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．

申请人迄今为止揭示了促进传质对于提高流动热电发电的性能很重要，并使用了低粘度、高沸点溶剂γ-丁内酯（沸点204℃，粘度1.7mPa·s@25） ℃），我们成功地证明了使用以联吡啶钴络合物为溶质的电解质溶液的实际发电。在 2020 财年，我们搜索了假设该技术在现实世界中应用的放大电池的设计指南。具体来说，我们设想应用于现实世界中使用的系统，其中 200°C 左右的主动冷却要求和传感等小规模电力需求并存，我们开发了一种流动系统，可以最大限度地提高排热性能和发电性能。使用热流体模拟探索道路形状。我们还在学术会议上展示了迄今为止取得的一系列成果，以努力推广这项技术。在模拟中，我们使用了从 2021 年的结果中获得的电解质的物理特性。作为通道形状的搜索策略，1。 2.具有较高的传热系数。电极间温差大（=电压升高）；电极表面积大（=增加的散热量和电流量），4。假设电极之间的距离很短（=电流增加）。因此，为了促进冷却而常用的针翅形状，作为冷却对象的高温侧电极内部的温度分布不均显着，有可能导致发电性能恶化。该技术被认为是不合适的。接下来，我们分析了平行板形状作为在减小电极之间的距离的同时增大电极表面积和电极之间的温度差的形状。然而，根据实际应用中假设的排热量所需的流路长度，电极之间的温差减小和压力损失增加等问题成为问题。因此，通过对高温侧电极进行冲击射流冷却，并形成多个流路出口对应单个流路的形状，可以改善电极间温差、电极间距离和压力损失的问题这已被确认并作为设计指南之一获得。