了解氢燃料电池的降解

尽管全球对零排放车辆的兴趣日益增长,但氢燃料电池车辆在道路上仍然相对稀少。氢催化剂只能在排气时释放水蒸气,如果氢是利用可再生能源产生的,则完全不含二氧化碳。 2 排放量。与电池电动车不同的是,hfcv不需要给电网增加负担,因为当电力便宜时,氢可以被生产和储存。

然而,若干挑战阻碍了这些车辆的普遍增长。其中之一是燃料电池的耐久性不足。结果,氢电池卡车 必须能承受20,000-30,000小时的驾驶 --这个行业还没有赶上。

氢燃料电池如何降解:一个谜

燃料电池通过不同的化学反应产生电能。 氢 氧,但随着时间的推移,这种反应所涉及的材料--特别是催化剂,通常是由铂制成--可以降解。这种退化导致效率和电力输出逐渐下降,降低了燃料电池的总体寿命。

查尔莫斯理工大学的研究人员致力于了解燃料电池的老化情况,他们开发了一种新的方法,通过追踪燃料电池中的特定微粒来研究什么影响燃料电池的老化。

文献表明,燃料电池在启动/关闭(SASD)事件中的降解是相当严重的,在这些事件中,燃料电池的电压发生了快速变化,往往超过1.0V,这造成了一种加速碳支架腐蚀的环境。这种碳载体是细胞反应催化剂层所不可或缺的.然而,在悬浮条件下,高压导致碳氧化成这种氧化作用导致碳支架的逐渐侵蚀,导致碳载体失去体积,并在结构上减弱。随着碳载体的降解,催化剂层开始断裂,形成裂纹,并通过阴极上的催化剂层延伸。研究人员利用相同位置扫描电子显微镜和相同位置透射电子显微镜来追踪催化剂层随时间变化的相同区域。

燃料电池裂纹的循环过程

研究人员能够观察到催化剂层裂纹的形成和生长,这些裂纹暴露了底层膜,并导致催化剂段的剥离。这些裂纹暴露了阴极催化剂层(CCL)下面的膜,导致 分层 当CCL的部分从膜中分离出来时,进一步损害了结构的完整性(见图1和图2)。在纳米尺度上,IL-TEM揭示碳载体的降解导致了铂纳米颗粒的聚集。在燃料电池寿命(BOL)开始时,铂纳米颗粒的尺寸较小,均匀,平均直径约为3.4纳米。但随着碳载体的侵蚀和收缩,铂粒子被强迫更紧密地结合在一起。因此,铂粒子合并形成更大的粒子。

图1:显示氢燃料电池中阴极催化剂层(CCL)和膜随时间的推移而降解的逐步过程的图表

图2:显示在苏西周期中CCL退化的il-sEM图像。图像从BOL到500、2000和10000的周期,每一行在上方放大

在燃料电池寿命结束时,这些铂纳米颗粒的平均尺寸显著增加,达到大约5.2纳米直径。此外,一些铂颗粒生长更大,直径超过20纳米。这种增长是有问题的,因为催化剂的有效性取决于铂颗粒的表面积;较小的颗粒相对于其体积有较高的表面积,为氧还原反应提供了更活跃的场所,这对燃料电池的运行至关重要。研究人员能够确定电化学活性表面积(ECSA)减少约65%从BOL到EOL。燃料电池的催化活性下降,导致总体性能和效率下降。

研究人员还将这些结构变化与电化学数据联系起来,注意到高频电阻的增加和燃料电池性能的下降。测量燃料电池内阻力的氢氧化氢也在循环过程中大量增加。初始值为37毫米 2 ,增加到45-50毫米 2 经过500次循环后,进一步上升到80-150毫米 2 在爆炸现场。

"我们现在已经为开发更好的燃料电池奠定了基础,"查尔默大学物理系副教授比金·维克曼说。"现在,我们更多地了解燃料电池中发生的过程,以及在燃料电池生命周期的什么时候发生的过程。今后,该方法将用于开发和研究能够延长燃料电池寿命的新材料。"

使氢燃料电池成为内燃机的实际替代品,特别是在商业和 工业的 部门的耐久性必须提高，这对hfcv的最终发展至关重要。