لماذا تفشل خلايا وقود الهيدروجين عند زيادة حجمها؟

باعتبارها تقنية أساسية في مجال تحويل الطاقة النظيفة، خلايا وقود الهيدروجين تُظهر هذه التقنية باستمرار أداءً شبه مثالي في بيئات المختبرات - كفاءة عالية، وكثافة طاقة عالية، وخصائص بدء تشغيل ممتازة، واستقرار - مما يجعلها تقنية رائدة في قطاع الطاقة النظيفة. مع ذلك، عند توسيع نطاق هذه التقنية من خلايا مفردة صغيرة المساحة في المختبر إلى تطبيقات عملية مثل طاقة السيارات وتوليد الطاقة الموزعة، غالبًا ما تتعرض كفاءة النظام، واستقرار خرج الطاقة، والمتانة لتدهور كبير، يتراوح عادةً بين 20% و50%. ويمثل هذا في جوهره تراكمًا مكثفًا للمشاكل من جوانب متعددة، تشمل خصائص المواد، وتكامل المكونات، وتنظيم النظام، عند التوسع.

1. المختبر مقابل العالم الحقيقي: بيئتان تشغيليتان مختلفتان جذرياً

يرتكز جوهر الاختبارات المعملية لخلايا الوقود على "التحكم الدقيق وإزالة التداخلات". فعلى سبيل المثال، يتطلب بروتوكول الاختبار المعتمد دوليًا من قبل وزارة الطاقة الأمريكية الحفاظ على درجة حرارة ثابتة (عادةً ما بين 60 و80 درجة مئوية)، ورطوبة ثابتة (رطوبة نسبية تتراوح بين 80% و100%)، وغاز متفاعل عالي النقاء (نقاء الهيدروجين 99.97%، ومحتوى الشوائب 0.97%). <10 جزء في المليون)، وظروف تحميل مستقرة. بطاريات أحادية الخلية صغيرة المساحة (عادةً <تُثبّت الخلايا (بمساحة 50 سم²) باستخدام مشابك دقيقة لتقليل تأثير تقلبات البيئة الخارجية على أداء البطارية. في ظل هذه الظروف المثالية، يمكن أن تصل كثافة الطاقة القصوى لخلايا الوقود بسهولة إلى 400-600 ميلي واط/سم²، وقد يتجاوز عمر اختبار المتانة 10000 ساعة.

مع ذلك، فإن التطبيقات العملية محفوفة بالمخاطر: ففي أنظمة نقل الحركة في السيارات، تتسبب دورات التشغيل والإيقاف المتكررة، والتسارع والتباطؤ السريع، في تقلبات حادة في الأحمال؛ ويتطلب توليد الطاقة الموزعة التعامل مع التغيرات اليومية في درجات الحرارة، وتغيرات الرطوبة، وتوفير الهيدروجين بدرجات نقاء متفاوتة؛ حتى الأجهزة المحمولة تواجه تغيرات عشوائية في درجة الحرارة المحيطة وظروف تدفق الغاز. والأهم من ذلك، أن معدات التحكم الدقيقة في درجة الحرارة والرطوبة المستخدمة في الاختبارات المعملية، بغض النظر عن استهلاك الطاقة، يجب أن تُشغل بواسطة خلية الوقود نفسها في الأنظمة العملية، مما يزيد من ضغط الطاقة الناتجة الفعالة.

2.آلية التعطيل الديناميكي للمحفزات

من جهة، تتسبب دورات التشغيل والإيقاف المتكررة وتغيرات الأحمال في التطبيقات في تقلبات حادة في جهد الكاثود بين 0.4 و1.0 فولت. يؤدي هذا التذبذب في الجهد إلى تسريع عملية ذوبان وإعادة ترسيب جزيئات البلاتين النانوية، مما يؤدي إلى تضخم الجزيئات وتآكل الدعامة الكربونية كيميائيًا، ويتسبب في النهاية في انفصال جزيئات المحفز. تُظهر بيانات اختبار الإجهاد المعجل من اتحاد USDRIVE في الولايات المتحدة أنه في الاختبارات التي تحاكي ظروف قيادة مركبات الركاب لمسافة 100,000 كيلومتر، فإن مساحة السطح النشطة لـ محفز البلاتين انخفضت بنسبة 42% خلال 1000 ساعة، بينما في اختبارات الحالة المستقرة في المختبر، كان معدل الخسارة خلال نفس الفترة الزمنية 8% فقط.

