丰田公开减少燃料电池车铂用量技术
丰田在2015年5月举办的汽车技术会春季大会(主办:日本汽车技术会)上,以燃料电池车铂使用量的行为分析为主题发表了演讲。燃料电池单元中使用铂作为促进化学反应的催化剂,但随着使用时间的推移,铂颗粒的粒径会增大,导致性能下降。这一次,丰田确认了发电时铂粒径增大的变化过程,这有助于降低铂的使用量。
关于铂颗粒增大的原因,以前一直被认为是铂溶解、铂颗粒移动造成的凝集,以及担体材料碳的氧化所致,但一直没有能够证实。为此,丰田开发出了全球首个利用TEM(透射电子显微镜),在加载发电电压时实时观察铂电极催化剂变化的方法。
过去观察铂电极时的做法是,分别对初始状态下的铂微粒和电压降低时的铂微粒进行TEM观察,然后比较二者的结果。但这种方法观察不到铂微粒的增大过程。为此,丰田制作了能在TEM内部再现燃料电池催化剂的化学反应的体积极小的电化学电池,尝试观察了铂颗粒增大的真实过程。
利用TEM实时观察的必要条件,是电子束必须要穿透样品,厚度要在几百nm以下。而市售芯片达不到这个要求,芯片中没有电流通过,因此再现性差,颗粒图像不清晰,再现率仅为10%。
为此,丰田运用MEMS技术,开发出了利用厚度在几百nm以下的氮化硅(SiN)膜密封电解液的电池。这一成果可使再现率提高到95%,能够实时观察到铂微粒增大的过程,而且实现了观察视频与电化学测量结果的同步化。
观察结果表明,铂微粒会在碳上移动并聚集,从而导致颗粒增大。利用这种观察方法,可以向样品芯片施加实际行驶模式下的电压变化,明确该状态下铂微粒的行为,开发出符合行驶状态的材料,有助于延长燃料电池的寿命、降低铂使用量。
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