جدول المحتويات
- مفهوم خلايا الوقود
- تاريخ خلايا الوقود
- أنواع خلايا الوقود
- أجزاء خلايا الوقود
- آلية عمل خلايا الوقود
- استخدامات خلايا الوقود
- إيجابيات وسلبيات خلايا الوقود
- المراجع
مفهوم خلايا الوقود
تعرف خلايا الوقود (بالإنجليزية: fuel cell) بأنها جهاز يتولّد فيه التيار الكهربائي من خلال تفاعل كيميائي بين الهيدروجين والأكسجين. ينتج هذا التفاعل الكهرباء والحرارة والماء. [١]
تُعد خلايا الوقود مصدراً للطاقة النظيفة التي لا تُنتج أي ملوثات للبيئة، ولا تحتاج إلى إعادة شحنها مثل البطاريات، فهي تعمل ما دامت متصلة بمصدر طاقة. [١]
تاريخ خلايا الوقود
يُمكن تقسيم تاريخ تطوير خلايا الوقود إلى مراحل رئيسية:
* **1839م**: صمم العالم الفيزيائي ويليام روبرت جروف أول خلية وقود عن طريق خلط الهيدروجين مع الأكسجين في وجود أقطاب كهربائية من البلاتين، لكن كانت نواتجها ضعيفة جدًا.
* **أواخر ثمانينيات القرن التاسع عشر**: طوّر الكيميائيان البريطانيان كارل لانجر ولودفيج خلايا وقود ذات عمر أطول عن طريق استخدام مادة غير موصلة للاحتفاظ بالإلكتروليت. [٢]
* **أوائل القرن العشرين**: أجرى العلماء فريتزهابر ووترإتشنست وإدموند باور تجارب لتحسين خلايا الوقود باستخدام إلكتروليت صلب، لكن كانت التكاليف مرتفعة جدًا مما أدى إلى توقف الاهتمام بتطوير خلايا الوقود لفترة. [٢]
* **من عام 1932م وحتى بعد الحرب العالمية الثانية**: عمل المهندس البريطاني فرانسيس توماس وزملاؤه في جامعة كامبريدج على إنشاء خلايا الوقود باستخدام إلكتروليت قلوي، وأدى هذا البحث إلى اختراع أقطاب كهربائية تسمح بمرور غاز الوقود من جانب واحد بشكل فعال ثم تتصل بإلكتروليت سائل على الجانب الآخر. [٢]
* **بداية القرن الحادي والعشرين**: شرعت العديد من مصانع المعدات الكهربائية في تطوير معدات توليد الطاقة بالتوازي مع تكنولوجيا خلايا الوقود. تمكن الجيش الأمريكي من تطوير خلايا وقود صغيرة يحملها الجنود في حقائب ظهورهم لتشغيل الأجهزة الإلكترونية، وطائرات الاستطلاع بدون طيار، والروبوتات. [٢]
أنواع خلايا الوقود
تُصنف خلايا الوقود تبعاً لنوع الإلكتروليت المستخدم فيها، وتشمل أشهر الأنواع:
خلايا وقود غشاء البوليمر
تُسمى أيضًا بخلايا وقود غشاء تبادل البروتينات. تتميز هذه الخلايا بطاقة عالية ووزن منخفض وحجم صغير مقارنة بأنواع خلايا الوقود الأخرى. تعتمد على البوليمر الصلب كإلكتروليت، وتستخدم أقطاب كربون تحتوي على محفز من البلاتين. [٣]
تعمل هذه الخلايا عند درجة حرارة 80 درجة مئوية، وهي درجة حرارة منخفضة نسبياً تسمح بتشغيلها بسرعة، وتؤدي إلى تآكل أقل لمكونات النظام مما ينتج عنه متانة أكثر للخلايا. تُستخدم هذه الخلايا في تطبيقات النقل، مثل تشغيل السيارات والشاحنات الثقيلة. [٣]
خلايا وقود الميثانول المباشر
تعمل معظم خلايا الوقود بواسطة غاز الهيدروجين الذي يغذي النظام مباشرة بالوقود، بينما تعمل هذه الخلايا بواسطة الميثانول النقي الذي يخلط بالماء ويغذي أنود الخلية بشكل مباشر. [٣]
تتميز خلايا وقود الميثانول بكثافة طاقتها العالية وسهولة نقل الميثانول مقارنة بالهيدروجين لأنه سائل. تُستخدم هذه الخلايا في الهواتف المحمولة أو أجهزة الحاسوب المحمول. [٣]