من ناحية أخرى، تؤدي الغازات الشائبة في سيناريوهات العالم الحقيقي إلى تفاقم تسمم المحفز. الهيدروجين عالي النقاء (الشوائب) <يصعب ضمان نقاء الهواء المستخدم في الاختبارات المعملية (بتركيز 10 جزء في المليون) في ظروف الاستخدام الواقعية. قد يحتوي الهيدروجين الناتج عن الصناعات على شوائب مثل أول أكسيد الكربون (غالباً بتركيز يزيد عن 50 جزء في المليون) وكبريتيد الهيدروجين، كما أن ملوثات مثل أكاسيد الكبريت وأكاسيد النيتروجين من الهواء ستدخل البطارية مع هواء السحب. ستلتصق هذه الشوائب بشكل لا رجعة فيه بالمواقع النشطة للبلاتين، مكونة طبقة امتزاز كثيفة تعيق التفاعل. على سبيل المثال، تصل طاقة امتزاز أول أكسيد الكربون على البلاتين إلى -60 كيلوجول/مول؛ حتى أن تراكم أول أكسيد الكربون على المدى الطويل بمستويات أجزاء في المليار سيؤدي إلى انخفاض كبير في نشاط المحفز. تُظهر بيانات الاختبارات من شركة تويوتا موتور في اليابان أنه عندما يصل تركيز أول أكسيد الكربون في الهيدروجين إلى 20 جزء في المليون، تنخفض قدرة خرج خلية الوقود بنسبة 20% خلال 200 ساعة؛ وإذا زاد تركيز أول أكسيد الكربون إلى 50 جزء في المليون، فقد يصل انخفاض القدرة إلى 45% خلال نفس الفترة الزمنية.

3. التدهور المشترك لـ غشاء تبادل البروتونات:

أثناء التشغيل الفعلي، تترافق التغيرات في حمل خلية الوقود مع تقلبات في كمية الماء الناتج عن التفاعل، مما يؤدي إلى خضوع غشاء تبادل البروتونات لعملية "امتصاص الماء والتمدد - فقدان الماء والانكماش" بشكل متكرر، مُولِّدًا إجهادًا ميكانيكيًا مستمرًا، يُفضي في النهاية إلى انتشار الشقوق وثقب الغشاء. تُظهر بيانات بحثية من معهد ماكس بلانك في ألمانيا أنه في اختبارات دورات الرطوبة الديناميكية التي تُحاكي ظروف السيارات، انخفضت قوة الشد لأغشية تبادل البروتونات المشبعة بالفلور بنسبة 30% بعد 500 دورة، وظهرت شقوق كبيرة بعد 1000 دورة. في الوقت نفسه، أثناء تشغيل خلية الوقود، تُولِّد المناطق ذات الجهد المنخفض وتركيز الأكسجين العالي جذور الهيدروكسيل (OH•). تُهاجم هذه المواد المؤكسدة القوية الهيكل البوليمري للغشاء، مما يؤدي إلى انخفاض الوزن الجزيئي، وتلف بنية التجمعات الأيونية، وفي النهاية، فقدان توصيل البروتونات. أظهرت الاختبارات أن معدل إطلاق أيونات الفلورايد من الغشاء المشبع بالفلور في ظل ظروف ديناميكية يصل إلى 1.2 بيكوغرام/سم²·ساعة، أي ما يعادل 12 ضعفًا مقارنةً بظروف الرطوبة الثابتة في المختبر (0.1 بيكوغرام/سم²·ساعة). ويعكس هذا الإطلاق الكبير لأيونات الفلورايد بشكل مباشر درجة تدهور بنية الغشاء.

