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燃料電池自動車の材料技術

(2002年『燃料電池自動車の開発と材料』普及版)

商品コード: B0833

  • 監修: 太田健一郎・佐藤登
  • 発行日: 2007年10月
  • 価格(税込): 4,104 円
  • 体裁: A5判、275ページ
  • ISBNコード: 978-4-88231-940-5

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刊行にあたって

 昨今のエネルギー資源問題、CO2排出に伴う地球温暖化問題に関する解決の糸口として、燃料電池自動車の開発が世界規模で活発になってきた。1990年頃からにわかに研究開発が発展し、1995年頃からはプロトタイプの実験車が発表されだした。そして2002年には、トヨタとホンダが日米での認可取得をしたこと、それを基盤に限定的ではあるが、リース販売の段階までたどり着いたことは大きな前進である。
 しかし燃料電池自動車が一般の市販車となるまでには少なくとも10年以上の歳月を要し、その過程で解決すべき多くの技術、整備すべきインフラストラクチュア、法規や基準の立案、さらには水素エネルギーに対する安全性の啓蒙、そしてシステムと燃料にわたるコストの大幅な低減等、取り組まなければならない課題も山積している。
 書籍の構成は、前半が環境とエネルギーを導入部として、燃料電池の電気化学各論、燃料と燃料電池自動車の開発動向、それに市場の将来展望をまとめ、比較として内燃機関の水素自動車にも触れ、燃料電池自動車を多方面から眺めるように仕上げた。
 後半の部分は燃料電池技術にまつわる要素技術領域である。ここはまさに、今後の燃料電池技術の発展を大きく支える領域で、この領域の進化が燃料電池自動車の行方を占うといえる。改質触媒、セパレータ、固体高分子電解質膜を中心に詳述してあるが、一方では機構解明や劣化制御に関する課題も多く、その根本原因を追及する解析技術も紹介している。特許も世界各国の産業界や学術界等、多くの機関から出願されているので、その現状についても取り上げた。
 燃料電池用機能材料とともに重要なのが水素の製造と貯蔵技術である。燃料電池自動車が普及するためには、安価な水素製造技術が必須である。これは全世界規模の課題であると同時に、世界燃料資源戦略の一環でもある。また水素貯蔵技術に関しては、高圧ガス貯蔵が信頼性向上によりポピュラーになってきたが、水素貯蔵合金やケミカルハイドライドの一層の発展にも期待が寄せられている。
 日本の自動車メーカーが2002年末から台数限定ではあるものの、日米におけるリース販売を開始した。世界に先駆けたこの展開は、新たな水素エネルギー社会の到来を予告するもので、今後の更なる進化が期待される。米国で打ち上げられた“FreedomCAR”の水素エネルギーシステム開発に関する大規模国家プロジェクトは、またもや日本の後塵を拝す結果になったといっても過言ではない。
 本書はこのような情勢の中、時宜を得た形で燃料電池自動車とその要素材料技術を詳述して刊行されるものであり、各領域の第一線に立つ研究者によって執筆されている。産学官の研究者、技術者にはもちろんのこと、法規や基準作成を担当される行政領域の方々にも推薦できる書籍と考える。

2002年12月  監修者

<普及版の刊行にあたって>
 本書は2002年に『燃料電池自動車の開発と材料』として刊行されました。普及版の刊行にあたり、内容は当時のままであり加筆・訂正などの手は加えておりませんので、ご了承ください。

