太陽光由来メタン合成システムのシステム最適化および製造コスト削減

Research Project

Project/Area Number	22K05008
Research Category	Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
Allocation Type	Multi-year Fund
Section	一般
Review Section	Basic Section 31020:Earth resource engineering, Energy sciences-related
Research Institution	University of Miyazaki
Principal Investigator	太田靖之宮崎大学, 工学部, 准教授 (10518450)
Project Period (FY)	2022-04-01 – 2025-03-31
Project Status	Granted (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help	¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000) Fiscal Year 2024: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000) Fiscal Year 2023: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000) Fiscal Year 2022: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
Keywords	集光型太陽電池 / P2Gシステム / 再生可能エネルギー / Power-to-Gasシステム / 固体高分子型水電解装置 / メタネーション
Outline of Research at the Start	太陽光エネルギーを持続可能なエネルギーとして安定供給することを目的に、太陽光エネルギーからメタン合成までのPower-to-Gasシステムの屋外実証を実施する。太陽光エネルギーからメタン合成まで一気通貫したシステムの屋外実証は、システム全体の最適化に必要な実証データを取得するために必要である。本研究提案では、集光型太陽電池・水電解装置より製造した水素と、その水素を直接供給して行うCO2のメタン合成システムを用いて実証データを取得する。実証データをもとにシステム最適化を行い、メタン製造コストの低減効果を明らかにする。
Outline of Annual Research Achievements	メタネーションに用いられる水素は、集光型太陽電池からの発電電力により製造される。集光型太陽電池は、変換効率は高いものの発電電力は天候に大きく影響することが問題点として挙げられる。その結果、メタネーションに供給される水素量も大きく変動する。本年度は、新たにシリコン太陽電池を設置し、シリコン太陽電池からの電力を用いて水素製造を行った。シリコン太陽電池は、集光型太陽電池と比べ変換効率は低下するものの、天候の変化による発電量変化は集光型太陽電池に比べ少なく、メタネーション装置に継続して水素を供給することができる。また、集光型太陽電池からシリコン太陽電池に置き換えることで、発電電力の電圧電流特性も変化する。したがって、太陽電池からの電力を水電解セルに供給するDCDCコンバータの改良を行った。上記改良により、継続して水素製造ができるとこを確認した。一方で、水素製造・メタネーション装置を運用するうえで、水電解セルの劣化が全体のシステム効率に大きく影響する。したがって、劣化した水電解セルの回復手法について明らかにした。水素製造に用いられる固体高分子型水電解セルに人工的に製造した軟水を供給することで固体高分子型水電解セルの水素製造効率が低下することがわかっている。人為的に劣化させた固体高分子型水電解セルに、回復処理として純水の供給および硝酸処理を実施した。その結果、水素製造に必要な電圧は回復処理を行うことで低下することが明らかになった。また、硝酸処理を行うことで、電子から水素イオンへの変換効率(ファラデー効率)が回復することが明らかにした。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 集光型太陽電池に加え、シリコン太陽電池から水素生成システムへ電力供給できるように、シリコン太陽電池の新設およびDCDCコンバータの改良を実施した。改良したシステムによる水素生成およびその水素を用いたメタメーションを実施している。以上のように、計画通りに研究が遂行している。
Strategy for Future Research Activity	シリコン太陽電池の発電電力による水素生成およびメタン合成の屋外実験を行うことで、水素生成条件におけるメタン合成量およびメタン合成に必要な消費電力量を明らかにする。また、それらをもとに、蓄電池による電力供給を含めたメタネーションシステムの最適化設計を行う。また、太陽光由来水素より合成したメタンの利活用を目的に、合成されたメタンの燃焼カロリーの測定、実際に燃焼実験を行うことで既存インフラ設備での供給可能性について検討する。