出版社内容情報
執筆者一覧(執筆順)
竹原善一郎
関西大学 工学部 化学工学科 教授 京都大学 名誉教授 工学博士
菅原 彰
通商産業省 工業技術院 ニューサンシャイン計画推進本部 研究開発技官
中山 稔夫
新エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO) 燃料・貯蔵技術開室長代理
城上 保
鈴鹿工業高等専門学校 材料工学科 教授 工学博士
竹中 啓恭
和歌山県工業ギジュツセンター 所長
(前 通商産業省 工業技術院 大阪工業技術研究所 光機能材料部長)
桑原 武
（株）東芝 電力システム社 燃料電池事業推進部 プラント担当主幹 工学博士
永田 裕二
（株）東芝 電力システム社 燃料電池事業推進部 プラント担当課長
奥村 実
（株）東芝 電力システム社 燃料電池事業推進部 プラント担当部長
宮崎 義憲
通商産業省 工業技術院 大阪工業技術研究所 エネルギー燃料電池研究室長
早野 拓朗
溶融炭酸塩型燃料電池発電システム技術研究組合 技術部 次長
松村 光家
三菱電機（株） 先端技術総合研究所 エネルギー変換技術部
化学発電技術グループマネージャー
八尾 健
京都大学 エネルギー科学研究科 エネルギー基礎科学専攻 教授 工学博士
内本 喜晴
京都大学 エネルギー科学研究科 エネルギー基礎科学専攻 助教授 工学博士
森 昌史
(財）電力中央研究所 横須賀研究所 エネルギー化学部
主任研究員 主任研究員 工学博士
五百蔵 勉
通商産業省 工業技術院 大阪工業技術研究所
エネルギー・環境材料部 水素エネルギー研究室 博士(工学)
鈴木 稔
新エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO) 燃料・貯蔵技術開室
(兼)燃料電池プロジェクトチーム 主査) 工学博士
上之薗 博
(財)電力中央研究所 特別顧問 工学博士
中西 洋一
（株）クリオ・エアー 社長
(前 大阪ガス（株） 燃料電池プロジェクト部長)
井出 良一
大阪ガス（株） 営業計画部 開発推進室 都市エネルギーチーム
桑島 三郎
宇宙開発事業団 技術研究本部 電子・情報系技術研究主任開発部員
橋本 登
松下電工（株） FCGプロジェクト 主幹技師 理学博士
三宅 泰夫
三洋電機（株） 研究開発本部 冷熱技術開発プロジェクト 燃料電池開発部 部長
光田 憲朗
三菱電機（株） 先端技術総合研究所 エネルギー変換技術部
燃焼・界面グループマネージャー
清水 浩
慶応義塾大学 環境情報学部 教授 工学博士
本書の主な内容
燃料電池発電の原理
燃料電池開発の(日本・海外)現状
アルカリ電解質型燃料電池
・原理と電極反応
・電池構造と材料
・電池システム構成
・電池性能とその劣化要因
固体高分子電解質型燃料電池
・原理と電極反応
・電池構成技術と材料
・電池構造とその評価・応用
リン酸型燃料電池
・原理と電極反応
・発電システムと構成機器
・運転制御と監視
・開発普及状況と課題
溶融炭酸塩型燃料電池
・原理と電極反応
・電池スタック技術と長寿命化
・高出力発電電池の構成と開発状況
・内部改質型電池の構成と開発技術
固体酸化物型燃料電池
・原理と電極反応
・電池スタックと材料
・電池の中での温度、電流分布
・円筒型電池スタックの構成と開発
燃料電池の応用
・電気事業 ・ガス事業
・宇宙開発 ・ポータブル型機器
・家庭用電源
・電気自動車
総目次
第１章 燃料電池発電の原理
＜竹原善一郎＞
第１節 発電の原理と開発の歴史
第２節 燃料電池開発の歴史
第３節 可逆機関のエネルギー変換効率
第４節 燃料電池スタックと発電プラント
第５節 燃料電池の種類と用途
第２章 燃料電池開発の現状
第１節 日本の燃料電池開発状況概観
＜菅原 彰＞
第２節 燃料電池の国家プロジェクトの現状と海外の開発状況
＜中山 稔夫＞
第３章 アルカリ電解質型燃料電池開発の現状
＜城上 保＞
第１節 原理と電極反応
第２節 電池構造と材料
第３節 電池システム構成
第４節 電池性能とその劣化要因
第４章 固体高分子電解質型燃料電池
＜竹中 啓恭>＞
第１節 歴史的拝啓
第２節 原理と電極反応
第３節 電池構成技術と材料
第４節 システム技術
第5章 リン酸型燃料電池
第１節 原理と電極反応
＜桑原 武＞
第２節 発電システムと構成機器
＜永田 裕二＞
第３節 運転制御と監視
＜永田 裕二＞
第４節 開発・普及状況と課題
＜奥村 実＞
第６章 溶融炭酸塩型燃料電池
第１節 原理と電極反応
＜宮崎 義憲＞
第２節 電池スタック材料と長寿命化技術
＜宮崎 義憲＞
第３節 高出力発電電池の構成と開発状況
＜早野 拓朗＞
第４節 内部改質型電池の構成と開発技術
＜松村 光家＞
第７章 固体酸化物型燃料電池
第１節 原理と電極反応
＜八尾 健／内本 喜晴＞
第２節 電池スタックと材料
＜森 昌史＞
第３節 電池の中での温度、電流分布
＜五百蔵 勉＞
第４節 円筒型電池スタックの構成と開発状況
＜鈴木 稔＞
第８章 燃料電池の応用
第１節 電気事業における燃料電池発電技術
＜上之薗 博＞
第２節 ガス事業における燃料電池発電技術
＜中西 洋一／井出 良一＞
第３節 宇宙開発における燃料電池発電技術
＜桑島 三郎＞
第４節 ポータブル型機器の電源としての燃料電池
＜橋本 登＞
第５節 家庭用電源システムとしての燃料電池
＜三宅 泰夫＞
第６節 電気自動車のエネルギー源としての燃料電池
＜光田 憲朗＞
第７節 電気自動車のエネルギー源として必要とする燃料電池
＜清水 浩＞
第１章 燃料電池発電の原理 ＜竹原 善一郎＞
第１節 発電の原理と特徴
１．はじめに
２．燃料電池の原理と特徴
第２節 燃料電池開発の歴史
１．電池開発の歴史
２．燃料電池の誕生とその開発
第３節 可逆機関のエネルギー変換効率
１．可逆機関の中でのエネルギーの保存
２．熱機関の最大エネルギー変換効率
３．燃料電池の最大エネルギー変換効率
第４節 燃料電池反応と内部抵抗
１．燃料電池の平衡起電力と内部抵抗
２．燃料電池の反応によって生ずる過電圧
３．燃料電池に用いる電解質などの材料とその中でのオーム損
3.1 水溶液
3.2 溶解塩
3.3 イオン交換膜
3.4 無機系固体電解質
3.5 電極および内部連結体材料
第５節 燃料電池の種類と用途
１．はじめに
２．固体高分子電解質型燃料電池
３．リン酸型燃料電池
４．溶融炭酸塩型燃料電池
５．固体酸化物型(固体電解質型)燃料電池
６．アルカリ電解質型燃料電池
第２章 燃料電池開発の現状
第１節 日本の燃料電池開発の現状 ＜菅原 彰＞
１．日本における燃料電池技術開発の背景
２．研究開発の概要
2.1 燃料電池の特徴
2.2 リン酸型燃料電池(PAFC)
2.3 溶融炭酸塩型燃料電池(MCFC)
2.4 固体電解質型燃料電池(SOFC)
2.5 固体高分子型燃料電池(PEFC)
３．今後の展望
第２節 燃料電池の国家プロジェクトの現状と海外の開発状況 ＜中山 稔夫＞
１．はじめに
２．リン酸型燃料電池(PAFC)
2.1 国(NEDO)のプロジェクト
