غشاء تبادل البروتونات

غشاء تبادل البروتونات ، أو غشاء البوليمر الإلكتروليتي ( PEM )، هو غشاء شبه نفاذ مصنوع عادةً من الأيونومرات ، ومصمم لتوصيل البروتونات مع العمل كعازل إلكتروني وحاجز للمواد المتفاعلة، مثل غازي الأكسجين والهيدروجين . ^{[ 1 ]} هذه هي وظيفته الأساسية عند دمجه في مجموعة غشاء القطب (MEA) لخلية وقود غشاء تبادل البروتونات أو محلل كهربائي بغشاء تبادل البروتونات : فصل المواد المتفاعلة ونقل البروتونات مع منع مسار إلكتروني مباشر عبر الغشاء.

يمكن تصنيع أغشية تبادل البروتونات (PEMs) إما من أغشية بوليمرية نقية أو من أغشية مركبة ، حيث تُدمج مواد أخرى في مصفوفة بوليمرية. يُعدّ فلوروبوليمر نافيون (PFSA) ^{[ 2 ]} ، وهو منتج من شركة دوبونت ، أحد أكثر مواد PEMs شيوعًا وتوفرًا تجاريًا. ^{[ 3 ]} على الرغم من أن نافيون عبارة عن أيونومر ذو هيكل كربوني مشبع بالفلور مثل التفلون ، ^{[ 4 ]} إلا أن هناك العديد من الأنماط الهيكلية الأخرى المستخدمة في صناعة الأيونومرات لأغشية تبادل البروتونات. يستخدم الكثير منها بوليمرات عطرية متعددة الحلقات، بينما يستخدم البعض الآخر بوليمرات مفلورة جزئيًا.

تتميز أغشية تبادل البروتونات بشكل أساسي بموصلية البروتونات (σ) ونفاذية الميثانول ( P ) والاستقرار الحراري. ^{[ 5 ]}

تستخدم خلايا الوقود PEM غشاء بوليمر صلب (غشاء بلاستيكي رقيق) يكون منفذًا للبروتونات عندما يكون مشبعًا بالماء، ولكنه لا ينقل الإلكترونات.

طُوِّرت تقنية أغشية تبادل البروتونات المبكرة في أوائل الستينيات على يد الكيميائيين ليونارد نيدراخ وتوماس جروب، العاملين في شركة جنرال إلكتريك . ^{[ 6 ]} خُصِّصت موارد حكومية كبيرة لدراسة هذه الأغشية وتطويرها لاستخدامها في برنامج رحلات الفضاء "مشروع جيميني" التابع لناسا. ^{[ 7 ]} دفعت عدة مشكلات تقنية ناسا إلى التخلي عن استخدام خلايا وقود أغشية تبادل البروتونات لصالح البطاريات كبديل أقل سعةً ولكنه أكثر موثوقيةً لمهام جيميني من 1 إلى 4. ^{[ 8 ]} استُخدم جيل مُحسَّن من خلايا وقود أغشية تبادل البروتونات من جنرال إلكتريك في جميع مهام جيميني اللاحقة، ولكن تم التخلي عنه في مهام أبولو اللاحقة . ^{[ 9 ]} طُوِّرَ بوليمر نافيون الأيوني المُفلور ، وهو اليوم أكثر مواد أغشية تبادل البروتونات استخدامًا، على يد والتر غروت، كيميائي البلاستيك في شركة دوبونت . كما أثبت غروت فائدته كغشاء فاصل كهروكيميائي. ^{[ 10 ]}

في عام 2014، نشر أندريه جيم من جامعة مانشستر نتائج أولية حول طبقات أحادية بسمك ذرة واحدة من الجرافين ونيتريد البورون ، والتي سمحت فقط بمرور البروتونات عبر المادة، مما يجعلها بديلاً محتملاً للأيونومرات المفلورة كمادة لأغشية تبادل البروتونات. ^{[ 11 ] [ 12 ]}

