ما هي خلايا وقود الهيدروجين؟
كيف تعمل خلايا وقود الهيدروجين؟
تصنيفات خلايا وقود الهيدروجين.

بشكل عام يعتبر الهيدروجين هو العنصر الأكثر وفرة على كوكب الأرض، حيث تتكون ذرة الهيدروجين من بروتون واحد وإلكترون واحد، وعلى الرغم من أنه متوفر بكثرة إلا أنه لا يحدث كغاز على الأرض، ويحتوي الماء على ذرتين من الهيدروجين وذرة واحدة من الأكسجين مرتبطة ببعضها البعض، وهنا يوجد هناك حاجة لعملية تدعى التحليل الكهربائي لفصل هذا الماء إلى مكوناته من الأكسجين والهيدروجين ككل، وقد تجمع خلايا وقود الهيدروجين بين كل من الهيدروجين والأكسجين لإنتاج الكهرباء والحرارة والماء، ونظراً لأن الهيدروجين عالي الطاقة ولا ينتج عنه أي تلوث تقريباً فإنه عادةً يستخدم كوقود لدفع مكوك الفضاء والصواريخ إلى الخارج.

 

ما هي خلايا وقود الهيدروجين؟

 

هي عبارة عن أجهزة تعمل على تحويل الطاقة الكيميائية من الوقود (الهيدروجين)  إلى كهرباء عن طريق زوج من الأكسدة، حيث أن الآلية الأساسية وراء هذه الأنواع من خلايا الوقود هي أن الطاقة قد يتم إنشاؤها من خلال تفاعل أيونات الهيدروجين الموجبة وعامل مؤكسد، وغالباً ما يكون هذا العامل هو الأكسجين، وإن خلايا وقود الهيدروجين هي على عكس البطاريات التي عادةً ما قد تحتاج إلى مصدر مستمر للأكسجين أو حتى وقود آخر من أجل الحفاظ على حدوث التفاعل الكيميائي، مما يعني أنها يمكن أن تعمل بشكل مستمر طالما أنها مزودة بالمدخلات الأساسية.

 

كيف تعمل خلايا وقود الهيدروجين؟

 

تعمل خلايا وقود الهيدروجين عادةً مثل البطاريات، ولكنها لا تنفد أو تحتاج إلى إعادة الشحن، حيث إنها تنتج كل من الكهرباء والحرارة ككل طالما يتم توفير الوقود، وتحتاج خلايا الوقود هذه إلى ثلاثة مكونات رئيسية حتى يتم إنشاء تفاعل كيميائي وهم: القطب السالب (أنود) والقطب الموجب (الكاثود) وغشاء إلكتروليت (مادة تحتوي على أيونات حرة تشكل وسط ناقل للكهرباء).

 

وبعد ذلك يتم تغذية الوقود مثل: الهيدروجين إلى القطب الموجب، ويتم تغذية الهواء إلى القطب السالب، وتعمل خلية الوقود النموذجية عن طريق تمرير الهيدروجين عبر القطب السالب إلى خلية الوقود عبر حقول التدفق والأكسجين عبر القطب الموجب، وفي خلية وقود الهيدروجين يقوم المحفز عند القطب السالب بفصل جزيئات عنصر الهيدروجين إلى بروتونات وإلكترونات، والتي قد تأخذ مسارات مختلفة إلى القطب الموجب.

 

وتُجبر الإلكترونات على المرور عبر دائرة خارجية لتوليد تيار كهربائي وتدفق للكهرباء وحرارة زائدة، وتهاجر بعض البروتونات عبر غشاء الإلكتروليت المسامي إلى القطب السالب، حيث تتحد مع الأكسجين والإلكترونات العائدة من الدائرة الكهربائية لإنتاج جزيئات الماء والحرارة ومنتجات أخرى، ويعمل مزيج الأكسجين والهيدروجين المتأين كأساس للتفاعل الكيميائي، ونظراً لعدم وجود أجزاء متحركة فقد تعمل خلايا الوقود بصمت وبموثوقية عالية للغاية.

 

وأخيراً يسمح غشاء البوليمر المنحل بالكهرباء بمرور الأيونات المناسبة عبر القطب الموجب، ولكن إذا أعطى الإلكتروليت تحكماً لجميع الإلكترونات أو الأيونات بالمرور بحرية فسيؤدي ذلك إلى تعطيل التفاعل الكيميائي، وفي نهاية العملية قد تتفاعل ذرات الهيدروجين موجبة الشحنة مع الأكسجين لتكوين الماء والحرارة أثناء تكوين شحنة كهربائية.

 

تصنيفات خلايا وقود الهيدروجين:

 

تصنف خلايا وقود الهيدروجين حسب نوع المنحل بالكهرباء الذي قد تستخدمه، وأيضاً فإنها قد تصنف عن طريق الفرق في وقت بدء التشغيل والذي يتراوح من ثانية واحدة لخلايا وقود غشاء تبادل البروتون (خلايا وقود PEM، أو PEMFC) إلى 10 دقائق لخلايا وقود الأكسيد الصلب (SOFC)، ومن التقنيات ذات الصلة بهذه الخلايا هي التدفق الذي يمكنه من تجديد الوقود عن طريق عملية إعادة الشحن.

 

وفي سوق الوقود هناك العديد من التطبيقات المختلفة بمتطلبات خلايا الوقود، ومن أجل توفير طاقة كافية يمكن تجميع خلايا الوقود الفردية معاً لتشكيل مجموعة، كما يمكن أيضاً ضبط حجم مكدس خلايا الوقود للحصول على كمية مناسبة من الطاقة للتطبيق، حيث تنتج خلايا الوقود الفردية جهوداً كهربائية صغيرة نسبياً (حوالي 0.7 فولت)، لذلك يتم تكديس الخلايا أو وضعها في سلسلة لتوليد جهد كافي لتلبية متطلبات التطبيق.

 

وبالإضافة إلى الكهرباء تنتج خلايا الوقود الماء والحرارة وكميات صغيرة جداً من ثاني أكسيد النيتروجين والانبعاثات الأخرى اعتماداً على مصدر الوقود، حيث تتراوح كفاءة الطاقة لخلية الوقود بشكل عام بين حوالي 40 و60?، ومع ذلك إذا تم حقاً التقاط الحرارة المهدرة في مخطط التوليد المشترك يمكن الحصول على كفاءات قد تصل إلى 85?.

 

وأخيراً يمكننا القول إن خلايا وقود الهيدروجين أكثر كفاءة بالمقارنة مع بعض الوسائل التقليدية مثل: استخدام الوقود الأحفوري من الفحم والغاز الطبعي، حيث إنها تنتج طاقة أكثر بكثير للمكونات المستخدمة، وهذا قد يجعلها عادةً أنظف كثيراً من الوقود الأحفوري، لأنه عند استخراج كميات كبيرة من الطاقة عن طريق الوقود الأحفوري فإنه يجب إطلاق المزيد من المواد الكيميائية وثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي.