Performance Enhancement of Thermo-electrochemical Conversion Integrated with Forced Convection Cooling Through Investigation of Working Fluid Property

通过研究工作流体性质增强热电化学转换与强制对流冷却相结合的性能

基本信息

批准号：
21J14183
负责人：
池田寛
金额：
$ 0.96万
依托单位：
Central Research Institute of Electric Power Industry (2022)Tokyo Institute of Technology (2021)
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-28 至 2023-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

申請者はこれまでに，フロー熱電発電の性能向上には物質輸送の促進が重要であることを明らかにし，作動流体の溶媒に低粘度高沸点溶媒γ-ブチロラクトン（沸点204 ℃，粘度1.7 mPa・s@25 ℃），溶質にコバルトビピリジン錯体を用いた電解液によって実用上有意な発電のデモンストレーションに成功してきた．令和４年度は，本技術の実社会応用を想定したスケールアップセルの設計指針を探索した．具体的には，実社会で使用され，200 ℃程度の積極冷却の要求とセンシング等小規模電力の需要が共存するシステムへの応用を想定し，除熱性能と発電性能とを共に最大化する流路形状を熱流体シミュレーションにより探索した．また，これまでに得られた一連の成果を学会発表し，本技術のアピールに努めた．シミュレーションでは令和３年度の成果で得られた電解液の物性を使用した．流路形状の探索方針として，１．高い熱伝達率を有する，２．電極間温度差が大きい（＝電圧の増大），３．電極表面積が大きい（＝除熱量と電流量の増大），４．電極間距離が短い（＝電流の増大），とした．結果，冷却促進のために一般的に使用されるピンフィン形状は，被冷却物である高温側電極内部の不均一な温度分布が顕著であり，電圧低下による発電性能の低下が懸念されるため，本技術には不適当と判断した．次に，電極間距離を縮小しつつ電極表面積の増大と電極間温度差の増大の全てを実現する形状として，平行平板形状について解析した．しかし，実社会応用を想定した除熱量に必要な流路長では電極間温度差の低下や圧力損失の増大が課題となった．そこで，高温側電極に対する衝突噴流冷却，かつ単一の流路入口に対して複数の流路出口が対応する形状とすることで電極間温度差，電極間距離，圧力損失の課題が改善されることを確認し，設計指針の一つとして得た．

The applicant has previously revealed that promoting material transport is important for improving the performance of flow thermoelectric power generation, and has successfully demonstrated a practically significant power generation using an electrolyte using a low viscosity high boiling solvent γ-butyrolactone (boiling point 204 °C, viscosity 1.7 mPa·s@25 °C) as the solvent for the working fluid and a cobalt bipyridine complex as the溶质。在2022财年，我们探索了针对该技术现实应用应用的规模单元格设计指南。具体而言，我们已经探索了在现实世界中使用的流动路径形状，并有望应用于在200°C左右的主动冷却需求以及诸如感应的同存的小规模功率的系统，并使用热流体模拟来最大程度地拆除热量和发电性能。此外，到目前为止，已在会议上提出了一系列成就，并努力促进这项技术。该模拟使用了从2021财年的结果获得的电解质的物理特性。流动路径形状的搜索策略为：1。2。具有较高的传热系数。电极之间的较大温度差（=电压增加），3。大电极表面积（=供热和电流量增加），4。电极之间的距离很短（=电流的增加）。结果，销鳍通常用于促进冷却的形状不适合该技术，因为高温电极内的不均匀温度分布（这是要冷却的对象），并且有人担心由于电压下降而降低发电性能，因此确定该技术不合适。接下来，我们将平行板的形状分析为实现电极的所有增加表面积和电极之间的温度差的形状，同时降低电极之间的距离。但是，实际应用所需的供热所需的流动路径长度已成为一个挑战，例如降低电极之间的温度差和增加压力损失。因此，我们确认电极之间的温度差问题，电极之间的距离和压力损失可以通过冷却高温侧电极的冲击射流流以及与单个流通道入口相对应的多个流动通道出口的形状，并作为设计指南获得。