| 研究課題/領域番号 |
21H04665
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| 研究種目 |
基盤研究(A)
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| 配分区分 | 補助金 |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
中区分31:原子力工学、地球資源工学、エネルギー学およびその関連分野
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| 研究機関 | 九州大学 |
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研究代表者 |
伊藤 衡平 九州大学, 工学研究院, 教授 (10283491)
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| 研究分担者 |
森 昌司 九州大学, 工学研究院, 教授 (10377088)
林 灯 九州大学, 水素エネルギー国際研究センター, 教授 (60443214)
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| 研究期間 (年度) |
2021-04-05 – 2024-03-31
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| 研究課題ステータス |
完了 (2023年度)
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| 配分額 *注記 |
42,380千円 (直接経費: 32,600千円、間接経費: 9,780千円)
2023年度: 7,930千円 (直接経費: 6,100千円、間接経費: 1,830千円)
2022年度: 15,340千円 (直接経費: 11,800千円、間接経費: 3,540千円)
2021年度: 19,110千円 (直接経費: 14,700千円、間接経費: 4,410千円)
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| キーワード | 沸騰重畳 / 非平衡効果 / 溶存ガス / ぬれ性制御 / 水電解 / 実セル / 酸素発生反応 / 水素発生反応 / 過電圧分離 / 高速・高解像気泡観察 / 三極セル / 沸騰 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
申請者は水電解に沸騰を重畳させ、水電解水素製造効率を10%向上する。種々条件を調整すれば、水電解装置を100℃付近で運転でき、この時、沸騰が電極上で起きる。沸騰気泡内の水蒸気圧力は周囲の水に比べて高く、高圧水蒸気によって電極上への水分子の吸着、すなわち電極反応の最初の素過程が加速的に進み、電解電圧が低減し、水電解効率が向上すると考えられる。そこで本申請では、水電解に沸騰を重畳できる水電解電極を構築し、電極微細構造や運転条件等が沸騰重畳効果に及ぼす影響を定量化し、電圧低減メカニズムを明らかにし、理論モデルをツールにして沸騰重畳効果を最大化する水電解装置を開発して水電解効率10%向上を達成する。
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| 研究成果の概要 |
申請者は水電解に沸騰を重畳させ効率を10%向上する。水電解装置を100℃付近で運転すると、沸騰が電極上で発生する。沸騰気泡により酸素活量（溶存酸素濃度、酸素気泡中の酸素分圧）が局所的に短時間繰り返して下がり、ネルンスト電圧を介して電解電圧が下がるとの非平衡的な効果が期待できる。この仮説を、ヒーター埋込型作用極を有する三極セルや、参照極付き実セルで検証した。室温から温度掃引すると、沸点付近でOER電圧、HER電圧ともに急減した。この実験結果は沸騰重畳の非平衡効果による電解電圧低減を示唆する。電圧降下による効率改善は5%程度であったが、今後の最適化により目標の10%を達成可能である。
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| 研究成果の学術的意義や社会的意義 |
本研究の沸騰重畳水電解技術が社会実装されれば、国内CO2を2.8%削減（2018年度基準）できる。沸騰重畳水電解は、実質電解電圧を下げ、あるいは電解電圧低下分を高電流密度化に転化すれば、水電解装置のOPEX、CAPEXを各段に低下することが可能である。このような沸騰重畳水電解セル（BS-PEMEC）を余剰電力が大きい九州内の工場に設置し、余剰再エネ電力と工場排熱によりBS-PEMECを運転し、製造した水素で水素ボイラーを運転し、高温熱源を工場に供給する、いわゆる産業用高温熱源の脱炭素化により、2050年のカーボンニュートラルの（国内）実現に対して、本技術は2.8%分寄与できると試算している。
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