燃料电池催化剂与燃料电池隔板空气过滤器

燃料电池催化剂与燃料电池隔板

燃料电池催化剂与燃料电池隔板 2011年12月04日 来源： 燃料电池在内部发生与水（H2O）电解相反的反应、将此时产生的电流输出到外部使用的电池。与普通电池不同，无需更换电池及充电。不过，需要供给氢气及甲醇等燃料。通过这些燃料中含有的氢（H）在燃料电池内部与空气中的氧（O）发生反应，在生成H2O的同时产生电流。与其说是电池，倒不如说是发电机。 燃料电池以电池单元为基本构成要素，电池单元由空气极、燃料极、支撑催化剂的电解质膜，以及形成氢、氧供给通道和排水通道的隔板构成。每个电池单元可产生0.7V左右的电压。可通过控制电池单元的层积数量来决定整个系统的输出功率。 燃料电池的原理由英国的W. Grove于1839年提出。该原理达到实用水平是从20世纪美国双子座（Gemini）宇宙飞船配备燃料电池开始的。如果用一句话概括燃料电池，又可分为电解质膜型、基于工作温度的磷酸型、熔融碳酸盐型、固体电解质型及固体高分子型4大种类。其中，固体高分子型最受关注。1987年，加拿大巴拉德电力系统公司（Ballard Power Systems Inc.）向业界展示了固体高分子型燃料电池实现高输出功率的可能性，以此为契机，日美欧的研究开发活动从此活跃起来。燃料电池催化剂 催化剂是促进化学反应的材料。在面向手机及汽车进行实用化讨论的高分子固体电解质型燃料电池（PEFC）及直接甲醇型燃料电池（DMFC）中，主要用于促进通过对氢进行氧化来获得氢离子及电子的反应。在燃料电池的构成材料中，是与电解质并列的、起最重要作用的材料。 PEFC及DMFC使用铂（Pt）作为催化剂材料。通过在铂的表面吸附氢分子后在吸附点由分子分裂成原子状态，在低温下也容易产生反应。 铂为稀有金属，属于有限资源，因此为了有效利用，业界正在从（1）对铂材料本身进行改进；（2）加大对催化剂结构的研究；（3）探索铂以外的新材料这三个方面进行开发。 将铂粒子微细化至2nm 在对铂本身进行改进研究方面，最有效的方法是通过减小催化剂的粒径、使其均一分散来扩大有助于反应的表面面积。目前铂粒子的直径已经减小到了2～3nm左右。不过，减小粒径后，就会产生粒子间容易凝集而无法扩大表面面积的问题。因此，通过纳米技术将铂分散在碳等支撑材料上来使其稳定的研究目前十分活跃。 在加大对催化剂构造的研究方面，一般均采用减小催化剂厚度的方法。催化剂通常采用的制造方法是：首先将铂粒子与碳黑（Carbon Black，以下简称碳）水溶液混合，然后通过加热还原在碳粒子上析出、负载铂。最后再将其分散在高分子电解质溶液中来进行涂布，这样便形成了催化剂。这时，为了只在催化剂表面发生反应而内部不参与反应，通过减小催化剂的厚度便可提高反应性。 在催化剂构造上加大研究力度的另一个方法是采用不让铂粒子进入高分子电解质结构内部的技术。这样，改变催化剂制造顺序，在碳粒子表面形成高分子电解质膜后浸渍铂离子溶液等方法就被开发了出来。 如果发现新催化剂是否能获得诺贝尔奖？ 新材料探索方面，出现了通过在材料组成上追溯活性金属本身来进行开发的动向。也分为两种方法，一是通过以铂为基础添加其它金属来提高效率的方法，另一个是探索除铂以外的其它新活性材料。 下面就从改进铂材料这一动向来进行探讨。催化剂电极分为阴极（空气极）及阳极（氢极），其中，阴极的损失尤其严重。这是因为阳极在H2催化剂上的氧化反应速度快而在阴极反应较慢。因此，为了提高阴极的活性，业界正在考虑通过铂与其它金属形成合金来制造催化剂。 阳极催化剂方面，虽然很少因活性极化而使性能降低，不过仍存在其它问题。在对甲烷及甲醇进行改质、使其生产氢的时候就会产生一氧化碳（CO）。一氧化碳会降低催化剂的性能（一氧化碳中毒），降低电压。为了解决这一问题，需要开发从供给的燃料气体中尽可能得去除一氧化碳，同时又不受一氧化碳影响的催化剂。目前大多采用铂与钌（Ru）的合金来解决。不过，即使使用这种合金材料，如果一氧化碳含量不减少到100ppm以下，还是会带来很大影响。 因此，业界正在开发一氧化碳含量在1000～1万ppm左右仍可具有充分催化剂活性的材料。虽然打算开发在铂中添加钛（Ti）的合金，不过目前尚未制定具体目标。除这种合金外，业界还对其它金属进行了不断探索。目前各催化剂厂商的目标是开发出一氧化碳含量在1000ppm左右仍可具有充分活性的催化剂。 虽然目前正在探索除铂以外的另一种新材料，不过相关人士表示：“如果真能开发出可与铂媲美的兼价催化剂，就能够获得诺贝尔奖。”门槛之高可见一斑。氧化钼、钴(Co)及有机络化物等的研究正在进行之中，不过目前还没有定论。 燃料电池隔板燃料电池的典型结构就是层叠电池单元的“Stack”，而夹在各电池单元中间、起隔离燃料气体及空气作用的板状部件就是隔板。除具有密封各电池单元的功能外，还可形成气体流路，输送燃料气体及空气。另外，还要求具有电动性、耐腐蚀性及热传导性等，材料特性要求很严格。 从隔板的制造方法来说，分为初期原型使用的“手工制作品”以及以实用化、量产化为目标而进行探讨的“成形品”两大类。成形品在满足各种要求性能后，最大的课题是如何通过缩短成形周期来降低成本。 “手工制作品”的制造方法又可分为两大类。一种是在纤维素（Cellulose）中渗入酚醛树脂（Phenol Resin）后烧结成玻璃状的碳与形成流路的多孔性碳相结合的类型。另一种是利用生产半导体的坩堝（Crucible）形成微米 (μm)级气孔后通过浸渍酚醛树脂形成等方性碳的类型。等方性碳为了实现良好的切削性，在内部形成了直接流路；为了实现隔板与流路部分的一体化，形成了紧密的组织结构，经常应用在初期的试制车辆上。无论哪种情况，均需要利用数控（NC）机床一张一张地切削流路，工数（时间和人工）和成本都很高。 考虑采用碳类材料和金属制造“成形品” “成形品”利用金属模具生产，量产性高、可降低成本。目前业界正在考虑在材料上使用碳类材料及金属。树脂的优点是重量轻，金属的优点是可实现小型化。 其中，碳类材料可分为使天然石墨膨胀来成形的方法以及在碳（人造石墨）中混入树脂来成形的方法两大类。 在金属中，普遍认为最有可能的是不锈钢。不锈钢的特点是表面具有非动态保护涂膜，耐腐蚀性出色。不过，为了提高接触电阻，还需要涂装导电性材料。另外，各公司还在讨论其它方法，比如通过分散导电性析出物来降低不锈钢单体的接触电阻。 在金属中，铝合金也被列入了候补，不过目前还不能解决电镀后仍无法防止表面小孔（Pinhole）引起局部腐蚀的问题。(end)

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