集光型太陽電池×水電解で水素製造！宮崎大学などの研究グループが世界最高効率を記録

水素エネルギーの実用化が現実味を帯びる

宮崎大学の太田靖之助教、西岡賢祐教授をはじめ、東京大学の杉山正和教授や株式会社富士通研究所、住友電気工業株式会社らによる研究グループは、新型の高効率な集光型太陽電池で発電した電力で水電解する実用構成システムを構築。宮崎大学の屋外試験場にて実施された実証実験では、1日平均で18.8%の太陽光エネルギーを水素エネルギーに変換できたと7月19日に発表した。

日射量と水素製造量の1日の変化を示す図。集光型太陽電池が受けた1日の総日射量と、製造した水素エネルギー量から太陽水素エネルギーの変換効率を算出したところ、1日の平均で世界最高効率となる18.8%を記録

次世代のクリーンエネルギーとして注目を浴びる水素エネルギー。

しかし、水素は宇宙で最も豊富にある元素でありながら自然界においては単体でほとんど存在せず、その多くは化合物として存在している。そのため、水素を製造する過程ではCO₂を排出してしまうこともある。

そこで注目されているのが、太陽光発電などの再生可能エネルギーと水電解を組み合わせる水素製造システムだ。現在の主な水素製造方法の一つである化石燃料改質技術や電気エネルギーによる水電解とは異なり、製造過程においてもCO₂を一切排出しないため、トータルでCO₂フリーの水素を供給できる点は大きなメリットになるといえよう。

宮崎大学と東京大学の研究グループは、これまでにも同様のシステム構築に着手。2015年9月、屋外試験場では世界最高効率となる太陽光エネルギーの24.4%を水素として蓄えることに成功している。

太陽電池は入射する太陽光の強度が大きくなると変換効率が上昇する特徴があるが、集光型太陽電池の場合は集光用レンズによって太陽光を500倍程度にまで高めることができる。

なお、この際に考えられた水素製造システムは、今回同様に集光型太陽電池モジュールを、直接太陽を追尾する架台(足場として作られた台)に搭載する手法が用いられている。太陽自動追尾架台は、太陽の位置を計算するプログラムや太陽電池パネル面を正確に太陽に正対させるなど高度な技術が要求されるが、その中でも特に高精度のものを実験には使用している。

これにより温度や太陽を⾃動追従し、⼀定の太陽光強度を得るこ とに成功しており、いわば太陽⾃動追尾架台を用いるのは要ともいえる技術なのだ。

それでも、動作温度や太陽光強度によって太陽電池の最大電力出力点が変化するため、高い水素製造効率を一日中維持することは困難であった。

本実証に用いた住友電気工業製の集光型太陽電池モジュール(左)と動作原理の図(右)

そこで今回、高効率な集光型太陽電池から得られる電力を水電解装置にエネルギー供給する電力変換装置(DC/DCコンバータ)を新たに開発し、電圧や電流を制御する仕組みを採用。

常に最大出力電圧が得られるように調整して、さらなる効率化を図った。

時間や状況によって変化する太陽電池の最大動作点。電力変換装置で常にその最大値を得ることにより、高い水素製造効率を一日中維持することが可能に

これらの改善の結果、太陽電池から水電解装置への高いエネルギー伝達効率(90.0%)を実現。実際、屋外日照条件下において、太陽光エネルギーから電気エネルギーを生産する1日の平均発電効率は27.2％という高水準を達成した。一般的なシリコン太陽光発電システム(50kW)の場合、発電効率は約12%とされていることからも、その効果は絶大だ。

同研究グループによれば、今後、集光型太陽電池の実動作環境下での発電効率は35%まで向上すると見込んでいる。

また、水電解における電力から水素へのエネルギー伝達効率が80%程度であることを考慮しても、将来的に水素へのエネルギー変換効率はおよそ25%に達するのではないかと予想している。

水素エネルギーの普及には製造コストの削減が必須。本装置も現在は高価だが、例えば直射日光のより強い海外の高照度地域でGW(ギガワット)級の大規模な水素製造システムの導入が進めば、発電効率の高さで発電コストをカバーでき、なおかつ現在高額な集光型太陽電池の価格もシリコン太陽電池並みに下がると想定しているとのこと。

化石燃料からクリーンエネルギーへ──。

エネルギーの大きな転換期を迎えている昨今。その中で、日本の研究者や企業が担う役割に今後も注目していきたい。





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