平 成29年 度(2017年 度)学 位 論 文(修 士)
過酸化水素水の
触媒分解効率に関する評価
EvaluationofCatalyticDecompositionEfficiencyofHydrogenPeroxide
首 都 大 学 東 京 大 学 院
シ ス テ ムデ ザ イ ン研 究 科 シス テ ム デ ザ イ ン専 攻 航 空宇 宙 シ ステ ム 工 学域 博 士 前 期 課 程
学 修 番 号16891508
氏名 賀 来 将 大
指 導教員 佐 原 宏 典 教授
平 成30年(2018年)1月26日
摘要
宇 宙 機 に お い て,ミ ッシ ョン 実 施 に あ た り推 進 系 の搭 載 は 必 要 不 可 欠 で あ る,大 学 ・高 専 等 の 教 育 機 関 や 民 間 企 業 に お い て は超 小 型 人 工 衛 星 の 開発 が盛 ん に お こ な わ れ て い る が,そ の 役 割 は 教 育 ツー ル や 基 本 技 術 の 実 証 とい っ た フ ェ ー ズ か ら,理 学 観 測 や ビジ ネ ス利 用 等 の よ り高 度 な ミ ッ シ ョ ン を 目的 と した もの に 移 りつ つ あ る.超 小 型 人 工 衛 星 で 実 施 され る ミ ッシ ョン が 高 度 化 す る こ とに よ り,今 後 超 小 型 人 工衛 星 向 け の 推 進 系 に 対 す る需 要 が 増 大 す る も の と考 え られ る が,化 学 推 進 に お け る 代 表 的 な 推 進 剤 で あ る ヒ ドラ ジ ン は,そ の 有 害 性 ゆ え取 扱 い が 困難 で あ る た め,近 年 毒 性 の 低 い推 進 剤 を用 い た グ リー ンプ ロペ ラ ン トの 開 発 が 盛 ん に行 わ れ て お り,当 研 究 室 に お い て も入 手 性 に 優 れ る60wt%過 酸 化 水 素 水 を 用 い た グ リー ン プ ロペ ラ ン トの 研 究 ・開 発 を 進 め て き た.
当研 究 室 で 開 発 を進 め て い る 推 進 系 に は,60wt%過 酸 化 水 素 水 を 分 解 し分 解 ガ ス を噴 射 す る こ とで 推 力 を 得 る一 液 式 推 進 系 と,分 解 ガ ス とエ タ ノ ー ル を 混 合 して 燃 焼 させ,そ の燃 焼 ガ ス を 排 出 す る こ とで 推 力 を得 る 二 液 式 推 進 系 の2種 類 が あ る.と も に,触 媒 を 用 い て60WtO/・過 酸 化 水 素 水 を 分 解 す る点 に っ い て は 共 通 で あ るが,こ れ ま で の 研 究,開 発 に お い て は シ ス テ ム の 成 立性 や 推 進 性 能 の 検 証 に 焦 点 を あ て る こ とが 多 く, シ ス テ ム に お い て 重 要 な役 割 を 果 たす 触 媒 に 関 す る評 価 が 不 足 して い る 状 況 で あ っ た.
本 研 究 で は,現 在 当研 究 室 で 利 用 して い る 触 媒 に つ い て,流 量 依 存 性 や,初 期 温 度 依 存 性 にっ い て 実 験 を 通 じて 評 価 をお こな い,流 量 増 加 に と も な い 分 解 効 率 が減 少 す る こ と,ま た,初 期 温 度 を 一 定 以 上 とす る こ とで 触 媒 の利 用 履 歴 に 関 わ らず 一定 の 分 解 効 率 とす る こ と が 可 能 で あ る こ と を示 した,ま た,触 媒 層 を 多 段 化 した 場 合 に 関 す る 実 験 をお こ な い,そ の 有 益 性,な らび に 多 段 化 に よ り生 じる リス ク に つ い て 検 証 した.
さ ら に,触 媒 の利 用 可 能 期 間(寿 命)に 関 す る 評 価 を 実 施 し,供 給 した 過 酸 化 水 素 の 総 量 と分 解 効 率 の 関係 性 を示 した と と も に,分 解 効 率 の 低 下 が 過 酸 化 水 素 の 供 給 量 の み な らず,別 の 因 子 の影 響 を受 け る こ と も示
した,
目次
第1章 序 論
1,1背 景
1.L1宇 宙機 に お け る推 進 系 の利 用 1,1,2超 小 型 人 工 衛 星 の 民 間 ・学 術 利 用 1.1.3低 毒 性 推 進 系 の 必 要 性 と 現 状
1.2目 的
第2章 当研 究 室 で 開 発 中の推 進 系 2.1シ ス テ ム構 成 お よび 原 理 と,
2.1.1一 液 式 推 進 系 2.1.2二 液 式 推 進 系
触媒反応の重要性
2.2禾IJ月 ヨ角虫媒
第3章 触 媒 分 解 効 率 の評価
11134677789
3.1評 価 方 法 3,2実 験 装 置
3,2,1試 験 シ ス テ ム 3.2.2測 定 機 器 3.3実 験 条 件 3.4実 験 方 法
3,5評 価 パ ラ メ ー タ の 算 出 方 法 3,5.1分 解 効 率
3,5.2応 答 性(立 上 り 時 間), 第4章 実 験 結 果 お よ び 考 察
4.1流 量 依 存 性 に 関す る評 価 4,2多 段 接 続 時 にお け る評 価
お よび 定 常 圧 力,定 常 温 度,供 給 流 量,推 進 剤 総 量
4,3初 期 温 度 依 存 性 に 関 す る評 価 4.4触 媒 寿 命 に 関 す る評 価 4.5性 能 向 上 に 向 け た 提 案
4.5.1触 媒 形 状 に 関 す る 提 案 4,5.2多 段 化 に 関 す る 提 案 4.5.3ヒ ー タ 搭 載 に 関 す る 提 案
第5章 結 論
5,1結 論 5.2課 題 参 考 文 献
付 録A実 験 条件 一 覧
付 録B各 条 件 に お け る初 期 圧 力,最 大温 度,定 常値 付 録C供 給 量,残 留 液 量,濃 度,分 解 効 率,応 答 性 付 録D圧 力,温 度,流 量 履 歴
113383444566258000122235814111112222222333444444444455
図 目次
図1,1ETS‑VIIIの 外 観,お よ び バ ス 系 ブ ロ ッ ク 図 図L2各 種 推 進 機 の 推 力 密 度 と 比 推 力 の 関 係7) 図L3電 気 推 進 を 利 用 し た 宇 宙 機 数 の 増 加 状 況9}
図L4超 小 型 人 工 衛 星 の 打 上 機 数 の 推 移10)
図1,5JAXAに お け る 超 小 型 人 工 衛 星 の 打 上 機 会 提 供 図L6超 小 型 人 工 衛 星 に お け る サ イ ズ 別 打 上 数 の 推 移13}
図1.7分 野 別,な ら び に ミ ッ シ ョ ン 目 的 別 の 衛 星 数 の 割 合L3}
図L8ヒ ドラ ジ ン 充 填 作 業15)
図L9過 酸 化 水 素 の 濃 度 と 分 解 熱,蒸 発 潜 熱 の 関 係2。 〕 図2.1一 液 式 推 進 系 概 念 図2b