خلايا الوقود القلوية
تعد خلايا الوقود القلوية من أوائل الأنواع التي تم تطويرها، حيث كانت تستخدم على نطاق واسع في برنامج الفضاء الأمريكي لإنتاج الطاقة الكهربية والمياه على متن المركبات الفضائية. تستخدم هذه الخلايا محلول هيروكسيد البوتاسيوم كإلكتروليت. [٣]
وفي السنوات الأخيرة أصبحت تشبه في عملها خلايا وقود غشاء البوليمر، باستثناء أنها تستخدم غشاء قلويًا بدلاً من الغشاء الحمضي المستخدم في خلايا البوليمر. وقد أظهرت كفاءة تتجاوز 60% في تطبيقات الفضاء. [٣]
خلايا وقود حمض الفوسفوريك
يُعد هذا النوع من خلايا الوقود الحديثة من أكثر الخلايا المستخدمة تجاريًا. يستخدم حمض الفوسفوريك كإلكتروليت بالإضافة لأقطاب من الكربون المسامية تحتوي على محفز بلاتيني. تُستخدم في نطاق محدود مثل حافلات النقل نتيجة لثقل وزنها وارتفاع تكلفتها مقارنة بباقي الأنواع الأخرى. [٣]
خلايا وقود الكربونات المنصهرة
تستخدم هذه الخلايا إلكتروليت من ملح الكربونات المنصهر يوضع بداخل إطار من أكسيد ألومنيوم اللثيوم الخامل كيميائيًا. تعمل هذه الخلايا عند درجة حرارة عالية جدًا تبلغ حوالي 650 درجة مئوية. يتم تطوير هذه الخلايا لاستخدامها في محطات الغاز الطبيعي ومحطات إنتاج الكهرباء باستخدام الفحم، والتطبيقات الصناعية والعسكرية المختلفة. [٣]
تبلغ كفاءة هذه الخلايا حوالي 65%، وهي أعلى بكثير من كفاءة خلايا وقود حمض الفوسفوريك الذي تتراوح كفاءته ما بين 37-42%. ولا تتطلب خلايا وقود الكربونات عنصرًا خارجيًا لتحويل الوقود إلى هيدروجين. [٣]
خلايا وقود الأكسيد الصلب
تستخدم هذه الخلايا إلكتروليتًا من الخزف الصلب، وتعمل عند درجة حرارة مرتفعة جدًا تصل إلى 1000 درجة مئوية، مما يؤدي إلى تقليل التكلفة نتيجة لعدم احتياج محفزٍ من المعادن الثمينة. [٣]
تصل كفاءة إنتاج الطاقة الكهربية من هذه الخلايا إلى 60%، ويمكن أن تصل لنحو 85% في التطبيقات المصممة لالتقاط واستخدام الحرارة المهدورة في النظام. [٣]
أجزاء خلايا الوقود
تحتوي خلية الوقود على أربعة مكونات أساسية:
* **الأنود (بالإنجليزية: anode)**: وهو قطب موجب يتصل بالطرف السالب لخلية الوقود. يحتوي على قنوات محفورة بداخله تسمح بمرور غاز الهيدروجين على سطح المحفز. كما يوصل الإلكترونات المحررة من جزيئات الهيدروجين لتستخدم في دائرة خارجية.
* **الكاثود (بالإنجليزية: cathode)**: عبارة عن قطب سالب يتصل بالطرف الموجب لخلية الوقود. يحتوي على قنوات محفورة فيه توزع الأكسجين على سطح المحفز لتتحد مع أيونات الهيدروجين لتكوين الماء.
* **الإلكتروليت (بالإنجليزية: electrolyte)**: وهو عبارة عن غلاف بلاستيكي يسمح فقط بمرور الأيونات موجبة الشحنة ويحجب مرور الإلكترونات، لذلك يُسمى غشاء تبادل البروتونات.
* **المحفز (بالإنجليزية: catalyst)**: وهو عبارة عن مادة تسهل تفاعل الأكسجين مع الهيدروجين. عادة ما يصنع من البلاتين المطلي على ورقة من الكربون.
آلية عمل خلايا الوقود
تعتمد خلية الوقود على التفاعل الكيميائي الذي يحدث بين الأكسجين والهيدروجين لإنتاج الماء والكهرباء. يؤدي كل جزء من أجزاء خلية الوقود دوره في هذه العملية:
1. تدخل ذرات الهيدروجين في الأنود بينما ذرات الأكسجين في الكاثود.
