شرح خلايا وقود الهيدروجين: الكفاءة والعمل

تُعد خلايا الوقود أكثر كفاءة من محطات الطاقة التقليدية، إذ تُولّد الطاقة من خلال تفاعل كهروكيميائي بدلًا من الاحتراق. وغالبًا ما تُستخدم كمولدات احتياطية خلال أوقات ذروة الطلب، كما تُستخدم في مختلف وسائل النقل العام. في هذه المدونة، سنتعرف على استخدامات خلايا وقود الهيدروجين وكيفية عملها.

ما هي استخدامات خلايا وقود الهيدروجين؟

في خلايا الوقود، يُمكن توليد الكهرباء من خلال دمج ذرات الهيدروجين والأكسجين. تُستخدم خلايا الوقود متعددة الاستخدامات هذه في قطاعات مُختلفة، بدءًا من تشغيل المركبات الفضائية والأجهزة الإلكترونية، وصولًا إلى المباني السكنية والتجارية والمركبات. لنلقِ نظرة الآن على بعض استخداماتها الرئيسية بالتفصيل.

1. إدارة المستودعات: تتجه العديد من منظمات التخزين والتوزيع الكبيرة إلى استخدام خلايا الوقود هذه لتشغيل الشاحنات النظيفة، والرافعات الشوكية، والرافعات الشوكية، وغيرها من المعدات.

2. التوزيع الدولي: تتمتع خلايا الوقود بالمدى والطاقة اللازمين للنقل لمسافات طويلة والتوزيع المحلي. وتُصنّع صناعات السيارات بالفعل شاحنات نصف مقطورة وشاحنات صغيرة تعمل بالهيدروجين.

3. الحافلات: تُدرس طاقة الهيدروجين لاستخدامها في مختلف وسائل النقل العام، بما في ذلك حافلات خلايا الوقود. وقد أجرت عدة مدن كبرى تجارب على حافلات تعمل بالهيدروجين، منها شيكاغو وفانكوفر ولندن وبكين.

إشارة الصليب: حافلات كهربائية تعمل بخلايا الوقود للنقل العام الخالي من الانبعاثات

4. القطارات: لقد وصلت الآن قطارات خلايا الوقود الهيدروجينية إلى معظم البلدان المتقدمة.

5. المركبات الفردية: تعمل كبرى شركات صناعة السيارات على تطوير مركبات كهربائية تعمل بخلايا وقود الهيدروجين (HFCEVs) للاستخدام الشخصي. ومن أبرز الطرازات تويوتا ميراي، وهوندا كلاريتي، وهيونداي نيكسو، وبي إم دبليو آي هيدروجين نيكست.

6. الطيران: بحثت عدة مشاريع تجريبية في استخدام خلايا الوقود هذه في مجال الطيران والفضاء. المركبات غير المأهولة لمسافات طويلة استخدم نظامًا هجينًا مع خلايا الوقود والتي كانت تعمل بواسطة مجموعات من الألواح الشمسية، مما يسمح نظريا برحلات متواصلة ليلا ونهارا بلا حدود.

إشارة الصليب: هل يمكن أن تصبح الرحلات الجوية التي تعمل بالهيدروجين حقيقة بحلول عام 2035؟

7. توليد الطاقة الاحتياطية: يتم استخدام خلايا الوقود الثابتة في مزود الطاقة غير المنقطع (UPS) الأنظمة التي يكون فيها التشغيل المستمر أمرًا بالغ الأهمية. تتجه المستشفيات ومراكز البيانات بشكل متزايد إلى الهيدروجين لتوفير الطاقة دون انقطاع. ويمكنه أيضًا أن يعمل كمولدات احتياطية تسمح لخادم مركز البيانات بالعمل على الهيدروجين فقط لمدة يومين.

8. توليد الطاقة المتنقلة: يوفر الهيدروجين خيارات متعددة لتوليد الطاقة المتنقلة. أنتجت ناسا بعضًا من أولى خلايا وقود الهيدروجين صواريخ الطاقة والمكوكات الفضائية في الفضاء.

