Waarom falen waterstofbrandstofcellen bij opschaling?

Als kerntechnologie op het gebied van schone energieconversie, waterstofbrandstofcellen Ze tonen in laboratoriumomgevingen consequent een bijna perfect prestatiepotentieel aan – hoge efficiëntie, hoge vermogensdichtheid, uitstekende opstartkarakteristieken en stabiliteit – waardoor ze een "technologische ster" zijn in de sector van schone energie. Wanneer de technologie echter wordt opgeschaald van kleine, afzonderlijke cellen in het laboratorium naar toepassingen in de praktijk, zoals autostroomvoorziening en decentrale energieopwekking, neemt de systeemefficiëntie, de stabiliteit van het vermogen en de duurzaamheid vaak aanzienlijk af, doorgaans met 20% tot 50%. Dit is in feite een geconcentreerde opeenhoping van problemen op meerdere vlakken, waaronder materiaaleigenschappen, componentintegratie en systeemregulering, bij opschaling.

1. Laboratorium versus praktijk: twee totaal verschillende werkomgevingen

De kern van laboratoriumtests voor brandstofcellen is "precieze controle en eliminatie van storingen". Neem bijvoorbeeld het internationaal geaccepteerde testprotocol van het Amerikaanse Ministerie van Energie (DOE): het testproces vereist het handhaven van een constante temperatuur (doorgaans 60-80 °C), een constante luchtvochtigheid (relatieve luchtvochtigheid 80-100%) en een zeer zuiver reactiegas (waterstofzuiverheid 99,97%, gehalte aan onzuiverheden). <10 ppm), en stabiele belastingomstandigheden. Batterijen met één cel en een klein oppervlak (doorgaans

De praktijk kent echter veel onzekerheden: in auto-aandrijflijnen veroorzaken frequente start-stopcycli, snelle acceleratie en deceleratie drastische schommelingen in de belasting; decentrale energieopwekking vereist het omgaan met dagelijkse temperatuurschommelingen, veranderingen in de luchtvochtigheid en een waterstofvoorziening met wisselende zuiverheid; zelfs draagbare apparaten worden geconfronteerd met willekeurige variaties in de omgevingstemperatuur en gasstroom. Belangrijker nog is dat de nauwkeurige temperatuur- en vochtigheidsregeling die in laboratoriumtests wordt gebruikt, los van het energieverbruik, in praktijksystemen door de brandstofcel zelf moet worden aangestuurd, waardoor het effectieve uitgangsvermogen verder wordt beperkt.

2.Dynamisch deactiveringsmechanisme van katalysatoren

Enerzijds veroorzaken frequente start-stopcycli en belastingsveranderingen in toepassingen drastische schommelingen in de kathodepotentiaal tussen 0,4 en 1,0 V. Deze potentiaalcycli versnellen het oplossings- en herafzettingsproces van platina (Pt) nanodeeltjes, wat leidt tot de vergroting van de deeltjesgrootte en elektrochemische corrosie van de koolstofdrager, met als uiteindelijk gevolg het loslaten van de katalysatordeeltjes. Gegevens van versnelde stresstests van het USDRIVE Consortium in de Verenigde Staten tonen aan dat in tests die 100.000 km aan rijomstandigheden van personenauto's simuleren, het actieve oppervlak van de Pt-katalysator Het daalde met 42% binnen 1000 uur, terwijl bij steady-state tests in het laboratorium het verliespercentage in dezelfde periode slechts 8% bedroeg.

Aan de andere kant verergeren onzuivere gassen in praktijksituaties de vergiftiging van katalysatoren. De zeer zuivere waterstof (onzuiverheden) 50 ppm) en H₂S, terwijl verontreinigende stoffen zoals SOx en NOx uit de lucht ook met de aangezogen lucht in de batterij terechtkomen. Deze onzuiverheden adsorberen onomkeerbaar op de actieve Pt-plaatsen en vormen een dichte adsorptielaag die de reactie blokkeert. De adsorptie-energie van CO en Pt bedraagt ​​bijvoorbeeld maar liefst -60 kJ/mol; zelfs langdurige accumulatie van CO op ppb-niveau leidt tot een aanzienlijke afname van de katalysatoractiviteit. Testgegevens van Toyota Motor Corporation in Japan tonen aan dat wanneer het CO-gehalte in de waterstof 20 ppm bereikt, het vermogen van de brandstofcel binnen 200 uur met 20% afneemt; als het CO-gehalte stijgt tot 50 ppm, kan de vermogensafname in dezelfde periode oplopen tot 45%.

