揭示氢燃料电池衰退之谜：提升耐用性的关键探索

尽管全球对零排放车辆的兴趣日益增长，氢燃料电池车辆(HFCVs)在道路上的普及仍然相对较少。HFCVs的排放仅为水蒸气，如果氢气是通过可再生能源生产的，则完全不产生二氧化碳排放。与电池电动汽车不同，HFCVs不需要给电网带来负担，因为氢气可以在电价便宜时生产和储存。

然而，几项挑战阻碍了这些车辆的广泛增长。其中之一是燃料电池的耐用性不足。事实证明，氢燃料电池卡车必须能够承受20,000至30,000小时的行驶时间，而这是行业尚未跟上的。

氢燃料电池如何衰退：一个谜

燃料电池通过氢气和氧气之间的化学反应产生电力，但随着时间的推移，参与此反应的材料——特别是通常由铂(Pt)制成的催化剂——可能会退化。这种退化导致效率和功率输出逐渐下降，从而减少燃料电池的整体使用寿命。

查尔默斯科技大学的研究人员在理解燃料电池老化方面开发了一种新方法，通过在使用过程中追踪燃料电池中的特定粒子来研究影响燃料电池老化的因素。

“我们以前只关注燃料电池使用后的老化情况，现在我们能够看到中间阶段，”查尔默斯的博士生林尼亚·斯特兰德伯格(Linnéa Strandberg)说道。

文献表明，燃料电池在启动/关闭(SUSD)事件期间的退化相当显著，此时燃料电池经历快速的电压变化，常常超过1.0 V，这会创造一个加速碳支撑腐蚀的环境。这个碳支撑是电池反应催化剂层的重要组成部分。然而，在SUSD条件下，高电压会导致碳氧化为二氧化碳。这种氧化导致碳支撑逐渐侵蚀，导致其体积减少并结构变弱。随着碳支撑的退化，催化剂层开始出现裂纹，形成延伸至阴极催化剂层的裂缝。查尔默斯的研究人员结合使用了相同位置扫描电子显微镜(IL-SEM)和相同位置透射电子显微镜(IL-TEM)，以跟踪催化剂层相同区域随时间的变化。

随着SUSD循环的进行，燃料电池的催化剂层(CCL)出现裂纹

研究人员能够观察到催化剂层中裂纹的形成和生长，这些裂纹暴露了底层膜，并导致催化剂片段的脱落。这些裂纹暴露了阴极催化剂层(CCL)下的膜，导致分层现象，其中CCL的部分从膜上脱离，进一步损害了结构完整性(见图1和图2)。在纳米尺度上，IL-TEM揭示了碳支撑的退化导致铂纳米颗粒的聚集。最初，铂纳米颗粒具有小而均匀的尺寸，燃料电池开始使用时的平均直径约为3.4纳米。但随着碳支撑的侵蚀和收缩，铂颗粒被迫靠得更近。因此，铂颗粒聚合形成更大的颗粒。

图1

到燃料电池使用寿命结束时(EOL)，这些铂纳米颗粒的平均尺寸显著增加，达到约5.2纳米直径。此外，一些铂颗粒的直径甚至超过20纳米。这种生长是一个问题，因为催化剂的有效性依赖于铂颗粒的表面积;较小的颗粒相对于其体积具有更高的表面积，提供了更多的氧还原反应的活性位点，这是燃料电池运行的关键。研究人员能够确定并关联电化学活性表面积(ECSA)从开始使用(BOL)到结束使用(EOL)下降约65%。ECSA的减少导致燃料电池的催化活性下降，从而降低整体性能和效率。

图2

研究人员还将这些结构变化与电化学数据相关联，注意到高频电阻(HFR)增加和燃料电池性能下降。HFR是测量燃料电池内部电阻的指标，在循环过程中显著增加。从最初的37 mΩ·cm²，经过500个循环后增加到45–50 mΩ·cm²，EOL时进一步上升到80–150 mΩ·cm²。

“我们现在为开发更好的燃料电池打下了基础，”查尔默斯物理系副教授比约恩·维克曼(Björn Wickman)说。“现在我们对燃料电池内部发生的过程以及这些过程在燃料电池使用寿命中的发生时间有了更多了解。未来，这种方法将用于开发和研究可以延长燃料电池使用寿命的新材料。”

为了使氢燃料电池成为内燃机的实际替代方案，尤其是在商业和工业领域，其耐用性必须提高。这对于HFCVs的最终增长至关重要，HFCVs在某些方面甚至优于电动汽车(EVs)。

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