＿
東京都市大学
平成2 1年度総合研究所紀要
第6号

平成2 2年5月
東京都市大学・総合研究所

総合研究所構成員
所

教授 永井

長

正幸

(無機材料化学)

エネルギー環境科学研究センター
教授

永井

正幸

[工学部]兼務(無機材料化学)

教授

高木

靖雄

[工学部]兼務(エネルギーシステム)

教授

小林

光一

[工学部]兼務(有機材料化学)

教授

宗像

文男

[工学部]兼務(固体化学)

教授

横川

晴美

准教授

江場

宏美

[工学部]兼務(無機物質科学)

客員教授

阿竹

徹

[東京工業大学・特命教授](物性物理化学)

研究員

鈴木

智史

共同研究者

古谷

健司

[AGCセイミケミカル(株)・課長]

共同研究者

国松

昌幸

[神奈川県産技センター・主任研究員] (電気化学計測工学)

共同研究者

須田

聖一

[ＪＦＣＣ・主任研究員](無機材料工学)

共同研究者

嘉藤

徹

[産総研・グループリーダー](エネルギーシステム)[工学部]兼務(エネルギーシステム)センター長(高温電気化学)(無機材料化学)(材料プロセッシング)

水素エネルギー研究センター
センター長

教授

高木

靖雄

教授

永井正幸

[工学部]兼務(無機材料化学）

教授

武

哲夫

[工学部]兼務(エネルギーシステム)

教授

鈴木勝正

[工学部]兼務(流体制御)

教授

百目鬼英雄[工学部]兼務(パワーエレクトロニクス)

准教授

和多田雅哉

[工学部]兼務(パワーエレクトロニクス)

准教授

鳥居

粛

[工学部]兼務(パワーエレクトロニクス)

准教授

山根公高

[工学部]兼務(水素エネルギーシステム）

客員研究員

長沼

要

(水素エネルギーシステム)

技士補

中川

研司

(エネルギーシステム)

ナノカーボンバイオデバイス研究センター
センター長

教授

田口

亮

[工学部]兼務(画像解析)

教授

秋谷

昌宏[工学部]兼務(バイオセンサ)

教授

仁木

清美

[工学部]兼務(超音波計測)

教授

丸泉

琢也

[工学部]兼務(半導体工学)

教授

小林

光一

[工学部]兼務(有機材料化学)

准教授

平田

孝道

[工学部]兼務(バイオセンシング)

准教授

島谷

祐一

[工学部]兼務(感性生理学)

講師

京相

雅樹

[工学部]兼務(生体信号計測)

講師

澤野憲太郎

[工学部]兼務(半導体工学)

研究員

筒井

千尋

共同研究者

坂井

貴文

[埼玉大・教授](内分泌学)

共同研究者

畠山

力三

[東北大・教授](プラズマ理工学)

共同研究者

山本

雅

[東大・教授](分子生物学)[工学部］兼務(半導体工学)(内分泌学)

シリコンナノ科学研究センター
センター長

教授

丸泉

琢也

副学長

白木

靖寛

教授

小野

茂

[工学部]兼務(プラズマ科学)

教授

桐生

昭吾

[工学部]兼務(量子計測)

教授

岩松

雅夫[知識工学部]兼務(統計物理・計算物理)

教授

岡野

好伸

[知識工学部]兼務(マイクロ波応用)

教授

吉田

真史

[知識工学部]兼務(計算科学)

准教授

野平

博司

[工学部]兼務(電子物性)

講師

瀬戸謙修[工学部]兼務(半導体CAD)

講師

澤野憲太郎

[工学部]兼務(半導体工学)

講師

堀越

篤史

[知識工学部]兼務(計算科学)

客員教授

中川

清和

[山梨大・教授](半導体工学)

客員教授

松井

敏明

[情報通信研究機構](半導体工学)

助手

夏

金松

技術員

田口

貞憲

伊東

明美

(半導体工学)(半導体工学)[工学部]兼務

自動車エンジン研究室
准教授(エンジントライボロジ)

重点推進研究室
水素自動車実用化研究室
准教授

山根公高 [工学部]兼務(水素エネルギーシステム）

共同研究員

松原

洋一 [元日本大学・教授](低温工学)

共同研究員

大久保博司 [（株）鈴木商館・副事業部長](低温工学)

免震システム研究室
教授

西村

功

[工学部]兼務(構造制御工学、耐震構造)

地震リスクマネジメント研究室
教授

吉川

弘道 [工学部]兼務(コンクリート工学，
地震リスク)

准教授

吉田明(分析科学)技士

新藤恵美(化学研磨)

技術員

浜村

尚樹

(プラズマ科学)機器分析室

インキュベーション・ラボ
健康医科学研究室
教授

近藤雅雄[人間科学部]兼務

共同研究者

田中 徹

[SBIアラプロモ(株）・代表取締役] (健康科学)

共同研究者

井上克司

[SBIアラプロモ(株）・研究開発部長 (医科学)

共同研究者

土屋京子

[SBIアラプロモ(株）・(生命科学)(生化学)

研究開発マネージャー]
共同研究者

太田 麗

[SBIアラプロモ(株）・
研究開発マネージャー]

事務室

事務員

鈴木栄里子 国際産官学連携室(分析化学)目

1. 平成2 1年度

活動報告

2. 平成2 1年度

研究概要

エネルギ ー 環境科学研究センタ ー

次. . . . . . . . . . . . 1

・・. . . . . . . . . . . . . .

リン酸石膏複合膜GPTES系新規固体電解質膜の作製と評価

永井

正幸

高木

靖雄

5

凍結セルの起動停止繰り返しにより生じる性能劣化に与える
凍結時のMEA内残存水分量の影響

中温動作膜を用いた燃料電池MEAの性能劣化診断法の開発-TLM-ACIS法の開発ー
高木

靖雄、 武

哲夫

中温動作膜のMEA化にむけたMEAの調製法の検討とANOVA による評価
高木

靖雄

宗像

文男

横川

晴美

江場

宏美

鈴木

智史

Mn系スピネル複合酸化物の熱電特性に関する研究
固体酸化物形燃料電池の性能劣化に関する熱力学的考察

SOFC セルのコバルトの状態分析
燃料電池用有機無機ハイプリッド電解質膜の開発と評価

水素エネルギ ー 研究センタ ー・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ 1 7
NOx 排出を大幅に低減する新しい燃焼コンセプトの構築

高木

靖雄

高木

靖雄

靖雄、 山根公高

高セタン価燃料および火花点火による水素HCCI機関の燃焼最適化の研究

中型バストラック用低 NOx 水素エンジンの研究開発高木東京都市大学における水素エンジンおよび水素バスの
開発と運行

山根

ナノカ ー ボンバイオデバイス研究センタ ー・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・公高· · 2 7

幹細胞含有ヒト瞭帯血を用いた CNT 複合体上での細胞培養 ・再生

平田孝道、 筒井千尋、 秋谷昌宏、 田口亮

マイクロスポット大気圧プラズマ源を用いた再生治療—

培養細胞を用いたプラズマ照射実験
森晃、 平田孝道、 筒井千尋、 山本俊昭、 田口亮

マイクロスポット大気圧プラズマ源を用いた再生治療
ー

培養細胞を用いたプラズマ照射実験 —筒井千尋、 平田孝道、 森晃、 山本俊昭、 田口亮

シリコンナノ科学研究センタ ー ・ ． ． ． ． ． ．

3 5

シミュレー ションに よ る量子・ナノデバイスの研究
丸泉

琢也

瀬戸

謙修

上位レベルからのシステムLSI設計支援技術

選択的イオン注入法による一 軸性歪みSi/Geヘテロ構造の開発

澤野憲太郎

Silicon-based light emitting devices based on Ge quantum

dots in optical microcavities

夏

金松

徐

学俊

SiGe Resonant-Cavity-Enhanced (RCE) Waveguide

Photodetector

自動車エンジン研究室 ・ ・ ・ ・ ・ ・ · · · · · · · · · · · · · · · · · 4- 5
゜

ガソリンエンジンのヒストンスカ ー トプロフィルが摩擦損失に及ぼす影響
伊東

明美

伊東

明美

シリンダプロックのボア変形がオイル消費に及ぼす影響ヒ゜ ストンピンボス軸受の潤滑状態に関する研究
伊東

明美

伊東

明美

水素エンジンバスの実用上の問題点に関する研究
重点推進研究室 ・・． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．

首都圏鉄道路線の地震時システムリスク解析
木造家屋を対象とした免震構造技術の革新と普及
パルス管冷凍機による液化水素貯蔵タンクのボイルオフ低減の研究 ーパルス管冷凍機の開発 一
機器分析室・・． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．

平成2 1年度機器分析の利用状況と成果
吉田· · · 5 3

吉川

弘道

西村

功

山根 公高
· · · 5 9明、 新藤 恵美、 浜村 尚樹

インキュベ ー ション ・ ラボ
健康 ・ 医科学研究室 ・ ・・· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 6 3
尿中ポルフィリンのスクリ ー ニング法の開発
近藤 雅雄

3. 研究論文
エネルギ 一 環境科学研究センタ ー ・・・..... · · · · · · · · · · 7 1
水素エネルギ ー 研究センタ ー ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ 1 3 7

ナノカ ー ボンバイオデバイス研究センタ ー ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ 1 4 7
シリコンナノ科学研究センタ ー · · · · · · · · · · · • · · · · · · 1 5 9

自動車エンジン研究室 ・ ・ . · · · • • • • · · · · · · · • • • • · · 1 9 1
重点推進研究室 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 2 2 3· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 2 8 3
健康 ・ 医科学研究室 · · · · · · · · · · · · · · · • · · · · · · 2 9 5

機器分析室

総合研究所 平成21年度活動報告
月

日

4

1
15
20
23
23
18
28
28
31
1
25
25
26
23
23
27
30
2
24
24

5

6

7

9

10

11

12
1

2
3

13
14
22
12
12
14
16
15
22
15
21
28
25
25
1
6
10
12
25
25
29

活

動

内

容

インキュベーションラボ（ＳＢＩアラプロモ㈱）賃貸借契約締結（更新）
総合研究所説明会（前期）(学生対象）
第21回運営委員会
第53回所内会議
第26回総研セミナー（エネルギー環境科学研究センター）
第22回運営委員会
第54回所内会議
第27回総研セミナー（ナノカーボンバイオデバイス研究センター）
総合研究所紀要－第4号-発行
第23回運営委員会
第55回所内会議
第28回総研セミナー（重点推進研究 地震リスクマネジメント研究室）
第1回機器分析室管理運営委員会
第56回所内会議
第29回総研セミナー（シリコンナノ科学研究センター）
第24回運営委員会
インキュベーションラボ（ＳＢＩアラプロモ㈱）賃貸借契約締結（新規）（１室増室分）
第2回機器分析室管理運営委員会
第57回所内会議
第30回総研セミナー（エネルギー環境科学研究センター）
文部科学省平成21年度私立大学戦略的研究基盤形成支援事業シンポジウム
シリコンナノ科学研究センター（第31回総研セミナー）
総合研究所説明会（後期）(学生対象）
第58回所内会議
第59回所内会議
第32回総研セミナー（ナノカーボンバイオデバイス研究センター）
セラミックス大学２００9 （社）日本セラミックス協会
第25回運営委員会
第60回所内会議
第33回総研セミナー（エネルギー環境科学研究センター）
第26回運営委員会
第34回総研セミナー（ナノカーボンバイオデバイス研究センター）
第61回所内会議
第62回所内会議
第35回総研セミナー（シリコンナノ科学研究センター）
第27回運営委員会
テクノロジーフロンティア研究会シンポジウム（ISTEC超伝導研究所）
重点推進研究 研究成果中間報告会 （地震リスクマネジメント研究室）
文部科学省平成21年度私立大学戦略的研究基盤形成支援事業シンポジウム
エネルギー環境科学研究センター（第36回総研セミナー）
第63回所内会議
エントランスホール硝子パーテンション取付工事完了
既存棟３階研究室（３－１）空調設備設置工事完了―1―平成２１年度―3―

研究概要

エネルギー環境科学研究センター

エネルギー環境科学研究センター
エネルギ－環境科学研究センターでは、平成 20 年度に文部科学省から私立大学戦略的研究基盤形成支援事業の認定を文部科学省から受け、「生活密着型次世代燃料電池の技術開発と解析手法の確立による燃料電池システムの最適化」の研究に着手した。燃料電池の４つのタイプのうち、日常生活に役立ち
環境への負荷を生活者が実感できる固体高分子形燃料電池(PEFC)と小型固体酸化物形燃料電池(SOFC)に研究対象を絞り、PEFC プロジェクトと SOFC プロジェクトとの２つのサブプロジェクトに分かれて研究を推進した。初年度(平成 20 年度)においては、研究の進展に不可欠な装置・設備の充実に重点をおきながら、既存装置・設備を活用して研究を進めた。PEFC プロジェクトにおいては、各部材の作製と分析評価及び特性評価を行った。特に、電解質膜や電極触媒の構造と組織の精密な制御、さらにその特性への影響を詳細に調べ、作製プロセスに反映させることにより燃料電池特性の向上に繋げる
指針の基に検討を進めた。また、SOFC プロジェクトにおいては、通常 1000℃近傍で動作される燃料電池の動作温度を 600℃までの低減を目指して、出力特性を大幅には低下させない燃料電池セルを組み立てるため、各部材の選択と界面相の制御による特性の最適化に重点をおいて検討を進めた。
以下に２つのサブプロジェクトの第二年度（平成 21 年度）の進捗状況を簡単に記す。
PEFC プロジェクトについての成果
生活密着型次世代 PEFC システム用中温型電解質膜として、リン酸処理石膏-GPTES 系固体電解質及び酸・イミダゾール系電解質膜の作製と評価を行った。また，白金低減電極触媒として、カーボンナノ
シェル構造を利用した固体高分子形燃料電池用非白金系カソード触媒の調製と評価を行った。さらに、次世代用電極調製法最適化の一環として、MEA 調製法が電気化学的特性と出力性能に与える影響の基
礎的検討、および性能劣化を評価する電気化学的手法の確立、および材料解析の一環として NMR(核磁気共鳴法)など機器分析法の適用研究を行った。
SOFC プロジェクトについての成果
生活密着型次世代 SOFC システム用セルの 500-600℃付近での動作には、電極のこの温度領域での活性の維持と燃料極側では炭素析出の抑制防止が大きな課題である。そこで、鉄系燃料極を用いて、炭素析出の抑制と耐酸化性及び触媒活性の維持を可能にする条件の検討を行った。結果として、鉄系材料において、添加物等により組織と構造を制御することで、触媒活性と耐酸化性を両立して動作する電極触媒が作製できる可能性が示された。
最後に、本プロジェクトの主要研究テーマ以下に示す。
＊ 燃料電池用新規電解質膜及び電極触媒の探索と特性評価＊ 電解質・電極及びそれらの界面の電気化学的・物理的な挙動解析＊ 燃料電池の特性解析・劣化機構の解明及び信頼性・安全性・性能の向上＊ 150℃付近で動作する PEFC の開発と評価＊ 500-600℃付近で動作する SOFC の開発と評価

