نقل فينيومنا في مجال تكنولوجيات خلايا الوقود لإنتاج الطاقة النظيفة

وتكتسي نماذج التدفق من مرحلتين أهمية خاصة بالنسبة لمركبات الكربون الكلورية فلورية، حيث تظهر المياه السائلة في المهد، وتحل هذه النماذج محل التشبع السائل وتستعمل علاقات ضغط الكبسولة لوصف النقل المائي من خلال نظام غلوبال GDL.

ولا يزال تقدير المواظبة والتحقق من صحة البيانات التجريبية يشكلان تحدياً لجوانب نماذج خلايا الوقود، وتتوقف الممتلكات المادية مثل القابلية للتشعب، والنشاط الحراري، على الهيكل الجزئي للمواد ويمكن أن تتغير بمرور الوقت بسبب التدهور، وقد طُبقت مؤخراً نُهج التعلم في مجال الآلات للتنبؤ بممتلكات النقل من صور الهياكل الدقيقة، مما يتيح مساراً نحو نماذج أكثر دقة.

التحديات الرئيسية في مجال النقل

إدارة المياه في مراكز إدارة المياه

إن إدارة المياه هي أكثر التحديات أهمية بالنسبة لمركبات الكربون الفلورية ذات الحرارة المنخفضة، وتتطلب هذه النسيجات محتوى عاليا من المياه بالنسبة لسلوك البروتون، ولكن المياه الزائدة في فيضانات المواد المسروقة في الفرن، مما يحجب انتشار الأوكسجين إلى الحفاز، وهذا الفيضان يقلل من الكثافة الحالية التي يمكن أن يتسبب في عدم استقرار الأداء أو تراجع الخلايا.

-
- GDL optimization

ويحدث النقل المائي عبر الأغشية عن طريق الانتشار (محركه تدرج نشاط المياه)، والسحب الكهرو - الاصطناعي (من الأنود إلى التمويه مع تدفق البروتون)، والارتطام الهيدروليكي (محركه تدرج الضغط).

الإجهاد الحراري وتدهور المواد

وتخلق درجات الحرارة داخل أكوام خلايا الوقود خلل توسع حراري بين المكونات، مما يؤدي إلى الإجهاد الميكانيكي، والتطهير، وفشل الختم، وهذه الآثار شديدة بوجه خاص في البلدان ذات الغطاء الحرجي، بسبب ارتفاع درجة حرارة التشغيل وارتشاء المكونات الخزفية.

ويتسبب التدوير الحراري أثناء البدء والغلق في أضرار تراكمية، إذ يجري تطوير مواد متقدمة مثل ربط الصلب اللاصق مع المعاطف الواقية والختم الزجاجي العنقية للتخفيف من هذه القضايا.

وفي البلدان التي تعاني من تضخم حراري في الثدييات، فإن الإجهاد الحراري أقل حدة، ولكنه لا يزال كبيرا، ويخضع الغشاء للتوسع في الحرارة الزراعية حيث يستوعب المياه، ويخلق ضغطا ميكانيكيا يمكن أن يؤدي إلى تشكيل ثقوب وتلاقح، ويتسارع التدهور الكيميائي للرمبريين عند درجات حرارة مرتفعة، ولا سيما في وجود أنواع متطرفة تشكل أثناء خفض الأكسجين.

فقدان التركيز في الكثافة العالية

ومع تزايد الكثافة الحالية، فإن معدلات الاستهلاك المتفاعل عند ارتفاع طبقة الحفازة، والقيود المفروضة على النقل الجماعي أصبحت أكثر وضوحا، ويبدو أن التركيز المفرط، المعروف أيضا باسم القدرة المفرطة للنقل الجماعي، هو الانخفاض التصاعدي المرتبط باستنفاد ردود الفعل في المواقع النشطة.

وفي البلدان التي تعاني من تضخم في الكتلة الحيوية، تهيمن خسائر التركيز عادة على الكثافة الحالية فوق 1 ألف/جيم2.() ويُعتبر نقل الأوكسجين في الكاثود العامل المقيد بسبب انخفاض تركيز الأوكسجين في الهواء (21 في المائة) وطريق الانتشار الضار عبر طبقة GDL ومايكروبروسات، إذ يمكن لاستخدام الأكسجين النقي بدلاً من الهواء أن يزيد بدرجة كبيرة من كثافة الهواء الحالية المحدودة، ولكن هذه التطبيقات غير عملية بالنسبة لمعظم.

وفي البلدان الجزرية الصغيرة النامية، يكون استقطاب التركيز أكثر أهمية في جانب المنعطف، حيث تكون معدلات استخدام الوقود مرتفعة، ويخفف تراكم منتجات التفاعل (H2O أو CO2) الوقود بالقرب من المواقع النشطة، ويمكن معالجة ذلك بتصميم دعم معلّم مع ارتفاع درجة الشرف والتوزيع الأمثل لحجم القطب.