2007年10月  シーエムシー出版 編集部

著者一覧

佐藤 登   (株)本田技術研究所 栃木研究所 主任研究員
         (現)サムスンSDI(株) Vice President(常務取締役) 
太田健一郎   (現)横浜国立大学 大学院工学研究院 教授
坂本良悟   横浜国立大学 大学院工学研究院 太田・神谷研究室
野崎 健   (独)産業技術総合研究所 電力エネルギー研究部門 燃料電池グループ 主任研究員
         (現)(独)産業技術総合研究所 エネルギー技術研究部門 燃料電池グループ 主任研究員
柏木孝夫   東京農工大学 大学院生物システム応用科学研究科 教授
         (現)東京工業大学 統合研究院 大学院理工学研究科 教授
高木靖雄   (現)武蔵工業大学 工学部 環境エネルギー工学科 教授
風間智英   (現)(株)野村総合研究所 事業戦略コンサルティング2部 上級コンサルタント
山根 健   (現)BMW Japan Corp. エンジニアリング・ディビジョン ゼネラルマネジャー
竹中啓恭   経済産業省 産業技術環境局 技術評価調査課 評価企画調査官
安田和明   (独)産業技術総合研究所 関西センター 生活環境系特別研究体 小型燃料電池研究グループ 主任研究員
岡田 治   (現)(株)ルネッサンス・エナジー・リサーチ 代表取締役社長;東北大学 客員教授
坂口知三   (現)ユニチカ(株) 中央研究所 開発2グループ 主任
小谷貴彦   (現)旭化成ケミカルズ(株) 技術企画・マーケティング部 部長
山崎陽太郎   (現)東京工業大学 大学院総合理工学研究科 物質科学創造専攻 教授
片桐 元   (株)東レリサーチセンター 表面科学研究部長;形態科学研究部長
         (現)(株)東レリサーチセンター 東京営業第2部 取締役・部長
山口義和   (現)クレストン 代表
荒川裕則   (現)東京理科大学 工学部 工業化学科 教授
栗山信宏   (現)(独)産業技術総合研究所 ユビキタスエネルギー研究部門 グループ長
高野俊夫   (現)JFEコンテイナー(株) GSE事業部 GSE事業部長
市川 勝   北海道大学 触媒化学センター 触媒設計化学分野 教授
        (現)北海道大学 触媒化学研究センター 名誉教授

 執筆者の所属表記は、注記以外は2002年当時のものを使用しております。

目次

【第1編 環境エネルギー問題と燃料電池】
第1章 自動車を取り巻く環境問題とエネルギー動向
1. 地球環境と自動車技術
2. リサイクルと材料技術
2.1 リサイクルの具現化事例と規制動向
2.2 ガラスのリサイクル
3. 有害物質削減への取組み
3.1 法規動向
3.2 鉛フリー対応
3.3 ポストPVCの動き
3.4 フロン対策
3.5 エアバッグガス発生剤の転換
4. 内燃機関自動車の進化
5. エネルギー動向とCO2低減
6. 新エネルギー自動車の動向
6.1 新エネルギーシステムと自動車
6.2 電気自動車の開発経緯
6.3 ハイブリッド電気自動車の開発経緯
6.4 FCVの開発動向
7. おわりに

第2章 燃料電池の電気化学
1. はじめに
2. 燃料電池の基礎化学
2.1 電気化学システム
2.2 電極反応
2.3 電解質とイオン伝導度
3. 燃料電池とは
3.1 燃料電池の原理
3.2 燃料電池の特徴
3.3 燃料電池の種類
4. 燃料電池の効率
4.1 燃料電池の効率の考え方
4.2 電圧効率
4.3 電流効率
4.4 エネルギー変換効率
5. おわりに

第3章 燃料電池用燃料研究の動向
1. はじめに
2. 燃料電池システムの原理と改質反応
3. 燃料電池自動車に利用可能な燃料
4. 燃料電池自動車用燃料の未来
5. 燃料電池自動車用新燃料の供給・分配システム
6. おわりに

第4章 水素エネルギーシステム
1. 都市のエネルギー需要
2. 最適都市エネルギーシステム
3. 水素ネットワークを有する都市システムのイメージ

【第2編 燃料電池自動車と水素自動車の開発】
第1章 燃料電池自動車の開発動向
1. まえがき
2. 各種燃料方式FCEVの性能比較
2.1 各システムの構成
2.2 FCEVの熱効率とCO2排出量
2.3 航続走行距離
3. 各種燃料方式FCEVシステム開発の現状
3.1 直接水素式システム
3.2 ガソリン改質システム
3.2.1 DOEでの開発の現状
3.2.2 コストの予測
3.2.3 エミッションレベルの予測
4. まとめ