図2,2本 研 究 室 に て 開 発 し た 一 液 式 推 進 系 の 系 統 図Zl) 図2,3二 液 式 推 進 系 概 念 図 ユリ
図24オ ー プ ン カ ッ プ 試 験
図2.5白 金 メ タ ル ハ ニ カ ム 触 媒 外 観
図3,1過 酸 化 水 素 水 濃 度 計PAL‑39S外 観29}
図3.2試 験 シ ス テ ム 系 統 図 図3.3試 験 シ ス テ ム 外 観 図
図3.4推 進 剤 タ ン ク304L‑HDF4‑400外 観 図29) 図3.5逆 止 弁 ・フ ィ ル タ 外 観 図30,31)
図3.6USB3‑6‑1‑DC12V外 観 図
図3.7AG31‑Ol‑1‑N3AB‑DC12V外 観 図
図3,8直 流 安 定 化 電 源KX‑100L(左),KX‑210L(右)外 観 図34) 図39フ ァ ン ク シ ョ ン ・ジ ェ ネ レー タFGX‑2220外 観 図35) 図3.10M‑SV制 御 回 路 回 路 図
図3,11ガ ス ジ ェ ネ レ ー タ 外 観 図3,12ヒ ー タ 設 置 状 況
図3.13ア トマ イ ザIAZAI200110K‑i6)
図3,14流 最 抵 抗 別 の 供 給 圧 力 と 噴 霧 流 量 の 関 係37}
図3.15圧 力 セ ン サ 外 観 図
図3,16流 量 セ ン サFD‑SSO2外 観 図4⑪) 図3.17K型 熱 電 対 外 観 図42)
図3.18K型 熱 電 対 設 置 状 況 図3.19液 体 捕 集 部 外 観 図
図3.20NR‑500シ リー ズ 外 観 図44・4s,46) 図3.21多 段 接 続 の 方 式
図3.22応 答 性 の 定 義
図4,1流 量059/sの 場 合 に お け る 圧 力,温 度 変 化(触 媒 番 号:#05) 図4.2流 量O.5g/sの 場 合 に お け る 圧 力,温 度 変 化(触 媒 番 号:#06) 図4.3流 量05g〆sの 場 合 に お け る 圧 力,温 度 変 化(触 媒 番 号:#07) 図4.4流 量059/sの 場 合 に お け る 圧 力,温 度 変 化(触 媒 番 号:#08) 図45流 星0.7g/sの 場 合 に お け る 圧 力,温 度 変 化(触 媒 番 号:#05>
122334456788902333444566777890001235667771111111111111111222222222222
図4.6 図4.7 図4.8 図4,9 図4.10 図4.ll 図4,12 図4.13 図4.14 図4.15
流 量0.79/sの 場 合 に お け る 圧 力,温 度 変 化(触 媒 番 号1#06) 流 量0.791sの 場 合 に お け る 圧 力,温 度 変 化(触 媒 番 号:#07) 流 量0.7g/sの 場 合 に お け る 圧 力,温 度 変 化(触 媒 番 号=#08) 流 量LOg/sの 場 合 に お け る 圧 力,温 度 変 化(触 媒 番 号:#05) 流 量1.Og/sの 場 合 に お け る 圧 力,温 度 変 化(触 媒 番 号=#06) 流 量1.Og/sの 場 合 に お け る 圧 力,温 度 変 化(触 媒 番 号1#07) 流 量1.Og/sの 場 合 に お け る 圧 九 温 度 変 化(触 媒 番 号=#08) 供 給 流 量 と分 解 効 率,応 答 性 の 関 係
供給流量 と定常圧力,定 常温度 の関係
888999011222222333
多 段 接 続(GG直 列),流 量0.5g/sに お け る 圧 力,温 度 変 化(触 媒 番 号=#08[上],#06[下]) 32 図4.16多 段 接 続(GG直 列),流 量0.7g/sに お け る 圧 力,温 度 変 化(触 媒 番 号=#08[上],#06[下])
32 図4,17多 段 接 続(LongType),流 星059/sに お け る 圧 力,温 度 変 化(触 媒 番 号:#07[上],#05[下])
33 図4.18多 段 接 続(LongType),流 量0.7g/sに お け る 圧 力,温 度 変 化(触 媒 番 号=#07[上],#05[下])
33 図4,19多 段 接 続(LongType),流 量1.Og/sに お け る 圧 力,温 度 変 化(触 媒 番 号:#07[上],#05[下1)
01234567890123452222222222333333
の り ほ 4444444444444444
図図図図図図図図図図図図図図図図
供給流量 と分解効率の関係
初 期 温 度40。Cの 場 合 に お け るH力,温 度 変 化(触 媒 番 号:#07) 初 期 温 度8⑪ 。Cの 場 合 に お け るJ.]liカ,温 度 変 化(触 媒 番 号=#07) 初 期 温 度IIO。Cの 場 合 に お け る 圧 力,温 度 変 化(触 媒 番 号=#07) 初 期 温 度130。Cの 場 合 に お け る圧 力,温 度 変 化(触 媒 番 号:#07) 初 期 温 度 と定 常 温 度 の 関 係
初期温度 と定常圧 力の関係 初期温度 と分解効率の関係 初期温度 と応答性の関係
蒸 留 水 供 給 時 の 圧 九 温度 変 化(#200,SupplyPressure=0.206MPaA) 供 給 過 酸 化 水 素 量 と定 常圧 力,定 常 温 度 の 関 係(触 媒 番 号=#05) 供 給 過 酸 化 水 素 量 と定 常圧 力,定 常 温 度 の 関 係(触 媒 番 号=#06) 供 給 過 酸 化 水 素 量 と定 常 圧 力,定 常 温 度 の 関係(触 媒 番 号:#07) 供 給 過 酸 化 水 素 量 と定 常圧 力,定 常 温 度 の 関 係(触 媒 番 号1#08) 過 酸 化 水 素 濃 度 と分 解 効 率,定 常温 度 の 関係(触 媒 番 号=#06,#07) 寿 命 中期,寿 命 後 期 に お け る 予 熱 効 果 の 比 較
3455666677789990133333333333333344
表 目次
表1.1
表1,260wt%過 酸 化 水 素 水 の 物 性 値19) 表2.1エ タ ノ ー ル の 物 性 値23・ ユ4) 表2.2触 媒 選 定 試 験 結 果25)
表2.3白 金 メ タ ル ハ ニ カ ム 触 媒 諸 元26) 表3.1測 定 手 法 の 比 較
表32過 酸 化 水 素 水 濃 度 計PAL‑39S諸 元28〕
表3.3推 進 剤 タ ン ク304L‑HDF4‑400諸 元29) 表3.4逆 止 弁SS‑2C‑1諸 元3。}
表3.5フ ィ ル タSS‑2F‑2諸 元31}
表3.6USB3‑6‑1‑DCI2V諸 元32}
表3.7AG31‑01‑1‑N3AB‑DCI2V言 者元33) 表3.8
表3.9
表3.10ア ト マ イ ザIAZA1200110K諸 元:7) 表3.llセ ン サ ヘ ッ ドAP‑13S諸 元39) 表3.12ア ン プ ユ ニ ッ トAP‑80V諸 元:9) 表3.13流 量 セ ン サFD‑SSO2諸 元41}
