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発電と蓄電を同時にできる新技術を開発 ~太陽光エネルギーを化学エネルギーで貯蔵する燃料電池~

 名古屋工業大学は2020年1月24日,同大学大学院工学研究科生命・応用化学専攻の川崎 晋司 教授,石井 陽祐 助教らの研究グループが,太陽光エネルギーを化学反応により蓄積と放電する「光充電可能な燃料電池」という新しい発想の蓄電池を開発したと発表した.研究成果は英国王立化学会の学術雑誌New Journal of Chemistryに掲載された(注).

 エネルギーの確保は世界各国共通の課題であり,化石燃料への依存は,地球温暖化や大気汚染といった環境問題を引き起こす大きな要因となっている.その解決には,太陽光や風力など,自然エネルギー由来の電気の利用拡大が不可欠だが,これらの発電は天候に左右されるために,扱いづらいという課題がある.近年では,電力の安定供給にむけて,自然エネルギーと大型蓄電池を組み合わせたスマートグリッドの構築が進められているが,既存の蓄電池をベースとしたグリッドでは,電力輸送や蓄電のプロセスでエネルギーロスが生じるため,エネルギー効率が低くなってしまうことも問題となっている.

 本研究チームは,太陽光のエネルギーを化学エネルギーに直接変換する新しいタイプの蓄電池(光充電可能な燃料電池)を開発した.これは,植物の光合成と類似のしくみで化学反応を利用して発電・蓄電する燃料電池で,自然エネルギーの利用効率の改善が期待される.植物は,太陽光のエネルギーを用いて二酸化炭素(CO2)を糖に変換して貯蔵する(光合成).糖は高エネルギー化合物であるため,空気中の酸素で分解する際に,化学エネルギーが取り出せる(呼吸).今回開発した蓄電池は,CO2をAQDS(disodium 9,10-anthraquinone-2,7-disulfonate),糖をAQDS-H2に置き換えたシステムとみなすことができる.蓄電池内のAQDS-H2と空気中の酸素が反応することによって生じるエネルギーを,電気エネルギーとして外部に出力する.

 本研究は,このような動作原理で作動する蓄電システムを新たに考案し,試作電池を用いた充放電実験で,動作を実証した.試作電池の負極側の電解液(希硫酸10ml,エタノール1ml)には,AQDS有機分子(0.05M)が溶け込んでいる.太陽光を照射すると,AQDSは電解液中の水素原子を引き抜いてAQDS-H2という分子に変換され,充電状態となる.放電の際,負極ではAQDS-H2からAQDSへの変換反応が起こり,正極では空気中の酸素分子(O2)が水(H2O)に還元される.放電で生成したAQDSは,再び光照射によってAQDS-H2に変換することが可能であり,電池として何度も繰り返して使用することができる.

 この電池の放電過程は,AQDS-H2を燃料とした燃料電池反応とみなすことができる.水素(爆発の危険性がある)を燃料とした一般的な燃料電池にくらべ,安全性が高い.一般的な燃料電池と同様,反応で生成するのは水分子であるため,環境負荷の少ないクリーンな電池である.従来の燃料電池は,電気を蓄えられない発電のみであったが,本電池は電池内に電気エネルギーを蓄えておくこともできる.AQDSからAQDS-H2への変換(充電)は,光照射だけでなく,外部電源を用いた電気化学反応でも可能であることから,スマートグリッドとの調和性が高く,風力や地熱で発電した電力も貯蔵可能となる.

 ただし現時点では,出力電力は0.5V程度であり,起電力の向上や反応過電圧の低減が課題としている.

(注)Yosuke Ishii, Keisuke Kurimoto, Kento Hosoe, Remi Date, Itta Yamada, and  Shinji Kawasaki, "Photo-rechargeable fuel cell using photo-hydrogenation reactions of quinone molecules", New Journal of Chemistry 2020, Advance Article, DOI: 10.1039/C9NJ04782D; First published 08 Jan 2020