الابتكارات الرامية إلى تعزيز كفاءة النقل

مواد ميمبرانية متقدمة

وترمي المواد الجيل التالي من المواد الوسيطة إلى تفكك المتطلبات المتضاربة من السمية العالية البروتونية والمرتفعات المنخفضة في المياه.() وتُعرض المواد الوسيطة القائمة على الهيدروكربون (مثلاً، الكيتاون البوليثر المشبع بالفلور، والخلية الخبيثة من التيب الكبدي الوبائي) تكلفة أقل وربما استقراراً حرارياً أفضل من حمض السلفوني البيرفلوروكتاني مثل نباتي

وبالنسبة لمركبات الكربون البيرفلورية البيرفلورية، أدى البحث في أجهزة الإلكتروليت ذات الرش النيف إلى انخفاض مقاومة الأورامية وسمح بتدني درجات حرارة التشغيل (500-650 درجة مئوية).

الميكانيكية الصغيرة والتصميم الميداني

وتؤثر الهندسة الميدانية المتفجرة تأثيراً كبيراً على النقل الجماعي، إذ تعاني تصميمات القنوات الموازية التقليدية من سوء التوزيع والفيضانات، في حين توفر تصميمات الثيرانتينية نقلاً أفضل ولكن بتكلفة انخفاض ضغط أعلى، وتدفع حقول التدفق المتداخلة الغاز من خلال GDL، مما يحسن النقل الجماعي بدرجة كبيرة، ولكنه يزيد أيضاً من الخسائر الطفيلية من جانب المضغط.

Recent innovations include:
- ]Biomimetic flow fields) inspiration by leaf venation or lung bronchioles, aiming for uniform reactant distribution with minimal pressure drop.
- Metal foams

وقد طُبقت زيادة استخدام تقنيات التفريغ الطبوغرافية على تصميم حقول التدفق بأقل قدر من الخسائر في النقل الجماعي، مما يتيح تصميم قياسات جغرافية القناة التي لا تقيدها أساليب التصنيع التقليدية.

مُحللون مُنظمون

ويؤثر المورفولوجيا الحفازة على كل من حركية ردود الفعل الكهروكيميائية ونقل المتفاعلات إلى المواقع النشطة، ويمكن أن تؤدي عوامل الحفازة البنيوية ذات المساحة العالية والهيكل القطبي الخاضع للرقابة إلى الحد من قيود النقل الجماعي بتوفير مسارات نشر أقصر ومواقع أكثر نشاطا.

ولا تزال العوامل الحفازة لمجموعات البلاتين هي المعيار المرجعي لمركبات الكربون الكلورية فلورية، ولكن خفض التحميل أمر حاسم لخفض التكاليف، وقد حققت عوامل الحفازات من الرصاصات الأساسية (مثلاً، Pt on Pd أو Ni cores) تقدماً كبيراً مع انخفاض محتوى البلاتينوم، وقد حققت عوامل حفازة غير وخيمة مثل المواد الكربونية (Fe-N-C) تقدماً كبيراً ولكن لا تزال تعاني من ذلك.

وفي البلدان الجزرية الصغيرة النامية، فإن الحدود الثلاث مراحل التي يلتقي فيها الغاز والكهرباء والكهرباء والمحلل الكهربائي هي ذات أهمية حاسمة بالنسبة لأجهزة الترميم الحركية، وقد تبين أن تقنيات التسلل التي تُرسِل الجسيمات الحفازة في هيكل الكهروود الخلي تزيد بشكل كبير طوله وتخفض مقاومة الاستقطاب، وتحقق هذه الكهروديسات النانووية أداء مماثلاً لتصميمات الخلوية التقليدية عند درجة حرارة الأدنى.

إدماج برنامج النقل فيفيومينا في التصميم على مستوى المنظومة

وظواهر النقل على مستوى الخلايا لها آثار مباشرة على تصميم النظم، إذ يتم تصنيف العناصر المحتوية على ميزان الطائرات - المؤمنين، والمرطفين، ومبادلات الحرارة، والمضخات، ومكثفات التحكم، استناداً إلى متطلبات النقل في كومة الخلايا.

وفي نظم خلايا الوقود الآلية، يجب أن يوفر نظام إدارة الهواء الأكسجين بمعدل التدفق والضغط اللازمين مع التقليل إلى أدنى حد من الخسائر الطفيلية، ويمكن للضغط وحده أن يستهلك ما يصل إلى 20 في المائة من الناتج الإجمالي للطاقة، كما أن نماذج النظام التي تتضمن ظواهر النقل من مستوى الخلايا تسمح للمهندسين بأن يستغلوا ظروف التشغيل القصوى للطاقة الصافية عبر دورة القيادة بأكملها.

