تطبيقات طاقة الهيدروجين
ضمان نقاء الهيدروجين لتحقيق الأداء الأمثل لخلايا الوقود
بالاعتماد على تقنية متطورة للكشف عن نقاء الهيدروجين، يتم ضمان الأداء الأمثل لخلايا الوقود. ومن خلال مراقبة الملوثات والتحكم بها، مثل آثار الرطوبة والأكسجين وأول أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكربون والنيتروجين والهيدروكربونات الكلية والكبريت، يتم حماية خلايا الوقود ورفع كفاءة التشغيل إلى أقصى حد.
أهمية نقاء الهيدروجين في خلايا الوقود
تؤدي خلية الوقود دورًا محوريًا في سلسلة إمداد طاقة الهيدروجين، لا سيما في قطاع النقل كالقطارات والسيارات والسفن. فهي تحوّل الهيدروجين بكفاءة إلى كهرباء، منتجةً طاقة نظيفة لا ينتج عنها سوى الماء كمنتج ثانوي. وسواءً أكان الهيدروجين مُستمدًا مباشرةً من نظام الإنتاج أو نظام التخزين، فإن خلايا الوقود تتطلب هيدروجينًا عالي النقاء لتحقيق الأداء الأمثل. وأي شوائب في الهيدروجين عالي النقاء قد تُقلل من كفاءة خلية الوقود وتُسبب أضرارًا طويلة الأمد.
تُعدّ خلايا الوقود شديدة الحساسية للشوائب، التي قد تُسبب آثارًا سلبية متنوعة. حتى الملوثات الضئيلة، مثل الرطوبة (H2O) والأكسجين (O2) والنيتروجين (N2) وأول أكسيد الكربون (CO)، يُمكن أن تُعيق كفاءة تحويل الطاقة وتُقلل من إنتاج الطاقة. مع مرور الوقت، يُمكن لهذه الملوثات أيضًا أن تُلحق الضرر بمكونات خلية الوقود، وخاصةً المحفزات (غشاء تبادل البروتونات)، مما يُؤدي إلى ارتفاع تكاليف الصيانة أو الاستبدال. بالنسبة لخلايا الوقود المُتوافقة مع معيار GB/T 37244-2018، مواصفات وقود مركبات خلايا الوقود ذات غشاء تبادل البروتونات - الهيدروجين، ومعيار ISO 14687:2019(E)، من الأهمية بمكان الحفاظ على نقاء الهيدروجين، حيث يضع هذا المعيار حدودًا صارمة على تركيزات الشوائب مثل H2O وO2 وN2. تختلف الخصائص المحددة ومحتوى الشوائب في الهيدروجين باختلاف مصدره، سواء كان ذلك من خلال إعادة تشكيل الميثان بالبخار، أو التحلل الحراري للميثانول، أو إنتاج الأكسجين من غاز فرن الكوك، أو تنقية الهيدروجين الرمادي، أو التحليل الكهربائي. وقد تُدخل كل طريقة من طرق إنتاج الهيدروجين ملوثات مختلفة، والتي يجب مراقبتها والتحكم بها قبل دخول الهيدروجين إلى خلية الوقود.
مؤشرات الكشف الرئيسية عن نقاء الهيدروجين لخلايا الوقود
لضمان أن الهيدروجين المستخدم في خلايا الوقود يفي بالمعايير اللازمة للأداء العالي، فإن مؤشرات الكشف الرئيسية التالية عن النقاء تعتبر بالغة الأهمية:
● الرطوبة في الهيدروجين (بخار الماء): قد يؤدي ارتفاع نسبة الرطوبة بشكل مفرط إلى إعاقة التفاعل الكهروكيميائي داخل خلية الوقود، مما يقلل من كفاءتها، وقد يتسبب في تلف مكوناتها. لذا، يُعدّ رصد نسبة الرطوبة الضئيلة في الهيدروجين أمرًا بالغ الأهمية لضمان جفافه بشكل كافٍ للحفاظ على الأداء الأمثل لخلايا الوقود.
