يقوم التحليل الكهربائي للماء بتقنية PEM بتقسيم الماء إلى هيدروجين وأكسجين باستخدام غشاء تبادل بروتوني، غالبًا من نافيون، بوصفه إلكتروليتًا. وتُعد هذه التقنية واحدة من التقنيات الرئيسية لإنتاج الهيدروجين الأخضر من الكهرباء المتجددة، مع نمو سريع في القدرات المركبة. وكل ميغاواط من قدرة محللات PEM يتطلب عدة مكونات من التيتانيوم داخل المكدس، وكثير منها مسامي. يوضح هذا المقال ما هي هذه المكونات، ولماذا يكون التيتانيوم مطلوبًا عادة على جانب الأنود، وما المواصفات الأكثر أهمية.
لماذا التيتانيوم وليس الستانلس؟
تتكون خلية PEM من جانبين يفصل بينهما غشاء تبادل بروتوني. يعمل جانب الكاثود، حيث يتولد الهيدروجين، في بيئة أقل قسوة نسبيًا مع غاز مرطب وجهود أقل. وفي هذه المنطقة قد يكون الستانلس أو بعض المواد الكربونية مناسبًا.
أما جانب الأنود، حيث يتولد الأكسجين، فهو أشد قسوة بكثير. إذ يخلق غشاء نافيون بيئة حمضية جدًا مع pH مكافئ أقل من 1. ومع وجود جهود أنودية تتجاوز +1.8 V مقابل RHE وأكسجين مذاب، فإن معظم المعادن تتعرض للتآكل الشديد. وحتى 316L يمكن أن يذوب في هذه الظروف، ما يسمح لأيونات الحديد والنيكل والكروم بالهجرة إلى الغشاء وإضعاف طبقة المحفز.
يصمد التيتانيوم في هذه البيئة لأنه يشكل طبقة TiO2 سلبية مستقرة وذاتية الإصلاح، أكثر مقاومة بكثير للحموضة والجهد المؤكسد من معظم المعادن الإنشائية. ولذلك تُصنع عادة المكونات الملامسة لجانب الأنود في محلل PEM، مثل PTL وصفيحة مجاري التدفق، وأحيانًا شبك تجميع التيار، من تيتانيوم Grade 1 أو Grade 2، مع بقاء معدل التآكل الفعلي معتمدًا على الجهد والطلاء وكيمياء الماء ونمط التشغيل.
مكونات التيتانيوم داخل مكدس PEM
طبقات النقل المسامية (PTL)
تقع طبقة النقل المسامية مباشرة فوق طبقة المحفز الأنودية. ولها ثلاث وظائف: نقل الإلكترونات إلى الصفيحة ثنائية القطب، وتوزيع الماء بالتساوي على كامل السطح الفعال، وإتاحة خروج فقاعات الأكسجين دون حجب سطح المحفز. ولهذا تُعد أهم مكون مسامي داخل المكدس.
يمكن تصنيع PTL من مسحوق التيتانيوم الملبد أو من لباد ألياف التيتانيوم، بحسب التصميم. فطبقات PTL المصنوعة من المسحوق الملبد توفر تحكمًا أفضل في حجم المسام وصلابة ميكانيكية أعلى، بينما يوفر لباد الألياف مسامية أكبر ونفاذية غازية أعلى. وكلا الخيارين مستخدم تجاريًا.
مواصفات PTL النموذجية:
- المسامية: 30-50% (مسحوق ملبد) أو 50-80% (لباد ألياف)
- متوسط حجم المسام: 10-50 µm
- السماكة: 0.5-2.0 mm
- المادة: تيتانيوم نقي تجاري Grade 1
- المعالجة السطحية: غالبًا ما تُضاف طبقة من البلاتين أو الإيريديوم لتقليل مقاومة التلامس
تؤثر المسامية وحجم المسام مباشرة في الأداء. فالمسام الصغيرة جدًا قد تحبس فقاعات الأكسجين على سطح المحفز وتزيد خسائر انتقال الكتلة. أما المسام الكبيرة جدًا فقد تقلل نقاط التلامس مع طبقة المحفز، ما يرفع المقاومة الكهربائية. ويعتبر كثير من المطورين أن متوسط حجم المسام بين 15 و30 µm نطاقًا عمليًا مناسبًا.
تُصنّع FILTURE لباد ألياف التيتانيوم والصفائح المسامية الملبدة من التيتانيوم التي تُستخدم كركائز PTL في تطوير وإنتاج محللات PEM.
الصفائح ثنائية القطب
تفصل الصفائح ثنائية القطب الخلايا المتجاورة في المكدس وتنقل التيار بينها. وعلى جانب الأنود يجب أن توزع الماء وتخرج الأكسجين عبر قنوات مشغلة ميكانيكيًا. لذلك يجب أن تكون موصلة للكهرباء، ومقاومة للتآكل، ومحكمة ضد الغاز، وقوية ميكانيكيًا بما يكفي لتحمل ضغوط ربط المكدس التي تكون غالبًا بين 1 و3 MPa.
