2014年06月06日08:20
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豐田和本田2015年將開始銷售成本降低的燃料電池車（FCV，圖1）。然而其價格仍被認為會在數百萬日元，似難以普及到大眾。豐田的竹內仙光在2014年5月21∼23日舉行的“汽車技術會2014年春季大會”上發言，其主旨是“（豐田）2015年將銷售成本降低的FCV。但要使（使FCV）大眾化，需要進一步降低成本”。
圖1：豐田的燃料電池概念車“FCV CONCEPT”的底盤
在“人與車科技展2014”上展出。
FCV低成本化的最后難關，似是減少燃料電池中作催化劑使用的鉑（Pt）用量＊。豐田技術統括部新車推進組主任兼擔當部長折橋信行說，為實現FCV的大眾化而進一步降低成本 “面臨的最后一道難關，就是削減鉑的使用量”。對FCV而言，“必須減少或徹底不用鉑”，就是說減少鉑用量的課題無法回避。
＊ 豐田技術統括部新車推進組主任兼擔當部長折橋信行說，公司為了降低FCV的成本，打算重點採取以下五項措施：（1）簡化或停用某些部件﹔（2）使用量產部件﹔（3）簡化部件構造﹔（4）削減材料費﹔（5）改善制造方法。削減FCV燃料電池的鉑用量屬於其中第4項。豐田對預定2015年上市的FCV上也以這五項措施為中心降低成本，燃料電池系統的成本降到了該公司2008年推出的FCV“FCHV-adv”的5%以下。
為何必須削減鉑用量？這是因為鉑是一種昂貴材料。鉑目前在東京商品交易所的市價約為每克4850余日元（2014年5月23日），而據稱每輛FCV的鉑用量為幾十克。2008年的一份調查報告顯示，輸出功率為80kW的小型車每輛使用鉑32g，150kW的中型車使用60g，250kW的大型車使用150g。每輛車按50g計算，鉑的原料費高達24萬日元以上。因此，要大幅降低FCV的成本，就必須削減鉑用量。
用鉑促進發電反應
FCV是配備燃料電池，可以邊發電邊行駛的電動汽車。其馬達、電池、逆變器等能與電動汽車和混合動力車通用的部件很多。目前FCV以配備固體高分子型燃料電池（PEFC），用燃料罐中填充的氫為燃料發電的方式為主流。
PEFC的電解質使用的是具備離子導電性的高分子膜，用燃料極和空氣極夾住電解質構成電池單元（單電池）。發電原理是，供應給燃料極的氫氣（H2）分解成氫離子（H＋）和電子，氫離子移動到電解質中，在空氣極與氧氣和電子發生反應生成水。此時，電子通過外部電路從燃料極移動到空氣極從而產生電流（圖2）。鉑催化劑的作用就是促進這一系列反應，在反應速度慢的空氣極的用量尤其多。
圖2：固體高分子型燃料電池（PEFC）的發電原理
如何改善耐久性？
竹內說，削減鉑用量的方法之一是改善催化劑的耐久性。耐久性提高了，就無需為防劣化而多用鉑，從而最終減少鉑用量。PEFC的催化劑一般採用在碳載體上吸附鉑的材料。因此，要提高催化劑的耐久性，需要分別提高鉑和碳載體的耐久性。
FCV的燃料電池要用於起步、停止、負載變動以及勻速駕駛等多種駕駛狀態。其氣溫、濕度和空氣清潔度等並非恆定，要在各種環境條件下使用。據日產汽車的菅原生豐在“汽車技術會2014年春季大會”上發表的論文，PEFC的空氣極電位會隨著負載變動在0.6∼1.0V的范圍內變化。如果這種變動激烈地反復出現，鉑就會溶解再析出，鉑的顆粒會變大、催化劑的有效表面積顯著減少，從而導致催化劑劣化。
起步時也會使催化劑的有效表面積減少從而引起劣化。這是因為，向充滿空氣的燃料極供給氫氣時，空氣極的電位會上升到約1.5V。這會導致碳載體發生腐蝕，使其吸附的鉑顆粒凝聚到一起。而且，碳載體的腐蝕還會損壞催化劑層的空孔構造，阻礙物質移動。
停車時同樣會出現輕微的催化劑劣化。在這種狀態下，PEFC無負載或低負載，空氣極的電位會升高。因此，雖然不像負載變動時那麼嚴重，但鉑依然會溶解，在電解質膜中再析出，會加快電解質膜的分解。分解物會作為雜質吸附在鉑表面，導致催化劑的活性劣化。另外，關於雜質的吸附造成的劣化，大氣中的二氧化硫和硫化氫也是劣化的原因之一。
不過，這些只是劣化現象的一部分，目前催化劑的劣化機理尚未完全明了。因此，解明劣化機理、優化PEFC的駕駛條件等抑制催化劑劣化，提高耐久性的研究正在進行之中。豐田的竹內等人就在進行這種研究，他們分析了0.207V以上的電位變化產生的碳載體氧化導致劣化的機理，據稱通過巧妙控制FCV的駕駛條件，發現了降低碳載體氧化的可能性。
改進催化劑構造以及非鉑催化劑的研究也在進行
此外，通過改進催化劑的構造來減少鉑用量的研究也在進行，其中之一是“核殼催化劑”。這種催化劑的表面由鉑微粒構成，中心部分由其他材料的微粒構成，通過將部分材料換成其他材料來減少鉑用量。
例如，日本同志社大學就在持續進行著中心部使用鈀的核殼催化劑的研究。這種催化劑以前一次隻能制造幾十μg，據稱現在開發出了大量制造的方法。
此外，表面使用鉑、內部使用鉑合金，使催化劑的顆粒內部具有成分分布的“納米相分離催化劑”的研究也在進行。
另一方面，不僅是減少鉑用量，還出現了開發完全不使用鉑的催化劑的動向，東京工業大學就是其中之一。東京工業大學在帝人、旭化成化學和東芝燃料電池系統等的協助下，開發了不使用鉑的催化劑“碳合金催化劑”：為在其主要成分碳中加入了百分之幾的氮等原子制成，詳細原理尚未公布，但據稱其呈現出了具有氧還原活性。（作者：富岡 恆憲，日經技術在線！供稿）
