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
実現に向けて教授

川田 達也

Tatsuya Kawada

Our group focuses on environmentally friendly energy-conversion systems. Special interest is put on hightemperature electrochemical devices such as Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) or solid oxide water electrolysis which
are useful technique for high efficiency energy conversion between chemical energy and electricity. Researches onmechanical reliability of SOFC have been performed through collaboration with other research groups inside andoutside the university as a part of national project conducted by NEDO. Research project of JST, CREST has also
been started since last year on engineering of high temperature electrodes based on in-situ observation. We arealso exploring the research into finding new materials or new phenomena, for future use in energy related techniques.

研究分野の概要

Figure 1. A schematic illustration of cogeneration of heatand power (CHP) by a solid oxide fuel cell (SOFC).

Professor

り、我が国でもすでに家庭用 SOFC コジェネレーションシ指している。当研究室では、特に、材料中の酸素の動きを明らかにするために、同位体交換によってラベンリングしを示した（La, Sr）
CoO3 系材料について詳細な反応機構の検討を開始した。多くのプロトン導電体は、プロトンの他た酸素を二次イオン質量分析計によって分析し、酸素拡散に電子（ホール）と酸化物イオンの伝導性を併せ持つため、パスをイメージングする手法に取り組んでいる。この手法

少数キャリアとしてのこれらの輸送も、見かけの電極反応によって、新規電極として期待される La（Fe, Ni）O3 の表抵抗に大きな寄与をすることを明らかにした。

面反応障壁の存在を明らかにした。また、電極材料として用いられる（La, Sr）（Co, Fe）
O3 の微細構造設計に不可欠な酸素拡散係数について、従来行われていた測定法に問題

4.

高温酸化物の新規応用の探索

燃料電池などに用いられる酸化物の多くは、含まれる酸があることを指摘し、信頼性の高いデータを得る手法を提素量が雰囲気によって変化する性質をもつが、当研究室で案した。

は、一部の材料において、これが機械的な応力によってもステムが開発され、政府の補助金のもと導入が進んでいる。

影響を受けることを見いだした。本年度は、科学研究費補プロ トン導電性セラミックスを用いる電気化学でバ助金（挑戦的萌芽研究）による研究として、この変化を定量要である．当研究室では、NEDO 委託事業「固体酸化物形環境調和性に優れた水素エネルギーシステムは、再生可現象に対する有効な解釈について検討を行っているところ（SOFC）や高温水蒸気電解などの電気化学的エネルギー変燃料電池システム要素技術開発事業／基礎的・共通的課題

能エネルギーの有効な利用方法としてその実現が期待されであり、今後、機械的なエネルギーの検出やエネルギー変換の基盤研究を行っている。特に、システムに用いられるのための研究開発／機械的解析による劣化機構の解明、加ている。水素エネルギーシステムを実現するためには、水換への応用も視野に、研究を展開することを考えている。

材料の、使用環境における物理化学的、機械的挙動につい速試験方法の確立」を受託し、工学研究科、多元物質科学研

素の安価で効率的な製造・精製手法ならびに使用方法の確て、熱力学、固体化学、電気化学を基礎とする解析によっ究所、エネルギー安全科学国際センター、災害科学国際研立が不可欠である。このために有効な手法として、プロトて明らかにすることで、材料の最適化の指針を与え、技術究所と共同で研究を進めてきた。また、この事業の枠組みン導電性セラミックスを利用した燃料電池や、高温水蒸気開発を支えることを目指している。これらの研究は、学内の中で基盤コンソーシアムを形成し、産業技術総合研究所、電解、水素分離精製膜などが注目される材料である。の各部局の他、国内外の研究機関やメーカと連携して進め京都大学、東京大学、九州大学、電力中央研究所、および、ており、技術の実用化のために、今、必要な基礎研究と、今SOFC 開発各社とも密接に連携している。

当研究分野では、環境・エネルギー問題の解決に化石燃

SOFC の本格的な普及のためには、さらなる高効率化、料の高効率利用と再生可能エネルギーの安定供給のための低コスト化に加え、信頼性・耐久性を向上させることが重新しい技術の普及が不可欠と考え、固体酸化物形燃料電池後のイノベーションを可能にする新しい種の探索とを、同

3.

