2014年06月06日08:20
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丰田和本田2015年将开始销售成本降低的燃料电池车（FCV，图1）。然而其价格仍被认为会在数百万日元，似难以普及到大众。丰田的竹内仙光在2014年5月21～23日举行的“汽车技术会2014年春季大会”上发言，其主旨是“（丰田）2015年将销售成本降低的FCV。但要使（使FCV）大众化，需要进一步降低成本”。
图1：丰田的燃料电池概念车“FCV CONCEPT”的底盘
在“人与车科技展2014”上展出。
FCV低成本化的最后难关，似是减少燃料电池中作催化剂使用的铂（Pt）用量＊。丰田技术统括部新车推进组主任兼担当部长折桥信行说，为实现FCV的大众化而进一步降低成本 “面临的最后一道难关，就是削减铂的使用量”。对FCV而言，“必须减少或彻底不用铂”，就是说减少铂用量的课题无法回避。
＊ 丰田技术统括部新车推进组主任兼担当部长折桥信行说，公司为了降低FCV的成本，打算重点采取以下五项措施：（1）简化或停用某些部件；（2）使用量产部件；（3）简化部件构造；（4）削减材料费；（5）改善制造方法。削减FCV燃料电池的铂用量属于其中第4项。丰田对预定2015年上市的FCV上也以这五项措施为中心降低成本，燃料电池系统的成本降到了该公司2008年推出的FCV“FCHV-adv”的5%以下。
为何必须削减铂用量？这是因为铂是一种昂贵材料。铂目前在东京商品交易所的市价约为每克4850余日元（2014年5月23日），而据称每辆FCV的铂用量为几十克。2008年的一份调查报告显示，输出功率为80kW的小型车每辆使用铂32g，150kW的中型车使用60g，250kW的大型车使用150g。每辆车按50g计算，铂的原料费高达24万日元以上。因此，要大幅降低FCV的成本，就必须削减铂用量。
用铂促进发电反应
FCV是配备燃料电池，可以边发电边行驶的电动汽车。其马达、电池、逆变器等能与电动汽车和混合动力车通用的部件很多。目前FCV以配备固体高分子型燃料电池（PEFC），用燃料罐中填充的氢为燃料发电的方式为主流。
PEFC的电解质使用的是具备离子导电性的高分子膜，用燃料极和空气极夹住电解质构成电池单元（单电池）。发电原理是，供应给燃料极的氢气（H2）分解成氢离子（H＋）和电子，氢离子移动到电解质中，在空气极与氧气和电子发生反应生成水。此时，电子通过外部电路从燃料极移动到空气极从而产生电流（图2）。铂催化剂的作用就是促进这一系列反应，在反应速度慢的空气极的用量尤其多。
图2：固体高分子型燃料电池（PEFC）的发电原理
如何改善耐久性？
竹内说，削减铂用量的方法之一是改善催化剂的耐久性。耐久性提高了，就无需为防劣化而多用铂，从而最终减少铂用量。PEFC的催化剂一般采用在碳载体上吸附铂的材料。因此，要提高催化剂的耐久性，需要分别提高铂和碳载体的耐久性。
FCV的燃料电池要用于起步、停止、负载变动以及匀速驾驶等多种驾驶状态。其气温、湿度和空气清洁度等并非恒定，要在各种环境条件下使用。据日产汽车的菅原生丰在“汽车技术会2014年春季大会”上发表的论文，PEFC的空气极电位会随着负载变动在0.6～1.0V的范围内变化。如果这种变动激烈地反复出现，铂就会溶解再析出，铂的颗粒会变大、催化剂的有效表面积显著减少，从而导致催化剂劣化。
起步时也会使催化剂的有效表面积减少从而引起劣化。这是因为，向充满空气的燃料极供给氢气时，空气极的电位会上升到约1.5V。这会导致碳载体发生腐蚀，使其吸附的铂颗粒凝聚到一起。而且，碳载体的腐蚀还会损坏催化剂层的空孔构造，阻碍物质移动。
停车时同样会出现轻微的催化剂劣化。在这种状态下，PEFC无负载或低负载，空气极的电位会升高。因此，虽然不像负载变动时那么严重，但铂依然会溶解，在电解质膜中再析出，会加快电解质膜的分解。分解物会作为杂质吸附在铂表面，导致催化剂的活性劣化。另外，关于杂质的吸附造成的劣化，大气中的二氧化硫和硫化氢也是劣化的原因之一。
不过，这些只是劣化现象的一部分，目前催化剂的劣化机理尚未完全明了。因此，解明劣化机理、优化PEFC的驾驶条件等抑制催化剂劣化，提高耐久性的研究正在进行之中。丰田的竹内等人就在进行这种研究，他们分析了0.207V以上的电位变化产生的碳载体氧化导致劣化的机理，据称通过巧妙控制FCV的驾驶条件，发现了降低碳载体氧化的可能性。
改进催化剂构造以及非铂催化剂的研究也在进行
此外，通过改进催化剂的构造来减少铂用量的研究也在进行，其中之一是“核壳催化剂”。这种催化剂的表面由铂微粒构成，中心部分由其他材料的微粒构成，通过将部分材料换成其他材料来减少铂用量。
例如，日本同志社大学就在持续进行着中心部使用钯的核壳催化剂的研究。这种催化剂以前一次只能制造几十μg，据称现在开发出了大量制造的方法。
此外，表面使用铂、内部使用铂合金，使催化剂的颗粒内部具有成分分布的“纳米相分离催化剂”的研究也在进行。
另一方面，不仅是减少铂用量，还出现了开发完全不使用铂的催化剂的动向，东京工业大学就是其中之一。东京工业大学在帝人、旭化成化学和东芝燃料电池系统等的协助下，开发了不使用铂的催化剂“碳合金催化剂”：为在其主要成分碳中加入了百分之几的氮等原子制成，详细原理尚未公布，但据称其呈现出了具有氧还原活性。（作者：富冈 恒宪，日经技术在线！供稿）
