في الأساس، خلية الوقود هي جهاز يحول الطاقة الكيميائية مباشرة إلى طاقة كهربائية. ولا تتطلب شحنًا إضافيًا. وطالما يتم تجديد الوقود والمؤكسد باستمرار، فيمكنها الاستمرار في العمل وتوليد الكهرباء. لا يخضع الوقود والمؤكسد المكملان لتفاعل احتراق، بل تفاعل كهروكيميائي بين الوقود والمؤكسد لتوليد التيار الكهربائي.
لذلك، فإن مثل هذا التفاعل الكهروكيميائي يصاحبه نقل الشحنة بسبب التفاعلات الكيميائية. تكمل الإلكترونات والأيونات نقل الشحنة من خلال مسارات تفاعل مختلفة. أثناء عملية تفاعل خلية الوقود، لا يمكن خلط الوقود والمؤكسد، بل يدخلان خلية الوقود بشكل منفصل، ويتفاعلان بشكل فردي عند الأنود والكاثود للبطارية.
يقوم الوقود بتوليد الإلكترونات بعد تفاعل كهروكيميائي. تتدفق الإلكترونات إلى القطب الآخر عبر القطب والدائرة الخارجية للتفاعل مع المؤكسد. بعد أن يتقبل المؤكسد الإلكترونات، يتفاعل ويوصل الأيونات عبر الإلكتروليت في البطارية، مكونًا دائرة لتشغيل الإلكترون.
تتكون الوحدة الأساسية لخلية الوقود العامة من ثلاثة مكونات أساسية: الأنود والكاثود والإلكتروليت بين القطبين. وعادة ما يستخدم الهيدروجين كوقود والأكسجين كمؤكسد. ويتأكسد الوقود عند الأنود ويختزل الأكسجين عند الكاثود. وتتكون خلايا الوقود من وحدات أساسية متصلة على التوالي لتكوين حزمة بطارية أكبر حجمًا، أو ما يسمى بمجموعة البطاريات.
بشكل عام، يمكن أن يكون المؤكسد هو الأكسجين الموجود في الهواء، وتأتي أيونات الهيدروجين والإلكترونات المستخدمة كوقود من الأنود، ويقوم الإلكتروليت بتوصيل أيونات الهيدروجين. بعد إنتاج أيونات الهيدروجين عند الأنود، تصل إلى الكاثود من خلال الإلكتروليت. بعد إنتاج الإلكترونات عند الأنود، تدخل العناصر الكهربائية المستخدمة من خلال الدائرة خارج البطارية، ثم تعود إلى الكاثود للبطارية من خلال الطرف الآخر من الدائرة الكهربائية. عندما تتدفق الإلكترونات عبر الجهاز الكهربائي المحمل، يمكن تشغيل الجهاز الكهربائي، مثل توليد الطاقة والسيارات والطائرات وتشغيل المحرك.
بين الأنود والكاثود يوجد إلكتروليت يمكن استخدامه لتوصيل الأيونات. بشكل عام، يمكن تصنيف خلايا الوقود إلى خلايا وقود قلوية، وخلايا وقود حمض الفوسفوريك، وخلايا وقود ملح الكربونات المنصهر، وخلايا وقود أكسيد صلب، وخلايا وقود غشاء تبادل البروتون، وخلايا وقود مباشرة بسبب الأيونات المختلفة الموصلة في الإلكتروليت أو درجات حرارة التشغيل المختلفة. ستة أنواع بما في ذلك خلايا وقود الميثانول.
معدل التفاعل الكهروكيميائي للوقود والمؤكسد في خلية الوقود منخفض جدًا ويجب تسريعه بواسطة محفز، لذلك يلزم وجود محفز أنود ومحفز كاثود. مع أخذ خلايا وقود إلكتروليت البوليمر كمثال، تأتي آلية توليد الطاقة الرئيسية من مجموعة أقطاب الغشاء (MEA)، والتي غالبًا ما تسمى قلب خلية الوقود. في الأساس، تحتوي مجموعة غشاء القطب على بنية من خمس طبقات، مع غشاء بوليمر يوصل أيونات الهيدروجين في المركز، وطبقة محفز الأنود وطبقة محفز الكاثود على كلا الجانبين، وطبقة انتشار الغاز الخارجية (غالبًا ما تنقسم إلى طبقة انتشار غاز الوقود وطبقة انتشار الأكسجين).
