研究内容



新エネルギー・プラズマ科学研究室
Advanced Energy & Plasma Science Lab



燃料電池の研究開発によって
環境とエネルギーの明日を拓きます

我々の研究室では,環境に調和したクリーンエネルギーとして注目されている燃料電池の開発を行っています.研究対象は固体酸化物型燃料電池(SOFC)と,固体高分子型燃料電池(PEFC)やダイレクト・メタノール型燃料電池(DMFC)に代わる燃料電池です.燃料電池の実用化と広汎な普及には,解決すべき重要な研究課題があります.そこで,我々は以下を満たす燃料電池の開発に努めています.
 
            [ I ] 600℃前後で作動する高密度な燃料電池
            [ II ] 室温〜200℃で無加湿で作動する新奇な燃料電池

[ I ] ジルコニア系・セリア系電解質膜を用いたコンパクトスタック


固体酸化物型燃料電池(SOFC)は,最も効率の高い燃料電池で電極材料に貴金属触媒は必要とせず燃料供給には改質器が不要など用途を考えると多くの利点があります.しかし,SOFCは通常1000〜800℃で作動するために,電池材料が限定されて電池システム構成が難しくなるので,実用化には600℃前後で低温作動するSOFCの開発が不可欠です.


■埋蔵量が多くて安価で損失の小さな安定化ジルコニア(YSZ)電解質の薄膜化によって,SOFCの低温作動化とコンパクトセルスタックを目指します.コンパクトセルつまりエネルギー密度の増大には,セルのサイズを小さくして,その中に多くの単セルを直並列配線する方法で実現します.そこで,プラズマエネルギーを活用して,SOFCの心臓部であるYSZ電解質の薄膜化(≦1/1000mm)と微細化を図ります.


■セリア系電解質CeO2は,YSZ電解質に比べて約一桁以上の高いイオン伝導率を有し,SOFCの低温作動には欠かせない電解質ですが,450℃以上の作動温度ではイオン伝導性に加えて電子伝導性(還元作用)を発現して,発電効率の低下やセルの破損につながります.そこで,発電効率が低下しないように,CeO2系電解質にGd2O3やBaOを固溶したGDCやBaCeO3をプラズマ薄膜技術によって電解質の薄膜化を図り,極薄形SOFCの低温作動を目指します.


ジルコニア系燃料電池


[ II ] 無機プロトン伝導体を電解質膜に応用した単室型燃料電池


固体高分子型燃料電池(PEFC)は家庭用・電気自動車用のエコロジーな発電装置として,ダイレクト・メタノール型燃料電池(DMFC)は携帯機器用マイクロ発電機として現在実用化されつつあります.しかし,その電解質にはプロトン伝導性有機高分子膜を用いるために,80℃程度が作動限界で,その上湿度管理が必要不可欠となります.燃料電池の広汎な普及には,電池システムの高出力密度化および低コスト化が必須で廃熱の利用や電極への貴金属触媒の低減などを考えると,より高温(特に100〜200℃の間)で,かつ低加湿さらには無加湿で作動可能な新しいプロトン伝導性電解質の開発が切望されています.


■有機高分子膜の代替として耐熱性と親水性に優れた無機電解質素材のアルミナ水和物(ベーマイト膜)に着目し,ゾル−ゲル法やプラズマ薄膜技術を駆使して,新しいタイプの無機プロトン伝導性燃料電池を創製します.従来の燃料電池は燃料(水素)と空気(酸素)を別々に供給して発電するためにセルスタック化にはセパレータが不可欠ですが,セパレータを必要としないシンプル構造の単室型燃料電池(SCFC)を開発します.SCFCは燃料と空気の混合ガスを気相供給して,無加湿・高温作動において低損失な電池性能が期待できます.将来的には,PEFCやDMFCの重要課題を難無く解決でき,変形自在なマイクロ(究極にはナノ)エネルギーデバイスとして幅広い用途に応用できます.


無機プロトン燃料電池

Keyword:低温作動SOFC,単室型燃料電池,無機プロトン伝導体,マイクロエネルギーチップ,ゾル-ゲル薄膜技術,プラズマ・マイクロ技術


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パルスパワー工学研究室
Pulsed Power Engineering Lab



 近年,トリクロロエチレンや1,4-ジオキサンなどの人体に悪影響を及ぼす(可能性のある)物質による水環境の汚染が問題となっています.これらの物質は非常に分解しにくいため,従来の水処理方式である塩素(またはオゾン)を用いた酸化処理では分解が困難だと言われています.そのため,これらを除去するためには,塩素やオゾンよりも酸化力の強いOHラジカルなどの活性酸素種を利用する必要があります.しかし,酸化力の強い活性酸素種は,寿命がナノ〜マイクロ秒と非常に短いため,取り扱うのがとても難しいと考えられています.


