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上智大学の視点
~SDGs編~

「SDGs」は、2015年9月に国連総会で採択された「持続可能な開発目標」の略称。2030年を達成期限とする、各国が取り組むべき17の目標とその具体的な評価基準169項目が定められている。そこで、上智大学のSDGsにかかわる取り組みを、シリーズで紹介する。

夢の水素社会実現へ 小さくて大きなカベに挑む 夢の水素社会実現へ 小さくて大きなカベに挑む

夢の水素社会実現へ 小さくて大きなカベに挑む

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夢を邪魔する極小の厄介者

2019年、世界の科学者たちが、人類がこのままのペースで化石燃料を使いCO2を放出し続ければ、10年を経た2030年には気候変動が取返しのつかない段階に達する恐れがあると警告を発しました(IPCC『1.5度特別報告書』)。また、原子力発電も、10年前の東日本大震災で発生した事故を契機に、その安全性が議論となっています。

そのような状況の中、人類をこの危機から救ってくれそうな期待の星ともいえるエネルギー資源、それが「水素」です。

水から作られて水に還り、環境に負荷も与えず枯渇の心配もない。生成の過程で多くのエネルギーを投入する必要があるという大きな弱点も、優れた新技術の開発が進んで克服されつつあります。

ただ、明るい可能性ばかりに目を向けてはいられません。実は、本当に安全・安心な「水素社会」、「低炭素社会」を実現するためには、まず乗り越えなければならない極小のカベがあるのです。

そのカベとは、「水素脆化」という現象です。水素原子が、金属材料に作用してこれを脆くし、時に破壊してしまう。「極小」と言ったのは、この現象は主役の水素が、全物質の中で最も小さい原子であるがゆえに起こるものだからです。例えば、脆化による不具合が水素で走る燃料電池車や水素ステーションの水素の貯蔵タンクなどで発生すれば、その被害はむろん極小どころではないでしょう。

また、ガソリン車、ハイブリッド車、電気自動車、燃料電池車と将来、駆動系が多様化していっても、自動車の軽量化はエネルギー低減可能な共通の課題でありますが、軽量化のために高強度の材料を使用すると、水素による脆化が起こりやすくなってしまいます。

この水素脆化の研究の重要性が、今後ますます高まることは言うまでもありませんが、しかし目覚ましい成果が次々に上がるといった状況が期待できない、難しいテーマであることも事実です。その理由もまた、水素が最小の原子で、顕微鏡では決してその挙動をとらえられない点にあります。

材料の強度を上げれば脆化のリスクが高まるジレンマ

水素脆化研究に関する国際会議での招待講演風景(ロシア・サンクトペテルブルグにて)(まだ解明されていない水素脆化メカニズムについて議論)

水素脆化はさまざまな金属材料で起こりますが、ここでは最も一般的な鉄と鋼について述べていきます。

ご存じの通り、鉄は酸素と反応して錆びますが、酸素原子が鉄の内部に入り込めないので、錆びは鉄の表面だけにとどまります。

ところが、きわめて小さい水素原子は、固体である金属の中で互いに結合している鉄原子の隙間に、まるで食塩が水に溶け込むように潜り込む。そして、辿り着いた鉄の内部、奥深くで、時に「悪さ」をするのです。

その水素に私たちがどう取り組んでいるのか、私たちの苦心の一端をご紹介しましょう。そこでは、世界で上智大学にしかない検出装置も活躍しています。

これは、水素原子が2つ結びついただけの水素分子(通常の気体の水素)にもできない芸当で、例えば雨が降って鉄が水に触れている場合、鉄が錆びるときに水分子から水素原子が単独ではずれるなどして、鉄の表面から中に入り込むのだと考えられます。

水素脆化研究に関する国際会議での招待講演風景(ロシア・サンクトペテルブルグにて)(まだ解明されていない水素脆化メカニズムについて議論)

また、水が無くても、水素を貯蔵する際は当然圧縮するわけですが、圧力をかければかけるほど水素分子の運動は活発になるため、分子が金属の容器と衝突して2個の原子に分かれる確率が高まります。つまり貯蔵の効率を求めると、脆化のリスクが高まるというジレンマが生じます。

さて、鉄に限らず金属は本来、原子が格子状に規則正しく並んで結合しています。この場合、原子同士の隙間はとても狭いので、入り込んだ水素にとっては居心地が悪く、長居できません。ただ、この状態の鉄に力がかかると格子のある面に沿ってすべり、折れたり曲がったりしやすい、つまり柔らかいのです。そこで、安全で軽い車を作るには、鉄を超高温で焼いて一気に冷やして(昔の刀鍛冶の仕事を思い浮かべてください)、原子の規則正しい並びをわざと壊します。こうして固く強くしたものが高強度の鋼です。