表3」4K型 熱 電 対 諸 元4ユ}
表3,15電 子 秤GX‑3000諸 元 ヰ3〕
表3」6 表3.17 表3.18
表3.19実 験 条 件 表3.20実 験 フ ロ ー
表4,1流 量 依 存 性 評 価 実 験 結 果
表4.2流 量 依 存 性 評 価 後 寿 命 評 価 実 験 結 果 表4.3多 段 化 評 価 実 験 結 果
表4.4初 期 温 度 依 存 性 評 価 実 験 結 果
実 際 の 宇 宙 機 に 搭 載 さ れ て い る 推 進 系 の 推 力,比 推 力3・4・5・6)
11く﹂000ア
直 流 安 定 化 電 源KX‑100L,KX‑210L諸 元34) フ ァ ン ク シ ョ ン ・ ジ ェ ネ レ ー タFGX‑2220諸 元3s)
イ ン タ ー フ ェ ー ス ユ ニ ッ トNR‑500諸 元44}
温 度 ・電 圧 計 測 ユ ニ ッ トNR‑THO8諸 元45}
高 速 ア ナ ロ グ 計 測 ユ ニ ッ トNR‑HAO8諸 元46)
02234445568990112223401471111111111111222222223333
第1章 序 論
1.1背 景
1.1.1宇 宙 機 に お け る 推 進 系 の 利 用
宇 宙 機 を 打 ち 上 げ る 目的 は,気 象 観 測 の 他,測 位 サ ー ビス ・放 送 サ ー ビス の提 供,天 文 観 測,惑 星 間 航 行, な らび に それ らを 達 成 す る為 に 必 要 な 技 術 の 実 証 等,多 岐 に わ た る.ミ ッシ ョン を実 行 す る上 で 必 要 な 機 器 は 各 宇 宙 機 の 目的 に よ っ て 異 な る が,そ れ らの 目的 を達 成 す る 上 で 軌 道 の 変 更 ・調 整 や 宇 宙 機 本 体 の 姿 勢 変 更 を要 す る場 合 に は,推 進 系 の 搭 載 が 必 要 不 可 欠 で あ る,実 際 の 宇 宙 機 に お け る 一 例 と して,図1.1(b)に 技 術 試 験 衛 星VIII型(以 下,ETS‑VIII,図1,1(a)参 照)の バ ス 系 ブ ロ ッ ク 図 を示 す,3ト ン級 静 止 衛 星 の バ ス 技 術 の 開 発,な らび に,移 動 体 衛 星 通 信 シ ス テ ム を始 め と した 通 信 技 術 の 開 発,技 術 実 証 を 目的 と した ETS‑VIIIで は,静 止 軌 道 へ の 投 入 の た め に500N級 の 二液 式 ア ポ ジエ ン ジ ン を 搭 載 して い る他,姿 勢 制 御 や 軌 道 調 整 向 け の20N級 二 液 式 ス ラ ス タ,軌 道 調 整 用 の20mN級 キ セ ノ ンイ オ ンエ ン ジ ン とい っ た 推 進 系 を 搭 載 して い る,
◎筆)懲壇
一
、
、
㌔
(a)外 観L)(b)バ ス 系 ブ ロ ッ ク 図2)
図1』ETS‑VIIIの 外 観,お よ び バ ス 系 ブ ロ ッ ク 図
推 進 系 は,推 進 剤 の 化 学 反 応 を利 用 して 推 力 を 得 る化 学 推 進 と,推 進 剤 に 電 気 的 な エ ネ ル ギ ー を 印 加 す る こ とで 推 力 を得 る非 化 学 推 進 の2種 類 に 分 類 す る こ とが で き る,図L2に 各 種 推 進 機 の 推 力 密 度(噴 射 口単 位 面積 あ た りの 推 力)と 比 推 力 の 関 係 を,表1.1に 実 際 の 宇 宙 機 に お い て 利 用 され て い る推 進 系 の 推 力,比 推 力 を示 す,化 学 推 進 は,推 進 剤 や ス ラ ス タ等 の 設 計 次 第 で 大 き な 推 力 を得 る こ と が で き る シ ス テ ム で あ る, 一 方,電 気 推 進 で は 比 較 的 大 推 力 で あ る ホ ー ル ス ラ ス タで も数 百mN程 度 と推 力 自体 は 小 さい も の の,比 推 力 は数 千 秒 以 上 と,化 学 推 進 に比 べ て 高 い 性 能 を持 っ,
表1.1実 際 の 宇 宙 機 に 搭 載 さ れ て い る 推 進 系 の 推 力,比 推 力3・4・5・6) 500Nエ ン ジ ン
(SELENE)
LE‑7A (H‑IIA)
IHD‑2000 (IHD
μ10 (MUSES‑C)
類力力推分推比
化 学
547N 319s
化 学
1,074‑LO98kN 429‑440s
非 化 学 8⑪ 一250mN 2,000‑2,500s
非 化 学 8mN 3180s
106
化学推進
雰汁発
押(潤竃︑Z︺劇欝R蝶 餅
102io31伊105
比推力(秒)
図1.2各 種 推 進 機 の 推 力 密 度 と 比 推 力 の 関 係7}
図1,3に 電 気 推 進 を利 用 した 宇 宙 機 数 の増 加 状 況 を示 す.電 気 推 進 の 場 合,そ の 比 推 力 の 高 さ ゆ え に,化 学 推 進 と比 較 して タ ン ク等 の シ ス テ ム を構 成 す る 上 で 必 要 とな る機 器 の 質 量 を 削 減 す る こ と が で き るた め, そ の 分 よ り高 性 能 な ミ ッシ ョン機 器 の搭 載 機 器 が 可 能 と な る,ま た,こ の 他 衛 星 本 体 を 小 型 ・軽 量 化 す る こ と で,複 数 機 同 時 打 上 等 に よ り,打 上 げ コ ス トの 削 減 に 貢 献 す る こ と も 可 能 で あ る,実 際,702SPの 場 合, 化 学 推 進 を採 用 した 場 合 と比 較 して15ton肖1」減 す る こ とが 可 能 で あ り,Falc。n9(GTO投 入 費:約100万 円 /kg)の 場 合15億 円 の 打 上 費 削 減s〕が 可 能 で あ る.こ の よ うな 利 点 を 踏 ま えれ ば,今 後 一層 電 気 推 進 の需 要 が 高 ま る こ とが 予 想 され る.事 実,次 期 技 術 試 験 衛 星(技 術 試 験 衛 星9号)に お い て は,全 電 化 衛 星 技 術 の 実 証 を 実施 す る 予 定 と な っ て い る他,各 国 で全 電 化 衛 星,お よび 関 連 技術 の研 究 ・開 発 が盛 ん に行 わ れ て い る.た だ し,全 電 化 衛 星 の 場 合,低 推 力 故 に 静 止 軌 道 投 入 ま で の期 問 が長 期 化 す る た め,ミ ッ シ ョ ンや サ ー ビス の 開 始 が 遅 く な る とい っ た デ メ リ ッ トも存 在 す る.よ っ て,瞬 時 に 大 き な 推 力 を 必 要 とす る,も し くは, 瞬 時 に 大 き な推 力 を 得 る こ とで よ り高 い 成 果 を得 る こ とが で るケ ー ス に お い て は化 学 推 進 が 必 要 で あ る,そ
の 為,電 気 推 進 の み な らず,化 学 推 進 に っ い て も性 能 や 利 用 性 の 向 上 は す べ き で あ る と い え る.
