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超小型燃料電池の開発動向

(2003年『超小型燃料電池の開発と今後の展望』普及版)

商品コード: B0848

  • 監修: 神谷信行・梅田実
  • 発行日: 2008年5月
  • 価格(税込): 3,672 円
  • 体裁: A5判、235ページ
  • ISBNコード: 978-4-88231-994-8

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刊行にあたって

 燃料電池の歴史は100年以上にもなるのに宇宙船以外で実用的に使われているところはまだごくわずかしかない。実用的とはいっても、身近なところの例では実証試験の段階でしかない。どのタイプの燃料電池をどこで使うかで異なってくるが、燃料、電極反応、インフラ、どれをとっても今のところ、多くの問題を抱えている。
 最近は世界のあちこちで燃料電池に関する討論会、国際会議、展示会が開催されており、また新聞やテレビで頻繁に報じられるようになってきた。日本政府も公用車として数台の燃料電池車を購入し、率先して燃料電池の普及に力を入れている。平成15年度の燃料電池関連の予算が前年比87億円増の307億円になり、2010年頃には燃料電池自動車約5万台、定置用210万kW(家庭用として120万台)を想定し、2020年には自動車用約500万台、定置用約1000万kW(家庭用約570万台)がシナリオとして描かれている。
 しかし、自動車用、家庭用としては現状の内燃機関、商用電力が何不自由なく使われているだけに、これに対抗して魅力を感じるようにしなければ、消費者は購買意欲をもたない。もちろん政府が強制的に燃料電池を使うように仕向ければ様子は異なってくるかも知れないし、そうなれば技術の進歩にも格段に大きなものが期待できるかもしれないが。
 これに対してこの数年間の間に急速に研究が進んできたのが小型、超小型の燃料電池である。もちろん、これも使ってみたいなという魅力を感じなければ消費者は単に珍しいと見るだけに終わるが、近年、多機能の携帯電話、パソコン、PDAやカメラ一体型VTRなどが開発され、商品化されていながら、消費電力の増加に対応するモバイル電源が見当たらないという状況の中で、この超小型の燃料電池が魅力ある電源として注目されるようになったことは興味のあるところである。
 小型、超小型燃料電池はいったいどんなものか。これまでの経緯から直接形メタノール燃料電池(DMFC)を指すということになるかもしれないが、燃料の反応性、被毒の問題、電解質膜のクロスオーバの問題、空気極の反応性を考えるとまだまだいろいろな種類の燃料電池が出てくる可能性がある。
 本書を刊行するにあたって、それぞれの問題に直接取り組んでいる専門の研究者から新しい情報を寄稿してもらった。超小型の燃料電池とはいえ、それぞれの要素の問題点は現在開発中のPEFCと共通な点が多いので、いくつかの章ではPEFCについての問題解決に対する情報が盛り込まれている。モントリオール工科大のSAVADOGO教授は固体高分子電解質膜の分野では世界的な権威で最近の膜の研究について仔細にレビューしてもらった。
 超小型燃料電池の今後の動き、どのようにブレークスルーされるかは予想もつかないが、本書の情報、技術的な示唆が開発研究に少しでもお役に立てるものと期待している。
(「はじめに」より)

2003年6月  編著者 神谷信行、梅田実

<普及版の刊行にあたって>
 本書は2003年に『超小型燃料電池の開発と今後の展望』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。

2008年5月  シーエムシー出版 編集部

著者一覧

梅田 実   (現)長岡技術科学大学 工学部 物質・材料系 教授
内田 勇   東北大学大学院 工学研究科 客員教授
         (現)東北大学 名誉教授
神谷信行   横浜国立大学大学院 工学研究院 機能の創生部門 教授
         (現)(株)KMラボ 代表取締役
田中秀治   東北大学大学院 工学研究科 助教授
畑中達也   (株)豊田中央研究所 燃料電池システム研究室 主任研究員
河原和生   (株)豊田中央研究所 第41研究領域 リサーチ・リーダー
Oumarou Savadogo   Department of Physical Engineering Ecole Polytechnique de Montereal Professor
山田明文   長岡技術科学大学 工学部 化学系 教授
堤 泰行   (現)エフシー開発(株) 代表取締役;茨城大学 名誉教授
光田憲朗   (現)三菱電機(株) 先端技術総合研究所 エネルギーデバイス技術部 主席技師長
伊藤友喜男   東陽テクニカ(株) FC計測プロジェクト プロジェクトマネージャ
佐々木浩人   東陽テクニカ(株) FC計測プロジェクト  
渡真利泉   (株)計測技術研究所 営業部 部長代理

