Electrode degradation during a chemical/mechanical accelerated stress test of membranes in polymer electrolyte membrane fuel cells

غالبًا ما تُوصف خلايا الوقود بأنها المحركات النظيفة للمستقبل، وهي أجهزة تحول الهيدروجين والأكسجين إلى كهرباء دون حرق أي شيء أو نفث الدخان. داخل هذه الآلات، يعمل غشاء رقيق ومرن يُسمى "الغشاء" كقلب للعملية. يسمح هذا الغشاء بمرور الجسيمات المشحونة الصغيرة مع الحفاظ على فصل غازات الوقود، وهو توازن دقيق يجب الحفاظ عليه لكي يعمل الجهاز. ومع ذلك، مثل أي جزء ميكانيكي يتعرض لضغط مستمر، يمكن لهذا الغشاء أن يتآكل. في العالم الحقيقي، تواجه خلايا الوقود تغيرات في الرطوبة ودرجة الحرارة، مما يسبب انتفاخ وانكماش الغشاء بشكل متكرر. وللتنبؤ بمدى طول عمر هذه الأجهزة، يستخدم العلماء اختبارات معجلة تحاكي سنوات من التآكل في غضون أساباء فقط، عبر إخضاع الغشاء لدورات سريعة من الترطيب والتجفيف مع تثبيته عند جهد كهربائي محدد.

لسنوات، اعتقد الباحثون أن هذه الاختبارات المحددة صُممت لقياس متانة الغشاء نفسه فقط. وكان الافتراض هو أنه إذا نجا الغشاء من الإجهاد، فإن بقية خلية الوقود ستكون بخير. لكن فريقًا من الباحثين من كوريا الجنوبية، بقيادة ييجون هان وكوونبيل بارك، قرروا النظر عن كثب فيما يحدث للمحفزات المعدنية القابعة على جانبي ذلك الغشاء خلال هذه الاختبارات. أرادوا معرفة ما إذا كانت الظروف القاسية التي تهدف لاختبار الغشاء تسبب أيضًا ضررًا صامتًا للأقطاب الكهربائية، وهي الأجزاء المسؤولة عن توليد الكهرباء. كشف تحقيقهم عن قصة أكثر تعقيدًا: الاختبار لا يجهد الغشاء فحسب؛ بل يحفز تفاعلًا متسلسلًا حيث تتدهور الأقطاب الكهربائية والغشاء في وقت واحد، مما يسرع من فشل النظام بأكمله.

قام الباحثون ببناء خلية وقود قياسية باستخدام غشاء رقيق وطلاء الأقطاب الكهربائية بالبلاتين، وهو معدن ثمين يعمل كمحفز لتسريع التفاعلات الكيميائية. ثم أخضعوا هذه الخلية لستة آلاف دورة من الترطيب والتجفيف، وهي عملية مصممة لمحاكاة الإجهاد البيئي الشديد. خلال الدورات الخمسة آلاف الأولى، تصرفت خلية الوقود بطريقة يمكن التنبؤ بها؛ حيث تذبذب الجهد قليلاً مع امتصاص الغشاء للماء وإطلاقه، لكن هذه التغييرات كانت عكسية، مما يعني أن الخلية كانت تستعيد حالتها في كل مرة. انخفضت كمية البلاتين المتاحة للقيام بمهمتها ببطء، وظل الغشاء سليمًا إلى حد كبير. بدا في هذه المرحلة أن الاختبار يسير كما هو متوقع، مع صمود الغشاء جيدًا تحت الإجهاد الميكانيكي.

