77［事業報告］

エネルギーの地産地消を目指して
森田廣

山陽小野田市立山口東京理科大学

工学部

電気工学科

Aiming for Local Production and Consumption of Energy
Hiroshi MORITA
Department of Electrical Engineering, Faculty of Engineering,
Sanyo-Onoda City University

要約

東日本大震災の直後に本学に着任した筆者は、その後の未曾有ともいえる風水害も目の当たりにしながら、自然災害に強い再生可能エネルギーの研究に取りかかった。この 10 年、他の研究者があまり着手していない領域の研究を同じ意志を持つ学生たちと続けてきた。その中でも特に思い入れのある 3 技術を紹介する。紫外線を電力に変える透明太陽電池についてはその形成技術も含めて開発し、世界最高レベルの効率を達成した。風レンズ効果を用いたディフューザー付きの風力発電は、弱風下でも発電が可能なことを示すことができた。さらに、微生物を起源とする土壌微生物燃料電池については筆者らが初めて実施した多孔質体の導入により、従来の発電電力の 10 倍を達成して実用化に近づけた。この地は、瀬戸内ゆえの日照時間が長く、弱風ながらいつも風のある、湖沼や田圃が多い環境にある。それらから自然エネルギーを頂き、電力に変えてエネルギーの地産地消の実現につなげていきたい。
キーワード：地産地消、エネルギー、太陽光発電、風力発電、微生物発電

Abstract
Immediately after the Great East Japan Earthquake, I arrived at the university and started research on
renewable energy that is resistant to natural disasters. For 10 years, I continued my research with my dear
students in areas where other researchers have not done much. Among them, I would like to introduce threetechnologies that I have a strong feeling for. We have developed a transparent solar cell that converts,ultraviolet rays into electric power, including its formation technology, and achieved the world s highest levelof eﬃciency. It was possible to show that wind power generation with a diﬀuser using the wind lens eﬀect
can generate power even in weak winds. Furthermore, the soil microbial fuel cell originating frommicroorganisms has achieved 10 times the conventional power generation by introducing the novel porous
body, which is our invention, and is close to practical use. This area has long daylight hours due to the coastof the Seto Inland Sea, and although it is weak, the wind always blows, and there are many lakes and riceﬁelds. We would like to receive natural energy from them and convert it into electric power, which will leadto the realization of local production for local consumption of energy.
Keywords：local production and consumption, energy, solar power generation, wind power generation,
microbial power generation

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森田

1. 大学の研究で目指したもの

廣本学でのエネルギー地産地消を目指した 10 年間の研究の軌跡と今後の展望を示す。

地球温暖化から自然エネルギーへの関心が高まっている。筆者は東日本大震災の直後、2011 年 3 月に本学

2. 太陽光発電への取り組みに赴任した。震災に端を発した原子力発電所の事故は日本のエネルギー政策を大きく変化させ、代替エネル太陽光発電については企業在職時に国家プロジェクギー開発、分散発電への期待が高まった。その後の未トの「サンシャイン計画」に携わり 1）、シリコン結晶曾有と言われる自然災害が日本列島を相次いで襲った太陽電池を開発し商品化した経験もあるので、取り組こともそのことに拍車をかけた。以来、この大学におみやすいテーマである。また、新たな構造の太陽電池

いて、環境に寄り沿った、この地に潜在する自然エネを作製する際の薄膜形成技術も筆者が長年、様々な電ルギーを用いた発電の研究を行ってきた。永年在職し子部品の研究に用いてきた手法である 2）。

た企業で携わってきた半導体や電子部品のハイテク研

そのような中で対象として絞り込んだ「透明太陽電究を続けられる環境が地方の小さな大学には無かった池（発電ガラスとも称する）」の元々の研究動機は、ことも理由ではあったが、同じ思いの若い学生たちの太陽光中、日常の人間の生活に使われていない紫外領

