豐田與JFCC聯(lián)研燃料電池實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)

近日，豐田汽車和日本精細(xì)陶瓷中心(JFCC)開發(fā)出一種新的燃料電池監(jiān)測(cè)技術(shù)，可以讓研究人員實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鉑納米粒子在燃料電池化學(xué)反應(yīng)中的行為，以減少催化反應(yīng)。

這項(xiàng)新技術(shù)旨在鑒定鉑催化劑納米粒子的行為、狀態(tài)及材質(zhì)，這些因素對(duì)于燃料電池的能效和壽命而言至關(guān)重要。

豐田表示，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)可以催生新一代更具能效以及更加耐用的燃料電池組的產(chǎn)生，該公司研究人員將于今年的日本汽車工程師協(xié)會(huì)年度大會(huì)上展示該技術(shù)。

燃料電池中的氧離子和氫離子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，并產(chǎn)生電流，在此過程中，鉑作為一種必不可少的催化劑。鉑納米粒子粗化(納米粒子變大、表面積減少)后，催化反應(yīng)也將隨之減少，不過截至目前，能夠監(jiān)測(cè)到粗化過程的可能性并不高，因此很難分析上述反應(yīng)的根本原因。

新的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)可以讓研究人員發(fā)現(xiàn)鉑納米粒子粗化的碳載體，以及粗化過程的電壓輸出。這種全向性分析有助于定各類化學(xué)載體材料的不同特性，也為改善鉑催化劑性能及耐用性以及整個(gè)燃料電池組的研發(fā)工作指明了方向。

監(jiān)測(cè)鉑納米粒子的常規(guī)方法是對(duì)預(yù)反應(yīng)的鉑粒子與反應(yīng)后​​鉑粒子進(jìn)行定點(diǎn)對(duì)比，通過這種方法，研究者發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)后的鉑納米粒子更加粗大，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的能力也大大降低，而對(duì)于其原因，目前尚無結(jié)論。

而新的監(jiān)測(cè)技術(shù)則使用了微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)來產(chǎn)生毫米大小的微觀電化電池，它可以精確模擬燃料電池中的環(huán)境和狀態(tài)。通過運(yùn)用電壓和電壓變化的方法，找出透射式電子顯微鏡內(nèi)的樣本，從而可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各個(gè)階段中產(chǎn)生電流的粗化過程。

新的技術(shù)也可用于分析駕駛過程中燃料電池的電壓變化關(guān)系，例如在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)、空轉(zhuǎn)、高負(fù)載環(huán)境下以及汽車加減速時(shí)，電池中的鉑納米粒子反應(yīng)引起的電壓變化。

具體的原理為：在化學(xué)反應(yīng)中，氫分子分離為電子和氫離子，而鉑催化劑負(fù)責(zé)將電子從氫分子中剝離，隨后電子與氧陰極結(jié)合，產(chǎn)生電力并為電動(dòng)機(jī)供電。同時(shí)，氫離子穿過聚合物膜與氧陰極結(jié)合，氫離子和電子被暴露在空氣中，產(chǎn)生副產(chǎn)品-水，在此過程中，鉑依然充當(dāng)了催化劑。

目前鉑比較稀缺且價(jià)格較高，此外由于需要產(chǎn)生電力，鉑納米粒子粗化不可避免，此舉可能造成燃料電池的輸出功率降低。因此研究人員的當(dāng)務(wù)之急是找到既能避免鉑納米粒子粗化同時(shí)也能保持催化性能的方法。