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株式会社大阪ケミカル・マーケティング・センターはマーケットリサーチを専門とする1962年設立の実績ある会社です。

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〒543-0001 大阪市天王寺区上本町6-7-21-502

 Vol.3 No.215 固体高分子型燃料電池(PEFC)の新材料・技術開発

 2003年6月刊行  定価:86,439円(税込み95,083円)      B5判 180ページ     
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<刊行のねらい> コストダウン=普及化のカギを握る材料・技術開発

  1. 激しい開発競争が続く固体高分子型燃料電池(PEFC)は、各分野で実証試験が進められているものの、普及速度は遅い。その障害となっているのがコストである。PEFCのコストダウンは高性能化とともに材料開発、技術開発の最大テーマである。いかに低コストで高性能なスタックを開発するか、それはイオン交換膜、電極触媒、セパレータの材料技術に集約されるであろう。
  2. PEFC開発においてまだ基礎研究の段階とみられていた直接メタノール型(DMFC)が急浮上してきた。DMFCの最大のメリットはシステムのシンプル性とセルの小型化にあり、PEFCの弱点をクリアする燃料電池として一躍注目の的になっている。しかしDMFCの作動条件はPEFCより苛酷であり、その材料開発は困難を極めるであろう。逆に燃料電池のブレイクスルーはDMFCによる可能性が高くなった。
  3. PEFCは自動車という巨大市場を控えているだけに水面下での開発競争が激しい。本書は材料・技術開発と市場の可能性、グローバル化する開発体制、事業化を目指した各社の動向などPEFCを集大成したものである。

