Development of an Accelerated Stress Test Protocol for Rapid Catalyst Degradation Evaluation in Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell Stacks

स्वच्छ ऊर्जा के साथ भविष्य को शक्ति प्रदान करने की खोज ने एक ऐसे उपकरण पर ध्यान केंद्रित किया है जो हाइड्रोजन और हवा को बिजली में बदल देता है: पॉलीमर इलेक्ट्रोलाइट मेम्ब्रेन फ्यूल सेल। अक्सर शून्य-उत्सर्जन वाले वाहनों के हृदय के रूप में देखा जाने वाला, ये सेल सामग्रियों के एक नाजुक सैंडविच पर निर्भर करते हैं, जिसमें एक पतली झिल्ली और एक उत्प्रेरक परत शामिल है, जो आमतौर पर रासायनिक प्रतिक्रिया को तेज करने के लिए प्लैटिनम से बनी होती है। हालांकि यह तकनीक बिना धुएं वाले भविष्य का वादा करती है, लेकिन एक बड़ी बाधा बनी हुई है: लागत और दीर्घायु। प्लैटिनम उत्प्रेरक महंगा है, और इस तकनीक को रोजमर्रा की कारों और ट्रकों के लिए व्यवहार्य बनाने के लिए, इंजीनियरों को इसका कम उपयोग करना होगा और साथ ही यह सुनिश्चित करना होगा कि सिस्टम हजारों घंटों तक चले। समस्या यह है कि ये सेल लगातार बदलती मांगों के तहत काम करते हैं, बिल्कुल वैसे ही जैसे एक कार त्वरित (एक्सेलेरेट) और ब्रेक लगाती है, जिससे समय के साथ प्लैटिनम के सूक्ष्म कण खराब होने लगते हैं। इसे ठीक करने के लिए, वैज्ञानिकों को यह जानने की आवश्यकता है कि उत्प्रेरक कितनी तेजी से घिसता है, लेकिन एक वास्तविक फ्यूल सेल स्टैक का तब तक परीक्षण करना जब तक कि वह विफल न हो जाए, वर्षों ले सकता है, जिससे तीव्र विकास लगभग असंभव हो जाता है।

दक्षिण कोरिया के सुनचोन नेशनल यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं ने फ्यूल सेल की स्थायता का तेजी से और सटीक रूप से परीक्षण करने का एक नया तरीका विकसित करके इस समय की समस्या को हल करने का लक्ष्य रखा। एक लैब बेंच सेटअप में एकल सेल का परीक्षण करने के बजाय, जो वास्तविक वाहन के फ्यूल स्टैक की पूरी तरह से नकल नहीं करता है, उन्होंने तीन सेल्स का एक छोटा स्टैक बनाया और इसे कठोर तनाव परीक्षणों (स्ट्रेस टेस्ट) के दौर से गुजारा। टीम ने चार अलग-अलग परिदृश्य डिजाइन किए ताकि यह देखा जा सके कि कौन सी स्थितियां उत्प्रेरक को सबसे तेजी से विफल करती हैं। उन्होंने तापमान, सेल को दी जाने वाली गैस के प्रकार और उस विद्युत वोल्टेज की सीमा को बदला जिसे स्टैक को संभालना था। स्टैक को इन स्थितियों के हजारों चक्रों के माध्यम से धकेल कर, वे प्रदर्शन में गिरावट देख सके और उत्प्रेरक परत के भीतर होने वाले भौतिक परिवर्तनों का विश्लेषण कर सके।

