燃料电池

日文：車両開発はコスト削減に邁進、水素インフラは規制の合理化を     了在2015年向市场投放燃料电池车（FCV），目前车辆开发和氢供给基础设施建设均加快了速度。车辆开发方面，耐久性和低温动作方面已经有了眉目，车辆价格也计划先实现500万日元。氢供给基础设施建设方面，为削减建设费用，世界各国开始推动相关法规的合理化。 　　为了从2015年开始上市FCV，车辆开发和氢供给基础设施的建设二者缺一不可。其中，车辆开发方面，耐久性和低温动作方面的课题已经有了解决的眉目，剩下的就只是专注于削减成本了。 　　其实，计划2015年导入新型车的汽车厂商已经逐渐确定了车辆的基本性能参数和车辆的预定价格。2015年导入的FCV，其燃料电池系统的目标成本为1万日元/kW，估计丰田、日产和本田均已达成了这一目标。 　　不过，为了实现在2030年全面普及，需要进一步将燃料电池的系统成本减半（图1）。而且，要想大幅削减燃料电池组和氢燃料罐等燃料电池系统主要部件的材料成本，就必须推进包括改进材料等在内的基础研究。 图1：通过车辆开发和加氢站建设推动燃料电池车的普及 2015年开始投放市场的燃料电池车需要面向2030年的全面普及，推进车辆开发和加氢站建设。 　　在氢供给基础设施方面，日本与海外各国相比，对安全对策的法规较为严格。因此，如果按照现有规定运营加氢站，不但建设费用高，便利性方面也存在严重阻碍。 　　即便如此，要想在2015年之前先设置100处左右的加氢站，从加氢站的和时间来考虑，如果不在2013年之前验证基础数据并推进法规的合理化，时间上就来不及了。 　　另外，为了在2025年设置约800～1000处加氢站，必须进行可进一步降低建设费用的技术开发以及实现能抗衡原油价格的氢燃料开发。 车辆篇 发电单元的高功率化和Pt削减是降低成本的关键 　　近年来，在FCV的车辆开发中，各大汽车厂商从基础研究起步，为提高燃料电池发电单元自身的性能，一步一个脚印地推进了开发。由此，FCV在耐久性、低温动作和低成本化三个方面都取得了巨大进展（图2）。 图2：燃料电池车加快旨在降低成本的研究开发速度 在车辆开发方面存在的课题——耐久性、低温动作和低成本化中，耐久性和低温动作在技术方面已经有了眉目。目前，各厂商正积极致力于低成本化研究开发。 　　尤其是耐久性和低温动作，汽车厂商一致示，阻碍2015年上市的“技术课题基本都解决了”。耐久性方面，通过掌握MEA（膜/电极接合体）劣化的原因，提高了MEA的耐久性。同时，为了使系统不出现导致MEA劣化的过电流和过电压，对电流和电压实施高精度的控制。由此，确保了20万km（5000小时）的乘用车目标寿命。 　　例如，丰田表示，“行驶50万km后燃料电池组也不会损坏，只是会出现输出功率降低3成左右的劣化”（图3）。乘用车的性能方面已经没有问题，不过为了用于行驶距离更长的商用车和卡车等，厂商计划实现60万km的耐久性。 图3：行驶50万km后，输出功率只降低3成 通过提高燃料电池组的耐久性，目前设想行驶50万km行驶后输出功率只降低3成左右。（图由本刊根据丰田的资料制作） 　　低温动作方面，通过彻底管理发电单元内的水分，以及在工作时使发电单元发热，温度达到0℃以上而使纯净水不结冰等，可在－30℃的温度下工作。 车辆价格有望降至500万日元 从技术上解决耐久性和低温动作课题，车辆开发中残留的一大课题就只剩低成本化了。低成本化方面，目前已经有望实现2015年上市时的车辆目标价格——500万日元。车辆成本主要通过①燃料电池组、②氢燃料罐和③配件这三种主要部件降低。其中，占燃料电池系统一半成本的是燃料电池组。 　　燃料电池组方面，各公司正努力提高发电单元的输出功率以及削减白金（Pt）催化剂中的Pt用量。 　　日产汽车宣布，如果采用2010年开发的MEA，可将燃料电池组的输出密度提高至2.5kW/L，是2005年开发品的2.5倍、2008年开发品的1.25倍（图4）。采用该MEA，仅需40L的容积即可实现100kW的燃料电池组。这一体积完全能配备在地板下方。 图4：日产汽车开发的高输出功率低成本燃料电池组 日产汽车开发出了输出密度高达2.5KW/L的燃料电池组。在MEA上通过射出方式形成树脂框架使之一体化，提高了性能、降低了成本。（图由本刊根据日产汽车的资料制作） 　　新开发品的特点是，采用了“一体成形框架（IMF：Integrally Molded Frame）”构造，在MEA外围以射出方式形成树脂框架并实现了一体化。由此，可消除MEA边缘部分的氢气泄漏和电流损失，能提高发电单元的性能。 　　另外，只需重叠IMF就能构成电池组，因此无需使用构造部材和连接部件等，可大幅削减部件数量，实现了小型化和低成本化。据日产汽车介绍，采用开发的MEA的燃料电池组成本基本已经达到了美国能源部（DOE）的目标值注1）。 注1）DOE规定，每年量产50万辆时的燃料电池组目标成本为45美元/kW。日产汽车称，将其换算为每年量产20万辆时的成本后，水平基本相同。 　　