De ce pilele de combustie cu hidrogen „cedează la scară largă”?

Ca tehnologie de bază în domeniul conversiei energiei curate, pile de combustie cu hidrogen demonstrează în mod constant un potențial de performanță aproape perfect în mediile de laborator - eficiență ridicată, densitate mare de putere, caracteristici excelente de pornire și stabilitate - ceea ce le face o „vedetă tehnologică” în sectorul energiei curate. Cu toate acestea, atunci când tehnologia este extinsă de la celule unice de suprafață mică din laborator la aplicații din lumea reală, cum ar fi energia auto și generarea distribuită de energie, eficiența sistemului, stabilitatea puterii de ieșire și durabilitatea acesteia se confruntă adesea cu o degradare semnificativă, variind de obicei între 20% și 50%. Aceasta este, în esență, o explozie concentrată de probleme din mai multe dimensiuni, inclusiv proprietățile materialelor, integrarea componentelor și reglarea sistemului, atunci când este extinsă.

1. Laborator vs. Lumea reală: Două medii de operare drastic diferite

Nucleul testelor de laborator pentru pilele de combustie este „controlul precis și eliminarea interferențelor”. Luând ca exemplu protocolul de testare DOE (Departamentul Energiei al SUA) acceptat la nivel internațional, procesul de testare necesită menținerea unei temperaturi constante (de obicei 60-80℃), a unei umidități constante (umiditate relativă 80%-100%), a unui gaz reactant de înaltă puritate (puritate a hidrogenului 99,97%, conținut de impurități). <10 ppm) și condiții de sarcină stabile. Baterii monocelulare cu suprafață mică (de obicei <50 cm²) sunt fixate cu cleme de precizie pentru a minimiza impactul fluctuațiilor mediului extern asupra performanței bateriei. În aceste condiții ideale, densitatea maximă de putere a pilelor de combustie poate ajunge cu ușurință la 400-600 mW/cm², iar durata de viață a testului de durabilitate poate depăși chiar 10.000 de ore.

Cu toate acestea, aplicațiile din lumea reală sunt pline de incertitudini: în sistemele de propulsie auto, ciclurile frecvente de pornire-oprire, accelerarea și decelerarea rapidă provoacă fluctuații drastice ale sarcinii; generarea distribuită de energie necesită gestionarea variațiilor diurne de temperatură, a schimbărilor de umiditate și a alimentării cu hidrogen de diferite purități; chiar și dispozitivele portabile se confruntă cu variații aleatorii ale temperaturii ambientale și ale condițiilor de debit de gaz. Mai important, echipamentul precis de control al temperaturii și umidității utilizat în testele de laborator, fără a lua în considerare consumul de energie, trebuie să fie acționat chiar de pila de combustie în sistemele din lumea reală, comprimând și mai mult puterea efectivă de ieșire.

2.Mecanismul dinamic de dezactivare a catalizatorilor

Pe de o parte, ciclurile frecvente de pornire-oprire și modificările de sarcină în aplicații provoacă fluctuații drastice ale potențialului catodului între 0,4 și 1,0 V. Această alternanță ciclică de potențial accelerează procesul de dizolvare-redepunere a nanoparticulelor de platină (Pt), ducând la creșterea grosimii particulelor și la coroziunea electrochimică a suportului de carbon, provocând în cele din urmă desprinderea particulelor de catalizator. Datele testelor de stres accelerate de la Consorțiul USDRIVE din Statele Unite arată că, în testele care simulează 100.000 km de condiții de conducere a vehiculelor de pasageri, suprafața activă a... catalizator Pt a scăzut cu 42% în decurs de 1000 de ore, în timp ce în testele de laborator în stare staționară, rata pierderilor în aceeași perioadă de timp a fost de numai 8%.

Pe de altă parte, gazele impure din scenariile reale exacerbează otrăvirea cu catalizator. Hidrogenul de înaltă puritate (impurități <10 ppm) și aerul curat utilizat în testele de laborator sunt dificil de garantat în scenarii reale. Hidrogenul, produs secundar industrial, poate conține impurități precum CO (adesea >50 ppm) și H2S, în timp ce poluanții precum SOx și NOx din aer vor intra, de asemenea, în baterie odată cu aerul de admisie. Aceste impurități se vor adsorbi ireversibil pe situsurile active ale Pt, formând un strat dens de adsorbție care blochează reacția. De exemplu, energia de adsorbție a CO și Pt este de până la -60 kJ/mol; chiar și acumularea pe termen lung de CO la nivel de ppb va duce la o scădere semnificativă a activității catalizatorului. Datele testelor de la Toyota Motor Corporation din Japonia arată că atunci când conținutul de CO din hidrogen atinge 20 ppm, puterea de ieșire a pilelor de combustie scade cu 20% în 200 de ore; dacă conținutul de CO crește la 50 ppm, scăderea puterii poate ajunge la 45% în aceeași perioadă de timp.