イスの開発と応用的に説明するための実験を行った。現在は、見いだされた

5.

学会活動等

米国電気化学会第 221 回大会（5 月、米国、シアトル）および MS&T2012（10 月、米国、ピツバーグ）において川田当研究室では、韓国科学技術研究員（KIST）からの受託が待講演を行った。また、米国セラミック学会シンポジウ研究として、プロトン導電セラミックス燃料電池（Protonム（1 月、米国、オーランド）で橋本が、それぞれ招待講演

本年度は、委託事業の最終年度にあたり、これまでに得

conducting Ceramic Fuel Cell : PCFC）に関する研究を受を 行 っ た。 ま た、川 田 は、ECI 会 議 “Nonstoichiometricられた材料の基礎物性をもとに、起動・停止を含む SOFC

託し、PCFC に使われる電極材料の開発と評価手法の開Compounds”（9 月、イタリア、シシリー）の会議開催、運研究室の運営は、工学研究科機械システムデザイン工学の様々な動作環境下での信頼性を評価する手法を構築し、営に携わった。その他、SOFC の普及のために、日本ファ専攻の橋本真一准教授と連携して行っており、留学生の受各社 SOFC の信頼性の向上に向けた提言を行っている。

発に関する研究を行っている。これまでに、SrZrO3 系酸化物を電解質とする PCFC の空気極として、種々の酸化インセラミックス協会、日本電機工業会等に協力して、標物電極のスクリーニングを行い、その中で最も良好な特性準の整備や研究の推進に関わる活動を行った。

時に視野に入れながら幅広く研究を行っている。

け入れ（計 5 名、G30 プログラムや JYPE 等）や学生シンポジウムなどによる国際交流、所属学生の環境リーダープ
ログラム参加による高度人材育成にも力を入れている。

2.

Urban Environment and Environmental Geography

Toward the development of energy system withlow environmental load

都市環境・環境地理学講座

都市環境・環境地理学講座

実環境計測に基づく高温電極の設計

SOFC に代表される高温電気化学デバイスの高性能化、高信頼性化を達成するためには、デバイスの作動条件下に

62012 年度の研究成果おける各種構成材料（電解質、電極など）の物理・化学状態1.

固 体酸化物形燃料電池（SOFC）の信頼性・耐久性向かにすることが必要不可欠である。本研究室では、昨年度上のための基盤研究を明らかにし、電極反応やイオン伝導のメカニズムを明らから JST の戦略的創造研究（CREST）「エネルギー高効率太陽光や風力などの再生可能エネルギーは変動が大き利用のための相界面科学」領域に参加し、研究課題「実環境く、安定性したエネルギー供給のためには、化石燃料の補計測に基づく高温電極の界面領域エンジニアリング」を研助的な利用が不可欠である。このため、化学エネルギーを究代表者として受託している。この研究では、産業技術総効率よく電気と熱に変換する「コジェネレーション」の技合研究所、京大、東大の 3 つのグループに主たる共同研究術が注目されている。この中で、セラミックスを電解質と者として参加して頂き、学内の工学研究科、多元物質科学して用い、高温（600˚C ～ 1000˚C）で動作する「固体酸化研究所とも連携して、それぞれの研究グループが得意とす物形燃料電池」（SOFC：Solid Oxide Fuel Cell）は、小規模る計測手法をもとに、実動作環境下での高温電極の評価にシステムでも最新の大規模火力発電（コンバインドサイク特化した手法として発展させるとともに、これらを統合しル）に匹敵する効率を達成できる技術として期待されておて高温電極の最適設計に向けた課題解決に資することを目

Coexistence Activity Report 2012

Figure 2. Equipment for measuring elastic modulus ofceramic materials by a resonance method at elevatedtemperatures under controlled atmospheres.

Figure 3. Pulsed laser deposition of oxide films
as a model system for studying electrochemical
kinetics on high temperature electrodes.

Figure 4. Microstructure of a porous electrode andequivalent circuit modeling.

アクティビティレポート 20127