燃料電池、太陽光発電の原 理の現状と問題点の調査 2S12 番 谷藤隆彦 ２ S08 番 澤田紘志 監修 木下祥次 エネルギ変換工学 第 11 回講義資 料

燃料電池（ fuel cell ）とは 電気化学反応によって電力を取り出す 装置（化学電池）のひとつ 化学電池：エネルギーを化学反応によって直接 直流電力に変換する電池（電力機器） 物理電池：光のエネルギーや熱エネルギーなど の物理作用を利用した電池 → 太陽電池など 生物電池：生物活動の結果得られる化学エネル ギーを利用した電池 → 酸素電池、微生物電池 な ど

電池の種類

化学電池の発電原理 亜鉛を希硫酸（または 食塩水）に入れる → 亜鉛がマイナスの性 質を持つ電子を残して 溶けだし、亜鉛板はマ イナス電気を帯電 → 銅板はほとんど溶け ずにプラスとなる → 銅から亜鉛に電流が 流れる イタリアのボルタが発明：「ボルタ電池」

燃料電池の発電原理 イギリスのグローブ卿が発明：「燃料電池」 水の電気分解：水に外部から電気を通して水素と酸素に分解 燃料電池：水素と酸素を電気化学反応させて電気を作る

燃料電池の発電原理 電解質：電気を通すために水に加えるもの 純水は非常に電気を通しにくいので、実験では通常、水に水酸化ナトリウムなどを 加える

燃料電池の種類

実用化されている燃料電池のシステム リン酸形燃料電池 ・ビルなどに設置し、都市ガスを原料にして 運転される発電装置で、外見は物置ほどの箱 型パッケージタイプ ・床や地面に据え付けて、都市ガスの配管を 結び付け、発生する電気の配線と熱（温水や 蒸気）の配管を引出せば運転可能

燃料電池の特徴 ・長く使える（乾電池のように使い捨てではない） → 都市ガスから取り出した水素と空気中の酸素を電 気化学反応させて電気を作るので、水素（都市ガ ス）と酸素（空気）を送り続ければいつまでも発電 することができる ・都市ガスの新しい利用法 → 燃料として都市ガスを利用するが、今までの都市 ガスの使い方とはまったく異なり、ガスを燃やすの ではなく電気化学反応で電気エネルギーを作るため、 燃やすことによる CO 2 の発生がない

燃料電池の特徴 ・発電の効率が高い → 電気化学反応によって燃料の持つ化学エネル ギーを直接、電気エネルギーに変換するため、 今 までの発電のようにエネルギーの形を何度も変え ることによって発生する損失が少なくて済む

燃料電池の特徴 ・排熱も利用できる → 燃料電池は、水素と酸素が反応する時に出る熱で お湯をわかすこともできる 使用する都市ガスのエ ネルギーの約 40 ％が電気に、約 40 ％が温水や蒸気に、 合計すると約 80 ％が有効に利用でき、省エネルギー の点で優れた装置

燃料電池の特徴 ・環境にやさしい → 水素と酸素が反応して発電した結果、生まれる物 質は水のみ 水素を作る際に二酸化炭素が発生するが、総合効 率が高く、同じ電気・熱を使った場合の発生量より 少ない ( 火力発電所からの電力供給とガス給湯器を使う場合 と比べ、二酸化炭素排出量は 44.2 ％削減 (2005 年時 点 )) ・低騒音、低振動 → 燃料電池には、エンジンやタービンがないので、 騒音や振動が発生しない

今後の課題 ・水素生成の問題 （技術がまだ不十分、まだまだ非効率的な生 成、搬送時の危険性、ボンベの強度確保、な ど） ・水素供給整備の新設 → 高コスト ・実用化された家庭向けの燃料電池はいずれ も発電装置とお湯をためるタンクを戸外に設 置する必要がある → マンションへの設置は難 しい ・水素爆発の危険性

例題 都市ガスを利用した家庭用燃料電池システムは、従 来の火力発電などに比べＣＯ ２ の削減効果が４ 0 ％ある と仮定した場合、ＣＯ ２ を月平均 400kg 排出する家庭 に燃料電池を設置した場合、ＣＯ ２ は年間何 kg 削減で きるか求めよ。 また、２リットルペットボトル何本分に相当するか 求めよ。（ただし、ＣＯ ２ 1kg 当たり 509 リットル）

例題 都市ガスを利用した家庭用燃料電池システムは、従 来の火力発電などに比べＣＯ ２ の削減効果が４ 0 ％ある と仮定した場合、ＣＯ ２ を月平均 400kg 排出する家庭 に燃料電池を設置した場合、ＣＯ ２ は年間何 kg 削減で きるか求めよ。 答え ) 400×12×0.4 ＝ 1920kg また、２リットルペットボトル何本分に相当するか 求めよ。（ただし、ＣＯ ２ 1kg 当たり 509 リットル） 答え） 1920×509÷2 ＝ 本

参考文献 ウィキペディア：燃料電池 %B1%A0 SANYO 物理電池とこれからの電池 電池の豆知識 日本ガス協会

太陽光発電

太陽光発電の現状 太陽光発電の現状と今後の見通し

一般的な単結晶シリコン太陽電池 ・ p 型半導体と n 型半導体を接 合 ・電子と正孔が再結合し て空乏層を生成 ・フェルミ準位が一致。 エネルギー段差が生じ る 光が照射されると、光のエネ ルギーによって価電子帯の電 子が伝導帯に遷移し、内蔵電 場によって力が加わり電子が 流れ、電流となる

問題 波長 λ ＝ 800[nm] の光のエネルギーは何 [eV] か？

太陽電池の変換効率 単結晶シリコン太陽電池最大で 25 ％ 住宅用太陽電池に関しては 15 ％程度 変換効率低下の原因 約４ ４％ ①長波長光の透過による損失 伝導帯 価電子帯 禁制帯 光 ① ② 短波長光の吸収時のエネルギー損失②約１ １％ 表面での光の反射、 電極での損失 変換効率の最大 理論値は 30 ％程度

太陽光発電を普及させるためには・・・ ①太陽光パネルのコストを抑える ということで・・・ 太陽光パネルの低コストを実現するためにはどうすればい いか？ 変換効率を高くするにはどうすればいいか？ ②変換効率を高くする

コストを低くするための太陽 電池 ・有機薄膜太陽電池 ・ CdTe 太陽電池

有機薄膜太陽電池 有機半導体を用いた太陽電池 有機材料：炭素原子を構造の基本骨格にもつ化合物 軽量化、大面積化、フレキシブルな太陽電池が可能 デバイス特性が無機半導体に比べて低い 有機材料を使えばコストも大幅に安く済む。 問題点

デバイス特性が低い原因 空間電荷層の厚さ シリコン太陽電池：ミクロンオーダー 有機半導体の太陽電池：ナノオーダー 内蔵電場の大きさ E が小さい 物質によって決まる固有の 値のキャリア移動度 μ が小 さい 電流密度 空間電荷層の厚さ＝内蔵電場の大きさ 原因その① 原因その② で定義されるので、 μ と E が小さけれ ば J は小さくなる

特性改善方法 内蔵電場が大きくなり電子の流れが増 加 原因①の改善：空間電荷層（ i 層）の厚さを大きく する

特性改善方法 太陽電池に最適な材料を見つけるしかない 原因②の改善：キャリア移動度を大きくする P 型：導電性ポリマー N 型：サッカーボール型の構造を持つ分子として 有名な、フラーレンが最適であることが最近わ かった まだまだ改良の余地がある

CdTe 太陽電池（化合物太陽電池） カドミウムテルル (CdTe) を p 型半導体に、硫化カドミウム (CdS) を n 型半導体に用いた太陽電池。 毒性があるため、危険とされていた。 p 型物質として用いられている銅の化合物が不安定である ことから、劣化の問題が挙げられていた。 今までは・・・ 銅の化合物を用いない CdS-CdTe の接合が開発された ・元素自体のコストもほとんどかからない。 ・厚さが薄くても光を吸収できるため、薄くて変換効 率も高い優れもの ・常温常圧で精製可能

変換効率を高くするための太陽電 池 ・量子ドット太陽電池

量子ドット太陽電 池 半導体の量子ドットを利用した太陽電池 一般的な半導体量子ドット半導体 ・出来上がった材料から微細加工する 価電子帯 伝導帯 ・材料の結晶成長時に形成する 伝導帯 価電子帯 禁制帯

量子ドット太陽電池 量子力学より・・・ この空間に電子を閉じ込めると、 電子は離散的なエネルギー準位 をとる 価電子帯 伝導帯 伝導帯と価電子帯にミニバンドが 構成される 禁制帯 価電子帯から伝導帯への遷移パターンが多くな る 光の吸収できる波長が増え、光の損失が減少す る

参考文献 ウィキペディア B%BB%E6%B1%A0#.E5.8C.96.E E7.89.A9.E7.B3.BB トコトンやさしい太陽電池の本 千野俊猛 日刊工業新聞社 2007 太陽エネルギー技術 佐藤政次 オーム社 2007 日本結晶成長学会誌 Vol.33 No.2 自己組織化量子ドット超格子と高効率太陽電池への応用 岡田至 崇