سلول سوختی هیدروژنی چگونه برق تولید می‌کند؟ از نیم‌واکنش‌ها تا محاسبه مواد

سلول سوختی یک سلول گالوانی با خوراک پیوسته است

سلول سوختی واکنش خودبه‌خودی اکسایش‌ـ‌کاهش را به جریان الکتریکی تبدیل می‌کند؛ از این نظر در گروه سلول‌های گالوانی قرار می‌گیرد. تفاوت عملی مهم آن با یک باتری معمولی این است که واکنش‌دهنده‌ها درون دستگاه ذخیره و به‌تدریج تمام نمی‌شوند، بلکه سوخت و اکسنده باید پیوسته از بیرون به الکترودها برسند. تا زمانی که خوراک مناسب تأمین و فرآورده خارج شود، سلول می‌تواند کار کند.

در نمونه هیدروژنی، H₂ سوخت و O₂ اکسنده است. واکنش کلی 2H₂ + O₂ → 2H₂O گرماده و اکسایش‌ـ‌کاهش است: عدد اکسایش هیدروژن از صفر در H₂ به ۱+ در آب می‌رسد و عدد اکسایش اکسیژن از صفر در O₂ به ۲− کاهش می‌یابد. جداکردن این دو تغییر در دو الکترود، الکترون‌ها را وادار می‌کند از مدار خارجی عبور کنند.

• سلول سوختی انرژی شیمیایی را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند
• هیدروژن اکسایش می‌یابد و عامل کاهنده است
• اکسیژن کاهش می‌یابد و عامل اکسنده است
• ادامه کار سلول به ورود پیوسته واکنش‌دهنده‌ها وابسته است

در آند، هیدروژن الکترون از دست می‌دهد

در سلول دارای غشای تبادل پروتون، مولکول‌های هیدروژن به سطح آند و کاتالیزگر می‌رسند و اکسایش می‌یابند. نیم‌واکنش موازنه‌شده آند چنین است: 2H₂(g) → 4H⁺(aq) + 4e⁻. چون اکسایش همیشه در آند رخ می‌دهد، می‌توان بدون حفظ‌کردن علامت الکترود، محل تولید الکترون را تشخیص داد.

غشا به پروتون‌ها اجازه عبور به سمت کاتد می‌دهد، اما الکترون‌ها را از خود عبور نمی‌دهد. بنابراین الکترون‌ها از سیم و مصرف‌کننده بیرونی به سوی کاتد حرکت می‌کنند و جریان الکتریکی قابل استفاده پدید می‌آورند. اگر غشا هم الکترون و هم یون را آزادانه عبور می‌داد، مسیر خارجی دور زده می‌شد و دستگاه نمی‌توانست به همان شیوه کار مفید الکتریکی انجام دهد.

• آند جای اکسایش است
• الکترون در نیم‌واکنش آند در سمت فرآورده نوشته می‌شود
• پروتون از غشا و الکترون از مدار خارجی عبور می‌کند
• کاتالیزگر سرعت واکنش الکترودی را افزایش می‌دهد و در واکنش کلی مصرف نمی‌شود

در کاتد، اکسیژن کاهش می‌یابد و آب تشکیل می‌شود

اکسیژن در کاتد با پروتون‌های عبورکرده از غشا و الکترون‌های رسیده از مدار خارجی واکنش می‌دهد: O₂(g) + 4H⁺(aq) + 4e⁻ → 2H₂O(l). قرارگرفتن الکترون در سمت واکنش‌دهنده نیم‌واکنش نشان می‌دهد اکسیژن کاهش یافته است. در این مدل، آب در سمت کاتد تشکیل می‌شود.

برای ساختن واکنش کلی، دو نیم‌واکنش را جمع می‌کنیم. 4H⁺ و 4e⁻ در دو سوی مجموع حذف می‌شوند و رابطه 2H₂ + O₂ → 2H₂O باقی می‌ماند. حذف الکترون از معادله کلی به معنی نبود انتقال الکترون نیست؛ نشان می‌دهد الکترون واسطه انتقال بار است و در مجموع واکنش تولید یا مصرف خالص ندارد.

• کاتد جای کاهش است
• الکترون در نیم‌واکنش کاتد مصرف می‌شود
• تعداد الکترون‌های تولیدی و مصرفی باید برابر باشد
• جمع نیم‌واکنش‌ها باید همان معادله موازنه‌شده تشکیل آب را بدهد

غشا و مدار خارجی دو مسیر متفاوت برای بار می‌سازند

برای ادامه جریان، هم مدار الکترونی و هم مسیر یونی باید کامل باشند. سیم فلزی الکترون‌ها را جابه‌جا می‌کند و غشای الکترولیتی با عبور یون‌ها از انباشته‌شدن بار در دو سوی سلول جلوگیری می‌کند. غشا همچنین باید تا حد امکان گازهای هیدروژن و اکسیژن را جدا نگه دارد تا واکنش اصلی روی الکترودها و در مسیر کنترل‌شده رخ دهد.

