对能源革新有所贡献的贵金属材料 | 田中贵金属

TANAKA的企业努力

对能源革新有所贡献的贵金属材料

(2010年 春季)

田中贵金属工业着手开发贵金属的历史已长达125年。田中贵金属在提供贵金属材料的同时,将其开发的应用技术贡献於先进工业产品的进化。而现在,田中贵金属所专注的领域是环境、资源事业。本次,在环境、资源事业四大支柱中的「新能源」领域方面,关於主要的贵金属材料之作用,与田中贵金属的最新发展的相关事业内容,我们访问到的是田中贵金属董事技术开发部门部长—田中秀昌与技术开发相关人员。

座谈会情形

座谈会情形

田中 秀昌 田中贵金属工业 董事 技术开发部部长

田中 秀昌
田中贵金属工业
董事 技术开发部部长

田中贵金属集团与环境、能源事业

―「新能源」与贵金属的关系。

田中

「新能源」,是与「环保材料的开发」、「资源循环」、「环境净化」同样都是田中贵金属集团所推行的环境、能源事业中的重点课题之一(图1)。在开发贵金属材料应用领域上也采取积极态度的田中贵金属集团,已经在电子领域上建构了许多实绩。新能源就是将在全新的领域中,更积极地推行技术开发及市场开拓。
在新能源的领域中,贵金属材料有着许多实用的技术。例如,在产生能源之可再生能源领域中,燃料电池及太阳能电池深受瞩目,其中贵金属材料就具有相当重要的作用。可再生能源与能源储存等两个领域中所需要的产氢技术方面,贵金属材料就是关键技术之一。甚至,现在全球逐渐重视的节约能源领域中,贵金属材料也在各种方面有所助益。

图1. 田中贵金属集团的环境、能源事业的四大支柱

图1. 田中贵金属集团的环境、能源事业的四大支柱

燃料电池用触媒的市占率为60%

― 请具体说明贵金属材料在新能源领域中的作用。

小椋

首先,先来谈谈在能源领域中引起广大注目的燃料电池与太阳能电池。
燃料电池是利用电化学反应,将燃料所拥有的化学能源变换成电气能源的技术,其最大的特征就是可以获得比传统发电方式更高的发电效率。并且,发电制程所排出的物质不会对环境造成负担。燃料电池所利用的是氢与氧的反应。在此制程中所产生的物质是水。
燃料电池有几种种类,使用贵金属材料的是质子交膜燃料电池(PEFC)及直接甲醇燃料电池(DMFC)、磷酸型燃料电池(PAFC)。在这些燃料电池中,贵金属材料被作为让氢与氧反应的电极触媒。具体来说,就是直径30nm左右的碳粒子(载体)与直径2nm~4nm的Pt(白金)、PtCo(白金钴)或者是PtRu(白金钌)粒子结合的材料(图2)。
田中贵金属集团於1985年着手开发电极触媒,这也成为田中贵金属迈入新能源领域的契机。现在,田中贵金属正以高分子膜燃料电池、直接甲醇燃料电池专用的材料作为事业拓展的中心,在此市场当中,已经获得了60%以上的市占率。今后也将致力於开发触煤,对於提升燃料电池的高性能化、低成本化、耐久性作出更多贡献。

小椋 文昭 田中贵金属工业 技术开发部门 FC触媒开发部 副部长

小椋 文昭
田中贵金属工业
技术开发部门
FC触媒开发部
副部长

图2. 质子交换膜燃料电池专用的触媒

图2. 质子交换膜燃料电池专用的触媒

贡献太阳能电池面板的轻量化

― 关於另一种太阳能电池。

榎本

太阳能电池也有许多种类,而贵金属材料活用於各种种类的太阳能电池中。例如,已经十分普及的矽(Si)晶太阳能电池及矽(Si)薄膜太阳电池中所使用的配线材料,就使用了Ag(银)膏材。设置於太阳能电池背面的反射膜也使用了Ag。除此之外,不使用Si的化合物类太阳电池,其配线材及反射膜也使用了Ag。
在各式各样的太阳能电池中,贵金属材料显得极为重要的就是染料敏化太阳电池。染料一旦照射到光线,电子能阶就会提升,流入TiO2(二氧化钛)电极,利用此种太阳能电池,就能够以比使用Si的太阳能电池更低的成本,进行产品化。此外,经由组合具有各种色调的染料,就可以实现多彩的太阳能电池,因此染料敏化型的实用化在更为宽广的领域中十分受到期待。现在,这种太阳能电池专用的各种染料材料正在持续开发中,而每种染料材料所使用的贵金属材料皆为Ru(钌)。
田中贵金属集团於2009年起便着手开发染料敏化太阳电池用染料。Ru是Pt族中的一项物质,而我们则是可以稳定供给Ru之少数企业的成员之一。并且,在作为染料原料之有机材料与金属融和的技术方面,我们拥有许多的专业知识。我们深信有效运用这样的优势,一定可以提供更优良的材料。本集团的当前目标为,开发可以将具有高达约10%转换效率的染料敏化太阳电池实用化的材料。据说染料敏化太阳电池的市场将会在2012年开始营运。我们的方针就是配合市场的演变,确立技术。

