丰田与JFCC联研燃料电池实时监测技术

近日，丰田汽车和日本精细陶瓷中心(JFCC)开发出一种新的燃料电池监测技术，可以让研究人员实时监测铂纳米粒子在燃料电池化学反应中的行为，以减少催化反应。

这项新技术旨在鉴定铂催化剂纳米粒子的行为、状态及材质，这些因素对于燃料电池的能效和寿命而言至关重要。

丰田表示，实时监测技术可以催生新一代更具能效以及更加耐用的燃料电池组的产生，该公司研究人员将于今年的日本汽车工程师协会年度大会上展示该技术。

燃料电池中的氧离子和氢离子发生化学反应，并产生电流，在此过程中，铂作为一种必不可少的催化剂。铂纳米粒子粗化(纳米粒子变大、表面积减少)后，催化反应也将随之减少，不过截至目前，能够监测到粗化过程的可能性并不高，因此很难分析上述反应的根本原因。

新的实时监测技术可以让研究人员发现铂纳米粒子粗化的碳载体，以及粗化过程的电压输出。这种全向性分析有助于定各类化学载体材料的不同特性，也为改善铂催化剂性能及耐用性以及整个燃料电池组的研发工作指明了方向。

监测铂纳米粒子的常规方法是对预反应的铂粒子与反应后​​铂粒子进行定点对比，通过这种方法，研究者发现，反应后的铂纳米粒子更加粗大，发生化学反应的能力也大大降低，而对于其原因，目前尚无结论。

而新的监测技术则使用了微机电系统技术来产生毫米大小的微观电化电池，它可以精确模拟燃料电池中的环境和状态。通过运用电压和电压变化的方法，找出透射式电子显微镜内的样本，从而可以实时监测各个阶段中产生电流的粗化过程。

新的技术也可用于分析驾驶过程中燃料电池的电压变化关系，例如在发动机启动、空转、高负载环境下以及汽车加减速时，电池中的铂纳米粒子反应引起的电压变化。

具体的原理为：在化学反应中，氢分子分离为电子和氢离子，而铂催化剂负责将电子从氢分子中剥离，随后电子与氧阴极结合，产生电力并为电动机供电。同时，氢离子穿过聚合物膜与氧阴极结合，氢离子和电子被暴露在空气中，产生副产品-水，在此过程中，铂依然充当了催化剂。

目前铂比较稀缺且价格较高，此外由于需要产生电力，铂纳米粒子粗化不可避免，此举可能造成燃料电池的输出功率降低。因此研究人员的当务之急是找到既能避免铂纳米粒子粗化同时也能保持催化性能的方法。