Mengapakah Sel Bahan Api Hidrogen "Gagal Apabila Diperbesarkan"?

Sebagai teknologi teras dalam bidang penukaran tenaga bersih, sel bahan api hidrogen secara konsisten menunjukkan potensi prestasi yang hampir sempurna dalam persekitaran makmal—kecekapan tinggi, ketumpatan kuasa tinggi, ciri permulaan yang sangat baik dan kestabilan—menjadikannya "bintang teknologi" dalam sektor tenaga bersih. Walau bagaimanapun, apabila teknologi ini ditingkatkan daripada sel tunggal kawasan kecil di makmal kepada aplikasi dunia sebenar seperti kuasa automotif dan penjanaan kuasa teragih, kecekapan sistem, kestabilan output kuasa dan ketahanannya sering mengalami degradasi yang ketara, biasanya antara 20% hingga 50%. Ini pada asasnya merupakan ledakan masalah yang tertumpu daripada pelbagai dimensi, termasuk sifat bahan, integrasi komponen dan pengawalaturan sistem, apabila ditingkatkan.

1. Makmal vs. Dunia Nyata: Dua persekitaran operasi yang sangat berbeza

Teras ujian makmal untuk sel bahan api adalah "kawalan yang tepat dan penghapusan gangguan." Dengan mengambil protokol ujian DOE (Jabatan Tenaga AS) yang diterima di peringkat antarabangsa sebagai contoh, proses ujian memerlukan pengekalan suhu malar (biasanya 60-80℃), kelembapan malar (kelembapan relatif 80%-100%), gas reaktan berketulenan tinggi (ketulenan hidrogen 99.97%, kandungan bendasing <10ppm), dan keadaan beban yang stabil. Bateri sel tunggal kawasan kecil (biasanya <(50cm²) dipasang menggunakan pengapit ketepatan untuk meminimumkan kesan turun naik persekitaran luaran terhadap prestasi bateri. Di bawah keadaan ideal ini, ketumpatan kuasa puncak sel bahan api boleh mencapai 400-600mW/cm² dengan mudah, dan jangka hayat ujian ketahanan juga boleh melebihi 10,000 jam.

Walau bagaimanapun, aplikasi dunia sebenar penuh dengan ketidakpastian: dalam rangkaian kuasa automotif, kitaran mula-henti yang kerap, pecutan pantas dan nyahpecutan menyebabkan turun naik beban yang drastik; penjanaan kuasa teragih memerlukan pengendalian variasi suhu diurnal, perubahan kelembapan dan bekalan hidrogen dengan ketulenan yang berbeza-beza; malah peranti mudah alih menghadapi variasi rawak dalam suhu ambien dan keadaan aliran gas. Lebih penting lagi, peralatan kawalan suhu dan kelembapan yang tepat yang digunakan dalam ujian makmal, tanpa mengira penggunaan tenaga, mesti dipacu oleh sel bahan api itu sendiri dalam sistem dunia sebenar, seterusnya memampatkan kuasa output berkesan.

2.Mekanisme Penyahaktifan Dinamik Pemangkin

Di satu pihak, kitaran mula-henti yang kerap dan perubahan beban dalam aplikasi menyebabkan turun naik drastik dalam potensi katod antara 0.4 dan 1.0 V. Kitaran potensi ini mempercepatkan proses pembubaran-pemendapan semula nanopartikel platinum (Pt), yang membawa kepada pengasaran zarah dan kakisan elektrokimia sokongan karbon, yang akhirnya menyebabkan penyingkiran zarah pemangkin. Data ujian tekanan dipercepatkan daripada Konsortium USDRIVE di Amerika Syarikat menunjukkan bahawa dalam ujian yang mensimulasikan 100,000 km keadaan pemanduan kenderaan penumpang, luas permukaan aktif Pemangkin Pt menurun sebanyak 42% dalam tempoh 1000 jam, manakala dalam ujian keadaan mantap makmal, kadar kehilangan dalam tempoh masa yang sama hanya 8%.

Sebaliknya, gas bendasing dalam senario dunia sebenar memburukkan lagi keracunan pemangkin. Hidrogen berketulenan tinggi (bendasing <(10ppm) dan udara bersih yang digunakan dalam ujian makmal sukar dijamin dalam senario dunia sebenar. Hidrogen hasil sampingan industri mungkin mengandungi bendasing seperti CO (selalunya >50ppm) dan H2S, manakala bahan pencemar seperti SOx dan NOx dari udara juga akan memasuki bateri bersama udara masuk. Bendasing ini akan diserap secara tidak boleh dipulihkan ke tapak aktif Pt, membentuk lapisan penjerapan padat yang menyekat tindak balas. Contohnya, tenaga penjerapan CO dan Pt adalah setinggi -60kJ/mol; pengumpulan CO tahap ppb dalam jangka masa panjang akan menyebabkan penurunan aktiviti pemangkin yang ketara. Data ujian daripada Toyota Motor Corporation di Jepun menunjukkan bahawa apabila kandungan CO dalam hidrogen mencapai 20ppm, kuasa output sel bahan api berkurangan sebanyak 20% dalam tempoh 200 jam; jika kandungan CO meningkat kepada 50ppm, penurunan kuasa boleh mencapai 45% dalam tempoh masa yang sama.