9. الطائرات بدون طيار: هناك العديد من التطبيقات المبتكرة للطائرات بدون طيار، والتي تتراوح من توصيل الطرود إلى مهام البحث والإنقاذ، تُعيقها بشدة قوة ومدى البطاريات التقليدية. لذا، يعتزم كلٌّ من الجيش والشركات الخاصة معالجة هذه المشكلات باستخدام خلايا الوقود.

10. القوارب والغواصات: تُستخدم خلايا الوقود في مجموعة متنوعة من التطبيقات البحرية، كبديل لأنظمة الطاقة النووية. مراقب الطاقة، أول سفينة هيدروجين، أنتجت الهيدروجين لنظام خلايا الوقود باستخدام الألواح الشمسية وطواحين الهواء على متن السفينة.

أيضا، تحقق من مدونتنا: طاقة الهيدروجين: المزايا والعيوب

ما هي مكونات خلايا وقود الهيدروجين؟?

تتكون خلية الوقود من قطبين، الأنود والكاثود مفصولين بغشاء إلكتروليت. يمكن استخدام الهيدروجين والميثان والإيثان والإيثانول وغيرها من أنواع الوقود العضوي في خلية الوقود لتوليد الكهرباء. تخضع هذه الأنواع من الوقود للاحتراق غير الكامل، وتُطلق الحرارة كناتج ثانوي. معظم هذه التفاعلات تفاعلات أكسدة واختزال، مما يؤدي إلى تحويل الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية، وإنتاج الماء وثاني أكسيد الكربون كناتج ثانوي.

كيف تعمل خلايا وقود الهيدروجين؟

توفر هذه الخطوات نظرة عامة موجزة حول كيفية عمل خلية الوقود:

1. الهيدروجين هو تم إدخاله في الأنود، ويتم توفير الأكسجين عند الكاثود.

2. في الأنود، تنقسم ذرات الهيدروجين إلى بروتونات وإلكترونات.

3. يتم توليد الكهرباء عندما تتحرك الإلكترونات عبر دائرة كهربائية بينما تنتقل البروتونات المشحونة إيجابيا عبر إلكتروليت وغشاء إلى الكاثود.

4. بعد أن تمر عبر الدائرة والغشاء، تتفاعل الإلكترونات والبروتونات مع الأكسجين عند الكاثود، إطلاق الحرارة والماء كمنتج ثانوي.

5. نظرًا لأن خلايا الوقود الفردية غير كافية لتشغيل جهاز إلكتروني متواضع أو محطة طاقة ضخمة، يتم تكديس هذه الخلايا معًا توليد الطاقة الكافية للغرض المقصود منها.

انظر أيضا: عصر الهيدروجين: رؤى حول التحول القادم في مجال الطاقة في الولايات المتحدة

مقارنة كفاءة خلايا وقود الهيدروجين عبر أنواع مختلفة من الخلايا

استخدم كفاءة من أنواع خلايا الوقود المختلفة هي:

نوع خلية الوقود	الكفاءة
AFC القلوية	60-70% كهربائية
حمض الفوسفوريك (PAFC)	80-85% بشكل عام مع CHP (طاقة حرارية مشتركة)؛ (كهرباء 36-42%)
كربونات منصهرة (MCFC)	حوالي 85% إجمالاً مع الطاقة الحرارية المجمعة
أكسيد صلب (SOFC)	حوالي 85% إجمالاً مع الطاقة الحرارية المجمعة
غشاء البوليمر بالكهرباء (PEM)	كهربائي 50-60%

تُشبه خلايا الوقود البطاريات، إذ يمكنها تخزين الطاقة وإطلاقها طالما توفر لها مصدر للهيدروجين. ولها تطبيقات متعددة، تشمل النقل وإنتاج الكهرباء. ومع ذلك، ينبغي على العلماء والمهندسين مراعاة تحديات السلامة المرتبطة بالهيدروجين. لمزيد من المعلومات، تفضلوا بزيارة موقعنا الإلكتروني.

أوصى: طاقة الهيدروجين: العمل والاستخدامات