مقدمـــة:
خلية الوقود هي جهاز كهروكيميائي يتم فيه توليد الطاقة الكهربائية الناتجة من التفاعل الكيميائي بين الوقود والمادة المؤكسدة مباشرة إلي تيار كهربائي منخفض الفولطية.
إن فكرة عمل الخلية تم اكتشافها من قبل العالم الانجليزي وليم جراف 1834م إثناء قيامه بتجربة تحليل الماء كهربائياً إلي عنصريه الهيدروجين والأكسجين مستخدما أقطاب من البلاتين فلأحظ تولد تيار كهربائي عندما عكس عملية التحليل، وقد استخدمت في إنتاج الطاقة الكهربائية لمركبات الفضاء، ونظرا للظروف الحالية لمحدودية الوقود التقليدي في العالم إضافة إلي المشاكل البيئية المختلفة شجعت البحث والتطوير في استخدامها كمصادر طاقة في الأماكن النائية وفي المواصلات.
تركيب الخلية:
تتركب خلية الوقود كما في شكل (1) من قطبين القطب الموجب (أنود), والقطب السالب (كاثود) مغمورين في محلول أيوني.
شكل (1)
وهو عبارة عن مركب كيميائي يختلف بحسب نوعية الخلية, ويستخدم الهيدروجين كوقود ويمكن استخدام أنواع أخرى من الوقود تحتوي على الهيدروجين.وتبدأ عملية التشغيل عند إمداد قطب (الأنود) بالهيدروجين وقطب (الكاثود) بالأكسجين, فيتأكسد الهيدروجين وتنحل جزئياته إلى برتونات وإلكترونات عبر المحلول الأيوني, بينما تنتقل الإلكترونات إلى دائرة خارجية مولدة تيار كهربائي.
أنواع خلايا الوقود:
هنالك عدة أنواع من خلايا الوقود، ويمكن تصنيفها حسب المحلول الأيوني ودرجة الحرارة كالأتي:-
.1 خلايا الوقود القاعدية :-
يستخدم هذا النوع من الخلايا محلول أيوني مركب من هيدروكسيد البوتاسيوم المخفف، وتعمل الخلية عند درجة حرارة 250-50)درجة مئوية) وللحصول على كفاءة عالية يتطلب أن تكون الغازات (هيدروجين وأكسجين) ذات نقاوة عالية وخالية من غاز ثاني أكسيد الكربون الذي يسبب في تكون كربونات البوتاسيوم التي بدورها تقلل من قدرة الخلية وتسبب أتلافها. وقد استخدمت لفترة طويلة لمهمات الفضاء (ناسا) ، وتصل الكفاءة الكهربية لهده الخلايا إلى 70%.
.1 خلايا وقود ذات مركب أيونى مبلمر:
في هذا النوع من الخلايا يستخدم محلول أيونى جاف وهو عبارة عن مركب أيونى مبلمر على هيئة حشوه بين قطبين مسامين ويحمل كل منهما مادة حافزة (بلاتين)، ويعتبر هذا الغشاء عازل الكتروني، وتعمل هذه الخلايا في درجة حرارة حوالي 80 درجة مئوية وتصل كفاءة الخلية إلي حوالي 40-50%.
.2 خلايا الوقود الحمضية :
يستخدم حامض الفوسفوريك كمحلول أيونى لأنه أكثر ثباتاً من حامض الكبريتيك، ويولد هذا النوع من الخلايا طاقة كهربائية تصل إلى 40%، وحوالي85% من البخار المتولد مزدوج الاستخدام( حرارة،كهربا) وتصل كفاءة الخلية إلى حوالي 40-80% ويسمح بتشغيل الخلية عند درجة حرارة 200 درجة مئوية.
.3 خلايا الوقود ذات المركب الأيوني من الكربون المصهور:
تتركب الخلية من قطبين من النيكل المسامي بينهما طبقة رقيقة من كربونات البوتاسيوم, ويستعمل الكربون المصهور كمحلول ايوني للخلية، ويتطلب هذا رفع درجة حرارة الخلية إلى 650 درجة مئوية، ويعتبر هذا النوع من الخلايا مناسبا للاستخدام في محطات لتوليد الطاقة الكهربائية ، محطات مركزية ،أو فرعية أو للاستخدامات النائية، وتصل كفاءة الخلية إلى 50-60%.
