高圧水素の燃焼実験 および数値解析

福岡水素エネルギー戦略会議 研究分科会
高圧水素の燃焼実験
および数値解析
2009年7月10日
武野計二
三菱重工業株式会社 高砂研究所
流動・燃焼研究室
1
水素の燃焼における特徴
・水素は化石燃料や自然エネルギを変換して製造
・気体水素の単位体積当たりのエネルギ密度が小さい
（メタンの1/3，プロパンの1/8以下）
⇒ 貯蔵には高圧化や液化
（40MPa以上の高圧 or 20Kの保温)
・気体の中で最小の密度と最大の拡散速度を持ち，漏洩
しやすい
・爆発範囲，特にrich限界が75%と広い。最小着火エネル
ギ∼0.2mJ。爆轟に遷移し易い気体
2
3
4
発表内容
高圧水素の噴出における着火時の影響
・高圧拡散火炎・・・スケール，保炎
・水素／Air予混合気の爆発
安全対策事例
5
概 要
○分散利用の典型である水素供給ステーションでは現在，
高圧の気体水素による貯蔵・供給が検討
○ 40∼70MPa程度での貯蔵を計画
← 体積当たりの発熱量がメタンの約1/3，プロパンの約1/8
○高圧水素の漏洩（噴出）は安全性評価における不具合想定
として必須の現象
周囲空気と拡散混合して予混合気が形成された後に着火 ⇒ 爆発
即座に着火した場合 ⇒ 拡散火炎として燃焼
＃ 溶接欠陥やき裂を想定したピンホール（∼1mm），破断を想定した
破孔（∼10mm）からの噴出・着火実験
＃ 燃焼状態（火炎形状，スケール），周囲への影響度（火炎温度，輻射熱）
6
高圧水素噴出・着火（拡散火炎）実験状況
10mmφ 40→1MPa
同左 6m位置に3mH×6mWの壁有り
28MPa ⇒ 20m（長さ）
28MPa ⇒ 4.5（縦）×15（横）m
7
3.6m
21m
燃焼状況（d=10mm，P=28MPa）
（Naによる炎色反応で着色）
8
1380mm
丸形 （○）
（直径 0.53mm）
正三角形 （△）
（一辺 0.7mm）
ｽﾘｯﾄ形 （ ）
（幅 0.2×縦 1mm）
前面から
横方向から
燃焼状況（d=0.53mm）及びノズル断面形状の影響
（Naによる炎色反応で着色）
9
形成された火炎
ノズル開口
拡散方向
(m2/s)
三角形開口ノズル（一辺0.7mm）から水素噴出時の乱流拡散係数分布
（P=40MPa,ノズル開口面から大気側へ0.1mm位置の断面）
10
10000
100
10
1
0.01
0.1
1
10
100
Lf/d
着火点距離 Lig (mm)
1000
噴出圧力 P (MPa)
1000
：d=0.32mm
10000
火炎長 Lf (mm)
：d=0.53mm
：d=1.17mm
：d=2mm
1000
411.2･P0.455
：d=5mm
100
：d=10mm
10
0.01
100
0.1
1
10
100
1
10
100
噴出圧力 P (MPa)
噴出圧力 P (MPa)
最大火炎幅 rfmax (mm)
10000
L f / d = 411.2 ⋅ P 0.455
1000
rf max / d = 73.9 ⋅ P 0.521
100
10
0.01
0.1
1
10
噴出圧力 P (MPa)
100
火炎形状計測結果例（丸形ノズル，d=1.17mm）
M=
Po A
RTo
⎛ 2 ⎞
⎟
+
κ
1
⎝
⎠
κ⎜
P : [ MPa ]
κ +1
2 (κ −1)
11
火炎長 Lf (mm)
100000
10000
噴出口径
(mm)
16700･M0.5
1000
10.0
2.0
0.53
100
0.0001
0.001
0.01
0.1
流量 M (kg/s)
1
5.0
1.17
0.32
10
噴出流量と火炎スケールの関係
