はじめに

ゼロエミッション社会の実現には、発電時にCO₂を排出しない太陽光発電や風力発電などの再生可能エネルギーによる発電を大量に導入する必要があります。一方で、その発電量は天候などによって変動してしまうため、うまく利用するにはエネルギーを貯める、輸送する、ということが必要になってきます。

電気化学デバイスとは、電気分解装置や燃料電池など、電気エネルギーを化学エネルギーに変換したり、その逆を行うデバイスのことで、エネルギーを貯めたり、運んだりするためには必要不可欠な技術です。

電気化学デバイスは、異なる材料が層状に重なった構造をしています。材料の表面や、材料と材料の境目・界面で、電気化学反応や、イオン、電子の移動が起こり、エネルギー変換が行われます。材料の表面や界面がどのような状態になっているか？　デバイスが動作している時に、界面で何が起こっているか？これらを知ることが、電気化学デバイスの性能向上につながります。

研究内容

私たちのチームでは、電解セルや燃料電池といった電気化学デバイスの高性能化、高機能化、信頼性向上を目指した研究を行っています。目的に応じて異種材料界面やデバイス構成を工夫して作製し、最先端の分析機器を用いて分析・解析をし、物性発現機構や劣化機構の解明、高性能セル開発などにつなげています。

①固体酸化物形電解セル（SOEC）技術を核とした高効率エネルギー変換技術開発

固体酸化物形電解セル(SOEC)は、熱をうまく利用することで、他の電解技術より高効率に水素を製造できるという特徴があります。また、他の電解技術にない特徴として、水蒸気と二酸化炭素を同時に電解する「共電解（co-electrolysis）」と呼ばれる技術があります(下図左に概念図)。酸化物イオン（O^2-）伝導体を電解質に用いているので、水蒸気と二酸化炭素を一緒に燃料極に導入すると水蒸気だけでなく二酸化炭素からも酸素が取り除かれ、合成ガス（syngas，水素と一酸化炭素の混合ガス）が製造可能です。

また、この共電解プロセスと合成ガスからメタンなどの燃料を製造するプロセスをうまく組み合わせることで、電解するために使用する電力の約90%を化学エネルギーへと変換することが可能となります。外部からの電力に再生可能エネルギー由来の電力を用いれば、高効率にカーボンニュートラルなメタン(e-methane)などの燃料を合成することが可能です(下図右に概念図)。

2022年度から，大阪ガス株式会社とともにNEDO グリーンイノベーション基金事業に取り組み、革新的なe-methane製造技術の早期実用化を目指した研究開発を行っています。

②ナノ構造や異種材料界面を制御した電気化学デバイス開発

固体酸化物形燃料電池（SOFC）や固体酸化物形電解セル（SOEC）では、電極表面で酸素を酸化物イオン（O^2-）として取り込み、電解質中を流れ、反対側の電極へと輸送します。私たちのチームでは、薄膜製造技術を基としたナノ構造制御技術や界面制御技術を活用し、高い電極反応活性、高いイオン輸送特性を得られる材料開発に取り組んでいます。

ナノ構造を制御した自己組織化ナノ複合空気極とその最適な使い方を開発し、SOFC単セルにおいて世界最高レベルの出力を達成しています。（図）

また、異種材料界面での酸化物イオン（O^2-）の流れを可視化することで、イオンの流れを阻害している部分を明確にするとともに、その阻害要因を取り除くことで性能を向上することに取り組んでいます。（図）

③先端分析技術を駆使した電気化学デバイスの機能発現要因、劣化機構の解明

高スループット加工・高分解能分析装置（プラズマFIB-SEM）や高質量分解能・高空間分解能二次イオン質量分析計（NanoSIMS）、高分解非破壊3次元X線顕微鏡（X線CT）などの先端分析装置を活用して、電気化学デバイスの機能発現要因や劣化現象の解明を行っています。所内連携の他グループとの連携、海外研究機関との国際連携、企業との共同研究役にプロジェクトを通して、SOFCやSOEC、その他電気化学デバイスの劣化現象の解明に取り組み、技術の早期社会実装に貢献しています。

チームの目指すところ

私たちのチームは通称「チームファインダー」(FINDER=Fundamentals of Ionic Devices Research Teamの省略形)。これまで見ていなかった、見えていなかったことを発見し、イオンや電子の挙動を解明することを得意としています。

ゼロエミッション社会の実現に貢献する電気化学デバイスの高性能化・高機能化をもたらすイノベーション創出のためには、国内外の企業・研究機関との連携研究を推進することが重要と考えています。ご興味のある方は、ぜひご連絡ください。

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