hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
拡張ペトリネットを用いた並列システムの実行環境の研究

拡張ペトリネットによる並列システムの実行環境として,XMLをベースとした,Javaによるエンジンプログラムを開発.この実行環境を拡張する為に,三次元グラフィックの描画,アニメーション制御,分散アルゴリズムの設計に適用.エンジンプログラム,及びXMLデータ構造の拡張を行った.拡張ペトリネットによる並列システムの実行環境として,XMLをベースとした,Javaによるエンジンプログラムを開発.この実行環境を拡張する為に,三次元グラフィックの描画,アニメーション制御,分散アルゴリズムの設計に適用.エンジンプログラム,及びXMLデータ構造の拡張を行った.平成19年度は、主に並列プログラムの学習、エンジンプログラムのモデルの構造の改編などを含め、以下の項目を実施した。1)並列プログラムを実行する為の、MPIプログラムについて九州大学にて、情報収集と学習を行った。MPIを利用できる計算機上で、設計した3DES暗号アルゴリズムを元に、プログラムコードを作成、これを実行して逐次プロセスとの速度の比較を行った。2)フリーで公開されている、Javaベースのペトリネットツールの性能比較を行った。現時点では、RenewとPetri Net Kernelの2つのツールをネットモデルの設計に用いる予定である。3)エンジンプログラムの機能を拡張するために、新たな、拡張ペトリネットのXML構造について検討を行った。現在はモデル構造を元に、Relaxerを用いてJavaで実行する為に、ペトリネットモデルのXML構造を変換するプログラムを開発中である。4)実行速度の改善、拡張したモデルに対応するエンジンプログラムの開発を行った、実験、性能の検証については現在行っている。5)2次元グラフィックの構造に対応する、ペトリネットのXML構造について、画像を記述する為の位置、画像情報の形状、色など、新たな情報を加える必要がある。これらの画像の制御のために、どの様な属性の情報を加えるかについて、検討を行った。6)グラフィックをJava上で制御する為の、OpenGLプログラムについて、情報収集と学習を行った。本研究では、まずjoglを採用して、ペトリネットのモデルから2Dグラフィックを記述、制御する予定である。平成20年度は、三次元グラフィックの制御に関して,エンジンプログラムやXMLデータの構造の改編などを含め、以下の項目を実施した。1)3次元グラフィックの構造を表現するために位置、画像情報の形状、色など、新たな情報を加えたXML構造を設計した。2)エンジンプログラムの改良として、定義した構造情報を元に、3次元グラフィックを描画するプログラムを作成した。プログラムはJavaで記述している、グラフィックを表現するためのライブラリとしてJava Open GLを利用している。3)3次元グラフィックの動作を表現するための、グラフィックのオブジェクトの接続情報をXML構造に追加した。描画プログラムがXMLの持つデータの変化に応じて、描画を変更するようプログラムを改良した。4)ペトリネットモデルから動作を評価するエンジンプログラムと、グラフィックを描写するエンジンプログラムを並列で処理させる為に、エンジンプログラムのマルチスレッド化を実施した。5)エンジンプログラムの評価のために、アーム型の3次元グラフィック、2つのアーム型の3次元グラフィックのペトリネットモデルを作成。これをXMLデータに起こし、エンジンプログラムによって動作するアニメーションの実験を行った。6)以上の項目についてコンカレントエ学研究会で発表を行った。現状のエンジンプログラムの問題点として、対象が細かいのでプログラムの拡張の方向としては、オブジェクトをグループでまとめてモデルに表現した方が良い等、改善に関する議論を行った。平成21年度は、情報収集を行うための、分散協調システムのモデル設計と、その実行プログラムを開発する為に、エンジンプログラムやXMLデータの構造の改編などを含め、以下の項目を実施した。1)情報収集の為のエージェントとなる、アルゴリズムを拡張ペトリネットで設計、このネットモデルをXMLを用いて記述した。2) XMLをベースとして動く、エンジンプログラムの改良を行った。分散アルゴリズムの動作を実行する為に、複数のネットモデル同士で、条件を基準に情報の交換を可能にした。3)分散アルゴリズムを実行する、エンジンプログラムの動作試験として、画像データの色情報を取得するエージェントのネットモデルを設計。このモデルを複数用いて、一つの画像データに対し、複数のエージェントが取得情報を交換しながら、全体の情報を取得する協調システムを設計した4)エージェント同士の情報交換の確認、および有効性を確認する為に、画像データに対する情報の取得について、交換を行うモデルと、行わないモデルとの比較実験を実施した。交換した情報を元に、自身が情報を記録するかしないか、の選択を行わせることで、全体として情報の重なり(同じ場所を複数のエージェントが取得する)が少なくなり、エージェントが持つ記憶容量を効率よく用いている事が確認できた5)ただし、全体としての交換の頻度や交換する情報量によって、探索に大きく時間を取られている。6)以上の内容について、コンカレント工学研究会で発表を行った。従来の開発方法と比較した場合の有効性について、また探索時間、実世界におけるエージェントの位置と距離の把握など、改善に関する議論を行った。
松果体ホルモン・メラトニンの挙動を制御する分子機序