3. Degradasi Gabungan bagi Membran Pertukaran Proton:

Dalam operasi sebenar, perubahan dalam beban sel bahan api disertai dengan turun naik dalam jumlah air yang dihasilkan dalam tindak balas, menyebabkan membran pertukaran proton berulang kali menjalani proses "penyerapan dan pengembangan air - kehilangan dan pengecutan air", menghasilkan tekanan mekanikal yang berterusan, yang akhirnya membawa kepada perambatan dan perforasi retakan membran. Data penyelidikan dari Institut Max Planck di Jerman menunjukkan bahawa dalam ujian kitaran kelembapan dinamik yang mensimulasikan keadaan automotif, kekuatan tegangan membran pertukaran proton perfluorinasi menurun sebanyak 30% selepas 500 kitaran, dan retakan yang ketara muncul selepas 1000 kitaran. Pada masa yang sama, semasa operasi sel bahan api, kawasan berkepekatan oksigen tinggi yang berpotensi rendah menghasilkan radikal hidroksil (.OH). Bahan pengoksidaan kuat ini menyerang tulang belakang polimer membran, yang membawa kepada penurunan berat molekul, kerosakan pada struktur kluster ion, dan akhirnya, kehilangan kekonduksian proton. Ujian menunjukkan bahawa kadar pembebasan ion fluorida membran perfluorinasi di bawah keadaan dinamik mencapai 1.2 pg/(cm²·j), iaitu 12 kali ganda di bawah keadaan kelembapan malar makmal (0.1 pg/(cm²·j)). Pembebasan ion fluorida yang besar secara langsung mencerminkan tahap degradasi struktur membran.

4.Superposisi Ketidakhomogenan dan Kerugian Sistem:

Memperluas kawasan bateri dari aras makmal (<50 cm²) ke tahap komersial (>200 cm²) membawa kepada ketidakhomogenan yang ketara dalam taburan gas dalaman, ketumpatan arus dan taburan suhu, sekali gus mempercepatkan degradasi bahan dengan ketara. Lebih bermasalah ialah penguatan "kesan pautan paling lemah" apabila beratus-ratus sel disambungkan secara bersiri untuk membentuk satu susunan. Ini bermakna degradasi prestasi dalam mana-mana sel tunggal boleh menyeret keseluruhan susunan, yang membawa kepada pengurangan kuasa dan jangka hayat yang ketara. Data ujian daripada General Motors di AS menunjukkan bahawa dalam susunan yang terdiri daripada 200 sel, jika sisihan ketekalan sel individu meningkat daripada 3% kepada 8%, kuasa output keseluruhan susunan berkurangan sebanyak 22% dan jangka hayatnya dipendekkan sebanyak 35%.

Integrasi sistem mengakibatkan kehilangan kecekapan dan kelewatan tindak balas dinamik. Dalam operasi sebenar, sistem Imbangan Pengeluaran (BOP), yang menyediakan udara, kelembapan dan penyejukan kepada susunan, menggunakan sejumlah besar tenaga, berpotensi menurunkan kecekapan bersih sistem daripada lebih 55% di makmal kepada sekitar 40%. Pada masa yang sama, di bawah keadaan dinamik seperti pecutan kenderaan yang pantas atau mula-henti, kelajuan tindak balas sistem tambahan ini jauh ketinggalan di belakang perubahan dalam permintaan kuasa, mengakibatkan penurunan kuasa serta-merta dan memburukkan lagi kerosakan pada komponen kritikal seperti membran pertukaran proton, sekali gus mempercepatkan kemerosotan prestasi sistem keseluruhan. Data dunia sebenar daripada kenderaan sel bahan api Toyota Mirai mengesahkan fenomena ini: kecekapan puncak susunannya ialah 58%, tetapi kecekapan bersih keseluruhan sistem kuasa hanya 42%, dengan perbezaan teras terletak pada kehilangan sistem tambahan.

5. Daripada Simulasi Keadaan Operasi kepada Reka Bentuk Bersepadu

Merentasi jurang prestasi antara persekitaran "makmal" dan "dunia sebenar" memerlukan penemuan kolaboratif dalam tiga dimensi: kaedah pengujian, reka bentuk struktur dan penyepaduan sistem.

Pertama, mewujudkan sistem pengujian yang mencerminkan keadaan operasi dinamik sebenar dengan teliti. Berdasarkan pengujian keadaan mantap, piawaian pengujian dinamik dengan pembolehubah persekitaran dan kitaran beban perlu diperkenalkan. Dengan mereplikasi keadaan operasi dunia sebenar, kerapuhan bahan dan komponen dapat didedahkan terlebih dahulu, sekali gus mengurangkan percanggahan antara data makmal dan dunia sebenar.

Kedua, mengoptimumkan struktur dan bahan bateri kawasan besar. Untuk menangani isu ketidakhomogenan selepas penskalaan, elektrod kecerunan dan saluran aliran biomimetik boleh digunakan untuk mengurangkan sisihan ketumpatan arus. Pada masa yang sama, bahan utama seperti pemangkin yang sangat stabil dan membran pertukaran proton penyembuhan diri boleh dibangunkan untuk meningkatkan ketahanan daripada sumber.

Ketiga, menggalakkan reka bentuk sistem bersepadu. Penggunaan tenaga boleh dikurangkan dengan mengoptimumkan reka bentuk struktur sistem tambahan.

Masa Depan dan Tinjauan:

Teknologi sel bahan api sentiasa merapatkan jurang antara "aplikasi makmal" dan "aplikasi dunia sebenar" melalui inovasi kolaboratif pelbagai disiplin. Dengan pemahaman yang lebih mendalam tentang sistem sel bahan api hidrogen, para penyelidik dapat meramalkan prestasi bateri berskala besar dengan lebih tepat dan mengoptimumkan struktur reka bentuk tindanan, sekali gus mempercepatkan kematangan dan aplikasi berskala besar teknologi tenaga bersih ini.