<目  次>

1.固体高分子型燃料電池の現状と展望
 1−1 燃料電池の開発と実用化状況
  1−1−1 各種燃料電池の特性
    @固体高分子型(PEFC)  Aリン酸型(PAFC)
    B溶融炭酸塩型(MCFC)  C固体電解質型(SOFC)
  1−1−2 各種燃料電池の応用分野
   (1) 燃料電池の出力規模と用途
   (2) 用途ニーズと適応燃料電池
   (3) 燃料改質の要求度
  1−1−3 各種燃料電池の用途別実用化状況
   (1) 中・大規模発電
   (2) 家庭用・業務用コージェネレーション
   (3) 可搬型電源
   (4) 自動車用電源
   (5) 携帯機器用電源
   (6) その他
  1−1−4 各種燃料電池(スタック)のメーカー動向
    @日本  A米国  B欧州  Cその他
  1−1−5 燃料電池の将来展望
 1−2 固体高分子型燃料電池の開発動向
  1−2−1 固体高分子型燃料電池のシステムと種類
   (1) 固体高分子型燃料電池(PEFC)
   (2) 直接メタノール型燃料電池(DMFC)
   (3) 一体化再生型燃料電池(URFC)
  1−2−2 PEFCの発電原理とスタック構造
  1−2−3 PEFCの構成材料と課題
   (1) 高分子電解質膜(イオン交換膜)
   (2) 膜・電極触媒接合体(MEA)
   (3) セパレータ
  1−2−4 PEFCの燃料と改質技術
   (1) PEFC用燃料の種類と適合性
   (2) 純水素の貯蔵法と新材料開発
    @カーボンナノチューブ  Aケミカルハイドライド
    B水素吸蔵合金  C高圧水素  D液体水素
   (3) 燃料改質技術と水素精製法
    @水素発生プロセス
     1)水蒸気改質法  2)部分酸化法  3)オートサーマル法
    A水素精製プロセス
   (4) 燃料改質の課題と展望
 1−3 直接メタノール型燃料電池の開発動向
  1−3−1 急進展するDMFC開発 〜基礎研究から製品開発段階へ〜
  1−3−2 DMFCシステムの特徴
    @システムの簡素化  A小型・軽量化  Bその他
  1−3−3 DMFCの構造とシステム
   (1) 構造と発電原理
   (2) 発電特性と出力密度
   (3) 発電・循環システム
    @液体供給方式  Aガス供給方式
  1−3−4 平面型DMFCの開発状況
   (1) フィルム基板DMFC
    @セル構造  A構成材料  B出力密度  C発電機構
   (2) セラミックス基板DMFC
   (3) シリコン基板微小DMFC
  1−3−5 DMFC開発の課題
   (1) メタノールクロスオーバーの阻止
   (2) メタノール酸化反応の高速化
   (3) 耐CO被毒触媒の開発
   (4) 電解質膜の耐熱性向上
  1−3−6 DMFCの用途と今後の展望
    @携帯機器用電源  A自動車用電源
    B充電器  Cその他
 1−4 一体化再生型燃料電池の開発動向
  1−4−1 URFCの開発目的
   (1) 再生型(RFC)と一体化再生型(URFC)
   (2) PEFCと水電解装置の一体化
   (3) URFCの電力貯蔵システム
  1−4−2 URFCの構造と材料開発
    @電極触媒  Aセル構造  Bその他
  1−4−3 URFCの用途と展望
    @電力負荷平準化  A非常用電源
    B移動体用電源  Cその他
2.固体高分子型燃料電池の新材料開発
 2−1 PEFCの開発要素
    @高性能化  Aコストダウン  Bその他
 2−2 PEFCの高性能化
  2−2−1 電圧低下の要因
   (1) 活性化分極(触媒活性)
   (2) 抵抗分極(抵抗損失)
   (3) 拡散分極(物質移動)
  2−2−2 材料開発の方向
    @電極触媒  A電解質膜  Bセパレータ  Cその他
 2−3 PEFCの価格とコストダウン対策
  2−3−1 PEFCスタック・システムの現状価格
  2−3−2 PEFCの用途別作動条件と目標コスト
    @自動車用  A家庭用  B業務用
    C可搬型電源  D携帯機器用
  2−3−3 用途別出力単価と実用化シナリオ
  2−3−4 PEFCスタックのコスト構成
    @材料コスト  A製造コスト
  2−3−5 主要部材の価格と目標コスト
    @イオン交換膜  APt系触媒  Bカーボンセパレータ
  2−3−6 PEFCのコストダウン対策
    @量産化  A使用量削減  B新材料開発
    C成形・加工技術  Dその他
 2−4 高分子電解質膜(イオン交換膜)
  2−4−1 イオン交換膜の機能と要求特性
   (1) 膜・電極接合体の構造と物質移動
   (2) イオン交換膜の要求特性
    @高プロトン伝導性  A低ガス透過性  B高保水性
    C水透過性  D機械的強度  E高耐久性・長期安定性
    Fその他
  2−4−2 パーフルオロ系スルホン酸(PFS)膜
   (1) FEFC開発とPFS膜の実用化
   (2) 食塩電解におけるイオン交換膜の展開
   (3) PFS膜の構造と性質
    @PFSポリマーの合成
    APFSポリマーのクラスター構造と特性
   (4) PEFC用PFS膜のメーカーと製品
    @デュポン社  A旭化成  B旭硝子  CW.L.Gore社
  2−4−3 イオン交換膜の開発動向
   (1) PFS膜の高プロトン伝導化
