2014 Fiscal Year Annual Research Report
逆電気透析発電システム用モノリシック発電セルの開発
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25281064
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| Research Institution | Yamaguchi University |
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Principal Investigator |
比嘉 充 山口大学, 理工学研究科, 教授 (30241251)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
遠藤 宣隆 山口大学, 理工学研究科, 助教 (40314819)
垣花 百合子 神戸大学, 工学(系)研究科(研究院), 研究員 (90592014)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2016-03-31
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| Keywords | 濃度差エネルギー / ポリビニルアルコール / ブロック共重合体 / イオン交換膜 / イオン交換容量 / 膜抵抗 / イオン選択性 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
高性能なRED発電セルの構築には荷電層だけではなく、流路構造が重要となる。送液圧損や流路汚染、及び河川側の流路抵抗の低減、REDスタック部品点数の50%減少によるメンテナンスコスト低減、溶液漏れ防止、などを目的としてモノリシック発電セルの形成および従来のセルおよびモノリシック発電セルの構造解析と基礎特性評価、及び実際に近い稼働条件での発電試験を行った。
REDスタックは、陽イオン交換膜と陰イオン交換膜を交互に重ねたものを1 対とし、対数を20 対、イオン交換膜一枚当たりの有効膜面積を88 cm2、膜間距離を0.5 mmとした小型自作スタックと、イオン交換法電気透析セルAC-10-200型（アストム社製）を改修した大型スタック（有効膜面積0.1m2、膜間距離0.6mm）を作製した。
小型・大型スタック共に、模擬海水と模擬河川水の濃度比rに対する最大出力密度PDは、rの減少に伴い増加し、r=15～30付近で最大出力密度(PDmax)を示し、rは最適値を有することを確認した。これに対し、淡水側の膜間距離dに対するPDは、dが低いほど増加した。また、大型スタックは小型スタックと比較して20%低いPDmaxを示した。これはセル中における濃度変化による大きさが大型スタックにおいて顕著に表れたことを示すと考えられ、大型スタックでは短い流路構造にすることで改善が期待できる。
また、シミュレーションによる出力試算も行い、セル構造・膜特性・発電条件の最適化を進めることで発電特性の向上および低コスト化の検討を進めている。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
モノリシック型セルの試作と大型スタックの構築、従来型およびモノリシック型の小型スタックの構築を行い、種々の条件で発電特性試験を行うことで、発電条件およびセル構造における影響評価を順調に進めている。
また、シミュレーションによる出力試算も行い、セル構造・膜特性・発電条件の最適化を進めることで発電特性の向上および低コスト化の検討も進めており、順調に進展している。
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| Strategy for Future Research Activity |
高性能なRED発電セルの構築には荷電層だけではなく、流路構造が重要となる。送液圧損や流路汚染、及び河川側の流路抵抗の低減、REDスタック部品点数の50%減少によるメンテナンスコスト低減、溶液漏れ防止、などを目的として作製したモノリシック発電セルを用い、その構造解析と基礎特性評価、及び実際に近い稼働条件での発電試験を行う。
(1)淡水と模擬海水の濃度や運転条件を変化させ、REDモジュールの性能及び発電特性の評価を行う。これらの結果から、REDモジュール内部の濃度分極による影響を評価し、モジュール構造及び運転条件の最適化を検討する。
(2)(1)の実験系の海水側と河川水側の溶液をNaClだけではなく実際の系に近い電解質組成にし、さらに模擬汚染物質としてフミン酸、アルギン酸、界面活性剤を加えた場合での荷電層及び流路の汚染状態と発生出力との関係を調べる。
(3)(1)の評価結果に基づき、REDモジュール内の塩濃度や圧力損失等を分析することで、このモジュールの発電出力、エネルギー効率を算出し、その結果に基づいてシステム全体の発電コストを算出する。
(4)１つのREDモジュール内における発電セル数を変えて種々の条件での発電試験を行い、その発電コストを評価する。また１つのREDモジュールから排出された海水側溶液、河川側溶液を別のREDモジュールに供給して発電する多段REDシステムを想定した場合の各段における発電コストとシステム全体の発電コストを(3)の結果から算出して、発電コストが最少となるRED段数とその時の最適条件をシミュレーションから検討する。これらの結果に基づいて大規模化発電システムの試算を行い、実証プラントの検討を行う。
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| Causes of Carryover |
大型セルスタックの改修が遅れたため、本年度は小型セルスタックによる評価を集中的に行った。その結果、試薬の使用量などが想定より少なかったため、次年度使用額が生じた。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
本年度に引き続き、セルスタックの構築およびその評価試験を行うが、大型セルスタックによる測定や、模擬汚染物質を用いた試験を行う予定であり、膜作製および評価試験に用いる試薬量が増大すると考えられるため、その費用に充てる。
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