صفيحة ثنائية القطب لخلية الوقود

تُعدّ الصفيحة ثنائية القطب المكوّن الأساسي للمفاعل، ولها تأثير كبير على أدائه وتكلفته. وتُصنّف هذه الصفيحة حاليًا، بحسب المادة المصنوعة منها، إلى ثلاث فئات رئيسية: صفيحة من الجرافيت، وصفيحة مركّبة، وصفيحة معدنية.

تُعدّ الصفيحة ثنائية القطب أحد المكونات الأساسية لخلايا الوقود الغشائية البروتونية (PEMFC)، ويتمثل دورها الرئيسي في نقل الغاز عبر مجال التدفق السطحي، وجمع وتوصيل التيار والحرارة والماء الناتج عن التفاعل. وبحسب نوع المادة، يتراوح وزن مجموعة خلايا الوقود الغشائية البروتونية بين 60% و80%، بينما تبلغ تكلفتها حوالي 30%. ونظرًا لمتطلبات الأداء الوظيفي للصفيحة ثنائية القطب، ومع الأخذ في الاعتبار بيئة التفاعل الكهروكيميائي الحمضية لخلايا الوقود الغشائية البروتونية، يجب أن تتمتع الصفيحة ثنائية القطب بمواصفات عالية من حيث التوصيل الكهربائي، ومقاومة تسرب الهواء، والخواص الميكانيكية، ومقاومة التآكل، وغيرها.

تنقسم الألواح المزدوجة وفقًا للمواد بشكل أساسي إلى ثلاث فئات: ألواح الجرافيت، والألواح المركبة، والألواح المعدنية. وتُعد ألواح الجرافيت المزدوجة الأكثر شيوعًا في الاستخدام حاليًا في خلايا الوقود الغشائية البروتونية المحلية، حيث تتميز بموصلية كهربائية وحرارية جيدة، واستقرار جيد، ومقاومة للتآكل، وغيرها من الخصائص، ولكن خصائصها الميكانيكية ضعيفة نسبيًا، وهشاشتها، وصعوبة تصنيعها، مما يؤدي إلى ارتفاع تكلفتها، وهي مشكلة يعاني منها العديد من المصنعين.

جرافيتصفيحة ثنائية القطبمقدمة:

تتميز الألواح ثنائية القطب المصنوعة من الجرافيت بموصلية كهربائية وحرارية عالية، ومقاومة ممتازة للتآكل، وهي الأكثر شيوعًا في أنظمة التحكم الكهرومغناطيسية الكهرومغناطيسية. مع ذلك، تبرز عيوبها أيضًا: فدرجة حرارة تحويل ألواح الجرافيت إلى جرافيت عادةً ما تتجاوز 2500 درجة مئوية، مما يستلزم اتباع إجراءات تسخين دقيقة وطويلة. كما أن عملية التصنيع بطيئة، وتتطلب دورة طويلة ودقة عالية، مما يرفع من تكلفة ألواح الجرافيت. بالإضافة إلى ذلك، يتميز الجرافيت بهشاشته، مما يستلزم التعامل مع الألواح النهائية بعناية فائقة، ويجعل عملية التجميع صعبة. كما أن مسامية الجرافيت تجعل سماكة الألواح بضعة ملليمترات ضرورية لنفاذ الغازات، مما يؤدي إلى انخفاض كثافة المادة نفسها، وبالتالي زيادة وزن المنتج النهائي.

تحضير الجرافيتصفيحة ثنائية القطب":"

يُخلط مسحوق الحبر أو الجرافيت مع الراتنج المُجرافن، ثم يُضغط ويُشكّل ويُجرافن عند درجة حرارة عالية (عادةً ما بين 2200 و2800 درجة مئوية) في جو مُختزل أو تحت ظروف فراغ. بعد ذلك، تُشرب صفيحة الجرافيت لإغلاق الفتحة، ثم تُستخدم آلة التحكم الرقمي لتشكيل ممر الغاز المطلوب على سطحها. يُعدّ كلٌ من الجرافيت عند درجة حرارة عالية وتشكيل قنوات الغاز السببين الرئيسيين لارتفاع تكلفة الصفائح ثنائية القطب، حيث تُمثل تكلفة التشكيل ما يقارب 60% من إجمالي تكلفة خلية الوقود.

صفيحة ثنائية القطبيُعدّ أحد أهمّ المكونات الأساسية في مجموعة خلايا الوقود. وتتلخص وظائفه الرئيسية فيما يلي:

1- توصيل ببطارية واحدة

2- توصيل الوقود (H2) والهواء (O2)

3- جمع التيار وتوصيله

4- دعم المكدس وMEA

5- لإزالة الحرارة المتولدة عن التفاعل

6- قم بتصريف الماء الناتج عن التفاعل