350
005000500050032211
0000dOり艦旧︼りnζ帽﹂りOU㎝ユのO}旧一6一3F﹂コり
■DoD 塵Civil/Non‑us
15tOrbitヨlEHT lstBoeinglon
＼
説ヂドぷヂダヂ沸ボヂずドドボドず評
YearLauǹhed
図1.3電 気 推 進 を利 用 した 宇 宙 機 数 の 増 加 状 況9)
1.L2超 小 型 人 工 衛 星 の 民 間 ・学 術 利用
図1.4に,超 小 型 人 工 衛 星 の 打 上 機 数 の 推 移 を 示 す.2016年 度 に つ い て は,前 年 度 よ り減 少 し て い る が, 概 ね 年 々 増 加 傾 向 に あ る と い え る.特 に,世 界 初 のCubeSatで あ るXI‑IV(東 京 大 学),CUTE‑1(東 京 工 業
大 学)が 打 上 げ られ た2003年 当 時 と比 較 す る と3‑4倍 程 度 に 増 加 して い る 状 況 で あ る,こ れ は,宇 宙 航 空 研 究 開 発 機 構(JapanAerospaceExpl。rationAgency,以 一ドJAXA)に お け る 小 型 副 衛 星 の 打.ヒ機 会 提 供(図1.5
参 照)を は じ め,各 国 でCubeSatを は じ め と し た 超 小 型 人 工 衛 星 の 打 上 機 会 が 増 力1]した こ と に 起 因 す る も の と 考 え ら れ る,
伽 櫛 鵬
t70
伽
tO
NumberofVerySmallSatellites〔 ≦000kg}
LaunchedbyYear{2000‑2016,
■CubeSats
■MOthet‑smallsatetfites
e
1■ ■■■■1■■1■■1
moomotz)02㎜MDdtmeb2coe2co'2eas2Doo2㎝ 湘ttz"2rOf3露 同4Mlbro16
図1.4超 小 型 人 工衛 星 の 打 上 機 数 の 推 移tO}
̲、 、 ゴ
諺.つ 亨
}、ぎ
㍉《＼鳶
■
凶1・'
9
「」・・ヨ連 」措 戦 カメりに よ弓
・ヨ・虻 甘 雌 工叫 箪子 20冊 年1月a3日 、LjAXA
一
雫L1駆
耀 細 眠 一 一一'
!
y9へ ・・
警デ穂
︑ヂ
﹂一
ぜノ㌔.ひ
冨鞠︑・ゆ
(a)H‑IIAに よ る 打.ヒ げLb(b)ISSか ら の 放 出11}
図1.5JAXAに お け る 超 小 型 人 工 衛 星 の 打 上 機 会 提 供
これ ま でCubeSatに 代 表 され る超 小 型 人=[衛 星 は,大 型 衛 星 と比 較iした 場 合,機 器 搭 載 スペ ー ス や 質 量 と い っ た 制 約 事 項 が 存 在 す る た め,高 度 な ミ ッ シ ョン の 実 施 や 複 雑 な サ ー ビ ス の 提 供 等,学 術 研 究 や ビ ジ ネ ス の 場 で 利 用 され る機 会 は 少 な く,ま た,低 コ ス ト ・短 期 開発 とい う超 小 型 人 工 衛 星 の 利 点 を 活 か す とい っ た 点 か ら も,大 学 ・高 専 等 の 教 育 機 関 に お け る実 践 的 な 教 育 ツー ル と して 利 用 され る こ と が 大 半 で あ っ た,し か し,近 年 搭 載 機 器 の 小 型 化 ・軽 量 化 が 進 ん で い る他,2016年 度 に は 経 済 産 業 省 に お い て 「部 品 ・コ ン ポ ー ネ ン トに 関 す る技 術 戦 略 に 関 す る研 究 会 」 が 設 置 され,活 動 の 一環 と して2017年 度 に は 「超 小 型 衛 星 搭 載 民 生 部 品 デ ー タベ ー ス 」が 公 開 され る等,民 生 部 最 の 宇 宙 利 用 を 促 進 す る環 境 が 整 い つ つ あ る,こ の よ うな
状 況 を踏 ま え,2013年 に は 初 の 民 間 企 業 所 有 商 用 衛星 とな るWNISAT・1が 打 上 げ られ た 他,2017年 に は そ の後 継 機 とな るWNISAT・lRが 打 上 げ られ,徐 々 に で は あ るが 超 小 型 人 工衛 星 の 民 間 ・商 用 利 用 も増 加 傾 向 に あ る.ま た,学 術 研 究 の 場 に お い て も,国 立 天 文 台 に お け るJASMrNE計 画 の 初 号 機 と して,50kg級 の 超 小 型 人 工 衛 星 「Nano‑Jasmine」 が 開 発 され る 等,超 小 型 人 工 衛 星 の利 用 が 始 ま りっ っ あ る,開 発 され る衛 星 の 大 き さ に着 目 して も,CubeSatに 代 表 され る よ うな 制 約 事 項 の 多 い1‑3kg級 か ら,3‑10kg,お よび11‑50kg 級 とい っ た 比 較 的 大 型 の 超 小 型 人 工衛 星 が メイ ン とな りっ つ あ る状 況(図1.6参 照)で あ り,SpaceWorkS社 の 予 測 にお い て も,超 小 型 人 工 衛 星 の 利 用 用 途 は,従 来 の よ うな 教 育 目的 か ら学 術 研 究 や ビ ジネ ス 用 途 に推 移 して い く も の13)と され て い る.(図1.7参 照 〉
現 時 点 に お い て,超 小 型 人 工 衛 星 に推 進 系 機 器 が搭 載 され る こ とは 稀 で あ る が,前 述 の よ うに超 小 型 人 工 衛 星 に 置 け る ミ ッ シ ョ ン の 高 度 化 ・多 様 化 に と もな い,ミ ッ シ ョ ン実 施 に際 し軌 道 変 更 ・調 整 や 衛 星 本 体 の 姿 勢 制 御 の た め に 推 進 系 が 必 要 と され る機 会 も増 加 す る も の と考 え られ る.
く1、 西'VJ】 ず1x1、 挿 噛
哺 ヤ軸圃
(a)1‑10kg級 衛 星 の 打 上 数 に 関 す る 傾 向 図1.6
=, 慧 1=i l"1
≡}
.,1一
欝ll
ili iii
ase
匿1驚
且̲』 日口薩口日』
20002eel鋤2別 旧320国2㎝52鵬6NOI2eoe2eeg2引02011201Z釦132011加15Mt6 ぼ
(b)1‑50kg級 衛 星 の 打 上 数 に 関 す る 傾 向 超 小 型 人 工 衛 星 に お け る サ イ ズ 別 打 上 数 の推 移13)
娩
躍
り へゆ ゆ お に ず ゆの
(a)活 動 分 野 別 に み た 衛星 数 の割 合(b)打 上 目的 別 に み た 衛 星 数 の 割 合 図1.7分 野 別,な らび に ミ ッ シ ョン 目的 別 の 衛 星 数 の 割 合13)
1.1.3低 毒 性 推 進 系 の 必 要 性 と 現 状
前 項 で 述 べ た 通 り,今 後 超 小 型 人 工 衛 星 搭 載 用 の推 進 系 が 必 要 不 可 欠 に な る と予 想 され る.た だ し,従 来 の 国,お よび 政 府 系機 関 主 導 の プ ロ ジ ェ ク トと比 べ,民 間 企 業 や 教 育 機 関 主 導 の プ ロ ジ ェ ク トの 場 合,衛 星 本 体,な らび に 各 搭 載 機 器 に つ い て は 出来 る限 り低 い コ ス トで 開 発 ・運 用 で き る こ と が 望 ま し い.ま た,超 小 型 人 工 衛 星 は軌 道 寿 命 の短 い 低 軌 道 に投 入 され る ケー ス が 多 く,搭 載機 器 の 寿 命 や ミ ッシ ョン特 性 等 とい った 観 点 か ら,衛 星 本 体 の設 計 寿 命 が 大 型 衛 星 と比 べ 短 く設 定 され て い る とい っ た 特 徴 も存 在 す る,1、1,1 項 で述 べ た 通 り,低 コス ト化 を 図 るの で あ れ ば 電 気 推 進 系 の採 用 が 適 切 で あ る とい え るが,前 述 の 特 徴 を踏 ま え て 考 え る と,よ り迅 速 に 軌 道 遷 移 や 調 整 を行 う こ との で き る化 学 推 進 系 を採 用 す べ き ケ ー ス が 多 く存 在 す る も の と予 測 され る.
