東工大、炭素と空気の化学反応を用いた「カーボン空気二次電池システム」を開発

東京工業大学(東工大)は12月17日、二酸化炭素(CO₂)の電気分解により炭素として蓄電し、その炭素と空気中の酸素を用いて発電する「カーボン空気二次電池(CASB)システム」を提案し、その充放電の実証に成功したと発表した。

同成果は、東工大物質理工学院応用化学系の亀田恵佑大学院生、同・伊原学教授らの研究チームによるもの。詳細は、バッテリーなどの電気化学電源に関する全般を扱う学際的な学術誌「Journal of Power Sources」に掲載された。

カーボンニュートラルの観点から、高性能な大容量蓄電技術の実現が求められており、複数の候補技術の研究開発が進められているが、近年、その中でも注目が集まっているのが、水素を用いた充放電手法だという。水を水素に電気分解し、水素ガスとして電力を貯め、水素ガスを用いて発電することで再度電力を取り出す。水素ガス(Gas)と電力(Power)を相互に変換することから、「水/水素 - Power to Gas to Power(H₂/H₂O-P₂G₂P)」と呼ばれている。

蓄電容量と出力を独立に設定できることが利点だが、水素の酸化に伴う反応エントロピー変化や水の蒸発潜熱が大きいことから、充放電効率が低くなってしまうという課題や、ガスは固体に比べて体積が大きく、体積あたりのエネルギー密度が小さくなるため、貯蔵に場所を要するといった課題があるという。

その高効率化や設備のコンパクト化に向けた研究が進められている一方、さらに高い性能を持つ充放電方式を開発・検討することも重要であることから研究チームは今回、特に炭素を用いた手法に着目。これまでの研究から、炭化水素の熱分解で炭素を供給し、炭素を燃料に繰り返し発電する「Rechargeable Direct Carbon Fuel Cell(RDCFC)」を開発済みであったことから、今回の研究では新たに、エネルギー密度が高く、エントロピー変化が2kJ/mol未満と、小さい炭素とCO₂の酸化還元反応C+O₂⇔CO₂を活用することに着目して研究を進めたという。

具体的には、CO₂の電解反応とBoudouard反応による熱化学平衡を利用して炭素を析出し、析出した炭素をRDCFCと同様の反応で発電することで充放電を行うというもので、実際の研究では、600～1000℃で作動する「固体酸化物形燃料電池(SOFC)/電解セル(EC)」を使用して、CO₂の電気分解で炭素に変換してSOFC/EC内部に貯蔵。充電時間の経過に伴い一酸化炭素(CO)の分圧を増加させることで、炭素を析出させる形で充電を行う。一方、放電(発電)の際は、貯蔵された炭素と、システムに送り込んだ空気中の酸素を用いた反応を進行させることで電力を得る。この際に生成されたCO₂を再び液体で貯蔵することで充放電サイクルを構成できるため、このCASBシステムの充放電においてCO₂は排出されないという。

CASBシステムの充放電方法 (出所:東工大プレスリリースPDF)

CASBシステムの理論体積エネルギー密度は1625Wh/L、理論重量エネルギーは2500Wh/kgで、定置型の蓄電システムと考えた場合、圧縮水素(理論体積エネルギー密度379Wh/L、20MPa)やリチウムイオン電池(LIB)よりも、高い体積エネルギー密度が期待され、貯蔵する炭素やCO₂の容量(蓄電容量)と燃料電池/電解セルの出力を独立に設定できるため、大容量蓄電システムとしての活用が見込まれるという。

(a)CASBシステムを含めた各種蓄電技術の体積エネルギー密度と出力密度の関係。(b)同じく重量エネルギー密度と出力密度の関係。グラフ中の略称は、以下の通り。リチウムイオン電池(Li-ion)、ナトリウム―硫黄電池(NaS)、鉛二次電池(Lead-acid)、ニッケル-カドミウム電池(NiCd)、バナジウムレドックスフロー電池(VRFB)。CASBシステム以外は文献値 (出所:東工大プレスリリースPDF)

また、その充放電特性と性能に関しては、SOFC/ECを使用した今回の実験から、800℃・100mA/cm²という条件で、電極が劣化することなく10回の充放電サイクルに成功したとのことで、結果として、クーロン効率84％、充放電効率38％、出力密度80mW/cm²が達成されたという。

(a)CASBシステムの充放電特性。縦軸は端子電圧と出力密度PD、横軸は経過時間と容量が示されている。点線は理論起電力。(b)CASBシステムの性能。赤色の丸はクーロン効率ηC、青色の三角は充放電効率ηcd、緑色のひし形は放電時の出力密度PDが示されている (出所:東工大プレスリリースPDF)

研究チームでは、この充放電効率は、概算されたH₂/H₂O-P₂G₂Pの充放電効率(20～54％)に匹敵する結果であったとしており、実用化に向けたさらなる高効率化に向けてシステムの改善・発展として、炭素の効率的な利用が可能で、かつ炭素析出下でも過電圧が低い電極の開発などを進めていくとするほか、社会実装に向けて、体積エネルギー密度や充放電効率をより高くすることが可能な、システム全体の充放電プロセスの検討も必要になるとしている。