反応帯分離リアクタによるすす前駆体生成過程の選択的計測とモデル構築

• 研究課題/領域番号: 16H06068
• 研究種目: 若手研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 研究分野: 熱工学
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 中村 寿 東北大学, 流体科学研究所, 准教授 (40444020)
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2020-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2020年度)
• 配分額: 24,180千円 (直接経費: 18,600千円、間接経費: 5,580千円); 2019年度: 3,120千円 (直接経費: 2,400千円、間接経費: 720千円); 2018年度: 6,370千円 (直接経費: 4,900千円、間接経費: 1,470千円); 2017年度: 11,180千円 (直接経費: 8,600千円、間接経費: 2,580千円); 2016年度: 3,510千円 (直接経費: 2,700千円、間接経費: 810千円)
• キーワード: 燃焼 / すす / 改質 / 酸化 / 分析化学

研究成果の概要

すす生成は急峻な温度上昇を伴う狭い反応帯で、酸化反応、前駆体の生成と成長、粒子の形成と成長が同時に進行するきわめて複雑な物理化学プロセスである。本研究では、反応帯分離を実現する独自のリアクタを用いて、様々な炭化水素、アルコール、炭酸エステルのすす生成過程において、前駆体の生成と成長を酸化反応および粒子の生成と成長から分離し、すす生成限界および前駆体濃度の計測を行った。得られた結果を元に、既存モデルの問題点を抽出した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

前駆体生成モデルの妥当性と課題抽出が実施できたことにより、燃焼器からのすす生成低減を目的とした数値シミュレーションの予測性能向上が期待される。また、すす生成することなく高い改質率を実現する条件の発見、炭酸エステル等のバッテリー電解液との類似性へ着想から、燃焼改質と組み合わせた燃料電池の開発、バッテリー電解液の反応性評価という新たな展開を実現できた。

