一歩前進・グリーンテクノロジー

一歩前進・グリーンテクノロジー

著者 梶谷 剛

一歩前進・グリーンテクノロジー

梶谷　剛

 

工学研究科応用物理学専攻

.12/03/09  

2011.3.11　の大震災を経験して

l

 

　　　　　目　次

 

l

 

１

．

過去のエネルギー危機

 

l

 

２

．

可能性に富んだ将来像

 

オイル危機

l

 

1973年　イスラエルとエジプトとの戦争

に対する先進国の態度に反発して

OPEC

諸国が石油輸出を規制

 

l

 

1979年　イラン革命による受給逼迫  

l

 

1990年　湾岸戦争による石油輸出規制に

よって原油価格高騰

 

l

 

2000-­‐2001年　アメリカのエンロン社の

不正市場操作・倒産により

、

アメリカ

西部の電力が逼迫し

、

世界中の石油価

2.可能性に富んだ将来像  

グリーンテクノロジーへ

l

 

化石燃料の枯渇

、

CO

₂

による地球温暖化

、

およ

び極地方のオゾンホールの拡大は地球全体の環

境に対する喫緊の課題です

。

　とりわけ

、

日本

は工業的な大量生産によって多くの国民が生活

していますが

、

それに見合う地下資源には恵ま

れておらず

、

今後複雑な国際情勢の中

、

どのよ

うに暮らして行くべきか暗中模索状態です

。

l

 

　エネルギー問題は今回の原発事故以来

、

国民

的な課題になっています

。

l

 

Green  Technologyは再生可能なエネルギーを作

り出し

、

大規模農業や大規模商業施設に頼るこ

となく

、

人々の生活を経済的にも文化的にも成

再生可能なエネルギー生産技術

 

水力・風力

l 

最も実用的な再生可能エネルギー源は

水力発電であり

、

年間通じて変動が少

なく

、

かつ

、

揚水発電を考慮すれば

、

安全で大規模な蓄電も可能にする優れ

たものです

。

水量が豊かで

、

海運への

障害が少なく

、

かつ大水対策のための

閘門が余り必要のない河川からの発電

では

、

ダム建設は必ずしも必要がなく

、

ヨーロッパで行われているような低落

差発電が可能です

。

 

l 

風力発電は日本海沿岸地方のように冬

季に強い西風が吹く地方では有利です

。

同様の気象条件にある北ヨーロッパ北

海沿岸地方の風力発電の活況を見れば

、

その有利さは理解できます

。

和歌山県船津ダム　_2.5MW発電 右図は九州大学グループの風レンズ 風車を使った洋上風力発電ユニット .12/03/09   77

現在の風力発電

洋上型風車一台当たり、1〜3MWの電気出力がある  

各発電施設の出力が福島原発一号機_{300MW程度である。}   最も風力発電量の多い国はイギリスで、_{1.3GWで、ヨー}

地熱

l 

地熱に代表される地学的エネルギー

（

Geophysical  Energy）利用は中米

、

ニュージーランド

、

フィリピンで盛

んであり

、

国全体の消費電力に対し

てフィリピンでは１４％

、

ニュー

ジーランドで５％の電力量を賄って

います

。

日本の発電量

535MWは米国

（

2,534MW）の約1/5であり

、

イタリ

ア（

790MW）よりも少ない状況です

。

日本で地熱利用が進まない理由には

政策的なものと

、

地熱地帯が温泉街

に近く

、

反対が根強いことがありま

す

。

発電設備については

、

日本は先

進国で

、

各国の発電設備の大部分は

日本から輸出されたものです

。

By  the  1980s  it  was  believed  that   all  of  New  Zealand's  high  

temperature  geothermal  

resources  had  been  identified,  a   situation  that  few  other  

countries  can  claim  even  today.   Of  New  Zealand's  129  identified   geothermal  areas,  fourteen  are   in  the  70-­‐140ºC  range,  seven  in   the  140-­‐220ºC  range  and  fifteen   in  the  >220ºC  range.

太陽光・太陽熱　

1kw/m

2

バイオマス

l  汚水などによるメタン発酵とバイオ石油生産が研究されていて、メタン発酵はすで に首都圏などで実用化されています。メタンガスは外部に販売される程は発生せず、 発酵タンクの加熱源に使われています。バイオ石油は植物性プランクトンによるも のですが、23℃前後の温度管理、養分管理、酸素量管理などが常に必要であり、今 の所、先行研究している米国でも大規模化には踏み出せないようです。

バイオエタノール・藻類

山崎博：エネルギー研 究会（2008.11.04）

Cost:¥30/lブラジル、¥45/lアメリカ、 ￥_{70-­‐80/l  日本}

グリーンテクノロジー・水素

l

 