2010 年 5月
エネルギー環境科学研究センター
センター長

―7―

永井

正幸

リン酸石膏複合膜 GPTES 系新規固体電解質膜の作製と評価
ハイブリッド材料化学研究室
永井正幸・寺崎雄亮
私たちはシラン系カップリング剤をマトリックスとして、150℃程度の中温度領域で動作する有機-無機複合系
電解質膜の作製法の検討を進めている。これまでに、プロトン伝導性が確認されたリン酸処理石膏と 3-グリシド
キシプロピルトリエトキシシラン(GPTES)、3-グリシドキシプロピルメチルジエトキシシラン(GPMDES)をゾ
ル-ゲル法にて複合化させ、ある程度柔軟性を持つ膜試料は既に報告した。しかし、一層の電気伝導度の増大と膜試料の耐熱性と耐久性の増大が課題として残されている。
そこで、プロトン伝導体にリン酸処理石膏を用いて、
ゾル-ゲル法による膜基材に GPTES 及び GPMDES を用いた薄膜の作製と直接混合法による膜基材に GPTES及び側鎖エポキシ変性シリコンオイル（KF-101）を用いた薄膜作製法を検討した。また膜作製時にリン酸添加を行うことで膜内に導電性を持つケイリン酸塩の作製を行って性能向上を図った。
試料の作製方法を以下に簡単に記す。まず、リン酸処理石膏を使用した膜試料の作製では、17 wt％リン酸水
溶液と焼き石膏粉末を 2:1 の重量で混合した試料を室温で 2 日間、80 ℃で 1 日間乾燥した後、200 ℃で 4 時間の熱処理を加えてリン酸処理石膏試料を得た。次に、ゾル-ゲル法による膜試料の作製については、GPTES、GPMDES, 2-プロパノールを攪拌した試料に 60 wt％のリン酸処理石膏を加え、ここに 1mol/ℓの塩酸を加えて7 日間攪拌した後、80 ℃で乾燥させることで膜試料を得た。膜の性能向上では 1mol/ℓの塩酸をリン酸に変更したリン酸添加法を用いてリン酸添加量の最適値の検討を行い、膜マトリックスの性能向上を試みた。さらに、直接混合法・減圧加熱加圧膜作製法による膜試料の作製については、次のように行った。GPTES,KF-101,リン酸
処理石膏を乳鉢において直接混合して粉末試料にした後、減圧ポンプで排気しつつ加熱、加圧し膜試料を得た。
膜試料の性能向上ではリン酸処理石膏量の増加による膜化と、膜基材を乳鉢において直接混合する際にリン酸を添加するリン酸添加法を用いてリン酸添加量の最適値の検討を行った。
表１ 試料の特性比較
表１にゾルゲル法で得られた試料の膜厚と電気伝導率を示す。
電気伝導率
交流インピーダンス測定は 160 ℃に昇温して膜内水分を蒸発させP/Si 膜厚
試料名
比 (mm)(S/cm) 最大値
た後に降温しながら測定を行った。そのため、含有水分量の少ない条件で測定できたと考えている。リン酸添加量を増やすと電気伝導
従来膜 無し 0.254 1.451×10-6/ 150℃
率が向上することが分かった。これはリン酸が膜マトリックス形成
1膜2.00 0.240 5.588×10-5/ 150℃
において膜基材との結合に寄与し、膜内で電気伝導性のあるケイリ
2膜1.50 0.240 1.355×10-5/ 150℃
ン酸塩を形成したと推測した。これを検証するためにFT-IRにより3膜1.00 0.360 2.827×10-7/ 150℃
構造を調べた。結果はリン酸添加量が多い試料についてシロキサン
4膜0.50 0.286 4.437×10-9/ 150℃
結合のピークの増大が確認された。しかし、FT-IRでは目的物質のケイリン酸塩のピークである、P-O-Siや、Si-O-PはSO4-やシロキサン結合のピークと重なるために観察することはできなかった。また、交流インピーダンス測定前後のFT-IR測定結果からは、ケイリン酸塩、シロキサン結合のピークが増大していることが確認されたので、予め熱処理を試料に加えることでケイリン酸塩を膜内で形成し性能向上できる可能性があると推定する。
表２ 直接法の特性比較
電気伝導率
P/Si 膜厚
試料名
次に、直接混合法・減圧加熱加圧膜成形による膜試料の特性比較を
比 (mm)(S/cm) 最大値
表 2 に示す。試料はリン酸処理石膏量の増加によるリン酸処理石膏パ
60 wt％膜 1.70 0.076 1.798×10-5 / 150℃
スの形成を期待し、また酸触媒と膜基材の性能向上の役割としてリン
70-wt％膜 1.50 0.068 9.408×10-5 / 160℃
酸添加を合わせて行い作製した。結果としてリン酸処理石膏量の増加
80 wt％膜 1.30 0.160 7.215×10-7 / 160℃
による性能向上が見られた。しかし、リン酸添加を行いつつリン酸処
理石膏量を増加させて膜化する場合、安定した膜試料を得るためには添加量を減少させる必要があることが分かった。電気伝導率は 70 wt％膜が最大となり、80 wt％膜の値は低下した。以上より、ゾル-ゲル法のリン酸添加によって約 1 桁電気伝導率を向上することが確認でき、また、直接混合法によりリン酸添加量の調整とリン酸処
理石膏量の増加によって、約 1 桁電気伝導率を向上することが可能となった。

―9―

凍結セルの起動停止繰り返しにより生じる性能劣化に与える
凍 結 時 の MEA 内 残 存 水 分 量 の 影 響エネルギー環境技術開発センター
高木 靖雄
１．まえがきPEFC は ， 運 転 条 件 や 放 置 環 境 に よ っ て 性 能 劣 化 を 引 き 起 こ す ． 氷 点 下 環 境 に お け る
凍 結 起 動 停 止 繰 り 返 し 運 転 も そ の １ つ で あ る ． 本 報 告 で は ， - 30 ℃ で 凍 結 し た セ ル の 凍
結 起 動 停 止 繰 り 返 し に よ り 生 じ る 性 能 劣 化 を 停 止 時 MEA 内 に 残 存 す る 水 分 量 の 観 点 から検討し，性能劣化原因解明の一環とする．
２．実験方法- 30 ℃ 一 定 の 恒 温 槽 内 に 単 セ ル を 設 置 し て 凍 結 起 動 停 止 繰 り 返 し 運 転 を 行 っ た ． 実 験
手 順 と し て ，ま ず 70 ℃ で 30 分 運 転 し た ．そ の 後 ，停 止 時 MEA 内 に 残 存 す る 水 分 量 を
調 節 す る た め に ， ア ノ ー ド と カ ソ ー ド を 乾 燥 窒 素 で パ ー ジ を 行 っ た ． LCR メ ー タ で 抵
抗 値 を モ ニ タ ー し ， 抵 抗 値 が 10 mΩ の 条 件 を 高 水 分 量 保 持 ， 100 mΩ の 条 件 を 低 水 分
量 保 持 と 定 義 し た ． そ の 後 セ ル を 密 閉 し ， 5 時 間 か け て セ ル 温 度 を 70 ℃ か ら - 30 ℃ ま
で 冷 却 し ，30 分 間 - 30 ℃ で 放 置 後 ，ア ノ ー ド に 乾 燥 水 素 ，カ ソ ー ド に 乾 燥 空 気 を 供 給 し ，
負 荷 電 圧 0.5 V で 起 動 し た ． セ ル 温 度 は ヒ ー タ ー に よ っ て 1 時 間 で - 30 ℃ か ら 70 ℃ ま
で 昇 温 さ せ ，0 ℃ に 達 す る と ，ア ノ ー ド と カ ソ ー ド の 加 湿 を 開 始 し た ．以 上 の 過 程 を 50
回 繰 り 返 し た ． MEA 劣 化 特 性 を 調 べ る た め に ， 10 サ イ ク ル ご と に セ ル 温 度 80 ℃ ， ア
ノ ー ド と カ ソ ー ド の 加 湿 温 度 80 ℃ に て 性 能 評 価 を 行 っ た ． さ ら に 窒 素 ガ ス 吸 着 法 に より 電 極 触 媒 層 ， 水 銀 圧 入 法 に よ り GDL の 細 孔 分 布 測 定 を 行 っ た ．
３．結果と考察
Condition : Low residual water content
0.4
Condition : High residual water content
Cell soak temp.: -30 ºC
Cell soak temp.: -30 ºC
Tafel 解 析 に よ り 得 ら れ た 性 能Anode feed： λ = 1.5 ，RH 100 %Anode feed： λ = 1.5 ，RH 100 %Cathode feed：λ = 2.5 ，RH 100 %Cathode feed：λ = 2.5 ，RH 100 %
劣化で生じた活性化過電圧と濃0.3
Activation overpotential
Activation overpotential
度過電圧の変化を図 1 に示す．
50 cycles
50 cycles
低 水 分 量 保 持 の 場 合 ，性 能 劣 化 は
0.2
50 cycles
全負荷電流域における電気化学
Initial
Initial的 な 活 性 化 過 電 圧 の 増 加 に ，高 電
0.1
Initial
流負荷域における濃度過電圧のInitial0
増 加 が 重 畳 さ れ た 特 性 で あ る ．こConcentration overpotential
Concentration overpotential
0.5
1.0
1.5
2.0
0
0.5
1.0
1.5
2.0 0
れ に 対 し て 高 水 分 量 保 持 で は ，濃Current density (A/cm )Current density (A/cm )度 過 電 圧 の 増 加 が 大 幅 に 抑 制 さ F ig . 1 C ha ng e s i n o v er p o te nt ia l s ca us e d b y re pe a t e d s t a r t up
れ ， 結 果 と し て 性 能 劣 化 が 大 幅 に o f fro ze n c e ll s oa ke d a t - 30 º C a nd w i t h re s id ua l w a t e r
軽 減 さ れ た （ 図 示 な し ）． 以 上 の co nt e nt s
ことから，凍結セル の起動に より
Condition : Low residual water content
Condition : High residual water content
Cell soak temp.: -30 ºC
Cell soak temp.: -30 ºC
生 じ る 性 能 劣 化 は ，活 性 化 を 低 下
6
GDL
GDL
させる要因と水分不足作動によ5Initial
り拡散機能を低下させる要因とInitialCatalyst layer & MPL Degraded
Catalyst layer & MPL Degradedが組み合わさっていると推定で
4
きる．
0.3
3
0.3
Degraded
Degraded
性能劣化前後における機能低下
0.2
0.2
2
Initialの 電 極 触 媒 層 と GDL の 細 孔 分 布Initial0.1
を 図 2 に 示 す ．残 存 水 分 量 に 関 わ
0.1
1
ら ず ， 凍 結 に よ り 触 媒 層 と MPL
0
0.001
0.1
10
1000 0.001
0.1
10
1000
層内炭素の細孔容積が増加してPore size diameter (μm )Pore size diameter (μm )い る ． こ の こ と は ， こ の 温 度 条 件 Fig . 2 C ha ng es i n p o re s i ze a nd v o lu me i n M E A c a us e d by
では触媒層内残存水分は全て凍結することから触媒層内残存水凍結による体積膨張により細孔径の増大と触媒層内炭
素 の 分 散 増 大 が イ オ ノ マ ー の 剥 離 な ど の 構 造 変 化 を 引 き 起 こ し ，こ れ が 図 1 で 示 し た 活
性 化 の 低 下 を 引 き 起 こ し た 原 因 で あ る と 考 え ら れ る ． GDL の 細 孔 容 積 が 高 水 分 量 保 持で 低 下 し て い る が ，こ れ は 水 分 凍 結 に よ る 圧 搾 に よ り 引 き 起 こ さ れ た と 考 え ら れ る ．しか し ，拡 散 機 能 の 低 下 が 高 い 低 水 分 量 保 持 で そ の 増 加 が 微 少 で あ る こ と か ら ，こ の こ とが 濃 度 過 電 圧 増 加 の 原 因 で は な く ，上 で 述 べ た 電 極 触 媒 層 の 構 造 変 化 と 図 2 に は 示 さ れて い な い 低 水 分 量 保 持 に 関 連 す る 他 の 因 子 ，た と え ば 低 水 分 作 動 に よ る イ オ ノ マ ー の 拡
散 機 能 の 低 下 な ど が 原 因 で あ る と 考 え て い る ．こ の 解 明 は 今 後 の 課 題 と し て 取 り 組 ん で
行く．
H2

H2

Air

Overpotential (V)

Air

―10―

2

Log differential intrusion (mL/g)

Log differential intrusion (mL/g)

Log differential intrusion (mL/g)2中温動作膜を用いた燃料電池 MEA の性能劣化診断法の開発－TLM-ACIS 法の開発－
エネルギー環境技術開発センター
高木靖雄
武 哲夫
１．研究の目的と概要
中温作動膜を用いたセルの性能劣化診断と軽減を，エネルギー環境技術開発センタープロジェク
トの研究課題として取り組んでいる．新しい素材を用いた MEA の性能劣化診断に要求されることは，劣化部位を明らかにすることである．個々の部位，例えばアノード，カソード，電解質膜などは従来の交流インピダンス法や CV 法など電気化学的診断法の適用によって診断が可能であるが，複合要素から成り立っている触媒層各要素の劣化診断には新たな手法の開発が必要である．この目的のために TLM-ACIS 法(ACIS 実験で取得した Nyquist 線図を分布定数型等価回路 TLM によりカーブフィティングし各要素のインピダンス変化を診断する手法)の開発に取り組んでいる．図１がTLM の等価回路であり，図中に MEA を構成する電解質膜と触媒層イオノマー内のプロトン伝導プ
ロセスと性能（インピダンス），炭素内電子の伝導性および二重層コンデンサーと電気化学反応が示されている．
２．ガラス転移させた電解質を用いた劣化部位の感度試験
カソードイオノマーを加熱処理し意図的にガラス転移させ性能を劣化させた MEA を用いて，
TLM-ACIS 法の劣化部位の診断能力を判定する下記実験を行った．
２．１ カソードイオノマーの劣化感度
カソードイオノマーをガラス転移させた MEA は，低電流領域では性能に変化はないが，高電流４．今後の進め方
中温動作型 MEA の性能劣化診断に適用する．

Cdl(n)

Cdl(n-1)

Rct(n)

Rct(n-1)

Rct(1)

Cdl(2)Re(2)Re(n-1)Rge-

図１ 分布定数型等価回路のブロック線図
3.0

カソードCL内厚み方向のイオノマー劣化分布と経時劣化

Cathode0Rm(電解質膜)Ri (1-4)(電解質膜側イオノマー)

40 cycles
50 cycles

fresh
20 cycles
30 cycles

30 cycles
40 cycles
50 cycles

1.0

fresh
20 cycles

2.0
50 cycles

ない．
・イオノマーは電解質側膜が重荷機能低下し，GDL 側では低下しない．この症状に対応する電解質膜側の圧搾が SEM 写真で観察されている．

・・・

Rm, Ri ;PEM, 電極層内プロトン伝導インピダンス
Re ;電極層内電子伝導インピダンス
Rg ;GDL,セパレータ電子伝導インピダンス
Rct ;化学反応インピダンス, Cdl ;二重層コンデンリアクタンス
n ;触媒内セグメント化数

fresh
20 cycles
30 cycles
40 cycles

・繰り返し回数に応じて機能低下が進む．
・電解質膜の機能低下は生じない．
・性能劣化は，アノードよりカソードで発生する．
・カソードのイオノマーが機能低下し，炭素は低下しRe(1)Impedance (mΩ)

