Development of an Accelerated Stress Test Protocol for Rapid Catalyst Degradation Evaluation in Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell Stacks

لقد وضعت مساعي البحث عن طاقة نظمة لتشغيل المستقبل بؤرة الضوء على جهاز يحول الهيدروجين والهواء إلى كهرباء: خلية الوقد ذات غشاء البوليمر الإلكتروليتي. وغالباً ما تُرى هذه الخلايا كقلب للمركبات عديمة الانبعاثات، وهي تعتمد على "ساندوتش" دقيق من المواد، بما في ذلك غشاء رقيق وطبقة محفزة، مصنوعة عادة من البلاتين، لتسريع التفاعل الكيميائي. وبينما تعد هذه التقنية بمستقبل خالٍ من عوادم السيارات، لا يزال هناك عقبة رئيسية تتمثل في التكلفة وطول العمر الافتراضي. فالمحفز البلاتيني باهظ الثمن، ولجعل هذه التقنية قابلة للتطبيق في السيارات والشاحنات اليومية، يجب على المهندسين استخدام كمية أقل منه مع ضمان استمرار النظام لآلاف الساعات. تكمن المشكلة في أن هذه الخلايا تعمل تحت طلبات متغيرة باستمرار، تماماً مثل سيارة تتسارع وتكبح، مما يؤدي إلى تدهور جزيئات البلاتين الصغيرة بمرور الوقت. ولإصلاح ذلك، يحتاج العلماء إلى معرفة مدى سرعة تآكل المحفز بدقة، لكن اختبار مجموعة خلايا وقود حقيقية حتى تفشل قد يستغرق سنوات، مما يجعل التطوير السريع أمراً مستحيلاً تقريباً.

وقد سعى باحثون في جامعة سونتشون الوطنية في كوريا الجنوبية لحل مشكلة التوقيت هذه عبر تطوير طريقة جديدة لاختبار متانة خلايا الوقود بسرعة ودقة. فبدلاً من اختبار خلية واحدة في إعداد مختبري، وهو ما لا يحاكي تماماً مجموعة خلايا المركبة الحقيقية، قاموا ببناء مجموعة صغيرة مكونة من ثلاث خلايا وأخضعوها لسلسلة من اختبارات الإجهاد الصارمة. صمم الفريق أربعة سيناريوهات مختلفة لمعرفة أي الظروف ستجعل المحفز يفشل بأسرع وقت. وقد قاموا بتغيير درجة الحرارة، ونوع الغاز المغذي للخلية، ونطاق الجهد الكهربائي الذي يتعين على المجموعة التعامل معه. ومن خلال دفع المجموعة عبر آلاف الدورات من هذه الظروف، تمكنوا من مراقبة انخفاض الأداء وتحليل التغيرات الفيزيائية التي تحدث داخل طبقة المحفز.

وكشفت النتائج عن تسلسل هرمي واضح لما يلحق الضرر بالمحفز. فعندما رفع الباحثون ببساطة درجة حرارة التشغيل بمقدار عشر درجات مئوية، تدهور أداء خلية الوقود بنسبة ستة وثلاثين بالمائة أسرع من الظروف القياسية. وهذا يشير إلى أن الحرارة وحدها تسرع العمليات الكيميائية التي تكسر المحفز. ومع ذلك، حدث تسارع أكثر دراماتيكية عندما قاموا باستبدال إمداد الغاز من الهواء العادي بالأكسجين النقي وزيادة الحد الأعلى للجهد. تسبب هذا المزيج في قفزة في معدل التدهور بنسبة خمسة وثمانين بالمائة. وكان الاختبار الأكثر شدة هو الذي جمع بين الحرارة العالية والأكسجين النقي ونطاق جهد أوسع، مما دفع المجموعة إلى نقطة الانهيار في غضون خمسة عشر ألف دورة فقط. كان هذا أسرع بأكثر من الضعف من الاختبارات القياسية، مما يثبت أن المزيج الصحيح من عوامل الإجهاد يمكن أن يضغط سنوات من التآكل في غضون أسابيع.

ولفهم سبب كون هذه الظروف مدمرة للغاية، نظر الفريق داخل خلايا الوقود بعد انتهاء الاختبارات. ووجدوا أن جزيئات البلاتين، التي تبدأ ككتل صغيرة بحجم 2.7 نانومتر تقريباً، قد نمت بشكل ملحوظ وانتشرت بشكل غير متساوٍ. وفي الاختبار الأكثر عدوانية، نمت الجزيئات لتصل إلى متوسط حجم 5.6 نانومتر في نصف الوقت الذي استغرقه الاختبار القياسي للوصول إلى مستوى مماثل من الضرر. لاحظ الباحثون أن البلاتين كان يذوب ثم يعاد ترسبه على جزيئات أكبر، وهي عملية تقلل إجمالي مساحة السطح المتاحة لإنتاج الكهرباء. وتشير الدراسة إلى أن مفتاح تسريع هذا التآكل ليس الحرارة فحسب، بل خلق بيئة يكون فيها البلاتين أكثر عرضة للأكسدة والذوبان. ويحدث هذا عندما يكون الجهد عالياً وتركيز الأكسجين غنياً، مما يتسبب في تفكك المعدن وإعادة تشكله في كتل أكبر وأقل فعالية.

يوفر هذا العمل خارطة طريق عملية للمهندسين الذين يحتاجون إلى تقييم تصميمات خلايا الوقود الجديدة دون انتظار عقود من الزمن للحصول على النتائج. فمن خلال استخدام طريقة اختبار قائمة على الحمل تحاكي التقلبات الواقعية للقيادة، بدلاً من الاعتماد على معدات مخبرية ثابتة، أظهر الفريق أنه من الممكن التنبؤ بالمتانة طويلة الأمد بسرعة. وتشير النتائج إلى أنه لبناء خلايا وقود تدوم لفترة أطول، يجب على المصنعين توخي الحذر بشأن كيفية إدارة الجهد وتكوين الغاز، حيث أن هذه العوامل هي التي تقود التفاعلات الكيميائية التي تدمر المحفز. وتوفر البروتوكولات الجديدة طريقة موثوقة لاختبار هذه الأنظمة على مستوى المجموعة، مما يضمن أن تكون خلايا الوقود التي تشغل مركبات المستقبل متينة بما يكفي للطريق وبسعر مناسب بما يكفي للسوق.