دور فاصل الماء في أنظمة خلايا الوقود المبردة بالماء

داخل الهندسة المعمارية المعقدة لوحدة التبريد بالماء نظام خلية وقود الهيدروجينتُعد حلقة دوران الهيدروجين نظامًا فرعيًا بالغ الأهمية لضمان التشغيل الفعال والآمن. ومن المكونات الحيوية في هذه الحلقة فاصل الماء، المعروف أيضًا باسم فاصل المكثفات أو وعاء الفصل. قد يبدو وجوده متناقضًا للوهلة الأولى: لماذا يتطلب نظام يهدف إلى إدارة دقيقة للمياه السائلة جهازًا مخصصًا للتعامل مع الرطوبة في تيار الغاز؟ لفهم ذلك، يجب التعمق في مصادر الماء على جانب الهيدروجين، ومخاطره المحتملة، وآليات التوازن الديناميكية الكامنة في تشغيل النظام. يتضمن التفاعل الأساسي لخلية الوقود اتحاد الهيدروجين والأكسجين لإنتاج الماء والكهرباء والحرارة. يتم توليد هذا الماء بشكل أساسي عند الكاثود، أو جانب الهواء.

ومع ذلك، لا تبقى جزيئات الماء عند نقطة انطلاقها فحسب. يجب أن يكون غشاء تبادل البروتونات (PEM)، "قلب" الخلية، مُرطَّبًا بشكل كافٍ لتوصيل البروتونات بفعالية. هذه الخاصية سلاح ذو حدين. فبينما يُعدّ ترطيب الغشاء الكافي ضروريًا لتوصيل جيد للبروتونات، فإن اختلاف تركيز الماء (أو نشاطه) عبر الغشاء يُولِّد قوة دافعة قوية. يُؤدي هذا إلى انتشار جزيئات الماء من الكاثود، عائدةً عبر الغشاء، إلى الأنود (جانب الهيدروجين) في ظاهرة تُعرف باسم "الانتشار العكسي للماء". تُعد هذه النفاذية العكسية بالغة الأهمية عندما يكون تفاعل الكاثود شديدًا، مُنتجًا كميات كبيرة من الماء، بينما يصبح تيار الهيدروجين في الأنود جافًا نسبيًا بسبب إعادة التدوير. وهكذا، تظهر رطوبة غير مُخطط لها فيما يُفترض أن يكون حلقة هيدروجين "جافة".

علاوة على ذلك، للحفاظ على مستوى الترطيب الأمثل لأغشية غشاء التبادل البروتوني (PEM)، غالبًا ما يتطلب الهيدروجين الداخل إلى المدخنة ترطيبًا مناسبًا. يُعد الترطيب الخارجي، خاصةً أثناء بدء تشغيل النظام، طريقة شائعة لمنع الهيدروجين الجاف من تجفيف الغشاء. يمكن لبخار الماء المُدخل عبر عملية الترطيب هذه أن يتكثف إلى ماء سائل إذا تعرض تيار الهيدروجين لتغيرات في درجة حرارته أثناء التدفق. لذلك، تنشأ الرطوبة على جانب الهيدروجين بشكل أساسي من مصدرين: الماء المنتشر عكسيًا من الكاثود، وبخار الماء المُدخل عبر ترطيب غاز المدخل. عندما يتدفق الهيدروجين الدافئ والرطب المُعاد تدويره عبر أقسام أكثر برودة من الأنابيب والصمامات ومضخة إعادة التدوير، يمكن لبخار الماء أن يتكثف إلى قطرات دقيقة، مُشكلًا ما يُعرف باسم "الماء المُعلق". قد يؤدي تراكم هذا الماء السائل داخل حلقة الهيدروجين إلى سلسلة من المشاكل الخطيرة. يتمثل الخطر الأكثر إلحاحًا في "الفيضان". قنوات تدفق الهيدروجين ضيقة جدًا؛ ويمكن للماء السائل أن يسد حقول تدفق الخلايا الفردية أو المتعددة، مما يعيق الانتشار الفعال للهيدروجين إلى طبقات المحفز للتفاعل. يؤدي نقص الهيدروجين الموضعي إلى انخفاض حاد في الجهد في تلك المنطقة ويمكن أن يؤدي حتى إلى عكس اتجاه الخلية (الاستقطاب العكسي).

لا يقتصر هذا على عدم استقرار إنتاج الطاقة، بل يُسبب أيضًا تلفًا تآكليًا لا رجعة فيه للمحفز ودعامة الكربون، مما يُقصّر عمر المدخنة بشكل كبير. ثانيًا، يُمكن لقطرات الماء هذه أن تُسرّع تآكل المكونات المعدنية في الأنابيب والصمامات. بالنسبة لمضخة إعادة تدوير الهيدروجين، التي تعتمد على التشغيل عالي السرعة، يُمكن أن يُؤدي اصطدام القطرات إلى تأثير "مطرقة مائية"، مما قد يُلحق ضررًا بالغًا بالدافع ويتسبب في توقف المضخة أو تعطلها، مما يُشكل تهديدًا كبيرًا لموثوقية النظام ككل. يلعب فاصل الماء دورًا حاسمًا كـ"كاسح" في هذا السياق.

عادةً ما يتم وضعه في مكان استراتيجي داخل حلقة دوران الهيدروجين، وغالبًا ما يكون في نقطة حرجة بين مخرج المدخنة ومدخل مضخة إعادة التدوير. يعتمد تشغيله عادةً على مبادئ الفصل بالطرد المركزي أو القصور الذاتي. عندما يدخل غاز الهيدروجين الرطب المحمّل بقطرات الماء إلى حجرة الفاصل بشكل مماسي بسرعة معينة، فإنه يُحدث تدفقًا دواميًا. تُقذف قطرات الماء الأثقل إلى الخارج بفعل قوة الطرد المركزي على الجدار، حيث تتجمع وتفقد طاقتها الحركية، مُشكّلةً قطرات أكبر تُصرف في النهاية بفعل الجاذبية إلى قاع الفاصل. يخرج غاز الهيدروجين "المجفف" بعد ذلك عبر المخرج المركزي، ويُعاد تدويره إلى مدخل المدخنة بواسطة المضخة. يُصرف الماء السائل المتراكم في القاع بشكل دوري من النظام عبر صمام تصريف تلقائي أو مُتحكم به بشكل متقطع. لذلك، لا يُعد فاصل الماء عنصرًا تصميميًا إضافيًا، بل حلاً ذكيًا وأساسيًا لتحديات إدارة المياه المعقدة داخل خلية الوقود.

يُراعي هذا العنصر الطبيعةَ المنتشرة لجزيئات الماء، ويُدير بشكلٍ استباقي الرطوبةَ الإضافية الناتجة عن الانتشار العكسي والترطيب، مما يضمن بقاء حلقة دوران الهيدروجين في حالةٍ مثالية من الرطوبة دون غمرها. يحمي هذا العنصر مضخة إعادة التدوير، ويساعد على ضمان توزيع الهيدروجين بشكلٍ متساوٍ عبر الخلايا، مما يُشكل في نهاية المطاف أساسًا بالغ الأهمية لتحقيق كفاءةٍ عاليةٍ وموثوقيةٍ ومتانةٍ طويلة الأمد في أنظمة خلايا الوقود. على الرغم من كونه عنصرًا واحدًا فقط من بين العديد من العناصر، إلا أن فاصل الماء أساسيٌّ للحفاظ على "توازن الماء" الدقيق في جانب الهيدروجين.