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丰田怎样及时监测燃料电池催化剂衰减?
发布时间:2019-06-24 14:56:00

丰田怎样及时监测燃料电池催化剂衰减?


铂(Platinum)是质子交换膜燃料电池内部电化学反响的主要催化剂,催化剂的活性告急影响燃料电池的耐久性。燃料电池阅历众次启停、怠速、大电流、加减负载状况下,输出功用会衰减。催化剂活性低沉的一个主要启事是铂纳米颗粒的粗大化(coarsening),即铂纳米颗粒尺寸变大,外面积低沉。


铂纳米颗粒观测标准


监测燃料电池催化剂粗大化的进程难度较大,粗大化启事剖析较难。但丰田汽车公司和日本精细陶瓷中心(JFCC)开辟了一项最新的监测技能,该技能可以及时监测质子交换膜燃料电池电化学反响进程中铂纳米颗粒的改造进程,该项技能曾经被运用Mirai改良型憾メ田下一代燃料电池技能上。本文将先容丰田燃料电池催化剂衰减的及时监测技能。


质子交换膜燃料电池催化层主要由催化剂、碳颗粒和会合物构成,厚度几十微米尊驾,此中碳颗粒传导电子,会合物传导质子。铂纳米颗粒催化剂(几nm)附着碳颗粒外面(几十nm)。一般,铂纳米颗粒催化剂尺寸越小,催化剂比外面积越大,催化活性越高。


燃料电池阴阳极催化层构成


铂纳米颗粒构造


当然,铂颗粒催化剂也并非越小越好,催颗粒尺寸只是催化剂活性影响因素中的一个。铂颗粒尺寸太小会进入碳载体孔洞内部,无法到场催化反响,低沉电化学反响三相界面的有用面积。于是,到场反响的催化剂比外面积越大,催化剂全体活性越高。(三相界面可以了解为反响气体、会合物和催化剂颗粒交界面)


三相界面处反响原理示意(左:阳极;右:阴极)


电化学反响场合三相界面处的反响进程如上图所示。阳极催化层三结交界面,氢气丢失电子生成质子,电子进入碳颗粒,质子进入会合物;阴极催化层三结交界面,自阳极催化层来的质子和外电道中的电子、氧气反响生成水。


燃料电池电压衰减示意


车用质子交换膜燃料电池需求精良的耐久性。终究是燃料电池输出功用跟着时间推移会爆发衰减,即义务电压(或额定电压)会渐渐低沉。如下图所示,丰田汽车公司其报告中给出的标明包罗以下三个进程(或启事):①:铂纳米颗粒催化剂活性低沉;②:会合物膜质料爆发改造;③阴阳极反响气扩散率低沉。


电压衰减启事示意(丰田报告)


从微观标准看,初始形态下的铂纳米颗粒较为疏散,尺寸小,比外面积较大,催化剂全体活性较高;功用衰减后,铂纳米颗粒爆发聚会,外现粗大化,尺寸大,比外面积减小,催化剂全体活性较低。


铂纳米颗粒粗大化(微观标准)


依据差别的观测标准,我们可以通过肉眼、光学显微镜和电子显微镜来观察目标对象。透射电子显微镜(Transmission Electron Microscope,简称TEM),可以看到光学显微镜下无法看清的小于0.2 μm的纤细构造。于是,采用透视电子显微镜可以观察燃料电池铂纳米颗粒的方法。


差别观察标准


透射电镜可以观测纳米/原子标准程度的铂颗粒。透射电镜和光学显微镜的成像原理基本相同,差别的是前者用电子束作光源,用电磁场作透镜。另外,因为电子束的穿透力很弱,用于电镜的标本须制成厚度约50nm尊驾的超薄切片。


光学显微镜和透射电镜原理比照


古板透射电镜技能下,无法完备观测到铂纳米颗粒的粗大化进程和启事。为了摸清质子交换膜燃料电池运转进程中铂纳米颗粒粗大化的及时改造方法、形态和材质,丰田和JFCC从头计划了一套透射电镜下的燃料电池电化学反响安装。


古板观测技能的题目


古板的观测技能中,运用下图所示的催化剂评估方法来模拟燃料电池的电化学反响,即采用两个电极(一个义务电极,另一个反电极)和酸性电解质溶液来模拟化学反响。古板方法是对反响前的铂纳米颗粒与反响后的铂纳米颗粒举行定点比较(fixed-point comparison),但粗大化的进程无法观测。


古板催化剂评估方法


丰田和JFCC联合开辟了完成燃料电池电化学反响下的透射电镜配备,既可以准确模拟燃料电池实行运转形态和状况,又可以采用TEM方法及时监测铂催化剂颗粒的改造进程。对透射电镜的请求是电子束必需穿过样本。一般,样本的厚度必需几百nm尊驾以致更小。


丰田燃料电池及时反响下透射电镜观测配备


丰田和JFCC采用微型机电体系技能制备出了可以用透射电镜观察的毫米尺寸级别微观电化学电池,如下图所示。此中,运用氮化硅膜来固定会合物膜厚度几百nm尊驾。


微观电化学电池


下图为丰田汽车公司展现的燃料电池催化剂衰减现象视频中的三个截图,精良的展现了铂催化剂颗粒碳外面上的挪动进程。新技能可用于剖析燃料电池运转进程中的电压改造联系,如燃料电池发动机启动、怠速、高负载状况下以及加减负载时,电池中的铂纳米颗粒改造惹起的电压改造。


铂催化剂颗粒挪动进程


图文根源:丰田JSAE年会报告


稿件根源: 燃料电池干货
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