خلايا الوقود fuel cell | طريقة عمل خلايات الوقود fuel cell
سيارة المستقبل من مرسيدس تعمل بالوقود الهيدروجين
جهاز كمبيوتر دفتري يحصل على الطاقة الكهربية من خلية وقود
لعلك عزيزي القارئ لاحظت بساطة الفكرة وسهولة تطبيقها وحالياً تعقد الكثير من الأبحاثعلى إيجاد تطبيقات جديدة لخلاياالوقود؛ حتى تصبح بديلًا لكل صور الطاقةالأخرى، وتكون بحق وقود المستقبل وقود القرن الواحد والعشرين
طريقة عمل خلايات الوقود fuel cell
سيارة المستقبل من مرسيدس تعمل بالوقود الهيدروجين
جهاز كمبيوتر دفتري يحصل على الطاقة الكهربية من خلية وقود
في هذه المقالة من تفسيرات فيزيائية سوف نقوم بشرح فكرة عمل خلايا الوقود وميزاتها واستخداماتها الحالية والمستقبلية.
أصبح البحثعن بدائل للوقود التقليدي "النفط" أمرًا ضرورياً بالنسبة للدول الصناعية المتقدمة ولا سيما بعد الارتفاع الملحوظ لاسعار الوقود على مستوى العالم وترصد هذه الدول المبالغ المالية الطائلة لتمويل ابحاث البحث عن مصادر للطاقة البديلة والمقصود هنا بديلة عن النفط، وفي المقابل عكف العلماء والباحثون على إجراء الدراسات والابحاث للحصول على مصادر بديلة للطاقة، فقد تمتطوير استخدام الطاقة الشمسية لتوليدالطاقة الكهربائية، واستخدام طاقات المد والجذروأمواج البحر كطاقات حركية يمكن تحويلهالطاقة كهربائية، أو استخدام المياه الساقطة من الشلالات لتويد الطاقة الكهربية والاستعاضة بالعديد منمصادر الطاقة البديلة عن الوقود التقليدي.
تم اختراع تقنية خلايا الوقود في انجلترا في منتصف القرن التاسع عشر الميلادي على يد السير وليام روبرت جروف William grove، منذ اكثر من 160 عاماً حيث لم يكن يعلم ان اختراعه الذي وضعه في العام 1839 سيحل مشكلة تواجه العالم في القرن الواحد والعشرين لاكتشاف خلايا الوقود التييمكن عن طريقها الحصول على الكهرباءمن الهيدروجين أو الكحول دون أي عمليةاحتراق؛ وبذلك يكون قد حل المعادلةالصعبة، وهي الحصول على طاقة نظيفة منغير أن نلوث البيئة وبأقل الأسعار؛حيث إن المشكلة ثلاثية الجوانب: الطاقة، والبيئة، والتكلفة. وهيالاتجاهات الثلاثة التي يصبو العلماءلحلها.
والحل يكمن في هذه الخليةالصغيرة التي تدعى خلية الوقود، ولكن نظرا لعدمجدوى استخدامه في تلك الفترة، ظل هذا الاختراع حبيس الأدراج لأكثر من 130سنة، ولكن عادت خلايا الوقود مرة أخرى للحياة في عقد الستينيات، وذلكعندما طورت شركة «جنرال إليكتريك» خلايا تعمل على توليد الطاقة الكهربائيةاللازمة لإطلاق سفينتي الفضاء الشهيرتين «أبوللو» و«جيمني»، بالإضافة إلىتوفير مياه نقية صالحة للشرب، كانت الخلايا في تلك المركبتين كبيرة الحجموباهظة التكلفة، لكنها أدت مهامها دون وقوع أي أخطاء، واستطاعت أن توفرتيارا كهربائيا وكذلك مصدرا للمياه النقية الصالحة للشرب.
والحل يكمن في هذه الخليةالصغيرة التي تدعى خلية الوقود، ولكن نظرا لعدمجدوى استخدامه في تلك الفترة، ظل هذا الاختراع حبيس الأدراج لأكثر من 130سنة، ولكن عادت خلايا الوقود مرة أخرى للحياة في عقد الستينيات، وذلكعندما طورت شركة «جنرال إليكتريك» خلايا تعمل على توليد الطاقة الكهربائيةاللازمة لإطلاق سفينتي الفضاء الشهيرتين «أبوللو» و«جيمني»، بالإضافة إلىتوفير مياه نقية صالحة للشرب، كانت الخلايا في تلك المركبتين كبيرة الحجموباهظة التكلفة، لكنها أدت مهامها دون وقوع أي أخطاء، واستطاعت أن توفرتيارا كهربائيا وكذلك مصدرا للمياه النقية الصالحة للشرب.