純粋な情熱が後押ししてくれた。研究室の歴代学生と域の光を利用して発電することであった。太陽光スペ共に、太陽光、風力、微生物を起源とする地産地消

クトルにおける紫外部の割合が 6％程度と小さいこと

エネルギー の研究を行うことができたが、社会でのと太陽光の稀薄性、不安定性という不利な点を、常時、実用の可能性をいくらかでも前に進められたなら幸い

太陽光が当たっている窓を用いた 発電電力蓄積効果である。今回、大学での 10 年の節目に今までの研究で解決を図り、その場での電力の活用を狙った 3）。蓄を振り返り、まとめる機会を頂いたが、特に思い入れ積効果といっても、実用的な時間内で一定の電力を得のある三つの技術を紹介したい。この拙稿が少しでもるには光電変換効率の向上が不可欠である。世の中のこれからの若い研究者や技術者の自然エネルギー研究

このタイプの太陽電池の効率は最高でも 10 のマイナへの動機づけになればと願っている。

ス 3 乗のオーダーであった。これを大幅に向上させる

三つのカテゴリーの研究のうち、一つ目の太陽光発手立てとして p、n 型透明半導体に不純物を混入した電については、これまで活用度の低かった紫外光を利性能改善を行ってきた 4-7）。透明太陽電池の構成の一用した透明太陽電池の研究を行い、世界的にもトップ例は Fig.1 のようになり、ITO 透明電極間に p 型と nクラスの光電変換効率を達成する素子構成を実現する型の透明半導体層を各々 1000Å 形成する。

ことができた。瀬戸内のこの地域は年間日照時間も長く、固定された建物の窓や車の窓での発電に有効活用できる。二つ目の研究は風力発電に関するものである。
山陽小野田市は海と山が近接する豊かな自然環境下で、さほどの強さはないが、風がよく吹く。流体力学の世界で知られている「風レンズ効果」を用いた風速の増幅作用の研究の結果、弱い風でも大きな電力を得

Fig.1

透明太陽電池の構成例られる風車構造を考案することができた。実際に試作した実物の数分の一のモデルでこの効果を検証でき、ｐ型としては NiO、ｎ型としては ZnO を基本材料と実用の可能性を実証できた。三つ目の研究は微生物燃して検討を始めた。大学保有の装置を用いた二元同時料電池である。今世紀になり発見された微生物の活動

電子ビーム蒸着法を駆使した試作を重ね、p 型ではを源泉とする発電は、地球上のどこでも安価に簡単にNiO 薄膜中に、Li、Cu、Fe を各々添加することが太電力を取り出すことができる。実用化への壁であった陽電池の光電変換特性の向上に有効であることを見出発電効率の向上に対して、発電装置内へ微生物を集積した。それぞれの膜中でこれらの添加元素が Ni 2＋サイ化する新規材料の導入を試み、従来の 10 倍以上の出トを置き換え、半導体特性を向上させるためと考えら力を実現し、実用化に一歩近づけた。この技術が実用れる。上述の元素を添加した p 型の NiO 系酸化物薄化されれば僻地や災害時の電力供給にも大いに役立膜（順 に NLO、NCO、NFO と 称 す る）と n 型 のつ。

ZnO 薄膜を積層した太陽電池の特性を Fig.2 に示す。

エネルギーの地産地消を目指して79もって学んだ学生たちは社会に出て、仕事にその経験を生かしてくれていると思う。

3. 風力発電への取り組み
筆者らは 地元（山口県山陽小野田市）の風にも注目した。瀬戸内の自然豊かな場所にあるこの土地では、平均風速は弱い（2〜3m/s）が、高頻度で風が吹くことを学生が地道な現地調査で明らかにしてくれた。弱
Fig.2

透明太陽電池の光電変換効率

風でも効率の良い発電を行うには小型の垂直軸複合風車が好ましい 8）。これに、水平軸方式では既に実用化されている、風車における風レンズ効果 9）を併用して風速を増大できれば、実用化可能な発電出力を得ることができると考えた。
風力発電におけるエネルギーができ、風速＝は次式で表すことの 3 乗に比例する。

