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小型燃料電池の最新技術

  • Innovative Technologies of Small Fuel Cells
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・価格3,800円(税抜)
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★ 期待が高まる小型燃料電池の要素技術を最先端の研究者が詳述!
★ 直接形メタノール燃料電池の最新研究動向を網羅!
★ メタノールのほか、水素やその他の燃料を用いた小型燃料電池も幅広く紹介!

商品コード: T0643

  • 監修: 神谷信行・梅田実
  • 発行日: 2008年10月
  • 価格(税込): 70,200 円
  • 体裁: B5判、233ページ
  • ISBNコード: 978-4-7813-0054-2

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  • DMFC / MEA / メタノール / 水素吸蔵合金 / ボロハイドライド / アンモニアボラン / アルカリ電解質膜 / ギ酸 / バイオ燃料電池 / アスコルビン酸

刊行にあたって

 燃料電池の開発にはめざましいものがあり、2003年「超小型燃料電池の開発と今後の展望」を出版してからも新しい技術が次々と発表されてきた。この度単に改訂するだけでなく、心機一転新しく編集し直して2008年版の小型燃料電池の開発動向を世に出すことになった。
 燃料電池が電気化学システムの一つであるからには大きい、小さいにかかわらずその要素をはずすわけにはいかない。電極と電解質はとくに重要な要素であり、最高の材料が求められる。電極には触媒能、電解質にはイオン電導性が必須の条件であるが、これらの諸特性は燃料に何を用いるかで異なった様相を示す。小型燃料電池の燃料として主にメタノールが取り上げられて、直接形メタノール燃料電池(DMFC)の研究が数多くなされ、現在もその傾向に変わりはないが、最近はメタノールに代わる燃料もいろいろ考えられており、それに合わせて電極触媒、電解質膜の選択も変わってくる。
 最も反応性のよい燃料は水素である。従来水素ガスを持ち運ぶことは不可能ではないかと思われていたが、水素を小さなシリンダーに詰めるとか、水素化物として使うことも考えられている。アスコルビン酸の酸化還元反応を取り入れた燃料電池も発表されており、小電力用の電源としての特徴を満たす工夫がなされており、大きな燃料電池では見られない幅広い展開が期待されている。
 触媒として優れた白金は資源量に限りがあるとして代替触媒が開発されている。回収技術が進んで、電池さえ回収できれば、触媒層中の白金の90%以上は元の白金に戻すことができるという報告もあるが、やはり代替触媒の開発はどうしてもやっておかなくてはならない。
 マイクロ燃料電池の開発過程で、チャンピオンデータがつぎつぎ発表され、商用化されそうな感じは持つがなかなか世に出てこない。その問題点はなにか。本書では最先端を行く著名な研究者にお願いして、解決に向けた新技術、新しい展開を書いてもらうことができた。読者の皆様がこれらの技術資料を参考にしてさらなる革新的な技術を生み出していただけたら幸いである。
(「はじめに」より抜粋)

2008年10月  監修 神谷信行、梅田 実

著者一覧

神谷信行   (株)KMラボ 代表取締役;元横浜国立大学大学院 教授
梅田 実   長岡技術科学大学 物質・材料系 教授
山口猛央   東京工業大学 資源化学研究所 教授
井上光浩   長岡技術科学大学 物質・材料系
石原顕光   横浜国立大学大学院 産学連携研究員
太田健一郎   横浜国立大学大学院 教授
堤泰行   エフシー開発(株) 取締役会長;茨城大学名誉教授
水上貴彰   (株)日立製作所 材料研究所 電池研究部 燃料電池材料ユニット 主任研究員
光田憲朗   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
早瀬仁則   東京理科大学 理工学部 機械工学科 准教授
西村靖雄   (独)産業技術総合研究所 ユビキタスエネルギー研究部門 マイクロ燃料電池連携研究体 主任研究員
永井功   (独)産業技術総合研究所 ユビキタスエネルギー研究部門 マイクロ燃料電池連携研究体 主任研究員
柳田昌宏   (独)産業技術総合研究所 ユビキタスエネルギー研究部門 マイクロ燃料電池連携研究体 主任研究員
山根昌隆   (独)産業技術総合研究所 ユビキタスエネルギー研究部門 マイクロ燃料電池連携研究体 主任研究員
宮崎義憲   (独)産業技術総合研究所 ユビキタスエネルギー研究部門 マイクロ燃料電池連携研究体 主幹研究員
吉武務   日本電気(株) ナノエレクトロニクス研究所 研究部長
谷口貢   三菱ガス化学(株) 新潟研究所 主任研究員
八木稔   栗田工業(株) プラント事業本部 新エネルギーグループ 専門課長
佐藤重明   栗田工業(株) プラント事業本部 新エネルギーグループ 部長
安達修平   ヤマハ発動機(株) コーポレートR&D統括部 主管;FCシステムグループリーダー
岩本隆志   (株)日本製鋼所 研究開発本部 室蘭研究所 副所長
李洲鵬   浙江大学 工学部 化学工学科 教授
徐強   (独)産業技術総合研究所 ナノテクノロジー研究部門 主任研究員
中島宏   (株)FC-R&D 代表取締役
藤田康弘   住友商事(株) エレクトロニクス・マテリアル第二事業部 電池チームリーダー
池田篤治   福井県立大学 生物資源学部 特任教授
辻村清也   京都大学 大学院農学研究科 応用生命科学専攻 助教
藤原直子   (独)産業技術総合研究所 ユビキタスエネルギー研究部門 研究員