水素エネルギーは

Liと同様に二次エネル

ギーの主役であり

、

1974年から国家プロ

ジェクト（工業技術院

、

経産省資源エネ

ルギー庁）に取り上げています

。

 

l

 

1974-­‐1993　サンシャイン計画  

l

 

1993-­‐2001　ニューサンシャイン計画  

l

 

2003-­‐　　　水素安全利用等基盤技術開発

水素アクチュエータ_{280N-­‐13cm（東大先端研）　　　　Ni水素電池}

水素貯蔵と放出

l

 

液化水素とガソリンの発熱量はリット

ル当たり

、

10MJ/34.6MJ  

l

 

水素には資源的制約が全くない

 

l

 

製造方法

、

貯蔵方法と利用方法が問題

 

l

 

現在：電気分解

、

炭化水素の熱分解

 

l

 

運搬に

MgH

₂

を利用すると

、

1kg当たり

38molなので

、

液化水素

1リットル（70g,

35mol）に相当する

。

ただし

、

水素を取

り出すためには

260

℃

が必要

水素吸蔵物質・

LaNi5/MmNi5

l

 

結晶系：

P6/mmm      

a=5.0228,c=3.9826

Å

 

l  La/Mm    0,0,0   l  Ni    1/3,  2/3,  0   l  Ni    2/3,  1/3,  0   l  Ni  ½,  0,  ½   l  Ni  0,  ½,  ½   l  Ni  ½,  ½,  ½   l  H  1/2  ,  0,  0　又は0.455,  0,  0.110   　 Green:  La/Mm   Grey:  Ni   Pink:  H Ni-­‐H電池反応  

+電極：NiOOH  +  H2O  +  e-­‐  _{=  Ni(OH)2}  

-­‐電極：MH  +  OH-­‐  _{=  M  +  H2O  +  e}-­‐  

LaNi5H5におけるHの位置

l

 

LaNi5は最も利用

されている水素吸

蔵合金です

。

しか

し

、

水素がどうし

て簡単に吸蔵・放

出されるのか良く

分かっていません

。

 

l

 

水素原子は

Ni4La2

が作る八面体の中

央付近にあります

が

、

余り座りが良

くないようです

。

LaNi5H0.12の中性子散乱強度測定

Schonfeld  et  al.:PRB  50(1994)  853.   による測定例_{.　100,120meVの} ピークは_{3fサイトに水素が居るこ} とを示す。

Metal  hydride:  ZrO0.4H0.1

Mukawa,Kajitani,Hirabayashi:  

J.Less-­‐Common  Met.  103(1984)  19. Zrはhcp格子を作り、ZrOxはε-­‐ Fe2N構造である。どこにHがあ るのか決めた。

水素燃料製造

l 

工業的に水素燃料を発生させる方法は

、

炭化水素（メ

タンなど）の「水蒸気改�質」

、

「部分燃焼」

、

それら

を同時に行う「自己熱改�質」です

。

 

l 

半導体による水の光分解が魅力的です

。

水に半導体を

沈めて水素ガスと酸素ガスを同時に発生させる形式で

す

。

その場合

、

次の二つの化学反応がおきます

。

 

　

4H

+

 _{+  4e}

-­‐

 _{-­‐>  2H}

2  

　

4OH

-­‐

 _{+  4h}

+

 _{-­‐>  O2  +  2H}

2

O      hは正孔  

　二つの反応のケミカルポテンシャル差が

1.23eVで

、

半導

体のバンドギャップの中にこれがないと

、

ガスが出ませ

ん

。

3.最近の研究成果と将来像

Thermoelectrics：熱電半導体

ZT=S2_{σT/κ：S；ゼーベック係数   　　　　　　σ：電気伝導率   　　　　　　κ；熱伝導率}

梶谷研の熱電半導体研究

Modulated  Structure  of  the  Thermoelectric  Compound   [Ca₂CoO₃]_0.62CoO₂

_{Y.Miyazaki,  M.Onoda,  T.Oku,  M.Kikuchi,  Y.Ishii,  Y.Ono,  Y.Morii}   and  T.Kajitani

J.Phys.Soc.  Jpn  71(2002)  491-­‐497.    

Crystal  Structure,  Electric  and  Magnetic  Properties  of  Layered  Cobaltite   β-­‐Na_xCoO₂

　　　Y.Ono,R.Ishikawa,Y.Miyazaki,Y.Ishii,Y.Morii,T.Kajitani 　　 _{J.Solid  State  Chem.  166(2002)  177-­‐181.}

Preparation  and  Low-­‐Temperature  Thermoelectric  Properties  of  the   Composite  Crystal  

   [Ca₂(Co_0.65Cu_0.35)₂O₄]_0.624CoO₂

Y.Miyazaki,  T.Miura,  Y.Ono  and  T.Kajitani Jpn  J.Appl.Phys.  41(2002)  L849-­‐L851.

