ما هي الصفيحة ثنائية القطب المصنوعة من الجرافيت؟

صفيحة ثنائية القطب من الجرافيتيُعدّ الجرافيت عنصرًا أساسيًا في المعدات الكهروكيميائية، مثل خلايا الوقود والمحللات الكهربائية، ويُصنع عادةً من مواد جرافيت عالية النقاء. ويلعب دورًا حيويًا في التفاعلات الكهروكيميائية، حيث يُستخدم بشكل رئيسي لتوصيل التيار، وتوزيع غازات التفاعل (مثل الهيدروجين والأكسجين)، وفصل مناطق التفاعل. ونظرًا لتلامس جانبيه مع المصعد والمهبط في الخلايا المفردة المتجاورة، مُشكّلًا بنية ثنائية القطب (أحد الجانبين يُمثّل مجال تدفق المصعد والآخر مجال تدفق المهبط)، فقد سُمّي بالجرافيت ثنائي القطب.

بنية الصفيحة ثنائية القطب المصنوعة من الجرافيت

تتكون الألواح ثنائية القطب المصنوعة من الجرافيت عادةً من الأجزاء التالية:
1. مجال التدفقتم تصميم سطح اللوحة ثنائية القطب بهيكل مجال تدفق معقد لتوزيع غاز التفاعل بالتساوي (مثل الهيدروجين أو الأكسجين أو الهواء) وتصريف الماء المتولد.

2. طبقة موصلةمادة الجرافيت نفسها تتمتع بموصلية جيدة ويمكنها توصيل التيار بكفاءة.

3. منطقة الإغلاقعادة ما يتم تصميم حواف الألواح ثنائية القطب بهياكل مانعة للتسرب لمنع تسرب الغاز واختراق السوائل.

4. قنوات التبريد (اختياري)في بعض التطبيقات عالية الأداء، قد يتم تصميم قنوات التبريد داخل الألواح ثنائية القطب لتنظيم درجة حرارة تشغيل المعدات.

وظائف الألواح ثنائية القطب المصنوعة من الجرافيت

1. وظيفة التوصيل:

باعتبارها قطبًا كهربائيًا للمعدات الكهروكيميائية، فإن الصفيحة ثنائية القطب مسؤولة عن تجميع وتوصيل التيار لضمان إنتاج الطاقة الكهربائية بكفاءة.
2. توزيع الغاز:

من خلال تصميم قناة التدفق، تقوم الصفيحة ثنائية القطب بتوزيع غاز التفاعل بالتساوي على طبقة المحفز، مما يعزز التفاعل الكهروكيميائي.
3. فصل مناطق التفاعل:

في خلية الوقود أو المحلل الكهربائي، تفصل الألواح ثنائية القطب مناطق الأنود والكاثود، مما يمنع الغازات من الاختلاط.
4. تبديد الحرارة وتصريفها:

تساعد الألواح ثنائية القطب في تنظيم درجة حرارة تشغيل المعدات وتصريف المياه أو المنتجات الثانوية الأخرى الناتجة عن التفاعل.
5. الدعم الميكانيكي:

توفر الألواح ثنائية القطب دعماً هيكلياً لقطب الغشاء، مما يضمن استقرار الجهاز ومتانته.

لماذا نختار الجرافيت كمادة للألواح ثنائية القطب؟

الخواص المادية للألواح ثنائية القطب المصنوعة من الجرافيت
●موصلية عالية:

تبلغ المقاومة النوعية الكلية للجرافيت 10-15 ميكرو أوم.سم (أفضل من 100-200 ميكرو أوم.سم).صفيحة معدنية ثنائية القطب) .

●مقاومة التآكل:

لا يوجد تآكل تقريبًا في البيئة الحمضية لخلايا الوقود (درجة الحموضة 2-3)، ويمكن أن يصل عمر الخدمة إلى أكثر من 20000 ساعة.

●خفيف الوزن:

تبلغ الكثافة حوالي 1.8 جم/سم3 (7-8 جم/سم3 للوحة ثنائية القطب المعدنية)، وهو أمر مفيد لتقليل الوزن في تطبيقات المركبات.

●خاصية حاجز الغاز:

يمكن للبنية الكثيفة للجرافيت أن تمنع بشكل فعال اختراق الهيدروجين وتتمتع بمستوى عالٍ من الأمان.

●معالجة سهلة:

مادة الجرافيت سهلة المعالجة ويمكن تخصيص تصميمات وأحجام قنوات التدفق المعقدة وفقًا للاحتياجات.

كيف يتم تصنيع الألواح ثنائية القطب المصنوعة من الجرافيت؟

عملية إنتاجصفيحة ثنائية القطب من الجرافيتيشمل ما يلي:
●تحضير المواد الخام:

استخدم مسحوق الجرافيت الطبيعي عالي النقاء (>99.9%) أو مسحوق الجرافيت الاصطناعي.

أضف الراتنج (مثل الراتنج الفينولي) كمادة رابطة لتعزيز القوة الميكانيكية.

●التشكيل بالضغط:

يتم حقن المادة المختلطة في قالب وضغطها تحت درجة حرارة عالية (200-300 درجة مئوية) وضغط عالٍ (>100 ميجا باسكال).

●معالجة الجرافيت:

يؤدي التسخين إلى 2500-3000 درجة مئوية في جو خامل إلى تطاير العناصر غير الكربونية وتكوين بنية جرافيت كثيفة.

●معالجة برنامج التشغيل:

استخدم آلات CNC أو الليزر لنحت قنوات متعرجة أو متوازية أو متشابكة (عمق 0.5-1 مم).

●معالجة السطح:

يؤدي التشريب بالراتنج أو الطلاء المعدني (مثل الذهب والتيتانيوم) إلى تقليل مقاومة التلامس وتحسين مقاومة التآكل.

ما هي تطبيقات الألواح ثنائية القطب المصنوعة من الجرافيت؟

1. خلية الوقود:

- خلية وقود غشاء تبادل البروتونات (PEMFC)

- خلية وقود أكسيد صلب (SOFC)

- خلية وقود الميثانول المباشر (DMFC)

2. المحلل الكهربائي:

- إنتاج الهيدروجين عن طريق التحليل الكهربائي للماء

- صناعة الكلور القلوي

3. نظام تخزين الطاقة:

- بطارية التدفق

4. الصناعات الكيميائية:

- مفاعل كهروكيميائي

5. البحوث المختبرية:

- تطوير واختبار النماذج الأولية لخلايا الوقود والمحللات الكهربائية

لخص

صفائح ثنائية القطب من الجرافيتتُعدّ الألواح ثنائية القطب المصنوعة من الجرافيت مكونات أساسية في المعدات الكهروكيميائية مثل خلايا الوقود والمحللات الكهربائية، وتؤدي وظائف متعددة كالتوصيل الكهربائي، وتوزيع الغاز، وفصل مناطق التفاعل. ومع تطور تكنولوجيا الطاقة النظيفة، يتزايد استخدام هذه الألواح في مركبات الطاقة الجديدة، وأنظمة تخزين الطاقة، وإنتاج الهيدروجين الكيميائي، وغيرها من المجالات.