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理研、太陽光を高効率で水素に変換して貯蔵 ：日本経済新聞
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太陽光エネルギーを水素へ高効率に変換 | 理化学研究所
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図1 自然エネルギーを用いた自立型のエネルギーシステム
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図2 簡単な水分解装置
電解液に用いる塩や電極自身が酸化されないような物質を用いる必要があるため、電解質には炭酸ナトリウムなど、電極には黒鉛などが使用される。
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図3 電気化学セルの構造の模式図
最も特徴的なことは、電解質として溶液ではなく固体である導電性ポリマーを用いた点。この導電性ポリマーを用いることで、酸化・還元反応で生成した物質が混ざらず、酸化・還元で生成した物質が
元の物質に戻ることがない。
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図4 水分解電気化学セルの電流-電圧特性
電極反応面積が4cm2である電気化学セルを使用。理論的に水が水素に変換されるのに必要な電圧（1.23V）と実際に化学反応が開始した電圧（1.48V）を示した。また、化学反応が起こり、
電気化学セルに電流が１A流れるのに必要な電圧は、1.87Vであった。この実際に化学反応により電流が1A流れるのに必要な電圧1.87Vと理論的に水から水素に変換できるとされる電圧1.23Vの
差を過電圧と呼ぶ。
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図5 タンデム型太陽電池、電気化学セルの電流-電圧特性
実際にタンデム型電池と電気化学セルを直列につなぎ、ソーラーシミュレーター光照射（10.12SUN）の元で動作させた場合の電流-電圧特性。太陽電池の最大出力点と電気化学セルの動作点との
間に大きな差があることが分かる。
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図6 タンデム型電池2個、電気化学セルを3個直列に接続したときの電流-電圧特性
タンデム型電池2個、電気化学セル3個を直列に接続し、ソーラーシミュレーター光照射（10.95SUN）の元で動作させた場合の電流-電圧特性。太陽電池の最大出力点と電気化学セルの動作点との
間が小さくなり、エネルギーロスが小さくなっていることが分かる。
理化学研究所は2015年4月28日、太陽光を水素として貯蔵する安価で簡便なシステムを構築し、エネルギー変換効率15.3％を達成したと発表した。理研・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の中村振一郎特別招聘研究員と藤井克司客員研究員（東京大学特任教授）らの研究チームによる成果である。
同研究チームは、再生可能エネルギーで発電した電力を利用し、電気化学的な手法を用いて水素を得て、それを貯蔵するシステムの開発に取り組んだ。植物は葉の中でアンテナ機構という精妙な
ナノ構造を用いて光合成を行い、炭水化物を貯蔵する。研究チームは、こうした光合成の機構を応用し、のこぎり状の断面構造を持つ「フレネルレンズ」を用いて集光するタンデム（多接合）型
太陽電池を電源とする水分解電気化学セルで水素を発生させ、貯蔵することに成功した。
この太陽電池を直列に接続することで、水を電気分解できる電圧まで高めるとともに、最もエネルギーロスの少ない接続方法を検討した結果、太陽光から水素への変換効率を15.3％まで
高めることに成功したという。
研究チームの評価では、従来のシリコン太陽電池と電気化学セルを使った場合の光から水素への変換効率は、シリコン太陽電池を3個直列に接続した場合で2.0％、4個直列に接続した場合で
6.1％となり、いずれも変換効率が良くないことが分かった。これは、シリコン太陽電池自体の光から電気への変換効率が悪いことが大きく影響しているという。
フレネルレンズを用いて太陽の位置に合わせて効率よく集光できるタンデム型太陽電池を使用することで、光から水素への変換効率が12.2％に飛躍的に向上した。さらにタンデム型太陽電池を
2個直列、電気化学セルを3個直列に並べて太陽電池の最大出力電圧と電気化学セルの動作電圧を近づけることで、変換効率は15.3％にまで向上した（図）。
（日経ＢＰクリーンテック研究所 金子憲治）