12
自由噴流拡散火炎の理論
m fc = m fc 0 exp( −
4D
x)
2
ur F
4D
−(
) x F = ln ξ
2
ur F
（消炎限界H 分率）
2
2
rB
xF ∝ u
D
DT = lT u ' ∝ rB u
rF
mfc0
mfc
x F ∝ rB
（拡散火炎長∝ノズル孔径）
rB
x
xF
13
×１０5
Barrel Shock
Mach Disk
５mm
9
×１０5
7
5
3
1
静圧 (Pa)
-1
2500
2000
1500
1000
500
0
流速 (m/s)
Lig=31.5mm
火炎基部のシュリーレン写真像
（d=1mm，P=1MPa）
JET BOUNDARY
マッハ数 (−)
BARREL SHOCK
Mach Disc
P0
D
P∞
xs
X
温度 (K)
3
2.5
2
1.5
1
0.5
0
320
280
240
200
160
120
80
-5
0
5
10 15 20 25 30
ノズル先端からの距離(mm)
14
水素噴出時（P=1MPa，d=1mm）のノズル近傍の流体力学的構造
100
亜音速領域では
乱流拡散火炎のスケール（L）はｄに比例
流量（M）はノズル断面積（A）に比例
↓
Pressure (P) (MPa)
10
Blow-off
Stabilized
1
0.1
L ∝ d ∝ A0.5 ∝ M 0.5
0.01
0
0.5
1
1.5
Nozzle diameter (d) (mm)
流速過大によるBlow-off
流量的制限によるBlow-off
［乱流火炎の局所的消炎・・・］
ここでの保炎の定義：
火炎等の確実な着火源を噴流に近付けて
着火させ，その着火源を遠ざけても定置火
炎形成される場合
Leakage rate of hydrogen (M) (kg/s)
1.E-01
1.E-02
Stabilized
1.E-03
Blow-off
1.E-04
1.E-05
1.E-06
1.E-07
0
0.5
1
1.5
Nozzle diameter (d) (mm)
15
保炎範囲の噴出口径，圧力，及び流量への依存性
火炎基部の構造検討
・H2/O2素反応（7段）を考慮した拡散火炎計算結果例（d=1mmφ，P=40MPa）
・乱流計算：k-ε，EDC（Eddy Dissipation Concept）により流体計算とｶｯﾌﾟﾘﾝｸﾞ
流線
Lig=31.5mm
温度分布
OH濃度分布
O2濃度分布
HO2濃度分布
ｼｭﾘｰﾚﾝ写真
16
高圧噴出水素への着火実験状況（爆発）
10mmφ，40MPa，tign=0.1s
Vfmax∼300m/s
P(6m）∼5kPa
10mmφ，40MPa，tign=0.5s
Vfmax∼950m/s
P(6m）∼70kPa
17
爆発の典型的連続写真（40MPa，10mmφ，24m相当，td=51ms）
No.
カウンタ
経時(ms)
1
1.318
2
2
1.320
4
3
1.322
6
4
1.324
8
5
1.326
10
6
1.328
12
0.10
0.10
1.00
0.72
1.39
1.2
1.65
1.39
1.78
1.47
1.85
1.68
7
1.330
14
8
1.332
16
9
1.334
18
10
1.336
20
11
1.346
30
12
1.356
40
13
1.366
50
1.92
1.75
1.94
1.83
1.95
1.91
1.97
1.86
1.89
1.9
1.69
1.79
1.64
1.68
0
1.316
0
写真
1.0m
火炎形状
1.0m
長さ(m）
高さ(m)
No.
