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理研、太陽光から水素への変換効率、15.3%を実現

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理研、太陽光から水素への変換効率、15.3%を実現

理化学研究所と東京大学の研究チームは、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。同研究チームのメンバーは、同研究所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の中村振一郎特別招聘研究員と、同大学の特任教授である藤井克司客員研究員ら。

この研究は、自然エネルギーのタイムリーかつ安定的なエネルギー供給をめざし、エネルギーの貯蔵方法を開発したもの。自然エネルギーで発電した電力を利用し、電気化学的な手法で水素に変換し、エネルギー源として貯蔵するシステムを開発した。

自然エネルギーを用いた自立型のエネルギーシステム

自然エネルギーを用いた自立型のエネルギーシステム

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。しかし、工業的に水分解を行う場合には、エネルギー効率が良くなるような「電気化学セル」の構造を使い、その場合、電解質として溶液ではなく導電性ポリマーを用いる。導電性ポリマーを用いることで、酸化・還元反応で生成した物質が混ざらず、かつ元の物質に戻ることがなくなる。

理論的には、1.23Vの電圧を掛けることで、水の電気分解が起こり、電流が流れ始めるが、実際には、電気化学セル内にさまざまな電気抵抗がありエネルギーロスが生じるため、1.48Vの電圧が必要となる。

つまり、水の電気分解には約1.5V以上の電圧が必要だが、最も一般的なシリコン太陽電池は、電池1つの最大出力電圧が0.6から0.7Vしかない。したがって、1つの太陽電池で水の電気分解を行うには、エネルギーが不足する。同研究チームは太陽電池の直列接続を行い、水の電気分解可能な電圧まで電圧を高め、もっともエネルギーロスの少ない接続方法について検討した。

シリコン太陽電池と電気化学セルを使った場合、シリコン太陽電池を3個直列に接続すると変換効率は2.0%、4個直列に接続した場合は6.1%と、いずれも変換効率は良くなかった。

そこで、フレネルレンズを用い、太陽の位置に合わせて効率よく集光できるタンデム型太陽電池を使用したところ、12.2%という変換効率を得た。さらにロスを減少されるため、タンデム型太陽電池を2個直列、電気化学セルを3個直列に並べ、太陽電池の最大出力電圧と電気化学セルの動作電圧を近づけると、エネルギー変換効率は15.3%まで向上した。

同技術が実用化されば、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。同研究チームは、実用化するには今後、システムの中核部分だけでなく、水素貯蔵法など周辺部分の最適化など、さまざまな試みが必要だとしている。

水素で貯蔵するメリットは、気体であるため軽く、大量に貯蔵でき、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く、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など。

同研究成果は「Journal of the Japan Institute of Energy」2015年94巻27ページに掲載された。

【参考】
理化学研究所 - 太陽光エネルギーを水素へ高効率に変換

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