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燃料電池
-システム制御と基盤技術-


 次世代のクリーンなエネルギーとして燃料電池が注目され、いくつかの政策が進められ、一部実用化されています。しかし、本格的に普及するためには、燃料電池本体を構成する部材の開発だけでなく、システム制御や燃料インフラの整備などに多くの課題があります。
  本書では、燃料電池の政策や本体システムの制御および各種燃料電池の基盤要素技術について下記のようにまとめました。

○分野別燃料電池システムの概要
    住宅、自動車、鉄道車両、モバイルポータブル
○各種燃料電池の技術動向
  固体高分子形、固体酸化物形、ダイレクトメタノール形、リン酸形燃料、
バイオマス・微生物利用
○基盤要素技術の技術動向
  電極触媒、電解質など構成する部材、周辺部材、評価・分析方法、
水素製造・貯蔵・輸送
○燃料電池の法規制、基準・標準化動向
○燃料電池関連分野における国内外の特許情報


    □体裁 A4判396ページ
    □価格 本体72,000円+消費税
    □送料 弊社負担
    □発行 2015年9月

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章 目 次

第1章 水素エネルギーと燃料電池
第2章 実用化に向けた燃料電池分野の技術開発動向
第3章 燃料電池の基盤技術開発動向
第4章 燃料電池普及に向けた課題と取組状況
第5章 水素エネルギー製造、貯蔵・輸送、供給・利用技術開発動向
第6章 燃料電池特許出願技術動向

詳 細 目 次

 
第1章 水素エネルギーと燃料電池 1
 1.1 水素エネルギー社会の実現に向けて 1
 1.1引用文献リスト 8
 1.2 燃料電池の原理と基本構成 9
  1.2.1 燃料電池の基本原理と燃料 9
  1.2.2 燃料電池の構成 9
  1.2.3 燃料電池の特徴 10
 1.2引用文献リスト 12
 1.3 燃料電池の種類と燃料電池システム 13
  1.3.1 燃料電池の種類 13
  1.3.2 燃料電池システム 15
  1.3.3 水素供給・利用技術の開発動向 16
 1.3引用文献リスト 18
 1.4 燃料電池の市場動向,コスト分析 19
  1.4.1 水素市場規模 19
  1.4.2 燃料電池出荷量   19
  1.4.3 家庭用燃料電池(エネファーム)の市場動向 20
  1.4.4 業務・産業用燃料電池の市場動向 21
  1.4.5 燃料電池自動車の市場動向 22
  1.4.6 燃料電池の将来のコスト分析 23
 1.4引用文献リスト 25