しか し,こ れ ま で 化 学 推 進 系 の 推 進 剤 と して 広 く利 用 され て き た ヒ ドラ ジ ン(Hydrazine,N2H4)14)や,そ の 関 連 の 液 体 有機 化 合 物 で あ るモ ノ メ チ ル ヒ ドラ ジ ン,非 対 称 ジ メ チ ル ヒ ドラ ジ ン は,適 当 な 固 体,も し く
は 液 体 の 触 媒 で 分 解 され る等 優 れ た 特 性 を 持 つ 一 方 で,空 気 と触 れ る こ と で 自然 発 火 す る 恐 れ が あ る他,発 癌 性 を有 す る 等 人 体 に と っ て 有 害 な 側 面 も存 在 し,取 扱 い に 際 し細 心 の 注 意 を 払 う必 要 が あ る物 質 で あ る.
そ の 危 険 性 ゆ え に,取 扱 い 時 に は ス ケー プ スー ツ等 とい っ た 防 護 装 置 を 必 要 と し,運 用 コ ス ト増 加 に っ な が る とい っ た 問 題 も存 在 す る,こ の よ うに,従 来 の ヒ ドラ ジ ン を利 用 した 推 進 系 の 場 合,安 全 性 や 運 用 コ ス ト とい っ た 面 で 課 題 が 存 在 し,現 時 点 で は超 小 型 人 工 衛 星 へ の 搭 載 は不 向 き で あ る と い え る,
図1.8ヒ ド ラ ジ ン 充 填 作 業15)
この よ うな背 景 を 踏 ま え,安 全 性 や 運 用 性 の 向上 や 低 コス ト化 を図 る た め,近 年 毒 性 の 低 い推 進 剤 を 用 い た 推 進 系,い わ ゆ る グ リー ン プ ロペ ラ ン トの 開 発 が 各 国 で盛 ん に 行 わ れ て い る.実 際 宇 宙 基 本 計 画16〕に 基 づ き,2015年 度 に公 募 が 始 ま っ た 「革 新 的 衛 星 技 術 実 証 プ ロ グ ラ ム 」 に お い て,革 新 的 衛 星 技 術 実 証1号 機 の テ ー マ と して 「グ リー ン プ ロペ ラ ン ト推 進 系 の 軌 道 上 実 証 実 験 」が 採 択 され るE7}等,そ の 必 要性 も認 識
され て い る,
代 表 的 な 低 毒 性 推 進 系 と して は,前 述 の テ ー マ で 採 択 さ れ て い る 硝 酸 ヒ ドロ キ シ ル ア ン モ ニ ウ ム (HydroxylAmmoniumNitrate,NH30HNO3,以 下HAN)系 推 進 剤 が あ る が,従 来 の ヒ ドラ ジ ン を 利 用 した 推 進 系 と比 較 した 場 合,着 火 ・応 答 性 とい っ た 点 で 劣 る他,爆 轟 性 を持 つ 等,技 術 面 ・安 全 面 で 課 題 が 残 さ れ て い る 状 況 で あ る,HAN系 推 進 系 の 性 能 向 上,な らび に 安 全 性 向 上 に 向 け た 研 究 は継 続 して 行 わ れ て お り,水 や エ タ ノ ー ル 等 の 添 加 物 を 加 え る 岡等 とい っ た 対 策 に よ り,徐 々 に課 題 解 決 に 向 か っ て い る とい え る が,HAN系 推 進 剤 自体 は 一 般 的 な薬 品 で は な く,決 して 入 手性 が 良 い と は い え な い,
当研 究 室 で は,近 年 の 低 毒 性 推 進 系 の 需 要 増 大 に と もな い,過 酸 化 水 素 水 を 利 用 した 推 進 系 に 関 す る研 究 ・開 発 を行 っ て き た,70‑99%の 高 濃 度 過 酸 化 水 素 水 に つ い て はX‑1,X‑15実 験 機 な ど に利 用 され た 実 績
が あ る が,高 濃 度 の 場 合,貯 蔵 安 定 陸 に 問題 が あ る他,皮 膚 に 触 れ た 場 合 や け どの 原 因 とな る,有 機 物 質 と触 れ た 場 合 に発 火 す る とい っ た 課 題 を抱 え て お り14),安 全 性 の 面 で課 題 が あ る.し か し,民 生 品 と して 入 手 可能 な60wt%過 酸 化 水 素 水(表1.2参 照)を 用 い た場 合,図L9に 示 した 通 り分 解 熱 よ り も蒸 発 潜 熱 の 方 が 大 き く な るた め,加 速 度 的 な 分 解 を抑 制 す る こ とが で き 安 全 性 を 高 め る こ とが で き る.ま た,前 述 の 通 り,民 生 品 と して 入 手 可 能 で あ る た め,安 全 か つ,コ ス ト面 で も優 れ る推 進 剤 で あ る とい え る.
表L260wt%過 酸 化 水 素 水 の 物 性 値19}
Parameters Unit Value
Density(@20℃) FreezingPoint@1atm)
BoilingPoint(@1atm)
9/m1
℃
℃
1.24
‑55 .5 120
一
Self‑AcceleratedDecomposition
匠厘層}8隔̀﹄d轄訂﹂曾蓄㌦く艦﹄呂構2曽藍88噛O漏O=
鵬
700
600
500 400
300 200
100
o
OIO20304050607080ge100
/
/
旨
/ 、
/ 一一H● 己 ofd・ ㎝ mpo5敵 n
■一H豊 砿ofΨ 叩 唱ri鵠t植n
ゴ
H202CO晶centtetion,wt.%
図1.9過 酸 化 水 素 の濃 度 と分 解 熱,蒸 発 潜 熱 の 関係2⑪}
これ ま で,当 研 究 室 で は前 述 の とお り60wt%過 酸 化 水 素 水 を利 用 した,一 液 式 推 進 系,お よ び 二 液 式 推 進 系 の研 究 ・開 発 を 行 っ て き た,し か し,シ ス テ ム の成 立 性 や 推 進 性 能 とい っ た 事 柄 の 評 価 に 重 き が 置 か れ て お り,過 酸 化 水 素 の 分 解 時 に 利 用 す る 触 媒 自体 に っ い て は,簡 易 的 な 評 価 の み しか 実施 され て お らず,触 媒 に 関す る評 価,検 証 が 不 十 分 な 状 況 で あ る.各 推 進 系 の シ ス テ ム 構 成,な らび に,利 用 す る 触 媒 の 詳 細 にっ い て は 次 章 で述 べ る が,一 液 式,二 液 式 と もに 触 媒 層 に お け る 過 酸 化 水 素 の 分 解 効 率 は 推 進 系 の 性 能 を左 右 す る 重要 な要 素 で あ る た め,早 急 に 評 価 す る必 要性 が あ る,
1.2目 的
前節 で述 べ た 通 り,当 研 究 室 で は60wt%過 酸 化 水 素 水 を利 用 した 一 液 式 推 進 系,お よ び 二 液 式 推 進 系 の 開 発 を行 っ て い る が,シ ス テ ム 内 で利 用 して い る触 媒 の詳 細 な評 価 が で き て い な い.そ こ で,本 研 究 で は,
● 推 進 剤(60wt%過 酸化 水 素 水)流 量 と分解 効 率 の 相 関 性(流 量 依 存 性)に 関 す る評 価
● 触 媒 層 多 段 化 時 に お け る分 解 効 率 に 関 す る評 価
● 初 期 温 度 と分 解 性 能(分 解 効 率,応 答 性,等)の 相 関 性(温 度 依 存性)に 関す る 評 価
● 触 媒 の利 用 状 況 と分 解 効 率 の 相 関 性(触 媒 の寿 命)に 関 す る評 価
を 目的 と して 挙 げ,実 験 を 通 じて 各 項 目の 検 証 を実 施 す る と とも に,得 られ た成 果 を元 に 現 在 当研 究 室 で 研 究 ・開 発 を行 っ て い る推 進 系 に っ い て,性 能 向 上 に 向 け た 提 案 を 行 う,
第2章 当研 究 室 で 開発 中の 推進 系
2.1シ ス テ ム構 成 お よび 原 理 と,触 媒 反応 の重 要 性
2.1.1一 液 式 推 進 系
当研 究 室 で 研 究 ・開発 を 行 っ て い る一 液 式推 進 系 につ い て,そ の 概 念 図 を 図2.iに 示 す,触 媒 層 に 推 進 剤 で あ る60wt%過 酸 化 水 素 水 を 供 給 す る こ とで,触 媒 と推 進 剤 を反 応 させ 式(2.1)に示 す よ うな 分 解 反 応 を 引 き 起 こす.こ の 反 応 に よ り発 生 した ガ ス を ノ ズル 部 よ り排 出 す る こ とで 推 力 を 得 る こ とが で き る.