・1/2・ρ・3⑴は風車のパワー係数、ρ［kg/m3 ］は空気密度、［m2 ］は受風面積、 ［m/s］は風速である。例えば、
Fig.3

各薄膜の熱処理前後の透過率

風レンズ効果により風速を 2 倍にできれば出力を 8 倍にできる。

各々元素添加量に最適値があり、最も良い変換効率は複合風車は、ダリウス＋サボニウス、ダリウス＋Ｓ

NCO の、元素添加量 2wt％の場合であるが、このと字ローター、Ｈ型ダリウス＋Ｓ字ローターの 3 通りのきの変換効率は従来よりも一桁良い値を達成すること組み合わせを試作した。風レンズ効果をもたらすディができた。透明太陽電池なので十分な可視光透過率もフ ュ ー ザ ー を 考 案 し て 各 々 に 付 帯 し た。こ れ ら を達成しなければならない。NiO 膜は製膜直後の酸素欠

Fig.4 に示す。

損を補い安定化させるための大気中での熱処理を行うが、酸化が進むと透明性が低下するやっかいな物質であり、添加元素によってその低下率が異なる。Fig.3に示すように、Cu よりも Fe を添加したほうが、透明性からは優位であり、どちらを選択するかには総合的な判断が必要である。なお、n 型については ZnOに Li を添加する（ZLO と称する）とわずかに特性が向上することも見出している。
所望量の Li を混入した NiO 薄膜（NLO）を二元同時電子ビーム蒸着法で作成して ZnO 薄膜との積層太陽電池を世界で初めて作り発表 4）してから 7 年が経過した。同時蒸着による元素添加膜の形成は、材料の性状や電子ビーム加熱条件の配慮など、試行錯誤の連続であり、時には老朽化した装置の修理やクリーニング
ば か り 行 っ て い た 時 期 も あ っ た。そ の か い あ っ て
Fig.2 に示した世界最高レベルの光電変換効率を得ることができた。技術開発は一筋縄ではいかないと身をFig.4

ディフューザー付垂直軸複合風車

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森田

Table 1 試作した風車特性と発電量廣た。
微生物発電装置は、アノードとカソードとからなる１対の電極間に微生物と有機物を存在させた構造をしている。

ディフューザーの有無の風速（付帯無し時に 3m/sに固定）と、発電量（抵抗を接続して電圧を測定）を実測した。結果（10 回の平均値）を Table 1 に示す。
風レンズ効果による風速、発電量の増大はサボニウス
風車（試作 1）では確認できず、Ｓ字ローター風車（試作 2、3）で顕著で、さらに断面を風の流れを滑らかにするために液滴状に工夫したＨ型ダリウス風車との組み合わせが最も良いディフューザーによる増大率をFig.5示した。試作 1 のサボニウス風車はＳ字ローター形に土壌型微生物燃料電池比べ、ディフューザーでの摩擦損失が大きく風レンズ次に示す関係のように、微生物が有機物を分解した効果が認められなかった。試作 1、2 の板状のダリウ

際に電子、水素イオン、二酸化炭素が発生するが、アス風車が揚力を十分に活用できないのに対して、試作ノードにて電子を回収し、カソードにて回収した電子

3 の液滴状の断面形状のものは揚力に有利に働いたととプロトン（H+）と酸素が反応し、水が生成される。

いえる。試作 3 の複合風車は風レンズ効果で風速はアノードの有機物酸化反応（約 −0.3 V）とカソードの1.2 倍に、発電量は 1.7 倍になり、試作したモデルを実酸素還元反応（約 +0.8V）に電位差があるため、アノー用的なサイズに拡大して、材質（試作品は Al 製）のドからカソードへと電子が流れ、エネルギーが得られ軽量化を図れば、弱風下の環境でも必要なエネルギーる。

