2019 Fiscal Year Annual Research Report
多孔質内多成分系混相流の流動様式の解明とエネルギー機器への応用
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19J20495
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| Research Institution | Yokohama National University |
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Principal Investigator |
渡邊 孝之介 横浜国立大学, 理工学府, 特別研究員(DC1)
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2019-04-25 – 2022-03-31
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| Keywords | 直接形燃料電池 / 直接ギ酸形燃料電池 / 多孔質 / 気液二相流 / 3次元X線CT |
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| Outline of Annual Research Achievements |
液体燃料を直接電気エネルギーに変換可能な燃料電池である直接形燃料電池は，エネルギー輸送・貯蔵の観点から注目されている．また，再生可能エネルギーを直接水素に変換可能な固体高分子形水電解や気体の水素をトルエンと反応させて貯蔵・輸送が容易な有機化合物であるメチルシクロヘキサンなどに変換する有機ハイドライド技術なども注目されている．これらのエネルギーデバイスでは，構成部材の一つである多孔質拡散層内部が供給された液体と発生した気体の気液二相流となっている．本研究では，さらなる性能向上に不可欠な多孔質内気液二相流の流動様式を解明する．
本年度は，ギ酸を燃料に用い，反応によって二酸化炭素が発生する直接形燃料電池である直接ギ酸形燃料電池を対象にして研究を行った．発電中の直接ギ酸形燃料電池に関して，3次元X線CT装置を用いて多孔質拡散層内部における3次元気液分布の可視化を行った．その際，可視化時の発電電流密度を変化させたり，多孔質拡散層の構造をカーボンペーパーとカーボンクロスで変化させるなど様々な条件において可視化を行った．
まず，それぞれの多孔質拡散層において発電特性の測定を行ったところ，多孔質拡散層にカーボンクロスを用いた場合，カーボンペーパーを用いた場合と比較して，開回路電圧が低いにもかかわらず，最高電流密度・最高電力密度ともに高くなる傾向が得られた．また，可視化の結果，カーボンペーパーではリブ下・チャネル下の両方に気泡が存在しているのに対し，カーボンクロスではチャネル下にはほとんど気泡が存在せず，リブ下においても気泡が一部に集中して存在している傾向が得られた．以上の結果から，カーボンクロスでは二酸化炭素の排出パスが形成されることによって，効率的に二酸化炭素の排出が行われ，より高い最高電流密度・最高電力密度が得られることが示唆された．
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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
当初の計画通り，発電電流密度や多孔質拡散層の構造を変更するなど様々な条件において，発電中の直接ギ酸形燃料電池の多孔質拡散層内部における3次元気液分布の可視化を行い，多孔質構造，気液分布および発電性能の相関を明らかにすることができた．
また，本研究で得られた成果は，第56回日本伝熱シンポジウムと236th ECS Meetingにおいてそれぞれ口頭発表を行った．さらに，国際学術誌であるECS Transactionsに発表した．
以上の点から，今年度の進捗はおおむね順調に進展していると考える．
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度の研究結果から，多孔質拡散層の濡れ性が変化した場合や固体高分子形水電解，有機ハイドライド技術など供給する液体の粘性や発生した気体の溶存率が異なるエネルギーデバイスの場合には，気液分布に違いが生じることが予想される．そのため，来年度は当初の計画通り，小型薄膜気泡センサの開発，検証を行うと同時に，直接ギ酸形燃料電池以外の多孔質拡散層内部が気液二相流となるエネルギーデバイスに関して，3次元X線CT装置を用いた多孔質拡散層内部における3次元気液分布の可視化を行う予定である．
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