منتج جديد من طاقة الهيدروجين: كيف يُعيد سبيكة الحديد الرغوي والنيكل تشكيل أجهزة التحليل الكهربائي لإنتاج الهيدروجين

1. عصر الهيدروجين الجديد

منذ اكتشافه في القرن السادس عشر، اعتُبر الهيدروجين مصدرًا حيويًا للطاقة النظيفة نظرًا لوفرة الهيدروجين وكثافته العالية من الطاقة وخصائصه الخضراء المنخفضة الكربون.

تُصنف عمليات إنتاج الهيدروجين حاليًا، بناءً على انبعاثاتها الكربونية، إلى هيدروجين رمادي، وهيدروجين أزرق، وهيدروجين أخضر. من بين هذه الأنواع، الهيدروجين الأخضر، المُنتَج عن طريق التحليل الكهربائي للماء باستخدام الطاقة المتجددة، لا ينبعث منه غازات دفيئة أو مواد ضارة، ويتميز بنقاء عالٍ. وهو أنظف طريقة لإنتاج الهيدروجين، ويمثل التوجه المستقبلي الرئيسي لطاقة الهيدروجين.

يتم الحصول على الهيدروجين الأخضر في المقام الأول من خلالالتحليل الكهربائي للماءحيث يُقسّم المُحلِّل الكهربائي الماء إلى هيدروجين وأكسجين. توجد حاليًا أربع تقنيات رئيسية للمُحلِّل الكهربائي: ALK (التحليل الكهربائي للماء القلوي)، وPEM (التحليل الكهربائي بغشاء تبادل البروتونات)، وSOEC (خلية التحليل الكهربائي للأكسيد الصلب)، وAEM (البوليمر الصلب).في(على التحليل الكهربائي لغشاء التبادل).

في سياق الحياد الكربوني العالمي، أصبح الهيدروجين الأخضر بلا شك مجالاً رئيسياً في تحوّل الطاقة. وتُعدّ قدرة تقنية المُحلل الكهربائي على خفض التكاليف وتعزيز الكفاءة أمراً بالغ الأهمية لنجاحها المستقبلي في هذا المجال الحيوي.

2. الدعامة الأساسية: أجهزة التحليل الكهربائي القلوية

يتم إجراء التحليل الكهربائي للماء القلوي (ALK) لإنتاج الهيدروجين في بيئة إلكتروليتية قلوية، عادةً باستخدام محاليل هيدروكسيد البوتاسيوم (KOH) أو هيدروكسيد الصوديوم (NaOH). الميزة الأكبر لتقنية التحليل الكهربائي هذه هي أن كلاً من صفيحتي الأنود والكاثود لا تحتويان على مواد ثمينة.معدنمما يُنتج أقل تكلفة للمحلل الكهربائي. علاوة على ذلك، يُعد هذا النوع من المحللات الكهربائية الأكثر نضجًا تجاريًا، بخبرة تشغيلية واسعة، ويهيمن على السوق. وقد وصلت مؤشرات الأداء الرئيسية لبعض المعدات المحلية الحيوية إلى مستويات متقدمة عالميًا، مما يُتيح إنتاج الهيدروجين على نطاق واسع لكل خلية، مما يجعلها قابلة للتكيف بسهولة مع التحليل الكهربائي المُدار بالشبكة الكهربائية.

يتكون المحلل الكهربائي القلوي في المقام الأول من مكونات مثل الصفائح الطرفية والحشيات والصفائح ثنائية القطب،القطب الكهربائيالصفائح والأغشية. يتكون المحلل الكهربائي من عشرات، بل مئات، من خلايا التحليل الكهربائي، مضغوطة معًا بواسطة براغي وصفائح طرفية لتكوين شكل أسطواني أو مربع. كل خلية تحليل كهربائي، محددة بصفيحتين متجاورتين، تتكون من ستة أجزاء: صفيحتان ثنائيتا القطب موجب وسالب، قطب كهربائي موجب، غشاء، حشية مانعة للتسرب، وقطب كهربائي موجب.