تتميز خلايا الوقود عن البطاريات التقليدية في اعتمادها على دمج عنصري الهيدروجين والأكسيجين لإنتاج الكهرباء والتي تحصل الخلية عليهما من مصدر خارجي ولا تعدان من مكونات خلية الوقود نفسها وهذا ما يعطي لهذه الخلايا الاهمية بالمقارنة مع البطاريات، حيث أن في البطاريات التقليدية فإن مكونات البطارية هي اساس توليد الطاقة حيث يحدث التفاعل الكيميائي لمكونات البطارية لانتاج الطاقة الكهربية وتستمر هذه العملية الى حين انتهاء المواد الكيميائية المتفاعلة فتتوقف البطارية لحين إعادةشحنها مرة أخرى، في حين إن خلايا الوقود تعمل بصفة مستمرة لأن وقودهاالهيدروجين والأكسجين يأتيان من مصادر خارجية، كما أن خلايا الوقود في حد ذاتها ليستسوى رقائق مسطحة تنتج كل واحدة منها فولطاً كهربائياً واحداً، وهذا يعنيأنه كلما زاد عدد الرقائق المستخدمة كلما زادت قوة الجهد الكهربائي.
تعتبر خلية الوقود أداة لتحويل الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربية اي انها تقوم من خلال تفاعلات كيميائية بتحويل الهيدروجين والاكسجين إلى ماء وينتج عن هذه العملية طاقة كهربية. وبالمقارنة مع البطارية التقليدية المعروفة فإن الاختلاف يكمن في ان المواد الكيميائية الداخلة في التفاعل لتوليد الكهرباء هي جزء من تركيب البطارية وتوجد في داخلها، وبانتهاء المواد الكيميائية هذه فإن البطارية تصبح عديمة الفائدة ويتم استبداله أو اعادة شحنها مرة اخرى، في حين ان خلايا الوقود لا يمكن ان تنتهي فهي تعمل باستمرار لان مصدر المواد الكيميائية هي من الهواء.
شرائح من خلايا الوقود تستخدم كمصدر للطاقة في السيارات
يوجد العديد من خلايا الوقود تصنف حسب المواد الكيميائية التي تستخدمها، وكذلك صفائح المحلل electrolyte التي تستخدماها. والنوع الاكثر شيوعا ورواجا هو خلية الوقود ذات غشاء التبادل البروتوني proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) والموضح فكرة عملها في الشكل التالي:
فكرة عمل وتركيب خلية الوقود لانتاج الطاقة الكهربية
يوضح الشكل اعلاه تركيب خلية الوقود وفكرة عملها تتلخص في المراحل التالية:
هذه هي التفاعلات الكيميائية التي تحدث على طرفي الخلية
هذه هي التفاعلات الكيميائية التي تحدث على طرفي الخلية
إن النماذج البسيطة التي تصنع منها الخلية الهيدروجينية و المستخدمة فيوسائط النقل تنتج حوالي 1.16 Volt لذلك يتم وصل عدد كبير من الخلايالتوليد الطاقة الكهربائية المطلوبة . يبين الشكل التالي خلية هيدروجينية مكونة من عدد كبير من الشرائح لتوليد فرق الجهد المطلوب.
لقد تنوعت أماكن استخدام الخلية الهيدروجينية و اختلفت التصاميم و الأبعاد الموضوعة لها تبعاً للطاقة المطلوبة منهاوفي الصورتين التاليتن مثالاً لذلك
دراجة نارية تستخدم وقود الهيدروجين بدلا من الوقود التقليدي من خلال خلايا الوقود
سيارة تعمل بواسطة محرك كهربي يحصل على الطاقة من خلايا الوقود الهيدروجيني
لعلك عزيزي القارئ لاحظت بساطة الفكرة وسهولة تطبيقها وحالياً تعقد الكثير من الأبحاثعلى إيجاد تطبيقات جديدة لخلاياالوقود؛ حتى تصبح بديلًا لكل صور الطاقةالأخرى، وتكون بحق وقود المستقبل وقود القرن الواحد والعشرين
