宮崎大ら,太陽光エネルギーの18.8%を水素に変換

宮崎大学,東京大学,富士通研究所,住友電気工業らの研究グループは,新たに高効率集光型太陽電池から得られる電力を用いて水電解する実用構成システムを設計・構築し,太陽光エネルギーの18.8%(1日平均)を水素エネルギーに変換することに成功した(ニュースリリース)。

太陽電池と水電解装置を組み合わせた水素製造システムでは,宮崎大学らの研究グループが集光型太陽電池と一般的な固体高分子型水電解装置を接続したシステムによって,屋外試験では世界最高効率となる太陽光エネルギーから水素エネルギーへの変換効率24.4%を実証しているが,気象条件の変動などを加味した,屋外太陽光下における高効率で長期的な水素製造の実証試験が望まれていた。

研究グループは,新型の高効率集光型太陽電池に,固体高分子膜を用いた水電解装置と,太陽電池から得られる電力を水電解装置に効率よく供給する電力変換装置(DC/DCコンバータ)を接続し,実際の太陽光下で1日を通して高効率かつ安定的に水素を製造することに成功した。太陽光から水素への1日平均エネルギー変換効率は18.8%であり,実用構成システムにおいて世界最高記録を樹立した。

今回開発した電力変換装置は,時々刻々変化する温度,太陽光強度に追従し,水電解装置に供給する電圧,電流を制御して,常に太陽電池の最大出力電圧になるようにすることで,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%)を実現した。

集光型太陽電池は,レンズなど光学系の設計や,太陽の方向にレンズを正確に向ける追尾に高度な技術を必要とする。今回の実験では,集光型太陽電池モジュールを高精度太陽追尾架台に搭載することにより,実際の屋外日照条件下で1日平均発電効率27.2%(太陽光エネルギーから電気エネルギーの効率)を達成した。

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めることから,水電解における電力から水素へのエネルギー伝達効率80%を考慮すると,太陽光から水素へのエネルギー変換効率は25%に達すると予想されるという。

今回実証に用いた水素製造装置は,大規模太陽光発電システムへの展開が容易であり,水素製造の大規模化において重要な技術となる。集光型太陽電池は通常の太陽電池に比べて高価だが,直射日光の強い海外の高照度地域では,発電効率が高い分発電コストを低減できる。海外での大規模な水素製造に必要なギガワット級の導入が進めば,集光型太陽電池の価格はシリコン太陽電池並みに下がると予測されており,目標とする水素製造コスト1Nm3あたり20円以下へのコスト低減が見込まれるとしている。

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