理研、太陽光エネルギーを水素に変換するシステムを発表。変換効率15.3%

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理化学研究所は、太陽光エネルギーを水素として貯蔵するシステムを構築したと発表しました。太陽電池と水の電気分解技術を組み合わせて、太陽光エネルギーを水素に変換・貯蔵するシステム。

太陽光や風力といった自然エネルギー由来の発電は、天候の影響を大きく受けて、安定的な電力供給が難しい点が古くからの課題となっています。本システムでは太陽光により発電した電気を用いて水を水素と酸素に分離し、水素を燃料電池などに貯蔵することで、必要な時に必要な量のエネルギーを供給することが可能になります。

水素貯蔵のメリットは3つで、1つ目は軽く大量に貯蔵できること、2つ目は長期間保存しても貯蔵した分のエネルギーが逓減しないこと、3つ目は使用時に排出されるのが水だけであること。

理化学研究所によれば、大規模な電気エネルギーの貯蔵に関しては、これまでにもリチウムイオン二次電池やナトリウム・硫黄電池などへの貯蔵が試みられてきたものの、貯蔵量やコストの面で現実的に普及が難しいとのこと。

本システムでは電気エネルギーを安価かつ簡便に貯蔵することを目指しています。開発を担当した研究チームは、理化学研究所 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、特別招聘研究員 中村振一郎氏、客員研究員 藤井克司氏。

本システムを構築するうえで課題になったのは、光エネルギーから水素エネルギーへの変換効率の向上。水の電気分解には一般的に約1.5Vの電圧が必要とされますが、一般的なシリコン太陽電池では1個あたり0.6〜0.7V程度の出力電圧しか得られず、光エネルギーから水素エネルギーへの変換効率が4個直列に接続した場合でも6.1%と低いため、集光性能の高い積層型太陽電池(タンデム型太陽電池)を使用しています。積層型太陽電池は、利用波長の異なる太陽電池を複数積み重ねることで発電効率を高めたもので、12.2%の変換効率が得られたといいます。

理化学研究所は今回の発表で、2個の積層型太陽電池と、3個の電気化学セルをそれぞれ直接に並べることで最終的に最大15.3%のエネルギー変換効率が得られたとしています。今後は太陽電池と電気化学セルといったシステムの中核部分だけでなく、水素の貯蔵法や全体を流れるエネルギー、電流、水、排熱といった部分の最適化などを試みる予定です。

本システムのキモは、自然エネルギー由来の電気エネルギーを貯蔵しておけることで、必要な時に必要なだけの電力供給ができることでしょう。日本の電力自給率は4〜5%とも言われており、エネルギー資源のほとんどを輸入しています。本技術が実用化され、普及すれば、いわゆる地産地消型の自立型エネルギー供給システムが構築可能になり、低自給率が続く状況が大きく変わる可能性があります。