خلايا الوقود بعبارات بسيطة
خلايا الوقود هي تقنية مبتكرة تهدف إلى إحداث ثورة في الطريقة التي يولد بها العالم الكهرباء. يطلق عليها اسم "بطارية المستقبل"، فهي بديل نظيف وعالي الكفاءة لأنظمة الاحتراق التقليدية مثل محرك الاحتراق الداخلي (ICE).
ما هي خلية الوقود؟
فكر في خلايا الوقود كنوع خاص من البطاريات. الهدف النهائي للبطارية وخلية الوقود هو نفسه - توليد الكهرباء لتوفير الطاقة لأحد التطبيقات. والفرق الرئيسي بين الاثنين هو من أين تأتي الطاقة.
فكر في البطاريات كحاوية تخزين مملوءة مسبقًا. لديهم بالفعل كهرباء مخزنة بالداخل، وجاهزة للاستخدام ولا تحتاج إلى أي مصدر إضافي للوقود.
خلايا الوقود هي عكس ذلك. إنهم لا يخزنون الكهرباء، بل يصنعونها. تولد خلايا الوقود الكهرباء من خلال تفاعل كيميائي، حيث تحول الطاقة مباشرة من مصدر الوقود إلى طاقة كهربائية. ويمكن بعد ذلك استخدام تلك الكهرباء لتشغيل تطبيقاتها.
على سبيل المثال، تعتبر خلايا الوقود ذات غشاء التبادل البروتوني (PEM) هي التركيز الحالي لمركبات خلايا الوقود (FCVs). تستخدم خلايا الوقود PEM وقود الهيدروجين لتوليد الكهرباء. يتم تغذية هذه الكهرباء في بطارية، والتي تقوم بعد ذلك بتشغيل محرك كهربائي لدفع السيارة إلى الحركة.
أجزاء من خلية الوقود
في حين أن خلايا الوقود تتكون من عدة طبقات من مواد متنوعة، هناك ثلاثة أجزاء رئيسية يجب معرفتها:
• غشاء بالكهرباء
• طبقات المحفز (الأنود والكاثود)
• طبقات انتشار الغاز
تشكل هذه المكونات الثلاثة مجموعة القطب الكهربائي الغشائي لخلية الوقود (MEA). تسمى أحيانًا "قلب" الخلية، حيث يتم إنتاج الكهرباء أو الطاقة. بغض النظر عن النوع، ستحتوي خلية الوقود دائمًا على غشاء موجب وكاثود وغشاء إلكتروليت. الفرق هو المادة التي يتكون منها غشاء الإلكتروليت.
غشاء المنحل بالكهرباء
يفصل الغشاء بين طبقتي المحفز. وهو بمثابة حارس بوابة خلية الوقود. وتتمثل مهمتها في السماح فقط للجسيمات المشحونة إيجابيا بالمرور من جانب محفز إلى آخر مع منع الجسيمات المشحونة سلبا من العبور. هذا المكون هو أيضًا المكان الذي حصلت فيه خلايا الوقود على اسمها. تسمى خلية الوقود التي تحتوي على غشاء بوليمر بالكهرباء خلية وقود PEM.
طبقات المحفز
تحتوي خلية الوقود على طبقتين محفزتين. وتتكون كل طبقة من طلاء كهربائي من مادة محفزة. يقع الغشاء بينهما. على أحد الجانبين يوجد قطب كهربائي سالب (الأنود)، وعلى الجانب الآخر يوجد قطب كهربائي موجب (الكاثود). تأخذ طبقة الأنود الوقود وتفصله إلى بروتونات وإلكترونات. تأخذ طبقة الكاثود الأكسجين وتحول الأكسجين والبروتونات والإلكترونات إلى ماء وحرارة.
طبقات انتشار الغاز (GDLs)
بينما يقوم الأنود والكاثود بأجزائهما، تقع GDLs خارج طبقات المحفز لتوزيع الغازات الناتجة عن العملية الكيميائية وإزالة ماء المنتج. تساعد GDLs على منع تراكم الماء الزائد وتساعد على تحقيق التوازن بين احتباس الماء وإطلاق الماء. هناك حاجة إلى احتجاز الماء للحفاظ على موصلية الغشاء، كما أن إطلاق الماء مطلوب لإبقاء مسام GDLs مفتوحة حتى يتمكن الهيدروجين والأكسجين من الانتشار في الأقطاب الكهربائية.