2.2 民間における開発状況
３．溶融炭酸塩型燃料電池(MCFC)
3.1 ニューサンシャイン計画
3.1.1 大容量スタックの開発
?@ 外部改質・直交流型スタック (（株）日立製作所)
?A 外部改質・平行流型スタック(石川島播磨重工業（株）)
?B 内部改質型 (三菱電機（株）)
3.1.2 1,000kW級発電プラント開発
3.1.3 長寿命化、高性能化研究
3.1.4 サポート研究
1) スタック材料技術開発
2) 石炭ガス化ガス対応技術
3) トータルシステムの研究
3.2 その他の研究開発動向
４．固体電解質型燃料電池(SOFC)
4.1 ニューサンシャイン計画
4.1.1 モジュール開発
4.1.2 基盤技術
4.2 その他の研究開発動向
4.2.1 海外の円筒型技術
4.2.2 わが国におけるその他の技術
５．固体高分子型燃料電池(PEFC)
5.1 ニューサンシャイン計画
5.1.1 発電システム技術開発
5.1.2 要素研究
5.2 その他の研究開発動向
5.2.1 海外での動向
5.2.2 国内の動向など
６．おわりに
第３章 アルカリ電解質型燃料電池開発の現状 ＜城上 保＞
第１節 原理と電極反応
１．はじめに
２．セル構成と電極反応
３．電極触媒
第２節 電池構造と材料
１．ガス拡散電極の製作法
２．発電モジュ－ル(スタック)構成
３．スペ－スシャトル用燃料電池
第３節 電池システム構成
第４節 電池性能とその劣化要因
第４章 固体高分子型燃料電池 ＜竹中 啓恭＞
第１節 歴史的背景
第２節 原理と電極反応
１．原理と特徴
1.1 長所
1.2 短所
２．電極反応と効率
第３節 電池構成技術と材料
１．高分子電解質膜
1.1 パーフルオロ系膜の製法と構造
1.2 膜の性質
1.3 非パーフルオロ系膜
２．電極
2.1 触媒電極
2.2 電極構造と膜－電極接合体製造法
３．セパレータ
第４節 システム技術
１．水分管理
２．燃料調整
2.1 対象となる燃料源
2.2 メタノール改質
2.3 COの選択酸化
３．電池特性
４．全体システムの構成
第５節 応用
１．自動車用途
1.1 開発動向
1.2 FCVの位置づけ
1.3 純水素FCV
1.4 走行システム
２．その他の用途
第５章 リン酸型燃料電池
第１節 原理と電極反応 ＜桑原 武＞
１．発電原理
1.1 物質の持つエネルギー
1.2 電極電位と起電力
1.3 ファラデーの法則
２．電極反応
2.1 電池の構成概念
2.2 分極特性
2.2.1 抵抗分極
2.2.2 活性分極
2.2.3 濃度分極
2.2.4 電池電圧特性式
2.3 運用上で起こり得る現象
2.3.1 水素欠乏 2.3.4 空気欠乏
2.3.2 高電圧運転 2.3.5 クロスリーク
2.3.3 高温運転 2.3.6 CO濃度の影響
第２節 発電システムと構成機器 ＜永田 裕二＞
１．発電システムの構成
1.1 システムの基本構成
1) 燃料処理サブシステム
2) 空気供給サブシステム
3) 電池本体サブシステム
4) 電力変換サブシステム
5) 電池冷却サブシステム
6) 水処理サブシステム
7) 制御サブシステム
8) その他のサブシステム
1.2 常圧型システム
1.3 加圧型システム
２．サブシステムと各構成機器
2.1 燃料処理サブシステム
2.1.1 脱硫器
2.1.2 改質器
2.1.3 一酸化炭素変成器(CO変成器)
2.1.4 熱交換器
2.2 空気供給サブシステム
2.3 電池本体サブシステム
2.4 電力変換サブシステム
