الصفائح ثنائية القطب: "العمود الفقري" و"الطرق السريعة" لخلايا الوقود

في العالم الداخلي المعقد والمتشابك لـ خلية الوقودإذا كانت مجموعة أقطاب الغشاء هي "القلب" المسؤول عن توليد الطاقة، صفيحة ثنائية القطب هو "العمود الفقري" الذي يدعم هيكل البطارية بأكمله و"الطريق السريع" الذي يضمن التدفق السلس للعناصر التي تدعم الحياة.

هذا المكون البسيط ظاهريًا، في الواقع، بالغ الأهمية في تحديد إنتاج الطاقة وكفاءة وعمر مجموعة خلايا الوقود. فهو ليس مجرد جزء هيكلي، بل هو مكون أساسي يدمج وظائف متعددة مثل توزيع مجال التدفق، والتوصيل الكهربائي، والتوصيل الحراري. من منظور المواد، مر تطوير الصفائح ثنائية القطب بمراحل مختلفة، لكل منها مزاياها وعيوبها الواضحة. كان الجرافيت أقدم مادة مستخدمة على نطاق واسع. يتميز الجرافيت بموصلية كهربائية ممتازة ومقاومة فائقة للتآكل، مما يجعله مثاليًا لتحمل التحديات طويلة الأمد للبيئة الحمضية داخل خلية الوقود.

ومع ذلك، فإن هشاشتها المتأصلة تجعل صفائح الجرافيت ثنائية القطب عرضة للتلف أثناء المعالجة والتجميع. علاوة على ذلك، لتحقيق إحكام كافٍ للغاز، غالبًا ما يلزم جعلها سميكة نسبيًا، مما يحد من كثافة الطاقة الحجمية لمكدس خلايا الوقود. للتغلب على هذه العيوب، ظهرت صفائح معدنية ثنائية القطب، باستخدام الفولاذ المقاوم للصدأ أو سبائك التيتانيوم بشكل أساسي. تكمن أكبر ميزة للصفائح المعدنية ثنائية القطب في قوتها الميكانيكية العالية وموصليتها الكهربائية والحرارية الاستثنائية، مما يسمح بتصنيعها رقيقة للغاية، مما يجعل مكدس خلايا الوقود أكثر إحكامًا ويحقق كثافة طاقة أعلى. ومع ذلك، تواجه المعادن تحديات تآكل شديدة في بيئة تشغيل خلايا الوقود. بمجرد تآكلها، لا تزداد مقاومة التلامس فحسب، مما يقلل الكفاءة، بل يمكن أن يؤدي ترشيح أيونات المعدن أيضًا إلى تسمم المحفز.

لذلك، يجب تطبيق طلاء مقاوم للتآكل، مثل الذهب أو البلاتين أو طلاء قائم على الكربون، على السطح، مما يزيد بلا شك من تكاليف التصنيع وتعقيد العملية. في السنوات الأخيرة، أصبحت الصفائح ثنائية القطب من المواد المركبة اتجاهًا بحثيًا جديدًا. تُصنع هذه عادةً عن طريق خلط الحشوات الموصلة مثل الجرافيت أو أسود الكربون مع راتنجات البوليمر (مثل البولي بروبيلين) وتشكل عن طريق القولبة بالحقن. تجمع هذه الصفائح بين مقاومة التآكل للجرافيت وقابلية تشكيل البلاستيك، مما يسهل الإنتاج الضخم ويوفر مزايا في خفة الوزن. ومع ذلك، فإن موصليتها الكهربائية وقوتها الميكانيكية تكونان بشكل عام متوسطة بين الجرافيت والمعدن، مما يمثل حلاً وسطًا مهمًا في التكنولوجيا الحالية. يُعد وضع تشغيل الصفائح ثنائية القطب نموذجًا لتعدد المهام المتوازي، ويمكن تلخيص وظائفها في ثلاثة جوانب. الوظيفة الأساسية هي توجيه الغازات المتفاعلة. من خلال قنوات تدفق مُصممة بدقة على أحد الجانبين، تُشبه "طرقًا سريعة" مُصغرة، تُوصل هذه القنوات وقود الهيدروجين بالتساوي إلى طبقة المحفز الأنود، والمؤكسد (الأكسجين من الهواء) إلى طبقة المحفز الكاثود، مما يضمن مشاركة منطقة التفاعل بأكملها بكفاءة في توليد الطاقة. في الوقت نفسه، يتميز تصميم قنوات التدفق هذه بعلمية عالية: إذ يجب أن تضمن توزيعًا منتظمًا للغاز، وتتجنب المناطق الميتة، وتُزيل الماء الناتج عن التفاعل بفعالية لمنع "الفيضانات" التي قد تُسد القنوات. الوظيفة الأساسية الثانية هي جمع وتوصيل التيار الكهربائي. تعمل اللوحة ثنائية القطب كمُجمّع للتيار، حيث تجمع التيار الكهربائي الناتج عن كل مجموعة أقطاب غشائية (خلية واحدة)، وتربط الخلايا تسلسليًا بفضل طبيعتها الموصلة للغاية، مما يُنتج في النهاية الجهد والطاقة المطلوبين. تُحدد الموصلية الكهربائية لمادتها بشكل مباشر خسائر المقاومة الداخلية في هذه العملية. أما الدور الرئيسي الثالث فهو تبديد الحرارة وإدارة المياه.

يُولّد تفاعل خلية الوقود حرارة؛ ويتعيّن على الصفيحة ثنائية القطب، التي تعمل كمسار توصيل حراري، إزالة هذه الحرارة بسرعة للحفاظ على المدخنة ضمن نطاق درجة حرارة تشغيل مناسب. في هذه الأثناء، يُزال الماء المتولد عند الكاثود جزئيًا بواسطة تيار الهواء الزائد، ويُعدّ تصميم مجال التدفق والمعالجة المحبة للماء/الكارهة للماء للصفيحة ثنائية القطب أمرًا بالغ الأهمية لإزالة هذا الماء بفعالية. لذلك، يُحدد أداء الصفيحة ثنائية القطب بشكل مباشر الكفاءة الكلية لمدخنة خلية الوقود.

يجب أن تحقق الصفيحة ثنائية القطب المثالية التوازن الأمثل بين الموصلية ومقاومة التآكل، والقوة والنحافة، وتدفق الغاز وإدارة المياه، وتكلفة التصنيع، وعمر الخدمة. وسواءً كانت مصنوعة من الجرافيت أو المعدن أو المواد المركبة، يبقى هدف التطوير هو نفسه: دعم آفاق التسويق التجاري الأوسع لخلايا الوقود بتكاليف أقل وأداء أكثر موثوقية. ويمكن القول إن كل تقدم في تكنولوجيا الصفيحة ثنائية القطب يمثل خطوة مهمة نحو انتشار خلايا الوقود على نطاق واسع.