كيف تولد خلايا الوقود الكهرباء
تحدث سلسلة من التفاعلات الكيميائية داخل الخلية لفصل الإلكترونات عن جزيئات الوقود لتوليد الكهرباء. في حالة الهيدروجين، يتم تغذية غاز الهيدروجين إلى خلية الوقود على جانب الأنود بينما يتم تغذية الأكسجين إلى الكاثود. عند الأنود، يتم فصل جزيئات الهيدروجين إلى بروتونات وإلكترونات. ثم تنتقل الجسيمات الموجبة والسالبة إلى مسارين مختلفين.
تنتقل الإلكترونات إلى دائرة كهربائية خارجية قبل أن تستمر في الوصول إلى الكاثود. الدائرة الخارجية هي المكان الذي يتم فيه إنشاء تدفق الكهرباء. تمر الجزيئات الموجبة عبر الغشاء إلى الكاثود. وبمجرد وصولها إلى هناك، تتحد البروتونات مع الإلكترونات وتتفاعل مع الأكسجين لإنتاج الماء والحرارة.
لماذا خلايا الوقود كبديل لـ ICE؟
يعد نقص الاحتراق نقطة جذب كبيرة للاستثمار واعتماد تقنيات خلايا الوقود. في حين أن محركات ICE ومحطات الطاقة التقليدية تتطلب الاحتراق لتحويل الوقود إلى طاقة، فإن خلية الوقود لا تفعل ذلك. يقوم بتحويل الوقود إلى كهرباء من خلال عملية كهروكيميائية غير قابلة للاحتراق. نظرًا لعدم وجود احتراق، لا ترتبط أي انبعاثات ضارة بالإخراج الكهربائي. المنتجات الثانوية الوحيدة هي الماء النقي والحرارة.
ولأنها قادرة على توفير طاقة نظيفة لمختلف التطبيقات، تتجه الصناعات إلى خلايا الوقود في الوقت الذي تتطلع فيه إلى اعتماد تقنيات من شأنها أن تحركها نحو أهداف الانبعاثات الخاصة بها. تعمل خلايا الوقود بالفعل على تطوير صناعة النقل التجاري من خلال تشغيل الشاحنات الثقيلة والحافلات والسكك الحديدية والسفن البحرية. تعتمد الصناعات وشركات المرافق والمؤسسات مثل مراكز البيانات والمستشفيات والجامعات أيضًا على خلايا الوقود. تتضمن هذه التطبيقات الثابتة الطاقة الاحتياطية، والحلاقة القصوى، وتوليد الطاقة المحمولة والإضافية.
نظرًا لأن أزمة المناخ هي في مقدمة اهتمامات الجميع، فإن الصناعات حريصة على التحول إلى حلول طاقة أكثر صداقة للبيئة. تعتبر خلايا الوقود أحد الحلول الواعدة للغاية، ولكن هناك سبب يطلق عليها "بطارية المستقبل". لقد تم إحراز تقدم في السنوات العشرين الماضية، ولا تزال هناك حاجة إلى مزيد من التقدم قبل أن يتم قيادة المركبات شبه نصف الآلية التي تعمل بخلايا الوقود عبر كل طريق سريع. ولكن في Accelera™ by Cummins، نحن واثقون من أننا سنصل إلى هذا الهدف. نحن نستثمر بنشاط في خلايا الوقود PEM لنقل المركبات التجارية والطاقة الثابتة، معتقدين أنها حل حيوي من شأنه تسريع التحول إلى الصفر من الانبعاثات.
ففي نهاية المطاف، ساعدت خلايا الوقود في إرسال أول البشر إلى القمر في عام 1969. لذا، إذا كانت وكالة ناسا قادرة على القيام بذلك، فلماذا لا نستطيع نحن أن نفعل ذلك؟
هل تريد رؤية أمثلة واقعية لخلايا الوقود أثناء عملها؟ تحقق من هذه المشاريع التوضيحية:
