水電解電極間の自然・強制気液二相流の観察と電解効率のモデル化

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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。本研究代表者はこれまでに、自然循環系のアルカリ水電解を対象として、電解効率の第1次近似的な物理モデルを構築し、その検証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。本研究は、自然循環系と強制循環系のアルカリ水電解を対象として、ハイスピードカメラを用いた電極間気液二相流の観察を通じて、電解効率と二相流の関係を明らかにすることを目的とする。昨年度までに、隔膜が無い場合の強制循環系アルカリ水電解について、強制流動によるエネルギー損失を考慮した電解効率と水電解向上率について検討し、強制流動が電解効率に及ぼす影響を実験的に明らかにした。本年度は、隔膜有りの場合の強制循環系アルカリ水電解について実験的に検討を行い、以下の知見を得た。1.ハイスピードカメラによる観察実験から、隔膜を設置することにより、電極間気液二相流が影響を受けることが分かった。すなわち、隔膜近辺での気泡上昇速度が減少し、そのため電極間平均ボイド率が高くなる。2.ボイド率が高くなった結果、隔膜を設置することにより電解電圧が高くなる、すなわち電解効率が全ての条件について低下することが分かった。特に、電解電圧が極小となる最適条件については、隔膜の設置により最適間隔が広がることが分かった。電解電圧上昇分は、隔膜の抵抗以外に、隔膜設置による気液二相流の変化(ボイド率上昇)に起因するが、電流密度が高く電極間隔が比較的小さい場合には、気液二相流の変化に起因する電位差が大きいことを明らかにした。