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太陽光励起レーザーの開発と 高温化学への応用

関西大学 システム理工学部 電気電子情報工学科

准教授 佐伯 拓

財団法人レーザー技術総合研究所

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従来技術とその問題点 既に実用化されているものには、化学的な気相、液相によるナノ粒子の製造法があるが、 高製造コストと高運転コスト 多くの薬品を使用する 大量生産に向かない 材料回収 等の問題があり、広く利用されるまでには至っていない。

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新技術の特徴・従来技術との比較

１、太陽光を励起光源としてインコヒーレントな太陽光をレーザー光に変換 ２、励起のために電気を必要とする従来のレーザー装置よりも低運転コストが可能 ３、液相レーザ−アブレ−ション法により金属・非金

属ナノ粒子が他の方法と比較して簡易に低コストで大量生産可能

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○金属空気電池

太陽エネルギーと金属ナノ粒子を用いた 再生可能エネルギーの生産

鉄＝空気電池 起電圧 0.6V 1cm x1.5cm Fe3O4 =>Fe板

○水素製造 ○太陽光励起レーザー

太陽光励起高繰返しパルスレーザ−

Nd/Cr:YAGセラミック（神島化学）使用

関西大学システム理工学部

千里山キャンパス

太陽光

パルスレーザー化

酸化金属

XO

金属 X

還元 <5000K

酸化

ナノ粒子生成

太陽光励起 レーザー

金属空気電池

水と反応 水素製造

○レーザー金属還元

レーザー総研谷口

Fe3O4（砂鉄）を還元 レーザー照射後

400℃加熱後

高繰返しパルスレーザー使用 レーザー液相アブレ−ション

水と鉄ナノ粒子を用いた 小型水素製造装置

モーター

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金属ナノ粒子エネルギーサイクルの利点

利点 １、太陽エネルギーを利用 製造コスト 低 ２、低炭素利用 ３、金属（Al,Zn,Mg,Fe等） クラーク指数 大 世の中に広く流通する材料を使用 調達が容易 ４、エネルギー貯蔵問題を解決

太陽光

パルスレーザー化

酸化金属

XO

金属 X

還元 <5000K 酸化

ナノ粒子生成

太陽光励起 レーザー

金属空気電池

水と反応 水素製造

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太陽光励起パルスレーザーによる酸化鉄還元実験

関西大学 千里山キャンパス 2010年10月5日

レーザー ＋還元装置

M１林孝則

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レーザー発生＋ナノ粒子生成装置

レーザー発振器 10kHz Avr. 100mW

ナノ粒子生成装置 YAGセラミック

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太陽光励起レーザーの応用

太陽光エネルギーレーザーの特徴 従来のレーザ−よりも格段に低フォトンコスト 単純構造 （製造コスト低） 太陽光エネルギーのみ利用（運転コスト低） 連続光 レーザ−パワービーミング

人工衛星間、飛行機、船、車等の移動体 植物工場 パルス レーザー推進、スペースデブリ除去 金属・非金属ナノ材料量産、水素生成、加工 、医療 宇宙もしくは地上での利用（宇宙は利用率10倍）

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太陽光励起レーザーの変換効率の限界

○高変換効率の理由

従来のNd:YAG説

太陽光入力を100%とした時

-70%のスペクトル利用率

量子効率64%

変換効率 最大40%(1光子１光子発光）

Nd/Cr:YAGセラミック

光エネルギー＋熱エネルギーとして蓄積 ＝＞発光

実際は85%のスペクトル利用率

変換効率 80%が限界（太陽光全スペクトル＝＞レーザー光変換）

1光子２光子発光 フォノン補助クロス緩和 この時、熱エネルギー抽出

太陽光とレーザーとのスペクトル比較 波長(µm)

スペ

クト

ル強

度

色素増感太陽電池 に見られる

1.06µm

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金属ナノ粒子の生成と還元

Nd:YAG レーザー 1064nm 50mJ x 10Hz パルス幅 7ns

酸化鉄

スターラー

アセトン

Fe2O3

N2

集光せずただ当てるのみ ２ωや高繰返しレーザー も使用可

M. Kawasaki and N. Nishimura, J. Phys. Chem. C 112 (2008) 15647.

還元とナノ粒子化が同時に可能 ナノ粒子生成の物理 熱生成プラズマ << クーロン爆発

レーザー総研 谷口 関大システム B４古

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照射前 Fe2O3

Fe2O3 ＋Fe Fe

酸化鉄還元の実験結果

レーザー総研 谷口 関大システム B４古

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金属粒子を用いた水素製造・貯蔵サイクル

Fe金属粒子を用いた水素製造・貯蔵サイクル 還元 1/2Fe2O3＝＞Fe＋3/4O2 ΔＨ＝412kJ/mol（＞2000度） 水素生成 3Fe + 4H2O => 4H2 +Fe3O4 ( 200度)

参考 “Hydrogen Production by Three-Step Solar Thermochemical Cycles Using Hydroxides and Metal Oxide Systems”、 Patrice Charvin、Energy & Fuels （2007） 21, 2919-2928 Fe粒子水素生成・貯蔵サイクル 東京工業大学 大学院理工学研究科応用科学専攻 教授 大塚潔 東邦ガス マグネシウムエネルギーサイクル 東京工業大学 教授 矢部孝 その他

Fe2O3（赤錆）

FeO（黒錆）

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スチール ウール

利点 反応容器が小さい => 空気混合を防ぐ

反応炉体積 8mm x10mm x4mmt

水素濃度計

小型水素製造装置

水素

鉄微粉末

水 (20℃)

アルミフォイル

水上置換法

○水素製造装置

○実験装置

ホットプレートで加熱

T. Okada, S. Taniguchi, T. Saiki, T. Furu, K. Y. Iida, M. Nakatsuka, "Synthesis of Fe and FeO nanoparticles by Laser Ablation in Liquids and its Applications", Proc. the 1st Advanced Lasers and Photon Sources, 2012, p81.