水中気泡内放電 そこで私たちの研究室では,気体の絶縁破壊現象(放電現象)がこれらの活性酸素種の生成を比較的得意としている点に着目して,なるべく水の間際で放電現象を発生させ,その時生成する活性酸素種を水処理に利用する方法を考えました.この方法を用いることで,短寿命の活性酸素種の利用が可能となり,「難分解性物質の分解」と「従来方式と比較して高効率の水処理」が期待できます.


 この他に,水面から離れた場所で発生させた気体放電によって活性酸素種を生成し,それを水面に輸送して水処理に利用する研究も行っています.水中に到達した比較的長寿命の活性酸素種は,化学反応を経てOHラジカルを生成し,対象物質と反応することを確認しています.

Keyword:パルスパワー,環境浄化(水質改善),活性酸素種


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プラズマ・環境工学研究室
Plasma and Environmental Engineering Lab



 プラズマ・環境工学研究室では大きく分けて2つの性質の違う研究を行っています.


 ディーゼルエンジンは,耐久性および熱効率の高さから広く産業用機械に使用されているだけでなく,近年では化石燃料の節約という観点からも注目されています.例えば船舶用のある種のエンジンでは,燃焼熱の約50%を動力に転換できるまでに性能が向上しており,既存の動力源としては最高の技術と言えます.一方,その高い熱効率を生かすためには,排気ガス中の窒素酸化物(NOx)や粒子状物質(PM)の処理が困難であるという欠点を克服する必要があります.年々厳しくなる清浄ガスへの要求に応えるためには,排気ガス再循環(EGR)や選択還元触媒(SCR),NOx吸臓触媒に代表される後処理技術(=排気ガスが発生した後の処理)が必須ですが,一般に排気ガスの後処理は,%オーダーの燃料消費量の増加あるいはランニングコストの上昇が避けられないという負の側面を持っております.


 本研究室では,この状況に鑑みて,燃料消費量を極力増加させないNOx処理方法を模索しております.簡単に述べると,排出されたNOxを一旦,吸着剤で除去し,ガスを清浄化するとともにNOxを蓄積します.この蓄積されたNOxを濃縮状態のまま,あるいは,場合によっては大気圧プラズマによって酸化性を与えてエンジンの吸気に注入します.これまでの研究では,NOxを吸気へ注入することによって,排気ガス中の未燃成分の減少とNOx発生量の抑制が確認されており,さらに燃料消費率改善の可能性があることも分かっています.すなわち,毒をもって毒を制する方法といえます.


 もう一つの研究は,イオン風を利用した熱交換促進技術の研究です.


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実験装置
Keyword:ディーゼルエンジン,排気ガス,NOx,PM,吸着,大気圧プラズマ,イオン風,熱交換


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プラズマ物性工学研究室
Plasma Science and Engineering Lab



 本研究室では,プラズマの物性調査と調査に基づく技術応用として,次のような実験を行っています.



 (1) 大気圧誘電体バリア放電プラズマが誘起する流れ場の観測

大気中で1対の金属電極の表面に誘電体を置き,電極間に高周波(約10kHz,振幅数kV)を印加すると誘電体表面に沿って持続可能な放電が起きプラズマが生成されます.この放電形式を誘電体バリア放電といいますが,真空装置を必要とせず,電圧源さえあればどこででも作ることができるプラズマです.このプラズマをアクチュエータとして使用すると,プラズマ近傍に流れが生み出されることが知られており,これを利用した流体制御技術が発展しています.


流れ場 流体がどのように流れているかを知るにはいくつか方法があり,流体の中で小さな微粒子がどのように動くかを見るのがその1つです(PIV法).直径数ミクロンの粒子が充満した箱の中でプラズマを点火すると,粒子が動くのが観測されました(図左).この粒子はプラズマが生み出した流れに沿って動くと同時に,プラズマの作る電界あるいは外部から印加された磁界からの作用を受けていると考えられます.このような流れ場を観測し,プラズマの分布や物性(温度,密度など)を知ることで,微粒子の捕捉や表面改質といった応用につなげていきたいと思っています.




 (2) プラズマを使用した種子の滅菌

滅菌実験 毎日の食卓に上がる野菜は,畑で種子から育てられたものです.ホームセンターで売られているキュウリやニンジンなどの種子は,すでにきちんと滅菌されています.種子によって病原体が運ばれたり,発病したりするのを防ぐためです.滅菌作業に求められるのは,菌を除くことはもちろんですが,種子本来の生理は護ること,かつ人間にとって安全であること,という点です.有毒なガスや液体を使わない,人間や環境に優しい滅菌技術として有望なのがプラズマ滅菌技術です.プラズマ中に生成される化学的に活性な活性種が滅菌に有効とされていますが,その機序はまだ分かっていません.私たちの研究室では,誘電体バリア放電や低圧高周波放電プラズマを使用して,プラズマを照射するとなぜ滅菌できるのか,どのようなプラズマが必要なのか,を一つ一つ調べています.


Keyword:プラズマ滅菌,誘電体バリア放電プラズマ,流れ場,微粒子,低圧高周波放電プラズマ


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