الأهم من ذلك، أن قطب المُحلِّل الكهربائي القلوي هو المكان الذي تحدث فيه التفاعلات الكهروكيميائية، وهو عنصر أساسي في تحديد كفاءة إنتاج الهيدروجين في المُحلِّل الكهربائي. معظم الأقطاب الكهربائية المستخدمة في المُحلِّلات الكهربائية القلوية المنزلية الكبيرة مصنوعة من النيكل، مثل شبكة النيكل النقي، أو النيكل الرغوي، أو ركائز شبكة/نيكل رغوي نقية مطلية بمحفزات عالية النشاط. من بين هذه الأقطاب، يُعد النيكل الرغوي منتجًا غير مكلف وناجحًا. مادة قطبه مليئة بالعديد من المسام الدقيقة، مما يوفر مساحة سطح واسعة. هذا يزيد بشكل كبير من مساحة التلامس بين المحلول والقطب، ويقصر مسافة انتقال الكتلة، ويحسن كفاءة تفاعل التحليل الكهربائي بشكل كبير.

مادة سبائك الحديد والنيكل الرغويةيتفوق هذا المنتج على المواد التقليدية القائمة على النيكل، حيث يوفر مواقع أكثر نشاطًا لانطلاق الأكسجين، كما أن كفاءته التحفيزية أعلى بكثير. يُعد هذا إنجازًا كبيرًا يُسهم في تحقيق تقدم كبير في التحليل الكهربائي للماء القلوي. ووفقًا لاختبارات موثوقة، تتفوق كفاءة التحليل الكهربائي للماء القلوي باستخدام رغوة الحديد والنيكل، في ظل ظروف العمل الفعلية، على كفاءة شبكة النيكل التقليدية. واستنادًا إلى أحدث الأبحاث المحلية والدولية، يمكن أن يصل استهلاك طاقة التيار المستمر إلى 4.0-4.3 كيلوواط/ساعة/متر مكعب قياسي، مع كفاءة طاقة تصل إلى 80-85%.

3. فجر أجهزة التحليل الكهربائي AEM

تحليل الماء باستخدام غشاء تبادل الأنيونات البوليمري الصلب (AEM) هو عملية إنتاج الهيدروجين التي تستخدم غشاء تبادل الأنيونات منخفض التكلفة كفاصل، أو محلول قلوي منخفض التركيز أو ماء نقي كإلكتروليت، ومحفزات معدنية غير ثمينة للتفاعل.

في أجهزة التحليل الكهربائي AEM، يتكون الأنود عادةً من أكاسيد المعادن الانتقالية (على سبيل المثال، أكسيد النيكل، وأكسيد الكوبالت)، بينما يتكون الكاثود عادةً من المعادن الثمينة أو سبائكها، مثل النيكل أو البلاتين أو البلاديوم.

التفاعل عند الأنود هو: 4OH−−4e−→O2↑+2H2O التفاعل عند الكاثود هو: 2H2O+2e−→H2↑+2OH−

أيونات 4OH− المذكورة هنا هي الأنيونات المُركّزة في هذه العملية. تحت تأثير غشاء تبادل الأنيونات، تنتقل أيونات OH− المُنتَجة عند الكاثود إلى الأنود، مما يزيد تركيز أيونات OH− عند جانب الأنود، مما يؤدي إلى إنتاج المزيد من الأكسجين والماء عند الأنود. هذا يُنتج، بطبيعة الحال، هيدروجينًا أنقى عند الكاثود.

الدور الرئيسي لمواد الكاثود والأنود هو تحفيز تفاعل انقسام الماء وإخراج الهيدروجين والأكسجين الناتج بكفاءة. لذلك، يجب أن تتمتع كلٌّ من مواد الكاثود والأنود بنشاط تحفيزي قوي ومسامية عالية. ولسير تفاعلات الأقطاب بسلاسة، يجب أن تتمتع مواد الكاثود والأنود بموصلية عالية للأنيونات والإلكترونات.

حاليًا، تُعدّ سبائك النيكل أكثر مواد الكاثود استخدامًا، بينما تُعدّ سبائك النيكل والحديد أساسًا مواد الأنود. لا يُظهر الحديد والنيكل نشاطًا تحفيزيًا قويًا لفصل الماء فحسب، بل هما أيضًا متوفران على نطاق واسع ومنخفضا التكلفة. ولأن تقنية AEM لا تعمل في بيئات شديدة التآكل، فإنها لا تتطلب محفزات معادن ثمينة مثل الإيريديوم أو التيتانيوم في مواد الأنود والكاثود. هذا يُقلل بشكل كبير من تكلفة تصنيع معدات AEM، كما أن أدائها لا يقل عن أداء تقنية PEM، مما يجعلها الاتجاه السائد في أجهزة التحليل الكهربائي الهيدروجينية المُطوّرة حديثًا حول العالم.

