熱システム工学

本研究室は、エネルギーの変換・輸送・貯蔵の高度化をめざし2019年9月にスタートしました。高温燃料電池や二次電池といった電気化学デバイス内の現象や、炭化水素やアンモニア混合燃料の触媒反応（改質・酸化・熱分解）を対象に、熱・物質・電荷輸送という機械工学的な観点からアプローチし、ミクロからマクロにわたる複雑な現象を解明するとともに、これらデバイスの更なる展開につながる本質的な理解をめざしています。また新たなエネルギーシステムの創出に向けた研究を行っています。

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教員

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岩井 裕 ( Hiroshi IWAI )

教授（工学研究科）

研究テーマ

熱工学、伝熱工学、流体工学などを基盤にエネルギーの変換・輸送・貯蔵の高度化をめざした研究を行っています。近年は電気化学デバイスの電極や各種触媒など、多孔質体における熱・物質・電荷輸送現象の解明と制御に取り組んでいます。またこれらデバイスのマクロスケールでの熱制御や、新規なエネルギーシステムの創出に向けた研究を行っています。

連絡先

桂キャンパス C3棟 b4S07室
TEL: 075-383-3650
E-mail: iwai.hiroshi.4x アットマーク

岸本 将史 ( Masashi KISHIMOTO )

准教授（工学研究科）

研究テーマ

電気化学デバイスのナノ～ミクロスケールの構造とマクロ性能の相関を解明することを目的とした研究を行っています。集束イオンビームを備えた走査型電子顕微鏡（FIB-SEM）を用いた最先端の3次元構造観察技術を用いることで、電極のナノスケール構造を観察・定量化しています。その上で、実構造に基づいた数値シミュレーション技術により電極内の輸送・反応現象の解明に取り組んでいます。また、含浸法や相転換法といった新規電極作製プロセスに関する研究も行っています。

連絡先

桂キャンパス C3棟 b4S09室
TEL: 075-383-3651
E-mail: kishimoto.masashi.3m アットマーク

郭 玉婷（Yuting GUO）

助教（工学研究科）

研究テーマ

連絡先

桂キャンパス C3棟 b4N03室
TEL: 075-383-3652
E-mail:guo.yuting.3f アットマーク

研究テーマ・開発紹介

相互に関連するものもありますが、研究テーマは次のように分類できます。

（１）３次元ナノ構造イメージングに基づく機能性多孔質体の最適化
（２）燃料電池・二次電池内の熱・物質・電荷輸送現象に関する研究
（３）触媒反応（改質／燃焼）を伴う輸送現象の解明と制御
（４）熱流動場の計測・可視化・シミュレーション
（５）エネルギーの変換・貯蔵に関する新コンセプトの創出と検証

SOFC電極の構造と性能に関する研究

高い発電効率で注目を集める固体酸化物形燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell: SOFC）の性能は、多孔質である電極の構造に強く依存します。本研究室では、主として"構造と機能"という機械工学的観点から、高性能かつ高耐久の電極あるいはセルを実現するための研究を行っています。

①セルを自作する、②作製したセルの性能を評価する、③評価前後のセルの構造を解析・定量化する、④得られた構造データを独自に開発した電極あるいはセルの発電シミュレーションプログラムに適用することで構造と性能の関係を調べる、といったプロセスを一貫して研究室内で実施することができます。

図　集束イオンビームによる微細加工と電子顕微鏡による画像取得を繰り返し（左図）、得られた多数の画像をコンピューター内で再構築することで、多孔質電極の３次元構造が得られる（右図、Ni-YSZ燃料極、粒子径は約1ミクロン）．

図　LSM空気極/YSZ電解質/Ni-YSZ燃料極で構成されるSOFCのシミュレーション結果の例（緑：電子電流、青：イオン電流）．

新規な高温二次電池の研究

図は、新しいコンセプトの二次電池（充電池）である固体酸化物形鉄-空気電池です。水素と酸素の反応により水蒸気が生成される過程で電力と熱が得られる燃料電池モードと、電力と熱を加えることで水蒸気を水素と酸素に分解する電解モードの双方向の運転が可能な固体酸化物形電気化学セル（Solid Oxide Electrochemical Cell, SOEC）と、鉄多孔質体の酸化還元反応を組み合わせています。本質的には鉄の酸化還元によるエネルギー貯蔵なので、安価な大容量エネルギー貯蔵装置となる可能性があります。本研究室では、SOECの高電流密度化や、反応に伴い構造変化が生じる鉄多孔質体におけるガス拡散などの要素研究のほか、システム化した場合のエネルギー解析を行っています。

図　固体酸化物形鉄-空気電池における充放電プロセスの概念図．

触媒反応を伴う熱流動場の現象解明と制御

流路に充填、あるいは固体面に担持した触媒に反応性ガスを供給する系における、熱・物質輸送現象の解明と制御に関する研究を行っています。炭化水素燃料の改質反応、酸化（燃焼）反応や、アンモニアの熱分解反応などを対象としています。下図は、最も基礎的な形状のひとつである平板表面に担持した触媒において、メタンの部分酸化反応あるいはメタンの水蒸気改質反応が生じた時の触媒表面温度分布計測の例です。ガス組成の測定や、一般的に多孔質体である触媒の微構造解析、反応を伴う熱流動数値シミュレーション等を通じた現象の理解と、高効率で安全な運転のための制御法確立へ向けた検討を行っています。

図　（上）中央が矩形断面を持つ石英管内にNi触媒を担持した平板設置し、電気炉で保温しつつガスを供給、（下左）メタン部分酸化反応（発熱）時の温度分布の赤外線熱画像、（下左）メタン水蒸気改質反応（吸熱）時の温度分布の赤外線熱画像．各図において赤い領域は相対的に高温、青い領域は相対的に低温．