メラトニンは松果体において、セロトニン→N-アセチルセロトニン(NAS)→メラトニンという2段階の酵素反応によって夜間のみに合成されるホルモンである。しかし、実験用マウスのほとんどの系統ではメラトニンを合成することができなくなってしまった。我々は、実験用マウス系統のゲノム上の遺伝子変異を見出し、メラトニンを合成できる野生マウス由来系統(MSM/Ms)と交配させてメラトニンを合成できる実験用マウス系統(C57BL/6)コンジェニックマウスを作製した。しかし、松果体で合成できるのに、血中濃度がMSM/Msほど高くならないことに気が付いた。血中濃度が低い分子基盤を明らかにするために、本研究を開始した。当初は、メラトニンをELISA法によって測定していた。しかしメラトニンの研究の分野でも、液体クロマトグラフィー質量分析法(LC/MS/MS)による測定が一般化となっており、我々もLC/MS/MSによる測定系を立ち上げた。その結果、定量限界が約1 pMの感度でメラトニンを測定できるようになった。安定同位体ラベルしたメラトニンを内部標準に用いることによって、ばらつき(CV)が5%以内という精度を得られた。さらに、メラトニンの測定と同時に、メラトニンの前駆体NASも定量でき、こちらの方がより高感度で測定できた(定量限界は約0.1 pM)。この高精度のLC/MS/MS法による測定の結果、研究のきっかけとしたC57BL/6コンジェニックマウスにおけるメラトニンの低濃度は有意には検出されず、ELISAの酵素抗原反応に対する何らかの阻害、あるいは個体間のバラツキに寄るものであったと考えられた。NASが測れるようになり、注目すべき発見があった。それは、C57BL/6Jマウスにおいても、NASは相当量合成されており、さらに明期においても血中濃度は約50 pMであった。このようなマウスを用いて、サーカディアンリズムや生殖腺、寿命などの研究が行われてきた。血中濃度が低い分子基盤を明らかにするために、C57BL/6とMSM/Msを交配させたF2あるいはN2マウスのゲノム解析を行うことにした。マウスを増やす間に、本年度はまず、松果体中・血漿中のメラトニンおよびNASの濃度を精密にかつ同時に測定するために液体クロマトグラフィー質量分析器(LC/MS/MS)による定量法を確立した。これまではELISA法を用いていたため、バラツキが大きく、またNASについては測定することもできなかった。メラトニン合成能を持つコンジェニックマウスを作製する過程で、NASまでは合成できるがメラトニンは合成できない「NASマウス」を作製できたため、定量法の開発が期待されていた。LC/MS/MSによるメラトニン・NASの同時定量によると、MSM/Msの松果体および血漿中には、メラトニンとほぼ同レベルのNASが含まれていることが判明した。本研究で用いるマウス系統MSM/Msは、野生由来系統であり、しばしばオス個体とメス個体の選り好みのために同一のケージに同居させても交配しないことがある。(おそらく)たまたま交配しないペアが頻発して、当研究室(当研究センター)で維持していたMSM/Ms系統を維持できなくなってしまった。そこで急いで、MSM/Ms系統マウスを国立遺伝学研究所、理化学研究所バイオリソースセンターから分与していただいた。再清浄化して、現在は順調に数が増え、C57BL/6と掛け合わせたF1マウスまで誕生した。マウス個体については上述のような想定外の遅延があったが、その代わりにLC/MS/MSによるメラトニン・N-アセチルセロトニン(NAS)の定量法を確立できた。これまでのELISA法より前処理に時間はかかるものの、同時にメラトニンとNASを定量できるし、ELISA法では検出できなかったNASを定量できるという傑出した利点がある。

前年度までに、松果体中・血漿中のメラトニンおよびNASの濃度を精密にかつ同時に測定するために液体クロマトグラフィー質量分析器(LC/MS/MS)による定量法を確立した。本年度は、野生由来系統MSM/Ms(メラトニンを生合成できる系統)と一般的な実験用マウス系統C57BL/6(メラトニンを生合成できない系統)とを掛け合わせたF2マウス、および実験用マウス系統C3H(メラトニンを生合成できる系統)とC57BL/6とを掛け合わせたF2マウスを得た。また、LC/MS/MSを用いた定量法のさらなる条件検討を行い、検出感度および定量感度を高めることができた。所属する研究センターの共同利用機器であるLC/MS/MSを用いてメラトニンおよびその前駆体であるN-アセチルセロトニン(NAS)の同時定量を行っているが、LC/MS/MS装置の利用者が多く、条件検討を行うための利用予約が取れなかった。本研究では、メラトニンあるいはNASの生合成量・分泌量が低下する個体を測定することになるため、より高感度の定量が重要になるため、条件検討が必須であった。メラトニンは松果体において、セロトニン→N-アセチルセロトニン(NAS)→メラトニンという2段階の酵素反応によって夜間のみに合成されるホルモンである。しかし、実験用マウスのほとんどの系統ではメラトニンを合成することができなくなってしまった。我々は、実験用マウス系統のゲノム上の遺伝子変異を見出し、メラトニンを合成できる野生マウス由来系統(MSM/Ms)と交配させてメラトニンを合成できる実験用マウス系統(C57BL/6)コンジェニックマウスを作製した。しかし、松果体で合成できるのに、血中濃度がMSM/Msほど高くならないことに気が付いた。血中濃度が低い分子基盤を明らかにするために、本研究を開始した。当初は、メラトニンをELISA法によって測定していた。しかしメラトニンの研究の分野でも、液体クロマトグラフィー質量分析法(LC/MS/MS)による測定が一般化となっており、我々もLC/MS/MSによる測定系を立ち上げた。その結果、定量限界が約1 pMの感度でメラトニンを測定できるようになった。安定同位体ラベルしたメラトニンを内部標準に用いることによって、ばらつき(CV)が5%以内という精度を得られた。さらに、メラトニンの測定と同時に、メラトニンの前駆体NASも定量でき、こちらの方がより高感度で測定できた(定量限界は約0.1 pM)。この高精度のLC/MS/MS法による測定の結果、研究のきっかけとしたC57BL/6コンジェニックマウスにおけるメラトニンの低濃度は有意には検出されず、ELISAの酵素抗原反応に対する何らかの阻害、あるいは個体間のバラツキに寄るものであったと考えられた。NASが測れるようになり、注目すべき発見があった。それは、C57BL/6Jマウスにおいても、NASは相当量合成されており、さらに明期においても血中濃度は約50 pMであった。本年度までの研究によって、当初の研究計画を遂行するための準備がすべて整った。MSM/MsとC57BL/6と掛け合わせたF2およびN2マウスも得て、LC/MS/MSによるメラトニン・NASの同時定量を行う。その結果をもとに、ゲノム解析を行う。研究計画では連鎖解析を行う予定であったが、マウスのexome解析も安価になったので、exome解析が可能かどうか考慮する。
労働党新政権によるイギリス地方分権とスコットランド議会開設の歴史的意義・将来展望