تتميز خلايا الوقود الغشائية البروتونية (PEMFCs) ببعض المزايا مقارنةً بأنواع خلايا الوقود الأخرى، مثل خلايا الوقود الصلبة المؤكسدة (SOFCs). تعمل خلايا PEMFCs عند درجة حرارة منخفضة، وهي أخف وزنًا وأكثر إحكامًا، مما يجعلها مثالية لتطبيقات مثل السيارات. مع ذلك، من عيوبها: أن  درجة حرارة التشغيل البالغة حوالي 80 درجة مئوية منخفضة جدًا لتوليد الطاقة المشترك كما هو الحال في خلايا SOFCs، وأن الإلكتروليت المستخدم في خلايا PEMFCs يجب أن يكون مشبعًا بالماء. لكن بعض سيارات خلايا الوقود، بما في ذلك تويوتا ميراي ، تعمل بدون مرطبات، معتمدةً على التوليد السريع للماء ومعدل الانتشار العكسي العالي عبر الأغشية الرقيقة للحفاظ على ترطيب الغشاء، بالإضافة إلى الأيونومر في طبقات المحفز.

تعمل خلايا الوقود الغشائية البروتونية (PEMFCs) ذات درجة الحرارة العالية بين 100  و200  درجة مئوية، مما قد يوفر مزايا في حركية الأقطاب الكهربائية وإدارة الحرارة، بالإضافة إلى تحمل أفضل لشوائب الوقود، وخاصة أول أكسيد الكربون في الغاز المُعاد تشكيله. من المحتمل أن تؤدي هذه التحسينات إلى رفع كفاءة النظام الإجمالية. مع ذلك، لم تتحقق هذه المكاسب بعد، إذ تفقد أغشية حمض السلفونيك المشبع بالفلور (PFSA)، المعيار الذهبي، وظيفتها بسرعة عند 100  درجة مئوية وما فوق إذا انخفض الترطيب إلى أقل من 100% تقريبًا، وتبدأ بالتدهور في هذا النطاق الحراري، مما يؤدي إلى ترقق موضعي وانخفاض عمر النظام الإجمالي. ونتيجة لذلك، تُجرى دراسات مكثفة على موصلات بروتونية لا مائية جديدة، مثل البلورات البلاستيكية الأيونية العضوية البروتونية (POIPCs) والسوائل الأيونية البروتونية ، لتطوير أغشية PEM مناسبة. ^{[ 13 ] [ 14 ] [ 15 ]}

الوقود المستخدم في خلية الوقود الغشائية البروتونية (PEMFC) هو الهيدروجين، وحامل الشحنة هو أيون الهيدروجين (البروتون). عند المصعد، ينقسم جزيء الهيدروجين إلى أيونات هيدروجين (بروتونات) وإلكترونات. تنتقل أيونات الهيدروجين عبر الإلكتروليت إلى المهبط، بينما تتدفق الإلكترونات عبر دائرة خارجية لتوليد الطاقة الكهربائية. يُزوَّد المهبط بالأكسجين، عادةً على شكل هواء، حيث يتحد مع الإلكترونات وأيونات الهيدروجين لإنتاج الماء. وتكون التفاعلات عند الأقطاب كما يلي:

تفاعل المصعد:

2H ₂ → 4H ⁺ + 4e ⁻

تفاعل الكاثود:

يا ₂ + 4H ⁺ + 4e ⁻ → 2H ₂ O

التفاعل الخلوي العام:

2H₂ + O₂ _→ 2H₂O ₊ حرارة + طاقة _{كهربائية}

الجهد النظري الطارد للحرارة هو +1.23 فولت إجمالاً.