2.4.1 インバータ
2.4.2 出力トランス
2.4.3 分電盤
2.5 電池冷却サブシステム
2.6 水処理サブシステム
2.7 制御サブシステム
2.8 その他のサブシステム
３．物質・熱収支とシステム効率
3.1 システム効率の定義式
1) 燃料処理系効率：ηＦＰＳ
2) 電池本体系効率：ηＣＳＡ
3) 電力変換系効率：ηＩＮＶ
4) パラサイト効率：ηＰＡＲＡ
5) 発電効率：ηＧＲＯＳＳおよびηＮＥＴ
3.2 システムエネルギーフロー
3.2.1 常圧型システム
3.2.2 加圧型システム
第３節 運転制御と監視 ＜永田 裕二＞
１．制御装置の構成と特徴
２．シーケンス制御
2.1 起動方式
?@ 初期状態(通常停止状態)
?A 電池冷却系昇温
?B キャビネット＆プロセスパージ
?C 改質器昇温
?D 改質開始
?E 発電開始
2.2 停止方式
?@ 初期状態(発電状態)
?A 負荷遮断
?B ガス遮断と窒素パージ
?C 電池降温
?D 通常停止状態
３．連続制御
3.1 出力制御
3.2 燃料処理サブシステムの制御
?@ 燃料流量制御
?A 改質蒸気流量制御(スチームカーボン比制御)
3.3 空気供給サブシステムの制御
?@ カソード空気流量制御
?A 改質器バーナ空気流量制御
3.4 電池冷却サブシステムの制御
?@ 電池本体温度制御
?A 水蒸気分離器レベル制御
?B 冷却塔の温度制御
3.5 水処理サブシステムの制御
?@ 水処理タンクレベル制御
４．保護と監視
4.1 安全性維持機能
?@ 換気機能
?A 燃料ガス検知機能
?B 火災検知機能
?C ガス置換機能
4.2 機器保護機能
第４節 開発・普及状況と課題 ＜奥村 実＞
１．開発状況
1.1 分散電源用
1.2 オンサイト用
1.2.1 富士電機（株）
1.2.2 三菱電機（株）
1.2.3 （株）東芝
２．普及状況と運転実績
2.1 普及状況
2.1.1 消化ガス・バイオガス利用システム
2.1.2 直流電力利用システム
2.1.3 ライフスポット適用システム
2.1.4 高品質電力供給システム
2.2 運転実績
３．本格普及に向けての課題
3.1 低コスト化
3.2 高機能化
第６章 溶融炭酸塩型燃料電池
第１節 原理と電極反応 ＜宮崎 義憲＞
１．原理
２．電極反応
2.1 アノード反応
2.2 カソード反応
2.3 電池特性の圧力依存性
2.4 電池特性の温度依存性
2.5 電池特性のガス組成、利用率依存性
2.6 電池特性の電流密度依存性
2.7 電池特性
第２節 電池スタック材料と長寿命化技術 ＜宮崎 義憲＞
１．電池スタック材料
1.1 単セル
1.1.1 アノード
1.1.2 カソード
1.1.3 電解質板
1.1.4 セパレータ
1.2 スタック
２．長寿命化技術
2.1 小型電池の長時間連続運転と寿命制限因子
2.2.1 カソード溶出
2.2.2 金属材料の腐食
2.2.3 マトリックスの粗孔化
2.2.4 電解質の蒸発
2.2.5 その他
2.2.6 寿命予測方法
第３節 高出力発電電池の構成と開発状況 ＜早野 拓朗＞
１．わが国のMCFC研究開発の経緯概要
２．1,000kW級パイロットプラントの開発
３．1,000kW級パイロットプラントの概略構成
４．1,000kW級パイロットプラントのプロセス条件
4.1 電池動作圧力
4.2 S/C
4.3 電池温度
4.4 熱物質収支
4.5 運転条件
５．1,000kW級パイロットプラントの構成機器
5.1 電池スタック
