燃料电池新技术

能够同时发电和蓄电，将太阳能储存为化学能

要点

〇根据新工作原理开发了一种“燃料电池”（※1），能够将太阳能储存为化学能。〇可重复使用，环境负荷小，安全性高。〇可有效利用太阳能、风能、地热能等自然能源并稳定地供给电力的新技术。

概要

由名古屋工业大学研究生院工学研究科生命・应用化学专业的川崎晋司教授、石井阳佑副教授等人组成的研究小组开发出一种新概念蓄电池，即“可光充电的燃料电池”，该电池通过化学反应来存储和释放太阳能。

现有的燃料电池以氢气为燃料，具有反应时只产生水的优点，但是危险性很高，并且不能储存电力，是一种“只能发电的装置”。本研究开发的电池是一种利用有机分子“AQDS-H₂”^（※2）解决安全性问题，并且可在单一装置内完成充电的新型装置。

另外，以现有的蓄电池为基础的电力网在电力输送和蓄电过程中会产生大量的能量损耗，导致能源效率降低。

本研究的新型技术与植物的光合作用一样，都是将太阳能直接转换成化学能，且与智能电网^（※3）的协调性高，通过利用该技术，有望改善自然能源的利用效率并实现电力的稳定供给（图1）。

该项研究成果已于2020年1月23日刊登于英国皇家化学会主办的化学综合性期刊《New Journal of Chemistry》。

图1：利用本次开发的蓄电池的智能电网的构想

研究背景

确保能源供给是世界各国共同面临的课题，而对化石燃料的依赖是导致全球变暖和大气污染等环境问题的主要原因。为了解决这些环境问题，必须加强利用太阳能、风能、地热能等自然能源进行发电。但是，利用这些自然能源的发电受天气影响，发电不稳定，并且难以操作。

近年来，为了实现电力的稳定供给，正在努力建设结合自然能源和大型蓄电池的智能电网，但以现有的蓄电池为基础的电力网在电力输送和蓄电过程中会产生大量的能量损耗，导致能源效率降低。

研究内容及成果

本研究开发出一种新型蓄电池（可光充电的燃料电池），能够将太阳能直接转换为化学能。该蓄电池是一种利用与植物的光合作用相似的原理、通过化学反应进行发电以及蓄电的燃料电池。通过该蓄电池有望改善自然能源的利用效率。（图2）

图2：植物的光合作用与本研究开发的蓄电池的比较

植物利用太阳能将CO₂转换成糖类进行储存（光合作用）。糖类是高能化合物，在空气中氧气的作用下被分解时会释放大量化学能（呼吸作用）。

本研究开发的蓄电池的反应系统中，AQDS相当于CO₂，AQDS-H₂相当于糖类。蓄电池内的AQDS-H₂和空气中的氧反应产生的能量作为电能被输出到外部。

在本研究中，新设计出一种基于该工作原理运行的蓄电系统。在使用样品电池的充放电实验中，证实了该新设计蓄电系统可以作为蓄电池进行工作。

<结构和工作原理>

图3示出本研究开发的蓄电池的结构示意图。有机分子AQDS溶解在负极侧的电解液中，当照射太阳光时，AQDS会提取电解液中的氢原子而转换成AQDS-H₂分子，此时电池整体处于充电状态（式①）。

图3：本研究开发的蓄电池的结构示意图

放电时，负极发生AQDS-H₂转换成AQDS的反应（式②），同时在正极，空气中的氧分子（O₂）还原成水（H₂O）（式③）。放电产生的AQDS，可以再次通过光照射转换成AQDS-H₂，从而可以作为电池反复使用。

＜光充电反应＞

（负极）AQDS→AQDS-H₂ 式①

＜放电反应＞

（负极）AQDS-H₂→AQDS+2H⁺+2e⁻ 式② （正极）O₂+4H⁺+4e⁻→2H₂O 式③ （电池整体）2AQDS-H₂+O₂→AQDS+2H₂O 式④

＜电充电反应＞

（负极）AQDS+2H⁺+2e⁻→AQDS-H₂ 式⑤

（正极）2H₂O→O₂+4H⁺+4e⁻式⑥ （电池整体）AQDS+2H₂O→2AQDS-H₂+O₂ 式⑦

社会意义

该电池的放电过程可以看作是以AQDS-H₂为燃料的燃料电池反应。与以氢气（有爆炸危险性）为燃料的一般燃料电池相比，其具有安全性高的优点。另外，与一般燃料电池一样，反应生成的是水分子（式⑤），所以是环境负荷小的清洁电池，而且，现有的燃料电池不能储存电力，只是单纯的发电装置，而本研究开发的电池可以同时在电池内储存电能。

从AQDS向AQDS-H₂的转换（充电）不仅可以通过光照射，也可以通过外部电源进行电化学反应（式⑤～⑦）来完成，因此本研究的蓄电池与智能电网的协调性高，例如，在如图3所示的电网中，不仅可以通过太阳光照射直接充电，也可以储存由风能和地热能产生的电能。

今后的展望

本研究中使用样品电池进行了充放电实验，证实了制造出一种可进行光充电的燃料电池——“新概念蓄电池”的可能性。目前，该蓄电池的输出功率仅为0.5V左右，因此目前的主要技术课题是如何提高电动势和降低反应过电压。今后，研究小组计划改进负极活性物质（AQDS），优化单电池结构，加速推进实用化的研究。

注释：

（※1）燃料电池：通过氢气和酒精等燃料进行电化学反应以发电的装置。通过使氢气和氧气反应而产生电能的燃料电池已经投入实际使用，而使用该燃料电池的汽车（燃料电池汽车）因不排放废气，被认为是清洁汽车而备受关注。

（※2）AQDS-H₂：具有以下分子结构的水溶性有机分子。

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（※3）智能电网：可以控制和优化来自供应方和需求方的电力流的电网。通过在电网内设置蓄电池，使来自自然能源的不稳定电力的高效利用成为可能。

论文信息

论文名：Photo-rechargeable full cell sing photo-hydrogenation reactions of quinone molecules

作者名：Y.Ishii，K.Kurimoto，K.Hosoe，R.Date，I.Yamada，and S.Kawasaki

杂志名：New Journal of Chemistry

发表日期：2020年1月23日

DOI：10.1039/C9NJ0482D

URL：http://dx.doi.org/10.1039/C9NJ044782D

翻译：东雨琦

审校：李涵、贾陆叶

统稿：李淑珊

参考日本报道原文：https://www.nitech.ac.jp/news/press/2019/8046.html

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新型太阳能燃料电池