多孔質内多成分系混相流の流動様式の解明とエネルギー機器への応用

多孔材料中多组分多相流流动模式的阐明及其在能源装备中的应用

基本信息

批准号：
19J20495
负责人：
渡邊孝之介
金额：
$ 1.98万
依托单位：
Yokohama National University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2019
资助国家：
日本
起止时间：
2019-04-25 至 2022-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

液体燃料を直接電気エネルギーに変換可能な燃料電池である直接形燃料電池は，エネルギー輸送・貯蔵の観点から注目されている．また，再生可能エネルギーを利用して水素を製造可能な水電解や気体の水素をトルエンと反応させて貯蔵・輸送が容易な有機化合物であるメチルシクロヘキサンに変換する有機ハイドライド技術なども注目されている．これらのエネルギーデバイスでは，構成部材の一つである多孔質拡散層内部が供給された液体と発生した気体の気液二相流となっており，気液二相流によって反応物質の供給や生成物質の排出が妨げられる現象が発生し，性能低下が引き起こされている．本研究では，多孔質内気液二相流の流動様式を解明することで，エネルギーデバイスのさらなる性能向上を目指した．本年度は，再生可能エネルギー由来の電力の特徴である大きな電力変動に対する耐久性が高い固体高分子形水電解装置を対象として研究を行った．水電解中の固体高分子形水電解装置に関して，ハイスピードカメラを用いてアノードにおける供給された水と発生した酸素気泡の気液二相流の可視化調査を行った．この際，印加電圧や，水供給の有無といった条件を変更させながら可視化を行った．可視化調査の結果，アノード触媒近傍で発生した酸素気泡に関してアノード触媒から離脱した後も，気泡のサイズが大きくなり続けることが明らかになった．以上の結果から，アノード触媒層近傍における溶存酸素過飽和領域の存在を明らかにした．得られた知見は，固体高分子形水電解装置の出力向上に繋がる多孔質構造の設計に役立つと考えられる．

直接燃料电池，即可以直接将液体燃料转化为电能的燃料电池，从能量传输和存储的角度受到关注。同样引起关注的是水电解，它可以利用可再生能源生产氢气，以及有机氢化物技术，该技术使气态氢与甲苯反应，并将其转化为甲基环己烷，这是一种易于储存和运输的有机化合物。在这些能源装置中，作为构成部件之一的多孔扩散层的内部为供给液体和生成气体的气液二相流，并且利用该气液二相流。供给和生成反应物时会发生阻碍物质排出的现象，导致性能下降。在本研究中，我们旨在通过阐明多孔材料内气液两相流的流动模式来进一步提高能源装置的性能。今年，我们对聚合物电解质水电解设备进行了研究，该设备对可再生能源电力所特有的大功率波动具有高耐久性。利用高速摄像机对供水的气液两相流进行可视化，并在水电解过程中在固体聚合物水电解槽的阳极处产生氧气气泡。此时，一边改变施加电压、有无供水等条件一边进行可视化。可视化研究表明，即使在与阳极催化剂分离后，阳极催化剂附近产生的氧气气泡的尺寸仍继续增加。上述结果揭示了阳极催化剂层附近存在溶解氧过饱和区域。所获得的知识被认为可用于设计可提高固体聚合物水电解槽输出的多孔结构。