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【特集】 固体高分子形燃料電池の脱白金をめざした開発現状
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特集にあたって
Introduction
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太田健一郎(横浜国立大学 大学院 工学研究院 機能の創生部門 教授)
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総論:固体高分子形燃料電池における白金触媒の問題点と脱白金化への期待
Problems of Pt Catalyst for Polymer Electrolyte Fuel Cell and Prospect of Non-platinum Catalyst
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太田健一郎(横浜国立大学 大学院 工学研究院 機能の創生部門 教授)
固体高分子形燃料電池は定置用,自動車用,小型モバイル用に開発が進められている。ここでは酸性電解質を用いるので電極としては白金が用いられているが,コスト,資源量,安定性,酸素活性の面から,これに代わる脱白金材料が求められている。これまでの遷移金属錯体などにとどまらず,より高機能な新規材料が求められている。
【目次】
1. はじめに
2. PEFCにおける白金電極の問題点
(1) 白金のコスト
(2) 白金資源量
(3) 白金製造時の環境への影響
(4) 白金の酸素還元触媒能
(5) 白金電極の不安定性
3. 脱白金触媒開発の状況
--------------------------------------------------------------------------------
ジルコニウム酸化物をベースとしたPEFC用カソード触媒
Zirconium Oxide-based Cathode for PEFC
--------------------------------------------------------------------------------
大城善郎(横浜国立大学 大学院 博士課程後期)
石原顕光(横浜国立大学 大学院 産学連携研究員)
太田健一郎(横浜国立大学 大学院 教授)
現在,自動車用電源などとして注目されているPEFCは,その電極触媒とて白金,白金合金などが用いられている。しかし,白金の資源量やコストの面から,PEFCの本格的普及には非白金系触媒の開発が不可欠である。本報告では,白金より約103倍資源量が豊富で安価なジルコニウム酸化物をベースとした薄膜および粉末触媒について,得られた知見を概説する。
【目次】
1. はじめに
2. 非白金系酸素還元触媒のこれまでの研究
3. ジルコニウム酸化物をベースとした非貴金属酸素還元触媒の研究開発
3.1 新規酸化物系触媒の安定性評価
3.2 ジルコニウム酸窒化物薄膜電極触媒
3.3 部分酸化したジルコニウム炭窒化物粉末触媒
4. おわりに
--------------------------------------------------------------------------------
ナノシェル系カーボンアロイカソード触媒の材料設計
Material Designing of Nanoshell-based Carbon Alloy Cathode Catalysts
--------------------------------------------------------------------------------
尾崎純一(群馬大学 大学院 工学研究科 環境プロセス工学専攻 教授)
PEFCの実用化にあたっては,非白金系カソード触媒の開発が重要な課題となっている。筆者らは炭素材料の調製法を工夫することで,酸素還元活性を有するカーボンアロイカソード触媒の開発を行ってきた。本稿では,筆者らの開発したナノシェルカーボンの活性を支配する因子の解明と,それに基づく高性能化のための材料設計について解説する。
【目次】
1. はじめに
2. ナノシェルの構造的特徴と電気化学的性質
2.1 構造的特徴
2.2 電気化学的性質
3. ナノシェルの酸素還元活性
3.1 フェロセン系
3.2 フタロシアニン系
3.3 ナノシェルの活性支配因子
4. ナノシェルの微細化
4.1 ナノシェルの形成過程と微細化
4.2 高分子化錯体を用いた微細化
4.3 限られた空間を用いた微細化
5. ナノシェルカーボンの高性能化
5.1 窒素・ホウ素ドープ炭素の酸素還元活性
5.2 ナノシェルへの窒素ドープ
6. おわりに
--------------------------------------------------------------------------------
シルク由来活性炭の酸素還元特性
Oxygen Reduction Property of Silk-derived Activated Carbons
--------------------------------------------------------------------------------
高須芳雄(信州大学 繊維学部 特任教授(研究))
シルク(絹)から合成した活性炭が,酸性水溶液中で酸素還元反応に対して高い触媒活性を示すとともに,PEFCのカソードに使用した発電試験でも優れた発電特性を示した。くずシルクは安価であり,シルク由来活性炭の用途として,燃料電池のカソード触媒,触媒担体あるいは導電助剤などが考えられる。
【目次】
1. はじめに
2. 酸素還元用炭素電極
3. シルク由来活性炭
4. シルク由来活性炭の合成法と構造