第2章 実用化に向けた燃料電池分野の技術開発動向

26
 2.1 分野別燃料電池システムの技術開発動向 26
  2.1.1 家庭用燃料電池システムの技術開発 26
   (1) 家庭用燃料電池(エネファーム)の概要 26
   (2) 定置用固体酸化物形燃料電池システムの開発状況と展望(大阪ガス) 27
   (3) 家庭用燃料電池エネファームの新モデル開発(パナソニック/東京ガス) 29
   (4) 自立運転対応形燃料電池システム(東芝燃料電池システム) 30
   (5) リチウムイオン蓄電池を導入したシステムの評価(大阪ガス/神戸大学) 32
   (6) ソフトスイッチング昇圧型DC/DCコンバータの採用(三社電機製作所) 34
   (7) 家庭用SOFC-CGSの性能評価(大和ハウス/京都府立大学) 34
   (8) 家庭用燃料電池システムの稼働特性と性能評価(北海道大学/
     広島大学/九州産業大学/大阪市立大学)
36
  2.1.2 自動車用燃料電池システムの技術開発 37
   (1) 氷点下環境での燃料電池急速暖機制御の開発(トヨタ自動車) 39
   (2) 外部給電機能を装備した燃料電池電気自動車(本田技術研究所) 41
   (3) MCメソッドによる水素急速充填手法(Honda R&D America/
     本田技術研究所)
43
   (4) 複数直流入力直接形電力変換器D-EPCの開発(日産自動車) 45
   (5) 多ポート双方向DC-DCコンバータの応用(東京理科大学/いすゞ自動車) 48
   (6) 燃料電池の劣化低減の検討(東京理科大学) 49
   (7) 燃料電池自動車に用いる電力変換回路の特性評価(東京理科大学/
     都立産業技術高等専門学校)
52
   (8) 水素化ホウ素ナトリウムの有効性検証(東京理科大学/
     都立産業技術高等専門学校/ハイドリック・パワーシステムズ)
53
   (9) 水素化ホウ素ナトリウムを用いた燃料電池車用水素供給システム
     (東京理科大学/都立産業技術高等専門学校/
     ハイドリック・パワーシステムズ)
54
   (10) 水素化ホウ素ナトリウム-燃料電池における水素発生器の需給調整用
      圧力バッファ容積最適化に基づくエネルギー密度の評価(筑波大学)
57
   (11) 空冷式燃料電池システムを搭載した電動スクータの開発状況(スズキ) 59
  2.1.3 鉄道車両等輸送用燃料電池システムの技術開発 60
   (1) ハイブリッド鉄道車両のコスト低減を目指した燃料電池運用(横浜国立大学) 60
   (2) 燃料電池・EDLCハイブリッド鉄道車両の電源容量決定法(千葉大学) 62
   (3) 構内走行試験による燃料電池の耐久性評価(鉄道総合技術研究所) 63
   (4) 配送用冷凍車への適用の検討(東京理科大学/日本大学/
     いすゞ中央研究所)
65
  2.1.4 モバイル・ポータブル用燃料電池システムの技術開発 67
   (1) 活性化アルミニウムを利用した携帯型燃料電池システム(福岡工業大学) 67
   (2) マイクロ燃料電池製造技術開発への挑戦(産業技術総合研究所) 69
   (3) ハンディ燃料電池システムの開発(産業技術総合研究所) 71
   (4) 固体水素と燃料電池を用いた携帯型発電機の開発(バイオコーク技研) 73
  2.1.5 発電プラントシステム用燃料電池の技術開発 75
   (1) トリプル複合発電に向けた技術課題(東京大学) 75
   (2) 既存GTCCのSOFCによるパワリング時の性能(電力中央研究所) 76
   (3) 次世代燃料電池ハイブリッド発電システムの開発
     (三菱日立パワーシステムズ)
78
   (4) 水素を併給するSOFC発電システムの提案(豊橋技術科学大学) 80
  2.1.6 その他燃料電池システムの開発 83
   (1) 無線基地局用災害対策バックアップ電源システム(NTTドコモ) 83
   (2) 深海巡航探査機用燃料電池システムの開発(海洋研究開発機構) 85
   (3) 深海熱水-海水燃料電池(海洋研究開発機構) 88
   (4) 電源セキュリティと下水消化ガスの活用(富士電機) 90
   (5) 直並列補償方式を用いたDC-DCコンバータの開発(長岡技術科学大学) 91
 2.1引用文献リスト 93
 2.2 新燃料電池の技術開発動向 95
  2.2.1 バイオマス燃料電池 95
   (1) バイオ液体燃料の有効利用を指向した新燃料電池システム(東京大学) 95
