複合多孔質粒子層を用いたパッシブ水素生成器の開発

2016 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 16K06110
• Research Institution: Yokohama National University
• Principal Investigator: 奥山 邦人 横浜国立大学, 大学院工学研究院, 教授 (60204153)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2019-03-31
• Keywords: 多孔質粒子充填層 / 毛管力 / 触媒反応器 / 気液二相流 / パッシブ型

Outline of Annual Research Achievements

多孔質のもつ多様な機能（毛管力, 熱伝達・物質移動促進機能, 触媒担持機能）を利用して、熱源からの熱のみにより, 液体燃料から水素を発生させるパッシブプロセスにおいて、燃料の予熱、気化、反応の各段階に適した物性の異なる多孔質粒子を反応器内に積層設置することにより、各要素プロセスの制御性とプロセス全体の効率を向上させ、効率よく水素を得るための充填層内の熱流体現象の解明と反応器設計の指針を得ることを目的とする。
触媒を担持した多孔質粒子を反応管に充填し、管の下端を液体燃料に浸して燃料を含侵させ、管の上部側壁に熱を与えると、下方から順に(a)液体予熱域,(b)蒸発域,(c)反応域(乾燥域)の3領域が形成し、燃料は気化・反応して上端から流出する流れが誘起される。3領域の長さや安定性は充填層内の気液の圧力損失と毛管力との釣合いによって決まり、3領域の流動と伝熱により反応温度や反応収率などプロセスの性能が決まる。充填層及び粒子の特性値（毛管力、透過係数、気孔率）、液体飽和度(空隙部の液体含有率)の管長さ方向分布の加熱による変化が3領域の形成と流動に大きく影響する。
１年目(平成28年度)は、単一種類の多孔質粒子からなる充填層において、(a),(b),(c)3領域が安定して存在し, 液体と蒸気が定常的に安定して流れるための多孔質粒子の特性、反応管寸法、加熱量等の条件を実験と理論から明らかにした。また加熱区間にのみ粒子径と透過係数が大きい多孔質粒子を充填した複合多孔質層について予備的実験を行った。その結果、単一種類の小さな多孔質粒子を用いる場合より広い長さにわたり乾燥域が形成した状態で安定した流れが誘起されること、また乾燥域から流出する蒸気温度が高くなることなど、高い反応収率や熱利用効率が期待できる結果が得られた。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

理論解析に必要となる液体含有率と毛管力の関係、透過係数などの測定も行い、それらの結果を用いて、管上部に乾燥域が形成した状態で管下端から上端への定常流れが力学的に成立することが単一粒子充填層の場合について理論モデルにより示されたこと、実験においても解析による予測とおおむね一致する加熱条件において乾燥域の形成が見られること、実験において管下端からの液の吸引と上端から過熱蒸気の流出の安定した流れが生じていること、複合多孔質粒子層においても安定した流れが生じることが確認できたことから、想定したプロセスは基本的に成立しうることが判明したので、おおむね順調に進んでいると判断した。

Strategy for Future Research Activity

2年目(平成29年度)は、計画にしたがって、複合粒子充填層について理論解析と実験を行う。理論解析に必要となる液体含有率と毛管力の関係、透過係数などの測定も実験で扱うそれぞれの粒子について、先ず水を用いて行い、それらの結果を用いて、管上部に乾燥域が形成した状態で管下端から上端への定常流れが力学的に成立すること、また安定した流れが生じる加熱量条件範囲を理論計算により示す。実験においても解析による予測と一致する加熱条件において乾燥域の形成が見られるかどうかを確かめる。実験において管下端からの液の吸引と上端から過熱蒸気の流出の安定した流れが生じていることを加熱量を変化させて調べる。メタノールなど反応実験に用いる液体についても同様の解析と充填層の基礎量測定を行う。高い反応収率を得るための条件について検討する。