2026/04/14 更新

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ヨシダ ケイスケ
吉田 啓佑
所属
理工学術院 先進理工学部
職名
助教

経歴

  • 2024年04月
    -
    継続中

    早稲田大学   理工学術院   助手

  • 2023年04月
    -
    2024年03月

    日本学術振興会特別研究員(DC2)

学歴

  • 2022年04月
    -
    継続中

    早稲田大学   大学院先進理工学研究科   応用化学専攻  

  • 2020年04月
    -
    2022年03月

    早稲田大学   大学院先進理工学研究科   応用化学専攻  

  • 2016年04月
    -
    2020年03月

    早稲田大学   先進理工学部   応用化学科  

研究分野

  • 反応工学、プロセスシステム工学 / 構造材料、機能材料
 

論文

  • Heat supply to and hydrogen desorption from magnesium hydride in a thermally insulated container with hot gas flow

    Keisuke Yoshida, Suguru Noda, Nobuko Hanada

    Chemical Engineering Journal   491  2024年07月  [査読有り]

    担当区分:筆頭著者

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    We experimentally studied hydrogen desorption from MgH2 by supplying heat via a hot gas flow. Porous sheets of MgH2 held in a sponge-like carbon nanotube (CNT) matrix were developed and placed in a coaxial double-tube reactor. Ar gas was heated using a cylindrical heater and then flowed alongside the MgH2-CNT sheets, thereby increasing the temperature of the sheets and enabling the desorption of hydrogen into the gas flow. The total energy efficiency was approximately 6.2% when 64% of hydrogen in MgH2 was desorbed. A numerical simulation was conducted for the heat transfer and hydrogen desorption, and the obtained results were consistent with the experimental results. According to the simulation, the low energy efficiency was attributed to the small heat capacity ratio of MgH2 to the reactor (0.082) and considerable radiative heat loss (53%). The simulation was used to predict energy efficiency improvements, and the efficiency was considered to increase to 12% upon increasing the heat capacity ratio from 0.082 to 1.4, and further to 21% upon doubling the Ar flow rate, which enhanced the convective heat transfer from the heater to MgH2.

    DOI

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    6
    被引用数
    (Scopus)
  • Numerical simulation of heat supply and hydrogen desorption by hydrogen flow to porous MgH<inf>2</inf> sheet

    Keisuke Yoshida, Kosuke Kajiwara, Hisashi Sugime, Suguru Noda, Nobuko Hanada

    Chemical Engineering Journal   421  2021年10月  [査読有り]

    担当区分:筆頭著者

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    We propose using hydrogen as a heat transfer medium to supply waste heat from hydrogen-driven devices to hydrogen storage tanks. In our model, MgH2 is used in the form of porous sheets, set in parallel in the tank, and heat is supplied via hot hydrogen flowed through the interspaces between the porous sheets. Feasibility of the hydrogen desorption reaction in this process was verified numerically. Hydrogen efficiently carried heat to the stack of porous MgH2 sheets via convective heat transfer and then carried heat into the porous MgH2 sheets via conductive heat transfer through the pores owing to its high thermal conductivity. We found that the hydrogen desorption is also fast enough to allow the supplied heat to be used efficiently to drive the endothermic hydrogen desorption reaction. It was understood that the thickness of the MgH2 sheet and hot hydrogen flow speed affected hydrogen desorption. These factors can be evaluated by using the dimensionless number of τs/τh which is the ratio of the space time to the time constant for heat transfer in the MgH2 sheet. Under τs/τh > 0.01 range, both the reaction and heat transfer are fast enough, the hydrogen desorption is limited by heat supply, and hydrogen desorption amount is proportional to the heat supplied to the reactor. The tank structure and operating conditions can be designed by using the dimensionless number of τs/τh.