３．凍結起動劣化 MEA への診断適用結果
TLM-ACIS 法を，凍結した MEA の起動繰り返しにより生じた性能劣化解明に適用し，次のような特性を解明した（図２）．

Rct(2)

Rm

同様に，カソードイオノマーの電解質膜側のみを層状にガラス転移させた MEA（図１で，電解質膜側半分のみを劣化させた場に相当）により，TLM-ACIS 法
は電解質膜側の劣化を判断できることが確認できた．

Cdl(1)

領域で性能低下した．また TLM-ACIS 法により,カソードイオノマー抵抗(Ri)が増加するが，媒層中の電子伝導抵抗(Re)は変化がなく，反応抵抗(Rct)にわ
GDL
PEM
触媒層
ずかに変化が測定されることがわかった．
H+
他
Ri(1)
Ri(n-1)Ri(2)２．２ カソードイオノマー層状劣化の感度

Ri (5-8)(GDL側イオノマー)

図２ 凍結MEAの繰り返しにより生じたイオノマ
ーの劣化分布（電解質膜側のみ劣化）―11―中温動作膜の MEA 化にむけた MEA の調製法の検討と ANOVA による評価
エネルギー環境技術開発センター
高木 靖雄
１．まえがきエネルギー環境技術開発センターのプロジェク
トで進めている中温動作膜，低白金触媒の開発後の MEA 化のベースデー
タとすることを目的として，これまで用いられて

表1

MEA 調製因子と水準
水準

因子

第一水準

第二水準

第三水準

第四水準

PTFEなしPTFE/C=1/1

PTFE/C=1/2

PTFE/C=1/4

Valcan-XC72

Acetylene black
64%

77%

A:MPL中のPTFE含量
B:MPLの種類
C:触媒ペーストの水分量
D:触媒ペーストのイオノマー量

6%

40%

Nafion/Pt=0.5/1

Nafion/Pt=1/1

E:ボールミルの撹拌時間

5分

20分

F:バインダーの種類

Nafion DE520

Nafion DE521

G:保存条件

2℃で24時間

25℃で168時間

Nafion/Pt=1.2/1 Nafion/Pt=1.5/1
60分
60℃で24時間

いる電極材料を用いた
MEA の調製法が出力に与える影響を体系的に検討した．調製法の因子と水準を表 1 に示す．
２．結果と考察
２．１ 出力に対する MEA 調製法主要因子の出力に対する影響
PTFE 含有率を高くし撥水性を高めると高電流域での出力電圧が安定し，出力も上昇した(図 1)．しかし，撥水性が高すぎると，高電流域で出力が低下す
る．触媒ペースト作製時の水分量は，低電流域と高Cell Voltage (V)1.2

電流域で分極特性が良くなる．溶媒として用いる水分を多くすることでナフィオン電解質の高分散が可能になっていると考えられる．しかし，触媒インクの水分量が高すぎると乾燥収縮時にインクの表面張

Cell Temp. ： 80℃

A1
A2
A3
A4

1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0

力が高いためひび割れが発生し，高電流域で生成水がひび割れ部に浸み込み，触媒層にフラッディング
を引き起こした． 触媒ペーストのイオノマー量は，高電流域の分極特性により N/Pt は 1 が最適との結

0

0.4
0.8
1.2
1.6
Current Density (A/cm2)

図1

2.0

MPL 撥水性の影響

上項で述べた主要調製法因子の効果に加えて，表 1 で示した
他の因子の性能向上に対する効果の一覧を合わせて図 2 に示す．
MEA 調製時の因子が出力性能に与える影響を明らかにし，また ANOVA による分散も明らかにした．ANOVA の検定結果かMaximal power (W)果になった．N/Pt は 1 より低い，イオン伝導性高分子電解質が少ない領域では，プロトン伝導性が低下し，N/Pt は 1 より高い，イオン伝導性高分子電解質が過剰な領域では，ガス拡散性が阻害されると考えられている．
２．１ その他の因子の影響
2517.52% 0.01%
20 σ
1515.24%

26.87%

1.31%

10.72%

E

F

4.75%

10
5
0
B

A

図2

C

D

G

MEA 調製法が出力に与える効果と ANOVA による分散分析

ら，選定した因子は有意水準 5%で有意であることが判明した．
３．まとめ
このような調製時の因子の感度を確認しながら，新しく開発される中温動作電解質膜と低白金触媒を組み合わせた MEA システムの出力最適化に適用していく．

―12―

固体酸化物形燃料電池の性能劣化に関する熱力学的考察
総合研究所エネルギー環境科学研究センター

横川晴美

固体酸化物形燃料電池システムの実証研究が進み、その実用化の時期も当初予定されていたものよりかなり早まってきている。初期導入に際し最も要求されるものは、システムの信頼性であり耐久性である。
耐久性の中でも最後まで材料科学的に検討を行う必要があるのが不純物の効果である。
空気極材料では、クロム被毒についての熱力学考察と性能劣化との相間について以前に検討していたが、本年度においては産業技術総合研究所エネルギー技術研究部門燃料電池材
料グループが 2 酸化硫黄の被毒試験を行い、特徴的な反応生成物分布を示したことから、(Sm,Sr)CoO3 空気極と SO2 との反応平衡を 3 次元化学ポテンシャル図を構築することによって観測プロファイルがどのような反応経路で表されるかを明らかにした。その特徴は、全てのプロファイルは化学ポテンシャルが局所的に連続かつ、拡散方向に低下するという条件のもとで合理的に解釈できることが明らかになった。
スタック内外に使用している物質からの汚染で従来あまり注意を払われていないが、実際に 2 次イオン質量分析計（SIMS）で測定すると、電極活性点近傍に認められるものにリンがある。他方、リンは石炭ガス化ガス中でニッケル燃料極の性能劣化をもたらす元素の一つとして認識されており、現在米国エネルギー省のプロジェクトである SECA（Solid
State Energy Conversion Alliance）の中で精力的に実験的検討が進められている。このような背景から、ニッケルと、S, Se, As, P との相互作用を、Ni-M-O-H 系の Ellingham 線図を構築することによって熱力学的に検討した。その結果、SRI の Bao らが指摘するように
HPOn(n=1,2,3) の気相種の影響が著しいことがわかったので、これらの気相種を考慮にいれて図の構築を行った。その結果、次の 3 領域が重要であることが分かった。(1)還元性が強い雰囲気で、金属間化合物を生成する、(2) HPO2(g)が安定で Ni との相互作用がない、(3)SOFC の高燃料利用率下に相当する酸化性雰囲気下ではニッケルはリン酸塩になることがわかった。石炭ガス化ガスの不純物導入試験では主に(1)による効果を観察し、通常のSOFC 稼働下では(2)、更に汚染が酷くなると電気化学的活性点を攻撃することが分かった。
これらの結果を基にして、不純物による性能劣化の一般的なモデルを構築し、燃料極にも空気極にも同じ物理化学的考えを適用し、性能変化と不純物との反応性についての相間を明らかにした。その視点より逆に個別の劣化現象の見直しを行い、従来の議論ではかけていた点を洗い出し、劣化現象の複雑な要因を把握するとともに、それぞれの要因毎に温度、運転条件の及ばす影響を明らかにし全体像の把握を行う作業に着手した。
[参考文献] Harumi Yokokawa, Haruo Kishimoto, Katsuhiko Yamaji, and Teruhisa
Horita, “Generalization of Degradation Mechanisms in Terms of Materials Chemical
Nature, Operation Condition and Electrode Reaction Mechanism,” ECS Transactions
25(2), 401-410 (2009).

―13 ―Mn 系スピネル複合酸化物の熱電特性に関する研究
工学部 エネルギー化学科
宗像 文男
高効率な駆動源を目指した 500℃程度の中温域で作動する燃料電池、太陽光を有効利用した人工光合成技術、廃熱を有効利用する熱電発電技術など種々のエネルギー変換技術に関連した新しいエ
ネルギー変換材料の基礎及び応用研究を行っている。平成 21 年度は、自動車や固体酸化物型燃料電池などでは。500℃程度の排ガスが発生するため、この中温域熱源を利用可能な新規複合酸化物熱電材料に関する研究を行った。
近年、3d 遷移金属酸化物における熱電特性に関する研究が数多くなされいるが、比較的高い熱電特性を示すことで現在注目されている Ca-Mn 系ペロブスカイト型複合酸化物においてさえも実用化に十分な特性は得られていない 1)。そこで、Mn 系複合酸化物熱電材料における性能向上を目指し、
スピネル構造を有する Mn 系複合酸化物（AB2O4）に注目し、A、B 各サイトを種々の元素で置換し、熱電特性の挙動の変化を検討した。特にここでは、Ni1-xCuxMn2O4 系についての研究結果について報告する。
￥市販の高純度酸化物原料を用い Ni1-xCuxMn2O4(0.00≦x≦0.50)となるように秤量後、板状の成形体を作製し、焼成することで測定試料とした。これらについて粉末 X 線回折測定と 373～1173Kの温度領域での電気伝導率とゼーベック係数の測定を行った。 X 線回折図形から、作製した全ての試料は単一相であることを確認した。格子定数は Cu 置換量の増加に比例し減少を示していた。得られた電気伝導率とゼーベック係数の測定結果を図 1 と図 2 に示す。特徴的な挙動として、x=y=0.00のゼーベック係数は、温度の上昇に伴い約 1000K を境に負から正へ符号反転を示した。また、Cu 置
換により、ゼーベック係数は負から正へ連続的に変化し、x≧ 0.10, y≧0.10 では全測定温度領域において正の値を示した。このように元素置換により、組成によってキャリアの制御が可能で、温度域を選べば P-N 接合熱電素子の実現可能性が示唆された。

x=1.00x=0.50x=0.3010

lnσT (Scm-1K)

100

5

x=0.10x=0.07x=0.05x=0.0001

1.5
2
1000/T (K-1)

2.5

図 1 Ni1-xCuxMn2O4 の電気伝導率の温度依存性

200

0

-100

800
x=1.00x=0.50x=0.30

473

673
873
T (K)

x=0.10x=0.07x=0.05x=0.001073

図 2 Ni1-xCuxMn2O4 のゼーベック係数の温度依存性【参考文献】 1）1) M. Ohtaki: J. Solid State Chem. 120 (1995), 105―14―

T (oC)
400
600

100

S (µVK -1)

T (oC)
900 600 400 300 200

SOFC セルのコバルトの状態分析
エネルギーナノ材料研究室（I）
江場 宏美
固体酸化物型燃料電池（SOFC）には，層間における反応や界面の乱れが起こりやすいという現状があり，一定の性能を維持するためには，各層の組成や構造とその乱れを詳しく調べる必要がある．本研究では，マイクロ（μ）ビームを用いたＸ線分析により，SOFC セルの各層からの元素の拡散と組成変化や，界面での化学反応や相形成の観察を行うための技術的検討を行った．
ここでは円筒形の燃料極支持型 SOFC セルを用い，エポキシ樹脂に埋め込んで研磨し，積層面に垂直な断面試料を作製した．各層の構成は、Ni-YSZ(Y2O3-stabilized ZrO2)の基体管に Ni-ScSZ(Sc2O3-stabilized ZrO2)，ScSZ，GDC(Cd2O3doped CeO2)，SSC(Sm0.5Sr0.5CoO3)の層を，数μm～数十μm 程度の厚さで順に積層させたもので，さらに銀メッシュの集電体を接着してある．蛍光 X 線分析は高エネルギー加速器研究機構、放射光科学研究施設，BL-4A において行った．
約 5μm 角の単色化した放射光Ｘ線マイクロビームを，断面試料表面から照射し，Si(Li)半導体検出器を用いて蛍光 X 線スペクトルを測定した．入射Ｘ線のエネルギー8.5keV のときの蛍光 X 線スペクトルを図１に示す．ここで，A の測定は銀メッシュ～SSC 付近，B は Niーム照射したものである．ただし，X 線の入射角度は，Ni-YSZ 側から銀メッシュ側に斜めに抜ける方向であったため，X 線の侵入深さの関係で，特に B のスペクトルでは，Ni，Co のほかに複数の層の構成元素が検出されている．一方，C の測定では積層面に平行に X 線が侵入する配置で測定したため，

15000
XRF Intensity (counts)

YSZ 部分，C は SSC 部分を狙ってマイクロビ

10000+ Zr Lα, Lβ0

選択的に検出され，SSC 部分の観察ができている．このことから，SOFC の各層の分析を試料を作製するなどの必要があることがわ
かった．

Sm
Lβ

scat.

