電子とイオンの機能化学シリーズVol.4
固体高分子形燃料電池のすべて
［コードNo.04NTS105］

■体裁／ Ａ５判　上製函入　５２８頁 ■発行／ ２００３年　１０月　１日 (株)エヌ・ティー・エス ■定価／ ９,９７５円（税込価格） ※　本書は試読頂けます　※ お申込みの際、通信欄に 「試読希望」とお書き添え下さい

材料開発の科学に視点をおき、固体高分子形燃料電池の構成材料（電解質膜、電極、 セパレータ、燃料処理器など）、燃料電池応用の現状、PEFC材料に関する重要課題に 対する最新の研究開発動向や次世代型PEFCへの展望を解説。

監修の辞
科学における原理・原則は普遍であり、不動のものです。しかし、研究・開発の進展に ともない，解明の精度が高くなるとともに，解釈の幅は広がってきます。現在，ハイテク， またファインケミカルスなどと呼ばれる「近代科学技術」は、高度に解明された諸現象の 原理・原則や，微細組織に及ぶ材料の基礎的諸物性などが統合されたものといえます。そ して、これらに裏付けられ，新規で貴重な技術の発展がもたらされたものと考えられます。 　このたび，[電子とイオンの機能化学]と冠題して，電気化学の理論と技術について，と くに近年注目されている対象をとりあげ、個々に工学的特異性をもつことから、各々独立 した分冊として、複数巻の発刊を企画したのも，上述の理念に基づくものです。 　すなわち，電気化学は「化学反応と電気エネルギーの関連を取り扱う科学」と定義され， 基本的には物理化学の一部門と見なされてきました。しかして昨今，科学技術の高度の発 展の中で，電気化学の理論的研究も進展して，平衡論的にも動力学的にも精細に解明・整 備されました。一方，電子工学やエネルギー科学，精密化学などの発展が，電気化学的反 応や操作の特異性を認めて，高純度，高精度を求める工業技術に応用されるにいたったの が現状といえます。 　ことにマテリアルサイエンスの分野では，「材料の製造，精製，加工」から「機能の測 定，評価」にいたる，多くの工程での重要な操作・反応として電気化学が応用されていま す。 　本来，すべての物質の機能や特性は，分子レベルにおける内部電子，外部電子や軌道電 子などと密接な関係にあります。他方，電気化学は「Electro-chemistry」の原語が示す ように，化学反応と電子(electron)の挙動との関係に注目する学問，と近年理解されるに いたって，材料の機能を取り扱うマテリアルサイエンスの分野における電気化学が，いか に重要かは論じるまでもないことでしょう。 　しかしながら，工業技術としての立場では，電気化学も一般的な単位反応，単位操作と 同程度に取り扱われて，電気化学の特徴，すなわち，電気化学反応では， 　　1）電極電位によって反応の種類が制御され， 　　2）反応速度は流れる電流の大きさで制御される。 という優れた解析性，管理性に注目されず，きわだった評価もされていない傾向にあり， 応用の面で電気化学的反応や操作を数理的に考察，研究するまでにいたらず，性能，効率 の向上を推進するための意欲や努力を阻害する恐れもあります。 　これは要するに，物理化学として基礎理論は高度に発達し，数理的解析も可能となって いる学理的な部門と，実学としての工業技術とが機能的に融合していないためでありまし ょう。 　そこで本企画では，応用電気化学の現場を実例としてとりあげ，そこで実施されている 電気化学的操作，反応を理論的に解説し，さらに高度で適切な電気化学的操作，反応の導 入が考えられる場合はこれも示唆して，技術的改善の参考にも資していただくことを期待 しています。 　なお，現代の工業技術は工程の全般を通じて，技術の総合的構成によって成り立ってい ることを理解していただくべく，製造や加工，組立などの全工程を具体的に記述して，工 業技術者が学ぶべき広範な知識と技術の概略も述べています。 　