を取り出すことができることが分かった 10,11）。
アノード：

4. 微生物発電への取り組み

有機物→

CO2 +H++e−

4H++→

2H2O

カソード：
地球上のあらゆるところに存在する微生物は有機物

O2 +4e−を分解して生存している。本技術の微生物発電装置（微生物燃料電池 MFC とも称する）とは、微生物の電極

筆者らは 2016 年から本格的に微生物発電の研究を呼吸を利用して、有機物の持つ化学エネルギーを電気開始し、山口県各地で採取した土壌のいずれにおいてエネルギーに変換する装置である。微生物の代謝と電も発電可能であることを確認した 12）が、発電電力量

気との関係は 100 年も前から知られていたが、電力はが不十分なこと（①）と、長期間の発電継続性が不明化石燃料中心に供給されてきたので一般の関心は薄の点（②）から実用化には課題のあることを認識した。

く、技術的な発展はなかった。それが、20 世紀の終その後の微生物燃料電池の構成要素の改良により発電

わりに体外に電子を放出しマイナス極に伝達する能力

量や発電時間は、ある程度の改善はみられた 13-15）が、のある微生物、例えば「シュワネラ菌」が発見され、抜本対策には至らなかった。やがて、様々な実験から、21 世紀の初めに微生物燃料電池の構造が確立された。

大幅な改善には、①に対しては、微生物の集積度を上おりしも、エネルギー・環境問題が拡大し、それととげることにより発電電力が改善されることが分かり、もにこのエネルギー源に大きな関心が集まりだして現②の発電維持のためには、微生物の活動継続に有機物在に至っている。この 20 年の間に世界各地の大学研の補給が重要であることが分かった。

究者を中心に微生物発電の研究が行われるようになっ

実は、当研究室では 10 年前、 廃棄ガラスの再活用

エネルギーの地産地消を目指して研究81を行っていた 16）。液晶ディスプレイの工程で出る破砕ガラスを再加工した発泡ガラスに可視光光触媒粉を修飾して、細孔に吸着した汚染物質を分解して吸着能を格段に向上させた研究である。今回、この研究経験が上記問題の解決に役立った。ガラス瓶、液晶ディスプレイや太陽電池パネルの廃棄ガラスの再処理として、粉砕したガラスと炭酸カルシウム（貝殻等）を混ぜて、空気中 1000℃の高温で焼成すると発泡し、軽石状の多孔質体ができることが知られており、（株）
鳥取再資源化研究所と鳥取大学の共同研究で環境に無Fig.7多孔質体挿入による発電電力増大定害なものが商品化されている。この発泡多孔質体（商品名；ポーラスαⓇ）の細孔部に有機物質や微生物が取り込まれ、工場排水や農業排水、池の汚染物質除去、水の浄化に役立っている。10 年前の研究では、これに可視光光触媒として扱える WO3 粉をスラリー状にして塗布したところ汚染物質が除去され効果が高まることを発見した。今回は、その事実から発想し、本研究の発電量増大に寄与する微生物、発電の持続に寄与する有機物を多孔質体に取り込み、集められることに行きついた 17）。
この多孔質体を本研究の微生物担持層として微生物燃料電池の電極近傍に配置すると、そこに微生物と有機物が集積され、恰も巣窟のようになるため、①の課題に対して従来の 10 倍の発電量を得ることができるようになった。その構造と評価結果を Fig.6 とFig.7 に示す。

Fig.8

屋外での実証試験

また、②については、多孔質体を土中に埋設しておくことにより、細孔への微生物と有機物の集積があらかじめ実現され、電池化直後から発電が可能となる 18）。
屋外の実証実験（Fig.8 参照）によれば自然環境からFig.6

多孔質体を挿入した微生物電池の有機物の供給（植物の光合成による有機物生成、田・池・用水等からの有機物流入）がなされ、発電の継続性が保持されることが分かった。
微生物発電の発電量は電極の面積に比例する。現状の 技 術 を 用 い た 試 算 で は、1m2 あ た り の 理 想 値 で700mW、現実には諸損失を加味して 560mW 程度の出力が可能となる。例えば一つの電池あたり 0.9V、620mA の出力となり、これを直列、並列に接続する

