| 研究課題/領域番号 |
22360089
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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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| キーワード | 電圧効率 / 高分子電解質膜 / 湿潤 |
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| 研究概要 |
本研究の目的は電気化学水素ポンプを設計・製作し、水素ポンプの効率に関わるガス透過性、不可逆損失を実験研究から明らかにし、水素ポンプの適切な昇圧範囲を熱力学的検討から見出し、高圧域における水素ポンプの設計・運転指針を整備することにある。本年度は、設計製作した水素ポンプを(1)ランプ運転、定常運転し、(2)電流効率、および電圧効率を求め損失要因を明確にした。
項目(1)においては、先ず、実用的な運用も考慮して水素ポンプの運転方法を検討した。運転中の高分子電解質膜の乾燥を防ぎ、かつ外部加湿器にたよらない内部加湿型のセルにて水素ポンプ運転を試みた。さらにアノードデット型の運転を試みた。このように実用に即した形で室温、0.5A/cm2の定電流で0.1から2.0MPaG(圧力比10)の範囲のランプ運転をしたところ、時間に比例してカソード圧力が上がり、かつアノード、カソード圧力比に対してネルンスト型の電圧変化を示した。このことから水素ポンプは原理に沿った特性を有し、期待した昇圧機能を有することが分かった。
次に項目(2)においては各電流密度、温度域において圧力比約10の定常運転を実施し、電流、電圧効率を求めた。室温において電流効率は90%以上の高い値を示した。しかしながら電圧効率は0.1A/cm2で41%、0.5A/cm2にはわずか6%であり期待した性能に及ばなかった。この原因を探究すべく、電気化学的な過電圧分離を実施した。その結果、オーム過電圧が大きいことが電圧効率を下げる最大の要因であることがわかった。内部加湿機能を有するセルを設けたけれども、運転中は膜が乾燥したと考察される。低周波側の過電圧もオーム過電圧と同等の大きさ示した。以上の両過電圧は、温度を上げると半分以下に低減できた。
以上の結果から、電解質膜の湿潤機構を新たに設け、また温度と過電圧の関係を明確にしながら、スケールアップしたセルを再設計し、運転し、再度水素ポンプの性能評価を実施し、水素ポンプの特性を明らかにし、適切な昇圧範囲など、水素高圧プロセスにおける水素ポンプの立ち位置を明確にする。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
電圧効率が予想以上に低く、この点が、若干の遅れとなった。しかしながら、その対策の目処も立ち、24年度の計画にスムーズに以降できるよう準備できている。
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| 今後の研究の推進方策 |
電圧効率が予想以上に低かったが、過電圧分離やこれに基づくセル改造などによる改善の目処が立っている。セル改造においては、従来のカソードのみの湿潤から、アノードにもその機能を設けるなどの仕様変更を施す。また時間を要するパッキンの設置からOリングの設置に切り替え実験効率をあげる。以上のような方策のもと、スケールアップ化をはかりながら水素ポンプの運転指針を雑誌論文にまとめる。
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