Sc
Kβ

Ag Lα, Lβ+Ar Kα, β

2

Ni
Kβ

4

6

8

Energy (keV)
図１ SOFC 断面からの蛍光Ｘ線スペクトル
A: 銀メッシュ～SSC 付近，B：Ni-YSZ，C: SSC 部分（入射Ｘ線エネルギー: 8.5keV，積算時間: 300 秒）
次に A，B，C の各測定点において，入射 X 線のエネルギ

Co K XANES

ーを Co K 吸収端（7.71keV）前後で走査して XANES スペクト

1.0
μt or XRF Intensity

Sm
Lα
Ce
Lα Ce
Lβ

5000 Y Lα, LβNi Kα+ Co Kβ

Gd Lα + Ce Lγ

Sc Kα

基体管の成分の Ni はともかく，Co と Sm が行うには，試料の配置に注意するか，薄片

Co Kα

A
B
C

ルを測定した．結果を図２に示す．図中には参照試料として酸化コバルト（Ⅱ）：CoO，アセチルアセトナトコバルト（Ⅲ）：Co(acac)3，および SSC の原料粉末について透過法により測定した XANES を同時に示した．吸収端は Co の酸化数

0.5CoOCo(acac)3
Sm0.5Sr0.5CoO3
A
B
C

0.0
7.70

Energy (keV)

7.75

図２ Co K吸収端近傍における吸収スペクトル（A，Bは各エネルギー点 10秒，それ以外
は各点 1秒×168点の測定．A，B，Cは蛍
光法，それ以外は透過法．）

が大きくなるにつれ高エネルギー側にシフトする．各測定点におけるスペクトルは，特に Co の蛍光Ｘ線強度が相対的に弱い B や，積算時間も短くした C では統計変動が大きい
が，原料の SSC とは明らかに異なっている．吸収端の立ち上がりは，A，B，C いずれも SSC に比べて低エネルギー側にあり，吸収端上部の構造も得に A や B において SSC とは明らかに異なっている．すなわち，このセルの SSC 層は，少なからず乱れており組成や構造の変化、Co の拡散など起きている可能性の高いことがわかった．

―15―

燃料電池用有機無機ハイブリッド電解質膜の開発と評価
総合研究所エネルギー環境科学研究センター
ポストドクター 鈴木 智史
1． 背景
自動車や可搬型電子機器用の電源として固体高分子形燃料電池（PEFC）に注目が集まり、一部
では商業化も始まりつつある。しかしながら、現状の PEFC ではコスト・部材の環境負荷・性能に問題が残っており、その解決が望まれている。燃料電池の主要部材である電解質膜の改良はそれらの問題の解決方法の一つであり盛んに研究が行われている。本研究では、アルカリ膜形燃料電池用
有機ケイ素系電解質膜と中温動作形燃料電池用無機有機ハイブリッド電解質膜の開発を通じ、さらにその成果を基に電極部分の開発を行うことで、それらの問題の解決を目指している。
2． アニオン交換膜形燃料電池用有機ケイ素系電解質膜
電解室内を水酸化物イオンが伝導するアニオン交換膜形燃料電池は近年になり注目が集まり研究例が増えてきている。しかしながら、既存の PEFC を代替しうる発電性能は先行グループを含めても得られておらず、更なる電解質膜の性能向上が必要である。2009 年度には電荷質膜の性能向上について 2 つのアプローチを試みた。一つは電解質膜の単位重量当たりの水酸化物イオン量である
イオン交換容量の増大であり、もう一つはイオン伝導を担う側鎖末端部の構造の変更（図 1）である。イオン交換容量の増大については側鎖末端部の変更により前年度試作電解質膜に比べて大幅に向上した（図 2）。しかし、膜の厚さ方向に膜成分の偏りが見られ、イオン交換容量の増大に反してイオン伝導度が低下する結果となった。本年度は、従来型の側鎖末端基を持つ膜のイオン交換容量の増大と、2009 年度形の側鎖末端基を持つ膜の内部の改良により性能向上を試みる。

図 1 試作電解質膜分子構造図

図 2 アニオン交換膜外見

3． 中温動作形燃料電池用材料
PEFC を 150℃付近の中温度領域で運転させることで、触媒被毒の緩和・発電効率の上昇・冷却系の簡略化・廃熱利用・生成水の排出が可能になる。そのため、PEFC の動作温度を上昇させる
新規電解質膜の開発が広く行われている。我々のグループでは 2009 年度は研究を続けてきた石膏
系プロトン伝導材料の電極への展開を行った。燃料電池用電極に必要な要素は、電子伝導経路・イ
オン伝導経路・物質移動経路・触媒付近の三相界面の確保である。我々の試作した試料（図 3）ではそれぞれを導電性炭素・リン酸処理石膏・炭酸カ
ルシウム-リン酸造孔剤により形成し、ポリビニルア
ルコールを用いて形態を安定させた。本試料は我々のグループが前年度までに試作した電極とは異なり造孔剤による物質移動経路の積極的な形成を行ったことで最大電流密度27.3 mA/cm2、最大出力密度3.6
mW/cm2 が得られた。今後も運転条件を変えた評価を行う予
定である。

―16―

図３ リン酸石膏系複合電極

水素エネルギー研究センター―17―

水素エネルギー 研究センタ ー
水素エネルギ ー 研究センタ ーは， 武蔵工大が永年行ってきた水素エンジンの研究を継続して行っている ． 水素エネルギ ーは， 地球が抱えている3大課題である地球温暖化， 大気環境の汚染化， エネル
ギ ー 資源の枯渇化を解決する手段の 一 つとして， 太陽光， 風力などの再生可能エネルギ ー から製造することができ， かつ排出物がクリ ー ンであることから， エネルギ ーを大呈に消費する運輸用原動機や家庭用分散型発電用に用いる研究開発とその現在実用化に力が入れられている ． 本研究センタ ー における研究も， このような世界の水素エネルギ ー 活用技術開発の動きの中で重要な役割を占めており，
平成1 7年度から国土交通省の（独）交通安全環境研究所からの委託により， 大型バス／トラック用
水素エンジン動カシステムの試作開発の研究を行っている ． この研究は， 武蔵工大が永年培ってきた
水素エンジンの技術力を活用し， 車両走行を行うことのできるエンジンシステムの開発を目標としており， 研究活動の範囲は水素エンジン本体の研究開発， エンジンに用いる高圧水素噴射弁とポンプの開発さらにはエンジンを車両にて走行させるために必要な燃料噴射や窒素酸化物など有害排出物を軽減させるエンジンのト ー タル制御システムの開発を， 一 貫してかつ独自技術で行っている ． さらに，
水素エンジンからの唯 一 の有害排出物である窒素酸化物を還元させる NOx 吸着還元触媒の最適化の研究や車載燃料を液体水素にした場合の課題である燃料タンクからのボイルオフ水素を回収するためのパルス管冷凍機の開発など， 基礎的な研究も平行して行っている ．
一方， これらの研究とは別に， エンジンの燃焼室内で均質に混合した水素を圧縮着火による燃焼を行わせるHCCI機関（均質予混合圧縮機関）の研究も行っている ． この燃焼方式は， これまでの水素エンジンより 一 層の熱効率の向上が期待でき， かつ窒素酸化物の排出が概ねゼロの近いことから， 次世代の内燃機関として世界中各界で研究開発が進められている新しい燃焼方式である． 本センタ ーでは， 着荷促進燃料として DME(ジ・メチル ・ エー テル）や灯油を補助燃料に用いるなど， 独自の技術を織り込んだユニ ー クなアプロ ーチで研究を行っている ．
主要研究テ ー マを以下に示すが， 本研究センタ ーでは， 大学院生を中心とする学生が研究の主体であり， この研究を本学の教員， 本センタ ー の研究員や技術員が指導する形で， 先に述べた（独）交通安全環境研究所や関連する大学，部品メ ー カ ーさらには国土交通省と一体となって研究を進めている ．
＊

車載用筒内直接噴射式水素エンジンの熱効率向上と排出物軽減に関する研究開発＊

筒内直接噴射式水素エンジンの燃焼性能向上の研究＊

コモンレ ー ル方式高応答高噴射量高圧水素噴射弁の研 究開発＊

車両走行と排出物軽減コントロ ールシステムの開発＊

液化水素貯蔵タンクのボイルオフ低減の研究 —パルス管冷凍機の開発ー＊

液体水素高圧ポンプの研究開発＊

高セタン 価燃料を補助燃料とする水素予混合圧縮着火機関の出力と熱効率改善に関する研究

2010年5月
水素エネルギ ー 研究センタ ー
センタ ー 長

-19-

高木靖雄

水素エンジンの研究開発
総合研究所水素エネルギ ー 研究センタ ー高木靖雄

CO2 や PM 排出のないクリ ー ンな水素燃料を重量車両用内燃機関に適用するための燃料供給方式，燃焼方式，課題の一 つである窒素酸化物 NOx の軽減方

図1 試作 エンジンシステムの仕様法を含めたシステムの研究開発を，（独）交通環境安全研究所の受託研究として実施している(1)高圧水素噴射エ ンジンシステム
開発を進めている水素 エ ンジンは， 出力向上と低NOx 排出を目標としているため， 高圧水素を燃焼室に直接噴射し火花点火により燃焼させる方式であり，昨年度までの研究により， エ ンジンシステムの試作を行い目標値通りの出力特性を達成した （表1に機Items
Base Engine
No. of Cylinder
Engine Displacement
No. of Valves
Cooling System
Bore x Stroke
Compress10n Ratio
Fuel
Ignition System
Aspiration

8
6

た さらに， 開発した制御システムを応用してシミ゜゜を行うエンジンと排気の制御システムの開発を行っ)』

蔵還元触媒）， EGR, NSR と EGR の制御と車両走行(
N ニ aModとともに NOx の後処理に用いる NSR 触媒 (NOx 吸

Hino J05D
Inline 4 Cylinders
4728 mL
4 valves
Water Cooled
112mm x 120mm
13: I
Direct Inj. High Press. Hydrogen
Spark Ignition
NA100

関仕様， 図1に出力特性を示す）． さらに単気筒機関をベ ー スにした燃焼性能実験により性能を確認する

Specification40

ュレ ー タとして用い， D13車両走行モー ドによる
20
1000

NOx の排出量と燃料消費量の予測を行なった(2)高圧噴射供給システム

1500

2500

2000

3000

Engine Speed (rpm)

本水素 エ ンジンシステムの基幹技術の 一 つが， 高

図1試作機関の出力特性

圧水素を燃焼室に噴射する噴射弁であり， この開発

Jを水素エ ネルギ ー 研究センター 独自で進めているこのシステムは， コ モン
レ ー ル油圧駆動ニ ー ドル噴射弁方式を用いており ， 特徴は液体水素をインタ叶
8

ンクポンプで最大 20MPa までの昇圧し高圧で噴射することができること，

弓

高速応答を可能としたことであり， 噴射期間30度CAで最大必要燃料量を燃焼室に噴射することができる． （図2試作噴射弁参照）
一方，上記高圧水素噴射エンジンとは燃焼コンセプトが異なる水素 HCCIOi/Jn -

£:§
Cl
一
,エ

機関（均質予混合圧縮着火機関）の研究開発を進めている ． この エ ンジンの特長は，均質に予混合させた混合気を圧縮着火により燃焼させることにより，従来の火花点火水素に比べて大幅に熱効率を高くできることと， NOx 排出がゼロレベル近傍であることである．圧縮着火性の低い水素を圧縮により着火させるため ， 10 から 20% の DME (ディメチルエー テル） を混合させる必要がある． 昨年度は， DME 混入量を減らすため， また安定して燃焼できる運転領域を拡大するために，低 DME 混合域で火花点火を補助的に用いる手法を検討し， その効果を確認した

図2開発中の高圧噴射
弁-21-NOx 排出を大幅に低減する新しい燃焼コンセプトの構築
水素エネルギー研究センター
高木 靖雄

２．実験結果このコンセプトは，水素の空気に対する高い拡散性と燃焼速度を活用したものであり，噴射中または直後の高じょう乱状態の過濃水素噴流

H2 （vol. %）大幅に低減することのできる新しいコンセプトを見出し，PCC コンセプト（Plume Combustion
Concept;過濃混合気塊燃焼コンセプト）と命名
し，学会での発表も行った．

NOx （ppm）

ジェクトの一環で，排気後処理システムに依存しないエンジンでの燃焼過程において NOx 生
成を抑制する燃焼方式の研究を行っているが，
平成２１年度の研究においてこの NOx 排出を

ηi (%)

１．まえがきCO2 排出のない水素燃料エンジンの唯一の有害排気成分は窒素酸化物 NOx であり，かつこれまでの技術では数千 ppm という高い排出濃度でEngine Speed:1000 rpm
50
あった．国交省の次世代大型低公害車開発プロ
IMEP:0.85 MPa

塊に火花点火し燃焼させ，過濃混合気の低 NOx生成を活用したものである．図１に示すように，
上死点からそれ以降の噴射時期で，かつ概ね同時期の火花点火により，NOx の生成が他の条件

大幅な NOx の低減が可能であり，EGR にみにより現行規制値である 2009 年大型バスの規制値レベルである 0.7 g/kWh のレベルまで低減できる可能性も確認できた（図 2）．
３．今後の課題
低 NOx 生成のメカニズムを解明するために，噴射した水素噴流の挙動と性能を最適化するための点火位置の詳細，さらには点火後の火炎伝

EI

40

PCC

35
1.5
1.0

Ig. T.(MBT)(-3～-12°CA BTDC)

EI

0.5

PCC

0.0
×103
5
4
EI
3
PCC
2
1
0
120 100 80
60 40 20 0
-20
噴射終了時期 （°CA BTDC）

図 1 PCC 燃焼による低 NOx 排出特性
10Engine Speed:1000rpm
pi:0.85 MPa
H2 Inj. Press.：10 MPa
Ig.T.：MBT(20, 0%)8
噴射終了時期,EGR 率

NOx (g/kWh)の 70％以上もの大幅な低減が実現できた．さらに，熱効率η i の低下も未燃焼水素の急増も生じていないことが PCC 燃焼の特長である．また，PCC 燃焼に EGR を行うことによって，さらにH2 Inj. Press.：10 MPa

45

PCC W/O EGR

6(20, 13%)(10, 0%)4
PCC＋EGR(5, 0%)(20, 21%)2(10, 10%)

50

45

40

35

30

ηi (%)

図2

PCC 燃焼の EGR による NOx 低減効果

ぱなどを可視化エンジンを用いて一層の性能向上をはかり，４気筒エンジンにおける排気性能評価研究が可能なレベルまで進める．

―22―

0.7 g/kWh(10, 19%)(20, 33%)0高セタン価燃料および火花点火による水素 HCCI 機関の燃焼最適化の研究
水素エネルギー研究センター
高木 靖雄
１．緒言
次世代の燃料である水素を，次世代の燃焼方式と期待されている予混合圧縮着火（HCCI）燃焼により燃焼させ，高熱効率と低 NOx(排出濃度概ねゼロ)および CO2 排出ゼロとなる内燃機関の研究に取り組んでいる．ただし，低セタン価燃料である水素に着火させるため，現時点では補助燃料として DME や灯油を混合している．
２．実験結果および考察
２．１ 水素 HCCI 燃焼の熱発生の特性
水素 HCCI 燃焼では，圧縮着火により HCCI 特有の微量の低音熱発生に続いて主熱発生が起こ
る．λが 2.5 という希薄空燃比にもかかわらずするために重要な燃焼開始時期の制御ができないという欠点があった．本研究では，HCCI に火花点火を組み合わせるコンセプトで燃焼の制御を試みた．花点火が水素 HCCI 燃焼機関の熱発生特性

100

S/T -22deg. CA ATDC
4

80

HCCI

-14deg.
-10deg.

3

60

2

40

1

20

0

dQ/dθ (J/deg.CA)

た． NOx の排出は図示するまでもなく，数 ppmという低レベルであった．
２．２ 火花点火による水素 HCCI 燃焼の制御
HCCI 燃焼では，熱効率や NOx 排出を最適化

D.M.R.30%, λ=2.5, ε=11:1, 1000rpm

5

P (MPa)HCCI 燃焼の特徴である高い熱発生が実現でき，
この結果として高い熱効率が実現できた(図 1)．また，水素燃料機関の特性である高い冷却損失も壁面近傍で熱発生が抑制されるため大幅に低減され

0-14deg.
S/T -22deg. -10deg.

-20

-1
-40

-20

0
20
CA (deg.CA ATDC)

40

Fig.2 Improvement of Heat Release in H2-DME
Combustion with Spark Ignition Timingに与える効果として，図 2 に示すように,点火時期に応じて主熱発生開始の進角，燃焼期間の短縮が起こ
り，点火時期-14deg.CA ATDC において出力最良点
MBT，最高熱効率 42%を示した．これは火花点火に主

火花点火による水素 HCCI 燃焼の運転範囲の変化を
図 2 に示す．火花点火によって HCCI 燃焼領域が少DME 添加（低 D.M.R.）側へ拡大し，それに伴って範囲が希薄，濃混合気両側へ拡大した．これは火炎伝

HCCI

%

30
SI

D.M.R.

