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高性能セラミックリアクターの開発と応用    
―燃料電池の高効率化と環境対応―
Development and Application of Efficient Ceramic Reactor
―Highly Effective and Environment Fuel Cells―
[コードNo.2010T753]

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■監修/ 淡野正信((独)産業技術総合研究所)
■体裁/ B5判 224ページ
■発行/ 2010年 8月 (株)シーエムシー出版
■定価/ 70,200円(税込価格)
■ISBNコード/ 978-4-7813-0257-7

 
★燃料電池普及の鍵を握るセラミックリアクターの最新技術
★低温作動、小型高効率化、さらに耐久性と機動性の向上を実現
★国家プロジェクト「革新的部材産業創出プログラム」および「新エネルギー技術開発プログラム」としての開発成果を詳述


刊行にあたって

 化石燃料の使用による地球温暖化の加速を抑制すべく、省エネルギー技術開発や新エネルギー導入の必要性が叫ばれ、様々な取り組みが進められている。燃料電池もその高効率性から新しいエネルギー供給手段として期待され、特に近年では固体高分子形(PEFC)の実用化への取り組みが急速に進んで、家庭用コジェネレーションシステムとしては市場化の端緒が開かれたところである。
 固体酸化物形燃料電池(SOFC)についても、従来にも増して研究開発に力が注がれているが、特に最近では、従来型SOFCの大型・高温連続運転での実用化から、小型高効率性や(従来は弱点であった)急速起動停止性能および低温作動化を実現させ、新規ニーズに合致するべく高性能かつ汎用性を高めるための試みが進められている。家庭用コジェネシステムなどへの適用を主な対象として、あるいは自動車など輸送機関の補助電源(APU:Auxiliary Power Unit)への適用可能性の検討では、世界的にも期待が高まっている。特に、SOFCの次世代自動車への適用を想定して、チューブ型SOFCをミリサイズに小型化して急速起動を実証したり、チューブバンドルとしてコンパクトな電源モジュールとして実用化を目指した取り組みなど、活発な研究開発が展開しているところである。
 日本は元々、セラミックス材料技術で世界トップレベルに有り、SOFCに関しても材料開発や部材化技術における優位性から、アセンブリ技術によるモジュール・システム化においても、ここ10年程の小形定置用の開発で存在感を示している。また、家庭用コジェネや自動車APUに限らず、移動体(例えば電動車椅子など)や小型ポータブル(あるいは電子機器用)電源など、多方面への応用も期待される。
 本書では、革新的なマイクロSOFCである「セラミックリアクター」実現を目指した最近の取り組みについて、NEDOプロジェクト「セラミックリアクター開発」による成果を中心に紹介する。
 材料開発から部材化および集積モジュール化の製造プロセス技術開発や評価実証の取り組みと成果により、燃料電池分野での新たな展開が拓けることを期待し、エネルギー・環境問題の解決と同時に、同分野における将来の産業競争力強化に繋がることを強く願うものである。
(「巻頭言」より抜粋)
2010年7月  淡野正信

執筆者一覧(執筆順)

淡野正信(独)産業技術総合研究所 先進製造プロセス研究部門 副研究部門長
武田保雄三重大学 工学研究科 分子素材工学専攻 教授
村田憲司ホソカワミクロン(株) 粉体工学研究所 環境・エネルギー材料開発室 室長
高坂祥二京セラ(株) 総合研究所 部責任者
藤代芳伸(独)産業技術総合研究所 先進製造プロセス研究部門 機能集積モジュール研究グループ 研究グループ長
菊田浩一名古屋大学 工学研究科 結晶材料工学専攻 准教授
山口十志明(独)産業技術総合研究所 先進製造プロセス研究部門 研究員
清水壮太ファインセラミックス技術研究組合 技術部
鈴木俊男(独)産業技術総合研究所 先進製造プロセス研究部門 主任研究員
舟橋佳宏ファインセラミックス技術研究組合 技術部;日本特殊陶業(株) 技術開発本部 開発センター
須田聖一(財)ファインセラミックスセンター 材料技術研究所 エレクトロ・マテリアルグループ エレクトロ・マテリアルグループ長 主席研究員
Nigel SammesColorado School of Mines,Department of Metallurgical and Materials Engineering,Professor
水谷安伸東邦ガス(株) 技術研究所 主席
岡田文男東邦ガス(株) 技術研究所 ソリューション技術 課長
荒木拓人横浜国立大学 工学研究院 准教授
菊地哲郎(株)デンソー 技術企画部 主任
藤井章(株)デンソー セラミック技術部 技術企画室 グループリーダー
恩田和夫豊橋技術科学大学 名誉教授;客員教授
森昌史(財)電力中央研究所 材料科学研究所 上席研究員
山本治三重大学 工学部 名誉教授