3. Degradarea combinată a Membrană de schimb de protoni:

În funcționarea reală, modificările încărcării pilelor de combustie sunt însoțite de fluctuații ale cantității de apă produsă în reacție, determinând membrana de schimb de protoni să treacă în mod repetat prin procesul de „absorbție și expansiune a apei - pierdere și contracție a apei”, generând stres mecanic continuu, ducând în cele din urmă la propagarea fisurilor și perforarea membranei. Datele de cercetare de la Institutul Max Planck din Germania arată că, în testele ciclice dinamice de umiditate care simulează condițiile auto, rezistența la tracțiune a membranelor de schimb de protoni perfluorinate a scăzut cu 30% după 500 de cicluri, iar fisuri semnificative au apărut după 1000 de cicluri. Simultan, în timpul funcționării pilelor de combustie, regiunile cu potențial scăzut și concentrație mare de oxigen generează radicali hidroxil (.OH). Aceste substanțe puternic oxidante atacă structura polimerică a membranei, ducând la o scădere a greutății moleculare, deteriorarea structurii clusterului de ioni și, în cele din urmă, pierderea conductivității protonice. Testele arată că rata de eliberare a ionilor de fluorură a membranei perfluorinate în condiții dinamice ajunge la 1,2 pg/(cm²·h), ceea ce este de 12 ori mai mare decât în ​​condiții de umiditate constantă de laborator (0,1 pg/(cm²·h)). Eliberarea mare de ioni de fluorură reflectă direct gradul de degradare a structurii membranei.

4.Suprapunerea neomogenității și a pierderilor de sistem:

Extinderea zonei dedicate bateriilor de la nivelul laboratorului (<50 cm²) la nivel comercial (>200 cm²) duce la neomogenități semnificative în distribuția internă a gazelor, densitatea curentului și distribuția temperaturii, accelerând semnificativ degradarea materialului. Mai problematică este amplificarea „efectului verigii celei mai slabe” atunci când sute de celule sunt conectate în serie pentru a forma o stivă. Aceasta înseamnă că o degradare a performanței oricărei celule poate afecta negativ întreaga stivă, ducând la o reducere semnificativă a puterii și a duratei de viață. Datele testelor de la General Motors din SUA arată că într-o stivă compusă din 200 de celule, dacă abaterea consistenței celulelor individuale crește de la 3% la 8%, puterea totală de ieșire a stivei scade cu 22%, iar durata de viață a acesteia este scurtată cu 35%.

Integrarea sistemului introduce pierderi de eficiență și întârzieri ale răspunsului dinamic. În funcționarea reală, sistemul Balance of Production (BOP), care furnizează aer, umiditate și răcire stivei de alimentare, consumă o cantitate semnificativă de energie, putând reduce eficiența netă a sistemului de la peste 55% în laborator la aproximativ 40%. Simultan, în condiții dinamice, cum ar fi accelerarea rapidă a vehiculului sau pornirea-oprirea, viteza de răspuns a acestor sisteme auxiliare este mult în urma modificărilor cererii de putere, ceea ce duce la scăderi instantanee de putere și la exacerbarea deteriorării componentelor critice, cum ar fi membrana de schimb de protoni, accelerând astfel degradarea performanței generale a sistemului. Datele din lumea reală de la vehiculul cu pile de combustie Toyota Mirai confirmă acest fenomen: eficiența maximă a stivei sale de alimentare este de 58%, dar eficiența netă a întregului sistem de alimentare este de doar 42%, diferența principală constând în pierderile sistemelor auxiliare.

5. De la simularea condițiilor de funcționare la proiectarea integrată

Depășirea decalajului de performanță dintre mediile „de laborator” și cele „din lumea reală” necesită descoperiri colaborative în trei dimensiuni: metode de testare, proiectare structurală și integrare de sisteme.

În primul rând, este necesară stabilirea unui sistem de testare care să reflecte îndeaproape condițiile dinamice reale de funcționare. Pe baza testelor în regim staționar, trebuie introduse standarde de testare dinamică cu variabile de mediu și cicluri de sarcină. Prin replicarea condițiilor reale de funcționare, fragilitatea materialelor și componentelor poate fi expusă în avans, reducând discrepanța dintre datele de laborator și cele din lumea reală.

În al doilea rând, optimizarea structurii și materialelor bateriilor cu suprafață mare. Pentru a aborda problemele de neomogenitate după extindere, se pot aplica electrozi de gradient și canale de flux biomimetice pentru a reduce abaterile densității de curent. Simultan, se pot dezvolta materiale cheie, cum ar fi catalizatori cu stabilitate ridicată și membrane de schimb de protoni cu auto-reparare, pentru a îmbunătăți durabilitatea de la sursă.

În al treilea rând, promovarea proiectării integrate a sistemelor. Consumul de energie poate fi redus prin optimizarea proiectării structurale a sistemelor auxiliare.

Viitor și perspective:

Tehnologia pilelor de combustie reduce continuu decalajul dintre „aplicațiile de laborator” și „aplicațiile din lumea reală” prin inovare colaborativă multidisciplinară. Cu o înțelegere mai profundă a sistemelor de pile de combustie cu hidrogen, cercetătorii sunt capabili să prezică mai precis performanța bateriilor la scară largă și să optimizeze structurile de proiectare a stivelor, accelerând astfel maturizarea și aplicarea la scară largă a acestei tehnologii de energie curată.