湿度スイング吸着法によるCO2回収
近年、排気ガスや大気からCO2を回収し、貯留・利用する試みがなされています。その中で鍵となるのがCO2を回収する技術です。CO2を回収する技術として物理吸着法や化学吸着法など様々な方法がありますが、消費エネルギーの低減が大きな課題です。そこで我々は吸着剤を乾燥させればCO2を吸着し、湿らせるとCO2が脱離する湿度スイング吸着法に着目し研究を行っています。湿度スイング吸着法では水を供給するだけでCO2を吸着剤から脱離することができるため、既存の熱を使うCO2回収システムと比べ消費エネルギーを大幅低減できる可能性を秘めています。この湿度スイング吸着法を対象として、吸着剤となる高分子材料の開発からシミュレーションモデルの構築、さらにはシステム設計・開発に至るまで、化学と機械工学を横断する統合的な研究を推進しています。
(1)吸着剤の開発
吸着剤には高吸着量、高吸着速度が求められます。これを実現するための新規高分子構造の開発を行っています。分子動力学法を用いて高分子中の水分布やCO2の拡散挙動を調べることで湿度スイング吸着法に適した、化学構造の探索にも取り組んでいます。加えて、多孔質状の吸着剤に加工することで高吸着性能かつ実機搭載可能な形態の実現にも取り組んでいます。 そこで我々は多孔質状の吸着剤を開発するとともに吸着剤となる高分子構造を最適化することで、高い吸着性能を有するCO2吸着剤を開発しています。現在は少量ながらも連続生産可能な製造能力が整いつつあります。
(2)物質輸送メカニズムの解明
高性能な吸着剤を開発するためには吸着剤の中で生じるCO2などの輸送メカニズムを解明する必要があります。そこで、高分子中のCO2を可視化する技術の開発に取り組みCO2輸送機構と化学構造の関係を解明する取り組みを行っています。また、得られた知見をもとに吸脱着を模擬できる三次元シミュレーションモデルの開発にも取り組み、ナノスケールからメートルの現象を繋ぐ研究を推進しています。
(3)湿度スイング吸着法システム開発
消費エネルギーの低減にはCO2回収システムのエネルギーマネージメントが不可欠です。そこで我々は約 1.0 t/yearのCO2を大気から回収する装置を作製し、そのデータをもとにCO2回収システムの消費エネルギーを最小にする最適構成および運転モードの確立に取り組んでいます。現在は初号機の製作を完了しており、実証実験を開始しています。今後、得られたデータを基にプロセスシミュレーションモデルを構築し、最適な運転モードの確立を進めていきます。
CO2電解による有機物合成
湿度スイング吸着法により回収したCO2を、有機合成原料として有用なCOへ高効率に転換する電解技術の研究を行っています。特に、固体酸化物形（SOEC）電解セルを対象とし、それぞれの反応機構や輸送特性の違いを踏まえた性能最適化に取り組んでいます。回収CO₂に含まれる水分や微量不純物（例えば酸素、窒素、揮発性有機成分など）が電極反応、触媒劣化、イオン伝導特性に及ぼす影響を系統的に評価し、実用条件下での安定動作領域の明確化を進めています。あわせて、長期運転における性能劣化の要因解析に基づき、耐久性を向上させるセル構造の設計指針を構築するとともに、ガス供給・生成物分離を含むシステム全体の最適化にも取り組んでいます。この他、CO2電解時に発生する酸素を有効利用できるセルの検討しています。これらの研究を通じて、回収CO₂の資源化と持続可能な化学プロセスの実現に貢献することを目指しています。
合成燃料に適した副室ジェット燃焼
CO2から合成した合成燃料を高効率に利用する燃焼技術である副室ジェット燃焼方を研究しています。副室内の燃料に点火して燃焼させることで、
高温・高速度の火炎ジェットを主室へ噴射し、広範囲にわたる多点着火を実現します。これにより燃焼期間の短縮が可能となり、エンジンの高効率化に寄与します。
副室ジェット燃焼においては、副室と主室を連結するオリフィスの形状が、噴流構造や乱流強度、火炎伝播挙動に強く影響し、燃焼の安定性を左右する重要な因子となります。
そこで、光学的な可視化実験により副室内から主室に至る燃焼過程を詳細に観察するとともに、化学反応を考慮した数値シミュレーションを組み合わせることで、
合成燃料を用いた副室ジェット燃焼のメカニズム解明を進めています。さらに、副室ジェット燃焼に適した燃料設計指針の構築に向けて、ルイス数をはじめとする無次元指標に着目し、
着火性や燃焼期間との関係を体系的に評価しています。これにより、副室ジェット燃焼に適した合成燃料の設計を実現します。
固体高分子形燃料電池
脱炭素技術の中核を担うエネルギー変換デバイスとして、水素を高効率に利用可能な固体高分子形燃料電池（PEFC）に着目し、電池内部における水および酸素輸送現象の解明と制御に関する研究を進めています。固体高分子形燃料電池では、水素と酸素の電気化学反応によって電力が生成され、その過程で水が副生成物として生成されます。この生成水は電解質膜の加湿維持に寄与する一方で、過剰に蓄積するとガス拡散層や触媒層内における酸素輸送を阻害し、いわゆるフラッディング現象を引き起こすことで発電性能の低下を招きます。
このような課題に対し、本研究では電池内部の多孔質構造における気液二相流動および物質輸送特性に着目し、生成水の排出挙動と酸素供給の両立を図るための設計指針の確立を目指しています。特に、ガス拡散層（GDL）の厚さを極限まで薄肉化することで拡散抵抗の低減を図り、酸素輸送の高度化と生成水の迅速な排出を同時に実現するアプローチに取り組んでいます。
さらに、格子ボルツマン法（LBM）を用いた独自の数値解析手法を構築し、従来の連続体モデルでは捉えにくい多孔質内部における水と酸素の複雑な輸送挙動を高解像度で再現しています。これにより、微視的な流動・輸送現象と電池性能との関係を定量的に明らかにし、構造設計および運転条件の最適化に資する知見の獲得を進めています。
(1)格子ボルツマン法による二相流シミュレーション
固体高分子形燃料電池は微細な多孔質を含むため二相流シミュレーションの計算負荷が非常に重いことが課題でした。そこで、並列計算が容易な格子ボルツマン法を対象に大きなタイムステップでも安定的に解ける解析手法を考案するとともにマルチブロック法など部分的に空間分解能を下げることで計算負荷の低減を行ってきました。現在では酸素輸送の他水の相変化を考慮したモデルへ拡張すべく、モデル開発および計算負荷の低減に取り組んでいます。
(2)ガス拡散層/微細多孔質
固体高分子形燃料電池においては、カソード側の酸素輸送抵抗の低減が高電流密度域での性能向上に直結します。この課題に対し、ガス拡散層（GDL）の厚みを低減するアプローチに着目し、細孔径分布を精密に制御した厚さ40 µm以下の超薄膜GDLを開発しました。その結果、拡散抵抗の大幅な低減により、酸素輸送性能を従来比で約2倍に向上させることに成功しています。さらに、GDL内部の輸送現象の理解を深化させるため、赤外線を用いて数µmスケールの細孔構造および水分分布を可視化する計測技術の開発にも取り組んでいます。本手法により、運転条件下におけるガス・液水の分布挙動を高空間分解能で捉えることが可能となり、輸送支配メカニズムの解明および材料設計指針の高度化に寄与しています。