構成および内容

序章セラミックリアクター開発の背景と研究開発の全体像(淡野正信)
1はじめに
2セラミックリアクターの開発目標と研究内容
3研究開発終了後の実用化展開について
4セラミックリアクター開発における研究成果の概要
5国内外の開発動向とセラミックリアクター開発の位置づけ
6おわりに

【第1編 セラミック燃料電池の低温作動化の電極・電解質材料】

第1章マイクロSOFC用の革新的な新規電極材料―含浸修飾による電極性能の向上―(武田保雄)
1はじめに
2含浸法によりLSM-YSZ電極に担持させたCo3O4/CeO2微粒子の電極特性に及ぼす効果
3LSCF電極へのAg微粒子の担持とその安定化
4Coリッチ組成のペロブスカイトによるLSCF電極の表面修飾
5今後の実用化展開について
第2章ナノ構造制御による高活性材料開発と部材化(村田憲司)
1はじめに
2電極材料への粒子複合化技術の適用
2.1アノード材料の開発
2.2カソードの開発
3セリア系電解質を用いたセル構造の開発
4集電体の開発
5セル発電試験による性能実証
5.1GDC系電解質セルによる作動温度500℃での性能実証
5.2ScSZ系電解質セルによる作動温度650℃での性能実証
第3章マイクロSOFC用電極・電解質材料の安定性(高坂祥二)
1はじめに
2空気極/電解質界面の部材化における安定性
2.1YSZ電解質/空気極界面の反応の確認
2.2ScSZ電解質/空気極界面の反応の確認
2.3GDC電解質/空気極界面の反応の確認
2.4YSZ電解質/空気極界面の反応防止層の介在効果の確認
2.5ScSZ電解質/空気極界面の反応防止層の導入効果の確認
3燃料極/電解質界面の部材化における安定性
4低温作動電解質材料の選定と部材化
4.1電界質材料の選定
4.2YSZ電解質・電極組み合せにおける部材化データ
4.3ScSZ電解質・電極組み合せにおける部材化データ
4.4GDC電解質・電極組み合せにおける部材化データ
4.5空気極の焼付け温度を変化させた時の効果
4.6燃料極を作製するときに用いるGDCの粒子径を変化させた時の部材化データ
4.7燃料極の組み合せ変更による効果の確認