目次

第1章 総論
1. 電気現象と電池の歴史
2. 燃料電池の黎明
3. エネルギー変換デバイスとしての燃料電池
4. 燃料電池のエネルギー変換効率
5. 小型燃料電池の開発の現状

第2章 メンブレン形燃料電池の基本特性
1. はじめに
2. PEFCとDAFC
3. 電極触媒反応
4. 燃料電池発電の効率
5. アルコールのクロスオーバと高分子電解質メンブレン
6. 膜電極接合体
7. セルスタック
8. 燃料と供給方式
9. まとめ

第3章 固体高分子形燃料電池用電解質膜
1. はじめに
2. 燃料電池と燃料電池用材料
3. 細孔フィリング電解質膜の開発
3.1 電解質ゲル充填形細孔フィリング電解質膜の作製
3.2 全芳香族系細孔フィリング電解質膜
4. おわりに

第4章 電極材料

1. アノード
1.1 はじめに
1.2 マイクロ燃料電池用燃料
1.2.1 燃料の特徴
1.2.2 メタノール
1.2.3 その他のアルコール(エタノール、2-プロパノール、エチレングリコール)
1.3 DMFCアノード電極触媒
1.3.1 Pt-Ru合金
1.3.2 実用系アノード触媒(Pt-Ru/C)の調製に関する研究
1.3.3 新規アノード電極触媒の研究
1.4 メタノール酸化反応機構
1.4.1 電気化学測定からの解析
1.4.2 赤外分光分析からの解析
1.5 おわりに

2. カソード
2.1 はじめに
2.2 白金電極上での酸素還元反応の反応経路
2.3 白金族元素の酸素還元触媒能
2.4 白金の高分散微粒子化
2.5 白金の合金化
2.6 非白金カソード触媒
2.6.1 遷移金属錯体系
2.6.2 カルコゲン化合物系
2.6.3 4及び5族遷移金属酸化物系触媒
2.7 おわりに

第5章 MEA(膜電極接合体)
1. MEAの構成
1.1 構成部材の名称
1.2 MEA構造の変遷
1.3 触媒層構造
1.4 触媒層構造の表現方法
2. MEA作製方法
2.1 Decal法
2.2 GDE(ガス拡散電極)方式
2.3 ドライプロセス
3. MEAの量産技術
3.1 多孔質PTFE方式
3.2 カーボンクロス方式
3.3 CCM方式

第6章 その他の材料開発

1. 金属セパレータ
1.1 はじめに
1.2 セパレータ材料
1.3 金属セパレータ材料の選定
1.4 金属セパレータ材料
1.5 チタン系金属材料セパレータの特性
1.6 小型燃料電池における金属セパレータの適用例
1.7 おわりに

2. 反応物質のセパレーションと積層化
2.1 反応物質のセパレーション
2.2 積層化技術
2.3 反応物質と生成物質のフィルターリング

3. MEMS技術による薄型セルの試作
3.1 はじめに
3.2 一体成形シリコン電極による薄型燃料電池
3.2.1 初期試作
3.2.2 多孔質白金層の形成
3.2.3 プラズマエッチングを用いた新製作プロセス
3.2.4 セルの組み立ておよび発電実験
3.3 今後の展開
3.4 まとめ

第7章 DMFCの開発状況

1. 携帯用燃料電池の安全性と性能評価
1.1 はじめに
1.2 国内外標準化動向
1.3 規制適正化の動向(航空機持ち込みに向けた動きなど)
1.4 新利用形態燃料電池の基盤研究開発
1.4.1 燃料電池の排出特性
1.4.2 落下特性
1.4.3 メタノールの拡散シミュレーション
1.4.4 湿度環境発電特性
1.4.5 燃料不純物特性
1.5 まとめ

2. 燃料電池一体型ノートPC
2.1 はじめに
2.2 開発コンセプト
2.2.1 パッシブ型平面スタック
2.2.2 燃料電池をメイン電源とするシステム
2.3 試作機開発
2.3.1 平面スタック
2.3.2 制御システム
2.3.3 補助電源による制御
2.3.4 燃料カートリッジ
2.4 今後の課題

