レドックス・フロー熱電発電で発電密度を1桁向上：排熱源を冷やしながら発電する

東京工業大学の研究グループは、排熱源を冷却しながら発電を行う「レドックス・フロー熱電発電」で、従来に比べ発電密度を1桁以上高くすることに成功した。

[馬本隆綱，EE Times Japan]

作動液の溶媒にガンマ‐ブチロラクトン（GBL）を採用

　東京工業大学工学院機械系の村上陽一准教授と博士後期課程学生の池田寛氏らによる研究グループは2021年10月、排熱源を冷却しながら発電を行う「レドックス・フロー熱電発電」で、従来に比べ発電密度を1桁以上高くすることに成功したと発表した。

　村上氏らの研究グループは、100〜200℃の排熱面を冷却する技術として、「レドックス・フロー熱電発電」を創出した。この技術はパワー半導体や車載電池セルなどを冷やしながら発電することができる技術で、2017年に実験結果を報告した。2019年には、そのメカニズムを解明した上で、コンセプトの原理的可能性を証明してきた。ただ、実用化に向けては発電性能のさらなる向上などが求められていた。

レドックス・フロー熱電発電のコンセプト模式図 出所：東京工業大学

　これまでの研究成果により、発電量が低い要因として、作動液（酸化還元種溶液兼冷却液）の溶媒に用いるイオン液体の粘度が高いため、溶質である酸化還元種の運動性を低下させていることが分かっていた。

　そこで今回は、発電量を高めることができる液体を探した。その条件とは、「水と同程度に粘度が低いこと」「沸点が200℃以上と高いこと」「酸化還元種の溶解度が高いこと」「高い化学的・熱的安定性をもつこと」「量産効果により低コストで、十分な使用実績があること」および、「毒物劇物取締法に該当していないこと」である。

　これらの条件を全て満たす液体が、「ガンマ‐ブチロラクトン（GBL）」であった。GBLを溶媒とする新たな作動液は、炎を3分間接触させても着火しないなど、高い熱安定性と安全性があることも確認した。

左図は排熱面を模擬したカソード電極、中図は酸化還元種をGBLに0.21mol/L溶解させた作動液を円筒ガラス容器に入れ、液面に炎を接触させた写真、右図は粘度の温度依存性の比較［クリックで拡大］ 出所：東京工業大学

　開発した作動液を試験セルに流動させ、170℃の排熱面を模擬した電極を用いて冷却実験を行ったところ、発電量は6mWで、発電密度は10W/m²に達したという。この発電性能は、従来の原理実証時に比べ1桁以上も高くなったことになる。ゲインも2桁向上したという。

　実験では、発熱面が硬貨程度と小さいセルからの出力を市販の昇圧回路で昇圧し、LEDやモーターに印加した。この結果、緑色LED8個の連続同時点灯や3枚羽のファンモーターを回転させることに成功した。

上図の左は試験セルに流した作動液の流量（横軸）と発電量（左軸）、発電密度（右軸）との関係、右は流量（横軸）とゲイン（縦軸）との関係。下図の左は緑色のLED8灯を連続同時に点灯したデモ、右は3枚羽根のファンを回したデモの様子 出所：東京工業大学（オープンアクセスの論文『Thermogalvanic energy harvesting from forced convection cooling of 100-200℃ surfaces generating high power density』より抜粋し一部改変）

　研究グループは今後、早期実用化に向けて、「スケールアップの方法論の構築」「さらなる起電力の増大と溶解度の向上を含む、最適な酸化還元種と溶媒の探索」「最適な電極材質と流路形状の探索」などが必要と判断。発電密度100W/m²以上の達成に向け、共同研究などに取り組む計画である。