水素キャリアによる太陽光エネルギー貯蔵に関する研究

2017 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 17K06322
• Research Institution: Toyota Technological Institute
• Principal Investigator: 大下 祥雄 豊田工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (10329849)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 高田 俊和 明治大学, 研究・知財戦略機構, 研究推進員(共同研究員) (20500458) ; 町田 英明 気相成長株式会社(CVD研究部及び合成研究部), 代表取締役社長, その他 (30535670)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2020-03-31
• Keywords: 太陽電池 / 水素生成 / 水素貯蔵

Outline of Annual Research Achievements

再生可能エネルギー源の一つである太陽光発電の変換効率の向上ならびに価格の低下が近年著しい。製品レベルでも太陽電池の変換効率23％あるいはモジュール価格50セント/Wレベルが実現されている。その結果、太陽電池の導入量が世界的に急増しており、今後の基幹エネルギー源としての期待が高まっている。しかし、大量導入により、夜間に発電ができない、雨天時には発電量が大きく減少するなどが原因で生じる系統連携に対する供給不安定性の課題が、従来以上に顕在化している。本研究では、上記課題を解決することを目的とし、具体的には太陽電池により得られた電気エネルギーを安定な分子の形で保存することを目標としている。具体的には、高効率太陽電池で得られた電力を用いて水を分解して水素分子を発生させる。その後、触媒を用いて、得られた水素分子からプロトンを発生させる。そのプロトンを分子中に存在する酸素の２重結合部分にOHの形で貯蔵させ、最終的には分子中に貯蔵した水素を水素分子として取り出して燃料電池により電気に変換して電力として使用する。ここで用いる触媒としては、プラチナなどの金属をポリシランに担持した構造を検討している。金属種としては、大量導入を前提に、資源量が豊富でかつ価格の安い卑金属系を最終的な目標としている。一方、プロトンを付加する分子は、無毒であるなど環境に対して負荷を与えないことが必須であるため、その分子として自然界に多く存在するヒドロキノン系、最終的にはグルコースを用いることを目指している。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

メチルキノン（トルキノン）は水溶性であり、メチルヒドロキノンにより発電が可能である事が示された。さらに、燃料電池を用いての発電後には、水溶液からは酸化体であるトルキノンが検出され、分子に対する水素添加ならびに取り出しに関する基本的な結果が得られた。そこでトルキノンにポリシランパラジウムを用いて水素添加を行い、生じたメチルヒドロキノンを燃料電池に流す継続的なループ実験を行った。しかし、反応を繰り返すことにより過還元が生じ、キノンの基礎骨格が壊れる結果となった。このことは、提案システムが安定に継続的に運転できないことを意味する。そこで、今年度の実験ではパラジウム金属以外で過還元が起きない、かつ適度な還元力のある触媒の探索を行った。具体的には、Pｄ/アルミナ、Pt/(ポリシラン-アルミナ)。Cu/(ポリシラン-アルミナ)、Ag/(ポリシラン-アルミナ)、Ru/(ポリシラン-アルミナ)、Rh/(ポリシラン-アルミナ) 、Fe/(ポリシラン-アルミナ）、Fe/アルミナ、Fe/シリカ、Mo-Ag/(PDMSi-アルミナ）、Ni/(PDMSi-アルミナ）の触媒を用いて実験を行った。その結果、Pt, Cu, Ru, Rhを触媒金属として使用した場合は、中間生成物（骨格分解）が生じ過還元は抑制できなかった。Ru触媒の場合には、還元効率は低くいが中間生成物の比率が低くい結果が得られ、改良の余地が残された。FeとNiは中間生成物がなく還元率も高い結果となった。一方、Feにおいては、担持材としてポリシランがないアルミナ、あるいはシリカを用いた実験を行ったところ、還元時に中間生成物が生じる結果となった。 すなわち、金属を担持しているポリシランが還元反応に良好な影響を与えている事が示された。

Strategy for Future Research Activity

継続して、酸化ならびに還元に適した触媒の探索を行う。特に、これまでに比較的良好な結果が得られたＦｅおよびＮｉ系の触媒に関して検討を行う。特に、水を溶媒とした際の還元効果を詳細に調べる。一方、水素取り出し用の燃料電池に関する検討を継続して行う。水素添加分子に関しては、以下のような可能性を検討する。事故や災害に備えて、水素キャリアとして使用される化学物質は、安全で且つ生分解であることが必須である。最終的に本提案で使用することを目指す化学物質は、グルコース、グルコノラクトンと水である。これらは、食品であり、生体に無害であることは言うまでもない。すなわち、これらが、安全性が高く環境に適合した方法である。大きな課題の一つが、グルコノラクトンの還元を如何に実現するかである。自然界では、この反応は実現されていない。一方、１００気圧の水素ガスを使用することで、グルコノラクトンを実験的にグルコースに還元できることが、Ｆａｂｒｅらにより報告されている（２０００年）。近年、高圧ガスの代わりに水素のマイクロバブルを使用して水素添加できることが知られている。本研究でも、上記目的を目指して、マイクロバブルの可能性を検討すべく、マイクロバブル発生装置を既存実験装置に組み込み、実験環境の整備を行った。今後、本実験系を用いてグルコノラクトンの還元の可能性を探る。

Causes of Carryover

当初予定していた実験装置の納入が遅れたため、多くの実験が次年度に行うことになったため。