ما هي خلايا الوقود

تستخدم خلية الوقود الطاقة الكيميائية للهيدروجين أو أنواع الوقود الأخرى لإنتاج

الكهرباء

بطريقة نظيفة وفعالة، وعندما يكون الهيدروجين هو الوقود تكون المنتجات الوحيدة هي الكهرباء والماء والحرارة، وتتميز خلايا الوقود بأنها فريدة من نوعها من حيث تنوع تطبيقاتها المحتملة، كما يمكن استخدام مجموعة واسعة من الوقود والمواد الأولية ويمكنهم توفير الطاقة لأنظمة كبيرة مثل محطة طاقة المرافق أو صغيرة مثل

الكمبيوتر

المحمول.

أنواع خلايا الوقود

هناك عدة أنواع لخلايا الوقود فيما يلي سوف نتعرف عليهم:

خلايا وقود غشاء البوليمر المنحل بالكهرباء

تستخدم خلايا وقود غشاء البوليمر المنحل بالكهرباء (PEM) غشاء بوليمر موصل بالبروتون كإلكتروليت، ويستخدم الهيدروجين عادة كوقود، حيث تعمل هذه الخلايا في درجات حرارة منخفضة نسبيًا ويمكنها تغيير إنتاجها بسرعة لتلبية متطلبات الطاقة المتغيرة، خلايا الوقود PEM هي أفضل الأنواع لتشغيل

السيارات

ويمكن استخدامها أيضًا لإنتاج الطاقة الثابتة، وبالرغم من درجات حرارة التشغيل المنخفضة لا يمكن استخدام الوقود الهيدروكربوني بشكل مباشر مثل الغاز الطبيعي أو الغاز الطبيعي المسال أو الإيثانول، ولذلك يجب تحويل هذه الأنواع من الوقود إلى هيدروجين في مصلح الوقود حتى يمكن استخدامها بواسطة خلية وقود PEM.

خلايا وقود الميثانول المباشر

تشبه خلية وقود الميثانول المباشر (DMFC) خلية PEM في أنها تستخدم غشاء بوليمر موصل بالبروتون كإلكتروليت، وبالرغم من ذلك فإن DMFCs تستخدم الميثانول مباشرة على الأنود، مما يلغي الحاجة إلى إصلاح الوقود، ولذلك تعتبر DMFCs مهمة لتشغيل الأجهزة الإلكترونية المحمولة مثل أجهزة الكمبيوتر المحمولة وأجهزة إعادة شحن البطاريات، كما يوفر الميثانول كثافة طاقة أعلى من الهيدروجين مما يجعله وقودًا جذابًا للأجهزة المحمولة.

خلايا الوقود القلوية

تستخدم خلايا الوقود القلوية إلكتروليتًا قلويًا مثل هيدروكسيد البوتاسيوم أو غشاء قلوي يوصل أيونات الهيدروكسيد بدلاً من البروتونات، وتستخدم في الأصل من قبل الإدارة الوطنية للملاحة الجوية والفضاء (ناسا) في مهمات فضائية، وبالإضافة إلى ذلك تجد خلايا الوقود القلوية الآن تطبيقات جديدة مثل الطاقة المحمولة.

خلايا وقود حامض الفوسفوريك

تستخدم خلايا وقود حمض الفوسفوريك إلكتروليت لحمض الفوسفوريك الذي ينقل البروتونات الموجودة داخل مصفوفة مسامية وتعمل عند 200 درجة مئوية، ويتم استخدامها عادةً في وحدات تبلغ 400 كيلو وات أو أكثر ويتم استخدامها لإنتاج الطاقة الثابتة في الفنادق والمستشفيات والمحلات والمباني والمكاتب حتى يمكن استخدام الحرارة المهدرة، ويمكن أيضًا تجميد حمض الفوسفوريك في أغشية البوليمر وخلايا الوقود التي تستخدم هذه الأغشية فهي مهمة لمجموعة متنوعة من تطبيقات الطاقة الثابتة.

خلايا وقود الكربونات المنصهرة

تستخدم خلايا وقود الكربونات المنصهرة ملح كربونات مصهور مثبت في مصفوفة مسامية توصل أيونات الكربونات كإلكتروليت خاص بها، ويتم استخدامها في مجموعة متنوعة من التطبيقات الثابتة المتوسطة الحجم إلى الكبيرة ولذلك تؤدي بكفاءة عالية لتوفير صافي الطاقة، كما يتيح تشغيلها بدرجة حرارة عالية إصلاح أنواع الوقود داخليًا مثل الغاز الطبيعي والغاز الحيوي.

خلايا وقود الأكسيد الصلب

تستخدم خلايا وقود الأكسيد الصلب طبقة رقيقة من السيراميك كمحلول إلكتروليت صلب يوصل أيونات الأكسيد، ويتم تطويرها للاستخدام في مجموعة متنوعة من تطبيقات الطاقة الثابتة وكذلك في أجهزة الطاقة المساعدة للشاحنات الثقيلة، ويمكن لخلايا الوقود هذه إصلاح الغاز الطبيعي والغاز الحيوي داخليًا ويمكن دمجها مع توربين غازي لإنتاج الكهرباء بكفاءات تصل إلى 75٪.

الجمع بين خلايا الوقود الحرارية والطاقة

تنتج خلايا الوقود الحرارة ويمكن استخدام هذه الحرارة لتلبية احتياجات التدفئة، بما في ذلك

الماء

الساخن وتدفئة المكان، ويساعد هذا النوع في تحقيق كفاءة إجمالية تصل إلى 90 ٪، وهذه العملية عالية الكفاءة وتوفر المال والطاقة وتقلل من انبعاثات

غازات

الاحتباس الحراري.