しかし、こうして強度を高めるほど、鉄の内部に不規則で広いすきまが増え、水素がもぐりこみやすくなる、つまり脆化のリスクが高まるのです。これもまた、厄介なジレンマです。

こうして鉄原子の隙間に落ち着いた、つまりなんらかの形で鉄原子と結合した水素原子が、どのように脆化をもたらすのか、そのメカニズムはまだ解明されていません。ただ、どこにどのような状態でいる時に悪さをするのかは、少しずつ明らかになってきました。

従来の研究の不備を埋める新しい装置を開発

低温TDS装置(中心の奥)と水素脆化研究に取り組んでいる研究室の仲間たち

鉄の中に入り込んだ水素は、居心地のいい場所に辿り着いたものほどそこにしがみつく、つまり強い力で鉄原子と結びつきます。したがって、それを引き離すためには、より大きなエネルギーを与える(具体的には、より高温の状態にする)ことが必要になります。

そこで、人工的に水素をたっぷりもぐりこませた金属を準備し、その温度を徐々に上げていって、飛び出してくる水素を検出し、その量を測定します。特に多くの水素が飛び出す(ピークをなす)温度が、それに対応する水素の居場所(低温なら居心地が悪い、高温ならよい)の存在を示していると推定できます。

東北大で開催された講演大会での水素脆化に関する研究成果発表後風景(機能創造理工学科を巣立った卒業生が、各分野で材料と水素の研究を通して、SDGsおよび持続可能な社会実現に向け活躍しています)

こうして得られたデータをもとに、金属内の水素のありかと脆化の進行の関係を分析し、脆化と強く結びつく水素のありかを特定する。さらに、そうしたリスクの高い場所(鉄原子の配列状態)をできるだけ減少させた、脆化しにくい材料の開発につなげようというのです。

ここで問題は、非常に低い温度で飛び出すはずの水素原子が、室温以上で飛び出す原子に紛れ込んでしまうため、ピークが正確に把握できないということでした。そこで私たちは、マイナス200度という極低温から高温までの範囲で前述の実験を行える装置を開発しました。この世界唯一の機器によって、より正確で有効なデータが得られるようになり、研究が大きく前進しています。

研究室学生と水素ステーションの見学風景(機能創造理工学科を巣立った卒業生が、各分野で材料と水素の研究を通して、SDGsおよび持続可能な社会実現に向け活躍しています)

うれしいことに、上智大学の機能創造理工学科を巣立った卒業生たちが、自動車の軽量化や水素エネルギーにかかわる企業などで研究・開発の仕事を続けてくれています。とはいえ、彼らの、あるいは私たちの研究成果が、世の中で華々しく取り上げられることはまずないでしょう。人々が「当たり前」と考えている安全を、まさに「当たり前」のものとして提供するための、表に出す必要のない地道な営みなのですから。

でも私は、この研究を通じてSDGsの達成、持続可能な社会の実現の一端を、間違いなく担っていると自負しています。

2021年4月1日 掲出

高井 健一 理工学部 機能創造理工学科 教授

1988年早稲田大学理工学部材料工学科卒業。1990年早稲田大学理工学研究科資源及材料工学専攻修士課程修了。博士(工学)(早稲田大学、1996年)。日本電信電話株式会社勤務を経て、1999年4月上智大学理工学部機械工学科講師に着任。2002年同助教授、2009年より現職。専門は材料工学、水素脆化、鉄鋼材料。

日本鉄鋼協会、日本金属学会、日本機械学会、腐食防食学会の学会に所属。 2008年日本鉄鋼協会学術記念賞(西山記念賞)、2014年日本鉄鋼協会澤村論文賞、腐食防食学会技術賞を受賞。また、2015年文部科学省ナノテクノロジープラットホーム平成25年度利用6大成果賞(弾性応力下におけるマルテンサイト鋼中の水素起因格子欠陥の形成促進と水素脆化)を受賞。
2009~2012年 日本鉄鋼協会「水素脆化研究の基盤構築研究会」主査
2015~2017年 日本鉄鋼協会「水素脆化の基本要因と特性評価研究会」主査
2019~2021年 日本鉄鋼協会鉄鋼研究プロジェクト「高強度鋼の水素脆化における潜伏期から破壊までの機構解明」主査
水素をキーワードに材料工学の面から持続可能な社会実現を目指して研究を行っている。

広告 企画・制作 読売新聞社広告局
SOPHIA ONLINE「上智大学を知る」タイアップページ 2014年4月〜2017年3月掲載分 各界で活躍する上智大学卒業生
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