「電子とイオンの機能化学」の出版計画は叢書の形式をとり，各巻では現在注目されて いる課題の一つをとりあげてその巻の主題とし，その課題の工業技術において適用される 電気化学的操作や反応の理論を解説し，理論の適用，展開による機能材料の開発，材料機 能の活用，評価などを実業に即して記述する，というのが基本的編集方針です｡ 　叢書としてとりあげる課題は、当面エネルギー変換技術に関連して注目されている下記 の4巻を決定しました。 　第1巻　いま注目されているニッケル−水素二次電池のすべて 　第2巻　大容量電気二重層キャパシタの最前線 　第3巻　次世代型リチウム二次電池 　第4巻　固体高分子形燃料電池のすべて 　本企画では11名よりなる企画委員会にて，第1巻から以後の各巻の課題を決定し，さらに 各巻の編集代表者(1名〜複数名)を選定，委嘱し，編集代表者によりその巻の編集委員会を 編成していただき，各巻の企画，編集を一任しています｡ 　なお，本企画ではいずれの巻も応用電気化学の研究者，ならびに技術者を対象にしての 技術書として編集していますが，電気化学を選考しようと考えておられる学生の方々にも， よき参考書となるものと考えています。 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　大阪大学名誉教授　　田村英雄
序
エネルギー・環境問題の抜本的解決策として、さらには将来の水素エネルギー時代のエ ネルギー変換システムの中心として、燃料電池の実用化に大きな期待が寄せられている。 特に、固体高分子形燃料電池(PEFC)は電気自動車用の高性能でクリーンな駆動電源や携帯 機器用電源ばかりでなく、電気と熱を同時利用(コジェネレーション)する家庭据置用途に 向けて活発に開発が進められている。 　米国GE社製 PEFCが搭載された地球周回有人宇宙船ジェミニ５号が打ち上げられたのは 1965年8月である。長い停滞期の後、1990年頃から民生用途の研究開発が急加速された。 エネルギー・環境問題への世界的な意識の高まりが、PEFC開発の重要なサポーターとなっ ている。わが国の研究者・技術者がPEFC開発に熱心に取り組み、その一つの成果として、 世界に先駆けて2002年12月に燃料電池自動車が政府にリース販売されたことは、まことに 喜ばしいことである。ごく身近な応用として、ノートパソコンや携帯電話用の小型メタノー ル直接形燃料電池も注目されてきた。このように、PEFCは発電出力が数ワットから100kW にも及ぶような広いレンジへの応用が期待されている。これらはマスメディアにも頻繁に 登場するようになり、「燃料電池ブーム到来」とさえ言われている。たしかに、PEFCの研 究開発速度には目を見張るものがある。しかし、燃料電池のキーワードである「クリーン で高効率」を本当の意味で実現して広く普及するには、まだまだ多くの課題がある。その 多くは「電子とイオン」をいかにうまく機能させるかという点に関係している。 　本書は、「電子とイオンの機能化学シリーズ」の第４巻として企画した。シリーズを通 した特徴として、材料開発の科学に視点をおき、構成材料、応用分野，今後期待される技 術動向などの高度な内容をわかりやすく表現することを意図した。まず、固体高分子形燃 料電池の構成材料(電解質膜、電極、セパレータ、燃料処理器など)と燃料電池応用の現状 を記述した。そして、PEFC材料に関する重要課題に対する最新の研究開発動向や次世代型 PEFCへの展望も解説した。これらは、研究開発の最前線で活躍中の研究者、技術者の方々 に執筆していただいた。各々の分野で最適任の執筆者の貴重な原稿から、時には辛口の、 時には熱い思いが伝わってくると思う。燃料電池に興味のある方々はもとより、最近になっ て燃料電池の研究開発に携わることになられた方々に、本書が少しでもお役に立てば幸い である。 　ご多忙の中、本書のために貴重な時間を割いていただいた執筆者の方々に深く感謝して いる。最後に本書の企画編集、出版に際して、絶えず励ましとお世話をいただいた、(株) エヌ・ティー・エスの松風まさみ氏と富澤匡子氏に厚くお礼申し上げる。 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　2003年5月　　編著者：内田 裕之 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　池田宏之助 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　岩倉 千秋 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　高須 芳雄

