دراسة حالة: تحسين أداء خلايا الوقود باستخدام أنودات التيتانيوم البلاتينية

مقدمة

تُستخدم أنودات التيتانيوم البلاتينية على نطاق واسع في تطبيقات خلايا الوقود نظراً لخصائصها التحفيزية الكهربائية الاستثنائية ومقاومتها للتآكل. تؤدي هذه الأنودات دورًا حاسمًا في أنظمة خلايا الوقود، حيث تسهّل تحويل الطاقة بكفاءة واستدامة من خلال التفاعلات الكهروكيميائية. هنا، سيتحدث هذا المقال عن كيفية استخدام أنودات التيتانيوم البلاتينية في تطبيقات خلايا الوقود.

[1]

الشكل 1. مخطط خلية وقود موصلة للبروتون

فوائد أنودات التيتانيوم البلاتينية

أنودات التيتانيوم البلاتينية هي مكونات متخصصة تُستخدم في خلايا الوقود، خاصة في التطبيقات التي تتطلب عمليات كهروكيميائية فعالة. وتُصنع هذه الأنودات عن طريق ترسيب طبقة من البلاتين على ركيزة من التيتانيوم، ما يؤدي إلى إنشاء مادة هجينة تستفيد من الخصائص الفريدة لكل من البلاتين والتيتانيوم.

الشكل 2. أنودات التيتانيوم البلاتينية

يوفر تكوين الأنود هذا العديد من الفوائد في سياق تكنولوجيا خلايا الوقود.

النشاط الكهروكيميائي المعزز: يشتهر البلاتينيوم بنشاطه الكهروكيميائي الاستثنائي، ما يجعله محفزاً يسهّل التفاعلات الحاسمة داخل خلية الوقود. من خلال طلاء ركيزة التيتانيوم بطبقة من البلاتينيوم، يعزز أنود التيتانيوم البلاتيني الناتج بشكل كبير التفاعلات الكهروكيميائية التي ينطوي عليها تشغيل خلية الوقود.

مقاومة التآكل: يتم اختيار التيتانيوم كركيزة لمقاومته المتأصلة للتآكل. تضمن هذه الخاصية بقاء الأنود مستقرًا على مدى فترات طويلة من التشغيل، حتى في البيئة العدوانية كيميائيًا داخل خلية الوقود.

كفاءة التكلفة واستخدام البلاتين: البلاتين معدن ثمين وباهظ الثمن. ومن خلال تحويل البلاتين إلى ركيزة من التيتانيوم، يمكن تقليل التكلفة الإجمالية للأنود مع الحفاظ على الفوائد التحفيزية للبلاتين. وهذا مهم بشكل خاص في توسيع نطاق إنتاج خلايا الوقود للتطبيقات التجارية.

طول العمر والمتانة: ينتج عن الجمع بين متانة التيتانيوم وخصائص البلاتين التحفيزية في أنود التيتانيوم البلاتيني الذي يوفر عمراً تشغيلياً طويلاً. هذا العمر الطويل ضروري للتطبيق العملي والفعالية من حيث التكلفة لأنظمة خلايا الوقود.

تطبيقات خلايا الوقود لأنودات التيتانيوم البلاتينية

وبفضل هذه الميزات، تجد أنودات التيتانيوم البلاتينية تطبيقات في أنواع مختلفة من خلايا الوقود، بما في ذلك خلايا وقود غشاء التبادل البروتوني (PEMFCs) وخلايا وقود الأكسيد الصلب (SOFCs)، حيث تساهم في التفاعلات الكهروكيميائية التي ينطوي عليها تحويل الطاقة.

خلايا وقود غشاء التبادل البروتوني: في خلايا الوقود ذات الأغشية الكهروكيميائية البولي إيثيلينية، تؤدي هذه الأنودات دوراً حاسماً في التفاعلات الكهروكيميائية التي تحدث داخل الخلية. فهي تحفّز أكسدة وقود الهيدروجين وتحلله إلى بروتونات وإلكترونات. وتنتقل البروتونات بعد ذلك عبر غشاء تبادل البروتونات، بينما تتدفق الإلكترونات عبر دائرة كهربائية خارجية، لتوليد الطاقة الكهربائية. ويعزز النشاط الكهروكيميائي للسطح البلاتيني بشكل كبير من كفاءة هذه التفاعلات، مما يساهم في الأداء العام لخلية الوقود.

مركبات الكربون الهيدروفلوروكربونية SOFCs: تُستخدم أنودات التيتانيوم البلاتينية البلاتينية أيضاً في مركبات فلوريد الكبريت المفلورة SOFCs، والتي تعمل في درجات حرارة أعلى مقارنةً بمركبات فلوريد البولي إيثيلين البولي إيثيلين المفلورة. في مركبات فلوريد الكبريت الهيدروجيني SOFCs، يعمل الأنود البلاتيني كمحفز للأكسدة الكهروكيميائية للهيدروجين أو غيره من أنواع الوقود الهيدروكربوني. ويسهّل الأنود انقسام جزيئات الهيدروجين وإطلاق الإلكترونات التي تنتقل عبر دائرة خارجية لتوليد الكهرباء. وتعزز درجات حرارة التشغيل المرتفعة لمركبات مركبات الكربون الهيدروجينية ومركبات الكربون الهيدروجينية المفلورة النشاط الكهروكيميائي للأنود، ويدعم السطح البلاتيني أكسدة الوقود بكفاءة حتى في درجات الحرارة المرتفعة هذه.

الخلاصة

باختصار، تلعب أنودات التيتانيوم البلاتينية دورًا حيويًا في تطبيقات خلايا الوقود من خلال توفير الحفز الكهربائي الفعال والمتانة ومقاومة التآكل وتعدد الاستخدامات في التعامل مع أنواع مختلفة من الوقود. وتساعد مساهمتها في تعزيز التفاعلات الكهروكيميائية الرئيسية في خلايا الوقود على دفع عجلة التقدم في تحويل الطاقة النظيفة وتوليد الطاقة المستدامة. تقدم Stanford Advanced Materials (SAM) العديد من الأنودات بما في ذلك أنودات التيتانيوم البلاتينية وأنودات شبكة النيوبيوم البلاتينية وغيرها. لمزيد من المعلومات، يرجى مراجعة صفحتنا الرئيسية.

مرجع:

[1] خلية الوقود. (2023، 14 أغسطس). في ويكيبيديا. https://en.wikipedia.org/wiki/Fuel_cell