2018 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 – 2020-03-31
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| Keywords | ウォータ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 / 超高温高圧キャビテーション / 光触媒材料 / 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した。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作製した。
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(MJ)となり、MJが水素生成材料や水素吸蔵材料の性能を向上させた。性能を最も向上させる加工条件は、超音波条件を近接2周波切替発振(Dual)、最大出力800Wとし、ウォータージェットノズルに旋回テーパノズル(流入孔：２個）を装着することにより、旋回テーパノズルから排出されるＷＪ気泡の気泡数とサイズが増加し、超音波照射により超高温高圧キャビテーションが生成する。これにより、酸化チタンからの水素生成量とアルミニウム合金への水素吸蔵量が増加した。
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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発生させる条件を実験的かつ理論的を明らかにした。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°であり、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MFC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。
平成29年度は、MFC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、超音波出力800Wで、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り、水分解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。
平成30年度は、性能を最も向上させる加工条件は、超音波条件をDual、出力800Wとし、WJノズルに旋回テーパノズルを装着する構成であること分かった。旋回テーパノズルから排出されるWJ気泡の気泡数とサイズが増加し、超音波照射により超高温高圧キャビテーションが生成する。これにより、酸化チタンからの水素生成量とAl合金への水素吸蔵量が増加した。研究目的は達成したが、大型MFC装置(ノズル径φ0.8mm)を用いたため、粉末の回収に時間を要し、回収粉末の純度が十分でないという課題が残された。そこで、小型MFC装置のノズル径φ0.1mm及び0.2mmを作製したが、材料の加工度が十分でなかった。新規に本学に導入される高速細穴放電加工機により最適ノズル径(φ0.1～0.2mmの範囲)を選定するため、研究期間延長を申請し認可された。
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| Strategy for Future Research Activity |
本学の高速細穴放電加工機を用いて、ステンレス円板にノズル径φ0.1～φ0.2mmの範囲の穴をあけ、ノズルを製作後、小型高圧ポンプ（吐出圧力45MPa、最大流量150mL/min）を満足するノズル径を決定する。決定したノズルを用いて、光触媒材料や水素吸蔵材料の加工度の向上を確認する。
超高温高圧キャビテーション（UTPC）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。
令和元年度は、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、③ＭＦＣ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 |
当初の研究目的は達成したが、大型機能性キャビテーション粗利装置(ノズル径φ0.8mm)を用いたため、粉末の回収に時間を要し、回収粉末の純度が十分でないという課題が残された。小型機能性キャビテーション処理装置のノズル径φ0.1mm及び0.2mmを作製したが、材料の加工度が十分でなかった。そこで、新規に本学に導入される高速細穴放電加工機を用い、最適ノズル径(φ0.1～0.2mmの範囲)を決定するため、研究期間延長を申請し認可された。
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