成果報告書詳細
管理番号20140000000261
タイトル平成24年度成果報告書 新エネルギーベンチャー技術革新事業(風力発電その他未利用エネルギー)「500-800℃で高効率発電が可能な熱電子発電器の技術開発」
公開日2014/6/13
報告書年度2012 - 2012
委託先名株式会社プラズマアプリケーションズ 国立大学法人静岡大学
プロジェクト番号P10020
部署名技術開発推進部
和文要約件名:平成24年度成果報告書 新エネルギーベンチャー技術革新事業(風力発電その他未利用エネルギー)「500-800℃で高効率発電が可能な熱電子発電器の技術開発」

1950年代に始まった熱電子発電器の研究は、動作原理、材料開発、発電特性解析用ソフトの開発などで大きな成果を収めた。
しかし、高効率発電には高仕事関数のエミッタを1500℃以上に加熱する必要である上、空間電荷中和のために電極間隔を1mm以内に維持しなければならないといった困難な課題のために、2000年代までに多くの国でこの研究が終息するに至った。
旧ソ連の核分裂エネルギーを利用するTOPAZと呼ばれる宇宙開発用熱電子発電器とオランダの天然ガスを熱源とするTECTEMが、例外的に実用レベルに到達した。
 2010年頃から、p型半導体に光と熱を同時供給することにより、半導体の禁制帯電子を導電帯に光/熱励起するとともに、エミッタ表面の電子親和力を微量に封入したセシウムで低下させれば、200-800℃の低温で大きな電子流を取り出すことがで
き、20-30%の発電効率を実現できることを紹介する論文が、Nature Materials誌に掲載された。(この効果はPhoton Enhanced Thermionic Emission:PETE効果と呼ばれる。)
 本研究開発では、(1)Nature論文のPETE効果の検証、(2)長バンドギャップの半導体Bおよび短バンドギャップの半導体Cを用いたPETE効果の実験的検証、(3)空間電荷中和用低電力補助放電方式の確立、に関して以下の研究成果を上げた。
(1)Nature論文の理論に基づいて半導体B、CおよびDのPETE効果を数値解析した。放出電流はCで最も大きく、数値計算で設定した動作条件で30A/cm2であった。また、半導体Bでは、UV光を用いある動作条件下でのエミッタ放出電流は2μA/cm2 に留まった。
(2)-1 半導体BのPETE効果測定
・実効面積:0.28cm2の半導体BエミッタのUV光照射により、1.5μA/cm2のエミッタ放出電流を測定した。この値は数値計算の結果と良く一致する。
・放出電流を増大させるために半導体Bエミッタ温度とUV放射光を高めると、放出電流密度は3.6mA/cm2まで増加した。照射光強度およびエミッタ温度とエミッタ放出電流の関係は数値解析で求めたPETE効果と一致する。
(2)-2 半導体CのPETE効果測定
・PETE効果に可視光を利用できる半導体Cは製造コストが半導体Bに比べて安価で放出電流も大きいので、低温動作のPETE型熱電子発電器に適している。高温動作が必要な場合には半導体Bを利用できるがコストは高い。半導体Dはエミッタ放出電流が少なく効率が悪いので、本研究目的には不適当である。
・低コストの半導体Cを使えば、既存の太陽電池の製造コストとほぼ同等にすることが可能である.
 以上のように半導体の加熱温度は不十分であるが、照射光強度への応答、セシウム量、エミッタ温度に対する変化はPETE効果により説明できた。
(3) 低電力マイクロ波による空間電荷中和用補助放電。
・低電力マイクロ波放電により空間電荷を十分に中和できるプラズマの発生に成功した。PETE型熱電子発電器にとって有用な手法である。
英文要約Title: New Energy Venture Bussiness Technology Innovation Program/ New Energy Venture Bussiness Technology Innovation Program(Biomass)/ The efficient bioethanol productive technology development that utilizes multistage saccharification and fermentation, and use of the bioethanol fuel FY2011 Final Report

The changing of glucose densities for various saccharification conditions were measured to optimize the process of repeating saccharification and fermentation method. The repeating saccharification and fermentation method is expected to achieve high efficiency conversion from cellulose to glucose.At first, we describe about the process of determination of saccharification time.During saccharification of cellulose by cellulase, a glucose density increases with increasing saccharification time at first. And then, increasing of the glucose density became moderate and stopped after the glucose density reached a saturation density.We measured time at which glucose density reaches saturation under typical saccharification conditions. As a result of these experiments, we found that 72 h of saccharification lead the glucose density to saturation value for every saccharification conditions.Furthermore, the glucose density was found to decrease by addition of dry yeast. This fact means that ethanol fermentation was happened by addition of dry yeast.Next, to reveal the most suitable liquor ratio condition, glucose densities changing were measured for various saccharification conditions which varied amount of addition of 50 mM acetic acid buffer (pH5). From these results, glucose densities increased with decreasing liquor ratios. These results mean that decreasing liquor ratio enabled enzyme to access cotton fiber easily due to increasing of enzyme density. And after 72 h saccharification, the increasing of glucose density was very small. It is preferable that the amount of addition of 50 mM acetic acid buffer solution is fewer to obtain high glucose density. In addition to this result, the realizable liquor ratio which can carry out in the test plant were also taken into consideration, the liquor ratio was determined to be 1:10.Furthermore, to reveal the best amount of enzyme addition, saccharification were carried out with varying the amount of addition of enzyme and then the change of glucose densities were measured. The result of these experiments, we found that the glucose density increase with increasing amount of addition of cellulase. These results also mean that increasing the amount of addition of enzyme enabled enzyme to access cotton fiber frequently due to increasing of enzyme density. Then it is prefer to increase the amount of addition of cellulase for effective saccharification. However, because the price of enzyme determines is a dominant factor to determine the price of bioethanol, the amount of addition of enzyme is desirable to be minimum. Then we investigated the relativity between the amounts of addition of enzyme and obtained glucose density. And then we found that the degree of increasing glucose densities over 20 wt% additions was smaller than below 20 wt%. So we decided the amount of addition of enzyme to be 20 wt% of the cotton.
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