平成13年度は、本研究の最終年度として、過去2年間の研究成果を総括するためのまとめの作業と、その作業の一部の公表として、『法文化の探求法文化比較にむけて』(2001年4月)を刊行し、また、その後の最新の動向をふまえて同年12月に同書の補訂版を刊行した。また、同年6月にアムステルダムにて開催された国際法哲学会分科会ににおいて、スコットランド新議会開設の意義などについて、本研究成果の一部を報告した。本書におけるスコットランド関係の話題としては、(1)本研究のメインテーマたる、99年開設のスコットランド議会のためのスコットランド議会議員選挙の結果や、議会開設の歴史的意義、議会の構成、特徴、立法動向などを紹介、検討し、あわせて、議会と一体化した形で新設されたスコットランド行政部についても、その機構や機能などを紹介、検討した。そして、この総論的なテーマを前提として、新議会の立法的な動向を前提とした各論的テーマとして、(2)スコットランドの少年処遇のあり方やその特徴、意義などを、近年のわが国での少年法改正との比較という観点をふまえて、「少年処遇の日英比較」、とりわけ、スコットランド固有の制度たる児童聴聞制度について詳しく紹介、検討を行った。さらに、(3)新スコットランド議会の重要な立法的課題としての、スコツトランド家族法につき、さらなる「破綻主義離婚の徹底」をめざした離婚法改正の動向について詳しく検討した。また、スコットランド婚姻法上の一形態たる宗教紺についても検討した。そして、もう一点、(4)最新の人クローン規制に関する国際的な動向のなかで、スコットランドをも含むイギリス(最先端医療については、スコットランド議会は固有の立法権能を有しておらず、ロンドンのウエストミンスタ議員でイギリス全体に適用される法律によって規制されている)での人クローンの規制に関する基本的な考え方と、それを前提とした人クローン規制法について、わが国とアメリカの人クローン規制に関する動向との比較という土俵のなかで詳しく検討した。平成11年度から13年度にわたる本研究計画の内、本年度は、以下の4点を柱に研究を進めた。1.昨年9月月以降から動き出した新しいスコットランド議会(エディンバラ)について、エディンバラに出張(平成11年11月20日ー12月4日)し、現地にて、議会本会議と各種委員会を傍聴し、党の責任者や数名の議員に個別にインタビューして、議会の動向を探った。さらに、議会開設に関する学者や研究者、法実務家の意見をさぐるために、エディンバラ大学法学部のスタッフや、議会の動向に関心を有する弁護士などから意見を聴取した。さらに、これらと並行して、議会に関する最新のパンフレットや報告書などを多数収集した。2.帰国後、収集した資料や現地調査の結果などを整理し、来年度以降おこなう予定の、スコットランド議会に関する理論的分析の基礎的作業をおこなった。3.また、スコットランド議会の最新状況を分析する前提として、議会開設に至る前史と、「スコットランド議会開設法」の中味や問題点の理論的検討をおこなった。これらの成果は、次年度以降、単独の論文や「スコットランド法文化」に関する著書、翻訳書などを通じて公表する予定である。4.そして、これらの作業、理論分析を踏まえて、わが国のイギリス法研究が進んでいる大学(本年は、早稲田大学、名古屋大学、東北大学)に出張し、イギリス法の専門家とスコットランド法研究の打ち合わせをおこなうとともに、各大学のスコットランド法関係の資料調査をおこなった。平成12年度は以下の三点に絞って、エディンバラ大学法学部を中心とする現地での資料収集と大学スタッフや議会関係者との面談などを通じて研究活動を行った。(1)新スコットランド議会の動向について、議会手続、組織の整備、新議会での新たな立法や法の主項目に重点をおいて、スコットランド議会事務局やエディンバラ大学、市立図書館などを中心にして資料収集とそれら資料の分析を行った。

(2)また個別法分野としては、特にわが国の法改正とのかかわりで、スコットランドの少年法と家族法について分析をおこなった。前者については、わが国の家庭裁判所における少年審判に該当する。スコットランド児童聴聞制度について、また後者については、わが国の1996年の法制審議会家族法部会による民法改正要綱においても、そのわが国への導入が提言された。5年間別居による離婚の制度などについて主たる分析対象とした。(3)さらに、現在進行中の、わが国の大規模な司法制度改革とのかかわりで、スコットランドの法学教育、法曹養成制度、陪審制度などに関して資料を収集するとともに、この問題に関してエディンバラ大学法学部において、長年にわたって学生の指導に携わってきたヘクター・マクイーン教授(現法学部長)から、これらの問題についてさまざま情報を収集した。それを踏まえて、マクイーン教授の紹介を付して翻訳公刊したのが、研究成果として掲げた、「スコットランドにおける法曹養成--H.Maqueen,Studying Scots Law(2nd.)ed.,1999)翻訳」である。平成13年度は、本研究の最終年度として、過去2年間の研究成果を総括するためのまとめの作業と、その作業の一部の公表として、『法文化の探求法文化比較にむけて』(2001年4月)を刊行し、また、その後の最新の動向をふまえて同年12月に同書の補訂版を刊行した。また、同年6月にアムステルダムにて開催された国際法哲学会分科会ににおいて、スコットランド新議会開設の意義などについて、本研究成果の一部を報告した。本書におけるスコットランド関係の話題としては、(1)本研究のメインテーマたる、99年開設のスコットランド議会のためのスコットランド議会議員選挙の結果や、議会開設の歴史的意義、議会の構成、特徴、立法動向などを紹介、検討し、あわせて、議会と一体化した形で新設されたスコットランド行政部についても、その機構や機能、などを紹介、検討した。そして、この総論的なテーマを前提として、新議会の立法的な動向を前提とした各論的テーマとして、(2)スコットランドの少年処遇のあり方やその特徴、意義などを、近年のわが国での少年法改正との比較という観点をふまえて、「少年処遇の日英比較」、とりわけ、スコットランド固有の制度たる児童聴聞制度について詳しく紹介、検討を行った。さらに、(3)新スコットランド議会の重要な立法的課題としての、スコットランド家族法につき、さらなる「破綻主義離婚の徹底」をめざした離婚法改正の動向について詳しく検討した。また、スコットランド婚姻法上の一形態たる宗教紺についても検討した。
PFCsによる空間的・歴史的汚染実態及び対策に向けた汚染寄与の解明

本研究課題では、残留性有機フッ素化合物(PFCs)汚染について空間的側面・時間的側面から汚染実態・変遷を明らかにし、汚染源解析により汚染寄与を解明することを目的とした。研究計画の最終年度である今年度は、初年度から取り組んできたPFCsの空間的側面からの汚染源解析手法の構築と適用について実施した。初年度において、東京湾流域河川におけるPFC汚染実態調査を実施した。この成果は今年度、国際誌Environmental Science & Technology誌にてアクセプト・出版された。PFC汚染はその用途から広域汚染となっていることが知られているが、汚染源特性とその寄与に関する知見は皆無であった。そこで上述の調査によって得たデータを利用して、地理情報システム(GIS)を用いたPFC汚染源解析を実施し、汚染源特性とその寄与の把握を試みた。これにより、東京湾流域の都市中心地域がPFC汚染に高負荷を与えて、東京湾水質に影響を与えている実態を示した。またポイント・ノンポイント汚染源の汚染寄与内訳を算出し、PFC汚染対策に重要となる知見を提示する事に成功した。この汚染源解析手法構築に関する結果は、初年度からの東京湾流域PFC汚染実態調査の取り組みと共にその刷新的手法の開発取り組みが評価され日本水環境学会より博士研究奨励賞が授与された。上述の研究活動と平行して、研究計画全年度を通してPFC汚染と管理に関する国際的な研究・規制動向調査を精力的に行なった。これについては学術文献、各国省庁や機関が取りまとめた調査報告書や規制実施に関する情報を集積しwebデータベースとして情報提供するオープンアクセスシステムを構築した。これら情報のうちPFCのリスク評価及びリスクマネジメントに関連する文献・情報を取りまとめ、国際的なPFC管理・規制に関する動向と今後の展開を紹介する総説論文を国際誌Clean Technologies & Environmental Policy誌に投稿し、2011年4月現在出版予定となっている。本研究課題では、残留性有機フッ素化合物(PFCs)汚染について空間的側面・時間的側面から汚染実態・変遷を明らかにし、汚染源解析により汚染寄与を解明することを目的としている。初年度である今年度は、東京湾底質コアを利用した時間的側面からの汚染変遷調査を行った。分析作業に先立って、測定対象物質の選定・標準物質の収集、環境試料からの対象成分の抽出法検討、液体クロマトグラフータンデム質量分析計での分析メソッド構築に取り組み、24種のPFC同族体の一斉分析手法の開発に成功した。この分析手法の適用により過去50年における様々なPFC同族体の汚染変遷実態が明らかとなり、一部の同族体については、PFC利用・製造規制が始まった後も汚染減少が見られない実態が浮き彫りとなった。この成果については国際学会にて発表を行い、投稿論文については国際誌Environmental Pollutionにて出版された。上記に加えて、空間的な汚染実態調査についても取り組んだ。この調査に先立ち、地理情報解析を可能とするシステムGISの対象地域における情報基盤整備を行なった。東京湾流域の河川流路、土地利用形態、下水整備状況などの情報を集積し、汚染源解析に利用するデータ整備を完遂した。汚染源解析に繋げる汚染調査について、分析方法をさらに改良し38種の同族体の一斉分析法を開発した。収集した河川水など76試料と下水放流水6試料を分析し、建物用地の増加に伴って汚染度が上昇する実態を定性的に示した。これはPFC汚染が通常の汚染と異なり、人間活動に伴って面的広がりを持って排出される実態を反映している。この結果は国内学会にて発表を行った。
高齢者の在宅ケアにおける医療保険ならびに介護保険の支払方法に関する研究