熱発生を誘発する作用があるためと考えられ，通常の
HCCI 燃焼では主熱発生が遅角してしまう条件について，性能を向上する有効な手段であると思われる．
２．２ 火花点火による安定燃焼領域の拡大

ε=11:1, 1000rpm

40

20

10

0
1

2

3

4

5

λ

Fig.2 Expanding Operation Range with
Spark Assistance

ぱ燃焼の熱発生によって自着火が誘発されたことなどが原因と思われる．
３．まとめ
 火花点火は水素 HCCI 燃焼に対し，主熱発生の進角により熱効率の向上に効果を持つことがわかった．
HCCI に火花天下を組み合わせることによって，安定燃焼λ領域が拡大され，また補助燃料である DME の添加量も大幅に軽減することができた．

―23―

東京都市大学における水素エンジンおよび水素バスの開発と運行
山根公高
東京都市大学158-8557

東京都世田谷区玉堤 1-28-1

Development of Hydrogen Fuelled I.C Engine and Bus and its Operation
Kimitaka YAMANE
Tokyo City University
1·28·1 Tamazutsumi, Setagaya·ku, Tokyo 15 8-8557 Japan
Because of the urgent social need of the reduction of the mostimportant greenhouse gas or carbon dioxide in the Earth's atmosphere, it
was decided that the mini-bus should be developed by using verified, not
new technologies with great confidence and reliability.
The development ended in great success, having had it run on publicroads with a license number plate on.
It was also verified by the JE05
emission test that the emission was almost so low as the zero-emission.
The total driving distance reached 11000 km with no problem by the end of
November, 2 009.
It was also found that the mini-bus could run about
200 km per one charge of 10 kg hydrogen
Key words: Hydrogen Fuel. Internal Combustion Engine, Near-Zero Emission
Bus

1. まえがき
自動車動力源の具備条件は、 軽量、 コ ンパクト、 大出力、 低燃費、 低価格、 高安全性、 低維持
費、 低騒音、 低振動、 高信頼性、 高耐久性、 低エミッションおよび良運転性である。 内燃機関水素自動車は、 この具備条件の多くを備えている。
東京都市大学（旧武蔵工業大学）は、 1970 年から、 地球環境問題と化石燃料枯渇問題を同時に解決できる水素を自動車動力源の燃料として用いるための実用化研究を実施してきた。その結果、内燃機関水素自動車は化石燃料で育まれてきた安価で、高信頼性と高耐久性を持つ既存技術を応用することが可能であり、かつ地球の緊急課題である地球温暖化問題解決の手段として極めて有望であることが判った。加えて、更に合理的内燃機関エンジンシステムおよび水素自動車の追及のために研究開発を続けている。
今回は、 緊急な社会ニ ー ズ を最優先させ早期に水素自動車の普及を実現化するためにどうすればよいかを 考えた。そこで、 多くの 一 般の方が 一 同に水素利用の有効性を体感できる公共交通手段である水素バスを開発し、公道を走れるように白ナンバ ー を取得してその普及の実現性を 一 般の方々に実感していただきたいと考えた。
2 開発の目的と基本方針
本開発の目的は、 緊急な社会ニ ー ズすなわち地球温暖化対策に寄与するため、 公道を走れる水
素バスを早期に開発して白ナンバ ー を取得、その普及の実現性を 一 般の方々に実感していただ＜
ことであった。 よって、 本開発の基本方針を、 信頼性、 耐久性が確認できている既存技術のみで対応することとした。 かつ、 水素エンジンに付き物の排気中のNOx は、 lOppm以下に抑えることにより、化石燃科エンジンのコスト高となっている排気清浄化装置を用いないで運用できるエンジンシステムにすることにしたC-.24-

ナノカーボンバイオデバイス研究センター―27―

「ナノカーボンバイオデバイス研究センター」の概要
ナノカーボンバイオデバイス研究センター長田口 亮

１． センター運営状況
文部科学省「平成 20 年度私立大学戦略的研究基盤形成支援事業」の公募に対して、事業名(研究プログラム
名)「生体インターフェース用ナノカーボン／量子デバイス複合型バイオチップの開発」とし応募し採択された研究プログラムを遂行するための拠点としてセンターが開設されて 2 年間が経過した。初期のメンバーに加えて、「大気圧プラズマ源を用いた生体細胞・組織の活性化による生体適合性向上の研究」を発展・飛躍させるために、工学部生体医工学科・森晃教授（プラズマ医学）と工学部電気電子工学科・山本俊昭教授（プラズマ応用）が本研
究センターの新たなメンバーとして加わった。
２． 研究進捗状況
本研究センターでは、神経とバイオチップの融合、すなわち｢生体インターフェース｣を目的とした体内完全埋め込み型のバイオチップ開発に主眼を置いた研究を行っている。研究は以下に示すように複数の要素から構成されている。
[チームＡ] カーボンナノチューブ(CNT)-FET の設計・作製・特性評価
CNT 無成長のシリコンデバイスを用いた基本特性評価。バイオチップ仕様 CNT-FET デバイスの基本設計。
[チームＢ] 量子効果発現型シリコンデバイス設計・作製・特性評価
CNT 無成長のシリコンデバイスの作製を行う。[チームＡ]と共同でデバイスの特性評価を行い、設計仕様との比較を行う。
[チームＣ] ＦＥＴチップへの CNT の直接成長と特性評価
CNT 成長に必要な条件を見出し、その条件下で金属触媒配線を形成させたシリコン基板上への CNT 直接成長を行い、その構造を評価する。
[チームＤ] 各種細胞を用いた生体適合性の評価
バイオチップ使用材料における生体適合性の評価と向上のための検討を、培養細胞を用いて行う。大気圧プラ
ズマ源を用いた生体細胞・組織の活性化による生体適合性向上(組織再生)に関する研究も合わせて行う。
[チームＥ] 小動物を用いた生体適合性の評価
バイオチップ使用材料における生体適合性の評価と向上のための検討を、小動物（ラット、ミニブタ等）を用いて行う。ここでも、大気圧プラズマ源を用いた生体適合性向上(組織再生)に関する研究を行う。
[チームＦ] 無線送受信機の設計・製作・特性評価
体内完全埋め込み型チップのための多チャネル無線送受信機の設計・製作・特性評価を行う。
３． 国際ワークショップの開催
本研究センターの研究プログラムも 3 年目を迎え、今年度中に中間点を超えることになる。これまで、実験環境の整備に追われていた感があるが、今年度からは、成果を着実に積み重ねる必要があろう。そのような背景から、著名な研究者の招待講演と研究プログラムの中間報告を含む講演からなる国際ワークショップを 11 月下旬に世田谷キャンパスで開催する予定である。

―29―

幹細胞含有ヒト臍帯血を用いたＣＮＴ複合体上での細胞培養・再生
平田孝道、筒井千尋、秋谷昌宏、田口 亮

我々は脳－機械インター フェース
（Brain-Machine Interface, BMI）を目的とした生体
インターフェース用神経融合型カーボンナノチューブ(CNT)バイオデバイス開発を主眼とした CNT
上、神経再生型電極上、シリコンウエハー上での各種細胞（上皮・心筋細胞）及び万能細胞(主として神経幹細胞）の培養とそれらの生体適合性評価に関する研究を展開している。本年度は、各種デバイスと神経細胞の密着性・親和性を向上させる
ため、幹細胞を用いたデバイス上での細胞／神経の再生・融合に関する基礎実験を行った。1)
本実験に用いる幹細胞は、ヒト由来臍帯血（胎児と母体を繋ぐ胎児側の組織である“へその緒”中に含まれる血液）であり、白血病や再生不良性貧図１ 幹細胞含有ヒト由来臍帯血の顕微鏡写真

血などの難治性血液疾患治療に不可欠な造血幹細胞（赤血球、白血球、血小板に分化可能な幹細胞）が多量に含有されているのみならず、再生医療への応用が期待されている前駆細胞（神経細胞、肝細胞、上皮細胞などの組織への多分化能を有する細胞）も含まれている。
実験は、培養容器もしくは酸化膜を堆積したシリ コンウ エハー 上に ポリエ チレン グリコ ール(PEG)をグラフト処理した CNT（PEG-CNT）を分散・塗布した後、マグネトロン型プラズマ発生装置（周波数：50 Hz、電圧・電力：1 kV・20 W）内のサンプルホルダーに固定させてプラズマイオン
照射（プラズマアクティベーション）処理を施した場合と未処理の場合について行った。プラズマ発生用導入ガス種及び圧力は大気（主に N2 ：図２ CNT 上に定着した幹細胞の顕微鏡写真

78.08 ％、O2 ：20.95 ％）及び 10 Pa であり、照射時間は 30 min である。更に、これらの培養容器（シリコンウエハー）を CO2-インキュベーター（培養条件：温度：37℃、CO2 ガス濃度：５％）に導入し、長期間培養と光学顕微鏡による直接観察を行った。
図１は、幹細胞含有臍帯血の顕微鏡写真であり、赤血球や造血幹細胞に相当する細胞が観察されている。プラズマアクティベーション）処理を施した場合、CNT 上に各種細胞が定着しているのが観されており、生体適合性の向上が確認された（図２）。
１）平田、島谷、田口：第 56 回応用物理学関連連合講演会 講演予稿集 No.0, p. 24 (2009).

―31―マイクロスポット大気圧プラズマ源を用いた再生治療―

培養細胞を用いたプラズマ照射実験―

筒井千尋、平田孝道、坂谷祐一郎、森 晃、堀井敦史、山本俊昭、田口 亮

我々は生体への熱的かつ電磁的ダメージが極めて低いマイクロスポット大気圧プラズマ源を用いた生体組織・細胞への直接照射を行い、再生治療も視野に入れた“プラズマ医療”に関する基礎実験及び評価・分析を行っている。1,2) 今回は、培養細胞へのプラズマ照射を行い、増殖状態の違いについて評価を行った。
実験装置の概要を図１に示す。プラズマ発生装置
本体は、ガラスキャピラリー（プラズマ発生部の内径：8 mm、先端部の内径：1 mm）内にタングステ
ン線（直径：1 mm）を導入し、外部に筒状グラン
ド電極を設置した同軸状構造である。プラズマ発生
条件は、印加電圧：5-9 kV、周波数：1-3 kHz であり、ヘリウム（He）ガス流量：1-1.5 Ｌ/min、、照射
距離：5-10 mm、プラズマ照射時間：1-300 sec である。実験は、培養容器（ポリプロピレン製）上にマ

図１

ウス繊維芽細胞（NIH3T3）を含有した培地を展開し、プラズマイオン照射処理を施した場合と未処理の場合について行った。更に、プラズマ処理を施した培養容器を CO2-インキュベーター（培養条件：温度：37℃、CO2 ガス濃度：5％）に導入し、長時間培
養と光学顕微鏡による直接観察を行った。

図２

He ガスのみをフローさせた場合、培地内でのガス撹拌に起因した細胞の浮遊化が促進されたた
めに細胞の成長が阻害されている［図２(a)］。一方、プラズマを発生させた場合、細胞の浮遊化が殆んどみられず、順調に増殖することが判明した［図２(b)］。したがって、プラズマ電界もしくは培地表面へのイオン／ラジカルの衝突等による相互作用が細胞内の成長因子増殖に大きな影響を及ぼしていると考えられる。
１）T. Hirata et al., 19th MRS-J Academic Symposium, I-10-I (2009).
２）T. Hirata et al., The 6th Asia-Pacific Int. Sympo. on the Basic and Appl. of Plasma Technol. (2009).

―32―

マイクロスポット大気圧プラズマ源を用いた再生治療―
森

培養細胞を用いたプラズマ照射実験―

晃、平田孝道、筒井千尋、横井由貴子、堀井敦史、山本俊昭、田口 亮

我々は生体への熱的かつ電磁的ダメージが極めて低いマイクロスポット大気圧プラズマ源を用いた生体組織・細胞への直接照射を行い、再生治療も視野に入れた“プラズマ医療”に関する基礎
実験及び評価・分析を行っている。1,2) 今回は、培養細胞の増殖結果との比較を行うために、人工的に皮膚の火傷を発生させた小動物へのプラズマ照射を行い、照射患部の治癒状態について評価を行った。
マイクロスポット大気圧プラズマ源のプラ
ズマ発生条件は、印加電圧：8 kV、周波数：3-6 kHz であり、ヘリウム（He）ガス流量：
1-1.5 Ｌ/min、照射距離：5-10 mm、プラズマ
照射時間：90 sec である。照射実験に用いた小動物は、ラット（種：ウイスター、飼育状
態：無菌、性別：オス）及びミニブタ（性別：メス）であり、ガス麻酔による無意識下状態
にて実験を行った。照射対象となる皮膚の火
傷は、手術用電気メスを用いて形成した。
ラットを用いた火傷患部へのプラズマ照射
実験を図１(a)、サーモグラフを用いた体表面
温度の測定結果を図１（ｂ）に示す。照射部

図１の温度は、40～45℃程度であり、火傷を起こす温度には到達していないことが判明した。また、火傷形成直後の写真を図１（ｃ）に示す。ここで、火傷はラットの背骨を挟んで左右に形成し、右側のみにプラズマ照射を行った。図１（ｄ）は６日目の患部観察写真であり、照射対象部位には外傷性火傷や感電的負傷に起因した痕跡が見当たらないのみならず、一部の皮膚には治癒に起因した白色の痂皮（かさぶた）が形成されていることも判明した。ミニブタを用いた実験、並びにプラズマ照射と細胞成長因子の関連性については、講演にて報告する。
１）T. Hirata et al., 19th MRS-J Academic Symposium, I-10-I (2009).
２）T. Hirata et al., The 6th Asia-Pacific Int. Sympo. on the Basic and Appl. of Plasma Technol. (2009).

