دراسة شاملة عن خلايا الوقود

تعريف خلايا الوقود

تُعرف خلايا الوقود (بالإنجليزية: fuel cell) بأنها أنظمة تعمل على إنتاج الطاقة الكهربائية من خلال تفاعل كيميائي بين الهيدروجين والأكسجين، مما يؤدي إلى توليد الكهرباء، الحرارة، والماء. تعتبر خلايا الوقود من مصادر الطاقة النظيفة التي لا تُنتج أي ملوثات بيئية، ولا تحتاج إلى إعادة شحن مثل البطاريات، بل تستمر في العمل طالما تتوفر مصادر الطاقة.

تاريخ خلايا الوقود

إليك التسلسل الزمني لتطور خلايا الوقود:

• أول خلية وقود

في عام 1839، قام الفيزيائي ويليام روبرت جروف بتصميم أول خلية وقود من خلال خلط الهيدروجين بالأكسجين باستخدام أقطاب كهربائية مصنوعة من البلاتين، ورغم ذلك كانت النتيجة ضعيفة جداً.

• في أواخر القرن التاسع عشر

عمل كيميائيان بريطانيان، هما كارل لانجر ولودفيج، على تحسين فعالية خلايا الوقود من خلال استخدام مواد غير موصلة للحفاظ على الإلكتروليت.

• في أوائل القرن العشرين

أجرى العلماء فريتزهابر ووتر إتشنست وإدموند باور تجارب لتحسين خلايا الوقود باستخدام إلكتروليت صلب، ولكن التكاليف المرتفعة أدت إلى تراجع الاهتمام بتطويرها لفترة معينة.

• استئناف البحوث منذ عام 1932 وحتى ما بعد الحرب العالمية الثانية

قام المهندس البريطاني فرانسيس توماس وزملاؤه في جامعة كامبريدج بتطوير خلايا الوقود باستخدام إلكتروليت قلوي، حيث تم اختراع أقطاب كهربائية تسمح بمرور الغاز من جهة واحدة بفاعلية بينما تتصل بإلكتروليت سائل من الجهة الأخرى.

• مع بداية القرن الحادي والعشرين

بدأت عدة مصانع للأجهزة الكهربائية بتطوير تكنولوجيا خلايا الوقود، حيث نجح الجيش الأمريكي في ابتكار خلايا وقود صغيرة يمكن للجنود حملها، لاستخدامها في تشغيل الأجهزة الإلكترونية، وطائرات الاستطلاع من دون طيار، وأيضاً الروبوتات.

أنواع خلايا الوقود

تنقسم خلايا الوقود إلى عدة أنواع استنادًا إلى نوع الإلكتروليت المستخدم فيها، إليك أبرز الأنواع:

خلايا وقود غشاء البوليمر (Polymer electrolyte membrane (PEM))

تُعرف أيضاً بخلايا وقود غشاء تبادل البروتونات، وهي تتميز بكثافتها الطاقية العالية ووزنها الخفيف وحجمها المضغوط بالمقارنة مع الأنواع الأخرى. تعتمد هذه الخلايا على بوليمر صلب كإلكتروليت، وتستخدم أقطاب كربونية تحتوي على محفز من البلاتين.

يعمل هذا النوع عند درجة حرارة تصل إلى 80 مئوية، مما يقلل من تآكل المكونات وزيادة متانتها، وتستخدم بشكل واسع في تطبيقات النقل مثل السيارات والشاحنات الثقيلة.

خلايا وقود الميثانول المباشر (Direct methanol fuel cells)

تعمل هذه الخلايا على الميثانول النقي المخلوط بالماء الذي يمد الأقطاب مباشرة. تمتاز خلايا وقود الميثانول بكثافة طاقتها العالية وسهولة نقل الميثانول كونه سائل، وتستخدم في الأجهزة مثل الهواتف المحمولة وأجهزة الكمبيوتر المحمولة.

خلايا الوقود القلوية (Alkaline fuel cells (AFCs))

تعتبر خلايا الوقود القلوية من أول الأنواع التي تم تطويرها، حيث كانت تستخدم بكثافة في البرامج الفضائية الأمريكية لإنتاج الطاقة والماء في الفضاء. تستخدم هذه الخلايا محلول هيدروكسيد البوتاسيوم كإلكتروليت، وقد أظهرت كفاءة تتجاوز 60% في تطبيقات الفضاء.

خلايا وقود حمض الفسفوريك (Phosphoric acid fuel cells (PAFCs))

تُعتبر خلايا وقود حمض الفسفوريك من أكثر الأنواع استخداماً في التطبيقات التجارية، حيث تستخدم حمض الفسفوريك كإلكتروليت وأقطاب من الكربون المسامي المحفز بالبلاتين. على الرغم من أنها فعالة، إلا أنها تستخدم في نطاق محدود بسبب وزنها المرتفع وتكاليفها العالية.

