塩分濃度差発電用新規高効率・高安定性エネルギー変換システムの開発

2023 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 21H04942
• 研究機関: 山口大学
• 研究代表者: 比嘉 充 山口大学, 大学院創成科学研究科, 教授 (30241251)
• 研究分担者: 田中 俊彦 山口大学, 大学院創成科学研究科, 教授 (00179772) ; 奥村 哲也 長崎大学, 工学研究科, 准教授 (10380817) ; 杉本 悠 山口大学, 大学院創成科学研究科, 助教 (30848841) ; 松本 英俊 東京工業大学, 物質理工学院, 教授 (40345393) ; 通阪 栄一 山口大学, 大学院創成科学研究科, 准教授 (40363543) ; 木村 睦 信州大学, 学術研究院繊維学系, 教授 (60273075) ; Jiang Fei 山口大学, 大学院創成科学研究科, 准教授 (60734358) ; 垣花 百合子 山口大学, 大学院創成科学研究科, 学術研究員 (90592014)
• 研究期間 (年度): 2021-04-05 – 2024-03-31
• キーワード: 塩分濃度差発電 / イオン交換膜 / 逆電気透析 / 再生可能エネルギー / 海水 / 淡水

研究実績の概要

逆電気透析(RED)発電の高出力化のために、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たイオン交換ナノファイバー(IE-NF)膜の開発を進め、A4サイズのIE-NF膜の作製を可能にした。また、電荷を持つパリレン薄膜と有機金属構造体との複合膜が分離膜として機能することを見出した。このパリレン膜のA4サイズまでの拡大も可能となり、支持膜上で欠陥なく数十ナノメーター厚の透過機能を持つ荷電型ナノ薄膜の成膜手法を確立した。
フルブリッジ方式絶縁型 DC-DC 変換器を用いてRED の最大出力電力追従制御を実現し、系統連系が可能であることを数値シミュレーションより確認した。REDスタック内の溶液の流れを解析するため、膜を介した水とイオン透過を模擬した計算モデルを開発し数値シミュレーションを行った。その結果、流路の圧力損失には流路の出入口近傍の流れが影響を及ぼし、発電装置の電流量は大きな影響を及ぼさないことを明らかにした。さらに、膜に凹凸構造を賦形したプロファイル(PF)膜に関して数値シミュレーションを行い、PF膜を利用することでおよそ70％のエネルギーロス削減が可能であることを明らかにした。
ホットプレス法により作製したPF膜の凹凸構造をレーザー顕微鏡により観察し、長期間にわたり凹凸構造が維持されることを明らかにした。また昨年度構築した膜300対・有効膜面積90 m2のベンチスケールREDスタックを用いて発電性能を調べ、大型REDスタックで高出力が得られる条件を見出した。バイオファウリングの洗浄の高効率化を目指し酵素と界面活性剤の利用法を検討した。染色法によるバイオフィルムの間接的評価と画像解析よる直接観察で，酵素と界面活性剤の併用がバイオフィルム除去に大きく作用することを実証した。以上より、大型REDスタックを用いた高出力・長期安定運転の筋道が示された。

現在までの達成度 (段落)

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [国際共同研究] ウロンゴン大学(オーストラリア)
  • 国名: オーストラリア
  • 外国機関名: ウロンゴン大学
• [雑誌論文] Power Generation by Reverse Electrodialysis Stack Using Profiled Ion Exchange Membranes with Novel Concave-Convex Pattern (2024)
  • 著者名/発表者名: Manato Tanaka, Yu Sugimoto, Mitsuru Higa
  • 雑誌名: Salt and Seawater Science & Technology 巻: 4 ページ: 22-23
  • DOI: 10.11457/ssst.4.0_22
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] All-Perfluorosulfonated-Ionomer Composite Membranes Containing Blow-Spun Fibers: Effect of a Thin Fiber Framework on Proton Conductivity and Mechanical Properties (2024)
  • 著者名/発表者名: Yuta Nabae, and Hidetoshi Matsumoto
  • 雑誌名: ACS Applied Materials & Interfaces 巻: 16 ページ: 10682-10691
  • DOI: 10.1021/acsami.3c17643
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Nanofiltration Performance of Poly(p-xylylene) Nanofilms with Imidazole Side Chains (2023)
  • 著者名/発表者名: S. Yoshida, T. Shii, Y. Kitazawa, M. L. Kim, E. H. Otal, Y. Hattori, M. Kimura
  • 雑誌名: Polymers 巻: 15 ページ: 3309
  • DOI: 10.3390/polym15153309
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] 逆電気透析発電システムにおける出力向上のための運転条件の検討 (2024)
  • 著者名/発表者名: 岡本魁斗、下河内悠希、杉本悠、比嘉充
  • 学会等名: 日本海水学会若手会第15回研究発表会
• [学会発表] Comparative Study of DC/DC converters for Maximum Power Point Tracking in Reverse Electrodialysis Cell (2024)
  • 著者名/発表者名: Yu Haixu and Hiroaki Yamada
  • 学会等名: International Conference of Innovative Application Research and Education
  • 国際学会
• [学会発表] 大型逆電気透析発電における種々の塩溶液を用いた発電特性評価 (2023)
  • 著者名/発表者名: 下河内悠希、杉本悠、比嘉充
  • 学会等名: 2023年度日本海水学会第74年会
• [学会発表] 新規構造イオン交換膜を用いた逆電気透析発電システムにおける供給流量と出力の関係 (2023)
  • 著者名/発表者名: 田中愛都、杉本悠、比嘉充
  • 学会等名: 2023年度日本海水学会第74年会
• [学会発表] パイロットスケールREDスタックにおけるエネルギー解析 (2023)
  • 著者名/発表者名: 杉本悠、比嘉充
  • 学会等名: 2023年度日本海水学会第74年会
• [学会発表] Impact of feed solutions on the power generation performance of a pilot-scale RED stack (2023)
  • 著者名/発表者名: Shimogouchi Yuki, Kawasaki hiroki, Tanaka manato, Sugimoto Yu, Kakihana Yuriko, Higa Mitsuru
  • 学会等名: ICOM2023
  • 国際学会
• [学会発表] Salinity gradient energy analysis of a pilot-scale reverse electrodialysis stack (2023)
  • 著者名/発表者名: Sugimoto Yu, Kakihana Yuriko, Higa Mitsuru
  • 学会等名: ICOM2023
  • 国際学会
• [学会発表] 逆電気透析発電システムで高出力を得るための新規構造イオン交換膜の作製と発電特性評価 (2023)
  • 著者名/発表者名: 田中愛都、杉本悠、比嘉充
  • 学会等名: 第60回化学関連支部合同九州大会
• [学会発表] 実海水・下水処理水を用いた逆電気透析発電装置の発電評価 (2023)
  • 著者名/発表者名: 杉本悠、川﨑大輝、下河内悠希、比嘉充
  • 学会等名: 第72回高分子討論会
• [学会発表] Fabrication and power generation performance evaluation of reverse electrodialysis stack with novel 3D structured ion exchange membranes (2023)
  • 著者名/発表者名: Tanaka Manato, Sugimoto Yu, Higa Mitsuru
  • 学会等名: ICSSST2023
  • 国際学会
• [学会発表] 海水と下水処理水を用いた濃度差発電システム (2023)
  • 著者名/発表者名: 岡本魁斗、下河内悠希、杉本悠、比嘉充
  • 学会等名: 第38回中国四国地区高分子若手研究会
• [学会発表] 大型逆電気透析発電スタックにおける海水及び下水処理水を用いた出力性能の解析 (2023)
  • 著者名/発表者名: 下河内悠希、岡本魁斗、杉本悠、比嘉充
  • 学会等名: 第45年会・膜シンポジウム2023合同大会
• [学会発表] 大型逆電気透析スタックの水透過量の予測と評価 (2023)
  • 著者名/発表者名: 杉本悠、比嘉充
  • 学会等名: 第45年会・膜シンポジウム2023合同大会
• [学会発表] 気相重合によって得られるパリレン薄膜の選択的透過性 (2023)
  • 著者名/発表者名: 木村 睦
  • 学会等名: 第72回高分子討論会
• [学会発表] 逆電気透析発電装置の流路構造が及ぼす流体挙動への影響 (2023)
  • 著者名/発表者名: 島袋佑真、奥村哲也、林秀千人、比嘉充
  • 学会等名: 日本海水学会第74年会
• [学会発表] 全パーフルオロスルホン酸アイオノマー型ナノファイバー複合電解質膜の作製と燃料電池特性 (2023)
  • 著者名/発表者名: 大貫秀太, 難波江裕太, 松本英俊
  • 学会等名: 第14回新電極触媒シンポジウム
• [学会発表] 溶液ブロー紡糸により作製されたパーフルオロスルホン酸アイオノマーナノファイバー内部構造の解析 (2023)
  • 著者名/発表者名: 松本英俊, 大貫秀太, 川合祥紀, 増永啓康, 太田昇
  • 学会等名: 第72回高分子学会年次大会