| 研究課題/領域番号 |
23H00282
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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 |
森 昌司 九州大学, 工学研究院, 教授 (10377088)
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| 研究分担者 |
津田 伸一 九州大学, 工学研究院, 准教授 (00466244)
高橋 厚史 九州大学, 工学研究院, 教授 (10243924)
梅原 裕太郎 九州大学, 工学研究院, 助教 (80961755)
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| 研究期間 (年度) |
2023-04-01 – 2026-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2025年度)
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| 配分額 *注記 |
48,360千円 (直接経費: 37,200千円、間接経費: 11,160千円)
2025年度: 9,230千円 (直接経費: 7,100千円、間接経費: 2,130千円)
2024年度: 9,750千円 (直接経費: 7,500千円、間接経費: 2,250千円)
2023年度: 29,380千円 (直接経費: 22,600千円、間接経費: 6,780千円)
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| キーワード | 水電解 / ハニカム多孔質体 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
再生可能エネルギーの導入比率の向上には水電解による水素の高効率製造が不可欠で、これを実現するために水電解特性と沸騰熱伝達特性の類似性に着目し、独自に開発した沸騰の冷却限界向上手法を水電解に応用して水素生成密度の限界を従来の1.5倍に向上できることを示した。さらなる性能向上にはハニカム多孔電極の形状最適化だけでなく電極表面微細ぬれパターン制御が重要である。そこで本研究では電極面から微細気泡を効率的に排除するため、ナノからマクロスケールにわたる実験と計算を組み合わせ、高電流密度で水素生成を可能とする手法を構築する。
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| 研究実績の概要 |
再生可能エネルギーの導入比率の向上には、水電解による水素の高効率製造が不可欠です。そのため、本研究では水電解特性と沸騰熱伝達特性の類似性に注目し、独自に開発した沸騰の冷却限界向上手法を水電解に応用しました。その結果、水素生成密度の限界を従来の1.5倍に向上させることができることを示しました。この手法は、電極面にハニカム多孔体を取り付け、毛管力によるパッシブな液の供給と発生気泡の排出促進をマクロスケールで行うものです。さらなる性能向上には、ハニカム多孔電極の形状最適化だけでなく、電極表面微細ぬれパターン制御が重要と考えています。そこで、本研究では電極面から微細気泡を効率的に排除するため、ナノからマクロスケールにわたるマルチスケール解析が可能な手法を開発します。それを用いてハニカム多孔電極形状および表面ぬれパターンを各スケールで最適化し、超高電流密度な水素製造を可能とする手法を構築することを目指しています。
これまでの研究では、電流密度や電析時間を変化させることで、金属製のハニカム多孔質体を効果的に作成しました。この過程で、自己組織的に形成される気泡の通り道が明らかになり、気泡が効率的に抜ける電極構造を明らかにしました。さらに、光学カメラを用いた実験により、水電解時の気泡離脱挙動を詳細に観察し、それと電解特性曲線との関係を明らかにしました。特に、電気化学的に有効な全表面積で勘案した場合でも、ハニカム構造の排出孔が小さすぎると気泡の排出が不十分で性能が低下することを明確にしました。
これらの成果は、水電解技術の基盤研究において重要な一歩であり、再生可能エネルギーの利用に向けた効率的な水素製造に貢献するものと考えられます。
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| 現在までの達成度 |
現在までの達成度
2: おおむね順調に進展している
理由
電極の作成が予定通り作成できたこと、電解特性曲線が高速度カメラと比較して検討できるデータが得られるようになりました。ただし、電流密度を限界状態まであげるには、装置の改造が必要であるため次年度に装置の改造を行いつつ着実に成果がでるように進めていきたい。
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| 今後の研究の推進方策 |
カメラの性能向上やデータ処理技術の改善を行い、より高精度でリアルタイムな測定を実現します。さらに、測定結果を基にして二相流動の理論モデルを構築し、水電解反応の挙動をより詳細に検討します。また、電極の吸水性と電解性能との関連性を明確化するために、吸水性試験や電解反応の測定を行い、データを比較・解析します。その上で、吸水性が電解性能に及ぼす影響メカニズムを検討し、より効率的な電解反応の実現に向けた手法を模索します。実験結果を基にモデルを構築し、電解反応のメカニズムを検討します。この際、モデルの精度向上や実用性の向上を図るために、実験条件の最適化やモデルの検証を行います。
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