【研究領域課題番号】21H04942 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

塩分濃度差エネルギー / 再生可能エネルギー / イオン交換膜 / 逆電気透析 / 逆電気透析発電

【研究成果の概要】

本研究では国産の再エネ型ベースロード電源となり得るRED発電システムの実用化を目指して超薄膜・超低抵抗イオン交換膜, 凹凸流路一体型セルで構築された高効率SGE変換セル, RED前処理に特化した陽・陰イオン交換ナノファイバーろ過装置, スタック洗浄法, REDシミュレータおよび原型モジュールを開発する.
本年度では, 超薄膜・超低抵抗イオン交換膜を作製するために化学気相蒸着（CVD）により膜厚100nm以下の荷電膜を得ることに成功した. REDスタック内の流路形状が圧力損失に及ぼす影響について数値シミュレーションを行った結果，流路の出入口付近での圧力損失が大きく，この領域の流路幅を広げることで損失が小さくなることが判明した．また膜表面に凹凸構造を有するプロファイル（PF）膜を使用した流路に対して流体力学解析を行い，このPF膜を用いることで発電出力密度が1.4倍以上になる高効率SGE変換セルを開発した.
RED用前処理装置を構築するために生産性に優れたナノファイバー(NF)製造方法である溶液ブロー紡糸法を用いて負荷電を持つパーフルオロスルホン酸アイオノマーNFを作製した. また国内4つの下水処理場からサンプリングした下水処理水を分析した結果, 嫌気性処理を組み込んだ下水処理場がREDに適していることが判明した. またSGE変換ユニットを模倣した微小流路内に形成させたバイオフィルムを3Dイメージング技術で定量化し, 洗浄方法を検討した. その結果, スペーサーに付着したバイオフィルムに対し, 酵素洗浄が有効であることが判明した.
REDシステムを系統連携するために, 構築した RED シミュレータと絶縁機能を有しながら最大電力点追従制御を実現可能なDC-DC コンバータと連携インバータモデルを構築し，商用系統へ最大で 400 W の電力が注入可能であることを明らかにした.

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2021-04-05 - 2024-03-31

【配分額】42,900千円 (直接経費: 33,000千円、間接経費: 9,900千円)

【研究分野】持続可能システム

【研究領域課題番号】16H01796 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

再生可能エネルギー / 塩分濃度差 / イオン交換膜 / 海水 / 濃度差

【研究成果の概要】

本研究ではRED発電の実用化を目指して、SGE変換セルの高効率化と大型化、REDシステムの長期安定運転に不可欠なRED前処理装置の開発や洗浄法の検討、及び種々の塩水を用いたRED発電システムの最適運転条件の確立を行った。
スタックの大型化(有効膜面積：0.3 m2、総膜面積：180 m2)に成功し、大型スタックでは世界最大の出力密度(1.42 W/m2)が得られた。ナノファイバー複合膜やprofiled膜など新規膜の開発も合わせて、小型スタックの出力密度は3.42 W/m2と大幅に向上した。また今回開発したRED用前処理装置や酵素洗浄法によりこのシステムを長期間安定に運転することが期待出来る。

【研究の社会的意義】

海水と河川水などの塩水間に存在する塩分濃度差エネルギーを直接電気エネルギーに変換する逆電気透析（RED）発電は低環境負荷、国内エネルギー自給である。さらに風力発電や太陽光発電にはない、高稼働率、小設置面積という利点を有するため、この技術の実用化は社会的意義が大きい。
本研究における原水イオン濃度、イオン組成、水温、膜間距離、膜電気抵抗からRED発電出力を定量的に予測する解析は学術的意義が大きい。またREDスタックの大型化に成功して世界最大となる出力密度が得られ、さらに長期安定運転化技術を得た結果は、学術的意義と共にこの技術の実用化を推進する上で社会的にも大きな意義がある。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2016-04-01 - 2020-03-31

【配分額】41,730千円 (直接経費: 32,100千円、間接経費: 9,630千円)