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夢の水素社会はやって来るの・・・?

2009 - 07/10 [Fri] - 22:35

イタリアで先進国首脳会議(サミット)が開かれてますが、
温暖化問題をめぐる”風向き”が変わりつつあるのを感じませんか?
IPCCの最新の知見を踏まえて……

平均気温の上昇を2℃以内に抑える

”ハードル”を上げてきましたね。
加えて、アメリカの姿勢がガラッと変わったように感じます。
2050年までに温室効果ガス排出量を半減するっていう点は目新しくないけど、
今回のサミットでは「先進国で80%以上削減」って言い出しました。
石油資源が”下り坂”に入りつつあるのは明らかだから、
アメリカもエネルギー戦略の舵を大きくきったんでしょう。

そんな中、日本はいったいどこへ進もうとしているんでしょう(?_?)  

国民全体の幸福を実現していただけるよう、
賢明で頼もしいリーダーシップを期待したいものです。 今度の総選挙は重要ですね

さて、今日最初に紹介するのは理科の実験です。
次の【図】をご覧ください。 

人工光合成-1

実験では酸化チタン(TiO2とプラチナ(Pl)の電極を水溶液に浸し、
弱い電圧をかけています。
これだけでは何の変化も起こりませんが、
ここに紫外光(太陽光)を当ててみましょう。

すると、あら不思議!
電極からぶくぶくと泡が発生します。
酸化チタン電極から発生するのは 酸素(O2 で、
もう片方のプラチナ電極から発生するのは 水素(H2 です。
これが世紀の大発見になりました。

この現象を初めて”発見”したのは、
本多健一先生と藤嶋昭先生(当時 東京大学工学部)でした。
1972年に科学誌『Natur』に論文を発表したことで大きく注目され、
お二人の名前をとって本田-藤嶋効果と呼ばれています。
これが出発点となって人類は、
人工光合成(光触媒水素生成)っていう”とてつもない夢”に向かって動き出したんです。

折りしも、翌1973年には第1次オイルショックに見舞われます。
石油価格の高騰で深い痛手を負った当時の人々は、
この”発見”に大大大大だ~い注目したわけです。
考えてもみてください!
植物のように光合成ができるようになれば……

太陽から無限のエネルギーを引き出すことができる――でしょ?

マスコミが大きく取り上げたのはいうまでもありません。

人工光合成-2
 「朝日新聞」(1974年1月1日付) 

元旦の朝刊のトップ記事ですよ!
【夢の燃料】にかける期待の大きさが伝わってくると思います。

何がそんなに凄いの?

まず最初に O2H2 が発生する仕組みを考えてみましょう。
昨日と同じように、次の【図】を見ながら考えて下さいね。
 
人工光合成-3

酸化チタンに太陽光を照射すると、
近紫外線のエネルギーを吸収して電子( e- )が”元気”になります。
もう何度も繰り返しお話ししてきたことです。
【図】では外部回路を省略していますが、
この e- が酸化チタンから飛び出してプラチナ電極に移動するわけです。

ところで、
電圧をかけられて水(H2O)は電離しています。

  H2O → H + OH

すると e- に溢れかえるプラチナ電極には、
e- の”足りない” プロトン( H)が集まってきます。
ここで e- を貰って【還元】されるので水素(H2)が発生。
そうなると酸化チタンには正孔( h)が残るので、
水酸化物イオン( OH)は e- を奪われて【酸化】されます。
その結果、酸化チタン電極では酸素(O2)が発生。

ここでも【酸化】と【還元】が同時進行しますが、
”空気中”ではないので【酸化】されたり【還元】されたりする相手が違うだけです。
酸化チタンは光触媒ですから、自分自身は何も変わりません。
そこで、太陽光をエネルギーとして起こった反応を整理すると……

  【式A】 H2O → 1/2O2 + 2H + 2e

あれ、この【式A】をどこかで見たことがありませんか?
植物の光合成の明反応と同じじゃありませんか?
人工的に光合成ができたってことです。

でもそれで終わりじゃない!
水素(実際には Hと e )は何に利用できますか?
燃料電池、つまりエネファームの燃料が水素だったでしょ?
水素からエネルギーを取り出した後は、
空気中の酸素と反応させて水が出てきます。

  【式B】 1/2O2 + 2H + 2e → H2O

【式A】と【式B】の2つを、よ~く見比べて下さい。
それぞれ逆反応だってことがわかるでしょ?
【式A】では水を分解して水素と酸素が出てくる。
その水素と酸素を使って【式B】では水が出てくる。
その水を使ってまた【式A】で水素と酸素が……

終わりなく循環する

しかも、循環する”駆動力”は無限の太陽光です。
もし光触媒によって人工光合成が実用化されれば、
水素エネルギーは再生可能エネルギー(Renewable Energy)になるんです。
しかも、自然エネルギーが持っている欠点も解消できます。

自然エネルギーはクリーンで再生できる点に優れています。
しかし、万能ではありません。
太陽光発電も天候に左右されてしまうのが欠点です。
そこで太陽光で水素を作って貯めておけば、
お日様が出ていない日や夜でも”燃料切れ”になりません。
つまり……

太陽エネルギーを貯蔵できる――ってこと。

そこまで行ってはじめて、夢の水素社会の到来です。

ただし、そんなに簡単に【水素社会】は実現しそうもありません。 まだまだ、遠い「夢」です
なにより、人工光合成の効率が悪すぎます。
明反応のエネルギー変換効率は最大で約37%に達します。
ところが、人工光合成の現状はわずか 1% ――
これではお話になりません。 EPRも悪そう・・・(T_T) 

技術改良が進んで変換効率が上がったとしても、
まだまだ問題が残ります。
発生した水素をどうやって”貯蔵”したらいいんでしょうか?
気体のままじゃ扱いづらいので、
そうなれば液体化することを考えなくっちゃなりません。
でも……、水素の沸点って約-250℃ですよ!
これ以下の超低温にしなければ【液化】できないってことですが、
その膨大なエネルギーはどこから手に入れたらいいのでしょうか?

結局、そうそう簡単に【水素社会】は実現しそうもないし、
燃料電池やエネファームがホンモノのECOになれる道も険しいのです。

そもそも太陽光を水素に変換して、
水素を使って電気を発電するのって遠回りじゃありませんか?
太陽光を直接電気に変換しちゃえば、
ロスが少なくなってずっと効率的でしょ?

そこで研究の最前線では、
植物の光合成をそのまま真似る人工光合成の熱は冷めているそうです。
むしろ、その原理を活かした応用展開へ移行しつつあります。
中でも一番ホットな研究が進められているのが【光合成型太陽電池】というもの。

というわけで、ようやく色素増感太陽電池のお話しです。
ただ、人工光合成が予想以上にスペースをとりました。
色素増感太陽電池は次回のお楽しみとさせて下さい。


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