تأثیر هیدروژن خالص بر بازده سلول‌های سوختی و کاتالیست‌ها

تأثیر هیدروژن فوق‌خالص بر بازده سلول‌های سوختی و دوام کاتالیست‌ها

1.تأثیر بر بازده سلول‌های سوختی (Efficiency)

سلول‌های سوختی PEM به شدت به حضور ناخالصی‌ها در جریان سوخت حساس هستند. هیدروژن فوق‌خالص (به عنوان مثال، مطابق با استاندارد ISO 14687) تضمین می‌کند که این ناخالصی‌ها در سطح بسیار پایینی قرار دارند.

حفظ بازده: ناخالصی‌هایی مانند مونوکسید کربن (CO)، سولفید هیدروژن (H2​S)، آمونیاک (NH3​) یا ترکیبات گوگردی، می‌توانند به سرعت به سطح کاتالیست پلاتینیوم (که معمولاً در آند استفاده می‌شود) بچسبند. این پدیده که مسمومیت کاتالیست (Catalyst Poisoning) نامیده می‌شود، سایت‌های فعال کاتالیست را مسدود کرده و سرعت واکنش الکتروشیمیایی را به شدت کاهش می‌دهد. استفاده از هیدروژن فوق‌خالص، این مسمومیت را به حداقل می‌رساند و در نتیجه، بازده و توان خروجی سلول سوختی را در سطح مطلوب حفظ می‌کند.

عملکرد پایدار: هیدروژن خالص، فشار جزئی هیدروژن در آند را در سطح بالایی نگه می‌دارد. در حالی که رقیق شدن یا وجود ناخالصی‌ها می‌تواند این فشار را کاهش داده و عملکرد سلول را مختل کند.

۲. تأثیر بر دوام کاتالیست‌ها (Durability)

دوام کاتالیست یکی از بزرگترین چالش‌ها در تجاری‌سازی سلول‌های سوختی است و خلوص هیدروژن نقش مستقیمی در طول عمر آن ایفا می‌کند.

جلوگیری از تخریب شیمیایی: ناخالصی‌ها علاوه بر مسمومیت مستقیم، می‌توانند فرآیندهای تخریب شیمیایی دیگری را نیز تسریع کنند:

تخریب غشا: برخی ناخالصی‌ها (مانند یون‌های هالید) می‌توانند به غشای تبادل پروتون (Membrane) آسیب بزنند و باعث نازک شدن یا ایجاد سوراخ در آن شوند که این امر منجر به نشت سوخت و کاهش شدید دوام کل سلول می‌شود. هیدروژن فوق‌خالص، سلامت غشا را حفظ می‌کند.

حل شدن پلاتین: مسمومیت کاتالیست، می‌تواند منجر به افزایش ولتاژهای موضعی یا تغییر در pH محیط شود که این شرایط، حل شدن و انباشتگی مجدد (ری‌سپتاسیون) ذرات پلاتین را تسریع می‌کند. این امر به‌تدریج سطح فعال کاتالیست را کاهش داده و دوام آن را پایین می‌آورد.

افزایش طول عمر (Lifespan): با حذف ناخالصی‌های مضر، فرآیند تخریب کاتالیست به میزان قابل توجهی کُند می‌شود. به این ترتیب، استفاده از هیدروژن با خلوص بالا، مستقیماً به افزایش طول عمر و دوام کاتالیست و در نهایت، افزایش عمر عملیاتی کل سامانه سلول سوختی کمک می‌کند.

هیدروژن فوق‌خالص یک نیاز عملیاتی است. هرچند ممکن است تولید آن هزینه‌های بیشتری در پی داشته باشد، اما مزایای آن در جلوگیری از افت بازده، حفظ کیفیت توان خروجی و افزایش چشمگیر دوام کاتالیست‌ها و عمر مفید سلول سوختی، این هزینه‌ها را توجیه می‌کند. بدون هیدروژن فوق‌خالص، سلول‌های سوختی PEM قادر به دستیابی به عملکرد مورد انتظار و طول عمر لازم برای کاربردهای تجاری (به ویژه در وسایل نقلیه) نخواهند بود.

مکانیسم‌های تأثیرگذاری ناخالصی‌ها در سلول‌های سوختی

خلوص هیدروژن معمولاً در سطح 99.999%یا 99.9999% برای کاربردهای حساس تعریف می‌شود. در ادامه، تأثیرات ناخالصی‌های کلیدی را بررسی می‌کنیم:

۱. مونوکسید کربن (CO)

مونوکسید کربن خطرناک‌ترین ناخالصی برای کاتالیست‌های پلاتینیومی در دمای پایین (مانند PEMFCها که بین ۶۰ تا ۸۰ درجه سانتی‌گراد کار می‌کنند) است.

