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次世代燃料電池開発の最前線    
Leading Edge of Materials and Systems Development for Next-generation Fuel Cells
[コードNo.2013T909]

※ 本書籍はご試読頂けません ※

■監修/ 菊地隆司
■体裁/ B5判 220ページ
■発行/ 2013年9月25日 (株)シーエムシー出版
■定価/ 66,960円(税込価格)
■ISBNコード/ 978-4-7813-0810-4

 
★次世代燃料電池開発に向けた材料・技術の最新動向に迫る!
★SPring-8などの最先端観察装置を駆使した燃料電池の挙動観察・解析の最新の知見を収載!
★国内第一線の研究者が最新開発動向を解説!

キーワード

燃料電池 / 燃料電池自動車 / 水素ステーション / 家庭用燃料電池 / 固体高分子形燃料電池 / 固体酸化物形燃料電池 / SOFC/酸素イオン伝導体 / ナノイオニクス / トリプルコンバインド型燃料電池 / プロトン伝導 / PEFC / イオン伝導経路 / プロトン伝導経路 / 水素貯蔵材料 / 水素製造装置

刊行にあたって

 燃料電池は発電効率が高く、天然ガスや石炭を燃料とする燃料電池複合サイクルでの高効率発電、環境負荷の小さい燃料電池自動車、電気とともに排熱を利用する分散型発電装置として、近い将来の実用化が目指され、現に家庭用定置型燃料電池(エネファーム)としてすでに累計で5万台弱が導入されている本格的な普及段階にある。また、再生可能エネルギーの大規模な導入にあたっては、風力や太陽光から変換した電力を用いてアンモニアや有機ハイドライドの電解合成装置としての燃料電池の応用や、このように合成されたアンモニアや有機ハイドライドからの発電装置として燃料電池の適用が検討されている。このように燃料電池は今後エネルギー変換体系の中核をなす技術として期待されている。

 本書は、現在普及段階にある定置型燃料電池の開発状況や実用化にむけた段階にある燃料電池複合サイクル発電技術を紹介するとともに、これらの燃料電池システムのさらなる発展に不可欠な新しい電解質材料や電極材料の創製、水素燃料変換および貯蔵技術開発、燃料電池の挙動観察および解析技術の最前線についてまとめたものである。燃料電池材料およびシステムの研究と開発の最先端にいる産官学の研究者に、それぞれの最新の状況について執筆いただいたものであり、本書が国内外における燃料電池の開発状況の把握と、新たな展開に踏み出す一助となれば望外の喜びである。

2013年9月
東京大学 菊地隆司
(「刊行のねらい」より抜粋)

著者一覧

菊地隆司東京大学 大学院工学系研究科 化学システム工学専攻 准教授
吉武優燃料電池開発情報センター 常任理事
大村俊哉東京ガス(株)燃料電池事業推進部 燃料電池企画グループ 主幹
安原健一郎大阪ガス(株)リビング事業部 商品技術開発部
南辰志東京大学 大学院工学系研究科 化学システム工学専攻
石原達己九州大学 大学院工学研究院 応用化学部門 教授 ; カーボンニュートラル・エネルギー国際研究所
朱容完九州大学 大学院工学研究院 応用化学部門 特任助教 ; カーボンニュートラル・エネルギー国際研究所
兵頭潤次九州大学 大学院工学研究院 材料物性工学専攻
水崎純一郎東北大学名誉教授
小林由則三菱重工業(株)原動機事業本部 新エネルギー事業推進部 主幹プロジェクト統括
三好正悟東京大学 大学院工学系研究科 マテリアル工学専攻 助教
山口周東京大学 大学院工学系研究科 マテリアル工学専攻 教授
堀毛悟史京都大学 大学院工学研究科 合成・生物化学専攻 助教
北川進京都大学 物質-細胞統合システム拠点 (iCeMS) 拠点長;教授
宮西将史東京工業大学 資源化学研究所 特任助教
山口猛央東京工業大学 資源化学研究所 教授
五百蔵勉(独)産業技術総合研究所 ユビキタスエネルギー研究部門 次世代燃料電池研究グループ グループ長
竹口竜弥北海道大学 触媒化学研究センター 准教授
秋田知樹(独)産業技術総合研究所 ユビキタスエネルギー研究部門 主任研究員
唯美津木名古屋大学 物質科学国際研究センター 教授;分子科学研究所 物質分子科学研究領域 客員教授
石黒志分子科学研究所 物質分子科学研究領域 博士研究員
八島正知東京工業大学 大学院理工学研究科 物質科学専攻 教授
増田卓也(独)物質・材料研究機構 ナノ材料科学環境拠点 GREENリーダー ; (独)科学技術振興機構 さきがけ さきがけ研究者
魚崎浩平(独)物質・材料研究機構 フェロー;北海道大学名誉教授
江口浩一京都大学 大学院工学研究科 物質エネルギー化学専攻 教授
津島将司東京工業大学 大学院理工学研究科 機械制御システム専攻 准教授
平井秀一郎東京工業大学 大学院理工学研究科 機械制御システム専攻 教授
多田昌平東京大学 大学院工学系研究科 化学システム工学専攻;日本学術振興会特別研究員
秋葉悦男九州大学 大学院工学研究院 機械工学部門;カーボンニュートラル・エネルギー国際研究所(I2CNER) 教授
矢加部久孝東京ガス(株)エネルギーシステム研究所 所長
白崎義則東京ガス(株)燃料電池事業推進部 燃料電池企画グループ チームリーダー
安田勇東京ガス(株)NGV事業部 普及推進グループ マネージャー