監修者
田村 英雄 大阪大学名誉教授・MH利用開発研究会会長
編著者
内田 裕之 池田宏之助 岩倉 千秋 高須 芳雄 山梨大学大学院医学工学総合研究部教授 燃料電池水素基盤技術懇談会会長・MH利用開発研究会副会長・ 佐賀大学非常勤講師・上村工業(株)監査役・ 電気化学会電池技術委員会名誉委員 大阪府立大学大学院工学研究科物質系専攻応用化学分野教授 信州大学繊維学部精密素材学科教授
執筆者（執筆順）
田村 英雄 渡辺 政廣 吉武　優 寺田 一郎 本村　了 山田 耕太 国狭 康弘 高須 芳雄 鶴見 和則 井上 幹夫 内田　誠 光田 憲朗 秋山 友宏 西村 靖雄 岡田　治 谷生 重晴 栗山 信宏 有田 正司 三宅 泰夫 冨江　徹 安田 和明 本間 琢也 陸川 政弘 内田 裕之 杉本　渉 江口 浩一 岡野 一清 池田宏之助 大阪大学名誉教授・MH利用開発研究会会長 山梨大学クリーンエネルギー研究センターセンター長・教授 旭硝子(株)中央研究所主幹 旭硝子(株)中央研究所主幹 旭硝子(株)中央研究所主席 旭硝子(株)中央研究所主席 旭硝子(株)中央研究所 信州大学繊維学部精密素材学科教授 田中貴金属工業（株）技術本部取締役本部長 東レ株式会社コンポジット生産部技術課主任部員 松下電器産業(株)くらし環境開発センター FC事業開発室スタック開発グループチームリーダー 三菱電機(株)先端技術総合研究所エネルギー変換技術部主席研究員 大阪府立大学大学院工学研究科物質系専攻化学工学分野助教授 新エネルギー・産業技術総合開発機構水素エネルギー技術開発室主任研究員 大阪ガス（株）エネルギー技術研究所理事・エグゼクティブリサーチャー・ 次世代改質システムプロジェクト部長 横浜国立大学教育人間科学部自然環境講座教授 産業技術総合研究所生活環境系特別研究体新エネルギー媒体研究グループ グループ長 日産自動車（株）総合研究所首席研究員 三洋電機（株）技術開発本部エコ・エネシステム技術開発センター ビジネスユニット担当部長 積水化学工業（株）環境・ライフラインカンパニー開発部部長 産業技術総合研究所生活環境系特別研究体小型燃料電池研究グループ 主任研究員 燃料電池開発情報センターFCDIC常任理事・筑波大学名誉教授 上智大学理工学部化学科助教授 山梨大学大学院医学工学総合研究部教授 信州大学繊維学部精密素材工学科助手 京都大学大学院工学研究科教授 水素エネルギー協会理事 燃料電池水素基盤技術懇談会会長・MH利用開発研究会副会長・ 佐賀大学非常勤講師・上村工業(株)監査役・ 電気化学会電池技術委員会名誉委員

詳細目次

監修の辞 序 第1章　固体高分子形燃料電池とは 第1節　なぜ，燃料電池が注目されるのか？ 　1. 21世紀の地球を取り巻くトリレンマ 　2. 火力発電と燃料電池発電 　3. 燃料電池の発電効率 第2節　固体高分子形燃料電池の特徴 　1. 燃料電池と一次電池，二次電池の相違点 　2. 燃料電池の分類 　3. 燃料電池の開発小史 　4. PEFCの開発経緯 　5. PEFCの特徴 第3節　PEFCの作動原理と基本構成 　1. PEFCの作動原理 　2. DMFCの作動原理 　3. PEFCの基本構成 第2章　固体高分子形燃料電池の構成材料 第1節　フッ素系電解質膜 　1. はじめに 　2. フッ素系膜 　　2.1. 燃料電池用イオン交換膜に求められる基本特性 　　2.2. パーフルオロスルホン酸 　　　2.2.1. 構造,製法,物性 　　　2.2.2. 