يُستخدم غشاء تبادل البروتونات بشكل أساسي في خلايا الوقود PEM. وتتمتع هذه الخلايا بتطبيقات تجارية وعسكرية متنوعة، بما في ذلك في صناعات الطيران والفضاء والسيارات والطاقة. ^{[ 9 ] [ 16 ]}

ركزت التطبيقات المبكرة لخلايا الوقود PEM على صناعة الطيران والفضاء. وقد جعلت السعة الأعلى لخلايا الوقود آنذاك مقارنة بالبطاريات منها خيارًا مثاليًا مع بدء مشروع جيميني التابع لناسا في استهداف مهمات فضائية أطول مدة مما كان يُجرى سابقًا. ^{[ 9 ]}

اعتبارًا من عام 2008تُعدّ صناعة السيارات، بالإضافة إلى توليد الطاقة الشخصية والعامة، أكبر أسواق خلايا الوقود ذات غشاء تبادل البروتونات. ^{[ 17 ]} تحظى خلايا الوقود هذه بشعبية واسعة في تطبيقات السيارات نظرًا لانخفاض درجة حرارة تشغيلها نسبيًا وقدرتها على بدء التشغيل بسرعة حتى في ظروف ما دون الصفر. ^{[ 18 ]} في مارس 2019، بلغ عدد مركبات خلايا الوقود على الطرق في الولايات المتحدة 6558 مركبة، وكانت تويوتا ميراي الطراز الأكثر شيوعًا. ^{[ 19 ]} شهدت خلايا الوقود هذه نجاحًا في استخدامها في أنواع أخرى من الآلات الثقيلة أيضًا، حيث تُزوّد ​​شركة بالارد لأنظمة الطاقة رافعات شوكية تعتمد على هذه التقنية. ^{[ 20 ]} يتمثل التحدي الرئيسي الذي يواجه تقنية خلايا الوقود ذات غشاء تبادل البروتونات في السيارات في التخزين الآمن والفعال للهيدروجين، وهو مجال يشهد حاليًا نشاطًا بحثيًا مكثفًا. ^{[ 18 ]}

التحليل الكهربائي باستخدام غشاء البوليمر الإلكتروليتي هو تقنية تُستخدم فيها أغشية تبادل البروتونات لتحليل الماء إلى غازي الهيدروجين والأكسجين. ^{[ 21 ]} يسمح غشاء تبادل البروتونات بفصل الهيدروجين الناتج عن الأكسجين، مما يتيح استخدام كل منهما حسب الحاجة. وقد استُخدمت هذه العملية على نطاق واسع لإنتاج وقود الهيدروجين والأكسجين لأنظمة دعم الحياة في سفن مثل غواصات البحرية الأمريكية والبحرية الملكية البريطانية . ^{[ 9 ]} ومن الأمثلة الحديثة على ذلك إنشاء محطة تحليل كهربائي باستخدام غشاء تبادل البروتونات بقدرة 20 ميغاواط تابعة لشركة إير ليكيد في كيبيك. ^{[ 22 ]} وتتوفر أجهزة مماثلة تعتمد على غشاء تبادل البروتونات للإنتاج الصناعي للأوزون. ^{[ 23 ]}

محول الطاقة الكهروحرارية من جونسون (JTEC) هو نوع من محركات الحرارة الصلبة التي تستخدم الأكسدة والاختزال الكهروكيميائي للهيدروجين في دورة حرارية ثنائية الخلايا تُحاكي دورة إريكسون . ^{[ 24 ]} يتكون المحرك من مرحلتين: مرحلة ضغط منخفضة الحرارة ومرحلة توليد طاقة عالية الحرارة. تتكون كل مرحلة من حجرة مملوءة بسائل التشغيل ( الهيدروجين في هذه الحالة ) مقسمة بواسطة مجموعة أقطاب غشائية مبطنة بالنحاس (MEA) مصنوعة من مادة خزفية خاصة (PEM) محصورة بين قطبين كهربائيين. ^{[ 25 ]}

• بطارية بوليمر صلبة جافة
• برنامج STREP المدعوم من المفوضية الأوروبية حول التحليل الكهربائي للماء باستخدام غشاء تبادل البروتونات عالي الضغط