    @薄膜化  Aスルホン酸基の高濃度化  B高含水率化
   (2) 高温作動用耐熱性膜
    @リン酸ドープPBI  APBI誘導体
    B無機・有機コンポジット膜(PEO等)  Cその他
   (3) 低コストイオン交換膜
    @炭化水素系膜(ポリオレフィン等)
    A剛直性ポリマーのスルホン酸基導入(PEEK等)
    Bブロック/グラフト重合膜  CETFE  Dその他
  2−4−4 イオン交換膜の補強技術
   (1) 膜厚とセル発電特性の関係
   (2) 薄膜化と膜強度の維持
   (3) 繊維による膜補強技術
    @PTFE繊維
     1)フィブリル繊維  2)テープヤーン
     3)織布  4)不織布
    A超高分子量ポリエチレン繊維
    B無機繊維
     1)ガラス繊維  2)セラミックス繊維
   (4) 微多孔質フィルムによる膜補強技術
    @PTFE微多孔質フィルム
    Aポリエチレン微多孔質フィルム
   (5) 補強イオン交換膜の問題点
    @イオン伝導性  A樹脂含浸性  Bコスト  Cその他
  2−4−5 イオン交換膜の含水性改良技術
   (1) イオン交換膜の保水性とセル性能
    @イオン交換膜の水透過性  A加湿器による保水性の確保
   (2) イオン交換膜の開発動向
    @カチオン交換膜/アニオン交換膜の複合膜
    APt含有イオン交換膜(自己加湿性)
    B高含水膜/低含水膜の複合化  C膜面の部分高含水化
    Dその他
   (3) 膜水分管理の課題
 2−5 電解質膜・電極触媒接合体(MEA)
  2−5−1 MEAの製造法
   (1) イオン交換膜上への触媒層形成
    @触媒析出  A触媒インキ塗布
   (2) 触媒担持電極とイオン交換膜の接合
    @ホットプレス法  A接着剤接合
   (3) 両電極間へのイオン交換樹脂注入
   (4) その他
  2−5−2 膜・触媒の接触面積拡大
   (1) 膜・触媒界面とセル出力
   (2) 膜表面改良による接触面積拡大
    @膜表面の凹凸付与  A粉体配合除去に細孔付与
    B無電解めっきによる直接担持  Cその他
  2−5−3 電極触媒の開発動向
   (1) PEFC用触媒の課題
    @アノード触媒のCO被毒  Aカソード触媒の反応速度
    Bコストダウン  Cその他
   (2) 触媒開発のコンセプト
    @電圧低下の抑制
     1)触媒の微細化  2)高活性触媒の開発
    A触媒のコストダウン
     1)担持量の削減  2)低コスト触媒の開発
   (3) 耐CO被毒触媒の開発
    @アノード触媒の種類
     1)Pt  2)Pt−Ru合金
    APt合金用材料の性質
     1)Ni  2)Co  3)Fe  4)Cr  5)その他
   (4) 酸化還元触媒の開発
   (5) 触媒担持法と使用量の削減
    @触媒担持技術と触媒担持量
    A担持量削減技術の開発
 2−6 DMFC用膜・電極触媒接合体
  2−6−1 DMFC用MEAの問題点
  2−6−2 DMFC用イオン交換膜の開発動向
   (1) アニオン交換基導入イオン交換膜
   (2) 酸化触媒含有イオン交換膜
   (3) 陽イオン交換膜/ポリスチレンスルホン酸グラフト膜
   (4) PFS膜のイオンクラスター制御
   (5) 高耐熱性イオン交換膜
   (6) その他
  2−6−3 DMFC用触媒の開発動向
 2−7 セパレータ
  2−7−1 セパレータの機能と要求特性
   (1) スタック構造とセパレータの役割
   (2) セパレータの要求特性
    @ガス不透過性  A高導電性  B機械的強度
    C熱伝導性  D耐腐食性  E耐熱性
    F耐膨潤性  Gその他
   (3) セパレータの開発コンセプト
    @コストダウン  A薄型化  Bその他
  2−7−2 セパレータのコストダウン対策
   (1) 黒鉛セパレータの製造法とコストアップ要素
    @材料混練  Aシート成形  B焼成
    C樹脂含浸・焼成  D切削加工  Eその他
   (2) セパレータのコストダウン
    @低コスト材料の採用  A材料使用量の削減(薄型化)
    B成形・加工技術の改良
  2−7−3 カーボン系セパレータの技術開発
   (1) カーボン系セパレータの種類と特性
    @ガラス状カーボン/多孔性カーボン積層
    Aフェノール樹脂含浸等方性カーボン
    B熱硬化性樹脂炭化焼成ガラス状カーボン
   (2) 流路成形・加工の技術開発
    @ガラス状カーボンのショットブラスト
    A膨張黒鉛のモールド成形
    Bカーボン/樹脂モールド成形品の炭化焼成
    C樹脂モールド成形品の炭化焼成
    D黒鉛/PPS樹脂シートのスタンピング成形
    Eその他
   (3) カーボン配合材料による改良技術
    @熱硬化・熱可塑性樹脂  A炭素繊維  Bガラス繊維
    CPPS繊維  Dレーヨン不織布  Eその他
   (4) 無溝カーボンセパレータの応用(円筒型スタック)
  2−7−4 金属セパレータの技術開発
   (1) セパレータ用金属の種類と特徴
    @ステンレス  Aアルミニウム  Bチタン
    Cその他
   (2) 金属セパレータの課題
    @不動態被膜  A耐腐食性  B金属イオン溶出
