氫燃料電池車(chē)輛（HFCVs）作為零排放交通的未來(lái)之星，盡管在全球范圍內(nèi)受到越來(lái)越多的關(guān)注，但在實(shí)際道路上卻鮮見(jiàn)其身影。這類(lèi)車(chē)輛的最大亮點(diǎn)在于，其排放物僅為水蒸氣，如果氫氣源自可再生能源，更可實(shí)現(xiàn)零碳排放。與依賴(lài)電網(wǎng)的電池電動(dòng)汽車(chē)不同，HFCVs通過(guò)使用非高峰時(shí)段的低價(jià)電力來(lái)生產(chǎn)和儲(chǔ)存氫氣，從而減輕了電網(wǎng)的壓力。

然而，HFCVs的普及之路并非一帆風(fēng)順，其中最大的絆腳石之一是燃料電池的耐久性。尤其是氫燃料電池卡車(chē)，需要承受長(zhǎng)達(dá)20,000至30,000小時(shí)的行駛時(shí)間，這對(duì)于當(dāng)前的技術(shù)水平來(lái)說(shuō)，仍是一個(gè)難以逾越的鴻溝。

燃料電池的工作原理是通過(guò)氫氣和氧氣的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電力，但這一過(guò)程中，參與反應(yīng)的材料，特別是以鉑（Pt）為基礎(chǔ)的催化劑，會(huì)隨著時(shí)間的推移逐漸退化。這種退化不僅降低了燃料電池的效率和功率輸出，還大幅縮短了其使用壽命。

為了揭開(kāi)燃料電池老化的神秘面紗，查爾默斯科技大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)創(chuàng)了一種全新的研究方法。他們通過(guò)追蹤燃料電池在使用過(guò)程中特定粒子的變化，來(lái)探究導(dǎo)致老化的關(guān)鍵因素。博士生林尼亞·斯特蘭德伯格表示：“過(guò)去，我們只能在燃料電池使用后進(jìn)行老化分析，而現(xiàn)在，我們能夠?qū)崟r(shí)觀察到中間階段的變化?！?/p>

研究發(fā)現(xiàn)，燃料電池在啟動(dòng)/關(guān)閉（SUSD）過(guò)程中的退化尤為顯著。此時(shí)，燃料電池會(huì)經(jīng)歷快速的電壓變化，往往超過(guò)1.0V，這種極端條件加速了碳支撐的腐蝕。碳支撐是催化劑層的重要組成部分，但在高電壓下，碳會(huì)被氧化為二氧化碳，導(dǎo)致支撐結(jié)構(gòu)逐漸侵蝕和弱化。隨著碳支撐的退化，催化劑層開(kāi)始出現(xiàn)裂紋，并最終形成延伸至陰極催化劑層的裂縫。

為了更深入地了解這一過(guò)程，研究人員使用了相同位置掃描電子顯微鏡（IL-SEM）和相同位置透射電子顯微鏡（IL-TEM）技術(shù)，來(lái)追蹤催化劑層同一區(qū)域隨時(shí)間的變化。他們觀察到，隨著SUSD循環(huán)的進(jìn)行，催化劑層中的裂紋不斷形成和擴(kuò)展，這些裂紋暴露了底層膜，并導(dǎo)致催化劑片段的脫落。同時(shí)，納米尺度上的IL-TEM分析揭示了碳支撐退化導(dǎo)致鉑納米顆粒的聚集現(xiàn)象。

研究團(tuán)隊(duì)還將這些結(jié)構(gòu)變化與電化學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行了關(guān)聯(lián)分析。他們發(fā)現(xiàn)，高頻電阻（HFR）在循環(huán)過(guò)程中顯著增加，從最初的37 mΩ·cm2增加到500個(gè)循環(huán)后的45–50 mΩ·cm2，并在使用壽命結(jié)束時(shí)進(jìn)一步上升到80–150 mΩ·cm2。這一發(fā)現(xiàn)為理解燃料電池性能下降提供了重要線索。

查爾默斯物理系副教授比約恩·維克曼表示：“我們的研究為開(kāi)發(fā)更好的燃料電池奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)?，F(xiàn)在，我們對(duì)燃料電池內(nèi)部發(fā)生的過(guò)程以及這些過(guò)程在燃料電池使用壽命中的演變有了更深入的了解。未來(lái)，這種方法將用于研究和開(kāi)發(fā)能夠延長(zhǎng)燃料電池使用壽命的新材料?！?/p>

提高氫燃料電池的耐用性，對(duì)于其在商業(yè)和工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用至關(guān)重要。這不僅有助于推動(dòng)HFCVs的最終增長(zhǎng)，還可能在某些方面超越電動(dòng)汽車(chē)（EVs），成為內(nèi)燃機(jī)的有力競(jìng)爭(zhēng)者。