盡管全球?qū)α闩欧跑囕v的興趣日益增長,但氫燃料電池車輛在道路上仍然相對(duì)稀少。氫催化劑只能在排氣時(shí)釋放水蒸氣,如果氫是利用可再生能源產(chǎn)生的,則完全不含二氧化碳。 2 排放量。與電池電動(dòng)車不同的是,hfcv不需要給電網(wǎng)增加負(fù)擔(dān),因?yàn)楫?dāng)電力便宜時(shí),氫可以被生產(chǎn)和儲(chǔ)存。

然而,若干挑戰(zhàn)阻礙了這些車輛的普遍增長。其中之一是燃料電池的耐久性不足。結(jié)果,氫電池卡車?必須能承受20,000-30,000小時(shí)的駕駛 --這個(gè)行業(yè)還沒有趕上。

氫燃料電池如何降解:一個(gè)謎

燃料電池通過不同的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能。?氫 氧,但隨著時(shí)間的推移,這種反應(yīng)所涉及的材料--特別是催化劑,通常是由鉑制成--可以降解。這種退化導(dǎo)致效率和電力輸出逐漸下降,降低了燃料電池的總體壽命。

查爾莫斯理工大學(xué)的研究人員致力于了解燃料電池的老化情況,他們開發(fā)了一種新的方法,通過追蹤燃料電池中的特定微粒來研究什么影響燃料電池的老化。

文獻(xiàn)表明,燃料電池在啟動(dòng)/關(guān)閉(SASD)事件中的降解是相當(dāng)嚴(yán)重的,在這些事件中,燃料電池的電壓發(fā)生了快速變化,往往超過1.0V,這造成了一種加速碳支架腐蝕的環(huán)境。這種碳載體是細(xì)胞反應(yīng)催化劑層所不可或缺的.然而,在懸浮條件下,高壓導(dǎo)致碳氧化成這種氧化作用導(dǎo)致碳支架的逐漸侵蝕,導(dǎo)致碳載體失去體積,并在結(jié)構(gòu)上減弱。隨著碳載體的降解,催化劑層開始斷裂,形成裂紋,并通過陰極上的催化劑層延伸。研究人員利用相同位置掃描電子顯微鏡和相同位置透射電子顯微鏡來追蹤催化劑層隨時(shí)間變化的相同區(qū)域。

燃料電池裂紋的循環(huán)過程

研究人員能夠觀察到催化劑層裂紋的形成和生長,這些裂紋暴露了底層膜,并導(dǎo)致催化劑段的剝離。這些裂紋暴露了陰極催化劑層(CCL)下面的膜,導(dǎo)致?分層 當(dāng)CCL的部分從膜中分離出來時(shí),進(jìn)一步損害了結(jié)構(gòu)的完整性(見圖1和圖2)。在納米尺度上,IL-TEM揭示碳載體的降解導(dǎo)致了鉑納米顆粒的聚集。在燃料電池壽命(BOL)開始時(shí),鉑納米顆粒的尺寸較小,均勻,平均直徑約為3.4納米。但隨著碳載體的侵蝕和收縮,鉑粒子被強(qiáng)迫更緊密地結(jié)合在一起。因此,鉑粒子合并形成更大的粒子。

圖1:顯示氫燃料電池中陰極催化劑層(CCL)和膜隨時(shí)間的推移而降解的逐步過程的圖表

圖2:顯示在蘇西周期中CCL退化的il-sEM圖像。圖像從BOL到500、2000和10000的周期,每一行在上方放大

在燃料電池壽命結(jié)束時(shí),這些鉑納米顆粒的平均尺寸顯著增加,達(dá)到大約5.2納米直徑。此外,一些鉑顆粒生長更大,直徑超過20納米。這種增長是有問題的,因?yàn)榇呋瘎┑挠行匀Q于鉑顆粒的表面積;較小的顆粒相對(duì)于其體積有較高的表面積,為氧還原反應(yīng)提供了更活躍的場所,這對(duì)燃料電池的運(yùn)行至關(guān)重要。研究人員能夠確定電化學(xué)活性表面積(ECSA)減少約65%從BOL到EOL。燃料電池的催化活性下降,導(dǎo)致總體性能和效率下降。

研究人員還將這些結(jié)構(gòu)變化與電化學(xué)數(shù)據(jù)聯(lián)系起來,注意到高頻電阻的增加和燃料電池性能的下降。測量燃料電池內(nèi)阻力的氫氧化氫也在循環(huán)過程中大量增加。初始值為37毫米 2 ,增加到45-50毫米 2 經(jīng)過500次循環(huán)后,進(jìn)一步上升到80-150毫米 2 在爆炸現(xiàn)場。

"我們現(xiàn)在已經(jīng)為開發(fā)更好的燃料電池奠定了基礎(chǔ),"查爾默大學(xué)物理系副教授比金·維克曼說。"現(xiàn)在,我們更多地了解燃料電池中發(fā)生的過程,以及在燃料電池生命周期的什么時(shí)候發(fā)生的過程。今后,該方法將用于開發(fā)和研究能夠延長燃料電池壽命的新材料。"

使氫燃料電池成為內(nèi)燃機(jī)的實(shí)際替代品,特別是在商業(yè)和?工業(yè)的 部門的耐久性必須提高，這對(duì)hfcv的最終發(fā)展至關(guān)重要。