Toyota i nowe metody badań nad ogniwami paliwowymi

2015-05-25

Naukowcy Toyoty zaprezentowali przełomowe odkrycie w badaniach nad ogniwami paliwowymi. Dzięki obserwacjom w warunkach rzeczywistych umożliwia ono monitorowanie zmniejszania się reaktywności katalizatora, co otwiera nowe możliwości w budowie bardziej wydajnych i trwałych ogniw paliwowych nowej generacji.

Jest to kolejny przełom w rozwoju nowej technologii napędowej w motoryzacji, której Toyota jest obecnie seryjnym producentem na świecie. Model Mirai, czyli pierwszy seryjny pojazd na wodorowe ogniwa paliwowe, został wprowadzony przez firmę na rynek w grudniu 2014 roku.

Toyota i Japan Fine Ceramics Center (JFCC) opracowały wspólnie nową technologię, która pozwala obserwować w skali nano zachowanie cząsteczek platyny podczas reakcji chemicznych zachodzących w ogniwach paliwowych. Platyna to kluczowy katalizator reakcji utleniania wodoru, która zachodzi w ogniwach paliwowych, wytwarzając energię elektryczną. Stopniowe obniżanie jej reaktywności jest efektem zbijania się cząsteczek w grupy. Powstają nanodrobinki, które zwiększając swoją wielkość, zmniejszają łączną powierzchnię znajdującej się w ogniwie platyny. Do tej pory nie można było obserwować tego procesu i tym samym zrozumieć jego przyczyn.

Nowa metoda obserwacji pomoże ustalić, w których miejscach węglowego nośnika koncentruje się platyna, a także mierzyć zmiany napięcia w miarę zachodzenia tego procesu. Umożliwi także określenie charakterystyk różnych rodzajów nośnika. Taka wieloaspektowa analiza pozwoli wyznaczyć kierunki badań nad zwiększaniem wydajności i trwałości platynowych katalizatorów i ogniw paliwowych.

Cel badań

Ogniwa paliwowe wytwarzają prąd elektryczny w wyniku reakcji chemicznej wodoru dostarczanego ze zbiornika z zawartym w powietrzu tlenem. Tlen z katody łączy się z wodorem z anody, tworząc wodę, będącą produktem ubocznym reakcji.

Podczas reakcji chemicznej cząsteczki wodoru rozdzielane są na elektrony i jony wodoru na anodzie wodorowej z udziałem katalizatora platynowego. Elektrony przemieszczają się do katody tlenowej, powodując przepływ prądu. Jednocześnie jony wodoru pokonują membranę polimerową, by trafić do katody tlenowej, gdzie w kontakcie z tlenem z powietrza i elektronami tworzą wodę. Katalizatorem tej reakcji jest również platyna.

Platyna ma newralgiczne znaczenie w wytwarzaniu prądu przez ogniwa paliwowe ze względu na kluczowy wpływ na zwiększenie ich wydajności.

Platyna jest jednak metalem rzadkim i drogim. Co gorsza, procesowi wytwarzania prądu towarzyszy stopniowe grubienie nanodrobinek platyny, co zmniejsza wydajność ogniwa. Aby zapobiec temu zjawisku, powodującemu spadek reaktywności katalizatora, należy poznać jego mechanizm i przyczyny. Niestety, niewielkie rozmiary platynowych nanodrobinek ogromnie utrudniają obserwację konwencjonalnymi metodami.

Nowa metoda obserwacji

Konwencjonalna metoda obserwacji nanodrobinek platyny polega na porównywaniu tych samych drobinek platyny przed i po reakcji. Za pomocą tej metody odkryto, że po reakcji drobinki są większe i mają mniejszą reaktywność. Jednak przyczyny tego zjawiska pozostają w sferze hipotez ze względu na dotychczasową niemożność obserwacji procesu narastania drobinek.

Narastanie platynowych nanodrobinek — **Poniższe obrazy ukazują narastanie platynowych nanodrobinek:** Na zdjęciach widać zbijanie się cząsteczek platyny w grupy na powierzchni węglowego nośnika.

Tymczasem nowa metoda obserwacji wykorzystuje nową, zmniejszoną próbkę, która symuluje rzeczywiste środowisko i warunki występujące w ogniwach paliwowych. To, w połączeniu z nową metodą podawania napięcia do próbek umieszczonych wewnątrz transmisyjnego mikroskopu elektronowego, umożliwia obserwowanie procesu narastania drobinek w czasie rzeczywistym na wszystkich etapach wytwarzania prądu. Transmisyjny mikroskop elektronowy umożliwia oglądanie i analizowanie szczegółów o wielkości atomów (0,1 nm).