● الأكسجين في الهيدروجين: يمكن أن يؤدي تلوث الهيدروجين بالأكسجين إلى تقليل إنتاج الطاقة وكفاءة خلايا الوقود. حتى الكميات الضئيلة من الأكسجين قد تُؤدي إلى تدهور أداء خلايا الوقود بشكل ملحوظ مع مرور الوقت. يضمن الرصد المستمر لمحتوى الأكسجين خلو الهيدروجين من هذا الملوث الضار.
● أول أكسيد الكربون (CO): يُعدّ أول أكسيد الكربون من أخطر الملوثات التي تُصيب خلايا الوقود، وخاصةً خلايا الوقود ذات غشاء تبادل البروتونات (PEM). يمتصّ أول أكسيد الكربون على سطح محفز البلاتين، مما يُقلّل من قدرته على تسهيل تفاعل الهيدروجين والأكسجين. حتى كميات ضئيلة من أول أكسيد الكربون قادرة على تدهور أداء خلية الوقود وعمرها الافتراضي بشكل كبير. لذا، يُعدّ رصد محتوى أول أكسيد الكربون أمرًا بالغ الأهمية لمنع تسمم المحفز.
● الأمونيا (NH3): يُعدّ الكشف عن آثار الأمونيا في الهيدروجين المستخدم في خلايا الوقود أمرًا بالغ الأهمية لحماية المحفز، والحفاظ على أداء خلية الوقود، وضمان السلامة، ومراقبة الجودة. في التطبيقات العملية، تُعدّ طرق وأجهزة التحليل الليزري TDLAS عالية الحساسية ضرورية للكشف بدقة عن آثار الأمونيا في الهيدروجين.
● مستوى نقاء الهيدروجين: يجب أن يتوافق مستوى نقاء الهيدروجين الإجمالي مع معايير صارمة مثل GB/T 37244-2018، مواصفات وقود مركبات خلايا الوقود ذات غشاء تبادل البروتونات - الهيدروجين، وISO 14687:2019(E)، والتي تحدد متطلبات مستويات الملوثات المقبولة في الهيدروجين المستخدم في خلايا الوقود. يضمن الرصد المستمر لنقاء الهيدروجين امتثاله لهذه المعايير، ويمنع تدهور الأداء، ويرفع كفاءة خلية الوقود إلى أقصى حد.
اعتبارات السلامة الإضافية: التركيب وسلامة النظام
إلى جانب مخاوف النقاء، تُعدّ تدابير السلامة الخاصة بالتركيب وسلامة النظام بالغة الأهمية لتخزين الهيدروجين وتوزيعه داخل أنظمة خلايا الوقود. يجب تركيب نظام للكشف عن التسربات لتحديد أي تسربات في إمدادات الهيدروجين، والتي قد تُشكّل مخاطر جسيمة على السلامة. علاوة على ذلك، يُمكن استخدام التخميل (أي إضافة غاز خامل لتقليل خطر الاحتراق) لحماية النظام من حوادث الاشتعال العرضية.
ما هي أجهزة التحليل المستخدمة للكشف عن نقاء الهيدروجين لخلايا الوقود؟
للحفاظ على مستوى نقاء الهيدروجين المطلوب لتشغيل خلية الوقود، يتم استخدام مجموعة متنوعة من أجهزة التحليل المتقدمة للكشف عن الملوثات وإزالتها قبل دخول الهيدروجين إلى خلية الوقود.
