炭酸ガス排出抑制を担うエネルギ回生デバイスとしての活性炭キャパシタ設計手法の開発

1999 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 10555266
• Research Institution: KYOTO UNIVERSITY
• Principal Investigator: 宮原 稔 京都大学, 大学院・工学研究科, 助教授 (60200200)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 東谷 公 京都大学, 大学院・工学研究科, 教授 (10039133)
• Keywords: 活性炭 / 電気二重層キャパシタ / 充放電速度過程 / エネルギ回生 / Nernst-Planck式 / ナノ細孔 / 静電容量

Research Abstract

本研究では,平衡論的視点および速度論的視点の両面から電気二重層キャパシタ充放電特性を解析し,目的に応じたキャパシタ設計のための意志決定手法の開発を目指した。本年度は,昨年度の成果を発展・深化させ,蓄電セル全体としての充放電過程に及ぼす細孔特性の効果を表現可能な物理モデルの構築に取り組んだ。
1.キャラクタリゼーション:賦活度の異なる高比表面積活性炭を主対象に窒素吸着等温線を測定し,t-plot法により,ナノ領域の細孔径,ミクロ細孔容積,ミクロ孔表面積を同定した。その結果,細孔径は0.6nmから1.0nm強の,水和イオンと同程度の細孔径を有することがわかった。
2.静的蓄電能力:電位ステップ変動に対応する電気量変化をポテンショスタット及び関数発生機を用いて追跡し,真の容量を種々の活性炭について測定した。その結果,静電容量は,同一表面積を持つ活性炭素繊維と比して顕著に高く,表面状態のランダム性が容量発現に多大に寄与していることが明らかとなった。容量値の検討から,イオンは水和水を介して表面に配位するものと推定された。
3.速度過程解析:成型状態の活性炭電極内部の移動抵抗を把握するため,電位制御および電流経時変化のオンライン取り込みを改善した上で電位変動時の応答電流を追跡した。個々のイオンの挙動をNernst-Planck式により表現した昨年度の基礎モデルに固相抵抗を組み込んだ速度モデルを検討し,充放電挙動を良好に表現可能なモデル構築に成功した。速度過程の時定数から,水和イオン径に極めて近い細孔径を境に,イオン移動度が極めて顕著な変化を示すことがわかり,立体的障害に起因するものと推定された。
以上の全ての検討により,平衡論と速度論に立脚した総合的キャパシタ充放電挙動予測モデルの構築に成功し,これに基づく数値シミュレーション検討を通じ,活性炭キャパシタ設計手法としての有用性を示した。