3. DMFCスタック及び発電システムの開発
3.1 はじめに
3.2 電極触媒及びMEA
3.3 スタック
3.4 発電システム
3.5 排ガス触媒
3.6 DMFCの実用化に向けて
3.7 今後の展開

4. 安全性・携帯性を高めた燃料電池用固体状メタノール燃料の開発
4.1 はじめに
4.2 メタノール燃料に関する課題
4.3 包接化合物について
4.4 固体状メタノールの特徴について
4.4.1 使用したホスト
4.4.2 MCCの合成方法
4.4.3 MCCの熱重量分析(TG-DTA)結果
4.4.4 MCCの引火点測定結果
4.4.5 MCCのその他の安全性評価結果
4.4.6 MCCの危険物に関連する国内法規について
4.4.7 MCCの危険物に関連する国際法規について
4.4.8 航空機への機内持ち込みについて
4.4.9 その他のメリットについて
4.5 液体のないDMFCシステム
4.6 開発の現状と今後の展開

5. 小型移動体用ダイレクトメタノール燃料電池
5.1 小型移動体の定義と事例
5.2 移動体の特徴
5.3 DMFCの適用事例
5.3.1 フォークリフト・トラック
5.3.2 電動カート
5.3.3 二輪車
5.4 二輪車搭載用DMFCシステム
5.4.1 出力密度・効率の向上および二次電池とのマッチング
5.4.2 信頼性・耐久性の向上
5.4.3 製造コスト低減と魅力ある商品コンセプト
5.4.4 燃料および燃料インフラ
5.4.5 エミッション
5.5 競合技術
5.6 展望
5.7 まとめ

第8章 水素貯蔵、水素発生技術とマイクロ燃料電池

1. 水素吸蔵合金を用いたモバイル用マイクロPEFC
1.1 はじめに
1.2 MHカートリッジの特性
1.2.1 MHカートリッジ
1.2.2 水素吸放出特性
1.3 水素吸蔵合金を用いたマイクロPEFCの発電特性
1.4 水素吸蔵合金を用いたマイクロPEFCの課題
1.5 国際標準化と規制緩和の動向
1.6 おわりに

2. ボロハイドライドを燃料とする燃料電池
2.1 はじめに
2.2 DBFCの特徴
2.2.1 DBFCの熱力学特性
2.2.2 DBFCの種類
2.2.3 燃料電池構成材料の多様性
2.2.4 ボロハイドライド酸化反応の多様性
2.2.5 ボロハイドライドの加水分解反応
2.3 DBFC技術のR&D
2.3.1 陽極技術
2.3.2 膜の影響
2.3.3 スタック性能
2.4 おわりに

3. アンモニアボラン利用ポータブル水素発生システムと燃料電池
3.1 はじめに
3.2 アンモニアボラン利用ポータブル水素発生システム
3.3 アンモニアボラン水溶液を直接燃料とする燃料電池
3.4 おわりに

4. 小型およびマイクロPEFCシステム
4.1 はじめに
4.2 FC-R&DのマイクロFCの方式
4.3 小型およびマイクロPEFCの技術検討
4.3.1 燃料電池の高出力密度化
4.3.2 パッシブセル
4.3.3 付属機器(キャパシタ)の小型化
4.4 水素供給および水素生成の小型化
4.4.1 水素吸蔵合金マイクロタンク
4.4.2 水との反応による水素生成のPEFC
4.5 量産化技術の検討
4.6 これらを応用した機器の開発

第9章 その他のマイクロ燃料電池

1. アルカリ電解質膜を用いた燃料電池(AMFC)と電気分解(AME)における触媒の技術革新
1.1 はじめに
1.2 アルカリ電解質膜を用いた燃料電池(AMFC)
1.2.1 アルカリ電解質膜型燃料電池(AMFC)の仕組みと特徴
1.2.2 アルカリ電解質膜(アニオン交換膜)の特徴
1.2.3 アルカリ型燃料電池につきまとう課題
1.2.4 アルカリ電解質膜を用いた課題解決のアプローチ
1.3 ACTA社の非白金触媒
1.3.1 ACTA社のユニークな触媒技術
1.3.2 アンモニア分解触媒の可能性
1.4 最後に

2. 直接形ギ酸燃料電池
2.1 はじめに
2.2 ギ酸の反応と電極触媒の働き
2.2.1 Pt電極を使った時のアンダーポテンシャル析出効果
2.2.2 Pd電極を用いた脱水素反応
2.3 直接形ギ酸燃料電池
2.4 まとめ

3. バイオ燃料電池
3.1 はじめに
3.2 バイオ電池のしくみと特徴
3.2.1 しくみ
3.2.2 特色
3.3 バイオ電池の技術と課題
3.3.1 最大電流
3.3.2 酵素耐久性と固定化
3.3.3 直接電子移動
3.3.4 微生物バイオ電池
3.4 バイオ電池実用化への試み
3.4.1 皮下装着型電源
3.4.2 モバイル機器用電源
3.5 おわりに

4. その他の有機化合物燃料電池
4.1 はじめに
4.2 ダイレクト燃料電池における新燃料研究の動向
4.3 マイクロ燃料電池に使用する新燃料の探索
4.4 アスコルビン酸燃料電池の発電特性
4.5 おわりに

第10章 マイクロ燃料電池の展望

1. マイクロ燃料電池の将来展望

2. 水素およびアルコール社会にむけて
2.1 はじめに
2.2 水素化社会への取り組み
2.3 法規制と航空機輸送
2.4 国際標準化
2.5 まとめ
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