5. シルク由来活性炭の酸素還元活特性
6. シルク由来活性炭をカソードに用いた燃料電池の発電特性
7. シルク由来活性炭カソードの展望
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炭化物を用いた非貴金属電極触媒の開発研究とその理論的考察
Various Metal Carbides as Non-precious Electrode of Fuel Cell and their Theoretical Prediction by DFT
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冨永弘之(東京農工大学 工学府 技術専門職員)
永井正敏(東京農工大学 大学院 共生科学技術研究院 教授)
非貴金属炭化物は燃料電池のアノードおよびカソードに高い活性を示す。コバルトタングステン炭化物のアノード活性は,白金触媒の活性の約15%に達し,炭化物はアノード触媒として大いに期待できる。本稿では,金属炭化物を非貴金属電極触媒に適用した研究開発例と,理論計算による炭化物触媒の探索と活性種の解析を紹介する。
【目次】
1. はじめに
2. 単一金属炭化物の燃料電池電極触媒
3. 2元金属炭化物の調製と電極活性
3.1 2元金属炭化物アノード触媒
3.2 2元金属炭化物カソード触媒
4. 理論的なアプローチによる炭化物アノード触媒の活性種の解明
4.1 バンド構造と電極触媒活性
4.2 第一原理分子動力学計算による炭化物表面上での水素の挙動
5. 今後の課題および展望
--------------------------------------------------------------------------------
酵素を使った燃料電池用電極
Enzymatic Cathodes for Fuel Cells
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辻村清也(京都大学 大学院 農学研究科 助教)
加納健司(京都大学 大学院 農学研究科 教授)
白金に代わる酸素還元触媒として,銅を触媒活性中心にもつ酸素還元酵素(マルチ銅オキシダーゼ)が注目されている。本稿では,酵素-電極間の電子移動経路について直接電子移動型とメディエーター型に分けて,反応系の基礎と燃料電池カソード極への応用に向けた最近の研究開発動向について紹介する。
【目次】
1. はじめに
2. MCOの選抜
3. 直接型電子移動反応
3.1 界面電子移動速度の向上:電極の表面修飾
3.2 吸着酵素量の増加:平板電極から多孔質炭素の利用
3.3 ガス拡散電極
4. メディエーター型電子移動反応
4.1 メディエーターの選択
4.2 メディエーター修飾電極反応
5. まとめと将来展望
--------------------------------------------------------------------------------
表面科学からみた脱白金電極触媒の設計指針
Concept of Designing Non-Pt Electro-catalyst from Surface Science
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中村潤児(筑波大学 大学院 数理物質科学研究科 物質創成先端科学専攻 教授)
近藤剛弘(筑波大学 大学院 数理物質科学研究科 物質創成先端科学専攻 助教)
グラファイトと金属ナノ微粒子の界面相互作用により金属の電子状態が変調し触媒活性が変化する。この現象を利用して脱白金触媒の開発が期待される。われわれは,グラファイト上において非結合性軌道の形成を見いだしたが,この状態がORR活性サイトになる可能性がある。
【目次】
1. はじめに
2. 炭素担体触媒の不思議
3. カーボンナノチューブ担持電極触媒の優位性
4. 表面科学的研究―モデル触媒による炭素担体効果―
5. 表面科学的研究―グラファイト表面に現れる非結合性軌道―
6. 脱白金触媒としての可能性
--------------------------------------------------------------------------------
Material Report
--------------------------------------------------------------------------------
R&D
--------------------------------------------------------------------------------
耳は口ほどにものを言う?―外耳の動きを入力情報とする常時装用型インタラクティブメディアの提案―
Proposal of a Wearable Interactive Media using Tiny Movements Inside the Ear
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谷口和弘(東京大学 大学院 工学系研究科 精密機械工学専攻 特任研究員)
西川敦(大阪大学 大学院 基礎工学研究科 機能創成専攻 准教授)
小林英津子(東京大学 大学院 工学系研究科 精密機械工学専攻 准教授)
佐久間一郎(東京大学 大学院 工学系研究科 精密機械工学専攻 教授)
宮崎文夫(大阪大学 大学院 基礎工学研究科 機能創成専攻 教授)
コンピューターネットワーク化と少子高齢化が進む現代社会において,文化の差異や障害の有無に関係なくだれでも使用でき,常時装用してハンズフリーでいつでも・どこでも使用でき,ユーザーの見守り支援ができる情報・電子機器が必要である。本稿では,外耳(耳と耳の中)の動きを光学式距離センサーで計測し,その計測結果をもとに情報・電子機器に情報を提供する装置(愛称:みみスイッチ)について紹介する。
