都市環境・環境地理学講座

環境動態論分野

Urban Environment and Environmental Geography

Environment and Energy System Dynamics

Toward the development of energy system withlow environmental load

教授

川田 達也

Professor

Tatsuya Kawada

研究分野の概要
当研究分野では、環境問題、エネルギー問題の解決に資する

准教授

雨澤 浩史
Associate Professor

Koji Amezawa

必要不可欠である。当研究室では、放射光を用いた X 線吸収

Figure 1. A schematic illustrationof a solid oxide fuel cell (SOFC).

サイクルを実現するためには、水素の安価で効率的な製造・分光法に着目し、京都大学、高輝度光科学研究センターと共精製手法ならびに使用方法の確立が不可欠である。プロト

同研究のもと、高温、制御雰囲気下での材料評価が可能な分ン導電性セラミックスは、燃料電池や水素センサー用電解質、析手法を確立すると共に、これらの新規手法を用いた SOFC水素分離精製膜として注目される材料である。

電極における反応機構評価を行ってきた。本年度の成果として

当研究室では、希土類オキソ酸塩を母体としたセラミックス

は、我々の開発したμm オーダーの位置分解能、かつ高温・制を用い、既存材料に比べ、化学的安定性に優れた新規なプロ御雰囲気・通電下での評価が可能な高温電気化学その場マイトン導電体の開発に成功している。本年度は、ファインセラミッ

クロ XAFS 法を適用することにより、SOFC 多孔質電極におクスセンターとの共同研究のもと、第一原理計算に基づく計ける酸素ポテンシャル分布の実験的評価に世界で初めて成功算科学的手法を用い、代表的希土類オキソ酸塩系プロトン導した。また昨年度に引き続き、深さ方向に nm オーダーの分解電体である LaP3O9、LaPO4 における欠陥構造ならびにプロンバインドサイクル）に匹敵する効率を達成できる技術として期能での評価が可能なその場深さ分解 XAFS 法を用い、エピタキトン伝導の発現メカニズムを明らかにした。

待されており、我が国でも2011 年 10月より0.7 kW 家庭用

シャル酸化物薄膜の電子・局所構造について調べ、異種材料

また本年度より、プロトン導電性セラミックスの応用として燃SOFC コジェネレーションシステムの市販が開始された。

界面における構造変調が酸素不定比性、ひいては電子・イオン料電池を取り上げ、この実現を可能とする高性能空気極材導電特性に影響を及ぼしていることを明らかした。

料の探索にも着手した。

テクノロジーとして、固体酸化物形燃料電池（SOFC）、プロトンSOFC の本格的な普及のためには、さらなる高効率化、低導電体を利用した水素製造・利用技術などに着目し、これらエネコスト化に加え、信頼性・耐久性を向上させることが重要であ

さらに本年度からは、学内外の研究グループと共同で JST のルギー有効利用技術の実用化のための基盤研究を行っている。

る。当研究室では、今年度も引き続き NEDO 委託事業
「固戦略的創造研究（CREST）「エネルギー高効率利用のための特に、システムに用いられる材料の、使用環境における物理・化体酸化物形燃料電池システム要素技術開発事業／基礎的・相界面科学」領域に参加し、高温電極のその場計測に基づく学的挙動について、熱力学、固体化学、電気化学を基礎とする共通的課題のための研究開発／機械的解析による劣化機構新しいエンジニアリング手法確立のための研究を開始した。

解析によって明らかにすることで、最適な材料・デバイス設計のたの解明、加速試験方法の確立」を受託し、学内外の研究グめの指針を確立することを目指している。これらの研究は、本学

ループや SOFC 開発各社と密に連携して SOFC の機械的・の工学研究科、多元物質科学研究所、エネルギー安全科学国信頼性確保のための研究に取り組んでいる。

Urban Environment and Environmental Geography

Our group focuses on environmentally friendly energy-conversion systems. Special interest is put on SolidOxide Fuel Cell (SOFC) that has a potential to achieve the highest ever efficiency in converting chemical energy
of fossil fuels into electricity. Researches on mechanical reliability of SOFC have been performed throughcollaboration with other research groups inside and outside the university under the financial support by NEDO.
We are also exploring the research into finding new materials for energy conversion devices. On the basis ofthermodynamics, solid-state chemistry and electrochemistry, we are contributing to clarifying physical andchemical properties of the energy-related materials. Study on high temperature electrode based on in-situ
measurement techniques has also started from this year under the support of CREST, JST.

