مفهوم خلايا الوقود
تعرف خلايا الوقود (بالإنجليزية: fuel cell) بأنها جهاز يستخدم في توليد الكهرباء عن طريق تفاعل كيميائي بين الهيدروجين والاكسجين ينتج عنه توليد كلٍ من؛ الكهرباء، والحرارة، والماء.
وتعد خلايا الوقود مصدرًا من مصادر الطاقة النظيفة التي لا ينتج عنها أي ملوثات للبيئة، ولا تحتاج إلى إعادة شحنها بشكل دوري مثل البطاريات، وإنما تعمل طالما أن هناك مصدر طاقة موصول بها.
تاريخ خلايا الوقود
وفيما يأتي التسلسل التاريخي لصنع خلايا الوقود:
صمم العالم الفيزيائي ويليام روبرت جروف أول خلية وقود في عام 1839م عندما خلط الهيدروجين مع الأكسجين في وجود أقطاب كهربائية من البلاتين، ولكن ناتج هذه الخلية كان ضعيفًا جدًا.
- في أواخر ثمانينيات القرن التاسع عشر
طور اثنان من الكيميائيين البريطانيين هما؛ كارل لانجر، ولودفيج، خلية الوقود لتصبح ذات عمر أطول عن طريق استخدام مادة غير موصلة للاحتفاظ بالالكتروليت.
قام العلماء فريتزهابر ووترإتشنست وإدموند باور بإجراء تجارب لتحسين خلية الوقود عن طريق استخدام إلكتروليت صلب، لكن وُجد أن التكاليف مرتفعة للغاية مما أدى لإعاقة الاهتمام بتطوير خلايا الوقود فترة من الزمن.
- استئناف المحاولات من عام 1932م وحتى بعد الحرب العالمية الثانية
إذ عمل المهندس البريطاني فرانسيس توماس وزملاؤه في جامعة كامبريدج على إنشاء خلايا الوقود باستخدام إلكتروليت قلوي، ونتج عن ذلك البحث اختراع أقطاب كهربائية تسمح بمرور غاز الوقود من جانب واحد بشكل فعال ثم تتصل بإلكتروليت سائل على الجانب الآخر.
- في بداية القرن الحادي والعشرين
شرعت العديد من مصانع المعدات الكهربائية في تطوير معدات توليد الطاقة بالتوازي مع تكنولوجيا خلايا الوقود، وقد نجح الجيش الأمريكي في تطوير خلايا وقود صغيرة يحملها الجنود في حقائب ظهورهم ليستخدموها في تشغيل الأجهزة الإلكترونية الخاصة بهم، وفي تشغيل طائرات الاستطلاع بدون طيار، ولتشغيل الروبوتات.
أنواع خلايا الوقود
تُصنف خلايا الوقود تبعا للإكتروليت المستخدم بداخلها، وفيما يأتي أشهر أنواع خلايا الوقود:
خلايا وقود غشاء البوليمر (Polymer electrolyte membrane (PEM))
تسمى هذه الخلايا أيضا باسم خلايا وقود غشاء تبادل البروتينات، وتتميز هذه الخلايا بأنها ذات طاقة عالية ووزن منخفض وحجم صغير مقارنة بباقي الخلايا الأخرى، وتعتمد هذه الخلايا على البوليمر الصلب كإلكتروليت، وتستخدم أيضًا أقطاب كربون تحتوي على محفز من البلاتين.
يعمل هذا النوع من الخلايا عند درجة حرارة 80 مئوية، وهي درجة حرارة منخفضة نسبيًا تتيح تشغيل الخلايا بسرعة، وتؤدي إلى تآكل أقل لمكونات النظام مما ينتج عنه متانة أكثر للخلايا، وتستخدم هذه الخلايا في تطبيقات النقل، مثل تشغيل السيارات والشاحنات الثقيلة.
خلايا وقود الميثانول المباشر (Direct methanol fuel cells)
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.
وتمتاز خلايا وقود الميثانول بكثافة طاقتها العالية وسهولة نقل الميثانول مقارنة بالهيدروجين لأنه سائل، وتستخدم هذه الخلايا في الهواتف المحمولة أو أجهزة الحاسوب المحمول.
خلايا الوقود القلوية (Alkaline fuel cells (AFCs))
تعد خلايا الوقود القلوية من أوائل الأنواع التي تم تطويرها، إذ كانت مستخدمة على نطاق واسع في برنامج الفضاء الأمريكي لإنتاج الطاقة الكهربية والمياه على متن المركبات الفضائية، وتستخدم هذه الخلايا محلول هيروكسيد البوتاسيوم كإلكتروليت.
وفي السنوات الأخيرة أصبحت تشبه في عملها خلايا وقود غشاء البولمر باستثناء أنها تستخدم غشاء قلويًا بدلًا من الغشاء الحمضي المستخدم في خلايا البوليمر، وقد أظهرا كفاءة تتجاوز 60% في تطبيقات الفضاء.