【第2編 セラミック燃料電池のマイクロ化の革新製造プロセス】

第1章総論(藤代芳伸)
1はじめに
2セラミック燃料電池のマイクロ化の革新製造プロセスでの開発ターゲット
2.1ミクロ集積化プロセス技術の開発
2.2セル集積およびモジュール構築連続プロセス技術の開発
2.3ミクロ集積化におけるミクロハニカム構造化プロセスの開発
3マイクロSOFC製造のための集積化プロセス技術開発
3.1ミクロ集積化製造プロセス技術の開発
3.2ミクロハニカム型電気化学構造集積化モジュール作製技術の開発
3.3セルキューブ集積およびモジュール構築連続プロセス技術の開発
4まとめ
第2章革新的な機能部材化プロセスの基盤技術(菊田浩一)
1はじめに
2マルチディップ法によるミクロチューブセルの作製
3ミクロチューブセルの性能と電極構造
4非接触印刷法のSOFC作製への応用
5まとめ
第3章ミクロ集積化およびセルスタックモジュール化製造プロセス
1ミクロハニカム燃料電池型リアクター(山口十志明、清水壮太)
1.1研究背景
1.2ミクロハニカム燃料電池型リアクターの設計
1.3ミクロハニカム燃料電池型リアクターの製造プロセス開発と評価
1.4ハニカム型SOFCのスタック化の検討と評価
1.5まとめ
2チューブセルの高集積化による小型高効率マイクロSOFC製造プロセス(鈴木俊男、舟橋佳宏)
2.1はじめに
2.2チューブ型マイクロSOFCの製造技術
2.3チューブ型マイクロSOFC(セリア系)の性能
2.4ジルコニア電解質を用いたチューブ型マイクロSOFCの性能向上
2.5チューブ型マイクロSOFCのバンドル・スタック化
2.6まとめ
3プロトタイプ実証用モジュール作製と基本性能(舟橋佳宏、鈴木俊男)
3.1はじめに
3.2マイクロチューブ型SOFCの集積
3.3モジュールの作製
3.4モジュールの特性評価
3.5まとめ
第4章マイクロSOFCのインターコネクト材料開発とインターフェース構築(須田聖一)
1はじめに
2絶縁シール部材
2.1高温用ガスシール材料
2.2ガラス/セラミック複合ガスシール材料
2.3シール材複合化の効果
2.4ガス透過率評価
2.5融着条件の最適化
2.6耐熱衝撃性
2.7耐水性の改善
3導電シール部材
3.1銀系合金による導電部材
3.2Agペーストの最適化
42種類の部材を用いた導電パス内蔵インターフェース
5まとめ

【第3編 セラミック燃料電池の多様な用途への適用性の実証】

第1章マイクロSOFCに対する新しい評価技術(Nigel Samms、鈴木俊男)
1緒言
2マイクロチューブ型SOFCの電気化学特性評価
3マイクロチューブ型SOFCの機械特性評価
4まとめ
第2章マイクロSOFCの小型コージェネレーションシステムへの適用性
1マイクロSOFCと家庭用燃料電池コージェネレーションシステム(水谷安伸、岡田文男)
1.1家庭用燃料電池コージェネレーションシステム
1.2マイクロSOFCを用いた家庭用コージェネレーションシステムの可能性
2マイクロSOFCの性能評価と改良(水谷安伸、岡田文男)
2.1はじめに
2.2マイクロチューブSOFC単セルの評価と改良
2.3マイクロチューブSOFC集積モジュールの評価と改良
3マイクロSOFCを用いた家庭用システムの性能予測(荒木拓人)
3.1家庭用システムのサイクル計算の仮定と運転条件
3.2システム効率解析の結果と考察
3.3三次元温度分布と起動特性の解析
第3章マイクロSOFCの自動車用電源用途への適用性(菊地哲郎、藤井章、恩田和夫)
1自動車用補助電源(APU)のニーズと背景
2商用車における、商品性と市場規模
2.1大型バス
2.2中型・マイクロバス
2.3トラック
2.4冷凍車
2.5建設車両
2.6特装車・特種車
3APUに使用する燃料についての考察
4APUシステム構成の概念設計
4.1改質方式
4.2循環方式
5セラミックリアクターを用いた3kW APUのシステムと性能予測
6起動性の考察
第4章マイクロSOFCの水素製造への応用(森昌史、荒木拓人)
1はじめに
2水蒸気電解の理論
3水蒸気電解用セラミックリアクター
4SOFC特性
5水蒸気電解特性
6300 Nm3/hの水素製造システムの検討
7作動温度による水素製造システムの比較
8加圧電解システムの優位性
9おわりに
終章将来展望(山本治)
1はじめに
2固体酸化物燃料電池開発の変遷
3固体酸化物燃料電池実用化に向けての研究すべき課題
4究極な燃料電池システム
5おわりに



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