カウンタ
経時(ms)
写真
火炎形状
長さ(m）
高さ(m)
18
時間遅れ（tign）を伴う着火 ⇒ 爆発
12ms
PK-4（3.9m）
155ms
1m
6.00
5.00
4.00
3.00
2.00
1.00
0.00
-1.00
Ignition Point
after-burning of continuously
leaked hydrogen
20.4 kPa
×
10.56
10.61
10.66
Time (S)
10.71
10.76
着火点から4m位置における圧力波形
（P=40MPa, d=10mm, tign=2s）
○圧力波の立ち上がりが爆燃としては極めて速い。
○最大火炎伝播速度は950m/s程度であり，予混合気流れの
速度（約250m/s）を考慮しても，正味の火炎伝播速度は
700m/s程度。
○高圧噴出による初期乱流混合により，着火直後から強い
乱流予混合燃焼が起こった為と考えられる。
○10mmの大開口条件（非定常噴出）では，噴出後の着火時
刻が早い程，最大過圧は大きい傾向。
○これは，噴出総量より，噴出質量速度（乱流エネルギ）が効
いていることを表す。
5ms
15ms
35ms
125ms
55ms 85ms 105ms
高速度ビデオで捉えた火炎先端位置の移動状況
（P=40MPa, d=10mm, tign=2s）
20
Leading position of propagating flame (m)
Overpressure (V)
175ms
：High-speed video
：High-speed video
：Ionization pin
Horizontal direction
15
Vf=978m/s
10
Vertical direction
5
0
0
50
100
150
200
Time from ignition （ms）
火炎先端位置の時間変化 19
（P=40MPa, d=10mm, tign=2s）
These two data were measured
along H2 jet axis.
Peak overpressure at x=8-10m (Pa)
100000
For these 4 cases, ignition points (Xign)
were far from nozzle.
10000
0.5∼2mm，40MPa，Xign=0.5∼2m
1000
5mm，40MPa，Xign=4m
10mm，10MPa，Xign=2m
100
10mm，40MPa，Xign=4m
10mm，40MPa，Xign=7.5m
10
10mm，40MPa，Xign=4m
25mm，40MPa，Xign=7.5m
1
0.001
0.01
0.1
1
10
Leakage rate at ignition (kg/s)
着火時の水素噴出流速と最大過圧の関係
20
St = Tc ⋅ 1.8u '
+2.5ms
0.412
⋅ Lt
0.196
⋅ Sll
0.784
⋅ν 0.196
Sll = Sl (1 + Fc R f )
2
+5ms
S
Rc = ρ ⋅ t ⋅ min[m fu , mO 2 / s, m pr /(1 + s)]
Df
14
12
+7.5ms
+12.5ms
10
Pressure (kPa)
+10ms
Experimental
(GE-7B)
Calculation
8
6
4
2
0
-2
-4
0
0 .01 0.02 0.03 0.0 4 0.05 0.06 0.0 7 0.08
Time (sec)
+15ms
0
5
10
15
20
25 [m]
○爆発シミュレ−ションにおける初期条件として，
噴流・拡散計算で求めた初期乱流特性値を
使用。圧力波形状，絶対値，火炎伝播速度
（∼700m/s）をほぼ再現できた（乱流モデル
はRANS）。
○ 但し，Tc=2.5の比例定数の導入が必要
→Leの影響を加味
21
d=0.5mmφ，P=40MPa
22
分散型火炎
代表的な値として，
δ∼5×10-5m
SL∼2m/s
u’∼40m/s
λ∼5×10-3m
↓
Ｋａ∼1.5
Da∼5
Borghiの乱流火炎構造ダイヤグラム
Ｌ／δ∼102
（Ka=δ/SL･u’/λ，Da=SL/δ･L/u’）
u’／SL∼20
23
代表的な値として，
δ∼5×10-5m
SL∼2m/s
u’∼40m/s
λ∼5×10-3m
Le∼0.7
↓
Ｋａ∼1.5
（Ka・Le∼1.1）
Bradleyによる乱流燃焼速度の一般関係図
u’／SL∼20
RL∼2500
24
:Stream Line
:Higher Diffusive Reactant; Dh
DhPoor
Dl Rich
:Lower Diffusive Reactant; Dl
Burned
Reaction
Sheet
Turbulent Burning Velocity ST (cm/s)
爆発解析−乱流燃焼モデルの改良 (1/2)
In the case of CH4or H2- mixtures,
DhRich
Dl Poor
H2/O2/N2
・層流燃焼速度を15 cm/sに揃えた当量比
fの異なるメタンおよびプロパン人工空気
混合気の乱れ強さu と乱流燃焼速度ST
との関係では，層流燃焼速度が等しいに
も関わらず同一乱れ強さで乱流燃焼速
度が当量比により大きく異なる 。
SL0cm/s : 10, 15, 25, 35, 50
ST / SL0
u'=0.98m/s :
10
・これは，火炎面での選択拡散によって起
こる現象であり，水素/Air予混合気でも，
当量比の小さい領域で燃焼速度は増加
する。
5
0
0.1
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
Equivalence Ratio φ
図９
ST/SL0 とφの関係(u’=0.98m/s)
・この現象を，爆発シミュレーションに組み
込み，特に希薄域での精度向上を図った。
φ=0.8
φ=0.9
φ=1.0
50
φ=1.1
Quenching Limit
φ=1.2
0
0
1
2
3
Turbulence Intensity u' (m/s)
(a)
In the case of C2H6or C3H8- mixtures,
Fuel is Dl and O2 is Dh.