   (2) 紙から発電(ソニー) 96
   (3) ナノ多孔質半導体膜/金属薄層接合(バイオフォトケモニクス研究所) 99
   (4) 光合成器官を利用した分子デバイスによるバイオ燃料電池(大分大学) 100
   (5) 発酵法によるバイオマス水素生産パイロットプラントの運転報告
     (横浜国立大学)
101
   (6) グルコースを燃料とする酵素型バイオ燃料電池の高出力密度化
     (東京工業大学)
102
   (7) バイオガス直接内部改質型燃料電池の課題と実現に向けた取り組み
     (九州大学)
104
  2.2.2 微生物燃料電池(MFC) 106
   (1) 導電性ナノ炭素材料による電流生産の促進効果(豊橋技術科学大学) 106
   (2) 畜産廃水を用いた発電と微生物群集構造(岐阜大学) 108
   (3) 微生物燃料電池による廃水処理(岐阜大学) 110
   (4) 有機性廃水/廃棄物を原料とする微生物燃料電池の開発と現状(鹿島) 112
   (5) 微生物燃料電池による有機泥性状変化と有機物分解の評価(広島大学) 114
   (6) 太陽電池を超える微生物燃料電池の開発(広島大学) 115
   (7) 微生物燃料電池の電極や装置について(東京薬科大学/積水化学工業) 117
   (8) 微生物燃料電池の廃水処理への応用(東京大学/東京薬科大学/
     積水化学工業/パナソニック)
118
  2.2.3 その他燃料電池 119
   (1) 分子燃料電池(九州大学) 119
   (2) 水を燃料とする光燃料電池(千葉大学) 121
   (3) ゾルゲル法によって作製した無機プロトン伝導体を応用した単室型
     燃料電池(大阪工業大学/三菱電機エンジニアリンング)
122
   (4) フレキシブル流路型グルコース燃料電池(日本大学/筑波大学) 124
 2.2引用文献リスト 127
 2.3 各種燃料電池の技術開発動向 128
  2.3.1 固体高分子形燃料電池(PEFC) 128
   (1) 低コスト化・耐久性向上の開発動向(山梨大学) 129
   (2) カルシウム化合物を用いた固体水素型燃料電池(京都大学/
     アクアフェアリー/ローム)
130
   (3) カソード触媒への超音波処理による発電性能向上(中部大学/FC&R-D/
     本田電子)
132
   (4) 電気-流体アナロジーに基づき導出されたポンプレス循環システム
     (宇宙航空研究開発機構)
133
   (5) 純水素利用型燃料電池に関する負荷変動追従性の評価(筑波大学/
     神戸製鋼)
134
   (6) 低コスト化と性能向上に寄与する炭素材料技術(大分大学) 135
   (7) 複雑形状流路内の気液二相流の解析(福岡大学) 137
   (8) セル劣化に及ぼす配管材料由来の金属イオンの影響(大同大学) 138
  2.3.2 固体酸化物形燃料電池(SOFC) 140
   (1) 国内の政策状況 141
   (2) 欧米の開発動向 147
   (3) セラミックス材料のレーザ焼結技術と固体酸化物形燃料電池への応用
     (茨城大学)
148
   (4) ペーパー触媒技術を適用したカーボンニュートラル燃料電池の開発
     (九州大学)
150
   (5) 広負荷範囲におけるSOFC発電システムの高効率運用方法と特性
     (電力中央研究所)
152
  2.3.3 直接メタノール形燃料電池(DMFC) 154
   (1) 大出力DMFCの開発(フジクラ) 155
   (2) 孔開き金属箔を用いたパッシブ型DMFCの発電特性に与える細孔特性の
     影響(群馬大学)
156
   (3) 長時間高出力の維持が可能な小型燃料電池の開発(群馬大学) 159
   (4) ジグザグ型DMFCにおける流路形成による空気供給法(東京理科大学) 160
   (5) 横波型弾性表面波センサを用いたDMFCのメタノール濃度測定(静岡大学) 163
   (6) DMFCの二相流に関する研究(千葉工業大学)   164
   (7) 毛管力による液体燃料輸送とCO2ガス排出を両立する金属多孔質焼結体
     (日立金属/日立製作所)
167
   (8) DMFC用SAWメタノールセンサの開発(日本無線) 168
  2.3.4 リン酸形燃料電池(PAFC) 169
   (1) PAFCの開発(富士電機) 169
 2.3引用文献リスト 171

