طبقات انتشار الغازات: لماذا تعتبر اللبادات الليفية الخيار المفضل

تعد طبقات انتشار الغازات (GDLs) عناصر حاسمة في خلايا الوقود والمحللات الكهربائية. فهي تتيح النقل الفعال للغازات والإلكترونات والسوائل بين قنوات التدفق والمحفز. وتُعد اللبادات الليفية الخيار المفضل لأنها تمثل المزيج المثالي من الموصلية والمسامية والمرونة.

ما هي طبقات انتشار الغاز؟

طبقات انتشار الغاز هي مواد مسامية توضع بين طبقة المحفز ومجال التدفق في الأجهزة الكهروكيميائية. وتتمثل وظيفتها الأساسية في تمكين التوصيل المنتظم للغازات المتفاعلة إلى سطح المحفز مع تمكين الإخلاء الفعال للغازات الناتجة. في خلايا الوقود، تدير هذه المواد نقل الهيدروجين والأكسجين لتعظيم التفاعلات الكهروكيميائية وتقليل خسائر التركيز. وفي المحللات الكهربائية، تساعد في الإخلاء الفعال لغازات الهيدروجين والأكسجين المتولدة في الأقطاب الكهربائية.

وبالإضافة إلى نقل الغاز، توفر شبكات GDLs أيضًا دعمًا ميكانيكيًا للطبقة الحفازة وتشارك في إدارة المياه. ويؤدي التوزيع المنتظم للماء إلى تجنب غمر المحفز أو تجفيفه، وكلاهما يمكن أن يقلل بشدة من الأداء. كما أن التوصيل الكهربائي وظيفة مهمة أيضًا، حيث تقوم طبقات GDLs بتوصيل الإلكترونات بين المحفز والدوائر الخارجية. وفي ظل هذه المتطلبات، يعد اختيار المواد المستخدمة في الدارات الحفازة GDLs أمرًا ضروريًا لكفاءة الجهاز وطول عمره على المدى الطويل.

الشكل 1 رسم تخطيطي لخلية المحلل الكهربائي ذات الفجوة الصفرية [1]

ما هي اللبادات الليفية؟

اللباد الليفي عبارة عن حصائر غير منسوجة تتشكل عن طريق تشابك الألياف في شبكة مسامية للغاية. وعادةً ما تكون مصنوعة من الكربون، والتي تتميز بتوصيلها الكهربائي وثباتها الكيميائي. يتم توجيه الألياف داخل اللباد بشكل عشوائي، مما يشكل بنية ثلاثية الأبعاد توفر مسارات مترابطة للغازات والسوائل. ويختلف هذا الهيكل عن هيكل الأقمشة المنسوجة أو أوراق الكربون ويضفي مسامية ومرونة أعلى مع الحفاظ على القوة الميكانيكية.

تعمل عملية إنتاج اللباد الليفي على ربط الألياف من خلال التسخين أو الضغط أو المعالجات بالراتنج لإنشاء حصائر ذات سمك وكثافة ونفاذية مصممة هندسيًا. تُعد اللبادات الكربونية مناسبة بشكل استثنائي للبيئات الكهروكيميائية نظرًا لكونها خاملة ومقاومة لدرجات الحرارة العالية ومقاومة للتآكل.

لماذا تُعد اللبادات الليفية مثالية لطبقات انتشار الغاز؟

توفر اللبادات الليفية توازنًا من الخصائص التي تجعلها مناسبة للغاية للاستخدام كطبقات انتشار الغاز. ومن أهم هذه الخصائص أنها تتميز بنفاذية ومسامية عالية للغاز، مما يسمح بتوزيع الغازات المتفاعلة بالتساوي على الطبقة الحفازة بينما يمكن طرد الغازات الناتجة بفعالية. ويسمح ذلك بتقليل استقطاب التركيز إلى أدنى حد ممكن وزيادة الكفاءة الكهروكيميائية.

إحدى المزايا الرئيسية الأخرى هي الموصلية الكهربائية الممتازة. توفر لبادات الألياف الكربونية مسارات مقاومة منخفضة للإلكترونات، مما يسهل تجميع التيار وتوزيعه بكفاءة عبر سطح المحفز. ويعد الاستقرار الكيميائي مهمًا أيضًا؛ حيث إن اللباد الليفي مقاوم للتآكل والتدهور في البيئات الحمضية أو القلوية العدوانية، وهي شائعة في خلايا الوقود والمحللات الكهربائية.