15
P0 =0.101MPa
T0=298K
SL0 =15cm/s
100
Fuel is Dh and O2 is Dl .
Turbulent Burning Velocity ST (cm/s)
Unburned
(Fuel/O2/N2)
CH4 /N2/AIR
150
150
4
メタン
φ=1.5
C3H8 /N2 /AIR
P0=0.101MPa
T0=298K
φ=1.4
100
φ=1.2
50
φ=1.0
φ=0.7
0
0
Quenching Limit
SL0=15cm/s
1
2
3
Turbulence Intensity u' (m/s)
(b)
4
プロパン
図 2 層流燃焼速度を揃えた炭化水素−
酸素 −窒素 混合 気の乱 流燃焼 速度 特性
(S L0=15cm/s)
25
爆発解析−乱流燃焼モデルの改良 (2/2)
0.5
0.4
Hydrocarbon/O2/N2
SL0=15cm/s
Region I
0.4
Region II Quenching Limit
0.3
CH4:φ C3H8: φ
:0.7
:1.0
:0.8
:1.2
:0.9
:1.4
Exp.
:1.0
:1.5
:1.1
:Prediction by Model
0.2
0.1
0
0.0
0.5
1.0
Karlovitz NumberKaL
乱流燃焼速度の整理(CH4 &C3H8)
0 < Ka L ≤ 0.5
S t = (S L +
2
a m ⋅ α ⋅ u ' )(1 − Ka L2 )
2
0.5 < Ka L ≤ 1.0
St = (
λg 3
+ )S L
8 2 ηL 4
3
α
P0=0.101MPa
T0=298K
Quenching Limit
0.3
φ
φ
φ
:0.3
:1.3
:0.8
:0.4
:1.4
:0.9
:0.5
:1.0
Exp.
:0.6
:1.1
:0.7
:1.2
Cal.
:Prediction by Model
0.2
0.1
0
0.0
1.5
SL(Fuel, φ, SL0)を基準とした
図 13
H2/O2/N2
SL0=35cm/s
P0=0.101MPa
T0=298K
(ST–SL)/SL・(η L/λ g)
(ST–SL )/SL・(η L/λ g)
0.5
0.5
1.0
1.5
Karlovitz NumberKaL
図 14
SL(Fuel, φ, SL0)を基準とした
乱流燃焼速度の整理(H2, SL0=35cm/s)
・実験により乱流燃焼速度特性を把握・評価，乱流燃
焼速度特性を決定する重要な因子である乱流燃焼時
の選択拡散効果を考慮した平均局所燃焼速度を提
案し、Karlovitz数により場合分けされた以下の式によ
り乱流燃焼速度を定量化（Brayの式からの精度向上）
S t = 1.8u '0.412 ⋅L0t .196 ⋅ Sl0.784 ⋅ν −0.196
Brayの式
26
まとめ
１．噴出火炎に関して（噴出直後の着火）
○火炎スケール（L)は，ノズル径及びM（流量）0.5にほぼ比例。理想ノズルに対する
実験式として，L=399.2・ｄ・ P0.5 （ｄ：ノズル径，P:［MPa］）が得られた。
○水素噴出後に形成されるショック面（Mach Disk）の背後で保炎されている。その
ショック面の背後に亜音速ノズルが存在すると考えると，火炎スケールがP0.5及
びM0.5に比例した関係が説明できる。
２．爆発に関して（時間遅れを伴う着火）
○圧力波の立ち上がりは爆燃としては極めて速いが，これは高圧噴出による初期
乱流混合により，着火直後から強い乱流予混合燃焼が起こる為と考えられる。
これは，噴出後の着火時刻が早い程，最大過圧は大きい傾向におること等の結
果より裏付けられる。
○噴流計算の結果（乱流特性値）を初期条件として，爆発シミュレ−ションを行い，