不純物の影響 　　　2.2.3. パーフルオロ膜の安定性 　　2.3. 高耐熱性膜 　3. 補強膜 　　3.1. はじめに 　　3.2. PTFE多孔体補強膜 　　3.3. フィブリル補強膜 　4. 加湿方法 　　4.1. はじめに 　　4.2. 外部加湿 　　4.3. 内部加湿 　　4.4. 自己加湿 　　4.5. 薄膜、高イオン交換容量膜の使用 　　4.6. その他 　5. おわりに＜吉武優＞ 第2節　電極 　1. 電極触媒材料(白金,白金合金) 　　1.1. はじめに 　　1.2. 白金系金属の構造と吸着・触媒特性 　　　1.2.1. 超微粒子の表面サイト 　　　1.2.2. 超微粒子の露出結晶面 　　　1.2.3. 白金電極における水素波 　　　1.2.4. 結晶面と触媒活性 　　1.3. 白金系合金の構造 　　　1.3.1. 合金組成と構造 　　　1.3.2. 表面組成とバルク組成,粒子の組成の均質性 　　　1.3.3. 選択溶解性 　　1.4. 金属・合金・超微粒子の電子構造 　　　1.4.1. 金属・合金の価電子帯の構造 　　　1.4.2. Dowdenによる触媒活性の理論 　　　1.4.3. 金属超微粒子の電子構造 　　1.5. 各種金属触媒の吸着特性と触媒反応活性の傾向 　　　1.5.1. 各種金属と吸着熱 　　　1.5.2. 各種金属の水素電極反応活性 　　1.6. アノード反応 　　　1.6.1. メタノールの酸化 　　　1.6.2. メタノールおよびCO酸化と結晶面および粒子サイズの関係 　　1.7. カソード反応 　　　1.7.1. 貴金属,白金合金 　　　1.7.2. 白金粒子のサイズ効果 　　1.8. 今後の展開 　2. 高分散触媒とガス拡散電極(炭素担体を含む) 　　2.1. 高分散へのプロローグ 　　2.2. 高分散の正体 　　2.3. 触媒担体と高分散担持 　　2.4. 担体と電極性能 　　2.5. 触媒担持率と電極性能 　　2.6. CO被毒と高分散 　　2.7. 触媒の最適化と今後の課題 　3. ガス拡散基材 　　3.1. ガス拡散基材の機能と要求特性 　　3.2. カーボンペーパー 　　3.3. 炭素繊維織物 　4. 膜電極接合体(ガス拡散電極構造含む) 　　4.1. はじめに 　　4.2. 固体高分子形燃料電池 　　　4.2.1. 固体高分子形燃料電池の概要 　　　4.2.2. 固体高分子形燃料電池の要素技術 　　4.3. 結言および今後の展開 第3節　セパレータ(炭素、金属) 　1. はじめに 　2. セパレータを含む単セルにおける電子とイオンの動き 　3. 積層構造における電子とイオンの機能化学 　4. PEFCの電子とイオンの伝導材料と比抵抗 　5. 垂直積層と平面積層での電子の移動距離の比較 　6. セパレータ構成材料の比較 　7. PEFCセパレータの機能 　8. カーボン樹脂モールドセパレータの開発(NEDOフェーズ3) 　　8.1. 電気抵抗 　　8.2. 機械特性 　　8.3. 安定性 　　8.4. 成形精度 　　8.5. 製造コスト 　9. セパレータの流路形状 10. PEFCで起こりうる腐食 11. セパレータ流路の工夫 12. おわりに 第3章　水素の製造と輸送・貯蔵 第1節　副生水素 　1. 水素製造方法 　2. 水素需要供給予測 　3. 食塩電解 　4. コークス炉副生ガス(COG) 　5. 廃熱利用によるメタン改質 　6. コ・プロダクションによる水素製造 　7. 廃棄金属アルミニウムによる水素製造 　8. 都市ガス，LPG改質によるオンサイト供給 　9. 水素供給システムの現状 第2節　水電解 　1. はじめに 　2. 水電解による水素製造例 　　2.1. アルカリ水電解 　　　2.1.1. 商業用アルカリ電解槽 　　　2.1.2. 改良型アルカリ電解槽 　　2.2. 固体高分子形水電解法 　　2.3. 高温高圧型高分子水電解 　　2.4. 可逆セル 　　2.5. 高温水蒸気電解 　　2.6. 水素製造装置の応用例(水素供給ステーション) 　　2.7. 