خلايا وقود الكربونات المنصهرة (Molten carbonate fuel cells (MCFCs))

تستخدم هذه الخلايا إلكتروليت يتكون من ملح الكربونات المنصهر، وتعمل عند درجات حرارة مرتفعة تصل إلى حوالي 650 درجة مئوية. تمثل هذه الخلايا نشاطاً في محطات الغاز الطبيعي وتوليد الطاقة باستخدام الفحم، وتظهر كفاءة تصل إلى 65%.

خلايا وقود الأكسيد الصلب (Solid oxide fuel cells (SOFCs))

تستخدم خلايا وقود الأكسيد الصلب خزفًا صلبًا كإلكتروليت، وتعمل عند درجات حرارة مرتفعة تصل إلى 1000 درجة مئوية، مما يقلل من تكاليف التشغيل بسبب عدم الحاجة لمحفزات من المعادن الثمينة. تصل كفاءة خلايا الوقود الأكسيدية إلى 60%، وقد تصل إلى 85% في التطبيقات التي تعيد استخدام الحرارة المهدورة.

أجزاء خلايا الوقود

تتكون خلية الوقود من أربعة مكونات رئيسية، وهي:

• الأنود

(بالإنجليزية: anode) هو المكون الموجب الذي يتصل بالطرف السالب، ويحتوي على قنوات تسمح بمرور الهيدروجين على سطح المحفز، بالإضافة إلى توصيل الإلكترونات إلى الدائرة الخارجية.

• الكاثود

(بالإنجليزية: cathode) هو الجزء السالب الذي يتصل بالطرف الموجب، ويحتوي أيضًا على قنوات لتوفير الأكسجين على سطح المحفز لتكوين الماء.

• الإلكتروليت

(بالإنجليزية: electrolyte) عبارة عن غلاف بلاستيكي يسمح بمرور الأيونات الموجبة ويحجب مرور الإلكترونات، مما يجعله يُعرف بغشاء تبادل البروتونات.

• المحفز

(بالإنجليزية: catalyst) هو مادة تُسهل تفاعل الأكسجين مع الهيدروجين، وعادة ما تصنع من طبقة رقيقة من البلاتين على ورق كربوني.

آلية عمل خلايا الوقود

تعتمد آلية عمل خلايا الوقود على التفاعل الكيميائي بين الأكسجين والهيدروجين لتوليد الماء والكهرباء، وبالتالي كل مكون يلعب دورًا في هذه العملية، وفيما يلي كيفية عمل خلية الوقود:

• تدخل ذرات الهيدروجين إلى الأنود، بينما تتدفق ذرات الأكسجين إلى الكاثود.
• يقوم المحفز في الأنود بتفكيك جزيئات الهيدروجين إلى إلكترونات وبروتونات.
• يسمح غشاء الإلكتروليت بمرور البروتونات فقط، بينما تُدفع الإلكترونات إلى الدائرة الخارجية لتوليد الطاقة الكهربائية والحرارة.
• تتحد الإلكترونات مع البروتونات والأكسجين عند الكاثود لتكوين الماء.

استخدامات خلايا الوقود

تُعتبر خلايا الوقود مصدرًا هامًا للطاقة النظيفة على مستوى العالم، إلى جانب كفاءتها العالية. إليك بعض من أبرز استخداماتها:

• المستودعات اللوجستية

تستخدم عدد من الشركات خلايا الوقود في تشغيل الرافعات، والشاحنات، وغيرها من المعدات الثقيلة.

• النقل والتوزيع عالمياً

تقوم شركات مثل تويوتا وهونداي بتطوير شاحنات وعربات صغيرة تعمل بخلايا الوقود.

• حافلات النقل العام

تستخدم العديد من المدن الكبيرة مثل شيكاغو ولندن وبكين حافلات تعمل بخلايا الوقود.

• القطارات

توجد قطارات تعمل بخلايا الوقود في ألمانيا، ومن المتوقع أن تنتشر هذه التكنولوجيا في دول عديدة مثل؛ بريطانيا، اليابان، والولايات المتحدة.

• توليد الطاقة الاحتياطية

تعتبر خلايا الوقود جزءاً من أنظمة تزويد الطاقة غير المنقطعة في المستشفيات ومراكز البيانات التي تحتاج إلى موثوقية عالية في التيار الكهربائي.

إيجابيات وسلبيات خلايا الوقود

يمكن تلخيص مميزات وعيوب خلايا الوقود على النحو التالي: