都市環境・環境地理学講座

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

Professor

Tatsuya Kawada

We are carrying out basic researches on the technologies which are necessary for efficient use of energy,
e.g. Solid Oxide Fuel Cells (SOFC) and hydrogen production systems, etc. The materials used in thosesystems are studied and optimized on the basis of thermodynamics, solid state chemistry, and electrochemistry.
Associate professor, K. Amezawa, joined since the beginning of this fiscal year, and has expanded theresearch area to in-situ X-ray absorption and the development of new proton conductors. Researches arecarried out in collaboration with other groups inside and outside the university. Collaboration with Universityof Washington was also made through a short stay of graduate student under the support of 21COE program.

研究の分野の概要

雨澤浩史

Associate Professor

Koji Amezawa

Fig. 1 Schematic illustration of s Solid
Oxide Fuel Cell (SOFC)

Fig.2 Gas-solid oxygen exchange at an oxide heterojunction. Visualization of the reaction site by isotope
exchange and secondary ion mass spectrometry.

Fig.3 Proton conductivity of lanthanum phosphate,borate, and silicate.

(a)SOFC 空気極：酸素の動きを見る

当研究室は、固体酸化物燃料電池（SOFC）や水素SOFC の空気極では、導電性酸化物が用いられるが、負透過膜を利用した水素製造など、エネルギー有効利用技術

荷変動に伴う結晶格子の膨張／収縮による界面応力の発生や、Fig.4 Proton conduction
mechanism of phosphatebased materials.

Fig.5 Schematic illustrationof hydrogen production
using Pd membrane.の実用化のための基盤研究を行っている。特に、これらのポテンシャル勾配の連続的印加に起因する形態の変化が耐システムに用いられる材料が、その置かれた環境でどのよう久性／信頼性に影響することが指摘されている。これらの現に振る舞うかを、熱力学、固体化学、電気化学を基礎とす

象は、電極反応時の酸素の輸送経路と密接な関係がある。

る解析によって明らかにすることで、最適な設計に資するこ

そこで、同位体と二次イオン質量分析を用いた酸素輸送経路

また，石油系燃料を用いる小規模 SOFCシステムでは、とを目指している。本年度からは雨澤准教授が着任し、放の可視化（産業技術総合研究所との共同研究）や、放射炭素析出や、起動停止時の酸化還元に耐性のある電極の天然ガスを利用して高純度な水素を製造する膜分離改質

射光を利用した X 線吸収微細構造（XAFS）測定や新規光を利用した X 線吸収微細構造（XAFS）の測定の制御雰囲開発が求められている。昨年度までに、酸化セリアをベース技術の基礎研究を行っている。天然ガスは，改質と精製とプロトン導電体の開発等に研究の幅を広げている。学内外

気／通電下でのその場測定（京都大学、高輝度光科学研とする電極について、等価回路解析の手法を構築し、最適を経て水素に転換されるが、高純度の水素を得るためには、の研究グループとの共同実験を実施するともに、21 世紀究センターとの共同研究）の手法を開発し、電極反応時のな電極構造の設計指針を提案した。本年度はこれを実現す水素のみを他のガスから分離する必要がある。水素分離型

COE「ナノテクノロジー基盤機械科学フロンティア」に参酸素の輸送経路とその影響を明らかにする研究を進めている。

るための速度論パラメータを取得することを目指し、Ni-CeO2

改質器では、水蒸気改質反応とパラジウム系水素透過膜を加し、学生の短期留学を通してワシントン大学とも共同研究

3/
また、これらの手法を用いて、昨年度までに（La,Sr）
CoO（La,複合電極の応答を解析した。（石油産業活性化センターか利用した水素分離とを同時に行うことで、シンプルかつコンを行っている。