مکانیسم: مولکول‌های CO با پیوند بسیار قوی (پیوند شیمی‌جذبی) به سایت‌های فعال پلاتین متصل می‌شوند و جای هیدروژن را اشغال می‌کنند.

تأثیر بر بازده: حتی چند قسمت در میلیون (ppm) از CO می‌تواند به شدت عملکرد را کاهش دهد. با مسدود شدن محل‌های فعال، سرعت اکسیداسیون هیدروژن در آند کاهش یافته و ولتاژ خروجی سلول سقوط می‌کند.

اهمیت خلوص فوق‌العاده: هیدروژن فوق‌خالص اطمینان می‌دهد که غلظت CO کمتر از حد بحرانی (معمولاً کمتر از 10ppm برای خودروها و کمتر از 1ppm برای کاربردهای حساس‌تر) است تا از افت توان جلوگیری شود.

۲. ترکیبات گوگردی (H2S, COS)

این ناخالصی‌ها، که حتی در مقادیر بسیار کمتر از CO (در سطح قسمت در میلیارد – ppb) بسیار سمی هستند، معمولاً از فرایندهای تولید هیدروژن (مانند ریفرمینگ گازی) باقی می‌مانند.

مکانیسم: اتم‌های گوگرد (S) به شدت به کاتالیست پلاتین متصل شده و باعث مسمومیت دائمی یا طولانی‌مدت می‌شوند. پیوند گوگرد به پلاتین بسیار پایدارتر از پیوند CO است و حذف آن دشوارتر است.

تأثیر بر دوام: حضور مداوم گوگرد منجر به تخریب غیرقابل برگشت کاتالیست و کاهش شدید عمر آن می‌شود.

۳. آمونیاک (NH3​) و یون‌های قلیایی (مانند Na+وK+)

این مواد عمدتاً بر روی غشای تبادل پروتون (Membrane) تأثیر می‌گذارند.

مکانیسم: این یون‌ها و مولکول‌ها با سایت‌های سولفونیک اسید (وظیفه انتقال پروتون) در غشا واکنش می‌دهند و آن‌ها را خنثی می‌کنند.

تأثیر بر بازده و دوام: خنثی شدن این سایت‌ها باعث کاهش هدایت پروتون از آند به کاتد می‌شود. این کاهش هدایت پروتون، مقاومت داخلی سلول را افزایش داده و بازده الکتریکی را کاهش می‌دهد. علاوه بر این، تغییر شیمیایی غشا به مرور زمان باعث تخریب ساختاری آن نیز می‌شود.

چالش‌های تولید و سنجش خلوص

دستیابی به “هیدروژن فوق‌خالص” مستلزم سرمایه‌گذاری قابل توجهی در فرآیندهای خالص‌سازی است:

روش‌های تولید:

الکترولیز آب: این روش به طور کلی هیدروژن خالص‌تری نسبت به روش‌های حرارتی تولید می‌کند، به شرطی که کیفیت آب ورودی و مواد سلول الکترولیز شده (برای جلوگیری از آلودگی فلزات) به خوبی مدیریت شود.

ریفرمینگ گاز طبیعی با خالص‌سازی (SMR): برای رسیدن به خلوص مورد نیاز سلول سوختی، گاز خروجی باید از چندین مرحله خالص‌سازی مانند جابجایی آب-گاز (Water-Gas Shift) و جذب در تغییر فشار (PSA) عبور کند تا سطح CO به مقادیر ppm و ppb برسد.

    سنجش و پایش:

برای تأیید خلوص فوق‌العاده، تجهیزات آنالیز بسیار حساسی مانند کروماتوگرافی گازی با دتکتورهای تخصصی لازم است تا بتوانند ناخالصی‌ها را در سطوح بسیار پایین ppb اندازه‌گیری و پایش کنند. این پایش مستمر برای تضمین دوام سلول‌های سوختی حیاتی است.

هیدروژن فوق‌خالص نه تنها عملکرد لحظه‌ای سلول سوختی را بهینه نگه می‌دارد (با جلوگیری از مسمومیت CO و حفظ ولتاژ)، بلکه حیاتی‌ترین عامل در تضمین دوام و عمر مفید کاتالیست‌های پلاتینیوم و غشاهای پلیمری در طول سال‌ها کارکرد است (با جلوگیری از تخریب توسط ترکیبات گوگردی و قلیایی). این خلوص، اساس اقتصادی بودن فناوری سلول‌های سوختی در حمل و نقل و تولید انرژی است.