本研究では第一年次に神奈川県および岡山県において、慢性疾患により長期在宅ケアを行う高齢患者を対象にした、医療・介護ニーズならびに医療・介護に関する保険と公的サービスの利用についての実態調査を行った。神奈川県では当初の対象者32名に対して30名の調査を、岡山県では当初の対象者60名に対して32名の調査を行った。第二年次は、上記の調査結果の解析ならびに追加調査によって以下の点を明らかにした。医療・介護に関する民間保険の加入者は対象者全体のわずか15%に過ぎなかったが、所得分布をみると中高所得層も保険加入によって医療・介護費用の補償を希望している傾向が見られた。公的サービスについては、代表的な5つの在宅サービス(ホームヘルパー、デイケア、ショートスティ、訪問看護、入浴サービス)に関して、特に若い要介護者においてサービス利用数が多く、予想に反してADLや療養期間、同居家族数などとの関連は見られなかった。また仮想の介護代行サービスの利用希望においても、在宅サービス高頻度利用群で利用希望が有意に多かった。したがって、要介護者が比較的若年であることやサービス利用体験の多いことが、さらなる在宅サービスの利用につながる可能性が考えられた。その理由として、サービス利用には要介護者および介護者の好み、情報認知、周知度が深く関わっていることが考えられる。他方、介護サービスの支払方法やその適正額については明確な結論が得られなかった。この点についてはさらに調査対象数を増やすこと、ならびに新たな調査方法の開発が必要と考えられた。本研究では、まず実際に在宅ケアを行う患者を対象にして、受けている医療・介護サービスならびに家族介護者によるケアの実態を調査し、医療・看護・介護関連の費用ならびに患者家族の介護時間・介護内容(家族による介護の種類と量の把握のため)、家計などを通じて把握して、どのような医療・介護ニーズがあるかを明らかにする。次いで専門家、現場の医療・介護従事者などの意見をもとにして、医療保険と介護保険の役割の明確化と効果的な組み合わせ、モラルハザード対策などについて検討し、公正かつ効率的な支払方式の提言を行うことを最終的な目標とする。本年度は研究の第一年次にあたるため、神奈川県および岡山県において、慢性疾患により長期在宅ケアを行う高齢患者を対象にして、医療介護ニーズの実態調査を行った。現場の医療機関の協力を得て、患者宅を訪問してこの調査のために作成した質問票を用いて自記あるいは聞き取りによって調査を行った。また患者を担当する医療従事者からの情報収集も行った。神奈川県の調査では当初の対象者32名に対して30名の調査を行うことができた。岡山県の調査では当初の対象者60名のうち34名について調査できた。調査できなかった主要な理由は在宅医療の中断、すなわち入院によるものであった。調査結果の詳細については現在解析中である。今後、調査結果の解析を待って追加調査の計画、および専門家・医療従事者を対象にした調査の計画をたて、第二年次の研究につなげる予定である。本年度(第二年次)は、上記の調査結果の解析ならびに追加調査によって以下の点を明らかにした。公的サービスについては、代表的な5つの在宅サービス(ホームヘルパーデイケア、ショートスティ、訪問看護、入浴サービス)に関して、特に若い要介護者においてサービス利用数が多く、予想に反してADLや療養期間、同居家族数などとの関連は見られなかった。

したがって、要介護者が比較的若年であることやサービス利用体験の多いことが、さらなる在宅サービスの利用につながる可能性が考えられた。その理由として、サービス利用には要介護者および介護者の好み、情報認知、周知度が深く関わっていることが考えられる。他方、介護サービスの支払方法やその適正額については明確な結論が得られなかった。この点についてはさらに調査対象数を増やすこと、ならびに新たな調査方法の開発が必要と考えられた。
MIMトンネルダイオード水素ガスセンサーの研究

パラジウム(Pd)薄膜に水素ガスが吸着すると仕事関数が変化する。この現象に注目し、Pd-Al_2O_3-Al MIM(Metal Insulator Metal)ダイオードを作成し、水素ガスセンサーとしての動作特性を調べた。1.MIMダイオードの作成:MIMダイオードの作成は、科研費の補助により購入した真空蒸着装置を用いて行った。ガラス基板上にアルミニウムストライプを蒸着後、空気中自然酸化により約60A^^・のAl_2O_3を形成し、対向電極としてPdを100500A^^・の厚さに蒸着した。素子の面積は4mm^2である。2,水素ガスへの応答:真空中でMIMダイオードのV-1特性を測定した後、0.01Torrの水素ガスを導入したところ、電流値は時間とともに増大し、約20分で飽和して、電流変化率は500%に達した。水素ガスを排気すると、素子電流は減少し、数時間後に水素導入前のV-1特性に戻った。3.酸素および窒素ガスへの応答:酸素または窒素ガスに対してもPd-MIMダイオードはわずかに応答したが、電流変化率は、水素ガスに比べ10分の1以下であった。4.水素ガスセンサとしての評価:Pd-MIMダイオードは水素ガスに選択的に高感度に応答し、感度の点からは十分水素ガスセンサとして動作することがわかった。問題は、水素ガスをパージした時の応答の立ち下がり時間が長いことである。解決策としては基板にヒータを組み込み、瞬時的に加熱し、水素ガスをPdから急速排除することであろう。これを今後の課題として取組みたい。尚、研究結果の一部は、平成4年秋の応物学会、応物学会東北支部講演会で発表し、現在Appl.Phys.Lettに投稿準備中である。
水面コロナリアクタによる燃焼排ガスの処理