4.تراكب عدم التجانس وخسائر النظام:

توسيع مساحة البطارية من مستوى المختبر (<يؤدي الانتقال من حجم 50 سم² إلى الحجم التجاري (>200 سم²) إلى عدم تجانس كبير في توزيع الغاز الداخلي، وكثافة التيار، وتوزيع درجة الحرارة، مما يُسرّع بشكل ملحوظ من تدهور المواد. والمشكلة الأكبر تكمن في تضخيم "تأثير الحلقة الأضعف" عند توصيل مئات الخلايا على التوالي لتشكيل مكدس. هذا يعني أن أي تدهور في أداء أي خلية منفردة قد يؤثر سلبًا على أداء المكدس بأكمله، مما يؤدي إلى انخفاض كبير في الطاقة والعمر الافتراضي. تُظهر بيانات الاختبارات من شركة جنرال موتورز في الولايات المتحدة أنه في مكدس مكون من 200 خلية، إذا زاد انحراف اتساق الخلية الفردية من 3% إلى 8%، فإن إجمالي الطاقة الناتجة للمكدس ينخفض ​​بنسبة 22%، ويقصر عمره الافتراضي بنسبة 35%.

يُؤدي تكامل النظام إلى خسائر في الكفاءة وتأخر في الاستجابة الديناميكية. في التشغيل الفعلي، يستهلك نظام موازنة الإنتاج (BOP)، الذي يُوفر الهواء والرطوبة والتبريد للمكدس، كمية كبيرة من الطاقة، مما قد يُخفض الكفاءة الصافية للنظام من أكثر من 55% في المختبر إلى حوالي 40%. في الوقت نفسه، في ظل ظروف ديناميكية مثل التسارع السريع للمركبة أو التوقف والتشغيل المتكرر، تتأخر سرعة استجابة هذه الأنظمة المساعدة بشكل كبير عن التغيرات في الطلب على الطاقة، مما يؤدي إلى انخفاضات فورية في الطاقة وتفاقم الضرر الذي يلحق بالمكونات الحيوية مثل غشاء تبادل البروتونات، وبالتالي تسريع تدهور أداء النظام ككل. تُؤكد البيانات الواقعية من سيارة تويوتا ميراي التي تعمل بخلايا الوقود هذه الظاهرة: تبلغ ذروة كفاءة مكدسها 58%، لكن الكفاءة الصافية لنظام الطاقة بأكمله لا تتجاوز 42%، ويكمن الفرق الأساسي في خسائر الأنظمة المساعدة.

5. من محاكاة ظروف التشغيل إلى التصميم المتكامل

إن تجاوز فجوة الأداء بين بيئات "المختبر" و"العالم الحقيقي" يتطلب إنجازات تعاونية في ثلاثة أبعاد: أساليب الاختبار، والتصميم الهيكلي، وتكامل النظام.

أولًا، إنشاء نظام اختبار يحاكي بدقة ظروف التشغيل الديناميكية الفعلية. وبالاستناد إلى اختبارات الحالة المستقرة، يجب إدخال معايير اختبار ديناميكية تتضمن متغيرات بيئية ودورات تحميل. ومن خلال محاكاة ظروف التشغيل الواقعية، يمكن الكشف عن هشاشة المواد والمكونات مسبقًا، مما يقلل التباين بين بيانات المختبر والبيانات الواقعية.

ثانيًا، تحسين بنية ومواد البطاريات ذات المساحة الكبيرة. ولمعالجة مشكلات عدم التجانس بعد زيادة حجم الإنتاج، يمكن استخدام أقطاب كهربائية متدرجة وقنوات تدفق تحاكي الطبيعة لتقليل انحرافات كثافة التيار. وفي الوقت نفسه، يمكن تطوير مواد أساسية مثل المحفزات عالية الاستقرار وأغشية تبادل البروتونات ذاتية الإصلاح لتحسين المتانة منذ البداية.

ثالثًا، تعزيز تصميم الأنظمة المتكاملة. يمكن تقليل استهلاك الطاقة من خلال تحسين التصميم الهيكلي للأنظمة المساعدة.

المستقبل والتوقعات:

تُسهم تقنية خلايا الوقود باستمرار في سد الفجوة بين التطبيقات المختبرية والتطبيقات العملية من خلال الابتكار التعاوني متعدد التخصصات. وبفضل الفهم الأعمق لأنظمة خلايا وقود الهيدروجين، يتمكن الباحثون من التنبؤ بدقة أكبر بأداء البطاريات على نطاق واسع وتحسين تصميمات هياكل الخلايا، مما يُسرّع من نضج هذه التقنية النظيفة للطاقة وتطبيقها على نطاق واسع.