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温度に対する水素生成量の変化（レーザー照射あり）

Reaction efficiency: 94% Mean size of Fe particles : 3-5 µm Mean size of Fe3O4 particles: 1µm

１）Generation of hydrogen was enhanced at over 350℃. => Temperature at which hydrogen is generated was degraded. ２）Reaction velocity of Fe nanoparticles was improved close to twice. ３）Maximum reaction efficiency of Fe nanoparticles was reached to 94％.

Fe 100mg

0

10

20

30

40

50

60

0 5 10 15 20 25 30Water (mL)

Volu

me

of g

ener

aged

hyd

roge

n (m

L) Ideal volume 53.3 (mL)

350℃

300℃

250℃

400℃Fe powder after laser irradiationFe

3O

4 powder after laser irradiation

Fe3O

4 powder

400℃

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燃料電池による発電

電圧 0.964V PEM燃料電池

水素

鉄粒子を小型水素製造装置に入れ水素を発生させて発電

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12mm

液相レーザーアブレーション還元 金属ナノ粒子からの金属板焼成

Fe plate Laser pulses were irradiated to Fe3O4 powder in liquid.

T. Saiki, T. Okada, K. Nakamura, T. Karita, Y. Nishikawa, Y. Iida, Air Cells Using Negative Metal Electrodes Fabricated by Sintering Pastes with Base Metal Nanoparticles, Jpn. J. Appl. Phys. (2012), submitted.他、査読中

レーザー出力の増加で1トン以上の Fe ナノ粒子が 1 日で製造可能

Averaged laser power : 0.25W Repetition rate :18 kHz Irradiation time : 20 minutes

Weight of Fe3O4 powder : 200 mg Mean size : 1 µm

T. Saiki, K. Fujioka, M. Nakatsuka, Y. Iida, “Efficient Amplification of Nd3+/Cr3+:YAG Ceramic Lasers Based on Cross-Relaxation under Solar-Pumping”, Technical digest of Conference on the Lasers and Electro-Optics (CLEO) (2012)JW2A.25.

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異種接合金属を用いた空気電池の原理

炭素極 （正極）

１、通常の空気電池

２、異種接合金属を用いた空気電池

異種金属接触腐食 組み合わせ FeとAl イオン化傾向大 AlとMg 利点 起電力の改善、省資源利用

金属 （負極）

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起電力が改善された空気電池

Mg空気電池 改良Al past -Mg 空気電池

出力電圧 Mg空気電池とAlペーストMg空気空気電池ともに1.4Vで電池容量は改良型が 1.5倍

空気電池

空気電池

Mg空気電池 蓄積エネルギー 密度（理論） 6500Wh/kg

T. Saiki, T. Okada, K. Nakamura, T. Karita, Y. Nishikawa, Y. Iida, Air Cells Using Negative Metal Electrodes Fabricated by Sintering Pastes with Base Metal Nanoparticles, International Journal of Energy Science (2012), in press. T. Saiki, K. Fujioka, M. Nakatsuka, Y. Iida, “Efficient Amplification of Nd3+/Cr3+:YAG Ceramic Lasers Based on Cross-Relaxation under Solar-Pumping”, Technical digest of Conference on the Lasers and Electro-Optics (CLEO) (2012)JW2A.25.

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電動キックボード

モータ 100W出力 バッテリー 12V4.5Ah 2個 走行距離 10km、速度15km

関西大学システム理工学部 千里山キャンパス 第４学舎第３実験棟前

B４ 狩田

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将来の目標

この空気電池は１次電池 負極金属板 還元金属ナノ粒子を焼成 空気電池として使用後に金属板を交換 金属板はリサイクル可能 発生した電力はPC、携帯、スマートフォン等のモバイル 車、バイク、船等の移動体へ利用 家庭用や工業用の電源へも利用

Mobile phone Panasonic

Fuel cell car TOYOTA

Electric motor bicycle YAMAHA

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想定される用途

• 再生可能エネルギーの生産 燃料電池用水素、及び空気電池用金属などに適した各種ナノ粒子の製造

• 表面コーティング用金属ナノ粒子の製造 • 医療用各種ナノ粒子の製造といった分野や用途に展開することも可能と思われる。

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実用化に向けた課題 • 現在、低出力の高効率太陽光励起レーザーの技術は開発

済み。高出力化が課題。 • 還元金属ナノ粒子製造について酸化鉄、アルミナの還元が

可能なところまで開発済み。しかし、他の酸化金属還元についてが未解決。

• 水素製造について高効率な水素発生が可能なところまで開発済み。しかし、水素の量産技術の開発が未解決。

• 今後、水素製造については実験データを取得し、燃料電池発電に適用していく場合の条件設定を行っていく。

• 空気電池について通常の金属板を用いた空気電池と同等の発電が可能なところまで開発済み。しかし、大電力発電の実証が未解決である。

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企業への期待

• 水素製造や空気電池による発電技術、もしくはナノ粒子の各種応用技術を持つ企業との共同研究を希望。

• また、再生可能エネルギーに関わる電源分野への展開を考えている企業には、本技術の導入が有効と思われる。

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お問い合わせ先

関西大学 社会連携部

文部科学省産学官連携コーディネーター

柴山 耕三郎

ＴＥＬ ０６－６３６８ －１２４５

ＦＡＸ ０６－６３６８ －１２４７

e-mail syakairenkei＠ml.kandai.jp