埼玉工業大学では、将来を見据えた新技術の研究に積極的に取り組んでいる。たとえば工学部機械工学科熱エネルギー工学研究室の髙坂祐顕教授が進めている、水素エネルギーの活用に向けた研究だ。今回は髙坂教授の研究室を訪問し、研究の特色や事例、魅力などを紹介する。
次世代エネルギーの主役・水素が持つ長所と課題とは？
「日本列島の形が宇宙からでもくっきりと見えるくらい電気を使っていても、環境には負荷をかけない。そんな世の中が実現すればいいと思いました」と、研究のきっかけを語る髙坂教授。エネルギー工学を専門にしており、現在は水素エネルギーの有効利用をテーマに、企業や国家プロジェクトとも協力しながら研究を進めている。
水素は次世代エネルギーの主役になると期待されている分子だ。利用時にCO2を排出しない、燃焼させて熱エネルギーを発生させるだけでなく燃料電池に通せば電気エネルギーとしても使える、水素を貯蔵しておけば停電などの緊急時もエネルギーの安定供給ができるなど、多くの利点が。しかし生産や貯蔵に関しては大きな課題があるという。
身の回りには多くの水素化合物があるが、水素単体では存在しない。そのため現在は化石燃料をベースに改質などにより、水素を生産している。より環境に優しいエネルギーにするためには、化石燃料以外の一次エネルギーである再生可能エネルギーから水素を取り出す仕組みを整えなければならない。エネルギーの大宗を海外に頼る日本は、環境面とエネルギー需給面の解決においても、水素の活用を積極的に取り組む必要性がある。
また、貯蔵に関する検討も必要だ。現在の貯蔵方法は150気圧をかけてボンベに充填する圧縮水素（燃料電池自動車では約700気圧）、-253度に冷やして液化させる液体水素、トルエンなどに水素を付加した有機ハイドライド（MCH）やアンモニアとして保存する方法，そして水素を金属に貯める水素吸蔵合金など様々な方法がある。主に圧縮水素が使われているが、この方法では水素の体積を150分の1までしか小さくできない。一方水素吸蔵合金の場合、水素の体積を1000分の1まで圧縮して貯蔵できる。また、常温常圧で保存できる点も水素吸蔵合金の長所だ。
「現在の主流は圧縮水素ですが、将来は水素吸蔵合金に置き換わっていくかもしれません。冷やしたり圧力を加えたりする必要がないので、比較的安全に貯蔵できます」（髙坂教授）
水素吸蔵合金は圧力と温度を調整することで、水素を吸収したり放出したりする特性を持っている。加圧すると水素を吸い、減圧すると水素を放出。水素を吸収すると温まり、水素を放出するときには冷えるのも特徴だ。髙坂教授は水素吸蔵合金から効率的に水素を取り出したり、再び水素を貯蔵したりして、エネルギーを供給する仕組みを開発している。
スマホ充電器、ラジコン、医療機器……水素エネルギーの使い方を探る
髙坂教授の研究室には、研究室で開発した水素吸蔵放出装置をはじめとして、多くの実験機器が置かれている。どれも水素エネルギーの効率的な使い方を探究するために使われているそうだ。
そのなかのひとつが、スマートフォンの充電装置。IoTデバイス向けの水素エネルギー供給機器を開発する過程で作られた。水素吸蔵合金100gが入った工具箱サイズの手作りの装置からは、充電ケーブルが伸びている。1度の水素供給で最大8台のスマートフォンを充電できるそうで、筆者の端末を接続するとスムーズに給電された。充電のスピードは早く、途切れることもない。
また、ラジコンカーの充電式バッテリーの代わりに水素吸蔵合金を使った事例も。水素吸蔵合金50gが入った手のひらサイズの水素ユニットを2本、ラジコンカーに設置する。上部には燃料電池が置かれ、水素ユニットと接続されていた。通常の充電式バッテリーでは20～30分程度しか走行できないが、水素エネルギーを使うと2時間半動かせる。水素ユニットに貯蔵できる水素量が多いため、エネルギーを使える時間が延びたという。将来的にはドローンなどへの応用をめざしており、たとえば災害現場で走行距離を伸ばし捜索範囲を広げるなどのメリットが期待できるそうだ。
