Защо водородните горивни клетки „се провалят при увеличаване на мащаба“?

Като основна технология в областта на преобразуването на чиста енергия, водородни горивни клетки постоянно демонстрират почти перфектен потенциал за производителност в лабораторни условия – висока ефективност, висока плътност на мощността, отлични характеристики при стартиране и стабилност – което ги прави „технологична звезда“ в сектора на чистата енергия. Когато обаче технологията се разшири от единични клетки с малка площ в лабораторията до реални приложения, като например автомобилна енергетика и разпределено производство на енергия, нейната системна ефективност, стабилност на изходната мощност и издръжливост често претърпяват значително влошаване, обикновено вариращо от 20% до 50%. Това по същество е концентриран взрив от проблеми от множество измерения, включително свойства на материалите, интеграция на компоненти и системно регулиране, когато се мащабира.

1. Лаборатория срещу реален свят: Две драстично различни оперативни среди

В основата на лабораторните тестове за горивни клетки е „прецизен контрол и елиминиране на смущенията“. Вземайки за пример международно приетия протокол за тестване на DOE (Министерство на енергетиката на САЩ), процесът на тестване изисква поддържане на постоянна температура (обикновено 60-80℃), постоянна влажност (относителна влажност 80%-100%), реагент с висока чистота (чистота на водорода 99,97%, съдържание на примеси <10ppm) и стабилни условия на натоварване. Едноклетъчни батерии с малка площ (обикновено <50 см²) са фиксирани с помощта на прецизни скоби, за да се сведе до минимум влиянието на външните колебания на околната среда върху производителността на батерията. При тези идеални условия, пиковата плътност на мощността на горивните клетки може лесно да достигне 400-600 mW/cm², а животът на теста за издръжливост може дори да надхвърли 10 000 часа.

Въпреки това, приложенията в реалния свят са изпълнени с несигурност: в автомобилните силови агрегати, честите цикли на стартиране и спиране, бързото ускорение и забавяне причиняват драстични колебания в натоварването; разпределеното производство на енергия изисква справяне с дневни температурни колебания, промени във влажността и доставка на водород с различна чистота; дори преносимите устройства се сблъскват със случайни колебания в околната температура и условията на газовия поток. По-важното е, че прецизното оборудване за контрол на температурата и влажността, използвано в лабораторни тестове, независимо от консумацията на енергия, трябва да се задвижва от самата горивна клетка в реалните системи, което допълнително компресира ефективната изходна мощност.

2.Механизъм за динамично деактивиране на катализаторите

От една страна, честите цикли на стартиране и спиране и промените в натоварването в приложенията причиняват драстични колебания в катодния потенциал между 0,4 и 1,0 V. Това циклиране на потенциала ускорява процеса на разтваряне-преотлагане на платинени (Pt) наночастици, което води до удебеляване на частиците и електрохимична корозия на въглеродния носител, което в крайна сметка причинява отделяне на катализаторните частици. Данните от ускорени стрес тестове от консорциума USDRIVE в Съединените щати показват, че при тестове, симулиращи 100 000 км условия на шофиране на пътнически превозни средства, активната повърхност на Pt катализатор намаля с 42% в рамките на 1000 часа, докато при лабораторни тестове в стационарно състояние процентът на загубите в рамките на същия период от време е бил само 8%.

От друга страна, примесните газове в реални сценарии изострят отравянето на катализатора. Високочистият водород (примеси <10ppm) и чистият въздух, използвани в лабораторни тестове, е трудно да се гарантират в реални сценарии. Индустриалният страничен продукт водород може да съдържа примеси като CO (често >50ppm) и H2S, докато замърсители като SOx и NOx от въздуха също ще попаднат в батерията с всмукателния въздух. Тези примеси ще се адсорбират необратимо върху активните центрове на Pt, образувайки плътен адсорбционен слой, който блокира реакцията. Например, адсорбционната енергия на CO и Pt е висока до -60kJ/mol; дори дългосрочното натрупване на CO на ниво ppb ще доведе до значително намаляване на активността на катализатора. Данните от тестовете на Toyota Motor Corporation в Япония показват, че когато съдържанието на CO във водорода достигне 20ppm, изходната мощност на горивната клетка намалява с 20% в рамките на 200 часа; ако съдържанието на CO се увеличи до 50ppm, намаляването на мощността може да достигне 45% в рамките на същия период от време.

