Development of a high-performance non-thermal plasma-based water purification device using fuel cells for water purification with water

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「水で水をキレイにする」をコンセプトに、水の電気分解により水素と酸素を発生し、水素を燃料電池の原料とし発電して電力回収し、酸素を殺菌効果と化学物質の分解効果の高いプラズマ形成オゾンの原料として利用する燃料電池を用いたクリーンな低温プラズマ水質浄化装置を開発する。プラズマ放電工学、電気化学理論、流体工学を融合させて水質浄化システムを最適化し、高い浄化効果を持ちながら省エネルギー化するという高機能化を実現する。高機能化に欠かせない水処理を行う浄化リアクタも開発し、混相流動と殺菌・分解効果の関係を実験的に解明する。これらの学術的研究を行い、約100人分の1日の消費量である200 Lの水の一般細菌を200 W/hの電力で100%の殺菌が可能な水質浄化技術を開発する。処理対象水の液相流束とオゾンの気相流束の関係よりボイド率を算出し、ボイド率と溶存オゾン濃度、細菌や化学物質の分解効果の関係を明らかにするための実験装置を構築した。今年度は電気的な省エネ化に注力し、省エネルギー型の非熱プラズマ殺菌浄化システムの高効率化を目的として、水の電気分解における水素発生特性と電力回収率を調べた。水の電気分解に必要な消費電力に対し、電力回収率が16%に達することが分かった。これまでの電力回収率に比べて5%向上した。しかし、まだ、余剰水素が放出されていることから更なる効率化を達成するためには余剰水素を再循環させて燃料電池に供給できるという知見を得た。このときに発生した酸素の流量は0.34 L/minであり、無声放電によりオゾンに変換し、そのオゾン濃度は1.78%の高濃度オゾンであった。この高濃度オゾンにより強力な殺菌浄化が可能であり、比較的大きな流量の水の浄化に適用できる。そのため、実用化を考慮すると研究成果の意義は大きい。