水素生成分離や撹拌における革新的なプロセス強化実現のための薄膜誘導加熱技術開発

• Project/Area Number: 24K07453
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 21010:Power engineering-related
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 中尾 一成 大阪大学, 接合科学研究所, 特任教授 (50586469)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 麻 寧緒 大阪大学, 接合科学研究所, 教授 (10263328) ; 中道 正紀 福井工業大学, 工学部, 教授 (70736115)
• Project Period (FY): 2024-04-01 – 2027-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥3,640,000 (Direct Cost: ¥2,800,000、Indirect Cost: ¥840,000); Fiscal Year 2026: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000); Fiscal Year 2025: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2024: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
• Keywords: 誘導加熱 / 薄膜 / 水素生成分離 / 撹拌 / プロセス強化

Outline of Research at the Start

電磁誘導下において薄膜化された導体を置くと漏れ磁束により自己誘導加熱するとともに周辺の導体部位も誘導加熱される。この薄膜効果や制御性を最大限に利用するために薄膜を撹拌翼、膜反応器に内蔵したシステムを提案した。これら薄膜への電力供給がどのように撹拌の伝熱、加熱時間や反応・膜分離の水素転換率、分離速度に影響を及ぼすかを現象論的に把握することは重要である。具体的には材質、膜間距離、膜の多孔性の有無などの物性や構造、周波数、電流などを可変させた"誘導加熱薄膜構造体”を構成する。これらが誘起する電流分配が撹拌や反応・分離条件と相まって本システムにどのような影響を及ぼすかを解析的、実験的に検証する。

Outline of Annual Research Achievements

2024年度の目的は水素反応器/分離膜への誘導加熱方式の導入可能性をバラック試験によって検証、併せて電磁界熱流体連成解析の精度を検証することである。
①電磁界解析による電力分配検証－2枚のSUS304薄膜(以下薄膜)への電力均等分配のための膜厚決定・・・・まず、電力分配構成のベースとなるコイル1個に対して薄膜2枚が対向している構成において薄膜に均等に電力分配がなされる薄膜厚みの探索を電磁界解析にて行った。解析条件として薄膜は□100mm、コイル外径100mm、内径50mm、ターン数10巻、コイル電流10A、周波数8kHz(解析1、2)、コイル－薄膜1間、薄膜間距離は共に5mmである。
薄膜1(コイルに近い側)の厚みを0.04mm～0.48mm、薄膜2(コイルから遠い側)の薄膜厚みを0.1mm～1.2mmで可変し、薄膜に印可される電力分配特性を把握した。その結果、薄膜1厚み：薄膜2厚みの比が1：2.5の時、均等に電力分配することを見出した。また、周波数を可変して電力分配比を制御できることも検証した。以上の検討から均等電力分配可能な薄膜厚みを決定できることを検証した。
②薄膜誘導加熱による電磁界解析精度の検証・・・・・外径φ100mm(内径φ47mm)、厚み2.8mmのコイルに40kHz、4.5Aの高周波通電にて対向した厚み0.5mm×□100mmの1枚の薄膜を誘導加熱する条件下にて電磁界解析を行い、薄膜の表面温度の過渡温度変化を求めた。また、同一構成における誘導加熱実験を行い、単一薄膜を誘導加熱可能であることを検証した。さらに、薄膜の非定常温度挙動の解析結果との比較にて－5～7%の精度で両者が一致することが確認され、電磁界熱流体解析モデルの妥当性が検証された。

Current Status of Research Progress

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

Reason

薄膜をコイルを対向させた状態で誘導加熱した構成にて薄膜が誘導加熱されることを実験的に検証した。また、実験と同じ構成の解析モデルを作成して電磁界・熱流体連成解析を行い、－5～7%と高精度で薄膜の非定常温度変化が高精度で一致することが確認された。

Strategy for Future Research Activity

2024年度はコイル1個に対して薄膜1枚を対向させた構成にて薄膜厚み、周波数をパラメータとした電磁界熱流体連成解析を行い、均熱電力分配可能な薄膜厚みを抽出した。さらに、コイル1個に対して薄膜1枚構成における非定常加熱の解析と実験結果の比較により電磁界解析精度が十分であることを検証した。今後、まず、コイル1個に対して薄膜2枚構成における非定常加熱分布の解析結果と実験結果の比較により、所定の電力分配比に電力分配制御が可能であるかの検証を行う。さらに、複数枚の薄膜構成において任意の電力分配比に制御可能な薄膜厚み、周波数、薄膜間距離をパラメータとする汎用的な電力分配手法を検討する。具体的には電気的な等価回路モデルから、均等あるいは任意の電力分配が可能なアルゴリズム(電気設計・制御パラメータ決定法)を構築する。
最後に確立された電力分配手法をベースに、①薄膜コイルが内蔵された撹拌翼と導体翼、導体撹拌槽からなる撹拌機構成において最大の熱コンダクタンスΣhA(h：翼の熱伝達率、A：翼伝熱面積)を示す電力分配構成を提案する。②開放コイルとそれに対向する多重円筒配置された薄膜から構成される円筒形反応器における水素生成時の吸熱反応解析を試みる。その反応率、温度分布の把握から誘導加熱型反応器の有効性を検証する。