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普及FCV必须降低催化剂用量

2019/10/16 13:51:522650

据日经技术在线报道：丰田和本田将于2015年开始销售降低了成本的燃料电池车（FCV，图1）。但据说其价格仍将高达数百万日元，似乎还难以走进普通车的行列。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”上发表演讲，称“（丰田）2015年将开始销售降低了成本的FCV。不过，要想（使FCV）大众化，必须进一步降低成本”。

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，是减少燃料电池催化剂中使用的铂（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表示，为实现FCV的大众化而进一步降低成本时，“面临的最后一道难关就是削减铂的使用量”。对FCV而言，“必须减少铂用量，最好彻底不用”，削减铂用量的课题无法回避。据丰田技术统括部新车推进组主任兼担当部长折桥信行介绍，该公司为了降低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。丰田在预定2015年上市的FCV上也以这五项措施为中心降低了成本，燃料电池系统的成本降到该公司2008年推出的FCV“FCHV-adv”的5%以下。必须削减铂用量是因为铂是一种昂贵的材料。铂目前在东京商品交易所的市价约为每克4850日元（2014年5月23日），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。即使每辆车按50g计算，铂的原料费就高达24万日元以上。因此，要想大幅降低FCV的成本，必须削减铂用量。 用铂促进发电反应 FCV属于电动汽车，通过配备燃料电池，可以一边发电一边行驶。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的主流是配备固体高分子型燃料电池（PEFC），以燃料罐中填充的氢为燃料发电。 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 竹内介绍说，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，就能防止劣化，从而减少铂的用量。PEFC的催化剂一般采用在碳载体上吸附铂的材料。因此，要想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的燃料电池在起步、停止、负载变动以及匀速驾驶等多种驾驶状态下使用。气温、湿度和空气清洁度等使用环境也不恒定，要能在各种环境条件下使用。日产汽车的菅原生丰在“汽车技术会2014年春季大会”上发表的论文中介绍，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，铂会溶解再析出，使铂的颗粒变大、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后，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，目前还没有完全掌握催化剂的劣化机理。因此，明确劣化机理、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推进之中。丰田的竹内等人就在进行这方面的研究，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，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方面的研究 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中，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，日本同志社大学就一直在推进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，现在开发出了大量制造的方法。此外还有表面使用铂、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。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，开发出了不使用铂的催化剂“碳合金催化剂”。这种催化剂在主要成分碳中添加了百分之几的氮等原子，详细原理尚未公布，但确认有氧还原活性。