第3章 燃料電池の基盤技術開発動向

173
 3.1 燃料電池の評価・分析技術 173
  3.1.1 PEFCの性能評価手法の開発 173
   (1) SPring-8 BL36XU新ビームラインの燃料電池への応用(名古屋大学/
     高輝度光科学研究センター/電気通信大学)
175
   (2) Pdコア-Ptシェル触媒のXAFS解析(京都大学) 177
   (3) PEFC模擬環境における白金の溶解特性の解析(東北大学) 179
  3.1.2 PEFCの水計測・可視化技術 181
   (1) 中性子ラジオグラフィを用いた水観察(本田技術研究所) 181
   (2) 中性子線と分割電極セルの組み合わせによるPEFCの水計測技術
     (茨城大学/エフシー開発/日本原子力研究所)
183
   (3) PEFCカソード電極内の水の可視化計測(京都工芸繊維大学/
     東京工業大学)
185
   (4) 軟X線イメージングによるPEFC内液水挙動の可視化技術(東京工業大学) 190
   (5) 放射光X線によるセパレータ内の生成水の観察 193
   (6) PEFC内の液水分布状態可視化と非定常発電特性(横浜国立大学) 194
  3.1.3 PEFC構成各部材の劣化解析および物質移動現象解明 196
   (1) PEFCの電解質膜およびMEAの劣化解析(東レリサーチセンター) 196
   (2) MEA内物質移動現象解明・電極触媒反応解明(技術研究組合FC-Cubic) 198
   (3) 大規模分子動力学シミュレーションによるMEA内部反応物質輸送特性の
     解析(東北大学)
200
   (4) 活性炭を含有したMPLを持つMEAの発電性能評価(山梨大学) 203
   (5) コンタクトポロシメトリ法による電極触媒の漏れ性解析(KRI) 205
   (6) 炭化水素系電解質膜への量子化学計算の応用(工学院大学) 207
   (7) 燃料電池配管用柔軟性架橋PEの性能評価(十川ゴム/京都工芸繊維大学) 209
  3.1.4 SOFC構成材料の劣化解析およびイオン伝導性の解明 211
   (1) SOFC電解質中の酸素ポテンシャル変化性能低下現象
     (産業技術総合研究所)
211
   (2) 固体酸化物形燃料電池材料の機械的特性のin-situ測定(東北大学) 212
   (3) ラマン散乱分光法を用いた作動状態のSOFCにおける応力状態の評価
     (東北大学)
214
   (4) FIB-SEM観察によるSOFC電極の劣化要因解析(京都大学) 216
   (5) SOFCの高性能化・高耐久性化に向けた電極微構造変化の定量解析
     (京都大学)
217
   (6) SOFC燃料極の再酸化に起因する電解質破損条件の評価(日本電信電話) 219
   (7) SOFCにおける主絶縁性能劣化要因(筑波大学) 221
   (8) SOFC材料の結晶構造解析とイオン伝導機構(東京工業大学) 224
   (9) 第一原理計算における固体電解質のイオン伝導の解析
     (ファインセラミックスセンター/電力中央研究所)
226
  3.1.5 燃料電池セルスタックの評価 227
   (1) SOFCセルスタック性能評価手法の開発(産業技術総合研究所) 227
   (2) MCFCスタックの材料の劣化解析(横浜国立大学) 232
  3.1.6 燃料電池システムの性能評価 235
   (1) プロセスシミュレータによる燃料電池モデリング技術(VMG) 235
   (2) 燃料電池評価システムおよび膜抵抗測定システムの開発(東陽テクニカ) 236
   (3) 水素における等温化放出法による流量測定(東京工業大学/KYB) 237
 3.1引用文献リスト 240
 3.2 電極の材料技術開発動向 242
  3.2.1 PEFC用電極触媒材料および電極構造の開発 242
   (1) 電極中のアイオノマー分布と電極性能の影響(トヨタ自動車/東京大学) 242
   (2) カーボン及びカーボン以外の耐腐食性担体の開発(九州大学) 245
   (3) 白金使用量の低減を目的としたPEFC用MEA作製技術(宮崎大学) 246
   (4) 高活性白金-酸化セリウムナノ複合体電極の開発(物質・材料研究機構) 249
   (5) PEFC用電極触媒へのコアシェル金属ナノ粒子の適用(同志社大学) 250
   (6) 低電圧ソリューションプラズマ法を用いた白金ナノ粒子の調製
     (東京工業高等専門学校/産業技術総合研究所)
252
   (7) PEFCの触媒層のPt削減と耐久性向上(山梨大学) 253
   (8) PEFC向け触媒層の省白金化技術(東芝) 256
   (9) PEFCの白金触媒の分布・化学状態の観察(分子科学研究所) 257
  3.2.2 白金代替触媒、非白金触媒の開発 259
   (1) PEFCカソード触媒用ナノシェル含有カーボンの活性支配因子(群馬大学) 259
   (2) 芳香族ポリイミドの炭素化によるPEFC用カソード触媒の開発(帝人) 261
   (3) 酸化グラフェン-鉄フタロシアニン複合酸素還元材料の検討(熊本大学) 262