    Cその他
   (3) 金属セパレータの開発動向
    @合金化と材料組成
    A表面処理法
     1)金属めっき  2)カーボン膜被覆
     3)金属窒化物被覆  4)導電性樹脂被覆
     5)撥水・塩基性樹脂被覆  6)その他
    B金属/膨張黒鉛積層シート
    Cアルミ/ステンレス積層シート
   (4) 金属セパレータの実用化状況
3.固体高分子型燃料電池の用途開発
 3−1 PEFCの用途と実用化状況
  3−1−1 PEFCの用途分野
  3−1−2 実用化された用途
  3−1−3 PEFCの普及予測
 3−2 燃料電池自動車(FCEV)
  3−2−1 電気自動車とFCEVの現状
    @PEV  AHEV  BFCEV
  3−2−2 FCEV開発の新動向
   (1) PEFCの現状と課題
   (2) DMFCの応用開発と可能性
   (3) SOFCの応用システム
  3−2−3 FCEVの燃料と駆動システム
  3−2−4 世界のFCEV共同開発体制
    @自動車メーカー  APEFCメーカー  Bその他
  3−2−5 世界のFCEV開発状況
   (1) 世界のFCEV(試作車)全覧
    @自動車メーカー  APEFCメーカー  B燃料
    C出力  D補助電源  E航続距離  Fその他
   (2) 自動車各社の開発動向
    @ダイムラークライスラー社 Aフォード社  BGM社
    CBMW社  Dトヨタ  E本田  F日産  Gマツダ
    Hダイハツ  I三菱自工  Jその他
  3−2−6 FCEVの課題と普及のシナリオ
 3−3 携帯機器用電源
  3−3−1 携帯機器用のニーズとコスト
  3−3−2 DMFCの応用開発
   (1) DMFCの出力密度
   (2) DMFCの応用機器
    @携帯電話  Aノートパソコン  Bその他
  3−3−3 DMFCの課題と展望
 3−4 可搬型電源
  3−4−1 可搬型電源の用途
  3−4−2 小型PEFCスタックの開発
    @ブタン改質型PEFC  A純水素円筒型PEFC  Bその他
  3−4−3 可搬型電源の課題と展望
 3−5 家庭用コージェネレーション
  3−5−1 家庭用燃料電池の開発状況
    @PEFC  ASOFC  Bその他
  3−5−2 PEFCスタックの仕様と開発目標
    @発電効率  A耐久性  B出力
    Cコスト  Dその他
  3−5−3 家庭用PEFCの課題と展望
 3−6 業務用コージェネレーション
  3−6−1 PAFCの実用化状況
  3−6−2 PAFCとPEFCの特性比較
    @燃料適性  A排熱温度  Bピークカット運転
    Cコスト  Dその他
  3−6−3 業務用PEFCの課題と展望
 3−7 移動体用電源
  3−7−1 各種移動体での用途開発
    @潜水艦  A宇宙機器  B飛行船  C無人飛行機
    Dその他
  3−7−2 再生型燃料電池(RFC)のシステム開発
4.固体高分子型燃料電池のメーカー動向
 4−1 わが国のPEFC開発プロジェクト
  4−1−1 ニューサンシャイン計画
   (1) PEFCプロジェクトの研究開発計画
   (2) 参画企業の開発動向
    @東芝   A三菱電機  B三洋電機
    C旭化成  D旭硝子  Eアイシン精機
  4−1−2 各種プロジェクトの開発テーマと参画企業
    @WE-NETプロジェクト  Aミレニアムプロジェクト
    Bその他
 4−2 PEFCのメーカー別開発動向
  4−2−1 国内メーカー
    @東芝  A三菱電機  B三洋電機  C富士電機
    D三菱重工業  E松下電器産業  F松下電工
    G荏原バラード  H石川島播磨重工業
    Iニューウェーブ(大同メタル工業)  Jソニー
    K日本電池  LNEC  Mトヨタ自動車
    N本田技研工業  Oその他
  4−2−2 海外メーカー
    @バラード・パワー・システムズ社 AIFC社
    Bシーメンス社  CEnable社(DCH社)  Dモザイク社
    Eプラグ・パワー社  FHパワー社
    Gエネルギー・パートナーズ社
    HNPS社  Iその他
 4−3 DMFCのメーカー別動開発動向
    @LANL  AJPL  BMotorola社  CGiner社
    DManhatan Scientifics社  EMFCS社
    Fユアサコーポレーション  Gその他
 4−4 PEFC用材料のメーカー別開発動向
  4−4−1 イオン交換膜
    @デュポン社  A旭化成  B旭硝子  CW.L.ゴア社
    D積水化学工業  Eトクヤマ  Fその他
  4−4−2 触媒
    @ジョンソン・マッセイ社  A田中貴金属工業
    B日本触媒  Cその他
  4−4−3 セパレータ
    @昭和電工  A東海カーボン  B日清紡績
    Cアイシン精機  D住友金属工業
    Eユニチカ  F日新製鋼  Gその他
5.固体高分子型燃料電池の特許
 5−1 PEFCの特許出願状況
  5−1−1 特許の公開状況
    @イオン交換膜  A電極触媒  Bセパレータ
  5−1−2 PEFCの企業別公開状況
 5−2 PEFCの特許一覧

    
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