4. ركوب الموجة: صعودرغوة الحديد والنيكل

سواء بالنسبة لتقنية ALK (التحليل الكهربائي القلوي) السائدة حاليًا أو تقنية AEM الناشئة، فإن رغوة الحديد والنيكل توفر مزايا تطبيقية فريدة وآفاقًا واسعة.

خصائص المادة: تصميم شبكي ثلاثي الأبعاد ثوري

• مساحة سطحية نوعية عالية جدًا:بفضل أحجام مسامها التي تتراوح بين 20 و450 ميكرومترًا، ومساميتها التي تفوق 98%، فإن مساحة سطحها النشط أكبر بمئات المرات من مساحة الأقطاب الكهربائية المستوية. هذا يُحسّن معدلات التفاعل بشكل ملحوظ، ويزيد مساحة التلامس بين المحلول والقطب بشكل كبير، ويُقصّر مسافة انتقال الكتلة، ويُحسّن كفاءة تفاعل التحليل الكهربائي بشكل كبير.
• التحفيز الفعالسطح رغوة الحديد والنيكل مطلي بمحفزات أساسها النيكل والحديد. تساعد هذه المحفزات في تفاعل التحليل الكهربائي للماء، الذي يقسم الماء إلى هيدروجين وأكسجين.
• الدعم الهيكلي:يوفر الهيكل ثلاثي الأبعاد لرغوة النيكل دعمًا ممتازًا، مما يساعد في الحفاظ على استقرار وسلامة هيكل القطب، مما يضمن التشغيل على المدى الطويل.
• موصلية عالية:يعتبر كل من الحديد والنيكل موصلين جيدين للكهرباء، كما أن البنية ثلاثية الأبعاد لرغوة الحديد والنيكل توفر مساحة سطح عالية، مما يساعد في توزيع التيار.

تطبيق طبقة المحفز

حاليًا، تشتمل طبقات محفز المحلل الكهربائي بشكل أساسي علىطبقة محفز الأنود (OER-CL)و الطبقة محفز الكاثود (HER-CL)، مما يُسهّل تفاعل تطور الأكسجين (OER) وتفاعل تطور الهيدروجين (HER) على التوالي. ونظرًا لأن كلاً من OER وHER يُظهران خمولًا حركيًا، فعادةً ما تُحمّل المحفزات على الأقطاب الكهربائية لتعزيز نشاط التفاعل وتقليل استهلاك الطاقة. هذه هي وظيفة طبقة المحفز (CL). ونظرًا لأن المحفزات القائمة على النيكل تُظهر نشاطًا عاليًا ومقاومة ممتازة للتآكل في الأوساط القلوية، وهي أكثر استقرارًا من المعادن الانتقالية الأخرى (مثل Fe وCo)، فإنها تُستخدم على نطاق واسع كمحفزات لكل من OER وHER. ونظرًا لتقاربه العالي مع الأكسجين، يميل Fe إلى امتصاص أيونات الهيدروكسيل (OH−)، ولذلك يُستخدم غالبًا كمحفز حركي لتفاعل OER.مادة الرغوة المصنوعة من سبائك النيكل والحديدتُظهر مادة النيكل والحديد، التي تجمع خصائص معادن NiFe، مزايا كبيرة عند استخدامها كمادة أنود لإنتاج الهيدروجين.

تطبيق طبقة الانتشار

تُستخدم طبقة انتشار الغاز (GDL) بشكل أساسي لنشر الغازات - الهيدروجين عند المهبط والأكسجين عند المصعد. بالإضافة إلى ذلك، وبفضل موصليتها المعدنية والحرارية، تُسهّل هذه الطبقة أيضًا نقل الإلكترونات والحرارة، ولذلك تُعرف باسم طبقة النقل المسامية (PTL). يُستخدم النيكل الرغوي حاليًا على نطاق واسع في السوق كمادة لطبقة الانتشار. علاوة على ذلك، يُعدّ النيكل الرغوي عالي الجودة والفعال من حيث التكلفة خيارًا أكثر اقتصادًا.