第2章 燃料電池自動車市場の将来展望
1. 燃料電池自動車の競合技術と優位性
1.1 燃料電池自動車の開発状況
1.2 燃料電池自動車の競合技術
1.3 燃料電池自動車の競合技術に対するコスト優位性
2. 燃料電池自動車の購入者
2.1 EV市場の現状
2.2 燃料電池自動車の購入者
3. 燃料電池自動車の市場展望
4. 自動車以外の燃料電池の用途
4.1 携帯機器用
4.2 住宅用

第3章 水素自動車の開発
1. BMWにおける25年にわたる水素自動車の開発
2. 液体水素タンク
3. 水素エンジン
4. 水素での運転のための構成部品
4.1 基本エンジン
4.2 水素噴射と混合気生成
4.3 点火系
4.4 逆火
4.5 希薄混合気運転
4.6 水素とガソリン両方の運転のための制御装置
4.6.1 制御ユニット
4.6.2 安全コンセプトとダイアグノーシス
4.7 水素モード運転
4.7.1 燃料計量
4.7.2 シフト制御
4.7.3 高度補正
4.7.4 ブレーキブースター
4.8 水素モードからガソリンモードへの運転切り替え
5. まとめ

【第3編 燃料電池と材料技術】
第1章 固体高分子型燃料電池の開発動向と技術課題
1. 開発動向
1.1 歴史的経緯
1.2 PEFCの最近の開発動向
2. PEFC用途における課題
2.1 燃料に関わる課題
2.2 経済性に関わる課題
3. 構成材料と技術課題
3.1 スタックの構造
3.2 高分子電解質膜
3.3 触媒電極と膜電極製造法
3.4 セパレータ
4. おわりに

第2章 固体高分子型燃料電池用改質触媒
1. 燃料電池における燃料改質技術
1.1 燃料電池の種類と使用可能燃料
1.2 燃料と改質システム
1.3 燃料電池用天然ガス改質システム
2. 改質触媒
2.1 改質方式
2.2 水蒸気改質法
2.3 部分酸化法およびオートサーマル法
3. CO変成触媒
4. CO除去触媒
5. おわりに

第3章 固体高分子型燃料電池用セパレータ
1. はじめに
1.1 燃料電池の構成
1.2 セパレータの役割、種類
1.3 セパレータの要求性能、課題
2. アモルファスカーボン
3. アモルファスカーボン製セパレータ
3.1 製造方法概略
3.2 原料工程
3.3 成形工程
3.4 焼成工程
4. 今後の展望

第4章 固体高分子型燃料電池用電解質膜
1. はじめに
2. 固体高分子電解質膜の役割と要求特性
2.1 固体高分子電解質膜の基本的な役割
2.2 実用上の要求特性
3. パーフルオロカーボンスルホン酸電解質膜
3.1 開発の歴史
3.2 構造と基本物性
3.3 性能向上の開発動向
3.4 実用的な環境での性能
4. その他の電解質膜の開発動向
5. おわりに

第5章 直接メタノール形燃料電池
1. はじめに
2. 改質形FCEVの問題点
2.1 燃料極触媒のCO被毒
2.2 改質温度の問題
3. 直接メタノール形燃料電池
3.1 DMFCの利点
3.2 DMFCの電極反応
3.3 空気極の反応
3.4 DMFCの高温作動化
3.5 DMFCの問題点
4. メタノール・クロスオーバー
5. ナフィオン膜の微細構造とメタノールクロスオーバー
6. メタノール不透過性膜の開発
7. 各種プロトン伝導膜
7.1 ポリベンズイミダゾール
7.2 芳香族ポリエーテル膜
7.3 有機・無機複合高分子膜
8. ガス拡散電極と三相界面
9. 液体燃料供給およびセパレータに関する問題
9.1 流路設計
9.2 CO2の排出
9.3 水管理
10. メタノールの安全性
11. おわりに

