ما هي لوحة الجرافيت ثنائية القطب؟

صفيحة الجرافيت ثنائية القطبيُعدّ هذا العنصر مكونًا أساسيًا يُستخدم في المعدات الكهروكيميائية، مثل خلايا الوقود وأجهزة التحليل الكهربائي، وعادةً ما يُصنع من مواد جرافيتية عالية النقاء. ويلعب دورًا حيويًا في التفاعلات الكهروكيميائية، ويُستخدم بشكل رئيسي لتوصيل التيار الكهربائي، وتوزيع غازات التفاعل (مثل الهيدروجين والأكسجين)، وفصل مناطق التفاعل. ولأن جانبيه يتلامسان مع الأنود والكاثود في الخلايا المفردة المجاورة، مُشكّلين بنية ثنائية القطب (أحد الجانبين هو مجال تدفق الأنود والآخر هو مجال تدفق الكاثود)، يُطلق عليه اسم اللوحة ثنائية القطب.

بنية صفيحة الجرافيت ثنائية القطب

تتكون صفائح الجرافيت ثنائية القطب عادة من الأجزاء التالية:
1. مجال التدفق:تم تصميم سطح اللوحة ثنائية القطب ببنية مجال تدفق معقدة لتوزيع غاز التفاعل بالتساوي (مثل الهيدروجين أو الأكسجين أو الهواء) وتصريف المياه الناتجة.

2. الطبقة الموصلة:تتمتع مادة الجرافيت بحد ذاتها بموصلية جيدة ويمكنها توصيل التيار بكفاءة.

3. منطقة الختم:عادةً ما يتم تصميم حواف اللوحات 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 صفائح الجرافيت ثنائية القطب

1. الوظيفة التوصيلية:

باعتبارها قطبًا للمعدات الكهروكيميائية، تكون اللوحة ثنائية القطب مسؤولة عن جمع وتوصيل التيار لضمان إنتاج فعال للطاقة الكهربائية.
2. توزيع الغاز:

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

في خلية الوقود أو المحلل الكهربائي، تفصل الصفائح ثنائية القطب مناطق الأنود والكاثود، مما يمنع اختلاط الغازات.
4. تبديد الحرارة والصرف:

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 الدعم الهيكلي للقطب الغشائي، مما يضمن استقرار ومتانة المعدات.

لماذا اختيار الجرافيت كمادة للوحة ثنائية القطب؟

خصائص مادة الصفائح ثنائية القطب من الجرافيت
●موصلية عالية:

المقاومة الكلية للجرافيت منخفضة إلى ما يصل إلى 10-15μΩ.cm (أفضل من 100-200 μΩ·cm منصفيحة معدنية ثنائية القطب) .

●مقاومة التآكل:

لا يوجد تآكل تقريبًا في البيئة الحمضية لخلايا الوقود (درجة الحموضة 2-3)، ويمكن أن تصل مدة 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 اختراق الهيدروجين بشكل فعال وتتمتع بمستوى عالٍ من الأمان.

●معالجة سهلة:

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

كيف يتم تصنيع صفائح الجرافيت ثنائية القطب؟

عملية إنتاجصفيحة الجرافيت ثنائية القطبيتضمن ما يلي:
●إعداد المواد الخام:

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

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

●صب الضغط:

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

●معالجة الجرافيت:

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

●معالجة العداء:

استخدم آلات CNC أو الليزر لنحت قنوات متعرجة أو متوازية أو متداخلة (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 الصفائح ثنائية القطب الجرافيتية؟

1. خلية الوقود:

- خلية وقود غشاء تبادل البروتون (PEMFC)

- خلية وقود الأكسيد الصلب (SOFC)

- خلية وقود الميثانول المباشرة (DMFC)

2. المحلل الكهربائي:

- إنتاج الهيدروجين عن طريق التحليل الكهربائي للماء

- صناعة الكلور القلوي

3. نظام تخزين الطاقة:

- بطارية التدفق

4. الصناعة الكيميائية:

- المفاعل الكهروكيميائي

5. البحوث المختبرية:

- تطوير النماذج الأولية واختبار خلايا الوقود والمحللات الكهربائية

تلخيص

صفائح الجرافيت ثنائية القطبتُعدّ الصفائح ثنائية القطب من الجرافيت مكونات أساسية للمعدات الكهروكيميائية، مثل خلايا الوقود وأجهزة التحليل الكهربائي، ولها وظائف متعددة، مثل التوصيل وتوزيع الغازات وفصل مناطق التفاعل. مع تطور تكنولوجيا الطاقة النظيفة، يزداد استخدام صفائح الجرافيت ثنائية القطب في مركبات الطاقة الجديدة، وأنظمة تخزين الطاقة، وإنتاج الهيدروجين الكيميائي، وغيرها من المجالات.