وبالنسبة لنظم الطاقة الثابتة التي تستخدم مركبات الكربون الفلورية البيرفلورية، فإن استراتيجية تكامل الحرارة بالغة الأهمية، إذ يمكن استخدام درجة عالية من حرارة النفايات من كومة الوقود في الجيل المشترك، أو إصلاح الغاز الطبيعي، أو قيادة دورة قاعية (مثلاً، توربين الغاز أو دورة الرنكين العضوية)، كما أن الجمع بين الكتلة والشحن والنقل الحراري على مستوى الكوادر يحدد نوعية وكمية حرارة النفايات المتاحة.

(ب) أدوات نموذجية على مستوى المنظومة مثل [(FLT:0]]DOE Fuel Cell Technologies Office] resources and ]NREL fuel cell modeling tools] توفر نماذج مصدق عليها تدمج ظواهر النقل في محاكاة النظم، وهذه الأدوات أساسية للتعجيل الاستغلال التجاري لتكنولوجيات خلايا الوقود.

الاتجاهات المستقبلية وأولويات البحوث

وعلى الرغم من التقدم الكبير المحرز، لا تزال ظواهر النقل تشكل مجالا رئيسيا للبحث في تكنولوجيا خلايا الوقود، وتشمل أولويات العمل في المستقبل ما يلي:

• In situ diagnostic techniques] such as neutron imaging, X-ray computed tomography, and micro-electrode arrays that allow direct observation of water distribution and current density in operating cells.
• Multiscale modeling] that bridgestom-scale surface reactions with continuum-scale transport, enabling rational design of incentives and porous media.
• Machine learning for property prediction] that can accelerate the discovery of new materials with optimized transport characteristics.
• Degradation-aware control] that uses real-time monitoring of transport parameters (e.g., membrane resistance, gas permeability) to extend fuel cell lifetime.
• Alternative fuel pathways] that consider transport phenomena in direct methanol fuel cells (DMFCs), direct ammonia fuel cells, and biofuel-fed systems.

ويبشر تقارب المواد المتقدمة والنمذجة الحاسوبية والابتكار في مجال التصنيع بالتغلب على التحديات المتصلة بالنقل التي تحد حاليا من أداء الخلايا الوقودية وتكلفتها، ومن المتوقع أن تؤدي خلايا الوقود، مع نضج هذه التكنولوجيات، دورا متزايد الأهمية في إزالة الكربون من النقل، وتوليد الطاقة الموزعة، والصناعة الثقيلة.

وبالنسبة للباحثين الذين يدخلون الميدان، تتاح موارد شاملة من خلال ] جمع ظواهر النقل المثيرة للمشاعر ] وسلسلة للمعاملات التي تقوم بها اللجنة الاقتصادية لأوروبا ]، التي تُلقي بانتظام إجراءات من الندوات المخصصة للنقل الخلوي، وتوفر هذه البرامج أساساً قوياً لفهم الحالة الراهنة للفن وتستلزم مزيداً من التحقيق.

خاتمة

إن ظواهر النقل هي الهيكل الخفي الذي يحكم أداء وكفاءة ودوام خلايا الوقود، ويقرر النقل الجماعي مدى سرعة وصول المتفاعلين إلى المواقع النشطة وكيفية إزالة المنتجات بفعالية، ويقضي النقل على الخسائر الأورامية التي تقلل من كفاءة الفولط، ويتحكم نقل النفايات في البيئة الحرارية التي تؤثر على الحركيات، والاستقرار المادي، وتكامل النظم.

ويهيئ تفاعل هذه العمليات عبر مختلف أنواع خلايا الوقود - بي إم إف سي، وشركة سوف سي، وشركة إم بي سي، وغيرها من المؤسسات، مجالاً غنياً للدراسة يُنتج عن الكيمياء الكهربائية، وديناميات السوائل، وعلم الديناميات الحرارية، وعلوم المواد، كما أن التقدم في المواد الوسيطة، وتصميم مواقع التدفق، والحفازات النانوية، والنموذج الحسابي، يقلل بصورة مطردة من الخسائر المتصلة بالوقود.

ومع تباطؤ عملية الانتقال في مجال الطاقة على الصعيد العالمي، توفر خلايا الوقود مساراً قاهراً لتوليد الطاقة النظيفة والفعالة باستخدام الهيدروجين والوقود المتجددة، وسيكون استمرار الاستثمار في فهم وتحسين ظواهر النقل أمراً أساسياً لتحقيق إمكاناتها الكاملة، وسيكون الباحثون والمهندسون الذين يتقنون هذه المواد الأساسية في موقع جيد يسمح لهم بحفز الابتكار في هذا المجال التكنولوجي الحرج.