圧力波形状，絶対値，火炎伝播速度（∼700m/s）をほぼ再現できた（乱流モデ
ルはRNS）。但し，2.5程度の比例定数の導入が必要であり，Leの影響のモデル
化など，今後の課題である。
○P=40MPaの水素噴出に着火した伝播火炎の乱流特性値は，Borghiの相関図に
おける分散火炎領域に当たる（Ka>1，Da<1）。
27
安全対策例
過流防止弁
24.3m
破断
4.3m
蓄圧器
40MPa
高圧バンク
40∼20MPa
20MPa
20∼10MPa
低圧バンク
×
過流防止弁
×
燃料電池車
破断
ディスペンサー
目的
大量漏洩防止対策である過流防止弁を使用して、配
管破断時の安全対策条件（作動時間、破断位置によ
る影響度など）を明確化する。
実験結果
①作動時間
過流防止弁の作動時間は数ミリ秒であった。
②爆風圧
過流防止弁から24.3m離れた位置で破断した場合、
破断位置から6m地点（敷地境界）における爆風圧は
20kPa未満。
28
強度に問題ないか？
高圧ガス保安法に準拠？
肉厚は調整可能
(但し、特注)
参考
Swagelok社製も実施
(完全に遮断しないタイプ)
図は、
29
Circle Seal Controls社製
実験装置＆コンフィギレーション
延長配管(本写真は10mループ)
破裂板
配管延長部
過流防止弁
オリフィス
コンフィギュレーションに合
わせ､延長配管を挿入
過流防止弁
ループ配管図
オリフィス(漏洩流量
設定)
コンフィギュレーション
想定
配管長さ
4.3m
8.8m
14.3m
24.3m
延長配管
備考
延長なし
1m×21.2mmφ
10m×10.9mmφ 10mループ
20m×10.9mmφ 20mループ
(b) 残留ガス影響度確認実験用装置
GH2
大気開放
破裂板
30
水素実在気体効果の影響検討
高圧下では、水素ガスは理想気体と異なる挙動を示す
水素ガスの実在気体に対する状態方程式を用いて、ノズル内での状態量変
化を１次元的に解析し、漏洩流量への実在気体効果の影響を検討した
入口境界
Peng-Robinson式 (PR式)
解析領域
ρRT
aρ 2α
p=
−
Μ − bρ Μ (Μ + bρ ) + bρ (Μ − bρ )
0.45724R 2Tc
a=
pc
2
、
b=
0.07780RTc
pc
出口境界
p0 ,T0
Me=1
α = [1 + m{1 − (T / Tc )1/ 2 }] 、 m = 0.37464 + 1.54226ω − 0.26992ω 2
2
臨界圧力 pc [Pa]
1.30×106
臨界温度 Tc [K]
33.25
偏心係数 ω [-]
-0.216
気体定数 R [J/(kmol・
K)]
8314.5
分子量
2.0159
M [kg/kmol]
ノズル内での膨張過程での、連続の
式、運動量の式、エネルギーの式を
１次元的に解く事で、状態量の変化
を解析した。
31
実在気体の噴出・拡散
100
80
1mmφ ﾉｽﾞﾙ
60
濃度[Vol%]
水素密度[kg/m3 ]
70
50
40
30
20
0.1
0.0001
0
0
50
100
1
理想気体近似
実在気体考慮
理想気体
NEDOハンドブック
Peng-Robinsonの式
10
10
150
200
圧力[MPa]
0.001
0.01
0.1
10
100
ノズルからの距離[m]
100
1.00
0.98
0.96
0.94
0.92
0.90
40
50
60
70
圧力[ＭＰa]
80
軸上濃度 C (％)
流量比
1
10
1
0.1
10
100
1000
10000
100000
無次元化風下距離 X/θ
G-1 φ0.5mm、40MPa(H15)
G-2 φ0.25mm、40MPa(H15)
G-3 φ1.0mm、40MPa(H15)
G-4 φ2.0mm、40MPa(H15)
