[发明专利]燃烧合成系统、反应生成物、物品、燃烧合成方法、发电系统、等离子体发生装置以及发电装置

说明书

技术领域

本发明涉及燃烧合成系统、反应生成物、物品以及燃烧合成方法，尤其涉及使用含有Si的颗粒粉末、含有SiO₂的颗粒粉末以及N₂气的燃烧合成系统、反应生成物、物品以及燃烧合成方法。此外，涉及发电系统、等离子体发生装置以及发电装置。

背景技术

在产业、运输、消费生活等中使用的全世界的消費电力，在2010年为1.36×10¹⁶Wh。其中，主要工业用素材的制造约占30％。特别地，以铁为主成分的特种钢的制造约占8％。作为能源，化石燃料依然占约85％的高比例。但是，摆脱对于化石燃料的过度依赖的根本性的解决对策尚未被发现。

工业革命以来一直辛劳持续的铁文明导致使特定资源枯竭的状况，并且被认为是全球变暖的原因之一。因此，作为代替铁的材料，硅(以下，也称为金属硅、金属Si，简称Si)受到关注。尽管Si在构成地球地壳的元素中占27％，但基本上以未使用的状态残留。利用Si的技术尚且刚刚开始开发。

为了由Si得到有用的材料，已开发了几种方法。例如，作为用来在氮气氛下的加热室内使金属Si反应而得到硅氧氮化物系陶瓷的方法，已知有燃烧合成法(以下，也简称为燃烧合成)。对将燃烧合成时的反应体系的内压和温度控制在一定值，从而稳定地实行硅-氧-氮系燃烧合成的控制型燃烧合成装置的实用化进行了研究。这里，硅-氧-氮系燃烧合成是指使用固体的Si、SiO₂等氧供给源、以及气体的N₂作为原料的燃烧合成。控制型燃烧合成是指通过控制内压和温度，从而尽可能地抑制反应热的燃烧合成。作为用控制型燃烧合成装置制造的各种硅氧氮化物系陶瓷的Si_6-zAl_zO_zN_8-z(以下，也称为塞隆、Sialon(s))、不含Al的SiON(以下，也称为塞恩(サイ才ン)、Sion(s))被称为硅合金，对用途开发也进行了研究。特别地，作为控制型燃烧合成装置，对于控制燃烧合成时的压力和温度从而能够稳定地合成塞隆系陶瓷的装置的实用化已有进展。

控制型燃烧合成的特点为，与现有技术相比几乎没有能源成本而能够稳定地生产硅氧氮化物系陶瓷。使用控制型燃烧合成装置，可生产出具有在工业上有用的特性的几种硅氧氮化物系陶瓷(非专利文献1、2)。

[现有技术文献]

[非专利文献]

[非专利文献1]K.H.Jack，JournalMaterialScience(材料科学)Vol.11(1976)pp1135

[非专利文献2]YuwanwenWo等，JournalofMaterialsSynthesisandProcessing(材料合成与加工)Vol.4，No.3，(1996)pp137

发明内容

[本发明要解决的技术问题]

由于燃烧合成一般爆发性地进行，因此伴随反应会产生大量的能量。硅在氮环境中燃烧时所产生的能量在合成O’塞隆时被实际测到。由于通过用来诱发反应的短时间的火花而点火，因此如以下的式1所示的那样，没有从外部投入能量而进行放热反应。

3Si+SiO₂+2N₂→2Si₂N₂O(ΔH⁰＝-984.6kJmol^-1)···(式1)

这里所示的焓变ΔH⁰表示由反应体系或生成体系的每1mol材料产生的总放热量。若将该值换算成反应体系或生成体系的每单位重量的材料的电量，则可换算为1.36kWh/kg。换言之，在该体系的反应体系或生成体系中的放热反应，通过素材材料的氮燃烧合成产生1.36kWh的电力。

同样地，关于生成β塞隆(z＝3)的焓变ΔH⁰，可如以下的式2那样进行计算。

3Si+6Al+3SiO₂+5N₂→2Si₃N₄AlNAl₂O₃(ΔH⁰＝-973.6kJmol^-1)···(式2)

若将此时产生的每1kg反应生成物(这里为Si₃N₄AlNAl₂O₃)的1157Kcal的热量换算成电力，则为1.4kWh。