خلايا الوقود ومستقبل الطاقة

تستثمر شركات السيارات الكبيرة أموالا طائلة لتطوير سيارة كهربائية تستخدم خلايا الوقود بدلا من البطاريات التقليدية وذلك للحفظ على البيئة من التلوث حيث إن خلايا الوقود التي تنتجها لا ينبعث منها غازات كيميائية ضارة ويقوم عمل خلايا الوقود غلى مبدأ توليد الطاقة الكهربائية من تفاعل الأكسجين مع الهيدروجين دون احتراق وهذا النوع من التفاعل ينتج فقط الكهرباء وكذلك الحرارة والماء النقي كنواتج ثانوية وعلى عكس الخلايا الكهرو كيميائية فإن خلايا الوقود ليست مرهونة بتوفير المواد الكيمياوية داخلها تنتج الكهرباء في اللحظة التي يجهز لها الوقود الملائم.

 

خلايا وقود الهيدروجين هي التي تنتج الكهرباء من خلال تفاعل كهربائي كيميائي باستخدام الهيدروجين والأوكسجين.

فهذه الخلية الكهروكيميائية تستخدم لإنتاج الطاقة الكهربائية عن طريق تزويد الخلية بغازي الأكسجين والهيدروحين باستمرار. عند المصعد يتأكسد الهيدروجين إلى بروتونات(التي تتتجه داخل وسط الإلكترولايت إلى الأنود) وإلكترونات (التي تتجه من خارج الخلية إلى الأنود) حيث يلتقي الجميع مع الأكسجين الذي يختزل لتكوين الماء. يوجد أنواع متعددة من الخلايا الوقودية والتي يمكن تصنيفها حسب نوع الكهارل الذي يحدد استخدامها النهائي. فعلى سبيل المثال تعتبر تلك التي تستخدم مكوثرا موصلا للبروتونات من الأكثر حظاً للإسخدام في السيارة الكهربائية بينما تلك التي تستخدم الخزف الموصل لايون الأكسجين أفضل للاستخدام المنزلي للتزود بالكهرباء والحرارة. أخيرا تعتبر الخلايا الوقودية من أكثر وسائل توليد الطاقة حفاظا على البيئة، ولهذا تحظي باهتمام كبير نحو تطويرها وتسخيرها مستقبلا في تسيير السيارات وإمداد المنازل بالتيار الكهربائي. وهذه الأخيرة قد يصل وزنها إلى عدة أطنان.

تاريخ ابتكارها وفكرتها

• شهد منتصف القرن التاسع عشر الميلادي اختراع تقنية خلايا الوقود الهيدروجينية في إنجلترا على يد السير وليام روبرت جروف . ولكن نظرا لعدم جدوى استخدامه في تلك الفترة، ظل هذا الاختراع حبيس الأدراج لأكثر من 130 سنة تقريبا، وعادت خلايا الوقود مرة أخرى للحياة في عقد الستينيات، وذلك عندما طورت شركة «جنرال إليكتريك» خلايا تعمل على توليد الطاقة الكهربائية اللازمة للاستخدام في سفينتي الفضاء الشهيرتين «جيمني» و أبولو ، بالإضافة إلى توفير مياه نقية صالحة للشرب لرواد الفضاء. كانت الخلايا الأولى في تلك المركبتين كبيرة الحجم وباهظة التكلفة، لكنها أدت مهامها دون وقوع أي أخطاء، واستطاعت أن توفر تيارا كهربائيا وكذلك مصدرا للمياه النقية الصالحة للشرب في مركبات الفضاء.

• ومن الممكن أن نجري مقارنة بين تقنية خلايا الوقود الهيدروجينية وبطارية السيارة، بينما تخزن البطارية الرصاصية الطاقة بواسطة العامل المؤكسد بداخلها مما يستوجب إعادة شحنها من حين لآخر، فإن خلايا الوقود تعمل على اتحاد عنصري الهيدروجين والأكسجين لإنتاج الكهرباء، وهي تعمل بصفة مستمرة بواسطة مخزون من غاز الهيدروجين مخزون تحت ضغط عالي لتقليل حجمه وتأخذ الأكسجين من الجو . تشحن السيارة التي تعمل بخلايا الوقود بنحو 4 كيلوجرام من الهيدروجين تكفي لسير السيارة الصغيرة مسافة نحو 350 كيلومتر .

• وتتكون خلايا الوقود من رقائق مسطحة معدنية تتحد على سطحها جزيئات الهيدروجين والأكسجين بنسبة 1:2 لتكوين الماء H2O وتنتج كل شريحة منها 1 فولت من الكهرباء. وهذا يعني أنه كلما زاد عدد الشرائح المستخدمة كلما زاد الجهد الكهربائي للخلايا.

خلية الوقود في السيارة

لنأخذ مثالا عمليا يوضح لنا أهمية خلية الوقود التي تعمل بالهيدروجين. فعندما يصبح لديك سيارة تعمل بخلايا الوقود فأنت بالتأكيد تمتلك محطة توليد كهرباء متنقلة تستطيع توليد 25 كيلو واط من الكهرباء، ودعنا نتخيل ما سيحدث في المستقبل القريب عندما تذهب إلى العمل بواسطة سيارتك المجهزة بالخلايا الهيدروجينية، فبدلا من تركها بساحة الانتظار مهدرا للوقت والمكان بدون فائدة، ما عليك إلا توصيلها بمخرج الغاز الطبيعي الموجودة بالمبنى، وعند انتهاء الدوام تستقل سيارتك بعد شحنها وهي محملة بحوالي 25 كيلو واط من الكهرباء التي تصلح لتشغيل السيارة أو لإضاءة أو تدفئة أي مكان آخر، وتشير الإحصائيات الحديثة أن السيارات تقف بأماكن الانتظار بدون حركة لأكثر من 96% من إجمالي الوقت، وبالتالي يمكن الاستفادة القصوى من هذا الوقت الضائع في شحن السيارات بالهيدروجين وتحقيق الأرباح أيضا.

تطبيقات

هناك استخدامات عديدة لخلايا الوقود ، خلايا الوقود تستخدم في تشغيل المركبات كالحافلات و السيارات و الطائرات و القطارات ، تستخدم أيضاُ في بعض الأجهزة الإلكترونية كأجهزة الهاتف المحمول و أجهزة الحاسب المحمولة . تستخدم البنوك و المستشفيات في توليد الطاقة لمرفقاتها و بعض الملحقات الخاصة .