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ことにより利用が可能であり、さらに昇圧回路や蓄電

星肇教授のグループの色素増感太陽電池やペロブスカ池を用いることにより様々な用途への対応が可能となイト型太陽電池の研究等が精力的に行われている。さる。例えば街路灯や庭園灯として 28 個の超高輝度らに、将来のエネルギー源として間違いなくその時代LED（1500 ルーメン、10W）の点灯には現状、夜間が来るといわれる水素エネルギーについても山口県やのみ常時点灯使用（12 時間）として、蓄電池を用い山陽小野田市は高い意識を持っており、本学でも将来ることにより上記の 9 個の電池（9m ）が必要となる。のグランドデザインの中で明確に位置付け、地元の企現在、電池構造や多孔質材料の改善により数倍の出力業の協力も得て、複数の教員が各々関連研究を始めて増加の可能性を得ており、近いうちに電池 1 個までのいる。今後の研究の発展に大いに期待するものである。

2

低減が可能とみている。即ち、1m2 の植栽地や池、用謝

水があれば 10W の LED 街路灯を点灯できることになる （Fig.9）。

辞本研究の遂行にあたり、本学森田研究室に所属し、19）

共に夢を追いかけてくれた学生の皆様と長年にわたり研究のご支援を頂いた多くの皆様に感謝いたします。

参考文献1 ） 最新太陽光発電技術 : 森田廣（共著）、槙書店、
1984 年 7 月
2 ） 薄膜作成における真空技術：森田廣、真空産業展開催記念セミナー（期待される真空技術）予稿（1989. 9. 13 日本真空工業会）
3 ） Super Smart Window --Its Energy Design andSome Early Research：Hiroshi Morita, Hiroyuki
Fig.9

Yoshida, Proceedings of Internal Display

街路灯への適用例

Workshop 2014, Niigata, The Society for
Information Display, MEET4-4（2014. 12. 4）

さらに、「発電」としての要求が高まれば、大規模4 ） 透明太陽電池用 p 型酸化ニッケル膜作製とそのな発電所や送変電設備不要の、現状の商用電源にかわ

物性：加藤三四郎、吉永諭、前田匠、吉田博行、る安価な電力供給がオンサイトで可能となる。また、

森田廣、第 64 回電気・情報関連学会中国支部連

災害時や僻地での電力供給にも即座に対応可能であ合大会 , 岡山大学、3-11（2013. 10. 19）

る。付随する効果として、ここに用いる多孔質体が本5 ） NLO 膜を用いた透明太陽電池の開発と機能性窓質的に有する汚染物質除去効果により環境浄化や水質への応用：森田廣、市岡大志、第 63 回春季応用改善の作用も期待できるので代替エネルギーとしての物理学会学術講演会予稿集、東京工業大学、期待以上の環境効果、経済効果も望める。

22a-P1-3（2016. 3. 22）
6 ） 二元同時電子ビーム蒸着法により形成した透明5. 本学におけるその他のエネルギー創生への取り組み

太陽電池用半導体薄膜：平野雅也、合田和矢、森田廣、第 79 回応用物理学会秋季学術講演会予稿集 , 名古屋国際会議場、19p-PB1-1（2018. 9. 19）

筆者の研究室では、上述した以外に太陽光発電の一7 ） Cu 添加量による NCO 薄膜の物性変化：平野雅也、環として、カラーフリー、曲面対応可能なスプレー法

石丸大智、伊藤賢哉、森田廣、第 66 回応用物理による太陽電池の研究 20）、量子ドットによる太陽電池学会春季学術講演会、東京工業大学 11a-W641-1の作製研究、そして現行の結晶シリコンや薄膜太陽電（2019. 3. 11）