خلايا وقود حمض الفسفوريك (Phosphoric acid fuel cells (PAFCs))
يعد هذا النوع من خلايا الوقود الحديثة من أكثر الخلايا المستخدمة تجاريًا، ويستخدم فيه حمض الفسفوريك كإلكتروليت بالإضافة لأقطاب من الكربون المسامية تحتوي على محفز بلاتيني، وتستخدم في نطاق محدود مثل حافلات النقل نتيجة لثقل وزنها وارتفاع تكلفتها مقارنة بباقي الأنواع الأخرى.
خلايا وقود الكربونات المنصهرة (Molten carbonate fuel cells (MCFCs ))
تستخدم هذه الخلايا إلكتروليت من ملح الكربونات المنصهر يوضع بداخل إطار من أكسيد ألومنيوم اللثيوم الخامل كيميائيًا، وتعمل هذه الخلايا عند درجة حرارة عالية جدًا تبلغ حوالي 650 درجة مئوية، ويتم تطوير هذه الخلايا لاستخدامها في محطات الغاز الطبيعي ومحطات إنتاج الكهرباء باستخدام الفحم، والتطبيقات الصناعية والعسكرية المختلفة.
تبلغ كفاءة هذه الخلايا حوالي 65%، وهي أعلى بكثير من كفاءة خلايا وقود حمض الفسفوريك الذي تتراوح كفاءتها ما بين 37-42%، ولا تتطلب خلايا وقود الكربونات عنصرًا خارجيًا لتحويل الوقود إلى هيدروجين.
خلايا وقود الأكسيد الصلب (Solid oxide fuel cells (SOFCs))
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.
وتصل كفاءة إنتاج الطاقة الكهربية من هذه الخلايا إلى 60%، ويمكن أن تصل لنحو 85% في التطبيقات المصممة لالتقاط واستخدام الحرارة المهدورة في النظام.
أجزاء خلايا الوقود
تحتوي خلية الوقود على أربعة مكونات، هم:
(بالإنجليزية: anode) وهو عبارة عن قطب موجب يتصل بالطرف السالب لخلية الوقود، ويحتوي على قنوات محفورة بداخله تسمح بمرور غاز الهيدروجين على سطح المحفز، بالإضافة إلى أنه يوصل الإلكترونات المحررة من جزيئات الهيدروجين لتستخدم في دائرة خارجية.
(بالإنجليزية: cathode) عبارة عن قطب سالب يتصل بالطرف الموجب لخلية الوقود، ويحتوي على قنوات محفورة فيه توزع الأكسجين على سطح المحفز لتتحد مع أيونات الهيدروجين لتكوين الماء.
(بالإنجليزية: electrolyte) وهو عبارة عن غلاف بلاستيكي يسمح فقط بمرور الأيونات موجبة الشحنة ويحجب مرور الإلكترونات لذلك يسمى غشاء تبادل البروتونات.
(بالإنجليزية: catalyst) وهو عبارة عن مادة تسهل تفاعل الأكسجين مع الهيدروجين، وعادة 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، ويقوم كل جزء من أجزاء خلية الوقود بدوره في هذه العملية، وفيما يأتي آلية عمل خلية الوقود:
- تدخل ذرات الهيدروجين في الأنود بينما ذرات الأكسجين في الكاثود.
- يقسم المحفز عند الأنود جزيئات الهيدروجين إلى إلكترونات وبروتونات.
- يسمح غشاء الإلكتروليت المسامي بمرور البروتونات فقط، بينما تُدفع الإلكترونات إلى دائرة خارجية لتوليد الكهرباء والحرارة.
- 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، وهذه أبرز استخداماتها:
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.
تستخدم المدن الكبرى مثل شيكاغو ولندن وبكين الحافلات التي تعمل بخلايا الوقود.
توجد في ألمانيا بعض القطارات التي تعمل بخلايا الوقود ومن المتوقع أن تنمو هذه الحركة وتنتشر في الدول الكبرى مثل؛ بريطانيا، واليابان، والولايات المتحدة.
تستخدم 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 | السلبيات |
| تعد خلايا الوقود طاقة نظيفة ولا تنتج من ثاني أكسيد الكربون الملوث للبيئة | تكلفتها مرتفعة جدًا نتيجة لارتفاع سعر البلاتين المستخدم بها |
| لا تحتاج إلى إعادة شحنها مثل البطاريات | ما زالت تحتاج إلى تطوير |
| تعمل باستمرار ما دامت متصلة بمصدر طاقة | تحتاج إلى الوقود لكي تعمل باستمرار |
| لا توجد بها أجزاء متحركة ولا يصدر عنها ضوضاء | تتأثر متانتها كلما ارتفعت درجة الحرارة |
| قابلة للتطوير بدرجة عالية جدًا | يوجد نقص في الهيدروجين إذ لا يتوفر بسهولة |
| يمكن تشغيلها في الاتجاه المعاكس؛ لتوليد الهيدروجين من الكهرباء والماء | كثافة وقود الهيدروجين منخفضة مقارنة بالبنزين |