米国水素製造プロジェクトの動向 　3. おわりに 第3節　各種炭化水素系燃料からの水素製造技術 　1. 燃料電池における燃料改質技術 　　1.1. 燃料電池の種類と使用可能燃料 　　1.2. 燃料と改質システム 　　1.3. 燃料電池用天然ガス改質システム 　2. 脱硫触媒 　　2.1. 一般的な脱硫方式 　　2.2. より高次な脱硫 　3. 改質触媒 　　3.1. 改質方式 　　3.2. 水蒸気改質法 　　3.3. 部分酸化法およびオートサーマル法 　4. CO変成触媒 　5. CO除去触媒 　6. PEFC用燃料改質システムの開発状況 　7. おわりに 第4節　バイオマス水素製造 　1. バイオマスの性質 　　1.1. バイオマスのエネルギー量 　　1.2. バイオマスの生産性 　　1.3. C3植物とC4植物 　　1.4. 未利用バイオマス資源量 　2. 熱化学的ガス化による水素製造 　3. 発酵による水素製造 　　3.1. なぜ発酵で水素を製造するか 　　3.2. 発酵の水素収率と代謝産物 　　3.3. 水素発生速度 　　3.4. 利用に適したバイオマス 第5節　水素輸送・貯蔵 　1. はじめに 　2. 圧縮水素としての貯蔵 　3. 液体水素としての貯蔵 　4. 水素貯蔵材料による貯蔵 　　4.1. 水素吸蔵合金 　　4.2. 無機系水素貯蔵材料 　　4.3. 有機系水素貯蔵材料 　　4.4. 炭素系材料 　5. おわりに 第4章　固体高分子形燃料電池の用途 第1節　燃料電池車(FCV) 　1. はじめに 　2. 燃料電池システム 　　2.1. 水素式燃料電池システム 　　2.2. 改質式燃料電池システム 　3. FCVの開発動向 　　3.1. コスト 　　3.2. 効率(燃費) 　　3.3. 運転性 　　3.4. 信頼性 　　3.5. 搭載性 　4. おわりに 第2節　家庭用コージェネレーションシステム 　1. はじめに 　2. 家庭用コージェネレーションシステムの構成 　3. 家庭用コージェネレーションシステム導入による効果 　4. システム開発例 　5. 開発状況 　　5.1. 定置用固体高分子形燃料電池システム普及基盤整備の概要 　　5.2. 定置用燃料電池実証研究の概要 　　5.3. 家庭用コージェネレーションシステム標準化に対する取り組み 　　5.4. 家庭用コージェネレーションに関しての規制緩和に対する取り組み 　6. おわりに 第3節　家庭用コージェネレーションシステムの導入効果解析 　1. 住宅と環境問題 　2. 家庭用コージェネレーションシステムの構成 　3. 家庭用エネルギーシステムの比較 　　3.1. 環境特性比較検討 　　3.2. 経済特性比較検討 　4. 家庭用コージェネレーションシステムの導入効果解析手法 　　4.1. 家庭用コージェネレーションシステム導入効果解析の目的・意義 　　4.2. 一般的な手法とその問題点 　　4.3. 汎用性を求めた導入効果解析ソフト 　　　4.3.1. 条件設定 　　　4.3.2. 家庭のエネルギー負荷の計算 　5. 戸建住宅への家庭用燃料電池コージェネレーションシステム導入効果の解析 　　5.1. 標準条件の設定 　　5.2. 解析結果 　　　5.2.1. 家庭用燃料電池コージェネレーションシステム導入効果 　　　5.2.2. 部分負荷効率の影響 　　　5.2.3. 効率による導入効果の差 　　　5.2.4. 地域による導入効果の差 　　　5.2.5. 住宅のく体構造(省エネルギー基準)による導入効果の差 　　　5.2.6. 給湯量(生活様式の違い)による導入効果の差 　　　5.2.7. 燃料価格の影響 　　　5.2.8. 二世帯での共同利用による効果 　6. おわりに 第4節　マイクロ燃料電池 　1. マイクロ燃料電池開発の背景 　　1.1. マイクロ燃料電池への期待 　　1.2. マイクロ燃料電池と二次電池との比較 　　1.3. マイクロ燃料電池とkW級PEFC(自動車用・家庭用燃料電池)との比較 　2. マイクロ燃料電池の発電特性 　　2.1. 