3. Комбинирано разграждане на Протоннообменна мембрана:

В реални условия на експлоатация, промените в натоварването на горивната клетка са съпроводени с колебания в количеството вода, произведена в реакцията, което кара протоннообменната мембрана многократно да претърпява процеса „абсорбция и разширяване на вода - загуба на вода и свиване“, генерирайки непрекъснато механично напрежение, което в крайна сметка води до разпространение на пукнатини в мембраната и перфорация. Данни от изследванията на Института Макс Планк в Германия показват, че при динамични циклични тестове за влажност, симулиращи автомобилни условия, якостта на опън на перфлуорираните протоннообменни мембрани намалява с 30% след 500 цикъла, а значителни пукнатини се появяват след 1000 цикъла. Едновременно с това, по време на работа на горивната клетка, области с нисък потенциал и висока концентрация на кислород генерират хидроксилни радикали (.OH). Тези силни окислителни вещества атакуват полимерния гръбнак на мембраната, което води до намаляване на молекулното тегло, увреждане на структурата на йонните клъстери и в крайна сметка до загуба на протонна проводимост. Тестовете показват, че скоростта на освобождаване на флуоридни йони от перфлуорираната мембрана при динамични условия достига 1,2 pg/(cm²·h), което е 12 пъти повече от това при лабораторни условия на постоянна влажност (0,1 pg/(cm²·h)). Голямото освобождаване на флуоридни йони директно отразява степента на разграждане на мембранната структура.

4.Суперпозицията на нееднородността и системните загуби:

Разширяване на площта на батериите от лабораторно ниво (<50 cm²) до търговско ниво (>200 cm²) води до значителни нееднородности във вътрешното разпределение на газа, плътността на тока и разпределението на температурата, което значително ускорява разграждането на материала. По-проблематично е усилването на „ефекта на най-слабото звено“, когато стотици клетки са свързани последователно, за да образуват стек. Това означава, че влошаването на производителността във всяка отделна клетка може да повлече надолу целия стек, което води до значително намаляване на мощността и живота. Данните от тестовете на General Motors в САЩ показват, че в стек, съставен от 200 клетки, ако отклонението в консистенцията на отделната клетка се увеличи от 3% на 8%, общата изходна мощност на стека намалява с 22%, а животът му се скъсява с 35%.

Системната интеграция води до загуби на ефективност и забавяне на динамичния отговор. В реална експлоатация системата за баланс на производството (BOP), която осигурява въздух, влажност и охлаждане на комина, консумира значително количество енергия, което потенциално намалява нетната ефективност на системата от над 55% в лабораторията до около 40%. Едновременно с това, при динамични условия, като бързо ускорение на превозното средство или старт-стоп, скоростта на реакция на тези спомагателни системи изостава значително от промените в търсенето на мощност, което води до мигновени спадове на мощността и влошаване на повредите на критични компоненти, като например мембраната за протонен обмен, като по този начин ускорява цялостното влошаване на производителността на системата. Данните от реалния свят от автомобила с горивни клетки Toyota Mirai потвърждават това явление: пиковата ефективност на неговия комина е 58%, но нетната ефективност на цялата енергийна система е само 42%, като основната разлика се състои в загубите на спомагателните системи.

5. От симулация на работни условия до интегрирано проектиране

Преодоляването на разликата в производителността между „лабораторната“ и „реалната“ среда изисква съвместни пробиви в три измерения: методи за тестване, структурен дизайн и системна интеграция.

Първо, създаване на система за тестване, която точно отразява действителните динамични условия на работа. Надграждайки върху изпитванията в стационарни условия, е необходимо да се въведат стандарти за динамично тестване с променливи на околната среда и цикли на натоварване. Чрез възпроизвеждане на реални условия на работа, крехкостта на материалите и компонентите може да бъде разкрита предварително, намалявайки несъответствието между лабораторните и реалните данни.

Второ, оптимизиране на структурата и материалите на батериите с голяма площ. За да се справят с проблемите с нееднородността след увеличаване на мащаба, могат да се приложат градиентни електроди и биомиметични канали за намаляване на отклоненията в плътността на тока. Едновременно с това могат да се разработят ключови материали, като високостабилни катализатори и самовъзстановяващи се протоннообменни мембрани, за да се подобри издръжливостта от източника.

Трето, насърчаване на интегрираното проектиране на системите. Консумацията на енергия може да бъде намалена чрез оптимизиране на структурния дизайн на спомагателните системи.

Бъдеще и перспективи:

Технологията на горивните клетки непрекъснато преодолява разликата между „лабораторните“ и „реалните приложения“ чрез мултидисциплинарни съвместни иновации. С по-задълбочено разбиране на водородните горивни клетки, изследователите са в състояние по-точно да прогнозират производителността на батерии в голям мащаб и да оптимизират структурите на дизайна на стека, като по този начин ускоряват узряването и широкомащабното приложение на тази технология за чиста енергия.