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成果報告書詳細
管理番号20180000000359
タイトル平成26年度ー平成29年度成果報告書 水素利用等先導研究開発事業 高効率水素製造技術の研究 次世代水素製造システムの研究
公開日2018/6/28
報告書年度2014 - 2017
委託先名エクセルギー・パワー・システムズ株式会社 国立大学法人東京大学
プロジェクト番号P14021
部署名次世代電池・水素部
和文要約 三次元粒子電極構造の水素吸蔵合金負極、水酸化ニッケル正極からなる新しい水電解水素製造/発電システムを提案した。このシステムは、三相(気液固)界面電極反応を、液固および気液の二相界面電極反応の分割することにより、過電圧を低減することができる。実験により、高効率で水電解および放電が可能なことを確認した。37 A/m2の電流密度で水電解のエネルギー効率および発電効率が最大98.3%、79.6%となった。
三次元粒子電極を用いた単セルを、バイポーラープレートを用いて20セルをスタックして1kw級水電解装置を作製し、25℃、0.2 Cで95.3%(259.1 ml/Wh)の高いエネルギー変換効率が得られた。
また、中間電極を用いて、水電解反応を酸素発生サイクルと水素発生サイクルの2つの電気化学サイクルに分割し、水素と酸素を別々に発生させることができる新しい電気化学水電解サイクルを提案した。薄いセパレーターを用いることができるため、抵抗過電圧を低減することができる。負極、中間電極および正極にそれぞれ、水素吸蔵合金、MnO2、Ni(OH)2の三次元粒子電極を用いて水素と酸素の発生を確認し、60℃で電解電圧が1.6 V以下となった。
 さらに、負極及び正極に交互にパルス電流を流すことにより、電極近傍での拡散層ー濃度勾配の形成を防ぎ、このため拡散過電圧を大幅に低減することができる。温度25℃、電流密度0.2A/cm2 の条件で500Hzのときに1.69 Vと低い電解電圧で水電解できることがわかった。
0.1 kW級の電気化学水分解サイクル水電解装置を製作し、大型化のためのスタック構造を確立した。
英文要約 A novel electrochemical reactor for water electrolysis hydrogen production and power generation is proposed, which is composed of 3D particle negative electrode(NE) MH and NiH positive electrode(PE). This system can reduce the overpotential by splitting the three-phase (Solid/Liquid/Gass) boundary electrode reaction into S/L and S/G two-phase boundary electrode reactions. From the experimental results, it was confirmed that hydrogen gas is generated with high energy efficiency during the charging process. Hydrogen gas was consumed during the discharging process (power generation). The energy conversion efficiencies of hydrogen production and that of the whole hydrogen production/power generation process were 98.3% and 79.6%, respectively, at a 37A/m2 current density.
A 1 kW-class electrochemical reactor for hydrogen production was developed, which contains 20 single cells stacked using 3D particle electrodes and bipolar plates. The electrochemical tests showed that the stack exhibited a high hydrogen production efficiency with a maximum current efficiency of 95.3% for hydrogen production.
Furthermore, a novel water electrolysis system containing 3D particle NE, intermediate electrode(IE) and PE is proposed, which can generate oxygen and hydrogen gases separately through a two-step electrochemical cycle. This multi-step water electrolysis system can achieve a high energy conversion efficiency during hydrogen production by reducing the ohmic overpotential between the electrodes through use of a thinner separator than that used in conventional systems. MnO2 was selected as the IE because its oxidation-reduction potential is located between the potentials of the hydrogen and oxygen evolution reactions. A low average voltage for water electrolysis, below 1.6V, was obtained at 60°C. Thus, the proposed water electrolysis system has potential as an electrochemical reactor for highly efficient, high-purity hydrogen production.
In addition, a novel pulsed current water splitting electrochemical cycle for hydrogen production using a 3D MnO2 IE is proposed. This cycle should be able to generate hydrogen and oxygen gas separately at different periods of time. Here, we applied an interrupted pulsed current to reduce the overpotential caused by diffusion layers in conventional direct current electrolysis. The pulsed current, which disturbs the formation of the ion diffusion layer in the vicinity of the electrodes, is observed to be effective above 50Hz. The best electrolysis performance was recorded at a current density of 0.2Acmー2, and the observed cell voltage was 1.69V at 25°C for a pulse frequency of 500Hz.
A 0.1 kW-class electrochemical cycle water-splitting hydrogen production system was tested, which contains two single cells stacked using 3D NE, IE and PE.
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