   (4) PEFC用Zr酸化物系酸素還元触媒の検討(横浜国立大学/日産アーク) 265
   (5) 中性子を活用した非白金系燃料電池触媒の開発(日産アーク) 267
   (6) 竹を用いる空気二次電池やPEFCの電極材料の開発(大分大学) 268
  3.2.3 SOFC、DMFC、DEFCの電極の開発 269
   (1) SOFC電極の材料・構造設計に向けたマルチスケール・マルチフィジックス
     アプローチ(九州大学/東京大学/九州工業大学/東京工業大学)
269
   (2) 層状ペロブスカイトの中温作動SOFC用カソード電極特性(岡山大学) 271
   (3) ヘテロ界面構造の電極性能への影響(東北大学) 273
  3.2.4 その他燃料電池における電極の技術開発 276
   (1) DMFC用燃料極の開発(愛媛大学) 276
   (2) 燃料極の炭素析出による劣化抑制とRDCFCの開発(東京工業大学) 278
   (3) DEFC中温域におけるPtRu/C触媒上でのエタノールの電極酸化反応解析
     (東京大学)
279
   (4) HT-PEMFC用電極触媒の粒成長およびプロトン伝導低下が及ぼす
      電圧降下への影響(東北大学/大同大学)
281
   (5) DMFC用Pt電極を用いた酸性水溶液中におけるCO2還元挙動の
      電気化学測定(長岡技科大学)
282
 3.2引用文献リスト 284
 3.3 電解質の技術開発動向 286
  3.3.1 高分子形電解質の開発、高性能化技術 286
   (1) プロトン伝導性ナノファイバーからなる燃料電池(首都大学東京) 286
   (2) 次世代高分子電解質膜の開発(デュポン) 288
   (3) アニオン導電性高分子の合成と構造解析(山梨大学) 290
   (4) 液体燃料電池用アニオン交換形電解質膜の開発(ダイハツ工業/
     日本原子力研究開発機構)
291
   (5) フッ素系電解質膜GORE-SELECT®の開発状況(日本ゴア株式会社) 293
   (6) フッ素系高分子電解質材料の高性能化と高耐久化(旭化成イーマテリアルズ) 294
   (7) フッ素系高性能電解質膜・アイオノマーの研究開発(旭化成イーマテリアルズ) 296
   (8) 燃料電池用細孔フィリング膜の開発(東京工業大学) 296
   (9) ポリフェニレン系高分子電解質における側鎖長の効果(上智大) 299
   (10) 電解質膜へのSiO2添加及び電極触媒アイオノマーにスルホン化SiO2
      適用の影響(東京都市大学)
300
   (11) リン酸含浸ポリマー系の電解質の超高耐久化(九州大学) 302
   (12) エネルギーデバイス用次世代電解質としてのイオン液体(横浜国立大学) 304
  3.3.2 SOFC向けの電解質の開発、高性能化技術 305
   (1) LSO電解質の開発(兵庫県立大学) 305
   (2) LSGM固体電解質と燃料極の界面設計(静岡大学) 307
   (3) YSZ電解質およびLSCF空気極材料のイオン・電子伝導率に及ぼす応力・
     ひずみの影響(埼玉大学/IEK-2、ユーリッヒ研究所)
309
   (4) ZrO2-1.6P2O5電解質を複合化したZnO-2P2O5ガラスの中温作動型燃料
     電池用電解質としての特性(国立東京高等専門学校/東京農工大学)
311
   (5) プロトン輸率1を仮定したプロトン伝導性酸化物を電解質材料に用いた
     多段酸化SOFCの研究開発(九州大学/東京ガス)
313
 3.3引用文献リスト 314
 3.4 燃料電池および周辺部材の製造技術 316
  3.4.1 燃料電池および部材の製造技術 316
   (1) マイクロ波を用いたSOFC部材のプロセッシング(熊本大学/岡山大学) 316
   (2) 燃料電池用金属セパレータの成形技術(サイべックコーポレーション) 317
   (3) 無電解Niメッキを施したセパレータ(芝浦工業大学) 319
   (4) PEFCセパレータ用ステンレス鋼箔(新日鐵住金) 320
   (5) 燃料電池用セルシールの開発動向(NOK) 322
   (6) 燃料電池触媒担体用アセチレンブラックの開発状況(電気化学工業) 323
  3.4.2 水素センサ 325
   (1) パルス電流印加ゲート構成によるFET水素センサの応答特性の高速化
     (岡山大学)
325
   (2) 燃料電池用MEMS水素センサのための受動的結露水除去構造
     (矢崎総業/東北大学)
326
   (3) アモルファス水素吸蔵合金を用いた水素センサ(パナソニック) 329
  3.4.3 水素ステーションで利用される耐水素ガス材料 331
   (1) N添加した低Cr, Ni省Mo型水素環境用ステンレス鋼の耐水素脆化特性
      (新日鐵住金ステンレス/新日鐵住金) 
331
   (2) 高圧水素ガスシール用ゴム・エラストマー材料の劣化(九州大学) 332
  3.4.4 燃料電池の普及のための周辺技術 334
   (1) 燃料電池の水処理(栗田工業) 334
   (2) 燃料電池中の触媒NiおよびCoの溶出性と毒性(東京工業高等専門学校) 336
 3.4引用文献リスト 336