図 か ら分 か る よ うに,本 シ ス テ ム に お い て は 触 媒 層 の 圧 力,温 度 等 とい っ た パ ラ メ ー タ が そ の ま ま 推 力 室 と して の パ ラ メ ー タ と な る.し た が っ て,触 媒 反 応 に よ っ て 生 じ る圧 力 が 高 い ほ ど,よ り大 き な 推 力 が 得 ら れ る た め,効 率 よ く推 進 剤 を分 解 で き る よ うな 設 計 と し,適 切 な 流 量 に て 推 進 剤 を 供 給 で き る供 給 系 が 必 要
不 可 欠 で あ る,
rレCatalyst㈹
60wt%HzO2
Decomposed Gas
図2.1一 液 式 推 進 系 概 念 図21)
H202→H20+50・ 1 (2.1)
図2.2に,当 研 究 室 に て 開 発 した 一 液 式 推 進 系 の 系 統 図 を 示 す,タ ン ク 内 にヘ リウ ム ガ ス を 充填 し,そ の ガ ス を利 用 して プ ラ ダ 内 に 充 填 した60wt%過 酸 化 水 素 水 を触 媒 層 に供 給 す る,い わ ゆ る ブ ロー ダ ウ ン式 の 構 成 とな っ て い る.ま た,プ ラ ダ 内 に 充 填 した6⑪wt%過 酸 化 水 素 水 は,わ ず か で は あ る もの の 時 間 の 経 過 に と もな い 自然 分 解 され る.そ の た め,こ の 性 質 を利 用 して徐 々 に プ ラ ダ 内圧 力 を上 昇 させ,所 望 の 圧 力 とす る こ とで 推 進 剤 を供 給 す る,自 己加 圧 式 の 推 進 系 と して も利 用 可 能 な構 成 とな っ て い る.
G.DP■
G・FP
P.DPl
P‑Fpl CV3
G‑DPHeliumDrainPortCVCheckValve G‑FPHeliumFillingP。TtSVSolen。idValve P‑DPPropellantDrainPortPSPressureSensor P‑FPPropellantFillingPorlTSTemperatureSensor
図2.2本 研 究 室 に て 開 発 した 一 液 式 推 進 系 の 系 統 図2L) TS1① 二
■1
◎PS1
TNK
GHHユ0=
BLDR
一
TNK BLDR GH￠
Hう0.・ 暫 A.SERiES
= lTank
;Bladder lHdiumGa5
60wt%H.0. 」 暫
一 SS
CV1 一
r 一 SVSV
魚u}魚P2. ‑TH聖動2＼
GHH・O・ 囑 榊 ト ■
関一 SS 一 6TS、
1ト◇ 〉
V3V4
1尋 」〔旦U)(BDユ.B‑SE荘UES
2.1.2二 液 式 推 進 系
当研 究 室 で研 究 ・開 発 を行 っ て い る 二液 式 推 進 系 に つ い て,そ の概 念 図 を 図2.3に 示 す.一 液 式 推 進 系 と 同 様 に,触 媒 層 に60wt%過 酸 化 水 素 水 を 供 給 し,分 解 反 応 に よ っ て 酸 素 お よび 水(水 蒸 気)を 発 生 させ る.
そ の 酸 素 と水 蒸 気 か ら な る 分 解 ガ ス を燃 焼 室 に送 り込 み,燃 料 で あ るエ タ ノ ー ル と混 合 させ た 上 で,ス パ ー ク プ ラ グ を利 用 して 点 火 ・燃 焼 させ る こ とで,燃 焼 ガ ス を発 生 させ て ノズ ル 部 よ り排 出 す る こ とで,推 力 を 得 る仕 組 み とな っ て い る,工 タ ノー ル は 表2.1に 示 す とお り,低 融 点,高 沸 点 で あ る こ とか ら宇 宙 空 間 にお い て も液 体 貯 蔵 が 可 能 で あ り,イ ン タ ー ス テ ラ テ ク ノ ロ ジ ズ社 で 開発 して い る エ ン ジ ンで も採 用22}さ れ て い る他,薬 な ど広 い 用 途 で 利 用 され て い る た め入 手性 ・取 扱 性 に優 れ て い る こ と か ら,本 推 進 系 の 燃 料 と し て利 用 して い る,
rレCatalyst㈹
60wt%H202
Combustion Gas
図2.3二 液 式 推 進 系 概 念 図21)
表2.1エ タ ノ ー ル の 物 性 値23・24)
Parameters Unit Value
Density(@20℃) FreezingPoint
BoilingPoint IgnitionPoint ExplosionMixtureLimit(volumeinair)
帥℃℃℃%
0.79
‑ll4 ,1 78.3
363 4.3tol9
一 液 式 推 進 系 と異 な り,分 解 ガ ス を利 用 す るの み で あ る た め,触 媒 層 部 の 圧 力,温 度 とい っ た 数 値 に っ い て は,直 接 的 に本 推 進 系 の性 能 に 影 響 を及 ぼす こ とは な い とい え る.し か し,十 分 な 分 解 反 応 が 起 こ ら な か っ た 場 合,酸 化 剤 と して 利 用 す る 分 解 ガ ス の組 成(酸 素,お よび 水 蒸 気,未 反 応 の60wt%過 酸 化 水 素 水 の 害il 合)が 異 な る こ と とな るた め,触 媒 層 部 で の 反 応 状 況 は 間 接 的 に本 推 進 系 の性 能 に 影 響 を及 ぼす こ と に な る.
