水の電気分解時の電極間気液二相流の観察と電解効率のモデル化

水电解过程中电极间气液两相流的观测及电解效率建模

• 批准号: 14750134
• 负责人: 永井 二郎
• 金额: $ 2.43万
• 依托单位: University of Fukui
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
• 财政年份: 2002
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2002 至 2003
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-14750134/
• 关键词: 水の電気分解; 水素システム; 気泡; ボイド率; 水電解セルのモデル化; 気泡直径分布; 気液二相流; 気泡上昇速度

水電解による水素製造効率は、電極間の発生気泡の影響を受けるため、電極間隔には最適条件が存在する。昨年度までに、この水電解セルの第1次近似的な物理モデルを構築し、その検証を目的として局所電流密度、電極間発生気泡の上昇速度、電極間中心部の気泡直径分布を測定し、モデルの妥当性を確かめた。本年度は、モデルのさらなる検証と改良のためのデータ収集を目的として、電極間気液二相流の観察実験を行い、以下の知見を得た。1.【電極表面からの離脱気泡径の測定】電極間気泡の上昇速度に、気泡直径が大きな影響を与える。昨年度までは、電極から離脱した後、合体プロセスを経た後の気泡直径分布のみを測定していた。しかし、今後のモデル改良のためには、電極からの気泡離脱条件を定式化する必要がある。そこで、高詳細マイクロスコープを用いて、種々のパラメータ(電解液温度と濃度、電極間隔、電流密度など)を変化させてアルカリ水電解実験を行い、低電流密度の場合の気泡離脱の様相を観察し、離脱気泡直径分布を計測した。その結果、以下のことが分かった。(1)電流密度と電解液濃度は離脱気泡径に影響を及ぼし,電流密度と電解液濃度の増大は離脱気泡径の増大を招く。(2)電極間隔は離脱気泡径にほとんど影響を及ぼさない。(3)電流密度が増大すると、平均離脱気泡径は増大するものの、気泡径分布(標準偏差)はほとんど変化しない。つまり、気泡の合体により平均気泡径が増大するのではなく、気泡離脱条件に電流密度が関与し、直接離脱気泡径が変化していることを意味する。2.【隔膜が存在する場合の離脱気泡径の測定】電極間に隔膜を挿入した実際の電解槽に近い条件で離脱気泡径を測定した。その結果、隔膜の存在は離脱気泡径にほとんど影響を及ぼさないことが分かった。3.【水電解効率モデルの改良】気泡離脱条件に電流密度が関与することを明らかにした。

The efficiency of water electrolysis による hydrogen production <e:1> and the influence of <s:1> gas bubbles formed between electrodes are を affected by けるため, and the に optimal condition が of electrode spacing exists する. Yesterday annual ま で に, こ の water electrolysis セ ル の first approximate な physical モ デ ル を constructing し, そ の 検 card を purpose と し て bureau 発 between electric current density, electrode の 気 bubble rise velocity, the center electrode between の 気 bubble diameter distribution を し, モ デ ル の justice を か indeed め た. This year は, モ デ ル の さ ら な る 検 card と improved の た め の デ ー タ 収 set を purpose と し て 気 liquid two phase flow, electrodes の 観 examine be 験 を い, the following の knowledge を た. 1. [Determination of the <s:1> dissociated bubble diameter <e:1> on the electrode surface] The rising speed of the bubble <s:1> between electrodes に and the diameter of the bubble が large <s:1> な influence を and える. The determination of the <s:1> bubble diameter distribution <s:1> みを after <s:1> た of the previous year, the dissociation of the electrode ら ら after <s:1> た, and the combination of the プロセスを and た results in て て た た た. In the future, <s:1> モデ ために will be improved to ために ために ために, electrode ら ら, and the conditions for bubble dissociation を will be standardized する. It is necessary to がある. そ こ で, highly detailed マ イ ク ロ ス コ ー プ を with い て, kind of 々 の パ ラ メ ー タ (concentration of electrolyte temperature と, electrode spacing, current density な ど) を variations change さ せ て ア ル カ リ water electrolysis be 験 を line い の occasions, low current density の 気 bubble from の off others in phase を 観 examine し, from を 気 bubble diameter distribution measuring し た. Youdaoplaceholder0 そ result, the following とが とが とが points とが った. (1) The current density と electrolyte concentration <e:1> and the dissociation bubble diameter に affect を and ぼ く. The current density と electrolyte concentration <s:1> increases and the dissociation bubble diameter <e:1> increases を strategy く. (2) The influence of electrode spacing にほとん on the gas bubble diameter を and ぼさな にほとん. (3) current density が raised large す る と, average from 気 bubble diameter は raised large す る も の の, 気 bubble diameter distribution (standard deviation) は ほ と ん ど variations change し な い. つ ま り, 気 の fit に よ り 気 average bubble diameter が raised large す る の で は な く に current density, 気 bubble from conditions が masato and し, directly from 気 bubble diameter が variations change し て い る こ と を mean す る. 2. The existence diaphragm が す る occasions の is の 気 bubble diameter determination off 】 electrodes に diaphragm を scions into し た be interstate の electrolyzer に near い conditions で 気 bubble diameter off を determination し た. The results of そ そ, the diaphragm <e:1> is affected by the にほとん dissociation bubble size にほとん <e:1> on を and the ぼさな ぼさな <s:1> とが とが とが is った. 3. [Improvement of water electrolysis efficiency モデ <s:1> <e:1>] Bubble dissociation conditions に current density が is related to する ら とを and ら に た.

项目成果

N.Nagai et al.: "Existence of Optimum Space between Electrodes on Hydrogen Production by Water Electrolysis"International Journal of Hydrogen Energy. 28・1. 35-41 (2003)

N. Nagai 等人：“水电解制氢的电极之间的最佳空间的存在”，国际氢能源杂志 28・1（2003 年）。

N.Nagai et al.: "Effects of Generated Bubbles Between Electrodes on Efficiency of Alkaline Water Electrolysis"JSME International Journal (Series B). 28・1. 549-556 (2003)

N. Nagai 等人：“电极间产生的气泡对碱性水电解效率的影响”JSME 国际期刊（系列 B）549-556（2003 年）。

N.Nagai et al.: "Influences of Bubbles between Electrodes onto Efficiency of Alkaline Water Electrolysis"Proceedings of 4th Pacific Symposium on Flow Visualization and Image Processing (PSFVIP4). CD-ROM. 1-10 (2003)

N.Nagai 等人：“电极间气泡对碱性水电解效率的影响”第四届太平洋流可视化和图像处理研讨会论文集 (PSFVIP4)。