構成および内容

【第T編 総論】

第1章燃料電池開発の現状と展望  (菊地隆司)
1はじめに
2現状と展望
2.1近年の国内外の動き
2.2研究・技術動向
2.3今後の展望
第2章国内および海外における燃料電池開発動向  (吉武優)
1はじめに
2国家施策―内外の動向
3家庭用
4自動車
4.1燃料電池自動車
4.2水素ステーション
5その他
6終わりに
第3章家庭用燃料電池の開発の現状-固体高分子形燃料電池の導入事例  (大村俊哉)
1家庭用燃料電池コージェネレーションシステムの概要
22009年販売開始までの道のり
3家庭用燃料電池コージェネレーションの導入事例
3.1実サイトでの運転実績
4これまでの販売実績
5最新の開発動向と今後の課題
第4章家庭用燃料電池の開発の現状-固体酸化物形燃料電池の導入事例  (安原健一郎)
1はじめに
2大阪ガスにおけるSOFC開発
2.1SOFC の特徴
2.1.1モジュール構造と高発電効率
2.1.2小型化・低コスト化へのポテンシャル
2.2開発経緯
2.3技術評価
2.3.1耐久性評価
2.3.2信頼性評価
2.3.3省エネルギー性評価
3エネファームtype S
3.1商品仕様
3.2環境性と経済性
3.3自立運転機能付きシステムの開発
4おわりに

【第U編 次世代固体酸化物形燃料電池の開発】

第1章固体酸化物形燃料電池における高温反応場界面形成の科学  (南辰志、菊地隆司)
1はじめに
1.1固体酸化物形燃料電池 (Solid Oxide Fuel Cell: SOFC)
1.2SOFCの構成
1.2.1電解質
1.2.2空気極
1.2.3燃料極
1.3燃料極の課題
1.4パーコレーション理論
2SOFC燃料極のNi量の低減:混合伝導体と粒径制御による性能向上
3SOFC作製および発電試験
3.1電極材料および発電セルの作製
3.2発電実験
3.3等価回路を用いたフィッティング
4結果および考察
4.1焼成温度によるSDCおよびYSZの粒子径の制御
4.2Ni-SDC燃料極
4.2.1Ni比による影響
4.2.2SDC粒子径(焼成温度)による影響
5まとめ
第2章酸素イオン伝導体のナノ薄膜化と低温作動型固体酸化物電解質燃料電池の開発  (石原達己、朱容完、兵頭潤次)
1はじめに
2酸素イオン伝導体のナノサイズ薄膜
3新規酸素イオン伝導体膜を利用した低温作動型SOFC
4緻密アノード電極へのナノ薄膜の応用
5おわりに
第3章ナノイオニクス構造高機能SOFCの創製  (水崎純一郎)
1はじめに
2ナノ科学の領域
3ナノイオニクス
4ナノイオニクスとSOFC
5SOFC高機能化への寄与が期待されるナノイオニクス現象
6本節のまとめ
第4章トリプルコンバインド型燃料電池システムの開発  (小林由則)
1はじめに
2トリプルコンバインドサイクル開発の意義
3次世代燃料電池SOFCの開発状況
4SOFCとMGTのコンバインドサイクル開発状況
5トリプルコンバインドサイクルの実用化に向けて
6おわりに
第5章高濃度プロトン欠陥導入酸化物の材料開発と低温作動SOFCへの応用  (三好正悟、山口周)
1はじめに
2低温プロセスにより直接合成した高濃度プロトン含有ペロブスカイト
3酸化物ナノ構造体における界面プロトン伝導
4おわりに

