Development of dynamic structure control technology for innovative reaction field

2024 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 23K17848
• Research Institution: Kyushu University
• Principal Investigator: 井上 元 九州大学, 工学研究院, 教授 (40336003)
• Project Period (FY): 2023-06-30 – 2025-03-31
• Keywords: 混相流 / 多孔質構造 / 電気化学 / 粒子制御 / スラリー

Outline of Annual Research Achievements

多くのデバイスで用いられている多孔質電極は、外部からの電子移動経路を保持するために、境界壁面から連結する自立構造を有する。したがって固体部の体積割合は30%～40%程度となる。電気化学反応はその反応におけるエネルギー損失の低減が必要であるが、その損失は電極表面での反応抵抗のみならず、物質拡散抵抗や伝導抵抗に依存する。この現状から、電解液や反応種の流通反応系において、固体電極粒子も混合させたスラリー状態で流動させ、その動的な流動過程の中で境界壁からの連続した粒子連結を形成することに挑戦する。電気化学と混相流の新たな融合、そして新たな反応工学分野の理論構築につながると考える。本研究では「電位印加流動場における粒子分散制御の技術立証とそれを用いた電気化学反応場の最適化」を目的とする。
第二年度は、電極粒子・反応種・電解液を混合したスラリーを種々調製し、各種の計測や電気化学デバイス内で利用する基礎技術の開発に重点を置いて取り組んだ。市販のレーザー回折粒子径計測の装置そのものを改造することが困難であったため、微小流通セルとマイクロスコープを組み合わせた光学評価による治具系の開発を継続して進めた。電位印加の電極面を左右に配置した微小流通セルについては、３Dプリンターを導入して作成した流路ピッチの異なるセルを用いることとした。送液方法や流量条件などを変化させ、スラリー内での粒子凝集や沈降などの望ましくない現象が起こらない条件を探索した。
初年度に開発した、個別要素法を用いたカーボンブラック担持電極粒子の混合インクの凝集挙動解析法についても改良を進めた。古典的DLVO理論に電解質被覆を考慮した理論モデルについて、溶媒組成が凝集粒子径におよぼす影響を実験と計算で比較し、溶解度パラメーター変化の観点から検証した。