―33―

シリコンナノ科学研究センター―35―

シリコンナノ科学研究センター概要
センター長 丸泉琢也
シリコンナノ科学研究センターでは、平成 21 年度に文部科学省私立大学戦略的研究基盤
形成支援事業「次世代 LSI に向けた新機能シリコン系ナノ電子・光・スピンデバイスの創出」プロジェクトの採択を受けた。本研究プロジェクトは、実験研究を主とする『新機能シリコンフォトニック・スピンデバイスの創製とＬＳＩ化に向けた研究（新機能デバイス
プロジェクト）』と、シミュレーション研究により実験研究の加速・支援を目指す『シリコンナノシステムの計算科学（計算科学プロジェクト）』の２研究テーマで構成され、学内研究者１４名、学外研究者９名、計２３名の体制でスタートした。
新機能デバイスプロジェクトでは、歪みエンジニアリングを活用し、現行シリコンデバ
イスより一桁高い移動度が達成できる超高速電子デバイスとそのＣＭＯＳプロセスの開発を行う。あわせて通信波長域の室温ＥＬ発光デバイスとの融合による光インターコネクト
開発を目指しており、現行の電子デバイスの高性能化ニーズに直接応えるとともに、融合型デバイスの実用化を目指すものである。さらに、スピン FET の動作実証は、スピン流の創出とその制御に根ざした極めて基礎的な研究を集約するものであり、材料、界面制御における基礎技術の進展が大いに期待できるものである。
一方、計算科学プロジェクトでは、新機能デバイスプロジェクトで研究開発を進める電子・光・スピンデバイスのシミュレーションプラットフォームを、実験結果との検証を通じて構築する。デバイス微細化による量子効果、チャネル歪み効果、スピン注入拡散効果、
量子ドット発光特性など、夫々のデバイスに固有なモデル化とシミュレーション機能の開発を進め、シリコンナノシステム統合設計・開発環境の構築を目指すものである。
さて、平成 21 年度はプロジェクト初年度となるため、10 月 13 日に、中村英夫学長をはじめ、学内外から多数の研究者と関係者を招き、第１回シンポジウムを盛大に開催した。
本シンポジウムでは、新機能デバイスプロジェクトと計算科学プロジェクトの各テーマについて、研究概要を担当者が説明するとともに、プロジェクトテーマ分野の著名な研究者による招待講演３件を行った。因みに、東京大学大学院工学研究科の和田一実先生には、「シ
リコンフォトニクス」、東北大学金属材料研究所の前川禎道先生には、「ナノサイエンスとスピンエレクトロニクス」、日立製作所中央研究所の鷲尾勝由博士には、「次世代準ミリ波
無線通信システムに向けた低電力 SiGe HBT と回路技術」と題して、最先端の研究成果についてご講演いただいた。今年度のシリコンナノ科学研究センターでの具体的な研究成果に関しては、本冊子に纏められた各担当者別の研究報告をご覧いただきたい。
最後に、中国科学院半導体研究所光電子集積化研究室で、平成 21 年 7 月に学位を取得した徐学俊博士を、大学事務局のご支援により、10 月 1 日から本センターのポストドクターとして迎えることができた。本センターで強化すべき分野のひとつである光デバイス研究分野で貴重な戦力補強ができた事を報告する。

―37―

シミュレーションによる量子･ナノデバイスの研究
工学部電気電子工学科
量子・ナノデバイス研究室 丸泉琢也
１．はじめにシリコンナノ科学研究センターでは、Ⅳ族半導体ヘテロ構造を利用する量子・ナノデバイスの研究開発を進めている。本研究では、材料、プロセス、デバイスの各階層にわたるシミュレーション技術を活用し、これ
ら量子・ナノデバイスの開発を支援、加速する事を目的としている。具体的テーマとしては、第一原理計算による STM/STS(Scanning Tunneling Microscopy/Scanning Tunneling Spectroscopy)シミュレーション、高誘電率ゲート絶縁膜の熱安定性解析、シリコン・絶縁膜界面の構造、安定性解析など、また、結晶塑性解析によるナノスケール MOS の応力・転位分布解析など多岐にわたる。本報告では、昨年度研究成果のあがったシリコ
ン表面におけるドーパント不純物原子のクラスタリングに関する解析について報告する。
２．不純物ドーパントのクラスタリング
導電性を高めるためにシリコン半導体に導入されるドーパント不純物に関しては、従来のイオン注入法にかわり、より低エネルギーで高濃度な導入が可能となるプラズマドーピング等の新手法が開発され、ソース、ドレイン領域の浅接合形成等への応用が図られている。一方、これらの方法により導入された不純物は、高濃度であるため、シリコン中で凝集し、クラスタ構造をとることが知られているが、キャリア生成への影響、表目
近傍での安定位置・安定構造等に関しては、未だ未だ不明な点が多く、ドーパントの表面偏析現象と並んで重要な課題の一つである。本研究では、ボロン（B）原子クラスタについて検討を進めた。さて、B 原子は高ドーズ時には B6、B12 等のクラスタ構造として存在する事が知られている。単体原子は最表面から 2 層目に安定位置を持つ事が実験、計算両面から知られているが、クラスタ構造での安定位置に関する報告は無い。本研究では、Si(001)-c(4×4)表面 Si９層並びに Si20 層スラブモデル（右図１）を用い、
icosahedral B12 と cubo-octahedral B12 の中心位置を、表面 2 層目から 5 層目まで変え、クラスタ安定位置を求めた。この、結果、cubo-octahedral B12 は最適化による形状変形や icosahedral B12 への変形が見られたため表面近傍では安定に存在しにくく、B12 はicosahedral B12 の形状で中心が 4 層目にあるとき最安定であるとわかった（図２）。
この理由としては、B12 クラスタを収納する V5 空格子のサイズが、第 4 層目でク
図１ Si(001)-C(4x2)
ラスタサイズに最適フィットするためであると考えられる。
スラブモデル
３．今後の進めかた
本研究では、Si 界面でのドーパント不純物のクラスタリ
ングを検討したが、総研で現在実験が進められている Geに関しては、Si と異なる表面偏析の現象が見つかってきている。今後は、材料を Si から Ge に変え、また面方位も(001)
面に限定せず、歪電子デバイスやスピンデバイスでの応用が期待される(111)面に関して、表面偏析の現象やクラスタリング現象の解析を進める予定である。
本研究の一部は文部科学省科研費基盤研 C(20560025)
並びに私立大学戦略的研究基盤形成支援事業の助成を受けて実施した図２ B12 クラスタの Si 表面深さ方向の安定性

４．関連研究成果
1) S. Ito , T. Maruizumi, and Y. Suwa, 13th International Workshop on Computaional Electronics、“Stable position of B12 cluster near Si(001) surfaces and its STM images”(IWCE 2009), pp305-308, Beijing, China(2009).
2) 第 70 回応用物理学会学術講演会(富山)：伴井香苗、丸泉琢也、野平博司“第一原理計算による Si 中の As
ドーパントの XPS 解析 ”
、伊藤俊祐、丸泉琢也、諏訪雄二“Ｓｉ表面近傍におけるボロンクラスタの安定位置とそのＳＴＭ像（２）” 、第５７回応用物理学会関係連合講演会（東海大学）伊藤俊祐、丸泉琢也、
諏訪雄二“Si 表面近傍におけるボロンクラスタの安定位置（３）”。
3) 佐藤満弘、大橋鉄也、丸泉琢也、北川功、日本機械学会論文集（A 編）、“不純物がドープされた ULSI
セルに生じる転位の結晶塑性解析”、75､1057(2009)。
―39―

上位レベルからのシステム LSI 設計支援技術（瀬戸謙修）

高位合成はプログラミング言語等で記述されたアルゴリズムから、ハードウェアを短時間に自動出力する設計技術であり，集積回路の設計期間を短縮する技術として使われつつある．しかし，ソフトウェアで用いられるアルゴリズムをそのまま合成しても，出力されるハードウェアの処理速度が不十分であることが多い．したがって、十分な速度を持つハードウェアを得るには，入力となるアルゴリズムに対して，手動でタスクレベルの並列化など最適化を適用する必要がある．このステップには時間がかかり、誤りが混入しやすい
ため、結果として，高位合成の利点が損なわれ，設計期間が長期化してしまう問題点が存在する。効果的なタスクレベルの並列化手法の一つに，複数の関数呼び出しをオーバーラ
ップして同時並列的に実行させるタスクレベルパイプライン化がある．本研究では、C ベース言語で記述されたアルゴリズムに対し，タスクレベルパイプライン化を自動で行うことを目指し，タスクレベルパイプライン化の手順を体系的にまとめた．
出力は並列化 C 記述である．
提案するタスクレベルパイプライン化手法の入力は C 記述，
タスクグラフ生成で，タスク間の依存関係を解析後，タスクグラフを生成する．FU アロケーションでは，FU(Function Unit, 機能ユニット)の種類と数を決定する．スケジューリン
グでは，FU アロケーション結果を基にタスクグラフのパイプラインスケジューリングを行う．その際、命令レベルのパイプライン化技術である、モジュロスケジューリングをベースとした。FU バインディングでは，FU にタスクを割り当てる．BM(Buffer Memory, バ
ッファメモリ)アロケーションでは，BM の数を決定する．BM バインディングでは，中間配列に BM を割り当てる．最終的に，コード生成ステップで，並列化 C 記述を出力する．
提案するタスクレベルパイプライン化手法の効果を検証するために，JPEG エンコーダのC プログラムに提案手法を適用した．提案手法の適用前，適用後それぞれのハードウェア合成結果について速度・面積を比較することで，本手法によるハードウェアの高速化の効果と面積への影響を検証した．実験に用いた JPEG エンコーダは，Independent JPEG Group（IJG）の提供する JPEG エンコーダの C プログラムを簡単化したものである．行数は約2300 行である．JPEG エンコーダのメインアルゴリズムを入力記述，パイプライン化されたアルゴリズムを出力記述とする．動作合成には“Sharp Bach System”を用い、動作合成結果は“Mentor Graphics ModelSim”を用いて論理検証し，論理合成には“Synopsys
Design Compiler”を用いた．論理合成用ライブラリとして，“Oklahoma State University
FreePDK ver.2.7”(TSMC の 0.18 μm)を用いた．以上のツールを用いて，JPEG エンコーダを 100MHz で動作する ASIC としてハードウェア合成した．
実験対象とした JPEG エンコーダは，4 種 24 個のタスクを持つ．関数 block()，dct()，
quantize()の処理サイクル数は一定である．関数 encode()の処理サイクル数は入力データにより変化するため，平均値を用いた．パイプライン化されていない状態でのタスクグラフのスループットは，3076 サイクルである．スケジューリングの単位サイクル数を 65 サイ
クルとしてスケジューリングを行い、パイプラインカーネルを得た．パイプライン化しな
い場合 3076 であったタスクグラフのスループットが，パイプライン化により 1560 サイク
ルとなり，スループットが約 1/2 となる．したがって，約 100％の性能向上が期待できる．
JPEG エンコーダのハードウェア合成結果をもとに速度を比較すると，提案手法の適用後には約 81％の性能向上が見られる．100％に届かなかったのは，関数 encode()の処理サイク
ル数がスループットを上回ることが発生したためだと考えられる．一方，面積を比較すると，提案手法の適用後では面積が約 19％削減された。

―40―

選択的イオン注入法による一軸性歪み Si/Ge ヘテロ構造の開発
総合研究所シリコンナノ科学研究センター

澤野憲太郎【研究背景、目的】
これまで半導体技術は素子の縮小化によって発展を遂げてきたが、近年その縮小化に物理的限界が近づき、新たな技術革新が必須となっている。その中で、歪み Si/Ge ヘテ
ロ構造が注目されており、本研究では、新規な歪み制御技術を開発した。具体的には、
イオン注入法による選択的欠陥導入を行い、SiGe 層における歪み場分布の面内任意制御
および異方性歪み場の実現を目指した。
【研究手法】
手法の概略を図1に示す。まず、Si基板表面にマスクを用いて選択的イオン注入を行い、局所的に結晶欠陥を導入する。その後にSiGe層を成長させると、SiGeはSi基板に格子整合して2軸圧縮歪みを有することになるが、欠陥が導入された領域においては、Si/SiGe層界面に転位が発生し、SiGe層の歪み緩和が生じる。つまり、同一のSi基板上に、
図 1 選択イオン注入法の模式図
歪みを有するSiGeと緩和した SiGeが同時に形成される。
【研究成果】
Si基板上に数μm幅のストライプ・パターン状に選択的イオン注入を行った試料において、顕微ラマン分光法によって、面内歪み分布を詳細に調べた結果、パターンに沿って歪みの異なる領域が明瞭に観察された（図2）。同一な層であるにもかかわらず、横方向に歪み分布を実現した例はこれまでになく、本手法のユニーク性が顕著に示された結果である。
図 2 選択的イオン注入法にこれをさらに詳細に調べるために、X 線回折逆格子空間マッより形成した SiGe 層のラマ
ンマッピング像。
ピング測定によって評価した（図 3）。X 線の入射方向がラインに平行な場合と垂直な場合で、SiGe 層の回折ピークの位置が大幅に変化することが観測され、方向に依存した歪み状態が確認された。より詳細なピーク値の定量評価により、2 つの方向で約 40%も歪み緩和率が異なることが示され、一軸性歪みが本手法によって実現できることが実証された。さらにこの歪みの非対称性は、パターンのライン幅に強く依存することを系統的に示した。
これらの結果は、本技術が今後の Si/Ge へテロ構造ローカル歪みデバイス実現へ向けて非常に有望であることを示している。
【関連投稿論文】[1] “Introduction of Uniaxial Strain into Si/Ge
Heterostructures by Selective Ion Implantation” K. Sawano et al.,Applied Physics Express 1, 121401 (2008). [2] “Local Control of
Strain in SiGe by Ion Implantation Technique”, K. Sawano et al.,Journal of Crystal Growth 311, 806 (2009). [3] “Formation of
Uniaxially Strained SiGe by Selective Ion Implantation Technique”,
K. Sawano et al., Thin Solid Films 518, 2454 (2010).

―41―

図 3 一軸歪み SiGe の XRD マッピング像。(a)パターン垂直入射 (b)パターン並行入射

夏

金松

(総研)

Silicon-based light emitting devices based on Ge quantum
dots in optical microcavities
Ge self-assembled quantum dots, which can be easily grown on Si wafer by epitaxy on Si wafer,
have the advantages of full compatibility to current CMOS technology and light emission in thetelecommunication wavelengths (1.3 to 1.6 µm). Light emission from Ge self-assembled quantum dots
is lack of efficiency and spectrum purity, especially at room temperature. In our research, Ge dots
were embedded into various optical microcavities in order to enhance the light-emitting properties. In
last year, we have achieved the following results.
1) We succeeded in the fabrication of current-injected Si-based light emitting devices based on
photonic crystal microcavities with Ge dots. A p-i-n junction was embedded into the device for currentinjection. The alignment between multiple steps of electron beam lithography (EBL) was carried out
by using novel marks formed lift-off of HfO2. The fabricated devices was shown in Fig. 1
2) Room temperature electroluminescence (EL) spectrum from the Ge dots in microdisk under DC
biases shows obvious resonant light emission. The observed whispering gallery modes (WGMs) are
confirmed by FDTD numerical simulations. The quality factors of the resonant peaks are in the rangeof 60 to 100 which is smaller than that of PL devices. The decrease is due to the optical energy loss
induced by free carrier absorption in highly doped region and light scattering at the metal
arms. Dependence of the luminescence intensity on the injected current shows a superlinear increase
which is similar to the phenomenon observed in photoluminescence measurements. The reason isassumed to be relative to the high carrier density in the disk at large current. The room-temperature
EL spectrum was shown in Fig. 2.
3) Photonic crystal wire (PhW) microcavity with one Ge dots layer was fabricated and tested. A single
major sharp peak was observed at 1.3 µm at room temperature showing a single mode operation isachieved, which is an important progress compared to previous results. The measured spectrum wasshown in Fig. 3.