.4 خلايا الوقود ذات الأكاسيد الصلبة :-
يستعمل أكسيد الزروكونيوم كمحلول أيونى (أكسيد الزروكونيوم الصلب المعالج بأكسيد الأتيريوم) ويمكن تهذيب وقود الهيدروكربون داخليا واستخدام النفايات الناتجة في توليد البخار وذلك لاستخدامه في محطات توليد الطاقة الكهربائية، وتصل كفاءة الخلية إلي 40-60%، وتعمل الخلية في درجات حرارة عالية تصل إلى 1000 درجة مئوية.
.5 خلايا الميثانول المباشر:
تتشابه خلايا وقود الميثانول المباشر مع خلايا ذات المركب الأيوني المبلمر من حيث المحلول الأيوني, ولكن في خلايا وقود الميثانول يقوم محفز الأنود بسحب الهيدروجين من الميثانول دون الحاجة إلى إعادة تكوين الوقود (الهيدروجين) وتقدر نسبة كفاءة الخلية حوالي 40%, وتشتغل عند درجة حرارة ما بين (49-88 درجة مئوية).
.6 خلايا الوقود ذات التوليد المتجدد:
تعتبر خلايا الوقود ذات التوليد المتجدد جديدة وفريدة من نوعها حيث تؤدي وظيفتها في التحليل الكهربائي للماء وتولد الطاقة الكهربائية من الوقود المؤكسد اى تعمل بطريقه عكسية.
وتتكون الخلية من غشاء أحادى البروتون ومحلل يعمل بالطاقة الشمسية، وفي هذا النظام يتم فصل الماء إلي عنصرية بالمحلل الشمسي الكهربائي وتزويد الخلية يهما لتوليد الكهرباء, حيث يتم ترجيعها إلى المحلل الكهربائي ويتم فصله من جديد إلى عنصريه والناتج من العملية كهرباء وماء, فالماء ينتقل في دائرة داخلية إلى المحلل الكهربائي لفصله من جديد إلى عنصرية وهكذا يستمر عمل الخلية.
استخدامات خلايا الوقود :
.1 توليد الطاقة الكهربائية.
يمكن استخدامها في محطات مركزية أو محطات فرعية كما يمكن الاستفادة من النفايات الحرارية في التدفئة أو تسخين المياه في المباني, ونظراً لارتفاع كفاءتها الكهربائية يفضل استخدامها بدل محطات القوى الحرارية.
.2 إقامة وحدات توليد كهرباء مزدوجة.
تستخدم عادة وحدات توليد مزدوجة للأغراض الصناعية والتجارية والمنزلية في المناطق النائية, بحيث توفر الكهرباء والحرارة معاً. لذا يستفاد من الكهرباء علاوة على الحرارة بحيث يمكن استخدامها في التدفئة وتسخين المياه وقد تصل الكفاءة الكلية لهذا النظام إلى 80%.
.1 المواصلات.
يمكن استخدام خلايا الوقود في المواصلات ويعتقد بان خلايا الوقود ذات المركب الأيوني المبلمر مرشحة لهذا الاستخدام.
مميزات خلايا الوقود :
1- كفاءتها الكهربائية عالية وغير محدود بدورة كار نوت للحرارة.
2- لا تنبعث منها آي ملوثات ضارة بالبيئية وتكون نسبة الغازات عند الاحتراق ضئيلة مقارنة بعملية الاحتراق التقليدية.
3- قليلة الضوضاء عند تشغيلها (عديمة الاهتزاز, هادئة).
4- لا تحتاج إلى صيانة كثيرا، وتعيش لفترة طويلة.
5- بساطة جهاز العادم.
6- جهاز القياس مصمم ليعطى مرونة عالية.
7- ذات طاقة إمداد قوية وخاصة في التكييف والتسخين.
8- بساطة ميكانيكية التشغيل في الخلية، ( الأجزاء ثابتة غير متحركة و بساطة صندوق تروس السرعة).
9- قدرتها في الأداء جيدة (ضبط التيار الكهربائي).
10-فريدة في نوعها تحافظ على الطاقة وبخاصة عند استخدامها في المحطات النائية.
الرئيسية
