理研、太陽光エネルギーを水素へ変換する安価なシステム実現へ


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太陽光エネルギーの水素貯蔵でエネルギー変換効率15.3%を達成

理化学研究所(所在地:埼玉県和光市、理事長:松本紘、以下、理研)の社会知創成事業イノベーション推進センター中村特別研究室・中村振一郎特別招聘研究員と、藤井克司客員研究員(東京大学特任教授)らの研究チームは、太陽光エネルギーを水素として貯蔵する安価で簡便なシステムを構築し、エネルギー変換効率15.3%を達成したと発表した。

これからの低環境負荷社会に求められるのは、温室効果ガスであるCO2(二酸化炭素)を排出しない風力や太陽光などのクリーンな自然エネルギーを活用しつつ、安定的な供給を実現するエネルギー源だ。

自然エネルギーを必要な時に必要量供給できる仕組みを考える

近年、太陽光エネルギーを電気エネルギーへ転換する太陽電池の分野では、エネルギー変換効率に優れた機器・装置の開発が進み、各地で太陽光発電設備の導入が進んでいる。

しかし、現在の自然エネルギーを用いた電力インフラでは、天候などによる発電量変動を十分に制御することが難しく、タイムリーかつ安定的なエネルギーが供給できない。

このため、自然エネルギーへの転換を図る上で重要な鍵となるのが、必要な時に必要な量のエネルギーを供給可能にするためのエネルギーの貯蔵方法だ。

植物の炭水化物を貯蔵する仕組みをヒントに水素を貯蔵

このたび研究チームは、水素をエネルギー貯蔵源と捉え、自然エネルギーで発電した電力を利用し、電気化学的な手法を用いて水素を得て、それを貯蔵するシステムの開発に取り組んだ。

例えば植物は、葉の中でアンテナ機構という精妙なナノ構造を用いて光合成を行い、炭水化物を貯蔵する。

研究チームは、この光合成と同じように光エネルギーを利用してエネルギー源を貯蔵するシステムを開発し、フレネルレンズ[※1(記事の補足説明下参照)]を用いて、集光するタンデム型太陽電池[※2(記事の補足説明下参照)]を、電源とする水分解電気化学セルで水素を発生させ貯蔵することに成功した。

また、太陽電池の直列接続によって水の電気分解可能な電圧まで電圧を高めるとともに、もっともエネルギーロスの少ない接続方法を検討した結果、太陽光エネルギーから水素への変換効率を15.3%まで高めることにも成功した。

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図1 自然エネルギーを用いた自立型のエネルギーシステム

太陽電池と水分解電気化学セルを用いた水の電気分解の技術を組み合わせて、太陽光エネルギーを水素として貯蔵することが可能になれば、将来的には自然エネルギーを使った自立型のエネルギーシステムの構築が可能になる(図1)。

風力や太陽光などのクリーンな自然エネルギーの有効活用へ

水素で貯蔵するメリットとして、①気体であるため軽く、大量に貯めることができる②長期間保存しても電池のようにエネルギーが減ることがない③使用時に排出されるのは水だけのクリーンなエネルギー、であることが挙げられる。水の電気分解は、電気エネルギーを用いて水を水素と酸素に分離することです。(図2)に水の電気分解を行う最も簡単な構造の模式図を示している。

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図2 簡単な水分解装置。電解液に用いる塩や電極自身が酸化されないような物質を用いる必要があるため、電解質には炭酸ナトリウムなど、電極には黒鉛などが使用される

研究チームでは、「今後、実用的なシステムとするには、太陽電池-電気化学セルというシステムの中核部分だけでなく、水素貯蔵法や、全体を流れるエネルギー、電流、水、排熱のロスといった周辺部分の最適化など、さまざまな試みが必須になります」と述べている。

【※補足説明】
[※1]フレネルレンズ
通常のレンズの同心円状の領域を、レンズの表面・裏面の曲線構造をそのままに分割して厚みを減らして配置したもので、結果としてのこぎり状の断面構造を持つレンズとなる。

使用する材料を減らし、軽量・薄膜化できる特性を持つが、同心円状に段差が入るため、散乱が起きる関係で結像能力は落ちる。集光型太陽電池の場合、それほどの結合能力は要求されないため、よく用いられる。

材料は価格を抑えるためにプラスチックが多く用いられており、アクリル樹脂、ポリメチルメタクリレート樹脂、ポリカーボネート樹脂などが代表である。

[※2]タンデム型太陽電池
タンデム型太陽電池は多接合型、スタック型、積層型太陽電池とも呼ばれる。通常の太陽電池は、単一の半導体材料でp-n構造をもつものとして作製される。

この半導体は材料によって、それより短波長の光を吸収することが可能なバンドギャップの値が異なっている。そのため、この半導体の種類を太陽に対向する側から広いバンドギャップのp-n接合半導体から狭いバンドギャップのp-n接合半導体へと並べることで、光を効率的に利用することができるようになる。これをタンデム型対応電池という。

この場合、積層されたp-n接合を持つ太陽電池は直列に接続されることになるため、各太陽電池での発電電流は最も発電電流が低いほうに合致する。すなわち、各太陽電池間の発電電流は同一にすることが望ましいため、バンドギャップの調整が難しくなる。

さらに、種々の太陽電池を積層する関係上、単一材料、特にSi系の太陽電池と比べて材料だけでも非常に高価になるため、太陽光はフレネルレンズ等を用いて集光し、太陽電池が必ず太陽からの直達光を受けられるようにする、太陽の方向を常に追いかけるためのトラッキング装置とともに用いられることが多い。

通常のタンデム型太陽電池はバンドギャップが広い材料を比較的多く用いるため、温度特性が良いとされている。

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