5.1.1 直交流型
1) 250kW級スタックの構造
2) 締付装置
3) セルの構造
4) セル部材
5) 25kW級ショートスタック
6) モジュールの発電性能
5.1.2 平行流型
1) 250kW級スタックの構造
2) 締付装置
3) セルの構造
4) セル部材
5) セパレータ構造
6) 20kW級ショートスタック
7) サブスタックの発電性能
5.2 改質器
5.3 高温ブロワ
5.4 タービン圧縮機
5.5 排熱回収ボイラ
5.6 補助燃焼器
６．PAC試験(Process and Control)
第４節 内部改質型電池の構成と開発技術 ＜松村 光家＞
１．内部改質型電池の構成と特徴
1.1 内部改質型電池の構成
1.2 内部改質型電池の高効率性
２．技術課題と開発状況
2.1 内部改質触媒
2.2 大型電池開発
2.3 改良内部改質方式の特徴
2.4 世界の開発状況
第７章 固体酸化物型燃料電池
第１節 原理と電極反応 ＜八尾 健／内本 喜晴＞
１．固体酸化物型燃料電池の原理
２．アノード反応機構と材料開発の進展
2.1 アノード反応と材料
2.2 アノード反応機構
2.3 アノードの高性能化
３．カソード反応機構と材料開発の進展
3.1 カソード反応と材料
3.2 カソード反応機構
3.3 カソード材料の開発
第２節 電池スタックと材料 ＜森 昌史＞
１．電池材料
1.1 電解質
1.2 空気極
1.3 インターコネクタ(セパレータ)
1.4 燃料極
1.5 ガスシール材
第３節 電池の中での温度、電流分布 ＜五百蔵 勉＞
１．はじめに
２．電池のモデル化
2.1 電流分布の決定
2.2 物質分布の決定
2.3 温度分布の決定
2.3.1 燃料の内部改質・シフト反応に伴う熱収支
2.3.2 電池反応に伴う発熱
2.3.3 電池内部抵抗に起因するジュール発熱
2.3.4 活性化過電圧・濃度分極に起因する発熱
３．電池シミュレーションの例
3.1 円筒型セル
3.2 平板型セル
第４節 円筒型電池スタックの構成と開発状況 ＜鈴木 稔＞
１．円筒型電池スタックの構成と特徴
1.1 円筒縦縞型の構成
1.2 円筒横縞型の構成
２．SOFCシステム
2.1 常圧SOFCコジェネシステム 数百kW以下
2.2 加圧SOFC－ガスタービン(低圧)
単機出力数百kW～10MW程度
2.3 加圧SOFC－ガスタービン(スチームタービン)
10ata以上 数MW～数百MW
３．開発状況
3.1 海外の開発
3.1.1 Siemens Westinghouse Power Corporation
(SW社米国籍、独資本）
3.1.2 Z－tek社(米国)
3.1.3 SOFCo社(米国）
3.1.4 AlliedSignal社(米国）
3.1.5 Siemens社(独）
3.1.6 Sulzer社(スイス）
3.1.7 Ceramic Fuel Cell（オーストラリア）
3.2 国内の開発
3.2.1 三菱重工業（株）
3.2.2 東陶機器（株）
3.2.3 その他
４．現状技術レベルおよび見通し
4.1 全体状況
4.1.1 長期耐久性
4.1.2 サーマルサイクル信頼性
4.2 その他
第８章 燃料電池の応用
第１節 電気事業における燃料電池発電技術 ＜上之薗 博＞
１．電気事業からみた燃料電池の特質
２．研究開発状況
2.1 リン酸型燃料電池(PAFC)
2.2 溶融炭酸塩型燃料電池(MCFC）
2.3 1,000kW級パイロットプラントの開発
2.4 固体電解質型燃料電池(SOFC）