| عنصر القياس | طلب | المنتج الموصى به |
| الرطوبة (H2O) | يقوم جهاز تحليل الرطوبة بالكشف عن بخار الماء في الهيدروجين لضمان أن الهيدروجين جاف بما فيه الكفاية لتشغيل خلية الوقود، وبالتالي منع فقدان الكفاءة وتلف مكونات خلية الوقود. | CI-AM171\ CI-PC35-2 |
| نقاء الهيدروجين (H2) | توفر أجهزة تحليل النقاء بيانات فورية حول الجودة الإجمالية للهيدروجين، مما يضمن مطابقته لمعايير النقاء لتطبيقات خلايا الوقود، مثل معيار GB/T 37244-2018 الخاص بمواصفات وقود مركبات خلايا الوقود ذات غشاء تبادل البروتونات - الهيدروجين، ومعيار ISO 14687:2019(E). وهذا يضمن تشغيل خلايا الوقود بكفاءة عالية دون مخاطر التلوث. | CI-551-2، CI-PC9280-PDHID كروماتوغراف |
| الأكسجين (O2) | يقوم محلل الأكسجين بمراقبة وجود الأكسجين في الهيدروجين بشكل مستمر لضمان بقاء مستويات الأكسجين ضمن الحدود المقبولة ومنع تسمم المحفز. | CI-PC95-2\ CI-PC951-2\ CI-PC935 |
| أول أكسيد الكربون (CO) | تُعد أجهزة تحليل أول أكسيد الكربون ضرورية للكشف عن مستويات أول أكسيد الكربون الضئيلة، ومنع تسمم محفزات البلاتين في خلايا الوقود والحفاظ على كفاءة عالية. | CI-PC21\ CI-PC9280-PDHIDChromatograph |
| ثاني أكسيد الكربون (CO2) | يُعد الكشف عن آثار ثاني أكسيد الكربون في الهيدروجين لخلايا الوقود إجراءً رئيسيًا لضمان التشغيل الفعال والمستقر وإطالة عمر خدمة خلايا الوقود. | CI-PC21\ CI-PC9280-PDHIDChromatograph |
| CnHm\CH4 | قد تخضع مركبات الهيدروكربون لتفاعلات أكسدة داخل خلايا الوقود، مما ينتج عنه ثاني أكسيد الكربون والماء. وهذا لا يؤدي فقط إلى تخفيف تركيز الهيدروجين وتقليل قدرة خلايا الوقود، بل قد يتسبب أيضًا في تلوث أو تسمم المحفز. | CI-PC9001\ CI-PC61\ CI-PC9260\ CI-PC9280-PDHID اللوني |
| نتروجين | يساعد الكشف عن محتوى النيتروجين في تقييم نقاء الهيدروجين؛ حيث يمكن أن تؤدي التركيزات العالية من النيتروجين إلى تخفيف تركيز الهيدروجين وتقليل طاقة خرج خلية الوقود، مما يضمن تشغيل خلية الوقود بأفضل أداء لها. | جهاز كروماتوغرافيا CI-PC9280-PDHID |
| (N2) | ||
| الأمونيا (NH3) | يُعد الكشف عن محتوى الأمونيا الضئيل في الهيدروجين لخلايا الوقود أمرًا بالغ الأهمية لحماية المحفز، والحفاظ على أداء خلية الوقود، وضمان السلامة، ومراقبة الجودة. | CI-PC62 |
تطبيقات إنتاج الهيدروجين
● قياس تركيز الهيدروجين المحقون في خطوط أنابيب الغاز الطبيعي (لأغراض النقل - هنا يشير إلى السيناريو الذي يتم فيه نقل الهيدروجين عبر خطوط أنابيب الغاز الطبيعي)؛
● قياس نقاء/جودة الهيدروجين المخزن لمنع تلوث خلايا الوقود؛
● قياس إعادة تشكيل الميثان بالبخار (SMR)، والتحلل الحراري للميثانول، وإنتاج الأكسجين من غاز فرن الكوك؛ الكشف ومراقبة الجودة لعمليات تنقية الهيدروجين الرمادي وعمليات إنتاج الهيدروجين بالتحليل الكهربائي للماء؛
● سلامة ونقاء تخزين الهيدروجين.