Fig.1 Photonic crystal EL device

Fig.2 Resonant RT EL

Fig.3 RT PL from PhW L1 cavity

1) “Current-injected Si microdisk with Ge self-assembled quantum dots”, Jinsong Xia, Seiji Fukamizu,
Noritaka Usami, Yasuhiro Shiraki, the 2nd Photonics and OptoElectronics Meetings (POEM 2009),
Wuhan China, 2009.08.10 (invited talk)2) “Si-Based Light Emitting Devices Based on Ge Self-Assembled Quantum Dots”, Jinsong Xia,
Ryuichiro Tominaga, Noritaka Usami, Yasuhiro Shiraki, 2009 International Symposium on Crystal
Science and Technologies, Kofu, Japan, 2009.12.04 (invited talk)3) “シリコンフォトニック結晶ナノ共振器導入Si系電流注入型発光デバイス (30 分)”, J.S. Xia, R.
Tominaga, N. Usami, Y. Shiraki, 2009 年春季 第 56 回応用物理学関係連合講演会, 31p-ZT-7, 筑波大
2009.03.31―42―

SiGe Resonant-Cavity-Enhanced (RCE) Waveguide Photodetector
総合研究所

徐 学俊

1. Introduction
SiGe-based photodetector (PD), which can expand the wavelength to 1.30 to 1.55 µm range, is one of the mostimportant components in silicon photonics. PD with a waveguide configuration can be easily integrated with othersilicon photonic devices. Combination of resonant cavity and waveguide structure can reduce the device
dimension significantly. The resonant-cavity-enhanced (RCE) PD can completely circumvent the trade-off between
device responsivity and speed.
2. Fabry-Perot Cavity RCE Waveguide PD
The SiGe material is located between two mirrors in a Fabry-Perot cavity. In this way the quantum efficiency(QE) can be significantly enhanced even the absorption coefficient of SiGe material is very low or the absorption
length is very short.

Schematic diagram of FP cavity RCE waveguide PD and its wavelength response

The peak QE versus the reflectivity of the two mirrors, the absorption coefficient and length of SiGe waveguide

3. Microring Resonator RCE Waveguide PD
The SiGe waveguide PD can also be combined with a single-side-coupled microring resonator. The peak QE isrelated to the coupling efficiency of the bus and ring waveguides, the absorption coefficient and length of SiGe
waveguide.

Figure Left: Schematic diagram of microring RCE waveguide PD;
Figure Middle: Compared to FP cavity, the microring resonator can absorb light with desired wavelength, and drop the undesired
wavelength through the bus waveguide. The peak QE is proportional to the extinction ratio of the throughput port;
Figure Right: Multiple microrings with different radius can be integrated together to form a WDM receiver. Each ring can detect only
one wavelength, and the other wavelengths are transmitted to the next ring.

―43―

自動車エンジン研究室―45―

自動車エンジン研究室
自動車用エンジンによる環境負荷低減のための研究を推進している。
自動車エンジン研究室では、
平成２１年度は日産自動車株式会社をはじめとする８件の受託研究、日野自動車株式会社との共同研究および戦略的大学連携支援事業の一部を実施した。これらの概要を以下に述べる。
受託研究は大きく３テーマに大別される。
ひとつはピストンの摩擦損失低減に関する研究である。現在、地球温暖化の主要因と目される二酸化炭素排出量の削減は自動車用エンジンにおいても急務である。エンジンの二酸化炭素排出量削減のために燃費向上が重要であるが、ピストンの摩擦損失低減はこれに貢献できる方策のひとつである。今年度は主に、摩擦損失低減のためのピストン設計指針を得るべく、ピストン設計諸元と摩擦損失の関係の明確化にとりくんだ。これにより、ピストン摩擦損失低減のためのいくつかの方向性を示すことができた。さらに本研究を実施することにより、現在の摩擦力測定装置の改善すべき
課題を明確にすることができた。
二つ目のテーマは、エンジンのオイル消費低減に関する研究である。前述のピストンの摩擦損失低減のための方策は、オイル消費の増加を招くことが多い。一方でオイル消費は、排気中の粒子状物質の増加、排気後処理装置の目詰まりおよび使用者の経済的負担増加を引き起こすため、低減の必要がある。今年度は、オイル消費に対して寄与度が高い現象の一つであるエンジン実働時のシリンダボア形状の測定を行った。これにより同一シリンダブロック内でも、エンジン実働時のシリンダボア形状は、気筒毎に大きく異なることが分かった。さらにオイル消費の測定に関しては、その測定精度を大幅に向上させることに成功した。
三つ目のテーマは、ピストンピン周りの潤滑状態の改善に関する研究である。ピストンピン軸受
は、エンジン中の全ての軸受中、最も面圧が高く、雰囲気温度は高く、かつ摺動速度が低いため、最も厳しい潤滑状態で使用される。ここで、エンジンの小型軽量化および高出力化は燃費の改善に有効な手段の一つであるが、これによりピストンピンに作用する荷重および熱負荷がさらに厳しくなる傾向にある。そのため当該部の潤滑状態の解明が強く望まれている。然るにピストンピン周りの潤滑状態は、その測定が困難なため、いまだ不明な点が多い。そこで今年度は、潤滑状態の指標としてピストンピン／ピンボスベアリング間の摩擦力測定を行い、その測定精度の向上にとりくんだ。その結果、摩擦力が小さいため従来は測定が困難であったＤＬＣ皮膜を有するピストンピンの摩擦力測定が可能となった。
日野自動車との共同研究および戦略的大学連携支援事業の一部では、水素エンジンバス運行のための技術的課題解決を取り上げた。
今年度は、総走行距離１万ｋｍを越す実路走行実績を積み重ね、その間にエンジン不具合が発生しないことを確認できたほか、寒冷地での水素エンジン利用時に発生する問題点の検出を行った。環境室での試験により、本車両は－１０℃までエンジンは始動することが分かった。また防寒処置が必要な部品を明確にすることができた。

２０１０年 ５月
自動車エンジン研究室
伊東 明美

―47―

ガソリンエンジンのピストンスカートプロフィルが摩擦損失に及ぼす影響
伊東 明美
自動車用エンジンの二酸化炭素排出量削減のために燃費向上が重要であるが、ピストン周りの摩擦損失低減はこれに貢献できる方策のひとつである。特にガソリンエンジンでは、使用運転域に置ける摩擦損失の占める割合が大きく、ピストン周りの摩擦低減は燃費向上に有効である。ピストン周りの摩擦低減は、ピストンリング部とピストンスカート部の摩擦低減に大別される。本研究はピストンスカート部の摩擦低減を取り上げた。
ピストンスカート部摩擦損失低減のため、当該部の摺動面形状最適化が有効である。摺動面形状を最適化する際のパラメータは、ピストンスカート部のプロフィルおよび剛性である。しかし摩擦損失低減のための施策は、基本となるピストンの潤滑状態により方向性が異なってくる。そのため
本研究では、基本となるピストンの潤滑状態の確認およびそれに対する摩擦低減策の検討を行った。
摩擦力の測定により、本ピストンでは、図１に示す
ようにピストンスカートの低剛性化は摩擦低減に有効であることがわかった。ピストンスカート部の油膜可視化により、スカートの低剛性化は当該部油膜厚さを均一にし、局所あたりが回避されること、またエンジン実働中のスカート部変形
により、スカート下端から摺動面への潤滑油供給が促進されていることがわかっ
図１ ピストンスカート剛性が摩擦力に及ぼす影響た。
そこで低剛性スカートの実働中の摺動面形状を模したプロフィルを高剛性ピス
トンスカートに適用し、摩擦力の測定を行った。その結果を図２に示す。低剛性
ピストン実働時のプロフィ
ルを模したピストンの摩擦力を青線で示す。これにより剛性が高くても、スカー
トプロフィルの最適化により摩擦力を低減できることが分かった。
図２ ピストンスカートプロフィルが摩擦力に及ぼす影響―49―

シリンダブロックのボア変形がオイル消費に及ぼす影響
伊東 明美
エンジンの二酸化炭素排出量削減のために燃費向上が重要である。ピストンの摩擦損失低減
はこれに貢献できる方策のひとつであるが、一方でオイル消費の増加を招くことが多い。オイ
ル消費は排気を悪化させるため、低減の必要がある。エンジンの開発段階におけるオイル消費の評価は実験のみに頼っているのが現状であり、机上評価手法の確立が期待されている。オイル消費に高い寄与度を持つ現象の一つに、エンジンのシリンダブロックのボア変形が挙げられる。しかし、その測定の困難さから、ボア変形がオイル消費に及ぼす影響の精度よい解析は行われていない。そこで本研究では、ボア変形部からのオイル
消費メカニズムの解明を最終目的とし、今年度は、
エンジン実働時ボア変形の気筒毎測定および十分な測定精度を有するオイル消費測定手法の検討を行った。
エンジン実働時のボア変形は、古浜らにより開発された回転ピストン法により測定された。供試機関には日産自動車製ＱＲ２０を使用した。
図１に測定に使用した回転ピストンの概略を示す。隙間センサーを埋め込んだクラウン部は、軸受を介してその他の部分に連結されており、実働中に回転させることができる。
図２に代表測定例を示す。＃３気筒と＃４気筒では、エンジン実働中のシリンダボア形状が大きく異なることが

図１ 回転ピストン外略図

図２ ボア変形測定例(3000rpm)分かる。
図３ S－トレース法
気筒毎のオイル消費は、Ｓ－ト
レース法により測定された。測定原理を図３に示す。硫黄分を含まない燃料を用いてエンジンを運転し、高濃度の硫黄を含むオ
イルを潤滑に使用すると、エンジンの排気中に含まれる硫黄分は全てオイル由来のものとなる。
その濃度を調べることにより、オイル消費量を測定することができる。今回、測定精度に影響を及ぼす要因を解析し、これを排除することにより、図４に示すとおり、測定精度を大幅に向上させることに成功した。図５に＃３気筒と＃４気筒のオイル消費を示す。概ね変形の大きい＃３気筒のほうが＃４気筒よりオイル消費も多いことが分かる。
オイル消費に寄与度の高いボア形状上の特徴について、次年度以降、解析を行いたい。

―50―

改善前

改善後

図４ 測定精度改善効果

図５ ＃３、＃４気筒オイ
ル消費比較

ピストンピンボス軸受の潤滑状態に関する研究伊東 明美
自動車用エンジンの燃費向上のためにエンジンの軽量化および高出力化は効果的な施策である。
エンジンの軽量化のため軸受幅は低減される傾向にあり、このことは軸受の面圧を増加させている。
さらに高出力化により軸受の面圧はさらに増加し、当該部の摺動条件は悪化する傾向にある。
ここで取り上げるピストンピンボス軸受は、エンジンの主軸受およびコンロッド大端部軸受と比較して、面圧、雰囲気温度、供給油量、摺動速度の点で摺動条件が過酷である。さらに他の軸受と異なり、最近のエンジンではピストンピンがコンロッドおよびピストンの双方に摺動方向に固定されないため摺動速度を幾何学的に求めることができず、理論解析手法も確立されていない。
そこで本研究では、ピストンピンボス軸受の潤滑状態を向上させることを目的に、潤滑状態の指標として当該部摩擦力測定精度の向上に取り組んだ。
ピストンピンボス軸受の摩擦力は図１に示す装置により測定された。従来の測定結果
は、理論的に説明が不可能な出力が観察されていたため、測定精度に影響を及ぼす要因の解析を行った。測定装置に
図１ ピストンピンボス軸受摩擦力測定装置
作用する慣性力およびその他の外乱を理論的に算出し、測定された結果を補正することで、理論的に妥当と思われる出力が得られるようになった。本手法を用い、従来、摩擦力の値が小さいため測定が不可能であった DLC 皮膜つきピストンピンの摩擦力測定を行った。図２に示すとおり、標準ピン（TEST3）と DLC 皮膜つきピン（TEST5）は定性的には同様の傾向を示し、妥当と思われる摩擦力波形を得ることができた。

図２ 標準ピンと DLC 皮膜つきピンの摩擦力比較―51―

水素エンジンバスの実用上の問題点に関する研究
伊東 明美
化石燃料の枯渇や二酸化炭素排出量削減の要求に対し、自動車用エンジンの燃料は多様化している。ここでとりあげる水素燃料は、プラント等で得られる副生水素を利用する場合には、製造時に要するエネルギーも小さく、多様化する燃料の一翼を担うことができると考えられる。
水素燃料は、燃焼により水以外の物質を排出しないクリーンな燃料である。これを車両に使用した場合、化石燃料と比較して、画期的な排気浄化が可能である。また電気自動車と比較し、より長い航続距離が期待できる。さらに燃料電池と比較して、水素の純度は低くても問題なく、また既存の技術を転用できるため開発コストおよび製造コストの面で安価に車両の製造が可能である。
そこで本研究は、水素エンジンの実用化を最終目的に、実用上発生する問題点の把握を進めている。今年度は、既に開発済みの水素エンジンバスを用い、寒冷地での運転により発生する問題点の把握およびその対策の検討を行った。
寒冷地試験は、日野自動車株式会社所有の環境試験室にて実施した。試験は、車両を雰囲気温度－１０℃、－１５℃および－２０℃に一晩放置した後、始動性および始動後に発生する問題点の検出を行った。
その結果および対策案を表１に示す。－１０℃まではエンジンは始動可能であるものの、エンジン吹き上がり不良により、約４分間の暖気運転を要することが分かった。またエンジンの燃焼室からのブローバイガスを吸気管に戻す経路に設けられたオイルセパレータ内で水分が結露し、これを閉塞する傾向が見られたため、対策を要することが分かった。また－１５℃以下ではエンジンは始動しないことが分かった。

表１ 寒冷地試験結果
No.

