エネルギー資源学講座

Energy Resources

分散エネルギーシステム学分野

Distributed Energy System

Toward the development of sustainable energy system

教授 川田 達也

准教授 八代 圭司

助教 リヤン アクマド

Professor（島根大学 教授，クロスアポイントメント）
Associate Professor

Assistant Professor

Tatsuya Kawada

高効率発電や、再生可能エネルギーからの水素製造・二酸化炭素の分解など、カーボンニュートラル実現の鍵となる、新しいエネルギー変換技術の社会実装を目指して、基盤技術の確立と学理の構築に取り組んでいる。特に、固体酸化物形燃料電池（SOFC）および固体酸化物形電解セル（SOEC）に着目し、学内外の研究グループや企業との共同研究を通して、性能と信頼性の向上のための技術開発を進めている。
また、これらの基盤となる固体イオニクス材料の物理化学的特性や機械的特性について、熱力学、固体化学、電気化学の立場から解明し、新たな機能の発見や性能の向上につながる基礎研究を実施している。

Riyan Achmad Budiman

助教 山口 実奈
Assistant Professor

Mina Yamaguchi

高温共電解を利用した液体燃料製造の基礎技術開発
固体酸化物電解物セル (SOEC) を用いて再生可能エネルギー由来の余剰電力で二酸化炭素と水蒸気を共電解し、液体燃料を生成する方法が提案されている。当研究室に准教授として在籍し、4 月にOur research group is working on establishing science and technology for the social implementation of new energy conversion technologies, such as
high-efficiency power generation, hydrogen production, and carbon dioxide decomposition with renewable energy, which are key to the realization ofcarbon neutrality. Particular attention is paid to solid oxide fuel cells (SOFCs) and solid oxide electrolysis cells (SOECs). Technologies have beendeveloped to improve their performance and reliability through collaborations with companies as well as research groups inside and outside theuniversity. The physicochemical and mechanical properties of solid state ionic materials, which form the basis of these technologies, are elucidated fromthe standpoints of thermodynamics, solid-state chemistry, and electrochemistry, with the aim of discovering new functions and improving performance.

島根大学に異動した八代教授（東北大学にも 20% のクロスアポイントメントで在籍）が受託する NEDO 事業において、SOEC 共電解セルの基礎技術の開発を行っている。電解反応時に懸念されている電極形状変化の機構解明に向けて、モデル電極を用いたその場観察の手法を開発した。
（Fig. 2）。

固体イオニクス材料の基盤研究と新機能の探索
固体酸化物形燃料電池の信頼性向上の研究
固体酸化物形燃料電池 (SOFC) は、O2– イオンを伝導するセラミックスを用いて天然ガスや水素から高効率で発電する装置で、国内ではエネファーム Type-S などとして商用化されているが、さらなる普及に向けて、15 年を超える長期耐久性や急速起動・停止時の信頼性向上など改良すべき点も残されている。当研究室では NEDO 委
託事業「固体酸化物形燃料電池スタックの高度評価・解析技術の研究開発」を複数の研究室および慶應義塾大学と共同で受託し SOFC開発各社とも連携して研究を進めている。今年度は、発電の中心部である「セル」が各種の運転モードで受ける応力を再現する装置を開発した (Fig. 1)。また（株）アイシンが受託した環境省のプロジェ
クトに、共同実施者として参加し純水素用 SOFC の評価を開始した。

Improving the reliability of solid oxide
fuel cells
SOFCs generate electricity from natural gas or hydrogen with highefficiency using O2– ion conducting ceramics. It has been commercializedin Japan as ENE-FARM Type-S. However, for wider social acceptance,improvements are still needed for longer-term durability over the next 15years and improved reliability during rapid start-up and shutdown. With
the support from the NEDO project “Research and development ofadvanced evaluation and analysis technology for SOFC stacks,” we aremaking joint research with multiple laboratories at Tohoku Universityand Keio University as well as SOFC developers. This year, a device wasdeveloped to reproduce the stress state in SOFCs in various operationmodes (Fig. 1). In addition, our laboratory has started evaluating a pureH 2 -SOFC in a project commissioned by Aisin Corporation from theMinistry of the Environment.

高温の燃料電池や電解セルに用いられる酸化物イオン導電体では、酸素空孔を介して酸化物イオンが輸送する。また酸素空孔に水蒸気が溶解することでプロトンが導電を担う酸化物も知られている。
これらの材料の輸送現象や界面現象は「固体イオニクス」として研究が行われてきたが、未解明の点も残されている。最近我々は，酸化物イオン導電体の界面現象に光照射が影響することを見出しており、その現象の整理と機構解明に向けた研究を加速している。

教育活動
2023 年度の当研究室のメンバーは、教授 1 名、（准教授 1 名：クロスアポイントメント )、助教 2 名、研究員 1 名、技術補佐員 1 名の教職員 5 (6) 名、後期課程学生 1 名、前期課程学生 9 名、学部学生 7 名、研究生 1 名である。当研究室では、学内の固体イオニクス関連研究室とともに、韓国のソウル大学、韓国科学技術院（KAIST）等との間生が協力して企画・実施するもので、今年度は韓国から約 40 名の学生・教員を東北大に迎え、サイエンスキャンパスホールにて、口頭発表、ポスター発表を行なった。

20 Coexistence Activity Report 2023

An SOEC enables the production of liquid fuels through co-electrolysisof carbon dioxide and steam using surplus renewable electricity.
Professor Yashiro, who was in our laboratory as an associate professor
and moved to Shimane University last April (still at Tohoku University
with a 20% cross appoint), is working on the basic technology of SOEC
co-electrolysis in a NEDO project. To elucidate the mechanism ofelectrode morphology change, which is a concern for electrolysis
operation, we have developed an in-situ observation technology formodel electrodes (Fig. 2).

Basic research on solid state ionics
In oxide ion conductors used in high-temperature fuel cells andelectrolytic cells, oxide ions are transported through oxygen vacancies.
Some oxides dissolve water in oxygen vacancies and are known toconduct protons. The transport and interfacial phenomena of thesematerials have been studied in solid-state ionics. However, some aspects
still remain unclear. Recently, we found that light irradiation affects theinterface of oxide ion conductors and now are conducting research toelucidate the mechanism.

Education

で、Student Symposium を毎年開催している。これは、双方の学

Fig. 1 Accelerated reliability test of SOFC under temperature gradient using gas manifold with 9-segment heaters.
Simulation predicted large stress at the edges of the air electrode.

Fundamental technologies for liquid fuelproduction using high-temperature coelectrolysis

Department of Environmental Studies for Advanced Society

Keiji Yashiroブディマン

先進社会環境学専攻

持続可能なエネルギーシステムの実現に向けて

The laboratory consists of 5 (6) staff members, 1 professor (and 1
associate professor: cross appointment), 2 assistant professors, a
researcher, and a technical staff, as well as 18 students: 1 doctoral, 9masters, 7 undergraduates, and 1 research student. Our laboratory holds
a student symposium every year with Seoul National University andKorea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST), and otherinstitutions. This is planned and implemented by students from bothcountries. This year, we welcomed approximately 40 students and facultyfrom Korea to the Science Campus Hall of Tohoku University, where theygave oral and poster presentations.

Fig. 2 Operando measurement of the morphology change of a model electrode for SOEC.

Coexistence Activity Report 2023

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