تُشغل الصفائح ثنائية القطب الأنودية من ألواح تيتانيوم مصمتة، من Grade 2 أو Grade 5 بحسب الحاجة الميكانيكية. وتُصنع قنوات الجريان، سواء كانت متوازية أو متعرجة أو متداخلة، بالـCNC. وتكون استواءات هذه الصفائح حرجة، غالبًا في حدود 0.05 mm عبر المساحة الفعالة، لأن أي فجوة بين PTL والصفيحة ترفع مقاومة التلامس بشكل ملحوظ.
يقوم بعض المصنعين بإضافة طلاء من البلاتين أو الذهب بسماكة نحو 0.05-0.5 µm لتقليل مقاومة التماس الناتجة عن طبقة TiO2 الطبيعية. ومن دون هذا الطلاء قد تتسبب طبقة الأكسيد شبه الموصلة في خسائر أومية ملحوظة، خصوصًا عند كثافات التيار العالية.
شبك تجميع التيار
في بعض تصاميم المكدسات، توضع شبكة من التيتانيوم المنسوج بين PTL والصفيحة ثنائية القطب لتعمل كطبقة إضافية لجمع التيار وتوزيعه. وتوفر هذه الشبكة واجهة أكثر مرونة قادرة على استيعاب تفاوتات صغيرة في سماكة PTL مع الحفاظ على التلامس الكهربائي.
المواصفات الشائعة لشبك المحلل الكهربائي:
- عدد الشبك: 40-100 mesh (فتحة 150-400 µm)
- قطر السلك: 0.1-0.3 mm
- المادة: تيتانيوم Grade 1
- الطلاء: غالبًا بلاتين بسمك 0.05-0.2 µm لتقليل مقاومة التماس
توفر FILTURE شبك التيتانيوم المنسوج بأعداد الشبك وأقطار الأسلاك المستخدمة في تطبيقات التحليل الكهربائي.
كيف تغيّر متطلبات الهيدروجين الأخضر مواصفات المكونات؟
إن الانتقال من المحللات المخبرية الصغيرة إلى مكدسات متعددة الميغاواط تحتوي على مئات الخلايا ومساحات فعالة تتجاوز 1000 cm² يغيّر متطلبات الموردين. فالمساحات الفعالة الأكبر تتطلب صفائح PTL أكبر، قد تصل إلى 500 mm × 500 mm أو أكثر، مع تجانس جيد في المسامية والسماكة عبر كامل القطعة. كما أن الانتقال من التجميع اليدوي إلى الخطوط شبه الآلية يفرض تسامحات بعدية أكثر إحكامًا.
كما أن الأحجام المطلوبة ترتفع بسرعة. فمكدس PEM بقدرة 1 MW قد يحتوي على نحو 200 إلى 400 خلية. وكل خلية تحتاج إلى PTL وصفيحة ثنائية القطب وشبك تجميع وتجاويف مانعة للتسرب. وعند النظر إلى المشاريع العالمية المعلنة، ينتقل الطلب على المكونات المسامية المصنوعة من التيتانيوم من بضعة كيلوجرامات سنويًا إلى عدة أطنان سنويًا حتى بالنسبة إلى عميل OEM واحد.
قائمة تحقق لمواصفات مكونات المحلل
إذا كنت تشتري مكونات مسامية من التيتانيوم لتطوير أو إنتاج محللات PEM، فمن المفيد تحديد ما يلي:
- درجة المادة (ويُفضل Grade 1 من أجل مقاومة التآكل، مع قبول Grade 2 في كثير من الحالات)
- المسامية وتوزيع حجم المسام، مع طريقة القياس مثل اختبار الزئبق أو قياس المسام بالتدفق الشعري
- تسامح السماكة، عادة ±0.05 mm لـ PTL و±0.02 mm للصفائح ثنائية القطب
- خشونة السطح، خاصة إذا كانت تؤثر في مقاومة التلامس
- أبعاد الصفيحة أو اللوح وتسـامح الاستواء
- متطلبات طلاء المعادن النبيلة، مثل نوع المعدن والسماكة والمساحة المطلية
- متطلبات النظافة، مثل خلو السطح من الجسيمات والتلوث العضوي
تنتج FILTURE لباد ألياف التيتانيوم، والصفائح المسامية الملبدة، والشبك المنسوج، ومكونات التيتانيوم المشغلة لصناع محللات PEM ومؤسسات البحث. وإذا كنت تطور مكدسًا أو توسع إنتاجه وتحتاج إلى مكونات مسامية من التيتانيوم حسب المواصفة، تواصل معنا مع متطلباتك.