ほかにも研究室では、企業との共同で水素吸蔵合金を用いた医療機器の開発も進めている。医療機器のバッテリーとして、水素ユニットを使用する試みだ。実験では小型医療機器を複数搭載した機械を動かすことに成功。出力も通常のバッテリーと変わらず、「水素エネルギーを使っている」と言われなければ気づかないほどだった。
水素吸蔵合金で安定したエネルギー供給をするために、クリアしなければならない課題も。前述したように、水素吸蔵合金は水素を放出している間、温度が下がっていく性質がある。温度が下がりすぎると水素が放出されなくなり、エネルギー供給が停止。もしドローンを水素エネルギーで動かしていた場合、飛行中に給電が止まり墜落してしまう危険性がある。こうした事態を避けるためには、水素吸蔵合金を適度に温めなければいけない。
そこで研究室の院生と協力して開発したのが、熱伝達率（熱の伝わりやすさ）を推定する小型センサーだ。センサーはデバイスの設計や実験の段階で使用するそうだ。まず水素ストレージと同じ設計の光造形樹脂で作製した模擬容器にセンサーを埋め込む。次に水素供給中の燃料電池から発生する温風を水素ユニットに届けて、表面を温めた。このとき、センサーで模擬容器表面の熱伝達率を確認する。熱が足りていない場合や熱が多すぎる場合は設計を見直し、水素吸蔵合金を適温に保つことを試みるのだ。今回紹介してもらった充電器などの機器も、こうした工夫を経て作られている。
水素エネルギーの地産地消をめざして
髙坂教授が今後実現したいと考えているのが、水素エネルギーの地産地消だ。埼玉工業大学のある深谷市では、微生物の力でバイオマスを分解してエネルギーに変える「バイオガス発電」が行われている。バイオガスの余剰電力を水素に変えれば、化石燃料に頼らない水素の生産が可能になるかもしれない。水素の生成、貯蔵、利用といった一連の流れを深谷市内で独自に実施できれば、水素エネルギーの地産地消が実現する。
「研究室で開発しているのは、水素が身の回りにあふれていることが前提になった社会で使われる機器です。実用化するためには、日常に水素を普及させなければなりません。そのため、都道府県や地域、企業と協働して、水素エネルギー供給の仕組み作りに取り組んでいかなくてはなりません」（髙坂教授）
研究室の学生が語る、熱エネルギー工学研究室の魅力
熱エネルギー工学研究室には、どのような魅力があるのだろうか。研究室に所属する学生に伺ったところ、「自主性が伸びる。やりたい研究を、専門的に支えてもらえる」「髙坂教授の気さくな人柄が魅力的」などの回答が。熱エネルギーや水素エネルギーの有効利用といった先進的なテーマそのものに興味を持って研究室を志望した学生や、将来エンジニアをめざす学生がいた。
また、外部の研究資金による研究活動を支援するために学部1年生のうちから、希望者はアルバイトとして研究に携われるのも特長だ。授業後の時間を使い、研究とアルバイトを同時に行えるのは、学生にとって大きな魅力といえるだろう。
「アルバイトの希望者は都度受け付けています。研究内容や研究手法を知るひとつのステップとして役立てていただけたら嬉しいです」（髙坂教授）
エネルギー工学研究室の卒業生の進路は多岐にわたる。なかには医療分野、エネルギー関連企業の技術開発部門、研究機関などで活躍している人も。大学での経験を、さまざまなフィールドで社会に活躍している。
「私の研究室で扱っているエネルギー分野に、おもしろさを感じていただけると嬉しいです。向いているのは、おもしろいな、と思ったことに対してコツコツ突き進んでいける人。研究室での経験は、社会でも活かせると思いますし，活かしてもらいたいと思います。大学に入学して研究活動をおこなうために高校生には，興味があること、好きなことに集中して取り組む力を身につけることが重要だと思います。対象は何でもかまいません。面倒な気持ちを度外視して突き進んでいく楽しさを経験してみるといいでしょう。小さな成功体験も大切にし、喜びを感じてもらえると、知らないうちに前に進んでいると思います」（髙坂教授）
埼玉工業大学 工学部 機械工学科
髙坂祐顕教授
専門は熱力学、伝熱工学、音響工学。熱エネルギー研究を基盤とし、水素エネルギーの有効利用に向けた研究にも取り組んでいる。