2CoO4 ヘテロ界面で気固相酸素交換反応の特異な促進Sr）らの受託研究）

パクトなシステムで、水素を高効率に製造できる。

2007 年度の研究成果効果があることを見いだした。本年度は、この系についてモデ

2. 新しい燃料電池用電解質材料の開発により明らかにした。
（東京ガスとの共同研究）

検討している（NEDOプロジェクト、トヨタ自動車との共同研究）。
3. 水素製造用 Pd 系合金膜の表面反応の解析

当研究室では、Pd 膜上での水素の溶解反応と、それに1. 固体酸化物燃料電池（SOFC）のための高性能／高ル電極を用いた詳細な解析（図２）を進めるとともに、この効果現在、自動車用燃料電池として開発されている固体高分及ぼす不純物ガスの影響を明らかにすることで、より効率よく耐久性電極材料を利用して電極特性が高性能化し得ることを実証した。
この分子形燃料電池（PEFC）は、室温付近で動作し起動・停止水素を分離するためのシステムの開発に寄与している。
（NEDO

燃料電池は火力発電に変わる発電システムとして、ある野の基礎研究は、科学研究費補助金特定領域研究「高温ナが容易などのメリットがあるが、一方、燃料中の不純物に敏プロジェクト）

いは家庭用やオンサイトの熱電気併給（コジェネレーション）ノイオニクスを基盤とするヘテロ界面制御フロンティア」（平成１

感で高純度な水素燃料しか利用できない。これに対して固体

4. 学会活動等システムとして、実用化に向けた研究が行われている。燃料

６年度〜平成２０年度）計画研究「高温固体表面の動的挙動

酸化物形燃料電池は燃料の選択の自由度が大きいが、車載

5 月にウクライナのドネツクで行われた水素エネルギーに関電池は、用いる電解質の種類によってその用途が異なるが、の計測によるnano-NEMCA 効果の検証」
として実施している。

用として用いるには作動温度が高すぎるとされる。このため、する国際会議（Hydrogen Economy & Hydrogen Treat-

酸化物イオン（O2-）を通すセラミックスを電解質とする固体(b) SOFC 燃料極：耐久性向上のための最適設計

特に自動車用燃料電池の本格的な実用化に向けて 300℃〜

ment of Materials "HTM-2007"）で、博士課程後期学生

通常、SOFC の燃料極には、ニッケルとセラミックスの複600℃程度で動作する新たな電解質の開発が待たれている。

（宇根本篤）が膜分離改質に関する基調講演を行い、これな燃料を高効率で利用できるという特長があり、各種の定合体（サーメット）が用いられる。サーメット電極の耐久性にプロトンを導電する無機固体電解質材料は，この領域の用途

により Excellent Scientific Achievement Award

置用コジェネレーションシステムとして期待されている。本年

は、ニッケルの焼結や酸化還元に基づく微細構造の変化がに向けて期待されているが、従来の酸化物をベースとする材した。7月にタンザニアのアルーシャで行われた International

度からは国内でも家庭用／小規模事業所用 SOFC の実負

大きく影響するが、その機構や電極反応抵抗へ及ぼす影響

料は安定性などの面で問題があった。当研究室では、既存

Conference on Electroceramics では、川田が招待講演を荷サイトでの実証研究が開始され、本格的な実用化を目指の詳細は明らかにされていない。本年度は、特に、燃料極材料とは異なる、酸素酸塩ベースの材料を用い、良好な中行った。また、雨澤は、ノルウェーとの学術交流の一環としした研究が加速しつつある。本研究では、コスト低減に必要出口付近での燃料不足条件での電極の挙動に焦点をあて、高温プロトン伝導性を示す多くの新規材料の創製に成功した。て 12 月に琵琶湖にて二国間会議を開催した。その他、なエネルギー密度の向上、材料の耐久性／信頼性の確保

電極過電圧による界面の酸化傾向と電極反応抵抗・集電

またこれらの材料におけるプロトン伝導性の発現メカニズムにSOFC の普及のために、日本電機工業会等に協力して、など、実用化をささえる基盤技術の研究を行っている。

抵抗の増大の関連性を、交流インピーダンスの詳細な解析ついて、分光学的手法や計算化学を用いたアプローチにより標準の整備や研究の推進に関わる活動を行っている。

酸化物燃料電池（SOFC）
は、動作温度が高いため、多様

4

准教授

Coexistence Activity Report 2007を受賞

アクティビティレポート

5