ومع ذلك، بمجرد تجاوز الخلية حاجز الخمسة آلاف دورة، تغير سلوك خلية الوقود بشكل جذري. أصبحت تقلبات الجهد دائمة وشديدة، مما يشير إلى وقوع شيء غير قابل للانعكاس. وجد الباحثون أن محفز البلاتين، الذي كان يتدهور ببطء، قد وصل أخيرًا إلى نقطة الانهيار. بدأت جزيئات المعدن، التي تبدأ كذرات صغيرة، في التكتل والنمو لتصبح أكبر، مما أفقدها فعاليتها في توليد الكهرباء بكفاءة. والأهم من ذلك، أن بعض هذا البلاتين ذاب وانتقل إلى داخل الغشاء نفسه. ومع استقرار هذه الجزيئات المعدنية داخل الغشاء، خلقت جسورًا موصلة صغيرة سمحت للإلكترونات بالتسرب عبر الحاجز في الأماكن التي لا ينبغي لها الذهاب إليها. هذه الظاهرة، المعروفة باسم "التماس الكهربائي الداخلي" (shorting)، تشبه عطلًا كهربائيًا داخليًا صغيرًا يتجاوز المسار المقصود للمحرك.

كانت الأدلة على هذا التماس الداخلي صارخة. استخدم الباحثون كاميرات التصوير الحراري للنظر في خلية الوقود المتدهورة، ووجدوا بقعًا ساخنة محددة حيث ارتفعت درجة الحرارة بشكل حاد. تطابقت هذه البقع الساخنة تمامًا مع المناطق التي تعرض فيها الغشاء للخلل بسبب تسرب الإلكترونات. وجود هذه المسارات الموصلة يعني أن الغشاء لم يعد مجرد حاجز سلبي؛ بل أصبح موقعًا لفشل كهربائي نشط. وبدأ غاز الهيدروجين، الذي كان ينبغي فصله، في العبور عبر الغشاء بكميات أكبر بكثير، مما سرع من التحلل الكيميائي. إن الاختبار، الذي كان يهدف إلى قياس مدى صمود الغشاء، تسبب دون قصد في تدهور الأقطاب الكهربائية جنبًا إلى جنب مع الغشاء، وأدى ذلك التدهور المزدوج إلى تدمير الغشاء بشكل أسرع بكثير مما لو كان بمفرده.

أظهرت البيانات أنه بحلول نهاية الدورات الستة آلاف، انخفضت مساحة السطح النشطة لمحفز البلاتين إلى النصف، وانخفضت المقاومة للتماس الكهربائي إلى مستوى حرج. لاحظ الباحثون أن معدل تدهور المحفز قد زاد بمقدار خمسة أضعاف في الألف دورة الأخيرة، وهو تسارع حاد مدفوع بالتماس نفسه الذي ساعد في إنشائه. يتحدى هذا الاكتشاف الرؤية التقليدية لكيفية عمل اختبارات المتانة هذه؛ فهو يشير إلى أن دورة (الجهد المفتوح - الترطيب/التجفيف) ليست اختبارًا للغشاء بمعزل عن غيره، بل هي اختبار للمجموعة بأكملها وهي تعمل معًا. إن تدهور المحفز المعدني والإجهاد الميكانيكي على الغشاء مرتبطان في حلقة مفرغة حيث يؤدي فشل أحدهما إلى تسريع فشل الآخر.

تخلص هذه الدراسة إلى أن البروتوكول القياسي المستخدم لتقييم متانة خلايا الوقود هو في الواقع اختبار مزدوج يجهد كلاً من الأقطاب الكهربائية والغشاء في آن واحد. وجد الباحثون أن الغشاء لم يفشل بسبب الإجهاد الميكانيكي وحده، بل لأن الأقطوب الكهربائية تدهورت بالتزامن معه، مما خلق مسارات موصلة سرعت من تدمير الغشاء. لقد عملت جزيئات البلاتين، التي ذابت ثم ترسبت داخل الغشاء، كمحفزات لانهيار الغشاء نفسه. وهذا يعني أنه عندما يصمم المهندسون خلايا الوقود للاستخدام طويل الأمد، لا يمكنهم التركيز ببساطة على جعل الغشاء أكثر قوة، بل يجب عليهم أيضًا ضمان بقاء المحفزات مستقرة تحت ظروف الإجهاد هذه، لأنه إذا فشل المحفز، فسيتبعه الغشاء. إن الطريق نحو خلية وقود أكثر متانة يكمن في فهم هذه العلاقة المعقدة بين المحفزات المعدنية وغشاء البوليمر، بدلاً من معاملتهما كمكونات منفصلة.