水面と水面の上方に配置した電極で構成する実ガス処理が可能な規模の水面コロナリアクタを設計製作して、各種条件の下でその基本放電特性と燃焼排ガス処理特性を測定し、最適処理条件を検討した。リアクタの上部電極として、前年度に行った各種電極の放電実験結果より正コロナ特性に優れている水平に配置した3枚の両面ノコ刃放電電極を用いた。下部電極の水は適当な導電性を持つ水道水を用いて水中に配置する平板金属電極の代わりに先端部を水中に挿入した金属棒電極を配置した。このリアクタにおけるコロナ放電は、すでに測定した種々の小型の水面コロナリアクタと向様に正負両極性共に安定した特性が得られ、特に放電空間でのオゾンとラジカルの生成で有利な正コロナ特性が優れていることがわかった。放電空間のオゾン生成特性を測定し、負コロナでも正コロナの半分程度の濃度のオゾン生成が確認された。ディーゼルエンジンの排ガスの処理実験では、排ガスに含まれる粒子状物貿と70ppm程度の濃度のNOxの全量処理を目標にしたが、NOx処理においてはリアクタ内のガス流速が処理率に大きく影響し、1m/s以上の速い流速ではほとんどNOxの処理が不可能であることから処理ガスの一定のリアクタ内での滞留時間が必要であることが明らかになった。このことは、NOの酸化に必要な濃度のオゾンが放電空間に生成されても、NOのNO_2への酸化とNO_2の水面への溶解過程における化学反応速度が関係しているものと考えられる。一方、排ガス中のダストについては負コロナが有利であるが、このリアクタでは両極性ともに3m/s以上のガス風速でも全量の除去処理が可能である。これらのことより燃焼排ガスのダストとNox同時高速処理にはリアクタの容量を大きくするか、またはリアクタの前段にNO酸化のためのバリア放電を利用した前処理装置を付加する方法が考えられる。各種電極形状と配置における直流およびパルス電圧による気中および水面コロナの放電、オゾン生成特性を調べ、燃焼排ガス処理リアクタとして有効な電極配置、構造を検討した。これらの結果を参考に試作した二段式ESPモデルおよび水面コロナリアクタによる混合NOガスとディーゼルエンジン排ガスを用いたNOxとダストの処理特性を測定した。各種条件のもとで測定した排ガス処理特性からESPおよび水面コロナリアクタ内で生成するイオン、ラジカルおよび促進される化学反応を考察し、リアクタの最適設計条件を考察した。(1)各種電極製作および放電特性測定とリアクタの設計・製作(H16.48)下部電極として平板導体と導電率の異なる水に水中の電極形状を変えて、多針および水平突起電極について水面および気中コロナ放電の諸特性を測定し、NOx処理と集塵の両機能を持つリアクタとして有効な電極配置を検討し、処理リアクタモデルを設計、製作した。(2)二段式ESPモデルおよび試作リアクタによるNOx、ダスト処理実験(H16.6H17.3)ディーゼルエンジン排ガスおよびブレンドガスを用いて、試作リアクタの各種条件下のNOxおよび粒子状物質の処理特性を測定し、反応の促進に有効なラジカルの効率的な生成条件を考察した。また、これらの結果から燃焼排ガスの総合処理に対する最適リアクタ設計および放電条件を検討した。二段式ESPモデルでは、燃焼排ガス中のダスト捕集とNOx処理に必要な放電エネルギー差があることが明らかになり、粒子状物質とNOxの同時高効率処理には水面コロナまたはパルスコロナを利用することが有効であると思われる。アンモニアの添加によるNOの酸化とNO_2の水面への溶解除去を促進させる新しいリアクタの設計を検討している。

水面と水面の上方に配置した電極で構成する実ガス処理が可能な規模の水面コロナリアクタを設計製作して、各種条件の下でその基本放電特性と燃焼排ガス処理特性を測定し、最適処理条件を検討した。リアクタの上部電極として、前年度に行った各種電極の放電実験結果より正コロナ特性に優れている水平に配置した3枚の両面ノコ刃放電電極を用いた。下部電極の水は適当な導電性を持つ水道水を用いて水中に配置する平板金属電極の代わりに先端部を水中に挿入した金属棒電極を配置した。このリアクタにおけるコロナ放電は、すでに測定した種々の小型の水面コロナリアクタと同様に正負両極性共に安定した特性が得られ、特に放電空間でのオゾンとラジカルの生成で有利な正コロナ特性が優れていることがわかった。放電空間のオゾン生成特性を測定し、負コロナでも正コロナの半分程度の濃度のオゾン生成が確認された。ディーゼルエンジンの排ガスの処理実験では、排ガスに含まれる粒子状物質と70ppm程度の濃度のNOxの全量処理を目標にしたが、NOx処理においてはリアクタ内のガス流速が処理率に大きく影響し、1m/s以上の速い流速ではほとんどNOxの処理が不可能であることから処理ガスの一定のリアクタ内での滞留時間が必要であることが明らかになった。このことは、NOの酸化に必要な濃度のオゾンが放電空間に生成されても、NOのNO_2への酸化とNO_2の水面への溶解過程における化学反応速度が関係しているものと考えられる。一方、排ガス中のダストについては負コロナが有利であるが、このリアクタは両極性ともに3m/s以上のガス風速でも全量の除去処理が可能である。これらのことより燃焼排ガスのダストとNOx同時高速処理にはリアクタの容量を大きくするか、またはリアクタの前段にNO酸化のためのバリア放電を利用した前処理装置を付加する方法が考えられる。
高度な安定同位体標識技術を利用した高分子量蛋白質の新規動態解析法の開発