 執筆者の所属表記は、注記以外は2003年当時のものを使用しております。 

目次

第1章 総論
1. はじめに
2. 超小型燃料電池の開発をとりまく環境
3. 超小型燃料電池を支えるPEMFC技術
4. 超小型燃料電池の開発小史
5. 超小型の定義と高密度エネルギー源としての実力
6. 構成要素の特徴
7. 研究課題と将来展望
8. おわりに

第2章 直接形メタノール燃料電池の基礎特性
1. はじめに
2. DMFCの仕組み、熱力学
2.1 電池の基本構成
2.2 燃料電池発電の熱力学
2.3 DMFCの熱力学計算
2.4 DMFCの特徴と他の燃料電池との比較
2.5 燃料電池から得られる電気エネルギー、熱エネルギーの取り扱い
3. DMFCの現状と技術課題
3.1 他の燃料電池と比べた発電性能
3.2 メタノールの反応
3.2.1 反応中間体、被毒機構
3.2.2 触媒の働き
3.3 電池特性の向上
3.4 DMFCの技術課題
3.5 電解質膜の伝導性とメタノールのクロスオーバ
3.6 酸素カソードの反応性
4. DMEを燃料とするDMFC形燃料電池
5. DMFCの小型化に向けた新しい技術と今後の展望

第3章 マイクロ燃料電池・マイクロ改質器
1. マイクロ燃料電池の魅力
2. マイクロ燃料電池の研究・開発状況
2.1 能動型DMFC
2.2 受動型DMFC
2.3 燃料改質器付きPEFC
2.4 水素吸蔵合金を用いるPEFC
2.5 ボロハイドライドを用いる燃料電池
2.6 セルのスタッキング法
3. MEMS技術・マイクロマシニング技術とマイクロ燃料電池・燃料改質器
3.1 MEMS技術・マイクロマシニング技術の利点
3.2 燃料電池の一括加工と超小形化
3.2.1 携帯機器用マイクロ燃料電池
3.2.2 MEMS技術を用いたマイクロ燃料電池
3.2.3 MEMS技術を用いてマイクロ燃料電池を製作する上での課題
3.3 燃料改質器の一括加工と高性能化
4. おわりに

第4章 超小型燃料電池と二次電池の比較
1. はじめに
2. 出力密度とエネルギー密度
3. 各種燃料による比較
4. 開発のターゲット

第5章 燃料電池システムにおける固体高分子電解質膜の最近の動向
Status on Emerging Membranes for Electrochemical Systems:Solid Polymer Electrolyte Membranes for Fuel Cell Systems

1. INTRODUCTION
2. THE PERFLUORINATED IONOMER MEMBRANES
2.1 Case of membranes based on strong acid functions like perfluorosulfonic acid(PFSA)(Nafion(R)、Flemion(R)、Aciplex(R) and Dow(R))
2.2 Case of perfluorinated membranes based on weak-acid functions
3. RECENT DEVELOPMENTS IN SPEMS(SOLID POLYMER ELECTROLYTE MEMBRANES)
3.1 Solid polymer slsctrolyte membranes based on per-fluorinated polymers
3.1.1 Per-fluorinated ionomer composite membranes
3.1.2 New cation exchange membranes based on Nafion(R)、heteropolycompounds with and without thiophene
3.2 Partially fluorinated ionomer membranes
3.2.1 The first sulfonated trifluorostyrene membranes
3.2.2 The novel family of sulfonated copolymers based on the a、b、 b-trifluorostlrenemonomer
3.2.3 Radiation-grafted membranes for fuel cell applications
3.3 Non-fluorinated ionomer membranes
3.3.1 General considerations
3.3.2 Sulphonated poly(phenylquinoxalines)、poly(2、6diphenil-4-phenylene oxide)、poly(arylether sulphone)or poly(2、6-diphenylnol)-based memnranes
3.3.3 Acid doped polybenzimidazole as a polymer electrolyte for methanolfuel cells
3.3.4 Sulphonated polyimids membranes
3.3.5 Styrene/ethyrene-butadiene/styrene triblock copolymer
3.3.6 Partially sulphonated poly(arylene ether sulphone)
3.3.7 Partially sulphonated polyether ether ketone(PEEK) membranes
3.3.8 Poly(benzyl sulphonic acid)siloxane(PBSS)based membranes
3.3.9 Protonic electrolytes based on hydrogels
4. CONCLUSION

