太陽光で水素を製造する新技術、少ないエネルギーで化学薬品も同時に作る：自然エネルギー

化石燃料を使わないCO2フリーの水素製造方法が新たに開発された。太陽光のエネルギーで水を電気分解して水素を製造する方法の1種だが、同時に化学薬品も製造できる点が特徴だ。低い電圧で化学反応を起こせるため、太陽光のエネルギーを効率よく化学エネルギーへ変換することができる。

[石田雅也，スマートジャパン]

　太陽光エネルギーの変換技術に取り組む産業技術総合研究所（略称：産総研）が高効率の水素製造方法を開発した。太陽電池にも使われている「光電極」を利用して、水を電気分解して水素を製造する方法である。同時に水以外の原料を使って各種の化学薬品を製造することができる（図1）。

図1　太陽光と光電極を組み合わせた水素と酸化剤の製造方法。出典：産業技術総合研究所

　光電極は太陽光を当てると電流が流れる半導体の1種で、太陽電池にもなる。産総研は多孔質の酸化タングステン（WO₃）を使って、光の吸収効率が高い電極を開発した（図2）。光電極を水溶液の中に入れて太陽光を当てると、電流が流れるのと同時に水溶液が化学反応を起こして酸化剤が生まれる。さらにイオン交換膜をはさんだ対極では、水の電気分解が起こって水素と酸素を発生させる仕組みだ。

図2　多孔質の酸化タングステン（WO₃）で作った光電極による化学反応。出典：産業技術総合研究所

　生成できる酸化剤は水溶液の原料によって過硫酸などの化学薬品になる。過硫酸は漂白剤や洗浄剤に使うことができる。水素と合わせて化学薬品を製造することによって、電気分解による水素の製造コストを低減させる効果につながる。

　ただし光電極を使って水を電気分解するためには、太陽光のほかに外部から補助電源で電力を加える必要がある。多孔質の酸化タングステンで作った光電極を使うと、補助電源の電圧が低い状態でも十分な電流を得られることがわかった（図3）。

図3　水素と過硫酸（S₂O₈^2-）の製造に必要な電圧と得られる電流。出典：産業技術総合研究所

　低電圧で電気分解が可能になったことで、太陽光のエネルギーを水素などの化学エネルギーに変換できる効率は2.2％に向上した。産総研は2012年に光電極を使った水素の製造方法を開発して、世界最高レベルの1.35％を達成していた。新たに化学薬品を同時に製造する方法によってエネルギーの変換効率を約1.6倍に高めた。

　現時点では太陽電池のエネルギー変換効率（20％以上）と比べて1ケタ小さいレベルだが、光電極の改良などを通じて太陽電池並みの変換効率に引き上げていく計画だ。光電極と太陽電池を組み合わせた一体型の水素製造システムを開発することも検討中で、太陽光発電の電力で水を電気分解する「Power to Gas」よりも低コストで水素を製造できる可能性がある。

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