第4章 燃料電池普及に向けた課題と取組状況

338
 4.1 燃料電池普及に向けた政策・施策動向 338
 4.1引用文献リスト 340
 4.2 燃料電池の水素インフラ課題と取組状況 341
  4.2.1 燃料電池自動車、水素インフラの取り組み 341
  4.2.2 フィードバック制御による燃料電池自動車の施策に関する検討 344
   (1) インフラモデル 345
   (2) フィードバック制御 345
 4.2引用文献リスト 346
 4.3 燃料電池の法規制、基準・標準化動向 347
  4.3.1 定置用燃料電池の標準化動向 347
   (1) 小型燃料電池の開発経緯とエネファームの現状 347
   (2) 規制見直し 348
   (3) 共通認証基準 348
   (4) 実証試験事業 349
   (5) 定置用燃料電池の国内標準化(JIS) 349
   (6) 定置用燃料電池の国際標準化(IEC/ISO) 349
  4.3.2 水素・燃料電池自動車の世界統一基準 350
   (1) 圧縮水素容器(水素タンク強度) 351
   (2) 水素安全(水素漏れ防止)   352
   (3) 電気安全(感電防止) 352
  4.3.3 燃料電池のFRT要件(日本電機工業会) 353
   (1) 単相発電設備のFRT要件 353
   (2) 燃料電池発電設備のFRT要件 353
 4.3引用文献リスト 355

第5章 水素エネルギー製造、貯蔵・輸送、供給・利用技術開発動向

356
 5.1 水素製造技術の開発動向 356
   (1) スチームリフォーミングによる水素ステーション用水素製造装置
      (三菱化工機)
356
   (2) 水素分離型リフォーマーの開発(東京ガス) 359
   (3) マイクロ波加熱と触媒機能を融合した水素製造プロセス
     (旭川工業高等専門学校)
361
   (4) 熱化学水素製造プロセスUT-3サイクル(東京農工大学) 362
   (5) 非在来型触媒反応での水素製造(早稲田大学) 364
   (6) 水素製造装置「HYSERVE-300」の開発(大阪ガス) 365
   (7) 製鉄副生ガスからの水素高度利用技術開発(新日鐵住金)  366
   (8) 水素を生み出す金属ナノ粒子触媒(産業技術総合研究所) 369
   (9) 家庭用燃料電池向け水素製造触媒の開発(JX日鉱日石) 371
   (10) 小型改質器用水素製造触媒の開発と課題(成蹊大学) 373
 5.1引用文献リスト   375
 5.2 水素貯蔵・輸送技術の開発動向 377
   (1) 水素の大量貯蔵・輸送技術(SPERA水素)の開発(千代田化工建設) 377
   (2) タイプ3高圧水素容器の開発(サムテック) 379
   (3) 燃料電池電気自動車用高圧水素タンクの寿命設計法と評価法
     (本田技術研究所/青山学院大学)
380
 5.2引用文献リスト 382

第6章 燃料電池特許出願技術動向

383
 6.1 燃料電池国内外公開特許解析 385
   (1) 出願人上位企業と特許件数 387
   (2) 燃料電池の種類別特許件数 387
   (3) 電極用触媒 388
   (4) セパレータ 390
   (5) 高温で動作する燃料電池 392
 6.2 燃料電池海外公開特許解析 394

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