خلايا وقود متجددة أو قابلة للعكس

تنتج هذه الفئة الخاصة من خلايا الوقود الكهرباء من الهيدروجين والأكسجين، ويمكن أيضًا عكسها وتشغيلها بالكهرباء لإنتاج الهيدروجين والأكسجين، وهذه

التكنولوجيا

توفر تخزين الطاقة

الزائدة

الناتجة عن مصادر الطاقة المتجددة المتقطعة مثل محطات طاقة

الرياح

والطاقة الشمسية مما يؤدي إلى إطلاق هذه الطاقة في أوقات انخفاض إنتاج الطاقة.[1]

مميزات خلايا الوقود

توفر تقنية خلايا وقود الهيدروجين مزايا عديدة مقارنة بمصادر الطاقة الأخرى وهي تشمل:

قابلة للتجديد ومتوفرة

الهيدروجين هو المكون الأكثر وفرة في الكون وعلى الرغم من التحديات المتعلقة بإزالته من الماء فهو مصدر وفير ومتجدد بشكل فريد للطاقة، وهو مثالي للمتطلبات المستقبلية الخالية من الكربون لإمدادات الطاقة والحرارة المشتركة، ويتميز بأنه أكثر قوة وكفاءة في استخدام الطاقة مقارنة بالوقود الأحفوري، كما توفر تقنية خلايا وقود الهيدروجين مصدر طاقة عالي الكثافة مع كفاءة طاقة ممتازة.

الكفاءة العالية

تعتبر خلايا وقود الهيدروجين طريقة فعالة لإنتاج الطاقة مقارنة بمصادر الطاقة الأخرى مثل العديد من حلول الطاقة الخضراء، ولذلك توفر معدل إنتاج أعلى لكل كجم من الوقود.

يقلل من آثار الكربون

مع عدم وجود انبعاثات لا تقوم خلايا وقود الهيدروجين بتفريغ غازات الاحتباس الحراري مما يشير إلى عدم وجود مسار كربوني أثناء التشغيل.

انبعاثات صفرية

لا تنتج خلايا وقود الهيدروجين انبعاثات غازات الاحتباس الحراري كمصدر للوقود الأحفوري وبالتالي تقليل

التلوث

وتعزيز جودة الهواء.

تلوث ضوضاء صغير جدًا

لا تسبب خلايا وقود الهيدروجين تلوثًا ضوضائيًا مثل مصادر الطاقة المتجددة الأخرى مثل طاقة الرياح، حيث تكون المركبات التي تعمل بالهيدروجين أكثر هدوءًا من تلك التي تستخدم في محركات الاحتراق الداخلي التقليدية.

أوقات الشحن السريع

إن وقت شحن وحدات الطاقة لخلية وقود الهيدروجين سريع بشكل استثنائي مقارنة بوقت شحن السيارات التقليدية بمحركات الاحتراق الداخلي (ICE) وأسرع بشكل ملحوظ من السيارات الكهربائية التي تعمل بالبطاريات.

مثالي للتطبيق في المناطق النائية

تسمح القيود المحلية بتوافر الهيدروجين من خلال الإنتاج المحلي والتخزين ليكون بديلاً للطاقة القائمة على الديزل والتدفئة في المناطق البعيدة، وذلك يؤدي إلى تقليل الحاجة إلى نقل الوقود وتحسين نوعية

الحياة

لأولئك الذين يعيشون في المناطق النائية من خلال توفير طاقة غير ملوثة نحصل عليها من مورد

طبيعي

متاح بسهولة.

انخفاض التلوث البصري

يمكن أن توفر بعض مصادر الطاقة منخفضة الكربون بعض المشاهد البصرية السيئة، بينما لا تحتوي خلايا وقود الهيدروجين على متطلبات مساحة مكافأة مما يعني تلوثًا بصريًا أقل.

عيوب خلايا الوقود

بالرغم من المزايا الرائعة التي ذكرناها لخلايا الوقود إلا أن بال

بحث عن خلايا الوقود

ظهرت بعض العيوب، فيما يلي نتعرف عليهم:

استخلاص الهيدروجين

لا يوجد الهيدروجين بمفرده ولذلك يجب استخراجه من الماء عن طريق التحليل الكهربائي أو عزله عن الوقود الأحفوري الكربوني، وتحتاج كلتا الطريقتين إلى قدر ملحوظ من الطاقة لتحقيقها.

استثمار كبير من أجل التنمية

تتطلب خلايا وقود الهيدروجين التمويل لتطويرها إلى الحد الذي تصبح فيه مصدر طاقة قابل للتطبيق.

مشاكل تنظيمية

هناك قيود حول المشكلات التنظيمية المتعلقة بالهيكل الذي يمثل نماذج النشر التجارية، فبدون أطر تنظيمية واضحة للسماح للمشاريع التجارية بتحقيق أساس التكلفة والإيرادات يمكن أن تكافح المشاريع التجارية للوصول إلى قرار

الاستثمار

المالي (FID).

تكلفة المواد الخام

قد تحتاج إلى

المعادن

الثمينة مثل الإيريديوم والبلاتين كمحفزات في خلايا الوقود وبعض أنواع المحلل الكهربائي للماء، ولذلك تكون التكلفة الأولية لخلايا الوقود عالية جداً.

سكن الهيدروجين

يعتبر طريقة النقل والتخزين للهيدروجين أكثر صعوبة من الوقود الأحفوري، ولذلك توجد تكاليف إضافية يجب مراعاتها لخلايا وقود الهيدروجين كمصدر للطاقة.

قابل للاشتعال

الهيدروجين هو مصدر وقود شديد الاحتراق مما يسبب مخاوف واضحة تتعلق بالسلامة، حيث يحترق غاز الهيدروجين في الهواء بتركيزات تتراوح من 4 إلى 75٪.[2]