水素とは|次世代エネルギーを可視化

水素とは?

水素のイメージ画像

水素とは原子番号1の非金属元素で、宇宙で最も豊富な元素です。無色無臭のガス状態で存在し、水や有機物の重要な成分です。エネルギー源としての利用が期待されており、特に利用時に炭素を排出しない「クリーンエネルギー」として注目されています。


水素の特徴

水素エネルギーのイメージ画像

水素は、化学的には最も単純かつ軽量な元素であり、地球上では主に水や有機物の形で存在します。その最大の特徴は、クリーンなエネルギー源として利用可能な点にあります。水素は燃焼または燃料電池での使用時に、唯一の副産物として水を生成します。

クリーンなエネルギー源として期待される理由

物理化学的性質:
水素は原子番号1で質量が最も軽い原子です。特有の物理的・化学的性質を持ち、高いエネルギー効率を実現します。

環境への影響:
水素の使用は二酸化炭素などの温室効果ガスの排出を伴わないため、地球温暖化の抑制に貢献する可能性があります。

エネルギー源としての利用:
水素は、化石燃料に代わるクリーンなエネルギー源として利用可能です。特に再生可能エネルギーを用いて水から水素を製造する(水電解)場合、サステナブルなエネルギーサイクルが実現可能です。

水素エネルギーの応用|燃料電池車、発電、産業プロセス

燃料電池車(FCV):
水素をエネルギー源として使用し、電力を生成することで燃料電池車。排出物は水のみで環境に優しい輸送手段とされています。

発電所:
水素を燃料として使用する発電所では、化石燃料に比べてCO2の排出が大幅に削減できます。再生可能エネルギー由来の水素を使用することで、完全なクリーンエネルギー発電が可能です。

産業プロセス:
水素は製鉄や化学工業での還元剤として使用されるほか、食品業界での包装材の成形ガスとしても利用されています。


自動車産業における水素の利用

水素で走る自動車

自動車産業における具体例として、燃料電池車(FCV)があります。FCVは水素ガスを電気に変換し、その電気で自動車を走らせます。熱と水蒸気以外に排気ガスを出しません。

また、FCVは自ら発電もします。バッテリーに蓄えられた電気を電気モーターに使う従来の電気自動車(BEV)とは異なり、発電装置(燃料電池スタック)により、水素と酸素原子を結合させることで電気を作り出します。

今後は水素エンジンの活用も

今後は水素を直接燃焼させる水素エンジンの活用も検討されています。水素エンジンは、ガソリンの代わりに水素ガスを使用します。基本的な原理は内燃機関と同じで、空気と燃料の混合気を圧縮し、燃焼室で点火して動力を発生させます。

水素ガスを空気中で燃焼させると、生じる反応は非常にエネルギッシュで、かつ発生する副産物は水蒸気だけです。これは環境の持続可能性という点で大きなメリットになります。

起こる反応を単純化すると次のようになります。
2H2(g) + O2(g) -> 2H2O(g)

しかし 未だ実用化へは課題もある

大きなメリットを持つ水素エンジンですが、実用化へは技術課題も多くあります。ガソリンは通常、エンジンの吸気口や燃焼室に噴射されます。同様に水素の噴射では、水素の着火エネルギーが低いため、より注意深く制御する必要あります。

可燃範囲が広く燃焼速度が大きい水素は、プレイグニッション(早期着火)やバックファイア(逆火)が発生しやすいと言われています。

供給面での課題

クリーンで豊富なエネルギー源であり、大きな可能性を持つ水素ですが、供給面においても課題があります。水素は体積エネルギー密度が低く、貯蔵と輸送が難しい物質です。効率よく製造、貯蔵、供給できるかが商業的な実用可能性における課題になります。

現状では、水素は液体の状態ではなく、管理とコストの面から気体で扱うのが一般的です。カトウ光研では、目に見えない気体の状態である水素を可視化する技術を提案しています。


水素を可視化する技術

水素をシュリーレン法の技術を使って可視化しています。ノズルから放出される水素の”密度差”をシュリーレン法で画像として捉えます。撮影にはハイスピードカメラを使用した「水素のスーパースロー映像」です。

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画像解析で水素の挙動を定量化

直噴ノズルからの水素|挙動をPIV計測

直噴ノズルからの水素の速度ベクトル

速度ベクトルを算出

直噴ノズルからの水素の渦度

渦度を算出

水素の挙動をグラフで表示

速度ベクトルとグラフを算出
画像から水素の挙動を計測することで、異常燃焼の原因となる高温部への流れを定量化。ノズル形状の違いや設置角度別でデータ化できます。

シュリーレン法で可視化された水素の画像から、PIVで流体解析をした事例です。計測エリア内の速度ベクトルを算出し、流れ場を定量化できる画像計測技術です。

※シュリーレン法とPIVを組み合わせた手法を特にSIV(Schlieren Image Velocimetry)と呼びます。SIVでは、シュリーレン法で可視化された密度勾配のパターンから、PIVによるパターンマッチングで速度ベクトルを算出します。

画像から水素の挙動を定量化するメリット

  • プレイグニッション(早期着火)など、着火のコントロールが難しい水素の挙動を検証できる
  • 角度や方向を解析することで、バックファイア(逆火)現象の検証ができる
  • エリア内のミキシング状況を判断、燃料直噴制御でNOx(窒素酸化物)の検証ができる
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噴霧の均一性を評価

水素の噴霧を疑似カラーで表示

噴霧の均一性を疑似カラーで表示

水素の放出角度を計測

噴霧の角度を数値化

シュリーレン法で可視化された水素をハイスピードカメラで撮影。得られたスーパースロー映像を画像処理(画像処理ソフトKM2.0)することで、計測エリア内に放出された水素の輝度分布が把握できます。画像の輝度分布情報を疑似カラーで表現することで、わかりやすく噴霧の均一性を把握できます。また、輝度分布の時間的変化を数値化して、グラフ作成も行えます。

シュリーレン法と画像処理の組み合わせは、ノズルの角度や位置、噴流の角度、流量による均一性の評価に最適で、シミュレーションとの比較検証にも有効です。

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動画画像処理ソフトKM2.0
”豊富な画像処理メニューを一括で管理・実行”
動画画像処理ソフトKM2.0は、豊富な画像処理メニューを一括で管理・実行できるソフトウェアです。手順も自由に選択、設定が可能です。

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