都市環境・環境地理学講座 │ Urban Environment and Environmental Geography

環境動態論分野 Environment and Energy System Dynamics

低環境負荷エネルギーシステム実現に向けてToward the development of energy system with low environmental load教授

川田 達也

准教授

雨澤 浩史

Professor

Associate Professor

Tatsuya Kawada

Koji Amezawa

優れるサーメット電極のコンセプトを提案した．また，その実証

Our group is working on basic researches regarding environmentally friendly energy-conversion systems suchas Solid Oxide Fuel Cells（SOFC）, hydrogen separation systems, etc. On the basis of thermodynamics, solid-statechemistry and electrochemistry, we are contributing to clarifying physical and chemical properties of the materials
used in the abovementioned systems and to propose optimal designs of the materials and the systems. We are conducting our researches through active collaborations with other research groups inside and outside the university.

研究を行っている（新日本石油との共同研究）．また，当研究室より提案した，ヘテロ界面を有するLa-Sr-Co-O系空気極の酸素交換反応促進現象について，酸素同位体交換／SIMSによる分析や後述のX線吸収分光測定に基づき，その解明に取り組んでいる．また，この材料の電極への適用に取り組んでいる．

（O2 - ）を伝導するセラミクスを使用している．作動温度が高研究分野の概要

3. 放射光を用いた電極における動的挙動のその場観察

いため，炭化水素系のガスを燃料として使用できかつ高効SOFCを含む高温電気化学デバイスにおける反応機構を当研究分野では，環境負荷の小さい新しいエネルギーシス率である．このため，各種定置用コジェネレーションシステ

テムを構築するために必要な技術として，固体酸化物形燃料ムとしての応用が期待されている．SOFCはこれまでの実証電池（SOFC），プロトン導電体や水素透過膜を利用した水素研究結果から高いシステム発電効率が実証され，潜在能力デバイスは高温かつ雰囲気制御下で作動するため，既存の製造等を取り上げ，これらの実用化に向けた基盤研究を行っての高いシステムであることが確認された．実用化に向けて，技術のみで動的挙動をその場観察することは非常に困難でいる．昨年度から，NEDO（新エネルギー・産業技術総合開

信頼性及び耐久性向上が最重要課題である．

ある．当研究室ではこれまで，京都大学及び高輝度光科

The Young’s modulus of YSZ-based Oxides as a functionof surface orientation, evaluated by the nano-indentation test
and EBSD technique
Fig.3

できるため，非常に重要である．しかしながら，このような発機構）委託研究により，学内の複数の研究グループとの共NEDO委託研究「固体酸化物形燃料電池システム要素技学研究センターとの共同研究により，放射光を用いたその同研究を主導している．これを通じて，システムに使用される術開発事業／耐久性・信頼性向上に関する基礎研究 」に

場計測手法開発に取り組み，その場深さ分解XAFS測定及材料の作動条件での物理的及び化学的挙動について，熱力学，より，材料力学や計算科学を専門とするグループと連携し，びその場時間分解XAFS測定を開発した．本年度は，これ固体科学及び電気化学を基礎とする解析により明らかにするこ

劣化現象解明のための評価手法の整備と基礎データの蓄らの技術を用いて，酸化物薄膜電極における局所構造解析とで，最適な材料及びデバイス設計に資することを目指してい積を行った．さらに，SOFC開発各社と密に連携し，情報及び電子構造解析を行い，電極表面での酸素表面交換反る．SOFC開発企業各社の他，産業技術総合研究所，京都交換及び共同研究を実施し，実機で生じる劣化現象とそれ大学，東京大学，九州大学，電力中央研究所，高輝度光科を誘発する負荷因子との因果関係の解明に取り組んだ．

学研究センター，米国・ワシントン大学，ノルウェー・オスロ

空気極材料を酸素化学ポテンシャル勾配へさらすと，そ大学等，国内外の研究グループと積極的な共同研究及び交流

れとは反対向きにカチオンの化学ポテンシャル勾配が形成を通じて研究を進めている．また，IAESTEプログラムや本学される．これは，カチオン輸送の駆動力となり，これに伴っJYPEにより留学生を受け入れ，活発な国際交流を図っている．て微細組織及び組成変化を引き起こし，電極特性劣化のChange in microstructures and compositions under oxygen
chemical potential gradient at the surfaces of SOFC cathode material
Fig.4

1.固体酸化物形燃料電池（SOFC ）の信頼性・耐久性向上のための基盤研究
SOFCは燃料電池の一種であり，電解質として酸素イオン場計測技術の確立と高機能界面設計」として実施）．

環境調和型社会の実現に向けて，水素エネルギーサイクルが材料を長時間，高温・酸素ポテンシャル勾配へさらすことで，水素社会を実現するためには，改質ガスやバイオマスガスからその組織及び組成変化へ及ぼす影響を調べた．その結果，の水素製造及び精製を安価に効率良く行える技術を確立する必要熱処理条件に応じた微細組織及び組成変化が確認された．

がある．水素分離膜型の製造システムではパラジウム系合金膜がその他，Ni系サーメットアノードの劣化モードの特定を，交主流であるが，材料コストが高く，高温での安定性に課題がある．

流法を用いた電気化学測定により行った．

当研究室では，新たな水素分離膜として，材料コストが安価であThe electrical conductivity of mixed proton and electron
hole conducting borates

2. SOFCの高性能電極の開発
SOFCの低コスト化や低温作動化はシステム開発の幅を広げることにつながるため，その実現が急務である．これらを達成するためには，単位材料当たりの出力密度を向上させることがCoexistence Activity Report 2009

グラム研究「高温電気化学デバイスにおける反応場のその注目されている．

Fig.5

Fig.1 A schematic illustration ofa solid oxide fuel cell（SOFC）

応を検討した．
（本学学際科学国際高等研究センタープロ

4. 水素透過能を有するプロトン導電性セラミクスの開発要因となりうる．この影響を検討するため，SOFC空気極

2009年度の研究成果



解明することは，システムやセル設計の指針を与えることがFig.2 Evaluation of mechanical properties of typical electrolyte material for solid oxide fuelcells（SOFCs）at high temperatures under desired gas

りかつ高温での安定性に優れるプロトン導電性セラミクスに着目し，開発を行っている．本年度は，水素透過膜としての応用が期待される新規プロトン―電子混合導電性ホウ酸塩を開発した．また，この材料の部分導電率を制御し，水素透過能が最も大きくなるよう組成を最適化した（科研費により実施）．

5. 学会活動等最も有効であり，そのひとつに電極材料の高性能化が挙げられ9月に岩手で行われた日本機械学会2009年度年会，10月

る．燃料極では通常，電解質材料と触媒とのコンポジット電極に米国ピッツバーグで行われたMaterials Science & Tech-が用いられるが，炭素質ガスを燃料として選択した場合，触媒

nology 2009 Conference & Exhibitionではそれぞれ，川に炭素が析出し，性能が低下する．当研究室では，電極材料

田が招待講演を行った．その他，SOFC普及のために，日の電気化学応答から，低コストを実現できかつ炭素析出耐性の本電機工業会に協力して標準の整備に取り組んでいる．

アクティビティレポート 2009