آند و کاتد را نباید فقط با علامت مثبت و منفی حفظ کرد. در این سلول گالوانی، آند منفی و کاتد مثبت است؛ بااین‌حال تعریف پایدارتر این است که آند محل اکسایش و کاتد محل کاهش است. همین تعریف در سلول برقکافتی نیز درست می‌ماند، هرچند علامت الکترودها عوض می‌شود.

• مدار خارجی مسیر حرکت الکترون است
• الکترولیت یا غشا مسیر حرکت یون را فراهم می‌کند
• آند و کاتد را از نوع نیم‌واکنش تشخیص بده
• جابجایی بار در هر دو مسیر برای کار پیوسته سلول لازم است

سلول سوختی را با باتری، برقکافت و سوختن مستقیم اشتباه نگیر

باتری و سلول سوختی هر دو می‌توانند از واکنش خودبه‌خودی برق تولید کنند، اما در سلول سوختی واکنش‌دهنده از مخزن بیرونی وارد می‌شود. در برقکافت آب، جهت تبدیل انرژی برعکس است: منبع برق، واکنش غیرخودبه‌خودی 2H₂O → 2H₂ + O₂ را پیش می‌برد. پس تولید هیدروژن با برقکافت و مصرف هیدروژن در سلول سوختی دو مرحله جدا با تبدیل‌های انرژی متفاوت‌اند.

فرآورده مستقیم کارکرد سلول هیدروژن و اکسیژن، آب است و در محل مصرف کربن دی‌اکسید از واکنش الکتروشیمیایی آن تولید نمی‌شود؛ اما برای ارزیابی زیست‌محیطی کامل باید روش تولید، فشرده‌سازی و جابه‌جایی هیدروژن و منبع انرژی آن‌ها را نیز در نظر گرفت. همچنین بخشی از انرژی به گرما تبدیل می‌شود و هیچ دستگاه واقعی همه انرژی شیمیایی را به کار الکتریکی تبدیل نمی‌کند.

مثال حل‌شده: از جرم هیدروژن تا آب و الکترون

فرض کن 4.0 g گاز هیدروژن با اکسیژن اضافی در سلول واکنش می‌دهد و جرم مولی H₂ و H₂O را به‌ترتیب 2.0 و 18.0 g·mol⁻¹ در نظر می‌گیریم. مقدار هیدروژن برابر n = 4.0÷2.0 = 2.0 mol است. معادله کلی 2H₂ + O₂ → 2H₂O نسبت مولی H₂ به H₂O را ۱ به ۱ نشان می‌دهد؛ پس 2.0 mol آب، یعنی 2.0×18.0 = 36.0 g آب، به‌طور نظری تشکیل می‌شود.

از نیم‌واکنش آند 2H₂ → 4H⁺ + 4e⁻ می‌بینیم که به ازای هر یک مول H₂، دو مول الکترون از مدار می‌گذرد. بنابراین اکسایش 2.0 mol هیدروژن با انتقال 4.0 mol الکترون همراه است. این عدد مقدار ماده الکترون است، نه تعداد مول آب یا بار برحسب کولن؛ برای یافتن بار باید در صورت داده‌شدن ثابت فاراده، مقدار مول الکترون را در آن ضرب کرد.

تمرین روشن و نکات کلیدی

تمرین: اگر 3.0 mol H₂ و 1.0 mol O₂ وارد سلول شوند، واکنش‌دهنده محدودکننده و مقدار آب را پیدا کن. طبق 2H₂ + O₂ → 2H₂O، یک مول O₂ فقط با 2.0 mol H₂ واکنش می‌دهد؛ پس O₂ محدودکننده است، 2.0 mol آب تولید می‌شود و 1.0 mol H₂ باقی می‌ماند. همچنین 4.0 mol الکترون در مدار خارجی انتقال می‌یابد.

برای حل هر سؤال ابتدا نوع سلول و محیط داده‌شده را مشخص کن، زیرا شکل نیم‌واکنش‌ها می‌تواند با نوع الکترولیت تفاوت داشته باشد. سپس اکسایش را در آند و کاهش را در کاتد بنویس، الکترون‌ها را برابر کن و واکنش کلی را بساز. در محاسبه‌ها فقط از ضرایب معادله موازنه‌شده استفاده کن و اگر مقدار هر دو واکنش‌دهنده داده شده است، محدودکننده را پیش از محاسبه فرآورده تعیین کن.

• آند: 2H₂ → 4H⁺ + 4e⁻
• کاتد: O₂ + 4H⁺ + 4e⁻ → 2H₂O
• واکنش کلی: 2H₂ + O₂ → 2H₂O
• الکترون از آند به کاتد و از مدار خارجی حرکت می‌کند
• پروتون در سلول PEM از غشا به سوی کاتد می‌رود
• ضرایب واکنش کلی، نسبت مولی سوخت، اکسیژن و آب را تعیین می‌کنند