榎本 贵男 田中貴金属工業 技术开发部 化合物开发 团队 副部长

榎本 贵男
田中貴金属工業
技术开发部
化合物开发
团队
副部长

掌握燃料电池车普及的关键技术

― 请说明贵金属在产氢技术方面的作用。

嶋 邦弘 田中贵金属工业 技术开发部门 技术开发部 新产品开发 团队 计划 负责人 首席技术员

嶋 邦弘
田中贵金属工业
技术开发部门
技术开发部
新产品开发
团队
计划
负责人
首席技术员

图3.氢渗透膜用Pd素材

图3.氢渗透膜用Pd素材

氢被视为有益於环境的绿色能源,现在备受瞩目。例如,燃料电池车的燃料也是采用氢。除此之外,利用氢的引擎也正在持续开发。
开发有效的产氢系统是利用氢能源所不可欠缺的事情。用来产生氢的材料之一就是水。水经过电解即可得到氢。事实上,水的电解所使用的电极之主要材料是Pt及Ir(铱)等贵金属。改质煤气并产生氢的系统现已实用化,而这些改质器也是使用Ru类的触媒。
另外一种被期待开发应用的产氢技术是,使用Pd(钯)的氢渗透膜。Pd的薄膜具有仅能让氢穿透的性质。也就是说,只要利用氢渗透膜,就可以从含氢的气体中抽出高纯度的氢。现在这项技术已被实用化,而且也已实际用於半导体制造所使用的制程气体之超高纯度精制(图3)。
在促进氢能源利用方面,这项技术值得瞩目的地方就是,可以将构造简单化且将装置小型化的部分。例如,现在燃料电池车所使用的制氢系统,采用了将天然气及甲醇等改质,并且利用吸附剂去除不需要成分的PSA法。如果将这种方法置换成使用Pd膜精制氢的方式,装置的容积将可缩小至三分之一。甚至,还可以将改质制程的温度从700℃~800℃降低至500℃~550℃。并且,应该还可以将效率从30%提高至70%。
若要使用这项技术,将消费者专用的氢供给装置实用化,就必须更加提升使用氢渗透膜的系统处理能力。为此,就必须确立可以制造出10μm左右的完美钯薄膜之技术。因为渗透膜越薄,即可增加氢的渗透量。田中贵金属集团目前的技术已经可以制造出厚度5μm的Pd薄膜,今后也将根据这项技术,进行量产用氢渗透膜的开发。日本现正计画从2015年开始将加氢站实用化。我们的当前目标就是即时赶上该计画。

在制造工程活跃的贵金属

― 关於「节约能源」

原 范明 田中贵金属贩卖 行销部 副部长

原 范明
田中贵金属贩卖
行销部
副部长

图4.为养成蓝宝石单晶所使用的Ir的坩埚

图4
为养成蓝宝石单晶所使用的Ir的坩埚

在节约能源用之贵金属材料的应用中,今后市场发展上备受期待的是LED。由於LED灯在维持明亮的同时,耗电量可以比传统白炽灯减少更多,所以高亮度的白色LED便以有益於节约能源之照明用光源而备受瞩目。今后,LED灯应该会在工厂、办公室及家庭等所有地方逐渐普及吧!以节约能源相关的LED应用来说,另一项不能遗漏的产品就是大画面液晶电视的背光源。虽然过去都是使用冷阴极管,但现正迅速将冷阴极管置换成LED。因为LED有助於减少耗电量。
事实上,构成白色LED的材料中含有各式各样的贵金属材料。例如,Au(金)、Pt等各种贵金属材料就被利用於电极及金属阻障、其他叠层金属薄膜。在高亮度LED中,会将提高光利用效率用的反射膜设置在发光层的下方,而这种材料就是Ag合金。除此之外,包装的封装材料则是使用Ag和Sn(锡)。
贵金属材料也活用於LED构成材料的制造工程中。例如,LED元件的基板要使用蓝宝石单晶,而在养成蓝宝石单晶的其中一项工程中,就必须在坩埚中使用高熔点的Ir。使用这种Ir的坩埚就是田中贵金属工业的重要产品之一(图4)。

― 在新能源领域方面,贵金属材料的作用真的非常多元化。

田中

没错。并且其中许多贵金属都没有替代材料,而且用途也不少。也就是说,贵金属材料具有相当重要的作用。田中贵金属集团在新能源领域方面,正积极开发扩展贵金属材料可能性的基础技术,同时,更谋求与元件制造商及机器制造商等应用产品的制造商共同合作,致力於实用化相关技术。在实用化的阶段中,我们将考虑以材料供给等各种形式,支持应用产品制造商及相关使用者。为了有效应用贵重资源,我们也会采取贵金属材料再利用的方针。目前开发中的各种技术正逐渐迈入实用化阶段,而在新能源领域方面,田中贵金属集团的存在感应该会更进一步地提升。今后请务必持续关注我们的动向。

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