المرونة الميكانيكية عامل مهم أيضًا. يمكن ضغط اللبادات المكونة من الألياف للتلامس الوثيق مع المحفز ومجال التدفق دون تشقق أو تدهور السلامة الهيكلية. وتوفر المرونة الانضغاطية التمدد الحراري والضغوط الميكانيكية أثناء التشغيل لتحقيق أداء طويل الأجل.

في خلايا الوقود، فهي تدير الماء. فهي تنشر الماء بالتساوي، وتمنع الفيضان، وتوفر الترطيب الأمثل للمحفز. في المحللات الكهربائية، توفر إطلاقًا سريعًا لفقاعات الهيدروجين والأكسجين مع الحد الأدنى من تراكم الفقاعات، مما يجعل الكفاءة العالية ممكنة بكثافات تيار عالية.

أين تستخدم اللبادات الليفية لطبقات انتشار الغاز؟

تُستخدم اللبادات الليفية على نطاق واسع في خلايا الوقود والمحللات الكهربائية المائية، حيث تكون إدارة المياه ونقل الغازات أمرًا بالغ الأهمية. في خلايا وقود PEM، تُستخدم اللبادات الليفية كطبقات لبادات ليفية لتوصيل الهيدروجين والأكسجين بشكل موحد إلى الطبقة الحفازة وللخروج الحر للماء. في المحللات الكهربائية القلوية أو المحللات الكهربائية PEM، تُستخدم اللبادات الليفية للإفراج الفعال عن فقاعات الهيدروجين والأكسجين من أسطح الأقطاب الكهربائية من أجل تسهيل عملية كثافة التيار العالية. وإلى جانب ذلك، تُستخدم اللبادات الليفية في خلايا الوقود المتجددة الموحدة وبطاريات التدفق الاختزالي وغيرها من المفاعلات الكهروكيميائية حيث يكون التوزيع الموحد للغاز والسائل، والاستقرار الكيميائي والميكانيكي، ضروريًا للأداء العالي.

قائمة مواد اللباد الليفي

توفر كل من لبادات ألياف التيتانيوم والنيكل والفولاذ المقاوم للصدأ مزايا مميزة لطبقات انتشار الغاز. يُعتبر لباد التيتانيوم ذو قيمة عالية في المحللات الكهربائية PEM وخلايا الوقود بسبب مساميتها العالية وقوتها ومقاومتها الممتازة للبيئات الحمضية. وبفضل حجمه ومساميته القابلين للتخصيص، فإنه يضمن أداءً مستقرًا وفعالية في إطلاق الغاز حتى في الكثافات العالية للتيار. يُستخدم لباد النيكل، المعروف بتوصيله ومقاومته للتآكل القلوي، على نطاق واسع في جانب القطب السالب للمحللات الكهربائية القلوية وفي بعض خلايا الوقود لتعزيز توليد الهيدروجين. لباد الفولاذ المقاوم للصدأ، على الرغم من أنه أقل مقاومة للتآكل، إلا أنه يجمع بين المتانة ومقاومة التآكل وانخفاض التكلفة، مما يجعله خيارًا عمليًا للمحللات الكهربائية الكبيرة وبطاريات التدفق حيث تكون القوة الميكانيكية أمرًا بالغ الأهمية.

الخاتمة

تساهم طبقات انتشار الغازات بشكل كبير في أداء وعمر خلايا الوقود والمحللات الكهربائية. ومن بين المواد المحتملة، تتميز اللبادات الليفية بمساميتها العالية وتوصيلها الكهربائي واستقرارها الكيميائي ومرونتها الميكانيكية. لمزيد من المواد المتقدمة، يرجى مراجعة Stanford Advanced Materials (SAM).

مرجع:

[1] Samu AA، Szenti I، Kukovecz Á، Endrődi B، Janáky C. فحص منهجي لطبقات انتشار الغاز للتحليل الكهربائي عالي الأداء لثاني أكسيد الكربون. Commun Chem. 2023 فبراير 24؛ 6(1):41. doi: 10.1038/s42004-023-023-00836-2. pmid: 36828885؛ pmcid: pmc9958001.