揭示氫燃料電池衰退之謎：提升耐用性的關(guān)鍵探索

盡管全球?qū)α闩欧跑囕v的興趣日益增長，氫燃料電池車輛(HFCVs)在道路上的普及仍然相對較少。HFCVs的排放僅為水蒸氣，如果氫氣是通過可再生能源生產(chǎn)的，則完全不產(chǎn)生二氧化碳排放。與電池電動汽車不同，HFCVs不需要給電網(wǎng)帶來負(fù)擔(dān)，因為氫氣可以在電價便宜時生產(chǎn)和儲存。

然而，幾項挑戰(zhàn)阻礙了這些車輛的廣泛增長。其中之一是燃料電池的耐用性不足。事實證明，氫燃料電池卡車必須能夠承受20,000至30,000小時的行駛時間，而這是行業(yè)尚未跟上的。

氫燃料電池如何衰退：一個謎

燃料電池通過氫氣和氧氣之間的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電力，但隨著時間的推移，參與此反應(yīng)的材料——特別是通常由鉑(Pt)制成的催化劑——可能會退化。這種退化導(dǎo)致效率和功率輸出逐漸下降，從而減少燃料電池的整體使用壽命。

查爾默斯科技大學(xué)的研究人員在理解燃料電池老化方面開發(fā)了一種新方法，通過在使用過程中追蹤燃料電池中的特定粒子來研究影響燃料電池老化的因素。

“我們以前只關(guān)注燃料電池使用后的老化情況，現(xiàn)在我們能夠看到中間階段，”查爾默斯的博士生林尼亞·斯特蘭德伯格(Linnéa Strandberg)說道。

文獻表明，燃料電池在啟動/關(guān)閉(SUSD)事件期間的退化相當(dāng)顯著，此時燃料電池經(jīng)歷快速的電壓變化，常常超過1.0 V，這會創(chuàng)造一個加速碳支撐腐蝕的環(huán)境。這個碳支撐是電池反應(yīng)催化劑層的重要組成部分。然而，在SUSD條件下，高電壓會導(dǎo)致碳氧化為二氧化碳。這種氧化導(dǎo)致碳支撐逐漸侵蝕，導(dǎo)致其體積減少并結(jié)構(gòu)變?nèi)酢ｋS著碳支撐的退化，催化劑層開始出現(xiàn)裂紋，形成延伸至陰極催化劑層的裂縫。查爾默斯的研究人員結(jié)合使用了相同位置掃描電子顯微鏡(IL-SEM)和相同位置透射電子顯微鏡(IL-TEM)，以跟蹤催化劑層相同區(qū)域隨時間的變化。

隨著SUSD循環(huán)的進行，燃料電池的催化劑層(CCL)出現(xiàn)裂紋

研究人員能夠觀察到催化劑層中裂紋的形成和生長，這些裂紋暴露了底層膜，并導(dǎo)致催化劑片段的脫落。這些裂紋暴露了陰極催化劑層(CCL)下的膜，導(dǎo)致分層現(xiàn)象，其中CCL的部分從膜上脫離，進一步損害了結(jié)構(gòu)完整性(見圖1和圖2)。在納米尺度上，IL-TEM揭示了碳支撐的退化導(dǎo)致鉑納米顆粒的聚集。最初，鉑納米顆粒具有小而均勻的尺寸，燃料電池開始使用時的平均直徑約為3.4納米。但隨著碳支撐的侵蝕和收縮，鉑顆粒被迫靠得更近。因此，鉑顆粒聚合形成更大的顆粒。

到燃料電池使用壽命結(jié)束時(EOL)，這些鉑納米顆粒的平均尺寸顯著增加，達(dá)到約5.2納米直徑。此外，一些鉑顆粒的直徑甚至超過20納米。這種生長是一個問題，因為催化劑的有效性依賴于鉑顆粒的表面積;較小的顆粒相對于其體積具有更高的表面積，提供了更多的氧還原反應(yīng)的活性位點，這是燃料電池運行的關(guān)鍵。研究人員能夠確定并關(guān)聯(lián)電化學(xué)活性表面積(ECSA)從開始使用(BOL)到結(jié)束使用(EOL)下降約65%。ECSA的減少導(dǎo)致燃料電池的催化活性下降，從而降低整體性能和效率。

研究人員還將這些結(jié)構(gòu)變化與電化學(xué)數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)，注意到高頻電阻(HFR)增加和燃料電池性能下降。HFR是測量燃料電池內(nèi)部電阻的指標(biāo)，在循環(huán)過程中顯著增加。從最初的37 mΩ·cm2，經(jīng)過500個循環(huán)后增加到45–50 mΩ·cm2，EOL時進一步上升到80–150 mΩ·cm2。

“我們現(xiàn)在為開發(fā)更好的燃料電池打下了基礎(chǔ)，”查爾默斯物理系副教授比約恩·維克曼(Bj?rn Wickman)說?！艾F(xiàn)在我們對燃料電池內(nèi)部發(fā)生的過程以及這些過程在燃料電池使用壽命中的發(fā)生時間有了更多了解。未來，這種方法將用于開發(fā)和研究可以延長燃料電池使用壽命的新材料?！?/p>

為了使氫燃料電池成為內(nèi)燃機的實際替代方案，尤其是在商業(yè)和工業(yè)領(lǐng)域，其耐用性必須提高。這對于HFCVs的最終增長至關(guān)重要，HFCVs在某些方面甚至優(yōu)于電動汽車(EVs)。

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