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

• Project/Area Number: 16686012
• Research Category: Grant-in-Aid for Young Scientists (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Research Field: Thermal engineering
• Research Institution: University of Fukui
• Principal Investigator: 永井 二郎 福井大学, 工学研究科, 助教授 (70251981)
• Project Period (FY): 2004 – 2006
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2006)
• Budget Amount: ¥15,080,000 (Direct Cost: ¥11,600,000、Indirect Cost: ¥3,480,000); Fiscal Year 2006: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000); Fiscal Year 2005: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000); Fiscal Year 2004: ¥10,920,000 (Direct Cost: ¥8,400,000、Indirect Cost: ¥2,520,000)
• Keywords: アルカリ水電解 / 水素システム / 気泡 / ボイド率 / 気液二相流 / 気泡上昇速度 / 強制循環 / 電解効率 / 自然循環

Research Abstract

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。

Research Products

• [Journal Article] Effects of bubbles between electrodes on alkaline water electrolysis efficiency under forced convection of electrolyte (2006)
  • Author(s): N.Nagai et al.
  • Journal Title: Proc.16th World Hydrogen Energy Conference(フルペーパー査読有り) (CD-ROM) Pages: 1-10
• [Journal Article] Efficiency and two-phase flow of alkaline water electrolysis under forced convection of electrolyte (2006)
  • Author(s): N.Nagai et al.
  • Journal Title: Proc.13th International Heat Transfer Conference(フルペーパー査読有り) (CD-ROM) Pages: 1-11
• [Journal Article] アルカリ水電解による水素製造最適条件の二相流モデル化 (2005)
  • Author(s): 永井 二郎
  • Journal Title: 水素エネルギーシステム 30・2 Pages: 66-71
  • NAID: 40007400673
• [Journal Article] Optimum Condition of Water Electrolysis with Forced Convection of Electrolyte (2005)
  • Author(s): N.Nagai, et al.
  • Journal Title: Proc. 5th Pacific Symposium of Flow Visualization and Image Processing CD-ROM Pages: 1-12
• [Journal Article] The Relationship between Structure of Electrode Surface and Bubble Behavior in Water Electrolysis (2005)
  • Author(s): A.Sakakibara, et al.
  • Journal Title: Proc. 8th International Symposium on Fluid Control, Measurement and Visualization CD-ROM Pages: 1-6
• [Journal Article] Hydrogen Production by Alkaline Water Electrolysis. Under Forced Convection of Electrolyte (2005)
  • Author(s): N.Nagai, et al.
  • Journal Title: Proc. 2005 International Symposium on Advanced Mechanical Engineering and Power Engineering Pages: 83-92
• [Journal Article] Investigation on Model of Alkaline Water Electrolysis (Measurement of Diameter of Departure Bubbles) (2004)
  • Author(s): N.Nagai et al.
  • Journal Title: Thermal Science & Engineering Vol.12 No.4 Pages: 95-96
  • NAID: 10013430336
• [Journal Article] Two-Phase Flow Modeling on the Optimum Condition of Alkaline Water Electrolysis (2004)
  • Author(s): N.Nagai
  • Journal Title: Proc. 15th World Hydrogen Energy Conference CD-ROM Pages: 1-8
• [Journal Article] Image Measurement of Electrolytic Gas Bubbles in Parallel Plate Electrodes (2004)
  • Author(s): T.Sasaki et al.
  • Journal Title: Proc. 15th World Hydrogen Energy Conference CD-ROM Pages: 1-8
• [Journal Article] Optical Measurement of Bubbly Flow Genarated with Alkaline Water Electrolysis (2004)
  • Author(s): T.Sasaki et al.
  • Journal Title: Proc. 5th Int.Conference on Multiphase Flow CD-ROM Pages: 1-13