G-5 φ2.0mm、20MPa(H15)
佐藤式（GH2 φ0.2mm)
産総研実験（φ0.2mm、35MPa)
産総研実験（φ0.8mm、35MPa）
シミュレーション結果φ0.8mm、40MPa
a1推奨値(=6000)
G-3A φ1.0mm､40MPa(H16)
G-3B φ1.0mm､40MPa(H16)
G-3C φ1.0mm､40MPa(H16)
G-3D φ1.0mm､40MPa(H16)
G-3E φ1.0mm､40MPa(H16)
G-12-1 φ1.0mm、40MPa(H16)
G-12-2 φ1.0mm、40MPa(H16)
G-12-1A φ1.0mm､40MPa(H16)
H19CFD結果；φ１−80MPa
H19CFD結果；φ0.2−80MPa
32
非定常CFD解析（配管からの流出流量）
2.5
流量[kg/s]
2.0
1.5
流量20ｍ（CFD)
Φ10直管
積算流量（理論値）
流量（理論値）
φ21-4m
（同体積）
φ10ループ
1.0
0.5
0.0
0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14
・直管もループも、流量はほぼ同じである。
・配管径が大きいと、初期の流量が大きくなる。
時間[sec]
33
爆発の典型的圧力波形（40MPa，10mmφ，24m相当，td=51ms）
Overpressure (V)
PK-1
火炎長さ+X
5.0
火炎長さ-X
第1波
火炎高さ+Y
火炎高さ-Y
4.0
8.00
7.00
6.00
5.00
4.00
3.00
2.00
1.00
0.00
-1.00
-2.00
-3.00
7.66 7.68
7.7
7.72 7.74 7.76 7.78
7.8
7.82 7.84 7.86 7.88
7.9
Time (S)
2.0
第2波
PK-1
1.0
Overpressure (V)
火炎サイズ (m)
3.0
ガス噴出による圧力波
0.0
-1.0
-2.0
0
10
20
30
40
50
60
経過時間 (ms)
70
80
90
100
8.00
7.00
6.00
5.00
4.00
3.00
2.00
1.00
0.00
-1.00
-2.00
-3.00
第1波，Pmax=36kPa
第2波，Pmax=22kPa
7.686 7.688
7.69
7.692 7.694 7.696 7.698
7.7
7.702 7.704 7.706
Time (S)
着火遅れを伴う爆発の場合には，3つの圧力ピークが見られる
①高圧水素の噴出時に生じる圧力波
②予混合気爆発による圧力波
③連続放出している水素噴流の爆発による圧力波
34
過流防止弁の着火タイミング
着火遅れ時間（漏洩開始から着火までの時間）と最大過圧との関係
30
過流防止弁から破断位置までの
想定距離（d=10mmφ配管）
4.3m
30
8.8m
過流防止弁から破断位置までの
想定距離（d=10mmφ配管）
25
14.3m
24.3m
最大過圧（X=6m） ΔPmax（kPa）
最大過圧（X=6m） ΔPmax（kPa）
25
4.3m
20
8.8m
14.3m
15
24.3m
10
20
15
10
5
5
0
0
0
20
40
60
80
100
漏洩開始から着火までの時間 td （ms）
120
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
着火時の漏洩流速 Ｍ （kg/s）
○最大過圧は，tignによって大きく変化し，水素の全量が放出するまでの時間より早期に着火した場合に，
最大となる傾向がある
○その最大となる着火遅れ時間は，想定した配管長が長くなるほど大きくなり，着火した時点における
漏洩流量（kg/s）と最大過圧には相関が見られる
35