多孔質粒子層を用いたパッシブ水素生成器のスケールアップ手法の開発

2020 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 19K04212
• 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): 2019-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: 熱工学 / 多孔質粒子層 / 水素生成 / 液体燃料 / パッシブプロセス / スケールアップ

Outline of Annual Research Achievements

触媒を担持した多孔質粒子の充填層反応管の下端をメタノール液に浸し管表面から加熱すると, 乾燥域（温度上昇域）における反応と気液二相域（蒸発域）の毛管作用により水素を含むガスが連続的に生成するようになる。このようなパッシブ水素生成プロセスは化学再生によるエネルギー変換の高効率化などに資する。しかし, 処理量増加のため管径を増大すると, 下流の乾燥域内部に蒸発域が入り込んだ二次元分布を生じプロセス効率が著しく低下する。本研究はこのような反応器の二次元分布を伴う熱流体現象について実験と理論から調べ, 効率を低下させることなくスケールアップするための指針を構築することを目的とする。
昨年度（令和元年度）は, 反応管における乾燥域, 気液二相域, 液相予熱域の形成形態を反応管直径を変化させて調べ, 実験における最大直径（内径21mm）のとき乾燥域と気液二相域が半径方向に共存する顕著な二次元分布を形成することを実験的に明らかにするとともに, 3領域の形成形態を流体力学的視点（圧力損失, 毛管力, 重力の釣り合いなど）から考察した。
今年度（令和2年度）は, 管軸方向の気液の流れと半径方向の気液流れをそれぞれモデル化し, これらを組み合わせることにより, 管直径の大小による半径方向の乾燥域と気液二相域の形成に関わる二次元効果について理論的に調べ, 二次元効果の生成条件などについて実験結果と比較検討した。また二次元分布形成に対する多孔質粒子物性の影響について実験により検討した。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

充填層（粒径0.12 mm, 0.89 mmの活性アルミナ粒子を充填したもの）を用いた実験から, 基本的に反応管上部から順に反応域, 蒸発域, 液体域が形成するが, 二次元分布が無視できる小径の場合に比べ, 管直径が約3倍（原料処理量の増加に対応して断面積10倍程度までを想定）の21mmになると, 乾燥域内に気液二相域が共存するする二次元状態が現れること, このとき半径方向に150度程度の大きな温度分布が生じることなどがわかった。
二次元分布は加熱蒸発により増進された毛管力により管上方（出口側）に向かう流れに加えて半径方向（加熱面側）に誘起される毛管流によると考えられることから, 管軸方向の気液の流れと半径方向の気液流れについて多孔質の毛管力特性や透過特性を考慮した理論モデルを作成し, これらを組み合わせることにより二次元効果について検討した。その結果, 管径が大きい場合, 管中心部がまだ多量の液体を有している状態で加熱面付近に乾燥域が生成する形態が形成しうること, また理論モデルによる計算は実験と一致する傾向があることを確認した。
このような二次元分布は多孔質物性によるものと考えられることから, 平均細孔径が充填層と同程度でより広い細孔径分布を有する断熱煉瓦を用いて実験したところ, 乾燥域の内部に気液二相域が深く入り込むより顕著な二次元分布を形成した。より小さな細孔による大きな毛管力により顕著な分布を生じたものと理解される。このような二次元分布は加熱流束を増加し乾燥域が管軸方向に拡がるにつれて次第に小さくなったが, 管断面全体が乾燥域となる下流の温度分布や反応効率にも影響するものと考えられる。
研究は基礎現象理解の面で着実に進展したが、当初予定していた反応系の実験や理論解析まで進めることができなかった。令和3年度（最終年度）にこれらも含めて実施する予定である。

Strategy for Future Research Activity

これまでの実験的, 理論的検討から, 充填層管直径が増加し（原料処理量の増加に対応して断面積10倍程度までを想定）, 液体予熱域, 気液二相域, 乾燥域の3領域が, 管軸方向だけでなく半径方向に分布する場合においても安定して形成し, 液体と蒸気が安定して流入・流出することを明らかにした。また二次元分布を生じる条件は, 鉛直方向の毛管流れと半径方向の毛管流れを組み合わせて考えることにより, 多孔質物性を考慮した理論モデルを用いて解釈できることもわかってきた。
次のステップとして, 2021年度は, 触媒を多孔質粒子に担持し実際に反応を生じる系において実験を行い, 二次元分布が反応に及ぼす影響について検討を行う。原料処理速度と反応収率を実験により調べ, それらの反応域と蒸発域の分布状態,温度分布との相関について検討する。また理論解析を行って反応収率を律速する要因とパラメータを明らかにする。また反応管直径の増加とともに, 液相域, 蒸発域, 乾燥域が二次元的に分布することにより蒸発量や反応収率が減ってしまう事象を抑制し, 加熱量に応じた蒸発量の増加とプロセス制御性と効率向上を図るため, 3領域それぞれに適した異なる特性の多孔質粒子を配置した複合粒子充填層を用い, 特に大直径においても二次元分布を生じない条件を明らかにする。
以上を通して, 原料処理量の増大に対応して充填層が層厚になった場合においても, 加熱量に応じた蒸気量を生成しつつ, 水素をより効率よく得るためのスケールアップの考え方, パラメータ, 手法を明らかにし, 設計のための指針を構築する。