携帯電子機器用途に適した燃料電池 　　2.2. DMFCの反応と特性 　3. マイクロ燃料電池の構造とシステム 　　3.1. マイクロ燃料電池のセル構造 　　　3.1.1. 平面型スタック 　　　3.1.2. 積層型スタック 　　3.2. マイクロ燃料電池のシステム 　　　3.2.1. マイクロDMFCシステム 　　　3.2.2. 改質型マイクロPEFCシステム 　　　3.2.3. 純水素型マイクロPEFCシステム 　4. マイクロ燃料電池の燃料 　5. マイクロ燃料電池の技術課題 　　5.1. マイクロDMFCにおける燃料の濃度 　　5.2. マイクロ燃料電池のための技術開発 　6. マイクロ燃料電池の今後 第5節　PEFCの利用・開発動向 　1. PEFC利用上の問題点 　2. 燃料電池自動車(FCV)の開発 　　2.1. わが国におけるFCVの開発 　　2.2. 海外動向 　3. FCVの実証運転試験 　4. 燃料選択に関する考察 　5. 家庭でのコージェネレーション用燃料電池 　　5.1. 家庭用燃料電池の動作条件 　　5.2. 家庭用固体高分子形燃料電池(PEFC)コージェネレーション実証実験 第5章　固体高分子形燃料電池の最近の研究開発動向 第1節　新規電解質膜(炭化水素,高温型) 　1. はじめに 　2. 高分子電解質膜 　3. 新規電解質膜 　4. 新規フッ素樹脂系電解質と部分フッ素化電解質膜 　5. 炭化水素系電解質 　6. 耐熱性高分子を用いた炭化水素系高分子電解質 　7. おわりに 第2節　合金電極触媒材料 　1. 電極触媒と電極構造 　2. 酸素還元カソード触媒 　　2.1. カソード触媒開発の概要 　　2.2. カソード触媒作用に対する表面電子状態の効果 　3. 耐CO被毒アノード触媒 　　3.1. Pt電極触媒のCO被毒 　　3.2. 耐CO被毒アノード合金触媒の設計 　　3.3. 耐CO被毒性に対する表面電子状態の効果 第3節　高活性高分散触媒の開発・・炭素担持PtRuアノード触媒の調製プロセスと 　　　 性状・物性の関係 　1. はじめに 　2. 炭素担持白金ルテニウム電極触媒の調製法 　　2.1. 貴金属コロイド化学還元法(液相) 　　2.2. 貴金属酸化物コロイド気相還元法 　　2.3. 貴金属錯体含浸−還元熱分解法 　　2.4. 表面修飾コロイド−還元熱分解法 　3. 種々のPtRu/C調製プロセスにおけるPtRuナノ粒子の性状 　4. PtRuナノ粒子の性状とCO被毒耐性,メタノール酸化活性 　　4.1. 表面修飾コロイド−還元熱分解法における還元剤・安定剤の影響 　　4.2. 含浸−還元熱分解法におけるRu前駆体種,還元熱分解温度の影響 　　4.3. 含浸−還元熱分解法におけるPt前駆体種の影響 　　4.4. カルボニル錯体含浸−還元熱分解法とコロイド気相還元(亜硫酸錯体)法の比較 　5. PtRu/C調製プロセスにおける炭素担体の影響 　6. おわりに 第4節　燃料プロセシング触媒 　1. 燃料電池の燃料適応性 　2. メタノールおよび含酸素化合物の改質 　3. 炭化水素からの水素製造 　4. CO被毒の対策 　5. 水性ガスシフト反応 　6. CO選択酸化 　7. おわりに 第6章　将来展望(普及戦略と期待) 第1節　はじめに 第2節　すべての燃料電池の普及に関する共通の課題 　1. 規制緩和 　2. 一般ユーザーである市民の啓蒙・教育 　3. 導入初期のコスト高への対応 第3節　燃料電池自動車 　1. 燃料電池自動車のコスト低減 　2. 信頼性と耐久性の確保 　3. 水素インフラの確立 　4. 燃料電池車の導入目標 　5. 燃料電池自動車に対する規制緩和 第4節　定置用燃料電池 　1. 家庭用燃料電池 　2. 業務用燃料電池 第5節　移動用など小型燃料電池 第6節　電子機器用超小型燃料電池 第7節　おわりに おわりに

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