Perché le celle a combustibile a idrogeno "falliscono quando vengono utilizzate su larga scala"?

Come tecnologia fondamentale nel campo della conversione dell'energia pulita, celle a combustibile a idrogeno dimostrano costantemente un potenziale prestazionale pressoché perfetto in ambienti di laboratorio – elevata efficienza, elevata densità di potenza, eccellenti caratteristiche di avviamento e stabilità – rendendole una "stella tecnologica" nel settore dell'energia pulita. Tuttavia, quando la tecnologia viene estesa da singole celle di piccola area in laboratorio ad applicazioni reali come l'energia per autoveicoli e la generazione di energia distribuita, l'efficienza del sistema, la stabilità della potenza erogata e la durata subiscono spesso un degrado significativo, che in genere va dal 20% al 50%. Si tratta essenzialmente di un'ondata concentrata di problemi che interessano più dimensioni, tra cui le proprietà dei materiali, l'integrazione dei componenti e la regolazione del sistema, una volta estesa.

1. Laboratorio vs. Mondo reale: due ambienti operativi drasticamente diversi

Il fulcro dei test di laboratorio per le celle a combustibile è "controllo preciso ed eliminazione delle interferenze". Prendendo come esempio il protocollo di test DOE (Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti) accettato a livello internazionale, il processo di test richiede il mantenimento di una temperatura costante (tipicamente 60-80 °C), umidità costante (umidità relativa 80%-100%), gas reagente ad alta purezza (purezza dell'idrogeno 99,97%, contenuto di impurità <10 ppm) e condizioni di carico stabili. Batterie a cella singola di piccola area (tipicamente

Tuttavia, le applicazioni reali sono piene di incertezze: nei gruppi propulsori automobilistici, frequenti cicli di avvio e arresto, rapide accelerazioni e decelerazioni causano drastiche fluttuazioni del carico; la generazione di energia distribuita richiede la gestione di variazioni di temperatura diurne, variazioni di umidità e fornitura di idrogeno di diversa purezza; persino i dispositivi portatili sono soggetti a variazioni casuali della temperatura ambiente e delle condizioni di flusso del gas. Ancora più importante, le apparecchiature di controllo preciso della temperatura e dell'umidità utilizzate nei test di laboratorio, a prescindere dal consumo energetico, devono essere azionate dalla cella a combustibile stessa nei sistemi reali, comprimendo ulteriormente la potenza di uscita effettiva.

2.Meccanismo di disattivazione dinamica dei catalizzatori

Da un lato, i frequenti cicli di avvio-arresto e le variazioni di carico nelle applicazioni causano drastiche fluttuazioni del potenziale catodico tra 0,4 e 1,0 V. Questo ciclo di potenziale accelera il processo di dissoluzione-rideposizione delle nanoparticelle di platino (Pt), portando all'ingrossamento delle particelle e alla corrosione elettrochimica del supporto in carbonio, causando infine il distacco delle particelle del catalizzatore. I dati dei test di stress accelerati del consorzio USDRIVE negli Stati Uniti mostrano che, in test che simulano 100.000 km di condizioni di guida di veicoli passeggeri, la superficie attiva del Catalizzatore Pt è diminuito del 42% entro 1000 ore, mentre nei test di laboratorio in condizioni stazionarie, il tasso di perdita nello stesso periodo di tempo era solo dell'8%.

D'altra parte, i gas di impurità negli scenari reali aggravano l'avvelenamento del catalizzatore. L'idrogeno ad alta purezza (impurità <10 ppm) e l'aria pulita utilizzata nei test di laboratorio sono difficili da garantire in scenari reali. L'idrogeno derivato da sottoprodotti industriali può contenere impurità come CO (spesso >50 ppm) e H₂S, mentre inquinanti come SOx e NOx presenti nell'aria entrano nella batteria con l'aria di aspirazione. Queste impurità si adsorbono irreversibilmente sui siti attivi del Pt, formando uno strato di adsorbimento denso che blocca la reazione. Ad esempio, l'energia di adsorbimento di CO e Pt può arrivare fino a -60 kJ/mol; anche l'accumulo a lungo termine di CO a livello di ppb porta a una significativa riduzione dell'attività del catalizzatore. I dati dei test della Toyota Motor Corporation in Giappone mostrano che quando il contenuto di CO nell'idrogeno raggiunge i 20 ppm, la potenza di uscita della cella a combustibile diminuisce del 20% entro 200 ore; se il contenuto di CO aumenta a 50 ppm, la riduzione di potenza può raggiungere il 45% nello stesso periodo di tempo.