重要度

現象

推定原因

1

◎

・バルブ保証温度ワンナップ
燃料供給レギュレータバルブの作 バルブメーカ保証温度（－１０℃）
・保温強化（断熱材、ヒータ、
動不良（－１０℃にて）以下での使用
冷却液循環など）

2◎

オイルセパレータ内結露水過多
および凍結による閉塞

排気中の水分過多

3◎－１５℃以下で始動せず（初爆あり）

寒冷地運転に対し、空燃費および点火時期アンマッチ
DC-DCコンバータ過負荷判断（１６V以下）4◎

失火後再始動時にアフターファイ 失火により排気管に滞留した水
ヤ発生
素に再始動時着火

5

○

冷却液漏れ
（改造部ホース/パイプ締結部）

冷却によるホース収縮により緊縛
ホースバンド形状見直し等
力低下

6

○

エラー表示：
H2リークディテクター異常バッテリー電圧低下

―52―

対策案

・更なる保温強化（断熱材、ヒータ、冷却液循環など）
・ブローバイガス量低減
寒冷地マップ追加
・寒冷地向けバッテリーに変更
・閾値１６Vの見直し
失火後再始動時に排気管内掃気モード追加

寒冷地向けバッテリーに変更

重点推進研究―53―

首都圏鉄道路線の地震時システムリスク解析
重点推進研究 地震リスクマネジメント研究室 吉川弘道

地震時システムリスク解析
首都圏は，高度に発達した都市内鉄道路線により，多くの通勤通学者が都市中心部に移動する．強震時には多大な地震災害が想定され，首都圏におけるインフラ機能の損失が懸念される．
鉄道路線は線状構造のため構造施設 1 か所の損傷により，路線全体に亘る機能停止を招くが，一方では，首都圏には複数路線が存在し，互いの機能停止を補完し，ある程度の冗長性も有する．平成 21 年度にて，システ
ム信頼性理論と最先端地震危険度解析により，地震時システムリスク(Seismic System Risk)に関する解析手法を構築し，解析プログラムのプロトタイプを完成した．
Phase0:対象路線の設定
路線の経路・位置
路線上の構成施設

Phase2:対象路線のシステム解析
ユニット数
ライン数
ルート検索

Phase1:地震危険度解析（シナリオ地震の地震動解析）
各施設の緯度・経度
施設位置での地盤種別と地盤増幅率
施設位置での最大地震動（PBA)

Phase3:構成施設の脆弱性評価
耐震性能（P-δ曲線）
フラジリティ曲線（中央値と標準偏差）

Phase4:システムリスク解析
復旧曲線（D曲線，TL曲線）
ボトルネック指数
地震イベントリスク曲線

地震時システムリスク解析の出力：復旧曲線とリスク曲線
対象とする都市内鉄道路線の地震時システムリスク解析により，被災後の復旧曲線（左図），地震リスクイ
ベント曲線（右図），ボトルネック指標の算出，シナリオ地震のリスク評価など，が出力される．これは，システムリスクを定量的に示すことであり，地震リスクマネジメント/SRM と事業継続計画/BCP ための説明性の高い情報を付与すると考える．
0.050

④

100%

NEL（期待値）

0.045

②
32.2日

80%

復 60%
旧
率
40%

PML（90%非超過値）

0.040
累積発生確率（年間）③⑤

シナリオ地震①

年損率 = 0.00023

0.035

0.030
0.025
0.020
0.015
0.010

20%

0.005
0.000

0%
0

0

2

8

4

16

6

24

8

32

10

40

12

48

14

56

0.00

16

64

0.02

0.04

0.06

0.08

損失率（損失額/全ユニット再調達価格）

日数

5 つのシナリオ地震に対する復旧曲線

地震イベントリスク曲線：NEL, PML（横軸：被災後の経過日数，縦軸：システムの復旧率）（横軸：基準化損失率，縦軸：累積発生確率）

―55―

0.10

木造家屋を対象とした免震構造技術の革新と普及
Innovative Refinement of Base Isolation Technology for Light Weight Houses
東京都市大学

総合研究所

教授

西村

功

１．研究開発の目的
本研究課題の対象は、免震構造にとって必須の部材である積層ゴム支承の座屈挙動の解明である。具体的な目標は、積層ゴム支承の座屈挙動を幾何学的非線形と材料非線形を考慮した上で正確に把握し、小型で変形性能の高い積層ゴム支承を開発することにある。
２．研究概要幾何学的非線形を考慮した積層ゴム支承の座屈現象に関する理論研究により、座屈支持能力という観点から積層ゴム支承を考察し、座屈能力を著しく高めた免震構造用部材の開発を目指す。
既に理論研究の成果を基に木造家屋を対象とした免震構造用積層ゴム支承の開発が行われ、国土交通大臣の認定を受けた免震構造部材が開発されている。平成 21 年度は、性能を高め適応範囲を拡大した改良型の検討を行った。平成 22 年度には、実用化を目指した性能確認実験を行う予定で
ある。

写真１

実用化した積層ゴム支承の施工

写真２

振動台実験による変形状況と安定性

３．研究成果一連の研究成果である「高い座屈安定性を有する積層ゴム支承の力学挙動解明と実用化」に対して、平成 21 年 6 月 第 10 回 日本免震構造協会賞（技術賞）が授与された。
４．本年度の発表論文
著者：鈴木敏志、西村功
論文題目： 高減衰積層ゴム支承の安定性に関する実験的研究
日本建築学会構造系論文集

第 650 号 799－806―56―

2010 年 4 月

(1) 小型軽量冷凍機としてパ ルス管冷凍機を選んで、 パ ルス管冷凍機の設計から試作、実験装置の準備、 実験方法、 計測法の検討、 実験の実施をおこない、 第一 目標である蒸発ロスをゼロ化するため大気圧下液体水素蒸発温度 ZOK(-253 ℃)以下の低温 (1 9. 3K( 無負荷時））に 1 段パ ルス管で到達できた。
(2) パ ルス管冷凍機の性能向上手段として、パ ルス波形の最適化がある。 それをロ ー タ
リバルプとステッピングモ ー タとの組み合わせを用いて、 ソフ トプログラム
LabView を利用してモ ー ションコントロ ー ルを行うことでパルス波形の最適化がはかれるツ ー ルを開発できた。
(3) 貯蔵システムで蒸発ゼロ化を示すための蒸発ロス評価用液体水素タンクの設計試作を実施した。
(4) パルス管冷凍機性能向上研究開発に欠かせない シミュレ ー ションができるようになった。
(5)発表論文を作成し、 発表を行った。 彦根昂仁、 池田貴、 山根公高、 松原洋 一 ， 「パルス管冷凍機による液化水素貯蔵タンクのボイルオフ低減の研究 —パルス管冷凍機の開発 — 」、 第28回水素エネルギ ー 協会大会、 平成20年12月11、 12日、
タワ ー ホ ー ル船堀に於いて発表、 主催：水素エネルギ ー 協会
(6) 実用化を固るために， 必要な要素およびシステム研究開発は、進んだがそれを持って企業連合体を組織化することはできなかった。
3. 今後(1)パルス管冷凍機の性能向上：確立した、 モ ー ションコントロ ー ル手法、 シミュレ ーション技法、 熱交換器評価技法、（現在， 既開発プログラムの利用法 研究中）を駆使して、 性能向上実験をおこなう。
(2) 実験用小型液体水素タンクによる現状パルス管冷凍機のシステム性能評価：次ペー
ジに、 すでに設計 ・ 試作実験用液体水素タンクをつかって、 蒸発損失ゼロ化システ
ムとしての研究を進める。
(3) 液体水素タンクボイルオフゼロ化研究の外部共同研究推進：パルス管冷凍機による蒸発損失ゼロ化手法、確立した実験手法に、 鉄道総合研究所やエア ー ウオゥータ社
が大学の研究室に見学にており、 大変興味を示している。

d『�::Heat Inflow------ o.� �19_____, _____ _.,一―.,_. . ..1.Q1%蒸発損失をこうむる熱蘊入量匹加.kP)
液体水素Q

//
19,5

20

20.5

21

21.5

22

22.5

23

Te叩.,●tu,e[l(J

実用的 ， 安価液体水素タンクは ，蒸発捐失約5%程度である

更なる ． 性能向上が必要

真空容器中から取り出し空気に当てた
試作パルス管冷凍櫨
HERC olTCU

図1

試作した1段パルス管冷凍機性能-58-

機器分析室―59―平成２１年度機器分析の利用状況と成果
東京都市大学 総合研究所 吉田 明、新藤 恵美、浜村 尚樹
１． はじめに
機器分析室は全学共通利用施設・設備として武蔵工業大学総合研究所に所属して２年が経過した。平成２１年度の機器分析室利用件数は１機種１日（10:00～17:00）使用を１件として９７１件で、昨年度より１０１件減となった。この原因は７月後半から 10 月前半まで、２０数年間住み慣れた１６号館１階から新２号館（生体医棟）
地下１階に移転し、実質約３ヶ月間休室状態となったためである。機器分析室が１６号館から 2 号館地下に施設されるに至った経緯は、近い将来に１６号館のすぐ裏に、世田谷区が６メートル道路を整備する計画があり、道路が出来れば振動などにより機器分析室の殆どの分析機器は性能がでず使用不能状態になることが明らかになった為である。しかし、移転により稼働日数が減ったことを考慮すると 1 日当たり約 5 台の分析装置が常に稼働していることになり、昨年度より１日あたりの利用率が高いことがわかる。
また、平成 21 年度は２０数年間使用されていたアタッチメント交換複合型の理学電機製強力 X 線回折装置から単機能型の複数機種で構成されているブルカー社の X 線回折装置に更新された。
成果とては、最先端のニーズに応えるためにスタッフ各自が機器分析に関わる研究テーマの 1 つである透過電
顕による電子エネルギー損失スペクトル分析技術が論文として評価された。その他、これまでラマン分光分析法
による Carbon の分析テクニックに関するノウハウを共同研究者であるエネルギー化学科の鏑木教授がトルコ－日本間のカーボンに関するセミナーにおいて「Raman spectroscopy as a tool for characterizing the structure order ofcarbon materials」と題して招待公演を行った。
２．新機器分析室（２号館地下）の設計思想
平成２１年夏に機器分析室は１６号館から新２号館に無事移転したが、機器分析室に設置されている分析機器
は温度、湿度、振動、磁場変動などに敏感で影響される為、新２号館の設計の段階から設計士の方々や設備担当
者や育英会・大学の担当者の方々と事前に電子顕微鏡メーカーの見学や約 1 年間毎週のように打ち合わせを重ねつつ設計施工され新機器分析室が完成された。基本的な設計思想は見学や管理しやすくすることや修理や機器の更新が容易であることなどを考慮し、ガラス張りで個々の分析機器を仕切らないこと、且つ最も設置条件の厳しい透過電子顕微鏡が本来の性能を生かせるような条件のもとに設計をお願いした。部屋の主な構成は真空ポンプ
や循環水を必要とする大型分析機器を設置する第 1 機器分析室と小型分析機器を設置する第 2 分析機器室および試料作製室と管理室となっている。また、第 1 機器分析室は装置を 1 直線に配置し、床の振動防止のため通常の床の厚さより厚くなっている。更に、付属の真空ポンプや循環装置の振動や音波による振動の防止とガスボンベ
や電源ボックスなどを設置する為に第 1 機器分析室の壁裏に機器室を設けているのが特徴である。
３．透過電子顕微鏡に付属した電子エネルギー損失スペクトル（EELS）による多層カーボンナノチューブ中のホウ素分析
平成18年度の私学助成で更新された透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）は日本電子製ＪEＭ2100Fを使用し、TEMによる特にEELS分析の技術的検証を兼ねて、この研究を行った。カーボン特にグラファイトに臭素（ボロン）をドープすることによって特異な現象特性が表れる。しかし、ボロン原子がカーボンやグラファイトの構造の何処に結合あるいはどのような状態で存在するかを分析する手段は少ない。そこで我々は透過電子顕微鏡に付属した
EELSアナライザーを利用しボロンをドープしたカーボンの電子エネルギー損失スペクトル（EELS）を測定することで解析した。試料としては多層カーボンナノチューブをアルゴン気流中、3000度で処理し、その後、窒化
ボロンと共に加熱処理して多層カーボンナノチューブにボロンをドープした。それらの試料について電子エネル
ギー損失スペクトル（EELS）およびボロンの分布等を測定した。その結果、カーボンナノチューブの多層部位にボロンがドープされているが、均一ではなく疎らに存在し、炭素原子と置換して存在することなどが分かった。
（成果論文；Emi Shindou, Naoki Hamamura, Akira Yoshida, Yutaka Kaburagi, Yoshihiro Hishiyama，An
EELS study on individual boron-doped multi-walled carbon nanotube；Tanso（2009）［No.239］162-168．
）―61―

インキュベーション・ラボ
健康・医科学研究室―63―

健康医科学研究室概要―

学術研究と企業の研究の融合で健康・医科学への貢献を！―
健康医科学研究室は、SBI アラプロモ株式会社（http://www.sbi-alapromo.co.jp/）の研究開発部門と連携し、生命の根源物質ＡＬＡの国際的研究拠点として先駆的研究を行っている。現在、７人の研究員が常駐し「ALA(5-アミノレブリン酸)」を有効成分とする医薬品、化粧品及び健康食品の研究開発を行っている。特に化粧品事業、健康食品事業においては、
当研究室で開発された製品が既に上市され、TV、雑誌などに掲載され、話題となっている。

製品ラインアップ
上段左より「ララ・ソロモン」シリーズ「アルサイエンス」シリーズ（美容化粧品）
下段左より「ナチュアラ・ビオ」（健康食品）「はたらくて」(ハンドクリーム)「花蜜」（美容化粧品）

また、医薬品事業においては、ALA の代謝物であるポルフィリンが癌細胞に特異的に蓄積し、蛍光を発生する性質を利用した、がんの光線力学的治療や診断方法の先進的な研究を数多くの研究機関と連携し推進している。
このほか、体内のヘム生合成経路の遺伝的異常であるポルフィリン症の発症機序、診断、治療、ケアーにおける長年の研究成果と SBI アラプロモ株式会社が保有する ALA やポルフ
ィリン類の光学的測定技術を融合させ、ポルフィリン症迅速診断方法の開発にも取り組んでいる。平成 21 年度、SBI アラプロモ株式会社は、厚生労働科学研究費補助金（難治性疾患克服研究事業）において、「遺伝性ポルフィリン症の全国疫学調査ならびに診断・治療法の開発に関する研究」（研究代表者：近藤雅雄）の分担研究（研究協力）として参加し、当研究室において「ポルフィリン症迅速診断システム」を新規開発し、これを公表した。現
在、現場の医師とのディスカッションを基に、実用化を目指している。

―65―

研究報告 尿中ポルフィリンのスクリーニング法の開発
我々は 5‐アミノレブリン酸(5-ALA)を投与して血漿および尿中のポルフィリンを測定することによるがんのスクリーニング法の開発を行っている。
がん細胞は 5-ALA を選択的に取り込み、その結果プロトポルフィリンⅨを蓄積する一方でウロポルフィリンやコプロポルフィリンを高濃度で排泄することが分かってきた。我々は尿検体の蛍光スペクトル解析によってこの尿中に排泄されるポルフィリン量を定量的、簡易的に測定することによってがん患者のスクリーニングが可能であると考えている。
ポルフィリン症は、ヘム生合成経路に関与する 8 つの酵素のいずれかが遺伝的に障害するために中間代謝産物のポルフィリンやその前駆体が異常蓄積することによって起こる一群の疾患群のことを指し、消化器症状や神経症状を特徴とする急性ポルフィリン症と、皮膚症状を特徴とする皮膚型ポルフィリン症に分類される。このうち急性ポルフィリン症では初期診断による誤診率が約 80％と極めて高い。
ポルフィリン症においても尿中にポルフィリン類が多く排泄されること、その病型によって血漿中や尿中で検出されるポルフィリン種が異なることが知られており、我々は、初期診断時に有用なスクリーニングシステムの構築を目的に、尿検体の蛍光スペクトル計測によるポルフィリン症患者の簡易スクリーニング手法を開発した。
実際に、AIP（急性間欠性ポルフィリン症）、CEP（先天性赤芽球性ポルフィリン症）、HCP（遺伝性コプロポルフィリン症）、PCT（晩発性皮膚ポルフィリン症）の４病形のポルフィリン症患者尿検体を用いて蛍光スペクトルを計測した。その結果、いずれの病形においてもポルフィリン特有の蛍光ピークが確認され、健常人尿検体と比較して明確な差が明確な差が確認され、各病型に特徴的なスペクトルが見られた。このことから、本研究で開発したスクリーニング手法は、初期診断時における誤診を防ぎ、適当な初動治療への一助となることが期待される。
尿ブランク.txt

LCO, Dark Subtracted, Variable A(615.00 nm) - Variable B(600.00 nm) = -1687.8000

65,00060,00055,00050,000Relative Intensity

45,00040,00035,00030,00025,00020,00015,00010,000
5,000
0
350

400

450

500

550
Wavelength (nm)

600

650

700

図： 尿中ポルフィリンスクリーニングシステムと、CEP 患者尿の蛍光スペクトル―67―750