都市環境・環境地理学講座

低環境負荷エネルギーシステム実現に向けて

5. 学会活動等

MS&T2011（10月、米国・Columbus）において、川田が招待講演を行った。また、国内学会・シンポジウム等において、川田が1件、雨澤が4 件の招待・依頼講演を行った。さらに、雨澤は、

4. プロトン導電性セラミックス材料の開発と応用

The 5th KIFEE Symposium（3月、京都）、REMT2011（9月、

環境調和性に優れた水素エネルギーサイクルは、地球温暖京都）の国際会議開催、運営に携わった。その他、SOFC の普際センターや、産業技術総合研究所、京都大学、東京大学、九SOFC に使われる酸化物材料には、温度や雰囲気ガスに化や化石燃料枯渇といった問題を解決する、新たなエネル及のために、日本ファインセラミックス協会、日本電機工業会等に州大学、電力中央研究所、高輝度光科学研究センター、ファイ応じて酸素含有量（酸素不定比量）や結晶構造が変化するもギーサイクルとしてその実現が期待されている。水素エネルギー

協力して、標準の整備や研究の推進に関わる活動を行った。

ンセラミックスセンター、韓国科学技術研究院（KIST）、ノルウェーのが多い。今年度は、これらの変化が材料の機械的特性に科学技術大学など、国内外の研究グループとの積極かつ継続的及ぼす影響について解明するとともに、得られた物性値を、な共同研究・交流を通し、促進を図っている。また、SOFC 開発

SOFC 動作時の応力分布シミュレーションに活用した。さら企業を始めとする国内メーカー各社との連携を通し、得られた研究に、起動停止や出力変動時など、非定常状態の SOFC にお成果の社会還元にも努めている。さらに、留学生の受け入れ（計ける温度・応力分布評価を可能とすべく、SOFC 各種材料の5 名、G30プログラムや本学 JYPE 等）や所属学生の海外短熱的特性値の評価についての研究も進めている。

期研究留学による国際交流、所属学生の環境リーダープログラ
ム参加（計 3 名）による高度人材育成にも力を入れている。

2. SOFC の高性能電極の開発

当研究室では、1.で述べた研究以外にも、現在開発されて2011年度の研究成果

いる SOFC の抱える諸問題の解決に資する研究として、新規

1. 固体酸化物形燃料電池（SOFC）の信頼性・耐久性向上

空気極として期待されるLa（Fe,Ni）O3 の電気化学特性評価、のための基盤研究

太陽光や風力などの再生可能エネルギーは変動が大きく、安な高性能電極の開発を行っている。今年度は、Cr 被毒耐性

Figure 2. Equipment for the measurement of mechanical properties at elevated temperatures undercontrolled atmospheres. (Nippon Techno-Plus, EG-HT-II) (b) Elastic modulus of an electrolytematerial, for SOFC Ce0.9Gd0.1O1.95 as a function of oxygen partial pressure at various temperatures.

Figure 3. Depth profile of oxygen isotope ratio,18O/(18O+16O),
in the LaNi 0.4 Fe 0.6 O 3 - δ (LNF) thin film electrode on theCe 0.9Gd 0.1O 2- δ (GDC) electrolyte after the isotope exchange
treatment under p(O2)=0.1 bar at 1073 K for 5 min.

炭化水素燃料の直接導入を可能とする導電性酸化物を母体とした積層構造燃料極の開発などを行った。

定したエネルギー供給のためには、化石燃料の補助的な利用が不可欠である。このため、化学エネルギーを効率よく電気と熱に変換する「コジェネレーション」技術が注目されている。この中

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3. 新規その場計測技術の開発とその応用

SOFC に代表される高温電気化学デバイスの高性能化、高で、セラミックスを電解質として用い、高温（600˚C 〜 1000˚C）信頼性化を達成するためには、デバイスの作動条件下におけるで動作する「固体酸化物形燃料電池」（SOFC：Solid Oxide

各種構成材料（電解質、電極など）の物理・化学状態を明らか

Fuel Cell）は、小規模システムでも最新の大規模火力発電（コにし、電極反応やイオン伝導のメカニズムを明らかにすることがCoexistenceActivityReport2011

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Figure 4. (a) Experimental apparatus for high temperature electrochemical
in situ micro XAFS at SPring-8. (b) Oxygen potential distribution in aporous SOFC cathode of La0.6Sr0.4CoO3- δ under polarization.

Figure 5. Defect structures in proton conducting LaPO4, predicted by the firstprinciple calculation. Protons are introduced into this material through the equilibrium
between condensed phosphate ions as oxygen deficits and ambient water vapor.

アクティビティレポート2011

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