研究成果

• [国際共同研究] Arizona State University/Syracuse University(米国)
• [雑誌論文] Study on Products from Fuel-rich Methane Combustion near Sooting Limit Temperature Region and Importance of Methyl Radicals for the Formation of First Aromatic Rings (2021)
  • 著者名/発表者名: Kanayama Keisuke、Dubey Ajit、Tezuka Takuya、Hasegawa Susumu、Nakamura Hisashi、Maruta Kaoru
  • 雑誌名: Combustion Science and Technology 巻: - 号: 4 ページ: 832-849
  • DOI: 10.1080/00102202.2020.1787394
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Effects of n-Butanol Addition on Sooting Tendency and Formation of C1 - C2 Primary Intermediates of n-Heptane/Air Mixture in a Micro Flow Reactor with a Controlled Temperature Profile (2018)
  • 著者名/発表者名: Mohd Hafidzal Bin Mohd Hanafi, Hisashi Nakamura, Susumu Hasegawa, Takuya Tezuka, Kaoru Maruta
  • 雑誌名: Combustion Science and Technology 巻: 190 号: 12 ページ: 2066-2081
  • DOI: 10.1080/00102202.2018.1488694
  • 査読あり
• [雑誌論文] Study on sooting behavior of premixed C1-C4 n-alkanes/air flames using a micro flow reactor with a controlled temperature profile (2016)
  • 著者名/発表者名: Ajit Kumar Dubey; Takuya Tezuka; Susumu Hasegawa; Hisashi Nakamura; Kaoru Maruta
  • 雑誌名: Combustion and Flame 巻: 174 ページ: 100-110
  • DOI: 10.1016/j.combustflame.2016.09.007
  • 査読あり
• [学会発表] Oxidation of Dimethyl Carbonate and Diethyl Carbonate in a Micro Flow Reactor with a Controlled Temperature Profile (2021)
  • 著者名/発表者名: Keisuke Kanayama, Shintaro Takahashi, Shota Morikura, Hisashi Nakamura, Takuya Tezuka, Kaoru Maruta
  • 学会等名: 38th International Symposium on Combustion, Work-in-Progress Poster
  • 国際学会
• [学会発表] Gas-phase reactivity difference between dimethyl carbonate and diethyl carbonate in a micro flow reactor with a controlled temperature profile (2020)
  • 著者名/発表者名: Keisuke Kanayama, Shintaro Takahashi, Shota Morikura, Hisashi Nakamura, Takuya Tezuka, Kaoru Maruta
  • 学会等名: Seventeenth International Conference on Flow Dynamics
  • 国際学会
• [学会発表] 温度分布制御型マイクロフローリアクタを用いた気相の炭酸ジメチルと炭酸ジエチルの反応性の差異に関する研究 (2020)
  • 著者名/発表者名: 金山佳督, 高橋伸太郎, 森倉渉太, 中村 寿, 手塚卓也, 丸田 薫
  • 学会等名: 第58回燃焼シンポジウム
• [学会発表] Formation of C2 Hydrocarbons at Low Temperature from Fuel-rich CH4/air Mixture in a Micro Flow Reactor with a Controlled Temperature Profile (2018)
  • 著者名/発表者名: Keisuke Kanayama, Takuya Tezuka, Susumu Hasegawa, Hisashi Nakamura, Kaoru Maruta
  • 学会等名: The 15th International Conference on Flow Dynamics
  • 国際学会
• [学会発表] Formation of Soot Precursors at Low Temperatures for Fuel-Rich CH4/Air Premixtures in a Micro Flow Reactor with a Controlled Temperature Profile (2018)
  • 著者名/発表者名: Keisuke Kanayama, Takuya Tezuka, Susumu Hasegawa, Hisashi Nakamura, Kaoru Maruta
  • 学会等名: The 37th International Symposium on Combustion, work-in-progress poster
  • 国際学会
• [学会発表] Micro-combustion of Natural Gas for Solid Oxide Fuel Cells (2018)
  • 著者名/発表者名: Ryan J. Milcarek, Mengyuan Chu, Hisashi Nakamura, Kaoru Maruta, Jeongmin Ahn
  • 学会等名: The 15th International Conference on Flow Dynamics
  • 国際学会
• [学会発表] Solid Oxide Fuel Cells Replacement of a Traditional Catalytic Converter (2018)
  • 著者名/発表者名: Thomas S. Welles, Jeongmin Ahn, Hisashi Nakamura
  • 学会等名: The 15th International Conference on Flow Dynamics
  • 国際学会
• [学会発表] 温度制御型マイクロフローリアクタにおける低温域での超過濃CH4/air混合気からのC0-C2化学種生成 (2018)
  • 著者名/発表者名: 金山佳督，手塚卓也，長谷川進，中村 寿，丸田 薫
  • 学会等名: 日本燃焼学会第56回燃焼シンポジウム
• [学会発表] Effects of n-butanol addition to the sooting limits and PAH formation of n-heptane in micro flow reactor with a controlled temperature profile (2017)
  • 著者名/発表者名: Mohd Hafidzal Bin Mohd Hanafi, Hisashi Nakamura, Susumu Hasegawa, Takuya Tezuka, Kaoru Maruta
  • 学会等名: 14th International Conference on Flow Dynamics
  • 国際学会
• [学会発表] Study on impacts of n-butanol addition to n-heptane on PAH formation in a micro flow reactor with a controlled temperature profile with GC measurement (2017)
  • 著者名/発表者名: Mohd Hafidzal Bin Mohd Hanafi, Hisashi Nakamura, Susumu Hasegawa, Takuya Tezuka, Kaoru Maruta
  • 学会等名: 第54回日本伝熱シンポジウム
• [学会発表] Study on sooting limits of n-heptane / n-butanol mixtures in a micro flow reactor with a controlled temperature temperature profile (2016)
  • 著者名/発表者名: Mohd Hafidzal Bin Mohd Hanafi, Hisashi Nakamura, Takuya Tezuka, Kaoru Maruta
  • 学会等名: The 36th International Symposium on Combustion, Work-in-Progress Poster
  • 国際学会
• [学会発表] Study on sooting process in rich methane and ethane flames using a micro flow reactor with a controlled temperature profile (2016)
  • 著者名/発表者名: Ajit Kumar Dubey, Takuya Tezuka, Susumu Hasegawa, Hisashi Nakamura, Kaoru Maruta
  • 学会等名: The 36th International Symposium on Combustion, Work-in-Progress Poster
  • 国際学会
• [学会発表] tudy on Sooting Limits and PAH formation of n-Heptane/n-Butanol Mixtures in a Micro Flow Reactor with a Controlled Temperature Profile (2016)
  • 著者名/発表者名: Mohd Hafidzal Bin Mohd Hanafi, Hisashi Nakamura, Takuya Tezuka, Kaoru Maruta
  • 学会等名: Thirteenth International Conference on Flow Dynamics (ICFD2016)
  • 国際学会
• [学会発表] Sooting Limit of n-heptane/n-butanol Mixture in a Micro Flow Reactor with a Controlled Temperature Profile (2016)
  • 著者名/発表者名: Mohd Hafidzal Bin Mohd Hanafi, Hisashi Nakamura, Takuya Tezuka, Kaoru Maruta
  • 学会等名: 第53回日本伝熱シンポジウム