【目次】
1. はじめに
2. 常時装用型インタラクティブメディアとしてのウェアラブルコンピューター
3. コンセプト
4. みみスイッチ:外耳の動きを入力情報とする常時装用型インタラクティブメディア
4.1 基本構成
4.2 カナル型みみスイッチ
4.3 オープンエア型みみスイッチ
5. アプリケーション
5.1 補聴器
5.2 音楽プレーヤー
6. おわりに
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連載 ロボットテクノロジー都市の実現に向けて(12:最終回)
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世界的なロボットビジネスの拠点をめざして―ロボットラボラトリーの取り組みから―
Aiming at the International Base for Robotic Business―From the Approach of the Robot Laboratory―
--------------------------------------------------------------------------------
瀬川寿幸((財)大阪市都市型産業振興センター 新産業創造推進室 ロボット担当 ミッションリーダー)
現在,大阪市では「ロボットテクノロジー」をキーワードとして,企業コラボレーションによる新規事業創出に取り組んでいる。そして,その戦略的推進拠点であるロボットラボラトリーでは,次世代ロボット開発ネットワーク「RooBO」という企業ネットワークを形成し,強みをもった企業の連携を促進するとともに,チームによる事業化に注力。その取り組みの中から,ロボットビジネスに求められる要件や課題などをひもといていく。
【目次】
1. はじめに
1.1 ロボットビジネスとは
1.2 ロボットラボラトリーの機能
2. 大阪圏のRTポテンシャルと産業創出
3. ロボットビジネス成功の必須要件
3.1 企業コラボレーションによるアプローチ
3.2 人材育成
3.3 プラットフォームの整備
4. 想像から創造へ―世界のロボットビジネス拠点をめざして
--------------------------------------------------------------------------------
Market data
--------------------------------------------------------------------------------
燃料電池の市場動向
Market Trend on Fuel Cell
--------------------------------------------------------------------------------
【目次】
1. 概要
2. 種類
2.1 PEFC
2.2 PAFC
2.3 MCFC
2.4 SOFC
2.5 DMFC
3. 市場規模
4. 用途動向
4.1 家庭用燃料電池コジェネレーションシステム
4.2 燃料電池自動車
5.白金代替触媒
5.1 技術動向
5.2 カーボンナノシェル正極触媒材料
5.3 NEDO主導によるR&Dの動向
6.企業動向
(1) 新日本石油
(2) 本田技研工業
(3) 日清紡ホールディングス
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特集にあたって
Introduction
--------------------------------------------------------------------------------
太田健一郎(横浜国立大学 大学院 工学研究院 機能の創生部門 教授)
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総論:固体高分子形燃料電池における白金触媒の問題点と脱白金化への期待
Problems of Pt Catalyst for Polymer Electrolyte Fuel Cell and Prospect of Non-platinum Catalyst
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太田健一郎(横浜国立大学 大学院 工学研究院 機能の創生部門 教授)
固体高分子形燃料電池は定置用,自動車用,小型モバイル用に開発が進められている。ここでは酸性電解質を用いるので電極としては白金が用いられているが,コスト,資源量,安定性,酸素活性の面から,これに代わる脱白金材料が求められている。これまでの遷移金属錯体などにとどまらず,より高機能な新規材料が求められている。
【目次】
1. はじめに
2. PEFCにおける白金電極の問題点
(1) 白金のコスト
(2) 白金資源量
(3) 白金製造時の環境への影響
(4) 白金の酸素還元触媒能
(5) 白金電極の不安定性
3. 脱白金触媒開発の状況
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ジルコニウム酸化物をベースとしたPEFC用カソード触媒
Zirconium Oxide-based Cathode for PEFC
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大城善郎(横浜国立大学 大学院 博士課程後期)
石原顕光(横浜国立大学 大学院 産学連携研究員)
太田健一郎(横浜国立大学 大学院 教授)
現在,自動車用電源などとして注目されているPEFCは,その電極触媒とて白金,白金合金などが用いられている。しかし,白金の資源量やコストの面から,PEFCの本格的普及には非白金系触媒の開発が不可欠である。本報告では,白金より約103倍資源量が豊富で安価なジルコニウム酸化物をベースとした薄膜および粉末触媒について,得られた知見を概説する。
