流れ 2012年4月号 目次
― 特集テーマ：水素の流れ ―
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水素拡散の実験的研究
井上雅弘 |
1. はじめに
水素拡散に関するCFDシミュレーションはFC車内部の水素漏洩、車庫やトンネル内での水素漏洩など広く応用されているが、実際に水素を用いた水素拡散の実験的研究は少ない。筆者は資源工学の安全に関する分野で、メタンガスの流動や爆発、火災ガスの流動などを主に実験的に解明してきた。この分野では空間は規則正しい形状はしておらず、また、表面の凸凹も、粗さという言葉では表現できないほど複雑である。このような状況でもCFDシミュレーションはもちろん有用であるが、実験して初めて分かること、確認できることがあるのも事実である。このため、水素拡散に関しても実験的研究を行っている。
２．まず、安全
水素を用いる実験はコンピュータ・シミュレーションと違って、場合によっては危険である。このため、水素を実験室に集積しないようにしなければならない。このためにはどのような排気方法が適切かという検討を行った。図１は天井に水素が漏洩した場合でも常時吸引していれば集積しないはずなので、天井からどの程度の距離で吸引すれば良いかを検討したものである。最初から天井の一番高いところに孔が空いていれば排気は簡単であるが、既存の実験室にはそのような孔はないのが普通である。この実験は室内なのでヘリウムで代用している。ガスを模擬天井直下でスポンジの中に放出し、できるだけ乱れがないようにした。このとき図２の破線に示すように、天井におけるガスの最高濃度はほぼ30～35％であり、これより高くなることはない。ある程度集積したところで下から10cmの位置で吸引すると濃度はほぼ0％程度まで低下する。ただし、吸引口の真上（実線）は5～10％程度である。吸引口を20cm離すとほとんど吸引できない。本実験のシュリーレン写真を図３に示す。上方のガスが吸い込まれている様子が分かる。
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| 図１ 水素の天井集積のモデル | 図２ 天井直下のヘリウム濃度の時間変化 |
図３ シュリーレン写真
３．水素は軽いから直ぐ上にいくのか
九大の水素実験施設は安全のために種々の対策を実施している。その１つにヒヤリハット報告がある。このなかに実験していない部屋の水素濃度が上昇し、安全システムにより電源が遮断される事例がいくつか報告された。規定では水素センサーで500ppmの濃度が検知されるとそのブースの電源が遮断され、1000ppmを超えるとその部屋全体の電源が遮断される。電源が遮断されると継続中の実験は台無しである。最初はこの原因が不明であった。内部の配管から水素が漏れているとすると一大事である。総合的な検討から、ある部屋の実験において大量の水素を排出した際に、別の部屋の水素濃度異常が検知されるようであった。その水素はどこから来ているのか。最終的に屋上の排気口より放出した水素が、それよりかなり下にある実験室の吸気口から入っているのではないかと推定された。図４に示す建物の屋根より１ｍ高い位置（矢印１）に排気口がある。水素濃度異常が生じたのは写真の左側の入気口につながる実験室（矢印２）である。このように排出口より低くかつ離れた場所にまで水素が流動するのであろうか。そこで、写真に示すようにセンサーを建物の周りに設置し測定を行った。このとき時間をおいて水素450Lを一気に放出した。同図に示すように、排気口直近での水素濃度は22および68％である。問題の実験室の入気口の濃度は600および500ppmであった。その他の箇所で濃度は最高で1500ppmが観測されたが全く観測していない場所も多い。図５はそのときの濃度の時間変化である。これで見ると放出から400秒近く建物の周囲を水素が漂っていたことが分かる。
図４ 実験棟（HY21）周辺の水素濃度測定結果：風向南東（左側の手前から吹いている）、風速約10m/s（変動大）。濃度は450L放出の1回目と２回目の最高値(ppm、排出口は%)。＊は検出していないことを意味する。赤：100%用、黄：10％用、青1000ppm用のセンサ使用。排出口での温度変化は観測されず。左右の写真は建物の左右を撮ったもの。
図５ 実験棟（HY21）周辺の水素濃度の時間変化
４．センサの位置
水素流動実験では水素燃焼実験より遙かに多くの水素を使用する。試験管の中で水素を燃やしたことのある方は大勢いらっしゃると思いますが、その何万倍もの体積の水素が燃焼した場合の威力は相当大きいことは想像に難くない。このため、最初の水素流動の実験は、埋め立て地の周囲の何もないところで行った。放出した水素には自由に出ていって欲しいが、周囲の風がその拡散に影響することは避けたい。しかし、空間がつながっている以上は全くの無関係は困難である。ここで、水素が漏洩した場合の天井直下の水素濃度の測定を行った。実験結果は図６に示すように周囲の風に左右されたような変動があった。このためこの実験からあまり普遍的な結論を導き出すのは控えた。
このため、本年(2011)度図７に示すように半分のサイズで実験室でヘリウムを用いた同様の実験を行った。その結果を図８に示す。実験室なので風の影響はないはずであるが、この結果からガス濃度はかなり変動していることが分かる。すなわち、流動にある程度の揺らぎがあるのは自然なことではないかと思うようになった。逆にいうとこのような揺らぎがあることを前提に測定システムを組まなくてはならないと考えている。また、平均濃度が３％でも、ある時間に水素の可燃濃度を超えるような揺らぎがある場合には、危険である。シミュレーションでもこのような変動を考慮されているのか気になっている。図９は壁に沿った濃度を示している。天井よりも低い７番でも１％程度の濃度が観測されている。これは前述の建物の周囲の水素と同じで、水素は全てが直ぐに上に行くわけではないということを示している。図１０はCFDで解析した、実験と同じ条件の場合の濃度分布である。ガスがやはり下のほうまで到達している。ガスは目に見えないのでこのように可視化するとよくわかる。なお、本計算の境界条件やメッシュの切り方には経験を要するようである。
図６ 天井モデル、屋外、水素使用
図７ 室内での天井モデルの実験概要
図８ 天井近傍の濃度
図９ 壁面近傍における濃度
図１０ 実験と同じ条件でのCFDの結果
５．おわりに
図１０の計算結果は機械工学部門の月川氏に提供いただいた。ここに記して謝意を表する。また、天井モデルの周囲の壁に沿って水素が下降するのではないかということは月川氏から指摘された。実験ではここにセンサーを配置していなければこのことはわからない。このように実験と計算は補うものであると思われる。ここで紹介した事例は数値シミュレーションの指標になるようにデータを整理してシミュレーションされる方に提供できるようにしたいと考えている。何らかの参考になれば幸いです。