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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．

In response to this, the applicant found that the performance of thermoelectric power generation was important for the promotion of substance transport. In addition, the solvent of the actuating fluid was a low viscosity high boiling point solvent γ-BLT (boiling point 204 ℃, viscosity 1.7 mPa·s@25 ℃), and the solute was used as an electrolyte. In 2010 and 2014, the social application of this technology was determined and design guidelines were explored. Specific to society's use, the active cooling requirements of 200 ℃ and other small-scale power needs to be co-ordinated and used to maximize the heat removal performance and electrical performance of the flow path shape and thermal fluid system. This technology is based on the achievements of the past few years. The results of the three-year study show that the physical properties of electrolytes are used. The exploration policy of flow path shape is as follows: 1. High heat transfer rate; 2. Temperature difference between electrodes is large (= increase of electric voltage); 3. Electrode surface area is large (= increase of heat removal and current amount); 4. Distance between electrodes is short (= increase of current); As a result, the cooling promotion is generally used, and the temperature distribution inside the electrode on the high temperature side is not uniform, and the electric voltage is low. Secondly, the distance between electrodes decreases, the surface area of electrodes increases, the temperature difference between electrodes increases, and the shape of parallel plates increases. In order to solve this problem, the temperature difference between electrodes and the increase of pressure loss are required to reduce the flow path length in addition to heat. The high temperature side electrode is opposite to each other, and the jet cooling is different from each other in the shape of the inlet of the flow path and the outlet of the flow path. The temperature difference between the electrodes, the distance between the electrodes, and the pressure loss are improved.