【目次】
1. はじめに
2. 非白金系酸素還元触媒のこれまでの研究
3. ジルコニウム酸化物をベースとした非貴金属酸素還元触媒の研究開発
3.1 新規酸化物系触媒の安定性評価
3.2 ジルコニウム酸窒化物薄膜電極触媒
3.3 部分酸化したジルコニウム炭窒化物粉末触媒
4. おわりに
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ナノシェル系カーボンアロイカソード触媒の材料設計
Material Designing of Nanoshell-based Carbon Alloy Cathode Catalysts
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尾崎純一(群馬大学 大学院 工学研究科 環境プロセス工学専攻 教授)
PEFCの実用化にあたっては,非白金系カソード触媒の開発が重要な課題となっている。筆者らは炭素材料の調製法を工夫することで,酸素還元活性を有するカーボンアロイカソード触媒の開発を行ってきた。本稿では,筆者らの開発したナノシェルカーボンの活性を支配する因子の解明と,それに基づく高性能化のための材料設計について解説する。
【目次】
1. はじめに
2. ナノシェルの構造的特徴と電気化学的性質
2.1 構造的特徴
2.2 電気化学的性質
3. ナノシェルの酸素還元活性
3.1 フェロセン系
3.2 フタロシアニン系
3.3 ナノシェルの活性支配因子
4. ナノシェルの微細化
4.1 ナノシェルの形成過程と微細化
4.2 高分子化錯体を用いた微細化
4.3 限られた空間を用いた微細化
5. ナノシェルカーボンの高性能化
5.1 窒素・ホウ素ドープ炭素の酸素還元活性
5.2 ナノシェルへの窒素ドープ
6. おわりに
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シルク由来活性炭の酸素還元特性
Oxygen Reduction Property of Silk-derived Activated Carbons
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高須芳雄(信州大学 繊維学部 特任教授(研究))
シルク(絹)から合成した活性炭が,酸性水溶液中で酸素還元反応に対して高い触媒活性を示すとともに,PEFCのカソードに使用した発電試験でも優れた発電特性を示した。くずシルクは安価であり,シルク由来活性炭の用途として,燃料電池のカソード触媒,触媒担体あるいは導電助剤などが考えられる。
【目次】
1. はじめに
2. 酸素還元用炭素電極
3. シルク由来活性炭
4. シルク由来活性炭の合成法と構造
5. シルク由来活性炭の酸素還元活特性
6. シルク由来活性炭をカソードに用いた燃料電池の発電特性
7. シルク由来活性炭カソードの展望
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炭化物を用いた非貴金属電極触媒の開発研究とその理論的考察
Various Metal Carbides as Non-precious Electrode of Fuel Cell and their Theoretical Prediction by DFT
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冨永弘之(東京農工大学 工学府 技術専門職員)
永井正敏(東京農工大学 大学院 共生科学技術研究院 教授)
非貴金属炭化物は燃料電池のアノードおよびカソードに高い活性を示す。コバルトタングステン炭化物のアノード活性は,白金触媒の活性の約15%に達し,炭化物はアノード触媒として大いに期待できる。本稿では,金属炭化物を非貴金属電極触媒に適用した研究開発例と,理論計算による炭化物触媒の探索と活性種の解析を紹介する。
【目次】
1. はじめに
2. 単一金属炭化物の燃料電池電極触媒
3. 2元金属炭化物の調製と電極活性
3.1 2元金属炭化物アノード触媒
3.2 2元金属炭化物カソード触媒
4. 理論的なアプローチによる炭化物アノード触媒の活性種の解明
4.1 バンド構造と電極触媒活性
4.2 第一原理分子動力学計算による炭化物表面上での水素の挙動
5. 今後の課題および展望
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酵素を使った燃料電池用電極
Enzymatic Cathodes for Fuel Cells
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辻村清也(京都大学 大学院 農学研究科 助教)
加納健司(京都大学 大学院 農学研究科 教授)
白金に代わる酸素還元触媒として,銅を触媒活性中心にもつ酸素還元酵素(マルチ銅オキシダーゼ)が注目されている。本稿では,酵素-電極間の電子移動経路について直接電子移動型とメディエーター型に分けて,反応系の基礎と燃料電池カソード極への応用に向けた最近の研究開発動向について紹介する。
【目次】
1. はじめに
2. MCOの選抜
3. 直接型電子移動反応
3.1 界面電子移動速度の向上:電極の表面修飾
3.2 吸着酵素量の増加:平板電極から多孔質炭素の利用
3.3 ガス拡散電極
4. メディエーター型電子移動反応
4.1 メディエーターの選択
4.2 メディエーター修飾電極反応
5. まとめと将来展望
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表面科学からみた脱白金電極触媒の設計指針