池の屋外設置モジュール効率を如何に研究室レベルでの高い変換効率に近づけるかの研究などのエネル

21,22）8 ） 垂直軸風車製作ガイドブック : 松本文雄、牛山泉、西沢良史、パワー社、2011 年 2 月

ギー創出に関わる研究を行ってきた。また、学内にお9 ） Optimum aerodynamic design for wind-lens

いては、阿武宏明教授のグループの熱電発電の研究、

turbine：Nobuhito Oka, Masato Furukawa,エネルギーの地産地消を目指して

Kenta Kawamitsu and Kazutoyo Yamada,8317）ポーラスαⓇによる土壌微生物燃料電池の出力向

Journal of Fluid Science and Technology,

上：古屋直史、久保航一、八塚淳弘、森田廣、第vol.11,No.2,p.1（2016）

67 回応用物理学会春季学術講演会予稿集10）山陽小野田市の弱風でも必要電力を得るための、風レンズ効果を用いたハイブリッド風力発電にお12a-PB5-4 上智大学（開催中止・予稿集刊行）（2020. 3. 12）

ける風車形状の改良研究：2019 年度分地域に関18）土壌微生物蓄積による微生物燃料電池の出力特性

わる教育・研究成果の展示：佐竹透、森田 廣、（大改善：古屋直史 , 久保航一 , 八塚淳弘 , 森田廣、学ホームページで公開 , 2020）

第 81 回応用物理学会秋季学術講演会、8a-Z26-2（オ11）風レンズ効果を用いた複合垂直風車風力発電の研
究：山下亜未都、佐竹透、森田 廣、第 71 回電気・ンライン開催、2020. 9. 8）19）微生物電池、発電能力 10 倍に：日本経済新聞電情報関連中国支部連合講演会（オンライン）、ｒ子版（2020 年 10 月 29 日付全国版）及び日本経

20-7-2-2（2020. 10. 16）

済新聞朝刊（2020 年 10 月 30 日付中国地方版）

12）土壌微生物による微生物燃料電池の基礎研究：古20）High Performance DSC Fabricated by Spraying

屋直史、山内健太郎、合田和矢、森田廣、第 79Method：Hiroyuki Yoshida and Hiroshi Morita,

回応用物理学会秋季学術講演会予稿集、名古屋国

Proceedings of Hybrid and Organic

際会議場、20a-PB1-6（2018. 9. 20）

Photovoltaics 2014, Lausanne, Switzerland,

13）有機物添加による微生物燃料電池の効率向上：古No.285, p.280（2014. 5. 11）

屋直史、長嶋哲也、松尾匠剛、森田廣、第 66 回

21）民生用太陽光パネルの実用効率低下原因に関する応用物理学会春季学術講演会予稿集、東京工業大

研究：元田駿、新谷友浩、吉村康一朗、吉田博行、学、9a-W371-2（2019. 3. 9）

森田廣、第 64 回電気・情報関連学会中国支部連

14）アノード電極の改良による微生物燃料電池の発電

合大会講演会予稿集、岡山大学、8-6（2013. 10. 19）

量向上：八塚淳弘、古屋直史、久保航一、森田廣、

22）民生用太陽光パネルにおける入射光量改善による第 70 回電気・情報関連学会中国支部連合大会 ,効率向上：日野翔、新谷友浩、吉田博行，森田廣、

R19-07-02-02、鳥取大学（2019. 10. 26）

2014 年度応用物理・物理系学会中国四国支部合15）微生物燃料電池に利用可能な原水に関する調査：
古屋直史、久保航一、八塚淳弘、森田廣、第 80回応用物理学会秋季学術講演会 , 19a-E303-6, 北海道大学（2019）16）液晶ディスプレイ廃ガラスの再活用高機能化：森田廣、吉田博行、第 59 回応用物理学会関係連合
講演会予稿集 8a-GP3-2 早稲田大学（2012. 3. 18）

同学術講演会講演予稿集、島根大学、Fa-9（2014. 7. 26）