3. Gecombineerde afbraak van de Protonuitwisselingsmembraan:

In de praktijk gaan veranderingen in de belasting van de brandstofcel gepaard met schommelingen in de hoeveelheid water die tijdens de reactie wordt geproduceerd. Hierdoor ondergaat het protonenuitwisselingsmembraan herhaaldelijk het proces van "waterabsorptie en -uitzetting - waterverlies en -krimp", wat continue mechanische spanning genereert en uiteindelijk leidt tot scheurvorming en perforatie van het membraan. Onderzoeksgegevens van het Max Planck Instituut in Duitsland tonen aan dat bij dynamische vochtigheidscyclustests die automobielomstandigheden simuleren, de treksterkte van geperfluoreerde protonenuitwisselingsmembranen met 30% afneemt na 500 cycli en dat er na 1000 cycli aanzienlijke scheuren ontstaan. Tegelijkertijd genereren gebieden met een lage potentiaal en een hoge zuurstofconcentratie tijdens de werking van de brandstofcel hydroxylradicalen (.OH). Deze sterke oxiderende stoffen tasten de polymeerketen van het membraan aan, wat leidt tot een afname van het molecuulgewicht, beschadiging van de ionenclusterstructuur en uiteindelijk verlies van protongeleidbaarheid. Tests tonen aan dat de afgifte van fluoride-ionen door het geperfluoreerde membraan onder dynamische omstandigheden 1,2 pg/(cm²·h) bedraagt, wat twaalf keer zo hoog is als onder laboratoriumomstandigheden met constante luchtvochtigheid (0,1 pg/(cm²·h)). De grote afgifte van fluoride-ionen weerspiegelt direct de mate van degradatie van de membraanstructuur.

4.De superpositie van inhomogeniteit en systeemverliezen:

Uitbreiding van het batterijgebied vanuit laboratoriumniveau (200 cm²) leidt tot aanzienlijke inhomogeniteiten in de interne gasverdeling, stroomdichtheid en temperatuurverdeling, waardoor de materiaalafbraak aanzienlijk wordt versneld. Nog problematischer is de versterking van het "zwakste schakel-effect" wanneer honderden cellen in serie worden geschakeld om een ​​stack te vormen. Dit betekent dat een prestatievermindering in één enkele cel de hele stack kan beïnvloeden, wat leidt tot een aanzienlijke vermindering van het vermogen en de levensduur. Testgegevens van General Motors in de VS tonen aan dat in een stack van 200 cellen, als de consistentieafwijking van een individuele cel toeneemt van 3% tot 8%, het totale uitgangsvermogen van de stack met 22% afneemt en de levensduur met 35% wordt verkort.

Systeemintegratie introduceert efficiëntieverliezen en een vertraging in de dynamische respons. In de praktijk verbruikt het Balance of Production (BOP)-systeem, dat lucht, vochtigheid en koeling levert aan de brandstofcel, een aanzienlijke hoeveelheid energie, waardoor het netto-rendement van het systeem mogelijk daalt van meer dan 55% in het laboratorium naar ongeveer 40%. Tegelijkertijd blijft de reactiesnelheid van deze hulpsystemen onder dynamische omstandigheden, zoals snelle acceleratie of start-stop, ver achter bij veranderingen in de energievraag. Dit resulteert in onmiddellijke vermogensdalingen en verergert de schade aan kritieke componenten zoals het protonenuitwisselingsmembraan, waardoor de algehele prestatievermindering van het systeem wordt versneld. Praktische gegevens van de Toyota Mirai brandstofcel bevestigen dit fenomeen: het piekrendement van de brandstofcel bedraagt ​​58%, maar het netto-rendement van het gehele energiesysteem is slechts 42%, waarbij het belangrijkste verschil ligt in de verliezen van de hulpsystemen.

5. Van simulatie van bedrijfsomstandigheden naar geïntegreerd ontwerp

Om de prestatiekloof tussen de "laboratoriumomgeving" en de "werkelijke omgeving" te overbruggen, zijn gezamenlijke doorbraken op drie vlakken nodig: testmethoden, structureel ontwerp en systeemintegratie.

Ten eerste is het belangrijk een testsysteem op te zetten dat de daadwerkelijke dynamische bedrijfsomstandigheden nauwkeurig nabootst. Voortbouwend op stationaire tests, moeten dynamische testnormen met omgevingsvariabelen en belastingcycli worden geïntroduceerd. Door de bedrijfsomstandigheden uit de praktijk na te bootsen, kan de kwetsbaarheid van materialen en componenten vooraf worden blootgelegd, waardoor de discrepantie tussen laboratorium- en praktijkgegevens wordt verkleind.

Ten tweede is het belangrijk de structuur en materialen van grootschalige batterijen te optimaliseren. Om de inhomogeniteitsproblemen na opschaling aan te pakken, kunnen gradiëntelektroden en biomimetische stroomkanalen worden toegepast om afwijkingen in de stroomdichtheid te verminderen. Tegelijkertijd kunnen belangrijke materialen zoals zeer stabiele katalysatoren en zelfherstellende protonenuitwisselingsmembranen worden ontwikkeld om de duurzaamheid vanaf de bron te verbeteren.

Ten derde, het bevorderen van een geïntegreerd systeemontwerp. Het energieverbruik kan worden verlaagd door het structurele ontwerp van hulpsystemen te optimaliseren.

Toekomst en vooruitzichten:

Brandstofceltechnologie overbrugt voortdurend de kloof tussen het "laboratorium" en "praktische toepassingen" door middel van multidisciplinaire, collaboratieve innovatie. Met een dieper begrip van waterstofbrandstofcelsystemen kunnen onderzoekers de prestaties van batterijen op grote schaal nauwkeuriger voorspellen en de structuur van de brandstofcelstapel optimaliseren, waardoor de ontwikkeling en grootschalige toepassing van deze schone energietechnologie wordt versneld.