【第V編 次世代固体高分子形燃料電池の開発】

第1章錯体結晶を用いた燃料電池電解質  (堀毛悟史、北川進)
1配位高分子とは何か、何ができるか
2配位高分子とプロトンキャリアの複合化によるプロトン伝導
3配位高分子の結晶構造に起因したプロトン伝導
4配位高分子の材料としての形状制御
5配位高分子を用いたイオン伝導体に期待できること
第2章燃料電池用電解質膜の開発と研究動向  (宮西将史、山口猛央)
1はじめに
2固体高分子を用いた燃料電池の構造と、用いられる電解質膜の概要
3プロトン型の固体高分子形燃料電池(PEFC)用電解質膜
3.1パーフルオロスルホン酸系燃料電池膜
3.2芳香族炭化水素系燃料電池膜の開発
4全固体アルカリ型燃料電池用の電解質材料
4.1全固体アルカリ型燃料電池
4.2アニオン交換膜材料の開発
5細孔フィリング電解質膜の開発と燃料電池材料への応用
5.1細孔フィリング電解質膜の開発
5.2芳香族炭化水素系プロトン交換ポリマーを充填した細孔フィリング電解質膜の開発
5.3芳香族炭化水素系アニオン交換ポリマーを充填した細孔フィリング電解質膜の開発
6おわりに
第3章導電性酸化物を用いた電極触媒材料の高耐久化  (五百蔵勉)
1はじめに
2酸素欠損型チタン酸化物(TiOx)担体の開発
3白金担持酸素欠損型チタン酸化物触媒(Pt/TiOx)の特性
4Pt/TiOxカソード触媒を用いたMEA発電特性
5おわりに
第4章高濃度CO耐性アノード触媒開発  (竹口竜弥)
1はじめに
2Pt-Ruアノードの二元機能触媒機構について
3リガンド効果について
4高活性なPt-Ruアノード触媒のPt-Ruの分散性
5高活性なPt-Ruアノード触媒での反応機構

【第W編 燃料電池の挙動観察・解析】

第1章分析電子顕微鏡による固体高分子形燃料電池の構造解析  (秋田知樹)
1はじめに
2分析電子顕微鏡
3固体高分子形燃料電池の構造解析
3.1膜/電極接合体 (Membrane Electrode Assembly, MEA)の構造
3.2電極触媒の微細構造
4まとめと今後の展望
第2章白金合金カソード触媒のin situリアルタイムXAFS構造解析  (唯美津木、石黒志)
1はじめに
2Pt3Co/Cカソード触媒のセル電圧サイクル過程におけるin situ時間分解XAFS
3まとめ
第3章中性子を利用したイオン伝導経路の観察  (八島正知)
1はじめに
2手法:高温中性子粉末回折法によるMEM核密度分布の導出
3蛍石型イオン伝導性材料の結晶構造とイオン伝導経路
4ペロブスカイト型イオン伝導性材料の結晶構造とイオン伝導経路
5K2NiF4型酸化物イオン伝導性材料におけるイオン伝導経路
6アパタイト型酸化物イオン伝導性材料におけるイオン伝導経路
7水酸アパタイトにおけるプロトン伝導経路
8結論と将来展望
第4章(Spring-8)固体高分子形燃料電池用電極反応のその場測定  (増田卓也、魚崎浩平)
1はじめに
2白金触媒および白金-セリアナノ複合体の電気化学特性
3その場X線吸収微細構造測定
4前処理過程の観察
5電位依存構造変化
6酸化抑制に対するセリアの役割
7まとめ
第5章集束イオンビーム―走査電子顕微鏡(FIB-SEM)による固体酸化物形燃料電池(SOFC)の電極微構造変化の定量的解析  (江口浩一)
1緒言
2電極微構造の可視化手法
3電極微構造と電池性能の相関
3.1燃料極におけるNiの凝集及び移動
3.2空気極における微構造変化と性能
4おわりに
第6章軟X線を用いたPEFC内水分布の可視化  (津島将司、平井秀一郎)
1はじめに
2軟X線PEFC可視化システム
3軟X線によるPEFC内水分布の可視化
4軟X線によるPEFC内水分布と電気化学インピーダンスの同時計測
5まとめ

【第X編 実用化にあたっての課題と展望】

第1章PEFC用改質燃料からの新しいCO除去技術  (多田昌平、菊地隆司)
1緒言
2CO除去技術としてのCO選択メタン化反応
3CO選択メタン化反応に関する研究
3.1CO選択メタン化触媒の研究
3.1.1CO2メタン化反応活性点に関する速度論的考察
3.1.2CO選択メタン化反応における担体効果
3.1.3CO選択メタン化反応におけるNi添加効果
3.2CO選択メタン化反応器に関する検討
4まとめ
第2章水素貯蔵材料開発の最新動向  (秋葉悦男)
1はじめに
2水素の貯蔵輸送法
2.1圧縮水素
2.2液化水素
2.3水素貯蔵材料
3水素貯蔵材料の分類
3.1イオン結合
3.2金属結合
3.3共有結合
3.4ファンデルワールス結合
4水素貯蔵材料に関するプロジェクトと今後の方向性
5最近の成果
6まとめ
第3章「水素製造装置」の開発  (矢加部久孝、白崎義則、安田勇)
1緒言
2メンブレンリフォーマーの概要
2.1メンブレンリフォーマーの原理
2.2MRFシステムの構成及び性能
3耐久性の検証
4結論



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