氢燃料电池车辆（HFCVs）作为零排放交通的未来之星，尽管在全球范围内受到越来越多的关注，但在实际道路上却鲜见其身影。这类车辆的最大亮点在于，其排放物仅为水蒸气，如果氢气源自可再生能源，更可实现零碳排放。与依赖电网的电池电动汽车不同，HFCVs通过使用非高峰时段的低价电力来生产和储存氢气，从而减轻了电网的压力。
然而，HFCVs的普及之路并非一帆风顺，其中最大的绊脚石之一是燃料电池的耐久性。尤其是氢燃料电池卡车，需要承受长达20,000至30,000小时的行驶时间，这对于当前的技术水平来说，仍是一个难以逾越的鸿沟。
燃料电池的工作原理是通过氢气和氧气的化学反应产生电力，但这一过程中，参与反应的材料，特别是以铂（Pt）为基础的催化剂，会随着时间的推移逐渐退化。这种退化不仅降低了燃料电池的效率和功率输出，还大幅缩短了其使用寿命。
为了揭开燃料电池老化的神秘面纱，查尔默斯科技大学的研究团队开创了一种全新的研究方法。他们通过追踪燃料电池在使用过程中特定粒子的变化，来探究导致老化的关键因素。博士生林尼亚·斯特兰德伯格表示：“过去，我们只能在燃料电池使用后进行老化分析，而现在，我们能够实时观察到中间阶段的变化。”
研究发现，燃料电池在启动/关闭（SUSD）过程中的退化尤为显著。此时，燃料电池会经历快速的电压变化，往往超过1.0V，这种极端条件加速了碳支撑的腐蚀。碳支撑是催化剂层的重要组成部分，但在高电压下，碳会被氧化为二氧化碳，导致支撑结构逐渐侵蚀和弱化。随着碳支撑的退化，催化剂层开始出现裂纹，并最终形成延伸至阴极催化剂层的裂缝。
为了更深入地了解这一过程，研究人员使用了相同位置扫描电子显微镜（IL-SEM）和相同位置透射电子显微镜（IL-TEM）技术，来追踪催化剂层同一区域随时间的变化。他们观察到，随着SUSD循环的进行，催化剂层中的裂纹不断形成和扩展，这些裂纹暴露了底层膜，并导致催化剂片段的脱落。同时，纳米尺度上的IL-TEM分析揭示了碳支撑退化导致铂纳米颗粒的聚集现象。
研究团队还将这些结构变化与电化学数据进行了关联分析。他们发现，高频电阻（HFR）在循环过程中显著增加，从最初的37 mΩ·cm²增加到500个循环后的45–50 mΩ·cm²，并在使用寿命结束时进一步上升到80–150 mΩ·cm²。这一发现为理解燃料电池性能下降提供了重要线索。
查尔默斯物理系副教授比约恩·维克曼表示：“我们的研究为开发更好的燃料电池奠定了坚实基础。现在，我们对燃料电池内部发生的过程以及这些过程在燃料电池使用寿命中的演变有了更深入的了解。未来，这种方法将用于研究和开发能够延长燃料电池使用寿命的新材料。”
提高氢燃料电池的耐用性，对于其在商业和工业领域的广泛应用至关重要。这不仅有助于推动HFCVs的最终增长，还可能在某些方面超越电动汽车（EVs），成为内燃机的有力竞争者。