不仅是日产汽车，近年来，几乎所有开发FCV的汽车厂商都在持续进行发电单元和MEA的基础研究，与最初的FCV相比，将单元基本性能提高了约2～2.5倍。由此，可将单元面积或数量减半，大幅削减了MEA的材料成本。 　　丰田表示，通过改进隔膜肋部的气体供给、提高发电面整体的排水性、优化隔膜肋部与气体扩散层（GDL）的接触间隔，可将单元的输出密度提高至2倍（图5）。 图5：输出密度达到2倍、材料费减半 丰田通过改进气体供给性、排水性和导电性，将单元输出密度提高到了原来的2倍以上。由此，可将实现相同输出功率所需的单元数量减半，能将材料费降至一半。（b）的数值未公布。（图由本刊根据丰田的资料制作） 将Pt成本降至10万～20万日元 Pt催化剂方面，通过提高利用率以及实现高活性化，与2000年初的FCV相比，Pt用量减少到了1/5～1/10。估计一辆FCV的Pt用量为20～40g左右，每辆车的材料成本由最初的数百万日元大幅削减至10万～20万日元。因此，在2015年上市的FCV中，Pt催化剂的成本好像已经达到了目标值。 　　不过，要想全面普及FCV，还要进一步减少Pt用量。所幸研究开发的方向已经明确。目前，“Pt催化剂的Pt利用效率还很低，只有几十％，如果能提高利用效率，便能削减成本”（丰田中央研究所电气化学研究部特命主任森本友）。 　　此外，Pt催化剂的高活性化方面也有很大的研究余地。其中，与Pt催化剂相比因能在空气极实现高活性化而备受关注的，是Pt与Co（钴）的合金Pt-Co催化剂。田中贵金属工业宣布，利用Pt-Co催化剂，可实现Pt催化剂约1.5倍的高输出密度（图6）。“目前还是利用Pt催化剂的燃料电池较多”（田中贵金属工业技术开发部门FC催化剂开发部副部长小椋文昭），因此通过改用Pt-Co催化剂，估计可进一步削减Pt用量。 图6：利用Pt-Co催化剂实现高活性化 田中贵金属工业开发出了可提高氧气极活性的Pt-Co催化剂。（图由本刊根据田中贵金属工业的资料制作） 备受期待的核壳催化剂 　　在将来的基础研究中，备受期待的是用Pt包覆贵金属和基础金属内核的“核壳催化剂”。在新能源产业技术综合开发机构（NEDO）的项目“固体高分子形燃料电池实用化推进技术开发”中，正将其作为低白金化技术研发。 　　与的Pt催化剂相比，“采用金（Au）内核和采用钯（Pd）内核分别获得了5倍和6倍的高活性（质量活性）”（同志社大学理工学部功能分子及生命化学科教授稻叶稔）。今后计划缩小贵金属内核的直径，并开发采用Co等基础金属内核的核壳催化剂，以进一步实现高活性化（图7）。 图7：在提高活性的同时减少Pt用量 核壳催化剂通过内核采用Pt以外的金属，在减少Pt用量的同时能提高活性，作为未来技术备受期待。（图本刊根据NEDO的资料制作） 　　如果能通过上述举措将每辆FCV的Pt用量减至10g左右，“便能以目前的发动机车利用的尾气催化剂相同的水平估算成本”（丰田），这将推动FCV的全面普及。 氢燃料罐的CFRP成本高 　　燃料电池组在迅速推进低成本化，而氢燃料罐的成本削减却非常难。从填充一次的续航距离最大化和容积最小化的观点出发，各汽车厂商均计划在2015年上市时使用70MPa的高压氢燃料罐。 　　不过，据说仅强度部材——外壳使用的碳纤维强化树脂（CFRP）的材料成本就需要50万日元以上。为此，各厂商一直在努力减少氢燃料罐的数量、降低使用的CFRP的等级以及削减制造成本。 　　例如，本田为了削减2008年租售的“FCX Clarity”的成本，将氢燃料罐数量由原来的两个减为一个，大幅减少了部件个数。 　　而丰田更胜一筹，该公司通过自行制造氢燃料罐来削减成本。据丰田介绍，该公司没有采用飞机等使用的高品质CFRP，而是正与材料厂商共同开发低成本CFRP。 　　另外，为降低制造成本，大幅缩短了制造时间。最初每个氢燃料罐的制造时间约为5小时，而现在缩短为约10分钟。 　　即便如此，要想在2030年全面普及，从成本和小型轻量化观点来看，似乎也很难持续利用高压氢燃料罐。今后需要开发组合使用轻量低成本氢储藏材料和高压氢燃料罐等的新技术。 与EV和HEV共用部件 配件方面，将通过与电动汽车（EV）和混合动力车（HEV）共用燃料电池系统及氢燃料罐以外的部件、消除专用品，从而彻底削减成本。例如马达，本田和日产汽车宣布“将面向FCV开发的产品用到了EV上”，推进了通用化。另外，关于FCV配备的充电电池，计划使用面向HEV开发的锂离子充电电池。 　　除此之外，还出现了极力去除燃料电池系统配件的趋势。其中，丰田预定停用此前燃料电池组必须使用的加湿模块（图8）。该公司表示，由于能在燃料电池组内进行高效的水管理，可以去掉高温工作时需要的加湿模块。而且，在100℃下也能稳定工作，所以还能缩小散热器的尺寸。（记者：久米秀尚、狩集浩志，《日经电子》） 图8：停用加湿模块 丰田通过改进单元和控制方法停用了加湿模块。不但能减掉加湿模块的成本，由于能在100℃下稳定工作还可缩小散热器尺寸，为进一步降低成本做出了贡献。（图由本刊根据丰田的资料制作）