परिणामों ने स्पष्ट किया कि कौन सी चीज़ उत्प्रेरक को सबसे अधिक नुकसान पहुँचाती है। जब शोधकर्ताओं ने केवल ऑपरेटिंग तापमान को दस डिग्री सेल्सियस बढ़ा दिया, तो फ्यूल सेल का प्रदर्शन मानक स्थितियों की तुलना में छत्तीस प्रतिशत तेजी से कम हुआ। यह सुझाव देता है कि गर्मी अकेले उन रासायनिक प्रक्रियाओं को तेज करती है जो उत्प्रेरक को नष्ट करती हैं। हालांकि, एक अधिक नाटकीय त्वरण तब हुआ जब उन्होंने गैस की आपूर्ति को साधारण हवा से बदलकर शुद्ध ऑक्सीजन कर दिया और वोल्टेज की ऊपरी सीमा को बढ़ा दिया। इस संयोजन के कारण गिरावट की दर पिचासी प्रतिशत बढ़ गई। सबसे गंभीर परीक्षण में उच्च ताप, शुद्ध ऑक्सीजन और एक विस्तृत वोल्टेज रेंज का संयोजन किया गया, जिसने स्टैक को केवल पंद्रह हजार चक्रों में ही टूटने की कगार पर पहुंचा दिया। यह मानक परीक्षणों की तुलना में दोगुने से भी अधिक तेज था, जिससे सिद्ध हुआ कि तनाव कारकों का सही मिश्रण वर्षों के घिसाव को कुछ हफ्तों में समेट सकता है।

यह समझने के लिए कि ये स्थितियां इतनी विनाशकारी क्यों थीं, टीम ने परीक्षण के बाद फ्यूल सेल्स के अंदर देखा। उन्होंने पाया कि प्लैटिनम के कण, जो लगभग 2.7 नैनोमीटर के आकार के छोटे समूहों के रूप में शुरू होते हैं, काफी बड़े हो गए थे और असमान रूप से फैल गए थे। सबसे आक्रामक परीक्षण में, कणों का औसत आकार केवल आधे समय में 5.6 नैनोमीटर तक बढ़ गया, जो समान स्तर के नुकसान तक पहुंचने के लिए मानक परीक्षण द्वारा लिए गए समय से भी कम था। शोधकर्ताओं ने देखा कि प्लैटिनम घुल रहा था और फिर बड़े कणों पर पुन: जमा हो रहा था, एक ऐसी प्रक्रिया जो बिजली पैदा करने के लिए उपलब्ध कुल सतह क्षेत्र को कम कर देती है। अध्ययन बताता है कि इस घिसाव को तेज करने की कुंजी केवल गर्मी नहीं है, बल्कि एक ऐसा वातावरण बनाना है जहाँ प्लैटिनम के ऑक्सीकरण और घुलने की संभावना अधिक हो। ऐसा तब होता है जब वोल्टेज उच्च होता है और ऑक्सीजन की सांद्रता प्रचुर होती है, जिससे धातु टूट जाती है और बड़े, कम प्रभावी ढेलों में फिर से बन जाती है।

यह कार्य उन इंजीनियरों को एक व्यावहारिक रोडमैप प्रदान करता है जिन्हें परिणामों के लिए दशकों प्रतीक्षा किए बिना नए फ्यूल सेल डिजाइनों का मूल्यांकन करने की आवश्यकता है। प्रयोगशाला के स्थिर उपकरणों पर निर्भर रहने के बजाय, ड्राइविंग के वास्तविक दुनिया के उतार-चढ़ाव की नकल करने वाले लोड-आधारित परीक्षण पद्धति का उपयोग करके, टीम ने दिखाया कि दीर्घकालिक स्थायता की भविष्यवाणी तेजी से करना संभव है। निष्कर्ष संकेत देते हैं कि लंबे समय तक चलने वाले फ्यूल सेल बनाने के लिए, निर्माताओं को वोल्टेज और गैस संरचना के प्रबंधन के प्रति सावधान रहना चाहिए, क्योंकि ये कारक उन रासायनिक प्रतिक्रियाओं को संचालित करते हैं जो उत्प्रेरक को नष्ट करती हैं। नया प्रोटोकॉल इन प्रणालियों के स्टैक स्तर पर परीक्षण करने का एक विश्वसनीय तरीका प्रदान करता है, यह सुनिश्चित करता है कि भविष्य के वाहनों को शक्ति देने वाले फ्यूल सेल सड़क के लिए पर्याप्त टिकाऊ और बाजार के लिए पर्याप्त किफायती दोनों हों।