Concept of Designing Non-Pt Electro-catalyst from Surface Science
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中村潤児(筑波大学 大学院 数理物質科学研究科 物質創成先端科学専攻 教授)
近藤剛弘(筑波大学 大学院 数理物質科学研究科 物質創成先端科学専攻 助教)
グラファイトと金属ナノ微粒子の界面相互作用により金属の電子状態が変調し触媒活性が変化する。この現象を利用して脱白金触媒の開発が期待される。われわれは,グラファイト上において非結合性軌道の形成を見いだしたが,この状態がORR活性サイトになる可能性がある。
【目次】
1. はじめに
2. 炭素担体触媒の不思議
3. カーボンナノチューブ担持電極触媒の優位性
4. 表面科学的研究―モデル触媒による炭素担体効果―
5. 表面科学的研究―グラファイト表面に現れる非結合性軌道―
6. 脱白金触媒としての可能性
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Material Report
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R&D
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耳は口ほどにものを言う?―外耳の動きを入力情報とする常時装用型インタラクティブメディアの提案―
Proposal of a Wearable Interactive Media using Tiny Movements Inside the Ear
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谷口和弘(東京大学 大学院 工学系研究科 精密機械工学専攻 特任研究員)
西川敦(大阪大学 大学院 基礎工学研究科 機能創成専攻 准教授)
小林英津子(東京大学 大学院 工学系研究科 精密機械工学専攻 准教授)
佐久間一郎(東京大学 大学院 工学系研究科 精密機械工学専攻 教授)
宮崎文夫(大阪大学 大学院 基礎工学研究科 機能創成専攻 教授)
コンピューターネットワーク化と少子高齢化が進む現代社会において,文化の差異や障害の有無に関係なくだれでも使用でき,常時装用してハンズフリーでいつでも・どこでも使用でき,ユーザーの見守り支援ができる情報・電子機器が必要である。本稿では,外耳(耳と耳の中)の動きを光学式距離センサーで計測し,その計測結果をもとに情報・電子機器に情報を提供する装置(愛称:みみスイッチ)について紹介する。
【目次】
1. はじめに
2. 常時装用型インタラクティブメディアとしてのウェアラブルコンピューター
3. コンセプト
4. みみスイッチ:外耳の動きを入力情報とする常時装用型インタラクティブメディア
4.1 基本構成
4.2 カナル型みみスイッチ
4.3 オープンエア型みみスイッチ
5. アプリケーション
5.1 補聴器
5.2 音楽プレーヤー
6. おわりに
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連載 ロボットテクノロジー都市の実現に向けて(12:最終回)
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世界的なロボットビジネスの拠点をめざして―ロボットラボラトリーの取り組みから―
Aiming at the International Base for Robotic Business―From the Approach of the Robot Laboratory―
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瀬川寿幸((財)大阪市都市型産業振興センター 新産業創造推進室 ロボット担当 ミッションリーダー)
現在,大阪市では「ロボットテクノロジー」をキーワードとして,企業コラボレーションによる新規事業創出に取り組んでいる。そして,その戦略的推進拠点であるロボットラボラトリーでは,次世代ロボット開発ネットワーク「RooBO」という企業ネットワークを形成し,強みをもった企業の連携を促進するとともに,チームによる事業化に注力。その取り組みの中から,ロボットビジネスに求められる要件や課題などをひもといていく。
【目次】
1. はじめに
1.1 ロボットビジネスとは
1.2 ロボットラボラトリーの機能
2. 大阪圏のRTポテンシャルと産業創出
3. ロボットビジネス成功の必須要件
3.1 企業コラボレーションによるアプローチ
3.2 人材育成
3.3 プラットフォームの整備
4. 想像から創造へ―世界のロボットビジネス拠点をめざして
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Market data
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燃料電池の市場動向
Market Trend on Fuel Cell
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【目次】
1. 概要
2. 種類
2.1 PEFC
2.2 PAFC
2.3 MCFC
2.4 SOFC
2.5 DMFC
3. 市場規模
4. 用途動向
4.1 家庭用燃料電池コジェネレーションシステム
4.2 燃料電池自動車
5.白金代替触媒
5.1 技術動向
5.2 カーボンナノシェル正極触媒材料
5.3 NEDO主導によるR&Dの動向
6.企業動向
(1) 新日本石油
(2) 本田技研工業
(3) 日清紡ホールディングス
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