水電解による水素製造の最適条件モデル化(沸騰現象との類似性)

2000 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 12750157
• Research Institution: University of Fukui
• Principal Investigator: 永井 二郎 福井大学, 工学部, 助教授 (70251981)
• Keywords: 水の電気分解 / 水素システム / 気泡 / ボイド率 / 水電解セルのモデル化 / 局所電流密度

Research Abstract

水電解による水素製造効率は、電極間の発生気泡の影響を受ける。すなわち、電極間隔が狭くなると、基本的には電解液の電気抵抗ロスが減少し効率は上昇するが、発生気泡の増大は電極間ボイド率を上昇させ電気抵抗が増大するために、電極間隔には最適条件が存在する。この最適条件の物理的モデル構築と検証を目的として実験等を行い、以下の知見を得た。
1.【水電解の最適条件を求める実験】種々のパラメータ(電極サイズ、電極の種類、姿勢、電解液温度と濃度、電極間隔、電流密度)を広範囲に変化させて、水電解の最適条件を実験的に求めた。電解質には水酸化カリウム、電極材料にはニッケルまたは白金を用いた。その結果、筆者らが以前行った予備的実験と同様に、電極間隔には最適条件が存在することを確認した。この最適条件は、電極間隔が狭く、電流密度が大きいほど顕著に現れる。
2.【水素泡に関する情報の取得】水素泡の直径およびその上昇速度については、デジタルビデオカメラにより撮影し、おおよその値を画像処理により求めることができた。電極上の水素発生点密度については、発生気泡数が膨大なため、精度の良い測定が出来なかった。来年度継続して行う予定である。
3.【最適条件モデルの検討】電極間の気泡の影響を考慮した第1次近似的な水電解セルの物理モデルを構築した。つまり、局所電極間ボイド率を発生気泡体積と上昇気泡体積により評価し、その値により局所電極間電気抵抗が定まるとしてモデルを構築した。本モデルは多くの仮定を含んでおり、来年度さらに改良する予定であるが、電極間隔の最適条件の存在を示すことができる。
4.【モデル検証のための局所電流密度の測定】上記のモデルでは、局所電流密度は電極下端から単調に減少する。このことを実験的に検証するため、局所電流密度を測定する電極面を作成し実験を行った。その結果、定性的にはモデルと同様の傾向が得られた。