研究内容
燃料電池を核にした水素エネルギー社会実現を目指して
機械工学部門（水素エネルギーシステム専攻）・水素利用プロセス研究室では、燃料電池を核にした環境にやさしい水素エネルギー社会の実現を目指して、四半世紀にわたる研究実績をベースにした燃料電池および関連する水素システムの材料・プロセス研究に取り組んでいます。新材料の開発やメカニズム・プロセスの解明、システム設計指針の構築、水素技術の実用化に向けた高耐久化などの各種技術課題の解決を目指しています。そのために、材料調製から電池セルの作製、詳細な電気化学特性評価、ガス分析、微細構造観察、プロセスシミュレーションなどを一連の研究として行える体制を整え、研究室専有の燃料電池性能評価装置（計55台）や原子分解能走査透過電子顕微鏡をはじめとする国内最高水準の研究インフラを駆使し、基礎材料研究から実用化に向けた産学連携や実証研究まで、積極的に取り組んでいます。
主要企業十数社が入居する
「次世代燃料電池産学連携研究センター」
ウエスト４号館１階の当研究室・燃料電池実験室
(1) 固体高分子形燃料電池（PEFC）の次世代電極・プロセス研究
高性能・高耐久性の新規PEFC電極触媒の開発や担体からの材料設計指針構築などの材料研究を行っています。カーボン腐食の問題を根本から解決する酸化物担体を用いた電極触媒の開発などの成果を上げています。
【佐々木、野田、松田、安武、西原、Lythほか】
カーボンフリーPEFC電極触媒（佐々木ほか）
(2) 固体酸化物形燃料電池（SOFC）の電極材料・プロセス研究
多様な燃料種をフレキシブルに利用できる次世代型燃料電池の実用化を目指して、電池セルにおける反応プロセスや熱力学的安定性などを解明しながら、高性能で耐久性に優れる燃料電池の開発を行っています。SOFCの国家プロジェクト（NEDO）にも携わっており、長時間耐久性に関する研究や、MITとの国際共同研究として進める、燃料電池発電と水蒸気電解が可能な可逆セルの開発を目指しています。【佐々木、谷口、松田、立川、井上、安武、大嶋、宮良、瓜生、竹宮ほか】
SOFC高耐久化に向けた取り組み。
サイクル加速劣化後のSOFC燃料極の3次元電顕観察。
電極のNiが凝集して孤立（佐々木ほか）
燃料電池発電と水蒸気電解が可能な可逆セル（佐々木、安武ほか）
(3) メタルサポートSOFCセルの開発
熱衝撃や燃料枯れ等に対する高いロバスト性を示すSOFCのセル実現を目指して、耐熱ステンレス鋼を支持体とするメタルサポートSOFCのセル材料・構造に関する研究開発を行っています。【谷口、井上ほか】
金属支持体を用いた高出力SOFCの概念設計と試作（谷口ほか）
(4) 燃料電池の原子レベル設計：基礎学理・先端評価手法の確立
燃料電池などの水素利用システムに関連する「水素利用工学」を確立することを目指しています。原子・電子・分子レベルの欠陥化学や固体電気化学から、マクロな性能を左右する熱力学や物質輸送、電極プロセス、さらに電気化学測定評価法や顕微観察評価法、３次元微構造観察手法、加速試験法などの開発を進めています。特に、原子分解能の高分解能電子顕微鏡観察は、多岐にわたる燃料電池材料の研究にとって欠かせない手法となっています。原子レベルで燃料電池を設計・製作する時代がすぐそばまで来ています。【松田、佐々木ほか】
酸化物担体を用いた高耐久性PEFC電極触媒の
高分解能STEM写真（松田ほか）
(5) 燃料電池の分子レベル設計：新規高分子電解質材料の開発
水素エネルギーデバイスに用いられる高分子電解質材料の気体透過性は、発電・電解性能、化学的な耐久性など、様々な性能に影響を及ぼすことが知られています。電解質膜では、膜内の酸素透過が原因で、膜の劣化要因である過酸化水素が発生します。イオノマーでは、イオノマーが触媒への酸素のアクセスを阻害することで、発電性能が低下します。この点に注目し、高分子電解質の気体透過性を調整することで、高耐久、高性能化を実現できる高分子電解質材料の開発を行っています。【西原、佐々木ほか】
高いガスバリア性により膜の劣化原因となる過酸化水素発生を抑制する
ガスバリア性電解質膜と、高いガス透過性により触媒への酸素のアクセスを向上させ、
発電性能を高める高酸素透過性イオノマーブレンド。
(6) 燃料電池の次世代システム設計：可視化手法の開発
次世代の高性能な燃料電池開発に必要となる燃料電池内部の現象、反応、構造変化などの可視化技術の開発を行っています。通常観察できない温度の変化や化学反応，熱応力の分布を数値解析や実験的可視化手法に基づいた評価を行うことのほか、FCシステムをマクロに評価するシステム分析手法の開発も行っています。【立川ほか】
（左）SOFC上の温度分布の数値解析結果と、（中）その際の熱応力分布、
（右）実験で使用するSOFC可視化炉の概略図（立川ほか）
(7) 固体高分子形水電解のデバイス設計：新規セル構造の開発
固体高分子形水電解セルの高性能・高耐久・低貴金属化の実現を目指して、新しい水電解セル構造の開発を行っています。特に拡散層と呼ばれる部材の機能を拡張し、セル内の貴金属を有効に活用することで、貴金属使用量の低減と高性能化の両立できる新しいコンセプトの実証研究を行っています。新規セル構造が耐久性に与える影響まで評価し、実用化を見据えた研究を行っています。【安武、佐々木ほか】
新しい水電解セル構造
ミクロレベルからマクロレベルの構造設計