第6章 固体高分子形燃料電池用材料の解析事例
1. はじめに
2. 高分子電解質膜
2.1 電解質膜の構造解析・劣化解析
2.2 高分子電解質における水クラスターの評価
2.2.1 DSCによるクラスターサイズ分布の評価
2.2.2 透過型電子顕微鏡によるクラスター構造の観察
2.3 ダイレクトメタノール型燃料電池用電解質膜の評価
3. 電極触媒
4. 炭素材料
5. おわりに

第7章 燃料電池の特許動向
1. 燃料電池の種類と特許動向
2. 固体高分子型燃料電池と企業動向
3. 固体高分子型燃料電池と技術展開
(1) 電解質材料
(2) 電解質膜
(3) 電極(ガス拡散層)
(4) 電極(触媒層)
(5) 電解質膜と電極の接合体
(6) 中間層
(7) 電解質膜の補強材
(8) 集電板
(9) セパレータ
(10) ガス流路板
(11) シール
(12) 電解質の加湿方法

【第4編 水素製造と貯蔵材料】
第1章 水素製造技術
1. はじめに
2. 水素エネルギーの特徴と製造法の分類
2.1 水素エネルギーの特徴
2.2 水素製造法の分類
3. 化石資源からの水素製造
3.1 天然ガス、石油、石炭からの水素製造
3.2 バイオマスからの水素製造法
4. 水からの水素製造法
4.1 水の電気分解による水素製造
4.2 熱化学法による水からの水素製造
5. 太陽光を利用する水からの水素製造法
5.1 太陽電池を利用する水の電気分解
5.2 光電気化学的水素製造法
5.3 酸化物半導体光触媒による水の直接分解水素製造法
5.3.1 紫外線光応答性光触媒による水の分解による水素製造
5.3.2 可視光応答性水分解光触媒の開発
5.3.3 光合成を模倣した二段階光触媒水分解システムの開発
5.3.4 光触媒による水分解水素製造プロセスの実用化への課題
6. おわりに

第2章 水素吸蔵合金
1. はじめに
2. 水素吸蔵合金の組成構造と特性
3. 水素吸蔵合金の種類と特徴
3.1 AB5型水素吸蔵合金
3.2 ラーベス相水素吸蔵合金
3.3 Ti-Fe系水素吸蔵合金
3.4 体心立方(bcc)構造固溶体型水素吸蔵合金
3.5 Mg系水素吸蔵合金
3.6 錯体系水素吸蔵材料
3.7 炭素系水素吸蔵材料
4. 種々の水素貯蔵技術と水素吸蔵合金
5. おわりに

第3章 高圧ガス容器
1. はじめに
2. 圧縮水素方式のFCV
2.1 FCVの事例
2.2 燃料電池自動車(FCV)と圧縮天然ガス自動車(CNGV)の比較
2.3 CNGV燃料装置用容器の構造
2.4 C-FRP容器の製造プロセス
2.5 CNGV用容器をFCVに適用するための課題
3. FCV用高圧水素容器の要求性能
4. おわりに

第4章 ケミカルハイドライド
1. 燃料電池と水素の貯蔵・供給技術
2. 燃料電池自動車用水素燃料の選択
3. 有機ハイドライドの物性と水素貯蔵・供給性能
4. 燃料電池自動車用の水素供給システムのLCA総合エネルギー効率
5. 有機ハイドライドを利用する水素供給技術の経済評価とCO2排出原単位
6. 有機ハイドライドを利用する高速水素発生装置と技術開発
7. 有機ハイドライドを利用する水素ステーション
8. 燃料電池社会向けの水素供給ネットワーク
9. まとめと将来展望
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