第6章 電極材料の開発
1. はじめに
2. 燃料電池エネルギー変換と電極触媒
3. 電極反応における活性化過程
4. アノード電極触媒
4.1 水素
4.2 メタノール
5. カソード電極触媒
6. 実装用の電極触媒~三相界面の形成~
7. 触媒担体および触媒のモルフォロジー
8. 超小型燃料電池における電極触媒層形成
9. おわりに

第7章 MEA(膜電極接合体)
1. MEAの構成
2. MEA作製方法
2.1 触媒ペースト塗布法
2.2 Decal法
3. 高耐久性MEA(PRIMEA(R))の開発
4. 耐メタノールクロスオーバMEAの開発
5. 高出力密度型MEA技術
6. MEAの量産技術

第8章 平面積層方式
1. 平面積層方式開発の歴史
2. セルの積層方式と構成
2.1 4つの単セルの平面積層
2.2 多数のセルを積層する場合
2.3 垂直積層方式と平面積層方式の比較
3. 平面積層方式の技術課題

第9章 燃料の多様化、燃料電池の用途への可能性
1. はじめに
2. アルコール、アセタール系燃料の電池特性
2.1 イソプロピルアルコール
2.2 エチレングリコール
2.3 ギ酸を燃料とした燃料電池
2.4 ジメチルエーテル
2.5 ジメトキシメタン(DMM)、トリメトキシメタン(TMM)
3. 水素化ホウ素燃料の電池特性
4. その他の水素含有有機化合物、無機化合物
4.1 アスコルビン酸(ビタミンC)水溶液を用いた燃料電池
4.2 グルコース/O2燃料電池
4.3 その他の燃料の可能性

第10章 超小型燃料電池の計測評価法
1. セルインピーダンスの評価法
1.1 はじめに
1.2 I-V(ターフェル)測定
1.3 電流遮断法によるIR測定
1.4 電気化学インピーダンス測定(Electrochemical Impedance Spectroscopy)
1.5 インピーダンス計測における浮遊インピーダンスの影響
1.6 インピーダンス測定における測定法とアルゴリズム
1.6.1 LCRメータ
1.6.2 FFT(高速フーリエ変換)
1.6.3 ロックインアンプ(位相検波法)
1.6.4 周波数応答アナライザ(Frequency Response Analyzer)
1.7 インピーダンスデータの測定
1.8 EISによる要素解析
1.8.1 セパレータの評価
1.8.2 触媒の評価
1.8.3 燃料の違いによる性能の比較(水素、メタノール)
1.8.4 参照電極を用いた評価(DMFC)
1.9 おわりに

2. パルス負荷に対する評価法
2.1 パルス負荷試験の必要性
2.1.1 DMFCの実際の負荷とは
2.1.2 DC/DCコンバータの動作特性
2.1.3 パルス負荷
2.2 パルス負荷試験のいろいろ
2.3 DMFCの負荷の仕様
2.3.1 パルス負荷試験の意義
2.3.2 DMFCとパルス負荷仕様
2.3.3 パルス負荷波形
2.4 評価試験装置
2.5 評価試験
2.5.1 実験した評価内容
2.5.2 実験手順
2.6 実験結果
2.6.1 DMFCのI-V特性
2.6.2 平均電流とパルス負荷
2.6.3 パルス負荷とDMFC電圧波形
2.6.4 実験結果の考察
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