2017 Fiscal Year Research-status Report
機械的及び電気化学的キャビテーションによる高効率水素生成・吸蔵技術の開発
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16K06029
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| Research Institution | Tokyo University of Science, Yamaguchi |
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Principal Investigator |
吉村 敏彦 山陽小野田市立山口東京理科大学, 工学部, 教授 (20353310)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | ウォータージェットキャビテーション / 超音波キャビテーション / 機能性キャビテーション / 高温高圧マイクロジェット / 光触媒 / 水素吸蔵材料 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、従来にない機械的作用と電気化学的作用を有する機能性キャビテーション（MFC）の基本的特性を解明する。MFCの機械的作用によりナノレベルの表面加工を施すとともに、電気化学的作用により表面のバンド構造を変化させる。これらの作用を利用し、太陽光をエネルギー源とした水素を高効率で発生させる光触媒材料を開発する。さらに、MFCを水素吸蔵材料に施すことで、比表面積が増加するとともに水素化物の形成が促進され、光触媒で発生した水素を高充填密度で吸蔵できる水素吸蔵材料を提供する。
ウォータージェットキャビテーション（WJC）発生部に超音波を照射する。WJCは超音波照射による音圧がブレーク閾値を超えると膨張し、一定の大きさまで膨張するとレーリー収縮する。この等温膨張・断熱圧縮の繰り返しにより、ホットスポットを含んだMFCとなる。本現象を理論的に解析し、実験結果と一致することを示した。このMFCが崩壊し始めると同時に固体表面に近づくと、物体表面に突き刺さるようなマイクロジェットを形成する。従来にない大型サイズ（数百μm）で高温（数千℃）・高圧（約1000MPa）のマイクロジェットとなり、いわゆるマイクロ鍛造と言える。
平成２９年度は、ウォータージェット（WJ）噴射圧力や超音波出力、超音波モード（近接2周波切替発振(Dual)、FM発振、単周波発振、パルス発振）のパラメータサーベイを行った。その結果、噴射圧力は35MPaとし、超音波出力を高め、Dualモードが酸化チタン粉末の加工度を向上させることが明らかになった。本実験条件を用い、光触媒作用による水分解に伴う水素発生量を向上させた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
平成２８年度の機能性キャビテーション（MFC）のメカニズム解明と高度化では、光触媒および水素吸蔵に効果的なMFCの発生条件を実験的かつ理論的に明らかにした。最適な処理条件としては、ウォータージェット（WJ）噴射圧力は35MPa、超音波周波数は28kHz、超音波照射角度は90°、超音波照射距離は１波長（54mm）であった。また、WJ気泡を等温膨張、断熱圧縮させるには、超音波照射するWJ気泡の流速を毎秒数メートルと十分低下させる必要があることを明らかにした。
また、小型機能性キャビテーション装置を開発し、処理粉末の回収を容易に行うことができるようになった。さらに、キャビテーション処理に用いる液体を従来の水道水から超純水に替えることにより、光触媒特性をより定量的に測定することが可能になった。さらに本研究の波及効果として、機能性キャビテーションの高温高圧気泡を用いたバブル核融合の理論的評価に成功し、液体ジェットとしてアセトンを用いたバブル核融合実験装置の試作も行った。
平成２９年度は、機能性キャビテーションによる光触媒材料の開発及びエネルギー変換効率の向上では、WJ噴射圧力や超音波出力、超音波モード（近接2周波切替発振(Dual)、FM発振、単周波発振、パルス発振）のパラメータサーベイを行った。その結果、噴射圧力は35MPaとし、超音波出力（最大800W）を高め、Dualモードが酸化チタン粉末の加工度向上に有効であることが分かった。本実験条件を用い、光触媒作用による水分解に伴う水素発生量の大きい光触媒材料を開発することができた。
以上のことより、当初の計画通りに進展していると判断できる。
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| Strategy for Future Research Activity |
機能性キャビテーションのマイクロジェットは、崩壊時に機械的かつ電気的作用を有するマイクロジェットが表面の幾何学的形状変化のみならず表面のバンド構造の変化を与える。これにより、光のエネルギーE（E=h・ν=h・c/λ）可視光でも水分解により水素発生が促進される。
平成３０年度は、平成２８年度に開発した小型機能性キャビテーション処理装置および従来の大型機能性キャビテーション処理装置を用いて、以下のパラメータサーベイを行い水分解特性の高い光触媒材料を開発する。①酸化チタンの結晶構造（ルチル型、アナターゼ型）及びストロンチウムチタネート（SrTiO3）、②酸化チタン及び（SrTiO3）の粒子サイズ（100～400nm）、③助触媒の種類（白金、酸化ニッケル）、④助触媒のサイズ（1～85μm）、⑤ＭＦＣの処理条件
また、機能性キャビテーション（MFC）や超高温高圧キャビテーション（UTPC）の機械的作用によるナノレベル微細化と電気化学的作用により水素化物の生成促進を目指す。対象とする水素吸蔵材料としては、Al合金等の軽量材料とする。また、次のパラメータサーベイを行う。①粉末のサイズ、②ＭＦＣの処理条件
本研究の成果により、軽量で安価なアルミニウムを主原料とした、燃料電池自動車のための高性能な水素貯蔵技術を実現するためのブレークスルーが起きると期待される。
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| Causes of Carryover |
消耗品等の物品を次年度に購入した方が、実験の遂行上都合が良かったため。
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[Book] An overview of droplet impact erosion, related theory and protection measures in steam turbines2018
Author(s)
Tomasz Linek, Zbigniew Pedzich, Masataka Ijiri, Toshihiko Yoshimura, Mansoor Ahmad, Marko Hocevar, Ce Guo, Milos Muller, Dmitriy Tselischev, Abdulhameed Al-Hashem, Tieshu Fan, Arash Nayebzadeh, Shengqiang Ma, Coda Pan, et al.
Total Pages
29（担当分）
Publisher
IntechOpen
