北海道大学 エネルギー変換システム研究室

北海道大学工学研究科
エネルギー環境システム専攻
エネルギー変換システム研究室
福井 薫（北海道大学大学院 工学研究科エネルギー環境システム専攻
エネルギー変換システム研究室 修士課程 2 年）
1．研究室の紹介
2．一部研究テーマの紹介
北海道大学は札幌市のど真ん中，札幌駅の前にこれでもか
とでっかく陣取っており，傍目にはとんでもなく迷惑な位置
2.1. 高効率・クリーンディーゼルのための物質拡散過程
の解明と制御に関する研究
にある大学です．しかしその広大な敷地内には銀杏並木やポ
ディーゼルエンジンは高い熱効率を有しておりますが NOx
プラ並木，牛が放牧されている大きな農場，まぶしい太陽の
や PM といったエミッションの低減が課題です．本研究室では
下でビール片手にジンギスカンを食する（通称ジンパと呼び
これまでに北海道大学方式急速混合燃焼法(CCD 燃焼法)を提
ます）学生達の姿等とても市街地のど真ん中とは思えない北
案した他，拡散・混合状態を定量表示する解析手法の提案を
大ワールドが広がっており，札幌市の観光スポットのひとつ
行ってまいりました．さらに主噴射に先立ち，副室からジェ
として市民の皆さんや観光客の方々に親しまれてもおります．
ットを形成し混合を促進することで噴霧火炎先端部の高温領
私が所属する工学研究科（工学部機械工学科）エネルギー
域に燃料塊を留まらせることなく燃焼させ，従来の拡散火炎
変換システム研究室は，近久武美教授（BOSS），田部豊助教
の形態を維持したままで高負荷域での NOx や PM などのエミッ
授，菊田和重助手のもと前期博士課程（修士課程）10 人，学
ションの同時低減を図るプレショック噴射法を提案し，可視
部生 6 人の学生が日夜研究に励みつつ楽しい研究室ライフ
（お
化定容燃焼容器や単気筒ディーゼルエンジン実機による検証
酒やお肉やマリオカー○などなど）を送っております．
実験を行っています．
研究テーマとしては「エネルギー問題」と「地球温暖化問
題」の解決に少しでも貢献し，環境調和型エネルギー社会の
実現に向けた研究を行っており，燃料電池やディーゼルエン
ジンなどの実験・数値解析などによる個々のデバイスの性能
Fuel Spray
向上のみならず，それらのデバイスの消費者選考モデルに基
づく普及までのシナリオ解析や省エネルギーのための都市づ
くりのシナリオまでも考えたコジェネレーションネットワー
クシステムの導入解析や，より地球的・長期的な視野に立っ
たシベリアの森林火災が及ぼす炭素収支の影響解析などを行
可視化定容燃焼容器 ディーゼルエンジン実機
っております．
環境調和型エネルギー社会の実現
Without
Jet
環境調和型分散協調
コジェネレーションネットワーク
システムの導入解析
将来型自動車
普及予測のためのシナリオ解析
シベリア森林火災の
地球環境影響評価
理想的なエネルギーシステムの普及，地球的視野でのエネルギー
システムに関するシナリオ解析研究
固体高分子形燃料電池の
性能向上と利用可能範囲の拡大
拡散混合燃焼をベースとした
クリーンディーゼル燃焼の提案
d=3mm
Vp=10cc
0.22ms
0.44ms
0.66ms
0.88ms
Time after injection [ms]
主噴射火炎を高速度ビデオカメラ(13500 フレーム/秒)
で撮影し，プレショック噴射が主噴射に与える影響を
理想的なエネルギーシステムを実現するためのデバイスの基礎研究
直接可視化した．
2.2. 固体高分子形燃料電池の性能及び低温起動特性の
改善に関する研究
こで本研究室では図に示すような分散協調型コジェネレーシ
ョンネットワークシステム構想を提案し，その課題と可能性
燃料電池の研究の大部分は電気化学的なもので，私達の研
について解析をおこなっております．これはコジェネレーシ
究室のように熱物質移動制御や構造設計などの機械工学的視
ョンが個別に独立して運転を行うのではなく，ネットワーク
点から研究を行っているところはわずかです．
全体で省エネルギー性や経済性が最良となるように協調的な
運転を行おうとするものであり，風力などの変動の大きな自
然エネルギーの導入もネットワークによるバッファー効果に
より容易になるものと考えております．ただし，個別コジェ
ネレーションの運用方法や配電系統の容量による導入限界量
については未知でありこれらの解析を行うことによって環境
調和型エネルギーシステムの方向性を明らかにしていきたい
と考えています．
生成水分布
電流密度分布
可視化燃料電池による計測結果：カソード側流路内の生成水
分布（左）では，酸素と水素の下流部である右側に凝縮水が
風力発電
火力発電
～
～
バッファー
負荷平準化
分布．それに対応した電流密度分布（右）
CGS
CGS
CGS
～
～
～
～
制御センター
分散協調型コジェネレーションネットワークシステム構想
サーモグラフィによる凍結時温度分布観測
番外編:スライドショー
低温起動実験における生成水の凍結に伴う発熱現象の二次元
的観測：右側の赤い部分で凍結が生じている，その後全体に
凍結が伝播する現象が観測された．
疎水性流路
親水性流路
牛を見ながらジンパ
農場で草を食む牛
セパレータ内の液滴挙動の格子ボルツマン解析：チャネル壁
三面が疎水性の場合（左図）には水が滴を形成し速やかに下
流である右側へ移動．壁が親水性の場合（右側）には，水は
壁面に広がりゆっくりと移動する現象が再現される．
2.3.環境調和型分散協調コジェネレーションネットワーク
システムに関する研究
ポプラ並木
秋には黄色くなります
コジェネレーションシステムは既存技術の中でも省エネル
ギー性と経済性の点から最も有望なシステムですが，現在の
ままの経済原理に任せた普及法では炭酸ガス削減効果は少な
く，建物群を効果的に配置し，熱や電気供給のネットワーク
を形成するような都市づくりが必要です．また，こうしたシ
ステムの実現にはコジェネレーション施設と電力会社との協
調的な連携が極めて重要であることが明確となりました．そ
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