本課題では、独自に開発を進めてきた安定同位体標識技術を駆使して、80-1000 kDaの高分子量蛋白質複合体の動態構造を解析する手法を確立することを目指している。平成30年度は、まず、核緩和過程を極限まで排除した新型SAILアミノ酸をGroEL, GroESおよびGroES-GroEL複合体に導入するため、安定同位体標識パターンの最適化を行った。特に芳香族アミノ酸の芳香環および脂肪族水素を立体特異的かつ高感度に観測するためフェニルアラニン、チロシンおよびヒスチジンを対象とした。さらに、ロイシンやバリンのメチル基水素についても最適化を行った。例えば、フェニルアラニンのδ位とβ3位の水素のみを検出する場合、対象外の水素はすべて重水素に置換した。それらアミノ酸を分子量82kDaのMSG蛋白質に導入してNMR測定を行ったところ、芳香環および脂肪族水素の1次元スペクトルを短時間で非常に高感度に観測することに成功した。また2次元NMR測定を行うことで、芳香環水素と脂肪族水素間のNOE信号も高感度に観測することが出来た。このことから各NMR信号の帰属も可能となった。ロイシンやバリンのメチル水素に関しては、高感度観測が可能となったが、信号同士の縮重が多く、1次元スペクトルのみでは、信号帰属は困難となることが判明した。これら結果を踏まえ、新型SAILアミノ酸をGroES, GroELおよびGroEs-GroE複合体に導入した。その結果、各試料についてPhe残基δ位及びζ位の水素を高感度に観測することに成功した。従来の13C-1H相関信号は、低温度下では広幅化してしまい、観測が困難であったが、本手法では、低温状態でも高感度な信号を観測することが可能となり、巨大蛋白質複合体を対象として芳香環回転運動の解析も可能となった。今後は、縦緩和時間を短縮した高感度かつ高速測定技術の開発が必要となる。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。本課題は、独自に開発を進めてきた安定同位体標識技術を駆使して、80ー1000 kDaの高分子量蛋白質複合体の動態構造を解析する手法を確立することを目指している。平成29年度は、核緩和最適化SAILアミノ酸をGroES 7mer、GroEL 14merならびにGroES-GroEL複合体に導入し、NMR測定を進めた。GroESおよびGroELに関しては、芳香環や脂肪族CHシグナルを高感度に観測することが出来たが、GroES-GroEL複合体では、一部のシグナルしか観測することが出来なかった。これは複合体形成に伴い、分子量が増大したことに加え、複合体において複数の構造間を揺らいだ状態にあることが示唆された。NMR測定において、測定温度や圧力の条件検討を試みたが、NMRスペクトルの大幅な改善には至らなかった。そこで、従来の緩和最適化SAILアミノ酸に更なる改良を加えることにした。従来法ではCH間の相関シグナルを観測するため、観測対象とする芳香環やメチル基等に位置特異的に13Cと1H標識を導入していた。この場合、直接結合する13C-1H間では相互に核緩和の影響が反映されるため、分子量増大や化学交換過程の影響が反映され、シグナルの感度低下につながってしまう。そこで、観測対象を13Cもしくは1Hのみに制限し、核緩和過程を極限まで排除した新たなSAILアミノ酸を設計した。この新型SAILアミノ酸を分子量10 - 82 kDaの様々な蛋白質に導入しNMR測定を行った。その結果、従来の核緩和SAILアミノ酸を利用したNMR測定を比較して、短時間で非常に高感度かつ先鋭的なNMRシグナルを観測することに成功した。今後は、新型SAILアミノ酸をGroEL, GroESに導入してNMR測定を進め、GroES-GroEL複合体でのNMRシグナルの測定を進めていく。従来の核緩和最適化SAILアミノ酸を利用することで、当初の計画通りGroESおよびGroELのNMR信号を高感度に観測帰属することに成功してきた。一方で、GroES-GroEL複合体では、一部のシグナルしか観測することが出来ず、動態変化等の解析を行うことは困難であった。このことは課題計画の段階で、ある程度想定できていたが、温度変化等の条件検討を行っても改善することが出来ず、問題解決には時間を要した。しかしながら、新型SAILアミノ酸の設計が順調に進み、モデル蛋白質へ導入した結果、想定以上にNMRシグナルの高感度化が達成できていることが見いだされた。すでに新型SAILアミノ酸のGroEL, GroESへの導入も進めており、複合体における高分解能・高感度な動態解析法の確立が期待できる。

それらアミノ酸を分子量82kDaのMSG蛋白質に導入してNMR測定を行ったところ、芳香環および脂肪族水素の1次元スペクトルを短時間で非常に高感度に観測することに成功した。また2次元NMR測定を行うことで、芳香環水素と脂肪族水素間のNOE信号も高感度に観測することが出来た。このことから各NMR信号の帰属も可能となった。ロイシンやバリンのメチル水素に関しては、高感度観測が可能となったが、信号同士の縮重が多く、1次元スペクトルのみでは、信号帰属は困難となることが判明した。これら結果を踏まえ、新型SAILアミノ酸をGroES, GroELおよびGroEs-GroE複合体に導入した。その結果、各試料についてPhe残基δ位及びζ位の水素を高感度に観測することに成功した。従来の13C-1H相関信号は、低温度下では広幅化してしまい、観測が困難であったが、本手法では、低温状態でも高感度な信号を観測することが可能となり、巨大蛋白質複合体を対象として芳香環回転運動の解析も可能となった。今後は、縦緩和時間を短縮した高感度かつ高速測定技術の開発が必要となる。今後は、まず新型SAILアミノ酸を利用して、GroES-GroEL複合体形成に伴う動態変化の解析を進める。シグナルの帰属に関しては、従来の緩和最適化SAILアミノ酸で得られたデータも活用しつつ、残基内および残基間NOE情報を駆使して進めていく。新型SAILアミノ酸を利用する場合は、試料溶液も含め、バックグラウンドを高純度に重水素化する必要がある。このため、無細胞合成系を利用した試料調製や効率的なNMR測定法についても最適化を行う予定である。一方、新型SAILアミノ酸によるNMRシグナルの高感度化は想定以上であったため、様々な蛋白質に適用していく。特に高圧・極低温下での動態解析や蛋白質の繊維化形成機構の解析にも応用する。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。
長期的トレーニングに伴う食事量減少の原因究明－内臓疲労は本当に生じるのか？－

本研究では、運動後の食事量減少の原因であるとされている「内臓疲労」、すなわち、長期間の激しいトレーニングに伴う胃や小腸における栄養素の消化・吸収機能の低下について検討するため、実験動物を用いて、激しい運動により食事量が減少した状況を再現したうえで、胃から小腸における消化・吸収の一連の過程を詳細に検討し、それらの機能がどのような影響を受けているか解明する。
鰓弓軟骨の発生，成長，消失，骨化における低酸素環境と脂肪酸による調節機構の解明

