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多孔質の機能を活用した高速応答パッシブ水素生成器の開発

利用多孔特性开发快速响应被动氢气发生器

基本信息

批准号：
22K03962
负责人：
奥山邦人
金额：
$ 1.25万
依托单位：
Yokohama National University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-04-01 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

项目摘要

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て含侵させ、管表面から加熱すると、蒸発域（気液二相域）の毛管作用と乾燥した昇温域における触媒反応により水素を含むガスが発生するようになり, 化学再生によるエネルギー変換プロセスの高効率化などに資する。しかしこのようなプロセスでは、一般の乾燥工程からも類推されるように、蒸発により局所の液体含有率や乾燥領域が層内で刻々と変化し、安定した流動・反応状態に達するのに長い時間を要するため、熱負荷への応答性が悪く、プロセス効率が低下してしまうといった問題がある。本研究はこのようなパッシブ型反応器について実験及び理論解析を行い、プロセス効率を低下させることなく迅速な応答性を得るための設計の指針を構築することを目的とする。応答性向上の方法として、(a)反応管軸に沿って形成する、液体予熱域、蒸発域、反応域(乾燥域)が予め規定された長さとなる（領域発達過程の時間遅れがなくなる）ようにする方法、(b)蒸発域の充填層と管壁間に隙間を設け、蒸発が充填層の表面のみで起こる（蒸発の時間遅れがなくなる）ようにする方法、具体的には粒径による特性（毛管力及び透過係数）の異なる多孔質粒子や隙間を管内に幾何学配置することで気液流と熱流を受動的に制御する方法が考えられる。本研究では、層内温度分布から各領域の成長過程を、また蒸気と反応生成ガスの生成速度の時間変化から流動の発達過程を実験的に調べ、単一径粒子の充填層からなる系と比較検討した。その結果、管軸方向の応答性は大きく改善されたが、二相域では層内全域が飽和温度に達するまで蒸気は流出せず、想定した迅速応答性を得ることはできなかった。この原因については多孔質内特有の二相流現象に基づいて考察した。

The catalyst supports porous particles and fills the lower end of the reactor tube. The reactor tube is immersed in liquid, heated on the tube surface, capillary action in the evaporation region (gas-liquid two-phase region), drying in the heating region, catalyst reaction in the water content generation region, chemical regeneration, and high efficiency. In general, the drying process is similar to that of evaporation, and the liquid content in the drying process is different from that of evaporation, and the liquid content in the drying process is different. This study aims to improve the efficiency and design of the reactor. (a) the formation of the liquid heating region, the evaporation region, and the reaction region (dry region) along the axis of the reaction tube (b) The gap between the filling layer of the evaporation region and the pipe wall is set, and the surface of the evaporation filling layer is set. The method of controlling the particle size, the characteristics (capillary force and transmission coefficient), the geometric arrangement of porous particles and gaps in the tube, the method of controlling the flow of gas and heat transfer are discussed. In this study, the temperature distribution in the layer, the growth process in each field, the time variation of the vapor generation rate, the flow generation process, the adjustment of the particle diameter and the filling layer are compared. As a result, the response in the direction of the tube axis is greatly improved, and the response in the two-phase domain is rapidly improved. The reason for this is that the two-phase flow phenomenon peculiar to porous materials is investigated.