2021 Fiscal Year Annual Research Report
Development of a chemical engineering science for redox flow batteries to improve current and energy conversion efficiency
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18K14048
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| Research Institution | Gunma University |
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Principal Investigator |
石飛 宏和 群馬大学, 大学院理工学府, 助教 (00708406)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | レドックスフロー電池 / 反応工学 / カーボン多孔材料 / 連通孔 / 圧力損失 / 物質輸送 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
バナジウムレドックスフロー電池(VRFB)は，活物質としてバナジウム錯体を使う送液型の蓄電池である．充放電反応に関与する活物質の効率的な輸送や，送液時のエネルギー損失（圧力損失）の低下が多孔性炭素電極に求められている．2020年度はオゾン酸化に対する放射線酸化の優位性を確認し，カーボン材料の熱処理温度が高いほど高い電極活性を示す点を見出した．
2021年度は濃度境膜（電極表面近傍で物質の濃度が変化する層）に関連する研究を行った．濃度境膜は流動状態と密接に関連しているため，カーボン多孔電極の連通孔構造と圧力損失の関係を調べた．連通孔径をパラメータとして得られた実験データよりKozeny-Carman式をベースにした実験式を提出し，電解液流通時の圧力損失の予測が可能になった．また，研究対象としているシームレスカーボン（継ぎ目の無い一枚のカーボン多孔シート）においては，電極内屈曲が圧力損失に与える影響がほぼ無い点を明らかにした．加えて，活物質の輸送についても流量をパラメータとして検討した．単通転化率（活物質の供給量に対する反応した活物質量の比）が0.3程度の条件で限界電流（物質輸送によって電流値が支配されるために過電圧をかけても電流値が増えない状況の電流）が現れたため，電池全体の速度過程に対して境膜内物質輸送の影響が大きい点を明らかにした．正極と負極のどちらの物質輸送速度が低いかを明らかにするために，二つの電極に負極液のみ・正極液のみを流通する対称セルを用いることにより，負極の過電圧と電流密度の関係，正極の過電圧と電流密度の関係を調べた．その結果，負極側の物質輸送速度が低いために負極側で限界電流が観測され，負極対称セルの限界電流密度はフルセルの限界電流密度と概ね一致する点を明らかにした．以上の結果を取りまとめて招待講演を含む学会発表を行った．
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