熱電半導体の結晶構造：性能

l 

熱電半導体はｐ型半導体とｎ型半導体の対がないと、性能が発

揮できません。

l 

熱電半導体は、基本的にはバンドギャップの小さい、

Narrow-­‐

gap型

(0.5eVより小さい）化合物半導体です。  

l 

電気伝導性が高いヘビードープ型の利用形態です。

 

l 

格子熱伝導率を低くしないと性能がでません。格子熱伝導率の

低さは

結晶構造の複雑さ

や非等方性とも通じるものです。

 

l 

Phonon-­‐glass/Electron-­‐crystal状態が理想的だと言われています。  

l 

Seebeck係数は電荷の運ぶエントロピーを直接反映するので、

Fermi面の

電荷の有効質量の大きい

ことが望まれます。

 

l 

強相関電子系の酸化物熱電半導体もあります

が、電荷がスピン

のエントロピーも運ぶ場合に高い性能がでます

幾つかの例：所謂

Ca349

Si化合物系：  

l

 

性能指数が高い

 

l

 

資源的に好ましい

 

l

 

p/n型の双方を作ることができる  

l

 

比較的古くから知られている

 

l

 

例：

β-­‐FeSi

₂

(ZT

_max

〜

0.1)  

MnSi

_1.74

(ZT

_max

〜

0.85)  p-­‐type  

MnSiγ(γ〜1.7)系

l 

p-­‐typeの半導体は自然ドープ状態でZT

_max

=0.8程度になるが

、

Mg

₂

Si系

l

 

軽い点と資源的な問題が少ない点が特

徴です

。

Sbを少し加えると

、

性能が向�

上して

、

ZT

_max

が

1.0を少し越えるように

なります

。

作り方も比較的簡単です

。

 

l

 

大変性能の良いｎ型半導体ですが

、

そ

れに見合うｐ型半導体が見いだせませ

んでしたが

、

この二年間の研究により

金鉱脈を探り当てたようです

ｐ型熱電変換材料及びその製造方法、並びに、熱電変換素子および熱電変 換モジュール 出願番号：特願_{2010-­‐261266} 発明者：菊池将太、林慶、宮崎譲、梶谷剛   出願日：2010年11月24日 .12/03/09   3333

A-­‐Mg-­‐Si系(A=Ca,Sr,Ba)

l 

Ca-­‐Mg-­‐Si化合物がp-­‐typeの半導体になるらしい事は先

行研究（梅本等）から知られていました

。

 

Mg

₂

(Si

_1-­‐x

Sr

_x

)

図２５. Mg₂(Si_1-xSr_x)のPFの温度変化. 梅本等の研究ではPFの最大値はPF=0.4×10-3 _(W/K2_{m) (730 K)} だったが、この系ではx = 0.3試料において実に三倍以上の最 大PF=1.27×10-3 _(W/K2_{m) (849 K)になった。本年度の研究では、} 更に二倍に上昇している。

終わりに換えて

l 

応用物理学科・専攻での１９年間の研究室生活

、

金研

での１３年間の研究者生活

、

アメリカでの３年間の研

究者生活

、

大学院での研究生活を振り返り

、

御指導頂

いた諸先生に深く感謝申し上げます

。

 

l 

１９年間の応用物理・専攻の研究・教育では優秀な社

本真一

、

宮崎譲

、

小野泰弘

、

林慶

、

Ramachandran  

Sarabanan,  黄向�陽の各氏による素晴らしい研究努力・

緊密な協力により

、

沢山の研究成果を挙げることが出

来ました

。

 

l 

昨年の大震災では極めて深刻な被害に遭いましたが

、

スタッフ学生一丸となった復旧に向�けた努力により

、

研究が再開できました

。

 

l 

応用物理学科・専攻の旧・現教員の皆様には陰日向�の

ないご協力と御指導を頂き

、

深く感謝します

。

 

l 

今後の本専攻の発展を祈念しています

。

A-­‐Mg-­‐Siの結晶構造

l

 

高い熱電性能を持つ新しい結晶系は

Zintl相と言

われるグループのものでした

。

４面体

MgSi4が

稜・頂点共有を交互に繰り返す擬１次元格子の

中に２価金属が規則配列する構造です

。

a b Anti-­‐PbCl2  structure   Orthorhombic   Pnma(No.62)   a:7.78,  b:4.56  ,  c:8.49   Sr:  0.519,  1/4  ,  0.68   Mg:0.646,  ¼,  0.065   Si:  0.27,  ¼,  0.114   a c b

直接法による電子密度分布図の決