3. Degradazione combinata del Membrana a scambio protonico:

Nel funzionamento effettivo, le variazioni del carico della cella a combustibile sono accompagnate da fluttuazioni nella quantità di acqua prodotta nella reazione, causando la ripetizione del processo di "assorbimento ed espansione dell'acqua - perdita e contrazione dell'acqua" nella membrana a scambio protonico, generando uno stress meccanico continuo che, in ultima analisi, porta alla propagazione e alla perforazione delle crepe nella membrana. I dati di ricerca del Max Planck Institute in Germania mostrano che, nei test di cicli dinamici di umidità che simulano le condizioni automobilistiche, la resistenza alla trazione delle membrane a scambio protonico perfluorurate è diminuita del 30% dopo 500 cicli e sono comparse crepe significative dopo 1000 cicli. Contemporaneamente, durante il funzionamento della cella a combustibile, le regioni a basso potenziale e ad alta concentrazione di ossigeno generano radicali idrossilici (.OH). Queste sostanze fortemente ossidanti attaccano la struttura polimerica della membrana, causando una diminuzione del peso molecolare, danni alla struttura dei cluster ionici e, in ultima analisi, una perdita di conduttività protonica. I test dimostrano che la velocità di rilascio degli ioni fluoruro della membrana perfluorurata in condizioni dinamiche raggiunge 1,2 pg/(cm²·h), ovvero 12 volte superiore a quella rilevata in laboratorio in condizioni di umidità costante (0,1 pg/(cm²·h)). L'elevato rilascio di ioni fluoruro riflette direttamente il grado di degradazione della struttura della membrana.

4.La sovrapposizione di disomogeneità e perdite di sistema:

Ampliare l'area della batteria dal livello di laboratorio (<50 cm²) a livello commerciale (>200 cm²) porta a significative disomogeneità nella distribuzione interna del gas, nella densità di corrente e nella distribuzione della temperatura, accelerando significativamente il degrado dei materiali. Più problematico è l'amplificazione dell'"effetto del collegamento più debole" quando centinaia di celle sono collegate in serie per formare uno stack. Ciò significa che un degrado delle prestazioni in una singola cella può trascinare l'intero stack verso il basso, con conseguente significativa riduzione di potenza e durata. I dati dei test condotti da General Motors negli Stati Uniti mostrano che in uno stack composto da 200 celle, se la deviazione della consistenza delle singole celle aumenta dal 3% all'8%, la potenza di uscita complessiva dello stack diminuisce del 22% e la sua durata si riduce del 35%.

L'integrazione del sistema introduce perdite di efficienza e ritardi nella risposta dinamica. Nel funzionamento reale, il sistema Balance of Production (BOP), che fornisce aria, umidità e raffreddamento allo stack, consuma una quantità significativa di energia, riducendo potenzialmente l'efficienza netta del sistema da oltre il 55% in laboratorio a circa il 40%. Allo stesso tempo, in condizioni dinamiche come la rapida accelerazione del veicolo o lo start-stop, la velocità di risposta di questi sistemi ausiliari è molto inferiore alle variazioni della domanda di potenza, con conseguenti cali di potenza istantanei e aggravando i danni a componenti critici come la membrana a scambio protonico, accelerando così il degrado complessivo delle prestazioni del sistema. I dati reali del veicolo a celle a combustibile Toyota Mirai confermano questo fenomeno: l'efficienza massima dello stack è del 58%, ma l'efficienza netta dell'intero sistema di alimentazione è solo del 42%, con la differenza fondamentale nelle perdite dei sistemi ausiliari.

5. Dalla simulazione delle condizioni operative alla progettazione integrata

Per colmare il divario prestazionale tra gli ambienti di "laboratorio" e quelli del "mondo reale" sono necessarie innovazioni collaborative in tre dimensioni: metodi di test, progettazione strutturale e integrazione dei sistemi.

In primo luogo, è necessario definire un sistema di test che rifletta fedelmente le reali condizioni operative dinamiche. Partendo dai test in regime stazionario, è necessario introdurre standard di test dinamici con variabili ambientali e cicli di carico. Replicando le condizioni operative reali, è possibile evidenziare in anticipo la fragilità di materiali e componenti, riducendo la discrepanza tra i dati di laboratorio e quelli reali.

In secondo luogo, ottimizzare la struttura e i materiali delle batterie di grandi dimensioni. Per risolvere i problemi di disomogeneità dopo l'aumento di scala, è possibile applicare elettrodi a gradiente e canali di flusso biomimetici per ridurre le deviazioni della densità di corrente. Allo stesso tempo, è possibile sviluppare materiali chiave come catalizzatori altamente stabili e membrane a scambio protonico autoriparanti per migliorare la durabilità dalla sorgente.

In terzo luogo, promuovere la progettazione integrata dei sistemi. Il consumo energetico può essere ridotto ottimizzando la progettazione strutturale dei sistemi ausiliari.

Futuro e prospettive:

La tecnologia delle celle a combustibile sta colmando costantemente il divario tra il "laboratorio" e le "applicazioni nel mondo reale" attraverso l'innovazione collaborativa multidisciplinare. Grazie a una comprensione più approfondita dei sistemi a celle a combustibile a idrogeno, i ricercatori sono in grado di prevedere con maggiore precisione le prestazioni delle batterie su larga scala e di ottimizzare la progettazione delle strutture di stack, accelerando così la maturazione e l'applicazione su larga scala di questa tecnologia energetica pulita.