３．燃料電池導入の現状
４．溶融炭酸塩型燃料電池実用化への道
4.1 電池技術の擁立
4.2 高積層スタック技術の確立
4.3 実用化システムの概念設計
第２節 ガス事業における燃料電池発電技術 ＜中西 洋一／井出 良一＞
１．ガス事業での開発経緯
1.1 ガス事業における開発概要
1.2 米国製リン酸型燃料電池の開発
1.3 国産リン酸型燃料電池の開発
1.4 フィールドテストによる技術実証
２．オンサイト用燃料電池の市場と用途開発
2.1 コージェネレーションシステム
2.2 燃料電池特有の用途開発
2.3 ガス事業以外での用途開発
３．ガス事業における今後の展望
第３節 宇宙開発における燃料電池発電技術 ＜桑島 三郎＞
１．宇宙開発の動向
1.1 月探査競争
1.2 月探査競争以降
1.3 シャトルとミール
1.4 宇宙ステーション
２．宇宙用燃料電池の飛行実績
2.1 ジェミニ燃料電池
2.2 アポロ燃料電池
2.3 シャトル燃料電池
2.4 燃料・酸化剤の貯蔵
３．今後の展開
第４節 ポータブル型機器の電源としての燃料電池 ＜橋本 登＞
１．はじめに
２．小型機器用電源
３．小型発電機用燃料電池
４．小型燃料電池発電機用燃料
５．改質技術
６．小型燃料電池発電機の開発状況
７．小型燃料電池発電機開発上の課題
８．今後の展開
第５節 家庭用電源システムとしての燃料電池 ＜三宅 泰夫＞
１．はじめに
２．家庭用電源システムとしての燃料電池の形態
2.1 家庭用電源システムとしての燃料電池に求められる要件
1) 総合エネルギー効率が高いこと
2) 燃料の入手が容易なこと
3) 運転保守の容易なこと
4) 設置の容易なこと
2.2 家庭用電源システムとしての燃料電池の種類
2.3 家庭用電源システムの適用概念
2.4 家庭用電源システムとしての燃料電池の経済的評価
３．家庭用電源システムとしての燃料電池の開発動向
3.1 日本における家庭用電源システムとしての燃料電池の開発状況
3.1.1 ニューサンシャイン計画におけるPEFCの開発状況
3.1.2 ガス協会における家庭用電源システム開発計画
3.1.3 日本におけるその他機関による家庭用電源の開発状況
3.2 海外における家庭用電源システムとしての燃料電池の開発状況
3.2.1 Analytic Power 社 3.2.4 Siemens社
3.2.2 Plug Power 社 3.2.5 Sulzer社
3.2.3 Northwest Power Systems 社
４．家庭用電源システムとしての燃料電池の技術課題および対応策
4.1 燃料電池本体の課題および対応策
4.2 燃料改質装置における課題および対応策
第６節 電気自動車のエネルギー源としての燃料電池
＜光田 憲朗＞
１．FCEV用燃料電池の開発の歴史
２．燃料の選択
３．メタノールの改質
４．その他の燃料の改質
５．FCEV用PEFCスタック
６．PEFCセパレータ
７．PEFCの電極・膜接合体
８．PEFCの電流電圧特性
９．PEFCセル特性の動作温度依存性
１０．PEFCセル特性の動作圧力依存性
１１．PEFCのセル寿命
１２．PEFCセルの化合物被毒
１３．発電システムと発電効率
１４．ダイレクト型PEFC
１５．今後の課題
第７節 電気自動車のエネルギー源として必要とする燃料電池
＜清水 浩＞
１．電気自動車を取りまく問題と、燃料電池の必要性
２．燃料電池搭載電気自動車の基本的構造
３．電気自動車用の燃料電池に求められるもの
４．燃料電池搭載電気自動車の開発状況
