横浜国立大学理工学部化学・生命系学科(化学応用EP)・大学院理工学府化学生命系理工学専攻(化学応用・バイオ/エネルギー化学教育分野)

横浜国立大学エネルギー変換化学研究室/光島・黒田研究室

研究内容

水素エネルギー社会の実現を目指して

地球温暖化問題やそれに伴う気候変動を抑制するためには、二酸化炭素を排出しない太陽光、風力、水力、地熱といった再生可能エネルギーの利用が急務です。 再生可能エネルギーを「使いたいときに」、「使いたいところで」利用するために、水素を用いたエネルギー変換システムの研究を進めています。

例えば、余剰の再生可能エネルギーを用いて電気分解により二酸化炭素を排出することなく水から水素を製造することができます。 生成した水素はエネルギーの足りない時間まで貯蔵しておいたり、エネルギーの足りない地域に輸送し、燃料電池を用いて電気エネルギーを取り出すために用います。 水素をエネルギーを貯蔵・輸送するためのエネルギーキャリアとすることで、二酸化炭素を一切排出すること無くエネルギー循環を実現出来ると期待されます。

当研究室では、水素の製造、輸送、発電を行うために、水電解技術の高度化、有機ハイドライドの電解合成、革新的燃料電池触媒といった研究テーマを進めています。 これらの研究の多くは国家プロジェクトの一部として実施したり、電解やエネルギー関連技術を専門とする企業との共同研究により実施し、成果をいち早く持続可能な社会の構築に役立てることを目指しています。

水電解技術の高度化

水電解は電気化学において最も基本的な反応のひとつであり、古くから実用化されてきた技術です。近年の再生可能エネルギーの需要の高まりから、大規模な水電解による水素製造技術の確立が求められています。 この様な大規模水電解に向けた技術開発はまだ発展途上の状態であり、当研究室で色々な企業・研究機関が適切な方法で新材料を評価し、比較検討するための基盤となる共通的な性能評価法や評価装置の開発、触媒劣化機構の解析を進めています。 適切な開発競争の基盤を構築し、水素エネルギー技術開発を支援します。

また、再生可能エネルギー由来の変動電源下でも安定な動作が可能な高耐久電極等の新材料開発にも力を入れて研究に取り組んでいます。 水電解法の中でもアルカリ水電解法は、低コストで大規模水素製造に向いているものの、電位の変動や起動停止に弱いという問題点があります。 当研究室では小型電解槽を用いた精密計測とシミュレーションを駆使し、電位変動における逆電流の解析を行い、再生可能エネルギーを模擬した条件下でも安定な電極コーティングや自己修復触媒を提案しています。

固体高分子形燃料電池の基本構造を用いた固体高分子形水電解は、極めてエネルギー効率が高く、次世代の水電解技術として注目されています。 しかし、現行の方法では貴金属の使用量が多く、そのコスト低減のための材料開発を進めています。 また、燃料電池で培ってきた解析技術を用い、電解槽内部の電位分布を解析し、合理的な電極設計を行うための基礎研究に取り組んでいます。

水電解に関し、2018年度~2022年度にNEDOの委託事業「水素利用等先導研究開発事業/水電解水素製造技術高度化のための基盤技術研究開発//アルカリ水電解及び固体高分子形水電解の高度化」(代表:光島重徳)を実施し、 国内7研究機関で合同して、水電解の分野における基盤評価技術、耐久試験法、触媒劣化メカニズムの解明に取り組みました。 現在は同じくNEDOの委託事業「燃料電池等利用の飛躍的拡大に向けた共通課題解決型産学官連携研究開発事業/水素利用等高度化先端技術開発/常温水電解の実用化基盤研究プラットフォームの構築」にて 基盤評価技術の高度化及び産業界との連携を推進しています。 また、水電解に関連する多数の企業と合同ミーティングを開催したり、国際エネルギー機関のワークショップで技術情報交換を行い、本分野の研究開発活性化に取り組んでいます。

有機ハイドライド電解合成

水素は地球上で最も軽い元素であり、常温常圧では気体として存在します。そのため、長距離を輸送するためには莫大なコストがかかってしまいます。 この問題の解決法として、液体水素、有機ハイドライド、アンモニアといった水素キャリアと呼ばれる物質の有効利用法が研究されてきました。 当研究室では、これら水素キャリアの中でも有機ハイドライドに着目し、これを効率良く製造するためのデバイス開発に取り組んでいます。

有機ハイドライドの代表例であるトルエンは、水素化反応により一分子中に3分子の水素を取り込むことが出来ます。水素化したトルエン(メチルシクロヘキサン;MCH)の体積は元の水素の1/500程度であり、ガソリンと同じ方法で貯蔵・輸送することが可能となります。 現行の方法では、電気分解により得られた水素とトルエンの化学反応により水素化が行われますが、エネルギー効率は必ずしも高いとは言えません。 当研究室では燃料電池を応用した膜電解槽を用い、電気分解の際に水素を経由せずに直接トルエンからMCHを高効率に製造する方法を研究しています。

また、JSTのCREST事業「新たな生産プロセス構築のための電子やイオン等の能動的制御による革新的反応技術の創出/固体高分子電解質電解技術に基づく革新的反応プロセスの構築」(代表:跡部真人教授)にも参加し、トルエン電解水素化技術で培った固体高分子電解質電解技術の有機電解合成法への応用も進めています。

革新的燃料電池触媒

燃料電池の中でも、固体高分子形燃料電池(PEFC)は室温から80℃程度の低温で作動し、比較的エネルギー効率が高い有用なデバイスであり、家庭用燃料電池や燃料電池自動車に実用化されています。 しかし、燃料電池用電極には大量の白金が用いられているため、脱白金触媒の開発が急務です。 また、長期の使用に際して白金やカーボンといった構成部材が劣化してしまう問題があります。

当研究室では、白金を用いない金属酸化物に注目し、PEFC中で高活性を示し、長期間安定に使い続けられる革新的新材料の開発に力を入れて取り組んでいます。 酸化物を用いて白金の様な触媒能を発揮させることは非常に難しい課題ですが、新材料の合成、物理化学的分析、電気化学的解析等を駆使し、活性点の構造や反応機構を検討し、酸化物触媒の性能を原理原則のレベルから明らかにすることを目指しています。