إن بنية طبقة المحفز معقدة ومتنوعة للغاية. وبما أن أهم التغيرات الكهروكيميائية تحدث هنا، فإذا كانت طبقة المحفز مصممة أو مصنعة بشكل سيئ، فلن تتمكن خلية الوقود من توليد تيار كافٍ وستنخفض الكفاءة. تقع طبقة المحفز بين غشاء البوليمر وطبقة انتشار الغاز. وتتلخص طريقة التصنيع في خلط كمية مناسبة من المحفز ومحلول غشاء البوليمر بشكل موحد. ويسمى هذا المحلول المختلط بملاط المحفز. ويمكن طلاء الملاط المختلط على طبقة انتشار الغاز أو على غشاء البوليمر. ومع ذلك، يمتص غشاء البوليمر المذيب الموجود في الملاط المختلط بسهولة ويتشوه، مما يتسبب غالبًا في صعوبات التصنيع.
الآن استخدم طبقة محفز الأكسجين لتوضيح كيفية سير التفاعل. عندما يدخل الأكسجين إلى خلية الوقود، يجب أولاً تشتيته حتى يصل إلى طبقة المحفز بالتساوي. بشكل عام، المادة التي تشكل طبقة انتشار الغاز هي قماش الكربون أو ورق الكربون، والتي يجب تحويلها إلى غرافيت في درجة حرارة عالية لجعلها موصلة وزيادة مقاومة التآكل. ، لأن المواد الكربونية تتآكل بسهولة تحت تأثير المجالات الكهربائية.
علاوة على ذلك، يجب أن تكون طبقة انتشار الغاز أيضًا كارهة للماء. إذا تمت إضافة بولي تترافلورو إيثيلين (PTFE، المعروف أيضًا باسم تفلون) إلى طبقة انتشار الغاز، نظرًا للخصائص الكارهة للماء للتفلون، فإن بخار الماء الذي يدخل ويخرج من مجموعة غشاء القطب لن يتراكم في طبقة انتشار الغاز، ويمكن أن يمنع التكثيف في طبقة انتشار الغاز قطرات الماء المكثفة من التسبب في إعاقة طبقة انتشار الغاز. من ناحية أخرى، يعمل تفلون أيضًا كمادة رابطة. نظرًا لاستقرار هيكل الفلوروكربون الخاص به، فلن يتم تفكيكه بسبب هجوم الجذور الحرة الناتجة عن التشغيل المحتمل.
يصل غاز التفاعل إلى طبقة المحفز بعد المرور عبر طبقة انتشار الغاز، وتحدث تفاعلات كهروكيميائية على سطح معدن المحفز. وظيفة أخرى لطبقة انتشار الغاز هي توصيل الإلكترونات. تستخدم الإلكترونات المطلوبة للتفاعل طبقة انتشار الغاز للدخول والخروج، لذلك يجب أن تكون طبقة انتشار الغاز قادرة على توصيل الإلكترونات وأن تكون ذات موصلية عالية. بشكل عام، بعد إضافة التيفلون إلى طبقة انتشار الغاز، ستنخفض الموصلية، لذلك يجب إضافة مسحوق الكربون ذو الموصلية العالية لزيادة الموصلية.
يجب أن يكون سطح المحفز على اتصال بالإلكتروليت (أي الغشاء الموصل للبروتونات) لأن التفاعل الكهروكيميائي يحدث عند الواجهة بين الاثنين. تنتقل جميع أيونات الهيدروجين المطلوبة للتفاعل عن طريق الإلكتروليت، لذا فإن الاتصال الضعيف بين المحفز والإلكتروليت سيؤثر سلبًا على تقدم التفاعل. إذا لم يكن المحفز على اتصال بالإلكتروليت، فستختفي وظيفته. تدخل جميع الإلكترونات المطلوبة للتفاعل وتخرج من خلال المحفز. ومع ذلك، فإن ضعف توصيل المحفز نفسه أو ضعف الاتصال بين جزيئات المحفز سيؤدي أيضًا إلى مقاومة دخول وخروج الإلكترونات. تتسبب جميع العوامل المذكورة أعلاه في زيادة المقاومة داخل مجموعة غشاء القطب وتقليل خرج الطاقة للبطارية.
عند استخدامها في خلايا الوقود، يجب أن تتمتع محفزات الأقطاب الكهربائية عادةً بنشاط تحفيزي عالٍ، وموصلية عالية، واستقرار كهروكيميائي عالي، ومقاومة للأكسدة أو الاختزال، وسعر منخفض، ومصادر وفيرة. البلاتين مكلف ويجب استخدامه بأقل قدر ممكن. ومع ذلك، فإن القليل جدًا سيؤثر أيضًا على تقدم التفاعل. تعد مواد المحفز البديلة أيضًا أحد محاور البحث والتطوير الحالية. محفز الأقطاب الكهربائية هو المادة الوظيفية الأكثر أهمية في بنية غشاء القطب الكهربائي، ووظيفته الرئيسية هي تحفيز التفاعل الكهروكيميائي.
