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

• 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
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-19J20495/
• 关键词: 固体高分子形水電解; 酸素気泡; 気液二相流; 過飽和; 直接形燃料電池; 直接ギ酸形燃料電池; 多孔質; 3次元X線CT

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．

Direct fuel cell fuel cell It is easy to store and transport organic compounds. It is possible to regenerate organic compounds. It is possible to use organic compounds. It is possible to produce water. It is possible to electrolyze water. It is easy to store and transport organic compounds. In the porous dispersion layer, there is a phenomenon that the liquid is supplied to the inside of the component, the gas is generated, and the gas-liquid two-phase flow is generated. The phenomenon that the reaction substance is supplied to the inside of the porous dispersion layer and the generated substance is discharged is generated, and the performance is lowered. This study aims to clarify the flow equation of two-phase flow in porous media and to improve the performance of porous media. This year, the characteristics of electricity generated by renewable energy generation are studied. A solid polymer water electrolysis device for water electrolysis is used to visually investigate the two-phase flow of water, acid and gas bubbles. At the same time, there is no change in the condition of electricity supply and water supply. As a result of visual investigation, acid bubbles were generated near the catalyst, and the catalyst was separated from the catalyst. As a result, the presence of a supersaturated domain of dissolved acid near the catalyst layer is obvious. The design of porous structure for solid polymer water electrolyzer is discussed.

项目成果

The Effect of CO2 Bubble Distribution on Power Generation Performance of a Direct Formic Acid Fuel Cell

CO2气泡分布对直接甲酸燃料电池发电性能的影响

• DOI: 10.1149/09208.0335ecst
• 发表时间: 2019
• 期刊: ECS Transactions
• 作者: Watanabe Konosuke;Araki Takuto;Inoue Gen;Mochizuki Ryota;Tsujiguchi Takuya
• 通讯作者: Tsujiguchi Takuya

Existence of Dissolved Oxygen near Anode Catalyst in Proton Exchange Membrane Water Electrolyzers

质子交换膜水电解槽阳极催化剂附近溶解氧的存在

• DOI: 10.1149/1945-7111/ac6392
• 发表时间: 2022
• 期刊: Journal of The Electrochemical Society
• 影响因子: 3.9
• 作者: Konosuke Watanabe;Kohei Wakuda;Kodai Wani;Takuto Araki;Kensaku Nagasawa;Shigenori Mitsushima
• 通讯作者: Shigenori Mitsushima

Visualization of oxygen bubble behavior depending on porous material in PEM water electrolysis cell

取决于 PEM 水电解槽中多孔材料的氧气气泡行为的可视化

• 发表时间: 2021
• 作者: Konosuke Watanabe;Kohei Wakuda;Kodai Wani;Takuto Araki
• 通讯作者: Takuto Araki

PEM水電解における参照極を用いた過電圧分離に関する数値解析

PEM水电解中参比电极过电压分离的数值分析

• 发表时间: 2020
• 作者: K. Fujiwara;K. Yoshida;A. Kaneko and Y. Abe;渡邊孝之介，井上翔輝，柏木勇人，長澤兼作，黒田義之，光島重徳，荒木拓人
• 通讯作者: 渡邊孝之介，井上翔輝，柏木勇人，長澤兼作，黒田義之，光島重徳，荒木拓人

Influence of the Diffusion Media Structure for the Bubble Distribution in Direct Formic Acid Fuel Cells

• DOI: 10.1149/1945-7111/abb565
• 发表时间: 2020-01
• 期刊: Journal of The Electrochemical Society
• 影响因子: 3.9
• 作者: Konosuke Watanabe;T. Araki;T. Tsujiguchi;Gen Inoue