そ の た め,仮 に 分 解 反 応 の 状 況 が 一 定 で な い 場 合 を 想 定 した 場 合,異 な る 条 件 下 で の 実 験 を通 じて 得 られ た 数 値 に 差 異 が 認 め られ た 場 合 に っ い て も,分 解 反 応 に 関 す る影 響 に よ る もの で あ る可 能 性 が 存 在 す る こ と と な り,推 進 性 能 に つ い て 正 し く評 価 す る こ とが 困難 とな る.ま た,触 媒 層 温度 が 十 分 に 上 昇 せ ず,か つ 未 反 応 分 の60wt%過 酸 化 水 素 水 が 多 量 に発 生 した 場 合,燃 焼 室 内 に そ れ らの 液 体 が 流 れ 込 む 形 と な り,燃 焼 反 応 を 妨 げ る恐 れ が あ る,そ の た め,燃 焼 反 応 に 関 係 の な い 要 素 は な る べ く排 除 で き る よ うに,触 媒 層 にお け る 分 解 反 応 が 効 率 よ く行 わ れ る設 計 で あ る こ とが 好 ま しい.
2.2利 用 触 媒
2.1節 で 述 べ た 通 り,当 研 究 室 で研 究 ・開発 して い る推 進 系 に お い て は触 媒 層 に お け る分 解 反 応 が 非 常 に 重 要 な 要 素 とな っ て い る,そ の た め,本 来 で あれ ば 本 推 進 系 に 適 した 触 媒 につ い て 研 究 ・開 発 を 行 い,最 適 な 触 媒 を利 用 す べ き で あ る.し か し,1.1,3項 で 述 べ た 通 り,本 研 究 室 で60Wt%過 酸 化 水 素 水 を利 用 し
て い る の は,そ の 入 手 性 や 取 扱 性 の 良 さに 着 目 した か らで あ り,超 小 型 人 工 衛 星 へ の 搭 載 を前 提 に 研 究 ・開 発 を 進 め る の で あれ ば,本 推 進 系 に 利 用 す る機 器 に つ い て は,原 則 入 手 性 ・取 扱 性 の よい 製 品 で あ る必 要 性 が あ る.
図2.4に オ ー プ ン カ ップ試 験 の 概 要 図 を示 す,こ の 試 験 で は,ビ ー カ(も し く は,そ れ に 準 ず る 容 器)に 被 試 験 体 とな る触 媒 を 投 入 した状 態 で 電 子 秤 上 に 設 置 し,触 媒 付 近 に 熱 電 対 を配 置 した 状 態 で,別 途 少 量 の 試 験 液(本 評 価 の 場 合 は,60wt%過 酸 化 水 素 水 〉 を投 入 す る こ とで,そ の 質 量 変 化 や 温 度 変 化 を測 定 し,分 解 反 応 に つ い て 評価 を 行 う.こ れ ま で の研 究 に て,複 数 の 候 補 品 につ い て オ ー プ ン カ ップ 試 験 を 実 施 し,評 価 を 実 施 した,そ の 結 果,な らび に 被 試 験 体 の 特 性 を 表2.2に 示 す,
Catalyst
b
Thermocouple
DigitalScale
×.× ×91
図2、4オ ー プ ン カ ッ プ 試 験
表2.2触 媒 選 定 試 験 結 果 ユ5)
発 泡 金 属 触 媒 メ タル ハ ニ カ ム メ タル ハ ニ カ ム 触媒S 触媒K 触媒
活性物質 粒子径 分解効率
強 度
水 膜
ニ ッケ ル ベ ー ス 白金 担 持
認高確
白金
高 確認 されず
パ ラ ジ ウ ム
中 高 確認 されず
イ リ ジ ウ ム (セラミックス単体)
#14‑18 高 低 確 認 さ れ ず
イ リ ジ ウ ム (セラ ミック ス単体)
#25‑30 低
高 確 認 さ れ ず
軌 道 上 実 証 や,繰 り返 し利 用 す る こ と を考 慮 す る と,性 能 に直 接 寄 与 す る 分解 効 率 の 他 触 媒 本 体 の 強 度 や 利 用 性 の 高 い も の で あ る必 要 性 が あ る,こ れ らの 要 素 を踏 ま え て 判 断 した 結 果,本 推 進 系 で は,図25, 表2.3に 示 す 白金 メ タ ル ハ ニ カ ム 触 媒 を利 用 して い る.本 触 媒 は,他 の触 媒 と比 較 して 分 解 効 率 が 高 い だ け
で な く,円 筒 形 状 の た め,触 媒 保 持 の観 点 も考 慮 した 場 合,球 状 の 触 媒 に比 べ て 触 媒 層 部 の構 造 設 計 が 用 意 で あ る.ま た,ハ ニ カ ム構 造 を採 用 して い るた め 強 度 性 に も優 れ る他,表 面 積 が 大 き い,断 面 開 口率 が 高 い た め圧 力 損 失 を 低 減 で き るな ど とい っ た利 点 が あ る.
なお,本 研 究 で は1,2節 で 述 べ た とお り,当 研 究 室 で 研 究 ・開 発 を行 って い る推 進 系 に て利 用 して い る触 媒 の 評 価 を 目的 と して い る,こ れ ま で研 究 用 途 や 衛 星 搭 載 用 と して 製 作 され た 推 進 系 はす べ て この 白 金 メ タル ハ ニ カ ム触 媒 を利 用 して お り,今 後 に っ い て も現 時 点 に お い て は 変 更 の 予 定 は な い.し た が っ て,次 章 以 降 で 述 べ る触 媒 評 価 に っ い て は,す べ て 白金 メ タル ハ ニ カ ム触 媒 の み を対 象 と し,前 述 の 他 の 候 補 品 に っ い て は 対 象 外 と して 取 り扱 うも の とす る.
ま た,触 媒 につ い て は 個 体 差 が 存 在 と予 想 され る他,寿 命 の 影 響 に よ り正 しい 評 価 が で き な く可 能 性 も 存 在 す る.本 研 究 にお い て は,そ れ らの 影 響 を最 小 限 に 留 め るた め,4っ の個 体(触 媒 番 号:#5‑#8)を 用 い て 評 価 を行 う こ と と し,利 用 履 歴 に 偏 りが な い よ う利 用 触 媒 を 実 験 ご とに決 定 した.
鳴望」
図2.5白 金 メ タ ル ハ ニ カ ム 触 媒 外 観 表2.3白 金 メ タ ル ハ ニ カ ム 触 媒 諸 元26}
Parameters Unit Value
CompositionofMatrix PackingSpecificGravityofMatrix
Diameter Lengtll CarmAmountofPt
mmLmm宙
Fe‑Cr‑Al O.4toO.6 11.Otol25 19.8to20.5
18to4,0
第3章 触 媒 分 解効 率 の評 価
3.1評 価 方 法
2,1節 で 述 べ た オ ー プ ン カ ップ試 験 も評 価 手 法 の ひ とつ で あ る.し か しな が ら,オ ー プ ン カ ップ 試 験 の 場 合,試 験 液 で あ る60wt%過 酸 化 水 素 水 は 常 時 被 試 験 体 周 辺 に停 滞 して い る状 態 で あ り,停 滞 して い る 試 験 液 を徐 々 に 分 解 す る の に 対 し,実 シ ステ ム にお い て は あ る程 度 の 流 速 を もつ 試 験 液 を 分 解 す る 必 要 性 が あ る た め状 況 が 異 な る.ま た,停 滞 して い る 液 体 は 分 解 が 進 む に つ れ て 過 酸 化 水 素 濃 度 が 変 化 す るた め,濃 度 に よ り分 解 効 率 に 差 異 が あ る場 合,評 価 方 法 と して は適 さな い 可能 性 が あ る.容 器 内 に 液 体 が 残 留 して い る場 合 に つ い て は,そ の 液 体 に含 まれ る過 酸 化 水 素 の質 量,お よ び投 入 した 過 酸 化 水 素 の 質 量 が 測 定 で きれ ば, 分 解 効 率 を 算 出 す る こ とが 可能 で あ る.し か しな が ら,残 留 液 体 に つ い て は 単 に触 媒(特 に触 媒 活 性 物 質 で あ る 白金 が 担 持 され て い る 箇 所)と 接 触 しな か っ た 試 験 液 が 残 留 して い る 可 能 性 も存 在 す る.そ の た め,厳 密 に は 未 反 応 分 の 過 酸 化 水 素 と,未 接 触 分 の 過 酸 化 水 素 の 総 和 が 残 留 液 体 中 に含 まれ て い る過 酸 化 水 素 量 と な っ て お り,現 実 的 に は オ ー プ ン カ ップ試 験 に お い て 分 解 効 率 を 定 量 的 に 評 価 す る こ とは 困 難 で あ る.