    DOI

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    17
    被引用数
    (Scopus)

共同研究・競争的資金等の研究課題

  • 水素を熱媒体として廃熱を活用する水素吸蔵放出システムの開発

    日本学術振興会  科学研究費助成事業

    研究期間:

    2024年07月
    -
    2026年03月
     

    吉田 啓佑

  • 水素を熱媒体として廃熱を活用する水素吸蔵放出システムの開発

    日本学術振興会  科学研究費助成事業

    研究期間:

    2023年04月
    -
    2025年03月
     

    吉田 啓佑

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    水素化マグネシウム(MgH2)は高容量の水素貯蔵が可能な材料である。一方で、タンクに充填すると水素吸蔵/放出時には放熱/熱供給が重要となり、熱伝導率の低い粉体では固体の伝熱で不利となる。本研究の目的は水素を熱媒体として流通させ、水素化マグネシウム(MgH2)を用いた水素貯蔵タンクから水素を吸蔵放出させるプロセスの検証と多孔質材料を用いた実証、さらに固体酸化物形燃料電池(SOFC)と熱的統合したエネルギー供給システムへの応用である。本年度は主に多孔質材料から水素放出する実証実験を行った。多孔質材料としてMgH2とカーボンナノチューブ(CNT)を複合化したMgH2-CNTシートを作製し、断熱構造を施した反応器に設置した。高温のArガスを試料部分へ送り込むと水素の放出が確認された。また、実験装置の2次元モデルを作成し、対流伝熱によりシートに熱が供給されるモデルでシミュレーションを行った。温度変化や水素放出の結果が再現され、高温気体と多孔質シートの熱交換によって熱を供給するプロセスで水素が放出されることが示された。本実験では充填した水素量の99%を放出した際にエネルギー効率が低く6.8%であった。シミュレーションより、反応器の顕熱と放射損失が主な要因であり、MgH2の充填量の増加及び反応熱/熱容量比を低下することでエネルギー効率の向上が見込まれることが示された。
    また、提案する水素貯蔵タンクとSOFCを組み合わせたシステムを検討中である。本プロセスではMgH2タンクの出口水素温度が278 °C(平衡温度)であり、熱損失を抑えるために顕熱を回収し再利用する必要がある。流通水素が熱媒体としてSOFCとMgH2タンクの間で熱と水素を授受するMgH2タンク-SOFCシステムのシナリオを作成した。理想的に熱交換して熱損失のない定常運転にて最大発電効率68%(LHV)が得られることが分かった。

 

現在担当している科目

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特定課題制度(学内資金)

  • 高水素容量水素化マグネシウム多孔質シートの大気中での簡易作製プロセスの開発

    2025年  

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    水素化マグネシウム(MgH2)は安全かつ高密度に水素を貯蔵できる材料であるが、粉体のタンク使用時には熱供給や伝熱促進が課題である。申請者はMgH2多孔質シート間に水素を熱媒体として流通させ、水素を吸蔵・放出するプロセスを提案した。シートは、触媒添加したMgH2粒子をカーボンナノチューブ(CNT)のスポンジ構造内に保持した材料であり、水素の吸蔵・放出においてもその構造を維持できる。ボールミリング法による触媒添加MgH2とCNTを溶媒中で共分散し、濾過法により作製する。一方で、MgH₂は大気中で酸素や水分と反応しやすく、劣化により貯蔵特性が低下する課題がある。本研究ではMgH2-CNTシート作製プロセスにおけるミリング条件、大気接触の有無を検討して、シートの水素吸蔵放出特性への影響を調べた。触媒添加MgH2粒子作製では、ボールミリング時に容器内へ多数のボールを投入し、1時間という短時間のミリングによって、大気中で劣化しない程度の粒子活性化を実現した。CNT分散溶媒にIPA(2-propanol)を用いて大気ないしAr環境内でMgH2-CNTシートを作製すると、Ar環境内で作製したシートは0.10 mol-H2/mol-Mgと大きく水素吸蔵容量が減少したが、大気環境で作製したシートは0.78 mol-H2/mol-Mgとその低下を抑えられた。粒子表面にできたMg(OH)2がIPAとの反応からMgH2を保護したと考えられる。また、5サイクルの水素吸蔵放出測定後には大気環境で作製したシートは0.82 mol-H2/mol-Mgまで水素吸蔵量が向上し、大気非接触の触媒添加MgH2粒子よりも大きな値であった。本研究により、シート作製プロセスにおける適度な酸化が容量とサイクル特性の両立に重要だと明らかになり、水素貯蔵タンクの実用化に向けた材料作製プロセス開発の指針になると考えられる。