表皮型脂肪酸結合タンパク質(E-FABP)に対する特異抗体を用い免疫組織化学的染色を行い,発現と分布を検索したところ,胎齢16日のマウス胎仔メッケル軟骨の吸収面に初めてE-FABP免疫陽性の短い突起を有する小型の単核細胞が認められ、二重染色法により、骨端板軟骨で認められるセプトクラストであることが判明した。昨年度の方法に加えて、更に詳細な形態的特徴と組織化学的所見を比較したところ、メッケル軟骨のセプトクラストは、骨端板の同細胞に比べて、やや小型で突起が短い以外は、共通した所見と特徴を有していた。これらのことからセプトクラストが生理的な軟骨吸収に関与する、軟骨基質に特化した食細胞である可能性が高くなった。一般的によく知られている破軟骨細胞は、軟骨組織を貪食している以外は破骨細胞との区別がしにくいが、メッケル軟骨の吸収部では、石灰化した基質の側面には破軟骨細胞が、未石灰化の基質に沿ってセプトクラスが局在し、両細胞が軟骨基質の石灰化の状況に応じて役割分担を行っていることが強く示唆された。さらに、骨端板セプトクラストでは、その由来が血管周皮細胞(ペリサイト)であることを我々は明らかにしたが、メッケル軟骨の同細胞についても、同じ細胞マーカーを発現していることから、同様にペリサイト由来であることがわかった。以上の結果から、メッケル軟骨ではメッケル軟骨の吸収部の毛細血管のペリサイトから何らかのシグナルによってセプトクラストの分化が誘導され、石灰化した基質を破軟骨細胞が貪食して露出した非石灰化基質を選択的に貪食し、破軟骨細胞とセプトクラストの協働作業で、石灰化した部位からメッケル軟骨を急速に吸収する効率的なシステムが存在することが示唆された。器官培養実験を担当していた大学院生は卒業後も研究室で継続的に実験を行う予定であったが、臨床系分野の助教に採用されて,外来診療と教育業務に忙殺されるようになり、実験に関与できる時間が顕著に減ったため。引き続き、メッケル軟骨の発生、吸収における低酸素環境で誘導されるHIF-1αの発現とその変動を器官培養系を用いて調べる。正常発生の所見は、マウス胎児の各発生段階における抗HIF-1α抗体を用いて免疫組織化学を行う。さらに、1%酸素分圧に調整した低酸素チャンバー内で、E10の第1鰓弓を無血清培地で37°C、で10日間培養する。本年度の実験で、ある程度安定性が確保できる見込みになったまた,セプトクラストが血管周皮細胞由来であることが示唆されたが、メッケル軟骨の吸収前後で、吸収窩周囲の血管網の構築の変化とペリサイトマーカー、E-FABP発現の変化を比べ、どの時期、どの場所からセプトクラストが分化するかを明らかにする。表皮型脂肪酸結合タンパク質(E-FABP)に対する特異抗体を用い免疫組織化学的染色を行い,発現と分布を検索したところ,胎齢16日のマウス胎仔メッケル軟骨の吸収面に初めてE-FABP免疫陽性の短い突起を有する小型の単核細胞が認められた。二重染色法により,同細胞セプトクラストに特異的に発現すると報告されているCathepsin BとDBAレクチンとも共局在することが示された。E-FABP免疫陽性細胞の突起は,トルイジンブルー陽性でvon-Kossa染色陰性の未石灰化軟骨基質に向かって伸展し,その細胞体は血管内皮細胞に隣接していた。これらの免疫組織化学的特徴と未石灰軟骨基質や血管内皮細胞との関係から,E-FABP陽性細胞は骨端板で認められたセプトクラストであることが分かった。胎齢17日でも吸収面にセプトクラストが同様に認められたが,胎齢18日ではその数が減少した。破軟骨細胞(酸性ホスファターゼ陽性)はセプトクラストより吸収面から遠い場所に局在していたが,マクロファージ(FA40陽性)は近傍に認められなかった。共焦点レーザー顕微鏡による三次元的形態解析では,メッケル軟骨のセプトクラストは数個の短い突起をもった単核性の紡錘形細胞であることが分かったが,胎齢18日では突起を持たないタイプ等,様々な形態が認められた。以上の結果から,セプトクラストはマウスメッケル軟骨の消失過程で、メッケル軟骨吸収面最前方部で、血管内皮細胞と隣接し存在し、他の軟骨組織吸収細胞と連動して軟骨組織の吸収に関与することが明らかになった。マウス胎仔の胎齢1314日ではメッケル軟骨中心部の軟骨細胞にHIF-1αに対するやや弱い免疫活性が認められたが、軟骨膜に近い周辺部には認められなかった。胎齢1518日では小型軟骨細胞と前肥大軟骨細胞に免疫活性が認められた。低酸素群の培養胎仔下顎は対照群と比較して小さく、メッケル軟骨は静止期に相当する小型の軟骨細胞が多数を占めたが、対照群では前肥大軟骨細胞も認められた。低酸素群は対照群よりも強いHIF-1α免疫活性もつ軟骨細胞が多数認められた。メッケル軟骨の発生では、生理的な低酸素環境に対してHIF-1αを発現して対応するが、低酸素下ではさらに強い発現が誘導され、肥大化が阻害されて静止期が維持されることが示唆された。HIF-1αは正常なメッケル軟骨の形態形成や消失に重要な役割を担うと考えられた。しかし,低酸素下でのマウス胎仔

第一鰓弓の器官培養で,器官培養後の下顎の形態変化の変異の幅が大きく,安定して一定の傾向を得るために培養条件等の再検討を行っている。現在,一応の上記のような結果を得られたが,統計等でのデータの幅が大きく,十分な有意差を得られないため,さらなる条件検討を行っているところである。表皮型脂肪酸結合タンパク質(E-FABP)に対する特異抗体を用い免疫組織化学的染色を行い,発現と分布を検索したところ,胎齢16日のマウス胎仔メッケル軟骨の吸収面に初めてE-FABP免疫陽性の短い突起を有する小型の単核細胞が認められ、二重染色法により、骨端板軟骨で認められるセプトクラストであることが判明した。昨年度の方法に加えて、更に詳細な形態的特徴と組織化学的所見を比較したところ、メッケル軟骨のセプトクラストは、骨端板の同細胞に比べて、やや小型で突起が短い以外は、共通した所見と特徴を有していた。これらのことからセプトクラストが生理的な軟骨吸収に関与する、軟骨基質に特化した食細胞である可能性が高くなった。一般的によく知られている破軟骨細胞は、軟骨組織を貪食している以外は破骨細胞との区別がしにくいが、メッケル軟骨の吸収部では、石灰化した基質の側面には破軟骨細胞が、未石灰化の基質に沿ってセプトクラスが局在し、両細胞が軟骨基質の石灰化の状況に応じて役割分担を行っていることが強く示唆された。さらに、骨端板セプトクラストでは、その由来が血管周皮細胞(ペリサイト)であることを我々は明らかにしたが、メッケル軟骨の同細胞についても、同じ細胞マーカーを発現していることから、同様にペリサイト由来であることがわかった。以上の結果から、メッケル軟骨ではメッケル軟骨の吸収部の毛細血管のペリサイトから何らかのシグナルによってセプトクラストの分化が誘導され、石灰化した基質を破軟骨細胞が貪食して露出した非石灰化基質を選択的に貪食し、破軟骨細胞とセプトクラストの協働作業で、石灰化した部位からメッケル軟骨を急速に吸収する効率的なシステムが存在することが示唆された。器官培養実験を担当していた大学院生は卒業後も研究室で継続的に実験を行う予定であったが、臨床系分野の助教に採用されて,外来診療と教育業務に忙殺されるようになり、実験に関与できる時間が顕著に減ったため。無血管の軟骨組織は他組織より低酸素に陥り易く、低酸素抵抗性を備えていると考えられる。低酸素環境で誘導されるHIF-1αについて、マウス胎仔のメッケル軟骨における発現と変動を器官培養系を用いて調べる。固定した胎齢13日(E13)E18のマウス下顎の水平断切片を作成し、抗HIF-1α抗体を用いて免疫組織化学を行う。さらに、E10の第1鰓弓を摘出し、1%酸素分圧に調整した低酸素チャンバー内で、無血清培地で37°C、5%二酸化炭素分圧で10日間培養する。上記記載のように安定性にまだ難があるので,さらに条件変更を行って再実験をおこうなう予定である。また,骨端板のセプトクラストが血管周皮細胞由来であることが分かったので,メッケル軟骨のセプトクラストについてもその由来と分化機構を明らかにする。引き続き、メッケル軟骨の発生、吸収における低酸素環境で誘導されるHIF-1αの発現とその変動を器官培養系を用いて調べる。正常発生の所見は、マウス胎児の各発生段階における抗HIF-1α抗体を用いて免疫組織化学を行う。さらに、1%酸素分圧に調整した低酸素チャンバー内で、E10の第1鰓弓を無血清培地で37°C、で10日間培養する。
固体高分子型燃料電池のマイクロチャネル化と低温時の熱・物質移動現象の解明