した が っ て,オ ー プ ン カ ップ 試 験 は 異 な る触 媒 や 同 一 触 媒 の 劣 化 状 況 を評 価 す るの み で あ れ ば 質 量 変 化, お よび 温 度 変 化 の差 異 を 検 証 す る こ とで 評 価 可 能 で あ るが,本 研 究 に お け る過 酸 化 水 素 の 分 解 効 率 測 定 に お い て は,実 シ ス テ ム に 近 い 条 件 の 元,定 量 的 に 評 価 す る 必 要 性が あ る こ とか ら,オ ー プ ン カ ップ 試 験 以 外 で 評 価 す る 必 要性 が あ る.な お,実 験 目的 を 考慮 した 上 で 設 定 した,評 価 手 法 が 満 た す べ き 要 件 は 下 記 の 通 り で あ る,
● 実 シ ス テ ム に 近 い 構 成 に て測 定 ・評 価 が 可 能 で あ る こ と.
(実 シ ス テ ム の 一 部 を 利 用 して 測 定 ・評 価 が 可 能 で あ る こ と.)
● 流 量 や 推 進 剤 の 通 過 時 問,初 期 温 度 等 の パ ラ メ ー タ変 更 が 用 意 で あ る こ と.
● 分 解 効 率 につ い て,定 量 的 な 測 定 ・評 価 が 可 能 で あ る こ と.
こ こ で,過 酸 化 水 素 の 分 解 反 応 に お け る熱 化 学 方程 式(式(3,1)参 照)に 着 目す る,こ の 分 解 反 応 に お い て 発 生 す る も の は,水(気 体,液 体),酸 素(気 体)と 反 応 熱 で あ り,未 反 応 分 の60wt%過 酸 化 水 素(気 体, 液 体)も 考 慮 す る と,測 定 方 法 は 表3.1の よ うに整 理 す る こ とが で き る,な お,捕 集 気 体 を利 用 す る 手 法 に っ い て は,表 に 掲 載 した 体 積 測 定 法 の他,気 体 の 発 生 量 に 応 じて 生 じる圧 力 差 を 測 定 す る圧 力 測 定 法27}も 考 え られ る が,シ ステ ム の 下 流 側 に 一 定 容 積 の 容 器 を接 続 し,反 応 物 を そ の容 器 に 蓄 積 した場 合,容 器 が 過 大 で あ れ ば 圧 力 差 が 生 じ に くい た め 測 定 が 困 難 とな り,容 器 が 過 小 で あれ ば シ ス テ ム 下 流 側 の圧 力 が 大 き く上 昇 し,シ ステ ム の 動 作 ・性 能,更 に は分 解 反 応 に も影 響 を及 ぼ す こ とが 予 想 され る.適 切 な 容 器 設 計 を 実 施 す れ ば シ ス テ ム へ の 影 響 も少 な い 状 況 下 で の 実 験 も可 能 と思 わ れ,そ の 場 合 酸 素 の 発 生 量 の み を 測 定 で き る た め よ り精 度 の 高 い 評 価 が 可能 で あ る とい え るが,容 器 に よ っ て 実 験 条 件 の 領 域 が 狭 ま る 可 能 性 もあ る こ とか ら,本 検 討 か ら は 除 外 した,
H202‑H・O+502+96140[J]1 (3.1)
表3.1測 定 手 法 の 比 較
対 象 気 体 液 体 反応熱
概 要
測定物質 時間経過
誤 差
水上置換にて気体捕集後 目盛iを読んで体積測定
酸 素
測定困難 大(目 測)
電子秤 を用いて 残留液体 の質量を測定
過酸化水素 測定可能
小
カ ロ リ メ ー タ 等 で 測 定 (反応 熱 〉 測 定 可 能
小
い ず れ の 測 定 方 法 も利 点,欠 点 の 双 方 を併 せ 持 っ て い る.気 体 を 測 定 す る場 合,被 測 定 対 象 を 酸 素 の み に 絞 る こ と が で き るの で 高 精 度 な 測 定 が 可 能 で あ る反 面,測 定 に っ い て は 目測 とな る た め 測 定 誤 差 が 大 き く, ま た,気 体 で あ る た め 温 度 に よ る差 異 が 発 生 して しま うた め,補 正 が 必 要 で あ る.液 体 を測 定 す る場 合,質 量 を測 定 す るだ けで 済 む た め 測 定 が 容 易 で あ る が,分 解 に よ っ て 生 じた 液 体(未 反 応 分 の残 留 液 体 も含 む) の蒸 発 状 況 が こ とな るた め,残 留 して い る 過 酸 化 水 素 の 質 量 の み を測 定 す る必 要 性 が あ る.熱 量 を測 定 す る 場 合 に っ い て は,カ ロ リメ ー タ や 熱 電 対 等 に よ り温 度 や 発 生 熱 量 を測 定,も し くは 予 測 す る こ とで 比 較 的 高 精 度 な 測 定 が 可能 で あ る が,測 定 箇 所 に よ り結 果 が 異 な る 可 能 性 が あ る他,残 留 液 体 や 自然 対 流 に よ る放 熱
に よ り反 応 熱 の み を 計 測 す る こ とが 困 難 で あ る,
いず れ も何 か らの 補 正,も し くは 一 部 パ ラ メ ー タ を 推 定 す る こ とで 分 解 効 率 の 算 出 は 可 能 で あ る,そ の う ち,液 体 を 測 定 す る方 法 に お い て は,図3.L表3.2に 示 す 過 酸 化 水 素水 濃 度 計 を用 い る こ とで 残 留 液 体 中 に 含 まれ る過 酸 化 水 素 の 質 量 を算 出 す る こ とが 可 能 で あ る.し た が っ て,測 定 方 法,測 定機 器 とも に 簡 素 で 取 扱 い が 容 易 で あ る こ とか ら,本 研 究 にお い て は,分 解 反 応 後 の 液 体 を捕 集 し質 量 を測 定 後,過 酸 化 水 素 水 濃 度 計 の 計 測 値 を用 い て 分 解 効 率 を算 出 す る こ と と した,
◎
悔
P乱 ・馴同図3.1過 酸 化 水 素 水 濃 度 計PAL‑39S外 観29)
表3.2過 酸 化 水 素 水 濃 度 計PAL‑39S諸 元28}
Parameter Unit Value
Measurementrange Temperaturerange
Resolution Accuracy SampleVolume
PowerSUPPly size Weight Waterooffunction
醐℃畿㎡ m
m 9
0.Oto50.O lO.Oto35.0
±0.2%
±0,6%
>0.3 AAAbatteryx2 55(W)x31(D)x109(H) 100 1P65