عند الأنود تتأكسد جزيئات الهيدروجين إلى إلكترونات وبروتونات، وإذا تم تغذية الميثانول مباشرة فإن التفاعل سيكون أكثر تعقيدًا ويجب أن يتكون من محفز قطب كهربائي لا يشغله المنتجات الممتصة بقوة من تفاعل أكسدة الميثانول على سطح التفاعل، مثل السبائك والأكاسيد لتحفيز جزيئات الميثانول والماء بشكل مستمر لإنتاج الإلكترونات والبروتونات وثاني أكسيد الكربون.
يتطلب الكاثود محفزًا يمكنه اختزال الأكسجين. تُستخدم عادةً معقدات معدنية كبيرة حلقية يمكنها امتصاص جزيئات الأكسجين كمحفزات للأقطاب الكهربائية. يعد امتصاص جزيئات الأكسجين على السطح هو الشرط الحفزي لتفاعل اختزال الأكسجين الكهروكيميائي. يحتاج المحفز إلى رابط بوليمر ليتم ربطه في طبقة المحفز. يمكن أن يكون هذا الرابط أيضًا إلكتروليت بوليمر، والذي لا يمتلك وظيفة ربط المحفز فحسب، بل إنه أيضًا وسيلة لنقل أيونات الهيدروجين. مع أخذ كاثود الأكسجين كمثال، عندما يستمر التفاعل على سطح المحفز، يكون وجود الأكسجين مطلوبًا. هذا الأكسجين ليس غازًا، ولكنه أكسجين مذاب في الإلكتروليت، وتصل أيونات الهيدروجين أيضًا إلى سطح المحفز من خلال الإلكتروليت، وتصل الإلكترونات إلى سطح المحفز من خلال التلامس بين طبقة انتشار الغاز وطبقة المحفز. من بينها، الأكسجين المذاب وأيونات الهيدروجين والإلكترونات لا غنى عنها، ولا يمكن أن يستمر التفاعل بدون واحد منها.
من ناحية أخرى، لا يمكن للماء الناتج عن التفاعل أن يبقى على سطح المحفز. يجب إزالة الماء الناتج على الفور لإفساح المجال للمتفاعلات لترسيبها على سطح المحفز مرة أخرى. كما أن رحيل النواتج هو أحد العوامل التي تؤثر على سرعة التفاعل. 1. منتج خلية الوقود هو الماء، لذا فإن كيفية إزالة الماء بسرعة من خلية الوقود هي مسألة مهمة.
بالنسبة لخلايا الوقود الإلكتروليتية البوليمرية التي تستخدم الهيدروجين كوقود، فإن جوهر تشغيل خلية الوقود الجيدة يتطلب وجود أربعة مسارات، وهي قنوات أيونات الهيدروجين، وقنوات الأكسجين المذاب، وقنوات الإلكترونات، وقنوات الماء. وإذا كانت هذه المسارات غير فعالة، فإنها ستؤدي إلى انخفاض كفاءة توليد الطاقة. لذلك، فإن تصنيع مجموعات أغشية الأقطاب الكهربائية لا يزال عملية تقنية. كل مصنع لمجموعة خلايا الوقود لديه طريقة تصنيع فريدة خاصة به لإنتاج هذا المكون الرئيسي.
يتم تحديد قوة خلية الوقود من خلال حجم مجموعة غشاء الأقطاب الكهربائية وعدد مجموعات غشاء الأقطاب الكهربائية في حزمة البطارية. مجموعة غشاء الأقطاب الكهربائية هي الوحدة الأساسية لخلية وقود الإلكتروليت البوليمرية ومكون رئيسي لأداء الطاقة لمجموعة خلية الوقود. مع تصميم مجال التدفق المناسب وظروف التشغيل لإدارة المياه والإدارة الحرارية، يمكن تشكيل خلايا وقود لأغراض مختلفة.
الوصف الفني لطبقة انتشار الغاز
المادة الأساسية لبنية طبقة انتشار الغاز لخلية وقود غشاء تبادل البروتون هي عادة منتجات ألياف الكربون (ألياف الكربون)، مثل ورق الكربون (ورق الكربون) والألياف المنسوجة (الألياف المنسوجة) أو تسمى قماش الكربون (قماش الكربون)، وذلك باستخدام ألياف الكربون كغاز. ميزة مادة طبقة الانتشار هي بنيتها ذات المسامية العالية والتوصيل الكهربائي العالي.
