to Formate Conjugated with H2O Oxidation Utilizing Semi-conductor/Complex Hybrid Photocatalysts, J. Am.
Chem. Soc., 133, pp.15240–15243（2011）
(8) T.Arai et al.: A monolithic device for CO2 photo-reduction to generate liquid organic substances in a single-compartment reactor, Energy Environ.
Sci.,8,pp.1998-2002（2015）
(9) Panasonicプレスリリース, 2012年7月30日 (10) M.Deguchi et al.: Enhanced Capability of
Photo-electrochemical CO2 Conversion System Using an AlGaN/GaN Photoelectrode, Japanese Journal of Applied Physics, 52, 08JF07（2013）
(11) 日本経済新聞電子版2014年9月15日
(12) Y. Sugano et al.: Solar-to-Conversion Efficiency by Wired PV Cell System with Cobalt Oxide and Gold Nanoparticles catalyst, 2014 International Confer-ence on Artificial Photosynthesis, P5-08, p.236
（2014）
(13) TOSHIBA研究開発センターHP，2014年12月 (14) NEDO News Release, 2015年3月31日
(15) Y. Amao et al.: Ethanol Synthesis based on the Photoredox System Consisting of Photosensitizer and Dehydrogenases, Applied Catalysis B: Envi-ronmental, 180, pp.403-407（2016）
(16) Y. Amao et al.: Photochemical and Enzymatic Synthesis of Methanol from HCO3- with Dehydro-genases and Zinc Porphyrin, Chemistry Letters, 33
（12）, pp.1544-1545（2004）
(17) Y. Amao et al.: Photochemical and enzymatic methanol synthesis from HCO3- by dehydro-genases using water-soluble zinc porphyrin in aqueous media, Applied Catalysis B, 86, pp.109-113（2009）
■著 者■
0
0.3 0.6 0.9 1.2 1.5
0 30 60 90 120 150 180
[CH3CH2OH] (mM)
Irradlation time (min) [MV2+] = 12 mM Dark Condition
岩国 秀治 [MV2+] = 12mM
Dark Condition
マ ツ ダ 技 報
No.33（2016）論文・解説
18
＊1～6 技術研究所
Technical Research Center
高応答遮熱壁面が速度境界層内現象に及ぼす影響 The influence of high-response heat insulation wall surface
on the velocity boundary layer phenomena
要 約
エンジンの熱効率向上が強く求められており，その向上策の一つとして，低熱伝導・低比熱の遮熱材を燃 焼室壁へ塗布することで，壁温がガス温に追従して振幅し，冷却損失低減により熱効率の向上を図る方法が 期待されている。ここでは遮熱材を最適化し，冷却損失の低減を最大化することを目指して，遮熱壁近傍の 熱流体現象に起因する伝熱メカニズムを明らかにすることを目的としており，本報では，二次元流速計測法 と薄膜積層熱電対を急速圧縮膨張装置に適用し、遮熱材を塗布した壁近傍の境界層内のガス速度と遮熱壁面 温度を計測することで，各種乱流特性値が伝熱メカニズムへ及ぼす影響について明らかにした。
Summary
Improvement of thermal efficiency is strongly required for automotive engines. To reduce heat loss, heat insulation coating of low heat conductivity and capacity to combustion chamber walls is proved to be effective. To optimize the specifications of the heat insulation coating, it is necessary to find the heat transfer mechanism between gas and the wall surfaces as well as the wall temperatures. For that purpose, the heat loss process originated in thermal fluid near the wall was investigated. To clarify the effects of turbulent characteristics on heat transfer mechanism, a micro-particle image velocimetry method and a thin film thermocouple were applied to a rapid compression and expansion machine, and the gas velocity in the boundary layer near the heat insulated wall and the wall temperature were measured.
1. はじめに
温暖化やエネルギーセキュリティ等の地球規模の課題に 対応するため，内燃機関の熱効率向上が強く求められてい る。その内燃機関の熱効率向上策の一つとして，低熱伝導 かつ低比熱の遮熱材を燃焼室壁へ塗布することで，壁温が ガス温に追従して振幅し，冷却損失低減により熱効率の向 上が期待できる方法(1)～(6)が知られている。そこでは，遮 熱壁近傍の熱流体現象に起因する伝熱メカニズムを明らか にすることで，遮熱材の仕様を最適化し，冷却損失の低減 を最大化する必要がある。
壁近傍の熱流体現象に関しては，トルエンのレーザー誘 起蛍光法により加熱壁上での境界層内温度分布の詳細な計 測を行った例(7)や，抵抗線温度計を用いて急速圧縮膨張装 置の燃焼室壁近傍のガス温度を直接測定した研究(8)がある。
しかしながら，遮熱壁近傍の伝熱メカニズムにおいて重要
になるのは，ガスと壁間の界面（壁面）の温度とその界面 に対して熱エネルギーを輸送する流動の状態であり，ガス 温度の情報だけでは不十分である。遮熱壁の壁面温度に関 しては，薄膜積層熱電対によって遮熱材を塗布した急速圧 縮膨張装置の燃焼室壁の表面温度の計測および熱流束の算 出を行った研究(9),(10)や，燐光体寿命法による可視化ディ ーゼルエンジン内のピストン遮熱壁の表面温度の計測を行 った報告(11)がある。薄膜積層熱電対は熱電対の熱容量を 低減することで，遮熱材の温度振幅に追従した高応答計測 ができるが，燐光体寿命法は，燐光体の塗布厚さおよび燐 光体温度と遮熱材温度の関係が明確になっておらず定量的 な壁温計測には更なる研究が必要である。一方，壁近傍の 流動計測に関しては，可視化エンジンにμPIV計測法を適 用し，壁から50μmレベルの分解能でガス速度の計測を行 った例(12)があるが，ガス速度分布を壁関数(13)の校正に適 用するに留まり，壁近傍の乱流特性量と伝熱メカニズムと
原田 雄司
＊2田中 達也
＊1中尾 裕典
＊3Yuji Harada
Tatsuya Tanaka Yusuke Nakao
山下 洋幸
＊5服平 次男
＊4山本 寿英
＊6Hiroyuki Yamashita
Tsugio Fukube Toshihide Yamamoto
マ ツ ダ 技 報
No.33（2016）の関係については踏み込んでいない。
本研究では，非接触な高速μPIV計測法と薄膜積層熱電 対を急速圧縮膨張装置（Rapid Compression and Expan-sion Machine 以下 “RCEM”）に適用し，遮熱材を塗布 した壁（以下 “遮熱壁”）近傍の境界層内のガス速度と遮 熱壁の表面温度の計測を行い，各種乱流特性値が伝熱メカ ニズムへ及ぼす影響について調査を行った。