2. يقسم المحفز عند الأنود جزيئات الهيدروجين إلى إلكترونات وبروتونات.
3. يسمح غشاء الإلكتروليت المسامي بمرور البروتونات فقط، بينما تُدفع الإلكترونات إلى دائرة خارجية لتوليد الكهرباء والحرارة.
4. يحدث اتحاد عند الكاثود بين الألكترونات والبروتونات والأكسجين لتكوين جزيئات الماء.
استخدامات خلايا الوقود
ترجع أهمية خلايا الوقود في كونها مصدر للطاقة النظيفة حول العالم بالإضافة إلى كفاءتها العالية. تُستخدم خلايا الوقود في مجالات متعددة:
* **المستودعات اللوجستية**: تعتمد العديد من الشركات على خلايا الوقود في تشغيل الرافعات، والشاحنات والمنصات النقالة.
* **النقل والتوزيع حول العالم**: تبني بعض الشركات مثل تويتا وهونداي شاحنات وعربات صغيرة تعمل بخلايا الوقود.
* **حافلات النقل العام**: تستخدم المدن الكبرى مثل شيكاغو ولندن وبكين الحافلات التي تعمل بخلايا الوقود.
* **القطارات**: يوجد في ألمانيا بعض القطارات التي تعمل بخلايا الوقود ومن المتوقع أن تنمو هذه الحركة وتنتشر في الدول الكبرى مثل بريطانيا واليابان والولايات المتحدة.
* **توليد الطاقة الاحتياطية**: تُستخدم خلايا الوقود كجزء من أنظمة إمداد أجهزة الطاقة غير المنقطعة التي توجد في المستشفيات وأماكن تخزين البيانات لحاجتها إلى عدم انقطاع التيار الكهربائي؛ لكي لا يؤدي ذلك إلى فقد بيانات هامة.
إيجابيات وسلبيات خلايا الوقود
يمكن تلخيص مميزات وعيوب خلايا الوقود كالتالي:
**الإيجابيات:**
* **طاقة نظيفة:** لا تُنتج خلايا الوقود ثاني أكسيد الكربون الملوث للبيئة.
* **كفاءة عالية:** تعمل خلايا الوقود باستمرار ما دامت متصلة بمصدر طاقة.
* **لا تحتاج إلى إعادة شحن:** لا تحتاج خلايا الوقود إلى إعادة شحنها مثل البطاريات.
* **لا توجد أجزاء متحركة:** لا توجد أجزاء متحركة في خلايا الوقود، مما يجعلها هادئة وصامتة.
* **قابلة للتطوير:** يمكن تطوير خلايا الوقود بدرجة عالية جدًا.
* **يمكن تشغيلها في الاتجاه المعاكس:** يمكن تشغيل خلايا الوقود في الاتجاه المعاكس لتوليد الهيدروجين من الكهرباء والماء.
**السلبيات:**
* **تكلفة عالية:** تُعد تكلفة خلايا الوقود مرتفعة جدًا نتيجة لارتفاع سعر البلاتين المستخدم بها.
* **تحتاج إلى تطوير:** ما زالت خلايا الوقود تحتاج إلى تطوير لزيادة كفاءتها وخفض تكلفتها.
* **تحتاج إلى الوقود لكي تعمل باستمرار:** تحتاج خلايا الوقود إلى الوقود لكي تعمل باستمرار.
* **تتأثر متانتها بارتفاع درجة الحرارة:** تتأثر متانة خلايا الوقود كلما ارتفعت درجة الحرارة.
* **نقص في الهيدروجين:** لا يتوفر الهيدروجين بسهولة.
* **كثافة وقود الهيدروجين منخفضة:** تُعد كثافة وقود الهيدروجين منخفضة مقارنة بالبنزين.
المراجع
[١] “fuelcells”,fchea, Retrieved 3/11/2021.[٢] “Development of fuel cells”,britannica, Retrieved 3/11/2021.
[٣] “types fuel cells”,energy, Retrieved 3/11/2021.
[٤] “components of fuel cell”,fuelcellbuses, Retrieved 3/11/2021.
[٥] “HYDROGEN FUEL CELL APPLICATIONS YOU MIGHT NOT KNOW”,wha-international, Retrieved 3/11/2021.
[٦] “fuel cell energy pros and cons”,triplepundit, Retrieved 3/11/2021.