إن بنية طبقة انتشار غاز خلية الوقود الأكثر استخدامًا هي ورق ألياف الكربون. وتسمى هذه العملية عمومًا عملية تصنيع الورق. وخلال هذه العملية، يجب أيضًا تحسين خصائص المواد الخام والتوصيل والاستقرار الكيميائي لورق الكربون. وتتمثل الطريقة في استخدام ورق ألياف الكربون كأساس، وإضافة مواد مركبة من الكربون، وخلطها ومعالجتها بالحرارة. وفي هذه العملية، يمكن أيضًا إضافة مواد خام وسيطة مناسبة وتطوير نفس ورق الكربون بالخصائص المستخدمة.
قبل مرحلة تصنيع ورق الكربون، يجب قطع ألياف الشعيرات المستمرة إلى أجزاء ألياف قصيرة تتراوح بين 3 إلى 12 مم. تنقسم العملية بعد تشكيل أجزاء الألياف القصيرة إلى 1. تصنيع الورق، 2. التشريب بالراتنج المركب، 3. التشكيل بالضغط الحراري، 4. معالجة الكربنة و5. معالجة الجرافيت.
تشمل الشركات المصنعة لورق الكربون التي يمكن استخدامها حاليًا في طبقات انتشار غاز خلية الوقود TORAY و SGL و Ballard و Avcarb و China Taiwan Carbon Energy وغيرها من الشركات. الطريقة العامة لإنتاج الطبقة الدقيقة المسامية (MPL) هي استخدام مذبذب فوق صوتي أولاً لخلط وتحريك هذه المكونات، وأخيرًا صنع ملاط سائل (حبر)، ثم استخدام تقنية الطلاء (مثل طريقة الرش، طريقة شفرة الطبيب)، طريقة الطباعة على الشاشة) يتم طلاء الملاط على سطح ورق الكربون، ومن ثم يمكن الحصول على الطبقة الدقيقة المسامية من خلال التلبيد عالي الحرارة. كما يوفر مصنعو ورق الكربون منتجات كاملة مطلية بطبقات دقيقة المسام للعملاء. تلعب طبقات انتشار الغاز (GDL) العديد من الأدوار والوظائف في خلايا الوقود، مثل:
(1) توفير قنوات غاز التفاعل (H2, O2)
(2) توفير قناة لمنتجات التفاعل (الماء والحرارة) لمغادرة طبقة المحفز
(3) توفير قنوات دخول وخروج للإلكترونات التفاعل الكهروكيميائي
(4) تعمل كدعم هيكلي لطبقة المحفز وجسم غشاء تبادل البروتون
من الخصائص المذكورة أعلاه، يمكن ملاحظة أن طبقة انتشار الغاز (GDL) يجب أن تتمتع بخصائص مثل التوصيل الكهربائي والتوصيل الحراري والمسامية ونفاذية الهواء والخصائص المحبة للماء/الكارهة للماء في نفس الوقت. حاليًا، موردو المواد الوحيدون لطبقات انتشار غاز خلايا الوقود في العالم هم Toray وBallard وAvcarb وSGL وTaiwan Carbon Energy. ومع ذلك، فإن سعر الوحدة مرتفع للغاية والطلب غالبًا ما يكون قليلًا. لذلك، إذا كانت هناك تقنية مبتكرة، فيمكنها تقليل التكاليف وتحقيق نتائج اقتصادية. إن إنتاج هذه المادة الرئيسية على نطاق واسع يستحق الاستثمار في هذه التقنية.
طبقة انتشار الغاز هي المكون الأساسي لـ PEMFC، وطبقة انتشار الغاز هي مادة مكونة مهمة للقطب الكهربي. تشمل مواد طبقة انتشار الغاز المستخدمة بشكل شائع ورق ألياف الكربون، والنسيج المنسوج من ألياف الكربون، والنسيج غير المنسوج، والورق الأسود الكربوني. لكن البعض يستخدم أيضًا مواد معدنية، مثل الإسفنج المعدني المسطح والنيكل المعدني الشبكي.
ورق ألياف الكربون هو مادة طبقة انتشار الغاز المستخدمة على نطاق واسع في الأقطاب الكهربائية. لاستخدامه في PEMFC، يجب أن يفي بمتطلبات الأداء التالية:
(1) هيكل مسامي موحد يمنحه نفاذية هواء ممتازة؛
(2) مقاومة منخفضة، مما يمنحها موصلية إلكترونية عالية؛
(3) الهيكل مضغوط والسطح مسطح، مما يقلل من مقاومة التلامس ويحسن الأداء التوصيلي؛
(4) تتمتع بقوة ميكانيكية معينة، مما يجعلها ملائمة لإنتاج الأقطاب الكهربائية وتوفر استقرارًا لهيكل القطب الكهربائي في ظل ظروف التشغيل طويلة الأمد؛
(5) يتميز بالاستقرار الكيميائي والحراري، وتكلفة التصنيع المنخفضة وقيمة CP العالية.