エネルギ変換工学第11回講義資料燃料電池、太陽光発電の原理の現状と問題点の調査 2S12番谷藤隆彦２S08番澤田紘志監修木下祥次燃料電池（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イギリスのグローブ卿が発明：「燃料電池」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CO2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ＣＯ２の削減効果が４0％あると仮定した場合、ＣＯ２を月平均400kg排出する家庭に燃料電池を設置した場合、ＣＯ２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、ＣＯ２ 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ＣＯ２の削減効果が４0％あると仮定した場合、ＣＯ２を月平均400kg排出する家庭に燃料電池を設置した場合、ＣＯ２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、ＣＯ２ 1kg当たり509リットル）答え） 1920×509÷2＝488640本参考文献ウィキペディア：燃料電池 http://ja.wikipedia.org/wiki/%E7%87%83%E6%96%99%E9%9B%BB%E6 %B1%A0 SANYO 物理電池とこれからの電池 http://www.sanyo.co.jp/cs/academy/buturi/buturi.html 電池の豆知識 http://material.miyazaki-c.ed.jp/ipa/dentinomametisiki/index.htm 日本ガス協会 http://www.gas.or.jp/fuelcell/contents/01_1.html http://www.max.hi-ho.ne.jp/lylle/netukagaku2.html 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 F  eE F  eE 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？ E  h    c/   E  6.6261034  3.0 108 / 400109 / 1.6021019  1.551[eV ] 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 ① 長波長光の透過による損失約４４％ ② 短波長光の吸収時のエネルギー損失約１１％光 ② Eg ① 伝導帯表面での光の反射、電極での損失禁制帯変換効率の最大理論値は 30％程度価電子帯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 ②変換効率を高くするということで・・・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？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無機半導体に比べて低い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：ナノオーダー空間電荷層の厚さ＝内蔵電場の大きさ原因その① 内蔵電場の大きさEが小さい原因その② 電流密度 J  qpE 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原因①の改善：空間電荷層（i層）の厚さを大きくする内蔵電場が大きくなり電子の流れが増加特性改善方法原因②の改善：キャリア移動度を大きくする太陽電池に最適な材料を見つけるしかない 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。今までは・・・ 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。毒性があるため、危険とされていた。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伝導帯禁制帯価電子帯伝導帯禁制帯価電子帯・出来上がった材料から微細加工する・材料の結晶成長時に形成する量子ドット太陽電池伝導帯ギ電ー子のエネル禁制帯価電子帯量子力学より・・・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伝導帯と価電子帯にミニバンドが構成される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 http://ja.wikipedia.org/wiki/%E5%A4%AA%E9%99%BD%E9%9 B%BB%E6%B1%A0#.E5.8C.96.E5.90.88.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