固体高分子型燃料電池内のガス流動状態や生成水挙動および低温下での生成水の凍結挙動の把握を目的として、セパレータの薄型化による性能影響、氷点下における電池性能、および加圧による無加湿運転の可能性に関して研究を行った。まず、セパレータの薄型化による性能影響、氷点下における電池性能、および加圧による無加湿運転の可能性に関して研究を行った。その結果、電流密度が高いほど凍結による性能低下が急激に生じ、それを回避し得る限界の電流密度を雰囲気温度に対して示すことができた。また、加圧条件下では凝縮水がより多く生成するために、0.2A/cm^2の電流密度まで無加湿運転領域を拡大し得ることが明らかとなった。ただし、氷点下では加圧すると凝縮水の凍結がより顕著に生じるので、氷点下では常圧運転とするのが好ましいことも併せて明らかにすることができた。次にセパレータ内の可視化実験装置の製作を行い、凝縮水の挙動や電池内温度分布の直接計測を試みた。実験装置は可視化する側の端板に窓材を挿入し、セパレータ内部の可視化が可能な構造とした。実験の結果、凝縮水が流路内で次第に生成・蓄積された後、流出してセパレータ流路が開放されるパターンが繰り返し生じている様子が観察された。また、凝縮水に占有された流路面積の解析から、セパレータ流路内の凝縮水と電池電圧には明らかな相関があることが確認された。一方、反応面の2次元温度分布計測の結果、電池性能を確保する上で部材締め付け圧力の均一化が極めて重要であるが、適正な状態では比較的均一な面内温度分布になることが明らかとなった。さらに、凍結による電圧低下後の拡散層気相側表面には目視による変化は確認されなかったが、サーモグラフィーにより内部状態変化をモニターし得る可能性があるものと思われた。以上、本研究により、燃料電池内部の現象を直接可視化観察することに成功し、凝縮水挙動をはじめ、熱・物質・電流移動の相互バランス関係について新しい知見を得ることができた。固体高分子型燃料電池内のガス流動状態や生成水挙動および低温下での生成水の凍結挙動の把握を肩的として、セパレータの薄型化による性能影響、氷点下における電池性能、および加圧による無加湿運転の可能性に関して研究を行った。まず、セパレータの厚みを従来の4mmから0.6mmに薄くし、ガスの流れるチャネル深さを1mmから0.2mmと薄型化した際の電池性能の計測を行った。その結果、ガス流路が狭くなるとカソード側で生成する水により電極におけるガスの拡散が阻害されやすくなるので、セパレータを撥水処理するほかカソードガスの湿度を低めに調整することにより、従来と同程度の電池性能を達成可能であることが明らかとなった。また、シールをO-リング化することにより、薄型セパレータの破損を回避しながら充分なシール性を確保する手法を開発した。次に、PEFCの主要な課題の一つである氷点下における自立運転特性に関する研究を行った。また、-5°C以上であれば自立運転が可能であるほか、自立運転温度を下げるには燃料電池本体よりも作動ガスの加熱が有効であることが明らかとなった。一方、無加湿運転の可能性を探るために、加圧条件での運転実験を試みた。

その結果、加圧条件下では凝縮水がより多く生成するために、0.2A/cm^2の電流密度まで無加湿運転領域を拡大し得ることが明らかとなった。ただし、氷点下では加圧すると凝縮水の凍結がより顕著に生じるので、氷点下では常圧運転とするのが好ましいことも併せて明らかにすることができた。以上、本年度の研究により、薄型燃料電池の基本的特性を明らかにすることができたほか、次年度予定しているセパレータ内の可視化実験装置の製作を完了した。固体高分子型燃料電池内のガス流動状態や生成水挙動および低温下での生成水の凍結挙動の把握を目的として、セパレータの薄型化による性能影響、氷点下における電池性能、および加圧による無加湿運転の可能性に関して研究を行った。昨年度の研究により、氷点下における燃料電池性能特性および無加湿運転時の電池性能特性をある程度把握していたので、本年度はセパレータ内の可視化実験装置の製作を行い、凝縮水の挙動や電池内温度分布の直接計測を試みた。実験装置は可視化する側の端板に窓材を挿入し、セパレータ内部の可視化が可能な構造とした。また、可視化する側のセパレータ溝は貫通しており、その穴を通して拡散層表面が可視化観察できる。セパレータ流路内を可視化観察した結果、凝縮水が流路内で次第に生成・蓄積された後、流出してセパレータ流路が開放されるパターンが繰り返し生じている様子が観察された。また、凝縮水に占有された流路面積の解析から、セパレータ流路内の凝縮水と電池電圧には明らかな相関があることが確認された。さらに詳細に観察を行うと、多くの水滴がセパレータリブ部より染み出すように発生しており、セパレータリブ部では電流が流れ易く生成水も多く発生するポテンシャルがあるが、水の排出やガス拡散では溝部に比べて不利であり、これらのバランスで現象が律速されている様子がわかった。一方、反応面の2次元温度分布計測の結果、電池性能を確保する上で部材締め付け圧力の均一化が極めて重要であるが、適正な状態では比較的均一な面内温度分布になることが明らかとなった。さらに、凍結による電圧低下後の拡散層気相側表面には目視による変化は確認されなかったが、サーモグラフィーにより内部状態変化をモニターし得る可能性があるものと思われた。以上、本年度の研究により、燃料電池内部の現象を直接可視化観察することに成功し、凝縮水挙動をはじめ、熱・物質・電流移動の相互バランス関係について新しい知見を得ることができた。