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

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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。